导航飞控系统

定义：

导（dǎo）航飞（fēi）控系（xì）统是无人（rén）机的关（guān）键核心系统之一。它在部分情况下，按具体功能又可划分为（wéi）导航（háng）子系统和飞控（kòng）子系统两（liǎng）部（bù）分。

导航（háng）子系（xì）统的功（gōng）能是向无人机（jī）提（tí）供（gòng）相对于所选定的（de）参考坐标系的位置、速（sù）度、飞行姿态、引导无人机沿指定航线（xiàn）安全（quán）、准时、准确地飞行。完善的无人机导航子系统具有以下功能：

（1）获得必要的（de）导航要素，包括高（gāo）度、速（sù）度、姿态、航向；

（2）给出（chū）满足精度要（yào）求的（de）定位信息（xī），包括经度、纬度；

（3）引导飞机（jī）按规定计划飞行；

（4）接收预定任务航（háng）线计划的（de）装定，并对任务航线（xiàn）的执行进行动态（tài）管理；

（5）接收控制站的导航（háng）模式控制指令并执行，具有指令导航模式与预定航（háng）线飞行模式相互切（qiē）换的功能；

（6）具有接收并融合无人机其他设备的辅助导航定位信息（xī）的（de）能力（lì）；

（7）配合其他系统完成各种（zhǒng）任务（wù）

飞控子系统是无（wú）人机（jī）完成起（qǐ）飞、空中（zhōng）飞（fēi）行、执行任（rèn）务（wù）、返厂（chǎng）回收（shōu）等整个飞行过（guò）程的核心系统，对无人（rén）机实现全权（quán）控制与（yǔ）管理，因此（cǐ）飞（fēi）控子系统之于无人机相当于驾驶（shǐ）员（yuán）之于有（yǒu）人机，是无人机执行任务的关键。飞（fēi）控子系（xì）统主要具有如下功能：

（1）无人机姿态稳定与控制；

（2）与导航子系（xì）统协调完成航迹控制；

（3）无人（rén）机起飞（fēi）（发射）与着陆（lù）（回收）控（kòng）制（zhì）；

（4）无人（rén）机飞行管理；

（5）无（wú）人机任务设备管理与控制（zhì）；

（6）应（yīng）急控（kòng）制；

（7）信息（xī）收集与传递。

以上所列的功（gōng）能中（zhōng）第1、4和6项是所有（yǒu）无人（rén）机飞行控制（zhì）系（xì）统所必须（xū）具备（bèi）的功能，而其（qí）他项则不是每一种飞行（háng）控制系统（tǒng）都具备（bèi）的，也不是每一种无人机都需（xū）要的，根据具体无（wú）人（rén）机的（de）种类和型号可（kě）进行选择、裁剪和（hé）组合。

传感（gǎn）器（qì）

无人机导航飞控系统（tǒng）常（cháng）用（yòng）的传感器包（bāo）括角速度率（lǜ）传（chuán）感器、姿（zī）态传感器、位（wèi）置传感器、迎角（jiǎo）侧滑传感器、加速度传（chuán）感（gǎn）器、高度传感器及空速传感器等，这些（xiē）传感（gǎn）器构成无人机（jī）导航（háng）飞（fēi）控系统设计的基础。

1.角（jiǎo）速度（dù）传感器

角速度传感器是飞行（háng）控制系统的基本传（chuán）感器之一，用于感受无人机绕机体（tǐ）轴的转动角速（sù）率，以构成角速度反馈，改善系统的（de）阻（zǔ）尼特性、提高稳（wěn）定性。

角速度传感（gǎn）器的选（xuǎn）择要考虑其测量（liàng）范围（wéi）、精度、输出特性、带宽等。

角速度传（chuán）感器应安装在无人机重心附件，安装轴（zhóu）线（xiàn）与（yǔ）要感（gǎn）受的机体轴向平行（háng），并特（tè）别注意（yì）极（jí）性的正确性。

