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)，大批自動(dòng)化、機(jī)械電子、信息工程、微電子的專(zhuān)業(yè)人材投入到了無(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。 

飛控是什么？

飛行控制系統(tǒng)（Flight control system）簡(jiǎn)稱(chēng)飛控，可以看作飛行器的大腦。多軸飛行器的飛行、懸停，姿態(tài)變化等等都是由多種傳感器將飛行器本身的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳回飛控，再由飛控通過(guò)運(yùn)算和判斷下達(dá)指令，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作和飛行姿態(tài)調(diào)整。

控可以理解成無(wú)人機(jī)的CPU系統(tǒng)，是無(wú)人機(jī)的核心部件，其功能主要是發(fā)送各種指令，并且處理各部件傳回的數(shù)據(jù)。類(lèi)似于人體的大腦，對(duì)身體各個(gè)部位發(fā)送指令，并且接收各部件傳回的信息，運(yùn)算后發(fā)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?yàn)樗珷C而縮回，并且將此信息傳回給大腦，大腦會(huì)根據(jù)實(shí)際情況重新發(fā)送新的指令。

無(wú)人機(jī)的飛行原理及控制方法（以四旋翼無(wú)人機(jī)為例）

四旋翼無(wú)人機(jī)一般是由檢測(cè)模塊，控制模塊，執(zhí)行模塊以及供電模塊組成。檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行量測(cè)；執(zhí)行模塊則是對(duì)當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行解算，優(yōu)化控制，并對(duì)執(zhí)行模塊產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的控制量；供電模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。

四旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)身是由對(duì)稱(chēng)的十字形剛體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，材料多采用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的碳素纖維；在十字形結(jié)構(gòu)的四個(gè)端點(diǎn)分別安裝一個(gè)由兩片槳葉組成的旋翼為飛行器提供飛行動(dòng)力，每個(gè)旋翼均安裝在一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子上，通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)控制每個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，來(lái)提供不同的升力以實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài)；每個(gè)電機(jī)均又與電機(jī)驅(qū)動(dòng)部件、中央控制單元相連接，通過(guò)中央控制單元提供的控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速大??；IMU慣性測(cè)量單元為中央控制單元提供姿態(tài)解算的數(shù)據(jù)，機(jī)身上的檢測(cè)模塊為無(wú)人機(jī)提供了解自身位姿情況最直接的數(shù)據(jù)，為四旋翼無(wú)人機(jī)最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的自主飛行提供了保障。

現(xiàn)將位于四旋翼機(jī)身同一對(duì)角線(xiàn)上的旋翼歸為一組，前后端的旋翼沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，從而可以產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻呐ぞ?；而左右端旋翼沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，從而產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻呐ぞ?，如此四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)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(tài)和位置的控制都是通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度實(shí)現(xiàn)的。一般來(lái)說(shuō)，四旋翼無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要分為懸停、垂直運(yùn)動(dòng)、滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)以及偏航運(yùn)動(dòng)五種狀態(tài)。

懸停

懸停狀態(tài)是四旋翼無(wú)人機(jī)具有的一個(gè)顯著的特點(diǎn)。在懸停狀態(tài)下，四個(gè)旋翼具有相等的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生的上升合力正好與自身重力相等，即。并且因?yàn)樾磙D(zhuǎn)速大小相等，前后端轉(zhuǎn)速和左右端轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)懸停狀態(tài)。

垂直運(yùn)動(dòng)

垂直運(yùn)動(dòng)是五種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中較為簡(jiǎn)單的一種，在保證四旋翼無(wú)人機(jī)每個(gè)旋轉(zhuǎn)速度大小相等的倩況下，同時(shí)對(duì)每個(gè)旋翼增加或減小大小相等的轉(zhuǎn)速，便可實(shí)現(xiàn)飛行器的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)同時(shí)増加四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速時(shí)，使得旋翼產(chǎn)生的總升力大小超過(guò)四旋翼無(wú)人機(jī)的重力時(shí)，即，四旋翼無(wú)人機(jī)便會(huì)垂直上升；反之，當(dāng)同時(shí)減小旋翼轉(zhuǎn)速時(shí)，使得每個(gè)旋翼產(chǎn)生的總升力小于自身重力時(shí)，即，四旋翼無(wú)人機(jī)便會(huì)垂直下降，從而實(shí)現(xiàn)四旋翼無(wú)人機(jī)的垂直升降控制。

