2022年飞行控制系统功能介绍 .pdf

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1、飞行控制系统功能介绍名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 25 页 - - - - - - - - - 目录一、综述 . 1二、飞控的相关系统说明 . 11.飞控的基本子系统. 21.1航向控制系统 . 21.2速度控制系统 . 31.3高度控制系统 . 41.4自动着陆系统 . 52.测试机飞控所需的子系统. 62.1GPS系统 . 72.2传感器、温湿度传感器系统 . 82.3飞行器自动稳定控制系统 . 112.4航向偏离控制系统 . 112.5显示系统 .

2、 122.6信号反馈控制系统 . 122.7自动飞行控制系统 . 132.8自动导航系统 . 143.测试机飞控所需扩充系统功能. 153.1自动避障系统 . 153.2语音播报系统 . 173.3物联网系统 . 173.4摄录系统 . 184.测试机飞控的其他功能. 184.1自动寻路控制系统 . 184.2自动跟踪系统 . 194.3一键返航系统 . 194.4双飞控系统 . 194.5降落伞系统 . 195.飞行控制系统的常用外设接口. 20名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - -

3、- - 第 2 页，共 25 页 - - - - - - - - - 1 一、综述本设计调研依据飞行控制系统（以下简称“飞控”）功能进行的系统调研。本飞行控制系统删减了翻滚、 特技系统功能； 以此对飞控系统的相关系统功能进行功能收集， 由于本人的资料有一大部分是网络收集，会造成信息描述不准， 还请大家见谅！。飞控系统的相关子系统描述如下图1：图 1 二、飞控的相关系统说明飞控系统的子系统功能分类方式有很多种，可以按飞控系统的子系统功能分类，按飞控系统涉及的子系统关联关系分类，按飞控系统设计的子系统基本功能和选配功能分类等等， 本文现阶段以调研飞控系统功能为主，故选择按飞控系统的系统功能分类为主

4、。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 25 页 - - - - - - - - - 2 1. 飞控的基本子系统飞控的基本子系统功能包括航向控制系统、速度控制系统、高度控制系统和自动着陆系统。如图1-1 所示。图 1-1 1.1 航向控制系统航向控制系统包括前飞、后飞、左飞、右飞、左转弯和右转弯；基本用途是获取手动控制信号或自动控制指令， 经过飞控系统进行计算并进行补偿后把指令输出到方向控制舵机，让舵机实现相应的动作，从而配合旋动系统（动力系统）完成方向的控制。

5、通过转向舵和方向舵两个通道控制飞行器在水平面内的航迹的系统，它以偏航角( ) 控制系统或转向角 ( ) 控制系统为内回路。 其中典型的方案以方向舵通道为主通道， 以转向舵通道为辅助通道， 后者只起阻尼和协调的作用。 侧向偏离(Z，即飞行器位置与预定航线的横向偏差) 信号通过第一限幅器后与偏航角信号名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 25 页 - - - - - - - - - 3 综合，再经过第二限幅器与转向角和转向角速度信号综合，然后送入转向舵回路操纵转向舵

6、机。第一限幅器的作用是防止因侧向偏离信号过大而产生超过90的偏航角，从而造成 之字形的航线 ; 第二限幅器的作用是在转弯时限制滚转角，使它不致过大。航向控制系统功能如图1.1 所示。图 1.1 1.2 速度控制系统速度控制系统包括最大速度设定和巡航速度设定，基本用途是获取手动控制信号或自动控制指令， 经过飞控系统进行计算并进行补偿后把指令输出到电机控制器或发动机油门控制系统，从而完成实现对飞行速度的控制。在保持定速状态下，空速差( V)等于当时空速 (V) 与系统投入该状态瞬间空速(V0) 之差。在预选空速状态下， 空速差等于当时空速与预选空速(Vg) 之差。为提高控制速度的精度， 须引入空速

