專利名稱:動態(tài)地控制遙控飛機的姿態(tài)以自動執(zhí)行翻滾式動作的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及駕駛諸如四螺旋槳直升機之類的導(dǎo)航旋翼遙控飛機。
背景技術(shù):
這類遙控飛機具有由相應(yīng)的多個馬達驅(qū)動的多個旋翼,這些馬達可獨立地受到控制以控制遙控飛機的姿態(tài)和速度。這樣的遙控飛機的典型示例是來自法國巴黎的Parrot SA的AR.遙控飛機,這是裝配有一系列傳感器(加速度計、三軸陀螺儀以及高度計)的四螺旋槳直升機。該遙控飛機還具有捕捉該遙控飛機面向的場景的圖像的前視照相機、以及捕捉正在飛越的地形的圖像的垂直方向照相機?!?br>
遙控飛機借助遠程控制裝置——在下文中稱其為“設(shè)備”——由用戶導(dǎo)航,該設(shè)備通過無線電鏈路連接至遙控飛機。WO 2010/061099A1 (Parrot SA)具體描述了ー種這樣的遙控飛機以及如何通過具有觸摸屏以及包含在內(nèi)的加速度計的媒體播放器或電話(例如,iPhone類型的蜂窩電話、或者iPod Touch或iPad類型(由美國Apple Inc.注冊■的商標)的媒體播放器或多媒體寫字板)來駕駛它。這些設(shè)備包括經(jīng)由WiFi (IEEE 802. 11)或藍牙(注冊商標)提供的類型的局域網(wǎng)無線鏈路用于檢測導(dǎo)航命令以及與遙控飛機的雙向數(shù)據(jù)交換所需要的各種控制部件。具體地說,該設(shè)備設(shè)有觸摸屏,該觸摸屏顯示由前視照相機捕獲的圖像并在其上重疊有某一數(shù)量的圖標,只要通過用戶用手指在觸摸屏上與這些圖標接觸就能使命令被激活。該顯示器也允許“擬真導(dǎo)航”,其中使用者不是邊注視著遙控飛機邊導(dǎo)航遙控飛機,而是利用來自照相機的圖像使得駕駛員就像在遙控飛機上一祥。本發(fā)明更具體地涉及自動執(zhí)行“滾轉(zhuǎn)”式(遙控飛機的旋轉(zhuǎn)繞其滾轉(zhuǎn)軸經(jīng)過一次完整的回旋)或“筋斗”式(遙控飛機的旋轉(zhuǎn)繞其俯仰軸經(jīng)過一次完整的回旋)的翻滾運動。滾轉(zhuǎn)可以向左也可以向右,這取決于旋轉(zhuǎn)的方向。滾轉(zhuǎn)也可由一次接著一次的一系列完整的回旋構(gòu)成;下面的描述涉及由單次回旋構(gòu)成的動作,然而該描述不是限定性特征。該描述還涉及從ー種配置執(zhí)行的動作,在這種配置中,遙控飛機一開始是靜止的、懸停的,但這種配置不僅限于滾轉(zhuǎn)可例如與水平速度分量一起實現(xiàn),遙控飛機上的一個點則在絕對參照系中表現(xiàn)出螺旋形而非圓形的軌跡。筋斗可以是向前或向后的,這取決于旋轉(zhuǎn)分別由進行仰飛的遙控飛機還是俯飛的遙控飛機發(fā)起。應(yīng)當觀察到,筋斗與滾轉(zhuǎn)的區(qū)別僅在于所涉及的轉(zhuǎn)軸不同(是俯仰軸而不是滾轉(zhuǎn)軸)。結(jié)果,下面的描述僅涉及執(zhí)行ー滾轉(zhuǎn),但這里提到的與滾轉(zhuǎn)有關(guān)的任何內(nèi)容都可加以必要的變更被轉(zhuǎn)用以執(zhí)行筋斗,只要選擇不同的轉(zhuǎn)軸。S. Lupashin等人的論文,機器人和自動化2010IEEE國際會議紀要“高速四螺旋槳直升機多次翻滾的簡單學(xué)習(xí)策略”,2010年5月,第1642-1648頁記載了如何控制四螺旋槳直升機式遙控飛機以執(zhí)行這ー動作。在該文件中描述的技術(shù)在于,將初始旋轉(zhuǎn)沖量給予遙控飛機,計算該沖量的大小以使遙控飛機到達ー最終高度,該最終高度盡可能地接近動作結(jié)束時的水平。