500公斤级无人直升机飞控导航系统的设计与应用
摘要：直升机以其悬停、贴地飞行、机动性能等特点能够有效满足
军事需求，故而一直是军事研究的重点项目。较之有人驾驶直升机，无人
直升机的关键在于其飞控导航系统，该系统是无人直升机能够有效完成任
务的核心所在。文章以500kg级无人直升机为对象，对其飞控导航系统的
设计及应用展开论述。
Keyword：
unmannedhelicopter;flightcontrolnavigationytem;ytemdeignandappli cation
本文以500kg级无人直升机为具体对象，对其飞控导航系统的设计与
应用展开研究。该机最大起飞重量为550公斤，采用活塞式发动机，主结
构为金属材料。该机是在H3超轻型直升机平台基础上，通过设计改型，
研制一款新型的多用途无人直升机，这是目前国内吨位较大的无人直升机，有效载荷高达180kg，使用95号车用汽油，续航时间可在3～3.5小时，
此款无人直升机型号在军用、民用无人机领域，都具有强大的市场竞争力。
1飞控导航系统构成
飞控导航系统作为无人机关键系统，不同于其它系统，这是个独立的
子系统，能够在不同型号的无人直升机上通用，并且经过特殊设计，能够
完成不同的任务。
飞控导航系统主要功能是飞行过程中飞行姿态控制和飞行轨迹控制。
主要用于稳定无人机飞行姿态，控制发动机转速和飞行航迹。可实现直升
机俯仰、倾斜、偏航、升降，以及飞行高度的稳定性控制、侧向偏离控制
和自动协调转弯控制。对无人直升机实现全权控制与管理，因此飞控导航
系统对于无人直升机相当于驾驶员对于有人直升机，是无人直升机基本飞
行和执行任务的关键。
飞控导航系统包括飞控子系统、导航子系统和飞行管理子系统。
2飞控导航系统设计
2.1飞控导航计算机
2.1.1硬件设计
飞控导航计算机硬件结构为：
a.嵌入式单片机：包括处理器，数字I/O及其控制，标准串行接口及
总线驱动、隔离等。b.AD/DA转换器：包括数据采集与处理，伺服控制。c.测量信号采集与处理：包括各种模拟信号的调理电路。d.GPS定位信号
接收器：该板上装有GPS接收机。e.隔离板：对所有进出机载计算机的信
号进行滤波和隔离。f.滤波板：电源滤波。g.接口：飞控導航计算机对外
接口分为串口、数字量输入/输出、模拟量输入/输出等，用于和机载传感器、伺服舵机、无线传输、任务设备等进行数据传输。
2.1.2软件设计
软件设计模块划分：主模块、定时中断处理模块和串行中断处理模块。
a.主模块主要完成系统初始化，包括RAM初始化、操作系统装载、
A/D、D/A、数字I/O和串行口初始化、A/D测试及采集、状态信息采集、
遥测编码、航向解算及实时处理、导航数据处理等。b.定时中断处理模块
主要完成与时间有关的周期性任务，包括无线传输管理、检测和任务规划
数据处理、飞行控制律解算、伺服控制、飞行模态管理等。c.串行口中断
处理模块主要响应串行口中断，进行中断识别并按不同中断源做出不同处
理。若中断源为航向传感器、GPS接收机，仅接收数据;若中断源为TCTM
设备，除接收遥控信息外，还要对遥控信息进行处理，译码并进行响应操作。
系统软件运行以主模块为核心，其他两个模块均以中断方式运行。定
时中断优先级高于串行口中断，各串行口中断的优先级按波特率的高低而
不同，波特率高的优先级高。通过合理的优先级分配、定时中断周期选择
以及各模块之间的调度，有效地解决系统软件的实时性问题。
2.2机载传感器组
无人直升机机载传感器包括两个部分，一是原型机仪表板指示器的原
有传感器及系统告警传感器。如发动机转速传感器、旋翼转速传感器、滑
油温度传感器等。二是飞控导航系统新增的传感器，包括角速度率传感器、姿态传感器、位置传感器、高度传感器及磁航向传感器等，这些传感器构
成导航飞控系统自动控制的基础。
2.2.1定速仪
定速仪主要用来控制无人直升机发动机转速，从而控制旋翼转速使其
稳定在535RPM左右。定速仪接收来自发发动机的转速信号以及来自飞控
的信号控制油门舵机，油门舵机接受来自定速仪的控制信息，通过油门钢
索改变油门的开度，从而改变发动机的转速。
定速仪相当于发动机转速的PID控制器，有了定速仪便可以维持直升
机的旋翼转速的稳定。定速仪的应用大大降低了旋翼转速控制的难度。
2.2.2超声波高度计
超声波高度计主要用于5米以下的高度测量，以弥补GPS定位系统在
低空时测量精度不够的缺陷。
超声波高度计成本低，安装简便，一般应用于低空作业的无人机平台。但超声波高度计作用距离短，只能作为无人直升机高度测量辅助传感器。
2.2.3GNSS卫星导航接收机加磁航向传感器
无人直升机飞行过程利用传感器敏感的具体方位，是飞行轨迹控制的
必要前提。惯性导航设备、GNSS卫星导航接收机（其中包含GPS/BD2/格
洛纳斯）、磁航向传感器都是典型的位置传感器。
GPS天线安装在尾梁上端，避免信号遮挡的问题。磁航向传感器安装
在飞控机箱上部，其外壳采用非金属材料制作，避免铁磁材料的干扰影响。
2.3伺服舵机
伺服舵机基本要求是工作可靠、重量轻、尺寸小，选用SSPS105电动
舵机作为俯仰、横滚、升降和方向控制的执行舵机，HITECHS-7980电动
舵机作为油门舵机。
2.4数据链路
该机具备两套数据链路，Futaba链路和另一套独立的无线电测控链
路可协同工作。Futaba链路主要用于小于1500m近距离范围内人工半自
主飞行、测试。另一套数据链路采用讯联科技100KM测控与信息一体化设
备产品主要用于自主飞行以及较远距离的自主飞行和测试。
3飞控导航系统应用
3.1仿真试验
对该机采用半物理仿真试验，因为全数字仿真试验难以将执行机构和
传感器等非线性环节对飞控系统的影响完全考虑进去，仿真置信度不及半
