深入剖析无人机飞控：发展、性能、成本与主流版本（1）

​一、引言​

无人机，这个曾经只在军事领域和专业科研中出现的高科技产物，如今已广泛应用于航拍、物流配送、农业植保、测绘等众多领域，走进了大众的生活。而在无人机的众多关键技术中，飞控系统无疑占据着核心地位，它就如同无人机的 “大脑”，指挥着无人机完成各种复杂的飞行任务。​

随着科技的不断进步，无人机飞控系统也在持续演进，从最初简单的飞行姿态控制，发展到如今具备高度智能化、自动化的复杂系统。了解无人机飞控系统的发展历史、性能特点、成本构成以及当前市场主流版本的详细性能功能，对于无人机爱好者、从业者以及相关行业的决策者来说，都具有至关重要的意义。它不仅能帮助我们更好地选择和使用无人机，还能让我们洞察行业的发展趋势，为未来的技术创新和应用拓展提供有力支撑。接下来，就让我们一同深入探索无人机飞控系统的精彩世界。​

二、无人机飞控发展历史​

2.1 早期探索阶段（20 世纪初 - 20 世纪中叶）​

在无人机飞控系统的发展长河中，早期探索阶段为后续的技术突破奠定了基石。20 世纪初，航空领域刚刚起步，人们对于飞行器的控制还处于极为初级的阶段。1907 年，法国 Breguet 兄弟制造了第一架四旋翼式直升机，这一开创性的尝试拉开了多旋翼飞行器探索的序幕。然而，由于当时缺乏有效的控制手段，这次飞行的稳定性极差，仅仅是实现了短暂的升空，距离真正意义上的可控飞行还相距甚远。​

1921 年，George De Bothezat 在美国俄亥俄州西南部城市代顿为美国空军部建造了另一架大型的四旋翼直升机。尽管进行了 100 多次的飞行试验，但依然无法很好地控制其飞行，未能达到美国空军的标准。不过，这些早期的尝试让人们逐渐认识到飞行器控制的重要性和复杂性，为后续研究指明了方向。​

1924 年，Oemichen 四旋翼直升机取得了一定突破，首次实现了 1km 的垂直飞行，这在当时是一个了不起的成就，进一步激发了人们对多旋翼飞行器控制技术研究的热情。​

1956 年，Convertawing 制造的四旋翼直升机采用了通过改变每个螺旋桨推力来控制飞行器的方式，这种控制理念在当时具有创新性，为后来的飞控技术发展提供了宝贵的思路。美国陆军研制的 VZ - 7（被称做 Flying Jeep）虽然有效载荷可达 250KG，由 425 马力涡轮发动机驱动，起飞相对容易，但由于无法满足军方对速度和高度的要求，最终被退还给发明人。​

这一时期，固定翼无人机方面，100 多年前就有人尝试将战斗机加装简单的控制器来完成无人侦查和投弹工作，但当时的控制技术极为有限，只能实现一些基本的飞行操作，距离精准控制和自主飞行还相差甚远。​

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时间​	事件​	飞行器类型​	特点及成果​
1907 年​	法国 Breguet 兄弟制造第一架四旋翼式直升机​	四旋翼直升机​	飞行稳定性差，无有效控制​
1921 年​	George De Bothezat 建造大型四旋翼直升机​	四旋翼直升机​	进行 100 多次试验，未达美国空军标准​
1924 年​	Oemichen 四旋翼直升机实现 1km 垂直飞行​	四旋翼直升机​	首次实现一定距离垂直飞行​
1956 年​	Convertawing 制造四旋翼直升机​	四旋翼直升机​	通过改变螺旋桨推力控制飞行器​
100 多年前​	尝试给战斗机加装简单控制器用于无人侦查和投弹​	固定翼无人机​	仅能实现基本飞行操作​

​2.2 技术积累阶段（20 世纪中叶 - 20 世纪末）​

从 20 世纪中叶开始，随着电子技术、自动控制理论等相关领域的逐步发展，无人机飞控技术进入了技术积累阶段。在这一时期，无论是苏俄还是欧美国家，都在积极开展有人飞机的无人化改造以及新研制无人机的工作。​

