无人机：导航与感知 · Lv1 入门 · 约 18 分钟
无人机如何知道自己的位置？
位置的确定方法是：根据卫星信号到达所需的时间求出距离，把到多颗卫星的距离重合的点作为位置（包括接收机时钟的偏差在内，至少需要 4 颗）。气压、地磁、图像的线索各有长处和短处。气压告诉你高度的变化，罗盘告诉你朝向，光流告诉你运动。
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您将学到什么
- 能够说明 GNSS 的原理：根据卫星信号到达所需的时间求出距离，再用多颗卫星确定位置。
- 能够说明气压计、罗盘和光流各自测量什么，以及在什么情况下容易出错。
- 能够说明室外和室内可依赖的传感器为何不同，并为具体场景选择合适的传感器。
- 能够察觉 GNSS 的干扰或丢失（多径、干扰、欺骗、磁干扰），即使在定点保持失效时也能偏向安全地操纵。
获知位置的原理（GNSS）
无人机“估计”自己的位置
无人机不像人那样，有能看着风景意识到“这里在车站附近”的眼睛，也没有能摊开地图的手。它有的只是几个传感器给出的数字。
于是，机体根据传感器的数字计算自己的位置。测量、计算，然后判断“大概在这里”。这就叫位置估计。
假设你闭上眼睛，笔直走 100 步。实际步幅是 70 cm，你却以为是 72 cm，那么走 100 步就会偏差约 2 m。走得越多，偏差累加得越大，按同样的比例，1000 步就是约 20 m。
把步数和方向累加起来求出当前位置的方法叫航位推算。机体则是把 IMU（集成了加速度计和陀螺仪的惯性传感器）测得的运动累加起来。由于误差会累积，需要不时用卫星信号等外部线索修正当前位置。“估计，再修正”的反复，是导航的基础。
用卫星信号获知位置
GNSS是利用人造卫星信号测量位置的系统的总称，例如 GPS（美国）和准天顶卫星“引路”（日本）。卫星向地面广播自己的轨道信息和发出信号的时刻。
卫星并不知道机体的位置。接收机根据信号到达时刻与发出时刻之差，测出信号飞行的时间 Δt，再求出距离。例如，GPS 卫星位于高约 2 万 km 的轨道上，来自头顶卫星的信号约 0.07 秒到达（不同种类卫星的轨道高度不同）。要测量的是非常短的时间。
只有 1 个距离时，只能说位置在某个圆（在空间中是球面）上的某处。图是平面的例子：只有 2 个圆时会剩下 2 个交点，加上第 3 个圆才确定为 1 点。这就是三边测量。在空间中，未知数是东西、南北、高度，再加上接收机时钟的偏差，共 4 个，因此至少要用 4 颗卫星。
GNSS 出现偏差的时候
GNSS 很强大，但并不总是准确。距离由“信号飞行的时间”决定，所以任何扰乱信号传播的因素，都会直接变成位置误差。
主要原因有：大气造成的信号延迟、卫星时钟和轨道的微小误差，以及建筑物等造成的反射。此外，如果卫星的分布不好，这些误差对位置的影响会被放大。即使在天空开阔的地方，普通接收机的位置也会残留几米量级的偏差，而且会随条件变化。
- 多径与遮挡：被墙面反射的信号，会因绕远的那段路程而被测成更长的距离，导致位置偏移。被高楼包围时，能看到的卫星也会减少。
- 干扰：用强噪声电波让接收机“听不见”微弱卫星信号的妨碍手段。位置会“出不来”。
- 欺骗：用伪造的卫星信号，让接收机相信错误的位置或时间的妨碍手段。位置“出得来”却是错的，因此有时很难察觉。
位置突然大幅跳变，可见卫星数突然减少，静止不动时位置却在移动，机体的动作与 GNSS 位置的变化对不上。一旦察觉到这些征兆，就不要勉强继续，而要做出在远离人和物体的地方降落的判断。发射干扰信号的实验对周围的设备也很危险，绝对不能做。
本节练习（在课程中完成）
- GNSS 确定位置的过程
- 时钟偏差 1 微秒相当于多少 m？
- 找出天空变窄的地方
GNSS 以外的线索
高度、朝向和运动的线索
GNSS 能在开阔的天空下告诉你位置，但高度的误差往往比水平方向大。此外，普通的（只有 1 根天线的）GNSS 是根据移动的方向来求朝向的，所以静止时得不到朝向。于是，由其他传感器来弥补这些短板。
- GNSS：根据卫星信号的到达时间获知绝对位置。在建筑物旁、室内和受到干扰时表现较差。
- 气压计：根据气压获知高度的变化。对微小的上下移动很敏感，但读数会随天气变化和机体周围的气流而变动。
- 罗盘：根据地球磁场的方向获知机头的朝向。在铁、电流或磁铁附近磁场会被扰乱，朝向就会偏。这就是磁干扰。
- 光流：用朝下的相机观察地面纹理在图像中移动了多少，求出移动的速度。没有 GNSS 也能使用，但不擅长纹理少的表面和昏暗的地方。
- IMU：根据加速度和角速度获知短时间内的运动。速度快，也不依赖外部，但误差会随时间累积。
