《无人机系统理论基础》课件-项目3：飞行控制系统与软件

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、高度等信息作为量测值磁强计参与航向角的解算GPS模块第十七课时飞行控制系统的软件BU

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AVIATION目录/CONTENTS§2飞控算法§1嵌入式操作系统§1嵌入式操作系统嵌入式操作系统一种运行在嵌入式相关产品中的操作系统主要作用：负责任务调度、内存分配、数据存储优势：简化底层软件设计、提高应用软件的移植性嵌入式操作系统层次划分：设备驱动层、内核层、应用接口层、应用层嵌入式软件的层次结构嵌入式操作系统应用场景：对于功能简单的项目设计，一般只包括驱动层和应用层对于复杂的项目设计，需采用操作系统进行项目的设计§2飞控算法飞控算法控制算法是无人机控制的核心旋翼类无人机系统的算法：姿态检测算法、姿态控制算法闭环控制系统：姿态控制、被控对象、姿态检测飞控算法闭环控制系统姿态检测算法自由度表示：欧拉角或四元数作用：将传感器的测量值解算成姿态，进而作为系统的反馈量常用的姿态检测算法：卡尔曼滤波、互补滤波飞控算法闭环控制系统姿态控制算法原理：控制自由度输入：给定姿态与姿态检测算法得出的姿态偏差输出：被控对象模型的输入量飞控算法姿态稳定算法惯导系统不依赖于外部信息、不向外部辐射能量的自主式导航系统优点：隐蔽性好、可在复杂环境下工作分类：平台式惯导系统、捷联式惯导系统两大类飞控算法姿态稳定算法惯导系统工作原理：牛顿力学为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等早期平台式惯导系统的缺点：体积大、重量重、可靠性低、维护复杂、费用昂贵，且系统性能受机械结构的复杂性和极限精度的制约飞控算法捷联惯导系统组成：三个速率陀螺、三个线加速度计、微型计算机特点：结构简单、体积小、重量轻、成本低、维护简单、可靠性高、通过冗余技术提高容错能力姿态稳定算法飞控算法姿态稳定算法捷联惯导系统工作原理：陀螺测量运载体的角运动信息加速度计测量运载体的线运动信息机载计算机根据测量信息解算运载体的航向、姿态、速度和位置捷联惯导系统原理框图飞控算法姿态稳定算法捷联惯导系统优点：系统结构极为简单，体积、重量、成本低，维修简单无常用机械平台，缩短系统启动准备时间，消除与平台系统有关的误差无框架锁定系统，允许全方位工作可以提供沿弹体三个轴的速度和加速度信息捷联惯导系统原理框图飞控算法姿态稳定算法捷联惯导系统部件要求：要求加速度表在宽动态范围内具有高性能、高可靠性，且能数字输出高要求计算机的速度和容量飞控算法姿态稳定算法PID算法PID控制器：线性控制器，根据定值和实际输出值构成控制偏差，给出控制录作用：解决动态响应与控制困难的问题原理：姿态信息和螺旋桨转速之间建立比例、积分和微分的关系，调节参数PID工作原理图飞控算法姿态稳定算法控制律解算模块原理：利用飞机状态信息和导航制导信息，调用相应的飞行模态控制律组成：控制逻辑模块、纵向控制律解算模块、横侧向控制律解算模块飞控算法姿态稳定算法控制律解算模块纵向控制的目的：稳定无人机的姿态、高度与速度横侧向控制的目的:控制姿态和航迹，保证无人机具有良好的飞行性能意义：核心功能模块，实现姿态稳定、高度控制、航向控制等控制的基础飞控算法姿态稳定算法PID算法目的：通过输入控制量，改变状态量，使其接近目标量输入控制量：方向舵量p=P*（目标航向–当前航向）积分控制：方向舵量i=I*（偏差和）消除误差：方向舵d=D*（当前状态量–上一次的状态量）输出：方向舵量=方向舵量p+方向舵量i+方向舵量d飞控算法姿态稳定算法卡尔曼滤波算法目的：更好的对多种传感器数据融合进行姿态解算滤波的定义：从混合在一起的诸多信号中提取出有用信号的过程飞控算法卡尔曼滤波算法创新点：将状态空间的概念引入随机估计理论中将信号过程看作是具有白噪声影响的线性系统输入输出过程估计过程中利用系统的多种方程构成滤波算法由时间更新和观测更新算法联系输入输出根据系统状态方程和观测方程估计需处理的信号飞控算法卡尔曼滤波算法针对惯性导航系统的应用：将来自惯性导航系统与其他导航装置数据混合利用，估计和校正未知的惯性导航系统误差作用：利用“预测+校正”测量无人机状态参数原理：将模型计算值与传感器输出值取加权平均并迭代第十八课时开源飞控介绍BU

