飞控系统的传感器
1.1 飞控系统的传感器
无人飞行器要求能够稳定飞行，首先最基础的问题是需要确定自己在空间中的位置、速度和姿态等相关的系统状态。而要的到这些状态，就需要通过不同的安装在机身系统上的各种不同的传感器。
我们所处的空间是三维空间，因此主要的飞行器系统状态也主要基于这个三维空间同时在时间维度进行拓展：
1：通过全球定位系统GNSS来定位自己的经度、维度和高度等三维坐标信息，同时也可以获取这三维的速度信息
2：通过陀螺仪加速度计直接获取三轴加速度信息与旋转角信息的状态量，其他的状态栏只有通过姿态解算
3：当飞行器需要往某个方向飞行时是通过调整飞行器的姿态往对应方向倾斜，飞行器的一部分升力会分配到该方向上成为该方向的拉力。飞行器要能够调整飞行的姿态，就必须能够实时的获得机体当前相对于惯性坐标系的姿态，在三维空间中同样姿态角也是由三个轴的角度来表示
4：飞行器的三维空间位置信息、三维空间速度信息、三维空间角度信息以及三维空间加速度信息和三维空间的角速度信息，总共有是十五个系统空间状态量需要获得
5：传感器跟估计的精度决定了建模辨识与控制的精度，然后传感器跟估计的精度，与建模辨识，一起决定了控制的精度。因此传感器的采集精度与飞行控制的控制精度密切相关
1.2 I2C简介
光标飞控系统中集成的微机械六轴传感器和磁力计均采用I2C总线接口与主控处理器连接。本章着重介绍I2C接口总线、各传感器的接口驱动、数据采集及处理模型。
I2C(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其它的一些外围设备。和我们常用的UART通信不同，虽然UART有TX、RX两个接口，但是这两根线都是可以单独使用，I2C 是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC设备之间、IC设备与IC设备之间进行双向传送，高速I2C总线一般可达400kbps以上。
它的特点是：
?通信模式为主从式设备，可以一主多从，也可以多主多从
?I2C总线组成“线与”的关系，任何一个器件都可以拉到低电平
?I2C总线上可以并连多个器件
?I2C总线有起始信号、数据传输、停止信号
?支持7位/10位芯片地址寻址
?支持不同的通信速率，标准速度为100kHz，高速速度为400kHz
I2C总线在传送数据过程中一共有三种类型的信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。
起始信号与停止信号
●起始信号：当SCL为高期间，SDA由高到低的跳变；启动信号是一种电平
跳变时序信号，而不是一个电平信号。
●停止信号：当SCL为高期间，SDA由低到高的跳变；停止信号也是一种电
平跳变时序信号，而不是一个电平信号。
应答信号ACK
发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。
对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号P。
数据有效性
I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。
即：数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好。并在在下降沿到来之前必须稳定。
I2C通讯常用基本写时序
对于一般设计来说，一对I2C引脚可以挂接很多支持I2C通讯的设备，因此需要对每个I2C设定设定一个设备地址（DEVICE ADDRESS，设备地址设备里面自带，不许需要我们自己设定）。
I2C一般写时序为：主机发送起始信号--》主机发送设备地址编号(7位地址 + 写位) + 从机发送ACK信号 + 主机发送命令 + 从机发送ACK信号 + 主机发送数据 + 从机发送ACK信号 + 主机发送停止信号。
I2C通讯常用基本读时序
I2C一般读时序为：主机发送起始信号 --》主机发送设备地址编号(7位地
址 + 读位) + 从机发送ACK + 主机发送命令 + 从机发送ACK + 主机发送起始信号 + 主机发送设备地址编号(7位地址 + 写位) + 从机发送ACK + 从机发送数据(根据主机的命令) + 主机发送停止信号。
1.2.2 I2C驱动在STM32中的硬件实现
I2C通讯常用基本写时序
STM32芯片中有集成了I2C模块，通过I2C模块，CPU软件可以不需要关注I2C总线的协议实现以及通信时的具体会话过程，只需要将待发送的数据放入发送缓冲区中，启动I2C传输即可，而接收的时候也可以由硬件触发中断，从接收缓冲区中读取数据既可。
STM32F4的I2C模块的工作过程：
1 ：STM32F407的I2C模块即可以实现I2C主设备模式，同时也能实现I2C从设备模式。在飞控系统中，主要采用STM32F407的主设备模式
2 ：在主模式下，I2C模块会启动I2C总线上的数据传输，同时输出SCL的时钟信号
3 ：当控制寄存器I2C_CR1的START位置1时，模块自动切换到主模式下，同时在总线上发出起始位信号，状态寄存器I2C_SR1的SB为会被硬件置1，并且当ITEVFEN位置1时产生系统中断
4 ：接着内部缓冲区会将从设备地址从内部并串转换的移位寄存器中发送到I2C 总线上，发送完毕后状态寄存器中的ADDR位会被置1。接下来主设备会根据读写操作进入接收模式或者发送模式，将最后1位置位或者复位发送到总线上。在发送完从地址信息后，主设备会检测从设备响应的ACK信号，只有I2C总线上的从地址设备出现了地址匹配命中的事件并将ACK位拉低后，主设备才能知道有相应的从地址挂载在I2C总线上。
1.3.1 加速度计原理
惯性测量元件是一种能够在惯性系中测量载体自身三维加速度和三维角度的设备，主要分为加速度计和角速度计两种，其统称为惯性测量元件。
根据物理学原理，加速度的积分是速度，速度的积分是位置信息；角速度的积分是角度信息
加速度计，或称加速度传感器是一种能够测量加速度的设备。加速度传感器可以帮助你检测到一个物体或事物此时此刻的状态，是停止，还是在运动，是在向前、向后、向左、还是向右运动，以及是在向上还是向下运动。加速度传感器甚至可以用来分析物体的振动。
惯性元件：
惯性测量元件本身固有的误差由于时间积分会累积误差，并且受到元件本身的工艺、技术和成本的缘故，其误差越大，误差的累积就会越快，因此在飞行上万公里后累积的误差可以达到几公里甚至几十公里，因此现在导航系统都是通过GNSS全球卫星定位系统获取精准的定位和速度信息来对惯导系统进行修正。其实人体也有惯性测量元件，人的耳蜗充满液体，人在运动的时候，可以被二种的神经感受到，因此可以测量出人体自身的运动特征。
的惯性测量元件也是非常差，闭上眼睛，也不摸周围的东西，只靠耳蜗感受的移动，人基本没法走直线，这里眼睛的作用就相当于GNSS的作用，它可以随时修正耳蜗所感应的惯性信息。
MEMS
MEMS是（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写，它是指集成微型机械结构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。现在很多微型加速度传感器，陀螺仪都是基于MEMS技术实现的。
微机械加速度传感器可以根据压电效应的原理来工作。
压电效应：
所谓压电效应就是“对于不存在对称中心的异级晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应”。
还可以根据压阻技术、谐振式、电容效应等原理来制作惯性测量传感器元件，但是所有的原理基本都是由内部集成的微机械质量块收到物理机械力的作用带来的某个介质的形变，并将产生形变的量转换为电压输出，通过相应的放大和滤波电路进行采集，测量量的大小分别与电阻、电压、电容的变化成正比。
1.3.2 加速度计测量信息
加速度传感器分为二轴与三轴加速度传感器，二轴加速度传感器：能够同时检测两个方向（x轴，y轴）上的加速度。三轴加速度传感器：能够同时检测三个方向上的加速度，x，y，z。
加速度测量一些特性有如下几个方面：
?倾斜度侦测
倾斜度侦测仪。加速传感器在静止时，可用来检测倾斜角，倾斜角在90 ~+90之间变化时，重力加速度信息会分配到三个轴上，加速度传感器输出的三轴分量可以计算出倾斜角度
?运动检测
运动检测可用于运动控制，计步器，基本运动检测。
?定位侦测
定位侦测用于汽车导航，防盗设备，地图跟踪。定位侦测需要测量的因素包括：加速度的范围是多少及加速传感器如何安装。对加速度数据进行二重积分即可得到位置数据。
?震动侦测
震动侦测可用于下降记录，黑盒子/故障记录仪，硬盘保护，运输和处理监视器。震动侦测主要收集加速度计的原始数据并进行阈值选择。一般按照被测量对象的减速度决定了震动检测所需的加速传感器的规则选取。
?振动侦测
振动侦测可用于地震活动监视器，家电平衡和监测。振动侦测需要考虑的因素包括：分析振动频率的多少，确定g值的范围及最适当的加速传感器安装位置。借助于快速傅立叶变换对加速度资料的分析可得到振动频率的情况，快速傅立叶变换允许振动信号被分解成它的谐波分量，而每个电机振动都有它自己的谐波分量信号。
?自由下落侦测
自由落下侦测可用于自由落体保护，下降记录，下降检测，运动控制和认知等。自由落下侦测包含线性落下、旋转型落下和抛射落下。
1.4.1 加速度计原始数据采集
MPU6050是一个六轴运动处理传感器，包含了三轴加速度和三轴陀螺仪以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（DigitalMotionProcessor）。MPU-60X0对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。
1：陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps）
2：加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g
3：上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器，温度传感器可以实时感知传感器所处的环境温度，以便对传感器进行温度补偿校准
1.4.2 加速度计校准
加速度计的原理特性，它的误差模型为：
a m=R a S a(a m′+
b a′)
其中a m′是校准前的原始测量值，由于芯片生产和装配的因素该值一般都会
有零点偏移误差，在公式中用b a′=[b ax′
b ay′
b az′
]来表示零点偏移补偿，此外还有量程比
例的缩放导致的尺度准确性，公式中用尺度因子S a=[S ax00 0S ay0 00S az
]
来补偿，
最后由于安装误差和芯片内部感应器件轴的扭曲因素，还需要一个旋转因子矩
阵R a=[
1Δψ?Δθ
?Δψ1Δ?
