无人机的飞行感知技术主(zhǔ)要用(yòng)作两个用(yòng)途,其一是提供给飞(fēi)行(háng)控(kòng)制系统,由(yóu)于飞行(háng)控制系统的主要功(gōng)能(néng)是控制飞机达(dá)到期望姿态和空间位(wèi)置,所以这部分的感知(zhī)技术主(zhǔ)要(yào)测量飞机(jī)运动状态相关的物理量,涉及的模块包(bāo)括陀螺仪、加速(sù)度计、磁罗盘(pán)、气压计、GNSS模块(kuài)以及光流模块等(děng)。另一个用途是提供(gòng)给无(wú)人机的(de)自(zì)主(zhǔ)导航系统,也就(jiù)是(shì)路径和避障规划系统(tǒng),所以需要(yào)感知周围环境状态,比如障碍物(wù)的(de)位置(zhì),相关的模块包(bāo)括(kuò)测(cè)距模(mó)块以及物(wù)体(tǐ)检测、追踪模块等。
陀(tuó)螺仪(yí)
目前(qián)诸如俊鹰商用航测无人机普(pǔ)遍使用的是MEMS技术的陀(tuó)螺仪,因为它的体积小,价格便宜,可以封装为IC的(de)形式(shì)。MEMS式陀螺仪常用来测量机体绕(rào)自(zì)身轴旋转(zhuǎn)的角速(sù)率,常用的型号有6050A(Invensense),ADXRS290(ADI),衡量陀螺仪(yí)性(xìng)能的指标包括测量(liàng)范(fàn)围(量程)、灵敏度、稳定性(漂移)以(yǐ)及信噪比等。
加(jiā)速度计
加速度计(jì)测量的是机体运动的线加速度,但由于地球引力,测量值中还会(huì)包含重力加速度分(fèn)量(liàng),在某些使(shǐ)用情(qíng)况下需要把这部分(fèn)减去。常用的(de)MEMS加(jiā)速度计传感器型号有6050A(Invensense)和ADXL350(ADI)。部分(fèn)传感(gǎn)器生产商为了提(tí)高芯(xīn)片集(jí)成(chéng)度,会将陀螺(luó)仪(yí)和加速度计封装(zhuāng)在一起,称为六轴传感器,例如(rú)6050A(Invensense)。
磁罗盘(pán)
磁罗盘测量的物理量是(shì)地球磁场强度沿机体轴的分(fèn)量,并依(yī)此计算(suàn)出机体的航(háng)向(xiàng)角。常用的MEMS磁罗盘传感器型号有HMC5983L(Honeywell)和QMC5883L(矽睿(ruì)),两者(zhě)性能相(xiàng)近,其(qí)中(zhōng)前(qián)者目前已经停(tíng)产。磁罗盘主要的性能参数包括(kuò)灵(líng)敏度、稳定性(漂移)等。
气压(yā)计
气压计测(cè)量的物(wù)理量是大气压值,根据该数值可计算出绝对海拔高度(dù)。常(cháng)用的气压计传感(gǎn)器型号包括MS5611(MEAS)、MS5607(MEAS)以及(jí)BMP180(Bosch)。气压计在使用过程中存在的问(wèn)题是,在近地(dì)面飞行(háng)时,“地面效应”的存在会导致飞机周围气(qì)体的气压分布(bù)与静止状态下的大气不同,使得无法用气(qì)压计来测算出高度。通常的解决办法是在(zài)起飞或(huò)降落时使用(yòng)其(qí)他(tā)传感器,比如超(chāo)声波(bō)传(chuán)感器或激光(guāng)测距仪。
GNSS模块
GNSS模块测量的物理量相(xiàng)对比较丰富(fù),主要包(bāo)括地理坐标(经纬(wěi)度)、海拔高(gāo)度(dù)、线速度(dù)以(yǐ)及(jí)航向(xiàng)角(RTK系(xì)统)。常用的GNSS模块生产商包(bāo)括瑞士的U-BLOX和加拿大的(de)NOVATEL。在使(shǐ)用GNSS模块时,卫星信号接收天线的(de)放置需要要注意电磁干扰的屏蔽,部分有实(shí)力的(de)整机生产厂商会根据飞机型号专门定制(zhì)卫星信号接(jiē)收天线(xiàn)。
光流模块
光流模(mó)块是一(yī)个比较特殊的模块,既可以用来感知机体(tǐ)的运(yùn)动(dòng)状态,如测量水平方(fāng)向的位(wèi)移速度,也可以用来感知周围的环境,用(yòng)作避障的(de)用途。比较常(cháng)见的光流模(mó)块是开源的PX4FLOW。光流模块通常(cháng)在室内(nèi)使用,主要是(shì)为了解决室内卫星信号不佳的问题(tí),另外对于拍摄的地面需(xū)要有一(yī)定纹(wén)理(lǐ)图(tú)案。
五个常(cháng)用的测(cè)距模块
