无人机装调技术课件 无人机的基础

无人机相关知识01什么是无人机？无人驾驶飞机的诞生可以追溯到1914年。当时正值第一次世界大战，英国的卡德尔和皮切尔两位将军，向英国军事航空学会提出了一项建议：研制出一种不用人驾驶，而用无线电操纵的小型飞机，使它能够飞到敌方上空，投下炸弹，这种设想得到了当时英国军事航空学会理事长亨德森爵士的支持。无人机的分类固定翼无人机无人直升机多旋翼无人机无人机发展趋势高隐身性超高速巡航超高机动性多旋翼发展史1907年，法国Breguet兄弟制造了第一架四旋翼式直升机——“Gyroplane”，这次飞行中没有用到任何的控制，所以飞行稳定性是很差。1921年，GeorgeDeBothezat在美国俄亥俄州西南部城市代顿的美国空军部建造了另架大型的四旋翼直升机先后进行了一架大型的四旋翼直升机，先后进行了100多次的飞行试验但是仍然无法很好的控制其飞行，并且没有达到美国空军标准。美国陆军研制的VZ-7，被称做FlyingJeep，有效载荷250KG，425马力涡轮发动机驱动，容易起飞，但不能满足军方速度和高度要求，1960年被退还给发明人，美国航空事业先驱-柯蒂斯。1924年，出现了一种叫做Oemichen的四旋翼直升机，直升机首次实现了1km的垂直飞行。1956年，Convertawing造了一架四旋翼直升机，该飞行器的螺旋桨在直径上超过了19英尺，用到了两个发动机，并且通过改变每个螺旋桨提供的推力了来控制飞行器。多旋翼的分类及应用十型：+型多旋翼在前几年出现的比较多，因为其前后左右飞行的控制比较直观，只需要改变少量的电机就可以实现，便于飞控算法的开发。但是由于飞机正前方有螺旋桨，在航拍的时候会经常进入图像造成不便，所以随着飞控的成熟，正在逐渐被x型取代。X型：x型多旋翼是目前最常见的类型，尤其是x4，由于结构简单受到很多爱好者的喜爱。但是因为电机的功率受到限制，x4在载重量方面不如x6与x8，所以大型的航模和航拍无人机较多采用后两种形式。另外x8型多旋翼的动力系统拥有冗余能力，即在一个电机损坏的情况下可以继续航行，这是优于其他排列的功能，所以大型多旋翼较常采用这种形式。Y型：Y型多旋翼灵活性能极强，因此多用于竞技类比赛机型。Y型多旋翼分为Y3与Y6，Y3机型尾翼配有一个舵机，相当于也是有4个电机，结构相比X型较为复杂，因此Y3机型逐渐被Y6取代。H型：H型多旋翼多为折叠机型，其主要优点在于平衡度高，机头挂载物体能力强，重心可以大大前移。玩具级：一般整机重量在1Kg以下，飞行10分钟以下，基本采用遥控飞行。为了降低生产成本和维修成本，提高耐摔性能，此类产品大多使用塑料外壳一体化设计，所以不能进行功能扩展；飞行器的控制以遥控为主，没有自主航线飞行能力，同时动力采用直流空心杯电机，没有机载载荷以及地面站等设备。该级别多旋翼飞行器大多用于娱乐，可以提供简单的遥控飞行乐趣和简单的航拍功能。所以用一个词概括玩具级多旋翼的设计目标——娱乐。航模级：整机重量大多在5kg以下，载荷0.5kg左右，飞行时间10-20分钟，大多使用框架式结构以便于维修和功能扩展，可以吊挂小型框架式增稳云台实现简单的航拍功能。飞行器飞行以遥控为主，大部分时间在视野内使用，部分飞行器具备进行航线飞行或预编程的飞行的能力，但不经常实用。该级别飞行器可以提供专业玩家进行航模DIY和进行特技飞行表演，有一些被改装用于空中机器人比赛。所以用一个词概括航模级多旋翼的设计目标——飞行。航拍级：中型工业产品，整机重量5Kg至10Kg左右，载荷能力可以达到3Kg，带设备飞行时间20分钟以上；能够携带专业拍摄设备，比如单反相机，专业摄像机等进行航拍；飞行器带有GPS设备，可以进行自主航线飞行，也能进行视野内遥控飞行；部分产品拥有通信设备和地面站软件，可以在遥控器所及范围之外进行飞行。该级别飞行器可以进行一定的民用拍摄任务，并能够胜任巡线、巡逻、跟踪等专业任务。所以用一个词概括航拍级多旋翼的设计目标——拍摄。工业级：大型工业产品，整机重量10KG以上，载荷能力可以达到5Kg~10Kg甚至更高，带载飞行时间20分钟左右；能够携带工业用设备，比如植保农业用具，电力架线设备等进行工作；飞行器带有GPS设备，可以进行自主航线飞行，也能进行视野外作业，通过图像传输远程遥控飞行；产品配有无线通信设备和地面站系统，可以在遥控器所及范围之外执行飞行任务。该级别飞行器可以进行很多工业上的应用，所以用一个词来概括工业级多旋翼的设计目标——工业。无人机应用领域无人机航拍测绘农业植保公安特警应用管道巡线电力巡线消防救援四旋翼无人机知识讲解02电机之连接方法外转子无刷电机使用三相交流电控制，有三根通电的连接线，这些是由电调控制电流方向的，用来给电机供电。这三根线是相互连通的也是相互等价的，所以我们可以以任意的顺序和电调的三个接口相连，没有正负极之分。如果与电调相连后发现电机转向不对，我们只需要将其中两根的接线顺序互换就可以更改电机的转向。电机之尺寸参数在每款无刷电机表面的铭牌上我们都会发现这样一些数字：2212电机、920KV，如下左图所示。这是无刷电机的基本参数规格。其中2212这四个数字的前两位代表着电机外壳内直径是22mm，后两位则代表电机外壳内高度为12mm。也就是说这四个数据代表着电机的外观大小，我们可以看一下2212电机、3108电机和4005电机的外观，比较一下就知道这些电机的外形差别了，前两位数字越大而后两位数字越小的电机越扁，那种很“扁”的电机就是我们一直说的盘式无刷电机，是多旋翼飞行器上最常见的电机。1000KV的含义是电机在空载状态下每伏电压提升带来的每分钟转速的增加量，当然这个电压指的是经过电调调制的方波的平均电压，而不是电池电压。例如我用一块11.1V锂电池驱动这款电机，当电调调制的方波占空比为50%的时候，它的平均电压为5.55V，那么它空载情况下，每分钟的转速为5550转/分。一般来讲，转速高的电机扭矩小，反之转速低的电机扭矩大，由于多旋翼飞行器需要驱动的桨的尺寸很大，所以大多使用低KV的无刷电机来获得大扭矩，常见的专用盘式电机KV值都在1200KV以下。螺旋桨之材料分类螺旋桨一般有尼龙桨、碳纤维桨和木质桨。由于木质螺旋桨比较容易损坏，所以我们一般不把它用在多旋翼飞行器上；而碳纤维桨叶的重量较轻，刚性较好，所以效率最高，价格也是最高的；尼龙螺旋桨则因为其成本较低，外形比较容易做的精确，在小型多旋翼飞行器中使用的比较广泛。螺旋桨之参数含义描述螺旋桨的参数用四个数字，前两位指的是螺旋桨的直径，后两位指的是螺旋桨的桨距。桨距其实就是螺旋桨扭转的程度，桨距越大的螺旋桨扭转的越厉害，相同转速下提供的升力越多，对电机造成的负荷也越大。他的具体定义是将螺旋桨做截面，截面的玄线（中心线）在几何旋转一周的过程中上升的距离。

