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导读

本文围绕 INAV（Navigation-enabled flight control software）的测距仪（Rangefinder）功能展开，系统讲解其工作原理、支持的传感器类型、CLI 配置参数以及 Surface（地形跟随）模式等核心应用场景。通过阅读本文，你将掌握如何为多旋翼和固定翼选择并连接 ToF 激光、超声波、毫米波雷达等测距传感器，正确设置rangefinder_hardware、inav_max_surface_altitude等关键参数，并理解测距数据如何在高度估计与位置估计中发挥作用，从而在无 GPS 环境或自动降落场景中充分发挥测距仪的价值。

什么是测距仪

测距仪（Rangefinder）是一类用于测量飞行器相对地面正下方距离的设备，其测量结果即离地高度 AGL（Above Ground Level）。与气压计、GPS 提供的绝对海拔不同，AGL 直接反映"距离地面有多高"，因此特别适合需要精确贴近地面飞行的场景。

在 INAV 源码中，测距仪数据由 sensors/rangefinder.c 统一管理，所有读数均以厘米（cm）为单位返回。驱动层对传感器的三种异常返回值做了标准化定义（见 drivers/rangefinder/rangefinder.h）：

测距仪在 INAV 中的四大核心用途

根据官方文档，INAV 中的测距仪主要服务于以下场景：

• 着陆检测（Landing detection）——多旋翼：通过测距数据实现精确触地检测，配合自动降落流程，避免在着陆过程中过早或过晚收油门。
• 自动降落支持（Automated landing support）——固定翼：固定翼在进场着陆阶段利用测距仪实现平滑的下降控制，保证下滑曲线贴地且不撞地。
• 地形跟随 / Surface 模式——多旋翼：恒定保持离地高度飞行，适合在起伏地形上空贴地巡航。
• 位置估计（Position estimation）——与光流（Optical Flow）传感器配合时，测距仪提供 Z 轴高度信息，光流提供水平 X/Y 位移信息，从而在无 GPS 的室内环境中实现悬停与位置保持。

支持的测距仪硬件类型

从源码枚举 sensors/rangefinder.h 可见，INAV 共定义了 12 种测距仪类型（RANGEFINDER_NONE到RANGEFINDER_NANORADAR），与官方文档的硬件分类一一对应。

Time-of-Flight（ToF）激光传感器（I2C）

ToF 传感器通过测量光脉冲往返时间计算距离，受环境光影响小、响应快，适合短距精确测高。VL53L0X / VL53L1X / TOF10120 / TERARANGER_EVO 均挂载在飞控 I2C 总线上，配置后自动检测。对应驱动位于 drivers/rangefinder/rangefinder_vl53l0x.c、rangefinder_vl53l1x.c、rangefinder_tof10120_i2c.c、rangefinder_teraranger_evo.c。

超声波传感器（I2C / UART）

超声波方案成本低、量程大，但受温度、风场和地面材质影响。SRF10 与 US42 驱动分别见 rangefinder_srf10.c 与 rangefinder_us42.c。

毫米波雷达传感器（UART）

INAV 支持 NanoRadar NRA15 / NRA24 毫米波雷达。此类传感器固件可选US-D1_V0或NRA两种协议，对应配置器中的名称不同：

选择协议时需确认传感器刷写的固件版本，并在rangefinder_hardware中选择与之匹配的名称（USD1_V0或NRA）。

串口 / 外部传感器（UART）

• MSP：通过 MSP 协议接入外部测距设备（UART/MSP）。
• BENEWAKE：Benewake 系列激光雷达模块（如 TFmini），走串口协议（UART）。

这两类在源码中均通过虚拟驱动表virtualRangefinderDetect()挂接（见 sensors/rangefinder.c）。

开发 / 测试传感器

• FAKE：纯软件模拟的测距仪，用于无硬件环境下的功能验证，常见于 SITL（Software In The Loop）测试。它同样通过rangefinderFakeVtable虚拟驱动实现。

