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2018-10-17 18:46 来源:好大夫在线

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干货丨无距科技齐欣:开源飞控有很多优势,但也有很多缺失

来源:宇辰网 作者:彭辉 时间:2018-10-17 分享至:
[宇辰导读]飞控不仅要解决能飞的问题,还要解决飞行品质问题。
索尔斯坦·邦德·凡勃伦(18571929)于1899年出版的《有闲阶级论》李风华重译的该书中文版由中国人民大学出版社于2017年出版。

 在日前举行的“空天创客营:无人机前沿技术沙龙”上,来自沈阳无距科技的齐欣博士,干货满满地分享了对于“无人机飞控”的专业认知,涉及无人机飞控技术、无人机飞控的未来走向以及无距科技在飞控研发上的相关情况等。

毫无疑问,这是一次很“硬可”的技术分享。

 

无距科技飞控负责人齐欣/图 来源宇辰网

无人机前期更侧重机械设计

 

无人机经过十几年发展,慢慢走向成熟,但在齐欣看来,不能否认的一点是,无人机前期的发展当中,更侧重的是机械设计方面的发展,这很容易理解,机械结构是无人机的筋骨和血肉,是无人机的身体,随着身体的成长与健壮,无人机的智能化才成为可能。

“2015年,无人机是一个热词,引入大量的热钱进入到行业当中,这两年逐渐遇冷,也是一个必然的现象”,他说,早期大部分都是聚焦机体设计、加工,在产业链里比较低端,甚至一个简单的小作坊,招几个人,就对外说生产无人机,但由于缺乏对航空航天领域的了解,也缺乏对无人机的敬畏之心,做出来的飞行器,虽然可以飞,但很难达到非常好的飞行效果。

经过资本寒冬之后,他认为无人机的发展会越来越良性,这是一个去伪存真的过程,有利于脚踏实地的企业去做一些技术。以飞控技术为例,尽管小小的飞控看似简单,但实际上牵涉到的东西其实非常多,比如电路设计、嵌入式样技术、信号处理、通讯等等,再往上就是算法层面,比如说数据融合算法、优化算法、控制算法等。这些技术与飞控领域交集较多,另外,比如减震器设计对飞控研发也必不可少,尤其是小型民用无人机,很多无人机生产厂商,并没有进行过很严密的设计,生产出来的无人机存在着各种各样不太理想的工作状况,其中很大的一点就是震动问题。

 

飞控涉及的技术领域/图 来源宇辰网

齐欣说,有关震动问题,直接影响传感器的准确测量,“针对这些问题我们在做飞控的时候就会设计专门的减震器对震动进行过滤”,还有比如外观结构问题,也就是在飞控设计出来后,在安装到飞机上时,要考虑它的美观度,“除此之外还有UI、UE方面,如果说在之前大家可能侧重的是无人机能飞就可以,那么现在就更加专注于在性能基础上提升用户体验,提升操作的容易程度。”

测试环节也非常重要。因为飞机是要飞上天的东西,需要把天上的安全落实到地面,所以在飞机飞上去之前,需要对飞控功能做各种各样的测试,“比如从用户角度测试飞控的可靠性、稳定性,这个测试并不是地面测试,而是装到飞机上实际去飞,实际去用,看看到底有没有问题。”

飞控涉及到的技术领域还包括批量化生产,“这也是之前没有想到的问题”,齐欣说,最后我们要交付的产品,需要保证质量、一致性,要保证研发出来的样机,转化成真正的产品,这时候在生产环节就会面临各种各样的问题,比如说传感器器件的筛选,比如稳定性测试,高低温、震动等等,都是非常重要的。“之前有朋友问我,现在开源飞控这么流行,你们还做飞控,不是自找苦吃吗?确实,开源飞控解决了无人机能飞的问题,但是很多方面也是有缺失的,例如逻辑的完整性、算法细节、功能性等等,此外,测试、生产环节等很多地方是没法去把关的,因为它面对的用户群毕竟不一样,开源飞控面对的并不是实际的行业用户。”

感知、控制与决策

 

飞控是什么?

众所周知,所谓飞控就是飞行控制器。“飞控要解决三个问题,对无人机来说,首先要知道我在哪,还要明白我要去哪,做什么任务。这两者具备的时候,还要解决我要怎样去?”

