《无人机结构与系统》教学课件—第四章无人机航电系统.pptx

第四章第四章 无人机航电系统是无人机系统的重要组成部分，主要由飞行控制系统和导航系统组成本章主要介绍飞行控制系统和导航系统的种类、组成、原理、性能参数等学习导论第四章第四章学习目标1.了解飞行控制系统概述；2.掌握飞行控制系统的组成、类型及工作原理；3.了解飞控板种类和特点；4.了解无人机常用传感器工作原理；5.掌握无人机常用传感器种类及作用；4.了解导航系统的种类和现有导航系统各自的优缺点；5.了解惯性导航系统定义、种类和工作原理；6.掌握捷联式惯性导航与平台式惯性导航在结构和特点上主要区别；7.掌握全球卫星导航系统种类、组成及原理；8.掌握多卫星组合导航系统及惯性与卫星组合导航系统典型产品；9.了解舵机概述、性能参数及工作原理；10.掌握舵机作用及结构第四章无人机航电系统第四章无人机航电系统飞行控制系统概述第一节传感器第二节舵机第三节导航系统第二节第四章飞行控制系统概述4.1 飞行控制系统概述 飞行控制系统简称飞控系统，是控制无人机飞行姿态和运动方向的部件，是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务、返场回收等整个飞行过程的核心系统，也称为自动驾驶仪（自驾），这也是无人机区别于航模的根本原因之一。

实际上，无人机的飞控系统就相当于有人机的驾驶员，是无人机执行任务的关键飞控系统的基本功能如下：1.导航解决“在哪儿”的问题充分发挥飞控系统中各种传感器的功能，综合分析判断得到准确的位置和姿态信息，是飞控系统要做的首要事情2.控制解决“怎么飞”的问题在上述准确的位置和姿态信息基础上，根据任务，通过算法计算出控制量，输出给电调，进而控制电机转速，进而实现姿态控制3.决策解决“去那儿”的问题飞行操控人员或者地面站操控无人机进行飞行，进而实现航迹控制第四章飞行控制系统概述4.1.1 组成 飞控系统一般由传感器、机载计算机和执行机构三大部分，如图 4-1 所示当某种干扰使无人机偏离原有姿态时，传感器检测出姿态的变化，计算机算出需要的修正偏量，执行机构将控制面操纵到所需位置第四章飞行控制系统概述4.1.1 组成(1)惯性测量单元（IMU） 包括加速度计、陀螺仪和磁力计，主要得到无人机的姿态信息常用的有 6 轴、9 轴和 10 轴三种，6 轴 IMU 包含三轴加速度计和三轴陀螺仪，9 轴IMU 是包含了三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，而 10 轴 IMU 则是在 9 轴 IMU基础上加上气压计构成。

2)高度测量单元 包括气压传感器（简称气压计）和超声传感器气压计测量得到绝对高度信息，而超声传感器测量得到相对高度信息，可实现悬停高度控制或避障3)全球定位系统（GPS） 得到无人机的位置信息1.传感器 无人机飞控系统常用的传感器包括陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计、超声波传感器及 GPS 模块等，这些传感器构成无人机飞控系统设计的基础各传感器基本功能如下：第四章飞行控制系统概述4.1.1 组成机载计算机是飞控系统的核心部件，是算法计算平台，由硬件和软件组成硬件也就是电路板，由主处理控制器（常用的有通用型处理器（MPU）、微处理器（MCU）、数字信号处理器（DSP）及可编程门阵列（FPGA）、二次电源（5V、15V 等直流电源）、模拟量输入/输出接口、离散量接口、通信接口（RS232/RS422/RS485、ARINC429和 1553B 总线）、余度管理（信息交换电路、同步指示电路、通道故障逻辑综合电路及故障切换电路）、加温电路、检测接口等组成软件也就是飞控程序，是一种运行于计算机上的嵌入式实时任务软件，不仅要求功能正确、性能好、效率高，而且要求其具有较好的质量保证、可靠性和可维护性。

