硬学|关于无人机飞控

mengli1007

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关于无人机飞控

无人机的飞控，即无人机的飞行控制系统，是指能够稳定无人机飞行姿态，并能控制无人机自主或半自主飞行的控制系统，是无人机的大脑。

整个飞控系统可分为机载和地面遥控两个部分，机载部分主要负责采集飞机各项飞行参数、维持飞行的稳定飞行和姿态控制，地面部分主要负责飞行目标规划和各项数据分析。为了确保安全，防止自主飞行机构失控，地面部分含有遥控操作器。机载飞行控制系统是核心，主要有传感器、舵机和飞行控制器三部分组成。

飞控是如何做到控制飞机保持姿态呢？这是由于飞控包含“小脑”，也就是

有数个传感器。如图所示：





一．传感器

陀螺仪

陀螺仪传感器能监测三轴的角速度，因此可监测出俯仰（pitch）、翻滚（roll）和偏摆（yaw）时角度的变化率。即使是一般飞行器，陀螺仪都是相当重要的传感器。角度信息的变化能用来维持无人机稳定并防止晃动。由陀螺仪所提供的信息将汇入马达控制驱动器，通过动态控制马达速度，并提供马达稳定度。陀螺仪还能确保无人机根据用户控制装置所设定的角度旋转。

加速度计

加速度计是用来提供无人机在XYZ三轴方向所承受的加速力。它也能决定无人机在静止状态时的倾斜角度。当无人机呈现水平静止状态，X轴与Y轴为0克输出，而Z轴则为1克输出。地球上所有对象所承受的重力均为1克。若要无人机X轴旋转90度，那么就在X轴与Z轴施以0克输出，Y轴则施以1克输出。倾斜时，XYZ轴均施以0到1克之间的输出。相关数值便可应用于三角公式，让无人机达到特定倾斜角度。

加速度计同时也用来提供水平及垂直方向的线性加速。相关数据可做为计算速率、方向，甚至是无人机高度的变化率。加速度计还可以用来监测无人机所承受的震动。对于任何一款无人机来说，加速度计都是一个非常重要的传感器，因为即使无人机处于静止状态，都要靠它提供关键输入。

磁罗盘

磁罗盘能为无人机提供方向感。它能提供装置在XYZ各轴向所承受磁场的数据。接着相关数据会汇入微控制器的运算法，以提供磁北极相关的航向角，然后就能用这些信息来侦测地理方位。为了算出正确方向，磁性数据还需要加速度计提供倾斜角度数据以补强信息。有了倾斜数据加上磁性数据，就能计算出正确方位。

磁罗盘对于硬铁、软铁或运转角度都非常敏感。所谓硬铁是指传感器附近的坚硬、永久性铁磁性物质。它能使罗盘读数产生永久性偏移。软铁则是指附近有弱铁磁性物质，电路走线等。它能让传感器读数产生可变动移位。因此它也需要磁性传感器校正算法，以过滤掉这些异常状况。这时候最重要的是让用户不必费力，运算法就能快速进行校正。

除了方向的感测，磁性传感器也可以用来侦测四周的磁性与含铁金属，例如电极、电线、车辆、其他无人机等等，以避免事故发生。

气压计

气压计运作的原理，就是利用大气压力换算出高度。压力传感器能侦测地球的大气压力。由气压计所提供的数据能协助无人机导航，上升到所需的高度。准确估计上升与下降速度，对无人机飞行控制来说相当重要。意法半导体已推出LPS22HD压力传感器，数据速率达200Hz可满足预测高度时的需求。

超声波传感器

超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20KHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。飞机在自动滑跑降落时必须在离地0.5米至1米的平飘需要测量相对地面高度的传感器来完成。

倾角传感器

倾角传感器，集成了陀螺仪和加速度计为飞行控制系统提供保持水平飞行的数据。这是在易碎品运输和投递过程中最重要的稳定性监测应用程序。这类传感器和陀螺仪，结合加速度计，能够测量到细微的运动变化，使得倾角传感器能够应用于移动程序，如汽车或无人驾驶飞机的陀螺仪补偿。

电流传感器

在无人机，电能的消耗和使用非常重要，尤其是在电池供电的情况下。电流传感器可用于监测和优化电能消耗，确保无人机内部电池充电和电机故障检测系统的安全。电流传感器工作通过测量电流（双向），理想的情况下提供电气隔离。

发动机进气流量传感器

流量传感器可以用于有效地监测电力无人机燃气发动机的微小空气流速。这一功能能够帮助引擎CPU确定在特定的引擎速度下保持适当的燃料空气比值，从而改善功率和效率，并减少排放量。许多气体发动机质量流量传感器都采用热式技术，主要利用加热的元件和至少一个温度传感器来量化质量流量。MEMS热式

气体质量流量传感器也在微计量范围内利用热原理及其适用于对重量要求较高的领域。

惯性测量单元

惯性测量单元结合GPS是维持方向和飞行路径的关键。随着无人机智能化的发展，方向和路径控制是重要的空中交通管理规则。惯性测量单元采用的多轴磁传感器，在本质上都是精准度极高的小型指南针，通过感知方向将数据传输至中央处理器，从而指示方向和速度。

GPS卫星定位接收机

GPS卫星导航接收机是以串行码形式，输出飞机的经/纬度坐标和飞行速度向量等信息，用以控制飞机的重心位置（航迹）。GPS一般采用“多星、高轨、测时、测距”体制，以实现全球覆盖、全天候、高精度、连续实时导航定位灯光。

在飞行控制系统中，它是一个提供飞机经/纬度坐标和飞行速度向量等。



二．舵机

舵机是无人机上的执行机构，它的作用是：将飞行器的输出电信号转变成机械位移量，带动舵面（或发动机风口）偏转，实现对飞机的姿态位置（或发动机转速）控制。舵机的PWM控制信号有两个来源：一个是遥控装置，另一个是所选的微控器，通过控制方式切换来控制舵机PWM控制信号的来源。



三．飞行控制器

飞行控制器是飞行控制系统的核心，也是无人机的中央控制单元。飞行控制器根据控制指令和实时测量信息，采用一定控制算法进行决策，控制各个执行机构使飞机一一定的姿态个航迹安全飞行。同时，飞行控制器还负责飞机上各个单元的协调工作。



下图为硬功馆一款飞控单板硬件，采用STM32F429处理器，32M SDRAM，128M NANDFLASH，能支持外部供电和内部电池供电（包括电池充电），可以适配陀螺仪、加速度计、磁罗盘、气压计、超声波传感器、GPS卫星定位接收机等常用传感器。









爱在七夕



七夕佳节，小编向大家征集各位和理工男恋爱的趣味琐事，欢迎广大男女相继投稿，小编会在明天精选出几篇文章发布出来，哈哈哈哈

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