用于控制真实或虚拟空中物体的控制装置 |
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| 申请号 | CN202310604400.2 | 申请日 | 2020-01-03 | 公开(公告)号 | CN116931650A | 公开(公告)日 | 2023-10-24 |
| 申请人 | M-R·格纳特; | 发明人 | M-R·格纳特; | ||||
| 摘要 | 为了进一步改进用于控制无人和/或有人和/或虚拟空中物体(10)的控制装置(100)，使得该控制更易于使用并且即使是未受过训练的个人也可以直观且更快速地学习，控制装置(100)具有用于控制空中物体(10)围绕垂直轴(11)、纵轴(12)和横轴(13)的运动的第一控制元件(15)、第一控制元件(15)围绕其垂直轴线(11)、其纵轴(12)和其横轴(13)的旋转运动和/或枢转运动导致空中物体(10)围绕其垂直轴(11)、纵轴(12)和横轴(13)运动，并且控制装置(100)还具有用于改变空中物体(10)的飞行高度(14)和/或速度和/或推 力 的第二控制元件(16)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于控制无人和/或有人和/或虚拟空中物体(10)，特别是真实和/或虚拟多旋翼飞行器的控制装置(100)，其中空中物体(10)围绕垂直轴(11)、纵轴(12)和横轴(13)的运动通过第一控制元件(15)控制，其中此外，所述空中物体(10)的飞行高度(14)和/或速度和/或推力的变化通过第二控制元件(16)控制， |
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| 说明书全文 | 用于控制真实或虚拟空中物体的控制装置技术领域[0002] 本发明涉及用于控制无人和/或有人和/或虚拟空中物体，特别是真实和/或虚拟多旋翼飞行器的控制装置，其中围绕空中物体的垂直轴、纵轴和横轴的运动是通过第一控制元件控制的。此外，通过第二控制元件控制空中物体的高度和/或速度和/或推力的变化。 [0003] 为了控制无人机或多旋翼飞行器等无人空中物体，使用传统的遥控器，其通常具有两个并排布置且彼此相距一定距离的控制杆。这些控制杆可用于控制无人机相对于其三个轴的运动以及飞行高度的变化。这通常是传统的四通道遥控器，其中三个通道用于控制空中物体绕其垂直轴、横轴和纵轴的运动，其中第四通道用于改变上下运动。在这种传统的遥控器中，所有四个通道都通过两个控制杆进行控制(两个通道，每个通道通过一个控制杆控制)。 背景技术[0004] DE 402009005121设计展示了一种带有两个独立控制杆的传统遥控器。两个控制杆中的每一个控制两个轴。 [0005] US 2016/0297522 A1描述了一种用于控制无人机的传统四通道遥控器，其具有用于控制无人机的两个控制杆，该遥控器还具有用于显示无人机上的相机记录的图像或视频的屏幕。 [0006] US 2017/0108857 A1中描述了另一种用于控制无人机的遥控器。这个遥控器有一个触敏显示器，通过它可以控制无人机或其绕各自轴的运动。此外，遥控器本身绕其轴的运动可以控制无人机绕相应轴的运动。 [0007] 发明概述 [0008] 本发明的目的是进一步改进用于控制无人和/或有人和/或虚拟空中物体的控制装置，使得该控制更易于使用并且即使是未受过训练的个人也可以直观且更快速地学习。 [0009] 为此，根据本发明，提供了用于控制无人和/或有人和/或虚拟空中物体的控制装置，其中空中物体围绕垂直轴、纵轴和横轴的运动通过第一控制元件控制，其中此外，空中物体的飞行高度和/或速度和/或推力的变化通过第二控制元件控制。根据本发明，控制装置被设计成使得第一控制元件围绕其垂直轴、其纵轴和其横轴的旋转运动和/或枢转运动导致空中物体围绕其垂直轴、纵轴和横轴运动。 [0010] 根据本发明的控制装置可以用于例如控制水下无人机、无人和有人无人机、宇宙飞船、导弹、直升机、遥控头(例如，遥控摄像头)、模型飞机或万向节。此外，根据本发明的控制装置可以用于控制虚拟的空中物体，例如用于视频或计算机游戏或飞行模拟器。 [0011] 为了使根据本发明的控制装置的操作更容易学习和使用更直观，控制装置具有两个单独的控制元件，第一控制元件和第二控制元件。与传统的四通道遥控器相比，第一控制元件用于控制三个通道，即控制空中物体绕垂直轴、纵轴和横轴的运动或偏转。第二控制元件用于控制第四通道，即改变空中物体的高度和/或速度和/或推力。例如，在无人机或多轴飞行器的情况下，这对应于节气门。在其他空中物体的情况下，通过第二控制元件对第四通道的控制可以例如导致速度、加速度或推力的改变，特别是向前推力的改变。 [0012] 为了控制三个通道，第一控制元件以这样的方式可旋转和可枢转地安装，使得第一控制元件围绕垂直轴的旋转运动导致空中物体被控制并且围绕其垂直轴运动。第一控制元件绕其纵轴的枢转运动或旋转运动导致空中物体绕其纵轴运动。此外，第一控制元件绕其横轴的旋转运动或枢转运动导致空中物体绕其横轴运动。第一控制元件因此可以围绕其三个轴移动或旋转，每次移动或偏转引起空中物体围绕相应的对应轴的相应移动或偏转。 [0013] 为此，控制装置具有固定底座，第一控制元件可相对于该固定底座移动或绕其三个轴枢转或旋转。这应理解为第一控制元件可旋转地和/或可枢转地安装在固定底座上。因此固定底座不与第一控制元件一起移动。例如，固定底座可以设计为支撑板或相应设计的框架、三脚架或其他。固定底座也可以内置到物体中。通过相应的重量比或压力比，当第一控制元件被致动或移动时，底座可以保持静止。固定底座因此也可用于将控制装置支撑在底座上，例如桌子上。或者，控制装置也可以设计成戴在脖子上。在这种情况下，固定底座可以是支撑在主体上或定位在主体前面的支撑元件。在本发明的上下文中，固定底座因此被理解为相对于第一控制元件固定的元件。固定底座不必固定，但可以永久固定到位。 [0014] 第一控制元件优选地经由一个轴承元件或经由多个轴承元件连接到固定底座。特别地，第一控制元件可旋转地安装在固定底座上或通过轴承元件可旋转地连接到固定底座，使得其可绕第一控制元件的垂直轴旋转。因此，第一控制元件或其垂直轴通过固定底座至少暂时保持或固定就位。然而，控制装置作为一个整体仍然可以设计为便携的。 [0015] 对于控制元件的三个轴中的每一个，控制装置具有角度传感器，用于检测围绕相应轴的运动的偏转。这些角度传感器可以布置在相应轴上的任何合适的点上。例如，角度传感器可以安装在轴的中间、轴的末端或轴之间。控制元件绕相应轴的偏转通过角度传感器记录。借助角度传感器检测到的角度用作控制空中物体绕各自或相应轴的偏转或运动的基础。 [0016] 第一控制元件的纵轴和横轴可以彼此间隔开或者具有交点并且因此布置在一个平面上。纵轴和横轴之间的距离优选小于10cm，特别优选小于5cm并且非常优选小于2.5cm。然而，特别地，第一控制元件的垂直轴、纵轴和横轴穿过公共点，即三个轴线的交点的中心点。特别是，公共点位于固定底座上方。 [0017] 此外，优选地规定，使第一控制元件通过弹簧元件相对于其垂直轴和/或其纵轴和/或其横轴静止。这提供了第一控制元件相对于其相应轴线的自动返回到零位置或零位设置。弹簧元件是柔性元件，尤其是弹簧、橡胶或液压元件，并且通过张力和/或压力连接将相应的轴线锁定就位。弹簧元件的弹簧作用或弹簧力可以优选地针对每个轴线单独地或针对所有轴线共同地设定或改变。还可以为每个轴提供单独的弹簧元件。如果需要，也可以停用弹簧作用或弹簧力。因此，第一控制元件相对于其垂直轴和/或其纵轴和/或其横轴通过弹簧元件固定在中立状态或其零位设置。 [0018] 还优选地规定，第一控制元件具有两个平行且间隔开的平面，它们围绕第一控制元件的相应轴线，即垂直轴、纵轴和横轴一起旋转或枢转。这两个平面可以是板状的。