垂直起飞和着陆无人驾驶飞行器
阅读：158发布：2020-05-13
专利汇可以提供垂直起飞和着陆无人驾驶飞行器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 题为“垂直 起飞 和着陆无人驾驶 飞行器 ”。本发明公开了一种固定翼、固定旋翼 垂直起飞 和着陆(VTOL) 无人驾驶飞行器 (UAV)，VTOL UAV可包括 机身 ，机身从前部延伸到后部并且限定上段和下段；第一对机翼，第一对机翼固定地附接到机身的前部的相对两侧；和第二对机翼，第二对机翼固定地附接到机身的后部的相对两侧。第一对固定机翼可相对于第二对固定机翼沿上段-下段方向偏移。在一些示例中，第一对机翼限定第一机翼对表面区域，第一机翼对表面区域不同于由第二对机翼限定的第二机翼对表面区域，因此第一对机翼和第二对机翼产生升 力 ，升力迫使VTOL UAV从起飞期间的基本上垂直取向到飞行期间的更加 水 平取向。，下面是垂直起飞和着陆无人驾驶飞行器专利的具体信息内容。
1.一种垂直起飞和着陆(VTOL)无人驾驶飞行器(UAV)，包括：
机身，所述机身从前部延伸到后部并且限定上段和下段；
第一对机翼，所述第一对机翼固定地附接到所述机身的所述前部的相对两侧；
第二对机翼，所述第二对机翼固定地附接到所述机身的所述后部的相对两侧，其中所述第一对固定机翼相对于所述第二对固定机翼沿上段-下段方向偏移；
第一多个旋翼，所述第一多个旋翼固定地附接到所述第一对机翼；
第二多个旋翼，所述第二多个旋翼固定地附接到所述第二对机翼；和
着陆支撑件，所述着陆支撑件从所述机身的所述后部和所述第二对固定机翼的后部向后延伸，使得所述机身在起飞前和着陆后停靠在所述着陆支撑件上时以基本上垂直延伸的纵轴线停靠。
2.根据权利要求1所述的UAV，其中所述第一对机翼限定第一机翼对表面区域，所述第一机翼对表面区域不同于由所述第二对机翼限定的第二机翼对表面区域，使得所述第一对机翼和所述第二对机翼产生升力，所述升力迫使所述UAV的所述纵轴线从起飞期间的基本上垂直取向到飞行期间的更加水平取向。
3.根据权利要求2所述的UAV，其中所述第一机翼对表面区域小于所述第二机翼对表面区域，并且其中所述第二对固定机翼与所述第一对固定机翼相比朝向所述机身的上部偏移。
4.根据权利要求2所述的UAV，其中所述第一机翼对表面区域大于所述第二机翼对表面区域，并且其中所述第一对固定机翼与所述第二对固定机翼相比朝向所述机身的所述上部偏移。
5.根据权利要求1所述的UAV，其中所述机身是桨叶机身，并且其中所述机身的所述后部包括一体式垂直稳定器。
6.根据权利要求1所述的UAV，其中所述UAV的重心从所述UAV的空气动力中心偏移。
7.根据权利要求6所述的UAV，其中所述重心从空气动力中心向前和朝向下段偏移。
8.一种方法，包括：
通过飞行控制电子器件使第一多个旋翼和第二多个旋翼以基本上相同的旋转速度旋转以使垂直起飞和着陆(VTOL)无人驾驶飞行器(UAV)从垂直取向起飞，其中所述VTOL UAV包括：
机身，所述机身从前部延伸到后部并且限定上段和下段；
第一对机翼，所述第一对机翼固定地附接到所述机身的所述前部的相对两侧；
第二对机翼，所述第二对机翼固定地附接到所述机身的所述后部的相对两侧，其中所述第一对固定机翼相对于所述第二对固定机翼沿上段-下段方向偏移；
第一多个旋翼，其中所述第一多个旋翼固定地附接到所述第一对机翼；
第二多个旋翼，其中所述第二多个旋翼固定地附接到所述第二对机翼；和着陆支撑件，所述着陆支撑件从所述机身的所述后部和所述第二对固定机翼的后部向后延伸，使得所述机身在起飞前和着陆后停靠在所述着陆支撑件上时以基本上垂直延伸的纵轴线停靠；并且
通过所述飞行控制电子器件使所述第二多个旋翼比所述第一多个旋翼更快地旋转以使所述VTOL UAV转变为水平飞行取向。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
通过所述飞行控制电子器件使所述第一多个旋翼比所述第二多个旋翼更快地旋转以使所述VTOL UAV转换为垂直飞行取向。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一对机翼限定第一机翼对表面区域，所述第一机翼对表面区域不同于由所述第二对机翼限定的第二机翼对表面区域，使得所述第一对机翼和所述第二对机翼产生升力，所述升力迫使所述UAV的所述纵轴线从起飞期间的基本上垂直取向到飞行期间的更加水平取向。
垂直起飞和着陆无人驾驶飞行器
技术领域
背景技术
[0002] 无人驾驶飞行器(UAV)可用于许多任务，包括检测任务，诸如测量、航空摄影、扫描、二维或三维(3D)建模和映射、不动产测量和输气管道监测等。UAV可分为五种主流类型：倾斜旋翼或倾斜翼、尾翼、旋翼(例如，直升机)或多旋翼、复合飞机和固定翼。
发明内容
发明内容
[0003] 在一些示例中，本公开描述了垂直起飞和着陆(VTOL)无人驾驶飞行器(UAV)，其包括机身，该机身从前部延伸到后部并且限定上段和下段；第一对机翼，该第一对机翼固定地附接到机身的前部的相对两侧；第二对机翼，该第二对机翼固定地附接到机身的后部的相对两侧，其中第一对固定机翼相对于第二对固定机翼沿上段-下段方向偏移；第一多个旋翼，该第一多个旋翼固定地附接到第一对机翼；第二多个旋翼，该第二多个旋翼固定地附接到第二对机翼；和着陆支撑件，该着陆支撑件从机身的后部和第二对固定机翼的后部向后延伸，使得机身在起飞前和着陆后停靠在着陆支撑件上时以基本上垂直延伸的纵轴线停靠。
