無人機自動駕駛儀

無人機自動駕駛儀

1,自動駕駛儀(autopilot)：

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(dāng)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)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(biāo)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O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)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(biāo)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

能。

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、5HzGPS接收機、溫度傳感器。

>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X4（ABIP協(xié)議），RS-232接口X2（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(biāo)

>傳感器量程：角速率150°/s,加速度10g,動壓15~H5Kpa,靜壓0~4Kpa

>空速量程：300km/h（可擴展），精度±10km/h（10°C-60°C）,分辨率2km/h

>氣壓高度：-1000~11000m,精度士10m（0°C~80°C）,分辨率0.3m,升降速率分

辨率0.25m/s

>姿態(tài)量程：滾轉(zhuǎn)角±180°,精度0.1°；俯仰角±90°,精度0.1°;磁航向角±180。，

精度0.3。

>溫度量程：-25°C~70°C,精度±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~

>裸板重量：25g,裸板尺寸：104X57X13mm

>帶殼重量：150g,外殼尺寸：125X65X40mm

2.3技術(shù)指標(biāo)

>73Hz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

PWMPWM信號GPS

數(shù)據(jù)接口模塊RS-232

信號輸入捕獲模塊模塊RS-485

PWM舵機

信號輸出

動靜壓力

傳感㈱

ADC

信號輸入

轉(zhuǎn)速頻率

測量信號

多層并行數(shù)據(jù)處理

控制系統(tǒng)配置圖32

控制系統(tǒng)配置圖1

■(■序指?卜*字指，

數(shù)執(zhí)行單元

位中，招今T

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中斷指令3執(zhí)行單元

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號皖殳指令！

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出執(zhí)行單元

院受他，行

狀高跳交10

飛行系統(tǒng)控制單元導(dǎo)航和任務(wù)系統(tǒng)控制年元

2.5主要控件原理圖

a

XB?OUT

數(shù)字信號輸出原理圖

XB?OUT

數(shù)字信號輸入原理圖

XB

PWM脈寬信號輸入原理圖

+SI/KI

PID控制器原理圖

信號分析器信號發(fā)生器

P

D

求值程序I

PID參數(shù)整定器原理圖

設(shè)計窗口顯示圖標(biāo)控件列表圖標(biāo)

PID

taraiat

PIDhrinQ

設(shè)計窗口顯示圖標(biāo)