無人機自動駕駛儀

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1、無人機自動駕駛儀 1.自動駕駛儀(autopilot) J;KH 廠"潔轉(zhuǎn)用 3 柚T捋絨機構(gòu) &動罵駛儀-飛機回蹲示意圖 PL 按一定技術(shù)要求自動控制飛行器的裝置。 在有人駕駛飛機上使用自動駕駛儀是為了減輕 駕駛員的負擔(dān)，使飛機自動地按一定姿態(tài)、航向、高度和馬赫數(shù)飛行。飛機受暫時干擾后， 自動駕駛儀能使它恢復(fù)原有的穩(wěn)定飛行狀態(tài)， 因此，初期的自動駕駛儀稱為自動穩(wěn)定器。 自 動駕駛儀與飛機上其他系統(tǒng)交聯(lián)還可實現(xiàn)對飛機的控制。 在導(dǎo)彈上，自動駕駛儀起穩(wěn)定導(dǎo)彈 姿態(tài)的作用，故稱導(dǎo)彈姿態(tài)控制系統(tǒng)。它與導(dǎo)彈上的或地面的導(dǎo)引裝置交聯(lián)組成導(dǎo)彈制導(dǎo)和 控制系統(tǒng)，實現(xiàn)穩(wěn)定和控制的功

2、能。 1.1發(fā)展概況 1914年美國人E斯派雷制成電動陀螺穩(wěn)定裝置，這是自動駕駛儀的雛型。 30年代，為 了減輕駕駛員長時間飛行的疲勞， 開始使用三軸穩(wěn)定的自動駕駛儀。 它的主要功用是使飛機 保持平直飛行。50年代，通過在自動駕駛儀中引入角速率信號的方法制成阻尼器或增穩(wěn)系 統(tǒng)，改善了飛機的穩(wěn)定性。 50 年代以來自動駕駛儀發(fā)展成為飛行自動控制系統(tǒng)。 50 年代后 期，又出現(xiàn)自適應(yīng)自動駕駛儀， 它能隨飛行器特性的變化而改變自身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。 60?70 年代， 數(shù)字式自動駕駛儀應(yīng)運而生， 它在 “阿波羅” 號載人飛船登月艙的登月過程中得到應(yīng) 用。 1.2 原理和組成 自動駕駛儀

3、是模仿駕駛員的動作駕駛飛機的。它由敏感元件、計算機和伺服機構(gòu)組成。 當某種干擾使飛機偏離原有姿態(tài)時，敏感元件 （例如陀螺儀 ）檢測出姿態(tài)的變化；計算機算出 需要的修正舵偏量； 伺服機構(gòu)（或稱舵機）將舵面操縱到所需位置。自動駕駛儀與飛機組成 反饋回路，保證飛機穩(wěn)定飛行。 1.3 分類和特點 自動駕駛儀可按能源形式、使用對象、調(diào)節(jié)規(guī)律等分類。 ① 按能源形式： 分為氣壓式、液壓式、電氣式或者是這幾種形式的組合?，F(xiàn)代超音速飛 機多安裝電氣（或電子） -液壓式自動駕駛儀。氣壓式伺服機構(gòu)主要用于導(dǎo)彈。 ② 按使用對象： 分為飛機自動駕駛儀和導(dǎo)彈自動駕駛儀。 飛機自動駕駛儀多具有檢測飛 機姿態(tài)

4、角的敏感元件， 能穩(wěn)定飛機的姿態(tài)角。 為了提高這種自動駕駛儀的穩(wěn)定效果， 可配合 使用速率陀螺儀。戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈只需要穩(wěn)定角速度，其姿態(tài)角根據(jù)目標的運動而改變， 因此，在 自動駕駛儀中不設(shè)檢測角位置的敏感元件。 巡航導(dǎo)彈、戰(zhàn)略導(dǎo)彈和運載火箭需要穩(wěn)定姿態(tài)角， 在這些飛行器的自動駕駛儀中仍有檢測姿態(tài)角的敏感元件。 ③ 按調(diào)節(jié)規(guī)律： 自動駕駛儀的調(diào)節(jié)規(guī)律 （即數(shù)學(xué)模型） 表示伺服機構(gòu)的輸出量與被調(diào)參 量之間的函數(shù)關(guān)系。 飛機自動駕駛儀依調(diào)節(jié)規(guī)律的不同分為比例式自動駕駛儀和積分式自動 駕駛儀。比例式自動駕駛儀是以伺服機構(gòu)輸出的位置偏移量（如舵偏角）與被調(diào)參量（如姿 態(tài)角） 的偏差成比例的原理工作的。 它

