CN103342165A - 飞行器的控制装置、控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞行器的控制装置，控制系统，及控制方法。一种控制装置包括：第一控制杆，其在第一移动方向上的移动控制所述飞行器在第一运动方向的运动，所述第一控制杆在其所受到的第一移动方向上的外力撤除后，自动回到第一移动方向上预先设定的位置；其中所述第一控制杆自动回到所述预先设定的位置对应于所述飞行器在第一运动方向进入飞行状态保持；其中所述飞行状态保持取决于所述飞行器接收到的所述第一控制杆在其所受到的第一移动方向上外力变化所产生的一个控制信号和飞行器所携带的状态测量传感器所测量的状态信号。

Description

飞行器的控制装置、控制系统及控制方法
【技术领域】
本发明涉及遥控装置，尤其涉及飞行器的控制装置，控制系统，及控制方法。
【背景技术】
近年来，无人驾驶的运动体，包括飞行器（例如固定翼飞机，旋翼飞行器包括直升机），机动车辆，潜艇或船只，以及卫星，空间站，或飞船等得到了广泛的应用，例如在侦测，搜救等领域。对于这些运动体的操纵通常由用户通过遥控装置来实现。遥控装置通常通过两组控制杆来控制飞行器的四个运动维度，分别是前后、左右、上下和朝向。其中前后、左右和朝向控制的三个维度的控制杆通过其内部的归位结构可以自行恢复到中间位置。控制上下的摇杆是不能自行恢复到中间位置的。
传统控制杆在上下方向不能自行恢复到中间位置包括如下的原因。传统飞行器的电子控制设备较少。对于不同种类的飞行器，或不同重量的飞行器，控制杆中间位置也很难做到控制飞行器上下方向保持不变，即飞行器该方向没有稳定状态。所以通常的上下方向的控制杆不需要停留在中间，因而采用了摩擦的方式让该控制杆停留于用户定义的任意位置。
另外，在没有很多电子设备的飞行器上，上下方向的控制通常直接对应了飞行器的启动命令，这也导致了传统控制器上下方向的控制杆不应设计为自动回到原位，否则的话用户松手即会导致飞行器关机。
由于传统遥控器上下方向的控制杆采用了摩擦的方式而停留于某一位置，在飞行过程中，其它控制杆的运动也有可能带动该控制杆运动导致控制杆运动串扰，从而导致飞行的高度不容易保持。另外，用户想让飞行器高度保持不动的时候，也是比较难以找到该控制杆的相应位置的，从而造成了操作难度增加。
【发明内容】
本发明提供一种飞行器的控制装置、控制系统及控制方法，以解决飞行器的飞行高度不容易保持的技术问题。
一方面，本发明提供一种飞行器的控制装置，其包括：
第一控制杆，其在第一移动方向上的移动控制所述飞行器在第一运动方向的运动，所述第一控制杆在其所受到的第一移动方向上的外力撤除后，自动回到第一移动方向上预先设定的位置；
其中所述第一控制杆自动回到所述预先设定的位置对应于所述飞行器在第一运动方向进入飞行状态保持；
其中所述飞行状态保持取决于所述飞行器接收到的所述第一控制杆在其所受到的第一移动方向上外力变化所产生的控制信号和飞行器所携带的状态测量传感器所测量的状态信号。
在一些实施例中，当所述第一控制杆所受到的第一移动方向上的外力撤除后到其自动回到预先设定的位置的过程对应于飞行器在第一运动方向上由开始减速到其速度为零的过程。
在一些实施例中，所述预先设定的位置为所述第一控制杆的第一移动方向上的中间位置。
在一些实施例中，该控制装置还包括一弹簧装置来使所述第一控制杆在外力撤除后自动回到中间位置。
在一些实施例中，所述第一运动方向为所述飞行器的升降方向，该控制装置还包括第二控制杆，用于控制所述飞行器的平移飞行，其中所述第二控制杆也具有使其自动回到中间位置的弹簧装置。
在一些实施例中，所述第一控制杆在第二移动方向上的运动控制所述飞行器的朝向，其中所述第一控制杆在第二移动方向上的外力撤除后也自动回到第二方向上的中间位置。
在一些实施例中，所述第一控制杆在第一移动方向上的移动幅度正比所述飞行器的上升或下降速度。
在一些实施例中，所述飞行器利用其携带的相机实现对地面目标的成像功能，所述相机有镜头的拉远/收近功能，所述第一控制杆在第一移动方向的移动控制飞行器升/降或相机焦距拉远/收近或飞行器升/降及相机焦距拉远/收近的耦合运动，所述保持的飞行状态为飞行器的高度和相机焦距的耦合值。
在另一方面，本发明提供一种控制飞行器的方法，所述控制方法包括如下步骤：
收到所述第一控制杆在第一移动方向移动导致的控制信号，由该控制信号控制飞行器在第一运动方向的运动；
