导航系统究竟复杂在哪里

yxchyt · 发表于 2009-3-30 20:14:06

用gps规划路径在汽车导航运用中已经相当成熟了，为什么飞行器的导航迟迟出不来呢？是用的人太少？还是移植太难？带一个pda上天也不是什么难事吧。。。。

hzj466313530 · 发表于 2009-4-3 13:28:53

看样子楼主对四轴不太了解啊！

g921002 · 发表于 2009-4-4 18:26:12

已經很熟的朋友可以跳過我的閒話...XD

今天UAV要上去飛，第一件事情就是要知道飛機的姿態。人可以直接感覺、觀察出來。那飛控電腦怎樣知道？就是要靠Sensor.飛機常見的有慣性單元(IMU)、GPS、無線電定位信號。一般航空導彈用的IMU我們拿不到，所以大多是用一般商用MEMS製品。IMU裡面主要是陀螺及加速規組成。如果按照教科書把力學排程的東西寫好實際測一下，就算你的飛機靜止不動，估算出來的誤差大概幾10秒就飄走。我用CrossBow的IMU300的IMU，把陀螺的雜訊和飄移都校正過也不過撐1分鐘就謝謝再聯絡(如果是真飛就摔了)，更別說算飛機的速度和位置。

今天四軸利用Gyro和加速規做卡曼濾波是有條件的。即是假設載具飛行過程中的外力很小，沒有劇烈姿態變化(要求的是穩定飛行)，這時候的加速規變成傾斜儀來作用，事實上很多傾斜儀內部就是加速規。加上四軸運動速度並不快(相對於航模飛機)，用GPS做姿態校正也很不適合。一般木精動力飛機，我量測的結果。大轉彎的情形下都有4G以上的加速度，如果用加速規去做Kalman馬上就發散了。加上飛機速度頗快，這時用GPS的座標變化推估飛機位置、速度、姿態在跟IMU做Kalman才比較可行。另外，對於絕對姿態量測，使用焦電元件和電磁量測(電子羅盤)也是常用的手段。

另外，雖然國內外慣性導航的文獻、理論很多，但是主要問題還是怎樣在硬件上實現。常見的INS/GPS組合導航，光速度誤差、角度誤差、位置誤差...一堆有的沒的。就很容易造成卡曼估測在計算上的「維度災難」，維度過於簡化又難以獲得良好結果。直接濾波需考慮GPS失效問題。間接濾波數學複雜度又增加，變成這類系統在單晶片實作上會有問題。

那車輛呢？GPS導航很成熟是沒錯，不過前提是「人在駕駛」，並不是無人地面載具(UGV)。對於商用gps導航產品，只是提供資訊給駕駛去做導航判斷。無關自主問題。

無人載具在地面跟在空中的問題不太一樣，考慮的是環境知識建立的能力，包含障礙迴避、載具定位與地圖建立，路徑規劃、道路識別、標示識別等...這類研究歐美做的很多，尤其是美國在非結構化路路上UGV運動的研究頗為前進。一般歐美很多研究還是focus在道路上，即所謂的智能運輸系統(ITS)，對於軍事運用需在非結構化道路研究較少，需突破的問題也比較多。

xj_1232005 · 发表于 2009-4-4 22:55:38

2楼解释得好。很清楚。

yxchyt · 发表于 2009-4-5 08:37:10

GPS导航要让汽车自动沿导航线路驾驶不是什么难事，是由于gps导航无法处置路面行人等障碍物而让人代替驾驶，如果在大草原实现自主驾驶是完全可行的，不知道这样说有没有道理？

