小型固定翼无人机飞行控制软件设计与开发
南京航空航天大学
硕士学位论文
小型固定翼无人机飞行控制软件设计与开发
姓名：李俊
申请学位级别：硕士
专业：精密仪器及机械
指导教师：李春涛
2011-03
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
随着无人机在众多领域开展的广泛应用，对其提出的要求也越来越高，作为“大脑”的飞行控制系统也越来越受到重视。飞行控制软件是无人机飞行控制系统的重要组成部分，其性能直接关系到无人机的飞行安全。因此在飞行控制软件的设计中既要满足基本的飞行功能，又要提高软件本身的安全性能。本课题正是在这个研究背景和实际工程的需求下提出的。
首先，论文采用模块化思想设计开发了一种小型固定翼无人机飞行控制软件，在使整个软件可维护和可扩展的同时，针对软件多任务动态运行、内存保护等要求，设计了数据区轮换读写机制及软件看门狗，解决了多任务对内存读写冲突的问题，保障了飞行控制软件运行的可靠性。
其次，结合飞行控制计算机的资源配置，完成了目标硬件的初始化、串口驱动、脉宽调制接口驱动、模拟量驱动和离散量驱动软件设计与开发。完成底层驱动环境开发后，对飞行控制软件进行了任务划分和优先级分配。在综合考虑飞行控制软件性能和功能需求的基础上，设计开发了传感器采集、控制律解算、遥控遥测和导航制导等9个任务，实现了自主导航、指令导航和人工导航三种飞行模态，并通过事件触发的方式对多任务进行调度管理，实现了不同飞行模态间的平滑切换。
再次，针对机载设备的配置情况，设计了传感器信息源故障和测控系统链路故障的处理逻辑。给出了传感器的通信状态、数据安全范围和测控系统链路等故障诊断机制，设计了传感器高度信息源、定位信息源、测控链路等故障处置逻辑，确保了无人机的空中安全飞行。
最后，在实时仿真环境下，对飞行控制软件进行了半物理飞行仿真验证，测试了传感器故障和测控链路故障逻辑，仿真结果表明本文所设计的软件满足了小型固定翼无人机飞行控制的需求。
关键词：飞行控制软件，小型固定翼无人机，模块化，安全可靠，故障处理
ABSTRACT
With the UA V application in many fields, more demands are brought up on the UA V. As the "brain" of the flight control system, it also gets more attention. Flight control software is an important part of the flight control system. Its performance is directly related to the flight safety of UA V. Therefore, the flight control software is not only designed to meet the basic flight capabilities, but also to improve the safety performance of the software.This thesis was put forward on the basis of the research background and actual project requirement.
Firstly, this paper designed and developed the flight control software on the basis of small fixed-wing UA V with the modularized design. This could ensure the software can be maintainable and expansible. At the same time, considering the requirement of dynamic multi-task operation and memory protection, the rotation of reading and writing with data area was designed to solve the conflict that different module read and wrote with the same data area. The software watchdog was designed to avoid the system halted.These can ensure the reliability of flight control software.
Secondly, according to the configuration of flight control computer, this paper completed the target hardware initialization, serial port, PWM, AD and DIO driver. After completing the drive- environment, the different tasks and priorities were assigned. With the comprehensive consideration on the function and performance of flight control software, the software was divided into nine tasks, such as sensor task, control task, remote telemetry task and guidance task to realize the autonomous navigation, instruction navigation and manual navigation. Otherwise, the tasks were dispatched by the event-trigger to switch different flight mode smoothly.
Thirdly, aiming at the configuration of airborne equipment, the software designed the failure-handling logic of the sensor information-failure and the monitor-link failure. According to the communication status, data security range and monitor-link condition, the failure-handling logic on the attitude source, location source and monitor-link is designed to ensure the flight safety of the UA V.
Finally, the semi-physical simulations are carried out to test the sensor failure, monitor-link failure and functions of flight control software in the real-time simulation environment. The results show that flight control software meets the flight control requirements of small fixed-wing UA V.
Key Words: Flight control software, small fixed-wing UA V, modularized, Safe and reliable, Fault handling
图表清单
图1. 1 飞行控制系统的组成结构 (2)
图1. 2 飞行控制软件系统总体构架 (5)
图2. 1 飞行控制计算机硬件结构 (8)
图2. 2 飞行控制计算机的接口资源 (9)
图2. 3 软件开发平台 (11)
图2. 4 机载飞行控制软件结构图 (13)
图2. 5 驱动层与服务层之间的调度关系 (13)
图2. 6 三层模块之间的调度关系 (14)
图2. 7 服务层与功能层之间的调度关系 (15)
图2. 8 半物理仿真系统结构图 (16)
图3. 1 启动文件示意图 (18)
图3. 2 启动工作流程 (19)
图3. 3 自带串口资源配置 (20)
图3. 4 串口数据接收流程 (21)
图3. 5 舵机的控制要求 (25)
图3. 6PWM输出流程 (25)
图3. 7PWM捕获流程 (27)
图3. 8AD驱动工作流程 (28)
图3. 9 离散量输入输出的流程 (29)
图4. 1 故障处置示意图 (32)
图4. 2GPS通信帧结构 (32)
图4. 3GPS数据接收任务工作流程 (33)
图4. 4 大气机通信链路 (35)
图4. 5AD数据采集任务工作流程 (36)
图4. 6 半双工电台的上下行通信流程 (38)
图4. 7 上下行数据通信时间示意图 (39)
图4. 8 数据管理流程示意图 (40)
图4. 9 自主导航与其它模块数据交互示意图 (41)
图5. 1 遥控任务的工作流程 (45)
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图5. 2 遥测任务的数据流图 (47)
图5. 3 东北坐标系图 (48)
图5. 4 自主导航任务工作流程 (49)
图5. 5 平飞逻辑图 (50)
图5. 6FUTABA帧协议格式示意图 (51)
图5. 7 控制逻辑层次结构图 (52)
图5. 8 控制律解算任务流程图 (52)
图5. 9 纵向控制逻辑示意图 (53)
图5. 10 横侧向控制逻辑示意图 (54)
图5. 11 不同导航模式下各模块之间的动态示意图 (56)
图6. 1 中断响应时间示意图 (58)
图6. 2 仿真验证平台结构 (59)
图6. 3 仿真系统实物连接图 (60)
图6. 4 故障注入界面 (60)
图6. 5 全自主飞行实时显示图 (63)
图6. 6 自主导航纵向历史曲线 (64)
