小型无人机飞控系统介绍与工作原理
怎么实现无人机控制的原理
怎么实现无人机控制的原理
无人机的控制系统主要包括地面控制站、数据链、无人机上的控制系统三部分。
1. 地面控制站:操作员通过操纵杆、按钮等设备向无人机发送控制指令和航线规划,地面站和无人机之间通过无线数传链交换控制、图像、状态数据。
2. 数据链:一般采用点对点数字数据链,通过微波、卫星通信实现高速、低延时双向信号传输。
也可使用自组织网络等方式。
确保控制指令能可靠发送到无人机。
3. 无人机控制系统:由飞控(飞行控制)计算机、惯性导航系统、卫星导航系统等组成。
飞控计算机接收并解码地面站指令,计算出执行指令需要的相关参数,然后输出给舵面舵机、发动机等执行机构。
同时,反馈无人机的当前状态信息。
无人机的核心是飞控系统的稳定性与自主避障能力。
需要高速处理传感器数据,准确计算和控制无人机的姿态、高度、速度等飞行参数。
使无人机可以按指令飞行,也能对风、故障等异常情况做出快速反应,保证控制的稳定性。
无人机系统结构与设计课件：无人机的飞控系统
决定因素
改善飞机性能
静不稳定问题
§4 飞控系统组成
飞控系统组成
无人机导航系统
飞控系统组成
模块组成
飞控系统组成
IMU
飞控系统组成
主控模块
飞控系统组成
传感器
飞控系统组成
传感器
飞控系统组成
传感器
飞控系统组成
传感器
飞控系统组成
传感器
飞控系统组成
传感器
飞控系统组成
传感器
飞控系统组成
目录/CONTENTS
§1 飞控系统简介 §2 无人机的自动飞行 §3 改善飞机性能 §4 飞控系统组成 §5 导航飞控计算机 §6 飞控系统的功能
§1 飞行控制系统
飞控系统简介
飞控系统简介
§2 无人机的自动飞行
无人机的自动飞行Biblioteka 概念无人机的自动飞行
优点
§3 改善飞机性能
改善飞机性能
传感器
§5 导航飞控计算机
导航飞控计算机
功能
导航飞控计算机
功能
导航飞控计算机
功能
导航飞控计算机
机载导航飞控软件
导航飞控计算机
机载导航飞控软件
§6 飞控系统的功能
飞控系统的功能
飞控子系统
飞控系统的功能
飞控子系统
飞控系统的功能
导航子系统
飞控系统的功能
导航子系统
飞控系统的功能
导航子系统
四旋翼无人机控制原理
四旋翼无人机控制原理1、控制原理飞控通过接收机接收遥控器发送的遥控信号（地面站控制时：地面站通过云航灯或电台发送给飞控的自主飞行指令），经过飞控程序处理后，通过电调来控制各个电机的转速，从而达到控制飞行器动作的目的。
2、飞控飞控即飞行控制系统是飞机的大脑，无人机在飞行过程中，利用自动控制系统，能够对飞行器的构形、飞行姿态和运动参数实施控制，其载有加速度计、陀螺仪、气压计、罗盘等传感器。
由它来控制各个电机的转速进而控制飞机的姿态，加上GPS或差分GPS可完成定点悬停，自主航线飞行等功能。
3、遥控器遥控器模式常用的有美国手和日本手，遥控器上油门的位置在左边是美国手，右边是日本手。
个人觉得美国手比较符合认知规律。
美国手（左边遥杆：上下控制油门，左右控制方向；右边遥杆：上下控制前进后退，左右控制左右移动）日本手（左遥杆：上下控制前进后退，左右控制方向；右遥杆：上下控制控制油门，左右控制左右移动）。
4、电调动力电机的调速系统成为电调，全称电子调速器（Electronic Speed Controller，简称ESC），它根据控制信号调节电动机的转速。
根据动力电机不同可分为无刷调和有刷电调，无刷电调控制无刷电机，有刷电调控制有刷电机。
无刷电调输入是直流，可以接稳压电源或锂电池。
输出是三相交流，直接与电机的三相输入端相连。
选择电调时要注意电调与电机匹配，一般根据额定载荷下通过单个电机的最大电流选择电调。