两个平面以这样一种方式相互连接，即它们遵循相同的运动。这意味着两个平面相对于彼此的位置以及它们彼此之间的距离在第一控制元件的运动期间保持恒定。此外，优选地规定，控制元件的三个轴线的中心交点布置在两个平面之间，非常特别优选地布置在两个平面之间的中央。 [0019] 第一控制元件也可以具有彼此成角度布置的两个平面。例如，两个平面可以彼此成5度到30度之间的角度布置。对于某些应用，如果两个平面彼此之间的夹角大于0度，则使用的便利性会增加。这样，例如，可以实现两个平面之一朝向用户的轻微倾斜。最优选地，第一控制元件的两个平面之间的角度可以设置在0度(彼此平行)和30度之间。因此，用户可以非常特别优选地根据应用或期望的设置自己指定角度。 [0020] 或者，第一控制元件直接安装在固定底座上，以便它可以围绕所有三个轴移动。为此，第一控制元件例如可以具有从固定底座开始增大的横截面。例如，第一控制元件至少部分地构造成圆锥形或至少部分地具有锥形截面的形状。 [0021] 第二控制元件优选设计为杠杆、旋钮、摇杆、手枪式扳机或踏板。取决于第二控制元件是否以可以用脚或用一个手指或多个手指操作的方式设置，可以相应地设计第二控制元件。为了脚致动，第二控制元件相应地特别是设计为踏板、踏板形或摇杆。对于手动操作或用一个或多个手指操作，第二控制元件优选设计为杠杆、旋钮、摇杆或手枪式扳机。 [0022] 第二控制元件优选地布置在第一控制元件上和/或控制装置的固定底座上。 [0023] 因此，优选地提供用于布置第二控制元件的至少两个变型。在第一变型中，第二控制元件附接到第一控制元件，其中第二控制元件与第一控制元件一起移动，使得当用双手操作第一控制元件时，第二控制元件总是能够用手指触及或操作。因此，不必为了操作第二控制元件而释放第一控制元件。 [0024] 在第二变型中，第二控制元件不连接到第一控制元件，而是连接到控制装置的固定底座。第二控制元件不跟随第一控制元件的运动。 [0025] 对于第一变型，第二控制元件可以设置在第一控制元件上，特别是设置在第一控制元件的上平面上，作为杠杆、旋转轮、摇杆或手枪式扳机。在第二变型中，第二控制元件例如可以单独设置为踏板或作为用于脚致动的摇杆，并且因此不连接到第一控制元件。 [0026] 还优选地规定，控制装置具有两个手柄，它们与第一控制元件或与控制装置的固定底座刚性连接。两个手柄都要用双手握住。手柄的对齐以及手柄之间的距离优选地是可调节的或可变的。手柄可以设计为完全独立的手柄，或者也可以例如通过杆件连续地相互连接。此外，手柄可以是第一控制元件的上平面的部分或与第一控制元件形成一体。 [0027] 在第一变型中，手柄刚性地连接到第一控制元件。该变型尤其用于控制装置的就座使用或就座操作。通过手柄直接移动第一控制元件。手柄特别优选地布置在第一控制元件的上平面上。当控制装置戴在脖子上并在站立时在身体前方操作控制装置时，该变型也适用。 [0028] 在第二变型中，手柄刚性地连接到控制装置的固定底座而不是第一控制元件。该变型尤其用于控制装置的坐、卧或站立操作。在这些操作模式中，第一控制元件可以具有坐面、卧面或站立面，人可以在其上坐下、躺下或站立并且通过改变他的重量来围绕其三个轴移动第一控制元件。对于这些类型的操作，手柄优选地与固定底座刚性地布置而不是在第一控制元件上。手柄因此具有更多的保持或支撑功能，其中第一控制元件通过身体运动或重量转移而不是直接通过手柄移动。 [0029] 手柄优选地布置在平行于第一控制元件的横轴的线上并且特别优选地相对于第一控制元件的横轴在高度上偏移。手柄可以但不需要布置在第一控制元件的中间。 [0030] 此外，第一控制元件的零位设置或零位置可以相对于其垂直轴、其纵轴和其横轴被设定和改变。第一控制元件的零位设置应理解为不会导致空中物体偏转的设置或位置。因此，它是第一控制元件的中性设置。零位设置可以但不必对应于最大偏转中心或围绕轴之一的最大角度。零位设置可以以第一控制元件在零位设置中水平地并且平行于固定底座布置的方式来提供。