无人机指南针干扰

tattu飞行者

1 上层应用的核心

　　要说清楚指南针干扰的问题，我们还是应该先谈一谈GPS这个传感器。

　　GPS在我看来简直是现在各种APP及智能硬件的心脏。有了GPS就催生了一些列的基于位置信息的服务：百度地图使用GPS来定位及规划路线并推荐周围的各种娱乐等服务，微信/QQ通过位置信息推荐周围的朋友，Uber/滴滴通过位置信息推荐周围的司机和乘客，美团/糯米通过位置信息推荐周围的美食，携程/同程通过位置信息推荐周围的酒店及景点，各类运动APP及运动型的智能硬件通过GPS来计算运动的里程、速度以及消耗的卡路里，智能报警硬件也通过GPS来监控自行车或者小孩的丢失问题，等等。所以说，GPS催生了海量的服务，制造了无数的就业岗位，给我们的生活带来了不可思议的改变。

　　（1.1）基于GPS的无人机上层应用

　　言归正传，无人机可以说是APP和智能硬件的结合，自然也和GPS有莫大的关系。现在看看GPS都在上层应用中给无人机的使用者带来了哪些优质的服务：

　　（1）平稳的悬停。 飞过姿态模式的模友都知道，飞机在这种模式下会出现在水平面上漂移，每次拍照的时候，你将分心于控制飞机的飘动，而无法专注于镜头的美景。

　　（ 2 ） 精准的返航。 没有GPS，模友将无法在飞机飞不见的时候，启动一键返航，使得飞机顺利地自动飞回来，也不能再出现低电压的时候自动飞回。

　　（ 3）低电量预警。 没有GPS, 飞机将不知道自己距离起飞点的距离，不能根据距离实时的计算当前剩余多少电量的时候就应该返航了。

　　（4）地面站服务。 没有GPS, 模友们将无法在地面站上指点飞行器的航点，不能让无人机自动完成走航点，热点环绕等功能。

　　（5）Follow Me 。 没有GPS, 基于GPS实现的Follow Me 功能也是无法实现。

　　（6）APP轨迹显示。没有GPS, 模友将不能再APP上看着轨迹对飞机实现超视距的飞行。

　　（ 7）各种行业应用。 没有GPS，基本上运输、监控、农业等各种行业应用也将无法进行。

　　所以说，没有GPS, 无人机将显得一点也不”智能“。

　　（1.2）基于GPS的导航系统

　　再来看看，GPS作为一个传感器对导航系统都带来了哪些信息。导航系统，可以简单地理解为是一个对各种传感器信息进行加工处理进而输出位置、速度、姿态及航向等信息的一个系统。现在无人机的导航系统，都是集成式的导航系统，集成的传感器包括：加速度、陀螺仪等重要的惯性测量单元（Innertial Measurement Unit, IMU）， 指南针，GPS , 视觉传感器，雷达，超声波等等。多了GPS之后，导航系统将获得如下观测信息：（1）世界坐标系下的位置 和（2）世界坐标系下的速度。

　　有了GPS的位置和速度信息，理论上导航系统可以对这些粗略的信息进行加工，从而使得无人机知道自己在世界坐标系中的位置和速度。

　　2 无人机没有方向感

　　举个大家都很常见的问路场景：

　　Ctrl: ' 请问万达广场怎么走？'

　　Navi: ' 向北走300m，然后向东走100m就到了。'

　　Ctrl: ' 对不起，我没有方向感，不知道北在哪。'

　　Navi: ' 好吧，改种说法，你向前走300m，然后向右走100m就到了。'

　　Ctrl: ' 明白了，谢谢。'

　　在这个场景中，Navi 按 东西南北的方式给 Ctrl 指路的时候，Ctrl因为没有方向感，所以不理解。但是当Navi 按前后左右的方式给 Ctrl 指路的时候，Ctrl就明白怎么走了。从这个对话中，我们可以在对应的找到无人机坐标系的概念。无人机的坐标系，一般都会有这样两个坐标系：“世界坐标系”和“本体坐标系”：

