无人机知识大全丨无人机飞控技术最详细解读

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以前，搞无人机的十个人有八个是航空、气动、机械出身，更多思索的是如何让飞机波动飞起来、飞得更快、飞得更高。如今，随着芯片、人工智能、大数据技术的发展，无人机末尾了智能化、终端化、集群化的趋向，大批自动化、机械电子、信息工程、微电子的专业人材投入到了无人机研发大潮中，几年的工夫让无人机从远离人们视野的军事运用飞入了寻常百姓家、让门外汉可以短暂的学习也能波动牢靠的飞行文娱。不可否认，飞控技术的发展是这十年无人机变化的最大推手。

飞控是什么？

飞行控制系统（Flight control system）简称飞控，可以看作飞行器的大脑。多轴飞行器的飞行、悬停，姿态变化等等都是由多种传感器将飞行器本身的姿态数据传回飞控，再由飞控经过运算和判别下达指令，由执行机构完成动作和飞行姿态调整。

控可以了解成无人机的CPU系统，是无人机的核心部件，其功能次要是发送各种指令，并且处理各部件传回的数据。相似于人体的大脑，对身体各个部位发送指令，并且接收各部件传回的信息，运算后发出新的指令。例如，大脑指挥手去拿一杯水，手触碰到杯壁后，由于水太烫而缩回，并且将此信息传回给大脑，大脑会根据实践状况重新发送新的指令。

无人机的飞行原理及控制方法（以四旋翼无人机为例）

四旋翼无人机普通是由检测模块，控制模块，执行模块以及供电模块组成。检测模块完成对当前姿态停止量测；执行模块则是对当前姿态停止解算，优化控制，并对执行模块产生相对应的控制量；供电模块对整个系统停止供电。

四旋翼无人机机身是由对称的十字形刚体结构构成，材料多采用质量轻、强度高的碳素纤维；在十字形结构的四个端点分别安装一个由两片桨叶组成的旋翼为飞行器提供飞举动力，每个旋翼均安装在一个电机转子上，经过控制电机的转动形状控制每个旋翼的转速，来提供不同的升力以完成各种姿态；每个电机均又与电机驱动部件、地方控制单元相衔接，经过地方控制单元提供的控制信号来调理转速大小；IMU惯性测量单元为地方控制单元提供姿态解算的数据，机身上的检测模块为无人机提供了解本身位姿状况最直接的数据，为四旋翼无人机最终完成复杂环境下的自主飞行提供了保障。

现将位于四旋翼机身同一对角线上的旋翼归为一组，前后端的旋翼沿顺时针方向旋转，从而可以产生顺时针方向的扭矩；而左右端旋翼沿逆时针方向旋转，从而产生逆时针方向的扭矩，如此四个旋翼旋转所产生的扭矩便可互相之间抵消掉。由此可知，四旋翼飞行器的一切姿态和地位的控制都是经过调理四个驱动电机的速度完成的。普通来说，四旋翼无人机的运动形状次要分为悬停、垂直运动、滚动运动、俯仰运动以及偏航运动五种形状。

悬停

悬停形状是四旋翼无人机具有的一个分明的特点。在悬停形状下，四个旋翼具有相等的转速，产生的上升合力正好与本身重力相等，即。并且由于旋翼转速大小相等，前后端转速和左右端转速方向相反，从而使得飞行器总扭矩为零，使得飞行器运动在空中，完成悬停形状。

垂直运动

垂直运动是五种运动形状中较为简单的一种，在保证四旋翼无人机每个旋转速度大小相等的倩况下，同时对每个旋翼添加或减小大小相等的转速，便可完成飞行器的垂直运动。当同时増加四个旋翼转速时，使得旋翼产生的总升力大小超过四旋翼无人机的重力时，即，四旋翼无人机便会垂直上升；反之，当同时减小旋翼转速时，使得每个旋翼产生的总升力小于本身重力时，即，四旋翼无人机便会垂直下降，从而完成四旋翼无人机的垂直升降控制。

翻腾运动

翻腾运动是在保持四旋翼无人机前后端旋翼转速不变的状况下，经过改变左右端的旋翼转速，使得左右旋翼之间构成一定的升力差，从而使得沿飞行器机体左右对称轴上产生一定力矩，导致在方向上产生角加速度完成控制的。如图2.3所示，添加旋翼1的转速，减小旋翼3的转速，则飞行器倾斜于右侧飞行；相反，减小旋翼４，添加旋翼２，则飞行器向左倾斜飞行。

俯仰运动

四旋翼飞行器的俯仰运动和滚动运动相似，是在保持机身左右端旋翼转速不变的前提下，经过改变前后端旋翼转速构成前后旋翼升力差，从而在机身前后端对称轴上构成一定力矩，惹起角方向上的角加速度完成控制的。如图2.4所示，添加旋翼３的转速，减小旋翼１的转速，则飞行器向前倾斜飞行；反之，则飞行器向后倾斜。

