首先，思考一下有人機的飛行員是如何駕駛飛機的。飛行員的任務可描述為：在觀察飛行儀表上各種狀態參數（俯仰角、偏航角、滾轉角、溫度、速度、壓力等）的同時，判斷飛機的飛行姿態是否正確，飛行功能是否正常；通過控制操縱桿使飛機穩定在其三軸（俯仰、偏航、滾轉）上，確保飛機以一定的飛行高度、速度和航向，并按照相對于地面的某種軌跡飛行。其工作過程如圖1所示。

　從圖1可以看出，這是一個典型的閉環反饋系統，圖中虛線框表示駕駛員，如果用自動駕駛儀來代替駕駛員控制飛機，則無人機中的自動駕駛儀必須包括與虛線框內3個部分相應的裝置，并與無人機組成一個閉環反饋系統，如圖2所示。　圖1　駕駛員操縱飛機過程圖示

　圖2　無人機閉環控制系統　（1）機載傳感器　傳感器是一種敏感測量裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。其核心含義是采集相關物理量并將其變成電信號，如圖3所示。　圖3　傳感器基本原理　無人機上的傳感器也稱機載測量裝置，主要作用是測定飛機的姿態和位置，而位置又和高度、速度和航向等有關，故傳感器有多種類型，分別承擔不同的任務。多旋翼無人機中經常用到的傳感器有陀螺儀、加速度計、磁力計、氣壓計和GPS位置傳感器等，這些傳感器構成多旋翼導航飛控系統設計的基礎。　1）陀螺儀　陀螺是我們小時候最酷愛的玩具之一，在不轉動的情況下它很難站在地面上，一旦高速旋轉起來，即使地面是斜的，也會保持垂直旋轉，這就是陀螺的“定軸性”或稱“穩定性”；同時，陀螺還具有“進動性”，即高速旋轉的陀螺受到外力的作用時，會在自轉的同時沿另一個固定軸不停轉動。這樣，陀螺的自轉軸和進動軸之間就形成了一個夾角，利用安裝在陀螺儀上的電位計就可以測得這個夾角的大小和方向，從而確定姿態的變化。因此也有人將陀螺儀稱為角速度計或姿態傳感器，主要用來測量機體（固定翼或多旋翼）繞自身軸（俯仰軸、偏航軸、滾轉軸）旋轉的角速率，以構成角速率反饋，改善系統的阻尼特性，提高穩定性。　圖4　傳統機械式三軸陀螺儀　傳統的機械陀螺儀是一個高速旋轉的陀螺，通過3個靈活的軸將這個陀螺固定在一個框架中，如圖4所示。無論外部框架怎么轉動，中間高速旋轉的陀螺始終保持一個姿態（定軸性），通過3個軸上的傳感器就能夠計算出外部框架旋轉的度數等數據。　很顯然，這樣的機械陀螺儀是不可能應用到多旋翼無人機上的，好在還有MEMS陀螺儀。ME-MS陀螺儀基于旋轉物體在有徑向運動時會受到切向力（哥氏力）的特點，采用振動物體傳感角速度的概念，利用振動來誘導和探測哥氏力位而設計的。所以MEMS陀螺儀和機械陀螺儀在工作原理上是不同的，但這并不影響它們在功能上的一致，都是提供飛行時的平衡參數，而對多旋翼無人機而言即是機架與平面的關系。通過這些參數，飛控可以控制多旋翼無人機平穩飛行。　MEMS陀螺儀沒有旋轉部件，不需要軸承，可以用微機械加工技術大批量生產，因而其優勢是成本低、體積小、質量輕，只有幾克重，穩定性和精度都比機械陀螺高，已基本上取代了傳統的機械陀螺儀在無人機中的應用。目前，常用的M-EMS陀螺儀型號有6050A（Invensense）和ADXRS-290（ADI）等，而衡量陀螺儀性能的指標則包括測量范圍（量程）、靈敏度、穩定性（漂移）以及信噪比等。