CN102107088B

CN102107088B - 用于玩具直升机的转子的速度反馈控制系统

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Publication number: CN102107088B
Application number: CN2010106017972A
Authority: CN
Inventors: 麦鉴波
Original assignee: Spin Master Ltd
Current assignee: Spin Master Ltd
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2030-12-23
Also published as: CN102107088A

Abstract

提供用于控制飞行中的玩具直升机的方法和装置。该玩具直升机通过第一转子和第二转子提供动力。目标速度比率为第一转子的速度和第二转子的速度而确定。转子的速度增量地调节直至实现目标比率。

Description

用于玩具直升机的转子的速度反馈控制系统

背景技术

本发明涉及玩具直升机。特别地，本发明涉及用于改进玩具直升机的可控性和稳定性的方法和设备。

玩具直升机，就像真正的直升机一样，从转子(rotor，也称水平旋翼)获得提升，该转子在直升机主体上面在水平面中旋转。然而，转子的旋转引起转矩施加在直升机上，该转矩使得非常难以保持直升机在面向前面的位置中。

一些直升机通过具有两个同轴的转子而解决该问题，每个转子在与另一个相反的方向上旋转。由于两个转子的每一个产生互相抵消的转矩，因此直升机保持稳定。

抵消通过转子产生的转矩的另一个方法是增加尾部转子，其在垂直平面中旋转。通过这样的尾部转子产生的力设计为在与通过水平转子产生的转矩的相反的方向中，从而使得直升机保持稳定。

然而，如同本领域技术人员理解的上述方案要求转子精确地校准，因为如果太多或太少的动力提供给一个转子的话，直升机将难以驾驭。在玩具直升机中，这特别地在两种情形下产生问题：(1)当直升机的电池损失了电力时，和(2)当到转子的动力突然增加或减小时。

因此，本设备和方法提供关于上述问题的解决方案。特别地，本设备和方法采用软件以确保提供给第二转子的动力量得以精确地校准以抵消通过第一转子产生的转矩。

还提供了根据节流(throttle)位置精确地设置转子速度的的设备和方法。

还提供了通过调节第一转子和第二转子的动力水平而操纵玩具直升机的设备和方法。

发明内容

本设备和方法通过确保根据使用者的命令提供到转子的动力量将产生正确量的转矩而为玩具直升机提供更大的稳定性和可操控性。

根据本发明的至少一个实施方式，提供用于控制直升机的方法，该直升机具有多个转子，每个转子具有转子速度和目标转子速度，该方法包括步骤：(a)测量多个转子的至少一个的转子速度；(b)如果该多个转子的至少一个的转子速度大于用于该多个转子的至少一个的目标转子速度的话，以固定的增量(fixedincrement)减小到该多个转子的至少一个的动力；(c)如果该多个转子的至少一个的转子速度小于用于该多个转子的至少一个的目标转子速度的话，以固定的增量增加到该多个转子的至少一个的动力；和(d)重复步骤(a)到(c)，直到该多个转子的至少一个的转子速度和用于该多个转子的至少一个的目标转子速度在预定的裕量(margin)内。

根据本发明的至少一个实施方式，提供用于控制直升机的方法，该直升机具有第一转子和第二转子，该方法包括步骤：(a)测量第一转子的速度；(b)基于第一转子的速度确定目标第二转子速度；(c)测量第二转子的速度；(d)如果第二转子的速度大于目标第二转子速度的话，以固定的增量减小到第二转子的动力；(e)如果第二转子的速度小于目标第二转子速度的话，以固定的量增加第二转子的动力；和(f)重复步骤(c)到(e)，直到第二转子的速度和目标第二转子速度在预定的裕量内。

根据本发明的至少一个实施方式，提供用于控制直升机的方法，该直升机具有转子，该方法包括步骤：(a)读取节流位置；(b)基于节流位置确定目标转子速度；(c)测量转子的速度；(d)如果转子的速度大于目标转子速度，以固定的增量减小转子的动力；(e)如果转子的速度小于目标转子速度，以固定的增量增加转子的动力；和(f)重复步骤(c)到(e)，直到该转子的速度和该目标转子速度在预定的裕量内。

