飞行控制系统功能介绍

飞行控制系统功能介绍
目录
一、综述 (1)
二、飞控的相关系统说明 (1)
1.飞控的基本子系统 (2)
1.1航向控制系统 (2)
1.2速度控制系统 (3)
1.3高度控制系统 (4)
1.4自动着陆系统 (5)
2.测试机飞控所需的子系统 (6)
2.1GPS系统 (7)
2.2传感器、温湿度传感器系统 (8)
2.3飞行器自动稳定控制系统 (11)
2.4航向偏离控制系统 (11)
2.5显示系统 (12)
2.6信号反馈控制系统 (12)
2.7自动飞行控制系统 (13)
2.8自动导航系统 (14)
3.测试机飞控所需扩充系统功能 (15)
3.1自动避障系统 (15)
3.2语音播报系统 (17)
3.3物联网系统 (17)
3.4摄录系统 (18)
4.测试机飞控的其他功能 (18)
4.1自动寻路控制系统 (18)
4.2自动跟踪系统 (19)
4.3一键返航系统 (19)
4.4双飞控系统 (19)
4.5降落伞系统 (19)
5.飞行控制系统的常用外设接口 (20)
一、综述
本设计调研依据飞行控制系统（以下简称“飞控”）功能进行的系统调研。

本飞行控制系统删减了翻滚、特技系统功能；以此对飞控系统的相关系统功能进行功能收集，由于本人的资料有一大部分是网络收集，会造成信息描述不准，还请大家见谅！。

飞控系统的相关子系统描述如下图1：
图1
二、飞控的相关系统说明
飞控系统的子系统功能分类方式有很多种，可以按飞控系统的子系统功能分类，按飞控系统涉及的子系统关联关系分类，按飞控系统设计的子系统基本功能和选配功能分类等等，本文现阶段以调研飞控系统功能为主，故选择按飞控系统的系统功能分类为主。

1.飞控的基本子系统
飞控的基本子系统功能包括航向控制系统、速度控制系统、高度控制系统和自动着陆系统。

如图1-1所示。

图1-1
1.1航向控制系统
航向控制系统包括前飞、后飞、左飞、右飞、左转弯和右转弯；基本用途是获取手动控制信号或自动控制指令，经过飞控系统进行计算并进行补偿后把指令输出到方向控制舵机，让舵机实现相应的动作，从而配合旋动系统（动力系统）完成方向的控制。

通过转向舵和方向舵两个通道控制飞行器在水平面内的航迹的系统，它以偏航角(ψ)控制系统或转向角(γ)控制系统为内回路。

其中典型的方案以方向舵通道为主通道，以转向舵通道为辅助通道，后者只起阻尼和协调的作用。

侧向偏离(Z，即飞行器位置与预定航线的横向偏差)信号通过第一限幅器后与偏航角信号
综合，再经过第二限幅器与转向角和转向角速度信号综合，然后送入转向舵回路操纵转向舵机。

第一限幅器的作用是防止因侧向偏离信号过大而产生超过90°的偏航角，从而造成"之"字形的航线;第二限幅器的作用是在转弯时限制滚转角，使它不致过大。

航向控制系统功能如图1.1所示。

图1.1
1.2速度控制系统
速度控制系统包括最大速度设定和巡航速度设定，基本用途是获取手动控制信号或自动控制指令，经过飞控系统进行计算并进行补偿后把指令输出到电机控制器或发动机油门控制系统，从而完成实现对飞行速度的控制。

在保持定速状态下，空速差(ΔV)等于当时空速(V)与系统投入该状态瞬间空速(V0)之差。

在预选空速状态下，空速差等于当时空速与预选空速(Vg)之差。

为提高控制速度的精度，须引入空速差的积分信号。

在保持飞行器姿态或飞行高度不变的条件下，空速也可由油门自动控制。

将空速差和空速变化率信号引入油门控制器来改变发动机油门的大小。

如不满足上述条件，改变油门大小只能使飞行器升高或降低，而速度不变。

为防止随机阵风引起空速频繁变化以致对发动机过分频繁调节，一般将空速差和空速变化率信号经过阵风滤波器(通常为低通滤波器)进行滤波。

为了改善飞行器速度控制的质量，常采用比例加积分再加微分的控制方式。

当飞行速度达到设计最大值时，飞控系统将对超出最大值的电机控制信号或发动机油门控制信号进行锁定，使飞行速度将不再进行增加。

当飞行器飞行时，设计当手控制速度摇杆在一个位置超过5秒时，进入自动巡航模式和定高模式，人可以松开控制速度和方向的摇杆，飞行器将按照手控制摇杆的速度和方向等高飞行；解除巡航与定高模式时，为了防止误碰摇杆，需要轻微拨动速度控制摇杆或方向控制摇杆两次后，即可回到手动模式。

