基本知識介紹

名詞解釋

• 慣性測量單元IMU(InertialMeasurementUnit)
• 姿態(tài)航向參考系統(tǒng)AHRS(Attitudeand Heading Reference System)
• 地磁角速度重力MARG(Magnetic,Angular Rate, and Gravity)
• 微機電系統(tǒng)MEMS(MicroElectrical Mechanical Systems)
• 自由度維數(shù)DOF(Dimension OfFreedom)
• 無人駕駛飛行器UAV(UnmannedAerial Vehicle)
• 擴展卡爾曼濾波EKF(ExtendedKalman Filter)
• 無損卡爾曼濾波UKF(UnscentedKalman Filter)
• 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS(InertialNavigation System)
• 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS(GlobalNavigation Satellite System)
• 天文導(dǎo)航系統(tǒng)CNS(CelestialNavigation System)
• 可垂直起降VTOL(VerticalTake-off and Landing)

坐標(biāo)系介紹

• 有兩個基本坐標(biāo)系：“地理”坐標(biāo)系（Earth Frame）和“載體”坐標(biāo)系(Body Frame)。

• ”地理”坐標(biāo)系指的就是地球上的“東北天（ENU）”坐標(biāo)系，而“載體”坐標(biāo)系值的就是四軸自己的坐標(biāo)系。當(dāng)我們在實際控制當(dāng)中，我們關(guān)心的顯然是載體坐標(biāo)系相對于地理坐標(biāo)系之間的變化，所以我們通常使用的旋轉(zhuǎn)矩陣是把“地理”坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到“載體”坐標(biāo)系的矩陣，兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系自行百度吧，講的很詳細(xì)。

• 轉(zhuǎn)化的方法就是坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，目前有三種方式：四元數(shù)（q0123）、歐拉角（yaw（Z軸）、pitch（Y軸）、roll（X軸）屬于其中一種旋轉(zhuǎn)順序Z-Y-Xà航空次序歐拉角）、方向余弦矩陣（9個系數(shù)）。

• 其中使用四元數(shù)運算比較快，但是它沒有實際的物理含義，純數(shù)學(xué)推到。

姿態(tài)數(shù)據(jù)

• 姿態(tài)的數(shù)據(jù)來源有5個：重力、地磁、陀螺儀、加速度計、電子羅盤。

• 其中前兩個來自“地理”坐標(biāo)系，后三個來自“載體”坐標(biāo)系。在“地理”坐標(biāo)系中，重力的值始終是（0，0，1g），地磁的值始終是（0，1，x）。這些值就是由放置在四軸上的傳感器測量出來的。

• 在單位時間內(nèi)的位移被定義為速度，速度有線速度和角速度之分，分別對應(yīng)兩種傳感器測量這兩種不同的速度：線速度傳感器（加速度計）、角速度傳感器（陀螺儀）。

導(dǎo)航的基本原則

• 導(dǎo)航的基本原則就是保證兩個基本坐標(biāo)系的正確轉(zhuǎn)化，沒有誤差。只有實現(xiàn)了這個原則，載體才可以在自己的坐標(biāo)系中完成一系列動作而被轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系中看起來是正確的。為了達到這個目標(biāo)，需要對兩個坐標(biāo)系進行實時的標(biāo)定和修正。因為坐標(biāo)系有三個軸，偏航y(tǒng)aw修正由電子羅盤（基于載體）、地磁（基于地理）對比修正誤差補償?shù)玫健８┭鰌itch和橫滾roll上的修正由加速度計（基于載體）、重力（基于地理）對比修正誤差得到。

• 在完成了基本原則的基礎(chǔ)之后，即保證兩個坐標(biāo)系的正確轉(zhuǎn)化后，利用基于載體上的陀螺儀進行積分運算，得到基于載體坐標(biāo)系的姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列PID控制，給出控制量，完成基于載體坐標(biāo)系上的穩(wěn)定控制后，反應(yīng)到地理坐標(biāo)系上的穩(wěn)定控制，從而達到我們觀察到的定高、偏航、翻滾、傾仰等動作。下一篇博客會給出具體的PID回路控制框圖，這篇博客就不添加了。