根据本发明的至少一个实施方式，提供操纵直升机的方法，该直升机具有第一转子和第二转子，该方法包括步骤：(a)读取操纵位置；(b)测量第一转子的速度；(c)基于第一转子的速度和操纵位置确定目标第二转子速度；(d)测量第二转子的速度；(e)如果第二转子的速度大于目标第二转子速度的话，以固定的增量减小第二转子的动力；(f)如果第二转子的速度小于目标第二转子速度的话，以固定的量增加第二转子的动力；和(g)重复步骤(d)到(f)，直到第二转子的速度和目标第二转子速度在预定的裕量内。

根据本发明的至少一个实施方式，提供用于控制直升机的方法，该直升机具有第一转子和第二转子，第一转子具有第一转子速度和第二转子具有第二转子速度，第一转子速度和第二转子速度调节为使得该直升机在飞行中稳定，调节的第一转子速度相对于调节的第二转子速度的比率限定出目标比率；该方法包括步骤：(a)测量第一转子速度相对于第二转子速度的比率；(b)如果该比率大于目标比率，执行如下至少一个：以固定的增量减小第一转子的动力，和以固定的增量增加到第二转子的动力；(c)如果该比率小于目标比率，执行如下至少一个：以固定的增量增加第一转子的动力，和以固定的增量减小第二转子的动力；和(d)重复步骤(a)到(c)，直到该比率和目标比率在预定的裕量内。

根据本发明的至少一个实施方式，提供直升机，包括：通过第一电机提供动力的第一转子；通过第二电机提供电力的第二转子；提供动力到第一转子和第二转子的电源；和构建用于执行任意上述方法的微处理器。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的直升机的侧视图；

图2是根据本发明的一个实施方式的方法的流程图；

图3a表示传送到采用脉宽调制(pulse witdth modulation)的电机的电力的象征性的代表；

图3b表示传送到采用脉宽调制的电机的电力的象征性的代表；

图4是根据本发明的一个实施方式的方法的流程图；

图5是根据本发明的一个实施方式的直升机的电子组件的方框图。

具体实施方式

参见图1。图1表示具有驾驶员座舱61、起落装置62、第一转子63和第二转子64的直升机60。其还包括驱动第一转子63的第一电机，驱动第二转子64的第二电机，和为两个电机供电的电源。微处理器控制提供到每个电机的电力的水平。当第一和第二电机接收电力时，转子63和64以一个速度旋转，该速度依赖于接收的电力的水平。具有尾部转子100。

在至少一个实施方式中，驱动电机的电力采用脉宽调制(PWM)调节。现在参见图3a和3b，其中示例了PWM如何用于提供不同的电力量。

图3a表示了图表，其中电压(V)关于时间(t)绘制。电力在一个时期x内提供，然后在一个时期x’内切断。在本例中，时期x和x’本质上相等，因此平均有一半的时间有电力提供。

图3b表示另一个图表，其中电压(V)关于时间(t)绘制。然而在本例中，相对于在电力切断的过程中的时期x’，提供有电力的时期x减小了，平均在三分之一的时间上提供电力。

这样，图3a和图3b的图表表示了PWM如何能够用于非常精细地调节提供到电机的电力量。如同本领域技术人员将理解的，在PWM中最重要的不是特定的时期x和x’，而是x相对于x’的比例。

因此，在至少一个实施方式中，其中采用PWM调节电力，电力水平可以是N个电力水平中的一个。尽管本领域技术人员能够容易地理解这个如何能够做到，下面的例子还是出于示例目的而提供。

