CN102671390A - 驾驶多转子旋翼遥控飞机沿曲线转弯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及驾驶多转子旋翼遥控飞机沿曲线转弯的方法。控制遥控飞机(10)的各马达使其以不同的速度旋转，从而以姿态和速度来驾驶遥控飞机。遥控用具产生命令来沿着曲线路径转弯，这个命令包括左转或右转方向参数以及定义转弯的曲率半径的参数。遥控飞机接收所述命令并获得遥控飞机的线性速度分量、倾斜角度、以及角速度的瞬时测量。在所接收到的命令以及所获得的测量的基础上，为用于控制遥控飞机的控制环而产生设定点值，这些设定点值控制遥控飞机的相对于与地面相关联的参照系的水平线性速度以及斜度，从而导致遥控飞机以预确定的切向速度(u)沿曲线路径(C)而行。

Description

驾驶多转子旋翼遥控飞机沿曲线转弯的方法

技术领域

本发明涉及驾驶诸如四螺旋桨直升机之类的旋翼遥控飞机。

背景技术

这样的遥控飞机被提供有由各自马达驱动的多个转子，这些转子可被控制以不同速度旋转从而以不同姿态和速度驾驶遥控飞机。

这样的遥控飞机的典型示例是来自Parrot SA，巴黎，法国的AR.遥控飞机，这是装配有一系列传感器(三轴陀螺、加速度计、以及高度计)的四螺旋桨直升机。该遥控飞机还配置有捕捉该遥控飞机被导向的场景的图像的前摄像头、以及捕捉正在飞越的地形的图像的垂直方向摄像头。

通过使用与该遥控飞机相分离的遥控设备(下文称为“用具”)的用户来驾驶该遥控飞机，且该遥控设备经由无线链路连接至遥控飞机。

WO 2010/061099A2(Parrot SA)具体描述了的一个这样的遥控飞机以及如何可通过具有触摸屏以及所结合的加速度计的多媒体播放器或电话(如，iPhone类型的手机、或者iPod Touch或iPad类型(商标由Apple Inc.，美国所注册)的多媒体播放器或平板)来驾驶它。这些用具包括经由WiFi的无线链路(IEEE 802.11)或蓝牙(注册商标)局域网络类型用于检测驾驶命令以及与遥控飞机的双向数据交换所需要的各种控制部件。具体地，该用具设置有触摸屏，显示由前摄像头捕捉的图像，在其上重叠有各种符号，只要通过用户用手指在触摸屏上与这些符号相接触能使命令被激活。这个显示还使得“埋头”驾驶变得可能，在“埋头”驾驶中用户不要通过看着遥控飞机本身而驾驶遥控飞机，而是利用摄像头图像就仿佛驾驶员正坐在遥控飞机上那样。

该遥控飞机可被用于包括沿着路径行进的竞赛，像滑雪障碍赛一样，路径由用单或双的栅或杆、以及终点线来定义。WO 2008/056049A1(Parrot)描述了这样的四螺旋桨直升机竞赛，其包括：绕着由路标塔(pylon)以及两个虚拟环(参赛者必须使四螺旋桨直升机穿过)所定义的环线行进。

为了赢得比赛，有必要快速地行进。且为了节省时间，有必要在保存最大量动能(即，相对快地行进)的同时尽可能近地绕杆回转。

这同样适用于如果比赛涉及向后转机动、八字形花样等的情况。

使用现有的四螺旋桨直升机，这些机动要求用户是专业的且有经验的，因为驾驶模式要求用户组合使用数个不同控制来执行这些图样。

更精确地，通过以下项相结合由用户直接驾驶该遥控飞机：

·首先，是通过用具的倾斜检测器传递的信号：例如为了使遥控飞机向前移动，用户围绕相应倾伏轴倾斜用具，以及为了使遥控飞机转向右边或转向左边，用户相对于其侧滚轴倾斜同一用具；以及

·其次，是在触摸屏上可用的控件，特别是“向上/向下”控件(对应于油门控制)以及“向右转/向左转”控件(使得遥控飞机绕偏航轴驾驶)。

因此，如果以这样的方式控制马达从而使得遥控飞机倾斜或“俯冲”向下(以倾伏角度被倾斜)，那么遥控飞机将以随增加的倾斜角而增加的速度向前移动；反之，如果遥控飞机采取“昂头飞”位置(在相反方向)，其速度逐渐减慢并反向，在相反方向加速。类似地，绕侧滚轴的倾斜(遥控飞机倾斜向右或向左)将加速遥控飞机向右或向左的水平平移的线性移动。

仅通过四个马达的转速的表现来获得的在向前/向后和向左/向右方向中的这种水平速度控制是四螺旋桨直升机的特性。

这不同与于诸如在JP 2006/312344A或US 2004/245378A1中所描述的那些其他类型的航行器(飞机、单-或双-马达直升机)的速度控制***，这些速度控制***实现伺服机构，用于机械地控制副翼或舵控制表面的位置、或者用于控制直升机转子的循环倾伏从而改变机翼的冲角从而实现创建水平速度分量。

在上述WO 2010/061099A2中所描述的遥控飞机还被提供有用于获得平稳点(自动稳定)的命令：当用户放开遥控用具上所有控件时，遥控飞机停止移动并以完全自动的方式停留在平稳点。

