无人机飞控系统和航拍系统设计合集
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2. 系统设计原则
无人机系统应首先具备完整的惯性系统和定位系统，其次应当具有完备的飞行 任务管理功能。为了增强飞行控制功能，应当保证不同飞行指令下的多模式的 飞行控制能力，以便在人机交互的同时对飞机的稳定进行控制，
进行系统设计时，应当遵循在保证性能的同时尽量减小系统重量和缩小体 积，硬件电路设计力求简捷和直接。要求性能与成本兼顾，并保证系统的可靠 性。
无人机飞控系统和航拍系统设计合集
0kg 级的无人机上，飞行控制系统多采用 PC104 计算机结构或基于单片机两种分立式方案，重量重，体积大，集成化能 力差。无人机的飞行控制主要采取两种形式：第一种是采取预先编制的控制程 序，来自动控制飞行；第二种是由设置在地面、空中或舰船上的遥控指挥站来 指挥。本文要给出了一种基于 DSP 集成式结构的小型智能型无人机导航飞控设 计方案，将两种控制方式进行了有机结合，并已应用于某小型无人机上。经过 试验，证明了该方法的可行性，为今后小型化、低成本无人机自动驾驶仪的设 计提供了一种新的思路。
控制命令的发送、定位数据的处理； 2） 导航 DSP 计算机进行航迹控制系统控制量的计算； 3） 在导航控制量计算的同时，需要利用机载传感器进行航程推算（DR）； 4） 为了减少风场干扰，需要对风场进行估计（WE），并利用估计的风场
进行航位修正； 5） 导航模式的调度，包括导航任务规划、多种导航模式相互间的切换； 6） 导航 DSP 计算机与飞行控制 DSP 计算机数据通讯。
工操纵飞行； 6） 多点程序控制的全航向飞行自主控制； 7） 航迹自主控制和组合导航控制； 8） 应急控制：测控通讯信号中断后，在规定的时间内通讯仍不能恢复，自
动飞 到预定高度盘旋待机；如一段时间后通讯仍不能恢复，则返回预定 的空域盘 旋待机； 9） 起飞与回收控制； 10） 机载测控与信息传输系统能传递飞机状态、仪器设备工作状态、发动机 工作状态、机载电源状态等遥测数据信息。
飞控/导航系统分为飞控/导航组合、空速管、驱动信号放大器、伺服舵机四 部分。飞控/导航组合以两个协调工作的微型 DSP 计算机 MP 和 FP 为核心，MP 计算机用于导航和任务控制以及与地面控制站的通讯；FP 飞行控制计算机用于 飞机的飞行控制和增稳控制；另有一 DSP 处理器专门负责 GPS 信息的接收。舵 机的控制由飞控 DSP 采用 PWM（脉宽调制）波来实现，因为 PWM 波控制方 案适用于对各种脉宽信号控制的扭矩舵机进行控制。三个 DSP 计算机与系统传 感器集成为一体。
无人机导航与飞控的关系如图 3 所示。
5. 软件设计方案
5.1 导航控制的设计 利用 Tornado C 编程环境研制导航定位系统应用软件。运行于抢占式多任
务环境，实时性强。
驾驶仪 自主导航
自动 驾驶仪
基本 控制器
风场 舵机
阻尼器
传感器
图 3 无人机导航飞控关系框图
定位与导航软件主要完成以下功能： 1） 解码 DSP 计算机与 GPS 数据之间的通讯，包括定位数据的接收，GPS
（DSP 计算机）
无线电定位系统
副翼 方向舵
舵机 执行机构
其中 GPS/GLONASS 接收模块选用微小型接收装置；机载姿态传感器选用 贴片式芯片；为了保证自主导航飞行时航向的精度，除了选取航向传感器外， 还应用了一个光纤陀螺；无线电接收系统指的是无线电定位及与地面站（GCS） 通讯时数据链路的机载接收装置；机载计算机包括 3 个 DSP 处理器：GPS 接收 解码 DSP，导航 DSP 和飞控 DSP；舵机选用 Futaba 专用舵机。整个飞控导航系 统体积仅为 180×120×70 mm，总重量不超过 1.5kg（包含安装壳体）
3. 系统结构介绍
整个无人机系统由 GPS/GLONASS 接收天线及接收机、机载传感器、无线
电接收系统、DSP 机载计算机以及执行机构五部分组成。系统功能结构模块如 图 1 所示。
天线
