无人机飞控基本原理及构成 教程
无人机中的智能飞控系统研究
无人机中的智能飞控系统研究在当今科技飞速发展的时代，无人机已经成为越来越多人关注的话题。
随着无人机应用领域的不断扩大，如何保证无人机的飞行安全性和稳定性成为了人们的关注点。
而这其中的关键技术之一，就是智能飞控系统。
一、智能飞控系统的基本组成和工作原理智能飞控系统，是指利用现代计算机控制技术，对无人机的飞行姿态、速度、航线等进行控制和调整的系统。
其基本由三部分组成：姿态传感器、计算机及控制系统、执行器。
在无人机飞行时，姿态传感器会持续地对无人机的姿态进行监测，并将数据传输给计算机及控制系统。
计算机及控制系统会根据传感器的数据，进行数据处理和算法运算，并输出控制指令，控制执行器调整无人机的姿态和速度，从而实现稳定的飞行。
二、智能飞控系统的优势相比传统的机械飞行控制系统，智能飞控系统具有以下的优势：1.更加稳定智能飞控系统可以持续地对无人机的姿态和运动状态进行监测和调整，快速、精准地反应出现的不稳定状态，并通过控制执行器实现无人机的稳定飞行。
2.更加精准智能飞控系统基于成熟的控制算法模型，可以对无人机进行精准的姿态控制和运动控制，从而保证了飞行的准确性和可靠性。
3.更加智能智能飞控系统可以通过传感器不断获取和分析无人机的数据，从而对飞行状态进行预测和优化，提高了无人机的智能化程度。
三、智能飞控系统的技术挑战虽然智能飞控系统拥有诸多优势，但其研究和应用面临着一些技术挑战。
主要表现在以下几个方面：1.姿态和位置传感器的准确性智能飞控系统的精准性和可靠性主要依赖于姿态和位置传感器的准确性。
然而，传感器受制于硬件设备本身和外部环境等因素，其测量和传输的数据可能存在误差和偏差，这就需要研究人员不断优化和改进传感器的技术。
2.算法模型的完善智能飞控系统依靠成熟的控制算法模型进行飞行控制，而算法的完善程度和准确性直接影响到无人机的飞行控制。
因此，需要不断地研究和改进智能飞控系统的算法模型，并与现实飞行情况进行验证和调整。
无人机的飞行控制原理及自动化策略
无人机的飞行控制原理及自动化策略无人机（Unmanned Aerial Vehicle，简称UAV）是一种可以在没有驾驶员操作的情况下进行飞行任务的飞行器。
它的飞行控制原理和自动化策略是保证无人机稳定、安全飞行的重要组成部分。
本文将介绍无人机的飞行控制原理和自动化策略，并探讨其应用前景。
一、飞行控制原理无人机的飞行控制原理主要包括飞行动力学、姿态稳定和航迹规划三个方面。
1. 飞行动力学飞行动力学是无人机飞行控制的基础。
它涉及到无人机的运动学和动力学模型，通过分析和建模无人机的力学特性，可以确定飞行器的姿态、速度和加速度等基本参数。
2. 姿态稳定姿态稳定是无人机飞行控制的核心。
通过传感器获取无人机的姿态信息，如俯仰角、横滚角和偏航角等，然后利用控制算法进行姿态调整和稳定。
这可以通过PID控制器或模型预测控制等方法实现。
3. 航迹规划航迹规划是无人机飞行控制的关键。
它涉及到无人机的路径规划和冲突检测等问题。
通过优化算法和遗传算法等方法，可以确定无人机的最佳航迹，并避免与其他无人机或障碍物产生冲突。
二、自动化策略无人机的自动化策略是实现无人机自主飞行和任务执行的关键。
根据任务需求和应用场景的不同，可以采用不同的自动化策略。
1. 航线巡航航线巡航是无人机最常见的自动化策略之一。
通过设置目标航点和航线，无人机可以按照预定的路径巡航，执行任务。
这种策略适用于无人机进行航拍、搜救和环境监测等任务。
2. 精确着陆精确着陆是无人机自动化策略的重要应用之一。
通过使用GPS、视觉传感器和激光雷达等技术，无人机可以准确识别着陆区域，并实现精确着陆。
这在军事、物流和农业等领域有着广泛的应用前景。
3. 集群协同集群协同是无人机自动化策略的新兴领域。
通过无线通信和协同控制算法，可以实现多个无人机之间的合作和协同工作。
这可以应用于无人机编队飞行、紧急救援和智能交通等领域。
三、应用前景无人机的飞行控制原理和自动化策略为其在各个领域的应用提供了坚实的基础。
无人机应用知识：无人机的控制系统及算法介绍
无人机应用知识：无人机的控制系统及算法介绍无人机是一种无人驾驶的飞行器，大幅提升了人类的观察、勘察和采集能力。
无人机的控制系统和算法是无人机成功运作的关键，本文将为大家介绍无人机控制系统的工作原理和常用的算法。
一、无人机控制系统的工作原理无人机控制系统的核心是飞行控制器（Flight Controller，FC）。
