無(wú)人機工作原理：原理與核心系統

每次別人手里拿著(zhù)遙控器時(shí)，看著(zhù)無(wú)人機在空中自由飛翔，真是太酷了。但是你知道無(wú)人機是如何工作的嗎？

無(wú)人駕駛飛行器（UAV），又稱(chēng)無(wú)人機，是一種由無(wú)線(xiàn)電遙控設備和自身的程序控制裝置操作，或完全或間歇地由機載計算機操作的無(wú)人駕駛飛機。

無(wú)人機不僅廣泛應用于航拍、農業(yè)、植物保護、微型自拍、快遞運輸、災害救援和野生動(dòng)物觀(guān)察等領(lǐng)域，還用于測繪、傳染病監測等。

無(wú)人機由機身、飛行控制系統、數據鏈系統、****回收系統和電源系統組成。飛行管控系統相當于無(wú)人機系統的“心臟”部分，對無(wú)人機的穩定性、數據可靠性、準確性和實(shí)時(shí)性具有重要影響，對其飛行性能具有決定性作用。

飛控系統是無(wú)人機的核心控制裝置，相當于大腦。是否安裝飛控系統也是區分無(wú)人機和通用航空機型的重要指標。

經(jīng)過(guò)早期的遙控飛行，其導航和控制方式已發(fā)展為自主飛行和智能飛行。導航模式的改變對飛控計算機的精度要求更高，任務(wù)復雜度的增加對計算機的計算能力要求更高。小型化不僅對飛控計算機的功耗和體積提出了很高的要求，而且要求體積小，移動(dòng)性好。高精度不僅要求計算機控制精度高，還需要有運行復雜控制算法的能力。

飛控系統實(shí)時(shí)采集各傳感器測得的飛行狀態(tài)數據，并從地面測控站的通信信道接收無(wú)線(xiàn)電測控終端發(fā)送的控制指令和數據。

計算后，將控制命令輸出到執行機構，實(shí)現對無(wú)人機各種飛行模式的控制，實(shí)現對任務(wù)設備的管理和控制；同時(shí)將無(wú)人機的狀態(tài)數據和發(fā)動(dòng)機、機載供電系統和任務(wù)設備的運行狀態(tài)參數實(shí)時(shí)傳輸到機載無(wú)線(xiàn)電數據終端，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)電下行信道回傳給地面監測站。

根據功能，飛控系統的硬件包括：主控模塊、信號調理及接口模塊、數據采集模塊、伺服驅動(dòng)模塊。

將各個(gè)模塊組合成一個(gè)飛行控制系統，其核心是主控模塊，與其他模塊結合，滿(mǎn)足一系列小型無(wú)人機的飛行控制和飛行管理的功能需求，只需要修改軟件和只需修改外圍電路即可。從而可以通過(guò)多個(gè)模型使用一個(gè)開(kāi)發(fā)的系統來(lái)降低系統開(kāi)發(fā)成本。系統的主要功能如下：

(1)多路模擬信號高精度采集， 包括陀螺信號、航向信號、舵角信號、發(fā)動(dòng)機轉速、氣缸溫度信號、動(dòng)靜壓傳感器信號、電源電壓信號。由于CPU自身A/D的精度和通道數的限制，使用了額外的數據采集電路，其片選和控制信號由EPLD中的解碼電路產(chǎn)生。

(2) 輸出信號狀態(tài)。輸出切換信號、模擬信號和PWM脈沖信號，可適應不同執行器的控制要求，如舵機、副翼舵機、升降舵機、氣道和油門(mén)舵機等。

(3)多通道通信。 與車(chē)載數據終端、GPS信號、數字傳感器和相關(guān)任務(wù)設備的通信是通過(guò)使用多個(gè)通信通道來(lái)實(shí)現的。由于CPU自身SCI通道配置的串口不能滿(mǎn)足系統需求，設計采用多串口擴展芯片28C94擴展8個(gè)串口。

MCU（Microcontroller Unit）就是適當降低中央處理器的頻率和規格，將存儲器、計數器、USB、A/D轉換、UART、PLC、DMA、甚至LCD驅動(dòng)電路等外圍接口集成在單片機上。單個(gè)芯片，形成不同應用的不同組合的芯片級計算機。MCU在無(wú)人機的飛行系統中很重要。MCU在飛行系統中扮演著(zhù)重要的角色。

無(wú)人機要實(shí)現可控/自主飛行，主要需要完成姿態(tài)控制、拍攝/測量、信息存儲/傳輸、環(huán)境感知（防撞）。自動(dòng)控制原理的一個(gè)起點(diǎn)是閉環(huán)反饋控制，即在應用輸入調整后，測量控制量的變化并調整反饋輸入，直到控制量達到目標值。

比如給無(wú)人機設置一個(gè)航跡，在飛行過(guò)程中實(shí)時(shí)測量飛行位置偏離航跡，進(jìn)行相應的偏航修正。環(huán)境感知是利用各種傳感器（光學(xué)攝像頭、超聲波等）來(lái)檢測無(wú)人機軌跡上的障礙物，如建筑物、橋梁等，并進(jìn)行機動(dòng)規避。

