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发布时间:2019-12-16 14:20 来源:未知 编辑:admin

  现在的飞控内部使用的都是由三轴陀螺仪,三轴加速度计,三轴地磁传感器和气压计组成的一个IMU,也称惯性测量单元。那么什么是三轴陀螺仪,什么是三轴加速度计,什么是三轴地磁传感器呢,什么是气压计呢?它们在飞机上起到的是什么作用呢,这三轴又是哪三个轴呢? 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。 那么三轴加速度计时干什么的呢?刚刚说道三轴陀螺仪就是XYZ三个轴,现在不用说也就明白三轴加速度计也是XYZ三个轴。当我们开车起步的一瞬间就会感到背后有一股推力,这股推力呢就是加速度,加速度是速度变化量与发生这一变化时间的比值,是描述物体变化快慢的物理量,米每二次方秒,例如一辆车在停止状态下,它的加速度是0,起步后,从每秒0米到每秒10米,用时10秒,这就是这辆车的加速度,如果车速每秒10米的速度行驶,它的加速度就是0,同样,用10秒的时间减速,从每秒10米减速到每秒5米,那么它的加速就是负数。三轴加速度计就是测量飞机XYZ三个轴的加速度。

  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。

  这就是飞控最基本的功能,如果没有此功能,当一个角一旦倾斜,那么飞机就会快速的失去平衡导致坠机,或者说没有气压计测量不到自己的高度位置就会一直加油门或者一直降油门。其次,固定翼飞控还有空速传感器,空速传感器一般位于机翼上或机头,但不会在螺旋桨后边,空速传感器就是两路测量气压的传感器,一路测量静止气压,一路测量迎风气压,在计算迎风气压与静止气压的压差就可以算出当前的空气流速。 有了最基本的平衡、定高和指南针等功能,还不足以让一家飞机能够自主导航,就像我们去某个商场一样,首先我们需要知道商场的所在位置,知道自己所在的位置,然后根据交通情况规划路线。飞控也亦然,首先飞控需要知道自己所在位置,那就需要定位的,也就是我们常说的GPS,现在定位的有GPS、北斗、手机网络等定位系统,但是这里面手机网络定位是最差的,误差好的话几十米,不好的话上千米,这种误差是飞控无法接受的,由于GPS定位系统较早,在加上是开放的,所以大部分飞控采用的都是GPS,也有少数采用的北斗定位。精度基本都在3米内,一般开阔地都是50厘米左右,因环境干扰,或建筑物、树木之类的遮挡,定位可能会差,很有可能定位的是虚假信号。这也就是为什么民用无人机频频坠机、飞丢的一个主要原因。

  GPS定位原理就是三点定位,天上的GPS定位卫星距离地球表面22500千米处,它们所运动的轨道正好形成一个网状面,也就是说在地球上的任意一点,都有可以同时收到3颗以上的卫星信号。卫星在运动的过程中会一直不断的发出电波信号,信号中包含数据包,其中就有时间信号。GPS接收机通过解算来自多颗卫星的数据包,以及时间信号,可以清楚的计算出自己与每一颗卫星的距离,使用三角向量关系计算出自己所在的位置。GPS也定位了,数据也有了,这个信号也会通过一个编译器在次编译成一个电子信号传给飞控,让飞控知道自己所在的位置、任务的位置和距离、家的位置和距离以及当前的速度和高度,然后再由飞控驾驶飞机飞向任务位置或回家。

  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。

  数传电台就是飞机与地面站通信的一个主要工具,一般的数传电台采用的接口协议有TTL接口、RS485接口和RS232接口,的不过也有一些CAN-BUS总线MHZ,一般433MHZ的较多,因为433MHZ是个开放的频段,再加上433MHZ波长较长,穿透力强等优势所以大部分民用用户一般都是用的433MHZ,距离在5千米到15千米不等,甚至更远。最终达到的就是飞机与电脑间的通讯,电脑给飞机的任务,飞机时时飞行高度,速度等很多数据都会通过它来传输。以方便我们时时监控飞机情况,根据需要随时修改飞机航向。 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。

