稳定的方向控制系统和方法.pdf

公开了用于给交通工具提供稳定的方向控制的系统和方法的技术。实施方式的方向控制系统可包括适于接收关于交通工具的方向数据并由方向数据确定标称交通工具反馈的逻辑装置。标称交通工具反馈可用于调整提供给交通工具的致动器的方向控制信号。在由标称交通工具反馈调整方向控制信号之前，方向控制信号可被限制到低于致动器速率极限的值。方向控制系统可包括逻辑装置、存储器、一个或多个传感器、一个或多个致动器/控制器以及与用户、传感器、致动器、和/或交通工具的其他模块交互的模块。

权利要求书
1.  一种系统，包括：
逻辑装置，其配置成接收一个或多个传感器信号并产生一个或多个控制器信号以提供对于交通工具的方向控制，其中该逻辑装置适于：
接收交通工具的转向角和偏航角速率，其中转向角至少部分基于转向需求；
至少部分基于转向角确定标称交通工具转向速率；以及
至少部分基于标称交通工具转向速率和偏航角速率的组合确定标称交通工具反馈信号，其中提供标称交通工具反馈信号用于调整转向需求。

2.  根据权利要求1所述的系统，其中确定标称交通工具转向速率包括：
使用标称交通工具预测器处理由标称交通工具反馈信号调整的转向角；以及
从标称交通工具预测器接收标称交通工具转向速率；
其中标称交通工具预测器实施为传递函数，该传递函数对至少部分从选择的交通工具获得的标称交通工具的动态建模。

3.  根据权利要求2所述的系统，其中传递函数包括标称交通工具转向速率增益项与标称交通工具转向速率延迟项的比。

4.  根据权利要求1所述的系统，其中确定标称交通工具反馈信号包括：
确定偏航角速率和标称交通工具转向速率之间的差值；
对该差值进行积分；以及
将反馈增益应用于经积分的差值以确定标称交通工具反馈信号。

5.  根据权利要求1所述的系统，还包括行进方向传感器，其中逻辑装 置适于：
接收目标行进方向；
从行进方向传感器接收交通工具的行进方向；以及
确定转向需求，其中转向需求至少部分基于目标行进方向和行进方向的差来确定。

6.  根据权利要求5所述的系统，其中：
逻辑装置适于限制转向需求以产生小于转向致动器速率极限的转向致动器速率需求和/或小于转向致动器角度极限的转向需求。

7.  根据权利要求5所述的系统，还包括用户接口，其中逻辑装置适于：
从用户接口接收用户可选择的响应设置；以及
基于该响应设置修改用于确定转向需求的一个或多个增益、死区和/或极限。

8.  根据权利要求1所述的系统，其中：
逻辑装置适于将转向需求提供到转向致动器；以及
在被提供到转向致动器之前借助标称交通工具反馈信号调整转向需求。

9.  根据权利要求1所述的系统，其中：
逻辑装置适于将标称交通工具反馈信号提供到带宽可选择的低通滤波器；
经滤波的标称交通工具反馈信号用于调整转向需求；以及
该低通滤波器的带宽基于用户可选择的响应设置而修改。

10.  根据权利要求1所述的系统，其中：
偏航角速率是交通工具的经补偿偏航角速率；以及
经补偿偏航角速率在确定交通工具的俯仰、俯仰角速率、翻滚和/或翻滚角速率之后确定，以减少经补偿偏航角速率中的俯仰导致的噪声。

11.  根据权利要求1所述的系统，还包括：
转向致动器，其接收作为控制器信号之一提供的转向需求，其中转向致动器控制船只方向舵；以及
转向传感器和转向速率传感器，其提供作为传感器信号中的一个或多个的转向角和偏航角速率，其中该传感器相对于船只固定。

12.  一种方法，包括：
接收交通工具的转向角和偏航角速率，其中转向角至少部分基于转向需求；
至少部分基于转向角确定标称交通工具转向速率；以及
至少部分基于标称交通工具转向速率和偏航角速率的组合确定标称交通工具反馈信号，其中提供标称交通工具反馈信号用于调整转向需求。

13.  根据权利要求12所述的方法，其中确定标称交通工具转向速率包括：
使用标称交通工具预测器处理由标称交通工具反馈信号调整的转向角；以及
从标称交通工具预测器接收标称交通工具转向速率；
其中标称交通工具预测器实施为传递函数，该传递函数对至少部分从选择的交通工具获得的标称交通工具的动态建模。

14.  根据权利要求13所述的方法，其中传递函数包括标称交通工具转向速率增益项与标称交通工具转向速率延迟项的比。

15.  根据权利要求12所述的方法，其中确定标称交通工具反馈信号包括：
确定偏航角速率和标称交通工具转向速率之间的差值；
对该差值进行积分；以及
将反馈增益应用于经积分的差值以确定标称交通工具反馈信号。

16.  根据权利要求12所述的方法，还包括：
接收目标行进方向；
接收交通工具的行进方向；以及
确定转向需求，其中转向需求至少部分基于目标行进方向和行进方向的差来确定。

17.  根据权利要求16所述的方法，还包括：
限制转向需求以产生小于转向致动器速率极限的转向致动器速率需求和/或小于转向致动器角度极限的转向需求。

18.  根据权利要求16所述的方法，还包括
从用户接口接收用户可选择的响应设置；以及
基于该响应设置修改用于确定转向需求的一个或多个增益、死区和/或极限。

19.  根据权利要求12所述的方法，还包括将转向需求提供到转向致动器，其中：
在被提供到转向致动器之前借助标称交通工具反馈信号调整转向需求。

20.  根据权利要求12所述的方法，还包括将标称交通工具反馈信号提供到带宽可选择的低通滤波器，其中：
经滤波的标称交通工具反馈信号用于调整转向需求；以及
该低通滤波器的带宽基于用户可选择的响应设置而修改。

21.  根据权利要求12所述的方法，其中：
偏航角速率是交通工具的经补偿偏航角速率；以及
经补偿偏航角速率在交通工具的俯仰、俯仰角速率、翻滚和/或翻滚角速率确定之后确定，以减少经补偿偏航角速率中的俯仰导致的噪声。

22.  一种非暂态机器可读介质，其包括多个机器可读指令，当系统的一个或多个逻辑装置执行该多个机器可读指令时，该多个机器可读指令适于导致该系统执行一种方法，该方法包括：
接收交通工具的转向角和偏航角速率，其中转向角至少部分基于转向需求；
至少部分基于转向角确定标称交通工具转向速率；以及
至少部分基于标称交通工具转向速率和偏航角速率的组合确定标称交通工具反馈信号，其中提供标称交通工具反馈信号用于调整转向需求。

