第3章無(wú)人機(jī)組成及飛行原理課件

第3章

飛行控制系統(tǒng)的概述

第3章

飛行控制系統(tǒng)的概述

1本章的主要內(nèi)容飛行控制系統(tǒng)存在的意義。飛行控制系統(tǒng)主要硬件。飛行控制系統(tǒng)控制模式。常用的飛行控制算法。飛行控制器的設(shè)置。本章的主要內(nèi)容飛行控制系統(tǒng)存在的意義。2飛行控制系統(tǒng)主要硬件飛行控制系統(tǒng)一般主要由主控單元、IMU（慣性測(cè)量單元）、GPS指南針模塊、LED指示燈模塊等部件組成。1、主控單元

主控單元是飛行控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)它將IMU、GPS指南針、舵機(jī)和遙控接收機(jī)等設(shè)備接入飛行控制系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)飛行器自主飛行功能。除了輔助飛行控制以外，某些主控器還具備記錄飛行數(shù)據(jù)的黑匣子功能，比如：DJI的AceOne。主控單元還能通過(guò)USB接口，進(jìn)行飛行參數(shù)的調(diào)節(jié)和系統(tǒng)的固件升級(jí)。飛行控制系統(tǒng)主要硬件飛行控制系統(tǒng)一般主要由主控單元、IMU（32、慣性測(cè)量單元（IMU）

包含3軸加速度計(jì)、3軸角速度計(jì)和氣壓高度計(jì)，是高精度感應(yīng)飛行器姿態(tài)、角度、速度和高度的元器件集合體，在飛行輔助功能中充當(dāng)極其重要的角色。IMU是測(cè)量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度的裝置。IMU大多用在需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備，也被用在需要姿態(tài)進(jìn)行精密位移推算的場(chǎng)合，如潛艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天器的慣性導(dǎo)航設(shè)備。氣壓高度計(jì)是通過(guò)測(cè)量大氣壓力來(lái)間接獲取氣壓高度的傳感器。飛行控制系統(tǒng)主要硬件2、慣性測(cè)量單元（IMU）飛行控制系統(tǒng)主要硬件43、GPS指南針模塊

GPS指南針模塊，包含GPS模塊和指南針模塊。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)主要包含美國(guó)的GPS全球定位系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO、中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以及一些區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)等。右圖大疆公司采用外掛的GPS模塊同時(shí)集成了指南針模塊。指南針模塊的應(yīng)用主要通過(guò)磁力計(jì)傳感器開(kāi)發(fā)，主要目的是盡可能地將磁力計(jì)移出受干擾的機(jī)體區(qū)域。GPS指南針模塊用于精確確定飛行器的方向及經(jīng)緯度。對(duì)于失控保護(hù)自動(dòng)返航，精準(zhǔn)定位懸停等功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。飛行控制系統(tǒng)主要硬件大疆GPS指南針模塊3、GPS指南針模塊飛行控制系統(tǒng)主要硬件大疆GPS指南針模塊5LED指示燈模塊LED指示燈模塊，接收主控制單元的信號(hào)來(lái)控制LED燈的亮滅以及閃爍，以指示系統(tǒng)的狀態(tài)。主要目的用于實(shí)時(shí)顯示飛行狀態(tài)，是飛行過(guò)程中必不可少的，它能幫助飛手實(shí)時(shí)了解飛行狀態(tài)。飛行控制系統(tǒng)主要硬件DJI的WKM飛控的LED指示燈模塊LED指示燈模塊飛行控制系統(tǒng)主要硬件DJI的WKM飛控的LE6飛行控制系統(tǒng)一般提供三種飛行模式：GPS姿態(tài)模式、姿態(tài)模式和手動(dòng)模式。1、GPS姿態(tài)模式（1）定位懸停此模式下，旋翼無(wú)人機(jī)保持懸停狀態(tài)，即使在風(fēng)中也不例外。無(wú)人機(jī)借助全球定位系統(tǒng)原地不動(dòng)。使用懸停模式時(shí)，固定機(jī)翼無(wú)人機(jī)保持高度，圍繞當(dāng)時(shí)自己所處位置盤旋。（2）自動(dòng)返航

在無(wú)人機(jī)過(guò)分遠(yuǎn)離情況下，這時(shí)最佳應(yīng)對(duì)模式，無(wú)人機(jī)返回在啟動(dòng)時(shí)存錄的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)坐標(biāo)位置。（3）自動(dòng)起降

對(duì)于旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，只需要按下一個(gè)按鈕，無(wú)人機(jī)就可以上升至幾米的高度然后保持懸停狀態(tài)，降落時(shí)，隨著機(jī)身接近地面，無(wú)人機(jī)速度不斷下降，然后在接觸到地面時(shí)自動(dòng)關(guān)閉引擎。飛行控制系統(tǒng)控制模式飛行控制系統(tǒng)一般提供三種飛行模式：GPS姿態(tài)模式、姿態(tài)模式和72、姿態(tài)模式

