解讀無(wú)人機(jī)第一篇 解讀無(wú)人機(jī)的核心--飛控

1、導(dǎo)言：無(wú)人機(jī)之所以能夠在空中自主飛行就是因?yàn)闊o(wú)人機(jī)也和人類(lèi)一樣，也擁有一個(gè)大腦，究竟是什么樣的一個(gè)大腦才能夠控制一架飛機(jī)在空中自動(dòng)駕駛呢？下面我們來(lái)為你解答。dbdba66037889da5a3299c51e9a2a9c8.jpg (90.94 KB, 下載次數(shù): 0)下載附件 2016-2-17 10:55 上傳能夠自主起飛、自主導(dǎo)航、自主降落、自主完成我們給他設(shè)定任務(wù)不載人飛機(jī)稱(chēng)之為無(wú)人機(jī)。那么無(wú)人機(jī)這么強(qiáng)大的功能究竟是誰(shuí)賦予的呢？接下來(lái)我們來(lái)談的話題就是無(wú)人機(jī)的核心-飛控，也稱(chēng)自駕儀。有了這套自駕儀，通過(guò)地面端的電腦就或者手機(jī)就可以控制一架飛機(jī)自主起飛、自主導(dǎo)航、自主降落了。TB2au8

2、SfXXXXXc4XpXXXXXXXXXX_!2590290146.jpg (61.98 KB, 下載次數(shù): 0)下載附件 2016-2-16 19:19 上傳那么什么是飛控呢，顧名思義，飛控就是飛機(jī)飛行控制器的簡(jiǎn)稱(chēng)，既然是控制器，那么這里邊也應(yīng)該有一臺(tái)微電腦之類(lèi)的來(lái)控制飛機(jī)，事實(shí)上現(xiàn)在的飛控內(nèi)部除了一些傳感器外還有就是多塊單片機(jī)構(gòu)成，并不是我們想象的那么神秘。QQ截圖20160216185417.jpg (103.09 KB, 下載次數(shù): 0)下載附件 2016-2-16 18:56 上傳現(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(jì)，三軸地磁傳感器和氣壓計(jì)組成的一個(gè)IMU，也稱(chēng)慣性測(cè)量

3、單元。那么什么是三軸陀螺儀，什么是三軸加速度計(jì)，什么是三軸地磁傳感器呢，氣壓計(jì)？它們?cè)陲w機(jī)上起到的是什么作用呢，這三軸又是哪三個(gè)軸呢？三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)，三軸地磁傳感器中的三軸指的就是飛機(jī)左右，前后垂直方向上下這三個(gè)軸，一般都用XYZ來(lái)代表。左右方向在飛機(jī)中叫做橫滾，前后方向在飛機(jī)中叫做俯仰，垂直方向就是Z軸。陀螺都知道，小時(shí)候基本上都玩過(guò)，在不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下它很難站在地上，只有轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)了，它才會(huì)站立在地上，或者說(shuō)自行車(chē)，輪子越大越重的車(chē)子就越穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎的時(shí)候明顯能夠感覺(jué)到一股阻力，這就是陀螺效應(yīng)，根據(jù)陀螺效應(yīng)，聰明的人們發(fā)明出的陀螺儀。最早的陀螺儀是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，通過(guò)三個(gè)靈活的軸將

4、這個(gè)陀螺固定在一個(gè)框架中，無(wú)論外部框架怎么轉(zhuǎn)動(dòng)，中間高速旋轉(zhuǎn)的陀螺始終保持一個(gè)姿態(tài)。通過(guò)三個(gè)軸上的傳感器就能夠計(jì)算出外部框架旋轉(zhuǎn)的度數(shù)等數(shù)據(jù)。48d5110d2fbc2ad564443aeb4d111b11.jpg (44.38 KB, 下載次數(shù): 0)下載附件 2016-2-16 18:59 上傳由于成本高，機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，現(xiàn)在都被電子陀螺儀代替，電子陀螺儀的優(yōu)勢(shì)就是成本低，體積小重量輕，只有幾克重，穩(wěn)定性還有精度都比機(jī)械陀螺高。說(shuō)道這，大家也就明白陀螺儀在飛控中起到的作用了吧，它就是測(cè)量XYZ三個(gè)軸的傾角的。那么三軸加速度計(jì)時(shí)干什么的呢，別急，我來(lái)給你解答，剛剛說(shuō)道三軸陀螺儀就是XYZ三個(gè)

