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定飛起來、飛得更快、飛得更高。如今，隨著芯片、人工智能、大數據技術的發展，無人機開始了智能化、終端化、集群化的趨勢，大批自動化、機械電子、信息工程、微電子的專業人材投入到了無人機研發大潮中，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定可靠的飛行娛樂。不可否認，飛控技術的發展是這十年無人機變化的最大推手。
飛控是什么？
飛行控制系統（Flight control system）簡稱飛控，可以看作飛行器的大腦。多軸飛行器的飛行、懸停，姿態變化等等都是由多種傳感器將飛行器本身的姿態數據傳回飛控，再由飛控通過運算和判斷下達指令，由執行機構完成動作和飛行姿態調整。
控可以理解成無人機的CPU系統，是無人機的核心部件，其功能主要是發送各種指令，并且處理各部件傳回的數據。類似于人體的大腦，對身體各個部位發送指令，并且接收各部件傳回的信息，運算后發出新的指令。例如，大腦指揮手去拿一杯水，手觸碰到杯壁后，因為水太燙而縮回，并且將此信息傳回給大腦，大腦會根據實際情況重新發送新的指令。
無人機的飛行原理及控制方法（以四旋翼無人機為例）
四旋翼無人機一般是由檢測模塊，控制模塊，執行模塊以及供電模塊組成。檢測模塊實現對當前姿態進行量測；執行模塊則是對當前姿態進行解算，優化控制，并對執行模塊產生相對應的控制量；供電模塊對整個系統進行供電。
四旋翼無人機機身是由對稱的十字形剛體結構構成，材料多采用質量輕、強度高的碳素纖維；在十字形結構的四個端點分別安裝一個由兩片槳葉組成的旋翼為飛行器提供飛行動力，每個旋翼均安裝在一個電機轉子上，通過控制電機的轉動狀態控制每個旋翼的轉速，來提供不同的升力以實現各種姿態；每個電機均又與電機驅動部件、中央控制單元相連接，通過中央控制單元提供的控制信號來調節轉速大小；IMU慣性測量單元為中央控制單元提供姿態解算的數據，機身上的檢測模塊為無人機提供了解自身位姿情況最直接的數據，為四旋翼無人機最終實現復雜環境下的自主飛行提供了保障。
<
現將位于四旋翼機身同一對角線上的旋翼歸為一組，前后端的旋翼沿順時針方向旋轉，從而可以產生順時針方向的扭矩；而左右端旋翼沿逆時針方向旋轉，從而產生逆時針方向的扭矩，如此四個旋翼旋轉所產生的扭矩便可相互之間抵消掉。由此可知，四旋翼飛行器的所有姿態和位置的控制都是通過調節四個驅動電機的速度實現的。一般來說，四旋翼無人機的運動狀態主要分為懸停、垂直運動、滾動運動、俯仰運動以及偏航運動五種狀態。
懸停
懸停狀態是四旋翼無人機具有的一個顯著的特點。在懸停狀態下，四個旋翼具有相等的轉速，產生的上升合力正好與自身重力相等，即。并且因為旋翼轉速大小相等，前后端轉速和左右端轉速方向相反，從而使得飛行器總扭矩為零，使得飛行器靜止在空中，實現懸停狀態。
垂直運動
垂直運動是五種運動狀態中較為簡單的一種，在保證四旋翼無人機每個旋轉速度大小相等的倩況下，同時對每個旋翼增加或減小大小相等的轉速，便可實現飛行器的垂直運動。當同時増加四個旋翼轉速時，使得旋翼產生的總升力大小超過四旋翼無人機的重力時，即，四旋翼無人機便會垂直上升；反之，當同時減小旋翼轉速時，使得每個旋翼產生的總升力小于自身重力時，即，四旋翼無人機便會垂直下降，從而實現四旋翼無人機的垂直升降控制。
