TWI440997B - 遠端控制設備之驅動控制器 - Google Patents

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Description

遠端控制設備之驅動控制器 發明領域
本發明涉及遠端控制設備的驅動控制器，並且尤其涉及適合於例如模型直升機、航空攝影直升機、噴灑農藥直升機等的遠程控制直升機的驅動控制器。
 發明背景
例如模型直升機30等的遠端控制直升機具有如第5圖所示的基本結構，並且執行對連接至機身的主旋翼31以及連接至尾部的尾旋翼32的驅動控制。
通過旋轉主旋翼31，產生升力，並且控制模型直升機30的俯仰角以及上升、下降、向前、向後、向左、向右運動。此外，尾旋翼32抵消由主旋翼31的旋轉所產生的反作用轉矩，並且用於控制模型直升機30被水平旋轉。
模型直升機30的機身圍繞前後軸線(翻滾軸線)(roll axis)旋轉，以沿左右方向驅動機身。機身圍繞左右軸線(俯仰軸線)(pitch axis)旋轉，以沿前後方向驅動機身。機身圍繞豎直軸線(偏航軸線)(yaw axis)旋轉，以在水平面上旋轉地驅動機身。
第6圖為示出了主旋翼的控制系統的示意圖。主旋翼31由圓形支撐軸46支撐。旋轉斜盤(swash plate)40同心地設置於支撐軸線46上。旋轉斜盤40包括上部盤狀部件41和下部盤狀部件52，並且具有滑動軸承結構，從而旋轉斜盤40可 以相對於支撐軸46運動。上部盤狀部件41具有上部控制桿43，其以180°位於相反側，並且分別連接至主旋翼45的左右俯仰角控制臂47，以便控制主旋翼45的俯仰角。此外，下部盤狀部件42具有下部控制桿44a和44b，其彼此成90°佈置，並且被分別連接至翻滾控制致動器48和俯仰控制致動器49。
從控制系統的視角來看，模型直升機的前後運動由俯仰控制致動器49控制。模型直升機的左右運動由翻滾控制致動器48控制。
此外，第6圖示出了集合俯仰的控制，以控制模型直升機的上升和下降運動。
考慮到根據物理力作用(功能)的模型直升機的驅動，如果沿左右方向移動(翻滾)模型直升機，當主旋翼處於第7B圖中所示的位置“A”時，改變主旋翼的兩個旋翼槳葉的俯仰角。兩個旋翼槳葉的俯仰角之間的差使得施加於模型直升機的升力變化。當由於主旋翼的旋轉所產生的寇里奧利力而使得相位延遲90度時，產生升力變化。也就是說，當主旋翼處於位置“B”處時，產生該升力的變化，並且控制模型直升機沿左右方向驅動。
此外，因為模型直升機不具有偏航軸線的自控穩定性，因此回轉羅盤裝置對於模型直升機的驅動控制的穩定性是必不可少的。如果沒有回轉羅盤，模型直升機的前部將水平搖擺。
為了實現模型直升機的穩定驅動控制，日本專利申請 公開號H11-282502公開了用於改進偏航軸線角速度探測感測器的探測精度的技術，因此增加了偏航控制的精度。
在模型直升機的控制中，圍繞偏航軸線以高速旋轉模型直升機的主體的控制稱之為“原地旋轉”。當控制主體圍繞偏航軸線旋轉或原地旋轉時，在與翻滾操作或俯仰操作相關的寇里奧利力中發生偏差。該偏差根據模型直升機的偏航軸線角速度(原地旋轉的角速度)和主旋翼的轉速(RPM)之間的關係而變化。
例如，參照第7A圖，如果當主旋翼的旋轉方向s’與原地旋轉方向p’相同時進行翻滾操作，則當主旋翼處於位置“A”時，因為通過原地旋轉而轉動模型直升機，所以翻滾操作需要被真實地反映。然而，當主旋翼處於位置“A’”時，真實地反映翻滾操作，由此，翻滾和俯仰操作偏離操作者所預想的。
結果是，如果當模型直升機圍繞偏航軸線旋轉時進行翻滾和俯仰操作，則沿翻滾軸線和俯仰軸線發生相位偏差，從而翻滾和俯仰操作偏離操作者所預想的。
 發明概要
據此，本發明提供一種驅動控制器，其能夠通過修正翻滾軸線和俯仰軸線的相位偏差來實現翻滾和俯仰控制，從而甚至當例如模型直升機等的遠端控制直升機圍繞偏航軸線旋轉時，可以正確地執行翻滾和俯仰操作。
