无人机企业成都纵横：一款产品纠结三年

深度解析MP-201M

成都纵横倾注三年心血、纠结三年的一套多旋翼自驾仪在本月总算修成正果。三年心血、三年纠结所为何来?

为啥要为这么一款产品纠结三年?

要开发任何一款优秀的产品，都必须首先秉持一种理念、甚至是一种信仰;其次就是要在众多制约因素中进行折中和妥协，达到一种平衡。那在这款MP-201M中，我们秉持了一种什么理念呢?我们秉持的是成都纵横自动化一贯的产品理念：“用户价值最大化”，就是要用我们的产品尽可能地为用户创造价值。我们深信无法为用户创造价值的产品，无论多么便宜，用户都不会购买;反之只要产品所创造的价值远远超过用户为获取该产品所付出的代价，用户都是会购买的。

那我们在纠结什么呢?其实我们一直在拷问这三个问题：其一是多旋翼自驾仪还有我们的市场吗?其二是多旋翼自驾仪究竟该是个啥样?其三是多旋翼自驾仪真的就该是廉价的吗?现在无人机言必称多旋翼，自驾仪言必称开源，市场可以说是到了开始泛滥的地步了，一款最廉价的自驾仪只有几十块钱，一款最廉价的无人机可以不足一千块钱。相比这些，我们的自驾仪最便宜也得三五万，贵的要到三五十万。我们再做多旋翼自驾仪，卖个七八万的，谁还买啊?现在的多旋翼自驾仪都是一块海绵减振垫上粘个IMU组合模块、一块小MCU、几根插针一引就成了，不管有无干扰都伸出根棍子放上磁传感器和GPS天线，什么都是一副对付的架势。而且还在毫无技术地彼此山寨，甚至不惜为一个海绵垫引起“专利血案”。自驾仪的简陋到了一种让人心酸的地步，而用者浑然不知这种产品的危害，还在为这种廉价叫好。难道多旋翼自驾仪就该是这个样子吗?这款MP-201M多旋翼自驾仪就是我们对上述三个问题回答。

为啥要为这么一款产品倾注三年心血?

三年研制一款产品，而且还有大量的开源软硬件可以抄袭，还有同行同类产品可以山寨，确实是有些笨拙了(就像郭靖一直在那一招一招地练习潜龙勿用一样?)。其实貌似原理简单的多旋翼自驾仪深究起来也是很有技术含量的，光一个姿态控制，就可以写好多篇博士论文了(而且都是国外名校的博士论文呢)。选择何种控制算法、何种导航算法、何种滤波算法都不是一件轻而易举的事。这还仅从纯技术上说，还有很多产品方面的折中和平衡，比如：选择何种中央处理器，要不要气压定高，要不要外置磁罗盘，要不要集成数传电台，要不要采用J30J连接器，每一个选择都是一场痛苦的拷问。我们最终平衡的结果就是MP-201M，这是一个在产品性能、成本和用户价值三方面完美平衡的产品。我们曾经开发的AP-201M尽管性能更高，但成本过高;曾经开发的NP-100M在成本上更低，但用户价值和性能上太低。

为什么要命名为MP-201M?

成都纵横自动化的自驾仪产品一直有AP、MP、NP三个系列。AP是AutoPilot的缩写，代表全尺寸全功能的自驾仪;MP是Mico-AutoPilot的缩写，代表微小尺寸的自驾仪;NP是Nano-AutoPilot的缩写，代表超小尺寸的自驾仪。每个系列都是从10X、20X开始命名的，10X系列一般采用Ublox普通GPS，20X系列一般集成Novatel差分GPS，定位定高精度更高。在功能和性能上AP优于MP，MP优于NP，同系列20X优于10X;同理AP的价格高于MP，MP的价格高于NP，同系列20X价格高于10X。正如上述：现有的AP-201M尽管性能更高，但价格过高;NP-100M在价格上可以更低，但用户价值和性能太低。MP-201M不仅集成了Novatel的实时差分GPS模块，完美解决了精确定位定高的问题;采用了ADI高抗振动和高稳定性的陀螺仪和角速度计，配合成都纵横特有的非线性GPS/SINS数据融合和滤波算法，很好解决了抗振动及姿态稳定性问题;采用了飞思卡尔的MPC5200B超强处理器，不仅可以以双精度浮点进行400Hz的姿态解算和控制回路更新，而且可以运行vxWorks操作系统，为用户在飞控端二次开发提供了大量的CPU资源和良好的开发平台，从而变成一个多旋翼飞控系统的开发平台，为专业用户的价值提升创造无限可能。仅就这些就足已说明只有MP-201M才是很好地平衡了性能、价格和用户价值，是多旋翼自驾仪的理想之选。

