無(wú)人機(jī)飛控博導(dǎo)告訴你飛控的來(lái)龍去脈及選型

      10年以前，搞無(wú)人機(jī)的十個(gè)人有八個(gè)是航空、氣動(dòng)、機(jī)械出身，更多考慮的是如何讓飛機(jī)穩(wěn)定飛起來(lái)、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(wú)人機(jī)開(kāi)始了智能化、終端化、集群化的趨勢(shì)，一大批畢業(yè)于自動(dòng)化、機(jī)械電子、信息工程、微電子的高材生們投入到了無(wú)人機(jī)研發(fā)大潮中，幾年的時(shí)間讓無(wú)人機(jī)從遠(yuǎn)離人們視野的軍事應(yīng)用飛入了尋常百姓家、讓門(mén)外漢可以短暫的學(xué)習(xí)也能穩(wěn)定可靠的飛行娛樂(lè)。不可否認(rèn)，飛控技術(shù)的發(fā)展是這十年無(wú)人機(jī)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(zhēng)，無(wú)論是蘇俄還是歐美國(guó)家，都相繼開(kāi)始了有人飛機(jī)的無(wú)人化改造以及新研制無(wú)人機(jī)的工作。

        蘇俄國(guó)家延承了載人機(jī)控制的研發(fā)技術(shù)體系直接轉(zhuǎn)到了無(wú)人機(jī)，早期飛控硬件使用了戰(zhàn)斗機(jī)的飛控計(jì)算機(jī)，控制算法一直使用分型模態(tài)分段辨識(shí)、建模、控制的方法。通俗來(lái)講就是要通過(guò)吹風(fēng)洞、機(jī)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(jì)相應(yīng)控制器。飛行器飛行過(guò)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(shì)在于硬件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期飛行驗(yàn)證，控制算法在設(shè)計(jì)模態(tài)內(nèi)系統(tǒng)穩(wěn)定性可以有效理論證明；缺點(diǎn)在于硬件傻大笨粗且無(wú)法預(yù)測(cè)實(shí)際飛行過(guò)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(jī)的技術(shù)體系，歐美則前瞻性地在上世紀(jì)中期開(kāi)始布局了前沿技術(shù)的探索和積累（DARPA就是各類計(jì)劃的代表），支持研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)探索了很多新的無(wú)人機(jī)專用的飛控硬件和算法。


        這類項(xiàng)目一般以軍工企業(yè)牽頭、研究所負(fù)責(zé)演示驗(yàn)證、大學(xué)負(fù)責(zé)理論算法研究，組成的團(tuán)隊(duì)通過(guò)多年的中小型無(wú)人機(jī)的試飛試驗(yàn)，形成了以嵌入式計(jì)算機(jī)為硬件核心、以自適應(yīng)控制為算法的飛控體系。

         其實(shí)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(wú)需再對(duì)不同飛行狀態(tài)進(jìn)行建模、參數(shù)辨識(shí)，而是采取了在線辨識(shí)，也就是說(shuō)在飛行器飛行的過(guò)程中通過(guò)在線辨識(shí)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(shì)在于系統(tǒng)體積小、重量輕，縮短了新型無(wú)人機(jī)的研發(fā)過(guò)程，智能型進(jìn)一步增強(qiáng)；缺點(diǎn)在于需要較長(zhǎng)時(shí)間的理論技術(shù)積累，且某種程度上無(wú)法證明全局系統(tǒng)穩(wěn)定性。但無(wú)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(guó)的軍用無(wú)人機(jī)一躍成為世界領(lǐng)先，其他國(guó)家也紛紛效仿。

         再來(lái)說(shuō)說(shuō)飛控的三種起源——“固定翼飛控”、“開(kāi)源飛控”、“自研飛控”。干過(guò)無(wú)人機(jī)的人都知道，飛控不好搞！但面對(duì)市面上各種動(dòng)不動(dòng)就“高可靠”、“軍工級(jí)”、“全自主”，圈外人根本不知道這伙人是怎么把飛控搞出來(lái)的？他們說(shuō)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(jué)得你是“老司機(jī)”。

       十多年前搞垂直起降無(wú)人機(jī)的主要技術(shù)來(lái)源是“固定翼飛控”，其實(shí)固定翼無(wú)人機(jī)才算是無(wú)人機(jī)真正的祖宗，100多年前就已經(jīng)有人將戰(zhàn)斗機(jī)加裝簡(jiǎn)單的控制器嘗試完成無(wú)人偵查和投彈的工作。那么為什么無(wú)論是載人飛機(jī)還是無(wú)人機(jī)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(méi)有垂直起降飛行器過(guò)多的旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)部件，氣動(dòng)也比較簡(jiǎn)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(kāi)車，手離開(kāi)方向盤(pán)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(wú)時(shí)無(wú)刻不在調(diào)整著操縱桿，稍有疏忽就會(huì)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(gè)特性也讓來(lái)源于固定翼飛控的團(tuán)隊(duì)在應(yīng)對(duì)垂直起降飛行時(shí)顯得束手無(wú)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(jìn)行控制還經(jīng)常導(dǎo)致致命的摔機(jī)。

        再來(lái)說(shuō)說(shuō)“開(kāi)源飛控”。這可能是市面上能見(jiàn)到最多數(shù)量的飛控了，其來(lái)源于“DIY DRONE”時(shí)期，最開(kāi)始是為了滿足歐美“極客”、“創(chuàng)客”對(duì)于自由飛行的夢(mèng)想。本來(lái)挺好的事情，這里又要轉(zhuǎn)折了！然而，“極客”這個(gè)詞被中國(guó)又玩壞了！缺乏了分享和奉獻(xiàn)精神的中國(guó)“極客”們，迅速將各類開(kāi)源飛控直接商品化賣(mài)錢(qián)。更讓人毛骨悚然的是，這樣的“商品”不僅賣(mài)給了中國(guó)的玩家，更有甚者還沒(méi)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)模化驗(yàn)證。開(kāi)源飛控的設(shè)計(jì)初衷是供極客們二次開(kāi)發(fā)或者愛(ài)好者DIY的“半成品”，其硬件選型往往是用于移動(dòng)終端或其他機(jī)器人的消費(fèi)級(jí)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(dòng)、批量供貨等產(chǎn)品化過(guò)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(kāi)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(fù)載字段、占用了幾乎大部分系統(tǒng)資源等等，這些特性會(huì)造成過(guò)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(jì)算資源，后續(xù)的開(kāi)發(fā)會(huì)持續(xù)處于“對(duì)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(wú)人機(jī)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?yàn)?hellip;…10年前還木有開(kāi)源飛控！這些團(tuán)隊(duì)都是電容電阻逐個(gè)畫(huà)到板子上、代碼一行一行碼到屏幕上。開(kāi)發(fā)過(guò)程往往是模塊化搭建的，比如先開(kāi)發(fā)傳感器采集、舵機(jī)／電機(jī)控制，再調(diào)試獨(dú)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(diǎn)自動(dòng)飛行。至此基本完成了“自研飛控”的基本過(guò)程，這里看起來(lái)短短幾行字，我們的飛控攻城獅們至少要經(jīng)歷幾年的時(shí)間，還是一切順利的情況下！自研飛控確實(shí)耗時(shí)耗力，但帶來(lái)的好處是由于對(duì)硬件和軟件的充分理解，后續(xù)的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)會(huì)大大加速，遇到任何問(wèn)題的改進(jìn)速度也會(huì)大大加快。也正是因?yàn)檫@些原因，前期的有效積累奠定了目前幾個(gè)知名無(wú)人機(jī)公司的快速發(fā)展。