Cliff · 发表于 2009-4-5 09:51:25

汽车在地面开有几个自由度？
飞行器在空中飞有几个自由度？
能把汽车的导航拿来直接用到飞行器上么？

yxchyt · 发表于 2009-4-5 11:22:44

【5楼】 Cliff
飞行器在空中的自由度控制现在已经有网友实现了，导航与自由度控制因该没那么大的矛盾吧？汽车导航的思路只是借鉴，你能说不行吗？

gzhuli · 发表于 2009-4-5 16:35:37

确实不是很难，GPS导航和IMU其实没有冲突。

在控制环路上看GPS是在IMU再外一层的大环路，控制的是高度、速度、方向等参数，相当于人操控遥控器所控制的参数，用PID算法就足够了。

GPS导航算法上复杂在要对三维坐标做空间矢量计算，需要大量tan/arctan，对CPU的处理能力还是有要求的，8位MCU有点困难，ARM就足够应付了。

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【2楼】 g921002

楼主是说GPS导航，不是用GPS做姿态控制。姿态控制还是由IMU完成，现在的四轴已经可以实现无风状态的稳定悬停，加上GPS就能修正由于外力干扰和误差导致kalman发散的问题。但是GPS精度和更新速度太低，是不能实现大风条件下的稳定悬停，但是实现自动导航，从一个坐标移动到另一坐标，例如自主飞行到1Km以外的目的地，还是足够的。

g921002 · 发表于 2009-4-5 19:04:45

簡單的說，如果不知道載具的狀態(姿態、位置、航向)，就不要去談「導航」這件事情。

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【6楼】 yxchyt

GPS精度拿來做自主導航，差別是車子會在馬路跑還是掉進水溝。你在路口轉彎時，是你轉彎了GPS同時更新？還是你已經轉彎都走一段路了才跟著轉？

你可以參考一下DARPA比賽，第一、二屆在大沙漠跑還不是一堆車隊走不到終點。DARPA城市挑戰賽，已經有車隊能在城市裡以時速48Km/hr完成賽程，車子還要遵守加州交通法規。你可以去看看人家用什麼樣的設備，再來說UGV好不好做。

【7楼】 gzhuli 咕唧霖

一般組合導航常用的就是INS/GPS。如果不知道載具姿態、速度。那載具在空間上的移動量怎麼知道？那又如何能推估位置？
至於您文中講的與組合導航也無關，也沒有一定要做組合導航。我前文也講過了，四軸不適合導入GPS，拿來定位是可以，導航就不必了。

今天四軸的算法是有條件的。以四軸的移動速度來說，用GPS做定向是不可靠的。因為四軸的速度相對於GPS誤差來說，四軸算是「準靜態」的飛行器。得用電子羅盤定向。除非四軸的移動速度跟航模有拼。我的小飛機速度也有80Km/hr。如果四軸有這速度，那導入GPS問題就不大。

對於單軸電子羅盤，若載具姿態有偏差(非水平)，電子羅盤得出的偏航角也是錯的，除非您用的是三軸羅盤。還不用考慮受到電力線、鋼筋水泥造成量測的偏差。當然，如果四軸飛得夠高，這些因素可以不用考慮。不過，在不考慮GPS失效及IMU聯合導航狀況下，自主飛行到目的地的確是可以的，只要偏航角計算正確。如果沒有電子羅盤，四軸得飛行的夠快一段時間及距離，GPS得到的偏航才是比較正確。不過四軸飛得快，姿勢估測偏差就會很嚴重。這叫有一好沒兩好XD。

在大風下能不能穩定，跟GPS也沒有關係。主要是外力項修正的問題。經過外力修正，就算受到外力(強風？)，姿態可以穩定一段時間沒有問題。版上的程式在Kalman的數學裡面完全沒有外力修正項，自然無法克服外力帶來的卡曼發散。

yxchyt · 发表于 2009-4-5 20:16:14

gps更新慢是可以用的，毕竟它的数据只是用来参照的嘛（RickyZhou的悬浮有一定范围的飘移就是列子）我觉得四轴更加适合自主飞行，如果能解决留空时间的问题肯定会有很多人研究它的自主飞行，这个领域是很吸引人的。之前说的汽车导航只是一个思路，大家不要太在意。

rainyss · 发表于 2009-4-5 22:24:10

楼上已经有人说了,差别在于有人驾驶与无人驾驶

gzhuli · 发表于 2009-4-7 19:21:07

【8楼】 g921002

自主导航三轴罗盘也是必须的，我没说过不用。但是单靠三轴罗盘也是不能实现导航的，必须知道空间绝对位置，飞机以前靠VOR，DIY四轴基本上就只能靠GPS了。以现在的四轴姿态稳定算法来看，只要不遇到强风，四轴完全可以自稳定，然后依靠罗盘向目标方向移动，GPS只是起到修正航向的作用，可以10秒钟，30秒甚至1分钟才介入一次，所以速度应该不是大问题。

