飛行器的控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種飛行器的控制系統(tǒng)及控制方法?？刂品椒òǎ菏盏降谝豢刂茥U在第一移動方向移動導(dǎo)致的控制信號，由該控制信號控制飛行器在第一運(yùn)動方向的運(yùn)動，其中，第一運(yùn)動方向?yàn)轱w行器的升降方向，所述第一控制桿在第一移動方向上的移動幅度正比所述飛行器的上升或下降速度。
【專利說明】
飛行器的控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及遙控裝置，尤其涉及飛行器的控制系統(tǒng)及控制方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]近年來，無人駕駛的運(yùn)動體，包括飛行器(例如固定翼飛機(jī)，旋翼飛行器包括直升機(jī))，機(jī)動車輛，潛艇或船只，以及衛(wèi)星，空間站，或飛船等得到了廣泛的應(yīng)用，例如在偵測，搜救等領(lǐng)域。對于這些運(yùn)動體的操縱通常由用戶通過遙控裝置來實(shí)現(xiàn)。遙控裝置通常通過兩組控制桿來控制飛行器的四個運(yùn)動維度，分別是前后、左右、上下和朝向。其中前后、左右和朝向控制的三個維度的控制桿通過其內(nèi)部的歸位結(jié)構(gòu)可以自行恢復(fù)到中間位置?？刂粕舷碌膿u桿是不能自行恢復(fù)到中間位置的。
[0003]傳統(tǒng)控制桿在上下方向不能自行恢復(fù)到中間位置包括如下的原因。傳統(tǒng)飛行器的電子控制設(shè)備較少。對于不同種類的飛行器，或不同重量的飛行器，控制桿中間位置也很難做到控制飛行器上下方向保持不變，即飛行器該方向沒有穩(wěn)定狀態(tài)。所以通常的上下方向的控制桿不需要停留在中間，因而采用了摩擦的方式讓該控制桿停留于用戶定義的任意位置。
[0004]另外，在沒有很多電子設(shè)備的飛行器上，上下方向的控制通常直接對應(yīng)了飛行器的啟動命令，這也導(dǎo)致了傳統(tǒng)控制器上下方向的控制桿不應(yīng)設(shè)計(jì)為自動回到原位，否則的話用戶松手即會導(dǎo)致飛行器關(guān)機(jī)。
[0005]由于傳統(tǒng)遙控器上下方向的控制桿采用了摩擦的方式而停留于某一位置，在飛行過程中，其它控制桿的運(yùn)動也有可能帶動該控制桿運(yùn)動導(dǎo)致控制桿運(yùn)動串?dāng)_，從而導(dǎo)致飛行的高度不容易保持。另外，用戶想讓飛行器高度保持不動的時候，也是比較難以找到該控制桿的相應(yīng)位置的，從而造成了操作難度增加。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006]本發(fā)明提供一種飛行器的控制系統(tǒng)及控制方法，以解決飛行器的飛行高度不容易保持的技術(shù)問題。
[0007]—方面，本發(fā)明提供一種飛行器的控制方法，其包括如下步驟:收到第一控制桿在第一移動方向移動導(dǎo)致的控制信號，由該控制信號控制飛行器在第一運(yùn)動方向的運(yùn)動，其中，第一運(yùn)動方向?yàn)轱w行器的升降方向，所述第一控制桿在第一移動方向上的移動幅度正比所述飛行器的上升或下降速度。
[0008]在一些實(shí)施例中，該控制方法還包括:判斷所述控制信號是否變化為對應(yīng)于第一控制桿因在第一移動方向的外力撤除而自動回到第一移動方向的預(yù)先設(shè)定位置的控制信號;如果是，則控制飛行器在第一運(yùn)動方向進(jìn)入飛行狀態(tài)保持。
[0009]在一些實(shí)施例中，該控制方法還包括如下步驟:當(dāng)所述第一控制桿所受到的第一移動方向上的外力撤除時，飛行器在第一運(yùn)動方向進(jìn)入減速狀態(tài);如果第一控制桿保持在第一移動方向上預(yù)先設(shè)定的位置，則飛行器在第一運(yùn)動方向上的速度減速至零后進(jìn)入高度保持狀態(tài)。
[0010]在一些實(shí)施例中，第一控制桿所受到的第一移動方向上的外力變化后到其自動回到預(yù)先設(shè)定位置的過程對應(yīng)于飛行器在第一運(yùn)動方向上由開始減速到其速度為零的過程。
[0011]在一些實(shí)施例中，飛行器在第一控制桿外力撤除后自動下降一段，回到第一控制桿外力撤除時刻的高度。
[0012]在一些實(shí)施例中，所述飛行器在第一控制桿外力撤除后，回到用戶以數(shù)值輸入的辦法控制的高度。
[0013]在一些實(shí)施例中，該控制方法還包括如下步驟:收到所述第一控制桿在第一移動方向移動導(dǎo)致的控制信號，該控制信號還用于控制飛行器升/降或相機(jī)焦距拉遠(yuǎn)/收近或二者的耦合。
[0014]在一些實(shí)施例中，該控制方法還包括:判斷所述第一及第二控制桿在所有方向的外力是否撤除而導(dǎo)致第一控制桿及第二控制桿都自動回到各自的預(yù)先設(shè)定位置;如果是，則控制飛行器進(jìn)入懸停狀態(tài)。
[0015]在一些實(shí)施例中，該控制方法還包括:測量所述飛行器的狀態(tài)信號，以所述測量到飛行器的狀態(tài)信號反饋到所述飛行器以控制所述飛行器進(jìn)行狀態(tài)保持。
[0016]在一些實(shí)施例中，控制飛行器在第一運(yùn)動方向進(jìn)入飛行狀態(tài)穩(wěn)定保持通過測量所述飛行器的狀態(tài)而反饋到所述飛行器的控制器而控制飛行器操縱面，實(shí)現(xiàn)一個反饋閉環(huán)。
[0017]在一些實(shí)施例中，收到第一控制桿在第一移動方向移動導(dǎo)致的控制信號的步驟之前還包括:將第一控制桿和第二控制桿分別并同時推至左右下角時，飛行器從關(guān)機(jī)狀態(tài)啟動。