Δθ?Δ?1
]来补偿。加速度计的校准就是要得到这几个未知矩
阵。加速度计的校正方法可以采用六面校准方法。基于的原理就是在静止状态下，加速度计各轴输出的矢量和等于重力加速度g。
1.4.2 加速度计校准 --- 6个特殊位置
在这六个特殊位置记录下测量的数据。再计算不同角度的三维模与重力加速度g的方差的最小值。该方差值达到最小值时的各参量矩阵的数值即为校准值。
min∑(‖R a S a(a m′+b a′)‖?g)2
6
i=1
其中最简单的校准方法为：
找到三轴的中心零点的位置。即需要将装配了加速度计的飞控板水平放置，Z轴朝正下方，此时理论上X与Y轴的重力分量为0，Z轴为1g的加速度测量量。这时X与Y轴所读到的数据近似认为是零点漂移，而Z轴的数据减去1g得到的误差也认为是Z轴的零点飘移。这种方法其实是忽略了三轴旋转误差并将这些误差近似到零点飘移中。
1.5.1 陀螺仪的原理
陀螺仪又称为角速度传感器，用于检测旋转角速度的大小。角速度的单位deg/s（度/每秒）。MEMS陀螺仪有多种设计以及多种原理（内/外框架驱动式、梳状和电磁驱动式等）来实现陀螺仪的功能，但是基本上都是采用振动相互正交振动和转动引起的交变科里奥利力。它的基本原理为两个有质量的质量块运动速度方向相反，大小相同，所产生科里奥利力相反，从而压迫两块对应的电容板移动，产生电容差分变化。
因为加速度变化只能促使两个质量块朝相同方向移动，不会带来电容差分变化，因此电容差分变化与旋转角速度成正比。
科里奥利力（Coriolis force）有些地方也称作哥里奥利力，简称为科氏力，是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。
1.5.2 陀螺仪的测量信息
三自由度陀螺仪具有内、外两个框架，使转子自转轴具有两个转动自由度。在没有任何力矩装置时，它就是一个自由陀螺仪。陀螺仪作用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。陀螺仪可以根据需要提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号。主要应用于：?导航。配合GPS，手机的导航能力将达到前所未有的水准。实际上，目前很多专业手持式GPS上也装了陀螺仪，如果手机上安装了相应的软
件，其导航能力绝不亚于目前很多船舶、飞机上用的导航仪。
?各类游戏的传感器，比如飞行游戏，体育类游戏，甚至包括一些第一视角类射击游戏，陀螺仪完整监测游戏者手的位移，从而实现各种游戏操
作效果。
?可以用作输入设备，陀螺仪相当于一个立体的鼠标，这个功能和第三大用途中的游戏传感器很类似，甚至可以认为是一种类型。
1.5.3 陀螺仪校准
?三轴陀螺仪在生产与实际应用中同样也会引入三轴偏差，以及零点偏差的因素。因此同样需要对陀螺仪传感器进行精确校准。类似加速度传感器，三轴陀螺仪的误差模型可以用式
?ωm=RωSω(ωm′+bω′)
?其中ωm′是校准前的原始测量值，由于芯片生产和装配的因素该值一般都
会有零点偏移误差，在公式中用bω′=[bωx′
bωy′
bωz′
]来表示零点偏移补偿，此外还
有量程比例的缩放导致的尺度准确性，公式中用尺度因子Sω=
[Sωx00
0Sωy0
00Sωz
]来补偿，最后由于安装误差和芯片内部感应器件轴的扭
曲因素，还需要一个旋转因子矩阵R a=[
1Δψ?Δθ
?Δψ1Δ?
Δθ?Δ?1
]来补偿。
?陀螺仪传感器的校准就是要得到这几个未知矩阵。陀螺仪的校正方法可以采用积分推算校准方法。基于的原理就是由于三轴角速度的积分可以
得到角度信息，因此使用已经校准的三轴加速度计信息得到的角度信息可
以用来校准陀螺仪的未知校准参数。积分推算校准的主要思路就是采用根
据陀螺仪的包含校准参数的数据转换为四元数旋转矢量迭代到上一时刻
已校准过的三轴加速度计，获得旋转的角度进而获得更新时刻的加速度值，该加速度值与新时刻的校准加速度数据的方差应该达到最小。该方差值达
到最小值时的各参量矩阵的数值即为校准值。
?其中最简单的校准方法为：
?找到三轴陀螺仪的中心零点的位置。即需要将装配了陀螺仪的飞控板水平放置，Z轴朝正下方，此时理论上X、Y与Z轴的旋转矢量均为
0。这时X、Y与Z轴所读到的数据近似认为是零点漂移，这种方法其实是
忽略了三轴旋转误差并将这些误差近似到零点飘移中。
1.6.1 磁力计的原理
?磁力计指的是各种用来测量磁场的仪器，也称磁力仪、高斯计。飞行器的机头朝向是指向哪个方位，这个状态量称为航向，也是飞行器三维姿
态信息中的一维。磁力计通过测量大地的磁场强度可以获得载体的航向信
息。磁力计之所以由于能够获得航向信息是因为地球空间周围有着磁场，磁场强度大约为0.5~0.6高斯，磁力计可以测量出穿过大地的三维地磁强
度，从而获得载体相对于地磁线的偏转方位。
这种磁力计采用各向异性的磁致电阻（Anisotropic Magneto-
Resistance）材料来检测空间中磁感应强度的大小。这种具有晶体结构的合金
材料对外界的磁场非常敏感，磁场的强弱变化会导致AMR电阻值发生变化。在
制造过程中，将一个强磁场加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一个主
磁域，与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴；为了使测量结果以线性的方
式变化，AMR材料上的金属导线呈45o角倾斜排列，电流从这些导线上流过；由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的主磁域和电流的方向有45o的夹角。
当有外界磁场Ha时，AMR上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向了，那么磁场方向和电流的夹角θ也会发生变化。对于AMR材料来说，θ角的变化会引起AMR自身阻值的变化，并且呈线性关系。磁力计中再利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化，如图5-13所示。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。当检测到外界磁场的时候，
R1/R2阻值增加?R而R3/R4减少?R。这样在没有外界磁场的情况下，电桥的输出为零；而在有外界磁场时电桥的输出为一个微小的电压?V。
当R1=R2=R3=R4=R，在外界磁场的作用下电阻变化为?R时，电桥输出?V 正比于?R。
1.6.2 磁力计的测量信息
虽然大地磁场强度在除了南北磁极的地方是垂直于大地水平面，而在其他位置都是平行于水平面，但磁力计一般都为三轴磁力计，因为在使用过程中，我们不能保证磁力计完全水平，而三轴磁力计就可以同时测量惯性系三维空间的三个方向上的磁力
1.6.3 磁力计原始数据采集
HMC5883L包括最先进的高分辨率 HMC118X 系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在 1°~2°的 12 位模数转换器，简易的 I2C 系列总线接口。
1.6.4 磁力计校准
地球磁场的强度本身极其微弱，只有0.5~0.6高斯，它很容易受到外界金属及电磁设备的干扰和影响，甚至机载的电机旋转的过程中都会对磁场产生强烈的干扰。因此磁力计是一个极易受干扰的脆弱的传感器件。在很多应用于电力巡线等复杂电磁场环境应用场合的大型工业无人机的设备中，甚至采用双
GPS 来提取机头航向信息，而避免使用电子罗盘的信息。因此在常用的机载磁力计传感器上，必须要针对磁力计进行校准，以避免对惯导算法造成太大的影响。
