CN107108022A - 用于控制和限制无人机系统(uas)操作的监管安全系统 - Google Patents

用于控制和限制无人机系统(uas)操作的监管安全系统 Download PDF

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Abstract

系统、设备和方法，用于由处理器(304)确定无人机系统(UAS)(200)相对于至少一个飞行边界(206、208、210)的位置；以及如果所确定的UAS位置跨过该至少一个飞行边界，则由处理器实施UAS的至少一个飞行限制。

Description

用于控制和限制无人机系统(UAS)操作的监管安全系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年12月19日提交的美国临时专利申请号为62/094,798的优先权和利益，该临时专利申请的内容由此出于所有目的通过引用并入本文。
技术领域
实施例总体上涉及用于无人机系统(UAS)的系统、方法和设备，更具体地涉及限制对UAS的访问。
背景
为了在国家空域中允许对无人机系统(UAS)的操作，需要高度可靠的装置和方法，以确保UAS不会进入其受限制/禁止的空域，不会与有人驾驶飞机相撞和/或以其他方式干扰其操作。然而，为了满足这一需要，UAS的成本和复杂性必须保持合理，以促进其商业可行性。
豁免或授权证书(COA)中给出的共同限制要求UAS明确地以至少五海里的距离避开机场。机场周围的这个区域旨在用作缓冲区，以使UAS远离可能以机场起落航线(trafficpattern)飞行的任何有人驾驶飞机。由于没有实际的物理障碍，因此无论是意外的还是有意的，不定的UAS仍然可以跨过这个缓冲区，并且相对快速地紧密接近有人驾驶飞机。因此，这样的缓冲区可以减轻空中碰撞的可能性，但是最终不能起到防止它的作用。更具体地说，没有什么在物理上防止UAS被卷入与处于机场起落航线的有人驾驶飞机的潜在致命的空中碰撞。由于空中碰撞危害的最糟的可信结果是致命性，所以这种危险会被指定为“灾难性”临界(criticality)。
概述
示例性方法实施例可以包括：由处理器确定无人机系统(UAS)相对于至少一个飞行边界的位置；以及如果所确定的UAS位置跨过该至少一个飞行边界，则由处理器实施UAS的至少一个飞行限制。在另外的示例性方法实施例中，至少一个飞行边界可以包括禁止的飞行区域。在附加的示例性方法实施例中，至少一个飞行限制可以具有防止UAS跨过禁止的飞行区域的足够高的系统完整性，例如至少1*10-7。在另外的示例性方法实施例中，所接收的至少一个飞行边界还可以包括用户定义的飞行边界，其中，用户定义的飞行边界小于禁止的飞行区域。在另外的示例性方法实施例中，至少一个飞行边界还可以包括基于来自UAS的感测与规避系统的输入的至少一个边界。在另外的示例性方法实施例中，感测与规避系统可以包括雷达、声纳、光学传感器和LIDAR中的至少一个。
在另外的示例性方法实施例中，至少一个飞行边界在飞行之前由用户从第三方数据库更新。在另外的示例性方法实施例中，至少一个飞行边界可在飞行期间由以下项中的至少一个来更新：感测与规避系统和第三方数据库。在另外的示例性方法实施例中，UAS位置可以经由全球定位系统(GPS)、惯性测量单元(IMU)和高度计来确定。另外的示例性方法实施例可以包括如果UAS遇到错误且确定的UAS位置处于将在设定时间内跨过至少一个飞行边界的轨迹中，则由处理器实施UAS的至少一个飞行限制。在另外的示例性方法实施例中，错误可以是以下项中的至少一个：电池故障、推进设备故障、感测与规避系统故障以及全球定位系统(GPS)故障。
在另外的示例性方法实施例中，至少一个飞行限制的第一飞行限制可以包括：当至少一个飞行边界的第一边界被UAS跨过时，由处理器向用户发送警告。在另外的示例性方法实施例中，至少一个飞行限制的第二飞行限制可包括使得UAS着陆。在另外的示例性方法实施例中，UAS的至少一个飞行限制可以包括以下中的至少一个：激活降落伞；切断UAS的一个或更多个推进设备的电源；使UAS的一个或更多个组件分离；爆炸装药；以及使到UAS的一个或更多个推进设备的电力反向。在另外的示例性方法实施例中，UAS的至少一个飞行限制可以包括以下中的至少一个：将致动器致动到最大偏转；以及，将致动器致动以实施UAS的远离所接收的一个或更多个飞行边界的转弯。
示例性系统实施例可以包括飞行限制控制器(FLC)，其包括：具有可寻址存储器的处理器，所述处理器被配置为：确定无人机系统(UAS)相对于至少一个飞行边界的位置；并且如果确定的UAS位置跨过至少一个飞行边界，则实施UAS的至少一个飞行限制。在另外的示例性系统实施例中，系统还可以包括UAS，UAS包括：UAS电源；UAS控制器；UAS导航设备；UAS无线电装置；以及至少一个推进设备。在另外的示例性系统实施例中，UAS导航设备还可以包括全球定位系统(GPS)、惯性测量单元(IMU)和高度计。在另外的示例性系统实施例中，UAS无线电装置还可以包括收发器。
在另外的示例性系统实施例中，UAS还可以包括：至少一个控制表面；以及附接到至少一个控制表面的至少一个致动器。在另外的示例性系统实施例中，UAS的至少一个飞行限制可以是使至少一个致动器到最大偏转的致动。在另外的示例性系统实施例中，飞行限制控制器的处理器可被配置为从以下项中的至少一个接收输入：UAS电源、UAS控制器、UAS导航设备、UAS无线电装置以及至少一个推进设备。在另外的示例性系统实施例中，系统还可以包括UAS操作员控制器，其包括：具有可寻址存储器的UAS操作员控制器处理器，UAS控制器处理器被配置为：接收UAS的状态，其中，状态包括关于以下项中的至少一个的数据：UAS电源、UAS控制器、UAS导航设备、UAS无线电装置以及至少一个推进设备；并且如果确定的UAS位置跨越至少一个飞行边界，则接收警告。
