CN102880189B - 一种使玩具飞行器悬空停留在空中的方法 - Google Patents

Abstract

一种使玩具飞行器悬空停留在空中的方法，包括光束的发射和接收技术，在遥控器发射一束锥形光束，将锥形光束覆盖照射到飞行器机身上；在飞行器的机身上下不同位置对锥形光束进行接收；飞行器上的控制电路根据飞行器机身上下不同位置接收锥形光束的不同状态，来识别飞行器在锥形光束中上下移动的位置变化，并根据位置变化来调整输出控制信号，驱动飞行器执行升降动作。本发明用一束锥形光束来将飞行器捕捉并悬空停留在空中，使用既直观又容易，并增加玩具的遥控趣味性。

Description

一种使玩具飞行器悬空停留在空中的方法

技术领域

本发明涉及一种玩具技术，具体为一种电动飞行器的控制方法。

背景技术

电动直升类飞行器玩具如直升飞机、飞碟、飞行球等，包括遥控器和飞行器，采用无线电或红外线遥控。其中遥控器包括操作按键或操作杆、编码电路和发射电路，操作者双手在遥控器进行操作，由编码电路形成编码信息再通过发射电路发射出去。飞行器的控制电路包括接收电路、解码电路、驱动电路和执行部件。接收电路接收遥控器发射信号，经过解码电路解码得出遥控信息，通过驱动电路控制执行部件，使飞行器完成各种动作，如上升、下降、左右转向、前进、后退（或停止前进）、悬空等。

其中的悬空状态，是重要的也是实现比较困难的，现有的玩具飞行器，如果在遥控操作的过程中间，要使飞行器悬空停留在空中，大多需要不停地操作遥控器的上升和下降按键（或操作杆），通过不断的上升和下降的微调动作来使飞行器处在动态平衡的状态，来实现飞行器在空中相对悬空停留，这种操作非常费劲，难度很大，对于岁数较小的儿童，难以实现。有些飞行器进行改进，在悬空状态时使飞行器的主螺旋桨以一定的转速（可称为悬空转速）工作，螺旋桨产生的升力刚好等于飞行器的重量，使飞行器在空中保持悬空。但实际使用中，由于工作电压变化和各种因素的影响，很难保持状态的稳定，而且，从物理理论来说，即使螺旋桨产生的升力刚好等于飞行器的重量，也只是使飞行器保持原来的运动状态，如果飞行器受到气流的影响而出现上升或下降，则这时飞行器会变成匀速上升或下降，而无法保持飞行器的静止悬空。

发明内容

本发明目的是公开一种能够使玩具飞行器悬空停留在空中、特别是能够悬空停留在空中特定位置的控制方法。

本发明包括光束发射技术、光束接收技术、和驱动飞行器执行升降动作的技术，其特征在于：在遥控器发射一束锥形光束，将锥形光束覆盖照射到飞行器机身上；在飞行器机身的上下不同位置接收锥形光束；飞行器上的控制电路根据飞行器机身上下不同位置受到锥形光束照射的不同状态，来识别飞行器在锥形光束中上下移动的位置变化，并根据位置变化来调整输出控制信号，驱动飞行器执行升降动作。

遥控器发射锥形光束的技术，可采用发光管通电发光再经过聚光结构产生聚光来形成，这属于电光学方面常用技术，如常见的LED手电筒。飞行器机身对锥形光束的接收，可通过在飞行器机身设置光敏元件来实现。

遥控器发射的锥形光束，可以是可见光束或者红外光束，或者同时包含两者的组合光束。其工作原理一样，不同的只是发光管，和飞行器上配套的光敏元件。实际上很多光敏元件能同时适用可见光和红外线，只是光敏元件前面的滤光材料不同。采用可见光束能看见光束，操作控制更直观和更容易，适合各种人群包括小岁数的儿童使用；使用红外光束抗干扰性能更好，但看不见光束，具有一点难度，但如果操作者明白红外线也是直线传播的，便能凭角度来把握锥形光束的照射范围，同样能实现。当照射光束采用可见光束时，为了避免环境光线的干扰，光束不宜采用白光，首选地采用红光、或绿光、或蓝光、或紫光的光束，以提高抗干扰性，相应地在飞行器的光敏元件前面加有红色、或绿色、或蓝色、或紫色的滤光片。也可发射红外光束来实现控制功能，飞行器上采用红外光敏元件进行接收，同时发射可见光束来供操作者定位，并使两者聚光在一起成为同一束锥形光束，达到既有抗干扰性又直观易操作的优点。