偏航运动

四旋翼的偏转运动是经过同时两两控制四个旋翼转速完成控制的。保持前后端或左右端旋翼转速相反时，其便不会发生俯仰或滚动运动；而当每组内的两个旋翼与另一组旋翼转速不同时，由于两组旋翼旋转方向不同，便会导致反扭矩力的不平衡，此时便会产生绕机身中心轴的反作用力，惹起沿角角加速度。如图2.3所示，当前后端旋翼的转速相等并大于左右端旋翼转速时，由于前者沿顺时针方向旋转，后者相反，总的反扭矩沿逆时针方向，反作用力作用在机身中心轴上沿逆时针方向，惹起逆时针偏航运动；反之，则会惹降落行器的顺时针偏航运动。

综上所述，四旋翼无人机的各个飞行形状的控制是经过控制对称的四个旋翼的转速，构成相应不同的运动组合完成的。但是在飞行过程中却有六个自在度输入，因此它是一种典型的欠驱动，强耦合的非线性系统。例如，旋翼1的转速会导致无人机向左翻腾，同时逆时针转动的力矩会大于顺时针的力矩，从而进一步使得无人机向左偏航，此外翻腾又会导致无人机的向左平移，可以看出，四旋翼无人机的姿态和平动是耦合的。

四旋翼无人机自主飞行的控制

四旋翼无人机的准确航迹跟踪是完成无人机自主飞行的基本要求。由于四旋翼无人机本身存在姿态与平动的耦合关系以及模型参数不确定性与外界扰动，因此只要完成姿态的波动控制才能完成航迹的有效跟踪。

在四旋翼无人机的自主控制系统中，姿态波动控制是完成飞行器自主飞行的基础。其义务是控制四旋翼无人机的三个姿态角（俯仰角、滚转角、偏航角）波动地跟踪希冀姿态信号，并保证闭环姿态系统具有希冀的动态特性。由于四旋翼无人机姿态与平动的耦合特点，分析可以得知，只要保证姿态达到波动控制，才使得旋翼总升力在希冀的方向上产生分量，进而控制飞行器沿希冀的航迹方向飞行。而四旋翼无人机的姿态在实践飞行环境中回遭到外界干扰和不准确模型的参数误差、测量噪声等未建模动态对控制效果的影响。所以，需求引入适当的观测器和控制器对总的不确定性停止估计和补偿，并对其估计的误差停止补偿，来保证四旋翼无人机在外界存在干扰下对姿态的有效跟踪。

四旋翼无人机的姿态控制应根据其实践的工作特性以及动力学模型，进而针对姿态的三个通道（俯仰，翻腾和偏航）分别设计姿态控制器，每个通道中都对应引入相应的控制器，其流程如下所示。

此方法可以基本保证每个通道的实践姿态值跟踪上希冀值。但是，在只思索对模型本身停止控制时，没有思索到外部不确定性对闭环系统的影响。宏大型无人机在飞行时，由于机体较小，电机的振动较强，很容易遭到外界环境的干扰。因此，整个通道中必然存在不确定要素，比如模型误差、环境干扰、观测误差等，这些不确定性将降低系统的闭环功能。所以在设计无人机控制系统时，必需要思索系统的抗干扰功能，即闭环系统的鲁棒性。因此需求设计一定的干扰补偿器对干扰停止逼近和补偿，以完成姿态角的波动跟踪。

只要在保证飞机姿态可以保持波动才能进一步讨论如何控制途径保持波动，在工夫尺度上停止分析，飞机的姿态角变化的频率要大于飞机地位的频率。所以，针对轨迹跟踪该当运用内外双环控制，内环控制姿态角，外环控制地位。

无人机飞控系统组成及作用

IMU惯性测量单元

如今的飞控外部运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，普通都用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，小时分基本上都玩过，在不转动的状况下它很难站在地上，只要转动起来了，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波动，转弯的时分分明可以感觉到一股阻力，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，经过三个灵敏的轴将这个陀螺固定在一个框架中，无论外部框架怎样转动，中间高速旋转的陀螺一直保持一个姿态。经过三个轴上的传感器就可以计算出外部框架旋转的度数等数据。

由于成本高，机械结构的复杂，如今都被电子陀螺仪代替，电子陀螺仪的优势就是成本低，体积小分量轻，只要几克重，波动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？刚刚说道三轴陀螺仪就是XYZ三个轴，如今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工夫的比值，是描画物体变化快慢的物理量，米每二次方秒，例如一辆车在中止形状下，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，假如车速每秒10米的速度行驶，它的加速度就是0，异样，用10秒的工夫减速，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。

