无人机工作系统技术课件：无人机飞控系统

无人机飞控系统的认知1.掌握无人机飞控是什么。2.学习飞控系统的组成部分。3.掌握飞控系统各部分的作用。4.思考飞控系统还可以包含什么？知识目标什么是飞控系统？01

飞控系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返程等整个飞行过程的核心系统，能够自主采集导航传感器数据，自主完成数据融合、系统逻辑处理、飞行控制解算以及在线故障容错处理，从而控制无人机自主或半自主飞行，相当于无人机的大脑。什么是飞控系统？飞控系统数据采集数据处理执行机构伺服作动设备的作用是根据飞控计算机的指令，按规定的静态和动态要求，通过对无人机各控制舵面和发动机节风门的控制，实现对无人机的飞行控制。机载计算机负责整个无人机姿态的运算和判断，为飞机任务系统提供高性能的计算机硬件资源和丰富的通信接口。数据采集系统包含众多的传感器为无人机飞行提供各种数据信息。数据采集部分02数据采集部分数据采集部分陀螺仪主要用来测量无人机在飞行过程中俯仰角、横滚角和偏航角的角速度。加速度计测量的是飞行器某一方向上的线性加速度。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。气压高度计是一种利用外界大气压强来测量无人机飞行高度的传感器。陀螺仪加速度计磁力计气压高度计数据采集部分主要由陀螺仪、加速度计、磁力计、气压高度计、超声波传感器等组成。陀螺仪陀螺仪主要用来测量无人机在飞行过程中俯仰角、横滚角和偏航角的角速度，并根据角速度积分计算角度的改变，就能把无人机的角度的改变转换成数字信息被飞控计算机接收。在现在的民用无人机领域中，特别是小型、微型、无人机大面积应用的陀螺仪是微电子机械陀螺仪（MEMSgyroscope）。微电子机械陀螺仪与其他陀螺仪相比，其测量精度较低，但是工艺简单、便于大规模生产、成本较低。在无人机领域，一般都是经过简单封装之后，作为MEMS模块芯片集成到飞控机主电路板上，出厂前一般已经完成了安装、调试的工作。开源飞控上常用的型号有MPU6050三轴加速度计/陀螺仪和L3GD2016位陀螺仪.MPU-6050加速度计微型加速度计的理论基础是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。更准确地说，测量的是飞行器某一个方向上的线性加速。通常情况下，飞行器三个自由度方向都需要设置加速度计，以便于同时采集三个方向的加速度，而现在一般采用集成的三轴加速度计，即可以同时测量三个方向的加速度值，使用非常便利。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。结合陀螺仪，就可以对物体进行精确定位。这种芯片式的电子加速度计重量轻、尺寸小，如图4-2所示，可以直接嵌入到飞控主板上或与陀螺仪一起集成为IMU单元，多用于消费级无人机和工业级无人机使用，常用型号为LSM303D14位加速度计。MEMS加速度计磁力计磁力计（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。在无人机上常常使用MEMS磁力计，常用的型号有LSM303D14位磁力计。MEMS磁力计气压高度计气压高度计是一种利用外界大气压强来测量无人机飞行高度的传感器，在民用无人机领域，一般采用微型气压传感器。气压高度计是通过感知外界大气压强来得到飞行高度的，所以测量出的高度是以标准大气压为基准的修正海平面气压高度，也就是海拔高度。无人机常用的气压高度计型号为HP203B。气压高度计数据处理部分03数据处理部分主要指飞控计算机，以及飞控计算机预先拷入的该型号无人机飞控控制算法软件。飞控计算机是飞行控制系统中必不可少的核心部件，是无人机的大脑，它通过运算控制代码和读取传感器数据来实现对无人机姿态稳定与控制、导航与制导控制、自主飞行控制、自动起飞及着陆控制等功能。在无人机中常用的芯片型号为168MHzCortexM4核心处理器，256KBRAM2MBFlash。飞控计算机执行机构04舵机执行机构主要指遍布无人机各个活动部件的舵机与电调，在安装时遍布无人机机体各处，通过数据总线与飞控计算机连接，形成一个闭合的完整控制回路。

我们以舵机为例讲解无人机的执行机构。

舵机是指在飞控系统中操纵飞机舵面（操纵面）转动的一种执行部件，通常分为电动舵机和液压舵机。由于电动舵机体积小巧、重量轻，所以成为无人机飞控系统执行机构的首选。舵机的组成电动舵机主要是由外壳、电路板、驱动电机、减速器与位置检测元件所构成。学习任务二

