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1、控制科學(xué)與工程 專業(yè)選修課 無人機(jī)控制系統(tǒng) 無人控制系統(tǒng)介紹 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 空間控制 與慣性技術(shù) 研究中心 伊 國(guó)興 本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 1 無人機(jī) 控制系統(tǒng)指標(biāo)與結(jié)構(gòu) 2 控制系統(tǒng)主要組成部分介紹 3 飛行控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 4 1 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 1.1 無人機(jī)及無人機(jī)系統(tǒng)定義 無人機(jī)： 不載有操作人員、利用空氣動(dòng)力起飛、 可以自主飛行或遙控駕駛、可以一次使用也可以 回收使用的、攜有致命或非致命有效載荷的飛行 器。 無人機(jī)系統(tǒng)： 是指一架無人機(jī)、相關(guān)的遙控站、 所需的指令與控制數(shù)據(jù)鏈路以及批準(zhǔn)的型號(hào)設(shè)計(jì) 規(guī)定的任何其他部件組成的系統(tǒng)。 1 無
2、人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 1.2 無人機(jī)系統(tǒng)組成 飛行器 控制站 通訊鏈路 有效 載荷 飛行平臺(tái) 動(dòng)力裝置 導(dǎo)航飛控 電氣系統(tǒng) 電源系統(tǒng) 顯示系統(tǒng) 接口系統(tǒng) 操縱系統(tǒng) 軟件系統(tǒng) 圖像傳輸 數(shù)字傳輸 機(jī)載系統(tǒng) 地面系統(tǒng) 通訊設(shè)備 圖像設(shè)備 武器系統(tǒng) 其他設(shè)備 1 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 1.2.1 控制站 通常是地面或機(jī)載、艦載，是飛行操控中心，實(shí) 現(xiàn)人機(jī)交互，通常也是任務(wù)規(guī)劃中心。 通過上行通信鏈路發(fā)送指令，控制飛行，操控所 攜帶的各種任務(wù)載荷。 通過下行通信鏈路，飛機(jī)回傳信息和圖像。包括 載荷數(shù)據(jù)、機(jī)上各分系統(tǒng)的狀態(tài)信息、位置信息 等。同時(shí)控制
3、發(fā)射與回收。 控制站與外界通訊完成獲得天氣信息、個(gè)系統(tǒng)間 的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸，接收任務(wù)，匯報(bào)信息等。 1 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 1.2.2 任務(wù)載荷 作為無人機(jī)的組成部分完成特定任務(wù)的設(shè)備。 非消耗型任務(wù)載荷 光電系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、激光目標(biāo)指示、污染監(jiān)測(cè)、 公共宣傳系統(tǒng)、無線電中繼系統(tǒng)、電子情報(bào)、 雷達(dá) 欺騙、磁異常檢測(cè) 消耗型任務(wù)載荷（植保系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、救生、 武器） 1 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 1.2.3 導(dǎo)航系統(tǒng) 慣性導(dǎo)航（ INS） 衛(wèi)星導(dǎo)航（ GPS、北斗） 組合導(dǎo)航 后備導(dǎo)航手段 雷達(dá)跟蹤 無線電跟蹤 直接估計(jì) 1 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性
4、1.2.4 通信鏈路 上行 發(fā)送飛行路徑數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存 人 在回路時(shí)，實(shí)時(shí)發(fā)送飛行控制指令 發(fā)送控制命令至機(jī)載任務(wù)載荷和附屬設(shè)備 發(fā)送相關(guān)位置更新信息到慣導(dǎo) /自動(dòng)飛行控制系統(tǒng) 下行 發(fā)送有關(guān)飛機(jī)的位置信息到控制站 發(fā)送任務(wù)載荷圖像和數(shù)據(jù)到控制站 發(fā)送飛機(jī)狀態(tài)信息 1.3 無人機(jī)自主能力分級(jí) 美國(guó)公布的無人機(jī)自主能力分級(jí)圖 1 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 1 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 1.3 無人機(jī)自主能力分級(jí) 無人機(jī)控制系統(tǒng)的能力決定了無人機(jī)自主能力。 制約無人機(jī)達(dá)到高級(jí)別自 主能力的因素： 計(jì)算機(jī)技術(shù) （ 運(yùn)算速度 ） 通信技術(shù) （ 帶寬和速