对于飞行器控制电路如何识别飞行器在锥形光束中的上下移动并调整输出控制信号，本发明公开如下两种技术方案。

第一种方案是：控制电路在飞行器上下不同位置同时被锥形光束所照射到的前提下，根据上下不同位置脱离锥形光束照射的不同状态，来识别飞行器在锥形光束中上下移动的位置变化，并以此调整输出控制信号，控制飞行器执行升降动作。

第二种方案是：控制电路在飞行器上下不同位置同时被锥形光束所照射到的前提下，根据上下不同位置脱离锥形光束照射的不同状态和先后次序，来识别飞行器在锥形光束中上下移动的位置变化和变化速度，并以此调整输出控制信号，控制飞行器以不同速度执行升降动作。

本发明的玩具飞行器控制技术可结合现有遥控飞行器的各种遥控和控制技术，以现有技术实现对飞行器上升、下降、转向、前进、后退（或停止前进）的遥控控制，而以本发明的技术来实现使飞行器悬空停留在空中特定位置（也即锥形光束所指位置）。在进行飞行器上升、下降、前进、后退、转向等其他遥控时，控制电路的悬空控制功能不启动，不影响其他遥控操作，而当需要使飞行器悬空时，可使遥控器发射的锥形光束照射到飞行器机身上，飞行器的控制电路将根据机身不同位置上光敏元件的输入信号的变化，来识别飞行器在锥形光束中上下移动的位置变化，当飞行器因为某种因素上升或下降而脱离出锥形光束的照射面、即产生位置变化时，控制电路将根据这种位置变化调整输出控制信号，通过升降执行机构来控制飞行器做下降或上升的反向调整动作，从而使飞行器始终被控制悬空停留在锥形光束照射面的特定位置中。

本发明具有的优点是：1、操作者无需通过遥控器的按钮或操作杆的频繁手动操作，而是采用一束光束来控制飞行器，便能够方便地控制飞行器悬空停留在空中，使用既直观又容易。2、能够通过上下移动遥控器发射的锥形光束，来控制飞行器悬空停留的高度，将锥形光束指到哪里飞行器便停留在那里，既方便又增加玩具的遥控趣味性。3、不影响原有遥控操作。

附图说明    图１是本发明工作原理示意图。图２是光敏元件设置在飞行器上的示意图。图３是本发明的飞行器的一种电路的电路图。

具体实施方式    下面根据附图，对如何实施本发明进行说明。

需要说明的是，本发明的目的在于公开一种依靠锥形光束来控制飞行器悬空停留在空中的技术，对于飞行器的相关遥控和执行技术，如采用红外遥控或无线电遥控来实现飞行器的上升、下降、前进、后退、左右转向的动作，属于现有玩具遥控技术。对于实现本发明的相关技术，比如驱动飞行器执行升降动作的技术，由执行机构通过电机配合主螺旋桨来驱动飞行器执行上升和下降动作，也属于现有玩具技术。本发明飞行器的控制电路，既可以是一个独立电路，也可以跟飞行器原有其他遥控技术的控制电路结合在一起，而且，控制电路除了对信号进行接收、识别、判断和控制输出的部分，一般还包括有对输出控制信号进行功率放大以便用于驱动执行机构动作的驱动电路，这也属于现有技术的常识。本发明所涉及电路的一些基本功能，包括对光线的接收和检测、对电压信号的模数（Ａ／Ｄ）转换和运算比较、通过调整工作电压或ＰＷＭ脉宽调制对电机工作功率和转速的调整控制，包括如何采用单片机ＭＣＵ或微处理器或其他电路方式根据本发明的工作原理和逻辑而设计出具体的悬空控制电路和程序进行工作，也属于电子技术领域和玩具遥控的常用技术，这里不做详细叙述。本发明实施例的附图中的单片机ＭＣＵ１，没有什么特殊要求，可采用各种通用ＭＣＵ型号。而且，为了简洁，本申请的附图的电路图只画出跟工作原理相关的元件，其他电路部分如电源、滤波、时钟、复位、抗干扰，输出的功率放大与驱动等相关电路，属于常识，也没画出。

