多旋翼无人机的飞行控制(二)
多旋翼无人机飞行控制系统设计与实现研究
科技资讯2017 NO.29SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION动力与电气工程
57 科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATIONDOI：10.16661/ki.1672-3791.2017.29.057多旋翼无人机飞行控制系统设计与实现研究①明志舒 黄鹏 刘志强 李乐蒙 高凯（国网山东省电力公司经济技术研究院 山东济南 250000）摘 要:随着社会的进步和国民经济的发展，现代高新科技的发展得到了前所未有的推进，为各行业的进步和发展提供了良好的保障。近些年来出现的多旋翼无人机，是一种集合多项现代高新科技的成果，具有定点悬停功能，能够实现在现代军事、工业、农业等各个领域的应用。本文就四旋翼无人机为例，探讨了多旋翼无人机飞行控制系统的设计以及实现。关键词:多旋翼无人机 飞行控制系统 设计与实现研究 无人机飞行控制系统 中图分类号:V249 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2017)10(b)-0057-02
①作者简介：明志舒(1983,6—),男，汉族,湖北人,硕士,工程师，研究方向：输变电工程管理。1 飞行控制系统的硬件设计本文设计的飞行控制系统在硬件方面主要分为控制器、传感器、电源、执行机构和遥控接收等模块，具体论述如下。1.1 控制器我们利用美国德州仪器公司所研发的TMS320F28335当作控制器当中的主芯片，可以说它是当下功能最为强大的一种芯片，具备对信号加以处理的功能，而且还有嵌入式控制以及针对事件加以管理的功能。该芯片的外部接口基本原则为：将飞控系统作为基础而定。该芯片不管是在引脚数目上，还是在引脚功能方面都非常贴合飞控系统的全部要求，所以说只要针对芯片的接口加以少量地拓展就可以了。其主要的特征为：(1)利用到了哈弗总线结构。(2)其代码安全模块利用到了128位密码对Flash加以保护，保证相关寄存器在数据方面的安全。(3)TMS320F28335的应用，实现了对开发时间大幅度的节约，这主要是其利用到了目前应用比较广泛的C/C++语言。(4)1K×16OTPROM以及8K×16形式的BootROM，供给出了两个用于采样的电力，继而实现了对两个通道上信号实施的同步采集，所以有着非常高效的处理能力以及运算的精度，确保了信号所具备的时效性以及高速性。1.2 传感器1.2.1陀螺仪陀螺仪能够对检测指示器中的数据加以显示，是自动控制系统当中的一个非常重要的组成。应用的陀螺仪是MPU6050三轴形式的陀螺仪，具有16位的模拟、数字转换器，使输出模拟量实现向可输出数字量的转化。1.2.2加速度传感器在多旋翼的飞行控制系统当中，加速传感器应该说是一个非常重要的元器件。这不仅是由于加速度传感器具有动态载体的特性校正功能，并且它能够针对加速度实施积分，继而得出载体速度以及位置之类的基本信息。我们所选取的ADI公司研发的ADXL345传感器，同时兼具SPI以及I2C的数字输出功能，其分辨率较高，同时体积也比较小。1.2.3GPS模块当无人机在天空飞行的时候定位系统是十分重要的，需要对无人机所呈现的姿态加以实时的测量，可以说在无人机系统当中，GPS模块占据着一定的主导地位。我们选取了U-BLOX公司所研发和生产的CJMCU-6M当作GPS的接收机，该传感器具有接口较为方便，而且定位的速度也比较快，不用长时间等待的特征。其利用串口输出的形式RS-232数据传输，继而结合协议而解算无人机所处的坐标、高度和时间之类的信息。1.3 电源电源模块主要的功能是为飞控系统当中的其他模块供给电量，从而确保飞行顺利。电源模块当中主要包含一个电源接口，以及一个稳压器，稳压器所具备的功能是对电压加以转换，避免因为高电压而导致电路板和一些其他元器件的损坏。本文中选择系统稳压器的标准为5V输入，主控板的供电输出是3.3V，而最大的输出电流是500mA。