物理仿真。
半物理仿真平台用于完成无人直升机试飞之前对飞控系统动态测试，数字仿真系统对自动驾驶仪进行机载传感器和GPS信号注入，自动驾驶仪按照真实飞行的方式给数字仿真系统发出控制指令，实现对数字仿真机的控制，从而验证自动驾驶仪的执行策略和直升机的飞行品质。
仿真计算机一方面通过RS-232串行总线实现与地面控制软件的数据通讯，另一方面还通过网络传输方式，将飞行过程运动信息实时发送至视景模拟计算机，主要完成以下功能：（1）解算六自由度非线性飞行器运动方程，得到飞机各种运动参数信息。（2）运行发动机仿真程序，根据飞行高度、空速、发动机油门位置和发动机转速解算出发动机输出扭矩。（3）仿真飞行控制系统的各种传感器向飞控系统提供传感器信息，如气压高度传感器、磁力计、空速计、惯导、GPS等信息。（4）解算舵机环节仿真模型，根据接收到的舵偏指令响应。（5）解算风扰动仿真模型，为飞行过程仿真提供侧风、紊流和突风数据。
3.2飞行试验
该无人直升机自从2022年12月解除系留绳，带井字架首飞成
功;2022年1月在日照岚山机场进行了低温性能、平飞性能、载荷性能等試飞科目;2022年6月完成某基地鉴定试飞，鉴定试飞主要科目是平飞性能、斜向爬升性能、垂直爬升性能、航程和续航时间试飞科目，通过某基地鉴定试飞，验证无人直升机平台各个系统工作稳定性和可靠性，考核验证该型机总体技术指标;对飞控导航系统功能性、工作可靠性进行考核，充分验证了飞控导航系统的飞行姿态增稳功能、自主飞行控制功能和系统自检测功能。2022年5月该无人直升机实现了飞越琼州海峡的壮举。
试验结果表明，500kg级无人直升机飞控导航系统设计合理，能够在多种复杂环境下进行可靠的应用。空机重量低，空重比高，有效载荷达
180kg，在同吨位无人机中，任务载荷量大。所以除完成空中靶机的任务使命，能挂载不同的任务载荷，遂行生化探测、农林喷洒、物流、察打一体等不同的任务使命。同时，无人直升机研发周期短，有效地控制了研制成本和使用成本，无人直升机系统功能强大，性能指标与同吨位机型大致相同，但价格低，产品性价比高。
第二十八届<2018）全国直升机年会论文 风扇翼无人飞行器飞控系统设计与仿真 杜思亮唐正飞 (南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，南京，210016> 摘要:本文介绍了基于Atmega2560硬件的风扇翼无人飞行器自主飞行控制系统的设计及仿真。飞控计算 机采集各传感器数据得到飞行器当前飞行姿态、空间位置以及相应的监控信息,控制模块依此监控信息 按照给定策略计算并发出控制信号,实现该无人飞行器的自主飞行控制。本文首先说明了飞控系统的硬 件实现和软件架构；其次，给出了该飞控的控制算法和航路点导航方式；最后基于该飞控系统进行了半 实物仿真实验，以验证该飞控系统能否有效地控制该无人飞行器自主导航飞行。 关键词: 风扇翼；飞行控制；PID；半实物仿真 1 引言 风扇翼飞行器[1]具有低噪声、高稳定性、不失速、良好的低速特性、升力特性、短距起降和大载荷等能力，将对我国发展短距起降和大载荷舰载飞行器等提供新的思路。那么，具有自主飞行能力的风扇翼无人飞行器，将对风扇翼飞行器的实用化提供大量的参考数据。由于风扇翼飞行器固有的飞行特性，即其既有固定翼飞机各舵面的动作方式，又具有直升机加油门前飞增升增仰角等特点。其风扇翼旋转的转速控制与飞行器升力的大小和方向存在着耦合<油门的控制与其迎角之间的耦合）。因此，普通的固定翼飞控或直升机飞控不能够直接应用于风扇翼飞行器，那么建立一套适用于该类飞行器的飞行控制系统是必须的。 固定翼无人机飞控[2,3]其俯仰、偏航、滚转通道的控制大多设计独立的控制舵面，各舵面之间没有耦合或很小，飞控的设计相对而言比较容易。无人直升机[4,5]的操纵性来自于旋翼的旋转，其俯仰、偏航、滚转、总距的控制之间彼此存在着耦合，飞控的设计就比较的复杂。而风扇翼无人飞行器除了油门的控制与升力之间的耦合关系外，其它的舵面控制与固定翼无人机差不多，这就为设计该无人机的飞控提供了很好的借鉴平台。通过参照固定翼无人机飞控的设计方法，同时加上无人直升机的相关解耦控制算法，再按照风扇翼飞行器固有的飞行特性，重点进行纵向通道的配平控制，设计能控制风扇翼无人机的飞控是可实现的。 本文所设计的飞控正是基于上述原理，通过构建一套较低成本、硬件易搭建的实验性飞控平台来验证飞控算法和导航算法的可行性，并进行半实物仿真，为实用、可靠、完整功能飞行控制器的应用进行探索。 2 系统构架简介 该无人飞行器的主控芯片采用Atmega2560，通过配备协处理器Mega328单片机等构建一套飞行控制计算机，与外围传感器模块、伺服模块等构成了一套低功耗、体积小的自主无人飞行器硬件系统。如图1、2所示。
国内外无人直升机的发展现状及应用分析 在无人机里有一种特殊的无人直升机，它是指由无线电遥控飞行或自主控制飞行的无人驾驶、不载人的垂直起落旋翼飞行器。它依靠发动机驱动旋翼产生升力和操纵力，能垂直起落、空中悬停，能向任何一个方向灵活飞行。真正意义上的无人直升机以长航时、多任务、稳定性等为标志，与时下一些航模性质的无人机根本不在一个量级上。 无人直升机的多功能特性 无人直升机无论在现代战争还是经济建设、日常生活中都具有独特作用。以民用为例，无人直升机具有成本相对较低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等优势，广泛应用于包括：航空拍摄、航空摄影、地质地貌测绘、森林防火、地震调查、边境巡逻、应急救灾、禁毒、反恐、警用侦查巡逻、治安监控、消防航拍侦查、通信中继、城市规划等多个领域。