我们日常出行都是根据路标或记忆来寻觅本人的面向的，地磁传感器就是感知地磁的，就是一个电子指南针，它可以让飞机知道本人的飞行朝向，机头朝向，找到义务地位和家的地位。气压计呢就是测量当前地位的大气压，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，气压计是经过测量不同地位的气压，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？

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经过编译器编译成电子信号，将这个信号经过信号新时时传输给飞控外部的单片机，单片机担任的是运算，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，传输给舵机或电机，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颠簸了，将实时数据再次给单片机，单片机会中止补偿信号，这就构成了一个循环，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，假如没有此功能，当一个角一旦倾斜，那么飞机就会疾速的得到平衡导致坠机，或者说没有气压计测量不到本人的高度地位就会不断加油门或者不断降油门。其次，固定翼飞控还有空速传感器，空速传感器普通位于机翼上或机头，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，一路测量运动气压，一路测量顶风气压，在计算顶风气压与运动气压的压差就可以算出当前的空气流速。

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可以自主导航，就像我们去某个商场一样，首先我们需求知道商场的所在地位，知道本人所在的地位，然后根据交通状况规划道路。飞控也亦然，首先飞控需求知道本人所在地位，那就需求定位的，也就是我们常说的GPS，如今定位的有GPS、北斗、手机网络等定位系统，但是这外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，也有多数采用的北斗定位。精度基本都在3米内，普通开阔地都是50厘米左右，因环境干扰，或建筑物、树木之类的遮挡，定位能够会差，很有能够定位的是虚伪信号。这也就是为什么民用无人机频频坠机、飞丢的一个次要缘由。

GPS定位

GPS定位原理就是三点定位，天上的GPS定位卫星间隔地球表面22500千米处，它们所运动的轨道正好构成一个网状面，也就是说在地球上的恣意一点，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不断不断的发出电波信号，信号中包含数据包，其中就有工夫信号。GPS接收机经过解算来自多颗卫星的数据包，以及工夫信号，可以清楚的计算出本人与每一颗卫星的间隔，运用三角向量关系计算出本人所在的地位。GPS也定位了，数据也有了，这个信号也会经过一个编译器在次编译成一个电子信号传给飞控，让飞控知道本人所在的地位、义务的地位和间隔、家的地位和间隔以及当前的速度和高度，然后再由飞控驾驶飞机飞向义务地位或回家。

刚刚我们也说了，GPS可以测速也可以测高度，为什么要有气压计和空速计呢？这就是为了消弭误差，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降落，这样GPS测量到的数值是准确的，但是要是顺风呢，是由于机翼与空气相对的运动达到了一定的速度才可以产生一定的升力让飞机降落，假如在顺风环境下，风速每秒10米，飞机只需求加速到每秒10米就可以正常离地了，假如加速到每秒20米，相对空气的速度曾经达到了每秒30米，或者说顺风降落，风速每秒20米，飞机GPS测速也达到了20m/s的速度，这个时分拉升降舵，飞机动都不会动，由于相对空气速度是0米，达不到降落条件，必须加速到每秒40米的时分才能达到升力降落。

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能够，还有GPS不定位的时分，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飞控也知道飞机地位了，也知道家的地位和义务地位，但是飞控上的义务以及家的地位飞控是怎样知道的呢，这就是地面站的作用。

地面站

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，全国甚至全球一切的地面站都在时时联网，它们可以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道路，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，单点地面站普通由一到多个人值守，有技术员，场务人员，后勤员，通讯员，指挥员等人组成。像玩家普通都是一个人。

地面站设备组成普通都是由遥控器、电脑、视频显示器，电源系统，电台等设备组成，普通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，经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，飞行义务等经过数据口衔接的数传电台将义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，相似我们最和耳朵一样，好比指导说明天做什么义务，我们接遭到义务并回答然后再去执行义务，执行义务的时分时实状况实时汇报给指导，这其中通讯就是嘴巴和耳朵。

数传电台就是飞机与地面站通讯的一个次要工具，普通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，普通433MHZ的较多，由于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普通都是用的433MHZ，间隔在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，电脑给飞机的义务，飞机时时飞行高度，速度等很多数据都会经过它来传输。以方便我们时时监控飞机状况，根据需求随时修正飞机航向。

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，再设置自动降落及降落参数，如降落时离地速度，低头角度（降落攻角，也称迎角），爬降低度，结束高度，回旋半径或直径，清空空速计等，然后检查飞控中的错误、报警，一切正常，末尾降落，回旋几周后在末尾飞向义务点，执行义务，最后在降落，普通郊外建议伞降或手动滑降，根据场地选择。飞机在飞行过程中假如偏离航线，飞控就会不断纠正这个错误，不断修正，直到复位为止。

