垂直起降自动飞行器飞行控制系统Word格式文档下载.docx
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如果通过计算机给出AFCS指令，就可以达到最大的控制灵活性。
无论使用图形界面的地面控制站，还是命令行工具或者自定义编码，都可以指挥AFCS并得到它的状态。
图形地面控制站具有‘点击-飞行’界面，即点击在活动地图上的点，然后将这个点的信息传送给无人直升机。
命令行工具具有可以返回当前姿态和位置并指挥无人直升机至给定坐标点的程序。
自定义编码可以给AFCS直接发送指令并得到AFCS的接近实时的全带宽的遥感数据。
除具有飞行员正常驾驶直升机的技术之外，操纵者还必须具有在座舱外驾驶直升机的本领。
这对于驾驶时与座舱内驾驶有不同方向的无人直升机驾驶是非常困难的。
当无人直升机的尾桨指向操纵者的时候驾驶的方向与座舱驾驶相似（很抱歉，Roromotion公司的无人直升机只能够提供给操纵者7英尺的飞行高度）。
然而，当无人直升机指向操纵者的时候，方位几乎是完全相反的。
例如，如果无人直升机开始向左倾斜然后开始向左加速，操纵者就需要向左推操纵杆以抵消这种运动。
手动操纵无人直升机的能力是非常重要的。
如果想要成为完全精通的操纵者就必须能够成功并且安全地安装、测试、调整以及操纵无人直升机。
AFCS并不具有自动起飞和降落功能。
AFCS的安装和组建
为了驾驶无人直升机，VTOLAFCS必须成功的安装在直升机上。
VTOLAFCS几乎对所有大小的无人直升机都适用，并只有很少对于机身的要求：
●能够有足够大小和升力以安装VTOLAFCS
●三机械伺服系统混合自动倾斜器或90度十字盘控制结构自动倾斜器
●能够使安装的VTOLAFCS具有较小的振动
●能够提供VTOLAFCS的电源（7.2V-12V，700mA）和无线局域网络（计算机控制）。
一些汽油引擎遥控直升机需要将磁力计安放于较远位置。
这是因为，如果VTOLAFCS安装得距离引擎的调速轮磁体过近，磁力计将无法正确指示地磁场。
图1.总体设置步骤
Rotomotion公司已经在为了使安装和使用AFCS尽可能容易上面做出了很大的努力。
然而，在安装，构造，调整和操纵本AFCS时仍然有许多细节要注意。
在开始配置过程之间充分地阅读本文是非常重要的。
此外，一些过程当中需要制造数据，以进行测试结果的评估。
例如，当安装AFCS时，需要确定AFCS检测到的振动水平应在一定的界限之下。
这项服务由Rotomotion公司提供，并不需另外收费。
本向导目的在于将遥控直升机改装成为无人驾驶直升机。
安装过程将按照完全可靠的过程进行。
1安装航电和其他必须设备。
除需要保留遥控直升机上通常的航电设备以外，还需要：
a）陀螺仪：
建议使用能够适用标准伺服系统的陀螺仪（例如，建议使用双叶（Futaba）GY-401，而不建议使用JR5000T）。
b）调速器：
例如FutabaGV-1发动机调速器。
c）伺服系统：
Rotomotion建议使用高质量的数字伺服系统。
数字伺服系统定位要比模拟伺服系统精确得多。
并且，其对于相同功耗，可以输出更大转矩。
d）4.8V伺服系统电池。
2安装无人直升机所需特殊航电设备。
a）自动飞行控制系统（AFCS）：
这个盒子是整个无人直升机的心脏。
伺服系统、GPS天线、电源、Futaba1024PCM信号以及无线遥感设备都连接到AFCS飞控盒上面。
特别地，需要对AFCS进行隔振。
b）无线收发设备：
这使得地面站可以接受飞行器的状态信息地面站操纵者可以发送无人直升机导航指令。
Rotomotion当前建议使用标准IEEE802.11无线传输协议。
c）7.2V（六芯）AFCS电池：
AFCS所用电流为600mA。
无线遥感收发器通常利用这块电池，可以直接使用或通过一个5V的转换器。
大多数遥感部件所用电流为800mA和1.2A。
d）普通遥控接收器：
接收手动飞行指令和操纵人员的有限导航指令。
只支持Futaba1024PCM和Futaba/JRPPM协议（不支持JRPCM）。
