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解读无人机的核心-飞控系统

发布时间:2016/3/1 16:07:23 来源:郑州威科特电子 点击:

 2015年无人机市场从独占鳌头发展到群雄并起,无人机厂商像雨后春笋般出现,无人机开始进入更多寻常百姓家。从发展前景来看,无人机的发展前途无量。在航拍、快递、灾后搜救、数据采集等领域,无人机都已经崭露头角。虽然在监管等层面,无人机发展依然存在瓶颈,但从目前来看,无人机产业链的蓬勃发展,已经是不争的事实。

导言:无人机之所以能够在空中自主飞行就是因为无人机也和人类一样,也拥有一个大脑,究竟是什么样的一个大脑才能够控制一架飞机在空中自动驾驶呢?下面我们来为你解答。



能够自主起飞、自主导航、自主降落、自主完成我们给他设定任务的不载人飞机称之为无人机。那么无人机这么强大的功能究竟是谁赋予的呢?接下来我们来谈的话题就是无人机的核心——飞控,也称自驾仪。有了这套自驾仪,通过地面端的电脑就或者手机就可以控制一架飞机自主起飞、自主导航、自主降落了。

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那么什么是飞控呢??顾名思义,飞控就是飞机飞行控制器的简称,既然是控制器,那么这里边也应该有一台微电脑之类的来控制飞机,事实上现在的飞控内部除了一些传感器外还有就是多块单片机构成,并不是我们想象的那么神秘。

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现在的飞控内部使用的都是由三轴陀螺仪,三轴加速度计,三轴地磁传感器和气压计组成的一个IMU,也称惯性测量单元。那么什么是三轴陀螺仪,什么是三轴加速度计,什么是三轴地磁传感器呢,什么是气压计呢?它们在飞机上起到的是什么作用呢,这三轴又是哪三个轴呢?三轴陀螺仪,三轴加速度计,三轴地磁传感器中的三轴指的就是飞机左右,前后垂直方向上下这三个轴,一般都用XYZ来代表。左右方向在飞机中叫做横滚,前后方向在飞机中叫做俯仰,垂直方向就是Z轴。陀螺都知道,小时候基本上都玩过,在不转动的情况下它很难站在地上,只有转动起来了,它才会站立在地上,或者说自行车,轮子越大越重的车子就越稳定,转弯的时候明显能够感觉到一股阻力,这就是陀螺效应,根据陀螺效应,聪明的人们发明出的陀螺仪。最早的陀螺仪是一个高速旋转的陀螺,通过三个灵活的轴将这个陀螺固定在一个框架中,无论外部框架怎么转动,中间高速旋转的陀螺始终保持一个姿态。通过三个轴上的传感器就能够计算出外部框架旋转的度数等数据。

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由于成本高,机械结构的复杂,现在都被电子陀螺仪代替,电子陀螺仪的优势就是成本低,体积小重量轻,只有几克重,稳定性还有精度都比机械陀螺高。说道这,大家也就明白陀螺仪在飞控中起到的作用了吧,它就是测量XYZ三个轴的倾角的。那么三轴加速度计时干什么的呢,别急,我来给你解答,刚刚说道三轴陀螺仪就是XYZ三个轴,现在不用说也就明白三轴加速度计也是XYZ三个轴。当我们开车起步的一瞬间就会感到背后有一股推力,这股推力呢就是加速度,加速度是速度变化量与发生这一变化时间的比值,是描述物体变化快慢的物理量,米每二次方秒,例如一辆车在停止状态下,它的加速度是0,起步后,从每秒0米到每秒10米,用时10秒,这就是这辆车的加速度,如果车速每秒10米的速度行驶,它的加速度就是0,同样,用10秒的时间减速,从每秒10米减速到每秒5米,那么它的加速就是负数。三轴加速度计就是测量飞机XYZ三个轴的加速度。

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我们日常出行都是根据路标或记忆来寻找自己的面向的,地磁传感器就是感知地磁的,就是一个电子指南针,它可以让飞机知道自己的飞行朝向,机头朝向,找到任务位置和家的位置。气压计呢就是测量当前位置的大气压,都知道高度越高,气压越低,这就是人到高原之后为什么会有高原反应了,气压计是通过测量不同位置的气压,计算压差获得到当前的高度,这就是整个IMU惯性测量单元,它在飞机中起到的作用就是感知飞机姿态的变化,例如飞机当前是前倾还是左右倾斜,机头朝向、高度等最基本的姿态数据,那么这些数据在飞控中起到的作用是什么呢?

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飞控最基本的功能控制一架飞机在空中飞行时的平衡,是由IMU测量,感知飞机当前的倾角数据通过编译器编译成电子信号,将这个信号通过信号新时时传输给飞控内部的单片机,单片机负责的是运算,根据飞机当前的数据,计算出一个补偿方向,补偿角,然后将这个补偿数据编译成电子信号,传输给舵机电机,电机或舵机在去执行命令,完成补偿动作,然后传感器感知到飞机平稳了,将实时数据再次给单片机,单片机会停止补偿信号,这就形成了一个循环,大部分飞控基本上都是10HZ的内循环,也就是1秒刷新十次。这就是飞控最基本的功能,如果没有此功能,当一个角一旦倾斜,那么飞机就会快速的失去平衡导致坠机,或者说没有气压计测量不到自己的高度位置就会一直加油门或者一直降油门。其次,固定翼飞控还有空速传感器,空速传感器一般位于机翼上或机头,但不会在螺旋桨后边,空速传感器就是两路测量气压的传感器,一路测量静止气压,一路测量迎风气压,在计算迎风气压与静止气压的压差就可以算出当前的空气流速,一般是m/s。

