2.1　無人機部件組成

無人機（UAV）是無人駕駛飛機的簡稱，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器。從技術角度定義，無人機可以分為無人固定翼飛機、無人垂直起降飛機、無人飛艇、無人直升機、無人多旋翼飛行器、無人傘翼機等。按飛行平臺構型的不同，無人機可分為固定翼無人機、旋翼無人機、無人飛艇、傘翼無人機、撲翼無人機等。無人機系統通常由飛機平臺系統、信息采集系統和地面控制系統組成。

遙感無人機的工作流程有以下5個特點。

① 優越的開始界面。可快捷實現任務的規劃，進入任務監控界面，實現航拍任務的快速自動歸檔，各功能劃分開來，實現軟件運行的專一而穩定。

② 可靠的航前檢查。為保證任務的安全進行在起飛前必須結合飛行控制軟件進行自動檢測，確保飛機的GPS、羅盤、空速管及其俯仰翻滾等狀態良好，避免在航拍中危險情況的發生。

③ 合理的飛行任務規劃。可在區域空照、導航、混合三種模式下進行飛行任務的規劃。

④ 精準的航飛監控。可實時掌握飛機的姿態、方位、空速、位置、電池電壓、即時風速風向、任務時間等重要狀態，便于操作人員實時判斷任務的可執行性，進一步保證任務的安全。

⑤ 良好的影像拼接。航拍任務完成后可對導航航拍影像進行研究區域的影像拼接。

2.1.1　典型的無人機系統

典型的無人機結構見圖2-1-1，其組成見表2-1-1。

（1）控制系統

① 飛控。飛控（見圖2-1-2）全稱飛行控制系統。主要由陀螺儀（飛行姿態感知）、加速計、地磁感應飛控、氣壓傳感器（懸停高度粗略控制）、超聲波傳感器（低空高度精確控制或避障）、光流傳感器（懸停水平位置精確確定）、GPS模塊（水平位置高度粗略定位）、以及控制電路組成。主要的功能就是自動保持飛機的正常飛行姿態。常見飛控有MWC、KK飛控、APM、PIXHAWK、CC3D、Naze32、F3/F4、KISS/LUX；常用的調參軟件有Cleanflight、Betaflight。

② 分電板。分電板（見圖2-1-3）是用于連接電池、電子調速器的電路板，將電分為四路。現在很多分電板都帶BEC輸出，功能更加豐富強大，集成功能更多。功能有LED控制、追蹤、低電壓報警等。

③ 接收機。接收機見圖2-1-4。常見接收機接口及其特征見表2-1-2。

④ 遙控器（見圖2-1-5）。遙控器通道是指遙控設備可以同時控制的動作數量。通道越多，可操作的動作越多，但是相應價格也越貴；通常應以夠用為原則。遙控器品牌很多，國內的有睿思凱（FrSky）、富斯（FlySky）、WFLY、天地飛、樂迪（RadioLink）、華科爾、邁凱隆；國外的有Futaba、JR、Spektrum。

（2）動力系統

① 電調。電調（見圖2-1-6）全稱電子調速器，可以分為無刷電機電調和有刷電機電調。作用是驅動電機、調整電機的轉速，還有些電調能直接為接收機等供電。選擇電調考慮的參數是電流10A、20A、30A，支持電池2S、3S。

② 電機（見圖2-1-7）。無人機常用的發動機是直流電機（馬達），直流電機可以分有刷電機和無刷電機。有刷電機的缺點可概括為以下4點，即電刷和換向器之間有摩擦，造成效率降低、噪聲增加、容易發熱，有刷電機的壽命要比無刷短；維護麻煩，需要不停地換電刷；因為電阻大，效率低、輸出功率小；電刷和換向器摩擦會引起火花，干擾大。有刷電機的優點可概括為以下3點，即低速扭力性能優異、轉矩大；相比無刷電機，少了很多電子零件，價格比無刷的便宜；由于少了電子零件，少了傳感器受干擾、電子零件失靈等的影響。無刷電機的缺點可概括為以下2點，即需要與無刷電調一起才能工作，價格比有刷的要高；可靠性受電子零件影響，或者傳感器受到干擾，電機會失效。無刷電機的優點可概括為以下4點，即沒有電刷和轉向器的摩擦，噪聲低、振動少，發熱少、壽命長；不需要更換電刷，維護簡單；沒有電刷產生的火花，干擾少；轉矩特性優異，中、低速轉矩性能好，啟動轉矩大，啟動電流小。