[0004] 在一些示例中，本公开描述了方法，该方法包括通过飞行控制电子器件使第一多个旋翼和第二多个旋翼以基本上相同的旋转速度旋转以使垂直起飞和着陆(VTOL)无人驾驶飞行器(UAV)从垂直取向起飞。VTOL UAV包括机身，该机身从前部延伸到后部并且限定上段和下段；第一对机翼，该第一对机翼固定地附接到机身的前部的相对两侧；第二对机翼，该第二对机翼固定地附接到机身的后部的相对两侧，其中第一对固定机翼相对于第二对固定机翼沿上段-下段方向偏移；第一多个旋翼，其中第一多个旋翼固定地附接到第一对机翼；第二多个旋翼，其中第二多个旋翼固定地附接到第二对机翼；和着陆支撑件，该着陆支撑件从机身的后部和第二对固定机翼的后部向后延伸，使得机身在起飞前和着陆后停靠在着陆支撑件上时以基本上垂直延伸的纵轴线停靠。该方法还包括通过飞行控制电子器件使第二多个旋翼比第一多个旋翼更快地旋转以使VTOL UAV转变为水平飞行取向。
附图说明
[0006] 图1是示例性垂直起飞和着陆(VTOL)无人驾驶飞行器(UAV)的等轴视图，该无人驾驶飞行器包括两对固定翼以及从机身的后部向后延伸的着陆支撑件。
[0008] 图3是示出示例性VTOL UAV的着陆支撑件的视图的概念图。
[0009] 图4是示出在VTOL UAV的机翼上包括控制表面的示例性VTOL UAV视图的概念图。
[0010] 图5A和图5B是示出处于拆卸状态的示例性VTOL UAV和携带箱中的拆卸VTOL UAV的视图的概念图。
[0011] 图6A和图6B是示出示例性VTOL UAV的示例性电子部件和有效载荷的概念图。
[0012] 图7A至图7D是示出用以在垂直飞行取向下实现所选飞行操纵的VTOL UAV的多个旋翼的相对旋转速率的概念图。
[0013] 图8A至图8D是示出用以在水平飞行取向下实现所选飞行操纵的VTOL UAV的多个旋翼的相对旋转速率的概念图。
[0014] 图9是示出在垂直起飞期间的示例性VTOL UAV的顺序视图的概念图。
[0015] 图10是示出在受控着陆期间的示例性VTOL UAV的顺序视图的概念图。
[0016] 图11是示出在垂直飞行取向下操作时的不受控着陆期间的示例性VTOL UAV的顺序视图的概念图。
[0017] 图12是示出在水平飞行取向下操作时的不受控着陆期间的示例性VTOL UAV的顺序视图的概念图。
具体实施方式
[0018] 本公开描述了垂直起飞和着陆(VTOL)无人驾驶飞行器(UAV)，其包括固定机翼和固定旋翼。VTOL UAV可以是尾坐式，即，可被配置为从停靠在VTOL UAV的尾翼上的位置起飞和着陆，其中VTOL UAV的机身基本上垂直取向(例如，垂直或比水平更垂直)，然后在水平飞行期间转变为机身基本上水平(例如，水平或比垂直更水平)。VTOL UAV可实现从垂直取向到水平取向的这种转变，而无需机翼相对于机身的旋转或旋翼相对于机翼或机身的取向的旋转。以这种方式，VTOL UAV在机械上可比倾斜旋翼和倾斜翼飞行器更简单，从而减少了结构重量并便于飞行稳定性控制。由于机翼在水平飞行期间产生升力，因此VTOL UAV可比多旋翼UAV更具空气动力学效率，这可允许具有类似功率供应和更大有效载荷容量的更长持续时间的飞行。另外，通过启用VTOL，VTOL UAV可允许在比不启用VTOL的固定翼飞机更小的区域中起飞和着陆。
[0019] 图1是示例性垂直起飞和着陆VTOL UAV 10的等轴视图，该UAV包括两对固定翼以及从机身12的后部向后延伸的着陆支撑件。
[0020] VTOL UAV 10包括机身12，该机身从前部14延伸到后部16。前部14也可称为机头，并且后部16也可以称为尾翼。机身12还限定上段18和下段20。在一些示例中，机身12可以是带桨叶的机身，其中机身包括与机身的长度和高度相比相对较小的宽度。与圆形或椭圆形机身相比，带桨叶的机身可减小阻力，可将机身力集中在较小的区域中，可便于VTOL UAV10的组装，可简化VTOL UAV 10的重心和空气动力中心的布置，或它们的组合。
[0021] 在一些示例中，机身12(并且更具体地讲为后部16)包括一体式垂直稳定器22。一体式垂直稳定器22可相对于机身12的剩余部分沿上-下方向(例如，限定为基本上垂直于从VTOL UAV 10的前部14延伸到后部16的纵向轴线延伸的方向，以及沿基本上平行于上段18和下段20之间的方向的方向)向上、向下延伸，或两种情况均可。在图1的示例中，一体式垂直稳定器22相对于机身12的剩余部分向上和向下延伸。一体式垂直稳定器22可充当偏航阻尼器，以减少意外或非预期的航向变化，例如，当VTOL UAV 10处于侧滑电流时。
[0022] VTOL UAV 10还包括第一对机翼24A和24B(统称为“第一对机翼24”)以及第二对机翼26A和26B(统称为“第一对机翼26”)。第一对机翼24固定地附接到机身12的前部14的相对两侧，并且第二对机翼26固定地附接到机身12的后部16的相对两侧。例如，第一机翼24A在朝向前部14的下段20的位置处固定地附接到机身12的第一侧28。第二机翼24B在朝向前部14的下段20的位置处固定地附接到机身12的第二侧30。第三机翼26A在朝向后部16的上段