配置指南

启用测距仪

在 CLI 中执行：

set rangefinder_hardware = VL53L0X # 或你的传感器类型 save

rangefinder_hardware的可选值定义在 fc/settings.yaml 的rangefinder_hardware表格中，完整列表为：

NONE, SRF10, VL53L0X, MSP, BENEWAKE, VL53L1X, US42, TOF10120_I2C, FAKE, TERARANGER_EVO, USD1_V0, NRA

默认值为NONE。参数存储在rangefinderConfig_t结构体（PG_RANGEFINDER_CONFIG）中，对应字段定义见 sensors/rangefinder.h。

中值滤波平滑读数

set rangefinder_median_filter = ON save

该参数默认值为OFF。官方设置描述为"3-point median filtering for rangefinder readouts"，而从 sensors/rangefinder.c 的实现看，实际采用的是5 个样本的滑动中值滤波（DISTANCE_SAMPLES_MEDIAN 5，使用quickMedianFilter5），且只在读数处于量程内（大于RANGEFINDER_OUT_OF_RANGE）时才纳入样本。开启后能明显抑制单点跳变，适合地面纹理不均匀、螺旋桨气流干扰等场景。

位置估计权重参数

以下参数控制测距数据在 INAV 高度估计（卡尔曼融合）中的权重，定义于 fc/settings.yaml：

set inav_max_surface_altitude = 200 # 测距数据允许参与融合的最大高度（cm） set inav_w_z_surface_p = 3.5 # 位置（高度）估计权重 set inav_w_z_surface_v = 6.1 # 爬升率（垂直速度）估计权重

inav_w_z_surface_p/v同时作用于固定翼与多旋翼（前提是安装了测距仪并启用 Surface 模式），权重越高，估计越信任测距数据而非气压计/加速度积分，但过高权重会在测距失效时放大误差，因此需要与inav_max_surface_altitude配合设置。

高度估计的倾斜校正原理

从源码可以印证"倾斜角过大时测距失效"这一约束：在 sensors/rangefinder.c 中，最终高度计算为calculatedAltitude = rawAltitude * cosTiltAngle，即用机身倾角余弦对原始读数做斜距投影校正；同时rangefinderInit()会依据传感器驱动上报的检测锥角detectionConeExtendedDeciDegrees预计算最大允许倾角maxTiltCos。当cosTiltAngle < maxTiltCos（倾角超出检测锥）或读数异常时，输出被置为RANGEFINDER_OUT_OF_RANGE，测距数据即被判定无效。

Surface 模式（地形跟随）

Surface 模式让多旋翼以恒定离地高度飞行（相对高度），而非气压计的绝对高度，是测距仪最典型的导航应用。

启用方式：通过遥控器开关激活SURFACE模式（前提是测距仪已正确配置并输出有效数据）。

兼容的导航模式：

• ALTHOLD——按离地高度保持高度
• POSHOLD——以地形相对高度保持位置
• CRUISE——带地形跟随的速度控制

关键设置：

set nav_max_terrain_follow_alt = 100 # Surface 模式允许的最大离地高度（cm）

nav_max_terrain_follow_alt定义于 fc/settings.yaml，默认值 100，最大 1000，单位 cm。

重要安全规则：必须将nav_max_terrain_follow_alt设为小于inav_max_surface_altitude，避免在传感器可靠量程之外触发地形跟随。示例：若测距仪可靠量程为 200 cm，则设置inav_max_surface_altitude = 200、nav_max_terrain_follow_alt = 100（或更低）。

注意：Surface 模式不支持固定翼，固定翼请使用自动降落相关的测距支持。

连接与接线

I2C 测距仪

VL53L0X、VL53L1X、TOF10120、SRF10、US42、TERARANGER_EVO 等 I2C 传感器直接连接到飞控的 I2C 端口（通常与气压计/罗盘共用总线或独立 I2C 焊盘），配置rangefinder_hardware后由rangefinderDetect()自动检测挂载（见 sensors/rangefinder.c）。

