机械如何转无人机飞控

1. 你了解无人机飞控么

世界变化快，我们虽在不知不觉间经历着事物的变化，未必能够意识到变化的发生，至于思考就更是奢求。而在无人机行业，思考却比什么都重要。

九十年代商务潮人标配大哥大+BP机，千禧年后出现了“手机”这个词，功能上实现了大哥大与BP机的结合：Dial+Massage。之后手机的结构实现了从按键到键盘再到触屏的变化过程，现如今哪款手机没有系统，没有APP，没有网络功能都不敢加上“手机”二字。对于手机概念的理解不同，技术与产品方向也会不同。看似明确的变化过程中无数企业灰飞烟灭。
对于无人机行业而言，飞控系统是当之无愧的系统核心，而它又处在怎样的变化之中呢？
二十一世纪之前国内很少听到“无人机”这个词，更多的是遥控飞机或者航模。八零后的朋友们应该还记得“舒克和贝塔”这部动画片，第四集中两只小老鼠帮助皮皮鲁赢得了航模比赛。那时的航模还没有“控”，因此除了舒克操控的直升机航模外，其他小朋友都使用相对容易操控的固定翼航模。
2000年以后随着MEMS技术的发展以及电子航空发烧友的增加，从航模向无人机的转变趋势日趋明显，很多FCM，FCU（Flight Control Mole/Unit，词条解释请移步：城堡里学无人机：无人机行业用语词典（Keep 更新ing），下同）开始出现在人们面前：国内的KK，QQ，玉兔等，法国的MWC，德国的MikroKopter，Auto Quad，美国的Apm系列，穿越机常见的CC3d，Naze32，F3等。这些FCU通过相应的控制算法，对无人机系统反馈的状态信息（城堡里学无人机：状态视角深入无人机硬件与算法）进行解算，根据解算出的状态数据结合算法（一般为线性控制算法）计算控制量并输出。FCU本身往往只涉及很小一部分状态信息的采集，同时内部算法一般只针对无人机本身的姿态控制或者轨迹跟踪（很少）。因此在系统硬件构成上不包含某些状态信息获取单元如GPS，超声，红外，光流，双目等，或者不对某些状态信息进行处理（如某些不处理外环状态）。
在2012年之后，随着航拍等市场需求的挖掘，无人机控制开始从FCM，FCU转向FCS(Flight Control System)，无人机厂家开始生产各自的飞控产品，该类产品更多是应用在该企业无人机产品所面对的市场领域。这类产品与FCU在系统范围（或元素组成）上有着明显的区别，一般不止包括FCU所涵盖的范畴，也包括数据获取（如云台、摄像头等）模块，数据通讯模块，GPS模块，配套的地面站（PC端，移动端），SDK等。
但这种转型并没有彻底完成，由于FCS的系统架构，系统设计，相关算法，地面站功能等各个方面都与无人机本身的应用行业息息相关，对于企业而言，真正的难点在于如何实现无人机技术与行业应用的衔接，即FCS的产品设计与技术发展不止于无人机，更重要的是延伸到无人机应用的行业中去。
在无人机行业应用中一批企业已经走在前面，有的企业提供整机服务如极飞、DJI等。也有企业专注于提供行业FCS，其中成熟的产品如上海TopXGun(拓攻)的植保机专用飞控：T1-A及行业飞控Top-D1（第十三届上海模型展览会就快召开了，包括拓攻这两款FCS在内的很多产品都会参展，有兴趣的朋友可以在读完本文后面内容后去展会现场看一看行业级FCS产品与实机演示效果）