適合于沒(méi)有GPS信號(hào)或GPS信號(hào)不佳的飛行環(huán)境，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保持飛行器姿態(tài)和高度，但是，不能實(shí)現(xiàn)自主定位懸停；

姿態(tài)模式簡(jiǎn)單的說(shuō)就是自動(dòng)平衡模式，但是只能保證自動(dòng)平衡，不能定點(diǎn)懸停，需要手動(dòng)干預(yù)。如果需要定點(diǎn)懸停，需要切換到GPS模式。3、手動(dòng)模式

只能由比較有經(jīng)驗(yàn)的飛手來(lái)控制，在該模式下，飛行控制系統(tǒng)不會(huì)自動(dòng)保持飛行姿態(tài)和高度的穩(wěn)定，完全由飛手手動(dòng)控制，非受過(guò)專業(yè)飛行訓(xùn)練的飛手，請(qǐng)勿嘗試。飛行控制系統(tǒng)控制模式2、姿態(tài)模式飛行控制系統(tǒng)控制模式8常用的飛行控制算法

旋翼類無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的算法主要有兩類：姿態(tài)檢測(cè)算法、姿態(tài)控制算法。姿態(tài)控制、被控對(duì)象（多旋翼無(wú)人機(jī)）、姿態(tài)檢測(cè)三個(gè)部分構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。被控對(duì)象的模型是由其物理系統(tǒng)決定，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的算法就是設(shè)計(jì)姿態(tài)控制算法、姿態(tài)檢測(cè)算法。

1、姿態(tài)檢測(cè)算法

姿態(tài)檢測(cè)算法的作用就是將加速度計(jì)、陀螺儀等傳感器的測(cè)量值解算成姿態(tài)，進(jìn)而作為系統(tǒng)的反饋量。常用的姿態(tài)檢測(cè)算法有卡爾曼濾波、互補(bǔ)濾波等。常用的飛行控制算法

旋翼類無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的算法主要有兩類：姿態(tài)檢92、姿態(tài)控制算法

控制飛行器姿態(tài)的三個(gè)自由度，以給定姿態(tài)與姿態(tài)檢測(cè)算法得出的姿態(tài)偏差作為輸入，被控對(duì)象模型的輸入量作為輸出（如姿態(tài)增量），從而達(dá)到控制飛行器姿態(tài)的作用。最常用的就是PID控制及其各種PID擴(kuò)展（分段、模糊等）、高端點(diǎn)的有自適應(yīng)控制。

什么是PID,P代表比例控制，I代表積分控制，D代表微分控制。比例微分積分線性控制即PID線性控制理論，是經(jīng)典控制理論中甚至一些非線性控制系統(tǒng)中最常見(jiàn)的控制方法。（1）比例控制（2）積分控制（3）微分控制（4）PID參數(shù)的調(diào)試常用的飛行控制算法

2、姿態(tài)控制算法常用的飛行控制算法

10飛行控制器的設(shè)置步驟APM自駕儀簡(jiǎn)介

ArduPilotMega自動(dòng)駕駛儀（簡(jiǎn)稱APM自駕儀）是一款非常優(yōu)秀而且完全開(kāi)源的自動(dòng)駕駛控制器，可應(yīng)用于固定翼、直升機(jī)、多旋翼、地面車輛等，同時(shí)還可以搭配多款功能強(qiáng)大的地面控制站使用。

APM硬件的版本有2.5，2.6和2.8。APM固件版本很多，APM硬件由于存儲(chǔ)空間有限，最高支持到3.2.1的APM固件。所謂固件，英文名為Firmware，所有電子產(chǎn)品上的程序。自駕儀、無(wú)線電遙控器和照相機(jī)上的固件要定期更新，保證獲得新的功能，改進(jìn)性能。飛行控制器的設(shè)置步驟APM自駕儀簡(jiǎn)介11硬件和軟件的安裝

建議分步驟完成APM的入門使用：（1）首先安裝地面站控制軟件及驅(qū)動(dòng)，熟悉地面站界面的各個(gè)菜單功能；（2）僅連接USB先學(xué)會(huì)固件的下載；（3）連接接收機(jī)和USB線完成APM的遙控校準(zhǔn)、加速度校準(zhǔn)和羅盤校準(zhǔn)；（4）完成各類參數(shù)的設(shè)定；（5）組裝飛機(jī)，完成各類安全檢查后試飛；（6）PID參數(shù)調(diào)整；（7）APM各類高階應(yīng)用飛行控制器的設(shè)置步驟硬件和軟件的安裝飛行控制器的設(shè)置步驟12相關(guān)參數(shù)的設(shè)置步驟（1）認(rèn)識(shí)MissonPlanner的界面（2）固件安裝，固件即硬件對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序。一般都把固件刷到最新版本。（3）遙控校準(zhǔn)。（4）加速度計(jì)校準(zhǔn)。（5）羅盤校準(zhǔn)。（6）解鎖。（7）飛行模式配置。飛行控制器的設(shè)置步驟相關(guān)參數(shù)的設(shè)置步驟飛行控制器的設(shè)置步驟13常見(jiàn)飛控（1）極翼P2（