说明书稳定的方向控制系统和方法
相关申请的交叉参考
本专利申请要求申请号为61/759,238、申请日为2013年1月31日的美国临时专利申请的优先权和利益，通过引用的方式将其全部内容并入本文。
技术领域
本申请的一个或多个实施方式总体涉及方向控制，更特别地，例如涉及用于对交通工具进行稳定的方向控制的系统和方法。
背景技术
方向控制系统和方法用于对飞机、舰船并且近年来也对汽车提供自动和/或补充控制。常规方向控制系统的显著缺点是它们需要针对特定交通工具而设计和/或配置，并且一经配置就不能轻易地对于不同的交通工具提供方向控制。这样，由于对于各种交通工具每一者执行深入的测试和调整程序，因此即使不同的交通工具类型相同，比如不同品牌的船只，制造用于多种不同交通工具的方向控制系统和方法可能是高成本的。
已经开发了适应性控制技术以解决手动执行调整和测试程序，然而常规适应性技术一般花费过长时间以训练到在正常操作条件下的特定交通工具动态。另外，常规适应性技术一般训练到非常有限组的交通工具状态和或动态，并且已知基于这些技术的方向控制器在条件变化，即使轻微地在先前训练条件之外时，会严重散失其准确性和/或稳定性。因此，存在对于改进的方向控制方法的需要。
发明内容
公开了用于提供对于交通工具的稳定方向控制的系统和方法的技术。根据一个或多个实施方式，方向控制系统可包括适于接收关于交通工具的方向信息并根据方向数据确定标称交通工具反馈的逻辑装置。标称交通工具反馈可用于调整提供给交通工具的致动器的方向控制信号。在方向控制信号被标称交通工具反馈调整之前，方向控制信号可被限制到低于致动器速率极限的值。根据一个实施方式，方向控制系统可包括逻辑装置、存储器、一个或多个传感器、一个或多个致动器/控制器和与用户、传感器、致动器和/或交通工具的其他模块交互的模块。
在另一实施方式中，一种系统包含配置成接收一个或多个传感器信号并生成一个或多个控制器信号以给交通工具提供方向控制的逻辑装置。逻辑装置可适于：接收交通工具的转向角度和转向速率，其中转向角度至少部分以转向需求为基础，至少部分基于转向角度确定标称交通工具转向速率，并至少部分基于标称交通工具转向速率和转向速率的组合确定标称交通工具反馈信号。在一个实施方式中，可以提供和/或适应标称交通工具反馈信号以调整转向需求。
在另一实施方式中，一种方法包括接收交通工具的转向角度和转向速率，其中转向角度至少部分以转向需求为基础，至少部分基于转向角度确定标称交通工具转向速率和至少部分基于标称交通工具转向速率和转向速率的组合确定标称交通工具反馈信号。在一个实施方式中，可以提供和/或适应标称交通工具反馈信号以调整转向需求。
在另一实施方式中，一种非暂态机器可读介质包括多个机器可读指令，当系统的一个或多个逻辑装置执行该多个机器可读指令时，该多个机器可读指令适于致使系统执行一种方法。该方法可以包括接收交通工具的转向角度和转向速率，其中转向角度至少部分以转向需求为基础，至少部分基于转向角度确定标称交通工具转向速率和至少部分基于标称交通工具转向速率和转向速率的组合确定标称交通工具反馈信号。一个实施方式中，可以提供和/或适应标称交通工具反馈信号以调整转向需求。
本发明的范围由权利要求来界定，通过引用将权利要求并入该部分。 通过考虑下文对一个或多个实施方式的具体描述，将给本领域技术人员提供对本发明实施方式更为完整的理解以及将使本领域技术人员意识到本发明实施方式的附加优点。将会参考随附的附图，首先将简要描述这些附图。
附图说明
图1示出了根据公开的实施方式的方向控制系统的框图。
图2示出了根据公开的实施方式的提供稳定方向控制的控制回路的流程图。
图3示出了根据公开的实施方式的提供稳定方向控制的控制回路的流程图。
图4示出了根据公开的实施方式的提供稳定方向控制的控制回路的流程图。
通过参考随后的详细描述最佳地理解本发明的实施方式及其优点。应当理解，相同的参考标记用于识别表示在一个或多个附图中的相同元素。
具体实施方式
根据本公开的各种实施方式，方向控制系统和方法有利地包括通过控制器修改感测和/或起作用的交通工具动态的标称交通工具反馈系统。例如，标称交通工具反馈系统可用作控制器和实际/测量的交通工具动态之间的缓冲器。在一些实施方式中，标称交通工具反馈系统可配置成转换控制器的控制信号以匹配特定交通工具的实际动态/或对特定交通工具的实际动态准确补偿。在这样的实施方式中，不管真实交通工具的真实和/或潜在变化的动态,控制器都可配置成例如足以控制已知标称交通工具，并且包括标称交通工具反馈系统的整体方向控制系统可足以控制真实交通工具。
在一些实施方式中，在标称交通工具反馈系统中被执行/操作的标称交通工具模型(例如，预测器)可代表已知标称交通工具。根据本文公开的 实施方式，预测器可从例如与待控制的交通工具类型相似的供选择的交通工具获得。在各种实施方式中，包含预测器的标称交通工具反馈系统可配置成适应地训练到多种不同交通工具和/或在相对短的时间段内具有改变和/或复杂动态的交通工具。在一个实施方式中，标称交通工具反馈系统可配置成在比完成特定方向控制操作(比如，车头调转)所需时间短的时间段内适应地训练到改变的交通工具动态。
这样，包含标称交通工具反馈系统的单个方向控制系统可用于足以控制具有改变的和/或复杂动态(例如，由于损坏和/或环境扰变)的单个交通工具或者每一个都具有特殊交通工具动态的相对大数量的不同交通工具。因此，本公开的实施方式可以以成本有效和时间有效的方式提供可对于许多不同交通工具实施的方向控制系统和方法。
图1示出了根据公开的实施方式的方向控制系统100的框图。在图1中示出的实施方式中，系统100可实施为给特定类型的交通工具102提供方向控制。例如，交通工具的类型可包括下述类型：飞机、汽车和/或船只(例如，帆船、机动船、轮船、潜艇或能够在水上或水中工作的其他船)。交通工具的方向控制可指下述控制：交通工具的俯仰角、偏航角或翻滚角的任一种或组合。
在一个实施方式中，系统100可包括控制器110、给控制器110提供输入的一个或多个传感器和用户接口和接受来自控制器110的控制信号的一个或多个致动器。例如，系统100可包括方向传感器120、陀螺仪和/或加速度计122、速度传感器124、GPS126、转向传感器和/或致动器130、用户接口140和/或感测和/或控制交通工具102的状态的各种其他传感器和/或致动器。在另一实施方式中，控制器110、传感器120-126、传感器和/或致动器130、用户接口140和/或各种其他传感器和/或致动器中的一个或多个可相对于交通工具102固定。
在一些实施方式中，控制器110、传感器120-126、转向传感器/致动器130和/或用户接口140可适于通过各种无线和/或有线连接(比如，WiFi、蓝牙、以太网或其他无线和/或有线连接)彼此通信。在其他实施方式中，控制器110、传感器120-126、转向传感器/致动器130和/或用户接口140 中的一个或多个可集成到单个装置中，其中集成的传感器、控制器、致动器和/或用户接口之间的通信可以全部在单个集成装置内发生。
控制器110可实施为任何合适的逻辑装置(例如，处理装置、微控制器、处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、存储器存储装置、存储器读取器或其他装置或装置的组合)，该逻辑装置适于执行、存储和/或接收合适的指令，例如本文所述的实施用于提供稳定的方向控制的控制回路的软件指令。另外，可以提供机器可读介质以存储涌入加载到控制器110和由控制器110执行的非暂态指令。在这些和其他实施方式中，在合适的情况下，控制器110可以实施有其他部件，例如易失性存储器、非易失性存储器和/或一个或多个接口(例如，内部集成电路(I2C)接口、移动产业处理器接口(MIPI)、联合测试行动小组(JTAG)接口(例如，IEEE1149.1标准测试访问接口和边沿扫描架构)和/或其他接口)。例如，控制器110执行的控制回路的一个或多个模块可以实施为电耦接到控制器110的其余部分的实体部件或者部件群组。
