导航飞（fēi）控系统

定义（yì）：

导航飞（fēi）控系统是（shì）无（wú）人机的关键（jiàn）核心系统之（zhī）一（yī）。它在部分情况（kuàng）下，按具体功能（néng）又可划（huá）分（fèn）为导航子系统（tǒng）和飞控子系统两部分（fèn）。

导航子系（xì）统的功能（néng）是向无人（rén）机提（tí）供相对于所选（xuǎn）定的参考坐标系的位置、速（sù）度、飞（fēi）行姿（zī）态、引导无人机沿指（zhǐ）定（dìng）航线安（ān）全、准时（shí）、准确（què）地飞行。完（wán）善的无人机导航子系统具有以下功能：

（1）获得必要的导航要素，包括高度、速度、姿（zī）态、航向；

（2）给（gěi）出满足精度要（yào）求的定位信息，包括经度、纬（wěi）度；

（3）引导飞（fēi）机按规定计（jì）划飞（fēi）行（háng）；

（4）接收预定任务航线计（jì）划（huá）的装定，并对任务航（háng）线的执行进（jìn）行动态管理；

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

（6）具有接收并融（róng）合无人机其他（tā）设备的辅助导航（háng）定位信息的能力；

（7）配合其他（tā）系统完成各（gè）种任务

飞（fēi）控子（zǐ）系统是无人机完成起（qǐ）飞、空中飞行、执行任（rèn）务（wù）、返厂回（huí）收等整个飞（fēi）行过程（chéng）的核心系统，对无人机实现全权控（kòng）制与管（guǎn）理，因此飞控子系统之（zhī）于无人机（jī）相当于驾驶（shǐ）员之（zhī）于有人机，是无人机执行任（rèn）务的关键。飞（fēi）控子系统主要具有如（rú）下功（gōng）能：

（1）无人机姿态稳定与控制；

（2）与导航（háng）子系统协调（diào）完成航迹控制（zhì）；

（3）无人（rén）机起飞（fēi）（发（fā）射（shè））与（yǔ）着陆（回收）控制；

（4）无人机飞行管理；

（5）无人机任务（wù）设备管理（lǐ）与控（kòng）制；

（6）应急控制；

（7）信息收集与传（chuán）递。

以上所列（liè）的功能中第1、4和6项（xiàng）是所有无人机（jī）飞行控制系统所必须具备的功（gōng）能（néng），而其他项（xiàng）则（zé）不是每一种（zhǒng）飞行控制系（xì）统都具备的，也不是每一种（zhǒng）无（wú）人（rén）机都需要的，根据具体无人机的种（zhǒng）类和型号可进行选择、裁剪和组合。

传（chuán）感器

无人机导航（háng）飞（fēi）控系统常用的传感（gǎn）器包括角速（sù）度率（lǜ）传感器、姿态传感器、位（wèi）置（zhì）传感（gǎn）器（qì）、迎角侧滑传感器（qì）、加速度传感器、高度传感器及空（kōng）速传感器等，这些传感器构成（chéng）无人机导航飞控系统设计的基础。

1.角速度传感器

角速（sù）度传感器是飞行控（kòng）制（zhì）系统的基本传感器之一，用于感受无人机绕机体轴（zhóu）的转动角速率，以构成角速度反馈，改善（shàn）系统的（de）阻尼特性、提高稳（wěn）定性。

角速度（dù）传感器的选择（zé）要考（kǎo）虑其测量范围、精（jīng）度、输出特性、带（dài）宽（kuān）等。

角速度传感器应（yīng）安装在（zài）无人机重（chóng）心附件（jiàn），安装轴线与要感受的机体轴（zhóu）向平行，并特别（bié）注（zhù）意（yì）极性（xìng）的（de）正（zhèng）确性（xìng）。

