介紹

每次別人手里拿著遙控器時(shí)，看著無人機(jī)在空中自由飛翔，真是太酷了。但是你知道無人機(jī)是如何工作的嗎？

目錄

Ⅰ 無人機(jī)

1.1 概念

無人駕駛飛行器（UAV），又稱無人機(jī)，是一種由無線電遙控設(shè)備和自身的程序控制裝置操作，或完全或間歇地由機(jī)載計(jì)算機(jī)操作的無人駕駛飛機(jī)。

1.2 應(yīng)用

無人機(jī)不僅廣泛應(yīng)用于航拍、農(nóng)業(yè)、植物保護(hù)、微型自拍、快遞運(yùn)輸、災(zāi)害救援和野生動(dòng)物觀察等領(lǐng)域，還用于測(cè)繪、傳染病監(jiān)測(cè)等。

1.3 組成

無人機(jī)由機(jī)身、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)和電源系統(tǒng)組成。飛行管控系統(tǒng)相當(dāng)于無人機(jī)系統(tǒng)的“心臟”部分，對(duì)無人機(jī)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)可靠性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性具有重要影響，對(duì)其飛行性能具有決定性作用。

二、飛控系統(tǒng)

2.1 概念

飛控系統(tǒng)是無人機(jī)的核心控制裝置，相當(dāng)于大腦。是否安裝飛控系統(tǒng)也是區(qū)分無人機(jī)和通用航空機(jī)型的重要指標(biāo)。

經(jīng)過早期的遙控飛行，其導(dǎo)航和控制方式已發(fā)展為自主飛行和智能飛行。導(dǎo)航模式的改變對(duì)飛控計(jì)算機(jī)的精度要求更高，任務(wù)復(fù)雜度的增加對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力要求更高。小型化不僅對(duì)飛控計(jì)算機(jī)的功耗和體積提出了很高的要求，而且要求體積小，移動(dòng)性好。高精度不僅要求計(jì)算機(jī)控制精度高，還需要有運(yùn)行復(fù)雜控制算法的能力。

2.2 飛控系統(tǒng)組件模塊

飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各傳感器測(cè)得的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并從地面測(cè)控站的通信信道接收無線電測(cè)控終端發(fā)送的控制指令和數(shù)據(jù)。

計(jì)算后，將控制命令輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)各種飛行模式的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)設(shè)備的管理和控制；同時(shí)將無人機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)和發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載供電系統(tǒng)和任務(wù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綑C(jī)載無線電數(shù)據(jù)終端，然后通過無線電下行信道回傳給地面監(jiān)測(cè)站。

根據(jù)功能，飛控系統(tǒng)的硬件包括：主控模塊、信號(hào)調(diào)理及接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、伺服驅(qū)動(dòng)模塊。

2.3 功能

將各個(gè)模塊組合成一個(gè)飛行控制系統(tǒng)，其核心是主控模塊，與其他模塊結(jié)合，滿足一系列小型無人機(jī)的飛行控制和飛行管理的功能需求，只需要修改軟件和只需修改外圍電路即可。從而可以通過多個(gè)模型使用一個(gè)開發(fā)的系統(tǒng)來降低系統(tǒng)開發(fā)成本。系統(tǒng)的主要功能如下：

(1)多路模擬信號(hào)高精度采集， 包括陀螺信號(hào)、航向信號(hào)、舵角信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、氣缸溫度信號(hào)、動(dòng)靜壓傳感器信號(hào)、電源電壓信號(hào)。由于CPU自身A/D的精度和通道數(shù)的限制，使用了額外的數(shù)據(jù)采集電路，其片選和控制信號(hào)由EPLD中的解碼電路產(chǎn)生。

(2) 輸出信號(hào)狀態(tài)。輸出切換信號(hào)、模擬信號(hào)和PWM脈沖信號(hào)，可適應(yīng)不同執(zhí)行器的控制要求，如舵機(jī)、副翼舵機(jī)、升降舵機(jī)、氣道和油門舵機(jī)等。

