2.1　無人機(jī)部件組成

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

遙感無人機(jī)的工作流程有以下5個特點(diǎn)。

① 優(yōu)越的開始界面。可快捷實現(xiàn)任務(wù)的規(guī)劃，進(jìn)入任務(wù)監(jiān)控界面，實現(xiàn)航拍任務(wù)的快速自動歸檔，各功能劃分開來，實現(xiàn)軟件運(yùn)行的專一而穩(wěn)定。

② 可靠的航前檢查。為保證任務(wù)的安全進(jìn)行在起飛前必須結(jié)合飛行控制軟件進(jìn)行自動檢測，確保飛機(jī)的GPS、羅盤、空速管及其俯仰翻滾等狀態(tài)良好，避免在航拍中危險情況的發(fā)生。

③ 合理的飛行任務(wù)規(guī)劃。可在區(qū)域空照、導(dǎo)航、混合三種模式下進(jìn)行飛行任務(wù)的規(guī)劃。

④ 精準(zhǔn)的航飛監(jiān)控。可實時掌握飛機(jī)的姿態(tài)、方位、空速、位置、電池電壓、即時風(fēng)速風(fēng)向、任務(wù)時間等重要狀態(tài)，便于操作人員實時判斷任務(wù)的可執(zhí)行性，進(jìn)一步保證任務(wù)的安全。

⑤ 良好的影像拼接。航拍任務(wù)完成后可對導(dǎo)航航拍影像進(jìn)行研究區(qū)域的影像拼接。

2.1.1　典型的無人機(jī)系統(tǒng)

典型的無人機(jī)結(jié)構(gòu)見圖2-1-1，其組成見表2-1-1。

（1）控制系統(tǒng)

① 飛控。飛控（見圖2-1-2）全稱飛行控制系統(tǒng)。主要由陀螺儀（飛行姿態(tài)感知）、加速計、地磁感應(yīng)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(jī)的正常飛行姿態(tài)。常見飛控有MWC、KK飛控、APM、PIXHAWK、CC3D、Naze32、F3/F4、KISS/LUX；常用的調(diào)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(diào)速器的電路板，將電分為四路。現(xiàn)在很多分電板都帶BEC輸出，功能更加豐富強(qiáng)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(jī)。接收機(jī)見圖2-1-4。常見接收機(jī)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(shè)備可以同時控制的動作數(shù)量。通道越多，可操作的動作越多，但是相應(yīng)價格也越貴；通常應(yīng)以夠用為原則。遙控器品牌很多，國內(nèi)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(tǒng)

① 電調(diào)。電調(diào)（見圖2-1-6）全稱電子調(diào)速器，可以分為無刷電機(jī)電調(diào)和有刷電機(jī)電調(diào)。作用是驅(qū)動電機(jī)、調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還有些電調(diào)能直接為接收機(jī)等供電。選擇電調(diào)考慮的參數(shù)是電流10A、20A、30A，支持電池2S、3S。

② 電機(jī)（見圖2-1-7）。無人機(jī)常用的發(fā)動機(jī)是直流電機(jī)（馬達(dá)），直流電機(jī)可以分有刷電機(jī)和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)的缺點(diǎn)可概括為以下4點(diǎn)，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(fā)熱，有刷電機(jī)的壽命要比無刷短；維護(hù)麻煩，需要不停地?fù)Q電刷；因為電阻大，效率低、輸出功率小；電刷和換向器摩擦?xí)鸹鸹ǎ蓴_大。有刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)可概括為以下3點(diǎn)，即低速扭力性能優(yōu)異、轉(zhuǎn)矩大；相比無刷電機(jī)，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(jī)的缺點(diǎn)可概括為以下2點(diǎn)，即需要與無刷電調(diào)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(jī)會失效。無刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)可概括為以下4點(diǎn)，即沒有電刷和轉(zhuǎn)向器的摩擦，噪聲低、振動少，發(fā)熱少、壽命長；不需要更換電刷，維護(hù)簡單；沒有電刷產(chǎn)生的火花，干擾少；轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異，中、低速轉(zhuǎn)矩性能好，啟動轉(zhuǎn)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(fā)動機(jī)外，其余都需要螺旋槳產(chǎn)生拉力。螺旋槳的好壞直接影響到無人機(jī)的性能。螺旋槳兩個槳尖之間的距離，也就是螺旋槳旋轉(zhuǎn)時候最大的旋轉(zhuǎn)面的直徑。同一個轉(zhuǎn)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(yīng)，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(yīng)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(jī)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(jié)電池的電壓不要低于3.3V（設(shè)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(jié)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(yīng)遵守以下4條規(guī)定，即圖傳系統(tǒng)和攝像頭系統(tǒng)分開，只需單獨(dú)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(nèi)，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(yīng)。OSD的作用是將飛控的數(shù)據(jù)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，F(xiàn)PV眼鏡見圖2-1-14。接收原理是將圖傳和接收屏調(diào)到同一個頻率上，即可收到視頻。

