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控制科学与工程 专业选修课 无人机控制系统 无人控制系统介绍 哈尔滨工业大学 空间控制 与惯性技术 研究中心 伊 国兴 本节课教学内容 无人机控制系统的必要性 1 无人机 控制系统指标与结构 2 控制系统主要组成部分介绍 3 飞行控制系统简介 4 1 无人机控制系统的必要性 1.1 无人机及无人机系统定义 无人机： 不载有操作人员、利用空气动力起飞、 可以自主飞行或遥控驾驶、可以一次使用也可以 回收使用的、携有致命或非致命有效载荷的飞行 器。 无人机系统： 是指一架无人机、相关的遥控站、 所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计 规定的任何其他部件组成的系统。 1 无人机控制系统的必要性 1.2 无人机系统组成 飞行器 控制站 通讯链路 有效 载荷 飞行平台 动力装置 导航飞控 电气系统 电源系统 显示系统 接口系统 操纵系统 软件系统 图像传输 数字传输 机载系统 地面系统 通讯设备 图像设备 武器系统 其他设备 1 无人机控制系统的必要性 1.2.1 控制站 通常是地面或机载、舰载，是飞行操控中心，实 现人机交互，通常也是任务规划中心。 通过上行通信链路发送指令，控制飞行，操控所 携带的各种任务载荷。 通过下行通信链路，飞机回传信息和图像。包括 载荷数据、机上各分系统的状态信息、位置信息 等。同时控制发射与回收。 控制站与外界通讯完成获得天气信息、个系统间 的网络信息传输，接收任务，汇报信息等。 1 无人机控制系统的必要性 1.2.2 任务载荷 作为无人机的组成部分完成特定任务的设备。 非消耗型任务载荷 光电系统、雷达系统、激光目标指示、污染监测、 公共宣传系统、无线电中继系统、电子情报、 雷达 欺骗、磁异常检测 消耗型任务载荷（植保系统、灭火系统、救生、 武器） 1 无人机控制系统的必要性 1.2.3 导航系统 惯性导航（ INS） 卫星导航（ GPS、北斗） 组合导航 后备导航手段 雷达跟踪 无线电跟踪 直接估计 1 无人机控制系统的必要性 1.2.4 通信链路 上行 发送飞行路径数据并储存 人 在回路时，实时发送飞行控制指令 发送控制命令至机载任务载荷和附属设备 发送相关位置更新信息到惯导 /自动飞行控制系统 下行 发送有关飞机的位置信息到控制站 发送任务载荷图像和数据到控制站 发送飞机状态信息 1.3 无人机自主能力分级 美国公布的无人机自主能力分级图 1 无人机控制系统的必要性 1 无人机控制系统的必要性 1.3 无人机自主能力分级 无人机控制系统的能力决定了无人机自主能力。 制约无人机达到高级别自 主能力的因素： 计算机技术 （ 运算速度 ） 通信技术 （ 带宽和速度 ） 人工智能技术 （ 认知能 力 、 理论模型和计算方 法等 ） 1 无人机控制系统的必要性 飞控系统是无人机系统的核心组成部分，其性能 直接影响着无人机的飞行性能和飞行品质，直接 关系到无人机的飞行安全。 动力学建模、模型简化、控制律设计及实现、干 扰观测器设计、控制律评估与确认、半物理仿真 与飞行试验 1.4 无人机控制的作用与关键技术 1 无人机控制系统的必要性 无人机建模技术 机理建模（空气动力学、飞行力学） 系统辨识建模 在模型精度和控制系统设计上折中 飞行控制技术 经典控制理论（时域响应、根轨迹、频率响应） 现代控制理论（动态逆控制、鲁棒控制、自适应控制、滑膜 控制、智能控制） 飞行控制律确认与评估技术 一方面要针对不同的飞机构型、任务、飞行状态及指标要求 设计出符合多准则的控制律 另一方面要采用有效的分析方法证明这些操稳性能及飞行品 质在气动参数、结构参数及传感系统存在不确定的条件下仍 具有令人满意的鲁棒性 1.4 无人机控制的作用与关键技术 1 无人机控制系统的必要性 1912，斯佩里父子研制第一套自动驾驶仪，用于保持飞机 平飞是的俯仰角和滚转角的稳定。 