作者 | 穹宇逐光

出品 | 聚翼無人機

1第一部分

基礎概念

飛控是什么？

多旋翼飛行控制器（Flight Controller, FC），是無人駕駛航空器（UAV）的核心組件之一。它充當無人機的“大腦”，負責處理來自各種傳感器的數據，并據此作出決策，以實現對無人機的姿態控制、導航以及任務執行等功能。通過編程和算法優化，飛行控制器能夠賦予無人機一定程度上的自主飛行能力，使其能夠在沒有人類直接干預的情況下完成特定任務。

組成部件

飛行控制器通常由以下幾個關鍵部分構成：

● 傳感器：包括GPS模塊、慣性測量單元（IMU）、氣壓計等。這些設備用于感知無人機的位置、速度、高度及姿態等信息。

● 處理器：作為飛行控制器的大腦，處理器接收并處理來自各個傳感器的數據，運行必要的控制算法，并輸出控制指令給電機驅動器（ESC）和其他外設。

● 接口電路：提供與其他硬件組件連接的橋梁，例如接收機、電源管理模塊、外部存儲器等。

F405 V3飛控

各部分之間緊密協作，共同確保了飛行控制器能準確地獲取環境信息，并根據預設規則或實時情況調整無人機的行為。

例如，IMU會持續監測機體運動狀態，而GPS則為定位提供支持；處理器將這兩者提供的數據結合，再運用適當的控制策略來保持穩定飛行或按計劃航線行駛。

2第二部分

工作原理

感知層面

在感知層面上，飛行控制器主要依賴于多種類型的傳感器來捕捉周圍環境的信息。

GPS可以提供精確的地理位置坐標，幫助確定無人機所處位置；IMU內的加速度計和陀螺儀可檢測到機體的加速變化和旋轉角度，從而判斷其當前姿態；氣壓計用來估算海拔高度。為了提高數據質量和可靠性，飛行控制器還會采用數據融合技術，如卡爾曼濾波器（Kalman Filter），將不同來源的數據進行綜合分析，消除噪聲干擾，得到更準確的結果。此外，針對可能存在的誤差問題，也會實施校正措施，比如溫度補償、零點漂移修正等。

控制層面

一旦獲得了足夠可靠的狀態信息，接下來就是如何有效地利用這些信息來進行控制了。

這一步驟涉及到選擇合適的控制算法，其中最常見的是PID（比例-積分-微分）控制器和LQR（線性二次型調節器）。PID控制器基于誤差反饋機制，通過對誤差的比例、積分和微分三個分量加權求和，產生一個適當的控制信號，使系統輸出盡可能接近期望值。相比之下，LQR則更加復雜，它考慮到了系統的動態特性，在最小化性能指標的同時，尋求最優解。無論采用哪種方法，最終目的都是讓無人機按照預定的方式行動，無論是懸停不動還是沿著指定路徑前進。

決策層面

對于高級應用而言，僅僅做到精準控制還不夠，還需要具備良好的任務規劃能力和應對突發狀況的能力。

這意味著飛行控制器需要有能力規劃出合理的飛行路線，并且在遇到障礙物或者失去通信聯系時采取適當的安全措施。例如，在執行攝影任務時，它可以計算出最佳拍攝角度和時機；當發現電池電量不足時，則自動返回起降點降落。同時，為了保證安全性，還應該設置一系列應急預案，如一鍵返航、自動避障等。

3第三部分

軟件平臺

開源項目

隨著開源文化的興起，越來越多的人參與到飛行控制器的研究和發展中來。

一些知名的開源飛行控制器項目包括：

● ArduPilot：適用于固定翼、直升機、多旋翼等多種類型無人機的開源飛控系統。它具有強大的功能集和活躍的社區支持。

● PX4：另一個廣泛使用的開源飛控平臺，專注于高性能和高可靠性。它的代碼庫維護良好，文檔詳盡，適合學術研究和技術開發。

● Betaflight：主要用于競速類FPV（第一人稱視角）無人機的飛控固件，強調快速響應和靈活配置。

盡管上述項目各有特色，但它們都致力于降低進入門檻，鼓勵更多愛好者加入到無人機技術的創新實踐中去。

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