无人机控制系统介绍

控制科学与工程专业选修课无人机控制系统无人控制系统介绍哈尔滨工业大学空间控制与惯性技术研究中心伊国兴本节课教学内容无人机控制系统的必要性1无人机控制系统指标与结构2控制系统主要组成部分介绍3飞行控制系统简介41无人机控制系统的必要性1.1无人机及无人机系统定义无人机：不载有操作人员、利用空气动力起飞、可以自主飞行或遥控驾驶、可以一次使用也可以回收使用的、携有致命或非致命有效载荷的飞行器。无人机系统：是指一架无人机、相关的遥控站、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件组成的系统。1无人机控制系统的必要性1.2无人机系统组成飞行器控制站通讯链路有效载荷•飞行平台•动力装置•导航飞控•电气系统•电源系统•显示系统•接口系统•操纵系统•软件系统•图像传输•数字传输•机载系统•地面系统•通讯设备•图像设备•武器系统•其他设备1无人机控制系统的必要性1.2.1控制站通常是地面或机载、舰载，是飞行操控中心，实现人机交互，通常也是任务规划中心。通过上行通信链路发送指令，控制飞行，操控所携带的各种任务载荷。通过下行通信链路，飞机回传信息和图像。包括载荷数据、机上各分系统的状态信息、位置信息等。同时控制发射与回收。控制站与外界通讯完成获得天气信息、个系统间的网络信息传输，接收任务，汇报信息等。1无人机控制系统的必要性1.2.2任务载荷作为无人机的组成部分完成特定任务的设备。非消耗型任务载荷光电系统、雷达系统、激光目标指示、污染监测、公共宣传系统、无线电中继系统、电子情报、雷达欺骗、磁异常检测消耗型任务载荷（植保系统、灭火系统、救生、武器）1无人机控制系统的必要性1.2.3导航系统惯性导航（INS）卫星导航（GPS、北斗）组合导航后备导航手段雷达跟踪无线电跟踪直接估计1无人机控制系统的必要性1.2.4通信链路上行发送飞行路径数据并储存人在回路时，实时发送飞行控制指令发送控制命令至机载任务载荷和附属设备发送相关位置更新信息到惯导/自动飞行控制系统下行发送有关飞机的位置信息到控制站发送任务载荷图像和数据到控制站发送飞机状态信息1.3无人机自主能力分级美国公布的无人机自主能力分级图1无人机控制系统的必要性1无人机控制系统的必要性1.3无人机自主能力分级无人机控制系统的能力决定了无人机自主能力。•制约无人机达到高级别自主能力的因素：•计算机技术（运算速度）•通信技术（带宽和速度）•人工智能技术（认知能力、理论模型和计算方法等）1无人机控制系统的必要性飞控系统是无人机系统的核心组成部分，其性能直接影响着无人机的飞行性能和飞行品质，直接关系到无人机的飞行安全。动力学建模、模型简化、控制律设计及实现、干扰观测器设计、控制律评估与确认、半物理仿真与飞行试验1.4无人机控制的作用与关键技术1无人机控制系统的必要性无人机建模技术机理建模（空气动力学、飞行力学）系统辨识建模在模型精度和控制系统设计上折中飞行控制技术经典控制理论（时域响应、根轨迹、频率响应）现代控制理论（动态逆控制、鲁棒控制、自适应控制、滑膜控制、智能控制）飞行控制律确认与评估技术一方面要针对不同的飞机构型、任务、飞行状态及指标要求设计出符合多准则的控制律另一方面要采用有效的分析方法证明这些操稳性能及飞行品质在气动参数、结构参数及传感系统存在不确定的条件下仍具有令人满意的鲁棒性1.4无人机控制的作用与关键技术1无人机控制系统的必要性1912，斯佩里父子研制第一套自动驾驶仪，用于保持飞机平飞是的俯仰角和滚转角的稳定。