翻滾運(yùn)動(dòng)

翻滾運(yùn)動(dòng)是在保持四旋翼無(wú)人機(jī)前后端旋翼轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過(guò)改變左右端的旋翼轉(zhuǎn)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(jī)體左右對(duì)稱(chēng)軸上產(chǎn)生一定力矩，導(dǎo)致在方向上產(chǎn)生角加速度實(shí)現(xiàn)控制的。如圖2.3所示，增加旋翼1的轉(zhuǎn)速，減小旋翼3的轉(zhuǎn)速，則飛行器傾斜于右側(cè)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(yùn)動(dòng)

四旋翼飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)和滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)相似，是在保持機(jī)身左右端旋翼轉(zhuǎn)速不變的前提下，通過(guò)改變前后端旋翼轉(zhuǎn)速形成前后旋翼升力差，從而在機(jī)身前后端對(duì)稱(chēng)軸上形成一定力矩，引起角方向上的角加速度實(shí)現(xiàn)控制的。如圖2.4所示，增加旋翼３的轉(zhuǎn)速，減小旋翼１的轉(zhuǎn)速，則飛行器向前傾斜飛行；反之，則飛行器向后傾斜。

偏航運(yùn)動(dòng)

四旋翼的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)同時(shí)兩兩控制四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)控制的。保持前后端或左右端旋翼轉(zhuǎn)速相同時(shí)，其便不會(huì)發(fā)生俯仰或滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)每組內(nèi)的兩個(gè)旋翼與另一組旋翼轉(zhuǎn)速不同時(shí)，由于兩組旋翼旋轉(zhuǎn)方向不同，便會(huì)導(dǎo)致反扭矩力的不平衡，此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生繞機(jī)身中心軸的反作用力，引起沿角角加速度。如圖2.3所示，當(dāng)前后端旋翼的轉(zhuǎn)速相等并大于左右端旋翼轉(zhuǎn)速時(shí)，因?yàn)榍罢哐仨槙r(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，后者相反，總的反扭矩沿逆時(shí)針?lè)较?，反作用力作用在機(jī)身中心軸上沿逆時(shí)針?lè)较颍鹉鏁r(shí)針偏航運(yùn)動(dòng)；反之，則會(huì)引起飛行器的順時(shí)針偏航運(yùn)動(dòng)。

綜上所述，四旋翼無(wú)人機(jī)的各個(gè)飛行狀態(tài)的控制是通過(guò)控制對(duì)稱(chēng)的四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，形成相應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)組合實(shí)現(xiàn)的。但是在飛行過(guò)程中卻有六個(gè)自由度輸出，因此它是一種典型的欠驅(qū)動(dòng)，強(qiáng)耦合的非線(xiàn)性系統(tǒng)。例如，旋翼1的轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)向左翻滾，同時(shí)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩會(huì)大于順時(shí)針的力矩，從而進(jìn)一步使得無(wú)人機(jī)向左偏航，此外翻滾又會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的向左平移，可以看出，四旋翼無(wú)人機(jī)的姿態(tài)和平動(dòng)是耦合的。

四旋翼無(wú)人機(jī)自主飛行的控制

四旋翼無(wú)人機(jī)的精確航跡跟蹤是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主飛行的基本要求。由于四旋翼無(wú)人機(jī)自身存在姿態(tài)與平動(dòng)的耦合關(guān)系以及模型參數(shù)不確定性與外界擾動(dòng)，因此只有實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的穩(wěn)定控制才能完成航跡的有效跟蹤。

