微型飞行器系统设计

1、微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论南京航空航天大学南京航空航天大学微型飞行器研究中心微型飞行器研究中心 p微型飞行器控制系统设计微型飞行器控制系统设计 u飞行动力学建模飞行动力学建模u飞行动力学特性分析飞行动力学特性分析u控制系统设计控制系统设计u信息传输系统设计信息传输系统设计 u能源与动力系统设计能源与动力系统设计 pMAV飞行动力学建模飞行动力学建模 u质心运动学方程质心运动学方程 l质心动力学方程质心动力学方程l质心运动学方程质心运动学方程u旋转运动方程旋转运动方程l旋转动力学方程旋转动力学方程l旋转运动学方程旋转运动学方程 pMAV飞行动力学建模飞行动力学建模 考虑螺旋桨滑流作用的

2、考虑螺旋桨滑流作用的MAV质心运动方程质心运动方程 kdVmPAmgdt( )()()TTaxayazaAAAADCL p考虑螺旋桨滑流影响的考虑螺旋桨滑流影响的MAV气动工程化模型气动工程化模型 0apapiVVV232323222appDpappCpappLpVDCSVCCSVLCS( , ,)( , ,)( , ,)DpDpaCpCpaLpLpaCCnVCCnVCCnV0()1() ()( )()()( )kmmmkmmbbmaapamggd VVLPLAALgdtm 000(/01cos (/)0(/)()pxbkkpkbybbakgpzbDDdVdtV d dtCCmgV d dtL

3、LPLPLLP./cos cos/cos sinsin/gk xggk ygkgk zgdxdtVdydtVVdzdtV航迹坐标系下质心动力学方程航迹坐标系下质心动力学方程 航迹坐标系下质心运动学方程航迹坐标系下质心运动学方程 pMAV飞行动力学建模飞行动力学建模 MAV绕质心旋转动力学方程绕质心旋转动力学方程 22()(/)(/)0(/)()()0()(/)(/)zyybzbzxxbybxxbzxzbrollyybxzzbxbzxxbzbyxxbybzxybzbzzbzxxbIIIIddtIddtLIddtIIIMPeNIIIIddtIddt 000rollrollrollpppLLLMMM

4、NNNMAV绕质心旋转运动学方程绕质心旋转运动学方程 tan (sincos )/cossin/(sincos )/cosxbybzbybzbybzbddtddtddt 考虑螺旋桨滑流作用的考虑螺旋桨滑流作用的MAV旋转运动方程旋转运动方程 pMAV飞行动力学建模飞行动力学建模 基于基于MAV数学模型的飞行动力学全状态特性分析方法数学模型的飞行动力学全状态特性分析方法 MAV运动参数变化规律运动参数变化规律在任意飞行状态下，在任意飞行状态下，MAV各运动参数变化趋势可分为单调变化与周各运动参数变化趋势可分为单调变化与周期性振荡变化两种模态，每个模态都存在稳定与不稳定两种情况期性振荡变化两种模态

5、，每个模态都存在稳定与不稳定两种情况 。 tXAe2sin( 1)ntnXAet 运动的模态特征可由特定数量的特征参数来完全表示。振荡运动模运动的模态特征可由特定数量的特征参数来完全表示。振荡运动模态特征可由阻尼比、固有频率、频率、周期、半衰周期或倍幅周期来态特征可由阻尼比、固有频率、频率、周期、半衰周期或倍幅周期来描述；单调运动模态特征可选取半衰周期或倍幅周期来描述描述；单调运动模态特征可选取半衰周期或倍幅周期来描述 0稳定单调变化0稳定振荡变化00tttt不稳定振荡变化不稳定单调变化MAV受扰动后，其纵向运动响应主要表现为迎角变化，横侧向运动受扰动后，其纵向运动响应主要表现为迎角变化，横侧

6、向运动响应主要表现为侧滑角变化。响应主要表现为侧滑角变化。pMAV非线性飞行动力学特性研究非线性飞行动力学特性研究 在任意初始状态基础上对在任意初始状态基础上对MAV飞行进行数值仿真飞行进行数值仿真 对仿真数据进行分析，获得该状态下对仿真数据进行分析，获得该状态下MAV相应飞行品质相应飞行品质 在飞行包络线范围内，对在飞行包络线范围内，对MAV进行飞行品质分析进行飞行品质分析u 具体步骤：具体步骤： 获得精确数学模型获得精确数学模型基于基于MAV数学模型的飞行动力学全状态特性分析方法数学模型的飞行动力学全状态特性分析方法 pMAV非线性飞行动力学特性研究非线性飞行动力学特性研究 u 结果：结果