（4）機(jī)架

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

整個無人機(jī)體系見圖2-1-16。

2.1.2　典型的無人機(jī)飛控系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)（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(tài)變化等都是由多種傳感器將飛行器本身的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳回飛控，再由飛控通過運(yùn)算和判斷下達(dá)指令，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動作和飛行姿態(tài)調(diào)整。飛控可以理解成無人機(jī)的CPU系統(tǒng)，是無人機(jī)的核心部件，其功能主要是發(fā)送各種指令，并且處理各部件傳回的數(shù)據(jù)。類似于人體的大腦，對身體各個部位發(fā)送指令，并且接收各部件傳回的信息，運(yùn)算后發(fā)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(jù)實際情況重新發(fā)送新的指令。下面以四旋翼無人機(jī)（見圖2-1-17）為例談一下無人機(jī)的飛行原理及控制方法。

（1）原理

四旋翼無人機(jī)一般是由檢測模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊以及供電模塊組成的，見圖2-1-18。檢測模塊對當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行量測；執(zhí)行模塊則是對當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行解算，優(yōu)化控制，并對執(zhí)行模塊產(chǎn)生相對應(yīng)的控制量；供電模塊對整個系統(tǒng)進(jìn)行供電。四旋翼無人機(jī)機(jī)身是由對稱的十字形剛體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，材料多采用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的碳素纖維；在十字形結(jié)構(gòu)的四個端點(diǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子上，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動狀態(tài)控制每個旋翼的轉(zhuǎn)速，來提供不同的升力以實現(xiàn)各種姿態(tài)；每個電機(jī)均又與電機(jī)驅(qū)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(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速大小；IMU慣性測量單元為中央控制單元提供姿態(tài)解算的數(shù)據(jù)，機(jī)身上的檢測模塊為無人機(jī)提供了解自身位姿情況最直接的數(shù)據(jù)，為四旋翼無人機(jī)最終實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的自主飛行提供了保障。

將位于四旋翼無人機(jī)機(jī)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(zhuǎn)，從而可以產(chǎn)生順時針方向的扭矩；而左右端旋翼沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生逆時針方向的扭矩，如此四個旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)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(tài)和位置的控制都是通過調(diào)節(jié)四個驅(qū)動電機(jī)的速度實現(xiàn)的。一般來說，四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)主要分為懸停、垂直運(yùn)動、翻滾運(yùn)動、俯仰運(yùn)動以及偏航運(yùn)動。

① 懸停（見圖2-1-19）。懸停狀態(tài)是四旋翼無人機(jī)具有的一個顯著的特點(diǎn)。在懸停狀態(tài)下，四個旋翼具有相等的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生的上升合力正好與自身重力相等，并且因為旋翼轉(zhuǎn)速大小相等，前后端轉(zhuǎn)速和左右端轉(zhuǎn)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(xiàn)懸停狀態(tài)。