二战期间美国研制C-1电气式自驾仪，实现飞机三轴姿态稳定二战后期，德国V1、V2自驾仪实现飞行轨迹控制二战后，C-54实现起飞到着陆的全程自动化50-60年代，随着飞机各项性能的提升和新的气动结构的采用，飞行控制主要目的是改善飞行性能和品质，发展形成自动飞行控制系统（AFCS，AutomaticFlightControlSystem）1.5无人机控制演化1无人机控制系统的必要性70-90年代随控布局(CCV,ControlConfiguredVehicle)是指随着控制系统来进行飞机总体布局。主动控制(AC,ActiveControl)：飞机总体设计阶段主动地将自动控制系统与气动布局、结构、动力装置等结合在一起进行综合的设计，从而全面地提高飞机的飞行性能并改善飞行品质。（基本设计技术→主动控制技术）放宽静稳定性飞，机本身可能是静不稳定或临界稳定、传感器及电传操控师实现主动控制的重要基础、由于采用多操纵面布局和控制分配使得控制律复杂1.5无人机控制演化1无人机控制系统的必要性1.5无人机控制演化基本设计主动控制设计主要考虑空气动力、结构和发动机三大因素（折衷）飞机本身稳定飞控系统处于被动地位控制系统是后来加到飞机上的，对飞机的结构没有直接影响限制了飞机性能提高设什初始阶段就考虑了飞行控制系统对总体设计的影响把控制系统提到和气动力、结构、动力装置并驾齐驱的地位，布局设计之初就把控制技术与基本的三大技术同时考虑对自动控制系统的可靠性要求很高，易出事故1无人机控制系统的必要性90年代后，随控制技术发展出现自修复飞行控制、主动安全、健康管理、超机动飞行(随控飞行)战术任务飞行管理系统防空体系愈来愈复杂、功能愈来愈强大，导致作战环境日益严酷。面对日益复杂的作战态势，飞行员难以承担如此繁重的人工管理和决策。态势感知和评估、在线任务规划、任务调度与分配、管理控制无人自主飞行控制数字飞行控制系统取代模拟式飞行控制系统1.5无人机控制演化本节课教学内容无人机控制系统的必要性1无人机控制系统指标与结构2控制系统主要组成部分介绍3飞行控制系统简介42无人机控制系统指标与结构上载荷舱副油箱天线发动机控制舵面涵道螺旋桨支撑梁涵道减振梁起落架下载荷舱导流片机体中舱主油箱悬停巡航飞行高速飞行2.1涵道旋翼无人机2无人机控制系统指标与结构2.1涵道旋翼无人机功能快速部署的低成本无人通信中继平台体积小、重量轻，便于多种形式的运输操控简捷，利于快速部署适应多种战场环境，抗风扰能力强具备垂直起降功能，适合复杂地形部署机动能力强，指控作用距离长具备高精度巡航和定位悬停功能多种控制模式，具备自主飞行能力2无人机控制系统指标与结构2.1涵道旋翼无人机技术指标航线精度：50m着陆精度：5m作战半径：10km续航时间：60min最大飞行速度：70km/h最高飞行高度：1300m任务载荷：20kg指挥作用距离：10km抗风能力：12m/s2无人机控制系统指标与结构高度传感器图像数据处理姿态数据处理发动机油门伺服舵机1伺服舵机2伺服舵机3数据库传感器单元执行器单元数据处理单元任务规划单元人机界面任务分配轨迹规划辅助控制单元无线数据传输单元姿态控制飞行控制抗干扰控制起降控制主控制单元转速传感器风速传感器温度传感器IMU模块GPS模块伺服舵机4摄像头传感器数据处理手动辅助控制视觉辅助控制涵道式旋翼无人飞行器地面指挥系统机载控制系统整体结构设计控制单元传感器单元执行器单元数据处理单元数据传输单元任务规划单元辅助控制单元涵道旋翼无人机控制系统结构惯性单元磁阻传感器气压传感器空速传感器GPS接收器超声测距模块无线传输单元主控制器发动机伺服舵机1伺服舵机2伺服舵机3伺服舵机4地面控制平台视频采集单元2无人机控制系统指标与结构2无人机控制系统指标与结构2.2六旋翼无人机2无人机控制系统指标与结构2.2六旋翼无人机功能空中悬停、定位功能预设航线飞行遥控飞行和自主切换功能远程数据传输及飞行状态监测视觉识别和无人机凝伺服功能地面站飞行系统故障预警功能2无人机控制系统指标与结构2.2六旋翼无人机技术指标最大飞行速