【无人机篇】——如何较好掌握小型无人机飞控系统设计？及书籍推荐

作者：Top Liu
链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/24399435
来源：知乎

首先须明确飞控系统设计是一项艰巨的任务，图1给出了目前飞行控制系统设计与验证的详细流程。

其核心基础为：1.控制律设计 2.系统架构设计 3.嵌入式软硬件开发

另外，未来对无人机的自主能力要求会越来越高。在自主控制的框架内，飞控系统担负的任务也越来越多，如图2。已经从单纯的控制扩展到感知，规划，决策，控制等诸多领域，已成为无人机绝对的核心。

在未来无人机设计中，飞机设计将越来越弱，机器人设计将越来越强。

飞行控制系统控制律设计人员需要掌握许多领域的知识，例如控制理论，控制系统结构，空气动力学、飞行动力学、航空和气动伺服弹性、飞机载荷、质量和平衡、仿真和建模方法。面对现代复杂的飞行控制系统，控制律设计的真正问题之一就是更快更早地掌握所需的知识。对于控制律设计人员而言，没有可以借鉴的设计手册，也缺乏合适的设计原则。技能的获取主要来自于实践，在有限的几个新项目和时间的流逝之间，的确存在着组合,经验的获取问题。所以，经验的总结是重要的，但有时也容易被忽略掉的。～刘林《最佳实践知识库》

搞理论是一方面，既然是“设计”，那就是要针对具体的工程实践。我们有太多只会“设计”的人，搞理论是没的说，但他的设计离开电脑后能否run起来？自己也不确定。所以 学习->设计->实践->总结问题->再设计 这样的一个闭环还是要有的。多总结自己的经验，也要多观察别人，毕竟总结别人的经验成本相对更低，然后组合自己和别人的经验，加上理论分析，加点创新设计，就会做的更好。

设计飞控系统软件时，就不仅仅是让飞机飞起来那么简单了，也就是说软件模块除了基本要素外，还需有其他扩展，如下图。推荐知乎专栏的一篇文章：浅谈飞控的软件设计，针对一些软件、算法部分进行讨论。

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下面开始入门图书推荐，好书在于精，不在多。

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1.固定翼无人机推荐《Small Unmanned Aircraft Theory and Practice》Beard, R.W. and McLain, T.W.: Small Unmanned Aircraft: Theory and Practice. (eBook and Hardcover)
涵盖了从底层的增稳控制、状态估计，到上层的航路规划、视觉控制。最赞的是每一章都配有相应的matlab仿真程序，一步步做下来，最终将会实现一个功能强大的无人机程序。ps：中文版已经有人在翻译了。

链接：http://pan.baidu.com/s/1pLTPn9D 密码：hm31

2.多旋翼设计推荐北航全权教授的课程《多旋翼无人机设计与控制》课件下载地址：Reliable Flight Control Group
全老师也写了一本书，《多旋翼无人机设计与控制》，不过应该是英文版的，近期会出版，我个人非常期待。

3.控制工程实践推荐《控制系统设计指南》，很多控制理论学得很好的学生，工作后却发现调好一个最简单的PID都很困难。这本书从工程需要出发来讲述控制理论，介绍了很多设计、建模、构建、调试、以及故障排除的使用方法。当在设计与调试实践中遇到问题时，值得翻一番。

4.论文、公开课等
另外，我收集整理了一些多旋翼方面的资料，可以看这里Drone - ExbotWiki

注：论文的最新下载链接看这里
http://pan.baidu.com/s/1bPoqui

5. 开源代码
开源项目也有很多了，结构好一点的推荐px4
功能多一些的推荐arduipilot

6 实践

说到最后，即便是玩最便宜的多旋翼，还是需要一点小钱的。
继续补充一段《最佳实践知识库》
==Ծ‸Ծ==
   (2) 由于历史的原因，通常设计不是从零开始，而是在已有的设计基础上进行的。这就意味着某些设计可能会继承已有设计的缺陷，会在已有基础上增加新的内容和功能，也会继承一些重大问题的解决方法，这些系统可能会变得非常复杂，以至于几乎无人能够全面了解系统的全部功能。
   (3） 在某些情况下，无法将设计需求转换为较好的量化指标，那么FCS 设计成败主要取决于控制律设计者个人的经验和枝巧，以及对于控制律设计作为飞行控制系统的一个完整部分所固有的软件和硬件方面的限制条件的洞察能力。因此，真正的设计需求或许只可能存在于经验丰富的设计者的头脑中，这些设计者能够正确地理解可用的信息，并能对可能失去的东西做出合理的判断。
   (4) 设计周期往往非常漫长，任何一个设计者在其设计生涯中可能只能接触到个别设计案例，因此有一部分经验是来自其他人。