7、差的积分信号。 在保持飞行器姿态或飞行高度不变的条件下， 空速也可由油门自动控制。 将空速差和空速变化率信号引入油门控制器来改变发动机油门的大小。如不满足上述条件， 改变油门大小只能使飞行器升高或降低， 而速度不变。 为防止随机阵风引起空速频繁变化以致对发动机过分频繁调节，一般将空速差和空速变化率信号经过阵风滤波器(通常为低通滤波器)进行滤波。为了改善飞行器速度控制的质量，常采用比例加积分再加微分的控制方式。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 25 页 - -

8、 - - - - - - - 4 当飞行速度达到设计最大值时，飞控系统将对超出最大值的电机控制信号或发动机油门控制信号进行锁定，使飞行速度将不再进行增加。当飞行器飞行时，设计当手控制速度摇杆在一个位置超过5 秒时，进入自动巡航模式和定高模式， 人可以松开控制速度和方向的摇杆，飞行器将按照手控制摇杆的速度和方向等高飞行； 解除巡航与定高模式时， 为了防止误碰摇杆， 需要轻微拨动速度控制摇杆或方向控制摇杆两次后，即可回到手动模式。1.3 高度控制系统高度控制系统包括最大高度设定、上升、下降和悬停。基本用途是获取手动控制信号或自动控制指令， 经过飞控系统进行计算并进行补偿后把指令输出到电机控制器或发

9、动机油门控制系统，从而完成实现对飞行高度的控制。它以飞行器俯仰角控制系统为内回路，因此除包括与自动驾驶仪俯仰通道中相同的元、部件 ( 如俯仰角敏感元件、计算机、舵回路等) 外，还包括产生高度差( 当前高度与期望高度的差值H)信号和升降速度信号的敏感元件。专用的高度修正器或大气数据计算机能输出高度差和升降速度信号。高度控制系统有两种工作状态 : 一种是自动保持飞行器在当时的高度上飞行，简称定高状态 ; 另一种是自动改变飞行高度直到人工预先选定的高度，再保持定高飞行，简称预选高度状态。当驾驶员拨动预选高度旋钮调到预选高度刻度时，飞行器自动进入爬高 ( 或下滑 )状态。在飞行器趋近预选高度后，自动保

10、持在预选的高度上作平直飞行。当飞行高度达到设计最大值时，飞控系统将对超出最大值的电机控制信号或发动机油门控制信号进行锁定，使飞行高度将不再进行增加。当飞行器飞行时，设计当手控制速度摇杆在一个位置超过5 秒时，进入自动巡航模式和定高模式， 人可以松开控制速度和方向的摇杆，飞行器将按照手控制摇杆的速度和方向等高飞行； 解除巡航与定高模式时， 为了防止误碰摇杆， 需要轻微拨动速度控制摇杆或方向控制摇杆两次后，即可回到手动模式。功能如图1.3 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -

11、 第 6 页，共 25 页 - - - - - - - - - 5 图 1.3 1.4 自动着陆系统自动着陆系统先把飞行器导引和控制到某一高度( 拉平起始高度 ) ，然后利用拉平计算机、 自动油门系统和自动抗偏流系统使飞行器拉平直到接地。拉平计算机又称拉平耦合器。从飞行器进入拉平起始高度，到平稳接地称为着陆段( 拉平段)。在着陆段拉平计算机连续向自动驾驶仪纵向通道发出指令信号，使飞行器由下滑状态变为着陆状态; 减小垂直下降速度，最后以小于国家规定标准值的垂直速度接地。自动抗偏流系统用来自动消除飞行器在接地前由侧风等因素引起的偏流，保证飞行器航向精确对准航迹，并保证机身水平。自动着陆系统包括在飞

12、行中着陆下降速度的设定，着陆高度设定，低于着陆高度后的着陆下降标准， 着陆后机身水平的问题考虑。 基本用途是获取到手动控制信号的着陆指令或自动控制指令的着陆信息时，经过飞控系统进行计算并进行补偿后把指令输出到电机控制器或发动机油门控制系统，从而完成实现对自动着陆的控制。当飞行器到达目标地点后，手动或自动控制飞行器下降，下降速度依据手动控制或自动信号控制的反馈信号执行。当下降到着陆高度设定值时，飞行器进行下降速度调整，调整到按自动着陆标准下降速度进行下降。在下降着陆时，自动伸缩支架上设计触点设置，与飞控的陀螺仪功能配合，保持机体的水平。功能如图1.4 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下