  LYHK-SCFR20飞控是西安蓝悦推出的一款工业级高性能无人机飞行控制系统。飞控采用CPU+FPGA硬件设计结构,具有高速运算能力,高精度控制机制,能够完美胜任油动无人机复杂的电磁环境、高振动环境,工作稳定。可以完成手动、半自主、全自主飞行,并能够进行定点投放飞行、航线规划及飞行等多种飞行任务,并具有协调转弯机制。内部集成三轴角速率陀螺,进行了全温度补偿、卡尔曼滤波算法等。内置大存储单元,对载体无人机的导航和运动信息进行独立存储。

  西安蓝悦航天科技有限公司是一家专业从事,单旋翼油动无人机、无人机飞控及无人机数传系统、无人机图传系统应用开发的高科技公司。2013年开始从事油动无人机飞控的研发。目前拥有多项自主知识产权专用,经过几年的努力取得了良好的成绩。2016年飞机成功在青海格尔木海拔2800米风力6及以上的地理环境进行全自助大行距飞行。 而今天我们要介绍的就是蓝悦航空自主研发的飞控系统,飞控作为无人机系统的大脑,稳定无人机飞行姿态,并能控制无人机自主或半自主飞行的控制系统。然而研发一款好的飞控需要强大的技术支撑,费时费力的研究开发,确保无人机的操作和飞行无误。

  1、LYHK-SCFR飞控 飞控作为无人机系统的大脑,稳定无人机飞行姿态,并能控制无人机自主或半自主飞行的控制系统。蓝悦航空LYHK-SCFR20型飞控采用CPU+FPGA硬件设计结构,具有高速运算能力,高精度控制机制,能够完美胜任油动无人机复杂的电磁环境、高振动环境,工作稳定。可以完成手动、半自主、全自主飞行,并能够进行定点投放飞行、航线规划及飞行等多种飞行任务,并具有协调转弯机制。内部集成三轴角速率陀螺,进行了全温度补偿、卡尔曼滤波算法等。仅仅通过LYHK-SCFR20飞控与飞机执行机构连接不需要组合导航系统等就可以进行飞行。对载体的导航和运动信息进行独立存储。系统设计精巧而坚固,满足苛刻的工业级指标,适用于复杂工业环境, 耐恶劣环境(宽温、抗振抗冲击、抗电磁干扰) CUP+FPGA超强的运算处理能力,能完成复杂的运算控制接口丰富,能够适应绝大多数无人机系统 内置高精度三轴角速率陀螺,并进行全温度补偿、卡尔曼滤波算法等 128G固态硬盘存储空间,满足大数据、长时间存储 集成算法能够完成手动、半自主、全自主飞行 支持农业AB点作业、航线规划、一键返航、失控返航

  2、LYHK-SINS-RTK高性能组合导航系统 LYHK-20SINS-RTK高性能组合导航系统由高精度MEMS陀螺仪以及高精度GNSS接收板卡构成,可在动态环境下,对载体的姿态、航向、位置、速度、加速度等数据进行输出。在无GNSS数据时仍可以正常输出载体的姿态信息,在GNSS信号丢失的短时间内,依然可以输出可信的航向信息、位置信息、速度信息。

  3、LYHK-D122900-3S6基准站数传电台 LYHK-D122900基准站数传电台内置高精度GNSS接收机,可为无人机系统提供RTK定位基准站。目前支持GPS、BDS、GLONASS和SBAS信号,基准站GNSS接收机数据通过电台发送给流动站做RTK定位。电台工作在900MHz,采用FHSS跳频技术,可有效减少同频段干扰现象,实现远距离双向通讯,最远传输距离可达10km。具有数据传输速度快、性能稳定、安全、通信距离远等优点。地面站内置聚合物锂电池,室外工作时不需要另接电源,大程度方便使用。支持BDS B1/B2、GPS L1/L2、GLonASS G1/G2以及SBAS L1C/A信号 超强处理能力,最高可支持50Hz的RTK、PVT与观测数据输出 独特的自适应算法,实现在恶劣环境下的连续可靠定位 电台最高速率高达345kpbs 最远传输距离可达10km 点对点,点对多点网络拓扑结构, 存储转发功能 工业级工作温度(-40℃to +85℃) GNSS接收机、电台一体化,既可直接发送GNSS数据,又可以发送用户数据 内置电池,方便户外使用,连续工作可达20小时。

