具有增强俯仰控制和可互换部件的航空器的制作方法

相关应用的交叉引用

本申请要求2018年11月30日提交的美国临时申请no.62/773,513和2019年11月18日提交的美国专利申请no.16/686,839的优先权，其教导通过引用结合于此。

本公开涉及一种飞行器，该飞行器被设计成以竖直起飞和着陆(“vtol”)和向前水平飞行两者的模式操作、承载大量货物负载，并且具体应用于已知为无人驾驶航空器(uav)或无人机的飞行器类型。

背景技术：

用于承载小型摄像机或短距离运输其他小负载的uav是众所周知的，并且通常被称为无人机。这些无人机中有许多被视为休闲或玩具，并且根据管辖范围，民航法规可能未涵盖这些uav。此外，其通常在开放的免费公共无线电频率上操作，这使其容易受到干扰。这类uav，往往与小型直升机相似，有时也被称为多转子或四转子。其相对容易飞行，相当便宜，而且许多都是为vtol操作而配备，可以很好地用于这种有限的目的工作。然而，这种飞行器有一些重大的故障和局限性。其在结构上往往是轻质的，并且在可覆盖的距离、提升能力和承载力方面的能力有限。

目前大多数uav的设计是电动机和螺旋桨驱动，并且在承载能力方面主要受到其动力重量比的限制。这主要是因为在提升和向前飞行期间，其动力有很大一部分是为了实现稳定性，同时提供足够的动力来实现这一目标，并对俯仰进行适当的控制。在电池动力uav的情况下，增加更多电池意味着增加更多重量，这反过来又需要更大和更重的电动机，并且结果在任何情况下都将限制uav的行驶距离和可能承载的附加货物。开发具有更大承载能力以及更大距离潜力范围的更大uav将是非常有益的。理想情况下，这样的uav还将具有附加的特征，如当处理沿飞行路径遇到的其他飞行器时，具有“感知和避免”类型的雷达能力。

有一些uav的设计与飞行器相似，因为其有机翼，而不是像类似直升机的无人机。由于使用机翼实现了升力的额外优势，这种类似飞行器的uav设计通常比类似直升机的无人机具有更好的升力和距离潜力。然而，现有的设计仍然提供了进一步的低效率，因此限制了其货物承载能力和距离潜力。这是部分因为典型的设计不是理想地适用于所有的飞行条件和负载条件。例如，为了使uav以相对较高的速度承载轻负载飞行非常远的距离，在uav上使用更高的展弦比和更薄、更长的机翼就能量消耗而言是更有效的，这提供了更空气动力学、类似滑翔机的轮廓。为了以相对较慢的速度以较短的距离承载较重的负载，使用的理想的机翼相比长距离行驶的机翼宽得多、平坦得多，并且可以在机翼前边缘配备有附加配件，例如板条，以提高升力系数。取决于操作条件，对尾翼尺寸的类似调整可以进一步增加uav的操作效率。更宽泛地说，给定飞行器的最优机翼和机尾配置取决于飞行计划是短程飞行还是长途飞行，以及要承载的货物的体积和重量。

然而，大多数现有设计的uav都具有永久固定的机翼和尾翼，该机翼和尾翼直接附接在机身上，并且具体地机翼被附接的螺旋桨阻碍。现有机翼设计的固定性质使得飞行器对可能的飞行条件和距离的范围适应性较差。这往往会损害飞行器的飞行性能和燃料或能源效率。由于其位置沿着与重心相对应的贯穿机翼的俯仰轴，这种设计也遭受不利的俯仰效应。

有必要开发无人驾驶飞行器，该飞行器既能承载更重的负载，又能飞行更远的距离，或者理想的情况下，两者兼而有之。这种uav对于将救援物资(例如水，食物和医疗物资)运送到偏远或战乱地点将特别有用，在这些地点，派遣有人驾驶飞行器可能太危险了。另一个用例是加油选项非常有限，例如由于恶劣的天气条件，无法保证飞回基地。此外，这种uav可以在其他应用中得到很好的利用，例如将大量消费品负载高效地运送到仓库位置，甚至是位于城市或人口密集的环境中的那些仓库位置，该仓库位置具有很小的起飞和着陆空间。另一种用途是用于危险操作，例如扑救森林火灾，以及在极端条件下追逐风暴以收集天气数据。

技术实现要素：

根据本公开的一个方面，提供了一种飞行器，其中，飞行器的重量在vtol期间由矢量电动机承受，直到飞行器能够获得显著的向前飞行，由此重量被转移到机翼。本公开提供了一种用于电动机和伴随螺旋桨的配置和横向布置，其用于为飞行器提供增强的稳定性和俯仰控制，甚至当飞行器被大量货物负载所阻碍、在恶劣天气中飞行、或在从竖直飞行转变到水平飞行期间。通过使用顺序矢量推力进一步增强了从竖直飞行到水平飞行的转变，该顺序矢量推力允许前向电动机以与后向电动机不同的速度和角度矢量，该后向电动机仍然可以提供更多的水平推力，直到飞行器能够达到机翼失速速度以上的速度。

根据本发明的飞行器还可以通过使用目前未在无人驾驶飞行器上实施的多个系统提供更大的安全性，例如终端对终端基于地面系统、自动天气观测系统(awos)、交通碰撞避免系统(tcas)、自动依赖监视广播(ads-b)、前视雷达和位置传输，其中，飞行器经由卫星导航确定其位置并且周期性地广播其位置，从而使其能够被控制塔台人员和其他空中交通控制提供者跟踪。这些系统可例如通过硬布线与控制飞行器的机械表面的飞行控制和自动驾驶系统通信。

还提供了用于在飞行之间互换机翼和尾翼的结构，从而使uav能够适应于在变化的天气条件和负载下高效地飞行。这是有利的，由于在某些情况下，uav可能在非常偏远的地区操作，在这些地区，零配件的获取可能受到限制或不存在。uav还可以配备可以使用混合能源操作的内燃机，并且包括可以与充电平台一起使用的可充电电池。本公开的uav还可以通过使用嵌入式软件的控制器来优化飞行操作，该嵌入式软件配置uav并且根据其为期望飞行接收的条件和参数来调整其操作。

在一个方面，本公开涉及螺旋桨驱动飞行器，例如uav，其具有至少一对机翼以及最少四个电动机驱动的螺旋桨，其用作矢量转子并且由机身而不是由机翼承载。在优选实施方式中，有八个螺旋桨成对布置。给定的螺旋桨对中的每一个通过垂直定向的轴接合到另一个，该轴包含至少一个用于转动螺旋桨的电动机。螺旋桨对中的两个固定在可旋转横杆的末端，该横杆又通过机身固定在机翼的附接点前面。螺旋桨对中的两个经由另一个可旋转横杆类似地固定，该横杆位于机翼的附接点后面。总体而言，在优选实施方式中，当从飞行器上方观察时，螺旋桨对中的四个形成矩形的顶点，而重心位于机翼的连接点之间，并且位于由螺旋桨对形成的矩形的中心。

当uav起飞或着陆时，连接给定螺旋桨对的构件的轴可以转到基本上竖直的位置。这导致附接的螺旋桨基本上变成水平，这样其就可以为uav提供必要的升力，以为vtol操作提供动力。在有限空间或缺乏基础设施的偏远地区，vtol操作是尤其有利的。在向前飞行条件期间，轴和螺旋桨可以旋转到面向前方的位置，以帮助有效地为向前飞行提供动力。重要的是，在所描述的横杆和螺旋桨的矩形配置中，在vtol操作期间将具有控制uav俯仰的优越能力，因为位于机翼后面的那些螺旋桨可以帮助精细地平衡由于位于前方螺旋桨的操作而产生的任何不稳定力。优选地，前方螺旋桨可以独立于后方螺旋桨在水平位置和竖直位置之间的移动而在水平位置和竖直位置之间移动，以促进从竖直飞行到前方水平飞行的平滑、可控的转变；这一过程称为顺序矢量推力。

在另方面，本公开涉及螺旋桨驱动的uav，其具有模块化机翼，并且可选地，取决于飞行条件可以拆卸和更换的尾翼。不同形状的部件可适当用于较长的航程、较重的负载或其他操作条件中的变化。较厚和较短的机翼通常意味着较重的升力和较慢的速度，而较薄和较长的机翼意味着较快的速度。在给定的条件设置下使用理想形状的机翼和尾翼，使得uav能够更有效地在单次充电或燃料装载的情况下飞行更远的距离。

