大疆无人机飞控系统的原理、组成及各传感器的作用_无人机飞控原理与结构图解

正文
四旋翼的偏转运动是通过同时两两控制四个旋翼转速实现控制的。保持前后端或左右端旋翼转速相同时，其便不会发生俯仰或滚动运动；而当每组内的两个旋翼与另一组旋翼转速不同时，由于两组旋翼旋转方向不同，便会导致反扭矩力的不平衡，此时便会产生绕机身中心轴的反作用力，引起沿角角加速度。如图2.3所示，当前后端旋翼的转速相等并大于左右端旋翼转速时，因为前者沿顺时针方向旋转，后者相反，总的反扭矩沿逆时针方向，反作用力作用在机身中心轴上沿逆时针方向，引起逆时针偏航运动；反之，则会引起飞行器的顺时针偏航运动。

综上所述，四旋翼无人机的各个飞行状态的控制是通过控制对称的四个旋翼的转速，形成相应不同的运动组合实现的。但是在飞行过程中却有六个自由度输出，因此它是一种典型的欠驱动，强耦合的非线性系统。例如，旋翼1的转速会导致无人机向左翻滚，同时逆时针转动的力矩会大于顺时针的力矩，从而进一步使得无人机向左偏航，此外翻滚又会导致无人机的向左平移，可以看出，四旋翼无人机的姿态和平动是耦合的。

四旋翼无人机自主飞行的控制

四旋翼无人机的精确航迹跟踪是实现无人机自主飞行的基本要求。由于四旋翼无人机自身存在姿态与平动的耦合关系以及模型参数不确定性与外界扰动，因此只有实现姿态的稳定控制才能完成航迹的有效跟踪。

在四旋翼无人机的自主控制系统中，姿态稳定控制是实现飞行器自主飞行的基础。其任务是控制四旋翼无人机的三个姿态角（俯仰角、滚转角、偏航角）稳定地跟踪期望姿态信号，并保证闭环姿态系统具有期望的动态特性。由于四旋翼无人机姿态与平动的耦合特点，分析可以得知，只有保证姿态达到稳定控制，才使得旋翼总升力在期望的方向上产生分量，进而控制飞行器沿期望的航迹方向飞行。而四旋翼无人机的姿态在实际飞行环境中回受到外界干扰和不精确模型的参数误差、测量噪声等未建模动态对控制效果的影响。所以，需要引入适当的观测器和控制器对总的不确定性进行估计和补偿，并对其估计的误差进行补偿，来保证四旋翼无人机在外界存在干扰下对姿态的有效跟踪。

此方法可以基本保证每个通道的实际姿态值跟踪上期望值。但是，在只考虑对模型本身进行控制时，没有考虑到外部不确定性对闭环系统的影响。微小型无人机在飞行时，由于机体较小，电机的振动较强，很容易受到外界环境的干扰。因此，整个通道中必然存在不确定因素，比如模型误差、环境干扰、观测误差等，这些不确定性将降低系统的闭环性能。所以在设计无人机控制系统时，必须要考虑系统的抗干扰性能，即闭环系统的鲁棒性。因此需要设计一定的干扰补偿器对干扰进行逼近和补偿，以实现姿态角的稳定跟踪。

只有在保证飞机姿态可以保持稳定才能进一步讨论如何控制路径保持稳定，在时间尺度上进行分析，飞机的姿态角变化的频率要大于飞机位置的频率。所以，针对轨迹跟踪应当使用内外双环控制，内环控制姿态角，外环控制位置。

无人机飞控系统组成及作用

三轴陀螺仪，三轴加速度计，三轴地磁传感器中的三轴指的就是飞机左右，前后垂直方向上下这三个轴，一般都用XYZ来代表。左右方向在飞机中叫做横滚，前后方向在飞机中叫做俯仰，垂直方向就是Z轴。陀螺都知道，小时候基本上都玩过，在不转动的情况下它很难站在地上，只有转动起来了，它才会站立在地上，或者说自行车，轮子越大越重的车子就越稳定，转弯的时候明显能够感觉到一股阻力，这就是陀螺效应，根据陀螺效应，聪明的人们发明出的陀螺仪。最早的陀螺仪是一个高速旋转的陀螺，通过三个灵活的轴将这个陀螺固定在一个框架中，无论外部框架怎么转动，中间高速旋转的陀螺始终保持一个姿态。通过三个轴上的传感器就能够计算出外部框架旋转的度数等数据。

