无人机系统理论基础 课件 第十六课时 无人机的飞行控制系统

第十六课时无人机的飞行控制系统BU

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AVIATION目录/CONTENTS§2飞行控制系统的概述§3飞行控制系统的硬件组成§1飞行控制系统的概述§1飞行控制系统的概述飞行控制系统的概述无人机系统中核心重要的子系统承担任务：数据采集处理、飞行控制、自动导航、数据链路信息传输小型无人机通常使用微小型飞行控制系统飞行控制系统无人机航母着陆飞行控制系统的概述飞行控制系统的定义飞控全称导航飞控系统，又称自动驾驶仪国内外微小型飞控系统的共同特点：集成MEMS传感器、集成度增加，降低产品的体积重量与成本集成小型GPS接收模块，确保导航精度飞行控制系统的概述飞行控制系统的定义c.微处理器运行控制算法，实现稳定速度控制、高度保持、导航控制等d.预留大量IO接口，实现功能的扩展升级，以及对不同任务载荷的控制e.起飞、降落方式多样，满足不同野外工作环境下的操作要求f.对同一类型无人机多种布局或多种类型无人机具有良好的支持飞行控制系统的概述飞行控制系统的基本功能基本任务：完成数据采集、姿态解算、复杂的控制任务等控制方式：多种传感器，监测、反馈无人机状态，确定系统控制量通过无线通信链路实现数据的实时交互、通常具备不同的操纵模式飞行控制系统的概述飞行控制系统的基本功能最终任务:控制量送到舵机，控制翼面动作，实现无人机姿态、飞行航迹控制预留大量接口，实现系统的任务扩展与载荷控制飞行控制系统的硬件组成：主控芯片、传感器、多种数据接口飞行控制系统的概述飞行控制系统的硬件特点传感器集成度、精度高、降低成本、减少了器件的安装误差模拟信号输出到数字信号输出，节省了芯片的IO接口资源与芯片引脚参考电源的设计要求降低，提高系统稳定性飞行控制系统的概述飞行控制系统的硬件特点主控芯片扩展系统接口设计、减少外围接口芯片通过采用协处理器，实现功能分离，提高工作效率通过采用多CPU实现冗余度设计，提高飞行安全性飞行控制系统的概述飞行控制系统的硬件特点外围接口便于二次开发与功能扩展便于外接其他类型传感器便于挂载相关任务载荷、提高系统扩展性能飞行控制系统的概述飞行控制系统的硬件特点飞行测控系统的模块划分：主控单元模块、传感器模块、电源管理模块、舵机输入输出模块、其他扩展接口模块飞行控制系统的硬件基本组成§2飞行控制系统的基本原理飞行控制系统的基本原理自由度：3个绕轴的自由度表示姿态，3个沿轴的自由度表示位置多旋翼通自由度控制姿态与位置飞机的六个自由度自动驾驶原理飞行控制系统的基本原理自动驾驶原理稳定姿态：速率陀螺结合传感器测量、主芯片计算、电调带动电机动作陀螺仪的基本结构飞行控制系统的基本原理自动驾驶原理调整位置：安装磁力计、气压高度计、超声波高度计、室内光流传感器等多旋翼常用传感器：三轴速率陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计等多旋翼计算单元：飞控版中央用于计算的最大贴片多旋翼执行机构：电调、电机、舵机陀螺仪的基本结构飞行控制系统的基本原理飞控的工作过程采集传感器测量的飞行状态数据、接收地面测控站的控制命令及数据输出控制指令给执行机构，实现对飞行模态的控制与任务设备的管理无人机状态数据及发动机、机载电源等参数，传送机载无线电数据终端数据经无线电下行信道发送回地面测控站飞行控制系统的基本原理飞控的工作过程固定翼无人机：舵机改变飞机的翼面，产生相应的扭矩，控制飞机动作传统直升机形态无人机：控制直升机倾斜盘、油门、尾舵，控制飞机动作多轴形式无人机：控制各轴桨叶的转速来控制无人机姿态，控制飞机动作飞行控制系统的基本原理飞控的工作过程飞控的作用：通过飞控板上的陀螺仪对无人机进行控制没有飞控系统的后果：四轴飞行器的飞行力量不平衡，无法飞行§3飞行控