无人机飞控系统的简单分析

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无人机控制系统原理的简单分析
摘要：无人机（UAV）是无人驾驶飞机的简称，是指利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。无人机最初诞生在一战时期，作为靶机使用。而经过几十年的发展，由于通信技术的飞速发展，无人机不再只是简单的靶机，也不仅仅只是“会飞的照相机”，它现在在广泛的场景中发挥着作用。无人机不仅在军事中作用巨大，还在航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄等方面发挥着重要作用。而飞行控制系统（Flight control system）之于无人机，就像CPU之于电脑一样，算是无人机的大脑。本文将从飞行控制系统的硬件与算法两个方面对无人机飞行控制系统及其算法进行简单的分析。
一、飞行控制系统的硬件。
目前，我国无人机飞控系统大多以ARM，DSP,FPGA等基础的处理芯片为核心，而我们学生研究无人机用的是stm32、51单片机。
1、ARM处理器是英国Acorn有限公司设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器。全称为Advanced RISC Machine。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集，一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。创造出ARM的公司，ARM公司只生产CPU不生产芯片，说白了ARM就是一个32位精简指令集处理器架构，现在有ARM在各个领域有广泛地运用，在工业生产中应用文献[1]，在我们的手机，无线路由器等无线通讯与网络领域上，在数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机等消费类电子产品还有打印机、数码相机等图像设备上都有应用。ARM的优点：(1)体积小、低功耗、低成本、高性能。 (2)支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8位/16位器件。(3)大量使用寄存器，指令执行速度更快。(4)大多数数据操作都在寄存器中完成。 (5)寻址方式灵活简单，执行效率高。(6)指令长度固定。这些优点就是ARM运用广泛，逐步淘汰8/16位微控制器的理由。自然，对于无人机这种需要执行相对复杂的运算，又需要尽量节约能量以寻求尽量长的使用时间的高科技机器来说，ARM显然是合适的“大脑”。
2、单片机是小而完善的微型计算机系统，一个单片机就相当与一台小电脑。单片机的优点是使用简单，体积小，功耗也低，但是计算能力可能没有ARM那么强大，有人说，ARM就是高端的单片机。
3、FPGA与DSP都是有关数字信号处理的系统，他们具有数字信号处理的一些特征，如并行处理，运算速度快，理论上不会卡死。FPGA甚至不需要代码，因为它就是一堆电路。FPGA与ARM也可以相互配合，共同工作。文献[2]
二、飞控系统的算法
无人机飞控系统的算法多种多样，还有科学家在不断开发新的算法，本文只介绍三类算法.
1、捷联式惯性导航系统。无人机离不开导航系统，导航可以由GPS，北斗等卫星导航系统支持，但是在隧道中、地下矿洞中、室内等卫星信号被遮挡的地方，无人机就只能依靠自身导航。这种不需要依靠外界信息，利用自身的加速度计和陀螺仪这两种惯性元件的导航系统，叫做惯性导航系统。早期的惯性导航系统需要单独架设一个物理平台，将惯性远见放置在平台上，而捷联式惯性导航系统直接将元件放在载体上，虽然计算量更大，但是不需要设置笨重的平台，安装也更方便，更适合在无人机上使用.文献[3]下图为捷联式惯性导航系统原理图。
2、卡尔曼滤波算法
卡尔曼滤波算法是卡尔曼等 人在20世纪60年代提出的一种递推滤波算法。它的实质是以最小均方误差为估计的最佳准则，来寻求一套递推估计的算法。这套算法采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻地估计值和现时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出现时刻的估计值，在惯性导航系统中有非常广泛的应用。刚才说的噪声指的是计算得出的值与实际值的误差。文献[4]放到实际应用中，就是纯惯性导航不够精准时，需要使用的一种算法。假设在无人机飞行过程中，前方有一障碍，惯性导航测量出无人机与障碍的距离是5m，而无人机根据上一秒的速度和无人机与障碍的距离进行预估，估计这一秒无人机与障碍的距离是4m。这时不能简单相信是其中一个系统出了问题，并武断地放弃一个数据，在这时就需要使用卡尔曼滤波算法，使用类似与加权的方式在5m和4m之间求出一个数值，作为无人机与障碍的距离。毕竟惯性系统的导航并不是永远都精准无缺。
3、PID飞行控制算法
PID控制是一种比较经典的算法。在早期的控制系统中，PID控制是唯一的自动控制系统。虽然现在随着科技发展，各种控制系统百花齐放，但是PID系统宝刀未老，依然是使用最为广泛的控制系统。文献[5]下图为PID控制系统原理图
PID系统全称为比例积分微分控制，原理是根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。是一种负反馈调节的线性控制器。PID系统之所以历久弥坚，是因为它结构简单，适应性强，在恶劣环境中依然可靠，算法简单却有效。一些高级控制系统不仅学习难度大，在实际使用中也没有PID可靠，所以一般使用PID算法。
实际使用中，我们常使用多旋翼飞机比如四旋翼无人机，如果没有PID系统，四个旋翼可能会出现响应过快或迟钝等问题，多旋翼飞机起飞都成问题。利用PID系统，在姿态信息和螺旋桨转速之间建立比例、积分和微分的关系，通过调节各个环节的参数大小，使多旋翼系统控制达到动态响应迅速且合适，以达到飞行目的。文献[6]
总结：作为无人机大脑的飞行系统硬件上可以使用ARM，DSP,FPGA等多种芯片作为核心，通过捷联式惯性导航系统和卡尔曼滤波算法进行距离估计和导航，通过PID控制系统进行总体控制，使无人机实现一些简单的功能。本文仅仅涉及飞控系统的一些皮毛，至于无人机上的其他硬件如传感器、飞行旋翼、外挂硬件如摄像头等以及更加高级的算法及控制系统，由于本人水平问题，尚未涉及到。
参考文献
1、罗倩.基于ARM的恒温控制系统的设计.自动化技术与应用.仪器仪表与检测技术.2020,39(2).
2、周亮，林水生，唐吉卓.基于ARM与FPGA的数字通信实验系统设计与实现.实验科学与技术.2014.12(2).
3、邢晨，王润涛.捷联惯性导航算法研究.科技创新导报.2015,(17).
4、毛秀华，吴健.卡尔曼滤波算法研究.2017,40(3)
5、der Mey, Nic van,The PID learning process.Control Engineering,2017(3),
6、谭惠东，李天松，莫雄，卢艳菊，严一超，基于NMPC-PID的无人机控制算法，桂林电子科技大学学报，**

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