CN103092210A - 用于调整相对导航系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明名称为“用于调整相对导航系统的方法”。一种相对导航系统，从网格生成器(10)投影网格(20、30)到空间中，并且如无人机(18)的目标可使用投影的网格(20、30)来辅助目标着陆。调整投影的网格的方法包括稳定投影的网格(20、30)和相对地面定向网格生成器(10)。

Description

用于调整相对导航系统的方法
背景技术
无人机(UAV)是指没有机载驾驶员而进行飞行的飞行器。它们在其起飞、飞行和着陆期间依靠完全或部分自动化的控制。UAV的应用日益增长，但UAV控制的逻辑复杂度使其使用十分烦累。UAV着陆通常在具有传统着陆辅助的位点(location)完成，传统着陆辅助例如仪表着陆系统(ILS)、甚高频全方位接收器(VOR)、距离测量设备(DME)、微波着陆系统(MLS)、RADAR等，它们协助远程驾驶员让飞行器着陆和/或提供自动化着陆。然而，经常需要在用于传统着陆辅助的基础设施不可用的位点让UAV起飞和着陆，这限制了UAV的灵活性。另外，会发射射频能量的着陆辅助还具有容易成为目标的缺点。当UAV在移动结构(例如船只、运载工具(vehicle)或飞行器)上着陆时，着陆问题恶化，因为现有着陆辅助意在用于固定结构上并且不会对UAV着陆在其上的运载工具或结构的移动进行补偿。
发明内容
在一个实施例中，一种稳定从网格生成器投影的网格的方法，包括从网格生成器反复投影定义网格的多条线到空间中，这些线使用配置成识别网格上的预定点的网格数据编码，确定网格生成器的参考系相对先前网格投影的变化，以及更改后续网格投影的网格数据以使得后续网格投影相对先前网格投影显现得稳定。
在另一个实施例中，一种用于相对导航系统的、相对地面定向网格生成器的方法，包括调平网格生成器，相对参考方向确定网格生成器的示向(heading)，以及沿预定示向从网格生成器投影定义网格的多条线。
附图说明
在附图中：
图1是按照本发明实施例的UAV和网格生成器的透视图。
图2是安装在颠簸的船和图1的UAV上的图1的网格生成器的示意图。
图3是可由图2的网格生成器形成的两个网格投影的示意图。
图4是图3的两个网格投影的示意图。
图5是安装图1的网格投影仪在其上的运载工具的重心以及图1的UAV和投影到空间的网格的示意图。
图6是用于稳定投影的网格的方法的实施例的流程图。
图7是可根据本发明的又一个实施例定向的网格生成器的侧视图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及用于调整来自相对导航系统的网格生成器的投影的网格的方法和设备，其可用于让任何类型的飞行器着陆并且特别适合让UAV着陆。图1示出网格生成器10的实施例，它可将网格12(例如多条交线)投影到的传输场14内的空间。如何投影网格12的一般细节是本领域已知的，本领域包括2010年3月23日授权的名为“用于再加燃料的光学追踪系统(Optical Tracking System For Refueling)”的US 7,681,839以及2011年6月23日发布的名为“相对导航系统(Relative Navigation System)”的US 2011/0153205中的公开，这两个申请通过引用结合到本文中。因此，本申请中将不会完整说明网格生成的一般细节。
如图所示，投影的网格包括交线。在离网格生成器10一定距离的位置，这些交线被视作空间中的网格，网格大小随着远离网格生成器10而增大。由网格生成器10在空间生成的网格可由可移动目标的检测器模块16检测，然后移动目标可根据检测的网格操纵自身。为了便于本讨论，可移动目标将描述为具有检测器模块16的UAV 18。对于网格生成器10与UAV 18之间的相对导航，假设UAV 18的检测器模块16位于网格生成器10的传输场内，使检测器模块16能“看到”网格。
