“十年磨一剑”——飞控的研发到底有多难？
如果说“飞控是无人机核心技术之一”，我想没有人会否认，而现实是大多数无人机厂商并不完全掌握这项技术，大家看不到重要性么？非也！其实很多厂商都曾尝试过自主研发，但绝大多数都由于技术积累薄弱、可靠性不高、技术迭代速度慢等因素而中途放弃，发自肺腑地说“搞飞控还真的挺难”！
先来看看无人机飞控的技术现状，由易到难基本分成三个层次：“飞行”、“感知”、“交互”。第一级“飞行”，指无人机了解自身状态进行稳定控制的基础上，可以通过地面人员遥控、移动端设置路线或远程指令完成预定航线的自动飞行，这是飞行控制的入门阶段，练好这一级可以完成一些基本的任务了，比如空旷区域的远程侦察。可应用在农业、物流、巡检等复杂环境怎么办？楼房能躲开么？能找到合适降落地点么？
不行，必须升至第二级“感知”。感知层次是指无人机不仅了解自身状态，对外界环境也要通过传感器了如指掌。感知通过传感器选型、数字滤波、多传感器数据融合、基于感知的路径规划等技术，让无人机在复杂环境中完成任务且飞行自如。
飞控等级修炼到这应该差不多吧？还有？没错！你有没有想过，今天无人机的技术状态类似地面机器人50年前的情形——稳定的行走、越过障碍物、把拍摄的场景录下来。而今的地面机器人不仅会“感知”，复杂“交互”的能力让他们完成诸如拆弹、换电瓶这样的工作游刃有余。无人机为什么不能“交互”呢？为什么不能空中进行危险品的采样、输电线路损坏器件的维修更换、货物的自动抓取与运输？“Nothing is Impossible”！交互是在感知的基础上，在了解了外界环境后对环境中的目标进行交互作业的过程。
按照这种方式分类，目前的无人机基本处于1.5级水平，那么飞控的开发在不同技术层级到底难在哪？如何克服这些难点呢？
首先来看看“飞行”。垂直起降无人机最大的控制特性就是其静不稳定特性，类似用指尖平稳地托起一支筷子，必须不停的调整姿态、位置得以平衡。人最快的反应速度大约每秒5次，而无人机要想达到优秀的控制性能，需要每秒300次的感知和计算，任何一次的计算错误或计算中断的结构都是机器坠毁任务停止。一套完整的飞控全部器件接近1000个，是一部复杂手机的几倍，下至OEM安卓机上至苹果，死机对于使用者仅仅是重启加一声叹息的事，而对于无人机则无法接受。这些部件首先要保证自身运转正常，其次要之间的电气、通信正常，组装后要经历各种测试、机体振动的冲击，最后要求忍受住风吹日晒及老化过程！艾玛，好难！想把“飞行”搞好，先要一套完善可扩展的硬件系统架构，具备强大的计算能力以及高带宽的总线通信能力；其次器件要根据飞行需求按照商业、工业、军工不同等级标准选择；在实时嵌入式操作系统上构建具有自身及环境适应性强的控制算法；最后，在使用前进行温度、压力、振动、电磁兼容、飞行性能等全科目全产品检验。
▲科幻电影里的人机感知或许很快就会成为现实
再来看看“感知”。人类总喜欢用自己的标准衡量其他事物，在我们的思维里好莱坞大片里变形金刚的能力应该是习以为常容易做到的。殊不知，人类经历了多少年的进化才有了今天丰富的感知和思维能力，机器人的历史呢？如果这么看，机器人的演化速度还更快些呢。人感知世界主要靠看，眼睛具有极高的分辨率、自动变焦、自动调焦、自动白平衡、自动光圈……各种自动，而目前无人机感知用到的摄像机和计算能力比人的能力还差十万八千里呢！智能引入其他传感器，比如激光、声纳、雷达等，每种传感器的特性不同，需要将这些流媒体、离散矩阵等结构化和非结构化数据归拢好形成合力，物理、数学、电子、电路等知识缺一不可啊！要做好“感知”也并非不可能，先要针对应用场景的环境变量、复杂程度、精度要求、响应时间进行感知传感器的硬件选型和组合；其次进行数据的初步整理、深度数据融合；最后基于感知结果以及飞行器的运动学和动力学特性进行任务、路径的重规划。
“交互”层级，想想都难！不妨让我们脑洞大开一下，某天发生大面积停电，无人机通过巡查发现了一处输电线路破损，这时飞机伸出机械手抓，熟练地废件摘除、取出备件、更换、缠绕绝缘胶带、放回工具，飞回基地完成任务。看似不起眼的过程，却因为所有操作都在空中而异常艰难。我们都看到过在空间站上进行维修任务的航天员、水下作业的潜航员，他们的任何动作都非常困难，就是因为他们都处在悬浮状态，任何的力都会产生反作用力导致定位、操作的不确定性。无人机空中交互也类似，在于目标接触过程中会产生反作用力影响飞行平稳，而飞行姿态的影响又会导致操作力的变化，进入一个恶性循环。要实现空中的有效交互首先要在时变的环境下进行精确的预测性感知，判断在反作用力后系统的状态；其次要考虑通过整体建模或解耦控制消除操作臂本身运动过程对飞行器的影响；最后保证在操作臂与目标接触及移动过程中，外力／力矩对飞行器的影响最小，实现安全交互任务。