7、： 91011121314-4-20240.150.20.250.30.350.4速度(m/s)俯仰角振荡模态特性迎角扰动(o)阻尼比910111213140.150.20.250.30.350.4速度(m/s)阻尼比不同扰动幅度下俯仰角运动模态特性随速度变化迎角扰动=-3(o)迎角扰动=-2(o)迎角扰动=-1(o)迎角扰动=1(o)迎角扰动=2(o)迎角扰动=3(o)-3-2-101230.150.20.250.30.350.4迎角扰动(o)阻尼比不同速度下俯仰角运动模态特性随迎角扰动变化V=9(m/s)V=10(m/s)V=11(m/s)V=12(m/s)V=13(m/s)V=14(m/

8、s)阻尼比相对迎角扰动与速度规则曲面阻尼比相对迎角扰动与速度规则曲面阻尼比随速度变化曲线阻尼比随速度变化曲线 阻尼比随迎角偏差变化曲线阻尼比随迎角偏差变化曲线 MAV俯仰角运动模态阻尼比全状态分析结果俯仰角运动模态阻尼比全状态分析结果基于基于MAV数学模型的飞行动力学全状态特性分析方法数学模型的飞行动力学全状态特性分析方法 pMAV非线性飞行动力学特性研究非线性飞行动力学特性研究 91011121314-4-20240.40.450.50.550.60.65速度(m/s)俯仰角振荡模态特性迎角扰动(o)周期(s)910111213140.40.450.50.550.6速度(m/s)周期(s)不

9、同扰动幅度下俯仰角运动模态特性随速度变化迎角扰动=-3(o)迎角扰动=-2(o)迎角扰动=-1(o)迎角扰动=1(o)迎角扰动=2(o)迎角扰动=3(o)-3-2-101230.40.450.50.550.6迎角扰动(o)周期(s)不同速度下俯仰角运动模态特性随迎角扰动变化V=9(m/s)V=10(m/s)V=11(m/s)V=12(m/s)V=13(m/s)V=14(m/s)周期相对迎角扰动与速度规则曲面周期相对迎角扰动与速度规则曲面周期随速度变化曲线周期随速度变化曲线 周期随迎角偏差变化曲线周期随迎角偏差变化曲线MAV俯仰角运动模态周期全状态分析图俯仰角运动模态周期全状态分析图u 结果：结

10、果： 基于基于MAV数学模型的飞行动力学全状态特性分析方法数学模型的飞行动力学全状态特性分析方法 pMAV非线性飞行动力学特性研究非线性飞行动力学特性研究 91011121314-2-101200.10.20.30.4速度(m/s)滚转角振荡模态特性侧滑角扰动(o)半衰周期(s)9101112131400.050.10.150.20.250.30.350.4速度(m/s)半衰周期不同扰动幅度下滚转角运动模态特性随速度变化侧滑角扰动=-2(o)侧滑角扰动=-1(o)侧滑角扰动=-0.5(o)侧滑角扰动=0.5(o)侧滑角扰动=1(o)侧滑角扰动=2(o)-2-1.5-1-0.500.511.52

11、00.050.10.150.20.250.30.350.4侧滑角扰动(o)半衰周期(s)不同速度下滚转角运动模态特性随侧滑角扰动变化V=9(m/s)V=10(m/s)V=11(m/s)V=12(m/s)V=13(m/s)V=14(m/s)半衰周期相对侧滑扰动与速度规则曲面半衰周期相对侧滑扰动与速度规则曲面半衰周期随速度变化曲线半衰周期随速度变化曲线 半衰周期随侧滑偏差变化曲线半衰周期随侧滑偏差变化曲线MAV滚转角运动模态半衰周期全状态分析图滚转角运动模态半衰周期全状态分析图基于基于MAV数学模型的飞行动力学全状态特性分析方法数学模型的飞行动力学全状态特性分析方法 pMAV非线性飞行动力学特性研

12、究非线性飞行动力学特性研究u 结果：结果： pMAV飞行控制与导航系统设计飞行控制与导航系统设计n飞行控制与导航系统结构飞行控制与导航系统结构 MAVMAV导航系统特点导航系统特点 导航系统任务复杂：剧烈的姿态、位置变化导航系统任务复杂：剧烈的姿态、位置变化系统硬件最优组合系统硬件最优组合 ： 尺寸与有效载荷的限制尺寸与有效载荷的限制系统精度、可靠性：微型系统精度、可靠性：微型MEMS电子元器件电子元器件 pMAV飞行控制与导航系统设计飞行控制与导航系统设计nMAV导航系统导航系统 捷联惯导捷联惯导 GPS 微型空速计微型空速计 微型高度计微型高度计 pMAV飞行控制与导航系统设计飞行控制与导