[0018]在一些實(shí)施例中，移動幅度為表達(dá)第一控制桿的轉(zhuǎn)動角度的刻度，或者所述第一控制桿轉(zhuǎn)動的角度。
[0019]在一些實(shí)施例中，飛行器的上升速度達(dá)到對于第一控制桿在第一移動方向的移動幅度的速度值后，飛行器進(jìn)入一個勻速上升階段。
[0020]在另一方面，本發(fā)明提供一種飛行器的控制系統(tǒng)，其包括:
[0021]遙控裝置，其包括:
[0022]第一控制桿，其在第一移動方向的移動對應(yīng)于控制飛行器在第一運(yùn)動方向的控制信號；
[0023]回位裝置，用于第一控制桿在第一移動方向的外力撤除的情況下將第一控制桿自動回位到第一移動方向上預(yù)先設(shè)定的位置；
[0024]控制器，用于根據(jù)所述控制信號和飛行器狀態(tài)信號控制所述飛行器的狀態(tài)，其中，第一運(yùn)動方向?yàn)轱w行器的升降方向，所述第一控制桿在第一移動方向上的移動幅度正比所述飛行器的上升或下降速度。
[0025]在一些實(shí)施例中，所述控制器在所述第一控制桿自動回位到所述第一移動方向上預(yù)先設(shè)定的位置的情況下控制所述飛行器在所述第一運(yùn)動方向進(jìn)入狀態(tài)保持。
[0026]在一些實(shí)施例中，所述第一控制桿所受到的第一移動方向上的外力撤除后到其自動回到預(yù)先設(shè)定位置的過程對應(yīng)于飛行器在第一運(yùn)動方向上的減速過程。
[0027]在一些實(shí)施例中，飛行器在第一控制桿外力撤除后自動下降一段，回到第一控制桿外力撤除時刻的高度。
[0028]在一些實(shí)施例中，飛行器在第一控制桿外力撤除后，回到用戶以數(shù)值輸入的辦法控制的高度。
[0029]在一些實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)還包括至少一個狀態(tài)測量傳感器以測量所述飛行器狀態(tài)信號提供給所述控制器。
[0030]在一些實(shí)施例中，該控制系統(tǒng)還包括一個飛行器操縱面，用于驅(qū)動所述飛行器進(jìn)行狀態(tài)的調(diào)整，所述至少一個狀態(tài)測量傳感器，所述控制器，和所述飛行器操縱面構(gòu)成一個反饋閉環(huán)以控制所述飛行器進(jìn)行所述的狀態(tài)保持。
[0031]在一些實(shí)施例中，該控制系統(tǒng)還包括信號處理器，所述信號處理器包括比較器，用于對所述控制信號和飛行器狀態(tài)信號進(jìn)行比較，和/或信號混合器，用于對所述控制信號和飛行器狀態(tài)信號進(jìn)行比較，將比較和/或混合后的信號傳送給所述控制器，所述控制器控制所述飛行器操縱面驅(qū)動飛行器進(jìn)行狀態(tài)的調(diào)整。
[0032]在一些實(shí)施例中，移動幅度為表達(dá)第一控制桿的轉(zhuǎn)動角度的刻度，或者所述第一控制桿轉(zhuǎn)動的角度。
[0033]在一些實(shí)施例中，飛行器的上升速度達(dá)到對于第一控制桿在第一移動方向的移動幅度的速度值后，飛行器進(jìn)入一個勻速上升階段。
[0034]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明飛行器的控制裝置的第一控制桿在第一移動方向上的移動控制飛行器在第一運(yùn)動方向上的運(yùn)動，第一運(yùn)動方向?yàn)轱w行器的升降方向，所述第一控制桿在第一移動方向上的移動幅度所述飛行器的上升或下降速度成線性關(guān)系，例如，飛行器的上升速度減為零時，飛行器進(jìn)入高度保持狀態(tài)，保持高度。
[0035]另外，在其第一移動方向上的外力撤除后自動回到第一移動方向上的預(yù)先設(shè)定位置，此時飛行器保持第一運(yùn)動方向上的位置不動。因此，本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的技術(shù)偏見一控制上下運(yùn)動的控制桿不能自動回到預(yù)設(shè)的位置，而將控制上下運(yùn)動的控制桿設(shè)計(jì)為能夠自動回到預(yù)設(shè)的位置，使得飛行器在飛行的過程中操作控制裝置時其他控制桿的運(yùn)動不會帶動控制上下運(yùn)動的第一控制桿的運(yùn)動，進(jìn)而使得飛行器的飛行高度保持。
【【附圖說明】】
[0036]圖1是一套飛行器及控制裝置示意圖；
[0037]圖2是圖1所示控制裝置的俯視圖；
[0038]圖3是圖2所示控制裝置控制飛行器上升的操作示意圖；
[0039]圖4是圖2所示控制裝置控制飛行器下降的操作示意圖；
[0040]圖5是一種實(shí)現(xiàn)飛行器自動控制的自動控制系統(tǒng)的原理框圖；
[0041]圖6是圖5所示飛行器的自動控制系統(tǒng)的信號原理圖；
[0042]圖7是一種飛行器控制方法的流程圖；。
[0043]圖8是實(shí)現(xiàn)飛行器自動控制功能的一個實(shí)施例的方法流程圖；
[0044]圖9為圖1所示飛行器受控垂直上升的示意圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0045]通過本發(fā)明的控制裝置(遙控器)來控制運(yùn)動體(例如飛行器)在四個運(yùn)動維度(前后、左右、上下以及朝向)運(yùn)動，運(yùn)動體上可以有一載體(例如有穩(wěn)定功能的萬向節(jié))，其上可搭載承載物，用以實(shí)現(xiàn)承載物的固定、隨意調(diào)節(jié)所述承載物的姿態(tài)(例如:改變承載物的高度、傾角和/或方向)和使承載物穩(wěn)定保持在確定的姿態(tài)上。所述載體可以作為攝影、照相、監(jiān)測、采樣的輔助裝置，可運(yùn)用于空基(例如旋翼飛行器或固定翼飛機(jī))、水基(例如潛艇或船只)、路基(例如機(jī)動車輛)或天基(例如衛(wèi)星，空間站，或飛船)等領(lǐng)域。所述承載物可以為照相機(jī)和攝像機(jī)等攝像裝置，也可為傳感器等。在下面一些實(shí)施例中，承載物以相機(jī)為例，將載體應(yīng)用于飛行器上，闡述本發(fā)明的有益效果。當(dāng)然，可以理解地，承載物也可以為監(jiān)控?cái)z像頭，照明燈等。下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的一些實(shí)施例作詳細(xì)說明。
