[科普中国]-自动驾驶仪耦合器

简介

把导航系统接收器输出连接到自动驾驶仪（自动操舵器）的装置。

自动驾驶仪概述自动驾驶仪（autopilot），是按技术要求自动控制飞行器轨迹的调节设备，其作用主要是保持飞机姿态和辅助驾驶员操纵飞机。对无人驾驶飞机，它将与其他导航设备配合完成规定的飞行任务。导弹上的自动驾驶仪起稳定导弹姿态的作用，故称导弹姿态控制系统。自动驾驶仪是模仿驾驶员的动作驾驶飞机的。它由敏感元件、计算机和伺服机构组成。当飞机偏离原有姿态时，敏感元件检测变化，计算机算出修正舵偏量，伺服机构将舵面操纵到所需位置。1

相关背景自动驾驶仪是按一定技术要求自动控制飞行器的装置。在有人驾驶飞机上使用，是为了减轻驾驶员的负担，使飞机自动地按一定姿态、航向、高度和马赫数飞行。在导弹上，起稳定导弹姿态的作用，故称导弹姿态控制系统。它与导弹上或地面的导引装置交联组成导弹制导和控制系统，实现稳定和控制功能。

现代自动驾驶仪的趋势是向数字化和智能化方向发展。80年代以前，战术导弹由于工作时间短、工作环境条件恶劣（如很大的过载）等较少采用数字式自动驾驶仪。微型计算机出现后，战术导弹开始采用数字式自动驾驶仪。近代空战中，自动驾驶仪能以最佳方式操纵战斗机，例如以最短的时间飞到最有利的位置。在导弹攻击目标时，自动驾驶仪与制导系统配合使导弹能识别敌友、分析敌情变化并作出最优决策。这就要求自动驾驶仪具有智能的功能。2

在现代军事科学方面，自动驾驶仪因可替代人驾驶飞机被应用于无人机方面，包括无人定翼飞机和无人直升机等无人飞行器。使用MEMS惯性器件和全球定位系统相结合的GPS/INS组合导航系统、使用自适应和神经网络等高级控制算法以及体积小重量轻集成度高都已经成为了现代自动驾驶仪的标志。

发展历史1914年，美国人斯派雷制成了电动陀螺稳定装置，成为了自动驾驶仪的雏形。20世纪30年代，为减轻驾驶员长时间飞行的疲劳，开始使用三轴稳定的自动驾驶仪，用于保持飞机平直飞行。

20世纪50年代，通过在自动驾驶仪中引入角速率信号的方法制成阻尼器或增稳系统，改善了飞机的稳定性，自动驾驶仪发展成飞行自动控制系统。50年代后期，又出现自适应自动驾驶仪，能随飞行器特性的变化而改变自身的结构和参数。3

20世纪60年代末，数字式自动驾驶仪在阿波罗飞船中得到应用。自动驾驶仪种类很多，可按能源形式、使用对象、调节规律等分类。现代自动驾驶仪的趋势是向数字化和智能化方向发展。

现代自动驾驶仪已广泛应用于飞机，而且一般都是数字式自动驾驶仪。机载计算机能够确定最佳飞行路线，包括爬升和下降等，并对油门和各控制翼面发出指令。各种先进的显示屏幕取代了种类繁多的仪表盘，直观地显示出沿途检验点和飞机航向等信息。

工作原理自动驾驶仪是用来稳定与控制飞机角运动和重心运动的一种飞行自动控制系统。其功用为4：

1.按照驾驶员的意图稳定(或保持)飞机的飞行状态。

如稳定飞机的姿态角，保持飞机的飞行高度和飞行M数等。例如，驾驶员常常通过自动驾驶仪来稳定飞机的姿态角作巡航水平直线飞行。尤其远程民航机、运输机、轰炸机以及歼击机转场时很重要，以减轻驾驶员的负担。

2.执行来串自动驾驶仪中操纵台的各种指令信号。

由于自动驾驶仪是并联在飞机机械系统之中，所以当自动驾驶仪工作时，驾驶员不能推动驾驶杆，因它们与自动驾驶仪联动。为此驾驶员必需通过自动驾驶仪的操纵台发出各种指令控制信号，此信号与敏感元件输出的信号极性相反以其差值加到舵回路从而操纵舵面偏转，使飞机按照各种指令信号运动。例如使飞机按给定的俯仰角爬高、下滑、改平；按选定的倾斜角转弯；按选定的航迹飞行等。

3.自动驾驶仪目前正朝综合化多功能方向发展。5

例如与地面无线电设备一起可组成自动着陆系统，来完成飞机的自动着陆等任务。如波音-747等飞机上装有自动着陆系统。在轰炸机上还可同其它电子设备、军械设备一起构成自动瞄准投弹系统。如F-105D战斗轰炸机可利用自动驾驶仪操纵飞机进入目标，机动飞行投弹，脱离战斗，返航和着陆。在战斗机上还可与机载雷达等设备构成火力控制系统，当机载雷达发现目标后，就进入自动跟踪目标，并实施攻击。它还可以同地形跟踪雷达一起构成自动地形跟踪系统，这种系绕可使飞机贴着地形高速低空入侵，由于有地形的遮蔽，不易为雷达所发现。如F-111飞机上就装有自动地形跟踪系统；可离地60米飞行。因此自动驾驶仪不仅可用于民航机、运输机、轰炸机；而且还可用于歼击机、直升机和无人飞机等。