要点：

• 确认电源电压匹配传感器要求（3.3 V 或 5 V，参考具体型号手册）；
• 确认 I2C 地址无冲突（同一总线上若有其他同地址设备需处理）；
• 不同 I2C 测距仪任务周期不同，驱动检测成功后会自动重排调度任务（如 VL53L0X、VL53L1X 各自的TASK_PERIOD_MS）。

串口（UART）测距仪

MSP、BENEWAKE、NRA、USD1_V0 等基于 UART 的传感器需要：

1. 在 Configurator 的Ports（端口）选项卡中为传感器分配一个 UART 端口；
2. 配置rangefinder_hardware为对应类型；
3. 按传感器要求设置正确的波特率（参考 docs/Serial.md 中的串口配置说明）。

光流（Optical Flow）集成

测距仪与光流传感器组合时：

• 测距仪提供**垂直方向（Z 轴）**高度信息；
• 光流提供**水平方向（X/Y 轴）**位移信息；
• 两者融合后可在无 GPS 的室内实现位置保持与低速导航。

从设置文件可见配套参数inav_w_xy_flow_p（位置权重，默认 1.0）与inav_w_xy_flow_v（速度权重，默认 2.0）控制光流在水平估计中的权重，与inav_w_z_surface_p/v在垂直通道配合工作。完整配置流程可参考 docs/Sensors.md 中关于光学流量传感器的章节。

约束与限制

不支持以下设备：

• HC-SR04 超声波传感器
• US-100 超声波传感器

（这两类常见 Arduino 超声波模块不在 INAV 驱动支持列表中。）

固有限制：

• Surface 模式仅限多旋翼（固定翼不支持）；
• 倾斜角限制：当机身倾角超出传感器检测锥时，测距数据将被判定无效（原理见上文"倾斜校正"小节）；
• 量程边界：inav_max_surface_altitude应设置为传感器的可靠量程，而非标称最大量程，避免在边缘精度不足区域融合不可靠数据。

故障排除

无测距读数

• 核对rangefinder_hardware是否选择了正确的传感器类型；
• 检查接线与供电（3.3 V 或 5 V，视传感器而定）；
• 确保 I2C 地址唯一（无地址冲突）；
• 确保传感器正对地面且无遮挡、有清晰的视线。

读数跳动 / 不稳定

• 开启rangefinder_median_filter = ON；
• 检查振动——传感器需刚性安装，避免松动；
• 确认传感器不受螺旋桨下洗气流干扰；
• 确保地面纹理足够（平滑、强反光地面会导致激光/超声回波异常）。

Surface 模式不工作

• 确认遥控器开关已激活 SURFACE 模式；
• 检查测距仪是否输出有效数据（可在 CLI 中查看传感器状态）；
• 确认当前离地高度低于nav_max_terrain_follow_alt（操作上限）；
• 确认高度处于传感器可靠量程内（由inav_max_surface_altitude约束）；
• 确认机型为多旋翼（固定翼不支持 Surface 模式）。

此外，源码中的健康监测逻辑（sensors/rangefinder.c）定义了一个 500 ms 的硬件超时窗口（RANGEFINDER_HARDWARE_TIMEOUT_MS）：若超过 500 ms 未收到有效响应，rangefinderIsHealthy()将判定测距仪不健康，可用于排查线缆接触不良、总线故障等间歇性问题。

相关源码与文档索引

• 传感器核心实现：src/main/sensors/rangefinder.c、src/main/sensors/rangefinder.h
• 驱动层接口与返回值定义：src/main/drivers/rangefinder/rangefinder.h
• 各传感器驱动目录：src/main/drivers/rangefinder/
• 参数定义与默认值：src/main/fc/settings.yaml
• 通用传感器文档：docs/Sensors.md
• 参数总览：docs/Settings.md

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