隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及軍事戰(zhàn)略思想的轉(zhuǎn)變，無人機(jī)在軍事、民用等領(lǐng)域獲的應(yīng)用越來越廣泛，比如航空測量、航空攝影、偵察、森林防火等。高精度和小型化是無人機(jī)發(fā)展的必然趨勢， 高精度要求無人機(jī)的制導(dǎo)控制精度高，能夠適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境； 小型化則對控制系統(tǒng)的重量和體積提出了更高的要求，要求控制部件的體積越小越好。

在無人機(jī)操控中，飛行控制系統(tǒng)是很重要的。飛行控制系統(tǒng)通過高效的控制算法內(nèi)核，能夠精準(zhǔn)地感應(yīng)并計算出飛行器的飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)，再通過主控制單元實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位懸停和自主平穩(wěn)飛行。在沒有飛行控制系統(tǒng)的情況下，有很多的專業(yè)飛手經(jīng)過長期艱苦的練習(xí)，也能控制飛行器非常平穩(wěn)地飛行，但是，這個難度和要求特別高，同時需要非常豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。如果沒有飛行控制系統(tǒng)，飛手需要時時刻刻關(guān)注飛行器的動向，眼睛完全不可能離開飛行器，時時刻刻處于高度緊張的工作狀態(tài)。而且，人眼的有效視距是非常有限的，即使能穩(wěn)定地控制飛行，但是控制的精度也很可能滿足不了航拍的需求，控制距離越遠(yuǎn)，控制精度越差。還有，對于不同的拍攝需求，以及面臨不同的拍攝環(huán)境或條件，人為飛行控制更是難上加上，甚至根本不可能實(shí)現(xiàn)。飛行控制系統(tǒng)是目前實(shí)現(xiàn)簡單操控和精準(zhǔn)飛行的必備武器。

一、飛行控制系統(tǒng)的主要部件組成

飛行控制系統(tǒng)一般主要由主控單元、IMU（慣性測量單元）、GPS指南針模塊、LED指示燈模塊等部件組成。

1、主控單元是飛行控制系統(tǒng)的核心，通過它將IMU、GPS指南針、舵機(jī)和遙控接收機(jī)等設(shè)備接入飛行控制系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)飛行器自主飛行功能。除了輔助飛行控制以外，某些主控器還具備記錄飛行數(shù)據(jù)的黑匣子功能，比如：DJI的Ace One。主控單元還能通過USB接口，進(jìn)行飛行參數(shù)的調(diào)節(jié)和系統(tǒng)的固件升級。

2、IMU（慣性測量單元），包含3軸加速度計、3軸角速度計和氣壓高度計，是高精度感應(yīng)飛行器姿態(tài)、角度、速度和高度的元器件集合體，在飛行輔助功能中充當(dāng)極其重要的角色

3、 GPS指南針模塊，包含GPS模塊和指南針模塊，用于精確確定飛行器的方向及經(jīng)緯度。 對于失控保護(hù)自動返航，精準(zhǔn)定位懸停等功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

4、LED指示燈模塊，用于實(shí)時顯示飛行狀態(tài)，是飛行過程中必不可少的，它能幫助飛手實(shí)時了解飛行狀態(tài)。

無人機(jī)控制系統(tǒng)由四部分組成：

嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)、GPS 接收模塊、IMU、接口。

方案特點(diǎn)：

姿態(tài)和速度控制，正常情況下使用姿態(tài)穩(wěn)定和速度控制，在出現(xiàn)較大的干擾情況下使用速度穩(wěn)定和姿態(tài)控制，大大增加了飛行安全；實(shí)現(xiàn)了遙控手柄、航路點(diǎn)和地形匹配引導(dǎo)功能?？梢杂赏猸h(huán)生成內(nèi)環(huán)控制指令；通過擴(kuò)展卡爾曼（EKF）濾波實(shí)現(xiàn)GPS/INS 捷聯(lián)組合導(dǎo)航；對飛行負(fù)載、重心等變化的自適應(yīng)性，大大提高了飛行精度和飛行安全；3M數(shù)據(jù)記錄空間；導(dǎo)航算法對震動和其他干擾適應(yīng)能力強(qiáng)。即使在惡劣的震動情況下也能得到滿意的導(dǎo)航數(shù)據(jù)；使用VxWorks 或uCOS 操作系統(tǒng)，實(shí)時強(qiáng)，可靠性高，方便裁減，方便在不同硬件平臺上移植。對硬件的依賴性低。

二、無人機(jī)上常用的傳感器

江西翼眸科技有限公司無人機(jī)飛控系統(tǒng)常用的傳感器包括角速率傳感器、姿態(tài)傳感器、航向傳感器、高度空速傳感器、飛機(jī)位置傳感器、迎角傳感器、過載傳感器等。傳感器的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的控制需要，在控制律初步設(shè)計與仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

1、角速率傳感器

角速率傳感器是飛控系統(tǒng)的基本傳感器之一，用于感受無人機(jī)繞機(jī)體軸的轉(zhuǎn)動角速率，以構(gòu)成角速率反饋，改善系統(tǒng)的阻尼特性、提高穩(wěn)定性。 角速率傳感器的選擇要考慮其測量范圍、精度、輸出特性、帶寬等。 角速率傳感器應(yīng)安裝在無人機(jī)重心附近、一階彎振的波節(jié)處，安裝軸線與要感受的機(jī)體軸向平行，并特別注意極性的正確性。