齐欣说,解决这三个问题,对应着飞控的三个能力。第一、感知。即告诉无人机位置信息,我在哪。第二、决策,我要去哪?无人机需要知道的自己的状态,是否要执行任务,怎样执行。第三、控制与规划,我怎么去执行任务。这三者是飞控最基本的作用,但是飞控运用是面向于无人机,所以飞控还要提供交互,为人与无人机之间的沟通搭建桥梁。

飞控需要具备三种最基本的功能:运算、感知、存储。“但是对无人机来说,仅仅具备这三项功能,无法让无人机飞起来。”齐欣说,它还需要包括电源、链路,以及其他设备等等,有了这些机载设备才可以让无人机飞起来,最重要的是还要有交互,因为最终控制无人机的还是人。“飞控并不是指装在飞机上的模块,更重要的是整个系统,包括机载系统。”现在,还需要与云系统进行沟通,这样一来,既可以满足监管需求,而在链接云系统之后,也可以分享数据上传到云端,云端对这些数据进行挖掘,从而最大限度的发挥飞控的作用。

回到飞控的作用上,所谓感知的目标是什么?是要准确快速获取自身状态以及周围的环境信息。“如何获取自身的状态?当然离不开传感器,像陀螺仪、加速度计、磁罗盘、气压计、空速计、GNSS模版等等,它们都是必备的传感器,其中最核心的是陀螺仪与加速度计。”

齐欣说,最早的陀螺仪,都是一些机械陀螺,精度非常高但机械陀螺太复杂,用得太费劲,然后就出现了激光陀螺、光纤陀螺,它们的精度也比较高,但是存在一个问题,就是体积很大,重量很大,成本很高。“这就导致它们并不适用于现在的小型、中型民用无人机。”

近些年随着MEMS技术兴起,出现了很多MEMS传感器,其优势是体积小、重量轻、成本可以接受,所以现在大量使用到无人机的飞控当中,但是缺点是精度、一致性与温漂方面跟激光陀螺、光纤陀螺有很大的差异。“但我们现在所面临的,是中小无人机平台没法搭载高精度的传感器,所以现在基本上所有厂商选择的都是MEMS传感器。”

这些都是基本的传感器,使用基本传感器可以获取飞行的自身状态,比如姿态、加速度、位置等等。但是在飞机实际作业过程当中,还需要有环境交互,获取环境信息。齐欣说,现在比较流行的农业作业当中,喷农药时希望让无人机离作物高度大概3-5米,但由于地面会有起伏,这种情况下,就需要传感器来获取飞机跟地面之间相对的高度,“比如说我们可以用立体视觉、毫米波雷达、激光测距仪”,它们都会有一些优缺点,比如激光测距仪,实际上打出的是一个光斑,测量的是电信号,对作物测量不是很准确,而毫米波雷达可以很好的弥补这一点,因为毫米波雷达打出来的是一个面,因此在现在的无人机上获得了广泛的应用。

立体视觉也是近些年来出现的一种新的传感器,它的原理是模仿人的两个眼睛去定位一个物体,可以对面进行扫描,它比毫米波雷达更优秀的一点,在于它可以获取更多的信息量。

还有其他的传感器,比如说超声波传感器,还有激光雷达等等,在无人机上也都有应用,但激光雷达参与到无人机控制,目前主要还是在实验室阶段,“大家比较熟悉的就是无人车上的应用,现在很多无人车都是靠激光雷达,没有激光雷达,无人车什么都干不了。但目前在无人机上还没有这样的需求,后期也是很重要的发展方向。”

在感知的问题上,除了传感器,信号处理也非常重要。“传感器是采集各种各样的信号过来,但是这些信号没法直接使用。为什么?因为传感器存在噪声、零偏、温漂,我们对它们首先进行处理,第一就是滤波,作用是将有用、没用的信号剔除出来。”齐欣说,做好信号处理,可以说是为下一步数据融合做初步的准备。

信号处理之后,就进入感知最核心的环节,也就是数据融合,它的目的是基于采集的信号,估计出无人机的真实状态。融合之后,为保障无人机的飞行安全,“我们还要做一些其他的工作,比如说传感器冗余及故障诊断。”现阶段,基于MEMS传感器,可以较为容易的实现传感器冗余,“结合我们开发的故障诊断方法,可以实现多种方案的切换,从而在一定程度上提高飞控的可靠性,提高了无人机系统的可靠性。”

而所谓控制,是要保证无人机稳定性,以及一定的操纵品质。“讲控制,离不开飞行平台”,现在市场上常见的包括固定翼、多旋翼、直升机。固定翼大多是静稳定的,在没有控制器的情况下,可以直接遥控控制;多旋翼本身没有机械传动结构,只有电机,并且结构对称,相对来说控制简单;直升机平台非常好,但控制它非常难,因为结构太复杂,但直升机却有着大量的应用前景,“我个人认为直升机更加适合于农业,因为农业上运用更多的是喷洒农药,直升机较大的旋翼面积可以产生更大的下压风场,在把药物打得更透上,取得更好的防治效果。”所以,尽管多旋翼在农业上的应用比直升机普遍,但他认为后期直升机占比会大力上升,这也是无距科技为什么投入大量精力研究直升机飞控的初衷之一。

