作者齊俊桐系天津大學(xué)機(jī)器人與自主系統(tǒng)研究所副所長(zhǎng)、教授、博士生導(dǎo)師，一飛智控(天津)科技有限公司創(chuàng)始人。

 

 

▲ 科幻電影里的無人機(jī)

 

10年前說自己是搞無人機(jī)的，無不引來疑惑和贊嘆的目光，“疑”的是大家心目中地“好萊塢大片”、“特種部隊(duì)”這樣的事你一個(gè)二十郎當(dāng)歲的小伙也能干？“贊”的是能聽我科普兩句無人機(jī)瞬間也覺得自己高大上了許多。

 

10年后的今天說自己干無人機(jī)事業(yè)，連老媽也皮笑肉不笑地說 “也挺好，隔壁王大爺外孫子昨天還在樓下飛呢”。更委屈的是搞了一輩子軍用無人機(jī)的工程師們，最怕家庭聚會(huì)上被問“能給你大侄子弄一個(gè)玩玩么？”“下個(gè)月你表弟結(jié)婚，咱搞個(gè)航拍怎么樣？”

 

▲展會(huì)的普及，讓無人機(jī)開始飛入尋常百姓家

 

就這樣的十年，“無人機(jī)”從一個(gè)著名高大上詞語(yǔ)變成了一個(gè)家喻戶曉的常用詞，背后是技術(shù)的快速迭代、資本的迅速涌入、專家的過渡解讀以及國(guó)人對(duì)新事物的迫切渴望。其含義及包括了國(guó)外通常所講的“UAV”也包括“Drone”。

 

老美對(duì)“無人機(jī)”的理解基本停留在“Drone”這個(gè)詞上——“在周圍嗡嗡響”、“不錯(cuò)的玩具”、“不能隨便亂飛”、“航模”，技術(shù)成熟度高、對(duì)智能性、可靠性要求相對(duì)較低。“UAV”在國(guó)外則更多用在軍用、警用、特種行業(yè)應(yīng)用的無人機(jī)上，系統(tǒng)更復(fù)雜，對(duì)可靠性、智能性要求相對(duì)更高。

 

無人機(jī)多種多樣，今天主要跟大家掰扯掰扯垂直起降無人機(jī)飛控那點(diǎn)事，后面所說的無人機(jī)也主要指單旋翼、多旋翼、垂直起降固定翼等這類具有垂直起降功能的無人機(jī)（畢竟這類量大、用的多嘛）。鑒于避免廣告嫌疑，本文均不提及任何公司和具體團(tuán)隊(duì)。

 

 

10年以前，搞無人機(jī)的十個(gè)人有八個(gè)是航空、氣動(dòng)、機(jī)械出身，更多考慮的是如何讓飛機(jī)穩(wěn)定飛起來、飛得更快、飛得更高。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)開始了智能化、終端化、集群化的趨勢(shì)，一大批畢業(yè)于自動(dòng)化、機(jī)械電子、信息工程、微電子的高材生們投入到了無人機(jī)研發(fā)大潮中，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、讓門外漢可以短暫的學(xué)習(xí)也能穩(wěn)定可靠的飛行娛樂。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。

 

回顧歷史，飛控技術(shù)發(fā)展分為兩大流派、三種起源。

 

▲無人機(jī)已成戰(zhàn)爭(zhēng)中不可忽視的力量

 

先表一表以蘇俄、歐美為代表的兩種技術(shù)體系。高技術(shù)的發(fā)展最初都源于軍事，飛控的發(fā)展更不例外，一戰(zhàn)、二戰(zhàn)再到伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)，無論是蘇俄還是歐美國(guó)家，都相繼開始了有人飛機(jī)的無人化改造以及新研制無人機(jī)的工作。

 

