CN107454945A - 无人机的导航系统 - Google Patents

Abstract

描述了无人机(100)的导航系统(1)，所述系统包括：多个电线杆(2‑10)，其固定至地面上并与私人或公共电力网相关联；多个设备(12‑20)，其固定至所述电线杆并由电力网供电，所述设备在无线网络(40)中相互连接，并包括用于与无人机通讯的无线电通讯模块(22‑30)；控制器(35)，其连接至无线网络(40)并意欲通过将配置命令传输至所述无线网络(40)的各自的设备(12、13、14、20)对无人机(100)在两个或更多个电线杆(2、3、4、10)之间的飞行路径(P)编程，用于配置无线电通讯模块(22、23、24、30)，其中，所述飞行路径(P)中的一个电线杆(3)的无线电通讯模块(33)被配置为朝着所述飞行路径(P)中的后面的电线杆(4)的无线电通讯模块(34)导引所述无人机(100)。

Description

无人机的导航系统

技术领域

本发明涉及无人机的导航系统。

具体而言，本发明涉及用于使无人机在市区、市区外或私人环境的飞行自动化的上面提到的类型的系统。

本发明还涉及用于引导无人机的方法及通过上面提到的系统旨在被引导的无人机。

背景技术

已知无人机或RPV(遥控飞行器)是例如用于识别和监控操作的无人驾驶的遥控飞行器。

目前无人机的引导通过遥控设备执行。

考虑到最近对无人机的商业兴趣，也已经为智能手机或平板电脑开发了易于操作和直观的应用程序。这些应用程序是基于具有受限于智能手机或平板电脑的CPU的性能特征的控制软件，但是在任何情况下都能够分析许多传感器的数据，比如加速计、陀螺仪、磁力仪等，并且实时管理无人机的所有发动机，从而允许维持稳定的飞行和待补偿飞行位置的任何干扰。

可以使用上面提到的遥控设备和应用程序，具有用于HD-质量高空摄影或用于比赛的良好结果，但是，无人机的恰当的自动化应用程序的开发，比如货物的递送或某些区域的视频监控，被许多因素所妨碍，首要的是需要使无人机的飞行自动化，允许独立于人类控制之外和在人类可视范围之外执行飞行。

一些专业类型的无人机设置有自动驾驶系统，其与航空公司使用的那些自动驾驶系统密切相关，因此具有一定的复杂性和成本。该系统允许通过GPS位置对无人机的路线进行机上存储。

然而，其仍然受到在实际应用中妨碍无人机的使用的问题的影响。例如，用于使无人机在市区环境的飞行自动化的该驾驶系统的编程需要在适当的位置的多个GPS坐标的探测及这些坐标在无人机存储器中的存储，需要时间并且也涉及其他安全相关问题的一些事情，包括需要检查用它们自身的驾驶系统编程的无人机可能的碰撞，或不存在回收无人机时要使用的地面参考点。

而且，在一些区域GPS连接的不存在或有限可用性以及其精度的不足不允许将该已知系统用于市区环境中，在市区环境中存在有妨碍飞行的进一步的障碍，比如高的可移动的机械，例如起重机；或新的建筑可能会在相对短的时间内出现，形成妨碍飞行的突然的障碍。考虑到这些问题，其几乎不可能符合某些地方的、地区的或国家的规定(比如在公开会议上空的飞行禁令)或确保总是安全、可靠连接的需要。

在任何情况下的所有这些问题都导致了对伴随有操作员控制的已知自动驾驶系统的需求。无人机电池的寿命是主要的限制，因为其需要手动动作以进行更换或再充电，这是对野外或长距离应用的现实自动化的进一步障碍。US2014/032034是根据现有技术的无人机的导航系统的实例。

形成本发明的基础的技术问题是设计无人机的导航系统，其能够改进飞行的自动化和安全性，允许将无人机的使用延伸至市区、市区外或私人环境的宽范围应用中，实质上克服了当前影响已知系统的缺点。

附图说明

图1以示意形式示出了根据本发明的无人机的导航系统。

图2示出了根据图1的无人机的导航系统的一部分的放大图。

发明内容

本发明所基于的构思是在多个结构元件上固定多个电子设备，所述多个结构元件沿着预先存在的陆地通讯网络(例如，市区或市区外的道路或铁路网)固定至地面上，及配置一些电子设备以便发出无人机的飞行命令，其基本上通过在所述结构元件上方的预定高度处并沿着所述预先存在的通讯网络从设备传输所述无人机飞行指令。所述结构元件与预先存在的电力网相关联，例如，它们是道路网的灯柱或铁路线的架线塔，并且有利地，所述设备由与所述结构元件相关联的同一电网供电。

具体而言，所述设备连接在无线网络中，例如网状网络中，借由所述网络它们形成无人机的虚拟空中通讯网络。该虚拟空中通讯网络相当于所述设备之间的所有可能的无线电连接。无人机的飞行路径获得自从沿着所述虚拟空中通讯网络的所有可能的路径中选择的预定路径的配置。该路径由多个节点(nodes)形成，所述多个节点对应于为所述飞行路径配置的所述设备、和位于一个节点与后面的节点之间的部分。无人机从一个节点至后面的节点的飞行指令从固定至所述结构元件的所述设备发送。