13、航系统设计nMAV导航系统导航系统MAVMAV导航系统方案导航系统方案 pMAV飞行控制与导航系统设计飞行控制与导航系统设计nMAV导航系统导航系统MAVMAV导航系统结构导航系统结构 pMAV飞行控制与导航系统设计飞行控制与导航系统设计nMAV导航系统导航系统MAVMAV导航系统硬件导航系统硬件 l姿态测量系统设计：姿态测量系统设计：基于卡尔曼滤波的多传感器组合测量姿态基于卡尔曼滤波的多传感器组合测量姿态 u状态空间模型状态空间模型四元数结构下的姿态运动学方程四元数结构下的姿态运动学方程( )qq 001( )020 xbybzbxbzbybybzbxbzbybxb加入陀螺漂移量进行补偿，构

14、成状态矢量加入陀螺漂移量进行补偿，构成状态矢量qxb 漂移量为随机变量3 1()0b qx l三轴加速度计测量值三轴加速度计测量值aalGPSGPS数据获得加速度数据获得加速度ga51015202530-2-101234时间(s)Ax(m/s2)加速度真实值加速度GPS差分计算值51015202530-4-3-2-10123时间(s)Ay(m/s2)加速度真实值加速度GPS差分计算值51015202530-4-3-2-101234时间(s)Az(m/s2)加速度真实值加速度GPS差分计算值l姿态测量系统设计：姿态测量系统设计：基于卡尔曼滤波的多传感器组合测量姿态基于卡尔曼滤波的多传感器组合测量

15、姿态 u测量空间模型测量空间模型 l两个加速度之间的关系两个加速度之间的关系gxaxbgaygyazgzgaaaaLaa01122331233202311303122101/2()/(4)()/(4)()/(4)qlllqllqqllqqllq 2032121233013210bgqqqqqq q qqqqqqq qL l姿态测量系统设计：姿态测量系统设计：基于卡尔曼滤波的多传感器组合测量姿态基于卡尔曼滤波的多传感器组合测量姿态 u测量空间模型测量空间模型 51015202530-505101520时间(s)滚转角(o)本文组合滤波测量结果单纯陀螺角速率积分结果真实值l姿态测量系统设计：姿态测

16、量系统设计：基于卡尔曼滤波的多传感器组合测量姿态基于卡尔曼滤波的多传感器组合测量姿态 u仿真结果仿真结果 uMAVMAV质心运动学方程的一般形式质心运动学方程的一般形式 ggmkmRL V基于基于GPSGPS信号的信号的MAVMAV导航信息提取导航信息提取 可靠性实时实时性基于纯惯导的基于纯惯导的MAVMAV导航信息提取导航信息提取 基于气压传感器信息的基于气压传感器信息的MAVMAV导航信息提取导航信息提取 00ggbpRLVl位置、速度测量姿态测量系统设计：位置、速度测量姿态测量系统设计：多传感器导航信息优化多传感器导航信息优化 u优化原理优化原理 在在GPSGPS信息有效的情况下，利用信

17、息有效的情况下，利用GPSGPS定位与测速是最为直接简定位与测速是最为直接简便的，测量精度也满足便的，测量精度也满足MAVMAV导航要求导航要求 纯惯导方式在组合导航中的权重也应随着工作时间的增加而不纯惯导方式在组合导航中的权重也应随着工作时间的增加而不断减小断减小 基于空速计与高度计信息的导航算法有效性随着外界风速的增基于空速计与高度计信息的导航算法有效性随着外界风速的增大而减小大而减小, ,飞行迎角与侧滑角的增大也会减小这一算法的精度飞行迎角与侧滑角的增大也会减小这一算法的精度 l位置、速度测量姿态测量系统设计：位置、速度测量姿态测量系统设计：多传感器导航信息优化多传感器导航信息优化 u组

18、合算法获取组合算法获取MAVMAV质心位移速度质心位移速度222ggpsiinszzerowindggizn VnVn VVnnn14(4)0(4)gstarsgstarsgnnne14tine1224()wVzneggRVp权重系数：权重系数：l位置、速度测量姿态测量系统设计：位置、速度测量姿态测量系统设计：多传感器导航信息优化多传感器导航信息优化 u仿真结果仿真结果020406080100120140160180200-500-400-300-200-1000100200X(m)Y(m)实际轨迹GPS测量轨迹基于空速计的测量值纯惯导系统测量值本文组合导航测量值010203040506097