主要模块有硬件接口驱动模块、传感器数据处理模块、飞行控制律模块、导航与制导律模块、飞行任务管理模块、任务设备管理模块、余度管理模块、数据传输和记录模块、自检测模块等2.机载计算机3.执行机构无人机执行机构都是伺服作动设备，是飞控系统的重要组成部分其主要功能是根据计算机的指令，按规定的静态和动态要求，通过对无人机各控制面和发动机油门的控制，实现对无人机的飞行控制执行机构主要包括电调、电机、舵机等第四章飞行控制系统概述4.1.2 类型飞控系统的分类方法有许多，按能源形式可分为气压式、液压式、电气式或者是这几种形式的组合按调节规律（指飞控系统输入信号与执行机构的输出量之间的函数关系）可分为比例式和积分式两种基本类型1.比例式第四章飞行控制系统概述4.1.2 类型1.比例式第四章飞行控制系统概述4.1.2 类型2.积分式由于速度反馈产生这种积分关系，速度反馈又称为软反馈，故积分式飞控系统亦称速度反馈式飞控系统，或软反馈式飞控系统它没有静态误差，但系统的稳定性差，结构复杂，应用受到一定限制第四章飞行控制系统概述4.1.3 飞控板1.KK 飞飞控板控板KK 飞控板只有三个单轴陀螺仪，如图 4-5 所示。

与一台最简单的四通道遥控器配，就能控制常见的三、四、六旋翼无人机，并且支持“十字”型、X 型、H 型和上下对置等多种布局目前最新版本是 KK4.5，与其他飞控板相比，该飞控板扩展性低、无自稳、不能定高及无 GPS，但其价格低廉及调试简单，依然拥有众多玩家，是初学者首选2. 飞飞控板控板 飞控板是一款轻量级的飞控（图 4-6），具有调试简单、价格便宜及有自稳功能等优点，但不能定高、不能姿态控制及无 GPS，更适用于穿越机因为比 KK 多自稳功能，所以操作起来比 KK 简单3.MWC 飞飞控板控板该飞控板除了支持常见的四、六和八旋翼以外，还支持很多奇特的无人机类型，比 如 三 旋 翼 、 阿 凡 达 飞 行 器（BIcopteravatarstyle）、Y4 型多旋翼（其中两轴为上下对置）等，这也是该飞控板最大特点除此之外，MWC 飞控板分为标准版和高配版，具有成本较低、结构简单及固件比较成熟等优点第四章飞行控制系统概述4.1.3 飞控板4.APM 飞飞控板控板ArduPilotMega（简称 APM）飞控板是在 2007 年由 DIY 无人机社区（DIYDrones）基于 Arduino 的开源平台推出的飞控系统，也是迄今为止最为成熟的开源自动导航飞控系统，可支持多旋翼、固定翼、直升机和无人驾驶车等无人设备，如图 4-8 所示。

通过 MissionPlanner 开源软件，开发者可以配置 APM 的设置、接受并显示传感器的数据、使用 GoogleMap 完成自动驾驶等良好的可定制性功能5.PX4 和和 PIXHawk 飞飞控板控板PX4 飞控板是由 LorenzMeier 所在的瑞士小组开发的，拥有一个 32 位处理器因此，能提供更多内存、运用分布处理方式及包含一个浮点运算协处理器，具有 APM 飞控板 10倍以上的 CPU 性能PX4 系列最初有 PX4FMU 与 PX4IO 两个版本PIXHawk飞控板是由3DR联合APM飞控板开发小组与PX4小组于2014年推出的PX4飞控板的升级版本6.零度零度飞飞控板控板零度飞控板分为两类，第一类是工业级商用的“双子星”（GEMINI）双余度飞控板，其集成了两套独立工作的 MC（内置 IMU）、GPS、磁罗盘，当主控设备出现意外时，从控设备会自动接管对无人机的控制，并支持零度安全伞，意外情况自动开伞，为飞行提供了多重安全保障第二类是无人机爱好者用的 YS 系列飞控板，主要有 YS-X6 系列（YS-X6/YS-X6-P）、YS-X4 系列（V1/V2/-）和 YS-S4 系列（V1/V2/V3/-）支持多旋翼无人机及 YS09 和 YS06支持固定翼无人机第四章飞行控制系统概述4.1.3 飞控板7.大疆大疆飞飞控板控板大疆飞控板分为两类，第一类为工业级商用的悟空系列飞控板，如 WooKong-M、A2、A3、A3Pro 等，如图 4-10 所示。

