2.1　无人机部件组成

无人机（UAV）是无人驾驶飞机的简称，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。从技术角度定义，无人机可以分为无人固定翼飞机、无人垂直起降飞机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等。按飞行平台构型的不同，无人机可分为固定翼无人机、旋翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机等。无人机系统通常由飞机平台系统、信息采集系统和地面控制系统组成。

遥感无人机的工作流程有以下5个特点。

① 优越的开始界面。可快捷实现任务的规划，进入任务监控界面，实现航拍任务的快速自动归档，各功能划分开来，实现软件运行的专一而稳定。

② 可靠的航前检查。为保证任务的安全进行在起飞前必须结合飞行控制软件进行自动检测，确保飞机的GPS、罗盘、空速管及其俯仰翻滚等状态良好，避免在航拍中危险情况的发生。

③ 合理的飞行任务规划。可在区域空照、导航、混合三种模式下进行飞行任务的规划。

④ 精准的航飞监控。可实时掌握飞机的姿态、方位、空速、位置、电池电压、即时风速风向、任务时间等重要状态，便于操作人员实时判断任务的可执行性，进一步保证任务的安全。

⑤ 良好的影像拼接。航拍任务完成后可对导航航拍影像进行研究区域的影像拼接。

2.1.1　典型的无人机系统

典型的无人机结构见图2-1-1，其组成见表2-1-1。

（1）控制系统

① 飞控。飞控（见图2-1-2）全称飞行控制系统。主要由陀螺仪（飞行姿态感知）、加速计、地磁感应飞控、气压传感器（悬停高度粗略控制）、超声波传感器（低空高度精确控制或避障）、光流传感器（悬停水平位置精确确定）、GPS模块（水平位置高度粗略定位）、以及控制电路组成。主要的功能就是自动保持飞机的正常飞行姿态。常见飞控有MWC、KK飞控、APM、PIXHAWK、CC3D、Naze32、F3/F4、KISS/LUX；常用的调参软件有Cleanflight、Betaflight。

② 分电板。分电板（见图2-1-3）是用于连接电池、电子调速器的电路板，将电分为四路。现在很多分电板都带BEC输出，功能更加丰富强大，集成功能更多。功能有LED控制、追踪、低电压报警等。

③ 接收机。接收机见图2-1-4。常见接收机接口及其特征见表2-1-2。

④ 遥控器（见图2-1-5）。遥控器通道是指遥控设备可以同时控制的动作数量。通道越多，可操作的动作越多，但是相应价格也越贵；通常应以够用为原则。遥控器品牌很多，国内的有睿思凯（FrSky）、富斯（FlySky）、WFLY、天地飞、乐迪（RadioLink）、华科尔、迈凯隆；国外的有Futaba、JR、Spektrum。

（2）动力系统

① 电调。电调（见图2-1-6）全称电子调速器，可以分为无刷电机电调和有刷电机电调。作用是驱动电机、调整电机的转速，还有些电调能直接为接收机等供电。选择电调考虑的参数是电流10A、20A、30A，支持电池2S、3S。

② 电机（见图2-1-7）。无人机常用的发动机是直流电机（马达），直流电机可以分有刷电机和无刷电机。有刷电机的缺点可概括为以下4点，即电刷和换向器之间有摩擦，造成效率降低、噪声增加、容易发热，有刷电机的寿命要比无刷短；维护麻烦，需要不停地换电刷；因为电阻大，效率低、输出功率小；电刷和换向器摩擦会引起火花，干扰大。有刷电机的优点可概括为以下3点，即低速扭力性能优异、转矩大；相比无刷电机，少了很多电子零件，价格比无刷的便宜；由于少了电子零件，少了传感器受干扰、电子零件失灵等的影响。无刷电机的缺点可概括为以下2点，即需要与无刷电调一起才能工作，价格比有刷的要高；可靠性受电子零件影响，或者传感器受到干扰，电机会失效。无刷电机的优点可概括为以下4点，即没有电刷和转向器的摩擦，噪声低、振动少，发热少、寿命长；不需要更换电刷，维护简单；没有电刷产生的火花，干扰少；转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小。