2.姿态传感（gǎn）器

姿态（tài）传感器用于感（gǎn）受无人机的俯仰、转动和航向角度（dù），用于实现姿态（tài）稳（wěn）定与航向控制（zhì）功能。

姿态传感（gǎn）器的选择要考虑其测量范（fàn）围、精度、输（shū）出特性、动态特性（xìng）等。

姿态传感器（qì）应安装在无人（rén）机重心附近，振动要尽可能小，有较（jiào）高的安装精度要求。

3.高（gāo）度、空速传感器（大气机）

高度、空速传（chuán）感器（大气机（jī））用于感受无人机的飞行高度和空速，是高度保（bǎo）持和空速保持的（de）必备（bèi）传感器。一般和（hé）空速管、同期（qī）管路构成大气数据（jù）系统。

高度、空（kōng）速传感器（大气机）的选择主要（yào）考虑测（cè）量（liàng）范围和测量精度。一般要求其安装在空速（sù）管（guǎn）附近，尽（jìn）量缩短管（guǎn）路。

4.位置传感器

位（wèi）置传感器用于感受（shòu）无（wú）人机的位（wèi）置，是飞行轨迹控制的必（bì）要前提（tí）。惯性导（dǎo）航设备、GPS卫星导航接收机、磁航向传感器（qì）是典型的（de）位（wèi）置（zhì）传感器。

位置传感器的选（xuǎn）择一般要考虑与飞（fēi）行时间相关的（de）导航精度、成本和可（kě）用性等问题。

惯性导航设备有安（ān）装位置和（hé）较高的安（ān）装精度要求，GPS的安装主要应避免天线的遮（zhē）挡问（wèn）题。

磁航向传感（gǎn）器要安装在（zài）受铁磁性物质影响最（zuì）小且（qiě）相对固定（dìng）的地方，安装件应采用非磁性材料制（zhì）造。

飞控计算机

导航飞控计算机，简称飞控计算机，是（shì）导航飞控（kòng）系统的（de）核心部件，从（cóng）无人机飞行（háng）控制（zhì）的（de）角度来看（kàn），飞控计算机应具（jù）备如下（xià）功能：

（1）姿（zī）态稳（wěn）定与控制

（2）导航与制（zhì）导控（kòng）制

（3）自主飞（fēi）行控制（zhì）

（4）自动起飞、着陆控制。

1.飞控（kòng）计（jì）算机类型

飞控计算机按照对信号的处理方（fāng）式，主要（yào）分为模拟（nǐ）式。数据混合式和数字式（shì）、飞控计算（suàn）机三种类型。

现今，随（suí）着数（shù）学电路技术的发展，模拟式飞控计（jì）算机（jī）已基本被数（shù）字式（shì）飞控计算机取代，新研制的无人机飞控系统几乎都（dōu）采用了数（shù）字式飞（fēi）控计（jì）算机。

2.飞（fēi）控计算机余（yú）度

无人机没有人身安（ān）全问题，因此会（huì）综合考虑功能（néng）、任（rèn）务可靠（kào）性要求和（hé）性能价格比（bǐ）来进行余度配（pèi）置设计。就飞控计算机而（ér）言，一（yī）般大、小型无人（rén）机都有哦余度设计（jì），一（yī）些（xiē）简单的微、轻型无人机无单余度设计。

3.飞控（kòng）计（jì）算机主要硬件构（gòu）成

（1）主处理控制器。主（zhǔ）要有通用型处理器（MPU）、微处理器（MCU）、数字信号（hào）处理（lǐ）器（DSP）。随着FPGA技术（shù）的发展，相当多的主处理器FPGA和（hé）处理器组合成强大的主处理控制器。

（2）二次（cì）电（diàn）源。二次（cì）电源是飞控（kòng）计算机的一个关键部件。飞控计算（suàn）机的（de）二次电源一（yī）般（bān）为5V、±15V等（děng）直流电源（yuán）电压，而无人（rén）机的一次电源根（gēn）据型号不同区别较大，要对一次电源（yuán）进行（háng）变（biàn）换。现在普遍使（shǐ）用集成（chéng）开关电源模块。

