飛控系統(tǒng)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-07-22
飛控系統(tǒng)的實(shí)例教程
基于uC/OS-II操作系統(tǒng)的無人機(jī)飛控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
史峰，何立明，馬曉峰，史中正
摘要：針對(duì)以往飛控系統(tǒng)軟件中代碼多，可靠性、實(shí)時(shí)性差，不具通用性等缺點(diǎn)，采用uC/OS-II操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)無人機(jī)飛控軟件，利用操作系統(tǒng)來進(jìn)行軟件中各任務(wù)的實(shí)時(shí)調(diào)度和通信。通過地面測(cè)試和空中試驗(yàn)表明：該軟件系統(tǒng)具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 滿足飛控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：飛控系統(tǒng); uC/OS-II；優(yōu)先級(jí)劃分；調(diào)度與通信
0、引言
無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多任務(wù)系統(tǒng), 要求不僅能夠與地面控制站雙向通信、采集傳感器數(shù)據(jù)、進(jìn)行飛控/導(dǎo)航計(jì)算、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等, 還要求可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。傳統(tǒng)的飛控系統(tǒng)軟件大多按預(yù)先設(shè)定的順序循環(huán)執(zhí)行, 具有代碼多，可靠性、實(shí)時(shí)性差， 不具備通用性等缺點(diǎn)。
針對(duì)以上缺點(diǎn)，本文采用uC/OS-II操作系統(tǒng)開發(fā)無人機(jī)飛控軟件, 將復(fù)雜的處理任務(wù)交給操作系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，滿足無人機(jī)飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)、多任務(wù)的要求。
展開 近期推出的嵌入式系統(tǒng)專題內(nèi)容中，我們?cè)敿?xì)梳理了Ansys SCADE的誕生、發(fā)展及應(yīng)用，也針對(duì)“形式化方法”做了進(jìn)一步闡述，詳實(shí)地介紹了在當(dāng)今軟件行業(yè)已有眾多測(cè)試手段下為什么形式化方法尤為重要？本期我們將分享Ansys SCADE在航空電傳飛控系統(tǒng)中的應(yīng)用。全文將從民用飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)、空客的電傳飛控系統(tǒng)、SCADE在空客電傳飛控中的應(yīng)用、空客在研發(fā)選用的工具鏈中對(duì)形式化方法的重視以及案例展現(xiàn)等多個(gè)方面來闡述基于SCADE的形式化方法在空客電傳飛控中的具體應(yīng)用。在后續(xù)專題內(nèi)容中我們還將推出包括軌道交通、核能重工及航天防衛(wèi)等行業(yè)應(yīng)用案例。
1
飛行控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介
飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)(FCS: Flight Control System)就是利用控制原理使得飛機(jī)的操縱面(又稱舵面,surface or rudder)偏轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的姿態(tài)和航跡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)定控制的系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)通常包括
飛行器運(yùn)動(dòng)，包括其重心的線運(yùn)動(dòng)、繞機(jī)體軸的角運(yùn)動(dòng)(升降舵Elevator完成俯仰Pitch，副翼Aileron完成滾轉(zhuǎn)Roll，方向舵Rudder完成偏航Y(jié)aw)，以及飛行器結(jié)構(gòu)模態(tài)的變化;
完成對(duì)飛機(jī)姿態(tài)和航跡運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定和控制所需的所有硬件及軟件
圖表1：飛行控制示意圖
通常認(rèn)為，迄今為止飛控系統(tǒng)共演進(jìn)了四代，分別是簡(jiǎn)單機(jī)械控制系統(tǒng)、液壓助力控制系統(tǒng)、增穩(wěn)控制系統(tǒng)和電傳控制系統(tǒng)。
展開 機(jī)身下方的超聲波模塊起到輔助定高的作用，而冗余的IMU和指南針在一個(gè)元件受到干擾時(shí)，冗余導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換至另一個(gè)傳感器，極大提高了組合導(dǎo)航的可靠性。
正是因?yàn)檫@些傳感器技術(shù)的完美融合，無人機(jī)有了智能導(dǎo)航系統(tǒng)，拓展了活動(dòng)環(huán)境，并提升了可靠性。
