無(wú)人機(jī)工作系統(tǒng)技術(shù)課件：無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的認(rèn)知1.掌握無(wú)人機(jī)飛控是什么。2.學(xué)習(xí)飛控系統(tǒng)的組成部分。3.掌握飛控系統(tǒng)各部分的作用。4.思考飛控系統(tǒng)還可以包含什么？知識(shí)目標(biāo)什么是飛控系統(tǒng)？01

飛控系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返程等整個(gè)飛行過(guò)程的核心系統(tǒng)，能夠自主采集導(dǎo)航傳感器數(shù)據(jù)，自主完成數(shù)據(jù)融合、系統(tǒng)邏輯處理、飛行控制解算以及在線故障容錯(cuò)處理，從而控制無(wú)人機(jī)自主或半自主飛行，相當(dāng)于無(wú)人機(jī)的大腦。什么是飛控系統(tǒng)？飛控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服作動(dòng)設(shè)備的作用是根據(jù)飛控計(jì)算機(jī)的指令，按規(guī)定的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)要求，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)各控制舵面和發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)風(fēng)門的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行控制。機(jī)載計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)無(wú)人機(jī)姿態(tài)的運(yùn)算和判斷，為飛機(jī)任務(wù)系統(tǒng)提供高性能的計(jì)算機(jī)硬件資源和豐富的通信接口。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含眾多的傳感器為無(wú)人機(jī)飛行提供各種數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集部分02數(shù)據(jù)采集部分?jǐn)?shù)據(jù)采集部分陀螺儀主要用來(lái)測(cè)量無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中俯仰角、橫滾角和偏航角的角速度。加速度計(jì)測(cè)量的是飛行器某一方向上的線性加速度。磁力計(jì)（Magnetic、M-Sensor）也叫地磁、磁感器，可用于測(cè)試磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，定位設(shè)備的方位。氣壓高度計(jì)是一種利用外界大氣壓強(qiáng)來(lái)測(cè)量無(wú)人機(jī)飛行高度的傳感器。陀螺儀加速度計(jì)磁力計(jì)氣壓高度計(jì)數(shù)據(jù)采集部分主要由陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)、氣壓高度計(jì)、超聲波傳感器等組成。陀螺儀陀螺儀主要用來(lái)測(cè)量無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中俯仰角、橫滾角和偏航角的角速度，并根據(jù)角速度積分計(jì)算角度的改變，就能把無(wú)人機(jī)的角度的改變轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息被飛控計(jì)算機(jī)接收。在現(xiàn)在的民用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域中，特別是小型、微型、無(wú)人機(jī)大面積應(yīng)用的陀螺儀是微電子機(jī)械陀螺儀（MEMSgyroscope）。微電子機(jī)械陀螺儀與其他陀螺儀相比，其測(cè)量精度較低，但是工藝簡(jiǎn)單、便于大規(guī)模生產(chǎn)、成本較低。在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，一般都是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單封裝之后，作為MEMS模塊芯片集成到飛控機(jī)主電路板上，出廠前一般已經(jīng)完成了安裝、調(diào)試的工作。開源飛控上常用的型號(hào)有MPU6050三軸加速度計(jì)/陀螺儀和L3GD2016位陀螺儀.MPU-6050加速度計(jì)微型加速度計(jì)的理論基礎(chǔ)是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部，速度是無(wú)法測(cè)量的，但卻可以測(cè)量其加速度。更準(zhǔn)確地說(shuō)，測(cè)量的是飛行器某一個(gè)方向上的線性加速。通常情況下，飛行器三個(gè)自由度方向都需要設(shè)置加速度計(jì)，以便于同時(shí)采集三個(gè)方向的加速度，而現(xiàn)在一般采用集成的三軸加速度計(jì)，即可以同時(shí)測(cè)量三個(gè)方向的加速度值，使用非常便利。如果初速度已知，就可以通過(guò)積分計(jì)算出線速度，進(jìn)而可以計(jì)算出直線位移。結(jié)合陀螺儀，就可以對(duì)物體進(jìn)行精確定位。這種芯片式的電子加速度計(jì)重量輕、尺寸小，如圖4-2所示，可以直接嵌入到飛控主板上或與陀螺儀一起集成為IMU單元，多用于消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)和工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)使用，常用型號(hào)為L(zhǎng)SM303D14位加速度計(jì)。MEMS加速度計(jì)磁力計(jì)磁力計(jì)（Magnetic、M-Sensor）也叫地磁、磁感器，可用于測(cè)試磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，定位設(shè)備的方位，磁力計(jì)的原理跟指南針原理類似，可以測(cè)量出當(dāng)前設(shè)備與東南西北四個(gè)方向上的夾角。在無(wú)人機(jī)上常常使用MEMS磁力計(jì)，常用的型號(hào)有LSM303D14位磁力計(jì)。MEMS磁力計(jì)氣壓高度計(jì)氣壓高度計(jì)是一種利用外界大氣壓強(qiáng)來(lái)測(cè)量無(wú)人機(jī)飛行高度的傳感器，在民用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，一般采用微型氣壓傳感器。氣壓高度計(jì)是通過(guò)感知外界大氣壓強(qiáng)來(lái)得到飛行高度的，所以測(cè)量出的高度是以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為基準(zhǔn)的修正海平面氣壓高度，也就是海拔高度。無(wú)人機(jī)常用的氣壓高度計(jì)型號(hào)為HP203B。氣壓高度計(jì)數(shù)據(jù)處理部分03數(shù)據(jù)處理部分主要指飛控計(jì)算機(jī)，以及飛控計(jì)算機(jī)預(yù)先拷入的該型號(hào)無(wú)人機(jī)飛控控制算法軟件。飛控計(jì)算機(jī)是飛行控制系統(tǒng)中必不可少的核心部件，是無(wú)人機(jī)的大腦，它通過(guò)運(yùn)算控制代碼和讀取傳感器數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定與控制、導(dǎo)航與制導(dǎo)控制、自主飛行控制、自動(dòng)起飛及著陸控制等功能。在無(wú)人機(jī)中常用的芯片型號(hào)為168MHzCortexM4核心處理器，256KBRAM2MBFlash。飛控計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)04舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要指遍布無(wú)人機(jī)各個(gè)活動(dòng)部件的舵機(jī)與電調(diào)，在安裝時(shí)遍布無(wú)人機(jī)機(jī)體各處，通過(guò)數(shù)據(jù)總線與飛控計(jì)算機(jī)連接，形成一個(gè)閉合的完整控制回路。

