無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計 課件 第三課時 無人機(jī)的飛控系統(tǒng)

第三課時無人機(jī)的飛控系統(tǒng)目錄/CONTENTS§2無人機(jī)的自動飛行§4飛控系統(tǒng)組成§3改善飛機(jī)性能§5導(dǎo)航飛控計算機(jī)§1飛控系統(tǒng)簡介§6飛控系統(tǒng)的功能§1飛行控制系統(tǒng)飛控系統(tǒng)簡介飛控：飛行控制系統(tǒng)控制飛行器飛行姿態(tài)和運動的中樞設(shè)備（自動駕駛儀）飛控系統(tǒng)簡介使用無線電雷達(dá)信號、航向和姿態(tài)角測量信號、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的飛行參數(shù)或人工輸入的指令信號通過對俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航的調(diào)整，自動地保持或控制飛機(jī)姿態(tài)和飛行航跡，模仿飛行員的人工操縱§2無人機(jī)的自動飛行無人機(jī)的自動飛行概念利用系統(tǒng)在無人參與的條件下，自動操縱飛機(jī)按規(guī)定的姿態(tài)和航跡飛行通常可實現(xiàn)對飛機(jī)的三軸姿態(tài)角及飛機(jī)三個方向空間位置的自動控制和穩(wěn)定無人機(jī)的自動飛行優(yōu)點長距離飛行時消除駕駛員的疲勞，減輕駕駛員的工作負(fù)擔(dān)在一些壞天氣或復(fù)雜的環(huán)境下，駕駛員難于精確控制飛機(jī)的姿態(tài)和航跡，自動飛行控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對飛機(jī)姿態(tài)和航跡的精確控制駕駛員難于精確完成的飛行操縱任務(wù)，可采用自動飛行控制§3改善飛機(jī)性能改善飛機(jī)性能決定因素由飛機(jī)本身的氣動特性和發(fā)動機(jī)特性決定隨著飛機(jī)飛行高度及速度的增加，飛機(jī)的自身特性變差改善飛機(jī)性能靜不穩(wěn)定問題形成原因：設(shè)計飛機(jī)時，為了減小質(zhì)量和阻力，提高有用升力，常將飛機(jī)設(shè)計成靜不穩(wěn)定的解決方法：安裝不同類型的飛行控制系統(tǒng)（增穩(wěn)系統(tǒng)或阻尼器系統(tǒng)）§4飛控系統(tǒng)組成無人機(jī)飛控系統(tǒng)使用介紹飛控系統(tǒng)組成無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)向無人機(jī)提供參考坐標(biāo)系的位置、速度、飛行姿態(tài)等矢量信息，引導(dǎo)無人機(jī)按照指定航線飛行分類：非自主（GPS等）系統(tǒng)、自主（慣性制導(dǎo)）系統(tǒng)缺點：易受干擾、誤差積累增大飛控系統(tǒng)組成模塊組成主控模塊、IMU（慣性測量單元）、GPS指南針模塊、LED指示燈模塊和PMU電源管理模塊等飛控系統(tǒng)組成IMU包括三軸加速度計、三軸陀螺儀、電子羅盤（或磁力計），目的是得到多旋翼的姿態(tài)信息高精度感應(yīng)飛行器姿態(tài)、角度、速度和高度的元器件集合體，在飛行輔助功能中充當(dāng)極其重要的角色。飛控系統(tǒng)組成主控模塊飛行控制系統(tǒng)的核心將IMU、GPS指南針、舵機(jī)和遙控接收機(jī)等設(shè)備接入飛行控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)飛行器自主飛行功能飛控系統(tǒng)組成傳感器常用的傳感器：角速率傳感器、姿態(tài)傳感器、位置傳感器、迎角側(cè)滑角傳感器、加速度傳感器、高度傳感器及空速傳感器等傳感器構(gòu)成無人機(jī)導(dǎo)航飛控系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)飛控系統(tǒng)組成傳感器角速率傳感器又稱為陀螺儀，用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置是飛行控制系統(tǒng)的基本傳感器之一，用于感受無人機(jī)繞機(jī)體軸的轉(zhuǎn)動角速率，以構(gòu)成角速率反饋，改善系統(tǒng)的阻尼特性、提高穩(wěn)定性飛控系統(tǒng)組成傳感器角速率傳感器選擇：測量范圍、精度、輸出特性、帶寬等安裝在無人機(jī)重心附近，安裝軸線與要感受的機(jī)體軸向平行，并注意極性的正確性飛控系統(tǒng)組成傳感器姿態(tài)傳感器感受無人機(jī)的俯仰、滾轉(zhuǎn)和航向角度，實現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定與航向控制功能選擇：測量范圍、精度、輸出特性、動態(tài)特性等安裝：無人機(jī)重心附近，振動盡可能要小，安裝精度要求高飛控系統(tǒng)組成傳感器姿態(tài)傳感器基于MEMS技術(shù)的高性能三維運動姿態(tài)測量系統(tǒng)包含：三軸陀螺儀、三軸加速度計，三軸電子羅盤等運動傳感器通過內(nèi)嵌的