如果不存在外部磁场干扰的情况下，传感器只应该能够感应到地球磁场，由于地球磁场是一个恒定方向（指北），那么如果将传感器水平旋转一周的时候，地球磁场矢量将均匀分布在X,Y 两轴上，形成一个标准的圆形，如果将传感器按空间各方向旋转360度的情况下，地球磁场矢量将均匀分布在X,Y,Z 三轴上，形成一个标准的三维圆球。
1.7.1 磁力计校准原理
首先建立数值模型，定义传感器测量值m ′=[x m y m z m ]T ，校准之后的值为m =[x c y c z c ]T ，圆心偏移参数b ′=[b x b y b z ]T ，比例尺度参数S m =[s mx 00
0s my
000s mz
]。 他们之间的关系如下所示
m =S m (m ′+b ′)
即 {x c =(x m +b x )?s mx
y c =(y m +b y )?s my z c =(z m +b z )?s mz
校正后的校正值应该近似分布在一个圆球上，圆球的公式为：x 2+y 2+z 2=R 2，所以我们将校正值带入圆球公式，与理论的圆球半径求方差，构建误差
u =x c 2+y c 2+z c 2?R 2
将校正值用测量值替换：
u =s mx 2x m 2+b x 2s mx 2+2x m b x s mx 2+s my 2y m 2+b y 2s my 2+2y m b y s my 2+s mz 2z m 2+b z 2s mz
2+2z m b z s mz 2?R 2
可以看到，形态类似椭圆公式
V =[x m 2y m 2z m 2x m y m z m 1]T
P =[abcdefg ]T
校准之前数据拟合 校准之后数据拟合
其中
{
a=s mx2 b=s my2 c=s mz2 d=2b x s mx2 e=2b y s my2 f=2b z s mz2
g=b x2s mx2+b y2s my2+b z2s mz2?R2
则误差计算为 : u=ax m2+by m2+cz m2+dx m+ey m+fz m+g=V T×P
这里的Σ是对于所有的采样测试点求和。u是一个二次函数，其有极小值点。通过将u的函数对于所有变量求偏导，并计算偏导为0时，u可取得最小极值点，即
1.9 磁力计传感器
定义
B=∑(V×V T)
∑(V×u)=∑(V×V T×P)=(∑V×V T)×P=B×P=0
其中，B是测量点矩阵，P为恒定的待求参数矩阵，因此可以通过高斯消元法求齐次线性方程组，来求得P的各个参数的解
可以将上式改写成B×kP=0，其中k是一个任意常数
即
P=k?P b=[k?a b k?b b k?c b k?d b k?e b k?f b k?g b]T
通过解线性方程组求得的只是这个解系中的一个基本解，所以首先求出这个基本解的k值。经算是可以推导如下，带入a，b，c，d，e，f，g即可求解：
k=(
d2
a+
e2
b+
f2
c?4?g)
4R2
求得的最后解为：
该校准方法运算量较大，编程较为复杂。当在一定精度上确保传感器水平时，可以采用简化的方法来进行校准，即只校准水平方向上的量。此外由于飞控算法仅需要磁力计的矢量方向信号对四元数进行矩阵，因此实际使用时都将矢量归一化，因此比例因素可以忽略。
1.10.1 超声波传感器原理
人耳朵能听到的声波频率为20～20000Hz，当声波的震动频率大于20000Hz 时，人耳无法听到。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为超声波特点：超声波的波长相对来说比声波要短，通常的障碍物都会比超声波的波长大很多，所以说超声波的衍射能力不是很强，在介质一定密度不变的情况下，超声波能够沿着波的方向一致沿直线传波，超声波的波长相对来说越短的话，直射能力就越好
1.10.2 超声波传感器简介
在制作无人机的时候，需要实时采集有关自身位置的相关数据，虽然可以通过GPS来采集有关无人机相关位置的数据，但是一旦有建筑甚至是树木的遮挡，
卫星发送的信号就有噪声，GPS接收机不能给出很好的观测数据，在室内中GPS 甚至不能使用。因此寻找了一种较为简单的能够代替GPS测量高度的传感器——超声波传感器。
超声波传感器测距的原理：超声波发射器向一个方向发射超声波，在发射超声波的同时开始计时，超声波在空气中以声速（340m/s）传播，途中碰到杂质或者分界面就会返回，当接收器收到反射就立刻停止计时。根据计时器记录的时间，按照测量距离=（计时器记录的时间*声速）/2就可以计算发射障碍物的距离s。
1.11.1气压传感器
气压传感器，顾名思义就是测量气体的绝对压强。地球表面大气密度是不相等的，靠近地表层的空气密度较大，高层的空气稀薄，密度较小。大气压强既然是由空气重力产生的，高度大的地方，它上面空气柱的高度小，密度也小，所以距离地面越高，大气压强越小。在海拔3000m之内，每上升10m大气压强约减小100Pa，在海拔2000m之内,每上升12m大气压强约减小133Pa。由于有时四旋翼飞行器的飞行高度往往会超出超声波传感器的探测范围，因此可以通过气压传感器来探测飞行器所处的高度。
1.12 激光测距测高传感器原理
激光测距是使用激光来对被测物体进行准确测距。激光测距传感器一般都带有激光发射器和光电元件。激光发射器发射一束细小的激光，被测物体反射该激光后由光电元件检测到，通过计时器测定激光从发射到接收的时间，计算出观测者与被测物体之间的距离。
D=ct
式中： D——观测者与被测物体的距离（m）；
c——光在空气中的速度，c=3.0×108m/s；
t ——光往返一次需要的时间（s）。
1.13光流
光流是空间运动物理在观测成像平面上的像素运动的”瞬时速度”。光流利用图像序列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”。
光流计算方法大致可分为三类：基于匹配的方法、频域的方法和梯度的方法。一幅图像是由很多个像素点组成的，在一个二维平面中每个像素点都有一个坐标，可以抽象的说对比一个鼠标传感器在这副图像的位置，只要鼠标传感器运动，根据鼠标传感器与像素点坐标的对比，便可以知道移动的方向及坐标，根据当前的高度可以计算出移动的距离。
无人机地面站 地面站作为整个无人机系统的作战指挥中心，其控制内容包括 :飞行器的飞行过程，飞 行航迹，有效载荷的任务功能，通讯链路的正常工作，以及飞行器的发射和回收。 中文名：无人机地面站 外文名： UAV ground station 目录 概述 地面站的配置和功能概述 ?地面站的典型配置 ?地面站的典型功能 关键技术及典型解决方案 ?友好的人机界面 ?操作员的培训 ?一站多机的控制 ?开放性、互用性与公共性 ?地面站对总线的需求 ?可靠的数据链 无人机地面站发展的趋势 概述 近20 年来，无人机己发展成集侦察、攻击于一体，而未来的无人机还将具有全 自主完成远程打击甚至空空作战任务的攻击能力。同时，与无人机发展相匹配的地面 控制站 （GCS:Ground Control Station)将具有包括任务规划、数字地图、卫星数据链、图像处理 能力在内的，集控制、瞄准、通信、处理于一体的综合能力。未来地面站的功能将更为强大：不仅能控制同一型号的无人机群，还能控制不同型号无人机的联合机群。地面站系统具有开 放性和兼容性，即不必进行现有系统的重新设计和更换就可以在地面控制站中通过增加新的 功能模块实现功能扩展，相同的硬件和软件模块可用于不同的地面站。 地面站作为整个无人机系统的作战指挥中心，其控制内容包括：飞行器的飞行过程、飞行航迹、有效载荷的任务功能、通讯链路的正常工作，以及飞行器的发射和回收。GCS除了完成基本的飞行与任务控制功能外，同时也要求能够灵活地克服各种未知的自然与人为因素 的不利影响，适应各种复杂的环境，保证全系统整体功能的成功实现。未来的地面站系统还应实现与远距离的更高一级的指挥中心联网通讯，及时有效地传输数据、接收指令，在网络化的现代作战环境中发挥独特作用。