② 垂直運(yùn)動（見圖2-1-20）。垂直運(yùn)動是運(yùn)動狀態(tài)中較為簡單的一種，在保證四旋翼無人機(jī)每個旋翼旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，便可實現(xiàn)飛行器的垂直運(yùn)動。當(dāng)同時增加四個旋翼轉(zhuǎn)速，使得旋翼產(chǎn)生的總升力大小超過四旋翼無人機(jī)的重力時，四旋翼無人機(jī)便會垂直上升；反之，當(dāng)同時減小旋翼轉(zhuǎn)速，使得旋翼產(chǎn)生的總升力小于自身重力時，四旋翼無人機(jī)便會垂直下降。從而實現(xiàn)四旋翼無人機(jī)的垂直升降控制。

③ 翻滾運(yùn)動（見圖2-1-21）。翻滾運(yùn)動是在保持四旋翼無人機(jī)前后端旋翼轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過改變左右端的旋翼轉(zhuǎn)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(jī)體左右對稱軸上產(chǎn)生一定力矩，導(dǎo)致在方向上產(chǎn)生角加速度實現(xiàn)控制的。如圖2-1-21 所示，增加旋翼1的轉(zhuǎn)速，減小旋翼3的轉(zhuǎn)速，則飛行器向右側(cè)傾斜飛行；相反，減小旋翼1的轉(zhuǎn)速，增加旋翼3的轉(zhuǎn)速，則飛行器向左傾斜飛行。

④ 俯仰運(yùn)動（見圖2-1-22）。四旋翼飛行器的俯仰運(yùn)動和翻滾運(yùn)動相似，是在保持機(jī)身左右端旋翼轉(zhuǎn)速不變的前提下，通過改變前后端旋翼轉(zhuǎn)速形成前后旋翼升力差，從而在機(jī)身前后端對稱軸上形成一定力矩，產(chǎn)生角方向上的角加速度實現(xiàn)控制的。如圖2-1-22所示，增加旋翼2的轉(zhuǎn)速，減小旋翼4的轉(zhuǎn)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(yùn)動（見圖2-1-23）。四旋翼無人機(jī)的偏航運(yùn)動是通過同時兩兩控制四個旋翼轉(zhuǎn)速實現(xiàn)控制的。保持前后端或左右端旋翼轉(zhuǎn)速相同時，其便不會發(fā)生俯仰或翻滾運(yùn)動；而當(dāng)每組內(nèi)的兩個旋翼與另一組旋翼轉(zhuǎn)速不同時，由于兩組旋翼旋轉(zhuǎn)方向不同，便會導(dǎo)致反扭矩力的不平衡，此時便會產(chǎn)生繞機(jī)身中心軸的反作用力，引起角加速度。如圖2-1-23所示，當(dāng)前后端旋翼的轉(zhuǎn)速相等并大于左右端旋翼轉(zhuǎn)速時，因為前者沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，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(jī)身中心軸上，引起逆時針偏航運(yùn)動；反之，則會引起飛行器的順時針偏航運(yùn)動。

綜上所述，四旋翼無人機(jī)的各個飛行狀態(tài)的控制是通過控制對稱的四個旋翼的轉(zhuǎn)速，形成相應(yīng)不同的運(yùn)動組合實現(xiàn)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(qū)動、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)。例如，減小旋翼1的轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致無人機(jī)向左翻滾，同時逆時針轉(zhuǎn)動的力矩會大于順時針的力矩，從而進(jìn)一步使得無人機(jī)向左偏航，此外翻滾又會導(dǎo)致無人機(jī)的向左平移。可以看出，四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)和平動是耦合的。