1.4 执行机构驱动多旋翼无人机的飞行系统想要达成自主悬停功能，这就需要飞行器必须要在飞行不稳的情况之下能够迅速地改变成为平稳的状态，也就是在这种情况之下，执行机构要在非常短的时间之内做出相应的反应，让无人机所呈现的速度能够高速地提升或降低。本文所设计的系统当中采用直流无刷电机当作执行机构，继而配合无刷电调来应用，这个电机具备周期较长，而且效率较高等特征。电机是一种十分关键的执行机构，是对飞行器的姿态加以控制的动力。而我们所选择的直流无刷电机是想让四旋翼形式的飞行器形成多种飞行的姿态，工作的主要原理为对空气动力学的利用，从而使旋翼形成多种转速，继而达到想要的效果，完成各种飞行姿态。直流无刷的电机所接收到的控制信号是PWM波所发出的。而结合DSP所发出的具有不同占空比的信号，电机就能够做出相应的改变，继而形成各种转速，让无人机能够在空中显现出各种飞行的姿态。1.5 遥控接收我们所选择的接收机是我国天地飞公司所产出的WFLY型七通道的接收机，对遥控器发射的信号加以接收，在无人机的操作人员实施操控的过程当中，遥控器将会利用内部解算编码之类的过程把信号转变成为可以接收并识别的PPM信号，而接收机在对PPM信号加以识别之后，(下转59页)科技资讯2017 NO.29SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION动力与电气工程
多旋翼无人机飞控测试题
多旋翼无人机飞控测试题
1. 多旋翼无人机的飞行控制系统主要包括哪些部分？
A. 传感器 B. 控制器 C. 执行器 D. 电源
答案：ABCD
2. 多旋翼无人机的飞行模式有哪些？
A. 手动模式 B. 自动模式 C. GPS模式 D. 定高模式
答案：ABCD
3. 多旋翼无人机的飞控系统主要实现哪些功能？
A. 稳定控制 B. 姿态控制 C. 高度控制 D. 航向控制
答案：ABCD
4. 多旋翼无人机的飞控系统中，常用的传感器有哪些？
A. 加速度计 B. 陀螺仪 C. 磁力计 D. 气压计
答案：ABCD
5. 多旋翼无人机的飞控系统中，常用的控制器有哪些？
A. PID控制器 B. 卡尔曼滤波器 C. 模糊控制器 D. 神经网络控制器
答案：ABCD
6. 多旋翼无人机的飞控系统中，常用的执行器有哪些？
A. 电子调速器 B. 电机 C. 螺旋桨 D. 伺服器
答案：ABC
7. 多旋翼无人机的飞控系统中，常用的通信方式有哪些？
A. 蓝牙 B. Wi-Fi C. 射频 D. ZigBee
答案：ABCD
8. 多旋翼无人机的飞控系统中，常用的导航方式有哪些？
A. GPS导航 B. 光流导航 C. 视觉导航 D. 惯性导航
答案：ABCD
9. 多旋翼无人机的飞控系统中，常用的定位方式有哪些？
A. GPS定位 B. GLONASS定位 C. 北斗定位 D. 基站定位
答案：ABCD
10. 多旋翼无人机的飞控系统中，常用的避障方式有哪些？
A. 超声波避障 B. 红外避障 C. 激光避障 D. 视觉避障
答案：ABCD
UOM多旋翼无人机安全操控理论课程
什么是管制空域?
真高120米以上空域，空中禁区、空中限制区以及周边空域，军用航空超低空飞行空域，以及下列区域上方的空域应当划设为管制空域:
1.机场以及周边一定范围的区域;
2.国界线、实际控制线、边境线向我方一侧一定范围的区域;
3.军事禁区、军事管理区、监管场所等涉密单位以及周边一定范围的区域;
4.重要军工设施保护区域、核设施控制区域、易燃易爆等危险品的生产和仓储区域，以及可燃重要物资的大型仓储区域;
5.发电厂、变电站、加油(气)站、供水厂、公共交通枢纽、航电枢纽、重大水利设施、港口、高速公路、铁路电气化线路等公共基础设施以及周边一定范围的区域和饮用水水源保护区;
6.射电天文台、卫星测控(导航)站、航空无线电导航台、雷达站等需要电磁环境特殊保护的设施以及周边一定范围的区域;
7.重要革命纪念地、重要不可移动文物以及周边一定范围的区域;
8.国家空中交通管理领导机构规定的其他区域。
隔离飞行和融合飞行
隔离飞行，是指无人驾驶航空器与有人驾驶航空器不同时在同一空域内的飞行。
融合飞行，是指无人驾驶航空器与有人驾驶航空器同时在同一空域内的飞行。
哪些情况下，无人驾驶航空器可以与有人驾驶航空器融合飞行?