在四旋翼無(wú)人機(jī)的自主控制系統(tǒng)中，姿態(tài)穩(wěn)定控制是實(shí)現(xiàn)飛行器自主飛行的基礎(chǔ)。其任務(wù)是控制四旋翼無(wú)人機(jī)的三個(gè)姿態(tài)角（俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角）穩(wěn)定地跟蹤期望姿態(tài)信號(hào)，并保證閉環(huán)姿態(tài)系統(tǒng)具有期望的動(dòng)態(tài)特性。由于四旋翼無(wú)人機(jī)姿態(tài)與平動(dòng)的耦合特點(diǎn)，分析可以得知，只有保證姿態(tài)達(dá)到穩(wěn)定控制，才使得旋翼總升力在期望的方向上產(chǎn)生分量，進(jìn)而控制飛行器沿期望的航跡方向飛行。而四旋翼無(wú)人機(jī)的姿態(tài)在實(shí)際飛行環(huán)境中回受到外界干擾和不精確模型的參數(shù)誤差、測(cè)量噪聲等未建模動(dòng)態(tài)對(duì)控制效果的影響。所以，需要引入適當(dāng)?shù)挠^測(cè)器和控制器對(duì)總的不確定性進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償，并對(duì)其估計(jì)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，來(lái)保證四旋翼無(wú)人機(jī)在外界存在干擾下對(duì)姿態(tài)的有效跟蹤。

四旋翼無(wú)人機(jī)的姿態(tài)控制應(yīng)根據(jù)其實(shí)際的工作特性以及動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而針對(duì)姿態(tài)的三個(gè)通道（俯仰，翻滾和偏航）分別設(shè)計(jì)姿態(tài)控制器，每個(gè)通道中都對(duì)應(yīng)引入相應(yīng)的控制器，其流程如下所示。

此方法可以基本保證每個(gè)通道的實(shí)際姿態(tài)值跟蹤上期望值。但是，在只考慮對(duì)模型本身進(jìn)行控制時(shí)，沒(méi)有考慮到外部不確定性對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的影響。微小型無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)，由于機(jī)體較小，電機(jī)的振動(dòng)較強(qiáng)，很容易受到外界環(huán)境的干擾。因此，整個(gè)通道中必然存在不確定因素，比如模型誤差、環(huán)境干擾、觀測(cè)誤差等，這些不確定性將降低系統(tǒng)的閉環(huán)性能。所以在設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，必須要考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，即閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性。因此需要設(shè)計(jì)一定的干擾補(bǔ)償器對(duì)干擾進(jìn)行逼近和補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角的穩(wěn)定跟蹤。

只有在保證飛機(jī)姿態(tài)可以保持穩(wěn)定才能進(jìn)一步討論如何控制路徑保持穩(wěn)定，在時(shí)間尺度上進(jìn)行分析，飛機(jī)的姿態(tài)角變化的頻率要大于飛機(jī)位置的頻率。所以，針對(duì)軌跡跟蹤應(yīng)當(dāng)使用內(nèi)外雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)控制姿態(tài)角，外環(huán)控制位置。

無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)組成及作用

IMU慣性測(cè)量單元

現(xiàn)在的飛控內(nèi)部使用的都是由三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)，三軸地磁傳感器和氣壓計(jì)組成的一個(gè)IMU，也稱(chēng)慣性測(cè)量單元。那么什么是三軸陀螺儀，什么是三軸加速度計(jì)，什么是三軸地磁傳感器呢，什么是氣壓計(jì)呢？它們?cè)陲w機(jī)上起到的是什么作用呢，這三軸又是哪三個(gè)軸呢？

