你真的了解飛控是什么嗎？仔細解讀多軸飛行器的飛控是如何運行的

10年前，無人機行業(yè)考慮的是如何讓飛機穩(wěn)定飛起來、飛得更快、飛得更高。無人機的應用也主要是在軍事等神秘領域。如今，隨著芯片、人工智能、大數據技術的發(fā)展，無人機開始向智能化、終端化、集群化的趨勢發(fā)展。

幾年的時間讓無人機從遠離人們視野的軍事應用飛入了尋常百姓家，更多的小白用戶開始接觸到無人機，只需要通過短暫的學習，也可以進行穩(wěn)定安全的操作，體驗了一把飛行和航拍的樂趣~不可否認，飛控技術的發(fā)展是這十年無人機變化的最大推手。但是，你真的了解飛控是什么嗎？下面小曼為你仔細解讀多軸飛行器的飛控是如何運行的。

飛控是什么？飛行控制系統(tǒng)（Flight control system）簡稱飛控，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)數據傳回飛控，再由飛控通過運算和判斷下達指令，由執(zhí)行機構完成動作和飛行姿態(tài)調整。

飛控可以理解成無人機的CPU系統(tǒng)，是無人機的核心部件，其功能主要是發(fā)送各種指令，并且處理各部件傳回的數據。類似于人體的大腦，對身體各個部位發(fā)送指令，并且接收各部件傳回的信息，運算后發(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，因為水太燙而縮回，并且將此信息傳回給大腦，大腦會根據實際情況重新發(fā)送新的指令。飛控的主要組成部分

無人機飛控一般包括傳感器、機載計算機和伺服作動設備三大部分，實現的功能主要有無人機姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無人機任務設備管理和應急控制三大類。傳感器

多軸無人機機身大量裝配的各種傳感器，包括GPS、氣壓計、陀螺儀、指南針以及地磁感應等，可以采集角速率、姿態(tài)、位置、加速度、高度和空速等，是飛控系統(tǒng)的基礎。機載計算機

機載計算機作為無人機的CPU，是飛控的中樞系統(tǒng)，類似于人體大腦的中樞神經，負責整個無人機姿態(tài)的運算和判斷；同時，也操控著傳感器和伺服作動設備。伺服作動設備

無人機執(zhí)行機構都是伺服作動設備，是導航飛控系統(tǒng)的重要組成部分。其主要功能是根據飛控計算機的指令，按規(guī)定執(zhí)行動作。對于固定翼無人機來說，主要通過調整機翼角度和發(fā)動機運轉速度，實現對無人機的飛行控制。

多軸無人機的執(zhí)行機構包括螺旋槳、電調和電機。多軸無人機飛控通過電調傳輸到螺旋槳的控制信號，來控制電機，帶動螺旋槳轉動，最終實現無人機的懸停、升降、前進等飛行狀態(tài)的調整。

無人機朝紅色箭頭方向前進時，四個螺旋槳的旋轉方向。你可能會發(fā)現對角線上的一對螺旋槳（M1和M3）方向一致，相鄰螺旋槳旋轉方向相反。關于螺旋槳的飛行原理，小曼在后面的文章中會單獨介紹。飛控的種類目前飛控的主要種類有兩種“開源飛控”、“自研飛控”。接觸過無人機行業(yè)的人都知道，如何使飛控更加安全，更易操控是無人機研發(fā)的大難點！控。

每個飛控系統(tǒng)都可能成為未來的信息終端目前這個階段有點像 80 年代的人們使用大哥大，當個寶貝一樣但卻沒有發(fā)揮其很大的作用；而現在的手機已經終端化，僅僅是遍布全球的終端，人們從終端獲取全球有益信息的同時也在貢獻著自身的價值。

GPS如何定位水平位置和垂直高度？

GPS定位，實際上就是通過四顆已知位置的衛(wèi)星來確定GPS接收器的位置。如上圖所示，圖中的GPS接收器為當前要確定位置的設備，衛(wèi)星1、2、3、4為本次定位要用到的四顆衛(wèi)星:

Position1、Position2、Position3、Position4分別為四顆衛(wèi)星的當前位置（空間坐標），已知d1、d2、d3、d4分別為四顆衛(wèi)星到要定位的GPS接收器的距離

1.無人機GPS模塊位置信息從哪里來？

實際上，運行于宇宙空間的GPS衛(wèi)星，每一個都在時刻不停地通過衛(wèi)星信號向全世界廣播自己的當前位置坐標信息。任何一個無人機GPS模塊都可以通過天線很輕松地接收到這些信息，并且能夠讀懂這些信息（這其實也是每一個GPS芯片的核心功能之一）。這就是這些位置信息的來源。

2.無人機GPS模塊距離信息從哪里來？

我們已經知道每一個GPS衛(wèi)星都在不辭辛勞地廣播自己的位置，那么在發(fā)送位置信息的同時，也會附加上該數據包發(fā)出時的時間戳。無人機GPS模塊收到數據包后，用當前時間（當前時間當然只能由無人機GPS模塊自己來確定了）減去時間戳上的時間，就是數據包在空中傳輸所用的時間了。

