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使用横向推进和垂直移动控制飞行器的系统和方法

阅读:1030发布:2020-05-30

专利汇可以提供使用横向推进和垂直移动控制飞行器的系统和方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且飞行器 控制系统包括飞行器(102)和计算设备(104、300)。飞行器包括高度 控制器 (126)和横向推进控制器(120)。计算设备包括处理器和 存储器 。存储器存储指令,该指令在被处理器执行时,使得计算设备获得与飞行器的 位置 相对应的位置数据;获得 风 数据;基于位置数据或风数据中的至少一个确定高度命令、纬度命令和经度命令;使得高度控制器实施高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个;并且使得横向推进控制器实施高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个。,下面是使用横向推进和垂直移动控制飞行器的系统和方法专利的具体信息内容。

1.一种飞行器控制系统,包括:
飞行器,包括
高度控制器;以及
横向推进控制器;以及
计算设备,包括:
处理器;以及
存储指令的存储器,所述指令在被所述处理器执行时,使得所述计算设备:
获得与所述飞行器的位置相对应的位置数据;
获取数据;
基于所述位置数据或所述风数据中的至少一个确定高度命令、纬度命令和经度命令;
使得所述高度控制器实施所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个;以及
使得所述横向推进控制器实施所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的飞行器控制系统,其中,所述存储器还存储指令,所述指令在被所述处理器执行时,使得所述计算设备:
获得与所述飞行器的期望的高度、所述飞行器的期望的纬度坐标或所述飞行器的期望的经度坐标中的至少一个相对应的导航命令,
其中所述高度命令、所述纬度命令和所述经度命令的确定还基于所述导航命令。
3.根据权利要求2所述的飞行器控制系统,其中,所述高度命令由所述高度控制器实施,使得所述飞行器在容限阈值内位于期望的高度处,并且所述纬度命令和所述经度命令由所述横向推进控制器实施,使得所述飞行器在容限阈值内位于期望的纬度坐标和期望的经度坐标处。
4.根据权利要求1所述的飞行器控制系统,
其中所述位置数据包括以下中的至少一个:
与所述飞行器的高度相对应的高度数据,
与所述飞行器的纬度坐标相对应的纬度数据,或
与所述飞行器的经度坐标相对应的经度数据,以及
其中所述高度命令、所述纬度命令和所述经度命令的确定还基于所述高度数据、所述纬度数据或所述经度数据中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的飞行器控制系统,
其中,所述计算设备通过无线通信链路通信地耦合到所述飞行器,并且
其中,所述存储器还存储指令,所述指令在被所述处理器执行时,使得所述计算设备:
经由所述无线通信链路向所述飞行器发送所述高度命令、所述纬度命令和所述经度命令,以使得所述高度控制器实施所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个,并且以使得所述横向推进控制器实施所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个。
6.根据权利要求5所述的飞行器控制系统,其中,所述飞行器还包括传感器,并且其中所述存储器还存储指令,所述指令在被所述处理器执行时,使得所述计算设备:
通过所述无线通信链路从所述传感器获得所述位置数据。
7.根据权利要求1所述的飞行器控制系统,其中,所述风数据对应于所述飞行器的位置或所述飞行器的高度中的至少一个处或附近的风。
8.根据权利要求7所述的飞行器控制系统,其中,所述风数据从数据源获得,所述数据源包括公开可用的天气数据源或包括从多个飞行器聚集的数据的数据源中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的飞行器控制系统,其中,所述飞行器还包括:
空气-气体高度控制系统;以及
推进器
其中所述存储器还存储指令,所述指令在被所述处理器执行时,使得所述计算设备:
通过使得所述高度控制器基于所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个致动所述空气-气体高度控制系统,来使得所述高度控制器实施所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个;以及
通过使得所述横向推进控制器基于所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个致动所述推进器,来使得所述横向推进控制器实施所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个。
10.根据权利要求1所述的飞行器控制系统,其中,所述高度命令、所述纬度命令和所述经度命令的确定至少部分地通过基于所述位置数据或所述风数据中的至少一个以及与执行所述高度命令、所述纬度命令和所述经度命令相关联的所述飞行器的功率的量确定来执行。
11.一种飞行器控制方法,包括:
获得与所述飞行器的位置相对应的位置数据;
从风数据源获得风数据;
基于所述位置数据或所述风数据中的至少一个确定高度命令、纬度命令和经度命令;
使得所述飞行器的高度控制器实施所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个;以及
使得所述飞行器的横向推进控制器实施所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个。
12.根据权利要求11所述的飞行器控制方法,还包括:
获得与所述飞行器的期望的高度、所述飞行器的期望的纬度坐标或所述飞行器的期望的经度坐标中的至少一个相对应的导航命令,
其中所述高度命令、所述纬度命令和所述经度命令的确定还基于所述导航命令。