不過,由于滾轉(zhuǎn)是通過處于開環(huán)(無伺服控制)的遙控飛機執(zhí)行的,不管怎樣都不能保證遙控飛機事實上動作結(jié)束時是水平的,或者換句話說,其角速度在樞轉(zhuǎn)過360°后將為零。為了減輕過沖(超過一次完整的回旋)或下沖(小于一次完整的回旋)的風(fēng)險,作者提出使用連續(xù)的迭代來控制滾轉(zhuǎn)從而盡可能地接近理想形態(tài)一次完整的回旋,不多也不少,在旋轉(zhuǎn)過360°之后具有為零的最終角速度。結(jié)果,在第一次嘗試不能獲得期待的結(jié)果。相反,這需要大量連續(xù)的近似計算,并且根據(jù)這篇論文需要大約40至50次調(diào)節(jié)算法迭代。 此外,即使在調(diào)節(jié)各參數(shù)之后,正確的動作執(zhí)行也會被例如狂風(fēng)、靠近墻壁時的紊流等多種外部因素所干擾。J. H. Gillula等人的論文“使用可到達集確保安全的動作設(shè)計理論和實踐中的自治式四螺旋槳特技飛行”,機器人和自動化2010IEEE國際會議紀要,2010年5月,1649-1654頁,記載了ー種在水平飛行中使四螺旋槳直升機執(zhí)行向回翻滾的可比擬技術(shù),然而該技術(shù)表現(xiàn)出與前面描述內(nèi)容相同的缺點和局限性。在實踐中,滾轉(zhuǎn)或筋斗的正確執(zhí)行會遇上若干困難。困難之ー關(guān)聯(lián)于這樣ー個事實,即當控制馬達以使遙控飛機執(zhí)行要求的旋轉(zhuǎn)吋,由于用來發(fā)起繞滾轉(zhuǎn)軸或俯仰軸的轉(zhuǎn)動的左/右或向前/向后推力的逆轉(zhuǎn),遙控飛機不再受到支持并因此將在動作開始和結(jié)束之間這段時間喪失高度(不像繞偏航軸執(zhí)行一次完整的回旋,在這種情況下遙控飛機在旋轉(zhuǎn)過程中基本保持平飛)。如前面在Lupashin的論文中描述的那樣,這種困難可通過在遙控飛機開始旋轉(zhuǎn)前給予其在先的向上的垂直推力沖量的方式同時地控制遙控飛機的馬達來解決。這將足夠的垂直動カ給予遙控飛機以確保一旦其已完成動作就足夠回到與其之前所在的相同高度。然而,在遙控飛機的姿態(tài)在施加沖量時不處于嚴格水平的情況下,這種以開環(huán)形式施加至所有四個馬達的在先垂直推力不能避免側(cè)向偏移的危險。如前所述,另ー困難在于經(jīng)過ー個完整回旋的準確筋斗旋轉(zhuǎn)(即轉(zhuǎn)過360°而沒有角度過沖),這將會引起遙控飛機繞其最終水平位置的振蕩。當該動作快速完成時,這種缺陷尤為明顯——但這種速度不僅對于突出動作的震撼效果還是最重要地對于限制前面提到的在執(zhí)行動作過程中喪失支持的效果而言都是必需的。發(fā)明目的和內(nèi)容因此,本發(fā)明的問題是能執(zhí)行經(jīng)過一次完整回旋的滾轉(zhuǎn)式或筋斗式翻滾動作而不會使遙控飛機在動作的開始瞬間和結(jié)束瞬間之間喪失高度,并同時以干脆和準確的方式執(zhí)行動作而不會繞最終水平位置振蕩。為了做到這一點,本發(fā)明提供一種動態(tài)地控制旋翼遙控飛機的姿態(tài)的方法,該旋翼遙控飛機具有由相應(yīng)的受單獨控制的馬達驅(qū)動的多個旋翼,以自動地執(zhí)行滾轉(zhuǎn)或筋斗式預(yù)編程的動作,在這類動作中,遙控飛機繞分別由遙控飛機的滾轉(zhuǎn)軸或俯仰軸構(gòu)成的轉(zhuǎn)軸完成完整的一圈。如前面提到的Lupashin等人的論文中披露的那樣,一旦接收到觸發(fā)預(yù)編程的動作的指令,則本發(fā)明的方法包括執(zhí)行一系列步驟