在另方面，本公开的uav可以由诸如汽油或氢的常规液体燃料源、一个或多个可充电电池，或者利用两种能源的混合燃料源来提供动力。在优选实施方式中，飞行器可以利用混合燃料内燃机来最大化多功能性和可在单个燃料箱以及电池充电上的行驶的距离。在进一步优选实施方式中，所公开的uav可以仅使用氢燃料电池或清洁电力，这将导致uav产生零碳排放。uav可被配置为与位于其基地的着陆垫一起操作，着陆垫包括导电(例如金属)充电环，该充电环可以在飞行器的重量下与uav上的相应连接点物理接触，以在着陆时对电池进行再充电。

在又另方面，uav配备有货物承载集装箱，该货物集装箱可拆卸地固定到飞行器底部。这可以采取任何形状，但在优选实施方式中，其具有空气动力学形状，以减少uav参与向前飞行时对uav的阻力。货物集装箱可由人员装载适当的货物以送往目的地，然后在目的地卸下货物，空载或装载返回货物返回。

在另方面，uav配备有控制面板，该控制面板至少包括处理器和存储器，该存储器存储用于监视和控制飞行器的操作的指令。控制面板可进一步被配置为与位于飞行器上的外部装置(例如传感器和飞行控制器)通信。控制面板可包括与常规飞行器已知类似的部件和执行操作，并且经由存储的指令在操作中进一步自定义，以例如感测外部和内部条件并控制飞行器的操作，用于最佳飞行和安全措施。例如，当由处理器执行指令时，指令可被配置为监视诸如天气条件、气压、风速和位置信息的参数。指令在执行时可进一步导致uav中的处理器将数据传输到位于远程(例如跨越诸如无线电微链路通信网络的通信网络)或接近uav的终端的控制器。由训练有素的人员操作的控制器还包括处理器和存储软件指令的存储器。当由处理器执行指令时，指令可用于指导uav操作的所有方面，包括起飞、着陆、目标目的地和速度。当由控制器的处理器执行时，软件指令可进一步能够在角度和转速方面单独地控制连接到机身的螺旋桨。当由控制器的处理器执行时，软件指令还可以考虑这样的测量的控制面板参数，例如那些指示高度不利天气条件，是否可能影响或覆盖操作控制器的人给出的以给定路线进行的指令。当由控制器的处理器执行时，软件指令还可以从一个或多个传感器接收在给定行程上承载的负载量的指示，并且然后在接收到所述指示时配置指令以相应地调整操作指令。

在又进一步的实施方式中，uav和货物集装箱配备有计算机实施的接近和/或身份传感器，诸如指纹扫描器、视网膜扫描器、电子徽章检测器等。来自这样的传感器的数据可与发送到控制器的其他数据集成，并且由相关联的软件解释。在uav或货物集装箱上可进一步有锁定机构，其仅可由操作者或集成软件在感测到授权个体已经接近uav或集装箱时解锁。这一特征为uav和操作员提供了更高级别的安全和保障。

在另方面，上述uav的充电垫可包括用于从uav到控制器的安全数据传输的设备。正在传输的数据可包括关于uav所拍摄的刚过去的飞行、货物的卸载或装载、或飞行期间遇到的环境条件的细节。这种数据可用于通常记录保存或用于其它目的，例如优化操作软件的未来版本或模块。

本公开还可提供具有增加的承载能力和增加的可行驶距离范围的uav，部分由于内燃机的操作，该内燃机结合了来自液体燃料以及来自可充电电池的动力，该可充电电池可在uav坐在其基地充电垫上时充电。uav还可以进行空气动力学优化，并且因此能够基于单个燃料箱或单次充电行驶更远的距离，因为其机翼是模块化的，并且取决于所承载的负载和行驶的距离，可以进行更换。可以通过使用控制器来控制uav的操作，该控制器可位于远程或接近uav的基地。与控制器一起使用的软件可以通过考虑诸如多种环境和天气条件、货物重量和行驶距离等因素用于指导和优化飞行。uav和其相关联的货物集装箱还可配备有用于感测接近度和用于安全地允许经授权的个体接近和接入uav或集装箱的内容物的设备。

在一个方面，本公开涉及能够竖直起飞和着陆的飞行器，其包括机身、由机身承载的中央处理单元、从机身延伸的符合空气动力学且产生升力的第一对机翼和由机身承载的多个矢量转子，该矢量转子独立于机翼，并且被配置为由中央处理单元控制。该第一对机翼是模块化的并且可移除地连接到机身并且被配置为能够与替代对机翼互换，并且从机身上移除机翼，留下矢量转子可旋转地由机身承载。

在另一方面，本公开涉及能够竖直起飞和着陆的飞行器，其包括机身、由机身承载的至少一个处理器、从机身延伸的符合空气动力学且产生升力的第一对机翼和由机身可旋转地承载的多个矢量转子，从而能够在相对于机身的基本竖直配置和相对于机身的基本水平配置之间旋转，并且被配置为由至少一个处理器控制，其中，矢量转子不由第一对机翼支撑。

该矢量转子可由机身所承载的转子轴承载，从而相对于机身可旋转，并且该矢量转子可在竖直飞行期间处于第一位置，并且在水平飞行期间处于第二位置。在接收到来自中央处理单元的飞行控制信号时，通过沿着旋转轴线旋转转子轴，矢量转子可从第一位置转变到第二位置。在一些实施方式中，转子轴旋转90度使矢量转子在第一位置和第二位置之间转变；转子轴的旋转小于90度可导致矢量转子处于第一位置和第二位置之间的中间位置。转子轴可成对布置，其中，每对转子轴独立地旋转。转子轴的旋转可由转杆驱动器驱动。在一些实施方式中，矢量转子被配置为在飞行器的重心附近。

在一些实施方式中，飞行器是无人驾驶飞行器。

在一些实施方式中，通过将从第一对机翼的根部端部延伸的机翼支撑管插入安装在机身中的机翼管套管中，将第一对机翼固定到机身。在其它实施方式中，通过将从机身延伸的机翼支撑管插入安装在第一对机翼根部端部的机翼管套管中，将第一对机翼固定到机身。优选地，替代对机翼被配置为在与第一对机翼相同的位置处固定到机身。第一对机翼和替代对机翼可具有不同的空气动力学配置。

在一些实施方式中，至少一个第一尾翼固定到机身的后部。(多个)尾翼可是模块化的并且可与至少一个替代尾翼互换，该至少一个替代尾翼可被配置为在与至少一个第一尾翼相同的位置处固定到机身。第一(多个)尾翼和替代(多个)尾翼可具有不同的空气动力学配置。

在一些实施方式中，第一货物集装箱可固定到机身的下侧。第一货物集装箱可是模块化的，并且可与替代货物集装箱互换，该替代货物集装箱可被配置为在与第一货物集装箱相同的位置处固定到机身。第一货物集装箱和替代货物集装箱可具有不同的设计。

在一些实施方式中，飞行器可以进一步包括机头螺旋桨。飞行器可使用液体燃料和电混合动力。

附图说明

图1描述了处于水平/向前飞行位置的uav的第一实施方式的透视图。

图1a描述了显示顺序矢量推力的uav的第二实施方式的透视图。

图1b描述了示出了顺序矢量推力的图1a的uav的侧视图。

图2描述了处于水平/向前飞行位置的图1的uav的侧视图。

图3a以部分分解的形式描述了现有技术的典型飞行器式uav的透视图。

图3b是图3a的现有技术的uav的侧面示意图，示出了具体是在起飞条件期间如何可能导致飞行器俯仰的问题。

图4a和图4b通过示出(图4a)在机翼上具有单个螺旋桨的现有技术实施方式的侧视图和(图4b)本公开的双旋转设计的侧视图进一步示出了在俯仰方面的潜在问题的对比，其中螺旋桨独立于机翼而通过机身附接。

图5描述了图1的uav的部分分解透视图，其中螺旋桨示出为水平定向，这将适合于起飞和着陆操作。

图6a和6b描述了第一示出性转杆驱动机构的详细透视图，其与具有已安装的轴和螺旋桨的横杆一起采用。图6a示出了螺旋桨在起飞前处于水平位置，并且图6b示出了螺旋桨处于竖直位置用于向前和水平飞行。

