多旋翼无人机基础知识二

1、多旋翼无人机的组成1.光流定位系统光流(opticflow),从本质上说，就是我们在三维空间中视觉感应可以感觉到的运动模式，即光线的流动。例如，当我们坐在车上的时候往窗外观看，可以看到外面的物体，树木，房屋不断的后退运动，这种运动模式是物体表面在一个视角下由视觉感应器(人眼或者摄像头等)感应到的物体与背景之间的相对位移。光流系统不但可以提供物体相对的位移速度，还可以提供一定的角度信息。而相对位移的速度信息可以通过积分获得相对位置信息2.全球卫星导航系统GPS8统是美国从上世纪70年代开始研制并组建的卫星系统，可以利用导航卫星进行目标的测距和测速，具备在全球任何位置进行实时的三维导航定位的能力，

2、是目前应用最广泛的精密导航定位系统北斗系统是中国为了实现区域及全球卫星导航定位系统的自主权与主导地位而建设的一套卫星定位系统，用于航空航天、交通运输、资源勘探、安防监管等导航定位服务。北斗系统采用5颗静止同步轨道卫星和30颗非同步轨道卫星组成，是中国独立自主研制建设的新一代卫星导航系统。GLONAS是俄罗斯在前苏联时期建立的卫星定位系统，但由于缺乏资金维护，目前系统的可用卫星从最初的24颗卫星减少到2015年的17颗可用在轨卫星，导致系统的可用性和定位精度逐步的下降。欧盟的伽利略导航卫星系统是由欧洲自主、独立的民用全球卫星导航系统，不过目前为止该系统还只是计划方案，计划总共包含27颗工作卫星，

3、3颗为候补卫星，此外还包含2个地面控制中心，但由于该计划由欧盟共同经营，同时与内部私企合营，各部分利益难以平衡，计划实施则一再推迟，目前还无法独立使用。3 .高度计由于全球定位系统GNSS勺缺陷，它的高度信息极为不准确，通常偏差达几十米甚至更大，无人机系统的高度测量需要额外的设备来辅助测量。常用的高度传感器主要包含超声波传感器和气压高度传感器，此外还有激光高度计和微波雷达高度计等。气压高度计的原理是地球上测量的大气压力在一定方位内是与相对海拔高度呈现对应关系的。一般认为海平面上为一个标准大气压，在此基础上，随着高度增加，气压减小，以其对应的公式为：（kPaA）=101.325*（1-0.022

4、57*海拔）A5.256注意：其中没有考虑到温度、湿度、空气目睹变化等很多外界的环境因素激光高度计是采用激光作为光源测量发射与接收反射光的时间差来计算距离高度的传感器。由于采用激光作为光源，它的高度和分辨率较高，测量距离最远达到100米甚至数百米距离，但是成本较高，且容易受到空气灰尘的印象以及反射面的干扰。GPS&球定位系统可以通过解析GPGGA的数据来获得GPSR集到的高度数据，但是GPS球定位系统的卫星信号可能提供不准确的GP漱据，且误差比较大飞控算法可以采取数据融合的方式将不同的传感器之间的数据进行处理，从而获取更高精度的数据。4 .导航系统1）惯性导航：惯性导航系统是内部集成惯

5、性测量单元作为敏感元器件的导航参数解算系统，该系统不依赖GPS?外部定位信息，也不像外部发射能量。惯性导航的基本原理是基于牛顿力学定力和欧拉方程式，通过测量载体在惯性参考下中的加速度和角速度信息，多这些数据进行时间的积分从而计算出载体在惯性参考系中的速度位置以及姿态角信息。航位推算的定义是从已知的坐标位置开始，根据航行体（船只、飞机、陆地车辆等）在该点的航向、航速和航行时间，推算下一时刻坐标位置的导航过程就称为航位推算。航位推算（DR）基本原理是利用方向和速度传感器获取的信息来推算车辆的位置。4卜航位推售法示意图由无人机的记动可觊仃成品一it平面上的迈动.因此如果始遭无人机的起始便置%*%）和

6、起始力位地眄过实时的测后gA网的行兜即忠和琥向加度的变化，就可。实时的栉寻无人机的位菽吭位抵算的厚理如图断示,DR利用传腐零直接或间接翻出肮向和检移矢量，从而推算出无人机的位置.航疗体在K时期的位置可H栽示为灯忒:惯性导航系统的主要缺点为：由于采用时间积分的航位推算，推算过程的误差和积分误差无法消除,并且随着时间的增加会累积，造成全局发散的情况+与yo一一=f4ISisin仇Sicos2）GPSt航GPS导航系统，顾名思义就是以全球24颗人造卫星为基础，对无人机不断定位从而实现导航功能。在GPS1航电文中包含有卫星星历、工作状况、时钟改正、经纬度、天线离水平面高度等信息。无人机接收到导航电文时