三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)，三軸地磁傳感器中的三軸指的就是飛機(jī)左右，前后垂直方向上下這三個(gè)軸，一般都用XYZ來(lái)代表。左右方向在飛機(jī)中叫做橫滾，前后方向在飛機(jī)中叫做俯仰，垂直方向就是Z軸。陀螺都知道，小時(shí)候基本上都玩過(guò)，在不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下它很難站在地上，只有轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)了，它才會(huì)站立在地上，或者說(shuō)自行車(chē)，輪子越大越重的車(chē)子就越穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎的時(shí)候明顯能夠感覺(jué)到一股阻力，這就是陀螺效應(yīng)，根據(jù)陀螺效應(yīng)，聰明的人們發(fā)明出的陀螺儀。最早的陀螺儀是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，通過(guò)三個(gè)靈活的軸將這個(gè)陀螺固定在一個(gè)框架中，無(wú)論外部框架怎么轉(zhuǎn)動(dòng)，中間高速旋轉(zhuǎn)的陀螺始終保持一個(gè)姿態(tài)。通過(guò)三個(gè)軸上的傳感器就能夠計(jì)算出外部框架旋轉(zhuǎn)的度數(shù)等數(shù)據(jù)。

由于成本高，機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，現(xiàn)在都被電子陀螺儀代替，電子陀螺儀的優(yōu)勢(shì)就是成本低，體積小重量輕，只有幾克重，穩(wěn)定性還有精度都比機(jī)械陀螺高。說(shuō)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(cè)量XYZ三個(gè)軸的傾角的。

那么三軸加速度計(jì)時(shí)干什么的呢？剛剛說(shuō)道三軸陀螺儀就是XYZ三個(gè)軸，現(xiàn)在不用說(shuō)也就明白三軸加速度計(jì)也是XYZ三個(gè)軸。當(dāng)我們開(kāi)車(chē)起步的一瞬間就會(huì)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(fā)生這一變化時(shí)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(chē)在停止?fàn)顟B(tài)下，它的加速度是0，起步后，從每秒0米到每秒10米，用時(shí)10秒，這就是這輛車(chē)的加速度，如果車(chē)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(shí)間減速，從每秒10米減速到每秒5米，那么它的加速就是負(fù)數(shù)。三軸加速度計(jì)就是測(cè)量飛機(jī)XYZ三個(gè)軸的加速度。

我們?nèi)粘３鲂卸际歉鶕?jù)路標(biāo)或記憶來(lái)尋找自己的面向的，地磁傳感器就是感知地磁的，就是一個(gè)電子指南針，它可以讓飛機(jī)知道自己的飛行朝向，機(jī)頭朝向，找到任務(wù)位置和家的位置。氣壓計(jì)呢就是測(cè)量當(dāng)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(huì)有高原反應(yīng)了，氣壓計(jì)是通過(guò)測(cè)量不同位置的氣壓，計(jì)算壓差獲得到當(dāng)前的高度，這就是整個(gè)IMU慣性測(cè)量單元，它在飛機(jī)中起到的作用就是感知飛機(jī)姿態(tài)的變化，例如飛機(jī)當(dāng)前是前傾還是左右傾斜，機(jī)頭朝向、高度等最基本的姿態(tài)數(shù)據(jù)，那么這些數(shù)據(jù)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(jī)在空中飛行時(shí)的平衡，是由IMU測(cè)量，感知飛機(jī)當(dāng)前的傾角數(shù)據(jù)通過(guò)編譯器編譯成電子信號(hào)，將這個(gè)信號(hào)通過(guò)信號(hào)新時(shí)時(shí)傳輸給飛控內(nèi)部的單片機(jī)，單片機(jī)負(fù)責(zé)的是運(yùn)算，根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前的數(shù)據(jù)，計(jì)算出一個(gè)補(bǔ)償方向，補(bǔ)償角，然后將這個(gè)補(bǔ)償數(shù)據(jù)編譯成電子信號(hào)，傳輸給舵機(jī)或電機(jī)，電機(jī)或舵機(jī)在去執(zhí)行命令，完成補(bǔ)償動(dòng)作，然后傳感器感知到飛機(jī)平穩(wěn)了，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)再次給單片機(jī)，單片機(jī)會(huì)停止補(bǔ)償信號(hào)，這就形成了一個(gè)循環(huán)，大部分飛控基本上都是10HZ的內(nèi)循環(huán)，也就是1秒刷新十次。

