ADXRS620/642/646发布：在PX4上我们为什么扔掉了MPU6000这个IMU
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经过我们3个月的调试开发，支持PX4固件的外置IMU，终于调试通过。为啥我们费劲心机的换掉了MPU6000这个消费级的IMU！采用了ADXRS620/642/646工业级的陀螺仪和ADXL203工业级别的加速度计组成的外置(SPI接口的)IMU，替换了原本的MPU6000这个IMU。
我们知道一个IMU主要器件里面主要是陀螺仪和加速度计！因为我们要检测飞机的姿态，也就是XYZ轴的角度。飞行器之所以能悬停，是因为MEMS传感器可以检测飞行器在飞行过程中的俯仰角和滚转角变化，在检测到角度变化后，就可以控制电机向相反的方向转动，进而达到稳定的效果。这是一个典型的闭环控制系统。至于用MEMS传感器测量角度变化，一般要选择组合传感器，既不能单纯依赖加速度计，也不能单纯依赖陀螺仪，这是因为每种传感器都有一定的局限性。
陀螺仪输出的是角速度，要通过积分才能获得角度，但即使在零输入状态时，陀螺依然是有输出的，它的输出是白噪声和慢变随机函数的叠加，受此影响，在积分的过程中，必然会引进累计误差，积分时间越长，误差就越大。这就需要加速度计来校正陀螺仪，因为加速度计可以利用力的分解原理，通过重力加速度在不同轴向上的分量来判断倾角。由于没有积分误差，所以加速度计在相对静止的条件下可以校正陀螺仪的误差。但在运动状态下，加速度计输出的可信度就要下降，因为它测量的是重力和外力的合力。较常见的算法就是利用互补滤波，结合加速度计和陀螺仪的输出来算出角度变化。
上面一段话是告诉大家陀螺仪里面很重要一条指标就是陀螺仪零飘，零飘带来的累积误差影响角度的检测。一个优秀的陀螺仪零飘一定要小。
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陀螺仪的理想输出是只响应角速度变化，但实际上受设计和工艺的限制，陀螺仪对加速度也是敏感的，这就是陀螺仪数据手册上常见的deg/sec/g的指标。对于多轴飞行器的应用来说，这个指标尤为重要，因为飞行器中的马达一般会带来较强烈的振动，如果减震控制不好，就会在飞行过程中产生很大的加速度，这势必会带来陀螺输出的变化，进而引起角度变化，马达就会误动作，最后给终端用户的直观感觉就是飞行器并不平稳。除此之外，在某些情况下，如果飞行器突然转弯，可能会造成输入转速超过陀螺仪的测试量程，理想情况下，陀螺仪的输出应该是饱和输出，待转速恢复到陀螺仪量程范围后，陀螺仪再正确反应实时的角速度变化，但有些陀螺仪确不是这样，一旦输入超过量程，陀螺便会产生震荡输出，给出完全错误的角速度。还有某些情况下，飞行器会受到较大的加速度冲击，理想情况陀螺仪要尽量抑制这种冲击。
上面一段话告诉大家陀螺仪受加速度，受震动影响较大。一个优秀的陀螺仪可以抑制加速度和震动的冲击，不能产生振荡输出。
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原版的PIXHAWK这款飞控用的MPU6000这款IMU，是消费级别的IMU，在陀螺仪上零飘和抗冲击性能，以及工作温度范围，只适用于消费级别的产品。我们也认为PIXHAWK原版的飞控在硬件的配置上，紧紧只是航模级别的控制系统。这也是PIXHAWK在工业应用场合，并不能很好胜任的原因之一。
以下是MPU6000的测试数据：
这是加速度噪声，在静止情况下，时间轴长度是5分钟，在这段时间内的突变噪声还是比较大的，甚至到达了0.5。
这是陀螺仪在10分钟内的数据记录，我们可以看到白噪声最大已经是0.17。
这样的原始数据给到姿态估计算法，实际上对姿态估计算法的挑战还是挺大的。
我们的IMU与Xsens MTI-710-G数据实测对比
▲加速度计动态数据▲
▲陀螺仪动态数据▲
▲加速度计静态数据▲
▲陀螺仪静态数据▲
IMU数据实测对比
