多旋翼無人機基礎知識二

1、多旋翼無人機的組成1.光流定位系統(tǒng)光流(opticflow),從本質上說，就是我們在三維空間中視覺感應可以感覺到的運動模式，即光線的流動。例如，當我們坐在車上的時候往窗外觀看，可以看到外面的物體，樹木，房屋不斷的后退運動，這種運動模式是物體表面在一個視角下由視覺感應器(人眼或者攝像頭等)感應到的物體與背景之間的相對位移。光流系統(tǒng)不但可以提供物體相對的位移速度，還可以提供一定的角度信息。而相對位移的速度信息可以通過積分獲得相對位置信息2.全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)GPS8統(tǒng)是美國從上世紀70年代開始研制并組建的衛(wèi)星系統(tǒng)，可以利用導航衛(wèi)星進行目標的測距和測速，具備在全球任何位置進行實時的三維導航定位的能力，

2、是目前應用最廣泛的精密導航定位系統(tǒng)北斗系統(tǒng)是中國為了實現(xiàn)區(qū)域及全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的自主權與主導地位而建設的一套衛(wèi)星定位系統(tǒng)，用于航空航天、交通運輸、資源勘探、安防監(jiān)管等導航定位服務。北斗系統(tǒng)采用5顆靜止同步軌道衛(wèi)星和30顆非同步軌道衛(wèi)星組成，是中國獨立自主研制建設的新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。GLONAS是俄羅斯在前蘇聯(lián)時期建立的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，但由于缺乏資金維護，目前系統(tǒng)的可用衛(wèi)星從最初的24顆衛(wèi)星減少到2015年的17顆可用在軌衛(wèi)星，導致系統(tǒng)的可用性和定位精度逐步的下降。歐盟的伽利略導航衛(wèi)星系統(tǒng)是由歐洲自主、獨立的民用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，不過目前為止該系統(tǒng)還只是計劃方案，計劃總共包含27顆工作衛(wèi)星，

3、3顆為候補衛(wèi)星，此外還包含2個地面控制中心，但由于該計劃由歐盟共同經營，同時與內部私企合營，各部分利益難以平衡，計劃實施則一再推遲，目前還無法獨立使用。3 .高度計由于全球定位系統(tǒng)GNSS勺缺陷，它的高度信息極為不準確，通常偏差達幾十米甚至更大，無人機系統(tǒng)的高度測量需要額外的設備來輔助測量。常用的高度傳感器主要包含超聲波傳感器和氣壓高度傳感器，此外還有激光高度計和微波雷達高度計等。氣壓高度計的原理是地球上測量的大氣壓力在一定方位內是與相對海拔高度呈現(xiàn)對應關系的。一般認為海平面上為一個標準大氣壓，在此基礎上，隨著高度增加，氣壓減小，以其對應的公式為：（kPaA）=101.325*（1-0.022

4、57*海拔）A5.256注意：其中沒有考慮到溫度、濕度、空氣目睹變化等很多外界的環(huán)境因素激光高度計是采用激光作為光源測量發(fā)射與接收反射光的時間差來計算距離高度的傳感器。由于采用激光作為光源，它的高度和分辨率較高，測量距離最遠達到100米甚至數(shù)百米距離，但是成本較高，且容易受到空氣灰塵的印象以及反射面的干擾。GPS&球定位系統(tǒng)可以通過解析GPGGA的數(shù)據(jù)來獲得GPSR集到的高度數(shù)據(jù)，但是GPS球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星信號可能提供不準確的GP漱據(jù)，且誤差比較大飛控算法可以采取數(shù)據(jù)融合的方式將不同的傳感器之間的數(shù)據(jù)進行處理，從而獲取更高精度的數(shù)據(jù)。4 .導航系統(tǒng)1）慣性導航：慣性導航系統(tǒng)是內部集成慣

5、性測量單元作為敏感元器件的導航參數(shù)解算系統(tǒng)，該系統(tǒng)不依賴GPS?外部定位信息，也不像外部發(fā)射能量。慣性導航的基本原理是基于牛頓力學定力和歐拉方程式，通過測量載體在慣性參考下中的加速度和角速度信息，多這些數(shù)據(jù)進行時間的積分從而計算出載體在慣性參考系中的速度位置以及姿態(tài)角信息。航位推算的定義是從已知的坐標位置開始，根據(jù)航行體（船只、飛機、陸地車輛等）在該點的航向、航速和航行時間，推算下一時刻坐標位置的導航過程就稱為航位推算。航位推算（DR）基本原理是利用方向和速度傳感器獲取的信息來推算車輛的位置。4卜航位推售法示意圖由無人機的記動可覬仃成品一it平面上的邁動.因此如果始遭無人機的起始便置%*%）和

