無(wú)人機(jī)飛行感知技術(shù)相關(guān)模塊剖析

無(wú)人機(jī)的飛行感知技術(shù)主要用作兩個(gè)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(jī)達(dá)到期望姿態(tài)和空間位置，所以這部分的感知技術(shù)主要測(cè)量飛機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的物理量，涉及的模塊包括陀螺儀、加速度計(jì)、磁羅盤(pán)、氣壓計(jì)、GNSS模塊以及光流模塊等。

另一個(gè)用途是提供給無(wú)人機(jī)的自主導(dǎo)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?chē)h(huán)境狀態(tài)，比如障礙物的位置，相關(guān)的模塊包括測(cè)距模塊以及物體檢測(cè)、追蹤模塊等。

陀螺儀

目前商用無(wú)人機(jī)普遍使用的是MEMS技術(shù)的陀螺儀，因?yàn)樗捏w積小，價(jià)格便宜，可以封裝為IC的形式。MEMS式陀螺儀常用來(lái)測(cè)量機(jī)體繞自身軸旋轉(zhuǎn)的角速率，常用的型號(hào)有6050A(Invensense)，ADXRS290(ADI)，衡量陀螺儀性能的指標(biāo)包括測(cè)量范圍(量程)、靈敏度、穩(wěn)定性(漂移)以及信噪比等。

陀螺儀溫度漂移測(cè)試結(jié)果圖

上面是一個(gè)陀螺儀溫度漂移測(cè)試結(jié)果圖，測(cè)試的環(huán)境是從25℃升溫至50℃，整個(gè)過(guò)程保持陀螺儀靜止不動(dòng)，陀螺儀的準(zhǔn)確輸出應(yīng)該是一個(gè)固定的數(shù)值。但從結(jié)果來(lái)看，兩款傳感器的實(shí)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(jì)

加速度計(jì)測(cè)量的是機(jī)體運(yùn)動(dòng)的線(xiàn)加速度，但由于地球引力，測(cè)量值中還會(huì)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(jì)傳感器型號(hào)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(huì)將陀螺儀和加速度計(jì)封裝在一起，稱(chēng)為六軸傳感器，例如6050A(Invensense)。

磁羅盤(pán)

磁羅盤(pán)測(cè)量的物理量是地球磁場(chǎng)強(qiáng)度沿機(jī)體軸的分量，并依此計(jì)算出機(jī)體的航向角。常用的MEMS磁羅盤(pán)傳感器型號(hào)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(pán)主要的性能參數(shù)包括靈敏度、穩(wěn)定性(漂移)等。

氣壓計(jì)

氣壓計(jì)測(cè)量的物理量是大氣壓值，根據(jù)該數(shù)值可計(jì)算出絕對(duì)海拔高度。常用的氣壓計(jì)傳感器型號(hào)包括MS5611(MEAS)、MS5607(MEAS)以及BMP180(Bosch)。氣壓計(jì)在使用過(guò)程中存在的問(wèn)題是，在近地面飛行時(shí)，“地面效應(yīng)”的存在會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)周?chē)鷼怏w的氣壓分布與靜止?fàn)顟B(tài)下的大氣不同，使得無(wú)法用氣壓計(jì)來(lái)測(cè)算出高度。通常的解決辦法是在起飛或降落時(shí)使用其他傳感器，比如超聲波傳感器或激光測(cè)距儀。

GNSS模塊

GNSS模塊測(cè)量的物理量相對(duì)比較豐富，主要包括地理坐標(biāo)(經(jīng)緯度)、海拔高度、線(xiàn)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(shí)，衛(wèi)星信號(hào)接收天線(xiàn)的放置需要要注意電磁干擾的屏蔽，部分有實(shí)力的整機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)商會(huì)根據(jù)飛機(jī)型號(hào)專(zhuān)門(mén)定制衛(wèi)星信號(hào)接收天線(xiàn)。

光流模塊

光流模塊是一個(gè)比較特殊的模塊，既可以用來(lái)感知機(jī)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如測(cè)量水平方向的位移速度，也可以用來(lái)感知周?chē)沫h(huán)境，用作避障的用途。比較常見(jiàn)的光流模塊是開(kāi)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(hào)不佳的問(wèn)題，另外對(duì)于拍攝的地面需要有一定紋理圖案。