由于成本高，机械结构的复杂，现在都被电子陀螺仪代替，电子陀螺仪的优势就是成本低，体积小重量轻，只有几克重，稳定性还有精度都比机械陀螺高。说道这，大家也就明白陀螺仪在飞控中起到的作用了吧，它就是测量XYZ三个轴的倾角的。

我们日常出行都是根据路标或记忆来寻找自己的面向的，地磁传感器就是感知地磁的，就是一个电子指南针，它可以让飞机知道自己的飞行朝向，机头朝向，找到任务位置和家的位置。气压计呢就是测量当前位置的大气压，都知道高度越高，气压越低，这就是人到高原之后为什么会有高原反应了，气压计是通过测量不同位置的气压，计算压差获得到当前的高度，这就是整个IMU惯性测量单元，它在飞机中起到的作用就是感知飞机姿态的变化，例如飞机当前是前倾还是左右倾斜，机头朝向、高度等最基本的姿态数据，那么这些数据在飞控中起到的作用是什么呢？

飞控最基本的功能控制一架飞机在空中飞行时的平衡，是由IMU测量，感知飞机当前的倾角数据通过编译器编译成电子信号，将这个信号通过信号新时时传输给飞控内部的单片机，单片机负责的是运算，根据飞机当前的数据，计算出一个补偿方向，补偿角，然后将这个补偿数据编译成电子信号，传输给舵机或电机，电机或舵机在去执行命令，完成补偿动作，然后传感器感知到飞机平稳了，将实时数据再次给单片机，单片机会停止补偿信号，这就形成了一个循环，大部分飞控基本上都是10HZ的内循环，也就是1秒刷新十次。

刚刚我们也说了，GPS能够测速也能够测高度，为什么要有气压计和空速计呢？这就是为了消除误差，飞机飞起来是不与地面接触的，直接接触的是空气，假设飞行环境是无风的环境，飞机在地面滑跑加速，加速到每秒20米的速度然后再拉升降舵起飞，这样GPS测量到的数值是准确的，但是要是逆风呢，是因为机翼与空气相对的运动达到了一定的速度才能够产生一定的升力让飞机起飞，如果在逆风环境下，风速每秒10米，飞机只需要加速到每秒10米就可以正常离地了，如果加速到每秒20米，相对空气的速度已经达到了每秒30米，或者说顺风起飞，风速每秒20米，飞机GPS测速也达到了20m/s的速度，这个时候拉升降舵，飞机动都不会动，因为相对空气速度是0米，达不到起飞条件，必须加速到每秒40米的时候才能达到升力起飞。

这就是空速计的作用，GPS测量的只是地速，刚刚降到，GPS也可以定高，第一GPS定位精度是3米内，也就是说飞控能感知到的是平面方向的两倍误差，信号不好的话十几米都有可能，还有GPS不定位的时候，另外GPS定高数据是海拔高度并不是地面垂直高度，所以GPS定高在飞控中不管用。有了GPS飞控也知道飞机位置了，也知道家的位置和任务位置，但是飞控上的任务以及家的位置飞控是怎么知道的呢，这就是地面站的作用。

地面站
地面站，就是在地面的基站，也就是指挥飞机的，地面站可以分为单点地面站或者多点地面站，像民航机场就是地面站，全国甚至全球所有的地面站都在时时联网，它们能够清楚的知道天上在飞行的飞机，并能时时监测到飞机当前的飞行路线，状况，以及飞机的时时调度等。像我们用的无人机大部分都是单点地面站，单点地面站一般由一到多个人值守，有技术员，场务人员，后勤员，通信员，指挥员等人组成。像玩家一般都是一个人。