蘇俄國(guó)家延承了載人機(jī)控制的研發(fā)技術(shù)體系直接轉(zhuǎn)到了無人機(jī)，早期飛控硬件使用了戰(zhàn)斗機(jī)的飛控計(jì)算機(jī)，控制算法一直使用分型模態(tài)分段辨識(shí)、建模、控制的方法。通俗來講就是要通過吹風(fēng)洞、機(jī)理建模等方法，知道飛行器在起飛、懸停、低速、中速、高速、降落等不同飛行狀態(tài)下的參數(shù)，在不同狀態(tài)設(shè)計(jì)相應(yīng)控制器。飛行器飛行過程中不斷切換控制方法或控制參數(shù)以保證飛行器處于理想狀態(tài)。這種流派優(yōu)勢(shì)在于硬件經(jīng)過長(zhǎng)期飛行驗(yàn)證，控制算法在設(shè)計(jì)模態(tài)內(nèi)系統(tǒng)穩(wěn)定性可以有效理論證明；缺點(diǎn)在于硬件傻大笨粗且無法預(yù)測(cè)實(shí)際飛行過程中可以經(jīng)歷的所有飛行狀態(tài)。

 

相比起蘇俄直接使用了戰(zhàn)斗機(jī)的技術(shù)體系，歐美則前瞻性地在上世紀(jì)中期開始布局了前沿技術(shù)的探索和積累（DARPA就是各類計(jì)劃的代表），支持研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)探索了很多新的無人機(jī)專用的飛控硬件和算法。

 

▲DARPA，是美國(guó)國(guó)防部屬下的一個(gè)行政機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)研發(fā)用于軍事用途的高新科技

 

這類項(xiàng)目一般以軍工企業(yè)牽頭、研究所負(fù)責(zé)演示驗(yàn)證、大學(xué)負(fù)責(zé)理論算法研究，組成的團(tuán)隊(duì)通過多年的中小型無人機(jī)的試飛試驗(yàn)，形成了以嵌入式計(jì)算機(jī)為硬件核心、以自適應(yīng)控制為算法的飛控體系。

 

其實(shí)歐美和蘇俄的派系區(qū)別最大的就在這！歐美很大程度上放棄了傳統(tǒng)的模態(tài)分段控制，無需再對(duì)不同飛行狀態(tài)進(jìn)行建模、參數(shù)辨識(shí)，而是采取了在線辨識(shí)，也就是說在飛行器飛行的過程中通過在線辨識(shí)理論方法，控制器自己判斷自身所處的狀態(tài)、參數(shù)等，根據(jù)這些信息響應(yīng)切換不同的控制策略或控制參數(shù)。這種流派的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)體積小、重量輕，縮短了新型無人機(jī)的研發(fā)過程，智能型進(jìn)一步增強(qiáng)；缺點(diǎn)在于需要較長(zhǎng)時(shí)間的理論技術(shù)積累，且某種程度上無法證明全局系統(tǒng)穩(wěn)定性。但無論怎樣，飛控的發(fā)展成為了重要的使能技術(shù)之一，讓美國(guó)的軍用無人機(jī)一躍成為世界領(lǐng)先，其他國(guó)家也紛紛效仿。

 

再來說說飛控的三種起源——“固定翼飛控”、“開源飛控”、“自研飛控”。干過無人機(jī)的人都知道，飛控不好搞！但面對(duì)市面上各種動(dòng)不動(dòng)就“高可靠”、“軍工級(jí)”、“全自主”，圈外人根本不知道這伙人是怎么把飛控搞出來的？他們說的可靠么？了解了這三種起源，以后你跟搞飛控的聊，一定讓他覺得你是“老司機(jī)”。

 

十多年前搞垂直起降無人機(jī)的主要技術(shù)來源是“固定翼飛控”，其實(shí)固定翼無人機(jī)才算是無人機(jī)真正的祖宗，100多年前就已經(jīng)有人將戰(zhàn)斗機(jī)加裝簡(jiǎn)單的控制器嘗試完成無人偵查和投彈的工作。那么為什么無論是載人飛機(jī)還是無人機(jī)都是先固定翼成熟、垂直起降的晚熟呢？從結(jié)構(gòu)上看，固定翼飛行器沒有垂直起降飛行器過多的旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)部件，氣動(dòng)也比較簡(jiǎn)單；從控制方面看，固定翼飛行器屬于靜穩(wěn)定系統(tǒng)，就像我們開車，手離開方向盤幾秒鐘汽車仍能正常直行，相比之下屬于靜不穩(wěn)定的垂直起降飛行器則需要駕駛員無時(shí)無刻不在調(diào)整著操縱桿，稍有疏忽就會(huì)墜毀。這兩方面且主要是控制上的困難，讓垂直起降飛行器的控制非常困難。這個(gè)特性也讓來源于固定翼飛控的團(tuán)隊(duì)在應(yīng)對(duì)垂直起降飛行時(shí)顯得束手無策，以往積累的固定翼飛行控制策略可借鑒意義不大，甚至直接使用原有的空速進(jìn)行控制還經(jīng)常導(dǎo)致致命的摔機(jī)。

