浅谈无人机飞控系统解决方案

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浅谈无人机飞控系统解决方案

随着科学技术的发展以及军事战略思想的转变，无人机在军事、民用等领域获的应用越来越广泛，比如航空测量、航空摄影、侦察、森林防火等。高精度和小型化是无人机发展的必然趋势，高精度要求无人机的制导控制精度高，能够适应复杂的外界环境；小型化则对控制系统的重量和体积提出了更高的要求，要求控制部件的体积越小越好。
在无人机操控中，飞行控制系统是很重要的。飞行控制系统通过高效的控制算法内核，能够精准地感应并计算出飞行器的飞行姿态等数据，再通过主控制单元实现精准定位悬停和自主平稳飞行。在没有飞行控制系统的情况下，有很多的专业飞手经过长期艰苦的练习，也能控制飞行器非常平稳地飞行，但是，这个难度和要求特别高，同时需要非常丰富的实战经验。如果没有飞行控制系统，飞手需要时时刻刻关注飞行器的动向，眼睛完全不可能离开飞行器，时时刻刻处于高度紧张的工作状态。而且，人眼的有效视距是非常有限的，即使能稳定地控制飞行，但是控制的精度也很可能满足不了航拍的需求，控制距离越远，控制精度越差。还有，对于不同的拍摄需求，以及面临不同的拍摄环境或条件，人为飞行控制更是难上加上，甚至根本不可能实现。飞行控制系统是目前实现简单操控和精准飞行的必备武器。

一、飞行控制系统的主要部件组成

飞行控制系统一般主要由主控单元、IMU（惯性测量单元）、GPS指南针模块、LED指示灯模块等部件组成。1、主控单元是飞行控制系统的核心，通过它将IMU、GPS指南针、舵机和遥控接收机等设备接入飞行控制系统从而实现飞行器自主飞行功能。除了辅助飞行控制以外，某些主控器还具备记录飞行数据的黑匣子功能，比如：DJI的Ace One。主控单元还能通过USB接口，进行飞行参数的调节和系统的固件升级。2、IMU（惯性测量单元），包含3轴加速度计、3轴角速度计和气压高度计，是高精度感应飞行器姿态、角度、速度和高度的元器件集合体，在飞行辅助功能中充当极其重要的角色。

3、GPS指南针模块，包含GPS模块和指南针模块，用于精确确定飞行器的方向及经纬度。对于失控保护自动返航，精准定位悬停等功能的实现至关重要。


4、LED指示灯模块，用于实时显示飞行状态，是飞行过程中必不可少的，它能帮助飞手实时了解飞行状态。


无人机控制系统由四部分组成：
嵌入式计算机系统、GPS 接收模块、IMU、接口。


软件界面：


方案特点：姿态和速度控制，正常情况下使用姿态稳定和速度控制，在出现较大的干扰情况下使用速度稳定和姿态控制，大大增加了飞行安全；实现了遥控手柄、航路点和地形匹配引导功能。可以由外环生成内环控制指令；通过扩展卡尔曼（EKF）滤波实现GPS/INS 捷联组合导航；对飞行负载、重心等变化的自适应性，大大提高了飞行精度和飞行安全；3M数据记录空间；导航算法对震动和其他干扰适应能力强。即使在恶劣的震动情况下也能得到满意的导航数据；使用VxWorks 或uCOS 操作系统，实时强，可靠性高，方便裁减，方便在不同硬件平台上移植。对硬件的依赖性低。二、无人机上常用的传感器无人机飞控系统常用的传感器包括角速率传感器、姿态传感器、航向传感器、高度空速传感器、飞机位置传感器、迎角传感器、过载传感器等。传感器的选择应根据实际系统的控制需要，在控制律初步设计与仿真的基础上进行。 1、角速率传感器 角速率传感器是飞控系统的基本传感器之一，用于感受无人机绕机体轴的转动角速率，以构成角速率反馈，改善系统的阻尼特性、提高稳定性。 角速率传感器的选择要考虑其测量范围、精度、输出特性、带宽等。 角速率传感器应安装在无人机重心附近、一阶弯振的波节处，安装轴线与要感受的机体轴向平行，并特别注意极性的正确性。 2、姿态、航向传感器 姿态传感器用于感受无人机的俯仰和滚转角度，航向传感器用于感受无人机的航向角。姿态、航向传感器是无人机飞行控制系统的重要组成部分，用于实现姿态航向稳定与控制功能。姿态、航向传感器的选择要考虑其测量范围、精度、输出特性、动态特性等。 姿态、航向传感器应安装在飞机重心附近，振动尽可能要小，有较高的安装精度要求。对于磁航向传感器要安装在受铁磁性物质影响最小且相对固定的地方，安装件应采用非磁性材料制造。 3、高度、空速传感器（或大气数据计算机） 高度、空速传感器（或大气数据计算机）用于感受无人机的飞行高度和空速，是高度保持和空速保持的必备传感器。一般和空速管、通气管路构成大气数据系统。 高度、空速传感器的选择主要考虑测量范围和测量精度。其安装一般要求在空速管附近，尽量缩短管路。 4、飞机位置传感器 飞机位置传感器用于感受飞机的位置，是飞行轨迹控制的必要前提。惯性导航设备、GPS卫星导航接收机是典型的位置传感器。 飞机位置传感器的选择一般考虑与飞行时间相关的导航精度、成本和可用性等问题。 惯性导航设备有安装位置和较高的安装精度要求，GPS接收机的安装主要应避免天线的遮挡问题。三、无人机的主要功能1、实现精准定位悬停

