．「無人機」 —— 這十年來的發展演變

OFF THE RECORD - Drone Technology Trends, Ban on Chinese Drones, Remote ID in 2020, Drone Deliveries

康橋白光車牌攝影機，

任何顏色車牌——都拍攝的清清楚楚！

leiphone 作者：齊俊桐

 

▲ 科幻電影裡的無人機

10 年前說自己是做無人機的，無不引來疑惑和贊嘆的目光，「疑」的是大家心目中地「好萊塢大片」、「特種部隊」這樣的事你一個二十郎當歲的小伙也能幹？「讚」的是能聽我科普兩句無人機，瞬間也覺得自己高大上了許多。

10 年後的今天說自己做無人機事業，連老媽也皮笑肉不笑地說 「也挺好，隔壁王大爺外孫子昨天還在樓下飛呢」。更委屈的是搞了一輩子軍用無人機的工程師們，最怕家庭聚會上被問「能給你大侄子弄一個玩玩麼？」「下個月你表弟結婚，咱搞個航拍怎麼樣？」

▲展會的普及，讓無人機開始飛入尋常百姓家

就這樣的十年，「無人機」從一個著名高大上詞語變成了一個家喻戶曉的常用詞，背後是技術的快速迭代、資本的迅速湧入、專家的過渡解讀，以及對新事物的迫切渴望。其含義及包括了國際通常所講的「UAV」，也包括「Drone」。

老美對「無人機」的理解基本停留在「Drone」這個詞上 —— 「在周圍嗡嗡響」、「不錯的玩具」、「不能隨便亂飛」、「航模」，技術成熟度高、對智慧性、可靠性要求相對較低。「UAV」在國際則更多用在軍用、警用、特種行業應用的無人機上，系統更複雜，對可靠性、智慧性要求相對更高。

無人機多種多樣，今天主要跟大家掰扯掰扯，垂直起降無人機飛控那點事，後面所說的無人機也主要指單旋翼、多旋翼、垂直起降固定翼等，這類具有垂直起降功能的無人機（畢竟這類量大、用的多嘛）。鑒於避免廣告嫌疑，本文均不提及任何公司和具體團隊。

「讓選擇不再左右為難」——飛控來龍去脈及選型指南

10 年以前，搞無人機的十個人有八個是航空、氣動、機械出身，更多考慮的是如何讓飛機穩定飛起來、飛得更快、飛得更高。如今，隨著晶片、人工智慧、大數據技術的發展，無人機開始了智慧化、終端化、集群化的趨勢，一大批畢業於自動化、機械電子、資訊工程、微電子的高材生們，投入到了無人機研發大潮中，幾年的時間讓無人機，從遠離人們視野的軍事應用飛入了尋常百姓家、讓門外漢可以短暫的學習，也能穩定可靠的飛行娛樂。不可否認，飛控技術的發展是這十年無人機變化的最大推手。

回顧歷史，飛控技術發展分為兩大流派、三種起源。

▲無人機已成戰爭中不可忽視的力量

先表一表以蘇俄、歐美為代表的兩種技術體系。高技術的發展最初都源於軍事，飛控的發展更不例外，一戰、二戰再到伊拉克戰爭，無論是蘇俄還是歐美國家，都相繼開始了有人飛機的無人化改造，以及新研製無人機的工作。

蘇俄國家延承了載人機控制的研發技術體系，直接轉到了無人機，早期飛控硬體使用了戰鬥機的飛控電腦，控制算法一直使用分型模態分段辨識、建模、控制的方法。

通俗來講就是要透過吹風洞、機理建模等方法，知道飛行器在起飛、懸停、低速、中速、高速、降落等不同飛行狀態下的參數，在不同狀態設計相應控制器。

飛行器飛行過程中，不斷切換控制方法或控制參數，以保證飛行器處於理想狀態。這種流派優勢在於硬體經過長期飛行驗證，控制算法在設計模態內，系統穩定性可以有效理論證明；缺點在於硬體傻大笨粗，且無法預測實際飛行過程中，可以經歷的所有飛行狀態。

相比起蘇俄直接使用了戰鬥機的技術體系，歐美則前瞻性地，在上世紀中期開始，佈局了前沿技術的探索和累積（DARPA 就是各類計劃的代表），支持研究機構、大學探索了很多新的無人機專用的飛控硬體和算法。

▲DARPA，是美國國防部屬下的一個行政機構，負責研發用於軍事用途的高新科技

這類項目一般以軍工企業牽頭、研究所負責演示驗證、大學負責理論算法研究，組成的團隊透過多年的中小型無人機的試飛試驗，形成了以嵌入式電腦為硬體核心、以自適應控制為算法的飛控體系。

