芯耀
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IMU，即慣性測量單元Inertial Measurement Unit，是一種關(guān)鍵的導(dǎo)航設(shè)備，它通過測量物體的加速度和角速度來提供關(guān)于物體位置、速度和方向的變化信息。這種技術(shù)基于牛頓運(yùn)動定律，能夠在沒有外部參考的情況下，獨立地確定物體的運(yùn)動狀態(tài)。
IMU通常包含加速度計和陀螺儀，有時還包括磁力計，以提供更全面的位置信息。加速度計用于測量物體在三個空間軸上的加速度，而陀螺儀則測量物體繞這三個軸的旋轉(zhuǎn)速率。通過這些數(shù)據(jù)的集成和處理，IMU能夠計算出物體的位置和方向變化，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車導(dǎo)航、智能手機(jī)、機(jī)器人技術(shù)以及戶外運(yùn)動等領(lǐng)域。
可以說IMU是多種器件的組合，我們這里聚焦于陀螺儀。陀螺儀相當(dāng)于手捧一個神器，這個神器不管人手怎么動，都是指向一個固定方向不動。指向一個固定方向不動，就可以“在沒有外部參考的情況下，獨立地確定物體”的姿態(tài)角度。
陀螺儀指向的固定方向作為內(nèi)部參考，就代替了“外部參考”，載具相對于陀螺儀不變方向（比如指向北極星保持不變）的三個空間角x,y,z的變化，就表明載具的運(yùn)動方向。
大到洲際導(dǎo)彈，小到幾十克重的四軸無人機(jī)，都是“手捧”陀螺儀在飛行，從而判斷自己的實時三維飛行方向。
法國物理學(xué)家 Léon Foucault 于 1852 年發(fā)明的陀螺儀， 現(xiàn)收藏于法國國家工藝美術(shù)博物館的一個復(fù)制品 （圖片來源：維基百科），其物理原理很簡單，就是高速旋轉(zhuǎn)的陀螺有保持空間指向不變的傾向，也就是慣性，這也是慣導(dǎo)名字的來源之一。陀螺儀的質(zhì)量越大慣性越大，指向越準(zhǔn)確保持性越好。
現(xiàn)代小巧無人機(jī)當(dāng)然不可能頂著一個大鐵坨子飛行，現(xiàn)代陀螺儀都已經(jīng)集成在芯片中了。
MPU6050 芯片， 該芯片包含一個三軸陀螺儀， 一個三軸加速度計，以及一個片上 DMP （Digital Motion Processor） 進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。
能做這么小，全賴MEMS技術(shù)。全稱為微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro Mechanical Systems），是一種將電子電路與微型機(jī)械結(jié)構(gòu)集成在同一硅基板上的微型系統(tǒng)技術(shù)。這項技術(shù)結(jié)合了集成電路制造工藝和精密機(jī)械加工技術(shù)，能夠在微觀尺度上實現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)械、光學(xué)、熱學(xué)、流體以及化學(xué)功能。MEMS器件通常尺寸在微米到毫米級別，具有體積小、重量輕、功耗低、成本低廉、可靠性高等優(yōu)點。
既然有了精確的運(yùn)動方向測量方法，剩下的事情當(dāng)然是控制載具往預(yù)期的方向飛行。那么有沒有精確的數(shù)學(xué)關(guān)系控制電機(jī)轉(zhuǎn)速（四軸無人機(jī)沒有方向舵，全靠飛控控制電子調(diào)速器來控制四個電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)前進(jìn)后退轉(zhuǎn)向）來控制載具的移動方向呢？
回答，沒有，也不可能有，因為各種測量誤差和實時干擾都會打破事先確定的數(shù)學(xué)模型，比如風(fēng)。
這時候控制論登場，控制論控制物體和人控制物體本質(zhì)是一樣的，調(diào)多了就往回調(diào)，調(diào)猛了就就調(diào)小一點幅度。所謂的“閉環(huán)控制”，就是根據(jù)實時反饋調(diào)整實時操縱量而已。
而控制算法的全部精髓，就是讓這種根據(jù)反饋而反復(fù)嘗試的調(diào)整過程又快又準(zhǔn)，無限趨近于一次成功，最小化調(diào)整次數(shù)和調(diào)整幅度達(dá)到最小誤差，最好和預(yù)期方向誤差為0。
請注意“最小化”這幾個字，這也是為什么所有控制算法（包括所有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）都落腳在“數(shù)學(xué)優(yōu)化optimization”上。
而數(shù)學(xué)優(yōu)化又落腳到精確優(yōu)化（解方程）和啟發(fā)式優(yōu)化（漸進(jìn)近似）兩大主流方向上。而且不管哪種優(yōu)化方式，都要依賴計算機(jī)（嵌入式MCU）來迭代求解。
最優(yōu)化就是尋找函數(shù)圖像中的最大值或者最小值。
PID控制算法是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的反饋控制算法。PID是三個單詞的首字母縮寫，分別代表比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Derivative）。這三個部分共同作用，使得PID控制器能夠有效地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出，使其達(dá)到并保持在一個期望的目標(biāo)值上。
PID最大的優(yōu)點是簡單易用效果好。初學(xué)者往往驚訝于這么簡單的算法能達(dá)到這么好的控制效果。對于四軸無人機(jī)，PID輸入的控制變量u就是四個連接著螺旋槳的電機(jī)轉(zhuǎn)速，甚至連電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向都不需要變化，以此來控制四軸無人機(jī)的所有運(yùn)動。所以u是一個四維向量，每一維就是一個電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。
已經(jīng)有很多博文介紹PID，本文主要討論P(yáng)ID的三個參數(shù)，三個K。直觀說，這三個超參（超參是指人為設(shè)定的參數(shù)，超就超在這些參數(shù)是猜的藝術(shù)，是玄學(xué)）代表PID控制動作的猛烈程度。本質(zhì)上和司機(jī)踩油門和剎車的力道是一回事兒。
如何確定最佳的三個K呢？優(yōu)化算法登場，確定最佳的三個K值，達(dá)到前述的“最小化調(diào)整次數(shù)和調(diào)整幅度達(dá)到最小誤差”的效果。
至此，從業(yè)者可以管中窺豹“從硬件延伸到到算法深水區(qū)”的基本脈絡(luò)。
算法就是玄學(xué)，這也是從自動駕駛到無人機(jī)的從業(yè)者要面對無窮無盡的數(shù)學(xué)的原因。當(dāng)年高斯糾結(jié)于是從事數(shù)學(xué)研究還是神學(xué)研究，他的導(dǎo)師說：“數(shù)學(xué)是最接近神學(xué)的學(xué)科，但是有更多的實際應(yīng)用”。至于后來，后來的后來眾所周知了。