6、起始力位地眄過實時的測后gA網(wǎng)的行兜即忠和琥向加度的變化，就可。實時的櫛尋無人機的位菽吭位抵算的厚理如圖斷示,DR利用傳腐零直接或間接翻出骯向和檢移矢量，從而推算出無人機的位置.航療體在K時期的位置可H栽示為燈忒:慣性導航系統(tǒng)的主要缺點為：由于采用時間積分的航位推算，推算過程的誤差和積分誤差無法消除,并且隨著時間的增加會累積，造成全局發(fā)散的情況+與yo一一=f4ISisin仇Sicos2）GPSt航GPS導航系統(tǒng)，顧名思義就是以全球24顆人造衛(wèi)星為基礎，對無人機不斷定位從而實現(xiàn)導航功能。在GPS1航電文中包含有衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、經緯度、天線離水平面高度等信息。無人機接收到導航電文時

7、，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與無人機之間的偽距離，再利用導航電文中衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置。GPS導航其優(yōu)點是全天候、連續(xù)性高精度導航與定位能力；但是由于無人機GPS8收機中使用的時鐘與衛(wèi)星搭載時鐘不可能同步，并且其容易受到電磁干擾的影響，如果飛行器需要快速更新導航信息的話，GPS勺更新頻率無法滿足其無人機導航的。3）多普勒導航多普勒導航系統(tǒng)是利用多普勒效應測定多普勒頻移，從而計算出無人機當前的速度和位置來進行導航（見無線導航）。多普勒雷達測得飛機速度信號與航向姿態(tài)系統(tǒng)測得的飛機的航向、俯仰、滾轉信號一并輸入導航計算機，計算出飛機的地速矢量并對地速進行連

8、續(xù)積分等運算，得出當前飛機的位置。再利用這個位置信號進行航線等計算，實現(xiàn)飛機的引導。多普勒導航的有點是自主性好、反應速度快、抗干擾性強、測速精度高，能適用于各種氣候條件和地面條件。具缺點是工作時必須發(fā)射點播，因此其隱蔽性不好；系統(tǒng)工作受到地形的影響，在沙漠或者水平面上工作時，因其電波的反射性不好而會降低其性能。并且精度受到天線姿態(tài)的影響，測量有積累誤差，系統(tǒng)會隨著飛行距離的增加而使誤差增大。4）地形輔助導航地形輔助導航是指飛行器在飛行過程中，利用預先存儲的飛行路線中某些地區(qū)的特征數(shù)值，與實際飛行過程中測量的數(shù)值進行不斷比較來實施導航修正的一種方法。地形輔助導航的優(yōu)點是沒有誤差，隱蔽性好，抗干擾

9、性強。其缺點是計算量大，實時性受到制約；工作性能受到地形影響，適用于地形起伏大的地形，不適合于平原或者海面使用；同時還受到天氣氣候的影響，在大霧、多云或者雪天氣候下導航效果不佳；要求飛行器按照事先規(guī)定的路線飛行，大大影響了無人飛行器的適用性。5）地磁導航地磁是地球天然的固有資源，在早期時候，航船就利用其指北針來進行導航。由于地磁場為矢量場，在地球的任一空間上的地磁量都是不同的，并且與該地點的經緯度存在對應關系，因此在理論上確定該地點的地磁場矢量就能實現(xiàn)全球定位。地磁導航其優(yōu)點也如上所示在跨海制導方面有一定的優(yōu)勢，具缺點是地磁匹配需要存儲大量的地磁數(shù)據(jù)，并且需要高性能的處理器來進行數(shù)據(jù)匹配。5.

