2015年無人機市場從獨占鰲頭發展到群雄并起，無人機廠商像雨后春筍般出現，無人機開始進入更多尋常百姓家。從發展前景來看，無人機的發展前途無量。在航拍、快遞、災后搜救、數據采集等領域，無人機都已經嶄露頭角。雖然在監管等層面，無人機發展依然存在瓶頸，但從目前來看，無人機產業鏈的蓬勃發展，已經是不爭的事實。

導言：無人機之所以能夠在空中自主飛行就是因為無人機也和人類一樣，也擁有一個大腦，究竟是什么樣的一個大腦才能夠控制一架飛機在空中自動駕駛呢？下面我們來為你解答。

能夠自主起飛、自主導航、自主降落、自主完成我們給他設定任務的不載人飛機稱之為無人機。那么無人機這么強大的功能究竟是誰賦予的呢？接下來我們來談的話題就是無人機的核心——飛控，也稱自駕儀。有了這套自駕儀，通過地面端的電腦就或者手機就可以控制一架飛機自主起飛、自主導航、自主降落了。

那么什么是飛控呢？？顧名思義，飛控就是飛機飛行控制器的簡稱，既然是控制器，那么這里邊也應該有一臺微電腦之類的來控制飛機，事實上現在的飛控內部除了一些傳感器外還有就是多塊單片機構成，并不是我們想象的那么神秘。

現在的飛控內部使用的都是由三軸陀螺儀，三軸加速度計，三軸地磁傳感器和氣壓計組成的一個IMU，也稱慣性測量單元。那么什么是三軸陀螺儀，什么是三軸加速度計，什么是三軸地磁傳感器呢，什么是氣壓計呢？它們在飛機上起到的是什么作用呢，這三軸又是哪三個軸呢？三軸陀螺儀，三軸加速度計，三軸地磁傳感器中的三軸指的就是飛機左右，前后垂直方向上下這三個軸，一般都用XYZ來代表。左右方向在飛機中叫做橫滾，前后方向在飛機中叫做俯仰，垂直方向就是Z軸。陀螺都知道，小時候基本上都玩過，在不轉動的情況下它很難站在地上，只有轉動起來了，它才會站立在地上，或者說自行車，輪子越大越重的車子就越穩定，轉彎的時候明顯能夠感覺到一股阻力，這就是陀螺效應，根據陀螺效應，聰明的人們發明出的陀螺儀。最早的陀螺儀是一個高速旋轉的陀螺，通過三個靈活的軸將這個陀螺固定在一個框架中，無論外部框架怎么轉動，中間高速旋轉的陀螺始終保持一個姿態。通過三個軸上的傳感器就能夠計算出外部框架旋轉的度數等數據。

由于成本高，機械結構的復雜，現在都被電子陀螺儀代替，電子陀螺儀的優勢就是成本低，體積小重量輕，只有幾克重，穩定性還有精度都比機械陀螺高。說道這，大家也就明白陀螺儀在飛控中起到的作用了吧，它就是測量XYZ三個軸的傾角的。那么三軸加速度計時干什么的呢，別急，我來給你解答，剛剛說道三軸陀螺儀就是XYZ三個軸，現在不用說也就明白三軸加速度計也是XYZ三個軸。當我們開車起步的一瞬間就會感到背后有一股推力，這股推力呢就是加速度，加速度是速度變化量與發生這一變化時間的比值，是描述物體變化快慢的物理量，米每二次方秒，例如一輛車在停止狀態下，它的加速度是0，起步后，從每秒0米到每秒10米，用時10秒，這就是這輛車的加速度，如果車速每秒10米的速度行駛，它的加速度就是0，同樣，用10秒的時間減速，從每秒10米減速到每秒5米，那么它的加速就是負數。三軸加速度計就是測量飛機XYZ三個軸的加速度。