在另外的示例性系统实施例中，FLC还可以包括：FLC电源；FLC控制器；FLC导航设备；以及FLC无线电装置。在另外的示例性系统实施例中，FLC还可以包括FLC存储器储存器，其中，FLC存储器储存器可以记录UAS的飞行数据，其中，飞行数据可以包括来自以下项中的至少一个的输入：FLC电源；FLC控制器；FLC导航设备；以及FLC无线电装置。在另外的示例性系统实施例中，UAS的至少一个飞行限制可以包括以下中的至少一个：激活降落伞；切断UAS的一个或更多个推进设备的电源；使UAS的一个或更多个组件分离；爆炸装药；以及使到UAS的一个或更多个推进设备的电力反向。在另外的示例性系统实施例中，UAS的至少一个飞行限制可以包括以下项中的至少一个：将致动器致动到最大偏转；以及，将致动器致动以实施UAS的远离接收的一个或更多个飞行边界的转弯。
附图简述
图中的组件不一定按比例绘制，反而将强调放在说明本发明的原理上。贯穿不同的图，类似的参考数字指示相应的部件。在附图中的图中以示例的方式而非限制的方式来说明实施例，在附图中：
图1描绘了在飞行路径中通过航路点行进到操作区域的无人机系统(UAS)的示例性实施例，其中，UAS保持在机场和塔台的飞行边界和缓冲区之外；
图2A描绘了在朝向其被禁止的由三个飞行边界围绕的空域的轨迹中的示例性UAS；
图2B描绘了跨过包围其被禁止的空域的三个飞行边界中的第一飞行边界的图2A的示例性UAS；
图2C描绘了已经飞过第一飞行边界并跨过第二飞行边界的图2A的示例性UAS；
图2D描绘了以180度的转弯将其飞行路径调整为远离其被禁止的空域和第二飞行边界的图2A的示例性UAS；
图2E描绘了已经飞过第一飞行边界和第二飞行边界并跨过第三飞行边界的图2A的示例性UAS；
图2F描绘了图2A的示例性UAS，其已经将连接到UAS的方向舵的致动器致动到最大偏转，以便将UAS保持在圆周飞行模式中，其阻止进一步向前移动，并防止UAS进入其被禁止的空域；
图2G描绘了图2A的示例性UAS，其在跨越第三飞行边界时，使降落伞展开作为飞行限制，以便在进入其被禁止的空域之前使UAS下落；
图2H描绘了图2A的示例性UAS，其响应于降落伞的展开和/或其他飞行限制而在进入其被禁止的空域之前降落在地面上；
图3描绘了具有带有可寻址存储器的处理器的示例性飞行限制控制器(FLC)，其接收输入，发送状态或警告信号，并且实施一个或更多个飞行限制；
图4描绘了具有结合到UAS控制器中以用于实施UAS的飞行限制的飞行限制方面的UAS的系统架构；
图5描绘了具有添加到UAS并与UAS控制器通信以便实施飞行限制的FLC的UAS的系统架构；
图6描绘了具有添加的含存储器并与UAS控制器、UAS收发器和UAS GPS通信以实施飞行限制的FLC的UAS的系统架构；
图7描绘了具有添加的含存储器和GPS并与致动器通信以实施飞行限制的FLC的UAS的系统架构；
图8描绘了具有添加的含存储器和GPS并与致动器通信以便实施飞行限制并且与UAS控制器进行单向通信以将数据从FLC传递到UAS控制器的FLC的UAS的系统架构；
图9描绘了四旋机翼(quadcopter)式UAS的系统架构，该UAS具有连接在UAS控制器和每个电子速度控制器之间的作为线束的FLC以便实施飞行限制；
图10描绘了四旋机翼式UAS的系统架构，该UAS具有连接到在电子速度控制器的其中一个和UAS控制器之间的开关以将切断到UAS推进设备的其中一个的电力作为飞行限制的FLC；
图11描绘了独立的飞行限制设备(FLD)，其可以可拆卸地附接到一个或更多个UAS系统以实施飞行限制，并包括单独的推力发生器和/或降落伞；以及
图12描绘了用于在UAS已经跨过飞行边界时实施飞行限制的实施例的示例性功能框图。
详细描述
本系统允许用于无人机系统(UAS)的高度可靠的监管设备。系统监控和评估三维空间中的UAS位置，并将该位置与一个或更多个飞行边界进行比较。如果和当UAS跨越这样的飞行边界的边缘，那么系统将自动激活至少一个飞行限制。飞行限制可包括：对UAS操作员的警告信号；离开飞行边界的自动驾驶仪命令；用于将UAS维持在圆周飞行模式中的致动器命令，其防止UAS进入飞行边界；降落伞或其他紧急救援设备的展开；组件分离，诸如UAS的机翼；推进设备的节流阀(throttle)调节；对UAS的一个或更多个推进设备的电力切断；以及单独的推力发生器。该系统可被实施为完全集成到现有UAS组件(例如，UAS控制器、全球定位系统(GPS)、惯性测量单元(IMU)、高度计、电池、存储器等)中的设备；完全分离的设备，其可被可拆卸地附接到各种UAS；或单独和现有组件的某种组合。该系统允许具有相对较低的操作可靠性的现成的UAS(例如，廉价的UAS)与单独的高度可靠的飞行终止设备配对，使得组合地实现将防止UAS进入其被禁止的空域和/或在地面上危险的、禁止的和/或以其他方式严禁UAS飞越上空的区域上飞过。
图1描绘了在受控空域的区域附近的飞行路径中的无人机系统(UAS)的示例性实施例100，其保持在机场和塔台的飞行边界之外。从基础位置104发射UAS 102。UAS 102在航路点(106、108、110)之间行进以到达操作区域112。UAS 102徘徊在操作区域112周围，收集数据和/或执行任务功能。UAS 102经由航路点(114、116、118)返回到基础位置104。可以由UAS操作员定义航路点(106、108、110、114、116、118)和/或操作区域112，以避免进入飞行边界，例如，包括受控空域的地理围栏和/或其它障碍。飞行边界可以是由水平尺寸和相对于地面的垂直高度限定的虚拟表面。飞行边界可以是简单的几何形状，例如，圆柱体或圆顶或复杂的多点表面。在一些实施例中，可以由UAS的处理器基于操作区域112的位置、任何飞行边界和/或附加的UAS传感器输入(例如，风速、UAS电池电量等)来确定航路点(106、108、110、114、116、118)。
受控空域可以包括具有设定距离(例如，围绕机场120的五海里)的禁止的飞行区域124的机场120。可以由诸如联邦航空管理局(FAA)的政府机构根据规章制度设定这个禁止的飞行区域124。UAS不被允许跨过禁止的飞行区域124。第一飞行边界126可被创建为缓冲区，以确保UAS 102不进入禁止的飞行区域124和对应于利用机场120的飞行器的飞行路线的大致在机场的南北的区域。飞行边界可能会根据各种既定的规则、规定和/或禁止的飞行区域而变化。可由政府管理机构和/或第三方数据库建立飞行边界。