使用傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)的無人機(jī)在室內(nèi)等無GPS的環(huán)境中無法穩(wěn)定飛行，而智能導(dǎo)航系統(tǒng)在GPS信號(hào)良好時(shí)，可通過視覺提升速度和位置測(cè)量值的精度；在GPS信號(hào)不足的時(shí)候，視覺系統(tǒng)可以接替GPS提供定位與測(cè)速，讓無人機(jī)在室內(nèi)與室外環(huán)境中均能穩(wěn)定飛行。
智能導(dǎo)航系統(tǒng)引入了多個(gè)傳感器，數(shù)據(jù)量和復(fù)雜程度大幅提升，獲悉大疆其實(shí)針對(duì)視覺和傳感器對(duì)導(dǎo)航和飛行控制算法進(jìn)行多次系統(tǒng)重構(gòu)，增加新的軟件模塊與架構(gòu)，全面提升了飛行的性能與可靠性。
控制性能
飛控系統(tǒng)先進(jìn)的控制算法為航拍無人機(jī)的飛行和操控帶來了很高的控制品質(zhì)，比如在普通狀態(tài)下的表現(xiàn)是控制精度高，飛行穩(wěn)定，速度快。高速飛行不僅對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)有較高的要求，更重要的是飛控要達(dá)到很高的控制品質(zhì)和響應(yīng)速度，除高速飛行以外，飛行器在懸停和慢速控制上也能達(dá)到很高的精度。
另外，在設(shè)計(jì)飛控時(shí)，不僅需要考慮到正常飛行狀態(tài)的控制精度，如懸停位置控制精度，姿態(tài)控制精度等，還需要加強(qiáng)了異常飛況的控制品質(zhì)。如在飛行器斷槳、突然受到撞擊、突加負(fù)重或被其他外力干擾后，控制恢復(fù)能力更強(qiáng)，魯棒性較強(qiáng)，能夠應(yīng)對(duì)很多極端狀況，這對(duì)于飛行安全性來說尤其重要。
故障診斷
在起飛前或飛行過程中，任何微小故障都有可能引發(fā)飛行事故。
如果飛控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)不斷地進(jìn)行故障監(jiān)控與故障診斷，就能大幅降低事故發(fā)生的概率。飛控系統(tǒng)可以監(jiān)控諸如振動(dòng)、電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速等各項(xiàng)飛行狀態(tài)參數(shù)，并通過這些監(jiān)控特征信號(hào)進(jìn)行故障診斷。
展開 機(jī)身下方的超聲波模塊起到輔助定高的作用，而冗余的IMU和指南針在一個(gè)元件受到干擾時(shí)，冗余導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換至另一個(gè)傳感器，極大提高了組合導(dǎo)航的可靠性。
正是因?yàn)檫@些傳感器技術(shù)的完美融合，無人機(jī)有了智能導(dǎo)航系統(tǒng)，拓展了活動(dòng)環(huán)境，并提升了可靠性。
使用傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)的無人機(jī)在室內(nèi)等無GPS的環(huán)境中無法穩(wěn)定飛行，而智能導(dǎo)航系統(tǒng)在GPS信號(hào)良好時(shí)，可通過視覺提升速度和位置測(cè)量值的精度；在GPS信號(hào)不足的時(shí)候，視覺系統(tǒng)可以接替GPS提供定位與測(cè)速，讓無人機(jī)在室內(nèi)與室外環(huán)境中均能穩(wěn)定飛行。
智能導(dǎo)航系統(tǒng)引入了多個(gè)傳感器，數(shù)據(jù)量和復(fù)雜程度大幅提升，獲悉大疆其實(shí)針對(duì)視覺和傳感器對(duì)導(dǎo)航和飛行控制算法進(jìn)行多次系統(tǒng)重構(gòu)，增加新的軟件模塊與架構(gòu)，全面提升了飛行的性能與可靠性。
控制性能
飛控系統(tǒng)先進(jìn)的控制算法為航拍無人機(jī)的飛行和操控帶來了很高的控制品質(zhì)，比如在普通狀態(tài)下的表現(xiàn)是控制精度高，飛行穩(wěn)定，速度快。高速飛行不僅對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)有較高的要求，更重要的是飛控要達(dá)到很高的控制品質(zhì)和響應(yīng)速度，除高速飛行以外，飛行器在懸停和慢速控制上也能達(dá)到很高的精度。
另外，在設(shè)計(jì)飛控時(shí)，不僅需要考慮到正常飛行狀態(tài)的控制精度，如懸停位置控制精度，姿態(tài)控制精度等，還需要加強(qiáng)了異常飛況的控制品質(zhì)。如在飛行器斷槳、突然受到撞擊、突加負(fù)重或被其他外力干擾后，控制恢復(fù)能力更強(qiáng)，魯棒性較強(qiáng)，能夠應(yīng)對(duì)很多極端狀況，這對(duì)于飛行安全性來說尤其重要。
故障診斷
在起飛前或飛行過程中，任何微小故障都有可能引發(fā)飛行事故。
如果飛控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)不斷地進(jìn)行故障監(jiān)控與故障診斷，就能大幅降低事故發(fā)生的概率。飛控系統(tǒng)可以監(jiān)控諸如振動(dòng)、電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速等各項(xiàng)飛行狀態(tài)參數(shù)，并通過這些監(jiān)控特征信號(hào)進(jìn)行故障診斷。
展開 電傳飛控技術(shù)在民航中的典型性運(yùn)用
A320的駕駛艙