(3)多通道通信。 與車載數(shù)據(jù)終端、GPS信號(hào)、數(shù)字傳感器和相關(guān)任務(wù)設(shè)備的通信是通過使用多個(gè)通信通道來實(shí)現(xiàn)的。由于CPU自身SCI通道配置的串口不能滿足系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)采用多串口擴(kuò)展芯片28C94擴(kuò)展8個(gè)串口。

三、主控模塊MCU

3.1 概念

MCU（Microcontroller Unit）就是適當(dāng)降低中央處理器的頻率和規(guī)格，將存儲(chǔ)器、計(jì)數(shù)器、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA、甚至LCD驅(qū)動(dòng)電路等外圍接口集成在單片機(jī)上。單個(gè)芯片，形成不同應(yīng)用的不同組合的芯片級(jí)計(jì)算機(jī)。MCU在無人機(jī)的飛行系統(tǒng)中很重要。MCU在飛行系統(tǒng)中扮演著重要的角色。

3.2 無人機(jī)工作原理

無人機(jī)要實(shí)現(xiàn)可控/自主飛行，主要需要完成姿態(tài)控制、拍攝/測(cè)量、信息存儲(chǔ)/傳輸、環(huán)境感知（防撞）。自動(dòng)控制原理的一個(gè)起點(diǎn)是閉環(huán)反饋控制，即在應(yīng)用輸入調(diào)整后，測(cè)量控制量的變化并調(diào)整反饋輸入，直到控制量達(dá)到目標(biāo)值。

比如給無人機(jī)設(shè)置一個(gè)航跡，在飛行過程中實(shí)時(shí)測(cè)量飛行位置偏離航跡，進(jìn)行相應(yīng)的偏航修正。環(huán)境感知是利用各種傳感器（光學(xué)攝像頭、超聲波等）來檢測(cè)無人機(jī)軌跡上的障礙物，如建筑物、橋梁等，并進(jìn)行機(jī)動(dòng)規(guī)避。

無人機(jī)垂直移動(dòng)并使用轉(zhuǎn)子前進(jìn)和停止。力的相對(duì)性質(zhì)意味著當(dāng)轉(zhuǎn)子推動(dòng)空氣時(shí)，空氣也將轉(zhuǎn)子推回。這就是無人機(jī)可以升降的基本原理。此外，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)得越快，升力就越大，反之亦然。要將無人機(jī)向右轉(zhuǎn)，需要降低旋翼 1 的角速度。雖然旋翼1的推力不足會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)改變運(yùn)動(dòng)方向，但向上的力不等于同時(shí)向下的重力，所以無人機(jī)下降。

無人機(jī)是對(duì)稱的，它也適用于橫向運(yùn)動(dòng)。四輪無人機(jī)的每一面都可以是正面，所以如何向前說明如何向后或向側(cè)面移動(dòng)。

3.3 單片機(jī)任務(wù)

飛行控制系統(tǒng)在無人機(jī)中的作用相當(dāng)于有人駕駛飛機(jī)中駕駛員的作用。我們認(rèn)為飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)中最重要的核心技術(shù)。飛控系統(tǒng)一般包括傳感器、機(jī)載計(jì)算機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置三部分。功能主要包括無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定與控制、無人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理和應(yīng)急控制三大類。

除了MCU，無人機(jī)還需要陀螺儀、加速度計(jì)、地磁感應(yīng)、氣壓傳感器、超聲波傳感器、光流傳感器、GPS模塊等相互配合才能完成飛行。IMU 感知飛機(jī)在空中的姿態(tài)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到主處理器 MCU。主處理器MCU會(huì)根據(jù)用戶操作指令和IMU數(shù)據(jù)，通過飛行算法控制飛行器的穩(wěn)定運(yùn)行。