5、度 ） 人工智能技術(shù) （ 認(rèn)知能 力 、 理論模型和計(jì)算方 法等 ） 1 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 飛控系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)的核心組成部分，其性能 直接影響著無人機(jī)的飛行性能和飛行品質(zhì)，直接 關(guān)系到無人機(jī)的飛行安全。 動(dòng)力學(xué)建模、模型簡(jiǎn)化、控制律設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)、干 擾觀測(cè)器設(shè)計(jì)、控制律評(píng)估與確認(rèn)、半物理仿真 與飛行試驗(yàn) 1.4 無人機(jī)控制的作用與關(guān)鍵技術(shù) 1 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 無人機(jī)建模技術(shù) 機(jī)理建模（空氣動(dòng)力學(xué)、飛行力學(xué)） 系統(tǒng)辨識(shí)建模 在模型精度和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上折中 飛行控制技術(shù) 經(jīng)典控制理論（時(shí)域響應(yīng)、根軌跡、頻率響應(yīng)） 現(xiàn)代控制理論（動(dòng)態(tài)逆控制、魯
6、棒控制、自適應(yīng)控制、滑膜 控制、智能控制） 飛行控制律確認(rèn)與評(píng)估技術(shù) 一方面要針對(duì)不同的飛機(jī)構(gòu)型、任務(wù)、飛行狀態(tài)及指標(biāo)要求 設(shè)計(jì)出符合多準(zhǔn)則的控制律 另一方面要采用有效的分析方法證明這些操穩(wěn)性能及飛行品 質(zhì)在氣動(dòng)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及傳感系統(tǒng)存在不確定的條件下仍 具有令人滿意的魯棒性 1.4 無人機(jī)控制的作用與關(guān)鍵技術(shù) 1 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 1912，斯佩里父子研制第一套自動(dòng)駕駛儀，用于保持飛機(jī) 平飛是的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的穩(wěn)定。 二戰(zhàn)期間美國(guó)研制 C-1電氣式自駕儀，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)三軸姿態(tài) 穩(wěn)定 二戰(zhàn)后期，德國(guó) V1、 V2自駕 儀實(shí)現(xiàn)飛行軌跡控制 二戰(zhàn)后， C-54實(shí)
7、現(xiàn)起飛到著陸的全程自動(dòng)化 50-60年代，隨著飛機(jī)各項(xiàng)性能的提升和新的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的采 用，飛行控制主要目的是改善飛行性能和品質(zhì)，發(fā)展形成 自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)（ AFCS， Automatic Flight Control System） 1.5 無人機(jī)控制演化 1 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 70-90年代 隨控布局 (CCV, Control Configured Vehicle)是 指隨著控制 系統(tǒng)來進(jìn)行飛機(jī)總體布局 。 主動(dòng)控制 (AC, Active Control)：飛機(jī) 總體設(shè)計(jì)階段主動(dòng)地 將自動(dòng)控制系統(tǒng)與氣動(dòng) 布局 、 結(jié)構(gòu) 、動(dòng)力裝置等結(jié)合在 一起進(jìn)行綜合的設(shè)計(jì)，從