10、無線圖傳系統(tǒng)無線圖傳系統(tǒng)無線圖傳系統(tǒng)，簡稱圖傳系統(tǒng)，從應用層來看分為固定點的圖像監(jiān)控傳輸系統(tǒng)和移動視頻圖像傳輸系統(tǒng)；無人飛行器的無線圖傳系統(tǒng)屬于移動視頻圖像傳輸系統(tǒng)的類別，它是作為飛行器的重要任務載荷部分，提供機載設備的圖像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路通道。它負責將機載圖像采集數(shù)據(jù)實時無損/有損的傳輸?shù)降孛娼邮赵O備上，供實時觀察以及存儲，圖像分析等后續(xù)處理基于不同的開放頻段，圖傳系統(tǒng)在傳輸技術體制上可以大致分為模擬傳輸、GSM/GPRS/CDMA字微波、擴頻微波、無線網(wǎng)、COFDM（交頻分復用）等。主要是直接圖像數(shù)據(jù)模擬信號進行中頻調制和FM載波調制并傳輸?shù)姆绞?。應該說模擬圖傳由于上變頻下變頻都通過模擬器件

11、來進行，而數(shù)字圖傳則需要經過一系列的碼同步和校驗等，一般認為模擬圖傳延遲要比數(shù)字圖傳低。但是隨著數(shù)字技術的發(fā)展和高頻處理器的性能提升，數(shù)字圖傳的延遲已經能下降到低于300ms的性能，高端的數(shù)字圖傳甚至可以降低到100ms以內6.地面站控制系統(tǒng)由于無人機的操控人員無法在機上監(jiān)控飛行器的狀態(tài)，只能在地面上監(jiān)測無人機的飛行狀態(tài)以及控制其飛行任務，因此無人機地面站系統(tǒng)對地面操控人員來說就是無人飛行器重要的維護保障平臺。它通過與無人飛行器建立空地雙向通信鏈路，實現(xiàn)對機載系統(tǒng)的遙測與遙控。遙測通道主要負責實時監(jiān)視飛行器的各種飛行狀態(tài)和飛行數(shù)據(jù)，包含但不限于飛行器的姿態(tài)信息，速度信息，位置信息，傳感器數(shù)據(jù)，

12、飛行模式，圖像采集信息，溫度信息，各機載設備的健康信息等，同時還可以為地面人員提供指令輸入接口，讓操控人員可以向飛行器發(fā)送各種指令數(shù)據(jù)，包含飛行模式切換，起降指令，任務執(zhí)行指令，甚至飛控參數(shù)調整指令等。本書第十章將詳細介紹天地鏈路以及通信信道的設計與實現(xiàn)方案。6.任務載荷云臺和攝像頭地磁導航無人機的用途除了做軍用靶機以外，還可以執(zhí)行通信中繼、航拍勘測、搶險救災、氣象探測、農林植保等等任務，這些任務都需要無人機系統(tǒng)搭載額外的任務載荷。而無人機提供的是一個載體的功能。有些任務載荷，例如航拍系統(tǒng)，需要保持姿態(tài)的穩(wěn)定以實現(xiàn)視角和鏡頭的穩(wěn)定。因此這類的任務載荷一般都是安裝在一個兩軸或者三軸的穩(wěn)定云臺上的

13、。云臺是安裝固定攝像頭的支撐設備，高級的云臺帶有自穩(wěn)系統(tǒng)，它內部集成了兩軸或者三軸自由度的高精度伺服舵機，此外還集成了三軸陀螺儀和加速度計傳感器，能夠實時感知安裝臺的姿態(tài)，形成閉環(huán)控制，抵消機體振動的干擾，保證載荷的平穩(wěn)姿態(tài)。云臺還提供舵機控制信號接口，接收高精度的控制信號，用戶可以通過地面站或者遙控器控制云臺的三軸轉動，從而帶動攝像頭改變視角，達到全方位拍攝、跟蹤監(jiān)視目標以及自動掃描監(jiān)視區(qū)域的目的。一般來說水平旋轉角度可以在0°360°,垂直旋轉角度和傾斜旋轉角度在90以內。如圖1-35所示，是一個三軸的穩(wěn)定云7.避障系統(tǒng)無人機避障技術無人機避障技術主要分為三個部分：感知

14、部分、繞飛部分、構圖及路徑規(guī)劃部分感知部分：指傳感器感知障礙物部分，這一階段采用的傳感器技術包含了超聲波避障傳感器、激光雷達測距傳感器、微波雷達傳感器和雙目視覺傳感器等復雜的視覺圖像處理。其中雙目視覺傳感器圖區(qū)深度信息技術，例如大獎創(chuàng)新在2016年推出的無人機系統(tǒng)中，采用了雙目視覺的前視和下視兩組視覺處理系統(tǒng)，其中前視視覺傳感器用與飛行避障。類似有前述集中技術的組合，比如大疆在2015年推出的官方只能避障系統(tǒng)Guidance中采用了5組傳感器，可以在前、后、左、右和下5個方向上進行障礙物體識別，而識別的機制融入了超聲波和機器視覺兩種技術，除了常規(guī)的超聲波之外還放置了攝像頭用于獲取視覺圖像，最后