地面站设备组成一般都是由遥控器、电脑、视频显示器，电源系统，电台等设备组成，一般简单的来说就是一台电脑，一个电台，一个遥控，电脑上装有控制飞机的软件，通过航线规划工具规划飞机飞行的线路，并设定飞行高度，飞行速度，飞行地点，飞行任务等通过数据口连接的数传电台将任务数据编译传送至飞控中，这里就有讲到数传电台，数传电台就是数据传输电台，类似我们最和耳朵一样，好比领导说今天做什么任务，我们接受到任务并回答然后再去执行任务，执行任务的时候时实情况实时汇报给领导，这其中通信就是嘴巴和耳朵。

整套无人机飞控工作原理就是地面站开机，规划航线，给飞控开机，上传航线至飞控，再设置自动起飞及降落参数，如起飞时离地速度，抬头角度（起飞攻角，也称迎角），爬升高度，结束高度，盘旋半径或直径，清空空速计等，然后检查飞控中的错误、报警，一切正常，开始起飞，盘旋几周后在开始飞向任务点，执行任务，最后在降落，一般郊外建议伞降或手动滑降，根据场地选择。飞机在飞行过程中如果偏离航线，飞控就会一直纠正这个错误，一直修正，直到复位为止。

无人机飞控系统的主要功能

飞行状态
飞控系统主要用于飞行姿态控制和导航，对于飞控而言，首先要知道飞行器当前的状态，比如：三维位置、三维速度、三维加速度、三轴角度和三轴角速度等，总共15个状态。由于多旋翼飞行器本身是一种不稳定系统，要对各个电机的动力进行超高频率地不断调整和动力分配，才能实现稳定悬停和飞行，所以，对于航拍无人机来说，即使最简单的放开摇杆飞行器自主悬停的动作，也需要飞控持续监控这15个量，并进行一系列“串级控制”，才能做到稳定悬停，这一点肉眼看起来很简单，但飞控系统里面的运算其实是非常复杂的。

飞控系统最基础也最难控制的技术难点，其实是要准确地感知这一系列状态，如果这些感知数据问题或者有误差都会导致无人机做一些非正常的动作。目前，无人机一般使用GPS、IMU（惯性测量单元）、气压计和地磁指南针来测量这些状态。GPS获取定位、在一些情况下也能获取高度、速度；IMU主要用来测量无人机三轴加速度和三轴角速度，通过计算也能获得速度和位置；气压计用于测量海拔高度；地磁指南针则用于测量航向。

由于目前传感器设计水平的限制，这些传感器测量的数据都会产生一定的误差，并可能受到环境的干扰，从而影响状态估计的精度。为了保障飞行性能，就需要充分利用各传感器数据共同 融合出具有高可信度的15个状态，即组合导航技术。组合导航技术结合GPS、IMU、气压计和地磁指南针各自的优缺点，通过电子信号处理领域的技术，融合多种传感器的测量值，获得更精准的状态测量。

组合导航
为了提升航拍无人机的感知能力和飞行性能，除了以上基础传感器方案以外，现在主流的无人机产品都加入了先进的视觉传感器、超声波传感器和IMU与指南针冗余导航系统。双目立体视觉系统可根据连续图像计算出物体的三维位置，除了避障功能以外还能提供定位与测速。机身下方的超声波模块起到辅助定高的作用，而冗余的IMU和指南针在一个元件受到干扰时，冗余导航系统会自动切换至另一个传感器，极大提高了组合导航的可靠性。

智能导航系统引入了多个传感器，数据量和复杂程度大幅提升，获悉大疆其实针对视觉和传感器对导航和飞行控制算法进行多次系统重构，增加新的软件模块与架构，全面提升了飞行的性能与可靠性。

控制性能
飞控系统先进的控制算法为航拍无人机的飞行和操控带来了很高的控制品质，比如在普通状态下的表现是控制精度高，飞行稳定，速度快。高速飞行不仅对动力系统有较高的要求，更重要的是飞控要达到很高的控制品质和响应速度，除高速飞行以外，飞行器在悬停和慢速控制上也能达到很高的精度。

另外，在设计飞控时，不仅需要考虑到正常飞行状态的控制精度，如悬停位置控制精度，姿态控制精度等，还需要加强了异常飞况的控制品质。如在飞行器断桨、突然受到撞击、突加负重或被其他外力干扰后，控制恢复能力更强，鲁棒性较强，能够应对很多极端状况，这对于飞行安全性来说尤其重要。