MR.城堡将以这一类产品为例与大家分享行业FCS在设计与实现中需要考虑的问题与处理方案。
无人机是基于任务的智能机器人系统，整体设计要根据专门的行业应用进行调整。这种调整势必面临来自稳定性、控制精度、行业适应性三个方面的挑战。
1.稳定性
稳定性方面，行业无人机需要面对更加复杂的外部环境：强风干扰，强磁干扰，以及特殊情况下的系统稳定性，如大电流情况下的系统稳定性，高温度作业环境中的系统稳定性等等。无论哪种情况，FCS都会首当其冲。如强风干扰下能否在维持快速响应的同时降低相应超调？高温度下任何一个环节出现问题都有可能导致FCS系统部分或全部丧失能力。更多的挑战是在消费应用中往往不会意识到的问题（或者影响有限），如定位系统稳定性，定位数据精度等，当面对长航时，情况多变，要求提高的行业应用时却可能严重影响无人机任务完成情况甚至造成重大事故。
面对稳定性问题，从硬件角度出发一般有三类解决方案。最直接的方式是增加备份系统或备份单元（也可称为增加“余度”，但该词多义，谨慎使用）。比如DJI精灵4中双目视觉有两套，IMU两个，强磁计两个。拓攻的Top-D1，T1-S等采用备份FCU来降低系统风险。再有，Top-D1采用了差分GPS（DGPS）系统，支持GPS L1/L2、BDS B1/B2/B3双星五频与双星解算，为行业应用提供更精确的定位信息（有关于DGPS技术，MR.城堡也会在以后的专栏文章中展开）。另外一种方式是增加FCS核心元件质量。比如无人机系统最容易出现数据误差与干扰的强磁计，在FCS设计时根据行业要求与任务情况进行选择。

上面的两类硬件改进途径一方面可以在很大程度上解决行业FCS系统面对的稳定性问题，但另外一个方面也势必会增加系统成本。第三种方法是通过合理的硬件结构设计与制造工艺达到事半功倍的效果。

上图是拓攻Top-D1的硬件图，在每个子模块中采用单独处理器的分布式结构，一方面提高了整个系统以及各子系统的的性能，更重要的是保证了FCS中最关键部分FCU的安全性。从图中看出，FCS通过IMU，OSD，PMU等模块与FCU剥离实现分布式系统结构，这样的设计方式，大家也可以在自己的设计中使用。
算法方面，虽然不清楚拓攻或类似FCS设计商在行业级FCS中是否使用了特殊算法架构，但在行业应用中算法设计不是单独进行的，要配合硬件系统设计以及产品功能实现，这部分内容MR.城堡会在专栏后续文章中进一步展开。
2.功能适应性
不同的行业对无人机硬件系统的内容，软件功能，算法要求都会不同。比如在植保领域，无人机介入该行业的最基本功能是喷洒农药。面对大面积作业范围，要求无人机能够自动完成相关作业任务，否则在全部人为操作下，这项工作很难保证高效实现，且无法进行量化评价。这要求FCS不止针对无人机实现自动控制控制，也要能够将水泵，药夜喷灌系统纳入到控制范畴。从设计角度讲，FCS的设计范畴需要越过无人机进入相关行业。
FCS在面对不同行业时，对于功能适应的实现能力有着非常现实的要求。由于DJI、极飞这类提供整机产品的厂家没找到对应的FCS结构图，因此从专门的行业FCS厂商产品分析会容易些。比如拓攻的植保机飞控T1-A（上图），该飞控在硬件结构上专门增添了DCU模块处理喷灌过程的数据反馈，动作信号等。同时将液位数据转化为喷灌量，进一步将喷灌量与飞行速度关联，实现喷药量与作业面积的统一，最后将这种数据关联带入到FCS对应的“智能作业”功能中。
大家可以从类似T1-A这样的行业产品中体会FCS是如何一步步通过硬件结构、算法关联、系统要素最终匹配到植保领域的功能需求上来。这个过程中不同的行业理解，不同的设计方式，会产生不同的行业FCS产品。
3.研发链条延伸
在消费级无人机中，由于环境，法规，硬件成熟度，系统成熟度等原因，研发过程基本能够压缩在产品面世之前，在产品面世之后更多的是固件升级（往往也不会有很多升级版本）。但行业无人机的发展还处在萌芽阶段，对于FCS在各个行业中的应用情况，需求情况，系统匹配等方面存在诸多不确定性（甚至评价方法都不明确），这就要求飞控企业能够找到合适的方式实现产品面市之后的研发链条延伸。

