(1) 上層應(yīng)用的核心
要說(shuō)清楚指南針干擾的問(wèn)題，我們還是應(yīng)該先談一談GPS這個(gè)傳感器。
GPS在我看來(lái)簡(jiǎn)直是現(xiàn)在各種APP及智能硬件的心臟。有了GPS就催生了一些列的基于位置信息的服務(wù)：百度地圖使用GPS來(lái)定位及規(guī)劃路線并推薦周?chē)母鞣N娛樂(lè)等服務(wù)，微信/QQ通過(guò)位置信息推薦周?chē)呐笥?，Uber/滴滴通過(guò)位置信息推薦周?chē)乃緳C(jī)和乘客，美團(tuán)/糯米通過(guò)位置信息推薦周?chē)拿朗?，攜程/同程通過(guò)位置信息推薦周?chē)木频昙熬包c(diǎn)，各類(lèi)運(yùn)動(dòng)APP及運(yùn)動(dòng)型的智能硬件通過(guò)GPS來(lái)計(jì)算運(yùn)動(dòng)的里程、速度以及消耗的卡路里，智能報(bào)警硬件也通過(guò)GPS來(lái)監(jiān)控自行車(chē)或者小孩的丟失問(wèn)題，等等。所以說(shuō)，GPS催生了海量的服務(wù)，制造了無(wú)數(shù)的就業(yè)崗位，給我們的生活帶來(lái)了不可思議的改變。
(1.1)基于GPS的無(wú)人機(jī)上層應(yīng)用
言歸正傳，無(wú)人機(jī)可以說(shuō)是APP和智能硬件的結(jié)合，自然也和GPS有莫大的關(guān)系?，F(xiàn)在看看GPS都在上層應(yīng)用中給無(wú)人機(jī)的使用者帶來(lái)了哪些優(yōu)質(zhì)的服務(wù)：
①平穩(wěn)的懸停。 飛過(guò)姿態(tài)模式的模友都知道，飛機(jī)在這種模式下會(huì)出現(xiàn)在水平面上漂移，每次拍照的時(shí)候，你將分心于控制飛機(jī)的飄動(dòng)，而無(wú)法專(zhuān)注于鏡頭的美景。
?、诰珳?zhǔn)的返航。 沒(méi)有GPS，模友將無(wú)法在飛機(jī)飛不見(jiàn)的時(shí)候，啟動(dòng)一鍵返航，使得飛機(jī)順利地自動(dòng)飛回來(lái)，也不能再出現(xiàn)低電壓的時(shí)候自動(dòng)飛回。
?、鄣碗娏款A(yù)警。 沒(méi)有GPS, 飛機(jī)將不知道自己距離起飛點(diǎn)的距離，不能根據(jù)距離實(shí)時(shí)的計(jì)算當(dāng)前剩余多少電量的時(shí)候就應(yīng)該返航了。
?、艿孛嬲痉?wù)。 沒(méi)有GPS, 模友們將無(wú)法在地面站上指點(diǎn)飛行器的航點(diǎn)，不能讓無(wú)人機(jī)自動(dòng)完成走航點(diǎn)，熱點(diǎn)環(huán)繞等功能。
?、軫ollow Me 。 沒(méi)有GPS, 基于GPS實(shí)現(xiàn)的Follow Me 功能也是無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
?、轆PP軌跡顯示。沒(méi)有GPS, 模友將不能再APP上看著軌跡對(duì)飛機(jī)實(shí)現(xiàn)超視距的飛行。
⑦各種行業(yè)應(yīng)用。 沒(méi)有GPS，基本上運(yùn)輸、監(jiān)控、農(nóng)業(yè)等各種行業(yè)應(yīng)用也將無(wú)法進(jìn)行。
所以說(shuō)，沒(méi)有GPS, 無(wú)人機(jī)將顯得一點(diǎn)也不”智能“。
(1.2)基于GPS的導(dǎo)航系統(tǒng)
再來(lái)看看，GPS作為一個(gè)傳感器對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)都帶來(lái)了哪些信息。導(dǎo)航系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)單地理解為是一個(gè)對(duì)各種傳感器信息進(jìn)行加工處理進(jìn)而輸出位置、速度、姿態(tài)及航向等信息的一個(gè)系統(tǒng)?，F(xiàn)在無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)，都是集成式的導(dǎo)航系統(tǒng)，集成的傳感器包括：加速度、陀螺儀等重要的慣性測(cè)量單元(Innertial Measurement Unit, IMU), 指南針，GPS , 視覺(jué)傳感器，雷達(dá)，超聲波等等。多了GPS之后，導(dǎo)航系統(tǒng)將獲得如下觀測(cè)信息：(1)世界坐標(biāo)系下的位置 和(2)世界坐標(biāo)系下的速度。
有了GPS的位置和速度信息，理論上導(dǎo)航系統(tǒng)可以對(duì)這些粗略的信息進(jìn)行加工，從而使得無(wú)人機(jī)知道自己在世界坐標(biāo)系中的位置和速度。
但這一切都沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，請(qǐng)看下一小節(jié)《(2) 無(wú)人機(jī)沒(méi)有方向感》。
(2) 無(wú)人機(jī)沒(méi)有方向感
舉個(gè)大家都很常見(jiàn)的問(wèn)路場(chǎng)景:
Ctrl: ' 請(qǐng)問(wèn)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)怎么走?'