由于需要計(jì)算的數(shù)據(jù)量很大，需要非常實(shí)時(shí)的控制，MCU的性能也決定了飛機(jī)能否穩(wěn)定靈活地飛行。

四、常見問題

1、無人機(jī)的工作原理是什么？

Multi-Rotor 的工作原理是力的相對(duì)性質(zhì)，這意味著當(dāng)轉(zhuǎn)子推動(dòng)空氣時(shí)，空氣也會(huì)將轉(zhuǎn)子推回。這是多旋翼可以升降的基本原理。此外，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)得越快，升力就越大，反之亦然。

2. 無人機(jī)使用WiFi還是藍(lán)牙？

今天的大多數(shù)無人機(jī)都支持 Wi-Fi，因此它們可以將視頻廣播到計(jì)算機(jī)、平板電腦或智能手機(jī)。一些無人機(jī)還使用 Wi-Fi 通過平板電腦或移動(dòng)應(yīng)用程序進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

3. 無人機(jī)如何與控制器通信？

無人機(jī)控制器通過從遙控器向無人機(jī)發(fā)送無線電信號(hào)來工作，該信號(hào)告訴無人機(jī)該做什么。無線電信號(hào)從無人機(jī)控制器中的無線電發(fā)射器發(fā)出，并由無人機(jī)的接收器接收。

4. 無人機(jī)如何前進(jìn)和后退？

俯仰：以與滾動(dòng)相同的方式向前和向后傾斜您的四軸飛行器。通過調(diào)整俯仰角，您的無人機(jī)將在前部下垂導(dǎo)致其前進(jìn)，或在后部下垂導(dǎo)致其后退。偏航：從左到右旋轉(zhuǎn)飛機(jī)的機(jī)頭。

5. 無人機(jī)有什么用？

無人機(jī)可用于收集醫(yī)療樣本、物資和藥品，并將其運(yùn)送到災(zāi)區(qū)偏遠(yuǎn)或無法到達(dá)的地區(qū)。無人機(jī)還可以使用紅外傳感器通過其熱特征來檢測(cè)人類，這有助于搜索和救援場(chǎng)景。

6. 無人機(jī)能飛多遠(yuǎn)？

雖然玩具無人機(jī)的射程可能約為 20 至 100 碼，但高端消費(fèi)無人機(jī)的射程約為 2.5 至 4.5 英里（4 至 8 公里）。中級(jí)消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的航程通常約為 0.25 至 1.5 英里（400m – 3km）。

7. 無人機(jī)如何定位？

這就是大多數(shù)當(dāng)前無人機(jī)保持穩(wěn)定懸停的方式，它們鎖定在相當(dāng)精確的 GPS 位置，如果它們偏離原位，它們會(huì)飛回該位置。堅(jiān)持指定的高度或確保您不會(huì)意外飛到 400 英尺標(biāo)記以上也是 GPS 的功能。

8. 如果無人機(jī)超出范圍會(huì)怎樣？

無人機(jī)的范圍有限。當(dāng)無人機(jī)飛出該范圍時(shí)，您需要控制無人機(jī)的信號(hào)就會(huì)丟失。因此，您無法再控制無人機(jī)。

9. 哪種 Arduino 最適合無人機(jī)？

這是一款通用微控制器，您可以通過購買您想要安裝的零件并自行組裝控制器來構(gòu)建自己的飛行控制器。如果您對(duì)開始使用電子產(chǎn)品和編碼感興趣，Arduino UNO 是您可以使用的最佳開發(fā)板。

10. 無人機(jī)可以舉起多少？

當(dāng)我們談?wù)摮鯇W(xué)者無人機(jī)時(shí)，它們可以毫無問題地舉起大約 200 到 300 克的額外重量。任何高于此的都是風(fēng)險(xiǎn)。許多在休閑飛行飛行員中很受歡迎的無人機(jī)可以攜帶大約 3 到 5 磅（2.2 千克）的有效載荷。