空客A320是世界上首個(gè)采用電傳飛控與靜不穩(wěn)定設(shè)計(jì)的民航客機(jī)，A320的飛控系統(tǒng)共由7臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，包括2臺(tái)升降舵/副襟翼計(jì)算機(jī)，3臺(tái)擾流片/升降舵計(jì)算機(jī)，2臺(tái)飛行增穩(wěn)計(jì)算機(jī)，這其中的2臺(tái)升降舵/副襟翼計(jì)算機(jī)與3臺(tái)擾流片/升降舵計(jì)算機(jī)共計(jì)5臺(tái)計(jì)算機(jī)組成了A320電傳飛控的主飛控計(jì)算機(jī)，5臺(tái)主飛控計(jì)算機(jī)中的任意一臺(tái)都可以控制A320的飛行，同時(shí)每臺(tái)主飛控計(jì)算機(jī)采用了不同的硬件處理器保證了A320飛控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
A330的駕駛艙
空客A330與A340在飛控系統(tǒng)上可以說全面繼承了A320的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，A330/A340的飛控系統(tǒng)共5臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，3臺(tái)為主飛控計(jì)算機(jī)，作為飛控計(jì)算機(jī)的命令系統(tǒng)控制A330/A340的飛行舵面，剩余2臺(tái)為次飛控計(jì)算機(jī)作為備份系統(tǒng)，當(dāng)主飛控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，備份將自動(dòng)轉(zhuǎn)換為命令系統(tǒng)，和A320相比，A330/A340的5臺(tái)計(jì)算機(jī)全部可以獨(dú)立完成對(duì)飛機(jī)飛行的控制，A330/A340的飛控計(jì)算機(jī)每臺(tái)實(shí)際上有兩條通道組成，一條是命令通道，一條則為監(jiān)控通道，命令通道負(fù)責(zé)執(zhí)行任務(wù)，監(jiān)控通道負(fù)責(zé)監(jiān)控故障，兩條通道互相獨(dú)立且同時(shí)有效。
展開 
飛控系統(tǒng)的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
飛控系統(tǒng)的最新內(nèi)容
展會(huì)核心信息
舉辦時(shí)間：2026 年 11 月 9 日 —11 日
舉辦地點(diǎn)：沙特利雅得國(guó)際會(huì)展中心
展會(huì)定位：中東無人機(jī)技術(shù)展示、采購(gòu)對(duì)接、商業(yè)合作、品牌推廣的一站式核心平臺(tái)
展品范圍：覆蓋無人機(jī)整機(jī)、飛控系統(tǒng)、導(dǎo)航設(shè)備、動(dòng)力系統(tǒng)、云臺(tái)相機(jī)、載荷設(shè)備、反無人機(jī)系統(tǒng)、零部件、行業(yè)解決方案、模擬訓(xùn)練系統(tǒng)等全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品
展會(huì)核心價(jià)值
1.直面核心采購(gòu)方
核心部件展區(qū)聚焦飛控系統(tǒng)、動(dòng)力裝置、任務(wù)載荷等關(guān)鍵部件，展現(xiàn)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力最新突破。
低空服務(wù)展區(qū)呈現(xiàn)空域管理、起降場(chǎng)建設(shè)、監(jiān)測(cè)管控等配套服務(wù)，構(gòu)建完整產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
創(chuàng)新應(yīng)用展區(qū)通過真實(shí)案例展示無人機(jī)在農(nóng)林牧漁、物流配送、安防巡邏等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。
人才培養(yǎng)展區(qū)提供專業(yè)人才培養(yǎng)、飛行培訓(xùn)等配套服務(wù)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供人才支撐。
零部件及配件展區(qū)集中展示無人機(jī)所需的各類核心零部件及配件，如電機(jī)、電調(diào)、飛控系統(tǒng)、GPS模塊、電池、螺旋槳、遙控器等。
低空經(jīng)濟(jì)應(yīng)用場(chǎng)景展區(qū)全方位展示低空經(jīng)濟(jì)在物流配送、應(yīng)急救援、測(cè)繪勘探、智慧城市建設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用案例與解決方案。
精準(zhǔn)視覺輔助降落：地面充電平臺(tái)集成了多種引導(dǎo)技術(shù)（如視覺標(biāo)識(shí)、紅外或藍(lán)牙輔助），與無人機(jī)的飛控系統(tǒng)協(xié)同工作，引導(dǎo)無人機(jī)實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的精準(zhǔn)降落，確保收發(fā)線圈最佳對(duì)準(zhǔn)。
3. 強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)性：地面平臺(tái)采用堅(jiān)固外殼與高防護(hù)等級(jí)（IP54起步，可根據(jù)要求定制更高），能抵御日曬、雨淋、風(fēng)沙侵襲。機(jī)載模組則經(jīng)過嚴(yán)格的輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)無人機(jī)的續(xù)航和載荷影響降至最低。
4.
