作者 | 穹宇逐光

出品 | 聚翼無人機

1第一部分

基礎(chǔ)概念

飛控是什么？

多旋翼飛行控制器（Flight Controller, FC），是無人駕駛航空器（UAV）的核心組件之一。它充當無人機的“大腦”，負責處理來自各種傳感器的數(shù)據(jù)，并據(jù)此作出決策，以實現(xiàn)對無人機的姿態(tài)控制、導(dǎo)航以及任務(wù)執(zhí)行等功能。通過編程和算法優(yōu)化，飛行控制器能夠賦予無人機一定程度上的自主飛行能力，使其能夠在沒有人類直接干預(yù)的情況下完成特定任務(wù)。

組成部件

飛行控制器通常由以下幾個關(guān)鍵部分構(gòu)成：

● 傳感器：包括GPS模塊、慣性測量單元（IMU）、氣壓計等。這些設(shè)備用于感知無人機的位置、速度、高度及姿態(tài)等信息。

● 處理器：作為飛行控制器的大腦，處理器接收并處理來自各個傳感器的數(shù)據(jù)，運行必要的控制算法，并輸出控制指令給電機驅(qū)動器（ESC）和其他外設(shè)。

● 接口電路：提供與其他硬件組件連接的橋梁，例如接收機、電源管理模塊、外部存儲器等。

F405 V3飛控

各部分之間緊密協(xié)作，共同確保了飛行控制器能準確地獲取環(huán)境信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則或?qū)崟r情況調(diào)整無人機的行為。

例如，IMU會持續(xù)監(jiān)測機體運動狀態(tài)，而GPS則為定位提供支持；處理器將這兩者提供的數(shù)據(jù)結(jié)合，再運用適當?shù)目刂撇呗詠肀３址€(wěn)定飛行或按計劃航線行駛。

2第二部分

工作原理

感知層面

在感知層面上，飛行控制器主要依賴于多種類型的傳感器來捕捉周圍環(huán)境的信息。

GPS可以提供精確的地理位置坐標，幫助確定無人機所處位置；IMU內(nèi)的加速度計和陀螺儀可檢測到機體的加速變化和旋轉(zhuǎn)角度，從而判斷其當前姿態(tài)；氣壓計用來估算海拔高度。為了提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性，飛行控制器還會采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，如卡爾曼濾波器（Kalman Filter），將不同來源的數(shù)據(jù)進行綜合分析，消除噪聲干擾，得到更準確的結(jié)果。此外，針對可能存在的誤差問題，也會實施校正措施，比如溫度補償、零點漂移修正等。

控制層面

一旦獲得了足夠可靠的狀態(tài)信息，接下來就是如何有效地利用這些信息來進行控制了。

這一步驟涉及到選擇合適的控制算法，其中最常見的是PID（比例-積分-微分）控制器和LQR（線性二次型調(diào)節(jié)器）。PID控制器基于誤差反饋機制，通過對誤差的比例、積分和微分三個分量加權(quán)求和，產(chǎn)生一個適當?shù)目刂?a target="_blank">信號，使系統(tǒng)輸出盡可能接近期望值。相比之下，LQR則更加復(fù)雜，它考慮到了系統(tǒng)的動態(tài)特性，在最小化性能指標的同時，尋求最優(yōu)解。無論采用哪種方法，最終目的都是讓無人機按照預(yù)定的方式行動，無論是懸停不動還是沿著指定路徑前進。

決策層面

對于高級應(yīng)用而言，僅僅做到精準控制還不夠，還需要具備良好的任務(wù)規(guī)劃能力和應(yīng)對突發(fā)狀況的能力。

這意味著飛行控制器需要有能力規(guī)劃出合理的飛行路線，并且在遇到障礙物或者失去通信聯(lián)系時采取適當?shù)陌踩胧?。例如，在?zhí)行攝影任務(wù)時，它可以計算出最佳拍攝角度和時機；當發(fā)現(xiàn)電池電量不足時，則自動返回起降點降落。同時，為了保證安全性，還應(yīng)該設(shè)置一系列應(yīng)急預(yù)案，如一鍵返航、自動避障等。

3第三部分

軟件平臺

開源項目

隨著開源文化的興起，越來越多的人參與到飛行控制器的研究和發(fā)展中來。

一些知名的開源飛行控制器項目包括：

● ArduPilot：適用于固定翼、直升機、多旋翼等多種類型無人機的開源飛控系統(tǒng)。它具有強大的功能集和活躍的社區(qū)支持。

● PX4：另一個廣泛使用的開源飛控平臺，專注于高性能和高可靠性。它的代碼庫維護良好，文檔詳盡，適合學(xué)術(shù)研究和技術(shù)開發(fā)。

● Betaflight：主要用于競速類FPV（第一人稱視角）無人機的飛控固件，強調(diào)快速響應(yīng)和靈活配置。

盡管上述項目各有特色，但它們都致力于降低進入門檻，鼓勵更多愛好者加入到無人機技術(shù)的創(chuàng)新實踐中去。

如果對開源項目的內(nèi)容感興趣的話，記得在評論區(qū)告訴我們哦，直接安排走起！