无人机工作原理:原理与核心系统

无人机工作原理:原理与核心系统
2021年09月26日 09:21 瀚荔科技

介绍

每次别人手里拿着遥控器时,看着无人机在空中自由飞翔,真是太酷了。但是你知道无人机是如何工作的吗?

目录

  • Ⅰ 无人机

    1.1 概念

    1.2 应用

    1.3 组成

    二、飞控系统

    2.1 概念

    2.2 飞控系统组件模块

    2.3 功能

    三、主控模块MCU

    3.1 概念

    3.2 无人机工作原理

    3.3 单片机任务

    四、常见问题

Ⅰ 无人机1.1 概念

无人驾驶飞行器(UAV),又称无人机,是一种由无线电遥控设备和自身的程序控制装置操作,或完全或间歇地由机载计算机操作的无人驾驶飞机。

1.2 应用

无人机不仅广泛应用于航拍、农业、植物保护、微型自拍、快递运输、灾害救援和野生动物观察等领域,还用于测绘、传染病监测等。

1.3 组成

无人机由机身、飞行控制系统、数据链系统、发射回收系统和电源系统组成。飞行管控系统相当于无人机系统的“心脏”部分,对无人机的稳定性、数据可靠性、准确性和实时性具有重要影响,对其飞行性能具有决定性作用。

二、飞控系统2.1 概念

飞控系统是无人机的核心控制装置,相当于大脑。是否安装飞控系统也是区分无人机和通用航空机型的重要指标。

经过早期的遥控飞行,其导航和控制方式已发展为自主飞行和智能飞行。导航模式的改变对飞控计算机的精度要求更高,任务复杂度的增加对计算机的计算能力要求更高。小型化不仅对飞控计算机的功耗和体积提出了很高的要求,而且要求体积小,移动性好。高精度不仅要求计算机控制精度高,还需要有运行复杂控制算法的能力。

2.2 飞控系统组件模块

飞控系统实时采集各传感器测得的飞行状态数据,并从地面测控站的通信信道接收无线电测控终端发送的控制指令和数据。

计算后,将控制命令输出到执行机构,实现对无人机各种飞行模式的控制,实现对任务设备的管理和控制;同时将无人机的状态数据和发动机、机载供电系统和任务设备的运行状态参数实时传输到机载无线电数据终端,然后通过无线电下行信道回传给地面监测站。

根据功能,飞控系统的硬件包括:主控模块、信号调理及接口模块、数据采集模块、伺服驱动模块。

2.3 功能

将各个模块组合成一个飞行控制系统,其核心是主控模块,与其他模块结合,满足一系列小型无人机的飞行控制和飞行管理的功能需求,只需要修改软件和只需修改外围电路即可。从而可以通过多个模型使用一个开发的系统来降低系统开发成本。系统的主要功能如下:

(1)多路模拟信号高精度采集包括陀螺信号、航向信号、舵角信号、发动机转速、气缸温度信号、动静压传感器信号、电源电压信号。由于CPU自身A/D的精度和通道数的限制,使用了额外的数据采集电路,其片选和控制信号由EPLD中的解码电路产生。

(2) 输出信号状态输出切换信号、模拟信号和PWM脉冲信号,可适应不同执行器的控制要求,如舵机、副翼舵机、升降舵机、气道和油门舵机等。

(3)多通道通信。与车载数据终端、GPS信号、数字传感器和相关任务设备的通信是通过使用多个通信通道来实现的。由于CPU自身SCI通道配置的串口不能满足系统需求,设计采用多串口扩展芯片28C94扩展8个串口。

三、主控模块MCU3.1 概念

MCU(Microcontroller Unit)就是适当降低中央处理器的频率和规格,将存储器、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA、甚至LCD驱动电路等外围接口集成在单片机上。单个芯片,形成不同应用的不同组合的芯片级计算机。MCU在无人机的飞行系统中很重要。MCU在飞行系统中扮演着重要的角色。

3.2 无人机工作原理

无人机要实现可控/自主飞行,主要需要完成姿态控制、拍摄/测量、信息存储/传输、环境感知(防撞)。自动控制原理的一个起点是闭环反馈控制,即在应用输入调整后,测量控制量的变化并调整反馈输入,直到控制量达到目标值。

