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无人机的飞行感知技术有什么用途?

2018-07-20 06:40:11

无人机的飞行感知技术主要有两个用途:

 

其一是提供给飞行控制系统,由于飞行控制系统的主要功能是控制飞机达到期望姿态和空间位置,所以这部分的感知技术主要测量飞机运动状态相关的物理量,涉及的模块包括陀螺仪、加速度计、磁罗盘、气压计、GNSS模块以及光流模块等。

 

另一个用途是提供给无人机的自主导航系统,也就是路径和避障规划系统,所以需要感知周围环境状态,比如障碍物的位置,相关的模块包括测距模块以及物体检测、追踪模块等。



陀螺仪

羿戓设计所了解,目前商用无人机普遍使用的是MEMS技术的陀螺仪,因为它的体积小,价格便宜,可以封装为IC的形式。MEMS式陀螺仪常用来测量机体绕自身轴旋转的角速率,常用的型号有6050A(Invensense),ADXRS290(ADI),衡量陀螺仪性能的指标包括测量范围(量程)、灵敏度、稳定性(漂移)以及信噪比等。

 




上面是一个陀螺仪温度漂移测试结果图,测试的环境是从25℃升温至50℃,整个过程保持陀螺仪静止不动,陀螺仪的准确输出应该是一个固定的数值。但从结果来看,两款传感器的?#23548;?#36755;出?#38469;?#21040;温度变化影响。相比而言,ADXRS290(ADI)的输出数值变化幅度较小,基本上在0.5左右。

 

加速度计

加速度计测量的是机体运动的线加速度,但由于地球引力,测量值中还会包含重力加速度分量,在某些使用情况下需要把这部分减去。常用的MEMS加速度计传感器型号有6050A(Invensense)和ADXL350(ADI)。部分传感器生产商为了提高芯片集成度,会将陀螺仪和加速度计封装在一起,称为六轴传感器,例如6050A(Invensense)。

 

磁罗盘

磁罗盘测量的物理量是地球磁场强度沿机体轴的分量,并依此计算出机体的航向角。常用的MEMS磁罗盘传感器型号有HMC5983L(Honeywell)和QMC5883L(矽睿),两者性能相近,其中前者目前已经停产。磁罗盘主要的性能参数包括灵敏度、稳定性(漂移)等。

 

气压计

气压计测量的物理量是大气压值,根据该数值可计算出绝对海拔高度。常用的气压计传感器型号包括MS5611(MEAS)、MS5607(MEAS)以及BMP180(Bosch)。气压计在使用过程中存在的问题是,在近地面飞行?#20445;?#22320;面效应”的存在会导致飞机周围气体的气压分?#21152;?#38745;止状态下的大气不同,?#27807;?#26080;法用气压?#35780;?#27979;算出高度。通常的解决办法是在起飞或降落时使用其他传感器,比如超声波传感器或激光测距仪。

 

GNSS模块

GNSS模块测量的物理量相对比较丰富,主要包括地理坐标(经纬度)、海拔高度、线速度以及航向角(RTK系统)。常用的GNSS模块生产商包括瑞士的U-BLOX和加?#20040;?#30340;NOVATEL。在使用GNSS模块?#20445;?#21355;星信号?#37038;?#22825;线的放置需要要注意电磁干扰的屏蔽,部分有实力的整机生产厂商会根据飞机型号专门定制卫星信号?#37038;?#22825;线。

 

光流模块

光流模块是一个比较特殊的模块,既可以用来感知机体的运动状态,如测量水平?#36739;?#30340;位移速度,?#37096;?#20197;用来感知周围的环境,用作避障的用途。比较常见的光流模块是开源的PX4FLOW。光流模块通常在室内使用,主要是为了解决室内卫星信号不佳的问题,另外对于拍摄的地面需要有一定纹理?#21450;浮?/p>

 

周围环境状态感知

测距模块

这里?#33455;?#20116;个常用的测距模块:超声波、红外TOF、激光、毫米波雷达、深度感知摄像头。




超声波和红外TOF各方面性能比较相似,比如测量距离都比较近,像超声波测量的距离一般在4米左右。另外这两种传感器的使用范围都容?#36164;?#21040;?#23548;?#29615;境的限制,比如红外TOF是向被测物体表面发射红光并反射,如果遇到红光反射?#20160;?#39640;的物体像玻璃就会失效。但这两种传感器有一个最大的优势就是成本?#20572;?#21478;外模块体积也比较小,所以在消费类无人机?#31995;?#21040;了广泛使用。

 

激光雷达测距一般都比较远,大多数产?#33539;?#21487;以达到100米以上,但是大雨大雾的天气环境会影响其测量结果。另外的?#37038;?#22312;于成本比较高: 在激光雷达行业实力最强的是Velodyne,它的一款适用于无人机使用的小型化产品VLP-16价格也达到了1000美元以上,对于商用无人机?#27492;?#25104;本还是比较高。

 

深度感知摄像头根据测量技术可以分为三种,立体摄像头,也叫双目视觉技术,代表产品就是大疆的精灵4;结构光技术,代表产品有微软的Kinect;时差测距技术(TOF),由于生产厂家较少而?#39029;?#26412;较高,因此在无人机上的应用很少。深度感知摄像头在使用时也存在局限性,双目视觉技术的缺点是在低光环境下无法正常工作,而结构光技术则与之相反,在强光下无法正常工作。因此有的厂家把两种技术进行组合,弥补彼此的缺陷,扩大其适用的环境范围。

 

提高测量精度的方法

传感器校准

传感器校准,包括精校准和?#20013;?#20934;。精校准效果比较好,但需要昂贵的标定设备;?#20013;?#20934;则不需要借助外部设备,只?#28304;?#24863;器本身进行操作即可。

 

以磁罗盘的?#20013;?#20934;为例,由于地球上?#25105;?#20301;置的地磁场强度在较长时间跨度内都可视为是恒定的,当转动磁罗盘?#20445;?#26681;据相对运动可假设磁罗盘固定不动,而地磁场矢量随之在转动,其矢量端点在空间的轨迹应为一个标准的球体,但由于传感器存在误?#30591;导什?#20986;的数据并不严格都在球体的表面,这时候就需要根据测量出来的数值以及已知的准?#20998;道?#35745;算两者之间的换算关系,也就是?#27599;?#30913;罗盘的误差模型。在以后使用?#27599;?#30913;罗盘时就可以根据?#20013;?#20934;得出的误差模型?#21019;?#29702;测量值,?#27807;?#27979;量值的误差减小。




多种传感器数据融合

不同类型的传感器数据融合方法有多种,在?#30340;?#29992;的比较普遍而且效果也比较好的是EKF,也就是扩展卡尔曼滤波。

 

以计算飞机姿态角的融合方法为例,EKF更新过程主要分为两个部分,预测更新和量测更新。预测更新主要利用陀螺仪更新预测状态量,同时计算该状态量的协方差矩阵。在量测更新中先会计算滤波增益,然后使用滤波增益融合预测状态量、加速度计以及磁罗盘的数据,成为一个融合状态量,同时计算融合状态量的协方差矩阵,在下一次更新周期的计算中使用。




传感器冗余设计

传感器冗余设计主要是将多个同种传感器进行组合,处理方法是首先会剔除数据异常的传感器,然后再进行传感器的融合。冗余设计不仅可以提高测量精度?#37096;?#20197;提高整套系统的可靠性,在某一个传感器失效的情况发生?#20445;?#35753;整个系统能够继续正常工作。


相关关键词:
温度传感器 协调控制系统
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