機械如何轉無人機飛控

1. 你了解無人機飛控么

世界變化快，我們雖在不知不覺間經歷著事物的變化，未必能夠意識到變化的發生，至於思考就更是奢求。而在無人機行業，思考卻比什麼都重要。

九十年代商務潮人標配大哥大+BP機，千禧年後出現了「手機」這個詞，功能上實現了大哥大與BP機的結合：Dial+Massage。之後手機的結構實現了從按鍵到鍵盤再到觸屏的變化過程，現如今哪款手機沒有系統，沒有APP，沒有網路功能都不敢加上「手機」二字。對於手機概念的理解不同，技術與產品方向也會不同。看似明確的變化過程中無數企業灰飛煙滅。
對於無人機行業而言，飛控系統是當之無愧的系統核心，而它又處在怎樣的變化之中呢？
二十一世紀之前國內很少聽到「無人機」這個詞，更多的是遙控飛機或者航模。八零後的朋友們應該還記得「舒克和貝塔」這部動畫片，第四集中兩只小老鼠幫助皮皮魯贏得了航模比賽。那時的航模還沒有「控」，因此除了舒克操控的直升機航模外，其他小朋友都使用相對容易操控的固定翼航模。
2000年以後隨著MEMS技術的發展以及電子航空發燒友的增加，從航模向無人機的轉變趨勢日趨明顯，很多FCM，FCU（Flight Control Mole/Unit，詞條解釋請移步：城堡里學無人機：無人機行業用語詞典（Keep 更新ing），下同）開始出現在人們面前：國內的KK，QQ，玉兔等，法國的MWC，德國的MikroKopter，Auto Quad，美國的Apm系列，穿越機常見的CC3d，Naze32，F3等。這些FCU通過相應的控制演算法，對無人機系統反饋的狀態信息（城堡里學無人機：狀態視角深入無人機硬體與演算法）進行解算，根據解算出的狀態數據結合演算法（一般為線性控制演算法）計算控制量並輸出。FCU本身往往只涉及很小一部分狀態信息的採集，同時內部演算法一般只針對無人機本身的姿態控制或者軌跡跟蹤（很少）。因此在系統硬體構成上不包含某些狀態信息獲取單元如GPS，超聲，紅外，光流，雙目等，或者不對某些狀態信息進行處理（如某些不處理外環狀態）。
在2012年之後，隨著航拍等市場需求的挖掘，無人機控制開始從FCM，FCU轉向FCS(Flight Control System)，無人機廠家開始生產各自的飛控產品，該類產品更多是應用在該企業無人機產品所面對的市場領域。這類產品與FCU在系統范圍（或元素組成）上有著明顯的區別，一般不止包括FCU所涵蓋的范疇，也包括數據獲取（如雲台、攝像頭等）模塊，數據通訊模塊，GPS模塊，配套的地面站（PC端，移動端），SDK等。
但這種轉型並沒有徹底完成，由於FCS的系統架構，系統設計，相關演算法，地面站功能等各個方面都與無人機本身的應用行業息息相關，對於企業而言，真正的難點在於如何實現無人機技術與行業應用的銜接，即FCS的產品設計與技術發展不止於無人機，更重要的是延伸到無人機應用的行業中去。
在無人機行業應用中一批企業已經走在前面，有的企業提供整機服務如極飛、DJI等。也有企業專注於提供行業FCS，其中成熟的產品如上海TopXGun(拓攻)的植保機專用飛控：T1-A及行業飛控Top-D1（第十三屆上海模型展覽會就快召開了，包括拓攻這兩款FCS在內的很多產品都會參展，有興趣的朋友可以在讀完本文後面內容後去展會現場看一看行業級FCS產品與實機演示效果）

