．商用無人機的飛行感知技術

UAV Sun Sensors Evaluation

leiphone 作者：金红

周鹏跃

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，由于飛行控制系統的主要功能，是控制飛機達到期望姿態和空間位置，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，也就是路徑和避障規劃系統，所以需要感知周圍環境狀態，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。

機體運動狀態感知

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範圍(量程)、靈敏度、穩定性（漂移）以及信噪比等。

上面是一個陀螺儀溫度漂移測試結果圖，測試的環境是從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值。

但從結果來看，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，但由於地球引力，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）。部分傳感器生產商為了提高芯片整合度，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，並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，其中前者目前已經停產。磁羅盤主要的性能參數包括靈敏度、穩定性（漂移）等。

氣壓計

氣壓計測量的物理量是大氣壓值，根據該數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(經緯度)、海拔高度、線速度以及航向角(RTK系統)。常用的GNSS模塊生產商包括瑞士的U-BLOX和加拿大的NOVATEL。

在使用GNSS模塊時，衛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廠商，會根據飛機型號專門定制衛星信號接收天線。

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，如測量水平方向的位移速度，也可以用來感知周圍的環境，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使用，主要是為瞭解決室內衛星信號不佳的問題，另外對於拍攝的地面需要有一定紋理圖案。

周圍環境狀態感知

測距模塊

這裡列舉五個常用的測距模塊：超音波、紅外TOF、雷射、毫米波雷達、深度感知攝影機。

超音波和紅外TOF各方面性能比較相似，比如測量距離都比較近，像超音波測量的距離一般在4米左右。

另外這兩種傳感器的使用範圍，都容易受到實際環境的限制，比如紅外TOF是向被測物體表面，發射紅光並反射，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。

雷射雷達測距一般都比較遠，大多數產品都可以達到100米以上，但是大雨大霧的天氣環境，會影響其測量結果。另外的劣勢在於成本比較高: 在雷射雷達行業實力最強的是Velodyne，它的一款適用於無人機使用的小型化產品VLP-16，價格也達到了1000美元以上，對於商用無人機來說，成本還是比較高。

深度感知攝影機根據測量技術可以分為三種，立體攝影機，也叫雙目視覺技術，代表產品就是大疆的精靈4；結構光技術，代表產品有微軟的Kinect；時差測距技術（TOF），由於生產廠家較少而且成本較高，因此在無人機上的應用很少。

深度感知攝影機在使用時也存在局限性，雙目視覺技術的缺點是，在低光環境下無法正常工作，而結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，擴大其適用的環境範圍。

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，由於地球上任意位置的地磁場強度，在較長時間跨度內，都可視為是恆定的，當轉動磁羅盤時，根據相對運動可假設磁羅盤固定不動，而地磁場矢量隨之在轉動，其矢量端點，在空間的軌跡，應為一個標準的球體，但由於傳感器存在誤差，實際測出的數據並不嚴格都在球體的表面。

這時候就需要根據測量出來的數值，以及已知的準確值，來計算兩者之間的換算關係，也就是該款磁羅盤的誤差模型。在以後使用該款磁羅盤時，就可以根據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。