這就是飛控最基本的功能，如果沒(méi)有此功能，當(dāng)一個(gè)角一旦傾斜，那么飛機(jī)就會(huì)快速的失去平衡導(dǎo)致墜機(jī)，或者說(shuō)沒(méi)有氣壓計(jì)測(cè)量不到自己的高度位置就會(huì)一直加油門(mén)或者一直降油門(mén)。其次，固定翼飛控還有空速傳感器，空速傳感器一般位于機(jī)翼上或機(jī)頭，但不會(huì)在螺旋槳后邊，空速傳感器就是兩路測(cè)量氣壓的傳感器，一路測(cè)量靜止氣壓，一路測(cè)量迎風(fēng)氣壓，在計(jì)算迎風(fēng)氣壓與靜止氣壓的壓差就可以算出當(dāng)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(jī)能夠自主導(dǎo)航，就像我們?nèi)ツ硞€(gè)商場(chǎng)一樣，首先我們需要知道商場(chǎng)的所在位置，知道自己所在的位置，然后根據(jù)交通情況規(guī)劃路線(xiàn)。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(shuō)的GPS，現(xiàn)在定位的有GPS、北斗、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)等定位系統(tǒng)，但是這里面手機(jī)網(wǎng)絡(luò)定位是最差的，誤差好的話(huà)幾十米，不好的話(huà)上千米，這種誤差是飛控?zé)o法接受的，由于GPS定位系統(tǒng)較早，在加上是開(kāi)放的，所以大部分飛控采用的都是GPS，也有少數(shù)采用的北斗定位。精度基本都在3米內(nèi)，一般開(kāi)闊地都是50厘米左右，因環(huán)境干擾，或建筑物、樹(shù)木之類(lèi)的遮擋，定位可能會(huì)差，很有可能定位的是虛假信號(hào)。這也就是為什么民用無(wú)人機(jī)頻頻墜機(jī)、飛丟的一個(gè)主要原因。

GPS定位

GPS定位原理就是三點(diǎn)定位，天上的GPS定位衛(wèi)星距離地球表面22500千米處，它們所運(yùn)動(dòng)的軌道正好形成一個(gè)網(wǎng)狀面，也就是說(shuō)在地球上的任意一點(diǎn)，都有可以同時(shí)收到3顆以上的衛(wèi)星信號(hào)。衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)一直不斷的發(fā)出電波信號(hào)，信號(hào)中包含數(shù)據(jù)包，其中就有時(shí)間信號(hào)。GPS接收機(jī)通過(guò)解算來(lái)自多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)包，以及時(shí)間信號(hào)，可以清楚的計(jì)算出自己與每一顆衛(wèi)星的距離，使用三角向量關(guān)系計(jì)算出自己所在的位置。GPS也定位了，數(shù)據(jù)也有了，這個(gè)信號(hào)也會(huì)通過(guò)一個(gè)編譯器在次編譯成一個(gè)電子信號(hào)傳給飛控，讓飛控知道自己所在的位置、任務(wù)的位置和距離、家的位置和距離以及當(dāng)前的速度和高度，然后再由飛控駕駛飛機(jī)飛向任務(wù)位置或回家。

