磁力计（磁罗盘）

  • 原理：利用地球磁场检测方向，磁力计通过测量磁偏角（不同地理位置磁场方向的差异）和磁场强度，结合无人机的初始方向（如起飞时的朝向）,计算当前航向。
  • 特点：
    • 成本低：是无人机中最常用的航向传感器。
    • 易受干扰：金属结构、电子设备或强磁场（如大功率电机）可能影响磁力计读数,需定期校准。

惯性测量单元（IMU）

  • 组成：包含加速度计、陀螺仪和磁力计,通过三轴加速度和角速度数据推算运动状态。
  • 航向计算：
    • 陀螺仪：实时测量无人机的旋转角速度，积分后得到姿态角（如横滚、俯仰、航向）。
    • 磁力计：辅助修正陀螺仪的漂移误差,提供基准磁场方向。
  • 特点：
    • 动态响应快：适合高速或机动飞行。
    • 误差累积：长时间使用需定期校准,否则姿态漂移会导致航向偏差。

全球定位系统（GPS）

  • 原理：通过接收多颗卫星信号，计算无人机的三维位置和速度,间接推算航向。
  • 局限性：
    • 精度有限：标准GPS精度约1-5米,无法直接提供航向数据。
    • 信号遮挡：高楼、树木或室内可能影响定位。
  • 改进方案：
    • RTK技术：通过差分定位提高水平精度至厘米级,但需地面基站支持。
    • 组合导航：GPS与IMU数据融合,补偿GPS的实时漂移。

视觉传感器（如摄像头、视觉里程计）

  • 原理：通过图像处理分析环境特征点,计算无人机相对于地标的位移和方向。
  • 特点：
    • 非接触式：适合复杂环境（如室内、弱信号区域）。
    • 计算复杂：需实时处理图像,对硬件性能要求高。
  • 应用场景：SLAM（同步定位与建图）、障碍物避障等。

激光雷达（LiDAR）

  • 原理：发射激光束并测量反射时间，生成点云地图,通过特征匹配定位。
  • 特点：
    • 高精度：水平精度可达厘米级。
    • 成本高：适用于专业级无人机。

超声波传感器

  • 原理：通过发射超声波并测量回波时间,计算高度和水平距离。
  • 局限性：
    • 仅限垂直方向：无法直接提供航向信息。
    • 受环境影响：风速、温度可能干扰测量。

协同工作机制

  • 典型组合：磁力计 + IMU（提供实时姿态） + GPS（辅助定位） + 视觉/激光雷达（冗余备份）。
  • 数据融合：通过滤波算法（如卡尔曼滤波）将多传感器数据融合,提高航向估计的鲁棒性。

校准与维护

  • 定期校准：磁力计需在无干扰环境下校准,避免磁场误差。
  • 冗余设计：关键传感器（如磁力计、IMU）通常配备备份,确保飞行安全。

无人机的航向获取是传感器融合的结果，磁力计和IMU是核心，GPS和视觉系统提供补充，实际应用中需根据场景选择传感器组合,并通过算法优化提高精度和可靠性。