无人机之飞控篇

追风少年

        无人机是无人驾驶飞机的简称（Unmanned Aerial Vehicle），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置的不载人飞机，包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机。广义地看也包括临近空间飞行器（20-100 公里空域），如平流层飞艇、高空气球、太阳能无人机等。从某种角度来看，无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务，可以被看做是 “空中机器人”。

       飞控子系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统，飞控对于无人机相当于驾驶员对于有人机的作用，我们认为是无人机最核心的技术之一。飞控一般包括传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分，实现的功能主要有无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类。

       所谓无人机的飞控，就是无人机的飞行控制系统，主要有陀螺仪（飞行姿态感知），加速计，地磁感应，GPS模块（选装），以及控制电路组成。主要的功能就是自动保持飞机的正常飞行姿态。

        无人机飞控是指能够稳定无人机飞行姿态，并能控制无人机自主或半自主飞行的控制系统，是无人机的大脑。

        随着智能化的发展，当今的无人机已不仅仅限于固定翼与传统直升机形式，已经涌现出四轴、六轴、单轴、矢量控制等多种形式。

        固定翼无人机飞行的控制通常包括方向、副翼、升降、油门、襟翼等控制舵面，通过舵机改变飞机的翼面，产生相应的扭矩，控制飞机转弯、爬升、俯冲、横滚等动作。

        传统直升机形式的无人机通过控制直升机的倾斜盘、油门、尾舵等，控制飞机转弯、爬升、俯冲、横滚等动作。

多轴形式的无人机一般通过控制各轴桨叶的转速来控制无人机的姿态，以实现转弯、爬升、俯冲、横滚等动作。

        对于固定翼无人机，一般来说，在姿态平稳时，控制方向舵会改变飞机的航向，通常会造成一定角度的横滚，在稳定性好的飞机上，看起来就像汽车在地面转弯一般，可称其为测滑。方向舵是最常用做自动控制转弯的手段，方向舵转弯的缺点是转弯半径相对较大，较副翼转弯的机动性略差。 副翼的作用是进行飞机的横滚控制。固定翼飞机当产生横滚时，会向横滚方向进行转弯，同时会掉一定的高度。 升降舵的作用是进行飞机的俯仰控制，拉杆抬头，推杆低头。拉杆时飞机抬头爬升，动能朝势能的转换会使速度降低，因此在控制时要监视空速，避免因为过分拉杆而导致失速。 油门舵的作用是控制飞机发动机的转速，加大油门量会使飞机增加动力，加速或爬升，反之则减速或降低。

      了解各舵的控制作用，我们开始讨论一下升降舵和油门的控制。固定翼飞机都有一个最低时速被称做失速速度，当低于这个速度的时候飞机将由于无法获得足够的升力而导致舵效失效，飞机失控。通过飞机的空速传感器我们可以实时获知飞机的当前空速，当空速降低时必须通过增加油门或推杆使飞机损失高度而换取空速的增加，当空速过高时减小油门或拉杆使飞机获得高度而换取空速的降低。因此固定翼飞机有两种不同的控制模式，根据实际情况的使用而供用户选择：

         第一种控制方式是，根据设定好的目标空速，当实际空速高于目标空速时，控制升降舵拉杆，反之推杆；那空速的高低影响了高度的高低，于是采用油门来控制飞机的高度，当飞行高度高于目标高度时，减小油门，反之增加油门。由此我们可以来分析，当飞机飞行时，如果低于目标高度，飞控控制油门增加，导致空速增加，再导致飞控控制拉杆，于是飞机上升；当飞机高度高于目标高度，飞控控制油门减小，导致空速减小，于是飞控再控制推杆，使高度降低。这种控制方式的好处是，飞机始终以空速为第一因素来进行控制，因此保证了飞行的安全，特别是当发动机熄火等异常情况发生时，使飞机能继续保持安全，直到高度降低到地面。这种方式的缺点在于对高度的控制是间接控制，因此高度控制可能会有一定的滞后或者波动。

        第二种控制方式是：设定好飞机平飞时的迎角，当飞行高度高于或低于目标高度时，在平飞迎角的基础上根据高度与目标高度的差设定一个经过PID控制器输出的限制幅度的爬升角，由飞机当前的俯仰角和爬升角的偏差来控制升降舵面，使飞机迅速达到这个爬升角，而尽快完成高度偏差的消除。但飞机的高度升高或降低后，必然造成空速的变化，因此采用油门来控制飞机的空速，即当空速低于目标空速后，在当前油门的基础上增加油门，当前空速高于目标空速后，在当前油门的基础上减小油门。这种控制方式的好处是能对高度的变化进行第一时间的反应，因此高度控制较好，缺点是当油门失效时，比如发动机熄火发生时，由于高度降低飞控将使飞机保持经过限幅的最大仰角，最终由于动力的缺乏导致失速。 因此，两种控制模式根据实际情况而选用。我们选用的是第二种控制模式，并增加了当空速低于一定速度的时候，认为异常发生，立刻转为第一种控制模式以保证飞机的安全。

现常用的航模飞控有：



KK：最经典的多轴飞控，价格十分便宜，很多人就是用它学会飞四轴的。主要问题是没有自稳，更不用说什么定高、GPS之类的高级功能了。因为没有自稳，新手练习起来就比较困难，不过对于从直升机转过来的玩家来说就是小case了。支持3轴、四轴、6轴、V22的飞行模式；官网http://www.kkmulticopter.com/



MWC：开源飞控，价格根据选配的附件，和板材质量而有所不同，但整体不贵。玩这种开源飞控，最好有点玩数字电路或和编程的底子，不过如果悟性好，看看文档也能搞起来。主要难点在于调教，很难把它调得很稳，需要很大的耐心。不太适合新手。官网http://www.multiwii.com/



APM：APM飞控系统是国外的一个开源飞控系统，能够支持固定翼，直升机，3轴，4轴，6轴飞行器；官网http://dev.ardupilot.com/



openpilot飞控，和大多数飞控功能差不多，自稳，定高（有高度计的），等功能，这个项目还在持续开发中，目前四轴飞行器用这个控的cc3d版的人也很多，官网www.openpilot.org。



DJI Naza主要用于四旋翼和六旋翼飞行器上，是为多旋翼飞行器爱好者们开发的一种自动驾驶系统。Naza自动驾驶系统可以实现姿态稳定和高度锁定功能，广泛应用于休闲娱乐、航拍以及FPV等航模运动中。



paparazzi飞控 Paparazzi是一个自由和开源硬件和软件项目，旨在建立一个非常强大和灵活的固定翼/多旋翼自动驾驶仪系统，允许和鼓励开发者贡献。项目不仅仅只包括飞控板的软硬件，包括从稳压电源和GPS到卡尔曼滤波代码, 而是一个强大和不断扩大的地面空中软硬件群，包括数传电台，天线和一个高度进化的用户友好的地面控制软件界面。

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