我們日常出行都是根據路標或記憶來尋找自己的面向的，地磁傳感器就是感知地磁的，就是一個電子指南針，它可以讓飛機知道自己的飛行朝向，機頭朝向，找到任務位置和家的位置。氣壓計呢就是測量當前位置的大氣壓，都知道高度越高，氣壓越低，這就是人到高原之后為什么會有高原反應了，氣壓計是通過測量不同位置的氣壓，計算壓差獲得到當前的高度，這就是整個IMU慣性測量單元，它在飛機中起到的作用就是感知飛機姿態的變化，例如飛機當前是前傾還是左右傾斜，機頭朝向、高度等最基本的姿態數據，那么這些數據在飛控中起到的作用是什么呢？

飛控最基本的功能控制一架飛機在空中飛行時的平衡，是由IMU測量，感知飛機當前的傾角數據通過編譯器編譯成電子信號，將這個信號通過信號新時時傳輸給飛控內部的單片機，單片機負責的是運算，根據飛機當前的數據，計算出一個補償方向，補償角，然后將這個補償數據編譯成電子信號，傳輸給舵機或電機，電機或舵機在去執行命令，完成補償動作，然后傳感器感知到飛機平穩了，將實時數據再次給單片機，單片機會停止補償信號，這就形成了一個循環，大部分飛控基本上都是10HZ的內循環，也就是1秒刷新十次。這就是飛控最基本的功能，如果沒有此功能，當一個角一旦傾斜，那么飛機就會快速的失去平衡導致墜機，或者說沒有氣壓計測量不到自己的高度位置就會一直加油門或者一直降油門。其次，固定翼飛控還有空速傳感器，空速傳感器一般位于機翼上或機頭，但不會在螺旋槳后邊，空速傳感器就是兩路測量氣壓的傳感器，一路測量靜止氣壓，一路測量迎風氣壓，在計算迎風氣壓與靜止氣壓的壓差就可以算出當前的空氣流速，一般是m/s。

有了最基本的平衡、定高和指南針等功能，還不足以讓一家飛機能夠自主導航，就像我們去某個商場一樣，首先我們需要知道商場的所在位置，知道自己所在的位置，然后根據交通情況規劃路線。飛控也亦然，首先飛控需要知道自己所在位置，那就需要定位的，也就是我們常說的GPS，現在定位的有GPS、北斗、手機網絡等定位系統，但是這里面手機網絡定位是最差的，誤差好的話幾十米，不好的話上千米，這種誤差是飛控無法接受的，由于GPS定位系統較早，在加上是開放的，所以大部分飛控采用的都是GPS，也有少數采用的北斗定位。精度基本都在3米內，一般開闊地都是50厘米左右，因環境干擾，或建筑物、樹木之類的遮擋，定位可能會差，很有可能定位的是虛假信號。這也就是為什么民用無人機頻頻墜機、飛丟的一個主要原因。