13、载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 25 页 - - - - - - - - - 6 图 1.4 2. 测试机飞控所需的子系统测试机飞控所需的子系统功能包括GPS系统，传感器、温湿度传感器系统，自动稳定控制系统，航向偏离控制系统，显示系统，信号反馈系统，自动飞行控制系统，自动导航系统。功能如图2-1 所示。图 2-1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 25 页

14、- - - - - - - - - 7 2.1 GPS系统简单来说 GPS定位系统是靠信号传输到后台，来实现定位，GPS终端就是这个后台，可以帮你实现一键导航、后台服务、等各种人性服务。GPS 用户设备由 GPS 接收机、数据处理软件及其终端设备(如计算机 ) 等组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号, 跟踪卫星的运行 , 并对信号进行交换、放大和处理，再通过计算机和相应软件, 经基线解算、网平差，求出 GPS 接收机中心 ( 测站点 )的三维坐标。 GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。 现今，各种类型的接受机体积越来越小， 重量越来越轻，便于野外观测

15、使用。供出行路线规划是导航系统的一项重要的辅助功能，它包括自动线路规划和人工线路设计。 自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地，由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线。人工线路设计是由驾驶员根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立路线库。线路规划完毕后，显示器能够在电子地图上显示设计路线，并同时显示飞行器运行路径和运行方法。GPS选择应考虑的因素有：定位精度、使用环境、匹配的接收系统和应用前景。功能如图 2.1 所示。图 2.1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -

16、第 9 页，共 25 页 - - - - - - - - - 8 2.2 传感器、温湿度传感器系统传感器系统、温湿度传感器系统包含限位传感器、温湿度传感器、倾角传感器、加速度传感器、高度传感器、距离传感器、方向传感器和电流传感器等。I)限位传感器限位传感器就是用以限定上下旋翼位置的运动极限位置的电气开关，这种开关有接触式的和非接触式的。 接触式的比较直观， 机械设备的运动部件上， 安装上行程开关， 与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就改变运行。其基本原理就是当上、下限位开关被触碰后，产生电路导通信号，使

17、飞控系统接收到限位开关的导通信号， 经过飞控系统进行计算并进行补偿后把指令输出到舵机控制系统，从而避免上下旋翼互相碰撞。II)温湿度传感器温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。用于对飞行器周围的温湿度进行监测，在周围环境温湿度不符合飞行要求时，对飞行器禁止起飞； 或飞行中发现温湿度变化较大，接近下雨时的湿度值时提示驾驶者紧急降落。从而达到保护飞行安全的一种辅助设备。其基本原理就是把温湿度传感器的测量值变换为电信号传输到飞控系统，经过飞控系统进行计算并进行补偿后把指令输出到电机控制器或发动机油门控制系统，从而锁定电机控制器或发动机油门控制系统，保障飞行的安全

18、。III)倾角传感器倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为 固体摆 式、 液体摆 式、气体摆 三种倾角传感器，倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。 倾角传感器是飞控系统自稳模式的主要部件。用于保障飞行器的平稳飞行。其基本原理就是把倾角传感器的测量值变换为电信号传输到飞控系统，经过名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 25 页 - - - - - - - - - 9 飞控系统进行计算并进行补偿后把指令输出到舵机控制系统，使飞行器进行平

19、稳的飞行，辅助保障飞行的安全。IV)加速度传感器加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力， 就好比地球引力， 也就是重力。加速力可以是个常量，比如 g，也可以是变量。加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。另一种就是线加速度计。V) 风速传感器风速传感器是可连续监测上述目标地点的风速、风量( 风量=风速 x 横截面积 )大小，能够对所处地方的风速风量进行实时显示，是飞行器起飞前风速安全参数测量的仪表。VI)高度传感器高度传感器，又称压力传感器，是用于航空电子设备，引擎和飞行测试，流量和压力测量的仪器。其原理是测得滑臂