yxchyt · 发表于 2009-4-7 22:28:16

【12楼】 gzhuli 咕唧霖
说得很好！我也是这样理解的，只是不知道程序怎样实现。。。

dspsharc · 发表于 2009-4-7 23:39:50

感觉这东西实现起来并不难,关键是谁愿意这么烧钱?现在坛子里都是个人行为,不过,有一点可以肯定......
就是,自主导航100米很快就会有人去实现,RickyZhou也许是第一个.但1KM和10KM就超越个人的能力了,除非armok赞助.
再不行去骗国家经费,兴许有些实际意义了.
兴许今天我们这帮人讨论自主导航,10年后,像我们这个阶段的同样一帮人正在讨论如何发射自己的小卫星如何自主导航...

qzzz · 发表于 2009-4-8 01:35:44

进来学习

1235679 · 发表于 2009-4-8 08:16:57

请详细看这篇帖子

http://taiwanbbs.org/cgi/index.pl?b=mil,v=display,m=1126330050,s=0

(原文件名:navsys.jpg)

RickyZhou · 发表于 2009-4-8 09:35:29

to 【9楼】 yxchyt

我的四轴gps定位后飘有很多原因，其中包括我没有调节好4轴的pid参数，另外就是enc-03精度不高，再者有可能是gps的飘移

to 【12楼】 gzhuli 咕唧霖

理论上，如果算法足够好，陀螺仪足够稳定的话，gps的确可以30秒1分钟介入一次。但距我的经验， 30秒飞行器的漂移量已经很大了，甚至已经躺在地上了。

litao8421 · 发表于 2009-4-8 10:15:29

我觉得你说反了，先用在是飞机，卫星上，在飞行器的姿态控制上，可以说已经很成熟了，慢慢的，才向汽车过度。而且现在的汽车里一般都加入了惯导元件，主要用于车辆的安全性和舒适性控制。比如rollover prevention， active suspension，4 wheel steering，真正用于导航的还是少数。

对于廉价惯导，导航进度取决于GPS的精度。

g921002 · 发表于 2009-4-10 20:34:23

【12楼】 gzhuli 咕唧霖

你可以做做看。^_^
以四軸為平台，電子羅盤指出偏航角，用GPS給定座標，基本上就能導航。連卡曼都不用進來。(這時Gyro & Acc做機體穩定，跟導航無關)
我前面PO有說過，四軸是「準靜態」載具。GPS給定的偏航角和電羅盤做Kalman沒有意義，因為兩者特性不能互補。還不如直接用羅盤的資料。反正GPS定位精度10m左右，在空中已經夠用了。

要導航到視距外，假設四軸不會被怪風吹是不切實際的。

【17楼】 RickyZhou
你講的沒錯，以Enc-03M，就算bais和drift校正過，靜態姿態10秒內就發散就，位置已經飄超過50m，更不要說動態了。
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平常只能週末上來，多多討論囉！^_^

robinyuan · 发表于 2009-4-11 00:24:17

主要是民用GPS更新频率太低无实用性

litao8421 · 发表于 2009-4-11 01:25:16

就是1s一次更新，也足够修正惯导漂移了。

yxchyt · 发表于 2009-4-11 08:53:09

【19楼】 g921002
要導航到視距外，假設四軸不會被怪風吹是不切實際的。这句话才是要害所在，更好的理解是现有的四轴不能保证机体倒扣的情况下能修正到正常姿态。

longquan · 发表于 2009-4-11 12:47:15

为何不考虑超声雷达，随便说说，飞机撞树的可能很大呀

happilzz · 发表于 2009-4-11 21:19:08

脱离应用环境来讨论这样的问题意义不大。。。简单的gps规划路径用在航模导航上确实不存在太大技术问题，注意是“航模”，不等于所有飞行器哦。不过让我那个几百块的“航模”载个上千元的PDA上天还真不划算呢。也不明白有啥实用价值，玩玩而已吧。如果是有实用价值的航空器，对导航设备的技术要求又远远不是简单的gps+PDA能达到的。因此，没有足够的市场=没人愿意做。或者，只有等有兴趣的狂热份子了，不过这些人的个人实力往往比不上大公司的技术团队，所以还是不要抱太大希望为好

g921002 · 发表于 2009-4-11 22:25:11

【24楼】 happilzz
您說的狀況沒錯，所以這類只用GPS在航模的套件還不少。機體穩定用FMA Direct CoPilot比用慣導還多XD。
http://plawner.net/4/copilot/fma_copilot.htm