7、，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与无人机之间的伪距离，再利用导航电文中卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置。GPS导航其优点是全天候、连续性高精度导航与定位能力；但是由于无人机GPS8收机中使用的时钟与卫星搭载时钟不可能同步，并且其容易受到电磁干扰的影响，如果飞行器需要快速更新导航信息的话，GPS勺更新频率无法满足其无人机导航的。3）多普勒导航多普勒导航系统是利用多普勒效应测定多普勒频移，从而计算出无人机当前的速度和位置来进行导航（见无线导航）。多普勒雷达测得飞机速度信号与航向姿态系统测得的飞机的航向、俯仰、滚转信号一并输入导航计算机，计算出飞机的地速矢量并对地速进行连

8、续积分等运算，得出当前飞机的位置。再利用这个位置信号进行航线等计算，实现飞机的引导。多普勒导航的有点是自主性好、反应速度快、抗干扰性强、测速精度高，能适用于各种气候条件和地面条件。具缺点是工作时必须发射点播，因此其隐蔽性不好；系统工作受到地形的影响，在沙漠或者水平面上工作时，因其电波的反射性不好而会降低其性能。并且精度受到天线姿态的影响，测量有积累误差，系统会随着飞行距离的增加而使误差增大。4）地形辅助导航地形辅助导航是指飞行器在飞行过程中，利用预先存储的飞行路线中某些地区的特征数值，与实际飞行过程中测量的数值进行不断比较来实施导航修正的一种方法。地形辅助导航的优点是没有误差，隐蔽性好，抗干扰

9、性强。其缺点是计算量大，实时性受到制约；工作性能受到地形影响，适用于地形起伏大的地形，不适合于平原或者海面使用；同时还受到天气气候的影响，在大雾、多云或者雪天气候下导航效果不佳；要求飞行器按照事先规定的路线飞行，大大影响了无人飞行器的适用性。5）地磁导航地磁是地球天然的固有资源，在早期时候，航船就利用其指北针来进行导航。由于地磁场为矢量场，在地球的任一空间上的地磁量都是不同的，并且与该地点的经纬度存在对应关系，因此在理论上确定该地点的地磁场矢量就能实现全球定位。地磁导航其优点也如上所示在跨海制导方面有一定的优势，具缺点是地磁匹配需要存储大量的地磁数据，并且需要高性能的处理器来进行数据匹配。5.

10、无线图传系统无线图传系统无线图传系统，简称图传系统，从应用层来看分为固定点的图像监控传输系统和移动视频图像传输系统；无人飞行器的无线图传系统属于移动视频图像传输系统的类别，它是作为飞行器的重要任务载荷部分，提供机载设备的图像系统的数据链路通道。它负责将机载图像采集数据实时无损/有损的传输到地面接收设备上，供实时观察以及存储，图像分析等后续处理基于不同的开放频段，图传系统在传输技术体制上可以大致分为模拟传输、GSM/GPRS/CDMA字微波、扩频微波、无线网、COFDM（交频分复用）等。主要是直接图像数据模拟信号进行中频调制和FM载波调制并传输的方式。应该说模拟图传由于上变频下变频都通过模拟器件

11、来进行，而数字图传则需要经过一系列的码同步和校验等，一般认为模拟图传延迟要比数字图传低。但是随着数字技术的发展和高频处理器的性能提升，数字图传的延迟已经能下降到低于300ms的性能，高端的数字图传甚至可以降低到100ms以内6.地面站控制系统由于无人机的操控人员无法在机上监控飞行器的状态，只能在地面上监测无人机的飞行状态以及控制其飞行任务，因此无人机地面站系统对地面操控人员来说就是无人飞行器重要的维护保障平台。它通过与无人飞行器建立空地双向通信链路，实现对机载系统的遥测与遥控。遥测通道主要负责实时监视飞行器的各种飞行状态和飞行数据，包含但不限于飞行器的姿态信息，速度信息，位置信息，传感器数据，

12、飞行模式，图像采集信息，温度信息，各机载设备的健康信息等，同时还可以为地面人员提供指令输入接口，让操控人员可以向飞行器发送各种指令数据，包含飞行模式切换，起降指令，任务执行指令，甚至飞控参数调整指令等。本书第十章将详细介绍天地链路以及通信信道的设计与实现方案。6.任务载荷云台和摄像头地磁导航无人机的用途除了做军用靶机以外，还可以执行通信中继、航拍勘测、抢险救灾、气象探测、农林植保等等任务，这些任务都需要无人机系统搭载额外的任务载荷。而无人机提供的是一个载体的功能。有些任务载荷，例如航拍系统，需要保持姿态的稳定以实现视角和镜头的稳定。因此这类的任务载荷一般都是安装在一个两轴或者三轴的稳定云台上的