無(wú)人機垂直移動(dòng)并使用轉子前進(jìn)和停止。力的相對性質(zhì)意味著(zhù)當轉子推動(dòng)空氣時(shí)，空氣也將轉子推回。這就是無(wú)人機可以升降的基本原理。此外，轉子旋轉得越快，升力就越大，反之亦然。要將無(wú)人機向右轉，需要降低旋翼 1 的角速度。雖然旋翼1的推力不足會(huì )導致無(wú)人機改變運動(dòng)方向，但向上的力不等于同時(shí)向下的重力，所以無(wú)人機下降。

無(wú)人機是對稱(chēng)的，它也適用于橫向運動(dòng)。四輪無(wú)人機的每一面都可以是正面，所以如何向前說(shuō)明如何向后或向側面移動(dòng)。

飛行控制系統在無(wú)人機中的作用相當于有人駕駛飛機中駕駛員的作用。我們認為飛行控制系統是無(wú)人機中最重要的核心技術(shù)。飛控系統一般包括傳感器、機載計算機和伺服驅動(dòng)裝置三部分。功能主要包括無(wú)人機姿態(tài)穩定與控制、無(wú)人機任務(wù)設備管理和應急控制三大類(lèi)。

除了MCU，無(wú)人機還需要陀螺儀、加速度計、地磁感應、氣壓傳感器、超聲波傳感器、光流傳感器、GPS模塊等相互配合才能完成飛行。IMU 感知飛機在空中的姿態(tài)，并將數據發(fā)送到主處理器 MCU。主處理器MCU會(huì )根據用戶(hù)操作指令和IMU數據，通過(guò)飛行算法控制飛行器的穩定運行。

由于需要計算的數據量很大，需要非常實(shí)時(shí)的控制，MCU的性能也決定了飛機能否穩定靈活地飛行。

1、無(wú)人機的工作原理是什么？

Multi-Rotor 的工作原理是力的相對性質(zhì)，這意味著(zhù)當轉子推動(dòng)空氣時(shí)，空氣也會(huì )將轉子推回。這是多旋翼可以升降的基本原理。此外，轉子旋轉得越快，升力就越大，反之亦然。

2. 無(wú)人機使用WiFi還是藍牙？

今天的大多數無(wú)人機都支持 Wi-Fi，因此它們可以將視頻廣播到計算機、平板電腦或智能手機。一些無(wú)人機還使用 Wi-Fi 通過(guò)平板電腦或移動(dòng)應用程序進(jìn)行遠程控制。

3. 無(wú)人機如何與控制器通信？

無(wú)人機控制器通過(guò)從遙控器向無(wú)人機發(fā)送無(wú)線(xiàn)電信號來(lái)工作，該信號告訴無(wú)人機該做什么。無(wú)線(xiàn)電信號從無(wú)人機控制器中的無(wú)線(xiàn)電****發(fā)出，并由無(wú)人機的接收器接收。

4. 無(wú)人機如何前進(jìn)和后退？

俯仰：以與滾動(dòng)相同的方式向前和向后傾斜您的四軸飛行器。通過(guò)調整俯仰角，您的無(wú)人機將在前部下垂導致其前進(jìn)，或在后部下垂導致其后退。偏航：從左到右旋轉飛機的機頭。

5. 無(wú)人機有什么用？

無(wú)人機可用于收集醫療樣本、物資和****品，并將其運送到災區偏遠或無(wú)法到達的地區。無(wú)人機還可以使用紅外傳感器通過(guò)其熱特征來(lái)檢測人類(lèi)，這有助于搜索和救援場(chǎng)景。

6. 無(wú)人機能飛多遠？

雖然玩具無(wú)人機的射程可能約為 20 至 100 碼，但高端消費無(wú)人機的射程約為 2.5 至 4.5 英里（4 至 8 公里）。中級消費級無(wú)人機的航程通常約為 0.25 至 1.5 英里（400m – 3km）。

7. 無(wú)人機如何定位？

這就是大多數當前無(wú)人機保持穩定懸停的方式，它們鎖定在相當精確的 GPS 位置，如果它們偏離原位，它們會(huì )飛回該位置。堅持指定的高度或確保您不會(huì )意外飛到 400 英尺標記以上也是 GPS 的功能。

8. 如果無(wú)人機超出范圍會(huì )怎樣？

無(wú)人機的范圍有限。當無(wú)人機飛出該范圍時(shí)，您需要控制無(wú)人機的信號就會(huì )丟失。因此，您無(wú)法再控制無(wú)人機。

9. 哪種 Arduino 最適合無(wú)人機？

這是一款通用微控制器，您可以通過(guò)購買(mǎi)您想要安裝的零件并自行組裝控制器來(lái)構建自己的飛行控制器。如果您對開(kāi)始使用電子產(chǎn)品和編碼感興趣，Arduino UNO 是您可以使用的最佳開(kāi)發(fā)板。

10. 無(wú)人機可以舉起多少？

當我們談?wù)摮鯇W(xué)者無(wú)人機時(shí)，它們可以毫無(wú)問(wèn)題地舉起大約 200 到 300 克的額外重量。任何高于此的都是風(fēng)險。許多在休閑飛行飛行員中很受歡迎的無(wú)人機可以攜帶大約 3 到 5 磅（2.2 千克）的有效載荷。