多旋翼飛行器和無(wú)人機(jī)的傳感器原理詳解

　　兩年來(lái)，大疆精靈系列更新了兩代，飛控技術(shù)更新了兩代，智能導(dǎo)航技術(shù)從無(wú)到有，諸多新的軟件和硬件產(chǎn)品陸續(xù)發(fā)布。同時(shí)我們也多了很多友商，現(xiàn)在多旋翼飛行器市場(chǎng)火爆，諸多產(chǎn)品琳瑯滿(mǎn)目，價(jià)格千差萬(wàn)別。為了理解這些飛行器的區(qū)別，首先要理解這些飛行器上使用的傳感器技術(shù)。我覺(jué)得現(xiàn)在很有必要再發(fā)一篇科普文章，定義“智能導(dǎo)航”這個(gè)概念，順便字里行間介紹一下兩年來(lái)大疆在傳感器技術(shù)方面的努力。

　　1. 飛行器的狀態(tài)

　　客機(jī)、多旋翼飛行器等很多載人不載人的飛行器要想穩(wěn)定飛行，首先最基礎(chǔ)的問(wèn)題是確定自己在空間中的位置和相關(guān)的狀態(tài)。測(cè)量這些狀態(tài)，就需要各種不同的傳感器。

　　世界是三維的，飛行器的三維位置非常重要。比如民航客機(jī)飛行的時(shí)候，都是用GPS獲得自己經(jīng)度、緯度和高度三維位置。另外GPS還能用多普勒效應(yīng)測(cè)量自己的三維速度。后來(lái)GPS民用之后，成本十幾塊錢(qián)的GPS接收機(jī)就可以讓小型的設(shè)備，比如汽車(chē)、手機(jī)也接收到自己的三維位置和三維位置。

　　對(duì)多旋翼飛行器來(lái)說(shuō)，只知道三維位置和三維速度還不夠，因?yàn)槎嘈盹w行器在空中飛行的時(shí)候，是通過(guò)調(diào)整自己的“姿態(tài)”來(lái)產(chǎn)生往某個(gè)方向的推力的。比如說(shuō)往側(cè)面飛實(shí)際上就是往側(cè)面傾，根據(jù)一些物理學(xué)的原理，飛行器的一部分升力會(huì)推著飛行器往側(cè)面移動(dòng)。為了能夠調(diào)整自己的姿態(tài)，就必須有辦法測(cè)量自己的姿態(tài)。姿態(tài)用三個(gè)角度表示，因此也是三維的。與三維位置、三維角度相對(duì)應(yīng)的物理量是三維速度、三維加速度和三維角速度，一共是十五個(gè)需要測(cè)量的狀態(tài)。

　　這十五個(gè)狀態(tài)都對(duì)多旋翼飛行器保持穩(wěn)定飛行有至關(guān)重要的作用。拿“懸?！边@件看起來(lái)是多旋翼飛行器最基本的能力來(lái)說(shuō)，實(shí)際上飛行器的控制器在背后做了一系列“串級(jí)控制”：在知道自己三維位置的基礎(chǔ)上，控制自己的位置始終鎖定在懸停位置，這里的控制量是一個(gè)目標(biāo)的懸停速度，當(dāng)飛行器的位置等于懸停位置時(shí)，這個(gè)目標(biāo)懸停速度為0，當(dāng)飛行器的位置偏離了懸停位置時(shí)，飛行器就需要產(chǎn)生一個(gè)讓自己趨向懸停位置的速度，也就是一個(gè)不為零的目標(biāo)懸停速度；飛行器要想控制自己產(chǎn)生目標(biāo)懸停速度，就需要根據(jù)自己當(dāng)前的三維速度，產(chǎn)生一個(gè)目標(biāo)加速度；為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)加速度，飛機(jī)需要知道自己的三維角度，進(jìn)而調(diào)整自己的姿態(tài)；為了調(diào)整自己的姿態(tài)，就需要知道自己的三維角速度，進(jìn)而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　讀者可能會(huì)想哇為什么這么復(fù)雜。其實(shí)我們身邊的許多工程產(chǎn)品都在簡(jiǎn)單的表現(xiàn)背后藏著復(fù)雜的過(guò)程。比如汽車(chē)的油門(mén)也是類(lèi)似的，踩下油門(mén)之后，有傳感器測(cè)量汽油的流速、控制汽油的流速；然后有傳感器測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速……從踩油門(mén)到加速的過(guò)程中也有許許多多的傳感器在測(cè)量汽車(chē)的各個(gè)狀態(tài)量，并對(duì)這些狀態(tài)量施加控制。

　　知道十五個(gè)狀態(tài)量是多旋翼飛行器做任何動(dòng)作的基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，但是讓飛行器在任何情況下都準(zhǔn)確知道這十五個(gè)狀態(tài)量是非常困難的事情，因?yàn)楝F(xiàn)在的科技水平還沒(méi)有能夠?qū)崿F(xiàn)讓一個(gè)傳感器同時(shí)測(cè)量這么多的物理量。幾十年來(lái)，人們發(fā)展出了一套復(fù)雜的技術(shù)，叫做組合導(dǎo)航，用GPS加上慣性測(cè)量元件、氣壓計(jì)和地磁指南針來(lái)讓飛行器測(cè)量自己的十五個(gè)狀態(tài)量。