二战期间美国研制 C-1电气式自驾仪，实现飞机三轴姿态 稳定 二战后期，德国 V1、 V2自驾 仪实现飞行轨迹控制 二战后， C-54实现起飞到着陆的全程自动化 50-60年代，随着飞机各项性能的提升和新的气动结构的采 用，飞行控制主要目的是改善飞行性能和品质，发展形成 自动飞行控制系统（ AFCS， Automatic Flight Control System） 1.5 无人机控制演化 1 无人机控制系统的必要性 70-90年代 随控布局 (CCV, Control Configured Vehicle)是 指随着控制 系统来进行飞机总体布局 。 主动控制 (AC, Active Control)：飞机 总体设计阶段主动地 将自动控制系统与气动 布局 、 结构 、动力装置等结合在 一起进行综合的设计，从而全面地提高飞机的飞行性能 并改善飞行品质 。（ 基本设计 技术 主动控制技术） 放宽静稳定性飞，机本身可能是静不稳定或临界稳定、 传感器及电传操控师实现主动控制的重要基础、由于采 用多操纵面布局和控制分配使得控制律复杂 1.5 无人机控制演化 1 无人机控制系统的必要性 1.5 无人机控制演化 基本 设计 主动 控制设计 主要考虑空气动力、结构和发动机 三大因素（折衷） 飞机本身稳定 飞控 系统处于 被动地位控制系统是 后来加到飞机上的，对飞机的结构 没有直接影响 限制了飞机性能提高 设 什初始阶段就考虑了飞行控制系 统对总体设计的 影响 把控制系统 提到 和气动力 、 结构、 动力装置并驾齐驱 的地位 ，布局 设 计之初就把控制技术与基本的三大 技术同时 考虑 对 自动控制系统的可靠性要求很高 ， 易 出 事故 1 无人机控制系统的必要性 90年代后，随控制技术发展出现自修复飞 行控制、主动安全、健康管理、超机动飞 行 (随控飞行 ) 战术任务飞行管理系统 防空体系愈来愈复杂、功能愈来愈强大，导 致 作战环境 日益严酷。面对日益复杂的作战 态势， 飞行员难以 承担如此繁重的人工管理 和 决策。 态势感知和评估、在线任务规划、任务调度 与分配、管理控制 无人自主飞行控制 数字飞行控制系统取代模拟式飞行控制系 统 1.5 无人机控制演化 本节课教学内容 无人机控制系统的必要性 1 无人机 控制系统指标与结构 2 控制系统主要组成部分介绍 3 飞行控制系统简介 4 2 无人机 控制系统指标与结构 上 载 荷 舱 副 油 箱 天 线 发 动 机 控 制 舵 面 涵 道 螺 旋 桨 支 撑 梁 涵 道 减 振 梁 起 落 架 下 载 荷 舱 导 流 片 机 体 中 舱 主 油 箱 悬停 巡航飞行 高速飞行 2.1 涵道旋翼无人机 2 无人机 控制系统指标与结构 2.1 涵道旋翼无人机 功能 快速部署的低成本无人通信中继平台 体积小、重量轻，便于多种形式的运输 操控简捷，利于快速部署 适应多种战场环境，抗风扰能力强 具备垂直起降功能，适合复杂地形部署 机动能力强，指控作用距离长 具备高精度巡航和定位悬停功能 多种控制模式，具备自主飞行能力 2 无人机 控制系统指标与结构 2.1 涵 道旋 翼无人机 技术指标 航线精度： 50m 着陆 精度： 5m 作战半径： 10km 续航时间： 60min 最大飞行速度： 70km/h 最高飞行高度： 1300m 任务载荷： 20kg 指挥作用距离： 10km 抗风能力： 12m/s 2 无人机 控制系统指标与结构 高 度 传 感 器 图 像 数 据 处 理 姿 态 数 据 处 理 发 动 机 油 门 伺 服 舵 机 1 伺 服 舵 机 2 伺 服 舵 机 3 数 据 库 传 感 器 单 元 执 行 器 单 元 数 据 处 理 单 元 任 务 规 划 单 元 人 机 界 面 任 务 分 配 轨 迹 规 划 辅 助 控 制 单 元 无 线 数 据 传 输 单 元 姿 态 控 制 飞 行 控 制 抗 干 扰 控 制 起 降 控 制 主 控 制 单 元 转 速 传 感 器 风 速 传 感 器 温 