無人機飛行感知技術(shù)相關(guān)模塊剖析

【亞洲儀表網(wǎng)】無人機的飛行感知技術(shù)主要用作兩個用途，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達到期望姿態(tài)和空間位置，所以這部分的感知技術(shù)主要測量飛機運動狀態(tài)相關(guān)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(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)的模塊包括測距模塊以及物體檢測、追蹤模塊等。

陀螺儀

目前商用無人機普遍使用的是MEMS技術(shù)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(zhuǎn)的角速率，常用的型號有6050A(Invensense)，ADXRS290(ADI)，衡量陀螺儀性能的指標(biāo)包括測量范圍(量程)、靈敏度、穩(wěn)定性(漂移)以及信噪比等。

陀螺儀溫度漂移測試結(jié)果圖

上面是一個陀螺儀溫度漂移測試結(jié)果圖，測試的環(huán)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(yīng)該是一個固定的數(shù)值。但從結(jié)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(shù)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，但由于地球引力，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(chǎn)商為了提高芯片集成度，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，并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(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

氣壓計測量的物理量是大氣壓值，根據(jù)該數(shù)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(yīng)”的存在會導(dǎo)致飛機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(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，衛(wèi)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(chǎn)廠商會根據(jù)飛機型號專門定制衛(wèi)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(tài)，如測量水平方向的位移速度，也可以用來感知周圍的環(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)星信號不佳的問題，另外對于拍攝的地面需要有一定紋理圖案。