行業(yè)動(dòng)態(tài)
最近幾年，多旋翼航拍飛行器成為了消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的主流產(chǎn)品形態(tài)。與遙控直升機(jī)相比，多旋翼飛行器結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)更低；與固定翼相比，多軸飛行器操控簡單，可以隨時(shí)懸停，對(duì)場地的要求低，所以現(xiàn)在從玩具飛行器到大型的工業(yè)級(jí)無人機(jī)，絕大多數(shù)都是采用多旋翼飛行器平臺(tái)。 而對(duì)于多旋翼無人機(jī)來說，不同名牌不同用途機(jī)型之間的機(jī)械結(jié)構(gòu)差異并不大，也沒有想象中的那么復(fù)雜。提供動(dòng)力的電機(jī)裝上螺旋槳即可為多旋 翼飛行平臺(tái)提供動(dòng)力性能，從電機(jī)和槳葉的硬件本身表現(xiàn)來看，其實(shí)主要表現(xiàn)在槳葉的旋轉(zhuǎn)速度以及螺距提供的向上升力，簡單點(diǎn)說，飛行器能不能“動(dòng)”就靠電機(jī)，槳葉還有電調(diào)等動(dòng)力系統(tǒng)，但是“如何動(dòng)”“動(dòng)得如何”其實(shí)主要性能差異在于飛控系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)通過電調(diào)（電子調(diào)速器ESC）來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，使飛行器能夠精準(zhǔn)操控和穩(wěn)定懸停，讓飛行從高難度動(dòng)作到普通人經(jīng)過簡單學(xué)習(xí)就能很快上手。 所以，談到航拍無人機(jī)的性能指標(biāo)，無人機(jī)飛控系統(tǒng)（技術(shù)）決定一切！無人機(jī)飛控系統(tǒng)究竟有何作用？下面我們來看一看。（飛控系統(tǒng)，英文Flight Controller，是無人機(jī)飛行器的控制核心單元，全成飛行控制系統(tǒng)，但是筆者更愿意稱其為“飛行輔助控制系統(tǒng)”，因?yàn)樗丝刂疲鋵?shí)也是“代駕”。
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)于航拍無人機(jī)來說，即使最簡單的放開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)肉眼看起來很簡單，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)問題或者有誤差都會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)做一些非正常的動(dòng)作。目前，無人機(jī)一般使用GPS、IMU（慣性測量單元）、氣壓計(jì)和地磁指南針來測量這些狀態(tài)。GPS獲取定位、在一些情況下也能獲取高度、速度；IMU主要用來測量無人機(jī)三軸加速度和三軸角速度，通過計(jì)算也能獲得速度和位置；氣壓計(jì)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(shè)計(jì)水平的限制，這些傳感器測量的數(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)，通過電子信號(hào)處理領(lǐng)域的技術(shù)，融合多種傳感器的測量值，獲得 更精準(zhǔn)的狀態(tài)測量。
組合導(dǎo)航
為了提升航拍無人機(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)在主流的無人機(jī)產(chǎn)品都加入了先進(jìn)的視覺傳感器、超聲波傳感器和IMU與指南針冗余導(dǎo)航系統(tǒng)。 比如：“悟”Inspire 2、Phantom 4系列和“御”Mavic Pro上均配備了以上傳感器與智能導(dǎo)航方案。雙目立體視覺系統(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)的無人機(jī)在室內(nèi)等無GPS的環(huán)境中無法穩(wěn)定飛行，而智能導(dǎo)航系統(tǒng)在GPS信號(hào)良好時(shí)，可通過視覺提升速度和位置測量值的精度；在GPS信號(hào)不足的時(shí)候，視覺系統(tǒng)可以接替GPS提供定位與測速，讓無人機(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人機(jī)的飛行和操控帶來了很高的控制品質(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?！拔颉盜nspire 2最高水平速度達(dá)94公里/小時(shí)，Phantom 4達(dá)72公里/小時(shí)，小巧輕便的“御”Mavic也能達(dá)到65公里/小時(shí)，而市面上其它同類型的無人機(jī)飛行速度一般在30-50公里/小時(shí)左右。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。所以，無論是在“運(yùn)動(dòng)模式”下高速勁爆地飛行，還是在慢速航拍作業(yè) 中“細(xì)膩順滑”地精準(zhǔn)控制，大疆航拍無人機(jī)確實(shí)可以兼顧。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(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)雜且沒有明顯規(guī)律的，只有通過對(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”。到這里其實(shí)你只能想到一個(gè)概念，那就是真正意義上的“智能機(jī)器人”。 不管你叫它多旋翼飛行器，還是叫它航拍無人機(jī)，又或是“空中機(jī)器人”，其實(shí)它最核心的都是“飛控系統(tǒng)”，所以，只有飛控系統(tǒng)牛才能在本質(zhì)上提高安全性，穩(wěn)定性以及航拍體驗(yàn)。
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