图１是本发明工作原理示意图。本发明的玩具飞行器包括遥控器１和飞行器２，遥控器１可以包括有现有玩具遥控器的各种遥控技术，包括有遥控操作机构（如按键或操作杆）和遥控发射技术，包括红外线或无线电遥控技术，飞行器２包括有跟遥控器配合工作的遥控接收电路、遥控控制电路、和用于驱动飞行器做升降、进退或左右转向等遥控动作的各种技术，这是现有技术。

本发明在遥控器１上还设置有发光管，用于发射一束能够照射到飞行器２机身上的光束３。光束３是一束呈现小角度扩散的锥形光束。（本申请文件中锥形光束有时也简称为光束）。在使用时，将锥形光束３对着飞行器２，锥形光束的照射面，（也即光斑），能够将所对的飞行器２机身的一个面都照射到，即覆盖照射。锥形光束可采用电源驱动发光管如ＬＥＤ发光再经过聚光结构进行聚光形成锥形光束，（有些ＬＥＤ发光管本身便带有聚光结构），属于常用电光技术，可采用或参照各种带聚光的小型ＬＥＤ手电筒。锥形光束的发射角，过小会使锥形光束的照射面过小，难以对飞行器进行覆盖照射；过大又会使锥形光束的照射面过大，亮度过小而使控制距离变小，并造成飞行器在锥形光束中的上下波动范围过大；最合适的，是在遥控距离上使锥形光束的照射面等于或略大于飞行器的机身；一般地，发送角在几度至十几度较为合适。

在飞行器２的机身４的上下方向的上下不同位置至少设置有两只用于接收锥形光束的光敏元件，如图２的两只光敏元件Ｇ１和Ｇ２。光敏元件一般安装在飞行器机身的侧面，比如后侧面上，使得工作时容易被锥形光束所照射到。光敏元件前面一般还加有跟锥形光束相配合的滤光片，比如锥形光束为红色的可见光，便配合红色滤光片，（有些光敏元件自身带有滤光片）。

实现本发明的一种飞行器电路如图３，光敏元件Ｇ１、Ｇ２分别串联电阻Ｒ１、Ｒ２构成２路光束接收电路，控制电路主要由单片机ＭＣＵ１等构成，（ＭＣＵ１也可利用原来的其他遥控控制电路的单片机），光敏元件Ｇ１和Ｇ２的输出连接到控制电路的输入端ＩＯ１和ＩＯ２，控制电路的输出连接到升降执行机构。当要使飞行器悬空时，操作者将遥控器发光管发射的锥形光束对准飞行器，也即将锥形光束的照射面覆盖照射到飞行器机身上的光敏元件，（可称为对飞行器进行捕捉），当飞行器因为各种因素出现上升或下降而脱离出锥形光束的照射面、即产生位置变化时，在上下方向不同位置的光敏元件Ｇ１和Ｇ２的输入信号会产生不同的变化，控制电路根据Ｇ１和Ｇ２的输入信号的变化，来识别飞行器在锥形光束中上下移动的位置变化的情况，并根据这种位置变化的情况来调整输出控制信号，通过升降执行机构来控制飞行器做下降或上升的反向调整动作，使飞行器始终被捕捉控制在锥形光束的照射面中，实现使飞行器悬空停留在锥形光束所指特定位置的目的。