近年来，无人机在民用市场的潜在需求也将逐步显现，我国民用无人机将进入快速发展期。 国外无人直升机的发展 无人直升机研制始于上世纪50年代初，美国、英国、德国等国家率先对无人直升机进行研究。当时美国为加强反潜搜索能力以应对前苏联庞大的潜艇威胁开始无人直升机研制，委托“螺旋动力”公司为美海军研发了第一架无人直升机——QH-50，该机为遥控无人直升机，先后交付近800架。上世纪70年代，美国陆军使用其改进型QH-50D在越南战场上执行战场侦察和炮兵目标观测任务，由于该机为遥控直升机，使用不甚方便，失事率也非常高，美军无奈于70年代末期取消了QH-50的订货计划，其任务使命由无人机代替，无人直升机在美国的研制呈萧条趋势。 在经历了试用、萧条、复苏之后，上世纪80至90年代，无人直升机的发展呈现出百家齐放的特点，出现了各种气动外形的无人直升机。国外无人直升机逐渐步入加速发展时期。上世纪90年代中后期，美国无人直升机研制呈迅猛发展趋势，各大直升机公司纷纷介入，也带动了全球无人直升机的研制热潮。2005年8月，美军颁布2005～2030年《无人机系统路线图》，该路线图表明美军今后将大力开发无人直升机，可以预见美军无人直升机的研制将步入正轨并快速发展，这也正是美国各大直升机公司纷纷涌入无人直升机领域的主要原因。无人直升机作为一种重要武器装备，其研制任务已由美国各大直升机公司全面接管，小公司承担无人直升机研制的时代在美国将一去不复返。 纵观历史，国外无人直升机发展趋势在创新构型、提升任务载荷和续航能力之外还具有其他特征。一是以信息支援任务为中心，作战任务进一步扩展，最终形成侦察、攻击任务综合一体化的无人直升机；二是无人机系统研制由“以平台为中心”向“以任务为中心”转变，充分考虑作战使用的特殊要求；三是不断提高智能化水平和自主飞行控制能力，具备故障隔离/排除故障、自动航路规划等智能控制能力；四是具备执行多任务的作战能力；五是采用钛合金、复合材料、模块化设计等新材料和新技术。
编 号 密 级 公开 阶段标记 档 号 保管期限 会签 名 称 100kg 级复合翼垂直起降无人机系统 总体技术方案报告 部门 无人机部总体室 编写 校对 审核 标审 批准 中 国 航 天 科 技 集 团 公 司 第十一研究院彩虹无人机科技有限公司
内容摘要： 针对民用需求提出总体技术指标，开展总体技术方案设计，并对总体气动、飞行性能进行分析计算。完成飞行器分系统方案、测控分系统方案、载荷分系统方案、指挥控制分系统方案和综合保障分系统方案。其中，飞行器分系统方案包括动力系统方案、结构分系统方案、飞控分系统方案和电气分系统方案。阐述了特性设计、关键技术与解决方案等，并对系统方案进行了总结。 主 题 复合翼，垂直起降，总体方案 词 更改单编号更改日期更改人更改情况及标记 更 改 栏
目录 1任务来源 (5) 2主要任务应用和使用方式 (5) 3国内外发展现状 (7) 4主要技术指标 (7) 4.1任务目标 (7) 4.2主要技术指标分解 (8) 5系统组成和工作流程 (10) 5.1系统组成与系统配置 (10) 5.2工作原理 (12) 5.3使用模式 (12) 6分系统技术方案 (13) 6.1飞行器分系统方案 (13) 6.2测控分系统方案 (37) 6.3载荷分系统方案 (45) 6.4指挥控制分系统方案 (46) 6.5综合保障分系统方案 (47) 7特性设计 (49) 7.1环境适应性设计 (49) 7.2可靠性设计 (50) 7.3维修性设计 (50) 7.4保障性设计 (50) 7.5安全性设计 (50) 7.6电磁兼容性设计 (51) 8关键技术及解决途径 (51)
500公斤级无人直升机飞控导航系统的设计与应用 摘要：直升机以其悬停、贴地飞行、机动性能等特点能够有效满足 军事需求，故而一直是军事研究的重点项目。较之有人驾驶直升机，无人 直升机的关键在于其飞控导航系统，该系统是无人直升机能够有效完成任 务的核心所在。文章以500kg级无人直升机为对象，对其飞控导航系统的 设计及应用展开论述。 Keyword： unmannedhelicopter;flightcontrolnavigationytem;ytemdeignandappli cation 本文以500kg级无人直升机为具体对象，对其飞控导航系统的设计与 应用展开研究。该机最大起飞重量为550公斤，采用活塞式发动机，主结 构为金属材料。该机是在H3超轻型直升机平台基础上，通过设计改型， 研制一款新型的多用途无人直升机，这是目前国内吨位较大的无人直升机，有效载荷高达180kg，使用95号车用汽油，续航时间可在3～3.5小时， 此款无人直升机型号在军用、民用无人机领域，都具有强大的市场竞争力。 1飞控导航系统构成 飞控导航系统作为无人机关键系统，不同于其它系统，这是个独立的 子系统，能够在不同型号的无人直升机上通用，并且经过特殊设计，能够 完成不同的任务。 飞控导航系统主要功能是飞行过程中飞行姿态控制和飞行轨迹控制。 主要用于稳定无人机飞行姿态，控制发动机转速和飞行航迹。可实现直升 机俯仰、倾斜、偏航、升降，以及飞行高度的稳定性控制、侧向偏离控制 和自动协调转弯控制。对无人直升机实现全权控制与管理，因此飞控导航
