10年前，無人機(jī)行業(yè)考慮的是如何讓飛機(jī)穩(wěn)定飛起來、飛得更快、飛得更高。無人機(jī)的應(yīng)用也主要是在軍事等神秘領(lǐng)域。如今，隨著芯片、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)開始向智能化、終端化、集群化的趨勢(shì)發(fā)展。

幾年的時(shí)間讓無人機(jī)從遠(yuǎn)離人們視野的軍事應(yīng)用飛入了尋常百姓家，更多的小白用戶開始接觸到無人機(jī)，只需要通過短暫的學(xué)習(xí)，也可以進(jìn)行穩(wěn)定安全的操作，體驗(yàn)了一把飛行和航拍的樂趣~不可否認(rèn)，飛控技術(shù)的發(fā)展是這十年無人機(jī)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(xì)解讀多軸飛行器的飛控是如何運(yùn)行的。

飛控是什么？飛行控制系統(tǒng)（Flight control system）簡(jiǎn)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(shù)據(jù)傳回飛控，再由飛控通過運(yùn)算和判斷下達(dá)指令，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作和飛行姿態(tài)調(diào)整。

飛控可以理解成無人機(jī)的CPU系統(tǒng)，是無人機(jī)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(shù)據(jù)。類似于人體的大腦，對(duì)身體各個(gè)部位發(fā)送指令，并且接收各部件傳回的信息，運(yùn)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?yàn)樗珷C而縮回，并且將此信息傳回給大腦，大腦會(huì)根據(jù)實(shí)際情況重新發(fā)送新的指令。飛控的主要組成部分

無人機(jī)飛控一般包括傳感器、機(jī)載計(jì)算機(jī)和伺服作動(dòng)設(shè)備三大部分，實(shí)現(xiàn)的功能主要有無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理和應(yīng)急控制三大類。傳感器

多軸無人機(jī)機(jī)身大量裝配的各種傳感器，包括GPS、氣壓計(jì)、陀螺儀、指南針以及地磁感應(yīng)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(chǔ)。機(jī)載計(jì)算機(jī)

機(jī)載計(jì)算機(jī)作為無人機(jī)的CPU，是飛控的中樞系統(tǒng)，類似于人體大腦的中樞神經(jīng)，負(fù)責(zé)整個(gè)無人機(jī)姿態(tài)的運(yùn)算和判斷；同時(shí)，也操控著傳感器和伺服作動(dòng)設(shè)備。伺服作動(dòng)設(shè)備

無人機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是伺服作動(dòng)設(shè)備，是導(dǎo)航飛控系統(tǒng)的重要組成部分。其主要功能是根據(jù)飛控計(jì)算機(jī)的指令，按規(guī)定執(zhí)行動(dòng)作。對(duì)于固定翼無人機(jī)來說，主要通過調(diào)整機(jī)翼角度和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的飛行控制。

多軸無人機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括螺旋槳、電調(diào)和電機(jī)。多軸無人機(jī)飛控通過電調(diào)傳輸?shù)铰菪龢目刂?a target="_blank">信號(hào)，來控制電機(jī)，帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的懸停、升降、前進(jìn)等飛行狀態(tài)的調(diào)整。

無人機(jī)朝紅色箭頭方向前進(jìn)時(shí)，四個(gè)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向。你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)角線上的一對(duì)螺旋槳（M1和M3）方向一致，相鄰螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反。關(guān)于螺旋槳的飛行原理，小曼在后面的文章中會(huì)單獨(dú)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(jī)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(jī)研發(fā)的大難點(diǎn)！控。

每個(gè)飛控系統(tǒng)都可能成為未來的信息終端目前這個(gè)階段有點(diǎn)像 80 年代的人們使用大哥大，當(dāng)個(gè)寶貝一樣但卻沒有發(fā)揮其很大的作用；而現(xiàn)在的手機(jī)已經(jīng)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(shí)也在貢獻(xiàn)著自身的價(jià)值。

GPS如何定位水平位置和垂直高度？

GPS定位，實(shí)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(dāng)前要確定位置的設(shè)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(dāng)前位置（空間坐標(biāo)），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(jī)GPS模塊位置信息從哪里來？

實(shí)際上，運(yùn)行于宇宙空間的GPS衛(wèi)星，每一個(gè)都在時(shí)刻不停地通過衛(wèi)星信號(hào)向全世界廣播自己的當(dāng)前位置坐標(biāo)信息。任何一個(gè)無人機(jī)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(shí)也是每一個(gè)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(jī)GPS模塊距離信息從哪里來？

我們已經(jīng)知道每一個(gè)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(shí)，也會(huì)附加上該數(shù)據(jù)包發(fā)出時(shí)的時(shí)間戳。無人機(jī)GPS模塊收到數(shù)據(jù)包后，用當(dāng)前時(shí)間（當(dāng)前時(shí)間當(dāng)然只能由無人機(jī)GPS模塊自己來確定了）減去時(shí)間戳上的時(shí)間，就是數(shù)據(jù)包在空中傳輸所用的時(shí)間了。

知道了數(shù)據(jù)包在空中的傳輸時(shí)間，那么乘上他的傳輸速度，就是數(shù)據(jù)包在空中傳輸?shù)木嚯x，也就是該衛(wèi)星到GPS接收器的距離了。數(shù)據(jù)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(shí)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(jī)GPS模塊為什么需要4顆衛(wèi)星

