飞控延迟 10 毫秒就炸机、多舵机不同步晃得厉害?EtherCAT 工控机如何实现无人机微秒级精准控制
做了 17 年工控，我发现很多人对无人机的控制延迟没有概念。他们觉得，延迟几十毫秒根本不算什么。但实际上，对于高速飞行的无人机来说，10 毫秒的延迟，就可能导致炸机。尤其是重载物流无人机和大型植保无人机，对控制精度和同步性的要求非常高。多舵机不同步，哪怕只有几毫秒的误差，也会导致飞机晃得厉害，甚至失控。
上个月有个做重载物流无人机的客户来找我，说他们的无人机在降落的时候，晃得特别厉害，经常摔货。有时候甚至会侧翻，导致无人机和货物都损坏。他们调试了好几个月，换了好几个飞控，都没有解决问题。后来我们检查发现，问题出在控制总线的延迟上。他们用的是传统的 PWM 控制方式，多舵机之间的同步误差达到了 20 毫秒，导致舵机动作不同步，飞机晃得厉害。
一、无人机实时控制的核心痛点，90% 的人都忽略了
很多人觉得，无人机的控制精度，只和飞控算法有关。但实际上，控制总线的延迟和同步性，才是决定控制精度的关键。再好的飞控算法，如果控制总线的延迟太高，或者多舵机不同步，也无法实现精准控制。
1.延迟高：10 毫秒的延迟就可能导致炸机
无人机在高速飞行的时候，10 毫秒的时间，就能飞出去几十厘米。如果飞控的控制指令，需要 10 毫秒才能传到舵机，那么当舵机做出动作的时候，无人机的位置已经发生了变化。这样就会导致控制滞后，飞机晃得厉害，甚至失控。对于重载物流无人机来说，因为惯性大，控制滞后的影响会更加明显。稍微有一点延迟，就会导致飞机无法稳定悬停和降落。
2.同步差：多舵机不同步是晃机的元凶
大型无人机一般有多个舵机，分别控制不同的舵面。这些舵机必须精确同步，同时做出动作，才能保证飞机的稳定。如果多舵机之间的同步误差超过 5 毫秒，那么舵面的动作就会不同步，导致飞机产生振动，晃得厉害。我见过最严重的一个案例，有个客户的大型植保无人机，多舵机之间的同步误差达到了 30 毫秒，飞机飞起来像筛子一样抖，根本无法正常作业。
3.扩展性差：无法灵活增加舵机和设备
传统的 PWM 控制方式，每个舵机都需要单独的线连接到飞控。如果要增加舵机，就需要增加更多的线，而且飞控的 PWM 接口数量有限。这样，系统的扩展性非常差，无法灵活地增加舵机和其他设备。
二、EtherCAT 工控机：实现微秒级精准控制
EtherCAT 是一种实时以太网现场总线，由德国倍福公司开发。它的最大特点就是延迟低、同步性好、扩展性强，非常适合用于需要高精度实时控制的场合。现在，越来越多的大型工业无人机，开始采用 EtherCAT 作为控制总线。
1.微秒级延迟：控制指令实时到达
EtherCAT 采用 "飞读飞写" 的技术，数据帧在经过每个从站的时候，从站不需要等待整个数据帧接收完毕，就可以实时读取和写入数据。这样，整个总线的循环周期可以达到 125 微秒，端到端的延迟小于 1 微秒。也就是说，飞控的控制指令，只需要 1 微秒就能传到舵机，几乎没有延迟。这样就能实现真正的实时控制，大大提高了飞机的稳定性。
2.纳秒级同步：所有舵机同时动作
EtherCAT 采用分布式时钟技术，能够实现所有从站之间的精确同步，同步误差小于 1 微秒。也就是说，所有的舵机，都会在完全相同的时间，做出完全相同的动作。这样就彻底解决了多舵机不同步的问题，飞机再也不会晃了。
3.强大的扩展性：一根线连接上百个设备
EtherCAT 只需要一根以太网线，就可以连接最多 65535 个设备。所有的设备都串联在这根线上，不需要单独的线连接到主机。这样，系统的扩展性非常强。想要增加舵机或者其他设备，只需要把它串联到总线上就行了，不需要改变布线。而且布线非常简单，大大减少了内部的线缆数量，减轻了无人机的重量。
三、某重载物流无人机的实时控制升级工控机解决方案
回到开头那个重载物流无人机的客户。他们的问题主要有三个：一是控制延迟高，导致飞机晃得厉害;二是多舵机不同步，降落的时候容易摔货;三是扩展性差，无法增加更多的舵机。
根据上述的要求我们给他们按需选了一套基于 UT100EA COM-E 工控机主板模块和 EtherCAT 总线的实时控制方案。UT100EA 搭载了高性能的 Intel Core Ultra 处理器，能够轻松运行复杂的飞控算法。我们搭配了一款 PCIe 接口的 EtherCAT 主站卡，循环周期可以达到 125 微秒，同步误差小于 1 微秒。
我们把原来的 PWM 舵机，换成了支持 EtherCAT 总线的智能舵机。所有的舵机都串联在 EtherCAT 总线上，只需要一根线就可以连接所有的舵机。升级之后，控制延迟从原来的 20 毫秒，降低到了 1 微秒以内。多舵机之间的同步误差从原来的 20 毫秒，降低到了 1 微秒以内。现在，他们的无人机在降落的时候，非常平稳，再也没有出现过晃得厉害和摔货的情况。而且系统的扩展性非常好，后来他们增加了两个舵机，只需要把它们串联到总线上就行了，非常方便。客户说，原来他们的无人机只能载 50 公斤，现在因为稳定性提高了，载重提高到了 80 公斤，作业效率提高了 60%。
其实大型工业无人机的控制，拼的就是精度和实时性。EtherCAT 总线的出现，彻底解决了传统控制方式的延迟和同步问题，让无人机的控制精度提高了一个数量级。如果你在开发大型工业无人机，那么 EtherCAT 绝对是你不能错过的技术。
如果你也遇到了无人机的控制精度和同步性问题，或者想了解更多关于 EtherCAT 在无人机中的应用，欢迎在评论区留言，我会根据我 17 年的经验给你一些实用的建议。
文章来源：派勤工控