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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,2020/9/10,#,第四章,第四章,无人机航电系统是无人机系统的重要组成部分，主要由飞行控制系统和导航系统组成。本章主要介绍飞行控制系统和导航系统的种类、组成、原理、性能参数等。,学习导论,第四章 无人机航电系统是无人机系统的重要组成部分,第四章,第四章,学习目标,1.,了解飞行控制系统概述；,2.,掌握飞行控制系统的组成、类型及工作原理；,3.,了解飞控板种类和特点；,4.,了解无人机常用传感器工作原理；,5.,掌握无人机常用传感器种类及作用；,4.,了解导航系统的种类和现有导航系统各自的优缺点；,5.,了解惯性导航系统定义、种类和工作原理；,6.,掌握捷联式惯性导航与平台式惯性导航在结构和特点上主要区别；,7.,掌握全球卫星导航系统种类、组成及原理；,8.,掌握多卫星组合导航系统及惯性与卫星组合导航系统典型产品；,9.,了解舵机概述、性能参数及工作原理；,10.,掌握舵机作用及结构。,第四章学习目标1.了解飞行控制系统概述；,第四章,无人机航电系统,第四章,无人机航电系统,飞行控制系统概述,第一节,传感器,第二节,舵机,第三节,导航系统,第二节,第四章第四章飞行控制系统概述第一节传感器第二节舵机第三节导航,第四章,飞行控制系统概述,4.1,飞行控制系统概述,飞行控制系统简称飞控系统，是控制无人机飞行姿态和运动方向的部件，是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务、返场回收等整个飞行过程的核心系统，也称为自动驾驶仪（自驾），这也是无人机区别于航模的根本原因之一。实际上，无人机的飞控系统就相当于有人机的驾驶员，是无人机执行任务的关键。,飞控系统的基本功能如下：,1.,导航,解决“在哪儿”的问题。充分发挥飞控系统中各种传感器的功能，综合分析判断得到准确的位置和姿态信息，是飞控系统要做的首要事情。,2.,控制,解决“怎么飞”的问题。在上述准确的位置和姿态信息基础上，根据任务，通过算法计算出控制量，输出给电调，进而控制电机转速，进而实现姿态控制。,3.,决策,解决“去那儿”的问题。飞行操控人员或者地面站操控无人机进行飞行，进而实现航迹控制。,第四章4.1 飞行控制系统概述 飞行控制系统简,第四章,飞行控制系统概述,4.1.1,组成,飞控系统一般由传感器、机载计算机和执行机构三大部分，如图,4-1,所示。当某种干扰使无人机偏离原有姿态时，传感器检测出姿态的变化，计算机算出需要的修正偏量，执行机构将控制面操纵到所需位置。,第四章4.1.1 组成 飞控系统一般由传感器、机,第四章,飞行控制系统概述,4.1.1,组成,(1),惯性测量单元（,IMU,）,包括加速度计、陀螺仪和磁力计，主要得到无人机的姿态信息。常用的有,6,轴、,9,轴和,10,轴三种，,6,轴,IMU,包含三轴加速度计和三轴陀螺仪，,9,轴,IMU,是包含了三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，而,10,轴,IMU,则是在,9,轴,IMU,基础上加上气压计构成。,(2),高度测量单元,包括气压传感器（简称气压计）和超声传感器。气压计测量得到绝对高度信息，而超声传感器测量得到相对高度信息，可实现悬停高度控制或避障。,(3),全球定位系统（,GPS,）,得到无人机的位置信息,1.,传感器,无人机飞控系统常用的传感器包括陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计、超声波传感器及,GPS,模块等，这些传感器构成无人机飞控系统设计的基础。各传感器基本功能如下：,第四章4.1.1 组成(1)惯性测量单元（IMU）包括加速,第四章,飞行控制系统概述,4.1.1,组成,机载计算机是飞控系统的核心部件，是算法计算平台，由硬件和软件组成。