PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA EL MANDO A DISTANCIA Y LA ESTABILIZACION DE AERONAVES NO TRIPULADAS.

Procedimiento para el control de un aerodino no tripulado, mandado a distancia y capaz de vuelo estacionario,

donde por parte de un piloto se forma una señal de mando mediante un elemento transductor (1), donde para el restablecimiento automático, al menos parcial, de la posición horizontal del aerodino al neutralizar el elemento transductor (1) se forma por lo menos una señal de giro (12, 40, 41) a partir de una velocidad de giro de por lo menos una inclinación de cabeceo o una inclinación de balanceo, se integra en el tiempo mediante un integrador (5, 5'''') y se utiliza la integral (8, 8'''') dentro del marco de una regulación de valor real/valor de consigna como valor real de un ángulo de inclinación, utilizando la señal de valor como señal de consigna de un ángulo de inclinación y se conduce la diferencia entre el valor real y el valor de consigna como valor de ajuste a un elemento de ajuste que controle la inclinación de vuelo, estando limitado en el tiempo el tiempo de integración del integrador (5, 5'''') de acuerdo con una constante de tiempo definida o de acuerdo con una ventana de tiempo definida

Procedimiento y dispositivo para el mando a distancia y la estabilización de aeronaves no tripuladas.

La invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para facilitar el control y en particular para estabilizar aeronaves no tripuladas, en particular modelos o maquetas de helicópteros que se dirigen desde el suelo, o también otros giroplanos, pequeños aviones radiocontrolados y aeromodelos.

El mando de esta clase de aerodinos es difícil por diversos motivos y sólo es posible para pilotos con experiencia. En particular es necesario que cualquier posición de vuelo no neutra adoptada para el mando o también adoptada casualmente, por ejemplo una inclinación de balanceo o de cabeceo ha de volver a ser enderezada por el piloto ya que en caso contrario cualquier inclinación que se mantuviera se convertiría en una trayectoria de vuelo cuya velocidad aumentaría constantemente. El enderezamiento se realiza generalmente mediante un mando de corrección continuo por parte del piloto. Pero para ello se necesita entrenamiento y constante contacto visual. Unas distancias visuales mayores dificultan adicionalmente el mando. Si un helicóptero se encuentra por ejemplo en la vertical encima del piloto es incluso imposible mantenerlo en suspensión, ya que únicamente se perciben visualmente aquellas inclinaciones que sean de importancia. Para resolver el problema se emplean a veces estabilizadores de posición, pero que generalmente adolecen de falta de precisión o son caros debido a los instrumentos de medida.

Los documentos DE 69502379-9.08, JP 10328427 y US 5.738.300 describen sistemas de autopiloto que para helicópteros tripulados contienen entre otros un palpador de medida giroscópico y otros medios para integrar señales.

También se conocen dispositivos para regular la posición mediante la medición óptica de la inclinación sirviéndose del ángulo de incidencia de la luz o de los rayos infrarrojos, pero cuyo inconveniente es que dependen de un horizonte óptico.

Igualmente se conocen estabilizadores giroscópicos para movimientos alrededor del eje vertical, que contienen un codificador rotatorio giroscópico. En este caso se forma una diferencia entre valor real y valor teórico, entre el valor medido que es proporcional a la velocidad de giro y un valor teórico originado por el piloto, y se conduce esta diferencia al correspondiente servomecanismo a través de un bucle de regulación, p.ej. un bucle de regulación PID que puede contener un integrador. Si se fueran a prever tales estabilizaciones para los ejes de inclinación, es decir para el eje de balanceo o el eje de cabeceo, se podría obtener una estabilización frente a desviaciones mecánicas y aerodinámicas, y sustituir por lo tanto las estabilizaciones mecánicas de la cabeza del rotor, pero en cambio no es posible neutralizar automáticamente una inclinación ya existente. Por otra parte, incluso las mínimas derivas de la señal de medición se integran también forzosamente y se suman para dar lugar a errores que corresponden a una posición inclinada defectuosa.

De la Revista ROTOR 7/2002 se conoce un sistema de estabilización "VR-Stabi" con giróscopos electrónicos previstos para los ejes de balanceo y de cabeceo, donde se simula electrónicamente la barra de paleta/barra estabilizadora mecánica usual. Para ello se mezcla para los ejes de control de balanceo y cabeceo con el valor de ajuste emitido una señal de medición de velocidad de giro integrada, mezclándose la señal de mando del piloto por una parte de forma directa y por otra parte en la entrada del integrador. Sin embargo no está previsto aquí el enderezamiento de una posición inclinada ya adoptada.