近年来无人机的应用逐渐广泛，不少爱好者想集中学习无人机的知识，本文从最基本 的飞行原理、无人机系统组成、组装与调试等方面着手，集中讲述了无人机的基本知识。 第一章飞行原理 本章介绍一些基本物理观念，在此只能点到为止，如果你在学校已上过了 或没兴趣学，请跳过这一章直接往下看。 第一节速度与加速度 速度即物体移动的快慢及方向，我们常用的单位是每秒多少公尺﹝公尺/秒﹞0 加速度即速度的改变率，我们常用的单位是﹝公尺/秒/秒﹞，如果加速度 是负数，则代表减速。 第二节牛顿三大运动定律 第一定律：除非受到外来的作用力，否则物体的速度(v)会保持不变。 没有受力即所有外力合力为零，当飞机在天上保持等速直线飞行时，这时 飞机所受的合力为零，与一般人想象不同的是，当飞机降落保持相同下沉率下降，这时升力与重力的合力仍是零，升力并未减少，否则飞机会越掉越快。 第二定律：某质量为m的物体的动量(p = mv)变化率是正比于外加力 F 并且发生在力的方向上。 此即着名的F=ma 公式，当物体受一个外力后，即在外力的方向产生一个 加速度，飞机起飞滑行时引擎推力大于阻力，于是产生向前的加速度，速度越来越快阻力也越来越大，迟早引擎推力会等于阻力，于是加速度为零，速度不再增加，当然飞机此时早已飞在天空了。 第三定律：作用力与反作用力是数值相等且方向相反。 你踢门一脚，你的脚也会痛，因为门也对你施了一个相同大小的力 第三节力的平衡
作用于飞机的力要刚好平衡，如果不平衡就是合力不为零，依牛顿第二定律就会产生加速度，为了分析方便我们把力分为X、Y、Z三个轴力的平衡及绕X、Y、Z三个轴弯矩的平衡。 轴力不平衡则会在合力的方向产生加速度，飞行中的飞机受的力可分为升力、重力、阻力、推力﹝如图1-1﹞，升力由机翼提供，推力由引擎提供，重力由地心引力产生，阻力由空气产生，我们可以把力分解为两个方向的力，称x 及y 方向﹝当然还有一个z方向，但对飞机不是很重要，除非是在转弯中﹞，飞机等速直线飞行时x方向阻力与推力大小相同方向相反，故x方向合力为零，飞机速度不变，y方向升力与重力大小相同方向相反，故y方向合力亦为零，飞机不升降，所以会保持等速直线飞 行。 弯矩不平衡则会产生旋转加速度，在飞机来说，X轴弯矩不平衡飞机会滚转，Y轴弯矩不平衡飞机会偏航、Z轴弯矩不平衡飞机会俯仰﹝如图1-2﹞。
飞控系统的传感器 1.1 飞控系统的传感器 无人飞行器要求能够稳定飞行，首先最基础的问题是需要确定自己在空间中的位置、速度和姿态等相关的系统状态。而要的到这些状态，就需要通过不同的安装在机身系统上的各种不同的传感器。 我们所处的空间是三维空间，因此主要的飞行器系统状态也主要基于这个三维空间同时在时间维度进行拓展： 1：通过全球定位系统GNSS来定位自己的经度、维度和高度等三维坐标信息，同时也可以获取这三维的速度信息 2：通过陀螺仪加速度计直接获取三轴加速度信息与旋转角信息的状态量，其他的状态栏只有通过姿态解算 3：当飞行器需要往某个方向飞行时是通过调整飞行器的姿态往对应方向倾斜，飞行器的一部分升力会分配到该方向上成为该方向的拉力。飞行器要能够调整飞行的姿态，就必须能够实时的获得机体当前相对于惯性坐标系的姿态，在三维空间中同样姿态角也是由三个轴的角度来表示 4：飞行器的三维空间位置信息、三维空间速度信息、三维空间角度信息以及三维空间加速度信息和三维空间的角速度信息，总共有是十五个系统空间状态量需要获得 5：传感器跟估计的精度决定了建模辨识与控制的精度，然后传感器跟估计的精度，与建模辨识，一起决定了控制的精度。因此传感器的采集精度与飞行控制的控制精度密切相关 1.2 I2C简介 光标飞控系统中集成的微机械六轴传感器和磁力计均采用I2C总线接口与主控处理器连接。本章着重介绍I2C接口总线、各传感器的接口驱动、数据采集及处理模型。 I2C(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其它的一些外围设备。和我们常用的UART通信不同，虽然UART有TX、RX两个接口，但是这两根线都是可以单独使用，I2C 是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC设备之间、IC设备与IC设备之间进行双向传送，高速I2C总线一般可达400kbps以上。 它的特点是： ?通信模式为主从式设备，可以一主多从，也可以多主多从 ?I2C总线组成“线与”的关系，任何一个器件都可以拉到低电平 ?I2C总线上可以并连多个器件 ?I2C总线有起始信号、数据传输、停止信号 ?支持7位/10位芯片地址寻址 ?支持不同的通信速率，标准速度为100kHz，高速速度为400kHz I2C总线在传送数据过程中一共有三种类型的信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。
无人机地面站发展综述 [摘要]主要介绍了无人机地面站的发展，包括无人机地面站典型的配置、功能及其关键技术。并展望了未来无人机地面站发展趋势。 1、概述 20年来，无人机己发展成集侦察、攻击于一体，而未来的无人机还将具有全自主完成远程打击甚至空空作战任务的攻击能力。同时，与无人机发展相匹配的地面控制站(GCS: Ground Contrul Station) 将具有包括任务规划，数字地图，卫星数据链，图像处理能力在内的集控制、瞄准、通信、处理于一体的综合能力。未来地面站的功能将更为强大:不仅能控制同一型号的无人机群，还能控制不同型号无人机的联合机群:地面站系统具有开放性和兼容性，即不必进行现有系统的重新设计和更换就可以在地面控制站中通过增加新的功能模块实现功能扩展;相同的硬件和软件模块可用于不同的地面站。 地面站作为整个无人机系统的作战指挥中心，其控制内容包括:飞行器的飞行过程，飞行航迹，有效载荷的任务功能，通讯链路的正常工作，以及飞行器的发射和回收。GCS除了完成基本的飞行与任务控制功能外，同时也要求能够灵活地克服各种未知的自然与人为因素的不利影响，适应各种复杂的环境，保证全系统整体功能的成功实现。未来的地面站系统还应实现与远距离的更高一级的指挥中心联网通讯，及时有效地传输数据，接收指令，在网络化的现代作战环境中发挥独特作用。 2典型地面站的配置和功能概述 2.1地面站的典型配置 目前，一个典型的地面站由一个或多个操作控制分站组成，主要实现对飞行器的控制、任务控制、载荷操作、载荷数据分析和系统维护等。其相互间的关系如图1所示。
(1)系统控制站。在线监视系统的具体参数，包括飞行期间飞行器的健康状况、显示飞行数据和告警信息。 (2)飞行器操作控制站。它提供良好的人机界面来控制无人机飞行，其组成包括命令控制台、飞行参数显示、无人机轨道显示和一个可选的载荷视频显示。 (3)任务载荷控制站。用于控制无人机所携带的传感器，它由一个或几个视频监视仪和视频记录仪组成。 (4)数据分发系统。用于分析和解释从无人机获得的图像。 (5)数据链路地面终端。包括发送上行链路信号的天线和发射机，捕获下行链路信号的天线和接收机。 数据链应用于不同的UAV系统，实现以下主要功能: —用于给飞行器发送命令和有效载荷; —接收来自飞行器的状态信息及有效载荷数据。 (6)中央处理单元:包括一台或多台计算机，主要功能如下: —获得并处理从UAV来的实时数据: —显示处理; —确认任务规划并上传给UAV; 一一电子地图处理; —数据分发: —飞行前分析; —系统诊断。 2.2地面站的典型功能 GCS也称为“任务规划与控制站”。任务规划主要是指在飞行过程中无人机的飞行航迹受到任务规划的影响;控制是指在飞行过程中对整个无人机系统的各个系统进行控制，按照操作者的要求执行相应的动作。地面站系统应具有以下几个典型的功能: (1)飞行器的姿态控制。在各机载传感器获得相应的飞行器飞行状态信息后，通过数据链路将这些数据以预定义的格式传输到地面站。