比如一只螺旋桨的参数是1047，指的是桨的直径为10英寸，桨距为4.7英寸。需要注意，比如8050，桨直径为8英寸而并非80英寸！多旋翼飞行原理电子调速器我们曾经提到过无刷电机没有换相的电刷，而是通过叫做“电调”的一种电子设备来控制电流的换相。电调的全称为“电子调速器”，前面连接电池，后端控制电机，通过大功率PWM波来对电机的转动进行控制。在电调的铭牌上有两种参数需要我们注意。第一个是匹配电池的节数，用S数来标定，我们介绍过这个单位。另一个参数是允许通过的最大电流。我们在选择电调的时候这个电流的参数是最重要的参数，要求是电机中所允许的最大电流小于电调所标定的电流。如果通过电调的电流大于其所标定的最大电流，电调将烧毁。电池之参数锂电池组的一组参数是S和P。锂电池组是由一节一节的单片锂电池组合而成，而电池的组合方式有串联和并联两种，串联就会增加电池组的电压，并联则增加容量。S就是电池组串联的数量，P就是并联数量。需要介绍的另一个常用参数就是C数比如，一组里聚合物电池标称容量是2200mAh，标称其放电能力是40C，充电能力是5C，那么他的实际放电能力是2200×40=88000mA=88A，其最大充电电流则是2200×5=11000mA=11A。在衡量一块锂电池的寿命时候，循环充电的次数是最主要的标准。一片锂电池的理论循环充电次数为800次，但是由于锂聚合物电池之间的不稳定性，实际组成电池组后循环充电次数为150-200次。当电池内部产生气体造成鼓胀现象的时候就不要再使用了，这是电池已经到达寿命的标志。

