解讀無人機(jī)第一篇解讀無人機(jī)的核心飛控

導(dǎo)言：無人機(jī)之所以能夠在空中自主翱翔就是由于無人機(jī)也和人類同樣，也擁有一個(gè)大腦，終歸是什么樣的一個(gè)大腦才能夠控制一架飛機(jī)在空中自動(dòng)駕駛呢？下面我們來為你解答。能夠自主騰躍、自主導(dǎo)航、自主降落、自主完成我們給他設(shè)定任務(wù)不載人飛機(jī)稱之為無人機(jī)。那么無人機(jī)這么富強(qiáng)的功能終歸是誰賜予的呢？接下來我們來談的話題就是無人機(jī)的中心-飛控，也稱自駕儀。有了這套自駕儀，經(jīng)過地面端的電腦就也許手機(jī)便能夠控制一架飛機(jī)自主騰躍、自主導(dǎo)航、自主降落了。那么什么是飛控呢，顧名思義，飛控就是飛機(jī)翱翔控制器的簡稱，既然是控制器，那么這里邊也應(yīng)該有一臺(tái)微電腦之類的來控制飛機(jī)，事實(shí)上現(xiàn)在的飛控內(nèi)部除了一些傳感器外還有就是多塊單片機(jī)組成，其實(shí)不是我們想象的那么奇特?，F(xiàn)在的飛控內(nèi)部使用的都是由三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)，三軸地磁傳感器平和壓計(jì)組成的一個(gè)IMU，也稱慣性測量單元。那么什么是三軸陀螺儀，什么是三軸加速度計(jì)，什么是三軸地磁傳感器呢，氣壓計(jì)？它們?cè)陲w機(jī)上起到的是什么作用呢，這三軸又是哪三個(gè)軸呢？三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)，三軸地磁傳感器中的三軸指的就是飛機(jī)左右，前后垂直方向上下這三個(gè)軸，一般都用XYZ來代表。左右方向在飛機(jī)中叫做橫滾，前后方向在飛機(jī)中叫做俯仰，垂直方向就是Z軸。陀螺都知道，小時(shí)候基本上都玩過，在不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下它很難站在地上，只有轉(zhuǎn)動(dòng)起來了，它才會(huì)站立在地上，也許說自行車，輪子越大越重的車子就越牢固，轉(zhuǎn)彎的時(shí)候明顯能夠感覺到一股阻力，這就是陀螺效應(yīng)，依照陀螺效應(yīng)，聰穎的人們發(fā)明出的陀螺儀。最早的陀螺儀是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，經(jīng)過三個(gè)靈便的軸將這個(gè)陀螺固定在一個(gè)框架中，無論外面框架怎么轉(zhuǎn)動(dòng)，中間高速旋轉(zhuǎn)的陀螺向來保持一個(gè)姿態(tài)。經(jīng)過三個(gè)軸上的傳感器便能夠計(jì)算出外面框架旋轉(zhuǎn)的度數(shù)等數(shù)據(jù)。由于成本高，機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，現(xiàn)在都被電子陀螺儀代替，電子陀螺儀的優(yōu)勢就是成本低，體積小重量輕，只有幾克重，牢固性還有精度都比機(jī)械陀螺高。說道這，大家也就理解陀螺儀在飛控中起到的作用了吧，它就是測量XYZ三個(gè)軸的傾角的。那么三軸加速度計(jì)時(shí)干什么的呢，別急，我來給你解答，方才說道三軸陀螺儀就是XYZ三個(gè)軸，現(xiàn)在不用說也就理解三軸加速度計(jì)也是XYZ三個(gè)軸。