18的位置处固定地附接到机身12的第一侧28。第四机翼26B在朝向后部16的上段18的位置处固定地附接到机身12的第二侧30。如本文所用，“固定地附接”意指与倾斜翼或倾斜旋翼飞机相比，部件在使用期间不会相对于其所附接的部件旋转。因此，在VTOL UAV 10的操作期间，机翼24A、24B、26A和26B不围绕其相应的纵向轴线旋转。固定地附接到另一个部件的部件可从它们所固定附接的部件移除，例如，以便于VTOL UAV 10的运输。
18的位置处固定地附接到机身12的第一侧28。第四机翼26B在朝向后部16的上段18的位置处固定地附接到机身12的第二侧30。如本文所用，“固定地附接”意指与倾斜翼或倾斜旋翼飞机相比，部件在使用期间不会相对于其所附接的部件旋转。因此，在VTOL UAV 10的操作期间，机翼24A、24B、26A和26B不围绕其相应的纵向轴线旋转。固定地附接到另一个部件的部件可从它们所固定附接的部件移除，例如，以便于VTOL UAV 10的运输。
[0023] 在一些示例中，与第一对机翼24朝向前部14的下段20固定地附接到机身12并且第二对机翼26朝向后部16的上段18固定地附接到机身12相反，第一对机翼24可朝向前部14的上段18固定地附接到机身并且第二对机翼26可朝向后部16的下段20固定地附接到机身。在任一种情况下，第一对机翼24沿上段-下段方向从第二对机翼26偏移。
[0024] 在一些示例中，第二对机翼26可具有大于第一对机翼24的空气动力学表面，使得第二对机翼26产生比第一对机翼24更大的升力。例如，第一机翼24A和第二机翼24B可各自限定第一长度L1，并且第三机翼26A和第四机翼26B可各自限定第二长度L2。类似地，第一机翼24A和第二机翼24B可各自限定第一宽度W1，并且第三机翼26A和第四机翼26B可各自限定第二宽度W2。在一些示例中，第二长度L2可大于第一长度L1，并且宽度W1和W2可基本上相同，使得第二对机翼26具有大于第一对机翼24的空气动力学表面。在其他示例中，第二宽度W2可大于第一宽度W1，并且长度L1和L2可基本上相同，使得第二对机翼26具有大于第一对机翼24的空气动力学表面。在其他示例中，第二长度L2可大于第一长度L1，并且第二宽度W2可大于第一宽度W1，使得第二对机翼26具有大于第一对机翼24的空气动力学表面。通过使第二对机翼26产生比第一对机翼24更大的升力，VTOL UAV 10可便于从垂直飞行取向(例如，直升机模式)转变到水平飞行取向(例如，飞机模式)。
[0025] 另外，在水平飞行期间将第二对机翼26配置为产生更大升力便于相对于VTOL UAV 10的重心调整VTOL UAV 10的空气动力中心。这可在水平飞行期间增加VTOL UAV 10的飞行稳定性。另外，这可实现相机和其他有效载荷在第一对机翼24和第二对机翼26之间的定位的更大的灵活性，有效载荷可以移动而对飞行性能(例如，安装到常平架的相机等)的影响较小。
[0026] 第一对机翼24和第二对机翼26的机翼可以以任何选定角度安装到机身12，并且相应角度可相同或不同。例如，第一对机翼24的安装角度可与第二对机翼26的安装角度相差几度(例如，相差约2和约8度)。机翼24和26的安装角度可影响飞行性能、稳定性和质量。
[0027] 第一对机翼24的每个机翼和第二对机翼26的每个机翼包括附接到其的至少一个相应旋翼。例如，第一旋翼32A附接到第一机翼24A，第二旋翼32B附接到第二机翼24B，第三旋翼32C附接到第三机翼26A，并且第四旋翼32D附接到第四机翼26B。在一些示例中，旋翼32A、32B、32C和32D(统称为“旋翼32”)中的每个可包括相应的电机或功率源以及相应的推进器(例如，螺旋桨)。相应的电机或功率源可固定地附接到相应机翼。相应的推进器可围绕其相应的中心轴线旋转，但是可以以其他方式固定地附接到相应的电机或功率源，并且因此固定地附接到相应机翼。换句话讲，与倾斜旋翼飞机相比，旋翼32不旋转以相对于相应旋翼所附接的相应机翼重新定位其推力方向。旋翼32相对于机翼24和26的水平面的安装角度可以是垂直的，或者偏离垂线几度。
[0028] 如图1所示，在一些示例中，旋翼32的推进器相对于旋翼在旋翼旁边和后面反向旋转，以产生具有相反俯仰角的相同推力方向。例如，当从机身12的前方观察时，第一旋翼32A可顺时针旋转，当从机身12的前方观察时，第二旋翼32B可逆时针旋转，当从机身12的前方观察时，第三旋翼32C可逆时针旋转，并且当从机身12的前方观察时，第四旋翼32D可顺时针旋转。在其他示例中，旋翼32的旋转方向可与图1中所示的不同。
[0029] 虽然图1将VTOL UAV 10示为包括附接到每个相应机翼的单个旋翼，但在其他示例中，VTOL UAV 10可包括更多或更少的旋翼。一般来讲，VTOL UAV 10可包括附接到每个相应机翼的至少一个旋翼。VTOL UAV 10可包括附接到每个机翼的相同数量的旋翼，或者可包括附接到不同机翼的不同数量的旋翼(例如，附接到第一机翼24A和第二机翼24B中的每个的一个相应旋翼，以及附接到第三机翼26A和第四机翼26B中的每个的两个相应旋翼)。
