2. 无人飞行器平台与传感载荷

无人飞行器的环境感知能力，本质上不是由某一个传感器决定的，而是由平台承载能力与多类传感器观测特性共同决定的。同一套感知算法，装在不同机型上，效果可能相差很大：小型多旋翼带不动重型激光雷达，固定翼的快速前飞会让视觉产生明显运动模糊，而GNSS在城市峡谷中可能频繁失锁。因此，理解典型机型、载荷约束以及各类传感器的观测特性，是后续多传感融合与障碍理解的前提。

一、典型机型与载荷约束

常见无人飞行器平台可分为四类。多旋翼（如四旋翼）结构简单、可悬停、低速机动灵活，适合近距精细感知，但续航通常只有20～40分钟，有效载荷多在0.5～2 kg量级。固定翼依靠机翼升力巡航，航时长、速度快，适合大范围测绘，但无法悬停，转弯半径大，对前向感知的实时性要求更高。复合翼（垂直起降固定翼）兼顾起降便利与巡航效率，载荷能力居中。无人直升机载荷能力强、可悬停，但机械复杂、维护成本高。

载荷约束不只是“能挂多重”。实际选型要同时看四个维度：质量与重心（影响配平与功耗）、供电功率（激光雷达常需10～30 W，毫米波雷达约5～10 W）、安装位置与视场遮挡（机臂、桨叶、机身会遮挡相机和雷达视场）、振动与温漂（IMU和相机对高频振动敏感，需减振安装）。例如，一台起飞重量2 kg的四旋翼，若挂载1 kg激光雷达，续航可能从30分钟降到15分钟以下，这就是典型的载荷—续航权衡。

二、各类传感器的观测特性

相机提供高分辨率二维纹理与颜色信息，成本低、功耗小，是障碍分类与语义理解的主力。但它依赖光照，夜间和强逆光下失效，且单目相机无法直接获得绝对尺度，需要运动或已知目标辅助。双目相机可通过视差恢复深度，但深度精度随距离平方下降，远距离误差大。

激光雷达主动发射激光，直接输出高精度三维点云，测距精度可达厘米级，不受光照影响，是三维结构感知的核心。缺点是体积、重量、功耗较大，雨雾天气激光衰减明显，且点云稀疏、无颜色纹理，对玻璃、水面等低反射目标可能漏检。

毫米波雷达工作在77 GHz等频段，穿透雨雾、烟尘能力强，可直接测量目标距离与径向速度，适合恶劣天气和动态目标检测。但其角分辨率较低，点云稀疏，难以区分近距离的细小障碍物，通常作为视觉和激光雷达的补充。

超声波成本极低、近距测距可靠，常用于0.2～5 m的低速避障和定高。但波束角大、易受风和地面反射干扰，作用距离短，不适合高速前飞平台。

IMU提供三轴加速度与角速度，输出频率高（100～1000 Hz），是姿态估计和短时运动推算的基础。但IMU存在零偏和随机游走，单独积分会快速漂移，必须与其它传感器融合。

GNSS提供全球绝对位置与速度，长期稳定，但更新率低（通常1～10 Hz），城市峡谷、林下和室内易失锁或多路径。GNSS与IMU组合可兼顾长期稳定与短期高频，是户外平台的基本配置。

三、选型依据与组合原则

选型不是“越贵越好”，而是围绕任务需求做匹配。若任务是在室内或林下低速避障，优先考虑双目相机+超声波+IMU，重量轻、成本低；若需要三维建图与精细避障，激光雷达+相机+IMU是主流组合；若在雨雾、烟尘环境飞行，毫米波雷达应作为必备补充；若任务是大范围户外巡航，GNSS+IMU+视觉/激光雷达组合可兼顾定位与感知。

一个实用的判断顺序是：先确定任务环境（光照、天气、遮挡），再确定感知目标（障碍物类型、距离范围、精度要求），然后核对平台载荷余量（质量、功率、安装空间），最后检查传感器互补性——是否有一类传感器在另一类失效时仍能提供关键信息。例如，相机在夜间失效时，激光雷达和毫米波雷达仍能提供距离信息；GNSS失锁时，IMU与视觉可短时维持定位。

以一台2 kg级四旋翼为例，若任务为室外低速巡检，可配置：单目相机（约100 g，2 W）+ 16线激光雷达（约900 g，12 W）+ IMU（约30 g，0.5 W）+ GNSS（约50 g，1 W），总载荷约1.1 kg，总功耗约15.5 W，续航约18分钟。若换成双目相机+超声波方案，载荷可降至约300 g，续航可提升至25分钟以上，但三维感知精度和距离范围会明显下降。这种量化对比，正是选型时最需要做的权衡。