判断所述控制信号是否变化为对应于第一控制杆因在第一移动方向的外力撤除而自动回到第一移动方向上预先设定的位置的控制信号；
如果是，则控制飞行器在第一运动方向进入飞行状态保持。
在一些实施例中，该方法还包括如下步骤：
当所述第一控制杆所受到的第一移动方向上的外力撤除时，飞行器在第一运动方向进入减速状态；
如果第一控制杆保持在第一移动方向上预先设定的位置，则飞行器在第一运动方向上的速度减速至零后保持这一状态。
在一些实施例中，该方法还包括如下步骤：
收到所述第一控制杆在第一移动方向移动导致的控制信号，该控制信号还用于控制飞行器升/降或相机焦距拉远/收近或二者的耦合。
在一些实施例中，所述控制方法还包括：
判断所述第一及第二控制杆在所有方向的外力是否撤除而导致第一控制杆及第二控制杆都自动回到各自的预先设定的位置；
如果是，则控制飞行器进入悬停状态。
在一些实施例中，所述控制方法还包括：测量所述飞行器的状态信号，以所述测量到飞行器的状态信号反馈到所述飞行器以控制所述飞行器进行所述的状态保持。
在另一方面，本发明提供一种飞行器的控制系统，其包括：
遥控装置，其包括：
第一控制杆，其在第一移动方向的移动对应于控制飞行器在第一运动方向的控制信号；
回位装置，用于第一控制杆在第一移动方向的外力撤除的情况下将第一控制杆自动回位到第一方向上预先设定的位置；
控制器，用于根据所述控制信号和飞行器状态信号控制所述飞行器的状态，其中所述控制器在所述第一控制杆自动回位到所述第一方向上预先设定的位置的情况下控制所述飞行器进入状态保持。
在一些实施例中，所述第一控制杆所受到的第一移动方向上的外力撤除后到其自动回到预先设定的位置的过程对应于飞行器在第一运动方向上的减速过程。
在一些实施例中，所述控制系统还包括至少一个状态测量传感器以测量所述飞行器状态信号提供给所述控制器。
在一些实施例中，所述控制系统还包括飞行器操纵面用于驱动所述飞行器进行状态的调整，所述至少一个状态测量传感器，所述控制器，和所述飞行器操纵面构成一个反馈闭环以控制所述飞行器进行所述的状态保持。
在另一方面，本发明提供一种控制飞行器的方法，所述控制方法包括如下步骤：
以外力控制第一控制杆在第一移动方向的移动而产生一个手控信号；
第一控制杆在第一移动方向的外力撤除的情况下自动回位到一个第一移动方向上预先设定的位置，
判断所述手控信号是否消失，如果是，则控制飞行器在第一运动方向进入飞行状态稳定保持。
在一些实施例中，所述控制飞行器在第一运动方向进入飞行状态稳定保持通过测量所述飞行器的状态而反馈到所述飞行器的控制器而控制飞行器操纵面，实现一个反馈闭环。
在一些实施例中，所述控制飞行器在第一运动方向进入飞行状态稳定保持包括控制飞行器的高度和飞行器携带的相机的焦距耦合值稳定保持。
与现有技术相比，本发明飞行器的控制装置的第一控制杆在第一移动方向上的移动控制飞行器在第一运动方向上的运动，并且在其第一移动方向上的外力撤除后自动回到第一移动方向上预先设定的位置，此时飞行器保持第一运动方向上的位置不动。因此，本发明克服了传统的技术偏见---控制上下运动的控制杆不能自动回到预设的位置，而将控制上下运动的控制杆设计为能够自动回到预设的位置，使得飞行器在飞行的过程中操作控制装置时其他控制杆的运动不会带动控制上下运动的第一控制杆的运动，进而使得飞行器的飞行高度保持。
【附图说明】
图1是一套飞行器及控制装置示意图；
图2是图1所示控制装置的俯视图；
图3是图2所示控制装置控制飞行器上升的操作示意图；
图4是图2所示控制装置控制飞行器下降的操作示意图；
图5是一种实现飞行器自动控制的自动控制系统的原理框图；
图6是图5所示飞行器的自动控制系统的信号原理图；
图7是一种飞行器控制方法的流程图；。
图8是实现飞行器自动控制功能的一个实施例的方法流程图；
图9为图1所示飞行器受控垂直上升的示意图。
【具体实施方式】
通过本发明的控制装置（遥控器）来控制运动体（例如飞行器）在四个运动维度（前后、左右、上下以及朝向）运动，运动体上可以有一载体（例如有稳定功能的万向节），其上可搭载承载物，用以实现承载物的固定、随意调节所述承载物的姿态（例如：改变承载物的高度、倾角和/或方向）和使承载物稳定保持在确定的姿态上。所述载体可以作为摄影、照相、监测、采样的辅助装置，可运用于空基（例如旋翼飞行器或固定翼飞机）、水基（例如潜艇或船只）、路基（例如机动车辆）或天基（例如卫星，空间站，或飞船）等领域。所述承载物可以为照相机和摄像机等摄像装置，也可为传感器等。在下面一些实施例中，承载物以相机为例，将载体应用于飞行器上，阐述本发明的有益效果。当然，可以理解地，承载物也可以为监控摄像头，照明灯等。下面结合附图，对本发明的一些实施例作详细说明。