制系统的硬件组成飞行控制系统的基本原理处理器意义：飞控的主控芯片、系统硬件的核心组成部分、联系各个传感器及接口、控制设备运行工作飞行控制系统的基本原理处理器主要任务：对传感器数据进行采集并实时处理解算无人机的位置、姿态、高度、速度等信息接收并解析地面控制站遥控指令，结合当前机体信息解算出系统控制量，驱动舵机执行动作，保障无人机飞行管理飞机设备，执行任务载荷的操作，保存操作日志及机体信息传递遥测信息，供操作人员监控决策飞行控制系统的基本原理处理器采用ARM芯片，具有较高的数据处理能力与丰富的外部接口陀螺仪的基本结构飞行控制系统的基本原理通信接口舵机信号输入与输出模块作用：协助人工操作干预PWM脉宽调制：控制周期方波信号占空比，控制舵机转动角度Futaba接收机飞行控制系统的基本原理通信接口遥控遥测模块功能：通过无线链路传递无人机的传感器信息、遥控指令信息、制导数据、控制律参数等数据，为地面站指挥人员提供数据地面站发出遥控指令控制干预无人机Futaba接收机飞行控制系统的基本原理导航模块内容：自主导航、指令导航、人工导航输入信号：传感器采集的信息、地面Futaba操控指令输出信号：舵机控制信号飞行控制系统的基本原理导航模块自主导航航线管理功能：提供参考航线，协助飞行控制软件制定制导策略导航制导功能：导航信息，控制律解算模块实现对飞行航迹的控制飞行控制系统的基本原理导航模块无人机的任务航线组成：不同航路点，包括航点总数、航段编号、航点编号、航点经度、航点纬度、航点高度和特征字航点总数：定义航点数目航段编号、高度、特征字：代表航段的属性航点编号、航点经度、纬度：定义航路点的属性飞行控制系统的基本原理导航模块指令导航功能：根据地面遥控指令，接不同的模态控制律，使地面人员操控无人机根据地面遥控指令执行动作，调用模态控制律来控制无人机稳定飞行飞行控制系统的基本原理导航模块指令导航任务分类：纵向指令模态、横侧向指令模态纵向指令模态：指令爬升、平飞、下滑，纵向平飞模态才能响应横侧指令模态：指令左转、右转、直飞，横侧向直飞状态时才能响应飞行控制系统的基本原理导航模块人工导航激活条件：地面人员给出飞行模式切换指令，由地面遥控来操控飞行作用方法：采用Futaba操纵杆直接控制无人机Futaba遥控器飞行控制系统的基本原理导航模块作用过程：飞行控制系统接收人工遥控指令飞行控制软件切除自主控制律地面站将PPM高电平信号通过无线电台上传给无人机飞行控制软件将PPM高电平信号转换成各路舵面的偏转角度，从而驱动舵机工作飞行控制系统的基本原理数据存储模块作用：记录飞控系统传感器数据Pixhawk飞控中加入了SD卡模块，可用于存储飞行数据及地形数据带SD卡模块的Pixhawk飞行控制系统的基本原理MEMS传感器作用：检测被控系统相关参数，作为反馈量与目标值比较，得到控制规律对执行机构进行控制种类：加速度计、陀螺仪、高度计、磁强计、空速传感器、GPSMEMS压力传感器飞行控制系统的基本原理MEMS传感器姿态传感器作用:感受无人机俯仰、滚转和航向角度，协助实现姿态稳定与航向控制功能性能考虑：测量范围、精度、输出特性、动态特性安装要点：安装在无人机重心附近，小振动，有较高的安装精度要求ADI公司ADIS16365MPU6050姿态传感器飞行控制系统的基本原理MEMS传感器高度、空速传感器作用：感受无人机的飞行高度和空速性能考虑：测量范围、测量精度飞行控制系统的基本原理MEMS传感器高度、空速传感器气压高度计：通过观测气压测量飞行气压高度空速计：感受飞行动压气压高度计空速计飞行控制系统的基本原理MEMS传感器位置传感器作用：感受无人机的位置，协助飞行轨迹控制典型的位置传感器：惯性导航设备、GPS卫星导航接收机、磁航向传感器高度、空速传感器飞行控制系统的基本原理MEMS传感器缺陷：精度有限，无法利用INS来进行航位推算并进行控制操作改进方法：利用GPS提供速度、经纬度、