 

▲風(fēng)靡一時(shí)的開源飛控代表——APM

 

再來說說“開源飛控”。這可能是市面上能見到最多數(shù)量的飛控了，其來源于“DIY DRONE”時(shí)期，最開始是為了滿足歐美“極客”、“創(chuàng)客”對(duì)于自由飛行的夢(mèng)想。本來挺好的事情，這里又要轉(zhuǎn)折了！然而，“極客”這個(gè)詞被中國(guó)又玩壞了！缺乏了分享和奉獻(xiàn)精神的中國(guó)“極客”們，迅速將各類開源飛控直接商品化賣錢。更讓人毛骨悚然的是，這樣的“商品”不僅賣給了中國(guó)的玩家，更有甚者還賣給了農(nóng)業(yè)、電力、甚至警用這類行業(yè)用戶！

 

殊不知這種未商品化的天然“半成品”有著天然的基因缺乏：1）硬件器件未經(jīng)可靠性、規(guī)?；?yàn)證。開源飛控的設(shè)計(jì)初衷是供極客們二次開發(fā)或者愛好者DIY的“半成品”，其硬件選型往往是用于移動(dòng)終端或其他機(jī)器人的消費(fèi)級(jí)器件，意在體現(xiàn)整體系統(tǒng)架構(gòu)并控制較低成本，并未充分考慮溫度、環(huán)境、振動(dòng)、批量供貨等產(chǎn)品化過程；2）軟件技術(shù)體系冗余嚴(yán)重、資源不足。出于通用性的考慮，目前開源飛控適配幾乎所有類型的飛行器、通信協(xié)議中預(yù)留了大量負(fù)載字段、占用了幾乎大部分系統(tǒng)資源等等，這些特性會(huì)造成過度冗余的底層程序、控制策略、通信協(xié)議段、不足的內(nèi)存及計(jì)算資源，后續(xù)的開發(fā)會(huì)持續(xù)處于“對(duì)付”的狀態(tài)，造成產(chǎn)品不穩(wěn)定。

 

▲類似這種前瞻性的研發(fā)功課，只有自研飛控廠商才有實(shí)力和底氣來做

 

最后嘮一嘮“自研飛控”的事。目前幾家知名的無人機(jī)公司都是從自研飛控起家的，基本上都經(jīng)歷了10年以上的技術(shù)沉淀，為什么呢？因?yàn)?hellip;…10年前還木有開源飛控！這些團(tuán)隊(duì)都是電容電阻逐個(gè)畫到板子上、代碼一行一行碼到屏幕上。開發(fā)過程往往是模塊化搭建的，比如先開發(fā)傳感器采集、舵機(jī)／電機(jī)控制，再調(diào)試獨(dú)立通道從航向、轉(zhuǎn)速、定高、俯仰、橫滾等讓飛行器穩(wěn)定，隨后是穩(wěn)定懸停，到這里已經(jīng)是成功一大步了，最后是航線飛行，可以按照設(shè)定航跡點(diǎn)自動(dòng)飛行。至此基本完成了“自研飛控”的基本過程，這里看起來短短幾行字，我們的飛控攻城獅們至少要經(jīng)歷幾年的時(shí)間，還是一切順利的情況下！自研飛控確實(shí)耗時(shí)耗力，但帶來的好處是由于對(duì)硬件和軟件的充分理解，后續(xù)的開發(fā)和改進(jìn)會(huì)大大加速，遇到任何問題的改進(jìn)速度也會(huì)大大加快。也正是因?yàn)檫@些原因，前期的有效積累奠定了目前幾個(gè)知名無人機(jī)公司的快速發(fā)展。

 

 

問題來了，什么是好飛控呢？怎么選飛控呢？衡量飛控“好壞”主要考慮四個(gè)方面：適配、穩(wěn)定、功能、服務(wù)。

 

