無人機集群控制算法_無人機集群定義

　　世界變化快，無人機集群控制算法我們雖在不知不覺間經(jīng)歷著事物的變化，未必能夠意識到變化的發(fā)生，至于思考就更是奢求。而在無人機行業(yè)，思考卻比什么都重要。

　　九十年代商務潮人標配大哥大+BP機，千禧年后出現(xiàn)無人機集群控制算法了“手機”這個詞，功能上實現(xiàn)了大哥大與BP機的結(jié)合：Dial+Massage。之后手機的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了從按鍵到鍵盤再到觸屏的變化過程，現(xiàn)如今哪款手機沒有系統(tǒng)，沒有APP，沒有網(wǎng)絡功能都不敢加上“手機”二字。對于手機概念的理解不同，技術與產(chǎn)品方向也會不同。看似明確的變化過程中無數(shù)企業(yè)灰飛煙滅。

　　對于無人機行業(yè)而言，飛控系統(tǒng)是當之無愧的系統(tǒng)核心，而它又處在怎樣的變化之中呢?

　　二十一世紀之前國內(nèi)很少聽到“無人機”這個詞，更多的是遙控飛機或者航模。八零后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，其無人機集群控制算法他小朋友都使用相對容易操控的固定翼航模。

　　2000年以后隨著MEMS技術的發(fā)展以及電子航空發(fā)燒友的增加，從航模向無人機的轉(zhuǎn)變趨勢日趨明顯，很多FCM，F(xiàn)CU(Flight Control Module/Unit，詞條解釋請移步：城堡里學無人機：無人機行業(yè)用語詞典(Keep 更新ing))開始出現(xiàn)在人們面前：國內(nèi)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，F(xiàn)3等。這些FCU通過相應的控制算法，對無人機系統(tǒng)反饋的狀態(tài)信息進行解算，根據(jù)解算出的狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合算法(一般為線性控制算法)計算控制量并輸出。FCU本身往往只涉及很小一部分狀態(tài)信息的采集，同時內(nèi)部算法一般只針對無人機本身的姿態(tài)控制或者軌跡跟蹤(很少)。因此在系統(tǒng)硬件構(gòu)成上不包含某些狀態(tài)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(tài)信息進行處理(如某些不處理外環(huán)狀態(tài))。

　　在2012年之后，隨著航拍等市場需求的挖掘，無人機控制開始從FCM，F(xiàn)CU轉(zhuǎn)向FCS(Flight Control System)，無人機廠家開始生產(chǎn)各自的飛控產(chǎn)品，該類產(chǎn)品更多是應用在該企業(yè)無人機產(chǎn)品所面對的市場領域。這類產(chǎn)品與FCU在系統(tǒng)范圍(或元素組成)上有著明顯的區(qū)別，一般不止包括FCU所涵蓋的范疇，也包括數(shù)據(jù)獲取(如云臺、攝像頭等)模塊，數(shù)據(jù)通訊模塊，GPS模塊，配套的地面站(PC端，移動端)，SDK等。

　　但這種轉(zhuǎn)型并沒有徹底完成，由于FCS的系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)設計，相關算法，地面站功能等各個方面都與無人機本身的應用行業(yè)息息相關，對于企業(yè)而言，真正的難點在于如何實現(xiàn)無人機技術與行業(yè)應用的銜接，即FCS的產(chǎn)品設計與技術發(fā)展不止于無人機，更重要的是延伸到無人機應用的行業(yè)中去。

　　在無人機行業(yè)應用中一批企業(yè)已經(jīng)走在前面，有的企業(yè)提供整機服務如極飛、DJI等。也有企業(yè)專注于提供行業(yè)FCS，其中成熟的產(chǎn)品如上海TopXGun(拓攻)的植保機專用飛控：T1-A及行業(yè)飛控Top-D1(第十三屆上海模型展覽會正在召開，包括拓攻這兩款FCS在內(nèi)的很多產(chǎn)品都已參展，有興趣的朋友可以在讀完本文后面內(nèi)容后去展會現(xiàn)場看一看行業(yè)級FCS產(chǎn)品與實機演示效果)

　　MR.城堡將以這一類產(chǎn)品為例與大家分享行業(yè)FCS在設計與實現(xiàn)中需要考慮的問題與處理方案。

　　無人機是基于任務的智能機器人系統(tǒng)，整體設計要根據(jù)專門的行業(yè)應用進行調(diào)整。這種調(diào)整勢必面臨來自穩(wěn)定性、控制精度、行業(yè)適應性三個方面的挑戰(zhàn)。

　　1.穩(wěn)定性

　　穩(wěn)定性方面，行業(yè)無人機需要面對更加復雜的外部環(huán)境：強風干擾，強磁干擾，以及特殊情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性，如大電流情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性，高溫度作業(yè)環(huán)境中的系統(tǒng)穩(wěn)定性等等。無論哪種情況，F(xiàn)CS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(diào)?高溫度下任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都有可能導致FCS系統(tǒng)部分或全部喪失能力。更多的挑戰(zhàn)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(tǒng)穩(wěn)定性，定位數(shù)據(jù)精度等，當面對長航時，情況多變，要求提高的行業(yè)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(wěn)定性問題，從硬件角度出發(fā)一般有三類解決方案。最直接的方式是增加備份系統(tǒng)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等采用備份FCU來降低系統(tǒng)風險。再有，Top-D1采用了差分GPS(DGPS)系統(tǒng)，支持GPS L1/L2、BDS B1/B2/B3雙星五頻與雙星解算，為行業(yè)應用提供更精確的定位信息(有關于DGPS技術，MR.城堡也會在以后的專欄文章中展開)。另外一種方式是增加FCS核心元件質(zhì)量。比如無人機系統(tǒng)最容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差與干擾的強磁計，在FCS設計時根據(jù)行業(yè)要求與任務情況進行選擇。