13.根据权利要求12所述的飞行器控制方法,其中,所述高度命令由所述高度控制器实施,使得所述飞行器在容限阈值内位于期望的高度处,并且所述纬度命令和所述经度命令由所述横向推进控制器实施,使得所述飞行器在容限阈值内位于期望的纬度坐标和期望的经度坐标处。
14.根据权利要求11所述的飞行器控制方法,
其中所述位置数据包括以下中的至少一个:
与所述飞行器的高度相对应的高度数据,
与所述飞行器的纬度坐标相对应的纬度数据,或
与所述飞行器的经度坐标相对应的经度数据,以及
其中所述高度命令、所述纬度命令和所述经度命令的确定还基于所述高度数据、所述纬度数据或所述经度数据中的至少一个。
15.根据权利要求11所述的飞行器控制方法,
其中,使得所述高度控制器实施所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个包括通过无线通信链路从计算设备向所述飞行器发送所述高度命令、所述纬度命令和所述经度命令,以及
其中,使得所述横向推进控制器实施所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个包括通过所述无线通信链路从所述计算设备向所述飞行器发送所述高度命令、所述纬度命令和所述经度命令。
16.根据权利要求15所述的飞行器控制方法,其中,由所述计算设备通过所述无线通信链路从所述飞行器的传感器获得与所述飞行器的位置相对应的位置数据。
17.根据权利要求11所述的飞行器控制方法,其中,所述风数据对应于所述飞行器的位置或所述飞行器的高度中的至少一个处或附近的风,并且其中所述风数据源包括公开可用的天气数据源或包括从多个飞行器聚集的数据的数据源中的至少一个。
18.根据权利要求11所述的飞行器控制方法,
其中,使得所述高度控制器实施所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个包括使得所述高度控制器基于所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个来致动所述飞行器的空气-气体高度控制系统,以及
其中,使得所述横向推进控制器实施所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个包括使得所述横向推进控制器基于所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个来致动所述飞行器的推进器。
19.根据权利要求11所述的飞行器控制方法,其中,所述高度命令、所述纬度命令和所述经度命令的确定至少部分地通过基于所述位置数据或所述风数据中的至少一个以及与执行所述高度命令、所述纬度命令和所述经度命令相关联的所述飞行器的功率的量确定来执行。
20.一种其上已经存储有指令序列的计算机可读介质,所述指令序列在被处理器执行时,使得所述处理器:
获得与飞行器的位置相对应的位置数据;
从风数据源获得风数据;
基于所述位置数据或所述风数据中的至少一个确定高度命令、纬度命令和经度命令;
使得所述飞行器的高度控制器实施所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个;以及
使得所述飞行器的横向推进控制器实施所述高度命令、所述纬度命令或所述经度命令中的至少一个。

说明书全文

使用横向推进和垂直移动控制飞行器的系统和方法

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请是于2017年9月21日提交的第15/711,003号美国专利申请的继续,其公开内容通过引用结合于本文。

背景技术

[0003] 传统的飞艇,为了保持其在空中的位置或者移动到新的位置,需要以至少与经历的速大小上相等的空速(airspeed)推进自身的能。然而,由于飞艇的尺寸、功率以及成本与空速的立方成比例,传统的飞艇对于某些应用可能不是成本有效的。其他飞行器,诸如气球,可以垂直地移动,以利用各种风向来保持其在空中的位置或移动到新的位置。然而,在一些情况下,由于与地理区域或季节相关联的风特性,这种飞行器基于风以保持或移动其位置的能力可能被限制。发明内容
[0004] 一方面,本公开描述了包括飞行器和计算设备的飞行器控制系统。飞行器包括高度(altitude)控制器和横向推进控制器。计算设备包括处理器和存储器。存储器存储指令,当指令由处理器执行时,使计算设备:获得与飞行器的位置相对应的位置数据;获取风数据;基于位置数据或风数据中的至少一个确定高度命令、纬度命令以及经度命令;使得高度控制器实施高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个;并且使得横向推进控制器实施高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个。
[0005] 在实施例中,存储器还存储指令,指令在被处理器执行时,使得计算设备获得与飞行器的期望的高度、飞行器的期望的纬度坐标或飞行器的期望的经度坐标中的至少一个相对应的导航命令。高度命令、纬度命令和经度命令的确定还基于该导航命令。
[0006] 在实施例中,高度命令由高度控制器实施,使得飞行器在容限阈值内位于期望的高度处,并且纬度命令和经度命令由横向推进控制器实施,使得飞行器在容限阈值内位于期望的纬度坐标和期望的经度坐标处。
[0007] 在实施例中,位置数据包括以下中的至少一个:与飞行器的高度相对应的高度数据、与飞行器的纬度坐标相对应的纬度数据、或与飞行器的经度坐标相对应的经度数据,并且其中高度命令、纬度命令和经度命令的确定还基于高度数据、纬度数据或经度数据中的至少一个。
[0008] 在实施例中,计算设备通过无线通信链路通信地耦合到飞行器,并且存储器还存储指令,该指令在被处理器执行时,使得计算设备经由无线通信链路向飞行器发送高度命令、纬度命令和经度命令,以使得高度控制器实施高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个,并且以使得横向推进控制器实施高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个。
[0009] 在实施例中,飞行器还包括传感器,并且存储器还存储指令,该指令在被处理器执行时,使得计算设备通过无线通信链路从传感器获得位置数据。
