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1、控制科學與工程 專業(yè)選修課 無人機控制系統 無人控制系統介紹 哈爾濱工業(yè)大學 空間控制 與慣性技術 研究中心 伊 國興 本節(jié)課教學內容 無人機控制系統的必要性 1 無人機 控制系統指標與結構 2 控制系統主要組成部分介紹 3 飛行控制系統簡介 4 1 無人機控制系統的必要性 1.1 無人機及無人機系統定義 無人機： 不載有操作人員、利用空氣動力起飛、 可以自主飛行或遙控駕駛、可以一次使用也可以 回收使用的、攜有致命或非致命有效載荷的飛行 器。 無人機系統： 是指一架無人機、相關的遙控站、 所需的指令與控制數據鏈路以及批準的型號設計 規(guī)定的任何其他部件組成的系統。 1 無

2、人機控制系統的必要性 1.2 無人機系統組成 飛行器 控制站 通訊鏈路 有效 載荷 飛行平臺 動力裝置 導航飛控 電氣系統 電源系統 顯示系統 接口系統 操縱系統 軟件系統 圖像傳輸 數字傳輸 機載系統 地面系統 通訊設備 圖像設備 武器系統 其他設備 1 無人機控制系統的必要性 1.2.1 控制站 通常是地面或機載、艦載，是飛行操控中心，實 現人機交互，通常也是任務規(guī)劃中心。 通過上行通信鏈路發(fā)送指令，控制飛行，操控所 攜帶的各種任務載荷。 通過下行通信鏈路，飛機回傳信息和圖像。包括 載荷數據、機上各分系統的狀態(tài)信息、位置信息 等。同時控制

3、發(fā)射與回收。 控制站與外界通訊完成獲得天氣信息、個系統間 的網絡信息傳輸，接收任務，匯報信息等。 1 無人機控制系統的必要性 1.2.2 任務載荷 作為無人機的組成部分完成特定任務的設備。 非消耗型任務載荷 光電系統、雷達系統、激光目標指示、污染監(jiān)測、 公共宣傳系統、無線電中繼系統、電子情報、 雷達 欺騙、磁異常檢測 消耗型任務載荷（植保系統、滅火系統、救生、 武器） 1 無人機控制系統的必要性 1.2.3 導航系統 慣性導航（ INS） 衛(wèi)星導航（ GPS、北斗） 組合導航 后備導航手段 雷達跟蹤 無線電跟蹤 直接估計 1 無人機控制系統的必要性

4、1.2.4 通信鏈路 上行 發(fā)送飛行路徑數據并儲存 人 在回路時，實時發(fā)送飛行控制指令 發(fā)送控制命令至機載任務載荷和附屬設備 發(fā)送相關位置更新信息到慣導 /自動飛行控制系統 下行 發(fā)送有關飛機的位置信息到控制站 發(fā)送任務載荷圖像和數據到控制站 發(fā)送飛機狀態(tài)信息 1.3 無人機自主能力分級 美國公布的無人機自主能力分級圖 1 無人機控制系統的必要性 1 無人機控制系統的必要性 1.3 無人機自主能力分級 無人機控制系統的能力決定了無人機自主能力。 制約無人機達到高級別自 主能力的因素： 計算機技術 （ 運算速度 ） 通信技術 （ 帶寬和速

5、度 ） 人工智能技術 （ 認知能 力 、 理論模型和計算方 法等 ） 1 無人機控制系統的必要性 飛控系統是無人機系統的核心組成部分，其性能 直接影響著無人機的飛行性能和飛行品質，直接 關系到無人機的飛行安全。 動力學建模、模型簡化、控制律設計及實現、干 擾觀測器設計、控制律評估與確認、半物理仿真 與飛行試驗 1.4 無人機控制的作用與關鍵技術 1 無人機控制系統的必要性 無人機建模技術 機理建模（空氣動力學、飛行力學） 系統辨識建模 在模型精度和控制系統設計上折中 飛行控制技術 經典控制理論（時域響應、根軌跡、頻率響應） 現代控制理論（動態(tài)逆控制、魯

