无人机定位六大方案详解

无人机定位六大方案详解

【匠领导读】本文着重分享四旋翼无人机在飞行过程中所有姿态以及目前存在的六类定位方案。在分析了各个定位方案的原理及差别后，我们将为大家介绍无人机参数评测性能方案——Themis 3D+。

1.四旋翼无人机的结构形式

旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。结构形式如图 1所示: 

图1 四旋翼无人机结构

2.工作原理

四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。 

图2 四旋翼飞行器沿各自由度运动

四旋翼飞行器的电机 1和电机 3逆时针旋转的同时，电机 2和电机 4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

在上图中，电机 1和电机 3作逆时针旋转，电机 2和电机 4作顺时针旋转，规定沿 x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。

2.1 无人机运动姿态说明

（1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。

（2）俯仰运动：在图（b）中，电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 2、电机 4 的转速保持不变。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转，同理，当电机 1 的转速下降，电机 3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。 

（3）滚转运动：与图 b 的原理相同，在图 c 中，改变电机 2和电机 4的转速，保持电机1和电机 3的转速不变，则可使机身绕 x 轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。 

（4）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图 d中，当电机 1和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。 

（5）前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图 e中，增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图 b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。（在图 b 图 c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y轴的水平运动。） 

（6）倾向运动：在图 f 中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。 

3.无人机定位

随着机器人技术的逐渐兴起，出现了很多种类的自定位技术。其中主要分为激光测距技术、超声定位技术、GPS定位技术以及计算机视觉定位技术。激光测距仪由于其重量和体积较大，因此主要用于地面机器人在复杂陌生环境中的避障和定位。超声定位技术通过测量超声波来回的反射时间从而得到自身与周围环境的相对位置。GPS是全球定位系统的简称，是20世纪70年代由美国陆海空三军研制的新一代空间卫星导航定位系统。在开阔的场地上，用户可以通过GPS信号接收机捕获到一定数量的定位卫星，并跟踪这些卫星的运行，同时接收到这些卫星传回的信号。用户设备通过一系列的算法，将接收回来的信号转化为具体的经纬度等绝对位置信息。从而实现自定位的任务。

目前市场上大多数无人机均由多组传感器组成，进行测量三维位置、三维速度、三维加速度、三维角度和三维角速度十五个测量状态，目的是保证无人机平稳飞行，减少炸机事件发生。一般消费级无人机上传感器有GPS、气压计、视觉传感器、惯性（加速度计、陀螺仪）、超声波传感器。 

在无人机飞行过程中，为保证无人机的平稳飞行，重中之重是要获得无人机的三维位置、三维速度、三维加速度、三维角度和三维角速度等状态指标，无论在无人机操控还是自主飞行过程中，这十五个状态值都是保证无人机稳定飞行的基石。

通常由以下传感获得上述数据：

1) 通过GPS可以获得无人机的位置信息（X、Y、Z），通过多颗（大于三颗）已知位置的卫星确定无人机上GPS接收机的位置。GPS卫星时刻在发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上卫星信号，测量出测站点（用户接收机）至三颗卫星的距离，解算出卫星的空间坐标，再利用距离交会法（从两个已知点测量至某一待测点的距离,然后根据这两段距离的交点确定该待测点，这种方法称为距离交会法。）

a) 用户测量出自身到三颗卫星的距离；

b) 卫星的位置精确已知，通过电文播发给用户；

c) 以卫星为球心，距离为半径画球面；

d) 三个球面相交得两个点，根据地理常识排除一个不合理点即得用户位置。

2) 通常我们用GPS获得无人机的水平位置信息，然而无人机还需要高度信息，虽然GPS也可以读取高度参数，但数据刷新率不够理想，可能会导致无人机高度掉落，所以现在消费级无人机一般都采用气压计来读取高度参数，气压计是将输入信号（压力）转换为电阻变化，即通过惠斯登电桥架构的压阻式压力传感器感应施加在薄隔膜上的压力。

