无人机控制系统如何精准操控飞行？

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我们可以将无人机控制系统想象成无人机的“大脑和神经系统”，它的核心任务是感知、决策、执行，以确保无人机能够稳定飞行并按照我们的意图（遥控或自主）执行任务。

（图片来源网络，侵删）

整个系统的工作原理可以分为以下几个核心部分：

核心组成部分

一个完整的无人机控制系统主要由以下几个硬件和软件模块构成：

飞控
- 定义：这是整个控制系统的核心大脑，通常是一个集成了微控制器的电路板。
- 功能：负责接收所有传感器的数据、遥控器的指令，运行控制算法（如PID算法），并最终计算出每个电机应有的转速，然后发出指令给电调。
传感器
（图片来源网络，侵删）
- 定义：无人机的“感官”，负责感知自身状态和外部环境。
- 主要传感器：
  - IMU (惯性测量单元)：这是最重要的传感器，通常包含：
    - 陀螺仪：测量无人机绕三个轴（俯仰、滚转、偏航）的旋转角速度，它能感知无人机是否在倾斜或转动。
    - 加速度计：测量无人机在三个轴上的线性加速度，在静止或匀速飞行时，它可以用来测量重力方向，从而判断无人机的俯仰和滚转角度。
    - 磁力计：即电子罗盘，用于测量地磁场方向，确定无人机的机头朝向（航向）。
  - 气压计：通过测量大气压力来估算无人机的飞行高度，虽然精度不高，但对于悬停和高度保持非常有用。
  - GNSS (全球导航卫星系统)：如GPS、北斗等，用于提供无人机的精确地理位置（经纬度）、速度和高度，是实现自主飞行和定点悬停的关键。
执行器
- 定义：无人机的“肌肉”，负责将大脑的指令转化为物理动作。
- 主要组件：
  - 电机：提供升力或推力，对于多旋翼无人机，通常是无刷电机。
  - 电调：电子调速器，它接收来自飞控的PWM（脉冲宽度调制）信号，并将其转换成可以控制电机转速的电流，飞控不能直接驱动大功率电机，必须通过电调。
通信系统
- 定义：无人机的“神经系统”，负责传递信息。
- 主要组件：
  - 遥控器和接收机：操作员通过遥控器发送指令（如上升、下降、左转、前进等），接收机接收到这些指令并将其传送给飞控。
  - 数传/图传：用于将飞控收集的遥测数据（如电量、高度、速度、位置）传回地面站，同时也可以将第一人称视角的图像传回地面站，实现“第一人称视角”飞行。

工作原理流程（闭环控制）

无人机控制系统的本质是一个闭环反馈控制系统，它的工作流程可以概括为以下四个步骤，形成一个快速循环：

步骤 1：感知 - 传感器数据采集

飞控以极高的频率（通常是数百或数千赫兹，如 8kHz）不断地读取所有传感器的数据。
IMU：实时报告“我现在的旋转速度有多快？”和“我现在的加速度是多少？”。
气压计/GPS：报告“我现在的高度大概是多少？”和“我的经纬度在哪里？”。
遥控器：报告“操作员希望我做什么？”（向前飞行）。

步骤 2：决策 - 飞控核心算法处理

这是控制系统的核心,飞控接收到所有信息后，会进行以下关键计算：

（图片来源网络，侵删）

状态估计：
- 飞控会融合来自陀螺仪和加速度计的数据，通过一种叫做传感器融合（如使用卡尔曼滤波算法）的技术，计算出无人机最精确的姿态——即它相对于地面的俯仰角、滚转角和偏航角。
- 为什么需要融合？因为陀螺仪有漂移（长时间测量会不准），而加速度计在运动时会有误差，融合取长补短，得到最稳定准确的角度。
控制算法 - PID控制：
- 这是所有自动控制系统的基石,飞控会不断地进行以下比较：
  1. 设定值：我们期望无人机达到的状态。
    - 稳定模式：期望姿态是水平（俯仰角=0，滚转角=0）。
    - 遥控指令：遥控杆前推，期望的俯仰角是+10度。
  2. 当前值：传感器测量到的无人机实际状态。
    实际俯仰角是+5度。
  3. 误差：误差 = 设定值 - 当前值。
    在上面的例子中,误差 = 10度 - 5度 = 5度。
- PID算法就是根据这个误差来计算应该如何调整电机，PID由三部分组成：
  - P (Proportional - 比例)：输出 = Kp * 误差，误差越大，调整的力度就越大，这是最主要的控制力量，能让无人机快速响应。
  - I (Integral - 积分)：输出 = Ki * 误差的历史总和，用来消除长期存在的微小误差（比如因为机臂不平衡导致的持续向一侧倾斜）。
  - D (Derivative - 微分)：输出 = Kd * 误差的变化率，用来抑制过冲和震荡，让无人机动作更平滑，不会像“弹簧”一样抖动。
- 最终输出：PID算法最终会计算出，为了消除这个误差，四个电机（以四旋翼为例）各自应该增加或减少多少转速。

步骤 3：执行 - 指令下达与动作

飞控将计算好的电机转速指令,转换成标准的PWM信号，发送给对应的电调。
电调接收到PWM信号后,精确地控制流过电机的电流，从而改变电机的转速。
差速控制：正是通过改变不同电机的转速，来实现各种飞行动作：
- 前进：增大后两个电机的转速，减小前两个电机的转速，产生一个向前的力矩。
- 左转：增大右侧两个电机的转速，减小左侧两个电机的转速，产生一个向左的力矩。
- 上升：四个电机同时增加转速，总升力大于重力。
- 悬停：四个电机转速保持恒定，总升力等于重力。

步骤 4：反馈 - 新一轮循环

当电机转速改变后,无人机的姿态和位置也随之改变。
IMU立刻检测到这种姿态变化，产生新的角速度和加速度数据。
这些新的数据被再次传回飞控，飞控进行新一轮的决策（PID计算），发出新的执行指令……
这个“感知-决策-执行-反馈”的循环以极高的速度（每秒数百次）不断重复，确保无人机能够抵抗风扰、保持稳定，并精确地跟随操作员的指令。

不同飞行模式下的工作原理差异

无人机的不同飞行模式,本质上就是飞控中“设定值”的来源不同。

手动模式/姿态模式：
- 设定值完全由遥控器直接给出，遥控杆推到什么位置，就直接设定一个对应的俯仰/滚转角度。
- 飞控只负责稳定姿态,不负责位置，飞机会朝你指示的方向飞，但不会自己悬停。
稳定模式/定高模式：
- 姿态：遥控器设定姿态。
- 高度：设定值由遥控器的油门杆决定，飞控通过气压计或气压计+GPS的数据来维持这个高度，你松开油门，它会自动悬停在当前高度。
GPS模式/悬停模式：
- 姿态：遥控器可以设定姿态，也可以由飞控自动修正。
- 位置：设定值由遥控器的前后左右杆决定，飞控通过GPS的数据来精确控制无人机在水平面上的位置，松杆后，飞控会自动将无人机拉回到起飞点或悬停点。
自动模式：
- 设定值来自地面站上传的航线或任务，飞控完全自主地根据GPS坐标和预设的高度、速度，自动执行任务，无需人工干预。