適配——目前眾多無人機(jī)廠商中擁有自己飛控技術(shù)的較少，多數(shù)廠家走了一條設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)機(jī)體，采購(gòu)成熟飛控，最后開拓市場(chǎng)渠道的道路，這有利于公司的快速起步并且占領(lǐng)市場(chǎng)制高點(diǎn)。然而，不同廠商的設(shè)計(jì)思路不同、針對(duì)用戶不同、適應(yīng)場(chǎng)景不同，造成飛行器機(jī)體的千差萬別。從單旋翼到多旋翼、從四軸到八軸、從開放式到函道式、從油動(dòng)到電動(dòng)，如果選擇一款飛控不僅能夠快速適配自己公司設(shè)計(jì)的飛機(jī)，還能保證飛的又穩(wěn)又好，您一定覺得成功不遠(yuǎn)了，想偷著笑。如果同一款飛機(jī)能把您公司不同類型、不同款的飛機(jī)一起搞定，那真是要笑出聲來了，這樣不僅可以提高研發(fā)效率，更能減少維護(hù)成本。

 

▲穩(wěn)定飛行的是一款好飛控的標(biāo)配

 

穩(wěn)定——相比起兩年前，現(xiàn)在飛控已經(jīng)基本穩(wěn)定、市場(chǎng)也趨于成熟，沒有試用過的客戶基本是不會(huì)出手了?？稍囉萌绾慰闯龇€(wěn)定、可靠呢？這里可以用“三看”訣竅：“一看”公司產(chǎn)能，年產(chǎn)至少達(dá)到1000套以上各類工藝流程、質(zhì)量管理、測(cè)試體系才能基本走通、健全；“二看”器件篩選，工業(yè)級(jí)以上的產(chǎn)品尤其是需要“歸零”管理的產(chǎn)品器件篩選非常重要，需要考察公司在器件篩選的流程、篩選率等，確定基礎(chǔ)器件的穩(wěn)定；“三看”測(cè)試環(huán)境，飛控產(chǎn)品屬于“零容忍”故障產(chǎn)品，至少需要經(jīng)歷模塊級(jí)測(cè)試、產(chǎn)品級(jí)測(cè)試、系統(tǒng)級(jí)測(cè)試。雖然產(chǎn)品形態(tài)是飛控，但必須要經(jīng)過整機(jī)安裝后的飛行測(cè)試再拆裝復(fù)原才能出廠。不得不說一句，上述的測(cè)試如果你以為正常抽檢即，可那就錯(cuò)了！要全檢！全檢！全檢！

 

功能——不得不承認(rèn)，現(xiàn)在的飛控還不能稱為完全成熟，炸機(jī)率普遍還處于3%-20%的較高水平，但并不能阻止我們對(duì)功能的不懈追求。一般來講，“開源飛控”由于豐富的生態(tài)，對(duì)于外在功能性需求響應(yīng)較快；而“自研飛控”對(duì)于功能性定制更深入，對(duì)于系統(tǒng)性功能需求的開發(fā)周期更短。目前飛控除了基本飛行功能外，主要功能包括：1）高精度定位及控制，也就是我們俗稱的差分GPS；2）地勢(shì)變化的自動(dòng)跟蹤，主要用在農(nóng)田噴灑；3）自動(dòng)避障功能，可以保證飛行過程中不對(duì)飛行器造成傷害；4）飛行規(guī)劃定制，客戶可以在使用過程中定義A-B點(diǎn)飛行、指定區(qū)域覆蓋飛行、飛行任務(wù)中斷續(xù)飛等；5）手持終端任務(wù)規(guī)劃與監(jiān)控，通過手機(jī)、PAD、筆記本等設(shè)備下達(dá)飛行任務(wù)并實(shí)時(shí)任務(wù)監(jiān)控；6）遠(yuǎn)程監(jiān)控及分析，通過移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程異地對(duì)飛行過程進(jìn)行監(jiān)控并分析運(yùn)行狀態(tài)及故障。

 

 

▲優(yōu)質(zhì)的技術(shù)支持服務(wù)對(duì)于整機(jī)廠商越發(fā)重要

 

服務(wù)——前三個(gè)判斷飛控好壞的關(guān)鍵詞大家都能理解，說到服務(wù)很多人會(huì)摸不著頭腦。其實(shí)這一條還真是一個(gè)特別重要的因素，尤其是對(duì)B端的客戶。以農(nóng)業(yè)植保應(yīng)用為例，農(nóng)田施藥的作業(yè)季在3月到10月，而旺季主要集中在5-8月，需要高強(qiáng)度、大負(fù)荷、不間斷作業(yè)，在溫差大、濕度大、環(huán)境復(fù)雜的農(nóng)田出現(xiàn)各類故障在所難免。優(yōu)質(zhì)的服務(wù)需要7x24小時(shí)提供不間斷技術(shù)支持、配件更新、調(diào)試指導(dǎo)，才能讓使用者最大限度減小損失、獲取效益，而且這些專業(yè)的服務(wù)目前只有飛控生產(chǎn)廠商才能做的最好。