　　上面的兩類硬件改進途徑一方面可以在很大程度上解決行業(yè)FCS系統(tǒng)面對的穩(wěn)定性問題，但另外一個方面也勢必會增加系統(tǒng)成本。第三種方法是通過合理的硬件結(jié)構(gòu)設計與制造工藝達到事半功倍的效果。

　　上圖是拓攻Top-D1的硬件圖，在每個子模塊中采用單獨處理器的分布式結(jié)構(gòu)，一方面提高了整個系統(tǒng)以及各子系統(tǒng)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，F(xiàn)CS通過IMU，OSD，PMU等模塊與FCU剝離實現(xiàn)分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這樣的設計方式，大家也可以在自己的設計中使用。

　　算法方面，雖然不清楚拓攻或類似FCS設計商在行業(yè)級FCS中是否使用了特殊算法架構(gòu)，但在行業(yè)應用中算法設計不是單獨進行的，要配合硬件系統(tǒng)設計以及產(chǎn)品功能實現(xiàn)，這部分內(nèi)容MR.城堡會在專欄后續(xù)文章中進一步展開。

　　2.功能適應性

　　不同的行業(yè)對無人機硬件系統(tǒng)的內(nèi)容，軟件功能，算法要求都會不同。比如在植保領域，無人機介入該行業(yè)的最基本功能是噴灑農(nóng)藥。面對大面積作業(yè)范圍，要求無人機能夠自動完成相關作業(yè)任務，否則在全部人為操作下，這項工作很難保證高效實現(xiàn)，且無法進行量化評價。這要求FCS不止針對無人機實現(xiàn)自動控制控制，也要能夠?qū)⑺茫幰箛姽嘞到y(tǒng)納入到控制范疇。從設計角度講，F(xiàn)CS的設計范疇需要越過無人機進入相關行業(yè)。

　　FCS在面對不同行業(yè)時，對于功能適應的實現(xiàn)能力有著非?，F(xiàn)實的要求。由于DJI、極飛這類提供整機產(chǎn)品的廠家沒找到對應的FCS結(jié)構(gòu)圖，因此從專門的行業(yè)FCS廠商產(chǎn)品分析會容易些。比如拓攻的植保機飛控T1-A(上圖)，該飛控在硬件結(jié)構(gòu)上專門增添了DCU模塊處理噴灌過程的數(shù)據(jù)反饋，動作信號等。同時將液位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為噴灌量，進一步將噴灌量與飛行速度關聯(lián)，實現(xiàn)噴藥量與作業(yè)面積的統(tǒng)一，最后將這種數(shù)據(jù)關聯(lián)帶入到FCS對應的“智能作業(yè)”功能中。

　　大家可以從類似T1-A這樣的行業(yè)產(chǎn)品中體會FCS是如何一步步通過硬件結(jié)構(gòu)、算法關聯(lián)、系統(tǒng)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(yè)理解，不同的設計方式，會產(chǎn)生不同的行業(yè)FCS產(chǎn)品。

　　3.研發(fā)鏈條延伸

　　在消費級無人機中，由于環(huán)境，法規(guī)，硬件成熟度，系統(tǒng)成熟度等原因，研發(fā)過程基本能夠壓縮在產(chǎn)品面世之前，在產(chǎn)品面世之后更多的是固件升級(往往也不會有很多升級版本)。但行業(yè)無人機的發(fā)展還處在萌芽階段，對于FCS在各個行業(yè)中的應用情況，需求情況，系統(tǒng)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(yè)能夠找到合適的方式實現(xiàn)產(chǎn)品面市之后的研發(fā)鏈條延伸。

　　國內(nèi)專門進行無人機飛控設計與生產(chǎn)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(chǎn)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(yè)飛控Top-D1,T1-A共兩款。這么多產(chǎn)品從側(cè)面說明在實際應用中對于FCS要求上存在著多么大的靈活性與不確定性。產(chǎn)品發(fā)布之后，如何實現(xiàn)有效的行業(yè)數(shù)據(jù)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(xiàn)硬件系統(tǒng)擴展?到底要擴展哪些硬件?如何通過行業(yè)指標評價FCS的使用效果?這些都意味這更大的挑戰(zhàn)，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(yè)領域都處于非常初始的階段，產(chǎn)品體系，技術體系，研發(fā)脈絡，反饋修正方式，硬件設計，算法設計，功能設計，硬件系統(tǒng)擴展，功能擴展等方面都有著很多可以探索的內(nèi)容。從FCS“組裝制作”到FCS“設計”，你能收獲的不止是快樂。

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