我們以舵機(jī)為例講解無(wú)人機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

舵機(jī)是指在飛控系統(tǒng)中操縱飛機(jī)舵面（操縱面）轉(zhuǎn)動(dòng)的一種執(zhí)行部件，通常分為電動(dòng)舵機(jī)和液壓舵機(jī)。由于電動(dòng)舵機(jī)體積小巧、重量輕，所以成為無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的首選。舵機(jī)的組成電動(dòng)舵機(jī)主要是由外殼、電路板、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器與位置檢測(cè)元件所構(gòu)成。學(xué)習(xí)任務(wù)二

開源飛控的認(rèn)知1.掌握什么是開源飛控。2.掌握固件和硬件的區(qū)別。3.掌握PixHawk飛控的接口含義。4.自行了解更多的飛控。知識(shí)目標(biāo)常用的開源飛控01

開源(OpenSource)這個(gè)詞最早被應(yīng)用在軟件上，開放源代碼促進(jìn)會(huì)(OpenSourceInitiative)用其描述那些源碼可以被公眾使用的軟件，并且此軟件的使用、修改和發(fā)行也不受許可證的限制。使用者可以下載、修改、上傳自己的成果，管理者會(huì)從眾多的修改中選擇合適的代碼改進(jìn)程序并發(fā)布新版本，如此達(dá)到共同開發(fā)、共同進(jìn)步的目的。常見(jiàn)的開源飛控開源飛控發(fā)展第一階段第二階段第三階段第三個(gè)階段的開源飛控系統(tǒng)將會(huì)在軟件和人工智能方面進(jìn)行革新。它加入了集群飛行、圖像識(shí)別、自主避障、自動(dòng)跟蹤飛行等高級(jí)飛行功能，向機(jī)器視覺(jué)、集群化、開發(fā)過(guò)程平臺(tái)化的方向發(fā)展。第二個(gè)階段的開源飛控系統(tǒng)大多擁有了自己的開源硬件、采用全集成的硬件架構(gòu)，使用數(shù)字三軸MEMS傳感器組成的IMU，能夠控制飛行器完成自主航線飛行，能加裝電臺(tái)與地面站進(jìn)行通信，能支持多種無(wú)人設(shè)備，能以多種模式飛行，它們集成度高，可靠性高，已經(jīng)接近商業(yè)自動(dòng)駕駛儀標(biāo)準(zhǔn)第一個(gè)階段的開源飛控系統(tǒng)使用Arduino或其他類似的開源電子平臺(tái)為基礎(chǔ)，擴(kuò)展連接各種MEMS傳感器，其主要特點(diǎn)是模塊化和可擴(kuò)展能力。目前人們常用的開源飛控有：APM、PIXHAWK、KK、F4、CC3D、MWC等。常見(jiàn)的開源飛控（a）APM飛控（b）PIX飛控PixHawk開源飛控的外觀與通信接口02接口學(xué)習(xí)任務(wù)三