大概十几年前,全球范围内比较稳定的飞控陆陆续续出来,但国内相对起步较晚,大部分研究是航空院校与研究所在做,没有真正的投入市场。在逐渐成熟之后,市面上出现一些飞控产品,它们基本上解决了能飞的问题,但也有很多的小毛病,比如手感差、小动作多,更专业一点说,就是飞行品质比较差。尤其是以直升机来说,机械结构很复杂,受干扰很多,耦合很大,在飞控上解决这个问题很难。

怎么从能飞到好飞发展呢?齐欣表示,如果说飞控研发是100%,能飞解决的是80%,剩下20%就是好飞,需要投入更多精力研发。比如在出现耦合问题时,需要解耦,以及跨模态的处理。飞控的控制能力,还面临另外一个问题,也就是新构型飞行器,比如无距科技的矢量多旋翼与串列翼倾转旋翼,需要考虑多个拉力矢量的控制,非常复杂,在控制上面临挑战。而对于一个公司来讲,在基础方法上进行研究,是很得不偿失的,“庆幸的是现在一些院校正在推动相关研究,我们希望加强校企合作,共同推进行业的发展。”

有关飞控的规划方面,目标其实很简单,就是可靠地告诉无人机怎样完成任务。现在用的比较多的是测绘、农业植保领域,“无人机规划还处在比较低级,以离线规划为主、在线规则为辅的阶段。对于离线规划我需要提前获得环境信息,在已知信息情况下,才能规划出一条路径。”齐欣表示,用在线规划方法的好处,就是无人机或者是车辆智能化程度可以大幅度提高,可以自己处理情况,当前的无人机发展,还有很多工作需要做,当然,“要发展在线规划,传感器非常重要。”

有关飞控的决策能力,目前对于无人机来说,相关工作其实还做的比较少,用的比较多的决策方法是“查表”,预先设置模式,怎么做,列出一些表格。另外就是任务拆分,当用户输入之后,飞控自动判断任务进行拆分,以飞机可以接受的方式来处理,“但是整个发展趋势是逐渐从人的决策过度到飞控自主决策,决策过程在越来越智能化。”

飞控还需要提供交互,这两年交互也被越来越多的厂家重视,“我们很高兴看到,现在有专业机构进入到这个领域,来提升包括硬件、软件方面的交互”,齐欣说,前些年的产品交互方式用户体验不佳,但是这些年随着用户对操作体验要求越来越高,各个厂商纷纷在这方面投入大量的精力,简化操作流程,优化操作体验。

未来会形成“行业+无人机”的模式

 

齐欣博士在飞控的技术研发以及调试方面,有着非常丰富的经验。此次沙龙现场分享飞控的相关情况时,自然也谈到了有关飞控方面遇到的各种“坑”,集中在飞控技术、调试、服务难点上。

“第一个坑是减震”,齐欣说,抗震性不好,会影响传感器的测量,直接影响到飞行的安全。“在前期的时候,我们对这个问题重视不足,希望大家要注意到减震的问题。减震对于我们还有另外的难度,因为一款飞控产品要应用到多种无人机上,一套解决策略没法适用于所有无人机,需要针对每个机型进行适配。”

第二个坑,是小动作。这是比较难的问题,也是“能飞”与“好飞”的一个重要区别。操作手感是否舒适、期望跟随是否平顺,飞行姿态是否柔和,这不仅仅是飞起来“好看”,其背后是对无人机更稳定的控制。

至于调试方面最大的问题,就是普适性问题。“飞控需要适配到不同的机型,结构不一样,我们要针对结构调整参数、做适配。我们作为飞控厂商,尽量提高算法的可靠性,提高自适应的水平,减少这些负面影响。”

对于飞控的未来,齐欣认为可以有很多条路走,在现场,他着重强调了两点方向,第一是开放,第二是网络化。

“从现阶段来讲,无人机的平台作用发挥的远远不够,并没有成为像皮卡车一样的平台,我觉得飞控再往后发展会越来越开放,所以应该为无人机平台提供足够多的接口,形成行业+无人机的模式,使各个行业的专业人士可以更容易的使用无人机,在无人机的帮助下提升效率。”

而所谓网络化则是未来的趋势,飞控是无人机的中枢,但放眼到整个网络中,它只是一个节点。连接到飞控的各种传感器收集自身及周围的环境信息,其交互平台则包含大量的行业应用信息,基于网络和云平台实现对这些信息的整合与处理,优化无人机使用调度,将进一步提升无人机的使用效率并助力行业发展。在智能手机普及之前,现在的很多应用场景是很难想象的。

智能手机与移动互联网普及之前,随时随地打车叫外卖这些应用场景是不可想象的,随着无人机、飞控及配套设备可靠性、易用性的提升,在平台化和网络化的加持下,让我们拭目以待由无人机带来的惊喜吧。

 

 

 

 

 

 

 

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