一飛論空航| 一篇文章教你看透無人機飛控這十年
一飛論空航
2017-04-28

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作者齊俊桐系天津大學機器人與自主系統研究所副所長、教授、博士生導師,一飛智控(天津)科技有限公司創始人。


無人機”——又一個被國人玩壞了的單詞

10年前說自己是搞無人機的,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”這樣的事你一個二十郎當歲的小伙也能干?“贊”的是能聽我科普兩句無人機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事業,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的工程師們,最怕家庭聚會上被問“能給你大侄子弄一個玩玩么?”“下個月你表弟結婚,咱搞個航拍怎么樣?”


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


老美對“無人機”的理解基本停留在“Drone”這個詞上——“在周圍嗡嗡響”、“不錯的玩具”、“不能隨便亂飛”、“航?!?,技術成熟度高、對智能性、可靠性要求相對較低?!癠AV”在國外則更多用在軍用、警用、特種行業應用的無人機上,系統更復雜,對可靠性、智能性要求相對更高。


無人機多種多樣,今天主要跟大家掰扯掰扯垂直起降無人機飛控那點事,后面所說的無人機也主要指單旋翼、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(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隊。


讓選擇不再左右為難”——飛控來龍去脈及選型指南

10年以前,搞無人機的十個人有八個是航空、氣動、機械出身,更多考慮的是如何讓飛機穩定飛起來、飛得更快、飛得更高。如今,隨著芯片、人工智能、大數據技術的發展,無人機開始了智能化、終端化、集群化的趨勢,一大批畢業于自動化、機械電子、信息工程、微電子的高材生們投入到了無人機研發大潮中,幾年的時間讓無人機從遠離人們視野的軍事應用飛入了尋常百姓家、讓門外漢可以短暫的學習也能穩定可靠的飛行娛樂。不可否認,飛控技術的發展是這十年無人機變化的最大推手。


回顧歷史,飛控技術發展分為兩大流派、三種起源。


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


蘇俄國家延承了載人機控制的研發技術體系直接轉到了無人機,早期飛控硬件使用了戰斗機的飛控計算機,控制算法一直使用分型模態分段辨識、建??、控制的方法。通俗來講就是要通過吹風洞、機理建模等方法,知道飛行器在起飛、懸??、低速、中速、高速、降落等不同飛行狀態下的參數,在不同狀態設計相應控制器。飛行器飛行過程中不斷切換控制方法或控制參數以保證飛行器處于理想狀態。這種流派優勢在于硬件經過長期飛行驗證,控制算法在設計模態內系統穩定性可以有效理論證明;缺點在于硬件傻大笨粗且無法預測實際飛行過程中可以經歷的所有飛行狀態。

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


這類項目一般以軍工企業牽頭、研究所負責演示驗證、大學負責理論算法研究,組成的團隊通過多年的中小型無人機的試飛試驗,形成了以嵌入式計算機為硬件核心、以自適應控制為算法的飛控體系。


其實歐美和蘇俄的派系區別最大的就在這!歐美很大程度上放棄了傳統的模態分段控制,無需再對不同飛行狀態進行建??、參數辨識,而是采取了在線辨識,也就是說在飛行器飛行的過程中通過在線辨識理論方法,控制器自己判斷自身所處的狀態、參數等,根據這些信息響應切換不同的控制策略或控制參數。這種流派的優勢在于系統體積小、重量輕,縮短了新型無人機的研發過程,智能型進一步增強;缺點在于需要較長時間的理論技術積累,且某種程度上無法證明全局系統穩定性。但無論怎樣,飛控的發展成為了重要的使能技術之一,讓美國的軍用無人機一躍成為世界領先,其他國家也紛紛效仿。


再來說說飛控的三種起源——“固定翼飛控、開源飛控、自研飛控。干過無人機的人都知道,飛控不好搞!但面對市面上各種動不動就“高可靠”、“軍工級”、“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”。


十多年前搞垂直起降無人機的主要技術來源是固定翼飛控,其實固定翼無人機才算是無人機真正的祖宗,100多年前就已經有人將戰斗機加裝簡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還是無人機都是先固定翼成熟、垂直起降的晚熟呢?從結構上看,固定翼飛行器沒有垂直起降飛行器過多的旋轉、振動部件,氣動也比較簡單;從控制方面看,固定翼飛行器屬于靜穩定系統,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定的垂直起降飛行器則需要駕駛員無時無刻不在調整著操縱桿,稍有疏忽就會墜毀。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。這個特性也讓來源于固定翼飛控的團隊在應對垂直起降飛行時顯得束手無策,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行控制還經常導致致命的摔機。

再來說說開源飛控。這可能是市面上能見到最多數量的飛控了,其來源于“DIY DRONE”時期,最開始是為了滿足歐美“極客”、“創客”對于自由飛行的夢想。本來挺好的事情,這里又要轉折了!然而,“極客”這個詞被中國又玩壞了!缺乏了分享和奉獻精神的中國“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”不僅賣給了中國的玩家,更有甚者還賣給了農業、電力、甚至警用這類行業用戶!


