无人机飞控概述——飞控算法

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飞控即飞行控制系统，是控制飞行器飞行姿态和运动的中枢设备，也称自动驾驶仪。大部分的无人机控制系统包括3个部分：遥控器、飞行控制系统和动作执行机构，其中遥控器包括发射机和接收机两个部分，在辅助级飞行控制系统中主要负责操作指令的输入和接收，并负责手动状况的飞行器控制；
大部分无人机飞行控制系统是结合6自由度惯性测量单元、GPS导航接收机、磁航向计、气压高度计、转速传感器、数字信号处理器、ARM处理器、电源适配器等单元组成，主要负责感知飞机的各种状态并做导航计算和控制输出，是飞行控制系统的核心组成部分；动作执行机构包括舵机电机相关连杆等。

无人机飞控三大算法：捷联式惯性导航系统、卡尔曼滤波算法、飞行控制PID算法。

一、捷联式惯性导航系统
说到导航，不得不说GPS，他是接受卫星发送的信号计算出自身位置的，但是当GPS设备上方被遮挡后，GPS设备无法定位了。比如在室内、隧道内、地下等场所，基本收不到GPS信号。
语录：任何一款有缺点的产品，必然成就了另一款能克服其缺点的产品。另一种导航方式是不依赖外界信息的，这种导航叫做惯性导航。


那什么是惯性导航呢？他就是利用载体上的加速度计、陀螺仪这两种惯性远见，去分别测出飞行器的角运动信息和线运动信息，与初始姿态、初始航向、初始位置一起交给计算模块，由计算模块推算出飞机的姿态、速度、航向、位置等导航参数的自主式导航方法。（精益求精：陀螺仪是怎么通过角运动信息再经过计算模块计算得出姿态的呢？同理加速度计又是怎样通过线运动信息再经过计算模块计算出速度的呢？ 另外惯性导航系统分为平台式惯性导航和捷联式惯性导航。惯性导航系统分为平台式惯性导航和捷联式惯性导航。


早期的惯性导航系统都是平台式的，平台式惯导有实体的物理平台，陀螺仪和加速度计置于由陀螺稳定的平台上，该平台跟踪导航坐标系，以实现速度和位置解算，姿态数据直接取自于平台的环架。优点：直接模拟导航坐标系，计算比较简单；能隔离载体的角运动，系统精度高。缺点：结构复杂，体积大，制作成本高。还有另一种捷联式惯性导航，捷联的英文原义是“捆绑”的意思。因此捷联式惯性导航也就是将惯性测量元件，包括陀螺仪和加速度计，直接装在需要姿态、速度、航向等导航信息的主体上，用计算机的测量信号变换为导航参数。优点是没有平台，架构简单，体积小，维护方便。缺点：惯性元件直接装在载体上，环境恶劣，对元件要求较高；坐标变换中计算量大。总体来看，捷联惯导比平台式惯导优势明显。在1969年，捷联惯导系统作为"阿波罗"-13号登月飞船的应急备份装置，在其服务舱发生爆炸时将飞船成功地引导到返回地球的轨道上时起到了决定性作用，成为捷联式惯导系统发展中的一个里程碑。


二、卡尔曼滤波算法尔曼滤波算法采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻地估计值和现时刻地观测值来更新对状态变量的估计，求出现刻的估计值。卡尔曼滤波算法是卡尔曼等 人在20世纪60年代提出的一种递推滤波算法。它的实质是以最小均方误差为估计的最佳准则，来寻求一套递推估计的算法。这套算法采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻地估计值和现时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出现时刻的估计值，在惯性导航系统中有非常广泛的应用。刚才说的噪声指的是计算得出的值与实际值的误差。


什么是卡尔曼滤波?　　
你可以在任何含有不确定信息的动态系统中使用卡尔曼滤波，对系统下一步的走向做出有根据的预测，即使伴随着各种干扰，卡尔曼滤波总是能指出真实发生的情况在连续变化的系统中使用卡尔曼滤波是非常理想的，它具有占用内存小的优点（除了前一个状态量外，不需要保留其它历史数据），并且速度很快，很适合应用于实时问题和嵌入式系统。自动驾驶汽车使用激光雷达跟踪其他车辆，如何找到其他车辆？我想找到其他车辆的原因是我不想和其他车辆发生碰撞。为了进行评估 我们必须得先明白如何解释传感器数据。不知是明白其他车辆在那，还要知道速度是多少，这样你就可以避免与他们进行碰撞，这对行人和其他物体也很重要。知道其他车在那里，并且对他们将要去那里做出预测。卡尔曼滤波是一个非常流行的系统状态估计的方法，他和概率定位相当相似，我们之前学过的蒙特卡罗定位方法，主要区别是 卡尔曼是对一个连续状态进行估计，而蒙特卡罗将世界分成很多离散的小块，作为结果，卡尔曼给我们一个单峰分布，蒙特卡罗是多峰分布。这两种方法都适用与定位和对其他车辆的追踪。事实上粒子滤波也适用于定位和预测，粒子滤波是连续多峰分布的。卡尔曼滤波器的美妙之处在于，它将不够准确的传感器测量结果和不够准确的运动预测相结合，得到一个筛选后的位置估计值，这个估计值比所有仅来自传感器读数或运动预测的估计值更好。


三、PID算法
PID控制器是一种线性控制器，它主要根据给定值和实际输出值构成控制偏差，然后利用偏差给出合理的控制量。目前，人们通过科学研究获得了诸多具有优异控制效果的算法和理论，但在工程应用领域，基于经典PID的控制算法仍然是最简单、最有效的控制方案。PID控制器是一种线性控制器，它主要根据给定值和实际输出值构成控制偏差，然后利用偏差给出合理的控制量。目前主流的几款开源飞控中，无一例外地都是采用PID控制算法来实现无人机的姿态和轨迹控制。PID里的P是Proportion的首字线，是比例的意思，I是Integral的首字线，是积分的意思，D是Differential的首字母，是微分的意思。


在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。

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