使用可用控件，用户可通过组合下列项控制由遥控飞机所沿着行进的路径：i)通过控制遥控飞机围绕其倾伏轴和侧滚轴的倾斜在XY平面平移的移动(向前/向后和向左/向右)、以及ii)通过控制遥控飞机绕其偏航轴的受控的转弯的枢转的移动。在这个讨论中，忽略了高度控制(向上/向下)，且假设遥控飞机在不变的高度行进其路径。

可同时实现这两种类型的移动(XY平移以及枢转)，不过这样做需要一定程度的技巧。初学者倾向于将这些控制分离，通过：使用左拇指对遥控飞机施加XY枢转，并倾斜用具；以及然后通过放开拇指使得遥控飞机获得平稳位置；然后通过移动右手指使用转弯控制从而改变方向(藉此转动相关于遥控飞机的XY参照系)；以及然后以这个新的方向继续XY驾驶，等。

这个第一种操作方法(用分离的控件)不能使遥控飞机被快速地驾驶。

另一种技术在于仅沿设定路径以XY模式驾驶遥控飞机。然而，这是在遥控飞机中的前摄像头不再指向遥控飞机的向前方向的情况下，而且用具屏幕上的视觉反馈不可用于驾驶目的。

在任何情况下，即使当使用同时的且组合的控件驾驶时，急转弯会产生出不可忽略的量的离心力，一旦速度超过特定量时，即使是经验丰富的用户也会发现实际上不可能察觉并补偿离心力，因此显著增加了遥控飞机侧滑或过度转向的可能，伴随着偏离比赛轨迹的路径的结果。

为了用组合控件做出转弯，用户需要同时控制用具的三个自由度：用左拇指压在屏幕上同时绕其两个轴倾斜该用具(用于控制该遥控飞机侧滚以及倾伏)，并同时还向右手侧(sideway)移动(用于遥控飞机的偏航控制)-以及同时忽略任何向上/向下控制。

发明内容

本发明的一个目的是通过提出控制遥控飞机的新颖模式(能使其飞越比赛轨迹的典型转弯路径)而提供这一系列困难的解决方法：

·以高速围绕尖锐曲线；

·同时，通过适当地控制遥控飞机的斜度(在转弯同时像机车一样倾斜)补偿侧滑或过度转向的任何风险；以及

·同时始终保持前摄像头指向遥控飞机的行进方向。

本发明的另一个目的是使得用户可获得这样的驾驶模式-下文中称其为“驾驶的组合偏航(yaw)模式”-其中可能同时地：

·通过简单操作转入这个特定模式；并且

·相比用控件组合的驾驶，减少了用户需要控制的自由度的数量；

·同时保留了对遥控飞机的姿态、高度等做出精细操作的可能性。

本发明提供了驾驶在上述JP 2006/312344A或US 2004/245378A1中具体公开的类型的遥控飞机的方法，即，包括如下步骤：

a)产生沿着曲线路径行进的转弯命令的遥控器；

b)该遥控飞机i)接收所述命令并且ii)获得对该遥控飞机的线性速度分量、倾斜角度、以及角速度的瞬时测量；并且

c)在所接收到的命令以及在步骤b)中所获得的测量的基础上，产生遥控飞机控制环的设定点值，这些设定点值控制水平线性速度以及遥控飞机相对与地相关联的参照系的斜度，从而使得该遥控飞机以预确定的切向速度沿所述曲线路径而行进。

不论如何，JP 2006/312344A和US 2004/245378A1都公开了自动飞行控制***，其中通过位置伺服控制，将遥控飞机实际所沿的路径与设定点路径进行比较，从而驾驶飞行器(单转子直升机)以使其沿预确定的目标路径而行。

本发明提出了专用于四螺旋桨类型的遥控飞机的，另一种类型的飞行参数控制，其中用户实时地动作从而控制单个参数，其被称为“转弯率”，该参数本质上相关联于圆形路径的较大或较小的半径。

然后用类似于驾驶摩托车类似方式来驾驶遥控飞机，其中为了做出转弯并沿其曲线而行，驾驶者将车辆倾斜至较大或较小的程度并实时改变倾斜角度。

在更完整的版本中，用户还被给予对遥控飞机沿圆形路径行进时速度的控制，即，用户被给予第二自由度。

在上述技术中，这对应于摩托车驾驶者在做出转弯时增加或减小油门的能力。

更准确地，且以特征性的方式中，本发明提供了一种方法，其中：所述遥控飞机是具有由各自马达驱动的多个转子的四螺旋桨类型的遥控飞机；通过对所述马达的转速采取不同操作，所述控制环控制所述遥控飞机的水平线性速度和斜度；并且所述命令是转弯率命令，其包括右或左转弯方向参数和定义该转弯的瞬时曲率半径设定点的参数。

曲线路径可以是圆形的路径，沿此路径的曲率半径不变，且预确定的切向速度可以是不变的速度。

优选地，在步骤c)中产生的设定点值以这样的方式控制遥控飞机的马达，以确保遥控飞机的高度相对于地被保持不变。

非常有利的是，在步骤c)中产生的设定点值以这样的方式控制遥控飞机的水平线性速度以及斜度，以将遥控飞机维持在相对于圆形路径处于零径向速度，从而当遥控飞机沿着所述路径而行时，补偿了遥控飞机的任何侧滑或过度转向。

