偶发使用命令速率替代感测空速来通知飞行控制决策的制作方法

偶发使用命令速率替代感测空速来通知飞行控制决策
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年10月9日提交的美国申请第16/597,338号的权益，其内容通过引用结合于此。
技术领域
3.本公开总体上涉及飞行器，并且特别地但非排他地涉及用于无人飞行器(unmanned aerial vehicles，uav)的控制系统。


背景技术：

4.无人载具，其也可以称为自主载具，是能够在没有物理上存在的人类操作员的情况下行进的载具。无人载具可以以远程控制模式、自主模式远程控制或部分自主模式操作。
5.当无人载具以远程控制模式操作时，处于远程位置的飞行员或驾驶员可以经由通过无线链路发送给无人载具的命令来控制无人载具。当无人载具以自主模式操作时，无人载具典型地基于预编程的导航航路点、动态自动化系统或这些的组合来移动。此外，一些无人载具可以以远程控制模式和自主模式两者操作，并且在某些实例中可以同时这样做。例如，远程飞行员或驾驶员可能希望将导航交托给自主系统，同时手动执行另一个任务(诸如操作作为示例的用于接载对象的机械系统)。
6.针对各种不同环境存在各种类型的无人载具。例如，存在无人载具以用于在空中、地上、水下和太空中操作。无人飞行器(uav)或无人机总体上变得更加流行。由于它们的设计被改善以及它们的能力扩展，预期它们的商用适用性扩展。改进uav的效率、稳定性、可靠性和/或耐久性的设计将扩展其任务能力。
附图说明
7.参考以下附图描述了本发明的非限制性和非穷尽性实施例，其中，除非另有说明，否则贯穿各个视图相同的附图标记指代相同的部分。并非元素的所有实例都必须被标记，以便在适当的地方不使附图混乱。附图未必是按照比例的，而是将重点放在说明所描述的原理上。
8.图1是根据本公开的实施例的无人飞行器(uav)的透视图图示。
9.图2示出了根据本公开的实施例的沿着飞行路径航行具有悬停和巡航段的无人机任务的uav。
10.图3是示出了根据本公开的实施例的用于uav的控制系统的功能框图。
11.图4a示出了根据本公开的实施例的具有与命令路径对准的前向轴的uav。
12.图4b示出了根据本公开的实施例的具有与命令路径未对准(misalign)的前向轴的uav。
13.图5是示出了根据本公开的实施例的用于选择性地以命令速率代替感测空速(airspeed)来通知uav的飞行控制决策的过程的流程图。
具体实施方式
14.本文描述了用于偶发使用命令速率替代感测空速来通知飞行控制决策的系统、装置和操作方法的实施例。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域技术人员将认识到可以在没有一个或多个具体细节或者使用其他方法、组件、材料等的情况下来实践本文描述的技术。在其他实例中，没有详细示出或描述已知的结构、材料或操作以避免模糊某些方面。
15.贯穿本说明书的对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的各个位置的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现未必全都指代相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。
16.对于诸如无人飞行器(uav)的飞行器，传统的是，使用从机载传感器(例如，皮托管)测量的空速来通知飞行控制决策。这些决策可能包括经由使用一个或多个推进单元施加推力来调度(schedule)增益或分配经由控制面(例如，方向舵、副翼等)施加的控制工作(control effort)。但是，在由于空速传感器不能够对空速做出适当测量而无法可靠地获得空速的情况下，基于其他信息执行飞行控制决策可能是有益的。