比如给无人机设置一个航迹,在飞行过程中实时测量飞行位置偏离航迹,进行相应的偏航修正。环境感知是利用各种传感器(光学摄像头、超声波等)来检测无人机轨迹上的障碍物,如建筑物、桥梁等,并进行机动规避。

无人机垂直移动并使用转子前进和停止。力的相对性质意味着当转子推动空气时,空气也将转子推回。这就是无人机可以升降的基本原理。此外,转子旋转得越快,升力就越大,反之亦然。要将无人机向右转,需要降低旋翼 1 的角速度。虽然旋翼1的推力不足会导致无人机改变运动方向,但向上的力不等于同时向下的重力,所以无人机下降。

无人机是对称的,它也适用于横向运动。四轮无人机的每一面都可以是正面,所以如何向前说明如何向后或向侧面移动。

3.3 单片机任务

飞行控制系统在无人机中的作用相当于有人驾驶飞机中驾驶员的作用。我们认为飞行控制系统是无人机中最重要的核心技术。飞控系统一般包括传感器、机载计算机和伺服驱动装置三部分。功能主要包括无人机姿态稳定与控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类。

除了MCU,无人机还需要陀螺仪、加速度计、地磁感应、气压传感器、超声波传感器、光流传感器、GPS模块等相互配合才能完成飞行。IMU 感知飞机在空中的姿态,并将数据发送到主处理器 MCU。主处理器MCU会根据用户操作指令和IMU数据,通过飞行算法控制飞行器的稳定运行。

由于需要计算的数据量很大,需要非常实时的控制,MCU的性能也决定了飞机能否稳定灵活地飞行。

四、常见问题

1、无人机的工作原理是什么?

Multi-Rotor 的工作原理是力的相对性质,这意味着当转子推动空气时,空气也会将转子推回。这是多旋翼可以升降的基本原理。此外,转子旋转得越快,升力就越大,反之亦然。

2. 无人机使用WiFi还是蓝牙?

今天的大多数无人机都支持 Wi-Fi,因此它们可以将视频广播到计算机、平板电脑或智能手机。一些无人机还使用 Wi-Fi 通过平板电脑或移动应用程序进行远程控制。

3. 无人机如何与控制器通信?

无人机控制器通过从遥控器向无人机发送无线电信号来工作,该信号告诉无人机该做什么。无线电信号从无人机控制器中的无线电发射器发出,并由无人机的接收器接收。

4. 无人机如何前进和后退?

俯仰:以与滚动相同的方式向前和向后倾斜您的四轴飞行器。通过调整俯仰角,您的无人机将在前部下垂导致其前进,或在后部下垂导致其后退。偏航:从左到右旋转飞机的机头。

5. 无人机有什么用?

无人机可用于收集医疗样本、物资和药品,并将其运送到灾区偏远或无法到达的地区。无人机还可以使用红外传感器通过其热特征来检测人类,这有助于搜索和救援场景。

6. 无人机能飞多远?

虽然玩具无人机的射程可能约为 20 至 100 码,但高端消费无人机的射程约为 2.5 至 4.5 英里(4 至 8 公里)。中级消费级无人机的航程通常约为 0.25 至 1.5 英里(400m – 3km)。

7. 无人机如何定位?

这就是大多数当前无人机保持稳定悬停的方式,它们锁定在相当精确的 GPS 位置,如果它们偏离原位,它们会飞回该位置。坚持指定的高度或确保您不会意外飞到 400 英尺标记以上也是 GPS 的功能。

8. 如果无人机超出范围会怎样?

无人机的范围有限。当无人机飞出该范围时,您需要控制无人机的信号就会丢失。因此,您无法再控制无人机。

9. 哪种 Arduino 最适合无人机?

这是一款通用微控制器,您可以通过购买您想要安装的零件并自行组装控制器来构建自己的飞行控制器。如果您对开始使用电子产品和编码感兴趣,Arduino UNO 是您可以使用的最佳开发板。

10. 无人机可以举起多少?

当我们谈论初学者无人机时,它们可以毫无问题地举起大约 200 到 300 克的额外重量。任何高于此的都是风险。许多在休闲飞行飞行员中很受欢迎的无人机可以携带大约 3 到 5 磅(2.2 千克)的有效载荷。

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