無(wú)錫漢和航空自動(dòng)駕駛飛行控制系統(tǒng)(APFC-1)簡(jiǎn)介
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(hù)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(xiàn)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 
 

飛行控制
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)
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
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）
航速	8-10 m/s（空速）
懸停定位精度	< 3m
航線(xiàn)精度	< 5m
速度控制精度	< 10%
抗風(fēng)能力	< 5級(jí)
地面站
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。
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。
GPS（NovAtel OEMSTAR 10HZ）
定位精度	1.5 M  (單點(diǎn)定位L1)
數(shù)據(jù)更新率	10Hz
GPS天線(xiàn)	航空級(jí)天線(xiàn)
IMU
航向角范圍	±180 º
航向角精度	< 1 º （磁羅盤(pán)數(shù)據(jù),WMM融合校正）
橫滾角，俯仰角范圍	±180 º，±90 º
橫滾角，俯仰角精度	靜態(tài)< 0.3 º,動(dòng)態(tài)<2.0º
姿態(tài)角速率	±200 º/sec
X,Y,Z加速度范圍	3g（標(biāo)準(zhǔn)），5g（大范圍）
氣壓計(jì)范圍	300－2000mbar
數(shù)傳電臺(tái)
工作頻率	902-928 MHz，
發(fā)送功率	Max 1W
供電電壓	6-30 Vdc
數(shù)傳距離	5-20 Km根據(jù)環(huán)境以及天線(xiàn)高度
接口
GPS天線(xiàn)	1通道
串口I/O	RS232 5通道，RS422 1通道
PWM輸入	10通道
PWM舵機(jī)輸出	9通道
電源
電源	12±2VDC
功耗	< 6w
工作溫度	-40－80℃
尺寸/重量
IMU	76(D) X 93(W) X 77(H)  650g  內(nèi)部減震
飛控計(jì)算機(jī)	81(D) X 110(W) X 41(H) 390g
外設(shè)控制器	71(D) X 75(W) X 25(H)  130g
GPS等采集器	55(D) X 82(W) X 23(H)  110g

APFC-1系統(tǒng)框架圖   

   
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