3) 在无人机飞行过程中需保证无人机飞行的稳定性，即确定无人机的姿态（Pitch、Yaw、Roll），保证无人机姿态平稳，依靠无人机内部的IMU（惯性测量单元，即陀螺仪+加速度计传感器）来识别无人机的飞行状态，惯性测量单元通常由陀螺仪与加速度计传感器组合而成，因为每种传感器都有一定的局限性，因此，将两个传感器数据综合得到无人机的姿态。

陀螺仪输出的是角速度，要通过积分才能获得角度，但是即使在零输入状态时，陀螺仪仍是有输出的，它的输出是白噪声和慢变随机函数的叠加，受此影响，在积分的过程中，必然会引进累计误差，积分时间越长，误差就越大。这时候，便需要加速度传感器的加入，利用加速度传感器来对陀螺仪进行校正。

由于加速度传感器可以利用力的分解原理，通过重力加速度在不同轴向上的分量来判断倾角。同时，它没有积分误差，所以加速度传感器在相对静止的条件下，可以有效校正陀螺仪的误差。但在运动状态下，加速度传感器输出的可信度就要下降，因为它测量的是重力和外力的合力。故而，综合两个数据获得无人机的姿态值。

4) 然而，GPS受信号影响很大，在室内等信号不稳定的环境中基本无法获得数据；同样低成本气压计内部噪声会有影响，气压计测量的是静压，外部气流变化不会影响到静压，但实际上速度还是会干扰到静压，温度湿度变化也会影响到气压度数。

为确保无人机获得的位置、姿态数据的准确性，同时保证在无GPS情况下保证无人机正常飞行，在无人机上引入光流定位模块，光流定位模块由视觉传感器、超声波传感器组成。其中位于无人机底部的图像传感器将获取下方的图像信息，利用图像序列中像素在时间域上的变化以及相邻帧之间的相关性来找到上一帧与当前帧之间存在的对应关系，从而计算出相邻帧之间物体的运动信息的，进而推算出无人机的相对位移与速度；超声波测距定高，就是通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器收到超声波时的时间差计算出距离。

上面介绍了无人机飞行过程由以上传感器获得无人机的状态，但是每种传感器都有一定的局限性，而且无法评判无人机飞行状态的好坏，仅能通过主观评估无人机飞行性能。特引入外部辅助定位系统，辅助定位无人机位置、姿态。

4.Themis 3D+无人机评测方案 

在古希腊神话里，主持正义和秩序的女神就是忒弥斯（Themis），如上图Themis女神身披白袍、头戴金冠，右手提一座天秤，左手持剑的蒙眼女神。按照欧洲像章学的解释，白袍象征道德无瑕、刚直不阿；蒙眼因为司法纯靠理智；不靠人的主观印象；天秤比喻裁量公平。正因为当前行业内，相关测评无人机各项参数的指标还没有一套完善的标准，个别技术参数还需依靠业内有资深经验工程师的主观判断力，因此我们将把即将推出的无人机参数评测方案命名为Themis。希望给无人机行业里的各方提供技术参考，为中国无人机行业的技术发展贡献力量。其中，无人机行业相关方包括：无人机生产厂商（研发论证及出厂检验测试）、无人机用户、无人机编队商演用户、高校中自动化、控制、机电类的专业院校以及相关飞行控制研究的科研机构等等。

传统无人机通过传感器测出的数值(如压强、加速度等)进行计算后得出无人机的位置，通过经验老道的飞手进行试飞检查是否合格，不能客观的得出评价。而Themis 3D+实时获得无人机的位置，得出无人机飞行所必须的十五个参数，减少了误差的引入，同时也可以通过数值客观进行评价。

Themis 3D+方案由光学运动捕捉系统和计算分析软件组成。光学运动捕捉系统可以实时获得无人机的位置和姿态信息，分析软件通过获得的位置和姿态信息计算十五个参数值，并输出文档和对应的时间曲线。

5. 总结

在无人机的应用方向愈发宽广、潜在市场需求量愈发增长的背景之下，对于行业及产品性能还需要深入探索并引入行业的标准性参数，对于研发生产商、客户及所有市场向关联方都有着关键性的指导意义。