为了说明的目的，网格生成器10可视作基本在坐标系的y方向中投影交线。如果要在距网格生成器10一定距离R2处观察x-z平面中的交线投影，则将观察到第一网格20。如果要在大于第一距离R2的距离R3处观察x-z平面中的相同交线投影，则将显现比第一网格20相对更大的第二网格30。
距网格生成器10距离R2处的第一网格20在水平方向以第一垂直线22和第二垂直线24为空间界限。在第一垂直线22和第二垂直线24之间存在多条空间地和时间地生成的垂直线。距网格生成器10距离R2处的第一网格20在垂直方向以第一水平线26和第二水平线28为空间界限。在第一水平线26和第二水平线28之间存在多条空间地和时间地生成的水平线。距离R2可以是网格20与网格生成器10之间的任何距离。
距网格生成器10距离R3处的第二网格30出于所有实践目的与第一网格20相同，但距离网格生成器10比第一网格20更远。网格30在水平方向以第二网格30的第一垂直线32和第二网格30的第二垂直线34为空间界限。在第二网格的第一垂直线32和第二网格的第二垂直线34之间存在多条空间地和时间地生成的垂直线。距网格生成器10距离R3处的第二网格30在垂直方向以第二网格30的第一水平线36和第二网格30的第二水平线38为空间界限。在第二网格的第一水平线36和第二网格的第二水平线38之间存在多条空间地和时间地生成的水平线。
网格20和30的相似性在投影的网格线的情况下变得明显，其中网格30由形成网格20的相同线形成，只是网格30在距网格生成器10更远的距离观察，使得网格30显现得比网格20更大。在这个意义上，网格30是由网格生成器在距离R3处生成的网格线的外观，而网格20是在距离R2处的网格线的外观。
网格20和30可以是任何数量的线。如图所示，它们由十条垂直线乘十条水平线组成。与由更少数量交线组成的网格相比，由更多数量交线组成的网格可导致对固定传输场14和距检测器模块16的距离的改进的检测。网格20和30描绘为方形，但这不是要求。网格可以是任何形状，包括矩形、椭圆形或圆形。此外，网格20和30的交线描绘为正交，但这不是要求。在网格的不同部分，交线之间的角度可以是直角、锐角或钝角。
垂直线和水平线可由网格生成器10以任何适当方式形成。例如，所有线可连续形成或全部一次性形成。垂直线或水平线中的任一条可在另一条之前形成。网格生成器可在垂直线与水平线之间交替。在网格生成器10使用扫描激光形成网格时，激光将连续形成所有垂直线和水平线之一，然后连续形成垂直线和水平线中的另一个。为了实践目的，连续形成线的速度可以快到好像所有网格线同时形成。多条投影线的辐射源可以是相干或不相干辐射源。例如，在辐射源为相干源时，它可以是以近紫外线范围的波长发射辐射的固态激光。另外，辐射频率和/或强度可以选择，或通过使用滤光器衰减以减少损伤眼睛的风险。相交投影线的网格可通过光栅扫描每条线或通过投影和扫描延长的辐射束来生成。用于生成交线的任何适当方法和设备均可使用。
虽然所示示例使用笛卡尔坐标，但对网格生成和网格检测两者可使用任何适当的坐标系，包括极坐标系、圆柱坐标系或球面坐标系。例如，为了形成顺从极坐标表示的网格，可通过网格生成器将一系列同心圆以及从这些圆中心向外辐射的线投影到空间中。
网格数据可在网格的一个或多个位点编码。网格数据是指提供可由检测器模块16读取或检测的数据或信息的网格结构或特性。在一个实施例中，包含系列投影交线的投影线进一步使用不同网格区域中的不同网格数据编码以指示交线网格内的区域。在使用激光形成网格的情况下，编码网格数据的一种方式是调制射束。调制通过变更射束的强度和/或按照某种周期阻挡射束来实现。这种网格数据可包括数字并且预期每条网格线可包括数字，它向UAV 18的检测器模块16识别网格线。
