无人机系统结构与设计 课件 第三课时 无人机的飞控系统

第三课时无人机的飞控系统目录/CONTENTS§2无人机的自动飞行§4飞控系统组成§3改善飞机性能§5导航飞控计算机§1飞控系统简介§6飞控系统的功能§1飞行控制系统飞控系统简介飞控：飞行控制系统控制飞行器飞行姿态和运动的中枢设备（自动驾驶仪）飞控系统简介使用无线电雷达信号、航向和姿态角测量信号、大气数据系统的飞行参数或人工输入的指令信号通过对俯仰、滚转和偏航的调整，自动地保持或控制飞机姿态和飞行航迹，模仿飞行员的人工操纵§2无人机的自动飞行无人机的自动飞行概念利用系统在无人参与的条件下，自动操纵飞机按规定的姿态和航迹飞行通常可实现对飞机的三轴姿态角及飞机三个方向空间位置的自动控制和稳定无人机的自动飞行优点长距离飞行时消除驾驶员的疲劳，减轻驾驶员的工作负担在一些坏天气或复杂的环境下，驾驶员难于精确控制飞机的姿态和航迹，自动飞行控制系统可以实现对飞机姿态和航迹的精确控制驾驶员难于精确完成的飞行操纵任务，可采用自动飞行控制§3改善飞机性能改善飞机性能决定因素由飞机本身的气动特性和发动机特性决定随着飞机飞行高度及速度的增加，飞机的自身特性变差改善飞机性能静不稳定问题形成原因：设计飞机时，为了减小质量和阻力，提高有用升力，常将飞机设计成静不稳定的解决方法：安装不同类型的飞行控制系统（增稳系统或阻尼器系统）§4飞控系统组成无人机飞控系统使用介绍飞控系统组成无人机导航系统向无人机提供参考坐标系的位置、速度、飞行姿态等矢量信息，引导无人机按照指定航线飞行分类：非自主（GPS等）系统、自主（惯性制导）系统缺点：易受干扰、误差积累增大飞控系统组成模块组成主控模块、IMU（惯性测量单元）、GPS指南针模块、LED指示灯模块和PMU电源管理模块等飞控系统组成IMU包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、电子罗盘（或磁力计），目的是得到多旋翼的姿态信息高精度感应飞行器姿态、角度、速度和高度的元器件集合体，在飞行辅助功能中充当极其重要的角色。飞控系统组成主控模块飞行控制系统的核心将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飞控系统组成传感器常用的传感器：角速率传感器、姿态传感器、位置传感器、迎角侧滑角传感器、加速度传感器、高度传感器及空速传感器等传感器构成无人机导航飞控系统设计的基础飞控系统组成传感器角速率传感器又称为陀螺仪，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是飞行控制系统的基本传感器之一，用于感受无人机绕机体轴的转动角速率，以构成角速率反馈，改善系统的阻尼特性、提高稳定性飞控系统组成传感器角速率传感器选择：测量范围、精度、输出特性、带宽等安装在无人机重心附近，安装轴线与要感受的机体轴向平行，并注意极性的正确性飞控系统组成传感器姿态传感器感受无人机的俯仰、滚转和航向角度，实现姿态稳定与航向控制功能选择：测量范围、精度、输出特性、动态特性等安装：无人机重心附近，振动尽可能要小，安装精度要求高飞控系统组成传感器姿态传感器基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统包含：三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等运动传感器通过内嵌的低功耗ARM处理器得到经过温度补偿的三维姿态与方位等数据利用基于四元数的三维算法和特殊数据融合技术，实时输出以四元数、欧拉角表示的零漂移三维姿态方位数据飞控系统组成传感器高度、空速传感器（大气机）感受无人机的飞行高度和空速，是高度保持和空速保持的必备传感器和空速管、通气管路构成大气数据系统选择：测量范围、测量精度安装：空速管附近，尽量缩短管路飞控系统组成传感器位置传感器感受无人机的位置，是飞行轨迹控制的必要前提典型的位置传感器：惯性导航设备、GPS卫星导航接收机选择：考虑与飞行时间相关的导航精度、成本和可用性等问题有安装位置和较高的安装精度要求，GPS的安装主要应避免天线的遮挡问题飞控系统组成传感器PMU电源管理模块给飞控主控器、ESC电调单元等组件进行供电，以保证飞控单元正常稳定的工作§5导航飞控计算机导航飞控计算机功能姿态的稳定与控制航向姿态系统测量、显示和提供飞机航向角和姿态角信号的飞行仪表主要由全姿态陀螺仪、磁感应传感器、天文罗盘、全姿态指示器组成能向飞行人员指示导航所需要的航向角和驾驶所需要的倾侧角、俯仰角、偏航角导航飞控计算机功能航与制导控制研究方向：飞行器控制、导航技术、惯导测试设备及测试方法、制导与系统仿真技术：制导控制系统半实物仿真、复杂系统分布式仿真、大功率低干扰电驱动、惯导测试设备一体化设计、姿态控制、惯导平台小型化数字化导航飞控计算机功能自主飞行控制电子控制系统采用反馈（闭环）的工作方式无人机飞行路径、姿态、高度、空速等的实际状态经过测量后以电信号的形式反馈给系统，计算误差信号，放大后用于设置适当的控制面位置舵面会产生控制力使误差信号趋向于零值导航飞控计算机机载导航飞控软件运行于飞控计算机上的嵌入式实时任务软件要求：功能正确、性能好、效率高、质量保证、可靠性、可维护性导航飞控计算机机载导航飞控软件功能模块①硬件接口驱动模块②传感器数据处理模块③飞行控制律模块④导航与制导律模块⑤飞行任务管理模块⑥任务设备管理模块⑦余度管理模块⑧数据传输、记录模块⑨自检测模块⑩其它模块§6飞控系统的功能飞控系统的功能飞控子系统无人机完成起飞、空中飞行、执行任务、返场回收等整个飞行过程的核心系统对无人机实现全权控制与管理飞控系统的功能飞控子系统功能：①无人机姿态稳定与控制②与导航子系统协调完成航迹控制③无人机起飞（发射）与着陆（回收）控制④无人机飞行管理⑤无人机任务设备管理与控制⑥应急控制⑦信息收集与传递飞控系统的功能导航子系统向无人机提供相对于所选定的参考坐标系的位置、速度、飞行姿态，引导无人机沿指定航线安全、准时、准确的飞行飞控系统的功能导航子系统功能：①获得必要的导航要素：高度、速度、姿态、航向②给出满足精度要求的定位信息：经度、纬度③引导飞机按规定计划飞行④接收预定任务航线计划的装定、并对任务航线的执行进行动态管理飞控系统的功能导航子系统功能：⑤接收控制站的导航模式控制指令并执行；并具有指令导航模式与预定航线飞行模式相互切换的功能⑥具有接收并融合无人机其它设备的辅助导航定位信息的能力⑦配合其它系统完成各种任务步云