UAS 102的其他障碍可能存在于飞行区域中，但不受政府管理机构和/或第三方数据库的限制。塔台128位于UAS 102飞行区域内，但不受其他限制。知道塔台128位置的UAS操作员可以创建围绕塔台128的第二用户定义的飞行边界130，以确保UAS 102不会影响和/或干扰塔台128。
UAS 102可以将飞行边界(124、126、130)的位置存储在存储器中。可以从政府管理机构和/或第三方数据库下载这些飞行边界(124、126、130)。UAS操作员可以添加额外的飞行边界以减少飞行区域，但不能移除现有的飞行边界。在一些实施例中，可以实时地更新飞行边界，例如限制用于紧急或自然灾害需要(诸如消防活动)的区域。
UAS 102可以向UAS操作员提供关于UAS飞行位置、速度和/或收集的其他数据的状态信息。如果UAS 102跨过了飞行边界，则UAS 102还可以向UAS操作员提供警告。UAS 102可能在跨过飞行边界时实现至少一个飞行限制。这些飞行限制的范围可以从警告信号到UAS102的着陆(参见图2A-2H)。
图2A描绘了接近位于其被禁止的空域周围的几个飞行边界的示例性UAS。UAS 200在朝禁止的飞行区域204的轨迹202中行进。可以创建一个或更多个飞行边界以确保UAS200不会穿进禁止的飞行区域204。禁止的飞行区域204可以包括机场(参见图1)或其中UAS干扰由于其可能导致空中碰撞而可能是“灾难性”的其他位置。因此，提供对“灾难性”临界的减轻的安全功能所需的系统完整性水平对于小型通用航空飞机来说为1*10-6，对于较大型飞机为1*10-9。虽然尚未确定UAS的要求是什么，但可能至少相当于占据空域124的有人驾驶飞机的要求，即1*10-6和1*10-9之间或约1*10-7。这是非常高的可靠性要求，不仅征用整个UAS，而且征用UAS的涉及到减轻“灾难性”危险的每一部分。因此，用于防止UAS 200跨入禁止的飞行区域204的系统的可靠性必须至少为1*10-7。
UAS 200可以是具有推进设备(例如，发动机)和至少一个控制表面的无人驾驶飞机。在一些实施例中，UAS 200可以具有一个或更多个推进设备，以便控制飞行器的高度、速度和/或轨迹202。UAS 200可以是无动力的飞行器，例如，气球、降落伞、滑翔机和/或风筝，其中，至少一个飞行限制可以在无动力的飞行器进入禁止的飞行区域204之前使其落地。UAS 200可以是轻于空气的飞行器，诸如飞艇或飞船。一个或更多个飞行限制基于UAS 200的推进、上升和/或控制的类型来防止UAS 200进入禁止的飞行区域204。
图2B描绘了跨过第一飞行边界的图2A的示例性UAS。UAS 200位于使其跨过围绕禁止的飞行区域204的第一飞行边界206的轨迹202上。每个飞行边界的位置可以是基于时间的，例如，基于UAS 200的速度和/或轨迹202，第一飞行边界206可以距离禁止的飞行区域204为六十秒。每个飞行边界也可以基于设定的缓冲距离，例如，第一飞行边界206可以是距禁止的飞行区域204的一英里。在一些实施例中，可以由UAS操作员设置一个或更多个飞行边界的位置。在其他实施例中，每个飞行边界的位置可以基于基于时间的因子和距离的组合，例如在设定范围内变化和/或在设定范围内由UAS操作员选择。
飞行边界的数量可以作为动态系统由飞行限制控制器(FLC)和/或UAS控制器来改变，以确保UAS 200不会跨入禁止的飞行区域204。在跨过第一飞行边界206时，FLC和/或UAS控制器可以向UAS操作员发送信号，通知UAS操作员UAS 200已经跨过了第一飞行边界206。该通知可向操作员提供在采取任何进一步的动作例如使得UAS着陆之前改变UAS 200的轨迹202的机会。
图2C描绘了跨过第二飞行边界的图2A的示例性UAS。UAS 200的轨迹202继续朝向禁止的飞行区域204，并跨过第二飞行边界208。FLC和/或UAS控制器在UAS 200跨过第二飞行边界208时实施第二飞行限制。第二飞行限制可以指示UAS控制器以使UAS着陆，反转UAS的方向(参见图2D)和/或防止UAS 200进入禁止的飞行区域204的其他机动动作。第一飞行边界206和第二飞行边界208之间的距离可以提供UAS操作员时间以校正UAS 200的轨迹202。该第二飞行限制还可以防止UAS操作员对UAS 200采取进一步的控制，直到UAS 200在第二飞行边界208之外和/或着陆到地面上(参见图2H)。
图2D描绘了将其飞行路径调整为远离其被禁止的空域和第二飞行边界的图2A的示例性UAS。UAS 200的轨迹202可以使转弯发生，其使UAS 200远离禁止的飞行区域204。FLC和/或UAS控制器可以命令具有至少1*10-7的系统完整性程度的致动器致动以使得UAS航线被调节180度。在其他实施例中，自动驾驶仪可以引导诸如四旋机翼式UAS(参见图9-10)的UAS远离禁止的飞行区域204。UAS 200可以及时向UAS操作员传达飞行路径调整或其他飞行限制的确认。
图2E描绘了跨过第三飞行边界的图2A的示例性UAS。UAS 200的轨迹202跨越第三飞行边界210。FLC和/或UAS控制器在跨过第三飞行边界210时实施第三飞行限制。第三飞行限制使UAS 200着陆和/或以其他方式以至少为1*10-7的系统完整性程度防止USA 200进入禁止的飞行区域204。如果跨过第二飞行边界208实施第二飞行限制，以发生将使UAS 200远离禁止的飞行区域204的转弯(参见图2D)，并且这是无效的，例如，UAS控制器错误和/或故障，那么为了使得UAS 200不进入禁止的飞行区域204，必须采取更为激烈的行动。