转弯命令具体可由遥控用具产生，该用具包括：触摸屏；装置，适于i)检测在屏幕表面上的用户的至少一个手指的接触，ii)确定接触点(多个)的位置，并且iii)产生相对应的驾驶命令，包括沿曲线路径转弯的命令；以及适于将命令传输给遥控飞机的无线数据传输装置。

在这样的情况下，有利地通过对用户两个手指在触摸屏上的瞬时接触的检测而触发沿曲线路径转弯的命令，在用两个手指的瞬时接触持续的过程中一直产生这个命令，直到检测到这个瞬时接触的消失。

进一步，如果遥控用具进一步包括检测沿其倾伏和/或侧滚轴中的一个和/或两个的斜度的检测器，则沿曲线路径转弯的命令有利地产生为i)随着用具相对其侧滚轴的倾斜的左或右方向变化，从而确定左或右转弯方向参数，且ii)随着用具相对侧滚轴倾斜的幅度而变化，从而确定定义转弯的曲率半径的参数。

还可以根据用具相对其倾伏轴的斜度的幅度而变化产生转弯命令，从而确定切向速度参数。

有利地，如果在沿曲线路径转弯的命令过程中所沿路径含有径向速度分量，则还可根据遥控飞机相对其倾伏轴的倾斜的幅度而变化产生转弯命令，从而消除这个径向速度分量。

在任何情况下，需要的话，可预作规定，用于将路径的曲率半径限制在预确定的最小值内。

该方法可预作规定在步骤a)中为遥控飞机产生向后转命令；且预作规定，当在步骤b)中获得的测量显示遥控飞机已经沿其偏航轴转弯通过180°时，则在步骤c)中结束遥控飞机沿曲线路径的行程。

本发明还提供了软件，可部分地下载至旋翼遥控飞机的数字存储器中且部分地下载至遥控用具的数字存储器中，该软件包括指令，一旦这些指令被执行，实现上述的用于驾驶遥控飞机沿曲线路径转弯的方法。

附图说明

下文是参考了相应附图的本发明的方法的实现的描述，在附图中，每个附图中使用同样的数字参考标号来代表相同或功能类似的元件。

图1是示出遥控飞机以及能使其远距离驾驶的相关联的遥控器的概览示图。

图2a和2b示出通过分别围绕其偏航轴以及相对其倾伏轴和侧滚轴的驾驶动作可控制的遥控飞机的移动。

图3是示出当执行对应于本发明的驾驶的组合偏航模式的圆形转弯移动时，遥控飞机沿其行进的路径的图。

图4是当驾驶的组合偏航模式被激活时，易于通过的比赛轨迹的示例。

图5是示出可在遥控用具的屏幕上显示的各种图像和符号的示例。

图6是示出在对应于在组合偏航模式中的驾驶的圆形运动过程中，遥控飞机的各参考轴的平面图。

图7是示出遥控飞机的各种控件、伺服控件、以及辅助驾驶部件的框图。

具体实施例

下文是本发明的实现的描述。

在图1中，参照10是遥控飞机的一般参照，遥控飞机可例如是诸如来自Parrot SA，巴黎，法国的型号AR.Drone之类的四螺旋桨直升机，正如上述在WO 2010/061099A2还有在WO 2009/109711A2(描述了在由高度计和向前看的摄像头所提供的信息的基础上操作的自稳***的示例)、以及FR 2 915 565A1(具体描述了由遥控飞机所使用的陀螺以及加速度计控制***)中所描述的那样。

遥控飞机10具有四个共面转子12，其由独立地用集成的航行与姿态控制***所控制的马达所驱动。其被提供有用于获取该遥控飞机朝向的场景图案的向前看的第一摄像头14，例如，具有15帧每秒(fps)的视频流刷新频率的VGA分辨率(640×480像素)的广角CMOS传感器摄像头。该遥控飞机还具有向下看的垂直方向的、第二摄像头(未示出)，适于捕捉飞越的地形的连续图像，且被特别用于评估遥控飞机相对于地的速度。

惯性传感器(加速度计和陀螺)用于以一定量准确度测量遥控飞机的角速度和姿态角，即，描述遥控飞机相对于绝对陆地参照系的斜度的欧拉角。基本上，使用术语“斜度”来表示遥控飞机相对于静止陆地参照系的水平面的斜度，可理解的是遥控飞机的水平速度的纵向和横向分量密切地相关联于相对遥控飞机的倾伏轴和侧滚轴的各自的倾斜角度。

位于遥控飞机下的超声测距器还提供了相对于地面的高度的测量。

考虑到水平平面中的线性速度(平移中的遥控飞机的速度用陆地参照系的水平平面中采用的两个上述纵向和横向正交分量来表示)，通过使用一软件结合加速度计数据分析由遥控飞机的垂直方向的摄像头所传递的图像，从而评估这个速度，该软件估算由摄像头捕捉的场景的从一张图像到下一张的移动，并对所估算的移动应用随所测得的高度而变化的比例因子。对于接近于遥控飞机的最大速度的值(其是10米每秒(m/s)的数量级)、以及对于非常小的值，各种算法都能实时地以很好的准确性使得这个水平速度被确定。

