[發明專利]動態地控制遙控飛機的姿態以自動執行翻滾式動作的方法

有效

• 申請號: 201210216670.8
• 申請日: 2012-06-27
• 公開（公告）號: CN102847324A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發明（設計）人: F·凱羅;M·里施米勒
• 申請（專利權）人: 鸚鵡股份有限公司
• 主分類號: A63H30/04
• 分類號: A63H30/04;A63H27/133;G08C17/02;G05D1/08
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 錢慰民

技術領域

本發明涉及駕駛諸如四螺旋槳直升機之類的導航旋翼遙控飛機。

發明背景

這類遙控飛機具有由相應的多個馬達驅動的多個旋翼，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。

遙控飛機借助遠程控制裝置——在下文中稱其為“設備”——由用戶導航，該設備通過無線電鏈路連接至遙控飛機。

WO?2010/061099A1(Parrot?SA)具體描述了一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。這些設備包括經由WiFi（IEEE?802.11）或藍牙（注冊商標）提供的類型的局域網無線鏈路用于檢測導航命令以及與遙控飛機的雙向數據交換所需要的各種控制部件。具體地說，該設備設有觸摸屏，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“擬真導航”，其中使用者不是邊注視著遙控飛機邊導航遙控飛機，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樣。

本發明更具體地涉及自動執行“滾轉”式(遙控飛機的旋轉繞其滾轉軸經過一次完整的回旋)或“筋斗”式(遙控飛機的旋轉繞其俯仰軸經過一次完整的回旋)的翻滾運動。

滾轉可以向左也可以向右，這取決于旋轉的方向。滾轉也可由一次接著一次的一系列完整的回旋構成；下面的描述涉及由單次回旋構成的動作，然而該描述不是限定性特征。該描述還涉及從一種配置執行的動作，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：滾轉可例如與水平速度分量一起實現，遙控飛機上的一個點則在絕對參照系中表現出螺旋形而非圓形的軌跡。

筋斗可以是向前或向后的，這取決于旋轉分別由進行仰飛的遙控飛機還是俯飛的遙控飛機發起。應當觀察到，筋斗與滾轉的區別僅在于所涉及的轉軸不同(是俯仰軸而不是滾轉軸)。結果，下面的描述僅涉及執行一滾轉，但這里提到的與滾轉有關的任何內容都可加以必要的變更被轉用以執行筋斗，只要選擇不同的轉軸。

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習策略”，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行這一動作。

在該文件中描述的技術在于，將初始旋轉沖量給予遙控飛機，計算該沖量的大小以使遙控飛機到達一最終高度，該最終高度盡可能地接近動作結束時的水平。

不過，由于滾轉是通過處于開環(無伺服控制)的遙控飛機執行的，不管怎樣都不能保證遙控飛機事實上動作結束時是水平的，或者換句話說，其角速度在樞轉過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)的風險，作者提出使用連續的迭代來控制滾轉從而盡可能地接近理想形態：一次完整的回旋，不多也不少，在旋轉過360°之后具有為零的最終角速度。

結果，在第一次嘗試不能獲得期待的結果。相反，這需要大量連續的近似計算，并且根據這篇論文需要大約40至50次調節算法迭代。

此外，即使在調節各參數之后，正確的動作執行也會被例如狂風、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，記載了一種在水平飛行中使四螺旋槳直升機執行向回翻滾的可比擬技術，然而該技術表現出與前面描述內容相同的缺點和局限性。

在實踐中，滾轉或筋斗的正確執行會遇上若干困難。

困難之一關聯于這樣一個事實，即當控制馬達以使遙控飛機執行要求的旋轉時，由于用來發起繞滾轉軸或俯仰軸的轉動的左/右或向前/向后推力的逆轉，遙控飛機不再受到支持并因此將在動作開始和結束之間這段時間喪失高度(不像繞偏航軸執行一次完整的回旋，在這種情況下遙控飛機在旋轉過程中基本保持平飛)。