當(dāng)我們開車起步的一剎時(shí)就會(huì)感覺背后有一股推力，這股推力呢就是加速度，加速度是速度變化量與發(fā)生這一變化時(shí)間的比值，是描述物體變化快慢的物理量，米每二次方秒，比方一輛車在停止?fàn)顟B(tài)下，它的加速度是0，起步后，從每秒0米到每秒10米，用時(shí)10秒，這就是這輛車的加速度，若是車速每秒10米的速度行駛，它的加速度就是0，同樣，用10秒的時(shí)間減速，從每秒10米減速到每秒5米，那么它的加速就是負(fù)數(shù)。三軸加速度計(jì)就是測量飛機(jī)XYZ三個(gè)軸的加速度。我們平常出行都是依照路標(biāo)或記憶來搜尋自己的面向的，地磁傳感器就是感知地磁的，就是一個(gè)電子指南針，它能夠讓飛機(jī)知道自己的翱翔朝向，機(jī)頭朝向，找到任務(wù)地址和家的地址。氣壓計(jì)呢就是測量當(dāng)前地址的大氣壓，都知道高度越高，氣壓越低，這就是人道高原此后為什么會(huì)有高原反應(yīng)了，氣壓計(jì)是經(jīng)過測量不同樣地址的氣壓，計(jì)算壓差獲獲得當(dāng)前的高度，這就是整個(gè)IMU慣性測量單元，它在飛機(jī)中起到的作用就是感知飛機(jī)姿態(tài)的變化，比方飛機(jī)當(dāng)前是前傾還是左右傾斜，機(jī)頭朝向、高度等最基本的姿態(tài)數(shù)據(jù)，那么這些數(shù)據(jù)在飛空中起到的作用是什么呢？飛控最基本的功能控制一架飛機(jī)在空中翱翔時(shí)的平衡，是由IMU測量，感知飛機(jī)當(dāng)前的傾角數(shù)據(jù)經(jīng)過編譯器編譯成電子信號(hào)，將這個(gè)信號(hào)經(jīng)過信號(hào)新時(shí)時(shí)傳輸給飛控內(nèi)部的單片機(jī)，單片機(jī)負(fù)責(zé)的是運(yùn)算，依照飛機(jī)當(dāng)前的數(shù)據(jù)，計(jì)算出一個(gè)補(bǔ)償方向，補(bǔ)償角，爾后將這個(gè)補(bǔ)償數(shù)據(jù)編譯成電子信號(hào)，傳輸給舵機(jī)或電機(jī)，電機(jī)或舵機(jī)在去執(zhí)行命令，完成補(bǔ)償動(dòng)作，爾后傳感器感知到飛機(jī)平穩(wěn)了，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)再次給單片機(jī)，單片刻機(jī)停止補(bǔ)償信號(hào)，這就形成了一個(gè)循環(huán)，大多數(shù)飛控基本上都是10HZ的內(nèi)循環(huán)，也就是1秒刷新十次。這就是飛控最基本的功能，若是沒有此功能，當(dāng)一個(gè)角一旦傾斜，那么飛機(jī)就會(huì)快速的失去平衡以致墜機(jī)，也許說沒有氣壓計(jì)測量不到自己的高度地址就會(huì)素來加油門也許素來降油門。其次，固定翼飛控還有空速傳感器，空速傳感器一般位于機(jī)翼上或機(jī)頭，但不會(huì)在螺旋槳后邊，空速傳感器就是兩路測量氣壓的傳感器，一路測量靜止氣壓，一路測量迎風(fēng)氣壓，在計(jì)算迎風(fēng)氣壓與靜止氣壓的壓差便能夠算出當(dāng)前的空氣流速，一般是m/s。有了最基本的平衡、定高和指南針等功能，還不足以讓一家飛機(jī)能夠自主導(dǎo)航，就像我們?nèi)ツ硞€(gè)商場同樣，第一我們需要知道商場的所在地址，知道自己所在的地址，爾后依照交通情況規(guī)劃路線。飛控也亦然，第一飛控需要知道自己所在地址，那就需要定位的，也就是我們常說的GPS，現(xiàn)在定位的有GPS、北斗、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)等定位系統(tǒng)，但是這里面手機(jī)網(wǎng)絡(luò)定位是最差的，誤差好的話幾十米，不好的話上千米，這種誤差是飛控?zé)o法接受的，由于GPS定位系統(tǒng)較早，在加上是開放的，所以大多數(shù)飛控采用的都是GPS，也有少許采用的北斗定位。