周?chē)h(huán)境狀態(tài)感知

測(cè)距模塊

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

五個(gè)常用的測(cè)距模塊

超聲波和紅外TOF各方面性能比較相似，比如測(cè)量距離都比較近，像超聲波測(cè)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(shí)際環(huán)境的限制，比如紅外TOF是向被測(cè)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(huì)失效。但這兩種傳感器有一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)就是成本低，另外模塊體積也比較小，所以在消費(fèi)類(lèi)無(wú)人機(jī)上得到了廣泛使用。

激光雷達(dá)測(cè)距一般都比較遠(yuǎn)，大多數(shù)產(chǎn)品都可以達(dá)到100米以上，但是大雨大霧的天氣環(huán)境會(huì)影響其測(cè)量結(jié)果。另外的劣勢(shì)在于成本比較高： 在激光雷達(dá)行業(yè)實(shí)力最強(qiáng)的是Velodyne，它的一款適用于無(wú)人機(jī)使用的小型化產(chǎn)品VLP-16價(jià)格也達(dá)到了1000美元以上，對(duì)于商用無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)成本還是比較高。

深度感知攝像頭根據(jù)測(cè)量技術(shù)可以分為三種，立體攝像頭，也叫雙目視覺(jué)技術(shù)，代表產(chǎn)品就是大疆的精靈4;結(jié)構(gòu)光技術(shù)，代表產(chǎn)品有微軟的Kinect;時(shí)差測(cè)距技術(shù)(TOF)，由于生產(chǎn)廠(chǎng)家較少而且成本較高，因此在無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用很少。深度感知攝像頭在使用時(shí)也存在局限性，雙目視覺(jué)技術(shù)的缺點(diǎn)是在低光環(huán)境下無(wú)法正常工作，而結(jié)構(gòu)光技術(shù)則與之相反，在強(qiáng)光下無(wú)法正常工作。因此有的廠(chǎng)家把兩種技術(shù)進(jìn)行組合，彌補(bǔ)彼此的缺陷，擴(kuò)大其適用的環(huán)境范圍。

提高測(cè)量精度的方法

傳感器校準(zhǔn)

傳感器校準(zhǔn)，包括精校準(zhǔn)和粗校準(zhǔn)。精校準(zhǔn)效果比較好，但需要昂貴的標(biāo)定設(shè)備;粗校準(zhǔn)則不需要借助外部設(shè)備，只對(duì)傳感器本身進(jìn)行操作即可。

以磁羅盤(pán)的粗校準(zhǔn)為例，由于地球上任意位置的地磁場(chǎng)強(qiáng)度在較長(zhǎng)時(shí)間跨度內(nèi)都可視為是恒定的，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)磁羅盤(pán)時(shí)，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)可假設(shè)磁羅盤(pán)固定不動(dòng)，而地磁場(chǎng)矢量隨之在轉(zhuǎn)動(dòng)，其矢量端點(diǎn)在空間的軌跡應(yīng)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的球體，但由于傳感器存在誤差，實(shí)際測(cè)出的數(shù)據(jù)并不嚴(yán)格都在球體的表面，這時(shí)候就需要根據(jù)測(cè)量出來(lái)的數(shù)值以及已知的準(zhǔn)確值來(lái)計(jì)算兩者之間的換算關(guān)系，也就是該款磁羅盤(pán)的誤差模型。在以后使用該款磁羅盤(pán)時(shí)就可以根據(jù)粗校準(zhǔn)得出的誤差模型來(lái)處理測(cè)量值，使得測(cè)量值的誤差減小。

磁羅盤(pán)校準(zhǔn)(SGB sbgcenter)

不同類(lèi)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(kuò)展卡爾曼濾波。

以計(jì)算飛機(jī)姿態(tài)角的融合方法為例，EKF更新過(guò)程主要分為兩個(gè)部分，預(yù)測(cè)更新和量測(cè)更新。預(yù)測(cè)更新主要利用陀螺儀更新預(yù)測(cè)狀態(tài)量，同時(shí)計(jì)算該狀態(tài)量的協(xié)方差矩陣。在量測(cè)更新中先會(huì)計(jì)算濾波增益，然后使用濾波增益融合預(yù)測(cè)狀態(tài)量、加速度計(jì)以及磁羅盤(pán)的數(shù)據(jù)，成為一個(gè)融合狀態(tài)量，同時(shí)計(jì)算融合狀態(tài)量的協(xié)方差矩陣，在下一次更新周期的計(jì)算中使用。

計(jì)算姿態(tài)角的融合方法流程

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