无人机控制系统介绍-修订编选

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1、控制科学与工程专业选修课 无人机控制系统 无人控制系统介绍 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 空间控制空间控制与惯性技术与惯性技术研究中心研究中心 伊伊国兴国兴 本节课教学内容本节课教学内容 无人机控制系统的必要性无人机控制系统的必要性 1 无人机控制系统指标与结构 2 控制系统主要组成部分介绍 3 飞行控制系统简介 4 1 1 无人机控制系统的必要性无人机控制系统的必要性 1.1 无人机及无人机系统定义 无人机：无人机：不载有操作人员、利用空气动力起飞、 可以自主飞行或遥控驾驶、可以一次使用也可以 回收使用的、携有致命或非致命有效载荷的飞行 器。 无人机系统：无人机系统：是指一架无人机、相关的遥

2、控站、 所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计 规定的任何其他部件组成的系统。 1 1 无人机控制系统的必要性无人机控制系统的必要性 1.2 无人机系统组成 飞行器飞行器 控制站控制站 通讯链路通讯链路 有效有效载荷载荷 飞行平台 动力装置 导航飞控 电气系统 电源系统 显示系统 接口系统 操纵系统 软件系统 图像传输 数字传输 机载系统 地面系统 通讯设备 图像设备 武器系统 其他设备 1 1 无人机控制系统的必要性无人机控制系统的必要性 1.2.1 控制站 通常是地面或机载、舰载，是飞行操控中心，实 现人机交互，通常也是任务规划中心。 通过上行通信链路发送指令，控制飞行，操控所 携带的

3、各种任务载荷。 通过下行通信链路，飞机回传信息和图像。包括 载荷数据、机上各分系统的状态信息、位置信息 等。同时控制发射与回收。 控制站与外界通讯完成获得天气信息、个系统间 的网络信息传输，接收任务，汇报信息等。 1 1 无人机控制系统的必要性无人机控制系统的必要性 1.2.2 任务载荷 作为无人机的组成部分完成特定任务的设备。 非消耗型任务载荷 光电系统、雷达系统、激光目标指示、污染监测、 公共宣传系统、无线电中继系统、电子情报、雷达 欺骗、磁异常检测 消耗型任务载荷（植保系统、灭火系统、救生、 武器） 1 1 无人机控制系统的必要性无人机控制系统的必要性 1.2.3 导航系统 惯性导航（I

4、NS） 卫星导航（GPS、北斗） 组合导航 后备导航手段 雷达跟踪 无线电跟踪 直接估计 1 1 无人机控制系统的必要性无人机控制系统的必要性 1.2.4 通信链路 上行 发送飞行路径数据并储存 人在回路时，实时发送飞行控制指令 发送控制命令至机载任务载荷和附属设备 发送相关位置更新信息到惯导/自动飞行控制系统 下行 发送有关飞机的位置信息到控制站 发送任务载荷图像和数据到控制站 发送飞机状态信息 1.3 无人机自主能力分级 美国公布的无人机自主能力分级图美国公布的无人机自主能力分级图 1 1 无人机控制系统的必要性无人机控制系统的必要性 1 1 无人机控制系统的必要性无人机控制系统的必要性

5、1.3 无人机自主能力分级 无人机控制系统的能力决定了无人机自主能力。无人机控制系统的能力决定了无人机自主能力。 制约无人机达到高级别自制约无人机达到高级别自 主能力的因素：主能力的因素： 计算机技术（运算速度） 通信技术（带宽和速度） 人工智能技术（认知能 力、理论模型和计算方 法等） 1 1 无人机控制系统的必要性无人机控制系统的必要性 飞控系统是无人机系统的核心组成部分，其性能 直接影响着无人机的飞行性能和飞行品质，直接 关系到无人机的飞行安全。 动力学建模、模型简化、控制律设计及实现、干 扰观测器设计、控制律评估与确认、半物理仿真 与飞行试验 1.4 无人机控制的作用与关键技术 1 1