MR.城堡將以這一類產品為例與大家分享行業FCS在設計與實現中需要考慮的問題與處理方案。
無人機是基於任務的智能機器人系統，整體設計要根據專門的行業應用進行調整。這種調整勢必面臨來自穩定性、控制精度、行業適應性三個方面的挑戰。
1.穩定性
穩定性方面，行業無人機需要面對更加復雜的外部環境：強風干擾，強磁干擾，以及特殊情況下的系統穩定性，如大電流情況下的系統穩定性，高溫度作業環境中的系統穩定性等等。無論哪種情況，FCS都會首當其沖。如強風干擾下能否在維持快速響應的同時降低相應超調？高溫度下任何一個環節出現問題都有可能導致FCS系統部分或全部喪失能力。更多的挑戰是在消費應用中往往不會意識到的問題（或者影響有限），如定位系統穩定性，定位數據精度等，當面對長航時，情況多變，要求提高的行業應用時卻可能嚴重影響無人機任務完成情況甚至造成重大事故。
面對穩定性問題，從硬體角度出發一般有三類解決方案。最直接的方式是增加備份系統或備份單元（也可稱為增加「余度」，但該詞多義，謹慎使用）。比如DJI精靈4中雙目視覺有兩套，IMU兩個，強磁計兩個。拓攻的Top-D1，T1-S等採用備份FCU來降低系統風險。再有，Top-D1採用了差分GPS（DGPS）系統，支持GPS L1/L2、BDS B1/B2/B3雙星五頻與雙星解算，為行業應用提供更精確的定位信息（有關於DGPS技術，MR.城堡也會在以後的專欄文章中展開）。另外一種方式是增加FCS核心元件質量。比如無人機系統最容易出現數據誤差與干擾的強磁計，在FCS設計時根據行業要求與任務情況進行選擇。

上面的兩類硬體改進途徑一方面可以在很大程度上解決行業FCS系統面對的穩定性問題，但另外一個方面也勢必會增加系統成本。第三種方法是通過合理的硬體結構設計與製造工藝達到事半功倍的效果。

上圖是拓攻Top-D1的硬體圖，在每個子模塊中採用單獨處理器的分布式結構，一方面提高了整個系統以及各子系統的的性能，更重要的是保證了FCS中最關鍵部分FCU的安全性。從圖中看出，FCS通過IMU，OSD，PMU等模塊與FCU剝離實現分布式系統結構，這樣的設計方式，大家也可以在自己的設計中使用。
演算法方面，雖然不清楚拓攻或類似FCS設計商在行業級FCS中是否使用了特殊演算法架構，但在行業應用中演算法設計不是單獨進行的，要配合硬體系統設計以及產品功能實現，這部分內容MR.城堡會在專欄後續文章中進一步展開。
2.功能適應性
不同的行業對無人機硬體系統的內容，軟體功能，演算法要求都會不同。比如在植保領域，無人機介入該行業的最基本功能是噴灑農葯。面對大面積作業范圍，要求無人機能夠自動完成相關作業任務，否則在全部人為操作下，這項工作很難保證高效實現，且無法進行量化評價。這要求FCS不止針對無人機實現自動控制控制，也要能夠將水泵，葯夜噴灌系統納入到控制范疇。從設計角度講，FCS的設計范疇需要越過無人機進入相關行業。
FCS在面對不同行業時，對於功能適應的實現能力有著非常現實的要求。由於DJI、極飛這類提供整機產品的廠家沒找到對應的FCS結構圖，因此從專門的行業FCS廠商產品分析會容易些。比如拓攻的植保機飛控T1-A（上圖），該飛控在硬體結構上專門增添了DCU模塊處理噴灌過程的數據反饋，動作信號等。同時將液位數據轉化為噴灌量，進一步將噴灌量與飛行速度關聯，實現噴葯量與作業面積的統一，最後將這種數據關聯帶入到FCS對應的「智能作業」功能中。
大家可以從類似T1-A這樣的行業產品中體會FCS是如何一步步通過硬體結構、演算法關聯、系統要素最終匹配到植保領域的功能需求上來。這個過程中不同的行業理解，不同的設計方式，會產生不同的行業FCS產品。
3.研發鏈條延伸
在消費級無人機中，由於環境，法規，硬體成熟度，系統成熟度等原因，研發過程基本能夠壓縮在產品面世之前，在產品面世之後更多的是固件升級（往往也不會有很多升級版本）。但行業無人機的發展還處在萌芽階段，對於FCS在各個行業中的應用情況，需求情況，系統匹配等方面存在諸多不確定性（甚至評價方法都不明確），這就要求飛控企業能夠找到合適的方式實現產品面市之後的研發鏈條延伸。