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)硬件器件未經可靠性、規模化驗證。開源飛控的設計初衷是供極客們二次開發或者愛好者DIY的“半成品”,其硬件選型往往是用于移動終端或其他機器人的消費級器件,意在體現整體系統架構并控制較低成本,并未充分考慮溫度、環境、振動、批量供貨等產品化過程;2)軟件技術體系冗余嚴重、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、通信協議中預留了大量負載字段、占用了幾乎大部分系統資源等等,這些特性會造成過度冗余的底層程序、控制策略、通信協議段、不足的內存及計算資源,后續的開發會持續處于“對付”的狀態,造成產品不穩定。


最后嘮一嘮自研飛控的事。目前幾家知名的無人機公司都是從自研飛控起家的,基本上都經歷了10年以上的技術沉淀,為什么呢?因為……10年前還木有開源飛控!這些團隊都是電容電阻逐個畫到板子上、代碼一行一行碼到屏幕上。開發過程往往是模塊化搭建的,比如先開發傳感器采集、舵機/電機控制,再調試獨立通道從航向、轉速、定高、俯仰、橫滾等讓飛行器穩定,隨后是穩定懸停,到這里已經是成功一大步了,最后是航線飛行,可以按照設定航跡點自動飛行。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歷幾年的時間,還是一切順利的情況下!自研飛控確實耗時耗力,但帶來的好處是由于對硬件和軟件的充分理解,后續的開發和改進會大大加速,遇到任何問題的改進速度也會大大加快。也正是因為這些原因,前期的有效積累奠定了目前幾個知名無人機公司的快速發展。


魚龍混雜的市場”——如何判定一款好飛控?


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方面:適配、穩定、功能、服務。


適配——目前眾多無人機廠商中擁有自己飛控技術的較少,多數廠家走了一條設計、研發、生產機體,采購成熟飛控,最后開拓市場渠道的道路,這有利于公司的快速起步并且占領市場制高點。然而,不同廠商的設計思路不同、針對用戶不同、適應場景不同,造成飛行器機體的千差萬別。從單旋翼到多旋翼、從四軸到八軸、從開放式到函道式、從油動到電動,如果選擇一款飛控不僅能夠快速適配自己公司設計的飛機,還能保證飛的又穩又好,您一定覺得成功不遠了,想偷著笑。如果同一款飛機能把您公司不同類型、不同款的飛機一起搞定,那真是要笑出聲來了,這樣不僅可以提高研發效率,更能減少維護成本。


穩定——相比起兩年前,現在飛控已經基本穩定、市場也趨于成熟,沒有試用過的客戶基本是不會出手了。可試用如何看出穩定、可靠呢?這里可以用三看訣竅:一看公司產能,年產至少達到1000套以上各類工藝流程、質量管理、測試體系才能基本走通、健全;“二看器件篩選,工業級以上的產品尤其是需要“歸零”管理的產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,確定基礎器件的穩定;三看測試環境,飛控產品屬于“零容忍”故障產品,至少需要經歷模塊級測試、產品級測試、系統級測試。雖然產品形態是飛控,但必須要經過整機安裝后的飛行測試再拆裝復原才能出廠。不得不說一句,上述的測試如果你以為正常抽檢即,可那就錯了!要全檢!全檢!全檢!


功能——不得不承認,現在的飛控還不能稱為完全成熟,炸機率普遍還處于3%-20%的較高水平,但并不能阻止我們對功能的不懈追求。一般來講,“開源飛控”由于豐富的生態,對于外在功能性需求響應較快;而“自研飛控”對于功能性定制更深入,對于系統性功能需求的開發周期更短。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)地勢變化的自動跟蹤,主要用在農田噴灑;3)自動避障功能,可以保證飛行過程中不對飛行器造成傷害;4)飛行規劃定制,客戶可以在使用過程中定義A-B點飛行、指定區域覆蓋飛行、飛行任務中斷續飛等;5)手持終端任務規劃與監控,通過手機、PAD、筆記本等設備下達飛行任務并實時任務監控;6)遠程監控及分析,通過移動運營商網絡在遠程異地對飛行過程進行監控并分析運行狀態及故障。

服務——前三個判斷飛控好壞的關鍵詞大家都能理解,說到服務很多人會摸不著頭腦。其實這一條還真是一個特別重要的因素,尤其是對B端的客戶。以農業植保應用為例,農田施藥的作業季在3月到10月,而旺季主要集中在5-8月,需要高強度、大負荷、不間斷作業,在溫差大、濕度大、環境復雜的農田出現各類故障在所難免。優質的服務需要7x24小時提供不間斷技術支持、配件更新、調試指導,才能讓使用者最大限度減小損失、獲取效益,而且這些專業的服務目前只有飛控生產廠商才能做的最好。


十年磨一劍”——飛控的研發到底有多難?