度 传 感 器 I M U 模 块 G P S 模 块 伺 服 舵 机 4 摄 像 头 传 感 器 数 据 处 理 手 动 辅 助 控 制 视 觉 辅 助 控 制 涵 道 式 旋 翼 无 人 飞 行 器 地 面 指 挥 系 统 机 载 控 制 系 统 整 体 结 构 设 计 控制单元 传感器单元 执行器单元 数据处理单元 数据传输单元 任务规划单元 辅助控制单元 涵道旋翼无人机控制系统 结构 惯 性 单 元 磁 阻 传 感 器 气 压 传 感 器 空 速 传 感 器 G P S 接 收 器 超 声 测 距 模 块 无 线 传 输 单 元 主 控 制 器 发 动 机 伺 服 舵 机 1 伺 服 舵 机 2 伺 服 舵 机 3 伺 服 舵 机 4 地 面 控 制 平 台 视 频 采 集 单 元 2 无人机 控制系统指标与结构 2 无人机 控制系统指标与结构 2.2 六旋翼无人机 2 无人机 控制系统指标与结构 2.2 六旋翼 无人机 功能 空中 悬停、定位 功能 预 设航线 飞行 遥控 飞行和自主切换功能 远程 数据传输及飞行状态 监测 视觉 识别和无人机凝伺服功能 地面站飞行 系统故障 预警 功能 2 无人机 控制系统指标与结构 2.2 六旋翼无人机 技术指标 最大 飞行速度 60km/h； 最大 飞行高度 500m； 悬停 姿态精度 1deg； 定位 精度 0.3m； 飞行 姿态控制系统带宽 8Hz； 最大 目标跟踪速度 30km/h； 2 无人机控制系统指标与结构 S T M 32 f 407 X b e e 通讯模块 无线接收机 U A R T I 2 C 主处理器 三轴 M E M S 陀螺仪 D S P三轴 M E M S 加速度计 三轴磁阻传感器 M T I 姿态模块 图像传输系 统发射机 云台控制器 摄像头 超声测距 气压计 G P S 光流传感器 地面站 X b e e 通讯模块 计算机 控制手柄 图像传输系统 接收机 遥控器 P W M P W M P W M P W M P W M P W M 电机调速器 电机调速器 电机调速器 电机调速器 电机 1 电机 2 电机 3 电机 4 电机调速器 电机调速器 电机 5 电机 6 U A R T U A R T P W M U A R T P W M AV 5 . 8 G H z 2 . 4 G H z 2 . 4 G H z U A R T 机载部分 E 2 P RO M I 2 C Go p r o 运动相机和无刷云台 图传发射机 AV 视频线 无线传输 图传接收机 视频采集卡 本节课教学内容 无人机控制系统的必要性 1 无人机 控制系统指标与结构 2 控制系统关键部件 3 飞行控制系统简介 4 3 控制系统关键部件 3.1 自动驾驶仪 自动驾驶仪（ Autopilot），是按技术要求自动控制 飞行器轨迹的调节设备，其作用主要是保持飞机姿 态和完成规定的飞行任务。 自动驾驶仪是模仿驾驶员的动作驾驶无人机的。 3 控制系统关键部件 内置传感器：三轴角速率陀螺 、三轴加速度计、 三轴磁力计、双嘴空速传感器、气压高度计、 GPS接收机、温度传感器。 输入 /输出接口： PWM输入、 PWM输出、电源监 视、 ADC 数据交换接口： RS-232和 RS-485。 外置传感器：空速高度组合传感器、超声波高度 计、 PWM信号和离散信号扩展器、飞行数据记录 器、油量传感器、 GLONASS 或北斗 GPS 接收机。 3 控制系统关键部件 SDI-WAX100自动驾驶仪 全自主，自主 起飞、悬停、飞行、降落。 大速度，直升机度 270公里 /小时 ，固定翼 850公里 /小时 高 精度 ，飞行控制精度 3米 ，差分 GPS精度 0.5米。 冗余设计，两 个 CPU热 备份，故障 时自动切换。 允许传感 器 出现单次故障 ，故障后保持准确姿态 和位置估算 。通信 中断后 ，根据 设定控制飞机继续执行任务或自主返航。 高度 集成集飞控、陀螺、加速度计、通信、 GPS、 高度表。 