根據本發明的一方面，提供一種遠端控制設備的驅動 控制器，包括偏航軸線角速度探測單元，其用於輸出偏航軸線角速度作為偏航軸線角速度信號；主旋翼RPM探測單元，其用於輸出主旋翼RPM作為主旋翼RPM信號；相位控制單元，其用於基於偏航軸線角速度信號和主旋翼RPM信號探測翻滾軸線和俯仰軸線中的相位偏差，並且通過借助於該相位偏差來修正翻滾操作信號和俯仰操作信號而產生翻滾控制信號和俯仰控制信號；以及致動器控制單元，其用於基於由相位控制單元產生的翻滾控制信號和俯仰控制信號分別產生翻滾致動器驅動信號和俯仰致動器驅動信號，並且將產生的翻滾和俯仰致動器驅動信號分別輸出至翻滾控制致動器和俯仰控制致動器。
相位控制單元可以包括用於探測翻滾操作信號的翻滾操作信號探測單元；用於探測俯仰操作信號的俯仰操作信號探測單元；相位角計算單元，其用於基於偏航軸線角速度信號和主旋翼RPM信號計算相位偏差信號，相位偏差信號表示翻滾軸線和俯仰軸線中的相位偏差；以及受控制的變數計算單元，其用於基於翻滾操作信號、俯仰操作信號以及相位偏差信號來計算翻滾操作量和俯仰操作量，並且輸出計算的量作為翻滾控制信號和俯仰控制信號。
驅動控制器可以進一步包括：翻滾軸線角速度探測單元，其用於探測翻滾軸線的角速度，並且輸出探測的角速度作為翻滾軸線角速度信號；以及俯仰軸線角速度探測單元，其用於探測俯仰軸線的角速度，並且輸出探測的角速度作為俯仰軸線角速度信號，其中，翻滾操作信號探測單 元將翻滾軸線角速度信號增加至翻滾操作信號，並且俯仰操作信號探測單元將俯仰軸線角速度信號增加至俯仰操作信號。
根據本發明的一個方面，當模型直升機圍繞偏航軸線旋轉時可以實現正確的翻滾和俯仰操作。此外，考慮到翻滾軸線角速度和俯仰軸線角速度，可以實現更加精確和穩定的控制。
圖式簡單說明
結合附圖，從以下的實施例描述中，本發明的目標和特徵將變得明顯，其中：第1圖為示出了根據本發明的第一實施例的驅動控制器的配置的方塊圖；第2圖為示出了根據本發明的第一實施例的相位控制單元的配置的方塊圖；第3A和3B圖為示出了根據本發明的第二實施例的驅動控制器的配置的方塊圖；第4A和4B圖為示出了當翻滾軸線和俯仰軸線的相位偏差時，受控制的變數的示意圖；第5圖示出了模型直升機的主體和控制軸線；第6圖為示出了模型直升機的主旋翼的控制系統的示意圖；以及第7A和7B圖為示出了當執行原地旋轉時，翻滾軸線和俯仰軸線的相位偏差的示意圖。
 具體實施方式 (第一實施例)
現將參照第1和2圖描述根據本發明的第一實施例的驅動控制器。第1圖為示出了根據第一實施例的驅動控制器1的配置的方塊圖。
驅動控制器1包括偏航軸線角速度探測單元3；主旋翼RPM探測單元4；相位控制單元5；以及致動器控制單元6。接收器2接收來自發射器(未示出)的無線電波，並且將其解調為操作信號，將同一操作信號輸入至相位控制單元5。
偏航軸線角速度探測單元3包括偏航軸線角速度探測感測器，該感測器探測例如模型直升機的偏航軸線角速度，並且將探測的結果作為偏航軸線角速度信號輸出至相位控制單元5。
主旋翼RPM探測單元4包括主旋翼RPM計數器，其探測主旋翼的RPM，並且將探測的結果作為主旋翼RPM信號輸出至相位控制單元5。主旋翼RPM探測單元4可以配置成識別由操作者作為探測的值設置的主旋翼RPM，並且將識別的結果作為主旋翼RPM信號輸出至相位控制單元5。
基於偏航軸線角速度信號和主旋翼RPM信號，相位控制單元5計算相位偏差，該相位偏差相應於由於模型直升機圍繞偏航軸線的旋轉而產生的翻滾軸線和俯仰軸線每個中的相位移動。隨後，基於計算的相位偏差而修正其後將描述的翻滾操作信號和俯仰操作信號。將由修正產生的翻滾控制信號和俯仰控制信號輸出至致動器控制單元6。
致動器控制單元6基於翻滾控制信號產生相應於翻滾控制致動器的驅動信號，並且將其輸出至翻滾控制致動器7。隨後，借助於驅動旋轉斜盤(未示出)通過翻滾控制致動器7來控制模型直升機的翻滾操作。
這對於俯仰控制信號來說也是正確的，從而通過俯仰控制致動器8控制模型直升機的俯仰操作。
