自动化驾驶系统使用说明书电子版.docx
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自动化驾驶系统使用说明书电子版
密级
CA2102自动化驾驶系统
使用说明书
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(共17页)
航天科工深圳(集团)有限公司
电气研究院
目录
1简介1
1.1系统特色1
1.2基本性能参数1
1.3物理参数2
1.4控制模式2
2机载飞控系统3
2.1系统框架4
2.2模块介绍4
2.2.1飞控盒4
2.2.2GPS&磁罗盘5
2.2.3参数记录仪5
3地面站软件6
3.1系统最低配置6
3.2软件介绍6
3.2.1菜单栏6
3.2.2工具栏7
3.2.3HOME点区7
3.2.4航迹点区8
3.2.5控制面板区9
3.2.6数据显示区10
3.2.7地图显示区10
3.2.8仪表显示区11
3.2.9状态栏12
4飞行操作步骤13
5异常情况处理15
1简介
CA2102自动驾驶系统是一款集GPS/INS组合导航和自动飞行控制于一体的无人直升机控制系统,可以对无人直升机这类稳定性差、高度耦合的飞行器进行稳定可靠的控制,并实现自动导航飞行。
1.1系统特色
●重量轻,功耗低,体积小;
●使用简单方便,控制精度高;
●集成6自由度IMU、高灵敏度GPS、磁场计和气压高度计。
采用带GPS修正的15阶扩展卡尔曼滤波组合导航算法,确保姿态、速度、位置数据精度更高;
●飞行控制采用H∞鲁棒控制算法,环境适应性更强;
●完全实现自主起飞和自动降落功能;
●支持6种飞行控制模式:
纯手动模式、自主起飞模式、增稳控制模式、航点飞行模式、自动返航模式、自动降落模式;
●支持GoogleEarth地图,最多可设置40个航路点;
●可设定多种安全保护模式。
如通信中断自动返航、接收机信号丢失自动悬停;
●飞行中可修改航迹规划点,目标航点可实时修改;
●飞行过程中自动进行协调转弯控制。
1.2基本性能参数
表1-1基本性能参数
悬停精度①
抗风能力
水平方向
±2m
4级
(5.5m/s~7.9m/s)
垂直方向
±1m
注:
该参数是在微风(1~2级)状态下的悬停精度,如若在风大的情况下,精度略为降低。
1.3物理参数
●重量●尺寸
飞控盒:
185克;飞控盒:
120mm×70mm×60mm;
GPS&磁罗盘:
50克;GPS&磁罗盘:
100mm×50mm×30mm;
参数记录仪:
20克;参数记录仪:
60mm×40mm×20mm;
●使用环境
温度:
-40℃~+80℃;
湿度:
5%~95%(非结露);
●电源
主电源:
锂聚合物电池5000mAh/12V;
1.4控制模式
【纯手动模式】
系统保留了传统的手动控制模式,在这种飞行模式下,操控人员可将飞机作为普通遥控飞机进行操控,但要注意如果手动做过大机动动作后不宜切换到自驾模式飞行。
【自主起飞模式】
在这种模式下,飞机将以1m/s的垂直速度爬升,到达设定高度(缺省为10米)后,自动进入增稳控制模式。
【增稳控制模式】
也称为速度控制模式,在这种模式下,用户可以使用航模遥控器、操纵手柄或地面站软件给直升机发送前后、左右、上下以及转向的速度命令,由机载飞控系统进行精确的反馈控制。
航模遥控器和操纵手柄的各遥杆对应的命令速度如下:
油门杆————垂向速度
