机体坐标系和导航坐标系

机体坐标系（Body Frame）和导航坐标系（Navigation Frame）是惯性导航系统（INS）中常用的两个坐标系，用于描述物体的姿态、速度和位置。下面通过具体例子来说明这两个坐标系的含义和区别。

机体坐标系（Body Frame）

机体坐标系是固定在运动物体上的坐标系。通常情况下，定义如下：

• X轴：沿着机体的前方（向前）。
• Y轴：沿着机体的右侧（向右）。
• Z轴：沿着机体的下方（向下）。

例子：无人机的机体坐标系

对于一架无人机，机体坐标系可以这样定义：

X轴：指向无人机的前方。
Y轴：指向无人机的右侧。
Z轴：指向无人机的下方。（高度）
在这个坐标系中，无人机的加速度、角速度和其他传感器数据都是相对于机体本身的方向进行测量的。

导航坐标系（Navigation Frame）

导航坐标系是固定在地面或惯性空间的坐标系，用于描述物体在全局坐标中的位置和运动状态。通常情况下，定义如下：

• X轴：指向北方（N）。 （刻度表示地球维度）
• Y轴：指向东方（E）。 （刻度表示地球经度）
• Z轴：指向地心（D）（对于NEU坐标系，Z轴指向天顶（U））。

例子：地球固定的导航坐标系

对于一架无人机在地球表面飞行时，导航坐标系可以这样定义：

X轴：指向地理北极。
Y轴：指向地理东。
Z轴：指向地心（对于NED坐标系）。
在这个坐标系中，无人机的位置信息、速度信息都是相对于地球固定坐标系来描述的。

具体例子说明

假设我们有一架无人机正在飞行，我们需要描述其当前的姿态和运动状态。

机体坐标系描述

在无人机的机体坐标系中，我们测量得到以下数据：

• 加速度：${\mathbf{a}}_b=[0.1,0.2,-9.7]\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^2$
• 角速度：”${\mathbf{\omega }}_b=[0.01,0.02,0.03]\mathrm{rad}/\mathrm{s}$

文些数据表示在机体坐标系中，无人机前方有 $0.1\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^2$ 的加速度，右侧有 $0.2\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^2$ 的加速度，下方有 $9.7\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^2$ 的加速度（由于重力作用）。角速度表示绕前方轴 $0.01\mathrm{rad}/\mathrm{s}$ ，绕右侧轴 $0.02\mathrm{rad}/\mathrm{s}$ ，绕下方由 $0.03\mathrm{rad}/\mathrm{s}$ 的旋转。

导航坐标系描述

通过惯性导航算法，我们可以将上述机体坐标系中的数据转换到导航坐标系中。例如，转换后的加速度和角速度在导航坐标系中表示为：

• 加速度：${\mathbf{a}}_n=[0.1,0.0,-9.8]$ m/s2
• 角速度：${\mathbf{\omega }}_n=[0.0,0.02,0.03]$ rad/s

这些数据表示在导航坐标系中，无人机向北有 $0.1\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^2$ 的加速度，向东没有加速度，向地心有 $9.8\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^2$ 的加速度 (主要是重力)。角速度表示绕北轴没有旋转，绕东轴 $0.02\mathrm{rad}/\mathrm{s}$ 的旋转，绕地心轴 $0.03\mathrm{rad}/\mathrm{s}$ 的旋转。

总结

机体坐标系：固定在无人机上的坐标系，用于描述相对于机体的运动和姿态。
导航坐标系：固定在地球上的坐标系，用于描述无人机在全局中的位置和运动状态。

两者之间的转换依赖于姿态估计（例如使用方向余弦矩阵或四元数），从而将机体坐标系中的测量值转换到导航坐标系中进行导航和控制。