图6. 7 自主导航横侧向历史曲线 (64)
图6. 8 指令导航飞行实时显示图 (65)
图6. 9 指令飞行纵向历史曲线 (66)
图6. 10 指令飞行横侧向历史曲线 (67)
图6. 11 人工导航操作界面 (68)
图6. 12 人工导航飞行实时显示图 (68)
图6. 13 人工切自主纵横向模态分析 (69)
表1. 1 不足之处的分析 (5)
表2. 1 接口资源分配表 (9)
表3. 1 串口接收驱动函数表 (22)
表3. 2 扩展串口驱动函数表 (23)
表3. 3MPC565异常向量表 (23)
表3. 4PWM输出接口函数表 (26)
表3. 5AD驱动接口函数表 (28)
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表3. 6DIO驱动接口函数表 (30)
表4. 1 服务模块各任务运行时间分配表 (31)
表5. 1 功能模块各任务运行时间分配表 (44)
表6. 1 任务运行时间统计结果表 (58)
表6. 2 高度故障处置功能测试表 (61)
表6. 3 位置和姿态故障处置功能测试表 (62)
表6. 4 测控链路故障处置功能测试表 (62)
表6. 5FUTABA操控特性表 (67)
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注释表
符号
a δ
副翼 g H 高度给定 θ
俯仰角 e K θ 俯仰角到升降舵的增益 g θ
俯仰角给定 I e K θ 俯仰角积分到升降舵的增益 φ
滚转角 Q e K 俯仰角速率到升降舵的增益 g φ
滚转角给定 e K φ 滚转角到俯仰通道的补偿增益 ψV
偏航角变化量 H e K 高度差到升降舵的增益 P
滚转角速率 IH e K 高度差积分到升降舵的增益 g P
滚转角速率给定 P a K 滚转角速率到副翼的增益 Q
俯仰角速率 IP a K 滚转角速率积分到副翼的增益 H
海拔高度
缩略词
AD
模数转换 MOSI 主机输出/从机输入
API
应用编程接口 MPWMSM 脉宽调制子模块 CAN
控制器局域网络 PC 个人电脑 CPU
中央处理器 PPM 脉冲位置调制 DIO
数字量输入输出 PWM 脉冲宽度调制 GPS
全球定位系统 RAM 随机访问存储器 IMU
惯性测量单元 SPI 串行外围设备接口 MDASM
双向操作子模块 TPU3 时间处理单元 MISO
主机输入/从机输出 UA V 无人机 MIOS
模块化输入输出子系统 USB 通用串行总线
承诺书
本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）
作者签名：
日 期：
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第一章 绪论
1.1 引言
无人机是当今航空航天发展的一个热点。无人机是一种主要由无线电遥控设备或由自备程序控制的不载人飞行器，其可以利用空气动力承载飞行并可回收重复使用。与有人机相比，无人机在执行许多任务方面更具有优点。因此，无人机在世界各国的研发投入越来越大，导致了无人机技术取得了很大的发展，并在一定程度上反映了各国航空航天和智能控制领域的实力和水平[1]。
近年来，小型无人机目前广泛应用于各个领域[2]。可按照预定航路进行自主飞行，也可直接利用地面站提供的手动遥控装置进行人工控制；可用来进行监测活动，从而来监测敌方的兵力和行动路线；可用来进行光学摄像，利用各种不同种类的摄像机在白昼和黑夜进行摄像，并可通过无线链路下传到地面监控系统中显示和记录；可用小型无人机发动攻击，在明确地面目标的时候可对地面固定目标实施打击行动；可用来干扰敌方的无线电子设备；可用来对大面积的农场进行喷洒农药；可用来进行气象监测，在高空利用气象传感器进行大气监测活动；还可用来进行一些搜救活动，在受灾区可以执行搜寻和救人的活动。
发展是需求推动的结果，小型无人机技术正是在无人机的基础上日益发展起来。美国是无人机研制大国，通过先进的技术储备使得在各式各样的无人机研制方面取得了显著的成果。“短毛猎犬”是美军最早使用的小型无人机之一。此飞行控制系统具有便携式侦查和观察综合的功能。它可装于特种背囊中携行，重22公斤，也可以手持起飞。有效载荷是可见光彩色电视摄像机和红外摄像机。“渡鸦”是小型无人侦察机，是“短毛猎犬”无人机的深入改进型。根据美国军方的要求缩小了尺寸和重量——小于2公斤。它可手持发射起飞。最大留空时间为1.5小时左右，可根据GPS导航信号自主飞行，必要时可以遥控。它装备几种观察系统，包括光电摄像机、机头和机尾红外摄像机。
“美洲狮”是小型无人侦察机，装备防水稳定高分辨率光电摄像机，能近似垂直地降落在地面和水面上。可手持起飞，借助于便携式标准操纵台操纵。该机能遥控飞行或使用GPS导航系统独立飞行。其留空时间可以达到对小型无人机来说创纪录的9小时以上。“美洲狮”无人机携带4台摄像机以及光学摄像机和红外摄像机各2台。
“黄蜂”无人机是美军使用的最小的无人机。它装有2台微型摄像机，可收集和向操纵员实时传递情报。机上电动机的电源为太阳能电池。该机用于观察、目标指示、火力校射和损失评估。它可携带前视彩色光电摄像机，以及光学或红外传感器模块。作战半径达5公里，最大留空时间达45分钟。
小型固定翼无人机飞行控制软件设计与开发
国内无人机在研究发展的道路上积累了一定的技术经验，具备了相关的技术基础。尤其是近些年来，我国的无人机整体水平有了很大的提高，装备体系也得到了较大的改善。不过目前国内的无人机系统尚难满足电子对抗、侦查和预警等大型任务系统的要求，控制技术也难以满足无人机作战高机动性等能力的要求。这就对小型无人机的飞行控制系统提出了较高的要求。
无人机飞行控制系统作为小型无人机的关键子系统，对其飞行性能起决定性的作用。它的好坏直接影响到无人机的稳定性、数据传输的安全可靠性、实时性等。与常规飞行控制系统相比，小型飞行控制系统具有以下特点：要求飞机各部件体积小、重量轻、功耗低，而且集成度高；对飞行控制系统动态特性具有较高的要求；应在无人参与的情况下控制飞行器的姿态、速度和稳定性；对数据通信实时性具有较高要求[3]。整个飞行控制系统是小型固定翼无人机的指挥中心，完成人工导航、指令导航、自主飞行控制、任务管理等功能。其主要以飞行控制计算机为核心，并与各种传感器及执行机构共同构成闭环控制系统[4]。其组成结构如图1.1所示。
图1. 1 飞行控制系统的组成结构
飞行控制与管理计算机利用传感器从飞机上采集到所需的飞机状态信息，经过计算机的解算，将控制信号给执行机构来驱动操作舵面，实现对无人机的飞行状态的控制，从而构成了一个完整的闭环系统[5]。驱动飞行控制计算机运行的飞行控制软件是无人机飞行控制系统的神经中枢，无人机的各种飞行动作、飞行任务都是由飞行控制软件实现的。无人机飞行控制软件的性能和可靠性对无人机系统至关重要[6]。
飞行控制软件作为无人机最为关键的部分，是保证无人机安全可靠飞行的核心。由于飞行控制计算机可靠性技术日益趋于成熟，软件的可靠性问题变得越来越重要。据美国国防部和美国国家航空宇航局的统计，当今航空航天系统项目中的软件安全性比硬件系统大约低一个数量级[7]。由于软件失效而造成的重大事故不乏其例。
2007年美军著名的无人机——“捕食者”在伊拉克中部执行任务时，由于飞行控制系统读取的发动机监测传感器数据有误，使得传感器减少了流入四缸发动机的燃油，发动机的功率不
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足以维持飞机正常飞行，最终导致无人机坠毁。
2009年印度的中空长航时无人机——“鲁斯图姆Ⅰ号”在塔内加航天空军基地进行了首次试飞。试飞期间，滑行和起飞测试均严格按照计划，但由于飞行控制软件系统对飞行的高度进行了错误的判断，使得机载发动机在得到地面指令后将发动机关闭致使系统的动力系统瘫痪，从而造成无人机坠毁。
2009年美国空军作战指挥事故调查委员会公布的调查报告显示，一架“捕食者”无人机在进行持久自由作战（Operation Enduring Freedom）飞行任务中，与地面控制机站失去了联系从而坠毁在作战区域。原因是飞机控制系统软件丧失了与地面站之间的返回链数据传输能力，并且在重建数据链多次后仍然没有成功，直接导致无人机的坠毁。
2010年8月初，美国海军一架失去控制的无人机闯入了美国首都附近的受限空域。声明中称事故原因断定为“软件异常导致飞行器没有按照其预定程序飞行”。
据有关数据统计，在无人机事故众多原因中飞行控制软件异常占有很高的比例[8]。因此，在设计飞行控制软件时，保证软件的安全可靠性具有重要的现实意义。
1.2 课题研究现状
1.2.1 国内外的研究现状
随着各国对无人机研制的投入，无人机飞行控制系统已成为研究重点[9]。其中又以美国云帽技术公司(Cloud Cap Technology)的Piccolo飞行控制系统以及加拿大MicroPilot公司的MP2028g飞行控制系统为代表。
美国云帽技术公司(Cloud Cap Technology)自主研发的Piccolo飞行控制系统已广泛使用于国外各公司、大学和科研单位制造的小型无人机中。该系统平台采用主频为40MHz带有硬件浮点功能的PowerPC系列MPC555，其丰富的接口资源能支持多种传感器，支持人工、自主和指令三种飞行模式。在空中飞行时，地面站能支持对多个小型无人机进行管理和控制，能利用Futaba(地面操纵杆)在人工模式下对无人机实施控制。此外，该系统还支持航路规划、航点插入、3D地形显示等功能[10]。
加拿大MicroPilot公司的MP2028g飞行控制系统能够实现从起飞到降落全自主飞行。具有速度保持、姿态保持、姿态调整和支持1000航点的导航跟踪功能，支持故障检测和管理功能，能对GPS信号故障、发动机故障、监控链路故障以及电平故障进行检测并作出相应的措施[11]。全面集成空速传感器、气压高度计、GPS导航模块和8通道舵机控制板，因此系统可靠性高。MP2028g已成功应用于Snake eye、Helispy、西班牙靶机以及NASA各部门的无人机上，是一款成熟的无人机飞行控制系统[12]。
在国内，北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室在很早就对
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基于嵌入式操作系统的小型飞行控制软件进行研究和开发。通过基于VxWorks实时操作系统，对小型飞行控制软件进行了任务的划分，对各个任务的设计进行了详细的介绍，并且利用多任务机制对单任务飞行控制软件存在的不足之处做出了改进[13]。