图6c是图1a所示的uav的透视图，其中盖被移除以暴露内部部件；

图7描述了用于通过图1所示uav机身固定机翼管的部件的详细剖视图。

图8描述了部分分解的剖视图，其提供了机身的模塑轮廓与机翼之间的连接的进一步视图。

图9a和9b描述了不同的机翼形状，包括长的细长设计(图9a)和短的高弧面设计，标记为(图9b)。

图10a和10b描述了两种不同的模块化机翼设计的横截面图：用于图1的uav的较厚的机翼翼型(图10a)和较薄的机翼翼型(图10b)。

图11a、11b和11c示出了安装在图10a所示的较厚机翼翼型的前边缘上的可选板条。

图11d示出了没有板条的机翼表面上的气流模式。

图11e示出了安装了翼板的机翼上的气流模式。还提供了板条安装方式的详细视图。

图11f和11g分别示出了包含太阳能电池板的机翼的说明性实施方式的分解透视图和侧横截面图。

图12a和12b描述了机身尾部的部分分解图，其包括可拆卸翼。

图13描述了图1的飞行器的货物集装箱的说明性实施方式的透视图。

图14描述了图13的货物集装箱的顶视图。

图15描述了图13的货物集装箱的侧视图。

图16描述了图1的uav的前视图，其中机翼从机身拆卸，并且在其下方安装货物集装箱。

图16a至16c示出了用于货物集装箱的替代布置。

图17描述了位于基地终端站上的uav(如图1中提供的)的透视图。

图18描述了如图17所示的样品基地终端站的透视图。

图19描述了图18的基地终端站的顶视图。

图19a和19b示出了用于基地终端站的围栏布置的说明性平面图。

图20是用于诸如图1所示的uav的飞行控制系统的示意图。

图21是根据本公开的用于uav的说明性机身的部分分解图。

具体实施方式

如本文所使用的，术语“有人驾驶”和“无人驾驶”分别是指飞行器上人员的实际存在或不存在，并且为了方便而作为现有技术的常规术语使用，并且不意在指定、要求或暗示任何人类飞行员的任何具体生理性别/社会性别。当然，飞行员可以是任何生理性别/社会性别。

在一个实施方式中，如图1所示，提供了货物承载uav100，其适于向前飞行以及vtol两者操作。uav100包括被称为机身101的中心主体部分、直接从机身101延伸的一对机翼102、以及固定到机身101后部的v形配置的尾翼对112。中央处理单元(下面进一步描述)由机身101承载，优选地容纳在其中。所描述的uav100具有四组矢量转子110(即驱动螺旋桨)，该矢量转子110提供升力以及在运输途中对uav100的稳定性和俯仰的控制，这在起飞期间是特别重要的考虑因素。矢量转子110独立于机翼102由机身101可旋转地承载，并且如下文进一步描述的，被配置为由uav的中央处理单元控制。所描述的uav100是适应性和多功能的，因为其在设计上是模块化的，通过允许移除和更换具有理想形状和尺寸的部件的机翼和/或尾翼以用于所讨论的具体飞行条件和货物重量，其能够适应各种飞行条件。这种多功能性是由于矢量转子110安装在机身101上而不是像常规飞行器中的情况那样安装在机翼上。机翼102是模块化的，并且可移除地连接到机身101，并且被配置为可与替代对机翼互换。关键地，对于某些实施方式，关键地，机翼102是空气动力学、升力产生机翼。机翼102可从机身101拆卸，如下面将更详细地描述的，并且该特征允许uav100的自定义以使其适应不同的飞行条件。图1中所示的具体机翼102相对较宽和较厚，并且对于承载相对较重负载的短程飞行最有用。在这种情况下，所描述的机翼102还包括副翼106，其用于在滚转中提供对飞行器的进一步控制，以及板条104，其用于在起飞和着陆期间提供对飞行器的增强的筛查和控制。因为矢量转子110独立于机翼102由机身101可旋转地承载，从机身101移除机翼102留下矢量转子110可旋转地由机身101承载。此外，通过从其机身101推动或推进uav100，而不是通过其轻支撑的机翼102，可以提升较重的货物。货物集装箱122可拆卸地固定在机身101的下面。图2还以侧视图示出了图1的实施方式。

尾翼112还可以是可选地可移除的，从而可以展开用于具体飞行条件的适当设置。通常，机翼102对于具体条件的合适尺寸将反映在尾翼112中。即，如果使用宽且厚的机翼102，则尾翼112应类似地成比例地宽且厚。相反，如果使用细长机翼，则尾翼112也应该类似地细长。图1中所示的具体尾翼112还包括附加升降机114，该附加升降机114将有助于提供对uav100的俯仰的进一步控制。

在所描述的uav100中，总共有九个螺旋桨：机头螺旋桨108，和四对矢量转子110。每个螺旋桨由内燃机或电动机驱动。在该实施方式中，一旦uav100在空中飞行并且已经达到足够的高度，机头螺旋桨108主要负责在水平飞行中维持uav100的向前推力。因此，为机头螺旋桨108提供动力的内燃机105位于所述机头螺旋桨108附近，并且在该视图中不可见。然而，用于所述内燃机105的燃料箱120由形成在机身101的外壳中的可见突起容纳。就八个矢量转子110而言，每个矢量转子都附接到中空转子轴410的端部，中空转子轴410可由适用于飞行器部分的任何轻质材料或复合材料构成。矢量转子110通过附连到转子轴410的方式由机身101承载，转子轴410又安装在固定到机身101的横杆400上。因此，矢量转子110由机身101承载。包含在转子轴410内的是用于向量转子110的另外的电动机406；本文中使用的术语“矢量转子”应理解为包括螺旋桨和驱动螺旋桨的电动机。对于总共四个这样的电动机，每两个矢量转子110可以有一个电动机406，或者对于每个矢量转子110可以有单独的电动机。电动机经由横杆400连接到包含在机身101内的能量源。在所描述的实施方式中，用于矢量转子110的电动机优选地是全电动电动机，每个全电动电动机内部连接到机载电气系统和一个或多个可充电电池。相反，用于机头螺旋桨108的内燃机105优选地是由液体燃料(例如液态氢或汽油)提供动力的单个固定位置电动机。因此，在该具体实施方式中，飞行器100使用液体燃料和电混合动力。uav100的该实施方式被配置为使用不同的能量源，因为当机头螺旋桨108提供维持水平飞行所需的大部分向前推力时，机头螺旋桨108必须在飞行中被稳健地提供动力。与电动电动机相比，燃料动力电动机目前往往提供更大和更持久的动力。然而，电动电动机可以用于uav100中的所有应用。

在一个优选实施方式中，机头螺旋桨108本身能够与机翼102协作维持水平飞行。在竖直起飞之后，矢量转子110不需要被提供动力。可替代地，如果适当地配置，则矢量转子110可在向前飞行期间保持活动，或者可以通过使用由内部定子和换向器产生的电磁能用于在向前飞行期间对电池系统再充电。

通常，uav100被配置为从vtol操作转变到水平飞行，例如，通过控制矢量转子110以达到期望的高度(经由一个或多个处理器，未示出)，然后在适当的飞行高度，使用机头螺旋桨108(以及可选地矢量转子110)以向前飞行运动推进uav100。优选地，矢量转子110由机身101可旋转地承载，从而可在相对于机身101的基本竖直配置和相对于机身101的基本水平配置之间旋转。在起飞期间，转子轴410及其内部安装的电动电动机406处于竖直位置，使得附接的矢量转子110提供向上的推力。连接到机头螺旋桨108的固定向前内燃机105处于怠速节气门设定，使得电动机以相对低的rpm运行，从而在实现提升的同时不会引起不适当的向前运动。一旦uav100处于足够的高度，就向固定向前内燃机105提供电信号以使其节流，从而其产生高得多的rpm以开始在向前方向上驱动uav100。当进行该操作时，电信号被发送到附接到横杆400的机构以旋转，这将最终导致矢量转子110被适当地定位以补充由机头螺旋桨108产生的力以提供向前飞行。