19、9899100101102103104105106时间(秒)高度(m)本文方法测量值GPS高度测量值纯惯导高度测量值实际高度值l位置、速度测量姿态测量系统设计：位置、速度测量姿态测量系统设计：多传感器导航信息优化多传感器导航信息优化 pMAV飞行控制与导航系统设计飞行控制与导航系统设计n飞行控制系统流程飞行控制系统流程 导航系统导航系统控制系统控制系统 pMAV飞行控制与导航系统设计飞行控制与导航系统设计n飞行控制系统方案飞行控制系统方案 u微型飞行器飞行控制原理微型飞行器飞行控制原理 微型飞行器在类型、布局形式上具有多样性。不同类微型飞行器在类型、布局形式上具有多样性。不同类型不同布局形式的

20、微型飞行器在操控方式上存在很大差异。型不同布局形式的微型飞行器在操控方式上存在很大差异。但在微型飞行器飞行控制中所涉及到的控制思想与控制原但在微型飞行器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。理又具有一致性。 u微型飞行器飞行控制原理微型飞行器飞行控制原理l控制的基本思想：控制的基本思想：反馈反馈l反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。 测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。控制系统的响应。 l控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地控制的

21、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。纠正系统。 u微型飞行器飞行控制律微型飞行器飞行控制律 飞行控制律，即飞行控制系统形成控制指令的算法。飞行控制律，即飞行控制系统形成控制指令的算法。 飞行控制律描述了受控状态变量与系统输入信号之间飞行控制律描述了受控状态变量与系统输入信号之间的关系。的关系。 当微型飞行器飞行状态得到正确测量后，与期望值进当微型飞行器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，来决定微行比较，飞行控制律就是根据两者之间的差异，来决定微型飞行器执行何种操纵，来消除实际值与期望值之间的差型飞行器执行何种操纵，来消除实际值与期望值

22、之间的差异。异。 u微型飞行器飞行控制律微型飞行器飞行控制律 目前，微型飞行器飞行控制律设计中，普遍采用的有目前，微型飞行器飞行控制律设计中，普遍采用的有PID控制方法、模糊控制方法等。控制方法、模糊控制方法等。 下面，以固定翼微型飞行器俯仰姿态控制为例，来介下面，以固定翼微型飞行器俯仰姿态控制为例，来介绍各类常用的飞行控制方法。绍各类常用的飞行控制方法。 u微型飞行器飞行控制律微型飞行器飞行控制律lPID控制控制 PID （比例（比例- 积分积分- 微分）控制器作为最早实用化的控制器微分）控制器作为最早实用化的控制器已有已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。多年历史，现在仍然是

23、应用最广泛的工业控制器。 PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决控制器简单易懂，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，在微型飞行器飞行控条件，因而成为应用最为广泛的控制器，在微型飞行器飞行控制中也得到广泛应用。制中也得到广泛应用。 PID控制使用中只需设定三个参数（控制使用中只需设定三个参数（Kp， Ki 和和Kd）即可。）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中在很多情况下，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。的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。u微型飞行器飞行控制律微型飞行器飞行

24、控制律 比例（比例（P）控制）控制 控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比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；例控制时系统输出存在稳态误差；积分（积分（I）控制）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。比例成正比关系。比例+积分积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差；态后无稳态误差； 微分（微分（D）控制）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。成正比关系。 自动控制系

25、统在克服误差的调节过程中可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。增加能会出现振荡甚至失稳。增加 “微分项微分项”能预测误差变能预测误差变化的趋势，这样，具有比例化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。被控量的严重超调。u微型飞行器飞行控制律微型飞行器飞行控制律 u微型飞行器飞行控制律微型飞行器飞行控制律1112()edykk参数：参数：kP、kDPD u微型飞行器飞行控制律微型飞行器飞行控制律l模糊控制模糊控制 模糊控制是基

26、于模糊数学的基本思想和理论的控制方法。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：特点： u微型飞行器飞行控制律微型飞行器飞行控制律l模糊控制模糊控制 人员操纵微型飞行器飞行时，通过观察微型飞行器飞人员操纵微型飞行器飞行时，通过观察微型飞行器飞行姿态与轨迹，对其飞行进行控制。当操纵人员获得观测行姿态与轨迹，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。定量计