[0010] 在实施例中,风数据对应于飞行器的位置或飞行器的高度中的至少一个处或附近的风。
[0011] 在实施例中,风数据从包括公开可用的天气数据源或包括从多个飞行器聚集的数据的数据源中的至少一个获得。
[0012] 在实施例中,飞行器还包括空气-气体高度控制系统;和推进器。存储器还存储指令,该指令在被处理器执行时,使得计算设备:通过使高度控制器基于高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个致动空气-气体高度控制系统,来使得高度控制器实施高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个;以及通过使得横向推进控制器基于高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个来致动推进器,使横向推进控制器实施高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个。
[0013] 在实施例中,高度命令、纬度命令和经度命令的确定至少部分地通过基于位置数据或风数据中的至少一个以及与执行高度命令、纬度命令和经度命令相关联的飞行器的功率的量确定来执行。
[0014] 另一方面,本公开描述了飞行器控制方法。该方法包括获得与飞行器的位置相对应的位置数据;从风数据源获得风数据;基于位置数据或风数据中的至少一个确定高度命令、纬度命令和经度命令;使得飞行器的高度控制器实施高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个;以及使得飞行器的横向推进控制器实施高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个。
[0015] 在实施例中,方法还包括获得与飞行器的期望的高度、飞行器的期望的纬度坐标或飞行器的期望的经度坐标中的至少一个相对应的导航命令,并且高度命令、纬度命令和经度命令的确定还基于该导航命令。
[0016] 在实施例中,高度命令由高度控制器实施,使得飞行器在容限阈值内位于期望的高度处,并且纬度命令和经度命令由横向推进控制器实施,使得飞行器在容限阈值内位于期望的纬度坐标和期望的经度坐标处。
[0017] 在实施例中,位置数据包括与飞行器的高度相对应的高度数据、与飞行器的纬度坐标相对应的纬度数据、或与飞行器的经度坐标相对应的经度数据中的至少一个,并且高度命令、纬度命令和经度命令的确定还基于高度数据、纬度数据或经度数据中的至少一个。
[0018] 在实施例中,使得高度控制器实施高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个包括通过无线通信链路从计算设备向飞行器发送高度命令、纬度命令和经度命令,并且使得横向推进控制器实施高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个包括通过无线通信链路从计算设备向飞行器发送高度命令、纬度命令和经度命令。
[0019] 在实施例中,由计算设备通过无线通信链路从飞行器的传感器获得与飞行器的位置相对应的位置数据。
[0020] 在实施例中,风数据对应于飞行器的位置或飞行器的高度中的至少一个处或附近的风,并且风数据源包括公开可用的天气数据源或包括从多个飞行器聚集的数据的数据源中的至少一个。
[0021] 在实施例中,使得高度控制器实施高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个包括使得高度控制器基于高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个来致动飞行器的空气-气体高度控制系统,并且使得横向推进控制器实施高度命令、纬度命令,或者经度命令包括使得横向推进控制器基于高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个来致动飞行器的推进器。
[0022] 在实施例中,高度命令、纬度命令和经度命令的确定至少部分地通过基于位置数据或风数据中的至少一个以及与执行高度命令、纬度命令和经度命令相关联的飞行器的功率的量确定来执行。
[0023] 另一方面,本公开描述了其上已经存储有指令的序列的计算机可读介质。该指令序列在被处理器执行时,使得处理器:获得与飞行器的位置相对应的位置数据;从风数据源获得风数据;基于位置数据或风数据中的至少一个确定高度命令、纬度命令和经度命令;使得飞行器的高度控制器实施高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个;并且使得飞行器的横向推进控制器实施高度命令、纬度命令或经度命令中的至少一个。附图说明
[0024] 下面参考附图描述用于控制飞行器的本系统和方法的各个方面和特征,其中:
[0025] 图1是根据本公开的实施例的示例性飞行器系统的示意图;
[0026] 图2是示出根据本公开的实施例的图1的飞行器系统的附加方面的示意图;
[0027] 图3是根据本公开的实施例的计算设备的示例性实施例的示意性框图,该计算设备可以在本系统的各种实施例中被采用,例如,作为图1或图2的系统或组件的部分;
[0028] 图4是示出根据本公开的实施例的从图1的计算设备的度的控制飞行器的示例性方法的流程图;以及
[0029] 图5是示出根据本公开的实施例的从图1的飞行器的角度的控制飞行器的示例性方法的流程图。

具体实施方式

[0030] 本公开涉及使用垂直移动(例如,通过浮力控制机构(诸如空气-气体高度控制系统))和横向推进(例如,通过推进器)的组合控制飞行器的系统和方法。一方面,本公开的系统和方法使飞行器能够以成本有效的方式保持其在空中的位置或者移动到新的位置,而不需要至少与经历的风速大小上相等的空速下的推进功率,并且以不受风特性限制的方式,诸如与地理区域或季节相关联的风特性。在一些方面,本公开的系统和方法将垂直气球式移动与相对低速横向推进相组合,其中的一个或两个基于聚集的数据(诸如风数据、飞行器位置数据和/或等)来控制,以优化功耗的量。在一些示例中,本公开的飞行器控制在垂直机动的组合的影响后对任何剩余漂移应用相对小的横向校正。