预期上述网格生成器10可位于移动运载工具40上，如图2所示。预期网格生成器10可包括多个惯性传感器，作为非限制性的示例，它可包括陀螺仪和加速计(未示出)以测量角度和线性运动。网格生成器10可位于任何适合移动运载工具40(包括卡车、艇、船或飞行器)之上或之内。仅为示范目的，网格生成器10显示为位于船形移动运载工具40上。网格生成器10可视作定义参考系41，并且网格生成器10可反复将定义网格(未示出)的多条线(未示出)投影到传输场14内的空间。这样，网格投影仪可形成重复的网格投影。在运载工具40移动时，网格生成器10会移动，由网格生成器10定义的参考系41会移动，并且由网格生成器10产生的重复网格投影也会移动。
作为非限制性示例，运载工具40显示其俯仰运动，这导致先前网格投影与后续网格投影之间的俯仰变化。检测器模块16可看到网格移动并且UAV 18可根据网格移动调整其移动。这样，使UAV 18着陆可能有问题，因为在运载工具40和网格生成器10移动时，UAV 18可能尝试不断将其自身与移动的网格投影对准。
作为非限制性示例，图3示出先前网格投影42以及由网格生成器10在形成重复的网格投影时的移动导致的后续网格投影44。与先前网格投影42相比，后续网格投影44在俯仰和偏航方面均有变化。虽然未示出，预期运载工具40可在任意给定方向移动，包括经由俯仰、偏航和翻滚而旋转。例如，运载工具40可翻滚，导致后续网格投影的水平线和垂直线移位。或者，运载工具40可仅在单个方向移动。
由于一秒钟可多次投影完整的网格，由检测器模块16检测并且由远程驾驶员观察的网格可显现为到处跳跃或抖动，使UAV 18难以跟随网格。实际上，虽然网格显现为跳动，通常它不会大幅移动。因此，需要稳定网格以考虑网格生成器10的移动并提供显现为相对稳定的网格。
本发明的实施例包括一种稳定从此类网格生成器10投影的网格以使UAV 18能在移动运载工具40之上或之中着陆的方法。该方法一般包括网格生成器10，其将定义网格的多条线反复投影到空间中，这些线使用配置成识别网格上的预定点的网格数据进行编码。例如，在图3中，这些线可使用标记每条垂直线与水平线和/或标记网格上的一个或多个点的数据进行编码。可以理解，投影的所有线不需要使用数据编码。为了说明目的，可以理解，先前网格投影42和后续网格投影44上的预定点可编码。因此可识别此类预定点。此类预定点可视作参考点，围绕这些点可稳定网格投影。作为非限制性示例，先前网格投影42的中心46和后续网格投影44的中心48显示为预定参考点。
在先前网格投影42与后续网格投影44之间，稳定方法的实施列包括确定网格生成器10的参考系41相对先前网格投影42的变化。该方法意在于空间上而不是相对于网格生成器稳定网格。通过更改后续网格投影中的网格数据以使得网格数据在空间上相对固定(即使网格可能在抖动)，可实现这一点。换言之，网格数据是在空间上参考的而不是参考网格的。检测器模块16将使用网格数据向远程驾驶员提供可视表示。因此，虽然网格可能在抖动，但对驾驶员来说，网格显现得相对稳定。
从图3的简单二维方法来看该方法，确定由网格生成器10定义的参考系41的位点的空间变化。这种空间变化在投影先前网格投影42时的参考系41与投影后续网格投影44时的参考系41之间确定。基于确定的空间变化，更改后续网格投影44的网格数据以使得后续网格投影44相对先前网格投影42显现空间上的稳定。也就是说，修改后续网格投影44的网格数据以使得该网格对于UAV 18的检测器模块16显现空间上的稳定。