AFCS已经成功地安装在了拥有隔振的起落架上。
这个起落架的设计使得AFCS非常接近主旋翼的轴线（重心位置）。
1.机身调整。
当成功地安装了AFCS和其它无人驾驶设备之后，必须使AFCS对于这个特定的机身进行初始化设置。
2.收发器调整。
AFCS需要信道以达到进入自动驾驶和进行自动驾驶模式设置。
3.磁力计校准。
每个磁力计安装在机身上都需要精细的硬铁校准以消除周围磁性物体影响。
这个调整显现出了飞行器磁场畸变性质。
为了AFCS成功的控制直升机，必须将将这个调整做好。
4.AFCS调整。
为了AFCS成功控制直升机，必须将飞行控制器增益调整好。
三个控制器（姿态，速度，位置）具有包含三个参数（比例，积分，微分）的三套增益设置（相对于每一个轴）。
姿态增益特定于每一个机身/起落架设计，而速度和位置增益帮助在恶劣的环境或特定的飞行状态当中调整直升机。
三、安装注意事项
为了将普通的遥控直升机改装成为无人驾驶直升机，需要安装附加的设备：
航电设备、电源和结构设备。
从前的直升机AFCS系统需要在机身上面安装大量的设备。
Rotomotion将这些设备全部安装在一个8*4*3英寸重1.7磅的盒子里。
我们的AFCS用铝进行封装，这样可以在电子干扰环境中得到优良的惯性数据，并散热和进行长时间的稳定、持续的使用。
除Rotomotion的AFCS之外，还需要将一些其它的无人驾驶飞行器所需设备安装在遥控直升机的机身上：
1.特定的遥控接收器（包括）
2.遥感测量收发器（不包括）
3.7.2V电池（不包括）
4.起落架（不包括）
5.GPS天线（包括）
6.引擎关闭器
您需要配备必要的基本设施以在机身上支持Rotomotion的AFCS。
如果机身是很大的负载或者动力较小，您就必须考虑您所有的设施的重量问题。
如果您发现从其它的方向安装AFCS更为容易的话（任何与直升机工作方向正交的方向），请联系Roromotion公司获得方向的专项帮助。
AFCS必须安装在低振动的平台上。
Rotomotion提供了2个免费的振动分析报告。
这些报告是从分析地面站的日志当中得到的，所以地面站必须记录直升机的飞行以提供足够的分析数据。
AFCS通过多芯电缆连接除了脉冲编码调制手动/安全信号和伺服系统信号/电源之外的所有的功能。
多芯电缆通过一个25针D-Sub连接器。
多芯电缆具有RJ-45局域网电缆公头，两个7.2-14VJ-型直流电源母头，J-型母头控制台串行端口，平台偏航编码器J-型母头（可选），平台俯仰编码器J-型母头（可选），DGPSJ-型母头（可选）。
AFCS默认方向
AFCS需要7.2V的电源。
这个电源也可以调整到14V但输入尽可能要平稳，AFCS并没有经过将交流发电机的输出矫正后作为输入的广泛测试。
我们现在建议使用高质量的镍镉或镍氢电池，这样可以拥有30%的使用裕度。
当输入为8V时AFCS电流大概为600mA。
无论使用何种电源，测量当前状态以确定当前所采用的电源系统足以满足需求。
四、软件
Rotomotion的AFCS软件系统主要有两部分构成：
机载系统和地面站系统。
两个部分之间利用计算机通过UDP协议进行通信。
使用UDP协议，您可以高效，并接近实时地进行操纵。
但是，这需要高级编程能力。
请联系Rotomotion以获得软件定制和咨询服务。
机载系统在总体结构上是作为服务器的，它向客户机提供如当前姿态、位置，以及当前期望姿态，当前期望位置，滚转传感器数据和其它信息。
您会注意到这些数据是实时的，系统不提供数据存档功能。
数据存档是由地面站进行日志记录来完成的。
机载系统的设置记录在机载系统上的一个文本文件上。
您可以通过AFCS的多芯电缆控制台串行端口来对此系统进行操作。
利用一个串行（或调制解调器）端口中断程序将波特率设置为38400，8-N-1（8位数据位无奇偶校验位,1位停止位）模式，无硬件或软件流控制，您可以登入并编辑配置文件。
高级用户可以在机载系统当中加入其它程序以增强系统功能。
地面站系统以图形界面来操控无人直升机，数据日志系统，状态观测器，以及调整系统。