哈尔滨工业大学设计的无人机飞行控制系统采用了ARM7处理器，其强大的处理能力增加了系统的计算能力，保障了系统的实时性和稳定性。并结合了操作系统的使用，进一步提高了系统的实时性，增强了软件的安全可靠性，使得整机性能有了很大的提高[14]。
防空兵指挥学院在飞行控制软件设计中采用模块化的设计思想。在功能模块分配方面，该学院的设计人员将系统功能分为八大功能模块，各个模块之间采取消息机制实现模块间通信。在处理器方面，选择了AT91M55800A的处理器，它以较高的集成度、较低的功耗，强大的处理能力提高了系统的可靠性，降低了系统功耗[15]。在飞行控制软件的设计上，开发人员采取了不同的抗干扰措施。如输入通道的数字滤波法，输出通道的重复赋值法，CPU指令冗余法等[16]。在软件内部针对常见的故障进行监测，一旦有故障产生将会进入相应的故障处理逻辑，并将故障编码通过遥测发送模块发送地面[16]。
1.2.2 本单位的研究现状
本单位在无人机飞行控制领域有丰富的科研经验，其中有多个型号的无人机飞行控制系统已交付客户使用，同时正在承担多个有关飞行控制系统研发的项目。经过多年的科研积累，经过全体师生的共同努力与刻苦钻研，目前取得了一些令人满意的成果。
05级王奕师兄完成了对无人直升机飞行控制软件的设计，并将其移植到了Intel 386EX处理器之上，进行了半物理仿真试验。而且还在Windows环境下，设计了“等效飞行控制”软件。
06级汪晓平师兄利用SCADE提供的同步数据流图完成了对飞行控制软件功能模块的设计与开发，解决了对模型进行工程化时遇到的实际问题，并在半实物仿真环境中进行仿真验证。姜印清师兄完成了基于ARM芯片的飞行控制软件的设计，并通过LabView搭建的实时仿真环境，完成了软件单元测试、整体性能测试和半物理飞行仿真试验。
07级刘培强师兄对小型无人直升机飞行控制软件进行了设计，并将其移植到ARM和DSP 的处理器之上。通过对源代码开放的FlightGear软件进行二次开发，利用它自带的内部模型，搭建了简易的仿真环境，对小型无人直升机的飞行控制软件进行了半物理仿真。徐桂甲师兄将设计的飞行控制软件植到了mpc565和PC机上，进一步完善了飞行控制软件在目标机和PC机上的功能。
课题组前几届师生已在飞行控制软件的技术储备上做出了努力，本课题的研究也正是基于以上的研究成果开展的。在肯定现有成果的基础上，还有一些不足之处需要改进。如表1.1所示。
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表1. 1 不足之处的分析
序号不足之处不足之处的原因
1 开发方式
的局限
不能将底层驱动和图形化建模(如SCADE)很好地结合起来
2 处理器
的局限
处理器的接口资源、运算速度、性价比等因素制约了
上层软件的性能。
3 数据通信
的方式
不适合进行高效的大规模数据通信。
4 数据通信
的可靠性
保证
不能对各模块之间的数据通信进行有效的保护，当对
共享数据信息进行读写时，容易造成冲突
1.3 研究内容及需解决的问题
飞行控制软件系统主要由地面控制站软件、机载飞行控制软件、地面无人机仿真软件和仿真控制台软件构成，其总体架构如图1.2所示。机载飞行控制软件对机载传感器、无线测控单元、舵机等分系统进行管理，控制无人机实现自主导航、指令导航和人工导航等模式进行飞行。地面站软件接收遥测数据，以文字和图形的方式显示无人机的当前飞行状态。地面仿真软件内部建立无人机6自由度飞机模型，为在地面阶段验证飞行控制软件提供一个仿真验证的平台。
图1. 2 飞行控制软件系统总体构架
如图1.2所示，飞行控制软件在整个飞行控制软件系统中处于核心地位。这部分工作的展开主要以软件为主，开发基于PowerPC平台的飞行控制软件。该飞行控制软件通过传感器采集信息，同时接收来自地面的遥控指令。然后将所得的信息传入中央处理单元，由中央处理器进行控制律参数的解算。最后将解算出的控制指令输出给舵机，由舵机来执行相应的动作。同时将相关的飞行状态信息、传感器信息和遥控指令下传至地面站，供地面指挥人员对无人机的飞行状态进行监控。
1.3.1 本文的主要研究内容
本课题围绕飞行控制软件的设计进行展开，主要研究内容包括以下三个方面：
(1) 针对飞行控制软件的需求进行总体方案的设计。
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设计的主要工作包括：总体架构的设计和验证方案的设计。根据飞行控制软件的设计需求和硬件平台的结构特点，提出了飞行控制软件的总体架构。并设计达到需求规格的仿真验证方案，深入验证其各项指标。
(2) 按照总体方案进行飞行控制软件的实现。
软件实现主要分为三部分。第一部分是飞行控制软件底层驱动的实现。其主要包括：目标系统的初始化、飞行控制计算机底层驱动模块的开发、串口中断服务程序的设计。这部分的工作主要给飞行控制软件服务模块提供统一的接口函数，方便其调用底层服务。
第二部分是飞行控制软件服务模块的设计。其主要包括：传感器模块、无线测控模块、舵机控制模块和数据管理模块的设计。该部分的工作主要建立在硬件底层驱动的基础之上，通过调用底层驱动模块提供的接口函数来获取相应的数据信息，并将其信息提供给飞行控制软件功能模块。同时，将飞行控制软件功能模块的相关信息传递给硬件底层，使之驱动执行机构。
第三部分是飞行控制软件功能模块的设计。其主要包括：遥控遥测模块、导航模块、控制律模块、调度管理模块的设计。这部分的工作主要是建立在服务模块的基础之上，通过服务模块获取到信息后，进行控制律的解算。再将解算出的控制指令信息传递给服务模块，由服务模块对底层驱动模块进行调用，从而实现控制无人机飞行的目的。
(3) 针对飞行控制软件进行测试和仿真验证试验。
这部分的主要工作包括：对飞行控制软件进行性能和功能测试。主要利用实验室现有的仿真验证平台进行局部功能和系统功能的仿真验证。
1.3.2 本文需要解决的问题
根据课题的研究内容，需要解决的技术问题如下：
对飞行控制计算机接口资源进行底层驱动的开发。本飞行控制系统选择mpc565芯片作为CPU是考虑到其丰富的接口资源。由此就需要针对这些接口进行底层驱动的设计和开发，包括对串口驱动、PWM驱动、AD驱动、DIO驱动等。底层驱动的开发是整个飞行控制软件稳定可靠的基础。
对三种基本飞行模式的切换进行设计。针对自主导航、指令导航和人工导航之间的数据可靠性通信，导航切换逻辑的设计等问题都是飞行控制软件设计开发所面临的难点。
对模块间的数据通信进行设计。随着飞行控制软件各个模块的增加，数据量也越来越大，各模块之间数据通信将影响到整个飞行控制软件的安全。所以飞行控制软件各个模块之间数据交互的可靠性是一个必须解决的问题。
对飞行控制软件故障诊断和处置的设计。随着飞行控制软件对于安全性能要求的不断提高，就需要对故障的检测和处理进行设计和研究，尤其是故障处理逻辑的设计是飞行控制软件开发
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的难点。
1.4 本文的章节安排
本文结合小型固定翼无人机的特点，拟开发一种合适的飞行控制软件，课题内容安排如下：第一章绪论。主要阐明研究工作的目的、意义范围、国内外进展情况、相关领域的前人工作和存在问题，并在此基础上确定了课题的研究内容和需要解决的问题。
第二章飞行控制软件的总体方案。根据飞行控制软件的设计需求和飞行控制计算机硬件配置情况，详细设计了软件结构框架及仿真验证方案。
第三章飞行控制软件底层驱动设计。完成飞行控制软件底层驱动程序的开发，主要包括串口、外扩串口、PWM输出及捕获、离散量的输入输出、模拟量的采集等。
第四章飞行控制软件服务模块的设计。对飞行控制软件进行服务模块的划分，主要包括传感器模块、无线测控模块、数据管理模块、舵机控制模块。针对各个模块的功能分别进行设计。
第五章飞行控制软件功能模块的设计。对飞行控制软件进行功能模块的划分，主要包括遥控遥测模块、控制律模块、导航模块以及数据管理模块。针对各个模块的功能分别进行设计，其中控制律模块和导航模块是设计的重点。
第六章软件系统测试和仿真。首先，对飞行控制软件的性能进行测试。其次，利用实验室仿真验证平台进行半物理飞行仿真试验，对飞行控制软件的基本飞行功能和故障处理功能进行仿真验证。
第七章总结与展望。对整个课题的工作内容进行总结，并针对不足之处，对后续的工作开展提出一些建议和思路。
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第二章 飞行控制软件的总体方案
2.1 引言
本章首先对飞行控制软件的目标环境进行分析，阐述飞行控制计算机的资源配置，并在此基础上提出合理的软件设计需求。其次，按照设计需求进行飞行控制软件总体方案的设计。利用模块化的设计思想，通过对软件各个功能进行划分，合理地对软件进行设计。最后，通过已有的仿真验证平台设计仿真验证方案[17]。
2.2 飞行控制软件的目标环境
飞行控制软件的目标环境包括飞行控制计算机硬件环境和软件开发环境。飞行控制计算机是承载飞行控制软件的平台，其主要包括主控单元、接口单元、传感器单元、存储器单元、外围电路单元和电源单元。软件开发环境由软件工具和环境集成机制构成，用以支持软件开发的相关过程、活动和任务，为软件的开发、维护和管理提供统一的支持。一般包括代码编辑器、编译器、调试器等。
2.2.1 飞行控制计算机硬件环境
飞行控制计算机是维持飞行控制软件正常运行的硬件承载平台，其主要负责协调无人机飞行控制系统各个组成单元之间的工作，根据输入的控制指令，采集无人机的飞行状态数据，按照预定的控制算法及地面指令，通过执行机构控制无人机保持一定的姿态飞行，并具有一定的导航及任务管理等功能。其硬件结构如图2.1所示。
图2. 1 飞行控制计算机硬件结构
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如图2.1所示，飞行控制计算机中接口单元是连接主控单元和外围接口设备的中间环节，是飞行控制软件与外围设备通信的基础。飞行控制计算机中其它各个单元模块通过接口单元与主控单元相连，飞行控制软件驱动程序主要功能是驱动各个接口与外围设备进行数据交互。飞行控制计算机的硬件接口资源如图2.2所示。
图2. 2 飞行控制计算机的接口资源
如图2.2所示，飞行控制计算机的接口资源主要分为两部分：一部分为MPC565内部接口，其中包括串行通信接口、离散量接口(DIO)、BDM调试接口、SPI总线接口和脉宽调制接口(PWM)等。第二部分主要包括MPC565片外的接口，其中主要包括片外AD接口、片外DA接口、Flash 接口和RAM接口等。根据传感器通信接口的需求，选用以下飞行控制计算机的接口作为飞行控制软件的输入接口，如表2.1所示。
