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從零開始搭建無人機導航系統(一)——初識傳感器(一)

時間:2020-7-13 16:58:19編輯:未知來源:互聯網欄目:科普名詞點擊數(0)已有0人評論 加入收藏

  前言

  本專題將從新手的角度,逐步揭開無人機導航系統的神秘面紗。

  傳感器作為無人機的重要組成部分,承擔了無人機系統對于環境信息以及自身狀態采集的重擔。大部分的導航算法都離不開對傳感器原理的深入了解。

  例如,針對不同的傳感器應該選擇使用何種數字濾波器?狀態估計算法的觀測方程與運動方程如何設計?估計算法的噪聲如何選擇等等。諸如此類問題的解決,都需要對所采用的傳感器本身,或者說對傳感器模型有著深入的了解。

  本篇將針對多旋翼無人機的核心傳感器特性進行闡述,同時,針對這些傳感器在工程應用中可能碰到的問題進行詳解。

  慣性測量單元(IMU)

  近年來,慣性測量單元(IMU)的普及,是多旋翼無人機崛起的其中一個重要原因。其成本低,體積小的優點同樣使其在手機領域被廣泛使用。

  IMU主要由陀螺儀(Gyroscope)與加速度計(Accelerometer)組成,其用于測量無人機載體的旋轉角速度與線性加速度。

  陀螺儀(Gyroscope)

  陀螺儀原理是:

  對陀螺儀內部的質量塊(很小)兩端施加電壓,并使其進行變化,讓質量塊做一定頻率的振動。

  當載體進行旋轉時,會產生 科氏加速度 ,通過硬件電路,對科氏加速度進行放大、測量,即可得到載體運動的角速率。

  科氏加速度 = [公式]

      [公式]為載體的角速率,[公式]為質量塊的質量

  ——在轉動參考系中,由于物體做牽連運動產生的沿旋轉半徑做相對運動,由牽連運動和相對運動耦合而成的加速度即為科里奧利加速度又稱科氏加速度。

  陀螺儀是姿態估計的核心傳感器,然而,它存在溫漂、隨機漂移等誤差存在。消費級以及低成本的工業級陀螺儀無法滿足長時間的純積分式姿態估計,因此,往往需要搭配其他傳感器使用,如加速度計、GPS、磁力計等等。

  加速度計(Accelerometer)

  加速度計是一種能夠測量載體加速度的傳感器(包括重力加速度),它通常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件以及適調電路組成。

  與陀螺儀相似的是,加速度計同樣能夠用于載體的姿態估計。由于加速度計不僅測量重力加速度,載體的線加速度同樣會反映在加速度計的測量值中。因此,我們需要從加速度計測量值中去除線性加速度的部分,才能夠準確地利用重力加速度估計載體的姿態角。

  顯而易見的,導航系統僅有加速度計與陀螺儀,是無法滿足載體在所有運動狀態下的姿態估計的。當載體處于機動狀態(加速度較大時),線性加速度在加速度計測量值中所占的比重增大,盡管短時間依靠陀螺儀積分估計的姿態,能夠保持一定的精度,然而,運動持續時間較久后,姿態估計值會受到線性加速度的影響而出現偏移。

  更糟糕的是,對于部分導航系統,加速度計的測量值同樣參與陀螺儀零偏的估計,若線性加速度長時間持續較大,則陀螺儀零偏也將會被其帶偏。

  IMU作為載體姿態估計的重要器件,在整個導航系統中占有舉足輕重的地位。然而,其對于環境溫度較為敏感,且對于載體的振動環境有較高的要求,在此,分享幾個實際的工程案例:

  1. 案例1

  場景還原

  選用ADI某型號IMU,經過大量飛行測試,發現使用該IMU測量數據進行姿態估計,在載體進行某些運動情況下出現姿態誤差過大的情況。

  案例分析

  學過信號與系統的同學一定對 香農采樣定理(又稱奈奎斯特采樣定理) 非常熟悉。香農采樣定理指出,若需要對模擬信號進行采樣,并通過數字信號的形式進行完整的重建,那么必須滿足采樣頻率大于兩倍模擬信號的最高頻率。

  那么當采樣頻率不滿足香農采樣定理時,會出現什么現象呢?

