“让选择不再左右为难”——飞控来龙去脉及选型指南
10年以前，搞无人机的十个人有八个是航空、气动、机械出身，更多考虑的是如何让飞机稳定飞起来、飞得更快、飞得更高。如今，随着芯片、人工智能、大数据技术的发展，无人机开始了智能化、终端化、集群化的趋势，一大批毕业于自动化、机械电子、信息工程、微电子的高材生们投入到了无人机研发大潮中，几年的时间让无人机从远离人们视野的军事应用飞入了寻常百姓家、让门外汉可以短暂的学习也能稳定可靠的飞行娱乐。不可否认，飞控技术的发展是这十年无人机变化的最大推手。
回顾历史，飞控技术发展分为两大流派、三种起源。
▲无人机已成战争中不可忽视的力量
先表一表以苏俄、欧美为代表的两种技术体系。高技术的发展最初都源于军事，飞控的发展更不例外，一战、二战再到伊拉克战争，无论是苏俄还是欧美国家，都相继开始了有人飞机的无人化改造以及新研制无人机的工作。
苏俄国家延承了载人机控制的研发技术体系直接转到了无人机，早期飞控硬件使用了战斗机的飞控计算机，控制算法一直使用分型模态分段辨识、建模、控制的方法。通俗来讲就是要通过吹风洞、机理建模等方法，知道飞行器在起飞、悬停、低速、中速、高速、降落等不同飞行状态下的参数，在不同状态设计相应控制器。飞行器飞行过程中不断切换控制方法或控制参数以保证飞行器处于理想状态。这种流派优势在于硬件经过长期飞行验证，控制算法在设计模态内系统稳定性可以有效理论证明；缺点在于硬件傻大笨粗且无法预测实际飞行过程中可以经历的所有飞行状态。
相比起苏俄直接使用了战斗机的技术体系，欧美则前瞻性地在上世纪中期开始布局了前沿技术的探索和积累（DARPA就是各类计划的代表），支持研究机构、大学探索了很多新的无人机专用的飞控硬件和算法。
▲DARPA，是美国国防部属下的一个行政机构，负责研发用于军事用途的高新科技
这类项目一般以军工企业牵头、研究所负责演示验证、大学负责理论算法研究，组成的团队通过多年的中小型无人机的试飞试验，形成了以嵌入式计算机为硬件核心、以自适应控制为算法的飞控体系。
其实欧美和苏俄的派系区别最大的就在这！欧美很大程度上放弃了传统的模态分段控制，无需再对不同飞行状态进行建模、参数辨识，而是采取了在线辨识，也就是说在飞行器飞行的过程中通过在线辨识理论方法，控制器自己判断自身所处的状态、参数等，根据这些信息响应切换不同的控制策略或控制参数。这种流派的优势在于系统体积小、重量轻，缩短了新型无人机的研发过程，智能型进一步增强；缺点在于需要较长时间的理论技术积累，且某种程度上无法证明全局系统稳定性。但无论怎样，飞控的发展成为了重要的使能技术之一，让美国的军用无人机一跃成为世界领先，其他国家也纷纷效仿。
再来说说飞控的三种起源——“固定翼飞控”、“开源飞控”、“自研飞控”。干过无人机的人都知道，飞控不好搞！但面对市面上各种动不动就“高可靠”、“军工级”、“全自主”，圈外人根本不知道这伙人是怎么把飞控搞出来的？他们说的可靠么？了解了这三种起源，以后你跟搞飞控的聊，一定让他觉得你是“老司机”。
十多年前搞垂直起降无人机的主要技术来源是“固定翼飞控”，其实固定翼无人机才算是无人机真正的祖宗，100多年前就已经有人将战斗机加装简单的控制器尝试完成无人侦查和投弹的工作。那么为什么无论是载人飞机还是无人机都是先固定翼成熟、垂直起降的晚熟呢？从结构上看，固定翼飞行器没有垂直起降飞行器过多的旋转、振动部件，气动也比较简单；从控制方面看，固定翼飞行器属于静稳定系统，就像我们开车，手离开方向盘几秒钟汽车仍能正常直行，相比之下属于静不稳定的垂直起降飞行器则需要驾驶员无时无刻不在调整着操纵杆，稍有疏忽就会坠毁。这两方面且主要是控制上的困难，让垂直起降飞行器的控制非常困难。这个特性也让来源于固定翼飞控的团队在应对垂直起降飞行时显得束手无策，以往积累的固定翼飞行控制策略可借鉴意义不大，甚至直接使用原有的空速进行控制还经常导致致命的摔机。
▲风靡一时的开源飞控代表——APM
再来说说“开源飞控”。这可能是市面上能见到最多数量的飞控了，其来源于“DIY DRONE”时期，最开始是为了满足欧美“极客”、“创客”对于自由飞行的梦想。本来挺好的事情，这里又要转折了！然而，“极客”这个词被中国又玩坏了！缺乏了分享和奉献精神的中国“极客”们，迅速将各类开源飞控直接商品化卖钱。更让人毛骨悚然的是，这样的“商品”不仅卖给了中国的玩家，更有甚者还没给了农业、电力、甚至警用这类行业用户！
殊不知这种未商品化的天然“半成品”有着天然的基因缺乏：1）硬件器件未经可靠性、规模化验证。开源飞控的设计初衷是供极客们二次开发或者爱好者DIY的“半成品”，其硬件选型往往是用于移动终端或其他机器人的消费级器件，意在体现整体系统架构并控制较低成本，并未充分考虑温度、环境、振动、批量供货等产品化过程；2）软件技术体系冗余严重、资源不足。出于通用性的考虑，目前开源飞控适配几乎所有类型的飞行器、通信协议中预留了大量负载字段、占用了几乎大部分系统资源等等，这些特性会造成过度冗余的底层程序、控制策略、通信协议段、不足的内存及计算资源，后续的开发会持续处于“对付”的状态，造成产品不稳定。
▲类似这种前瞻性的研发功课，只有自研飞控厂商才有实力和底气来做
最后唠一唠“自研飞控”的事。目前几家知名的无人机公司都是从自研飞控起家的，基本上都经历了10年以上的技术沉淀，为什么呢？因为……10年前还木有开源飞控！这些团队都是电容电阻逐个画到板子上、代码一行一行码到屏幕上。开发过程往往是模块化搭建的，比如先开发传感器采集、舵机／电机控制，再调试独立通道从航向、转速、定高、俯仰、横滚等让飞行器稳定，随后是稳定悬停，到这里已经是成功一大步了，最后是航线飞行，可以按照设定航迹点自动飞行。至此基本完成了“自研飞控”的基本过程，这里看起来短短几行字，我们的飞控攻城狮们至少要经历几年的时间，还是一切顺利的情况下！自研飞控确实耗时耗力，但带来的好处是由于对硬件和软件的充分理解，后续的开发和改进会大大加速，遇到任何问题的改进速度也会大大加快。也正是因为这些原因，前期的有效积累奠定了目前几个知名无人机公司的快速发展。