GPS/GLONASS 图 1 无人机功能结构简图
接收机
定位与导航
机载高度，空速航
控制计算机
向，姿态角传感器
硬件平台
自动驾驶 发动机控制 起降控制
镜头控制
爬升/俯冲
水平/侧向 飞行
直线/盘旋 飞行
4. 飞行控制与管理
飞行控制与管理包括以下功能： 1） 姿态角的稳定控制。包括俯仰角稳定与控制、倾斜角稳定与控制、航向
角稳定与控制； 2）高度控制。飞行过程在巡航阶段需要进行高度稳定与控制； 3） 飞行轨迹控制。采用偏航角与偏航距进行航迹的跟踪控制； 4） 发动机状态控制（风门控制）； 5） 人工遥控。系统能够从完全自主程控状态下切换到飞行过程中所需的人
飞行控制系统主要是实现高度、航向、发动机油门的控制以及无人机姿态 的稳定，同时为了便于控制的灵活性，本系统还设置了一个手遥控制和程序自 主控制的切换模块，用遥控或程控方式指挥无人机完成预期的作业任务。
飞控系统软件功能顶层设计框图和决策控制关系如图 5，图 6 所示：
决策控制子系统
飞行状态 决策
手动驾驶
定位与导航系统软件
定位
GPS 定位及坐标 转换
无线电坐标定位 信息处理
航程推算
组合定位算法
导航与控制
传感器信息融合 模
拟
航迹控制与
飞行数据获取
飞
行
导航
仿
真
导程推算导航
飞行数据估计
风场估计
故障诊断
任务规划
融合算法
图 4 定位与导航系统软件框图
自动航迹控制和组合导航功能设计是本无人机智能化的一个重要体现。无 人机导航时采用三种组合导航的方式来互相弥补。一般来说，由于 GPS 定位精 度较高所以作为优先选用的对象。然而，众所周知，GPS 受制于美国政府不能 作为战时的唯一导航资源，因此需采用航程推算、无线电定位和 GPS 组合的方 式来实现无人机的导航。利用故障检测和程序控制实现三种组合导航方式的自 动转换；在正常情况下采用 GPS/航程推算组合导航方式，当 GPS 受干扰或出 现故障时，根据具体情况转换到其它两种方式中的任何一种。最后在建立了无 人机的运动学数学模型的基础上，对导航数据进行卡尔曼滤波，从而提高了无 人机的导航精度。 5.2 飞控系统的设计
无人机系统应首先具备完整的惯性系统和定位系统，其次应当具有完备的飞行 任务管理功能。为了增强飞行控制功能，应当保证不同飞行指令下的多模式的 飞行控制能力，以便在人机交互的同时对飞机的稳定进行控制，
进行系统设计时，应当遵循在保证性能的同时尽量减小系统重量和缩小体 积，硬件电路设计力求简捷和直接。要求性能与成本兼顾，并保证系统的可靠 性。
无人机飞控系统和航拍系统设计合集
0kg 级的无人机上，飞行控制系统多采用 PC104 计算机结构或基于单片机两种分立式方案，重量重，体积大，集成化能 力差。无人机的飞行控制主要采取两种形式：第一种是采取预先编制的控制程 序，来自动控制飞行；第二种是由设置在地面、空中或舰船上的遥控指挥站来 指挥。本文要给出了一种基于 DSP 集成式结构的小型智能型无人机导航飞控设 计方案，将两种控制方式进行了有机结合，并已应用于某小型无人机上。经过 试验，证明了该方法的可行性，为今后小型化、低成本无人机自动驾驶仪的设 计提供了一种新的思路。
控制命令的发送、定位数据的处理； 2） 导航 DSP 计算机进行航迹控制系统控制量的计算； 3） 在导航控制量计算的同时，需要利用机载传感器进行航程推算（DR）； 4） 为了减少风场干扰，需要对风场进行估计（WE），并利用估计的风场
进行航位修正； 5） 导航模式的调度，包括导航任务规划、多种导航模式相互间的切换； 6） 导航 DSP 计算机与飞行控制 DSP 计算机数据通讯。
工操纵飞行； 6） 多点程序控制的全航向飞行自主控制； 7） 航迹自主控制和组合导航控制； 8） 应急控制：测控通讯信号中断后，在规定的时间内通讯仍不能恢复，自
动飞 到预定高度盘旋待机；如一段时间后通讯仍不能恢复，则返回预定 的空域盘 旋待机； 9） 起飞与回收控制； 10） 机载测控与信息传输系统能传递飞机状态、仪器设备工作状态、发动机 工作状态、机载电源状态等遥测数据信息。