为了在图3的二维示例中实现稳定化，可更改后续网格投影44的网格数据以使得编码的数据指示该数据与先前网格投影42的空间上最接近的网格点相同。在所示示例中，可更改后续网格投影44的网格数据以指示网格的中心48实际上在空间上位于中心46处或尽可能接近它。例如，图4示出后续网格投影44的中心可编码于48'而不是点48，因为48'是后续网格投影44上最接近先前网格投影42的中心46的点。应当注意，后续网格投影44的中心可编码于任何备选点49，因为点49全部和48'与先前网格投影42的中心46等距。还预期可更改在后续网格投影44上编码的任何其它网格数据以对应这样的变化。还预期只对后续网格投影44在先前网格投影42之内的以交叉影线表示的部分进行编码。因为网格数据已更改，以可视形式向UAV远程驾驶员提供的网格将显现为移动量较网格实际移动少。
预期稳定网格投影的方法可包括网格生成器的三维移动，作为非限制性的示例，它可表示为，确定参考系41在翻滚、俯仰和偏航中的角度变化。在这种情况下，更改网格数据可包括将翻滚、俯仰和偏航中的角度变化转换成后续网格投影的网格数据的网格线调整。或者，在网格包括上述参考点的情况下，确定网格生成器10的参考系41相对先前网格投影的变化可包括确定相对参考点的参考系41的变化。
可使用基于矢量的确定来确定网格生成器10的参考系41相对先前网格投影的变化。图5示出具有参考点52的网格50以及安装网格生成器10在其上的运载工具(未示出)的重心54。网格生成器10显示为偏离运载工具的重心54。网格生成器10显示为包括惯性测量单元(IMU) 56，它可包括多个惯性传感器，多个惯性传感器包括用于测量角度和线性运动的陀螺仪和加速计。示出从重心54到网格生成器10的相对参考系41的矢量58以及从网格生成器10的参考系41到参考点52的矢量60。
图6示出根据本发明的一个实施例使用基于矢量的确定来稳定投影的网格的方法100。基于矢量的确定假设知道网格生成器10的定向和网格生成器10相对运载网格生成器10的运载工具的重心54的位点。方法100通过在102计算从运载工具重心54到由网格生成器10定义的参考系41的矢量开始。在104，计算从由网格生成器10定义的参考系41到网格参考点52的矢量。在106，考虑可由IMU提供的有关运载工具的翻滚、俯仰及偏航的测量更新，并可确定参考系41在翻滚、俯仰及偏航中的角度变化。
在108，可经由翻滚、俯仰及偏航旋转从运载工具重心54到由网格生成器10定义的参考系41的矢量。在110，可经由翻滚、俯仰及偏航旋转从由网格生成器10定义的参考系41到网格参考点52的矢量。在112，可从矢量的旋转确定网格生成器10的参考系41的新位置。在114，可从网格生成器10的参考系41的新位置到网格参考点52计算矢量。在116，翻滚、俯仰和偏航中的角度变化可转换成网格线调整并且可适当地更改后续网格投影的网格数据。作为非限制性示例，后续网格投影的网格线可重新编号，或后续网格投影上的预定点可根据测量的变化重新定位。方法100导致数据在后续网格投影上编码，使得对UAV 18的检测器模块16来说，网格物理上未移动而不管网格生成器10的移动。
应该注意，所示顺序仅为了说明目的，而不应当理解为以任何方式限制方法100。应当理解，方法的各个部分可按照不同的逻辑顺序进行，可包括额外或中间部分，或方法的所述部分可分为多个部分，或方法的所述部分可省略而不会减损所述方法。作为非限制性示例，还预期可确定参考系41的变化频率并且在变化频率高于驾驶员、自动驾驶仪或运载工具可响应或低于驾驶员、自动驾驶仪或运载工具可正常和可控地响应时不可更改网格数据。举例来说，对于许多飞行器类别，这个范围可能是1Hz与5Hz之间，因为这些频率会创建远程驾驶员或自动驾驶仪在尝试使用网格进行着陆时无法充分响应的抖动率。更高或更低的频率或者难以引起远程驾驶员注意，或者远程驾驶员或自动驾驶仪无法做出响应。
让UAV在未经改良的地点着陆可能特别困难，因为缺少仪器着陆辅助、滑行和停放控制器以及起飞指引辅助和控制。预期适当的网格生成器可部署，甚至空投到这样的预期着陆地点。取决于网格生成器在其着陆时的定向，从网格生成器投影的网格可能不正确对准。例如，它可投影到错误的定向或错误的方向中。这可能导致UAV着陆有问题。本发明的实施例包括相对地面定向网格生成器的方法。
