无人机与无人船飞控技术对比

飞控应用于无人机和无人船,虽然都涉及自动导航与控制,但由于载体所处的介质、动力学特性、任务环境等根本不同,其技术要点、实施方式和区别点都非常显著。

下面从几个维度进行详细对比分析:

一、核心区别总览

二、技术要点与方式要点对比

1. 姿态感知与融合

无人机:

核心传感器:IMU(陀螺仪、加速度计)、磁力计、气压计。

要点:对IMU的精度和动态响应要求极高。融合算法(如互补滤波、卡尔曼滤波)需要快速解算出高动态的姿态,尤其是滚转和俯仰角。振动隔离是关键,发动机/螺旋桨振动会严重影响IMU数据。

无人船:

核心传感器:IMU、磁力计、GPS。

要点:姿态变化缓慢,但对航向(偏航角) 的精度和稳定性要求极高。滚转和俯仰角主要用于补偿和监测,而非主控。更依赖GPS/RTK提供的高精度位置和速度信息进行航迹控制。对高频振动不敏感,但需处理波浪引起的周期性晃动。

2. 导航与定位

无人机:

主要方式:GNSS(GPS/北斗)+ IMU 紧耦合/松耦合组合导航。室内或GNSS拒止环境下,依赖视觉里程计(VIO)、激光雷达(Lidar)或超声波。

要点:高度信息至关重要。气压计用于相对高度,但在悬停时易受干扰,需与其它传感器融合。RTK用于厘米级精确定位(如植保、测绘)。

无人船:

主要方式:GNSS是绝对核心,通常直接使用RTK以获得分米/厘米级定位,因为水面无遮挡。惯性导航(INS) 作为GNSS短暂失锁的补充。

要点:基本不涉及室内或复杂遮挡环境。更关注航向传感器(电罗经/光纤罗经)的精度,因为GPS的航向在低速时不准确。

3. 控制算法与模型

无人机:

常用算法:PID/LQR/模型预测控制(MPC)。通常采用串级控制:外环(位置/速度) -> 内环(姿态/角速率)。

要点:强依赖于精确的动力学模型。控制分配直接:期望力矩/力 -> 电机转速。需要处理强非线性、耦合和欠驱动特性。

无人船:

常用算法:PID(尤其是比例积分)、模糊控制、自适应控制。

要点:水动力模型复杂且不确定性强(受船型、负载、水流影响)。控制响应慢,积分项(I) 对消除稳态误差(如抵抗恒定水流)非常重要。控制分配复杂:期望推力/力矩 -> 舵角 + 推进器转速(对于有舵的船)。

4. 执行机构与驱动

无人机:

执行机构:无刷电机 + 电子调速器(ESC) + 螺旋桨。

要点:响应极快(毫秒级)。通过改变多个电机的转速差来直接产生姿态力矩和总升力。PWM信号控制。

无人船:

执行机构:舵机 + 电调/调速板(控制推进电机或油门舵机)。

要点:响应慢,有延迟。舵的偏转产生的水动力转向力矩有显著滞后。推进器从指令到推力建立也需要时间。通常是串行指令控制。

5. 通信与延迟容忍度

无人机:

要求:需要低延迟、高刷新率的遥控链路。数据链(数传)用于遥测和任务指令。对延迟敏感,尤其是手动操控时。

无人船:

要求:对控制指令的实时性要求相对较低,但要求高可靠性、远距离。常使用远距离无线电(如LoRa)或移动网络(4G/5G)。可容忍秒级的指令延迟。

6. 安全与可靠性

无人机:

要点:"失效-安全" 设计。常见安全策略:降落伞、断桨保护、失控返航(RTL)、低电量返航。供电系统稳定性要求极高。

无人船:

要点:"失效-漂浮/可回收"。常见安全策略:失控循航/定点驻守、电子围栏、AIS防撞、漏水检测。防水、防腐蚀是硬件设计首要考虑。需考虑法规避让算法的集成。

三、总结:核心区别与移植难点

1.控制频率不匹配:飞控的高频控制律会让无人船的执行机构(舵机)频繁动作,导致过度磨损和不稳定。

2.姿态定义权重错误:飞控会过度关注并试图主动控制滚转和俯仰,而这对于船来说大部分是无效且浪费能量的。

3.导航融合策略失效:无人机融合算法可能过于依赖气压计高度,或对GNSS速度的信任模型不适合低速水面载体。

4.控制算法参数失效:PID参数完全不适配。船的慢动态需要更大的积分时间和更小的微分作用。

5.执行机构接口不匹配:飞控通常输出多路电机PWM信号,而无人船需要的是"舵角"和"油门"指令。

6.任务逻辑不同:返航、悬停、避障等高层决策逻辑需要重新设计。

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