在所描述的实施方式中，八个矢量转子110被定向成使得其在竖直平面中转动。当uav100水平飞行时，这些矢量转子110可以帮助向uav100提供向前推力。如结合图6a和6b将更好地示出的，转子轴410围绕横杆400的轴固定，并且当横杆400适当旋转90度时，转子轴410可以呈现竖直配置，这进一步导致附接的矢量转子110在水平面中旋转。这些定向和条件具体是在vtol操作期间是有利的，由于矢量转子110的叶片将提供必要的升力以使uav100空中飞行。因此，如图6c所能看见的，矢量转子110在竖直飞行期间处于第一位置，并且在水平飞行期间处于第二位置，并且，在接收到来自中央处理单元的飞行控制信号时，通过沿着旋转轴线旋转每个转子轴410，矢量转子110从第一位置转变到第二位置。转子轴410的旋转90度使矢量转子110在第一位置和第二位置之间转变。

为每个转子轴410提供两个矢量转子110不是必需的。飞行器将可操作地将单个矢量转子110附接到每个转子轴410以形成总共四个矢量转子110，但是这种矢量转子110的叶片将需要显著地更大和更宽，以提供在vtol操作期间产生足够升力所需的必要表面区域。相反，如图1所示，当每个转子轴410使用两个矢量转子110时，矢量转子110的叶片可以更小，由于两组螺旋桨的表面区域将附加地提供足够的提升力。已经发现，使用具有较小叶片的矢量转子对110更为方便，因为其对附接的货物集装箱122的阻碍较小，并且在飞行期间也产生较小的阻力。此外，其中有八个成对布置的矢量转子的布置可提供冗余和改进的安全性。

图1a和图1b示出了uav100a的替代实施方式。uav100a类似于图1和图2中描述的uav100，除了后缀“a”之外，具有相同的附图标记表示相同的特征。图1a和图1b中描述的uav100a与图1和图2中所示的uav100的主要区别在于，图1a和图1b中所示的uav100a具有单个矢量转子110a，该矢量转子110a附接到每个转子轴410a上，用于总共四个矢量转子110a而不是八个矢量转子110a，并且省略了任何机头螺旋桨和相关部件，向前推力完全由四个矢量转子110a提供。图1a和1b中描述的uav100a还包括着陆滑板124a。

螺旋桨数量和尺寸的其他变化也是可能的。例如，uav可以装备总共三个带有矢量转子的转子轴，两个通过横穿机身的横杆连接在机身重心(在机翼的附接点)的前面，一个直接附接在机翼后面的机身顶部。在这种配置中，机翼后面的单个螺旋桨将需要具有比前面结构中使用的那些矢量转子更大的叶片，以便与向前矢量转子提供等效的升力，从而使uav仍能保持vtol操作而不会使俯仰成为问题。在权利要求书的范围内，许多这样的变化是可能的。

机翼102和矢量转子110的替代配置将类似地操作，并且将在本领域技术人员的能力范围内。例如，uav100可以配备有多于一对机翼102。uav100可以具有配备有矢量转子110的进一步多组横杆400。由于下面将进一步解释的原因，只要横杆400和矢量转子110位于机翼102的前后，其对应于uav100的重心位置，并且与机翼102有足够的距离，使得矢量转子110在从上方观看时形成矩形的顶点，其将用于为uav100提供稳定性和俯仰控制。因此，矢量转子110被配置为在飞行器100的重心附近。

uav100可以以多种尺寸和配置构建。样品uav100可具有5.4m翼展、2.6m长度和1.2m高度。当尺寸如此时，其重量将在200kg范围内，并且最大货物负载约为100kg。其可以由用于机头螺旋桨108的300cc气体双缸内燃机和用于矢量转子110的一组20kw的交流电动机提供动力。有了这些尺寸和部件，预计最大距离范围将为500km，巡航速度为100km/h，最大速度为140km/h，最大续航时间为5.2小时。然而，根据本公开，可以容易地构造较小或较大的uav，并且具有不同的尺寸和限制。

一系列电子和数字陀螺仪传感器118和接近传感器116可位于诸如机身101或货物集装箱122的表面的位置处，以检测飞行特征和参数的变化。在图1中可以看到合适位置的几个示例，其中示例传感器指示为部分118和116。陀螺仪传感器118包含安装在小板上的微观晶体结构，其在飞行器移动时接收运动和压力信号。接近传感器116可使用雷达和红外信号来提供飞行器的位置信息，并且还检测可能在飞行器的飞行路径中的物体，诸如树木、电线、杆、建筑物或鸟类。接近传感器116还可用于通过使用与在诸如蜂窝电话和门控入口的装置上发现的现有安全协议中使用的参考图像相似的参考图像，检测接近飞行器的个体是否被授权这样做。其它附加特征可包括沿机身101的外表面安装的360度数码相机，或集成眼睛扫描和指纹技术的可编程识别软件。在一个示例中，如果检测到未经授权的人员，则飞行器可切换到锁定模式，从而使得uav100在提供安全许可之前不可操作，并且防止存储介质(例如，诸如sd卡的计算机存储器存储装置)的移除。类似地，未经授权的人员的存在也会导致货物集装箱122类似地被锁定，并且其内容物变得不可接近。这样的安全特征提高了uav100及其货物的安全性。

一旦陀螺仪传感器118或接近传感器116检测到飞行特性或其他相关参数的变化，则使用惯性测量单元(imu)测量该变化，并且该变化可作为电信号发送到uav100的cpu，在该cpu处理该电信号。在接收到来自cpu的电信号时，机械致动器可进一步指导飞行器上的各种飞行控制表面的移动，诸如副翼106和升降机114，以及诸如连接到转子轴410和矢量转子110的横杆400的其它部件。电信号也可发送到速度控制器，该速度控制器控制矢量转子110和机头螺旋桨108的速度。通过适当地响应由传感器116和118检测到的各种飞行条件，飞行控制系统有助于uav100平稳、安全地操作和控制。

可使用两个不同的导航系统来支持uav100的导航。第一是全球定位系统(gps)。由于gps在恶劣天气条件下或在偏远地区可能不可靠，因此飞行器还由依赖于矢量飞行定位的第二导航系统支持。具体地说，该第二导航系统使用一系列类似于在gps之前执行的飞行导航的算法(例如航位推算)。使用经度和纬度坐标来执行关于uav100与目的地之间的距离、速度和相对位置的计算机计算。在自动驾驶模式下，来自两个导航系统的信息被传输到飞行控制系统并且中继到伺服系统(未示出)，伺服系统连接到飞行控制表面和其他可移动部件。uav100可以被编程为在没有任何人干预的情况下从任何位置飞行并返回到相同位置，使得uav100完全自主。uav100还可由坐在远程位置的飞行员使用控制飞行控制系统的可视监视器和手动操作(例如操纵杆)致动器来实时导航。

来自交通碰撞避免系统(tcas)和自动天气咨询站(awas)的数据可直接集成到uav100的飞行控制系统中。在这样做时，uav100可被引导沿着对最少空中交通和/或最有利的天气条件而优化的飞行路径。tcas和awas系统通过使用嵌入在这些系统中的特殊软件，通过使用前向扫描雷达定位潜在危险，来完成大部分这种工作。

当uav100飞行时，其不断地经由无线电联系接收数据。当条件改变(例如来自tcas和awas的数据)和/或从uav100上的传感器(例如陀螺仪传感器118和接近传感器116)接收信息时，数据信号作为电脉冲被发送到执行自动驾驶的机载处理器(即cpu)，以通过将控制信号作为电脉冲发送到伺服器来进行物理改变，伺服机构依次移动诸如方向舵、升降机和副翼的飞行表面，以及矢量转子110的角度和转速。一个示出性风险场景是由tcas确定，如果uav100继续其当前航线，其将与另一架飞行器进行接触。发送到机载处理器的数据信号将导致通过基于速度和gps位置以预定速率向飞行控制器发送控制信号来执行航线校正。

与uav100的通信可通过使用向诸如联邦通信委员会(fcc)之类的适当监管机构注册和保密的离散射频来中介。与使用开源低功率1/4瓦特、2.4ghzhobby类型射频的大多数现有无人驾驶飞行器不同，本文公开的飞行器可使用不能公开访问或引起干扰的频带频谱和信道跳变两者。与uav100的安全通信保护其不被篡改或接管，这与易受这种干扰的传统无人驾驶飞行器不同。此外，由于uav100使用的射频是许可的，因此通信信号具有更强大的潜力，从而允许更大的数据无线传输。在一些实施方式中，通信信号可被加密。