其實歐美和蘇俄的派系區別，最大的就在這！歐美很大程度上放棄了傳統的模態分段控制，無需再對不同飛行狀態進行建模、參數辨識，而是採取了在線辨識，也就是說在飛行器飛行的過程中，通透過在線辨識理論方法，控制器自己判斷自身所處的狀態、參數等，根據這些資訊響應，切換不同的控制策略或控制參數。

這種流派的優勢在於系統體積小、重量輕，縮短了新型無人機的研發過程，智慧型進一步增強；缺點在於需要較長時間的理論技術累積，且某種程度上無法證明全局系統穩定性。但無論怎樣，飛控的發展成為了重要的使能技術之一，讓美國的軍用無人機一躍成為世界領先，其他國家也紛紛效仿。

再來說說飛控的三種起源 ——「固定翼飛控」、「開源飛控」、「自研飛控」。做過無人機的人都知道，飛控不好做！但面對市面上各種動不動就「高可靠」、「軍工級」、「全自主」，圈外人根本不知道這伙人，是怎麼把飛控做出來的？他們說的可靠麼？瞭解了這三種起源，以後你跟做飛控的聊，一定讓他覺得你是「老司機」。

十多年前搞垂直起降無人機的主要技術，來源是「固定翼飛控」，其實固定翼無人機才算是無人機真正的祖宗，100 多年前就已經有人將戰鬥機，加裝簡單的控制器，嘗試完成無人偵查和投彈的工作。

那麼為什麼無論是載人飛機，還是無人機都是先固定翼成熟、垂直起降的晚熟呢？從結構上看，固定翼飛行器沒有垂直起降飛行器過多的旋轉、振動零件，氣動也比較簡單；從控制方面看，固定翼飛行器屬於靜穩定系統，就像我們開車，手離開方向盤幾秒鐘，汽車仍能正常直行，相比之下屬於靜不穩定的垂直起降飛行器，則需要駕駛員無時無刻不在調整著操縱桿，稍有疏忽就會墜毀。

這兩方面且主要是控制上的困難，讓垂直起降飛行器的控制非常困難。這個特性也讓來源於固定翼飛控的團隊，在應對垂直起降飛行時顯得束手無策，以往累積的固定翼飛行控制策略，可借鑒意義不大，甚至直接使用原有的空速進行控制，還經常導致致命的摔機。

 

▲風靡一時的開源飛控代表 —— APM

再來說說「開源飛控」。這可能是市面上能見到最多數量的飛控了，其來源於「DIY DRONE」時期，最開始是為了滿足歐美「極客」、「創客」對於自由飛行的夢想。本來挺好的事情，這裡又要轉折了！

然而，「極客」這個詞被中國又玩壞了！缺乏了分享和奉獻精神的中國「極客」們，迅速將各類開源飛控直接商品化賣錢。更讓人毛骨悚然的是，這樣的「商品」不僅賣給了中國的玩家，更有甚者還賣給了農業、電力、甚至警用這類行業用戶！

殊不知這種未商品化的天然「半成品」，有著天然的基因缺乏：

1）硬件體器件未經可靠性、規模化驗證。開源飛控的設計初衷是供極客們二次開發或者愛好者 DIY 的「半成品」，其硬體選型，往往是用於行動終端，或其他機器人的消費級器件，意在體現整體系統架構，並控制較低成本，並未充分考慮溫度、環境、振動、批量供貨等產品化過程；

2）軟體技術體系冗餘嚴重、資源不足。出於通用性的考慮，目前開源飛控適配，幾乎所有類型的飛行器、通信協議中預留了大量負載字段、佔用了幾乎大部分系統資源等等，這些特性會造成過度冗餘的底層程序、控制策略、通信協議段、不足的內見記憶體及計算資源，後續的開發會持續處於「對付」的狀態，造成產品不穩定。

 

▲類似這種前瞻性的研發功課，只有自研飛控廠商才有實力和底氣來做

最後嘮一嘮「自研飛控」的事。目前幾家知名的無人機公司都是從自研飛控起家的，基本上都經歷了 10 年以上的技術沈澱，為什麼呢？因為……10年前還木有開源飛控！這些團隊都是電容電阻逐個畫到板子上、代碼一行一行碼到螢幕上。