20、与基准线的夹角的大小来换算出相应的熨平板的高度。这种方法为接触式测量。VII)距离传感器距离传感器是利用“飞行时间法”（flying time ）的原理来实现测距离，以检测物体的距离的一种传感器。飞行时间法”（ flying time ）是通过发射特别短的光脉冲，并测量此光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，通过测时间间隔来计算与物体之间的距离。VIII)方向传感器方向传感器是指安装在飞行器上用以检测飞行器本身处于何种方向状态的部件, 而不是通常理解的指南针的功能。方向传感器（方向感应器）通过对力敏感的传感器，感受飞行器在变换姿势时，重心的变化，从而使飞行器依据重心的变化计算出水平方向。名师资料

21、总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 25 页 - - - - - - - - - 10 重力感应技术 : 利用压电效应实现，简单来说是是测量内部一片重物( 重物和压电片做成一体 )重力正交两个方向的分力大小，来判定水平方向。IX)电流传感器为了自动检测和显示电流，并在过流、过压等危害情况发生时具有自动保护功能和更高级的智能控制， 具有传感检测、 传感采样、 传感保护的电源技术渐成趋势，检测电流或电压的传感器便应运而生。电流传感器是用来测量飞行器电机或关键耗电设备的电

22、流测试部件，并对关键部件进行电流阀值设定，用以电路自动保护或电机过度损耗。X) 光流传感器光流是一种简单实用的图像运动的表达方式，通常定义为一个图像序列中的图像亮度模式的表观运动， 即空间物体表面上的点的运动速度在视觉传感器的成像平面上的表达。光流的研究是利用图像序列中的像素强度数据的时域变化和相关性来确定各自像素位置的 运动 ， 即研究图像灰度在时间上的变化与景象中物体结构及其运动的关系。然而，在实际应用中，由于遮挡性、多光源、透明性和噪声等原因，使得光流场基本方程的灰度守恒假设条件不能满足，不能求解出正确的光流场， 同时大多数的光流计算方法相当复杂，计算量巨大，不能满足实时的要求，因此，一

23、般不被对精度和实时性要求比较高的飞行器系统所采用。功能如图2.2 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 25 页 - - - - - - - - - 11 图 2.2 2.3 飞行器自动稳定控制系统飞行器自动稳定控制系统包括姿态控制，姿态控制是指由飞行器通过IMU姿态结算后进行 PID 控制，实现自身最小化倾斜； 自稳功能又利用陀螺仪功能对飞行器的水平倾角进行水平计算， 然后进行补偿； 飞行器在飞行中利用自动稳定系统对飞行器的飞行姿态进行最小化倾斜控制，

24、从而实现飞行器自身稳定。2.4 航向偏离控制系统航向偏离控制系统主要包含航向陀螺仪（directional gyroscope） ，利用陀螺特性测量飞行器航向的飞行仪表。陀螺转子高速旋转时， 其旋转轴具有方向稳定不变的特性。因此方位陀螺仪在飞行器转弯时， 虽然仪表壳体随着飞行器转向，但陀螺转子仍稳定在一定方位上，航向刻度指出了飞行器所转过的角度。由于飞行器所在位置的地理北向随着地球自转和飞行器的运动而不断地相对于惯性空间转动，所以需随时修正陀螺自转轴的指向，才能正确地测量飞行器航向角。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -

25、- 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 25 页 - - - - - - - - - 12 2.5 显示系统飞行器的显示系统包括显示设备，显示设备包括：信息源，它包含有与飞行器及其环境有关的信息和相关传感器的反馈信息；信息处理装置， 它能够根据从信息源发出的信息构成飞行器的环境图像，信息处理装置构成三维合成图像以便能够看得见飞行器的位置， 以及飞行器通过的环境， 特别是包括飞行器要飞越的地形；及显示装置， 它包括至少一个显像屏， 并在显像屏的至少一个区域上显示出合成图像，显示系统的特征在于： 合成图像至少与另一显示有关的信息相一致；显示设备与能够实现其它显示的装置相链接