  4、LYHK-D122400-3S6基准站数传电台 LYHK-D122400基准站数传电台工作在400MHz,采用FHSS跳频技术,可有效减少同频段干扰现象,实现远距离双向通讯,最远传输距离可达15km。具有数据传输速度快、性能稳定、安全、通信距离远等优点。地面站内置聚合物锂电池,室外工作时不需要另接电源,大程度方便使用。支持BDS B1/B2、GPS L1/L2、GLonASS G1/G2以及SBAS L1C/A信号 超强处理能力,最高可支持50Hz的RTK、PVT与观测数据输出 独特的自适应算法,实现在恶劣环境下的连续可靠定位 电台最高速率高达57.6kpbs 最远传输距离可达15km 点对点,点对多点网络拓扑结构, 存储转发功能工业级工作温度(-40℃to +85℃) GNSS接收机、电台一体化,既可直接发送GNSS数据,又可以发送用户数据 内置电池,方便户外使用,连续工作可达20小时。

  5、LYHK-J122900机载数传电台 LYHK-J122900机载数传电台工作在900MHz,采用FHSS跳频技术,可有效减少同频段干扰现象,实现远距离双向通讯,最远传输距离可达10km。具有数据传输速度快、性能稳定、安全、通信距离远等优点。电台最高速率高达345kpbs 最远传输距离可达10km 点对点,点对多点网络拓扑结构, 存储转发功能 32位CRC数据校验 工业级工作温度(-40℃to +85℃) 满足苛刻的工业级指标,适用于复杂工业环境,耐恶劣环境(宽温、抗振抗冲击、抗电磁干扰) 。

  6、 LYHK-J122400机载数传电台 LYHK-J122400机载数传电台工作在400MHz,采用FHSS跳频技术,可有效减少同频段干扰现象,实现远距离双向通讯,最远传输距离可达15km。具有数据传输速度快、性能稳定、安全、通信距离远等优点。电台最高速率高达57.6kpbs 最远传输距离可达15km 点对点,点对多点网络拓扑结构, 存储转发功能 32位CRC数据校验 工业级工作温度(-40℃to +85℃) 满足苛刻的工业级指标,适用于复杂工业环境,耐恶劣环境(宽温、抗振抗冲击、抗电磁干扰)

  无人驾驶飞机简称“无人机”,英文缩写为“UAV”,是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机,或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。

  无人机可实现高分辨率影像的采集,在弥补卫星遥感经常因云层遮挡获取不到影像缺点的同时,解决了传统卫星遥感重访周期过长,应急不及时等问题。

  无人机系统由飞机平台系统、信息采集系统和地面控制系统组成。最初的一代主要以侦察机为大宗,一些无人机已经装备了武器(例如RQ-1捕食者装备AGM-114地狱火空对地导弹)。由无人机担任更多角色的军事预想,最初是轰炸和对地攻击,空对空战斗,飞行员最后一块领域。 装备有武器的无人机被称为无人战斗机飞机(UCAV)。

  新一代的无人机能从多种平台上发射和回收,例如从地面车辆、舰船、航空器、亚轨道*行器和卫星进行发射和回收。地面操纵员可以通过计算机检验它的程序并根据需要改变无人机的航向。而其他一些更先进的技术装备、如高级窃听装置、穿透树叶的雷达、提供化学能力的微型分光计设备等,也将被安装到无人机上。

