無人機控制裝置設計

1. 如何進行無人機定位功能設計與測試

圖片來自互聯網、測試過程、相關論文

[1]Backstepping Approach for Controlling a Quadrotor Using Lagrange Form Dynamics. Abhijit Das, Frank Lewis, Kamesh Subbarao

[2]Dynamic inversion with zero-dynamics stabilisation for quadrotor control.A.Das, K.Subbarao, F.Lewis

城堡無人機工作室公眾號：CastleUAVStudio

2. 如何系統學習無人機飛控系統設計

民用：大疆無人機。作為全球頂尖的無人機飛行平台和影像系統自主研發和製造商，DJI大疆創新始終以領先的技術和尖端的產品為發展核心。從最早的商用飛行控制系統起步，逐步研發推出了ACE系列直升機飛控系統、多旋翼飛控系統、筋斗雲系列專業級飛行平台S1000、S900、多旋翼一體機Phantom、 Ronin三軸手持雲台系統等產品。 軍用：彩虹，翼龍。 中國航天空氣動力技術研究院依託空氣動力學和飛行力學方面的技術優勢，在2000年進軍無人機這一新型飛行器領域，並研製了以"彩虹"為名的多種類型無人機，這些無人機尺寸從小到大，起飛重量從輕到重，在應用方面從各種形式的偵察監視到攻擊等，形成了較為完備的體系。 2017年5月末，由中國航天科技集團十一院研製的新型彩虹太陽能無人機在西北某地完成臨近空間飛行試驗，試驗取得圓滿成功。 翼龍無人機是由中航工業成都飛機設計研究所研製的一種中低空、軍民兩用、長航時多用途無人機。裝配一台100馬力活塞發動機，具備全自主平台，是中國無人機製造領域"當家明星"。還可攜帶各種偵察、激光照射/測距、電子對抗設備及小型空地打擊武器。可執行監視、偵查及對地攻擊任務等任務，也可用於維穩、反恐、邊界巡邏等。此外，廣泛應用於民用和科學研究等領域，如 災情監視、緝私查毒、環境保護、大氣研究，以及地質勘探、氣象觀測、大地測量、農葯噴灑和森林防火等。 中文名稱 翼龍無人機 研製者 中航工業成都飛機設計研究所 任務 執行監視、偵查及對地攻擊 航程 4000公里 機長 9.34米 翼展 14米 最高速度 280.000km/h 首飛時間 2007年10月

3. 四旋翼無人機遙控系統應該用什麼控制系統

無人機之所以能夠在空中自主飛行就是因為無人機也和人類一樣，也擁有一個大腦，究竟是什麼樣的一個大腦才能夠控制一架飛機在空中自動駕駛呢？下面勁鷹無人機來為你解答。

飛控，也稱自駕儀。有了這套自駕儀，通過地面端的電腦就或者手機就可以控制一架飛機自主起飛、自主導航、自主降落了。

什麼是飛控呢？飛控就是飛機飛行控制器的簡稱，既然是控制器，那麼這里邊也應該有一台微電腦之類的來控制飛機，事實上現在的飛控內部除了一些感測器外還有就是多塊單片機構成。

現在的飛控內部使用的都是由三軸陀螺儀，三軸加速度計，三軸地磁感測器和氣壓計組成的一個IMU，也稱慣性測量單元。那麼什麼是三軸陀螺儀，什麼是三軸加速度計，什麼是三軸地磁感測器呢，氣壓計？它們在飛機上起到的是什麼作用呢，這三軸又是哪三個軸呢？三軸陀螺儀，三軸加速度計，三軸地磁感測器中的三軸指的就是飛機左右，前後垂直方向上下這三個軸，一般都用XYZ來代表。左右方向在飛機中叫做橫滾，前後方向在飛機中叫做俯仰，垂直方向就是Z軸。陀螺都知道，小時候基本上都玩過，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，或者說自行車，輪子越大越重的車子就越穩定，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，聰明的人們發明出的陀螺儀。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，無論外部框架怎麼轉動，中間高速旋轉的陀螺始終保持一個姿態。通過三個軸上的感測器就能夠計算出外部框架旋轉的度數等數據。

由於成本高，機械結構的復雜，現在都被電子陀螺儀代替，電子陀螺儀的優勢就是成本低，體積小重量輕，只有幾克重，穩定性還有精度都比機械陀螺高。說道這，大家也就明白陀螺儀在飛控中起到的作用了吧，它就是測量XYZ三個軸的傾角的。那麼三軸加速度計時干什麼的呢，別急，我來給你解答，剛剛說道三軸陀螺儀就是XYZ三個軸，現在不用說也就明白三軸加速度計也是XYZ三個軸。當我們開車起步的一瞬間就會感到背後有一股推力，這股推力呢就是加速度，加速度是速度變化量與發生這一變化時間的比值，是描述物體變化快慢的物理量，米每二次方秒，例如一輛車在停止狀態下，它的加速度是0，起步後，從每秒0米到每秒10米，用時10秒，這就是這輛車的加速度，如果車速每秒10米的速度行駛，它的加速度就是0，同樣，用10秒的時間減速，從每秒10米減速到每秒5米，那麼它的加速就是負數。三軸加速度計就是測量飛機XYZ三個軸的加速度。