③ 槳葉（見圖2-1-8）。對于有動力飛行器來說，除了使用噴氣式發動機外，其余都需要螺旋槳產生拉力。螺旋槳的好壞直接影響到無人機的性能。螺旋槳兩個槳尖之間的距離，也就是螺旋槳旋轉時候最大的旋轉面的直徑。同一個轉速的螺旋槳，螺旋槳直徑越大，拉力也越大。

④ 電池（見圖2-1-9）。有多種航模電池：鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池等。鎳鎘/鎳氫電池有記憶效應，能量密度比鋰電池小，航模的動力電池基本是用鋰電池。電池使用應注意以下4個問題，即電池不能短路，線破了一定要包好；組裝飛機電池線一定要扎好，防止被槳葉打壞；電池不能過放，一般使用單節電池的電壓不要低于3.3V（設置報警蜂鳴器或把握飛行時間）；電池使用完，一段時間不用必須將電充到單節3.7V，3S充到11.7V左右保存。

（3）視頻傳輸

① 攝像頭、圖傳、OSD。攝像頭見圖2-1-10，圖傳見圖2-1-11。攝像頭和圖傳的使用應遵守以下4條規定，即圖傳系統和攝像頭系統分開，只需單獨供電，攝像頭的視頻輸出線和圖傳的對接；接線前一定要考慮攝像頭和圖傳的供電電壓，將其控制在允許范圍之內，否則會燒壞；圖傳上電前一定要接好天線；選天線注意公頭母頭對應。OSD的作用是將飛控的數據信息疊加在視頻里（圖2-1-12）；使用方法是將OSD與飛控通過串口連接，OSD的視頻輸入接攝像頭，視頻輸出接圖傳接收屏、FPV眼鏡。

② 接收屏、FPV眼鏡。接收屏見圖2-1-13，FPV眼鏡見圖2-1-14。接收原理是將圖傳和接收屏調到同一個頻率上，即可收到視頻。

（4）機架

在選擇或者制作多軸飛行器時，首先考慮的是機架（見圖2-1-15）。因為機架的軸數、軸距決定了飛行器的最大拉力。多軸飛行器的姿態全由電機和螺旋槳決定，沒有固定翼飛機中產生升力的機翼，所以多軸飛行器的機架相對簡單很多。多軸飛行器的軸數大于等于3，有3軸、4軸、6軸、8軸等。每個軸配一個電機，所以理論上軸越多，能提供的電機拉力越大。

整個無人機體系見圖2-1-16。

2.1.2　典型的無人機飛控系統

飛行控制系統（Flight Control System）簡稱飛控，可以看作飛行器的大腦。多軸飛行器的飛行、懸停、姿態變化等都是由多種傳感器將飛行器本身的姿態數據傳回飛控，再由飛控通過運算和判斷下達指令，由執行機構完成動作和飛行姿態調整。飛控可以理解成無人機的CPU系統，是無人機的核心部件，其功能主要是發送各種指令，并且處理各部件傳回的數據。類似于人體的大腦，對身體各個部位發送指令，并且接收各部件傳回的信息，運算后發出新的指令。例如，大腦指揮手去拿一杯水，手觸碰到杯壁后，因為水太燙而縮回，并且將此信息傳回給大腦，大腦會根據實際情況重新發送新的指令。下面以四旋翼無人機（見圖2-1-17）為例談一下無人機的飛行原理及控制方法。

（1）原理

四旋翼無人機一般是由檢測模塊、控制模塊、執行模塊以及供電模塊組成的，見圖2-1-18。檢測模塊對當前姿態進行量測；執行模塊則是對當前姿態進行解算，優化控制，并對執行模塊產生相對應的控制量；供電模塊對整個系統進行供電。四旋翼無人機機身是由對稱的十字形剛體結構構成，材料多采用質量輕、強度高的碳素纖維；在十字形結構的四個端點分別安裝一個由兩片槳葉組成的旋翼，為飛行器提供飛行動力，每個旋翼均安裝在一個電機轉子上，通過控制電機的轉動狀態控制每個旋翼的轉速，來提供不同的升力以實現各種姿態；每個電機均又與電機驅動部件、中央控制單元相連接，通過中央控制單元提供的控制信號來調節轉速大小；IMU慣性測量單元為中央控制單元提供姿態解算的數據，機身上的檢測模塊為無人機提供了解自身位姿情況最直接的數據，為四旋翼無人機最終實現復雜環境下的自主飛行提供了保障。

