無人機的飛行感知技術解析

　　無人機的飛行感知技術主要用作兩個用途，其一是提供給飛行控制系統(tǒng)，由于飛行控制系統(tǒng)的主要功能是控制飛機達到期望姿態(tài)和空間位置，所以這部分的感知技術主要測量飛機運動狀態(tài)相關的物理量，涉及的模塊包括陀螺儀、加速度計、磁羅盤、氣壓計、GNSS模塊以及光流模塊等。另一個用途是提供給無人機的自主導航系統(tǒng)，也就是路徑和避障規(guī)劃系統(tǒng)，所以需要感知周圍環(huán)境狀態(tài)，比如障礙物的位置，相關的模塊包括測距模塊以及物體檢測、追蹤模塊等。

　　陀螺儀

　　目前商用無人機普遍使用的是MEMS技術的陀螺儀，因為它的體積小，價格便宜，可以封裝為IC的形式。MEMS式陀螺儀常用來測量機體繞自身軸旋轉(zhuǎn)的角速率，常用的型號有6050A(Invensense)，ADXRS290(ADI)，衡量陀螺儀性能的指標包括測量范圍(量程)、靈敏度、穩(wěn)定性(漂移)以及信噪比等。

　　上面是一個陀螺儀溫度漂移測試結(jié)果圖，測試的環(huán)境是從25℃升溫至50℃，整個過程保持陀螺儀靜止不動，陀螺儀的準確輸出應該是一個固定的數(shù)值。但從結(jié)果來看，兩款傳感器的實際輸出都受到溫度變化影響。相比而言，ADXRS290(ADI)的輸出數(shù)值變化幅度較小，基本上在0.5左右。

　　加速度計

　　加速度計測量的是機體運動的線加速度，但由于地球引力，測量值中還會包含重力加速度分量，在某些使用情況下需要把這部分減去。常用的MEMS加速度計傳感器型號有6050A(Invensense)和ADXL350(ADI)。部分傳感器生產(chǎn)商為了提高芯片集成度，會將陀螺儀和加速度計封裝在一起，稱為六軸傳感器，例如6050A(Invensense)。

　　磁羅盤

　　磁羅盤測量的物理量是地球磁場強度沿機體軸的分量，并依此計算出機體的航向角。常用的MEMS磁羅盤傳感器型號有HMC5983L(Honeywell)和QMC5883L(矽睿)，兩者性能相近，其中前者目前已經(jīng)停產(chǎn)。磁羅盤主要的性能參數(shù)包括靈敏度、穩(wěn)定性(漂移)等。

　　氣壓計

　　氣壓計測量的物理量是大氣壓值，根據(jù)該數(shù)值可計算出絕對海拔高度。常用的氣壓計傳感器型號包括MS5611(MEAS)、MS5607(MEAS)以及BMP180(Bosch)。氣壓計在使用過程中存在的問題是，在近地面飛行時，“地面效應”的存在會導致飛機周圍氣體的氣壓分布與靜止狀態(tài)下的大氣不同，使得無法用氣壓計來測算出高度。通常的解決辦法是在起飛或降落時使用其他傳感器，比如超聲波傳感器或激光測距儀。

　　GNSS模塊

　　GNSS模塊測量的物理量相對比較豐富，主要包括地理坐標(經(jīng)緯度)、海拔高度、線速度以及航向角(RTK系統(tǒng))。常用的GNSS模塊生產(chǎn)商包括瑞士的U-BLOX和加拿大的NOVATEL。在使用GNSS模塊時，衛(wèi)星信號接收天線的放置需要要注意電磁干擾的屏蔽，部分有實力的整機生產(chǎn)廠商會根據(jù)飛機型號專門定制衛(wèi)星信號接收天線。

　　光流模塊

　　光流模塊是一個比較特殊的模塊，既可以用來感知機體的運動狀態(tài)，如測量水平方向的位移速度，也可以用來感知周圍的環(huán)境，用作避障的用途。比較常見的光流模塊是開源的PX4FLOW。光流模塊通常在室內(nèi)使用，主要是為了解決室內(nèi)衛(wèi)星信號不佳的問題，另外對于拍攝的地面需要有一定紋理圖案。