精度基本都在3米內(nèi)，一般廣闊地都是50厘米左右，因環(huán)境攪亂，或建筑物、樹木之類的遮擋，定位可能會(huì)差，很有可能定位的是虛假信號(hào)。這也就是為什么民用無人機(jī)頻頻墜機(jī)、飛丟的一個(gè)主要原因。GPS定位原理就是三點(diǎn)定位，天上的GPS定位衛(wèi)星距離地球表面22500千米處，它們所運(yùn)動(dòng)的軌道正好形成一個(gè)網(wǎng)狀面，也就是說在地球上的任意一點(diǎn)，都有能夠同時(shí)收到3顆以上的衛(wèi)星信號(hào)。衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)素來不斷的發(fā)出電波信號(hào)，信號(hào)中包含數(shù)據(jù)包，其中就有時(shí)間信號(hào)。GPS接收機(jī)經(jīng)過解算來自多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)包，以實(shí)時(shí)間信號(hào)，能夠清楚的計(jì)算出自己與每一顆衛(wèi)星的距離，使用三角向量關(guān)系計(jì)算出自己所在的地址。GPS也定位了，數(shù)據(jù)也有了，這個(gè)信號(hào)也會(huì)經(jīng)過一個(gè)編譯器在次編譯成一個(gè)電子信號(hào)傳給飛控，讓飛控知道自己所在的地址、任務(wù)的地址和距離、家的地址和距離以及當(dāng)前的速度和高度，爾后再由飛控駕駛飛機(jī)飛向任務(wù)地址或回家。方才我們也說了，GPS能夠測速也能夠測高度，為什么要有氣壓計(jì)和空速計(jì)呢？這就是為了除掉誤差，飛機(jī)飛起來是不與地面接觸的，直接接觸的是空氣，假設(shè)翱翔環(huán)境是無風(fēng)的環(huán)境，飛機(jī)在地面滑跑加速，加速到每秒20米的速度爾后再拉起落舵騰躍，這樣GPS測量到的數(shù)值是正確的，但是若是迎風(fēng)呢，是由于機(jī)翼與空氣相對(duì)的運(yùn)動(dòng)達(dá)到了必然的速度才能夠產(chǎn)生必然的升力讓飛機(jī)騰躍，若是在逆風(fēng)環(huán)境下，風(fēng)速每秒10米，飛機(jī)只需要加速到每秒10米便能夠正常離地了，若是加速到每秒20米，相對(duì)空氣的速度已經(jīng)達(dá)到了每秒30米，也許說順風(fēng)騰躍，風(fēng)速每秒20米，飛機(jī)GPS測速也達(dá)到了20m/s的速度，這個(gè)時(shí)候拉起落舵，飛靈便都不會(huì)動(dòng)，由于相對(duì)空氣速度是0米，達(dá)不到騰躍條件，必定加速到每秒40米的時(shí)候才能達(dá)到升力騰躍。這就是空速計(jì)的作用，GPS測量的可是地速，方才降到，GPS也能夠定高，第一GPS定位精度是3米內(nèi)，也就是說飛控能感知到的是平面方向的兩倍誤差，信號(hào)不好的話十幾米都有可能，還有GPS不定位的時(shí)候，別的GPS定高數(shù)據(jù)是海拔高度其實(shí)不是地面垂直高度，所以GPS定高在飛控中無論用。有了GPS飛控也知道飛機(jī)地址了，也知道家的地址和任務(wù)地址，但是飛控上的任務(wù)以及家的地址飛控是怎么知道的呢，這就是地面站的作用。地面站，就是在地面的基站，也就是指揮飛機(jī)的，地面站能夠分為單點(diǎn)地面站也很多點(diǎn)地面站，像民航機(jī)場就是地面站，全國甚至全球所有的地面站都在時(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，它們能夠清楚的知道天上在翱翔的飛機(jī)，并能時(shí)時(shí)監(jiān)測到飛機(jī)當(dāng)前的翱翔路線，情況等，以實(shí)時(shí)時(shí)的調(diào)換等。