（2）四旋翼無人機(jī)自主飛行的控制

四旋翼無人機(jī)的精確航跡跟蹤是實現(xiàn)無人機(jī)自主飛行的基本要求。由于四旋翼無人機(jī)自身存在姿態(tài)與平動的耦合關(guān)系以及模型參數(shù)不確定性與外界擾動，因此只有實現(xiàn)姿態(tài)的穩(wěn)定控制才能完成航跡的有效跟蹤。在四旋翼無人機(jī)的自主控制系統(tǒng)中，姿態(tài)穩(wěn)定控制是實現(xiàn)飛行器自主飛行的基礎(chǔ)。其任務(wù)是控制四旋翼無人機(jī)的三個姿態(tài)角（俯仰角、翻滾角、偏航角）穩(wěn)定地跟蹤期望姿態(tài)信號，并保證閉環(huán)姿態(tài)系統(tǒng)具有期望的動態(tài)特性。由于四旋翼無人機(jī)姿態(tài)與平動的耦合特點(diǎn)，分析可以得知，只有保證姿態(tài)達(dá)到穩(wěn)定控制，才使得旋翼總升力在期望的方向上產(chǎn)生分量，進(jìn)而控制飛行器沿期望的航跡方向飛行。而四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)在實際飛行環(huán)境中會受到外界干擾和不精確模型的參數(shù)誤差、測量噪聲等未建模動態(tài)對控制效果的影響。所以，需要引入適當(dāng)?shù)挠^測器和控制器對總的不確定性進(jìn)行估計和補(bǔ)償，并對其估計的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，來保證四旋翼無人機(jī)在外界存在干擾時對姿態(tài)的有效跟蹤。四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)控制應(yīng)根據(jù)其實際的工作特性以及動力學(xué)模型，進(jìn)而針對姿態(tài)的三個通道（俯仰、翻滾和偏航）分別設(shè)計姿態(tài)控制器，每個通道中都對應(yīng)引入相應(yīng)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(tài)值接近期望值。但是，在只考慮對模型本身進(jìn)行控制時，沒有考慮到外部不確定性對閉環(huán)系統(tǒng)的影響。微小型無人機(jī)在飛行時，由于機(jī)體較小，電機(jī)的振動較強(qiáng)，很容易受到外界環(huán)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(huán)境干擾、觀測誤差等，這些不確定性將降低系統(tǒng)的閉環(huán)性能。所以在設(shè)計無人機(jī)控制系統(tǒng)時，必須要考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，即閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性。因此需要設(shè)計一定的干擾補(bǔ)償器對干擾進(jìn)行逼近和補(bǔ)償，以實現(xiàn)姿態(tài)角的穩(wěn)定跟蹤（見圖2-1-25）。

只有在保證飛機(jī)姿態(tài)可以保持穩(wěn)定時才能進(jìn)一步討論如何控制路徑保持穩(wěn)定。在時間尺度上進(jìn)行分析，飛機(jī)的姿態(tài)角變化的頻率要大于飛機(jī)位置變化的頻率。所以，針對軌跡跟蹤應(yīng)當(dāng)使用內(nèi)外雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)控制姿態(tài)角，外環(huán)控制位置。

（3）無人機(jī)飛控系統(tǒng)組成及作用

① IMU（慣性測量單元，見圖2-1-26）。現(xiàn)在的飛控內(nèi)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(jī)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(jī)中叫作翻滾，前后方向在飛機(jī)中叫作俯仰，垂直方向就是Z軸。

陀螺，在不轉(zhuǎn)動的情況下它很難站在地上，只有轉(zhuǎn)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(wěn)定，轉(zhuǎn)彎的時候明顯能夠感覺到一股阻力。這就是陀螺效應(yīng)。根據(jù)陀螺效應(yīng)，人們發(fā)明出陀螺儀。最早的陀螺儀是一個高速旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，中間高速旋轉(zhuǎn)的陀螺始終保持一個姿態(tài)。通過三個軸上的傳感器就能夠計算出外部框架旋轉(zhuǎn)的度數(shù)等數(shù)據(jù)。但是這種陀螺儀由于成本高、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)在已被電子陀螺儀代替。電子陀螺儀（見圖2-1-27）的優(yōu)勢就是成本低，體積小，重量輕（只有幾克重），穩(wěn)定性還有精度都比機(jī)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(xiàn)了加速度。加速度是速度變化量與發(fā)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?fàn)顟B(tài)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(fù)數(shù)。三軸加速度計就是測量飛機(jī)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(jī)知道自己的飛行朝向、機(jī)頭朝向，找到任務(wù)位置和家的位置。