  (1)开始界面:快捷实现任务的规划,进入任务监控界面,实现航拍任务的快速自动归档,各功能划分开来,实现软件运行的专一而稳定。

  (2)航前检查:为保证任务的安全进行,起飞前结合飞行控制软件进行自动检测,确保飞机的GPS、罗盘、空速管及其俯仰翻滚等状态良好,避免在航拍中危险情况的发生。

  (3)飞行任务规划:在区域空照、导航、混合三种模式下进行飞行任务的规划。

  (4)航飞监控:实时掌握飞机的姿态、方位、空速、位置、电池电压、即时风速风向、任务时间等重要状态,便于操作人员实时判断任务的可执行性,进一步保证任务的安全。

  成本低,效费比好;无人员伤亡风险;生存能力强,机动性能好,使用方便,在现代战争中有极其重要的作用,在民用领域更有广阔的前景。

  无人机按应用领域,可分为军用与民用。军用方面,无人机分为侦察机和靶机。民用方面,无人机+行业应用,是无人机真正的刚需;目前在航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域的应用,大大的拓展了无人机本身的用途,发达国家也在积极扩展行业应用与发展无人机技术。

  无人机的飞行控制系统主要包括传感器、机载计算机和伺服作动设备三部分,其功能有:

  LYHK-SCFR20飞控是西安蓝悦推出的一款工业级高性能无人机飞行控制系统。飞控采用CPU+FPGA硬件设计结构,具有高速运算能力,高精度控制机制,能够完美胜任油动无人机复杂的电磁环境、高振动环境,工作稳定。可以完成手动、半自主、全自主飞行,并能够进行定点投放飞行、航线规划及飞行等多种飞行任务,并具有协调转弯机制。内部集成三轴角速率陀螺,进行了全温度补偿、卡尔曼滤波算法等。内置大存储单元,对载体无人机的导航和运动信息进行独立存储。

  单独通过LYHK-SCFR20飞控与飞机执行机构连接,不需要组合导航系统等就可以进行无人机手动飞行。

  1、具备高精度定位定向功能,支持GNSS双天线、高精度测姿功能,航向角精度优于0.2°/R,横滚和俯仰角精度优于0.1°/R;

  3、采用高性能GPS算法,具有200Hz数据更新频率,GPS信号不好时仍可以正常输出可信的航向信息、位置信息和速度信息;

  4、接口丰富,可为用户提供RS232、RS422等通信接口,多达8路的PWM控制,2路12bit的A/D等;

  6、数传电台内置1W发射功率的900MHz跳频数传电台,通信距离可达10Km;

  8、系统设计精巧而坚固,满足苛刻的工业级指标,适用于复杂工业环境,耐恶劣环境(宽温、抗振抗冲击、抗电磁干扰);

  飞控系统采用分布式模块化设计,各模块采用工业级设计材料、元器件和高精度、高性能传感单元,融合了优化后的独立算法,依据工业级标准相关检测方法,经过多次严苛的可靠性测试,可以安全、稳定的执行各种无人机飞行任务。

  蓝悦无人机飞控CPU+FPGA超强的运算处理能力,能完成复杂的运算控制; 接口丰富,能够适应绝大多数无人机系统;

  蓝悦无人机飞控选用标准航空连接器,提供更多接口和更高的可靠性。 系统设计精巧而坚固,满足苛刻的工业级指标,适用于复杂工业环境,耐恶劣环境(宽温、抗振抗冲击、抗电磁干扰);

  以前,搞无人机的十个人有八个是航空、气动、机械出身,更多考虑的是如何让飞机稳定飞起来、飞得更快、飞得更高。如今,随着芯片、人工智能、大数据技术的发展,无人机开始了智能化、终端化、集群化的趋势,大批自动化、机械电子、信息工程、微电子的专业人材投入到了无人机研发大潮中,几年的时间让无人机从远离人们视野的军事应用飞入了寻常百姓家、让门外汉可以短暂的学习也能稳定可靠的飞行娱乐。不可否认,飞控技术的发展是这十年无人机变化的大推手。

  飞控是什么? 飞行控制系统(Flight control system)简称飞控,可以看作*行器的大脑。多轴*行器的飞行、悬停,姿态变化等等都是由多种传感器将*行器本身的姿态数据传回飞控,再由飞控通过运算和判断下达指令,由执行机构完成动作和飞行姿态调整。

