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兩年來，大疆精靈系列更新了兩代，飛控技術更新了兩代，智能導航技術從無到有，諸多新的軟件和硬件產品陸續發布。同時我們也多了很多友商，現在多旋翼飛行器市場火爆，諸多產品琳瑯滿目，價格千差萬別。為了理解這些飛行器的區別，首先要理解這些飛行器上使用的傳感器技術。我覺得現在很有必要再發一篇科普文章，定義“智能導航”這個概念，順便字里行間介紹一下兩年來大疆在傳感器技術方面的努力。

1. 飛行器的狀態

客機、多旋翼飛行器等很多載人不載人的飛行器要想穩定飛行，首先最基礎的問題是確定自己在空間中的位置和相關的狀態。測量這些狀態，就需要各種不同的傳感器。

世界是三維的，飛行器的三維位置非常重要。比如民航客機飛行的時候，都是用GPS獲得自己經度、緯度和高度三維位置。另外GPS還能用多普勒效應測量自己的三維速度。后來GPS民用之后，成本十幾塊錢的GPS接收機就可以讓小型的設備，比如汽車、手機也接收到自己的三維位置和三維速度。

對多旋翼飛行器來說，只知道三維位置和三維速度還不夠，因為多旋翼飛行器在空中飛行的時候，是通過調整自己的“姿態”來產生往某個方向的推力的。比如說往側面飛實際上就是往側面傾，根據一些物理學的原理，飛行器的一部分升力會推著飛行器往側面移動。為了能夠調整自己的姿態，就必須有辦法測量自己的姿態。姿態用三個角度表示，因此也是三維的。與三維位置、三維角度相對應的物理量是三維速度、三維加速度和三維角速度，一共是十五個需要測量的狀態。

這十五個狀態都對多旋翼飛行器保持穩定飛行有至關重要的作用。多旋翼飛行器最基本的能力就是“懸停”，事實上飛行器的控制器在后臺做了一系列“串級控制”：在知道自己三維位置的基礎上，控制自己的位置始終鎖定在懸停位置，目標的懸停速度是這里的控制量，當飛行器的位置和懸停位置相等時，這個目標懸停速度為0，當飛行器的位置偏離了懸停位置時，飛行器就需要產生一個讓自己趨向懸停位置的速度，也就是一個不為零的目標懸停速度；飛行器要想控制自己產生目標懸停速度，就需要根據自己當前的三維速度，產生一個目標加速度；為了實現這個目標加速度，飛機需要知道自己的三維角度，進而調整自己的姿態；為了調整自己的姿態，就需要知道自己的三維角速度，進而調整電機的轉速。

讀者可能會想哇為什么這么復雜。其實我們身邊的許多工程產品都在簡單的表現背后藏著復雜的過程。比如汽車的油門也是類似的，踩下油門之后，有傳感器測量汽油的流速、控制汽油的流速；然后有傳感器測量發動機的轉速、控制發動機轉速……從踩油門到加速的過程中也有許許多多的傳感器在測量汽車的各個狀態量，并對這些狀態量施加控制。

知道十五個狀態量是多旋翼飛行器做任何動作的基礎中的基礎，但是讓飛行器在任何情況下都準確知道這十五個狀態量是非常困難的事情，因為現在的科技水平還沒有能夠實現讓一個傳感器同時測量這么多的物理量。幾十年來，人們發展出了一套復雜的技術，叫做組合導航，用GPS加上慣性測量元件、氣壓計和地磁指南針來讓飛行器測量自己的十五個狀態量。

2. 組合導航

慣性測量元件是一種能夠測量自身三維加速度和三維角速度的設備（實際上慣性測量元件有兩種，一種加速度計，一種角速度計，為了行文方便，我們把這兩種元件當做一種，統稱為慣性測量元件）。根據物理學原理，加速度的積分是速度，速度的積分是位置，角速度的積分是角度，理論上單靠慣性測量元件，我們就可以知道十五個狀態量。

人類的科技水平也的確實現了這一點：GPS還沒被發明以前，導彈上通常都裝著一個精密的慣性測量元件，導彈打出去以后靠這個裝置測量自己的十五個狀態量，然后控制自己飛越海洋和大洲。然而這種慣性測量元件會在測量的過程中慢慢累積誤差，元件本身的工藝、技術、成本越差，積累誤差的速度就越快。導彈上價值幾百萬的慣性測量元件飛幾萬公里后會積累十幾米到幾公里的誤差，這種水平的導彈已經非常了不起了，畢竟不是每個國家都可以在背后豎著洲際導彈和國際社會講道理。