在图3a、3b、4a和4b中，提供了矢量转子110的矩形构造的优点的一些图示。图3a和图3b示出了现有技术的典型配置，其中除了机头螺旋桨308之外，机翼螺旋桨310和其各自的内燃机/电动机306承载在飞行器300的机翼302上。机翼302被配置为相对于机身301旋转，由于螺旋桨310及其相应的内燃机/电动机306被承载在机翼302上，因此具有使螺旋桨310和其相应的内燃机/电动机306相对于机身301旋转的效果。具体地，在起飞条件期间，如图3b所示，飞行器300围绕其重心的倾斜可能存在重大问题。俯仰的这个问题主要是由于机翼螺旋桨310没有相反的力。

图4a示出了在现有技术的飞行器配置中看到的俯仰的相同问题，如结合图3b讨论的，再现以与图4b进行比较。图4b示意性地示出了根据本公开的示出性uav100a的配置。可以看出，矢量转子110a放置在uav100a的两侧，在重心的前后，其对应于机身101a的区域，机翼102a安装在机身101a处。后矢量转子110a将有助于平衡来自前矢量转子110a的力，减少或消除俯仰的不希望的问题，并且导致更稳定的飞行路径。因此，所公开的用于矢量转子(螺旋桨)的矩形配置的优越性是明显的。

图5示出了uav100的部分分解透视图，其中机翼102从机身101分离。图5中还示出了水平定向的矢量转子110，其因此适合于起飞和着陆的条件。在该实施方式中，每个横杆400被示为可安装到机身壁中并在内部连接的两个分离的杆。横杆400可以容易地制成单个杆，该单个杆被配置为跨越机身101的宽度，或者制成分离的杆，其可以在其内部的汇合点处固定地连接到机身101。任何实施方式都将很好地工作，但是为了易于组装，具有两个分离的杆来组成统一的横杆400可能更方便。还可以使用分离的杆来促进对每个矢量转子110相对于机身101的角度的单独控制。

图6a和6b进一步详细地示出了与uav100隔离的横杆400和矢量转子110，其中图6a示出了矢量转子110处于用于vtol操作的适当定向，而图6b示出了矢量转子110处于用于向前飞行条件的适当定向。横杆400的端部不可移动地固定到转子轴410。转子轴410的定向以及因此其附接的矢量转子110的定向导致uav100的不同飞行模式。在此可以看出，横杆400耦合到转杆驱动机构412，该转杆驱动机构412有助于横杆400的旋转，这最终导致附接的转子轴410和矢量转子110的旋转。因此，转子轴410的旋转由转杆驱动器驱动。转杆驱动机构412的激活可由用于uav100的控制器或其cpu2002(见图20)中的前述处理器控制。

竖直位置和水平位置之间的转变，反之亦然，需要沿旋转轴线旋转90度，该旋转轴线由转杆驱动机构412促进。在操作中，当接收到来自例如位于uav100的机身101内的cpu的飞行控制信号以旋转矢量转子110时，电动机402驱动耦合到齿轮404的皮带403或类似的连接装置，齿轮404使横杆400旋转，横杆400又使固定到转子轴410的端部的矢量转子110旋转。转杆驱动机构412由此提供水平和竖直飞行之间的平滑转变。对于飞行器的成角度飞行，转杆驱动机构412可将矢量转子110旋转到水平位置和竖直位置之间的中间位置；转子轴410的旋转小于90度导致矢量转子110处于第一位置和第二位置之间的中间位置(参见图1b)。优选地，转子轴410成对布置(例如前对和后对)，并且每对转子轴410独立地旋转。再次参考图1a和图1b，在优选实施方式中，向前矢量转子110可以独立于向后矢量转子110在水平位置和竖直位置之间的移动而在水平位置和竖直位置之间移动，以促进从竖直飞行到向前水平飞行的平滑、可控的转变；这一过程称为顺序矢量推力。在存在和不存在机头螺旋桨时都可以施加顺序矢量推力。可选地，每个矢量转子110可彼此独立地可控，以在低速操纵期间提供横向和偏航稳定性。

图6c是图1a中所示的uav100a的透视图，其中盖被移除，其示出了转杆驱动机构412a的替代布置。执行自动驾驶模块2004(图20)的cpu2002耦合到矢量驱动控制器602，该矢量驱动控制器602控制前后电动机604，该前后电动机604的轴606经由机械耦合器608使相应的横杆400旋转，从而使固定到转子轴410a的端部的矢量转子110a旋转。

图7-11示出了机翼102的进一步细节，以及其如何使用机翼管组件系统(图7-9b中示出的元件500、502和机械紧固件504)可释放地固定到机身101的两侧。在图7所示的一个实施方式中，通过将从第一对机翼102的根部端部延伸的机翼支撑管502插入安装在机身101中的一个或多个机翼管套管500中，将第一对机翼102固定到机身101。在该实施方式中，机身101安装有机翼管套管500，机翼管套管500横贯机身101的宽度，并且其尺寸确定为从两端接纳从左翼102和右翼102的根部端部延伸的机翼支撑管502。在如图8所示的另一实施方式中，通过将从机身101延伸的机翼支撑管502插入到第一对机翼102的根部端部506中的机翼管套管500中，将第一对机翼102固定到机身101。机翼支撑管502(其可是单个整体管的两端)固定到机身101上，并在两侧(例如彼此远离)向外延伸，并进入每个机翼102的根部端部内的机翼管套管500中。在两个实施方式中，机翼支撑管502的插入管套管500中将机翼固定到机身101并支撑uav100的重量和力。

机翼管系统500和502的部件可以由碳纤维或类似材料制成，以提供优越的强度，同时保持轻量化。通过模塑机翼102的根部端部506的形状，机翼102进一步固定到机身101，从而为uav100提供改进的空气动力学。机翼102和机身101通过使用诸如螺母和螺栓或t形螺母紧固件的机械紧固件504来进一步固定。通过进入舱口505提供对将机翼固定到机身101的紧固件504的操作，舱口505可沿着顶部表面定位在机身101中，接近机翼102与机身101相会的地方。机翼支撑管502提供主要支撑，而紧固件504进一步将机翼102固定到机身，从而在飞行期间使其不会与机身101断开。

用于将机翼102固定到机身101的机翼管系统500和502以及机械紧固件504也允许机翼102容易地拆卸和替换为替代机翼设计或例如，用于机翼的修理。因此，一个或多个替代对机翼可被配置为在与第一对机翼相同的位置处固定到机身101。与现有的设计不同，由于矢量转子110没有固定到飞行器的机翼102，因为机翼102没有被限制，机翼102可以容易地切换出去。如图9a、9b、10a和10b所示，在模块化设计中，机身101适于接受不同类型飞行动力学的机翼的不同翼型形状。图9a示出了没有前翼板条的机翼102，而图9b示出了具有前翼板条104的机翼。例如，滑翔机中使用的长的细长机翼102可以用于在较长的距离上产生较快的飞行，而较短的高弧面机翼102可用于较慢和较重的升力操作。图10a示出了较短的高弧面机翼102的轮廓，图10b示出了较长的细长机翼102的轮廓。因此，第一对机翼102和替代对机翼102可以具有不同的空气动力学配置。

为了优化机翼102用于更慢的飞行速度，如图9b和11a所示，可以使用具有安装在前边缘上的机翼板条104的更短、更宽的机翼102。图11a和11b示出了具有安装的机翼板条104的较短的高弧面机翼102的前边缘的详细视图；图11c示出了具有板条104的整个机翼102的轮廓。图11d和图11e示出了没有机翼板条104的机翼102(图11d)与具有机翼板条104的机翼102(图11e)上表面空气流动模式的差异。机翼板条104可通过使用适当的紧固件紧固到机翼102。

其他机翼配置也是可能的。例如，如果希望使uav100适于水上着陆，则所提供的机翼102可具有浮筒。

图11f和11g示出了一个说明性实施方式，其中，机翼102包含太阳能电池板，例如，以向驱动矢量转子110的电池供电。在图11f和11g所示的实施方式中，机翼102包括内部框架140，该内部框架140由轻质材料形成，该轻质材料例如铝或使用翼梁“盒”结构的另一合适材料形成，其包括具有前d单元141的翼肋140a、翼梁140b和翼梁腹板140c。由铝或其它合适材料形成的薄片由内部框架140承载，以形成机翼102的前边缘142和后边缘144，前边缘142和后边缘144之间具有间隙146。太阳能电池板材料148通过合适的粘合剂150(例如以商标vhbtm由3m提供的胶带，地址在3mcenter,st.paul,mn55144-1000)粘附到前边缘142和后边缘144，以桥接间隙146并完成机翼102的上表面的空气动力学轮廓。下部覆盖物152(图11g)类似地粘附至机翼102的下表面的完整空气动力学轮廓。