本发明实施例中的飞行器配备有自动控制装置，简化了遥控器的操作。遥控器可以仅作为运动行为的发令者。在下面一些实施例中，各摇杆的中间位置可以定义为对应维度不运动。遥控器也会定义一定的操作做为启动指令，摒除依赖单一控制指令的弊端。
由于传统习惯，没有人想到要去改变传统遥控器上下方向的控制杆采用了摩擦的方式而停留于某一位置的习惯。本发明的发明人克服了传统的技术偏见——控制上下运动的控制杆不能自动回到预设的位置，将控制上下运动的控制杆设计为能够自动回归到预设的位置，并且取得了良好的技术效果。飞行过程中，其他控制杆的运动不会带动该控制上下运动的控制杆的运动，飞行的高度容易保持不动。
本发明还大大简化了遥控器的操作。当用户想让飞行器高度保持不动的时候，用户可以很容易找到控制杆的中间位置（只要松开手就可以自动达到用户保持飞行器高度不动的目的，不用靠经验去手动控制回到中间位置，手动控制也不是很准确，经常要微调）。可以说，本发明提供了一种技术构思不同的技术方案，且效果优于现在的技术方案。
本发明的一些实施例简化了遥控器的操作方式，也很可能会成为遥控器的发展趋势。
图1是一套飞行器及其遥控系统示意图。其中控制装置100通过信号102对飞行器104进行遥控。信号102可以是无线信号，例如无线电，红外，超声等，也可以有线传播。飞行器104可以是包括多个旋翼106、108的直升飞行器，也可以是直升机或固定翼飞机。飞行器104可以通过一个万向节（图中未显示）承载相机109等承载物，以实现成像等功能。
遥控飞行器的操作方式可以是使用控制装置100的第一控制杆110，第二控制杆112，来控制飞行器的多个运动维度，例如前后，左右，上下以及朝向。这里虽然使用“控制杆”这一名词，本领域里的技术人员可以理解，“控制杆”不一定是几何上的杆状。非杆状的控制部件，根据用户操作的喜好，也可以实现控制飞行器的功能。
图1中的控制杆显示为摇动杆状（通常称为“摇杆”）。但是本领域里的技术人员可以理解，该控制部件也可能通过平移，受力而不移动或转动，或其它方式感知用户的操作动作，从而实现控制飞行器的功能。
图1中控制飞行器前后和左右平移的两个维度的第二控制杆112可以通过控制杆内部的归位结构自行恢复到中间位置，对应的控制命令为“0”，即飞行器前后左右位置均保持不变。朝向的控制可以通过第一控制杆110朝左或朝右的推动来实现。第一控制杆110在左右方向上也可以自行恢复到中间位置，其对应的控制命令为使飞行器104的朝向保持不变。
第一控制杆110在上下方向的运动可以对应于飞行器104的上下运动，实现对飞行器104升降的控制。传统的控制上下的控制杆通常是不能自行恢复到中间位置的。
在一些实施例中，两个控制杆110、112同时分别在左右下角时，可以定义为启动命令。也就是说，两个控制杆110、112被用户从其原始位置（例如，居中位置）推动并不影响飞行器的启动状态（如果是关机状态，飞行器继续保持关机状态），而用户如果将控制杆110、112分别并同时推至左，右下角时，飞行器从关机状态启动。
按照本发明的一些实施例，一种新的飞行器遥控操作方式包括：让两组控制杆110、112的四个控制维度均具备自动回归一个特定位置(例如中间位置）的功能。
这样一些实施例的益处包括：让用户很容易的找到各个方向的中间位置，并且在飞行过程中更加容易控制飞行高度不变化。操作者只要放开双手，飞行器就可以实现各方向稳定，让飞行变得更加简单。在一个具体实施例中的技术方案中，将上下通道没有自动归中功能的遥控器通道改变为与其他通道一样的结构，让其可以自动恢复为中间位置。
图2是一个控制装置100的俯视图。第一控制杆110在第一移动方向（例如控制装置100直立面向用户时的上下方）220的移动可以控制飞行器的在第一运动方向（例如升降方向）上的运动，例如垂直上升，下降，或其飞行高度的变化。第二控制杆112在上下方向222的运动可以对应于遥控飞行器的前进及后退的平移飞行。第一控制杆110在第二移动方向（例如，左右方向）224的移动可以控制遥控飞行器的朝向。在一些实施例中，第一控制杆110在第二移动方向224上的外力撤除后也自动回到第二方向224上的中间位置。第二控制杆112在左右方向226的移动可以对应于飞行器的向左或向右的平移飞行。