为什么要集成差分GPS?

总所周知，现在的无人机离不开GPS导航模块。一般的多旋翼自驾仪都采用Ublox的GPS模块，这种GPS模块的定位精度一般是在2米左右，这对一般的导航定位是可以的满足的了。这种GPS模块的高度测量精度可要差远了，误差一般都在几米甚至几十米的量级，最恼人的是高度测量值在静止条件下，会飘好几十米，而且和周围环境、天气等外界因素相关。显然采用GPS进行多旋翼高度控制是不行的了。一般低成本的办法就是采用气压高度计来进行高度控制，虽然气压高度随天气和环境的影响变化比较大，但是对于多旋翼这类飞行距离远、留空时间短的飞机足够了。但是多旋翼飞机在飞行过程中，周围的气流受旋翼的影响而变得非常复杂，通俗的说就是风很大而且很乱。这样装在多旋翼飞机上的气压计测出的气压就很乱，在飞机悬停时可以通过低通滤波器滤波后得出比较稳定的高度数据，能够确保飞行悬停高度控制;但是一旦飞机做前后左右移动时，旋翼对气压的扰动加大，这时通常会导致测量高度比实际高度高，自驾仪就会降低飞机高度，这就会出现了通常所说的掉高。这种掉高现象在大型多旋翼飞机上比小型飞机要严重的多，而专业的多旋翼飞机一般都比较大，掉高一两米就显得非常危险和严重。比如农药喷洒无人机，本来飞行相对高度就只有1.5~2米，如果掉高1米就非常危险了。

GPS信号从卫星发射传播到地球表面，中间通过大气层、电离层，它们的一些特性导致信号在其中的传播的时间会比在同样长度的真空中多，而多出来的这些时间是时变的而且相对较难精确测定，导致卫星与接收机之间的测距不准，所以定位精度也就下降了。差分GPS是利用地面接收机和机载接收机的信号进行双频(L1、L2接收频率)双差(站站差分、星星差分)来消除传输中的误差和接受机本身的误差，从而获得极高的定位精度，位置和高度测量精度一般都在2~3厘米。差分GPS的问题是成本太高，一个模块动辄上万，天线也很贵。因此一般低成本的无人机是用不起的。如此高的定位精度，给用户带来的价值相比所付出的成本是很值得的，所以MP-201M集成了差分GPS模块。这样在精准农业、电力巡线等方面就能够给客户创造更大的价值。

为什么要集成数传电台?

为了完成一定的任务，工业级多旋翼无人机一般都会进行超视距飞行。无人机要实时回报其飞行状态，地面站需要实时对无人机进行指挥控制。因此无人机与地面站之间的通信就显得非常必要和重要，这也就是通常所说的无人机遥控遥测数据链。同时，这个数据链路也是差分GPS所必不可少的。因此在MP-201M中集成了发射功率1W，传输距离可达30Km的高速数据链路。该数传电台的传输距离与无人机的飞行高度有关，高度越高传输距离越远。正常飞行情况下，可以保证5~10Km，这对大多数工业多旋翼无人机是足够的。

为什么要提供飞控端和地面端的二次开发能力?

