2. 震动测量：加速度计原理、陀螺仪原理、IMU数据读取、震动数据记录方法

好，咱们进入正题。震动测量这件事，说白了就是搞清楚你的无人机到底在抖什么。我见过太多飞友，一上来就调PID，结果调了半天发现是震动太大，传感器数据全是噪声。嗯，这步走错了，后面全是白费功夫。

2.1 加速度计原理

加速度计测量的是比力，不是单纯的重力加速度。这个概念我当年也绕了很久。简单说，它测的是「物体受到的惯性力与重力的合力」。

常见的MEMS加速度计内部有个微小的质量块，固定在弹簧结构上。当无人机加速时，质量块会偏移，电容值发生变化，通过测量电容变化就能反推出加速度。

我在项目中遇到过一个问题：飞机悬停时加速度计Z轴读数不是9.8，而是9.5左右。排查了半天，发现是减震海绵压得太紧，导致传感器感受到了额外的应力。嗯，机械安装也会影响读数，这个坑大家要注意。

2.2 陀螺仪原理

陀螺仪测量的是角速度，单位是°/s。MEMS陀螺仪利用的是科里奥利效应——一个振动的质量块在旋转时会产生垂直于振动方向的位移。

说白了，就是让一个质量块高速振动，然后检测它有没有被「带偏」。偏了多少，就对应转得有多快。

传感器	测量量	单位	常见量程
加速度计	比力（加速度）	m/s² 或 g	±2g ~ ±16g
陀螺仪	角速度	°/s	±250 ~ ±2000°/s

2.3 IMU数据读取

IMU（惯性测量单元）通常把加速度计和陀螺仪封装在一起，有的还带磁力计。读取IMU数据，最常用的就是I2C和SPI两种接口。

我个人更推荐SPI，速度快、延迟低。I2C虽然接线少，但在高速读取时容易受干扰。你想想看，飞控在高速运算时，I2C总线上的数据包一旦被中断，整个姿态估计就会抖一下。

下面是一个典型的MPU6000读取代码片段（SPI模式）：

// MPU6000 SPI读取示例
uint8_t mpu_read_byte(uint8_t reg) {
    uint8_t data;
    CS_LOW();
    spi_transfer(reg | 0x80);  // 读操作
    data = spi_transfer(0x00);
    CS_HIGH();
    return data;
}

// 读取加速度计和陀螺仪数据
void mpu_read_all(float* accel, float* gyro) {
    uint8_t buf[14];
    CS_LOW();
    spi_transfer(MPU6000_ACCEL_XOUT_H | 0x80);
    for (int i = 0; i < 14; i++) {
        buf[i] = spi_transfer(0x00);
    }
    CS_HIGH();
    
    // 解析数据（注意字节序）
    accel[0] = (int16_t)(buf[0] << 8 | buf[1]) * ACCEL_SCALE;
    accel[1] = (int16_t)(buf[2] << 8 | buf[3]) * ACCEL_SCALE;
    accel[2] = (int16_t)(buf[4] << 8 | buf[5]) * ACCEL_SCALE;
    gyro[0]  = (int16_t)(buf[8] << 8 | buf[9]) * GYRO_SCALE;
    gyro[1]  = (int16_t)(buf[10] << 8 | buf[11]) * GYRO_SCALE;
    gyro[2]  = (int16_t)(buf[12] << 8 | buf[13]) * GYRO_SCALE;
}

2.4 震动数据记录方法

震动数据怎么记？最直接的方法是把原始IMU数据以最高速率（通常1kHz）写入SD卡或通过串口传到地面站。

我个人习惯用以下流程：

1. 设置记录参数：采样率1kHz，加速度计量程±16g，陀螺仪量程±2000°/s
2. 启动记录：飞机上电后，先记录30秒静态数据（用于基线校准）
3. 运行工况：在不同油门、不同姿态下记录30-60秒
4. 停止记录：保存为CSV或BIN格式

数据格式建议这样：

// CSV格式示例
timestamp_ms, accel_x, accel_y, accel_z, gyro_x, gyro_y, gyro_z
0, 0.12, -0.05, 9.81, 0.01, -0.02, 0.00
1, 0.13, -0.04, 9.80, 0.02, -0.01, 0.01
2, 0.11, -0.06, 9.82, 0.00, -0.03, 0.00
...

为什么要记录静态数据？因为你可以用它来评估传感器的本底噪声。如果静态时加速度计噪声超过0.1g，说明传感器本身就有问题，或者供电纹波太大。

下面这张图展示了震动数据记录和分析的核心流程：

记录完数据后，用FFT分析频谱。如果发现某个频率的幅值异常高（比如电机转速对应的频率），那就是震动源。这时候再去调滤波器参数，才有针对性。