控制装置100上还有分别对应于控制杆110、112各自在不同方向220、222、224、226的刻度228等，用以提示用户控制杆的移动范围。
需要指出的是，虽然图2中不同方向220、222、224、226被分别描述为“上下”，“左右”，本领域中的技术人员可以理解这种描述只是相对的。
图3是控制装置100控制飞行器上升的操作示意图。第一控制杆110在被用户向上推时，飞行控制器接受相应的控制信号，由该飞行控制器控制飞行器104上升。在一些实施例中，飞行器104上升的速度大约正比于控制杆110相对于其在图2中的预设位置被向上推的移动幅度。
根据本发明之一优选实施例，在用户撤除对第一控制杆110在第一移动方向220上（例如上推）施加的外力后，控制杆110可以自动回复到第一移动方向上预先设定的位置，例如图2中的原始预先设定的位置（例如居中位置）。
控制杆110自动回复到预先设定的位置可以由控制装置100内设的归位装置（例如弹簧装置或有机弹性材料构成的装置等）实现。这样以来，第一控制杆110和第二控制杆112的机械结构可以基本相同。第一控制杆110和第二控制杆112对飞行器104控制的方法不同，例如如下所述。
设置于飞行器104内的一个自动控制装置可以在第一控制杆110在第一移动方向220自动回复到第一移动方向上预先设定的位置的情况下控制飞行器104在第一运动方向进入飞行状态保持。
其中所述保持的飞行状态取可以决于所述飞行器接收到的所述第一控制杆110在其所受到的第一移动方向120上外力变化所产生的一个控制信号和飞行器所携带的状态测量传感器所测量的状态信号。例如，保持在其刚刚升到的新的高度。这样以来，用户的操作简化了，并对于飞行器104的操控更加容易并精确。
图4是控制装置100的控制飞行器下降的操作示意图。第一控制杆110在被用户向下推时，飞行器的控制器接受该信号，使飞行器104下降。在一些实施例中，飞行器104下降的速度大约正比于第一控制杆110相对于其在图2中的原始位置被向下推的移动幅度。这样，第一控制杆在第一移动方向上的移动幅度正比于所述飞行器的上升或下降速度。
根据本发明之一优选实施例，在用户撤除对第一控制杆110施加的下推外力后，第一控制杆110可以自动回复到图2中的原始预先设定的位置，例如居中位置。控制杆110自动回复到原始位置可以由控制装置100内设的弹簧实现，或者以其它方式实现。
设置于控制装置100或设置于飞行器104内的一个自动控制装置可以在第一控制杆110自动回复到原始位置时使飞行器104保持在其刚刚降到的新的高度。这样以来，用户的操作简化了，并对于飞行器104的操控更加容易并精确。
综上，所述自动控制装置可以控制飞行器的飞行状态保持。所述飞行状态可以包括飞机的姿态、高度、朝向、速度，等。例如，所述自动控制装置可以控制飞行器的高度，例如实现使飞行器104自动保持当前高度。系统还可以自动修正飞行器104悬停和飞行时产生的误差，并修正风的干扰。
自动回复到预先设定的位置（例如，自动回中）的控制杆110、112依据不同的实施例可以有不同的控制方法。例如，第一控制杆110在第一移动方向220的自动回中可以设计为控制飞行器进入一个高度保持状态，这时飞行器104的飞行高度可以被锁定；第二控制杆112在两个移动方向222、226的自动回中可以设计为控制飞行器进入一个水平位置保持状态，这时飞行器104的水平位置可以被锁定，从而简化用户操控手续。例如，用户每次只需控制一个杆量。在一个具体的例子中，用户不对第一控制杆110施力，飞行器104保持前一时刻的飞行高度，并且没有自转；而对第二控制杆112前后左右的推动可以分别对应于飞行器104在前后左右各方向上的机身倾斜角度（相应地飞行器104在前后左右各方向上的平移速度）。用户松开第二控制杆112，则飞行器104保持前一时刻的水平位置。用户在第一移动方向朝上推第一控制杆110，则飞行器104垂直上升。用户在第二移动方向左右推第一控制杆110，则飞行器104左右自转。
举例来说，在上述例子里，飞行器104上升的速度可以是大约正比于第一控制杆110相对于其在图2中的原始位置被向上推的幅度（杆量）。该幅度可以是可以用刻度228来表述，其可以用摇杆转动角度来量化。例如转动值Δx正比于飞行器104上升的速度vH，即：vH=kΔx，其中k为一常数系数。举例来说，第一控制杆110推到最大幅度对应的飞行器上升速度是6米/秒。除了加速及减速阶段外，上述正比关系可以是线性的。例如第一控制杆110推到上半行程的一半时，对应的上升速度是3米/秒。