无人驾驶航空器通常应当与有人驾驶航空器隔离飞行。属于下列情形之一的，经空中交通管理机构批准，可以进行融合飞行:
1根据任务或者飞行课目需要，警察、海关、应急管理部门辖有的无人驾驶航空器与本部门、本单位使用的有人驾驶航空1.器在同一空域或者同一机场区域的飞行;
2取得适航许可的大型无人驾驶航空器的飞行;
3取得适航许可的中型无人驾驶航空器不超过真高300米的飞行:
4 小型无人驾驶航空器不超过真高300米的飞行;
5 轻轻型无人驾驶航空器在适飞空域上方不超过真高300米的飞行。
操控无人驾驶航空器实施飞行活动，应该遵守哪些行为规范?
1 依法取得有关许可证书、证件，并在实施飞行活动时随身携带备查;
多旋翼考试题库及答案
多旋翼考试题库及答案
一、单选题
1. 多旋翼无人机的飞行原理是通过改变旋翼的什么来实现升力的变化？
A. 旋转速度
B. 旋转方向
C. 旋转角度
D. 旋转半径
答案：A
2. 多旋翼无人机的电池类型通常是什么？
A. 镍氢电池
B. 锂电池
C. 铅酸电池
D. 锌锰电池
答案：B
3. 多旋翼无人机的飞行控制系统中，GPS模块的主要作用是什么？
A. 定位和导航
B. 测速
C. 测量高度
D. 测量温度
答案：A
4. 在多旋翼无人机的飞行中，以下哪个因素会影响无人机的稳定性？
A. 风速
B. 无人机重量
C. 电池电量
D. 以上都是 答案：D
5. 多旋翼无人机的遥控器通常有几个通道？
A. 2个
B. 4个
C. 6个
D. 8个
答案：C
二、多选题
1. 多旋翼无人机在飞行前需要进行哪些检查？
A. 电池电量
B. 旋翼是否完好
C. GPS信号强度
D. 遥控器连接情况
答案：A、B、C、D
2. 多旋翼无人机的飞行安全措施包括哪些？
A. 远离人群
B. 遵守飞行法规
C. 保持视线范围内飞行
D. 定期检查无人机状态
答案：A、B、C、D
三、判断题
1. 多旋翼无人机的飞行高度没有限制。（错误）
2. 多旋翼无人机在飞行过程中，可以通过改变旋翼的旋转速度来实现转向。（正确）
3. 多旋翼无人机的电池电量耗尽时会自动降落。（错误）
4. 多旋翼无人机在强风中飞行时，稳定性不会受到影响。（错误）
5. 多旋翼无人机的飞行控制系统可以完全依赖GPS进行定位。（错误）
四、简答题
1. 请简述多旋翼无人机的起飞和降落过程。
答：多旋翼无人机的起飞过程通常是通过逐渐增加旋翼的旋转速度来增加升力，直至无人机克服重力，离开地面。降落过程则是通过逐渐减小旋翼的旋转速度，降低升力，使无人机缓慢下降至地面。
2. 多旋翼无人机在飞行中遇到紧急情况应如何处理？
答：在飞行中遇到紧急情况，如无人机失控或遭遇强风，应立即切换至手动模式，尝试通过遥控器控制无人机的飞行方向和高度，寻找安全地点进行降落。如果无法恢复控制，应尽量引导无人机远离人群和建筑物，并做好紧急迫降的准备。
多旋翼无人机教案课程
哈尔滨四通技工学校第三教学站
延寿农民工综合培训学校
多旋翼无人机操作教案
二0一七春季生
课程名称： 多旋翼无人机操作基础 授课教师: 张海东
课 题 第一章 无人飞行器概述
教学目标 1、无人飞行器发展简史
2、无人飞行器的优缺点
3、无人飞行器应用领域
教学重点 1、什么事无人机
2、无人机的应用
3、无人机未来的发展趋势
