多旋翼无人机组装调试与飞行实训

二、发展回顾　（1）固定翼飞控独步天下　自1912年美国的爱莫尔·斯派雷（Eimer Sperr-y）研制成功第一台可以保持飞机稳定平飞的电动陀螺稳定装置以来，能够稳定飞机姿态的自动控制装置——自动驾驶仪（Auto-pilot）得以迅速发展。第二次世界大战以前的有人驾驶动力飞机，不管是运输机还是战斗机，其飞行安全完全得益于自动驾驶仪技术的成熟。　但是，当飞机成功突破音障以后，飞行包线　（飞行速度和高度的变化范围）逐渐扩大，飞机自身的稳定性也逐步恶化。随着飞行高度的增加，飞机自身的阻尼力矩因高空的大气密度变小而减小，从而使得阻尼不足而导致飞机的飞行姿态产生强烈的摆动，驾驶员操纵飞机更加困难。为改善飞机姿态摆动的阻尼特性，增加飞行的稳定性，利用角速率陀螺（测量飞机的角速度信号）、放大器和串联舵机形成负反馈回路构成了阻尼器系统。由于阻尼器只能增大阻尼比，即仅能改善飞机姿态摆动的动稳定性，因此又在阻尼器基础上发展了增稳系统和控制增稳系统，不仅可以改善动稳定性，还可以增加静稳定性和改善操纵性。　由此，自动驾驶仪技术得以进一步扩展，并进化为飞行自动控制系统。当驾驶员的反应速度和能力不能胜任多种参数的观测和协调控制时，飞行控制系统也能支持驾驶员完成艰巨的飞行任务，成为驾驶员的得力助手。　可见，飞控并非无人机所独有，它是有人驾驶动力飞机的固有产物。随着世界各国因战争需求而相继开展有人飞机的无人化改造以及新型无人机的研制工作，飞行控制系统的无人化研究也逐步展开，并基于当时冷战的特点形成两种技术流派。　以苏联为代表的研究团队将有人机飞行控制的研发技术体系直接嫁接到了无人机上，飞控硬件使用战斗机飞控计算机，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经有效理论证明；缺点在于硬件傻大笨粗且无法预测实际飞行过程中可能经历的所有飞行状态。　而以美国为代表的技术团队，则前瞻性地在20世纪中期开始布局前沿技术的探索和积累，支持各研究机构和大学探索更多新的无人机专用的飞控硬件和算法，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。这种体系采取了在线辨识功能，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。其优势在于系统体积小、质量轻，缩短了新型无人机的研发过程，智能性进一步增强；缺点在于需要较长时间的理论技术积累，且在某种程度上无法证明全局系统稳定性。但无论怎样，飞控的发展成为其重要的促进技术之一，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。　事实上，只有固定翼才算是无人机真正的鼻祖。从结构上看，固定翼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，固定翼属于静稳定系统，就像人们开车，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随时调整操纵杆，稍有疏忽就会坠毁。这种特性让垂直起降飞行器的控制非常困难，也让来源于固定翼飞控的团队在应对垂直起降飞行时束手无策，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会经常导致致命的摔机。   （2）开源飞控崭露头角　现在知道为什么早期的航模人都是从固定翼入手的吧？因为又大又重的机械陀螺仪在质量和体积上实在难以应用到小型飞行器中。20世纪90年代以后，MEMS技术开始成熟，只有芯片大小的MEMS传感器被制造出来，使得研制能够自主导航的小型飞行器成为可能。　在民用飞行器领域，MEMS陀螺仪传感器最早被应用于小型航模直升机。当时的直升机航模一般没有装备飞控，完全靠飞手手动控制，因此非常难以驾驭，只有经过大量训练的玩家才能够比较好地操控。因为操控直升机，不仅要通过遥控器手动控制姿态上的3个自由度使其平衡飞行，还要同时控制油门及桨距来保持其高度稳定，新手很容易手忙脚乱导致直升机坠机炸毁。后来有人在直升机上加入了一个单轴陀螺仪，可以感知偏航轴的角速度变化，以控制尾桨的转速来保持直升机的航向不变，从而在一定程度上降低了直升机的操控难度，所以也被称为锁尾陀螺仪。　后来，机械上更加简单轻便的四旋翼结构逐渐流行开来，它省去了直升机上最复杂的自动倾斜器，只依靠调整4个螺旋桨的转速来控制飞行器的姿态。手动控制变得近乎不可能，因为人的反应速度不足以同时手动控制4个螺旋桨，保持稳定所需要的调整速度和精度也是人工无法做到的。即使像直升机使用一个单轴的MEMS陀螺仪也只能感知一个平面内的角度变化，于是有人想到了用3个陀螺仪互成90°夹角的组合方式来测量飞行器在三维空间内运动的3个轴的角速度，然后让微处理器以非常高的频率去控制4个螺旋桨的转速。飞手只要控制3个轴的角速度就能保持四旋翼飞行器的稳定，大大降低了操控难度。　来自法国的一个开源项目KK飞控便是此类型的一个代表作，KK飞控软硬件全部开源，采用atmega8单片机和3个单轴的陀螺仪，硬件简单且成本低廉，因此早期受到了很多玩家的欢迎。但因为程序采用汇编语言编写，移植性和可读性都较差；同时，因为只有陀螺仪，飞控只能测量出飞行器的角速度，而无法计算飞行器相对于水平面的角度，因此不能自动保持平衡。需要飞手实时观察飞行器姿态，通过眼睛的实时反馈来控制每个轴的运动角速度，使飞行器达到一个平衡的状态。所以说，尽管KK飞控使四旋翼变得可以操控了，但并不代表人人都能飞得很好，能驾驭K-K飞控的飞手，通常是那些经过千锤百炼的玩家，或者是练过直升机的。基于此，尽管目前仍能从淘宝上购买到该飞控，但强烈建议不选择这款“古董级”飞控，除非你想特意为自己的入门学习之路增加难度。