這東西我用過。好天氣時效果很好。只用Stamp BS2+GPS就能完成視距外的導航+航拍。成本很低。
在DIY Drones的ArduPilot導航套件也是這樣用，UAV DevBoard則是用IMU，但有沒有把慣性導航納入看不出來。看起來真正在導航的只有GPS。

happilzz · 发表于 2009-4-11 23:08:49

用于机体稳定的IMU和用于导航的IMU精度不是一个等级的东西，个人认为就算是无人机，使用IMU导航也不太现实。
而且我一直很怀疑IMU导航的实用性，所谓IMU，就是因为使用了精度不高的陀螺，才会需要用到捷联加速度计进行补偿。真正需要用到惯性制导的场合应该对价格不那么敏感可以使用高精度的陀螺了，想想二战的V2吧，那时连IMU、GPS的概念都没有，用个陀螺一样就搞定了。看看现在的许多个人的，商用的IMU，似乎也都只是测量姿态用。

gzhuli · 发表于 2009-4-12 01:37:29

【19楼】 g921002

现在四轴的Gyro/Acc+Kalman本来就是用来做姿态稳定而已，与导航无关，而且要引入Acc和Kalman，还是为了补偿Gyro的精度问题，如果理想的Gyro是不用Acc+Kalman的。所以我说GPS是在更外层的控制环路，用PID就够了（似乎D都可以不用，PI就够了）。

当然我们不能要求航模四轴达到巡航导弹的导航精度（巡航导弹要达到5m精度还是要靠特种部队激光照射目标的），因此我们不能强求说四轴在离地面10米高度，四周内10米有障碍物，还有10m/s阵风的环境下能够无人驾驶。这种状况就算人来操控，也难保不摔。再甚，前不久FedEx在日本失事的货机就是因为风切变，有人驾驶的上百吨的飞机也能被吹翻，1Kg不到的无人驾驶小四轴可想而知。

但是四轴在足够的高度（>100m?)，足够的空间(>500m?)，偶尔微风(<2m/s?)的条件下用GPS实现自动导航，是不难实现的。实现归实现，玩玩可以，实用是另一回事，要是打算用四轴每天从家里自动导航给自己送饭到公司，这个就有点异想天开了，呵呵……

【22楼】 yxchyt

我想问如果四轴被怪风吹至倒扣，你人工操控能救吗？这个不是有没有人操控的问题，而是四轴能在什么天气状况下出航的问题了。

【26楼】 happilzz

IMU是惯性测量单元，只起测量惯性系统的运动状态变化量，至于利用IMU测得的姿态做导航用，那是后话，和IMU自身功能无关。理论上IMU的测量输出（假设是模拟信号）直接负反馈于动力系统，就能实现姿态稳定，V2就是这样做的，早期的弹道导弹也是这样做的，所以才需要事先精确计算弹道，因为IMU只是保证维持惯性运动状态，也就是我们说的姿态稳定。

姿态测量，是将这些输出信号积分得来。导航误差信号，是从姿态测量数据再积分一次得来。每一次积分误差就累积，所以IMU测量的数据到了导航那圈就基本上没什么参考价值了，必须引入外部参照系：地磁、红外、VOR、GPS、观星系统等。