在一些实施方式中，控制器110可包括用于接收对应于交通工具102的状态的传感器输入和/或来自用户接口140的用户输入。在另外的实施方式中，控制器可包括用于将控制器信号提供到交通工具102的致动器的一个或多个控制器输出。例如，控制器110可适于接收来自方向传感器120的交通工具102的测量的行进方向104、来自陀螺仪/加速度计122的测量的转向速率(例如，在一些实施方式中，测量的偏航角速率)、来自速度传感器的124的测量的速度、来自GPS126的测量的位置或系列的绝对和/或相对位置、来自转向传感器/致动器130的测量的转向角和/或来自用户接口140的用户输入。在一些实施方式中，用户输入可包括目标行进方向106(例如，绝对位置和/或路径点(例如，可以从路径点获得目标进行方向106))和/或一个或多个其他控制回路参数。在其他实施方式中，控制器110可适于基于接收的传感器信号(包括用户输入)中的一个或多个确定转向需求，并将转向需求提供给转向传感器/致动器130。
如本文指出的，控制器110可适于根据本文描述的各种控制回路参数来执行一个或多个控制回路。在一些实施方式中，控制回路可包括用于产 生反馈信号的标称交通工具预测器，该反馈信号对应于平均或标称交通工具而不是对应于交通工具102。如本文所述，这种反馈信号可用于调整或校正来自于也形成控制回路的一部分的成比例的、比例-微分和/或比例-微分-积分控制器模块(例如，实施为控制器110的一部分)的控制信号。在一些实施方式中，控制回路可包括对应于例如真实交通工具的一个或多个交通工具动态模块，该真实交通工具可以用于在不必要实时控制真实交通工具的情况下实施适应性算法以训练各种控制回路参数(例如，用于标称交通工具预测器的参数)。
转向传感器/致动器130可适于根据控制器110提供的一个或多个控制信号(例如，转向需求)来感测和/或物理调整用于交通工具102的转向机构。转向机构可以实施为一个或多个方向舵(例如，飞机方向舵或船只方向舵)、垂直舵、副翼、汽车转向机构或者物理联接到交通工具并能够对交通工具的偏航角、俯仰角或翻滚角中的一个或者多个产生改变的其他转向机构。
在一些实施方式中，方向舵132(例如，转向机构)可以实施为一个或多个控制表面和/或常规方向舵、一个或多个方向推进器和/或矢量推动器(例如，方向喷水器)、固定推进器和/或能以不同水平和/或反向被驱动以产生交通工具102的一转向速率的推动器的系统，和/或适于交通工具102的其他类型或各种类型的组合的转向机构。在方向舵132至少部分实施为固定推进器和/或推动器的系统的实施方式中，转向角度α可以代表基于例如交通工具102、固定推进器和/或推动器的系统(例如，它们在交通工具102上的位置)、和/或提供给转向传感器/致动器130控制信号的特性的有效和/或期望转向角度。如本文描述的，可以例如根据预定算法或通过使用适应性算法来确定有效和/或期望转向角度α，其中适应性算法用于训练各种控制回路参数，所述控制回路参数的特征在于转向角度α与例如提供给固定推进器和/或推动器的系统的功率水平和/或控制器110提供的控制信号的关系。
如图1所示，转向传感器/致动器130例如可物理联接方向舵132并且可适于物理地调整方向舵132到各种正和/或负转向角，例如相对于零转向 角方向(例如，由虚线134指示)测量的正转向角α。在各种实施方式中，转向传感器/致动器130可以实施为具有转向致动器角极限(例如，正极限由角β和图1中的虚线指示)和/或转向致动器速率极限“R”。例如，转向致动器速率极限可以是这样的极限：转向传感器/致动器130可以如何快速地改变转向机构(例如，方向舵132)的转向角，并且在一些实施方式中，这样的转向致动器速率极限可以根据交通工具102沿交通工具行进方向104的速度(例如，船舶相对于周围水体的速度或者飞机相对于周围气团的速度)而变化。
在另外的实施方式中，转向致动器速率极限可依赖于转向传感器/致动器130是否正随着(例如，转向致动器速率极限增加)或抵抗(例如，转向致动器速率极限减少)主反作用力(比如，主流(例如，水流和/或气流))偏转而变化。可以根据例如方向传感器120、陀螺仪/加速度计122、速度传感器124和/或GPS126来确定主流。
在各种实施方式中，转向传感器/致动器130可以例如实施为许多分离的传感器和/或致动器，以大致同时地感测和/或控制一个或多个转向机构，比如一个或多个方向舵、垂直舵和/或汽车转向机构。在一些实施方式中，转向传感器/致动器130可包括适于例如：感测和/或调整交通工具102的推进力(例如，螺旋桨速度和/或发动机rpm)、实现特定的方向控制策略(例如，为了满足特定时间段内的特定转向需求)、或提供安全措施(例如，关断发动机和/或减小交通工具速度)的一个或多个传感器/致动器。
方向传感器120可实施为电子罗盘、六分仪或能够测量行进方向104和/或交通工具102的其他方向状态并将这些测量作为传感器信号提供给控制器110的其他装置。在一些实施方式中，方向传感器120可适于确定例如交通工具102的绝对和/或相对俯仰角、翻滚角和/或偏航角，并且通过周期性测量确定交通工具102的俯仰角速率、翻滚角速率和/或偏航角速率。因此，方向传感器120适于给交通工具102提供测量的行进方向和/或测量的转向速率。
在其他实施方式中，方向传感器120可配置成在确定偏航角和/或偏航角速率之前确定俯仰角、俯仰角速率、翻滚角和/或翻滚角速率，以减少经 确定的偏航角速率中由俯仰导致的噪声。在这样的实施方式中，随后确定的偏航角速率可称为经补偿的偏航角速率。在一些实施方式中，方向传感器120可将俯仰角、俯仰角速率、翻滚角、翻滚角速率、偏航角、偏航角速率提供给控制器110并且控制器110可适于基于提供的传感器信号确定经补偿的偏航角速率。在各种实施方式中，偏航角速率和/或经补偿的偏航角速率可近似等于交通工具102的转向速率。
陀螺仪和/或加速度计122可实施为一个或多个陀螺仪、加速度计和/或能够测量交通工具102的旋转和/或直线加速并将这些测量作为传感器信号提供给控制器110的其他装置。在一些实施方式中，陀螺仪和/或加速度计122可适于确定俯仰角、俯仰角速率、翻滚角、翻滚角速率、偏航角、偏航角速率、经补偿的偏航角速率、绝对速度和/或交通工具102的直线加速度。因此，陀螺仪和/或加速度计122可适于提供交通工具102的测量的行进方向、测量的转向速率和/或测量的速度。在一些实施方式中，陀螺仪和/或加速度计122可将交通工具102的俯仰速率、翻滚角速率、偏航角速率和/或直线加速提供给控制器110并且控制器110可适于基于提供的传感器信号确定经补偿的偏航角速率。在各种实施方式中，偏航角速率和/或经补偿的偏航角速率可近似等于交通工具102的转向速率。
速度传感器124可实施为电子皮托管(pitottube)和/或能够测量交通工具102的一个或多个直线速度并将这些测量作为传感器信号提供给控制器110的其他装置。在一些实施方式中，速度传感器124可适于确定交通工具102沿行进方向104相对于局部气团和/或局部水流的速度。在另外的实施方式中，速度传感器124可适于确定多个这样的测量，比如相对于行进方向104在不同方向上的测量。
GPS126可实施为例如全球定位卫星接收器和/或能够基于从经行太空和/或陆基的源接收的无线信号确定交通工具102的绝对和/或相对位置并且能够将这些测量作为传感器系统提供给控制器110的其他装置。在一些实施方式中。GPS126可适于(例如，使用一系列位置测量)确定交通工具102沿行进方向104和/或沿相对于行进方向104的不同方向的绝对速度。在其他实施方式中，GPS126可适于确定交通工具102的行进方向和 /或转向速率。