Navi: ' 向北走300m，然后向東走100m就到了。'
Ctrl: ' 對(duì)不起，我沒(méi)有方向感，不知道北在哪。'
Navi: ' 好吧，改種說(shuō)法，你向前走300m，然后向右走100m就到了。'
Ctrl: ' 明白了，謝謝。'
在這個(gè)場(chǎng)景中，Navi 按 東西南北的方式給 Ctrl 指路的時(shí)候，Ctrl因?yàn)闆](méi)有方向感，所以不理解。但是當(dāng)Navi 按前后左右的方式給 Ctrl 指路的時(shí)候，Ctrl就明白怎么走了。從這個(gè)對(duì)話中，我們可以在對(duì)應(yīng)的找到無(wú)人機(jī)坐標(biāo)系的概念。無(wú)人機(jī)的坐標(biāo)系，一般都會(huì)有這樣兩個(gè)坐標(biāo)系：“世界坐標(biāo)系”和“本體坐標(biāo)系”：
?、?ldquo;世界坐標(biāo)系” 可以簡(jiǎn)單的理解為按照 東西南北 的方式定義的坐標(biāo)系。
?、?ldquo;本體坐標(biāo)系” 可以簡(jiǎn)單的理解為按照 前后左右 的方式定位的坐標(biāo)系。
GPS就是在世界坐標(biāo)系，告訴無(wú)人機(jī)在世界坐標(biāo)系中的位置和速度。但很不幸的是，無(wú)人機(jī)也很沒(méi)有方向感!
無(wú)人機(jī)最喜歡的運(yùn)動(dòng)方式是向左飛或者向右飛，而不是向東飛或者向北飛。于是，在飛控里，必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，把”世界坐標(biāo)系“轉(zhuǎn)換到“本體坐標(biāo)系”。
再回到問(wèn)路這個(gè)場(chǎng)景，如果Ctrl的方向感很好，他可以立即搜索一下北向在哪里，然后根據(jù)Navi的第一句話，把Navi的北向轉(zhuǎn)換成前向。無(wú)人機(jī)也是如此，需要找到自己的前方與北向的相對(duì)方位，才能夠正在的理解”世界坐標(biāo)系“里的位置和速度。而肩負(fù)這個(gè)責(zé)任的一個(gè)重要的傳感器就是指南針，說(shuō)道這里，貌似才進(jìn)入了正題。
無(wú)人機(jī)的指南針貌似微不足道，其實(shí)作用很大，為了啟用基于GPS的各項(xiàng)核心服務(wù)，無(wú)人機(jī)需要使用 指南針來(lái) 連接 ” 世界坐標(biāo)“ 和”本體坐標(biāo)“。
(3)連接兩個(gè)世界的獨(dú)木橋
航向是連接世界坐標(biāo)系和本體坐標(biāo)系的獨(dú)木橋，走歪了方向，將墜落漩渦。
還是先來(lái)舉個(gè)場(chǎng)景：
A 不小心在墜機(jī)在沙漠中，并得以存活，他決定背上食物，選擇一個(gè)方向，不轉(zhuǎn)彎地一直往前走，希望能夠走出沙漠。然而，幾天之后他發(fā)現(xiàn)了一架飛機(jī)的殘骸 。他絕望地發(fā)現(xiàn)自己回到了出發(fā)的地方。
在這個(gè)場(chǎng)景中，A一直往前走，最后又繞回了原地，原因其實(shí)很簡(jiǎn)單。A雖然一直往前走，但是因?yàn)槿嗽谧呗返臅r(shí)候，如果沒(méi)有一個(gè)固定的參照物在前方糾正自己的步伐，就會(huì)因?yàn)閮蓚€(gè)腿的步長(zhǎng)有細(xì)微的差別而緩慢偏離一開(kāi)始設(shè)定的前方，最終走出一個(gè)弧線出來(lái)。閉著眼睛走過(guò)路的人也能夠有類(lèi)似的體會(huì)，走不到十步，方向其實(shí)就已經(jīng)歪了。在沙漠中，因?yàn)闆](méi)有一個(gè)固定的遠(yuǎn)方的參照物，A不幸地走著一個(gè)巨大的圈。他是一直往前走，只是他的前方一直在變化。
回到無(wú)人機(jī)，如果無(wú)人機(jī)認(rèn)為的航向總是和真實(shí)的航向有一個(gè)較大的誤差角，那將會(huì)發(fā)生什么呢。
