無人機飛控系統(tǒng)組成及作用

IMU慣性測量單元

現(xiàn)在的飛控內(nèi)部使用的都是由三軸陀螺儀，三軸加速度計妖胀，三軸地磁傳感器和氣壓計組成的一個IMU我碟，也稱慣性測量單元。那么什么是三軸陀螺儀和蚪，什么是三軸加速度計止状，什么是三軸地磁傳感器呢，什么是氣壓計呢攒霹？它們在飛機上起到的是什么作用呢怯疤，這三軸又是哪三個軸呢？

三軸陀螺儀催束，三軸加速度計集峦，三軸地磁傳感器中的三軸指的就是飛機左右，前后垂直方向上下這三個軸抠刺，一般都用XYZ來代表塔淤。左右方向在飛機中叫做橫滾，前后方向在飛機中叫做俯仰速妖，垂直方向就是Z軸高蜂。陀螺都知道，小時候基本上都玩過罕容，在不轉(zhuǎn)動的情況下它很難站在地上备恤，只有轉(zhuǎn)動起來了，它才會站立在地上杀赢，或者說自行車烘跺，輪子越大越重的車子就越穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎的時候明顯能夠感覺到一股阻力脂崔，這就是陀螺效應，根據(jù)陀螺效應梧喷，聰明的人們發(fā)明出的陀螺儀砌左。最早的陀螺儀是一個高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，通過三個靈活的軸將這個陀螺固定在一個框架中铺敌，無論外部框架怎么轉(zhuǎn)動汇歹，中間高速旋轉(zhuǎn)的陀螺始終保持一個姿態(tài)。通過三個軸上的傳感器就能夠計算出外部框架旋轉(zhuǎn)的度數(shù)等數(shù)據(jù)偿凭。

由于成本高产弹，機械結構的復雜，現(xiàn)在都被電子陀螺儀代替弯囊，電子陀螺儀的優(yōu)勢就是成本低痰哨，體積小重量輕，只有幾克重匾嘱，穩(wěn)定性還有精度都比機械陀螺高斤斧。說道這，大家也就明白陀螺儀在飛控中起到的作用了吧霎烙，它就是測量XYZ三個軸的傾角的撬讽。

那么三軸加速度計時干什么的呢蕊连？剛剛說道三軸陀螺儀就是XYZ三個軸，現(xiàn)在不用說也就明白三軸加速度計也是XYZ三個軸游昼。當我們開車起步的一瞬間就會感到背后有一股推力甘苍，這股推力呢就是加速度，加速度是速度變化量與發(fā)生這一變化時間的比值烘豌，是描述物體變化快慢的物理量载庭，米每二次方秒，例如一輛車在停止狀態(tài)下扇谣，它的加速度是0昧捷，起步后，從每秒0米到每秒10米罐寨，用時10秒靡挥，這就是這輛車的加速度，如果車速每秒10米的速度行駛鸯绿，它的加速度就是0跋破，同樣，用10秒的時間減速瓶蝴，從每秒10米減速到每秒5米毒返，那么它的加速就是負數(shù)。三軸加速度計就是測量飛機XYZ三個軸的加速度舷手。

我們?nèi)粘３鲂卸际歉鶕?jù)路標或記憶來尋找自己的面向的拧簸，地磁傳感器就是感知地磁的，就是一個電子指南針男窟，它可以讓飛機知道自己的飛行朝向盆赤，機頭朝向，找到任務位置和家的位置歉眷。氣壓計呢就是測量當前位置的大氣壓牺六，都知道高度越高，氣壓越低汗捡，這就是人到高原之后為什么會有高原反應了淑际，氣壓計是通過測量不同位置的氣壓，計算壓差獲得到當前的高度扇住，這就是整個IMU慣性測量單元春缕，它在飛機中起到的作用就是感知飛機姿態(tài)的變化，例如飛機當前是前傾還是左右傾斜台囱，機頭朝向淡溯、高度等最基本的姿態(tài)數(shù)據(jù)，那么這些數(shù)據(jù)在飛控中起到的作用是什么呢簿训？