無論是大型的農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)，需要大功率快速回充；還是小巧的巡檢無人機(jī)，要求精準(zhǔn)降落與毫瓦級(jí)的待機(jī)功耗，魯渝能源都能提供與之匹配的無線充電模塊，并實(shí)現(xiàn)與飛控系統(tǒng)的無縫對(duì)接。
最后，是全棧式的產(chǎn)品驗(yàn)證與品質(zhì)控制。工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的核心是“可靠”。從核心的功率器件選型，到PCB板的三防漆工藝，再到整機(jī)的老化測(cè)試，每一道工序都遵循嚴(yán)苛的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
此外，報(bào)告還系統(tǒng)闡述了支撐低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展的安全性、新基建、飛控系統(tǒng)、輕量化材料、環(huán)保與新能源、電池能源管理及電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。
海克斯康的解決方案可以解決：
? 外部噪聲/社區(qū)噪聲
? 轉(zhuǎn)子噪聲的傳播和抑制
? 齒輪和電機(jī)噪聲
? 內(nèi)部噪聲/ 乘員舒適性
? 噪音傳輸和緩解
? 齒輪/轉(zhuǎn)子噪聲和振動(dòng)
5、飛控系統(tǒng)
將強(qiáng)大的線控飛行系統(tǒng)和增強(qiáng)的人工智能與新穎的飛機(jī)配置相結(jié)合，是減少飛行員工作量并最終轉(zhuǎn)向全自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵因素。
傳統(tǒng)航空領(lǐng)域中，有一項(xiàng)被稱為<strong>“Copper Bird（銅鳥）”的測(cè)試方式</strong>，廣泛應(yīng)用于飛控、電氣系統(tǒng)的驗(yàn)證。而在eVTOL（電動(dòng)垂直起降飛行器）領(lǐng)域，這一測(cè)試方式也被賦予了新的內(nèi)涵——不僅關(guān)注<strong>電氣安全</strong>，還要聚焦<strong>動(dòng)力分配、故障應(yīng)對(duì)、能效分析等</strong>維度。
2.優(yōu)化航電及飛控系統(tǒng)
飛控系統(tǒng)承擔(dān)航跡控制、姿態(tài)控制和飛行增穩(wěn)等核心功能，是eVTOL中最為關(guān)鍵的系統(tǒng)之一。飛控系統(tǒng)包括傳感器，飛控計(jì)算機(jī)、作動(dòng)器和控制顯示四大子系統(tǒng)，其中計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)是飛控系統(tǒng)的控制計(jì)算核心。
載人eVTOL飛控系統(tǒng)多要求采用多余度技術(shù)提高可靠性和安全性，也對(duì)載人飛控行業(yè)構(gòu)成了極高的技術(shù)壁壘。
機(jī)殼子加一個(gè)飛控系統(tǒng)，我可能就把消費(fèi)級(jí)無人機(jī)搭起來了，就可以自己玩自己用了。</p><p><br></p><p> 但是不能因此覺得eVTOL也是這樣，也可以這么類比去做。因?yàn)橐坏┥仙揭鲚d客運(yùn)輸并且有一個(gè)更高安全性等級(jí)要求的產(chǎn)品的時(shí)候那是完全不一樣的。