6、棒控制、自適應控制、滑膜 控制、智能控制） 飛行控制律確認與評估技術 一方面要針對不同的飛機構型、任務、飛行狀態(tài)及指標要求 設計出符合多準則的控制律 另一方面要采用有效的分析方法證明這些操穩(wěn)性能及飛行品 質在氣動參數、結構參數及傳感系統存在不確定的條件下仍 具有令人滿意的魯棒性 1.4 無人機控制的作用與關鍵技術 1 無人機控制系統的必要性 1912，斯佩里父子研制第一套自動駕駛儀，用于保持飛機 平飛是的俯仰角和滾轉角的穩(wěn)定。 二戰(zhàn)期間美國研制 C-1電氣式自駕儀，實現飛機三軸姿態(tài) 穩(wěn)定 二戰(zhàn)后期，德國 V1、 V2自駕 儀實現飛行軌跡控制 二戰(zhàn)后， C-54實

7、現起飛到著陸的全程自動化 50-60年代，隨著飛機各項性能的提升和新的氣動結構的采 用，飛行控制主要目的是改善飛行性能和品質，發(fā)展形成 自動飛行控制系統（ AFCS， Automatic Flight Control System） 1.5 無人機控制演化 1 無人機控制系統的必要性 70-90年代 隨控布局 (CCV, Control Configured Vehicle)是 指隨著控制 系統來進行飛機總體布局 。 主動控制 (AC, Active Control)：飛機 總體設計階段主動地 將自動控制系統與氣動 布局 、 結構 、動力裝置等結合在 一起進行綜合的設計，從

8、而全面地提高飛機的飛行性能 并改善飛行品質 。（ 基本設計 技術 主動控制技術） 放寬靜穩(wěn)定性飛，機本身可能是靜不穩(wěn)定或臨界穩(wěn)定、 傳感器及電傳操控師實現主動控制的重要基礎、由于采 用多操縱面布局和控制分配使得控制律復雜 1.5 無人機控制演化 1 無人機控制系統的必要性 1.5 無人機控制演化 基本 設計 主動 控制設計 主要考慮空氣動力、結構和發(fā)動機 三大因素（折衷） 飛機本身穩(wěn)定 飛控 系統處于 被動地位控制系統是 后來加到飛機上的，對飛機的結構 沒有直接影響 限制了飛機性能提高 設 什初始階段就考慮了飛行控制系 統對總體設計的 影響 把控制系統

9、提到 和氣動力 、 結構、 動力裝置并駕齊驅 的地位 ，布局 設 計之初就把控制技術與基本的三大 技術同時 考慮 對 自動控制系統的可靠性要求很高 ， 易 出 事故 1 無人機控制系統的必要性 90年代后，隨控制技術發(fā)展出現自修復飛 行控制、主動安全、健康管理、超機動飛 行 (隨控飛行 ) 戰(zhàn)術任務飛行管理系統 防空體系愈來愈復雜、功能愈來愈強大，導 致 作戰(zhàn)環(huán)境 日益嚴酷。面對日益復雜的作戰(zhàn) 態(tài)勢， 飛行員難以 承擔如此繁重的人工管理 和 決策。 態(tài)勢感知和評估、在線任務規(guī)劃、任務調度 與分配、管理控制 無人自主飛行控制 數字飛行控制系統取代模擬式飛行控制系 統