翻滾運動
翻滾運動是在保持四旋翼無人機前后端旋翼轉速不變的情況下，通過改變左右端的旋翼轉速，使得左右旋翼之間形成一定的升力差，從而使得沿飛行器機體左右對稱軸上產生一定力矩，導致在方向上產生角加速度實現控制的。如圖2.3所示，增加旋翼1的轉速，減小旋翼3的轉速，則飛行器傾斜于右側飛行；相反，減小旋翼４，增加旋翼２，則飛行器向左傾斜飛行。
俯仰運動
四旋翼飛行器的俯仰運動和滾動運動相似，是在保持機身左右端旋翼轉速不變的前提下，通過改變前后端旋翼轉速形成前后旋翼升力差，從而在機身前后端對稱軸上形成一定力矩，引起角方向上的角加速度實現控制的。如圖2.4所示，增加旋翼３的轉速，減小旋翼１的轉速，則飛行器向前傾斜飛行；反之，則飛行器向后傾斜。
偏航運動
四旋翼的偏轉運動是通過同時兩兩控制四個旋翼轉速實現控制的。保持前后端或左右端旋翼轉速相同時，其便不會發生俯仰或滾動運動；而當每組內的兩個旋翼與另一組旋翼轉速不同時，由于兩組旋翼旋轉方向不同，便會導致反扭矩力的不平衡，此時便會產生繞機身中心軸的反作用力，引起沿角角加速度。如圖2.3所示，當前后端旋翼的轉速相等并大于左右端旋翼轉速時，因為前者沿順時針方向旋轉，后者相反，總的反扭矩沿逆時針方向，反作用力作用在機身中心軸上沿逆時針方向，引起逆時針偏航運動；反之，則會引起飛行器的順時針偏航運動。
綜上所述，四旋翼無人機的各個飛行狀態的控制是通過控制對稱的四個旋翼的轉速，形成相應不同的運動組合實現的。但是在飛行過程中卻有六個自由度輸出，因此它是一種典型的欠驅動，強耦合的非線性系統。例如，旋翼1的轉速會導致無人機向左翻滾，同時逆時針轉動的力矩會大于順時針的力矩，從而進一步使得無人機向左偏航，此外翻滾又會導致無人機的向左平移，可以看出，四旋翼無人機的姿態和平動是耦合的。
四旋翼無人機自主飛行的控制
四旋翼無人機的精確航跡跟蹤是實現無人機自主飛行的基本要求。由于四旋翼無人機自身存在姿態與平動的耦合關系以及模型參數不確定性與外界擾動，因此只有實現姿態的穩定控制才能完成航跡的有效跟蹤。
在四旋翼無人機的自主控制系統中，姿態穩定控制是實現飛行器自主飛行的基礎。其任務是控制四旋翼無人機的三個姿態角（俯仰角、滾轉角、偏航角）穩定地跟蹤期望姿態信號，并保證閉環姿態系統具有期望的動態特性。由于四旋翼無人機姿態與平動的耦合特點，分析可以得知，只有保證姿態達到穩定控制，才使得旋翼總升力在期望的方向上產生分量，進而控制飛行器沿期望的航跡方向飛行。而四旋翼無人機的姿態在實際飛行環境中回受到外界干擾和不精確模型的參數誤差、測量噪聲等未建模動態對控制效果的影響。所以，需要引入適當的觀測器和控制器對總的不確定性進行估計和補償，并對其估計的誤差進行補償，來保證四旋翼無人機在外界存在干擾下對姿態的有效跟蹤。
四旋翼無人機的姿態控制應根據其實際的工作特性以及動力學模型，進而針對姿態的三個通道（俯仰，翻滾和偏航）分別設計姿態控制器，每個通道中都對應引入相應的控制器，其流程如下所示。
