工作原理-多旋翼无人机组装调试与飞行实训

（1）工作过程

综上所述，飞控可以理解成无人机的CPU系统，是无人机的核心部件。对于麻雀虽小、五脏俱全的多旋翼无人机来说，其飞行、悬停、姿态变化等都是由多种传感器将飞行器本身的姿态数据传回飞控机，再由飞控机通过运算和判断下达指令，由执行机构完成动作和飞行姿态调整，这就是飞控系统的基本工作过程，如图4.8所示。

图4.8　微型飞行器自动驾驶仪原理结构框图（四轴）

（2）控制回路

从图4.8不难发现，无人机要实现自动巡航飞行必须通过飞行控制系统形成回路。不同的飞行任务要求组成各种不同回路。一般情况下，复杂的飞行控制回路主要由舵回路、姿态控制回路和位置控制回路等3个回路组成，如图4.9所示。3种回路分别对应于无人机的3种控制模式：纯手动模式、姿态模式和GPS模式。

图4.9　飞行控制系统的3种回路

1）舵回路

飞行控制系统根据输入信号，通过执行机构控制舵面。为了改善舵机的性能，通常引入内反馈，即将舵机的输出端反馈至输入端，形成随动系统（或称伺服系统或伺服回路），简称舵回路。舵回路由舵机、放大器及反馈元件组成，如图4.9所示中蓝色虚线框所示。图中舵面反馈元件通过测出舵面偏转的角速度，反馈给放大器以增大舵回路的阻尼，改善舵回路的性能；同时舵面角位置信号反馈到舵回路的输入端，从而使控制信号与舵偏角一一对应。舵回路可用伺服系统理论来分析，其负载是舵面的惯量和作用在舵面上的气动力矩（铰链力矩）。

2）姿态控制回路

舵回路加上惯性测量单元IMU和飞行控制计算机就组成自动驾驶仪，并与飞机组成新回路——姿态控制回路，也称内回路，如图4.9所示中红色虚线框所示。该回路的主要功能是稳定飞机的姿态，或者说稳定飞机的角运动。由于该回路中包含了飞机，而飞机的动态特性又随飞行条件（如速度、高度等）而异，使稳定回路的分析变得较为复杂。

内回路的姿态控制策略一般有两种，第一种是直接对姿态角进行控制，第二种是将姿态角误差转化为期望的修正角速度，对实际角速度进行控制以达到跟踪期望角速度、消除姿态角误差的目的。由于角速度可构成更快回路，因此第二种策略具有更快的响应速度。

3）位置控制回路

姿态控制回路加上位置传感器以及运动学环节（表征飞机空间位置几何关系的环节）又组成一个更大的新回路——位置控制回路，也称外回路，如图4.9所示中最外面的实线框所示。在多旋翼无人机系统中，外回路和内回路具有直接的耦合关系。因此，外回路的控制原理与内回路基本一致。(www.xing528.com)

下面，我们以四轴飞行器定点悬停的实现为例对外回路进行简要说明。我们将定点悬停分为两个阶段：高度保持和水平位置保持。

高度保持的控制思路与姿态角保持类似，即将期望高度与实际高度的误差乘以系数转化为期望的爬升率，该期望速度需要与使用气压计两次测量数据计算得到的实际爬升率相比较，然后使用PID控制策略，消除速度误差，进而消除期望高度与实际高度之间的误差，达到高度保持的控制目的。在有GPS支持的情况下，爬升率与GPS所测高度得到的爬升率进行融合，尤其在空旷地带，会得到更为准确的爬升率数据。

水平位置目前采用GPS测量数据，精度可达到5 m以内。期望的悬停位置与四轴当前位置的差值转化为期望的水平飞行速度，而该速度通过一定的策略转化为期望的俯仰/滚转角，实现按照期望的修正方向运动，减小定位误差，从而使得悬停时四轴的航向会基本保持不变。但在实际工作中，可能由于任务的要求，需要在定点悬停时改变航向，因此确认悬停点时会同时确认悬停的航向信息，之后，当航向发生改变时，飞控机能够根据当前航向与初始航向的偏差解算合适的俯仰/滚转角，从而得到准确的位置误差修正方向。

知识拓展

PID（Proportional-Integral-Derivative control）控制也称比例积分微分控制，释义为按偏差的比例、积分、微分控制。简单地说，就是依据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。所以，常规PID控制器是一种线性控制器。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，至今仍有90%左右的控制回路具有PID结构。

虽然现代控制理论发展日臻完善，人们通过科学研究获得了诸多具有优异控制效果的算法和理论，但在工程应用领域，基于经典PID的控制算法仍然是最简单、最有效的控制方案。目前主流的几款开源飞控中，无一例外的都是采用PID控制算法来实现无人机的姿态和轨迹控制。

以多旋翼无人机为例，在没有控制系统的情况下，直接用信号驱动电机带动螺旋桨旋转产生控制力，会出现动态响应太快或太慢、控制过冲或不足的现象，多旋翼根本无法完成起飞和悬停等动作。为了解决这些问题，就需要在控制系统回路中加入PID控制算法，在姿态信息与螺旋桨转速之间建立起比例、积分和微分的关系，通过调节各个环节的参数大小，使多旋翼系统控制达到动态响应迅速，既不过冲、也不欠缺的现象。

（3）控制模式

对应于3种控制回路，多旋翼无人机的控制或称操纵有以下几种模式。

①纯手动模式：只有舵回路在工作，姿态回路和位置回路都不参与控制，也称舵面遥控，或者直接称为“飞航模”。

②姿态模式：在舵回路工作基础上，飞控内回路稳定姿态，外回路不参与控制，由操作手来影响姿态并进一步改变位置，也称增稳模式或姿态遥控。

③GPS模式：在舵回路工作基础上，内回路稳定姿态，外回路稳定位置，航向和位置的改变则由操作手来完成，也称人工修正模式。

④自主飞行模式：在GPS模式基础上，外回路根据航点设置来控制飞行器的方向和位置，航线规划和航程点属性设置等由操作手通过地面站来完成，也称航线飞行模式，或直接称为超视距飞行。