CN101164025A - 控制方法、控制装置和无人直升机 - Google Patents

控制方法、控制装置和无人直升机 Download PDF

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Abstract

一种状态判定单元(10)根据各个基本反馈控制系统所计算的目标值计算电路的控制量和当前值之间的偏差(9)判定控制对象的状态。特征利用判定单元(11)判定是否可以使用诸如风压减小操作的与状态相关的控制对象的操作特征，并通过操作修正值计算单元(11a)计算操作量信号的修正值(12)。此外，当直接输入控制量时，特征利用判定单元(11)通过直接控制量计算单元(11b)计算直接控制量(13)。所计算的修正值(12)修正相应的控制项目的操作量信号(6)。因此，根据控制项目的偏差，判定控制对象的状态，根据对应于该状态的控制对象的特征，修正其它控制项目的操作量，以改变控制项目的目标值，由此降低作为状态判定基准的控制项目偏差。

Description

控制方法、控制装置和无人直升机
技术领域
本发明涉及一种控制方法、控制装置和无人直升机，它们用于通过使用反馈控制来控制具有多个控制项目的控制对象。
背景技术
传统地，无人直升机用于播撒药剂(诸如农药)或用于拍摄航空照片(JP-A-2002-166893)。当控制这样的无人直升机时，控制项目可以包括机身的飞行方向、滚转角度以及俯仰角、飞行方向的速度和加速度、水平方向的速度和加速度、竖直方向的速度和加速度、高度等。通过彼此独立的控制系统(例如，通过基于现有技术中公知的PID理论的反馈控制)来控制这些控制项目。具体而言，与已规定的与各个控制项目相关的命令值相对应的操作量输入到控制系统中。控制系统计算对应于操作量的目标值，并将对应于目标值的控制量输入到每个控制项目的驱动系统中。该结果反馈到控制量，由此将其设置成更接近于目标值。由此，对每个控制项目进行反馈控制。
发明内容
本发明解决的技术问题
但是，在传统控制方法中，不容易进行自动控制。这是因为在控制系统被构造成以使控制对象的操作更接近于其目标的情况下，如果将彼此不相关的多个非线性控制项目与其控制对象的操作关联起来，或者如果这种控制对象的环境变化较大，则控制系统的逻辑构造会变复杂。
例如，当无人直升机在其机头指向目的地的情况下飞行时，如果强风沿宽度方向(在一侧)吹过时，驾驶员倾斜机身，以逆着风增大滚转角，使得机身不偏航。在这样的情况下，机身的升力较小。如果滚转角增大超过一定的限度，则升力减小很多，使得不能保持机身的高度。在这样的情况下，即使单独地控制滚转角，机身也不能恢复滚转角和避免高度的降低。
鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种控制方法、控制装置和无人直升机，用于对具有多个控制项目的控制对象容易地进行自动控制。
解决问题的技术方案
根据本发明的控制方法包括以下步骤：计算控制对象的每个控制项目的目标值，所述控制对象具有多个控制项目；进行反馈控制，以将所述控制项目的值设置得更接近控制项目的目标值；以及基于每个控制项目的当前值和所述目标值之间的偏差，改变其它控制项目的目标值。
根据本发明的控制装置包括：目标值计算部分，用于计算控制对象的每个控制项目的目标值，所述控制对象具有多个控制项目；反馈控制部分，用于进行反馈控制，以将所述控制项目的值设置得更接近所述目标值；以及特征利用判定部分，用于基于每个控制项目的当前值和所述目标值之间的偏差，改变其它控制项目的目标值。
