前言

導航系統作為無人機的感知單元，承擔著無人機狀態參量測量與估計的重任。對于多旋翼無人機而言，其姿態、加速度、速度、位置以及各傳感器的零偏與補償系數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，大多數參數需要我們采用多個傳感器組合的方式，結合最優估計算法進行估計，最終，才能夠得到理想的狀態參量。

導航系統綜述

近年來，隨著智能手機的普及，MEMS技術日趨成熟，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，被應用于傳統的影視航拍等領域。

導航系統在多旋翼無人機系統是感知的核心單元，它根據預先設定的數據估計模型，綜合多傳感器測量的信息，利用最優估計算法，得到良好的狀態估計參量。常用的狀態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據往往不盡如人意，我們需要根據不同傳感器的特性，對其數據進行預處理（預處理主要指傳感器校準與數字濾波器設計）。然后，我們才能得到信噪比較高的測量數據。然而，傳感器測量的數據無法直接或間接的表征我們所需的最終狀態參量，因此，我們將預處理后的量測數據，通過狀態估計算法進行最優估計，得到如姿態、加速度、速度、位置、傳感器特征參數（如陀螺儀零偏、加速度零偏等）。有了準確的狀態參量，我們就可以作為控制器中的反饋量，故障診斷與決策系統中的決策量等。

一、傳感器及其特性

傳感器作為導航系統的感受器，我們需要對每一個使用到的傳感器的特性了如執掌，才能選擇最合適的濾波器與參數對其進行適配；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，是導航系統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，陀螺儀的零偏穩定性也較差，在不同溫度下的表現也存在較大的差異。因此，對MEMS器件進行適當的標定與補償，同時進行零偏的動態估計是十分必要的。

氣壓計

氣壓計負責測量海拔高度。在實際使用過程中，往往將其測量數據與初始海拔做差值，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境壓強、溫度有關，因此，我們在實際使用中會發現：在多旋翼飛行器起飛階段，氣壓計的量測數據波動較大，在飛行器大機動飛行后的剎車階段，氣壓計的量測數據也波動較大，此時，我們就需要對濾波器中對應的量測噪聲進行針對性的調整，以適應實際應用場景。否則，多旋翼飛行器會出現不同程度的掉高/升高現象。此外，通過對氣壓計的結構進行設計，也能夠在不同程度上減弱環境氣壓變化對測量數據真實性的影響。

磁力計

磁力計負責測量三軸磁場數據，根據地磁場矢量能夠輔助測量飛行器的姿態，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境極其復雜，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。我們在飛行器設計中，需要事先對機身的磁場環境定量測量，然后采取隔磁措施。在實際飛行過程中，我們也會碰到環境磁場的影響。此時，就需要設計診斷系統，當環境磁場異常時，及時調整磁力計融合的增益，避免導航系統發散。

GPS/RTK