　　（1）“世界坐标系” 可以简单的理解为按照 东西南北 的方式定义的坐标系。

　　（2）”本体坐标系“ 可以简单的理解为按照 前后左右 的方式定位的坐标系。

　　GPS就是在世界坐标系，告诉无人机在世界坐标系中的位置和速度。但很不幸的是，无人机也很没有方向感！

　　无人机最喜欢的运动方式是向左飞或者向右飞，而不是向东飞或者向北飞。于是，在飞控里，必须进行坐标转换，把”世界坐标系“转换到“本体坐标系”。

　　再回到问路这个场景，如果Ctrl的方向感很好，他可以立即搜索一下北向在哪里，然后根据Navi的第一句话，把Navi的北向转换成前向。无人机也是如此，需要找到自己的前方与北向的相对方位，才能够正在的理解”世界坐标系“里的位置和速度。而肩负这个责任的一个重要的传感器就是指南针，说道这里，貌似才进入了正题。

　　无人机的指南针貌似微不足道，其实作用很大，为了启用基于GPS的各项核心服务，无人机需要使用 指南针来 连接 ” 世界坐标“ 和”本体坐标“。

　　3 连接两个世界的独木桥

　　航向是连接世界坐标系和本体坐标系的独木桥，走歪了方向，将坠落漩涡。

　　还是先来举个场景：

　　A 不小心在坠机在沙漠中，并得以存活，他决定背上食物，选择一个方向，不转弯地一直往前走，希望能够走出沙漠。然而，几天之后他发现了一架飞机的残骸 。他绝望地发现自己回到了出发的地方。

　　在这个场景中，A一直往前走，最后又绕回了原地，原因其实很简单。A虽然一直往前走，但是因为人在走路的时候，如果没有一个固定的参照物在前方纠正自己的步伐，就会因为两个腿的步长有细微的差别而缓慢偏离一开始设定的前方，最终走出一个弧线出来。闭着眼睛走过路的人也能够有类似的体会，走不到十步，方向其实就已经歪了。在沙漠中，因为没有一个固定的远方的参照物，A不幸地走着一个巨大的圈。他是一直往前走，只是他的前方一直在变化。

　　回到无人机，如果无人机认为的航向总是和真实的航向有一个较大的误差角，那将会发生什么呢。

　　它将在空中画圈，这就是”走歪了方向，将坠落漩涡”：

　　（1） 如果是在悬停状态，航向误差小，速度本来比较小的情况，那就在空中画小圈，表现为悬停不稳。

　　（2）如果是在高速飞行，航向误差大的情况下，那将表现为一个较大的圈。

　　注：上诉推理的原因只是结果一种充分条件，而不是必要条件。

　　对于画圈的深层次机理，可以从高中物理等简单的知识中获取类比。一个物体做曲线运动的根本原因是有垂直于其速度方向的力作用于该物体。悬停，无非是通过反馈控制的原理，在速度的反方向上产生一个推力，使得速度减为零。

　　现在来模拟这样一个过程：

　　（1）GPS告知无人机在北向上有速度，为了悬停，希望无人机在南向上施加一个推力，将速度减为零。

　　（2）无人机因为认为的航向总是和真实的航向有一定的误差角，所以给出的推力方向是南偏东一点。

　　（3）于是，无人机的东向上就有了一个推力的分力。而这个分力就垂直于飞机真实的北向速度，曲线运动由此开始。

　　4 发生过的不会忘却

　　指南针干扰量不是一个瞬态量，它具有历史属性，和以前的状态有关，因此不是在干净的地方就一定会有干净的地磁测量值。

　　为什么无人机在很高的地方还是会出现指南针干扰，明明旷无一物，实在是令人费解？。这个小节，就来聊聊这些个令人费解的事儿。引用宫崎骏老爷子在《千与千寻》里表达的一个思想：”曾发生过的事请不可能忘记 ，只不过是你想不起罢了。" 尽可能简单地使大家明白这个道理，但还是要上一些晦涩的内容。

　　补充知识1：

　　指南针这个传感器能够测量周边的磁场矢量（就是既测磁场大小，又测磁场方向）。也就说，指南针严格意义上来说，应该叫做”指磁针“。现在需要对磁场、地磁以及北向这几个概念：

