CN111216887B - 用于遥控直升机的驱动控制设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于遥控直升机的驱动控制设备，包括检测主旋翼的每分钟转数的每分钟转数检测单元；检测包括翻滚轴、俯仰轴以及偏航轴的控制轴的角速度的陀螺传感器；以及生成控制致动器的控制信号的控制单元，所述控制致动器用于基于由所述陀螺传感器检测到的所述角速度和从发射器发送的转向信号来控制所述控制轴的运动。所述控制单元具有关于所述控制轴的所述陀螺灵敏度的信息和关于针对所述遥控直升机的所述多个飞行状态中的每一个预设的所述主旋翼的设定每分钟转数的信息，并且基于与所述多个飞行状态之中选择的飞行状态相对应的所述设定每分钟转数与所述每分钟转数检测单元检测到的所述主旋翼的每分钟转数之间的差值来校正所述陀螺灵敏度。

Description

用于遥控直升机的驱动控制设备
技术领域
本公开涉及一种用于遥控直升机的驱动控制设备，所述遥控直升机诸如模型直升机、航空摄影直升机、农作物喷洒直升机等。
背景技术
例如，诸如模型直升机之类的遥控直升机11基本上具有图3所示的构造。遥控直升机11的驱动由安装在机身11a上的主旋翼12和安装在尾部11b上的尾旋翼13控制。主旋翼12通过旋转产生上升力，并且通过调节俯仰角来控制遥控直升机11的上升/下降、向前/向后以及向左/向右驱动。尾旋翼13具有抵消由主旋翼12的旋转引起的反作用转矩并控制遥控直升机11的水平旋转的功能。
然而，在遥控直升机11中，如日本专利申请公开第2012-245906号中所公开的，陀螺设备(驱动控制设备)安装在机身11a处以在飞行期间稳定姿势。陀螺设备设置有陀螺传感器，用于检测翻滚轴、俯仰轴以及偏航轴的角速度。陀螺设备将陀螺传感器检测到的轴的角速度与转向信号进行比较，控制致动器受控于转向信号，并控制遥控直升机11。
此外，具有用于发动机或电动机的调速器装置的陀螺设备已经投入实际使用。根据具有调速器设备的陀螺设备，即使在遥控直升机11的飞行期间主旋翼12的负荷发生变化，主旋翼12的每分钟转数(rpm)也可以保持在恒定水平。
作为对遥控直升机11进行遥控的发射器，已知一种具有能够切换陀螺灵敏度的设定的飞行条件(飞行模式)功能和陀螺设备的调速器功能的设备。
在该飞行条件功能中，根据遥控直升机11的飞行状态(例如，悬停、环形飞行、翻滚飞行、自动旋转等)来指定模式；该模式由发射器的开关设备进行切换；并且对于每种模式，主旋翼12的每分钟转数、三个轴(翻滚轴、俯仰轴、偏航轴)的移动量以及三个轴的陀螺灵敏度被预先设置。
具体地，当期望通过使用飞行条件功能牢固地保持遥控直升机11的姿势时，悬停时的主旋翼12的每分钟转数被设定为比飞行期间的主旋翼12的每分钟转数低，并且陀螺灵敏度被设定为比飞行期间的陀螺灵敏度高。在需要比悬停更大的推力的飞行中，为了使遥控直升机的转向变得容易且准确，主旋翼12的每分钟转数被设定为高于悬停期间的主旋翼12的每分钟转数，并且陀螺灵敏度被设定为低于悬停期间的陀螺灵敏度。