国内专门进行无人机飞控设计与生产的公司往往比较“年轻”。以拓攻为例，成立时间约一年左右，有五款飞控产品面市，这个速度是非常快的，其中通用飞控三款（T1,T1-S,T1-Pro），行业飞控Top-D1,T1-A共两款。这么多产品从侧面说明在实际应用中对于FCS要求上存在着多么大的灵活性与不确定性。产品发布之后，如何实现有效的行业数据反馈？如何在保证用户权益的前提下匹配FCS升级要求？如何实现硬件系统扩展？到底要扩展哪些硬件？如何通过行业指标评价FCS的使用效果？这些都意味这更大的挑战，更多的工作，当然也意味着更多的机遇。
FCS的设计无论是在消费领域还是行业领域都处于非常初始的阶段，产品体系，技术体系，研发脉络，反馈修正方式，硬件设计，算法设计，功能设计，硬件系统扩展，功能扩展等方面都有着很多可以探索的内容。从FCS“组装制作”到FCS“设计”，你能收获的不止是快乐。
城堡无人机工作室公众号：CastleUAVStudio
文中图片来自于互联网

2. 无人机怎么操作起飞

1、电池安装无人机上主机插槽里。

3. 无人机飞控怎样接接收机电调 各种线怎么接

电调总共有5根线。3根在一头，2根在另一头，3跟的分别接电机3根线，无所谓正负，只要转动方向反了任意调换两根线就行；另外两根是电源线，直接接电池，忘了还有一根细的舵机插头，这个直接接飞控或者接收机

首先是接收机到飞控的接线，每一个通道都要一根线，这个没错，因为很多接收机确实只支持各通道ppm独立输出。 不过现在很多接收机都支持全序列ppm单线输出（其实很多初衷就是配合带飞控的模型，尤其是四轴），本来ppm信号解码出来就是一列，全序列直接输出把一大把线简化成了一根。如果算上云台，模式设定这些通道，等于节省掉一把线束，至于每个通道的映射关系，基本姿态控制四个通道在大部分接收机上是一致的，其他辅助通道完全可以在调参软件里面设置。
其次是飞控到电调的接线，也是每个电调一根线，至少四根，任何一根松脱就全玩完。 电调到飞控的接口Xaircraft是自己定义的，完全可以简化成一根线搞定。

我不是说要把分通道单独输入的插口取消掉，不是每个接收机都支持全序列ppm输出，很多人DIY也会用其他电调。那么多借口全部用自锁插头空间不够，但是增加三个带自锁的3pin插口肯定是有空间的，配合上匹配自锁插口的信号线，让接收机-飞控-电调之间的连接可以变成一条线完成，可以极大的简化安装，降低事故概率，机器也更美观，我还没开始玩四轴，但每次看到FY21AP上那一坨线
飞控左边有12个3pin输入插口，如果用整列ppm信号输出的接收机，12根线，24个插口可以简化成1根线，2个插口，系统复杂度可以降低很多。 右边的输出接口至少可以把四个电调的4线8插口简化成1线2插口，如果是八轴还可以简化更多。