度60km/h；最大飞行高度500m；悬停姿态精度1deg；定位精度0.3m；飞行姿态控制系统带宽8Hz；最大目标跟踪速度30km/h；2无人机控制系统指标与结构STM32f407Xbee通讯模块无线接收机UARTI2C主处理器三轴MEMS陀螺仪DSP三轴MEMS加速度计三轴磁阻传感器MTI姿态模块图像传输系统发射机云台控制器摄像头超声测距气压计GPS光流传感器地面站Xbee通讯模块计算机控制手柄图像传输系统接收机遥控器PWMPWMPWMPWMPWMPWM电机调速器电机调速器电机调速器电机调速器电机1电机2电机3电机4电机调速器电机调速器电机5电机6UARTUARTPWMUARTPWMAV5.8GHz2.4GHz2.4GHzUART机载部分E2PROMI2CGopro运动相机和无刷云台图传发射机AV视频线无线传输图传接收机视频采集卡本节课教学内容无人机控制系统的必要性1无人机控制系统指标与结构2控制系统关键部件3飞行控制系统简介43控制系统关键部件3.1自动驾驶仪自动驾驶仪（Autopilot），是按技术要求自动控制飞行器轨迹的调节设备，其作用主要是保持飞机姿态和完成规定的飞行任务。自动驾驶仪是模仿驾驶员的动作驾驶无人机的。3控制系统关键部件内置传感器：三轴角速率陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计、双嘴空速传感器、气压高度计、GPS接收机、温度传感器。输入/输出接口：PWM输入、PWM输出、电源监视、ADC数据交换接口：RS-232和RS-485。外置传感器：空速高度组合传感器、超声波高度计、PWM信号和离散信号扩展器、飞行数据记录器、油量传感器、GLONASS或北斗GPS接收机。3控制系统关键部件SDI-WAX100自动驾驶仪全自主，自主起飞、悬停、飞行、降落。大速度，直升机度270公里/小时，固定翼850公里/小时高精度，飞行控制精度3米，差分GPS精度0.5米。冗余设计，两个CPU热备份，故障时自动切换。允许传感器出现单次故障，故障后保持准确姿态和位置估算。通信中断后，根据设定控制飞机继续执行任务或自主返航。高度集成集飞控、陀螺、加速度计、通信、GPS、高度表。多路控制，16路控制输出，可控制多伺服舵机或外围设备。无人机参数实时监控、智能告警显示，支持三维航迹规划。3控制系统关键部件SDI-WAX100自动驾驶仪工作温度：-40℃～+85℃空速表：80—830公里/小时供电：7V—36V高度表：0—6000米功耗：2.5瓦最大加速度：10g（垂直）重量：270克最大角速度：300度/秒尺寸(mm)：74.0×68.0×59.73控制系统关键部件SDI-WAX100自动驾驶仪地面控制站支持三维航迹规划、设置禁飞区、参照点飞机参数实时监控、智能告警显示同步记录飞行数据和视频画面支持多种地图及坐标格式用户可自定义操作界面操作简便，飞机、摄像机模式一键切换支持网络数据分发与网络远程控制无人机3控制系统关键部件SDI-WAX100自动驾驶仪地面控制站通讯距离：100公里控制速率：50Hz通道数：4波特率：115.2kb/s频率：902～928M（1.3G可选）一站多机：支持工作温度：-40℃～+85℃电压：9V~36V功率：2瓦内置电池续航时间：2小时尺寸（mm）：123×103×30重量：300克3控制系统关键部件3.2姿态测量一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。捷联姿态解算、导航多传感器融合、Kalman滤波3控制系统关键部件3.3伺服舵机工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。指标：重量、尺寸、工作速度、扭矩、工作