IC693CPU360

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压计的原理****为简单。因为地球表面海拔越高，空气越稀薄，气压越低，因此气压就能够给出*的海拔高度。不过，不出意料的是，尺寸和重量适合在多旋翼*上使用的气压计有很大的缺陷，它的测量值会受到温度、湿度、空气流速、光照、振动等因素的影响，单靠气压计非常难实现对高度的稳定测量。

组合导航技术结合GPS、惯性测量元件、地磁指南针和气压计各自的优缺点，使用电子信号处理领域的很多技术，融合多种传感器的测量值，获得较为准确的*十五个状态量的测量。前面说惯性测量元件的测量容易发散，这个发散可以通过GPS来*：GPS可以获得三维位置也可以获得三维速度，惯性测量元件可以获得三维加速度，加速度的积分也是速度。在通过地磁指南针获得航向的基础上，两种速度的观测就可以融合起来，通过GPS的测量值来发现并*惯性测量元件的发散。惯性测量元件的发散被*住之后，它也可以更准地测量三维角度和三维加速度。因此GPS和惯性测量元件在这些情况中互相取长补短。除此之外，气压计和GPS互相****了高度测量的精度，地磁指南针、GPS和惯性测量元件一同****了航向测量的精度，他们都是利用了相同的融合、“互补”的思想。

组合导航技术中传感器互补的原理直接源于1948年诞生的信息论。克劳德-香农总结归纳出的信息论提出了信息的概念以及如何从数学上度量信息，信息论可以说是现代人类文明的基石之一。解释清楚信息的本质之后，人们才能够用数学表示一个朴素而又深刻的原理：信息可以用来估计状态，越多的信息可以把状态量估计得越准。

（上图致敬信息论*，克劳德-香农）

此后，控制论的奠基人诺伯特-维纳、鲁道夫-卡尔曼以及其他一大批工程师和科学家完善了通过信息进行状态估计的线性估计理论，进一步提出了传感器之间“互补滤波”，共同减小误差的理论。卡尔曼设计的卡尔曼滤波器还被实现在了阿波罗飞船的导航计算机当中，使用星座位置和惯性测量元件互补测量阿波罗飞船的十五个状态量。

信息论、线性估计理论以及卡尔曼滤波器允许人们把多个具有误差的传感器通过数学方程融合起来，利用传感器信息估计特定的状态量，而且越多传感器“互补”，可以获得越好的状态估计。这样，数学给工程学指出了发展方向：造更*逼的传感器进行互补，就能获得更好的状态估计能力。*飞控工程师也曾经说过：“****牛逼的工程师都是在搞传感器。”传感器技术的重要性可见一斑。

作为一种位置传感器，GPS具有诸多的问题，GPS信号只有在开阔的空间内才能给出比较好的测量值，因为GPS接收机需要从天上的*获得信号，这些信号要从太空传入大气层，这么远的距离，信号已经相对来说很微弱，所以必须要求接收机和*之间的连线上没有遮挡，一旦有建筑甚至是树木的遮挡，*发下来的信号就有噪声，GPS接收机就不能给出很好的位置和速度观测。在室内环境中，GPS甚至完全不能使用。组合导航技术要想进一步发展，就需要寻找其他能够在GPS不能使用的环境中使用的传感器。

一种较为简单的能够替代GPS测量高度的传感器是小型超声波模块。这种模块通常有一收一发两个探头，一个探头发出超声波，另一个探头测量回波的时间，能够算出导致声波反弹的物体离探头的距离。现在在淘宝上，只要10块钱就可以买到一个能够比较准确测量几米内物体距离的超声波模块，被广泛用在大学生制作的小机器人上。这种10块钱的传感器没有比气压计和MEMS惯性测量元件性能高多少，它发出的声波容易发散，探测到的物体不一*于探头正前方，另外声波也容易被空气中的水雾、振动所影响，给出完全错误的观测。因此，超声波模块使用场景是对着地面，测量自身和地面的距离。

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