,硬件也就是电路板，由主处理控制器（常用的有通用型处理器（,MPU,）、微处理器（,MCU,）、数字信号处理器（,DSP,）及可编程门阵列（,FPGA,）、二次电源（,5V,、,15V,等直流电源）、模拟量输入,/,输出接口、离散量接口、通信接口（,RS232/RS422/RS485,、,ARINC429,和,1553B,总线）、余度管理（信息交换电路、同步指示电路、通道故障逻辑综合电路及故障切换电路）、加温电路、检测接口等组成。,软件也就是飞控程序，是一种运行于计算机上的嵌入式实时任务软件，不仅要求功能正确、性能好、效率高，而且要求其具有较好的质量保证、可靠性和可维护性。主要模块有硬件接口驱动模块、传感器数据处理模块、飞行控制律模块、导航与制导律模块、飞行任务管理模块、任务设备管理模块、余度管理模块、数据传输和记录模块、自检测模块等。,2.,机载计算机,3.,执行机构,无人机执行机构都是伺服作动设备，是飞控系统的重要组成部分。其主要功能是根据计算机的指令，按规定的静态和动态要求，通过对无人机各控制面和发动机油门的控制，实现对无人机的飞行控制。执行机构主要包括电调、电机、舵机等。,第四章4.1.1 组成机载计算机是飞控系统的核心部件，是算法,第四章,飞行控制系统概述,4.1.2,类型,飞控系统的分类方法有许多，按能源形式可分为,气压式、液压式、电气式,或者是这几种形式的组合。按调节规律（指飞控系统输入信号与执行机构的输出量之间的函数关系）可分为,比例式,和,积分式,两种基本类型。,1.,比例式,第四章4.1.2 类型飞控系统的分类方法有许多，按能源形式可,第四章,飞行控制系统概述,4.1.2,类型,1.,比例式,第四章4.1.2 类型1.比例式,第四章,飞行控制系统概述,4.1.2,类型,2.,积分式,由于速度反馈产生这种积分关系，速度反馈又称为软反馈，故积分式飞控系统亦称速度反馈式飞控系统，或软反馈式飞控系统。它没有静态误差，但系统的稳定性差，结构复杂，应用受到一定限制。,第四章4.1.2 类型2.积分式由于速度反馈产生这种积分关,第四章,飞行控制系统概述,4.1.3,飞控板,1.KK,飞控板,KK,飞控板只有三个单轴陀螺仪，如图,4-5,所示。与一台最简单的四通道遥控器配，就能控制常见的三、四、六旋翼无人机，并且支持“十字”型、,X,型、,H,型和上下对置等多种布局。目前最新版本是,KK4.5,，与其他飞控板相比，该飞控板扩展性低、无自稳、不能定高及无,GPS,，但其价格低廉及调试简单，依然拥有众多玩家，是初学者首选,2.QQ,飞控板,QQ,飞控板是一款轻量级的飞控（图,4-6,），具有调试简单、价格便宜及有自稳功能等优点，但不能定高、不能姿态控制及无,GPS,，更适用于穿越机。因为比,KK,多自稳功能，所以操作起来比,KK,简单,3.MWC,飞控板,该飞控板除了支持常见的四、六和八旋翼以外，还支持很多奇特的无人机类型，比如三旋翼、阿凡达飞行器（,BIcopteravatarstyle,）、,Y4,型多旋翼（其中两轴为上下对置）等，这也是该飞控板最大特点。除此之外，,MWC,飞控板分为标准版和高配版，具有成本较低、结构简单及固件比较成熟等优点,第四章4.1.3 飞控板1.KK 飞控板2.QQ 飞控板,第四章,飞行控制系统概述,4.1.3,飞控板,4.APM,飞控板,ArduPilotMega,（简称,APM,）飞控板是在,2007,年由,DIY,无人机社区（,DIYDrones,）基,于,Arduino,的开源平台推出的飞控系统，也是迄今为止最为成熟的开源自动导航飞控系统，可支持多旋翼、固定翼、直升机和无人驾驶车等无人设备，如图,4-8,所示。通过,MissionPlanner,开源软件，开发者可以配置,APM,的设置、接受并显示传感器的数据、使用,GoogleMap,完成自动驾驶等良好的可定制性功能,5.PX4,和,PIXHawk,飞控板,PX4,飞控板是由,LorenzMeier,所在的瑞士小组开发的，拥有一个,32,位处理器。因此，能提供更多内存、运用分布处理方式及包含一个浮点运算协处理器，具有,APM,飞控板,10,倍以上的,CPU,性能。,PX4,系列最初有,PX4FMU,与,PX4IO,两个版本。