前言
故事的开始,要从参数 EK3_FLOW_USE 说起。
注意:该参数适用于高级用户。
控制是否将光流数据融合到 24 状态导航估算器或 1 状态地形高度估算器中。
RebootRequired |
Values |
||||||||
True |
|
本文主要梳理一下,在旋翼中 EKF3 的整个运行流程,以及在哪一步融合光流数据进行室内定位飞行。
前置参数:
1、AHRS_EKF_TYPE = 3;
使用 EKF3 卡尔曼滤波器进行姿态和位置估算。
2、EK3_GPS_TYPE = 3;
禁止使用 GPS - 当在 GPS 质量较差、多径误差较大的环境中使用光流量传感器飞行时,这一点非常有用。
1 Copter.cpp
1.1 void IRAM_ATTR Copter::fast_loop()
Ardupilot 代码中,需求资源多,运算频率高的任务,一般在 fast_loop() 函数中。这里我们只展示和 EKF3 运行相关的代码段。
运行 EKF 状态估算器(耗资巨大)。
// Main loop - 400hz void IRAM_ATTR Copter::fast_loop() { ... // run EKF state estimator (expensive) // -------------------- read_AHRS(); ... }
1.2 void Copter::read_AHRS(void)
读取姿态航向参考系统信息的入口函数。
我们告诉 AHRS 跳过 INS 更新,因为我们已经在 fast_loop() 中进行了更新。
void Copter::read_AHRS(void) { // Perform IMU calculations and get attitude info //----------------------------------------------- #if HIL_MODE != HIL_MODE_DISABLED // update hil before ahrs update gcs().update_receive(); gcs().update_send(); #endif // we tell AHRS to skip INS update as we have already done it in fast_loop() ahrs.update(true); }
1.3 对象ahrs说明
在 Copter.h 中,我们用 AP_AHRS_NavEKF 类定义了 ahrs 对象。
AP_AHRS_NavEKF ahrs{EKF2, EKF3, AP_AHRS_NavEKF::FLAG_ALWAYS_USE_EKF};
2 AP_AHRS_NavEKF.cpp
2.1 void AP_AHRS_NavEKF::update(bool skip_ins_update)
所以,我们在跳转 update() 这个成员函数的时候,跳转到 AP_AHRS_NavEKF 类的 update() 函数。
根据 AHRS_EKF_TYPE = 3,我们运行 update_EKF3()。
void AP_AHRS_NavEKF::update(bool skip_ins_update) { ... if (_ekf_type == 2) { // if EK2 is primary then run EKF2 first to give it CPU // priority update_EKF2(); update_EKF3(); } else { // otherwise run EKF3 first update_EKF3(); update_EKF2(); } ... }
2.2 void AP_AHRS_NavEKF::update_EKF3(void)
更新 EKF3。
void AP_AHRS_NavEKF::update_EKF3(void) { ... if (_ekf3_started) { EKF3.UpdateFilter(); ... } }
2.3 对象EKF3说明
在 AP_AHRS_NavEKF.h 中,我们用 NavEKF3 类定义了 EKF3 对象。
NavEKF3 &EKF3;
3 AP_NavEKF3.cpp
3.1 void IRAM_ATTR NavEKF3::UpdateFilter(void)
所以,我们在跳转 UpdateFilter() 这个成员函数的时候,跳转到 NavEKF3 类的 UpdateFilter() 函数。
更新滤波器状态 - 只要有新的 IMU 数据,就应调用该函数。
// Update Filter States - this should be called whenever new IMU data is available void IRAM_ATTR NavEKF3::UpdateFilter(void) { if (!core) { return; } imuSampleTime_us = AP_HAL::micros64(); const AP_InertialSensor &ins = AP::ins(); bool statePredictEnabled[num_cores]; for (uint8_t i=0; i<num_cores; i++) { // if we have not overrun by more than 3 IMU frames, and we // have already used more than 1/3 of the CPU budget for this // loop then suppress the prediction step. This allows // multiple EKF instances to cooperate on scheduling if (core[i].getFramesSincePredict() < (_framesPerPrediction+3) && (AP_HAL::micros() - ins.get_last_update_usec()) > _frameTimeUsec/3) { statePredictEnabled[i] = false; } else { statePredictEnabled[i] = true; } core[i].UpdateFilter(statePredictEnabled[i]); } ... }
3.2 对象core说明
在 AP_NavEKF3.h 中,我们用 NavEKF3_core 类定义了 core 对象。
NavEKF3_core *core = nullptr;
4 AP_NavEKF3_core.cpp
4.1 void IRAM_ATTR NavEKF3_core::UpdateFilter(bool predict)
所以,我们在跳转 UpdateFilter() 这个成员函数的时候,跳转到 NavEKF3_core 类的 UpdateFilter() 函数。
如果缓冲区中有新的 IMU 数据,则运行 EKF 方程,在融合时间跨度上进行估算。