5、电机无人机上用的电机一般分为有刷电机和无刷电机，有刷电机一般用的微型航模上比如空心杯电机，目前无人机上的电机大部分用的都是无刷电机。
无刷电机通过三相交流电产生一个旋转磁场驱动转子转动，通过pwm控制速度。
小体积、高效率和稳态转速误差小等特点，无刷电机要配合电子调速器（电调）使用。
6、桨螺旋桨，将电机转动功率转化为推进力或升力。
螺旋桨高速转动时，由于桨叶特殊的机构，会在桨上下面形成一个压力差，产生一个向上的拉力，螺旋桨有两个重要的参数，桨直径和桨螺距，单位均为英寸。
飞行控制系统
飞行控制系统为了使无人机飞行控制系统具有强大的数据处理能力、较低的功耗、较强的灵活性和更高的集成度，提出了一种以SmartFusion为核心的无人机飞行控制系统解决方案。
为满足飞控系统实时性和稳定性的要求，系统采用了μC／OS-Ⅱ实时操作系统。
与传统的无人机飞行控制系统相比，在具有很强的数据处理能力的同时拥有较小的体积和较低的功耗。
多次飞行证明，各个模块设计合理，整个系统运行稳定，可以用作下一代无人机高性能应用平台。
关键词：无人机；飞行控制系统；SmartFusion芯片；μC／OS-Ⅱ0 引言飞行控制系统是无人机的重要组成部分，是飞行控制算法的运行平台，它的性能好坏直接关系着无人机能否安全可靠的飞行。
随着航空技术的发展，无人机飞行控制系统正向着多功能、高精度、小型化、可复用的方向发展。
高精度要求无人机控制系统的精度高，稳定性好，能够适应复杂的外界环境，因此控制算法比较复杂，计算速度快，精度高；小型化则对控制系统的重量和体积提出了更高的要求，要求控制系统的性能越高越好，体积越小越好。
此外，无人机飞行控制系统还要具有实时、可靠、低成本和低功耗的特点。
基于以上考虑，本文从实际工程应用出发，设计了一种基于SmartFusion的无人机飞行控制系统。
1 飞控系统总体设计飞行控制系统在无人机上的功能主要有两个：一是飞行控制，即无人机在空中保持飞机姿态与航迹的稳定，以及按地面无线电遥控指令或者预先设定好的高度、航线、航向、姿态角等改变飞机姿态与航迹，保证飞机的稳定飞行，这就是通常所谓的自动驾驶；二是飞行管理，即完成飞行状态参数采集、导航计算、遥测数据传送、故障诊断处理、应急情况处理、任务设备的控制与管理等工作。
飞行控制系统主要完成3个功能任务，其层次构成为三层：最底层的任务是提高无人机运动和突风减缓的固有阻尼——三个轴方向的阻尼器功能；第2层的任务是稳定无人机的姿态角——基本驾驶仪的功能(主要进行角运动控制)；第3层的任务是控制飞行高度、航迹和飞行速度，实现较高级自动驾驶功能。
四轴无人机的飞行原理
四轴无人机的飞行原理
四轴无人机作为一种便捷、灵活和多功能的飞行器，其飞行原理主要基于四个
旋翼的动力输出和控制。
通过精密的电子系统控制，四轴无人机可以实现稳定的飞行和灵活的操控。
四个旋翼的作用
四轴无人机的四个旋翼分别位于飞机的四个角落，它们的作用类似于传统飞机
的螺旋桨。
通过旋翼产生的升力和推力，四轴无人机可以实现在空中的平稳飞行。
姿态控制
四轴无人机的姿态控制是通过精密的飞控系统来实现的。
飞控系统通过精确地
控制每个旋翼的转速和倾斜角度，使得飞机能够保持水平飞行、翻滚、俯仰和航向等各种飞行动作。
飞行控制系统
四轴无人机的飞行控制系统一般由传感器、数据处理单元和执行机构组成。
传
感器可以感知飞行器的姿态、加速度和角速度等信息，数据处理单元则通过算法对传感器数据进行处理，控制执行机构完成姿态调整和前进控制。
飞行模式
四轴无人机一般拥有多种飞行模式，例如手动模式、半自动模式和自动模式等。
在不同的飞行模式下，飞行器会有不同的控制方式和飞行特性，以适应不同场景下的需求。
飞行稳定性
四轴无人机的飞行稳定性取决于飞行控制系统的设计和调试。