6、 无人机控制系统的必要性无人机控制系统的必要性 无人机建模技术 机理建模（空气动力学、飞行力学） 系统辨识建模 在模型精度和控制系统设计上折中 飞行控制技术 经典控制理论（时域响应、根轨迹、频率响应） 现代控制理论（动态逆控制、鲁棒控制、自适应控制、滑膜 控制、智能控制） 飞行控制律确认与评估技术 一方面要针对不同的飞机构型、任务、飞行状态及指标要求 设计出符合多准则的控制律 另一方面要采用有效的分析方法证明这些操稳性能及飞行品 质在气动参数、结构参数及传感系统存在不确定的条件下仍 具有令人满意的鲁棒性 1.4 无人机控制的作用与关键技术 1 1 无人机控制系统的必要性无人机控制系统的必要性

7、1912，斯佩里父子研制第一套自动驾驶仪，用于保持飞机 平飞是的俯仰角和滚转角的稳定。 二战期间美国研制C-1电气式自驾仪，实现飞机三轴姿态 稳定 二战后期，德国V1、V2自驾仪实现飞行轨迹控制 二战后，C-54实现起飞到着陆的全程自动化 50-60年代，随着飞机各项性能的提升和新的气动结构的采 用，飞行控制主要目的是改善飞行性能和品质，发展形成 自动飞行控制系统（AFCS，Automatic Flight Control System） 1.5 无人机控制演化 1 1 无人机控制系统的必要性无人机控制系统的必要性 70-90年代 随控布局(CCV, Control Configured Ve

8、hicle)是指随着控制 系统来进行飞机总体布局。 主动控制(AC, Active Control)：飞机总体设计阶段主动地 将自动控制系统与气动布局、结构、动力装置等结合在 一起进行综合的设计，从而全面地提高飞机的飞行性能 并改善飞行品质。（基本设计技术主动控制技术） 放宽静稳定性飞，机本身可能是静不稳定或临界稳定、 传感器及电传操控师实现主动控制的重要基础、由于采 用多操纵面布局和控制分配使得控制律复杂 1.5 无人机控制演化 1 1 无人机控制系统的必要性无人机控制系统的必要性 1.5 无人机控制演化 基本设计 主动控制设计 主要考虑空气动力、结构和发动机 三大因素（折衷） 飞机本身稳定

9、 飞控系统处于被动地位控制系统是 后来加到飞机上的，对飞机的结构 没有直接影响 限制了飞机性能提高 设什初始阶段就考虑了飞行控制系 统对总体设计的影响 把控制系统提到和气动力、结构、 动力装置并驾齐驱的地位，布局设 计之初就把控制技术与基本的三大 技术同时考虑 对自动控制系统的可靠性要求很高， 易出事故 1 1 无人机控制系统的必要性无人机控制系统的必要性 90年代后，随控制技术发展出现自修复飞 行控制、主动安全、健康管理、超机动飞 行(随控飞行) 战术任务飞行管理系统 防空体系愈来愈复杂、功能愈来愈强大，导 致作战环境日益严酷。面对日益复杂的作战 态势，飞行员难以承担如此繁重的人工管理 和决

10、策。 态势感知和评估、在线任务规划、任务调度 与分配、管理控制 无人自主飞行控制 数字飞行控制系统取代模拟式飞行控制系 统 1.5 无人机控制演化 本节课教学内容本节课教学内容 无人机控制系统的必要性 1 无人机无人机控制系统指标与结构控制系统指标与结构 2 控制系统主要组成部分介绍 3 飞行控制系统简介 4 2 2 无人机无人机控制系统指标与结构控制系统指标与结构 上载荷舱副油箱 天线 发动机 控制舵面 涵道螺旋桨支撑梁 涵道 减振梁起落架 下载荷舱 导流片 机体中舱 主油箱 悬停 巡航飞行 高速飞行 2.1 涵道旋翼无人机 2 2 无人机无人机控制系统指标与结构控制系统指标与结构 2.1

11、涵道旋翼无人机 功能 快速部署的低成本无人通信中继平台 体积小、重量轻，便于多种形式的运输 操控简捷，利于快速部署 适应多种战场环境，抗风扰能力强 具备垂直起降功能，适合复杂地形部署 机动能力强，指控作用距离长 具备高精度巡航和定位悬停功能 多种控制模式，具备自主飞行能力 2 2 无人机无人机控制系统指标与结构控制系统指标与结构 2.1 涵道旋翼无人机 技术指标 航线精度：50m 着陆精度：5m 作战半径：10km 续航时间：60min 最大飞行速度：70km/h 最高飞行高度：1300m 任务载荷：20kg 指挥作用距离：10km 抗风能力：12m/s 2 2 无人机无人机控制系统指标与结构