國內專門進行無人機飛控設計與生產的公司往往比較「年輕」。以拓攻為例，成立時間約一年左右，有五款飛控產品面市，這個速度是非常快的，其中通用飛控三款（T1,T1-S,T1-Pro），行業飛控Top-D1,T1-A共兩款。這么多產品從側面說明在實際應用中對於FCS要求上存在著多麼大的靈活性與不確定性。產品發布之後，如何實現有效的行業數據反饋？如何在保證用戶權益的前提下匹配FCS升級要求？如何實現硬體系統擴展？到底要擴展哪些硬體？如何通過行業指標評價FCS的使用效果？這些都意味這更大的挑戰，更多的工作，當然也意味著更多的機遇。
FCS的設計無論是在消費領域還是行業領域都處於非常初始的階段，產品體系，技術體系，研發脈絡，反饋修正方式，硬體設計，演算法設計，功能設計，硬體系統擴展，功能擴展等方面都有著很多可以探索的內容。從FCS「組裝製作」到FCS「設計」，你能收獲的不止是快樂。
城堡無人機工作室公眾號：CastleUAVStudio
文中圖片來自於互聯網

2. 無人機怎麼操作起飛

1、電池安裝無人機上主機插槽里。

3. 無人機飛控怎樣接接收機電調 各種線怎麼接

電調總共有5根線。3根在一頭，2根在另一頭，3跟的分別接電機3根線，無所謂正負，只要轉動方向反了任意調換兩根線就行；另外兩根是電源線，直接接電池，忘了還有一根細的舵機插頭，這個直接接飛控或者接收機

首先是接收機到飛控的接線，每一個通道都要一根線，這個沒錯，因為很多接收機確實只支持各通道ppm獨立輸出。 不過現在很多接收機都支持全序列ppm單線輸出（其實很多初衷就是配合帶飛控的模型，尤其是四軸），本來ppm信號解碼出來就是一列，全序列直接輸出把一大把線簡化成了一根。如果算上雲台，模式設定這些通道，等於節省掉一把線束，至於每個通道的映射關系，基本姿態控制四個通道在大部分接收機上是一致的，其他輔助通道完全可以在調參軟體裡面設置。
其次是飛控到電調的接線，也是每個電調一根線，至少四根，任何一根松脫就全玩完。 電調到飛控的介面Xaircraft是自己定義的，完全可以簡化成一根線搞定。

我不是說要把分通道單獨輸入的插口取消掉，不是每個接收機都支持全序列ppm輸出，很多人DIY也會用其他電調。那麼多借口全部用自鎖插頭空間不夠，但是增加三個帶自鎖的3pin插口肯定是有空間的，配合上匹配自鎖插口的信號線，讓接收機-飛控-電調之間的連接可以變成一條線完成，可以極大的簡化安裝，降低事故概率，機器也更美觀，我還沒開始玩四軸，但每次看到FY21AP上那一坨線
飛控左邊有12個3pin輸入插口，如果用整列ppm信號輸出的接收機，12根線，24個插口可以簡化成1根線，2個插口，系統復雜度可以降低很多。 右邊的輸出介面至少可以把四個電調的4線8插口簡化成1線2插口，如果是八軸還可以簡化更多。