周期T定义如下：

T＝x+x′

等式1

如果具有N个电力水平，每个间隔以增量λ，增量λ必须通过如下等式计算：

λ = \frac{T}{N - 1}

等式2

对于电力水平i，其中i在0和(N-1)之间，x和x’的值计算如下：

x＝iλ

等式3

x′＝[N-(i+1)]λ

等式4

这样，对于16个电力水平(N＝16)和周期T＝30毫秒，对于给定电力水平i的x和x’的值每个如下表计算。

i	x	x’
			0	0	30
1	2	28

2	4	26
			3	6	24
4	8	22
			5	10	20
6	12	18
			7	14	16
8	16	14
			9	18	12
10	20	10
			11	22	8
12	24	6
			13	26	4
14	28	2
			15	30	0

然而将理解的是，上面的例子只是示例目的而不作为限定。

本领域技术人员还将理解的是，在至少一些实施方式中，电机在运行之前可能需要至少某些电力门限，从而例如，所需的最小脉宽在i具有大于1但是小于N的值n的时候达到。该特定的值n将依赖于电机的特殊的特性并可以由本领域技术人员容易地确定。在这样的情形下，上表可以调节，从而使得对应于i＝1...n的电力水平将被排除。

在至少一个实施方式中，电力采用PWM提供到第一电机和第二电机如在上面的例子所示。在这样的实施方式中，通过将变量i增加或减小1，增量地(incrementally)调节第二电机的电力，并相应地重新计算x和x’的值而进行。

如同本领域技术人员将显而易见的是，采用PWM还允许通过测量电机的反馈电压而测量转子的旋转速度。当没有电力提供给电机时(也即在对应于图3a和3b中的x’的时期中)，电机如同发电机那样作用并根据相应的转子的旋转速度产生反馈电压，使得采用通过电机产生的反馈电压作为通过电机驱动的转子的速度的代理(proxy)成为可能。

根据至少一个实施方式，通过第一和第二电机接收的电力并且因此通过第一和第二电机提供动力的转子的旋转速度通过测量经由电机产生的反馈电压而得以监控。特别地，在至少一个实施方式中，第一电机的反馈电压作为第一转子的旋转速度的代理而测量，而该测量用于确定第二转子的旋转速度和第二电机的反馈电压应该是什么，以实现稳定性。

在至少一个实施方式中，电机的反馈电压通过电路或微处理器测量。

实现稳定飞行所需的第一电机反馈电压和第二电机反馈电压之间的关系依赖于许多因素，包括但是不限于在每个转子上的叶片数量和这些叶片的尺寸。因此，不存在唯一的可应用于每个直升机的规则，然而，通过简单的实验确定该关系在本领域技术人员的知识范围内。

基于第一电机反馈电压和目标第二电机反馈电压之间的关系，该目标第二电机反馈电压得以计算并和测量到的第二电机反馈电压进行比较。本领域技术人员将理解的是，这些步骤最好通过运行软件的微处理器执行。

如果测量到的第二电机反馈电压等于，或在误差可接受的裕量内，目标第二电机反馈电压，该方法结束，并在进行新的测量时得以重复。另一方面，如果所述值偏离多于可接受的裕量的话，第二电机的电力增量地调节。

现在参见图2，该图表示根据本发明的至少一个实施方式的方法的流程图。

该方法在步骤210开始，其中第一转子的速度得以测量。如同本领域技术人员将理解的是，不必是转子实际的旋转速度得以测量。按照上面所述的，该速度可以采用代理值得以测量，例如电机的反馈电压。

在步骤220，在步骤210中测量到的第一转子的速度用于计算目标第二转子速度。如同在步骤210中一样，在一些实施方式中，可能更简单的是，为第二电机计算目标代理值，例如目标反馈电压。第一转子速度和目标第二转子速度之间的关系典型地通过实验确定。在一些实施方式中，目标第二转子速度可以通过第一转子速度乘以因子α而计算得到，如同在下面的等式中，其中S_target是目标第二转子速度，而S_first是第一转子速度。