[0030] VTOL UAV 10可以是尾坐式飞机，并且包括着陆支撑件34A-34D(统称为“着陆支撑件34”)。着陆支撑件34可附接到机身12的后部16，第二对机翼26的后部，或这两者。例如，如图1所示，第一着陆支撑件34A附接到机身12的后部16的上段18(例如，在一体式垂直稳定器22的上端部或尖端处)，并且第二着陆支撑件34B附接到机身12的后部16的下段20(例如，在一体式垂直稳定器22的下端部或尖端处)。另外，第三着陆支撑件34C附接到第三机翼26A的后部，并且第四着陆支撑件34D附接到第四机翼26B的后部。如图1所示，VTOL UAV 10包括附接到机身12和第二对机翼26的四个着陆支撑件，其可在起飞和着陆操纵期间为VTOL UAV10提供支撑和稳定性。在其他示例中，VTOL UAV 10可包括更多或更少(例如，三个或五个或更多个)着陆支撑件34。
[0031] 图2A和图2B是示例性VTOL UAV 40的侧视图和俯视图，示出了一体式垂直稳定器54(例如，垂直尾翼)的偏航阻尼效果。VTOL UAV 40可与图1的VTOL UAV 10类似或基本上相同，除了本文所述的任何差异之外。例如，VTOL UAV 40包括机身42，该机身从前部44延伸到后部46。
[0032] VTOL UAV 40还包括具有第一机翼48A和第二机翼48B的第一对机翼48，以及具有第三机翼50A和第四机翼50B的第二对机翼50。第一对机翼48固定地附接到机身42的前部44的下段，并且第二对机翼50固定地附接到机身42的后部46的上段。相应旋翼52A、52B、52C和52D附接到机翼48A、48B、50A和50B的每个相应机翼。另外，VTOL UAV 40包括着陆支撑件
56A-56D。
56A-56D。
[0033] 在图2A和图2B所示的示例中，机身42包括在后部46附近或作为后部46的一部分的一体式垂直稳定器54。一体式垂直稳定器54相对于机身42的剩余部分向上和向下延伸。在其他示例中，一体式垂直稳定器54可相对于机身42的剩余部分仅向上延伸，或者可相对于机身的剩余部分仅向下延伸。
[0034] 一体式垂直稳定器54充当偏航阻尼器，以减少意外或非预期的航向变化，例如，当VTOL UAV 40处于侧滑电流时62。例如，如图2A所示，尾翼力矩臂M存在于VTOL UAV 40的重心58和一体式垂直稳定器54之间。如图2B所示，一体式垂直稳定器54可引起围绕VTOL UAV 40的重心58的旋转力，该旋转力可抵消由侧向风62产生的侧滑力或速度引起的VTOL UAV
40的无意侧向运动。
40的无意侧向运动。
[0035] 图3是示出示例性VTOL UAV 70的着陆支撑件82A-82D的视图的概念图。VTOL UAV 70可与图1的VTOL UAV 10类似或基本上相同，除了本文所述的任何差异之外。例如，VTOL UAV 70包括机身72，该机身从前部(在图3中未示出)延伸到后部76。VTOL UAV 70还包括具有第一机翼78A和第四机翼78B的第二对机翼78。第二对机翼78固定地附接到机身72的后部
74的上段。相应旋翼80A和80B附接到机翼78A和78B的每个相应机翼。
74的上段。相应旋翼80A和80B附接到机翼78A和78B的每个相应机翼。
[0036] VTOL UAV 70包括着陆支撑件82A-82D(统称为“着陆支撑件82”)。第一着陆支撑件82A附接到一体式垂直稳定器76的第一(例如，顶部)端部，第二着陆支撑件82B附接到一体式垂直稳定器76的第二(例如，底部)端部。第一着陆支撑件82A和第二着陆支撑件82B从机身72的后端向后延伸。第三着陆支撑件82C附接到第一机翼78A并且从第一机翼78A的后端向后延伸。第四着陆支撑件82D附接到第二机翼78B并且从第二机翼78B的后端向后延伸。以这种方式，着陆支撑件82的最后部在起飞和着陆操作期间限定VTOL UAV 70的停靠位置。在一些示例中，着陆支撑件82的最后部终止在共用平面处，该共用平面基本上垂直于VTOL UAV70的纵向轴线。因此，当VTOL UAV 70停靠在着陆支撑件82上的表面上时，VTOL UAV 70的纵向轴线可基本上垂直于该表面取向。82C和82D的附接角度平行于机身76的纵向轴线示出。然而，该角度可被选择为除了平行之外的角度。例如，该角度可在机翼78外部30或45度，以提供更大的着陆支撑空间。
[0037] 在一些示例中，如图3所示，着陆支撑件82中的每个可包括弯曲形状，比如滑板或滑车滑道。着陆支撑件82的这种配置使得着陆支撑件82能够沿着表面(例如，着陆表面或起飞表面)滑动。这可以便于VTOL UAV 70从不完全平坦的表面起飞和着陆在该表面处，和/或以不垂直于表面的上升或下降角度起飞和着陆而不倾翻。通过允许VTOL UAV 70沿着表面滑动，着陆支撑件82还可降低VTOL UAV 70在停靠在表面上时由于风而倾翻的可能性。
[0038] 在一些示例中，如图3所示，第一着陆支撑件82A和第二着陆支撑件82B的滑板或滑车滑道形状可沿基本上相反方向取向，并且第三着陆支撑件82C和第四着陆支撑件82D的滑板或滑车滑道形状可沿基本上相反方向取向。另外，第一着陆支撑件82A和第二着陆支撑件82B的滑板或滑车滑道形状可基本上垂直于第三着陆支撑件82C和第四着陆支撑件82D的滑板或滑车滑道形状取向。通过包括着陆支撑件82的这样的取向，VOTL UAV70可使得能够在着陆或起飞期间沿基本上任何方向滑动。
[0039] 在一些示例中，着陆支撑件82可相对容易地从一体式垂直稳定器76和机翼78移除，例如，以在着陆支撑件82磨损或损坏时允许更换着陆支撑件82。以这种方式，着陆支撑件82可以是消耗品并且可降低在着陆和起飞期间机身72和/或机翼78损坏的可能性。