表2. 1 接口资源分配表
接口资源连接设备接口功能
PC机烧录程序
IMU 采集IMU数据
串行通信接口
GPS 采集GPS数据
Xtend 进行无线通信
其他串口设备扩展功能
PWM信号接口四路数字舵机控制舵机的偏转
离散量输入输出接口机载设备等控制设备的开关
SPI总线接口
气压高度计 AD采集
空速计 AD采集
小型固定翼无人机飞行控制软件设计与开发
针对自带串口和外扩串口进行资源配置分析。CPU自带的4路串口主要是用来和外围传感器等设备进行通信，其中包括GPS、IMU和Xtend等。GPS主要用来为飞行控制软件提供经纬度、高度等信息，是飞行控制软件中必不可缺少的组成部分。GPS支持的主要通信接口有串行通信接口、USB接口、CAN通信接口，考虑到飞行控制机上的资源接口和通信的方便性，选用较常用的通信接口——串口。IMU主要用来对飞行控制软件所需的姿态角信号、姿态角速度和三轴加速度等信息进行采集，其只能通过串行通信接口与外界进行通信。Xtend（无线数传电台）主要用来实现机载与地面之间的数据通信，是实现遥控遥测功能的基础。Xtend与外界通信的接口仅是串口。综上所述，GPS、IMU、Xtend各需要一个串口，PC机也需要占用一个串口。此外，地面检测的通信接口也是串口，片上自带的串口资源无法满足要求，所以系统需要利用片上的时间处理单元（TPU3）实现串口的扩展。TPU3是一个多功能的模块，它可以根据需求配置成时间计数功能、异步串行通信功能、PWM输出功能、离散量输入输出功能等。根据飞行控制软件的需求将TPU3模块配置成异步串行通信功能，这样便可以满足系统设计的需求。
针对PWM信号接口进行资源配置分析。根据飞行控制软件设计的需求，需要外接四路航模舵机。每路航模舵机的控制信号是周期为20ms，高电平时间为0.9ms~2.1ms的PWM信号，通过改变高电平时间，控制舵机的旋转角度。当高电平时间从0.9ms转到2.1ms时，舵机从-65度转到65度。当高电平时间在1.5ms的时候，舵机保持在0度。
针对离散量输入输出接口进行资源配置分析。根据控制逻辑的设计要求，当给出机翼抛掷指令的时候，需要由飞行控制计算机输出离散量信号。当要监测任务设备的开启状态时，需要开启离散量输入功能，从而达到监测任务设备的目的。根据以上的需求以及飞行控制计算机的自身配置，利用时间处理单元来配置离散量输入输出通道。
针对SPI总线接口进行资源配置分析。SPI总线主要是用来和片外AD芯片进行数据通信，其中包括对空速计、高度计和舵机反馈电压采集功能。空速计主要是用来给飞行控制提供空速信号，高度计主要是提供高度信息。MPC565片内AD采集的精度只有10位，而根据设计的需求和模拟量采集精度的要求，本课题采用16位采集精度的AD芯片，利用片内SPI总线来实现片外芯片和处理器之间的数据通信。
2.2.2 飞行控制软件开发环境
在对飞行控制软件进行开发时，选择一个合适的软件开发环境是至关重要的。其可以提高软件开发的可靠性、缩短软件开发的时间和提高软件开发的效率。软件集成开发环境主要应用于程序的开发，一般包括代码编辑器、编译器、调试器和图形用户界面工具等，其集成了代码编写功能、分析功能、编译功能、debug功能等。
南京航空航天大学硕士学位论文
本文所使用的主控单元是基于MPC565微处理器的一款主板，考虑其开发效率和版本等问题，本软件使用Freescale公司推出的CodeWarrior集成开发环境，并采用宿主机—目标机交叉开发模型，主机和目标机之间通过调试设备(USBTAP仿真器)的BDM调试口进行相连接。本实例的软件开发平台如图2.3所示。
图2. 3 软件开发平台
在图2.3中可以看出，正是采用了宿主机—目标机交叉开发模型，使得软件开发的工作聚焦到PC机上，使得软件开发人员方便快捷地进行软件的开发、调试和维护工作。应用程序在宿主PC机的CodeWarrior集成开发环境中编译链接后，生成可执行文件，通过主机上的调试软件和调试设备将其下载到目标机上，完成对应用程序的调试和分析。
2.3 飞行控制软件的需求分析
小型固定翼无人机飞行控制软件在飞行控制计算机上电后启动运行，是一个相当复杂的信号处理系统，是整个小型飞行控制系统的核心。所以整个小型固定翼无人机飞行控制系统的关键是飞行控制软件的设计，其直接决定了小型无人机的安全和相关性能的实现。
在小型无人机系统中，飞行控制计算机硬件平台的功能和接口能力决定了飞行控制系统的整体性能。根据上述飞行控制计算机的硬件接口资源，本软件的设计在功能和各种性能上有着更为特殊的要求，不仅要完成小型固定翼无人机自主导航、指令导航和人工导航等飞行任务，而且还需要具有较高的实时性、安全可靠性和可维护性。以下主要对飞行控制软件的各种主要需求进行详细的分析。
(1) 功能需求
本课题设计的飞行控制软件要在低成本，高集成度的飞行控制计算机上，能实现三种飞行模式的切换，这就要求其飞行控制软件具有如下功能：
能够实现三种飞行模式的管理。通过地面决策指挥人员发出的指令可以实现自主导航、指令导航、人工导航三种飞行模式的切换。当地面监控软件发送自主起飞指令时，软件进入自主导航模式。在空中有飞行任务需要执行时，可切换至指令导航。在飞行控制系统出现故障时，可切换至人工导航模式，并用Futaba操纵手柄来控制无人机的飞行。
能够根据航路点的信息按照预置的任务航线进行全自主飞行，实现自动稳定高度飞行和自动控制无人机进行爬升、平飞、下滑以及左右转等动作。
小型固定翼无人机飞行控制软件设计与开发
能够通过地面检测软件快速检测机载设备的工作状态、实现各种参数修改，并支持将航路信息进行上传。
能够实现飞行状态的实时监测，能够实时地将飞行状态信息、传感器的信息以及控制律解算出来的关键数据下传到地面站，供地面指挥人员实时监测无人机的飞行状态。
能够实现半物理仿真。通过采集无人机实时仿真系统模拟的传感器数据进行控制律的解算，并将控制指令发送给仿真系统，从而实现飞行控制系统的半物理仿真。
(2) 实时性需求
实时性方面的需求主要关系到两个方面：硬件和应用程序[18]。在本课题中，当硬件平台确定下来后，整个系统的实时性主要由应用程序来决定。飞行控制软件属于安全关键和任务关键型软件，要求所有的任务在规定的时间内完成各自的工作。在对任务模块进行划分时，需考虑在最坏情况下系统任务运行时间和中断响应时间，仅仅从一个固定的时间来衡量系统的响应时间是不完善的[19]。所以对软件进行设计时，实时性方面应该从模块的数量和任务的执行时间等方面去考虑[20]~[21]。
(3) 安全可靠性需求
飞行控制软件的安全可靠性可以通过不同的手段来实现，如利用软件看门狗来保证程序的有序运行；采用对数据区进行管理的方式来保证各个模块之间的数据交互；对无线链路通信采用分时复用的方法，保证测控链路的安全可靠；对传感器和测控链路进行故障检测和处理，提高飞行控制软件的故障处理能力。
(4) 可维护性需求
飞行控制软件的可维护性主要通过软件模块化的设计来实现。为了增强软件的可维护性和可扩展性，需要对飞行控制软件按照不同的功能进行模块的划分，并对各个模块进行封装只留出模块间数据交互的接口，便于软件的维护和后续功能的扩展。
2.4 飞行控制软件的整体结构
根据飞行控制软件的需求特点，进行飞行控制软件的设计，合理的结构设计可以为软件的开发、测试和维护奠定了良好的基础。首先需要对飞行控制软件的框架进行设计，其次对整个飞行控制软件进行合理的模块划分。飞行控制软件的设计需要满足安全性、可靠性、实时性、可扩展性和可维护性等特点。
根据以上的设计原则，本课题设计的飞行控制软件可划分为：底层驱动模块、传感器模块、无线测控模块、舵机控制模块、数据管理模块、遥控遥测模块、控制律解算模块、导航模块和调度管理模块。对这些模块进行分类组合，将整个飞行控制软件可划分为三个“执行层”，分别是硬件驱动层、软件服务层和软件功能层。通过这三个执行层来实现整个飞行控制软件的功能。
无人机飞行控制方法概述
2017-10-08 GaryLiu 于四川绵阳 无人机的飞行控制是无人机研究领域主要问题之一。在飞行过程中会受到各种干扰，如传感器的噪音与漂移、强风与乱气流、载重量变化及倾角过大引起的模型变动等等。这些都会严重影响飞行器的飞行品质，因此无人机的控制技术便显得尤为重要。传统的控制方法主要集中于姿态和高度的控制，除此之外还有一些用来控制速度、位置、航向、3D轨迹跟踪控制。多旋翼无人机的控制方法可以总结为以下三个主要的方面。 1.线性飞行控制方法 常规的飞行器控制方法以及早期的对飞行器控制的尝试都是建立在线性飞行控制理论上的，这其中就有诸如PID、H∞、LQR以及增益调度法。 1)PID PID控制属于传统控制方法，是目前最成功、用的最广泛的控制方法之一。其控制方法简单，无需前期建模工作，参数物理意义明确，适用于飞行精度要求不高的控制。 2)H∞ H∞属于鲁棒控制的方法。经典的控制理论并不要求被控对象的精确数学模型来解决多输入多输出非线性系统问题。现代控制理论可以定量地解决多输入多输出非线性系统问题，但完全依赖于描述被控对象的动态特性的数学模型。鲁棒控制可以很好解决因干扰等因素引起的建模误差问题，但它的计算量非常大，依赖于高性能的处理器，同时，由于是频域设计方法，调参也相对困难。 3)LQR LQR是被运用来控制无人机的比较成功的方法之一，其对象是能用状态空间表达式表示的线性系统，目标函数是状态变量或控制变量的二次函数的积分。而且Matlab软件的使用为LQR的控制方法提供了良好的仿真条件，更为工程实现提供了便利。 4)增益调度法 增益调度（Gain scheduling）即在系统运行时，调度变量的变化导致控制器的参数随着改变，根据调度变量使系统以不同的控制规律在不同的区域内运行，以解决系统非线性的问题。该算法由两大部分组成，第一部分主要完成事件驱动，实现参数调整。如果系统的运行情况改变，则可通过该部分来识别并切换模态；第二部分为误差驱动，其控制功能由选定的模态来实现。该控制方法在旋翼无人机的垂直起降、定点悬停及路径跟踪等控制上有着优异的性能。 2.基于学习的飞行控制方法 基于学习的飞行控制方法的特点就是无需了解飞行器的动力学模型，只要一些飞行试验和飞行数据。其中研究最热门的有模糊控制方法、基于人体学习的方法以及神经网络法。 1)模糊控制方法（Fuzzy logic） 模糊控制是解决模型不确定性的方法之一，在模型未知的情况下来实现对无人机的控制。 2)基于人体学习的方法（Human-based learning） 美国MIT的科研人员为了寻找能更好地控制小型无人飞行器的控制方法，从参加军事演习进行特技飞行的飞机中采集数据，分析飞行员对不同情况下飞机的操作，从而更好地理解无人机的输入序列和反馈机制。这种方法已经被运用到小型无人机的自主飞行中。 3)神经网络法（Neural networks）