此方法可以基本保證每個通道的實際姿態值跟蹤上期望值。但是，在只考慮對模型本身進行控制時，沒有考慮到外部不確定性對閉環系統的影響。微小型無人機在飛行時，由于機體較小，電機的振動較強，很容易受到外界環境的干擾。因此，整個通道中必然存在不確定因素，比如模型誤差、環境干擾、觀測誤差等，這些不確定性將降低系統的閉環性能。所以在設計無人機控制系統時，必須要考慮系統的抗干擾性能，即閉環系統的魯棒性。因此需要設計一定的干擾補償器對干擾進行逼近和補償，以實現姿態角的穩定跟蹤。
只有在保證飛機姿態可以保持穩定才能進一步討論如何控制路徑保持穩定，在時間尺度上進行分析，飛機的姿態角變化的頻率要大于飛機位置的頻率。所以，針對軌跡跟蹤應當使用內外雙環控制，內環控制姿態角，外環控制位置。
無人機飛控系統組成及作用
IMU慣性測量單元
現在的飛控內部使用的都是由三軸陀螺儀，三軸加速度計，三軸地磁傳感器和氣壓計組成的一個IMU，也稱慣性測量單元。那么什么是三軸陀螺儀，什么是三軸加速度計，什么是三軸地磁傳感器呢，什么是氣壓計呢？它們在飛機上起到的是什么作用呢，這三軸又是哪三個軸呢？
三軸陀螺儀，三軸加速度計，三軸地磁傳感器中的三軸指的就是飛機左右，前后垂直方向上下這三個軸，一般都用XYZ來代表。左右方向在飛機中叫做橫滾，前后方向在飛機中叫做俯仰，垂直方向就是Z軸。陀螺都知道，小時候基本上都玩過，在不轉動的情況下它很難站在地上，只有轉動起來了，它才會站立在地上，或者說自行車，輪子越大越重的車子就越穩定，轉彎的時候明顯能夠感覺到一股阻力，這就是陀螺效應，根據陀螺效應，聰明的人們發明出的陀螺儀。最早的陀螺儀是一個高速旋轉的陀螺，通過三個靈活的軸將這個陀螺固定在一個框架中，無論外部框架怎么轉動，中間高速旋轉的陀螺始終保持一個姿態。通過三個軸上的傳感器就能夠計算出外部框架旋轉的度數等數據。
由于成本高，機械結構的復雜，現在都被電子陀螺儀代替，電子陀螺儀的優勢就是成本低，體積小重量輕，只有幾克重，穩定性還有精度都比機械陀螺高。說道這，大家也就明白陀螺儀在飛控中起到的作用了吧，它就是測量XYZ三個軸的傾角的。
那么三軸加速度計時干什么的呢？剛剛說道三軸陀螺儀就是XYZ三個軸，現在不用說也就明白三軸加速度計也是XYZ三個軸。當我們開車起步的一瞬間就會感到背后有一股推力，這股推力呢就是加速度，加速度是速度變化量與發生這一變化時間的比值，是描述物體變化快慢的物理量，米每二次方秒，例如一輛車在停止狀態下，它的加速度是0，起步后，從每秒0米到每秒10米，用時10秒，這就是這輛車的加速度，如果車速每秒10米的速度行駛，它的加速度就是0，同樣，用10秒的時間減速，從每秒10米減速到每秒5米，那么它的加速就是負數。三軸加速度計就是測量飛機XYZ三個軸的加速度。
我們日常出行都是根據路標或記憶來尋找自己的面向的，地磁傳感器就是感知地磁的，就是一個電子指南針，它可以讓飛機知道自己的飛行朝向，機頭朝向，找到任務位置和家的位置。氣壓計呢就是測量當前位置的大氣壓，都知道高度越高，氣壓越低，這就是人到高原之后為什么會有高原反應了，氣壓計是通過測量不同位置的氣壓，計算壓差獲得到當前的高度，這就是整個IMU慣性測量單元，它在飛機中起到的作用就是感知飛機姿態的變化，例如飛機當前是前傾還是左右傾斜，機頭朝向、高度等最基本的姿態數據，那么這些數據在飛控中起到的作用是什么呢？
