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无人机飞行控制系统对无人机机载传感器的数据进行分析处理后，驱动相应的执行机构（通常包括油门和三个舵面），自主控制无人机完成任务，执行任务的过程（包括自动起飞和降落）如图3-4所示。
图3-4 无人机执行任务的过程
无人机飞行控制系统的主要功能是飞行控制和任务管理，总体结构如图3-5所示。飞行控制是以姿态控制（俯仰、横滚、航向）作为内回路，以航迹控制作为外回路，当无人机在空中受到干扰时保持姿态与航迹的稳定，以及接收地面控制站的指令，改变飞机的姿态与航迹；任务管理负责完成导航计算、遥测数据传送、任务控制与管理（编队控制模块切换）等。
图3-5 无人机飞行控制系统总体结构
典型的飞行控制系统一般由三个反馈回路构成，即舵回路、稳定回路和控制（制导）回路，如图3-6所示。
图3-6 典型的飞行控制系统
为了改善舵机性能，以满足飞行控制系统的要求，通常会将舵机的输出信号反馈到输入端，形成负反馈回路（或称为伺服回路）的随动系统（或称为伺服系统），简称舵回路。舵回路一般包括舵机、反馈部件和放大器。
测量飞机飞行姿态信息的测量部件和舵回路构成自动驾驶仪，自动驾驶仪和被控对象（飞机）又构成了稳定回路，主要起稳定和控制飞机姿态的作用。由于该回路包含了飞机，而飞机的动态特性又随着飞行条件（如高度、速度等）而变化，因此为了保证该回路在各种飞行状态下都具有较好的性能，有时其控制律参数需要设置成可以随飞行条件变化的调参增益。例如，按照不同的飞行状态（起飞、爬升、低速、巡航、高速和着陆）设计不同的控制律，或者按照动压（q）、马赫数（M a ）、高度（h）、迎角（α）等参数调节控制律。
由稳定回路和飞机重心位置测量部件以及描述飞机空间位置几何关系的运动学环节构成控制（制导）回路，主要起稳定和控制飞机的运动轨迹的作用。控制（制导）回路是以飞机角运动的稳定与控制为基础构成的，飞机的重心运动（即飞行轨迹）是通过控制飞机的角运动实现的，这种通过姿态的变化来控制飞行轨迹的方式，是目前大多数大气层飞行器控制飞行轨迹的主要方式。
根据典型的飞行控制系统的功能和作用，基本的飞行自动控制系统包括阻尼器（Damper）、增稳系统（Stability Augmentation System，SAS）、控制增稳系统（Control Augmentation System，CAS）和自动驾驶仪（Autopilot）等。
无人机的飞行控制系统包括硬件平台和飞行控制软件两个部分，本小节在分析典型的小型无人机飞行控制系统硬件平台的组成的基础上，给出飞行控制软件的设计思路及方案，确定适合编队飞行的无人机飞行控制软件的功能。
面向不同任务的无人机飞行控制系统的各个组成模块可以选用不同的硬件来实现，在最大限度地提高无人机执行任务的可靠性和效率的同时降低成本。典型的无人机硬件组成如图3-7所示，通常包括以下几个部分：中央处理器模块（如ARM、单片机、AMD等处理器）、传感器模块（如GPS接收机、单轴速率陀螺、两轴加速度计、气压高度计、气压空速计、温度传感器和数字磁罗盘等）、通信模块（如无线数传电台、数据链路）、电源模块、舵机模块。
图3-7 飞行控制系统硬件平台
无人机飞行控制系统主要的任务目标为：提高飞行质量，如改善俯仰、滚转和偏航通道的固有阻尼特性和固有频率特性；全自动航迹控制；监控和任务规划。
Aerosonde无人机是低速、自然稳定的无人机。低速是指不考虑空气压缩效应引起的无人机气动参数的变化。自然稳定是指无人机的纵向短周期模态稳定，并具有较好的动态特性，飞行控制系统能够使纵向长周期运动稳定并改善长周期模态的动态特性；对于横向运动，控制系统能改善荷兰滚模态和螺旋模态的动态特性。
常规无人机的飞行控制系统是一个多通道控制系统，即多输入、多输出的控制系统，其输入量为传感器采集的无人机状态值，输出量为无人机状态方程的控制变量——舵偏角值和发动机推力。