  飞控可以理解成无人机的CPU系统,是无人机的核心部件,其功能主要是发送各种指令,并且处理各部件传回的数据。类似于人体的大脑,对身体各个部位发送指令,并且接收各部件传回的信息,运算后发出新的指令。例如,大脑指挥手去拿一杯水,手触碰到杯壁后,因为水太烫而缩回,并且将此信息传回给大脑,大脑会根据实际情况重新发送新的指令。

  无人机的飞行原理及控制方法(以四旋翼无人机为例) 四旋翼无人机一般是由检测模块,控制模块,执行模块以及供电模块组成。检测模块实现对当前姿态进行量测;执行模块则是对当前姿态进行解算,优化控制,并对执行模块产生相对应的控制量;供电模块对整个系统进行供电。 四旋翼无人机机身是由对称的十字形刚体结构构成,材料多采用质量轻、强度高的碳素纤维;在十字形结构的四个端点分别安装一个由两片桨叶组成的旋翼为*行器提供飞行动力,每个旋翼均安装在一个电机转子上,通过控制电机的转动状态控制每个旋翼的转速,来提供不同的升力以实现各种姿态;每个电机均又与电机驱动部件、控制单元相连接,通过控制单元提供的控制信号来调节转速大小;IMU惯性测量单元为控制单元提供姿态解算的数据,机身上的检测模块为无人机提供了解自身位姿情况最直接的数据,为四旋翼无人机最终实现复杂环境下的自主飞行提供了保障。

  现将位于四旋翼机身同一对角线上的旋翼归为一组,前后端的旋翼沿顺时针方向旋转,从而可以产生顺时针方向的扭矩;而左右端旋翼沿逆时针方向旋转,从而产生逆时针方向的扭矩,如此四个旋翼旋转所产生的扭矩便可相互之间抵消掉。由此可知,四旋翼*行器的所有姿态和位置的控制都是通过调节四个驱动电机的速度实现的。一般来说,四旋翼无人机的运动状态主要分为悬停、垂直运动、滚动运动、俯仰运动以及偏航运动五种状态。

  悬停 悬停状态是四旋翼无人机具有的一个显著的特点。在悬停状态下,四个旋翼具有相等的转速,产生的上升合力正好与自身重力相等,即。并且因为旋翼转速大小相等,前后端转速和左右端转速方向相反,从而使得*行器总扭矩为零,使得*行器静止在空中,实现悬停状态。

  垂直运动 垂直运动是五种运动状态中较为简单的一种,在保证四旋翼无人机每个旋转速度大小相等的倩况下,同时对每个旋翼增加或减小大小相等的转速,便可实现*行器的垂直运动。当同时増加四个旋翼转速时,使得旋翼产生的总升力大小超过四旋翼无人机的重力时,即,四旋翼无人机便会垂直上升;反之,当同时减小旋翼转速时,使得每个旋翼产生的总升力小于自身重力时,即,四旋翼无人机便会垂直下降,从而实现四旋翼无人机的垂直升降控制。

  翻滚运动 翻滚运动是在保持四旋翼无人机前后端旋翼转速不变的情况下,通过改变左右端的旋翼转速,使得左右旋翼之间形成一定的升力差,从而使得沿*行器机体左右对称轴上产生一定力矩,导致在方向上产生角加速度实现控制的。如图2.3所示,增加旋翼1的转速,减小旋翼3的转速,则*行器倾斜于右侧飞行;相反,减小旋翼4,增加旋翼2,则*行器向左倾斜飞行。

  俯仰运动 四旋翼*行器的俯仰运动和滚动运动相似,是在保持机身左右端旋翼转速不变的前提下,通过改变前后端旋翼转速形成前后旋翼升力差,从而在机身前后端对称轴上形成一定力矩,引起角方向上的角加速度实现控制的。如图2.4所示,增加旋翼3的转速,减小旋翼1的转速,则*行器向前倾斜飞行;反之,则*行器向后倾斜。

  偏航运动 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*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*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*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。

  四旋翼无人机的姿态控制应根据其实际的工作特性以及动力学模型,进而针对姿态的三个通道(俯仰,翻滚和偏航)分别设计姿态控制器,每个通道中都对应引入相应的控制器,其流程如下所示。 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。

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