时下最强大疆无人机飞控技术大揭秘

最近几年，多旋翼航拍飞行器成为了消费级无人机的主流产品形态。与遥控直升机相比，多旋翼飞行器结构简单，造价更低；与固定翼相比，多轴飞行器操控简单，可以随时悬停，对场地的要求低，所以现在从玩具飞行器到大型的工业级无人机，绝大多数都是采用多旋翼飞行器平台。

而对于多旋翼无人机来说，不同名牌不同用途机型之间的机械结构差异并不大，也没有想象中的那么复杂。提供动力的电机装上螺旋桨即可为多旋  翼飞行平台提供动力性能，从电机和桨叶的硬件本身表现来看，其实主要表现在桨叶的旋转速度以及螺距提供的向上升力，简单点说，飞行器能不能“动”就靠电机，桨叶还有电调等动力系统，但是“如何动”“动得如何”其实主要性能差异在于飞控系统。飞控系统通过电调（电子调速器ESC）来控制电机转速，使飞行器能够精准操控和稳定悬停，让飞行从高难度动作到普通人经过简单学习就能很快上手。

所以，谈到航拍无人机的性能指标，飞控系统（技术）决定一切！飞控系统究竟有何作用？下面我们来看一看。（飞控系统，英文Flight Controller，是无人机飞行器的控制核心单元，全成飞行控制系统，但是笔者更愿意称其为“飞行辅助控制系统”，因为它除了控制，其实也是“代驾”。

飞行状态

飞控系统主要用于飞行姿态控制和导航，对于飞控而言，首先要知道飞行器当前的状态，比如：三维位置、三维速度、三维加速度、三轴角度和三轴角速度等，总共15个状态。由于多旋翼飞行器本身是一种不稳定系统，要对各个电机的动力进行超高频率地不断调整和动力分配，才能实现稳定悬停和飞行，所以，对于航拍无人机来说，即使最简单的放开摇杆飞行器自主悬停的动作，也需要飞控持续监控这15个量，并进行一系列“串级控制”，才能做到稳定悬停，这一点肉眼看起来很简单，但飞控系统里面的运算其实是非常复杂的。

飞控系统最基础也最难控制的技术难点，其实是要准确地感知这一系列状态，如果这些感知数据问题或者有误差都会导致无人机做一些非正常的动作。目前，无人机一般使用GPS、IMU（惯性测量单元）、气压计和地磁指南针来测量这些状态。GPS获取定位、在一些情况下也能获取高度、速度；IMU主要用来测量无人机三轴加速度和三轴角速度，通过计算也能获得速度和位置；气压计用于测量海拔高度；地磁指南针则用于测量航向。

由于目前传感器设计水平的限制，这些传感器测量的数据都会产生一定的误差，并可能受到环境的干扰，从而影响状态估计的精度。为了保障飞行性能，就需要充分利用各传感器数据共同 融合出具有高可信度的15个状态，即组合导航技术。组合导航技术结合GPS、IMU、气压计和地磁指南针各自的优缺点，通过电子信号处理领域的技术，融合多种传感器的测量值，获得

更精准的状态测量。   

组合导航

为了提升航拍无人机的感知能力和飞行性能，除了以上基础传感器方案以外，现在主流的无人机产品都加入了先进的视觉传感器、超声波传感器和IMU与指南针冗余导航系统。 比如：“悟”Inspire 2、Phantom 4系列和“御”Mavic Pro上均配备了以上传感器与智能导航方案。双目立体视觉系统可根据连续图像计算出物体的三维位置，除了避障功能以外还能提供定位与测速。机身下方的超声波模块起到辅助定高的作用，而冗余的IMU和指南针在一个元件受到干扰时，冗余导航系统会自动切换至另一个传感器，极大提高了组合导航的可靠性。

正是因为这些传感器技术的完美融合，无人机有了智能导航系统，拓展了活动环境，并提升了可靠性。使用传统导航系统的无人机在室内等无GPS的环境中无法稳定飞行，而智能导航系统在GPS信号良好时，可通过视觉提升速度和位置测量值的精度；在GPS信号不足的时候，视觉系统可以接替GPS提供定位与测速，让无人机在室内与室外环境中均能稳定飞行。

智能导航系统引入了多个传感器，数据量和复杂程度大幅提升，获悉大疆其实针对视觉和传感器对导航和飞行控制算法进行多次系统重构，增加新的软件模块与架构，全面提升了飞行的性能与可靠性。

控制性能

飞控系统先进的控制算法为航拍无人机的飞行和操控带来了很高的控制品质，比如在普通状态下的表现是控制精度高，飞行稳定，速度快。“悟”Inspire 2最高水平速度达94公里/小时，Phantom 4达72公里/小时，小巧轻便的“御”Mavic也能达到65公里/小时，而市面上其它同类型的无人机飞行速度一般在30-50公里/小时左右。高速飞行不仅对动力系统有较高的要求，更重要的是飞控要达到很高的控制品质和响应速度，除高速飞行以外，飞行器在悬停和慢速控制上也能达到很高的精度。所以，无论是在“运动模式”下高速劲爆地飞行，还是在慢速航拍作业

中“细腻顺滑”地精准控制，大疆航拍无人机确实可以兼顾。

另外，在设计飞控时，不仅需要考虑到正常飞行状态的控制精度，如悬停位置控制精度，姿态控制精度等，还需要加强了异常飞况的控制品质。如在飞行器断桨、突然受到撞击、突加负重或被其他外力干扰后，控制恢复能力更强，鲁棒性较强，能够应对很多极端状况，这对于飞行安全性来说尤其重要。

故障诊断

在起飞前或飞行过程中，任何微小故障都有可能引发飞行事故。如果飞控系统能实时不断地进行故障监控与故障诊断，就能大幅降低事故发生的概率。飞控系统可以监控诸如振动、电压、电流、温度、转速等各项飞行状态参数，并通过这些监控特征信号进行故障诊断。但是这些信号往往是复杂且没有明显规律的，只有通过对大量故障数据进行数据挖掘，用深度学习技术建立了飞控故障诊断系统，采用模式识别判定故障发生的概率，这套系统才能判定从空中射桨到IMU故障诊断等，对故障进行早期预报，或进行应急处理，使飞行变得更加安全。

只有最快速监测并判定故障，同时在刹那之间飞控系统采用正确信息进行飞行操控，飞行器其实是在自己“分析并拿主意”。到这里其实你只能想到一个概念，那就是真正意义上的“智能机器人”。

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2017-1-18 14:57 上传

不管你叫它多旋翼飞行器，还是叫它航拍无人机，又或是“空中机器人”，其实它最核心的都是“飞控系统”，所以，只有飞控系统牛才能在本质上提高安全性，稳定性以及航拍体验。