17.在例外情况下，不能够准确测量空速可能是由于空速传感器故障。然而，在更常见的情景下，这可能是由于飞行器的前向空气动力轴(本文也称为载具的x轴)与其飞行向量(相对于地球参考系的惯性运动的方向)之间的未对准。典型地，空速传感器以沿着飞行器的前向空气动力轴测量空速的朝向安装到飞行器。在正规飞行朝向期间，飞行器上的空气动力表面引起风向标效应，风向标效应将飞行器的前向空气动力轴与其飞行向量对准(参见图4a)，导致准确的空速测量。然而，飞行器可能进入飞行模式，在该飞行模式中飞行器的前向空气动力轴没有很好地与其飞行向量对准的(参见图4b)。对于处于在悬停模式和巡航模式之间转换时的垂直起降(vtol)载具尤其如此。在转换期间这种未对准通常是短时的。但是，在某些情景下，飞行器可能变得无法获得足够好的空速测量来促进从未对准状态退出，从而如果基于这些空速测量执行控制分配，则导致缺乏控制权限(authority)。因此，飞行器可能变得无法准确地调度增益和分配控制工作以退出该受困状态。因此，本文描述的实施例提供偶发使用“命令速率”代替“感测空速”来通知飞行控制决策。在一个实施例中，命令速率被用作参考点，使得施加的推力和转矩的量适合于飞行器被推荐行进的空速，而不是其测量或估计的速率。可以相对于飞行器正在飞行穿过的气团或相对于飞行器正在其上方飞行的地球指定命令速率。
18.图1是根据本公开的实施例的飞行器100的透视图图示。示出的飞行器100的实施例是vtol无人飞行器(uav)，其包括分别用于提供水平和垂直推进的分开的推进单元106和推进单元112。飞行器100是固定翼飞行器，顾名思义，其具有机翼装配件102，当由推进单元106水平推动时，该机翼装配件102可以基于机翼形状和载具的前向空速生成升力。
19.示出的飞行器100的实施例包括机体(airframe)，该机体包括机身(fuselage)104、机翼装配件102和悬臂装配件110。在一个实施例中，机身104是模块化的，并且包括电池模块、航空电子模块和任务有效载荷模块。这些模块能够彼此拆卸，并且能够机械地彼此固定，以连贯地(contiguously)形成机身或主体的至少一部分。
20.电池模块包括用于容纳一个或多个为飞行器100供电的电池的空腔。航空电子模
块容纳飞行器100的飞行控制电路，其可以包括处理器和存储器、通信电子设备和天线(例如，蜂窝收发器、wi-fi收发器等)、以及各种传感器(例如，全球定位传感器、惯性测量单元(imu)、磁罗盘等)。任务有效载荷模块容纳与飞行器100的任务相关联的装备。例如，任务有效载荷模块可以包括用于保持和释放外部附接有效载荷的有效载荷致动器。在另一个实施例中，任务有效载荷模块可以包括用于携载相机/传感器装备(例如，相机、镜头、雷达、lidar(光检测和测距)、污染监视传感器、天气监视传感器等)的相机/传感器装备支架(holder)。空速传感器(例如，皮托管)可以安装在机体上的各个位置以沿着机体的前向轴或x轴测量空速。
21.如图所示，飞行器100包括位于机翼装配件102上的水平推进单元106，其可以各自包括用于水平推动飞行器100的马达、具有轴的马达转子、以及螺旋桨叶片。示出的飞行器100的实施例还包括固定到机翼装配件102的两个悬臂装配件110。垂直推进单元112安装到悬臂装配件110。垂直推进单元112也可以各自包括用于提供垂直推进的马达、具有轴的马达转子、螺旋桨叶片。垂直推进单元112可以在飞行器100下降(例如，到递送位置)、上升(例如，在递送之后)或者维持恒定高度的悬停模式期间使用。飞行器100可以包括安定装置108(或尾部)，以在巡航期间控制俯仰和稳定飞行器的偏航(左转或右转)。在一些实施例中，在巡航期间垂直推进单元112被禁用，并且在悬停期间水平推进单元106被禁用。在其他实施例中，垂直推进单元112在巡航模式期间仅供有低动力和/或水平推进单元106在悬停模式期间仅供有低动力。
22.在飞行期间，飞行器100可以通过控制其俯仰、滚转、偏航和/或高度来控制其运动的方向和/或速率。来自水平推进单元106的推力被用于控制作为调度的增益的空速。安定装置108可以包括用于控制飞行器的偏航的一个或多个方向舵108a，并且机翼装配件102可以包括用于控制飞行器的俯仰的升降舵和/或用于控制飞行器的滚转的副翼102a。可以经由这些控制面分配控制工作。作为另一个示例，同时增加或减小所有螺旋桨叶片的速率可导致飞行器100分别增加或减小其高度。
23.所示的固定翼飞行器的多个变型是可能的。例如，具有更多机翼的飞行器(例如，具有四个机翼的“x翼”配置)也是可能的。尽管图1示出了一个机翼装配件102、两个悬臂装配件110、两个水平推进单元106和每个悬臂装配件110的四个垂直推进单元112，但是应当理解，飞行器100的其他变体可以用更多或更少的这些组件来实现。此外，本文描述的控制技术不限于仅与vtol或uav一起使用，而是这些控制技术也可以适用于其他类型的飞行器。
