兩年來(lái)，大疆精靈系列更新了兩代，飛控技術(shù)更新了兩代，智能導(dǎo)航技術(shù)從無(wú)到有，諸多新的軟件和硬件產(chǎn)品陸續(xù)發(fā)布。同時(shí)我們也多了很多友商，現(xiàn)在多旋翼飛行器市場(chǎng)火爆，諸多產(chǎn)品琳瑯滿目，價(jià)格千差萬(wàn)別。為了理解這些飛行器的區(qū)別，首先要理解這些飛行器上使用的傳感器技術(shù)。我覺(jué)得現(xiàn)在很有必要再發(fā)一篇科普文章，定義“智能導(dǎo)航”這個(gè)概念，順便字里行間介紹一下兩年來(lái)大疆在傳感器技術(shù)方面的努力。

　　1. 飛行器的狀態(tài)

　　客機(jī)、多旋翼飛行器等很多載人不載人的飛行器要想穩(wěn)定飛行，首先最基礎(chǔ)的問(wèn)題是確定自己在空間中的位置和相關(guān)的狀態(tài)。測(cè)量這些狀態(tài)，就需要各種不同的傳感器。世界是三維的，飛行器的三維位置非常重要。比如民航客機(jī)飛行的時(shí)候，都是用GPS獲得自己經(jīng)度、緯度和高度三維位置。另外GPS還能用多普勒效應(yīng)測(cè)量自己的三維速度。后來(lái)GPS民用之后，成本十幾塊錢(qián)的GPS接收機(jī)就可以讓小型的設(shè)備，比如汽車(chē)、手機(jī)也接收到自己的三維位置和三維位置。

　　對(duì)多旋翼飛行器來(lái)說(shuō)，只知道三維位置和三維速度還不夠，因?yàn)槎嘈盹w行器在空中飛行的時(shí)候，是通過(guò)調(diào)整自己的“姿態(tài)”來(lái)產(chǎn)生往某個(gè)方向的推力的。比如說(shuō)往側(cè)面飛實(shí)際上就是往側(cè)面傾，根據(jù)一些物理學(xué)的原理，飛行器的一部分升力會(huì)推著飛行器往側(cè)面移動(dòng)。為了能夠調(diào)整自己的姿態(tài)，就必須有辦法測(cè)量自己的姿態(tài)。姿態(tài)用三個(gè)角度表示，因此也是三維的。與三維位置、三維角度相對(duì)應(yīng)的物理量是三維速度、三維加速度和三維角速度，一共是十五個(gè)需要測(cè)量的狀態(tài)。

　　這十五個(gè)狀態(tài)都對(duì)多旋翼飛行器保持穩(wěn)定飛行有至關(guān)重要的作用。拿“懸?！边@件看起來(lái)是多旋翼飛行器最基本的能力來(lái)說(shuō)，實(shí)際上飛行器的控制器在背后做了一系列“串級(jí)控制”：在知道自己三維位置的基礎(chǔ)上，控制自己的位置始終鎖定在懸停位置，這里的控制量是一個(gè)目標(biāo)的懸停速度，當(dāng)飛行器的位置等于懸停位置時(shí)，這個(gè)目標(biāo)懸停速度為0，當(dāng)飛行器的位置偏離了懸停位置時(shí)，飛行器就需要產(chǎn)生一個(gè)讓自己趨向懸停位置的速度，也就是一個(gè)不為零的目標(biāo)懸停速度；飛行器要想控制自己產(chǎn)生目標(biāo)懸停速度，就需要根據(jù)自己當(dāng)前的三維速度，產(chǎn)生一個(gè)目標(biāo)加速度；為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)加速度，飛機(jī)需要知道自己的三維角度，進(jìn)而調(diào)整自己的姿態(tài)；為了調(diào)整自己的姿態(tài)，就需要知道自己的三維角速度，進(jìn)而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　讀者可能會(huì)想哇為什么這么復(fù)雜。其實(shí)我們身邊的許多工程產(chǎn)品都在簡(jiǎn)單的表現(xiàn)背后藏著復(fù)雜的過(guò)程。比如汽車(chē)的油門(mén)也是類似的，踩下油門(mén)之后，有傳感器測(cè)量汽油的流速、控制汽油的流速；然后有傳感器測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速……從踩油門(mén)到加速的過(guò)程中也有許許多多的傳感器在測(cè)量汽車(chē)的各個(gè)狀態(tài)量，并對(duì)這些狀態(tài)量施加控制。