 

 

如果說“飛控是無人機(jī)核心技術(shù)之一”，我想沒有人會(huì)否認(rèn)，而現(xiàn)實(shí)是大多數(shù)無人機(jī)廠商并不完全掌握這項(xiàng)技術(shù)，大家看不到重要性么？非也！其實(shí)很多廠商都曾嘗試過自主研發(fā)，但絕大多數(shù)都由于技術(shù)積累薄弱、可靠性不高、技術(shù)迭代速度慢等因素而中途放棄，發(fā)自肺腑地說“搞飛控還真的挺難”！

 

先來看看無人機(jī)飛控的技術(shù)現(xiàn)狀，由易到難基本分成三個(gè)層次：“飛行”、“感知”、“交互”。第一級(jí)“飛行”，指無人機(jī)了解自身狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)上，可以通過地面人員遙控、移動(dòng)端設(shè)置路線或遠(yuǎn)程指令完成預(yù)定航線的自動(dòng)飛行，這是飛行控制的入門階段，練好這一級(jí)可以完成一些基本的任務(wù)了，比如空曠區(qū)域的遠(yuǎn)程偵察。可應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、物流、巡檢等復(fù)雜環(huán)境怎么辦？樓房能躲開么？能找到合適降落地點(diǎn)么？

 

不行，必須升至第二級(jí)“感知”。感知層次是指無人機(jī)不僅了解自身狀態(tài)，對(duì)外界環(huán)境也要通過傳感器了如指掌。感知通過傳感器選型、數(shù)字濾波、多傳感器數(shù)據(jù)融合、基于感知的路徑規(guī)劃等技術(shù)，讓無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中完成任務(wù)且飛行自如。

 

飛控等級(jí)修煉到這應(yīng)該差不多吧？還有？沒錯(cuò)！你有沒有想過，今天無人機(jī)的技術(shù)狀態(tài)類似地面機(jī)器人50年前的情形——穩(wěn)定的行走、越過障礙物、把拍攝的場(chǎng)景錄下來。而今的地面機(jī)器人不僅會(huì)“感知”，復(fù)雜“交互”的能力讓他們完成諸如拆彈、換電瓶這樣的工作游刃有余。無人機(jī)為什么不能“交互”呢？為什么不能空中進(jìn)行危險(xiǎn)品的采樣、輸電線路損壞器件的維修更換、貨物的自動(dòng)抓取與運(yùn)輸？“Nothing is Impossible”！交互是在感知的基礎(chǔ)上，在了解了外界環(huán)境后對(duì)環(huán)境中的目標(biāo)進(jìn)行交互作業(yè)的過程。

 

按照這種方式分類，目前的無人機(jī)基本處于1.5級(jí)水平，那么飛控的開發(fā)在不同技術(shù)層級(jí)到底難在哪？如何克服這些難點(diǎn)呢？

 

首先來看看“飛行”。垂直起降無人機(jī)最大的控制特性就是其靜不穩(wěn)定特性，類似用指尖平穩(wěn)地托起一支筷子，必須不停的調(diào)整姿態(tài)、位置得以平衡。人最快的反應(yīng)速度大約每秒5次，而無人機(jī)要想達(dá)到優(yōu)秀的控制性能，需要每秒300次的感知和計(jì)算，任何一次的計(jì)算錯(cuò)誤或計(jì)算中斷的結(jié)果都是機(jī)器墜毀任務(wù)停止。一套完整的飛控全部器件接近1000個(gè)，是一部復(fù)雜手機(jī)的幾倍，下至OEM安卓機(jī)上至蘋果，死機(jī)對(duì)于使用者僅僅是重啟加一聲嘆息的事，而對(duì)于無人機(jī)則無法接受。這些部件首先要保證自身運(yùn)轉(zhuǎn)正常，其次要之間的電氣、通信正常，組裝后要經(jīng)歷各種測(cè)試、機(jī)體振動(dòng)的沖擊，最后要求忍受住風(fēng)吹日曬及老化過程！艾瑪，好難！想把“飛行”搞好，先要一套完善可擴(kuò)展的硬件系統(tǒng)架構(gòu)，具備強(qiáng)大的計(jì)算能力以及高帶寬的總線通信能力；其次器件要根據(jù)飛行需求按照商業(yè)、工業(yè)、軍工不同等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)選擇；在實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)上構(gòu)建具有自身及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的控制算法；最后，在使用前進(jìn)行溫度、壓力、振動(dòng)、電磁兼容、飛行性能等全科目全產(chǎn)品檢驗(yàn)。

