《无人机驾驶基础》课件-单元2 无人机系统组成

无人机技术基础单元2 无人机系统组成2重点掌握固定翼无人机的飞行平台及多旋翼无人机的飞行平台难点掌握无人机的飞控系统组成及原理2.1

飞行器平台无人机的飞行器平台是指无人机作为飞行器采用的主体平台技术，常见的飞行器平台包括固定翼平台和旋翼平台，其他的飞行器平台还有扑翼平台、变模态平台等。32.1

飞行器平台2.1.1

固定翼平台固定翼平台即通常意义上的飞机，是指机翼固定并重于空气的飞行器平台。固定翼平台由动力装置产生前进的推力或拉力，使飞行器向前运动进而使机翼产生升力，从而在空中保持一定高度飞行。42.1

飞行器平台1.机身固定翼无人机的机身的主要功能是装载设备、燃料等，同时，它还是其他部件安装的基础，即将机翼、尾翼和起落架等连接成一架完整的飞机。机身的结构形式有构架式、硬壳式和半硬壳式，一般由几个舱组成，以层板制成的隔框分开。以油动无人机为例，从机头到机尾依次是发动机、油箱、接收机和接收机电池、舵机。桁条与桁梁隔框蒙皮52.1

飞行器平台2.机翼机翼是固定翼无人机在飞行时产生升力的装置，包括主翼和副翼两部分，副翼是机翼后缘靠外侧的可操纵的活动面，用于控制飞机的滚转运动，而靠内侧的襟翼是用于增加起飞着陆阶段的升力，放下襟翼飞机的升力增加。大型固定翼无人机的机翼内部还可用于放置油箱，安装发动机等，机翼下方还可以挂载物品，有的固定翼无人机还将起落架安装在机翼下方。通常机翼翼弦的25%~30%处是飞机的重心位置。机翼的形状（即翼形）由翼肋维持，翼肋由前缘、主梁和后缘连起来。机翼的结构主要由翼肋、纵墙、桁条、翼梁和蒙皮等组成，如图所示。其中，翼梁、纵墙和桁条是机翼的纵向构件，翼肋是机翼的横向元件，它们共同构成了机翼的骨架，蒙皮则是包裹在骨架的外侧，形成机翼外形。1—上缘条；2—腹板；3—下缘条；4—支柱672.1

飞行器平台2.机翼1—腹板；2—缘条各式桁条剖面整体蒙皮梁式机翼（1）机翼的结构2.1

飞行器平台2.机翼1—腹板；2—缘条各式桁条剖面整体蒙皮82.1

飞行器平台2.机翼梁式机翼（2）机翼的构造形式（受力形式）单块式机翼92.1

飞行器平台2.机翼整体式机翼（2）机翼的构造形式（受力形式）102.1

飞行器平台3.尾翼112.1

飞行器平台3.尾翼（1）水平尾翼:水平尾翼简称平尾，是飞机纵向平衡、稳定和操纵的翼面。（a）高平尾12（b）中平尾（c）低平尾2.1

飞行器平台3.尾翼（2）垂直尾翼:垂直尾翼简称垂尾，起保持无人机的航向平衡、稳定和操纵作用，原理与平尾相似（a）单垂尾（b）双垂尾（c）多垂尾132.1

飞行器平台4.起落架142.1

飞行器平台（1）起落架安装方式后三点式起落架152.1

飞行器平台（2）起落架的组成162.1

飞行器平台2.1.2

旋翼平台采用旋翼平台的无人机主要包括无人直升机、多旋翼无人机以及自转旋翼无人机。172.1

飞行器平台无人直升机主要由直升机本体、控制与导航系统、综合无线电系统和任务载荷设备等组成。1．无人直升机直升机本体包括旋翼、尾桨、机体、操纵系统、动力装置等。其中，无人直升机的旋翼是该类型无人机的独特装置，旋翼主要由叶片和旋翼头组成，普通布局形式的旋翼头结构类型众多，样式也各异，其中最常见的有贝尔-希拉式旋翼头、无副翼旋翼头。182.1

飞行器平台多旋翼无人机是一种具有三个及以上旋翼轴的无人机，如图所示。多旋翼无人机通过每个旋翼轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生升力和推力。多旋翼无人机旋翼的总距固定，不像一般无人直升机那样可变。通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制运行轨迹。2．多旋翼无人机多旋翼无人机的组成主要包括结构系统、动力系统、飞控系统、机载链路系统。192.1

飞行器平台自转旋翼机的外形和直升机类似，但是自转旋翼机飞行方式有别于直升机，在起飞阶段主旋翼由发动机驱动旋转获得初始升力，起飞后，主旋翼就会与传动轴断开，发动机的所有功率提供给垂直旋翼（螺旋桨）产生前进动力，飞行过程中主旋翼仅靠前进时的相对气流带动自转产生升力，因此飞行方式与固定翼无人机相似。3.