③ 桨叶（见图2-1-8）。对于有动力飞行器来说，除了使用喷气式发动机外，其余都需要螺旋桨产生拉力。螺旋桨的好坏直接影响到无人机的性能。螺旋桨两个桨尖之间的距离，也就是螺旋桨旋转时候最大的旋转面的直径。同一个转速的螺旋桨，螺旋桨直径越大，拉力也越大。

④ 电池（见图2-1-9）。有多种航模电池：镍镉电池、镍氢电池、锂电池等。镍镉/镍氢电池有记忆效应，能量密度比锂电池小，航模的动力电池基本是用锂电池。电池使用应注意以下4个问题，即电池不能短路，线破了一定要包好；组装飞机电池线一定要扎好，防止被桨叶打坏；电池不能过放，一般使用单节电池的电压不要低于3.3V（设置报警蜂鸣器或把握飞行时间）；电池使用完，一段时间不用必须将电充到单节3.7V，3S充到11.7V左右保存。

（3）视频传输

① 摄像头、图传、OSD。摄像头见图2-1-10，图传见图2-1-11。摄像头和图传的使用应遵守以下4条规定，即图传系统和摄像头系统分开，只需单独供电，摄像头的视频输出线和图传的对接；接线前一定要考虑摄像头和图传的供电电压，将其控制在允许范围之内，否则会烧坏；图传上电前一定要接好天线；选天线注意公头母头对应。OSD的作用是将飞控的数据信息叠加在视频里（图2-1-12）；使用方法是将OSD与飞控通过串口连接，OSD的视频输入接摄像头，视频输出接图传接收屏、FPV眼镜。

② 接收屏、FPV眼镜。接收屏见图2-1-13，FPV眼镜见图2-1-14。接收原理是将图传和接收屏调到同一个频率上，即可收到视频。

（4）机架

在选择或者制作多轴飞行器时，首先考虑的是机架（见图2-1-15）。因为机架的轴数、轴距决定了飞行器的最大拉力。多轴飞行器的姿态全由电机和螺旋桨决定，没有固定翼飞机中产生升力的机翼，所以多轴飞行器的机架相对简单很多。多轴飞行器的轴数大于等于3，有3轴、4轴、6轴、8轴等。每个轴配一个电机，所以理论上轴越多，能提供的电机拉力越大。

整个无人机体系见图2-1-16。

2.1.2　典型的无人机飞控系统

飞行控制系统（Flight Control System）简称飞控，可以看作飞行器的大脑。多轴飞行器的飞行、悬停、姿态变化等都是由多种传感器将飞行器本身的姿态数据传回飞控，再由飞控通过运算和判断下达指令，由执行机构完成动作和飞行姿态调整。飞控可以理解成无人机的CPU系统，是无人机的核心部件，其功能主要是发送各种指令，并且处理各部件传回的数据。类似于人体的大脑，对身体各个部位发送指令，并且接收各部件传回的信息，运算后发出新的指令。例如，大脑指挥手去拿一杯水，手触碰到杯壁后，因为水太烫而缩回，并且将此信息传回给大脑，大脑会根据实际情况重新发送新的指令。下面以四旋翼无人机（见图2-1-17）为例谈一下无人机的飞行原理及控制方法。

（1）原理

四旋翼无人机一般是由检测模块、控制模块、执行模块以及供电模块组成的，见图2-1-18。检测模块对当前姿态进行量测；执行模块则是对当前姿态进行解算，优化控制，并对执行模块产生相对应的控制量；供电模块对整个系统进行供电。四旋翼无人机机身是由对称的十字形刚体结构构成，材料多采用质量轻、强度高的碳素纤维；在十字形结构的四个端点分别安装一个由两片桨叶组成的旋翼，为飞行器提供飞行动力，每个旋翼均安装在一个电机转子上，通过控制电机的转动状态控制每个旋翼的转速，来提供不同的升力以实现各种姿态；每个电机均又与电机驱动部件、中央控制单元相连接，通过中央控制单元提供的控制信号来调节转速大小；IMU惯性测量单元为中央控制单元提供姿态解算的数据，机身上的检测模块为无人机提供了解自身位姿情况最直接的数据，为四旋翼无人机最终实现复杂环境下的自主飞行提供了保障。

