Autopilot Flight Control System for Unmanned Helicopters
漢和航空無(wú)人直升機(jī)自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)（APFC-1）是無(wú)錫漢和航空技術(shù)有限公司經(jīng)過(guò)多年艱苦研發(fā)，數(shù)千架次的試飛，與國(guó)內(nèi)外頂級(jí)專(zhuān)業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期合作研發(fā)成功的一款用于工程無(wú)人直升機(jī)定制自動(dòng)駕駛儀。APFC-1擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),多項(xiàng)創(chuàng)新和專(zhuān)利技術(shù)。適合于不同大小的工程用無(wú)人駕駛直升飛機(jī)的自動(dòng)駕駛。
APFC-1是一款集GPS/INS組合導(dǎo)航與自動(dòng)飛行控制于一體化的產(chǎn)品。特別是對(duì)使用多沖程燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的無(wú)人直升機(jī)這類(lèi)穩(wěn)定性差、高度耦合和高頻振動(dòng)環(huán)境下，進(jìn)行穩(wěn)定，可靠的控制，并實(shí)現(xiàn)在多種模式下自動(dòng)導(dǎo)航飛行。
硬件技術(shù)上以系統(tǒng)的可靠性為設(shè)計(jì)的最高準(zhǔn)則，采用工業(yè)級(jí)成熟的浮點(diǎn)型DSP、ARM控 制器芯片，各個(gè)模塊都有自己獨(dú)立的控制器進(jìn)行工作，各種數(shù)據(jù)的輸入輸出都進(jìn)行了有效的電路保護(hù)和隔離，考慮到多沖程燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的高頻振動(dòng)，野外的環(huán)境和電 磁干擾等惡劣情況,傳感器采用了國(guó)外工業(yè)級(jí),軍用級(jí)的產(chǎn)品，以獲得高精度、高可靠性的飛行狀態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)預(yù)留多種串口、GPIO、PWM輸入/輸出外 部接口，方便用戶設(shè)備與飛控系統(tǒng)的集成。飛控計(jì)算機(jī)高達(dá)50Hz的解算和控制刷新率，為實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人直升機(jī)的高精度控制提供硬件保障。
導(dǎo)航技術(shù)上采用擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）算法，對(duì)各類(lèi)傳感器（高抗震性能的3軸 MEMS垂直陀螺、3軸加速度計(jì)、WMM算法的3軸磁場(chǎng)計(jì)、GPS、氣壓高度計(jì)、轉(zhuǎn)速傳感器）、操控輸入量等進(jìn)行采集與深度融合處理，可精確的推算出位 置、速度、姿態(tài)、航向、角速率和加速度6維空間中修正的值，大大提高了導(dǎo)航數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與精度。為控制提供了可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源。
控制技術(shù)上以系統(tǒng)的安全性為設(shè)計(jì)最高準(zhǔn)則，采用先進(jìn)PID控制方法，通過(guò)對(duì)漢和航空無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)和掃頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，兼顧系統(tǒng)的安全性，操控性以及魯棒性的最佳參數(shù)配合。飛行控制過(guò)程中可應(yīng)對(duì)外界對(duì)無(wú)人機(jī)的擾動(dòng)，增強(qiáng)應(yīng)付不確定性的能力。APFC-1具有對(duì)GPS信號(hào)丟失，數(shù)據(jù)鏈斷裂，電源監(jiān)控報(bào)警等緊急情況的處理功能，可以一鍵懸停，自動(dòng)返航和失控保護(hù)等功能。
基于小型無(wú)人直升機(jī)動(dòng)力學(xué)模型（SUHDM），結(jié)合計(jì)算機(jī)3D場(chǎng)景構(gòu)建了包含飛控計(jì)算機(jī)、舵機(jī)，地面控制站等硬件在整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行控制策略、控制邏輯的有效驗(yàn)證，最大程度上確保飛控系統(tǒng)安全可靠。
APFC-1地面站采用基于Google Earth/InfoMap設(shè)計(jì)方案，飛行航路可以預(yù)先在Google Earth/InfoMap上簡(jiǎn)單地設(shè)置，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)飛行，同時(shí)飛行狀態(tài)信息通過(guò)無(wú)線電臺(tái)實(shí)時(shí)地傳送到地面站進(jìn)行監(jiān)控，記錄和管理以及“第一人稱(chēng)”飛行等功能。
APFC-1硬件實(shí)物 APFC-1地面站界面 APFC-1仿真環(huán)境
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飛行控制 |
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控制模式 |
遙控、指令導(dǎo)航、自動(dòng)導(dǎo)航、自動(dòng)返航、自動(dòng)失控保護(hù) |
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飛行模態(tài) |
定點(diǎn)懸停，定速/定高巡航，協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎，斜爬升/盤(pán)旋爬升，增穩(wěn)起飛/降落，自動(dòng)起飛/降落 |
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控制距離 |
視數(shù)據(jù)鏈通訊距離和飛行任務(wù)半徑能力而定（默認(rèn)5km） |
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航速 |
8-10 m/s（空速） |
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懸停定位精度 |
< 3m |
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航線精度 |
