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「」解密多旋翼飞行器传感器技术

怎么评价一台多旋翼飞行器是否是合格的无人机呢？就像一辆合格的汽车必须有车身稳定控制、安全带、安全气囊、ABS 防抱死装置等安全措施一样 ， 多旋翼飞行器也必须有惯性测量元件、GPS、视觉里程计、避障系统、气压计和超声波等传感器构成的智能导航系统才能称为无人机 。接下来就向大家讲解多旋翼传感器发展背后的逻辑 ， 让大家知道一台合格的无人机背后的故事 。
背景知识
十五个测量状态
多旋翼飞行器想要在三维世界稳定飞行 ， 首先最基础的问题是要确定自己在空间中的位置和姿态 。测量位置和姿态需要不同的传感器 ， 例如飞行器的三维位置可由GNSS 卫星导航系统获取 。
多旋翼飞行器在空中飞行的时候 ， 只知道三维位置还不够 。多旋翼飞行器是通过调整自己的“姿态” ， 来产生往某个方向的推力完成飞行动作 。比如说往侧面飞实际上就是往侧面倾 ， 此时飞行器的一部分升力会推着飞行器往侧面移动 。为了能够调整自己的姿态 ， 就必须测量自己的姿态 。姿态用三个角度表示 ， 也是三维的 。此外测量位置实时变化也需要知道三维的速度和加速度 。
多旋翼飞行器要确定自己在空间中的位置和姿态 ， 就要测量自己的三维速度、三维加速度和三维角速度 ， 一共是十五个状态量 。多旋翼传感器技术的发展 ， 就是围绕如何准确测量这十五个状态量展开的 。
第一代飞控技术
【「」解密多旋翼飞行器传感器技术】组合导航技术
准确测量十五个状态量是多旋翼飞行器做任何动作的基础中的基础 ， 但是现在的科技水平还没有能够实现让一个传感器同时测量这么多的物理量 。几十年来 ， 人们发展出了一套复杂的技术 ， 用 GNSS加上惯性测量元件、气压计和地磁指南针形成组合导航来测量十五个状态量 。
名词解释：
GNSS 全球卫星导航系统 ， 他的作用是测量经度、纬度和高度；地磁指南针 ， 他的作用测量航向 。
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GNSS 天线及地磁指南针
惯性测量元件 ， 他的作用是测量自身的三维加速度和三维角速度 。气压计 ， 他的作用是测量海拔高度 。
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惯性测量元件及气压计
传感器互补原理
GNSS、惯性测量元件、地磁指南针和气压计都有各自的优缺点 ， 导致无法准确测量飞行器的状态量 。通过使用电子信号处理领域的技术 ， 融合多种传感器的测量值 ， 可以较为准确地测量飞行器十五个状态量 。
例如惯性测量元件的测量容易发散 ， 这个发散可通过 GNSS 来抑制 。GNSS 可获得三维位置也可获得三维速度 。惯性测量元件可获得三维加速度 ， 加速度的积分也是速度 。在通过地磁指南针获得航向的基础上 ， 两种速度的观测就可融合 。通过 GNSS 的测量值来发现并抑制惯性测量元件的发散 ， 就能更准地测量三维角度和三维加速度 。因此 GNSS 和惯性测量元件可互相取长补短 ， 提高测量的准确性 。
大疆在上述的技术基础上进行了自主研发 ， 并于 2007 年推出大疆第一代飞控产品 XP2.0 。并后续推出了面向多旋翼飞行器的飞控产品 ， 例如悟空、哪吒等 。大疆的飞控产品凭借质优价廉的特点 ， 一举占领了世界多旋翼飞控市场 ， 也奠定了日后全球引领者的地位 。
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Wookong-M 飞控
但是有的传感器无法通过互补的方式弥补它的缺点 ， 例如 GNSS 信号只有在开阔的空间内才能给出比较好的测量值 。因为 GNSS 接收机需要从天上的卫星获得信号 ， 要求接收机和卫星之间的连线上没有遮挡 。一旦有建筑甚至是树木的遮挡 ， 卫星发下来的信号就有噪声 ， GNSS 接收机就不能给出很好的位置和速度观测 。在室内环境中 ， GNSS 甚至完全不能使用 。组合导航技术要想进一步发展 ， 就需要寻找其他能够在 GNSS 不能使用的环境中 ， 使用的传感器来弥补它的缺点 。


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