教材分析 无人机的概述重要性，帮助学员更好的了解无人机。
教学方法 讲授法
授课类型 新课
课 时 二课时
课程内容 一、组织教学
二、课前提问
三、导入新课
四、教学内容：
1、 1910年，在莱特兄弟所取得的成功的鼓舞下，来自俄亥俄州的年轻军事工程师查尔斯?科特林建议使用没有人驾驶的飞行器：用钟表机械装置控制飞机，使其在预定地点抛掉机翼并象炸弹一样落向敌人。在美国陆军的支持和资助下，他制成并试验了几个模型，取名为“科特林空中鱼雷”、“科特林虫子”。
2、二战期间，美国海军首先将无人机作为空面武器使用。1944年，美国海军为了对德国潜艇基地进行打击，使用了由B-17轰炸机改装的遥控舰载机。
3、上世纪70-90年代及其以后，以色列军事专家、科学家和设计师对无人驾驶技术装备的发展做出了突出贡献，并使以色列在世界无人驾驶系统的研制和作战使用领域占有重要地位。
4、最着名的是“捕食者” 可复用无人机，世界上最大的无人机––“全球鹰”，“影子-200”低空无人机， “扫描鹰”小型无人机，“火力侦察兵” 无人直升机。
5、理论开创阶段，多旋翼无人飞行器理论开创于上世纪10年代，直升机研发之前。几家主要飞机生产商开发出的在多个螺旋桨中搭乘飞行员的机型。这种设计开创了多旋翼飞行器的理论。
6、加速发展阶段，2007年以后，装配高性能压电陶瓷陀螺仪和角速度传感器（六轴陀螺仪）的多旋翼无人飞行器开始出现加速发展。 7、未来发展阶段，伴随着飞行器技术的进步，多旋翼无人飞行器使用者会急剧增加。这样一来，事故和故障也会相应增加，甚至会发展成社会问题。今后不仅是制造商和商店一级，协会和主管部门面向多旋翼无人飞行器的飞行会和培训班也会增加。
无人机(多旋翼)组装与调试技术 2.2.1 单项悬停训练—升降舵(实操)
教 案
课程名称
无人机操控与维修 章节名称 单项悬停模拟训练（升降舵）
教师姓名 授课班级 授课形式
教学目的：
了解模拟飞行训练的重要性。
了解凤凰模拟飞行软件的应用。
主要内容
一、导入
教学建议：
1）先做分解训练，即练习单项（科目1、科目2），再练习复合（科
目3），分解成最小的训练单元，这样就能把训练的难度降低，有利于逐
个快速突破。
2）每次进行10min 的专注训练，保持每天1h 的 “高质量” 训练。
3）训练结束后，要及时对当天训练过程中的经验教训进行复盘。
学习要领
1）模拟器训练重点：把遥控器的操作杆练熟，而且推得越慢越好。
2）练习心态，心态要稳定，要静下心来练习。
3）悬停是基础，尤其是新手不能图快，一定要一步一个脚印，扎扎实实地进行练习，先练习好对尾科目后再去练习下一个项目。
4）先练对尾科目，再练对头科目，然后练对左科目，最后练对右科目，逐渐形成肌肉记忆。
5）打舵时需要打提前量，即预判无人机飞行的方向，当没有较大移动速度时，反方向轻微地修正，这需要通过多次反复尝试，才能真正掌握悬停要领。
6）学着打微舵，即逐渐控制自己的拇指，就像刚开始使用筷子夹不住花生米一样，训练需要一个逐渐提高的过程。
二、内容
1. 单项模拟训练——升降舵
（1）单通道——对尾悬停
1）训练准备：在模拟器菜单栏里单击“训练模式”，选择“悬停训练”，进
入悬停训练模式，设置选项为仅升降舵，方向为后面，如图3-60 所示。
