分系统组成与功能-多旋翼无人机组装调试与飞行实训

多旋翼无人机要想真正完成一项特定的任务，光有能在天空中自由飞行的旋翼机是永远不够的。除了需要旋翼机及其携带的任务设备外，还需要有地面控制设备、数据通信设备、维护设备，以及指挥控制及其必要的操作与维护人员等。因此，多旋翼无人机更应该被称为多旋翼无人机系统，它是一个高度智能化的闭环反馈控制系统。这一概念已得到航空业界、学术界和工程界的广泛认可。

一个完整的多旋翼无人机系统的组成如图1.2所示。这里，先从功能上对一些分系统概念进行相关解读，本书后续章节还有专门的实训安排。

（1）飞行平台

飞行平台提供多旋翼无人机的基本框架，包括机架、脚架和云台支撑结构等，如图1.3所示。飞行平台多选用材质轻和强度高的材料，一般可成套采购。主要功能如下所述：

①为电机、电调、飞控等设备提供安装接口；

②平台自身稳定坚固，电机在转动过程中不易损坏其他设备；

③脚架为缓冲装置，保障起飞和降落安全；

④保证足够低的自重，为控制和任务设备提供更多的载荷余量；

图1.2　多旋翼无人机功能系统

⑤提供相应的防护装置，保障飞行器本身和操作人员的安全，减少不必要的损失。

图1.3　多旋翼飞行平台

（2）动力系统

动力系统的主要功能是为多旋翼无人机飞行提供动力，分为油动和电动两种方式。油动主要应用于中、大型多旋翼无人机系统，小型民用多旋翼无人机系统则通常采用电动动力系统，其组成包括电池、电调、电机、螺旋桨等，如图1.4所示。

图1.4　多旋翼电动动力系统

①电池：为所有设备提供能源，目前多旋翼无人机大多采用聚合物锂电池，部分使用18650电池。

②电调：全称为电子调速器（Electronic Speed Controller，ESC），功能是根据飞控提供的控制信号，将电池的直流输入转变为一定频率的交流输出，驱动无刷电机运行，控制并调节电机转速。

③电机和螺旋桨：电机负责将电能转化为机械能，驱动螺旋桨旋转，获得多旋翼飞行所必需的空气动力。

（3）导航与控制系统

无人机系统指挥控制中心，用来保障多旋翼无人机稳定地沿要求航线飞行，以便到达预定的任务区域；同时，无人机上传输过来的图像、飞行状态参数及遥测数据等在此进行处理与显示。无人机系统指挥控制中心分为导航子系统和控制子系统两部分，控制子系统又分为机载飞行控制系统和地面控制系统。

1）导航子系统

导航子系统被称为无人机的“眼睛”，向无人机提供参考坐标系的位置、速度和飞行姿态，引导无人机按照指定航线飞行，相当于有人机中的领航员。目前，民用多旋翼的机载导航系统主要采用“GPS+磁罗盘”或“GPS+惯导”等方式。GPS用来测量多旋翼当前的经纬度、高度、航迹和地速等信息，磁罗盘用来测量飞机当前的航向。图1.5所示为当前应用最广泛的大疆GPS指南针模块。

2）机载飞行控制系统

机载飞行控制系统简称飞控或自动驾驶仪，是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统，相当于有人机系统中的驾驶员。其主要组成部分包括主控单元、IMU（惯性测量单元）、气压计和超声波测量模块、LED指示灯模块、PMU（电源管理）模块、IOSD数据记忆模块和各种接口等，如图1.6所示。

图1.5　大疆GPS指南针模块(www.xing528.com)

图1.6　机载飞控系统结构与功能

主控是整个机载飞行控制系统的核心，它将IMU、GPS指南针、舵机和遥控接收机等设备接入飞行控制系统，并通过高效的控制算法，精准地感应并计算出飞行器的飞行姿态等数据，实现飞行器的精准定位悬停和自主平稳飞行，进而实现其他所有功能。

3）地面控制系统

地面控制系统也称地面站（UAV Ground Control Station，GCS）或任务规划与控制站。最通俗的理解是将有人机的驾驶舱搬到地面。所以，地面控制系统是整个无人机系统的控制中心。典型地面站软件界面如图1.7所示，主要功能包括：

①利用地面站软件预先规划好飞行航迹，并对航程点属性进行设置；

图1.7　典型地面站软件界面

②通过鼠标、键盘、按钮和操控手柄等外设以及地面站软件等，与多旋翼无人机进行交互，对飞行过程中飞行状况进行实时监控和修改任务设置以干预其飞行；

③遥测数据及图传信息实时显示；

④任务完成后还可以对任务的执行记录进行回放分析。

（4）数据链路

数据链可理解为放风筝的“线”。它在无人机系统中承担的任务包括遥控、遥测、测距、测角和信息传输。

（1）上行链路与下行链路

①上行链路：用于实现对无人机的遥控，即由地面站对飞行器及机载设备进行指令控制，也称指挥链路；

②下行链路：用于执行遥测数据及图像信息传输功能，即由地面站接收描述无人机状态信息的遥测参数（距离、方向、姿态角等）和任务传感器信息（侦察图像等）。

图1.8　多旋翼视距内操纵

（2）分离测控链路

出于节约成本的考虑，目前小型民用多旋翼无人机系统大多使用单一功能链路，即所谓的分离测控体制，其基本通信链路包括以下3条：

①RC（Radio Control）遥控器和机上遥控接收机构成的上行单向链路，多用于视距内控制飞机，如图1.8所示。无线电频段采用72 MHz、433 MHz、2.4 GHz，主流2.4 GHz。进入网络化时代后，遥控器会慢慢被平板、手机等控制单元所取代。

②数传链路，由便携式工控机或笔记本电脑连接的数传地面模块和飞机上的机载数传模块构成双向链路，多用于超视距飞行。无线电频段采用900 MHz或2.4 GHz，常见的以900 MHz频段居多，传输速率在300～19 200 bit/s，发射功率在几瓦到数十瓦之间。

数传电台通常借助无线电和DSP技术，采用数字信号处理（调制解调）方式，具备前向纠错等功能。其一端接入计算机（地面站软件），另一端接入多旋翼无人机自驾仪，采用一定通信协议，保持自驾仪与地面站的双向通信，典型组成及连接关系如图1.9所示。

图1.9　数传电台及其与多旋翼无人机之间的连接关系

③图传链路，即飞机向地面站发送图像的下行单向链路，用于监控摄像头的方向和效果。无线电频段采用1.2 GHz、2.4 GHz、5.8 GHz，主流是2.4 GHz和5.8 GHz，中高端的价格比较贵，低端的有效距离短，画面延迟严重。