TW201529420A

TW201529420A - 在自動化技巧期間可操控的飛航

Info

Publication number: TW201529420A
Application number: TW103128110A
Authority: TW
Inventors: Wesley Ronald Erhart; Tom Kawamura
Original assignee: Traxxas Lp
Priority date: 2013-08-15
Filing date: 2014-08-15
Publication date: 2015-08-01
Also published as: US20150051755A1; WO2015126447A1; US9715230B2; US10773801B2; US20180050799A1

Abstract

使用技巧飛航控制程序，飛行員可駕駛航空器同時當航空器自動繞方位之第三軸旋轉時具有方位之二軸的控制。飛行員在自動化技巧期間可持續駕駛航空器，而非完全將控制讓予航空器之電子裝置。

Description

在自動化技巧期間可操控的飛航

相關申請案相互參照

本申請案關於並主張2013年8月15日申請之共同未決美國臨時專利申請案序號61/866,478標題「在自動化技巧期間可操控的飛航」之申請日的權利，其內容以提及的方式併入本文。

本申請案關於遙控航空器，更特定地關於遙控航空器技巧。

遙控(RC)四軸直昇機為一種遙控航空器，使用四個旋翼飛行。每一旋翼可由其本身的發動機控制。RC四軸直昇機由使用者以亦稱為傳輸控制器之遙控器駕駛。來自控制器之無線電信號控制四軸直昇機之運動。四軸直昇機中之飛航控制處理器可組合來自控制器之無線電信號與來自四軸直昇機之機板上之感測器的輸入以控制四軸直昇機之運動。諸如加速計、陀螺儀、及磁量計之感測器可用以估計四軸直昇機之位置及姿勢。然而，磁量計增加四軸直昇機之成本及複雜性，並需要使用者或飛行員實施校準程序。此外，磁量計對磁性干擾敏感，可造成不正確讀數並負面影響飛航控制程序。

除了手動駕駛航空器外，若干RC四軸直昇機允許飛行員啟動自動化技巧。當飛行員啟動自動化技巧時，四軸直昇機可忽略來自飛行員的命令並實施360度翻動、滾動、或偏航旋轉。當自動化技巧結束時，飛行員可恢復四軸直昇機之控制。

雖然可輕易地實施自動化技巧，飛行員受限於從四軸直昇機提供之技巧中選擇。若飛行員希望實施另一操縱，自動化技巧部件未提供協助。希望四軸直昇機控制系統可提供自動化技巧的好處，同時允許飛行員保持對四軸直昇機之控制。

100‧‧‧透視圖

102‧‧‧航空器質心

104A‧‧‧滾軸

104B‧‧‧俯仰軸

104C‧‧‧偏航軸

106A‧‧‧滾動

106B‧‧‧俯仰

106C‧‧‧偏航

200‧‧‧正常飛航控制程序

202、204、206、208、210、212、402、404、406、408‧‧‧步驟

300‧‧‧航空器

302‧‧‧順時針旋轉方向

304‧‧‧最初偏航

306‧‧‧旋轉角

308‧‧‧主體框偏航

310‧‧‧虛擬零框偏航

400‧‧‧技巧飛航控制程序

現在參照下列結合附圖之「實施方式」，其中：圖1為四軸直昇機之透視圖，描繪依據本發明之示範實施例之航空器姿勢的組份；圖2顯示在正常飛航期間之飛航控制程序；圖3顯示航空器主體姿勢及「虛擬零」姿勢間之關係；以及圖4顯示在可操控飛航之自動化技巧期間的飛航控制程序。

在下列討論中，提出許多特定細節以提供徹底說明。然而，該等特定細節並非必要。在其他情況下，已以示意或方塊圖形式描繪熟知元件。此外，大多數情況下，相關技藝中一般技術之人士理解中的特定細節已省略。

航空器之姿勢描述其方位。姿勢具有三組份：滾動、俯仰、及偏航。參照圖1，描繪為四軸直昇機之透視圖100，描繪三姿勢組份。每一姿勢組份為航空器繞通過航空器質心102之三姿勢軸之一的旋轉。滾軸104A通過航空器之長度，俯仰軸104B通過航空器之寬度，及偏航軸104C通過航空器之高度。滾軸104A、俯仰軸104B、及偏航軸104C相互垂直。滾動106A為繞滾軸104A之旋轉量。俯仰106B為繞俯仰軸104B之旋轉量。偏航106C為繞偏航軸104C之旋轉量。