苏俄国家延续了载人机控制的研发技术体系并应用到无人机领域。早期飞控硬件采用战斗机的飞控计算机，控制算法方面运用分型模态分段辨识、建模、控制的方法。具体来说，就是要通过吹风洞、机理建模等手段，获取飞行器在起飞、悬停、低速、中速、高速、降落等不同飞行状态下的参数，然后在不同状态下设计相应的控制器。飞行器飞行过程中不断切换控制方法或控制参数，以此保证飞行器处于理想状态。这种技术体系的优势在于硬件经过长期飞行验证，控制算法在设计模态内系统稳定性可以通过理论有效证明。然而，其缺点也较为明显，硬件体积大、重量重，且无法预测实际飞行过程中可能经历的所有飞行状态，在面对复杂多变的飞行环境时适应性较差。​

欧美国家则具有前瞻性，在上世纪中期开始布局前沿技术的探索和积累，美国国防部属下的 DARPA 就是各类计划的代表。这类项目通常由军工企业牵头，研究所负责演示验证，大学负责理论算法研究，组成联合团队。通过多年对中小型无人机的试飞试验，形成了以嵌入式计算机为硬件核心、以自适应控制为算法的飞控体系。与苏俄体系最大的区别在于，欧美体系很大程度上放弃了传统的模态分段控制，采用在线辨识的方法。即在飞行器飞行过程中，通过在线辨识理论方法，控制器能够自己判断自身所处的状态、参数等信息，并根据这些信息响应切换不同的控制策略或控制参数。这种体系的优势在于系统体积小、重量轻，大大缩短了新型无人机的研发周期，并且智能程度进一步增强。但不足之处在于需要较长时间的理论技术积累，而且在某种程度上无法证明全局系统稳定性。​

这一时期，随着微系统、传感器以及控制理论等技术的不断进步，四旋翼垂直起降机再次引起人们的极大兴趣。研究重点集中在小型或微型四旋翼飞行器的结构、飞行控制以及能源动力等方面。虽然还未取得重大的突破性进展，但在技术积累方面为后续的飞跃奠定了坚实基础。​​

国家 / 地区​	技术体系​	硬件核心​	控制算法​	优势​	缺点​
苏俄​	延续载人机控制体系​	战斗机飞控计算机​	分型模态分段辨识、建模、控制​	硬件经长期验证，设计模态内稳定性可理论证明​	硬件庞大，无法涵盖所有飞行状态​
欧美​	以嵌入式计算机为核心的新体系​	嵌入式计算机​	自适应控制，在线辨识​	系统小巧，缩短研发周期，增强智能性​	理论积累时间长，全局稳定性证明困难​

​2.3 开源飞控兴起阶段（21 世纪初 - 2010 年代中期）​

21 世纪初，随着 Linux 和 Git 等开源技术的发展，为无人机行业带来了成熟的开源协作平台，如 GitHub、Gitbook 等。这些平台将零散的无人机软硬件开发资源进行了有效整理，使得开发者和用户能够迅速实现飞控系统的开发。开源平台的共享机制极大地促进了无人机产品的普及，推动了无人机行业整体的快速发展，开源飞控也由此兴起。​

2003 年开始的 Paparazzi（PPZ）是一个软硬件全开源的项目，它提供了一套包含飞行器和地面站在内的完整解决方案，传说大疆飞控的前身就是 PPZ，不过这一说法的真实性有待进一步考证。PPZ 项目的出现，为开源飞控的发展开辟了道路，吸引了众多开发者的关注和参与。​

2005 年，由 Massimo Banzi、David Cuartielles、Tom Igoe、Gianluca Martino、David Mellis 和 Nicholas Zambetti 在意大利交互设计学院合作开发了 Arduino 开源飞控。它为电子开发爱好者搭建了一个灵活的开源硬件平台和开发环境。用户不仅可以获取硬件的设计文档，根据自身需求调整电路板及元件，还能通过配套的 Arduino IDE 软件查看源代码并上传自己修改的代码。随着该平台逐渐被广大爱好者接受，各种功能的电子扩展模块不断涌现，其中集成了 MEMS 传感器的飞行控制器尤为复杂。为了推动飞控设计源代码的优化和发展，Arduino 公司决定开放其飞控源代码，这一举动正式开启了开源飞控的蓬勃发展之路。著名的开源飞控 WMC 和 APM 都是 Arduino 飞控的直接衍生产品。​

