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2023-07-05
无人机控制器的功能与姿态控制
【摘要】：2）计算控制量控制器模块根据任务要求，检查当下的无人机状态。无人机的姿态控制是通过无刷电动机驱动定距桨旋转来实现的，因此本质上是电动机调速问题，控制器模块需要根据实际的控制情况输出正确的控制信号使螺旋桨按照期望的转速进行旋转。
图5.15 使用PC104的导航控制系统（图片来源：参考文献[3]）
在飞行控制系统中，控制器模块的功能一般包含三部分：飞行与地面数据处理，控制量计算，控制信号输出。
1）飞行器与地面间的数据处理
无人机飞行控制系统的整个信号流程可简述为：通过信号接收模块获取地面传来的任务指令或操作指令，将相应数据传输给控制器模块，与此同时反馈模块中包含的各种传感器也会把无人机状态信息以数据的形式反馈回控制器（请思考问题：在你使用过或者感兴趣的无人机系统中，针对无人机本身反馈的数据有哪些？）。然而此时的原始信息并不能直接使用，控制器模块需要对这些数据进行处理，如通过陀螺仪、加速度计传输而来的无人机飞行姿态数据，需要在控制器中通过滤波算法“过滤”掉其中的“杂质”并对残缺的信号进行“补偿”（或估计）（请思考问题：数据干扰来源有哪些？为什么需要对某些数据进行估计？），然后通过相应的数据融合算法，形成控制器能够使用的姿态信息。
2）计算控制量
控制器模块根据任务要求，检查当下的无人机状态。比如某项任务要求无人机以ur（m/s）的速率飞到坐标为[Xr，Yr，Zr]的位置，这时根据传感器反馈回来的状态信息计算得到当下无人机速率状态为u（m/s），所处位置为[X，Y，Z]，因此任务要求和无人机当下的状态并不相同，这就会形成一个状态偏差：e，控制器模块需要根据“飞行控制算法”向着消除“偏差”的方向给出计算出的控制量来修正无人机状态。
3）输出控制信号
控制器模块计算出的控制量是根据处理过的姿态和任务目标得到的数值量，必须转化为无人机系统中的实际控制量。无人机的姿态控制是通过无刷电动机驱动定距桨旋转来实现的，因此本质上是电动机调速问题，控制器模块需要根据实际的控制情况输出正确的控制信号使螺旋桨按照期望的转速进行旋转。（请读者思考：控制信号输出一直到驱动螺旋桨旋转都经过了哪些模块？这些模块的输入输出数据分别是什么类型？）
图5.16 作为在具体农业需求下设计的空中智能机器人系统，植保机的各个部分都与任务实现息息相关（图片来源：拓攻科技）
随着无人机在不同行业中的介入逐渐加深，无人机系统范畴也在逐渐外延，无人机飞控模块要处理的数据种类、数据量都在不断增加。以往无人机飞控模块只需处理与无人机本身姿态控制相关的反馈信息并实现无人机姿态控制目标即可，但在当下及未来的无人机应用中，飞控模块势必根据应用需求处理更多任务数据如图像数据、液位数据等，也会需要控制器模块计算更多部件的控制输出如云台，喷灌系统等。这会在设计、算法、功能等方面对控制模块提出更多要求。
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