“十年磨一劍”——飛控的研發(fā)到底有多難？
如果說“飛控是無人機核心技術(shù)之一”，我想沒有人會否認(rèn)，而現(xiàn)實是大多數(shù)無人機廠商并不完全掌握這項技術(shù)，大家看不到重要性么？非也！其實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”！
先來看看無人機飛控的技術(shù)現(xiàn)狀，由易到難基本分成三個層次：“飛行”、“感知”、“交互”。第一級“飛行”，指無人機了解自身狀態(tài)進行穩(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么？
不行，必須升至第二級“感知”。感知層次是指無人機不僅了解自身狀態(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，今天無人機的技術(shù)狀態(tài)類似地面機器人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。無人機為什么不能“交互”呢？為什么不能空中進行危險品的采樣、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)進行交互作業(yè)的過程。
按照這種方式分類，目前的無人機基本處于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？如何克服這些難點呢？
首先來看看“飛行”。垂直起降無人機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，而無人機要想達到優(yōu)秀的控制性能，需要每秒300次的感知和計算，任何一次的計算錯誤或計算中斷的結(jié)構(gòu)都是機器墜毀任務(wù)停止。一套完整的飛控全部器件接近1000個，是一部復(fù)雜手機的幾倍，下至OEM安卓機上至蘋果，死機對于使用者僅僅是重啟加一聲嘆息的事，而對于無人機則無法接受。這些部件首先要保證自身運轉(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，先要一套完善可擴展的硬件系統(tǒng)架構(gòu)，具備強大的計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；在實時嵌入式操作系統(tǒng)上構(gòu)建具有自身及環(huán)境適應(yīng)性強的控制算法；最后，在使用前進行溫度、壓力、振動、電磁兼容、飛行性能等全科目全產(chǎn)品檢驗。
▲科幻電影里的人機感知或許很快就會成為現(xiàn)實
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)歷了多少年的進化才有了今天豐富的感知和思維能力，機器人的歷史呢？如果這么看，機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，而目前無人機感知用到的攝像機和計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)時間進行感知傳感器的硬件選型和組合；其次進行數(shù)據(jù)的初步整理、深度數(shù)據(jù)融合；最后基于感知結(jié)果以及飛行器的運動學(xué)和動力學(xué)特性進行任務(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，無人機通過巡查發(fā)現(xiàn)了一處輸電線路破損，這時飛機伸出機械手抓，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)。看似不起眼的過程，卻因為所有操作都在空中而異常艱難。我們都看到過在空間站上進行維修任務(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，就是因為他們都處在懸浮狀態(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，進入一個惡性循環(huán)。要實現(xiàn)空中的有效交互首先要在時變的環(huán)境下進行精確的預(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?；蚪怦羁刂葡僮鞅郾旧磉\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，實現(xiàn)安全交互任務(wù)。
?