　　（1）磁场，某个地方一切磁场的叠加，这些磁场包括：地磁、周边大型的磁性物质产生的磁场如果钢筋混凝土等、周边电流产生的磁场。

　　（2）地磁，摸个地方由地球整体引起的磁场，在不同的地方地磁的方向和大小都不同。

　　（3）北向，北向可以简单地理解为沿着地面指向北极的方向吧。

　　再来讨论一下这几个概念之间的关系：

　　（1）磁场 不等于 地磁， 只是大部分时候，地磁占主要成分

　　（2）地磁的方向 不等于 北向，只是大部分时候，可以通过补差磁偏角（当地磁场方向和北向之间的差）而矫正到北向。

　　从公式的角度来看，我们可以表达为：

　　（式1） 磁场 = 地磁 + 磁场干扰量（其他的磁场）

　　（式2） 北向 = 磁场方向 - 磁场干扰量造成的磁场方向偏移 - 地磁本身的磁偏角。

　　补充知识2：

　　现在的手机上都有指南针，而且它一般都有一个校准操作，用过的人可能会不叫熟悉。无人机也有一个指南针校准操作。那么这个手机和无人机上的指南针校准到底是在干什么呢？其实他们就是利用旋转手机把磁场干扰量计算出来。指南针的读数 ，减去 当地的磁场干扰量，就近似为地磁了，参考（式1）。地磁的磁偏角，在一个特定的位置都是可以查到的，这个也可以随后减去，这样一来指南针就可以通过（式2）获得相对来较为准确的北向估计了。

　　言归正传，高空的指南针干扰到底是怎么来的？

　　原因可能特别多，但是我们就来设想一下这么一个场景：

　　A 在甲地校准了指南针，获得了甲地的指南针干扰量的估计，并保存在飞机芯片里，然后A在乙地飞行，且乙的指南针干扰量和甲地的相差很多。但不幸的是，无人机总是会减去以前校准的那个在甲地估计出来的指南针干扰量， 于是我们就会发现，无人机因为减去了一个不对的指南针干扰量而使得其测量的方向不是北向了。

　　简而言之：

　　（1）在干净地方校准了，在有干扰的地方飞是有问题的。

　　（2）在不干净的地方校准了，在无干扰的地方飞也是有问题的。

　　校准时候指南针它受到的干扰，将一直作用于以后的飞行，即使在空旷的高空，也是得承受过去犯下的过错。

　　5 信息是碎的

　　航向信息的碎片散落在不同的传感器上，不仅仅是指南针，所以指南针无干扰，也不一定航向估计好。

　　爱因斯坦说：“熵定律是科学定律之最”。“熵”这个概念乍一看比较抽象，这不要紧，我们总还是能够从非常通俗的角度对其获得形象的理解。高中物理在讲永动机的时候曾经介绍过熵增定律：“在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。”也就是说，被爱因斯坦理解为科学定律之最的定律就表达了一个中心的思想：“上帝估计总喜欢把桌子搞乱，就像那些邋遢的工程师一样儿。”

　　熵一开始是用来描述热物理学的，后来被香农（信息论之父）搞来研究信息，于是就有了信息熵这样一个概念。插上一句，什么是信息？信息简单地说就是“比完全随机相比更确定一些的事情”：

　　（1） 明天是星期五，这是信息；

　　（2） 黄金价格最近一个月80%可能性会反弹，这是信息；

　　（3） 无人机的航向是北偏东三十度，这是信息。

　　信息越是确定，其信息熵越小。然而上帝总是喜欢把完好的信息撕成碎片，让人们费劲脑筋去把它拼凑起来。

　　今天就来谈谈：“上帝都把无人机的航向信息撕成了什么样的碎片？”

　　指南针干扰问题的本质就是航向估计不准，当然能够感知航向的传感器不知是指南针，理论上讲只要一转头会随之发生改变的传感器，都带有航向信息的碎片。只需要顺着引言中的哲学道理去理解航向估计这个问题，模友们将可以跳出指南针干扰这个相对单一的理解，不仅仅是指南针干扰会使得航向估计不准。