超声(shēng)波和红外TOF各方面(miàn)性能比较相似(sì),比如(rú)测量距离都(dōu)比较近,像超声波测(cè)量的距离一(yī)般在4米左右。另外这两种传(chuán)感器的使用范围都容易受到实际环(huán)境的限制,比如红(hóng)外(wài)TOF是向被测物体表面发射红光并反射,如果(guǒ)遇到红(hóng)光反射(shè)率不高的物体像玻璃就会失效。但这两种传感器有一个最大的优(yōu)势(shì)就是成本低,另外模(mó)块体积也比较(jiào)小(xiǎo),所以在消费类无人机上得到了(le)广泛使用。
激光雷达测距一般都比较远,大(dà)多数产品都可以达(dá)到100米以(yǐ)上,但是大雨大雾的天气环境会影响其测量结果。另外的(de)劣势在(zài)于成(chéng)本比较高:在(zài)激光雷达行(háng)业实力(lì)最强的是Velodyne,它(tā)的一款(kuǎn)适用(yòng)于无人机使用的小型(xíng)化(huà)产品VLP-16价格也达(dá)到(dào)了1000美元以上,对于商用无人机来说(shuō)成本还是(shì)比较高。
深度感知摄像头根(gēn)据测量技(jì)术可以(yǐ)分为三种(zhǒng),立体摄像头,也叫双目视(shì)觉(jiào)技术,代(dài)表(biǎo)产品就是大疆的精灵(líng)4;结构光技(jì)术,代表产品有微软的Kinect;时差(chà)测距技(jì)术(TOF),由于生产厂(chǎng)家较少而且成本(běn)较高,因(yīn)此在无人机上的应(yīng)用很少。深度感(gǎn)知摄像(xiàng)头在(zài)使用时也存在局限性,双目视觉技术(shù)的缺点是在低(dī)光环境下(xià)无法正(zhèng)常(cháng)工作,而结构光技术(shù)则与之相(xiàng)反,在强光下无法正常工作。因此(cǐ)有的厂家把两种技术进行组合,弥补彼此(cǐ)的缺陷(xiàn),扩大其适用的环境范围。
传感(gǎn)器校准
传感(gǎn)器(qì)校准,包括精校准和粗校(xiào)准。精校准效果比较好,但(dàn)需(xū)要(yào)昂贵的标(biāo)定设(shè)备;粗校(xiào)准(zhǔn)则不需要借助外部(bù)设备,只对传感器本身(shēn)进行操作即可。
以磁罗盘(pán)的粗校(xiào)准为例,由于地球上任意位置的地磁场强度(dù)在较长时间跨度内(nèi)都可(kě)视为是恒定的,当转动磁罗盘(pán)时,根据(jù)相对运动(dòng)可假设磁(cí)罗(luó)盘固定不动,而(ér)地磁(cí)场矢量(liàng)随之在转动,其矢量(liàng)端点在空间(jiān)的轨(guǐ)迹(jì)应为一(yī)个标准的球(qiú)体(tǐ),但由于传(chuán)感器(qì)存在误差,实际测出的数据并不(bú)严格都在球体的表面,这时候(hòu)就需要根据(jù)测量出来的数值以及已(yǐ)知的准确值来计算两者之间(jiān)的换算关系,也就是该款磁罗盘的(de)误差模型。在以后使用该(gāi)款磁罗盘时就(jiù)可以根据粗校准得出的误差(chà)模型来处理测量值(zhí),使得测量(liàng)值的误差减小。
磁罗盘校准(SGB sbgcenter)
不同类型的传感器(qì)数(shù)据(jù)融合(hé)方法有(yǒu)多种,在业内用的比较普遍而且效果也(yě)比较好的是EKF,也就是扩展卡尔(ěr)曼滤波。
以计算飞机姿(zī)态角(jiǎo)的融合方法为例,EKF更新过(guò)程主(zhǔ)要(yào)分为两(liǎng)个(gè)部分,预测更新和(hé)量测更新。预测更新(xīn)主要利用(yòng)陀螺仪更新预(yù)测状态量,同时计算(suàn)该状态量(liàng)的协(xié)方差矩阵(zhèn)。在(zài)量(liàng)测更新(xīn)中先会计算(suàn)滤波(bō)增益,然后使用(yòng)滤波增益融合预测状态量、加速度计以及(jí)磁罗盘的数据,成为一个融合状(zhuàng)态量,同时计算融合(hé)状态量的协方差矩阵,在下一次更新周期的计算中使用。
计(jì)算姿态角的融合方法流(liú)程
传感器冗余(yú)设计(jì)主(zhǔ)要是将(jiāng)多个同(tóng)种传感器进行(háng)组合,处理方法是首先会剔除数据异(yì)常的传感(gǎn)器,然后再(zài)进(jìn)行传(chuán)感器(qì)的(de)融合。冗余设计不(bú)仅(jǐn)可(kě)以提(tí)高测(cè)量精度也(yě)可(kě)以(yǐ)提(tí)高(gāo)整(zhěng)套系统的可靠性,在某一个传感器失效的(de)情况发生时,让整个系(xì)统(tǒng)能够(gòu)继续正(zhèng)常工作。

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