1.3高度控制系统
高度控制系统包括最大高度设定、上升、下降和悬停。

基本用途是获取手动控制信号或自动控制指令，经过飞控系统进行计算并进行补偿后把指令输出到电机控制器或发动机油门控制系统，从而完成实现对飞行高度的控制。

它以飞行器俯仰角控制系统为内回路，因此除包括与自动驾驶仪俯仰通道中相同的元、部件(如俯仰角敏感元件、计算机、舵回路等)外，还包括产生高度差(当前高度与期望高度的差值ΔH)信号和升降速度信号的敏感元件。

专用的高度修正器或大气数据计算机能输出高度差和升降速度信号。

高度控制系统有两种工作状态:一种是自动保持飞行器在当时的高度上飞行，简称定高状态;另一种是自动改变飞行高度直到人工预先选定的高度，再保持定高飞行，简称预选高度状态。

当驾驶员拨动预选高度旋钮调到预选高度刻度时，飞行器自动进入爬高(或下滑)状态。

在飞行器趋近预选高度后，自动保持在预选的高度上作平直飞行。

当飞行高度达到设计最大值时，飞控系统将对超出最大值的电机控制信号或发动机油门控制信号进行锁定，使飞行高度将不再进行增加。

当飞行器飞行时，设计当手控制速度摇杆在一个位置超过5秒时，进入自动巡航模式和定高模式，人可以松开控制速度和方向的摇杆，飞行器将按照手控制摇杆的速度和方向等高飞行；解除巡航与定高模式时，为了防止误碰摇杆，需要轻微拨动速度控制摇杆或方向控制摇杆两次后，即可回到手动模式。

功能如图1.3所示。

图1.3
1.4自动着陆系统
自动着陆系统先把飞行器导引和控制到某一高度(拉平起始高度)，然后利用拉平计算机、自动油门系统和自动抗偏流系统使飞行器拉平直到接地。

拉平计算机又称拉平耦合器。

从飞行器进入拉平起始高度，到平稳接地称为着陆段(拉平段)。

在着陆段拉平计算机连续向自动驾驶仪纵向通道发出指令信号，使飞行器由下滑状态变为着陆状态;减小垂直下降速度，最后以小于国家规定标准值的垂直速度接地。

自动抗偏流系统用来自动消除飞行器在接地前由侧风等因素引起的偏流，保证飞行器航向精确对准航迹，并保证机身水平。

自动着陆系统包括在飞行中着陆下降速度的设定，着陆高度设定，低于着陆高度后的着陆下降标准，着陆后机身水平的问题考虑。

基本用途是获取到手动控制信号的着陆指令或自动控制指令的着陆信息时，经过飞控系统进行计算并进行补偿后把指令输出到电机控制器或发动机油门控制系统，从而完成实现对自动着陆的控制。

当飞行器到达目标地点后，手动或自动控制飞行器下降，下降速度依据手动控制或自动信号控制的反馈信号执行。

当下降到着陆高度设定值时，飞行器进行下降速度调整，调整到按自动着陆标准下降速度进行下降。

在下降着陆时，自动伸缩支架上设计触点设置，与飞控的陀螺仪功能配合，保持机体的水平。

功能如图1.4所示。

图1.4
2.测试机飞控所需的子系统
测试机飞控所需的子系统功能包括GPS系统，传感器、温湿度传感器系统，自动稳定控制系统，航向偏离控制系统，显示系统，信号反馈系统，自动飞行控制系统，自动导航系统。