然而，在常规设置中，当遥控直升机11正在飞行并且在飞行期间由于在增加陀螺灵敏度的状态下主旋翼12的每分钟转数增加而导致超速难以改变陀螺灵敏度时，陀螺灵敏度保持在较高水平并且由于尾旋翼13的振动姿势可能会不稳定。另一方面，当主旋翼12的每分钟转数减小并且在飞行期间由于在陀螺灵敏度减小的状态下施加的诸如冲天等的负载而难以改变陀螺灵敏度时，陀螺灵敏度保持在较低水平，并且由于陀螺灵敏度不足，遥控直升机11的机身11a可能会抖动。
此外，当遥控直升机11的发动机或电动机停止并且遥控直升机11由于惯性而下降和着陆时，可以通过操纵发射器的开关将飞行条件功能切换到自动旋转设定。
然而，在自动旋转的情况下，主旋翼12的每分钟转数减小，因此，通常将陀螺灵敏度设置为高水平以维持遥控直升机11的姿势。因此，遥控直升机的转向变得困难。然后，如果遥控直升机11的机身11a倾斜，则难以快速校正姿势。因此，着陆可能会失败或在着陆之后立即发生倾覆。
鉴于以上所述，本公开提供了一种驱动控制设备，与传统情况相比，该驱动控制设备能够更稳定地执行遥控直升机的遥控。
发明内容
根据本公开的一方面，提供了一种用于遥控直升机的驱动控制设备，包括：每分钟转数检测单元，用于检测所述遥控直升机的主旋翼的每分钟转数；陀螺传感器，用于检测包括翻滚轴、俯仰轴以及偏航轴的控制轴的角速度；以及控制单元，用于生成控制致动器的控制信号，所述控制致动器用于基于由所述陀螺传感器检测到的所述角速度和从发射器发送的转向信号来控制所述控制轴的运动，其中，所述控制单元具有关于针对所述遥控直升机的多个飞行状态中的每一个预设的所述控制轴的陀螺灵敏度的信息和关于针对所述遥控直升机的所述多个飞行状态中的每一个预设的所述主旋翼的设定每分钟转数的信息，并且基于与所述多个飞行状态之中选择的飞行状态相对应的所述主旋翼的所述设定每分钟转数与所述每分钟转数检测单元检测到的所述主旋翼的每分钟转数之间的差值来校正所述陀螺灵敏度。
此外，所述控制单元可以使用通过将由所述每分钟转数检测单元检测到的所述主旋翼的所述每分钟转数与所述选择的飞行状态相对应的所述主旋翼的所述设定每分钟转数之间的所述差值乘以预定的校正系数得到的值来校正所述陀螺灵敏度。
此外，所述控制单元可以具有指示所述差值与所述陀螺灵敏度校正值之间的关系的控制数据，并且使用与所述设定每分钟转数和所述每分钟转数检测单元检测到的所述主旋翼的所述每分钟转数之间的所述差值相对应的所述控制数据的所述陀螺灵敏度校正值来校正所述陀螺灵敏度。
此外，当所述主旋翼的所述每分钟转数小于或等于设定每分钟转数时，所述控制单元可以关闭陀螺功能。
此外，所述控制单元可以通过从比例-积分-微分控制切换到比例控制来校正所述陀螺灵敏度。
根据本公开的方面，基于与所选飞行状态相对应的主旋翼的预设每分钟转数与主旋翼的实际每分钟转数之间的差值，对控制轴(翻滚轴、俯仰轴、偏航轴)的陀螺灵敏度进行校正，因此，与传统情况相比，可以更稳定地执行遥控直升机的遥控。
附图说明
通过以下结合附图给出的实施例的描述，本公开的目的和特征将变得显而易见，其中：
图1是本公开的遥控直升机的驱动控制设备的框图；
图2示出了指示陀螺灵敏度校正值相对于主旋翼的实际每分钟转数与主旋翼的设定每分钟转数之间的差值的控制数据的示例；以及
图3显示了遥控直升机的机身和控制轴。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对实施例进行详细描述。