[0031] 参考图1,示例性的飞行器系统100包括飞行器102、一个或多个计算设备104以及一个或多个数据源106,其未按比例绘制。飞行器102和计算设备104通过第一无线通信链路108彼此通信地耦合,并且计算设备104和数据源106通过第二无线通信链路110彼此通信地耦合。尽管在图1中没有单独地示出,但是通信链路108和/或110可以包括卫星链路和/或其他中间设备、链路和/或网络。在一些方面,飞行器102被配置为发射到大气中并且在大气中移动,并且计算设备104作为基于地面的分布式阵列与飞行器102合作以执行它们在此描述的功能。数据源106可以包括机载(airborne)数据源,诸如机载天气气球、附加的机载飞行器102、卫星数据源和/或等,和/或基于地面的数据源,诸如公共可用的和/或专有数据库
尽管本公开是在系统100包括多个计算设备104和多个数据源106的实施例的上下文中提供的,但是在其他实施例中,系统100可以包括单个计算设备104和单个数据源106。此外,尽管图1示出了单个飞行器102,但是在各种实施例中,系统100包括位于整个大气中的不同位置并且被配置为通过通信链路108和/或110与计算设备104、数据源106和/或彼此通信的多个飞行器102的机队。
[0032] 在各种实施例中,飞行器102可以被配置为执行各种功能或提供各种服务,诸如,例如,电信服务(例如,长期演进(long term evolution,LTE)服务)、飓风监测服务、船舶跟踪服务、与成像、天文学、雷达、生态学、保护和/或其他类型的功能或服务相关的服务。一般,本公开的系统和方法提供了用于控制飞行器102在整个大气中或大气之外的位置(position)(也称为位置(location))和/或移动的技术,以视情况促进其服务的功能和提供的有效和高效的执行。如本文进一步详细描述的,计算设备104被配置为从各种源获得各种类型的数据,并且基于获得的数据,向飞行器102传送消息以控制其在飞行期间的位置和/或移动。
[0033] 继续参考图1,飞行器102包括外壳112和吊舱(gondola)114,当飞行器102飞行时,该吊舱114悬挂在外壳112下面。外壳112包括一个或多个气囊116,如下面进一步详细描述的,该一个或多个气囊116用于控制飞行中的飞行器102的浮力,进而控制其高度。在一些方面,气囊116包括空气,并且外壳112包括比空气轻的提升气体。高度控制器126控制(图1中均未示出)将空气泵入气囊116(来自飞行器102外部的空气)以增加飞行器102的质量并且降低其高度,或者从气囊116释放空气(到飞行器102外部的大气)以减少飞行器102的质量并增加其高度。高度控制器126、外壳112、气囊116以及阀和泵(图1中未示出)的组合可以被称为空气-气体高度控制系统,然而也可以预期其他类型的浮力控制机构。
[0034] 外壳112还具有固定到其上部的一个或多个太阳能电池板134,当可用时,该一个或多个太阳能电池板134吸收阳光,并从吸收的阳光生成电能太阳能电池板134通过电力路径(诸如电力路径136)向飞行器102的各种组件(诸如容纳在吊舱114内的组件)提供生成的电能,以用于飞行期间的利用。
[0035] 吊舱114包括各种组件,取决于应用和/或需要,其中一些可以包括在或不包括在吊舱114中。虽然在图1中没有明确地示出,但是一般,飞行器102的各种组件,尤其是吊舱114的各种组件,可以彼此耦合,以用于电力、数据和/或其他信号或信息的通信。图1所示的示例吊舱114包括推进控制器120、一个或多个传感器128、能量存储模124、电力装置(power plant)122、高度控制器126、收发器132和其他机上(on-board)仪器130。收发器132被配置为分别通过无线通信链路108和/或通信链路110在飞行器132和计算设备104和/或数据源106之间无线地传送数据。
[0036] 吊舱114还具有通过可铰接的(articulable)臂构件138固定到该吊舱的任一端的推进器118。推进控制器120控制推进器118来提供推进(诸如横向推进)以推进飞行器102,从而在飞行期间协助控制其位置和/或移动。如下文进一步详细描述的,在各种实施例中,推进控制器120被配置为至少部分地基于由计算设备104通过无线通信链路108生成的以及通过收发器132从计算设备104接收的推进命令来控制推进器118。在一些方面,推进控制器120通过基于推进命令引起推进器118的致动来实施推进命令。图1中所示的推进器118和可铰接的臂构件138的配置是作为示例而非限制来提供的。也预期了其他的推进配置。例如,在其他实施例中,飞行器102可以包括固定到吊舱114的相应的部分的多个推进器118,或者可以包括与可铰接的臂构件138相比不可铰接的臂构件,或者可以包括本领域已知的可替代的推进方法。可以采用推进器118和/或可铰接的臂构件138以在横向方向(在这种情况下,推进控制器120可以被称为横向推进控制器)和/或垂直方向推进飞行器102。
[0037] 在一些实施例中,传感器128包括全球定位卫星(global position satellite,GPS)传感器,其感测并输出位置数据,诸如对应于地球的大气中飞行器102的纬度、经度和/或高度的纬度、经度和/或高度数据。传感器128被配置为通过无线收发器132和无线通信链路108向计算设备104提供位置数据,以用于控制飞行器102,如下文进一步详细描述的。
[0038] 能量存储模块124包括一个或多个电池或一个或多个其他能量存储设备,诸如一个或多个燃料电池,其存储由太阳能电池板134提供的电能,以供飞行器102的各种组件使用。电力装置122获得由能量存储模块124存储的电能,并且将电能转换和/或调节为适合由飞行器102的各种组件使用的形式。在一些实施例中,电力装置122还包括配置为驱动推进器118的一个或多个达(图1中未示出)。
[0039] 高度控制器126被配置为控制气囊116以调整飞行器102的浮力,从而协助在飞行期间控制其位置和/或移动。如下文进一步详细描述的,在各种实施例中,高度控制器126被配置为至少部分地基于由计算设备104通过无线通信链路108生成的以及通过收发器132从计算设备104接收的高度命令来控制气囊116。在一些示例中,高度控制器126被配置为通过基于高度命令引起空气-气体高度控制系统的致动来实施高度命令。