因此，无人机飞行控制软件的主要功能是进行姿态控制和航迹控制。姿态控制中的俯仰角、偏航角、滚转角（θ、ψ、φ）作为主要被控量，航迹控制中的高度、侧偏距、速度（h、Z d 、v）作为主要被控量，无人机的输入输出关系可以表示成图3-8的形式。
图3-8 无人机的输入输出关系
在飞行控制律设计的初步阶段，暂不考虑伺服回路、传感器和等效延迟等非线性因素对闭环系统的影响。首先将无人机的六个自由度的全量运动方程线性化；然后充分利用相关的线性控制理论，合理设计出控制器的结构与参数，使系统的时域和频域响应都能达到相应的技术指标要求；最后再考虑系统的非线性因素，将设计好的控制器加入非线性飞机仿真模块中，通过数字仿真对控制参数进行必要的修正。
飞行控制软件开发是现代数字式飞行控制系统设计的重要组成部分，该软件具备控制律计算、工作模态转换、系统自动测试、故障监控、性能指标判别和参数调整等功能。本章主要进行无人机的纵向和横侧向回路控制律设计，实现无人机层次递阶控制结构的底层和中层控制，采用Matlab平台仿真。飞行控制功能的实现可以不针对具体的硬件和软件系统环境，在实际应用中，可以针对不同无人机的功能需求，对程序进行平台移植和扩展，从而实现飞行控制计算机的功能。这样能使控制律设计合理化、规范化，增强飞行控制软件的通用性，同时便于研究的可持续性。
本小节研究的对象是一架假定几何外形和内部质量分布均对称的无人机，飞机的六个自由度运动可以分解为相对独立的纵向控制通道和横侧向控制通道，飞行控制系统功能组成如图3-9所示。其中，纵向控制通道可以稳定与控制无人机的俯仰角、高度和速度；横侧向控制通道可以稳定与控制无人机的偏航角速率和侧偏距。控制飞机的这些不同变量，就可以切换到飞行控制系统的不同功能模态。
图3-9 飞行控制系统功能组成
纵向运动是指无人机的俯仰及升降运动，无人机的纵向控制通道是由升降舵和油门控制组成的一个控制回路，具有定高和定速等控制功能。在纵向控制通道中，俯仰角速率反馈构成增稳回路，偏航角速率构成转弯高度补偿，俯仰角控制回路构成纵向通道的核心控制回路——内回路。高度控制器在内回路的基础上构成外回路，在无人机做定高飞行时接入。在编队飞行中，高度保持由升降舵实现，速度保持由油门控制实现。
横侧向运动指无人机的滚转和偏航运动，是通过控制副翼和方向舵来实现的，具有航向控制、偏航增稳控制、转弯控制和航迹控制功能。方向舵回路主要用来增加荷兰滚阻尼，副翼回路以偏航角速率控制为内回路，以侧偏距控制为外回路，利用副翼的偏转来调节偏航角速率，进而控制侧偏距。
小型无人机要完成各种任务，除了姿态控制外，还需具备自主导航功能（包括水平与垂直自主导航）。全球定位系统GPS具有全球、全天候的精密三维导航能力，而且体积小、重量轻，因而在航空、航海和地面交通等领域得到了广泛应用，并取得了良好的效果。
自主导航控制系统的基本原理是，在无人机飞行前按要求制定飞行航线，该航线分别由航路点和相临两航路点之间的直线段组成，由无人机当前位置计算无人机偏离航线的侧偏距，然后计算出给定导航偏航角速率，控制副翼和方向舵的舵偏角值，最终消除侧偏距。
自主导航系统的功能主要有三点：一是飞行前制定航路点数据；二是根据预定航线，实时解算无人机的真实位置与预定航线的偏差并进行控制律计算，使无人机回到预定的航线上，实现航线跟踪；三是根据航路点数据进行航线切换。
在软件开发规范（GJB 473-88军用软件开发规范、GJB 438-1988军用软件文档编制规范、GJB 439-1988军用软件质量保证规范、GJB 438A-1997武器系统软件开发、GJB1091-1991军用软件需求分析）中，数字式飞行控制软件应按照功能分别进行开发。本章设计的飞行控制系统功能划分如下。
（1）俯仰内回路控制，包括俯仰增稳和俯仰姿态保持。
（2）航向内回路控制，包括偏航角速率控制和协调转弯。
（3）纵向外回路控制，包括飞行高度保持和速度保持。
（4）横侧向外回路控制，包括航向保持和航向选择。
（5）发动机油门控制。
（6）自主导航。