4. 无人机飞控系统主要会使用哪些控制方法

飞机的滚转和仰俯主要由副翼及升降舵控制，其主要由两种数字计算机(ELAC，SEC)提供信号给液压作动器控制舵面偏转。以升降舵为例，升降舵有两个作动器，正常情况下内侧作动器作动则外侧作动器工作在阻尼模式，此时ELAC2#计算机指令通道控制内侧作动器的伺服活门工作，ELAC1#对1#电磁活门进行监控，SEC1#监控2#电磁活门，如故障可先对系统进行地面扫描。如:SEC1 MON OR WIRING TO R Y ELEV SOL VLV 34CE2等信息，根据故障通过控制规律得出:右升降舵内侧作动器的2号电磁活门故障。通过熟记控制规律可快速准确的判断故障源，为短停排故节省时间。 方向舵是控制飞机偏航的，在电源暂时完全丧失时，提供保持飞机在飞行中的偏航能力。但是在正常状况下，一些方向舵控制功能由FAC完成。方向舵由三个伺服控制器提供动力，其控制机械信号来自踏板。故障主要集中在1个配平作动器，2个偏航阻尼作动器和1个行程限制组件上，正常情况下由飞行增稳计算机FAC1控制，FAC2处于备用状态。而飞机的方向舵故障通常不好判断，作动器位置较高更换困难，如更换件错误则会浪费大量时间造成航班延误。方向舵的几个作动器同样是由伺服活门控制，电磁活门监控，每个活门都对应了两部FAC计算机的两个插钉，只要在电子舱用万用表测量相应插钉的电阻值就可判断出哪个作动器故障，再针对更换就可快速排除此故障。

5. 科普：无人机通过什么方式实现远程控制和数据传输

无人机工作原理是是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。

无人机用途广泛，成本低，效费比好；无人员伤亡风险；生存能力强，
机动性能好，使用方便，在现代战争中有极其重要的作用，在民用领域更有广阔的前景。

(5)机械如何转无人机飞控扩展阅读：

无人机特点：

1、无人机飞行姿态稳定、 实用性强，可多次进行成功作业。

2、系统采用先进的 GPS 导航自主飞行，航线全自动规划，飞行航迹、高度和姿态高精度自动控制等一系列先进技术，让无人机具备了良好的
飞行性能。

3、通讯链稳定性好可以做到可工作在各种恶劣的环境下，
温度范围-40℃~+70℃。支持远距离传输 60-100km，主要是用于飞控及机载（GPS、飞行姿态、航点、传感器）数据的传输。

4、无人机的巡航时间长、气候条件适应性强、可搭载多种传感器，二三维交互式地面飞控系统模块化系统结构设计， 电热膜加温技术和纳米涂层技术，具备防冰能力，在恶劣气象条件下仍然能够实施作战侦察任务。

参考资料来源：网络--无人机（无人驾驶飞机）

6. 请问无人机是如何工作的

无人机的工作原理：垂直运动，无人机利用旋翼实现前进和停止。力的相对性意味着旋翼推动空气时，空气也会反向推动旋翼。这是无人机能够上上下下的基本原理。进而，旋翼旋转地越快，升力就越大，反之亦然。而要使无人机向右转，则需要降低旋翼1的角速度。但是，虽然来自旋翼1的推力缺失能使无人机改变运动方向，但与此同时向上的力不等于向下的重力，所以无人机会下降。无人机是对称的。这同样适用于侧向运动。一架四轮无人机就像一辆每一面都可作为正面的车，所以了如何向前也就解释了如何向后或向两侧移动的问题。

7. 什么是无人机飞控系统，它是如何组成和运做的

飞控系统一般包含了很多的传感器，速度传感器、角速率传感器、高度传感器、气压、光流等等。通过传感器
和调节PID
来为无人机进行增稳，通过连接电调来控制电机的转速来改变无人机的姿态。