將位于四旋翼無人機機身同一對角線上的旋翼歸為一組，前后端的旋翼沿順時針方向旋轉，從而可以產生順時針方向的扭矩；而左右端旋翼沿逆時針方向旋轉，從而產生逆時針方向的扭矩，如此四個旋翼旋轉所產生的扭矩便可相互之間抵消掉。由此可知，四旋翼飛行器的所有姿態和位置的控制都是通過調節四個驅動電機的速度實現的。一般來說，四旋翼無人機的運動狀態主要分為懸停、垂直運動、翻滾運動、俯仰運動以及偏航運動。

① 懸停（見圖2-1-19）。懸停狀態是四旋翼無人機具有的一個顯著的特點。在懸停狀態下，四個旋翼具有相等的轉速，產生的上升合力正好與自身重力相等，并且因為旋翼轉速大小相等，前后端轉速和左右端轉速方向相反，從而使得飛行器總扭矩為零，使得飛行器靜止在空中，實現懸停狀態。

② 垂直運動（見圖2-1-20）。垂直運動是運動狀態中較為簡單的一種，在保證四旋翼無人機每個旋翼旋轉速度大小相等的情況下，同時對每個旋翼增加或減小大小相等的轉速，便可實現飛行器的垂直運動。當同時增加四個旋翼轉速，使得旋翼產生的總升力大小超過四旋翼無人機的重力時，四旋翼無人機便會垂直上升；反之，當同時減小旋翼轉速，使得旋翼產生的總升力小于自身重力時，四旋翼無人機便會垂直下降。從而實現四旋翼無人機的垂直升降控制。

③ 翻滾運動（見圖2-1-21）。翻滾運動是在保持四旋翼無人機前后端旋翼轉速不變的情況下，通過改變左右端的旋翼轉速，使得左右旋翼之間形成一定的升力差，從而使得沿飛行器機體左右對稱軸上產生一定力矩，導致在方向上產生角加速度實現控制的。如圖2-1-21 所示，增加旋翼1的轉速，減小旋翼3的轉速，則飛行器向右側傾斜飛行；相反，減小旋翼1的轉速，增加旋翼3的轉速，則飛行器向左傾斜飛行。

④ 俯仰運動（見圖2-1-22）。四旋翼飛行器的俯仰運動和翻滾運動相似，是在保持機身左右端旋翼轉速不變的前提下，通過改變前后端旋翼轉速形成前后旋翼升力差，從而在機身前后端對稱軸上形成一定力矩，產生角方向上的角加速度實現控制的。如圖2-1-22所示，增加旋翼2的轉速，減小旋翼4的轉速，則飛行器向前傾斜飛行；反之，則飛行器向后傾斜。

⑤ 偏航運動（見圖2-1-23）。四旋翼無人機的偏航運動是通過同時兩兩控制四個旋翼轉速實現控制的。保持前后端或左右端旋翼轉速相同時，其便不會發生俯仰或翻滾運動；而當每組內的兩個旋翼與另一組旋翼轉速不同時，由于兩組旋翼旋轉方向不同，便會導致反扭矩力的不平衡，此時便會產生繞機身中心軸的反作用力，引起角加速度。如圖2-1-23所示，當前后端旋翼的轉速相等并大于左右端旋翼轉速時，因為前者沿順時針方向旋轉，后者相反，總的反扭矩沿逆時針方向，反作用力沿逆時針方向作用在機身中心軸上，引起逆時針偏航運動；反之，則會引起飛行器的順時針偏航運動。

綜上所述，四旋翼無人機的各個飛行狀態的控制是通過控制對稱的四個旋翼的轉速，形成相應不同的運動組合實現的。但是在飛行過程中卻有六個自由度輸出，因此它是一種典型的欠驅動、強耦合的非線性系統。例如，減小旋翼1的轉速會導致無人機向左翻滾，同時逆時針轉動的力矩會大于順時針的力矩，從而進一步使得無人機向左偏航，此外翻滾又會導致無人機的向左平移。可以看出，四旋翼無人機的姿態和平動是耦合的。