在地面站由GCS计算机处理这些信息，根据控制律解算出控制要求，形成控制指令和控制参数，再通过数据链路将控制指令和控制参数传输到无人机上的飞控计算机，通过后者实现对飞行器的操控。 (2)有效载荷数据的显示和有效载荷的控制。有效载荷是无人机任务的执行单元。地面控制站根据任务要求实现对有效载荷的控制，并通过对有效载荷状态的显示来实现对任务执行情况的监管。 (3)任务规划、飞行器位置监控、及航线的地图显示。任务规划主要包括处理战术信息、研究任务区域地图、标定飞行路线及向操作员提供规划数据等。飞行器位置监控及航线的地图显示部分主要便于操作人员实时地监控飞行器和航迹的状态。 (4)导航和目标定位。无人机在执行任务过程中通过无线数据链路与地面控制站之间保持着联系。在遇到特殊情况时，需要地面控制站对其实现导航控制，使飞机按照安全的路线飞行。随着空间技术的发展，传统的惯性导航结合先进的GPS导航技术成为了无人机系统导航的主流导航技术。目标定位是指飞行器发送给地面的方位角，高度及距离数据需要附加时间标注，以便这些量可与正确的飞行器瞬时位置数据相结合来实现目标位置的最精确计算。为了精确确定目标的位置，必须通过导航技术掌握飞行器的
概述 1.近程无人机活动半径在。 A.小于15km B.15-50km C.50-200km （解析：书本定义P3） 2.超近程无人机活动半径在以内。 A.小于15km B.15-50km C.50-200km （解析：书本定义P3） 3.中程无人机活动半径为。 A.50-200km B.200-800km C.>800km （解析：书本定义P3） 4.超低空无人机任务高度一般在之间。 A.0-100m B.100-1000m C.0-50m （解析：书本定义P3） 5.无人机系统飞行器平台主要使用的是空气的动力驱动的航空器。 A.轻于 B.重于 C.轻于 （解析：书本定义P6） 6. 航空器平台结构通常包括机翼、机身、尾翼和起落架等。 A.单旋翼 B.多旋翼 C.固定翼 （解析：书本定义P8） 7.微型无人机是指。 A.空机质量小于等于7千克的无人机 B.质量小于7千克的无人机 C.质量小于等于7千克的无人机 （解析：书本定义P2） 8.轻型无人机是指。 A.质量大于等于7千克，但小于116千克的无人机，且全鸟为平飞中，校正空速小于 100千米/小 时<55海里/小时),开限小于3000米 B.质量大于7千克，但小于等于116千克的无人机，且全马力平飞中，校正空速大于 >100千米/小 时（55海里/小时)，升限大于3000米 C.空机质量大于7千克，但小于等于116千克的无人机，且全马力平飞中，校正空速小于100千米 /小时（55海里/小时),升限小于3000米 （解析：书本定义P3） 9.大型无人机是指。 A.空机质置大于5, 700千克的无人机 B.质量大于5，700千克的无人机 C.空机质量大于等于5, 700千克的无人机
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。
美军无人机地面控制系统最新发展 对于无人机系统来说，设计焦点大多都是集中在飞机本身，包括有效载荷。但根据数据统计表明，地面系统所需成本非常高，往往是单架无人机成本的 0.5 ～ 4 倍之间。这说明研制一个能够控制多种类型无人机的通用地面控制系统，不仅可以极大地降低无人机系统的开发、后勤支持和训练费用，也可以较大程度地改进无人机系统作战的灵活性，从而实现无人机系统之间的互操作性。 地面控制站一般由三部分组成，包括：操作员工作站，用于操作无人机发射、回收和控制软件；飞行用传感器载荷；视距和卫星数据链路无线电终端，用于传输飞行指挥命令和接收来自无人机的监视图像。美军的主要无人机系统，如美国空军的 " 捕食者 " 、 " 全球鹰 " 和美国陆军的 " 影子 200" 都是由不同的军种独立开发的，通用性和互操作性能很差，甚至没有。它们的地面控制站尤其如此。因此，空军的 " 捕食者 "/" 捕食者 B" 地面站是无法控制空军的 " 全球鹰" 或海军陆战队的 " 先锋 " 无人机，也无法接收他们的图像。但是，美国海军和陆军已经采取措施着力解决无人机间的互操作问题。而促进无人机互操作性发展的强大驱动因素就是与北约的标准化协议 STANAG4586 相兼容。 1 战术控制系统 战术控制系统（ TCS ），是美国海军的通用无人机地面控制站，由海军的无人空中系统项目办公室（ PMA-263 ）管理、雷声公司情报和信息系统部门从 2000 年开始进行开发的。其研制目标就是提供一个开放式体系结构软件，能够控制多种不同类型的海上 / 岸上计算机硬件，实现任务规划、指挥与控制以及情报数据接收和分发等功能。 TCS 在 2003 年之前是一个联合军种项目，后来由于陆军和空军抵制将 TCS 用于它们的无人机系统，国会将其削减为海军一家的研制项目。 目前， TCS 已经研制成功。 PMA-263 希望将其应用于海军未来所有的无人机系统，包括预计将于 2008 年在美海军的第一艘 " 濒海战斗舰 " 上使用的垂直起降无人机 --" 火力侦察兵 " 在内。 TCS 的运行依靠的是基于 Unix 的计算机。该计算机的操作系统是 Sun 微系统公司开发的 Solaris 8 网络操作系统，尽管雷声公司曾经也开发了一个应用于该计算机的基于 Linux 的操作系统。 TCS 软件的最新版本是于 2006 年 6 月份交付给 " 火力侦察兵 " 的制造商诺思罗普· 格鲁门公司的，软件中增加了一系列的新功能，包括可以容纳多种不同的 " 即插即用 " 传感器载荷、在指挥、控制和信息分发时执行 STANAG 4586 标准等。 为了与 STANAG4586 兼容，雷声公司开发了一个可以操作多种美军和 NATO 无人机的 TCS 核心系统。不同无人机制造商开发的与 STANAG 4586 协同的无人机专用模块，可以与该核心系统接口，提供 TCS 的所有控制能力，实现各无人机系统之间的互操作。（如果未来需要在不同的无人机系统之间完全实现互操作，则各数据链必须互相兼容） 海军的 " 宽域海上监视 " （ BAMS ）无人机计划于 2011 年进入制造，是TCS 的下一个潜在用户。目前，美国海军在演习中使用的是两架从美国空军采购的 " 全球鹰海上演示型 "(GHMD) 高空长航时无人机来帮助 BAMS 无人机开发操作概念和作战战术。由于美国国会削减了美国海军在 2004 年的预算中计划给 " 全球鹰 " 开发 TCS 能力的费用，这两架 GHMD 飞机使用的是美国空军现有的 " 全球鹰 " 地面站硬件和软件，而不是 TCS 。 PMA-263 的负责人，海军上校 Paul Morgan 称，洛克希德· 马丁公司和诺思罗普· 格鲁门公司正在开展 BAMS" 持久无人海上空中监视 " （ PUMAS ）能力研究，包括评估 TCS 对于 BAMS 在该能力方面的适应性。
1.概论： 无人机，即无人驾驶的飞机。是指在飞机上没有驾驶员，只是由程序控制自动飞行或者由人在地面或母机上进行遥控的飞机。它装有自动驾驶仪、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，通过这些系统可以实现远距离飞行并得以控制。无人机与有人驾驶的飞机相比而言，重量轻、体积小、造价低、隐蔽性好，特别宜于执行危险性大的任务，因此被广泛应用。 二、无人机的特点及技术要求 无人机没有飞行员，其飞行任务的完成是由无人飞行器、地面控制站和发射器组成的无人机系统在地面指挥小组的控制一下实现的。据此，无人机具有以下特点: （1）结构简单。没有常规驾驶舱，无人机结构尺寸比有人驾驶飞机小得多。有一种无尾无人机在结构上比常规飞机缩小40%以上。重量减轻，体积变小，有利于提高飞行性能和降低研制难度。 （2）安全性强。无人机在操纵人员培训和执行任务时对人员具有高度的安全性，保护有生力量和稀缺的人力资源。可以用来执行危险性大的任务。 （3）性能提高。无人机在设计时不用考虑飞行员的因素。许多受到人生理和心理所限的技术都可在无人机上使用，从而突破了有人在机的危险，保证了飞行的安全性。 （4）一机多用，稍作改进后发展为轻型近距离对地攻击机。