27、算，而是依靠定性的或模糊的知识。 u微型飞行器飞行控制律微型飞行器飞行控制律l模糊控制模糊控制 例如，在纵向姿态控制时，操纵人员所感知的只是纵例如，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，比如说向姿态的概念量，比如说“俯仰角非常偏大俯仰角非常偏大”，他使用这，他使用这一概念与头脑中已有的控制经验和模式相匹配，得到一概念与头脑中已有的控制经验和模式相匹配，得到“俯俯仰角非常偏大应该推杆使升降舵较大正偏仰角非常偏大应该推杆使升降舵较大正偏”的推断，进而的推断，进而由控制机构将由控制机构将“推杆使升降舵较大正偏推杆使升降舵较大正偏”按照某定量值执按照某定量值执行，从而完成整个飞行控制

28、过程的一个循环。行，从而完成整个飞行控制过程的一个循环。 u微型飞行器飞行控制律微型飞行器飞行控制律l模糊控制模糊控制微型飞行器模糊飞行控制律设计步骤：微型飞行器模糊飞行控制律设计步骤：建立微型飞行器各状态参数及控制量的模糊集合建立微型飞行器各状态参数及控制量的模糊集合按照一定的模糊规则，确定模糊控制表，得到模糊关系按照一定的模糊规则，确定模糊控制表，得到模糊关系根据模糊关系进行模糊运算，得到相应的模糊控制量根据模糊关系进行模糊运算，得到相应的模糊控制量根据一定的去模糊规则，将模糊控制量转化为精确数值，得到不同状根据一定的去模糊规则，将模糊控制量转化为精确数值，得到不同状态参数组合下的控制量，

29、绘制模糊控制表面图态参数组合下的控制量，绘制模糊控制表面图 u微型飞行器飞行控制律微型飞行器飞行控制律l模糊控制模糊控制 在固定翼微型飞行器俯仰姿态模糊控制律设计中，采用在固定翼微型飞行器俯仰姿态模糊控制律设计中，采用俯仰角实际值与期望值之间的偏差以及偏差变化率（当期俯仰角实际值与期望值之间的偏差以及偏差变化率（当期望值不变时即为俯仰角速率）作为状态参数，升降舵偏角望值不变时即为俯仰角速率）作为状态参数，升降舵偏角为控制量。为控制量。 u微型飞行器飞行控制律微型飞行器飞行控制律l模糊控制模糊控制建立状态参数及控制量的模糊集合建立状态参数及控制量的模糊集合 对状态参数（俯仰角偏差、偏差变化率）和

30、控制量对状态参数（俯仰角偏差、偏差变化率）和控制量（升降舵偏角）按照一定精度在一定范围内进行模糊化处（升降舵偏角）按照一定精度在一定范围内进行模糊化处理，并以模糊集理，并以模糊集 PL,PM,PS,ZO,NS,NM,NL的形式来描述。的形式来描述。 u微型飞行器飞行控制律微型飞行器飞行控制律l模糊控制模糊控制建立模糊规则表，得到模糊关系建立模糊规则表，得到模糊关系 根据人员操纵经验，归纳出模糊规则表，即得到在不同根据人员操纵经验，归纳出模糊规则表，即得到在不同的状态参数组合到控制量的模糊推理。的状态参数组合到控制量的模糊推理。根据每条推理规则，求出相应的模糊关系根据每条推理规则，求出相应的模糊

31、关系再根据模糊关系合成法则，建立总的模糊再根据模糊关系合成法则，建立总的模糊关系。关系。 u微型飞行器飞行控制律微型飞行器飞行控制律l模糊控制模糊控制根据模糊关系进行模糊运算，得到相应的模糊控制量根据模糊关系进行模糊运算，得到相应的模糊控制量 u微型飞行器飞行控制律微型飞行器飞行控制律l模糊控制模糊控制根据一定的去模糊规则，将模糊控制量转化为精确数值，根据一定的去模糊规则，将模糊控制量转化为精确数值，得到模糊控制表面图得到模糊控制表面图 对于任意一组俯仰角偏差对于任意一组俯仰角偏差 和偏差和偏差变化率组合，都可以获得相应的控制变化率组合，都可以获得相应的控制输出。在实际飞行中根据每一时刻的输出