13590955160 · 发表于 2009-12-5 17:39:01

关注

touch_avr · 发表于 2009-12-5 20:11:16

自己看飞行操纵系统，分长周期和短周期模态

g921002 · 发表于 2009-12-7 00:11:59

我自己本身不玩四軸。不過用直昇機飛試的狀況比較接近四軸，最近剛好接到無人直昇機的CASE。可以講一下飛試的條件。

一般高度我們都是飛在50～100呎左右，速度約50km/hr(為了安全)，風速以當時量測是10m/s左右。
通常Gyro信號是在內迴路，以增加系統阻泥。外迴路是用Gyro+Acc作Kalman，Acc部分有做外力項補償，基本上還OK。下次飛測我再把影片放上來。定向的部分是用電子羅盤，GPS提供定位資料而已。因為直昇機自動升空時幾乎是在原地起飛，位置變化不大，如果沒有電子羅盤就是得讓直昇機往任意方向前飛數秒後才會找到GPS來的航向，如果飛行速度低於30km/hr，GPS航向資料又會亂跑。所以後來不得不加電子羅盤。

如果沒有氣壓元件，光靠GPS的話最好維持在30M以上比較安全。我是有裝超音波，所以飛行高度可以比較低。不用擔心靠到地面4m以內。另外Guro可以用DCM作姿態校正，校正資料進Acc做外力補償，最後兩者做Kalman。<--很奇怪對不？不過這樣可以工作的很好，還能飛特技。

至於飛行控制系統提到的長短週期模態，聽聽就算了，沒那麼多功夫和設備去量這些參數。

feng_matrix · 发表于 2009-12-7 09:19:57

顶【30楼】 g921002 终于看到一个实践者了

GPS的高程与方向数据，用在慢速及悬停类的飞行器上极为不爽的，一般GPS高程误差至少几十米
方向就更不用说了，GPS的方向是根据运动前后两点间的坐标差计算的，也就是说精度取决于两点间距离
飞行速度越快，两点间距离越长，方向数据越精确，如果慢速或者悬停，方向就根本不能用

所以引入DCM是必须的，引入DCM后不但能够得到一个方位数据，还能附带算出PITCH轴的姿态角
当然GYRO+ACC+DCM姿态角是冗余一轴的，卡曼融合后效果会更好，因为DCM不会象ACC那样受到长时外力加速度的干扰

四轴、直升机、固定翼的控制算法应该可以完全一致的，如果说不同也就在执行机构的动作周期了
真家伙没飞过，就遥控航模的感觉来说，四轴的控制周期要短些，直升机周期相对要长些

g921002 试飞用的直升机是油动还是电动的？主浆半径多少cm?
g921002 是否有MSN？我的:feng.matrix@yahoo.com.cn，希望能多交流啊！

caosix · 发表于 2009-12-7 21:17:50

30，31，楼两位大师：：一直期待你们的研究成果呢。（自主导航飞行）。。请问：：DCM 是什么名词？？

我还是比较“偏爱”全对称的“共轴直升机”！录像：http://bbs.5imx.com/bbs/viewthread.php?tid=338861&extra=page%3D2

并且对于：长时间留空飞行一直都“有所准备”！！一旦“自主导航”达到便宜而实用，那么就可以上马！！

g921002 · 发表于 2009-12-8 22:46:55

【31楼】 feng_matrix 悟
g921002 试飞用的直升机是油动还是电动的？主浆半径多少cm?
g921002 是否有MSN？我的:feng.matrix@yahoo.com.cn，希望能多交流啊！

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油機，不過我不負責機體，我只管飛控電腦設計。機體是另外一個朋友在稿。上週去測試總算穩定了。才想到沒拿DV拍。等到工作不忙再找時間放影片在BLOG。
工作實在太忙，沒時間更新BLOG。最近要準備試飛新機體，看看能不能飛到20小時。

【32楼】 caosix
自主飛行已經做很久了，只是最近有人要求用直昇機為載體。才跑去弄直昇機的飛控。

之前做的東西。
http://diydrones.com/profiles/blog/list?user=3msslp7hyyrbb

yaya001 · 发表于 2009-12-8 23:59:39

关注

feng_matrix · 发表于 2009-12-9 08:58:59

【35楼】 g921002

看到你的BLOG了，里面那个UGV真酷，你们可以玩“木仓”真爽，我们这里带“木仓”的语句都要被过滤

导航系统究竟复杂在哪里

阿莫论坛20周年了！感谢大家的支持与爱护！！