根据本发明的无人直升机包括：目标值计算部分，用于计算无人直升机的每个控制项目的目标值，所述无人直升机具有至少包括机身的滚转角度和方位角的多个控制项目；反馈控制部分，用于进行反馈控制，以将所述控制项目的值设置得更接近所述目标值；以及特征利用判定部分，用于基于每个控制项目的当前值和所述目标值之间的偏差，改变其它控制项目的目标值。
本发明的效果
根据本发明，基于控制对象的控制项目的偏差，将该偏差反馈到其它控制项目。因此，即使将多个彼此不相关的非线性控制项目与控制对象的操作相关联，或者即使控制对象的环境变化较大时，可以更容易地进行自动控制。
附图说明
图1是图示根据本发明的控制装置的构造的框图。
图2是图示根据本发明的控制装置的构造的框图。
图3是图示将本实施例的控制装置应用到无人直升机的情况下的构造的框图。
图4A示出接受侧风的无人直升机的俯视图。
图4B示出接受侧风的无人直升机的正视图。
图4C是图示状态判定部分所进行的第一状态判定程序的流程图。
图4D是图示状态判定部分所进行的第二状态判定程序的流程图。
图5A示出无人直升机在其机头指向迎风侧的俯视图。
图5B示出无人直升机在其机头指向迎风侧的正视图。
图5C是图示特征利用判定部分的判定程序的流程图。
图5D是图示操作修正值计算部分所进行的操作修正值的计算程序的流程图。
具体实施方式
下文中，将参考附图描述本发明的实施例。
如图1-2中所示，本实施例的控制装置包括基本反馈部分100、状态判定部分10以及特征利用判定部分11。
基本反馈部分100包括控制对象1和基本反馈控制系统5，控制对象1具有多个控制项目2(控制项目A、B、C...)，基本反馈控制系统5设置到每个控制项目2中。基本反馈系统5包括目标值计算电路3和增益电路4。
作为一个示例，将描述关于控制项目A的操作。当对控制对象项目A进行对应于控制对象的目标操作的操作A时，其操作量信号6输入到基本反馈控制系统5中。目标值计算电路3根据操作信号6计算控制项目A的控制目标值。对应于目标值的控制量作为控制量信号7经由增益电路4输入到控制项目A的驱动系统(未示出)，由此操作驱动系统。由此，控制控制项目A。此时的当前值(即控制结果)被反馈到控制量。结果，进行反馈控制，以将控制项目A的值设置得更接近目标值。
在此示例中，控制量可以直接输入到控制项目A的值。基于直接控制量13的控制量信号8的控制量可以代替来自目标值计算电路3的控制量信号7的控制量或者可以作为和控制量信号7的控制量之和输入到控制项目A。因为控制量如上所述直接输入到控制项目A，所以可以进行各种控制。
其它项目B、C...的基本反馈控制系统5的操作和上述控制项目A的操作相同。
在每个基本反馈系统5中，上述的操作获得来自目标值计算电路3的控制量和控制结果(a、b、c)之间的偏差9(偏差A、B、C...)。如图2所示，每个偏差9输入到状态判定部分10，并且判定对应于该偏差的控制对象的状态。这是这样来判定状态的：对于接受到风的控制对象的状态，通过根据偏差的大小识别事先知道的控制项目的操作(诸如逆风姿势的变化)来判定状态。
当判定了状态时，特征利用判定部分11通过操作修正值计算部分11a和直接控制量计算部分11b中至少一者来判定利用与状态相关的控制对象的操作特征的可能性，该操作例如减小风压的操作。在这样的情况下，对应于控制对象的状态而操作的控制项目(例如，控制项目A)和操作以改变控制对象的状态的控制项目(例如，控制项目B)在判定过程中被认为是不同的控制项目。因此，特征利用判定部分11根据状态判定部分10的判定结果判定利用每个控制项目的可能性。
特征利用判定部分11利用操作修正值计算部分11a计算图1所示的操作量信号6的修正值12。此外，当控制量直接经由控制量信号8(图1)输入时，特征利用判定部分11利用直接控制量计算部分11b计算直接控制量13。已经计算的修正量12修正相应的控制项目的操作量信号6。已经修正了的操作量输入到目标值计算电路3。