如果說“飛控是無人機核心技術之一”,我想沒有人會否認,而現實是大多數無人機廠商并不完全掌握這項技術,大家看不到重要性么?非也!其實很多廠商都曾嘗試過自主研發,但絕大多數都由于技術積累薄弱、可靠性不高、技術迭代速度慢等因素而中途放棄,發自肺腑地說“搞飛控還真的挺難”!


先來看看無人機飛控的技術現狀,由易到難基本分成三個層次:飛行、感知、交互。第一級飛行,指無人機了解自身狀態進行穩定控制的基礎上,可以通過地面人員遙控、移動端設置路線或遠程指令完成預定航線的自動飛行,這是飛行控制的入門階段,練好這一級可以完成一些基本的任務了,比如空曠區域的遠程偵察。可應用在農業、物流、巡檢等復雜環境怎么辦?樓房能躲開么?能找到合適降落地點么?


不行,必須升至第二級感知。感知層次是指無人機不僅了解自身狀態,對外界環境也要通過傳感器了如指掌。感知通過傳感器選型、數字濾波、多傳感器數據融合、基于感知的路徑規劃等技術,讓無人機在復雜環境中完成任務且飛行自如。


飛控等級修煉到這應該差不多吧?還有?沒錯!你有沒有想過,今天無人機的技術狀態類似地面機器人50年前的情形——穩定的行走、越過障礙物、把拍攝的場景錄下來。而今的地面機器人不僅會“感知”,復雜“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。無人機為什么不能交互呢?為什么不能空中進行危險品的采樣、輸電線路損壞器件的維修更換、貨物的自動抓取與運輸?“Nothing is Impossible”!交互是在感知的基礎上,在了解了外界環境后對環境中的目標進行交互作業的過程。

按照這種方式分類,目前的無人機基本處于1.5級水平,那么飛控的開發在不同技術層級到底難在哪?如何克服這些難點呢?


首先來看看飛行。垂直起降無人機最大的控制特性就是其靜不穩定特性,類似用指尖平穩地托起一支筷子,必須不停的調整姿態、位置得以平衡。人最快的反應速度大約每秒5次,而無人機要想達到優秀的控制性能,需要每秒300次的感知和計算,任何一次的計算錯誤或計算中斷的結果都是機器墜毀任務停止。一套完整的飛控全部器件接近1000個,是一部復雜手機的幾倍,下至OEM安卓機上至蘋果,死機對于使用者僅僅是重啟加一聲嘆息的事,而對于無人機則無法接受。這些部件首先要保證自身運轉正常,其次要之間的電氣、通信正常,組裝后要經歷各種測試、機體振動的沖擊,最后要求忍受住風吹日曬及老化過程!艾瑪,好難!想把飛行搞好,先要一套完善可擴展的硬件系統架構,具備強大的計算能力以及高帶寬的總線通信能力;其次器件要根據飛行需求按照商業、工業、軍工不同等級標準選擇;在實時嵌入式操作系統上構建具有自身及環境適應性強的控制算法;最后,在使用前進行溫度、壓力、振動、電磁兼容、飛行性能等全科目全產品檢驗。


再來看看感知。人類總喜歡用自己的標準衡量其他事物,在我們的思維里好萊塢大片里變形金剛的能力應該是習以為常容易做到的。殊不知,人類經歷了多少年的進化才有了今天豐富的感知和思維能力,機器人的歷史呢?如果這么看,機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、自動變焦、自動調焦、自動白平衡、自動光圈……各種自動,而目前無人機感知用到的攝像機和計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、離散矩陣等結構化和非結構化數據歸攏好形成合力,物理、數學、電子、電路等知識缺一不可??!要做好感知也并非不可能,先要針對應用場景的環境變量、復雜程度、精度要求、響應時間進行感知傳感器的硬件選型和組合;其次進行數據的初步整理、深度數據融合;最后基于感知結果以及飛行器的運動學和動力學特性進行任務、路徑的重規劃。