对于控制电路如何识别飞行器在锥形光束中的上下移动并调整输出控制信号，本发明公开如下两种技术方案。

第一种方案是：先将锥形光束覆盖照射到飞行器机身上，控制电路在飞行器上下不同位置同时被锥形光束所照射到的前提下，根据上下不同位置的光敏元件脱离锥形光束照射的不同状态，来识别飞行器在锥形光束中上下移动的位置变化（也即位置变化的不同状态），并以此调整输出控制信号，控制飞行器执行升降动作。具体的工作原理和控制过程为：１、当没有锥形光束照射到飞行器机身上，Ｇ１和Ｇ２都没有被光束所全照射到，Ｇ１和Ｇ２的暗电阻很大，这时单片机ＭＣＵ１的输入端ＩＯ１和ＩＯ２同时输入低电平信号，（也即低于门槛电平，门槛电平大于环境自然光线下ＩＯ１和ＩＯ２输入的电平，可通过调整Ｒ１和Ｒ２取得，也可在ＭＣＵ１设置），这时控制电路没有控制输出，飞行器保持原来的运动状态，也不影响其他遥控操作。２、当操作者将锥形光束覆盖照射到飞行器机身上，Ｇ１和Ｇ２同时被光束所覆盖照射，Ｇ１和Ｇ２的光电阻很小，这时单片机ＭＣＵ１的输入端ＩＯ１和ＩＯ２同时输入高电平信号，控制电路的识别控制功能启动工作，控制电路的输出控制信号控制升降执行机构的主螺旋桨以一定的转速（也即悬空转速）转动，使螺旋桨产生的升力大概等于飞行器的重力。这种状态可称为捕捉状态。但捕捉状态并不稳定，悬空转速并不能保证飞行器真的悬空停留在空中，各种因素比如电压波动、气流干扰、或飞行器自身的惯性运动，都可能使飞行器出现上升或下降。３、比如，某种因素导致了飞行器上升而逐渐偏离了锥形光束的照射面，当飞行器机身上下方向的上边的光敏元件Ｇ１脱离锥形光束照射面时，这时光敏元件Ｇ１脱离光照而Ｇ２还受到光照，ＩＯ１输入先变为低电平而ＩＯ２输入仍为高电平，这时控制电路的输出控制信号将调低（或者关掉）升降执行机构的主螺旋桨的转速，使飞行器下降，直至飞行器重新回到锥形光束的照射面里面，Ｇ１重新被光束所照射到，控制电路的输出控制信号重新控制升降执行机构回到捕捉状态的转速。４、如果某种因素导致了飞行器下降而逐渐偏离了锥形光束的照射面，当飞行器机身上下方向的下边的光敏元件Ｇ２脱离锥形光束照射面时，这时光敏元件Ｇ２脱离光照而Ｇ１还受到光照，ＩＯ２输入先变为低电平而ＩＯ１输入仍为高电平，这时控制电路的输出控制信号将调高（或者调至全功率工作）升降执行机构的主螺旋桨的转速，使飞行器上升，直至飞行器重新回到锥形光束的照射面里面，Ｇ２重新被光束所照射到，控制电路的输出控制信号重新控制升降执行机构回到捕捉状态的转速。

第二种方案是更加优化的方案：先将锥形光束覆盖照射到飞行器机身上，控制电路在飞行器上下不同位置同时被锥形光束所照射到的前提下，根据上下不同位置的光敏元件脱离锥形光束照射的不同状态和先后次序，来识别飞行器在锥形光束中上下移动的位置变化和变化速度，并以此调整输出控制信号，控制飞行器以不同速度执行升降动作。其工作原理和控制过程跟前述第一种方案部分类似，其中的第１种情况，即没有锥形光束照射到飞行器机身上、Ｇ１和Ｇ２都没有被光束所全照射到的情况，和第２种情况，即锥形光束覆盖照射到飞行器机身上、Ｇ１和Ｇ２同时被光束所覆盖照射的情况，这两种情况下悬空控制电路的工作跟第一种方案所述一样。区别的只是当飞行器上升或下降而脱离锥形光束照射面时，控制电路的识别和控制不同，具体为：５、在前述第３种情况下，即当飞行器上升使得光敏元件Ｇ１刚脱离光照而Ｇ２还受到光照时，控制电路的输出控制信号将以较小的幅度调低升降执行机构的主螺旋桨的转速，使飞行器慢慢下降，慢慢回到锥形光束照射面里面；在这种情况下如果Ｇ１脱离光照后Ｇ２也跟着脱离光照，也即ＩＯ１的输入先变为低电平后ＩＯ２输入也跟着变为低电平，说明飞行器上升速度较快，则控制电路的输出控制信号将以较大的幅度调低（或者关掉）升降执行机构的主螺旋桨的转速，使飞行器快速下降，更快地回到锥形光束照射面里面。６、在前述第４种情况下，即当飞行器下降而使光敏元件Ｇ２刚脱离光照而Ｇ１还受到光照时，控制电路的输出控制信号将以较小的幅度调高升降执行机构的主螺旋桨的转速，使飞行器慢慢上升，慢慢回到锥形光束照射面里面；在这种情况下如果Ｇ２脱离光照后Ｇ１也跟着脱离光照，也即ＩＯ２的输入先变为低电平后ＩＯ１输入也跟着变为低电平，说明飞行器下降速度较快，则控制电路的输出控制信号将以较大的幅度调高（或者直接调高至全功率工作）升降执行机构的主螺旋桨的转速，使飞行器快速上升，更快地回到锥形光束照射面里面。该方案能够使飞行器的调整更及时有效，从而使飞行器的上下波动更小。