,PIXHawk,飞控板是由,3DR,联合,APM,飞控板开发小组与,PX4,小组于,2014,年推出的,PX4,飞控板的升级版本,6.,零度飞控板,零度飞控板分为两类，第一类是工业级商用的“双子星”（,GEMINI,）双余度飞控板，其集成了两套独立工作的,MC,（内置,IMU,）、,GPS,、磁罗盘，当主控设备出现意外时，从控设备会自动接管对无人机的控制，并支持零度安全伞，意外情况自动开伞，为飞行提供了多重安全保障。,第二类是无人机爱好者用的,YS,系列飞控板，主要有,YS-X6,系列（,YS-X6/YS-X6-P,）、,YS-X4,系列（,V1/V2/-,）和,YS-S4,系列（,V1/V2/V3/-,）支持多旋翼无人机及,YS09,和,YS06,支持固定翼无人机,第四章4.1.3 飞控板4.APM 飞控板5.PX4 和,第四章,飞行控制系统概述,4.1.3,飞控板,7.,大疆飞控板,大疆飞控板分为两类，第一类为工业级商用的悟空系列飞控板，如,WooKong-M,、,A2,、,A3,、,A3Pro,等，如图,4-10,所示。集成了高精度的传感器元件，采用先进的温度补偿算法和工业化的精准校正算法，使无人机系统具有稳定、高效和可靠的性能。,第二类是多旋翼无人机爱好者用的哪吒系列飞控板，如,NAZA-MLite,、,NAZA-MV1,，,NAZA-MV2,，如图,4-11,所示。这类飞控板采用一体化设计理念，将控制器、陀螺仪、加速度计和气压计等传感器集成在轻巧的控制模块中，且支持固件在线升级，使无人机系统的功能和硬件均可得到扩展。具有飞行稳定性好、手感和机动性强、售后服务好，安全性高、操作比,APM,飞控板简单等优点。,第四章4.1.3 飞控板7.大疆飞控板,第四章,传感器,4.2.1,陀螺仪,1.,传统陀螺仪,传统陀螺仪是一种机械装置，主要由旋转轴、转子和支架等组成，如图,4-14,所示。,(1),陀螺转子,常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动陀螺转子绕自转轴高速旋转。,(2),支架（内、外环,）使陀螺自转轴获得所需角转动自由度。,(3),附件,是指力矩马达、信号传感器等。,第四章4.2.1 陀螺仪1.传统陀螺仪传统陀螺仪是一种机械装,第四章,传感器,4.2.1,陀螺仪,2.,微机械陀螺仪,微机械陀螺仪,即,MEMS,陀螺仪（图,4-16,），,MEMS,（,Micro-Electro-Mechanical Systems,）是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。,工作原理：,MEMS,陀螺仪利用旋转物体在有径向运动时所受到的切向力（科里奥利力），采用振动物体传感角速度的概念，利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的。在这个系统中振动和转动诱导的科里奥利力把正比于角速度的能量转移到传感模式。,MEMS,陀螺仪没有旋转部件，不需要轴承，可以利用微机械加工技术大批量生产。,MEMS,陀螺仪的性能参数主要有：,分辨率（,Resolution,）、零角速度输出（零位输出）、灵敏度（,Sensitivity,）和测量范围。这些参数是评判,MEMS,陀螺仪性能好坏的重要标志，同时也决定陀螺仪的应用环境，不同的应用场合对陀螺仪的各种性能指标有不同的要求。,MEMS,陀螺仪主要特点有：,1),体积小、重量轻，其边长都小于,1mm,，器件核心的重量仅为,1.2mg,。,2),成本低。,3),可靠性好，工作寿命超过,10,万,h,，能承受,1000g,的冲击。,4),测量范围大。,第四章4.2.1 陀螺仪2.微机械陀螺仪微机械陀螺仪即 ME,第四章,传感器,4.2.2,加速度计,1.,结构组成,压电式,MEMS,加速度计根据用途分为多种结构，其中最常见的一类为纵向压缩型结构，其他压电加速度计都是在压缩型的基础上改装而来的。压缩型压电加速度计主要由是,压电元件、质量块、弹性元件,等组成，如图,4-17,所示。质量块作为
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