S_target＝S_first×α

等式5

本领域技术人员将理解的是，不同复杂性的其他数学关系可以存在于第一转子速度和目标第二转子速度之间，且其在本领域技术人员的能力范围内以确定这样的数学关系。

在另一个实施方式中，查询表(look-up table)可以生产和存储在存储器中，其中第一转子速度用作找到目标第二转子速度的索引。

本领域技术人员需要理解的是，上面的例子只提供用于示例目的而不旨在限定。

在步骤230中，实际的第二转子速度得以测量，而在步骤240中，第二转子速度比较于目标第二转子速度。本领域技术人员将理解的是，为了使该比较具有意义，两个值需要在相同的单位。因此，如果实际速度以每分钟转数(RPM)测量，目标第二转子速度也需要是在每分钟转数下。类似地，如果测量到的速度作为反馈电压测量，目标速度也需要表示为反馈电压。

如果在步骤240中发现实际速度小于目标速度，第二转子速度增量地增加，其采用如上讨论的PWM或者通过本领域已知的其他方法。类似地，如果实际速度高于目标速度，第二转子速度增量地减小，其采用上述的PWM，或者通过本领域已知的其他方法。在这两种情形下，该方法回到步骤230，其中实际速度再次得以测量。

然而如果实际速度等于目标速度，或者如果两个速度在互相误差可接受的裕量内，该方法在步骤270结束。误差的可接受的裕量将依赖于许多因素，然而其在本领域技术人员的范围内以实验地确定。

本领域技术人员将理解的是，通过调节供应到各个电机的电力，同时调节任一个转子或两个转子的速度是可能的，以保持转子速度在想要的数学关系范围内。例如，如果第二转子速度高于保持与第一转子速度所需的数学关系所需要的，或者可以减小第二电机的电力，或者可以增加第一电机的电力，或者两个电力的电力可以同时调节，直到第二转子速度和第一转子速度实现想要的关系。

本方法和设备还提供用于根据使用者控制的节流而设定转子速度，该节流例如在遥控设备上用于控制直升机的飞行。如同本领域技术人员所已知的，该节流控制传送到直升机转子的动力量。

本方法可以用于确保传送到第一转子的实际动力基于节流位置而是合适的，并用于相应地调节第二转子的动力。这样的方法示出在图4中。

如图4所示，该方法在步骤510开始，其中该节流位置得以确定。该步骤可以通过在直升机里面的处理器执行，并可以包括从遥控设备接收命令，以通知直升机节流已经运动到新的水平。执行该步骤的其他装置可以在本领域中已知，上述的不旨在限定。

在步骤520，节流水平(throttle level)用于确定目标转子速度。如同本领域技术人员将理解的是，节流水平和转子速度之间的关系容易建立。

在步骤530，转子速度得以测量。如同在图2所示的方法的情形，测量转子速度可以包括测量代理值，如电机反馈电压。

在步骤540，转子速度比较于目标转子速度。如果实际的速度小于目标速度，转子速度在步骤550中增量地增加。如果实际的速度高于目标速度，转子速度在步骤560中增量地减小。在至少一个实施方式中，转子速度通过调节PWM的参数而增加或减小。

如果实际速度等于目标速度，或者如果实际速度和目标速度在相互可接受的裕量的范围内，该方法在步骤570结束。该方法下一次重复，节流运动到新的水平。

本领域技术人员将理解的是，图4和图2的方法可以结合着，从而当调节第一转子速度以对应于节流位置时，调节第二转子速度以在第一转子调节的速度下提供稳定的飞行。在该结合的方法的至少一个实施方式中，图2的方法每次都执行，图4的方法增加或减小第一转子速度。

本领域技术人员将理解的是，在至少一个实施方式中，根据本发明的方法可以涉及调节第一转子和第二转子的速度之间的比率。因此设想的是，第一转子和第二转子的速度都可以同时调整以调节该比率，例如如上所述通过采用PWM。例如，第一转子速度对于第二转子速度的比率太高，直升机能够通过同时地和增量地增加第二转子的动力和减小第一转子的动力直至建立第一转子速度对于第二转子速度所需的比率而得以控制。相反，如果第一转子速度对于第二转子速度的比率太低，直升机能够通过同时地和增量地增加第一转子的动力和减小第二转子的动力直至实现第一转子速度对于第二转子速度所需的比率而得以控制。