5、的結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用很廣，但在干擾作用下會產(chǎn)生靜態(tài) 誤差。積分式自動駕駛儀是以伺服機構(gòu)輸出的位置偏移量與被調(diào)參量偏差的積分成比例的原 理工作的，它沒有靜態(tài)誤差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用受到一定限制。 導(dǎo)彈自動駕駛儀按被調(diào)參量的性質(zhì)可分為位置式自動駕駛儀、 定向式自動駕駛儀和加速 度式自動駕駛儀。位置式自動駕駛儀的被調(diào)參量是飛行器的角位置（即姿態(tài)角） ，伺服機構(gòu) 的輸出量與姿態(tài)角的偏差成比例。 定向式自動駕駛儀的被調(diào)參量是飛行器的姿態(tài)角速度， 伺 服機構(gòu)的輸出量與姿態(tài)角速度的偏差成比例。 加速度式自動駕駛儀的被調(diào)參量是飛行器的法 向加速度，伺服機構(gòu)的輸出量與法向加速度的偏差成比例。 現(xiàn)

6、代自動駕駛儀的趨勢是向數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。 80 年代以前，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈由于工 作時間短、工作環(huán)境條件惡劣(如很大的過載)等較少采用數(shù)字式自動駕駛儀。微型計算機 出現(xiàn)后，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈開始采用數(shù)字式自動駕駛儀。 近代空戰(zhàn)中，自動駕駛儀能以最佳方式操縱 戰(zhàn)斗機，例如以最短的時間飛到最有利的位置。 在導(dǎo)彈攻擊目標時，自動駕駛儀與制導(dǎo)系統(tǒng) 配合使導(dǎo)彈能識別敵友、分析敵情變化并作出最優(yōu)決策。這就要求自動駕駛儀具有智能的功 2.其它公司無人機自動駕駛系統(tǒng): 2.1硬件組成 內(nèi)置傳感器：三軸角速率陀螺 、三軸加速度計、三軸磁力計、雙嘴空速傳感器、氣壓 高度計、5Hz GPS接收機、溫度傳感器。

7、 輸入/輸出接口： 8路PWM輸入、7路PWM輸出、2路電源監(jiān)視輸入、2路轉(zhuǎn)速傳感器 輸入、5路ADC 10路二進制遙測數(shù)據(jù)包、多功能 LED指示燈。 數(shù)據(jù)交換接口： RS-232 和 RS-485 擴展設(shè)備接口： RS-485接口 X 4 （ ABIP 協(xié)議），RS-232接口 X 2 （ NMEA 協(xié)議）。 選配外置傳感器: 空速高度組合傳感器、超聲波高度計、PWM信號和離散信號擴展器、 飛行數(shù)據(jù)記錄器、 油量傳感器、 GLONASS或北斗GPS接收機、用戶定制設(shè)備等。 2.2技術(shù)指標 傳感器量程：角速率 150 /s，加速度10g，動壓15 ~11

8、5 Kpa, 靜壓0 ~4 Kpa 空速量程：300 km/h (可擴展)，精度土 10 km/h (10 C ~ 60 C ),分辨率2 km/h 氣壓高度：-1000 ~ 11000 m，精度土 10 m (0 C ~80 C ),分辨率0.3 m，升降速率分 辨率 0.25 m/s 姿態(tài)量程：滾轉(zhuǎn)角土 180,精度0.1 ;俯仰角土 90,精度0.1 ;磁航向角土 180, 精度0.3 溫度量程：-25 C ~ 70 C ,精度土 3 C 工作電壓：5.5v ~ 6v，輸入電壓 7v ~16v,工作電流 300 10% mA / 6V 波特率：4800 ~115