為飛行，四軸直昇機需要飛航控制，旋翼活動的協調。飛航控制正常係由執行飛航控制程序之航空器上的微處理器實施。飛航控制程序可由飛航控制軟體實施。飛航控制程序可為三軸回授控制，其中控制每一滾動角、俯仰角、偏航角及角速率，並將結果之響應混合以形成對發動機之命令。飛航控制程序可依據滾動角、俯仰角、偏航角、角速率、加速度速度及方向，相較於最初位置或姿勢而估計目前位置或姿勢。在最初位置為地面之情況下，估計之目前位置可包括沿垂直軸之位移或高度，及沿垂直水平二軸之位移，其可組合以代表離最初位置之距離及方向。

參照圖2，描繪自動化技巧外之飛航的正常飛航控制程序200。飛航控制程序200可劃分為一連串控制期間。在每一控制期間中，飛航控制程序200可讀取各式輸入並判斷何種命令將針對控制期間發送至每一發動機。

至飛航控制程序200之輸入可包括二輸入群組：「姿勢狀態」輸入及「目標姿勢」輸入。姿勢狀態輸入可描述航空器之目前姿勢。目標姿勢輸入可描述飛行員所欲航空器之目標姿勢。飛航控制程序200中每一控制期間可始自於202判斷目標姿勢及於204判斷姿勢狀態。

目標姿勢輸入可包括來自飛行員之遙控器的信號。遙控器可發送控制信號至飛航控制程序200。在202，飛航控制程序200可接收及處理該些信號以判斷目標姿勢。

至飛航控制程序200之姿勢狀態輸入典型地包括諸如MEMS(微機電系統)加速計之感測器，用於感測三軸中每一者之線性加速，及陀螺儀，用於感測繞三軸中每一者之轉速。在204，飛航控制程序200可使用該些輸入以判斷航空器之目前「姿勢狀態」。姿勢狀態之內容可隨可用於飛航控制程序200之感測器而異。在簡單的狀況下，姿勢狀態可包括航空器之姿勢及姿勢的改變率。基於更複雜之感測器，諸如磁量計及GPS接收器，姿勢狀態可包括航空器之高度及地理位置。姿勢狀態之內容不一定需確切判斷可取近似而未使用更複雜之感測器。

熟知本技藝之人士將理解儘管加速計輸出可用以判斷俯仰角及滾動方位角，偏航旋轉角卻無法以加速計測量。加速計對於繞重力場向量旋轉完全敏感，無法用以判斷該等旋轉。陀螺儀可感測轉速，轉速可整合以判斷航空器繞偏航軸之旋轉量。陀螺儀偏移可侷限此技術之準確性。磁量計可用以更準確地判斷航空器之偏航角。

因此，在206，飛航控制程序200可從於204中判斷之姿勢狀態減去於202中判斷之目標姿勢，以判斷「姿勢錯誤」。從此姿勢錯誤，飛航控制程序200可判斷繞滾動軸、俯仰軸、及偏航軸之每一者的適當轉矩響應。此判斷可由比例-積分-微分(PID)控制器實施。

在208，對每一發動機而言，飛航控制程序200可混合每一軸之響應以產生控制期間之發動機工作循環。混合可由線性組合繞每一發動機之每一軸的所欲轉矩響應實施。

在210，產生之發動機工作循環可提供至每一發動機。在212，經由旋翼控制發動機之活動可改變航空器動力。換言之，航空器之姿勢可回應於產生之發動機工作循環。接著可開始新控制期間。

對自動化技巧以外之飛航控制而言，飛航控制程序200為習知飛航控制程序。一般技術之人士可取代飛航控制程序200之變化。例如，在狀態估計器觀察者變化中，在208產生並於210提供之發動機工作循環可用於204判斷姿勢狀態。

當啟動自動化技巧時，航空器可從飛航控制程序200轉移至技巧飛航控制程序，其實施自動化技巧同時仍允許飛行員保持對航空器之控制。航空器可持續繞姿勢軸(滾動、俯仰、或偏航)之一者旋轉。此軸可稱為「技巧軸」。當啟動自動化技巧時，可由飛行員指定技巧軸。航空器可相對於技巧軸而忽略飛行員輸入，但相對於其他二姿勢軸而回應於飛行員輸入。飛行員接著可輕易地駕駛航空器，同時航空器繞技巧軸旋轉。替代相對於技巧軸而忽略飛行員輸入是可能的，將於以下討論。

航空器繞技巧軸旋轉之速率可為設定角速率，或可為飛行員挑選之角速率。在設定旋轉數量後、在某時間量後、或當飛行員下令時，可終止技巧飛航控制程序並可恢復正常飛航控制程序。