知道了數據包在空中的傳輸時間，那么乘上他的傳輸速度，就是數據包在空中傳輸的距離，也就是該衛(wèi)星到GPS接收器的距離了。數據包是通過無線電波傳送的，那么理想速度就是光速c，把傳播時間記為Ti的話，用公式表示就是：di=c*Ti(i=1,2,3,4);這就是di(i=1,2,3,4)的來源了。

3、無人機GPS模塊為什么需要4顆衛(wèi)星

從理論上來說，以地面點的三維坐標（N，E，H）為待定參數，確實只需要測出3顆衛(wèi)星到地面點的距離就可以確定該點的三維坐標了。但是，衛(wèi)地距離是通過信號的傳播時間差Δt乘以信號的傳播速度v而得到的。其中，信號的傳播速度v接近于真空中的光速，量值非常大。因此，這就要求對時間差Δt進行非常準確的測定，如果稍有偏差，那么測得的衛(wèi)地距離就會謬以千里。而時間差Δt是通過將衛(wèi)星處測得的信號發(fā)射時間tS與接收機處測得的信號達到的時間tR求差得到的。其中，衛(wèi)星上安置的原子鐘，穩(wěn)定度很高，我們認為這種鐘的時間與GPS時吻合；接收機處的時鐘是石英鐘，穩(wěn)定度一般，我們認為它的時鐘時間與GPS時存在時間同步誤差，并將這種誤差作為一個待定參數。這樣，對于每個地面點實際上需要求解就有4個待定參數，因此至少需要觀測4顆衛(wèi)星至地面點的衛(wèi)地距離數據。

未來無人機在各類應用中更像是布撒的一系列終端設備，飛控作為無人機的核心會在終端化過程中扮演重要作用，無論在消費、農業(yè)、巡視等各領域，飛控將成為數據終端的核心，大量的飛行狀態(tài)、任務數據、載荷狀態(tài)會被記錄、回傳、分發(fā)，用戶或其他利益相關方會通過付費等商業(yè)模式獲取終端的有用信息。

超聲測距

通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離了。這與雷達測距原理相似。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即:s=340t/2)

超聲波指向性強，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物 位測量儀等都可以通過超聲波來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移 動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。

為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息(距離和方向)。本文所介紹的三方向(前、左、右)超聲波測距系統(tǒng)，就是為機器人了解其前方、左側和右側的環(huán)境而提供一個運動距離信息。

為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類:一 類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等;機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生 的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。

光流的概念是Gibson在1950年首先提出來的。它是空間運動物體在觀察成像平面上的像素運動的瞬時速度，是利用圖像序列中像素在時間域上的變化以及相鄰幀之間的相關性來找到上一幀跟當前幀之間存在的對應關系，從而計算出相鄰幀之間物體的運動信息的一種方法。一般而言，光流是由于場景中前景目標本身的移動、相機的運動，或者兩者的共同運動所產生的。當人的眼睛觀察運動物體時，物體的景象在人眼的視網膜上形成一系列連續(xù)變化的圖像，這一系列連續(xù)變化的信息不斷“流過”視網膜（即圖像平面），好像一種光的“流”，故稱之為光流（optical flow）。光流表達了圖像的變化，由于它包含了目標運動的信息，因此可被觀察者用來確定目標的運動情況。研究光流場的目的就是為了從圖片序列中近似得到不能直接得到的運動場。運動場，其實就是物體在三維真實世界中的運動；光流場，是運動場在二維圖像平面上（人的眼睛或者攝像頭）的投影。那通俗的講就是通過一個圖片序列，把每張圖像中每個像素的運動速度和運動方向找出來就是光流場。那怎么找呢？咱們直觀理解肯定是：第t幀的時候A點的位置是(x1, y1)，那么我們在第t+1幀的時候再找到A點，假如它的位置是(x2,y2)，那么我們就可以確定A點的運動了：(ux, vy) = (x2, y2) - (x1,y1)。那怎么知道第t+1幀的時候A點的位置呢？ 這就存在很多的光流計算方法了。1981年，Horn和Schunck創(chuàng)造性地將二維速度場與灰度相聯系，引入光流約束方程，得到光流計算的基本算法。人們基于不同的理論基礎提出各種光流計算方法，算法性能各有不同。Barron等人對多種光流計算技術進行了總結，按照理論基礎與數學方法的區(qū)別把它們分成四種：基于梯度的方法、基于匹配的方法、基于能量的方法、基于相位的方法。近年來神經動力學方法也頗受學者重視。

飛控通信網絡化隨著智能手機增長率的放緩以及無人機終端化的趨勢，移動運營商們也敏銳捕捉到了商機，紛紛推出了面向無人機應用的移動通信解決方案。這類方案目前采用成熟商用 2G、3G、4G 網絡，通過定義套餐、開發(fā)貼片 SIM 卡組件、天線定制等方式，使無人機作為終端接入商用網絡。

雖然還存在網絡不穩(wěn)定、覆蓋區(qū)域不全等因素，但隨著無人機數據價值的增加、移動通信技術的高速發(fā)展驅動以及無人機管控壓力的增大，在不久的將來借助運營商的飛控網絡化趨勢不可阻擋。形成無人機+大數據在大數據時代，沒有人否認原始數據的重要性。