无人机管控现状总结及建议
无人机管控现状总结及 建议 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
无人机管控现状全国空中交通管制二十四个分区：空军二十（4+4+3+4+5），海军四个。 五个战区、一个海军： 1、北部战区：长春、沈阳、大连、济南； 2、中部战区：北京、大同、西安、武汉； 3、南部战区：广州、南宁、昆明； 4、东部战区：上海、南京、福州、漳州； 5、西部战区：成都、乌鲁木齐、拉萨、兰州、鼎新； 6、海军：海口、宁波、山海关、青岛。 截至八月初，不完全统计，目前，四川、重庆、福建、云南、北京、天津、河北、新疆、广东、吉林、江苏、陕西等12个省市区陆续出台无人机相关的禁飞、限飞命令或通告；另外有深圳、石家庄、月牙泉、武汉、黄山、大连、柳州、扬州泰州、桂林、泉州、东莞、齐齐哈尔、无锡等十余个城市也在行者区域内禁限飞，或者在机场周边划出了大面积的净空保护区。 对于无人机申报管理有相当完善的政策与登记系统的省市区有： 香港特别行政区、澳门特别行政区； 有具体政策出台，各相关部门分工明确的省市区有： 江苏省、广东省、江西省、重庆市、四川省、陕西省和黑龙江省； 通过多方面咨询能了解大概流程，但没有明确政策，各部门没有明确分工的省市区有：北京市、天津市、上海市、浙江省、河南省、河北省、吉林省、宁夏回族自治区、辽宁省、甘肃省、山东省、安徽省、福建省、广西壮族自治区、海南省、湖北省、内蒙古自治区、新疆维吾尔自治区、贵州省和西藏自治区；
暂时没有相关管理规定或无从得知相关信息的省市区有： 湖南省、青海省、台湾省、云南省和山西省。 全国 2017年1月至6月，全国发生了10余起航班备降或返航，影响旅客万余人。深圳、南京尤甚。 ●全国首批155个民航机场的禁飞区确立。 ●国家民航局发布《民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定》。 6月1日 起，对质量在250克以上的无人机实施注册登记。（基本上是个能飞的就比这个重吧微笑脸） 由于相关规定各省比较类似，仅列举几个出台明确规定的（仅摘录不是全部）。 6月陕西（中部战区） ●在陕西省范围内开展无人驾驶航空器飞行活动，应当飞行前一天15时前向 94188部队航空管制部门或民航空中管制部门提出申请，经批准后方可实施。 ●飞行计划申请单位（个人）应在组织飞行前2小时向申报飞行计划的航空管 制部门提出联系放飞事宜、经批准后方可组织飞行。组织飞行的单位（个人）要将航空器的起飞、降落时刻及时通报航管部门。 ●无人驾驶航空器飞行的计划申请内容包括：单位、航空器型号、架数、使用 的机场或临时起降点、任务性质、飞行区域、飞行高度、飞行日期、预计开始和结束时刻及现场人员联系方式等。 ●针对违规飞行行为将依照《中华人民共和国民用航空法》、《中华人民共和
无人机主要部件
1、首先介绍的是无人机的大脑——飞控 无人机飞行控制系统是指能够稳定无人机飞行姿态，并能控制无人机自主或半自主飞行的控制系统，是无人机的大脑，也是区别于航模的最主要标志，简称飞控。飞控的作用就是通过飞控板上的陀螺仪，对四轴飞行状态进行快速调整(都是瞬间的事，不要妄想用人肉完成)。如发现右边力量大，向左倾斜，那么就减弱右边电流输出，电机变慢、升力变小，自然就不再向左倾斜。如果没有飞控系统，四轴飞行器就会因为安装、外界干扰、零件之间的不一致等原因形成飞行力量不平衡，后果就是左右、上下地胡乱翻滚，根本无法飞行。 工作过程大致如下：飞控系统实时采集各传感器测量的飞行状态数据、接收无线电测控终端传输的由地面测控站上行信道送来的控制命令及数据，经计算处理，输出控制指令给执行机构，实现对无人机中各种飞行模态的控制和对任务设备的管理与控制;同时将无人机的状态数据及发动机、机载电源系统、任务设备的工作状态参数实时传送给机载无线电数据终端，经无线电下行信道发送回地面测控站。飞控系统的硬件主要包括：主控制模块、信号调理及接口模块、数据采集模块以及舵机驱动模块等。 2、为传感器增稳的——云台 稳定平台，对于任务设备来说太重要了，是用来给相机增稳的部分，几千米的高度上误差个几分几秒就能差出去几十米。它主要通过传感器感知机身的动作，通过电机驱动让相机保持原来的位置，抵消机身晃动或者震动的影响。云台主要考察几个性能：增稳精度、兼容性（一款云台能适配几款相机和镜头）和转动范围（分为俯仰、横滚和旋转三个轴），如果遇到变焦相机，就更加考验云台
的增稳精度了，因为经过长距离的变焦，一点点轻微的震动都会让画面抖动得很厉害。 现时的航拍云台主要由无刷电机驱动，在水平、横滚、俯仰三个轴向对相机进行增稳，可搭载的摄影器材从小摄像头到GoPro，再到微单/无反相机，甚至全画幅单反以及专业级电影机都可以。摄影器材越大，云台就越大，相应的机架也就越大。 上面三个演示的是机身不动、相机动的效果，但实际上云台工作时，是相机不动，而机身动。所以在空中时，无人机的机身不断在动作，云台依然可以保相机镜头的位置，达到增稳的效果。 分类: 目前市面上常见的有三轴增稳云台和两轴增稳云台。
小型固定翼无人机飞行控制软件设计与开发
南京航空航天大学 硕士学位论文 小型固定翼无人机飞行控制软件设计与开发 姓名：李俊 申请学位级别：硕士 专业：精密仪器及机械 指导教师：李春涛 2011-03
南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着无人机在众多领域开展的广泛应用，对其提出的要求也越来越高，作为“大脑”的飞行控制系统也越来越受到重视。飞行控制软件是无人机飞行控制系统的重要组成部分，其性能直接关系到无人机的飞行安全。因此在飞行控制软件的设计中既要满足基本的飞行功能，又要提高软件本身的安全性能。本课题正是在这个研究背景和实际工程的需求下提出的。 首先，论文采用模块化思想设计开发了一种小型固定翼无人机飞行控制软件，在使整个软件可维护和可扩展的同时，针对软件多任务动态运行、内存保护等要求，设计了数据区轮换读写机制及软件看门狗，解决了多任务对内存读写冲突的问题，保障了飞行控制软件运行的可靠性。 其次，结合飞行控制计算机的资源配置，完成了目标硬件的初始化、串口驱动、脉宽调制接口驱动、模拟量驱动和离散量驱动软件设计与开发。完成底层驱动环境开发后，对飞行控制软件进行了任务划分和优先级分配。在综合考虑飞行控制软件性能和功能需求的基础上，设计开发了传感器采集、控制律解算、遥控遥测和导航制导等9个任务，实现了自主导航、指令导航和人工导航三种飞行模态，并通过事件触发的方式对多任务进行调度管理，实现了不同飞行模态间的平滑切换。 再次，针对机载设备的配置情况，设计了传感器信息源故障和测控系统链路故障的处理逻辑。给出了传感器的通信状态、数据安全范围和测控系统链路等故障诊断机制，设计了传感器高度信息源、定位信息源、测控链路等故障处置逻辑，确保了无人机的空中安全飞行。 最后，在实时仿真环境下，对飞行控制软件进行了半物理飞行仿真验证，测试了传感器故障和测控链路故障逻辑，仿真结果表明本文所设计的软件满足了小型固定翼无人机飞行控制的需求。 关键词：飞行控制软件，小型固定翼无人机，模块化，安全可靠，故障处理
无人机飞行路线控制系统设计
无人机飞行路线控制系统设计 由于无人机是通过无线遥控的方式完成自动飞行和执行各种任务,具有安全零伤亡、低能耗、重复利用率高、控制方便等优点,因此得到了各个国家、各行各业的高度重视和广泛应用。尤其以美国为代表,无论是在军事、民用、环境保护还是科学研究中,都将无人机的使用发挥到淋漓尽致,其拥有全球最先进的“捕食者”和“全球鹰”战斗无人机、监测鸟类的“大乌鸦”无人机、民用用途的“伊哈纳”无人机等等。我国在无人机研制方面也取得了一定的成就,拥有技术卓越的“翔龙”和“暗箭”高空高速无人侦查机、多用途的“黔中”无人机、探测海洋的“天骄”无人机、中继通讯的“蜜蜂”无人机等等。在未来,随着现代化工业技术、信息技术、自动化技术、航天技术等高新技术的迅速发展,无人机技术将日趋成熟,性能日益完善,为此将拥有更为广阔的应用前景。为确保无人机能够有效地完成各种飞行任务,研发者开发了各种技术方式的飞行控制系统,完成对无人机的起飞、飞行控制、着陆以及相应目标任务等操作的控制。飞行路线控制是飞行控制系统中最基础也是最核心的功能控制部分,其它所有的飞行任务控制都是飞行路线控制的基础之上实现。目前对于无人机飞行路线的控制已有各种各样方式的系统,但大多数系统都存在一定缺陷,如有些系统操作过于繁杂,不够智能化;有些系统只能在视距范围遥 控无人机,严重限制了无人机的使用;有些系统过于专用化,不能适用于大多数类型的无人机;有些比较完善的系统,造价又过于昂贵,等等一系列问题。针对以上存在的这些问题,本课题提出了一种成本低、
遥控距离远、智能化、高效化、适用性广的无人机飞行路线控制系统设计方案。该系统方案包括两大部分,一部分是操作人员所处的地面监控系统,一部分是无人机端的受控系统,实现的机制主要是无人机不断地将自身的定位信息实时地传送给地面控制系统,地面控制系统将无人机位置信息通过电子地图可视化显示给操作人员,操作人员结合本次飞行任务,采用灵活的鼠标绘制方式在地图上绘制预定的飞行路线,地面控制系统对绘制路线进行自动处理生成可用的路线控制信息帧并发送给无人机受控系统,无人机受控系统接收到位置控制信息帧,不断结合实时的方位信息得到飞行控制信息,从而遥控无人机按照预定路线飞行。此外,为方便用户以后对历史数据的查看,以分析总结得到一些有价值的信息,地面监控系统还包含了对预定路线和无人机历史飞行路线的存储、查询和在地图中回放功能。基于GIS技术的地面监控系统的具体实现是在Windows操作系统上,采用Visual Basic作为系统开发环境并结合MSComm串口通信技术、Mapx二次开发组件技术、Winsock网络接口技术以及Access数据库技术完成软件设计,实现与无人机受控系统的无线通信、GIS系统操作和监控、历史数据存储和重现等,其中实验区域的电子地图采用Mapinfo Professional开发软件绘制完成,并创新性地设计并绘制了画面简洁的带高层信息的二点三维矢量地图,而对于绘制路线的优化和提取处理采用了垂距比值法和最小R值法。无人机端使用BDS-2/GPS双卫星系统对无人机实时位置进行高精度的定位,采用双串口单片机进行运算控制处理,实时的飞行控制信息采用了几何空间算法得到,另外采