多 路 控制， 16路控制输出，可控制 多伺服 舵机或外围设备 。 无人机 参数实时监控、智能告警显示，支持三维航迹规划 。 3 控制系统关键部件 SDI-WAX100自动驾驶仪 工作温度 ： -40 +85 空速表： 80 830公里 /小时 供电： 7V 36V 高度表： 0 6000米 功耗： 2.5瓦 最大加速度： 10g（垂直） 重量： 270克 最大角速度： 300度 /秒 尺寸 (mm)： 74.0 68.0 59.7 3 控制系统关键部件 SDI-WAX100自动驾驶仪地面控制站 支持 三维航迹规划、设置禁飞区、参照点 飞机参数实时监控、智能告警显示 同步记录飞行数据和视频画面 支持多种地图及坐标格式 用户可自定义操作界面 操作简便，飞机、摄像机模式一键切换 支持网络数据分发与网络远程控制无人机 3 控制系统关键部件 SDI-WAX100自动驾驶仪地面控制站 通讯距离： 100公里 控制速率： 50Hz 通道数： 4 波特率： 115.2kb/s 频率： 902 928M（ 1.3G可选） 一 站多机： 支持 工作温度： -40 +85 电压： 9V36V 功率： 2瓦 内置电池续航时间： 2小时 尺寸（ mm）： 123 103 30 重量： 300克 3 控制系统关键部件 3.2 姿态测量 一个 IMU包含了三个单轴的加速度计 和三个单轴的陀螺，加速度计检测物 体在载体坐标系统独立三轴的加速度 信号，而陀螺检测载体相对于导航坐 标系的角速度信号，测量物体在三维 空间中的角速度和加速度，并以此解 算出物体的姿态 。 捷联姿态解算、导航 多传感器融合、 Kalman滤波 3 控制系统关键部件 3.3 伺服舵机 工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电 机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反 馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将 输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在 位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。 指标：重量、尺寸、工作速度、扭矩、工作电压、工作电流 特点：体积紧凑，便于安装；输出力矩大，稳定性好；控制简单，便于 和数字系统接口。 3 控制系统关键部件 3.4 发动机 四 冲程往复式内燃机 二 冲程往复式内燃机 旋转 式引擎 涡轮 发动机 电马达 3 控制系统关键部件 功率： 25HP/6500rpm 怠速： 1400 rpm/分钟 适用火花塞型号 NGK CM6 排量： 245.2cm3 缸径 行程 : 45mm 35mm 压缩比： 7.6： 1 润滑比 : 30:1 重量 : 主机 5kg；总重 5.8kg 本节课教学内容 无人机控制系统的必要性 1 无人机 控制系统指标与结构 2 控制系统关键部件 3 飞行控制系统简介 4 4 飞控系统简介 飞 行 器 设 计 结 构 设 计 升 力 系 统 设 计 飞 行 控 制 系 统 涵 道 旋 翼 无 人 飞 行 器 设 计 动 力 学 分 析 数 学 仿 真 控 制 律 自 动 驾 驶 仪 静 态 试 验 飞 行 试 验 飞 行 试 验 功 能 完 善 抗 风 扰 补 偿 环 境 试 验 传 感 器 补 偿 方 法 风 扰 分 析 振 动 试 验 疲 劳 试 验 飞 行 性 能 指 标 检 验 悬 停 试 验 导 航 试 验 自 主 起 飞 着 陆 结 构 设 计 执 行 机 构 测 试 飞 行 控 制 飞 行 管 理 地 面 指 挥 系 统 静 态 测 试 结 构 试 验 系 留 试 验 结 构 、 升 力 系 统 及 飞 控 系 统 改 进 加 工 工 艺 改 进 结 构 及 气 动 