如图1所示，陀螺设备1除了具有陀螺功能之外，还具有调速器功能和飞行条件(飞行模式)功能。陀螺设备1被配置为包括设定单元2、每分钟转数检测单元3、陀螺传感器4以及控制单元5的驱动控制设备。如图3所示，陀螺设备1安装在例如遥控直升机11的机身11a上。
调速器功能是用于将主旋翼12的每分钟转数控制为预设每分钟转数的功能。
飞行条件功能是根据遥控直升机11的飞行状态(例如，悬停、环形飞行、翻滚飞行、着陆期间的自动旋转等)指定模式的功能。对于每种模式，预先设定主旋翼12的每分钟转数，控制轴的移动量和控制轴的陀螺灵敏度。飞行条件功能的模式基于发射器6发送的转向信号进行切换，该发射器6发送的转向信号与驾驶员的开关操作相对应。
如图3所示，控制轴包括翻滚轴R(在前后方向上贯穿机身11a)、俯仰轴P(沿左右方向穿过机身11a)以及偏航轴Y(沿上下方向穿过机身11a)。
首先，将描述在本实施例中使用的陀螺灵敏度。陀螺灵敏度表示陀螺设备1的控制增益。通常，陀螺设备1通过使用陀螺传感器4来检测机身11a的姿势变化，并且将角速度信号(陀螺传感器信号)放大，以将与放大后的角速度信号的大小相对应的校正方向舵信号(即，后面描述的控制信号)传送至后面描述的控制致动器8(伺服电动机等)，从而停止机身11a的摇动。此时的角速度信号的放大程度(大小)为与陀螺灵敏度相对应的陀螺增益。
因此，随着陀螺增益(陀螺灵敏度)的增加，相对于机身11a的姿势变化的校正方向舵的操作量增加。因此，对外部噪声(例如，风和由于主旋翼12的旋转引起的反作用转矩的影响)的响应速度增加。然而，如果增益(灵敏度)过度增加，则发生波动现象(机身11a轻微振动的振荡现象)，并且飞行变得不稳定。
另一方面，如果陀螺增益(陀螺灵敏度)较小，则难以充分获得陀螺设备1的效果。因此，用于维持/保持姿势的力变弱并且行为变得不稳定。因此，需要适当地控制陀螺增益(陀螺灵敏度)。适当的增益(灵敏度)根据所使用的控制致动器8(伺服电动机等)和机身11a的特性而变化，因此需要在需要时进行调整/校正。
参照图1，发射器6将与驾驶员的操纵杆操作(油门操作、副翼操作、升降舵操作或方向舵操作)相对应的转向信号作为无线电波发送，以执行遥控直升机11的遥控。接收器7接收来自发射器6的作为无线电波的转向信号，将接收到的无线电波解调为原始转向信号，并将该转向信号输出至陀螺设备1。
设定单元2针对每个飞行状态(例如，悬停、环形飞行、翻滚飞行、着陆期间的自动旋转等)设定陀螺功能的开/关、调速器功能的开/关、主旋翼12的设定每分钟转数值和控制轴(翻滚轴R、俯仰轴P以及偏航轴Y)的设定陀螺灵敏度值，以及后面描述的陀螺灵敏度的校正系数等。
设定陀螺灵敏度值表示基于控制轴的角速度(翻滚轴R、俯仰轴P以及偏航轴Y)而与需要保持遥控直升机11的姿势以便对控制致动器8进行控制以消除遥控直升机11的姿势的改变的期望位置偏离的偏离量。具体地，在通过控制致动器8的伺服电动机的PWM控制改变旋转斜盘的倾斜度来恢复遥控直升机11的姿势的情况下，设定陀螺灵敏度值被设定为通过伺服电机针对特定轴的角速度的PWM控制来确定旋转斜盘的移动量
每分钟转数检测单元3测量主旋翼12的每分钟转数，主旋翼12是遥控直升机11的主旋翼叶片。每分钟转数检测单元3检测主旋翼12的每分钟转数，并向控制单元5输出与检测的每分钟转数(实际每分钟转数)相对应的主旋翼每分钟转数信号。