（5）采用成熟的发动机和主要机载设备，以减少研制风险与经费投入，加快研制进度。联合研制以减小投资风险、解决经费不足有利于扩大出口及扬长技术与设备优势。 （6）研制综合训练系统。技术要求有: （1）信息技术包括信息的收集和融合，信息的评估和表达，防御性的信息战、自动目标确定和识别等； （2）设备组成包括低成本结构、小型化及模块化电子设备、低可见性天线、小型精确武器、可储存的高性能发动机及电动作动器等； （3）性能实现包括先进的低可见性和维护性技术、任务管理和规划、组合模拟和训练环境等。 三、无人机系统按照功能划分，主要包括四部分: （1）飞行器系统 包括空中和地面两大部分。空中部分包括：无人机、机载电子设备和辅助设备等，主要完成飞行任务。地面部分包括：飞行器定位系统、飞行器控制系统、导航系统以及发射回收系统，主要完成对飞行器的遥控、遥测和导航任务，空中与地面系统通过数据链路建立起紧密联系。 （2）数据链系统 包括：遥控、遥测、跟踪测量设备、信息传输设备、数据中继设备等用以指挥操纵飞机飞行，并将飞机的状态参数及侦察信息数据传到控制站。 （3）任务设备系统 包括：为完成各种任务而需要在飞机上装载的任务设备。
八旋翼无人机系统 Document number【980KGB-6898YT-769T8CB-246UT-18GG08】
八旋翼无人机系统技术文件 一、产品名称：X-8八旋翼无人机系统 X-8是全新研制的八旋翼无人机系统，具有载重量大、续航时间长、体积小、重量轻、目标特性小，使用快捷、机动灵活、操作使用及维修简便等特点，自成体系独立执行电力巡检任务。 简介： X-8 八旋翼是专业无人机技术研发团队经过多年研究、测试，最新推出的一款全球同类产品载重量最大、可垂直起降、拥有多项专利的无人飞行系统。 1）X-8选用自主驾驶设备，大大提高飞控稳定性。 2）可携带多种任务载荷。 3）可用于执行资料收集、测量、检测、侦查等多种空中任务，在电力巡检领域能发挥其高效、隐蔽性强的特点，能对目标物进行远距离监视。 产品特点： （1）飞行器具有遥控、自主飞行能力，可以实时修改飞行航路和任务设置；（2）测控与信息传输设备具有遥控、实时信息传输的功能，具有多机、多站兼容工作及一定的抗截获、抗干扰能力； （3）侦察任务设备能昼夜实时获取目标图像信息，具有手动、自动控制工作模式，可迅速发现、捕获、识别、跟踪目标； （4）飞行控制与信息处理站具有对飞行器进行遥控飞行和对机载任务设备进行操控的功能，具有飞行参数/航迹显示、航路规划和实时修改飞行计划、重新设置任务样式的能力；具有通过视频实现第一视角控制飞行的能力；具有接收标准视频信号、实时处理/存储图像、数据叠加等能力，具有目标定位和引导打击的能力，且能与上级指挥机关、情报处理中心和指挥系统相通连； （5）地面保障设备具有简易检测、维修与训练的能力，具有快速更换易 损件、备用动力电池组和双模态充电的功能； （6）全系统外场展开迅速，具有车载大范围机动和携行能力。 机体结构技术参数：
根据目前的无人机发展趋势，传感器技术在其中起到什么样的作用？如下图所示。盘点：无人机上都有哪些传感器技术应用 加速度计 加速度计用于确定位置和无人机的飞行姿态。像任天堂Wii控制器或iPhone 屏幕位置，这些小的MEMS传感器在维持飞行控制中起到关键的作用。MEMS 加速度传感器有多种方式感知运动姿态，一种类型的技术能够感知微型集成电路的微小运动。这类“跳水板”的运动改变了结构中电流的移动，从而指示与重力有关的位移变化。 另一种加速度计的技术为热对流技术，具有几个明显的优势。它没有移动部件，而是通过一个“热气团”的位移来感知的运动变化。这类传感器灵敏度较高，在稳定车载摄像机、电影制作等应用起着至关重要的作用。通过控制上下运动和防振功能，制片人就能够非常顺利的捕获画面。此外，由于这些传感器较其他产品有更好的抗震性，热对流MEMS传感器在无人机螺旋桨运动的抗震性有着完美的表现。 惯性测量单元 惯性测量单元结合GPS是维持方向和飞行路径的关键。随着无人机智能化的发展，方向和路径控制是重要的空中交通管理规则。惯性测量单元采用的多轴磁传感器，在本质上都是精准度极高的小型指南针，通过感知方向将数据传输至中央处理器，从而指示方向和速度。 倾角传感器 倾角传感器，集成了陀螺仪和加速度计为飞行控制系统提供保持水平飞行的数据。这是在易碎品运输和投递过程中最重要的稳定性监测应用程序。这类传感器和陀螺仪，结合加速度计，能够测量到细微的运动变化，使得倾角传感器能够应用于移动程序，如汽车或无人驾驶飞机的陀螺仪补偿。 电流传感器 在无人机，电能的消耗和使用非常重要，尤其是在电池供电的情况下。电流传感器可用于监测和优化电能消耗，确保无人机内部电池充电和电机故障检测系统的安全。电流传感器工作通过测量电流（双向），理想的情况下提供电气隔离，
概述 近20年来，无人机己发展成集侦察、攻击于一体，而未来的无人机还将具有全自主完成远程打击甚至空空作战任务的攻击能力。同时，与无人机发展相匹配的地面控制站（GCS:Ground Control Station)将具有包括任务规划、数字地图、卫星数据链、图像处理能力在内的，集控制、瞄准、通信、处理于一体的综合能力。未来地面站的功能将更为强大：不仅能控制同一型号的无人机群，还能控制不同型号无人机的联合机群。地面站系统具有开放性和兼容性，即不必进行现有系统的重新设计和更换就可以在地面控制站中通过增加新的功能模块实现功能扩展，相同的硬件和软件模块可用于不同的地面站。 地面站作为整个无人机系统的作战指挥中心，其控制内容包括：飞行器的飞行过程、飞行航迹、有效载荷的任务功能、通讯链路的正常工作，以及飞行器的发射和回收。GCS除了完成基本的飞行与任务控制功能外，同时也要求能够灵活地克服各种未知的自然与人为因素的不利影响，适应各种复杂的环境，保证全系统整体功能的成功实现。未来的地面站系统还应实现与远距离的更高一级的指挥中心联网通讯，及时有效地传输数据、接收指令，在网络化的现代作战环境中发挥独特作用。 地面站的配置和功能概述 地面站的典型配置 目前，一个典型的地面站由一个或多个操作控制分站组成，主要实现对飞行器的控制、任务控制、载荷操作、载荷数据分析和系统维护等。 (1)系统控制站。在线监视系统的具体参数，包括飞行期间飞行器的健康状况、显示飞行数据和告警信息。 (2)飞行器操作控制站。它提供良好的人机界面来控制无人机飞行，其组成包括命令控制台、飞行参数显示、无人机轨道显示和一个可选的载荷视频显示。 (3)任务载荷控制站。用于控制无人机所携带的传感器，它由一个或几个视频监视仪和视频记录仪组成。 (4)数据分发系统。用于分析和解释从无人机获得的图像。 (5)数据链路地面终端。包括发送上行链路信号的天线和发射机，捕获下行链路信号的天线和接收机。 数据链应用于不同的UAV系统，实现以下主要功能：用于给飞行器发送命令和有效载荷；接收来自飞行器的状态信息及有效载荷数据。 (6)中央处理单元。包括一台或多台计算机，主要功能：获得并处理从UAV来的实时数据；显示处理；确认任务规划并上传给UAV；电子地图处理；数据分发；飞行前分析；系统诊断。 地面站的典型功能 GCS也称为“任务规划与控制站”。任务规划主要是指在飞行过程中无人机的飞行航迹受到任务规划的影响；控制是指在飞行过程中对整个无人机系统的各个系统进行控制，按照操作者的要求执行相应的动作。地面站系统应具有以下几个典型的功能： (1)飞行器的姿态控制。在各机载传感器获得相应的飞行器飞行状态信息后，通过数据链路将这些数据以预定义的格式传输到地面站。在地面站由GCS计算机处理这些信息，根据控制律解算出控制要求，形成控制指令和控制参数，再通过数据链路将控制指令和控制参数传输到无人机上的飞控计算机，通过后者实现对飞行器的操控。 (2)有效载荷数据的显示和有效载荷的控制。有效载荷是无人机任务的执行单元。地面