其次，在锂电池充电的时候一定要有人在场，避免锂电池过度充电造成的火灾。

最后也是最重要的一点就是锂电池的充电和维护。理论上锂电池的时候应保证电压保持在3.2–4.25V，实际使用时应保证在3.6–4.2V。超过这个电压范围是会降低寿命（充放电次数）。遥控器之频率遥控器常用的无线电波频率主要有72MHz和2.4GHz两种。2.4G遥控器使用2.4GHz频段，属于特高频段无线电波，适合用于短距离的通讯；其波长较短，大概是12.5cm，所以它的越障能力较弱，只能以地面空间波的形式进行有效传播；但是波长短也有好处，就是遥控器和接收机的天线相比于72MHz的可以做的很短；其频率较高，抗干扰性能大大优于72MHz。遥控器之操纵方式飞行控制系统所谓无人机的飞控，就是无人机的飞行控制系统。主要的功能就是自动保持飞机的正常飞行姿态主要有陀螺仪（飞行姿态感知），加速度计，地磁感应，气压传感器（悬停控制），GPS（选装）以及控制电路组成，主要的功能就是自动保持飞机的正常飞行姿态。陀螺仪首先多旋翼的结构就是开环不稳定结构，开环不稳定结构就需要计算机辅助控制，共同形成稳定的闭环系统，这层闭环结构就是构成多旋翼系统稳定最基本的要素。通俗的说就是假设没有任何闭环稳定措施，只有多个相对独立的电机，即使电机转速一致（实际上这很难做到），系统引入一个微小的扰动也会导致系统偏离稳定点且无法自动进入原稳定点或者新稳定点，系统完全失控。多旋翼系统分为两个闭环，最内环是稳定角速度（角速度环），外环是稳定角度即姿态（角度环）。角速度是真实可测的，也就是陀螺仪。其在多旋翼系统中的作用是稳定角速度：在接收到角度环发出的调整指令后稳定角速度。假如只有角速度内环，整个系统从外部看上去就是不加扰动时基本稳定，用手使其偏离会受到阻碍，但是一旦偏离将不能自动恢复原姿态。恢复原姿态需要角度环指令，角度指令可以由飞控的加速度计等给出。加速度计

在姿态解算中，或者说在惯性导航中，依靠的一个重要器件就是惯性器件，包括了加速度计和陀螺仪。陀螺仪的特性就是高频特性好，可以测量高速的旋转运动；而加速度计的低频特性好，可以测量低速的静态加速度。无论是何种算法(互补滤波、梯度下降、甚至是Kalman滤波器)，都离不开对当地重力加速度g的测量和分析。惯性导航利用的就是静态性能好的加速度计去补偿动态性能好的陀螺仪漂移特性，得到不飘并且高速的姿态跟踪算法，因此基于惯性器件的姿态解算，加速度计是老大，它说了算。

PID控制算法控制的不是机架水平，而是加速度计水平，PID不知道机架是什么东西，它只认加速度计，它的使命就是让加速度计水平。我现在假设加速度计与机架存在某个角度，比如右倾30°，四轴主视图如图所示。加速度计(红线)与四轴机架的水平面(虚线)呈30°。起飞后，PID控制算法会尝试将加速度计调整至水平位置，因此四轴就会往图中左边飘，倾斜角度也为30°。这就是为什么飞机无法垂直起飞，或者飞行过程中往一个方向飘的原因：加速度计和机架没有水平。因此在加速度计的机械安装时，尽量保证加速度计与机架水平。应对挑战的能力03电子设计竞赛北京航空航天大学参赛用Pelican多旋翼飞行器嵌入式系统开发算法研究之卡尔曼滤波卡尔曼滤波是非常常用的状态估计算法，相关的理论介绍有很多，这里不赘述了。有一点要注意，就是你的状态方程和量测方程的模型不一样，效果肯定也是不一样的，卡尔曼滤波只是理论，具体怎么用还得看具体情况，效果也是看所建的模型。状态量分别是俯仰角、滚转角以及对应的角速度偏移。模型如下：算法研究之PID算法实际飞行注意事项04遥控器介绍电源开关：遥控器电源开关。遥控器左侧摇杆（油门&方向摇杆）：摇杆向前推油门增加，飞机上升；摇杆向后拉油门减小，飞机下降；摇杆向左打，飞机逆时针转；摇杆向右打，飞机顺时针转。遥控器右侧摇杆（前后&左右摇杆）：摇杆向前推，飞机向前飞，摇杆向后拉，飞机向后飞；摇杆向左打，飞机向左飞，摇杆向右打，飞机向右飞。

飞行模式介绍Stabilize（自稳）：稳定模式是使用得最多的飞行模式，也是最基本的飞行模式，起飞和降落都应该使用此模式。此模式下，飞控会让飞行器保持稳定，但是对飞手的操作要求较高，不建议学生一开始用这个飞行模式练习飞行，这个模式是FPV（穿越机）第一视角飞行的最佳模式。一定要确保遥控器上的开关能很方便无误地拨到该模式，应急时会非常重要。AltHold（定高）：定高模式是使用自动油门，试图保持目前的高度的稳定模式。定高模式时高度仍然可以通过提高或降低油门控制。当进入任何带有自动高度控制的模式，你目前的油门将被用来作为调整油门保持高度的基准。在进入高度保持前确保你在悬停在一个稳定的高度。只要