[发明专利]具有辅助手动驾驶和自动驾驶的尤为飞翼型固定翼无人机

说明书

技术领域

本发明涉及远程驾驶飞行机动设备，此外一般称为“无人机”。

背景技术

具体而言，本发明应用于固定翼无人机，尤其是“飞翼”型，诸如可如瑞士Cheseaux-Lausanne的SenseFly的eBee型(其为专业陆地测绘无人机)或者法国巴黎的Parrot SA最近推出的Disco型(参见B.Popper在theverge.com上发布的短文“Parrot's new Disco drone ditches quadcopter design for a fixed-wing aircraft(Parrot的新Disco无人机抛弃用于固定翼飞行器的直升机设计)”，2016年1月4日)。

这些无人机由提供有遥控设备的用户远程驾驶，该遥控设备允许用户发送驾驶指令(诸如向上移动、向下移动、向右或向左转、加速/减速，等等)以及在安装于遥控设备上的屏幕上可视化由无人机的相机捕捉的图像。就无人机而言，它因变于从遥控设备接收到的指令来生成飞行控制命令：推进系统的电机速度、控制面命令，等等。这些命令因变于由无人机机载的多个传感器(诸如惯性单元(加速度计和三轴陀螺仪)、高度传感器(气压计、超声测距仪)、空速和/或地速测量设备，等等)提供的数据来进行反馈控制。

固定翼无人机(尤其是“飞翼”型的那些无人机)能以高速飞行，通常高达80km/h，并且考虑到它们对从遥控设备发送的驾驶指令的非常高的反应性以及保持最小飞行速度(高于失速速度)的必要性，它们通常相当难以驾驶。这些约束对于可保持固定点并且想飞多慢就飞多慢的旋翼无人机(例如，四螺旋桨直升机型)而言是不存在的，这使得它们远远更易于驾驶，甚至由没有经验的用户驾驶。

固定翼无人机包括具有由电机驱动的一个或若干个推进器的推进系统以及由相应伺服机构控制的控制面。无人机飞行进展通过改变电机的速度(供电电流的受控变化)以及通过在控制面上采取动作以控制无人机的轨迹来控制。

使用他的设置有操纵杆类型的比例命令的遥控设备，用户改变电机速度以增加或降低推力，并且在无人机的不同控制面上采取动作以修改无人机的姿态。

驾驶这样的无人机需要某些技能，涉及模型飞机领域的用户知道如何获取这些技能。另一方面，对于新手或仅仅临时用户，驾驶固定翼无人机不是直观的，并且出错风险对于坠落的后果风险、无人机的失控等等很重要。

在固定翼类型的无人机的情形中，这些困难尤其严重地增加。的确，这些无人机缺乏尾翼和方向舵单元，并且因此没有移动方向控制垂直面(在常规飞行器的情形中，诸如置于方向舵上的襟翼)。提供了飞翼作为控制面，飞翼的后缘上只布置了两个活动襟翼：这些襟翼在相同方向上的位移修改无人机的俯仰姿态(角θ)，而这两个襟翼在相反方向上的位移修改无人机的滚转姿态(角)，并且无人机除了电机速度控制之外没有用于控制其轨迹的其他空气动力学装置。

为了使无人机飞行，用户因此必须从他的遥控设备控制这两个襟翼的位置以修改无人机的俯仰和滚转姿态，这一修改可能伴有速度的增加或降低。

这样的驾驶模式绝不是容易和直观的，并且相对于提供有方向舵的飞行器而言，飞翼的非常不稳定的特性进一步增加了难度，尤其是在转向方面，并且这是这一类型的飞行器并不非常普及的原因。

为了补偿这一困难性，已经提出，如在A Bittar等人的论文“Central Processing Unit for an Autopilot:Description and Hardware-in-the-Loop Simulation(用于自动驾驶仪的中央处理单元：说明和回路中的硬件仿真)”，Journal of Intelligent and Robotic Systems，卷70，No 1-4，2012年8月4日，557-574页中描述的，为保留用户手动驾驶的乐趣，通过向他提供辅助驾驶模式，其中他只需管理“向右转”或“向左转”、“向上移动”或“向下移动”、“加速”或“减速”类型的经简化的命令(此后称为“指令”)，这样的指令是例如借助于无线电控制装置的操纵杆来生成的。

自动驾驶机载软件将这些非常简单的指令转换成飞行器姿态设定点(即转换成滚转角设定点和俯仰角设定点)以及速度设定点。如此通过自动驾驶仪产生的设定点在合适的控制环路内与由在任何时刻评估飞行器的实时瞬时姿态、其高度、其空速和/或地速等等的机载传感器所产生的数据相比较，以产生用于控制姿态的控制面操纵伺服机构的合适命令或者用于控制速度的推进系统的命令。