[0040] 如上所述,取决于应用或需求,机上仪器130可以包括多种类型的仪器。例如,机上仪器130可以包括LTE发送器和/或接收器、天气传感器、成像仪器和/或任何其他合适类型的仪器。
[0041] 已经在图1的上下文中提供了飞行器系统100的概述,现在参考图2,其示出了根据本公开的实施例的飞行器系统100的某些部分。具体地,图2示出了如何在飞行器102、计算设备104和/或数据源106之间分配功能和相应的组件以控制飞行器102的位置和/或移动的示例实施例。尽管在下面图4的上下文中提供了系统100如何实施飞行器102的控制的更详细的方面,但是图2提供了功能和组件分配的概述。图2中描绘的组件的布置是作为示例而非限制来提供的。可以预期组件的其他布置和功能的分配,例如,其中飞行器102包括实施作为由计算设备104实施的、图2中所示功能的组件,反之亦然。然而,在图2所示的示例中,大部分组件和功能被分配给计算设备104,而不是分配给飞行器102,这减少了操作飞行器102的组件所需的能量的量,从而使飞行器102的组件能够利用比如果更多的组件和功能被分配给飞行器102可能时更大部分的可用能量。这增加了飞行器102对于给定的可用能量的量实施功能和/或提供服务的能力。
[0042] 除了上面结合图1介绍的某些组件外,图2示出了包括在计算设备104内的风混合器模块202、导航模块204和机动自动化模块206。一旦飞行器102在大气中飞行,传感器128被配置为通过收发器132和无线通信链路108周期性地向风混合器模块202发送位置数据,诸如飞行器102在相应的时间的有时间戳的GPS位置,以及测量的风数据。风混合器模块202利用从传感器128获得的位置数据和测量的风数据,并且在一些情况下,利用从其他数据源106(诸如国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)数据源、欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecast,ECMWF)数据源和/或等)获得的风模式数据来推断或估计其中飞行器102正在飞行或预计将要飞行的风。具体地,风点存储在风混合器模块202中,该风混合器模块202构建诸如高斯过程核函数的核函数,该核函数根据一个或多个预定的导航算法,基于推断的或估计的风来协助导航模块204确定如何导航飞行器102。在每个题为“用于控制飞行器的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING AERIAL VEHICLES)”并且每个于2017年7月28日提交的第15/662,940号、第15/662,968号、第15/663,000号以及第15/663,030号美国专利申请中;以及在于2017年7月28日提交的题为“用于模拟风噪声模型的系统和方法(SYSTEM AND METHODS FOR SIMULATING WIND NOISE MODELS)”的第15/663,117号美国专利申请中描述了可由导航模块204实施的导航算法的类型的示例,上述美国专利申请中的每个申请通过引用整体结合于此。取决于正被实施的导航算法,导航模块204生成包括定义飞行器102如何移动或保持静止的一个或多个导航命令的机动计划,并且向机动自动化模块206登记该机动计划。
[0043] 在各种实施例中,导航模块204可以生成包括各种类型的导航命令的各种类型的机动计划。例如,基于坐标的机动计划可以包括一个或多个基于坐标的导航命令,而基于矢量的机动计划可以包括一个或多个基于矢量的导航命令。具体地,基于坐标的机动计划可以包括作为基于坐标的导航命令的、定义飞行器102应该试图达到和/或保持的位置的位置数据项。基于坐标的导航命令的位置数据项可以包括两个子组件:(1)垂直导航命令,其定义飞行器102应该试图达到和/或保持的垂直地理位置或高度,并且其可以由大气压力表示;以及(2)平导航命令,其可以是纬度坐标和经度坐标的组合,并且其定义飞行器102应该试图达到和/或保持的水平地理位置(例如,纬度坐标和经度坐标)。如本文进一步描述的,在一些实施例中,基于从计算设备104接收的垂直导航命令和/或水平导航命令,飞行器102生成适当的高度命令和/或推进命令,通过该高度命令和/或推进命令,高度控制器126和推进控制器120被致动以影响总体导航命令或机动计划。在其他实施例中,例如结合图4和图5描述的,计算设备104生成适当的高度命令和/或推进命令,并将该高度命令和/或推进命令作为导航命令传送给飞行器102。
[0044] 基于矢量的机动计划可以包括作为基于矢量的导航命令的导航矢量数据项,该导航矢量数据项包括方向导航命令和速度导航命令(或力命令、加速度命令或任何其他类型的基于大小的命令)。方向导航命令定义飞行器102应该试图移动的方向,而速度导航命令(或其他基于大小的命令)定义飞行器102应该试图在定义的方向上移动的速度(或力、加速度或其他大小)。方向导航命令可以被定义为基于基本方位(cardinal)的方向和/或高程方向(例如,北、南、东、西、上升、下降等)的组合,或者可以根据任何参考坐标系来定义。方向导航命令可以包括两个子组件:(1)垂直导航命令,其定义飞行器102应该如何在垂直方向上移动(如果有的话)(例如,上升、下降或保持当前高度),以及(2)水平导航命令,其定义飞行器102应该如何在水平方向上移动(如果有的话)(例如,北、南、东、西等)。如本文进一步描述的,在一些实施例中,基于从计算设备104接收的垂直导航命令和/或水平导航命令,飞行器102生成适当的高度命令和/或推进命令,通过该高度命令和/或推进命令,高度控制器126和推进控制器120被致动以影响总体导航命令或机动计划。在其他实施例中,例如结合图4和图5所描述的,计算设备104生成适当的高度命令和/或推进命令,并将该高度命令和/或推进命令作为导航命令传送给飞行器102。
[0045] 此外,机动计划可以包括定义单个位置或运动(例如,单个地理位置或单个方向和速度对)的单个导航命令(例如,单个位置数据项或单个导航矢量数据项),飞行器102应该试图达到或保持该单个位置或运动,直到另有指示。可替代地或附加地,机动计划可以是基于时间的,并且包括定义飞行器102在相应的时间应该试图达到或保持的多个位置或运动(例如,一系列位置或一系列方向和速度对)的多个导航命令(例如,多个位置数据项或多个导航矢量数据项)。在一些实施例中,基于时间的机动计划可以表示为存储在计算设备104的存储器中和/或传送给飞行器102的表格。