飛控最基本的功能控制一架飛機在空中飛行時的平衡，是由IMU測量，感知飛機當前的傾角數據通過編譯器編譯成電子信號，將這個信號通過信號新時時傳輸給飛控內部的單片機，單片機負責的是運算，根據飛機當前的數據，計算出一個補償方向，補償角，然后將這個補償數據編譯成電子信號，傳輸給舵機或電機，電機或舵機在去執行命令，完成補償動作，然后傳感器感知到飛機平穩了，將實時數據再次給單片機，單片機會停止補償信號，這就形成了一個循環，大部分飛控基本上都是10HZ的內循環，也就是1秒刷新十次。
這就是飛控最基本的功能，如果沒有此功能，當一個角一旦傾斜，那么飛機就會快速的失去平衡導致墜機，或者說沒有氣壓計測量不到自己的高度位置就會一直加油門或者一直降油門。其次，固定翼飛控還有空速傳感器，空速傳感器一般位于機翼上或機頭，但不會在螺旋槳后邊，空速傳感器就是兩路測量氣壓的傳感器，一路測量靜止氣壓，一路測量迎風氣壓，在計算迎風氣壓與靜止氣壓的壓差就可以算出當前的空氣流速。
有了最基本的平衡、定高和指南針等功能，還不足以讓一家飛機能夠自主導航，就像我們去某個商場一樣，首先我們需要知道商場的所在位置，知道自己所在的位置，然后根據交通情況規劃路線。飛控也亦然，首先飛控需要知道自己所在位置，那就需要定位的，也就是我們常說的GPS，現在定位的有GPS、北斗、手機網絡等定位系統，但是這里面手機網絡定位是最差的，誤差好的話幾十米，不好的話上千米，這種誤差是飛控無法接受的，由于GPS定位系統較早，在加上是開放的，所以大部分飛控采用的都是GPS，也有少數采用的北斗定位。精度基本都在3米內，一般開闊地都是50厘米左右，因環境干擾，或建筑物、樹木之類的遮擋，定位可能會差，很有可能定位的是虛假信號。這也就是為什么民用無人機頻頻墜機、飛丟的一個主要原因。
GPS定位
GPS定位原理就是三點定位，天上的GPS定位衛星距離地球表面22500千米處，它們所運動的軌道正好形成一個網狀面，也就是說在地球上的任意一點，都有可以同時收到3顆以上的衛星信號。衛星在運動的過程中會一直不斷的發出電波信號，信號中包含數據包，其中就有時間信號。GPS接收機通過解算來自多顆衛星的數據包，以及時間信號，可以清楚的計算出自己與每一顆衛星的距離，使用三角向量關系計算出自己所在的位置。GPS也定位了，數據也有了，這個信號也會通過一個編譯器在次編譯成一個電子信號傳給飛控，讓飛控知道自己所在的位置、任務的位置和距離、家的位置和距離以及當前的速度和高度，然后再由飛控駕駛飛機飛向任務位置或回家。
剛剛我們也說了，GPS能夠測速也能夠測高度，為什么要有氣壓計和空速計呢？這就是為了消除誤差，飛機飛起來是不與地面接觸的，直接接觸的是空氣，假設飛行環境是無風的環境，飛機在地面滑跑加速，加速到每秒20米的速度然后再拉升降舵起飛，這樣GPS測量到的數值是準確的，但是要是逆風呢，是因為機翼與空氣相對的運動達到了一定的速度才能夠產生一定的升力讓飛機起飛，如果在逆風環境下，風速每秒10米，飛機只需要加速到每秒10米就可以正常離地了，如果加速到每秒20米，相對空氣的速度已經達到了每秒30米，或者說順風起飛，風速每秒20米，飛機GPS測速也達到了20m/s的速度，這個時候拉升降舵，飛機動都不會動，因為相對空氣速度是0米，達不到起飛條件，必須加速到每秒40米的時候才能達到升力起飛。