功能如图2-1所示。

图2-1
2.1GPS系统
简单来说GPS定位系统是靠信号传输到后台，来实现定位，GPS终端就是这个后台，可以帮你实现一键导航、后台服务、等各种人性服务。

GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备(如计算机)等组成。

GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,跟踪卫星的运行,并对信号进行交换、放大和处理，再通过计算机和相应软件,经基线解算、网平差，求出GPS接收机中心(测站点)的三维坐标。

GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。

现今，各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。

供出行路线规划是导航系统的一项重要的辅助功能，它包括自动线路规划和人工线路设计。

自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地，由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线。

人工线路设计是由驾驶员根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立路线库。

线路规划完毕后，显示器能够在电子地图上显示设计路线，并同时显示飞行器运行路径和运行方法。

GPS选择应考虑的因素有：定位精度、使用环境、匹配的接收系统和应用前景。

功能如图2.1所示。

图2.1
2.2传感器、温湿度传感器系统
传感器系统、温湿度传感器系统包含限位传感器、温湿度传感器、倾角传感器、加速度传感器、高度传感器、距离传感器、方向传感器和电流传感器等。

I)限位传感器
限位传感器就是用以限定上下旋翼位置的运动极限位置的电气开关，这种开关有接触式的和非接触式的。

接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装上行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。

当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就改变运行。

其基本原理就是当上、下限位开关被触碰后，产生电路导通信号，使飞控系统接收到限位开关的导通信号，经过飞控系统进行计算并进行补偿后把指令输出到舵机控制系统，从而避免上下旋翼互相碰撞。

II)温湿度传感器
温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。

用于对飞行器周围的温湿度进行监测，在周围环境温湿度不符合飞行要求时，对飞行器禁止起飞；或飞行中发现温湿度变化较大，接近下雨时的湿度值时提示驾驶者紧急降落。

从而达到保护飞行安全的一种辅助设备。

其基本原理就是把温湿度传感器的测量值变换为电信号传输到飞控系统，经过飞控系统进行计算并进行补偿后把指令输出到电机控制器或发动机油门控制系统，从而锁定电机控制器或发动机油门控制系统，保障飞行的安全。

III)倾角传感器
倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为"固体摆"式、"液体摆"式、"气体摆"三种倾角传感器，倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。

倾角传感器是飞控系统自稳模式的主要部件。

用于保障飞行器的平稳飞行。

其基本原理就是把倾角传感器的测量值变换为电信号传输到飞控系统，经过
飞控系统进行计算并进行补偿后把指令输出到舵机控制系统，使飞行器进行平稳的飞行，辅助保障飞行的安全。

IV)加速度传感器
加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。

加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。

加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。

加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。

另一种就是线加速度计。

V)风速传感器
风速传感器是可连续监测上述目标地点的风速、风量(风量=风速x横截面积)大小，能够对所处地方的风速风量进行实时显示，是飞行器起飞前风速安全参数测量的仪表。

VI)高度传感器
高度传感器，又称压力传感器，是用于航空电子设备，引擎和飞行测试，流量和压力测量的仪器。

其原理是测得滑臂与基准线的夹角的大小来换算出相应的熨平板的高度。

这种方法为接触式测量。

VII)距离传感器
距离传感器是利用“飞行时间法”（flying time）的原理来实现测距离，以检测物体的距离的一种传感器。

飞行时间法”（flying time）是通过发射特别短的光脉冲，并测量此光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，通过测时间间隔来计算与物体之间的距离。

VIII)方向传感器
方向传感器是指安装在飞行器上用以检测飞行器本身处于何种方向状态的部件,而不是通常理解的指南针的功能。

方向传感器（方向感应器）通过对力敏感的传感器，感受飞行器在变换姿势时，重心的变化，从而使飞行器依据重心的变化计算出水平方向。

重力感应技术:利用压电效应实现，简单来说是是测量内部一片重物(重物和压电片做成一体)重力正交两个方向的分力大小，来判定水平方向。

IX)电流传感器
为了自动检测和显示电流，并在过流、过压等危害情况发生时具有自动保护功能和更高级的智能控制，具有传感检测、传感采样、传感保护的电源技术渐成趋势，检测电流或电压的传感器便应运而生。