2、姿態(tài)、航向傳感器

姿態(tài)傳感器用于感受無人機(jī)的俯仰和滾轉(zhuǎn)角度，航向傳感器用于感受無人機(jī)的航向角。姿態(tài)、航向傳感器是無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)姿態(tài)航向穩(wěn)定與控制功能。 姿態(tài)、航向傳感器的選擇要考慮其測量范圍、精度、輸出特性、動態(tài)特性等。 姿態(tài)、航向傳感器應(yīng)安裝在飛機(jī)重心附近，振動盡可能要小，有較高的安裝精度要求。 對于磁航向傳感器要安裝在受鐵磁性物質(zhì)影響最小且相對固定的地方，安裝件應(yīng)采用非磁性材料制造。

3、高度、空速傳感器（或大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)）

高度、空速傳感器（或大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)）用于感受無人機(jī)的飛行高度和空速，是高度保持和空速保持的必備傳感器。一般和空速管、通氣管路構(gòu)成大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

高度、空速傳感器的選擇主要考慮測量范圍和測量精度。其安裝一般要求在空速管附近，盡量縮短管路。

4、飛機(jī)位置傳感器

飛機(jī)位置傳感器用于感受飛機(jī)的位置，是飛行軌跡控制的必要前提。慣性導(dǎo)航設(shè)備、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)是典型的位置傳感器。 飛機(jī)位置傳感器的選擇一般考慮與飛行時間相關(guān)的導(dǎo)航精度、成本和可用性等問題。 慣性導(dǎo)航設(shè)備有安裝位置和較高的安裝精度要求，GPS接收機(jī)的安裝主要應(yīng)避免天線的遮擋問題。

三、無人機(jī)的主要功能

1、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位懸停

飛行控制系統(tǒng)，由于配置有GPS指南針模塊，可以實(shí)現(xiàn)鎖定經(jīng)緯度和高度的精準(zhǔn)定位。即使碰到有風(fēng)或者其它外力的作用下，飛行控制系統(tǒng)也能通過主控制單元發(fā)出的定位指令來自主控制飛行器以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位懸停。

2、智能失控保護(hù)/自動返航降落

飛行控制系統(tǒng)能自動記錄返航點(diǎn)，當(dāng)飛行過程中，出現(xiàn)控制信號丟失，即無線遙控控制鏈路中斷的情況，飛行控制系統(tǒng)能自動計劃返航路線，實(shí)現(xiàn)自動返航和降落，使飛行或航拍更加安全可靠。

3、低電壓報警或自動返航降落

由于多旋翼飛行系統(tǒng)普遍采用電池供電的方式，巡航時間有限。為保證更高效地完成飛行作業(yè)任務(wù)，飛行控制系統(tǒng)的低電壓報警功能會及時通過LED指示燈提醒飛手當(dāng)前的電壓狀態(tài)，在緊急的情況下，還可以實(shí)現(xiàn)自主返航或者降落，以保證整個飛行系統(tǒng)的安全。

4、內(nèi)置（兩軸）云臺增穩(wěn)功能

云臺系統(tǒng)作為無人機(jī)航拍不可缺少的設(shè)備，主要用以穩(wěn)定相機(jī)，從而拍攝出穩(wěn)定流暢的畫面。越來越多的人采用無人機(jī)航拍，主要是因?yàn)槠涑杀据^低，性價比相對較高。除了無人機(jī)飛行系統(tǒng)以外，還需要掛載攝像設(shè)備來實(shí)現(xiàn)航拍。如果直接將攝像設(shè)備進(jìn)行硬連接，會導(dǎo)致拍攝畫面抖動或果凍，這樣的素材即使通過軟件后期調(diào)試也基本不能使用。

5、可擴(kuò)展地面站功能

飛行控制系統(tǒng)還可擴(kuò)展成更加強(qiáng)大的地面站功能，從而實(shí)現(xiàn)超視距全自主飛行。通過地面控制終端，可提前設(shè)定飛行航線，高度及速度等參數(shù)，一鍵即可實(shí)現(xiàn)從起飛、航線飛行，返航降落等全自主飛行功能。

地面站系統(tǒng)擁有3D地圖，可視化飛行儀表，提供飛機(jī)姿態(tài)、坐標(biāo)、速度、角度等實(shí)時飛行數(shù)據(jù)，同時也提供飛機(jī)及飛控系統(tǒng)狀態(tài)信息。

6、智能方向控制

智能方向控制（IOC, Intelligent Orientation Control），分為航向鎖定和返航點(diǎn)鎖定，是一種為多旋翼飛行器量身定制的輔助方向控制功能。在無法辨別飛行器方向的時候，可充分利用該功能對飛行器的方向進(jìn)行控制。

7、熱點(diǎn)環(huán)繞（POI）

熱點(diǎn)環(huán)繞（POI，Point of Interest）功能，在GPS信號良好的情況下，可以通過撥動遙控器上預(yù)先設(shè)置好的開關(guān)，將飛行器當(dāng)前所在的坐標(biāo)點(diǎn)記錄為熱點(diǎn)。

以熱點(diǎn)為中心，在半徑5米至500米的范圍內(nèi)，只需要發(fā)出橫滾的飛行指令，飛行器就會實(shí)現(xiàn)360度的熱點(diǎn)環(huán)繞飛行，機(jī)頭方向始終指向熱點(diǎn)的方向。該功能設(shè)置簡單，使用方便，可實(shí)現(xiàn)對固定的景點(diǎn)進(jìn)行全方位拍攝的應(yīng)用。

8、斷槳保護(hù)功能（六軸及以上的機(jī)型）

斷槳保護(hù)功能是指在姿態(tài)或GPS姿態(tài)模式下，飛機(jī)意外缺失某一螺旋槳動力輸出時，飛機(jī)可以采用犧牲航向軸控制的辦法，繼續(xù)保持飛行水平姿態(tài)。此時飛機(jī)可以繼續(xù)被操控，并安全返航。這一設(shè)計大大降低了炸機(jī)的風(fēng)險。