無人機飛控博導(dǎo)告訴你飛控的來龍去脈及選型

      10年以前，搞無人機的十個人有八個是航空、氣動、機械出身，更多考慮的是如何讓飛機穩(wěn)定飛起來、飛得更快、飛得更高。如今，隨著芯片、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，無人機開始了智能化、終端化、集群化的趨勢，一大批畢業(yè)于自動化、機械電子、信息工程、微電子的高材生們投入到了無人機研發(fā)大潮中，幾年的時間讓無人機從遠離人們視野的軍事應(yīng)用飛入了尋常百姓家、讓門外漢可以短暫的學(xué)習(xí)也能穩(wěn)定可靠的飛行娛樂。不可否認，飛控技術(shù)的發(fā)展是這十年無人機變化的最大推手。

回顧歷史，飛控技術(shù)發(fā)展分為兩大流派、三種起源。


      先表一表以蘇俄、歐美為代表的兩種技術(shù)體系。高技術(shù)的發(fā)展最初都源于軍事，飛控的發(fā)展更不例外，一戰(zhàn)、二戰(zhàn)再到伊拉克戰(zhàn)爭，無論是蘇俄還是歐美國家，都相繼開始了有人飛機的無人化改造以及新研制無人機的工作。

        蘇俄國家延承了載人機控制的研發(fā)技術(shù)體系直接轉(zhuǎn)到了無人機，早期飛控硬件使用了戰(zhàn)斗機的飛控計算機，控制算法一直使用分型模態(tài)分段辨識、建模、控制的方法。通俗來講就是要通過吹風(fēng)洞、機理建模等方法，知道飛行器在起飛、懸停、低速、中速、高速、降落等不同飛行狀態(tài)下的參數(shù)，在不同狀態(tài)設(shè)計相應(yīng)控制器。飛行器飛行過程中不斷切換控制方法或控制參數(shù)以保證飛行器處于理想狀態(tài)。這種流派優(yōu)勢在于硬件經(jīng)過長期飛行驗證，控制算法在設(shè)計模態(tài)內(nèi)系統(tǒng)穩(wěn)定性可以有效理論證明；缺點在于硬件傻大笨粗且無法預(yù)測實際飛行過程中可以經(jīng)歷的所有飛行狀態(tài)。

       相比起蘇俄直接使用了戰(zhàn)斗機的技術(shù)體系，歐美則前瞻性地在上世紀(jì)中期開始布局了前沿技術(shù)的探索和積累（DARPA就是各類計劃的代表），支持研究機構(gòu)、大學(xué)探索了很多新的無人機專用的飛控硬件和算法。


        這類項目一般以軍工企業(yè)牽頭、研究所負責(zé)演示驗證、大學(xué)負責(zé)理論算法研究，組成的團隊通過多年的中小型無人機的試飛試驗，形成了以嵌入式計算機為硬件核心、以自適應(yīng)控制為算法的飛控體系。

         其實歐美和蘇俄的派系區(qū)別最大的就在這！歐美很大程度上放棄了傳統(tǒng)的模態(tài)分段控制，無需再對不同飛行狀態(tài)進行建模、參數(shù)辨識，而是采取了在線辨識，也就是說在飛行器飛行的過程中通過在線辨識理論方法，控制器自己判斷自身所處的狀態(tài)、參數(shù)等，根據(jù)這些信息響應(yīng)切換不同的控制策略或控制參數(shù)。這種流派的優(yōu)勢在于系統(tǒng)體積小、重量輕，縮短了新型無人機的研發(fā)過程，智能型進一步增強；缺點在于需要較長時間的理論技術(shù)積累，且某種程度上無法證明全局系統(tǒng)穩(wěn)定性。但無論怎樣，飛控的發(fā)展成為了重要的使能技術(shù)之一，讓美國的軍用無人機一躍成為世界領(lǐng)先，其他國家也紛紛效仿。

         再來說說飛控的三種起源——“固定翼飛控”、“開源飛控”、“自研飛控”。干過無人機的人都知道，飛控不好搞！但面對市面上各種動不動就“高可靠”、“軍工級”、“全自主”，圈外人根本不知道這伙人是怎么把飛控搞出來的？他們說的可靠么？了解了這三種起源，以后你跟搞飛控的聊，一定讓他覺得你是“老司機”。