2009 年，OpenPilot 由 OpenPilot 社区推出，并官方发布了 CC、CC3D、ATOM、Revolution、Revolution nano 等硬件。同年，Multi Wii Copter（MWC）飞控诞生，它是一款专为多旋翼开发的低成本飞控，完整保留了 Arduino IDE 开发和 Arduino 设备升级使用的方法。由于成本低、架构简单、固件相对成熟，MWC 飞控在国内外吸引了大量爱好者，并且支持多种飞行器类型，如四轴、六轴、八轴、三旋翼、阿凡达飞行器、Y4 型等，具有很强的趣味性和广泛的适用性。​

MikroKopter 始于 2006 年 10 月 24 号，由 Holger Buss 和 Ingo Busker 创造。在 2007 年中，Mikrokopter 实现了像鸟一样在空中稳定悬停，这对于开源四轴飞行器的发展来说是一个重要的里程碑，标志着开源飞控在飞行稳定性控制方面取得了显著进步。​

2007 年，前《连线》主编、《长尾理论》的作者克里斯・安德森（Chris Anderson）给女儿购买了一套乐高的无人机套件，因对套件软件功能不满意，他希望借助网络力量改进，于是建立了网络社区 DIY Drones。2008 年，Jordi Munoz 凭借自己开发的直升机飞控赢得了第一届 Sparkfun AVC 大赛，并将代码放到了 DIY Drones 上，得到了 Chris 的赞赏。2009 年，二人成立了知名无人机公司 3D Robotics。同年 5 月，Jordi/3DRobotics 发布了第一款红色的 Ardupilot 板子，年末，Chris 从《连线》主编位置辞职，专心投入无人机事业。2010 年，3d Robotics 推出了 APM1，随后在 2011 年发布了 APM2，2012 年又发布了 APM2.5/2.6。围绕着 3DR 公司的飞控产品，逐渐形成了一个活跃的无人机爱好者社区。APM 飞控功能丰富，在开源飞控领域具有重要影响力，推动了开源飞控技术的不断发展和应用拓展。​​

时间​	开源飞控项目 / 事件​	相关信息​	特点及影响​
2003 年​	Paparazzi（PPZ）项目开始​	软硬件全开源，提供飞行器和地面站完整解决方案​	为开源飞控发展开辟道路​
2005 年​	Arduino 开源飞控开发​	由意大利交互设计学院团队开发，提供灵活开源平台​	开启开源飞控蓬勃发展之路，衍生出 WMC、APM 等​
2006 年 10 月 24 号​	MikroKopter 项目启动​	由 Holger Buss 和 Ingo Busker 创造​	2007 年实现稳定悬停，开源四轴飞行器里程碑​
2007 年​	DIY Drones 社区建立​	克里斯・安德森因乐高无人机套件软件问题创建​	汇聚无人机开发爱好者，促进技术交流​
2008 年​	Jordi Munoz 赢得第一届 Sparkfun AVC 大赛​	凭借自主开发的直升机飞控​	其代码推动开源飞控发展​
2009 年​	OpenPilot 推出​	OpenPilot 社区推出，发布 CC、CC3D 等硬件​	丰富开源飞控产品类型​
2009 年​	Multi Wii Copter（MWC）飞控诞生​	专为多旋翼开发的低成本飞控​	成本低、架构简单，吸引大量爱好者​
2009 年​	3D Robotics 成立​	克里斯・安德森和 Jordi Munoz 创立​	推动 APM 飞控发展，形成活跃社区​
2010 年​	3d Robotics 推出 APM1​	3D Robotics 发布​	APM 系列飞控开端，功能逐渐丰富​
2011 年​	3D Robotics 发布 APM2​	3D Robotics 发布​	性能提升，应用更广泛​
2012 年​	3D Robotics 发布 APM2.5/2.6​	3D Robotics 发布​	进一步优化和拓展功能​

​2.4 商业飞控崛起与多元化发展阶段（2010 年代中期至今）​

2010 年代中期以来，随着无人机市场需求的爆发式增长，商业飞控迎来了崛起与多元化发展的黄金时期。在这一时期，各大无人机厂商纷纷加大对飞控技术的研发投入，推出了一系列性能卓越、功能丰富的商业飞控产品，以满足不同领域、不同用户的多样化需求。​