上推的幅度可以也用控制杆110转动的角度来量化，例如向上转动25°将使飞行器104达到6米/秒的上升速度，相当于每向上转动1°，飞行器104的上升速度增加0.24米/秒。
图5为一种飞行器自动控制系统500的原理框图。自动控制系统500包括控制器501，飞行器状态测量传感器502。飞行器状态测量传感器502可以包括气压计，陀螺仪，加速度计，ＧＰＳ，磁力计等的至少一种传感器，用于测量飞行器的高度、角速度、加速度、位置和速度、方向等信号，并整合出飞行器的状态信号。
该状态信号可以与来自外界的目标信号，如信号102在一个信号处理器503中进行处理。信号处理器503可以包括比较器对上述手控信号和状态信号进行比较，和／或信号混合器将上述手控信号和状态信号进行混合，将比较和／或混合后的信号传送给控制器501，由控制器501控制飞行器操纵面504驱动飞行器进行状态的调整（例如调整旋翼倾角，调整发动机功率，调整多个发动机之间的功率差等）从而控制飞行状态。这样，控制器501成为一个信号和影响飞行器空气动力的操纵面的一个界面。对于直升机来说，上述飞行器操纵面504可以包括旋翼倾角调节器，发动机功率调节器，尾旋翼状态调节器，等。对于固定翼飞机来说，上述飞行器操纵面504可以包括发动机功率调节器，尾舵调节器，水平升降面调节器，襟翼调节器，副翼调节器，等。
当控制装置100的第一控制杆110恢复到中位后，相应的手控信号可以是一种常态信号，或者是不存在。这种情况下，自动控制系统500可以形成一个反馈闭环505，以飞行器状态测量传感器502测得的状态信号反馈到飞行器的控制器501，其控制飞行器操纵面504，实现在第一运动方向的一个稳定的飞行状态保持，例如高度保持。当控制装置100的第一控制杆110和第二控制杆120在各个移动方向上都恢复到中位时，飞行器104可以实现在各个运动方向的稳定的飞行状态保持，例如悬停。
图6为一种帮助实现上述稳定状态保持（例如高度保持，自动悬停等）的自动控制系统的一种实施例的信号原理图。装载于遥控飞行器104上的控制器500可以由一个飞行控制计算机600实现，其可以通过手控信号接收装置602接收来自于遥控控制装置100的遥控信号102，以及来自于GPS接收装置604的GPS信号，和来自于惯性测量装置606的惯性信号。飞行控制计算机600可以依据收到的信号发出控制指令，来控制飞行器的飞行。
所述控制指令可以包括，例如，控制飞行器发动机功率的指令，控制飞行器姿态的指令等。举例来说，如果控信号接收装置602接收到的信号只有第一控制杆110被向上推的一定的幅度所对应的信号，则控制指令包括控制飞行器104发动机功率以使飞行器104大约匀速垂直上升的指令。注意到在不同的环境情况下（例如海拔高度，气温，风速，风向等），第一控制杆110被向上推的一定的幅度可以对应不同的发动机功率。
根据本发明之一实施例，在用户撤除对第一控制杆110施加的上推外力后，第一控制杆110可以自动回复到预先设定的位置。根据不同的设计方案，第一控制杆110在所述设定位置可以对应于不发射相应的手控信号，或者连续发射一个恒定的手控信号。这种情况下所述控制指令包括基于GPS接收装置604的GPS信号和/或来自于惯性测量装置606的惯性信号的高度保持指令。所保持的高度可以由第一控制杆110被第一移动方向上施加的外力（例如向上推）而导致的飞行器104上升，在上推外力变化（例如用户放手，第一控制杆110自动回中）时而达到的高度而决定。也就是说，飞行器进入并保持的一个稳定的飞行状态取决于飞行器接收到的第一控制杆110在其所受到的第一移动方向上外力变化所产生的控制信号（其决定前一时刻飞行状态）和飞行器所携带的状态测量传感器所测量的状态信号（其作为反馈信号以稳定飞行器的飞行状态）。
在图5及图6中，整个飞行器控制系统既包括遥控装置104，又包括飞行器所载的控制器501。其中遥控装置104包括第一控制杆，其在第一移动方向的移动对应于控制飞行器在第一运动方向的控制信号；回位装置，用于第一控制杆在第一移动方向的外力撤除的情况下将第一控制杆自动回位到第一方向上预先设定的位置。其中控制器501用于根据所述控制信号和飞行器状态信号控制所述飞行器的状态，其中控制器501在所述第一控制杆自动回位到所述第一方向上预先设定的位置的情况下控制所述飞行器进入状态保持。