（2）四旋翼無人機自主飛行的控制

四旋翼無人機的精確航跡跟蹤是實現無人機自主飛行的基本要求。由于四旋翼無人機自身存在姿態與平動的耦合關系以及模型參數不確定性與外界擾動，因此只有實現姿態的穩定控制才能完成航跡的有效跟蹤。在四旋翼無人機的自主控制系統中，姿態穩定控制是實現飛行器自主飛行的基礎。其任務是控制四旋翼無人機的三個姿態角（俯仰角、翻滾角、偏航角）穩定地跟蹤期望姿態信號，并保證閉環姿態系統具有期望的動態特性。由于四旋翼無人機姿態與平動的耦合特點，分析可以得知，只有保證姿態達到穩定控制，才使得旋翼總升力在期望的方向上產生分量，進而控制飛行器沿期望的航跡方向飛行。而四旋翼無人機的姿態在實際飛行環境中會受到外界干擾和不精確模型的參數誤差、測量噪聲等未建模動態對控制效果的影響。所以，需要引入適當的觀測器和控制器對總的不確定性進行估計和補償，并對其估計的誤差進行補償，來保證四旋翼無人機在外界存在干擾時對姿態的有效跟蹤。四旋翼無人機的姿態控制應根據其實際的工作特性以及動力學模型，進而針對姿態的三個通道（俯仰、翻滾和偏航）分別設計姿態控制器，每個通道中都對應引入相應的控制器，其流程如圖2-1-24所示。

以上方法可以基本保證每個通道的實際姿態值接近期望值。但是，在只考慮對模型本身進行控制時，沒有考慮到外部不確定性對閉環系統的影響。微小型無人機在飛行時，由于機體較小，電機的振動較強，很容易受到外界環境的干擾。因此，整個通道中必然存在不確定因素，比如模型誤差、環境干擾、觀測誤差等，這些不確定性將降低系統的閉環性能。所以在設計無人機控制系統時，必須要考慮系統的抗干擾性能，即閉環系統的魯棒性。因此需要設計一定的干擾補償器對干擾進行逼近和補償，以實現姿態角的穩定跟蹤（見圖2-1-25）。

只有在保證飛機姿態可以保持穩定時才能進一步討論如何控制路徑保持穩定。在時間尺度上進行分析，飛機的姿態角變化的頻率要大于飛機位置變化的頻率。所以，針對軌跡跟蹤應當使用內外雙環控制，內環控制姿態角，外環控制位置。

（3）無人機飛控系統組成及作用

① IMU（慣性測量單元，見圖2-1-26）。現在的飛控內部使用的都是由三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸地磁傳感器和氣壓計組成的一個IMU，即慣性測量單元。

三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸地磁傳感器中的三軸指的就是飛機左右、前后、垂直方向這三個軸，一般都用X、Y、Z來代表。左右方向在飛機中叫作翻滾，前后方向在飛機中叫作俯仰，垂直方向就是Z軸。

陀螺，在不轉動的情況下它很難站在地上，只有轉動起來了，它才會站立在地上；又比如自行車，輪子越大越重的自行車就越穩定，轉彎的時候明顯能夠感覺到一股阻力。這就是陀螺效應。根據陀螺效應，人們發明出陀螺儀。最早的陀螺儀是一個高速旋轉的陀螺，通過三個靈活的軸將這個陀螺固定在一個框架中，無論外部框架怎么轉動，中間高速旋轉的陀螺始終保持一個姿態。通過三個軸上的傳感器就能夠計算出外部框架旋轉的度數等數據。但是這種陀螺儀由于成本高、機械結構復雜，現在已被電子陀螺儀代替。電子陀螺儀（見圖2-1-27）的優勢就是成本低，體積小，重量輕（只有幾克重），穩定性還有精度都比機械陀螺儀高。陀螺儀在飛控中起到的作用就是測量X、Y、Z三個軸的傾角。

三軸陀螺儀有X、Y、Z三個軸，三軸加速度計也有X、Y、Z三個軸。開車起步的一瞬間會感到背后有一股推力，這股推力就體現了加速度。加速度是速度變化量與發生這一變化時間的比值，是描述物體速度變化快慢的物理量，單位是m/s²。例如一輛車在停止狀態下，它的加速度是0m/s²，起步后，速度從0m/s到10m/s，用時10s，1m/s²就是這輛車的平均加速度，如果車以10m/s的速度行駛，它的加速度就是0m/s²；同樣，用10s的時間減速，從10m/s減速到5m/s，那么它的加速度的值就是負數。三軸加速度計就是測量飛機X、Y、Z三個軸的加速度的。