集成了高精度的传感器元件，采用先进的温度补偿算法和工业化的精准校正算法，使无人机系统具有稳定、高效和可靠的性能第二类是多旋翼无人机爱好者用的哪吒系列飞控板，如 NAZA-MLite、NAZA-MV1，NAZA-MV2，如图 4-11 所示这类飞控板采用一体化设计理念，将控制器、陀螺仪、加速度计和气压计等传感器集成在轻巧的控制模块中，且支持固件升级，使无人机系统的功能和硬件均可得到扩展具有飞行稳定性好、手感和机动性强、售后服务好，安全性高、操作比 APM 飞控板简单等优点第四章传感器4.2.1 陀螺仪1.传统陀螺仪传统陀螺仪是一种机械装置，主要由旋转轴、转子和支架等组成，如图 4-14 所示1)陀螺转子 常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动陀螺转子绕自转轴高速旋转2)支架（内、外环） 使陀螺自转轴获得所需角转动自由度3)附件 是指力矩马达、信号传感器等第四章传感器4.2.1 陀螺仪2.微机械陀螺仪微机械陀螺仪即 MEMS 陀螺仪（图 4-16），MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。

工作原理：MEMS 陀螺仪利用旋转物体在有径向运动时所受到的切向力（科里奥利力），采用振动物体传感角速度的概念，利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的在这个系统中振动和转动诱导的科里奥利力把正比于角速度的能量转移到传感模式MEMS 陀螺仪没有旋转部件，不需要轴承，可以利用微机械加工技术大批量生产MEMS 陀螺仪的性能参数主要有：分辨率（Resolution）、零角速度输出（零位输出）、灵敏度（Sensitivity）和测量范围这些参数是评判 MEMS 陀螺仪性能好坏的重要标志，同时也决定陀螺仪的应用环境，不同的应用场合对陀螺仪的各种性能指标有不同的要求MEMS 陀螺仪主要特点有：1)体积小、重量轻，其边长都小于 1mm，器件核心的重量仅为 1.2mg2)成本低3)可靠性好，工作寿命超过 10 万 h，能承受 1000g 的冲击4)测量范围大第四章传感器4.2.2 加速度计1.结构组成压电式 MEMS 加速度计根据用途分为多种结构，其中最常见的一类为纵向压缩型结构，其他压电加速度计都是在压缩型的基础上改装而来的压缩型压电加速度计主要由是压电元件、质量块、弹性元件等组成，如图 4-17 所示。

质量块作为敏感元件，能够感受外界的信号，通过螺栓、螺母和弹性元件对质量块预先加载，使之压紧在压电元件上这样，可以保证在作用力变化时，压电元件始终受到压力其次是保证压电元件的电压与作用力呈线性关系这是因为压电元件在加工时，其接触面不可能是绝对平坦，如果没有足够的压力，就不能保证均匀接触因此接触电阻在最初阶段将不是常数，而是随着压力变化的但是，这个预应力也不能太大，否则将会影响其灵敏度测量时将传感器基座与被测对象牢牢地紧固在一起，输出信号由压电元件产生的电荷在导线的引导下传入到转换电路第四章传感器4.2.2 加速度计2.工作原理自然界中某些物质，如石英、陶瓷等，在沿一定方向上受到外力的作用时，不仅会发生变形，且其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上产生正负相反的电荷当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为压电效应在这过程中机械能转换为电能，此现象也称为正压电效应，如图 4-18a 所示且放电电荷 q 与作用力 F 成正比例关系，如式（4-8）相反，当在这些物质的极化方向上施加电场，其也会发生变形，电场去掉后，物质的变形随之消失，这种电能转换为机械能现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象，如图 4-18b 所示。

由于压电式 MEMS 加速度计内部存在刚体支撑，通常情况下，压电式 MEMS 加速度 计不能测到“静态”加速度，只能测到“动态”加速度而电容式既能测到“动态”加速 度，又能测量到“静态”加速度，所以，电容式 MEMS 加速度计应用广泛目前，市场上 产品较多，无人机上多数采用飞思卡尔（Freescal。