4. 無人機飛控系統主要會使用哪些控制方法

飛機的滾轉和仰俯主要由副翼及升降舵控制，其主要由兩種數字計算機(ELAC，SEC)提供信號給液壓作動器控制舵面偏轉。以升降舵為例，升降舵有兩個作動器，正常情況下內側作動器作動則外側作動器工作在阻尼模式，此時ELAC2#計算機指令通道控制內側作動器的伺服活門工作，ELAC1#對1#電磁活門進行監控，SEC1#監控2#電磁活門，如故障可先對系統進行地面掃描。如:SEC1 MON OR WIRING TO R Y ELEV SOL VLV 34CE2等信息，根據故障通過控制規律得出:右升降舵內側作動器的2號電磁活門故障。通過熟記控制規律可快速准確的判斷故障源，為短停排故節省時間。 方向舵是控制飛機偏航的，在電源暫時完全喪失時，提供保持飛機在飛行中的偏航能力。但是在正常狀況下，一些方向舵控制功能由FAC完成。方向舵由三個伺服控制器提供動力，其控制機械信號來自踏板。故障主要集中在1個配平作動器，2個偏航阻尼作動器和1個行程限制組件上，正常情況下由飛行增穩計算機FAC1控制，FAC2處於備用狀態。而飛機的方向舵故障通常不好判斷，作動器位置較高更換困難，如更換件錯誤則會浪費大量時間造成航班延誤。方向舵的幾個作動器同樣是由伺服活門控制，電磁活門監控，每個活門都對應了兩部FAC計算機的兩個插釘，只要在電子艙用萬用表測量相應插釘的電阻值就可判斷出哪個作動器故障，再針對更換就可快速排除此故障。

5. 科普：無人機通過什麼方式實現遠程式控制制和數據傳輸

無人機工作原理是是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機，或者由車載計算機完全地或間歇地自主地操作。

無人機用途廣泛，成本低，效費比好；無人員傷亡風險；生存能力強，
機動性能好，使用方便，在現代戰爭中有極其重要的作用，在民用領域更有廣闊的前景。

(5)機械如何轉無人機飛控擴展閱讀：

無人機特點：

1、無人機飛行姿態穩定、 實用性強，可多次進行成功作業。

2、系統採用先進的 GPS 導航自主飛行，航線全自動規劃，飛行航跡、高度和姿態高精度自動控制等一系列先進技術，讓無人機具備了良好的
飛行性能。

3、通訊鏈穩定性好可以做到可工作在各種惡劣的環境下，
溫度范圍-40℃~+70℃。支持遠距離傳輸 60-100km，主要是用於飛控及機載（GPS、飛行姿態、航點、感測器）數據的傳輸。

4、無人機的巡航時間長、氣候條件適應性強、可搭載多種感測器，二三維互動式地面飛控系統模塊化系統結構設計， 電熱膜加溫技術和納米塗層技術，具備防冰能力，在惡劣氣象條件下仍然能夠實施作戰偵察任務。

參考資料來源：網路--無人機（無人駕駛飛機）

6. 請問無人機是如何工作的

無人機的工作原理：垂直運動，無人機利用旋翼實現前進和停止。力的相對性意味著旋翼推動空氣時，空氣也會反向推動旋翼。這是無人機能夠上上下下的基本原理。進而，旋翼旋轉地越快，升力就越大，反之亦然。而要使無人機向右轉，則需要降低旋翼1的角速度。但是，雖然來自旋翼1的推力缺失能使無人機改變運動方向，但與此同時向上的力不等於向下的重力，所以無人機會下降。無人機是對稱的。這同樣適用於側向運動。一架四輪無人機就像一輛每一面都可作為正面的車，所以了如何向前也就解釋了如何向後或向兩側移動的問題。

7. 什麼是無人機飛控系統，它是如何組成和運做的

飛控系統一般包含了很多的感測器，速度感測器、角速率感測器、高度感測器、氣壓、光流等等。通過感測器
和調節PID
來為無人機進行增穩，通過連接電調來控制電機的轉速來改變無人機的姿態。