[0040] 图4是示出在VTOL UAV 90的机翼98,100上包括控制表面104的示例性VTOL UAV 90视图的概念图。VTOL UAV 90可与图1的VTOL UAV 10类似或基本上相同，除了本文所述的任何差异之外。例如，VTOL UAV 90包括机身92，该机身从前部94延伸到后部96。
[0041] VTOL UAV 90还包括具有第一机翼98A和第二机翼98B的第一对机翼98，以及具有第三机翼100A和第四机翼100B的第二对机翼100。第一对机翼98固定地附接到机身92的前部94的下段，并且第二对机翼100固定地附接到机身92的后部96的上段。相应旋翼102A、102B、102C和102D附接到机翼98A、98B、100A和100B的每个相应机翼。
[0042] VTOL UAV 90还可包括控制表面104A-104H(统称为“控制表面104”)。控制表面104可包括在机翼98,100中的一个或多个中。在图4的示例中，第一机翼98A包括两个控制表面104A,104B，第二机翼98B包括两个控制表面104C,104D，第三机翼100A包括两个控制表面
104E,104F，并且第四机翼100B包括两个控制表面104G,104H。在其他示例中，机翼98和100可包括不同数量的控制表面104(例如，机翼98和100的每个机翼可包括单个相应控制表面)，或者机翼98和100中的一些可省略控制表面104。
104E,104F，并且第四机翼100B包括两个控制表面104G,104H。在其他示例中，机翼98和100可包括不同数量的控制表面104(例如，机翼98和100的每个机翼可包括单个相应控制表面)，或者机翼98和100中的一些可省略控制表面104。
[0043] 控制表面104可包括任何可移动结构，其被配置为影响机翼98或100周围的气流以改变VTOL UAV 90的姿势或取向。例如，控制表面104可包括副翼、扰流板、板条、襟翼、升降舵等。在一些示例中，控制表面104中的每个位于机翼98或100的相应机翼的后边缘处，并且是副翼、襟翼或升降舵。控制表面104可在垂直飞行取向(例如，直升机模式)和水平飞行取向(例如，飞机模式)两者中促进VTOL UAV 90的姿势修整。控制表面104还可增强模式转变的权限(例如，从垂直飞行取向(例如，直升机模式)和水平飞行取向(例如，飞机模式)或反之亦然)。由于附接到机翼98和100的四个旋翼的RPM控制可为VTOL UAV 90提供从直升机模式到飞机模式的足够的飞行控制，因此控制表面104可用于提供双冗余管理或可允许VTOL UAV 90与固定的RPM旋翼一起操作。
[0044] 在一些示例中，如本文所述的VTOL UAV可被拆卸以便运输。图5A和图5B是分别示出处于拆卸状态的示例性VTOL UAV 110和携带箱112中的拆卸VTOL UAV 110的视图的概念图。如图5A所示，在一些示例中，VTOL UAV 110可被拆卸成三部分：机身114、第一对机翼116和第三对机翼118。在一些实施方式中，第一对机翼116的机翼可彼此为一体，并且第二对机翼118的机翼可彼此为一体。另外，第一旋翼122A和第二旋翼122B可与第一对机翼116成一体，并且第三旋翼122C和第四旋翼122D可与第二对机翼118成一体。类似地，第一着陆支撑件124A和第二着陆支撑件124B可与第二对机翼118成一体。
[0045] 在其他实施方式中，VTOL UAV 110可被进一步拆卸。例如，第一对机翼116的机翼不是成整体的，而是可使第一对机翼116的机翼彼此物理分离。类似地，第二对机翼118的机翼不是成整体的，而是可使第二对机翼118的机翼彼此物理分离。在一些示例中，旋翼122可从机翼116,118移除，或者着陆支撑件124A和124B可从第二对机翼118移除。一般来讲，VTOL UAV 110(其可以是本文所述的VTOL UAV中的任一个)，包括VTOL UAV 10、40、70或90，可被分离成两个或更多个部件以便于运输VTOL UAV 110。
[0046] 在一些示例中，运输系统可包括具有衬垫的携带箱以及在拆卸时专门为VTOL UAV 110制造的空腔。例如，图5B示出示例性携带箱112，该携带箱包括内部衬垫120，该内部衬垫限定空腔126,128,130，这些空腔分别基本上适形于机身114、第一对机翼116和第二对机翼
118的形状。内部衬垫120和空腔126,128,130可减少在运输期间损坏VTOL UAV 110的机会。
例如，内部衬垫120可充当振动吸收材料。在其中VTOL UAV 110被拆卸成更多部分的示例中，携带箱112可包括衬垫120，该衬垫限定附加空腔，例如，用于VTOL UAV 110被拆卸成的每个相应部分的一个特殊形状的空腔。
118的形状。内部衬垫120和空腔126,128,130可减少在运输期间损坏VTOL UAV 110的机会。
例如，内部衬垫120可充当振动吸收材料。在其中VTOL UAV 110被拆卸成更多部分的示例中，携带箱112可包括衬垫120，该衬垫限定附加空腔，例如，用于VTOL UAV 110被拆卸成的每个相应部分的一个特殊形状的空腔。
[0047] 图6A和图6B是示出示例性VTOL UAV 140的示例性电子部件和有效载荷的概念图。一般来讲，VTOL UAV 140可以是本文所述的VTOL UAV中的任一个，包括VTOL UAV 10、40、