/******************************************************** * UPDATE FUNCTIONS * ********************************************************/ // Update Filter States - this should be called whenever new IMU data is available void IRAM_ATTR NavEKF3_core::UpdateFilter(bool predict) { ... // Check arm status and perform required checks and mode changes controlFilterModes(); ... // Run the EKF equations to estimate at the fusion time horizon if new IMU data is available in the buffer if (runUpdates) { // Predict states using IMU data from the delayed time horizon UpdateStrapdownEquationsNED(); // Predict the covariance growth CovariancePrediction(); // Update states using magnetometer or external yaw sensor data SelectMagFusion(); // Update states using GPS and altimeter data SelectVelPosFusion(); // Update states using range beacon data SelectRngBcnFusion(); // Update states using optical flow data SelectFlowFusion(); // Update states using body frame odometry data SelectBodyOdomFusion(); // Update states using airspeed data SelectTasFusion(); // Update states using sideslip constraint assumption for fly-forward vehicles SelectBetaFusion(); // Update the filter status updateFilterStatus(); } ... }
这里有两个函数和 EKF3 使用光流传感器有关:controlFilterModes(),SelectFlowFusion()。
5 AP_NavEKF3_Control.cpp
5.1 void NavEKF3_core::controlFilterModes()
控制滤波器模式转换。
// Control filter mode transitions void NavEKF3_core::controlFilterModes() { ... // Set the type of inertial navigation aiding used setAidingMode(); ... }
5.2 void NavEKF3_core::setAidingMode()
设置所使用的惯性导航辅助类型。
我们把飞控连接 QGC,小喇叭会不断的弹出“...stopped aiding”和“...started relative aiding”消息。
根据 AidingMode 的枚举定义,分为三种情况。
1、AID_ABSOLUTE = 0;正在使用 GPS 或其他形式的绝对位置参考辅助(也可同时使用光流),因此位置估算是绝对的。
2、AID_NONE = 1;不使用辅助,因此只有姿态和高度估计值。必须使用 constVelMode 或 constPosMode 来限制倾斜漂移。
3、AID_RELATIVE = 2;只使用光流辅助,因此位置估算值将是相对的。
这里,如果光流传感器数据良好,我们运行 AID_RELATIVE;如果光流数据较差或没有,我们运行 AID_NONE。
// Set inertial navigation aiding mode void NavEKF3_core::setAidingMode() { ... // 检查我们是否开始或停止援助,并根据需要设置状态和模式 // check to see if we are starting or stopping aiding and set states and modes as required if (PV_AidingMode != PV_AidingModePrev) { // set various usage modes based on the condition when we start aiding. These are then held until aiding is stopped. switch (PV_AidingMode) { case AID_NONE: // We have ceased aiding gcs().send_text(MAV_SEVERITY_WARNING, "EKF3 IMU%u stopped aiding",(unsigned)imu_index); // When not aiding, estimate orientation & height fusing synthetic constant position and zero velocity measurement to constrain tilt errors // 无辅助时,利用合成恒定位置和零速度测量来估计方位和高度,以限制倾斜误差 ... case AID_RELATIVE: // We are doing relative position navigation where velocity errors are constrained, but position drift will occur // 我们正在进行相对位置导航,速度误差受到限制,但位置漂移会发生 gcs().send_text(MAV_SEVERITY_INFO, "EKF3 IMU%u started relative aiding",(unsigned)imu_index); ... }
6 AP_NavEKF3_OptFlowFusion.cpp
6.1 void NavEKF3_core::SelectFlowFusion()
选择性融合光学流量传感器的测量。
// select fusion of optical flow measurements void NavEKF3_core::SelectFlowFusion() { ... // 将光流数据融合到主滤波器中 // Fuse optical flow data into the main filter if (flowDataToFuse && tiltOK) { if (frontend->_flowUse == FLOW_USE_NAV) { // Set the flow noise used by the fusion processes R_LOS = sq(MAX(frontend->_flowNoise, 0.05f)); // Fuse the optical flow X and Y axis data into the main filter sequentially FuseOptFlow(); } // reset flag to indicate that no new flow data is available for fusion flowDataToFuse = false; } ... }
6.2 void NavEKF3_core::FuseOptFlow()
依次将光流 X 轴和 Y 轴数据融合到主滤波器中。
首次融合光流传感器数据,会提示:"EKF3 IMU%u fusing optical flow"。
void NavEKF3_core::FuseOptFlow() { ... // notify first time only if (!flowFusionActive) { flowFusionActive = true; gcs().send_text(MAV_SEVERITY_INFO, "EKF3 IMU%u fusing optical flow",(unsigned)imu_index); } ... }