无人机自主飞行系统

无人机自主飞行系统的架构通常包括多个模块和组件，用于实现飞行控制、感知、决策和执行等功能。以下是一个基本的架构示例：

1.    传感器模块：

• 惯性测量单元（IMU）：用于测量飞行器的加速度和角速度。

• 全球定位系统（GPS）：提供位置和速度信息。

• 摄像头或激光雷达：用于视觉感知和障碍物检测。

2.    数据融合模块：

• 将来自不同传感器的数据进行融合，提高位置、速度和姿态的准确性。

1. 飞行控制模块：

• 自动驾驶控制器：根据传感器数据和目标任务，生成飞行姿态和轨迹。

• 航向控制器：控制飞行器的方向。

• 高度控制器：控制飞行器的高度。

• 姿态控制器：控制飞行器的姿态。

2. 决策与规划模块：

• 路径规划算法：根据任务和环境条件，生成安全、高效的飞行路径。

• 避障算法：在飞行过程中避免障碍物，并且确保飞行器遵守规定的空域限制。

3. 执行模块：

4. 电机控制器：控制飞行器的电机，实现姿态和位置的调整。

• 通信模块：与地面站或其他飞行器进行通信，接收任务指令或发送飞行状态信息。

5. 用户界面模块：

• 地面站软件：用于监控和控制飞行器，设定任务和参数。

这些模块通常通过内部总线或通信接口相互连接，并在整个飞行过程中协同工作，从而实现无人机的自主飞行。具体的架构设计可能会根据无人机的类型、应用场景和性能要求而有所不同。

当涉及无人机自主飞行时，数据融合模块起着至关重要的作用。这个模块负责将来自不同传感器的数据整合在一起，以提高对飞行器位置、速度和姿态的准确性。下面是数据融合模块的具体描述：

1. 数据接收与预处理：

• 数据融合模块首先接收来自各种传感器的原始数据，例如IMU、GPS、摄像头或激光雷达的数据。

• 对接收到的数据进行预处理，可能包括校准、滤波、坐标变换等操作，以确保数据的一致性和可用性。

2. 特征提取与跟踪：

• 对于视觉传感器（如摄像头或激光雷达），数据融合模块可能会进行特征提取，例如提取环境中的地标或障碍物。

• 通过跟踪这些特征，可以获得有关飞行器周围环境的持续信息，并在决策和规划阶段使用。

3. 传感器数据融合：

• 将来自不同传感器的数据进行融合，形成综合的飞行状态估计。这可以通过多传感器融合技术，如扩展卡尔曼滤波（EKF）或无迹卡尔曼滤波（UKF）来实现。

• 通过融合来自不同传感器的信息，可以弥补单个传感器的局限性，提高飞行器的位置、速度和姿态估计的精度和稳定性。

4. 误差估计与校正：

• 对于融合后的飞行状态估计，数据融合模块可能会进行误差估计和校正，以进一步提高准确性。

• 这可能涉及估计传感器的偏差、噪声和不确定性，并将其纳入状态估计过程中进行补偿或校正。

5. 输出与传递：

• 最终，数据融合模块会生成一个综合的飞行状态估计，包括飞行器的位置、速度和姿态信息。

• 这些估计值将被传递给飞行控制模块，用于制定飞行策略和控制指令的生成。

通过数据融合模块的作用，无人机可以更准确地理解周围环境，并更可靠地执行自主飞行任务。

飞行控制模块是无人机自主飞行系统中的关键组成部分，它包括多个控制器，这些控制器相互协作，共同实现对飞行器的精 确控制。以下是飞行控制模块中常见的控制器以及它们之间的作用关系：

1. 自动驾驶控制器：

• 自动驾驶控制器是飞行控制模块的核心部分，负责根据任务需求和传感器数据生成飞行器的姿态和轨迹。

• 它基于飞行器的当前状态、目标状态以及环境条件，利用控制算法（如PID控制器、模型预测控制器等）计算出期望的姿态和轨迹。

• 自动驾驶控制器通常将期望的姿态和轨迹输出给其他控制器，如航向控制器、高度控制器和姿态控制器。

2. 航向控制器：

• 航向控制器负责控制飞行器的方向，确保其按照期望的航向飞行。

• 它接收自动驾驶控制器生成的期望航向指令，并通过调整飞行器的方向舵或者差分推力器来实现航向的调整。

3. 高度控制器：

• 高度控制器负责控制飞行器的飞行高度，确保其按照期望的高度飞行。

• 它接收自动驾驶控制器生成的期望高度指令，并通过调整飞行器的升降舵或者推力来实现高度的调整。

4. 姿态控制器：

• 姿态控制器负责控制飞行器的姿态（如俯仰、滚转和偏航），确保其按照期望的姿态飞行。

• 它接收自动驾驶控制器生成的期望姿态指令，并通过调整飞行器的舵面或者推力分配来实现姿态的调整。

这些控制器之间相互协作，通过不断地接收、处理和调整控制指令，使得飞行器能够稳定地执行各种飞行任务，例如起飞、巡航、转弯、盘旋和降落。自动驾驶控制器负责生成整体的飞行控制策略，而航向、高度和姿态控制器则负责实现具体的控制动作，共同保证飞行器的安全、稳定和高效飞行。