開發過程往往是模組化搭建的，比如先開發感測器採集、舵機/電機控制，再調試獨立通道從航向、轉速、定高、俯仰、橫滾等讓飛行器穩定，隨後是穩定懸停，到這裡已經是成功一大步了，最後是航線飛行，可以按照設定航跡點自動飛行。

至此基本完成了「自研飛控」的基本過程，這裡看起來短短幾行字，我們的飛控攻城獅們，至少要經歷幾年的時間，還是一切順利的情況下！

自研飛控確實耗時耗力，但帶來的好處是由於對硬體和軟體的充分理解，後續的開發和改進會大大加速，遇到任何問題的改進速度也會大大加快。也正是因為這些原因，前期的有效累積奠定了目前幾個知名無人機公司的快速發展。 

「魚龍混雜的市場」——如何判定一款好飛控？

問題來了，什麼是好飛控呢？怎麼選飛控呢？衡量飛控「好壞」主要考慮四個方面：適配、穩定、功能、服務。

適配 —— 目前眾多無人機廠商中，擁有自己飛控技術的較少，多數廠家走了一條設計、研發、生產機體，採購成熟飛控，最後開拓市場渠道的道路，這有利於公司的快速起步，並且佔領市場制高點。然而，不同廠商的設計思路不同、針對用戶不同、適應場景不同，造成飛行器機體的千差萬別。

從單旋翼到多旋翼、從四軸到八軸、從開放式到函道式、從油動到電動，如果選擇一款飛控不僅能夠快速適配，自己公司設計的飛機，還能保證飛的又穩又好，您一定覺得成功不遠了，想偷著笑。如果同一款飛機能把您公司不同類型、不同款的飛機一起搞定，那真是要笑出聲來了，這樣不僅可以提高研發效率，更能減少維護成本。

 

▲穩定飛行的是一款好飛控的標配

穩定——相比起兩年前，現在飛控已經基本穩定、市場也趨於成熟，沒有試用過的客戶基本是不會出手了。可試用如何看出穩定、可靠呢？這裡可以用「三看」訣竅：

「一看」公司產能，年產至少達到 1000 套以上各類工藝流程、品質管理、測試體系才能基本走通、健全；

「二看」器件篩選，工業級以上的產品，尤其是需要「歸零」管理的產品器件篩選非常重要，需要考察公司在器件篩選的流程、篩選率等，確定基礎器件的穩定；

「三看」測試環境，飛控產品屬於「零容忍」故障產品，至少需要經歷模組級測試、產品級測試、系統級測試。雖然產品形態是飛控，但必須要經過整機安裝後的飛行測試，再拆裝復原才能出廠。不得不說一句，上述的測試如果你以為正常抽檢即，可那就錯了！要全檢！全檢！全檢！

功能——不得不承認，現在的飛控還不能稱為完全成熟，炸機率普遍還處於 3% - 20% 的較高水準，但並不能阻止我們對功能的不懈追求。一般來講，「開源飛控」由於豐富的生態，對於外在功能性需求響應較快；而「自研飛控」對於功能性客製化更深入，對於系統性功能需求的開發週期更短。目前飛控除了基本飛行功能外，主要功能包括：

1）高精度定位及控制，也就是我們俗稱的差分 GPS；

2）地勢變化的自動跟蹤，主要用在農田噴灑；

3）自動避障功能，可以保證飛行過程中，不對飛行器造成傷害；

4）飛行規劃定制，客戶可以在使用過程中定義 A-B 點飛行、指定區域覆蓋飛行、飛行任務中斷續飛等；

5）手持終端任務規劃與監控，透過手機、PAD、筆電等設備下達飛行任務並極時任務監控；

6）遠端監控及分析，透過行動電信商網路，在遠端異地對飛行過程進行監控，並分析運行狀態及故障。

 ▲優質的技術支持服務對於整機廠商越發重要

服務 —— 前三個判斷飛控好壞的關鍵詞，大家都能理解，說到服務很多人會摸不著頭腦。其實這一條還真是一個特別重要的因素，尤其是對 B 端的客戶。

以農業植保應用為例，農田施藥的作業季在 3 月到 10 月，而旺季主要集中在 5-8 月，需要高強度、大負荷、不間斷作業，在溫差大、濕度大、環境複雜的農田出現各類故障在所難免。優質的服務需要 7x24 小時提供不間斷技術支持、配件更新、調試指導，才能讓使用者最大限度減小損失、獲取效益，而且這些專業的服務，目前只有飛控生產廠商才能做的最好。

