自動駕駛儀

自動駕駛儀（autopilot），是按技術要求自動控制飛行器軌跡的調節設備，其作用主要是保持飛機姿態和輔助駕駛員操縱飛機。對無人駕駛飛機，它將與其他導航設備配合完成規定的飛行任務。飛彈上的自動駕駛儀起穩定飛彈姿態的作用，故稱飛彈姿態控制系統。自動駕駛儀是模仿駕駛員的動作駕駛飛機的。它由敏感元件、計算機和伺服機構組成。當飛機偏離原有姿態時，敏感元件檢測變化，計算機算出修正舵偏量，伺服機構將舵面操縱到所需位置。

基本介紹

• 中文名：自動駕駛儀
• 外文名：Autopilot
• 套用：飛機器
• 目的：讓飛行器實現自動駕駛

相關背景

自動駕駛儀是按一定技術要求自動控制飛行器的裝置。在有人駕駛飛機上使用，是為了減輕駕駛員的負擔，使飛機自動地按一定姿態、航向、高度和馬赫數飛行。在飛彈上，起穩定飛彈姿態的作用，故稱飛彈姿態控制系統。它與飛彈上或地面的導引裝置交聯組成飛彈制導和控制系統，實現穩定和控制功能。

自動駕駛儀

現代自動駕駛儀的趨勢是向數位化和智慧型化方向發展。80年代以前，戰術飛彈由於工作時間短、工作環境條件惡劣（如很大的過載）等較少採用數字式自動駕駛儀。微型計算機出現後，戰術飛彈開始採用數字式自動駕駛儀。近代空戰中，自動駕駛儀能以最佳方式操縱戰鬥機，例如以最短的時間飛到最有利的位置。在飛彈攻擊目標時，自動駕駛儀與制導系統配合使飛彈能識別敵友、分析敵情變化並作出最優決策。這就要求自動駕駛儀具有智慧型的功能。

在現代軍事科學方面，自動駕駛儀因可替代人駕駛飛機被套用於無人機方面，包括無人定翼飛機和無人直升機等無人飛行器。使用MEMS慣性器件和全球定位系統相結合的GPS/INS組合導航系統、使用自適應和神經網路等高級控制算法以及體積小重量輕集成度高都已經成為了現代自動駕駛儀的標誌。

發展歷史

1914年，美國人斯派雷製成了電動陀螺穩定裝置，成為了自動駕駛儀的雛形。20世紀30年代，為減輕駕駛員長時間飛行的疲勞，開始使用三軸穩定的自動駕駛儀，用於保持飛機平直飛行。

20世紀50年代，通過在自動駕駛儀中引入角速率信號的方法製成阻尼器或增穩系統，改善了飛機的穩定性，自動駕駛儀發展成飛行自動控制系統。50年代後期，又出現自適應自動駕駛儀，能隨飛行器特性的變化而改變自身的結構和參數。

20世紀60年代末，數字式自動駕駛儀在阿波羅飛船中得到套用。自動駕駛儀種類很多，可按能源形式、使用對象、調節規律等分類。現代自動駕駛儀的趨勢是向數位化和智慧型化方向發展。

現代自動駕駛儀已廣泛套用于飛機，而且一般都是數字式自動駕駛儀。機載計算機能夠確定最佳飛行路線，包括爬升和下降等，並對油門和各控制翼面發出指令。各種先進的顯示螢幕取代了種類繁多的儀錶盤，直觀地顯示出沿途檢驗點和飛機航向等信息。

工作原理

自動駕駛儀是用來穩定與控制飛機角運動和重心運動的一種飛行自動控制系統。其功用為：

1.按照駕駛員的意圖穩定(或保持)飛機的飛行狀態。

如穩定飛機的姿態角，保持飛機的飛行高度和飛行M數等。例如，駕駛員常常通過自動駕駛儀來穩定飛機的姿態角作巡航水平直線飛行。尤其遠程民航機、運輸機、轟炸機以及殲擊機轉場時很重要，以減輕駕駛員的負擔。

