無人機定位六大方案詳解

無人機定位六大方案詳解

【匠領導讀】本文著重分享四旋翼無人機在飛行過程中所有姿態以及目前存在的六類定位方案。在分析了各個定位方案的原理及差別后，我們將為大家介紹無人機參數評測性能方案——Themis 3D+。

1.四旋翼無人機的結構形式

旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結構和半徑都相同，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和外部設備。結構形式如圖 1所示: 

圖1 四旋翼無人機結構

2.工作原理

四旋翼飛行器通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速，實現升力的變化，從而控制飛行器的姿態和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機，但只有四個輸入力，同時卻有六個狀態輸出，所以它又是一種欠驅動系統。 

圖2 四旋翼飛行器沿各自由度運動

四旋翼飛行器的電機 1和電機 3逆時針旋轉的同時，電機 2和電機 4順時針旋轉，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。

在上圖中，電機 1和電機 3作逆時針旋轉，電機 2和電機 4作順時針旋轉，規定沿 x軸正方向運動稱為向前運動，箭頭在旋翼的運動平面上方表示此電機轉速提高，在下方表示此電機轉速下降。

2.1 無人機運動姿態說明

（1）垂直運動：同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現了沿 z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，在旋翼產生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態。

（2）俯仰運動：在圖（b）中，電機 1的轉速上升，電機 3 的轉速下降（改變量大小應相等），電機 2、電機 4 的轉速保持不變。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，產生的不平衡力矩使機身繞 y 軸旋轉，同理，當電機 1 的轉速下降，電機 3的轉速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉，實現飛行器的俯仰運動。 

（3）滾轉運動：與圖 b 的原理相同，在圖 c 中，改變電機 2和電機 4的轉速，保持電機1和電機 3的轉速不變，則可使機身繞 x 軸旋轉（正向和反向），實現飛行器的滾轉運動。 

（4）偏航運動：旋翼轉動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉，兩個反轉，且對角線上的各個旋翼轉動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉速有關，當四個電機轉速相同時，四個旋翼產生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發生轉動；當四個電機轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉動。在圖 d中，當電機 1和電機 3 的轉速上升，電機 2 和電機 4 的轉速下降時，旋翼 1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞 z軸轉動，實現飛行器的偏航運動，轉向與電機 1、電機3的轉向相反。 

（5）前后運動：要想實現飛行器在水平面內前后、左右的運動，必須在水平面內對飛行器施加一定的力。在圖 e中，增加電機 3轉速，使拉力增大，相應減小電機 1轉速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機轉速不變，反扭矩仍然要保持平衡。按圖 b的理論，飛行器首先發生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產生水平分量，因此可以實現飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。（在圖 b 圖 c中，飛行器在產生俯仰、翻滾運動的同時也會產生沿 x、y軸的水平運動。） 

（6）傾向運動：在圖 f 中，由于結構對稱，所以傾向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。 

3.無人機定位

隨著機器人技術的逐漸興起，出現了很多種類的自定位技術。其中主要分為激光測距技術、超聲定位技術、GPS定位技術以及計算機視覺定位技術。激光測距儀由于其重量和體積較大，因此主要用于地面機器人在復雜陌生環境中的避障和定位。超聲定位技術通過測量超聲波來回的反射時間從而得到自身與周圍環境的相對位置。GPS是全球定位系統的簡稱，是20世紀70年代由美國陸海空三軍研制的新一代空間衛星導航定位系統。在開闊的場地上，用戶可以通過GPS信號接收機捕獲到一定數量的定位衛星，并跟蹤這些衛星的運行，同時接收到這些衛星傳回的信號。用戶設備通過一系列的算法，將接收回來的信號轉化為具體的經緯度等絕對位置信息。從而實現自定位的任務。

目前市場上大多數無人機均由多組傳感器組成，進行測量三維位置、三維速度、三維加速度、三維角度和三維角速度十五個測量狀態，目的是保證無人機平穩飛行，減少炸機事件發生。一般消費級無人機上傳感器有GPS、氣壓計、視覺傳感器、慣性（加速度計、陀螺儀）、超聲波傳感器。 

在無人機飛行過程中，為保證無人機的平穩飛行，重中之重是要獲得無人機的三維位置、三維速度、三維加速度、三維角度和三維角速度等狀態指標，無論在無人機操控還是自主飛行過程中，這十五個狀態值都是保證無人機穩定飛行的基石。

通常由以下傳感獲得上述數據：

1) 通過GPS可以獲得無人機的位置信息（X、Y、Z），通過多顆（大于三顆）已知位置的衛星確定無人機上GPS接收機的位置。GPS衛星時刻在發射測距信號和導航電文，導航電文中含有衛星的位置信息。用戶GPS接收機在某一時刻同時接收三顆以上衛星信號，測量出測站點（用戶接收機）至三顆衛星的距離，解算出衛星的空間坐標，再利用距離交會法（從兩個已知點測量至某一待測點的距離,然后根據這兩段距離的交點確定該待測點，這種方法稱為距離交會法。）

a) 用戶測量出自身到三顆衛星的距離；

b) 衛星的位置精確已知，通過電文播發給用戶；

c) 以衛星為球心，距離為半徑畫球面；

d) 三個球面相交得兩個點，根據地理常識排除一個不合理點即得用戶位置。

2) 通常我們用GPS獲得無人機的水平位置信息，然而無人機還需要高度信息，雖然GPS也可以讀取高度參數，但數據刷新率不夠理想，可能會導致無人機高度掉落，所以現在消費級無人機一般都采用氣壓計來讀取高度參數，氣壓計是將輸入信號（壓力）轉換為電阻變化，即通過惠斯登電橋架構的壓阻式壓力傳感器感應施加在薄隔膜上的壓力。