[0046]本發(fā)明實(shí)施例中的飛行器配備有自動控制裝置，簡化了遙控器的操作。遙控器可以僅作為運(yùn)動行為的發(fā)令者。在下面一些實(shí)施例中，各搖桿的中間位置可以定義為對應(yīng)維度不運(yùn)動。遙控器也會定義一定的操作做為啟動指令，摒除依賴單一控制指令的弊端。
[0047]由于傳統(tǒng)習(xí)慣，沒有人想到要去改變傳統(tǒng)遙控器上下方向的控制桿采用了摩擦的方式而停留于某一位置的習(xí)慣。本發(fā)明的發(fā)明人克服了傳統(tǒng)的技術(shù)偏見一一控制上下運(yùn)動的控制桿不能自動回到預(yù)設(shè)的位置，將控制上下運(yùn)動的控制桿設(shè)計(jì)為能夠自動回歸到預(yù)設(shè)的位置，并且取得了良好的技術(shù)效果。飛行過程中，其他控制桿的運(yùn)動不會帶動該控制上下運(yùn)動的控制桿的運(yùn)動，飛行的高度容易保持不動。
[0048]本發(fā)明還大大簡化了遙控器的操作。當(dāng)用戶想讓飛行器高度保持不動的時候，用戶可以很容易找到控制桿的中間位置(只要松開手就可以自動達(dá)到用戶保持飛行器高度不動的目的，不用靠經(jīng)驗(yàn)去手動控制回到中間位置，手動控制也不是很準(zhǔn)確，經(jīng)常要微調(diào))?？梢哉f，本發(fā)明提供了一種技術(shù)構(gòu)思不同的技術(shù)方案，且效果優(yōu)于現(xiàn)在的技術(shù)方案。
[0049]本發(fā)明的一些實(shí)施例簡化了遙控器的操作方式，也很可能會成為遙控器的發(fā)展趨勢。
[0050]圖1是一套飛行器及其遙控系統(tǒng)示意圖。其中控制裝置100通過信號102對飛行器104進(jìn)行遙控。信號102可以是無線信號，例如無線電，紅外，超聲等，也可以有線傳播。飛行器104可以是包括多個旋翼106、108的直升飛行器，也可以是直升機(jī)或固定翼飛機(jī)。飛行器104可以通過一個萬向節(jié)(圖中未顯示)承載相機(jī)109等承載物，以實(shí)現(xiàn)成像等功能。
[0051]遙控飛行器的操作方式可以是使用控制裝置100的第一控制桿110，第二控制桿112，來控制飛行器的多個運(yùn)動維度，例如前后，左右，上下以及朝向。這里雖然使用“控制桿”這一名詞，本領(lǐng)域里的技術(shù)人員可以理解，“控制桿”不一定是幾何上的桿狀。非桿狀的控制部件，根據(jù)用戶操作的喜好，也可以實(shí)現(xiàn)控制飛行器的功能。
[0052]圖1中的控制桿顯示為搖動桿狀(通常稱為“搖桿”)。但是本領(lǐng)域里的技術(shù)人員可以理解，該控制部件也可能通過平移，受力而不移動或轉(zhuǎn)動，或其它方式感知用戶的操作動作，從而實(shí)現(xiàn)控制飛行器的功能。
[0053]圖1中控制飛行器前后和左右平移的兩個維度的第二控制桿112可以通過控制桿內(nèi)部的歸位結(jié)構(gòu)自行恢復(fù)到中間位置，對應(yīng)的控制命令為“O”，即飛行器前后左右位置均保持不變。朝向的控制可以通過第一控制桿110朝左或朝右的推動來實(shí)現(xiàn)。第一控制桿110在左右方向上也可以自行恢復(fù)到中間位置，其對應(yīng)的控制命令為使飛行器104的朝向保持不變。
[0054]第一控制桿110在上下方向的運(yùn)動可以對應(yīng)于飛行器104的上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對飛行器104升降的控制。傳統(tǒng)的控制上下的控制桿通常是不能自行恢復(fù)到中間位置的。
[0055]在一些實(shí)施例中，兩個控制桿110、112同時分別在左右下角時，可以定義為啟動命令。也就是說，兩個控制桿110、112被用戶從其原始位置(例如，居中位置)推動并不影響飛行器的啟動狀態(tài)(如果是關(guān)機(jī)狀態(tài)，飛行器繼續(xù)保持關(guān)機(jī)狀態(tài))，而用戶如果將控制桿110、112分別并同時推至左，右下角時，飛行器從關(guān)機(jī)狀態(tài)啟動。
[0056]按照本發(fā)明的一些實(shí)施例，一種新的飛行器遙控操作方式包括:讓兩組控制桿110、112的四個控制維度均具備自動回歸一個特定位置(例如中間位置)的功能。
[0057]這樣一些實(shí)施例的益處包括:讓用戶很容易的找到各個方向的中間位置，并且在飛行過程中更加容易控制飛行高度不變化。操作者只要放開雙手，飛行器就可以實(shí)現(xiàn)各方向穩(wěn)定，讓飛行變得更加簡單。在一個具體實(shí)施例中的技術(shù)方案中，將上下通道沒有自動歸中功能的遙控器通道改變?yōu)榕c其他通道一樣的結(jié)構(gòu)，讓其可以自動恢復(fù)為中間位置。
[0058]圖2是一個控制裝置100的俯視圖。第一控制桿110在第一移動方向(例如控制裝置100直立面向用戶時的上下方)220的移動可以控制飛行器的在第一運(yùn)動方向(例如升降方向)上的運(yùn)動，例如垂直上升，下降，或其飛行高度的變化。第二控制桿112在上下方向222的運(yùn)動可以對應(yīng)于遙控飛行器的前進(jìn)及后退的平移飛行。第一控制桿110在第二移動方向(例如，左右方向)224的移動可以控制遙控飛行器的朝向。在一些實(shí)施例中，第一控制桿110在第二移動方向224上的外力撤除后也自動回到第二方向224上的中間位置。第二控制桿112在左右方向226的移動可以對應(yīng)于飛行器的向左或向右的平移飛行。