15、使用英特爾凌動（Atom）BayTrail處理器中進行計算處理。8.虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實（VirtualReality）是近幾年來隨著計算機技術和圖像視覺技術的發(fā)展興起的一項新的應用技術。虛擬現(xiàn)實通過計算機圖形學的軟件可以創(chuàng)建一套完全虛擬的視覺聽覺甚至觸覺的效果，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境提供多源信息融合的交互式三維動態(tài)視覺和行為系統(tǒng)仿真，讓體驗者可以完全可以沉浸在虛擬的世界當中。它是計算機圖形學人機交互、立體成像、多媒體技術傳感網(wǎng)絡、仿真建模技術等多種科學技術的交叉融合的應用研究領域。與虛擬現(xiàn)實不同的是，增強現(xiàn)實所強調的是計算機系統(tǒng)對現(xiàn)有物理世界視覺的感知并在此基礎上疊加

16、更其他需要實時生成的圖像與信息，相當于對現(xiàn)實場景的信息增強。1.2多旋翼飛行器的結構和飛行原理1.2.1 多旋翼飛行器機身布局多旋翼機身和機臂的拓撲布局結構來說可以分為星形結構和環(huán)形結構。星形結構的特點是將機臂按照星形鏈接與中心板（HUB組合在一起，中心板作為負責承載所有機載系統(tǒng)，并連接所有機臂，而機臂則主要承載動力系統(tǒng)。在星形結構中，按照飛行器所定義的機頭方向與機臂相對位置的不同，還分為十字型和X字型。+字型的機頭方向與某一個機臂重合。十字型的拓撲結構好處是操控會稍簡單一點，因為在做姿態(tài)運動時它以其中一個臂作為旋轉軸，這個旋轉軸上的機臂的電機不需要調整轉速，但它的缺點也很明顯，因為通常機載的

17、前視相機對準機頭方向，在十字型的設計中容易被機臂遮擋，影響視角。而x字型則采用兩個機臂中間線作為機頭方向。注意：在設計多旋翼飛行器的機體結構時，整機的重心設計也是非常需要注意的一點。由于飛行器的動力系統(tǒng)對稱分布，要求重心必須要設計到機體中心軸上。當重心位于槳盤下方的時候，重心相對槳盤產生的力矩與外界干擾產生的力矩相反，將會對干擾振動產生抑制作用，因此重心越低，飛行器的穩(wěn)定性越好G）三旋襄SN型四旋翼型四旋翼3）六雄翼（G共軸四旋翼只旋比共軸三旋其1.2.2 多旋翼飛行器的旋翼結構多旋翼飛行器，主要相比于單旋翼飛行器，它擁有兩個或兩個以上的旋翼。其中兩個旋翼的飛行器包含共軸雙旋翼、交錯雙旋翼和直

18、列雙旋翼飛行器。為了保持飛行器的平衡穩(wěn)定，一般旋翼的個數(shù)為偶數(shù)，并且采用圍繞機體重心對稱分布布局。當然也有特殊的3旋翼飛行器，但是要保持它的航行穩(wěn)定性需要特殊的算法考慮。最常見的是四旋翼、六旋翼和八旋翼，隨著旋翼的增加，機架尺寸也會顯著增大，旋翼對角線的長度也增大，同時飛行器的額定設計載荷也會進一步增大E六旋翼fd）八旋翼1.2.2.2多旋翼飛行器的旋翼結構除了旋翼的個數(shù)和安裝位置，每個旋翼位置還可以配置成單槳與共軸雙槳的方式。共軸雙槳的結構示意圖如圖1-47所示。采用共軸雙槳的好處是在不增加整機尺寸的基礎上提升整體升力，增加整機載荷能力，但缺點是能耗比增加，因為上下槳葉形成風力耦合，整體升力