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有了最基本的平衡、定高和指南针等功能,还不足以让一家飞机能够自主导航,就像我们去某个商场一样,首先我们需要知道商场的所在位置,知道自己所在的位置,然后根据交通情况规划路线。飞控也亦然,首先飞控需要知道自己所在位置,那就需要定位的,也就是我们常说的GPS,现在定位的有GPS、北斗、手机网络等定位系统,但是这里面手机网络定位是最差的,误差好的话几十米,不好的话上千米,这种误差是飞控无法接受的,由于GPS定位系统较早,在加上是开放的,所以大部分飞控采用的都是GPS,也有少数采用的北斗定位。精度基本都在3米内,一般开阔地都是50厘米左右,因环境干扰,或建筑物、树木之类的遮挡,定位可能会差,很有可能定位的是虚假信号。这也就是为什么民用无人机频频坠机、飞丢的一个主要原因。

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GPS定位原理就是三点定位,天上的GPS定位卫星距离地球表面22500千米处,它们所运动的轨道正好形成一个网状面,也就是说在地球上的任意一点,都有可以同时收到3颗以上的卫星信号。卫星在运动的过程中会一直不断的发出电波信号,信号中包含数据包,其中就有时间信号。GPS接收机通过解算来自多颗卫星的数据包,以及时间信号,可以清楚的计算出自己与每一颗卫星的距离,使用三角向量关系计算出自己所在的位置。GPS也定位了,数据也有了,这个信号也会通过一个编译器在次编译成一个电子信号传给飞控,让飞控知道自己所在的位置、任务的位置和距离、家的位置和距离以及当前的速度和高度,然后再由飞控驾驶飞机飞向任务位置或回家。刚刚我们也说了,GPS能够测速也能够测高度,为什么要有气压计和空速计呢?这就是为了消除误差,飞机飞起来是不与地面接触的,直接接触的是空气,假设飞行环境是无风的环境,飞机在地面滑跑加速,加速到每秒20米的速度然后再拉升降舵起飞,这样GPS测量到的数值是准确的,但是要是逆风呢,是因为机翼与空气相对的运动达到了一定的速度才能够产生一定的升力让飞机起飞,如果在逆风环境下,风速每秒10米,飞机只需要加速到每秒10米就可以正常离地了,如果加速到每秒20米,相对空气的速度已经达到了每秒30米,或者说顺风起飞,风速每秒20米,飞机GPS测速也达到了20m/s的速度,这个时候拉升降舵,飞机动都不会动,因为相对空气速度是0米,达不到起飞条件,必须加速到每秒40米的时候才能达到升力起飞。这就是空速计的作用,GPS测量的只是地速,刚刚降到,GPS也可以定高,第一GPS定位精度是3米内,也就是说飞控能感知到的是平面方向的两倍误差,信号不好的话十几米都有可能,还有GPS不定位的时候,另外GPS定高数据是海拔高度并不是地面垂直高度,所以GPS定高在飞控中不管用。有了GPS飞控也知道飞机位置了,也知道家的位置和任务位置,但是飞控上的任务以及家的位置飞控是怎么知道的呢,这就是地面站的作用。

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地面站,就是在地面的基站,也就是指挥飞机的,地面站可以分为单点地面站或者多点地面站,像民航机场就是地面站,全国甚至全球所有的地面站都在时时联网,它们能够清楚的知道天上在飞行的飞机,并能时时监测到飞机当前的飞行路线,状况,以及飞机的时时调度等。像我们用的无人机大部分都是单点地面站,单点地面站一般由一到多个人值守,有技术员,场务人员,后勤员,通信员,指挥员等人组成。像玩家一般都是一个人。

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地面站设备组成一般都是由遥控器、电脑、视频显示器,电源系统,电台等设备组成,一般简单的来说就是一台电脑,一个电台,一个遥控,电脑上装有控制飞机的软件,通过航线规划工具规划飞机飞行的线路,并设定飞行高度,飞行速度,飞行地点,飞行任务等通过数据口连接的数传电台将任务数据编译传送至飞控中,这里就有讲到数传电台,数传电台就是数据传输电台,类似我们最和耳朵一样,好比领导说今天做什么任务,我们接受到任务并回答然后再去执行任务,执行任务的时候时实情况实时汇报给领导,这其中通信就是嘴巴和耳朵。
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数传电台就是飞机与地面站通信的一个主要工具,一般的数传电台采用的接口协议有TTL接口、RS485接口和RS232接口,的不过也有一些CAN-BUS总线接口,频率有2.4GHZ、433MHZ、900MHZ、915MHZ,一般433MHZ的较多,因为433MHZ是个开放的频段,再加上433MHZ波长较长,穿透力强等优势所以大部分民用用户一般都是用的433MHZ,距离在5千米到15千米不等,甚至更远。最终达到的就是飞机与电脑间的通讯,电脑给飞机的任务,飞机时时飞行高度,速度等很多数据都会通过它来传输。以方便我们时时监控飞机情况,根据需要随时修改飞机航向。


整套无人机飞控工作原理就是地面站开机,规划航线,给飞控开机,上传航线至飞控,再设置自动起飞及降落参数,如起飞时离地速度,抬头角度(起飞攻角,也称迎角),爬升高度,结束高度,盘旋半径或直径,清空空速计等,然后检查飞控中的错误、报警,一切正常,开始起飞,盘旋几周后在开始飞向任务点,执行任务,最后在降落,一般郊外建议伞降或手动滑降,根据场地选择。飞机在飞行过程中如果偏离航线,飞控就会一直纠正这个错误,一直修正,直到复位为止。

本文转载自“羽飞模型”微信公众号,作者“羽飞”。

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