[0059]控制裝置100上還有分別對應(yīng)于控制桿110、112各自在不同方向220、222、224、226的刻度228等，用以提示用戶控制桿的移動范圍。
[0060]需要指出的是，雖然圖2中不同方向220、222、224、226被分別描述為“上下”，“左右”，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員可以理解這種描述只是相對的。
[0061]圖3是控制裝置100控制飛行器上升的操作示意圖。第一控制桿110在被用戶向上推時，飛行控制器接受相應(yīng)的控制信號，由該飛行控制器控制飛行器104上升。在一些實(shí)施例中，飛行器104上升的速度大約正比于控制桿110相對于其在圖2中的預(yù)設(shè)位置被向上推的移動幅度。
[0062]根據(jù)本發(fā)明之一優(yōu)選實(shí)施例，在用戶撤除對第一控制桿110在第一移動方向220上(例如上推)施加的外力后，控制桿110可以自動回復(fù)到第一移動方向上的預(yù)先設(shè)定位置，例如圖2中的原始預(yù)先設(shè)定位置(例如居中位置)。
[0063]控制桿110自動回復(fù)到預(yù)先設(shè)定位置可以由控制裝置100內(nèi)設(shè)的歸位裝置(例如彈簧裝置或有機(jī)彈性材料構(gòu)成的裝置等)實(shí)現(xiàn)。這樣以來，第一控制桿110和第二控制桿112的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以基本相同。第一控制桿110和第二控制桿112對飛行器104控制的方法不同，例如如下所述。
[0064]設(shè)置于飛行器104內(nèi)的一個自動控制裝置可以在第一控制桿110在第一移動方向220自動回復(fù)到第一移動方向上的預(yù)先設(shè)定位置的情況下控制飛行器104進(jìn)入在第一運(yùn)動方向的飛行狀態(tài)保持。
[0065]其中所述保持的飛行狀態(tài)取可以決于所述飛行器接收到的所述第一控制桿110在其所受到的第一移動方向120上外力變化所產(chǎn)生的一個控制信號和飛行器所攜帶的狀態(tài)測量傳感器所測量的狀態(tài)信號。例如，保持在其剛剛升到的新的高度。這樣以來，用戶的操作簡化了，并對于飛行器104的操控更加容易并精確。
[0066]圖4是控制裝置100的控制飛行器下降的操作示意圖。第一控制桿110在被用戶向下推時，飛行器的控制器接受該信號，使飛行器104下降。在一些實(shí)施例中，飛行器104下降的速度大約正比于第一控制桿110相對于其在圖2中的原始位置被向下推的移動幅度。這樣，第一控制桿在第一移動方向上的移動幅度正比于所述飛行器的上升或下降速度。
[0067]根據(jù)本發(fā)明之一優(yōu)選實(shí)施例，在用戶撤除對第一控制桿110施加的下推外力后，第一控制桿110可以自動回復(fù)到圖2中的原始預(yù)先設(shè)定位置，例如居中位置?？刂茥U110自動回復(fù)到原始位置可以由控制裝置100內(nèi)設(shè)的彈簧實(shí)現(xiàn)，或者以其它方式實(shí)現(xiàn)。
[0068]設(shè)置于控制裝置100或設(shè)置于飛行器104內(nèi)的一個自動控制裝置可以在第一控制桿110自動回復(fù)到原始位置時使飛行器104保持在其剛剛降到的新的高度。這樣以來，用戶的操作簡化了，并對于飛行器104的操控更加容易并精確。
[0069]綜上，所述自動控制裝置可以控制飛行器的飛行狀態(tài)保持。所述飛行狀態(tài)可以包括飛機(jī)的姿態(tài)、高度、朝向、速度，等。例如，所述自動控制裝置可以控制飛行器的高度，例如實(shí)現(xiàn)使飛行器104自動保持當(dāng)前高度。系統(tǒng)還可以自動修正飛行器104懸停和飛行時產(chǎn)生的誤差，并修正風(fēng)的干擾。
[0070]自動回復(fù)到預(yù)先設(shè)定位置(例如，自動回中)的控制桿110、112依據(jù)不同的實(shí)施例可以有不同的控制方法。例如，第一控制桿110在第一移動方向220的自動回中可以設(shè)計(jì)為控制飛行器進(jìn)入一個高度保持狀態(tài)，這時飛行器104的飛行高度可以被鎖定；第二控制桿112在兩個移動方向222、226的自動回中可以設(shè)計(jì)為控制飛行器進(jìn)入一個水平位置保持狀態(tài)，這時飛行器104的水平位置可以被鎖定，從而簡化用戶操控手續(xù)。例如，用戶每次只需控制一個桿量。在一個具體的例子中，用戶不對第一控制桿110施力，飛行器104保持前一時刻的飛行高度，并且沒有自轉(zhuǎn)；而對第二控制桿112前后左右的推動可以分別對應(yīng)于飛行器104在前后左右各方向上的機(jī)身傾斜角度(相應(yīng)地飛行器104在前后左右各方向上的平移速度)。用戶松開第二控制桿112，則飛行器104保持前一時刻的水平位置。用戶在第一移動方向朝上推第一控制桿110，則飛行器104垂直上升。用戶在第二移動方向左右推第一控制桿110，則飛行器104左右自轉(zhuǎn)。
[0071]舉例來說，在上述例子里，飛行器104上升的速度可以是大約正比于第一控制桿110相對于其在圖2中的原始位置被向上推的幅度(桿量)。該幅度可以是可以用刻度228來表述，其可以用搖桿轉(zhuǎn)動角度來量化。例如轉(zhuǎn)動值A(chǔ)x正比于飛行器104上升的速度VH，S卩:VH= kAx，其中k為一常數(shù)系數(shù)。舉例來說，第一控制桿110推到最大幅度對應(yīng)的飛行器上升速度是6米/秒。除了加速及減速階段外，上述正比關(guān)系可以是線性的。例如第一控制桿110推到上半行程的一半時，對應(yīng)的上升速度是3米/秒。