a)以給予遙控飛機一在先的向上垂直的推力沖量的方式同時地控制多個馬達;以及b)以使遙控飛機繞轉(zhuǎn)軸從最初角位置轉(zhuǎn)動至最終角位置并使角速度降為零的方式控制馬達,該步驟包括使馬達受開環(huán)控制的階段。在本發(fā)明的方式特征中,方法的步驟(b)包括連續(xù)的子步驟b I)將獨立的非伺服控制的控制施加于馬達以使遙控飛機繞轉(zhuǎn)軸從最初角位置轉(zhuǎn)動至預(yù)定的中間角位置;井隨后b2)對馬達施加獨立的控制,對基準目標軌跡施加伺服控制,從而使遙控飛機完成繞轉(zhuǎn)軸逐漸地從處于非零角速度的中間角位置至零角速度的最終角位置經(jīng)歷完整ー圈的旋轉(zhuǎn)。 步驟b2)的基準目標軌跡可以是依照角速度的目標軌跡和/或依照角度的目標軌跡。在ー優(yōu)選實現(xiàn)中,步驟b2)包括下列子步驟b21)對中間角位置和最終角位置之間的停止時間給予ー值;b22) 一旦到達預(yù)定的中間角位置即測量遙控飛機的角速度;b23)根據(jù)步驟b21)中給予的所述停止時間以及根據(jù)步驟b22)中獲得的測量值,設(shè)定預(yù)定的預(yù)言函數(shù)的參數(shù),該預(yù)言函數(shù)對遙控飛機的角位置因變于從中間角位置至給予的時間結(jié)束時最終角位置的時間的最優(yōu)連續(xù)變化建模;以及b24)在步驟b23)中設(shè)定的預(yù)言函數(shù)的基礎(chǔ)上,產(chǎn)生與在給定瞬間預(yù)先計算的目標角位置對應(yīng)的設(shè)定點值,并將所述設(shè)定點值施加至控制遙控飛機的馬達的伺服控制環(huán)。具體地說,該設(shè)定點值是遙控飛機相對于其滾轉(zhuǎn)軸或相對于其俯仰軸的傾斜角的設(shè)定點,視情況而定。預(yù)定的預(yù)言函數(shù)是多項式函數(shù),尤其是三階函數(shù),并且設(shè)定所述函數(shù)的參數(shù)的步驟b23)是確定多項式的系數(shù)的步驟。更準確地,多項式函數(shù)是下面類型的函數(shù)φ (t) =a. tff+b. t2+c. t+d其中<p(t)是與步驟b24)中產(chǎn)生的設(shè)定點值對應(yīng)的角位置;并且a、b、c和d是在步驟b23)中設(shè)定的多項式的系數(shù),由此
權(quán)利要求
1.一種動態(tài)地控制具有由相應(yīng)的獨立受控制的馬達驅(qū)動的多個旋翼的旋翼遙控飛機的姿態(tài)的方法, 用于自動地執(zhí)行滾轉(zhuǎn)或筋斗式預(yù)編程的動作,其中所述遙控飛機繞由其相應(yīng)的滾轉(zhuǎn)軸或俯仰軸構(gòu)成的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過完整的一圏, 所述方法包括,一旦接收到觸發(fā)預(yù)編程動作的指令則執(zhí)行一系列步驟 a)以給予遙控飛機在先的向上垂直的推力沖量的方式同時地控制馬達;以及 b)以使遙控飛機繞所述轉(zhuǎn)軸從最初角位置轉(zhuǎn)動至具有零角速度的最終角位置的方式控制所述馬達,所述步驟包括使所述馬達受開環(huán)控制的階段, 其中步驟b)包括下列連續(xù)的子步驟 bl)將獨立的非伺服控制的控制施加于馬達以使遙控飛機繞轉(zhuǎn)軸從最初角位置轉(zhuǎn)動至預(yù)定的中間角位置;井隨后 b2)對馬達施加獨立的控制,對基準目標軌跡施加伺服控制,從而使遙控飛機完成繞所述轉(zhuǎn)軸逐漸地從具有非零角速度的中間角位置至具有零角速度的最終角位置的完整ー圈的旋轉(zhuǎn)。
2.如權(quán)利要求I所述的方法,其特征在于,步驟b2)的基準目標軌跡是依照角速度的目標軌跡和/或依照角度的目標軌跡。