24.应当理解，这里提及的“无人”飞行器或uav同样可以应用于自主和半自主飞行器。在完全自主的实施方式中，飞行器的所有功能都是自动化的；例如，经由对来自各种传感器的输入和/或预定信息作出响应的实时计算机功能进行预编程或控制。在半自主的实施方式中，飞行器的一些功能可以由人类操作员控制，而其他功能是自主执行的。此外，在一些实施例中，uav可以被配置为允许远程操作员接管原本可以由uav自主控制的功能。更进一步地，给定类型的功能可以在一个抽象级别(level of abstraction)远程控制，并在另一个抽象级别自主执行。例如，远程操作员可以控制uav的高级航行决策，诸如指定uav应该从一个位置行进到另一个位置(例如，从郊区的仓库到附近城市的递送地址)，而uav的导航系统自主地控制更细粒度的航行决策，诸如在两个位置之间采取的特定路线、实现路线的特定飞行控制以及在航行路线时避开障碍物等。
25.图2示出了沿着包括悬停段210a和210c以及巡航段210b的飞行路径在街区(neighborhood)205上航行无人机任务的uav 200。在一个实施例中，uav 200可以由飞行器100实现。uav 200响应于由任务管理器生成的命令路径来穿越飞行路径。命令路径是控制系统命令uav 200遵循的路径，而飞行路径是执行的实际路径。在理想情形下，尽管实际上这些路径可能稍微偏离，但这两个路径是一致的，因为尽管有像风、湍流、空气动力阻力、雨等现实世界的影响，但uav 200的控制系统努力执行命令路径。无人机任务包括在悬停段210a期间的加速，在巡航段210b期间的恒定速度，以及在悬停段210c期间减速到目的地215。
26.uav 200以悬停模式从集结区域220开始其无人机任务以穿越悬停段210a。在悬停模式期间，uav 200在地面高度开始，上升到巡航高度，然后在完全转换到用于飞行路径的巡航段210b的巡航模式之前向巡航速率加速。在一些实施例中，巡航速率是固定值(例如，50mph)。可以基于uav 200的设计/类型、特定无人机任务的范围、有效载荷的重量/阻力、电池限制或其他因素和考虑来选择固定值。当固定值被用于空速追踪时，该固定值是预期飞行器行进的空速。固定值可以用于选择适合于这样的速率的增益和控制分配。
27.在典型情景下，当uav 200向巡航速率加速时，uav 200的空气动力表面上的风阻使uav 200的前向轴206朝向沿着命令路径(同样参见图4a)。然而，在某些环境情形下，uav 200最终可能与命令路径未对准(例如，参见图4b)，使得横向轴207朝着命令路径倾斜。在这种未对准朝向中，由于传感器与穿过气团行进的方向的未对准，机载空速传感器可能不准确地反映真实空速。因此，飞行控制系统可能无法从机载传感器接收到足够准确的反馈来重新获得控制权限，从而变得受困于这种未对准且低效的状态。
28.图3是示出了根据本公开的实施例的用于uav 200的控制系统300的功能框图。示出的控制系统的实施例包括向推进单元315和控制面320提供控制命令的任务管理器305和飞行控制系统310。推进单元315可以包括水平推进单元106和垂直推进单元112中的一个或两者。控制面320可以包括任何控制面，包括副翼102a和方向舵108a或其他致动控制面。
29.参照图3和图4b，任务管理器305生成命令惯性速度405，其指向沿着命令路径410(也由任务管理器305生成)。命令惯性速度405是向量的量(量值(magnitude)和方向)，并且应当被解释为相对于惯性参考系(例如，地球参考系)的命令速度。
30.飞行控制系统310将命令惯性速度405分解为两个分量：前向命令惯性速度(v_xci)和横向命令惯性速度(v_yci)。“x”和“y”对应于相对于飞行器的机架(body frame)的方向：x-前向轴206和y-横向轴207。“c”指的是这些量是命令而不是对当前状态的估计的事实。“i”指的是“惯性”。
31.定义了称为“前向命令速度”(v_xc)的占位符值。在悬停模式(包括加速和减速)中，v_xc被设置为等于前向命令惯性速度v_xci。然而，在巡航模式下，v_xc替代地被设置为与巡航模式相关联的固定值。该固定值可以被认为是用于巡航的命令空速(与具有方向信息的命令速度相反)。在一个实施例中，该固定值是飞行器的预设定义参数。从v_xc除去下标“i”以强调该区别。使用建立的上述值和术语，命令速率(cmd_speed)可以定义为：
[0032][0033]
使用以上取代，当uav的前向轴(x轴)与巡航模式中的命令路径410对准时(参见图4a)，uav基本上忽略命令惯性速度405并简单地追踪命令速率(例如，v_yci＝0；cmd_speed
＝v_xc＝作为命令速率的、在巡航模式中的当前固定值，而不是测量或感测的空速)。如果uav与行进的方向的对准不太好(参见图4b)，则前向命令速度v_xc保持恒定的固定值，但v_yci的量值将增大，因此值cmd_speed也将根据等式1增加。