< 5m |
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速度控制精度 |
< 10% |
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抗風(fēng)能力 |
< 5級(jí) |
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地面站 |
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控制地面站 |
Windows系統(tǒng)，具備電子地圖、虛擬儀表、綜合顯示、指令面板、航路設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)控和報(bào)警功能。 |
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調(diào)試參數(shù)地面站 |
Windows系統(tǒng)，姿態(tài)，速度，位置等各環(huán)節(jié)控制參數(shù)，部分傳感器的精度的設(shè)置與讀取。 |
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GPS（NovAtel OEMSTAR 10HZ） |
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定位精度 |
1.5 M (單點(diǎn)定位L1) |
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數(shù)據(jù)更新率 |
10Hz |
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GPS天線 |
航空級(jí)天線 |
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IMU |
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航向角范圍 |
±180 º |
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航向角精度 |
< 1 º （磁羅盤(pán)數(shù)據(jù),WMM融合校正） |
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橫滾角，俯仰角范圍 |
±180 º，±90 º |
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橫滾角，俯仰角精度 |
靜態(tài)< 0.3 º,動(dòng)態(tài)<2.0º |
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姿態(tài)角速率 |
±200 º/sec |
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X,Y,Z加速度范圍 |
3g（標(biāo)準(zhǔn)），5g（大范圍） |
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氣壓計(jì)范圍 |
300－2000mbar |
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數(shù)傳電臺(tái) |
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工作頻率 |
902-928 MHz， |
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發(fā)送功率 |
Max 1W |
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供電電壓 |
6-30 Vdc |
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數(shù)傳距離 |
5-20 Km根據(jù)環(huán)境以及天線高度 |
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接口 |
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GPS天線 |
1通道 |
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串口I/O |
RS232 5通道，RS422 1通道 |
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PWM輸入 |
10通道 |
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PWM舵機(jī)輸出 |
9通道 |
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電源 |
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電源 |
12±2VDC |
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功耗 |
< 6w |
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工作溫度 |
-40－80℃ |
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尺寸/重量 |
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IMU |
76(D) X 93(W) X 77(H) 650g 內(nèi)部減震 |
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飛控計(jì)算機(jī) |
81(D) X 110(W) X 41(H) 390g |
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外設(shè)控制器 |
71(D) X 75(W) X 25(H) 130g |
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GPS等采集器 |
55(D) X 82(W) X 23(H) 110g |
APFC-1系統(tǒng)框架圖
全自動(dòng)飛行視頻效果請(qǐng)點(diǎn)擊此鏈接：http://www.tudou.com/programs/view/fDSDltyYvE4/
下載附件： 漢和航空自動(dòng)駕駛儀控制系統(tǒng)
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