用户接口140可实施为显示器、触摸屏、键盘、鼠标、控制杆、旋钮、方向盘、船舵轮、钢臂(yolk)或能够接受用户输入和/或给用户提供反馈并将用户输入(例如，作为一种类型的传感器输入)提供到控制器110的任何其他装置。在一个实施方式中，用户接口140可适于接受例如对应于目标行进方向106和/或特定路线的路径点的用户输入。在其他实施方式中，用户接口140可适于接受例如修改控制器110的控制回路参数或在(例如，通过应用特定的转向角度)控制交通工具102的方向时选择控制器110的响应性的用户输入。
例如，响应性设置可包括以下选择：性能(例如，快速响应)、巡航(中速响应)和节约(慢速响应)响应性，其中不同设置用于在较明显和中等转向响应(例如，较快的控制回路响应)或减少的转向致动器活动性(例如，较慢的控制回路响应)之间选择。在一些实施方式中，响应性设置可对应于转弯过程中最大期望横向加速。在这样的实施方式中，响应性设置可修改增益、死区(deadband)、输出的极限、滤波器带宽和/或本文所述的控制器110的其他控制回路参数。
其他模块150可例如包括用于促进交通工具102的方向控制的其他和/或附加传感器、致动器、通信模块和/或用户接口装置。在一些实施方式中，其他模块150可包括深度传感器、湿度传感器、温度传感器、障碍传感器、雷达系统、可见光谱摄像机、红外摄像机和/或提供测量和/或可由控制器110使用以提供对环境条件(例如，水密度或在交通工具路径中的物体)补偿的方向控制的其他传感器信号的其他环境传感器。
图2示出了根据公开的实施方式的对交通工具102提供稳定的方向控制的控制回路200的流程图。在一些实施方式中，通过控制器110处理从传感器120-126、转向传感器/致动器130、用户接口140和/或其他模块150中的一个或多个接收的信号和/或作用在所述信号上来执行图2的操作。根据实施方式，每个块可以例如完全实施为由控制器110执行的指令，或者可实施为可执行指令和硬件(比如，一个或多个感应器、电容器、电阻器、数字信号处理器和其他模拟和/或数字电子装置)的组合。应当理解，可以 以不同于图2示意的实施方式的顺序或布置执行控制回路200的任何步骤、子步骤、子过程或块。例如，尽管控制回路200包括块252，然而在其他实施方式中，例如可以没有块252和/或可以用提供测量数据的一个或多个传感器替代块252。
如图2所示，控制回路200的块252包括交通工具动态模块，其可以实施为以转向速率增益项“K”(交通工具的正向增益)与转向速率延迟项“1+T*s”的比率的形式的传递函数(例如，在S-平面中)。例如，转向速率增益项“K”可等于比率(转向速率)/(转向角)，其建模了对于特定交通工具对于每一度转向角度(例如，方向舵角度)取得的转向速率(例如，偏航角速率)的量。转向速率增益项“K”可通过转向速率延迟项“1+T*s”校正，转向速率延迟项“1+T*s”建模了在应用转向角度之后转向速率显露的时间(例如，在T秒后)。在一些实施方式中，控制回路参数K和T对于不同交通工具是唯一的并且K和/或T依赖于交通工具在介质(比如，空气或水)中的速度。在其他实施方式中，根据被建模的交通工具的特定类型、使用的转向机构的类型和/或实施的控制回路的类型，传递函数可以实施为不同函数。
在各种实施方式中，交通工具动态模块可用于建模各种不同的实际交通工具(例如，飞机、汽车和船只)并适应地将控制回路200的其余部分训练到特定交通工具(例如，交通工具102)或通过反复而训练到交通工具群组。在图2示出的实施方式中，块252将建模的偏航角速率(例如对应于测量的交通工具102的转向速率)提供为块256的输出，并且块256包括对块252的输出进行积分的积分器以将建模的行进方向257(例如，对应于交通工具102的测量的进行方向)提供给块202。在控制器110执行块202之前，各种块(例如，块220、222、252和/或块256)的输出可被设置为初始条件。
在块202，控制器110从块256接收目标行进方向106和建模的行进方向257并将其组合以产生之后提供给块204的误差输出。例如，控制器110可适于从用户接口140接收目标行进方向106作为用户输入和建模的行进方向257作为对于块256设定的初始条件，或者基于块252的输出的 计算的建模的行进方向。在一些实施方式中，误差输出可代表目标行进方向106和建模的行进方向257之间的差。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块204之前存储块202的误差输出。
在块204中，控制器110例如使用和/或执行比例-微分控制器模块以接收块202的误差输出并将转向需求(例如，方向舵需求)提供给块208。块204的各种参数可用于确定块204的转向需求输出。在一些实施方式中，块204可实施为比例-微分-积分控制器，其中对应的增益项(例如、比例、微分和/或积分)中的一个或多个设置为零。在一个实施方式中，可以管控比例-微分控制器模块的参数以例如产生具有时间常数6*Tn(其中，Tn限定在相关于块214以下)并具有阻尼比率1.25的临界阻尼响应，以针对相对高的交通工具速度充分调谐比例-微分控制器模块。
在其他实施方式中，控制器110可配置成基从用户接口140接收的响应性设置(例如，在接收目标行进方向之前、之后或在大约相同时间)修改参数、增益项、死区和/或比例-微分或比例-微分-积分控制器模块的输出极限中的一个或多个。例如，响应性设置(例如，性能、巡航、节约)可允许用户如本文所描述地在较急剧响应或减小的转向机构(例如，方向舵)活动性之间选择。在另外的实施方式中，控制器110可配置成基于控制回路200的适应性训练修改增益项和/或块204的其他参数中的一个或多个。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块208之前存储块204的转向需求输出。
在块208中，控制器110从块204接收转向需求(例如方向舵需求)并从块222接收经滤波的标称交通工具反馈信号，并将其组合以产生之后会被提供给块212和252的经调整的转向需求(例如，经调整的方向舵需求)。在一些实施方式中，经调整的转向需求可代表转向需求和经滤波的标称交通工具反馈信号之间的差异。在另外的实施方式中，来自块222的经滤波的标称交通工具反馈信号可以是针对块222设置的初始条件。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块212和/或252之前存储块208的经调整的转向需求输出。
在块212中，控制器110从块208接收经调整的转向需求并从块220 接收标称交通工具反馈信号，并将其组合以产生之后会被提供到块214的进一步经调整的转向需求。在一些实施方式中，进一步经调整的转向需求可代表经调整的转向需求和标称交通工具反馈信号之间的差异。在另外的实施方式中，来自块220的标称交通工具反馈信号可以是针对块220设置的初始条件。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块214之前存储块212的进一步经调整的转向需求输出。