[0046] 机动自动化模块206顺序地将生成的机动计划,或者更具体地,包括在机动计划中的一个或多个导航命令(例如,基于坐标的导航命令或基于矢量的导航命令)传递到高度控制器126和/或推进控制器120以用于实施。具体地,在基于坐标的机动计划的一个示例中,机动自动化模块206通过无线通信链路108向收发器132发送高度命令(例如,其可以被指定为大气压力,其可以等同于气压高度,并且其指示对于飞行器102保持在一些容限带内的期望的高度)和推进命令(例如,其指示对于飞行器102保持在一些容限带内的期望的推进量和/或方向)。高度控制器126和推进控制器120被配置为分别执行高度和推进循环,由此高度控制器126和推进控制器120周期性地从计算设备104接收高度命令和推进命令,并执行这些命令来控制飞行器102的位置(例如,纬度、经度、高度)和/或移动。
[0047] 在各种实施例中,可以以各种方式实施反馈循环,以努力确保飞行器102根据机动计划达到或保持期望的位置和/或移动。例如,在一些实施例中,飞行器102被配置为基于从计算设备104接收的(多个)导航命令来致动其高度控制器126和/或推进控制器120,并且向计算设备104提供反馈,诸如位置数据。计算设备104使用位置数据反馈来验证飞行器102正根据机动计划达到或保持期望的位置和/或移动,并且如果必要,相应地调整机动计划并将更新的导航命令传送给飞行器102以用于实施。在其他实施例中,例如如图5所示(如下所述),飞行器102被配置为分析来自其传感器128的位置数据,以确保飞行器102根据机动计划达到或保持期望的位置和/或移动,并且如果必要,相应地调整其高度控制器126和/或其推进控制器120的致动。
[0048] 图3是根据本文的各种实施例可以采用的计算设备300的示意框图。尽管在图1或图2中没有明确地示出,但是在一些实施例中,计算设备300或其一个或多个组件还可以表示系统100的一个或多个组件(例如,计算设备104、吊舱114的组件、数据源106和/或等)。在各种实施例中,计算设备300可以包括一个或多个存储器302、处理器304、显示器设备306、网络接口308、输入设备310和/或输出模块312。存储器302包括用于存储可由处理器304执行并控制计算设备300的操作的数据和/或软件的非暂时性计算机可读存储介质。在实施例中,存储器302可以包括一个或多个固态存储设备,诸如闪存芯片。可替代地,或者除了一个或多个固态存储设备之外,存储器302可以包括通过大容量存储控制器(图3中未示出)和通信总线(图3中未示出)连接到处理器304的一个或多个大容量存储设备。尽管本文包含的计算机可读介质的描述涉及固态存储,但是本领域技术人员应该理解,计算机可读存储介质可以是处理器304可以访问的任何可用介质。也就是说,计算机可读存储介质包括以用于诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的信息的存储的任何方法或技术实施的非暂时性、易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机可读存储介质的示例包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存或其他固态存储技术、CD-ROM、DVD、蓝光或其他光存储、盒式磁带、磁带、磁盘存储或其他磁存储设备,或者可用于存储期望的信息并且可由计算设备300访问的任何其他介质。
[0049] 在一些实施例中,存储器302存储数据314和/或应用316。在一些方面,应用316包括用户界面组件318,当由处理器304执行时,该用户界面组件318使显示器设备306呈现用户界面(图3中未示出)。在一些实施例中,网络接口308被配置为将计算设备300和/或其单独的组件耦合到网络,诸如有线网络、无线网络、局域网(local area network,LAN)、广域网(wide area network,WAN)、无线移动网络、蓝牙网络、互联网和/或另一类型的网络。输入设备310可以是用户可以通过其与计算设备300交互的任何设备。输入设备310的示例包括但不限于鼠标键盘触摸屏、语音界面等。在各种实施例中,输出模块312可以包括任何连接端口或总线,例如并行端口、串行端口、通用串行总线(universal serial bus,USB),或者本领域技术人员已知的任何其他类似的连接端口。
[0050] 图4是示出根据本公开的实施例的从系统100的计算设备104的角度的控制飞行器的示例性方法400的流程图。在框402,风混合器模块202通过收发器132和无线通信链路108从飞行器102的传感器128获得由飞行器102周期性发送的位置数据。位置数据被加时间戳并且指示位置,诸如纬度坐标、经度坐标和/或飞行器102在相应的时间的高度。
[0051] 在框404,风混合器模块202从各种源(诸如数据源106、飞行器102的传感器128、机载的或先前机载的其它飞行器102的传感器128和/或等)获得风数据(诸如风模式数据)。在框406,风混合器模块202利用在框402处从传感器128获得的位置数据和在框404处从数据源106获得的风数据来确定或估计其中飞行器102正在飞行或预计将要飞行的风。基于确定的或估计的风,风混合器模块202构建风模型(例如,包括如上所述的核函数),并将风模型转发给导航模块204。
[0052] 在框408,导航模块204使用在框406处提供的风模型来确定如何根据如上所述的一个或多个预定的导航算法,根据确定的和/或估计的风来导航飞行器102。基于被实施的特定导航算法,导航模块204生成机动计划,在一些实施例中,该机动计划根据导航算法指示飞行器102在相应的时间应该试图达到或保持的一个或多个位置(例如,高度、纬度坐标和/或经度坐标)。在一些情况下,机动计划可以采取表格的形式,诸如图4所示的表409,其将时间与相应的位置匹配。如果在框408的即时迭代之前已经生成了在前机动计划,则在框408,导航模块204基于新的或更新的数据,诸如在框402处获得的位置数据和/或在框404处获得的风数据,来确定是否要更新机动计划。导航模块204向机动自动化模块206登记生成的或更新的机动计划以用于实施。