2）训练要求：通过对升降舵的微调，使无人机停留在中线处，悬停时
间为3~5s，修舵过程中应无错舵操作。
3） 训练时间：建议练习2h 以上。
分享：升降舵悬停训练。
（2）单通道——对头悬停
1）训练准备：设置选项为仅升降舵，方向为前面，如图3-61 所示。
2）训练要求：通过对升降舵的微调，使无人机停留在中线处，悬停时间为3~5s，修舵过程中应无错舵操作。
多旋翼无人机的控制原理
多旋翼无人机的控制原理
多旋翼无人机是由多个电动机和旋翼组成的飞行器，它的控制原理包括飞行器姿态控制、定位导航控制和飞行速度控制。
飞行器姿态控制是通过控制每个旋翼的转速来控制飞行器的姿态，以实现稳定的飞行。在飞行过程中，通过改变旋翼转速可以改变飞行器的姿态，如前后倾斜、左右倾斜、俯仰和偏航等。通过精确调整不同旋翼的转速，可以达到控制飞行器姿态的目的。一般情况下，多旋翼无人机使用四个旋翼，即四旋翼结构，其中两个对角旋翼旋转方向相同，另外两个对角旋翼旋转方向相反。通过不同旋翼的转速组合和调整，可以使飞行器保持平衡姿态。
定位导航控制是为了让飞行器能够按照预定的航线进行自主飞行。无人机一般通过全球定位系统（GPS）等定位设备获取自身的位置信息，并结合惯性测量单元（IMU）获取飞行器的姿态信息，以实现精确定位和导航。根据设定的目标点，飞行控制系统会计算飞行器当前位置与目标点之间的距离和角度偏差，然后根据这些偏差调整飞行器的转向和姿态，达到自动飞行的目的。此外，飞行器还可以通过使用避障传感器等装置来避免与障碍物碰撞，确保安全飞行。
飞行速度控制是为了控制飞行器的速度，使其能够按照要求的速度进行飞行。控制飞行器的速度可以通过改变旋翼的转速来实现。增加旋翼的转速可以使飞行器加速，减小转速则可以使飞行器减速。在控制飞行速度时，需要考虑飞行器的姿态和环境因素（如风速、气流等），以实现精确的速度控制。
多旋翼无人机的控制原理是通过调整旋翼的转速来实现姿态控制、定位导航控制和飞行速度控制。通过合理设计控制系统和传感器装置，飞行器可以实现自主飞行、稳定飞行和精确控制的能力。这使得无人机在各种应用领域都有着广泛的应用前景，如农业植保、物流配送、环境监测等。当然，无人机的控制原理还可以根据具体需求进行改进和优化，以实现更高的飞行性能和控制精度。
多旋翼无人机的原理
多旋翼无人机的原理
多旋翼无人机是一种通过多个旋翼来产生升力和控制飞行的飞行器。其原理基于飞行器在空气中产生升力，并通过改变旋翼的转速和姿态来控制飞行方向。
多旋翼无人机通常由一个或多个旋翼组成，每个旋翼由一个电动马达驱动，通过螺旋桨产生向上的推力。这些旋翼安装在飞行器的平衡板上，通过控制各个旋翼的转速和提升力分配来实现飞行。
在飞行过程中，通过调整各个旋翼的转速，可以使飞行器在空中悬停、上升或下降。通过改变旋翼的倾斜角，可以实现向前、后、左、右等方向的飞行。旋翼的倾斜角度可以通过改变飞行器的姿态来实现，通常通过控制机身前后倾斜、左右倾斜和偏航来控制。
多旋翼无人机还可以通过配备陀螺仪和加速度计等传感器来实现自稳定和姿态控制。陀螺仪可以感知飞行器的姿态变化，通过自动调整旋翼的转速来保持平衡。加速度计可以感知飞行器的速度和加速度变化，通过自动调整旋翼的转速来保持稳定飞行。
