单元3无人机飞行控制系统PPT课件

1、单元3 无人机飞行控制系统3.1 无人机飞行控制系统概述飞行控制与管理系统（以下简称飞行控制系统）是无人机的关键系统之一。飞行控制系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务、返场着陆等整个飞行过程的核心系统，对无人机实现全权限控制与管理，因此对无人机的功能和性能起关键、决定性作用。如果没有飞行控制系统，现代无人机就不可能上天飞行，完成各种任务。3.1 无人机飞行控制系统概述与有人驾驶飞机（有人机）相比，无人机最大的特点就是“无人”二字，因此无人机飞行控制系统与有人机飞行控制系统相比所具有的特点，也是从这二字而来。3.1.1 无人机控制与管理系统的特点无人机控制与管理系统的特点 3.1 无人机飞行

2、控制系统概述首先，飞行控制的范畴不同：有人机时刻强调人的作用，飞行控制系统的作用是保证如何发挥人的主观能动性，其控制是有权限的，因此其作用范畴为保证驾驶人员方便、灵活、有效地操纵飞机，有人机飞行控制系统在飞机起飞阶段、着陆最后阶段往往是不参与飞机控制的；3.1.1 无人机控制与管理系统的特点无人机控制与管理系统的特点 3.1 无人机飞行控制系统概述而现代无人机的整个飞行过程都要靠飞行控制系统来进行有效管理与控制，其控制是全时全权限的，飞行控制系统的作用范畴覆盖了有人机飞行控制系统、驾驶员、甚至其它系统（如导航、制导、任务管理、载荷控制等）的所有功能，在无人机的整个工作过程，其飞行控制系统都参与

3、无人机的控制，因此其作用范畴远远大于有人机飞行控制系统。3.1.1 无人机控制与管理系统的特点无人机控制与管理系统的特点 3.1 无人机飞行控制系统概述其次，飞行控制的功能与作用不同：根据有人机飞行控制系统的作用范畴，有人机飞行控制系统主要完成飞机内回路的增稳与控制（战斗机、攻击机、直升机等），强调操稳性或舒适性，部分飞行控制系统能够与导航系统耦合，完成外回路的航迹控制（轰炸机、运输机等）；3.1.1 无人机控制与管理系统的特点无人机控制与管理系统的特点 3.1 无人机飞行控制系统概述而无人机飞行控制系统的作用范畴，其飞行控制系统除完成无人机内回路、外回路控制的所有功能外，还能够完成导航、制导

4、、飞行任务管理、任务载荷管理与控制功能，远远超出了飞行控制功能，无人机飞行控制系统强调系统稳定性、控制与导航精度等性能指标和任务管理能力，特别是自主导航能力，因此经常被称为综合飞行控制系统。3.1.1 无人机控制与管理系统的特点无人机控制与管理系统的特点 3.1 无人机飞行控制系统概述最后，飞行控制设计思想不同：无人机与有人机相比，不考虑人的生理限制，可以放宽由人生理限制而产生的对飞行状态的控制要求，同时可靠性级别一般低于有人机，余度配置低，大多采用非余度配置方案，就连美国功能和性能最为完善的“全球鹰”飞行控制系统也仅采用双余度配置。3.1.1 无人机控制与管理系统的特点无人机控制与管理系统的

5、特点 3.1 无人机飞行控制系统概述根据无人机发展的历史时期和用途的不同，无人机控制系统在组成和功能上有相当大的差别。无人机飞行控制系统一般包含传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分。飞行控制系统的功能如下： 无人机姿态稳定与控制； 无人机自主导航飞行与航迹控制； 无人机起飞（发射）与着陆（回收）控制； 无人机飞行管理； 无人机任务设备管理与控制；3.1.2 无人机控制与管理系统的组成和功能无人机控制与管理系统的组成和功能 3.1 无人机飞行控制系统概述 应急控制； 信息收集与传递。以上所列的功能中第1、4和7项是所有无人机飞行控制系统所必须具备的功能，而其它项不是每一种飞行控制系统都具备，

6、也不是每一种无人机都需要的，根据具体无人机种类和型号可进行选择、裁剪和组合。3.1.2 无人机控制与管理系统的组成和功能无人机控制与管理系统的组成和功能 3.2无人机飞行控制模式无人机的飞行控制系统是全时限、全权限的，飞行控制模式可以分为程序控制（时间程序控制）、遥控（通过地面站遥控指令控制）和自主飞行控制（二维、三维或四维）三种。在遥控方式下，地面操作手根据无人机的状态信息和任务要求控制无人机的飞行；在自主控制方式下，飞行控制系统根据传感器获取的飞机状态信息和任务规划信息自动控制无人机的飞行。在半自主控制方式下，飞行控制系统一方面根据传感器获取的飞机状态信息和任务规划信息自主控制无人机的飞行

7、，另一方面，接收地面控制站的遥控指令，改变飞行状态。3.3无人机飞行控制原理无人机在类型、布局形式上具有多样性。不同类型不同布局形式的无人机在操控方式上存在很大差异。但在无人机飞行控制中所涉及到的控制思想与控制原理又具有一致性。3.3无人机飞行控制原理1、 控制的基本思想：反馈。2、 反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。3、 测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。 4、 控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。3.4无人机飞行控制律飞行控制律是指令及各种外部信息到飞机各执行机构的一种映射关系，即飞行控制系统形成控制指令的算法。飞行控制

8、律描述了受控状态变量与系统输入信号之间的关系。当无人机飞行状态得到正确测量后，与期望值进行比较，飞行控制律就是根据两者之间的差异，来决定无人机执行何种操纵，来消除实际值与期望值之间的差异。3.4无人机飞行控制律目前，无人机飞行控制律设计中，普遍采用的有PID控制方法、模糊控制方法等。下面，以固定翼无人机俯仰姿态控制为例，来介绍各类常用的飞行控制方法。一、PID控制PID （比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。3.4无人机飞行控制律PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器，在无人机飞行控

9、制中也得到广泛应用。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 比例（P）控制：控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差； 积分（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差； 3.4无人机飞行控制律 微分（D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。增加“微分项”能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用

10、等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。3.4无人机飞行控制律二、模糊控制模糊控制是基于模糊数学的基本思想和理论的控制方法。特点：（1）无需知道被控对象的数学模型；（2）是一种反映人类智慧思维的智能控制（模糊控制采用人类思维中的模糊量，如“高”、“中”、“低”等，且控制量由模糊推理导出）；3.4无人机飞行控制律（3）易于被人们所接受（核心：控制规则）；（4）构造容易；（5）鲁棒性好。人员操纵无人机飞行时，通过观察无人机飞行姿态与轨迹，对其飞行进行控制。当操纵人员获得观测数据时，根据所积累的知识和操纵经验，做出决策，并采取相应的控制动作。显然，这种决策过程不是通过精确的定量计算，而是依靠定性的或模糊的知识。3.4无人机飞行控制律例如，在纵向姿态控制时，操纵人员所感知的只是纵向姿态的概念量，比如说“俯仰角非常偏大”，他使用这一概念与头脑中已有的控制经验和模式相匹配，得到“俯仰角非