自动驾驶仪是通过飞机的升降舵副翼和方向舵三个主要操纵面来稳定和控制飞机的。因而自动驾驶仪也有与其对应的俯仰、横滚和航向三个通道。通道之内有相互交联的信号(特别是横滚和航向通道之内)。

下面我们仅以俯仰通道为例来说明自动驾驶仪的工作原理。

1.自动驾驶仪稳定飞机俯仰角的过程：

a.飞机处于平飞状态飞机平飞时，俯仰电位计的电刷B在其中点，而给定电位计的电刷A也在中点，两者电位相等，偏差信号为零升降舵不动处于中立位置。

b.飞机偏离平飞状态，产生俯仰角偏差信号当飞机受到扰动后，若飞机机头上仰角，这时俯仰电位计与电刷A一道跟着飞机上仰(因电位计串联在飞机上)，而电刷B则被垂直陀螺仪稳定不动。因此电刷A和B的电位不等，产生偏差信号，其大小与俯仰角的偏差成比例。

c舵面动作，飞机逐渐恢复偏差信号放大器放大后，送至舵机，舵机转动，一方面经钢索带动舵面向下偏转；另一方面又带着返馈电位计的电刷C转动，直至返馈信号完全低消偏差信号为止。这时舵机停止转动，从而产生一低头为矩Mz，在该力矩的作用下使得飞机和俯仰电位计逐渐向平飞位置恢复。

d.舵面逐渐回收，飞机又恢复到平飞位置由于飞机和俯仰电位计逐渐向平飞位置恢复，而电刷B仍被稳定不动则电刷A和B之间的偏差信号逐渐减小，当返馈信号大于偏差信号时，输入到放大器的误差信号反相(即极性相反)，从而使得舵面逐渐回收，电刷C又逐渐回到中点，最后舵面又恢复到平飞时的中立位置，飞机又处于平飞状态。

2.通过自动驾驶仪操纵飞机的爬高的过程

a.驾驶员给出爬高指令当操纵飞机从平飞状态改为爬高状态时，驾驶员转动台上的操纵旋钮，使给定电刷转动，这时电刷A和B之间所给出信号即给定俯仰信号。

b.舵面动作产生抬头的操纵力矩在给定信号的作用下，舵机转动，一方面经钢索带动舵面向上偏转；另一方面又带动返馈电位计的电刷C转动，直至返馈信号完全抵消给定信为止。舵面上偏产生上仰操纵力矩。

c.飞机逐渐向给定姿态过渡在上仰操纵力矩的作用下，飞机逐渐上仰，俯仰电位计及给定电刷A也随飞机一起上仰，而电刷B仍被稳定不动。这样电刷A和B之间的偏差信号愈来愈小，于是返馈信号大于偏差信号，输入到放大器的信号反相，使舵面逐渐回收，电刷C逐渐向是点移动。

d.飞机操纵到爬高状态随着飞机上仰到给定的俯仰角时，电刷A和B之间的偏差信号为零。返馈电位计的电刷C也回到中点，舵面又处于中立位置，则飞机以给定的俯仰角爬高。

从上面自动驾驶仪稳定与控制飞机姿态角的过程看出：该过程就是自动驾驶仪和飞机两者相互作用的过程。一方面由自动驾驶仪根据姿态角偏差的大小和方向去驱动舵面，产生操纵力矩，对飞机产生控制作用；另一方面，飞机实际姿态角的变化，又反作用于自动驾驶仪，使其实际的姿态角与给定的姿态角之间的偏差信号减小，从而减弱对飞机的控制作用。这就是飞机对自动驾驶仪的反作用，或称负返馈作用。这样自动驾驶仪与飞机组成一个闭环系统，通常称飞机--自动驾驶仪系统。

导航系统概述导航系统通常导航系统是一些基础功能的集合,包括:“定位”、“目的地选择”、“路径计算”和“路径指导”。系统在其较高的性能系列中也提供彩色地图显示。所有这些功能要求有一个道路网的数字化地图，它通常存储在CDROM中。

工作原理1、定位

查找位置，依靠合成定位法。其方法是将路线单元按照数量和角度轮翻地不断相加。这个过程包括了误差的积累，但这些误差被不断地与数字地图(地图匹配)的道路位置相对照而得到补偿。由于有GPS卫星定位系统，车辆超出数字化道路网络范围的短途旅行或经海运或铁路运输后，导航系统仍然能正常导航，没有任何问题。6

2、传感器

为查找位置，经常使用2个车轮传感器测定旅程和方向的变化，用地磁传感器测定旅行的绝对方向。

实质上，在数字地图范围以外的旅行，GPS定位系统修正大的传感器干涉，或确定重新进入储存道路网络的修正点。更现代化系统，仅需要一种简单的旅行信号，如经常利用速度决定汽车无线电的音量控制。方向的变化用偏航率传感器(陀螺仪)来确定。地磁传感器已是多余，现在已能通过来自CP信号的多普勒效应测定旅行的绝对方向。7

耦合器在微波系统中， 往往需将一路微波功率按比例分成几路， 这就是功率分配问题。实现这一功能的元件称为功率分配元器件即耦合器， 主要包括： 定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件。8

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。