系统对于无人直升机相当于驾驶员对于有人直升机，是无人直升机基本飞 行和执行任务的关键。 飞控导航系统包括飞控子系统、导航子系统和飞行管理子系统。 2飞控导航系统设计 2.1飞控导航计算机 2.1.1硬件设计 飞控导航计算机硬件结构为： a.嵌入式单片机：包括处理器，数字I/O及其控制，标准串行接口及 总线驱动、隔离等。b.AD/DA转换器：包括数据采集与处理，伺服控制。c.测量信号采集与处理：包括各种模拟信号的调理电路。d.GPS定位信号 接收器：该板上装有GPS接收机。e.隔离板：对所有进出机载计算机的信 号进行滤波和隔离。f.滤波板：电源滤波。g.接口：飞控導航计算机对外 接口分为串口、数字量输入/输出、模拟量输入/输出等，用于和机载传感器、伺服舵机、无线传输、任务设备等进行数据传输。 2.1.2软件设计 软件设计模块划分：主模块、定时中断处理模块和串行中断处理模块。 a.主模块主要完成系统初始化，包括RAM初始化、操作系统装载、 A/D、D/A、数字I/O和串行口初始化、A/D测试及采集、状态信息采集、 遥测编码、航向解算及实时处理、导航数据处理等。b.定时中断处理模块 主要完成与时间有关的周期性任务，包括无线传输管理、检测和任务规划 数据处理、飞行控制律解算、伺服控制、飞行模态管理等。c.串行口中断 处理模块主要响应串行口中断，进行中断识别并按不同中断源做出不同处
无人机控制系统的设计与开发 无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）作为一种无人驾驶的飞行器，具有广泛的应用领域，包括军事侦察、灾难救援、农业监测等。无人机的控制系统是保证它能够稳定飞行和执行任务的核心。本文将探讨无人机控制系统的设计与开发过程。 一、需求分析 在开始无人机控制系统的设计与开发之前，首先需要进行需求分析，确立无人 机系统的功能和性能要求。用户的需求包括定位、导航、遥控、飞行稳定性等方面。 1.定位和导航：无人机能够根据用户指定的目标区域进行自主导航，并准确定 位目标区域的坐标位置。 2.遥控：用户能够通过遥控器实时控制无人机的飞行方向、高度等参数。 3.飞行稳定性：无人机能够实现良好的飞行稳定性，包括在不同天气条件下的 飞行稳定性和抗干扰能力。 二、无人机控制系统的设计与开发 1.平台选择：根据无人机的规模、用途和预期任务，选择合适的硬件平台。一 般情况下，无人机的硬件平台由电脑、飞行控制器、传感器、通信模块等组成。 2.飞行控制器的选择与设计：飞行控制器是无人机控制系统中的核心部件，负 责接收传感器数据并控制无人机的飞行。根据需求分析中的定位、导航和飞行稳定性要求，选择适合的飞行控制器，并设计相应的控制算法。 3.信号接收与处理：用户可以通过遥控器对无人机进行遥控。设计相应的信号 接收与处理模块，将遥控器的信号转化为无人机飞行参数，在飞行控制器上进行相应的处理。
4.传感器选择与集成：无人机需要借助不同类型的传感器来感知环境和自身状态。常用的传感器包括陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计等。根据需求分析，选择和集成合适的传感器，实现无人机对环境的感知和导航。 5.通信模块设计：在无人机控制系统中，通信模块用于与地面站或其他无人机进行通信。根据需求分析中的遥控功能要求，设计相应的通信模块，实现无人机与地面的实时通信。 6.软件开发：根据无人机的需求和功能要求，进行软件开发，包括飞行控制算法的编写、传感器数据的处理与融合、遥控指令的解析与执行等。 7.系统集成与测试：将各个模块进行集成，并进行系统测试，确保无人机控制系统的正常运行和满足用户需求。 三、无人机控制系统的优化与改进 随着无人机应用的不断发展，无人机控制系统也需要不断地进行优化与改进。以下是几个常见的优化和改进方向： 1.提高飞行稳定性：通过改进飞行控制算法、加强传感器数据的处理与融合，以及增加环境感知的能力，提高无人机的飞行稳定性，减少飞行中的抖动和不稳定现象。 2.增强操作性：优化遥控器的设计，提供更多的操作功能，使用户能够更方便地控制无人机的飞行和完成各种任务。 3.增加智能化：引入人工智能技术，使无人机具备更智能的决策能力和自主学习能力，能够根据环境变化和任务需求进行自主决策和调整。 4.安全性提升：加强无人机与地面站之间的通信加密，防止无人机系统被未经授权的人干扰或攻击。 结论
无人机设备中的飞行控制系统设计与实 现 随着科技的发展和无人机市场的迅速扩大，无人机设备已经成 为多个领域的重要工具和应用。无人机的飞行控制系统是其核心 组成部分，它负责飞行控制、导航、安全保障和性能优化等任务。本文将探讨无人机设备中飞行控制系统的设计与实现，以帮助读 者更好地了解无人机的工作原理和控制系统的关键技术。 无人机飞行控制系统的设计需要考虑多个因素，包括飞行器的 类型和用途、飞行环境、控制算法和通信技术等。首先，针对不 同类型的无人机，需要选择适合的控制系统架构和硬件平台。常 见的无人机类型包括多旋翼、固定翼和垂直起降等，它们的控制 系统设计有所差异。例如，多旋翼无人机通常采用多个电机来实 现飞行控制，而固定翼无人机则依靠传统的航空控制理论来实现 飞行稳定。无人机的用途也会影响其飞行控制系统的设计，如航 拍摄影、搜救救援和农业植保等。 其次，无人机飞行环境对控制系统的要求也是设计的重要考虑 因素之一。在不同的飞行环境下，无人机需要应对不同的飞行动 态和环境干扰。例如，在强风环境下，无人机需要具备较强的抗 风能力和稳定性，并能自主调节航向和高度。此外，无人机在复