小型无人机飞控系统介绍与工作原理
飞控系统是无人机的核心控制装置，相当于无人机的大脑，是否装有飞控系统也是无人机区别于普通航空模型的重要标志。在经历了早期的遥控飞行后，目前其导航控制方式已经发展为自主飞行和智能飞行。导航方式的改变对飞行控制计算机的精度提出了更高的要求；随着小型无人机执行任务复杂程度的增加，对飞控计算机运算速度的要求也更高；而小型化的要求对飞控计算机的功耗和体积也提出了很高的要求。高精度不仅要求计算机的控制精度高，而且要求能够运行复杂的控制算法，小型化则要求无人机的体积小，机动性好，进而要求控制计算机的体积越小越好。 在众多处理器芯片中，最适合小型飞控计算机CPU的芯片当属TI公司的TMS320LF2407，其运算速度以及众多的外围接口电路很适合用来完成对小型无人机的实时控制功能。它采用哈佛结构、多级流水线操作，对数据和指令同时进行读取，片内自带资源包括16路10位A ／D转换器且带自动排序功能，保证最多16路有转换在同一转换期间进行，而不会增加CPU 的开销；40路可单独编程或复用的通用输入／输出通道；5个外部中断；集成的串行通信接口（SCI），可使其具备与系统内其他控制器进行异步（RS 485）通信的能力；16位同步串行外围接口（SPI）能方便地用来与其他的外围设备通信；还提供看门狗定时器模块（WDT）和CAN通信模块。 飞控系统组成模块 飞控系统实时采集各传感器测量的飞行状态数据、接收无线电测控终端传输的由地面测控站上行信道送来的控制命令及数据，经计算处理，输出控制指令给执行机构，实现对无人机中各种飞行模态的控制和对任务设备的管理与控制；同时将无人机的状态数据及发动机、机载电源系统、任务设备的工作状态参数实时传送给机载无线电数据终端，经无线电下行信道发送回地面测控站。按照功能划分，该飞控系统的硬件包括：主控制模块、信号调理及接口模块、数据采集模块以及舵机驱动模块等。 模块功能 各个功能模块组合在一起，构成飞行控制系统的核心，而主控制模块是飞控系统核心，它与信号调理模块、接口模块和舵机驱动模块相组合，在只需要修改软件和简单改动外围电路的基础上可以满足一系列小型无人机的飞行控制和飞行管理功能要求，从而实现一次开发，多型号使用，降低系统开发成本的目的。系统主要完成如下功能： （1）完成多路模拟信号的高精度采集，包括陀螺信号、航向信号、舵偏角信号、发动机转速、缸温信号、动静压传感器信号、电源电压信号等。由于CPU自带A／D的精度和通道数有限，所以使用了另外的数据采集电路，其片选和控制信号是通过EPLD中译码电路产生的。
浅析无人机航空摄影测量系统及应用
浅析无人机航空摄影测量系统及应用 发表时间：2017-10-26T19:53:11.473Z 来源：《建筑科技》2017年9期作者：舒永国 [导读] 发展低空无人飞行器航测遥感系统是提高测绘现势性的迫切需要，是做好应急救急工作的迫切需要，是构建数字中国、数字城市建设的迫切需要。基于此，本文主要对无人机航空摄影测量系统及应用进行分析探讨。 北京市自来水集团禹通市政工程有限公司北京 100089 摘要：测绘测量技术系统是应对自然灾害、有效处置突发事件、构建完善保障系统与加强防灾减灾工作建设的重要组成部分，也是目前的一个重要战略问题。发展低空无人飞行器航测遥感系统是提高测绘现势性的迫切需要，是做好应急救急工作的迫切需要，是构建数字中国、数字城市建设的迫切需要。基于此，本文主要对无人机航空摄影测量系统及应用进行分析探讨。 关键词：无人机；航空摄影；测量系统；应用 1、前言 航空数字摄影测量是基础地理信息采集的最有效手段之一。随着计算机技术的发展和微处理机的广泛应用，政府各部门对测绘资料的需求越来越大，对资料现势性要求越来越高，对资料所能包涵的信息容量越来越多。无人机航空摄影测量作为一种新型的测量方式不断呈现在大家的面前，伴随着高科技技术环境下测绘技术与测绘装备的快速发展，融合了无人机技术、航空摄影技术、移动测量技术、数字通信技术等一系列新兴技术形态的无人机航空摄影测量系统成为防灾减灾的重要手段，它建立起一整套综合应急测绘保障服务系统。 2、无人机航空摄影测量系统 目前，国内已经投入使用的无人机航空摄影测量系统有“华鹰”、“飞象”、“QuickEye”等。无人机航空摄影测量系统主要由硬件系统和软件系统组成。硬件系统包括机载系统和地面监控系统；软件系统则涵盖了航线设计、飞行控制、远程监控、航摄检查、数据预处理等五个主要的系统。 2.1硬件系统 2.1.1无人机机载系统 在整个无人机航空摄影测量系统构成中，无人机作为主要的系统搭载平台，是整个系统集成与融合的重要基础。这一硬件系统主要由无人机、数字摄影系统、导航与飞行控制系统、通信系统等部分构成。在该系统工作的过程中，整个系统会按照预先设定的航线进行相应的自主飞行，并且完成预先设定的航空摄影测量任务，同时实时地把飞机的速度、高度、飞行状态、气象状况等参数传输给地面控制系统。 2.1.2地面飞行监控系统 这一分支系统是影响飞行平台运行的重要因素，主要有电子计算机、飞行控制软件、电子通信控制介质和电台等设备。在飞行平台的运行过程中，地面飞行控制系统可以据无人机飞行控制系统发回的飞行参数信息，实时在地图上精确标定飞机的位置、飞行路线、轨迹、速度、高度和飞行姿态，使地面操作人员更容易掌握无人机的飞行状况。 2.2软件系统 2.2.1航线设计软件 航线设计在无人机航空摄影测量系统中扮演着十分重要的角色，其直接决定了整个系统工作的方向和精准度。这一分支系统作为信息采集的关键步骤，需要对于系统运行经过的作业范围、地形地貌特点、属性精度要求、摄影测量参数以及摄影测量的结果进行综合设定。航线设计软件需要对相关的工作参数进行综合设定，诸如计算行高、重叠度和地面分辨率等飞行参数，进而获得飞行所需的曝光点坐标、基线长度等参数。此外，航线设计软件还有一个十分重要的功能，那就是对于设计好的航线进行检查，诸如：航线走向、摄影基面、行高、地面分辨率和像片重叠度等。 2.2.2数据接受与预处理系统 这是无人机系统中最为重要的软件系统，也是无人机航空摄影测量系统室外作业的最后一步，直接影响到后续的图像数据处理质量。一般情况下，无人机航空摄影测量系统在影像获取过程中，由于受外界和内部因素的影响，可能降低获取的原始图像的质量。为避免原始图像后续处理的质量问题，在影像配准、拼接之前，必须对原始影像进行预处理。这一预处理的过程，先后涵盖了图像校正、图像增强等方面。 3、项目应用实践 3.1工程概况 井山水库位于抚河流域东乡河南港支流黎圩水上游，地处江西省抚州市东乡县黎圩镇内，坝址位于南港支流东乡县黎圩镇井山村上游河段1.0km狭谷段，坝址区距黎圩镇约5km，距东乡县县城约25km，控制流域面积25.2km2，正常蓄水位83.00m（黄海高程，下同），总库容2250×104m3，是一座灌溉、供水等综合效益的中型水利枢纽工程。 3.2外业测量 3.2.1航摄 航摄仪采用Sonya7R，焦距35mm，相幅大小为：7360×4192，像元分辨率为4.88um。本次无人机航摄分两个架次进行，由GPS领航数据计算相对飞行高度为724m，地面分辨率为0.09m，航摄面积约10km2。两个架次飞行质量和影像良好，影像清晰度较高，且照片色彩均匀，饱和度良好，能够表达真实的地物信息，可以满足1:2000成图要求。本次飞行航向重叠度为75%，旁向重叠度为50%。 3.2.2像控测量 像控点的布设应能够有效控制成图的范围，测区的四周及中心位置必须布设控制点，根据测区的情况，每个测区布设控制点20多个，且都设置为平高点。 3.2.3空中三角测量 本项目采用SVS软件进行空三加密，根据航空飞行及影像分布情况，将空三区域分为两个加密区域网采用自动与手动相结合的方式进行空三加密，即采用自动匹配进行像点量测，剔除粗差。人工调整直至连接点符合规范要求，保证在2/3个像素以内。加入外业像控点对本
无人机管理规程
1.0 2.0 3.0 3.1 3.2 3.3 4.0 5.0 5.1 5.1.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3 5.3.1目的 为规范使用无人机，妥善管理公司的固定资产，特制定本规程。 使用范围 仅限于与公司相关的业务 职责 人事行政负责人负责《无人机管理规程》的制定、修订及各部门执行的监督检查。行政助理负责车辆的日常管理、保管。 其他各部门负责人负责本部门《无人机管理规程》的宣传、培训、执行监管。 财务部负责人负责制度相关费用的账务管理工作。 弱电工程师负责无人机的使用期间的问题处理。 项目经理负责《无人机管理规程》的审核和作业流程的监察工作。 定义 无人机指公司购进的航拍器械。 程序文件 借用流程 借用人向人事行政部提交借用申请→审核通过→《借用登记表》（附件一）登记→委派工程技术部人员现场支持。 使用条例 使用前务必检查设备及其配件是否齐全完好，电池充足，存储卡使用空间是否足够； 停飞后检查设备及其配件是否齐全完好，导出数据并将电池充满后归还人事行政部； 飞行使用中如遇设备故障，立即采取处理措施，以不造成设备损坏为最高准则,同时参照航拍机维修条例执行操作。 使用注意事项 飞行前，请仔细检查螺旋桨是否损坏、老化，电池电量是否充足、其他部件是否
5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 6.0 6.1 7.0 7.1应该更换或维修； 确保您的智能飞行电池、遥控器及其他设备电量充足； 请选择开阔空旷的飞行场地，远离人群及建筑物，请勿在人群或动物上方停留飞行； 根据相关法律规定，无人机飞行范围需在目视视距半径500米，相对高度120米范围内，确保飞机在您的视线之范围内，请勿在障碍物背面飞行，以减少操作不可控性，若违反相关法律规定将自行承担相关责任； 无人机飞行时必须考量现场天气、风向等因素，以减少操作不可控性； 飞行过程中，在使用自动功能时，如自动起飞、自动降落等，双手请不要离开遥控器，请始终保持对飞机控制； 在确认取得良好GPS信号后再起飞，并尽可能利用安全飞行功能，如自动返航，定点悬停等； 使用人管理 使用人应严格按照《无人机管理规程》使用无人机，如有违反责任自负。 使用人应爱惜公司财产，人为损失将自负。 使用人需学习《无人机使用学习教材》并经项目经理验证后授权。 使用人在使用过程中无人机发生失控故障时，立即停止遥控器的所有操作并第一时间向工程技术部报事。 支持文件 SAVILLS-CQ/YKJ-XZ-《无人机使用学习教材》 支持记录 SAVILLS-CQ/YKJ-XZ-《借用登记表》
关于无人机飞行控制系统的全面解析