GPS定位原理就是三點定位，天上的GPS定位衛星距離地球表面22500千米處，它們所運動的軌道正好形成一個網狀面，也就是說在地球上的任意一點，都有可以同時收到3顆以上的衛星信號。衛星在運動的過程中會一直不斷的發出電波信號，信號中包含數據包，其中就有時間信號。GPS接收機通過解算來自多顆衛星的數據包，以及時間信號，可以清楚的計算出自己與每一顆衛星的距離，使用三角向量關系計算出自己所在的位置。GPS也定位了，數據也有了，這個信號也會通過一個編譯器在次編譯成一個電子信號傳給飛控，讓飛控知道自己所在的位置、任務的位置和距離、家的位置和距離以及當前的速度和高度，然后再由飛控駕駛飛機飛向任務位置或回家。剛剛我們也說了，GPS能夠測速也能夠測高度，為什么要有氣壓計和空速計呢？這就是為了消除誤差，飛機飛起來是不與地面接觸的，直接接觸的是空氣，假設飛行環境是無風的環境，飛機在地面滑跑加速，加速到每秒20米的速度然后再拉升降舵起飛，這樣GPS測量到的數值是準確的，但是要是逆風呢，是因為機翼與空氣相對的運動達到了一定的速度才能夠產生一定的升力讓飛機起飛，如果在逆風環境下，風速每秒10米，飛機只需要加速到每秒10米就可以正常離地了，如果加速到每秒20米，相對空氣的速度已經達到了每秒30米，或者說順風起飛，風速每秒20米，飛機GPS測速也達到了20m/s的速度，這個時候拉升降舵，飛機動都不會動，因為相對空氣速度是0米，達不到起飛條件，必須加速到每秒40米的時候才能達到升力起飛。這就是空速計的作用，GPS測量的只是地速，剛剛降到，GPS也可以定高，第一GPS定位精度是3米內，也就是說飛控能感知到的是平面方向的兩倍誤差，信號不好的話十幾米都有可能，還有GPS不定位的時候，另外GPS定高數據是海拔高度并不是地面垂直高度，所以GPS定高在飛控中不管用。有了GPS飛控也知道飛機位置了，也知道家的位置和任務位置，但是飛控上的任務以及家的位置飛控是怎么知道的呢，這就是地面站的作用。

地面站，就是在地面的基站，也就是指揮飛機的，地面站可以分為單點地面站或者多點地面站，像民航機場就是地面站，全國甚至全球所有的地面站都在時時聯網，它們能夠清楚的知道天上在飛行的飛機，并能時時監測到飛機當前的飛行路線，狀況，以及飛機的時時調度等。像我們用的無人機大部分都是單點地面站，單點地面站一般由一到多個人值守，有技術員，場務人員，后勤員，通信員，指揮員等人組成。像玩家一般都是一個人。

地面站設備組成一般都是由遙控器、電腦、視頻顯示器，電源系統，電臺等設備組成，一般簡單的來說就是一臺電腦，一個電臺，一個遙控，電腦上裝有控制飛機的軟件，通過航線規劃工具規劃飛機飛行的線路，并設定飛行高度，飛行速度，飛行地點，飛行任務等通過數據口連接的數傳電臺將任務數據編譯傳送至飛控中，這里就有講到數傳電臺，數傳電臺就是數據傳輸電臺，類似我們最和耳朵一樣，好比領導說今天做什么任務，我們接受到任務并回答然后再去執行任務，執行任務的時候時實情況實時匯報給領導，這其中通信就是嘴巴和耳朵。

數傳電臺就是飛機與地面站通信的一個主要工具，一般的數傳電臺采用的接口協議有TTL接口、RS485接口和RS232接口，的不過也有一些CAN-BUS總線接口，頻率有2.4GHZ、433MHZ、900MHZ、915MHZ，一般433MHZ的較多，因為433MHZ是個開放的頻段，再加上433MHZ波長較長，穿透力強等優勢所以大部分民用用戶一般都是用的433MHZ，距離在5千米到15千米不等，甚至更遠。最終達到的就是飛機與電腦間的通訊，電腦給飛機的任務，飛機時時飛行高度，速度等很多數據都會通過它來傳輸。以方便我們時時監控飛機情況，根據需要隨時修改飛機航向。

整套無人機飛控工作原理就是地面站開機，規劃航線，給飛控開機，上傳航線至飛控，再設置自動起飛及降落參數，如起飛時離地速度，抬頭角度（起飛攻角，也稱迎角），爬升高度，結束高度，盤旋半徑或直徑，清空空速計等，然后檢查飛控中的錯誤、報警，一切正常，開始起飛，盤旋幾周后在開始飛向任務點，執行任務，最后在降落，一般郊外建議傘降或手動滑降，根據場地選擇。飛機在飛行過程中如果偏離航線，飛控就會一直糾正這個錯誤，一直修正，直到復位為止。

本文轉載自“羽飛模型”微信公眾號，作者“羽飛”。