杂的室内环境或封闭空间中飞行时，需要采用特殊的感知和定位 技术，如激光雷达、视觉识别和惯性导航等。 在飞行控制算法方面，无人机设备通常采用传统的PID控制算 法或更高级的自适应控制算法。PID控制算法通过比较实际状态 和目标状态的差异，计算出相应的控制输出，以实现飞行器的稳 定和精准控制。自适应控制算法能够根据飞行器的动态特性和环 境变化，自主地调节控制参数和控制策略，以提高系统的鲁棒性 和适应性。在实际设计中，往往需要根据实际应用场景和性能需求，选择合适的控制算法。 除了控制算法，无人机飞行控制系统还需要具备相应的感知和 定位能力。感知技术可以通过传感器获取周围环境的信息，如气 压传感器、加速度计和陀螺仪等。定位技术用于实现无人机的位 置和姿态估计，这对于飞行器的导航、轨迹规划和目标追踪至关 重要。常用的定位技术包括GPS定位系统、惯性导航系统和视觉 定位系统等。在无人机的飞行控制系统设计中，合理地选择和配 置感知和定位设备，对保证飞行器的安全和性能起着至关重要的 作用。 通信技术也是无人机飞行控制系统中不可或缺的一部分。无人 机通常需要与地面控制站或其他机载设备进行数据和命令的交互。常见的无人机通信方式包括无线射频通信和卫星通信。无线射频 通信适用于近距离的控制和数据传输，而卫星通信则可以实现远
无人机导航与控制系统设计 一、引言 无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）是近年来航空技术领域取得的重大突破之一。随着无人机应用于军事、民用和商业领域的逐渐增多，无人机导航与控制系统设计变得至关重要。本文将围绕这一主题展开研究。 二、无人机导航系统 1. 概述 无人机导航系统是指用于确定和控制无人机在空中运行的技术系统。主要由定位与测距系统、姿态与运动传感器、导航算法和地面控制站等组成。在设计无人机导航系统时，需要考虑导航的精度、稳定性和实时性等因素。 2. 定位与测距系统 定位与测距系统是无人机导航系统的基础。常用的定位与测距技术包括全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS）、激光雷达等。合理选择定位与测距系统，并对其进行精确校准，是确保无人机导航准确性的关键。 3. 姿态与运动传感器
姿态与运动传感器用于感知无人机的姿态（如俯仰、滚转、偏航）和运动状态（如速度、加速度）。常见的传感器包括陀螺仪、加速度计和磁力计等。利用传感器提供的数据，可以实时更新无 人机的姿态和位置信息，从而实现精确的导航与控制。 4. 导航算法 导航算法是无人机导航系统的核心部分。根据无人机的任务需求，可以选择不同的导航算法，如基于惯性导航的卡尔曼滤波算法、基于特征点的视觉导航算法等。导航算法的有效性和鲁棒性 对无人机的控制精度和稳定性至关重要。 5. 地面控制站 地面控制站是无人机导航与控制的操作中枢。它通过与无人机 的数据链实现与无人机的实时通信和控制。地面控制站通常包括 控制台、显示屏、遥控器等设备，通过人机界面使操作员能够远 程控制无人机的飞行和任务执行。 三、无人机控制系统 1. 概述 无人机控制系统是指用于操控无人机的技术系统。它包括飞行 控制系统、稳定性控制系统和动力控制系统等。无人机控制系统 的设计目标是确保无人机在各种飞行条件下的稳定性和可控性。
无人机飞控系统设计及其实现 随着科技的发展，无人机已被广泛应用于各个领域，如军事侦察、民用航拍、 环境监测等。无人机作为新型智能飞行器，其最核心的部分就是飞控系统。 无人机飞控系统是指控制无人机运动的计算机程序和硬件，在无人机中扮演着“人脑”的角色，负责接收传感器的数据、计算运动控制指令并实现航线控制。因此，一个性能稳定、可靠性高、功能丰富的飞控系统对于无人机的安全和稳定飞行至关重要。 一、无人机飞控系统设计流程 1. 确定飞控系统需求 首先确定飞控系统的需求，明确其飞行任务、负载要求、控制方式等。不同的 需求将影响飞控系统硬件、软件的设计和实现。 2. 选择基础硬件和软件平台 选择适合的基础硬件和软件平台是设计的一个重要环节。硬件平台需要适应不 同的需求，如可靠性、重量、功耗等。软件平台则需要支持完整的开发调试环境，可编程性和算法优化等。 3. 设计集成电路 根据需求，设计控制器、调节器等集成电路，支持无人机发射、驱动舵机、传 感器信号采集、数据处理等功能。 4. 编写嵌入式软件 编写嵌入式软件，实现无人机飞行控制、图像处理、数据处理等功能。 5. 构建通讯模块
通讯模块是控制无人机和地面控制台之间信息传递的桥梁，需要确定通讯协议 和通讯速率，以实现数据传输。 6. 集成实现 将各模块集成实现，实现无人机飞行控制、通讯、数据处理等功能。 二、无人机飞控系统核心技术 1. 传感器 传感器主要负责采集无人机周围环境的信息，如气压、温度、加速度、陀螺仪等。具体传感器种类因需求而异，不同传感器能够获取的信息也不同，需要进行选型设计。 2. 姿态算法 姿态算法是控制无人机在空中盘旋、前进、后退、左右移动的核心算法。基于 传感器采集的数据，通过运动状态估计、卡尔曼滤波、状态预测等算法实现无人机的姿态控制。 3. 路径规划算法 路径规划算法用于规划无人机的飞行路径，根据飞行器运行状态和允许的运动 幅度等因素进行计算，实现自主飞行。 4. 控制指令生成算法 控制指令生成算法是飞控系统的内核，负责实现无人机的运动控制。由姿态算法、路径规划算法等算法生成无人机的控制指令，控制飞行器完成特定的飞行任务。 三、无人机飞控系统开发工具 1. 开发环境
基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计 基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计 一、引言 无人机作为一种高效、灵活的飞行器，已经广泛应用于农业、航空摄影、物流等领域。无人机的飞行控制系统是实现无人机稳定飞行的核心部件，关乎到无人机的安全性和性能。本文将基于STM32单片机，设计一种高效稳定的无人机飞行控制系统。 二、系统设计方案 1. 硬件设计 无人机飞行控制系统的硬件设计包括主控芯片选型、传感器选择与连接、无线通信模块等。 （1）主控芯片选型 本系统选用STM32系列单片机作为主控芯片。STM32单片机 具有高性能、低功耗和丰富的外设接口等特点，适合用于嵌入式系统设计。 （2）传感器选择与连接 无人机的稳定飞行依赖于姿态传感器、气压传感器等，用于实时测量无人机的姿态信息和气压信息。通过SPI或I2C接口，将传感器与STM32单片机连接。 （3）无线通信模块 为了实现与地面控制站的通信，本系统选用WiFi或蓝牙模 块作为无线通信模块。通过无线通信模块，实现无人机与地面控制站之间的数据传输和指令控制。 2. 软件设计 无人机飞行控制系统的软件设计包括飞行控制算法的实现、通信协议的设计和图形界面开发等。