UAS 200在处于将在设定的时间内(例如，十五秒内)跨过至少一个飞行边界(206、208、210)和/或禁止的飞行区域204的轨迹202中时可能遇到错误。错误可能是电池故障，例如，电池电量耗尽和/或以其他方式对1*10-7的等级是不可靠的。该错误还可能是UAS 200的推进设备故障，例如，用于控制UAS 200的控制表面的致动器发动机对操作员无响应和/或以其他方式对1*10-7不可靠。错误可能是感测与规避系统故障，例如，雷达、声纳、光学传感器和/或LIDAR系统对操作员无响应和/或以其他方式对1*10-7的等级不可靠。该错误也可能是GPS故障，例如，GPS失去与最小所需数量的卫星的连接和/或以其他方式对1*10-7的等级不可靠。该错误也可能是UAS 200与操作员之间的连接故障。如果发生这样的错误，并且UAS200处于将在设定时间内跨过至少一个飞行边界(206、208、210)和/或禁止的飞行区域204的轨迹204，则必须实施至少一个飞行限制。如果没有实施飞行限制，则UAS 200将跨过至少一个飞行边界(206、208、210)和/或禁止的飞行区域204。设定时间可以由系统和/或操作员设置为足以以1*10-7的可靠性确保UAS 200将不会跨入至少一个飞行边界(206、208、210)和/或禁止的飞行区域204。设定时间也可以基于以下项和/或针对其调整：延迟；从UAS 200到地面站的数据传输时间；地面站处理时间；人的响应时间；天气影响，诸如风；UAS 200内部和/或外部的电磁干扰；来自声学、热学、振动、化学和/或冶金的装置的干扰；和/或UAS200组件的准确性，以确保UAS 200不跨过至少一个飞行边界(206、208、210)和/或禁止的飞行区域204。设定时间也可以基于任何规避策略所需的任何命令和控制数据链路或其他通信链路的可用性，并符合标准以用于确保这样的规避策略可以在UAS 200跨过至少一个飞行边界(206、208、210)和/或禁止的飞行区域204之前执行。
图2F描绘了图2A的示例性UAS，其已经将致动器致动到最大偏转，以便将UAS保持在圆周飞行模式中，其防止UAS进入其被禁止的空域。FLC和/或UAS控制器例如通过来自致动器的满舵(full rudder)偏转来实施急转弯作为第三飞行限制，由此UAS 200的轨迹202进入螺旋，其防止UAS 200进入禁止的飞行区域204。螺旋轨迹202可以持续直到UAS 200耗尽电力并着陆到地面上。
图2G描绘了图2A的示例性UAS，其使降落伞展开以在进入其被禁止的空域之前使UAS下落。FLC和/或UAS控制器可以实施降落伞212的展开作为第三飞行限制，以免UAS 200进入禁止的飞行区域204。降落伞212产生足够的阻力以防止UAS 200进一步飞入禁止的飞行区域204。降落伞212可以随着用于关闭UAS推进设备(例如，发动机)的命令而被展开，从而使UAS下落。在一些实施例中，降落伞212可以安装在UAS上的在UAS上产生不对称力的位置，其使得UAS无法飞行(参见图11)。
图2H描绘了在进入其被禁止的空域之前降落在地面上的图2A的示例性UAS。轨迹202示出了在展开降落伞(图2G)和/或进入螺旋(图2F)之后，UAS在进入其被禁止的空域之前在地面上着陆212。在其他实施例中，FLC和/或UAS控制器可以切断到一个或更多个UAS推进设备的电力，使到一个或更多个推进设备的电力反向，分离UAS的机翼或其他组件，使得连续飞行不可持续，和/或激活爆炸装药。在一些实施例中，飞行限制可以是动态的，并且向UAS操作员和/或UAS控制器提供在采取更激烈的动作(例如，使降落伞展开和/或使UAS着陆)之前校正UAS轨迹的机会。
图3描绘了具有含可寻址存储器的处理器的示例性飞行限制控制器(FLC)300。FLC302可以包括处理器304和存储器306。FLC 302可以是独立于UAS控制器308的设备(参见图5-8)，或与UAS控制器308集成(参见图4)。FLC 302、UAS控制器308、输入端和输出端之间的集成度可以基于系统组件的可靠性而变化。使FLC 302与UAS控制器308分离向FLC 302提供对跨越飞行边界或其他方式进入其被禁止的空域的UAS的飞行的最终监督控制。当UAS的一部分的故障、UAS航线的用户编程故障和/或UAS操作员322错误可能导致UAS跨过飞行边界时，FLC 302可以替代UAS控制器308并且实施飞行边界限制，例如终止飞行。
FLC 302可以接收定义飞行边界310的输入。飞行边界310可以提供定义UAS的飞行边界和/或其被禁止的空域的数据。飞行边界310可从外部源(例如，来自第三方服务器的地理围栏)下载并存储在FLC 302的存储器306中。飞行边界310可以在UAS起飞之前被加载和/或在飞行期间被动态更新，例如由于变化的条件和/或更新的限制。在一些实施例中，可以将飞行边界310预先加载到存储器306中。
FLC 302还可以从感测与规避系统312接收输入。感测与规避系统312可以是雷达、声纳、光学传感器和/或LIDAR系统。感测与规避系统312可以提供关于可能碰撞和/或以其他方式干扰UAS的操作的任何物体(例如，塔台(参见图1)、高大树木和/或有人驾驶飞机)的信息。感测与规避系统312还可以接收来自其他飞行器的输入，例如来自紧急车辆的通知飞行器由于消防活动而不进入空域的信号。感测与规避系统312和飞行边界310输入可由FLC302使用，以避免进入禁止的和/或危险的空域。
FLC 302还可以从全球定位系统(GPS)314和惯性测量单元(IMU)316接收输入，以确定UAS位置。FLC 302可以使用高度计318输入来确定UAS姿态。GPS 314、IMU 316和高度计318可以是仅向FLC 302提供输入的单独和/或冗余设备。在一些实施例中，可由FLC 302和UAS控制器308两者使用GPS 314、IMU 316和/或高度计318。在一些实施例中，如果UAS中的相应设备故障，则FLC 302可以将接收到的一个或更多个输入(310、312、314、316、318)传递到UAS控制器308，作为备份和/或由于由FLC 302接收的设备输入的更高的系统完整性而用于主要使用。在一些实施例中，接收的输入(310、312、314、316、318)可以作为UAS飞行数据的“黑盒”记录被存储在FLC 302的存储器306中。