　　周圍環(huán)境狀態(tài)感知

　　測距模塊

　　這里列舉五個常用的測距模塊：超聲波、紅外TOF、激光、毫米波雷達、深度感知攝像頭。

　　超聲波和紅外TOF各方面性能比較相似，比如測量距離都比較近，像超聲波測量的距離一般在4米左右。另外這兩種傳感器的使用范圍都容易受到實際環(huán)境的限制，比如紅外TOF是向被測物體表面發(fā)射紅光并反射，如果遇到紅光反射率不高的物體像玻璃就會失效。但這兩種傳感器有一個最大的優(yōu)勢就是成本低，另外模塊體積也比較小，所以在消費類無人機上得到了廣泛使用。

　　激光雷達測距一般都比較遠，大多數(shù)產(chǎn)品都可以達到100米以上，但是大雨大霧的天氣環(huán)境會影響其測量結(jié)果。另外的劣勢在于成本比較高： 在激光雷達行業(yè)實力最強的是Velodyne，它的一款適用于無人機使用的小型化產(chǎn)品VLP-16價格也達到了1000美元以上，對于商用無人機來說成本還是比較高。

　　深度感知攝像頭根據(jù)測量技術可以分為三種，立體攝像頭，也叫雙目視覺技術，代表產(chǎn)品就是大疆的精靈4;結(jié)構光技術，代表產(chǎn)品有微軟的Kinect;時差測距技術(TOF)，由于生產(chǎn)廠家較少而且成本較高，因此在無人機上的應用很少。深度感知攝像頭在使用時也存在局限性，雙目視覺技術的缺點是在低光環(huán)境下無法正常工作，而結(jié)構光技術則與之相反，在強光下無法正常工作。因此有的廠家把兩種技術進行組合，彌補彼此的缺陷，擴大其適用的環(huán)境范圍。

　　提高測量精度的方法

　　傳感器校準

　　傳感器校準，包括精校準和粗校準。精校準效果比較好，但需要昂貴的標定設備;粗校準則不需要借助外部設備，只對傳感器本身進行操作即可。

　　以磁羅盤的粗校準為例，由于地球上任意位置的地磁場強度在較長時間跨度內(nèi)都可視為是恒定的，當轉(zhuǎn)動磁羅盤時，根據(jù)相對運動可假設磁羅盤固定不動，而地磁場矢量隨之在轉(zhuǎn)動，其矢量端點在空間的軌跡應為一個標準的球體，但由于傳感器存在誤差，實際測出的數(shù)據(jù)并不嚴格都在球體的表面，這時候就需要根據(jù)測量出來的數(shù)值以及已知的準確值來計算兩者之間的換算關系，也就是該款磁羅盤的誤差模型。在以后使用該款磁羅盤時就可以根據(jù)粗校準得出的誤差模型來處理測量值，使得測量值的誤差減小。

　　磁羅盤校準(SGB sbgcenter)

　　多種傳感器數(shù)據(jù)融合

　　不同類型的傳感器數(shù)據(jù)融合方法有多種，在業(yè)內(nèi)用的比較普遍而且效果也比較好的是EKF，也就是擴展卡爾曼濾波。

　　以計算飛機姿態(tài)角的融合方法為例，EKF更新過程主要分為兩個部分，預測更新和量測更新。預測更新主要利用陀螺儀更新預測狀態(tài)量，同時計算該狀態(tài)量的協(xié)方差矩陣。在量測更新中先會計算濾波增益，然后使用濾波增益融合預測狀態(tài)量、加速度計以及磁羅盤的數(shù)據(jù)，成為一個融合狀態(tài)量，同時計算融合狀態(tài)量的協(xié)方差矩陣，在下一次更新周期的計算中使用。

　　計算姿態(tài)角的融合方法流程

　　傳感器冗余設計

　　傳感器冗余設計主要是將多個同種傳感器進行組合，處理方法是首先會剔除數(shù)據(jù)異常的傳感器，然后再進行傳感器的融合。冗余設計不僅可以提高測量精度也可以提高整套系統(tǒng)的可靠性，在某一個傳感器失效的情況發(fā)生時，讓整個系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常工作。