将位于四旋翼无人机机身同一对角线上的旋翼归为一组，前后端的旋翼沿顺时针方向旋转，从而可以产生顺时针方向的扭矩；而左右端旋翼沿逆时针方向旋转，从而产生逆时针方向的扭矩，如此四个旋翼旋转所产生的扭矩便可相互之间抵消掉。由此可知，四旋翼飞行器的所有姿态和位置的控制都是通过调节四个驱动电机的速度实现的。一般来说，四旋翼无人机的运动状态主要分为悬停、垂直运动、翻滚运动、俯仰运动以及偏航运动。

① 悬停（见图2-1-19）。悬停状态是四旋翼无人机具有的一个显著的特点。在悬停状态下，四个旋翼具有相等的转速，产生的上升合力正好与自身重力相等，并且因为旋翼转速大小相等，前后端转速和左右端转速方向相反，从而使得飞行器总扭矩为零，使得飞行器静止在空中，实现悬停状态。

② 垂直运动（见图2-1-20）。垂直运动是运动状态中较为简单的一种，在保证四旋翼无人机每个旋翼旋转速度大小相等的情况下，同时对每个旋翼增加或减小大小相等的转速，便可实现飞行器的垂直运动。当同时增加四个旋翼转速，使得旋翼产生的总升力大小超过四旋翼无人机的重力时，四旋翼无人机便会垂直上升；反之，当同时减小旋翼转速，使得旋翼产生的总升力小于自身重力时，四旋翼无人机便会垂直下降。从而实现四旋翼无人机的垂直升降控制。

③ 翻滚运动（见图2-1-21）。翻滚运动是在保持四旋翼无人机前后端旋翼转速不变的情况下，通过改变左右端的旋翼转速，使得左右旋翼之间形成一定的升力差，从而使得沿飞行器机体左右对称轴上产生一定力矩，导致在方向上产生角加速度实现控制的。如图2-1-21 所示，增加旋翼1的转速，减小旋翼3的转速，则飞行器向右侧倾斜飞行；相反，减小旋翼1的转速，增加旋翼3的转速，则飞行器向左倾斜飞行。

④ 俯仰运动（见图2-1-22）。四旋翼飞行器的俯仰运动和翻滚运动相似，是在保持机身左右端旋翼转速不变的前提下，通过改变前后端旋翼转速形成前后旋翼升力差，从而在机身前后端对称轴上形成一定力矩，产生角方向上的角加速度实现控制的。如图2-1-22所示，增加旋翼2的转速，减小旋翼4的转速，则飞行器向前倾斜飞行；反之，则飞行器向后倾斜。

⑤ 偏航运动（见图2-1-23）。四旋翼无人机的偏航运动是通过同时两两控制四个旋翼转速实现控制的。保持前后端或左右端旋翼转速相同时，其便不会发生俯仰或翻滚运动；而当每组内的两个旋翼与另一组旋翼转速不同时，由于两组旋翼旋转方向不同，便会导致反扭矩力的不平衡，此时便会产生绕机身中心轴的反作用力，引起角加速度。如图2-1-23所示，当前后端旋翼的转速相等并大于左右端旋翼转速时，因为前者沿顺时针方向旋转，后者相反，总的反扭矩沿逆时针方向，反作用力沿逆时针方向作用在机身中心轴上，引起逆时针偏航运动；反之，则会引起飞行器的顺时针偏航运动。

综上所述，四旋翼无人机的各个飞行状态的控制是通过控制对称的四个旋翼的转速，形成相应不同的运动组合实现的。但是在飞行过程中却有六个自由度输出，因此它是一种典型的欠驱动、强耦合的非线性系统。例如，减小旋翼1的转速会导致无人机向左翻滚，同时逆时针转动的力矩会大于顺时针的力矩，从而进一步使得无人机向左偏航，此外翻滚又会导致无人机的向左平移。可以看出，四旋翼无人机的姿态和平动是耦合的。