图7为一种实现上述控制功能的方法流程图。图7中的方法700可以包括收到第一控制杆在第一移动方向移动导致的控制信号的步骤702。在步骤704中，根据所述控制信号（例如图6中的信号102），飞行控制计算机600发出相应的控制指令，控制飞行器升在第一运动方向的运动，例如飞行器的升/降。
在判断步骤706中，飞行控制计算机600根据手控信号接收装置602接收来自于遥控控制装置100的信号102判断所述控制信号是否变化为对应于第一控制杆因在第一移动方向的外力撤除而自动回到第一移动方向的预先设定的位置的控制信号。例如，如果第一控制杆110在第一移动方向（例如上下方向220）的外力撤除，则相应的控制信号变为对应于第一控制杆自动回位的信号。在一些实施例中，所述对应于第一控制杆自动回位的信号为一个稳定信号。在另一些实施例中，所述对应于第一控制杆自动回位的信号为零信号（即相应的信号消失）。
如果外力没有撤除则继续进行步骤704中的控制。如果外力已经撤除，相应的控制信号变化为对应于第一控制杆因在第一移动方向的外力变化（例如撤除）而自动回到第一移动方向上预先设定的位置的控制信号，则在步骤708中控制飞行器在第一运动方向（例如垂直升降方向）进入飞行状态保持，例如高度保持状态。所述保持状态对应于第一控制杆110在第一移动方向（例如上下方向220）自动回到预先设定的位置（例如第一控制杆的第一移动方向上的中间位置）。这里注意到同一个预先设定的摇杆位置可以对应于保持的不同的状态（例如高度）。
在一些实施例中，飞行器104的主要功能是利用其携带的相机109实现对地面目标的成像功能。飞行器升/降可以实现与目标的拉远/收近，以获得远景或近距的成像。拉远/收近的幅度可以通过飞行器与目标的距离决定。拉远/收近的速率可以通过控制飞行器的速度而控制。
相机109也可以有镜头焦距的拉远/收近功能，其拉远/收近的幅度和速率也可以控制。在一些实施例中，步骤704中的飞行器升/降可以与相机焦距拉远/收近耦合。所述第一控制杆110在第一移动方向220的移动控制飞行器升/降或相机焦距拉远/收近或飞行器升/降及相机焦距拉远/收近的耦合运动。例如，飞行器104可以判断其与障碍物，目标，或地面的距离。当距离太近可能影响到飞行安全时，飞行器不再升/降，而控制杆110在上下方向220的运动改为控制相机焦距拉远/收近。这种控制功能的切换也可以由用户手工控制。在一些实施例中，飞行控制计算机600可以自动实现飞行器升/降及相机焦距拉远/收近的耦合运动及其解耦，以实现最佳成像目的。
这样，控制杆110在上下方向自动回中后，飞行器高度及相机焦距的耦合保持上一个位置。在一个具体例子中，飞行器104被控制着跟踪拍摄一个骑自行车者，其会随地势上升下降。当该骑自行车者下降到一个低洼处时，控制杆110在上下方向的自动归中位置可以对应于一个不变的图像大小，而飞行器在控制杆110在上下方向没有操作动作的情况下自动下降已保持和目标的距离而使拍摄到的图像大小不变。但是，如果飞行器如果下降过多会有安全问题，例如距离障碍物（例如树枝）过近，则同一个控制杆110归中位置会对应于相机焦距的拉近。在此实施例中，控制杆110在上下方向自动回中的位置并不一定对应于飞行器保持前一高度，而是对应于飞行器高度及相机焦距的耦合值保持在前一值。图像大小可以作为一个反馈参量来保持飞行器/相机焦距耦合的稳定状态。
图8显示实现上述成像目的的一种具体实施例方法800。在步骤802中，以外力控制第一控制杆110在第一移动方向220的移动而产生一个手控信号。相应地，飞行器104在第一运动方向上运动（例如垂直升降）。在一些实施例中，第一控制杆110在第一移动方向220移动导致的控制信号用于控制飞行器升/降或相机焦距拉远/收近或二者的耦合。
在步骤804中，外力变化（例如撤除)，第一控制杆110自动回位到一个第一移动方向上预先设定的位置（例如上下方向上回中）。在判断步骤806中，飞行控制计算机600判断手控信号接收装置602接收来自于遥控控制装置100的手控信号102是否为第一控制杆110所受外力变化所产生的控制信号（例如，外力撤除导致第一控制杆110自动回中，而导致手控信号102消失或变为一个稳定信号）。在一些实施例中，如果是，则说明控制杆110在上下方向220的外力撤除。因此，这一判断步骤相当于判断所述第一控制杆在第一移动方向的外力是否撤除而导致第一控制杆自动回到第一移动方向上预先设定的位置。