您必须具备一台地面站计算机以及网络和无线遥感所需要的一切设施。
Rotomotion提供的软件支持GNU/Linux系统和一些Windows操作系统。
本文会主要介绍应用于Windows（Win32）系统当中的软件的安装和数据日志系统的使用。
请联系Rotomotion公司获得在其它操作系统当中使用的帮助。
完全安装的AFCS软件系统并且确定可以使用；
由于磁力计经过了出厂预设，安装在机身上之后，在进行完全校正之前，是不会拥有精确的指向数据的。
当通电之后，AFCS的软件系统就开始运行，30秒之后系统便可以使用。
当系统可以使用之后，地面站系统软件可以与其建立通信并开始显示状态数据和发送指令。
但是，机载传感处理系统需要60秒的时间进行初始化。
如果当通电的时候机载系统遭遇了很大的温差（如移至室外或其它情况，产生了大于10摄氏度的温差），AFCS传感处理系统可能需要5分钟的时间来进行初始化。
当地面站显示的状态与直升机的实际状态一致并且只有当直升机移动显示才移动的时候，传感系统就是已经初始化完毕了。
您必须将地面站软件安装在计算机上。
这台计算机需要拥有与无人直升机进行遥感IP通信的功能。
同时，地面站计算机需要有足够的计算和图形显示能力，以运行本软件。
Rotomotion建议最低配置为奔腾500MHZCPU，10GB空间，WindowsNT，XP或GNU/Linux操作系统。
在AFCS的附带光盘当中位置为：
\Win32\GCSsetup.exeand\linux-i386\ground。
Win32文件为一个自解压缩安装程序。
这个程序会安装软件并在开始菜单或桌面上建立快捷方式。
Linux-i386文件是一个可执行文件。
您需要将其拷贝至它将运行的地方，Linux-i386文件需要GLIBC版本。
{{在这里加入GLIB版本需求}}
fltk（在fltk.org网站上得到并安装）和openGL（在Mesa3D.org网站上得到并安装）
地面站
地面站软件的作用是用来观测无人驾驶直升机当前的状态，向其发送指令和对其进行调整的。
这个程序有几个命令行选项：
用法：
ground[选项]
-h帮助——本帮助
-s服务器主机——服务器主机名
-p端口状态——服务器端口
-v详细——增加详细程度
-l状态文件名——将状态数据记入日志
必须制定主机名称才能使AFCS与地面站建立连接。
而且，还需要制定日志文件名称，如果文件已经存在，将会被覆盖掉。
注意——最好在任何AFCS的飞行当中都建立日志文件，这样如果在飞行当中出现了任何的问题，就可以通过日志文件来确定问题出现在什么地方。
Grond程序是由选项卡界面构成的，这些选项卡将功能进行了归类。
重要的AFCS状态信息在每一个状态卡上面都一直显示。
默认的选项卡为活动地图界面：
状态栏当中有系统报警器，脉冲调制累加计数器，GPS垂直精度衰减因子速度错误估计，通讯错误累加器和网络重新连接按钮。
系统报警器显示了附加系统是否工作的状态。
绿色表示附加系统正常工作，黄色表示工作于边缘状态，而红色或黑色则表示错误或运行状态无法识别。
注意——系统报警器是针对于附加系统的。
这些显示并不足以完全判定附加系统是否正常工作。
还必须考虑其它的因素，例如环境和机械系统状况。
不要仅仅依靠这些显示来判断飞行状况。
系统完备指示：
最高级别的状态。
当所有的系统准备完毕，指示器显示为绿色。
起飞指示：
指示直升机已经做好了起飞准备。
GPS指示：
指示GPS接受已经达到高质量飞行标准，显示为黄色。
AHRS指示：
指示出姿态/航向辅助系统准备完毕。
无线电指示：
指示手动/安全飞行模式启用。
GPS垂直精度衰减因子是衡量GPS附加系统所报速度错误的标准。
无人直升机飞行需要垂直精度衰减因子在40以下。
当垂直精度衰减因子小于15的时候将会得到最好的飞行品质。
许多因素都会对垂直精度衰减因子产生影响：
大气条件，卫星位置和电子干扰。
脉冲调制错误累加计数器显示了接受的错误数据包数量。
手动/安全发送器通过1024PCM方式向无人直升机发送数据。
采用CRC和校验方式。