图7示出根据本发明的第二实施例能够相对地面定向自身的网格生成器200。网格生成器200与网格生成器10相似；因此，相似部分将采用增加200的相似数字来标识，要理解，网格生成器10的相似部分的描述适用于网格生成器200，除非另加说明。两者之间的一个差异是网格生成器200显示为包括调平臂或杠杆臂(lever arm)270。网格生成器200上可包括任意数量的杠杆臂270以协助调平网格生成器200。虽然已示出和描述杠杆臂270，但是预期可包括备选机制以相对地面调平网格生成器200。
此外，网格生成器200中还可包括万向节或转盘(未示出)，以使得可旋转网格生成器200并且可变更网格生成器200的示向或对准。还可包括IMU 256，其中可包含多个惯性传感器(包括陀螺仪和加速计)。如上文针对之前实施例所述，IMU 256可通过一种称为陀螺平台指北(gyrocompassing)的过程测量网格生成器200的角度和线性运动及其相对地面的定向。在网格生成器200以已知速度移动的情况下，这种陀螺平台指北过程被称为行进间对准。
一种相对地面定向网格生成器200的方法，包括调平网格生成器200。此类调平可包括粗调平过程和/或细调平过程。调平可包括近似调平，它至少可包括相对地面水平调平网格生成器200。作为非限制性示例，可通过从IMU 256获取测量值并经由杠杆臂270的移动调整网格生成器200相对地面的位置完成调平，或通过IMU测量处理分析地完成调平。预期网格生成器200的此类调平可以任何适当方式完成并且此类调平的机制与本发明没有密切关联。
定向网格生成器200的方法可包括确定网格生成器200相对参考方向的示向或方位。例如，确定网格生成器200相对参考方向的示向可包括确定真北为参考方向。作为额外非限制性示例，确定网格生成器200相对参考方向的示向可包括确定网格生成器200的方位。在一些实现中，旋转投影的网格以对准预定示向或预定或最佳方位是有利的。可使用万向节或转盘旋转网格生成器200和变更网格生成器200的示向或对准。这样，当沿预定示向定义网格的多条线由网格生成器200投影时，可避开障碍，或可顺应有利风向。利用以这种方式定向的示向对准且局部水平的网格生成器可从网格生成器投影正确对准的网格。
上述方法仅用于示范目的而非以任何方式限制本发明实施例，应当理解，方法的各个部分可按照不同的逻辑顺序进行，可包括额外或中间部分，或方法的所述部分可分为多个部分，或方法的所述部分可省略而不会减损所述方法。例如，预期针对稳定投影的网格或定向网格生成器，可包括初始自检以通过比较测量的系统输出与预期输出(范围限制测试、速度限制测试等)确定设备的整体健康。还预期移动运载工具上的网格生成器可受益于网格生成器的定向，以使投影的网格排除振荡振动的影响。因此，在稳定从网格生成器投影的网格之前，可如上所述通过杠杆臂校正和运动补偿来定向网格生成器。
上述实施例提供多个优点。例如，上述网格生成器可在固定或非固定的着陆地点使用。此外，稳定投影的网格去除了将使UAV难以追踪投影的网格的、不期望的网格运动。定向网格生成器可让UAV在其它情况下可能无法使用的未标记跑道和着陆区域着陆。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求定义，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。
配件表
10 网格生成器
12 网格
14 传输场
16 检测器模块
18 UAV
20 第一网格
22 第一垂直线
24 第二垂直线
26 第一水平线
28 第二水平线
30 第二网格
32 第一垂直线
34 第二垂直线
36 第一水平线
38 第二水平线
40 移动运载工具
41 参考系
42 先前网格投影
44 后续网格投影
46 中心
48 网格
