day3: 无人机飞控系统的软硬件与算法设计_飞控系统(主要是软件和算法)

一. 飞控系统的基本介绍

  飞行控制系统(Flight control system)简称飞控系统，我们可以将它看做是无人机的大脑，多轴飞行棋的飞行，悬停，姿态的变化等等都是有多种传感器将飞行期器本身的飞行姿态数据传回飞控，再由飞控系统通过运算判断与下达相关的指令，并由执行机构完成相关动作与飞行姿态的调整。飞控系统我们可以理解成为无人机的CPU系统，是无人机的核心部件，它的主要功能是发送相关的各种指令，并且处理传递回来的有关信息，飞控系统中最为核心 的就是无人机的飞控算法。

以我们常见的四旋翼无人机为例，其一般是由检测模块，控制模块，执行模块与供电模块构成的

检测模块： 主要是对无人机当前的姿态进行测量

控制模块：主要是处理采集到的有关信息并对信息进行处理

执行模块：主要是对当前的运动姿态进行结算

优化模块：主要是对无人机当前运动的状态进行系统的优化预处理

供电模块：对无人机的整个系统进行供电

                     

                                           四旋翼无人机的运动学原理图

无人机的机身结构学分析：无人机的机身是由对称的十字刚体结构材料所构成的，材料多采用质量轻，强度高的碳纤维材料，无人机结构四个断点分别安装一个由两片将夜所组成的旋翼为无人机来提供飞行动力，四个旋翼分别安装在一个直流无刷电机上，通过控制电机的转动状态来控制每个无人机的转速，来提供不同的升力从而完成无人机的各种姿态控制，每个电机上同时还有电机驱动软件，并与中央控制单元进行连接，通过控制电源所提供的控制行行好来调节转速的大小，IMU关心测量电源为中央控制电源提供有效的姿态结算的数据，机身上的检测模块为无人机提供了了解自身位置最为直接的数据。

二。无人机相关姿态的具体动力学分析

悬停

悬停状态是四旋翼无人机具有的一个显著的特点。在悬停状态下，四个旋翼具有相等的转速，产生的上升合力正好与自身重力相等，即。并且因为旋翼转速大小相等，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，使得飞行器静止在空中，实现悬停状态。

                             

                                                              悬停状态的动力学原理

 垂直

垂直运动是五种运动状态中较为简单的一种，在保证四旋翼无人机每个旋转速度大小相等的倩况下，同时对每个旋翼增加或减小大小相等的转速，便可实现飞行器的垂直运动。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自身重力时，即，四旋翼无人机便会垂直下降，从而实现四旋翼无人机的垂直升降控制。

                                                                                                                     垂直状态的动力学原理

 翻滚

翻滚运动是在保持四旋翼无人机前后端旋翼转速不变的情况下，通过改变左右端的旋翼转速，使得左右旋翼之间形成一定的升力差，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实现控制的。如图2.3所示，增加旋翼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，增加旋翼２，则飞行器向左倾斜飞行。   

                               

                                                                   翻滚状态的动力学原理

俯仰

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，通过改变前后端旋翼转速形成前后旋翼升力差，从而在机身前后端对称轴上形成一定力矩，引起角方向上的角加速度实现控制的。如图2.4所示，增加旋翼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。

                                      

                                                                 俯仰状态的动力学原理

三.无人机飞控的主流算法介绍

无人机飞控的三大算法：捷联式导航系统，卡尔曼滤波算法，飞行控制的PID算法。

捷联式导航算法

捷联式导航是属于惯性导航的一种，主要是指利用载体上的加速度计，陀螺仪等着两种惯性元件，去分别测出飞行物体运动的信息与初始姿态，初始导航，与位置等并一起交给计算模块，并由计算模块推算出飞机的姿态，速度，航向与位置等导航自主是的导航方法。

是早期的惯性导航