像我們用的無人機(jī)大多數(shù)都是單點(diǎn)地面站，單點(diǎn)地面站一般由一到多個(gè)人值守，有技術(shù)員，場務(wù)人員，后勤員，通訊員，指揮員等人組成。像玩家一般都是一個(gè)人。地面站設(shè)備組成一般都是由遙控器、電腦、視頻顯示器，電源系統(tǒng)，電臺(tái)等設(shè)備組成，一般簡單的來說就是一臺(tái)電腦，一個(gè)電臺(tái)，一個(gè)遙控，電腦上裝有控制飛機(jī)的軟件，經(jīng)過航線規(guī)劃工具規(guī)劃飛機(jī)翱翔的線路，并設(shè)定翱翔高度，翱翔速度，翱翔地址，翱翔任務(wù)等經(jīng)過數(shù)據(jù)口連接的數(shù)傳電臺(tái)將任務(wù)數(shù)據(jù)編譯傳達(dá)至飛控中，這里就有講到數(shù)傳電臺(tái)，數(shù)傳電臺(tái)就是數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)，近似我們最和耳朵同樣，恰似領(lǐng)導(dǎo)說今天做什么任務(wù)，我們接受到任務(wù)并回答爾后再去執(zhí)行任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候時(shí)實(shí)情況實(shí)時(shí)報(bào)告給領(lǐng)導(dǎo)，這其中通訊就是嘴巴和耳朵。數(shù)傳電臺(tái)就是飛機(jī)與地面站通訊的一個(gè)主要工具，一般的數(shù)傳電臺(tái)采用的接口協(xié)議有TTL接口、RS485接口和RS232接口，的但是也有一些CAN-BUS總線接口，頻率有2.4GHZ、433MHZ、900MHZ、915MHZ，一般433MHZ的很多，由于433MHZ是個(gè)開放的頻段，再加上433MHZ波長較長，穿透力強(qiáng)等優(yōu)勢所以大多數(shù)民用用戶一般都是用的433MHZ，距離在5千米到15千米不等，甚至更遠(yuǎn)。最后達(dá)到的就是飛機(jī)與電腦間的通訊，電腦給飛機(jī)的任務(wù)，飛機(jī)時(shí)時(shí)翱翔高度，速度等很多數(shù)據(jù)都會(huì)經(jīng)過它來傳輸。以方便我們時(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)情況，依照需要隨時(shí)更正飛機(jī)航向。整套無人機(jī)飛控工作原理就是地面站開機(jī)，規(guī)劃航線，給飛控開機(jī)，上傳航線至飛控，再設(shè)置自動(dòng)騰躍及降落參數(shù)，如騰躍時(shí)離地速度，仰頭角度（騰躍攻角，也稱迎角），爬高升度，結(jié)束高度，盤旋半徑或直徑，清空空速計(jì)等，爾后檢查飛控中的錯(cuò)誤、報(bào)警，所有正常，開始騰躍，盤旋幾周后在開始飛向任務(wù)點(diǎn)，執(zhí)行任務(wù)，最后在降落，一般田野建議傘降或手動(dòng)滑降，依照?qǐng)鏊x擇。飛機(jī)在翱翔過程中若是偏離航線，飛控就會(huì)素來糾正這個(gè)錯(cuò)誤，素來修正，直到復(fù)位為止。名稱：加速度（Acceleration）1.定義：速度的變化量Δv與發(fā)生這一變化所用時(shí)間Δt的比值。2.公式：a=v/Δt3.單位：m/s^2（米每平方秒）4.加速度是矢量，既有大小又有方向。加速度的大小等于單位時(shí)間內(nèi)速度的增加量；加速度的方向與速度變化量ΔV方向向來同樣。特別，在直線運(yùn)動(dòng)中，若是速度增加，加速度的方向與速度同樣；若