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AVIATION目录/CONTENTS§2PX4与Pixhawk§4NAZA§3MWC§5KK§1Arduino§6PPZ§1ArduinoArduino最早的开源飞控Arduino公司搭建了灵活的开源硬件平台和开发环境ArduinoIDE基于C、C++的Arduino语言，可在三大主流平台使用软件开发套件ArduinoAPM当今最为成熟的开源硬件项目基于Arduino的开源平台，对多处硬件做出改进通过开源软件MissionPlanner，开发者可以配置APM的设置，接受并显示传感器的数据ArduinoAPM主要架构：Atmega2560微处理器硬件:三轴陀螺仪、三轴加速度计、测量高度的空气压力传感器、10HzGPS模块、监视电池状态、4Mb板上数据记录存储器、内建硬件失效处理器等§2PX4与PixhawkPX4与PixhawkPixhawk前身：APM，缺点为处理器接近满负荷，无法进行更复杂的运算处理PX4系列，缺点为不易固定、使用复杂PX4与PixhawkPixhawk特点：硬件透明：兼容外设、便于开发、复杂性安全性和实用性PX4与PixhawkPX4遵守BSD协议的软硬件开源项目目的：提供低成本、高性能的高端自驾仪基础：苏黎世联邦理工大学的PIXHawk项目PX4飞控板PX4与PixhawkPIXHawk(2014)PX4飞控升级版，拥有PX4和APM两套固件和相应的地面站软件目前硬件规格最高的产品内置：两套陀螺、加速度计MEMS传感器、三轴磁场传感器PX4与PixhawkPIXHawk(2014)算法：定高算法，利用气压高度计将飞行器高度固定在1米以内优点：支持几乎所有的多旋翼类型，并完成自主调参，开放性好PIXHAWK飞控板PX4与PixhawkPIXHawk(2014)芯片：带有FPU的32位STM32F427芯片内核：CortexM4内核主频：168M运算能力：252MIPS的运算能力RAM：256KB闪存：2MBPX4与PixhawkPIXHawk(2014)故障协处理器芯片：STM32F103传感器：MicroL3GD20H16位陀螺仪、MicroLSM303D14位加速度计、MPU60003轴加速度计/陀螺仪、MS5611气压计STM32F103开发板PX4与PixhawkPIXHawk(2014)硬件接口：5个UART、2个CAN接口、SpektrumDSM/DSM2/DSM-X卫星兼容输入接口、FutabaS.BUS兼容输入和输出接口、PPM和信号输入接口、RSSI输入接口、I2C、SPI、ADC、内部和外部microUSB接口PX4与PixhawkPIXHawk(2014)电力系统与保护：具有自动故障转移功能的理想二极管，适应大功率的伺服电机和大电流所有外围输出均过流保护，所有输入均受ESD保护PX4与PixhawkPIXHawk(2014)电源：电源模块、伺服电机、USB硬件框架§3MWCMWC无人机系统的重要组成部分，是无人机与地面系统联系的细带建立空地双向数据传输通道，用于完成地面控制站对无人机的远距离遥控、遥测和任务信息电传输MWC飞控MWC外围设备蓝牙调参模块-安卓手机/平板电脑来调试参数OLED显示屏模块-可作为机载状态/参数显示器，也可搭配遥控器进行参数调试I2C-GPS导航板-328P飞控可通过它连接GPS，用于定点/自动返航及航点飞行功能GPS-用于定点/自动返航MultiWii调参软件MWC外围设备⑤OSD-FPV必备，可显示飞控与GPS数据⑥数传模块-APC2XX/Xbee/3DRRadio