（1）飞行控制算法 本系统采用PID控制算法实现无人机的稳定飞行。PID控制 算法能根据无人机的姿态信息，实时调整无人机的控制指令，使其保持稳定飞行。 （2）通信协议设计 在无人机飞行控制系统中，需要设计一种通信协议，在无人机和地面控制站之间进行数据传输。本系统采用串口通信协议，在硬件上通过UART接口实现无人机和地面控制站之间的数据 交互。 （3）图形界面开发 为了方便用户对无人机进行操作和监控，本系统设计了图形界面。通过图形界面，用户可以实时查看无人机的姿态信息、图像传输和设置飞行参数等。 三、系统实现及测试 在系统设计完成后，需要进行实际的硬件搭建和软件开发。在硬件搭建过程中，需要将选用的传感器、无线通信模块等进行连接。在软件开发过程中，需要编写飞行控制算法、通信协议和图形界面等。 为了验证系统的飞行控制性能，进行了一系列的实验和测试。实验中，通过地面控制站向无人机发送指令，控制无人机的姿态和高度。同时，实时监测无人机的姿态信息，并将数据传输到地面控制站进行分析。 经过多次实验测试，无人机飞行控制系统达到了设计要求。在飞行过程中，无人机能够实时稳定地保持预设的姿态和飞行高度。同时，通过无线通信模块，实现了与地面控制站的数据传输和指令控制。 四、系统总结与展望
无人机系统的设计与开发 随着科技的不断发展，无人机系统已经逐渐成为了现代军事和民用的重要设备 之一。无人机系统可以用于侦查、巡逻、运输、灾害救援等领域，具有高精度、长时间、高效率等优点。为了满足不同领域对无人机系统的需求，无人机系统的设计与开发变得尤为重要。 一、无人机系统的设计 在设计无人机系统时，需要根据使用场景、任务需求和技术水平等因素来确定 具体的设计方案。一般而言，无人机系统的设计包括以下几个方面： 1.机身设计 机身设计是无人机系统设计的基础，其大小、重量、结构等方面直接影响着无 人机系统的性能和功能。机身设计需要根据任务需求和技术水平确定机身形状、材料、制造工艺等方面，同时需要考虑到机身的重量和稳定性，以及机身的易操作性和维修性。 2.飞控系统设计 飞控系统是无人机系统的核心部分，它负责着无人机的动作控制、路线规划、 传感器控制等方面。飞控系统需要具备高精度、高可靠性和高扩展性等特点，并且需要与其他硬件部件进行良好的协调和配合。飞控系统的设计需要考虑到任务需求、环境要求和安全要求等因素，同时需要针对不同场景选择不同的算法和控制原理。 3.传感器设计 传感器是无人机系统的重要部件之一，它可以获取无人机周围环境的信息，并 将其转化为电信号进行处理和分析。传感器设计需要针对具体的任务需求来进行，例如对于侦查任务需要选择高清晰度的摄像头，对于灾害救援任务需要选择红外传感器等。传感器的设计也需要考虑到传感器与飞控系统的协调与兼容问题。
4.数据链设计 数据链是无人机系统的通讯部分，它负责着无人机与控制器之间的数据传输。数据链的设计需要考虑到传输距离、传输速率、抗干扰能力等因素，并且需要针对具体任务需求来进行优化。同时，数据链的安全性也是需要重视的，在设计过程中要注意对数据链进行加密和防护。 二、无人机系统的开发 无人机系统的开发包括硬件和软件两个方面。在进行无人机系统的开发时，需要根据设计方案进行具体的实现。 1.硬件开发 硬件开发是无人机系统开发的重要部分，它包括对机身、传感器、飞控系统等部分进行制造和组装。硬件开发需要注意到采用优质的材料和先进的制造工艺，同时需要兼顾到质量、成本和周期等因素。在进行硬件开发时，需要进行严格的测试和验证，确保无人机系统具备高精度和高可靠性。 2.软件开发 软件开发是无人机系统开发中的关键环节，它包括对飞控系统、传感器、数据链等部分的算法和程序进行编写和调试。在进行软件开发时，需要根据设计方案选择合适的开发环境和开发工具，同时需要进行严格的测试和验证。软件开发的质量和效率直接影响着无人机系统的性能和功能。 三、无人机系统的应用 无人机系统的应用越来越广泛，涵盖了军事、民用、商业等多个领域。在军事领域，无人机系统可以作为侦察、侦查、打击等任务的执行器，提高了军事作战的效率和准确性。在民用领域，无人机系统可以用于测量、勘察、灾难救助等任务，对于改善人类生活和促进经济发展具有重要意义。在商业领域，无人机系统可以应用于物流、配送等方面，降低了物流成本和时间成本，提高了物流效率。
无人驾驶飞行器控制系统的设计与实现 近年来，随着科技的不断进步，无人驾驶飞行器的应用越来越 广泛，从无人机到无人直升机再到无人货机，无人驾驶飞行器正 逐渐成为一种新型的交通工具，被用于军事侦察、灾害救援、农 业测绘、航拍拍摄以及快递配送等场景中。在此基础之上，无人 驾驶飞行器控制系统的设计与实现也成为了一个备受关注的话题。 一、无人驾驶飞行器的控制系统构成 无人驾驶飞行器的控制系统主要由硬件和软件两个部分组成。 硬件包括飞行器的传感器和执行器，软件则包括飞行器的控制算 法和图像处理等部分。 传感器一般包括：惯性导航系统、气压高度计、GPS和相机等。惯性导航系统的作用是测量飞行器的角速度和加速度等数据，气 压高度计可以通过测量大气压值来计算飞行器的高度，GPS是用 来定位飞行器的。相机则可以提供图像信息，用于飞行器的姿态 控制和航线规划等。 执行器主要包括电机、螺旋桨和舵机等。电机和螺旋桨主要用 来提供飞行器的升力和推力，舵机则用来控制飞行器的姿态，如 俯仰角和偏航角等。 控制算法一般包括飞行器的自稳控制、导航控制和传感器融合 等部分。自稳控制主要用来保持飞行器的平稳飞行，导航控制则