可以使用电池320来为FLC 302供电。位置输入(314、316)和高度输入318可以与飞行边界输入310和感测与规避系统输入312组合使用，以由FLC 302的处理器304确定UAS相对于一个或更多个飞行边界的位置、是否已经跨过这些一个或更多个飞行边界、和/或在跨越这些一个或更多个飞行边界时是否应该实施对UAS的至少一个飞行限制。
飞行限制可以是动态的，并且向UAS操作员322和/或UAS控制器308的UAS自动驾驶仪提供在额外的飞行限制之前校正UAS轨迹的机会(参见图2A-2H)。FLC 302可以经由收发器326向UAS操作员322发送状态信号324。UAS操作员322可以使用具有含可寻址存储器的UAS操作员控制器处理器的UAS操作员控制器。UAS控制器处理器可以接收UAS的状态，其中，状态可包括关于以下项中的至少一个的数据：UAS电源320、UAS控制器308、UAS导航设备、UAS无线电装置和至少一个推进设备。如果确定的UAS位置跨过至少一个飞行边界，则UAS控制器处理器还可以接收警告。
状态信号324可以包括关于FLC的任何输入(310、312、314、316、318、320)的数据。状态信号324还可以通知UAS操作员322UAS没有跨过任何飞行边界。作为初始飞行限制，如果已经跨过了第一飞行边界(参见图2B)，则FLC可以向UAS操作员322发送警告信号328。UAS操作员322可以设置FLC 302以提供一个或更多个飞行限制和每个飞行限制的等级，例如，设置第一飞行边界以发出警告信号328或设置第一飞行边界以接合UAS控制器308的自动驾驶仪。UAS操作员还可以设置FLC 302以基于UAS的速度和轨迹和/或UAS到飞行边界的设定的距离范围来确定至少一个飞行边界。基于UAS操作员322的使用和/或需要，FLC 302的飞行限制可以在设定参数内变化。
如果跨过了额外的飞行边界，则可实施额外的飞行限制。UAS控制器308的自动驾驶仪可以引导UAS远离飞行边界(参见图2D)。致动器330可被致动到最大偏转，以将UAS保持在圆周飞行模式，这防止UAS进入飞行边界(参见图2F)。致动器330可以是UAS的一部分和/或单独的致动器，其中系统完整性满足期望标准。在一些实施例中，UAS方向舵可以是弹簧加载的，使得致动器的功率损失将方向舵返回到最大偏转，这将使UAS保持在圆周飞行模式中(参见图2F)。可以使降落伞332展开，其防止UAS跨过飞行边界(参见图2G)。在四旋机翼式实施例中，可以在使降落伞332展开之前使UAS的推进设备例如发动机断电。UAS的一个或更多个组件可以被分离，例如通过剪切将机翼连接到机身的销，使得所得到的UAS不能继续其轨迹并跨过飞行边界。推进设备节流阀336可以被抑制以使UAS逐渐着陆，设定为零以便更快地UAS下落，和/或反转以便最快地使UAS下落。可以切断到UAS的一个或更多个推进设备的电力338。在四旋机翼式UAS中，只切断到推进设备中的一个的电力可被用于可靠地使UAS下落(参见图10)。可以使用单独的推力发生器340来使UAS下落和/或改变其轨迹(参见图11)。
为了实现设定的系统完整性，例如，1*10-7的灾难性临界，系统中的每个元件必须满足该标准，包括硬件和软件。RTCA文件DO-178C中已经定义了开发保证过程，其标题为：“Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification”。DO-178C文件提供了确定软件是否将在机载环境中可靠地运行的指导。对于对具有“灾难性”临界的危害的基于软件的缓解，该要求通常是开发保证等级(DAL)为“A”(对通用航空，减为“B”)。对于任何一件航空电子装备来说，这确实是非常高的要求(bar)，特别是对于应该降低在航空中执行许多不同任务的成本和复杂性的技术例如UAS来说。由于UAS是软件密集型飞行器，因此用于限制UAS飞行的软件驱动系统的添加必然会将所有软件驱动到DAL A或B的要求，从而导致软件成本增加超过了当前行业内的数量级。因此，存在对高度可靠而低成本的设备或系统的需求，其将限制或以其他方式控制UAS以防止或至少大大降低UAS进入有人驾驶飞机占据的空域和/或与这种飞机相撞的可能性。
图4描绘了具有结合到UAS控制器400中的飞行限制方面的UAS的系统架构。系统架构400包括连接到电源总线404的电源，例如，电池402。电源总线404向以下项供电：UAS控制器406；无线电装置，例如，收发器408；导航设备，例如，GPS 410；以及控制设备，例如，致动器412。UAS控制器406具有存储器414。
UAS控制器406包括微处理器并且用于控制UAS的飞行的功能。UAS控制器406和所有元件满足要求的临界性标准。如果所确定的UAS位置跨过至少一个飞行边界，则UAS控制器406可以确定UAS位置并且实施至少一个飞行限制。UAS控制器406可以从收发器408和/或存储器414接收方向命令。UAS控制器406可以从GPS 410和/或其他输入端接收当前位置、航向、速度和/或高度(参见图3)。UAS控制器406可以确定航向并指示一个或更多个控制表面移动，例如，致动器412移动方向舵。致动器412可以附接到各种控制表面中的任何一个，包括方向舵、升降舵、襟翼、副翼等，只要这种控制表面的偏转足以在被如此命令时使飞行终止。在其他实施例中，致动器412可以被另一个限制飞行设备(例如，降落伞、UAS组件分离器、节流阀控制装置、电源开关和/或推力发生器)替换和/或补充。
图5描绘了具有添加到UAS并与UAS控制器通信以实施飞行限制的FLC的UAS的系统架构500。FLC 502被添加到现有的例如现成的UAS系统架构500。FLC 502与UAS控制器504通信，使得FLC 502可以从UAS控制器504接收UAS位置数据、UAS状态数据和/或飞行边界数据。FLC可以单独地且独立于UAS控制器504确定UAS位置，确定UAS是否已经越过了至少一个飞行边界，并且确定是否需要实施飞行限制，例如飞行终止。飞行边界数据可以被保留在存储器506中，其可以经由UAS控制器504访问。