3.如權(quán)利要求I所述的方法,其特征在于,步驟b2)包括下列子步驟 b21)對所述中間角位置和所述最終角位置之間的停止時間給予ー個值; b22) 一旦到達預(yù)定的中間角位置即測量遙控飛機的角速度; b23)根據(jù)步驟b21)中給予的所述停止時間以及根據(jù)步驟b22)中獲得的測量值,設(shè)定預(yù)定的預(yù)言函數(shù)的參數(shù),所述預(yù)言函數(shù)對遙控飛機的角位置因變于從中間角位置至給予的時間結(jié)束時最終角位置的時間的最佳連續(xù)變化建模;以及 b24)在步驟b23)中設(shè)定的預(yù)言函數(shù)的基礎(chǔ)上,產(chǎn)生與在給定瞬間預(yù)先計算出的目標角位置對應(yīng)的設(shè)定點值,并將所述設(shè)定點值施加至控制遙控飛機的馬達的伺服控制環(huán)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法,其特征在干,所述設(shè)定點值是遙控飛機相對于其滾轉(zhuǎn)軸或相對于其俯仰軸的傾斜角的設(shè)定點,視情況而定。
5.如權(quán)利要求3所述的方法,其特征在于,所述預(yù)定的預(yù)言函數(shù)是多項式函數(shù),并且設(shè)定所述函數(shù)的參數(shù)的步驟b23)是確定所述多項式的系數(shù)的步驟。
6.如權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,所述多項式函數(shù)是三階多項式函數(shù)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于,所述多項式函數(shù)是下面類型的函數(shù) Φ (t) =a. t3+b. t2+c. t+d 其中 Φ (t)是與步驟b24)中產(chǎn)生的設(shè)定點值對應(yīng)的角位置;并且 a、b、c和d是在步驟b23)設(shè)定的多項式的系數(shù),由此
8.如權(quán)利要求3所述的方法,其特征在于,包括當遙控飛機到達重定義設(shè)定點的預(yù)定角位置時步驟b22)和b23)的至少一次反復(fù),所述重定義設(shè)定點的角位置位于步驟b2)的中間角位置和最終角位置之間,并且重定義角位置被視為用于在步驟b23)中設(shè)定參數(shù)的新的中間角位置。
9.如權(quán)利要求I所述的方法,其特征在干,同時地控制馬達以將向上的在先垂直推力沖量給予遙控飛機的步驟a)是在保留對遙控飛機姿態(tài)的控制的同時執(zhí)行的步驟。
10.如權(quán)利要求I所述的方法,其特征在于,還包括一旦已達到最終角位置時的最終步驟 c)過渡至遙控飛機的懸停狀態(tài),所述懸停狀態(tài)啟動適于使飛機穩(wěn)定下來的懸停飛行控制環(huán),所述懸停狀態(tài)具有為零的水平線速度和相對于地面為零的傾斜角。
11.可下載到旋翼遙控飛機的數(shù)字存儲器的軟件,所述軟件包括指令,所述指令在一旦在接收到來自遙控設(shè)備的用于觸發(fā)預(yù)先編程的翻滾式動作的指令時就被執(zhí)行,從而執(zhí)行如權(quán)利要求I的動態(tài)地控制遙控飛機的姿態(tài)的方法。
全文摘要
該方法控制遙控飛機以使飛機繞其滾轉(zhuǎn)軸或其俯仰軸翻滾過完整的一圈。該方法包括以下步驟a)同時控制遙控飛機的馬達以給予遙控飛機一在先的向上垂直的推力沖量;b)將不同的和非伺服控制命令施加至馬達以使遙控飛機繞翻滾的轉(zhuǎn)軸從最初角位置轉(zhuǎn)動至預(yù)定的中間角位置;并隨后c)對馬達施加獨立的控制,對基準目標軌跡施加伺服控制,從而使遙控飛機完成繞所述轉(zhuǎn)軸逐漸地從具有非零角速度的中間角位置至具有零角速度的最終角位置的完整一圈的旋轉(zhuǎn)。
文檔編號G08C17/02GK102847324SQ201210216670
公開日2013年1月2日 申請日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者F·凱羅, M·里施米勒 申請人:鸚鵡股份有限公司