地磁傳感器（見圖2-1-28）就是一個感知地磁的電子指南針，它可以讓飛機知道自己的飛行朝向、機頭朝向，找到任務位置和家的位置。

氣壓計是測量當前位置大氣壓的。高度越高、氣壓越低（這就是人到高原之后會有高原反應的原因），氣壓計通過測量不同位置的氣壓，計算壓差獲得當前的高度。

這些就是整個IMU慣性測量單元，它在飛機中起到的作用就是感知飛機姿態的變化，例如飛機當前是前傾還是左右傾斜，機頭朝向、高度等最基本的姿態數據。飛控最基本的功能是控制一架飛機在空中飛行時的平衡，其特點是由IMU測量，感知飛機當前的傾角數據，通過編譯器編譯成電子信號，將這個信號通過信號線實時傳輸給飛控內部的單片機，單片機負責的是運算，根據飛機當前的數據，計算出一個補償方向、補償角，然后將這個補償數據編譯成電子信號，傳輸給舵機或電機，電機或舵機再去執行命令，完成補償動作，然后傳感器感知到飛機平穩了，將實時數據再次給單片機，單片機會停止補償信號，這就形成了一個循環，大部分飛控基本上都是10Hz的內循環，也就是1s刷新十次。

以上就是飛控最基本的功能，如果沒有此功能，當一個角一旦傾斜，那么飛機就會快速地失去平衡，導致墜機；或者沒有氣壓計，測量不到自己的高度，就會一直加油門或者一直降油門。其次，固定翼飛控還有空速傳感器。空速傳感器一般位于機翼上或機頭，但不會在螺旋槳后邊。空速傳感器就是兩路測量氣壓的傳感器，一路測量靜止氣壓，一路測量迎風氣壓，再計算迎風氣壓與靜止氣壓的壓差就可以算出當前的空氣流速。

② GPS定位（見圖2-1-29）。有了最基本的平衡、定高和指南針等功能，還不足以讓一架飛機能夠自主導航，就像去某個商場，首先需要知道商場的位置，知道自己的位置，然后再根據交通情況規劃路線。飛控亦然，首先飛控需要知道自己所在位置，那就需要定位。現在定位系統有GPS、北斗、手機網絡等，但是這里面手機網絡定位是最差的，誤差小的話有幾十米，大的話會達到上千米，這種誤差是飛控無法接受的。由于GPS定位系統應用較早，再加上是開放的，所以大部分飛控采用的定位系統都是GPS，也有少數采用北斗定位的。定位精度基本都在3m以內，一般開闊地精度可達50cm左右。因環境干擾，或建筑物、樹木之類的遮擋，定位效果可能會差，很有可能定位的是虛假信號，這也就是民用無人機頻頻墜機、飛丟的一個主要原因。

GPS定位的原理就是三點定位。天上的GPS定位衛星在距離地球表面2萬多km高度處，它們所運動的軌道正好形成一個網狀面，也就是說在地球上的任意一點都可以同時收到3顆以上衛星的信號。衛星在運動的過程中會一直不斷地發出電波信號，信號中包含數據包，其中就有時間信號。GPS接收機（見圖2-1-30）通過解算來自多顆衛星的數據包，以及時間信號，可以清楚地計算出自己與每一顆衛星的距離，使用三角向量關系計算出自己所在的位置。GPS定位了、數據有了，這個信號還會通過一個編譯器再次編譯成一個電子信號傳給飛控，讓飛控知道自己所在的位置、任務的位置和距離、家的位置和距離以及當前的速度和高度，然后再由飛控駕駛飛機飛向任務位置或回家。

前已敘及，GPS能夠測速也能夠測高度，為什么還要有氣壓計和空速計呢？其原因是為了消除誤差，飛機飛起來是不與地面接觸的，直接接觸的是空氣，假設飛行環境是無風的環境，飛機在地面滑跑加速，加速到20m/s的速度然后再拉升降舵起飛，這樣GPS測量到的數值是準確的。但是若逆風，則機翼與空氣相對的運動達到了一定的速度才能夠產生一定的升力讓飛機起飛，如果逆風環境下，設風速10m/s，則飛機只需要加速到10m/s就可以正常離地了，如果加速到20m/s則相對空氣的速度已經達到了30m/s，或者說順風起飛，設風速20m/s，飛機GPS測速也達到了20m/s的速度，這個時候拉升降舵則飛機不會動，因為相對空氣速度是0m/s，達不到起飛條件，必須加速到40m/s的時候才能達到起飛升力。空速計的作用不言自明，而GPS測量的只是地速。前已敘及，GPS也可以定高，GPS定位精度是3m以內，也就是說飛控能感知到的是平面方向誤差的兩倍，信號不好的話十幾米的誤差都有可能發生，甚至還有GPS不定位的情況發生。另外，GPS定高數據是大地高度（類似海拔）而不是地面垂直高度，所以GPS定高在飛控中是不管用的。有了GPS，飛控能獲得飛機位置了，但飛控上的任務位置以及家的位置，飛控是怎么知道的呢？這就是地面站的作用了。

