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2023-07-05
从状态视角审视无人机传感器的重要性
【摘要】：状态反馈的过程就是通过各种无人机硬件实现无人机姿态的“回传”，因此可以直接通过反馈的状态信息类型对反馈模块中的传感器进行归类。图5.21 无人机系统的各种地面设备同样，无论采用在跟踪目标上携带跟综系统还是内置传感系统的地面控制站式遥控器或者手机，核心目的都是为了传回被跟踪目标的“外环状态信息”。
理解无人机系统最常见的视角是硬件和数学模型。这两个视角各有优势，也各有不足。比如硬件视角能让读者对无人机系统建立直观感受，并通过各个模块输入输出、时序、外围电路设计实践对单个模块形成工程应用。然而硬件视角也很容易让读者忽视了对无人机整个系统的理解，将具体的硬件与无人机系统分割开，最后虽然接触过很多硬件，但对它们与无人机系统间的关系或硬件彼此间的关系理解不清。
图5.18 奇妙非常的数学（图片来源：pixabay）
而数学视角则从一开始就着眼于系统的“普遍意义”。单个数学符号在现实系统中可以对应非常广阔的硬件范围，比如闭环误差数学模型中的X轴误差eX=Xr-X，既可以通过GPS系统实现，也可以通过超声波、光流传感器、双目视觉等硬件系统实现。当出现新的硬件如更加廉价的运动传感系统，在数学模型中的表现形式却是相同的。数学从一开始就在系统“共性”的描述上登峰造极，让研究者可以应对不断发生的硬件变迁。然而数学也有它的弊端。俗话说“成也萧何败也萧何”，数学的抽象性让它在系统共性的表现上具备得天独厚的优势，但也正是这样的抽象性让很多工程师望而却步，以至于“吓走”很多读者。同时只有随着工程实践与研究经验的双重加深才能逐渐掌握其中的奥妙，这是异常费时费力的过程。而在成功建立数学模型与实际系统的连接之前，理论与现实的脱节难以避免。
因此需要选择一个既包含系统高度，又能切实反映硬件功能的“东西”来描述无人机系统的反馈模块。这个“东西”需要能够承载反馈模块的“核心价值”，而本书选择“状态”作为整个反馈环节中最核心的“金钥匙”。从“状态”视角很容易理解反馈模块在系统中的实际意义：反馈模块的意义就是传回相应的“状态信息”，从而为控制器模块提供必要的数据支持。
无人机“状态”数目根据机型的不同会有一定区别。比如相对于四旋翼型无人机，直升机型无人机会多出两个挥舞角（Flapping Angle）状态，用来描述直升机的挥舞动态。一般而言无人机状态可以分为两部分，描述“外部位置环”的六个状态，位置状态：[X，Y，Z]T，该状态体现了无人机在坐标系中所处的具体位置；速度状态：[u，v，w]T用于描述无人机在机体坐标系下的三个飞行线速度；“内部姿态环”的六个状态即姿态角状态：[ϕ，θ，ψ]T分别描述无人机的横滚、俯仰、偏航姿态角；角速度状态：[p，q，r]T描述无人机在机身三个旋转轴上的转动速率。
这里“外环”、“内环”的称呼是无人机控制器设计中的常用控制器结构所演变出来的术语，同时也是无人机系统多重坐标系的体现。直观来看两组状态分别处于不同的坐标系，外环状态处于“大地坐标系”，内环状态则是处于“机体坐标系”，有关于坐标系的具体内容在本书第五章。
状态反馈的过程就是通过各种无人机硬件实现无人机姿态的“回传”，因此可以直接通过反馈的状态信息类型对反馈模块中的传感器进行归类。
通过外环状态与内环状态对无人机硬件进行归类：反馈绝对“位置状态”信息的硬件：GPS（x，y，z）、气压计（z）；反馈相对“位置状态”信息的硬件：红外传感器、超声波、单目视觉、双目视觉；反馈绝对“速度状态”信息的硬件：GPS；反馈相对“速度状态”信息的硬件对应于相对位置状态反馈硬件。
图5.19 包含IMU元件的电子产品在日常生活中并不少见，如图中的DualShock游戏手柄
无人机内环姿态信息包括六个状态：三个姿态角和三个角速度。这些状态主要通过IMU（Inertial Measurement Unit）中的陀螺仪、加速度计配合强磁计，结合姿态融合或数据滤波等算法实现反馈。
读者可以通过无人机跟随来感受“状态”视角是如何从硬件与算法上进行功能设计使用的。
图5.20 大自然是自动控制设计最好的模板（图片来源：pixabay）
当我们自己在跟踪一个对象时，需要知道目标当下的位置信息以及自己现在的位置信息，既不要跟得太紧，也不能被抛得太远，需调整步伐用理想的跟踪速度来保持理想的跟踪距离。
对于无人机而言整个过程也大体类似。无人机需要获取被控对象的“位置信息”以及无人机自身的“位置状态”，计算出两者之间的位置误差，再通过硬件或者算法，计算出应该实现的速度修正量，如与被跟踪对象间的距离差得太远，就要修正无人机速度向着缩小距离误差的方向；类似的，如果与被跟踪对象间的距离太近，也要修正速度速度向着缩小距离误差的方向。这两个例子都需要获得对应的速度修正量，只是修正方向相反。
因此在进行硬件设计时，无论是采用GPS，还是光流单目，或双目视觉、红外、超声波等，抑或是未来会出现的新的应用场合中能够实现的硬件，它们的作用都是为了传输回无人机对应的外环状态信息。
图5.21 无人机系统的各种地面设备
同样，无论采用在跟踪目标上携带跟综系统还是内置传感系统的地面控制站式遥控器或者手机，核心目的都是为了传回被跟踪目标的“外环状态信息”。结合无人机的外环信息，告诉控制模块当下的误差实际值是多少。
如果要实现外环状态的修正还需要内环状态做出相应的调整。此时系统会计算出内环状态目标值，再通过IMU等传感器反馈无人机内环姿态信息，送回控制器模块后与目标姿态形成状态误差，并据此以相应算法计算得出控制量，最终实现控制目标。
大家通过状态视角可以实现硬件功能与数学本质的统一，读者可以把这样的思路带入到各种无人机功能实践中去，相信会使整个设计过程变得简单很多。
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