在海平面附近，高度每升高约 8 m，气压约下降 1 hPa（百帕）。由这种换算得到的气压高度对微小的上下移动很敏感。但天气也会使气压变化，所以比起“海拔多少米”，它更擅长回答“和刚才相比变化了多少”。
校准要在远离钢结构建筑和汽车的开阔场地，按照使用说明书的步骤进行。如果附近有干扰源，即使校准后也会残留偏差。与其增加校准次数，不如先换个地方。
在室内依靠什么
在室内，墙壁和屋顶会削弱卫星信号，所以 GNSS 往往无法使用。在钢结构多的建筑里，罗盘也容易受扰。不同场景下，可依赖的线索各不相同。
- 开阔的野外：GNSS、气压计、罗盘、IMU 都能用。要留意干扰和欺骗的征兆。
- 高楼之间：GNSS 会因反射和遮挡而受扰。以气压计和 IMU 为支撑，不要只依赖 GNSS。
- 室内仓库：依靠光流、朝下的测距传感器和 IMU。GNSS 无法使用，钢结构也容易扰乱罗盘。
- 水面上方：GNSS、气压计、IMU 都能用。水面纹理少，所以光流不太起作用。
朝下的测距传感器用声波或光直接测量到地面的高度。与光流组合，就能同时知道在地面上方的运动和高度。在室内，气压计也能测量高度的微小变化，但空调等可能会使气压变动。
重要的是不要只依赖一种线索。把长处和短处组合起来，一种受扰时由另一种来支撑。也有在建筑物内预先放置标记、用作位置线索的方式。
只靠脚下的信息和 IMU 来跟踪运动，误差同样会随时间累积。在 Lv2 中会学习用数字估算误差的方法，在 Lv3 中会学习把图像和 IMU 组合起来、抑制误差累积的方法。
本节练习（在课程中完成）
- 传感器与它不擅长的情况
- 罗盘读数不稳定时
- 在室内仓库里能依靠什么？
定点保持，以及失去它的时候
定点保持与姿态模式
定点保持是指松开摇杆时，机体一边测量自身位置一边控制自己停留在原地。它根据测得的位置偏差，持续一点点地把机体推回去，所以在 GPS 模式（用 GNSS 保持位置的模式）下，一松开摇杆机体就会马上停下。
一旦失去 GNSS，来自 GNSS 的位置线索就没有了。在光流等也无法使用的情况下（高空，或者在没有纹理的地面上方等），机体可能会切换到姿态模式（取决于机型）。这时水平方向只靠倾斜来控制，所以松开摇杆也没有停下的基准，会被吹向下风方向。
首先不要慌，用摇杆稳住机体。基本做法是向漂移的反方向持续轻推。然后在远离人和物体的开阔场地慢慢降落。不要勉强飞向目的地，优先降落，并按照使用说明书的步骤操作。
动手试试看：这一场景可以在课程中亲自操作体验。
本节练习（在课程中完成）
- 如何稳住在姿态模式下漂移的机体
- 失去 GPS 后，冷静地降落
小结
- 位置的确定方法是：根据卫星信号到达所需的时间求出距离，把到多颗卫星的距离重合的点作为位置（包括接收机时钟的偏差在内，至少需要 4 颗）。
- 气压、地磁、图像的线索各有长处和短处。气压告诉你高度的变化，罗盘告诉你朝向，光流告诉你运动。
- 在室内 GNSS 往往无法使用，要依靠光流等脚下的线索。不要只依赖一种，而要组合使用。
- GNSS 会因反射、干扰和欺骗而出现偏差。察觉到位置突然跳变等征兆时，不要勉强，要做出降落的判断。
- 失去 GPS 进入姿态模式后，松开摇杆机体也不会停下，而会被风吹走。向漂移的反方向稳住，冷静地降落。
在 Lv2 中，你将用 DOP 和 RTK 以数字表示精度，计算坐标系、距离和方位，并用 Lint 检查航点飞行计划。
本课术语
- GNSS
- 利用人造卫星的信号测量自身位置的系统的总称，例如 GPS（美国）和准天顶卫星“引路”（日本）。全称为全球导航卫星系统。
- 三边测量
- 已知到 3 个以上基准点的距离时，以这些距离为半径画圆（球），把它们的交点确定为位置的方法。
- 航位推算
- 把从出发点开始前进的方向和距离累加起来，求出当前位置的方法。测量误差会一点点累积。
- 气压高度
- 由气压计测得的气压换算出的高度。对高度的变化很敏感，但天气使气压变化时，基准会发生偏移。
- 罗盘
- 测量地球磁场方向，求出机体朝向哪个方向（机头方位）的传感器。
- 光流
- 根据相机图像中地面纹理移动的量，求出机体移动速度的方法。
- 多径
- 卫星信号被建筑物等反射后绕远路到达的现象。测得的距离会变长，导致位置偏移。
- 干扰
- 发射强噪声电波，使接收机无法接收微弱卫星信号的妨碍手段。
- 欺骗
- 发送伪造的卫星信号，使接收机相信错误的位置或时间的妨碍手段。
- 磁干扰
- 铁、电流或磁铁的磁场扰乱罗盘测量的现象。校准要在远离铁的地方进行。
- 定点保持
- 松开摇杆时，机体一边测量自身位置一边控制自己停留在原地。
- 姿态模式
- 不使用 GNSS 的位置线索，水平方向只控制机体倾斜的模式（很多机型会用气压计等保持高度）。松开摇杆后会被风吹走。
亲自试一试
本页是课程的文字内容。练习和模拟器在课程中运行。
更新于 · 模拟器是用于教学的简化模型