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無人機飛控系統的原理、組成及各傳感器的作用
來源:尖兵之翼 | 作者:高博特 | 發布時間: 2022-05-25 | 20891 次瀏覽 | 分享到:
多軸飛行器的飛行、懸停、姿態變化等等,都是由多種傳感器將飛行器本身的姿態數據傳回飛控,再由飛控通過運算和判斷下達指令……

 

飛控最基本的功能控制一架飛機在空中飛行時的平衡,是由IMU測量,感知飛機當前的傾角數據通過編譯器編譯成電子信號,將這個信號通過信號新時時傳輸給飛控內部的單片機,單片機負責的是運算,根據飛機當前的數據,計算出一個補償方向,補償角,然后將這個補償數據編譯成電子信號,傳輸給舵機或電機,電機或舵機在去執行命令,完成補償動作,然后傳感器感知到飛機平穩了,將實時數據再次給單片機,單片機會停止補償信號,這就形成了一個循環,大部分飛控基本上都是10HZ的內循環,也就是1秒刷新十次。

這就是飛控最基本的功能,如果沒有此功能,當一個角一旦傾斜,那么飛機就會快速的失去平衡導致墜機,或者說沒有氣壓計測量不到自己的高度位置就會一直加油門或者一直降油門。

其次,固定翼飛控還有空速傳感器,空速傳感器一般位于機翼上或機頭,但不會在螺旋槳后邊,空速傳感器就是兩路測量氣壓的傳感器,一路測量靜止氣壓,一路測量迎風氣壓,在計算迎風氣壓與靜止氣壓的壓差就可以算出當前的空氣流速。

 

有了最基本的平衡、定高和指南針等功能,還不足以讓一家飛機能夠自主導航,就像我們去某個商場一樣,首先我們需要知道商場的所在位置,知道自己所在的位置,然后根據交通情況規劃路線。

飛控也亦然,首先飛控需要知道自己所在位置,那就需要定位的,也就是我們常說的GPS,現在定位的有GPS、北斗、手機網絡等定位系統,但是這里面手機網絡定位是最差的,誤差好的話幾十米,不好的話上千米,這種誤差是飛控無法接受的,由于GPS定位系統較早,在加上是開放的,所以大部分飛控采用的都是GPS,也有少數采用的北斗定位。

精度基本都在3米內,一般開闊地都是50厘米左右,因環境干擾,或建筑物、樹木之類的遮擋,定位可能會差,很有可能定位的是虛假信號。這也就是為什么民用無人機頻頻墜機、飛丟的一個主要原因。

GPS定位

GPS定位原理就是三點定位,天上的GPS定位衛星距離地球表面22500千米處,它們所運動的軌道正好形成一個網狀面,也就是說在地球上的任意一點,都有可以同時收到3顆以上的衛星信號。衛星在運動的過程中會一直不斷的發出電波信號,信號中包含數據包,其中就有時間信號。GPS接收機通過解算來自多顆衛星的數據包,以及時間信號,可以清楚的計算出自己與每一顆衛星的距離,使用三角向量關系計算出自己所在的位置。

GPS也定位了,數據也有了,這個信號也會通過一個編譯器在次編譯成一個電子信號傳給飛控,讓飛控知道自己所在的位置、任務的位置和距離、家的位置和距離以及當前的速度和高度,然后再由飛控駕駛飛機飛向任務位置或回家。

 

剛剛我們也說了,GPS能夠測速也能夠測高度,為什么要有氣壓計和空速計呢?這就是為了消除誤差。

飛機飛起來是不與地面接觸的,直接接觸的是空氣,假設飛行環境是無風的環境,飛機在地面滑跑加速,加速到每秒20米的速度然后再拉升降舵起飛,這樣GPS測量到的數值是準確的,但是要是逆風呢,是因為機翼與空氣相對的運動達到了一定的速度才能夠產生一定的升力讓飛機起飛,如果在逆風環境下,風速每秒10米,飛機只需要加速到每秒10米就可以正常離地了,如果加速到每秒20米,相對空氣的速度已經達到了每秒30米,或者說順風起飛,風速每秒20米,飛機GPS測速也達到了20m/s的速度,這個時候拉升降舵,飛機動都不會動,因為相對空氣速度是0米,達不到起飛條件,必須加速到每秒40米的時候才能達到升力起飛。

這就是空速計的作用,GPS測量的只是地速。

剛剛講到,GPS也可以定高,第一GPS定位精度是3米內,也就是說飛控能感知到的是平面方向的兩倍誤差,信號不好的話十幾米都有可能,還有GPS不定位的時候,另外GPS定高數據是海拔高度并不是地面垂直高度,所以GPS定高在飛控中不管用。

有了GPS飛控也知道飛機位置了,也知道家的位置和任務位置,但是飛控上的任務以及家的位置飛控是怎么知道的呢,這就是地面站的作用。

地面站

地面站,就是在地面的基站,也就是指揮飛機的,地面站可以分為單點地面站或者多點地面站,像民航機場就是地面站,全國甚至全球所有的地面站都在時時聯網,它們能夠清楚的知道天上在飛行的飛機,并能時時監測到飛機當前的飛行路線、狀況以及飛機的時時調度等。

像我們用的無人機大部分都是單點地面站,單點地面站一般由一到多個人值守,有技術員,場務人員,后勤員,通信員,指揮員等人組成。像玩家一般都是一個人。

地面站設備組成一般都是由遙控器、電腦、視頻顯示器,電源系統,電臺等設備組成,一般簡單的來說就是一臺電腦,一個電臺,一個遙控,電腦上裝有控制飛機的軟件,通過航線規劃工具規劃飛機飛行的線路,并設定飛行高度、飛行速度、飛行地點,飛行任務等通過數據口連接的數傳電臺將任務數據編譯傳送至飛控中,這里就有講到數傳電臺,數傳電臺就是數據傳輸電臺,類似我們最和耳朵一樣,好比領導說今天做什么任務,我們接受到任務并回答然后再去執行任務,執行任務的時候時實情況實時匯報給領導,這其中通信就是嘴巴和耳朵。

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