剛剛我們也說(shuō)了，GPS能夠測(cè)速也能夠測(cè)高度，為什么要有氣壓計(jì)和空速計(jì)呢？這就是為了消除誤差，飛機(jī)飛起來(lái)是不與地面接觸的，直接接觸的是空氣，假設(shè)飛行環(huán)境是無(wú)風(fēng)的環(huán)境，飛機(jī)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(cè)量到的數(shù)值是準(zhǔn)確的，但是要是逆風(fēng)呢，是因?yàn)闄C(jī)翼與空氣相對(duì)的運(yùn)動(dòng)達(dá)到了一定的速度才能夠產(chǎn)生一定的升力讓飛機(jī)起飛，如果在逆風(fēng)環(huán)境下，風(fēng)速每秒10米，飛機(jī)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(duì)空氣的速度已經(jīng)達(dá)到了每秒30米，或者說(shuō)順風(fēng)起飛，風(fēng)速每秒20米，飛機(jī)GPS測(cè)速也達(dá)到了20m/s的速度，這個(gè)時(shí)候拉升降舵，飛機(jī)動(dòng)都不會(huì)動(dòng)，因?yàn)橄鄬?duì)空氣速度是0米，達(dá)不到起飛條件，必須加速到每秒40米的時(shí)候才能達(dá)到升力起飛。

這就是空速計(jì)的作用，GPS測(cè)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(nèi)，也就是說(shuō)飛控能感知到的是平面方向的兩倍誤差，信號(hào)不好的話(huà)十幾米都有可能，還有GPS不定位的時(shí)候，另外GPS定高數(shù)據(jù)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(jī)位置了，也知道家的位置和任務(wù)位置，但是飛控上的任務(wù)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(jī)的，地面站可以分為單點(diǎn)地面站或者多點(diǎn)地面站，像民航機(jī)場(chǎng)就是地面站，全國(guó)甚至全球所有的地面站都在時(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，它們能夠清楚的知道天上在飛行的飛機(jī)，并能時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到飛機(jī)當(dāng)前的飛行路線(xiàn)，狀況，以及飛機(jī)的時(shí)時(shí)調(diào)度等。像我們用的無(wú)人機(jī)大部分都是單點(diǎn)地面站，單點(diǎn)地面站一般由一到多個(gè)人值守，有技術(shù)員，場(chǎng)務(wù)人員，后勤員，通信員，指揮員等人組成。像玩家一般都是一個(gè)人。

地面站設(shè)備組成一般都是由遙控器、電腦、視頻顯示器，電源系統(tǒng)，電臺(tái)等設(shè)備組成，一般簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是一臺(tái)電腦，一個(gè)電臺(tái)，一個(gè)遙控，電腦上裝有控制飛機(jī)的軟件，通過(guò)航線(xiàn)規(guī)劃工具規(guī)劃飛機(jī)飛行的線(xiàn)路，并設(shè)定飛行高度，飛行速度，飛行地點(diǎn)，飛行任務(wù)等通過(guò)數(shù)據(jù)口連接的數(shù)傳電臺(tái)將任務(wù)數(shù)據(jù)編譯傳送至飛控中，這里就有講到數(shù)傳電臺(tái)，數(shù)傳電臺(tái)就是數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)，類(lèi)似我們最和耳朵一樣，好比領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)今天做什么任務(wù)，我們接受到任務(wù)并回答然后再去執(zhí)行任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候時(shí)實(shí)情況實(shí)時(shí)匯報(bào)給領(lǐng)導(dǎo)，這其中通信就是嘴巴和耳朵。

數(shù)傳電臺(tái)就是飛機(jī)與地面站通信的一個(gè)主要工具，一般的數(shù)傳電臺(tái)采用的接口協(xié)議有TTL接口、RS485接口和RS232接口，的不過(guò)也有一些CAN-BUS總線(xiàn)接口，頻率有2.4GHZ、433MHZ、900MHZ、915MHZ，一般433MHZ的較多，因?yàn)?33MHZ是個(gè)開(kāi)放的頻段，再加上433MHZ波長(zhǎng)較長(zhǎng)，穿透力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)所以大部分民用用戶(hù)一般都是用的433MHZ，距離在5千米到15千米不等，甚至更遠(yuǎn)。最終達(dá)到的就是飛機(jī)與電腦間的通訊，電腦給飛機(jī)的任務(wù)，飛機(jī)時(shí)時(shí)飛行高度，速度等很多數(shù)據(jù)都會(huì)通過(guò)它來(lái)傳輸。以方便我們時(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)情況，根據(jù)需要隨時(shí)修改飛機(jī)航向。