布 局 改 进 样 机 试 验 参 数 调 试 样 机 试 验 验 收 飞 行 状 态 指 令 静 力 试 验 4.1系统实施步骤 4 飞控系统简介 姿态控制回路 速度控制回路 位置控制回路 机 体 动 力 学 模 型 1 / J s 姿 态 控 制 器 速 度 控 制 器 G P S 航 姿 系 统 舵 偏 角 - * * *,x y z ,x y z , * * *, 发 动 机 油 门位 置 控 制 器 d / d t 1 / M s ,x y zv v v * * *, x y zv v v 1 / s 1 / s + - zyx , , 4.2 控制回路 （ 涵 道旋 翼） 4 飞控系统简介 4.2 控制回路（六旋翼） 位置控制器 GP S / 光流 速度控制器 GP S / 光流 姿态控制器 I M U 测姿 高度控制器 超声波 气压计 GP S 加速度计 - - - 爬升速度 控制器 超声波 气压计 GP S 加速度计 转速分配 无人机 - - 位置 控制（室内 -光流，室外 -GPS） 高度 控制（ 数据 融合） 姿态控制（双环 PID） 4 飞控系统简介 飞行器实际系统的设计普遍存在不确定性问题。 综合考虑各种不确定性对无人机的影响，以获得稳定的飞 行性能。 为了保证涵道旋翼飞行器控制效果，设计反馈控制器使得 在参数变化和阵风干扰时，姿态系统仍能保持稳定。 建模误差 工况变化 环境干扰 0 00 0 1 0 0 uu u u q u X X g u X X q M M q M M 0 00 0 1 0 0 0 uw u q w u X g u X X q M q M M w 4.3 系统中的不确定性 4 飞控系统简介 机 体 动 力 学 模 型 1 / J s 姿 态 控 制 器 速 度 控 制 器 G P S 航 姿 系 统 量 化 风 扰 补 偿 控 制 器 风 扰 舵 偏 角 风 扰 位 置 给 定 - * * *,x y z ,x y z风 扰 舵 偏 角 补 偿 发 动 机 油 门 补 偿 , * * *, ,x y z, 发 动 机 油 门 位 置 控 制 器 d / d t 1 / M s ,x y zv v v * * *, x y zv v v 1 / s 1 / s + 发 动 机 油 门 - + + + + , zyx , 风 扰 气 动 效 应 分 析 干 扰 风 力 ， 风 速 姿 态 ， 航 迹 误 差 舵 偏 角 补 偿 量 螺 旋 桨 转 速 逆 模 型 自 适 应 补 偿 姿 态 角 计 算 飞 行 器 飞 行 姿 态 、 位 置 转 速 补 偿 量 4.4 侧风干扰补偿 4 飞控系统简介 监测飞行姿态、高度、速度信息 监测发动机及传感器工作状态 监测机载电源电量、油箱油量 飞行器航迹监测与规划 记录飞行状态数据及图像资料 记录飞行状态数据及图像资料 地 理 位 置 显 示 区 机 载 视 频 显 示 区 姿 态 信 息 传 感 器 工 作 状 态 地 面 操 作 记 录 飞 行 模 式 控 制 模 式 参 数 装 载 飞 行 器 状 态 1 2 3 4 5 4.5 地面站系统 4 飞控系统简介 无 人 机 准 备 就 绪 起 飞 变 速 巡 航 降 落 悬 停 翼 地 效 应 悬 停 非 翼 地 效 应 悬 停 全 自 动 半 自 动 手 动 固 定 航 向 固 定 高 度 固 定 速 度 寻 找 标 定 点 返 航 升 限 悬 停 飞 行 器 是 否 正 常 工 作 地 面 站 准 备 就 绪 模 式 切 换 飞 行 无 人 机 及 控 制 台 待 命 设 定 任 务 控 制 辅 助 控 制 下 降 下 降 任 务 成 功 后 / 飞 行 器 状 况 异 常 速 度 下 降 进 入 非 正 常 工 作 正 常 工 作 地 面 站 监 视 / 机 载 设 备 判 定 4.6 无人机系统工作流程 4 飞控系统简介 4.5 地面站系统 4 飞控系统简介 4.5 地面站系统