　　知道十五個(gè)狀態(tài)量是多旋翼飛行器做任何動(dòng)作的基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，但是讓飛行器在任何情況下都準(zhǔn)確知道這十五個(gè)狀態(tài)量是非常困難的事情，因?yàn)楝F(xiàn)在的科技水平還沒(méi)有能夠?qū)崿F(xiàn)讓一個(gè)傳感器同時(shí)測(cè)量這么多的物理量。幾十年來(lái)，人們發(fā)展出了一套復(fù)雜的技術(shù)，叫做組合導(dǎo)航，用GPS加上慣性測(cè)量元件、氣壓計(jì)和地磁指南針來(lái)讓飛行器測(cè)量自己的十五個(gè)狀態(tài)量。

　　2. 組合導(dǎo)航

　　慣性測(cè)量元件是一種能夠測(cè)量自身三維加速度和三維角速度的設(shè)備（實(shí)際上慣性測(cè)量元件有兩種，一種加速度計(jì)，一種角速度計(jì)，為了行文方便，我們把這兩種元件當(dāng)做一種，統(tǒng)稱為慣性測(cè)量元件）。根據(jù)物理學(xué)原理，加速度的積分是速度，速度的積分是位置，角速度的積分是角度，理論上單靠慣性測(cè)量元件，我們就可以知道十五個(gè)狀態(tài)量。

　　人類的科技水平也的確實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)：GPS還沒(méi)被發(fā)明以前，導(dǎo)彈上通常都裝著一個(gè)精密的慣性測(cè)量元件，導(dǎo)彈打出去以后靠這個(gè)裝置測(cè)量自己的十五個(gè)狀態(tài)量，然后控制自己飛越海洋和大洲。然而這種慣性測(cè)量元件會(huì)在測(cè)量的過(guò)程中慢慢累積誤差，元件本身的工藝、技術(shù)、成本越差，積累誤差的速度就越快。導(dǎo)彈上價(jià)值幾百萬(wàn)的慣性測(cè)量元件飛幾萬(wàn)公里后會(huì)積累十幾米到幾公里的誤差，這種水平的導(dǎo)彈已經(jīng)非常了不起了，畢竟不是每個(gè)國(guó)家都可以在背后豎著洲際導(dǎo)彈和國(guó)際社會(huì)講道理。

　　人體內(nèi)也有慣性測(cè)量元件，人的耳蝸充滿液體，人運(yùn)動(dòng)的時(shí)候這些液體有慣性，可以被耳中的神經(jīng)感受到，因此測(cè)出了運(yùn)動(dòng)的加速度。然而人的慣性測(cè)量元件非常差，閉上眼睛，也不摸周?chē)臇|西，只靠耳蝸感受的移動(dòng)，人基本沒(méi)法走直線。而多旋翼飛行器上用的低成本MEMS慣性測(cè)量元件，精度就更差了，它測(cè)量的速度和位置在幾秒鐘內(nèi)就會(huì)發(fā)散到幾十米開(kāi)外去，完全沒(méi)法用來(lái)規(guī)劃控制自己的飛行路線。

　　此外，慣性測(cè)量元件還會(huì)受到溫度、制造工藝的限制，產(chǎn)生一些測(cè)量的偏差，比如說(shuō)有時(shí)溫度突然變化之后，一個(gè)靜止的慣性測(cè)量元件會(huì)覺(jué)得自己轉(zhuǎn)動(dòng)了起來(lái)，雖然它靜止著，但是會(huì)輸出不為零的角速度。這類測(cè)量的偏差需要比較仔細(xì)的算法進(jìn)行修正，而且往往不能單靠慣性測(cè)量元件自己的測(cè)量完全消除。