类似于机翼102，在所示实施方式中，尾翼112是模块化的，并且可与替代尾翼112互换。替代尾翼112被配置为在与第一尾翼112相同的位置处固定到机身101，并且第一尾翼112和替代尾翼112可以具有不同的空气动力学配置。

图12a和12b示出了尾翼112如何可以使用类似的管系统和机械紧固件固定到机身101的后部，如前面用于机翼102所示。在优选实施方式中，尾翼112可释放地附接，使得取决于飞行条件的性质，尾翼112可以被移除并且用替代尾翼112替换。在一个实施方式中，如图所示，支撑尾管1002固定到机身101的后部并延伸到尾管套管1000中，尾管套管1000安装在左和右尾翼112的根部端部1006中。在另一个实施方式中，机身的后部具有尾管套管对，其尺寸确定为接纳从尾翼根部端部延伸的支撑尾管。尾管系统1000和1002的部件可由碳纤维或类似材料构成，其中尾翼112通过模塑尾翼112的根部端部的形状以补充机身101并使用机械紧固件504，例如“t”形螺母紧固件，进一步固定到机身101上。在优选实施方式中，尾翼112以“v”形构造组装到机身101上，但是其他配置在本领域中是已知的。

图13-16示出了与uav100一起使用的货物集装箱122的第一说明性实施方式的各种视图。货物集装箱122具有货舱1100、开口1102和外表面1104，并且通常保持在机身101的下方。货物集装箱122可通过机械闩锁系统1700(图16)固定到机身101的下侧，并且可进一步与提供防水密封的可闩锁盖(未示出)一起使用。因此，货物集装箱122可被密封。可替代地，为了防止水在飞行期间进入货舱1100，开口1102可具有向上延伸并且装配到铸造在uav100的下侧上的模具中的边缘。将货物集装箱122固定到机身101的下侧的这种设计还将具有降低uav100的重心的效果，从而增加其稳定性。通过这种设计，货物集装箱122还可以用作在uav100着陆时与地面或着陆区域接触的结构。在图16中最好地看到这方面，其中从前视图示出了附接到机身101的货物集装箱122。

货物集装箱122优选地由复合材料制成，并且还优选地为单件模具设计。在一个实施方式中，货物集装箱122是类似于独木舟形状的纳形，具有在前部和后部呈锥形的细长侧轮廓。货物集装箱122的这种流线型设计允许其更具空气动力学，从而有助于减少uav100的能量消耗。

在所描述的实施方式中，货物集装箱122可以通过解锁机械闩锁1700而与机身101分离。一旦分离，进入货舱1100的大开口可用于装载和卸载货物。其它实施方式也是可能的。例如，货物集装箱122可装备有侧门。取决于正在运输的货物，货物集装箱122可被拆卸并且更换成不同的货物设计。例如，较大的货物集装箱对于轻型但体积较大的货物可能是可取的，而较小的货物集装箱对于较小的密集货物可能是可取的。

货物集装箱122可由人员装载，例如被称为装载主的指定人员，其负责以与较大运输飞行器所做的大致相同的方式在整个货物集装箱122中均匀地分配货物。一旦装载了适当的货物，就可以将uav100调度到准备好的终端目的地，然后在目的地卸载并且送回，或者空的或者装载返回货物。这个过程可作为终端到终端的操作定期重复。

如前所述，货物集装箱122还可装备接近传感器116，类似于安装在机身101上的那些接近传感器。如前所述，来自货物集装箱122上的接近传感器116的数据也可用于认证接近人员的身份或用于位置感测。货物集装箱122还可具有附加的传感器，例如重量传感器，并且可电连接到uav100的电路，使得从货物集装箱122接收的或与货物集装箱122相关的数据可被考虑到经由uav100的cpu或从远程控制发送到uav100的指令中。例如，诸如称重传感器的常规负载传感器可安装到起落架上，以便确定货物的重量。称重传感器是测力计类型，包括换能器，该换能器会产生电信号，其大小与被测量的力成正比。称重传感器类型的示例包括液压、气动和应变计。

第一货物集装箱122是模块化的，并且可与一个或多个替代货物集装箱互换，该替代货物集装箱优选地被配置为在与第一货物集装箱122相同的位置处固定到机身101。第一货物集装箱122和(多个)替代货物集装箱可具有不同的设计。

图16a至16c示出了用于货物集装箱的示例性替代布置。图16a示出了货物集装箱1622a，该货物集装箱1622a包括限定内部容积1604a的中空、刚性、顶部开口的主体1602a和与主体1602a协作以密封货物集装箱1622a的水密盖1606a。图16b示出了货物集装箱1622b，该货物集装箱1622b包括管状框架1608b和纺织品、织物或塑料盖1610b。图16c示出了一个实施方式，在该实施方式中，货物集装箱1622c采用用于吊挂负载的框架的形式。

图17-19描述了uav系统，其包括uav100和基地终端站1401。基地终端站1401具有用作飞行器的着陆垫1400的表面区域。在该实施方式中，一系列金属导电环1402安装在着陆垫1400的顶表面上。金属环1402基本上无关于uav100的最终着陆方位提供uav100的电耦合，使得只要uav100着陆在着陆垫1400内，uav100将与金属环1402电接触。gps定位器可布置在金属环1402的中心处，使得uav100在着陆期间将始终跟踪到该位置。可以考虑一系列环形构造之外的设计，例如网格。当uav100着陆在着陆垫1400上时，金属环1402可与货物集装箱122(图16所示)下侧上的一系列金属导体1702(图16)接触。uav100的重量以及金属环1402和导体1702的布置确保在uav100与附接的货物集装箱122和基地终端站1401之间形成低电压连接。金属环1402和金属导体1702之间的接触有助于uav100的电池系统的自动再充电，从而消除了对技术人员的需要，并且使得终端之间能够完全自主地操作。在该实施方式中，基地终端站1401将进一步需要补充电源，用于向电池提供充电。这可以经由诸如太阳能、电网或连接到基地终端站1401的补充电池之类的各种源来提供。还考虑了直接电接触的替代物，例如感应充电或由技术人员手动连接。

基地终端站1401还可用作再燃料补给库，在该补给库处放置uav100，从而可以提供到飞行器的液体燃料箱120的液体燃料供应。尽管考虑了自动加油，但在一个实施方式中，将存在技术人员以执行加油以及诸如更换物理存储器(例如，诸如sd卡的计算机存储器存储装置)和装载和卸载货物的其他职责。对于特别偏远的目的地，可以沿着确定的飞行路线定位多个终端站，以便为飞行器再提供动力以进行分段飞行。能够沿长距离飞行路径为飞行器充电和加油将使飞行器不需要大型电池系统或燃料箱。这样，飞行器的电池系统可减少尺寸和重量，从而允许飞行器承载更重的货物负载。因此，在一个实施方式中，uav100可仅从终端到终端操作，从而支持飞行器和任何有关人员的安全。警告和安全标语牌、灯等可与终端相关联。

基地终端站1401可包括一个或多个处理器和存储器，其上具有软件指令，该软件指令包括诸如人工智能(ai)部件的机器学习算法。一旦来自飞行器的数据被下载到基地终端站1401上，软件一旦被执行，就可以处理数据并且确认所有系统都是完全操作的，并且uav是安全操作的。使用预编程电路，可以经由基地终端站1401无线地或通过有线连接在uav100上执行一系列安全检查。这消除或减少了维修技术人员在每次飞行前对飞行器进行检查的需要。如果操作系统未通过安全检查，则可将该信息中继给服务技术人员，并且从操作中移除uav100。使用基地终端站1401自主诊断uav100的能力为其操作提供了额外的安全性和方便性。安全检查的示例包括燃料和电池液位、货物重量、接近传感器(例如与uav100接触或太接近uav100的外来物体)，以及机械系统检查(例如自动驾驶检查)。机械系统检查通过使用例如力反馈传感器来检测致动器(例如伺服机构)是否在工作，以及飞行表面是否自由并在适当的范围内移动而没有绑定，验证电动机和所有可移动飞行表面在工作。如果燃料或电池液位不足，如果uav100和货物超重，如果机械系统发生故障，未经授权的人太靠近，或者动物或其它障碍物或危险因素在基地终端站1401内部，则uav100可能会接地。