飛控最基本的功能控制一架飛機在空中飛行時的平衡咱娶，是由IMU測量米间，感知飛機當前的傾角數(shù)據(jù)通過編譯器編譯成電子信號，將這個信號通過信號新時時傳輸給飛控內(nèi)部的單片機膘侮，單片機負責的是運算屈糊，根據(jù)飛機當前的數(shù)據(jù)，計算出一個補償方向琼了，補償角逻锐，然后將這個補償數(shù)據(jù)編譯成電子信號，傳輸給舵機或電機雕薪，電機或舵機在去執(zhí)行命令昧诱，完成補償動作，然后傳感器感知到飛機平穩(wěn)了所袁，將實時數(shù)據(jù)再次給單片機盏档，單片機會停止補償信號，這就形成了一個循環(huán)燥爷，大部分飛控基本上都是10HZ的內(nèi)循環(huán)蜈亩，也就是1秒刷新十次。

這就是飛控最基本的功能前翎，如果沒有此功能稚配，當一個角一旦傾斜，那么飛機就會快速的失去平衡導致墜機港华，或者說沒有氣壓計測量不到自己的高度位置就會一直加油門或者一直降油門道川。其次，固定翼飛控還有空速傳感器立宜，空速傳感器一般位于機翼上或機頭愤惰，但不會在螺旋槳后邊，空速傳感器就是兩路測量氣壓的傳感器赘理，一路測量靜止氣壓，一路測量迎風氣壓扇单，在計算迎風氣壓與靜止氣壓的壓差就可以算出當前的空氣流速商模。

有了最基本的平衡、定高和指南針等功能蜘澜，還不足以讓一家飛機能夠自主導航施流，就像我們?nèi)ツ硞€商場一樣，首先我們需要知道商場的所在位置鄙信，知道自己所在的位置瞪醋，然后根據(jù)交通情況規(guī)劃路線。飛控也亦然装诡，首先飛控需要知道自己所在位置银受，那就需要定位的践盼，也就是我們常說的GPS，現(xiàn)在定位的有GPS宾巍、北斗咕幻、手機網(wǎng)絡等定位系統(tǒng)，但是這里面手機網(wǎng)絡定位是最差的顶霞，誤差好的話幾十米肄程，不好的話上千米，這種誤差是飛控無法接受的选浑，由于GPS定位系統(tǒng)較早蓝厌，在加上是開放的，所以大部分飛控采用的都是GPS古徒，也有少數(shù)采用的北斗定位拓提。精度基本都在3米內(nèi)，一般開闊地都是50厘米左右描函，因環(huán)境干擾崎苗，或建筑物、樹木之類的遮擋舀寓，定位可能會差胆数，很有可能定位的是虛假信號。這也就是為什么民用無人機頻頻墜機互墓、飛丟的一個主要原因必尼。

GPS定位

GPS定位原理就是三點定位，天上的GPS定位衛(wèi)星距離地球表面22500千米處篡撵，它們所運動的軌道正好形成一個網(wǎng)狀面判莉，也就是說在地球上的任意一點，都有可以同時收到3顆以上的衛(wèi)星信號育谬。衛(wèi)星在運動的過程中會一直不斷的發(fā)出電波信號券盅，信號中包含數(shù)據(jù)包，其中就有時間信號膛檀。GPS接收機通過解算來自多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)包锰镀，以及時間信號，可以清楚的計算出自己與每一顆衛(wèi)星的距離咖刃，使用三角向量關系計算出自己所在的位置泳炉。GPS也定位了，數(shù)據(jù)也有了嚎杨，這個信號也會通過一個編譯器在次編譯成一個電子信號傳給飛控花鹅，讓飛控知道自己所在的位置、任務的位置和距離枫浙、家的位置和距離以及當前的速度和高度刨肃，然后再由飛控駕駛飛機飛向任務位置或回家古拴。

