無人機工作原理：原理與核心系統(tǒng)

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？

無人駕駛飛行器（UAV），又稱無人機，是一種由無線電遙控設(shè)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。

無人機不僅廣泛應用于航拍、農(nóng)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(lǐng)域，還用于測繪、傳染病監(jiān)測等。

無人機由機身、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、****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(shù)據(jù)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。

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(jīng)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。

飛控系統(tǒng)實時采集各傳感器測得的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。

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

根據(jù)功能，飛控系統(tǒng)的硬件包括：主控模塊、信號調(diào)理及接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、伺服驅(qū)動模塊。

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(jié)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(zhuǎn)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(shù)的限制，使用了額外的數(shù)據(jù)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(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(shù)據(jù)終端、GPS信號、數(shù)字傳感器和相關(guān)任務設(shè)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(shè)計采用多串口擴展芯片28C94擴展8個串口。

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(shù)器、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA、甚至LCD驅(qū)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。

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(diào)整后，測量控制量的變化并調(diào)整反饋輸入，直到控制量達到目標值。

比如給無人機設(shè)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(zhuǎn)子前進和停止。力的相對性質(zhì)意味著當轉(zhuǎn)子推動空氣時，空氣也將轉(zhuǎn)子推回。這就是無人機可以升降的基本原理。此外，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)得越快，升力就越大，反之亦然。要將無人機向右轉(zhuǎn)，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(cè)面移動。

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(shù)。飛控系統(tǒng)一般包括傳感器、機載計算機和伺服驅(qū)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(shè)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(shù)據(jù)發(fā)送到主處理器 MCU。主處理器MCU會根據(jù)用戶操作指令和IMU數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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。

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(zhì)，這意味著當轉(zhuǎn)子推動空氣時，空氣也會將轉(zhuǎn)子推回。這是多旋翼可以升降的基本原理。此外，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(shù)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)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(diào)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(zhuǎn)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****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(shù)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(gòu)建自己的飛行控制器。如果您對開始使用電子產(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。