第2圖為示出了相位控制單元5的配置的方塊圖。相位控制單元5包括翻滾操作信號探測單元9、俯仰操作信號探測單元10、相位角計算單元11以及受控制的變數計算單元12。
翻滾操作信號探測單元9從通過接收器輸入的操作信號提取翻滾操作信號，並且將其輸出至受控制的變數計算單元12。俯仰操作信號探測單元10從通過接收器輸入的操作信號提取俯仰操作信號，並且將其輸出至受控制的變數計算單元12。
相位角計算單元11基於從偏航軸線角速度探測單元3輸入的偏航軸線角速度信號以及從主旋翼RPM探測單元4輸入的主旋翼RPM信號，通過計算由於模型直升機圍繞偏航軸線的旋轉產生的翻滾軸線和俯仰軸線每個中的相位偏差而產生相位偏差信號。將相位偏差信號輸入至受控制的變數計算單元12，以修正翻滾操作信號和俯仰操作信號。受控制的變數計算單元12將修正的翻滾控制信號和俯仰控制信號輸出至致動器控制單元6。
將參照第4A和4B圖詳細描述翻滾操作信號和俯仰操作 信號的修正。在第4A和4B圖中，圓的半徑表示操作的大小。
在模型直升機中，順時針方向原地旋轉，假定角速度為“p(度/秒)”，並且主旋翼的轉數為“s(rpm)”。此處，通過使用以下等式1獲得旋轉主旋翼90度(四分之一轉)所需的時間“r(秒)”。
(等式1)r=(60/s)×(1/4)
通過使用以下等式2而獲得由原地旋轉時間r(秒)而產生的翻滾軸線和俯仰軸線的相位偏差Φ(度)。
(等式2)Φ=p×r
在等式1和2中，假定順時針方向為正向，逆時針方向為逆向。在該情況中，原地旋轉方向和主旋翼旋轉方向可以通過將沿順時針方向的相位偏差限定為正極，並且將沿逆時針方向的相位偏差限定為負極而歸一化(normalized)。
在主旋翼的實際控制中反映相位偏差Φ(度)。假定翻滾操作量為“AL”，俯仰操作量為“EL”，當產生相位偏差Φ(度)時，通過使用以下等式3的向量計算而獲得翻滾操作量AL’和俯仰操作量EL’。
(等式3)AL’=AL×cosΦ+EL×sinΦ EL’=EL×cosΦ-AL×sinΦ
通過分別將翻滾操作量AL’和俯仰操作量EL’應用於翻滾控制致動器7和俯仰控制致動器8，甚至當模型直升機圍繞偏航軸線旋轉時，也可以實現使用翻滾軸線和俯仰軸線作為中心的修正，從而可以實現正確的翻滾和俯仰操作。
儘管在第4A圖中假定翻滾操作量AL等於俯仰操作量EL，即使翻滾操作量AL實際上不同於俯仰操作量EL，也可以建立等式3的關係，如第4B圖中所示。
(第二實施例)
將參照第3A和3B圖描述根據本發明的第二實施例的驅動控制器。
在根據第二實施例的驅動控制器1’中，與第一實施例中的構件相同的構件由相同的附圖標記表示，並且因此，將省略其多餘的說明，僅描述那些與第一實施例中不同的構件。
除了偏航軸線角速度探測單元3之外，驅動控制器1’還包括翻滾軸線角速度探測單元13和俯仰軸線角速度探測單元14。
翻滾軸線角速度探測單元13包括翻滾軸線角速度感測器，該翻滾軸線角速度感測器探測模型直升機的翻滾軸線角速度並且將其作為翻滾軸線角速度信號輸出至翻滾操作信號探測單元9’。翻滾操作信號探測單元9’將翻滾軸線角速度信號增加至翻滾操作信號，並且將因此獲得的合成信號輸出至受控制的變數計算單元12’。
類似地，俯仰軸線角速度探測單元14包括俯仰軸線角 速度感測器，該俯仰軸線角速度感測器探測模型直升機的俯仰軸線角速度並且將其作為俯仰軸線角速度信號輸出至俯仰操作信號探測單元10’。俯仰操作信號探測單元10’將俯仰軸線角速度信號增加至俯仰操作信號，並且將因此獲得的合成信號輸出至受控制的變數計算單元12’。
在第二實施例中，在翻滾操作量和俯仰操作量中分別反映翻滾軸線角速度信號和俯仰軸線角速度信號。因此，可以利用更高精度來修正相位偏差來穩定驅動控制。
此外，還可能通過將由於模型直升機圍繞偏航軸線的旋轉而產生的翻滾軸線和俯仰軸線每個中的相位偏差反映於翻滾軸線角速度信號和俯仰軸線角速度信號而實現更穩定的控制。