陀螺传感器4是用于检测控制轴(翻滚轴R、俯仰轴P以及偏航轴Y)的角速度以检测遥控直升机11的姿势变化的角速度传感器。陀螺传感器4检测遥控直升机11的翻滚轴R、俯仰轴P以及偏航轴Y的角速度，并且将与检测的角速度相对应的角速度信号(翻滚轴角速度信号，俯仰轴角速度信号和偏航轴角速度信号)输出到控制单元5(陀螺灵敏度校正单元5a)。
控制单元5控制陀螺设备1的整体功能，并且具有关于为遥控直升机11的每个飞行状态(例如，悬停、环形飞行、翻滚飞行、着陆期间的自动旋转等)预设的主旋翼12的设定每分钟转数值和控制轴(翻滚轴R、俯仰轴P以及偏航轴Y)的设定陀螺灵敏度值的信息。
控制单元5通过使用基于来自设定单元2的设定信息、来自接收器7的转向信号、来自每分钟转数检测单元3的主旋翼的每分钟转数信号以及来自陀螺传感器4的控制轴(翻滚轴R、俯仰轴P以及偏航轴Y)的角速度信号而产生的控制信号来对控制致动器8进行控制。控制单元5包括陀螺灵敏度校正单元5a和致动器控制单元5b。
当启用陀螺功能时，陀螺灵敏度校正单元5a通过使用以下描述的方法(1)至(4)中的任何一种来校正控制轴(翻滚轴R、俯仰轴P以及偏航轴Y)的陀螺灵敏度。
(1)基于与飞行状态相对应的主旋翼12的设定每分钟转数值与由每分钟转数检测单元3检测到的主旋翼12的实际每分钟转数之间的差值，来校正控制轴的陀螺灵敏度。换句话说，当主旋翼12的实际每分钟转数和与发射器7的调速器功能相对应的设定每分钟转数值不同时，基于每分钟转数差值来校正控制轴的陀螺灵敏度。
以校正翻滚轴R的陀螺灵敏度的情况作为示例进行说明。假设根据飞行状态设定的主旋翼12的设定每分钟转数值是RPMs；每分钟转数检测单元3检测到的实际每分钟转数为RPMx；根据飞行状态而设定的翻滚轴R的设定陀螺灵敏度值是GAINr；并且根据飞行状态设定的翻滚轴R的陀螺灵敏度校正系数(每1rpm的每分钟转数偏差的灵敏度校正值)为COMPr，校正后的翻滚轴R的陀螺灵敏度AGAINr被计算为AGAINr＝(RPMs–RPMx)×COMPr+GAINr。
校正后的俯仰轴P和偏航轴Y的陀螺灵敏度也可以与翻滚轴R相同的方式计算。
(2)通过使用由设定单元2在每个预定变化(例如，10rpm)中设置和存储控制轴的陀螺灵敏度校正值，利用与由每分钟转数检测单元3检测到的主旋翼12的实际每分钟转数的变化相对应的陀螺灵敏度校正值来校正控制轴的陀螺灵敏度。
(3)使用对翻滚轴R、俯仰轴P以及偏航轴Y的控制数据集对控制轴的陀螺灵敏度进行校正。换句话说，将控制轴的陀螺灵敏度校正为与根据飞行状态而设定的主旋翼12的设定每分钟转数值与由每分钟转数检测单元3检测出的主旋翼12的实际每分钟转数的差值相对应的控制数据的陀螺灵敏度。
图2示出了指示陀螺灵敏度校正值相对于主旋翼12的实际每分钟转数与主旋翼12的设定每分钟转数之间的差值的翻滚轴R的控制数据的示例。
参照图2，横轴表示主旋翼12的实际每分钟转数和主旋翼12的设定每分钟转数值(实际每分钟转数-设定每分钟转数)之间的差值，并且纵轴表示翻滚轴R的陀螺灵敏度校正值，横轴上的0rpm是根据飞行状态而设定的主旋翼12的设定每分钟转数值(例如，1500rpm)。在图2的示例中，在主旋翼12的每分钟转数增加的情况下，有必要将陀螺灵敏度降低得稍大些以抑制波动。因此，该图在正值侧和负值侧是不对称的。
