无人机导航中常见的坐标系
来源:互联网 发布:程序员联合开发网 编辑:程序博客网 时间:2024/05/21 15:44
无人机导航中常见的坐标系包括:
地球中心坐标系(ECEF)(EarthCenteredEarthFixedC
WGS-84大地坐标系(WorldGeodeticCoordinateS
当地水平坐标系(North-East-DownCoordinateSystem,NED)
机体坐标系(BodyFrame)
机体水平坐标系(Vehicle-carriedNEDCoordinateSyst
接下来我们就来简单说明一下这些坐标系在无人机导航中的应用。
地球中心坐标系(ECEF)
ECEF坐标系与地球固联,且随着地球转动。图中O即为坐标原点,位置在地球质心。X轴通过格林尼治线和赤道线的交点,正方向为原点指向交点方向。Z轴通过原点指向北极。Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。
右手坐标系即符合“右手法则”的坐标系的统称,这个法则大家会经常见到,它的目的是为了以最简单的方式确定坐标轴以及正方向。如图,右手拇指,食指,中指“痉挛”状,其中任意两个手指与已确定的两个坐标轴及正方向重合,第三个手指的方向就是剩下坐标轴的正方向。
WGS-84坐标系
GPS输出的就是这个坐标系下的坐标数据!
完整一点解释是,GPS单点定位的坐标以及相对定位中解算的基线向量属于WGS-84大地坐标系。
WGS-84坐标系的X轴指向BIH(国际时间服务机构)1984.0定义的零子午面(Greenwich)和协议地球极(CTP)赤道的交点。Z轴指向CTP方向。Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。
什么“BIH1984.0”听来很复杂有没有!一句话解释就是:把前面提到的ECEF坐标系用在GPS中,就是WGS-84坐标系。
上面图中大家很容易看出GPS输出的常见定位数据:经度(longitude),纬度(latitude),海拔(altitude)。不知大家有没有觉得奇怪,为什么有了GPS输出的海拔高度,我们还是要用气压计等其它设备来辅助定高呢?GPS的海拔数据精度没有办法支撑无人机高度定位吗?
这是因为GPS输出的信息是相对于WGS-84坐标系的。我们可以把它看做一个参考椭球体,GPS输出的高度是垂直于椭球表面的高度而非海平面高度,然而地球可不是一个标准的“椭球体”。
图中h是GPS测得的相对于椭球表面的高度;H表示正高;N表示大地水准偏差,即地球实际形状与参考椭球体的偏差,范围在正负100m之间,它随着地球重力分布变化,没有唯一的确定数值。所以,GPS直接输出的海拔数据也就会始终存在一个“误差”了。
NED坐标系
上图清晰地表明了ECEF坐标系(蓝色)和NED坐标系(绿色)之间的关系。NED坐标系是在导航计算时使用的坐标系,向量分别指向北,东,地,因此NED坐标系也经常称为“北东地坐标系”。
我们有了经纬度为什么还需要NED坐标系呢?GPS可以获得在WGS-84中的速度向量,为了方便使用速度向量进行无人机控制,我们还要把它转换在无人机所在位置的“平面坐标系”下,也就是LocalNED。
机体坐标系
机体坐标系与飞行器固联,坐标系符合右手法则,原点在飞行器重心处,X轴指向飞行器机头前进方向,Y轴由原点指向飞行器右侧,Z轴方向根据X、Y轴由右手法则确定。
机体坐标系是无人机惯性导航的基础坐标系,IMU中获得的加速度状态信息就是该坐标系下的数值。当我们获取IMU输出的X轴加速度信息时,是基于机体坐标系的,不能直接应用在NED坐标系下- 无人机导航中常见的坐标系
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