干貨│無人機飛控博導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用飛入了尋常百姓家、讓門外漢可以短暫的學習也能穩(wěn)定可靠的飛行娛樂。不可否認，飛控技術的發(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體系。高技術的發(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)技術體系直接轉到了無人機，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)設計相應控制器。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)斗機的技術體系，歐美則前瞻性地在上世紀中期開始布局了前沿技術的探索和積累（DARPA就是各類計劃的代表），支持研究機構、大學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、研究所負責演示驗證、大學負責理論算法研究，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之一，讓美國的軍用無人機一躍成為世界領先，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？從結構上看，固定翼飛行器沒有垂直起降飛行器過多的旋轉、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）軟件技術體系冗余嚴重、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，再調試獨立通道從航向、轉速、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。