32、。在实际飞行中根据每一时刻的状态参数，能够实时地直接由控制规状态参数，能够实时地直接由控制规则表得到相对应的控制行为。则表得到相对应的控制行为。 在离线状态下能够根据实际情况在离线状态下能够根据实际情况对控制规则表进行检验修正，使其符对控制规则表进行检验修正，使其符合控制的实际要求。合控制的实际要求。 u微型飞行器飞行控制律微型飞行器飞行控制律 微型飞行器的飞行控制任务复杂、控制对象特性差异微型飞行器的飞行控制任务复杂、控制对象特性差异巨大，需要根据实际情况选择巨大，需要根据实际情况选择PID方法、模糊控制或其他类方法、模糊控制或其他类型的控制方法来设计微型飞行器飞行控制律。型的控制方法来设计

33、微型飞行器飞行控制律。 微型飞行器微型飞行器与有人飞行器与有人飞行器的一个重要区别就是的一个重要区别就是，微微型飞行器型飞行器与地面站应与地面站应时刻保持时刻保持信息交互，地面站应具有信息交互，地面站应具有对微型飞行器实时监控和实时控制的能力。对微型飞行器实时监控和实时控制的能力。 微型飞行器测控与信息传输系统承担对微型飞行器微型飞行器测控与信息传输系统承担对微型飞行器的遥控、遥测以及图像信息的实时监控、记录和分发的的遥控、遥测以及图像信息的实时监控、记录和分发的任务，其工作状态、可靠性、稳定性直接影响到微型飞任务，其工作状态、可靠性、稳定性直接影响到微型飞行器任务的完成情况。行器任务的完成情

34、况。 p微型飞行器信息传输系统的主要功能微型飞行器信息传输系统的主要功能 微型飞行器微型飞行器信息传输系统包括信息传输系统包括：l机载信息传输机载信息传输系统系统l地面测控地面测控系统系统 p微型飞行器信息传输系统的组成微型飞行器信息传输系统的组成 l机载信息传输机载信息传输系统系统 微型飞行器微型飞行器系统数据链的机载部分包括：系统数据链的机载部分包括：u机载数据终端机载数据终端 机载数据终端包括遥控接收机、发射机以及用于连机载数据终端包括遥控接收机、发射机以及用于连接接收机和发射机到系统其余部分的调制解调器。接接收机和发射机到系统其余部分的调制解调器。u天线天线 天线通常采用全向天线，有时

35、也要求采用具有增益天线通常采用全向天线，有时也要求采用具有增益的有向天线。的有向天线。 l机载信息传输机载信息传输系统系统 机载信息传输系统的任务主要分为对上行信息机载信息传输系统的任务主要分为对上行信息的处理和对下行信息的处理。的处理和对下行信息的处理。 l机载信息传输机载信息传输系统系统u机载上行信息处理：机载上行信息处理：机载遥控天线接收地面遥控信机载遥控天线接收地面遥控信息息后，收发前端进行放大和解调，经机载编解码电路把后，收发前端进行放大和解调，经机载编解码电路把数据送入机载飞控计算机，可执行地面对微型飞行器的数据送入机载飞控计算机，可执行地面对微型飞行器的飞行控制指令。飞行控制指令

36、。 l机载信息传输机载信息传输系统系统u机载下行信息处理：机载下行信息处理：下下行行信信息息包括两部分，一部分包括两部分，一部分是是微型飞行器微型飞行器飞行信息飞行信息，包括飞行器姿态，位置，飞行，包括飞行器姿态，位置，飞行速度等；另一部分是速度等；另一部分是任务信息（如侦察视频图像）任务信息（如侦察视频图像） 。 为了保证实时视频传输，必须进行图像数字压缩处为了保证实时视频传输，必须进行图像数字压缩处理。遥测数据和视频数据经过复接、编码后形成遥测帧理。遥测数据和视频数据经过复接、编码后形成遥测帧数据流，进行调制，最后经放大、由机载全向天线发射。数据流，进行调制，最后经放大、由机载全向天线发射

37、。 l机载信息传输机载信息传输系统系统 微型飞行器一般对机载设备具有严格的重量与体积限微型飞行器一般对机载设备具有严格的重量与体积限制，制，要实现高集成的机载信息传输功能，在设计中必须采要实现高集成的机载信息传输功能，在设计中必须采取以下措施：取以下措施：采用全数字一体化终端处理技术，如全数字化的解扩、采用全数字一体化终端处理技术，如全数字化的解扩、解调技术，由单板印制板完成，提高了集成化及可靠性；解调技术，由单板印制板完成，提高了集成化及可靠性；模块各部分的电磁兼容设计；模块各部分的电磁兼容设计；对天线的合理分配、布局，以提高传输距离；对天线的合理分配、布局，以提高传输距离；简化的接口设计，