电流传感器是用来测量飞行器电机或关键耗电设备的电流测试部件，并对关键部件进行电流阀值设定，用以电路自动保护或电机过度损耗。

X)光流传感器
光流是一种简单实用的图像运动的表达方式，通常定义为一个图像序列中的图像亮度模式的表观运动，即空间物体表面上的点的运动速度在视觉传感器的成像平面上的表达。

光流的研究是利用图像序列中的像素强度数据的时域变化和相关性来确定各自像素位置的"运动"，即研究图像灰度在时间上的变化与景象中物体结构及其运动的关系。

然而，在实际应用中，由于遮挡性、多光源、透明性和噪声等原因，使得光流场基本方程的灰度守恒假设条件不能满足，不能求解出正确的光流场，同时大多数的光流计算方法相当复杂，计算量巨大，不能满足实时的要求，因此，一般不被对精度和实时性要求比较高的飞行器系统所采用。

功能如图2.2所示。

图2.2
2.3飞行器自动稳定控制系统
飞行器自动稳定控制系统包括姿态控制，姿态控制是指由飞行器通过IMU姿态结算后进行PID控制，实现自身最小化倾斜；自稳功能又利用陀螺仪功能对飞行器的水平倾角进行水平计算，然后进行补偿；飞行器在飞行中利用自动稳定系统对飞行器的飞行姿态进行最小化倾斜控制，从而实现飞行器自身稳定。

2.4航向偏离控制系统
航向偏离控制系统主要包含航向陀螺仪（directional gyroscope），利用陀螺特性测量飞行器航向的飞行仪表。

陀螺转子高速旋转时，其旋转轴具有方向稳定不变的特性。

因此方位陀螺仪在飞行器转弯时，虽然仪表壳体随着飞行器转向，但陀螺转子仍稳定在一定方位上，航向刻度指出了飞行器所转过的角度。

由于飞行器所在位置的地理北向随着地球自转和飞行器的运动而不断地相对于惯性空间转动，所以需随时修正陀螺自转轴的指向，才能正确地测量飞行器航向角。

2.5显示系统
飞行器的显示系统包括显示设备，显示设备包括：信息源，它包含有与飞行器及其环境有关的信息和相关传感器的反馈信息；信息处理装置，它能够根据从信息源发出的信息构成飞行器的环境图像，信息处理装置构成三维合成图像以便能够看得见飞行器的位置，以及飞行器通过的环境，特别是包括飞行器要飞越的地形；及显示装置，它包括至少一个显像屏，并在显像屏的至少一个区域上显示出合成图像，显示系统的特征在于：合成图像至少与另一显示有关的信息相一致；显示设备与能够实现其它显示的装置相链接，信息处理装置利用放大过的高度来建立合成图像上的地形表示，这个放大的高度对应于从信息源所接收到的实际地形的高度，它由数值范围基本上在显示设备的系数ｋ倍乘而得。

显示屏的的选择需要考虑的参数有显示屏自身所具有的参数，显示屏的扩展和显示屏所具有的兼容性。

功能如图2.5所示。

图2.5
2.6信号反馈控制系统
反馈控制系统一般是负反馈，组成闭环控制回路。

输入信号（指令信号、期望信号）与输出信号相减形成的误差信号对执行机构进行控制，信号最终都是由被控制的物理量转换为电压或电流信号。

一个反馈控制系统必须有四个最基本的环节，即控制对象、测量单元、调节
单元和执行机构。

控制对象是指所要控制的机器，设备或装置，而所要控制的运行参数则称为被控量。

控制对象也可称为被控对象。

测量单元的作用是，检查被控量的实际值，并把它转换成统一的标准信号，该信号称为被控量的测量值。

反馈控制系统的作用是设系统处于平衡状态时突然受到一个外部扰动，被控量将离开初始稳定值发生变化，测量单元将把被控量的实际值送至调节器，在调节器内部，被控量的给定值与测量值进行比较，得到偏差值e，调节器依据偏差值的大小和方向按照某种调节作用规律输出一个控制信号，通过执行机构改变流入控制对象的物质或能量流量，被控量朝着偏差减小的方向变化，这一信号又通过测量单元送至调节器，重复上述过程，最终使被控量又回到给定值或给定值附近，系统达到一个新的平衡状态。

当改变给定值时，系统的工作与上述过程类似。

2.7自动飞行控制系统
所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或生产过程的某个工作状态或参数自动的按照预定的规律运行。