10、 1.5 無人機控制演化 本節(jié)課教學內容 無人機控制系統的必要性 1 無人機 控制系統指標與結構 2 控制系統主要組成部分介紹 3 飛行控制系統簡介 4 2 無人機 控制系統指標與結構 上 載 荷 艙 副 油 箱 天 線 發(fā) 動 機 控 制 舵 面 涵 道 螺 旋 槳 支 撐 梁 涵 道 減 振 梁 起 落 架 下 載 荷 艙 導 流 片 機 體 中 艙 主 油 箱 懸停 巡航飛行 高速飛行 2.1 涵道旋翼無人機 2 無人機 控制系統指標與結構 2.1 涵道旋翼無人機 功能 快速部署的低成本無人通信中繼平臺 體積小、重量輕，便于多種形式的運輸 操控

11、簡捷，利于快速部署 適應多種戰(zhàn)場環(huán)境，抗風擾能力強 具備垂直起降功能，適合復雜地形部署 機動能力強，指控作用距離長 具備高精度巡航和定位懸停功能 多種控制模式，具備自主飛行能力 2 無人機 控制系統指標與結構 2.1 涵 道旋 翼無人機 技術指標 航線精度： 50m 著陸 精度： 5m 作戰(zhàn)半徑： 10km 續(xù)航時間： 60min 最大飛行速度： 70km/h 最高飛行高度： 1300m 任務載荷： 20kg 指揮作用距離： 10km 抗風能力： 12m/s 2 無人機 控制系統指標與結構 高 度 傳 感 器 圖 像 數 據 處 理 姿 態(tài)

12、 數 據 處 理 發(fā) 動 機 油 門 伺 服 舵 機 1 伺 服 舵 機 2 伺 服 舵 機 3 數 據 庫 傳 感 器 單 元 執(zhí) 行 器 單 元 數 據 處 理 單 元 任 務 規(guī) 劃 單 元 人 機 界 面 任 務 分 配 軌 跡 規(guī) 劃 輔 助 控 制 單 元 無 線 數 據 傳 輸 單 元 姿 態(tài) 控 制 飛 行 控 制 抗 干 擾 控 制 起 降 控 制 主 控 制 單 元 轉 速 傳 感 器 風 速 傳 感 器 溫 度 傳 感 器 I M U 模 塊 G P S 模 塊 伺 服 舵 機 4 攝 像 頭 傳 感 器 數 據 處 理 手 動 輔 助 控 制 視 覺 輔 助 控 制 涵

13、 道 式 旋 翼 無 人 飛 行 器 地 面 指 揮 系 統 機 載 控 制 系 統 整 體 結 構 設 計 控制單元 傳感器單元 執(zhí)行器單元 數據處理單元 數據傳輸單元 任務規(guī)劃單元 輔助控制單元 涵道旋翼無人機控制系統 結構 慣 性 單 元 磁 阻 傳 感 器 氣 壓 傳 感 器 空 速 傳 感 器 G P S 接 收 器 超 聲 測 距 模 塊 無 線 傳 輸 單 元 主 控 制 器 發(fā) 動 機 伺 服 舵 機 1 伺 服 舵 機 2 伺 服 舵 機 3 伺 服 舵 機 4 地 面 控 制 平 臺 視 頻 采 集 單 元 2 無人機 控制系統指標與結構 2 無人機 控制

14、系統指標與結構 2.2 六旋翼無人機 2 無人機 控制系統指標與結構 2.2 六旋翼 無人機 功能 空中 懸停、定位 功能 預 設航線 飛行 遙控 飛行和自主切換功能 遠程 數據傳輸及飛行狀態(tài) 監(jiān)測 視覺 識別和無人機凝伺服功能 地面站飛行 系統故障 預警 功能 2 無人機 控制系統指標與結構 2.2 六旋翼無人機 技術指標 最大 飛行速度 60km/h； 最大 飛行高度 500m； 懸停 姿態(tài)精度 1deg； 定位 精度 0.3m； 飛行 姿態(tài)控制系統帶寬 8Hz； 最大 目標跟蹤速度 30km/h； 2 無人機控制系統指