剛剛我們也說了，GPS能夠測速也能夠測高度之景，為什么要有氣壓計和空速計呢斤富？這就是為了消除誤差，飛機飛起來是不與地面接觸的锻狗，直接接觸的是空氣满力，假設飛行環(huán)境是無風的環(huán)境，飛機在地面滑跑加速轻纪，加速到每秒20米的速度然后再拉升降舵起飛油额，這樣GPS測量到的數(shù)值是準確的，但是要是逆風呢刻帚，是因為機翼與空氣相對的運動達到了一定的速度才能夠產(chǎn)生一定的升力讓飛機起飛潦嘶，如果在逆風環(huán)境下，風速每秒10米崇众，飛機只需要加速到每秒10米就可以正常離地了掂僵，如果加速到每秒20米，相對空氣的速度已經(jīng)達到了每秒30米顷歌，或者說順風起飛锰蓬，風速每秒20米，飛機GPS測速也達到了20m/s的速度眯漩，這個時候拉升降舵芹扭，飛機動都不會動，因為相對空氣速度是0米赦抖，達不到起飛條件舱卡，必須加速到每秒40米的時候才能達到升力起飛。

這就是空速計的作用队萤，GPS測量的只是地速轮锥，剛剛降到，GPS也可以定高要尔，第一GPS定位精度是3米內(nèi)交胚，也就是說飛控能感知到的是平面方向的兩倍誤差，信號不好的話十幾米都有可能盈电，還有GPS不定位的時候，另外GPS定高數(shù)據(jù)是海拔高度并不是地面垂直高度杯活，所以GPS定高在飛控中不管用匆帚。有了GPS飛控也知道飛機位置了，也知道家的位置和任務位置旁钧，但是飛控上的任務以及家的位置飛控是怎么知道的呢吸重，這就是地面站的作用互拾。

地面站

地面站，就是在地面的基站嚎幸，也就是指揮飛機的颜矿，地面站可以分為單點地面站或者多點地面站，像民航機場就是地面站嫉晶，全國甚至全球所有的地面站都在時時聯(lián)網(wǎng)骑疆，它們能夠清楚的知道天上在飛行的飛機，并能時時監(jiān)測到飛機當前的飛行路線替废，狀況箍铭，以及飛機的時時調(diào)度等。像我們用的無人機大部分都是單點地面站椎镣，單點地面站一般由一到多個人值守诈火，有技術員，場務人員状答，后勤員冷守，通信員，指揮員等人組成惊科。像玩家一般都是一個人拍摇。

地面站設備組成一般都是由遙控器、電腦译断、視頻顯示器授翻，電源系統(tǒng)，電臺等設備組成孙咪，一般簡單的來說就是一臺電腦堪唐，一個電臺，一個遙控翎蹈，電腦上裝有控制飛機的軟件淮菠，通過航線規(guī)劃工具規(guī)劃飛機飛行的線路，并設定飛行高度荤堪，飛行速度合陵，飛行地點，飛行任務等通過數(shù)據(jù)口連接的數(shù)傳電臺將任務數(shù)據(jù)編譯傳送至飛控中澄阳，這里就有講到數(shù)傳電臺拥知，數(shù)傳電臺就是數(shù)據(jù)傳輸電臺，類似我們最和耳朵一樣碎赢，好比領導說今天做什么任務低剔，我們接受到任務并回答然后再去執(zhí)行任務，執(zhí)行任務的時候時實情況實時匯報給領導，這其中通信就是嘴巴和耳朵襟齿。

