无人机飞控基础知识介绍，无人机飞控基本原理及构成

无人机飞控是指无人机的飞行控制系统，主要用于保持无人机的正常飞行姿态。这个系统主要的功能就是稳定无人机的飞行姿态，并且能控制无人机自主或半自主的飞行。随着智能化的发展，当前的无人机已不仅限于传统的固定翼形式，已涌现出四轴、六轴、单轴、矢量控制等多种形式。飞控系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统，相当于无人机的大脑。

飞控一般包括传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分，实现的功能主要有无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类。具体来说，飞控通过各种传感器（如陀螺仪、加速度计、磁力计等）来感知无人机的姿态和位置信息，然后通过控制算法和软件程序来计算和调整无人机的姿态和位置，使无人机能够稳定地飞行。同时，飞控还可以通过任务设备管理功能来控制无人机的任务设备（如摄像头、通信设备等），完成各种任务。

陀螺仪（角速度计）：

基于角动量守恒的理论，用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。陀螺仪常见的使用领域如下：

加速度计：

加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。加速度计基本原理如下：

惯性测量单元（IMU）：

惯性测量单元是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一般的，一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。

气压计：

根据大气压强检测检测当前高度的装置。

磁力计（电子罗盘）：

磁力计（Magnetic、M-Sensor）也叫地磁、磁感器，可用于测试磁场强度和方向，定位设备的方位，磁力计的原理跟指南针原理类似，可以测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。

卫星定位系统：

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS 。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

RTK（载波相位差分技术）：

实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。

超声波传感器：

超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20kHz的机械波，具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

光流传感器：

光流传感器是一种测量物体表面反射的光的流动变化的传感器，广泛应用于航空、航天、机器人等领域。光流传感器利用光流法来测量物体的运动状态，即通过测量连续帧之间的光流场变化来推断物体的运动状态。具体来说，光流传感器通过测量连续帧之间的像素位移，利用光流法计算出像素点的运动速度，从而推断出物体表面的运动速度和方向。

MEMS系统：

微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。

姿态：

描述一个刚体坐标系和参考坐标系之间的角度位置关系。也就是pitch（俯仰）、YAW（航向）、ROLL（横滚）。

算法：

也就是姿态转换方法，控制器，如何采集姿态传感器数据，并对其进行融合，根据融合的数据判断自身的运动状态。

PID 控制：

飞控解码出姿态传感器的数据之后，随即将两者进行融合的结果对姿态进行相应的调整，通过信号对电调进行控制，这种控制方式就叫做PID控制。P(比例) I（积分） D（微分）。

滤波算法：

卡尔曼滤波（Kalman filtering）一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。

揭开无人机的神秘面纱系列之6—飞控系统的传感器

MEMS传感器

飞控要控制飞机，首先需要知道飞机的姿态，就像你走路需要知道自己该迈哪条腿一样。载人飞行器的姿态测量一般使用机械陀螺或者光纤陀螺，但是由于体积庞大，价格昂贵，无法在小型和微型无人机上使用。于是捷联贯导(Strapdown Inertial Navigation Sysrem)技术应运而生，就是使用加速度和角速率来对飞行器的各种倾斜姿态进行动态的推算技术。而加速度和角速率的测量设备是比较容易进行微型化生产的，这就是MEMS(Microelectro Mechanical System，微型机械系统)，简称微机械。

MEMS陀螺

空间有xyz三个方向，每个方向的测量都需要一组相关传感器，所以进行完整的测量需要三个方向的陀螺传感器，三个方向的加速度计，一共六个。因为这些传感器都有一个共同特点：不需要参照物就能够自行测量并输出数据，所以也叫它们DOF(Degree of Freedom，自由角度测量)传感器。具有6个传感器的系统我们叫作6DOF系统。能够使用6DOF解算出姿态信息的设备我们叫IMU(lnertial Measurement Unit，惯性测量单元) 。

随着技术的不断进步，微机械产品又发展出气压传感器，用于测量气压高度和空速；磁场传感器，也叫磁罗盘，用于测量地磁方向等。IUU再加入三轴磁罗盘一同解算，就叫作AHRS(Attitude and Heading Reference System，航姿参考系统) 。有了航姿参考系统，再加上气压高度，无人飞行器才能够感觉到自己在天空翱翔的身姿，这是现代无人机飞控系统的最基本传感器配置，就像大脑一定要配合眼鼻口才能工作一样。 成品传感器是带有外壳和连接器的完整设备，自己内部有电源转换、滤波和解算能力，能够输出高精度的姿态、加速度或角速率等信息，有的还能够连接GPS设备进行融合解算，并整体拥有一定的三防能力。但是成品传感器往社价格高昂，常见的成品传感器品牌包括MIT、BEI、MEAS和Silicon Sensing等。 而MEMS芯片则主打更加低廉的成本和更高的集成度，早期甚至是模拟信号输出，还需要用户对温度曲线进行校准。随着技术的发展，当前常见的芯片级MEMS传感器全部集成了解算核心，能够自己进行温度补偿芸至滤波计算。例如Invensense的产品MPU6000，甚至能够直接输出旋转矩阵、四元数和欧拉角的融合演算数据，这大大减轻了飞控主处理器的负担，因此成了开源飞控的首选传感器。

MEMS传感器当中ADI的产品与众不同，具有成品传感器的高精度和性能的同时，做到整体芯片化，便于集成 。所以ADI传感器是很多低成本商业飞控的必选，代表作是著名的AD1163xx和AD1164xx。

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