当AFCS解码脉冲调制的时候，将利用CRC进行检查。
当检查出错误，累加计数器就会加1。
当累加计数器溢出，累加计数器的背景颜色就会变成红色。
这时，手动操作就失效了，因此必须停止引擎。
重新联网按钮在地面站与无人直升机进行进行连接测试的时候是非常有用的。
当地面站开始工作，它将试图与无人直升机建立连接。
这时它自动采用的就是这个功能。
以后的连接便是手动点击这个按钮。
地图选项卡
活动地图指示出了当前直升机的位置和航向，以及图形轨迹，姿态指示器，前飞速度，侧滑速度，垂直速度，AFCS时间/数据，日志文件标注输入，地图居中选项，地图指向选项，和地图比例调整。
活动地图
在网格活动地图上面显示了一个直升机图形，这个地图的大小可以通过拉动右面的滚动条来进行调整。
大小调整时会对网格刻度进行细分。
网格的比例尺可以在1米到500米之间变化，每个比例尺有5个刻度。
最小的地图为长宽30米，最大的为长宽2000米。
当AFCS进入自动驾驶模式后双击地图上的某个点会使直升机飞向该点。
注意——请在双击地图上某点之前确认已经将地图大小调整好，否则可能会使直升机飞出两公里远。
警告——AFCS不具备任何障碍躲避系统。
所以，直升机的操纵者必须避免直升机遇到飞行障碍。
直升机在地图上飞行会留下飞行轨迹。
轨迹长度大概为30秒。
地图可以通过地图居中模式来调整。
地图模式有：
a）Origin：
地图中心点位于（0,0）处。
b）Heli：
地图中心位于直升机上。
c）Waypoint：
将地图中心定位于期望点处。
d）Fixed：
手动确定地图中心位置（鼠标左击拖拽）。
地图指向模式有：
a）North：
地图顶部指向北方。
b）Heading：
地图顶部指向与直升机航向一致。
c）Velocity：
地图顶部指向当前速度方向。
手动旋转地图（鼠标右击拖拽）。
姿态指示器：
姿态指示器显示了与水平相关的直升机姿态，与其他通常的姿态指示器显示相同。
除了姿态显示以外，当进入自动驾驶模式，姿态指示器还显示了期望了姿态和航向（黄色箭头）。
在姿态指示器两侧显示了当前和期望速度条。
注意：
记录区是用来将注释纪录到日志文件当中的。
这会方便注释日志文件，如记录事件，天气情况等。
配制选项卡
增益
无人直升机的调整是通过调整增益系数来实现的。
有三组增益：
姿态，速度，位置。
在后面的章节当中接受了将无人直升机参数调至正确的方法。
而且当无人直升机处于自动驾驶模式的时候将增益系数上传至直升机上才会产生作用。
通过这种方式，新的增益系数会迅速地产生效果。
刷新按钮是用来下载当前AFCS增益系数的。
如果想要永久地将AFCS的增益系数保存，需要修改机载系统的配置文件。
控制模式
AFCS控制模式默认根据姿态进行设置。
AFCS可以设置为一种或几种模式：
1.姿态：
这个模式为保持期望的姿态。
姿态指令是通过移动遥控器上的摇杆来发出的。
当处于自动驾驶模式时，当前的飞行姿态被做为基本姿态，并且以后的姿态指令是与其相关的。
因此，起动自动驾驶系统时直升机各轴向速度应接近于零，这一点非常重要。
此外，在这个模式当中没有高度保持。
对于轴的控制取决于自控驾驶的轴控模式：
1）模式0：
控制器只控制滚转
2）模式1：
控制器控制滚转，俯仰和偏航
3）模式2：
不使用
2.保持：
这个模式是用来保持位置。
遥控器不会对控制轴产生作用。
计算机指令仍然可以发送到直升机上面。
控制器只控制侧滑。
俯仰，总距和偏航由操纵者手动控制。
控制器控制前飞，侧滑，和偏航，总距由操纵者手动控制。
控制器控制所有的轴。
遥控器不对直升机控制，但自动驾驶仍然禁用。
3.速度：
这个模式允许手动控制速度。
但是由于没有位置控制，操纵着必须控制直升机飞行的速度以到达期望位置。
例如，阵风会使直升机位置产生偏移，操纵者需要手动操纵以抵消这种影响。
当启用自动驾驶系统时，当前直升机飞行速度被作为后面控制的基础速度。
只控制侧滑速度。
垂直速度通过手动进行控制。
控制前飞，侧滑和偏航速度。
垂直方向保持自动驾驶起动时的高度。
状态选项卡