用来规划飞行器的航线和实现目标点的精确定位，传感器融合则 用来整合各种传感器的数据，提高控制系统的鲁棒性和精度。 图像处理部分主要用来实现飞行器的视觉导航和智能辨别等功能。通过图像处理，飞行器可以实现一些高级功能，如自主避障、自主降落等。 二、无人驾驶飞行器控制系统的实现 无人驾驶飞行器控制系统的实现可以分为硬件设计和软件开发 两部分。 硬件设计主要包括飞行器的机身结构设计和传感器与执行器等 硬件的选择和集成。根据不同的应用场景和需求，飞行器的设计 会有所差异，但总的原则是要考虑飞行器的稳定性和可靠性，以 及其可制造性和生产成本等因素。 软件开发则是通过编写各种算法程序和代码，实现无人驾驶飞 行器的控制和导航等功能。软件开发需要结合飞行器的硬件设计 和特点，进行针对性编写。同时，为了提高飞行器的性能和可靠性，软件开发需要进行一系列的测试和调试，确保飞行器能够在 各种情况下表现出稳定和可靠的性能。 三、无人驾驶飞行器控制系统的研究进展
无人机飞行控制系统的设计与仿真研究 随着科技的发展，无人机正逐渐进入人们的生活，作为新兴领域，无人机技术 发展迅速，在诸多领域得到广泛应用。无人机控制系统是无人机的核心部分，其设计和功能直接影响着无人机的性能和安全。因此，无人机飞行控制系统的设计和仿真研究变得至关重要。 一、无人机的基本组成 无人机是一种由控制系统控制的空中无人驾驶飞行器，由自主光电系统、导航 系统、动力系统和遥控操纵系统组成。其中，无人机控制系统是无人机的核心部分，它与无人机飞行的安全和性能息息相关。 二、无人机控制系统的设计与分类 无人机飞行控制系统是无人机的核心部分，其作用是通过各种传感器和电子装置，及时采集无人机的各类参数信息，并根据无人机的实时状态，对无人机进行控制。其基本组成框架模型如下图： 无人机控制系统设计应该考虑到飞行器的动力、结构和飞控的平衡性问题，根 据无人机的不同功能，可以将其分为相应的几种类型：固定翼无人机、多旋翼无人机、自主飞行模拟器、倾转旋翼飞行器等。 三、无人机控制系统的仿真研究 为了确保无人机的飞行安全和性能，控制系统的设计、优化和调试，需要进行 大量的仿真研究。在仿真前需要先进行数学模型的建立，然后进行系统设计和仿真。 常用的无人机控制系统仿真工具有MATLAB、Simulink、LabVIEW、ADEPT、ADS、Multisim等，这些仿真软件可以实现无人机控制系统运动学和动力学仿真以 及控制系统参数优化等。
四、应用案例：固定翼无人机仿真 以固定翼无人机为例，利用Simulink工具进行仿真研究。首先，建立固定翼无人机的数学模型，包括质量、气动力、姿态、位置、速度等。然后，针对不同任务，设置相应的飞行模式，包括起飞、飞行、巡航、目标搜索和着陆等。 在Simulink中，将无人机的数学模型和控制模型进行耦合，对飞行控制系统进行仿真，可以模拟无人机在不同环境条件下的飞行状态，并对控制参数进行调整，达到最佳控制效果。 五、无人机控制系统的发展 随着无人机应用的不断扩大，在无人机控制系统的研究方面，也有了很多新的 进展。例如，飞行控制系统的人工智能技术的应用，可以大大提高无人机在复杂环境下的自主飞行能力；另外，还有一些创新型无人机控制系统研究，如视觉控制、自适应控制、智能控制等，这些技术的发展将对无人机的飞行控制系统设计和应用带来巨大的改进空间。 六、总结 无人机控制系统是无人机的核心部分，其设计和功能直接关系到无人机的性能 和安全。通过无人机控制系统仿真研究，可以得到无人机飞行的实时状态，从而对无人机进行控制，实现机动、稳定和自主控制等多种功能。随着无人机技术的不断发展，无人机控制系统的设计与仿真研究将会越来越重要。
无人机智能飞行控制系统的设计与实现 第一章引言 随着科技的不断进步和无人机的广泛应用，无人机智能飞行控 制系统的设计和实现成为了一个热门话题。本章将介绍研究背景、研究目的和研究方法。 1.1 研究背景 随着人工智能和自动化技术的发展，无人机在农业、环境监测、物流配送等领域的应用越来越广泛。然而，当前大部分无人机的 飞行控制系统仍然依赖于预先编程的轨迹或者遥控操作。这种控 制方式存在着一定的局限性和安全隐患。因此，研究和设计一种 智能飞行控制系统是十分必要的。 1.2 研究目的 本研究的目的是设计和实现一种无人机智能飞行控制系统，实 现无人机的自主飞行和避障功能。通过使用计算机视觉和机器学 习算法，提高无人机的自主决策和飞行能力，增强其在复杂环境 中的稳定性和安全性。 1.3 研究方法 本研究将采用以下几个步骤来完成无人机智能飞行控制系统的 设计和实现：
1）收集相关文献和资料，了解当前无人机飞行控制系统的发展状况； 2）研究机器学习和计算机视觉的基本原理和方法； 3）设计和开发无人机飞行控制系统的硬件和软件模块； 4）进行系统测试和实验，评估系统的性能和效果。 第二章无人机智能飞行控制系统的理论基础 2.1 无人机飞行控制系统概述 无人机飞行控制系统是指将无人机的飞行方式、飞行轨迹等参数进行控制的一套系统。无人机飞行控制系统通常包括传感器系统、决策系统和执行系统三个部分。 2.2 机器学习在无人机飞行控制中的应用 机器学习是一种通过对大量数据进行学习和总结，从而使计算机具备自主决策和学习能力的方法。在无人机飞行控制中，机器学习可以应用于航迹规划、避障和自适应控制等方面，提高无人机的飞行能力。 2.3 计算机视觉在无人机飞行控制中的应用 计算机视觉是指使用计算机和摄像机等设备对图像进行处理和分析的技术。在无人机飞行控制中，计算机视觉可以用于目标识
