低空经济 | ​低空飞行器飞控系统市场格局及发展趋势

作者： 时间：2024-08-19 09:29:32 阅读：570

近年来，低空经济的热度持续攀升，本文将会聚焦低空飞行器的大脑------飞行控制系统，简称：飞控系统。

飞控系统负责根据外界环境变化实时调节飞行器的飞行状态，确保飞行安全。随着技术发展，消费级传感器开始在无人机领域得到应用，许多飞行器采用冗余设计以提高安全性。

 什么是飞控系统？

飞控系统是低空飞行器的领航员，相当于人的眼睛和大脑，它控制着低空飞行器的飞行姿态和航向。一般来说，飞控系统由硬件和软件两部分组成。

图：基于电传操控的飞控系统控制机制示意图

硬件方面，主要由中央处理器、传感器、执行器、无线通信模块、避障系统、以及电源电路等组成。

中央处理器常用的有MCU、MPU、DSP，以及FPGA等；主要负责处理飞行数据和执行飞行指令。

传感器则包括陀螺仪、加速度计、磁力计等姿态传感器，气压计和测距传感器等高度传感器、GPS等，用于检测无人机的姿态、位置和速度。随着MEMS技术的发展，通常把陀螺仪、加速度计和磁力计都集成在一个模块上，一是使用方便，二是采集的数据更加稳定。典型的姿态传感器有TDK提供的ICM-20948、ICM-45686、ICM-40609-D等。

执行器包括电机和舵机等，根据飞控系统的指令执行相应的动作。

无线通信模块的作用是用来接收遥控器或地面站的指令。

避障系统指的是低空飞行器可以通过安装视觉、红外线、微波、激光、雷达等避障模块，或通过预设程序做悬停、自动绕行等方式，使其在自动飞行中有效躲避各种来自地面及周边物体的障碍，以获取更直接、更安全的飞行路线。

电源管理模块的作用是为飞控系统提供稳定的电力供应。

软件则由控制代码和操作系统两部分组成。如果是简单姿态飞行，不需要通过操作系统就能实现，但如果是复杂的姿态飞行控制和操作任务需要配合非空操作系统才能实现。

低空飞行器飞控上的操作系统采用实时操作系统（RTOS），此系统能够快速处理、响应、控制、协调所有的实时运行及任务的操作，常用的RTOS有Nuttx、PIOS、ChibiOS、RT-Thread、FreeRTOS等。

软件常用算法有PID控制算法和滤波算法等。

其实低空飞行器的飞控系统有两类，即开源和闭源。流行的开源飞控系统包括APM（AudruPilot）、Open Pilot的CC3D、Sparky和MultiWii的各种变种。这些项目有一个共同点：任何人都可以下载所需的构建文件和软件，制作自己的变种。有些国内公司的飞控系统就是基于这些开源系统构建的。

闭源的飞控系统有各种各样的配置。较为流行的有大疆（DJI）的Wookong和Naza以及X-Aircraft的Super-X和Mini-X等。这些系统通常是专利系统，用户不能自行修改软件代码。

eVTOL飞控系统市场格局

近年来兴起的eVTOL（电动垂直起降）飞行器给飞控系统带来了新的挑战，因为它不但需要建立一套基于电传操纵的飞控系统，还需要解决eVTOL机型旋翼和固定翼在同一套系统下的操纵技术难题，以及平衡好eVTOL市场化过程中对飞控系统产生的轻量化、经济性、适航等现实需求。

由于目前的电传操纵系统主要应用于民航客机上，处于几十吨这个级别，但是eVTOL的机型多为一两吨的最大起飞重量，在整机重量、体积小得多的情况下，再加上旋翼类飞机是静不稳定的，必须得在本就小巧的机身上加配飞控计算机和IMU等传感器，就对飞控系统的体积和重量提出了更苛刻的要求。

eVTOL的飞控系统提供商需要想方设法让自己的产品和服务能够匹配eVTOL的成本结构。小型的电子零部件甚至车规级部件的使用、更先进的仿真系统、MBD（Model Based Design）等新技术及工具的引进使得更低成本的飞控系统（相比民航级别产品）成为可能。

