無人機(jī)最核心的技術(shù)集中在總體技術(shù)、動(dòng)力系統(tǒng)和飛控技術(shù)三個(gè)方面，共同決定了無人機(jī)系統(tǒng)的飛行高度、航程、航時(shí)、航速、載重等等一些重要的技術(shù)指標(biāo)。在無人機(jī)中，飛控系統(tǒng)的作用是控制無人機(jī)運(yùn)行的姿態(tài)和高度，決定著無人機(jī)飛行時(shí)的航跡和路線，它是無人機(jī)完成各種任務(wù)的關(guān)鍵。一套完整的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)由飛行控制計(jì)算機(jī)、姿態(tài)傳感器、無線電高度計(jì)等組成，其核心是飛行器控制算法。

那么，無人機(jī)的飛控系統(tǒng)，又由哪幾部分組成呢？

飛行控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱飛控系統(tǒng)，是控制無人機(jī)飛行姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)方向的部件，是無人機(jī)完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)、返場(chǎng)回收等整個(gè)飛行過程的核心系統(tǒng)，也稱為自動(dòng)駕駛儀，這也是無人機(jī)區(qū)別于航模的根本原因之一。實(shí)際上，無人機(jī)的飛控系統(tǒng)就相當(dāng)于有人機(jī)的駕駛員，是無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵。

一、組成部分

1、飛行控制器

作為無人機(jī)飛行運(yùn)動(dòng)控制的核心，它要完成飛行器姿態(tài)和位置兩大類輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)還要滿足各種外界干擾條件下對(duì)操縱指令響應(yīng)速度以及飛機(jī)操縱穩(wěn)定性等要求的系統(tǒng)集成。

2、姿態(tài)傳感器

目前常用有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、氣壓導(dǎo)航系統(tǒng)和激光陀螺儀。為了提高飛機(jī)的操縱穩(wěn)定性，通常采用陀螺和加速度計(jì)共同組成復(fù)合陀螺結(jié)構(gòu)，保證了飛機(jī)姿態(tài)跟蹤能力及在各種復(fù)雜姿態(tài)下飛機(jī)均能平穩(wěn)地沿給定軌跡飛行。

3、高度計(jì) 高度計(jì)主要用于探測(cè)和計(jì)算無人機(jī)所處空中的高精度位置信息，通常采用三軸數(shù)字陀螺儀加三軸數(shù)字組合方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4、飛行器控制算法軟件
飛控系統(tǒng)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其中涉及到大量對(duì)飛機(jī)控制算法優(yōu)化和提高精度性能有重要影響的變量參數(shù)，如姿態(tài)角、速度等；還要考慮到外界環(huán)境擾動(dòng)及各種干擾條件下對(duì)數(shù)據(jù)處理過程所產(chǎn)生負(fù)面影響。

5、實(shí)時(shí)控制器系統(tǒng)

無人機(jī)要實(shí)現(xiàn)精確懸停、定高返航是飛行控制系統(tǒng)功能之一，而這些功能實(shí)現(xiàn)都需要基于實(shí)時(shí)控制器算法軟件。實(shí)時(shí)控制器可分為慣性實(shí)時(shí)控制器和視覺實(shí)時(shí)控制器兩種，其中視覺RTK一般用于無人機(jī)導(dǎo)航任務(wù)；慣性實(shí)時(shí)控制器可應(yīng)用于固定翼飛機(jī)、直升機(jī)等。

二、基本功能

1、控制 解決“怎么飛”的問題。根據(jù)任務(wù)，通過算法計(jì)算出控制量，輸出給電調(diào)，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制，這是飛控系統(tǒng)要做的首要事情。 2、定位 解決“在哪兒”的問題。充分發(fā)揮飛控系統(tǒng)中各種傳感器的功能，綜合分析判斷得到準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)信息。 3、導(dǎo)航 解決“去哪兒”的問題。飛行操控人員或者地面站操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行飛行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)航跡控制。 ? ?

三、詳細(xì)結(jié)構(gòu)分析

1、傳感器

無人機(jī)飛控系統(tǒng)常用的傳感器包括陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)、氣壓計(jì)、超聲波傳感器及GPS模塊等，這些傳感器構(gòu)成無人機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。各傳感器基本功能如下： 1、慣性測(cè)量單元（IMU），包括加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)，主要得到無人機(jī)的姿態(tài)信息。常用的有6軸、9軸和10軸三種，6軸IMU包含三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，9軸IMU是包含了三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和三軸磁力計(jì)，而10軸IMU則是在9軸IMU基礎(chǔ)上加上氣壓計(jì)構(gòu)成。陀螺儀主要用于記錄俯仰、橫滾角度；加速度計(jì)主要記錄加速度，是測(cè)量運(yùn)載體線加速度的儀表；氣壓計(jì)主要用于記錄海拔高度。

