GPS負(fù)責(zé)測量速度、位置參量，也是導(dǎo)航系統(tǒng)中最重要的傳感器之一。在開闊環(huán)境中，GPS信號(hào)相對(duì)較穩(wěn)定；然而，在實(shí)際使用場景中，飛行器的使用環(huán)境往往存在較多的遮擋以及信號(hào)干擾，此時(shí)，我們不得不面對(duì)短暫丟失GPS信號(hào)的境況，此時(shí)，若無光流等等價(jià)傳感器，則必須采取特殊處理邏輯，對(duì)其進(jìn)行安全降落，避免出現(xiàn)其他異常情況。

TOF/超聲波

TOF與超聲波屬于同一類單點(diǎn)測距的傳感器，區(qū)別在于前者的測量束角較小，能量較為集中，屬于電磁波，不容易在傳輸過程中損耗；而后者，屬于機(jī)械波，容易在傳輸過程中損耗，且傳輸距離較近。超聲波傳感器在早期的多旋翼飛行器中應(yīng)用較多，隨著TOF傳感器的成本下降，逐漸取代了超聲波傳感器成為單點(diǎn)測距傳感器的中的主流。

毫米波雷達(dá)/激光雷達(dá)

毫米波雷達(dá)屬于一種多點(diǎn)測量的電磁波雷達(dá)，其抗干擾性能較強(qiáng)，測量距離較遠(yuǎn)，多用于多旋翼飛行器的某一方向避障。而激光雷達(dá)則能夠測量360度范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可用于地圖構(gòu)建與導(dǎo)航，但價(jià)格較為昂貴，且環(huán)境適應(yīng)性不如毫米波雷達(dá)般健壯。因此，其并未在多旋翼無人機(jī)當(dāng)中作為主流傳感器而普及。

雙目相機(jī)

雙目相機(jī)能夠測量某一方向內(nèi)物體的深度信息，可用于無人機(jī)的地圖構(gòu)建、避障以及位置估計(jì)等用途，價(jià)格低廉。然而，其對(duì)于環(huán)境光照也有較高的要求，需要配合其他等價(jià)傳感器一同使用。

光流傳感器

光流傳感器負(fù)責(zé)測量速度、位置信息。它在一定程度上，能夠補(bǔ)充GPS傳感器的作用，如低空飛行時(shí)，能夠提高速度測量精度；在GPS受干擾時(shí)，能夠繼續(xù)估計(jì)速度、位置等參量，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的魯棒性。

傳感器作為導(dǎo)航系統(tǒng)主要的模塊之一，上述介紹了多旋翼無人機(jī)中主要的傳感器的特性。下面將著重介紹導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用的兩種算法——互補(bǔ)濾波算法與卡爾曼濾波算法。同時(shí)，闡述一種多旋翼飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

二、導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用的兩種算法——互補(bǔ)濾波算法與卡爾曼濾波算法

互補(bǔ)濾波算法簡介

互補(bǔ)濾波器的主要原理是把一個(gè)主要包含高頻噪聲，和一個(gè)主要包含低頻噪聲的信號(hào)分別通過一個(gè)低通濾波器和高通濾波器，并做平均，從而使平均后的結(jié)果是真實(shí)信號(hào)較為準(zhǔn)確的估計(jì)。簡單的講，就是將兩個(gè)表征同一個(gè)狀態(tài)信息的觀測量分別經(jīng)過低通/高通濾波器后，將其進(jìn)行加權(quán)，從而使其達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)的效果。

互補(bǔ)濾波器常被用于姿態(tài)解算、相對(duì)高度的估計(jì)等應(yīng)用。其運(yùn)算量小，能夠在一定程度上解決狀態(tài)估計(jì)的問題。然而，由于其本質(zhì)上并非最優(yōu)估計(jì)算法。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境發(fā)生較大變化或出現(xiàn)較大擾動(dòng)時(shí)，其估計(jì)精度會(huì)大幅下降，這也是其與主流估計(jì)算法——卡爾曼濾波之間存在的一個(gè)較大區(qū)別。下面為采用互補(bǔ)濾波算法的姿態(tài)解算流程圖。

卡爾曼濾波算法簡介

卡爾曼濾波算法是工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的最優(yōu)估計(jì)算法之一?？柭鼮V波器的作用就是通過降低來自系統(tǒng)本身的誤差和環(huán)境引起產(chǎn)生的誤差，使得我們的估計(jì)與預(yù)測逼近最優(yōu)狀況。它通過已知的量，去求的隱藏的變量的過程中，需要構(gòu)建已知量與隱藏變量之間的關(guān)系函數(shù)，也叫做系統(tǒng)動(dòng)力方程。但是由于系統(tǒng)本身的誤差與系統(tǒng)受環(huán)境干擾后產(chǎn)生的誤差的原因，實(shí)際當(dāng)中的估計(jì)與預(yù)測并不會(huì)與系統(tǒng)動(dòng)力方程相符。這里的誤差具體來說有三方面：系統(tǒng)誤差/測量誤差，環(huán)境誤差/過程誤差，估計(jì)誤差。