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兩年來，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火爆，諸多產(chǎn)品琳瑯滿目，價(jià)格千差萬別。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)的問題是確定自己在空間中的位置和相關(guān)的狀態(tài)。測量這些狀態(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)測量自己的三維速度。后來GPS民用之后，成本十幾塊錢的GPS接收機(jī)就可以讓小型的設(shè)備，比如汽車、手機(jī)也接收到自己的三維位置和三維速度。
對多旋翼飛行器來說，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，是通過調(diào)整自己的“姿態(tài)”來產(chǎn)生往某個(gè)方向的推力的。比如說往側(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)需要測量的狀態(tài)。
這十五個(gè)狀態(tài)都對多旋翼飛行器保持穩(wěn)定飛行有至關(guān)重要的作用。多旋翼飛行器最基本的能力就是“懸?！?，事實(shí)上飛行器的控制器在后臺(tái)做了一系列“串級控制”：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，目標(biāo)的懸停速度是這里的控制量，當(dāng)飛行器的位置和懸停位置相等時(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)品都在簡單的表現(xiàn)背后藏著復(fù)雜的過程。比如汽車的油門也是類似的，踩下油門之后，有傳感器測量汽油的流速、控制汽油的流速；然后有傳感器測量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速……從踩油門到加速的過程中也有許許多多的傳感器在測量汽車的各個(gè)狀態(tài)量，并對這些狀態(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)在的科技水平還沒有能夠?qū)崿F(xiàn)讓一個(gè)傳感器同時(shí)測量這么多的物理量。幾十年來，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加上慣性測量元件、氣壓計(jì)和地磁指南針來讓飛行器測量自己的十五個(gè)狀態(tài)量。
2. 組合導(dǎo)航
慣性測量元件是一種能夠測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還沒被發(fā)明以前，導(dǎo)彈上通常都裝著一個(gè)精密的慣性測量元件，導(dǎo)彈打出去以后靠這個(gè)裝置測量自己的十五個(gè)狀態(tài)量，然后控制自己飛越海洋和大洲。然而這種慣性測量元件會(huì)在測量的過程中慢慢累積誤差，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)值幾百萬的慣性測量元件飛幾萬公里后會(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)國家都可以在背后豎著洲際導(dǎo)彈和國際社會(huì)講道理。