  經過大量的傳感器數據采集FFT頻譜分析,我們發現加速度測中出現了許多本不屬于載體振動頻率范圍內的信號,產生這些異常頻率的現象在信息論中被稱為混疊現象。

  于是,基于這一點推論,我們重新翻閱了這款傳感器的Datasheet,由于大部分的消費級IMU數字帶寬都會比較大,通??膳渲玫?000HZ以上,然而這款工業級IMU則略有不同。它的帶寬在其模擬轉數字電路部分就被固定了,無法通過軟件進行配置,由此,導致采樣頻率無法滿足香農采樣定理,這才產生了混疊現象。

  這個案例告訴我們,在我們選擇IMU的過程中,不光要關注器件本身的各項指標。更重要的是,你需要對載體的工作環境有一個非常清晰的認知。比如,你需要知道載體在正常工作時的振動頻率范圍,在異常狀態下可能產生的機械共振頻率范圍等等。在條件允許的情況下,最好能夠對載體進行掃頻實驗,把各種工況下的載體振動頻譜進行分析,從而得到一個準確的數據集供工程師參考。

  在擁有這些認知的前提下,才有可能選擇最合適的IMU,而不是花大價錢買了一個無法在載體上正常工作的IMU。

  2. 案例2

  關于多旋翼無人機到底是否需要物理減振機構這個問題,似乎絕大多數人的共識是需要。

  實際上,這是一個非常大的誤區。在回答這個問題之前,我們首先需要搞清楚一件事——物理減振機構到底起到的是什么作用,它的原理是什么?

  目前大部分多旋翼無人機的減震機構,多用海綿之類的具有一定彈性的介質組成,它的原理類似于彈簧,我們可以認為IMU在一個小彈簧上進行工作,利用彈簧的阻尼特性吸收動能轉換為勢能儲存起來,以此達到削弱振動幅值、改變振動頻率的目的。

  聽起來,物理減震機構是一個非常理想的隔振器件。然而,事實上,實際工程情況卻遠沒有那么理想。首先,我們的載體振動工況往往存在多個振動波峰。加速度、角速度的頻率多集中在20HZ以內,因此,理論上,無論我們采用數字濾波器或者物理減振的手段,我們都只需要將20HZ以上頻率的振動濾除即可。

  然而,一種材質的減振機構往往只能針對較窄頻段的振動有較好的減振效果,而不像數字濾波器,能夠精確設計并且高效地通過FFT頻譜分析來驗證其減振(濾波)性能。

  此外,當振動頻率接近于 20HZ(IMU工作的有效信號頻率) 時,機械減震的材料就更難選擇。一般來說,材質越軟的材料,減震頻率越低,但也由于較軟,會對有效信號也產生影響,且該影響往往很難量化,所以,在沒有得到完整的振動數據的情況下,濫用物理減振機構,可能會帶來意想不到的負面影響,慎用!

  而數字濾波器則不同,只要我們了解載體的振動工況,一定能夠設計出一個適合該工況環境下的濾波器,提取出加速度與角速度的有效信號。

  說了那么多數字濾波器的好處,那么物理減振機構是不是真的一無是處呢?

  答案顯然是否定的。什么時候需要物理減振機構?載體振動幅值過大,且振動頻率比較接近有效信號頻率時。

  這時候,往往不能找到合適的數字濾波器,能夠將振動完全濾除,此時,設計合適的物理減振機構就是非常重要的了。

  原則上,對于一款產品來說,如果能夠用數字濾波器解決問題的,堅決不用物理減振機構,畢竟機械結構是有老化周期的,但軟件濾波器則沒有。

  氣壓計

  IMU主要用于載體的姿態估計以及速度、位置估計,氣壓計則是主要的高度傳感器,其測量值為海拔。

  因此,在使用時,我們需要針對起飛平面進行對齊,它往往表征的是一個相對高度。

  氣壓計通過大氣壓強以及環境溫度等參數,對載體所處的海拔進行估算,由此易知,氣壓計對于溫度與環境變化是十分敏感的。同一位置,不同時間的測量值很有可能不同,在使用時需要進行一些工程上的處理。