作为一家专业的工业级飞控与导航系统解决方案提供商，我们在很早就意识到，专业用户二次开发的重要性。因为作为工业级的无人机平台，用户的任务是千差万别的，有些甚至是不便于公开的，这就需要用户不仅能在机载飞控端、而且能在地面站端都可以定制开发。

我们的AP-201/202作为飞控与导航系统平台，已经成为很多专业院所的开发平台，这些院所在AP-202基础上定制开发了许多高级而特殊的控制逻辑及相关的功能，为我国的航空航天事业做出了不俗的贡献。此外，专业用户的飞机都不可能靠航模操作手飞行来手动调参，都需要在研发阶段进行硬件在回路的仿真。成都纵横全系列飞控系统都提供了硬件在回路、软件在回路的仿真接口。同时，作为自驾仪产品，基于通信协议SDK的二次开发，应该是基本的要求了，我们全系列产品从来都具有这样的功能。也许对于一款消费级自驾仪开放基于通信协议的二次开发就很高级了，但是对于专业的、工业级的自驾仪提供硬件在回路的仿真接口、提供机载端的基于嵌入式操作系统的二次开发、以及提供地面站端的基于通信协议的二次开发都是基本要求。

为什么要用L1控制算法?

控制是以适当的控制力来驾驭被控对象，使其运动在各种扰动作用之下也能按期望的方式(按给定的目标轨迹或设定值)变化。施加控制力的根本途径和目的是“感受控制目标与对象实际行为之间的误差，适当处理这个误差来消除它”，即“基于误差来消除误差”。近一个多世纪的控制理论发展的历史就是围绕“消除这个误差”的两种不同方法相互交错而发展的历史，这两种不同方法是：

一是“基于误差来消除误差”的控制策略。以PID调节器为代表的实用工业控制器都是基于这种控制策略来做成的;

二是“基于内部机理描述的控制方法”的控制策略，即以对象的数学模型为研究的“出发点”，也是研究的“归宿”的现代控制理论。

PID控制器具有结构简单、实现方便、稳定性好的优点，飞行控制中经常采用，一般的开源飞控和消费级自驾仪都采用的是PID控制算法。尽管PID的稳定余度不小，但具有好的动态品质的余度不大，闭环动态品质对PID增益的变化太敏感。因此当被控对象处于经常变化的环境之中时，根据环境变化，需要经常变动PID增益。这就造成了爱好者们在使用消费级自驾仪中所经常遇到的调参麻烦、调好了的飞机在使用时还要经常调参的问题。

自适应控制技术就是为了解决航空航天中的控制问题而提出的。航空航天飞行器，由于其运行的环境非常复杂，各种作用力及外部扰动很难建立精确的数学模型。多旋翼飞行器貌似飞行原理简单，但是其涉及到的空气动力学是非常复杂的湍流流动，很难建立数据模型，而且多旋翼飞行的环境变化多样，导致其扰动也很难预测，因此采用常规的PID控制器，很难得出满意的控制性能。开源多旋翼飞控AutoQuad的L1自适应控制算法部分是唯一需要单独收钱的。L1自适应控制算法是国际自适应控制领域研究的最新成果，由美国伊利诺伊大学Naira Hovakimyan教授和康涅狄格大学Chengyu Cao教授共同提出的一种新型的模型参考自适应控制算法，该算法通过后置低通滤波器和预测模型，成功解决了传统模型参考自适应控制在快速自适应和控制鲁棒性之间的矛盾。通俗地说就是L1控制算法具有很高的自适应学习率，能快速补偿运动模型的不确定性和外部扰动，从而使得控制精度高、稳定性好。因此迅速获得了包括NASA(美国航空航天局)在内的各方专家学者的认可和推广。成都纵横的相关专家和Chengyu Cao教授曾就L1自适应控制算法的研究和在飞行控制方面的推广应用做过深入的沟通，并成功地将L1自适应控制算法运用于多旋翼飞行控制和无人直升机的飞行控制之中，获得了极好的控制效果，产品广受行业专家的赞誉和专业厂家的认可。

为什么叫工业级?