（2）四旋翼无人机自主飞行的控制

四旋翼无人机的精确航迹跟踪是实现无人机自主飞行的基本要求。由于四旋翼无人机自身存在姿态与平动的耦合关系以及模型参数不确定性与外界扰动，因此只有实现姿态的稳定控制才能完成航迹的有效跟踪。在四旋翼无人机的自主控制系统中，姿态稳定控制是实现飞行器自主飞行的基础。其任务是控制四旋翼无人机的三个姿态角（俯仰角、翻滚角、偏航角）稳定地跟踪期望姿态信号，并保证闭环姿态系统具有期望的动态特性。由于四旋翼无人机姿态与平动的耦合特点，分析可以得知，只有保证姿态达到稳定控制，才使得旋翼总升力在期望的方向上产生分量，进而控制飞行器沿期望的航迹方向飞行。而四旋翼无人机的姿态在实际飞行环境中会受到外界干扰和不精确模型的参数误差、测量噪声等未建模动态对控制效果的影响。所以，需要引入适当的观测器和控制器对总的不确定性进行估计和补偿，并对其估计的误差进行补偿，来保证四旋翼无人机在外界存在干扰时对姿态的有效跟踪。四旋翼无人机的姿态控制应根据其实际的工作特性以及动力学模型，进而针对姿态的三个通道（俯仰、翻滚和偏航）分别设计姿态控制器，每个通道中都对应引入相应的控制器，其流程如图2-1-24所示。

以上方法可以基本保证每个通道的实际姿态值接近期望值。但是，在只考虑对模型本身进行控制时，没有考虑到外部不确定性对闭环系统的影响。微小型无人机在飞行时，由于机体较小，电机的振动较强，很容易受到外界环境的干扰。因此，整个通道中必然存在不确定因素，比如模型误差、环境干扰、观测误差等，这些不确定性将降低系统的闭环性能。所以在设计无人机控制系统时，必须要考虑系统的抗干扰性能，即闭环系统的鲁棒性。因此需要设计一定的干扰补偿器对干扰进行逼近和补偿，以实现姿态角的稳定跟踪（见图2-1-25）。

只有在保证飞机姿态可以保持稳定时才能进一步讨论如何控制路径保持稳定。在时间尺度上进行分析，飞机的姿态角变化的频率要大于飞机位置变化的频率。所以，针对轨迹跟踪应当使用内外双环控制，内环控制姿态角，外环控制位置。

（3）无人机飞控系统组成及作用

① IMU（惯性测量单元，见图2-1-26）。现在的飞控内部使用的都是由三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁传感器和气压计组成的一个IMU，即惯性测量单元。

三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁传感器中的三轴指的就是飞机左右、前后、垂直方向这三个轴，一般都用X、Y、Z来代表。左右方向在飞机中叫作翻滚，前后方向在飞机中叫作俯仰，垂直方向就是Z轴。

陀螺，在不转动的情况下它很难站在地上，只有转动起来了，它才会站立在地上；又比如自行车，轮子越大越重的自行车就越稳定，转弯的时候明显能够感觉到一股阻力。这就是陀螺效应。根据陀螺效应，人们发明出陀螺仪。最早的陀螺仪是一个高速旋转的陀螺，通过三个灵活的轴将这个陀螺固定在一个框架中，无论外部框架怎么转动，中间高速旋转的陀螺始终保持一个姿态。通过三个轴上的传感器就能够计算出外部框架旋转的度数等数据。但是这种陀螺仪由于成本高、机械结构复杂，现在已被电子陀螺仪代替。电子陀螺仪（见图2-1-27）的优势就是成本低，体积小，重量轻（只有几克重），稳定性还有精度都比机械陀螺仪高。陀螺仪在飞控中起到的作用就是测量X、Y、Z三个轴的倾角。

三轴陀螺仪有X、Y、Z三个轴，三轴加速度计也有X、Y、Z三个轴。开车起步的一瞬间会感到背后有一股推力，这股推力就体现了加速度。加速度是速度变化量与发生这一变化时间的比值，是描述物体速度变化快慢的物理量，单位是m/s²。例如一辆车在停止状态下，它的加速度是0m/s²，起步后，速度从0m/s到10m/s，用时10s，1m/s²就是这辆车的平均加速度，如果车以10m/s的速度行驶，它的加速度就是0m/s²；同样，用10s的时间减速，从10m/s减速到5m/s，那么它的加速度的值就是负数。三轴加速度计就是测量飞机X、Y、Z三个轴的加速度的。