12、控制系统指标与结构 高度传感器 图像数据处理 姿态数据处理 发动机油门 伺服舵机1 伺服舵机2 伺服舵机3 数 据 库 传传 感感 器器 单单 元元 执执 行行 器器 单单 元元 数数 据据 处处 理理 单单 元元 任务规划单元任务规划单元 人 机 界 面 任 务 分 配 轨 迹 规 划 辅助控制单元辅助控制单元 无线数据传输单元无线数据传输单元 姿态控制 飞行控制 抗干扰控制 起降控制 主控制单元主控制单元 转速传感器 风速传感器 温度传感器 IMU模块 GPS模块 伺服舵机4 摄像头 传感器数据处理 手动辅助控制 视觉辅助控制 涵 道 式 旋 翼 无 人 飞 行 器 地 面 指 挥 系 统

13、 机 载 控 制 系 统 整体结构设计整体结构设计 控制单元 传感器单元 执行器单元 数据处理单元 数据传输单元 任务规划单元 辅助控制单元 涵道旋翼无人机控制系统结构 惯性单元 磁阻传感器 气压传感器 空速传感器 GPS接收器 超声测距模块 无线传输单元 主控制器主控制器 发动机 伺服舵机1 伺服舵机2 伺服舵机3 伺服舵机4 地面控制平台视频采集单元 2 2 无人机无人机控制系统指标与结构控制系统指标与结构 2 2 无人机无人机控制系统指标与结构控制系统指标与结构 2.2 六旋翼无人机 2 2 无人机无人机控制系统指标与结构控制系统指标与结构 2.2 六旋翼无人机 功能 空中悬停、定位功能

14、 预设航线飞行 遥控飞行和自主切换功能 远程数据传输及飞行状态监测 视觉识别和无人机凝伺服功能 地面站飞行 系统故障预警功能 2 2 无人机无人机控制系统指标与结构控制系统指标与结构 2.2 六旋翼无人机 技术指标 最大飞行速度60km/h； 最大飞行高度500m； 悬停姿态精度1deg； 定位精度0.3m； 飞行姿态控制系统带宽8Hz； 最大目标跟踪速度30km/h； 2 2 无人机控制系统指标与结构无人机控制系统指标与结构 STM32f407 Xbee 通讯模块 无线接收机 UART I2C 主处理器 三轴MEMS陀螺仪 DSP三轴MEMS加速度计 三轴磁阻传感器 MTI姿态模块 图像传输

15、系 统发射机 云台控制器 摄像头 超声测距 气压计 GPS 光流传感器 地面站 Xbee 通讯模块 计算机 控制手柄 图像传输系统 接收机 遥控器 PWM PWM PWM PWM PWM PWM 电机调速器 电机调速器 电机调速器 电机调速器 电机1 电机2 电机3 电机4 电机调速器 电机调速器 电机5 电机6 UART UART PWM UART PWM AV 5.8GHz 2.4GHz 2.4GHz UART 机载部分 E2PROM I2C Gopro运动相机和无刷云台 图传发射机 AV视频线无线传输 图传接收机 视频采集卡 本节课教学内容本节课教学内容 无人机控制系统的必要性 1 无人机控制系统指标与结构 2 控制系统关键部件控制系统关键部件 3 飞行控制系统简介 4 3 3 控制系统关键部件控制系统关键部件 3.1 自动驾驶仪 自动驾驶仪（Autopilot），是按技术要求自动控制 飞行器轨迹的调节设备，其作用主要是保持飞机姿 态和完成规定的飞行任务。 自动驾驶仪是模仿驾驶员的动作驾驶无人机的。 3 3 控制系统关键部件控制系统关键部件 内置传感器：三轴角速率陀螺 、三轴加速度计、 三轴磁力计、双嘴空速传感器、气压高度计、 GPS接收机、温度传感器。 输入/输出接口：PWM输入、PWM输出、电源监 视、ADC 数据交换接口