儘管已經參照實施例示例並且描述了本發明，但本領域技術人員應該理解的是，在不脫離如以下申請專利範圍中限定的本發明的範圍的情況下可以作出各種變化和修改。
1、1’‧‧‧驅動控制器
2‧‧‧接收器
3‧‧‧偏航軸線角速度探測單元
4‧‧‧主旋翼RPM探測單元
5‧‧‧相位控制單元
6‧‧‧致動器控制單元
7‧‧‧翻滾控制致動器
8‧‧‧俯仰控制致動器
9、9’‧‧‧翻滾操作信號探測單元
10、10’‧‧‧俯仰操作信號探測單元
11‧‧‧相位角計算單元
12、12’‧‧‧受控制的變數計算單元
13‧‧‧翻滾軸線角速度探測單元
14‧‧‧俯仰軸線角速度探測單元
30‧‧‧模型直升機
31‧‧‧主旋翼
32‧‧‧尾旋翼
40‧‧‧旋轉斜盤
41‧‧‧上部盤狀部件
42‧‧‧下部盤狀部件
43‧‧‧上部控制桿
44a、44b‧‧‧下部控制桿
45‧‧‧主旋翼
46‧‧‧支撐軸線
47‧‧‧左右俯仰角控制臂
48‧‧‧翻滾控制致動器
49‧‧‧俯仰控制致動器
52‧‧‧下部盤狀部件
p’‧‧‧原地旋轉方向
s’‧‧‧主旋翼的旋轉方向
A、A’、B‧‧‧位置
AL、AL’‧‧‧翻滾操作量
EL、EL’‧‧‧俯仰操作量
第1圖為示出了根據本發明的第一實施例的驅動控制器的配置的方塊圖；第2圖為示出了根據本發明的第一實施例的相位控制單元的配置的方塊圖；第3A和3B圖為示出了根據本發明的第二實施例的驅動控制器的配置的方塊圖；第4A和4B圖為示出了當翻滾軸線和俯仰軸線的相位 偏差時，受控制的變數的示意圖；第5圖示出了模型直升機的主體和控制軸線；第6圖為示出了模型直升機的主旋翼的控制系統的示意圖；以及第7A和7B圖為示出了當執行原地旋轉時，翻滾軸線和俯仰軸線的相位偏差的示意圖。
1‧‧‧驅動控制器
2‧‧‧接收器
3‧‧‧偏航軸線角速度探測單元
4‧‧‧主旋翼RPM探測單元
5‧‧‧相位控制單元
6‧‧‧致動器控制單元
7‧‧‧翻滾控制致動器
8‧‧‧俯仰控制致動器

Claims (3)

  1. 一種遠端控制設備的驅動控制器，包括：偏航軸線角速度探測單元，其用於輸出偏航軸線角速度作為偏航軸線角速度信號；主旋翼RPM探測單元，其用於輸出主旋翼RPM作為主旋翼RPM信號；相位控制單元，其用於基於該偏航軸線角速度信號和該主旋翼RPM信號探測翻滾軸線和俯仰軸線中的相位偏差，並且通過借助於該相位偏差來修正翻滾操作信號和俯仰操作信號而產生翻滾控制信號和俯仰控制信號；以及致動器控制單元，其用於基於由相位控制單元產生的該翻滾控制信號和該俯仰控制信號分別產生翻滾致動器驅動信號和俯仰致動器驅動信號，並且將產生的翻滾和俯仰致動器驅動信號分別輸出至翻滾控制致動器和俯仰控制致動器。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的驅動控制器，其中，該相位控制單元包括：翻滾操作信號探測單元，其用於探測該翻滾操作信號；俯仰操作信號探測單元，其用於探測該俯仰操作信號；相位角計算單元，其用於基於該偏航軸線角速度信號和該主旋翼RPM信號計算相位偏差信號，該相位偏差信 號表示該翻滾軸線和該俯仰軸線中的該相位偏差；以及受控制的變數計算單元，用於基於該翻滾操作信號、該俯仰操作信號和該相位偏差信號計算翻滾操作量和俯仰操作量，並且輸出計算的量作為該翻滾控制信號和該俯仰控制信號。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項所述的驅動控制器，進一步包括：翻滾軸線角速度探測單元，用於探測該翻滾軸線的角速度，並且輸出該探測的角速度作為翻滾軸線角速度信號；以及俯仰軸線角速度探測單元，用於探測該俯仰軸線的角速度，並且輸出該探測的角速度作為俯仰軸線角速度信號，其中，該翻滾操作信號探測單元將該翻滾軸線角速度信號增加至該翻滾操作信號，並且該俯仰操作信號探測單元將該俯仰軸線角速度信號增加至該俯仰操作信號。
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