此外，多旋翼无人机还可以通过配备GPS导航系统来实现自动导航和定位。通过GPS系统，飞行器可以获取自身的位置信息，并根据预设的航点来自动飞行。
总之，多旋翼无人机通过调整旋翼的转速和姿态来实现升力和飞行控制。搭配各种传感器和导航系统，可以实现自稳定、自动导航和定位等功能，广泛应用于航拍、物流、农业等领域。
多旋翼无人机遥控器口诀
多旋翼无人机遥控器口诀
摘要：
一、引言
二、多旋翼无人机遥控器简介
三、口诀内容与解析
1.起飞准备
2.起飞与降落
3.姿态调整
4.前后左右移动
5.旋转与翻滚
6.高度控制
7.航向锁定
8.失控保护
四、口诀的实际应用与操作技巧
五、总结
正文：
一、引言
多旋翼无人机遥控器口诀是无人机爱好者掌握飞行技巧的关键。通过熟练掌握口诀，可以轻松操控多旋翼无人机，实现各种飞行动作，提高飞行安全。本文将详细解析多旋翼无人机遥控器口诀，帮助读者快速掌握飞行技巧。
二、多旋翼无人机遥控器简介 多旋翼无人机遥控器，通常采用2.4GHz或5.8GHz无线通信技术，可以实现对无人机的远距离操控。遥控器上通常设有多个功能按键，如方向舵、油门、升降舵等，通过组合操作，可以实现对无人机姿态、高度、速度等各种参数的调整。
三、口诀内容与解析
1.起飞准备
确保无人机与遥控器连接正常，遥控器电池充足，无人机电池电量充足。同时检查周围环境，避免在人群、高楼、电线等危险区域飞行。
2.起飞与降落
起飞：缓慢推动油门，直至无人机离地。
降落：减小油门，让无人机缓慢降落。注意控制高度，避免撞击地面。
3.姿态调整
左摇杆上抬：向左倾斜
左摇杆下压：向右倾斜
右摇杆上抬：向前倾斜
右摇杆下压：向后倾斜
4.前后左右移动
左摇杆向左：向左移动
左摇杆向右：向右移动
右摇杆向前：向前移动
右摇杆向后：向后移动
5.旋转与翻滚 左摇杆顺时针旋转：顺时针旋转
左摇杆逆时针旋转：逆时针旋转
右摇杆顺时针旋转：向前翻滚
右摇杆逆时针旋转：向后翻滚
6.高度控制
上抬左摇杆：升高
下压左摇杆：降低
7.航向锁定
按下遥控器上的航向锁定按钮，锁定无人机飞行方向。
8.失控保护
如遇失控情况，立即启用失控保护功能，无人机将自动返航。
四、口诀的实际应用与操作技巧
实际飞行中，需要根据实际情况灵活运用口诀。例如，在起飞和降落过程中，要随时关注无人机的高度，避免过高或过低；在姿态调整时，要掌握力度，避免过度倾斜导致失控。
多旋翼无人机的基本飞行动作
- 1 - 多旋翼无人机的基本飞行动作
多旋翼无人机是一种由多个旋翼通过电机驱动实现飞行的飞行器。在飞行过程中，多旋翼无人机可以进行多种基本飞行动作，包括起飞、降落、悬停、前进、后退、向左转弯、向右转弯、旋转等。
起飞是多旋翼无人机的基本飞行动作之一，其主要步骤为加速旋翼转速，提升飞行器，并保持平稳升空的姿态。降落则与起飞相反，需要逐渐减速降落到地面，同时保持稳定的姿态。
悬停是多旋翼无人机的特有飞行动作，其需要通过调整旋翼的转速来控制飞行器保持在特定的位置上，同时保持水平姿态。在悬停状态下，飞行器可以进行拍摄、观察等操作。
前进、后退、向左转弯、向右转弯都是多旋翼无人机的基本运动方式，其需要通过调整不同旋翼的转速来实现。旋转则需要通过对旋翼转速的调整来实现飞行器在空中偏移的旋转运动。
以上是多旋翼无人机的基本飞行动作介绍，这些动作在无人机操作中非常常见，是无人机飞行的基础。