26、，信息处理装置利用放大过的高度来建立合成图像上的地形表示， 这个放大的高度对应于从信息源所接收到的实际地形的高度，它由数值范围基本上在显示设备的系数倍乘而得。显示屏的的选择需要考虑的参数有显示屏自身所具有的参数，显示屏的扩展和显示屏所具有的兼容性。功能如图2.5 所示。图 2.5 2.6信号反馈控制系统反馈控制系统一般是负反馈，组成闭环控制回路。输入信号（指令信号、期望信号）与输出信号相减形成的误差信号对执行机构进行控制，信号最终都是由被控制的物理量转换为电压或电流信号。一个反馈控制系统必须有四个最基本的环节，即控制对象、测量单元、调节名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -

27、- - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 25 页 - - - - - - - - - 13 单元和执行机构。 控制对象是指所要控制的机器，设备或装置， 而所要控制的运行参数则称为被控量。 控制对象也可称为被控对象。测量单元的作用是， 检查被控量的实际值，并把它转换成统一的标准信号，该信号称为被控量的测量值。反馈控制系统的作用是设系统处于平衡状态时突然受到一个外部扰动，被控量将离开初始稳定值发生变化， 测量单元将把被控量的实际值送至调节器，在调节器内部，被控量的给定值与测量值进行比较，得到偏差值e，调节器依据偏差值的大小

28、和方向按照某种调节作用规律输出一个控制信号，通过执行机构改变流入控制对象的物质或能量流量， 被控量朝着偏差减小的方向变化，这一信号又通过测量单元送至调节器， 重复上述过程， 最终使被控量又回到给定值或给定值附近，系统达到一个新的平衡状态。 当改变给定值时， 系统的工作与上述过程类似。2.7 自动飞行控制系统所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或生产过程的某个工作状态或参数自动的按照预定的规律运行。这些外加的设备或装置称为自动控制装置，它们和控制对象一起形成自动控制系统。自动飞行控制系统 flight control system 是指飞行器在飞行过程中，不依赖于驾驶员操纵

29、驾驶杆和脚蹬指令，能够对飞行器的构形、 飞行姿态和运动参数实施控制的系统。该系统可用来保证飞行器的稳定性和操纵性、提高完成任务的能力与飞行品质、增强飞行的安全及减轻驾驶员负担。自动飞行控制系统的作用是自动保持飞机沿三个轴的稳定（姿态稳定）；接受驾驶员指令，操纵飞机以达到希望的俯仰角、航向角、空速或升降速度等；接受驾驶员的设定， 控制飞机按预定的高度、 预定的航向飞行； 与飞行管理计算机系统耦合，实现按预定飞行轨迹的飞行；与着陆系统（ILS）耦合，实现飞机的自动着陆（ CAT , , 等） 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - -

30、 - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 25 页 - - - - - - - - - 14 2.8 自动导航系统自动驾驶仪与导航系统交联，即构成自动导航系统。导航系统通过总线或其他装置 ( 如飞行管理计算机 )将飞机当前的位置和航向偏差信号送入自动驾驶仪计算机，由自动驾驶仪计算机形成并输出控制指令，将飞机的位置和航向调整到并保持在预先给定的航线上飞行。自动导航系统的用途是由飞行器GPS （全球卫星定位系统）接收机监测其当前位置并将数据跟用户自定义的目的地相比较、参照电子地图计算行驶路线， 并实时将信息提供给飞行器驾驶者。飞行器自动导航系统的工作过程如下：I)定义目