38、增加各接口检测功能等。简化的接口设计，增加各接口检测功能等。 l地面测控地面测控系统系统 地面测控地面测控系统系统一方面要执行上行和下行信息传输任务，一方面要执行上行和下行信息传输任务，另一方面也是人机之间的信息交互设备。通过地面人机交另一方面也是人机之间的信息交互设备。通过地面人机交互来控制飞行器，正是互来控制飞行器，正是微型飞行器微型飞行器不同于有人驾驶飞行器不同于有人驾驶飞行器的特点的特点。 l地面测控地面测控系统系统n地面测控地面测控站的功能站的功能：对遥控指令的实时发送、处理并在地面终端上显示；对遥控指令的实时发送、处理并在地面终端上显示；对对微型飞行器微型飞行器飞行状态遥测数据的实

39、时接收；飞行状态遥测数据的实时接收；对任务视频图像下传数据的实时处理、显示与记录；对任务视频图像下传数据的实时处理、显示与记录；在地图背景下实时绘制在地图背景下实时绘制微型飞行器微型飞行器航迹；航迹；对人员调控指令临时上传；对人员调控指令临时上传；对遥控、遥测数据实时存储；对遥控、遥测数据实时存储； l地面测控地面测控系统系统n 系统组成系统组成 根据地面测控系统的任务功能要求，其系统应至少具根据地面测控系统的任务功能要求，其系统应至少具有以下三部分组成：有以下三部分组成：信息接收部分，承担接收微型飞行器的信息（包括状态、航迹）信息接收部分，承担接收微型飞行器的信息（包括状态、航迹）进行解码编

40、译；进行解码编译；控制部分，提供操作平台控制部分，提供操作平台(如键盘、手柄等如键盘、手柄等)，便于地面人员实，便于地面人员实时控制飞行器的飞行和执行任务；时控制飞行器的飞行和执行任务；显示部分，负责实时显示飞行状态和相关参数，绘制微型飞行显示部分，负责实时显示飞行状态和相关参数，绘制微型飞行器的航迹，对微型飞行器传回的视频图像信号进行实时显示并器的航迹，对微型飞行器传回的视频图像信号进行实时显示并存储备用。存储备用。 l地面测控地面测控系统系统n地面测控系统的设计要求地面测控系统的设计要求 地面测控系统必须具有良好的人机界面和方便灵活的地面测控系统必须具有良好的人机界面和方便灵活的操作方式。

41、操作方式。测控系统显示界面至少需要包括两部分内容：测控系统显示界面至少需要包括两部分内容： 一部分是图形图像显示内容，包括具有背景地图一部分是图形图像显示内容，包括具有背景地图的航迹显示，飞行器姿态的模拟显示，对地面摄的航迹显示，飞行器姿态的模拟显示，对地面摄像的视频显示等；像的视频显示等；另一部分是飞行器飞行状态参数，如飞行器姿态、另一部分是飞行器飞行状态参数，如飞行器姿态、飞行高度、飞行速度、航向、位置以及参数的更飞行高度、飞行速度、航向、位置以及参数的更新等；还有飞行器下传的传感器参数，如陀螺、新等；还有飞行器下传的传感器参数，如陀螺、加速度计、磁力计、卫星接收机信息等，此外包加速度计、

42、磁力计、卫星接收机信息等，此外包括能源、发动机、任务设备的检测信息等。括能源、发动机、任务设备的检测信息等。 l地面测控地面测控系统系统n地面测控系统的设计要求地面测控系统的设计要求 地面测控系统必须具有良好的人机界面和方便灵活的地面测控系统必须具有良好的人机界面和方便灵活的操作方式。操作方式。能方便灵活地实现微型飞行器的指令遥控能方便灵活地实现微型飞行器的指令遥控 主要由地面测控装置的硬件按键或手柄来实现的，包主要由地面测控装置的硬件按键或手柄来实现的，包括遥控飞行指令：如起飞、上升、平飞、盘旋、下降、着括遥控飞行指令：如起飞、上升、平飞、盘旋、下降、着陆、返航、加速、减速等，飞行器起飞前自