如果外力没有撤除则继续进行步骤804中的控制。如果已经撤除，则在步骤808中飞行器依据GPS和/或惯性测量信号及在前一步达到的高度进入高度保持状态，或者依据图像反馈信号进入一个飞行器高度/相机焦距耦合值保持状态。也就是说，飞行器如果接收到朝向、左右前后平移的控制信号仍进行这些运动，但飞行高度（或者飞行器高度和相机焦距耦合值）保持不变。这里的“飞行状态”可以定义为飞行器的高度和相机焦距的耦合值。
上述判断步骤也可以包括判断所述第一及第二控制杆在所有方向的外力是否撤除而导致第一控制杆及第二控制杆都自动回到各自的预先设定的位置；如果是，则控制飞行器进入悬停状态。例如，如果第一控制杆110和第二控制杆112都自动回中，则飞行器依据GPS和/或惯性测量信号及前一步达到的状态进入自动空中悬停状态，也就是说高度，朝向，及水平位置都保持基本不变。因此，上述控制方法还可以包括测量飞行器104的状态信号，依据GPS和/或惯性测量得到的高度、位置信号。以所述测量到飞行器的状态信号反馈到飞行器104以控制所述飞行器进行所述的状态保持。
图9为一个飞行器受控垂直上升的示意图。在这个例子中，第二控制杆112在自动回中的位置，因而飞行器104水平位置保持不变。在飞行器104收到相应于以外力控制第一控制杆110在第一移动方向220的移动而产生一个手控控制信号，飞行器104由原来的高度902进入一个加速上升阶段904。
飞行器104的上升速度达到对于第一控制杆110在第一移动方向220的移动幅度的速度值后，飞行器104可以进入一个匀速上升阶段906。如前所述，飞行器104的在匀速上升阶段906上升速度大约线形正比于第一控制杆110在第一移动方向220的移动幅度。
当第一控制杆110在所受到的第一移动方向220上的外力撤除时，飞行器104在第一运动方向上进入减速状态，例如减速上升阶段908。如果第一控制杆保持在第一移动方向上预先设定的位置（自动回中），则飞行器在第一运动方向上的速度减速至零后保持这一状态。在一些实施例中，飞行器104的上升速度减为零时，飞行器104进入高度保持状态，保持高度910。飞行器104加速上升阶段904和减速上升阶段908的长短取决于发动机的功率，飞行器104的质量（惯性）等。
在一些实施例中，当所述第一控制杆所受到的第一移动方向上的外力变化（例如撤除）后到其自动回到预先设定的位置的过程对应于飞行器在第一运动方向上由开始减速到其速度为零的过程。例如，减速上升阶段908正好对应于第一控制杆110从外力撤除到完全回到预设位置的时间段。
在其它一些实施例中，飞行器104在第一控制杆110外力撤除后自动下降一段912，回到第一控制杆110外力撤除一时刻的高度914。而在其它一些实施例中，飞行器104具体保持的高度可以有用户以数值输入的办法控制。本发明的一些实施例提供给了用户以编程控制飞行器104飞行刨面的自由。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (20)

1.一种飞行器的控制装置，其包括：
第一控制杆，其在第一移动方向上的移动控制所述飞行器在第一运动方向的运动，所述第一控制杆在其所受到的第一移动方向上的外力撤除后，自动回到第一移动方向上预先设定的位置；
其中所述第一控制杆自动回到所述预先设定的位置对应于所述飞行器在第一运动方向进入飞行状态保持；
其中所述飞行状态保持取决于所述飞行器接收到的所述第一控制杆在其所受到的第一移动方向上外力变化所产生的控制信号和飞行器所携带的状态测量传感器所测量的状态信号。
2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于：当所述第一控制杆所受到的第一移动方向上的外力撤除后到其自动回到预先设定的位置的过程对应于飞行器在第一运动方向上由开始减速到其速度为零的过程。
3.如权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于：所述预先设定的位置为所述第一控制杆的第一移动方向上的中间位置。
4.如权利要求3所述的控制装置，该控制装置还包括一弹簧装置来使所述第一控制杆在外力撤除后自动回到中间位置。
5.如权利要求1、2或4所述的控制装置，所述第一运动方向为所述飞行器的升降方向，该控制装置还包括第二控制杆，用于控制所述飞行器的平移飞行，其中所述第二控制杆也具有使其自动回到中间位置的弹簧装置。
6.如权利要求5所述的控制装置，其特征在于：所述第一控制杆在第二移动方向上的运动控制所述飞行器的朝向，其中所述第一控制杆在第二移动方向上的外力撤除后也自动回到第二方向上的中间位置。