地磁传感器（见图2-1-28）就是一个感知地磁的电子指南针，它可以让飞机知道自己的飞行朝向、机头朝向，找到任务位置和家的位置。

气压计是测量当前位置大气压的。高度越高、气压越低（这就是人到高原之后会有高原反应的原因），气压计通过测量不同位置的气压，计算压差获得当前的高度。

这些就是整个IMU惯性测量单元，它在飞机中起到的作用就是感知飞机姿态的变化，例如飞机当前是前倾还是左右倾斜，机头朝向、高度等最基本的姿态数据。飞控最基本的功能是控制一架飞机在空中飞行时的平衡，其特点是由IMU测量，感知飞机当前的倾角数据，通过编译器编译成电子信号，将这个信号通过信号线实时传输给飞控内部的单片机，单片机负责的是运算，根据飞机当前的数据，计算出一个补偿方向、补偿角，然后将这个补偿数据编译成电子信号，传输给舵机或电机，电机或舵机再去执行命令，完成补偿动作，然后传感器感知到飞机平稳了，将实时数据再次给单片机，单片机会停止补偿信号，这就形成了一个循环，大部分飞控基本上都是10Hz的内循环，也就是1s刷新十次。

以上就是飞控最基本的功能，如果没有此功能，当一个角一旦倾斜，那么飞机就会快速地失去平衡，导致坠机；或者没有气压计，测量不到自己的高度，就会一直加油门或者一直降油门。其次，固定翼飞控还有空速传感器。空速传感器一般位于机翼上或机头，但不会在螺旋桨后边。空速传感器就是两路测量气压的传感器，一路测量静止气压，一路测量迎风气压，再计算迎风气压与静止气压的压差就可以算出当前的空气流速。

② GPS定位（见图2-1-29）。有了最基本的平衡、定高和指南针等功能，还不足以让一架飞机能够自主导航，就像去某个商场，首先需要知道商场的位置，知道自己的位置，然后再根据交通情况规划路线。飞控亦然，首先飞控需要知道自己所在位置，那就需要定位。现在定位系统有GPS、北斗、手机网络等，但是这里面手机网络定位是最差的，误差小的话有几十米，大的话会达到上千米，这种误差是飞控无法接受的。由于GPS定位系统应用较早，再加上是开放的，所以大部分飞控采用的定位系统都是GPS，也有少数采用北斗定位的。定位精度基本都在3m以内，一般开阔地精度可达50cm左右。因环境干扰，或建筑物、树木之类的遮挡，定位效果可能会差，很有可能定位的是虚假信号，这也就是民用无人机频频坠机、飞丢的一个主要原因。

GPS定位的原理就是三点定位。天上的GPS定位卫星在距离地球表面2万多km高度处，它们所运动的轨道正好形成一个网状面，也就是说在地球上的任意一点都可以同时收到3颗以上卫星的信号。卫星在运动的过程中会一直不断地发出电波信号，信号中包含数据包，其中就有时间信号。GPS接收机（见图2-1-30）通过解算来自多颗卫星的数据包，以及时间信号，可以清楚地计算出自己与每一颗卫星的距离，使用三角向量关系计算出自己所在的位置。GPS定位了、数据有了，这个信号还会通过一个编译器再次编译成一个电子信号传给飞控，让飞控知道自己所在的位置、任务的位置和距离、家的位置和距离以及当前的速度和高度，然后再由飞控驾驶飞机飞向任务位置或回家。