氣壓計是測量當(dāng)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(yīng)的原因），氣壓計通過測量不同位置的氣壓，計算壓差獲得當(dāng)前的高度。

這些就是整個IMU慣性測量單元，它在飛機(jī)中起到的作用就是感知飛機(jī)姿態(tài)的變化，例如飛機(jī)當(dāng)前是前傾還是左右傾斜，機(jī)頭朝向、高度等最基本的姿態(tài)數(shù)據(jù)。飛控最基本的功能是控制一架飛機(jī)在空中飛行時的平衡，其特點(diǎn)是由IMU測量，感知飛機(jī)當(dāng)前的傾角數(shù)據(jù)，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(nèi)部的單片機(jī)，單片機(jī)負(fù)責(zé)的是運(yùn)算，根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前的數(shù)據(jù)，計算出一個補(bǔ)償方向、補(bǔ)償角，然后將這個補(bǔ)償數(shù)據(jù)編譯成電子信號，傳輸給舵機(jī)或電機(jī)，電機(jī)或舵機(jī)再去執(zhí)行命令，完成補(bǔ)償動作，然后傳感器感知到飛機(jī)平穩(wěn)了，將實時數(shù)據(jù)再次給單片機(jī)，單片機(jī)會停止補(bǔ)償信號，這就形成了一個循環(huán)，大部分飛控基本上都是10Hz的內(nèi)循環(huán)，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(dāng)一個角一旦傾斜，那么飛機(jī)就會快速地失去平衡，導(dǎo)致墜機(jī)；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(jī)翼上或機(jī)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(fēng)氣壓，再計算迎風(fēng)氣壓與靜止氣壓的壓差就可以算出當(dāng)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(jī)能夠自主導(dǎo)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(jù)交通情況規(guī)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(xiàn)在定位系統(tǒng)有GPS、北斗、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)等，但是這里面手機(jī)網(wǎng)絡(luò)定位是最差的，誤差小的話有幾十米，大的話會達(dá)到上千米，這種誤差是飛控?zé)o法接受的。由于GPS定位系統(tǒng)應(yīng)用較早，再加上是開放的，所以大部分飛控采用的定位系統(tǒng)都是GPS，也有少數(shù)采用北斗定位的。定位精度基本都在3m以內(nèi)，一般開闊地精度可達(dá)50cm左右。因環(huán)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(jī)頻頻墜機(jī)、飛丟的一個主要原因。

GPS定位的原理就是三點(diǎn)定位。天上的GPS定位衛(wèi)星在距離地球表面2萬多km高度處，它們所運(yùn)動的軌道正好形成一個網(wǎng)狀面，也就是說在地球上的任意一點(diǎn)都可以同時收到3顆以上衛(wèi)星的信號。衛(wèi)星在運(yùn)動的過程中會一直不斷地發(fā)出電波信號，信號中包含數(shù)據(jù)包，其中就有時間信號。GPS接收機(jī)（見圖2-1-30）通過解算來自多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)包，以及時間信號，可以清楚地計算出自己與每一顆衛(wèi)星的距離，使用三角向量關(guān)系計算出自己所在的位置。GPS定位了、數(shù)據(jù)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(wù)的位置和距離、家的位置和距離以及當(dāng)前的速度和高度，然后再由飛控駕駛飛機(jī)飛向任務(wù)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(jī)飛起來是不與地面接觸的，直接接觸的是空氣，假設(shè)飛行環(huán)境是無風(fēng)的環(huán)境，飛機(jī)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(shù)值是準(zhǔn)確的。但是若逆風(fēng)，則機(jī)翼與空氣相對的運(yùn)動達(dá)到了一定的速度才能夠產(chǎn)生一定的升力讓飛機(jī)起飛，如果逆風(fēng)環(huán)境下，設(shè)風(fēng)速10m/s，則飛機(jī)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(jīng)達(dá)到了30m/s，或者說順風(fēng)起飛，設(shè)風(fēng)速20m/s，飛機(jī)GPS測速也達(dá)到了20m/s的速度，這個時候拉升降舵則飛機(jī)不會動，因為相對空氣速度是0m/s，達(dá)不到起飛條件，必須加速到40m/s的時候才能達(dá)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(nèi)，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(fā)生，甚至還有GPS不定位的情況發(fā)生。另外，GPS定高數(shù)據(jù)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(jī)位置了，但飛控上的任務(wù)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(jī)的指揮部。地面站可以分為單點(diǎn)地面站或者多點(diǎn)地面站，比如民航機(jī)場就是多點(diǎn)地面站，全國甚至全球所有的地面站都在實時聯(lián)網(wǎng)，它們能夠清楚地知道在天上飛行的飛機(jī)的位置，并能實時監(jiān)測到飛機(jī)當(dāng)前的飛行路線、狀況以及飛機(jī)的實時調(diào)度等。日常生活中常見的無人機(jī)大部分都是單點(diǎn)地面站的，單點(diǎn)地面站一般由一到多個人值守，有技術(shù)員、場務(wù)人員、后勤員、通信員、指揮員等人。而玩具無人機(jī)則一般都是一個人值守的。