13、。云台是安装固定摄像头的支撑设备，高级的云台带有自稳系统，它内部集成了两轴或者三轴自由度的高精度伺服舵机，此外还集成了三轴陀螺仪和加速度计传感器，能够实时感知安装台的姿态，形成闭环控制，抵消机体振动的干扰，保证载荷的平稳姿态。云台还提供舵机控制信号接口，接收高精度的控制信号，用户可以通过地面站或者遥控器控制云台的三轴转动，从而带动摄像头改变视角，达到全方位拍摄、跟踪监视目标以及自动扫描监视区域的目的。一般来说水平旋转角度可以在0°360°,垂直旋转角度和倾斜旋转角度在90以内。如图1-35所示，是一个三轴的稳定云7.避障系统无人机避障技术无人机避障技术主要分为三个部分：感知

14、部分、绕飞部分、构图及路径规划部分感知部分：指传感器感知障碍物部分，这一阶段采用的传感器技术包含了超声波避障传感器、激光雷达测距传感器、微波雷达传感器和双目视觉传感器等复杂的视觉图像处理。其中双目视觉传感器图区深度信息技术，例如大奖创新在2016年推出的无人机系统中，采用了双目视觉的前视和下视两组视觉处理系统，其中前视视觉传感器用与飞行避障。类似有前述集中技术的组合，比如大疆在2015年推出的官方只能避障系统Guidance中采用了5组传感器，可以在前、后、左、右和下5个方向上进行障碍物体识别，而识别的机制融入了超声波和机器视觉两种技术，除了常规的超声波之外还放置了摄像头用于获取视觉图像，最后

15、使用英特尔凌动（Atom）BayTrail处理器中进行计算处理。8.虚拟现实和增强现实系统虚拟现实虚拟现实（VirtualReality）是近几年来随着计算机技术和图像视觉技术的发展兴起的一项新的应用技术。虚拟现实通过计算机图形学的软件可以创建一套完全虚拟的视觉听觉甚至触觉的效果，它利用计算机生成一种模拟环境提供多源信息融合的交互式三维动态视觉和行为系统仿真，让体验者可以完全可以沉浸在虚拟的世界当中。它是计算机图形学人机交互、立体成像、多媒体技术传感网络、仿真建模技术等多种科学技术的交叉融合的应用研究领域。与虚拟现实不同的是，增强现实所强调的是计算机系统对现有物理世界视觉的感知并在此基础上叠加

16、更其他需要实时生成的图像与信息，相当于对现实场景的信息增强。1.2多旋翼飞行器的结构和飞行原理1.2.1 多旋翼飞行器机身布局多旋翼机身和机臂的拓扑布局结构来说可以分为星形结构和环形结构。星形结构的特点是将机臂按照星形链接与中心板（HUB组合在一起，中心板作为负责承载所有机载系统，并连接所有机臂，而机臂则主要承载动力系统。在星形结构中，按照飞行器所定义的机头方向与机臂相对位置的不同，还分为十字型和X字型。+字型的机头方向与某一个机臂重合。十字型的拓扑结构好处是操控会稍简单一点，因为在做姿态运动时它以其中一个臂作为旋转轴，这个旋转轴上的机臂的电机不需要调整转速，但它的缺点也很明显，因为通常机载的

17、前视相机对准机头方向，在十字型的设计中容易被机臂遮挡，影响视角。而x字型则采用两个机臂中间线作为机头方向。注意：在设计多旋翼飞行器的机体结构时，整机的重心设计也是非常需要注意的一点。由于飞行器的动力系统对称分布，要求重心必须要设计到机体中心轴上。当重心位于桨盘下方的时候，重心相对桨盘产生的力矩与外界干扰产生的力矩相反，将会对干扰振动产生抑制作用，因此重心越低，飞行器的稳定性越好G）三旋襄SN型四旋翼型四旋翼3）六雄翼（G共轴四旋翼只旋比共轴三旋其1.2.2 多旋翼飞行器的旋翼结构多旋翼飞行器，主要相比于单旋翼飞行器，它拥有两个或两个以上的旋翼。其中两个旋翼的飞行器包含共轴双旋翼、交错双旋翼和直

18、列双旋翼飞行器。为了保持飞行器的平衡稳定，一般旋翼的个数为偶数，并且采用围绕机体重心对称分布布局。当然也有特殊的3旋翼飞行器，但是要保持它的航行稳定性需要特殊的算法考虑。最常见的是四旋翼、六旋翼和八旋翼，随着旋翼的增加，机架尺寸也会显著增大，旋翼对角线的长度也增大，同时飞行器的额定设计载荷也会进一步增大E六旋翼fd）八旋翼1.2.2.2多旋翼飞行器的旋翼结构除了旋翼的个数和安装位置，每个旋翼位置还可以配置成单桨与共轴双桨的方式。共轴双桨的结构示意图如图1-47所示。采用共轴双桨的好处是在不增加整机尺寸的基础上提升整体升力，增加整机载荷能力，但缺点是能耗比增加，因为上下桨叶形成风力耦合，整体升力