前已叙及，GPS能够测速也能够测高度，为什么还要有气压计和空速计呢？其原因是为了消除误差，飞机飞起来是不与地面接触的，直接接触的是空气，假设飞行环境是无风的环境，飞机在地面滑跑加速，加速到20m/s的速度然后再拉升降舵起飞，这样GPS测量到的数值是准确的。但是若逆风，则机翼与空气相对的运动达到了一定的速度才能够产生一定的升力让飞机起飞，如果逆风环境下，设风速10m/s，则飞机只需要加速到10m/s就可以正常离地了，如果加速到20m/s则相对空气的速度已经达到了30m/s，或者说顺风起飞，设风速20m/s，飞机GPS测速也达到了20m/s的速度，这个时候拉升降舵则飞机不会动，因为相对空气速度是0m/s，达不到起飞条件，必须加速到40m/s的时候才能达到起飞升力。空速计的作用不言自明，而GPS测量的只是地速。前已叙及，GPS也可以定高，GPS定位精度是3m以内，也就是说飞控能感知到的是平面方向误差的两倍，信号不好的话十几米的误差都有可能发生，甚至还有GPS不定位的情况发生。另外，GPS定高数据是大地高度（类似海拔）而不是地面垂直高度，所以GPS定高在飞控中是不管用的。有了GPS，飞控能获得飞机位置了，但飞控上的任务位置以及家的位置，飞控是怎么知道的呢？这就是地面站的作用了。

（4）地面站

地面站就是在地面的基站，也就是飞机的指挥部。地面站可以分为单点地面站或者多点地面站，比如民航机场就是多点地面站，全国甚至全球所有的地面站都在实时联网，它们能够清楚地知道在天上飞行的飞机的位置，并能实时监测到飞机当前的飞行路线、状况以及飞机的实时调度等。日常生活中常见的无人机大部分都是单点地面站的，单点地面站一般由一到多个人值守，有技术员、场务人员、后勤员、通信员、指挥员等人。而玩具无人机则一般都是一个人值守的。

地面站设备（见图2-1-31）一般都是由遥控器、电脑、视频显示器、电源系统、电台等设备组成的。一般情况下，简单的地面站就是一台电脑、一个电台、一个遥控器。电脑上装有控制飞机的软件，通过航线规划工具规划飞机飞行的线路并设定飞行高度、飞行速度、飞行地点、飞行任务等，通过数据口连接的数传电台将任务数据编译传送至飞控中。数传电台就是数据传输电台，类似我们的嘴巴和耳朵，其过程好比领导说今天做什么任务，我们接收到任务并回答，然后再去执行任务，执行任务时的情况应实时汇报给领导，这其中通信靠的就是嘴巴和耳朵。数传电台就是飞机与地面站通信的一个主要工具，一般的数传电台采用的接口协议有TTL接口、RS485接口和RS232接口，当然也有一些采用CAN-BUS总线接口。使用数传电台的最终目的是达到飞机与电脑间通信的要求，电脑给飞机的任务、飞机实时飞行高度以及速度等很多数据都会通过它来传输，以方便我们实时监控飞机情况并根据需要随时修改飞机航向。

整套无人机飞控工作原理就是地面站开机，规划航线，给飞控开机，上传航线至飞控，再设置自动起飞及降落参数，比如起飞时离地速度、抬头角度（起飞攻角，也称迎角）、爬升高度、结束高度、盘旋半径或直径、清空空速计等，然后检查飞控中的错误、报警，一切正常，开始起飞，盘旋几周后再开始飞向任务点，执行任务，最后再降落。一般在郊外建议采用伞降或手动滑降，具体应根据场地情况进行选择。飞机在飞行过程中如果偏离航线，飞控就会一直纠正这个错误，一直修正直到复位为止。

2.1.3　无人机飞控系统的主要功能

（1）飞行状态

飞控系统主要用于飞行姿态控制和导航。对于飞控而言，首先要知道飞行器当前的状态，比如三维位置、三维速度、三维加速度、三轴角度和三轴角速度等，总共15个量。由于多旋翼飞行器本身是一种不稳定的系统，要对各个电机的动力进行超高频率地不断调整和动力分配，才能实现稳定悬停和飞行，所以，对于航拍无人机（见图2-1-32）来说，即使是最简单的放开摇杆飞行器自主悬停的动作，也需要飞控持续监控这15个量，并进行一系列“串级控制”，才能做到稳定悬停，这一点看起来很简单，但飞控系统里面的运算其实是非常复杂的。飞控系统最基础也最难控制的技术其实就是要准确地感知这一系列状态，如果这些感知数据存在问题或者有误差都会导致无人机做出一些非正常的动作。目前，无人机一般使用GPS、IMU（惯性测量单元）、气压计和地磁指南针来测量这些状态。GPS获取定位、在一些情况下也能获取高度、速度；IMU主要用来测量无人机三轴加速度和三轴角速度，通过计算也能获得速度和位置；气压计用于测量海拔高度；地磁指南针则用于测量航向。由于目前传感器设计水平的限制，这些传感器测量的数据都会产生一定的误差并可能会受到环境的干扰，从而影响状态估计的精度。为了保障飞行性能，就需要充分利用各传感器数据共同融合出具有高可信度的15个状态，即组合导航技术。组合导航技术结合GPS、IMU、气压计和地磁指南针各自的特点，通过电子信号处理领域的技术，融合多种传感器的测量值，获得更精准的状态测量。

