無(wú)人機(jī)技術(shù)科普：硬件與算法外 還有“狀態(tài)”視角

　　雖然大家都很喜歡無(wú)人機(jī)，但現(xiàn)實(shí)情況是每個(gè)人的教育背景，對(duì)無(wú)人機(jī)的需求，看待問(wèn)題和事物的習(xí)慣與角度等都有很大區(qū)別。所以在科普無(wú)人機(jī)技術(shù)的道路上還任重道遠(yuǎn)。

　　最常見(jiàn)的切入視角是從硬件和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行切入。

　　硬件視角常從GPS、強(qiáng)磁計(jì)、紅外設(shè)備、單目視覺(jué)、雙目視覺(jué)、IMU等硬件模塊的性能、用法（其實(shí)很多文章并不涉及用法）、輸入輸出數(shù)據(jù)類型等著眼。比較直觀，易于操作，易被接受。但容易讓大家無(wú)法構(gòu)建對(duì)于無(wú)人機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的理解，并陷入到某一個(gè)具體硬件中，甚至忘卻了該硬件對(duì)于無(wú)人機(jī)的意義。

　　數(shù)學(xué)模型的視角常會(huì)研究被控對(duì)象的模型性質(zhì)、非線性、非最小相位系統(tǒng)、耦合特性等等。這樣的視角足夠深入，接近被控對(duì)象本質(zhì)，但抽象性太強(qiáng)，容易造成和實(shí)物的脫節(jié)。硬件和數(shù)學(xué)模型兩個(gè)視角都很重要，卻也都存在著無(wú)法回避的問(wèn)題。因此筆者選擇無(wú)人機(jī)的“狀態(tài)”作為切入視角。從“狀態(tài)”視角很容易理解硬件在整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中的實(shí)際意義：構(gòu)成反饋閉環(huán)并傳回相應(yīng)的“狀態(tài)信息”，從而為控制器設(shè)計(jì)提供必要的反饋信息。

　　直升機(jī)型無(wú)人機(jī)揮舞角（Flapping angle）構(gòu)造

　　四旋翼無(wú)人機(jī)揮舞角（Flapping angle）構(gòu)造

　　無(wú)人機(jī)“狀態(tài)”數(shù)目根據(jù)不同的機(jī)型會(huì)有所區(qū)別。大家從上面兩幅圖中就可以看出，直升機(jī)型無(wú)人機(jī)相比于四旋翼就會(huì)多出兩個(gè)揮舞角（Flapping angle）作為描述揮舞的狀態(tài)。

　　無(wú)人機(jī)狀態(tài)可以“大體”分為兩部分：

　　描述“外部位置環(huán)”的六個(gè)狀態(tài)，位置狀態(tài)：x、y、z，該狀態(tài)體現(xiàn)了無(wú)人機(jī)在三個(gè)軸線上所處的具體位置；速度狀態(tài)：u、v、w用于描述無(wú)人機(jī)本身沿三個(gè)方向的飛行線速度。

　　描述“內(nèi)部姿態(tài)環(huán)”的六個(gè)狀態(tài)，姿態(tài)角狀態(tài)：∮、θ、ψ，分別描述無(wú)人機(jī)的橫滾、俯仰、偏航姿態(tài)角；角速度狀態(tài)：p、q、r，描述無(wú)人機(jī)在機(jī)身三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)速率。

　　這里“外環(huán)”，“內(nèi)環(huán)”的稱呼是由無(wú)人機(jī)控制器設(shè)計(jì)中的常用控制器結(jié)構(gòu)所演變出來(lái)的術(shù)語(yǔ)，直觀來(lái)看兩組狀態(tài)分別處于不同的坐標(biāo)系中，外環(huán)狀態(tài)處于“大地坐標(biāo)系”（速度狀態(tài)信息在機(jī)體坐標(biāo)系下只要進(jìn)行坐標(biāo)變換即可）視角下：

　　而內(nèi)環(huán)狀態(tài)則是處于“機(jī)體坐標(biāo)系”中。

　　上圖可以看到，通過(guò)內(nèi)外環(huán)狀態(tài)信息的閉環(huán)反饋，求得“期望狀態(tài)”與“真實(shí)狀態(tài)”之間的誤差值，并根據(jù)這個(gè)誤差設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的控制器，根據(jù)不同算法計(jì)算出需要的控制量。