通过精确的控制
和反馈系统，飞行器可以在各种气象条件下保持稳定飞行，降低飞行事故的风险。
总结
四轴无人机的飞行原理基于四个旋翼的作用和精密的飞行控制系统。
通过不断
的技术创新和优化设计，四轴无人机已经成为人们生活中不可或缺的工具，广泛应用于航拍、农业、消防和物流等领域。
无人机飞控技术最详细解读
无人机飞控技术最详细解读以前，搞无人机的十个人有八个是航空、气动、机械出身，更多考虑的是如何让飞机稳定飞起来、飞得更快、飞得更高。
如今，随着芯片、人工智能、大数据技术的发展，无人机开始了智能化、终端化、集群化的趋势，大批自动化、机械电子、信息工程、微电子的专业人才投入到了无人机研发大潮中，几年的时间让无人机从远离人们视野的军事应用飞入了寻常百姓家、让门外汉可以短暂的学习也能稳定可靠的飞行娱乐。
不可否认，飞控技术的发展是这十年无人机变化的最大推手。
无人机飞控是什么？飞行控制系统（Flight control system）简称飞控，可以看作飞行器的大脑。
多轴飞行器的飞行、悬停，姿态变化等等都是由多种传感器将飞行器本身的姿态数据传回飞控，再由飞控通过运算和判断下达指令，由执行机构完成动作和飞行姿态调整。
控可以理解成无人机的CPU系统，是无人机的核心部件，其功能主要是发送各种指令，并且处理各部件传回的数据。
类似于人体的大脑，对身体各个部位发送指令，并且接收各部件传回的信息，运算后发出新的指令。
例如，大脑指挥手去拿一杯水，手触碰到杯壁后，因为水太烫而缩回，并且将此信息传回给大脑，大脑会根据实际情况重新发送新的指令。
无人机的飞行原理及控制方法（以四旋翼无人机为例）四旋翼无人机一般是由检测模块，控制模块，执行模块以及供电模块组成。
检测模块实现对当前姿态进行量测；执行模块则是对当前姿态进行解算，优化控制，并对执行模块产生相对应的控制量；供电模块对整个系统进行供电。
悟四旋翼无人机机身是由对称的十字形刚体结构构成，材料多采用质量轻、强度高的碳素纤维；在十字形结构的四个端点分别安装一个由两片桨叶组成的旋翼为飞行器提供飞行动力，每个旋翼均安装在一个电机转子上，通过控制电机的转动状态控制每个旋翼的转速，来提供不同的升力以实现各种姿态；每个电机均又与电机驱动部件、中央控制单元相连接，通过中央控制单元提供的控制信号来调节转速大小；IMU惯性测量单元为中央控制单元提供姿态解算的数据，机身上的检测模块为无人机提供了解自身位姿情况最直接的数据，为四旋翼无人机最终实现复杂环境下的自主飞行提供了保障。
浅谈小型无人机飞行控制系统设计
浅谈小型无人机飞行控制系统设计摘要：本文主要是对小型无人机飞行控制系统设计的功能指标做出了简要分析，着重对飞行回路与飞行控制模态的设计进行了探究，以供参考。
关键词：小型无人机；飞行控制系统设计前言：无人机研究是当今航空航天领域的一个热门方向。
自无人机问世以来，世界各国都十分重视无人机的研究与应用，使其在军事和民用领域都发挥了及其重要的作用。
尤其是小型无人机，在战果评估、侦察监视、目标指示、情报收集和生化战剂探测等军事领域表现出了其独特的优势，在土地资源勘测、通信中继、防洪救灾、人员搜救和安全监察等民用领域也有着巨大的应用前景。
飞行控制系统作为小型无人机的关键子系统，对无人机的作战性能、可靠性和生存性都有着重要影响。
飞行控制系统是无人机的指挥控制中心，完成载荷控制、指令导航、自主飞行控制和飞行任务管理等功能。
对于小型无人机而言，其精确的动力学模型难以获得、飞行过程中容易受风场等环境因素的干扰的特点，对飞行控制系统的设计提出了更高要求，对无人机模型鲁棒性强、能自适应外界环境干扰的控制系统设计方法受到了越来越广泛的关注。