（2）组合导航

为了提升航拍无人机的感知能力和飞行性能，除了以上基础传感器方案以外，现在主流的无人机产品都加入了先进的视觉传感器、超声波传感器和IMU与指南针冗余导航系统。双目立体视觉系统可根据连续图像计算出物体的三维位置，除了避障功能以外还能提供定位与测速。机身下方的超声波模块起到辅助定高的作用，而IMU和指南针冗余导航系统在一个元件受到干扰时，会自动切换至另一个传感器，极大提高了组合导航的可靠性。

正是因为这些传感器技术的完美融合，无人机才有了智能导航系统（见图2-1-33），拓展了活动环境，并提升了可靠性。使用传统导航系统的无人机在室内等无GPS的环境中无法稳定飞行，而智能导航系统在GPS信号良好时可通过视觉传感器提升速度和位置测量值的精度；在GPS信号不足的时候，视觉系统可以接替GPS提供定位与测速，让无人机在室内与室外环境中均能稳定飞行。智能导航系统引入了多个传感器，数据量和复杂程度大幅提升，一些无人机公司针对视觉传感器对导航和飞行控制算法进行多次系统重构，增加新的软件模块与架构，全面提升了飞行的性能与可靠性。

（3）控制性能

飞控系统先进的控制算法为航拍无人机的飞行和操控（见图2-1-34）带来了很高的控制品质，比如在普通状态下的表现是控制精度高、飞行稳定、速度快。高速飞行不仅对动力系统有较高的要求，更重要的是飞控要达到很高的控制品质和响应速度，除高速飞行以外，飞行器在悬停和慢速控制上也能达到很高的精度。

另外，在设计飞控时，不仅需要考虑到正常飞行状态的控制精度，比如悬停位置控制精度、姿态控制精度等，还需要加强异常飞行状况的控制品质。比如在飞行器断桨、突然受到撞击、突加负重或被其他外力干扰后，控制恢复能力更强，鲁棒性较强，能够应对很多极端状况，这对于飞行安全性来说尤其重要。

（4）故障诊断

在起飞前或飞行过程中，任何微小故障都有可能引发飞行事故。如果飞控系统能实时不断地进行故障监控与故障诊断，就能大幅降低事故发生的概率。飞控系统可以监控诸如振动、电压、电流、温度、转速等各项飞行状态参数，并通过这些监控特征信号进行故障诊断。但是这些信号往往是复杂且没有明显规律的，只有通过对大量故障数据进行数据挖掘，用深度学习技术建立起飞控故障诊断系统，采用模式识别判定故障发生的概率，这套系统才能判定从空中一直到IMU的故障并诊断，对故障进行早期预报或进行应急处理，使飞行变得更加安全。只有最快速监测并判定故障，同时飞控系统在瞬间采用正确信息进行飞行操控才能确保无人机安全飞行。飞行器其实是在自己“分析并拿主意”，从某种意义上说，这时才是真正的“智能机器人”。

2.1.4　简易型无人机的构成

常见的简易型无人机是四旋翼无人机（见图2-1-35），它主要由机架、电机、电调、螺旋桨、电池、飞行控制器、遥控器构成。

① 机架（见图2-1-36）。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升空的，所以无人机机架的好坏，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方面考察。机架的制作材质一般为塑料、玻璃纤维、碳纤维等。

② 电机（见图2-1-37）。电机是四旋翼无人机的主要动力源，同时与无人机的飞行姿态密切相关。常见的电机按照种类划分为“直流电机”和“交流电机”，四旋翼无人机使用的是直流电机。直流电机的类型大致分为无刷电机和有刷电机，四旋翼无人机大多采用无刷电机。无刷电机转矩特性优异、振动少、噪声低、干扰少。