在至少一个实施方式中，本方法可以用于具有作为同轴转子的第一和第二转子的直升机上，如图1所示。在至少一个实施方式中，本方法也可以用于具有作为主水平转子和尾部转子的第一和第二转子的直升机上。在至少一个实施方式中，第一转子是主水平转子，而第二转子是尾部转子。

典型的，具有两个同轴转子的直升机将是稳定的(也即通过两个转子产生的转矩将互相抵消)，如果两个转子都具有相同尺寸并且它们在相反的方向上以相同的速度旋转的话。在这样的情形下，本方法可以用于确保两个转子的速度是相同的。例如，本方法能够以α＝1(如在上面的等式5中)而进行。

然而在一些情形下，两个转子的速度之间所需的比率可能不是1，例如如果转子的尺寸互相不同的话。

在至少一个实施方式中，本方法还可以用于执行偏航运动，或者在具有同轴转子的直升机上，或者在具有尾部转子的直升机上。特别地，这可以通过调节第一转子速度和目标第二转子速度之间的关系而做到。

如同本领域技术人员将理解的是，在上面的例子中，方法的目标是抵偿来自第一转子的转矩和来自第二转子的转矩，从而使得直升机能够在直线上飞行。然而如果需要不在直线上飞行，而是进行偏航运动，任一个电机的转矩可以控制以得到该效果。

直升机的操纵可以通过遥控设备控制，该遥控设备包括左和右操纵控制。本领域技术人员将理解的是，当操作控制处于中位时，本方法将如同上述那样执行。当操纵控制在指示直升机将向左或右行驶的位置运动时，本方法将执行以确保第一转子速度和第二转子速度之间的比率产生净转矩，其根据操纵控制的位置指引直升机的飞行。

在至少一个实施方式中，操纵控制具有7个离散的位置。每个位置对应于在第一转子和第二转子的速度之间的关系。下表提供用于示例这个如何能够实现，然而，其不旨在限定。

操纵位置	α
		中位	1
左1	0.9
		左2	0.8
左3	0.7
		右1	1.1
右2	1.2

右3

1.3

在上表中，中位对应于α值为1，意味着直升机在直线上行进，第一转子和第二转子都将在相同的速度下旋转。操纵位置左1意味着直升机将轻微左转，因此α值为0.9，意味着第二转子速度将是第一转子速度的90％。如同本领域技术人员将理解的是，这暗示着当第二转子以第一转子的速度的90％旋转时，最终的转矩使得直升机左转。

类似地，操纵位置左2对应于更显著地操纵到左边，而这通过令第二转子速度具有第一转子速度的80％，或者α为0.8而实现。

如同本领域技术人员理解的是，操纵位置、第一转子速度和第二转子速度之间的关系可能不像描述的那样简单。特别地，可能不是必需以单个因素α表达。对于给定的直升机可应用的值可以通过本领域技术人员实验地确定，而在没有清楚的数学关系能够在这些值之间建立的情形下，查询表可以是计算正确的值的最有效的方法。

在至少一个实施方式中，直升机的遥控还包括调整片钮。在本实施方式中，该调整片钮用于调节每个转子的速度之间的关系。因此，一旦直升机飞行，使用者能够调节该调整片钮，直至直升机的飞行变得稳定。特别地，当调整片钮调节时，一个转子的速度以增量增加，而另一个转子的速度以相同的增量减小，从而保持恒定的推进作用于直升机上。紧随调整片钮的调节而来的两个转子速度之间的比率然后存储为目标比率并采用上述方法保持，直至该调整片钮再次调节。本领域技术人员将理解的是，尽管明确地描述了调整片钮，控制该调整的任何装置认为形成本发明的一部分。

现在参见图5，其中表示了根据至少一个实施方式的直升机的内部电路的方框图。

微处理器控制单元(MCU)70示出为具有解码模块72、算术和逻辑单元(ALU)73、第一电机控制74和第二电机控制75。本领域技术人员将理解的是，ALU 73是微处理器的重要硬件组件，其用于执行算术和逻辑运算。解码模块72、第一电机控制74和第二电机控制75能够作为软件模块或单个电路而执行，如同本领域已知的那样。还在图5中示出的是红外(IR)模块71、第一电机76和第二电机77。