[0072]上推的幅度可以也用控制桿110轉(zhuǎn)動的角度來量化，例如向上轉(zhuǎn)動25°將使飛行器104達(dá)到6米/秒的上升速度，相當(dāng)于每向上轉(zhuǎn)動1°，飛行器104的上升速度增加0.24米/秒。
[0073]圖5為一種飛行器自動控制系統(tǒng)500的原理框圖。自動控制系統(tǒng)500包括控制器501，飛行器狀態(tài)測量傳感器502。飛行器狀態(tài)測量傳感器502可以包括氣壓計(jì)，陀螺儀，加速度計(jì)，GPS，磁力計(jì)等的至少一種傳感器，用于測量飛行器的高度、角速度、加速度、位置和速度、方向等信號，并整合出飛行器的狀態(tài)信號。
[0074]該狀態(tài)信號可以與來自外界的目標(biāo)信號，如信號102在一個信號處理器503中進(jìn)行處理。信號處理器503可以包括比較器對上述手控信號和狀態(tài)信號進(jìn)行比較，和/或信號混合器將上述手控信號和狀態(tài)信號進(jìn)行混合，將比較和/或混合后的信號傳送給控制器501，由控制器501控制飛行器操縱面504驅(qū)動飛行器進(jìn)行狀態(tài)的調(diào)整(例如調(diào)整旋翼傾角，調(diào)整發(fā)動機(jī)功率，調(diào)整多個發(fā)動機(jī)之間的功率差等)從而控制飛行狀態(tài)。這樣，控制器501成為一個信號和影響飛行器空氣動力的操縱面的一個界面。對于直升機(jī)來說，上述飛行器操縱面504可以包括旋翼傾角調(diào)節(jié)器，發(fā)動機(jī)功率調(diào)節(jié)器，尾旋翼狀態(tài)調(diào)節(jié)器，等。對于固定翼飛機(jī)來說，上述飛行器操縱面504可以包括發(fā)動機(jī)功率調(diào)節(jié)器，尾舵調(diào)節(jié)器，水平升降面調(diào)節(jié)器，襟翼調(diào)節(jié)器，副翼調(diào)節(jié)器，等。
[0075]當(dāng)控制裝置100的第一控制桿110恢復(fù)到中位后，相應(yīng)的手控信號可以是一種常態(tài)信號，或者是不存在。這種情況下，自動控制系統(tǒng)500可以形成一個反饋閉環(huán)505，以飛行器狀態(tài)測量傳感器502測得的狀態(tài)信號反饋到飛行器的控制器501，其控制飛行器操縱面504，實(shí)現(xiàn)在第一運(yùn)動方向的一個穩(wěn)定的飛行狀態(tài)保持，例如高度保持。當(dāng)控制裝置100的第一控制桿110和第二控制桿120在各個移動方向上都恢復(fù)到中位時，飛行器104可以實(shí)現(xiàn)在各個運(yùn)動方向的穩(wěn)定的飛行狀態(tài)保持，例如懸停。
[0076]圖6為一種幫助實(shí)現(xiàn)上述穩(wěn)定狀態(tài)保持(例如高度保持，自動懸停等)的自動控制系統(tǒng)的一種實(shí)施例的信號原理圖。裝載于遙控飛行器104上的控制器500可以由一個飛行控制計(jì)算機(jī)600實(shí)現(xiàn)，其可以通過手控信號接收裝置602接收來自于遙控控制裝置100的遙控信號102，以及來自于GPS接收裝置604的GPS信號，和來自于慣性測量裝置606的慣性信號。飛行控制計(jì)算機(jī)600可以依據(jù)收到的信號發(fā)出控制指令，來控制飛行器的飛行。
[0077]所述控制指令可以包括，例如，控制飛行器發(fā)動機(jī)功率的指令，控制飛行器姿態(tài)的指令等。舉例來說，如果控信號接收裝置602接收到的信號只有第一控制桿110被向上推的一定的幅度所對應(yīng)的信號，則控制指令包括控制飛行器104發(fā)動機(jī)功率以使飛行器104大約勻速垂直上升的指令。注意到在不同的環(huán)境情況下(例如海拔高度，氣溫，風(fēng)速，風(fēng)向等)，第一控制桿110被向上推的一定的幅度可以對應(yīng)不同的發(fā)動機(jī)功率。
[0078]根據(jù)本發(fā)明之一實(shí)施例，在用戶撤除對第一控制桿110施加的上推外力后，第一控制桿110可以自動回復(fù)到預(yù)先設(shè)定位置。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)方案，第一控制桿110在所述設(shè)定位置可以對應(yīng)于不發(fā)射相應(yīng)的手控信號，或者連續(xù)發(fā)射一個恒定的手控信號。這種情況下所述控制指令包括基于GPS接收裝置604的GPS信號和/或來自于慣性測量裝置606的慣性信號的高度保持指令。所保持的高度可以由第一控制桿110被第一移動方向上施加的外力(例如向上推)而導(dǎo)致的飛行器104上升，在上推外力變化(例如用戶放手，第一控制桿110自動回中)時而達(dá)到的高度而決定。也就是說，飛行器進(jìn)入并保持的一個穩(wěn)定的飛行狀態(tài)取決于飛行器接收到的第一控制桿110在其所受到的第一移動方向上外力變化所產(chǎn)生的控制信號(其決定前一時刻飛行狀態(tài))和飛行器所攜帶的狀態(tài)測量傳感器所測量的狀態(tài)信號(其作為反饋信號以穩(wěn)定飛行器的飛行狀態(tài))。
[0079]在圖5及圖6中，整個飛行器控制系統(tǒng)既包括遙控裝置104，又包括飛行器所載的控制器501。其中遙控裝置104包括第一控制桿，其在第一移動方向的移動對應(yīng)于控制飛行器在第一運(yùn)動方向的控制信號；回位裝置，用于第一控制桿在第一移動方向的外力撤除的情況下將第一控制桿自動回位到第一方向上預(yù)先設(shè)定的位置。其中控制器501用于根據(jù)所述控制信號和飛行器狀態(tài)信號控制所述飛行器的狀態(tài)，其中控制器501在所述第一控制桿自動回位到所述第一方向上預(yù)先設(shè)定的位置的情況下控制所述飛行器進(jìn)入狀態(tài)保持。
