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,。

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(zhǔn)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,。

周圍環(huán)境狀態(tài)感知

測距模塊

這里列舉五個常用的測距模塊：超聲波、紅外TOF,、激光,、毫米波雷達、深度感知攝像頭,。

超聲波和紅外TOF各方面性能比較相似,，比如測量距離都比較近，像超聲波測量的距離一般在4米左右,。另外這兩種傳感器的使用范圍都容易受到實際環(huán)境的限制,，比如紅外TOF是向被測物體表面發(fā)射紅光并反射，如果遇到紅光反射率不高的物體像玻璃就會失效,。但這兩種傳感器有一個最大的優(yōu)勢就是成本低,，另外模塊體積也比較小，所以在消費類無人機上得到了廣泛使用,。

激光雷達測距一般都比較遠(yuǎn),，大多數(shù)產(chǎn)品都可以達到100米以上，但是大雨大霧的天氣環(huán)境會影響其測量結(jié)果,。另外的劣勢在于成本比較高： 在激光雷達行業(yè)實力最強的是Velodyne,，它的一款適用于無人機使用的小型化產(chǎn)品VLP-16價格也達到了1000美元以上，對于商用無人機來說成本還是比較高。

深度感知攝像頭根據(jù)測量技術(shù)可以分為三種,，立體攝像頭,，也叫雙目視覺技術(shù)，代表產(chǎn)品就是大疆的精靈4,；結(jié)構(gòu)光技術(shù),，代表產(chǎn)品有微軟的Kinect；時差測距技術(shù)（TOF）,，由于生產(chǎn)廠家較少而且成本較高,，因此在無人機上的應(yīng)用很少,。深度感知攝像頭在使用時也存在局限性,，雙目視覺技術(shù)的缺點是在低光環(huán)境下無法正常工作，而結(jié)構(gòu)光技術(shù)則與之相反,，在強光下無法正常工作,。因此有的廠家把兩種技術(shù)進行組合，彌補彼此的缺陷,，擴大其適用的環(huán)境范圍,。

提高測量精度的方法

傳感器校準(zhǔn)

傳感器校準(zhǔn)，包括精校準(zhǔn)和粗校準(zhǔn),。精校準(zhǔn)效果比較好,，但需要昂貴的標(biāo)定設(shè)備；粗校準(zhǔn)則不需要借助外部設(shè)備,，只對傳感器本身進行操作即可,。

以磁羅盤的粗校準(zhǔn)為例，由于地球上任意位置的地磁場強度在較長時間跨度內(nèi)都可視為是恒定的,，當(dāng)轉(zhuǎn)動磁羅盤時,，根據(jù)相對運動可假設(shè)磁羅盤固定不動，而地磁場矢量隨之在轉(zhuǎn)動,，其矢量端點在空間的軌跡應(yīng)為一個標(biāo)準(zhǔn)的球體,，但由于傳感器存在誤差，實際測出的數(shù)據(jù)并不嚴(yán)格都在球體的表面,，這時候就需要根據(jù)測量出來的數(shù)值以及已知的準(zhǔn)確值來計算兩者之間的換算關(guān)系,，也就是該款磁羅盤的誤差模型。在以后使用該款磁羅盤時就可以根據(jù)粗校準(zhǔn)得出的誤差模型來處理測量值,，使得測量值的誤差減小,。

磁羅盤校準(zhǔn)（SGB sbgcenter）

多種傳感器數(shù)據(jù)融合

不同類型的傳感器數(shù)據(jù)融合方法有多種，在業(yè)內(nèi)用的比較普遍而且效果也比較好的是EKF,，也就是擴展卡爾曼濾波,。

以計算飛機姿態(tài)角的融合方法為例，EKF更新過程主要分為兩個部分,，預(yù)測更新和量測更新,。預(yù)測更新主要利用陀螺儀更新預(yù)測狀態(tài)量,，同時計算該狀態(tài)量的協(xié)方差矩陣。在量測更新中先會計算濾波增益,，然后使用濾波增益融合預(yù)測狀態(tài)量,、加速度計以及磁羅盤的數(shù)據(jù)，成為一個融合狀態(tài)量,，同時計算融合狀態(tài)量的協(xié)方差矩陣,，在下一次更新周期的計算中使用。

計算姿態(tài)角的融合方法流程

傳感器冗余設(shè)計

傳感器冗余設(shè)計主要是將多個同種傳感器進行組合,，處理方法是首先會剔除數(shù)據(jù)異常的傳感器,，然后再進行傳感器的融合。冗余設(shè)計不僅可以提高測量精度也可以提高整套系統(tǒng)的可靠性,，在某一個傳感器失效的情況發(fā)生時,，讓整個系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常工作。