用遥控用具16来驾驶遥控飞机10，遥控用具16具有触摸屏18，其显示由前摄像头14捕捉的图像，以及置于其上的各种符号，用于能使驾驶控制仅由用户使用手指20接触触摸屏18而被激活。为了这个目的，用具16被设置有和遥控飞机连接并能使数据双向地在遥控飞机10和用具16之间交换的无线装置，特别是用于传输由摄像头14捕捉的图像、以及从用具16传输到遥控飞机10从而发送驾驶命令。以示例的方式，这个无线连接可以是WiFi(IEEE802.11)或蓝牙(注册商标)局域网类型。遥控用具16还设置有斜度传感器，能通过给予用具相应的倾斜角度而控制遥控飞机围绕侧滚轴和倾伏轴的姿态(对于该***的这些方面的进一步细节，可参考上述WO 2010/061099A2)。

如上在引言中所述，遥控用具16有利地由结合了加速度计的触摸屏多媒体播放器或电话构成，如，iPhone类型的手机、或者iPod Touch类型的播放器或iPad类型的多媒体平板)，所有这些是结合了用于显示和检测驾驶命令、用于查看由前摄像头捕捉的图像、以及用于通过WiFi或蓝牙连接与遥控飞机之间双向数据交换的各种控制部件的用具。

然后驾驶遥控飞机10在于通过下述来使遥控飞机机动：

a)绕倾伏轴22枢转，从而向前或向后移动(图2b中参考标号X的移动)；和/或

b)绕侧滚轴24枢转从而向右或向左移位(图2b中参考标号Y的移动)；和/或

c)绕偏航轴26转弯，从而操控(steer)遥控飞机的主轴，即，前摄像头指向的方向，向右或向左(图2a中所示的移动)；和/或

d)通过改变油门设定在平移28或30中向上或向下，从而相应地减少或增加遥控飞机的高度。

当通过用户经由遥控用具16直接施加驾驶命令时，通过改变用具16分别相对于其纵轴32和横轴34的斜度来直观地获得用于围绕倾伏轴和侧滚轴22和24驾驶的命令a)和b)：例如，为了导致遥控飞机向前移动，通过将用具绕轴32倾斜来使用具向前倾斜就足够了，还有通过将用具绕轴34倾斜向右来倾斜用具足够将遥控飞机向右移位。

命令c)和d)是用户用手指20(一般是右手指)接触触摸屏18的相应特定区域而施加的动作的结果。

遥控飞机还处理用于稳定旋停飞行的自动和自包含***，稳定旋停飞行对应于特定地在无论何时用户从用具的触摸屏移开手指时激活的、或在起飞阶段结束时自动地激活的、或者确实在用户与遥控飞机之间的无线连接断开情况下所激活的自动驾驶模式。然后不需要任何用户干预，遥控飞机采取旋停状态，在该状态中它是稳定的且通过自动飞行和稳定器***被保持在这个稳定位置。

本发明的方法在于找到飞行的受控模式，能使遥控飞机：

·从传统的飞行，其使用选自上文所述各种命令中的组合的或独立的命令-因此提出对应于如图2a和2b中所示的转弯与X和Y平移的移动的三个自由度(假设高度维持不变)；

·改变为以此处被称为“组合的偏航模式”的模式驾驶，该模式在于使遥控飞机以图3所示的方式机动从而以预确定的(不变或其他)曲线速度且以不变的高度沿围绕中心具有半径R的圆形路径C而进行转弯。

在简化的版本中，曲线速度是不变的，即，用户仅需要去控制一个自由度，被称为“转弯率”，这个参数本质上相关联于圆形路径的较大或较小的半径。在更完整的版本中，用户还能控制遥控飞机沿圆形路径行进的速度，即，用户被给予第二自由度。

组合的偏航模式驾驶特别适用于在图4中所提出的圈子的路径之类的正弦路径，其中遥控飞机需要执行一系列的快速右转和左转弯，从而沿着由单或双旗门36或38到终点线40所定义的轨迹进行障碍比赛，且以最大可能的速度进行比赛。

图5示出可在遥控用具的屏幕18上显示的各种图像和符号。

屏幕18重现由遥控飞机的前摄像头14捕捉的景象42，带有叠于图像上而显示的特定数量的符号44到46，这些符号提供有关遥控飞机的操作的信号并能使用户通过屏幕激活开始并发送驾驶控制信号。

因此，用具在44显示涉及遥控飞机的电池状态的信息、在46显示涉及在用具和遥控飞机之间做出连接的信号强度的信息、且在48显示涉及设定菜单的入口的信息。屏幕还显示了紧急降落控件50和自动起飞控件52。

