介紹

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

目錄

Ⅰ 無人機

1.1 概念

無人駕駛飛行器（UAV），又稱無人機，是一種由無線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人駕駛飛機。

1.2 應用

無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、災害救援和野生動物觀察等領域，還用于測繪、傳染病監(jiān)測等。

1.3 組成

無人機由機身、飛行控制系統(tǒng)、數據鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)和電源系統(tǒng)組成。飛行管控系統(tǒng)相當于無人機系統(tǒng)的“心臟”部分，對無人機的穩(wěn)定性、數據可靠性、準確性和實時性具有重要影響，對其飛行性能具有決定性作用。

二、飛控系統(tǒng)

2.1 概念

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

經過早期的遙控飛行，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。

2.2 飛控系統(tǒng)組件模塊

飛控系統(tǒng)實時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線電測控終端發(fā)送的控制指令和數據。

計算后，將控制命令輸出到執(zhí)行機構，實現(xiàn)對無人機各種飛行模式的控制，實現(xiàn)對任務設備的管理和控制；同時將無人機的狀態(tài)數據和發(fā)動機、機載供電系統(tǒng)和任務設備的運行狀態(tài)參數實時傳輸到機載無線電數據終端，然后通過無線電下行信道回傳給地面監(jiān)測站。

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

2.3 功能

將各個模塊組合成一個飛行控制系統(tǒng)，其核心是主控模塊，與其他模塊結合，滿足一系列小型無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。從而可以通過多個模型使用一個開發(fā)的系統(tǒng)來降低系統(tǒng)開發(fā)成本。系統(tǒng)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)動機轉速、氣缸溫度信號、動靜壓傳感器信號、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(zhí)行器的控制要求，如舵機、副翼舵機、升降舵機、氣道和油門舵機等。

(3)多通道通信。 與車載數據終端、GPS信號、數字傳感器和相關任務設備的通信是通過使用多個通信通道來實現(xiàn)的。由于CPU自身SCI通道配置的串口不能滿足系統(tǒng)需求，設計采用多串口擴展芯片28C94擴展8個串口。

三、主控模塊MCU

3.1 概念

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

3.2 無人機工作原理

無人機要實現(xiàn)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）。自動控制原理的一個起點是閉環(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。

比如給無人機設置一個航跡，在飛行過程中實時測量飛行位置偏離航跡，進行相應的偏航修正。環(huán)境感知是利用各種傳感器（光學攝像頭、超聲波等）來檢測無人機軌跡上的障礙物，如建筑物、橋梁等，并進行機動規(guī)避。

無人機垂直移動并使用轉子前進和停止。力的相對性質意味著當轉子推動空氣時，空氣也將轉子推回。這就是無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的推力不足會導致無人機改變運動方向，但向上的力不等于同時向下的重力，所以無人機下降。

無人機是對稱的，它也適用于橫向運動。四輪無人機的每一面都可以是正面，所以如何向前說明如何向后或向側面移動。

3.3 單片機任務

飛行控制系統(tǒng)在無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(tǒng)是無人機中最重要的核心技術。飛控系統(tǒng)一般包括傳感器、機載計算機和伺服驅動裝置三部分。功能主要包括無人機姿態(tài)穩(wěn)定與控制、無人機任務設備管理和應急控制三大類。

除了MCU，無人機還需要陀螺儀、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會根據用戶操作指令和IMU數據，通過飛行算法控制飛行器的穩(wěn)定運行。

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

四、常見問題

1、無人機的工作原理是什么？

Multi-Rotor 的工作原理是力的相對性質，這意味著當轉子推動空氣時，空氣也會將轉子推回。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. 無人機使用WiFi還是藍牙？

今天的大多數無人機都支持 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。一些無人機還使用 Wi-Fi 通過平板電腦或移動應用程序進行遠程控制。

3. 無人機如何與控制器通信？

無人機控制器通過從遙控器向無人機發(fā)送無線電信號來工作，該信號告訴無人機該做什么。無線電信號從無人機控制器中的無線電發(fā)射器發(fā)出，并由無人機的接收器接收。

4. 無人機如何前進和后退？

俯仰：以與滾動相同的方式向前和向后傾斜您的四軸飛行器。通過調整俯仰角，您的無人機將在前部下垂導致其前進，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. 無人機有什么用？

無人機可用于收集醫(yī)療樣本、物資和藥品，并將其運送到災區(qū)偏遠或無法到達的地區(qū)。無人機還可以使用紅外傳感器通過其熱特征來檢測人類，這有助于搜索和救援場景。

6. 無人機能飛多遠？

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

7. 無人機如何定位？

這就是大多數當前無人機保持穩(wěn)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，它們會飛回該位置。堅持指定的高度或確保您不會意外飛到 400 英尺標記以上也是 GPS 的功能。

8. 如果無人機超出范圍會怎樣？

無人機的范圍有限。當無人機飛出該范圍時，您需要控制無人機的信號就會丟失。因此，您無法再控制無人機。

9. 哪種 Arduino 最適合無人機？

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

10. 無人機可以舉起多少？

當我們談論初學者無人機時，它們可以毫無問題地舉起大約 200 到 300 克的額外重量。任何高于此的都是風險。許多在休閑飛行飛行員中很受歡迎的無人機可以攜帶大約 3 到 5 磅（2.2 千克）的有效載荷。