2.姿态传感（gǎn）器

姿态传感器用于感受无人（rén）机的俯仰、转（zhuǎn）动和航向角度，用于实现（xiàn）姿（zī）态稳定（dìng）与航向（xiàng）控制功能。

姿态传感器的选（xuǎn）择（zé）要（yào）考虑其测量范围、精度、输出特（tè）性（xìng）、动（dòng）态特性等。

姿态（tài）传感器应安装在无人机重心附近，振动（dòng）要尽（jìn）可（kě）能小，有较高的安装（zhuāng）精度要（yào）求。

3.高度、空速（sù）传感器（大气机）

高度、空速传感器（大气机（jī））用于感（gǎn）受无（wú）人机的飞（fēi）行高度和空速，是高度保持（chí）和空速保持的（de）必（bì）备传（chuán）感器。一般和空速管（guǎn）、同期管路构（gòu）成大气数据系统。

高度、空速传感器（大气机）的选择主要考虑测量范围和（hé）测量精度。一般（bān）要求其（qí）安装在空速管附近，尽量缩短管路。

4.位（wèi）置传（chuán）感器

位置传感（gǎn）器用于感受无人机的位置，是飞行轨迹（jì）控制（zhì）的必要前（qián）提（tí）。惯性导航设备、GPS卫星导航接收机、磁航（háng）向传感器（qì）是典型的位置传感器（qì）。

位置传感器的选（xuǎn）择（zé）一般要考虑与飞行（háng）时（shí）间（jiān）相关（guān）的导航精度、成本和可用性等问题。

惯性导（dǎo）航设备有安（ān）装位（wèi）置和较高的（de）安装精度要求，GPS的安装主要应避免天线的遮（zhē）挡问题。

磁（cí）航向传感器要（yào）安装在受铁磁性物质影响最小且相（xiàng）对（duì）固定的（de）地方，安装件（jiàn）应采用（yòng）非磁性材料制造。

飞控计算机

导（dǎo）航（háng）飞控（kòng）计（jì）算机（jī），简称（chēng）飞控计（jì）算（suàn）机，是导航飞控系统的核心部件，从无人机飞行控制（zhì）的角度来看，飞控计算机应具备如下功能：

（1）姿（zī）态稳定与控制

（2）导航与制导控（kòng）制（zhì）

（3）自主飞行控制

（4）自动起飞、着陆控（kòng）制。

1.飞控计算机类型

飞控计算机按照对信号的处理方式（shì），主要分为（wéi）模拟式。数据混（hún）合式和数（shù）字式、飞控计算机三（sān）种类型。

现今，随（suí）着数（shù）学电路技术（shù）的发（fā）展（zhǎn），模拟（nǐ）式飞控计算机已基本被数字式飞控（kòng）计算机取代，新（xīn）研制的无人机飞控（kòng）系统几乎都采用了（le）数字式飞控计算机。

2.飞控（kòng）计算（suàn）机余（yú）度

无人机没有人（rén）身安全问题，因此（cǐ）会综（zōng）合考虑功能、任务可靠性（xìng）要求和性（xìng）能价格比（bǐ）来（lái）进行余度（dù）配置设计。就飞控计算机而（ér）言，一般大、小型无人机都有哦（ò）余（yú）度设（shè）计，一些简单的微、轻型无人机无（wú）单余度设计。

3.飞控计算（suàn）机主要硬件（jiàn）构（gòu）成

（1）主处理（lǐ）控制器（qì）。主要有（yǒu）通用型处理器（MPU）、微处理器（MCU）、数（shù）字信号处理（lǐ）器（DSP）。随着FPGA技（jì）术（shù）的发展，相当多的主处理器FPGA和处（chù）理器组（zǔ）合成强大的主处理（lǐ）控制（zhì）器。

（2）二次电源。二次（cì）电（diàn）源是飞控计算机的一个（gè）关键部件。飞控（kòng）计算机的二次电源一（yī）般为5V、±15V等直流电源电压，而无人机的一次电源根（gēn）据型号不同区（qū）别（bié）较大，要对一次电源进行变换。现在普遍使用集成开关（guān）电源（yuán）模（mó）块（kuài）。