在一个实施方式中，数据可通过位于uav100内和基地终端站1401处的一系列微链路无线电发射器和接收器在uav100和基地终端站1401之间传输。可替代地或附加地，uav100可承载数字数据记录器，该数字数据记录器将数据记录到类似于常规飞行器上的“黑匣子”的非易失性存储介质(例如，诸如sd卡的计算机存储器存储装置)。被记录和传输的数据可包括关于uav100所拍摄的刚过去的飞行、货物的卸载或装载、或飞行期间遇到的环境条件的细节。存储介质可从uav100中移除，并且由地基技术人员下载以进行分析。例如，可将从uav100移除的存储介质安装到地基计算机上的合适的端口中，由此可访问数据并将其用于诊断和飞行信息。这种数据可用于通常记录保存或用于其它目的，例如优化操作软件的未来版本或模块。其还可以用于制作uav100的飞行日志，该飞行日志可以与民用航空当局共享以验证uav100的历史。

基地终端站1401的附加特征包括具有用于与飞行器通信的天线1404的无线电通信系统、沿外边缘安装的一系列灯1406以在夜间或恶劣天气条件期间帮助识别基地终端站，以及具有轮子1408以便于运输的牵引装置(未示出)。灯1406可例如与包括相机系统和图像识别软件的uav100的实施方式相关联地使用。安全和访问控制特征也可包含在基地终端站1401中，诸如数字或字母数字键区、指纹扫描器、视网膜扫描器、电子徽章检测器(例如rfid)等，并且基地终端站1401可由周边围栏包围。安全和/或访问控制特征可仅仅位于基地终端站1401的外部，并且使用天线和发射器，该天线和发射器将信息中继到安装在uav100内的接收器。

图19a和19b示出了分别用于移动基地终端站1401和固定基地终端站1901的围栏布置的说明性平面图。在所示的实施方式中，围栏1902的高度为7英尺，顶部由面向外的带刺铁丝网1904覆盖，并且形成具有32英尺跨度的规则八边形或“停止标志”形状。通过由安全键盘1908控制的双门1906为授权人员提供入口。照相机1910布置在六边形顶点处的柱子上，并且警告标语牌1912以合适的间隔布置。图19a和19b中所示的围栏布置仅仅是说明性的。

图20是驻留在图1的uav100上的计算机系统2000的示意性框图。计算机系统2000包括硬件和软件组件，该硬件和软件组件包括电子数据模块，该电子数据模块可协同控制、监视和操作uav100。uav100可包括用于存储软件指令的存储器和包括内部cpu2002的至少一个或多个处理器，内部cpu2002可与基地终端站1401或由受过训练的人员操作的远程控制(未示出)中的任一个或两者通信。远程控制还包括至少一个处理器和存储软件指令的存储器。当由至少一个处理器执行时，指令可用于指导uav100操作的所有方面，包括起飞、着陆、目标目的地和速度。飞行计划指令可以无线地或通过诸如sd卡的计算机存储器存储装置的物理传送从远程控制传输到uav100。由远程控制的处理器执行的软件指令还可以评估某些参数，例如那些指示高度不利天气条件的参数，是否可能影响或覆盖操作远程控制的人提供的以给定路线进行的指令。类似地，如果uav100中的cpu2002感测到的天气条件指示沿着预定路线将遇到不利条件，则cpu2002可被配置为经由所述一个或多个指令提供类似的覆盖命令，或者可提出替代路线(用于在远程控制处验证)或自动采用。

此外，与用于货物集装箱122的传感器测量有关的数据，诸如货物重量，可被考虑到包含所识别的元素的计算机实施的动态决策中。例如，在一个方面中，位于uav100上的传感器将货物重量传输到远程控制，并且由远程控制的处理器执行的软件指令可以相应地调整uav100的操作指令，包括如果货物重于预编程的重量上限则中止飞行。在另一方面中，如果位于uav100上的传感器与系统2000的cpu2002通信，其中货物重于预编程的重量上限，则图20中所示的cpu2002可覆盖继续飞行的方向，或者可由cpu2002调整飞行参数以考虑有效负载重量。cpu2002可执行用于在特定组预定条件下展开弹道降落伞(弹道回收系统或brs)的软件指令。如果cpu2002从传感器或其它输入确定uav100已经遭受灾难性故障，诸如关键飞行控制系统的机械或电气故障，则cpu2002可以提供信号以展开弹道降落伞以减缓uav的下降。该信号触发电引信点火，以展开弹道降落伞。

由cpu2002执行的软件指令包括自动驾驶模块2004和通信模块2006。cpu2002还接收来自传感器2008的输入并且写入数据记录器2010。cpu2002执行自动驾驶模块2004和通信模块2006以管理uav100从其始发地到其目的地的飞行。自动驾驶模块2004实施用于控制矢量转子110的矢量的矢量控制子模块2012和用于控制矢量转子110的速度以及当存在时的机头螺旋桨108的速度的电动机控制子模块2014。由cpu2002执行的自动驾驶模块2004能够根据角度(矢量)和旋转速度单独且独立地控制由机身101承载的矢量转子110。自动驾驶模块2004进一步实施用于控制诸如板条104、副翼106和升降舵114的飞行表面的飞行控制子模块。通信模块2006接收来自gps接收单元2018和来自甚高频(vhf)全向范围(vor)接收单元2020的输入，并且执行导航子模块2022。通信模块2006还接收来自awos、tcas和雷达系统的输入。图20中所示的架构仅仅是说明性的，并且还设想了其它合适的架构布置。

在一些实施方式中，cpu2002还可包括语音识别软件，以使uav100能够识别人的语音，并且通过自动驾驶模块2004将语音转换成适当的命令以达到各种飞行控制。优选地，该语音识别适于使用来自诸如nav加拿大和美国联邦航空管理局(faa)等机构的既定航空用语。在合适的远程计算机系统(例如远程控制)上执行的语音识别引擎经由麦克风接收语音输入，然后执行文本到语音转换。然后对照一组已知指令对所得文本进行解析，以识别由语音表示的(多个)指令，并且将所得指令经由无线电上行链路传输到uav100上的cpu2002。cpu2002执行“通过/不通过”检查(例如，确认指令将不会危害uav100的安全)，并且如果“通过/不通过”检查通过，则将指令提供给自动驾驶模块2004以实施，并且将确认传输回远程计算机系统。该确认可采取文本信号的形式，该文本信号可通过测试到语音转换被转换为音频，或者对应于预编程语音信号的信号。前面的描述仅仅是说明性的而不是限制性的，并且设想了这样的布置，其中优先地在远离uav100的地方执行处理，以最小化对cpu2002的处理需求，从而限制uav100上的硬件要求并由此限制重量。在其他实施方式上，处理的附加方面可以被委托给uav100上的cpu2002。

现在参考图21，其是根据本公开的uav100的说明性机身101的部分分解图，示出了被移除以暴露特定舱的几个访问面板2102。在所示实施方式中，前舱2104包含导航硬件2106。导航硬件2106可包括，例如，全球导航卫星系统(gnss)接收器，诸如由navcomtechnology，inc提供的那些接收器，具有地址为20780madronaavenue,torrance,ca90503和自动相关监视(ads)单元。中央舱2108包含环境感知硬件2110，其可包括自动天气观测系统(awos)硬件、交通碰撞避免系统(tcas)硬件、自动相关监视广播(ads-b)硬件和雷达硬件。后舱2112包含飞行控制硬件2114，其包括cpu2002。舱2104、2108和2112中的一个或多个可被屏蔽以防止无线电干扰。图21还示出了货物集装箱122的另一个替代实施方式，其中通过铰链侧门2020提供进入内部2018的通道。

下表列出了根据本公开的包括机头螺旋桨108的uav100的一个说明性实施方式的某些非限制性说明性规范：

货物的示例包括但不限于汽车部件、特殊文件、应急用品、医疗用品、uav部件或飞行器部件、食品、邮购物品(包括在线或电话订购)或将适合集装箱并且在重量参数内的任何物品。