俯仰杆————前后速度
滚转杆————左右速度
转向杆————转向角速率
每个遥杆的中间位置都有±10%的悬停区,当遥杆位置处于这段悬停区时,发出的命令速度全部等于零,飞控进行定点悬停控制。
表1-2航模遥控器遥杆对应的最大命令速度
前后
左右
上下
转向
10m/s
-4m/s
±4m/s
±2m/s
±20°/s
表1-3操纵手柄遥杆对应的最大命令速度
前后
左右
上下
转向
5m/s
-2m/s
±2m/s
±1m/s
±10°/s
表1-4地面站软件可以设置的最大命令速度
前后
左右
上下
转向
10m/s
-4m/s
±4m/s
±2m/s
±20°/s
以上三种操控方式可以同时使用,飞机最终收到的命令速度是三者叠加之和,但最大命令速度不会超出地面站软件可以设置的最大命令速度值。
【航点飞行模式】
在这种飞行模式下,飞机将按照用户设定的航路点依次飞行,飞行过程中用户可随时修改航路点,也可以随时更改期望飞往的目标点。
【自动返航模式】
在这种模式下,飞机将从当前点开始沿着已经飞过的航路点顺序原路返航。
如果航路点的设置高度小于30米,飞机将爬升到30米高度;如果航路点的设置高度大于500米,飞机将下降到500米高度。
【自动降落模式】
在这种模式下,飞机将以0.5m/s的速度下降。
2机载飞控系统
机载飞控系统就是安装在飞机上面的部分。
包括飞控盒、GPS&磁罗盘、参数记录仪、GPS天线、通讯设备、通讯天线、RC接收机、定速仪、锁尾陀螺仪、电源。
2.1系统框架
图2-1系统框架
其中,标配设备包括飞控盒、GPS&磁罗盘、参数记录仪。
其他设备由用户自配。
2.2模块介绍
2.2.1飞控盒
●硬件系统
-核心处理器:
浮点型DSP;
-接口、逻辑处理器:
EPLD;
-惯性传感器:
带温度补偿的MEMSIMU;
●软件系统
-嵌入式系统:
标准C语言,配合硬件资源的调度具有实时性强、运行效率高、可靠性高的特点;
-数据预处理:
ButterworthFilter、WindowFilter;
-导航算法:
ExtendKalmanFilter;
-控制算法:
;
-数据/控制刷新率:
50Hz;
●接口
-GPS天线:
×1通道;
-RS232:
×3通道;
-CAN2.0b:
×1通道;
-接收机:
×10通道;
-舵机:
×12通道;
-转速:
×2通道;
●电源:
7~36VDC;
●功率消耗:
230mA@12V;
●工作温度:
-40~80℃;
2.2.2GPS&磁罗盘
●硬件系统
-核心处理器:
DSP;
-传感器:
GPS、3轴磁场计、气压高度计;
●软件系统
-数据预处理:
ButterworthFilter;
-GPS刷新率:
4Hz;
-3轴磁场计刷新率:
10Hz;
-气压高度计刷新率:
4Hz;
●接口
-RS232:
×1通道;
-CAN2.0b:
×1通道;
●电源:
7~36VDC;
●功率消耗:
60mA@12V;
●工作温度:
-40~80℃;
2.2.3参数记录仪
●硬件系统
-核心处理器:
单片机;
-存储器:
Flash;
-容量:
4GB;
●接口
-RS232:
×1通道;
-USB:
×1通道;
●电源:
4~14VDC;
●工作温度:
-40~80℃;
3地面站软件
地面站软件与飞机进行双向数据通讯,主要有以下作用:
监视与控制飞行状态、图形化显示飞行数据、可视化编辑飞行航线、回放飞行数据。