70、90或110。图6A是VTOL UAV 140的俯视图，并且图6B是VTOL UAV 140的侧视图。例如，VTOL UAV 140可包括初级GPS天线142、次级GPS天线144、主罗盘146、辅助罗盘148、电池
150、惯性测量单元(IMU)152、飞行控制电子器件154、致动控制电子器件156、一对前置相机
158和后置相机160或中心相机、遥测模块162、布线164、前降落伞166、后降落伞168和有效载荷170。在其他示例中，VTOL UAV 140可包括更多或更少的部件。例如，VTOL UAV 140可包括仅一个GPS天线、仅一个罗盘、仅一个相机、仅一个降落伞等，或者省略有效载荷，或者可将所有电子器件集成到单个片上系统中。
70、90或110。图6A是VTOL UAV 140的俯视图，并且图6B是VTOL UAV 140的侧视图。例如，VTOL UAV 140可包括初级GPS天线142、次级GPS天线144、主罗盘146、辅助罗盘148、电池
150、惯性测量单元(IMU)152、飞行控制电子器件154、致动控制电子器件156、一对前置相机
158和后置相机160或中心相机、遥测模块162、布线164、前降落伞166、后降落伞168和有效载荷170。在其他示例中，VTOL UAV 140可包括更多或更少的部件。例如，VTOL UAV 140可包括仅一个GPS天线、仅一个罗盘、仅一个相机、仅一个降落伞等，或者省略有效载荷，或者可将所有电子器件集成到单个片上系统中。
[0048] 电池150是提供电能的功率源，用于为VTOL UAV 140的电子部件的操作供电，所述电子部件包括例如初级GPS天线142、次级GPS天线144、IMU 152、飞行控制电子器件154、致动控制电子器件156、遥测模块162和旋翼172A-172D(统称为“旋翼172”)。电池150可包括任何合适的电池化学物质，诸如锂离子、锂-氧、锂-空气、碱金属、氧镍氢氧化物、镍金属氢化物等。
[0049] 电池150利用布线164连接到VTOL UAV 140的各种电部件。布线164可在机身174的内部或者安装到机身174的表面。布线164可包括线束，柔性电介质衬底上的电迹线等。除了向VTOL UAV 140的各种电部件导电之外，布线164还可包括专用于控制和通信信号的导体。在一些示例中，电池150占VTOL UAV 140重量的相对较大部分(例如，约40％)，因此电池150可在重心的期望位置附近位于机身174上或机身174内。
[0050] 飞行控制电子器件154控制VTOL UAV 140的整体操作，例如起飞、着陆、在垂直飞行取向和水平飞行取向之间的转变以及反之亦然等。飞行控制电子器件154可从其他部件(例如，初级GPS天线142、次级GPS天线144、IMU 152、致动控制电子器件156、前置相机158、后置相机160、遥测模块162等)接收信号，并且控制VTOL UAV 140的各种部件(例如，旋翼172、控制表面(在图6A和图6B中未示出)等)的操作以实现期望的飞行操纵。在一些示例中，飞行控制电子器件154可以用飞行控制算法编程，诸如用以实现参考图7A至图7D和图8A至图8D描述的飞行操纵的算法。飞行控制电子器件154可被实现为一个或多个处理器(例如，微处理器、中央处理单元、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等)，该处理器编程有、实现、或执行固件或软件以实现属于飞行控制电子器件154的功能。
[0051] 在一些示例中，VTOL UAV 140可包括多个冗余飞行控制电子器件154。例如，VTOL UAV 140可包括飞行控制电子器件154的两个或三个冗余实例。在一些示例中，飞行控制电子器件154的一个或多个实例可包括内部电池，该内部电池可在电池150功率损失的情况下为一个或多个紧急功能(例如，展开降落伞166或168中的一个或两个)提供足够的电力。
[0052] IMU 152表示一起测量VTOL UAV 140在三个正交轴线(例如，俯仰、滚动和偏航)中的运动的各种部件。IMU 152可包括一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计等。IMU 152可向飞行控制电子器件154提供信号，该飞行控制电子器件可以使用来自IMU 152的信号来确定VTOL UAV 140的取向和航向。
[0053] 飞行控制电子器件154还可从初级GPS天线142、次级GPS天线144、主罗盘146或辅助罗盘148中的一个或多个接收信号。与来自IMU 152的信号一起，飞行控制电子器件154可使用来自初级GPS天线142、次级GPS天线144、主罗盘146或辅助罗盘148中的一个或多个的信号来建立VTOL UAV 140的取向和航向。
[0054] 飞行控制电子器件154可基于飞行控制逻辑以及从初级GPS天线142、次级GPS天线144、主罗盘146或辅助罗盘148和/或IMU 152接收的信号来将控制信号传送到致动控制电子器件156和旋翼172。致动控制电子器件156可接收控制信号并且控制任何控制表面(在图
6A和图6B中未示出)的致动，以实现姿势的改变，垂直飞行取向和水平飞行取向之间的转换等。类似地，旋翼172可基于来自飞行控制电子器件156的控制信号来控制相对旋转速率，以实现姿势的改变，垂直飞行取向和水平飞行取向之间的转换等。