　　地磁指南針是一種測(cè)量航向的傳感器。指南針在人們的生活中作用重大，在未知的環(huán)境中，不分南北可能寸步難行。飛行器的機(jī)身正方向朝南還是朝北這個(gè)狀態(tài)量用導(dǎo)航的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)叫做航向，也就是飛行器姿態(tài)的三維角度中的一個(gè)，他在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中是非常重要的一個(gè)狀態(tài)量。

　　地磁指南針能夠指南指北是因?yàn)榈厍虮砻婵臻g中有看不見(jiàn)的橫貫?zāi)媳钡牡卮啪€，地磁指南針可以測(cè)量出穿過(guò)自身的地磁強(qiáng)度，從而指出當(dāng)前自身相對(duì)于地磁線的偏轉(zhuǎn)。同樣地，這個(gè)理論雖然非常簡(jiǎn)單，但是地磁線的強(qiáng)度非常弱，很容易受到干擾。比如多旋翼飛行器通用的無(wú)刷電機(jī)，在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，和地磁場(chǎng)疊加之后，地磁指南針就找不到正確的方向了。地磁指南針的這個(gè)特性非常令人惱火，但是早期的多旋翼飛行器開(kāi)發(fā)人員毫無(wú)辦法，因?yàn)檫@是唯一的能夠確定飛行器在空間中絕對(duì)航向的設(shè)備。如果不知道這個(gè)航向，就基本沒(méi)辦法進(jìn)行組合導(dǎo)航。

　　氣壓計(jì)的原理最為簡(jiǎn)單。因?yàn)榈厍虮砻婧０卧礁撸諝庠较”?，氣壓越低，因此氣壓就能夠給出飛行器的海拔高度。不過(guò)，不出意料的是，尺寸和重量適合在多旋翼飛行器上使用的氣壓計(jì)有很大的缺陷，它的測(cè)量值會(huì)受到溫度、濕度、空氣流速、光照、振動(dòng)等因素的影響，單靠氣壓計(jì)非常難實(shí)現(xiàn)對(duì)高度的穩(wěn)定測(cè)量。

　　組合導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合GPS、慣性測(cè)量元件、地磁指南針和氣壓計(jì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，使用電子信號(hào)處理領(lǐng)域的很多技術(shù)，融合多種傳感器的測(cè)量值，獲得較為準(zhǔn)確的飛行器十五個(gè)狀態(tài)量的測(cè)量。前面說(shuō)慣性測(cè)量元件的測(cè)量容易發(fā)散，這個(gè)發(fā)散可以通過(guò)GPS來(lái)抑制：GPS可以獲得三維位置也可以獲得三維速度，慣性測(cè)量元件可以獲得三維加速度，加速度的積分也是速度。在通過(guò)地磁指南針獲得航向的基礎(chǔ)上，兩種速度的觀測(cè)就可以融合起來(lái)，通過(guò)GPS的測(cè)量值來(lái)發(fā)現(xiàn)并抑制慣性測(cè)量元件的發(fā)散。慣性測(cè)量元件的發(fā)散被抑制住之后，它也可以更準(zhǔn)地測(cè)量三維角度和三維加速度。因此GPS和慣性測(cè)量元件在這些情況中互相取長(zhǎng)補(bǔ)短。除此之外，氣壓計(jì)和GPS互相提高了高度測(cè)量的精度，地磁指南針、GPS和慣性測(cè)量元件一同提高了航向測(cè)量的精度，他們都是利用了相同的融合、“互補(bǔ)”的思想。