第1章 无人机结构与系统 一一无人机结构与系统分为结构和系统两个方面,其中无人机结构主要是指无人机的硬件结构,无人机系统主要是指无人机动力系统二控制站二飞行控制系统二通信导航系统二任务载荷系统和发射回收系统等三 1.1 无人机概述 一一18世纪后期,热气球在欧洲升空,迈出了人类翱翔天空的第一步三20世纪初期,美国莱特兄弟的 飞行者 号飞机试飞成功,开创了现代航空的新篇章三20世纪40年代初期第二次世界大战时,德国成功发射大型液体火箭V-2,把航天理论变成现实三1961年,苏联航天员加加林乘坐 东方1号 宇宙飞船在最大高度为301k m的轨道上绕地球一周,揭开了人类载人航天器进入太空的新篇章三 无人机的起源可以追溯到第一次世界大战,1914年英国的两位将军提出了研制一种使用无线电操纵的小型无人驾驶飞机用来空投炸弹的建议,得到认可并开始研制三1915年10月,德国西门子公司成功研制了采用伺服控制装置和指令制导的滑翔炸弹三1916年9月12日,第一架无线电操纵的无人驾驶飞机在美国试飞三1917 1918年,英国与德国先后研制成功无人遥控飞机三这些被公认为是遥控无人机的先驱三 随后,无人机被逐步应用于靶机二侦察二情报收集二跟踪二通信和诱饵等军事任务中,新时代的军用无人机很大程度上改变了军事战争和军事调动的原始形式三与军用无人机的百年历史相比,民用无人机技术要求低二更注重经济性三军用无人机技术的民用化降低了民用无人机市场进入门槛和研发成本,使得民用无人机得以快速发展三 目前,民用无人机已广泛应用于航拍二航测二农林植保二巡线巡检二防灾减灾二地质勘测二灾害监测和气象探测等领域三 未来,无人机将在智能化二微型化二长航时二超高速二隐身性等方向上发展,无人机的市场空间和应用前景非常广阔三 中国民用航空局飞行标准司在2016年7月11日颁布的‘民用无人机驾驶员管理规定“(A C-61-F S-2016-20-R1),其对无人机及相关概念作了定义三
九天创新地面控制系统简介 深圳市九天创新科技有限责任公司 二零一六年八月
地面控制系统 1)概述 九天自主研发《地面控制系统》，实现人机实时交互连接,可分别操控固定翼无人机、四旋翼无人机和多旋翼无人机等多种机型。 地面控制系统是无人机的飞行控制终端,拥有友好的操作界面，是给无人机发送各种控制指令、规划飞行任务、实时显示各项飞行指标参数的控制系统。 通过对地面控制系统的操作，能够精准控制无人机的飞行，实时对无人机的飞行状态进行监测，以确保无人机安全起飞和降落，最终顺利地完成航拍作业任务和进行数据管理。 地面控制系统界面 在地面站软件的操作界面中主要包含工具栏、地图视图窗口，侧
边栏等。 工具栏主要是对地图缩放、定位、切换地图类型及目标航点。地图视图窗口可浏览飞行区域的航迹规划状况、飞行区域的地理信息等。而侧边栏主要包含飞行数据、航迹规划和飞行记录三项，分别能够对无人机进行实时监控、规划航迹及飞行记录的下载等。 2)工具栏 目标航点切换：飞行过程中切换飞行目标航点。 地图定位：将地图缩放并定位到回家点或者飞机定位点。 地图缩放：地图放大缩小控制指令。 地图类型：地图类型切换，卫星影像与矢量地图。 3)飞行数据监控 飞行数据监控是通过查看地面站软件右侧的重要飞行数据，对无人机飞行状态进行实时监控。其包括飞行状态、飞行参数。
4)飞行参数 飞行参数包括无人机当前飞行姿态参数、气压高度、目标航点等信息. 屏幕上直观显示飞行状态（横滚俯仰），以及机头指向、当前航飞高度（相对起飞高度）、目标航点（无人机要飞向的航点，到达目标航点后飞向下一航点）。 指令发送 航线规划 在地图中找到规划区域进行航线规划。
01目前主流的民用无人机所采用的动力系统通常为活塞式发动机和__________两种。P16 A．火箭发动机 B．涡扇发动机 C．电动机 答案:C. 02活塞发动机系统常采用的增压技术主要是用来。P17 A．提高功率 B．减少废气量 C．增加转速 答案:A. 03.电动动力系统主要由动力电机、动力电源和__________组成。P20 A．电池 B．调速系统 C．无刷电机 答案:B. 04.从应用上说，涡桨发动机适用于。P23 A．中低空、低速短距/垂直起降无人机 B．高空长航时无人机/无人战斗机 C．中高空长航时无人机 答案:C. 05.属于无人机飞控子系统功能的是p27
A．无人机姿态稳定与控制 B．导航控制 C．任务信息收集与传递 答案:A. 06.不属于无人机飞控子系统所需信息的是p28 A．经/纬度 B．姿态角 C．空速 答案:A. 07.不应属于无人机飞控计算机任务范畴的是p29 A．数据中继 B．姿态稳定与控制 C．自主飞行控制 答案:A. 08.无人机通过__________控制舵面和发动机节风门来实现无人机控制。P33 A．伺服执行机构 B．操纵杆 C．脚蹬 答案:A. 09.无人机电气系统中电源和__________两者组合统称为供电系统。P35 A．用电设备
B．配电系统 C．供电线路 答案:B. 10.无人机搭载任务设备重量主要受限制于。 A．空重 B．载重能力 C．最大起飞重量 答案:B. 11.无人机配平的主要考虑是__________沿纵轴的前后位置p37 A．气动焦点 B．发动机 C．重心 答案:C. 12.大型无人机计算装载重量和重心的方法主要有：计算法、图表法和__________。P38 A．试凑法 B．查表法 C．约取法 答案:B. 13.指挥控制与__________是无人机地面站的主要功能p40 A．导航 B．任务规划
监管场所无人机系统 建设方案 北京创羿兴晟科技发展有限公司 2018.9
目录 目录 目录 (1) 一、概述 (2) 1.1、背景 (2) 1.2、应用 (2) 1.3、方案依据标准规范 (3) 二、系统介绍 (5) 2.1、系统功能 (5) 2.2、功能及产品介绍 (5) 2.2.1、六旋翼无人机主机 (5) 2.2.2、航拍摄像 (12) 2.2.3、空中抛投 (25) 2.2.4、通信中继..................................... 错误！未定义书签。 2.3、无人机综合管控指挥平台 (29) 2.3.1、平台内容 (30) 2.3.2、软件架构 (31) 2.3.3、通信架构 (31) 2.3.4、客户端界面 (32)
一、概述 1.1、背景 无人机产业发展至今，已经成长为了一个完整的体系，在这个体系之下，无人机从功能上细分到了各个领域，除了航拍、植保等功用之外，无人机也在勘察、安检等领域拥有不错的发挥，其中安全巡逻无人机已经成为无人机市场中的一匹迅速崛起的黑马，并且还在不断地快速成长。运用高科技手段对监狱工作提供技术支持已刻不容缓。作为高度戒备监狱，监狱押犯规模大、在押罪犯刑期长、犯群结构复杂，为积极整合资源、推动高新技术应用、完善综合保障机制、增强突发事件应对能力。 无人机可完成包括巡航、实时监控、取证拍摄等一体化飞行及监控任务，并能将高清视频或高像素照片实时传输到执法终端。今后，它不仅会用于监管设施及周边区域的隐患排查，维护监管安全，为监狱指挥中心作出实时部署提供第一手资料；它还对开展隐蔽督察、视频督察、掌握狱情灾情和处置突发事件发挥重要作用。
无人机各模块详解与技术分析 如今无人机成为了展会最大的热点之一，大疆（DJI）、Parrot、3D Robotics、AirDog 等知名无人机公司都有展示他们的最新产品。甚至是英特尔、高通的展位上展出了通信功能强大、能够自动避开障碍物的飞行器。无人机在2015年已经迅速地成为现象级的热门产品，甚至我们之前都没有来得及细细研究它。与固定翼无人机相比，多轴飞行器的飞行更加稳定，能在空中悬停。主机的硬件结构及标准的遥控器的结构图如下图。 四轴飞行器系统解析图