15、標與結構 S T M 32 f 407 X b e e 通訊模塊 無線接收機 U A R T I 2 C 主處理器 三軸 M E M S 陀螺儀 D S P三軸 M E M S 加速度計 三軸磁阻傳感器 M T I 姿態(tài)模塊 圖像傳輸系 統發(fā)射機 云臺控制器 攝像頭 超聲測距 氣壓計 G P S 光流傳感器 地面站 X b e e 通訊模塊 計算機 控制手柄 圖像傳輸系統 接收機 遙控器 P W M P W M P W M P W M P W M P W M 電機調速器 電機調速器 電機調速器 電機調速器 電機 1 電機 2 電機 3 電機 4 電機調速器 電機調速器 電機 5 電機 6 U

16、 A R T U A R T P W M U A R T P W M AV 5 . 8 G H z 2 . 4 G H z 2 . 4 G H z U A R T 機載部分 E 2 P RO M I 2 C Go p r o 運動相機和無刷云臺 圖傳發(fā)射機 AV 視頻線 無線傳輸 圖傳接收機 視頻采集卡 本節(jié)課教學內容 無人機控制系統的必要性 1 無人機 控制系統指標與結構 2 控制系統關鍵部件 3 飛行控制系統簡介 4 3 控制系統關鍵部件 3.1 自動駕駛儀 自動駕駛儀（ Autopilot），是按技術要求自動控制 飛行器軌跡的調節(jié)設備，其作用主要是保持飛機姿 態(tài)和完成規(guī)定的飛行任

17、務。 自動駕駛儀是模仿駕駛員的動作駕駛無人機的。 3 控制系統關鍵部件 內置傳感器：三軸角速率陀螺 、三軸加速度計、 三軸磁力計、雙嘴空速傳感器、氣壓高度計、 GPS接收機、溫度傳感器。 輸入 /輸出接口： PWM輸入、 PWM輸出、電源監(jiān) 視、 ADC 數據交換接口： RS-232和 RS-485。 外置傳感器：空速高度組合傳感器、超聲波高度 計、 PWM信號和離散信號擴展器、飛行數據記錄 器、油量傳感器、 GLONASS 或北斗 GPS 接收機。 3 控制系統關鍵部件 SDI-WAX100自動駕駛儀 全自主，自主 起飛、懸停、飛行、降落。 大速度，直升機度 2

18、70公里 /小時 ，固定翼 850公里 /小時 高 精度 ，飛行控制精度 3米 ，差分 GPS精度 0.5米。 冗余設計，兩 個 CPU熱 備份，故障 時自動切換。 允許傳感 器 出現單次故障 ，故障后保持準確姿態(tài) 和位置估算 。通信 中斷后 ，根據 設定控制飛機繼續(xù)執(zhí)行任務或自主返航。 高度 集成集飛控、陀螺、加速度計、通信、 GPS、 高度表。 多 路 控制， 16路控制輸出，可控制 多伺服 舵機或外圍設備 。 無人機 參數實時監(jiān)控、智能告警顯示，支持三維航跡規(guī)劃 。 3 控制系統關鍵部件 SDI-WAX100自動駕駛儀 工作溫度 ： -40 +85

19、 空速表： 80 830公里 /小時 供電： 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 59.7 3 控制系統關鍵部件 SDI-WAX100自動駕駛儀地面控制站 支持 三維航跡規(guī)劃、設置禁飛區(qū)、參照點 飛機參數實時監(jiān)控、智能告警顯示 同步記錄飛行數據和視頻畫面 支持多種地圖及坐標格式 用戶可自定義操作界面 操作簡便，飛機、攝像機模式一鍵切換

20、 支持網絡數據分發(fā)與網絡遠程控制無人機 3 控制系統關鍵部件 SDI-WAX100自動駕駛儀地面控制站 通訊距離： 100公里 控制速率： 50Hz 通道數： 4 波特率： 115.2kb/s 頻率： 902 928M（ 1.3G可選） 一 站多機： 支持 工作溫度： -40 +85 電壓： 9V36V 功率： 2瓦 內置電池續(xù)航時間： 2小時 尺寸（ mm）： 123 103 30 重量： 300克 3 控制系統關鍵部件 3.