31、标数据信息飞行器驾驶者可以在系统显示的电子地图上直接选取目标地点；或将目的地名称输入到系统中。 根据输入设备的不同， 有不同的地名输入方法， 依靠键盘或触摸屏可实现几乎全部的操纵功能。为了便利，人们正在加紧开发应用语音识别技术的产品。II)显示电子地图存储在光盘或内置存储器(如硬盘 ) 中的电子地图，是飞行器导航系统中至关重要的一部分。 电子地图的信息库包括地理、道路和飞行器管制区域等信息，并与地点对应存储了相关的经纬度信息。当主机从 GPS 接收机得到经过筛选计算确定的当前点经纬度数值， 然后通过与电子地图数据的对照，确定飞行器当前所在的地点。一般来说，导航系统会将定义目的地时飞行器的当前位

32、置默认为出发点，当目的地确定后， 导航系统根据电子地图上存储的地图信息，自动计算出一条最佳的推荐路线。 有些系统中， 用户还可以指定途中希望经过的地点，或者定义一定的路线选择逻辑 (如不允许经过飞行限制区域、 按照飞行路线最短的原则等)。推荐的路线将以醒目的方式显示在屏幕地图中，同时屏幕上即时显示出飞行器的当前位置，以作为参照。 如果行驶过程中飞行器偏离了推荐的路线，系统会自动更名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 25 页 - - - - - - - - -

33、 15 改原有路线并以飞行器当前点为出发点重新计算最佳路线，并将修正后的路线作为新的推荐路线。3. 测试机飞控所需扩充系统功能测试机飞控所需的功能包括自动避障功能、语音播报功能、物联网系统和摄录系统。功能如图3-1 所示。图 3-1 3.1 自动避障系统自动避障系统利用测距模块测得前方障碍物的距离，采用捕获中断方式测得发射信号发送的边沿跳变信号与经障碍物反射回来的反射信号边沿跳变信号，做差换算得到测距模块与障碍物的距离。主流的飞行器避障系统主要有三种，分别是超声波、 TOF ， 以及相对更复杂的，由多种测距方法和视觉图像处理组成的复合型方法。I)超声波避障系统超声波是最简单的测距系统，当超声波

34、遇到障碍的时候就会反射回来，避障系统的接收器根据接收到的信号强度，从而探测目标的距离， 确定飞行路线。 在飞行器上安装定向的超声波发射和接收器，然后将其接入飞控系统。但是，超声波在飞行器避障系统的应用中也有比较明显的干扰问题。虽然超声波避障系统不会受到光线、 粉尘、烟雾，但在部分场景下也会受到声波的干扰。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 25 页 - - - - - - - - - 16 如果物体表面反射超声波的能力不足，避障系统的有效距离就会降低， 安全

35、隐患会显著提高。 一般来说， 超声波的有效距离是5 米，对应的反射物体材质是水泥地板，如果材质不是平面光滑的固体物，比如说地毯， 那么超声波的反射和接收就会出问题。对于飞行器来说，这种超声波系统应该放在多个方向，如放在前后左右四个方向，可以在悬停和飞行的时候对周围保持监控；而放在机身下方， 则可以在起飞、下降以及降落的时候避免速度太快碰到障碍物或者地面。II)光相位检测 (TOF) 检测方法有两种一种是光的时间，另一种是光的相位。但是总的来说，都是把光打出去， 然后检测反射回来的光， 进而判断无人机的周围是否有障碍物，距离几何等等。和超声波同样，光波也会受到干扰，而目前城市环境下楼宇间的光污染

36、，给TOF避障系统带来了难题，系统发出的光，必须避开太阳光的主要能量波段，从而避免太阳光的直射、反射等对避障系统造成干扰。至于 TOF系统的有效距离，“目前，TOF在室内测量距离最大可以到10米，室外强光干扰的话， 5 米左右。III)复合型、机器视觉避障系统这种复合型避障系统，相对前两种提到的模式来说技术含量更高一些。识别的机制分为两个部分， 分别为是超声波和机器视觉。 即除了常规的超声波模块以外，还专门放置了摄像头用于获取视觉图像，然后直接传输到机载的处理器进行计算处理。当然在工作效率上也有一定的优势。超声波与机器视觉加起来，几乎可以在任何照度下对多种材质进行较好的识别，从而对无人机在地下