這就是空速計的作用，GPS測量的只是地速，剛剛降到，GPS也可以定高，第一GPS定位精度是3米內，也就是說飛控能感知到的是平面方向的兩倍誤差，信號不好的話十幾米都有可能，還有GPS不定位的時候，另外GPS定高數據是海拔高度并不是地面垂直高度，所以GPS定高在飛控中不管用。有了GPS飛控也知道飛機位置了，也知道家的位置和任務位置，但是飛控上的任務以及家的位置飛控是怎么知道的呢，這就是地面站的作用。
地面站
地面站，就是在地面的基站，也就是指揮飛機的，地面站可以分為單點地面站或者多點地面站，像民航機場就是地面站，全國甚至全球所有的地面站都在時時聯網，它們能夠清楚的知道天上在飛行的飛機，并能時時監測到飛機當前的飛行路線，狀況，以及飛機的時時調度等。像我們用的無人機大部分都是單點地面站，單點地面站一般由一到多個人值守，有技術員，場務人員，后勤員，通信員，指揮員等人組成。像玩家一般都是一個人。
地面站設備組成一般都是由遙控器、電腦、視頻顯示器，電源系統，電臺等設備組成，一般簡單的來說就是一臺電腦，一個電臺，一個遙控，電腦上裝有控制飛機的軟件，通過航線規劃工具規劃飛機飛行的線路，并設定飛行高度，飛行速度，飛行地點，飛行任務等通過數據口連接的數傳電臺將任務數據編譯傳送至飛控中，這里就有講到數傳電臺，數傳電臺就是數據傳輸電臺，類似我們最和耳朵一樣，好比領導說今天做什么任務，我們接受到任務并回答然后再去執行任務，執行任務的時候時實情況實時匯報給領導，這其中通信就是嘴巴和耳朵。
數傳電臺就是飛機與地面站通信的一個主要工具，一般的數傳電臺采用的接口協議有TTL接口、RS485接口和RS232接口，的不過也有一些CAN-BUS總線接口，頻率有2.4GHZ、433MHZ、900MHZ、915MHZ，一般433MHZ的較多，因為433MHZ是個開放的頻段，再加上433MHZ波長較長，穿透力強等優勢所以大部分民用用戶一般都是用的433MHZ，距離在5千米到15千米不等，甚至更遠。最終達到的就是飛機與電腦間的通訊，電腦給飛機的任務，飛機時時飛行高度，速度等很多數據都會通過它來傳輸。以方便我們時時監控飛機情況，根據需要隨時修改飛機航向。
整套無人機飛控工作原理就是地面站開機，規劃航線，給飛控開機，上傳航線至飛控，再設置自動起飛及降落參數，如起飛時離地速度，抬頭角度（起飛攻角，也稱迎角），爬升高度，結束高度，盤旋半徑或直徑，清空空速計等，然后檢查飛控中的錯誤、報警，一切正常，開始起飛，盤旋幾周后在開始飛向任務點，執行任務，最后在降落，一般郊外建議傘降或手動滑降，根據場地選擇。飛機在飛行過程中如果偏離航線，飛控就會一直糾正這個錯誤，一直修正，直到復位為止。
無人機飛控系統的主要功能
飛行狀態
飛控系統主要用于飛行姿態控制和導航，對于飛控而言，首先要知道飛行器當前的狀態，比如：三維位置、三維速度、三維加速度、三軸角度和三軸角速度等，總共15個狀態。由于多旋翼飛行器本身是一種不穩定系統，要對各個電機的動力進行超高頻率地不斷調整和動力分配，才能實現穩定懸停和飛行，所以，對于航拍無人機來說，即使最簡單的放開搖桿飛行器自主懸停的動作，也需要飛控持續監控這15個量，并進行一系列“串級控制”，才能做到穩定懸停，這一點肉眼看起來很簡單，但飛控系統里面的運算其實是非常復雜的。