3.1系统最低配置
●PentiumIII,1G;
●256M内存;
●Windows98,Me,2000,XP(建议使用XPsp2版本),Vista;
●RS232串口1个(无串口笔记本使用PCMCIA转串口卡);
3.2软件介绍
程序运行的界面如下图所示,整个界面主要划分为以下几个区域:
菜单栏、工具栏、Home点区、航迹点区、控制面板、数据显示区、地图显示区、仪表显示区、状态栏。
图3-1程序运行界面图
3.2.1菜单栏
菜单栏由串口设置、接收机控制、数据回放三个主菜单组成。
如下图所示
表3-2菜单功能
主菜单
子菜单
功能
串口设置
无
用来设置地面站与飞控盒进行通讯的串口号和波特率。
默认串口号为1,波特率为115200。
接收机控制
关闭接收机
关闭接收机后,飞机将自动进入自驾状态,切换通道数据显示为2000。
油门通道数据显示为50%。
打开接收机
打开接收机
数据回放
开始
开始回放数据
高速
高速回放数据
继续
继续回放数据
低速
低速回放数据
暂停
暂停回放数据
3.2.2工具栏
表3-3工具栏
按钮
功能
串口开关
记录数据,数据存储在安装目录的\record\子目录下
飞行计时
GPS导航,在地图中实时显示飞机位置
发送航迹点
3.2.3HOME点区
图3-4HOME点区域图
表3-5按钮功能介绍
按钮
功能
【标记】
用于在地图中心点放置一个HOME点图标,以此作为编辑航点时的参考点。
注意:
此点不作为飞机坐标的基准参考点,飞机坐标的基准参考点始终默认是飞机的起飞点。
建议用户最好将此点标记在飞机的起飞点位置。
【发送】
系统将HOME点的坐标发送给飞控盒
3.2.4航迹点区
此区域主要用来编辑航迹点,鼠标右键单击此区域,将弹出航点编辑菜单,包括添加、修改、插入、删除、清空五种操作。
如图(3-6)所示:
图3-6航迹点区
表3-7各菜单功能用法
菜单
操作方法
【添加】
平移地图,将十字光标对准想要添加航迹点的位置
在航点列表框内,右键单击任意位置,弹出航点编辑菜单
在航点编辑菜单中,左键单击“添加”按钮即可
【修改】
平移地图,将十字光标对准想要更新航迹点的位置
在航点列表框内,右键单击想要修改的航点,弹出航点编辑菜单
在航点编辑菜单中,左键单击“修改”按钮即可
【插入】
平移地图,将十字光标对准想要插入航迹点的位置
在航点列表框内,右键单击想要插入的位置,弹出航点编辑菜单
在航点编辑菜单中,左键单击“插入”按钮即可
【删除】
在航点列表框内,右键单击想要删除的航点,弹出航点编辑菜单
在航点编辑菜单中,左键单击“删除”按钮即可
【清空】
在航点列表框内,右键单击任意位置,弹出航点编辑菜单
在航点编辑菜单中,左键单击“清空”按钮即可
此外,航迹点的操作还包括航点高度、航点速度和航点类型的设置。
表3-8航点高度、速度、类型的设置
功能
数据含义
操作方法
航点高度
飞机飞往航点的相对高度
范围-50m~500m,缺省为50m
左键双击修改,左键单击确认
航点速度
飞机飞往航点的前向速度
范围0~10m/s,缺省为5m/s
左键双击修改,左键单击确认
航点类型
飞机飞到航点后的动作
0—继续飞行,1—悬停,缺省为0
左键双击修改,左键单击确认
3.2.5控制面板区
控制面板区是飞机在飞行过程中需要用户重点操作的区域。
主要作用是在飞机进入自驾状态后,切换飞机的飞行模式。
切换控制面板如下图所示:
图3-9切换控制面板
各按钮的功能说明如下表:
表3-10个按钮功能说明
按钮
说明
【增稳控制】
飞机将进入增稳控制模式。
进入此模式下,用户才能执行前飞、后飞、左飞、右飞、下降、爬升、左转、右转、清零、全部清零等按钮的操作。
中间的文本框显示当前地面站设定的命令速度值。
【航点飞行】
单击此按钮,弹出设置目标航点对话框,设置用户想要飞往的目标航点号,单击【确定】按钮,飞机立即进入航点飞行模式。
【自动返航】
飞机将以默认设定的6m/s前飞速度和当时的高度飞回起飞点。
如果当时的高度小于30米,飞机将爬升到30米高度返航;如果当时的高度大于100米,飞机将下降到100米高度返航。
【自动降落】
飞机将以0.5m/s的垂直速度下降。
【关闭引擎】
飞机将执行关闭引擎操作。
为了防止用户在飞行过程中误操作此按钮,系统设计只能在执行【自动降落】控制生效后,才能执行此操作。
3.2.6数据显示区
数据显示区是飞行过程中用户需要重点观察的数据信息显示区域。
如下图所示:
第一列为当前值。
第二列为命令值。
第三列为控制量。
图3-11数据显示区
3.2.7地图显示区
主要用来显示GoogleEarth地图、HOME点、航线和飞机当前位置。
图3-12地图显示区
地图下面的状态条显示如下数据:
●坐标:
显示地图中心的十字光标的经纬度;
●距HOME点:
显示十字光标距离HOME点的距离;
●距航点:
显示十字光标距离最后一个航点的距离;
●总航程:
显示所有航点的水平距离之和;
●偏航距:
显示飞机偏离设定航线的距离。
3.2.8仪表显示区
图3-13仪表显示区
四个仪表从左到右分别是水平速度表、垂直速度表、水平仪、航向仪。
发送指示灯:
闪烁——表示正在发送数据;不闪——表示没有发送数据;
接收指示灯:
闪烁——表示收到遥测数据;不闪——表示没有收到数据;
【自动居中】:
自动将地图中心设置为飞机当前所在位置。
【操纵手柄】:
激活操纵手柄功能。
【起飞标志】:
用来显示飞机起飞过程是否完成①;
不勾选——表示飞机起飞过程尚未完成②;
勾选——表示飞机起飞过程已经完成③;
注:
●飞机遥控起飞或者自驾起飞到离地高度超过10米时,系统认为起飞过程完成;
●此时遥控器切换开关拨到自驾状态,系统将进入自动起飞模式;
●此时遥控器切换开关拨到自驾状态,系统将进入增稳控制模式;
注意:
当飞机在地面运转时,请一定不要轻意切换到自驾状态;
3.2.9状态栏
图3-14状态栏
飞行计时:
显示飞行时间。
参数记录仪:
显示参数记录仪工作状态。
数据在0~255之间依次增加为正常;
舵机电压:
显示舵机的供电电压。
电压在4.0V~6.0V之间为正常;
电源电压:
显示飞控的供电电压。
电压在11.5V~12.5V之间为正常;
控制模式:
显示飞机目前的飞行模式。
包括NULL、遥控、准备起飞、正在起飞、
悬停、巡航、飞往航点、返航;
GPS:
显示GPS定位状态和卫星数目。
定位状态包括nofix、2Dfix、3Dfix;
左边框:
显示飞机的状态信息。
包括11种状态:
“通信中断!
”;
“通信正常,遥控器未开!
”;
“遥控器正常,遥控模式!
”;
“准备起飞!
!
”;
“正在起飞!
!
”;
“定点悬停!
”;
“巡航!
”;
“航点模式-飞往航点
(2)!
”;
“返航模式-飞往航点
(2)!
”;
“正在降落!
”;
“引擎关闭!