如上所述，基于某个控制项目的偏差判定控制对象的状态，并通过基于与该状态对应的控制对象的特征来修正其它控制项目的操作量，改变控制项目的目标值。因此，可以减小作为判定状态的基准的控制项目的偏差。此外，如果以相同的方式将修正值用作操作量的限制，则修正值可以用作控制项目的安全电路。
状态判定部分10和特征利用判定部分11的判定结果可以作为警告和操作指示30，例如通过显示装置、蜂鸣器、灯等输出。结果，使用者可以更容易地知道控制对象的状态。例如，当存在控制对象的操作会停止的风险时，可以通过蜂鸣器发出的报警声或在显示装置上显示警告显示唤起使用者注意。
类似地，状态判定部分10和特征利用判定部分11的判定结果可以通过用于操作基本反馈部分100的增益4的增益操作14而用作摆动(hunting)的安全措施、或可以改变控制对象的操作状态。
本实施例的控制装置包括计算机，该计算机具有诸如CPU(中央处理单元)的计算单元、诸如存储器和HDD(硬盘驱动器)的存储装置、用于检测从外部装置(诸如键盘、鼠标、指点装置、按钮、触摸屏、有极无极输入(jog shuttle)以及滑动垫)输入信息的输入装置、用于通过通信线或经由广播信号(诸如，因特网、LAN(局域网)、WAN(广域网)、电话线或无线通信)传输不同信息的接口装置、具有显示装置(诸如CRT(阴极射线管)、LCD(液晶显示器)、以及FED(场发射显示器))的计算机以及安装在该计算机上的程序。换句话说，硬件和软件协作，使得上述的硬件资源可以由程序控制，由此实现上述的基本反馈部分100、状态判定部分10、以及特征利用判定部分11。可以这样的状态提供程序，即在该状态中程序存储在存储介质中，且存储介质是诸如软盘、CD-ROM、以及DVD-ROM、存储卡。
下文将描述本实施例的控制装置应用到无人直升机的示例。如图3中所示，设置有根据本实施例的控制装置的无人直升机包括基本反馈部分200、状态判定部分10(未示出)、以及特征利用判定部分11(未示出)。
基本反馈部分200具有作为控制对象的无人直升机的机身14的控制项目，控制项目包括机身滚转角度2a、机身水平速度2b、机身水平位置2c、机身偏航角速度2d以及机身方位角2e。针对每个控制项目提供基本反馈控制系统。基本反馈控制系统根据两个操作量(即，机身轴横向运动命令和机头运动命令)被分为两大类。
对用于机身滚转角度2a、机身水平速度2b和机身水平位置2c的控制项目的基本反馈控制系统，提供根据机身轴横向运动命令的操作量的基本反馈控制系统。
用于机身滚转角度2a的基本反馈控制系统包括目标姿势角计算部分17和增益电路18。目标姿势角计算部分17基于横向运动的目标加速度计算目标姿势角，横向运动的目标加速度由目标加速度计算部分16根据机身轴横向运动命令计算。
机身水平速度2b的基本反馈控制系统包括目标速度计算部分19和增益电路20。目标速度计算部分19基于由目标加速度计算部分16计算的横向运动的目标加速度计算横向运动的目标速度。
机身水平位置2c的基本反馈控制系统包括目标位置计算部分21和增益电路22。目标位置计算部分21基于目标速度计算部分19所计算的横向运动的目标速度计算横向运动的目标位置。
另一方面，对用于机身偏航角速度2d和机身方位角2e的控制项目的基本反馈控制系统，提供根据机头运动命令的操作量的基本反馈控制系统。
用于机身偏航角速度2d的基本反馈控制系统包括目标角速度计算部分23和增益电路24。目标角速度计算部分23基于机头运动命令计算机头运动方向的目标角速度。