大疆作为全球无人机行业的领军企业，在商业飞控领域取得了举世瞩目的成就。2012 年 1 月，大疆精灵 1 携带 GoPro 问世，这款产品的出现点燃了大众对无人机的热情，标志着消费级无人机市场的正式开启。随后，大疆不断推陈出新，陆续推出了精灵 2、精灵 3、精灵 4 等一系列消费级无人机产品，每一代产品在飞控性能、拍摄画质、操作便捷性等方面都有显著提升。同时，大疆还针对行业应用推出了如经纬 M300 RTK 等专业级无人机及配套飞控系统。以 A3 系列飞控为例，全新的 A3 系列飞控系统具备安全可靠和精准控制的特性，其先进的三余度系统可靠性更高，A3 Pro 配备三套 IMU 和 GNSS 模块，配合软件解析余度实现 6 路冗余导航系统。在飞行过程中，系统通过先进的软件诊断算法对三套 GNSS 和 IMU 数据进行实时监控，当导航系统中的传感器出现异常时，能够立即切换至另一套传感器，从而保障可靠稳定的飞行表现。此外，A3 和 A3 Pro 采用全面优化的姿态解析以及多传感器融合算法，控制精准，容错性强，具备强大的适应性，可在不同类型的飞行器上实现参数免调。当六轴或八轴飞行器出现动力故障时，容错控制系统可以让飞行器自动稳定飞行姿态，保障飞行安全。A3 系列还提供全新的工业系统解决方案，可集成厘米级精度的 D - RTK GNSS 模块、智能电调和 Lightbridge 2 高清图传，开发者可使用 DJI Onboard SDK 和 Mobile SDK 定制专属应用，实时获取飞行器状态信息，并控制飞行器、云台和相机。同时，A3 系列配备 CAN、API 等丰富的硬件接口，可连接第三方传感器或其他设备，方便用户针对各种行业应用对飞行平台进行灵活定制。​

除了大疆，国内还有众多企业在商业飞控领域积极布局，如零度、极飞、拓攻、极翼、一飞、无距等。这些企业的产品价格从两千到一万多不等，调试安装相对简单，且功能丰富，广泛应用于农业植保、测绘、巡检等多个行业领域。例如，极翼的 K3APro 植保飞控专为农业植保无人机 “智” 造，内置多种农业植保模式和专属功能，支持纯手动、半自主及完全自主航线飞行，可实时监测药物流量，智能匹配喷洒量，配备专业植保地面站，作业高效，操作便捷。它还内置姿态 - 增稳 / 定高模式、GPS - 速度模式等多种操控模式，可根据不同作业环境自由切换，满足不同植保作业需求。K3APro 是极翼近 3 年飞控畅销之王 K3 - A 的全新升级版飞控，其可靠性和稳定性能在原 K3 - A 飞控的基础上有了进一步的提升和优化，在 2017 - 2018 年 K3A 产品就获得了国内 70% 的植保厂家的使用和认可，覆盖亚洲、美洲、欧洲、大洋洲等全球范围内的植保无人机用户。​

在国际市场上，一些芯片巨头也纷纷涉足无人机飞控领域。英伟达推出了可以用于无人机的 Jetson TX1 开发板，华为海思与团队合作研发无人机飞控，使用安防摄像头里的 SOC 芯片。这些芯片巨头凭借其在芯片技术方面的优势，为无人机飞控带来了更强大的计算能力和更低的成本，推动了无人机飞控向小型化、集成化、智能化方向发展。​

与此同时，开源飞控也在不断发展和演进。虽然开源飞控每一种都需要用户仔细微调参数，安装和调试相对麻烦，调不好可能会导致飞行不稳定，但如今的开源飞控功能已经非常强大，可拓展性也极大。它支持各种异形布局的多旋翼、直升机、固定翼、无人车等多种类型的飞行器。而且，如果调试得当，开源飞控的可靠性也能令人满意，不逊于某些商品飞控。开源飞控的发展为无人机爱好者和开发者提供了更多的选择和创新空间，促进了无人机技术的普及和推广。​​

企业 / 类型​	产品 / 特点​	应用领域​	性能及功能特点​
大疆​	精灵系列（消费级）、经纬 M300 RTK（专业级）、A3 系列飞控等​	消费航拍、行业应用（测绘、巡检、农业等）​	消费级产品操作便捷、画质出色；专业级产品飞控性能卓越，如 A3 系列三余度系统、精准控制、丰富扩展功能​
国内其他企业（零度、极飞、拓攻、极翼、一飞、无距等）​	多种商业飞控产品​	农业植保、测绘、巡检等​	价格适中，调试安装简单，功能丰富，适配行业应用需求，如极翼 K3APro 植保飞控的专业植保功能​

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