從理論上來說，以地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)（N，E，H）為待定參數(shù)，確實(shí)只需要測(cè)出3顆衛(wèi)星到地面點(diǎn)的距離就可以確定該點(diǎn)的三維坐標(biāo)了。但是，衛(wèi)地距離是通過信號(hào)的傳播時(shí)間差Δt乘以信號(hào)的傳播速度v而得到的。其中，信號(hào)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(duì)時(shí)間差Δt進(jìn)行非常準(zhǔn)確的測(cè)定，如果稍有偏差，那么測(cè)得的衛(wèi)地距離就會(huì)謬以千里。而時(shí)間差Δt是通過將衛(wèi)星處測(cè)得的信號(hào)發(fā)射時(shí)間tS與接收機(jī)處測(cè)得的信號(hào)達(dá)到的時(shí)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(rèn)為這種鐘的時(shí)間與GPS時(shí)吻合；接收機(jī)處的時(shí)鐘是石英鐘，穩(wěn)定度一般，我們認(rèn)為它的時(shí)鐘時(shí)間與GPS時(shí)存在時(shí)間同步誤差，并將這種誤差作為一個(gè)待定參數(shù)。這樣，對(duì)于每個(gè)地面點(diǎn)實(shí)際上需要求解就有4個(gè)待定參數(shù)，因此至少需要觀測(cè)4顆衛(wèi)星至地面點(diǎn)的衛(wèi)地距離數(shù)據(jù)。

未來無人機(jī)在各類應(yīng)用中更像是布撒的一系列終端設(shè)備，飛控作為無人機(jī)的核心會(huì)在終端化過程中扮演重要作用，無論在消費(fèi)、農(nóng)業(yè)、巡視等各領(lǐng)域，飛控將成為數(shù)據(jù)終端的核心，大量的飛行狀態(tài)、任務(wù)數(shù)據(jù)、載荷狀態(tài)會(huì)被記錄、回傳、分發(fā)，用戶或其他利益相關(guān)方會(huì)通過付費(fèi)等商業(yè)模式獲取終端的有用信息。

超聲測(cè)距

通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時(shí)的時(shí)間差就可以知道距離了。這與雷達(dá)測(cè)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(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，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(jì)時(shí)。(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即:s=340t/2)

超聲波指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物 位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移 動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。

為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)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(cè)距系統(tǒng)，就是為機(jī)器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)距離信息。

為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類:一 類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等;機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)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(yùn)動(dòng)物體在觀察成像平面上的像素運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度，是利用圖像序列中像素在時(shí)間域上的變化以及相鄰幀之間的相關(guān)性來找到上一幀跟當(dāng)前幀之間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而計(jì)算出相鄰幀之間物體的運(yùn)動(dòng)信息的一種方法。一般而言，光流是由于場(chǎng)景中前景目標(biāo)本身的移動(dòng)、相機(jī)的運(yùn)動(dòng)，或者兩者的共同運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的。當(dāng)人的眼睛觀察運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，物體的景象在人眼的視網(wǎng)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(wǎng)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(dá)了圖像的變化，由于它包含了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的信息，因此可被觀察者用來確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)情況。研究光流場(chǎng)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(yùn)動(dòng)場(chǎng)。運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，其實(shí)就是物體在三維真實(shí)世界中的運(yùn)動(dòng)；光流場(chǎng)，是運(yùn)動(dòng)場(chǎng)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(gè)圖片序列，把每張圖像中每個(gè)像素的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向找出來就是光流場(chǎng)。那怎么找呢？咱們直觀理解肯定是：第t幀的時(shí)候A點(diǎn)的位置是(x1, y1)，那么我們?cè)诘趖+1幀的時(shí)候再找到A點(diǎn)，假如它的位置是(x2,y2)，那么我們就可以確定A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)了：(ux, vy) = (x2, y2) - (x1,y1)。那怎么知道第t+1幀的時(shí)候A點(diǎn)的位置呢？ 這就存在很多的光流計(jì)算方法了。1981年，Horn和Schunck創(chuàng)造性地將二維速度場(chǎng)與灰度相聯(lián)系，引入光流約束方程，得到光流計(jì)算的基本算法。人們基于不同的理論基礎(chǔ)提出各種光流計(jì)算方法，算法性能各有不同。Barron等人對(duì)多種光流計(jì)算技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，按照理論基礎(chǔ)與數(shù)學(xué)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(jīng)動(dòng)力學(xué)方法也頗受學(xué)者重視。

飛控通信網(wǎng)絡(luò)化隨著智能手機(jī)增長(zhǎng)率的放緩以及無人機(jī)終端化的趨勢(shì)，移動(dòng)運(yùn)營商們也敏銳捕捉到了商機(jī)，紛紛推出了面向無人機(jī)應(yīng)用的移動(dòng)通信解決方案。這類方案目前采用成熟商用 2G、3G、4G 網(wǎng)絡(luò)，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(jī)作為終端接入商用網(wǎng)絡(luò)。

雖然還存在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、覆蓋區(qū)域不全等因素，但隨著無人機(jī)數(shù)據(jù)價(jià)值的增加、移動(dòng)通信技術(shù)的高速發(fā)展驅(qū)動(dòng)以及無人機(jī)管控壓力的增大，在不久的將來借助運(yùn)營商的飛控網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)不可阻擋。形成無人機(jī)+大數(shù)據(jù)在大數(shù)據(jù)時(shí)代，沒有人否認(rèn)原始數(shù)據(jù)的重要性。