可以離散命令啟動自動化技巧。例如，飛行員之遙控器可傳輸單一離散命令至航空器，致使航空器轉移至技巧飛航控制程序，並持續使用技巧飛航控制程序直至技巧飛航控制程序終止為止。

關於自動化技巧之描繪範例，當駕駛四軸直昇機時，飛行員可按下飛行員之遙控器上的按鈕。在按下按鈕後之固定時段內，飛行員可藉由沿旋轉方向移動技巧軸之控制桿而選擇技巧軸及旋轉方向。遙控器可發送命令至四軸直昇機，致使四軸直昇機沿飛行員移動控制桿之方向實施五次繞選擇軸旋轉。

四軸直昇機可轉移至技巧飛航控制程序，致使四軸直昇機持續繞選擇之技巧軸旋轉。飛行員可相對於其他二軸持續駕駛四軸直昇機。在繞技巧軸之第五次旋轉結束時，四軸直昇機可轉移回至其正常飛航控制程序。飛行員接著可恢復正常駕駛四軸直昇機。

在若干應用中，可終止技巧飛航控制程序作為對於航空器外部刺激、航空器之遙控器、及航空器及遙控器間之通訊的響應。該等外部刺激之一範例為RF(射頻)地面信標定位裝置。航空器可具有RF感測器，且RF地面信標可指定作為航空器之「目標」。可引動自動化技巧，致使航空器旋轉。航空器可判斷RF感測器何時指向目標。可回應於此目標獲得而終止技巧飛航控制程序。判斷RF感測器是否指向目標可由在飛航控制微處理器上運行之軟體程序實施。

對於允許使用者實施自動化技巧同時保持航空器之控制的技巧飛航控制程序而言，技巧飛航控制程序可區別「虛擬零」參考框及「主體」參考框。參照圖3，從上頭描繪航空器300，具顯示虛擬零參考框及主體參考框間之關係的註解。航空器300之使用者展開自動化技巧，致使航空器300實施順時針旋轉方向302之偏航旋轉。當啟動技巧時，航空器偏航為最初偏航304。航空器300因自動化技巧而經由旋轉角306旋轉。技巧飛航控制程序在整個自動化技巧中可追蹤旋轉角306。

主體參考框為飛機構架之參考框。在主體參考框中，航空器300之偏航為主體框偏航308，其考量旋轉角306。然而，在虛擬零參考框中，旋轉角306未影響偏航，因其為自動化技巧之結果。在虛擬零參考框中，航空器300之偏航為虛擬零框偏航310。

參照圖4，描繪技巧飛航控制程序400。技巧飛航控制程序400包括來自正常飛航控制程序200之步驟204、208、210、及212。技巧飛航控制程序400導入新步驟402、404、406、及408。步驟402及406分別為正常飛航控制程序200中步驟202及206之變化。

當自動化技巧開始時，技巧飛航控制程序400儲存航空器繞技巧軸之旋轉作為技巧軸之「虛擬零」。例如，對圖3中所示之偏航旋轉技巧而言，自動化技巧之虛擬零為虛擬零框偏航310，即當自動化技巧開始時，航空器之機頭方向。

在402，如同在202，飛航控制程序400可接收及處理來自遙控器之信號以判斷目標姿勢。可實施技巧軸之輸入的除外。技巧軸上之輸入於判斷目標姿勢中可簡單地忽略。在變化中，技巧軸上之輸入可作為加速或減速繞技巧軸旋轉之命令。在另一變化中，技巧軸上之輸入可用於判斷目標姿勢，但可從虛擬零參考框解譯輸入。

當於204判斷姿勢狀態時，姿勢狀態係就主體參考框而言。換言之，考量從自動化技巧之旋轉。在404，於406將姿勢狀態用以判斷轉矩響應之前，姿勢狀態旋轉為虛擬零參考框。即，從姿勢狀態移除從自動化技巧之旋轉。

飛航控制程序400可整合繞技巧軸之角速率改變，以追蹤在自動化技巧期間實施之旋轉量。從感測器輸出可判斷改變角速率，諸如陀螺儀輸出。此技術於短期間可工作良好。長期而言，感測器融合需要追蹤旋轉量並補償陀螺儀隨時間發生之「偏移」。感測器融合為使用多個感測器計算同一事情並組合或「融合」結果以獲得更準確讀數之熟知方法。

若技巧軸為偏航軸且航空器具有磁量計，來自磁量計之感測器輸出可與來自陀螺儀之感測器輸出「融合」以更準確追蹤在自動化技巧期間實施之旋轉量。

技巧期間可侷限於繞技巧軸之某旋轉數，或可侷限於某時間量。飛航控制程序400可計算程序中技巧已完成之旋轉數或時間量。不論是旋轉數或時間量，技巧之長度可預定並儲存作為部分飛航控制程序400。