我们可以清楚看到我们的IMU(ADXRS620/ADXL642)和Xsens MTi-710这款2万多的IMU相比（橙色为我们的ADXRS620/ADXL642），在白噪声的数据甚至要优于Xsens MTi-710，长时间的数据噪声绝对控制在0.02一下。ADI公司的MEMS传感器的性能在业界也是顶尖水平，其稳定性及可靠性在均可达到工业级别的应用场景。
pixhawk这款飞控采用的传感器都是消费级别的传感器，各种零飘和白噪声都比较大，一致性也不能保证。我们认为不是非常适合用在工业级别的无人机上，特别是一些比较大的和长航时的无人机。
笔者也跟很多行业领域的无人机研发厂商交流，他们会说我们原版的MPU6000飞行也很稳定啊，你看我们调试的参数，飞机飞得也很稳定，大疆的以前的飞机也似MPU6000啊。笔者认为在工业应用场合考验的是各种极端场合情况的表现性能，我们的消费级别的传感器，在普通场合和工业级别的传感器性能可能差异并不大。但是一些偶发和极端场合以及长时间运行，就有明显的差异。其实无人机工作的稳定性的主要衡量指标就是在一些偶发和极端场合。就像陀螺仪这样的传感器，如果长时间使用，白噪声越大，累计误差越大，时间长了性能下降，因为我们的无人机有的时候会长时间运行。尤其在油动飞机场合，长航时和大震动，这些对于IMU都是非常巨大的挑战。
1 此次外置IMU采用SPI高速总线传输，spi最大读取速率5000Hz。内置CPU进行姿态计算，可提供高达1500HZ更新率，支持各种数据预处理：四元数，欧拉角，卡尔曼， mahony互补滤波，其更宽广的工作温度范围（−40°C至+125℃），可应对各种极端气候。
2 角速率传感器采用工业级的ADXRS620/622/623/624/642/646/649/652(可选)，该系列传感器其最大的特点是自带有振动抑制（50-5khz，15grms随机震动平均低于0.001(°/s)2/√Hz）和较高抗冲击性能（10000G冲击），更为宽广的工作范围（−40°C至+105°C），±300°/s典型测量范围。
3 加速采用的是ADXL203//212/213/278(可选)两轴加速度计，该系列加速度传感器可同时进行静态和动态加速度计测量，可以定制化的加速度计带宽范围，用以避开因载具不同而造成的共振问题。
4 原始数据采集采用模拟器件，我们采用16位分辨率、无失码AD转换，采样速度可提供高达250kps，后期姿态结算提供更为平滑的原始数据，谐波失真低于-100dB，力求数据转换更为精准。
5 我们深知电源对信号调理的重要性，对此，我们对电源进行了多次的优化处理，为求达到最优的效果，电源精准度提高达到0.0002V（0.02%），外接电源支持范围为提供3.3-5.5V内自适应。
6 启动时间1S，支持RS232，CAN，USB等多种用户定制的数据读取模式和协议，工厂校准的正交和比例因子、温度，温度为5点拟合，-10～60度，可按照用户需求定制更大范围的适配性。
7 此外，由于IMU可插拔，它比传统飞控更加容易校准，更适合在油动飞机上的应用。
我们想强调！无人机是一个整体系统，影响稳定性的因素有很多种，笔者以为一款稳定飞行无人机系统，一定是每个部分的相互配合。IMU，动力系统，主控系统，控制算法的相互配合。每个部分一定要性能都非常好，才可以稳定飞行，任何一个环节稳定性不够，都会直接拉低整个系统的性能。我们不能够说提高了某一部分的性能，比如用了我们最新的ADI的工业级陀螺仪，就可以飞行的很稳定。我们想表述的意思是一款专业的无人机是要采用工业级别的传感器，来保证其稳定性。同时必须提高每一部分的性能，来保证整个系统的性能。
我们的IMU预售说明
此款IMU为预售发布，预售价格为：
ADXR620陀螺仪 + ADXL203加速度计 ：1999元
ADXR642陀螺仪 + ADXL203加速度计 ：2999元
【此款IMU至少满10单可出】
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说明：该款IMU我们已经写好了PX4的相关驱动，即插即用，使用非常方便。
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