（4）地面站

地面站就是在地面的基站，也就是飛機的指揮部。地面站可以分為單點地面站或者多點地面站，比如民航機場就是多點地面站，全國甚至全球所有的地面站都在實時聯網，它們能夠清楚地知道在天上飛行的飛機的位置，并能實時監測到飛機當前的飛行路線、狀況以及飛機的實時調度等。日常生活中常見的無人機大部分都是單點地面站的，單點地面站一般由一到多個人值守，有技術員、場務人員、后勤員、通信員、指揮員等人。而玩具無人機則一般都是一個人值守的。

地面站設備（見圖2-1-31）一般都是由遙控器、電腦、視頻顯示器、電源系統、電臺等設備組成的。一般情況下，簡單的地面站就是一臺電腦、一個電臺、一個遙控器。電腦上裝有控制飛機的軟件，通過航線規劃工具規劃飛機飛行的線路并設定飛行高度、飛行速度、飛行地點、飛行任務等，通過數據口連接的數傳電臺將任務數據編譯傳送至飛控中。數傳電臺就是數據傳輸電臺，類似我們的嘴巴和耳朵，其過程好比領導說今天做什么任務，我們接收到任務并回答，然后再去執行任務，執行任務時的情況應實時匯報給領導，這其中通信靠的就是嘴巴和耳朵。數傳電臺就是飛機與地面站通信的一個主要工具，一般的數傳電臺采用的接口協議有TTL接口、RS485接口和RS232接口，當然也有一些采用CAN-BUS總線接口。使用數傳電臺的最終目的是達到飛機與電腦間通信的要求，電腦給飛機的任務、飛機實時飛行高度以及速度等很多數據都會通過它來傳輸，以方便我們實時監控飛機情況并根據需要隨時修改飛機航向。

整套無人機飛控工作原理就是地面站開機，規劃航線，給飛控開機，上傳航線至飛控，再設置自動起飛及降落參數，比如起飛時離地速度、抬頭角度（起飛攻角，也稱迎角）、爬升高度、結束高度、盤旋半徑或直徑、清空空速計等，然后檢查飛控中的錯誤、報警，一切正常，開始起飛，盤旋幾周后再開始飛向任務點，執行任務，最后再降落。一般在郊外建議采用傘降或手動滑降，具體應根據場地情況進行選擇。飛機在飛行過程中如果偏離航線，飛控就會一直糾正這個錯誤，一直修正直到復位為止。

2.1.3　無人機飛控系統的主要功能

（1）飛行狀態

飛控系統主要用于飛行姿態控制和導航。對于飛控而言，首先要知道飛行器當前的狀態，比如三維位置、三維速度、三維加速度、三軸角度和三軸角速度等，總共15個量。由于多旋翼飛行器本身是一種不穩定的系統，要對各個電機的動力進行超高頻率地不斷調整和動力分配，才能實現穩定懸停和飛行，所以，對于航拍無人機（見圖2-1-32）來說，即使是最簡單的放開搖桿飛行器自主懸停的動作，也需要飛控持續監控這15個量，并進行一系列“串級控制”，才能做到穩定懸停，這一點看起來很簡單，但飛控系統里面的運算其實是非常復雜的。飛控系統最基礎也最難控制的技術其實就是要準確地感知這一系列狀態，如果這些感知數據存在問題或者有誤差都會導致無人機做出一些非正常的動作。目前，無人機一般使用GPS、IMU（慣性測量單元）、氣壓計和地磁指南針來測量這些狀態。GPS獲取定位、在一些情況下也能獲取高度、速度；IMU主要用來測量無人機三軸加速度和三軸角速度，通過計算也能獲得速度和位置；氣壓計用于測量海拔高度；地磁指南針則用于測量航向。由于目前傳感器設計水平的限制，這些傳感器測量的數據都會產生一定的誤差并可能會受到環境的干擾，從而影響狀態估計的精度。為了保障飛行性能，就需要充分利用各傳感器數據共同融合出具有高可信度的15個狀態，即組合導航技術。組合導航技術結合GPS、IMU、氣壓計和地磁指南針各自的特點，通過電子信號處理領域的技術，融合多種傳感器的測量值，獲得更精準的狀態測量。

