2. 无人机基础与选型
在搭建自主巡航系统之前，必须首先理解无人机本体的硬件构成与飞行控制逻辑。本章聚焦于两类主流平台——多旋翼与固定翼，从机体结构、飞控核心原理、常用机型对比到传感器选型，建立一套完整的选型决策框架。无论你最终选择哪类平台，都需要明确：自主巡航系统的能力上限，首先由机体平台和传感器组合决定，其次才是算法与软件。
2.1 多旋翼与固定翼的结构差异与适用边界
多旋翼无人机依靠多个螺旋桨产生的垂直升力实现悬停与机动，其结构核心是机架、电机、电调（ESC）、螺旋桨和电池系统。四旋翼是最常见的构型，通过改变四个电机的转速差实现俯仰、横滚、偏航和升降控制。六旋翼和八旋翼则提供更高的载荷冗余——即使单个电机失效，仍可勉强维持姿态完成迫降。多旋翼的机械结构相对简单，没有复杂的传动机构，但能量效率较低，因为大部分功率用于克服重力维持悬停。
固定翼无人机则依赖机翼在前进速度中产生升力，其结构包括机身、机翼、尾翼（或飞翼布局）、舵面、动力电机或油动发动机。固定翼的升阻比远高于旋翼，因此航时和航程优势明显。常规布局的固定翼适合稳定巡航，飞翼布局（如翼龙、彩虹系列的部分型号）则具有更好的隐身性和结构效率，但俯仰控制需要更复杂的飞控算法。固定翼的起降需要跑道、弹射架或手抛，这限制了其在复杂地形下的使用。
垂直起降固定翼（VTOL）结合了两者优势：在起降阶段使用多旋翼模式垂直升空，巡航阶段切换至固定翼模式平飞。这种构型在长距离输电线路巡检、油气管道巡查等需要长航时且起降场地受限的场景中极具价值。但VTOL的结构重量和飞控复杂度显著增加，过渡飞行阶段的控制逻辑是技术难点。
| 对比维度 | 多旋翼（四轴） | 固定翼（常规） | VTOL固定翼 |
|---|---|---|---|
| 典型续航 | 20-40分钟（电动） | 1-3小时（电动/油动） | 1-2小时（电动） |
| 巡航速度 | 5-15 m/s | 20-40 m/s | 18-30 m/s |
| 起降方式 | 垂直起降，场地要求低 | 跑道/弹射/手抛 | 垂直起降 |
| 载荷能力 | 0.5-5 kg（消费级到工业级） | 1-50 kg（视翼展） | 1-10 kg |
| 抗风能力 | 5-8级（工业级） | 8-10级 | 7-9级 |
| 飞控复杂度 | 中（姿态控制为主） | 高（需空速、迎角保护） | 极高（模式切换） |
| 典型应用 | 测绘、巡检、侦查 | 长航时巡逻、航测 | 长距离管线巡检 |
2.2 飞控系统核心原理：从姿态解算到自主导航
飞控（Flight Controller）是无人机的“大脑”，其核心任务包括：姿态感知、姿态控制、导航定位和任务管理。姿态感知依赖IMU（惯性测量单元），由三轴加速度计和三轴陀螺仪组成。加速度计测量重力方向，陀螺仪测量角速度，两者通过互补滤波或卡尔曼滤波融合，得到稳定的姿态角（横滚、俯仰、偏航）。磁力计提供航向参考，用于修正陀螺仪的积分漂移。
姿态控制回路通常采用串级PID（比例-积分-微分）控制：内环为角速度环（快响应），外环为角度环（稳定跟踪）。当飞控接收到目标姿态角（例如“俯仰10度”），外环PID计算需要的角速度指令，内环PID再计算电机转速差指令，最终通过电调驱动电机。对于固定翼，控制对象变为舵面（副翼、升降舵、方向舵），控制逻辑类似但需加入空速反馈，防止失速。
在自主巡航模式下，飞控需要更高层次的导航控制：GNSS提供位置信息，飞控将当前位置与目标航点比较，生成期望航向和高度指令，再下发给姿态控制器。这一过程称为“位置-速度-姿态”三级串级控制。现代飞控（如Pixhawk系列、ArduPilot、DJI N3）还支持航点规划、地理围栏、失效保护（如信号丢失自动返航）等高级功能。
// 串级PID控制简化示意（伪代码）
// 外环：角度环
desired_rate = angle_pid.update(desired_angle, current_angle);
// 内环：角速度环
motor_command = rate_pid.update(desired_rate, current_rate);
// 输出到电机混控器
motor_speed[0] = throttle + motor_command.roll + motor_command.pitch - motor_command.yaw;
motor_speed[1] = throttle - motor_command.roll + motor_command.pitch + motor_command.yaw;