8、而全面地提高飛機(jī)的飛行性能 并改善飛行品質(zhì) 。（ 基本設(shè)計(jì) 技術(shù) 主動(dòng)控制技術(shù)） 放寬靜穩(wěn)定性飛，機(jī)本身可能是靜不穩(wěn)定或臨界穩(wěn)定、 傳感器及電傳操控師實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制的重要基礎(chǔ)、由于采 用多操縱面布局和控制分配使得控制律復(fù)雜 1.5 無人機(jī)控制演化 1 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 1.5 無人機(jī)控制演化 基本 設(shè)計(jì) 主動(dòng) 控制設(shè)計(jì) 主要考慮空氣動(dòng)力、結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī) 三大因素（折衷） 飛機(jī)本身穩(wěn)定 飛控 系統(tǒng)處于 被動(dòng)地位控制系統(tǒng)是 后來加到飛機(jī)上的，對(duì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu) 沒有直接影響 限制了飛機(jī)性能提高 設(shè) 什初始階段就考慮了飛行控制系 統(tǒng)對(duì)總體設(shè)計(jì)的 影響 把控制系統(tǒng)
9、提到 和氣動(dòng)力 、 結(jié)構(gòu)、 動(dòng)力裝置并駕齊驅(qū) 的地位 ，布局 設(shè) 計(jì)之初就把控制技術(shù)與基本的三大 技術(shù)同時(shí) 考慮 對(duì) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性要求很高 ， 易 出 事故 1 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 90年代后，隨控制技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)自修復(fù)飛 行控制、主動(dòng)安全、健康管理、超機(jī)動(dòng)飛 行 (隨控飛行 ) 戰(zhàn)術(shù)任務(wù)飛行管理系統(tǒng) 防空體系愈來愈復(fù)雜、功能愈來愈強(qiáng)大，導(dǎo) 致 作戰(zhàn)環(huán)境 日益嚴(yán)酷。面對(duì)日益復(fù)雜的作戰(zhàn) 態(tài)勢(shì)， 飛行員難以 承擔(dān)如此繁重的人工管理 和 決策。 態(tài)勢(shì)感知和評(píng)估、在線任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)調(diào)度 與分配、管理控制 無人自主飛行控制 數(shù)字飛行控制系統(tǒng)取代模擬式飛行控制系 統(tǒng)
10、 1.5 無人機(jī)控制演化 本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 1 無人機(jī) 控制系統(tǒng)指標(biāo)與結(jié)構(gòu) 2 控制系統(tǒng)主要組成部分介紹 3 飛行控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 4 2 無人機(jī) 控制系統(tǒng)指標(biāo)與結(jié)構(gòu) 上 載 荷 艙 副 油 箱 天 線 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 控 制 舵 面 涵 道 螺 旋 槳 支 撐 梁 涵 道 減 振 梁 起 落 架 下 載 荷 艙 導(dǎo) 流 片 機(jī) 體 中 艙 主 油 箱 懸停 巡航飛行 高速飛行 2.1 涵道旋翼無人機(jī) 2 無人機(jī) 控制系統(tǒng)指標(biāo)與結(jié)構(gòu) 2.1 涵道旋翼無人機(jī) 功能 快速部署的低成本無人通信中繼平臺(tái) 體積小、重量輕，便于多種形式的運(yùn)輸 操控
11、簡(jiǎn)捷，利于快速部署 適應(yīng)多種戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，抗風(fēng)擾能力強(qiáng) 具備垂直起降功能，適合復(fù)雜地形部署 機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)，指控作用距離長(zhǎng) 具備高精度巡航和定位懸停功能 多種控制模式，具備自主飛行能力 2 無人機(jī) 控制系統(tǒng)指標(biāo)與結(jié)構(gòu) 2.1 涵 道旋 翼無人機(jī) 技術(shù)指標(biāo) 航線精度： 50m 著陸 精度： 5m 作戰(zhàn)半徑： 10km 續(xù)航時(shí)間： 60min 最大飛行速度： 70km/h 最高飛行高度： 1300m 任務(wù)載荷： 20kg 指揮作用距離： 10km 抗風(fēng)能力： 12m/s 2 無人機(jī) 控制系統(tǒng)指標(biāo)與結(jié)構(gòu) 高 度 傳 感 器 圖 像 數(shù) 據(jù) 處 理 姿 態(tài)
