無(wú)人機(jī)飛行感知技術(shù)相關(guān)模塊剖析

【亞洲儀表網(wǎng)】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、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)，所以需要感知周圍環(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，稱為六軸傳感器，例如6050A(Invensense)。

磁羅盤

磁羅盤測(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)周圍氣體的氣壓分布與靜止?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)廠商會(huì)根據(jù)飛機(jī)型號(hào)專門定制衛(wèi)星信號(hào)接收天線。

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(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。