我們日常出行都是根據路標或記憶來尋找自己的面向的，地磁感測器就是感知地磁的，就是一個電子指南針，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。氣壓計呢就是測量當前位置的大氣壓，都知道高度越高，氣壓越低，這就是人道高原之後為什麼會有高原反應了，氣壓計是通過測量不同位置的氣壓，計算壓差獲得到當前的高度，這就是整個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，那麼這些數據在飛空中起到的作用是什麼呢？

飛控最基本的功能控制一架飛機在空中飛行時的平衡，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新時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，然後將這個補償數據編譯成電子信號，傳輸給舵機或電機，電機或舵機在去執行命令，完成補償動作，然後感測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1秒刷新十次。這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，那麼飛機就會快速的失去平衡導致墜機，或者說沒有氣壓計測量不到自己的高度位置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感測器，空速感測器一般位於機翼上或機頭，但不會在螺旋槳後邊，空速感測器就是兩路測量氣壓的感測器，一路測量靜止氣壓，一路測量迎風氣壓，在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，一般是m/s。

有了最基本的平衡、定高和指南針等功能，還不足以讓一家飛機能夠自主導航，就像我們去某個商場一樣，首先我們需要知道商場的所在位置，知道自己所在的位置，然後根據交通情況規劃路線。飛控也亦然，首先飛控需要知道自己所在位置，那就需要定位的，也就是我們常說的GPS，現在定位的有GPS、北斗、手機網路等定位系統，但是這裡面手機網路定位是最差的，誤差好的話幾十米，不好的話上千米，這種誤差是飛控無法接受的，由於GPS定位系統較早，在加上是開放的，所以大部分飛控採用的都是GPS，也有少數採用的北斗定位。精度基本都在3米內，一般開闊地都是50厘米左右，因環境干擾，或建築物、樹木之類的遮擋，定位可能會差，很有可能定位的是虛假信號。這也就是為什麼民用無人機頻頻墜機、飛丟的一個主要原因。

GPS定位原理就是三點定位，天上的GPS定位衛星距離地球表面22500千米處，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，都有可以同時收到3顆以上的衛星信號。衛星在運動的過程中會一直不斷的發出電波信號，信號中包含數據包，其中就有時間信號。GPS接收機通過解算來自多顆衛星的數據包，以及時間信號，可以清楚的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也定位了，數據也有了，這個信號也會通過一個編譯器在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，然後再由飛控駕駛飛機飛向任務位置或回家。剛剛我們也說了，GPS能夠測速也能夠測高度，為什麼要有氣壓計和空速計呢？這就是為了消除誤差，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，加速到每秒20米的速度然後再拉升降舵起飛，這樣GPS測量到的數值是准確的，但是要是逆風呢，是因為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，如果在逆風環境下，風速每秒10米，飛機只需要加速到每秒10米就可以正常離地了，如果加速到每秒20米，相對空氣的速度已經達到了每秒30米，或者說順風起飛，風速每秒20米，飛機GPS測速也達到了20m/s的速度，這個時候拉升降舵，飛機動都不會動，因為相對空氣速度是0米，達不到起飛條件，必須加速到每秒40米的時候才能達到升力起飛。這就是空速計的作用，GPS測量的只是地速，剛剛降到，GPS也可以定高，第一GPS定位精度是3米內，也就是說飛控能感知到的是平面方向的兩倍誤差，信號不好的話十幾米都有可能，還有GPS不定位的時候，另外GPS定高數據是海拔高度並不是地面垂直高度，所以GPS定高在飛控中不管用。有了GPS飛控也知道飛機位置了，也知道家的位置和任務位置，但是飛控上的任務以及家的位置飛控是怎麼知道的呢，這就是地面站的作用。

地面站，就是在地面的基站，也就是指揮飛機的，地面站可以分為單點地面站或者多點地面站，像民航機場就是地面站，全國甚至全球所有的地面站都在時時聯網，它們能夠清楚的知道天上在飛行的飛機，並能時時監測到飛機當前的飛行路線，狀況等，以及時時的調度等。像我們用的無人機大部分都是單點地面站，單點地面站一般由一到多個人值守，有技術員，場務人員，後勤員，通信員，指揮員等人組成。

地面站設備組成一般都是由遙控器、電腦、視頻顯示器，電源系統，電台等設備組成，一般簡單的來說就是一台電腦，一個電台，一個遙控，電腦上裝有控制飛機的軟體，通過航線規劃工具規劃飛機飛行的線路，並設定飛行高度，飛行速度，飛行地點，飛行任務等通過數據口連接的數傳電台將任務數據編譯傳送至飛控中，這里就有講到數傳電台，數傳電台就是數據傳輸電台，類似我們最和耳朵一樣，好比領導說今天做什麼任務，我們接受到任務並回答然後再去執行任務，執行任務的時候時實情況實時匯報給領導，這其中通信就是嘴巴和耳朵。

