“十年磨一劍”——飛控的研發(fā)到底有多難？
如果說“飛控是無人機(jī)核心技術(shù)之一”，我想沒有人會否認(rèn)，而現(xiàn)實(shí)是大多數(shù)無人機(jī)廠商并不完全掌握這項(xiàng)技術(shù)，大家看不到重要性么？非也！其實(shí)很多廠商都曾嘗試過自主研發(fā)，但絕大多數(shù)都由于技術(shù)積累薄弱、可靠性不高、技術(shù)迭代速度慢等因素而中途放棄，發(fā)自肺腑地說“搞飛控還真的挺難”！
先來看看無人機(jī)飛控的技術(shù)現(xiàn)狀，由易到難基本分成三個(gè)層次：“飛行”、“感知”、“交互”。第一級“飛行”，指無人機(jī)了解自身狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)上，可以通過地面人員遙控、移動端設(shè)置路線或遠(yuǎn)程指令完成預(yù)定航線的自動飛行，這是飛行控制的入門階段，練好這一級可以完成一些基本的任務(wù)了，比如空曠區(qū)域的遠(yuǎn)程偵察?？蓱?yīng)用在農(nóng)業(yè)、物流、巡檢等復(fù)雜環(huán)境怎么辦？樓房能躲開么？能找到合適降落地點(diǎn)么？
不行，必須升至第二級“感知”。感知層次是指無人機(jī)不僅了解自身狀態(tài)，對外界環(huán)境也要通過傳感器了如指掌。感知通過傳感器選型、數(shù)字濾波、多傳感器數(shù)據(jù)融合、基于感知的路徑規(guī)劃等技術(shù)，讓無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中完成任務(wù)且飛行自如。
飛控等級修煉到這應(yīng)該差不多吧？還有？沒錯！你有沒有想過，今天無人機(jī)的技術(shù)狀態(tài)類似地面機(jī)器人50年前的情形——穩(wěn)定的行走、越過障礙物、把拍攝的場景錄下來。而今的地面機(jī)器人不僅會“感知”，復(fù)雜“交互”的能力讓他們完成諸如拆彈、換電瓶這樣的工作游刃有余。無人機(jī)為什么不能“交互”呢？為什么不能空中進(jìn)行危險(xiǎn)品的采樣、輸電線路損壞器件的維修更換、貨物的自動抓取與運(yùn)輸？“Nothing is Impossible”！交互是在感知的基礎(chǔ)上，在了解了外界環(huán)境后對環(huán)境中的目標(biāo)進(jìn)行交互作業(yè)的過程。
按照這種方式分類，目前的無人機(jī)基本處于1.5級水平，那么飛控的開發(fā)在不同技術(shù)層級到底難在哪？如何克服這些難點(diǎn)呢？
首先來看看“飛行”。垂直起降無人機(jī)最大的控制特性就是其靜不穩(wěn)定特性，類似用指尖平穩(wěn)地托起一支筷子，必須不停的調(diào)整姿態(tài)、位置得以平衡。人最快的反應(yīng)速度大約每秒5次，而無人機(jī)要想達(dá)到優(yōu)秀的控制性能，需要每秒300次的感知和計(jì)算，任何一次的計(jì)算錯誤或計(jì)算中斷的結(jié)構(gòu)都是機(jī)器墜毀任務(wù)停止。一套完整的飛控全部器件接近1000個(gè)，是一部復(fù)雜手機(jī)的幾倍，下至OEM安卓機(jī)上至蘋果，死機(jī)對于使用者僅僅是重啟加一聲嘆息的事，而對于無人機(jī)則無法接受。這些部件首先要保證自身運(yùn)轉(zhuǎn)正常，其次要之間的電氣、通信正常，組裝后要經(jīng)歷各種測試、機(jī)體振動的沖擊，最后要求忍受住風(fēng)吹日曬及老化過程！艾瑪，好難！想把“飛行”搞好，先要一套完善可擴(kuò)展的硬件系統(tǒng)架構(gòu)，具備強(qiáng)大的計(jì)算能力以及高帶寬的總線通信能力；其次器件要根據(jù)飛行需求按照商業(yè)、工業(yè)、軍工不同等級標(biāo)準(zhǔn)選擇；在實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)上構(gòu)建具有自身及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的控制算法；最后，在使用前進(jìn)行溫度、壓力、振動、電磁兼容、飛行性能等全科目全產(chǎn)品檢驗(yàn)。
▲科幻電影里的人機(jī)感知或許很快就會成為現(xiàn)實(shí)
再來看看“感知”。人類總喜歡用自己的標(biāo)準(zhǔn)衡量其他事物，在我們的思維里好萊塢大片里變形金剛的能力應(yīng)該是習(xí)以為常容易做到的。殊不知，人類經(jīng)歷了多少年的進(jìn)化才有了今天豐富的感知和思維能力，機(jī)器人的歷史呢？如果這么看，機(jī)器人的演化速度還更快些呢。人感知世界主要靠看，眼睛具有極高的分辨率、自動變焦、自動調(diào)焦、自動白平衡、自動光圈……各種自動，而目前無人機(jī)感知用到的攝像機(jī)和計(jì)算能力比人的能力還差十萬八千里呢！智能引入其他傳感器，比如激光、聲納、雷達(dá)等，每種傳感器的特性不同，需要將這些流媒體、離散矩陣等結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)歸攏好形成合力，物理、數(shù)學(xué)、電子、電路等知識缺一不可??！要做好“感知”也并非不可能，先要針對應(yīng)用場景的環(huán)境變量、復(fù)雜程度、精度要求、響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行感知傳感器的硬件選型和組合；其次進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步整理、深度數(shù)據(jù)融合；最后基于感知結(jié)果以及飛行器的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性進(jìn)行任務(wù)、路徑的重規(guī)劃。
“交互”層級，想想都難！不妨讓我們腦洞大開一下，某天發(fā)生大面積停電，無人機(jī)通過巡查發(fā)現(xiàn)了一處輸電線路破損，這時(shí)飛機(jī)伸出機(jī)械手抓，熟練地廢件摘除、取出備件、更換、纏繞絕緣膠帶、放回工具，飛回基地完成任務(wù)?？此撇黄鹧鄣倪^程，卻因?yàn)樗胁僮鞫荚诳罩卸惓ＦD難。我們都看到過在空間站上進(jìn)行維修任務(wù)的航天員、水下作業(yè)的潛航員，他們的任何動作都非常困難，就是因?yàn)樗麄兌继幵趹腋顟B(tài)，任何的力都會產(chǎn)生反作用力導(dǎo)致定位、操作的不確定性。無人機(jī)空中交互也類似，在于目標(biāo)接觸過程中會產(chǎn)生反作用力影響飛行平穩(wěn)，而飛行姿態(tài)的影響又會導(dǎo)致操作力的變化，進(jìn)入一個(gè)惡性循環(huán)。要實(shí)現(xiàn)空中的有效交互首先要在時(shí)變的環(huán)境下進(jìn)行精確的預(yù)測性感知，判斷在反作用力后系統(tǒng)的狀態(tài)；其次要考慮通過整體建模或解耦控制消除操作臂本身運(yùn)動過程對飛行器的影響；最后保證在操作臂與目標(biāo)接觸及移動過程中，外力／力矩對飛行器的影響最小，實(shí)現(xiàn)安全交互任務(wù)。
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