飞行控制器主要包括传感器、CPU、调制解调器和电源系统等组成，其中传感器和CPU是最为重要的部分。
1.传感器飞行控制器的传感器主要包括以下几种：（1）加速度计（Accelerometer）：用于测量飞行器的加速度，确定其加速度的大小和方向。
（2）陀螺仪（Gyroscope）：用于测量飞行器的角速度，确定其旋转速度和方向。
（3）磁力计（Magnetometer）：用于测量飞行器所处的磁场，确定其所在的方向。
（4）气压计（Barometer）：用于测量飞行器所处的高度，确定其海拔高度。
2. CPU飞行控制器中的CPU负责运算和控制，其主要功能包括数据采集、信号处理、控制计算和控制输出等。
通过分析传感器采集的数据，CPU可以得到飞行器的实时状态信息，从而根据预设的控制算法进行计算，输出给各个执行机构控制指令，从而调整飞行器的运动状态。
3.调制解调器调制解调器是飞行控制器与地面站进行通信的设备，主要负责接收地面站发送的指令，并将飞行器状态信息上传到地面站。
4.电源系统飞行控制器需要电源供电，无人机通常使用锂电池作为主要电源。
电源系统设计不当会对飞行控制器的性能产生影响，例如电源电压波动会导致飞行控制器输出的控制指令不稳定。
二、常用的无人机控制算法无人机的控制算法是控制系统重要的组成部分，其好坏直接决定着飞行器飞行的稳定性和精度。
以下是几种常用的无人机控制算法。
1. PID控制算法PID控制算法是一种常见的飞行器控制算法，其作用是通过将飞行器的状态与期望状态之间的误差作为控制量，不断调整飞行器的姿态以尽可能减小误差。
无人机的构造及飞行原理简析（一）
无人机的构造及飞行原理简析（一）不同无人机的构造是不一样的，上期我们大概讲了四种比较常见的无人机类型：多旋翼无人机、无人直升机、固定翼无人机、垂直起降固定翼无人机。
本期我们将先为大家讲解多旋翼无人机的构造及飞行。
多旋翼无人机，顾名思义就是由多个旋翼组成的无人机啦。
现今多旋翼无人机应用于多个行业领域，常见的有森林防火、电力巡线、航拍航测、影视拍摄、土地规划、农业飞防喷洒、环保检查、现场救援、交通疏导等行业都用到了无人机。
在无人机采购中多旋翼无人机又有四旋翼、六旋翼、八旋翼这3款不同类型在稳定性、外形尺寸上都有着不同之处。
下面让我们看一下四旋翼无人机的基本构造图：四旋翼无人机的构成基本硬件有：飞行控制计算机（飞行控制器）、飞机支架、电机、旋翼。
无人机的飞行控制计算机是无人机的核心，在飞机中的作用相当于“人”的大脑，对无人机的稳定性、数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响，对其飞行性能起决定性的作用。
其系统一般由又由传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分，实现的功能主要有无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类。
传感器：多轴无人机机身大量装配的各种传感器，包括GPS、气压计、陀螺仪、指南针以及地磁感应等，可以采集角速率、姿态、位置、加速度、高度和空速等，是飞控系统的基础。
机载计算机：机载计算机作为无人机的CPU，是飞控的中枢系统，类似于人体大脑的中枢神经，负责整个无人机姿态的运算和判断;同时，也操控着传感器和伺服作动设备。
伺服作动设备：人机执行机构都是伺服作动设备，是导航飞控系统的重要组成部分。
其主要功能是根据飞控计算机的指令，按规定执行动作。
对于固定翼无人机来说，主要通过调整机翼角度和发动机运转速度，实现对无人机的飞行控制。
飞行原理说完多旋翼无人机的基本构造，那么我们就好开始介绍其的飞行原理是怎么样的了，还是以四旋翼无人机为例。
如下图所示，三角形箭头表示飞机的机头朝向，螺旋桨M1、M3的旋转方向为逆时针，螺旋桨M2、M4的旋转方向为顺时针。
无人机课程教案-无人机结构组成与飞行原理
01 无人机结构 02 无人机飞行原理
无人机结构
控制系统 （控制器/陀螺仪/加速 度计/气压计/GPS）
遥控系统 （遥控器/接收器）
旋翼无人机由飞行器机架、飞行
机架
控制系统、动力系统、遥控器、
遥控系统和云台相机等6大构成
部分
动力系统 （螺旋桨/电机/电调）
云台相机
无人机结构
无人机飞行原理
俯仰运动，即前后控制