[0080]圖7為一種實(shí)現(xiàn)上述控制功能的方法流程圖。圖7中的方法700可以包括收到第一控制桿在第一移動方向移動導(dǎo)致的控制信號的步驟702。在步驟704中，根據(jù)所述控制信號(例如圖6中的信號102)，飛行控制計(jì)算機(jī)600發(fā)出相應(yīng)的控制指令，控制飛行器升在第一運(yùn)動方向的運(yùn)動，例如飛行器的升/降。
[0081 ]在判斷步驟706中，飛行控制計(jì)算機(jī)600根據(jù)手控信號接收裝置602接收來自于遙控控制裝置100的信號102判斷所述控制信號是否變化為對應(yīng)于第一控制桿因在第一移動方向的外力撤除而自動回到第一移動方向的預(yù)先設(shè)定位置的控制信號。例如，如果第一控制桿110在第一移動方向(例如上下方向220)的外力撤除，則相應(yīng)的控制信號變?yōu)閷?yīng)于第一控制桿自動回位的信號。在一些實(shí)施例中，所述對應(yīng)于第一控制桿自動回位的信號為一個穩(wěn)定信號。在另一些實(shí)施例中，所述對應(yīng)于第一控制桿自動回位的信號為零信號(即相應(yīng)的ig號消失)。
[0082]如果外力沒有撤除則繼續(xù)進(jìn)行步驟704中的控制。如果外力已經(jīng)撤除，相應(yīng)的控制信號變化為對應(yīng)于第一控制桿因在第一移動方向的外力變化(例如撤除)而自動回到第一移動方向的預(yù)先設(shè)定位置的控制信號，則在步驟708中控制飛行器進(jìn)入在第一運(yùn)動方向(例如垂直升降方向)的飛行狀態(tài)保持，例如高度保持狀態(tài)。所述保持狀態(tài)對應(yīng)于第一控制桿110在第一移動方向(例如上下方向220)自動回到預(yù)先設(shè)定的位置(例如第一控制桿的第一移動方向上的中間位置)。這里注意到同一個預(yù)先設(shè)定的搖桿位置可以對應(yīng)于保持的不同的狀態(tài)(例如高度)。
[0083]在一些實(shí)施例中，飛行器104的主要功能是利用其攜帶的相機(jī)109實(shí)現(xiàn)對地面目標(biāo)的成像功能。飛行器升/降可以實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)的拉遠(yuǎn)/收近，以獲得遠(yuǎn)景或近距的成像。拉遠(yuǎn)/收近的幅度可以通過飛行器與目標(biāo)的距離決定。拉遠(yuǎn)/收近的速率可以通過控制飛行器的速度而控制。
[0084]相機(jī)109也可以有鏡頭焦距的拉遠(yuǎn)/收近功能，其拉遠(yuǎn)/收近的幅度和速率也可以控制。在一些實(shí)施例中，步驟704中的飛行器升/降可以與相機(jī)焦距拉遠(yuǎn)/收近耦合。所述第一控制桿110在第一移動方向220的移動控制飛行器升/降或相機(jī)焦距拉遠(yuǎn)/收近或飛行器升/降及相機(jī)焦距拉遠(yuǎn)/收近的耦合運(yùn)動。例如，飛行器104可以判斷其與障礙物，目標(biāo)，或地面的距離。當(dāng)距離太近可能影響到飛行安全時，飛行器不再升/降，而控制桿110在上下方向220的運(yùn)動改為控制相機(jī)焦距拉遠(yuǎn)/收近。這種控制功能的切換也可以由用戶手工控制。在一些實(shí)施例中，飛行控制計(jì)算機(jī)600可以自動實(shí)現(xiàn)飛行器升/降及相機(jī)焦距拉遠(yuǎn)/收近的耦合運(yùn)動及其解耦，以實(shí)現(xiàn)最佳成像目的。
[0085]這樣，控制桿110在上下方向自動回中后，飛行器高度及相機(jī)焦距的耦合保持上一個位置。在一個具體例子中，飛行器104被控制著跟蹤拍攝一個騎自行車者，其會隨地勢上升下降。當(dāng)該騎自行車者下降到一個低洼處時，控制桿110在上下方向的自動歸中位置可以對應(yīng)于一個不變的圖像大小，而飛行器在控制桿110在上下方向沒有操作動作的情況下自動下降已保持和目標(biāo)的距離而使拍攝到的圖像大小不變。但是，如果飛行器如果下降過多會有安全問題，例如距離障礙物(例如樹枝)過近，則同一個控制桿110歸中位置會對應(yīng)于相機(jī)焦距的拉近。在此實(shí)施例中，控制桿110在上下方向自動回中的位置并不一定對應(yīng)于飛行器保持前一高度，而是對應(yīng)于飛行器高度及相機(jī)焦距的耦合值保持在前一值。圖像大小可以作為一個反饋參量來保持飛行器/相機(jī)焦距耦合的穩(wěn)定狀態(tài)。
[0086]圖8顯示實(shí)現(xiàn)上述成像目的的一種具體實(shí)施例方法800。在步驟802中，以外力控制第一控制桿110在第一移動方向220的移動而產(chǎn)生一個手控信號。相應(yīng)地，飛行器104在第一運(yùn)動方向上運(yùn)動(例如垂直升降)。在一些實(shí)施例中，第一控制桿110在第一移動方向220移動導(dǎo)致的控制信號用于控制飛行器升/降或相機(jī)焦距拉遠(yuǎn)/收近或二者的耦合。
[0087]在步驟804中，外力變化(例如撤除)，第一控制桿110自動回位到一個第一移動方向的預(yù)先設(shè)定位置(例如上下方向上回中)。在判斷步驟806中，飛行控制計(jì)算機(jī)600判斷手控信號接收裝置602接收來自于遙控控制裝置100的手控信號102是否為第一控制桿110所受外力變化所產(chǎn)生的控制信號(例如，外力撤除導(dǎo)致第一控制桿110自動回中，而導(dǎo)致手控信號102消失或變?yōu)橐粋€穩(wěn)定信號)。在一些實(shí)施例中，如果是，則說明控制桿110在上下方向220的外力撤除。因此，這一判斷步驟相當(dāng)于判斷所述第一控制桿在第一移動方向的外力是否撤除而導(dǎo)致第一控制桿自動回到第一移動方向的預(yù)先設(shè)定位置。