19、小于兩個槳單獨升力之和，降低單槳的力效比，根據(jù)文獻中的研究，共軸雙槳的力效僅相當于單槳力效的1.6倍。1.2.3 多旋翼飛行器的飛行原理四軸飛行器的四個螺旋槳高速旋轉產生升力，提供飛行動力。其中四個點擊旋轉方向兩兩相同（2個順時針旋轉，2個逆時針旋轉）；通過這種設計方式能夠相互抵消反扭矩。多旋翼無人機屬于靜不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此必須依靠強大的飛控系統(tǒng)才能進行穩(wěn)定飛行及控制。多旋翼無人機的飛行自由度可以區(qū)分為6個；分為直線運動與角運動直線運動:直線運動可分為上下、前后、左右運動。角運動：俯仰、翻滾、偏航1.2.4 多旋翼飛行器的飛行原理?懸停在飛行器懸停時，槳盤面垂直于重力，4個旋翼產生的合拉力抵消重

20、力，產生的滾轉和橫滾力矩為0,產生的反扭距也相互抵消?升降在懸停的基礎上，4個旋翼同時提升相同的轉速，產生的合拉力大于重力,此時飛行器產生上升運動。1.2.3多旋翼飛行器的飛行原理?前后飛行（pitch）當1號和4號旋翼降低轉速，2號3號旋翼提升轉速，則飛行器產生俯仰力矩，從而產生低頭動作，低頭動作的同時由于有向前的拉力，因而產生前進運動。反之1號和4號旋翼提升轉速，而2號和3號旋翼降低轉速，則飛行器產生抬頭力矩，并產生抬頭動作，同時由于有向后的拉力分量，產生后退運動注意的無論在俯仰還是橫滾等傾斜運動的時候，提升轉速的旋翼與降低轉速的旋翼變化值并不能完全相等。這是因為合拉力在傾斜方向上產生了分

21、量，導致在重力方向上的分量減小，因此合拉力需要增大，才能保證重力方向上的分量仍然能夠保持與重力相等?左右飛行(roll)當1號和2號旋翼降低轉速，3號4號旋翼提升轉速，則飛行器產生橫滾力矩，從而產生向右滾轉動作，滾轉動作的同時由于有向右的拉力分量，因而產生向右飛行的運動。反之，當1號和2號旋翼提高轉速，3號4號旋翼降低轉速，則飛行器產生橫滾力矩，從而產生向左滾轉動作，滾轉動作的同時由于有向左的拉力分量，因而產生向左飛行的運動。1.6.3 多旋翼飛行器的飛行原理?偏航飛行當1號和3號旋翼降低轉速，2號4號旋翼提升轉速，則飛行器的兩組對角線產生反扭力矩差，且逆時針方向的反扭距大于順時針方向的反扭距

22、，從而產生逆時針方向的偏航動作反之當1號和3號旋翼提升轉速，3號4號旋翼降低轉速，則飛行器的兩組對角線同樣產生反扭力矩差，且時針方向的反扭距小于順時針方向的反扭距，從而產生順時針方向的偏航動作1號1.6.4 多旋翼的優(yōu)缺點優(yōu)勢尺寸-由于機械和結構設計上的簡單，使得多旋翼的小型化非常容易，甚至可以做的手掌大小的四旋翼飛行器易控性-多旋翼飛行器的飛行控制原理簡單，各軸之間的控制和運動規(guī)律可以相互獨立，耦合性不強，例如可以進行側滑飛行，操控簡單，飛行軌跡易于控制可靠性-由于多旋翼飛行器的機械簡單，沒有直升機的傾斜盤等復雜的結構，且無軸承磨損件，因此使得飛行器的可靠性大大增加。成本-相比直升機與定翼機

23、，多旋翼的簡單機械和結構使得生產制造成本較低，并且維護使用方面的成本也很低，因此特別適合中小型規(guī)模飛行器的應用以及消費類電子產品的使用，多旋翼可以理解為通過軟件的復雜性來獲得硬件機械的簡單性。四旋翼無人飛行器飛行狀態(tài)解析四軸飛行器的四個螺旋槳高速旋轉產生升力，提供飛行動力。其中四個點擊旋轉方向兩兩相同（2個順時針旋轉，2個逆時針旋轉）；通過這種設計方式能夠相互抵消反扭矩。多旋翼無人機屬于靜不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此必須依靠強大的飛控系統(tǒng)才能進行穩(wěn)定飛行及控制。多旋翼無人機的飛行自由度可以區(qū)分為6個；分為直線運動與角運動直線運動：直線運動可分為上下、前后、左右運動角運動：俯仰、翻滾、偏航上下運動：由電機油門控制，油門越大，四個電機轉速同時增大，升力增大前后運動：由