37、停车场封闭环境中的飞行提供更好的指导，识别的有效范围可以显著提升，准确度往往可以达到厘米级。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 25 页 - - - - - - - - - 17 3.2 语音播报系统语音播报系统根据设置的语音函数实现播放和事件提示，根据设定函数完成语音播报，可按照设定的飞控系统控制程序进行相应的控制，能够随意设置语音播报内容。语音播报系统原理如下：利用避障系统模块反馈的信号，经过飞控系统的信号处理，语音控制系统模块根据接收到的信号， 选择相

38、应的语音输出信号， 经过扬声器进行播放， 也可以通过功率放大，连接到音箱。在语音播报系统中，语音控制系统可以接收按键输入、触屏输入和语音输入等信号，经过语音控制系统进行相应的信号处理后输出到扬声器或音箱。3.3 物联网系统物联网英文为 Internet of Things ，缩写为 IOT，国际电信联盟在2005 年将其定义为 : 将各种信息传感设备， 如射频识别 (RFID) 装置、红外感应器、 传感器、全球定位系统、 激光扫描器等等， 与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，实现智能化识别和管理。物联网是面向物与物和人与物的网络，它包含多种感知单元( 传感器、 RFID等等) ，同时支持一种

39、或几种网络通信方式，通过信息物理融合系统为现实世界提供服务和应用。信息物理融合系统 (CPS)是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过 3C(Computing、Communication、Control) 技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 25 页 - - - - - - - - - 18 3.

40、4 摄录系统飞行器摄录系统主要运用于: 拍照摄像、信号指示、 资料存储， 也可用于现场降落环境勘察等。4. 测试机飞控的其他功能测试机飞控的其他功能包括自动寻路控制系统、自动跟踪系统、一键返航系统和双飞控系统。功能如图4-1 所示。图 4-1 4.1 自动寻路控制系统自动导航系统与自动避障系统相互配合构成自动寻路控制系统，该系统通过超声波等传感装置，探测和识别障碍物并测距，避免飞行器对障碍物进行碰撞，及时避开障碍物， 还可通过自带的摄像头拍摄周围环境图像，自动对飞行器进行路径规划控制。飞行器不管是执行简单的飞行任务，还是复杂的多点旅游光、抢险救灾等任务，都需要选择一条安全可行的路径，避免与飞行

41、空间的障碍物碰撞，即飞行器路径自动规划。图像处理技术的发展促进了计算机视觉在飞行器领域的应用发展。计算机视觉主要通过视觉传感器获取环境信息，通过图像处理， 提取需要的有用信息。 使自动寻路控制系统更加精准的在复杂地域进行避障与路径规划。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 25 页 - - - - - - - - - 19 4.2 自动跟踪系统自动跟踪系统是连续跟踪并测量运动目标轨迹参数的系统。 自动跟踪系统的目标是以一定速度和加速度运动的车辆、舰船、有 GP

42、S 定位的行人等。 自动跟踪系统可提供运动目标的空间定位、姿态、结构行为和性能， 是运动目标的多功能和高精度的跟踪和测量手段。自动跟踪系统由位置传感器、 信号处理系统、 伺服系统和跟踪架等部分组成。自动跟踪系统依据传感器不同分类: 利用电磁波特性的，称为无线电跟踪系统;利用光波特性的，称为光学( 光电) 跟踪系统。4.3 一键返航系统一键返航系统是指飞行器在完成既定任务接收到自动返航指令或中途取消飞行任务自动返航时， 通过其自身视觉系统或GPS 的记录，自动返回返航点上方并完成自动降落的功能。目前一键返航功能主要有两种方法来实现，一是基于GPS 的一键返航功能，另一种是基于图像匹配的一键返航功

43、能。4.4 双飞控系统双飞控系统，顾名思义，即在一个飞行器上安装两个飞行控制系统。双飞控系统设计的目的是为了保障飞行器在复杂的环境下，当一个飞行控制系统受到干扰或发生故障时， 通过自动算法， 排除有问题飞控的干扰或切断有问题飞控的电源， 使用没有故障或受到干扰的飞控系统，从而保障飞行器设备的安全飞行。4.5 降落伞系统降落伞系统是当飞行器的旋动系统在飞行中出现问题时，采取的一种安全措名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 25 页 - - - - - - - -