状态选项卡显示了AFCS的状态数据，手动操纵器状态和位置，自动驾驶伺服系统指令和摄像机平台状态和位置。
这个选项卡集中了各种状态以及传输速率和摄像机。
状态信息包含姿态航向系统，惯性测量装置，GPS和摄像机状态。
传输速度类包括遥控器无线连接状况，遥控器设定位置以及自动驾驶伺服系统指令位置。
摄像机类当中包括模式选择，当前位置和期望/指定位置。
状态
状态数据包括：
1.角度（Angle）：
滚转，俯仰和偏航。
偏航的指示为180至-180度。
这个数据通过姿态航向系统利用惯性测量装置测得。
2.速率（Rates）：
滚转，俯仰和偏航速率。
通过惯性测量装置测得（度每秒）。
3.加速度（Accel）：
X（向前），Y（侧向），Z（垂直）加速度。
通过惯性测量装置测得（米每秒的平方）。
4.位置（Pos）：
当前与原始切平面相关位置。
通过位置过滤器得到。
5.XYZ速度（VelXYZ）。
6.NED速度（VelNED）。
7.粗略位置（PosRAW）。
8.位置偏差（PosDelta）：
只有当处于自动驾驶模式的时候才显示当前位置与期望位置之间的偏差。
9.卫星（Sats）：
被当前GPS系统所使用的卫星数目。
10.位置精度误差（Pdop）：
由GPS系统产生的错误位置估计。
11.速度精度误差（Vdop）：
由GPS系统产生的错误速度估计。
12.电压（Voltage）：
惯性测量装置/伺服系统电压。
当降至4.8V以下时，飞行会出现不安全。
当其出现时，电压迅速降低，此时必须通知直升机飞行。
13.姿态航向系统轨迹（AHRSTrace）：
姿态航向系统作用。
在飞行操纵当中这个值应当小于2。
但当AFCS为固定（在地面上）时，这个值较高是正常的。
飞行当中如果这个值大于2，说明传感器已经损坏。
14.GPS轨迹（GPSTrace）：
GPS系统作用。
这个数字指示了GPS位置过滤器的运行情况。
15.摄像机位置（CameraPosition）：
北方/东方（如果装备了）：
指示当前摄像机视角，可以输入新的视角。
网络速度数据组包括：
1.滚转/自动（Roll/AUT）：
滚转指示条手动操纵遥控器滚转杆的位置。
在滚动指示条下面是自动指示条，它只有当AFCS控制滚转伺服系统的时候才被激活，激活后它将指示AFCS所给出的伺服系统位置。
2.俯仰/自动（Pitch/AUT）：
俯仰指示条手动操纵遥控器滚俯仰的位置。
在俯仰指示条下面是自动指示条，它只有当AFCS控制俯仰伺服系统的时候才被激活，激活后它将指示AFCS所给出的伺服系统位置。
3.偏航/自动（Yaw/AUT）：
偏航指示条手动操纵遥控器偏航杆的位置。
在偏航指示条下面是自动指示条，它只有当AFCS控制偏航伺服系统的时候才被激活，激活后它将指示AFCS所给出的伺服系统位置。
4.节流阀/自动（Thr/AUT）：
节流阀指示条手动操纵遥控器节流阀杆的位置。
在节流阀指示条下面是自动指示条，它只有当AFCS控制节流阀伺服系统的时候才被激活，激活后它将指示AFCS所给出的伺服系统位置。
5.总距/自动（Coll/AUT）：
总距指示条手动操纵遥控器总距杆的位置。
在总距指示条下面是自动指示条，它只有当AFCS控制总距伺服系统的时候才被激活，激活后它将指示AFCS所给出的伺服系统位置。
6.数据包（Pkts）：
这个与网络数据包显示相同，它将网络数据包进行累加，接受速率为30HZ。
7.位校验（CRC）
8.通讯错误（Glitch）
9.陀螺仪（Gyro）
10.模式（Mode）
11.偏航（Heading）
12.节流阀（Throttle）
13.自动驾驶（Autopilot）：
自动驾驶启用指示。
摄像机
如果AFCS具有摄像机控制软件，那么就可以控制面板和伺服系统。
同时，位置解码器会将面板和倾转角度报告给飞行控制器。
日志选项卡
日志选项卡显示了实时记录图表。
图2.北飞10米然后南飞的记录图表显示
记录图表有以下几项：
1.陀螺仪旋转率（PQR）：
2.加速度（
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