希望技巧僅於航空器完成繞技巧軸約整數旋轉時停止。航空器接著可於技巧開始及結束時具有繞技巧軸約略相同之旋轉角。在實施例中，技巧可僅於航空器完成繞技巧軸約整數之10度內旋轉時停止。換言之，技巧可僅於航空器完成繞技巧軸350至370度內旋轉時、繞技巧軸710至730度內旋轉時、繞技巧軸1070至1090度內旋轉時等停止。

技巧期間取決於繞技巧軸之旋轉量的準確測量，陀螺儀中之偏移可侷限技巧期間。技巧期間可侷限於陀螺儀中之偏移保持在可接受之錯誤限度內時。在實施例中，技巧於停止前可持續達繞技巧軸之五次旋轉。

在406，如同在正常飛航控制程序中之206，飛航控制程序400可從姿勢狀態減去目標姿勢以判斷姿勢錯誤。然而，因為目標姿勢係於虛擬零參考框中提供，在判斷來自飛行員之目標姿勢的姿勢錯誤中未考量來自自動化技巧之旋轉。結果，在判斷每一軸之轉矩響應中未考量來自自動化技巧之旋轉。相反地，飛航控制程序400可判斷於技巧軸上產生固定旋轉率之轉矩響應。在408，每一軸之轉矩響應於208混合之前旋轉回至主體參考框。

基於技巧飛航控制程序400，飛行員可以參照繞技巧軸之虛擬零的二非技巧軸駕駛航空器，即使航空器繞技巧軸旋轉。例如，對偏航旋轉自動化技巧而言，飛行員可以偏航之虛擬零方式駕駛航空器俯仰及滾動，即使航空器持續繞偏航軸旋轉。基於對於航空器之完全手動控制，結果之操縱可極難以實施；例如，基於對於航空器之完全手動控制，飛行員需要以滾動及俯仰輸入持續修正姿勢，同時航空器繞偏航軸旋轉。技巧飛航控制程序400可允許輕易地實施操縱。然而，不同於習知自動化技巧，飛行員在自動化技巧期間持續駕駛航空器而非將控制完全讓予航空器之電子裝置。飛行員可以相同高度及沿相同方向持續駕駛，或可在技巧執行期間改變方向或高度。

對享受駕駛而駕駛遙控航空器之飛行員而言，技巧飛航控制程序400允許飛行員保持控制。同時，技巧飛航控制程序400協助飛行員實施自動化技巧。飛行員可將自動化技巧旋轉動作併入飛行員本身操縱，發展複雜技巧。

在技巧飛航控制程序400期間，飛行員可保持二非技巧姿勢組份之控制。飛行員亦可具有繞技巧軸之改變角速率的控制。另一方面，繞技巧軸之改變角速率可預定並儲存作為部分飛航控制程序400。

自動化技巧旋轉耦合繞其他非技巧軸之動作。此改變系統之動力，導入新極點和零點。換言之，發動機命令未立即影響航空器之姿勢。可略微延遲直至發動機RPM匹配命令為止。若控制器於406判斷發動機命令適於目前方位，延遲可致使繞技巧軸旋轉之命令衝擊航空器繞其他二非技巧軸之旋轉。為避免不穩定，可侷限自動化技巧旋轉之旋轉率。另一方面，於406可使用更複雜控制器，諸如狀態回授控制器，或於408可使用更複雜混合器。

在終止技巧飛航控制程序400之前，較佳地使航空器繞主體參考框中技巧軸之旋轉返回至虛擬零參考框中之旋轉。航空器可持續回應於非技巧軸中之飛行員命令，同時將繞主體參考框中技巧軸之旋轉返回至虛擬零旋轉。此旋轉時間較佳地應不會太長，使得飛行員不會受阻於缺少控制。

雖然以上討論主要提及四軸直昇機，在自動化技巧期間可操控的飛航可應用於其他類型航空器。以上揭露可用於其他類型直昇機，包括三軸直昇機及飛機。在飛機方面，因飛機飛航力學，偏航軸可能不適於作為技巧軸，同時滾動軸可能特別適於作為技巧軸。

請注意，所揭露之實施例為描繪而非侷限性質，在上述揭露中考量廣泛的變化、修改、改變、及替代，且在若干情況下，可採用本發明之若干部件而未相應使用其他部件。熟悉本技藝之人士可基於各式實施例之上述描述而考量許多該等變化及修改。