[0053] 在框410,机动自动化模块206基于在框408处执行的导航算法,确定导航命令是否将被发送到飞行器102。导航命令可以采取如上所述的各种形式,并且在一些实施例中包括位置数据,该位置数据向飞行器102指示飞行器102将试图在一个或多个相应的时间达到或保持的一个或多个期望的位置(例如,纬度坐标、经度坐标和/或高度)。导航命令可以包括飞行器102在接收时试图立即到达的单个位置,或者导航命令可以包括飞行器102在这些时间试图到达或保持的多个时间和相应的位置。在一些情况下,导航命令可以包括在框408处生成的机动计划表409。在各种实施例中,机动自动化模块206可以一次一个地顺序发送导航命令项,或者可以批量发送导航命令项,诸如通过机动计划表409。在框410,关于机动自动化模块206是否将导航命令发送到飞行器102的确定可以基于在框408处生成的机动计划是新的还是已经作为导航命令提供给飞行器102。如果在框408处生成的机动计划是新的并且还没有被提供给飞行器102,则在框410可以确定机动自动化模块206将向飞行器102发送计划位置数据(例如,机动计划表)。如果在框408处生成的机动计划不是新的并且已经被提供给飞行器102,则在框410可以确定机动自动化模块206不将导航命令发送给飞行器102。如果机动自动化模块206在框410处确定不向飞行器102发送导航命令(在框410处,“否”),则控制返回到框402以获得如上所述的附加的或更多的最新位置数据。如果机动自动化模块206在框410处确定将导航命令发送到飞行器102(在框410处,“是”),则控制框412。
[0054] 在框412,机动自动化模块206通过无线通信链路108和收发器132,以上述一种或多种方式向飞行器102,特别是其高度控制器126和/或推进控制器120发送导航命令,以根据框408生成的机动计划用于实施。具体地,机动自动化模块206通过无线通信链路108向收发器132发送高度命令(例如,其可以被指定为大气压力,其可以等同于气压高度,并且其指示对于飞行器102保持在一些容限带内的期望的高度)、纬度命令(例如,其可以指示期望的纬度坐标)和/或经度命令(例如,其可以指示期望的经度坐标),以使飞行器102达到或保持在一些容限带内。在一些实施例中,代替指定位置(例如,高度、纬度和经度),机动自动化模块206向飞行器102指定在大气中行进的期望的矢量或方向。
[0055] 如下面结合图5进一步详细描述的,在一些实施例中,高度控制器126和推进控制器120被配置为分别执行高度和推进循环,由此高度控制器126和推进控制器120周期性地从计算设备104接收高度命令和推进命令,并执行那些命令来控制飞行器102的位置(例如,纬度、经度、高度)和/或移动。尽管一般采用高度控制器126来控制飞行器102的高度,并且一般采用推进控制器120来控制飞行器102的纬度和经度坐标,但是在一些实施例中,也可以或可替代地采用高度控制器126来控制飞行器102的纬度和/或经度坐标(例如,通过使用来自数据源106的风数据来识别具有更有利风向的高度,并且使飞行器102移动到识别的高度),并且也可以或替代地采用推进控制器120来控制飞行器102的高度。在另一实施例中,高度控制器126和推进控制器120可以被配置为彼此合作以控制飞行器102的高度、纬度坐标或经度坐标中的任何一个或任何组合。
[0056] 在框414,例如,基于飞行器102是否保持飞行和/或基于飞行器102的操作的模式,做出关于是否终止飞行器102的控制的确定。如果在框414处确定终止对飞行器102的控制(在框414处,“是”),则过程400终止。如果在框414处确定不终止对飞行器102的控制(在框414处,“否”),则控制返回到框402以获得如上所述的附加的或更多的最新位置数据。
[0057] 图5是示出根据本公开的实施例的、从飞行器102的角度的控制飞行器的示例性方法500的流程图。在框502,飞行器102通过无线通信链路108和收发器132接收由计算设备104发送的导航命令(图4,框412)。如上所述,飞行器102周期性地从计算设备104接收导航命令的多次发送。如果,在框502的当前实例处接收导航命令的时间,飞行器102已经在框
502的在前实例处接收到导航命令,那么在框502的当前实例处,飞行器102可以用最近接收到的和最新的导航命令覆写在前导航命令。
[0058] 在框504,高度控制器126和/或推进控制器120从传感器128获得位置数据,诸如分别指示飞行器102的当前高度、纬度坐标和/或经度坐标的高度数据、纬度数据和/或经度数据。如上所述,在各种实施例中,高度控制器126和推进控制器120可以分别控制高度、纬度和经度坐标,或者可以合作以控制高度、纬度和经度坐标。在这点上,在框504,高度控制器126和推进控制器120可以从传感器128获得用于处理可能需要的任何类型的位置数据。在一些实施例中,在框504,高度控制器126从传感器128获得高度数据,并且推进控制器120从传感器128获得纬度数据和经度数据。
[0059] 在框506,高度控制器126(或推进控制器120,视情况而定)将在框504处从传感器128获得的当前高度与基于在框502处获得的导航命令和当前时间指定的期望的高度进行比较,以确定是否需要对高度进行任何调整。如果高度控制器126在框506处确定当前高度在容限带内与期望的高度匹配(在框506处,“是”),则控制转到框512。如果高度控制器126在框506处确定当前高度在容限带内与期望的高度不匹配(在框506处,“否”),则控制转到框508。
[0060] 在框508,高度控制器126计算高度命令来提供给气囊116,以努力在整个大气中将飞行器102从当前高度移动到期望的高度。在框510,高度控制器126向气囊116提供高度命令,以使飞行器102试图达到和/或保持期望的高度。
[0061] 在框512,推进控制器120(或高度控制器126,视情况而定)将在框504处从传感器128获得的当前纬度和经度坐标与基于在框502处获得的导航命令和当前时间指定的期望的纬度和经度坐标进行比较,以确定是否需要对飞行器102的纬度和/或经度坐标进行任何调整。如果推进控制器120在框512处确定当前纬度和经度在容限带内与期望的纬度和经度匹配(在框512处,“是”),则控制转到框518。如果推进控制器120在框512处确定当前纬度和/或经度在容限带内与期望的纬度和/或经度不匹配(在框512处,“否”),则控制转到框