如图电机3、4的转速上升，电机1、2的转速下 降。由于飞机后部的升力大于飞机前部，飞机 的姿态会向前倾斜。倾斜时的侧面平视如图， 这时螺旋桨产生的升力除了在竖直方向上抵消 飞机重力外，还在水平方向上有一个分力，这 个分力就让飞机有了水平方向上的加速度，飞 机也因而能向前飞行。从而实现飞行器的俯仰 运动。
无人机飞行原理
左右控制
当M2、M3电机加速，M1、M4电机减速时， 飞机向右倾斜，从而向右飞行。 同理可得：当M1、M4电机加速，M2、M3电 机减速时，飞机向左倾斜，从而向左飞行；
无人机飞行原理
偏航运动，即旋转控制
当无人机各个电机转速相同，飞机的反扭矩被 抵消，不会发生转动。 但是当要飞机原地旋转时，我们就可以利用这 种反扭矩，M2、M4两个顺时针旋转的电机转 速增加，M1、M3号两个逆时针旋转的电机转 速降低，由于反扭矩影响，飞机就会产生逆时 针方向的旋转。。
无人机结构
飞行控制系统一般主要由主控单元、IMU（惯性测量单元）、GPS指南针模块、LED指示灯模块等部件组成
主控单元
飞行控制系统的核心，通过它将 IMU、GPS指南针、舵机和遥控接 收机等设备接入飞行控制系统从而 实现飞行器自主飞行功能。
惯性测量单元（IMU）
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。
第2章无人机组成及飞行原理
固定翼无人机的结构组成
5、动力装置
目前民用领域主要适用往复式活塞发动机和无刷电动机。无刷电动机多用于多旋翼。 往复式活塞发动机是一种内燃机，由气缸、活塞、连杆、曲轴、机匣和汽化器等组
成。它的工作原理是燃料与空气的混合气在气缸内爆燃，产生的高温高压气体对活塞做 功，推动活塞运动，并通过连杆带动曲轴转动，将活塞的往复直线运动转换为曲轴的旋 转运动。曲轴的转动带动螺旋桨旋转，驱动无人机飞行。整个工作过程包括吸气、压缩、 做功和排气四个环节，不断循环往复地进行，使发动机连续运转。
标称空载KV值 电机KV值定义为“转速/伏特”，意思为输入电压增加1V，无刷电机空转转速增加的
转速值。例如，1000kv电机，外加1v电压，电机空转时每分钟转1000转，外加2v电压， 电机空转就2000转了。单从KV值，不可以评价电机的好坏，因为不同KV值有不同的适 用不同尺寸的浆绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，但扭力大，上大尺寸的浆； 绕线匝数少的，KV值高，最高输出电流大，但扭力小，上小尺寸的浆。
固定翼无人机的结构组成
3、尾翼
尾翼是用来配平、稳定和操作固定翼无人机飞行的部件，通常包括垂直尾翼（垂尾）和 水平尾翼（平尾）两部分。
水平尾翼由水平安定面和升降舵组成，通常情况下水平安定面是固定的，升降舵是可动的。 垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。方向舵用于控制飞机的横向运动，升降 舵用于控制飞机的纵向运动。 尾翼的形状也是多种多样的，选择尾翼形状，首先要考虑的是能获得最大效能的空气动力， 并在保证强度的前提下，尽量使结构简单、质量轻。
多旋翼无人机的构成
5、动力电源—电池
电池是将化学能转化成电能的装置。在整个飞行系统中，电池作为能源储备，为整个 动力系统和其他电子设备提供电力来源。目前在多旋翼飞行器上，一般采用普通锂电池 或者智能锂电池等。
无人机系列之飞控算法
⽆⼈机系列之飞控算法⼀.⽆⼈机的分类按飞⾏平台构型分类：⽆⼈机可分为固定翼⽆⼈机，旋翼⽆⼈机，⽆⼈飞艇，伞翼⽆⼈机，扑翼⽆⼈机等.图1 ⽆⼈机平台构型多轴飞⾏器multirotor是⼀种具有三个以上旋翼轴的特殊的直升机。
旋翼的总距固定⽽不像⼀般直升机那样可变。
通过改变不同旋翼相对转速可以改变单轴推进⼒的⼤⼩，从⽽控制飞⾏器的运⾏轨迹.图2 多轴飞⾏器图3 各类变模态平台⼆.⽆⼈机的系统架构图4 ⽆⼈机系统架构三.飞控系统简介导航飞控系统之导航⼦系统功能：向⽆⼈机提供位置，速度，飞⾏姿态，引导⽆⼈机沿指定航线安全，准时，准确的飞⾏。
获得必要的导航要素：⾼度，速度，姿态，航向给出定位信息：经度，纬度，相对位移引导飞机沿规定计划飞⾏接收控制站的命令并执⾏配合其它系统完成各种任务1.飞控系统功能:导航飞控之飞控⼦系统功能：完成起飞，空中飞⾏，执⾏任务，返航等整个飞⾏过程的核习系统，对⽆⼈机实现全权控制与管理，是⽆⼈机的⼤脑。