3) 在無人機飛行過程中需保證無人機飛行的穩定性，即確定無人機的姿態（Pitch、Yaw、Roll），保證無人機姿態平穩，依靠無人機內部的IMU（慣性測量單元，即陀螺儀+加速度計傳感器）來識別無人機的飛行狀態，慣性測量單元通常由陀螺儀與加速度計傳感器組合而成，因為每種傳感器都有一定的局限性，因此，將兩個傳感器數據綜合得到無人機的姿態。

陀螺儀輸出的是角速度，要通過積分才能獲得角度，但是即使在零輸入狀態時，陀螺儀仍是有輸出的，它的輸出是白噪聲和慢變隨機函數的疊加，受此影響，在積分的過程中，必然會引進累計誤差，積分時間越長，誤差就越大。這時候，便需要加速度傳感器的加入，利用加速度傳感器來對陀螺儀進行校正。

由于加速度傳感器可以利用力的分解原理，通過重力加速度在不同軸向上的分量來判斷傾角。同時，它沒有積分誤差，所以加速度傳感器在相對靜止的條件下，可以有效校正陀螺儀的誤差。但在運動狀態下，加速度傳感器輸出的可信度就要下降，因為它測量的是重力和外力的合力。故而，綜合兩個數據獲得無人機的姿態值。

4) 然而，GPS受信號影響很大，在室內等信號不穩定的環境中基本無法獲得數據；同樣低成本氣壓計內部噪聲會有影響，氣壓計測量的是靜壓，外部氣流變化不會影響到靜壓，但實際上速度還是會干擾到靜壓，溫度濕度變化也會影響到氣壓度數。

為確保無人機獲得的位置、姿態數據的準確性，同時保證在無GPS情況下保證無人機正常飛行，在無人機上引入光流定位模塊，光流定位模塊由視覺傳感器、超聲波傳感器組成。其中位于無人機底部的圖像傳感器將獲取下方的圖像信息，利用圖像序列中像素在時間域上的變化以及相鄰幀之間的相關性來找到上一幀與當前幀之間存在的對應關系，從而計算出相鄰幀之間物體的運動信息的，進而推算出無人機的相對位移與速度；超聲波測距定高，就是通過超聲波發射裝置發出超聲波，根據接收器收到超聲波時的時間差計算出距離。

上面介紹了無人機飛行過程由以上傳感器獲得無人機的狀態，但是每種傳感器都有一定的局限性，而且無法評判無人機飛行狀態的好壞，僅能通過主觀評估無人機飛行性能。特引入外部輔助定位系統，輔助定位無人機位置、姿態。

4.Themis 3D+無人機評測方案 

在古希臘神話里，主持正義和秩序的女神就是忒彌斯（Themis），如上圖Themis女神身披白袍、頭戴金冠，右手提一座天秤，左手持劍的蒙眼女神。按照歐洲像章學的解釋，白袍象征道德無瑕、剛直不阿；蒙眼因為司法純靠理智；不靠人的主觀印象；天秤比喻裁量公平。正因為當前行業內，相關測評無人機各項參數的指標還沒有一套完善的標準，個別技術參數還需依靠業內有資深經驗工程師的主觀判斷力，因此我們將把即將推出的無人機參數評測方案命名為Themis。希望給無人機行業里的各方提供技術參考，為中國無人機行業的技術發展貢獻力量。其中，無人機行業相關方包括：無人機生產廠商（研發論證及出廠檢驗測試）、無人機用戶、無人機編隊商演用戶、高校中自動化、控制、機電類的專業院校以及相關飛行控制研究的科研機構等等。

傳統無人機通過傳感器測出的數值(如壓強、加速度等)進行計算后得出無人機的位置，通過經驗老道的飛手進行試飛檢查是否合格，不能客觀的得出評價。而Themis 3D+實時獲得無人機的位置，得出無人機飛行所必須的十五個參數，減少了誤差的引入，同時也可以通過數值客觀進行評價。

Themis 3D+方案由光學運動捕捉系統和計算分析軟件組成。光學運動捕捉系統可以實時獲得無人機的位置和姿態信息，分析軟件通過獲得的位置和姿態信息計算十五個參數值，并輸出文檔和對應的時間曲線。

5. 總結

在無人機的應用方向愈發寬廣、潛在市場需求量愈發增長的背景之下，對于行業及產品性能還需要深入探索并引入行業的標準性參數，對于研發生產商、客戶及所有市場向關聯方都有著關鍵性的指導意義。