玩转四旋翼无人机（传感器）

IMU

一个典型的IMU包括一个三轴陀螺仪，一个三轴加速度计和一个三轴磁力计。首先定义惯性坐标系A，机体坐标系B。

陀螺仪

陀螺仪测量B相对于A的角速度

ΩIMU=Ω+bΩ+η

η为可加性测量噪声，bΩ为陀螺仪常量偏置。

加速度计

加速度计测量由于外力引起的对B的瞬时加速度。加速度计对于无人机的震动很敏感。

aIMU=RT(v˙−gz˙)+ba+ηa

ηa为可加性测量噪声，ba为陀螺仪常量偏置。v˙为惯性坐标系。

磁力计

mIMU=RTAm+Bm+ηb

Am为地球磁场，ηb为可加性测量噪声，Bm为干扰引起的body-fixed frame。
加速度计和磁力计可以提供姿态的绝对数值，陀螺仪可以补充角速度。

MEMS类加速度计的工作原理是当加速度计连同外界物体（该物体的加速度就是待测的加速度）一起作加速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制，通过输出电压就能测得外界的加速度大小。

陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，可与MEMS加速度计（加速计）形成优势互补，如果组合使用加速度计和陀螺仪这两种传感器，设计者就能更好地跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。

matrix projection onto skew-symmetric matrices. If any one of the measurements in the innovation a are not available or unreliable, then the corresponding gain should be set to zero in the observer.

A particular advantage of this observer formulation is that the gains can be adjusted in real time as long as care is taken that the bias gain is small. Adjusting the gains in real time allows one to use the accelerometer during a period when the vehicle is in hover and then set the gainka0 during acrobatic maneuvers when the low-frequency assumptions on aIMUno longer hold.

估计位姿

多数四旋翼飞行器使用陀螺仪和加速度计构成惯性测量单元，通过互补滤波器或卡尔曼滤波器等算法进行姿态估计。

估计位置

• IMU。 现有方法中没有有效的使用IMU方法测量绝对位置。
  

there is no effective way to use the IMU to estimate absolute height; at best, some low-frequency information from the z axis of the accelerometer provides limited information about vertical motion

气压计。 大部分气压计可以测出绝对高度(to a few centimeters).

GPS ， 主要用于室外空旷环境，精度大致在1-2m左右。

acoustic, laser-ranging or infrared sensors

视觉方法

• 使用光流和视觉里程计相结合的方式，使四旋翼飞行器在未知环境下进行自主地图创建和探测。两个摄像机面向前方安装，构成立体视觉系统，基线长度 8 厘米。一个摄像机面向地面安装，作为光流传感器，配合超声波高度计，对飞行器速度进行估计。

视觉方法有一些问题
1. 计算量大，对处理器的要求高。
2. 对于一些平移和旋转之间存在模糊，尤其是视角较小的时候。
3. 对于单目视觉，无法恢复motion scale.（refer to structure from motion）
4. 当相机 相对于无人机位姿固定时，在控制无人机姿态时，如果使用roll和pitch自由度来改变推力的方向至所需的位移运动方向，会在图像中产生巨大的运动。

Third, the underactuated quadrotor uses the roll and pitch DoF to point the thrust vector in the direction of the desired translational motion. For a camera that is rigidly attached to the quadrotor, this attitude control motion induces a large apparent motion in the image. It is therefore necessary to estimate vehicle attitude at the instant the image was captured by the sensor to eliminate this effect. Biological systems face similar problems, and interestingly, mammals and insects have developed similar solutions: gyroscopic sensors (the vestibular sensors of the inner ear and the halteres）

传感器数据

一些开源project 硬件选型 for autopilot