（2）組合導航

為了提升航拍無人機的感知能力和飛行性能，除了以上基礎傳感器方案以外，現在主流的無人機產品都加入了先進的視覺傳感器、超聲波傳感器和IMU與指南針冗余導航系統。雙目立體視覺系統可根據連續圖像計算出物體的三維位置，除了避障功能以外還能提供定位與測速。機身下方的超聲波模塊起到輔助定高的作用，而IMU和指南針冗余導航系統在一個元件受到干擾時，會自動切換至另一個傳感器，極大提高了組合導航的可靠性。

正是因為這些傳感器技術的完美融合，無人機才有了智能導航系統（見圖2-1-33），拓展了活動環境，并提升了可靠性。使用傳統導航系統的無人機在室內等無GPS的環境中無法穩定飛行，而智能導航系統在GPS信號良好時可通過視覺傳感器提升速度和位置測量值的精度；在GPS信號不足的時候，視覺系統可以接替GPS提供定位與測速，讓無人機在室內與室外環境中均能穩定飛行。智能導航系統引入了多個傳感器，數據量和復雜程度大幅提升，一些無人機公司針對視覺傳感器對導航和飛行控制算法進行多次系統重構，增加新的軟件模塊與架構，全面提升了飛行的性能與可靠性。

（3）控制性能

飛控系統先進的控制算法為航拍無人機的飛行和操控（見圖2-1-34）帶來了很高的控制品質，比如在普通狀態下的表現是控制精度高、飛行穩定、速度快。高速飛行不僅對動力系統有較高的要求，更重要的是飛控要達到很高的控制品質和響應速度，除高速飛行以外，飛行器在懸停和慢速控制上也能達到很高的精度。

另外，在設計飛控時，不僅需要考慮到正常飛行狀態的控制精度，比如懸停位置控制精度、姿態控制精度等，還需要加強異常飛行狀況的控制品質。比如在飛行器斷槳、突然受到撞擊、突加負重或被其他外力干擾后，控制恢復能力更強，魯棒性較強，能夠應對很多極端狀況，這對于飛行安全性來說尤其重要。

（4）故障診斷

在起飛前或飛行過程中，任何微小故障都有可能引發飛行事故。如果飛控系統能實時不斷地進行故障監控與故障診斷，就能大幅降低事故發生的概率。飛控系統可以監控諸如振動、電壓、電流、溫度、轉速等各項飛行狀態參數，并通過這些監控特征信號進行故障診斷。但是這些信號往往是復雜且沒有明顯規律的，只有通過對大量故障數據進行數據挖掘，用深度學習技術建立起飛控故障診斷系統，采用模式識別判定故障發生的概率，這套系統才能判定從空中一直到IMU的故障并診斷，對故障進行早期預報或進行應急處理，使飛行變得更加安全。只有最快速監測并判定故障，同時飛控系統在瞬間采用正確信息進行飛行操控才能確保無人機安全飛行。飛行器其實是在自己“分析并拿主意”，從某種意義上說，這時才是真正的“智能機器人”。

2.1.4　簡易型無人機的構成

常見的簡易型無人機是四旋翼無人機（見圖2-1-35），它主要由機架、電機、電調、螺旋槳、電池、飛行控制器、遙控器構成。

① 機架（見圖2-1-36）。所謂“機架”是指無人機的承載平臺。所有設備都是用機架承載起來升空的，所以無人機機架的好壞，很大程度上決定了這部無人機好不好用。衡量一個機架的好壞，可以從堅固程度、使用方便程度、元器件安裝是否合理等方面考察。機架的制作材質一般為塑料、玻璃纖維、碳纖維等。

② 電機（見圖2-1-37）。電機是四旋翼無人機的主要動力源，同時與無人機的飛行姿態密切相關。常見的電機按照種類劃分為“直流電機”和“交流電機”，四旋翼無人機使用的是直流電機。直流電機的類型大致分為無刷電機和有刷電機，四旋翼無人機大多采用無刷電機。無刷電機轉矩特性優異、振動少、噪聲低、干擾少。