5、軸，現(xiàn)在不用說(shuō)也就明白三軸加速度計(jì)也是XYZ三個(gè)軸。當(dāng)我們開(kāi)車(chē)起步的一瞬間就會(huì)感到背后有一股推力，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(shí)間的比值，是描述物體變化快慢的物理量，米每二次方秒，例如一輛車(chē)在停止?fàn)顟B(tài)下，它的加速度是0，起步后，從每秒0米到每秒10米，用時(shí)10秒，這就是這輛車(chē)的加速度，如果車(chē)速每秒10米的速度行駛，它的加速度就是0，同樣，用10秒的時(shí)間減速，從每秒10米減速到每秒5米，那么它的加速就是負(fù)數(shù)。三軸加速度計(jì)就是測(cè)量飛機(jī)XYZ三個(gè)軸的加速度。QQ截圖20160216185906.jpg (59.4 KB, 下載次數(shù): 0)下載附件 2016-2-16 19:

6、00 上傳我們?nèi)粘３鲂卸际歉鶕?jù)路標(biāo)或記憶來(lái)尋找自己的面向的，地磁傳感器就是感知地磁的，就是一個(gè)電子指南針，它可以讓飛機(jī)知道自己的飛行朝向，機(jī)頭朝向，找到任務(wù)位置和家的位置。氣壓計(jì)呢就是測(cè)量當(dāng)前位置的大氣壓，都知道高度越高，氣壓越低，這就是人道高原之后為什么會(huì)有高原反應(yīng)了，氣壓計(jì)是通過(guò)測(cè)量不同位置的氣壓，計(jì)算壓差獲得到當(dāng)前的高度，這就是整個(gè)IMU慣性測(cè)量單元，它在飛機(jī)中起到的作用就是感知飛機(jī)姿態(tài)的變化，例如飛機(jī)當(dāng)前是前傾還是左右傾斜，機(jī)頭朝向、高度等最基本的姿態(tài)數(shù)據(jù)，那么這些數(shù)據(jù)在飛空中起到的作用是什么呢？002230u2d5m7ad77ttntlc.jpg (49.32 KB, 下載次數(shù): 0

7、)下載附件 2016-2-16 19:42 上傳飛控最基本的功能控制一架飛機(jī)在空中飛行時(shí)的平衡，是由IMU測(cè)量，感知飛機(jī)當(dāng)前的傾角數(shù)據(jù)通過(guò)編譯器編譯成電子信號(hào)，將這個(gè)信號(hào)通過(guò)信號(hào)新時(shí)時(shí)傳輸給飛控內(nèi)部的單片機(jī)，單片機(jī)負(fù)責(zé)的是運(yùn)算，根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前的數(shù)據(jù)，計(jì)算出一個(gè)補(bǔ)償方向，補(bǔ)償角，然后將這個(gè)補(bǔ)償數(shù)據(jù)編譯成電子信號(hào)，傳輸給舵機(jī)或電機(jī)，電機(jī)或舵機(jī)在去執(zhí)行命令，完成補(bǔ)償動(dòng)作，然后傳感器感知到飛機(jī)平穩(wěn)了，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)再次給單片機(jī)，單片機(jī)會(huì)停止補(bǔ)償信號(hào)，這就形成了一個(gè)循環(huán)，大部分飛控基本上都是10HZ的內(nèi)循環(huán)，也就是1秒刷新十次。這就是飛控最基本的功能，如果沒(méi)有此功能，當(dāng)一個(gè)角一旦傾斜，那么飛機(jī)就會(huì)快速的失去平

8、衡導(dǎo)致墜機(jī)，或者說(shuō)沒(méi)有氣壓計(jì)測(cè)量不到自己的高度位置就會(huì)一直加油門(mén)或者一直降油門(mén)。其次，固定翼飛控還有空速傳感器，空速傳感器一般位于機(jī)翼上或機(jī)頭，但不會(huì)在螺旋槳后邊，空速傳感器就是兩路測(cè)量氣壓的傳感器，一路測(cè)量靜止氣壓，一路測(cè)量迎風(fēng)氣壓，在計(jì)算迎風(fēng)氣壓與靜止氣壓的壓差就可以算出當(dāng)前的空氣流速，一般是m/s。3df90dc3f23fa3200e30ffd6379c2980.jpg (40.21 KB, 下載次數(shù): 0)下載附件 2016-2-16 19:15 上傳有了最基本的平衡、定高和指南針等功能，還不足以讓一家飛機(jī)能夠自主導(dǎo)航，就像我們?nèi)ツ硞€(gè)商場(chǎng)一樣，首先我們需要知道商場(chǎng)的所在位置，知道自己所