如上指明的，块252包括交通工具动态模块，其可实施为在S-平面中的传递函数(例如，拉普拉斯域传递函数)，该传递函数可适于根据各种转向速率增益项、转向速率延迟项和/或各种传递函数建模交通工具102和/或任意数量的其他交通工具的行为。例如，控制器110可适于使用和/或执行交通工具动态模块以接收块208提供的经调整的转向需求并将建模的转向速率(例如，建模的偏航角速率)提供给块216和256。在一些实施方式中，块252可用于在没有必要对交通工具102的实时试验运行的情况下实施用于训练控制回路200的各种控制回路参数的适应性算法。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块216和/或256之前存储块252的建模的转向速率输出。
在块214，控制器110使用和/或执行标称交通工具预测器以接收、处理和/或操作来自块212的进一步调整的转向需求并将标称交通工具转向速率(例如，在一些实施方式中，标称交通工具偏航角速率)提供到块216。如本文描述的，以块252的交通工具动态模块类似的方式，标称交通工具预测器可实施为传递函数(例如，在S-平面中)，该传递函数适于建模标称交通工具的动态，该标称交通工具的动态至少部分地由选择的交通工具获得。在一个实施方式中，传递函数可以以标称交通工具转向速率增益项“Kn”与标称交通工具转向速率延迟项“1+Tn*s”的形式实施。
例如，标称交通工具转向速率增益项“Kn”可以等于比率(转向速率)/(转向角)，其建模对于转向角的每一度标称交通工具取得的转向速率的量。标称交通工具转向速率增益项“Kn”可以通过标称交通工具转向速率延迟项“1+Tn*s”校正，其在应用转向角之后用于转向速率发展的建模时间(例如Tn秒)。在一些实施方式中，控制回路参数Kn和/或Tn可以取 决于介质(例如空气或水)中的标称交通工具的速度。在该实施方式中，待控制的交通工具的速度可以用作标称交通工具的速度。在其他实施方式中，传递函数可以根据被建模的标称交通工具的特定类型、待控制的转向机构的类型和/或被执行的控制回路的类型执行为不同的函数。
在一些实施方式中，Kn和Tn可以例如作为速度的函数设置到待控制的一群交通工具的各自平均值。在其他实施方式中，Kn可以作为速度的函数设置到超过待控制的一群交通工具的大部分和/或所有K值，以减小过量的转向致动器活动性的风险。在另外的实施方式中，Tn可以作为速度的函数设置到超过待控制的一群交通工具的大部分和/或所有T值，和/或超过1秒以减小过量的转向致动器活动性的风险和/或减少对于控制器110的高时钟速率(例如，高于100Hz)的需要。在一些实施方式中，待控制的一群交通工具可对应于一种类型的交通工具，比如一种类型的飞机、汽车或船只(例如，帆船、机动船、轮船、潜艇或能够在水上或水中工作的其他船)。在各种实施方式中，对于一群交通工具的K和T的值可以通过实时试验的性能、控制回路的建模(例如，使用本文描述的一个或多个控制回路)和/或估计来确定和/或近似。
有利地，标称交通工具预测期器以实现为作用于控制回路的两个状态变量(例如，行进方向和转向速率)中仅一个的传递函数，这至少部分由于减少了对于计算资源的需要而使得实现更加容易。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块216之前存储块214的标称交通工具转向速率输出。
在块216中，控制器从块252接收建模的转向速)并从块214接收标称交通工具转向速率(例如，在一些实施方式中，标称交通工具偏航速率)，并且将它们合并以产生之后提供给块218的差分转向速率。在一些实施方式中，差分转向速率可以代表建模的转向速率和标称交通工具转向速率之间的差。在各个实施方式中，控制器110可以被配置为在进行块218之前存储块216的差分转向速率输出。
在块218和220中，控制器110接收来自块216的差分转向速率、对差分转向速率积分(例如，块218)并将反馈增益施加(例如，块220) 到经积分的差值以产生随后会提供到块212和222的标称交通工具反馈信号。在一个实施方式中，块218包括类似于块256的积分器的积分器。在一些实施方式中，块220施加的增益是相对大的。例如，在一个实施方式中，块220施加的增益约为500。在其他实施方式中，块220施加的增益是可以由用户输入和/或控制回路200的适应性训练修改的控制回路参数。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块212和/或222之前存储块218和220的标称交通工具反馈信号输出。
在其他实施方式中，包括至少块212、214、216、218和/或220的子控制回路可以例如为块201和/或252的每个更新迭代多次。在该实施方式中，对应于块208和/或252的输出的块212和/或216的输入可以设置为对于子控制回路的多个迭代的之前使用的数据。在一些实施方式中，该子控制回路可以执行为与执行块202和/或204的装置和/或指令分开的装置和/或指令。例如块204可以执行为与图1中的控制器110分开的电子装置。
在块222中，控制器110过滤块220的标称交通工具反馈信号输出并将经过滤的标称交通工具反馈信号提供给块208。在一些实施方式中，块222可以实施为低通滤波器。在其他实施方式中，块222可是实施有可基于用户可选择的响应性设置而修改的可选择带宽。在其他实施方式中，滤波器带宽是可基于接收的用户输入和/或利用控制回路200实施的适应性训练修改的控制回路参数。例如，可以基于由块208提供的经调整的转向需求中目标可接受输出噪声水平而修改滤波器带宽。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续控制回路200之前存储块222的经滤波的标称交通工具反馈信号输出。
在其他实施方式中，包括至少块208、212、214、216、218、220、222和/或252的子控制回路可以例如为块204和/或256的每个更新迭代多次。在该实施方式中，对应于块204的输出的块208的输入可以设置为对于子控制回路的多个迭代的之前使用的数据。在一些实施方式中，该子控制回路可以例如执行为与执行块202和/或204的装置和/或指令分开的装置和/或指令。例如块202和/或204可以执行为与图1中的控制器110分开的电子装置。
如以上注意到的，块256包括积分器，其积分块252的输出以提供建模的行进方向257给块202。在一些实施方式中，控制器110可以被配置为在继续控制回路200之前由块256存储建模的行进方向257输出。
由于控制回路200包括比例-差分控制器模块(例如，块204)和标称交通工具预测器(例如，块214)，所以相比于标称交通工具预测器单个发挥作用以稳定例如交通工具102的方向控制的情形，控制回路200的实施方式可实施为具有更高带宽(例如响应性)的临界衰减控制回路。例如控制器执行控制回路200可以是比例-差分控制器，其允许自由地设计带宽高于标称交通工具预测器单个发挥作用以稳定偏航的临界衰减控制器(例如在一些实施方式中，标称交通工具预测器可以通过带宽相当低的过滤器，因为标称交通工具预测器中的高增益能够引入噪声)。
图3示出了根据公开的实施方式的对交通工具102提供稳定的方向控制的控制回路300的流程图。在一些实施方式中，通过控制器110处理从传感器120-126、转向传感器/致动器130、用户接口140和/或其他模块150中的一个或多个接收的信号和/或作用在所述信号上来执行图3的操作。根据实施方式，每个块可以例如完全实施为由控制器110执行的指令，或者可实施为可执行指令和硬件(比如，一个或多个感应器、电容器、电阻器、数字信号处理器和其他模拟和/或数字电子装置)的组合。应当理解，可以以不同于图3示意的实施方式的顺序或布置执行控制回路300的任何步骤、子步骤、子过程或块。例如，尽管控制回路300包括块350，然而在其他实施方式中，例如可以没有块350和/或可以用提供转向传感器/致动器130替代块350。
