室内无人机为什么同时配UWB、TOF和气压计？

室内无人机为什么同时配UWB、TOF和气压计？

有客户在需求表里同时列了三个东西：UWB定位、TOF定高、气压计定高。他问的是"能不能只用一个方案解决所有问题"。

这个问题背后有一个核心误解：很多人以为UWB能定三维坐标，那Z轴的高度数据就应该够无人机定高用。但实际做室内无人机的人都知道，UWB、TOF和气压计三个东西凑在一起，不是因为谁替代不了谁，而是它们各自管一段，谁也不能单独扛下所有工况。

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UWB的Z轴精度够不够定高？

先直接说结论：不够。

LinkTrack手册里对Z轴精度有一个非常明确的说明——典型精度在30厘米左右。跟X、Y轴的10厘米精度比差了一个数量级。为什么差这么多？因为UWB的定位精度与基站和标签之间的几何关系强相关。当4个基站安装在同一平面时，X、Y的DOP（几何精度因子）最小、精度最高，但Z轴精度与标签离基站平面的垂直距离有关——标签离平面越远精度越高，越靠近平面精度越低，当标签处于基站所在平面时，甚至完全无法解算Z坐标。

这意味着什么？无人机在室内飞行时高度一直在变，离基站平面近的时候Z轴精度可能掉到半米以上，根本没法用做定高控制。而且UWB同平面部署还有一个更根本的限制：MATH_MODEL2模式下系统无法区分标签在基站平面上方还是下方，默认取低于平面Z轴解——通过基站部署高度控制标签运动轨迹来区分正负是勉强可行的，但依赖安装精度。

LinkTrack手册FAQ第28条写得更直接：如果用于无人机定高需求，推荐只采用UWB的X、Y坐标，使用其他的传感器例如TOF激光测距传感器、视觉光流等传感器来提供Z轴高度更为精准。

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TOF定高：准，但有使用条件

TOF测距传感器做定高的优势非常明显：精度高，直接测量到地面的距离，误差在厘米级别。TOFSense-F系列精度典型值±2厘米，距离分辨率1厘米，测距范围从0.1米到12米。延时约1毫秒。

但TOF定高有一个硬性限制：它只能测量无人机到正下方地面的距离，给出的是"相对高度"，不是"海拔高度"。如果地面不平——无人机从水泥地面飞到货架上面，TOF测到的距离会突然跳变，因为反射面变了。同样，如果无人机飞过坑洞或台阶，TOF读数也会突变。

另外TOF的工作范围有限。TOFSense-F最远12米，TOFSense-M最远4米。超过量程后输出的测距值变为无效值（dis status变为255），主控拿不到有效高度。对于飞行高度经常超过10米的室内无人机（比如厂房巡检），TOF在低空悬停和降落时很好用，但在高空巡航时就够不着了。

还有一个容易被忽略的点：TOF在室外强光下性能会下降，部分型号在阳光直射下测距范围会大幅缩减。不过这个问题在室内环境基本不存在。

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气压计定高：无死角，但会漂

气压计定高的原理是通过测量大气压力来推算海拔高度。气压随高度变化的规律大致是：每上升10米，气压下降约1.2百帕。气压计之所以在无人机上几乎成了标配，是因为它没有量程限制——不管无人机飞多高、下方是什么地形，气压计都能输出一个高度值。只要空气存在。

而且气压计不受光线、遮挡、地面材质的影响。它既不发射信号也不接收信号，没有遮挡问题。

但气压计有两个硬伤：

第一是精度和分辨率的极限。

消费级无人机常用的气压计（如博世BMP388）的相对精度约±0.25百帕，折算成高度约±0.25米。但这个精度是在静态、良好通风条件下的理论值。在无人机飞行过程中，螺旋桨的下洗气流会直接改变机身上的局部气压，造成高度测量偏差。另外气压计对温度变化敏感——太阳晒了半小时和刚起飞时的机身温度不同，会导致零漂。

第二是气压本身会变。

室内开门关窗、空调启停、外界天气变化，都会改变室内气压。以一层到二层约4到6米的层高为例，冷空气过境导致的气压变化就足以让气压计输出好几米的漂移。这就决定了气压计只能在短时间内作为高度参考，不能长期信任。

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三者其实是一套接力方案

UWB、TOF和气压计三个传感器不是谁替代谁的关系，而是一个接力组合——在不同的飞行阶段，由不同的传感器主导，其他传感器做校验和兜底。

起降和悬停阶段：TOF主导。 无人机起飞和降落是需要精确高度控制的阶段。TOF直接测量到地面的距离，精度厘米级，延时低，完全够用。起飞时TOF读到0.1米就确认离地，降到0.05米就触地减速。悬停时TOF读数可以稳定在设定高度±几厘米。

中高空巡航阶段：气压计主导。 当无人机飞到3米以上（超过TOF的最佳量程），或者地面环境复杂（货架、设备、人流动），TOF的读数开始不可靠。这时切换给气压计。气压计不管飞多高、下面是什么，都能输出一个海拔高度。虽然在旋翼风影响下会有短时波动，但作为一个连续的高度序列是稳定的。飞控通常配合IMU做数据融合，把短时波动滤掉。

楼层判断和全局参考：UWB的Z轴做辅助校验。 UWB的Z轴精度只有30厘米，直接做定高控制不够，但它有一个气压计和TOF都没有的优势——输出的是基站坐标系下的绝对坐标。UWB的Z坐标不会像气压计那样随天气漂移，也不会像TOF那样因地面变化而跳变。它可以用来做长时间的高度趋势参考。比如气压计显示高度在缓慢上升，但UWB的Z坐标一直没变——说明是气压下降了，不是无人机真的在飘高。这个场景在室内温差大或通风频繁的厂房中很常见。

行业里的标准做法

室内无人机的定高融合方案，行业内主流做法是EKF（扩展卡尔曼滤波）或者补滤波器，把这几个传感器的数据融合到一起。大致逻辑是：

• TOF作为"短距离高精度"输入，权重在低空时设高、高空时设低
• 气压计作为"全天候"输入，权重在整个飞行过程中保持稳定，但给一个适当的过程噪声来容忍短时波动
• UWB的Z轴坐标作为"长期参考"输入，权重低但持续存在，主要用于修正气压计的低频漂移

当TOF和气压计、UWB的读数不一致时，不要简单取平均。优先级应该是：低空TOF优先、高空气压计优先、UWB的Z轴做趋势校验。

标签：室内定高 / 传感器融合 / TOF定高 / 气压计 / UWB定位 / 无人机 / 高度控制

参考资料

[1] Nooploop, LinkTrack User Manual V2.3, 2023.

[2] Nooploop, LinkTrack Datasheet V2.3, 2023.

[3] Nooploop, TOFSense-F Datasheet V2.0, 2024.

[4] Nooploop, TOFSense-F User Manual V2.0, 2024.

[5] Nooploop, TOFSense-M Datasheet V3.0, 2024.

[6] Bosch Sensortec, BMP388 Datasheet, 2020.

[7] PX4 Dev Team, "PX4 User Guide: Height Estimation", 2024.

[8] ArduPilot Dev Team, "ArduPilot Navigation: Height Above Home vs Barometer", 2024.

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