关于无人机飞行控制系统的全面解析 飞控的大脑：微控制器在四轴飞行器的飞控主板上，需要用到的芯片并不多。目前的玩具级飞行器还只是简单地在空中飞行或停留，只要能够接收到遥控器发送过来的指令，控制四个马达带动桨翼，基本上就可以实现飞行或悬停的功能。意法半导体高级市场工程师介绍，无人机/多轴飞行器主要部件包括飞行控制以及遥控器两部分。其中飞行控制包括电调/马达控制、飞机姿态控制以及云台控制等。目前主流的电调控制方式主要分成BLDC方波控制以及FOC正弦波控制。 高通和英特尔推的飞控主芯片CES上我们看到了高通和英特尔展示了功能更为丰富的多轴飞行器，他们采用了比微控制器（MCU）更为强大的CPU或是ARM Cortex-A系列处理器作为飞控主芯片。例如，高通CES上展示的Snapdragon Cargo无人机是基于高通Snapdragon芯片开发出来的飞行控制器，它有无线通信、传感器集成和空间定位等功能。Intel CEO Brian Krzanich也亲自在CES上演示了他们的无人机。这款无人机采用了RealSense技术，能够建起3D地图和感知周围环境，它可以像一只蝙蝠一样飞行，能主动避免障碍物。英特尔的无人机是与一家德国工业无人机厂商Ascending Technologies合作开发，内置了高达6个英特的RealSense3D摄像头，以及采用了四核的英特尔凌动（Atom）处理器的PCI-express定制卡，来处理距离远近与传感器的实时信息，以及如何避免近距离的障碍物。这两家公司在CES展示如此强大功能的无人机，一是看好无人机的市场，二是美国即将推出相关法规，对无人机的飞行将有严格的管控。 多轴无人机的EMS/传感器某无人机方案商总经理认为，目前业内的玩具级飞行器，虽然大部分从三轴升级到了六轴MEMS，但通常采用的都是消费类产品如平板或手机上较常用的价格敏感型型号。在专业航拍以及专为航模发烧友开发的中高端无人机上，则会用到质量更为价格更高的传感器，以保障无人机更为稳定、安全的飞行。这些MEMS传感器主要用来实现飞行器的平稳控制和辅助导航。飞行器之所以能悬停，可以做航拍，是因为MEMS传感器可以检测飞行器在飞行过程中的俯仰角和滚转角变化，在检测到角度变化
第3章飞行原理(精简版)
C001、飞机的迎角是 A.飞机纵轴与水平面的夹角 B.飞机翼弦与水平面的夹角 C.飞机翼弦与相对气流的夹角【答案】C（解析：-） C002、飞机下降时，其迎角A．大于零 B．小于零 C．等于零 【答案】A（解析：-） C003、飞机上升时，其迎角A．大于零 B．小于零
C．等于零 【答案】A（解析：-） C004、影响升力的因素 A.飞行器的尺寸或面积,飞行速度,空气密度 B.CL C.都是 【答案】C（解析：-） C005、载荷因子是 A飞机压力与阻力的比值 B.飞机升力与阻力的比值 C.飞机承受的载荷【除升力外】与重力的比值
【答案】C（解析：-） C006、失速的直接原因是 A.低速飞行 B.高速飞行 C.迎角过大 【答案】C（解析：p63） C007、当无人机的迎角为临界迎角时 A.飞行速度最大 B.升力系数最大 C.阻力最小 【答案】B（解析：-） C008、相同迎角，飞行速度增大一倍，
阻力增加约为原来的 A．一倍 B．二倍 C．四倍 【答案】C（解析：-） C009、通过改变迎角，无人机驾驶员可以控制飞机的 A.升力，空速，阻力 B.升力，空速，阻力，重量 C.升力，拉力，阻力 【答案】A（解析：-） C010、无人机驾驶员操作副翼时，飞行器将
A.横轴运动 B.纵轴运动 C.立轴运动 【答案】B（解析：-） C011、无人机飞行员操纵升降舵时，飞行器将绕 A．横轴运动 B．纵轴运动 C．立轴运动 【答案】A（解析：-） C012、无人机飞行员操纵方向舵时，飞行器将绕 A．横轴运动
B．纵轴运动 C．立轴运动 【答案】C（解析：p71） C013、舵面遥控状态时，平飞中向前稍推升降舵杆量，飞行器的迎角A．增大 B．减小 C．先减小后增大 【答案】B（解析：-） C014、舵面遥控状态时，平飞中向后稍拉升降舵杆量，飞行器的迎角A．增大 B. 减小
无人机飞行管理规定
无人机飞行管理规定 1.从事通用航空飞行活动的单位、个人使用机场飞行空域、航路、航线，应当按照国家有关规定向飞行管制部门提出申请，经批准后方可实施。 2.从事通用航空飞行活动的单位、个人，根据飞行活动要求，需要划设临时飞行空域的，应当向有关飞行管制部门提出划设临时飞行空域的申请。划设临时飞行空域的申请，应当在拟使用临时飞行空域7个工作日前向有关飞行管制部门提出。负责批准该临时飞行空域的飞行管制部门应当在拟使用临时飞行空域3个工作日前作出批准或者不予批准的决定，并通知申请人。 以下摘取的部分无人机法规： (1)无人机(UA：Unmanned Aircraft)，是由控制站管理(包括远程操纵或自主飞行)的航空器。也称远程驾驶航空器(RPA：Remotely Piloted Aircraft) (2)无人机系统(UAS：Unmanned Aircraft System)，也称远程驾驶航空器系统(RPAS：Remotely Piloted Aircraft Systems)，是指由无人机、相关的控制站、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件组成的系统。 (3)无人机系统驾驶员，由运营人指派对无人机的运行负有必不可少职责并在飞行期间适时操纵无人机的人。
(4)无人机系统的机长，是指在系统运行时间内负责整个无人机系统运行和安全的驾驶员。 (5)无人机观测员，由运营人指定的训练有素的人员，通过目视观测无人机，协助无人机驾驶员安全实施飞行，通常由运营人管理，无证照要求。 (6)运营人，是指从事或拟从事航空器运营的个人、组织或企业。 (7)控制站(也称遥控站、地面站)，无人机系统的组成部分，包括用于操纵无人机的设备。 (8)指令与控制数据链路(C2：Commandand Control datalink)，是指无人机和控制站之间为飞行管理之目的的数据链接。 (9)感知与避让，是指看见、察觉或发现交通冲突或其他危险并采取适当行动的能力。 (10)无人机感知与避让系统，是指无人机机载安装的一种设备，用以确保无人机与其它航空器保持一定的安全飞行间隔，相当于载人航空器的防撞系统。在融合空域中运行的Ⅺ、Ⅻ类无人机应安装此种系统。 (11)视距内(VLOS：Visual Line of Sight)运行，无人机在驾驶员或观测员与无人机保持直接目视视觉接触的范围内运行，且该范围为目视视距内半径不大于500米，人、机相对高度不大于120米。
无人机管控现状总结及建议
无人机管控现状 全国空中交通管制二十四个分区：空军二十（4+4+3+4+5），海军四个。 五个战区、一个海军： 1、北部战区：长春、沈阳、大连、济南； 2、中部战区：北京、大同、西安、武汉； 3、南部战区：广州、南宁、昆明； 4、东部战区：上海、南京、福州、漳州； 5、西部战区：成都、乌鲁木齐、拉萨、兰州、鼎新； 6、海军：海口、宁波、山海关、青岛。 截至八月初，不完全统计，目前，四川、重庆、福建、云南、北京、天津、河北、新疆、广东、吉林、江苏、陕西等12个省市区陆续出台无人机相关的禁飞、限飞命令或通告；另外有深圳、石家庄、月牙泉、武汉、黄山、大连、柳州、扬州泰州、桂林、泉州、东莞、齐齐哈尔、无锡等十余个城市也在行者区域内禁限飞，或者在机场周边划出了大面积的净空保护区。 ?对于无人机申报管理有相当完善的政策与登记系统的省市区有： 香港特别行政区、澳门特别行政区； ?有具体政策出台，各相关部门分工明确的省市区有： 江苏省、广东省、江西省、重庆市、四川省、陕西省和黑龙江省； ?通过多方面咨询能了解大概流程，但没有明确政策，各部门没有明确分工的省市区有：北京市、天津市、上海市、浙江省、河南省、河北省、吉林省、宁夏回族自治区、辽宁省、甘肃省、山东省、安徽省、福建省、广西壮族自治区、海南省、湖北省、内蒙古自治区、新疆维吾尔自治区、贵州省和西藏自治区；
?暂时没有相关管理规定或无从得知相关信息的省市区有： 湖南省、青海省、台湾省、云南省和山西省。 5.17 全国 2017年1月至6月，全国发生了10余起航班备降或返航，影响旅客万余人。深圳、南京尤甚。 ●全国首批155个民航机场的禁飞区确立。 ●国家民航局发布《民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定》。6月1日起，对质量在 250克以上的无人机实施注册登记。（基本上是个能飞的就比这个重吧微笑脸） 由于相关规定各省比较类似，仅列举几个出台明确规定的（仅摘录不是全部）。 6月陕西（中部战区） ●在陕西省范围内开展无人驾驶航空器飞行活动，应当飞行前一天15时前向94188部队 航空管制部门或民航空中管制部门提出申请，经批准后方可实施。 ●飞行计划申请单位（个人）应在组织飞行前2小时向申报飞行计划的航空管制部门提出 联系放飞事宜、经批准后方可组织飞行。组织飞行的单位（个人）要将航空器的起飞、降落时刻及时通报航管部门。 ●无人驾驶航空器飞行的计划申请内容包括：单位、航空器型号、架数、使用的机场或临 时起降点、任务性质、飞行区域、飞行高度、飞行日期、预计开始和结束时刻及现场人员联系方式等。 ●针对违规飞行行为将依照《中华人民共和国民用航空法》、《中华人民共和国治安管理处 罚法》、《通用航空飞行管制条例》等法律法规予以处罚 ●设置很多公园可供爱好者放飞
无人机飞控系统的原理、组成及作用详解
无人机飞控系统的原理、组成及作用详解 无人机已经广泛应用于警力、城市管理、农业、地质、气象、电力等领域，无人机的飞控系统、云台、图像传输系统都是关键部分。无人机飞控系统作为其大脑具体的作用是什么？由哪些部分组成？在设计时应该注意哪些问题？ 无人机飞控的作用无人机飞行控制系统是指能够稳定无人机飞行姿态，并能控制无人机自主或半自主飞行的控制系统，是无人机的大脑，也是区别于航模的最主要标志，简称飞控。 固定翼无人机飞行的控制通常包括方向、副翼、升降、油门、襟翼等控制舵面，通过舵机改变飞机的翼面，产生相应的扭矩，控制飞机转弯、爬升、俯冲、横滚等动作。不过随着智能化的发展，无人机已经涌现出四轴、六轴、单轴、矢量控制等多种形式。 传统直升机形式的无人机通过控制直升机的倾斜盘、油门、尾舵等，控制飞机转弯、爬升、俯冲、横滚等动作。多轴形式的无人机一般通过控制各轴桨叶的转速来控制无人机的姿态，以实现转弯、爬升、俯冲、横滚等动作。飞控的作用就是通过飞控板上的陀螺仪对无人机进行控制，具体来说，要对四轴飞行状态进行快速调整，如发现右边力量大，向左倾斜，那么就减弱右边电流输出，电机变慢、升力变小，自然就不再向左倾斜。如果没有飞控系统，四轴飞行器就会因为安装、外界干扰、零件之间的不一致等原因形成飞行力量不平衡，后果就是左右、上下地胡乱翻滚，根本无法飞行。 无人机飞控的工作过程飞控系统实时采集各传感器测量的飞行状态数据、接收无线电测控终端传输的由地面测控站上行信道送来的控制命令及数据，经计算处理，输出控制指令给执行机构，实现对无人机中各种飞行模态的控制和对任务设备的管理与控制;同时将无人机的状态数据及发动机、机载电源系统、任