飞行控制系统，由于配置有GPS指南针模块，可以实现锁定经纬度和高度的精准定位。即使碰到有风或者其它外力的作用下，飞行控制系统也能通过主控制单元发出的定位指令来自主控制飞行器以实现精准定位悬停。


2、智能失控保护/自动返航降落飞行控制系统能自动记录返航点，当飞行过程中，出现控制信号丢失，即无线遥控控制链路中断的情况，飞行控制系统能自动计划返航路线，实现自动返航和降落，使飞行或航拍更加安全可靠。


3、低电压报警或自动返航降落由于多旋翼飞行系统普遍采用电池供电的方式，巡航时间有限。为保证更高效地完成飞行作业任务，飞行控制系统的低电压报警功能会及时通过LED指示灯提醒飞手当前的电压状态，在紧急的情况下，还可以实现自主返航或者降落，以保证整个飞行系统的安全。4、内置（两轴）云台增稳功能云台系统作为无人机航拍不可缺少的设备，主要用以稳定相机，从而拍摄出稳定流畅的画面。越来越多的人采用无人机航拍，主要是因为其成本较低，性价比相对较高。除了无人机飞行系统以外，还需要挂载摄像设备来实现航拍。如果直接将摄像设备进行硬连接，会导致拍摄画面抖动或果冻，这样的素材即使通过软件后期调试也基本不能使用。5、可扩展地面站功能飞行控制系统还可扩展成更加强大的地面站功能，从而实现超视距全自主飞行。通过地面控制终端，可提前设定飞行航线，高度及速度等参数，一键即可实现从起飞、航线飞行，返航降落等全自主飞行功能。地面站系统拥有3D地图，可视化飞行仪表，提供飞机姿态、坐标、速度、角度等实时飞行数据，同时也提供飞机及飞控系统状态信息。6、智能方向控制智能方向控制（IOC, Intelligent Orientation Control），分为航向锁定和返航点锁定，是一种为多旋翼飞行器量身定制的辅助方向控制功能。在无法辨别飞行器方向的时候，可充分利用该功能对飞行器的方向进行控制。7、热点环绕（POI）热点环绕（POI，Point of Interest）功能，在GPS信号良好的情况下，可以通过拨动遥控器上预先设置好的开关，将飞行器当前所在的坐标点记录为热点。以热点为中心，在半径5米至500米的范围内，只需要发出横滚的飞行指令，飞行器就会实现360度的热点环绕飞行，机头方向始终指向热点的方向。该功能设置简单，使用方便，可实现对固定的景点进行全方位拍摄的应用。8、断桨保护功能（六轴及以上的机型）断桨保护功能是指在姿态或GPS姿态模式下，飞机意外缺失某一螺旋桨动力输出时，飞机可以采用牺牲航向轴控制的办法，继续保持飞行水平姿态。此时飞机可以继续被操控，并安全返航。这一设计大大降低了炸机的风险。
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