地面站設(shè)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(tǒng)、電臺等設(shè)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(jī)的軟件，通過航線規(guī)劃工具規(guī)劃飛機(jī)飛行的線路并設(shè)定飛行高度、飛行速度、飛行地點(diǎn)、飛行任務(wù)等，通過數(shù)據(jù)口連接的數(shù)傳電臺將任務(wù)數(shù)據(jù)編譯傳送至飛控中。數(shù)傳電臺就是數(shù)據(jù)傳輸電臺，類似我們的嘴巴和耳朵，其過程好比領(lǐng)導(dǎo)說今天做什么任務(wù)，我們接收到任務(wù)并回答，然后再去執(zhí)行任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)時的情況應(yīng)實時匯報給領(lǐng)導(dǎo)，這其中通信靠的就是嘴巴和耳朵。數(shù)傳電臺就是飛機(jī)與地面站通信的一個主要工具，一般的數(shù)傳電臺采用的接口協(xié)議有TTL接口、RS485接口和RS232接口，當(dāng)然也有一些采用CAN-BUS總線接口。使用數(shù)傳電臺的最終目的是達(dá)到飛機(jī)與電腦間通信的要求，電腦給飛機(jī)的任務(wù)、飛機(jī)實時飛行高度以及速度等很多數(shù)據(jù)都會通過它來傳輸，以方便我們實時監(jiān)控飛機(jī)情況并根據(jù)需要隨時修改飛機(jī)航向。

整套無人機(jī)飛控工作原理就是地面站開機(jī)，規(guī)劃航線，給飛控開機(jī)，上傳航線至飛控，再設(shè)置自動起飛及降落參數(shù)，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(jié)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(wù)點(diǎn)，執(zhí)行任務(wù)，最后再降落。一般在郊外建議采用傘降或手動滑降，具體應(yīng)根據(jù)場地情況進(jìn)行選擇。飛機(jī)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(fù)位為止。

2.1.3　無人機(jī)飛控系統(tǒng)的主要功能

（1）飛行狀態(tài)

飛控系統(tǒng)主要用于飛行姿態(tài)控制和導(dǎo)航。對于飛控而言，首先要知道飛行器當(dāng)前的狀態(tài)，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(wěn)定的系統(tǒng)，要對各個電機(jī)的動力進(jìn)行超高頻率地不斷調(diào)整和動力分配，才能實現(xiàn)穩(wěn)定懸停和飛行，所以，對于航拍無人機(jī)（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(xù)監(jiān)控這15個量，并進(jìn)行一系列“串級控制”，才能做到穩(wěn)定懸停，這一點(diǎn)看起來很簡單，但飛控系統(tǒng)里面的運(yùn)算其實是非常復(fù)雜的。飛控系統(tǒng)最基礎(chǔ)也最難控制的技術(shù)其實就是要準(zhǔn)確地感知這一系列狀態(tài)，如果這些感知數(shù)據(jù)存在問題或者有誤差都會導(dǎo)致無人機(jī)做出一些非正常的動作。目前，無人機(jī)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(tài)。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(jī)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(shè)計水平的限制，這些傳感器測量的數(shù)據(jù)都會產(chǎn)生一定的誤差并可能會受到環(huán)境的干擾，從而影響狀態(tài)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(shù)據(jù)共同融合出具有高可信度的15個狀態(tài)，即組合導(dǎo)航技術(shù)。組合導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合GPS、IMU、氣壓計和地磁指南針各自的特點(diǎn)，通過電子信號處理領(lǐng)域的技術(shù)，融合多種傳感器的測量值，獲得更精準(zhǔn)的狀態(tài)測量。