空速計(jì)與飛行模式的認(rèn)知1.學(xué)習(xí)空速計(jì)的原理。2.掌握空速計(jì)在固定翼無(wú)人機(jī)上的作用。3.掌握空速計(jì)在固定翼上的安裝方法。4.了解固定翼無(wú)人機(jī)常用的飛行模式。知識(shí)目標(biāo)固定翼上的空速計(jì)01多旋翼無(wú)人機(jī)主要依靠多個(gè)旋翼帶來(lái)的升力進(jìn)行飛行，而固定翼依靠機(jī)翼帶來(lái)的升力進(jìn)行飛行，此升力由當(dāng)固定翼無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，與無(wú)人機(jī)相對(duì)的氣流流過(guò)機(jī)翼上下表面導(dǎo)致的流速不一致產(chǎn)生的壓力差形成。常用的空速計(jì)一般由金屬的空速管、硅膠的皮托管、空速計(jì)和相應(yīng)的I2C數(shù)據(jù)線四部分組成?？账儆?jì)在安裝時(shí)，我們將空速傳感器放入飛機(jī)中時(shí)，并安裝皮托管套件。一般情況下，我們把空速管安裝在機(jī)頭方向，需要將管子頂部穿過(guò)機(jī)頭，使金屬空速管伸出才可以完全接觸到氣流，并且要注意空速管側(cè)面的孔沒(méi)有被堵塞，這些孔距離機(jī)頭至少伸出1厘米。然后將硅膠的皮托管連接到空速傳感器上，并在無(wú)人機(jī)內(nèi)部固定好，不要彎折，以免影響管內(nèi)氣流流動(dòng)。如果你的固定翼無(wú)人機(jī)機(jī)頭有螺旋槳，則將空速管裝在機(jī)翼上，機(jī)翼中部以外的前緣位置即可，防止受到螺旋槳?dú)饬鞯母蓴_?？账儆?jì)安裝常用的飛行模式02FBWA和FBWBFBWA是在固定翼上最受歡迎的輔助飛行模式，也是新手練習(xí)的最佳模式。在這種模式下，固定翼飛行器將保持由控制桿指定的橫滾和俯仰。因此，如果您撥動(dòng)副翼?xiàng)U，則飛機(jī)保持指定的側(cè)傾限制LIM_ROLL_CD（以厘米為單位）及和縱傾限制LIM_PITCH_MAX/LIM_PITCH_MIN。需要注意的是控制水平不意味著飛機(jī)能控制高度，主要是由飛行速度（油門）控制，如果想要高度保持，需要用FBWB模式。FBWA油門是手動(dòng)控制，輸出量范圍由THR_MIN和THR_MAX限制。在FBWA模式下，方向舵控制是手動(dòng)換和飛控協(xié)調(diào)混控。FBWA類似于FBWA，但能夠定高。側(cè)傾和俯仰同F(xiàn)BWA模式，并利用油門控制空速。俯仰搖桿變化就會(huì)改變高度，放開后飛控試圖保持目前的高度。多大的水平角反應(yīng)依賴于FBWB_CLIMB_RATE參數(shù)，默認(rèn)為2米/秒。FBWB_ELEV_REV參數(shù)的默認(rèn)值是向后拉搖桿導(dǎo)致飛機(jī)攀升。如果設(shè)置為1，則動(dòng)作會(huì)相反。如果裝了空速計(jì)，調(diào)整空速范圍ARSPD_FBW_MIN到ARSPD_FBW_MAX，當(dāng)油門最低時(shí)飛機(jī)將嘗試在ARSPD_FBW_MIN飛行。最高時(shí)它會(huì)嘗試在ARSPD_FBW_MAX飛行。FBWBRTL和Cruise在RTL模式下，飛機(jī)將返回到家的位置（假設(shè)它具有GPS鎖的飛機(jī)的起飛點(diǎn)），并在那里停留，直到手動(dòng)控制（或者燃料用盡！）。與AUTO模式一樣，您也可以使用搖桿與飛控自主控制混合控制飛機(jī)。RTL模式的目標(biāo)高度是使用以厘米為單位的ALT_HOLD_RTL參數(shù)設(shè)置的。RTL巡航模式有點(diǎn)像FLYBYWIRE_B（FBWB），但它有“航向鎖定”。這是遠(yuǎn)距離FPV飛行的理想模式，您可以將飛機(jī)指向遠(yuǎn)處的物體，并準(zhǔn)確地跟蹤該物體，自動(dòng)控制高度，空速和航向。CruiseMANUAL