21、2 姿態(tài)測量 一個 IMU包含了三個單軸的加速度計 和三個單軸的陀螺，加速度計檢測物 體在載體坐標系統獨立三軸的加速度 信號，而陀螺檢測載體相對于導航坐 標系的角速度信號，測量物體在三維 空間中的角速度和加速度，并以此解 算出物體的姿態(tài) 。 捷聯姿態(tài)解算、導航 多傳感器融合、 Kalman濾波 3 控制系統關鍵部件 3.3 伺服舵機 工作原理：控制電路板接受來自信號線的控制信號，控制電機轉動，電 機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反 饋電位計是相連的，舵盤轉動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將 輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋，然后控制電路

22、板根據所在 位置決定電機的轉動方向和速度，從而達到目標停止。 指標：重量、尺寸、工作速度、扭矩、工作電壓、工作電流 特點：體積緊湊，便于安裝；輸出力矩大，穩(wěn)定性好；控制簡單，便于 和數字系統接口。 3 控制系統關鍵部件 3.4 發(fā)動機 四 沖程往復式內燃機 二 沖程往復式內燃機 旋轉 式引擎 渦輪 發(fā)動機 電馬達 3 控制系統關鍵部件 功率： 25HP/6500rpm 怠速： 1400 rpm/分鐘 適用火花塞型號 NGK CM6 排量： 245.2cm3 缸徑 行程 : 45mm 35mm 壓縮比： 7.6： 1 潤滑比 : 30:1 重量 : 主機

23、 5kg；總重 5.8kg 本節(jié)課教學內容 無人機控制系統的必要性 1 無人機 控制系統指標與結構 2 控制系統關鍵部件 3 飛行控制系統簡介 4 4 飛控系統簡介 飛 行 器 設 計 結 構 設 計 升 力 系 統 設 計 飛 行 控 制 系 統 涵 道 旋 翼 無 人 飛 行 器 設 計 動 力 學 分 析 數 學 仿 真 控 制 律 自 動 駕 駛 儀 靜 態(tài) 試 驗 飛 行 試 驗 飛 行 試 驗 功 能 完 善 抗 風 擾 補 償 環(huán) 境 試 驗 傳 感 器 補 償 方 法 風 擾 分 析 振 動 試 驗 疲 勞 試 驗 飛 行 性 能 指 標 檢 驗 懸 停 試 驗 導 航

24、試 驗 自 主 起 飛 著 陸 結 構 設 計 執(zhí) 行 機 構 測 試 飛 行 控 制 飛 行 管 理 地 面 指 揮 系 統 靜 態(tài) 測 試 結 構 試 驗 系 留 試 驗 結 構 、 升 力 系 統 及 飛 控 系 統 改 進 加 工 工 藝 改 進 結 構 及 氣 動 布 局 改 進 樣 機 試 驗 參 數 調 試 樣 機 試 驗 驗 收 飛 行 狀 態(tài) 指 令 靜 力 試 驗 4.1系統實施步驟 4 飛控系統簡介 姿態(tài)控制回路 速度控制回路 位置控制回路 機 體 動 力 學 模 型 1 / J s 姿 態(tài) 控 制 器 速 度 控 制 器 G P S 航 姿 系 統 舵 偏 角

25、 - * * *,,x y z ,,x y z ,, * * *,, 發(fā) 動 機 油 門位 置 控 制 器 d / d t 1 / M s ,,x y zv v v * * *,, x y zv v v 1 / s 1 / s + -- zyx ,, ,, 4.2 控制回路 （ 涵 道旋 翼） 4 飛控系統簡介 4.2 控制回路（六旋翼） 位置控制器 GP S / 光流 速度控制器 GP S / 光流 姿態(tài)控制器 I M U 測姿 高度控制器 超聲波 氣壓計 GP S 加速度計 - - - 爬升速度 控制器 超聲波 氣壓計 GP S 加速度計 轉速分配 無人機 - - 位置