19、小于两个桨单独升力之和，降低单桨的力效比，根据文献中的研究，共轴双桨的力效仅相当于单桨力效的1.6倍。1.2.3 多旋翼飞行器的飞行原理四轴飞行器的四个螺旋桨高速旋转产生升力，提供飞行动力。其中四个点击旋转方向两两相同（2个顺时针旋转，2个逆时针旋转）；通过这种设计方式能够相互抵消反扭矩。多旋翼无人机属于静不稳定系统，因此必须依靠强大的飞控系统才能进行稳定飞行及控制。多旋翼无人机的飞行自由度可以区分为6个；分为直线运动与角运动直线运动:直线运动可分为上下、前后、左右运动。角运动：俯仰、翻滚、偏航1.2.4 多旋翼飞行器的飞行原理?悬停在飞行器悬停时，桨盘面垂直于重力，4个旋翼产生的合拉力抵消重

20、力，产生的滚转和横滚力矩为0,产生的反扭距也相互抵消?升降在悬停的基础上，4个旋翼同时提升相同的转速，产生的合拉力大于重力,此时飞行器产生上升运动。1.2.3多旋翼飞行器的飞行原理?前后飞行（pitch）当1号和4号旋翼降低转速，2号3号旋翼提升转速，则飞行器产生俯仰力矩，从而产生低头动作，低头动作的同时由于有向前的拉力，因而产生前进运动。反之1号和4号旋翼提升转速，而2号和3号旋翼降低转速，则飞行器产生抬头力矩，并产生抬头动作，同时由于有向后的拉力分量，产生后退运动注意的无论在俯仰还是横滚等倾斜运动的时候，提升转速的旋翼与降低转速的旋翼变化值并不能完全相等。这是因为合拉力在倾斜方向上产生了分

21、量，导致在重力方向上的分量减小，因此合拉力需要增大，才能保证重力方向上的分量仍然能够保持与重力相等?左右飞行(roll)当1号和2号旋翼降低转速，3号4号旋翼提升转速，则飞行器产生横滚力矩，从而产生向右滚转动作，滚转动作的同时由于有向右的拉力分量，因而产生向右飞行的运动。反之，当1号和2号旋翼提高转速，3号4号旋翼降低转速，则飞行器产生横滚力矩，从而产生向左滚转动作，滚转动作的同时由于有向左的拉力分量，因而产生向左飞行的运动。1.6.3 多旋翼飞行器的飞行原理?偏航飞行当1号和3号旋翼降低转速，2号4号旋翼提升转速，则飞行器的两组对角线产生反扭力矩差，且逆时针方向的反扭距大于顺时针方向的反扭距

22、，从而产生逆时针方向的偏航动作反之当1号和3号旋翼提升转速，3号4号旋翼降低转速，则飞行器的两组对角线同样产生反扭力矩差，且时针方向的反扭距小于顺时针方向的反扭距，从而产生顺时针方向的偏航动作1号1.6.4 多旋翼的优缺点优势尺寸-由于机械和结构设计上的简单，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飞行器易控性-多旋翼飞行器的飞行控制原理简单，各轴之间的控制和运动规律可以相互独立，耦合性不强，例如可以进行侧滑飞行，操控简单，飞行轨迹易于控制可靠性-由于多旋翼飞行器的机械简单，没有直升机的倾斜盘等复杂的结构，且无轴承磨损件，因此使得飞行器的可靠性大大增加。成本-相比直升机与定翼机

23、，多旋翼的简单机械和结构使得生产制造成本较低，并且维护使用方面的成本也很低，因此特别适合中小型规模飞行器的应用以及消费类电子产品的使用，多旋翼可以理解为通过软件的复杂性来获得硬件机械的简单性。四旋翼无人飞行器飞行状态解析四轴飞行器的四个螺旋桨高速旋转产生升力，提供飞行动力。其中四个点击旋转方向两两相同（2个顺时针旋转，2个逆时针旋转）；通过这种设计方式能够相互抵消反扭矩。多旋翼无人机属于静不稳定系统，因此必须依靠强大的飞控系统才能进行稳定飞行及控制。多旋翼无人机的飞行自由度可以区分为6个；分为直线运动与角运动直线运动：直线运动可分为上下、前后、左右运动角运动：俯仰、翻滚、偏航上下运动：由电机油门控制，油门越大，四个电机转速同时增大，升力增大前后运动：由