玩了这么久无人机,你知道这些吗?——飞控篇

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无人飞行器资料图

 

在无人机飞行姿态控制中,通常在用MEMS传感器测量角度的变化时,一般都要选择组合式的传感器。也就是说,既不能单纯地依赖加速度传感器,也不能单纯依赖陀螺仪。为什么呢?

      究其原因,这是由每种传感器自身的局限性所决定的。

      例如,陀螺仪输出的是角速度,要通过积分才能获得角度,但是即使在零输入状态时,陀螺仪仍是有输出的,它的输出是白噪声和慢变随机函数的叠加,受此影响,在积分的过程中,必然会引进累计误差,积分时间越长,误差就越大。这时候,便需要加速度传感器的加入,利用加速度传感器来对陀螺仪进行校正。

      由于加速度传感器可以利用力的分解原理,通过重力加速度在不同轴向上的分量来判断倾角。同时,它没有积分误差,所以加速度传感器在相对静止的条件下,可以有效校正陀螺仪的误差。但在运动状态下,加速度传感器输出的可信度就要下降,因为它测量的是重力和外力的合力。

 

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多轴无人飞行器资料图

 

目前,无人机在应用中的较常见算法,就是利用互补滤波,即结合加速度传感器和陀螺仪的输出,来算出角度变化。

 

另外,无人机应用的环境决定了它所使用的MEMS传感器必须适用于各种恶劣条件,同时获得高精度的输出。

 

例如,陀螺仪的理想输出是只响应角速度变化,但实际上受设计和工艺的限制,陀螺仪对加速度也是敏感的,就是我们在陀螺仪数据手册上常见的deg/sec/g的指标。对于多轴飞行器的应用来说,这个指标尤为重要,因为飞行器中的马达一般会带来较强烈的振动,一旦减震控制不好,就会在飞行过程中产生很大的加速度,那势必会带来陀螺仪输出的变化,进而引起角度变化,马达就会误动作,最后带给用户的直观感觉就是飞行器飞得不稳。

 

飞控是什么?

      飞行控制系统(Flight control system)简称飞控,可以看作飞行器的大脑。多轴飞行器的飞行、悬停,姿态变化等等都是由多种传感器将飞行器本身的姿态数据传回飞控,再由飞控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。

 

       飞控可以理解成无人机的CPU系统,是无人机的核心部件,其功能主要是发送各种指令,并且处理各部件传回的数据。类似于人体的大脑,对身体各个部位发送指令,并且接收各部件传回的信息,运算后发出新的指令。例如,大脑指挥手去拿一杯水,手触碰到杯壁后,因为水太烫而缩回,并且将此信息传回给大脑,大脑会根据实际情况重新发送新的指令。

 

      无人机的飞行原理及控制方法(以四旋翼无人机为例)

      四旋翼无人机一般是由检测模块,控制模块,执行模块以及供电模块组成。检测模块实现对当前姿态进行量测;执行模块则是对当前姿态进行解算,优化控制,并对执行模块产生相对应的控制量;供电模块对整个系统进行供电。

 

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      四旋翼无人机机身是由对称的十字形刚体结构构成,材料多采用质量轻、强度高的碳素纤维;在十字形结构的四个端点分别安装一个由两片桨叶组成的旋翼为飞行器提供飞行动力,每个旋翼均安装在一个电机转子上,通过控制电机的转动状态控制每个旋翼的转速,来提供不同的升力以实现各种姿态;每个电机均又与电机驱动部件、中央控制单元相连接,通过中央控制单元提供的控制信号来调节转速大小;IMU惯性测量单元为中央控制单元提供姿态解算的数据,机身上的检测模块为无人机提供了解自身位姿情况最直接的数据,为四旋翼无人机最终实现复杂环境下的自主飞行提供了保障。

 

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      现将位于四旋翼机身同一对角线上的旋翼归为一组,前后端的旋翼沿顺时针方向旋转,从而可以产生顺时针方向的扭矩;而左右端旋翼沿逆时针方向旋转,从而产生逆时针方向的扭矩,如此四个旋翼旋转所产生的扭矩便可相互之间抵消掉。由此可知,四旋翼飞行器的所有姿态和位置的控制都是通过调节四个驱动电机的速度实现的。一般来说,四旋翼无人机的运动状态主要分为悬停、垂直运动、滚动运动、俯仰运动以及偏航运动五种状态。

 

       31克的千纸鹤无人机了解一下!早在2015年,全球知名半导体制造商ROHM集团旗下的LAPIS Semiconductor在日本高新技术博览会上推出了一款千纸鹤无人机。

       这只会飞的千纸鹤名叫Lazurite Fly,是一个开源的装置,重量只有31克,翼长为70厘米。

同时这个千纸鹤装上了一个碳管结构的框架,并配有一对表面被3D打印的尼龙材料覆盖的具有超轻型强动力的翅膀,另外还包括电池和传感器,可遥控操作。

千纸鹤无人机



  同时这个千纸鹤装上了一个碳管结构的框架,并配有一对表面被3D打印的尼龙材料覆盖的具有超轻型强动力的翅膀,另外还包括电池和传感器,可遥控操作。

 

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在无人飞行器的飞机姿态控制这一重要应用上,都需要飞控来进行控制。飞控,可以看作飞行器的大脑。多轴飞行器的飞行、悬停,姿态变化等等都是由多种传感器将飞行器本身的姿态数据传回飞控,再由飞控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。

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