一般常把电子产品分成航天级、军品级、工业级和消费级，大致这四种级别。顾名思义，航天级就是用来航天的，军品级就是军队用来打仗的，工业级就是企业用来生产或服务的，消费级就是个人用来消费的。这四类产品主要是在耐温特性、耐振能力、耐过载性、稳定性、可靠性、和抗干扰性以及参数的准确性等方面的区别。很容易理解，这些要求对于航天级、军品级、工业级到消费级依次从高到低。MP-201M定位在工业级，显然其性能及功能要比消费级的要求要高很多。

消费级产品就不需考虑高低温性能，冷天启动不起来、夏天死机，大不了个人不玩或重启来过;但是工业级产品必须在标称的温度范围内(一般是摄氏-25度到70度)稳定工作。

消费级产品一般采用酷炫设计的外壳，而内部结构则很少考虑耐过载抗振动的要求，一摔就坏;而工业级产品如MP-201M外观平实，内部结构充分考虑了耐过载和抗振动的要求，几乎很难摔坏。

消费级产品为了减小成本图便宜，常用简单的插针作为连接器，通常连接器的故障率是最高的;而工业级产品如MP-201M一般都会选择工业级连接器(MP-201M采用J30J航空连接器)，具有明确的可靠性指标。

消费级可以用块海绵垫减振，根本不用考虑其使用寿命和性能的长期一致性;但工业级产品就不能这么应付了事，因为工业级产品的使用频率、寿命及保修期都要有明确的规定。

消费级产品为了躲避电机电磁场对地磁场和GPS信号的干扰，可以把磁罗盘和GPS天线简单地支根棍了事;但工业级产品就不能这样不负责任，因为支根棍会导致GPS天线和磁罗盘可靠性降低。

一般消费级产品都很少用详细参数标明产品的性能指标，全凭消费者主管判断，也许用户甲说飞得很稳、很跟手，而用户乙可能是个资深航模爱好者，则说不够稳、不够跟手;而工业级产品都需要明确标明产品的性能指标。

因此MP-201M在耐温特性、耐振能力、耐过载性、稳定性、可靠性、和抗干扰性以及参数的准确性都是消费级产品所不可比拟的。这就是工业级MP-201M的价值所在，这就是MP-201M的尊贵所在。

为什么叫高集成度?

高集成度就是尽可能多地将各相关分系统集成到一起，为用户提供一体化的产品，减小系统复杂性、增加可靠性、将客户价值最大化。MP-201M不仅将小型飞控所必须的高性能(运行复杂嵌入式操作系统、可支持二次开发)飞控计算机、各种航电传感器(IMU传感器、气压传感器、三轴磁传感器、大气温度传感器)、遥控遥测数据链、差分GPS模块等集成到一个盒子里面，有效地减少了多余的连接器，从而减小了系统的复杂性，为用户提供了更简单、统一的接口，这自然地增加了可靠性。有些消费级产品，一套飞控系统由好几部分构成，虽然每一个小单元都很小很酷炫，但是连接器的增多增加了系统的复杂性、从而减小了可靠性;虽然每一个单元都不很小巧，但是全套系统重量并没有减少，反而是增加了。这是违背当今工业产品对高集成度设计要求的;也是违背航空产品为减小一克而奋斗的铁律。

说了这么多，不怕泄露技术秘密吗?不怕山寨吗?

如果核心技术是靠山寨就能掌握的话，我国的科技水平不早就赶美(国)超德(国)了?如果看看招式就能打败李小龙的话，还有中国功夫吗?纵横人相信，核心技术就如中国功夫一样，需要一招一式、日积月累的钻研，没有取巧的捷径，这也就是纵横显得这么笨拙的原因吧。当然如果大家都来山寨盗版纵横的产品，也算是纵横人对无人机行业的贡献吧。

MP-201M推出这么晚，还有市场吗?

纵横人相信，好产品自己会讲故事，好产品任何时候都不算晚。或许，用户早已被各种山寨的次品伤透了，等的就是MP-201M呢?也许对于工业级多旋翼自驾仪，MP-201M正如毛主席所说：“春来我不先开口，哪个虫儿敢作声”!