在图2中所示的校正翻滚轴R的陀螺灵敏度情况下，当根据飞行状态而设定的主旋翼12的设定每分钟转数值是1500rpm并且由每分钟转数检测单元3检测出的主旋翼12的实际每分钟转数是1560rpm时，主旋翼12的实际每分钟转数与主旋翼12的设定每分钟转数值之间的差值为60rpm，因此陀螺灵敏度校正值变为-10。通过将陀螺灵敏度校正值-10加到设定陀螺灵敏度值来校正翻滚轴R的陀螺灵敏度。
在图2中，当差值超过±100rpm时，使用对应于±100rpm的陀螺灵敏度校正值。
(4)在使用方法(1)至(3)校正陀螺灵敏度的情况下，如果将主旋翼12的每分钟转数减小到设定每分钟转数(例如，100rpm)，则控制轴的陀螺灵敏度被校正为0％(陀螺功能关闭)或低于预设的陀螺灵敏度设定值的最小值，以改善转向效果(换句话说，是更精确地受控于发射器发出的转向信号)。或者，通过从比例积分微分(proportional-integral-differential，PID)控制切换到比例(proportional，P)控制来校正控制轴的陀螺灵敏度。由于P控制不具有如PID控制中那样反复积分误差的积分功能，因此改善了转向效果。因此，即使遥控直升机11的机身11a在着陆期间倾斜，也可以通过操纵发射器6的操纵杆来稳定姿势。
致动器控制单元5b基于由陀螺灵敏度校正单元5a校正的控制轴(翻滚轴R、俯仰轴P以及偏航轴Y)的设定陀螺灵敏度值产生控制致动器8的控制信号，用于根据陀螺传感器4检测到的控制轴的角速度来对控制轴的运动进行控制，并且致动器控制单元5b通过使用控制信号来对控制致动器8进行控制以受控于转向信号。
控制致动器8包括翻滚控制致动器8a、俯仰控制致动器8b以及偏航控制致动器8c。控制致动器8被配置为具有伺服电动机的驱动单元，其由致动器控制单元5b产生的控制信号进行PWM控制。驱动单元通过伺服电动机的旋转来控制翻滚角、俯仰角以及偏航角以受控于转向信号。
在图1的示例中，设定单元2内置在陀螺设备1中。然而，本公开不限于此。例如，可以与陀螺设备1电连接的独立设备可以用作设定单元2。另外，发射器6可以用作设定单元2，并且设定可以通过操纵发射器6的操纵杆和开关来通过接收器7来执行。
在对如上所述配置的陀螺设备1中的控制轴(翻滚轴R、俯仰轴P以及偏航轴Y)的陀螺灵敏度进行校正的情况下，使用飞行条件(飞行模式)功能预先设定根据飞行状态的主旋翼12的设定每分钟转数、控制轴的设定陀螺灵敏度值以及控制轴的移动量。
当基于操作员的操纵杆操作生成的转向信号作为无线电波从发射器6发送以执行遥控直升机11的遥控时，接收器7接收来自发射器6的无线电波，将接收到的无线电波调制为原始转向信号，并且将该转向信号输入到陀螺设备1的陀螺灵敏度校正单元5a。此外，来自设定单元2的设定信息、来自每分钟转数检测单元3的主旋翼每分钟转数信号以及来自陀螺传感器4的控制轴的角速度信号被输入到陀螺灵敏度校正单元5a中。
陀螺灵敏度校正单元5a使用上述方法(1)至(4)中的任何一种来校正控制轴的陀螺灵敏度。然后，当通过陀螺灵敏度校正单元5a对控制轴的陀螺灵敏度进行校正时，致动器控制单元5b基于控制轴的校正后的陀螺灵敏度来产生根据陀螺传感器4检测到的控制轴的角速度的控制致动器8的控制信号，并使用该控制信号来对控制致动器8进行控制以受控于转向信号。