它將在空中畫(huà)圈，這就是”走歪了方向，將墜落漩渦”：
①如果是在懸停狀態(tài)，航向誤差小，速度本來(lái)比較小的情況，那就在空中畫(huà)小圈，表現(xiàn)為懸停不穩(wěn)。
?、谌绻窃诟咚亠w行，航向誤差大的情況下，那將表現(xiàn)為一個(gè)較大的圈。
注：上訴推理的原因只是結(jié)果一種充分條件，而不是必要條件。
(4)發(fā)生過(guò)的不會(huì)忘卻
摘要：指南針干擾量不是一個(gè)瞬態(tài)量，它具有歷史屬性，和以前的狀態(tài)有關(guān)，因此不是在干凈的地方就一定會(huì)有干凈的地磁測(cè)量值。
引言：為什么無(wú)人機(jī)在很高的地方還是會(huì)出現(xiàn)指南針干擾，明明曠無(wú)一物，實(shí)在是令人費(fèi)解?。這個(gè)小節(jié)，就來(lái)聊聊這些個(gè)令人費(fèi)解的事兒。引用宮崎駿老爺子在《千與千尋》里表達(dá)的一個(gè)思想：”曾發(fā)生過(guò)的事請(qǐng)不可能忘記 ，只不過(guò)是你想不起罷了。" 盡可能簡(jiǎn)單地使大家明白這個(gè)道理，但還是要上一些晦澀的內(nèi)容。
補(bǔ)充知識(shí)1：
指南針這個(gè)傳感器能夠測(cè)量周邊的磁場(chǎng)矢量(就是既測(cè)磁場(chǎng)大小，又測(cè)磁場(chǎng)方向)。也就說(shuō)，指南針嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，應(yīng)該叫做”指磁針“?，F(xiàn)在需要對(duì)磁場(chǎng)、地磁以及北向這幾個(gè)概念：
?、俅艌?chǎng)，某個(gè)地方一切磁場(chǎng)的疊加，這些磁場(chǎng)包括：地磁、周邊大型的磁性物質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)如果鋼筋混凝土等、周邊電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。
?、诘卮牛€(gè)地方由地球整體引起的磁場(chǎng)，在不同的地方地磁的方向和大小都不同。
?、郾毕?，北向可以簡(jiǎn)單地理解為沿著地面指向北極的方向吧。
再來(lái)討論一下這幾個(gè)概念之間的關(guān)系：
?、俅艌?chǎng) 不等于 地磁， 只是大部分時(shí)候，地磁占主要成分
②地磁的方向 不等于 北向，只是大部分時(shí)候，可以通過(guò)補(bǔ)差磁偏角(當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)方向和北向之間的差)而矯正到北向。
從公式的角度來(lái)看，我們可以表達(dá)為：1) 磁場(chǎng) = 地磁 + 磁場(chǎng)干擾量(其他的磁場(chǎng))(式2) 北向 = 磁場(chǎng)方向 - 磁場(chǎng)干擾量造成的磁場(chǎng)方向偏移 - 地磁本身的磁偏角。補(bǔ)充知識(shí)2：
現(xiàn)在的手機(jī)上都有指南針，而且它一般都有一個(gè)校準(zhǔn)操作，用過(guò)的人可能會(huì)比較熟悉。無(wú)人機(jī)也有一個(gè)指南針校準(zhǔn)操作。那么這個(gè)手機(jī)和無(wú)人機(jī)上的指南針校準(zhǔn)到底是在干什么呢?其實(shí)他們就是利用旋轉(zhuǎn)手機(jī)把磁場(chǎng)干擾量計(jì)算出來(lái)。指南針的讀數(shù) ，減去 當(dāng)?shù)氐拇艌?chǎng)干擾量，就近似為地磁了，參考(式1)。地磁的磁偏角，在一個(gè)特定的位置都是可以查到的，這個(gè)也可以隨后減去，這樣一來(lái)指南針就可以通過(guò)(式2)獲得相對(duì)來(lái)較為準(zhǔn)確的北向估計(jì)了。
言歸正傳，高空的指南針干擾到底是怎么來(lái)的?