FLC 502、控制器504、收发器508、GPS 510和致动器512可以由来自电池516的电源总线514供电。在一些实施例中，FLC 502可以具有独立和/或备用电源。为了实施飞行限制，例如飞行终止，FLC 502通过通信连接518将信号传输到UAS控制器504。然后，UAS控制器504可以将致动信号520传输到致动器512，以将控制表面(例如，方向舵)移动到最大偏转。在该实施例中，FLC 502、UAS控制器504、电池516、电源总线514、存储器506、GPS 510和致动器512中的每一个需要足够可靠以满足整体UAS的可靠性要求。
图6描绘了具有添加的含存储器并与UAS控制器、UAS收发器和UAS GPS通信以实施飞行限制的FLC的UAS的系统架构600。具有存储器604的FLC 602被添加到具有从UAS到收发器606和GPS 608的直接链路的UAS系统架构。FLC 602还与具有单独存储器612的UAS控制器610通信。FLC 602可以在存储器604中存储飞行限制。FLC 602还可以经由收发器606向UAS操作员发送状态信号和/或警告信号。FLC 602可以向UAS控制器610发送飞行限制信号614。UAS控制器610然后向致动器618发送致动信号616。可以经由来自电池620的电源总线618向FLC 602、控制器610、收发器606、GPS 608和致动器618提供电力。
图7描绘了具有添加的含存储器和GPS并与致动器通信以实施飞行限制的FLC的UAS的系统架构700。具有单独存储器704和一个或更多个单独输入(例如，GPS 716)的FLC702可以被添加到UAS系统架构。FLC 702可以直接向致动器708发送致动命令。致动器708将来自FLC 702的任何控制信号优先于来自UAS控制器710的任何控制信号。在一些实施例中，FLC 702可以控制独立致动器。FLC 702可以独立于具有存储器712的UAS控制器710，并且连接到收发器714和GPS 716。可以由UAS操作员使用UAS控制器710以控制UAS。如果FLC702确定UAS已经跨过了飞行边界，则FLC 702可以直接实施飞行限制，而没有来自UAS控制器710、存储器712、收发器714和/或GPS 716的输入。因此，只有系统的FLC 702、电池718、电源总线720、存储器704、GPS 716和致动器708元件需要足够可靠以满足整体UAS可靠性要求。UAS控制器710、存储器712、收发器714和GPS 716可以具有较低的成本和/或可靠性，因为不需要它们来防止UAS进入其被禁止的空域。
图8描绘了具有添加的含存储器和GPS并与致动器通信以实施飞行限制并且与UAS控制器进行单向通信的FLC的UAS的系统架构800。图8的系统架构类似于图7中所示的系统架构，除了从FLC 804到UAS控制器806的单向信号802之外。在存储器810、收发器812和/或GPS 814发生故障的情况下，FLC 804可以将信号802从其自身的存储器816和/或GPS 818发送到控制器806。在一些实施例中，来自独立的FLC 804的控制和/或输入可以具有比对UAS控制器806的类似和/或相同的控制和/或输入更高的系统完整性和/或准确度。UAS操作员可以设置UAS，使得FLC 804向UAS控制器806提供这些控制和/或输入，以便增加UAS的可靠性和/或功能。由于FLC 804已经接收和/或确定其本身对UAS位置和飞行边界的确定的数据，因此，如果期望，该数据也可以由UAS控制器806使用。
图9描绘了具有连接在UAS控制器和每个电子速度控制器之间以实施飞行限制的FLC的四旋机翼式UAS的系统架构900。四旋机翼式UAS可以具有四个推进设备，例如，发动机(902、904、906、908)，其各自由相应的电子速度控制器(910、912、914、916)控制。在典型的四旋机翼式UAS中，每个电子速度控制器(910、912、914、916)可以具有相应的电力连接(918、920、922、924)和信号连接(926、928、930、932)。这些连接(918、920、922、924、926、928、930、932)可以用线束被接线到UAS控制器934中。
四旋机翼式UAS可以允许快速拆卸和更换任何单独的发动机和/或电子速度控制器，因此通常利用线束以用于简单连接。代替直接被连接到UAS控制器934中，这些连接(918、920、922、924、926、928、930、932)可以被连接到FLC 936中。然后，FLC 936可以将这些连接传递到UAS控制器934，并且UAS控制器934可以继续工作，就像它是被直接连接的一样。FLC 936可以确定UAS相对于任何飞行边界的位置，并且如果跨过飞行边界，则实施至少一个飞行限制。FLC 936的飞行限制可以包括减少、切断和/或反向发动机(902、904、906、908)中的一个的节流阀以终止飞行。因为FLC位于UAS控制器934和发动机(902、904、906、908)的每个之间，因此只有FLC 936需要足够可靠以满足整体UAS的可靠性要求。因此，FLC 936可以例如经由被设计成适用于以其他方式不符合UAS可靠性要求的现有的UAS上的线束改造到现有UAS上。具有改造的FLC 936的产生的UAS将满足UAS的可靠性要求。
图10描绘了具有连接到在电子速度控制器的其中一个和UAS控制器之间的开关的FLC的四旋机翼式UAS的系统架构1000。对于典型的四旋机翼式UAS，对只有一个推进设备(例如，四个发动机(1002、1004、1006、1008)中的发动机1002)的节流阀的减少、切断和/或反向可以可靠地终止UAS飞行。FLC 1010可以被连接到沿着电力连接1014定位的开关1012，例如具有高可靠性的机械开关。电力连接1014可以从UAS控制器1016移动到开关1012，然后通过1018到UAS控制器1016。在该实施例中，可以降低FLC 1010的复杂性，并且可以增加UAS飞行终止可靠性。FLC 1010可以确定UAS相对于任何飞行边界的位置，并且如果跨过飞行边界，则实施至少一个飞行限制，例如，激活开关1012以切断到发动机1002的电力。在一些实施例中，多个开关可以被使用并且可以沿着控制信号和/或功率信号被连接。