Unmanned Aircraft System (UAS)在《无人机路 线图2005~2030》被美国国防部和FAA所采用[1]，并给出了定义：指不载有操作人员、利用空气动力提供升力、可以自主飞行或遥控驾驶、可以一次使用也可回收使用、携带致命或非致命有效载荷的有动力飞行器。此定义明确了无人机的最基本内涵：1) 飞机上无驾驶人员；2) 能完成一定的使命任务；3) 能够重复使用。

无人机发展到现在，在技术上使用Unmanned Aerial Vehicle (UAV)来代表无人机，而在民间中，则经常使用drone(老式军用无人机发动机有规则的噪声与公蜂的蜂鸣相似的原因)来代表无人机

无人机的两种形式表达：unmannedaerialvehicle和uninhabitedaerialvehicle仔细探究其含义是有区别的，unmanned从字面上有两个含义: 其一是直接的含义，无人的，飞机上无人；其二是无人操纵的；而uninhabited只有飞机上无人的含义。从unmanned字面上讲，无人 机应同时具备两个含义, 即: 人不在飞机上并且人不操控飞机, 飞机能够“正常”飞行，也就是说无人机从起飞准备-滑行-起飞-空中飞行-返场着陆-退出关停的全过程(图1)都可不需要人介入。因此，用“unmanned aerialvehicle”来定义无人机是最合适的，更能体现“真” 无人机的内涵。无人作战飞机(UCAV)的英文表达应为: unmanned combat aerial vehicle。

无人机经历了 下面几个发展阶段，并形成了相应种类的无人机：

(1) 遥控飞行无人机(阶段)；

(2) 遥控加局域自动飞行无人机(阶段)；

(3) 全自动飞行无人机(阶段)；

(4) 全自动加局域自主飞行无人机(阶段)；

(5) 全自主飞行无人机阶段(下一阶段,即将来临)。

目前，国际上无人机的最 高水平是全自动加局域自主飞行无人机，根据不同的任务需求以及人力和成本的情况，依据实际情况来选择无人机的种类，这几 类无人机可以并存，相互补充，充分发挥每一种无人 机的优势。

遥控飞行无人机(remotely piloted vehicle)与“真”无人机(unmanned aerial vehicle) 其内涵和本质是有区别的。遥控飞行的无人机的构架原理图见图2，“真”无人机的构架原理图见图3。从图2和3可直观看到二者的不同，遥控飞行无人机是在人直接控制下工作的，即人在其工作环中；而无 人机是在人授权下工作的，人在其工作环之外，而不是在工作环之中，这一本质上的差别就导致了二者在设计中系统结构、控制功能和实现方法的不同。

无论怎样给无人机下定义, 有自我独立工作能力应是其本质属性, 但不变的原则是: 无人机由人使用，人是无人机的“主人”，无人机必须听从人的管控，无人机自我独立工作权限自然是由人随时进行设置的，显而易见，为实现无人机的功用，无人机的结构与能力是在“制造”它时构造的。因此，标准的无人机应有3 个工作模态：自主(自动)模态、人工干预模态和人工 操纵模态。这3种模态的使用是由人(操作员)设置与选择的。人(操作员)选择模态也应综合考虑实际环境的 复杂情况, 可遵循“将在外, 君命有所不受”的原则进 行模态选择. 上面的3个工作模式的定义与含义如下: (1) 自主 (自动)模态是无人机系统的默认模式，此模式按照人制定的规则、理念、思路进行工作，管控无人机的飞 行；(2) 人工干预模态是在自主(自动)模态下，人主动 纠正自主(自动)飞行的偏差，是在默认控制基础上增 加一△增量；(3) 人工操纵模态是在控制系统出现故障而无法自主(自动)控制无人机应急条件下，由人直接操纵飞机。一般情况下，人工操纵难以保证飞机的控制效果，其原因很简单：人不在飞行现场，难以准确感知飞机的运动信息，因而也就难以准确控制飞机，无人机采用上述3个工作模态事实上也明确了“人 机权限”问题，人作为无人机的“主人”，人通过制定规则和策略管控无人机，无人机按规则和策略自主(自动)生成控制指令控制飞机的飞行；飞行中出现与人的设想不一致结果时，人可进行适度的修正；飞行出现应急情况时，人可直接操控飞机，这是“孤注一掷”的行为。