原因可能特別多，但是我們就來(lái)設(shè)想一下這么一個(gè)場(chǎng)景：
A 在甲地校準(zhǔn)了指南針，獲得了甲地的指南針干擾量的估計(jì)，并保存在飛機(jī)芯片里，然后A在乙地飛行，且乙的指南針干擾量和甲地的相差很多。但不幸的是，無(wú)人機(jī)總是會(huì)減去以前校準(zhǔn)的那個(gè)在甲地估計(jì)出來(lái)的指南針干擾量， 于是我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)因?yàn)闇p去了一個(gè)不對(duì)的指南針干擾量而使得其測(cè)量的方向不是北向了。
簡(jiǎn)而言之：
(1)在干凈地方校準(zhǔn)了，在有干擾的地方飛是有問(wèn)題的。
(2)在不干凈的地方校準(zhǔn)了，在無(wú)干擾的地方飛也是有問(wèn)題的。
校準(zhǔn)時(shí)候指南針?biāo)艿降母蓴_，將一直作用于以后的飛行，即使在空曠的高空，也是得承受過(guò)去犯下的過(guò)錯(cuò)。”好吧。”模友會(huì)說(shuō)，“那我只能每次飛行前都校準(zhǔn)了，可為何它還是不盡如意?” 那就請(qǐng)等待下回：《(5)信息是碎的》
( 5 ) 信息是碎的
摘要：航向信息的碎片散落在不同的傳感器上，不僅僅是指南針，所以指南針無(wú)干擾，也不一定航向估計(jì)好。
引言：愛(ài)因斯坦說(shuō)：“熵定律是科學(xué)定律之最”。“熵”這個(gè)概念乍一看比較抽象，這不要緊，我們總還是能夠從非常通俗的角度對(duì)其獲得形象的理解。高中物理在講永動(dòng)機(jī)的時(shí)候曾經(jīng)介紹過(guò)熵增定律：“在自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總混亂度(即“熵”)不會(huì)減小。”也就是說(shuō)，被愛(ài)因斯坦理解為科學(xué)定律之最的定律就表達(dá)了一個(gè)中心的思想：“上帝估計(jì)總喜歡把桌子搞亂，就像那些邋遢的工程師一樣兒。”
熵一開(kāi)始是用來(lái)描述熱物理學(xué)的，后來(lái)被香農(nóng)(信息論之父)搞來(lái)研究信息，于是就有了信息熵這樣一個(gè)概念。插上一句，什么是信息?信息簡(jiǎn)單地說(shuō)就是“比完全隨機(jī)相比更確定一些的事情”：
?、倜魈焓切瞧谖澹@是信息;
?、邳S金價(jià)格最近一個(gè)月80%可能性會(huì)反彈，這是信息;
③無(wú)人機(jī)的航向是北偏東三十度，這是信息。
信息越是確定，其信息熵越小。然而上帝總是喜歡把完好的信息撕成碎片，讓人們費(fèi)勁腦筋去把它拼湊起來(lái)。
今天就來(lái)談?wù)劊?ldquo;上帝都把無(wú)人機(jī)的航向信息撕成了什么樣的碎片?”
指南針干擾問(wèn)題的本質(zhì)就是航向估計(jì)不準(zhǔn)，當(dāng)然能夠感知航向的傳感器不只是指南針，理論上講只要一轉(zhuǎn)頭會(huì)隨之發(fā)生改變的傳感器，都帶有航向信息的碎片。只需要順著引言中的哲學(xué)道理去理解航向估計(jì)這個(gè)問(wèn)題，模友們將可以跳出指南針干擾這個(gè)相對(duì)單一的理解，不僅僅是指南針干擾會(huì)使得航向估計(jì)不準(zhǔn)。
真實(shí)的航向只有上帝知道，上帝把航向信息撕碎了揉皺了，丟落各處，這些碎片理論上可以被不同的傳感器所收集：
指南針撿到了，上帝加了磁場(chǎng)干擾，加了噪聲，加了地磁偏角，加了傳感器各種不對(duì)稱性等之后的，被揉皺了的航向信息碎片
?