　　真实的航向只有上帝知道，上帝把航向信息撕碎了揉皱了，丢落各处，这些碎片理论上可以被不同的传感器所收集：

　　（1）指南针捡到了上帝加了磁场干扰，加了噪声，加了地磁偏角，加了传感器各种不对称性等之后的，被揉皱了的航向信息碎片。

　　（2）IMU捡到了加了bias,加了噪声，加了其他耦合转动角速度等之后的，且只是表达航向变化的信息碎片。

　　（3）单一的GPS是不包含航向信息碎片的，因为单一的GPS测量的刚体质心的平动，和转动无关。而IMU可以感知转动，如果结合一起，也可以间接收集到航向信息碎片。

　　（4）视觉传感器也能够收集到包含了航向变化（转动）的信息碎片，卫星的一个重要的航向传感器星敏

　　感器就是通过视觉传感器观测星空来实现航向和姿态的确定。

　　（5）甚至是一股方向固定的风儿，理论上都可以使得无人机在感知阻力的过程中，嗅到航向的碎片。

　　（6）其他很多，转了头就会改变的东西 ……

　　说到这里，大家已近知道了上帝的任性，以及弥漫在各处的信息碎片，这就熵，混乱才是神想要的。

　　6 与神斗其乐无穷

　　航向是由包含航向信息的多传感器一起决定的，其误差也受各传感器的误差或干扰综合影响。

　　毛主席说与人斗其乐无穷，而与神斗其乐更是无穷。这里的“斗”，是一种下棋般的相互理解；这里的“斗”，是知道彼此软肋的死党互戳疼处的友谊。

　　上帝喜欢把桌子弄乱，而人类偏偏希望和其对着干，渴望去整理它。

　　言归正传，无人机的航向信息被各种传感器以信息碎片的形式收集，而人们是如何缝补这些碎片的呢？

　　这就要涉及信息的融合。信息融合的技术有很多，在不同的无人机上实现的具体方案也是各有不同，但其核心思想就是：利用大家从不同角度不同尺度看见的信息的冗余，去进一步消除信息的不确定性，从而获得一个更加确定的信息，即，把熵减小，把神的桌子收拾好。

　　为了以大话的形式理解“信息融合”这个玩意，还是来类比一个拼地图的场景（不完全相同，但却非常类似）：

　　神和人在玩拼地图的游戏，斗的不亦乐乎：

　　（1）神给人类一张地图，撕成很多碎片，让人类拼好。人类沿着碎片的缝隙间的纹理很快拼好了地图。

　　（2）神一看太简单了，要增加难度，于是把碎片揉皱了（给信号加噪声），然后给了人类。人类很聪明，先把碎片压平整了（给信号滤波去噪），然后再拼图，很 快又给拼凑好了。

　　（3）神一看还是不行，还要增加难度，于是又把某些碎片的边缘剪了一些去，使得缝隙不完全能对上（给信号加干扰），然后给了人类。人类还是很聪明，把边缘 的小碎片也给捡了起来先粘上（给信号校准），然后再拼图，很快又给拼好了。

　　（4）神一看还是不行，还要增加难度，于是又把小部分碎片给藏了起来（信号偶尔会没有），然后交给了人类。人类开始很头疼，后来想了一个法子，人类根据记

　　忆和碎片纹理的走势，猜想出其周边缺失的碎片的内容（对信号进行预测），然后还是把地图给拼好了。

　　（5）神一看还是不行，还要增加难度，于是又把很大部分碎片藏了起来（信号长时间没有），然后交给了人类。人类因为碎片缺了太多，也记不得那么多了，轮廓根本对不上，怎么都拼不好。人于是向神抗议，我这根本没法拼呀。我有要求，可以藏一些碎片，但是你必须撕几张相同的地图给我们（安装多传感器），然后我们只需要拼出一张完整的地图就行。

　　（6）神一看人类抗议，同意了其要求，于是按不同的方式把几张相同的地图撕碎了，然后把每张地图的碎片都随机去除一部分，揉成一堆地图碎片之后，交给了人类。人类利用这些碎片在局部的重样（信息的冗余），比对着同一个地方的多个碎片进行拼接（信息的融合），最终还是把地图拼好了，但有些地方好像不太那么对劲。

　　无人机航向的计算就类似于上面讲到“神和人玩拼地图”的游戏，指南针、IMU、GPS等其他传感器从不同的角度给都给出了一张“航向地图”，但是可能会有“噪声大”、“干扰大”、“信号差（丢失）”等情况出现，然后无人机就利用这些信息进行信息的融合，重复利用信息上的冗余，确定一个理论上最为接近“真实航向”的航向。而其拼抽的误差会和地图“揉得多皱”、“减去多厚的边缘”、“缺了多少碎片”等因素有关。

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