”;
通信:
显示电台通信状态。
包括三种状态:
丢失、较弱、正常。
0,0,0,0:
四个数字分别表示位置、速度、磁罗盘、气压计的数据通信状态。
0表示正常,1表示不正常。
4飞行操作步骤
对已经调试好的飞机可以按照下面的步骤来进行飞行操作:
1)将飞机置于相对开阔的地方,检查飞机的是否有异常,并检查所有电缆连接是否有松动或异常。
2)安装连接地面站。
3)在保持飞机水平静止状态下,接通机载飞控电源,飞控初始化约需10秒。
4)打开航模遥控器和接收机电源,检查遥控操作是否正常。
5)打开地面站软件,检查下列项目:
●电台通信是否正常;
●电源电压是否正常;(11.5V~12.5V之间为正常)
●舵机电压是否正常;(4V~6V之间为正常)
●GPS定位是否正常;(3Dfix,卫星数目大于等于8)
●相对高度是否正常;
●前飞速度、侧飞速度、垂直速度是否正常;
●姿态角和航向角是否正常;
●起飞标记显示是否正常;(地面为不选中,超过10米高度后为选中)
●操纵手柄工作是否正常;
●遥控时,各通道控制量的显示是否正常;
6)设置并发送HOME点;
7)设置并发送航迹点;
8)起飞操作
遥控起飞①
将切换开关置于遥控状态,由操控手控制起飞。
自动起飞②
(1)在遥控模式下,打开定速仪,待发动机转速稳定。
(2)将油门收到50%以下后,切换成自驾模式。
地面站应显示“准备起飞”。
飞机进入准备起飞状态。
操控手等待地面站操作人员的口令。
(3)地面站操作人员看到准备起飞状态后,再次确认地面站显示的数据正常,尤其是高度显示正常,并且起飞标志没有被勾选;
(4)地面站操作人员口令通知操控手:
一切正常,可以起飞。
(5)操控手将油门推至50%以上,飞机即自动起飞③;
注:
①请务必在飞机高度超过10米后,再切换到自驾模式。
②起飞完成后(高度大于10米),飞机自动进入增稳控制模式。
③在起飞过程中,请保证油门在50%以上(50%~75%为宜)。
如出现异常,操控手可随时切换成遥控模式。
在起飞过程结束后,请将油门回到中立位置。
9)增稳飞行
可以利用遥控器和地面站软件进行增稳飞行。
10)航点飞行
可以点击【航点飞行】按钮,输入您希望飞往的任何航点。
11)自动返航飞行
下面两种情况出现任意一个,驾驶仪都将执行返航控制:
(1)在通讯正常情况下,用户点击【自动返航】按钮。
(2)数据链通讯中断时间超过6秒。
12)自动降落操作
在通讯正常情况下,用户单击【自动降落】按钮。
飞机将以0.5m/s的垂直速度下降。
13)关闭引擎操作
在通讯正常情况下,用户单击【关闭引擎】按钮。
注意:
此按钮只有在自动降落操作生效后才能操作,请在飞机距离地面10cm左右时,操作此按钮,以减轻飞机落地时的冲击力。
5异常情况处理
1)在飞行过程中,地面站软件出现故障,怎么办?
利用CTRL+ALT+DEL打开Windows任务管理器,结束iPilotGCS和googleearth两个进程,然后重新打开地面站软件即可。
在此期间,如果飞机在操控手的遥控范围内,请操控手遥控飞行即可。
如果飞机已经超出遥控范围,处于自驾状态,则飞机将自动进入返航模式。
2)在飞行过程中,地面站计算机死机,怎么办?
重新启动计算机,然后重新打开地面站软件即可。
在此期间,如果飞机在操控手的遥控范围内,请操控手遥控飞行即可。
如果飞机已经超出遥控范围,处于自驾状态,则飞机将自动进入返航模式。
3)在进行自驾飞行时,可能出现地面站命令发送1遍后,飞控没有接收到的情况,怎么办?
解决办法:
重复发送您想执行的命令即可。
例如:
●在增稳模式下,点击【清零】和【全部清零】按钮时,可以连续多点击几次,这样可以保证清零操作被飞控计算机接收到。
●利用地面站软件进行增稳飞行时,注意观察您所发送的飞行速度是否被飞控计算机正确接收到。
如果没有接收到,请重新发送您的命令。
4)在做自动起飞操作时,请保证地面站显示的相对高度正常。
飞机在地面时,相对高度显示误差应在-3~+3米范围内。
5)遥控状态起飞后,请一定要在地面站显示的相对高度大于10米之后,才能切换到自驾模式。
6)在遥控状态下,如果遥控器信号失效,而且遥控器各通道的失效保护输出值正确,飞机就会自动进行悬停。
油门通道、俯仰通道、横滚通道、航向通道的失效保护设置为中立点。
切换通道的失效保护值设置为自驾时的值。
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