在运行过程中，IR模块71接收来自遥控设备(未示出)的命令。这些命令通过解码模块72解码，通过ALU 73处理，其中这些命令得以理解，而用于第一转子和第二电机的想要的速度根据本发明得以计算。

然后ALU通知第一电机控制74想要的速度。第一电机控制74如上所述那样调节第一电机76的速度，并接收来自第一电机76的反馈电压信息。

基于从第一电机76接收到的反馈信息，ALU还通知第二电机控制75第二电机的想要的速度。第二电机控制然后如上所述那样调节第二电机77的速度，并接收来自第二电机77的反馈电压信息。

这里描述的本发明的实施方式旨在不作为限定。对于本领域技术人员来说是显而易见的不同的改变旨在包含在本发明的范围内，对本发明的唯一的限定陈述在后面的权利要求中。

Claims

1.用于控制玩具直升机的方法，该直升机具有第一转子和第二转子，第一转子通过第一电机驱动，第二转子通过第二电机驱动，电力通过采用脉宽调制而提供到第一电机和第二电机，第一转子具有第一转子速度并且第二转子具有第二转子速度，第一转子速度和第二转子速度调节为使得直升机在飞行中是稳定的，调节的第一转子速度相对于调节的第二转子速度的比率限定出目标比率；该方法包括步骤：

（a）测量第一转子速度，测量第二转子速度并确定第一转子速度相对于第二转子速度的比率；

（b）如果该比率大于目标比率，执行如下至少一个：以固定的增量减小供应到第一转子的动力，和以固定的增量增加供应到第二转子的动力；

（c）如果该比率小于目标比率，执行如下至少一个：以固定的增量增加供应到第一转子的动力，和以固定的增量减小供应到第二转子的动力；和

（d）重复步骤（a）到（c），直到该比率和目标比率在预定的裕量内；

其中测量第一转子的速度包括测量第一电机的反馈电压，而测量第二转子的速度包括测量第二电机的反馈电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其中第一转子和第二转子中的一个是尾部转子。

3.根据权利要求1所述的方法，其中第二转子与第一转子同轴。

4.根据权利要求1所述的方法，其中目标比率由控制调整的装置的调节来确定。

5.根据权利要求1所述的方法，其中第一电机和第二电机由直升机的遥控设备来控制。

6.根据权利要求1到5任一项所述的方法，该方法还包括步骤：

（e）读取节流位置；

（f）基于节流位置确定用于第一转子和第二转子的至少一个的目标转子速度；

（g）测量第一转子和第二转子的至少一个的速度；

（h）如果第一转子和第二转子的至少一个的速度大于目标转子速度，以固定的增量减小供应到第一转子和第二转子的至少一个的动力；

（i）如果第一转子和第二转子的至少一个的速度小于目标转子速度，以固定的增量增加供应到第一转子和第二转子的至少一个的动力；

（j）重复步骤（a）到（c）和（g）到（i），直到第一转子和第二转子的至少一个的速度和目标电机速度在第一预定的裕量内，和该比率和目标比率在第二预定的裕量内。

7.根据权利要求6所述的方法，其中读取节流位置的步骤包括接收无线命令，其中该无线命令指定该节流位置。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，该方法还包括步骤：

（e）读取操纵位置；

（f）基于操纵位置确定新的目标比率；和

（g）重复步骤（a）到（c），直到该比率和新的目标比率在预定的裕量内。

9.根据权利要求8所述的方法，其中确定新的目标比率的步骤包括采用与操纵位置相关联的关系。

10.根据权利要求9所述的方法，其中该关系通过查询表表示。

11.根据权利要求9所述的方法，其中该关系包括第一转子速度乘以因子α。

12.玩具直升机，包括：

通过第一电机提供动力的第一转子；

通过第二电机提供动力的第二转子；

提供动力到第一转子和第二转子的电源；和

构建用于执行权利要求1-11中任一项所述的方法的微处理器。