只要用户考虑到，一些驾驶控件可在右手边获得、其他可在左手边。在图示示例中，使用右手手指来偏航控制以及向上/向下控制，使用左手拇指用于控制倾伏和侧滚中的驾驶。为了这个目的，将屏幕分为两个区域54和56，每一个实现各自的控制，并且在这些区域中的每一个显示出对应的图标58、60。当用户将左拇指放在区域54上时，图标58显示出来，且用户使用这个图标，当左拇指位置在位同时通过将遥控用具的外壳采取相应的倾斜角度来控制遥控飞机沿其倾伏轴和侧滚轴倾斜的角度，藉此能使遥控飞机如图2b中所示执行平移的X或Y移动。

当用户将右手指放在区域56上时，显示出图标60，其通过将右手指在屏幕上移动向右或向左来控制绕偏航轴的驾驶(图2a中所示的移动)，且以类似方式其通过将同一个手指在屏幕上向上或向下来控制向上/向下动作。

因此用户可通过独立控件的方式以上述方式驾驶遥控飞机，在屏幕的右半上施加右手指(绕偏航轴驾驶以及油门控制)、或者在屏幕的左半施加左拇指(在X或Y平移移动)。

当两个手指(拇指和手指)都从屏幕上拿开时，立刻激活遥控飞机的驾驶***，从而导致遥控飞机采取稳定位置并维持稳定在这个位置。

本发明的特定方式中，当用户将两个手指同时放在两个区域54和56上时可获得被称为“组合的偏航模式”的新的驾驶模式。

在这个新的驾驶模式中，当用户将用具倾斜向左时，遥控飞机将沿着圆形路径绕虚拟点转弯(如图3中所示)，此时遥控飞机像摩托车转弯时倾斜转弯。

用户越是倾斜用户，转弯越急，即，曲率半径越小：因此，倾斜向左越多，转弯越急且遥控飞机将更向弯内倾斜，从而补偿离心力，这样遥控飞机没有侧滑或过度转向地更快地转弯；反之，如果用户将用具向右倾斜，遥控飞机将绕虚拟点向右转弯，当用具被更向右倾斜时，转弯变得更急且其速度更大。

一旦放开了右手指，遥控飞机返回用所有分开的控件的XY驾驶。类似地，一旦放开左手指，可能返回到高度和偏航移动的特定控制。

如果两个手指都放开，那么在任何情况下，遥控飞机将采取平稳点。

可见有了这个驾驶的组合偏航模式，用户仅需要控制单个自由度(向右和向左倾斜至较大或较少的程度)，藉此使其能简单直观地沿路径而行。

在变型中，同样在驾驶的组合偏航模式中，还可能通过向前(加速)或向后(减速)倾斜用具给用户对遥控飞机的速度进行控制。

这的确给出了额外的自由度，不过在所有情况下，相比于使用分开的控件的驾驶的传统模式而言，仍然是很容易做出转弯并快速地将它们排成一串，等。

遥控飞机的驾驶软件，在由用户给出的单个转弯率设定点(即，较急或较缓的转弯)的基础上，用于自动地控制各种马达从而对于侧滚、偏航、以及倾伏移动提供同时控制，可能相关联于加速或减速的动作。

当开始转弯时还存储了遥控飞机相对地面的高度，并在必要时采取修正动作来维持这个高度，即，***保证，不管出现任何干扰，在不变的高度实现转弯。

一旦进入驾驶的组合偏航模式，***因此冻结了尽可能多的参数(速度、高度)、藉此能使用户专注于具有重大重要性的仅有参数，即，转弯率。

下文是用本发明的***如何实现这个驾驶的组合偏航模式。

如图6中所示，遥控飞机被置于并被维持在描述了具有半径R的圆圈C的转弯路径上，想要围绕中心O均匀地转弯。切向速度u因此必须是不变的，径向速度v必须是零，且上升速率w必须是零。

图7是遥控飞机的各种控件、伺服控制部件、以及自动驾驶的框图。无论如何，应该观察到，尽管以互联电路的形式示出了示图，本质上各种功能以软件实现，这个展示仅用于说明目的。

驾驶***需要数个嵌套环，用于控制遥控飞机的角速度和姿态、用于稳定旋停飞行、以及自动地或响应于来自用户的命令来控制高度的变化。

最内环，即控制角速度的环62，首先使用由陀螺64提供的信号、其次使用由角速度设定点66构成的参考，这个数据被应用作为用于校正角速度的级68的输入。这个级68控制用于控制马达72的级70，从而分别控制每一个马达的速度来用由这些马达驱动的转子的组合的行为修正遥控飞机的角速度。

角速度控制环62被嵌套在姿态控制环74中，姿态控制环在由陀螺64和加速度计76提供的信息(这个数据被输出至姿态估算级78(其输出被施加至比例积分(PI)类型的姿态修正级80)作为输入)为基础而操作。级80将角速度设定点传递给级66，设定点还随着由遥控器的自动驾驶内部产生的数据为基础由电路82所产生的角度设定点而变、或者随着直接由用户84所施加的命令而变，这些可能性之间的一个或另一个的选择用开关86用图表示出来。

简而言之，从设定点(由用户施加或在使用自动驾驶时内部产生)和由姿态估算电路78给出的测量角度之间的误差，姿态控制环74(电路64到80)使用电路80的PI修正器计算角速度设定点。然后角速度控制环62(电路64到72)计算在前一个角速度设定点和由陀螺64实际测得的角速度之间的差异。该环使用这个信息来计算将要施加到遥控飞机的马达72的各转速设定点(藉此确定向上的力)，从而实现用户一开始所要求或者由自动驾驶所计划的机动。