综上述，本发明的飞行器在捕捉状态下，即使由于各种因素而导致上升或下降，也总是围绕着锥形光束的照射面上下波动，停留在锥形光束照射面所在的特定位置，就像是被锥形光束捕捉在光束里面一样，实现本发明目的。

图２和图３的实施例，在同一侧面的上下方向的不同位置，是以两只光敏元件来进行工作，这是识别飞行器上下移动的最少数量，如果增加光敏元件的数量，显然也能根据同样原理实现对飞行器移动的识别，只是增加了材料。

显然，将光敏元件设置在飞行器机身的某一侧面，便能将遥控器发射的锥形光束照射到该面来实现本发明的控制，比如，将光敏元件设置在飞行器机身的后侧面，便能够从后面来控制飞行器进行悬空。而如果希望从各个方向都能够控制飞行器悬空，可在飞行器机身的多个侧面（比如前、后、左、右四面）的上下方向都设置有两只光敏元件，位置设置如图２的Ｇ１、Ｇ２一样，再将上边的各个光敏元件的输出并联接入控制电路的ＩＯ１，将下边的各个光敏元件并联接入控制电路的ＩＯ２，用于在各侧面接收锥形光束，使得在各个侧面都能有效接收锥形光束并控制飞行器的悬空停留。光敏元件的光电阻和暗电阻相差很大，一般直接并联可正常工作，必要时可调整串联的电阻阻值，或给每个光敏元件的输出加上隔离电路。

遥控器还可包括有调制电路，使其发射的锥形光束带有用于抗干扰的调制信息。比如采用振荡电路产生高频波来调制光束，或者采用编码电路产生编码信息来调制光束。相应地在飞行器上带有对调制信息进行解调的解调电路。这属于遥控的常用手段。但本发明的光束采用调制信息调制的目的并非携带遥控信息，而是：1、更好提高抗干扰性，避免环境光线的干扰；2、使不同的锥形光束彼此不会互相干扰。

Claims (7)

1.一种使玩具飞行器悬空停留在空中的方法，包括光束发射技术、光束接收技术、和驱动飞行器执行升降动作的技术，其特征在于：在遥控器发射一束照射面能够将飞行器机身都覆盖照射到的锥形光束，将锥形光束覆盖照射到飞行器机身上；在飞行器的机身上下不同位置对锥形光束进行接收；飞行器上的控制电路根据飞行器机身上下不同位置接收锥形光束的不同状态，来识别飞行器在锥形光束中上下移动的位置变化，并根据位置变化来调整输出控制信号，驱动飞行器执行升降动作；

所述控制电路在飞行器机身上下不同位置同时被锥形光束所照射到的前提下，根据上下不同位置脱离锥形光束照射的不同状态，来识别飞行器在锥形光束中上下移动的位置变化，并以此调整输出控制信号，控制飞行器执行升降动作。

2.根据权利要求1所述的一种使玩具飞行器悬空停留在空中的方法，其特征在于：所述遥控器发射的锥形光束，采用发光管通电发光再经过聚光结构产生聚光来形成。

3.根据权利要求1或权利要求2之一所述的一种使玩具飞行器悬空停留在空中的方法，其特征在于：所述锥形光束，采用可见光束或者红外光束；当采用可见光束时，采用红光、或绿光、或蓝光、或紫光的光束。

4.根据权利要求1或权利要求2之一所述的一种使玩具飞行器悬空停留在空中的方法，其特征在于：所述的锥形光束包含有用于抗干扰的调制信息。

5.根据权利要求1所述的一种使玩具飞行器悬空停留在空中的方法，其特征在于：所述飞行器对锥形光束的接收，通过在飞行器机身设置光敏元件来实现。

6.根据权利要求1所述的一种使玩具飞行器悬空停留在空中的方法，其特征在于：所述控制电路在飞行器上下不同位置同时被锥形光束所照射到的前提下，根据上下不同位置脱离锥形光束照射的不同状态和先后次序，来识别飞行器在锥形光束中上下移动的位置变化和变化速度，并以此调整输出控制信号，控制飞行器以不同速度执行升降动作。

7.根据权利要求1、5、6之一所述的一种使玩具飞行器悬空停留在空中的方法，其特征在于：飞行器机身的多个侧面上，在上下不同位置都设置有两只光敏元件，各个侧面上边的各个光敏元件的输出并联接入控制电路的一个输入端，各个侧面下边的各个光敏元件的输出并联接入控制电路的另一输入端。