514。
[0062] 在框514,推进控制器120计算提供给推进器130和/或可铰接的臂构件138的推进命令,以努力在整个大气中将飞行器102从当前纬度和/或经度移动到期望的纬度和/或经度。在框516,推进控制器120向推进器130和/或可铰接的臂构件138提供推进命令,以使飞行器102试图达到和/或保持期望的纬度和/或经度。推进控制命令可以包括推进器130要提供的推进的量、推进器130和/或可铰接的臂构件138要推进飞行器102的方向等。
[0063] 在框518,例如,基于飞行器102是否保持飞行和/或基于飞行器102的操作的模式,做出关于是否终止飞行器102的控制的确定。如果在框518处确定终止对飞行器102的控制(在框518处,“是”),则过程500终止。如果在框518确定不终止对飞行器102的控制(在框518处,“否”),则控制返回到框520。
[0064] 在框520,根据在框502处获得的导航命令,做出关于新的位置命令(例如,新的高度命令、纬度控制命令和/或经度控制命令)是否将被提供给高度控制器126和/或推进控制器130以调整飞行器102的高度、纬度和/或经度坐标的确定。框520处的确定可以基于将当前时间与导航命令(例如,图4的机动计划表409)中列出的相应的时间进行比较,以确定是时候该将飞行器102移动到新的位置还是将飞行器102保持在框504处获得的当前位置。如果在框520处确定要提供新的位置命令(在框520处,“是”),则在框522,更新位置设置点以反映新的期望的高度、期望的纬度坐标和/或期望经度坐标。
[0065] 在框524,做出关于是否已经从计算设备104接收到新的导航命令,例如,基于条件的改变(诸如风数据或其他天气数据)或者基于用户输入更新机动计划的确定。如果在框524处确定已经接收到新的导航命令(在框524处,“是”),则控制返回到框502,以用在框502的最近实例处接收到的导航命令来更新或覆写在框502的在前实例处接收到的导航命令(例如,机动计划表409,图4)。如果在框524处确定没有接收到新的导航命令(框524处的“否”),则控制返回到框504以获得飞行器102的新的或更新的当前位置数据,以努力继续使飞行器102达到或保持在大气中期望的高度、纬度坐标和经度坐标。
[0066] 本文公开的实施例是本系统和方法的示例,并且可以以各种形式具体实施。例如,尽管本文的某些实施例被描述为单独的实施例,但是本文的每一个实施例都可以与本文的一个或多个其他实施例组合。本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的,而是作为权利要求基础,并且作为教导本领域技术人员以实际上任何适当的详细结构不同地使用本信息系统的代表性基础。在附图的整个描述中,相同的附图标记可以指代相似或相同的元件。
[0067] 根据本公开,短语“在实施例中”、“在多个实施例中”、“在一些实施例中”或“在其他实施例中”可以每个指代一个或多个相同或不同的实施例。形式为“A或B”的短语表示“(A)、(B)或(A和B)”形式为“A、B或C中的至少一个”的短语表示“(A);(B);(C);(A和B);(A和C);(B和C);或(A、B和C)。”
[0068] 本文描述的系统和/或方法可以利用一个或多个控制器来接收各种信息,并转换接收的信息以生成输出。控制器可以包括任何类型的计算设备、计算电路或者能够执行存储在存储器中的一系列指令的任何类型的处理器或处理电路。控制器可以包括多个处理器和/或多核中央处理单元(central processing unit,CPU),并且可以包括任何类型的处理器,诸如微处理器数字信号处理器、微控制器、可编程逻辑设备(programmable logic device,PLD)、现场可编程阵列(field programmable gate array,FPGA)等。控制器还可以包括存储数据和/或指令的存储器,当指令由一个或多个处理器执行时,这些数据和/或指令使一个或多个处理器执行一个或多个方法和/或算法。在采用多个控制器和/或多个存储器的组合的示例实施例中,本文描述的系统和/或方法的每个功能可以被分配给控制器和存储器的任何组合并由其执行。
[0069] 本文描述的任何方法、程序、算法或代码都可以被转换为或表达为编程语言或计算机程序。本文使用的术语“编程语言”和“计算机程序”每个包括用于向计算机指定指令的任何语言,并且包括(但不限于)以下语言及其派生:汇编语言、Basic、批处理文件、BCPL、C、C+、C++、Delphi、Fortran、Java、JavaScript、机器码、操作系统命令语言、Pascal、Perl、PL1、脚本语言、Visual Basic、本身指定程序的元语言,以及所有第一代、第二代、第三代、第四代、第五代或更多代计算机语言。还包括数据库和其他数据模式,以及任何其他元语言。解释、编译或同时使用编译和解释方法的语言之间没有区别。程序的编译版本和源代码版本没有区别。因此,对程序的引用,其中编程语言可能存在于一个以上的状态(诸如源状态、编译状态、对象状态或链接状态)中,是对任何和所有这些状态的引用。对程序的引用可以包含实际指令和/或那些指令的意图。
[0070] 本文描述的任何方法、程序、算法或代码可以包含在一个或多个非暂时性计算机可读或机器可读介质或存储器中。术语“存储器”可以包括以机器(诸如是处理器、计算机或数字处理设备)可读的形式提供(在示例中,存储和/或发送)信息的机制。例如,存储器可以包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存设备或任何其他易失性或非易失性存储器存储设备。其上包含的代码或指令可以由载波信号、红外信号、数字信号以及其他类似信号来表示。
[0071] 前面的描述仅是对本系统和方法的说明。在不脱离本公开的情况下,本领域技术人员可以设计出各种替换和修改。因此,本公开旨在包含所有这些替换、修改和变化。参考附图描述的实施例仅用于呈现本公开的某些示例。与上述和/或所附权利要求中描述的元件、步骤、方法和技术无实质性不同的其他元件、步骤、方法和技术也在本公开的范围内。
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