(完整版)无人机飞行控制系统仿真研究本科生毕业论文
1 绪论 本章先主要介绍了无人机进无人机的特点，国内外研究现状和发展趋势及这篇文章的主要内容安排。 1.1无人机概述 无人机即无人驾驶飞机，也称为遥控驾驶飞行器，是机上没有驾驶员，靠自身程序控制装置操纵，自动飞行或者由人在地面或母机上进行遥控的无人驾驶飞行器，在它上面装有自动驾驶仪、程序控制系统、遥控与遥测系统、自动导航系统、自动着陆系统等，通过这些系统实现远距离控制飞行。无人机大体上由无人机载体、地面站设备(无线电控制、任务控制、发射回收等起降装置)以及有效负荷三部分组成。 无人机在航空业已有一百年的历史了。第一驾遥控航模飞机于1909年在美国试飞成功。1915年10月德国西门子公司研制成功采用伺服控制装置和指令制导的滑翔炸弹，它被公认为有控的无人机的先驱。世界上第一架无人机是英国人于1917年研制的。这是一架无线电操纵的小型单翼机，由于当时的许多技术问题，所以试验失败。一直到1921年英国才研制成可付诸实用的第一驾靶机。1918年德国也研制成第一驾无人驾驶的遥控飞机。1920年简氏《世界各地飞机》首次提到无人机。20世纪30年代初无线电操纵的无人靶机研制成功。在20世纪40至50年代，无人机逐渐得到了广泛使用，但这时主要是作为靶机使用。世界各国空军于20世纪50年代大量装备了无人驾驶飞机作为空靶。进入20世纪60年代后，美国出于冷战需要，将无人机研究重点放在侦察用途方面，这标志着无人机技术开始进入了以应用需求为牵引的快速发展时代。 由于无人机具有低成本、零伤亡、可重复使用和高机动等优点,因此
深受世界各国军队的广泛欢迎，近年来得到了快速发展。对于无人机而言，其自动飞行控制系统的设计是至关重要的，它的优劣程度直接影响到无人机各项性能(包括起飞着陆性能、作业飞行性能、飞行安全可靠性能、系统的自动化性和可维护性等)。因此，研究无人机的自动飞行控制技术具有十分重要的现实意义，尤其是在军事上的重要性己经得到国内外的高度重视，而无人机飞行控制系统是无人机能够安全、有效地完成复杂战术、战略使命的基本前提，因此迫切需要加强该领域的研究工作。 无人机的研制早在 20 世纪初就开始了，几乎与有人机同步，自30年代国外首次采用无线电操纵的模型飞机作为靶机以后，无人机的发展十分迅速。40年代，低空低速的小型活塞式靶机投入使用。50年代出现了高亚音速和超音速高性能的靶机，世界各国空军开始大量装备无人机作为空靶。60年代以后，随着微电子技术、导航与控制技术的发展，一些国家研制了无人驾驶侦察机，美国率先研制成功无人驾驶侦察机，并开始用于越战。无人机受到越来越多国家的青睐，发展迅猛。在1982年的中东战争中,以色列在贝卡谷地交战中，用“侦察兵”和“猛犬”无人机诱骗叙军的地空导弹的制导雷达开机，侦查获取了雷达的工作参数并测定了其所在位置。无人机的飞速发展是在海湾战争后，以美国为首的多国部队的无人机在海湾战争中成功地完成了战场侦察、火炮校射、通信中继和电子对抗任务。无人机的研制成功和战场运用，揭开了以远距离攻击型智能化武器、信息化武器为主导的“非接触性战争”的新篇章，由此引发了无人机及其飞行控制研究的热潮。 美国、英国、法国、德国、以色列、澳大利亚等国都针对这个领域投入了相当的研究力量。究其原因，用无人机替代有人驾驶飞机可以降低生产成本，便于运输、维修和保养，而且不用考虑人的生理和心理承受极限。未来无人机在军事和民事上都有广泛的应用前景。在军事领域，采用无人
无人机管理制度及运用
无人机管理制度及运用 一、无人机管理制度 为贯彻“安全第一、预防为主、综合治理”的安全方针，有序推 进安全生产标准化、管理精细化，弘扬“高标严管品质清廉”的精神。我分部购入大疆无人机1台，运用于安全质量环保、抢险救灾和形 象进度等方面的监测。依据中国民用航空局飞行标准司《轻小型民 用无人机系统运行暂行规定》征求意见稿，特制定本《制度》。 1、无人机纳入分部项管会管理，无人机使用和保管由分部安质部负责，其他人员使用需在安质部登记备案。 2、无人机操作员必须认真负责、不得粗心大意、不得盲目蛮干、以免危机他人的生命或财产安全。无人机操作员必须经过出售方的 培训并考核合格才能操作。 3、无人机操作员在酒后或受任何药物影响其工作能力时，严禁操作无人机，避免造成安全事件。 4、无人机起飞前操作员必须掌握天气情况、周边环境等，在风雨雪雾雷电等恶劣天气下严禁飞行，以免损坏。 5、在开阔的场地飞行：飞行时请远离建筑物、数木、高压线以及其它障碍物，同时远离水面、人群和动物。 6、在视距范围内飞行：请保持飞行器始终在视距范围内，避免飞到可能阻挡视线的物体后面造成损坏。 7、无人机与各类架空线路距离必须大于7m以上，无人机飞行 垂直高度距离路基顶面不得大于60m，无人机飞行水平宽度不得超 越青连铁路红线外30m，严禁在其它地方飞行。
8、本制度最终解释权归分部安质部，本制度不足之处在无人机使用过程中进行修订。 二、无人机性能简介 大疆PHANTOM 3 Advanced无人机由飞行器和遥控器组成。 飞行器起飞重量1280g，最大起飞速度5m/s，最大下降速度3m/s，最大水平飞行速度16m/s，最大飞行海拔高度6000m，最大平面控 制距离5000m，最大垂直飞行高度120m。 无人机机身展示 三、无人机在安全质量环保检查中的运用 运用无人机在安全质量检查中达到了“横向到边、纵向到底、全 方位无死角”的效果。在绿化工程和防护栅栏工程检查中发挥的作用 尤为突出，通过航拍能全方位的掌握施工现场存在的问题，并分析 影像资料、查找原因、以安全检查“四定”原则下发整改通知单，督 促现场积极整改，确保安全生产、质量合格。
无人机飞行控制系统仿真研究
无人机的数学模型 无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。可反复使用多次，广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜和电子干扰等。因此研究无人机控制系统的设计具有重要意义。要研究无人机动力学模型的姿态仿真，首先必须建立飞机的数学模型。在忽略机体震动和变形的条件下，飞机的运动可以看成包含六个自由度的刚体运动，其中包含绕三个轴的三种转动（滚动、俯仰与偏航）和沿三个轴的线运动。为了确切的描述飞机的运动状态，必须选择合适的坐标系。 1.1常用坐标系 1.1.1地面坐标系 地面坐标系是与地球固连的坐标系。原点A固定在地面的某点，铅垂轴向上为正，纵轴与横轴为水平面内互相垂直的两轴。见图1-1。 图1-1 地面坐标系 1.1.2机体坐标系 机体坐标系原点在机的重心上,纵轴在飞机对称平面内，平行于翼弦，指向机头 为正；立轴也在飞机对称平面内并垂直于，指向座舱盖为正；横轴与平面垂直，指向右翼为正，见图1-2。 图1-2 机体坐标系
1.1.3速度坐标系 速度坐标系原点也在飞机的重心上，但轴与飞机速度向量V重合；也在对称平面内并垂直于，指向座舱盖为正；垂直于平面，指向右翼为正，见图2-3。 图1-3 速度坐标系 1.2飞机的常用运动参数 飞机的运动参数就是完整地描述飞机在空中飞行所需要的变量，只要这些参数确定了，飞机的运动也就唯一地确定了。因此，飞机的运动参数也是飞机控制系统中的被控量。被控量包括俯仰角、滚转角、偏航角、仰角、侧滑角、航迹倾斜角，航迹偏转角； 同时利用副翼、方向舵、升降舵及油门杆来进行对飞机的控制。这些称为无人机飞控系统中的控制量。 1.3.1 无人机六自由度运动方程式的建立 基于飞机运动刚体性的假设，我们就可以推导出飞机的一般数学模型为一组非线性微分方程组。根据牛顿定律，其运动方程应由两部分组成:一部分是以牛顿第二定律(动力定律)为基础的动力学方程组，由此解得无人机相对于机体坐标系的角度向量和角速度向量;另一部分则是通过坐标变换关系得出的运动学方程组确定出无人机相对于地面坐标系的位置向量和速度向量。 根据牛顿第二定律F=ma可以列出无人机三轴力的动力学方程组：
飞行控制系统学习资料
飞行控制系统
飞行控制系统 为了使无人机飞行控制系统具有强大的数据处理能力、较低的功耗、较强的灵活性和更高的集成度，提出了一种以SmartFusion为核心的无人机飞行控制系统解决方案。为满足飞控系统实时性和稳定性的要求，系统采用了μC／OS-Ⅱ实时操作系统。与传统的无人机飞行控制系统相比，在具有很强的数据处理能力的同时拥有较小的体积和较低的功耗。多次飞行证明，各个模块设计合理，整个系统运行稳定，可以用作下一代无人机高性能应用平台。 关键词：无人机；飞行控制系统；SmartFusion芯片；μC／OS-Ⅱ 0 引言 飞行控制系统是无人机的重要组成部分，是飞行控制算法的运行平台，它的性能好坏直接关系着无人机能否安全可靠的飞行。随着航空技术的发展，无人机飞行控制系统正向着多功能、高精度、小型化、可复用的方向发展。高精度要求无人机控制系统的精度高，稳定性好，能够适应复杂的外界环境，因此控制算法比较复杂，计算速度快，精度高；小型化则对控制系统的重量和体积提出了更高的要求，要求控制系统的性能越高越好，体积越小越好。此外，无人机飞行控制系统还要具有实时、可靠、低成本和低功耗的特点。基于以上考虑，本文从实际工程应用出发，设计了一种基于SmartFusion的无人机飞行控制系统。
1 飞控系统总体设计 飞行控制系统在无人机上的功能主要有两个：一是飞行控制，即无人机在空中保持飞机姿态与航迹的稳定，以及按地面无线电遥控指令或者预先设定好的高度、航线、航向、姿态角等改变飞机姿态与航迹，保证飞机的稳定飞行，这就是通常所谓的自动驾驶；二是飞行管理，即完成飞行状态参数采集、导航计算、遥测数据传送、故障诊断处理、应急情况处理、任务设备的控制与管理等工作。 飞行控制系统主要完成3个功能任务，其层次构成为三层：最底层的任务是提高无人机运动和突风减缓的固有阻尼——三个轴方向的阻尼器功能；第2层的任务是稳定无人机的姿态角——基本驾驶仪的功能(主要进行角运动控制)；第3层的任务是控制飞行高度、航迹和飞行速度，实现较高级自动驾驶功能。飞行控制系统原理框图见图1。 由上述分析易知，飞行控制系统主要由飞行控制器、传感器(或敏感元件)、舵机3部分组成。无人机飞行控制系统的基本架构如图2所示。