③ 电调（见图2-1-38）。电调是控制电机转速的调节器，必须与电机相匹配，有刷电机配有刷电调，无刷电机配无刷电调。它根据接收的信号，通过控制器和执行器来改变电能供电的大小，来控制电机的转速。

④ 螺旋桨（见图2-1-39）。螺旋桨是四旋翼无人机的重要部件之一，也是最容易损坏的部件，所以在使用无人机的过程中要常备一副备用螺旋桨以便损坏时更换。

⑤ 电池（见图2-1-40）。电池的种类有很多，但是在四旋翼无人机上使用最多的是锂电池，因为锂电池具有重量轻、容量大、放电倍率大和安全性高的优点。电池的使用过程中要注意以下6点，即不过放、不过充、不满电保存、不损坏外皮、不短路、不淋雨。

⑥ 飞行控制器（见图2-1-41）。其可让无人机能够分析地面端的电脑、手机、遥控器给出的指令，让无人机做出相应的动作并且能够稳定可靠地飞行。

⑦ 遥控器（见图2-1-42）。生活中有各式各样的遥控器，其为一种发射信号的远程控制装置。四旋翼无人机的遥控器和玩具汽车的遥控器比较相似，两个活动的摇杆用来控制无人机起飞降落和方向。

2.1.5　多旋翼无人机系统的构成

图2-1-43所示多旋翼无人机系统主要由机架机身、动力系统、飞控系统、遥控系统、辅助设备系统五部分组成。

① 机架机身。一般选择高强度轻质材料制造，比如玻璃纤维、碳纤维、ABS、PP、尼龙、改性塑料、树脂、铝合金等。无人机所有的设备都是安装在机架机身上面，支架数量也决定了该无人机为几旋翼无人机。

② 动力系统。无人机动力系统就是为无人机提供飞行动力的部件，一般分为油动和电动两种。电动多旋翼无人机是最主流的机型，动力系统由电机、电调、电池三部分组成。无人机使用的电池一般都是高能量密度的锂聚合电池，由于一些客观原因，通常每300g锂电池可以为无人机500g（含电池）自重提供17min飞行时间。氢燃料电池、太阳能电池等受制于现有的技术水平和成本暂时还无法普及。无人机主要在露天作业，对电机、电调系统的稳定性要求较高，需要定期进行检查、保养、防水、防潮。

③ 飞控系统。飞控系统就是无人机的飞行控制系统，不管是无人机自动保持飞行状态（如悬停）还是对无人机的人为操作，都需要通过飞控系统对无人机动力系统进行实时调节。一些高阶的飞控系统除了保证飞机正常飞行的导航功能以外，还有安全冗余、飞行数据记录、飞行参数调整和自动飞行优化等功能。飞控系统是整个无人机的控制核心，主要由飞行控制、加速计、气压计、传感器、陀螺仪、地磁仪、定位芯片、主控芯片等多部件组成。

④ 遥控系统。无人机遥控系统主要由遥控器、接收器、解码器、伺服系统组成。遥控器是操作平台，接收器接到遥控器信号进行解码，分离出动作信号传输给伺服系统，伺服系统则根据信号做出相应的动作。

⑤ 辅助设备系统。辅助设备系统，主要包括无人机外挂平台（简称云台）、外挂轻型相机、无线图像传输系统等。云台是安装在无人机上用来挂载相机的机械构件，能满足三个活动自由度：绕X、Y、Z轴旋转。每个轴心内都安装有电机，当无人机倾斜时，会配合陀螺仪给相应的云台电机加强反方向的动力，防止相机跟着无人机“倾斜”，从而避免相机抖动。云台对于稳定航拍来说起着非常大的作用。外挂轻型相机主要为体积重量小巧、高清晰度相机。无线图像传输系统可在无人机航拍时，将天空中处于飞行状态下无人机拍摄的画面，实时稳定地发送给地面无线图传遥控接收设备。优秀的无线图像传输系统具备传输距离远、传输稳定、图像清晰流畅、抗干扰、抗遮挡、低延时等特性。