开源飞控的认知1.掌握什么是开源飞控。2.掌握固件和硬件的区别。3.掌握PixHawk飞控的接口含义。4.自行了解更多的飞控。知识目标常用的开源飞控01

开源(OpenSource)这个词最早被应用在软件上，开放源代码促进会(OpenSourceInitiative)用其描述那些源码可以被公众使用的软件，并且此软件的使用、修改和发行也不受许可证的限制。使用者可以下载、修改、上传自己的成果，管理者会从众多的修改中选择合适的代码改进程序并发布新版本，如此达到共同开发、共同进步的目的。常见的开源飞控开源飞控发展第一阶段第二阶段第三阶段第三个阶段的开源飞控系统将会在软件和人工智能方面进行革新。它加入了集群飞行、图像识别、自主避障、自动跟踪飞行等高级飞行功能，向机器视觉、集群化、开发过程平台化的方向发展。第二个阶段的开源飞控系统大多拥有了自己的开源硬件、采用全集成的硬件架构，使用数字三轴MEMS传感器组成的IMU，能够控制飞行器完成自主航线飞行，能加装电台与地面站进行通信，能支持多种无人设备，能以多种模式飞行，它们集成度高，可靠性高，已经接近商业自动驾驶仪标准第一个阶段的开源飞控系统使用Arduino或其他类似的开源电子平台为基础，扩展连接各种MEMS传感器，其主要特点是模块化和可扩展能力。目前人们常用的开源飞控有：APM、PIXHAWK、KK、F4、CC3D、MWC等。常见的开源飞控（a）APM飞控（b）PIX飞控PixHawk开源飞控的外观与通信接口02接口学习任务三

空速计与飞行模式的认知1.学习空速计的原理。2.掌握空速计在固定翼无人机上的作用。3.掌握空速计在固定翼上的安装方法。4.了解固定翼无人机常用的飞行模式。知识目标固定翼上的空速计01多旋翼无人机主要依靠多个旋翼带来的升力进行飞行，而固定翼依靠机翼带来的升力进行飞行，此升力由当固定翼无人机运动时，与无人机相对的气流流过机翼上下表面导致的流速不一致产生的压力差形成。常用的空速计一般由金属的空速管、硅胶的皮托管、空速计和相应的I2C数据线四部分组成。空速计在安装时，我们将空速传感器放入飞机中时，并安装皮托管套件。一般情况下，我们把空速管安装在机头方向，需要将管子顶部穿过机头，使金属空速管伸出才可以完全接触到气流，并且要注意空速管侧面的孔没有被堵塞，这些孔距离机头至少伸出1厘米。然后将硅胶的皮托管连接到空速传感器上，并在无人机内部固定好，不要弯折，以免影响管内气流流动。如果你的固定翼无人机机头有螺旋桨，则将空速管装在机翼上，机翼中部以外的前缘位置即可，防止受到螺旋桨气流的干扰。空速计安装常用的飞行模式02FBWA和FBWBFBWA是在固定翼上最受欢迎的辅助飞行模式，也是新手练习的最佳模式。在这种模式下，固定翼飞行器将保持由控制杆指定的横滚和俯仰。因此，如果您拨动副翼杆，则飞机保持指定的侧倾限制LIM_ROLL_CD（以厘米为单位）及和纵倾限制LIM_PITCH_MAX/LIM_PITCH_MIN。需要注意的是控制水平不意味着飞机能控制高度，主要是由飞行速度（油门）控制，如果想要高度保持，需要用FBWB模式。FBWA油门是手动控制，输出量范围由THR_MIN和THR_MAX限制。在FBWA模式下，方向舵控制是手动换和飞控协调混控。FBWA类似于FBWA，但能够定高。侧倾和俯仰同FBWA模式，并利用油门控制空速。俯仰摇杆变化就会改变高度，放开后飞控试图保持目前的高度。多大的水平角反应依赖于FBWB_CLIMB_RATE参数，默认为2米/秒。FBWB_ELEV_REV参数的默认值是向后拉摇杆导致飞机攀升。如果设置为1，则动作会相反。如果装了空速计，调整空速范围ARSPD_FBW_MIN到ARSPD_FBW_MAX，当油门最低时飞机将尝试在ARSPD_FBW_MIN飞行。最高时它会尝试在ARSPD_FBW_MAX飞行。FBWBRTL和Cruise在RTL模式下，飞机将返回到家的位置（假设它具有GPS锁的飞机的起飞点），并在那里停留，直到手动控制（或者燃料用尽！）。与AUTO模式一样，您也可以使用摇杆与飞控自主控制混合控制飞机。RTL模式的目标高度是使用以厘米为单位的ALT_HOLD_RTL参数设置的。RTL巡航模式有点像FLYBYWIRE_B（FBWB），但它有“航向锁定”。这是远距离FPV飞行的理想模式，您可以将飞机指向远处的物体，并准确地跟踪该物体，自动控制高度，空速和航向。CruiseMANUAL