• 加速度計在地球上測量的是重力加速度，如果載體沿著z軸旋轉(zhuǎn)，加速度計是無法感知他的運動的；類似的，電子羅盤測量的是地球上的磁場方向，如果載體沿著y軸旋轉(zhuǎn)，電子羅盤同樣也是無法感知他的運動的。

• 綜上所述，加速度計和電子羅盤只能得到2維的角度關(guān)系，通過某種方式的融合，可以得到正確的三維姿態(tài)信息。

• 對于上述論述可以看出，導(dǎo)航姿態(tài)從理論上講只用陀螺儀是可以完成任務(wù)的。但是由于陀螺儀在積分過程中會產(chǎn)生誤差累計，加上白噪聲、溫度偏差等會造成導(dǎo)航姿態(tài)的解算隨著時間的流逝而逐漸增加。所以就需要用加速度計在水平面對重力進行比對和補償，用來修正陀螺儀的誤差。

• 但是對于豎直軸上的旋轉(zhuǎn)，加速度計是無能為力的，此時用的是電子羅盤。也可以測量出水平面內(nèi)的地磁方向用來修正陀螺儀的水平誤差。通過這兩個器件的修正補償，使得陀螺儀更加穩(wěn)定、可靠的工作。

AHRS和IMU的差異

• AHRS由加速度計、磁場計、陀螺儀構(gòu)成，AHRS的真正參考來自于地球的重力場和地球的磁場，它的靜態(tài)精度取決于對磁場的測量精度和對重力的測量精度，而陀螺儀決定了他的動態(tài)性能。

• 在這種前提下，說明AHRS離開了地球這種有重力和磁場環(huán)境的時候是沒法正常工作的。而且特別注意，磁場和重力場越正交，航姿測量效果越好；也就是說如果磁場和重力場平行了，比如在地磁南北極。這里的磁場是向下的，即和重量場方向相同了。這個時候航線交是沒法測出的，這是航姿系統(tǒng)的缺陷所在；在高緯度的地方航線角誤差會越來越大。

• IMU（Inertial measurement unit）學(xué)名慣性測量單元，大學(xué)的理論力學(xué)告訴我們，所有的運動都可以分解為一個直線運動和一個旋轉(zhuǎn)運動，故這個慣性測量單元就是測量這兩種運動，直線運動通過加速度計可以測量，旋轉(zhuǎn)運動則通過陀螺。假設(shè)IMU的陀螺和加速度計的測量是沒有任何誤差的，那么通過陀螺則可以精確的測量物體的姿態(tài)。

• 通過加速度計可以二次積分得出位移，實現(xiàn)完整的6DOF，也就是說你帶著一臺這種理論型的IMU在宇宙任何位置運動。我們都可以知道它當(dāng)前的姿態(tài)和相對位移，這將不局限于任何場。

• 從上面的描述何以看出。實際上AHRS比IMU還多一個磁場傳感器，而為什么AHRS的級別卻低于IMU而需要依賴于重力場和磁場呢？這是由傳感器器件架構(gòu)所決定的。AHRS的傳感器通常是成本低廉的mems傳感器。這種傳感器的陀螺儀和加速度計的噪聲相對來說很大。

• 以平面陀螺為例：用ADI的陀螺儀進行積分一分鐘會漂移2度左右，這種前提下如果沒有磁場和重力場來修正三軸陀螺的話。那么基本上3分鐘以后物體的實際姿態(tài)和測量輸出姿態(tài)就完全變樣了，所以在這種低價陀螺儀和加速度計的架構(gòu)下必須運用場向量來進行修正，而IMU實際上也是這樣的。

• 因為我們知道沒有絕對精確的傳感器，只有相對精確的傳感器，IMU的陀螺儀用的是光纖陀螺或者機械陀螺，這種陀螺的成本很高。精度相對mems陀螺也很高，精度高不代表準(zhǔn)確，IMU的姿態(tài)精度參數(shù)通常是一小時飄多少度。

• 而用加速度計積分做位置的話。AHRS是不現(xiàn)實的（1分鐘就能飄出幾十米，而且是成二次方的速度遞增）。AHRS通常要結(jié)合GPS和氣壓計做位置，IMU積分做位置的是一天多少海里。這樣的一個參數(shù)數(shù)量級。也許在海上還能用的到，這就是AHRS和IMU在我的理解里的一個差異。

總結(jié)

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