③ 電調（見圖2-1-38）。電調是控制電機轉速的調節器，必須與電機相匹配，有刷電機配有刷電調，無刷電機配無刷電調。它根據接收的信號，通過控制器和執行器來改變電能供電的大小，來控制電機的轉速。

④ 螺旋槳（見圖2-1-39）。螺旋槳是四旋翼無人機的重要部件之一，也是最容易損壞的部件，所以在使用無人機的過程中要常備一副備用螺旋槳以便損壞時更換。

⑤ 電池（見圖2-1-40）。電池的種類有很多，但是在四旋翼無人機上使用最多的是鋰電池，因為鋰電池具有重量輕、容量大、放電倍率大和安全性高的優點。電池的使用過程中要注意以下6點，即不過放、不過充、不滿電保存、不損壞外皮、不短路、不淋雨。

⑥ 飛行控制器（見圖2-1-41）。其可讓無人機能夠分析地面端的電腦、手機、遙控器給出的指令，讓無人機做出相應的動作并且能夠穩定可靠地飛行。

⑦ 遙控器（見圖2-1-42）。生活中有各式各樣的遙控器，其為一種發射信號的遠程控制裝置。四旋翼無人機的遙控器和玩具汽車的遙控器比較相似，兩個活動的搖桿用來控制無人機起飛降落和方向。

2.1.5　多旋翼無人機系統的構成

圖2-1-43所示多旋翼無人機系統主要由機架機身、動力系統、飛控系統、遙控系統、輔助設備系統五部分組成。

① 機架機身。一般選擇高強度輕質材料制造，比如玻璃纖維、碳纖維、ABS、PP、尼龍、改性塑料、樹脂、鋁合金等。無人機所有的設備都是安裝在機架機身上面，支架數量也決定了該無人機為幾旋翼無人機。

② 動力系統。無人機動力系統就是為無人機提供飛行動力的部件，一般分為油動和電動兩種。電動多旋翼無人機是最主流的機型，動力系統由電機、電調、電池三部分組成。無人機使用的電池一般都是高能量密度的鋰聚合電池，由于一些客觀原因，通常每300g鋰電池可以為無人機500g（含電池）自重提供17min飛行時間。氫燃料電池、太陽能電池等受制于現有的技術水平和成本暫時還無法普及。無人機主要在露天作業，對電機、電調系統的穩定性要求較高，需要定期進行檢查、保養、防水、防潮。

③ 飛控系統。飛控系統就是無人機的飛行控制系統，不管是無人機自動保持飛行狀態（如懸停）還是對無人機的人為操作，都需要通過飛控系統對無人機動力系統進行實時調節。一些高階的飛控系統除了保證飛機正常飛行的導航功能以外，還有安全冗余、飛行數據記錄、飛行參數調整和自動飛行優化等功能。飛控系統是整個無人機的控制核心，主要由飛行控制、加速計、氣壓計、傳感器、陀螺儀、地磁儀、定位芯片、主控芯片等多部件組成。

④ 遙控系統。無人機遙控系統主要由遙控器、接收器、解碼器、伺服系統組成。遙控器是操作平臺，接收器接到遙控器信號進行解碼，分離出動作信號傳輸給伺服系統，伺服系統則根據信號做出相應的動作。

⑤ 輔助設備系統。輔助設備系統，主要包括無人機外掛平臺（簡稱云臺）、外掛輕型相機、無線圖像傳輸系統等。云臺是安裝在無人機上用來掛載相機的機械構件，能滿足三個活動自由度：繞X、Y、Z軸旋轉。每個軸心內都安裝有電機，當無人機傾斜時，會配合陀螺儀給相應的云臺電機加強反方向的動力，防止相機跟著無人機“傾斜”，從而避免相機抖動。云臺對于穩定航拍來說起著非常大的作用。外掛輕型相機主要為體積重量小巧、高清晰度相機。無線圖像傳輸系統可在無人機航拍時，將天空中處于飛行狀態下無人機拍攝的畫面，實時穩定地發送給地面無線圖傳遙控接收設備。優秀的無線圖像傳輸系統具備傳輸距離遠、傳輸穩定、圖像清晰流暢、抗干擾、抗遮擋、低延時等特性。