8. 6旋翼无人机旋翼都是怎么旋转的

四旋翼飞行器正反桨两两成对，分别向不同方向旋转，平衡扭矩并向旋翼“下方”推送气流。通过成对变化定距桨旋转速度，调整入流量来实现飞行器姿态控制。

一般而言，四旋翼飞行器有两种飞行模式，上面介绍的是X型控制结构，也是当下使用较多的控制方式。除此之外还有十字型，两者原理大同，细节小异。

至于八旋翼，十六旋翼甚至更多，都是通过成对正反桨平衡扭矩，提供升力，调整姿态。（劲鹰无人机）

9. 无人机飞控的特点

无人机飞控是指能够稳定无人机飞行姿态，并能控制无人机自主或半自主飞行的控制系统，是无人机的大脑。
随着智能化的发展，当今的无人机已不仅仅限于固定翼与传统直升机形式，已经涌现出四轴、六轴、单轴、矢量控制等多种形式。
固定翼无人机飞行的控制通常包括方向、副翼、升降、油门、襟翼等控制舵面，通过舵机改变飞机的翼面，产生相应的扭矩，控制飞机转弯、爬升、俯冲、横滚等动作。
传统直升机形式的无人机通过控制直升机的倾斜盘、油门、尾舵等，控制飞机转弯、爬升、俯冲、横滚等动作。
多轴形式的无人机一般通过控制各轴桨叶的转速来控制无人机的姿态，以实现转弯、爬升、俯冲、横滚等动作。
对于固定翼无人机，一般来说，在姿态平稳时，控制方向舵会改变飞机的航向，通常会造成一定角度的横滚，在稳定性好的飞机上，看起来就像汽车在地面转弯一般，可称其为测滑。方向舵是最常用做自动控制转弯的手段，方向舵转弯的缺点是转弯半径相对较大，较副翼转弯的机动性略差。 副翼的作用是进行飞机的横滚控制。固定翼飞机当产生横滚时，会向横滚方向进行转弯，同时会掉一定的高度。 升降舵的作用是进行飞机的俯仰控制，拉杆抬头，推杆低头。拉杆时飞机抬头爬升，动能朝势能的转换会使速度降低，因此在控制时要监视空速，避免因为过分拉杆而导致失速。 油门舵的作用是控制飞机发动机的转速，加大油门量会使飞机增加动力，加速或爬升，反之则减速或降低。
了解了各舵的控制作用，我们开始讨论一下升降舵和油门的控制。固定翼飞机都有一个最低时速被称做失速速度，当低于这个速度的时候飞机将由于无法获得足够的升力而导致舵效失效，飞机失控。通过飞机的空速传感器我们可以实时获知飞机的当前空速，当空速降低时必须通过增加油门或推杆使飞机损失高度而换取空速的增加，当空速过高时减小油门或拉杆使飞机获得高度而换取空速的降低。因此固定翼飞机有两种不同的控制模式，根据实际情况的使用而供用户选择： 第一种控制方式是，根据设定好的目标空速，当实际空速高于目标空速时，控制升降舵拉杆，反之推杆；那空速的高低影响了高度的高低，于是采用油门来控制飞机的高度，当飞行高度高于目标高度时，减小油门，反之增加油门。由此我们可以来分析，当飞机飞行时，如果低于目标高度，飞控控制油门增加，导致空速增加，再导致飞控控制拉杆，于是飞机上升；当飞机高度高于目标高度，飞控控制油门减小，导致空速减小，于是飞控再控制推杆，使高度降低。这种控制方式的好处是，飞机始终以空速为第一因素来进行控制，因此保证了飞行的安全，特别是当发动机熄火等异常情况发生时，使飞机能继续保持安全，直到高度降低到地面。这种方式的缺点在于对高度的控制是间接控制，因此高度控制可能会有一定的滞后或者波动。 第二种控制方式是：设定好飞机平飞时的迎角，当飞行高度高于或低于目标高度时，在平飞迎角的基础上根据高度与目标高度的差设定一个经过PID控制器输出的限制幅度的爬升角，由飞机当前的俯仰角和爬升角的偏差来控制升降舵面，使飞机迅速达到这个爬升角，而尽快完成高度偏差的消除。但飞机的高度升高或降低后，必然造成空速的变化，因此采用油门来控制飞机的空速，即当空速低于目标空速后，在当前油门的基础上增加油门，当前空速高于目标空速后，在当前油门的基础上减小油门。这种控制方式的好处是能对高度的变化进行第一时间的反应，因此高度控制较好，缺点是当油门失效时，比如发动机熄火发生时，由于高度降低飞控将使飞机保持经过限幅的最大仰角，最终由于动力的缺乏导致失速。 因此，两种控制模式根据实际情况而选用。我们选用的是第二种控制模式，并增加了当空速低于一定速度的时候，认为异常发生，立刻转为第一种控制模式以保证飞机的安全。