系统组成：驾驶员操纵、无人机闭环控制和机载传感器的重要性

图4.1　有人机驾驶员与座舱

首先，思考一下有人机的飞行员是如何驾驶飞机的，如图4.1所示。飞行员的任务可描述为：在观察飞行仪表上各种状态参数（俯仰角、偏航角、滚转角、温度、速度、压力等）的同时，判断飞机的飞行姿态是否正确，飞行功能是否正常；通过控制操纵杆使飞机稳定在其三轴（俯仰、偏航、滚转）上，确保飞机以一定的飞行高度、速度和航向，并按照相对于地面的某种轨迹飞行。其工作过程如图4.2所示。

从图4.2可以看出，这是一个典型的闭环反馈系统，图中虚线框表示驾驶员，如果用自动驾驶仪来代替驾驶员控制飞机，则无人机中的自动驾驶仪必须包括与虚线框内3个部分相应的装置，并与无人机组成一个闭环反馈系统，如图4.3所示。

图4.2　驾驶员操纵飞机过程图示

图4.3　无人机闭环控制系统

（1）机载传感器

传感器是一种敏感测量装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。其核心含义是采集相关物理量并将其变成电信号，如图4.4所示。

图4.4　传感器基本原理

无人机上的传感器也称机载测量装置，主要作用是测定飞机的姿态和位置，而位置又和高度、速度和航向等有关，故传感器有多种类型，分别承担不同的任务。多旋翼无人机中经常用到的传感器有陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计和GPS位置传感器等，这些传感器构成多旋翼导航飞控系统设计的基础。

1）陀螺仪

陀螺是我们小时候最酷爱的玩具之一，在不转动的情况下它很难站在地面上，一旦高速旋转起来，即使地面是斜的，也会保持垂直旋转，这就是陀螺的“定轴性”或称“稳定性”；同时，陀螺还具有“进动性”，即高速旋转的陀螺受到外力的作用时，会在自转的同时沿另一个固定轴不停转动。这样，陀螺的自转轴和进动轴之间就形成了一个夹角，利用安装在陀螺仪上的电位计就可以测得这个夹角的大小和方向，从而确定姿态的变化。因此也有人将陀螺仪称为角速度计或姿态传感器，主要用来测量机体（固定翼或多旋翼）绕自身轴（俯仰轴、偏航轴、滚转轴）旋转的角速率，以构成角速率反馈，改善系统的阻尼特性，提高稳定性。

图4.5　传统机械式三轴陀螺仪

传统的机械陀螺仪是一个高速旋转的陀螺，通过3个灵活的轴将这个陀螺固定在一个框架中，如图4.5所示。无论外部框架怎么转动，中间高速旋转的陀螺始终保持一个姿态（定轴性），通过3个轴上的传感器就能够计算出外部框架旋转的度数等数据。

很显然，这样的机械陀螺仪是不可能应用到多旋翼无人机上的，好在还有MEMS陀螺仪。MEMS陀螺仪基于旋转物体在有径向运动时会受到切向力（哥氏力）的特点，采用振动物体传感角速度的概念，利用振动来诱导和探测哥氏力位而设计的。所以MEMS陀螺仪和机械陀螺仪在工作原理上是不同的，但这并不影响它们在功能上的一致，都是提供飞行时的平衡参数，而对多旋翼无人机而言即是机架与平面的关系。通过这些参数，飞控可以控制多旋翼无人机平稳飞行。

MEMS陀螺仪没有旋转部件，不需要轴承，可以用微机械加工技术大批量生产，因而其优势是成本低、体积小、质量轻，只有几克重，稳定性和精度都比机械陀螺高，已基本上取代了传统的机械陀螺仪在无人机中的应用。目前，常用的MEMS陀螺仪型号有6050A（Invensense）和ADXRS290（ADI）等，而衡量陀螺仪性能的指标则包括测量范围（量程）、灵敏度、稳定性（漂移）以及信噪比等。

2）加速度计

加速度计用来测量飞行器线加速度，并对测得的加速度进行一次和二次积分，以求得飞行器的运动速度与坐标（高度或距离）。图4.6所示的是一种弹簧-质量块式传统机械加速度计的工作示意图。从原理上说，加速度计利用的是一个“重力块”惯性，当传感器有动力时，重力块会对X、Y、Z 3个方向（前后、左右、上下，图中仅有一个方向）产生压力，再利用一种压电晶体，把这种压力转换成电信号，随着运动的变化，各方向压力不同，电信号也在变化，从而判断飞行器的加速度方向和大小。

目前，多旋翼无人机飞控中几乎全部采用的是基于MEMS技术的三轴加速度计。与机械式加速度计稍有不同的是，MEMS三轴加速度计采用压阻式、压电式或电容式工作原理，产生的比力（压力或位移）分别正比于电阻、电压和电容的变化，这些变化可以通过相应的放大和滤波电路进行采集，采集到的数据可以计算速率、方向，甚至是无人机高度的变化率。

对于任何一款无人机来说，加速度计都是一个非常重要的传感器，即使无人机处于静止状态，也要靠它提供相关输入，因为它还决定无人机在静止状态的倾斜角度。

图4.6　弹簧-质量块式加速度计示意图

无人机中常用的MEMS三轴加速度计型号有6050A（Invensense）和ADXL350（ADI）。部分传感器生产商为了提高芯片集成度，会将陀螺仪和加速度计封装在一起，称为六轴传感器，例如6050A（Invensense）。