El documento DE 103 04 209 A1 describe un dispositivo de corrección que integra señales de control, procedentes por ejemplo de una palanca de mando, y genera a partir de ello un valor de ajuste neutro, con lo cual no procede la compensación manual para volver a una posición neutra. Sin embargo el piloto ha de seguir dirigiendo contra-activamente toda posición inclinada que aparezca, incluso después de cada posición inclinada iniciada intencionadamente tendría que volver a enderezar la inclinación con una desviación contraria debidamente dosificada, ya que solamente puede controlar la velocidad de variación de la inclinación (velocidad de balanceo o cabeceo).

El documento EP 0 752 634 describe un dispositivo para regular la inclinación de un helicóptero controlado a distancia donde se integra dentro del marco de una rama PID una señal de medición de velocidad de giro, en cuyo caso la integral se representa como valor de medida del ángulo de inclinación.

El documento DE 102 58 545 A1 describe un sistema de estabilización que comprende la regulación de una inclinación de la trayectoria de vuelo y para ello propone como valor de medición de la inclinación una integral en el tiempo de una señal de giro proporcional a la velocidad angular de la inclinación. Como contramedida frente al error del punto cero que aparece por la integración se propone allí (véase especialmente el apartado 0055) una combinación con otros valores de medida de la inclinación procedentes de otros instrumentos, lo cual sin embargo significa un gasto adicional.

El objetivo de la invención es un procedimiento y un dispositivo para controlar aeronaves no tripuladas dirigidas a distancia capaces de mantenerse en suspensión, en particular giroplanos, que permita al menos aproximadamente un control del ángulo de inclinación, es decir p.ej. un ángulo de balanceo o de cabeceo, y que al neutralizar la palanca de mando restablezca al menos aproximadamente la posición horizontal. En particular se ha de poder generar un valor de ajuste que sea adecuado para controlar un servomecanismo, p.ej. un servomotor.

Para ello están previstas las características identificadas en las reivindicaciones independientes. Las características de unas formas de realización preferentes de la invención se describen en las reivindicaciones subordinadas.

Como sensor de la velocidad de giro se puede emplear por ejemplo un piezo giróscopo o un giróscopo SMS (Silicon micro machine).

La señal de inclinación integrada del sensor de velocidad de giro se puede considerar como el valor real de un ángulo de inclinación. Por lo tanto se puede conseguir una regulación de la inclinación que al retirar una desviación de control regule automáticamente la inclinación volviéndola a una posición sensiblemente horizontal.

De acuerdo con la invención se puede efectuar una regulación de la inclinación integrando una señal de velocidad de giro para formar un valor real, donde está limitado el tiempo de integración para evitar derivaciones del cero. Para la regulación de la inclinación se le añade un valor teórico después de la formación de la integral, o se resta de ésta. La diferencia de valor real - teórico formada de este modo se puede aportar al correspondiente servomecanismo empleando medios conocidos de un bucle de regulación. Como diferencia entre valor real - teórico puede servir la diferencia entre un valor teórico de inclinación dado por el piloto y un valor real de inclinación aproximado calculado en el integrador. La invención permite que en una aeronave controlada a distancia y capaz de mantenerse en suspensión, se restablezca en gran medida automáticamente la posición horizontal después del direccionamiento y de adoptar un ángulo de inclinación y la subsiguiente neutralización de la palanca de mando.

Mediante la regulación conforme a la invención se cierra en particular un circuito de regulación que puede estar realizado en particular como PID. A diferencia de las regulaciones PID convencionales (proporcional - integral - diferencial), la duración de la integración está limitada en el tiempo o tiene unas barreras o unos límites de tiempo. En particular la limitación puede tener lugar al reacoplar a la entrada una parte del valor real y/o del valor teórico.

Mientras en la entrada del integrador no esté aplicada ninguna señal, la limitación del tiempo de integración puede provocar una retirada o "descarga" de la integral hasta un valor cero. La retirada puede tener un desarrollo en el tiempo de carácter asintótico. Mediante la limitación del tiempo de integración se evita que las derivas del cero se sumen de forma molesta con el valor integral.

La constante de tiempo o ventana de tiempo determinante para la limitación puede estar definida; la definición puede significar una constante de tiempo predeterminada o una ventana de tiempo predeterminada.

Una...