7.如权利要求6所述的控制装置，其特征在于：所述第一控制杆在第一移动方向上的移动幅度正比于所述飞行器的上升或下降速度。
8.如权利要求7所述的控制装置，其特征在于：所述飞行器利用其携带的相机实现对地面目标的成像功能，所述相机有镜头的拉远/收近功能，所述第一控制杆在第一移动方向的移动控制飞行器升/降或相机焦距拉远/收近或飞行器升/降及相机焦距拉远/收近的耦合运动，所述保持的飞行状态为飞行器的高度和相机焦距的耦合值。
9.一种飞行器的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括如下步骤：
收到所述第一控制杆在第一移动方向移动导致的控制信号，由该控制信号控制飞行器在第一运动方向的运动；
判断所述控制信号是否变化为对应于第一控制杆因在第一移动方向的外力撤除而自动回到第一移动方向上预先设定的位置的控制信号；
如果是，则控制飞行器在第一运动方向进入飞行状态保持。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于：该方法还包括如下步骤：
当所述第一控制杆所受到的第一移动方向上的外力撤除时，飞行器在第一运动方向上进入减速状态；
如果第一控制杆保持在第一移动方向上预先设定的位置，则飞行器在第一运动方向上的速度减速至零后保持这一状态。
11.如权利要求9或10所述的控制方法，其特征在于：该方法还包括如下步骤：
收到所述第一控制杆在第一移动方向移动导致的控制信号，该控制信号还用于控制飞行器升/降或相机焦距拉远/收近或二者的耦合。
12.如权利要求11所述的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括：
判断所述第一及第二控制杆在所有方向的外力是否撤除而导致第一控制杆及第二控制杆都自动回到各自的预先设定的位置；
如果是，则控制飞行器进入悬停状态。
13.如权利要求9、10或12所述的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括：测量所述飞行器的状态信号，以所述测量到飞行器的状态信号反馈到所述飞行器以控制所述飞行器进行所述的状态保持。
14.一种飞行器的控制系统，其包括：
遥控装置，其包括：
第一控制杆，其在第一移动方向的移动对应于控制飞行器在第一运动方向的控制信号；
回位装置，用于第一控制杆在第一移动方向的外力撤除的情况下将第一控制杆自动回位到第一方向上预先设定的位置；
控制器，用于根据所述控制信号和飞行器状态信号控制所述飞行器的状态，其中所述控制器在所述第一控制杆自动回位到所述第一方向上预先设定的位置的情况下控制所述飞行器进入状态保持。
15.如权利要求14所述的控制系统，其特征在于：所述第一控制杆所受到的第一移动方向上的外力撤除后到其自动回到预先设定的位置的过程对应于飞行器在第一运动方向上的减速过程。
16.如权利要求14或15所述的控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括至少一个状态测量传感器以测量所述飞行器状态信号提供给所述控制器。
17.如权利要求16所述的控制系统，还包括一个飞行器操纵面用于驱动所述飞行器进行状态的调整，其特征在于：所述至少一个状态测量传感器，所述控制器，和所述飞行器操纵面构成一个反馈闭环以控制所述飞行器进行所述的状态保持。
18.一种飞行器的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括如下步骤：
以外力控制第一控制杆在第一移动方向的移动而产生一个手控信号；
第一控制杆在第一移动方向的外力撤除的情况下自动回位到一个第一移动方向上预先设定的位置，
判断所述手控信号是否消失，如果是，则控制飞行器在第一运动方向进入飞行状态稳定保持。
19.如权利要求18所述的控制方法，其特征在于：所述控制飞行器在第一运动方向进入飞行状态稳定保持通过测量所述飞行器的状态而反馈到所述飞行器的控制器而控制飞行器操纵面，实现一个反馈闭环。
20.如权利要求19所述的控制方法，其特征在于：所述控制飞行器在第一运动方向进入飞行状态稳定保持包括控制飞行器的高度和飞行器携带的相机的焦距耦合值稳定保持。
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