[0088]如果外力沒有撤除則繼續(xù)進(jìn)行步驟804中的控制。如果已經(jīng)撤除，則在步驟808中飛行器依據(jù)GPS和/或慣性測量信號及在前一步達(dá)到的高度進(jìn)入高度保持狀態(tài)，或者依據(jù)圖像反饋信號進(jìn)入一個飛行器高度/相機(jī)焦距耦合值保持狀態(tài)。也就是說，飛行器如果接收到朝向、左右前后平移的控制信號仍進(jìn)行這些運(yùn)動，但飛行高度(或者飛行器高度和相機(jī)焦距耦合值)保持不變。這里的“飛行狀態(tài)”可以定義為飛行器的高度和相機(jī)焦距的耦合值。
[0089]上述判斷步驟也可以包括判斷所述第一及第二控制桿在所有方向的外力是否撤除而導(dǎo)致第一控制桿及第二控制桿都自動回到各自的預(yù)先設(shè)定位置;如果是，則控制飛行器進(jìn)入懸停狀態(tài)。例如，如果第一控制桿110和第二控制桿112都自動回中，則飛行器依據(jù)GPS和/或慣性測量信號及前一步達(dá)到的狀態(tài)進(jìn)入自動空中懸停狀態(tài)，也就是說高度，朝向，及水平位置都保持基本不變。因此，上述控制方法還可以包括測量飛行器104的狀態(tài)信號，依據(jù)GPS和/或慣性測量得到的高度、位置信號。以所述測量到飛行器的狀態(tài)信號反饋到飛行器104以控制所述飛行器進(jìn)行所述的狀態(tài)保持。
[0090]圖9為一個飛行器受控垂直上升的示意圖。在這個例子中，第二控制桿112在自動回中的位置，因而飛行器104水平位置保持不變。在飛行器104收到相應(yīng)于以外力控制第一控制桿110在第一移動方向220的移動而產(chǎn)生一個手控控制信號，飛行器104由原來的高度902進(jìn)入一個加速上升階段904。
[0091]飛行器104的上升速度達(dá)到對于第一控制桿110在第一移動方向220的移動幅度的速度值后，飛行器104可以進(jìn)入一個勻速上升階段906。如前所述，飛行器104的在勻速上升階段906上升速度大約線形正比于第一控制桿110在第一移動方向220的移動幅度。
[0092]當(dāng)?shù)谝豢刂茥U110在所受到的第一移動方向220上的外力撤除時，飛行器104進(jìn)入一個第一運(yùn)動方向上的減速狀態(tài)，例如減速上升階段908。如果第一控制桿保持在第一移動方向的預(yù)先設(shè)定位置(自動回中)，則飛行器在第一運(yùn)動方向上的速度減速至零后保持這一狀態(tài)。在一些實(shí)施例中，飛行器104的上升速度減為零時，飛行器104進(jìn)入高度保持狀態(tài)，保持高度910。飛行器104加速上升階段904和減速上升階段908的長短取決于發(fā)動機(jī)的功率，飛行器104的質(zhì)量(慣性)等。
[0093]在一些實(shí)施例中，當(dāng)所述第一控制桿所受到的第一移動方向上的外力變化(例如撤除)后到其自動回到預(yù)先設(shè)定位置的過程對應(yīng)于飛行器在第一運(yùn)動方向上由開始減速到其速度為零的過程。例如，減速上升階段908正好對應(yīng)于第一控制桿110從外力撤除到完全回到預(yù)設(shè)位置的時間段。
[0094]在其它一些實(shí)施例中，飛行器104在第一控制桿110外力撤除后自動下降一段912，回到第一控制桿110外力撤除一時刻的高度914。而在其它一些實(shí)施例中，飛行器104具體保持的高度可以有用戶以數(shù)值輸入的辦法控制。本發(fā)明的一些實(shí)施例提供給了用戶以編程控制飛行器104飛行刨面的自由。
[0095]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種飛行器的控制方法，其特征在于:所述控制方法包括如下步驟: 收到第一控制桿在第一移動方向移動導(dǎo)致的控制信號，由該控制信號控制飛行器在第一運(yùn)動方向的運(yùn)動，其中，第一運(yùn)動方向?yàn)轱w行器的升降方向，所述第一控制桿在第一移動方向上的移動幅度正比所述飛行器的上升或下降速度。2.如權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法還包括: 判斷所述控制信號是否變化為對應(yīng)于第一控制桿因在第一移動方向的外力撤除而自動回到第一移動方向的預(yù)先設(shè)定位置的控制信號； 如果是，則控制飛行器在第一運(yùn)動方向進(jìn)入飛行狀態(tài)保持。3.如權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法還包括如下步驟: 當(dāng)所述第一控制桿所受到的第一移動方向上的外力撤除時，飛行器在第一運(yùn)動方向進(jìn)入減速狀態(tài)； 如果第一控制桿保持在第一移動方向上預(yù)先設(shè)定的位置，則飛行器在第一運(yùn)動方向上的速度減速至零后進(jìn)入高度保持狀態(tài)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述第一控制桿所受到的第一移動方向上的外力變化后到其自動回到預(yù)先設(shè)定位置的過程對應(yīng)于飛行器在第一運(yùn)動方向上由開始減速到其速度為零的過程。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述飛行器在第一控制桿外力撤除后自動下降一段，回到第一控制桿外力撤除時刻的高度。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述飛行器在第一控制桿外力撤除后，回到用戶以數(shù)值輸入的辦法控制的高度。7.如權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于:該控制方法還包括如下步驟: 收到所述第一控制桿在第一移動方向移動導(dǎo)致的控制信號，該控制信號還用于控制飛行器升/降或相機(jī)焦距拉遠(yuǎn)/收近或二者的耦合。