（2）組合導(dǎo)航

為了提升航拍無人機(jī)的感知能力和飛行性能，除了以上基礎(chǔ)傳感器方案以外，現(xiàn)在主流的無人機(jī)產(chǎn)品都加入了先進(jìn)的視覺傳感器、超聲波傳感器和IMU與指南針冗余導(dǎo)航系統(tǒng)。雙目立體視覺系統(tǒng)可根據(jù)連續(xù)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(jī)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(dǎo)航系統(tǒng)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(dǎo)航的可靠性。

正是因為這些傳感器技術(shù)的完美融合，無人機(jī)才有了智能導(dǎo)航系統(tǒng)（見圖2-1-33），拓展了活動環(huán)境，并提升了可靠性。使用傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)的無人機(jī)在室內(nèi)等無GPS的環(huán)境中無法穩(wěn)定飛行，而智能導(dǎo)航系統(tǒng)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(tǒng)可以接替GPS提供定位與測速，讓無人機(jī)在室內(nèi)與室外環(huán)境中均能穩(wěn)定飛行。智能導(dǎo)航系統(tǒng)引入了多個傳感器，數(shù)據(jù)量和復(fù)雜程度大幅提升，一些無人機(jī)公司針對視覺傳感器對導(dǎo)航和飛行控制算法進(jìn)行多次系統(tǒng)重構(gòu)，增加新的軟件模塊與架構(gòu)，全面提升了飛行的性能與可靠性。

（3）控制性能

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

另外，在設(shè)計飛控時，不僅需要考慮到正常飛行狀態(tài)的控制精度，比如懸停位置控制精度、姿態(tài)控制精度等，還需要加強(qiáng)異常飛行狀況的控制品質(zhì)。比如在飛行器斷槳、突然受到撞擊、突加負(fù)重或被其他外力干擾后，控制恢復(fù)能力更強(qiáng)，魯棒性較強(qiáng)，能夠應(yīng)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(fā)飛行事故。如果飛控系統(tǒng)能實時不斷地進(jìn)行故障監(jiān)控與故障診斷，就能大幅降低事故發(fā)生的概率。飛控系統(tǒng)可以監(jiān)控諸如振動、電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速等各項飛行狀態(tài)參數(shù)，并通過這些監(jiān)控特征信號進(jìn)行故障診斷。但是這些信號往往是復(fù)雜且沒有明顯規(guī)律的，只有通過對大量故障數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，用深度學(xué)習(xí)技術(shù)建立起飛控故障診斷系統(tǒng)，采用模式識別判定故障發(fā)生的概率，這套系統(tǒng)才能判定從空中一直到IMU的故障并診斷，對故障進(jìn)行早期預(yù)報或進(jìn)行應(yīng)急處理，使飛行變得更加安全。只有最快速監(jiān)測并判定故障，同時飛控系統(tǒng)在瞬間采用正確信息進(jìn)行飛行操控才能確保無人機(jī)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(jī)器人”。

2.1.4　簡易型無人機(jī)的構(gòu)成

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

① 機(jī)架（見圖2-1-36）。所謂“機(jī)架”是指無人機(jī)的承載平臺。所有設(shè)備都是用機(jī)架承載起來升空的，所以無人機(jī)機(jī)架的好壞，很大程度上決定了這部無人機(jī)好不好用。衡量一個機(jī)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(jī)架的制作材質(zhì)一般為塑料、玻璃纖維、碳纖維等。