这些外加的设备或装置称为自动控制装置，它们和控制对象一起形成自动控制系统。

自动飞行控制系统 flight control system 是指飞行器在飞行过程中，不依赖于驾驶员操纵驾驶杆和脚蹬指令，能够对飞行器的构形、飞行姿态和运动参数实施控制的系统。

该系统可用来保证飞行器的稳定性和操纵性、提高完成任务的能力与飞行品质、增强飞行的安全及减轻驾驶员负担。

自动飞行控制系统的作用是自动保持飞机沿三个轴的稳定（姿态稳定）；接受驾驶员指令，操纵飞机以达到希望的俯仰角、航向角、空速或升降速度等；接受驾驶员的设定，控制飞机按预定的高度、预定的航向飞行；与飞行管理计算机系统耦合，实现按预定飞行轨迹的飞行；与着陆系统（ILS）耦合，实现飞机的自动着陆（CATⅠ, Ⅱ, Ⅲ等）。

2.8自动导航系统
自动驾驶仪与导航系统交联，即构成自动导航系统。

导航系统通过总线或其他装置(如飞行管理计算机)将飞机当前的位置和航向偏差信号送入自动驾驶仪计算机，由自动驾驶仪计算机形成并输出控制指令，将飞机的位置和航向调整到并保持在预先给定的航线上飞行。

自动导航系统的用途是由飞行器GPS（全球卫星定位系统）接收机监测其当前位置并将数据跟用户自定义的目的地相比较、参照电子地图计算行驶路线，并实时将信息提供给飞行器驾驶者。

飞行器自动导航系统的工作过程如下：
I)定义目标数据信息
飞行器驾驶者可以在系统显示的电子地图上直接选取目标地点；或将目的地名称输入到系统中。

根据输入设备的不同，有不同的地名输入方法，依靠键盘或触摸屏可实现几乎全部的操纵功能。

为了便利，人们正在加紧开发应用语音识别技术的产品。

II)显示电子地图
存储在光盘或内置存储器(如硬盘)中的电子地图，是飞行器导航系统中至关重要的一部分。

电子地图的信息库包括地理、道路和飞行器管制区域等信息，并与地点对应存储了相关的经纬度信息。

当主机从GPS接收机得到经过筛选计算确定的当前点经纬度数值，然后通过与电子地图数据的对照，确定飞行器当前所在的地点。

一般来说，导航系统会将定义目的地时飞行器的当前位置默认为出发点，当目的地确定后，导航系统根据电子地图上存储的地图信息，自动计算出一条最佳的推荐路线。

有些系统中，用户还可以指定途中希望经过的地点，或者定义一定的路线选择逻辑(如不允许经过飞行限制区域、按照飞行路线最短的原则等)。

推荐的路线将以醒目的方式显示在屏幕地图中，同时屏幕上即时显示出飞行器的当前位置，以作为参照。

如果行驶过程中飞行器偏离了推荐的路线，系统会自动更
改原有路线并以飞行器当前点为出发点重新计算最佳路线，并将修正后的路线作为新的推荐路线。

3.测试机飞控所需扩充系统功能
测试机飞控所需的功能包括自动避障功能、语音播报功能、物联网系统和摄录系统。

功能如图3-1所示。

图3-1
3.1自动避障系统
自动避障系统利用测距模块测得前方障碍物的距离，采用捕获中断方式测得发射信号发送的边沿跳变信号与经障碍物反射回来的反射信号边沿跳变信号，做差换算得到测距模块与障碍物的距离。

主流的飞行器避障系统主要有三种，分别是超声波、TOF，以及相对更复杂的，由多种测距方法和视觉图像处理组成的复合型方法。

I)超声波避障系统
超声波是最简单的测距系统，当超声波遇到障碍的时候就会反射回来，避障系统的接收器根据接收到的信号强度，从而探测目标的距离，确定飞行路线。

在飞行器上安装定向的超声波发射和接收器，然后将其接入飞控系统。

但是，超声波在飞行器避障系统的应用中也有比较明显的干扰问题。

虽然超声波避障系统不会受到光线、粉尘、烟雾，但在部分场景下也会受到声波的干扰。