8.如權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于:所述控制方法還包括: 判斷所述第一及第二控制桿在所有方向的外力是否撤除而導(dǎo)致第一控制桿及第二控制桿都自動回到各自的預(yù)先設(shè)定位置； 如果是，則控制飛行器進(jìn)入懸停狀態(tài)。9.如權(quán)利要求3或8所述的控制方法，其特征在于:所述控制方法還包括:測量所述飛行器的狀態(tài)信號，以所述測量到飛行器的狀態(tài)信號反饋到所述飛行器以控制所述飛行器進(jìn)行狀態(tài)保持。10.如權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述控制飛行器在第一運(yùn)動方向進(jìn)入飛行狀態(tài)穩(wěn)定保持通過測量所述飛行器的狀態(tài)而反饋到所述飛行器的控制器而控制飛行器操縱面，實(shí)現(xiàn)一個反饋閉環(huán)。11.如權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于:所述收到第一控制桿在第一移動方向移動導(dǎo)致的控制信號的步驟之前還包括: 將第一控制桿和第二控制桿分別并同時推至左右下角時，飛行器從關(guān)機(jī)狀態(tài)啟動。12.如權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述移動幅度為表達(dá)第一控制桿的轉(zhuǎn)動角度的刻度，或者所述第一控制桿轉(zhuǎn)動的角度。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述飛行器的上升速度達(dá)到對于第一控制桿在第一移動方向的移動幅度的速度值后，飛行器進(jìn)入一個勻速上升階段。14.一種飛行器的控制系統(tǒng)，其包括: 遙控裝置，其包括: 第一控制桿，其在第一移動方向的移動對應(yīng)于控制飛行器在第一運(yùn)動方向的控制信號； 回位裝置，用于第一控制桿在第一移動方向的外力撤除的情況下將第一控制桿自動回位到第一移動方向上預(yù)先設(shè)定的位置； 控制器，用于根據(jù)所述控制信號和飛行器狀態(tài)信號控制所述飛行器的狀態(tài)，其中，第一運(yùn)動方向?yàn)轱w行器的升降方向，所述第一控制桿在第一移動方向上的移動幅度正比所述飛行器的上升或下降速度。15.如權(quán)利要求14所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器在所述第一控制桿自動回位到所述第一移動方向上預(yù)先設(shè)定的位置的情況下控制所述飛行器在所述第一運(yùn)動方向進(jìn)入狀態(tài)保持。16.如權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其特征在于:所述第一控制桿所受到的第一移動方向上的外力撤除后到其自動回到預(yù)先設(shè)定位置的過程對應(yīng)于飛行器在第一運(yùn)動方向上的減速過程。17.如權(quán)利要求16所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述飛行器在第一控制桿外力撤除后自動下降一段，回到第一控制桿外力撤除時刻的高度。18.如權(quán)利要求16所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述飛行器在第一控制桿外力撤除后，回到用戶以數(shù)值輸入的辦法控制的高度。19.如權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其特征在于:所述控制系統(tǒng)還包括至少一個狀態(tài)測量傳感器，以測量所述飛行器狀態(tài)信號提供給所述控制器。20.如權(quán)利要求19所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)還包括一個飛行器操縱面，用于驅(qū)動所述飛行器進(jìn)行狀態(tài)的調(diào)整，所述至少一個狀態(tài)測量傳感器，所述控制器，和所述飛行器操縱面構(gòu)成一個反饋閉環(huán)以控制所述飛行器進(jìn)行所述的狀態(tài)保持。21.如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)還包括信號處理器，所述信號處理器包括比較器，用于對所述控制信號和飛行器狀態(tài)信號進(jìn)行比較，和/或信號混合器，用于對所述控制信號和飛行器狀態(tài)信號進(jìn)行比較，將比較和/或混合后的信號傳送給所述控制器，所述控制器控制所述飛行器操縱面驅(qū)動飛行器進(jìn)行狀態(tài)的調(diào)整。22.如權(quán)利要求14所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述移動幅度為表達(dá)第一控制桿的轉(zhuǎn)動角度的刻度，或者所述第一控制桿轉(zhuǎn)動的角度。23.如權(quán)利要求14所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述飛行器的上升速度達(dá)到對于第一控制桿在第一移動方向的移動幅度的速度值后，飛行器進(jìn)入一個勻速上升階段。
【文檔編號】G05D1/10GK105912014SQ201610182001
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2013年6月25日
【發(fā)明人】汪滔, 趙濤
【申請人】深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司