（3）模拟（nǐ）量输入/输出（chū）接口。模拟量输入（rù）接口（kǒu）电（diàn）路（lù）将各传感器输入的（de）模拟（nǐ）量进行信号调（diào）理、增益变换，模（mó）/数（shù）（A/D）转换后，提供给微处（chù）理器（qì）进行（háng）相应处理。模拟信号一（yī）般（bān）可分（fèn）为直流模拟（nǐ）信号（hào）和交流调制信号（hào）两类（lèi）。模拟量输出（chū）接口电路用于将数（shù）字控制信号转换（huàn）为（wéi）伺服机构能（néng）识（shí）别（bié）的模拟控制信号，包括（kuò）模/数转（zhuǎn）换、幅值变换（huàn）和驱动电路。

（4）离散量接口。离散量输出电路用（yòng）于将飞控计算机（jī）内部及外部的开关量信号变换为（wéi）与（yǔ）微（wēi）处理器工（gōng）作电（diàn）平兼（jiān）容的信号。

（5）通信接（jiē）口。用于将接收的串行数据转换为可以让主处理器读取的（de）数（shù）据或将主处理（lǐ）器要发送（sòng）的（de）数据转换为相应的数据。飞控计算机（jī）和传感器之间可以通过RS232/RS422/ARINC429等总线方式通信，随着技术的不断（duàn）发展，1553B总线等其（qí）他总线通信方式也将应（yīng）用到无人机系统中。

（6）余度管理。无人（rén）机余度类型飞控计算机（jī）多为双余度配置。余度支持电（diàn）路用于支持多余度机载计（jì）算机协调运行，包括：通（tōng）道计算机间的信息交换电路，同步指示电路，通道故障逻辑（jí）综合电路及故障（zhàng）切换电路（lù）。通道计算机间的信息（xī）交换电路是两个通道（dào）飞控（kòng）计算机之间进行共享信息传递（dì）的信息通路。同步指示电（diàn）路是（shì）同步运（yùn）行（háng）的余度计算（suàn）机之间相互同步的支持电路。通道故（gù）障（zhàng）逻辑综合电路（lù）将软件监控（kòng）和硬件监控电路的监控（kòng）结果进行综合，它（tā）的（de）输出用（yòng）于故障（zhàng）切换（huàn）和故障指示。

（7）加温电路。常用工作环境超出工业（yè）品级（jí）温度范围的飞控计算机当中，以满（mǎn）足加温（wēn）电路所需功（gōng）率和加温方式的需求。

（8）检测接口（kǒu）。飞控计算机应（yīng）留有合适的接口，方便与一线（xiàn）检测设备、二线检测设备（bèi）连接。

（9）飞（fēi）控计算机机箱。它（tā）直接影响计（jì）算机抗（kàng）恶劣环境的（de）能力以及可靠性（xìng）、可维护性、使用寿命（mìng）。

4.机载飞控软件

机载导航飞控软件，简称机载飞控软（ruǎn）件，是一（yī）种运行于（yú）飞控计算机上（shàng）的（de）嵌入式实时（shí）任务软件。它（tā）不仅要具有功能正确、性能好（hǎo）、效率高的特点，而且要具（jù）有（yǒu）较好的（de）质量保（bǎo）证、可靠性和可维护性。

机载非（fēi）空软件按功能可以划分成（chéng）如下（xià）功能模块：

（1）硬件接口驱动模块（kuài）；

（2）传（chuán）感器数据处理（lǐ）模块；

（3）飞行控制律（lǜ）模块；

（4）导航与制（zhì）导模块；

（5）飞行任务管理模块

（6）任务（wù）设备（bèi）管理模（mó）块；

（7）余（yú）度管理模块；

（8）数据传输、记录模（mó）块

（9）自检测模（mó）块

（10）其（qí）他（tā）模块。

5.飞控计算（suàn）机自检测

飞控计算机自检测模块（BIT）提供故障检测（cè）、定位和隔离的功能。BIT按功能不同又分为维护自检测（cè）（MBIT）、加电起动自（zì）检测（PUBIT）、飞（fēi）行（háng）前自检测（PBIT）、飞行中自检测（IFBIT）。

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