12、 數(shù) 據(jù) 處 理 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 油 門 伺 服 舵 機(jī) 1 伺 服 舵 機(jī) 2 伺 服 舵 機(jī) 3 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 傳 感 器 單 元 執(zhí) 行 器 單 元 數(shù) 據(jù) 處 理 單 元 任 務(wù) 規(guī) 劃 單 元 人 機(jī) 界 面 任 務(wù) 分 配 軌 跡 規(guī) 劃 輔 助 控 制 單 元 無 線 數(shù) 據(jù) 傳 輸 單 元 姿 態(tài) 控 制 飛 行 控 制 抗 干 擾 控 制 起 降 控 制 主 控 制 單 元 轉(zhuǎn) 速 傳 感 器 風(fēng) 速 傳 感 器 溫 度 傳 感 器 I M U 模 塊 G P S 模 塊 伺 服 舵 機(jī) 4 攝 像 頭 傳 感 器 數(shù) 據(jù) 處 理 手 動(dòng) 輔 助 控 制 視 覺 輔 助 控 制 涵
13、 道 式 旋 翼 無 人 飛 行 器 地 面 指 揮 系 統(tǒng) 機(jī) 載 控 制 系 統(tǒng) 整 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 控制單元 傳感器單元 執(zhí)行器單元 數(shù)據(jù)處理單元 數(shù)據(jù)傳輸單元 任務(wù)規(guī)劃單元 輔助控制單元 涵道旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 慣 性 單 元 磁 阻 傳 感 器 氣 壓 傳 感 器 空 速 傳 感 器 G P S 接 收 器 超 聲 測(cè) 距 模 塊 無 線 傳 輸 單 元 主 控 制 器 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 伺 服 舵 機(jī) 1 伺 服 舵 機(jī) 2 伺 服 舵 機(jī) 3 伺 服 舵 機(jī) 4 地 面 控 制 平 臺(tái) 視 頻 采 集 單 元 2 無人機(jī) 控制系統(tǒng)指標(biāo)與結(jié)構(gòu) 2 無人機(jī) 控制
14、系統(tǒng)指標(biāo)與結(jié)構(gòu) 2.2 六旋翼無人機(jī) 2 無人機(jī) 控制系統(tǒng)指標(biāo)與結(jié)構(gòu) 2.2 六旋翼 無人機(jī) 功能 空中 懸停、定位 功能 預(yù) 設(shè)航線 飛行 遙控 飛行和自主切換功能 遠(yuǎn)程 數(shù)據(jù)傳輸及飛行狀態(tài) 監(jiān)測(cè) 視覺 識(shí)別和無人機(jī)凝伺服功能 地面站飛行 系統(tǒng)故障 預(yù)警 功能 2 無人機(jī) 控制系統(tǒng)指標(biāo)與結(jié)構(gòu) 2.2 六旋翼無人機(jī) 技術(shù)指標(biāo) 最大 飛行速度 60km/h； 最大 飛行高度 500m； 懸停 姿態(tài)精度 1deg； 定位 精度 0.3m； 飛行 姿態(tài)控制系統(tǒng)帶寬 8Hz； 最大 目標(biāo)跟蹤速度 30km/h； 2 無人機(jī)控制系統(tǒng)指
15、標(biāo)與結(jié)構(gòu) S T M 32 f 407 X b e e 通訊模塊 無線接收機(jī) U A R T I 2 C 主處理器 三軸 M E M S 陀螺儀 D S P三軸 M E M S 加速度計(jì) 三軸磁阻傳感器 M T I 姿態(tài)模塊 圖像傳輸系 統(tǒng)發(fā)射機(jī) 云臺(tái)控制器 攝像頭 超聲測(cè)距 氣壓計(jì) G P S 光流傳感器 地面站 X b e e 通訊模塊 計(jì)算機(jī) 控制手柄 圖像傳輸系統(tǒng) 接收機(jī) 遙控器 P W M P W M P W M P W M P W M P W M 電機(jī)調(diào)速器 電機(jī)調(diào)速器 電機(jī)調(diào)速器 電機(jī)調(diào)速器 電機(jī) 1 電機(jī) 2 電機(jī) 3 電機(jī) 4 電機(jī)調(diào)速器 電機(jī)調(diào)速器 電機(jī) 5 電機(jī) 6 U
