[发明专利]动态地控制遥控飞机的姿态以自动执行翻滚式动作的方法

说明书

技术领域

本发明涉及驾驶诸如四螺旋桨直升机之类的导航旋翼遥控飞机。

发明背景

这类遥控飞机具有由相应的多个马达驱动的多个旋翼，这些马达可独立地受到控制以控制遥控飞机的姿态和速度。

这样的遥控飞机的典型示例是来自法国巴黎的Parrot SA的AR.遥控飞机，这是装配有一系列传感器（加速度计、三轴陀螺仪以及高度计）的四螺旋桨直升机。该遥控飞机还具有捕捉该遥控飞机面向的场景的图像的前视照相机、以及捕捉正在飞越的地形的图像的垂直方向照相机。

遥控飞机借助远程控制装置——在下文中称其为“设备”——由用户导航，该设备通过无线电链路连接至遥控飞机。

WO 2010/061099A1(Parrot SA)具体描述了一种这样的遥控飞机以及如何通过具有触摸屏以及包含在内的加速度计的媒体播放器或电话（例如，iPhone类型的蜂窝电话、或者iPod Touch或iPad类型（由美国Apple Inc.注册的商标）的媒体播放器或多媒体写字板）来驾驶它。这些设备包括经由WiFi（IEEE 802.11）或蓝牙（注册商标）提供的类型的局域网无线链路用于检测导航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。具体地说，该设备设有触摸屏，该触摸屏显示由前视照相机捕获的图像并在其上重叠有某一数量的图标，只要通过用户用手指在触摸屏上与这些图标接触就能使命令被激活。该显示器也允许“拟真导航”，其中使用者不是边注视着遥控飞机边导航遥控飞机，而是利用来自照相机的图像使得驾驶员就像在遥控飞机上一样。

本发明更具体地涉及自动执行“滚转”式(遥控飞机的旋转绕其滚转轴经过一次完整的回旋)或“筋斗”式(遥控飞机的旋转绕其俯仰轴经过一次完整的回旋)的翻滚运动。

滚转可以向左也可以向右，这取决于旋转的方向。滚转也可由一次接着一次的一系列完整的回旋构成；下面的描述涉及由单次回旋构成的动作，然而该描述不是限定性特征。该描述还涉及从一种配置执行的动作，在这种配置中，遥控飞机一开始是静止的、悬停的，但这种配置不仅限于：滚转可例如与水平速度分量一起实现，遥控飞机上的一个点则在绝对参照系中表现出螺旋形而非圆形的轨迹。

筋斗可以是向前或向后的，这取决于旋转分别由进行仰飞的遥控飞机还是俯飞的遥控飞机发起。应当观察到，筋斗与滚转的区别仅在于所涉及的转轴不同(是俯仰轴而不是滚转轴)。结果，下面的描述仅涉及执行一滚转，但这里提到的与滚转有关的任何内容都可加以必要的变更被转用以执行筋斗，只要选择不同的转轴。

S.Lupashin等人的论文，机器人和自动化2010IEEE国际会议纪要“高速四螺旋桨直升机多次翻滚的简单学习策略”，2010年5月，第1642-1648页记载了如何控制四螺旋桨直升机式遥控飞机以执行这一动作。

在该文件中描述的技术在于，将初始旋转冲量给予遥控飞机，计算该冲量的大小以使遥控飞机到达一最终高度，该最终高度尽可能地接近动作结束时的水平。

不过，由于滚转是通过处于开环(无伺服控制)的遥控飞机执行的，不管怎样都不能保证遥控飞机事实上动作结束时是水平的，或者换句话说，其角速度在枢转过360°后将为零。

为了减轻过冲(超过一次完整的回旋)或下冲(小于一次完整的回旋)的风险，作者提出使用连续的迭代来控制滚转从而尽可能地接近理想形态：一次完整的回旋，不多也不少，在旋转过360°之后具有为零的最终角速度。

结果，在第一次尝试不能获得期待的结果。相反，这需要大量连续的近似计算，并且根据这篇论文需要大约40至50次调节算法迭代。

此外，即使在调节各参数之后，正确的动作执行也会被例如狂风、靠近墙壁时的紊流等多种外部因素所干扰。

J.H.Gillula等人的论文“使用可到达集确保安全的动作设计：理论和实践中的自治式四螺旋桨特技飞行”，机器人和自动化2010IEEE国际会议纪要，2010年5月，1649-1654页，记载了一种在水平飞行中使四螺旋桨直升机执行向回翻滚的可比拟技术，然而该技术表现出与前面描述内容相同的缺点和局限性。

在实践中，滚转或筋斗的正确执行会遇上若干困难。

困难之一关联于这样一个事实，即当控制马达以使遥控飞机执行要求的旋转时，由于用来发起绕滚转轴或俯仰轴的转动的左/右或向前/向后推力的逆转，遥控飞机不再受到支持并因此将在动作开始和结束之间这段时间丧失高度(不像绕偏航轴执行一次完整的回旋，在这种情况下遥控飞机在旋转过程中基本保持平飞)。