传感器初探：加速度计、陀螺仪与磁力计

做姿态解算这么多年，我始终觉得一个道理特别朴素：你连传感器的脾气都摸不透，就别指望能写出好算法。今天咱们就来聊聊这三个老伙计——加速度计、陀螺仪、磁力计。它们各自有什么本事，又有什么臭毛病。

加速度计：它测的到底是什么？

很多人以为加速度计测的是「运动加速度」，其实不然。它测的是比力（Specific Force），也就是物体受到的合力中，除去引力后的那部分。说白了，它感受到的是「支撑力」。

举个例子：你站在地上不动，加速度计读数是 (0, 0, 1g)。为什么？因为地面在托着你，给你一个向上的支撑力。如果你自由落体，加速度计读数会变成 (0, 0, 0)。嗯，这时候它「失重」了。

我在项目中遇到过一个问题：无人机悬停时，加速度计读数一直在 0.98g 到 1.02g 之间跳。一开始我以为是算法问题，后来发现是机臂的振动传到了传感器。所以啊，加速度计对高频振动特别敏感，这是它的第一个特性。

特性	说明
测量原理	检测质量块受到的惯性力，输出比力值
静态特性	静止时能准确感知重力方向，用于计算俯仰和横滚
动态特性	对运动加速度敏感，但容易被振动干扰
主要局限	无法区分重力加速度和运动加速度

陀螺仪：角速度的忠实记录者

陀螺仪测的是角速度，单位是 °/s 或 rad/s。它基于科里奥利力原理——一个振动的质量块，当它旋转时会产生一个垂直于振动方向的力。测出这个力，就能算出角速度。

陀螺仪有个让我又爱又恨的特点：短期精度极高，但长期会漂移。你想想看，它测的是角速度，要得到角度就得积分。积分嘛，误差会一点点累积。我曾经做过一个实验：把陀螺仪放在桌上一动不动，10分钟后积分出来的角度已经偏了 5 度。

为什么会这样？因为陀螺仪有零偏（Bias），也就是静止时输出不为零。这个零偏会随时间变化，还受温度影响。我记得有一次在户外做测试，中午太阳晒着，陀螺仪的零偏比早上大了将近一倍。

特性	说明
测量原理	科里奥利效应，检测振动质量块的横向位移
短期特性	动态响应快，高频噪声小，适合跟踪快速运动
长期特性	存在零偏漂移，积分后角度误差随时间累积
温度敏感性	零偏随温度变化，需要温度补偿或定期校准

磁力计：寻找北方的指南针

磁力计测的是磁场强度，单位是 μT（微特斯拉）。它利用的是霍尔效应或磁阻效应——磁场变化会引起材料电阻或电压的变化。通过测量三个轴上的磁场分量，就能算出地磁场方向，也就是我们说的「航向角」。

但磁力计有个大问题：太容易被干扰了。你身边随便一个金属物体、一根电线、甚至一块混凝土里的钢筋，都会让磁场读数变形。我在一个室内定位项目里吃过这个亏——明明校准好了，一靠近墙角航向角就跳了 30 度。

另外，磁力计需要做硬铁校准和软铁校准。硬铁干扰是固定的偏置，比如电路板上的永磁体；软铁干扰是方向依赖的，比如铁磁性材料会扭曲磁场线。不做校准的话，航向角误差能到十几度。

特性	说明
测量原理	霍尔效应或磁阻效应，检测地磁场矢量
主要用途	提供航向角参考，修正陀螺仪的偏航漂移
主要局限	易受铁磁材料干扰，需要环境校准
校准要求	硬铁校准（消除固定偏置）和软铁校准（消除方向依赖误差）

三种传感器的互补关系

现在你该明白了，为什么姿态解算要用互补滤波——因为这三个传感器正好互补：

• 加速度计：低频准，高频差。静止时能给出准确的俯仰和横滚，但动态时被振动污染。
• 陀螺仪：高频准，低频差。短时间内的角速度测量很可靠，但长时间积分会漂移。
• 磁力计：提供绝对航向参考，但容易受环境干扰，而且需要倾斜补偿。

说白了，就是用陀螺仪跟踪快速运动，用加速度计和磁力计来「拉回」长期漂移。互补滤波就是干这个活的——把高频信号给陀螺仪，把低频信号给加速度计和磁力计，各取所长。

这张图把整个逻辑串起来了。你看，三个传感器各司其职，互补滤波器就是那个「和事佬」——谁在什么频段靠谱，就多信谁一点。这就是互补滤波的精髓。

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