數(shù)傳電臺就是飛機與地面站通信的一個主要工具姻锁，一般的數(shù)傳電臺采用的接口協(xié)議有TTL接口、RS485接口和RS232接口猜欺，的不過也有一些CAN-BUS總線接口位隶，頻率有2.4GHZ、433MHZ开皿、900MHZ涧黄、915MHZ，一般433MHZ的較多副瀑，因為433MHZ是個開放的頻段弓熏，再加上433MHZ波長較長，穿透力強等優(yōu)勢所以大部分民用用戶一般都是用的433MHZ糠睡，距離在5千米到15千米不等挽鞠，甚至更遠。最終達到的就是飛機與電腦間的通訊狈孔，電腦給飛機的任務信认，飛機時時飛行高度，速度等很多數(shù)據(jù)都會通過它來傳輸均抽。以方便我們時時監(jiān)控飛機情況嫁赏，根據(jù)需要隨時修改飛機航向。

整套無人機飛控工作原理就是地面站開機油挥，規(guī)劃航線潦蝇，給飛控開機，上傳航線至飛控深寥，再設置自動起飛及降落參數(shù)攘乒，如起飛時離地速度，抬頭角度（起飛攻角惋鹅，也稱迎角）则酝，爬升高度，結束高度闰集，盤旋半徑或直徑沽讹，清空空速計等，然后檢查飛控中的錯誤武鲁、報警爽雄，一切正常，開始起飛沐鼠，盤旋幾周后在開始飛向任務點盲链，執(zhí)行任務，最后在降落，一般郊外建議傘降或手動滑降刽沾，根據(jù)場地選擇。飛機在飛行過程中如果偏離航線排拷，飛控就會一直糾正這個錯誤侧漓，一直修正，直到復位為止监氢。

無人機飛控系統(tǒng)的主要功能

飛行狀態(tài)

飛控系統(tǒng)主要用于飛行姿態(tài)控制和導航布蔗，對于飛控而言，首先要知道飛行器當前的狀態(tài)浪腐，比如：三維位置纵揍、三維速度、三維加速度议街、三軸角度和三軸角速度等泽谨，總共15個狀態(tài)。由于多旋翼飛行器本身是一種不穩(wěn)定系統(tǒng)特漩，要對各個電機的動力進行超高頻率地不斷調(diào)整和動力分配吧雹，才能實現(xiàn)穩(wěn)定懸停和飛行，所以涂身，對于航拍無人機來說雄卷，即使最簡單的放開搖桿飛行器自主懸停的動作，也需要飛控持續(xù)監(jiān)控這15個量蛤售，并進行一系列“串級控制”丁鹉，才能做到穩(wěn)定懸停，這一點肉眼看起來很簡單悴能，但飛控系統(tǒng)里面的運算其實是非常復雜的揣钦。

飛控系統(tǒng)最基礎也最難控制的技術難點，其實是要準確地感知這一系列狀態(tài)搜骡，如果這些感知數(shù)據(jù)問題或者有誤差都會導致無人機做一些非正常的動作拂盯。目前，無人機一般使用GPS记靡、IMU（慣性測量單元）谈竿、氣壓計和地磁指南針來測量這些狀態(tài)。GPS獲取定位摸吠、在一些情況下也能獲取高度空凸、速度；IMU主要用來測量無人機三軸加速度和三軸角速度寸痢，通過計算也能獲得速度和位置呀洲；氣壓計用于測量海拔高度；地磁指南針則用于測量航向。

由于目前傳感器設計水平的限制道逗，這些傳感器測量的數(shù)據(jù)都會產(chǎn)生一定的誤差兵罢，并可能受到環(huán)境的干擾，從而影響狀態(tài)估計的精度滓窍。為了保障飛行性能卖词，就需要充分利用各傳感器數(shù)據(jù)共同 融合出具有高可信度的15個狀態(tài)，即組合導航技術吏夯。組合導航技術結合GPS此蜈、IMU、氣壓計和地磁指南針各自的優(yōu)缺點噪生，通過電子信號處理領域的技術裆赵，融合多種傳感器的測量值，獲得更精準的狀態(tài)測量跺嗽。