遥控器系统解析图 以上只是标准产品的解剖图，有些更加高级的如针对航模发烧友和航拍用户们的无人机系统，还会要求有云台、摄像头、视频传输系统以及视频接收等更多模块。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。 新唐的MCU负责人表示：多轴飞行器由遥控，飞控，动力系统，航拍等不同模块构成，根据不同等级产品的需求，会采用到不同CPU内核。例如小四轴的飞行主控，因功能单纯，体积小，必须同时整合遥控接收，飞行控制及动力驱动功能；中高阶多轴飞行器则采用内建DSP 及浮点运算单元的，负责飞行主控功能，驱动无刷电机的电调（ESC）板则采用MINI5(＄1.0889)系列设计。低阶遥控器使用SOP20 封装的4T 8051 N79E814；中高阶遥控器则采用Cortex-M0 M051系列。另外，内建ARM9及H.264视频边译码器的N329系列SOC则应用于2.4G 及5.8G的航拍系统。 在飞控主板上，目前控制和处理用得最多的还是MCU而不是CPU。由于对于飞行控制方面主要都是浮点运算，简单的ARM Cortex-M4内核32位MCU都可以很
无人机的结构、飞行原理、系统组成、组装与调试 目录 第一章初步认识无人机的基本构成 第二章无人机的飞行原理 第三章飞行操作：模拟—电动—油动 第四章无人机的发动机 第五章无人机的系统组成 第六章无人机的组装 第七章无人机的调试
第一章初步认识无人机的基本构成 无人机最早出现于第二次世界大战时，直至近几年有厂商逐步把军用无人机技术转移至电子消费品的生产之上，制成定价较平、操作较易的无人机，始令无人机在消费者市场大热起来。今次Lock Sir便为大家讲解无人机的运作结构及飞行原理。 一般来说，无人机有飞行器机架、飞行控制系统、推进系统、遥控器、遥控信号接收器和云台相机等6大构成部分。 1. 飞行器机架 飞行器机架（Flying Platform）的大小，取决于桨翼的尺寸及电机（马达/马达）的体积：桨翼愈长，马达愈大，机架大小便会随之而增加。机架一般采用轻物料制造为主，以减轻无人机的负载量（Payload）。 2. 飞行控制系统 飞行控制系统（Flight Control System）简称飞控，一般会内置控制器、陀螺仪、加速度计和气压计等传感器。无人机便是依靠这些传感器来稳定机体，再配合GPS 及气压计数据，便可把无人机锁定在指定的位置及高度。 3. 推进系统 无人机的推动系统（Propulsion System）主要由桨翼和马达所组成。当桨翼旋转时，便可以产生反作用力来带动机体飞行。系统内设有电调控制器（Electronic Speed Control），用于调节马达的转速。 4. 遥控器 这是指Remote Controller或Ground Station，让航拍玩家透过远程控制技术来操控无人机的飞行动作。 5. 遥控信号接收器 主要作用是让飞行器接收由遥控器发出的遥控指令信号。4轴无人机起码要有4条频道来传送信号，以便分别控制前后左右4组旋轴和马达。
无人机概述及系统组成 无人机（ UAV）的定义 无人机驾驶航空器（UA： Unmanned Aircraft ），是一架由遥控站管理（包括远程操纵或自主飞行）、不搭 载操作人员的一种动力空中飞行器，采用空气动力为飞行器提供所需的升力，能够自动飞行或远程引导；既能一次性使用也能进行回收；能够携带致命性和非致命性有效负载。 以下简称无人机。 无人机系统的定义及组成 无人机系统（ UAS：Unmanned Aircraft System），也称无人驾驶航空器系统（RPAS：Remotely Piloted Aircraft System），是指一架无人机、相关的遥控站、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，无人机系统包括地面系统、飞机系统、任 务载荷和无人机使用保障人员。 无人机系统驾驶员的定义 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飞行控制的人。 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。 无人机和航模的区别 一、定义不同 无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。航 空模型是一种重于空气的，有尺寸限制的，带有或不带有动力装置的，不能载人的航 空器，就叫航空模型。 二、飞行方式不同 唯一的区别在于是否有导航飞控系统，能否实现自主飞行。通俗来说，无人机可以实现自主飞行，而航模不可以，必须由人来通过遥控器控制。也就是无人机的本身是带了“大脑”飞行，可能“大脑”受限于人 工智能，没有人脑灵光。但是航模的“大脑”始终是在地面，在操纵人员的手上。 三、用途不同 无人机更偏向于军事用途或民用特种用途，而航空模型更接近于玩具。昆明劲鹰无人机专业从事航测无人机设备的设计、生产、销售、及航测航拍服务，费用低、技术强、工期短、精度高，是中国技术顶尖
无人机组成 无人机组成（1）：撑起所有部件的机架 所谓“机架”，是指无人机的承载平台，所有设备都是用机架承载起来飞上天上的， 所以无人机的机架好坏，很大程度上决定了这部无人机好不好用。衡量一个机架 的好坏，可以从坚固程度、使用方便程度、元器件安装是否合理等等方面考察。 现在常见的无人机，多数指多轴飞行器的形式，机架的组成与上图这样的大 同小异，主要由中心板、力臂、脚架组成，有着结构简单的特点，但缺点是效率 较低。这是本频道主要关注的无人机形式。 更久一点的无人机，会是这种直升机形式，只有一个主螺旋桨（配合尾螺旋 桨低消旋转反扭力）。直升机形式的无人机，由于效率更高，更适合高原、大风 等环境，但由于主螺旋桨“杀伤力”太大，而家直升机旋翼头结构复杂，现在是越
来越少见到了。 还有一种无人机形式，是上图这样的固定翼，有着结构简单、效率高、续航 时间长等特点，但缺点就是不能悬停，以及云台安排不太灵活，这对于常见的航 拍来说是致命的。所以固定翼无人机常用于侦查监视、测绘等需要长距离、长续 航的拍摄情况。 多轴飞行器，顾名思义就是有多个螺旋桨，通过螺旋桨转速的不同而实现上 升下降、左右旋转、前进后退等等动作。多轴飞行器的轴数，从两轴开始，到十 多轴都有，但常见的还是以3、4、6、8轴为主。轴数越多、螺旋桨越多、机架 的负载就越大，但相对地结构也就变得越复杂。 多轴还有一个概念，就是“轴距”，用于表达机架的尺寸大小。轴距是指对角 线两个螺旋桨中心的距离，单位通常是毫米（mm）。机架大小决定了能多多大 的螺旋桨，从而决定了机架的负载能力（能携带多大的摄影设备上天）。
一般来说，搭载GoPro等运动相机/摄像机或者小卡片相机，可以选择四轴、 轴距330-550mm的机架，可以兼顾载重与便携。搭载微单、无反等相机的话， 可以选择六轴或八轴、轴距700-1000mm的机架，保证足够的负载能力与机架大 小。而想搭载全画幅单反、电影机等等重型设备的话，基本上都需要动用到八轴、 1000mm以上的机架，才能有足够的负载能力，否则很容易出现动力不足而产生 的坠机意外。 无人机组成（2）：飞行的大脑“飞控” “飞控”是指无人机的飞行控制器，用于自动化保持飞行器处于一个特定的状态（悬停、飞行等）。由于无人机经常处于“超视距”的环境飞行，所以自动化控制的飞控对于无人机来说是不能缺少的。好的飞控，还会搭配不少有 用的功能，方便控制者进行复杂的运动。 本文以多轴飞行器的飞控为主。多轴飞行器的飞控，主要由主控器（上图左上）、姿态感应器（上图右上）、