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科普｜无人机飞控系统

无人机飞控系统

最近几年以来无人机的热度一直有增无减，而一直引领这一行业发展的就是我国的大疆公司

大疆之所以能引领行业我觉得最大的因素是其率先开发出简单实用的飞控系统。

在还没飞控系统的时候，无人机、航模等都是很难操控的，只能在视觉范围内控制。其遥控实现机动、机态的调整都需要飞手通过视觉的感知再去进行控制。这样的操作注定没法大众普及。直到研发出的飞控系统。才使无人机成为面向消费级的产品。可以说飞控技术的发展是无人机得以快速发展壮大的最大推手。

现在，我们就来简单介绍一下飞行控制系统

飞行控制系统简称飞控，是飞行器的大脑，多轴飞行器的飞行、悬停，姿态变化等等都是由多种传感器将飞行器本身的姿态数据传回飞控，再由飞控通过运算和判断下达指令，由执行机构完成动作和飞行姿态调整。

无人机飞控系统的组成：

IMU惯性测量单元

IMU惯性测量单元是由三轴陀螺仪、三轴加速计、三轴地磁传感器和气压计构成的。

三轴指的就是飞机的左右、前后和垂直方向的上下，在飞机上分别对应横滚、俯仰和Z轴。

三轴陀螺仪通过三个轴上的传感器计算外部框架旋转的度数等数据，现在一般用电子陀螺仪代替机械陀螺仪。

三轴加速度计是测量飞机XYZ三个轴的加速度；地磁传感器就是感知地磁，就是一个电子指南针，可以让飞机知道自己的飞行朝向、机头朝向、目的位置和原位置。

气压计用于测量不同位置，计算压差获得当前的高度。

GPS定位：确定飞行器的位置、目的位置、原位置当前速度和加速度等，并且可和气压计、空速计一同工作，消除误差等

空速传感器：分为两路测量气压的传感器，一路测量静止气压，一路测量迎风气压，利用差值计算当前的空气流速等

这几个元件综合作用感知飞机的姿态变化数据。由于飞行器本身的不稳定和环境的多变，要实现稳定悬停和飞行，就需要获得飞行器的15个状态，比如：三维位置、三维速度、三维加速度、三轴角度、三轴角速度等等，并进行一系列“串级控制”，即把这些数据传输给飞控内部的单片机，单片机负责运算，根据飞机的当前数据，计算出相应的补偿方向、补偿角，再把这些补偿数据传输给电机，由电机去执行，完成补偿动作。

由于环境的多变，大部分的飞控需要几乎每时每刻都在对飞行器进行微调，大概一秒刷新十次，即进行十次微调，才能做到最简单的稳定悬停。

就不用再说那些更高难度的翻滚运动、俯仰运动、偏航运动等等了。

地面站：飞手、遥控器、显示屏等

这就是飞控的最基本的功能，如果没有飞控系统，就需要人为视觉去看飞行器的运动状态，一旦其中一个角发生倾斜，那么飞行器就会快速失去平衡，而发生坠机“炸机”。

揭开无人机神秘面纱系列之4一飞控的内部探究（部分）

硬件：决定性能的上层建筑

处理器(CPU)

处理器(CPU,Central Pocessing Unit)是飞控的核心部件，运行飞控的核心算法，在当前流行的飞控产品中，带有片上实时操作系统的嵌入式处理器叫已经占领绝大部分市场，常见的核心类型有ARM、AVR、DSP或FPGA等。由于这些SoC或者MCU单片机集成度的高速发展，我们可以很方便地在一块电路板上板载多个单片机，所以×86工控机、PC104单板机、小型机等其他计算机在民用无人机的飞控系统中已经比较少见。

AVR单片机开启了开源飞控的先河AVR单片机架构简单，运行可靠，开发也比较容易，受到早期开源项目的普遍欢迎、它是最早的开源飞控Arduino所使用的核心处理器，所以很多衍生的飞控也使用这种单片机来进行核心运算。主要的代表就是ATmega328P和ATmega2560，前者用于Arduino,后者用于APM飞控。但是由于开源飞往的参与者越来越多，有些项目甚至至达到四千人的规模，开源飞控的发展也越来越迅速。一些只在商业飞控才能见到的高端算法也逐渐走进开源飞控，这导致AVR只这种8位单片机的计算能力和它所能集成的接口资源捉襟见肘，所以使用这种单片机的飞控也越来越少了。

ARM核心的单片机，作为低消耗高性能的代表，正在快速占领单片机市场。在飞控使用的ARM单片机主要分为两大阵营，一种是精简指令的工业低成本单片机，另一种则是带有Linux或安卓操作系统的高端复杂单片机。著名的STM32系列就是前者的代表产品，目前最流行的开源飞控大多使用这个系列，比如Pixhawk，该单片机具有32位运算核心，片上集成的接口包括中串口、SPI、I2C、PWM、AD、I0等，可以说是应有尽有。高端型号甚至集成硬件浮点运算，这对于飞控软件所需的导航飞控算法和滤波计算实在是雪中送碳。而大多数商业飞控则倾向于能够运行Linux、安卓、VxWorks等大型操作系统的高端ARM处理器，这种处理器功能类似手机处理器，具有更加强悍的计算能力，并且拥有多个核心，可以进行一定量地并行处理和协同处理，保证多个任务的实时性。带有操作系统可以保障团队的开发工作更加高效，并具有可继承性。飞思杜尔、三星、高通都有大量此类产品。

FPGA是一种高度定制、实时性无与伦比的处理器，准确得说它不算处理器，而是超大规模逻辑门的组合。你可以把它定义为任何核心，甚至可以在一片FPGA上定义多个不同种类的运算核心而相互协同、互不干扰。举个例子，一个一厘米见方的FPGA产品，通常包含几十万基至上千万个逻辑阵列，但是一个32位单片机的CortexMl核心，仅仅需要4300个逻辑门就可以了，由此可见其无人能及的强大，其他单片机难以驾驭的大数据的实时处理，FPCA能够胜任。最典型的例子就是机器视觉的实时处理。所以从实时性和处理能力来说，将FPGA用于飞控产品的开发几乎是完美的。但是当前FPGA的开发过程非常复杂，令许多工程师望而却步。