慣性測(cè)量單元（IMU） 2、高度測(cè)量單元，包括氣壓傳感器（簡(jiǎn)稱氣壓計(jì)）和超聲傳感器。氣壓計(jì)測(cè)量得到絕對(duì)高度信息，而超聲傳感器測(cè)量得到相對(duì)高度信息，可實(shí)現(xiàn)懸停高度控制或避障。

氣壓傳感器

超聲傳感器 3、全球定位系統(tǒng)（GPS），包含GPS模塊和指南針模塊，用于精確確定飛行器的方向及經(jīng)緯度。GPS主要是接收GPS衛(wèi)星導(dǎo)航位置信息，用于無人機(jī)的定位。對(duì)于失控保護(hù)自動(dòng)返航，精準(zhǔn)定位懸停等功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

3、機(jī)載計(jì)算機(jī) 機(jī)載計(jì)算機(jī)是飛控系統(tǒng)的核心部件，是算法計(jì)算平臺(tái)，由硬件和軟件組成。 1、硬件，也就是電路板，由主處理控制器（常用的有通用型處理器MPU、微處理器MCU、數(shù)字信號(hào)處理器DSP及可編程門陣列FPGA）、二次電源（5V、±15V等直流電源）、模擬量輸入/輸出接口、離散量接口、通信接口（RS232/RS422/RS485、ARINC429和1553B總線）、余度管理（信息交換電路、同步指示電路、通道故障邏輯綜合電路及故障切換電路）、加溫電路、檢測(cè)接口等組成。

機(jī)載計(jì)算機(jī) 2、軟件，也就是飛控程序，是一種運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上的嵌入式實(shí)時(shí)任務(wù)軟件，不僅要求功能正確、性能好、效率高，而且要求其具有較好的質(zhì)量保證、可靠性和可維護(hù)性。主要模塊有硬件接口驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器數(shù)據(jù)處理模塊、飛行控制律模塊、導(dǎo)航與制導(dǎo)律模塊、飛行任務(wù)管理模塊、任務(wù)設(shè)備管理模塊、余度管理模塊、數(shù)據(jù)傳輸和記錄模塊、自檢測(cè)模塊等。 ? ?

四、常見的飛控系統(tǒng)及地面站

APM、PIXHAWK飛控，地面站為Mission Planner，飛控、地面站均開源。 NAZA飛控，無地面站，不開源。 N3飛控，無地面站，不開源。 A2飛控，配有大疆地面站，不開源。 A3飛控，配有大疆地面站，不開源。 LINGQUE靈鵲系列飛行控制系統(tǒng)，有地面站，不開源。

N3飛控依然采用了NAZA系列的IMU與主控一體的結(jié)構(gòu)，主控上提供了豐富的擴(kuò)展接口，幾乎能與DJI目前所有主流的配件配合使用，對(duì)LB2、禪思云臺(tái)、如影MX云臺(tái)、DJI GO的支持一樣不少。N3飛控本身就內(nèi)置雙IMU實(shí)現(xiàn)雙冗余，在一套IMU傳感器異常時(shí)可自動(dòng)切換到備用IMU，可靠性大大增加。同時(shí)通過主控上的EXP接口可外接A3升級(jí)套件，可組成三IMU、雙GPS的冗余系統(tǒng)，可靠性進(jìn)一步增加，讓N3也能輕松滿足專業(yè)級(jí)應(yīng)用。GNSS-Compass模塊，內(nèi)含GPS/GLONASS雙模接收機(jī)和指南針。相比以前增加了CAN擴(kuò)展接口，并增加了一個(gè)很小的LED狀態(tài)指示燈，模塊的工作狀態(tài)一目了然?？傮w來說，N3不再像以前的NAZA系列給人一種低端的感覺，從工業(yè)設(shè)計(jì)、制造工藝、硬件配置和可拓展性各方面都飛躍了一個(gè)很大的臺(tái)階。

N3飛控依然與NAZA系列的產(chǎn)品一樣采用了主控與IMU一體的結(jié)構(gòu)。以前的NAZA系列，主控的安裝方向必須與機(jī)頭方向一致，這對(duì)飛控的安裝和走線帶來了很大的麻煩。N3的主控可以向前、向左、向右、向后進(jìn)行安裝，這一變化很值得贊賞，對(duì)安裝和走線帶來了很大的方便。 N3飛控在S800機(jī)架的大震動(dòng)下，航線飛行完全沒有掉高的現(xiàn)象，看來N3的內(nèi)部減震的確做得很好，同樣的使用情況WKM和A2都會(huì)出現(xiàn)不同程度的掉高。N3飛控在GPS模式下，最大傾角設(shè)置為35°，以穩(wěn)定性和精準(zhǔn)的操控為主，定點(diǎn)、定高都很給力，不論是慢速精確飛行、還是大機(jī)動(dòng)航線飛行都提供了很滿意的穩(wěn)定性和操控手感。與NAZA V2相比，提升了不只是一點(diǎn)點(diǎn)。 ?

編輯：黃飛