組合導航

為了提升航拍無人機的感知能力和飛行性能战授，除了以上基礎傳感器方案以外，現(xiàn)在主流的無人機產(chǎn)品都加入了先進的視覺傳感器抛蚁、超聲波傳感器和IMU與指南針冗余導航系統(tǒng)陈醒。雙目立體視覺系統(tǒng)可根據(jù)連續(xù)圖像計算出物體的三維位置，除了避障功能以外還能提供定位與測速瞧甩。機身下方的超聲波模塊起到輔助定高的作用钉跷，而冗余的IMU和指南針在一個元件受到干擾時，冗余導航系統(tǒng)會自動切換至另一個傳感器肚逸，極大提高了組合導航的可靠性爷辙。

正是因為這些傳感器技術的完美融合，無人機有了智能導航系統(tǒng)朦促，拓展了活動環(huán)境膝晾，并提升了可靠性。使用傳統(tǒng)導航系統(tǒng)的無人機在室內(nèi)等無GPS的環(huán)境中無法穩(wěn)定飛行务冕，而智能導航系統(tǒng)在GPS信號良好時血当，可通過視覺提升速度和位置測量值的精度；在GPS信號不足的時候禀忆，視覺系統(tǒng)可以接替GPS提供定位與測速臊旭，讓無人機在室內(nèi)與室外環(huán)境中均能穩(wěn)定飛行。

智能導航系統(tǒng)引入了多個傳感器箩退，數(shù)據(jù)量和復雜程度大幅提升离熏，獲悉大疆其實針對視覺和傳感器對導航和飛行控制算法進行多次系統(tǒng)重構，增加新的軟件模塊與架構戴涝，全面提升了飛行的性能與可靠性滋戳。

控制性能

飛控系統(tǒng)先進的控制算法為航拍無人機的飛行和操控帶來了很高的控制品質(zhì)钻蔑，比如在普通狀態(tài)下的表現(xiàn)是控制精度高，飛行穩(wěn)定奸鸯，速度快咪笑。高速飛行不僅對動力系統(tǒng)有較高的要求，更重要的是飛控要達到很高的控制品質(zhì)和響應速度娄涩，除高速飛行以外蒲肋，飛行器在懸停和慢速控制上也能達到很高的精度。

另外钝满，在設計飛控時，不僅需要考慮到正常飛行狀態(tài)的控制精度申窘，如懸停位置控制精度弯蚜，姿態(tài)控制精度等，還需要加強了異常飛況的控制品質(zhì)剃法。如在飛行器斷槳碎捺、突然受到撞擊、突加負重或被其他外力干擾后贷洲，控制恢復能力更強收厨，魯棒性較強，能夠應對很多極端狀況优构，這對于飛行安全性來說尤其重要诵叁。

故障診斷

在起飛前或飛行過程中，任何微小故障都有可能引發(fā)飛行事故钦椭。如果飛控系統(tǒng)能實時不斷地進行故障監(jiān)控與故障診斷拧额，就能大幅降低事故發(fā)生的概率。飛控系統(tǒng)可以監(jiān)控諸如振動彪腔、電壓侥锦、電流、溫度德挣、轉(zhuǎn)速等各項飛行狀態(tài)參數(shù)恭垦，并通過這些監(jiān)控特征信號進行故障診斷。但是這些信號往往是復雜且沒有明顯規(guī)律的格嗅，只有通過對大量故障數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘番挺，用深度學習技術建立了飛控故障診斷系統(tǒng)，采用模式識別判定故障發(fā)生的概率吗浩，這套系統(tǒng)才能判定從空中射槳到IMU故障診斷等建芙，對故障進行早期預報，或進行應急處理懂扼，使飛行變得更加安全禁荸。

只有最快速監(jiān)測并判定故障右蒲，同時在剎那之間飛控系統(tǒng)采用正確信息進行飛行操控，飛行器其實是在自己“分析并拿主意”赶熟。到這時瑰妄，從某種意義上說，那就是真正的“智能機器人”映砖。