前言

導(dǎo)航系統(tǒng)作為無人機(jī)的感知單元，承擔(dān)著無人機(jī)狀態(tài)參量測量與估計(jì)的重任。對于多旋翼無人機(jī)而言，其姿態(tài)、加速度、速度、位置以及各傳感器的零偏與補(bǔ)償系數(shù)均需要被測量或估計(jì)。這些眾多參量之中只有極少一部分能夠被直接或間接測量，大多數(shù)參數(shù)需要我們采用多個(gè)傳感器組合的方式，結(jié)合最優(yōu)估計(jì)算法進(jìn)行估計(jì)，最終，才能夠得到理想的狀態(tài)參量。

導(dǎo)航系統(tǒng)綜述

近年來，隨著智能手機(jī)的普及，MEMS技術(shù)日趨成熟，大量價(jià)格低廉的MEMS器件被投入消費(fèi)級市場。消費(fèi)級多旋翼無人機(jī)也借勢而起，快速進(jìn)入大眾的視線，被應(yīng)用于傳統(tǒng)的影視航拍等領(lǐng)域。

導(dǎo)航系統(tǒng)在多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)是感知的核心單元，它根據(jù)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)估計(jì)模型，綜合多傳感器測量的信息，利用最優(yōu)估計(jì)算法，得到良好的狀態(tài)估計(jì)參量。常用的狀態(tài)估計(jì)算法如互補(bǔ)濾波、卡爾曼濾波及其變種等。

然而，傳感器的原始測量數(shù)據(jù)往往不盡如人意，我們需要根據(jù)不同傳感器的特性，對其數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（預(yù)處理主要指傳感器校準(zhǔn)與數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)）。然后，我們才能得到信噪比較高的測量數(shù)據(jù)。然而，傳感器測量的數(shù)據(jù)無法直接或間接的表征我們所需的最終狀態(tài)參量，因此，我們將預(yù)處理后的量測數(shù)據(jù)，通過狀態(tài)估計(jì)算法進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，得到如姿態(tài)、加速度、速度、位置、傳感器特征參數(shù)（如陀螺儀零偏、加速度零偏等）。有了準(zhǔn)確的狀態(tài)參量，我們就可以作為控制器中的反饋量，故障診斷與決策系統(tǒng)中的決策量等。

一、傳感器及其特性

傳感器作為導(dǎo)航系統(tǒng)的感受器，我們需要對每一個(gè)使用到的傳感器的特性了如執(zhí)掌，才能選擇最合適的濾波器與參數(shù)對其進(jìn)行適配；對于特殊的傳感器，還需要有針對性的處理算法。

IMU

IMU（慣性測量單元），其包含加速度計(jì)與陀螺儀兩種傳感器，是導(dǎo)航系統(tǒng)的最重要傳感器之一，它負(fù)責(zé)測量三軸加速度與三軸角速度，對于低成本的MEMS器件，其測量精度相對較低，陀螺儀的零偏穩(wěn)定性也較差，在不同溫度下的表現(xiàn)也存在較大的差異。因此，對MEMS器件進(jìn)行適當(dāng)?shù)臉?biāo)定與補(bǔ)償，同時(shí)進(jìn)行零偏的動(dòng)態(tài)估計(jì)是十分必要的。

氣壓計(jì)

氣壓計(jì)負(fù)責(zé)測量海拔高度。在實(shí)際使用過程中，往往將其測量數(shù)據(jù)與初始海拔做差值，從而得到相對起飛點(diǎn)的相對高度。氣壓計(jì)是一種高精度器件，由于其測量原理與環(huán)境壓強(qiáng)、溫度有關(guān)，因此，我們在實(shí)際使用中會(huì)發(fā)現(xiàn)：在多旋翼飛行器起飛階段，氣壓計(jì)的量測數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，在飛行器大機(jī)動(dòng)飛行后的剎車階段，氣壓計(jì)的量測數(shù)據(jù)也波動(dòng)較大，此時(shí)，我們就需要對濾波器中對應(yīng)的量測噪聲進(jìn)行針對性的調(diào)整，以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用場景。否則，多旋翼飛行器會(huì)出現(xiàn)不同程度的掉高/升高現(xiàn)象。此外，通過對氣壓計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，也能夠在不同程度上減弱環(huán)境氣壓變化對測量數(shù)據(jù)真實(shí)性的影響。

磁力計(jì)

磁力計(jì)負(fù)責(zé)測量三軸磁場數(shù)據(jù)，根據(jù)地磁場矢量能夠輔助測量飛行器的姿態(tài)，同時(shí)，它也是航向角的主要量測傳感器。然而，由于飛行器的磁場環(huán)境極其復(fù)雜，電池電源線、射頻電路板以及大功率電源等器件都會(huì)在不同程度上影響磁力計(jì)對于地磁場的測量。我們在飛行器設(shè)計(jì)中，需要事先對機(jī)身的磁場環(huán)境定量測量，然后采取隔磁措施。在實(shí)際飛行過程中，我們也會(huì)碰到環(huán)境磁場的影響。此時(shí)，就需要設(shè)計(jì)診斷系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境磁場異常時(shí)，及時(shí)調(diào)整磁力計(jì)融合的增益，避免導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)散。

GPS/RTK