交互層級,想想都難!不妨讓我們腦洞大開一下,某天發生大面積停電,無人機通過巡查發現了一處輸電線路破損,這時飛機伸出機械手抓,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。看似不起眼的過程,卻因為所有操作都在空中而異常艱難。我們都看到過在空間站上進行維修任務的航天員、水下作業的潛航員,他們的任何動作都非常困難,就是因為他們都處在懸浮狀態,任何的力都會產生反作用力導致定位、操作的不確定性。無人機空中交互也類似,在于目標接觸過程中會產生反作用力影響飛行平穩,而飛行姿態的影響又會導致操作力的變化,進入一個惡性循環。要實現空中的有效交互首先要在時變的環境下進行精確的預測性感知,判斷在反作用力后系統的狀態;其次要考慮通過整體建模或解耦控制消除操作臂本身運動過程對飛行器的影響;最后保證在操作臂與目標接觸及移動過程中,外力/力矩對飛行器的影響最小,實現安全交互任務。


敢問路在何方”——飛控未來十年的技術發展


洋洋灑灑幾千字,用10年的積淀回顧了飛控的發展史、如何選擇、技術難點以及解決思路,如果再往后看10年,未來的飛控還會是核心么?技術發展趨勢是什么呢?


硬件SoC化。片上系統(System on Chip, SoC)入侵無人機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、收購消費無人機團隊或企業進入這個市場。飛控SoC之所以選擇消費級無人機作為突破口,主要原因是此類無人機數量大,對于SoC帶來的投入產出比更好;另一方面消費級無人機比商用無人機應用環境更理想,對可靠性、平均無故障時間要求更低。而通過股權形式與無人機企業深度結合是因為傳統的芯片廠商只有硬件的能力,需要與無人機企業在軟件方面深度結合和定制開發,這里也足見飛控軟件的難度之大,國際化的大企業也很難搞定。而未來飛控的硬件SoC化不可阻擋,只是在消費之外的領域需要更長時間的市場培養和技術迭代的過程,在解決了上述問題后,SoC將帶來極大的成本降低,更多的飛控企業會更專注于應用層、數據端的技術開發。


軟件模塊化。硬件SoC化后會帶來硬件結構的標準化,為軟件的升級迭代提供了更好的生態,不同開發者之間可以通過標準的底層驅動支持及通信協議分享軟件的代碼。(聽起來有點像現在的開源飛控,YES?。?b>不同傳感器處理程序、不同飛行控制算法、不同任務規劃模塊、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或其他形式形成飛控軟件的商業模式,大大降低了新功能開發的難度,將更多的注意力集中在任務層或業務層。


系統終端化。目前的無人機系統應用還是將飛行器視為核心資產,所有的人力、財力、物力都圍繞著飛行器本身轉,預期通過無人機的使用愉悅人們心情或者在生產中創造價值。目前這個階段有點像80年代的人們使用大哥大,當個寶貝一樣但卻沒有發揮其很大的作用;而現在的手機已經終端化,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也在貢獻著自身的價值。未來無人機在各類應用中更像是布撒的一系列終端設備,飛控作為無人機的核心會在終端化過程中扮演重要作用,無論在消費、農業、巡視等各領域,飛控將成為數據終端的核心,大量的飛行狀態、任務數據、載荷狀態會被記錄、回傳、分發,用戶或其他利益相關方會通過付費等商業模式獲取終端的有用信息。


通信網絡化。無人機發展了上百年,絕大多數情況下的通信都是點對點的直接聯系,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)等波段進行點對點通信。隨著美國GPS戰略,可以通過衛星進行各類無人機等終端的組網,但目前其由于帶寬、成本等問題而無法在商用中廣泛推廣。隨著智能手機增長率的放緩以及無人機終端化的趨勢,移動運營商們也敏銳捕捉到了商機,紛紛推出了面向無人機應用的移動通信解決方案。這類方案目前采用成熟商用2G、3G、4G網絡,通過定義套餐、開發貼片SIM卡組件、天線定制等方式,使無人機作為終端接入商用網絡。雖然還存在網絡不穩定、覆蓋區域不全等因素,但隨著無人機數據價值的增加、移動通信技術的高速發展驅動以及無人機管控壓力的增大,在不久的將來借助運營商的飛控網絡化趨勢不可阻擋。

數據可視化。在大數據時代,沒有人否認原始數據的重要性。無人機+大數據喊了也有一段時間了,但目前受到終端化剛起步、網絡化未完全落地、數據來源少等因素,無人機的大數據時代還沒有真正來臨。無人機數據與其他大數據最大的區別在于行業垂直度深。在不考慮消費娛樂應用的前提下,無人機的應用領域又幾十種,而每一種都有其已有的、較深壁壘的行業模式,各類不同領域的數據融合的可能性不大。在未來無人機發展過程中不應空泛強調大數據的意義,而更應通過飛控的數據搜集能力獲取高頻率的有效信息進行分析,得到能夠給行業帶來價值的可視化數據,直接為行業服務。

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