2.執行來串自動駕駛儀中操縱台的各種指令信號。

由於自動駕駛儀是並聯在飛機機械系統之中，所以當自動駕駛儀工作時，駕駛員不能推動駕駛桿，因它們與自動駕駛儀聯動。為此駕駛員必需通過自動駕駛儀的操縱台發出各種指令控制信號，此信號與敏感元件輸出的信號極性相反以其差值加到舵迴路從而操縱舵面偏轉，使飛機按照各種指令信號運動。例如使飛機按給定的俯仰角爬高、下滑、改平；按選定的傾斜角轉彎；按選定的航跡飛行等。

3.自動駕駛儀目前正朝綜合化多功能方向發展。

例如與地面無線電設備一起可組成自動著陸系統，來完成飛機的自動著陸等任務。如波音-747等飛機上裝有自動著陸系統。在轟炸機上還可同其它電子設備、軍械設備一起構成自動瞄準投彈系統。如F-105D戰鬥轟炸機可利用自動駕駛儀操縱飛機進入目標，機動飛行投彈，脫離戰鬥，返航和著陸。在戰鬥機上還可與機載雷達等設備構成火力控制系統，當機載雷達發現目標後，就進入自動跟蹤目標，並實施攻擊。它還可以同地形跟蹤雷達一起構成自動地形跟蹤系統，這種系繞可使飛機貼著地形高速低空入侵，由於有地形的遮蔽，不易為雷達所發現。如F-111飛機上就裝有自動地形跟蹤系統；可離地60米飛行。因此自動駕駛儀不僅可用於民航機、運輸機、轟炸機；而且還可用於殲擊機、直升機和無人飛機等。

自動駕駛儀是通過飛機的升降舵副翼和方向舵三個主要操縱面來穩定和控制飛機的。因而自動駕駛儀也有與其對應的俯仰、橫滾和航向三個通道。通道之內有相互交聯的信號(特別是橫滾和航向通道之內)。

下面我們僅以俯仰通道為例來說明自動駕駛儀的工作原理。

1.自動駕駛儀穩定飛機俯仰角的過程：

a.飛機處於平飛狀態飛機平飛時，俯仰電位計的電刷B在其中點，而給定電位計的電刷A也在中點，兩者電位相等，偏差信號為零升降舵不動處於中立位置。

b.飛機偏離平飛狀態，產生俯仰角偏差信號當飛機受到擾動後，若飛機機頭上仰角，這時俯仰電位計與電刷A一道跟著飛機上仰(因電位計串聯在飛機上)，而電刷B則被垂直陀螺儀穩定不動。因此電刷A和B的電位不等，產生偏差信號，其大小與俯仰角的偏差成比例。

c舵面動作，飛機逐漸恢復偏差信號放大器放大後，送至舵機，舵機轉動，一方面經鋼索帶動舵面向下偏轉；另一方面又帶著返饋電位計的電刷C轉動，直至返饋信號完全低消偏差信號為止。這時舵機停止轉動，從而產生一低頭為矩Mz，在該力矩的作用下使得飛機和俯仰電位計逐漸向平飛位置恢復。

d.舵面逐漸回收，飛機又恢復到平飛位置由於飛機和俯仰電位計逐漸向平飛位置恢復，而電刷B仍被穩定不動則電刷A和B之間的偏差信號逐漸減小，當返饋信號大於偏差信號時，輸入到放大器的誤差信號反相(即極性相反)，從而使得舵面逐漸回收，電刷C又逐漸回到中點，最後舵面又恢復到平飛時的中立位置，飛機又處於平飛狀態。