1无人机（UAV）的定义无人机驾驶航空器（UA：UnmannedAricraft），是一架由遥控站管理（包括远程操纵或自主飞行）、不搭载操作人员的一种动力空中飞行器，采用空气动力为飞行器提供所需的升力，能够自动飞行或远程引导；既能一次性使用也能进行回收；能够携带致命性和非致命性有效负载。
2 无人机系统的定义及组成无人机系统（UAS：UnmannedAircraftSystem），也称无人驾驶航空系统（RPAS：RemotelyPiltedAircraftSystem），是指一架无人机、相关的遥控站、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件组成的系统，无人机系统包括地面系统、飞行系统、任务载荷和无人机使用保障人员。
3 性能指标3.1技术指标小型无人机由于具有体积小、载荷轻、控制灵活等特点，对控制器的技术指标要求较高，主要有以下几个方面：（1）实时性。
无人机的技术及原理
无人机的技术及原理
无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）是一种能够在没有人操控的情况下自主飞行的飞行器。
它的技术和原理涉及多个方面：
1. 飞行控制系统：无人机通常搭载有多个传感器，如加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计等，用于感知周围环境和自身状态。
这些传感器将数据传输到飞行控制器，控制器根据预先设定的飞行计划和算法进行决策和控制。
飞行控制器还包括飞行控制软件和硬件。
2. 遥控和导航系统：无人机可以通过无线电或卫星信号与操作员进行通信和控制。
操作员可以使用遥控器或地面控制站发送指令和接收实时图像和数据。
导航系统则使用卫星导航（如GPS）和惯性导航（加速度计和陀螺仪）来确定无人机的位置和航向。
3. 能源系统：无人机通常使用电池、燃料电池或燃油发动机等能源系统提供动力。
不同的系统有不同的优缺点，如电池轻便但续航时间短，燃料电池重量轻但成本高。
4. 通信系统：无人机可以通过无线电信号与地面控制站和其他飞行器进行通信。
这种通信可以用于接收指令、发送数据和上传实时图像。
5. 感知和避障系统：一些高级无人机搭载了传感器和相机，用于实时感知和识
别周围的障碍物和环境。
这些系统可以帮助无人机规避障碍物，并且进行自主飞行和任务执行。
总之，无人机的技术和原理涉及飞行控制、遥控、导航、能源、通信、感知和避障等多个方面。
通过这些技术的综合应用，无人机可以实现自主飞行和执行各种任务。
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飞控系统是无人机的核心控制装置，相当于无人机的大脑，是否装有飞控系统也是无人机区别于普通航空模型的重要标志。
在经历了早期的遥控飞行后，目前其导航控制方式已经发展为自主飞行和智能飞行。
导航方式的改变对飞行控制计算机的精度提出了更高的要求；随着小型无人机执行任务复杂程度的增加，对飞控计算机运算速度的要求也更高；而小型化的要求对飞控计算机的功耗和体积也提出了很高的要求。
高精度不仅要求计算机的控制精度高，而且要求能够运行复杂的控制算法，小型化则要求无人机的体积小，机动性好，进而要求控制计算机的体积越小越好。
在众多处理器芯片中，最适合小型飞控计算机CPU的芯片当属TI公司的TMS320LF2407，其运算速度以及众多的外围接口电路很适合用来完成对小型无人机的实时控制功能。
它采用哈佛结构、多级流水线操作，对数据和指令同时进行读取，片内自带资源包括16路10位A ／D转换器且带自动排序功能，保证最多16路有转换在同一转换期间进行，而不会增加CPU 的开销；40路可单独编程或复用的通用输入／输出通道；5个外部中断；集成的串行通信接口（SCI），可使其具备与系统内其他控制器进行异步（RS 485）通信的能力；16位同步串行外围接口（SPI）能方便地用来与其他的外围设备通信；还提供看门狗定时器模块（WDT）和CAN通信模块。