在自动驾驶操作中，用一般内部产生的信号替代用户所施加的设定点。垂直视频摄像头88和作用高度计的遥感勘测传感器90产生被施加至处理器电路92的信息，处理器电路92还从陀螺64接收数据从而对所估算的水平速度(由电路94给出)施加必要的修正。可通过从遥感勘测传感器90处接受信息的电路96所给出的高度估算为基础，由电路98给出的垂直速度的估算来修正这个水平速度估算。

对于旋停飞行，由电路94所估算的水平速度能使电路100计算速度设定点，然后这些设定点在由电路82转换为角度设定点之后被应用作为姿态控制环的输入，从而给遥控飞机零速度或者使其保持在其速度和倾斜角度均为零的配置中。

对于遥控飞机的垂直移动，用户84应用，被直接施加给电路104的攀爬速率设定点V_Z、或者被施加给电路102的高度设定点使用由电路96产生的所估算的高度通过电路106计算攀爬速率设定点。

不管哪一种方法，应用攀爬速率(如所要求的或如所计算出的)给电路108，将攀爬速率设定点V_Z与由电路98给出的对应的所估算的攀爬速率进行比较，并相应地修改施加给马达(电路70)的控制数据，从而同时增加或减少所有马达的转速，以最小化攀爬速率设定点与所测得的攀爬速率之间的差异。

在本发明的特定方式中，为了使得驾驶的自动组合的偏航模式可能，可用用户命令112(如，作为将两个手指同时压在用具的屏幕上的结果)来激活附加功能块110。电路110控制电路82用于在角速度参数p、q、和r(114)(由陀螺64给出)的基础上、以及在水平速度参数u和v(116)的基础上(如电路94所估算的)计算角设定点。

下文是在驾驶的组合偏航模式的阶段过程中如何产生遥控飞机设定点的解释。

遥控飞机的速度数据在如图6所示的u，v，w参考系中给出，即，在与遥控飞机的本体相关联的参考系中。

使用以下的符号：

·u和v是水平平移中的速度分量(u位于遥控飞机的主前进方向，且v位于横向方向)、且w是垂直平移的速度，这些速度都是处于与遥控飞机相关联的参考系中(且因此无关于相对于陆地参考系的倾斜角度)。

·p，q，和r是沿三个轴的角速度，三个轴分别是倾伏轴22、侧滚轴24、以及偏航轴26(图1)；且

·φ，θ，和ψ是遥控飞机的欧拉角，定义其相对于(惯性)陆地参考系的方向，φ和θ是定义相对于水平的斜度的两个角度。

对于遥控飞机的四个推进器i(i＝1，...，4)施加与马达的转速ω_i的平方成比例的扭矩Γ_i以及向上的推力F_i：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_i=a{\mathrm{\ω}}_i^2\\ {\mathrm{\Γ}}_i=b{\mathrm{\ω}}_i^2\end{array}\right.$

应当记得，投影到遥控飞机的移动参照系的动量的基本关系给出下列三式：

$\stackrel{\·}{u}=(\mathrm{rv}-\mathrm{qw})-g\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{Cxu}$

(式子1-3)

其中：

g是重力加速度；

C_x和C_y是沿两个水平轴的阻止前进的系数(代表了遥控飞机所经受的摩擦力)；

a是将推力和攀爬速率与转速ω相关联的系数；以及

m是遥控飞机的质量。

以同样的方式对***应用动量矩理论，仍然投影到移动参照系中，藉此给出下列三式：

$I_x\stackrel{\·}{p}+\mathrm{qr}(I_z-I_y)=\mathrm{la}({\mathrm{\ω}}_2^2-{\mathrm{\ω}}_4^2)$

$I_y\stackrel{\·}{q}+\mathrm{pr}(I_x-I_z)=\mathrm{la}({\mathrm{\ω}}_1^2-{\mathrm{\ω}}_3^2)$

$I_z\stackrel{\·}{r}+\mathrm{pq}(I_y-I_x)=b({\mathrm{\ω}}_1^2-{\mathrm{\ω}}_2^2+{\mathrm{\ω}}_3^2-{\mathrm{\ω}}_4^2)$

(式4-6)

其中：

I_x，I_y，和I_z是遥控飞机沿三个轴的转动惯量，且l是马达与重心M之间的距离。

在这些式子中，左手侧的第一项对应于***的动量矩，第二项对应于对科里奥利力的动态力矩的贡献，且右手侧对应于由每一个转子的推进器所创建的向上的力F_i以及扭矩Γ_i所施加的力矩。

最后，通过利用三个欧拉角φ，θ，和ψ可推出下列关系：

(式7-9)