（3）模拟量输入（rù）/输出接口。模拟量输入接口电路将各传（chuán）感器输（shū）入的（de）模拟量进行信号调理、增益变（biàn）换，模/数（A/D）转换后（hòu），提供给微处（chù）理器（qì）进行相应处（chù）理。模拟信号一般可分为直流模拟信号和交流调（diào）制信号两类。模拟量输出接口电路用（yòng）于将数（shù）字控制信号（hào）转（zhuǎn）换为伺服机构能识别（bié）的模拟控制（zhì）信号，包括模/数转换、幅值变换和（hé）驱动电路。

（4）离散量（liàng）接口。离散量输出电（diàn）路用于将飞控计算机内部及外部的（de）开（kāi）关量信号变换（huàn）为与微处理器（qì）工作电平兼容（róng）的信号。

（5）通信接口（kǒu）。用于（yú）将（jiāng）接收的串行数据转换为可以让主处理器读取的数据或将主（zhǔ）处理（lǐ）器要发送的数据转换为相应（yīng）的数据。飞控（kòng）计算机和传感器之间可以通过RS232/RS422/ARINC429等总线（xiàn）方式通信，随着技术的不断发展，1553B总（zǒng）线等其他总线通信方式也将应用到无人机系统中（zhōng）。

（6）余度（dù）管理。无（wú）人机余（yú）度（dù）类型飞控计（jì）算机多（duō）为双余度配置。余度（dù）支持电路（lù）用于（yú）支持多余度机载计算机协（xié）调运行，包括：通道计算机间的信息交换电路，同步指示（shì）电路，通道（dào）故（gù）障逻辑综合电路及故障切换电路。通（tōng）道（dào）计算机间的信息交换电路是两个通道飞控计算机（jī）之间进行共享信息传递的信息通路。同步指（zhǐ）示（shì）电路是同步运行（háng）的余度计（jì）算机之间相互同步的支持电路。通道故（gù）障逻辑综合电路将软件（jiàn）监控和硬件监控电路的监控结果（guǒ）进行（háng）综（zōng）合，它的（de）输出（chū）用于故（gù）障（zhàng）切换和故障指示。

（7）加（jiā）温（wēn）电路。常（cháng）用工作环（huán）境超出工（gōng）业品级温度范围的飞控计算机当中，以满足加温电（diàn）路所需（xū）功率和（hé）加温方（fāng）式的需求。

（8）检测接口。飞控（kòng）计算（suàn）机（jī）应（yīng）留有合适的接口，方便与一线检（jiǎn）测设备（bèi）、二线（xiàn）检测设备连接。

（9）飞控计算（suàn）机机箱。它直接影响计算机（jī）抗恶劣环境的能（néng）力以及（jí）可（kě）靠性（xìng）、可维护（hù）性、使用（yòng）寿命。

4.机（jī）载飞控软（ruǎn）件（jiàn）

机载导航（háng）飞控软（ruǎn）件，简称机载飞（fēi）控软（ruǎn）件，是一种（zhǒng）运行于飞控（kòng）计（jì）算机（jī）上的嵌入式（shì）实时（shí）任务软件。它不仅要具有功能正确、性能好、效率高的特点，而且要具有较好的质量保（bǎo）证、可靠性和可维护性。

机载非空软件按功能可以划分成如（rú）下功能模块：

（1）硬件接口驱动模（mó）块（kuài）；

（2）传感器数据（jù）处理模块；

（3）飞行控（kòng）制律模（mó）块；

（4）导航（háng）与制导模块；

（5）飞行任务管理模块

（6）任（rèn）务设（shè）备管理模块；

（7）余度管理模块；

（8）数据传（chuán）输、记录模块

（9）自检测模块（kuài）

（10）其他模块。

5.飞控计（jì）算机（jī）自检测

飞控计算机（jī）自检（jiǎn）测模块（BIT）提供故障检测、定位和隔离的功（gōng）能。BIT按（àn）功能不同又分为维护（hù）自检测（MBIT）、加电起动自检测（PUBIT）、飞行前自检测（PBIT）、飞行中自检测（IFBIT）。

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