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利用GPS組合導(dǎo)航來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行控制，首先需要獲得系統(tǒng)的狀態(tài)反饋，即準(zhǔn)確測(cè)量出無(wú)人機(jī)的姿態(tài)、速度、位置等信息。

這類信息的獲得也是多旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)避障、路徑規(guī)劃以及抓取等各種復(fù)雜任務(wù)的基礎(chǔ)和前提。獲得這些信息需要通過(guò)姿態(tài)導(dǎo)航算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，下面將對(duì)常用GPS組合導(dǎo)航算法及前沿姿態(tài)導(dǎo)航方法進(jìn)行概述。

飛行器最常用的位姿估計(jì)方法是使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)與全球定位系統(tǒng)(GPS)相結(jié)合的方式，構(gòu)成GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。該方法通常使用三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)構(gòu)成慣性測(cè)量單元(IMU)進(jìn)行姿態(tài)估計(jì)，使用差分GPS(DGPS)接收機(jī)獲得絕對(duì)位置信息。

GPS和INS具有極好的互補(bǔ)性，利用GPS和INS進(jìn)行組合導(dǎo)航，可以降低成本提供全球精確導(dǎo)航能力。電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，為GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)條件，使組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。MEMS慣性器件由于體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于多旋翼無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)實(shí)際中不同的應(yīng)用要求，SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以有不同深度的組合方式，主要分為：松組合、緊組合、載波相位及相位率組合、深組合、以GPS為基礎(chǔ)的深組合等。

當(dāng)前，四旋翼無(wú)人機(jī)普遍采用的低成本MEMS傳感器通常具有較大的噪聲。對(duì)于帶有噪聲的傳感器測(cè)量值，通常需要使用數(shù)字濾波器來(lái)估計(jì)飛行器的真實(shí)姿態(tài)。IMU姿態(tài)估計(jì)普遍采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法來(lái)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合濾波得到姿態(tài)信息。

EKF算法是目前應(yīng)用最廣也最簡(jiǎn)單的一種高斯非線性濾波算法。高斯濾波是貝葉斯最優(yōu)估計(jì)理論的一個(gè)特例。高斯濾波理論首先假定系統(tǒng)先驗(yàn)狀態(tài)分布服從高斯分布，進(jìn)而利用卡爾曼濾波框架進(jìn)行濾波迭代和更新。卡爾曼濾波是在線性高斯系統(tǒng)中，利用最小均方誤差準(zhǔn)則獲得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)估計(jì)的方法。由于卡爾曼濾波要求系統(tǒng)模型為線性，因此無(wú)法直接應(yīng)用于非線性組合導(dǎo)航系統(tǒng)中。

雖然GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛用于各種飛行器，但也存在兩個(gè)缺陷。一是該方法需要接收準(zhǔn)確的GPS信號(hào)，而在很多場(chǎng)合由于建筑物等的遮擋或無(wú)線電干擾，GPS信號(hào)經(jīng)常丟失，在室內(nèi)環(huán)境下甚至是完全不可用的。二是GPS的位置精度并不高，不能用于對(duì)位置控制精度要求較高的任務(wù)中。

GPS組合導(dǎo)航廣泛應(yīng)用于多旋翼無(wú)人機(jī)室外姿態(tài)導(dǎo)航，但在建筑物密集、室內(nèi)、隧道等地方GPS定位幾乎是完全失效的，如何獲得室內(nèi)高精度的位置和姿態(tài)信息是當(dāng)前多旋翼無(wú)人機(jī)定位問(wèn)題研究的熱點(diǎn)。

標(biāo)簽： GPS組合導(dǎo)航