无人机工作原理：原理与核心系统

⽆⼈机⼯作原理：原理与核⼼系统
介绍
每次别⼈⼿⾥拿着遥控器时，看着⽆⼈机在空中⾃由飞翔，真是太酷了。

但是你知道⽆⼈机是如何⼯作的吗？
⽬录
Ⅰ⽆⼈机
1.1 概念
1.2 应⽤
1.3 组成
⼆、飞控系统
2.1 概念
2.2 飞控系统组件模块
2.3 功能
三、主控模块MCU
3.1 概念
3.2 ⽆⼈机⼯作原理
3.3 单⽚机任务
四、常见问题
Ⅰ⽆⼈机
1.1 概念
⽆⼈驾驶飞⾏器（UAV），⼜称⽆⼈机，是⼀种由⽆线电遥控设备和⾃⾝的程序控制装置操作，或完全或间歇地由机载计算机操作的⽆⼈驾驶飞机。

1.2 应⽤
⽆⼈机不仅⼴泛应⽤于航拍、农业、植物保护、微型⾃拍、快递运输、灾害救援和野⽣动物观察等领域，还⽤于测绘、传染病监测等。

1.3 组成
⽆⼈机由机⾝、飞⾏控制系统、数据链系统、发射回收系统和电源系统组成。

飞⾏管控系统相当于⽆⼈机系统的“⼼脏”部分，对⽆⼈机的稳定性、数据可靠性、准确性和实时性具有重要影响，对其飞⾏性能具有决定性作⽤。

⼆、飞控系统
2.1 概念
飞控系统是⽆⼈机的核⼼控制装置，相当于⼤脑。

是否安装飞控系统也是区分⽆⼈机和通⽤航空机型的重要指标。

经过早期的遥控飞⾏，其导航和控制⽅式已发展为⾃主飞⾏和智能飞⾏。

导航模式的改变对飞控计算机的精度要求更⾼，任务复杂度的增加对计算机的计算能⼒要求更⾼。

⼩型化不仅对飞控计算机的功耗和体积提出了很⾼的要求，⽽且要求体积⼩，移动性好。

⾼精度不仅要求计算机控制精度⾼，还需要有运⾏复杂控制算法的能⼒。

2.2 飞控系统组件模块
飞控系统实时采集各传感器测得的飞⾏状态数据，并从地⾯测控站的通信信道接收⽆线电测控终端发送的控制指令和数据。

计算后，将控制命令输出到执⾏机构，实现对⽆⼈机各种飞⾏模式的控制，实现对任务设备的管理和控制；同时将⽆⼈机的状态数据和发动机、机载供电系统和任务设备的运⾏状态参数实时传输到机载⽆线电数据终端，然后通过⽆线电下⾏信道回传给地⾯监测站。

根据功能，飞控系统的硬件包括：主控模块、信号调理及接⼝模块、数据采集模块、伺服驱动模块。

2.3 功能
将各个模块组合成⼀个飞⾏控制系统，其核⼼是主控模块，与其他模块结合，满⾜⼀系列⼩型⽆⼈机的飞⾏控制和飞⾏管理的功能需求，只需要修改软件和只需修改外围电路即可。

从⽽可以通过多个模型使⽤⼀个开发的系统来降低系统开发成本。

系统的主要功能如下：
(1)多路模拟信号⾼精度采集，包括陀螺信号、航向信号、舵⾓信号、发动机转速、⽓缸温度信号、动静压传感器信号、电源电压信号。

由于CPU⾃⾝A/D的精度和通道数的限制，使⽤了额外的数据采集电路，其⽚选和控制信号由EPLD中的解码电路产⽣。

(2) 输出信号状态。

输出切换信号、模拟信号和PWM脉冲信号，可适应不同执⾏器的控制要求，如舵机、副翼舵机、升降舵机、⽓道和油门舵机等。

(3)多通道通信。

与车载数据终端、GPS信号、数字传感器和相关任务设备的通信是通过使⽤多个通信通道来实现的。

由于CPU⾃⾝SCI通道配置的串⼝不能满⾜系统需求，设计采⽤多串⼝扩展芯⽚28C94扩展8个串⼝。

三、主控模块MCU
3.1 概念
MCU（Microcontroller Unit）就是适当降低中央处理器的频率和规格，将存储器、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA、甚⾄LCD驱动电路等外围接⼝集成在单⽚机上。

