无人机技术科普：硬件与算法外 还有“状态”视角

　　虽然大家都很喜欢无人机，但现实情况是每个人的教育背景，对无人机的需求，看待问题和事物的习惯与角度等都有很大区别。所以在科普无人机技术的道路上还任重道远。

　　最常见的切入视角是从硬件和数学模型进行切入。

　　硬件视角常从GPS、强磁计、红外设备、单目视觉、双目视觉、IMU等硬件模块的性能、用法（其实很多文章并不涉及用法）、输入输出数据类型等着眼。比较直观，易于操作，易被接受。但容易让大家无法构建对于无人机整个系统的理解，并陷入到某一个具体硬件中，甚至忘却了该硬件对于无人机的意义。

　　数学模型的视角常会研究被控对象的模型性质、非线性、非最小相位系统、耦合特性等等。这样的视角足够深入，接近被控对象本质，但抽象性太强，容易造成和实物的脱节。硬件和数学模型两个视角都很重要，却也都存在着无法回避的问题。因此笔者选择无人机的“状态”作为切入视角。从“状态”视角很容易理解硬件在整个无人机系统中的实际意义：构成反馈闭环并传回相应的“状态信息”，从而为控制器设计提供必要的反馈信息。

　　直升机型无人机挥舞角（Flapping angle）构造

　　四旋翼无人机挥舞角（Flapping angle）构造

　　无人机“状态”数目根据不同的机型会有所区别。大家从上面两幅图中就可以看出，直升机型无人机相比于四旋翼就会多出两个挥舞角（Flapping angle）作为描述挥舞的状态。

　　无人机状态可以“大体”分为两部分：

　　描述“外部位置环”的六个状态，位置状态：x、y、z，该状态体现了无人机在三个轴线上所处的具体位置；速度状态：u、v、w用于描述无人机本身沿三个方向的飞行线速度。

　　描述“内部姿态环”的六个状态，姿态角状态：∮、θ、ψ，分别描述无人机的横滚、俯仰、偏航姿态角；角速度状态：p、q、r，描述无人机在机身三个旋转轴上的转动速率。

　　这里“外环”，“内环”的称呼是由无人机控制器设计中的常用控制器结构所演变出来的术语，直观来看两组状态分别处于不同的坐标系中，外环状态处于“大地坐标系”（速度状态信息在机体坐标系下只要进行坐标变换即可）视角下：

　　而内环状态则是处于“机体坐标系”中。

　　上图可以看到，通过内外环状态信息的闭环反馈，求得“期望状态”与“真实状态”之间的误差值，并根据这个误差设计不同结构的控制器，根据不同算法计算出需要的控制量。