自转旋翼机202.1

飞行器平台2.1.3

其他飞行器平台扑翼机又称振翼机，是指机翼能像鸟或昆虫翅膀那样上下扑动，使重于空气的飞行器飞行，扑动的机翼不仅产生升力，还产生向前的推动力。1．扑翼机212.1

飞行器平台垂直起降固定翼无人机同时具有旋翼和固定翼的功能，当旋翼在垂直位置时相当于无人直升机，可进行垂直起降、悬停、低速空中盘旋等飞行动作；当旋翼旋转到水平位置时相当于固定翼无人机，可实现快速巡航。2．变模态无人机222.2

无人机动力系统活塞式动力系统活塞式发动机活塞发动机也称为往复式发动机，是一种利用一个或者多个活塞将压力转换成旋转动能的发动机。活塞发动机是热机的一种，靠汽油、柴油等燃料提供动力。活塞式发动机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、机匣等组成。活塞式航空发动机是由汽车的活塞式发动机发展而来，大多是四冲程发动机，即一个气缸完成一个工作循环，活塞在气缸内要经过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程232.2

无人机动力系统2.2.2

电动式动力系统电动式动力系统主要应用在旋翼机上，尤其在多旋翼机型上使用最多，较活塞式动力系统，它的优点有系统稳定性强，可靠性高，日常维护简单，易掌握，对飞行员的操作水平要求低。场地适应能力强，展开迅速，轻便灵活；高原性能优越，电动机输出功率不受含氧量影响；电池可充电重复使用，使用成本低，同时环保低碳；电动无人机振动小，成本低，质量好。电动式动力系统主要包括螺旋桨、电动机、电调和电池四个部分，简称桨机调池。242.2

无人机动力系统1.电动机252.2

无人机动力系统2.螺旋桨262.2

无人机动力系统3.电调272.2

无人机动力系统4.电池282.3

无人机控制系统无人机控制系统简称飞控系统或飞控，是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统，飞控对于无人机相当于驾驶员对于有人机的作用。飞控一般包括传感器、机载计算机和伺服动作设备三大部分，实现的功能主要有无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类。飞控中的传感器种类较多、功能多样，主要有陀螺仪（飞行姿态感知）、加速计、地磁感应、气压传感器（悬停高度粗略检测）、超声波传感器（低空高度精确控制或避障）、光流传感器（悬停水平位置精确检测）、GPS模块（水平位置高度粗略检测）。292.3

无人机控制系统30无人机飞控在发展过程中主要分为两大流派：俄罗斯流派和欧美流派。飞控的发展无人机飞控的流派俄罗斯流派延续了早期有人机控制的研发技术体系，早期的飞控硬件使用了战斗机的飞控计算机，控制算法一直使用分型模态分段辨识、建模、控制的方法。简单地说，就是通过风洞实验、机理建模等方法，知道无人机在起飞、悬停、低速、中速、高速、降落等不同飞行状态下的参数，针对不同状态设计相应控制器。无人机在飞行过程中不断切换控制方法或控制参数以保证其处于理想状态。这种流派优点在于硬件经过长期飞行验证，控制算法在设计模态内系统稳定性可以进行有效的理论证明；缺点在于硬件庞大、笨重且无法预测实际飞行过程中可以经历的所有飞行状态。欧美流派最大的不同是很大程度上放弃了传统的模态分段控制，不需要对不同飞行状态进行建模、参数辨识，而是采取了在线辨识，即在无人机飞行的过程中通过在线辨识理论方法，控制器自己判断自身所处的状态、参数等，根据这些信息响应切换不同的控制策略或控制参数。这种流派的优点在于系统体积小、重量轻，缩短了新型无人机的研发过程，智能性进一步增强；缺点在于需要较长时间的理论技术积累，在某种程度上无法证明全局系统稳定性。2.3

无人机控制系统2.3.1

飞控的发展2．我国民用无人机飞控的发展第一代民用飞控2000年，我国的民用无人机开始逐步发展，但国产飞控相对比较落后，且开发较为困难，主流的飞控一般从国外进口，如AP系列飞控和MP系列飞控。第二代民用飞控2005年，随着无人机市场的不断扩大以及技术的研发崛起，国产的飞控技术迅速发展，相继推出了性能优异的产品，如IFLY、YS、UP（如图2-3-2所示）等。第三代民用飞控以APM为代表的开源低端飞控开始在无人机市场上流行，飞控的成本在不断下降，从而使飞控技术加速普及，使无人机真正进入了亲民时代。312.3