图11描绘了可以可拆卸地附接到一个或更多个UAS系统以实现飞行限制的独立FLC 1100。飞行限制设备(FLD)1102可以经由一个或更多个可拆卸的附件(1104，1106)可拆卸地附接到UAS，例如附接到UAS机翼1108。FLD 1102是独立于与其附接的UAS的自包含的设备。FLD 1102和UAS之间的唯一接口是可拆卸附件(1104、1106)。在一些实施例中，FLD 1102可以附接到UAS的其他区域，例如UAS机身。
FLD 1102的作用与本文所示的其它实施例中的一样，确定UAS位置，并且如果UAS位置跨过飞行边界，则实施飞行限制。通过与UAS的操作组件分开，除了将FLD 1102安装到UAS所需的程度之外，不必对UAS飞行器进行修改。UAS的组件不必满足在有人驾驶飞机操作附近操作或地面上的敏感区域附近操作所需的高可靠性要求。只要FLD 1102及其组件满足这些可靠性要求，UAS可以在这些区域中运行。
FLD 1102可以具有最少的组件和/或软件。FLD 1102可以作为通用设计被生产，以供各种不同的预先存在的UAS设计中的任一种使用，这导致成本降低并且增加可靠性。可以在多于一个UAS上使用这样的FLD 1102。UAS操作员可以具有用于不同目的的几种不同的飞行器，但是由于UAS操作员可能一次只能飞一个，所以UAS操作员将仅需要一个FLD 1102，其根据需要可以在这些UAS之间移动。
FLD 1102包括诸如电池1110的电源、电源总线1112、FLC 1114、存储器1116、诸如GPS 1118的导航装置、致动器1120和用于终止飞行的装置(诸如降落伞1122)。FLC 1114由电池1110供电，并且用于从GPS 1118接收UAS位置，将其与保存在存储器1116中的边界进行比较，并且如果确定UAS已经通过边界，指示致动器1120来使降落伞1122展开以终止飞行。
降落伞1122可以在FLD 1102的后部弹出，使得当展开时，降落伞1122将具有在机翼1108处产生足够的阻力的尺寸和构造，使得在UAS上产生的不对称力将使其不能继续飞。在机翼1108上距离FLD 1102被可拆卸地附接的机身进一步往外，提供了更大的杠杆臂，并且需要相对较小的降落伞1122以产生足够的阻力来终止飞行。在一些实施例中，相同的FLD1102可被用于不同尺寸的空中交通工具，其中使用不同尺寸的降落伞和/或沿着机翼的不同的放置，例如，对于较大的空中交通工具，在机翼上距离机身进一步往外。在一些实施例中，降落伞1122的固定器可以利用致动器1120与FLD 1102的其余部分断开，使得不同的降落伞可被附接以用于FLD 1102的不同用途。
代替降落伞1122，FLD 1102可采用各种装置中的任一种来终止飞行，包括但不限于爆炸装药、机翼分离器、反推力发生器例如单独的推进器1124以及推进设备例如发动机1126、对UAS或地面站的命令等。在一些实施例中，FLD 1102可以包括电力发电机，其使用由UAS飞行引起的经过FLD 1102的气流，以向FLD 1102提供电力和/或为电池1110再充电。此外，可以由FLC 1114命令发生器来提供反向推力以导致飞行终止。
为了提高可靠性，在一些实施例中，FLD 1102可以被设置在故障安全配置中。例如，降落伞1122可以具有以下默认：其被展开，除非致动器1120例如通过电磁体供电，仅在其被供电时，这将降落伞1120保持就位，例如通过将降落伞1120压在供电的电磁铁上的弹簧。也就是说，如果电力损失，致动器1120将自动释放降落伞1122，并且UAS的飞行将立即终止。同样地，在一些实施例中，FLC 1114可以被编程为在发生任何内部错误(例如，GPS链路的长时间的丢失)的情况下使降落伞1122展开。
图12描绘了用于在UAS已经跨过飞行边界时实施飞行限制的实施例的示例性功能框图1200。处理器可以接收UAS信息(步骤1202)。UAS信息可以包括来自GPS、IMU、高度计和/或感测与规避系统的数据(参见图3)。处理器还可以接收至少一个飞行边界(步骤1204)。飞行边界可以包括其被禁止的空域、由UAS操作员设置的障碍物、以及由处理器和/或UAS操作员输入创建的一个或更多个动态边界，以防止UAS进入其被禁止的空域，防止干扰有人驾驶飞机和/或与障碍物碰撞(参见图1和图2A-2H)。可以由UAS操作员使得飞行边界缩小，但可能不使其放大。处理器可以确定UAS相对于至少一个飞行边界的位置(步骤1206)。处理器可以利用UAS信息和飞行边界来确定UAS位置。然后处理器可以确定UAS是否已经跨过了至少一个飞行边界(步骤1208)。如果UAS没有跨过至少一个飞行边界，则处理器继续确定UAS相对于飞行边界的位置。如果UAS已经跨过了至少一个飞行边界，则处理器实施UAS的至少一个飞行限制(步骤1210)。飞行限制可以包括警告信号和/或一个或更多个动态响应，以确保UAS不进入其被禁止的空域(参见图3)。
可以设想，可以进行对上述实施例的特定特征和方面的各种组合和/或子组合，并且仍然落在本发明的范围内。因此，应当理解，所公开的实施例的各种特征和方面可以彼此组合或替代，以形成所公开的发明的不同模式。此外，本发明的范围在本文中旨在以示例的方式公开，并且不应受上述特定公开的实施例的限制。

Claims (26)

1.一种方法，包括：
由处理器确定无人机系统(UAS)相对于至少一个飞行边界的位置；以及
如果所确定的UAS位置跨过所述至少一个飞行边界，则由所述处理器实施UAS的至少一个飞行限制。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个飞行边界包括禁止的飞行区域。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个飞行限制具有防止所述UAS跨过所述禁止的飞行区域的至少1*10-7的可靠性。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所接收的至少一个飞行边界还包括用户定义的飞行边界，其中，所述用户定义的飞行边界小于所述禁止的飞行区域。