无人机飞控系统的次要功能

飞行形状

飞控系统次要用于飞行姿态控制和导航，对于飞控而言，首先要知道飞行器当前的形状，比如：三维地位、三维速度、三维加速度、三轴角度和三轴角速度等，总共15个形状。由于多旋翼飞行器本身是一种不波动系统，要对各个电机的动力停止超高频率地不断调整和动力分配，才能完成波动悬停和飞行，所以，对于航拍无人机来说，即便最简单的放开摇杆飞行器自主悬停的动作，也需求飞控持续监控这15个量，并停止一系列“串级控制”，才能做到波动悬停，这一点肉眼看起来很简单，但飞控系统外面的运算其实是非常复杂的。

飞控系统最基础也最难控制的技术难点，其实是要准确地感知这一系列形状，假如这些感知数据成绩或者有误差都会导致无人机做一些非正常的动作。目前，无人机普通运用GPS、IMU（惯性测量单元）、气压计和地磁指南针来测量这些形状。GPS获取定位、在一些状况下也能获取高度、速度；IMU次要用来测量无人机三轴加速度和三轴角速度，经过计算也能获得速度和地位；气压计用于测量海拔高度；地磁指南针则用于测量航向。

由于目前传感器设计程度的限制，这些传感器测量的数据都会产生一定的误差，并能够遭到环境的干扰，从而影响形状估计的精度。为了保障飞行功能，就需求充分应用各传感器数据共同 交融出具有高可信度的15个形状，即组合导航技术。组合导航技术结合GPS、IMU、气压计和地磁指南针各自的优缺陷，经过电子信号处理范畴的技术，交融多种传感器的测量值，获得更精准的形状测量。

组合导航

为了提升航拍无人机的感知才能和飞行功能，除了以上基础传感器方案以外，如今主流的无人机产品都加入了先进的视觉传感器、超声波传感器和IMU与指南针冗余导航系统。双目平面视觉系统可根据延续图像计算出物体的三维地位，除了避障功能以外还能提供定位与测速。机身下方的超声波模块起到辅助定高的作用，而冗余的IMU和指南针在一个元件遭到干扰时，冗余导航系统会自动切换至另一个传感器，极大提高了组合导航的牢靠性。

正是由于这些传感器技术的完美交融，无人机有了智能导航系统，拓展了活动环境，并提升了牢靠性。运用传统导航系统的无人机在室内等无GPS的环境中无法波动飞行，而智能导航系统在GPS信号良好时，可经过视觉提升速度和地位测量值的精度；在GPS信号不足的时分，视觉系统可以接替GPS提供定位与测速，让无人机在室内与室外环境中均能波动飞行。

智能导航系统引入了多个传感器，数据量和复杂程度大幅提升，获悉大疆其实针对视觉和传感器对导航和飞行控制算法停止多次系统重构，添加新的软件模块与架构，片面提升了飞行的功能与牢靠性。

控制功能

飞控系统先进的控制算法为航拍无人机的飞行和操控带来了很高的控制质量，比如在普通形状下的表现是控制精度高，飞行波动，速度快。高速飞行不只对动力系统有较高的要求，更重要的是飞控要达到很高的控制质量和呼应速度，除高速飞行以外，飞行器在悬停和慢速控制上也能达到很高的精度。

另外，在设计飞控时，不只需求思索到正常飞行形状的控制精度，如悬停地位控制精度，姿态控制精度等，还需求加强了异常飞况的控制质量。如在飞行器断桨、忽然遭到撞击、突加负重或被其他外力干扰后，控制恢复才能更强，鲁棒性较强，可以应对很多极端状况，这对于飞行安全性来说尤其重要。

缺点诊断

在降落前或飞行过程中，任何宏大缺点都有能够引发飞行事故。假如飞控系统能实时不断地停止缺点监控与缺点诊断，就能大幅降低事故发生的概率。飞控系统可以监控诸如振动、电压、电流、温度、转速等各项飞行形状参数，并经过这些监控特征信号停止缺点诊断。但是这些信号往往是复杂且没有分明规律的，只要经过对大量缺点数据停止数据发掘，用深度学习技术建立了飞控缺点诊断系统，采用形式辨认断定缺点发生的概率，这套系统才能断定从空中射桨到IMU缺点诊断等，对缺点停止早期预告，或停止应急处理，使飞行变得愈加安全。

只要最疾速监测并断定缺点，同时在刹那之间飞控系统采用正确信息停止飞行操控，飞行器其实是在本人“分析并拿主意”。到这时，从某种意义上说，那就是真正的“智能机器人”。（本文作者：毛富利）

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文章源 | 网络

我买的飞控怎样连降落都偏倒，飞不起来，遥控器补偿也没有用，不知是不是飞控出厂时没有调教好还是什么缘由？楼主能不能帮我分析一下缘由？谢谢了！

苍蝇的飞控就很高超

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写的很好，很专业

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知识含量蛮多，收藏了

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买来就飞了一次。[大笑]国产的玩具厂出的

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