16、 A R T U A R T P W M U A R T P W M AV 5 . 8 G H z 2 . 4 G H z 2 . 4 G H z U A R T 機(jī)載部分 E 2 P RO M I 2 C Go p r o 運(yùn)動(dòng)相機(jī)和無刷云臺(tái) 圖傳發(fā)射機(jī) AV 視頻線 無線傳輸 圖傳接收機(jī) 視頻采集卡 本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 1 無人機(jī) 控制系統(tǒng)指標(biāo)與結(jié)構(gòu) 2 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件 3 飛行控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 4 3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件 3.1 自動(dòng)駕駛儀 自動(dòng)駕駛儀（ Autopilot），是按技術(shù)要求自動(dòng)控制 飛行器軌跡的調(diào)節(jié)設(shè)備，其作用主要是保持飛機(jī)姿 態(tài)和完成規(guī)定的飛行任
17、務(wù)。 自動(dòng)駕駛儀是模仿駕駛員的動(dòng)作駕駛無人機(jī)的。 3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件 內(nèi)置傳感器：三軸角速率陀螺 、三軸加速度計(jì)、 三軸磁力計(jì)、雙嘴空速傳感器、氣壓高度計(jì)、 GPS接收機(jī)、溫度傳感器。 輸入 /輸出接口： PWM輸入、 PWM輸出、電源監(jiān) 視、 ADC 數(shù)據(jù)交換接口： RS-232和 RS-485。 外置傳感器：空速高度組合傳感器、超聲波高度 計(jì)、 PWM信號(hào)和離散信號(hào)擴(kuò)展器、飛行數(shù)據(jù)記錄 器、油量傳感器、 GLONASS 或北斗 GPS 接收機(jī)。 3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件 SDI-WAX100自動(dòng)駕駛儀 全自主，自主 起飛、懸停、飛行、降落。 大速度，直升機(jī)度 2
18、70公里 /小時(shí) ，固定翼 850公里 /小時(shí) 高 精度 ，飛行控制精度 3米 ，差分 GPS精度 0.5米。 冗余設(shè)計(jì)，兩 個(gè) CPU熱 備份，故障 時(shí)自動(dòng)切換。 允許傳感 器 出現(xiàn)單次故障 ，故障后保持準(zhǔn)確姿態(tài) 和位置估算 。通信 中斷后 ，根據(jù) 設(shè)定控制飛機(jī)繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)或自主返航。 高度 集成集飛控、陀螺、加速度計(jì)、通信、 GPS、 高度表。 多 路 控制， 16路控制輸出，可控制 多伺服 舵機(jī)或外圍設(shè)備 。 無人機(jī) 參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能告警顯示，支持三維航跡規(guī)劃 。 3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件 SDI-WAX100自動(dòng)駕駛儀 工作溫度 ： -40 +85
19、 空速表： 80 830公里 /小時(shí) 供電： 7V 36V 高度表： 0 6000米 功耗： 2.5瓦 最大加速度： 10g（垂直） 重量： 270克 最大角速度： 300度 /秒 尺寸 (mm)： 74.0 68.0 59.7 3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件 SDI-WAX100自動(dòng)駕駛儀地面控制站 支持 三維航跡規(guī)劃、設(shè)置禁飛區(qū)、參照點(diǎn) 飛機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能告警顯示 同步記錄飛行數(shù)據(jù)和視頻畫面 支持多種地圖及坐標(biāo)格式 用戶可自定義操作界面 操作簡(jiǎn)便，飛機(jī)、攝像機(jī)模式一鍵切換
20、 支持網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)與網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制無人機(jī) 3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件 SDI-WAX100自動(dòng)駕駛儀地面控制站 通訊距離： 100公里 控制速率： 50Hz 通道數(shù)： 4 波特率： 115.2kb/s 頻率： 902 928M（ 1.3G可選） 一 站多機(jī)： 支持 工作溫度： -40 +85 電壓： 9V36V 功率： 2瓦 內(nèi)置電池續(xù)航時(shí)間： 2小時(shí) 尺寸（ mm）： 123 103 30 重量： 300克 3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件 3.