1. Procedimiento para el control de un aerodino no tripulado, mandado a distancia y capaz de vuelo estacionario, donde por parte de un piloto se forma una señal de mando mediante un elemento transductor (1), donde para el restablecimiento automático, al menos parcial, de la posición horizontal del aerodino al neutralizar el elemento transductor (1) se forma por lo menos una señal de giro (12, 40, 41) a partir de una velocidad de giro de por lo menos una inclinación de cabeceo o una inclinación de balanceo, se integra en el tiempo mediante un integrador (5, 5') y se utiliza la integral (8, 8') dentro del marco de una regulación de valor real/valor de consigna como valor real de un ángulo de inclinación, utilizando la señal de valor como señal de consigna de un ángulo de inclinación y se conduce la diferencia entre el valor real y el valor de consigna como valor de ajuste a un elemento de ajuste que controle la inclinación de vuelo, estando limitado en el tiempo el tiempo de integración del integrador (5, 5') de acuerdo con una constante de tiempo definida o de acuerdo con una ventana de tiempo definida.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde como señal de giro se emplea una señal de medición de la velocidad de giro de un sensor de velocidad de giro giroscópico para por lo menos uno de los ejes de inclinación, de balanceo y de cabeceo.

3. Procedimiento para la estabilización del vuelo de un aerodino no tripulado, mandado a distancia y capaz de vuelo estacionario, en particular un giroplano, especialmente la reivindicación 1, empleando un sensor de velocidad de giro para por lo menos uno de los ejes de inclinación de balanceo y cabeceo, cuya señal de medición se integra en el tiempo, caracterizado porque se añade mezclando una señal de mando dada por el piloto, designada a continuación como valor de consigna, junto a la integral de la señal de medición, denominada en lo sucesivo valor real, o se forma con ellos una diferencia, caracterizado además porque la duración del tiempo de integración está limitado de acuerdo con una constante de tiempo definida o de acuerdo con una ventana de tiempo definida.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde por lo menos en uno de los modos de funcionamiento no participan otros instrumentos que midan la inclinación relativa al eje de inclinación y en particular ningún instrumento que mida la aceleración.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el tiempo de integración limitado es mayor que la duración de las desviaciones de control usuales.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque el tiempo de integración limitado está realizado al mezclar una pequeña parte definida del valor real y/o del valor de consigna en sentido contrario en la entrada del integrador (5, 5'), de modo que la integral se puede descargar a lo largo de un período de tiempo más largo.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la integración se realiza con un tiempo de integración limitado, al descargar continuamente valores de medición en células de memoria intermedia, y porque se forma constantemente un valor medio a partir de una cantidad definida de valores memorizados y en particular ponderados.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el tempo de integración limitado es más largo que la duración de las desviaciones de inclinación usuales.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque mediante una señal de giro de guiñada, que señaliza al menos de modo aproximado los giros alrededor del eje vertical del aerodino, se someten las señales como valores de cálculo a un giro vectorial, controlándose el ángulo de giro por la señal de giro.

10. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque la integración de la señal de giro de inclinación tiene lugar girando por cálculo constantemente de modo incremental un sistema de coordenadas vectorial con la velocidad de giro de inclinación.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, integrándose la diferencia (12) entre la señal de mando (11) y la señal integrada (8), y por lo tanto sometiendo la señal de mando (11) dada por el piloto a un filtrado de paso alto, no afectando el filtrado de paso alto a ninguna señal de medición procedente de instrumentos de medida, añadiéndose la señal de mando filtrada (12) filtrada en paso alto al valor de ajuste, o mezclándose por lo menos proporcionalmente y sustituyendo al menos parcialmente a la señal de mando original (11).

12. Dispositivo para la estabilización del vuelo de un aerodino no tripulado y con mando a distancia, en particular un giroplano, en la que está previsto por lo menos para uno de los ejes de inclinación de balanceo y cabeceo un sensor de velocidad de giro, así como un integrador (5, 5') para la señal de medición emitida por el sensor de velocidad de giro, caracterizado por un circuito electrónico que mezcla una señal de mando dada por el piloto y utilizada como valor de consigna de un ángulo de inclinación, denominado en lo sucesivo valor de consigna, junto a la integral de la señal de medida empleada como valor de medición de un ángulo de inclinación, denominada en lo sucesivo valor real, o forma con ellos una diferencia, estando limitada la duración del tiempo de integración de acuerdo con una constante de tiempo definida o de acuerdo con ventana de tiempo definida.

13. Dispositivo según la reivindicación 12, caracterizado porque por lo menos en un modo de funcionamiento no intervienen otros instrumentos que midan la inclinación.

14. Producto de programa informático, que comprende un código de programa que al cargarlo y ejecutarlo en un microprocesador provoca un desarrollo de proceso de acuerdo con una de las reivindicaciones de procedimiento anteriores.

15. Aerodino no tripulado comprendiendo un dispositivo conforme a una de las reivindicaciones de dispositivo anteriores.