2.通過自動駕駛儀操縱飛機的爬高的過程

a.駕駛員給出爬高指令當操縱飛機從平飛狀態改為爬高狀態時，駕駛員轉動台上的操縱旋鈕，使給定電刷轉動，這時電刷A和B之間所給出信號即給定俯仰信號。

b.舵面動作產生抬頭的操縱力矩在給定信號的作用下，舵機轉動，一方面經鋼索帶動舵面向上偏轉；另一方面又帶動返饋電位計的電刷C轉動，直至返饋信號完全抵消給定信為止。舵面上偏產生上仰操縱力矩。

c.飛機逐漸向給定姿態過渡在上仰操縱力矩的作用下，飛機逐漸上仰，俯仰電位計及給定電刷A也隨飛機一起上仰，而電刷B仍被穩定不動。這樣電刷A和B之間的偏差信號愈來愈小，於是返饋信號大於偏差信號，輸入到放大器的信號反相，使舵面逐漸回收，電刷C逐漸向是點移動。

d.飛機操縱到爬高狀態隨著飛機上仰到給定的俯仰角時，電刷A和B之間的偏差信號為零。返饋電位計的電刷C也回到中點，舵面又處於中立位置，則飛機以給定的俯仰角爬高。

從上面自動駕駛儀穩定與控制飛機姿態角的過程看出：該過程就是自動駕駛儀和飛機兩者相互作用的過程。一方面由自動駕駛儀根據姿態角偏差的大小和方向去驅動舵面，產生操縱力矩，對飛機產生控制作用；另一方面，飛機實際姿態角的變化，又反作用於自動駕駛儀，使其實際的姿態角與給定的姿態角之間的偏差信號減小，從而減弱對飛機的控制作用。這就是飛機對自動駕駛儀的反作用，或稱負返饋作用。這樣自動駕駛儀與飛機組成一個閉環系統，通常稱飛機--自動駕駛儀系統。

產品分類

能源分類

自動駕駛儀分為氣壓式、液壓式、電氣式或者是這幾種形式的組合。現代超音速飛機多安裝電氣（或電子）—液壓式自動駕駛儀。氣壓式伺服機構主要用於飛彈。

對象分類

自動駕駛儀分為飛機自動駕駛儀和飛彈自動駕駛儀。飛機自動駕駛儀多具有檢測飛機姿態角的敏感元件，能穩定飛機的姿態角。為了提高這種自動駕駛儀的穩定效果，可配合使用速率陀螺儀。戰術飛彈只需要穩定角速度，其姿態角根據目標的運動而改變，因此，在自動駕駛儀中不設檢測角位置的敏感元件。巡航飛彈、戰略飛彈和運載火箭需要穩定姿態角，在這些飛行器的自動駕駛儀中仍有檢測姿態角的敏感元件。

算法分類

自動駕駛儀的調節規律（即數學模型）表示伺服機構的輸出量與被調參量之間的數關係。飛機自動駕駛儀依調節規律的不同分為比例式自動駕駛儀和積分式自動駕駛儀。比例式自動駕駛儀是以伺服機構輸出的位置偏移量（如舵偏角）與被調參量（如姿態角）的偏差成比例的原理工作的。它的結構簡單，套用很廣，但在干擾作用下會產生靜態誤差。積分式自動駕駛儀是以伺服機構輸出的位置偏移量與被調參量偏差的積分成比例的原理工作的，它沒有靜態誤差，但系統的穩定性差，結構複雜，套用受到一定限制。

自動駕駛儀(飛機迴路示意圖)

飛彈自動駕駛儀按被調參量的性質可分為位置式自動駕駛儀、定向式自動駕駛儀和加速度式自動駕駛儀。位置式自動駕駛儀的被調參量是飛行器的角位置（即姿態角），伺服機構的輸出量與姿態角的偏差成比例。定向式自動駕駛儀的被調參量是飛行器的姿態角速度，伺服機構的輸出量與姿態角速度的偏差成比例。加速度式自動駕駛儀的被調參量是飛行器的法向加速度，伺服機構的輸出量與法向加速度的偏差成比例。