用于机身方位角2e的基本反馈控制系统包括目标方向计算部分25和增益电路26。目标方向计算部分25基于目标角速度计算部分23所计算的机头的运动方向的目标角速度计算机头的运动目标方向。
下文中将参考图4A-4D和图5A-5D描述设置有本实施例控制装置的无人直升机受到侧风情况下的程序。
如图4A和4B所示，当作为控制对象的机身14受到侧风w时，在用于机身滚转角度2a的控制项目的基本反馈控制系统中测量机身滚转角度偏差31(图3中所示)。该偏差输入到状态判定部分10。结果，如下所述判定风的状态。
无人直升机通过自动控制将机身14的滚转角度朝向迎风侧增大，以防止机身14向一侧偏航，由此逆着风力F产生宽度方向的推力f1。结果，竖直方向的升力f2根据滚转角度增大而减小。推力f1和升力f2是主电机15所给出的推力f0的分力。因此，在图4C所示的用于判定状态的第一程序中，状态判定部分10判定滚转角度的偏差是否大于预定值(步骤S11)，以判定是否存在风很强使得需要应对措施的状态(步骤S12)。滚转角度的偏差是滚转角度逆风增大的状态中的滚转角度A和没有风在吹的状态下滚转角度的目标值(A＝0°)之间的差值。因此，如果A＞0°，则判定存在风在吹的状态。
在图4D所示用于判定状态的第二程序中，如果滚转角度偏差增大超过预定值(步骤S21)，则状态判定部分10判定升力f2减小很多使得不能保持高度(步骤S22)，并且还判定存在机身下降的状态(步骤S23)。
如果判定了上述的状态，则特征利用判定部分11开始图5C中所示的用于特征利用判定的程序。在机身14接受风时，如果机头转向到迎风侧(步骤S31)，则用于接受风的投影面积减小。因此，风沿着机身吹(步骤S32)。因此，风对机身的阻力分量可以减小(S33)。结果，逆风的滚转角度减小。具体而言，当作为不同于滚转角度的控制项目的飞行方向改变时，滚转角度的偏差减小。因此，判定直升机的特征可以利用。在此实施例中，状态判定部分10和特征利用判定部分11的判定结果可以显示在无人直升机的地面基站的显示装置等上。在此情况下，无人直升机的使用者可以识别无人直升机中作出的判定。
如同5A和5B所示，特征利用判定部分11通过操作修正值计算部分11a将飞行方向修正H°。因此，偏差被减小，使得滚转角度(B)可以与确保能够保持机身高度的滚转角度一样大(步骤S41)。根据与滚转角度的偏差(或，换句话说，侧风的强度)相应的偏差数据计算修正量H。
由操作修正值计算部分11a所计算的飞行方向修正值32(图3中所示)反馈到用于机身偏航角速度和机身方位角的基本反馈控制系统，该基本反馈控制系统与用于机身滚转角度2a的基本反馈控制系统不同。因此，机头运动命令的命令值(操作量)被修正。具体而言，当基于操作修正值计算部分11a的计算结果从尾部转子(方向舵)27发出机头运动命令时，目标角速度计算电路23计算用于移动机头方向的目标角速度。因此，由目标方向计算部分25计算目标方向。由此，进行用于机身方位角2e的控制对象的反馈控制，使得无人直升机的机身14的飞行方向可以定位到目标方向。结果，如上所述，可以减小机身的滚转角度的偏差。
如上所述，根据本实施例，可以从控制对象的一个控制项目的偏差知道控制对象的控制状态。因此，根据状态和不同控制项目之间相关性的特征，通过将偏差反馈到不同的控制项目以将控制对象设置得更接近于目标来进行控制。结果，可以形成以简单结构将不同控制项目彼此链接的程序，使得可以实现具有高可靠性的自动控制。根据控制方法，对每个控制项目进行基本反馈控制，以形成控制对象的模式，并且可以基于偏差将非线性部分(诸如，风对无人直升机的影响等)作为特征来识别。此外，当该特征反馈给其它控制项目时，可以以简单构造将非线性部分和环境变化对应起来。至于控制的稳定性，如果在每个控制项目的基本反馈控制系统中确保基本稳定性，则当为修正基本反馈控制系统的目标值而反馈与状态特征相对应的偏差时，不需要考虑控制项目的反馈控制系统的稳定性。因此，用简单结构就可以获得高精度和高稳定性的控制。