双GPS+INS组合导航系统在无人机飞控系统的应用 1背景 无人驾驶飞机是一种有动力、可控制、能携带多种设备、执行多种任务、并能重复使用的无人驾驶航空器，简称无人机(Unmanned AenM Vehicle 缩写UAV)。自1913年世界上出现第一个自动驾驶仪以来，无人机受到越来越多国家的重视，发展迅猛。目前从事研究和生产无人机的有中国、美国、俄罗斯、以色列、法国、英国和南非等近3O个国家，无人机基本型数量已增加到300多种。鉴于其独有的低成本、低损耗、零伤亡、可重复使用和高机动等诸多优势，其使用范围已拓宽到军事、民用和科学研究三大领域。在军事上可用于照相侦察、信号情报搜集、布撒雷达干扰箔条、防空火力诱饵、防空阵地位置标识、直升机航路侦察，为武器系统提供目标定位、目标指示、目标动态监视和目标毁伤评估的实时情报等；在民用上，可用于农作物种植和施播、救护定位、桥梁大坝检测、输油管、天然气管道、悬挂电缆、铁路、高压线的监视，公路交通及危险
品的运输监视等；在科学研究上，可用于大气研究、对核生化污染区的取样与监控、新技术新设备与新飞行器的试验验证等。随着航空技术的发展以及对无人机越来越广泛的需求，无人机飞控系统向着高精度、小型化、数字化方向发展。高精度要求无人机的导航控制精度高、稳定性好、并且实时性要求高，能够适应复杂的外界环境，因此控制和信号处理算法比较复杂、计算速度快、精度高。小型化则对驾驶仪系统的重量和体积提出了更高的要求，要求处理和控制计算机的性能越高越好，体积越小越好。这些条件在设计系统时都要综合考虑以达到最优化的性能设计。 2 GPS+INS 解决方案 惯性导航系统( INS) 是一种完全自主的导航系统，具有不依赖外界信息、隐蔽性好、抗辐射性强、全天候等优点，是能够提供多种导航参数的重要导航设备。但它的误差随时间而积累，长时间工作后会产生大的误差，使得惯性导航系统不宜作远距离长时间导航；而全球定位系统(GPS) 具有较高的导航精度，但是由于载体的机动运动，常使接收机不易捕获和跟踪卫星的载波信号，甚至对已跟踪的信号失锁。为克服以上这些
四旋翼飞控系统设计文档第一章绪论 1.1研究背景 任何由人类制造、能飞离地面、在空间飞行并由人来控制的飞行物，称为飞行器。在大气层内飞行的飞行器称为航空器，如气球、滑翔机、飞艇、飞机、直 升机等。它们靠空气的静浮力或空气相对运动产生的空气动力升空飞行。飞行器 不仅广泛应用于军事，在民用领域的作用也在增加，机载 GPS 和 MEMS(Micro- Electro-Mechanical Systems)惯性传感器的飞行器甚至可以在没有人为控制的室外环境中飞行，也就是大家所熟知的无人机，。因此国内外研究人员对飞行器进行了大量研究。对飞行器的研究目前主要包括固定翼、旋翼及扑翼式三种，而我们所研究的四旋翼飞行器在布局形式上属于旋翼的一种，相对于别的旋翼式飞行器来说四旋翼飞行器结构紧凑，能产生更大的升力，而且不需要专门的反扭矩桨保持飞行器扭矩平衡。四旋翼飞行器能够垂直起降，不需要滑跑就可以起飞和着陆，从而不需要专门的机场和跑道，降低了使用成本，可以分散配置，便于伪装，对敌进行突袭和侦察。 四旋翼飞行器能够自由悬停和垂直起降，结构简单，易于控制，这些优势决 定了其具有广泛的应用领域，在民用，医疗，军事等领域都有着无限的潜力。在民用领域，它可以进行航拍，以得到在地面难以测量和计算的数据；在医疗领域，四旋翼直升机可以进入普通地面机器人难以到达的地区进行搜救等活动，最大程度的避免人员财产损失；在军用方面，四旋翼直升机可以作为侦查使用，它飞行灵活，稳定，同时，若在四旋翼直升
机上增加其他机械装置，则可以利用它完成更加复杂和重要的任务。 然而，作为一个 MIMO 非线性系统，四旋翼飞行器输入变量与输出变量之间的耦合作用、时变非线性的动力学特征、系统本身的不确定性及外部的干扰等的引入，使得系统的控制问题变得十分复杂。如何能够设计出有足够的飞行动力并且具有良好稳定性的控制系统，是四旋翼飞行器如今面临的主要问题，这也使得强大而又易于控制的发动机和控制飞行器协调工作的控制系统成为四旋翼飞行器设计的关键。 近几年来，国外一些知名研究机构扩展了四旋翼飞行器的研究领域，希望其在无GPS 信号的室内环境中可以利用一些特定的传感器数据进行导航，所以拥有一个稳定的飞控系统是非常必要的，而国内对于四旋翼飞行器飞控系统的研究起步较晚，一些稳定的飞控系统都被商品化，我们不能对其根据自己的需求进行修改，这给我们的研究带来很多的不便，因此我们需要开发一款属于自己的飞控系统。 1.2 国内外研究现状 MD4-200 是德国 microdrones 公司研发的微型无人飞行器，机体和云台完全采用碳纤维材料制造，这种材料拥有更轻的重量和更高的强度，也使 MD4-200 具有抗电磁干扰的能力。飞行时间不低于 20 分钟。MD4-200 的核心是 AAHRS（姿态、高度及航向参考系统），集成了加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、湿度计、温度计等多种高精度传感器和卓越的控制算法，md4-200的操控因而变得非常简单。可制定飞行航线规划，让飞行器按照预设的航线自动飞行。采用选配的 GPS 系统能够实现空间位置锁定与自动航点导航功能，还可以选择以 microSD 卡作为记录器的飞行记录仪来实时记录和分析飞行数据，所有重要的飞行数据都可以下载到数据中心，包括电池状态、高度、姿态、位置、飞行时间等，用于航后的数据分析。MD4-200 还具有安全保护措施以避免坠毁，它能够在