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

③ 電調(diào)（見圖2-1-38）。電調(diào)是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)器，必須與電機(jī)相匹配，有刷電機(jī)配有刷電調(diào)，無刷電機(jī)配無刷電調(diào)。它根據(jù)接收的信號，通過控制器和執(zhí)行器來改變電能供電的大小，來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

④ 螺旋槳（見圖2-1-39）。螺旋槳是四旋翼無人機(jī)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(jī)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(jī)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(yōu)點(diǎn)。電池的使用過程中要注意以下6點(diǎn)，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(jī)能夠分析地面端的電腦、手機(jī)、遙控器給出的指令，讓無人機(jī)做出相應(yīng)的動作并且能夠穩(wěn)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(fā)射信號的遠(yuǎn)程控制裝置。四旋翼無人機(jī)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(jī)起飛降落和方向。

2.1.5　多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成

圖2-1-43所示多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)主要由機(jī)架機(jī)身、動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、輔助設(shè)備系統(tǒng)五部分組成。

① 機(jī)架機(jī)身。一般選擇高強(qiáng)度輕質(zhì)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(jī)所有的設(shè)備都是安裝在機(jī)架機(jī)身上面，支架數(shù)量也決定了該無人機(jī)為幾旋翼無人機(jī)。

② 動力系統(tǒng)。無人機(jī)動力系統(tǒng)就是為無人機(jī)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(jī)是最主流的機(jī)型，動力系統(tǒng)由電機(jī)、電調(diào)、電池三部分組成。無人機(jī)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(jī)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(xiàn)有的技術(shù)水平和成本暫時還無法普及。無人機(jī)主要在露天作業(yè)，對電機(jī)、電調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高，需要定期進(jìn)行檢查、保養(yǎng)、防水、防潮。

③ 飛控系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)就是無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，不管是無人機(jī)自動保持飛行狀態(tài)（如懸停）還是對無人機(jī)的人為操作，都需要通過飛控系統(tǒng)對無人機(jī)動力系統(tǒng)進(jìn)行實時調(diào)節(jié)。一些高階的飛控系統(tǒng)除了保證飛機(jī)正常飛行的導(dǎo)航功能以外，還有安全冗余、飛行數(shù)據(jù)記錄、飛行參數(shù)調(diào)整和自動飛行優(yōu)化等功能。飛控系統(tǒng)是整個無人機(jī)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(tǒng)。無人機(jī)遙控系統(tǒng)主要由遙控器、接收器、解碼器、伺服系統(tǒng)組成。遙控器是操作平臺，接收器接到遙控器信號進(jìn)行解碼，分離出動作信號傳輸給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)則根據(jù)信號做出相應(yīng)的動作。

⑤ 輔助設(shè)備系統(tǒng)。輔助設(shè)備系統(tǒng)，主要包括無人機(jī)外掛平臺（簡稱云臺）、外掛輕型相機(jī)、無線圖像傳輸系統(tǒng)等。云臺是安裝在無人機(jī)上用來掛載相機(jī)的機(jī)械構(gòu)件，能滿足三個活動自由度：繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)。每個軸心內(nèi)都安裝有電機(jī)，當(dāng)無人機(jī)傾斜時，會配合陀螺儀給相應(yīng)的云臺電機(jī)加強(qiáng)反方向的動力，防止相機(jī)跟著無人機(jī)“傾斜”，從而避免相機(jī)抖動。云臺對于穩(wěn)定航拍來說起著非常大的作用。外掛輕型相機(jī)主要為體積重量小巧、高清晰度相機(jī)。無線圖像傳輸系統(tǒng)可在無人機(jī)航拍時，將天空中處于飛行狀態(tài)下無人機(jī)拍攝的畫面，實時穩(wěn)定地發(fā)送給地面無線圖傳遙控接收設(shè)備。優(yōu)秀的無線圖像傳輸系統(tǒng)具備傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸穩(wěn)定、圖像清晰流暢、抗干擾、抗遮擋、低延時等特性。