[0034]
传统地，飞行控制系统参考感测的空速来调度增益和分配控制工作。然而，飞行控制系统310替代地偶发使用cmd_speed来调度增益和分配控制工作。在一个实施例中，飞行控制系统310偶发地参考cmd_speed代替感测空速来根据表达式2通知飞行控制决策：
[0035]
max(cmd_speed,sensed_airspeed)(表达式2)其中sensed_airspeed是由uav的机载传感器测量的空速。因此，在一个实施例中，飞行控制系统310使用在cmd_speed和sensed_airspeed之间选择的最大值，而不是仅使用测量的空速。
[0036]
在加速(例如，悬停模式)期间，当由于传感器与穿过气团行进的方向对准不佳而人为降低sensed_airspeed时，使用表达式2通知飞行控制决策增加了鲁棒性。替代地使用较大的cmd_speed的值，这在调度增益时提供了适当的值。在恒定速率巡航(例如，巡航模式)期间，当载具由于干扰而变得与其命令路径410不对准(参见图4b)时，使用表达式2来通知飞行控制决策增加了鲁棒性。在这种情景下，表达式2提供相对于人为抑制的sensed_airspeed更大的值。这个更大的值更适于巡航飞行。
[0037]
图5是示出根据本公开的实施例的用于选择性地以命令速率(cmd_speed)取代感测空速(sensed_airspeed)来通知uav200的飞行控制决策的过程500的流程图。一些或所有过程框出现在过程500中的顺序不应被认为是限制性的。反而，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，一些过程框可以以未示出的各种顺序执行，或者甚至并行执行。
[0038]
在过程框505中，飞行控制系统310监视从机载空速传感器感测的空速(sensed_airspeed)。在过程框510中，飞行控制系统310获得命令速率(cmd_speed)。在一个实施例中，基于表达式1计算命令速率。如果飞行控制系统310确定sensed_airspeed大于cmd_speed，那么过程500继续到过程框520，其中飞行控制系统310使用sensed_airspeed通知其飞行控制决策以保持uav100追踪命令路径410。
[0039]
然而，如果确定cmd_speed大于sensed_airspeed，那么过程500继续到过程框525并偶发地使用命令速率(参见等式1)代替sensed_airspeed来通知uav200的飞行控制决策。如果uav200正在以巡航模式操作(判定框530)，则前向命令速度(v_xc)被设置为与uav200的巡航相关联的预设固定值(过程框535)。然而，如果uav200正在以悬停模式操作(判定框530)，那么前向命令速度(v_xc)被设置为作为由任务管理器305提供的命令惯性速度405的前向分量的、由飞行控制系统310计算的前向命令惯性速度(v_xci)。前向分量是命令惯性速度405在命令路径410上的投影。
[0040]
上面解释的过程是在计算机软件和硬件的方面描述的。所描述的技术可以构成在有形或非暂时性机器(例如，计算机)可读存储介质内具体实现的机器可执行指令，当由机器执行时，其将使机器执行所描述的操作。此外，过程可以具体实现在硬件(诸如专用集成电路(“asic”)或其他硬件)中。
[0041]
一种有形机器可读存储介质包括以机器(例如，计算机、网络设备、个人数字助理、制造工具、具有一个或多个处理器的集合的任何设备等)可访问的非暂时形式提供(即存储)信息的任何机制。例如，一种机器可读存储介质包括可记录/不可记录介质(例如，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、闪存设备等)。
[0042]
包括摘要中描述的内容在内的所示出的本发明实施例的上述描述并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的确切形式。尽管本文出于说明的目的描述了本发明的具体实施例和示例，但是如本领域技术人员将认识到的，在本发明的范围内，各种修改都是可能的。
[0043]
根据以上详细描述，可以对本发明进行这些修改。在所附权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的特定实施例。反而，本发明的范围完全由所附权利要求确定，这些权利要求应根据权利要求解释的既定原则来解释。