9、在的位置，然后根據(jù)交通情況規(guī)劃路線。飛控也亦然，首先飛控需要知道自己所在位置，那就需要定位的，也就是我們常說(shuō)的GPS，現(xiàn)在定位的有GPS、北斗、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)等定位系統(tǒng)，但是這里面手機(jī)網(wǎng)絡(luò)定位是最差的，誤差好的話幾十米，不好的話上千米，這種誤差是飛控?zé)o法接受的，由于GPS定位系統(tǒng)較早，在加上是開(kāi)放的，所以大部分飛控采用的都是GPS，也有少數(shù)采用的北斗定位。精度基本都在3米內(nèi)，一般開(kāi)闊地都是50厘米左右，因環(huán)境干擾，或建筑物、樹(shù)木之類(lèi)的遮擋，定位可能會(huì)差，很有可能定位的是虛假信號(hào)。這也就是為什么民用無(wú)人機(jī)頻頻墜機(jī)、飛丟的一個(gè)主要原因。TB2CIicfXXXXXbHXXXXXXXXXXXX_!25902

10、90146.jpg (40.07 KB, 下載次數(shù): 0)下載附件 2016-2-16 19:18 上傳GPS定位原理就是三點(diǎn)定位，天上的GPS定位衛(wèi)星距離地球表面22500千米處，它們所運(yùn)動(dòng)的軌道正好形成一個(gè)網(wǎng)狀面，也就是說(shuō)在地球上的任意一點(diǎn)，都有可以同時(shí)收到3顆以上的衛(wèi)星信號(hào)。衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)一直不斷的發(fā)出電波信號(hào)，信號(hào)中包含數(shù)據(jù)包，其中就有時(shí)間信號(hào)。GPS接收機(jī)通過(guò)解算來(lái)自多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)包，以及時(shí)間信號(hào)，可以清楚的計(jì)算出自己與每一顆衛(wèi)星的距離，使用三角向量關(guān)系計(jì)算出自己所在的位置。GPS也定位了，數(shù)據(jù)也有了，這個(gè)信號(hào)也會(huì)通過(guò)一個(gè)編譯器在次編譯成一個(gè)電子信號(hào)傳給飛控，讓飛控知道自己所在

11、的位置、任務(wù)的位置和距離、家的位置和距離以及當(dāng)前的速度和高度，然后再由飛控駕駛飛機(jī)飛向任務(wù)位置或回家。剛剛我們也說(shuō)了，GPS能夠測(cè)速也能夠測(cè)高度，為什么要有氣壓計(jì)和空速計(jì)呢？這就是為了消除誤差，飛機(jī)飛起來(lái)是不與地面接觸的，直接接觸的是空氣，假設(shè)飛行環(huán)境是無(wú)風(fēng)的環(huán)境，飛機(jī)在地面滑跑加速，加速到每秒20米的速度然后再拉升降舵起飛，這樣GPS測(cè)量到的數(shù)值是準(zhǔn)確的，但是要是逆風(fēng)呢，是因?yàn)闄C(jī)翼與空氣相對(duì)的運(yùn)動(dòng)達(dá)到了一定的速度才能夠產(chǎn)生一定的升力讓飛機(jī)起飛，如果在逆風(fēng)環(huán)境下，風(fēng)速每秒10米，飛機(jī)只需要加速到每秒10米就可以正常離地了，如果加速到每秒20米，相對(duì)空氣的速度已經(jīng)達(dá)到了每秒30米，或者說(shuō)順風(fēng)起飛

12、，風(fēng)速每秒20米，飛機(jī)GPS測(cè)速也達(dá)到了20m/s的速度，這個(gè)時(shí)候拉升降舵，飛機(jī)動(dòng)都不會(huì)動(dòng)，因?yàn)橄鄬?duì)空氣速度是0米，達(dá)不到起飛條件，必須加速到每秒40米的時(shí)候才能達(dá)到升力起飛。這就是空速計(jì)的作用，GPS測(cè)量的只是地速，剛剛降到，GPS也可以定高，第一GPS定位精度是3米內(nèi)，也就是說(shuō)飛控能感知到的是平面方向的兩倍誤差，信號(hào)不好的話十幾米都有可能，還有GPS不定位的時(shí)候，另外GPS定高數(shù)據(jù)是海拔高度并不是地面垂直高度，所以GPS定高在飛控中不管用。有了GPS飛控也知道飛機(jī)位置了，也知道家的位置和任務(wù)位置，但是飛控上的任務(wù)以及家的位置飛控是怎么知道的呢，這就是地面站的作用。20141021_0850