49 备选点
50 网格
52 参考点
54 重心
56 惯性测量单元(IMU)
58 矢量
60 矢量
100 方法
102 计算
104 计算
106 确定
108 矢量旋转
110 矢量旋转
112 计算
114 计算
116 转换
200 网格生成器
270 杠杆臂
256 IMU。

Claims (15)

1. 一种稳定从相对导航系统的网格生成器投影的网格的方法，其中所述网格生成器定义参考系，所述方法包括：
从所述网格生成器将定义网格的多条线反复投影到空间中，其中所述线使用配置成识别所述网格上的预定点的网格数据进行编码；
在所述反复网格投影的先前网格投影与后续网格投影之间，确定所述网格生成器的参考系相对所述先前网格投影的变化；以及
基于所确定的变化更改所述后续网格投影的网格数据，以使得所述后续网格投影相对所述先前网格投影呈现稳定。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述更改的所述网格数据包括所述后续网格投影的网格数据，其指示所述数据与同所述先前网格投影的空间上最接近的网格点相同。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，所述确定所述变化包括确定所述参考系在翻滚、俯仰和偏航中的角度变化，并且所述更改所述网格数据包括将翻滚、俯仰和偏航中的所述角度变化转换成网格线调整。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，所述点中的一个是参考点，围绕它稳定所述网格。
5. 如权利要求4所述的方法，其中，所述参考点是所述网格的中心。
6. 如权利要求4所述的方法，其中，所述确定变化包括确定相对所述参考点的所述参考系的变化。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，所述确定所述变化包括确定从所述参考系到用于所述先前网格投影的参考点的矢量；确定所述参考系在翻滚、俯仰和偏航中的角度变化；经由所述翻滚、俯仰和偏航旋转所述矢量；从所述矢量的所述旋转确定所述参考系的新位置；确定从所述参考系的所述新位置到用于所述先前网格投影的所述参考点的第二矢量；以及将翻滚、俯仰和偏航中的所述角度变化转换成网格线调整。
8. 如权利要求7所述的方法，其中，所述确定所述变化还包括确定所述参考系与安装所述网格生成器在其上的目标的重心之间的变化。
9. 如权利要求8所述的方法，其中，所述确定所述参考系与所述重心之间的所述变化包括：确定从所述重心到用于所述先前投影的所述参考系的矢量；确定所述参考系在翻滚、俯仰和偏航中的角度变化；经由所述翻滚、俯仰和偏航旋转所述矢量；从所述矢量的所述旋转确定所述参考系的新位置；确定从所述参考系的所述新位置到所述先前投影的所述重心的第二矢量；以及将翻滚、俯仰和偏航中的所述角度变化转换成网格线调整。
10. 如权利要求1所述的方法，还包括确定所述参考系中的所述变化的频率，并在所述变化的所述频率介于1Hz与5Hz之间时更改所述网格数据。
11. 一种相对地面定向用于相对导航系统的网格生成器的方法，所述方法包括：
调平所述网格生成器；
确定所述网格生成器相对参考方向的示向；以及
从所述网格生成器沿预定示向投影定义网格的多条线。
12. 如权利要求11所述的方法，其中，所述调平包括进行近似调平。
13. 如权利要求12所述的方法，其中，所述调平至少是水平调平。
14. 如权利要求11所述的方法，其中，所述确定所述网格生成器相对所述参考方向的所述示向包括确定真北。
15. 如权利要求11所述的方法，其中，所述确定所述网格生成器相对所述参考方向的所述示向包括确定所述网格生成器的方位。
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