最大的挑战还是来自飞行安全和监管政策带来的适航性挑战。因为所有的航空器能进入民用市场的一大先决条件，就是需要全面符合民航法规的要求，eVTOL也不例外。这就使得eVTOL主机厂必须选择可适航的高可靠性的飞控系统。由于单系统的飞控可靠性有限，最多可以做到灾难性事故率低于10-5/FH，为了进一步提高系统可靠性，就需要通过增加冗余，构建多余度的飞控系统，并在不同飞控计算机之间建立投票机制。最好是建立异构的多余度飞控计算机可以进一步降低整套系统的故障率。

从国外发展情况来看，美国Joby公司依靠内部大量来自于军工企业和特斯拉、苹果等IT产业头部企业的研发人员自研飞控。根据Joby公布的消息，其第一代自研飞控为集中式，新一代自研飞控为分布式，空中数据模块、互联单元、飞控模块、显示计算模块和传感模块相互独立，与汽车域控概念相似，呈现出“软件定义飞行器”的趋势。其他国外eVTOL厂商多采用霍尼韦尔航天的集成解决方案，例如美国Archer、德国Lilium、英国Vertical等。

国内方面，由于中西方的技术限制，美国商务部明确禁止自动飞行器和无人飞行器的相关技术转移到中国，所以国内的飞控系统很多都是自己研发设计的。目前国内的飞控系统有些是参考国外的通用飞机，有的是参考国内做研究的方案。总的来看，飞控供应商主要有三类：

一是以前做无人机飞控的厂商，他们会基于之前无人机飞控模型做迭代研发，他们的优势是迭代速度快、产品成本低，缺点是没有市场使用经验，技术成熟度比较低。比如边界智控、创衡、翔仪、致导等。

二是从车企或者互联网企业转行过来的，类似于新能源汽车的开发，选择完全自研，飞控系统也自己做。存在的问题是汽车的控制系统与飞机的飞控还是不一样的，例如车出问题了可以停在路边等维修，但是飞机不行。

三是航空专业出身的企业，包括军航和民航，军航的优势在于科研资金足够且科研人员足够，但他们对于可靠性和适航性等考虑不充分。比如中航618所、北航、南航等科研院所，以及昂际航电等。

据悉，国内目前飞控系统做的比较好的是昂际航电，电科航电，其中，昂际航电偏民品，电科航电偏军品。昂际航电是航空工业和美国GE分拆后的最大一个事业部，他们作为C919飞控系统核心供应商，已经完成level A级别的产品设计。核心是因为他们是中美建交以来最大的技术转让协议，把波音787上的核心技术，包括航电技术的文件、 源代码、设计流程、取证体系、取证方法、实验规范等全部转移到中国。基于这样的技术背景，昂际航电在2018年开始启动项目，开发面向eVTOL的高度集成化、轻量化、高可靠性的数据计算平台。

飞控系统发展趋势

飞控系统对于低空飞行器来说至关重要，它不仅决定了飞行器的飞行性能，还关乎飞行安全。一个稳定可靠的飞控系统能够确保飞行器在各种飞行条件下都能保持稳定，即使在恶劣天气，或复杂环境中也能安全飞行。

由于半导体和电子技术的进步，飞控系统也在不断进步，未来的飞控系统将会更加智能化、模块化和集成化，具有自主导航、避障、自动返航等高级功能。而通过机器学习和人工智能技术，飞控系统将能够更好地适应不同的飞行环境，提供更加精确的控制。而模块化的设计，会让飞控系统升级和维护变得更加容易，集成化则能让飞控系统更加简单，执行效率更高。

最后，飞控系统需要用的半导体器件，不论是MCU、DSP、FPGA，还是IMU等姿态传感器、导航芯片、功率芯片、电源管理芯片等各种IC数据和供应商都可以在芯查查网站或APP上找到。