飞控系统组成模块
飞控系统实时采集各传感器测量的飞行状态数据、接收无线电测控终端传输的由地面测控站上行信道送来的控制命令及数据，经计算处理，输出控制指令给执行机构，实现对无人机中各种飞行模态的控制和对任务设备的管理与控制；同时将无人机的状态数据及发动机、机载电源系统、任务设备的工作状态参数实时传送给机载无线电数据终端，经无线电下行信道发送回地面测控站。
按照功能划分，该飞控系统的硬件包括：主控制模块、信号调理及接口模块、数据采集模块以及舵机驱动模块等。
模块功能
各个功能模块组合在一起，构成飞行控制系统的核心，而主控制模块是飞控系统核心，它与信号调理模块、接口模块和舵机驱动模块相组合，在只需要修改软件和简单改动外围电路的基础上可以满足一系列小型无人机的飞行控制和飞行管理功能要求，从而实现一次开发，多型号使用，降低系统开发成本的目的。
系统主要完成如下功能：
（1）完成多路模拟信号的高精度采集，包括陀螺信号、航向信号、舵偏角信号、发动机转速、缸温信号、动静压传感器信号、电源电压信号等。
由于CPU自带A／D的精度和通道数有限，所以使用了另外的数据采集电路，其片选和控制信号是通过EPLD中译码电路产生的。
（2）输出开关量信号、模拟信号和PWM脉冲信号等能适应不同执行机构（如方向舵机、副翼舵机、升降舵机、气道和风门舵机等）的控制要求。
（3）利用多个通信信道，分别实现与机载数据终端、GPS信号、数字量传感器以及相关任务设备的通信。
由于CPU自身的SCI通道配置的串口不能满足系统要求，设计中使用多串口扩展芯片28C94来扩展8个串口。
系统软件设计
该系统的软件设计分为2部分，即逻辑电路芯片EPLD译码电路的程序设计和飞控系统的应用程序设计。
逻辑电路程序设计
EPLD 用来构成数字逻辑控制电路，完成译码和隔离以及为A／D，D／A，28C94提供片选信号和读／写控制信号的功能。
该软件的设计采用原理图输入和 VERILOG HDL语言编程的混合设计方式，遵循设计输入→设计实现→设计校验→器件编程的流程。
系统使用了两片ispLSI1048芯片，分别用来实现对 A／D，D／A的控制和对串口扩展芯片28C94的控制，参数来源于翼趣无人机网。
系统应用程序设计
由于C语言不但能够编写应用程序、系统程序，还能像汇编语言一样直接对计算机硬件进行控制，编写的程序可移植性强。
由于以DSP为核心设计的系统中涉及到大量对外设端口的操作，以及考虑后续程序移植的工作，所以飞控系统的应用程序选用BC 3．1来设计，分别实现飞行控制和飞行管理功能。
软件按照功能划分为4个模块：时间管理模块、数据采集与处理模块、通信模块、控制律解算模块。
通过时间管理模块在毫秒级时间内对无人机进行实时控制；数据采集模块采集无人机的飞行状态、姿态参数以及飞行参数、飞行状态及飞行参数进行遥测编码并通过串行接口传送至机载数据终端，通过无线数据信道发送到地面控制站进行飞行监控；姿态参数通过软件内部接口送控制律解算模块进行解算，并将结果通过D／A通道送机载伺服系统，控制舵机运行，达到调整、飞机飞行姿态的目的；通信模块完成飞控计算机与其他机载外设之间的数据交换功能。
利用高速DSP控制芯片在控制律计算和数据处理方面的优势及其丰富的外部资源，配合大规模可编程逻辑器件CPLD以及串行接口扩展芯片28C94设计小型机载飞控计算机，以其为核心设计的小型无人机飞控系统具有功能全，体积小，重量轻，功耗低的特点，很好地满
足了小型无人机对飞控计算机高精度、小型化、低成本的要求。
该设计已成功应用于某验证无人机系统。