「十年磨一劍」——飛控的研發到底有多難？

如果說「飛控是無人機核心技術之一」，我想沒有人會否認，而現實是大多數無人機廠商，並不完全掌握這項技術，大家看不到重要性麼？非也！其實很多廠商都曾嘗試過自主研發，但絕大多數都由於技術積累薄弱、可靠性不高、技術更新速度慢等因素而中途放棄，發自肺腑地說「搞飛控還真的挺難」！

先來看看無人機飛控的技術現狀，由易到難基本分成三個層次：「飛行」、「感知」、「交互」。第一級「飛行」，指無人機瞭解自身狀態進行穩定控制的基礎上，可以透過地面人員遙控、行動端設置路線，或遠端指令完成預定航線的自動飛行，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了，比如空曠區域的遠程偵察。可應用在農業、物流、巡檢等複雜環境怎麼辦？樓房能躲開麼？能找到合適降落地點麼？

不行，必須升至第二級「感知」。感知層次是指無人機不僅瞭解自身狀態，對外界環境也要通過感測器了如指掌。感知透過感測器選型、數位濾波、多感測器數據融合、基於感知的路徑規劃等技術，讓無人機在複雜環境中完成任務且飛行自如。

飛控等級修煉到這應該差不多吧？還有？沒錯！你有沒有想過，今天無人機的技術狀態類似地面機器人 50 年前的情形 —— 穩定的行走、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」，複雜「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餘。

無人機為什麼不能「交互」呢？為什麼不能空中進行危險品的採樣、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上，在瞭解了外界環境後，對環境中的目標，進行交互作業的過程。

按照這種方式分類，目前的無人機基本處於 1.5 級水平，那麼飛控的開發，在不同技術層級到底難在哪？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，就是其靜不穩定特性，類似用指尖平穩地托起一支筷子，必須不停的調整姿態、位置得以平衡。

人最快的反應速度大約每秒 5 次，而無人機要想達到優秀的控制性能，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果，都是機器墜毀任務停止。一套完整的飛控全部器件接近 1000 個，是一部複雜手機的幾倍，下至 OEM 安卓機上至蘋果，死機對於使用者僅僅是重啓加一聲嘆息的事，而對於無人機則無法接受。

這些部件首先要保證自身運轉正常，其次要之間的電氣、通信正常，組裝後要經歷各種測試、機體振動的衝擊，最後要求忍受住風吹日曬及老化過程！艾瑪，好難！

想把「飛行」搞好，先要一套完善可擴展的硬體系統架構，具備強大的計算能力，以及高頻寬的總線通信能力；其次器件要根據飛行需求按照商業、工業、軍工不同等級標準選擇；在即時嵌入式操作系統上，建構具有自身及環境適應性強的控制算法；最後，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品檢驗。

 

▲科幻電影裡的人機感知或許很快就會成為現實

再來看看「感知」。人類總喜歡用自己的標準衡量其他事物，在我們的思維里好萊塢大片里變形金剛的能力應該是習以為常容易做到的。殊不知，人類經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？如果這麼看，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！

智能引入其他感測器，比如雷射、聲納、雷達等，每種感測器的特性不同，需要將這些流媒體、離散矩陣等結構化和非結構化數據歸攏好形成合力，物理、數學、電子、電路等知識缺一不可啊！

要做好「感知」也並非不可能，先要針對應用場景的環境變量、複雜程度、精度要求、響應時間進行感知感測器的硬體選型和組合；其次進行數據的初步整理、深度數據融合；最後基於感知結果，以及飛行器的運動學和動力學特性，進行任務、路徑的重規劃。

「交互」層級，想想都難！不妨讓我們腦洞大開一下，某天發生大面積停電，無人機透過巡查發現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。看似不起眼的過程，卻因為所有操作都在空中而異常艱難。

我們都看到過在太空站上，進行維修任務的太空人、水下作業的潛航員，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，任何的力都會產生反作用力導致定位、操作的不確定性。無人機空中交互也類似，在於目標接觸過程中，會產生反作用力影響飛行平穩，而飛行姿態的影響，又會導致操作力的變化，進入一個惡性循環。

要實現空中的有效交互，首先要在時變的環境下，進行精確的預測性感知，判斷在反作用力後系統的狀態；其次要考慮透過整體建模，或解耦控制消除操作臂本身運動過程，對飛行器的影響；最後保證在操作臂與目標接觸，及移動過程中，外力/力矩對飛行器的影響最小，實現安全交互任務。