无人机控制系统2.3.2

开源飞控系统开源飞控就是建立在开源思想基础上的自动飞行控制器项目(Open

Source

Auto

Pilot)，同时包含开源软件和开源硬件，软件则包含飞控硬件中的固件和地面站软件两部分。（1）第一代开源飞控第一代开源飞控系统以Arduino（如图2-3-3所示）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，能够让无人机平稳飞行，其主要特点是模块化和可扩展能力。（2）第二代开源飞控第二代开源飞控系统大多拥有自己的开源硬件、开发环境和社区，采用全集成的硬件架构，将全部10DOF传感器、主控单片机，甚至GPS等设备全部集成在一块电路板上，以提高可靠性。第二代开源飞控系统使用全数字三轴MEMS传感器组成航姿系统(IMU)，能够控制飞行器完成自主航线飞行，同时可加装电台与地面站进行通信，初步具备完整自动驾驶仪的功能。（3）第三代开源飞控第三代开源飞控系统将会在软件和人工智能方面进行革新，加入集群飞行、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。322.3

无人机控制系统4.目前主要应用的飞控332.3

无人机控制系统2.3.3

无人机的飞行控制过程无人机的飞行控制过程如下：当无人机偏离原始状态，传感器感受到偏离方向和偏离的数值，并输出相应的信号，经过放大处理，操纵执行机构做出相应的动作，使无人机恢复正常的飞行状态，从而达到控制无人机的目的。飞控系统实时采集各传感器测量的飞行状态数据、接收无线电测控终端传输的由地面测控站上行信道送来的控制命令及数据，经计算处理，输出控制指令给执行机构，实现对无人机中各种飞行模态的控制和对任务设备的管理与控制；同时将无人机的状态数据及发动机、机载电源系统、任务设备的工作状态参数实时传送给机载无线电数据终端，经无线电下行信道发送回地面测控站。342.4

无人机的传感器惯性检测单元（IMU）三轴加速度传感器352.4

无人机的传感器2.三轴陀螺仪陀螺仪是用于测量角速度的传感器，具有很高的精度。无人机采用三轴电子陀螺仪检测无人机在做旋转、俯仰、滚转运动时的角速度。在非静止状态下，弥补三轴加速度传感器与空间直角坐标系各轴夹角检测精度低的问题，从而使得运动检测更加完备。为了降低封装的空间和消除加速度传感器与陀螺仪之间的时间轴之差，无人机的惯性测量装置都采用由以上两种传感器整合而成的传感器芯片，如MPU6000（如图2-4-4）、MPU6050、ICM20689，还有集成了电子罗盘的MPU9250。惯性测量单元较为敏感，使用时应注意减振，为追求稳定，有的无人机飞控采用多组IMU冗余的方式修正抖动造成的误差。362.4

无人机的传感器海拔高度与大气压之间是相关的，随着海拔高度的增加，大气压不断减小。气压计便是利用这一关系设计的，无人机飞控采用气压计芯片计算无人机的海拔高度。无人机常用的气压计芯片有MS5611、BMP280、S5611等。2.4.2气压计37382.4

无人机的传感器其他传感器电子罗盘电子罗盘也称为数字罗盘，通过感知微弱的地磁场确定北极，在无人机GPS系统中确定飞控的方向。电子罗盘极易受到附近磁场的干扰，所以在无人机安装中，应将集成电子罗盘的模块放置在远离动力装置和供配电装置的位置。无人机常用的电子罗盘芯片有LS303D、MPU9250等。2.超声波传感器超声波传感器利用超声波遇到物体反射的原理来实现无人机避障功能以及在离地较近时辅助测量离地高度。3.光流传感器通过对摄像头获取的图像信息进行周期采样对比分析当前的位移和位移的方向来感知无人机的运动轨迹，可以用于室内环境时定位。2.5

通信链路在无人机系统工作中时，遥控器的控制信号、飞控与地面站的数据、无人机上的图像信号都需要通过特定频率的无线电载波进行传输，称为通信链路。2.5.1上行链路遥控器的发射器与安装在无人机上的接收机构成通信链路，用于无人机舵量控制。发射器发出频段在2.4GHz上的无线电波，由接收机接收控制信号，传输至飞控中。这种由地面发射至无人机方向单一的通信链路属于上行链路。392.5

通信链路常见的数传电台频段有433MHz、915MHz，其中433MHz是个开放的频段，传输距离主要与数传设备的发射功率和天线的增益相关，功率越大、增益越高，传输距离越远。2.5.2数传链路数传电台包括机载端和地面端两部分，地面站系统通过数传电台读取无人机的系统信息、地理信息，上传飞行任务和控制信号等，两端都具备收发彼此信号的链路属于双向链路402.5

通信链路图传信号分为模拟信号与数字信号，模拟图传设备价格低但画面模糊，数字图传设备画质清晰但成本高，分别适用于不同场合。常见图传链路的载波频段有1.2GHz、2.4GHz、5.8GHz等，其中1.2GHz频段在我国没有开放性的部分，私自使用属于违法行为。2.5.3图传链路无人机工作时的图像信号是通过图传发射装置以一定频率的