6A和图6B中未示出)的致动，以实现姿势的改变，垂直飞行取向和水平飞行取向之间的转换等。类似地，旋翼172可基于来自飞行控制电子器件156的控制信号来控制相对旋转速率，以实现姿势的改变，垂直飞行取向和水平飞行取向之间的转换等。
[0055] 除了可能用于导航之外，前置相机158和后置相机160可用于获取图像作为VTOL UAV 140的任务的一部分，可以是防撞系统的一部分，从而收集由飞行控制电子器件156使用的图像以支持碰撞避免，或两种情况均可。例如，VTOL UAV 140可用于检查或监测各种位置，并且前置相机158和后置相机160可捕获位置的图像，该图像可由VTOL UAV 140承载的计算机存储器(例如，作为飞行控制电子器件154的一部分)存储或者通过遥测模块162无线地传输到外部计算系统。前置相机158和后置相机160可包括任何合适的图像传感器和相关联的光学部件，以允许捕获任何波长的光(例如，可见光、IR、UV等)的静止图像、视频图像等。在一些示例中，VTOL UAV 140可包括安装在机身174的纵向中心附近的单个相机，而不是包括前置相机158和后置相机160。在一些示例中，单个或多个相机158和160可安装在常平架或其他致动器上，以允许单个或多个相机158和160相对于机身174移动。
[0056] 遥测模块162包括电子器件和一个或多个天线，以促进VTOL UAV 140和远程计算系统之间的无线通信。例如，遥测模块162可包括用于使用任何合适的通信协议，诸如蜂窝通信协议(例如，3G、4G、5G或其组合)进行通信的射频电子器件和相关联天线，以允许数据和/或控制信号与移除计算系统的交换。在一些示例中，VTOL UAV 140可包括多个遥测模块。多个遥测模块可专用于相应的通信协议，可在遥测模块之一丢失或故障或其组合的情况下提供冗余。
[0057] VTOL UAV 140还可包括任选有效载荷170。有效载荷170可包括例如用于管道检查的气体检测器有效载荷，被配置为在搜索和救援任务期间释放到救援区域的搜索和救援套件。救援套件可包括例如一瓶水、一袋食物和传输被营救者的位置的GPS发射器。在一些示例中，有效载荷170可包括分析工具套件以监测UAV飞行位置的环境条件。
[0058] VTOL UAV 140还可包括前降落伞166和后降落伞168。前降落伞166安装在机身174的机头附近，并且后降落伞168安装在机身174的尾翼附近。前降落伞166和后降落伞168可用作不受控着陆的一部分，例如，在VTOL UAV 140的功率损失或失去控制的情况下。在一些示例中，前降落伞166可在VTOL UAV 140在垂直飞行取向(例如，直升机模式)下操作时在不受控着陆的情况下展开，并且后降落伞168可在VTOL UAV 140在水平飞行取向(例如，飞机模式)下操作时在不受控着陆的情况下展开。
[0059] 如上所述，飞行控制电子器件154可控制旋翼172的操作以控制VTOL UAV 140的飞行操纵。图7A至图7D是示出用以在垂直飞行取向(例如，直升机模式)下实现所选飞行操纵的多个旋翼172的相对旋转速率的概念图。VTOL UAV 140(例如，飞行控制电子器件154)可被配置为在低速飞行以及用于盘旋应用期间在垂直飞行取向(例如，直升机模式)下操作。为了易于参考，图7A至图7D将参考图6A和图6B的VTOL UAV 140来描述，但是应当理解，本文描述的VTOL UAV中的任一个都可类似地操作。
[0060] 图7A示出当VTOL UAV 140在垂直飞行取向(例如，直升机模式)下操作时的滚动操纵。为了实现滚动操纵，飞行控制电子器件154可控制旋翼172A和172C比旋翼172B和172D相对更快地旋转。为了实现示于图7B中的俯仰操纵，飞行控制电子器件154可控制旋翼172A和172B相对更快地旋转，并且旋翼172C和172D相对更慢地旋转。为了实现偏航操纵，如图7C所示，飞行控制电子器件154可控制旋翼172B和172C相对更快地旋转，并且旋翼172A和172D相对更慢地旋转。最终，为了实现集合操纵，如图7D所示，飞行控制电子器件154可控制所有旋翼172相对更快地旋转。表1中示出了在垂直飞行取向(例如，直升机模式)下实现这些飞行操纵的控制操作的概述。表1包括仅旋翼控制的飞行操纵。在其中VTOL UAV 140包括控制表面的示例中，控制表面可用于补充或提供飞行操纵的冗余。
[0061]
[0062] 表1：垂直飞行取向中的飞行操纵
[0063] 图8A至图8D是示出用以在水平飞行取向(例如，飞机模式)下实现所选飞行操纵的多个旋翼172的相对旋转速率的概念图。VTOL UAV 140(例如，飞行控制电子器件154)可被配置为在高速飞行期间、在远程任务期间，以及在巡航期间在水平飞行取向(例如，飞机模式)下操作。为了易于参考，图8A至图8D将参考图6A和图6B的VTOL UAV 140来描述，但是应当理解，本文描述的VTOL UAV中的任一个都可类似地操作。