飛控系統最基礎也最難控制的技術難點，其實是要準確地感知這一系列狀態，如果這些感知數據問題或者有誤差都會導致無人機做一些非正常的動作。目前，無人機一般使用GPS、IMU（慣性測量單元）、氣壓計和地磁指南針來測量這些狀態。GPS獲取定位、在一些情況下也能獲取高度、速度；IMU主要用來測量無人機三軸加速度和三軸角速度，通過計算也能獲得速度和位置；氣壓計用于測量海拔高度；地磁指南針則用于測量航向。
由于目前傳感器設計水平的限制，這些傳感器測量的數據都會產生一定的誤差，并可能受到環境的干擾，從而影響狀態估計的精度。為了保障飛行性能，就需要充分利用各傳感器數據共同 融合出具有高可信度的15個狀態，即組合導航技術。組合導航技術結合GPS、IMU、氣壓計和地磁指南針各自的優缺點，通過電子信號處理領域的技術，融合多種傳感器的測量值，獲得更精準的狀態測量。
組合導航
為了提升航拍無人機的感知能力和飛行性能，除了以上基礎傳感器方案以外，現在主流的無人機產品都加入了先進的視覺傳感器、超聲波傳感器和IMU與指南針冗余導航系統。雙目立體視覺系統可根據連續圖像計算出物體的三維位置，除了避障功能以外還能提供定位與測速。機身下方的超聲波模塊起到輔助定高的作用，而冗余的IMU和指南針在一個元件受到干擾時，冗余導航系統會自動切換至另一個傳感器，極大提高了組合導航的可靠性。
正是因為這些傳感器技術的完美融合，無人機有了智能導航系統，拓展了活動環境，并提升了可靠性。使用傳統導航系統的無人機在室內等無GPS的環境中無法穩定飛行，而智能導航系統在GPS信號良好時，可通過視覺提升速度和位置測量值的精度；在GPS信號不足的時候，視覺系統可以接替GPS提供定位與測速，讓無人機在室內與室外環境中均能穩定飛行。
智能導航系統引入了多個傳感器，數據量和復雜程度大幅提升，獲悉大疆其實針對視覺和傳感器對導航和飛行控制算法進行多次系統重構，增加新的軟件模塊與架構，全面提升了飛行的性能與可靠性。
控制性能
飛控系統先進的控制算法為航拍無人機的飛行和操控帶來了很高的控制品質，比如在普通狀態下的表現是控制精度高，飛行穩定，速度快。高速飛行不僅對動力系統有較高的要求，更重要的是飛控要達到很高的控制品質和響應速度，除高速飛行以外，飛行器在懸停和慢速控制上也能達到很高的精度。
另外，在設計飛控時，不僅需要考慮到正常飛行狀態的控制精度，如懸停位置控制精度，姿態控制精度等，還需要加強了異常飛況的控制品質。如在飛行器斷槳、突然受到撞擊、突加負重或被其他外力干擾后，控制恢復能力更強，魯棒性較強，能夠應對很多極端狀況，這對于飛行安全性來說尤其重要。
故障診斷
在起飛前或飛行過程中，任何微小故障都有可能引發飛行事故。如果飛控系統能實時不斷地進行故障監控與故障診斷，就能大幅降低事故發生的概率。飛控系統可以監控諸如振動、電壓、電流、溫度、轉速等各項飛行狀態參數，并通過這些監控特征信號進行故障診斷。但是這些信號往往是復雜且沒有明顯規律的，只有通過對大量故障數據進行數據挖掘，用深度學習技術建立了飛控故障診斷系統，采用模式識別判定故障發生的概率，這套系統才能判定從空中射槳到IMU故障診斷等，對故障進行早期預報，或進行應急處理，使飛行變得更加安全。
只有最快速監測并判定故障，同時在剎那之間飛控系統采用正確信息進行飛行操控，飛行器其實是在自己“分析并拿主意”。到這時，從某種意義上說，那就是真正的“智能機器人”。（本文作者：毛富利）
本文鏈接：http://m.aiquka.com/blog/607.html
本文標簽：