整套無(wú)人機(jī)飛控工作原理就是地面站開(kāi)機(jī)，規(guī)劃航線(xiàn)，給飛控開(kāi)機(jī)，上傳航線(xiàn)至飛控，再設(shè)置自動(dòng)起飛及降落參數(shù)，如起飛時(shí)離地速度，抬頭角度（起飛攻角，也稱(chēng)迎角），爬升高度，結(jié)束高度，盤(pán)旋半徑或直徑，清空空速計(jì)等，然后檢查飛控中的錯(cuò)誤、報(bào)警，一切正常，開(kāi)始起飛，盤(pán)旋幾周后在開(kāi)始飛向任務(wù)點(diǎn)，執(zhí)行任務(wù)，最后在降落，一般郊外建議傘降或手動(dòng)滑降，根據(jù)場(chǎng)地選擇。飛機(jī)在飛行過(guò)程中如果偏離航線(xiàn)，飛控就會(huì)一直糾正這個(gè)錯(cuò)誤，一直修正，直到復(fù)位為止。

無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的主要功能

飛行狀態(tài)

飛控系統(tǒng)主要用于飛行姿態(tài)控制和導(dǎo)航，對(duì)于飛控而言，首先要知道飛行器當(dāng)前的狀態(tài)，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(gè)狀態(tài)。由于多旋翼飛行器本身是一種不穩(wěn)定系統(tǒng)，要對(duì)各個(gè)電機(jī)的動(dòng)力進(jìn)行超高頻率地不斷調(diào)整和動(dòng)力分配，才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸停和飛行，所以，對(duì)于航拍無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，即使最簡(jiǎn)單的放開(kāi)搖桿飛行器自主懸停的動(dòng)作，也需要飛控持續(xù)監(jiān)控這15個(gè)量，并進(jìn)行一系列“串級(jí)控制”，才能做到穩(wěn)定懸停，這一點(diǎn)肉眼看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但飛控系統(tǒng)里面的運(yùn)算其實(shí)是非常復(fù)雜的。

飛控系統(tǒng)最基礎(chǔ)也最難控制的技術(shù)難點(diǎn)，其實(shí)是要準(zhǔn)確地感知這一系列狀態(tài)，如果這些感知數(shù)據(jù)問(wèn)題或者有誤差都會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)做一些非正常的動(dòng)作。目前，無(wú)人機(jī)一般使用GPS、IMU（慣性測(cè)量單元）、氣壓計(jì)和地磁指南針來(lái)測(cè)量這些狀態(tài)。GPS獲取定位、在一些情況下也能獲取高度、速度；IMU主要用來(lái)測(cè)量無(wú)人機(jī)三軸加速度和三軸角速度，通過(guò)計(jì)算也能獲得速度和位置；氣壓計(jì)用于測(cè)量海拔高度；地磁指南針則用于測(cè)量航向。

由于目前傳感器設(shè)計(jì)水平的限制，這些傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)都會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，并可能受到環(huán)境的干擾，從而影響狀態(tài)估計(jì)的精度。為了保障飛行性能，就需要充分利用各傳感器數(shù)據(jù)共同 融合出具有高可信度的15個(gè)狀態(tài)，即組合導(dǎo)航技術(shù)。組合導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合GPS、IMU、氣壓計(jì)和地磁指南針各自的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)電子信號(hào)處理領(lǐng)域的技術(shù)，融合多種傳感器的測(cè)量值，獲得更精準(zhǔn)的狀態(tài)測(cè)量。