       十多年前搞垂直起降無人機的主要技術(shù)來源是“固定翼飛控”，其實固定翼無人機才算是無人機真正的祖宗，100多年前就已經(jīng)有人將戰(zhàn)斗機加裝簡單的控制器嘗試完成無人偵查和投彈的工作。那么為什么無論是載人飛機還是無人機都是先固定翼成熟、垂直起降的晚熟呢？從結(jié)構(gòu)上看，固定翼飛行器沒有垂直起降飛行器過多的旋轉(zhuǎn)、振動部件，氣動也比較簡單；從控制方面看，固定翼飛行器屬于靜穩(wěn)定系統(tǒng)，就像我們開車，手離開方向盤幾秒鐘汽車仍能正常直行，相比之下屬于靜不穩(wěn)定的垂直起降飛行器則需要駕駛員無時無刻不在調(diào)整著操縱桿，稍有疏忽就會墜毀。這兩方面且主要是控制上的困難，讓垂直起降飛行器的控制非常困難。這個特性也讓來源于固定翼飛控的團隊在應(yīng)對垂直起降飛行時顯得束手無策，以往積累的固定翼飛行控制策略可借鑒意義不大，甚至直接使用原有的空速進行控制還經(jīng)常導(dǎo)致致命的摔機。

        再來說說“開源飛控”。這可能是市面上能見到最多數(shù)量的飛控了，其來源于“DIY DRONE”時期，最開始是為了滿足歐美“極客”、“創(chuàng)客”對于自由飛行的夢想。本來挺好的事情，這里又要轉(zhuǎn)折了！然而，“極客”這個詞被中國又玩壞了！缺乏了分享和奉獻精神的中國“極客”們，迅速將各類開源飛控直接商品化賣錢。更讓人毛骨悚然的是，這樣的“商品”不僅賣給了中國的玩家，更有甚者還沒給了農(nóng)業(yè)、電力、甚至警用這類行業(yè)用戶！

        殊不知這種未商品化的天然“半成品”有著天然的基因缺乏：1）硬件器件未經(jīng)可靠性、規(guī)?；炞C。開源飛控的設(shè)計初衷是供極客們二次開發(fā)或者愛好者DIY的“半成品”，其硬件選型往往是用于移動終端或其他機器人的消費級器件，意在體現(xiàn)整體系統(tǒng)架構(gòu)并控制較低成本，并未充分考慮溫度、環(huán)境、振動、批量供貨等產(chǎn)品化過程；2）軟件技術(shù)體系冗余嚴(yán)重、資源不足。出于通用性的考慮，目前開源飛控適配幾乎所有類型的飛行器、通信協(xié)議中預(yù)留了大量負載字段、占用了幾乎大部分系統(tǒng)資源等等，這些特性會造成過度冗余的底層程序、控制策略、通信協(xié)議段、不足的內(nèi)存及計算資源，后續(xù)的開發(fā)會持續(xù)處于“對付”的狀態(tài)，造成產(chǎn)品不穩(wěn)定。


       最后嘮一嘮“自研飛控”的事。目前幾家知名的無人機公司都是從自研飛控起家的，基本上都經(jīng)歷了10年以上的技術(shù)沉淀，為什么呢？因為……10年前還木有開源飛控！這些團隊都是電容電阻逐個畫到板子上、代碼一行一行碼到屏幕上。開發(fā)過程往往是模塊化搭建的，比如先開發(fā)傳感器采集、舵機／電機控制，再調(diào)試獨立通道從航向、轉(zhuǎn)速、定高、俯仰、橫滾等讓飛行器穩(wěn)定，隨后是穩(wěn)定懸停，到這里已經(jīng)是成功一大步了，最后是航線飛行，可以按照設(shè)定航跡點自動飛行。至此基本完成了“自研飛控”的基本過程，這里看起來短短幾行字，我們的飛控攻城獅們至少要經(jīng)歷幾年的時間，還是一切順利的情況下！自研飛控確實耗時耗力，但帶來的好處是由于對硬件和軟件的充分理解，后續(xù)的開發(fā)和改進會大大加速，遇到任何問題的改進速度也會大大加快。也正是因為這些原因，前期的有效積累奠定了目前幾個知名無人機公司的快速發(fā)展。