单个芯⽚，形成不同应⽤的不同组合的芯⽚级计算机。

MCU在⽆⼈机的飞⾏系统中很重要。

MCU在飞⾏系统中扮演着重要的⾓⾊。

3.2 ⽆⼈机⼯作原理
⽆⼈机要实现可控/⾃主飞⾏，主要需要完成姿态控制、拍摄/测量、信息存储/传输、环境感知（防撞）。

⾃动控制原理的⼀个起点是闭环反馈控制，即在应⽤输⼊调整后，测量控制量的变化并调整反馈输⼊，直到控制量达到⽬标值。

⽐如给⽆⼈机设置⼀个航迹，在飞⾏过程中实时测量飞⾏位置偏离航迹，进⾏相应的偏航修正。

环境感知是利⽤各种传感器（光学摄像头、超声波等）来检测⽆⼈机轨迹上的障碍物，如建筑物、桥梁等，并进⾏机动规避。

⽆⼈机垂直移动并使⽤转⼦前进和停⽌。

⼒的相对性质意味着当转⼦推动空⽓时，空⽓也将转⼦推回。

这就是⽆⼈机可以升降的基本原理。

此外，转⼦旋转得越快，升⼒就越⼤，反之亦然。

要将⽆⼈机向右转，需要降低旋翼 1 的⾓速度。

虽然旋翼1的推⼒不⾜会导致⽆⼈机改变运动⽅向，但向上的⼒不等于同时向下的重⼒，所以⽆⼈机下降。

⽆⼈机是对称的，它也适⽤于横向运动。

四轮⽆⼈机的每⼀⾯都可以是正⾯，所以如何向前说明如何向后或向侧⾯移动。

3.3 单⽚机任务
飞⾏控制系统在⽆⼈机中的作⽤相当于有⼈驾驶飞机中驾驶员的作⽤。

我们认为飞⾏控制系统是⽆⼈机中最重要的核⼼技术。

飞控系统⼀般包括传感器、机载计算机和伺服驱动装置三部分。

功能主要包括⽆⼈机姿态稳定与控制、⽆⼈机任务设备管理和应急控制三⼤类。

除了MCU，⽆⼈机还需要陀螺仪、加速度计、地磁感应、⽓压传感器、超声波传感器、光流传感器、GPS模块等相互配合才能完成飞⾏。

IMU 感知飞机在空中的姿态，并将数据发送到主处理器 MCU。

主处理器MCU会根据⽤户操作指令和IMU数据，通过飞⾏算法控制飞⾏器的稳定运⾏。

由于需要计算的数据量很⼤，需要⾮常实时的控制，MCU的性能也决定了飞机能否稳定灵活地飞⾏。

四、常见问题
1、⽆⼈机的⼯作原理是什么？
Multi-Rotor 的⼯作原理是⼒的相对性质，这意味着当转⼦推动空⽓时，空⽓也会将转⼦推回。

这是多旋翼可以升降的基本原理。

此外，转⼦旋转得越快，升⼒就越⼤，反之亦然。

2. ⽆⼈机使⽤WiFi还是蓝⽛？
今天的⼤多数⽆⼈机都⽀持 Wi-Fi，因此它们可以将视频⼴播到计算机、平板电脑或智能⼿机。

⼀些⽆⼈机还使⽤ Wi-Fi 通过平板电脑或移动应⽤程序进⾏远程控制。

3. ⽆⼈机如何与控制器通信？
⽆⼈机控制器通过从遥控器向⽆⼈机发送⽆线电信号来⼯作，该信号告诉⽆⼈机该做什么。

⽆线电信号从⽆⼈机控制器中的⽆线电发射器发出，并由⽆⼈机的接收器接收。

4. ⽆⼈机如何前进和后退？
俯仰：以与滚动相同的⽅式向前和向后倾斜您的四轴飞⾏器。

通过调整俯仰⾓，您的⽆⼈机将在前部下垂导致其前进，或在后部下垂导致其后退。

偏航：从左到右旋转飞机的机头。

5. ⽆⼈机有什么⽤？
⽆⼈机可⽤于收集医疗样本、物资和药品，并将其运送到灾区偏远或⽆法到达的地区。

⽆⼈机还可以使⽤红外传感器通过其热特征来检测⼈类，这有助于搜索和救援场景。

6. ⽆⼈机能飞多远？
虽然玩具⽆⼈机的射程可能约为 20 ⾄ 100 码，但⾼端消费⽆⼈机的射程约为 2.5 ⾄ 4.5 英⾥（4 ⾄ 8 公⾥）。

中级消费级⽆⼈机的航程通常约为 0.25 ⾄ 1.5 英⾥（400m – 3km）。

7. ⽆⼈机如何定位？
这就是⼤多数当前⽆⼈机保持稳定悬停的⽅式，它们锁定在相当精确的 GPS 位置，如果它们偏离原位，它们会飞回该位置。

坚持指定的⾼度或确保您不会意外飞到 400 英尺标记以上也是GPS 的功能。

8. 如果⽆⼈机超出范围会怎样？
⽆⼈机的范围有限。

当⽆⼈机飞出该范围时，您需要控制⽆⼈机的信号就会丢失。

因此，您⽆法再控制⽆⼈机。

9. 哪种 Arduino 最适合⽆⼈机？
这是⼀款通⽤微控制器，您可以通过购买您想要安装的零件并⾃⾏组装控制器来构建⾃⼰的飞⾏控制器。

如果您对开始使⽤电⼦产品和编码感兴趣，Arduino UNO 是您可以使⽤的最佳开发板。

10. ⽆⼈机可以举起多少？
当我们谈论初学者⽆⼈机时，它们可以毫⽆问题地举起⼤约 200 到 300 克的额外重量。

任何⾼于此的都是风险。

许多在休闲飞⾏飞⾏员中很受欢迎的⽆⼈机可以携带⼤约 3 到 5 磅（2.2 千克）的有效载荷。