無人機(jī)自動(dòng)駕駛儀

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1、無人機(jī)自動(dòng)駕駛儀 1.自動(dòng)駕駛儀(autopilot) J;KH 廠"潔轉(zhuǎn)用 3 柚T捋絨機(jī)構(gòu) &動(dòng)罵駛儀-飛機(jī)回蹲示意圖 PL 按一定技術(shù)要求自動(dòng)控制飛行器的裝置。 在有人駕駛飛機(jī)上使用自動(dòng)駕駛儀是為了減輕 駕駛員的負(fù)擔(dān)，使飛機(jī)自動(dòng)地按一定姿態(tài)、航向、高度和馬赫數(shù)飛行。飛機(jī)受暫時(shí)干擾后， 自動(dòng)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(dòng)駕駛儀稱為自動(dòng)穩(wěn)定器。 自 動(dòng)駕駛儀與飛機(jī)上其他系統(tǒng)交聯(lián)還可實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)的控制。 在導(dǎo)彈上，自動(dòng)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(shí)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(dòng)陀螺穩(wěn)定裝置，這是自動(dòng)駕駛儀的雛型。 30年代，為 了減輕駕駛員長時(shí)間飛行的疲勞， 開始使用三軸穩(wěn)定的自動(dòng)駕駛儀。 它的主要功用是使飛機(jī) 保持平直飛行。50年代，通過在自動(dòng)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(jī)的穩(wěn)定性。 50 年代以來自動(dòng)駕駛儀發(fā)展成為飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)。 50 年代后 期，又出現(xiàn)自適應(yīng)自動(dòng)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(dòng)駕駛儀應(yīng)運(yùn)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(dòng)駕駛儀

3、是模仿駕駛員的動(dòng)作駕駛飛機(jī)的。它由敏感元件、計(jì)算機(jī)和伺服機(jī)構(gòu)組成。 當(dāng)某種干擾使飛機(jī)偏離原有姿態(tài)時(shí)，敏感元件 （例如陀螺儀 ）檢測出姿態(tài)的變化；計(jì)算機(jī)算出 需要的修正舵偏量； 伺服機(jī)構(gòu)（或稱舵機(jī)）將舵面操縱到所需位置。自動(dòng)駕駛儀與飛機(jī)組成 反饋回路，保證飛機(jī)穩(wěn)定飛行。 1.3 分類和特點(diǎn) 自動(dòng)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(jī)多安裝電氣（或電子） -液壓式自動(dòng)駕駛儀。氣壓式伺服機(jī)構(gòu)主要用于導(dǎo)彈。 ② 按使用對象： 分為飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀和導(dǎo)彈自動(dòng)駕駛儀。 飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀多具有檢測飛 機(jī)姿態(tài)

4、角的敏感元件， 能穩(wěn)定飛機(jī)的姿態(tài)角。 為了提高這種自動(dòng)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(biāo)的運(yùn)動(dòng)而改變， 因此，在 自動(dòng)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(yùn)載火箭需要穩(wěn)定姿態(tài)角， 在這些飛行器的自動(dòng)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(dòng)駕駛儀的調(diào)節(jié)規(guī)律 （即數(shù)學(xué)模型） 表示伺服機(jī)構(gòu)的輸出量與被調(diào)參 量之間的函數(shù)關(guān)系。 飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀依調(diào)節(jié)規(guī)律的不同分為比例式自動(dòng)駕駛儀和積分式自動(dòng) 駕駛儀。比例式自動(dòng)駕駛儀是以伺服機(jī)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(huì)產(chǎn)生靜態(tài) 誤差。積分式自動(dòng)駕駛儀是以伺服機(jī)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(dòng)駕駛儀按被調(diào)參量的性質(zhì)可分為位置式自動(dòng)駕駛儀、 定向式自動(dòng)駕駛儀和加速 度式自動(dòng)駕駛儀。位置式自動(dòng)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(jī)構(gòu) 的輸出量與姿態(tài)角的偏差成比例。 定向式自動(dòng)駕駛儀的被調(diào)參量是飛行器的姿態(tài)角速度， 伺 服機(jī)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(dòng)駕駛儀的被調(diào)參量是飛行器的法 向加速度，伺服機(jī)構(gòu)的輸出量與法向加速度的偏差成比例。 現(xiàn)

6、代自動(dòng)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(shí)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(dòng)駕駛儀。微型計(jì)算機(jī) 出現(xiàn)后，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈開始采用數(shù)字式自動(dòng)駕駛儀。 近代空戰(zhàn)中，自動(dòng)駕駛儀能以最佳方式操縱 戰(zhàn)斗機(jī)，例如以最短的時(shí)間飛到最有利的位置。 在導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)時(shí)，自動(dòng)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(dòng)駕駛儀具有智能的功 2.其它公司無人機(jī)自動(dòng)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(jì)、三軸磁力計(jì)、雙嘴空速傳感器、氣壓 高度計(jì)、5Hz GPS接收機(jī)、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(jìn)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(kuò)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(jì)、PWM信號和離散信號擴(kuò)展器、 飛行數(shù)據(jù)記錄器、 油量傳感器、 GLONASS或北斗GPS接收機(jī)、用戶定制設(shè)備等。 2.2技術(shù)指標(biāo) 傳感器量程：角速率 150 /s，加速度10g，動(dòng)壓15 ~11

8、5 Kpa, 靜壓0 ~4 Kpa 空速量程：300 km/h (可擴(kuò)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(biāo) 73 Hz并行數(shù)據(jù)處理和采集。 RS-485設(shè)備擴(kuò)展總線。 多功能穩(wěn)壓器，駕駛儀、舵機(jī)、外置傳感器、擴(kuò)展設(shè)備分開供電。 可同時(shí)裝載4個(gè)飛行計(jì)劃： 每個(gè)飛行計(jì)劃中，可裝載 32個(gè)控制圖；可設(shè)置 64個(gè)飛行狀態(tài)（或航路點(diǎn)）、每個(gè)航 路點(diǎn)可定義16項(xiàng)控制參數(shù)；可設(shè)置 4個(gè)中斷狀態(tài)和 10個(gè)跳變狀態(tài) 提供56個(gè)高速實(shí)時(shí)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(gè)控 制節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。 精確的多類型 PID參數(shù)在線自動(dòng)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(jī)、特種飛行器、陸地、水面和水下機(jī)器人控制，以及載體的 獨(dú)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(zhàn)算 沽算 再財(cái)乘統(tǒng)配鬣圖血 ?控制系統(tǒng)配*圈1 中 4 護(hù)■■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(fù)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(jì)窗口顯示圖標(biāo) 控件列表圖標(biāo) PWN-Input (1) n* Out 設(shè)計(jì)或口顯示圖標(biāo) 控件列表圖標(biāo) 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(jì)謝口顯示圖標(biāo) 控件列表圖標(biāo)

13、 ”1 Product (D Ouc "2 X PID參數(shù)整定器原理圖 設(shè)計(jì)咚口顯示圖標(biāo) 控件列表圖標(biāo) 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(biāo) 設(shè)計(jì)窗口顯示圖標(biāo) + 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(jì)竊口顯示圖標(biāo) 控件列表圖標(biāo)  “ 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