因此，本公开提供了一种用于无人货物飞行器的新的配置和特征，该无人货物飞行器具有增强的安全特征以及由于其模块化性质而增加的俯仰控制、动力源的多功能性、以及增加的效率和对各种飞行条件的适应性。作为配备可定向螺旋桨的机翼结构，其享有更大的承载能力与vtol能力相结合的好处。凭借其进一步集成的传感器和计算机化的特征，vtol比现有的无人驾驶飞行器提供了显著的优势。尽管本公开在应用于无人驾驶飞行器方面具有特别的优点，但现在了解本公开内容的本领域技术人员将理解，本公开内容的各方面也可应用于由实际位于飞行器内的人类飞行员操作的有人驾驶飞行器。

已经通过非限制性示例的方式描述了某些说明性实施方式。对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离权利要求的范围的情况下，可以进行多种变化和修改。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种能够竖直起飞和着陆的飞行器，包括：

机身；

中央处理单元，所述中央处理单元由所述机身承载；

符合空气动力学且产生升力的第一对机翼，所述第一对机翼从所述机身延伸；

多个矢量转子，所述矢量转子由所述机身承载，独立于所述机翼，并被配置为由所述中央处理单元控制；

其中，所述第一对机翼是模块化的并且能够移除地连接到所述机身并且被配置为能够与替代对机翼互换；并且

从所述机身上移除所述机翼会留下所述矢量转子能够旋转地由所述机身承载；

其中每个所述矢量转子能够彼此独立地控制，以在低速操纵期间提供横向和偏航稳定性；

其中通过使用顺序矢量推力增强从竖直飞行到水平飞行的转变，其中所述矢量转子中的前向矢量转子以与所述矢量转子中的后向矢量转子不同的速度和角度矢量；

所述矢量转子中的前向矢量转子中的一个和所述矢量转子中的后向矢量转子中的一个提供比所述矢量转子中的其它前向矢量转子和所述矢量转子中的其它后向矢量转子更多的水平推力，直到所述飞行器达到所述第一对机翼失速速度以上的速度。

2.根据权利要求1所述的飞行器，其中：

所述矢量转子由转子轴承载，所述转子轴由所述机身承载，从而使所述矢量转子相对于所述机身能够旋转；

所述矢量转子在竖直飞行期间处于第一位置，并且在水平飞行期间处于第二位置；并且其中，在接收到来自所述中央处理单元的飞行控制信号时，通过沿着旋转轴线旋转所述转子轴，所述矢量转子从所述第一位置转变到所述第二位置。

3.根据权利要求2所述的飞行器，其中，所述转子轴的旋转由转杆驱动机构驱动。

4.根据权利要求2所述的飞行器，其中，所述转子轴旋转90度使所述矢量转子在所述第一位置与所述第二位置之间转变。

5.根据权利要求2所述的飞行器，其中，所述转子轴旋转小于90度导致所述矢量转子处于所述第一位置与所述第二位置之间的中间位置。

6.根据权利要求2所述的飞行器，其中，所述转子轴成对布置。

7.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述飞行器是无人飞行器。

8.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述多个矢量转子被配置为在所述飞行器的重心附近。

9.根据权利要求1所述的飞行器，其中，通过将从所述第一对机翼的根部端部延伸的机翼支撑管插入安装在所述机身中的机翼管套管中，将所述第一对机翼固定到所述机身。

10.根据权利要求1所述的飞行器，其中，通过将从所述机身延伸的机翼支撑管插入安装在所述第一对机翼根部端部的机翼管套管中，将所述第一对机翼固定到所述机身。

11.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述替代对机翼被配置为在与所述第一对机翼相同的位置处固定到所述机身。

12.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述第一对机翼和所述替代对机翼具有不同的空气动力学配置。

13.根据权利要求1所述的飞行器，进一步包括至少一个第一尾翼，所述第一尾翼固定到所述机身的后部。

14.根据权利要求13所述的飞行器，其中，所述至少一个第一尾翼是模块化的，并且能够与至少一个替代尾翼互换。

15.根据权利要求14所述的飞行器，其中，所述至少一个替代尾翼被配置为在与所述至少一个第一尾翼相同的位置处固定到所述机身。

16.根据权利要求14所述的飞行器，其中，所述至少一个第一尾翼和所述至少一个替代尾翼具有不同的空气动力学配置。

17.根据权利要求1所述的飞行器，进一步包括第一货物集装箱，所述第一货物集装箱固定到所述机身的下侧。

18.根据权利要求17所述的飞行器，其中，所述第一货物集装箱是模块化的，并且能够与替代货物集装箱互换。

19.根据权利要求18所述的飞行器，其中，所述替代货物集装箱被配置为在与所述第一货物集装箱相同的位置处固定到所述机身。

20.根据权利要求18所述的飞行器，其中，所述第一货物集装箱和所述替代货物集装箱具有不同的设计。

21.根据权利要求1所述的飞行器，进一步包括机头螺旋桨。

22.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述飞行器是使用液体燃料和电的混合动力的。

23.一种能够竖直起飞和着陆的飞行器，包括：

机身；

至少一个处理器，所述处理器由所述机身承载；

符合空气动力学且产生升力的第一对机翼，所述第一对机翼从所述机身延伸；

多个矢量转子，所述矢量转子由所述机身能够旋转地承载，从而能够在相对于所述机身的基本竖直配置与相对于所述机身的基本水平配置之间旋转，并且所述矢量转子被配置为由所述至少一个处理器控制；

其中，所述矢量转子不由所述第一对机翼支撑；

其中每个所述矢量转子能够彼此独立地控制，以在低速操纵期间提供横向和偏航稳定性；

其中通过使用顺序矢量推力增强从竖直飞行到水平飞行的转变，其中所述矢量转子中的前向矢量转子以与所述矢量转子中的后向矢量转子不同的速度和角度矢量；

所述矢量转子中的前向矢量转子中的一个和所述矢量转子中的后向矢量转子中的一个提供比所述矢量转子中的其它前向矢量转子和所述矢量转子中的其它后向矢量转子更多的水平推力，直到所述飞行器达到所述第一对机翼失速速度以上的速度。

24.根据权利要求23所述的飞行器，其中：

所述矢量转子由转子轴承载，所述转子轴由所述机身承载；

所述矢量转子在竖直飞行期间处于第一位置，并且在水平飞行期间处于第二位置；并且其中，在接收到来自所述中央处理单元的飞行控制信号时，通过沿着旋转轴线旋转所述转子轴，所述矢量转子从所述第一位置转变到所述第二位置。

25.根据权利要求24所述的飞行器，其中，所述转子轴旋转90度使所述矢量转子在所述第一位置与所述第二位置之间转变。

26.根据权利要求24所述的飞行器，其中，所述转子轴旋转小于90度导致所述矢量转子处于所述第一位置与所述第二位置之间的中间位置。

27.根据权利要求24所述的飞行器，其中，所述转子轴成对布置。

28.根据权利要求23所述的飞行器，其中，所述多个矢量转子被配置为在所述飞行器的重心附近。

29.根据权利要求23所述的飞行器，其中，所述飞行器是无人驾驶飞行器。

30.根据权利要求23所述的飞行器，进一步包括机头螺旋桨。

31.根据权利要求23所述的飞行器，其中，所述第一对机翼是模块化的并且能够移除地连接到所述机身并且被配置为能够与替代对机翼互换。

32.根据权利要求31所述的飞行器，其中，所述第一对机翼和所述替代对机翼具有不同的空气动力学配置。

33.根据权利要求23所述的飞行器，进一步包括至少一个第一尾翼，所述第一尾翼固定到所述机身的后部。

34.根据权利要求33所述的飞行器，其中，所述至少一个第一尾翼是模块化的，并且能够与至少一个替代尾翼互换。

35.根据权利要求33所述的飞行器，其中，所述至少一个替代尾翼被配置为在与所述至少一个第一尾翼相同的位置处固定到所述机身。

36.根据权利要求33所述的飞行器，其中，所述至少一个第一尾翼和所述至少一个替代尾翼具有不同的空气动力学配置。

37.根据权利要求23所述的飞行器，进一步包括第一货物集装箱，所述第一货物集装箱固定到所述机身的下侧。

38.根据权利要求37所述的飞行器，其中，所述第一货物集装箱是模块化的，并且能够与替代货物集装箱互换。

39.根据权利要求38所述的飞行器，其中，所述替代货物集装箱被配置为在与所述第一货物集装箱相同的位置处固定到所述机身。

40.根据权利要求38所述的飞行器，其中，所述第一货物集装箱和所述替代货物集装箱具有不同的设计。