數傳電台就是飛機與地面站通信的一個主要工具，一般的數傳電台採用的介面協議有TTL介面、RS485介面和RS232介面，的不過也有一些CAN-BUS匯流排介面，頻率有2.4GHZ、433MHZ、900MHZ、915MHZ，一般433MHZ的較多，因為433MHZ是個開放的頻段，再加上433MHZ波長較長，穿透力強等優勢所以大部分民用用戶一般都是用的433MHZ，距離在5千米到15千米不等，甚至更遠。最終達到的就是飛機與電腦間的通訊，電腦給飛機的任務，飛機時時飛行高度，速度等很多數據都會通過它來傳輸。以方便我們時時監控飛機情況，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，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，然後檢查飛控中的錯誤、報警，一切正常，開始起飛，盤旋幾周後在開始飛向任務點，執行任務，最後在降落，一般郊外建議傘降或手動滑降，根據場地選擇。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。

4. 如何製作無人機.. 學校要求我們做一台無人機，控製程序用labview， 現在需要控制方向的感應器，

你說的是三軸或是四軸飛行器一類的嗎？一般使用重力感測器和陀螺儀來維持飛行器的平衡。這些東西價格不菲。一般的感測器是模擬量輸出的，使用單片機AD採集這些信號處理後生成一個角度信號。利用計算得出的角度通過PID控制，輸出PWM脈沖寬度大小來調整電機轉速。淘寶網的元件很多。自己慢慢看吧。

5. 無人機設計原理

無人機工作原理：無人機利用旋翼實現前進和停止。力的相對性意味著旋翼推動空氣時，空氣也會反向推動旋翼。這是無人機能夠上上下下的基本原理。進而，旋翼旋轉地越快，升力就越大，反之亦然。而要使無人機向右轉，則需要降低旋翼1的角速度。但是，雖然來自旋翼1的推力缺失能使無人機改變運動方向，但與此同時向上的力不等於向下的重力，所以無人機會下降。

無人機是對稱的。這同樣適用於側向運動。一架四輪無人機就像一輛每一面都可作為正面的車，所以了如何向前也就解釋了如何向後或向兩側移動的問題。

無人機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機，或者由車載計算機完全地或間歇地自主地操作。

無人機由飛機機體、飛控系統、數據鏈系統、發射回收系統、電源系統等組成。飛行管理與控制系統，相當於無人機系統的「心臟」部分，對無人機的穩定性、數據傳輸的可靠性、精確度、實時性等都有重要影響，對其飛行性能起決定性的作用。無人機機體的核心就是飛行器控制器——主控MCU。

無人機MCU是飛控子系統的核心部分，飛控系統是無人機完成起飛、空中飛行、執行任務和返場回收等整個飛行過程的核心系統，飛控對於無人機相當於駕駛員對於有人機的作用，我們認為是無人機最重要的技術之一。

除了無人機MCU，無人機還需要陀螺儀、加速計、地磁感應、氣壓感測器，超聲波感測器、光流感測器、GPS模塊等想互協助工作方可完成飛行。

6. 如何實現無人機遠程式控制制

200 KM 的距離有點遠，只能用手機無線上網的方式來驅動。（簡訊方式控制的話，時間延遲很大，不適合）。

控制信號與驅動信號轉化，這個就是你定義的協議了。

現在手機上網只能做客戶端使用，也即只能訪問，不能被訪問，所以必須假設一個中介伺服器，來實現飛機和你的手機直接的數據交互。
簡單方案，一個WAP伺服器，飛機內也有一個手機終端（能上網）模塊，通過一個定時器，不斷從伺服器，讀取控制信息，同時提交自己的狀態信息。
手機段，定時從伺服器獲取飛機的狀態信息，同時提交控制信息。
控制狀態等就是自定義的協議。

這個是現有條件下最簡單方案，如果想手機和飛機直接聯系，估計不可能的，200KM的距離，局域無線象藍牙、wifi、wapi都遠不能達到，如果要自己架設無線廣播，還有國家政策上的問題。

控制信息－》驅動信號，是屬於單片機嵌入式編程啊，這點對專業人事很簡單的。如果有現成的A/D設備，如果跟手機連接起來，就可以直接控制了。手機開發裡面就有設備埠的控制，根據設備的晶元微控制協議，來實現用戶層的控制函數，也就是設備驅動程序。

如果AD設備這塊也沒有，那你只有請專業人士幫忙你做一個了，花不了多少錢。你把問題描述一下他們就會知道你想要什麼的，關鍵的是你要確定採用那種介面跟手機連接。完事後，他們會提供你一個設備的晶元級控制說明，甚至一個驅動程序的