「敢問路在何方」——飛控未來十年的技術發展

洋洋灑灑幾千字，用 10 年的積澱回顧了飛控的發展史、如何選擇、技術難點以及解決思路，如果再往後看 10 年，未來的飛控還會是核心麼？技術發展趨勢是什麼呢？

硬體 SoC 化。片上系統（System on Chip, SoC）入侵無人機飛控就是這兩年的事情，高通、Intel、英飛凌、華為海思等紛紛透過投資、收購消費無人機團隊，或企業進入這個市場。

飛控 SoC 之所以選擇消費級無人機作為突破口，主要原因是此類無人機數量大，對於 SoC 帶來的投入產出比更好；另一方面消費級無人機比商用無人機應用環境更理想，對可靠性、平均無故障時間要求更低。

而透過股權形式與無人機企業深度結合，是因為傳統的晶片廠商只有硬體的能力，需要與無人機企業在軟體方面，深度結合和客製化開發，這裡也足見飛控軟體的難度之大，國際化的大企業也很難搞定。

而未來飛控的硬體 SoC 化不可阻擋，只是在消費之外的領域需要更長時間的市場培養，和技術更新的過程，在解決了上述問題後，SoC 將帶來極大的成本降低，更多的飛控企業會更專注於應用層、數據端的技術開發。

軟體模組化。硬體 SoC 化後會帶來硬體結構的標準化，為軟體的升級更新提供了更好的生態，不同開發者之間，可以透過標準的底層驅動支持，及通信協議分享軟體的代碼。（聽起來有點像現在的開源飛控，YES！）不同感測器處理程序、不同飛行控制算法、不同任務規劃模組、不同診斷軟體將被定義為模組化程序，這些模組將透過付費或其他形式，形成飛控軟體的商業模式，大大降低了新功能開發的難度，將更多的注意力集中在任務層或業務層。

▲系統終端化或將未來影響每一個人

系統終端化。目前的無人機系統應用，還是將飛行器視為核心資產，所有的人力、財力、物力，都圍繞著飛行器本身轉，預期透過無人機的使用，愉悅人們心情或者在生產中創造價值。目前這個階段有點像 80 年代的人們使用大哥大，當個寶貝一樣，但卻沒有發揮其很大的作用；而現在的手機已經終端化，僅僅是遍布全球的終端，人們從終端獲取全球有益資訊的同時，也在貢獻著自身的價值。

未來無人機在各類應用中，更像是布撒的一系列終端設備，飛控作為無人機的核心，會在終端化過程中扮演重要作用，無論在消費、農業、巡視等各領域，飛控將成為數據終端的核心，大量的飛行狀態、任務數據、載荷狀態會被記錄、回傳、分發，用戶或其他利益相關方，會透過付費等商業模式，獲取終端的有用資訊。

通信網路化。無人機發展了上百年，絕大多數情況下的通信都是點對點的直接聯繫，無論是早期的遙控盒，還是航模遙控器、無論是便攜式電腦地面站，還是手持終端任務管理器，無非是透過加大功率，透過 LF（低頻）到 HF（高頻）甚至到 UHF（特高頻）等波段進行點對點通信。

隨著美國 GPS 策略，可以透過衛星進行各類無人機等終端的組網，但目前其由於頻寬、成本等問題，而無法在商用中廣泛推廣。隨著智慧手機成長率的放緩，以及無人機終端化的趨勢，行動電信商們也敏銳捕捉到了商機，紛紛推出了面向無人機應用的行動通信解決方案。

這類方案目前採用成熟商用 2G、3G、4G、5G 網路，透過定義套餐、開發貼片 SIM 卡組件、天線客製化等方式，使無人機作為終端接入商用網路。

雖然還存在網路不穩定、覆蓋區域不全等因素，但隨著無人機數據價值的增加、行動通信技術的高速發展驅動，以及無人機管控壓力的增大，在不久的將來借助營運商的飛控網路化趨勢不可阻擋。

 

▲無人機+大數據或將帶來一場全新的產業變革

數據可視化。在大數據時代，沒有人否認原始數據的重要性。無人機+大數據喊了也有一段時間了，但目前受到終端化剛起步、網路化未完全落地、數據來源少等因素，無人機的大數據時代還沒有真正來臨。無人機數據與其他大數據，最大的區別在於行業垂直度深。

在不考慮消費娛樂應用的前提下，無人機的應用領域又幾十種，而每一種都有其已有的、較深壁壘的行業模式，各類不同領域的數據融合的可能性不大。

在未來無人機發展過程中，不應空泛強調大數據的意義，而更應透過飛控的數據蒐集能力，獲取高頻率的有效資訊進行分析，得到能夠給行業帶來價值的「可視化」數據，直接為行業服務。861170331

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