無人機(jī)飛控系統(tǒng)的原理、組成及作用詳解

無人機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于警力、城市管理、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、氣象、電力等領(lǐng)域，無人機(jī)的飛控系統(tǒng)、云臺(tái)、圖像傳輸系統(tǒng)都是關(guān)鍵部分。無人機(jī)飛控系統(tǒng)作為其“大腦”具體的作用是什么？由哪些部分組成？在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意哪些問題？

無人機(jī)飛控的作用

無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是指能夠穩(wěn)定無人機(jī)飛行姿態(tài)，并能控制無人機(jī)自主或半自主飛行的控制系統(tǒng)，是無人機(jī)的大腦，也是區(qū)別于航模的最主要標(biāo)志，簡(jiǎn)稱飛控。

固定翼無人機(jī)飛行的控制通常包括方向、副翼、升降、油門、襟翼等控制舵面，通過舵機(jī)改變飛機(jī)的翼面，產(chǎn)生相應(yīng)的扭矩，控制飛機(jī)轉(zhuǎn)彎、爬升、俯沖、橫滾等動(dòng)作。不過隨著智能化的發(fā)展，無人機(jī)已經(jīng)涌現(xiàn)出四軸、六軸、單軸、矢量控制等多種形式。

傳統(tǒng)直升機(jī)形式的無人機(jī)通過控制直升機(jī)的傾斜盤、油門、尾舵等，控制飛機(jī)轉(zhuǎn)彎、爬升、俯沖、橫滾等動(dòng)作。多軸形式的無人機(jī)一般通過控制各軸槳葉的轉(zhuǎn)速來控制無人機(jī)的姿態(tài)，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、爬升、俯沖、橫滾等動(dòng)作。飛控的作用就是通過飛控板上的陀螺儀對(duì)無人機(jī)進(jìn)行控制，具體來說，要對(duì)四軸飛行狀態(tài)進(jìn)行快速調(diào)整，如發(fā)現(xiàn)右邊力量大，向左傾斜，那么就減弱右邊電流輸出，電機(jī)變慢、升力變小，自然就不再向左傾斜。如果沒有飛控系統(tǒng)，四軸飛行器就會(huì)因?yàn)榘惭b、外界干擾、零件之間的不一致等原因形成飛行力量不平衡，后果就是左右、上下地胡亂翻滾，根本無法飛行。

無人機(jī)飛控的工作過程

飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各傳感器測(cè)量的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)、接收無線電測(cè)控終端傳輸?shù)挠傻孛鏈y(cè)控站上行信道送來的控制命令及數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算處理，輸出控制指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)中各種飛行模態(tài)的控制和對(duì)任務(wù)設(shè)備的管理與控制;同時(shí)將無人機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)及發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載電源系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)傳送給機(jī)載無線電數(shù)據(jù)終端，經(jīng)無線電下行信道發(fā)送回地面測(cè)控站。

飛控系統(tǒng)組成模塊

按照功能劃分，該飛控系統(tǒng)的硬件包括：主控制模塊、信號(hào)調(diào)理及接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。

具體的硬件構(gòu)成原理如圖1所示。

模塊功能

各個(gè)功能模塊組合在一起，構(gòu)成飛行控制系統(tǒng)的核心，而主控制模塊是飛控系統(tǒng)核心，它與信號(hào)調(diào)理模塊、接口模塊和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相組合，在只需要修改軟件和簡(jiǎn)單改動(dòng)外圍電路的基礎(chǔ)上可以滿足一系列小型無人機(jī)的飛行控制和飛行管理功能要求，從而實(shí)現(xiàn)一次開發(fā)，多型號(hào)使用，降低系統(tǒng)開發(fā)成本的目的。

系統(tǒng)主要完成如下功能：

（1）完成多路模擬信號(hào)的高精度采集，包括陀螺信號(hào)、航向信號(hào)、舵偏角信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、缸溫信號(hào)、動(dòng)靜壓傳感器信號(hào)、電源電壓信號(hào)等。

由于CPU自帶A/D的精度和通道數(shù)有限，所以使用了另外的數(shù)據(jù)采集電路，其片選和控制信號(hào)是通過EPLD中譯碼電路產(chǎn)生的。

（2）輸出開關(guān)量信號(hào)、模擬信號(hào)和PWM脈沖信號(hào)等能適應(yīng)不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如方向舵機(jī)、副翼舵機(jī)、升降舵機(jī)、氣道和風(fēng)門舵機(jī)等）的控制要求。

（3）利用多個(gè)通信信道，分別實(shí)現(xiàn)與機(jī)載數(shù)據(jù)終端、GPS信號(hào)、數(shù)字量傳感器以及相關(guān)任務(wù)設(shè)備的通信。由于CPU自身的SCI通道配置的串口不能滿足系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)中使用多串口擴(kuò)展芯片28C94來擴(kuò)展8個(gè)串口。