3）磁力计

磁力计也称磁罗盘，主要作用是为无人机提供方向。目前广泛采用的三轴磁力计能够提供X、Y、Z 3个轴向所承受磁场的数据，这些数据最终汇入飞控机的算法当中，以解算出与磁北极相关的航向角，然后就能利用这些信息来侦测地理方位。为了算出正确方向，磁性数据还需要加速度计提供倾斜角数据以补强信息。

针对需要侦测物体运动变化情况，三轴磁力计承载着至关重要的绝对指向作用，为稳定飞行、辅助导航等多样化功能保驾护航。因此，三轴磁力计的可靠性是多种传感器装置稳定工作的基石。衡量三轴磁力计的性能参数主要包括灵敏度、稳定性（漂移）等。

4）气压计

气压计测量的物理量是大气压值，根据该数值可计算出绝对海拔高度。地球上的大气压是随高度的变化而变化的，它与海拔高度的关系是：高度增加，大气压减小。在3 000 m范围内，每升高12 m，大气压减小1 mmHg（汞柱），大约133 Pa（帕）。气压计的测高原理正是利用大气压与海拔高度的这种变化关系。

当前，多旋翼无人机飞控系统中内置的高性能MEMS气压传感器不仅能够对气压变化快速响应，实时反映出无人机高度的变化，还可以与其他传感器的读数相结合用于高度控制，并进一步改善飞行稳定、高度控制、起飞和着陆时的性能。

当然，无人机对气压传感器的要求近乎苛刻，即使受到不良天气和温度影响，高度的精确度也必须控制在严格的公差范围内。另外，随时间推移传感器必须保持低延迟和微乎其微的漂移量，这些都是对气压传感器的性能要求。

在上述4种传感器中，三轴陀螺仪和三轴角速度计被组合在一起称为惯性测量单元（Imertial Measurement Unit，IMU），随着MEMS技术的不断发展和成熟，磁力计和气压计也会根据需要被集成到IMU中。由此，我们可以用非常通俗且形象化的语言来描述IMU的功能：陀螺仪知道“我们转了个身”，加速度计知道“我们又向前走了几米”，而磁力计知道“我们是向某个方向”的，气压计则知道“我们现在有多高”。

IMU的各类数据会实时传给飞控计算机，飞控计算机将这些参数与飞机当前的姿态数据进行比对，计算出一个方向和角度的补偿数据并以指令形式发送给执行机构，由执行机构完成补偿动作。当传感器感知到飞机平稳后，飞控计算机将停止补偿信号，这就形成了一个完整的闭环反馈，并由此实现对无人机姿态的稳定和控制功能。(www.xing528.com)

5）位置传感器

用于监测无人机的实时位置，是飞行轨迹控制的必要前提。民用无人机系统的位置传感器首选GPS，北斗也在逐步拓展其应用。

（2）飞控机

1）功能

导航控制计算机，简称飞控机又称导航控制计算机，是导航飞控系统的核心部件。从无人机飞行控制的角度来看，飞控机应具备如下功能：

①姿态稳定与控制。

②导航与制导控制。

③自主飞行控制。

④自动起飞与着陆控制等。

2）硬件构成

①主处理控制器：主要有通用型处理器MPU、微处理器MCU、数字信号处理器DSP和现场可编程门阵列FPGA等。

②开关电源：飞控机的关键部件之一。由于飞控机通常使用5 V、±15 V等直流电源电压，而给无人机供电的一次性电源由于型号不同而区别较大，因此需要一个电源模块将一次性电源的供电变换成飞控可用。

③模拟量输入/输出接口：将各传感器输入的模拟量进行信号调理、增益变换、模/数（A/D）转换后，提供给主处理控制器进行相应处理。模拟信号一般可分为直流模拟信号和交流模拟信号两类。模拟量输出接口用于将数字控制信号转换成执行机构可以识别的模拟控制信号。

④离散量接口：用于将飞控机内部及外部的开关量信号变换为与主处理器工作电平兼容的信号。

⑤通信接口：用于将接收的串行数据转换为可以让主处理器读取的数据或将主处理器要发送的数据转换为相应的数据。飞控计算机和传感器之间可以通过RS232/RS422/RS485或ARINC429等总线方式通信，随着技术的不断发展，1553B总线或其他总线通信方式也陆续应用到无人机系统中。

⑥余度管理：飞控机多为双余度配置。余度支持电路用于支持多余度机载计算机协调运行，包括通道计算机间的信息交换电路、同步指示电路、通道故障逻辑综合电路以及故障切换电路等。

⑦检测接口：飞控机应留有合适的接口，方便与一些检测设备连接。

⑧机箱：直接影响机载飞控机抗恶劣环境的能力以及可靠性、可维护性和使用寿命等。

以上的硬件构成并非飞控的标配，应用领域不同的无人机，其飞控机在结构上会存在较大差异。图4.7所示的是一款PX4的开源飞控的硬件系统结构。

3）飞控机软件

飞控软件是一种运行于飞控计算机上的嵌入式实时任务软件。它不仅要功能正确、性能好、效率高，而且要有较好的质量保证、可靠性和可维护性。主要功能模块包括：

图4.7　PX4集成飞控系统

①硬件接口驱动模块。

②传感器数据处理模块。

③飞行控制模块。

④导航与制导模块。

⑤飞行任务管理模块。

⑥任务设备管理模块。

⑦余度管理模块。

⑧数据传输、记录模块。

⑨自检测模块。

⑩其他模块等。

（3）执行机构

多旋翼无人机系统中的执行机构指的是电调、电机和舵机（如果有的话）等，此处不再赘述。