如图3所示，控制回路300的块352包括交通工具动态模块，其类似于与控制回路200的块252结合描述的及交通工具动态模块，并且块352提供与向块354的输出类似的建模的转向速率。此外块356对应于控制回路200的块256并且向块302在路径上357的建模行进方向。此外，控制回路300包括对应于图2秒回的连接、路径和/或结构的路径323、351和123。在一些实施例中，路径323对应于从块222到块208的连接，路径351对应于从块208到块212的连接，路径123对应于从块252到块216 的连接。在该实施方式中，控制回路300包括以合适的方式设置的块212到块222。包括块350的各种块的输出可以设置为控制器110执行块302之前的初始条件。
在块302，控制器110从块356接收目标行进方向106和建模的行进方向并将其组合以产生之后提供给块204的误差输出。例如，控制器110可适于从用户接口140接收目标行进方向106作为用户输入和作为对于块556设定的初始条件的建模的行进方向257或者基于块352的输出的计算的建模的行进方向。在一些实施方式中，误差输出可代表目标行进方向106和建模的行进方向之间的差。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块304之前存储块302的误差输出。
在块304中，控制器110提供增益给块302的误差输出并将转向需求(例如，方向舵需求)提供给块306。块304的各种参数可用于确定块304的转向需求输出。在一些实施方式中，块304可实施为比例-微分-积分控制器，其中对应的增益项(例如、比例、微分和/或积分)中的一个或多个设置为零。在一个实施方式中，可以管控比例-微分-积分控制器模块的参数以例如产生具有时间常数6*Tn(例如其中，Tn限定在相关于块214以下)并具有阻尼比率1.25的临界阻尼响应，以针对相对高的交通工具速度充分调谐比例-微分-积分控制器模块。
在其他实施方式中，控制器110可配置成基于从用户接口140接收的响应性设置(例如，在接收目标行进方向106之前、之后或在大约相同时间)修改参数、增益项、死区和/或比例-微分-积分控制器模块的输出极限中的一个或多个。在另外的实施方式中，控制器110可配置成基于控制回路200的适应性训练修改增益项和/或块204的其他参数中的一个或多个。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块208之前存储块204的转向需求输出。
在块306中，控制器110使用和/或执行转向需求限制器以接收块304的转向需求输出并将受限制的转向需求(例如，方向舵需求)提供给块208。在一些实施方式中，转向需求限制器可适于限制转向需求以产生小于转向致动器速率限制的转向致动器速率需求和/或小于转向致动器角度限制的 转向需求。例如，转向传感器/致动器可实施成具有转向致动器速率限制“R”。对于待控制的特定交通工具，转向致动器速率需求可直接与乘以本文限定的块304的比例增益项“Kg”和转向速率增益项“K”的转向需求成比例。为了确保转向致动器速率小于转向致动器速率限制“R”，根据如下转向致动器速率限制方程来限制块304提供的转向需求(例如方向舵需求)是足够的：
转向需求<R/(K*Kg)；
其中，K是本文限定的交通工具的正向增益，而Kg代表对于块302的误差输出的每个度数(例如，行进方向误差的度数)的转向需求(例如，方向舵需求)的度数。
在一些实施方式中，Kg可以是包括比例-微分控制器或比例-微分-积分控制器的块304的实施方式提供的总体增益。在其中对于受控的交通工具的K未知的另外的实施方式中，可以通过例如初始方向控制实验中的自动学习程序确定，或者可以通过使用适应性算法而设置到标称或目标值，其中适应性算法利用包含标称交通工具预测器的合适控制回路，比如图2中的控制回路200。在另外的实施方式中，可以修改转向致动器速率限制方程以用包含对于本文描述的延迟和其他二阶效应的校正的一个或多个项取代“K”。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块308之前存储块306的受限制的转向需求输出。
在块308中，控制器110从块306接收受限的转向需求(例如受限的方向舵需求)并例如通过路径323接收经滤波的标称交通工具反馈信号，并将其组合以产生之后会被提供给块350的经调整的转向需求(例如，经调整的方向舵需求)。在一些实施方式中，经调整的转向需求可代表受限的转向需求和经滤波的标称交通工具反馈信号之间的差异。在另外的实施方式中，经滤波的标称交通工具反馈信号可以是由控制器110设置的初始条件。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块350之前存储块308的经调整的转向需求输出。
在块350中，控制器110使用和/或执行适于接收来自块308经调整的转向需求的致动器速率限制器并将经建模的转向角(例如，对应于由图1 中的转向传感器/致动器130感测的经测量的转向角)提供给块352和路径351。在一些实施方式中，致动器速率限制器可设计成将真实转向致动器对转向需求的响应(包括如本文所述的基于转向致动器速率极限“R”和/或转向制动器角度极限的响应)建模。因此，即使由块308提供的经调整的转向需求输出产生超过块350的致动器速率限制器的转向致动器速率极限“R”的转向致动器速率需求和/或超过块350的致动器速率限制器的转向制动器角度极限的转向需求，块350的经建模的转向角度输出将仍然符合建模的转向致动器响应。在一些实施方式中，块350可用于实施用于训练控制回路的各种控制回路参数的适应性算法，而在不必须对交通工具实时试验运行。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块352或通过路径351连接的其他块之前存储块350的经建模的转向角度输出。
如上指明的，块352包括交通工具动态模块，其可实施为在S-平面中的传递函数(例如，拉普拉斯域传递函数)，该传递函数可适于根据各种转向速率增益项、转向速率延迟项和/或
相关于图2的块252类似地描述的各种传递函数建模交通工具102和/或任意数量的其他交通工具的行为。例如，控制器110可适于使用和/或执行交通工具动态模块以接收块350提供的经建模的转向角度并将经建模的转向速率(例如，经建模的偏航角速率)提供给块354。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块354之前存储块352的经建模的转向速率输出。
在块354中，控制器110可配置成组合经建模的转向速率和通过路径353提供的附加的扰动反馈信号，并将经调整的经建模的转向速率提供给块356和路径123。例如，附加的扰动可以实施为接受控制回路300的一个或多个状态变量并输出由块352来调整的经建模的转向速率输出的反馈信号的传递函数。在一些实施方式中，附加的扰动例如可对应于影响交通工具102的运动的横向空气或水流分量。在其他实施方式中，附加的扰动可忽略。在各种实施方式中，控制器110可以配置成在继续到块356或通过路径123连接的其他块之前存储块354的经调整的经建模的转向速率输出。
如上指明的，块356包括积分器，该积分器对块354的输出进行积分以通过路径357将经建模的行进方向提供到块302。在一些实施方式中，控制器110可配置成在继续控制回路300之前存储块356的经建模的行进方向输出。
由于控制回路300包括转向需求限制器，因此控制回路300的实施方式可以实施成避免非线性控制回路响应，该非线性控制回路响应对应于产生超过转向致动器速率极限的转向致动器速率需求和/或超过转向致动器角度极限的转向需求。