9、200 裸板重量：25 g,裸板尺寸：104 X 57 X 13 mm 帶殼重量：150 g,外殼尺寸：125 X 65 X 40 mm 2.3技術(shù)指標 73 Hz并行數(shù)據(jù)處理和采集。 RS-485設(shè)備擴展總線。 多功能穩(wěn)壓器，駕駛儀、舵機、外置傳感器、擴展設(shè)備分開供電。 可同時裝載4個飛行計劃： 每個飛行計劃中，可裝載 32個控制圖；可設(shè)置 64個飛行狀態(tài)（或航路點）、每個航 路點可定義16項控制參數(shù)；可設(shè)置 4個中斷狀態(tài)和 10個跳變狀態(tài) 提供56個高速實時數(shù)據(jù)（姿態(tài)數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、航行數(shù)據(jù)和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)）以及 224個控 制節(jié)點數(shù)據(jù)。 精確的多類型 PID參數(shù)在線自動整

10、定功能，系統(tǒng)調(diào)試簡單方便快速。 適用于各種固定翼、直升機、特種飛行器、陸地、水面和水下機器人控制，以及載體的 獨立數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。 2.4工作流程 DSP 卜 RS-485 磁力傳感器 24位 壓力傳巒器 ADC FLASH GPS 天線 輸入 穩(wěn)壓痔 PWM 何號輸入 PWM{| 號 捕獲模塊 GPS 虢塊 數(shù)據(jù)接口換塊 \ RS-232 RS-485 行態(tài)數(shù) 飛靈 輸入值橙測 空速高度 升降速率 參散佔算 沽算 再財乘統(tǒng)配鬣圖血 ?控制系統(tǒng)配*圈1 中 4 護■■祝 ■* 軽變描專血 MX^4 典存單;.

11、+ flJ42 吋五畝石2 數(shù)山比較和建擷悄2硏輸由 UM 控制阿聞 執(zhí)打單齊 童電*斗L卜-— >6 多層并行數(shù)據(jù)處理 峨康議空LQ 負狀*64. 吃抒狀卷I 飛行系統(tǒng)控制取元 H 導(dǎo)軌和任務(wù)系統(tǒng)控樹單元 2.5主要控件原理圖 XB €> - OUT 數(shù)孕麗輸麗理圖 OUT.MAX OUT.MIN OUT XO 1

12、 PWM脈寬信號輸出原理圖 XB — K^>—?OUT XO PWM脈寬信號輸入原理圖 設(shè)計窗口顯示圖標 控件列表圖標 PWN-Input (1) n* Out 設(shè)計或口顯示圖標 控件列表圖標 Cm Tin TEn WD (1) pin Ouc PID PID Cin ? T OU 信號發(fā)生器 信號分析器 非常簡單方便快捷 求值程序 PD1R ? OUT 乘法器原理圖 設(shè)計謝口顯示圖標 控件列表圖標

13、 ”1 Product (D Ouc "2 X PID參數(shù)整定器原理圖 設(shè)計咚口顯示圖標 控件列表圖標 Cin INm PTD hjnbng ⑴ gp Out T— 5_ T— TdT- Pll) PtD turwna  XB a MAX -? MIN 叫 MIN 0 ? h \ ? OUT z X 豕sign(X) Operation 非線性控制器原理圖 Data ■ k ? z"1 ? A OUT ? zf Hold

14、 寄存器原理圖  12 3 n n n ?Q ?OUT 加法器原理圖 控件列表圖標 設(shè)計窗口顯示圖標 + Loocal operMon (1) AND Out San XI X2 ? d~~1 1 A KIT) 1 . K X3 ? X4 ? * ANU I ■ s a < ? 1 —OUT *?1 二 AND * ? ■ ? 1 弋 I 3 一 Operation 邏輯控制器原理圖 設(shè)計竊口顯示圖標 控件列表圖標  “ J K 丄 ———? OUT 1 In 1 A z □peratlon 增益控制器原理圖 Ini k ? OUT In2 A Sei 切換器原理圖