根据本实施例，控制轴(翻滚轴R、俯仰轴P以及偏航轴Y)的陀螺灵敏度基于选定的飞行状态下的主旋翼12的设定值与由每分钟转数检测单元3检测到的主旋翼12的每分钟转数之间的差值来校正。因此，与传统情况相比，可以更稳定地执行遥控直升机11的遥控。
具体地，当遥控直升机11由于主旋翼12的每分钟转数的增加而超速飞行时，陀螺灵敏度可以响应于每分钟转数的增加而降低。结果，可以在无需尾旋翼13的振动下实现稳定的飞行。
当遥控直升机11的发动机或电动机停止并且遥控直升机11使用自动旋转功能着陆时，如果将主旋翼12的每分钟转数减小到一定水平(例如，100rpm)，则控制轴的陀螺灵敏度被设定为0％(陀螺功能关闭)或低于预设的陀螺灵敏度设定值的最小值。或者，控制轴的陀螺灵敏度通过P控制进行校正。因此，因此当遥控直升机着陆时可以降低陀螺灵敏度，并且由于可以更精确地受控于与驾驶员的操纵杆操作相对应的转向信号，即使在遥控直升机11的机身11a倾斜的情况下姿势可以得到校正。
尽管上面已经描述了本公开的遥控直升机驱动控制设备的实施例，但是本公开不限于此。换句话说，本领域技术人员基于上述实施例做出的其他实施例、示例以及操作技术也包括在本公开的范围内。

Claims (5)

1.一种用于遥控直升机的驱动控制设备，包括：
每分钟转数(rpm)检测单元，用于检测所述遥控直升机的主旋翼的每分钟转数；
陀螺传感器，用于检测包括翻滚轴、俯仰轴以及偏航轴的控制轴的角速度；以及
控制单元，用于生成控制致动器的控制信号，所述控制致动器用于基于由所述陀螺传感器检测到的所述角速度和从发射器发送的转向信号来控制所述控制轴的运动，
其中，所述控制单元具有关于针对所述遥控直升机的多个飞行状态中的每一个预设的表示所述陀螺传感器检测出的角速度信号的放大程度的陀螺灵敏度的信息和关于针对所述遥控直升机的所述多个飞行状态中的每一个预设的所述主旋翼的设定每分钟转数的信息，并且基于与所述多个飞行状态之中选择的飞行状态相对应的所述主旋翼的所述设定每分钟转数与所述每分钟转数检测单元检测到的所述主旋翼的每分钟转数之间的差值来校正所述陀螺灵敏度。
2.根据权利要求1所述的用于遥控直升机的驱动控制设备，其中，所述控制单元使用通过将由所述每分钟转数检测单元检测到的所述主旋翼的所述每分钟转数与所述选择的飞行状态相对应的所述主旋翼的所述设定每分钟转数之间的所述差值乘以预定的校正系数得到的值来校正所述陀螺灵敏度。
3.根据权利要求1所述的用于遥控直升机的驱动控制设备，其中，所述控制单元具有指示所述差值与所述陀螺灵敏度校正值之间的关系的控制数据，并且使用与所述设定每分钟转数和所述每分钟转数检测单元检测到的所述主旋翼的所述每分钟转数之间的所述差值相对应的所述控制数据的所述陀螺灵敏度校正值来校正所述陀螺灵敏度。
4.根据权利要求1所述的用于遥控直升机的驱动控制设备，其中，当所述主旋翼的所述每分钟转数小于或等于设定每分钟转数时，所述控制单元关闭陀螺功能。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的用于遥控直升机的驱动控制设备，其中，所述控制单元通过从比例-积分-微分控制切换到比例控制来校正所述陀螺灵敏度。
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