低功耗ARM處理器得到經(jīng)過溫度補償?shù)娜S姿態(tài)與方位等數(shù)據(jù)利用基于四元數(shù)的三維算法和特殊數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實時輸出以四元數(shù)、歐拉角表示的零漂移三維姿態(tài)方位數(shù)據(jù)飛控系統(tǒng)組成傳感器高度、空速傳感器（大氣機(jī)）感受無人機(jī)的飛行高度和空速，是高度保持和空速保持的必備傳感器和空速管、通氣管路構(gòu)成大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)選擇：測量范圍、測量精度安裝：空速管附近，盡量縮短管路飛控系統(tǒng)組成傳感器位置傳感器感受無人機(jī)的位置，是飛行軌跡控制的必要前提典型的位置傳感器：慣性導(dǎo)航設(shè)備、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)選擇：考慮與飛行時間相關(guān)的導(dǎo)航精度、成本和可用性等問題有安裝位置和較高的安裝精度要求，GPS的安裝主要應(yīng)避免天線的遮擋問題飛控系統(tǒng)組成傳感器PMU電源管理模塊給飛控主控器、ESC電調(diào)單元等組件進(jìn)行供電，以保證飛控單元正常穩(wěn)定的工作§5導(dǎo)航飛控計算機(jī)導(dǎo)航飛控計算機(jī)功能姿態(tài)的穩(wěn)定與控制航向姿態(tài)系統(tǒng)測量、顯示和提供飛機(jī)航向角和姿態(tài)角信號的飛行儀表主要由全姿態(tài)陀螺儀、磁感應(yīng)傳感器、天文羅盤、全姿態(tài)指示器組成能向飛行人員指示導(dǎo)航所需要的航向角和駕駛所需要的傾側(cè)角、俯仰角、偏航角導(dǎo)航飛控計算機(jī)功能航與制導(dǎo)控制研究方向：飛行器控制、導(dǎo)航技術(shù)、慣導(dǎo)測試設(shè)備及測試方法、制導(dǎo)與系統(tǒng)仿真技術(shù)：制導(dǎo)控制系統(tǒng)半實物仿真、復(fù)雜系統(tǒng)分布式仿真、大功率低干擾電驅(qū)動、慣導(dǎo)測試設(shè)備一體化設(shè)計、姿態(tài)控制、慣導(dǎo)平臺小型化數(shù)字化導(dǎo)航飛控計算機(jī)功能自主飛行控制電子控制系統(tǒng)采用反饋（閉環(huán)）的工作方式無人機(jī)飛行路徑、姿態(tài)、高度、空速等的實際狀態(tài)經(jīng)過測量后以電信號的形式反饋給系統(tǒng)，計算誤差信號，放大后用于設(shè)置適當(dāng)?shù)目刂泼嫖恢枚婷鏁a(chǎn)生控制力使誤差信號趨向于零值導(dǎo)航飛控計算機(jī)機(jī)載導(dǎo)航飛控軟件運行于飛控計算機(jī)上的嵌入式實時任務(wù)軟件要求：功能正確、性能好、效率高、質(zhì)量保證、可靠性、可維護(hù)性導(dǎo)航飛控計算機(jī)機(jī)載導(dǎo)航飛控軟件功能模塊①硬件接口驅(qū)動模塊②傳感器數(shù)據(jù)處理模塊③飛行控制律模塊④導(dǎo)航與制導(dǎo)律模塊⑤飛行任務(wù)管理模塊⑥任務(wù)設(shè)備管理模塊⑦余度管理模塊⑧數(shù)據(jù)傳輸、記錄模塊⑨自檢測模塊⑩其它模塊§6飛控系統(tǒng)的功能飛控系統(tǒng)的功能飛控子系統(tǒng)無人機(jī)完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)、返場回收等整個飛行過程的核心系統(tǒng)對無人機(jī)實現(xiàn)全權(quán)控制與管理飛控系統(tǒng)的功能飛控子系統(tǒng)功能：①無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定與控制②與導(dǎo)航子系統(tǒng)協(xié)調(diào)完成航跡控制③無人機(jī)起飛（發(fā)射）與著陸（回收）控制④無人機(jī)飛行管理⑤無人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理與控制⑥應(yīng)急控制⑦信息收集與傳遞飛控系統(tǒng)的功能導(dǎo)航子系統(tǒng)向無人機(jī)提供相對于所選定的參考坐標(biāo)系的位置、速度、飛行姿態(tài)，引導(dǎo)無人機(jī)沿指定航線安全、準(zhǔn)時、準(zhǔn)確的飛行飛控系統(tǒng)的功能導(dǎo)航子系統(tǒng)功能：①獲得必要的導(dǎo)航要素：高度、速度、姿態(tài)、航向②給出滿足精度要求的定位信息：經(jīng)度、緯度③引導(dǎo)飛機(jī)按規(guī)定計劃飛行④接收預(yù)定任務(wù)航線計劃的裝定、并對任務(wù)航線的執(zhí)行進(jìn)行動態(tài)管理飛控系統(tǒng)的功能導(dǎo)航子系統(tǒng)功能：⑤接收控制站的導(dǎo)航模式控制指令并執(zhí)行；并具有指令導(dǎo)航模式與預(yù)定航線飛行模式相互切換的功能⑥具有接收并融合無人機(jī)其它設(shè)備的輔助導(dǎo)航定位信息的能力⑦配合其它系統(tǒng)完成各種任務(wù)步云