[0064] 图8A示出当VTOL UAV 140在水平飞行取向(例如，飞机模式)下操作时的滚动操纵。为了实现滚动操纵，飞行控制电子器件154可控制旋翼172A和172D以不同于旋翼172B和172C的速度旋转。为了实现示于图7B中的俯仰操纵，飞行控制电子器件154可控制旋翼172A和172B以不同于旋翼172C和172D的速度旋转。为了实现偏航操纵，如图7C所示，飞行控制电子器件154可控制旋翼172A和172C以不同于旋翼172B和172D的速度旋转。最终，为了实现节流操纵，如图7D所示，飞行控制电子器件154可控制所有旋翼172相对更快地旋转。表2中示出了在水平飞行取向(例如，飞机模式)下实现这些飞行操纵的控制操作的概述。表2包括仅旋翼控制的飞行操纵。在其中VTOL UAV 140包括控制表面的示例中，控制表面可用于补充或提供飞行操纵的冗余。
[0065]
[0066] 表2：水平飞行取向中的飞行操纵
[0067] 图9是示出在垂直起飞期间的示例性VTOL UAV 140的顺序视图(从右到左)的概念图。为了易于参考，图9将参考图6A和图6B的VTOL UAV 140来描述，但是应当理解，本文描述的VTOL UAV中的任一个都可类似地操作。如在图9中的最右位置所示，VTOL UAV 140最初停靠在着陆支撑件(在图9中未标记)上，其中机身174基本上垂直地取向(例如，机身174的前部基本上垂直地在机身174的后部上方)。在垂直起飞期间，飞行控制电子器件154可以使旋翼172以基本上相同的速度旋转以实现集合操纵，从而使得VTOL UAV 140沿大致垂直方向上升。如图9所示，在一些示例中，VTOL UAV 140的重心位于比VTOL UAV 140的空气动力中心更加朝向机身174的前部和机身174的下段的方向上。
[0068] 当VTOL UAV 140在起飞期间上升时，VTOL UAV 10可从垂直飞行取向(例如，直升机模式)通过过渡模式转变到水平飞行取向(例如，飞行模式)。可通过飞行控制电子器件154控制旋翼172C和172D比旋翼172A和172B更快地旋转来实现转变。这导致旋翼172C和
172D(较大推力)与旋翼172A和172B(较小推力)之间的差异推力，这导致机身174下仰。在该操纵期间，VTOL UAV 140的空气动力中心沿着机身172的纵向轴线的投影将向后移动到VTOL UAV 140的重心后方的位置。这有助于纵向长周期振动模式的稳定性。同时，由所有旋翼172产生的推力水平地加速VTOL UAV 140，并且机翼产生升力以平衡重力以进行水平飞行。这可使得旋翼172能够更慢地旋转(例如，与依赖于旋翼进行所有提升和推进的多旋翼飞机相比)或甚至在水平飞行期间空转。VTOL UAV 140可在水平飞行取向(例如，飞机模式)下飞行以从一个位置行进到另一个位置，例如在巡航或远程飞行期间。
172D(较大推力)与旋翼172A和172B(较小推力)之间的差异推力，这导致机身174下仰。在该操纵期间，VTOL UAV 140的空气动力中心沿着机身172的纵向轴线的投影将向后移动到VTOL UAV 140的重心后方的位置。这有助于纵向长周期振动模式的稳定性。同时，由所有旋翼172产生的推力水平地加速VTOL UAV 140，并且机翼产生升力以平衡重力以进行水平飞行。这可使得旋翼172能够更慢地旋转(例如，与依赖于旋翼进行所有提升和推进的多旋翼飞机相比)或甚至在水平飞行期间空转。VTOL UAV 140可在水平飞行取向(例如，飞机模式)下飞行以从一个位置行进到另一个位置，例如在巡航或远程飞行期间。
[0069] 图10是示出在受控着陆期间的示例性VTOL UAV 140的顺序视图(从右到左)的概念图。为了易于参考，图10将参考图6A和图6B的VTOL UAV 140来描述，但是应当理解，本文描述的VTOL UAV中的任一个都可类似地操作。在受控着陆期间，VTOL UAV 140可从水平飞行取向(例如，飞机模式)转换为垂直飞行取向(例如，直升机模式)。为了从水平飞行取向(例如，飞机模式)转换为垂直飞行取向(例如，直升机模式)，飞行控制电子器件154可使旋翼172A和172B比旋翼172C和172D更快地旋转。这使得机身174上仰到垂直飞行取向(例如，直升机模式)，例如，通过使机身174的前部相对于机身174的后部向上和向后旋转，该后部相对于前部向下和向前旋转。一旦机身174上仰到垂直飞行取向(例如，直升机模式)，所有旋翼172A-172D便可以基本上相似的速率旋转，以产生平衡的垂直定向推力，以用于悬停和下降。除了着陆和起飞之外，VTOL UAV 140可以在垂直飞行取向(例如，直升机模式)下操作以在所选位置上方悬停或盘旋。
[0070] 图11是示出在垂直飞行取向下操作时的不受控着陆期间的示例性VTOL UAV的顺序视图的概念图。如图11所示，前降落伞166可在不受控着陆的情况下展开，同时在垂直飞行取向下操作，并且VTOL UAV可以以直立位置着陆在其着陆支撑件上。
[0071] 图12是示出在水平飞行取向下操作时的不受控着陆期间的示例性VTOL UAV的顺序视图的概念图。如图12所示，后降落伞168可在不受控着陆的情况下展开，同时在垂直飞行取向下操作。VTOL UAV可通过降落伞减速并且着陆在其机头上，然后降落到机身的一侧。在一些示例中，飞行控制电子器件154可实施算法以确定VTOL UAV是处于直升机模式、飞机模式还是过渡模式，以响应于VTOL UAV的部件的功率损失或故障来确定展开前降落伞166还是后降落伞168。
[0072] 已经描述了各种示例。这些示例和其他示例在以下权利要求书的范围内。
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