根据本实施例，将对应于控制对象的目标的操作量输入到每个控制项目，根据操作量设置每个控制项目的目标值以控制每个控制项目，并且基于控制结果的偏差判定控制对象的状态。此外，基于该状态和每个控制项目之间相关性的特征，修正与从其获得偏差的控制项目不同的控制项目的操作量。如上所述，通过修正对应于控制对象的状态的不同控制项目的目标值，可以确保使得控制对象设置得更接近于目标。
此外，根据本实施例，可以直接将基于偏差修正的控制量作为其特征对应于状态的控制项目的控制量输入。因此，因为根据需要可以适当地进行航线的变化或高度的变化，可以提高操作的多样性和稳定性。
此外，根据本实施例，通过警报显示等通知操作者基于偏差所掌握的状态。因此，可以经常并且确定地识别和监视控制对象的状态。
此外，根据本实施例，可以通过使用基于偏差所掌握的状态来操作控制增益。因此，可以提供伴随环境变化而摆动的安全措施，并可以改变控制对象的操作状态。
此外，根据本实施例，在对无人直升机进行飞行控制时，当例如由于风以不可预测的非线性关系影响机身而改变机身的滚转角度时，换句话说，当通过自动控制将滚转角度(机身)逆风导向至迎风侧时，可以判定存在机身被导向以接受风吹的状态。除此之外，还可以改变飞行方向，以通过减小风吹的投影面积来减小风的影响。因此，可以将直升机的具体特征用于飞行控制中。如果风的影响增大超出一定程度，则改变飞行方向，飞行方向是不同于滚转角度的控制项目，滚转角度是从其判定风的状态的控制项目。结果，减小风的影响，并且防止机身的飞行高度的减小，使得可以在稳定状态下继续飞行。
本发明不仅可以应用到无人直升机，而且可以应用到具有多个控制项目的各种装置，这些装置诸如电子设备、飞行器、船舶和车辆。

Claims (6)

1.一种控制方法，包括以下步骤：
计算控制对象的每个控制项目的目标值，所述控制对象具有多个控制项目；
进行所述控制对象的反馈控制，以将所述控制项目的值设置得更接近所述目标值；以及
基于每个控制项目的当前值和所述目标值之间的偏差，改变其它控制项目的目标值。
2.根据权利要求1所述的控制方法，
其中，所述改变的步骤包括以下步骤：
基于所述偏差，判定控制对象的状态；以及
根据所述判定的结果改变其它控制项目的目标值，以减小所述偏差。
3.根据权利要求2所述的控制方法，
其中，所述改变的步骤还包括将基于所述偏差判定的控制对象的状态输出的步骤。
4.根据权利要求1所述的控制方法，
其中，所述改变的步骤改变其它控制项目的控制量，而不改变所述其它控制项目的目标值。
5.一种控制装置，包括：
目标值计算部分，其用于计算控制对象的每个控制项目的目标值，所述控制对象具有多个控制项目；
反馈控制部分，其用于进行反馈控制，以将所述控制项目的值设置得更接近所述目标值；以及
特征利用判定部分，其用于基于每个控制项目的当前值和所述目标值之间的偏差，改变其它控制项目的目标值。
6.一种无人直升机，包括：
目标值计算部分，其用于计算无人直升机的每个控制项目的目标值，所述无人直升机具有至少包括机身的滚转角度和方位角的多个控制项目；
反馈控制部分，其用于进行反馈控制，以将所述控制项目的值设置得更接近所述目标值；以及
特征利用判定部分，其用于基于每个控制项目的当前值和所述目标值之间的偏差，改变其它控制项目的目标值。
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