⽆⼈机姿态稳定与控制与导航⼦系统协调完成航迹控制起飞与返航控制⽆⼈机飞⾏管理⽆⼈机任务管理与控制应急控制2.飞控系统--传感器:飞控系统常⽤的传感器包括：⾓速率传感器陀螺仪图5 陀螺仪加速度传感器图5 加速计⽓压计和超声波图5 声纳与⽓压⼆合⼀ GPS图6 GPS⽰意图光流从⼆维图像序列中检测物体运动、提取运动参数并且分析物体运动的相关规律光流是空间运动物体在观测成像平⾯上的像素运动的“瞬时速度”⽤于飞⾏器的动态定位和辅助惯性导航Lucas Kanade算法这个算法是最常见，最流⾏的。
它计算两帧在时间t到t + δt之间每个像素点位置的移动图7 光流算法⽰意图 地磁传感器图8 磁⼒计四.飞控系统的关键算法1.关键算法流程框图图9 关键算法流程框图2.姿态解算（1）init函数初始化，建⽴3x3矩阵R。
（2）磁⼒计修正，得到误差corr：先计算得到误差⾓度mag_er，再⽤_wrap_pi函数做约束，再计算corr值，相当于机体坐标系绕地理坐标系N轴（Z轴）转动arctan（mag_earth(1), mag_earth(0)）度。
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格洛纳斯（俄罗斯） 北斗（中国）
GPS
GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。 GPS起始于1958年美国军方的一个 项目，1964年投入使用。20世纪70 年代，美国陆海空三军联合研制了 新一代卫星定位系统GPS 。主要目 的是为陆海空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用 于情报搜集、核爆监测和应急通讯 等一些军事目的，经过20余年的研 究实验，耗资300亿美元，到1994年 ，全球覆盖率高达98%的24颗GPS 卫星星座己布设完成。
滤波算法
卡尔曼滤波（Kalman filtering）一 种利用线性系统状态方程，通过系统 输入输出观测数据，对系统状态进行 最优估计的算法。
卫星定位系统基本原理
GPS三大要素
位置
速度
高度
RTK（载波相位差分技术）
实时处理两个 测量站载波相位 观测量的差分方 法，将基准站采 集的载波相位发 给用户接收机， 进行求差解算坐 标。
RTK示意
超声波传感器
光流传感器
MEMS系统
微机电系统（MEMS, Micro-ElectroMechanical System），也叫做微电子机械 系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米 乃至更小的高科技装置。
像飞控一样去 思考
常见的无人机飞控传感器
陀螺仪
电子罗盘
GPS 气压计
加速度计
陀螺仪（角速度计）
基于角动量守恒的理论， 用高速回转体的动量矩敏感 壳体相对惯性空间绕正交于 自转轴的一个或二个轴的角 运动检测装置。
传统机械陀螺仪示意
陀螺仪种类
机械陀螺仪
光纤陀螺仪
MEMS陀螺仪
陀螺仪常见的使用领域
姿态
描述一个刚体坐标系和参考坐标系之间的角度位置关系。 也就是pitch（俯仰）、YAW（航向）、ROLL（横滚）。
算法
也就是姿态转换方法，控 制器 如何采集姿态传感器数据， 并对其进行融合，根据融合 的数据判断自身的运动状态。
PID 控制
飞控解码出姿态传感器的数据之后，随即将两者进 行融合的结果对姿态进行相应的调整，通过信号对电 调进行控制，这种控制方式就叫做PID控制。 P(比例) I（积分） D（微分）
气压计
根据大气压强检测检测当前高度的装置。
磁力计（电子罗盘）
磁力计（Magnetic 、M-Sensor）也叫 地磁、磁感器，可 用于测试磁场强度 和方向，定位设备 的方位，磁力计的 原理跟指南针原理 类似，可以测量出 当前设备与东南西 北四个方向上的夹 角。
卫星定位系统
GPS某米”运动手环
火箭/导弹
加速度计
加速度传感器是一种 能够测量加速度的传感器 传感器在加速过程中，通 过对质量块所受惯性力的 测量，利用牛顿第二定律 获得加速度值。
加速度计基本原理
惯性测量单元（IMU）
惯性测量单元是测量物体三 轴姿态角(或角速率)以及加速度 的装置。一般的，一个IMU包 含了三个单轴的加速度计和三 个单轴的陀螺，加速度计检测 物体在载体坐标系统独立三轴 的加速度信号，而陀螺检测载 体相对于导航坐标系的角速度 信号，测量物体在三维空间中 的角速度和加速度，并以此解 算出物体的姿态。