图4示出了根据公开的实施方式的提供稳定导向控制的控制回路400的流程图。在一些实施方式中，图4的操作可以由处理和/或操作从传感器120-126、转向传感器/致动器130、用户接口140和/或其他模块150中的一个或多个接收的测量的控制器110执行。每个块可以例如完全实施为控制器110执行的指令，或者可实施为可执行指令和硬件的组合。应当理解，可以以不同于图4示意的实施方式的顺序或布置执行控制回路400的任何步骤、子步骤、子过程或块。例如，尽管控制回路400包括块406，然而在其他实施方式中，可以没有块406。在各种实施方式中，控制回路400可包括图2的控制回路200和/或图3的控制回路300的各个方面。
例如，如图4所示，控制回路400包括对应于控制回路200各个方面的标称交通工具反馈系统410，并且控制回路400包括对应于控制回路300各个方面的块406。另外，在控制回路400中没有在控制回路200和/或300中提供经建模的数据的块和/或模块，并且该块和/或模块被提供测量数据以取代经建模的数据的一个或多个传感器替代。
在块402中，控制器110接收目标行进方向106并从行进方向传感器430接收测量的行进方向431并将它们组合以产生之后会被提供给块404的误差输出。例如，控制器110可适于从用户接口140接收目标行进方向106作为用户输入并接收例如方向传感器120提供的测量的行进方向431作为传感器信号。在其他实施方式中，行进方向传感器430可以实施为传感器120-126和/或其他模块150中的一个或多个。在一些实施方式中，误差输出可代表目标行进方向106和测量的行进方向431之间的差异。在各 种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块404之前存储块402的误差输出。
在块404中，控制器110使用和/或执行例如比例-微分控制器模块以接收块402的误差输出并将转向需求提供给块406。块404的各种参数可用于确定块404的转向需求输出。块404的各种参数可以用于确定块404的转向需求输出。在一些实施方式中，块404可实施为比例-微分-积分控制器，其中对应的增益项(例如，比例、微分和/或积分)中的一个或多个设置为零。在一个实施方式中，可以管控比例-微分控制器模块的参数以例如产生具有时间常数6*Tn(其中，Tn限定在相关于块214以下)并具有阻尼比率1.25的临界阻尼响应，以针对相对高的交通工具速度充分调谐比例-微分控制器模块。
在其他实施方式中，控制器110可配置成基于从用户接口140接收的响应性设置(例如，在接收目标行进方向106之前、之后或在大约相同时间)修改参数、增益项、死区和/或比例-微分或比例-微分-积分控制器模块的输出极限中的一个或多个。在另外的实施方式中，如本文所述，控制器110可配置成基于控制回路400的适应性训练修改增益项和/或块404的其他参数中的一个或多个。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块406之前存储块404的转向需求输出。
在块406中，控制器110使用和/或执行转向需求限制器以接收块404的转向需求输出并将受限制的转向需求(例如，方向舵需求)提供给块408。在一些实施方式中，转向需求限制器可适于限制转向需求以产生小于转向致动器速率限制的转向致动器速率需求和/或小于转向致动器角度限制的转向需求。例如，转向传感器/致动器130可实施成具有转向致动器速率限制“R”。对于交通工具102，转向致动器速率需求可直接与乘以本文限定的块404的比例增益项“Kg”和转向速率增益项“K”的转向需求成比例。为了确保转向致动器速率小于转向致动器速率限制“R”，根据如下转向致动器速率限制方程来限制块404提供的转向需求是足够的：
转向需求<R/(K*Kg)；
其中，K是本文限定的交通工具的正向增益，而Kg代表对于块402 的误差输出的每个度数(例如，行进方向误差的度数)转向需求(例如，方向舵需求)的度数。
在一些实施方式中，Kg可以是包括比例-微分控制器或比例-微分-积分控制器的块404的实施方式提供的总体增益。在其中对于交通工具102的K未知的另外的实施方式中，可以通过例如初始导向控制实验中的自动学习程序确定K，或者可以通过使用适应性算法而将K设置到标称或目标值，其中适应性算法利用包含标称交通工具预测器的合适控制回路，比如图2中的控制回路200或控制回路400。在再另外的实施方式中，可以修改转向致动器速率限制方程以用包含对于本文描述的延迟和其他二阶效应的校正的项取代“K”。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块408之前存储块406的受限制的转向需求输出。
在块408中，控制器110从块406接收受限制的转向需求并从块422接收经过滤的标称交通工具反馈信号并将它们组合以产生之后会被(例如作为控制器信号)提供给转向传感器/致动器130的经调整的转向需求409。在一些实施方式中，经调整的转向需求409可代表受限制的转向需求和经过滤的标称交通工具反馈信号之间的差异。在另外的实施方式中，来自块422的经过滤的标称交通工具反馈信号可以是对于块422的初始条件设置。在再另外的实施方式中，来自块422的经过滤的标称交通工具反馈信号可以通过标称交通工具反馈系统410使用示出的测量的输入来确定。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到412之前存储经调整的转向需求409。
在块412中，控制器110接收来自转向传感器/致动器130的测量的转向角度131(例如，作为传感器信号)和来自块420的标称交通工具反馈信号并将它们组合以产生之后会提供给块414的经调整的测量的转向角度。在一些实施方式中，经调整的测量的转向角度可代表测量的转向角度131和标称交通工具反馈信号之间的差异。在另外的实施方式中，来自块420的标称交通工具反馈信号可以是对于块220的初始条件设置。在再另外的实施方式中，来自块420的标称交通工具反馈信号可以通过标称交通工具反馈系统410使用示出的测量的输入来确定。
测量的转向角度131例如可以是交通工具102的由转向传感器/致动器130感测的转向角度(例如，方向舵角度)，并且可至少部分依赖于提供给转向传感器/致动器130的转向需求409。例如，在其中转向传感器/致动器130能够在控制回路400的至少一部分的更新时间内满足请求的转向需求409的实施方式中，转向角度131可大致等于转向需求409。在其他实施方式中，转向角度131可以例如与转向需求409成比例。
在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块414之前存储块412的经调整的经测量的转向角度输出。
在块414，控制器110使用和/或执行标称交通工具预测器以接收、处理和/或操作来自块412的经调整经测量的转向角度并将标称交通工具转向速率提供到块416。在一些实施方式中，如本文描述的，标称交通工具预测器可实施为传递函数(例如，在S-平面中)，该传递函数适于建模标称交通工具的动态，该标称交通工具的动态至少部分地由选择的交通工具获得。在一个实施方式中，与相关于图2的块214所描述的类似，传递函数可以以标称交通工具转向速率增益项“Kn”与标称交通工具转向速率延迟项“1+Tn*s”的形式实施。