5.如权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个飞行边界还包括基于来自所述UAS的感测与规避系统的输入的至少一个边界。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述感测与规避系统包括以下中的至少一个：雷达、声纳、光学传感器和LIDAR。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个飞行边界在飞行之前由用户根据第三方数据库更新。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个飞行边界在飞行期间由以下项中的至少一个来更新：感测与规避系统和第三方数据库。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述UAS位置经由全球定位系统(GPS)、惯性测量单元(IMU)和高度计来确定。
10.如权利要求1所述的方法，还包括：
如果所述UAS遇到错误且所述UAS处于将在设定时间内跨过至少一个飞行边界的轨迹中，则由所述处理器实施所述UAS的至少一个飞行限制。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述错误是以下中的至少一个：电池故障、推进设备故障、感测与规避系统故障、全球定位系统(GPS)故障以及所述UAS与操作员之间的连接故障。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个飞行限制中的第一飞行限制包括：
当所述至少一个飞行边界中的第一边界被所述UAS跨过时，由所述处理器向用户发送警告。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述至少一个飞行限制中的第二飞行限制包括使所述UAS着陆。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述UAS的所述至少一个飞行限制包括以下项中的至少一个：使降落伞展开；切断所述UAS的一个或更多个推进设备的电源；使所述UAS中的一个或更多个组件分离；爆炸装药；以及使所述UAS的一个或更多个推进设备的节流阀反向。
15.如权利要求1所述的方法，其中，所述UAS的所述至少一个飞行限制包括以下项中的至少一个：将致动器致动到最大偏转；以及，将致动器致动以实施所述UAS的远离所接收的一个或更多个飞行边界的转弯。
16.一种系统，包括：
飞行限制控制器(FLC)，包括：
处理器，所述处理器具有可寻址存储器，所述处理器被配置成：
确定无人机系统(UAS)相对于至少一个飞行边界的位置；以及
如果所确定的UAS位置跨过所述至少一个飞行边界，则实施UAS的至少一个飞行限制。
17.如权利要求16所述的系统，其中，所述UAS还包括：
UAS控制器；
UAS导航设备，所述UAS导航设备与所述UAS控制器通信；
UAS无线电装置，所述UAS无线电装置与所述UAS控制器通信；以及
至少一个推进设备，所述至少一个推进设备与所述UAS控制器通信；以及
UAS电源，所述UAS电源向以下项中的至少一个提供电力：所述UAS控制器、所述UAS导航设备、所述UAS无线电装置和所述至少一个推进设备；
其中，所述FLC与所述UAS控制器通信以实施所述至少一个飞行限制。
18.如权利要求17所述的系统，其中，所述UAS导航设备还包括全球定位系统(GPS)、惯性测量单元(IMU)和高度计。
19.如权利要求17所述的系统，其中，所述UAS无线电装置包括收发器。
20.如权利要求17所述的系统，其中，所述UAS还包括：
至少一个控制表面；以及
至少一个致动器，所述至少一个致动器被附接到所述至少一个控制表面；
其中，所述UAS的至少一个飞行限制是使所述至少一个致动器致动到最大偏转。
21.如权利要求17所述的系统，其中，所述飞行限制控制器的所述处理器被配置为从以下项中的至少一个接收输入：所述UAS电源、所述UAS控制器、所述UAS导航设备、所述UAS无线电装置以及所述至少一个推进设备。
22.如权利要求17所述的系统，还包括：
UAS操作员控制器，包括：
具有可寻址存储器的UAS操作员控制器处理器，所述UAS控制器处理器被配置为：
接收所述UAS的状态，其中，所述状态包括关于以下项中的至少一个的数据：所述UAS电源、所述UAS控制器、所述UAS导航设备、所述UAS无线电装置和所述至少一个推进设备；以及
如果所确定的UAS位置跨过所述至少一个飞行边界，则接收警告。
23.如权利要求16所述的系统，其中，所述FLC还包括：
FLC控制器；
FLC导航设备，所述FLC导航设备与所述FLC控制器通信；
FLC无线电装置，所述FLC无线电装置与所述FLC控制器通信；以及
FLC电源，所述FLC电源为以下项中的至少一个提供电力：所述FLC控制器、所述FLC导航设备和所述FLC无线电装置。
24.如权利要求23所述的系统，其中，所述FLC还包括FLC存储器储存器，其中，所述FLC存储器储存器记录UAS的飞行数据，其中，所述飞行数据包括来自以下项中的至少一个的输入：所述FLC电源；所述FLC控制器；所述FLC导航设备；以及所述FLC无线电装置。
25.如权利要求16所述的系统，其中，所述UAS的所述至少一个飞行限制包括以下项中的至少一个：使降落伞展开；切断所述UAS中的一个或更多个推进设备的电源；使所述UAS的一个或更多个组件分离；爆炸装药；以及使到所述UAS的一个或更多个推进设备的电力反向。
26.如权利要求16所述的系统，其中，所述UAS的所述至少一个飞行限制包括以下项中的至少一个：将致动器致动到最大偏转；以及，将致动器致动以实施所述UAS的远离所接收的一个或更多个飞行边界的转弯。
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