　　組合導(dǎo)航技術(shù)中傳感器互補(bǔ)的原理直接源于1948年誕生的信息論?？藙诘?香農(nóng)總結(jié)歸納出的信息論提出了信息的概念以及如何從數(shù)學(xué)上度量信息，信息論可以說(shuō)是現(xiàn)代人類文明的基石之一。解釋清楚信息的本質(zhì)之后，人們才能夠用數(shù)學(xué)表示一個(gè)樸素而又深刻的原理：信息可以用來(lái)估計(jì)狀態(tài)，越多的信息可以把狀態(tài)量估計(jì)得越準(zhǔn)。

　　此后，控制論的奠基人諾伯特-維納、魯?shù)婪?卡爾曼以及其他一大批工程師和科學(xué)家完善了通過(guò)信息進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)的線性估計(jì)理論，進(jìn)一步提出了傳感器之間“互補(bǔ)濾波”，共同減小誤差的理論?？柭O(shè)計(jì)的卡爾曼濾波器還被實(shí)現(xiàn)在了阿波羅飛船的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)當(dāng)中，使用星座位置和慣性測(cè)量元件互補(bǔ)測(cè)量阿波羅飛船的十五個(gè)狀態(tài)量。

　　信息論、線性估計(jì)理論以及卡爾曼濾波器允許人們把多個(gè)具有誤差的傳感器通過(guò)數(shù)學(xué)方程融合起來(lái)，利用傳感器信息估計(jì)特定的狀態(tài)量，而且越多傳感器“互補(bǔ)”，可以獲得越好的狀態(tài)估計(jì)。這樣，數(shù)學(xué)給工程學(xué)指出了發(fā)展方向：造更多牛逼的傳感器進(jìn)行互補(bǔ)，就能獲得更好的狀態(tài)估計(jì)能力。大疆飛控總工程師魚(yú)大人也曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“最牛逼的工程師都是在搞傳感器?！眰鞲衅骷夹g(shù)的重要性可見(jiàn)一斑。

　　作為一種位置傳感器，GPS具有諸多的問(wèn)題，GPS信號(hào)只有在開(kāi)闊的空間內(nèi)才能給出比較好的測(cè)量值，因?yàn)镚PS接收機(jī)需要從天上的衛(wèi)星獲得信號(hào)，這些信號(hào)要從太空傳入大氣層，這么遠(yuǎn)的距離，信號(hào)已經(jīng)相對(duì)來(lái)說(shuō)很微弱，所以必須要求接收機(jī)和衛(wèi)星之間的連線上沒(méi)有遮擋，一旦有建筑甚至是樹(shù)木的遮擋，衛(wèi)星發(fā)下來(lái)的信號(hào)就有噪聲，GPS接收機(jī)就不能給出很好的位置和速度觀測(cè)。在室內(nèi)環(huán)境中，GPS甚至完全不能使用。組合導(dǎo)航技術(shù)要想進(jìn)一步發(fā)展，就需要尋找其他能夠在GPS不能使用的環(huán)境中使用的傳感器。

　　一種較為簡(jiǎn)單的能夠替代GPS測(cè)量高度的傳感器是小型超聲波模塊。這種模塊通常有一收一發(fā)兩個(gè)探頭，一個(gè)探頭發(fā)出超聲波，另一個(gè)探頭測(cè)量回波的時(shí)間，能夠算出導(dǎo)致聲波反彈的物體離探頭的距離?，F(xiàn)在在淘寶上，只要10塊錢(qián)就可以買(mǎi)到一個(gè)能夠比較準(zhǔn)確測(cè)量幾米內(nèi)物體距離的超聲波模塊，被廣泛用在大學(xué)生制作的小機(jī)器人上。這種10塊錢(qián)的傳感器沒(méi)有比氣壓計(jì)和MEMS慣性測(cè)量元件性能高多少，它發(fā)出的聲波容易發(fā)散，探測(cè)到的物體不一定位于探頭正前方，另外聲波也容易被空氣中的水霧、振動(dòng)所影響，給出完全錯(cuò)誤的觀測(cè)。因此，超聲波模塊最好的使用場(chǎng)景是對(duì)著地面，測(cè)量自身和地面的距離。