44、 - 20 施。主要为旋动系统的桨叶折断或停止旋转而设计，当出现上述问题时，便可以使用一键降落伞功能打开降落伞，保障人的安全。5. 飞行控制系统的常用外设接口本部分涉及到飞控系统外设与飞控系统常用的连接端口，并进行了简要的介绍，用于考虑在设计飞控系统硬件时，根据外设数量的多少，传输效率的优劣，进行对飞控系统硬件接口进行相关的选择设计。飞行控制系统的常用外设接口包含USB接口、 SPI 接口、 TELEM 数传电台接口、POWER接口、SWITCH 安全开关接口、串口、 GPS 接口、CAN 接口、IIC 接口、SBUS接口。功能如图 5-1 所示。图 5-1 I)USB接口通用串行总线 ( 英

45、语:Universal Serial Bus，缩写 :USB)是连接计算机系统与或飞控系统外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于计算机系统和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材和传名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 25 页 - - - - - - - - - 21 感器等其它相关领域。最新一代是USB 3.1，传输速度为 10Gbit/s ，三段式电压5V/12V/20V，最大供电 100W ，新型 Type C 插

46、型不再分正反。USB接口一般的排列方式是 : 红白绿黑从左到右。定义: 红色-USB电源: 标有-VCC 、Power、5V、5VSB字样白色-USB数据线 :( 负)-DATA-、USBD- 、PD-、USBDT- 绿色-USB数据线 :( 正)-DATA+、USBD+ 、PD+ 、USBDT+ 黑色- 地线: GND、GroundII)SPI 接口SPI(Serial Peripheral Interface-串行外设接口 ) 总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU 与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设备包括FLASHRAM、网络控制器、 LCD显示驱动器、 A/D

47、转换器和 MCU等。SPI 总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用 4 条线：串行时钟线（ SCLK ） 、主机输入 / 从机输出数据线MISO 、主机输出/ 从机输入数据线 MOSI和低电平有效的从机选择线NSS( 有的 SPI 接口芯片带有中断信号线 INT、有的 SPI 接口芯片没有主机输出 / 从机输入数据线MOSI) 。III)TELEM 数传电台接口数传电台 (radio modem) 是数字式无线数据传输电台的简称，又可称为 无线数传电台 、 无线数传模块 。是指借助数字信号处理（ DSP ）技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台，即采用数字

48、信号处理、数字调制解调。数传电台的使用从最早的按键电码、电报、模拟电台加无线MODEM，发展到目前的数字电台和DSP 、 软件无线电 ; 传输信号也从代码、 低速数据 (3001200bps)到高速数据 (N*64KN*E1)，可以传输包括遥控遥测数据、动态图像等业务。IV)POWER接口POWER接口即电源的接口，分为电源输入和电源输出接口。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 25 页 - - - - - - - - - 22 电源输入接口用于给飞控系统进

49、行供电，对供电的电流，电压等进行监测。电源输出接口用于给其他元器件进行供电，并对其他元器件的电流、 电压进行监测，用于判断电源类故障。V) SWITCH 安全开关接口关于安全开关基本就是说针对某种设备上, 使该设备始终工作于额定的值以下(或等于此值 ) 或是其安全工作范围内的一种控制器件。SWITCH 安全开关接口用于对某些关键芯片进行安全保护。VI)串口串行接口（ Serial port）又称“串口”，也称串行通信接口（通常指COM接口） ，是采用串行通信方式的扩展接口。常见的有一般电脑应用的RS-232 （使用 25 针或 9 针连接器）和工业电脑应用的半双工RS-485与全双工 RS-4

50、22。串行接口 Serial Interface是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线， 从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位传送，按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。VII)GPS接口GPS 设备的接口可分为数据接口、电源接口和射频接口。GPS 设备的接口主要是用来连接GPS 设备。VIII)CAN接口