43、检：电源、舵陆、返航、加速、减速等，飞行器起飞前自检：电源、舵机、任务设备、传动机构、功能切换等。机、任务设备、传动机构、功能切换等。 l地面测控地面测控系统系统n地面测控系统的设计要求地面测控系统的设计要求 对于微小型微型飞行器，考虑到便携性、经济性等方对于微小型微型飞行器，考虑到便携性、经济性等方面的要求，可以以便携式计算机、地面收发信息模块以及面的要求，可以以便携式计算机、地面收发信息模块以及遥控操作器组成设计地面测控站，如下图所示。遥控操作器组成设计地面测控站，如下图所示。 微型飞行器微型飞行器其动力装置的主要要求是：重量轻其动力装置的主要要求是：重量轻,体积小，功体积小，功重比大，易

44、于起动，可靠性高；此外还有低噪声，振动小，电重比大，易于起动，可靠性高；此外还有低噪声，振动小，电磁干扰小等特殊要求。磁干扰小等特殊要求。 目前针对目前针对微型飞行器微型飞行器动力装置方案，已经使用和研究中的动力装置方案，已经使用和研究中的动力装置主要包括：电动机驱动螺旋桨、内燃机驱动螺旋桨、动力装置主要包括：电动机驱动螺旋桨、内燃机驱动螺旋桨、微型涡轮喷气发动机、人造肌肉等。微型涡轮喷气发动机、人造肌肉等。 考虑到微型飞行器使用条件以及各类动力装置技术可行性考虑到微型飞行器使用条件以及各类动力装置技术可行性的因素，目前，电动机驱动螺旋桨是最常用的设计。的因素，目前，电动机驱动螺旋桨是最常用的

45、设计。 n电机电机 微型飞行器可用的电机目前有两种类型：微型飞行器可用的电机目前有两种类型：有刷电机有刷电机无刷电机无刷电机 有刷电机的电刷使用到一定次数，电刷就被磨损殆尽，有刷电机的电刷使用到一定次数，电刷就被磨损殆尽，必须更换电刷。必须更换电刷。 电刷电刷 n电机电机 微型飞行器可用的电机目前有两种类型：微型飞行器可用的电机目前有两种类型：有刷电机有刷电机无刷电机无刷电机 无刷电机没有电刷，不存在电刷磨损，因此使用寿命无刷电机没有电刷，不存在电刷磨损，因此使用寿命远大于有刷电机。远大于有刷电机。 n电机电机 微型飞行器可用的电机目前有两种类型：微型飞行器可用的电机目前有两种类型：有刷电机有

46、刷电机无刷电机无刷电机 同样的电力下，无刷电机能比有刷电机提供更大的动同样的电力下，无刷电机能比有刷电机提供更大的动力，效率更高。力，效率更高。 由于无刷电动机动力足，寿命长，效率高，目前已成由于无刷电动机动力足，寿命长，效率高，目前已成为微型飞行器动力装置中的主流。为微型飞行器动力装置中的主流。 n无刷电机无刷电机KVKV值值 对于无刷电机而言，最为重要的参数就是对于无刷电机而言，最为重要的参数就是KVKV值。值。 KVKV值值就是输入电压增加就是输入电压增加1 1伏特伏特, ,无刷电机空转转速增加无刷电机空转转速增加的转速值。的转速值。 一般而言一般而言KVKV值越大扭力就越小，值越大扭力

47、就越小，KVKV值越低扭力越大。值越低扭力越大。而对于螺旋桨而言，越大的桨所需扭力也越大，因此电机而对于螺旋桨而言，越大的桨所需扭力也越大，因此电机的的KVKV值决定了与之相匹配的螺旋桨大小。值决定了与之相匹配的螺旋桨大小。 n无刷电机无刷电机 以某型以某型KV 值为值为2100的无刷电机为例，其在的无刷电机为例，其在11.1伏电压伏电压下，转速下，转速(不带桨不带桨)就是就是2100*11.1=23310转每分钟。转每分钟。 该型电机该型电机11.1伏电压下适合用伏电压下适合用5030桨，若配置桨，若配置8060桨，桨，则会扭力不足，甚至损坏电机和电调。则会扭力不足，甚至损坏电机和电调。 通过改变电压，可以改变电机的转速，与之相匹配的通过改变电压，可以改变电机的转速，与之相匹配的螺旋桨也可相应改变大小。若增大电压，则电机转速变高，螺旋桨也可相应改变大小。若增大电压，则电机转速变高，扭力会减小，桨需要更小的。反之，降低电压，电机转速扭力会减小，桨需要更小的。反之，降低电压，电机转速变小，桨就可以更大一些。变小，桨就可以更大一些。 因此，从某种意义上讲，选电机就是选因此，从某种意义上讲，选电机就是选KV