替代地，零位设置也可以表示倾斜位置或围绕一个或多个轴的预定偏转。 [0031] 此外，优选地规定，第一控制元件可以围绕其垂直轴旋转或枢转第一最大角度，其中第一最大角度是可调节和可变的。在本发明的上下文中，最大角度应理解为控制元件可围绕相应轴线旋转或枢转的最大总偏转或最大范围。第一最大角度涉及绕第一控制元件的垂直轴的最大偏转。第一最大角度可以相对于第一控制元件的垂直轴关于零位设置对称地或不对称地设置。例如，通过改动或改变第一控制元件相对于其垂直轴的零位设置，可以实现非对称放置。第一最大角度的优选起始值对应于50°；在对称放置的情况下，第一控制元件围绕其垂直轴在两个方向中的每一个方向上最大偏转25°都可以在此基础上是可能的。 [0032] 平移因子用于确定记录的角度与围绕空中物体轴的实际偏转或实际角度之间的关系。第一控制元件围绕相应轴线的偏转通过如上所述的角度传感器检测。平移因子特别优选是可调节的。可以通过改变最大总偏转或相应的最大角度和/或也以某种其他方式，例如以计算值的形式电子地设置平移因子。 [0033] 可以为每个轴提供单独的平移因子。在本发明的上下文中，第一平移因子涉及围绕第一控制元件围绕其垂直轴的偏转的检测角度与围绕空中物体的垂直轴的实际偏转之间的比率。第二平移因子涉及绕第一控制元件的纵轴的偏转与空中物体绕其纵轴的实际偏转的比率。第三平移因子涉及绕第一控制元件的横轴的偏转与空中物体绕其横轴的实际偏转的比率。下面的简单方程用于说明这个原理： [0034] 角度A/X(平移因子)＝角度B [0035] 角度A对应于检测到的第一控制元件围绕相应轴的角度偏转； [0036] X对应对应轴的平移因子； [0037] 角度B对应于空中物体绕相应轴的角度偏转的实际控制。 [0038] 第一控制元件还优选地可围绕其纵轴旋转第二最大角度，其中第二最大角度是可调节和可变的。此外，第一控制元件优选地可围绕其横轴旋转第三最大角度，其中第三最大角度是可调节和可变的。与第一最大角度相关的相同的先前描述的特征适用于第二最大角度和第三最大角度。 [0039] 因此，第一最大角度涉及第一控制元件绕其垂直轴的最大总偏转，第二最大角度涉及第一控制元件绕其纵轴的最大总偏转，第三最大角度涉及第一控制元件绕其横轴的最大总偏转。 [0040] 此外，优选地规定，第二控制元件的零位设置可以被设置和改变。因此也可以为第二控制元件改变和设定最大总偏转或最大范围。零位设置可以在零位置、中心位置或第二控制元件的零位置和中心位置之间的任何区域。该位置或该零位设置可以特别优选地被改变。 [0041] 对于第一控制元件，可以为第二控制元件提供平移因子，即第四平移因子。然后，第四平移因子反映检测到的第二控制元件的偏转与空中物体的实际控制之间的比率。在多旋翼飞行器的情况下，这将是检测到的第二控制元件的偏转与改变多旋翼飞行器高度的节气门之间的比率。下面的简单方程用于说明这个原理： [0042] 偏转A/X(平移因子)＝控制B [0043] 偏转A对应于检测到的第二控制元件的偏转； [0044] X对应于第二控制元件的平移因子； [0045] 控制B对应于对空中物体的实际控制以改变其高度、速度或推力； [0046] 第二控制元件优选地具有弹簧装置，在第二控制元件被致动之后通过该弹簧装置将其复位到其零位设置。在释放第二控制元件之后，它因此通过弹簧装置自动复位。与第一控制元件的弹簧元件一样，第二控制元件的弹簧装置优选地在其弹簧作用或弹簧力方面是可调节和可变的。因此提供了对第二控制元件的零位设置的自动返回。附图说明 [0047] 下面基于优选实施方案通过示例来解释本发明。 [0048] 示意图显示如下： [0049] 图1：控制装置的透视图， [0050] 图1a‑1d：控制装置的第一控制元件的示例性旋转和枢转运动， [0051] 图2：用于在躺卧状态下应用或操作的控制装置的透视图， [0052] 图3：挂在人脖子上的控制装置的透视图， [0053] 图4和图5：具有符合人体工程学形状的第一控制元件的另一个控制装置，以及[0054] 图6a：现有技术的4通道遥控器的示意图， [0055] 图6b：控制装置的示意图；以及 [0056] 图6c：控制装置的3维示意图。 [0057] 发明详述 [0058] 图1以实施例的方式示出了用于控制无人和/或有人和/或虚拟空中物体10的控制装置100的变型。这里作为示例示出了对多旋翼飞行器或无人机的控制。经由控制装置100控制空中物体10绕垂直轴11、纵轴12和横轴13的运动。空中物体10绕这三个轴11、12、13的运动由控制装置100的第一控制元件15来控制。 [0059] 为此目的，第一控制元件15以这样的方式安装在固定底座19上，使得其可围绕第一控制元件15的垂直轴11a旋转并且还可围绕第一控制元件15的纵轴12a和横轴13a枢转。第一控制元件具有彼此平行的两个平面17、18。 [0060] 考虑到第一平移因子，第一控制元件15围绕其垂直轴11a的旋转运动引起空中物体10围绕其垂直轴11的相应旋转运动。考虑到第二平移因子，第一控制元件15围绕其纵轴12a的枢转运动引起空中物体10绕其纵轴12的相应枢转运动。考虑到第三平移因子，第一控制元件15绕其横轴13a的枢转运动引起空中物体10绕其横轴13的枢转运动。 [0061] 如前所述，图1中以示例方式显示了对多旋翼飞行器或无人机的控制。在多旋翼飞行器的情况下，第四通道对应于节气门，因此对应于空中物体10的高度变化14。飞行高度14的这种变化通过控制装置100的第二控制元件16来控制。在图1所示的实施例中，第二控制元件16以这样的方式布置在第一控制元件15上，使得可以通过使用食指以简单的方式操作而不必松开第一控制元件15上的控制装置100的手柄20、21。 [0062] 在图1所示的实施例中，手柄20、21布置在第一控制元件15上并且与其连接。可以改变或调整手柄20、21的对齐，特别是它们相对于第一控制元件15的表面的倾斜度。手柄20、21之间的距离也可以是可调的。 [0063] 图1a至1d示出了控制装置100的第一控制元件15的示例性旋转和枢转运动以及空中物体10的相应的对应运动。 [0064] 图2示出了用于表面安装操作的控制装置100的实施例。为此目的，第一控制元件15具有操作者可以躺下的躺卧表面。与图1所示的变型相反，手柄20、21以及第二控制元件 16没有布置在第一控制元件15上或连接到第一控制元件15。相反，该变型中的手柄20、21可以连接到固定底座19或单独固定。 [0065] 在图2所示的实施例中，与图1所示的变型相反，第一控制元件15通过移动体重而移动。为此目的，手柄20、21用于支撑目的。因此，通过改变车身重量，第一控制元件15可以容易地围绕其垂直轴11a旋转并且围绕其纵轴12a和围绕其横轴13a倾斜或枢转。 [0066] 图2仅示出了控制装置的一种可能性，其中第一控制元件15可以通过改变车身的重量来操作。代替躺卧表面，控制装置100还可以具有用于就座操作的就座表面或用于站立操作的站立表面。 [0067] 图3示出了将挂在人脖子上的控制装置100的实施例。为此，控制装置100具有带25。原则上，图3中所示的示例与图1中所示的变型类似地设计。然而，与图1中所示的变型相反，固定底座19具有用于将装置支撑在车身上或车身前面的支撑元件。 [0068] 图4和图5示出了控制装置100的另一变型。与图1至图3中的实施例相比，此处所示的变型具有更符合人体工程学的形状。第一控制元件15与手柄20、21一体设计并安装在固定底座19上，从而可绕第一控制元件15的垂直轴11a旋转并且可绕第一控制元件15的纵轴12a和横轴13a枢转。在图4和图5所示的实施例中，固定底座19与第一控制元件15的上部区域相比相对较小并且具有圆形横截面。然而，固定底座19可以具有任何合适的形状和尺寸。 [0069] 在图4和图5所示的实施例中，第一控制元件15通过相应的轴承直接布置或支撑在固定底座19上。类似于图1和图3中所示的实施例，第二控制元件16以一个或两个控制杆的形式布置在第一控制元件15上。 [0070] 由于第一控制元件15与手柄20、21的整体设计，图4和图5中所示的控制装置100的实施例具有特别符合人体工程学的形状，并因此提供控制装置的舒适握持、抓握和操作。 [0071] 图6a示出了现有技术中已知的四通道遥控器的示意图。这种四通道遥控器具有两个控制杆，通过这些控制杆可以控制空中物体10的两个通道(为了清楚起见在图6a中未示出)。通常，右控制杆控制空中物体10绕其垂直轴11及其横轴13的偏转。左控制杆控制空中物体10绕其纵轴12的偏转以及节气门，从而控制空中物体10的飞行高度的变化(第四通道)。在这样的遥控器中，可以用两个拇指或用拇指和食指的组合来操作两个控制杆。 [0072] 图6b示出了根据本发明的控制装置100的示意图。与从现有技术已知的典型四通道遥控器(在这方面参考图6a)相比，空中物体10的三个通道(为了清楚起见也未在图6b中示出)通过第一控制元件15来控制。为此目的，第一控制元件15可以围绕其垂直轴11a旋转、围绕其纵轴12a倾斜或枢转，以及围绕其横轴13a倾斜或枢转。为此目的，第一控制元件15以相应的方式可旋转且可枢转地安装在固定底座19上。 [0073] 与从现有技术已知的四通道遥控器相比，因此通过单个控制元件(第一控制元件15)控制三个通道。第四通道通过单独的控制元件，即第二控制元件16来控制。因此，根据本发明，设有用于控制三个通道的第一控制元件15和用于控制单个通道，即第四通道的第二控制元件16。 [0074] 为了更容易和更方便地抓握第一控制元件15，其上设置有相应的手柄20、21。可能的实施方案和变型在图1至图5中以示例的方式示出。 [0075] 第一控制元件15可以围绕其垂直轴11a旋转第一最大角度22。第一最大角度22是可调节的或可变的。第一平移因子用于将第一控制元件15绕其垂直轴11a的旋转运动转换成对空中物体10的实际控制。 [0076] 对应于第一控制元件15的垂直轴11a，第一控制元件15可以围绕其纵轴12a枢转第二最大角度23。此外，第一控制元件15可以相应地围绕其横轴13a枢转第三最大角度24。正如第一最大角度22，可以改变或调整第二最大角度23和第三最大角度24。在这方面使用第二平移因子和第三平移因子来实现对空中物体10的实际控制。 [0077] 图6c示出了控制装置100的示意图的3维视图。第一控制元件15以这样的方式安装在固定底座19上，使得其可以绕其垂直轴11a旋转。此外，第一控制元件15布置成可围绕其纵轴12a及其横轴13a枢转。为此，在该实施例中，所有三个轴11a、12a、13a都穿过共同的交点。然而，原则上，纵轴12a和横轴13a也可以以小距离彼此重叠地布置。 [0078] 如图6c所示，第一控制元件15的垂直轴11a的可旋转轴承可以沿着该垂直轴11a布置在距第一控制元件15的纵轴12a和横轴13a一定距离处。 [0079] 附图标记列表 [0080] 100 控制装置 [0081] 10 空中物体 [0082] 11 空中物体的垂直轴 [0083] 11a 第一控制元件的垂直轴 [0084] 12 空中物体的纵轴 [0085] 12a 第一控制元件的纵轴 [0086] 13 空中物体的横轴 [0087] 13a 第一控制元件的横轴 [0088] 14 空中物体的飞行高度 [0089] 15 第一控制元件 [0090] 16 第二控制元件 [0091] 17,18 平行平面 [0092] 19 固定底座 [0093] 20,21 手柄 [0094] 22 第一最大角度 [0095] 23 第二最大角度 [0096] 24 第三最大角度 [0097] 25 带 |
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