 

▲科幻電影里的人機(jī)感知或許很快就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)

 

再來看看“感知”。人類總喜歡用自己的標(biāo)準(zhǔn)衡量其他事物，在我們的思維里好萊塢大片里變形金剛的能力應(yīng)該是習(xí)以為常容易做到的。殊不知，人類經(jīng)歷了多少年的進(jìn)化才有了今天豐富的感知和思維能力，機(jī)器人的歷史呢？如果這么看，機(jī)器人的演化速度還更快些呢。人感知世界主要靠看，眼睛具有極高的分辨率、自動(dòng)變焦、自動(dòng)調(diào)焦、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)光圈……各種自動(dòng)，而目前無人機(jī)感知用到的攝像機(jī)和計(jì)算能力比人的能力還差十萬八千里呢！智能引入其他傳感器，比如激光、聲納、雷達(dá)等，每種傳感器的特性不同，需要將這些流媒體、離散矩陣等結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)歸攏好形成合力，物理、數(shù)學(xué)、電子、電路等知識(shí)缺一不可?。∫龊?ldquo;感知”也并非不可能，先要針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的環(huán)境變量、復(fù)雜程度、精度要求、響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行感知傳感器的硬件選型和組合；其次進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步整理、深度數(shù)據(jù)融合；最后基于感知結(jié)果以及飛行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行任務(wù)、路徑的重規(guī)劃。

 

“交互”層級(jí)，想想都難！不妨讓我們腦洞大開一下，某天發(fā)生大面積停電，無人機(jī)通過巡查發(fā)現(xiàn)了一處輸電線路破損，這時(shí)飛機(jī)伸出機(jī)械手抓，熟練地廢件摘除、取出備件、更換、纏繞絕緣膠帶、放回工具，飛回基地完成任務(wù)?？此撇黄鹧鄣倪^程，卻因?yàn)樗胁僮鞫荚诳罩卸惓ＦD難。我們都看到過在空間站上進(jìn)行維修任務(wù)的航天員、水下作業(yè)的潛航員，他們的任何動(dòng)作都非常困難，就是因?yàn)樗麄兌继幵趹腋顟B(tài)，任何的力都會(huì)產(chǎn)生反作用力導(dǎo)致定位、操作的不確定性。無人機(jī)空中交互也類似，在于目標(biāo)接觸過程中會(huì)產(chǎn)生反作用力影響飛行平穩(wěn)，而飛行姿態(tài)的影響又會(huì)導(dǎo)致操作力的變化，進(jìn)入一個(gè)惡性循環(huán)。要實(shí)現(xiàn)空中的有效交互首先要在時(shí)變的環(huán)境下進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)性感知，判斷在反作用力后系統(tǒng)的狀態(tài)；其次要考慮通過整體建模或解耦控制消除操作臂本身運(yùn)動(dòng)過程對(duì)飛行器的影響；最后保證在操作臂與目標(biāo)接觸及移動(dòng)過程中，外力／力矩對(duì)飛行器的影響最小，實(shí)現(xiàn)安全交互任務(wù)。

 

 

洋洋灑灑幾千字，用10年的積淀回顧了飛控的發(fā)展史、如何選擇、技術(shù)難點(diǎn)以及解決思路，如果再往后看10年，未來的飛控還會(huì)是核心么？技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是什么呢？

 