飞控/导航系统分为飞控/导航组合、空速管、驱动信号放大器、伺服舵机四 部分。飞控/导航组合以两个协调工作的微型 DSP 计算机 MP 和 FP 为核心，MP 计算机用于导航和任务控制以及与地面控制站的通讯；FP 飞行控制计算机用于 飞机的飞行控制和增稳控制；另有一 DSP 处理器专门负责 GPS 信息的接收。舵 机的控制由飞控 DSP 采用 PWM（脉宽调制）波来实现，因为 PWM 波控制方 案适用于对各种脉宽信号控制的扭矩舵机进行控制。三个 DSP 计算机与系统传 感器集成为一体。
无人机导航与飞控的关系如图 3 所示。
5. 软件设计方案
5.1 导航控制的设计 利用 Tornado C 编程环境研制导航定位系统应用软件。运行于抢占式多任
务环境，实时性强。
驾驶仪 自主导航
自动 驾驶仪
基本 控制器
风场 舵机
阻尼器
传感器
图 3 无人机导航飞控关系框图
定位与导航软件主要完成以下功能： 1） 解码 DSP 计算机与 GPS 数据之间的通讯，包括定位数据的接收，GPS
（DSP 计算机）
无线电定位系统
副翼 方向舵
舵机 执行机构
其中 GPS/GLONASS 接收模块选用微小型接收装置；机载姿态传感器选用 贴片式芯片；为了保证自主导航飞行时航向的精度，除了选取航向传感器外， 还应用了一个光纤陀螺；无线电接收系统指的是无线电定位及与地面站（GCS） 通讯时数据链路的机载接收装置；机载计算机包括 3 个 DSP 处理器：GPS 接收 解码 DSP，导航 DSP 和飞控 DSP；舵机选用 Futaba 专用舵机。整个飞控导航系 统体积仅为 180×120×70 mm，总重量不超过 1.5kg（包含安装壳体）
3. 系统结构介绍
整个无人机系统由 GPS/GLONASS 接收天线及接收机、机载传感器、无线
电接收系统、DSP 机载计算机以及执行机构五部分组成。系统功能结构模块如 图 1 所示。
天线
GPS/GLONASS 图 1 无人机功能结构简图
接收机
定位与导航
机载高度，空速航
控制计算机
向，姿态角传感器
硬件平台
自动驾驶 发动机控制 起降控制
镜头控制
爬升/俯冲
水平/侧向 飞行
直线/盘旋 飞行
4. 飞行控制与管理
飞行控制与管理包括以下功能： 1） 姿态角的稳定控制。包括俯仰角稳定与控制、倾斜角稳定与控制、航向
角稳定与控制； 2）高度控制。飞行过程在巡航阶段需要进行高度稳定与控制； 3） 飞行轨迹控制。采用偏航角与偏航距进行航迹的跟踪控制； 4） 发动机状态控制（风门控制）； 5） 人工遥控。系统能够从完全自主程控状态下切换到飞行过程中所需的人
飞行控制系统主要是实现高度、航向、发动机油门的控制以及无人机姿态 的稳定，同时为了便于控制的灵活性，本系统还设置了一个手遥控制和程序自 主控制的切换模块，用遥控或程控方式指挥无人机完成预期的作业任务。
飞控系统软件功能顶层设计框图和决策控制关系如图 5，图 6 所示：
决策控制子系统
飞行状态 决策
手动驾驶
定位与导航系统软件
定位
GPS 定位及坐标 转换
无线电坐标定位 信息处理
航程推算
组合定位算法
导航与控制
传感器信息融合 模
拟
航迹控制与
飞行数据获取
飞
行
导航
仿
真
导程推算导航
飞行数据估计
风场估计
故障诊断
任务规划
融合算法
图 4 定位与导航系统软件框图
自动航迹控制和组合导航功能设计是本无人机智能化的一个重要体现。无 人机导航时采用三种组合导航的方式来互相弥补。一般来说，由于 GPS 定位精 度较高所以作为优先选用的对象。然而，众所周知，GPS 受制于美国政府不能 作为战时的唯一导航资源，因此需采用航程推算、无线电定位和 GPS 组合的方 式来实现无人机的导航。利用故障检测和程序控制实现三种组合导航方式的自 动转换；在正常情况下采用 GPS/航程推算组合导航方式，当 GPS 受干扰或出 现故障时，根据具体情况转换到其它两种方式中的任何一种。最后在建立了无 人机的运动学数学模型的基础上，对导航数据进行卡尔曼滤波，从而提高了无 人机的导航精度。 5.2 飞控系统的设计