組合導(dǎo)航

為了提升航拍無(wú)人機(jī)的感知能力和飛行性能，除了以上基礎(chǔ)傳感器方案以外，現(xiàn)在主流的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品都加入了先進(jìn)的視覺(jué)傳感器、超聲波傳感器和IMU與指南針冗余導(dǎo)航系統(tǒng)。雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)可根據(jù)連續(xù)圖像計(jì)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(cè)速。機(jī)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(gè)元件受到干擾時(shí)，冗余導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換至另一個(gè)傳感器，極大提高了組合導(dǎo)航的可靠性。

正是因?yàn)檫@些傳感器技術(shù)的完美融合，無(wú)人機(jī)有了智能導(dǎo)航系統(tǒng)，拓展了活動(dòng)環(huán)境，并提升了可靠性。使用傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)在室內(nèi)等無(wú)GPS的環(huán)境中無(wú)法穩(wěn)定飛行，而智能導(dǎo)航系統(tǒng)在GPS信號(hào)良好時(shí)，可通過(guò)視覺(jué)提升速度和位置測(cè)量值的精度；在GPS信號(hào)不足的時(shí)候，視覺(jué)系統(tǒng)可以接替GPS提供定位與測(cè)速，讓無(wú)人機(jī)在室內(nèi)與室外環(huán)境中均能穩(wěn)定飛行。

智能導(dǎo)航系統(tǒng)引入了多個(gè)傳感器，數(shù)據(jù)量和復(fù)雜程度大幅提升，獲悉大疆其實(shí)針對(duì)視覺(jué)和傳感器對(duì)導(dǎo)航和飛行控制算法進(jìn)行多次系統(tǒng)重構(gòu)，增加新的軟件模塊與架構(gòu)，全面提升了飛行的性能與可靠性。

控制性能

飛控系統(tǒng)先進(jìn)的控制算法為航拍無(wú)人機(jī)的飛行和操控帶來(lái)了很高的控制品質(zhì)，比如在普通狀態(tài)下的表現(xiàn)是控制精度高，飛行穩(wěn)定，速度快。高速飛行不僅對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)有較高的要求，更重要的是飛控要達(dá)到很高的控制品質(zhì)和響應(yīng)速度，除高速飛行以外，飛行器在懸停和慢速控制上也能達(dá)到很高的精度。

另外，在設(shè)計(jì)飛控時(shí)，不僅需要考慮到正常飛行狀態(tài)的控制精度，如懸停位置控制精度，姿態(tài)控制精度等，還需要加強(qiáng)了異常飛況的控制品質(zhì)。如在飛行器斷槳、突然受到撞擊、突加負(fù)重或被其他外力干擾后，控制恢復(fù)能力更強(qiáng)，魯棒性較強(qiáng)，能夠應(yīng)對(duì)很多極端狀況，這對(duì)于飛行安全性來(lái)說(shuō)尤其重要。

故障診斷

在起飛前或飛行過(guò)程中，任何微小故障都有可能引發(fā)飛行事故。如果飛控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)不斷地進(jìn)行故障監(jiān)控與故障診斷，就能大幅降低事故發(fā)生的概率。飛控系統(tǒng)可以監(jiān)控諸如振動(dòng)、電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速等各項(xiàng)飛行狀態(tài)參數(shù)，并通過(guò)這些監(jiān)控特征信號(hào)進(jìn)行故障診斷。但是這些信號(hào)往往是復(fù)雜且沒(méi)有明顯規(guī)律的，只有通過(guò)對(duì)大量故障數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，用深度學(xué)習(xí)技術(shù)建立了飛控故障診斷系統(tǒng)，采用模式識(shí)別判定故障發(fā)生的概率，這套系統(tǒng)才能判定從空中射槳到IMU故障診斷等，對(duì)故障進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，或進(jìn)行應(yīng)急處理，使飛行變得更加安全。

只有最快速監(jiān)測(cè)并判定故障，同時(shí)在剎那之間飛控系統(tǒng)采用正確信息進(jìn)行飛行操控，飛行器其實(shí)是在自己“分析并拿主意”。到這時(shí)，從某種意義上說(shuō)，那就是真正的“智能機(jī)器人”。（本文作者：毛富利）