26、控制（室內 -光流，室外 -GPS） 高度 控制（ 數據 融合） 姿態(tài)控制（雙環(huán) PID） 4 飛控系統簡介 飛行器實際系統的設計普遍存在不確定性問題。 綜合考慮各種不確定性對無人機的影響，以獲得穩(wěn)定的飛 行性能。 為了保證涵道旋翼飛行器控制效果，設計反饋控制器使得 在參數變化和陣風干擾時，姿態(tài)系統仍能保持穩(wěn)定。 建模誤差 工況變化 環(huán)境干擾 0 00 0 1 0 0 uu u u q u X X g u X X q M M q M M 0 00 0 1

27、0 0 0 uw u q w u X g u X X q M q M M w 4.3 系統中的不確定性 4 飛控系統簡介 機 體 動 力 學 模 型 1 / J s 姿 態(tài) 控 制 器 速 度 控 制 器 G P S 航 姿 系 統 量 化 風 擾 補 償 控 制 器 風 擾 舵 偏 角 風 擾 位 置 給 定 - * * *,,x y z ,,x y z風 擾 舵 偏 角 補 償 發(fā) 動 機 油 門 補 償 ,, * * *,, ,,x y z,, 發(fā) 動 機 油 門

28、位 置 控 制 器 d / d t 1 / M s ,,x y zv v v * * *,, x y zv v v 1 / s 1 / s + 發(fā) 動 機 油 門 -- + + + + ,, zyx ,, 風 擾 氣 動 效 應 分 析 干 擾 風 力 ， 風 速 姿 態(tài) ， 航 跡 誤 差 舵 偏 角 補 償 量 螺 旋 槳 轉 速 逆 模 型 自 適 應 補 償 姿 態(tài) 角 計 算 飛 行 器 飛 行 姿 態(tài) 、 位 置 轉 速 補 償 量 4.4 側風干擾補償 4 飛控系統簡介 監(jiān)測飛行姿態(tài)、高度、速度信息 監(jiān)測發(fā)動機及傳感器工作狀態(tài) 監(jiān)測機載電源電量、油箱油量 飛行器航

29、跡監(jiān)測與規(guī)劃 記錄飛行狀態(tài)數據及圖像資料 記錄飛行狀態(tài)數據及圖像資料 地 理 位 置 顯 示 區(qū) 機 載 視 頻 顯 示 區(qū) 姿 態(tài) 信 息 傳 感 器 工 作 狀 態(tài) 地 面 操 作 記 錄 飛 行 模 式 控 制 模 式 參 數 裝 載 飛 行 器 狀 態(tài) 1 2 3 4 5 4.5 地面站系統 4 飛控系統簡介 無 人 機 準 備 就 緒 起 飛 變 速 巡 航 降 落 懸 停 翼 地 效 應 懸 停 非 翼 地 效 應 懸 停 全 自 動 半 自 動 手 動 固 定 航 向 固 定 高 度 固 定 速 度 尋 找 標 定 點 返 航 升 限 懸 停 飛 行 器 是 否 正 常 工 作 地 面 站 準 備 就 緒 模 式 切 換 飛 行 無 人 機 及 控 制 臺 待 命 設 定 任 務 控 制 輔 助 控 制 下 降 下 降 任 務 成 功 后 / 飛 行 器 狀 況 異 常 速 度 下 降 進 入 非 正 常 工 作 正 常 工 作 地 面 站 監(jiān) 視 / 機 載 設 備 判 定 4.6 無人機系統工作流程 4 飛控系統簡介 4.5 地面站系統 4 飛控系統簡介 4.5 地面站系統