因此***的行为由具有九个未知数的九个式子(上述式1-9)完全地描述。

下文是更详细的解释，关于电路如何产生驾驶设定点从而实现组合的偏航转弯移动。

如上所述，用于可应用如下命令：

·通过将设备倾斜到一侧(左边或右边)的命令，被称为“转弯率”命令，对于更为急剧的倾斜角度，将由遥控飞机执行的转弯会更急；且

·(可选地)将设备向前或向后倾斜而获得的命令，被称为用于将遥控飞机的速度(相对于在转弯中由遥控飞机描绘的圆圈的切向速度)增加或减少的命令。

考虑过程中的一个基本时间间隔，其足够短，以致转弯率和/或速度命令被认为不变的(不变的设定点值)。

在组合的偏航转弯中，在这个基本时间间隔中遥控飞机所描述的路径的弧度可被认为是沿(图6)的虚拟中心的半径为R的圆C的一小部分，这个圆处于与地面相平行的屏幕中且以不变的速度描绘该路径。因此遥控飞机的移动是均匀的圆圈转弯移动。

使用下列两个传统方程，它们可被轻易地推导而用于这个类型的移动：

$u_{\mathrm{plan}}=\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}*R$

$a_{y_{\mathrm{plan}}}=\frac{{v_{\mathrm{plan}}}^2}{R}$

(式10-11)

其中：

u_plan是切向速度；

a_yplan是径向加速度；

是转弯率的角速度(即，通过将遥控用具倾斜向左或向右而由用户给出的驾驶设定点)；

R是遥控飞机执行均匀圆形移动所描述的曲率半径；且

v_plan是径向速度。

为了定义转弯中遥控飞机的移动，考虑，惯性参照系R中心位于O，非惯性参照系R′中心位于M(遥控飞机的重心)，并执行用下述矢量给出的绕R的旋转：

${\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}}_{\left(\frac{R^{\′}}{R}\right)}.$

遥控飞机可被认为是质量m的移动点M，其经受合成的力

将在(R)中的M的加速度写为

在(R′)中的M的加速度写为

驾驶加速度写为

最后科里奥利加速度写为

然后，通过矢量相加：

${\stackrel{\→}{a}}_a={\stackrel{\→}{a}}_r+{\stackrel{\→}{a}}_e+{\stackrel{\→}{a}}_c$

如果惯性驱动力，即，本发明中的向心力，被写为

然后总体上项应用下述：

${\stackrel{\→}{F}}_{\mathrm{ie}}=-m*{\stackrel{\→}{a}}_e=-m*({\stackrel{\→}{a\left(O\right)}}_{\left(R\right)}+{\left(\frac{d{\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}}_{\left(\frac{R^{\′}}{R}\right)}}{\mathrm{dt}}\right)}_{\left(R\right)}+{\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}}_{\left(\frac{R^{\′}}{R}\right)}\mathrm{\Λ}\left({\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}}_{\left(\frac{R^{\′}}{R}\right)}\mathrm{\Λ}\stackrel{\→}{\mathrm{OM}}\right))$

对于均匀的圆形旋转移动

(均匀旋转)且对于应用下述：

${\left(\frac{d{\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}}_{\left(\frac{R^{\′}}{R}\right)}}{\mathrm{dt}}\right)}_{\left(R\right)}=\stackrel{\→}{0}$

通过计算获得惯性驱动力

(在圆形路径上，惯性驱动力倾向于将遥控飞机远离其路径)：

${\stackrel{\→}{F}}_{\mathrm{ie}}=-m*{\mathrm{\Ω}}^2*\stackrel{\→}{\mathrm{OM}}$

从上(式2)可见，应用下述：

在这个阶段作出两个假设：

1)遥控飞机在平面中移动，且因此w＝0；且

2)θ＜30°：进一步由于(θ.φ)对在转弯中在最大角度值饱和，实践中θ＜20°。因此可能使用较小角度近似，即，cosθ＝1和sinφ＝φ。

然后遥控飞机的参照系中的简化方程变为：

这个被投影到转弯的平面中，使用下述矩阵来从本体参照系(遥控飞机本体的参照R’)投影到世界(world)参照系(投影到平行于R’但具有不同方向的参照系R″)：

用转弯的条件简化式子，然后投影到转弯平面，给出：

$u_{\mathrm{plan}}=\cos \mathrm{\θ}*u_b$

理想的是在转弯中径向速度v_plan应该是零，给出用于控制目的的下述最后一个式：

(式12)

这个关系给出在转弯加速度平面中遥控飞机经受的加速度(理想的要消除的加速度)，第一项对应于惯性驱动力，第二项涉及重力在合适参照系中的投影。

对于理想的移动，已知为：

$a_{y\_\mathrm{plan}}=-\frac{{u_{\mathrm{plan}}}^2}{R}$

所执行动作的幅度(驾驶设定点值)是遥控飞机的侧滚角φ。

在上述式12可看出，通过按这个角度动作，来将遥控飞机在转弯平面中的加速度值设定为这个参考值，这是可能的。因此直接地计算φ，如下：

(式13)

为了获得理想的转弯，由遥控飞机的传感器所传递的数据为基础，应用式13而计算侧滚角。

由用户施加给遥控用具的斜度被解释并转换为对应的驾驶设定点。

在绕稳定中心的均匀圆形移动的路径上，应用下述：

$V=\mathrm{\ψ}*R$

其中：

V：切向速度(取决于用具向前/向后的斜度)；

转弯率的角速度(取决于用具向左/向右的斜度)；且

R：圆的半径。

应用式13，将由用户给出的转弯率命令(左/右斜度)转换为用于绕轴转弯的角速度命令。为了确定半径r，式9给出：

即：

(式14)