// ... 四旋翼混控矩阵飞控的硬件选型需关注MCU算力（ARM Cortex-M4/M7或更高）、传感器冗余度（双IMU、双气压计）、接口丰富度（UART、I2C、SPI、CAN、PWM）以及是否支持RTK差分定位。对于自主巡航系统，建议选择支持EKF（扩展卡尔曼滤波）融合多传感器数据的开源飞控，便于二次开发。
2.3 常用机型与传感器选型实战
在自主巡航项目中最常见的多旋翼机型包括：DJI M300 RTK（工业级，支持热插拔传感器）、Pixhawk搭配自组四轴（如S500/S900机架）、以及一些开源平台如Holybro系列。固定翼方面，常见的包括：飞翼布局的Skywalker X8（适合航测）、常规布局的MyTwinDream（长航时）、以及工业级的纵横CW-25（VTOL）。选择具体机型时，需要评估：有效载荷（传感器+电池）、机架材质（碳纤维优于塑料）、防水等级（IP54以上）、以及是否支持第三方飞控。
传感器选型是自主巡航系统的关键环节，需要根据任务目标确定。可见光相机（如Sony A7R系列或工业相机）适合正射影像和视频巡检；多光谱相机（如MicaSense RedEdge）用于农业植被指数分析；热红外相机（如FLIR Vue Pro）用于电力设备温度异常检测；LiDAR（如Livox AVIA）用于高精度三维建模和电力线测量。此外，避障传感器（毫米波雷达或双目视觉）在低空复杂环境中必不可少。
| 传感器类型 | 典型型号 | 重量 | 功耗 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 可见光相机 | Sony α6100 + 16mm | ~400g | 5-8W | 正射影像、视频巡检 |
| 多光谱 | MicaSense RedEdge-P | ~350g | 10W | 农业长势、环境监测 |
| 热红外 | FLIR Vue Pro R | ~200g | 4W | 电力巡检、搜救 |
| LiDAR | Livox AVIA | ~500g | 15W | 电力线三维建模 |
| RTK模块 | u-blox F9P | ~30g | 1W | 高精度定位（厘米级） |
某省级电力公司需要对其辖区内500kV输电线路进行自主巡检，线路总长120公里，途经山区和丘陵，起降点分散。初始方案采用多旋翼（DJI M300 RTK + 热红外相机），但实测单架次仅能巡检3公里线路（往返），需要40架次才能完成全线，且频繁更换电池导致效率低下。
分析过程：
1. 计算总需求：120km线路，多旋翼单架次有效巡检距离3km，需40架次；固定翼单架次可巡检15km（巡航速度25m/s，续航1.5h），仅需8架次。
2. 传感器匹配：热红外相机对飞行速度敏感，固定翼25m/s巡航时热像仪帧率需≥30Hz，且需搭配可见光相机同步拍摄。
3. 起降条件：山区无跑道，选择VTOL固定翼（纵横CW-25），垂直起降解决场地问题。
最终方案：采用CW-25 VTOL + 双传感器吊舱（可见光+热红外），单架次巡检15km，共8架次完成全线。代价是单机成本从8万升至25万，但整体人工成本和时间成本降低70%。
复盘经验：选型不能只看单机参数，必须结合任务剖面（航线长度、起降点分布、时效要求）进行系统级计算。
2.4 常见误区与选型复盘
误区一：盲目追求高规格传感器。许多团队一开始就选择高精度LiDAR，但忽略了平台载荷和续航限制。例如，将Livox AVIA（500g）挂载到S500小四轴上，导致电池续航从25分钟骤降至12分钟，实际作业效率反而下降。正确做法是先确定任务所需的最低传感器精度，再反推平台尺寸。
误区二：忽视飞控与传感器的兼容性。部分工业级传感器（如某些多光谱相机）需要特定的触发信号或时间同步功能，而低端飞控不支持PPS（秒脉冲）或PWM触发输出，导致影像与位置数据无法对齐。选型时必须确认飞控是否支持MAVLink协议、外部触发接口以及RTK时间同步。
误区三：固定翼飞控调试经验不足。固定翼的PID调参比多旋翼复杂得多，尤其是偏航-滚转耦合、失速保护等。如果团队没有固定翼飞行经验，建议先使用多旋翼完成算法验证，再迁移到固定翼平台。
总结复盘：无人机选型是一个“任务需求→平台约束→传感器匹配→飞控能力→成本控制”的迭代过程。建议在项目启动初期制作一份选型决策矩阵，列出所有候选平台和传感器的关键参数，并模拟典型任务剖面（包括起降、巡航、数据采集、返航）进行仿真验证。自主巡航系统的稳定性，70%取决于硬件选型是否合理，30%取决于算法调优。