例如，标称交通工具转向速率增益项“Kn”可以等于比率(转向速率)/(转向角度)，其建模对于转向角度的每一度标称交通工具取得的转向速率(在一些实施方式中为偏航角速率)的量。在一些实施方式中，标称交通工具转向速率增益项“Kn”可以由标称交通工具转向速率延迟项“1+Tn*s”校正，标称交通工具转向速率延迟项“1+Tn*s”建模了在应用转向角之后转向速率显现的时间(例如，在Tn秒之后)。在一些实施方式中，控制回路参数Kn和/或Tn可取决于标称交通工具在介质(例如，空气或水)中的速度。在这样的实施方式中，受控的交通工具的速度可以用作标称交通工具的速度。在其他实施方式中，根据被建模的标称交通工具的特定类型、被控制的转向机构的类型和/或被实施的控制回路的类型，传递函数可以实施为不同的函数。
在一些实施方式中，Kn和Tn可以例如作为速度的函数设置到待控制的一群交通工具的各自平均值。在其他实施方式中，Kn可以作为速度的函 数设置到超过待控制的一群交通工具的大部分和/或所有K值，以减小过量的转向致动器活动性的风险。在另外的实施方式中，Tn可以作为速度的函数设置到超过待控制的一群交通工具的大部分和/或所有T值，和/或超过1秒以减小过量的转向致动器活动性的风险和/或减少对于控制器110的高时钟速率(例如，高于100Hz)的需要。在一些实施方式中，待控制的一群交通工具可对应于一种类型的交通工具，比如一种类型的飞机、汽车或船只(例如，帆船、机动船、轮船、潜艇或能够在水上或水中工作的其他船只)。在各种实施方式中，对于一群交通工具的K和T的值可以通过实时试验的性能、控制回路的建模(例如，使用本文描述的一个或多个控制回路)和/或估计来确定和/或近似。
有利地，标称交通工具预测器可以实施为作用于控制回路的两个状态变量(例如，行进方向和转向速率)中仅一个(例如，转向速率)的传递函数，这至少部分由于减少了对于计算资源的需要而使得实现更加容易。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块416之前存储块414的标称交通工具转向速率输出。
在块416中，控制器110接收来自转向速率传感器432的经测量的转向速率433(例如，作为传感器信号)并接收来自块414的标称交通工具转向速率并将其组合以产生之后提供给块418的差分转向速率。在一些实施方式中，差分转向速率可代表经测量的转向速率433和标称交通工具转向速率之间的差值。在各种实施方式中，转向速率传感器432可以实施为方向传感器120、陀螺仪和/或加速度计122、速度传感器124、GPS126、转向传感器/致动器130、和/或其他模块150中的一个或多个。例如，控制器110可适于根据接收自传感器120-126、陀螺仪/加速度计122和/或其他模块150中的一个或多个的传感器信号确定经测量的转向速率。在另外的实施方式中，控制器110可配置成在继续到块418之前存储块416的差分转向速率输出。
在块418和420中，控制器110接收来自块416的差分转向速率、对差分转向速率积分(例如，块418)并将反馈增益施加(例如，块420)到经积分的差值以产生随后会提供到块212和222的标称交通工具反馈信 号421。在一个实施方式中，块218包括类似于图2中块256的积分器的积分器。在一些实施方式中，块420施加的增益是相对大的。例如，在一个实施方式中，块420施加的增益在约400和500之间。在其他实施方式中，块220施加的增益是可以由用户输入和/或控制回路400的适应性训练修改的控制回路参数。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续到块412和/或422之前存储标称交通工具反馈信号421。
在附加的实施方式中，对于例如经测量的转向角度131和/或经测量的转向速率433的每个更新，可以重复包括至少块412、414、426、418和/或420的子控制回路多次。在这样的实施方式中，对应于测量的转向角度131和/或测量的转向速率433的块412和/或416的输入可以设置到对于子控制回路的多次重复的先前被使用的值。在一些实施方式中，这种子控制回路(例如，标称交通工具反馈系统410，其可选地包括块422)可以实施为例如与实施控制回路400的其余块的一个或多个的装置和/或指令分离的装置和/或指令。例如，块404和/或标称交通工具反馈系统410可以实施为分离的电子装置。
在块422中，控制器110过滤块420的标称交通工具反馈信号输出并将经过滤的标称交通工具反馈信号提供给块408。在一些实施方式中，块422可以实施为低通滤波器。在其他实施方式中，块422可实施为具有可基于用户可选择的响应性设置而修改的可选择带宽。在其他实施方式中，滤波器带宽是可基于接收的用户输入和/或利用控制回路400实施的适应性训练修改的控制回路参数。例如，可以基于经调整的转向需求409中目标可接受输出噪声水平而修改滤波器带宽。在各种实施方式中，控制器110可配置成在继续控制回路400之前存储块422的经滤波的标称交通工具反馈信号输出。
在附加的实施方式中，对于例如块404和/或406的每个更新，可以重复包括块408、412、414、416、418、420和/或422的子控制回路多次。在这样的实施方式中，对应于块406的输出的块408的输入可以设置到对于子控制回路的多次重复的先前被使用的值。在一些实施方式中，这种子控制回路可以实施为与实施例如控制回路400的其余块中的一个或多个的 装置和/或指令分离的装置和/或指令。例如，块402和/或404可以实施为与图1中的控制器110分离的电子装置。
在一个实施方式中，标称交通工具反馈系统410可实施为电子装置，其适于安装在具有包括比例-微分和/或比例微分控制器模块(例如，类似于图2的块204、图3的块304和/或图4的块404)和类似于传感器120-126、转向传感器/致动器130和/或图1的其他模块150的一个或多个部件的既有方向控制系统的交通工具上。
由于控制回路400包括比例-差分控制器模块(例如，块404)和标称交通工具预测器(例如，块414)，所以相比于标称交通工具预测器单个发挥作用以稳定例如交通工具102的方向控制的情形，控制回路400的实施方式可实施为具有更高带宽(响应)的临界衰减控制回路。由于控制回路400还包括转向需求限制器(例如，块406)，所以控制回路400的实施方式可以实现成避免非线性控制回路响应，该非线性控制回路响应对应于产生超过转向致动器速率限制的转向致动器速率需求和/或超过转向致动器角度限制的转向需求。
根据本公开的各种实施方式，与系统100和/或控制回路200、300或400相关进行描述的各种控制回路参数、用户输入、传感器信号、控制器信号和其他数据、参数和/或信号可以在控制回路中的各种点处存储，包括特定控制回路的块任何一个内和/或其执行过程中。
在适用的情况下，本公开提供的各种实施方式可利用硬件、软件或硬件和软件的组合来实施。同时，在适用的情况下，本文阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以组合成包括硬件、软件和/或两者的合成部件而不脱离本公开的范围。在适用的情况下，本文阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以分离成包括硬件、软件或两者的子部件而不脱离本公开的范围。另外，在适用的情况下，可以预想到软件部件可以实施为硬件部件，反之亦然。
根据本公开的软件，比如非临时性指令、程序代码和/或数据可以存储在一个或多个非临时性机器刻度介质上。还可以预想到可以使用联网的和/或不联网的一个或多个通用或专用计算机和/或计算机系统来实施本文确 定的软件。在适用的情况下，本文描述的各种步骤的顺序可以改变、组合成合成步骤和/或分成子步骤以提供本文描述的功能。
上述实施方式示意了但不限制本发明。还应当理解，根据本发明的原理，无数的修改和变型是可能的。因此，本发明的范围仅由随附的权利要求限定。