直接将速度命令(向前/向后斜度)转换为遥控飞机的向前速度设定点。

使用这两个命令，用户给出遥控飞机的转弯率以及其向前的速度。用式14确定转弯半径，且遥控飞机的计算机确定满足这两个命令的遥控飞机的倾伏、侧滚、以及偏航角度。

具体地，转弯的半径，其作为遥控飞机的切向速度及其转弯率的函数，用在绕轴饱和的转弯率命令的值，为每一个采样周期而确定，从而遥控飞机不能描绘具有小于某种最小值(实践中是70厘米(cm))的半径的圆。

有利地，可能提供附加的组合偏航功能，能使遥控飞机响应于用户施加的特定命令执行完整的向后转。在命令被施加的时刻的速度和高度都保存，转弯率被设定为例如考虑对于遥控飞机的速度的最小可接受的半径，且一旦遥控飞机相对其原始方向(即，被触发机动的瞬时遥控飞机所具有的方向)转弯通过180°，则机动结束。

在所描述的示例中，应该观察到是直接由遥控飞机计算了对遥控飞机施加的转弯率命令，而遥控器用具仅用于传输大或小的倾斜角度。无论如何，等效地可能用遥控飞机或遥控用具来执行这个计算。

Claims (14)

1.驾驶旋翼遥控飞机(10)的方法，所述方法包括如下步骤：

a)遥控用具(16)产生沿曲线路径而行的转弯命令；

b)所述遥控飞机i)接收所述命令并且ii)获得对所述遥控飞机的线性速度分量、倾斜角度、以及角速度的瞬时测量；以及

c)在所接收到的命令以及在步骤b)中所获得的测量的基础上，产生遥控飞机控制环(64-80)的设定点值，这些设定点值控制遥控飞机的相对与地相关联的参照系的水平线性速度和斜度，从而使得该遥控飞机以预确定的切向速度沿所述曲线路径而行，

所述方法其特征在于：

·所述遥控飞机是具有由各自马达(72)驱动的多个转子的四螺旋桨类型的遥控飞机；

·通过对所述马达(72)采用不同转速，所述控制环(64-80)控制所述遥控飞机的水平线性速度和斜度；且

·所述命令是转弯率命令，其含有右或左转弯方向参数和定义所述转弯的瞬时曲率半径设定点的参数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述曲线半径(C)是圆形路径，沿此路径的曲率半径(R)不变。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预确定的切向速度(u)是不变的速度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c)中产生的设定点值以这样的方式控制所述遥控飞机的所述马达：以确保所述遥控飞机的高度还相对于地面保持不变。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c)中产生的设定点值以这样的方式控制所述遥控飞机的水平线性速度以及斜度：还将所述遥控飞机维持在相对于圆形路径处于零径向速度(v)，从而在所述遥控飞机沿所述路径而行时补偿其任何侧滑或过度转向。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，由所述遥控用具(16)产生用于沿曲线路径转弯的命令，所述用具包括：

·触摸屏(18)；

·装置，适于i)检测在所述屏幕的表面上的用户的至少一个手指(20)的接触，ii)确定接触点(多个)的位置，以及iii)产生相对应的驾驶命令，包括沿曲线路径转弯的所述命令；以及

·适于将命令传输给所述遥控飞机的无线数据传输装置。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，一旦检测到所述用户在所述触摸屏上的两个同时接触，则触发沿曲线路径转弯的命令。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，两个手指的所述同时接触的整个持续时间内都产生所述沿曲线路径转弯的命令，且持续到检测到这个同时接触消失。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述遥控用具进一步包括检测沿其倾伏和/或侧滚轴(32、34)中的一个和/或两个的斜度的检测器，并且用于沿曲线路径转弯的命令依如下产生：i)根据所述用具相对其侧滚轴(34)的斜度的左或右方向而变化，从而确定所述左或右转弯方向参数，且ii)根据所述用具相对所述侧滚轴(34)的斜度的幅度而变化，从而确定定义转弯的曲率半径(R)的所述参数。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述转弯命令还随着所述用具相对其倾伏轴(32)的斜度的幅度而变化产生，从而确定切向速度参数(u)。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果在沿曲线路径转弯的命令过程中所沿之行进的路径含有径向速度分量(v)，则还根据所述遥控飞机相对其倾伏轴的斜度的幅度而变化产生转弯命令，从而消除所述径向速度分量。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，在合适时，将所述路径的曲率半径(R)限制为预确定的最小值。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，为所述遥控飞机产生向后转命令，并且在步骤c)中，当在步骤b)中获得的测量显示所述遥控飞机已经沿其偏航轴转弯通过180°时，则结束所述遥控飞机沿所述曲线路径的行程。

14.软件，可部分地下载至旋翼遥控飞机的数字存储器中且部分地下载至遥控用具的数字存储器中，所述软件包括指令，一旦这些指令被执行，其实现如权利要求1到12中的任一个所述的用于驾驶遥控飞机沿曲线路径转弯的方法。

Images