  對氣壓計所處環境進行適當的密封處理

  圖中綠色曲線為氣壓計的高度測量值,紅色為導航系統的高度估計值,藍色為控制系統的高度期望值。

  此時,無人機正在進行高速飛行切換至懸停狀態過程中,載體具有較大的加速度,氣壓計附近的壓強波動較大,因此,其高度測量值也產生極大的波動。

  若不對氣壓計進行適當的密封處理,顯而易見的,導航系統估計的高度值將會受到較大影響。

  對氣壓計添加溫控

  從氣壓計的測量原理中可知,其對于溫度十分敏感,直接讓氣壓計暴露在工作環境中,則其測量值將會隨著溫度而改變(下圖中紅色曲線為氣壓計高度測量值,實驗環境為靜置無溫控),這不是我們想得到的結果。

  對氣壓計施加溫控可以很好地控制其工作溫度,減少了一定的測量不確定性,增加傳感器數據的穩定性(如下圖所示,增加溫控之后,氣壓計的高度測量數據穩定性有較大提升)。

  除氣壓計之外,還有一些相對距離傳感器,如TOF、超聲波、激光、毫米波、雙目視覺等等,由于較為復雜,本篇不再贅述,后續針對這些傳感器單獨詳解。

  磁力計

  磁力計是重要的姿態估計傳感器之一,其測量信息中包含航向角估計所需的信息(僅憑加速度與角速度是無法得到長期穩定的航向角的),盡管它不是唯一能夠單獨解算長期穩定航向角信息的傳感器,卻是最常用的傳感器。

  磁力計與加速度計有著異曲同工之妙。加速度計通過測量重力加速度(需要從測量值中去除線性加速度),對載體姿態進行估計;磁力計則通過測量地磁場矢量,對姿態進行估計。

  與加速度計不同的是,由于地磁場十分微弱,環境磁場的輕微變化都有可能對其產生較大影響。因此,磁力計的安裝位置需要盡可能遠離載體上的強磁干擾(如電源線、強磁負載等等)。

  此外,在載體磁場環境發生較大變化后,均需要對磁力計參數進行校準,而加速度計則只要傳感器未發生位移,一般情況下不需要重復校準。

  磁力計是一個極為敏感的器件,在無人機的整個導航系統中,屬于“高?!逼骷?,因此,針對其故障保護需要設計較多的算法邏輯去保證導航系統的魯棒性。

  全球定位系統(GPS)

  GPS是無人機速度、位置測量傳感器,它能夠提供無人機的經緯度坐標信息。因此,無人機的大部分作業都離不開GPS。正因為如此,GPS的穩定性顯得尤為重要,對于沒有視覺導航系統的無人機而言,GPS故障意味著只能實現手動飛行,而無法繼續執行自動任務,錯誤的GPS數據甚至可能導致墜機。

  在設計導航系統時,GPS失效處理邏輯必須重點考慮,當無人機工作在城區時,高樓等建筑會使GPS信號產生多徑效應,即使GPS模塊反饋的精度因子較好,其測量值也未必可信。此時,我們需要有其他手段來判斷GPS信號的置信度。當置信度較低時,需要啟用故障處理備案。

  此外,由于GPS的信號可能會受到其他相鄰頻段無線信號的干擾,因此,直接失效的可能性也是存在的,除了常規的故障診斷以及處理措施外,還應該設計相應的導航系統重組及恢復機制。

  總結

  本篇介紹了多旋翼無人機最核心、常用的幾種傳感器。下一篇中將針對其他實用但不是必備的幾種傳感器進行詳解——相對距離/深度傳感器(TOF、超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達、激光、視覺傳感器)。

  作者簡介: 一個被Coding耽誤的無人機算法工程師,控制、導航略懂一二,熱衷技術,喜歡乒乓、音樂、電影,歡迎交流。

  知乎: @遙遠的烏托邦

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關鍵字:無人機 導航系統 傳感器
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