8. 6旋翼無人機旋翼都是怎麼旋轉的

四旋翼飛行器正反槳兩兩成對，分別向不同方向旋轉，平衡扭矩並向旋翼「下方」推送氣流。通過成對變化定距槳旋轉速度，調整入流量來實現飛行器姿態控制。

一般而言，四旋翼飛行器有兩種飛行模式，上面介紹的是X型控制結構，也是當下使用較多的控制方式。除此之外還有十字型，兩者原理大同，細節小異。

至於八旋翼，十六旋翼甚至更多，都是通過成對正反槳平衡扭矩，提供升力，調整姿態。（勁鷹無人機）

9. 無人機飛控的特點

無人機飛控是指能夠穩定無人機飛行姿態，並能控制無人機自主或半自主飛行的控制系統，是無人機的大腦。
隨著智能化的發展，當今的無人機已不僅僅限於固定翼與傳統直升機形式，已經涌現出四軸、六軸、單軸、矢量控制等多種形式。
固定翼無人機飛行的控制通常包括方向、副翼、升降、油門、襟翼等控制舵面，通過舵機改變飛機的翼面，產生相應的扭矩，控制飛機轉彎、爬升、俯沖、橫滾等動作。
傳統直升機形式的無人機通過控制直升機的傾斜盤、油門、尾舵等，控制飛機轉彎、爬升、俯沖、橫滾等動作。
多軸形式的無人機一般通過控制各軸槳葉的轉速來控制無人機的姿態，以實現轉彎、爬升、俯沖、橫滾等動作。
對於固定翼無人機，一般來說，在姿態平穩時，控制方向舵會改變飛機的航向，通常會造成一定角度的橫滾，在穩定性好的飛機上，看起來就像汽車在地面轉彎一般，可稱其為測滑。方向舵是最常用做自動控制轉彎的手段，方向舵轉彎的缺點是轉彎半徑相對較大，較副翼轉彎的機動性略差。 副翼的作用是進行飛機的橫滾控制。固定翼飛機當產生橫滾時，會向橫滾方向進行轉彎，同時會掉一定的高度。 升降舵的作用是進行飛機的俯仰控制，拉桿抬頭，推桿低頭。拉桿時飛機抬頭爬升，動能朝勢能的轉換會使速度降低，因此在控制時要監視空速，避免因為過分拉桿而導致失速。 油門舵的作用是控制飛機發動機的轉速，加大油門量會使飛機增加動力，加速或爬升，反之則減速或降低。
了解了各舵的控製作用，我們開始討論一下升降舵和油門的控制。固定翼飛機都有一個最低時速被稱做失速速度，當低於這個速度的時候飛機將由於無法獲得足夠的升力而導致舵效失效，飛機失控。通過飛機的空速感測器我們可以實時獲知飛機的當前空速，當空速降低時必須通過增加油門或推桿使飛機損失高度而換取空速的增加，當空速過高時減小油門或拉桿使飛機獲得高度而換取空速的降低。因此固定翼飛機有兩種不同的控制模式，根據實際情況的使用而供用戶選擇： 第一種控制方式是，根據設定好的目標空速，當實際空速高於目標空速時，控制升降舵拉桿，反之推桿；那空速的高低影響了高度的高低，於是採用油門來控制飛機的高度，當飛行高度高於目標高度時，減小油門，反之增加油門。由此我們可以來分析，當飛機飛行時，如果低於目標高度，飛控控制油門增加，導致空速增加，再導致飛控控制拉桿，於是飛機上升；當飛機高度高於目標高度，飛控控制油門減小，導致空速減小，於是飛控再控制推桿，使高度降低。這種控制方式的好處是，飛機始終以空速為第一因素來進行控制，因此保證了飛行的安全，特別是當發動機熄火等異常情況發生時，使飛機能繼續保持安全，直到高度降低到地面。這種方式的缺點在於對高度的控制是間接控制，因此高度控制可能會有一定的滯後或者波動。 第二種控制方式是：設定好飛機平飛時的迎角，當飛行高度高於或低於目標高度時，在平飛迎角的基礎上根據高度與目標高度的差設定一個經過PID控制器輸出的限制幅度的爬升角，由飛機當前的俯仰角和爬升角的偏差來控制升降舵面，使飛機迅速達到這個爬升角，而盡快完成高度偏差的消除。但飛機的高度升高或降低後，必然造成空速的變化，因此採用油門來控制飛機的空速，即當空速低於目標空速後，在當前油門的基礎上增加油門，當前空速高於目標空速後，在當前油門的基礎上減小油門。這種控制方式的好處是能對高度的變化進行第一時間的反應，因此高度控制較好，缺點是當油門失效時，比如發動機熄火發生時，由於高度降低飛控將使飛機保持經過限幅的最大仰角，最終由於動力的缺乏導致失速。 因此，兩種控制模式根據實際情況而選用。我們選用的是第二種控制模式，並增加了當空速低於一定速度的時候，認為異常發生，立刻轉為第一種控制模式以保證飛機的安全。