13、27.jpg (403.05 KB, 下載次數(shù): 0)下載附件 2016-2-16 19:29 上傳地面站，就是在地面的基站，也就是指揮飛機(jī)的，地面站可以分為單點(diǎn)地面站或者多點(diǎn)地面站，像民航機(jī)場(chǎng)就是地面站，全國(guó)甚至全球所有的地面站都在時(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，它們能夠清楚的知道天上在飛行的飛機(jī)，并能時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到飛機(jī)當(dāng)前的飛行路線，狀況等，以及時(shí)時(shí)的調(diào)度等。像我們用的無(wú)人機(jī)大部分都是單點(diǎn)地面站，單點(diǎn)地面站一般由一到多個(gè)人值守，有技術(shù)員，場(chǎng)務(wù)人員，后勤員，通信員，指揮員等人組成。像玩家一般都是一個(gè)人。1408504910.jpg (94.51 KB, 下載次數(shù): 0)下載附件 2016-2-16 19:25 上傳地

14、面站設(shè)備組成一般都是由遙控器、電腦、視頻顯示器，電源系統(tǒng)，電臺(tái)等設(shè)備組成，一般簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是一臺(tái)電腦，一個(gè)電臺(tái)，一個(gè)遙控，電腦上裝有控制飛機(jī)的軟件，通過(guò)航線規(guī)劃工具規(guī)劃飛機(jī)飛行的線路，并設(shè)定飛行高度，飛行速度，飛行地點(diǎn)，飛行任務(wù)等通過(guò)數(shù)據(jù)口連接的數(shù)傳電臺(tái)將任務(wù)數(shù)據(jù)編譯傳送至飛控中，這里就有講到數(shù)傳電臺(tái)，數(shù)傳電臺(tái)就是數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)，類(lèi)似我們最和耳朵一樣，好比領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)今天做什么任務(wù)，我們接受到任務(wù)并回答然后再去執(zhí)行任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候時(shí)實(shí)情況實(shí)時(shí)匯報(bào)給領(lǐng)導(dǎo)，這其中通信就是嘴巴和耳朵。d9a07123a63af647242da5e2ff1999da.jpg (36.8 KB, 下載次數(shù): 0)下載附件

15、2016-2-16 19:34 上傳數(shù)傳電臺(tái)就是飛機(jī)與地面站通信的一個(gè)主要工具，一般的數(shù)傳電臺(tái)采用的接口協(xié)議有TTL接口、RS485接口和RS232接口，的不過(guò)也有一些CAN-BUS總線接口，頻率有2.4GHZ、433MHZ、900MHZ、915MHZ，一般433MHZ的較多，因?yàn)?33MHZ是個(gè)開(kāi)放的頻段，再加上433MHZ波長(zhǎng)較長(zhǎng)，穿透力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)所以大部分民用用戶一般都是用的433MHZ，距離在5千米到15千米不等，甚至更遠(yuǎn)。最終達(dá)到的就是飛機(jī)與電腦間的通訊，電腦給飛機(jī)的任務(wù)，飛機(jī)時(shí)時(shí)飛行高度，速度等很多數(shù)據(jù)都會(huì)通過(guò)它來(lái)傳輸。以方便我們時(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)情況，根據(jù)需要隨時(shí)修改飛機(jī)航向。0d8a5

16、81ca890fd835975ac1db0d62c99.jpg (108.17 KB, 下載次數(shù): 0)下載附件 2016-2-16 19:36 上傳整套無(wú)人機(jī)飛控工作原理就是地面站開(kāi)機(jī)，規(guī)劃航線，給飛控開(kāi)機(jī)，上傳航線至飛控，再設(shè)置自動(dòng)起飛及降落參數(shù)，如起飛時(shí)離地速度，抬頭角度（起飛攻角，也稱(chēng)迎角），爬升高度，結(jié)束高度，盤(pán)旋半徑或直徑，清空空速計(jì)等，然后檢查飛控中的錯(cuò)誤、報(bào)警，一切正常，開(kāi)始起飛，盤(pán)旋幾周后在開(kāi)始飛向任務(wù)點(diǎn)，執(zhí)行任務(wù)，最后在降落，一般郊外建議傘降或手動(dòng)滑降，根據(jù)場(chǎng)地選擇。飛機(jī)在飛行過(guò)程中如果偏離航線，飛控就會(huì)一直糾正這個(gè)錯(cuò)誤，一直修正，直到復(fù)位為止。名稱(chēng)：加速度（ Acceleration ）1.定義：速度的變化量v與發(fā)生這一變化所用時(shí)間t的比值。2.公式 ：a=v/t3.單位：m/s2 （米每平方秒）4.加速度是矢量，既有大小又有方向。加速度的大小等于單位時(shí)間內(nèi)速