21、2 姿態(tài)測(cè)量 一個(gè) IMU包含了三個(gè)單軸的加速度計(jì) 和三個(gè)單軸的陀螺，加速度計(jì)檢測(cè)物 體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度 信號(hào)，而陀螺檢測(cè)載體相對(duì)于導(dǎo)航坐 標(biāo)系的角速度信號(hào)，測(cè)量物體在三維 空間中的角速度和加速度，并以此解 算出物體的姿態(tài) 。 捷聯(lián)姿態(tài)解算、導(dǎo)航 多傳感器融合、 Kalman濾波 3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件 3.3 伺服舵機(jī) 工作原理：控制電路板接受來自信號(hào)線的控制信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電 機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反 饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將 輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路
22、板根據(jù)所在 位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。 指標(biāo)：重量、尺寸、工作速度、扭矩、工作電壓、工作電流 特點(diǎn)：體積緊湊，便于安裝；輸出力矩大，穩(wěn)定性好；控制簡(jiǎn)單，便于 和數(shù)字系統(tǒng)接口。 3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件 3.4 發(fā)動(dòng)機(jī) 四 沖程往復(fù)式內(nèi)燃機(jī) 二 沖程往復(fù)式內(nèi)燃機(jī) 旋轉(zhuǎn) 式引擎 渦輪 發(fā)動(dòng)機(jī) 電馬達(dá) 3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件 功率： 25HP/6500rpm 怠速： 1400 rpm/分鐘 適用火花塞型號(hào) NGK CM6 排量： 245.2cm3 缸徑 行程 : 45mm 35mm 壓縮比： 7.6： 1 潤(rùn)滑比 : 30:1 重量 : 主機(jī)
23、 5kg；總重 5.8kg 本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容 無人機(jī)控制系統(tǒng)的必要性 1 無人機(jī) 控制系統(tǒng)指標(biāo)與結(jié)構(gòu) 2 控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件 3 飛行控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 4 4 飛控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 飛 行 器 設(shè) 計(jì) 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 升 力 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 飛 行 控 制 系 統(tǒng) 涵 道 旋 翼 無 人 飛 行 器 設(shè) 計(jì) 動(dòng) 力 學(xué) 分 析 數(shù) 學(xué) 仿 真 控 制 律 自 動(dòng) 駕 駛 儀 靜 態(tài) 試 驗(yàn) 飛 行 試 驗(yàn) 飛 行 試 驗(yàn) 功 能 完 善 抗 風(fēng) 擾 補(bǔ) 償 環(huán) 境 試 驗(yàn) 傳 感 器 補(bǔ) 償 方 法 風(fēng) 擾 分 析 振 動(dòng) 試 驗(yàn) 疲 勞 試 驗(yàn) 飛 行 性 能 指 標(biāo) 檢 驗(yàn) 懸 停 試 驗(yàn) 導(dǎo) 航
24、試 驗(yàn) 自 主 起 飛 著 陸 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 測(cè) 試 飛 行 控 制 飛 行 管 理 地 面 指 揮 系 統(tǒng) 靜 態(tài) 測(cè) 試 結(jié) 構(gòu) 試 驗(yàn) 系 留 試 驗(yàn) 結(jié) 構(gòu) 、 升 力 系 統(tǒng) 及 飛 控 系 統(tǒng) 改 進(jìn) 加 工 工 藝 改 進(jìn) 結(jié) 構(gòu) 及 氣 動(dòng) 布 局 改 進(jìn) 樣 機(jī) 試 驗(yàn) 參 數(shù) 調(diào) 試 樣 機(jī) 試 驗(yàn) 驗(yàn) 收 飛 行 狀 態(tài) 指 令 靜 力 試 驗(yàn) 4.1系統(tǒng)實(shí)施步驟 4 飛控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 姿態(tài)控制回路 速度控制回路 位置控制回路 機(jī) 體 動(dòng) 力 學(xué) 模 型 1 / J s 姿 態(tài) 控 制 器 速 度 控 制 器 G P S 航 姿 系 統(tǒng) 舵 偏 角
