前言

導(dǎo)航系統(tǒng)作為無人機的感知單元，承擔著無人機狀態(tài)參量測量與估計的重任。對于多旋翼無人機而言，其姿態(tài)、加速度、速度、位置以及各傳感器的零偏與補償系數(shù)均需要被測量或估計。這些眾多參量之中只有極少一部分能夠被直接或間接測量，大多數(shù)參數(shù)需要我們采用多個傳感器組合的方式，結(jié)合最優(yōu)估計算法進行估計，最終，才能夠得到理想的狀態(tài)參量。

導(dǎo)航系統(tǒng)綜述

近年來，隨著智能手機的普及，MEMS技術(shù)日趨成熟，大量價格低廉的MEMS器件被投入消費級市場。消費級多旋翼無人機也借勢而起，快速進入大眾的視線，被應(yīng)用于傳統(tǒng)的影視航拍等領(lǐng)域。

導(dǎo)航系統(tǒng)在多旋翼無人機系統(tǒng)是感知的核心單元，它根據(jù)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)估計模型，綜合多傳感器測量的信息，利用最優(yōu)估計算法，得到良好的狀態(tài)估計參量。常用的狀態(tài)估計算法如互補濾波、卡爾曼濾波及其變種等。

然而，傳感器的原始測量數(shù)據(jù)往往不盡如人意，我們需要根據(jù)不同傳感器的特性，對其數(shù)據(jù)進行預(yù)處理（預(yù)處理主要指傳感器校準與數(shù)字濾波器設(shè)計）。然后，我們才能得到信噪比較高的測量數(shù)據(jù)。然而，傳感器測量的數(shù)據(jù)無法直接或間接的表征我們所需的最終狀態(tài)參量，因此，我們將預(yù)處理后的量測數(shù)據(jù)，通過狀態(tài)估計算法進行最優(yōu)估計，得到如姿態(tài)、加速度、速度、位置、傳感器特征參數(shù)（如陀螺儀零偏、加速度零偏等）。有了準確的狀態(tài)參量，我們就可以作為控制器中的反饋量，故障診斷與決策系統(tǒng)中的決策量等。

一、傳感器及其特性

傳感器作為導(dǎo)航系統(tǒng)的感受器，我們需要對每一個使用到的傳感器的特性了如執(zhí)掌，才能選擇最合適的濾波器與參數(shù)對其進行適配；對于特殊的傳感器，還需要有針對性的處理算法。

IMU

IMU（慣性測量單元），其包含加速度計與陀螺儀兩種傳感器，是導(dǎo)航系統(tǒng)的最重要傳感器之一，它負責測量三軸加速度與三軸角速度，對于低成本的MEMS器件，其測量精度相對較低，陀螺儀的零偏穩(wěn)定性也較差，在不同溫度下的表現(xiàn)也存在較大的差異。因此，對MEMS器件進行適當?shù)臉硕ㄅc補償，同時進行零偏的動態(tài)估計是十分必要的。

氣壓計

氣壓計負責測量海拔高度。在實際使用過程中，往往將其測量數(shù)據(jù)與初始海拔做差值，從而得到相對起飛點的相對高度。氣壓計是一種高精度器件，由于其測量原理與環(huán)境壓強、溫度有關(guān)，因此，我們在實際使用中會發(fā)現(xiàn)：在多旋翼飛行器起飛階段，氣壓計的量測數(shù)據(jù)波動較大，在飛行器大機動飛行后的剎車階段，氣壓計的量測數(shù)據(jù)也波動較大，此時，我們就需要對濾波器中對應(yīng)的量測噪聲進行針對性的調(diào)整，以適應(yīng)實際應(yīng)用場景。否則，多旋翼飛行器會出現(xiàn)不同程度的掉高/升高現(xiàn)象。此外，通過對氣壓計的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，也能夠在不同程度上減弱環(huán)境氣壓變化對測量數(shù)據(jù)真實性的影響。

磁力計

磁力計負責測量三軸磁場數(shù)據(jù)，根據(jù)地磁場矢量能夠輔助測量飛行器的姿態(tài)，同時，它也是航向角的主要量測傳感器。然而，由于飛行器的磁場環(huán)境極其復(fù)雜，電池電源線、射頻電路板以及大功率電源等器件都會在不同程度上影響磁力計對于地磁場的測量。我們在飛行器設(shè)計中，需要事先對機身的磁場環(huán)境定量測量，然后采取隔磁措施。在實際飛行過程中，我們也會碰到環(huán)境磁場的影響。此時，就需要設(shè)計診斷系統(tǒng)，當環(huán)境磁場異常時，及時調(diào)整磁力計融合的增益，避免導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)散。

GPS/RTK