硬件SoC化。片上系統(tǒng)（System on Chip, SoC）入侵無人機(jī)飛控就是這兩年的事情，高通、Intel、英飛凌、華為海思等紛紛通過投資、收購(gòu)消費(fèi)無人機(jī)團(tuán)隊(duì)或企業(yè)進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)。飛控SoC之所以選擇消費(fèi)級(jí)無人機(jī)作為突破口，主要原因是此類無人機(jī)數(shù)量大，對(duì)于SoC帶來的投入產(chǎn)出比更好；另一方面消費(fèi)級(jí)無人機(jī)比商用無人機(jī)應(yīng)用環(huán)境更理想，對(duì)可靠性、平均無故障時(shí)間要求更低。而通過股權(quán)形式與無人機(jī)企業(yè)深度結(jié)合是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的芯片廠商只有硬件的能力，需要與無人機(jī)企業(yè)在軟件方面深度結(jié)合和定制開發(fā)，這里也足見飛控軟件的難度之大，國(guó)際化的大企業(yè)也很難搞定。而未來飛控的硬件SoC化不可阻擋，只是在消費(fèi)之外的領(lǐng)域需要更長(zhǎng)時(shí)間的市場(chǎng)培養(yǎng)和技術(shù)迭代的過程，在解決了上述問題后，SoC將帶來極大的成本降低，更多的飛控企業(yè)會(huì)更專注于應(yīng)用層、數(shù)據(jù)端的技術(shù)開發(fā)。

 

軟件模塊化。硬件SoC化后會(huì)帶來硬件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，為軟件的升級(jí)迭代提供了更好的生態(tài)，不同開發(fā)者之間可以通過標(biāo)準(zhǔn)的底層驅(qū)動(dòng)支持及通信協(xié)議分享軟件的代碼。（聽起來有點(diǎn)像現(xiàn)在的開源飛控，YES?。┎煌瑐鞲衅魈幚沓绦颉⒉煌w行控制算法、不同任務(wù)規(guī)劃模塊、不同診斷軟件將被定義為模塊化程序，這些模塊將通過付費(fèi)或其他形式形成飛控軟件的商業(yè)模式，大大降低了新功能開發(fā)的難度，將更多的注意力集中在任務(wù)層或業(yè)務(wù)層。

 

▲系統(tǒng)終端化或?qū)⑽磥碛绊懨恳粋€(gè)人

 

系統(tǒng)終端化。目前的無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用還是將飛行器視為核心資產(chǎn)，所有的人力、財(cái)力、物力都圍繞著飛行器本身轉(zhuǎn)，預(yù)期通過無人機(jī)的使用愉悅?cè)藗冃那榛蛘咴谏a(chǎn)中創(chuàng)造價(jià)值。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。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。

 

通信網(wǎng)絡(luò)化。無人機(jī)發(fā)展了上百年，絕大多數(shù)情況下的通信都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直接聯(lián)系，無論是早期的遙控盒還是航模遙控器、無論是便攜式電腦地面站還是手持終端任務(wù)管理器，無非是通過加大功率通過LF（低頻）到HF（高頻）甚至到UHF（特高頻）等波段進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。隨著美國(guó)GPS戰(zhàn)略，可以通過衛(wèi)星進(jìn)行各類無人機(jī)等終端的組網(wǎng)，但目前其由于帶寬、成本等問題而無法在商用中廣泛推廣。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(yíng)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(yíng)商的飛控網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)不可阻擋。

 

▲無人機(jī)+大數(shù)據(jù)或?qū)硪粓?chǎng)全新的產(chǎn)業(yè)變革

 

數(shù)據(jù)可視化。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。無人機(jī)+大數(shù)據(jù)喊了也有一段時(shí)間了，但目前受到終端化剛起步、網(wǎng)絡(luò)化未完全落地、數(shù)據(jù)來源少等因素，無人機(jī)的大數(shù)據(jù)時(shí)代還沒有真正來臨。無人機(jī)數(shù)據(jù)與其他大數(shù)據(jù)最大的區(qū)別在于行業(yè)垂直度深。在不考慮消費(fèi)娛樂應(yīng)用的前提下，無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域又幾十種，而每一種都有其已有的、較深壁壘的行業(yè)模式，各類不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)融合的可能性不大。在未來無人機(jī)發(fā)展過程中不應(yīng)空泛強(qiáng)調(diào)大數(shù)據(jù)的意義，而更應(yīng)通過飛控的數(shù)據(jù)搜集能力獲取高頻率的有效信息進(jìn)行分析，得到能夠給行業(yè)帶來價(jià)值的“可視化”數(shù)據(jù)，直接為行業(yè)服務(wù)。