25、 - * * *,,x y z ,,x y z ,, * * *,, 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 油 門位 置 控 制 器 d / d t 1 / M s ,,x y zv v v * * *,, x y zv v v 1 / s 1 / s + -- zyx ,, ,, 4.2 控制回路 （ 涵 道旋 翼） 4 飛控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 4.2 控制回路（六旋翼） 位置控制器 GP S / 光流 速度控制器 GP S / 光流 姿態(tài)控制器 I M U 測(cè)姿 高度控制器 超聲波 氣壓計(jì) GP S 加速度計(jì) - - - 爬升速度 控制器 超聲波 氣壓計(jì) GP S 加速度計(jì) 轉(zhuǎn)速分配 無人機(jī) - - 位置
26、控制（室內(nèi) -光流，室外 -GPS） 高度 控制（ 數(shù)據(jù) 融合） 姿態(tài)控制（雙環(huán) PID） 4 飛控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 飛行器實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)普遍存在不確定性問題。 綜合考慮各種不確定性對(duì)無人機(jī)的影響，以獲得穩(wěn)定的飛 行性能。 為了保證涵道旋翼飛行器控制效果，設(shè)計(jì)反饋控制器使得 在參數(shù)變化和陣風(fēng)干擾時(shí)，姿態(tài)系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定。 建模誤差 工況變化 環(huán)境干擾 0 00 0 1 0 0 uu u u q u X X g u X X q M M q M M 0 00 0 1
27、0 0 0 uw u q w u X g u X X q M q M M w 4.3 系統(tǒng)中的不確定性 4 飛控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 機(jī) 體 動(dòng) 力 學(xué) 模 型 1 / J s 姿 態(tài) 控 制 器 速 度 控 制 器 G P S 航 姿 系 統(tǒng) 量 化 風(fēng) 擾 補(bǔ) 償 控 制 器 風(fēng) 擾 舵 偏 角 風(fēng) 擾 位 置 給 定 - * * *,,x y z ,,x y z風(fēng) 擾 舵 偏 角 補(bǔ) 償 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 油 門 補(bǔ) 償 ,, * * *,, ,,x y z,, 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 油 門
28、位 置 控 制 器 d / d t 1 / M s ,,x y zv v v * * *,, x y zv v v 1 / s 1 / s + 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 油 門 -- + + + + ,, zyx ,, 風(fēng) 擾 氣 動(dòng) 效 應(yīng) 分 析 干 擾 風(fēng) 力 ， 風(fēng) 速 姿 態(tài) ， 航 跡 誤 差 舵 偏 角 補(bǔ) 償 量 螺 旋 槳 轉(zhuǎn) 速 逆 模 型 自 適 應(yīng) 補(bǔ) 償 姿 態(tài) 角 計(jì) 算 飛 行 器 飛 行 姿 態(tài) 、 位 置 轉(zhuǎn) 速 補(bǔ) 償 量 4.4 側(cè)風(fēng)干擾補(bǔ)償 4 飛控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 監(jiān)測(cè)飛行姿態(tài)、高度、速度信息 監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)及傳感器工作狀態(tài) 監(jiān)測(cè)機(jī)載電源電量、油箱油量 飛行器航
29、跡監(jiān)測(cè)與規(guī)劃 記錄飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)及圖像資料 記錄飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)及圖像資料 地 理 位 置 顯 示 區(qū) 機(jī) 載 視 頻 顯 示 區(qū) 姿 態(tài) 信 息 傳 感 器 工 作 狀 態(tài) 地 面 操 作 記 錄 飛 行 模 式 控 制 模 式 參 數(shù) 裝 載 飛 行 器 狀 態(tài) 1 2 3 4 5 4.5 地面站系統(tǒng) 4 飛控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 無 人 機(jī) 準(zhǔn) 備 就 緒 起 飛 變 速 巡 航 降 落 懸 停 翼 地 效 應(yīng) 懸 停 非 翼 地 效 應(yīng) 懸 停 全 自 動(dòng) 半 自 動(dòng) 手 動(dòng) 固 定 航 向 固 定 高 度 固 定 速 度 尋 找 標(biāo) 定 點(diǎn) 返 航 升 限 懸 停 飛 行 器 是 否 正 常 工 作 地 面 站 準(zhǔn) 備 就 緒 模 式 切 換 飛 行 無 人 機(jī) 及 控 制 臺(tái) 待 命 設(shè) 定 任 務(wù) 控 制 輔 助 控 制 下 降 下 降 任 務(wù) 成 功 后 / 飛 行 器 狀 況 異 常 速 度 下 降 進(jìn) 入 非 正 常 工 作 正 常 工 作 地 面 站 監(jiān) 視 / 機(jī) 載 設(shè) 備 判 定 4.6 無人機(jī)系統(tǒng)工作流程 4 飛控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 4.5 地面站系統(tǒng) 4 飛控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 4.5 地面站系統(tǒng)
無人機(jī)控制系統(tǒng)介紹.pdf