在本构思的基础上，技术问题被无人机的导航系统解决，其包括：

-多个结构元件，其固定至地面上并与私人或公共电力网相关联，优选为电线杆；

-多个设备，其固定至所述电线杆上并由与所述电线杆相关联的同一电力网供电，所述设备在无线网络中连接在一起，且包括用于与无人机通讯的无线电通讯模块；

-控制器，其连接至所述无线网络并意欲对无人机在两个或更多个电线杆之间的飞行路径P编程，优选在电线杆之上的预定飞行高度，其通过将配置命令(configurationcommands)传输至固定至所述两个或更多个电线杆的设备，用于配置所述无线电通讯模块，其中，所述飞行路径中一个电线杆的无线电通讯模块被配置为朝着所述飞行路径中后面的电线杆的无线电通讯模块导引所述无人机。

在本发明的一个实施例中，所述电线杆例如是铁路网的架线塔，并且电力网从电力铁路网分出。在另一实施例中，所述电线杆是道路通讯网络的公共灯柱。

所述无线网络优选为网状网络。例如，所述无线网络是用于调节市区环境中灯柱照明的预先存在的智能电网。

所述无线电通讯模块被配置为沿着所述飞行路径P引导无人机并且形成第二无线网络。所述第二无线网络可具有不同于所述第一无线网络的特性。例如，根据本发明的一个方面，这两个网络的延时(latency)是不同的，或根据本发明的另一方面，所述第二网络可具有比所述第一无线网络的带宽更宽的带宽。

因此，所述设备设置有两个不同的无线电接口，运行在所述第一无线网络的第一接口及运行在所述第二网络的第二接口。

所述第二无线网络形成控制和监控网络，这是因为其适于将用于沿着所述飞行路径驾驶无人机的信息发送至该无人机并接收从该无人机获取的信息；该信息从所述第二无线网络传输至所述第一无线网络，并且经由第一网络至用于监控目的的各种设备。

固定至所述电线杆的所述设备中的至少一个包括无人机的降落基座，并且优选地还包括可连接至所述无人机的无线或有线型以太网接口，以从无人机传输数据或传输数据至无人机。而且，优选地，设置有降落基座的所述设备中的至少一个包括用于对无人机的电池进行再充电或更换的装置。有利地，所述装置允许无人机的自主权被延长，以便使用同一无人机覆盖许多长途飞行，而无任何人工动作。

再次根据本发明，设置有降落基座的数个设备形成第三网络，例如无线型的，其具有比所述第一无线网络的带宽更大的带宽，并且意欲用于传输数据。在这种情况下，所述设备由此设置有在所述第三无线网络上运行的第三无线接口。在实施例的另一个变型中，设置有降落基座的设备基于与上面提到的无线网络不同的技术(比如，光纤或铜缆以太网(Ethernet over copper)或PLC技术)被连接在网络中。

还设想的是，对所述设备编程以便将所述无人机引导至地面上或使其在指定的电线杆处从地面起飞。因此，优选地，通过使无人机垂直地并且平行于电线杆起飞来达到所述飞行高度，其降落至地面上也以这样的方式执行。

根据实施例的变型，降落通过用于使无人机从降落基座降落至地面的系统执行，包括用于接合无人机的装置、及用于执行从所述降落基座滑下至地面或至人类到达的预定高度的装置。有利地，所述降落系统还可以被编程和自动化，由此也简化了无人机降落操作，设想的例如用于维护目的。而且，无人机可以通过上面提到的系统从地面被升高远到所述降落基座，以便直接从基座起飞而不是从地面。

根据本发明的系统包括可选地位于电线杆之间的电缆网络，电缆意欲例如在无人机飞行期间损坏的情况下被该无人机接合，。所述电缆网络可设置有接口，用于从无人机获取和/或传输数据或获取和/或传输数据至无人机。

此外，物理安全网络(优选为弹性的)在无人机的飞行高度下面在电线杆之间延伸，并且意欲在无人机落向地面的情况下接住无人机。

根据本发明的一个方面，并且如在以下描述中更具体地指出的，在所述控制器中所述飞行路径的编程包括所述无人机在电线杆处一个或多个定时停止的配置，以避免与其他无人机碰撞。

本发明的技术问题也通过意欲由上面提到的系统进行导引的无人机和如要求保护的相应的驾驶方法得以解决。

通过参考附图仅通过实例提供的以下描述，本发明的其他特征和优点将变得清楚。

具体实施方式

参考图1，其以示意形式示出了根据本发明的导航系统，整体由附图标记1表示，包括固定至地面的多个元件，例如电线杆(poles)2-10，其由沿着道路网或铁路线的架线塔(pylons)定位的灯柱组成。

并不是要限制本发明的保护范围，图1中示出的图示具体地是涉及道路网，其包括n(三)条道路S1-S3，具有若干交叉口，例如道路S2和S3之间的交叉口。所述电线杆与电力线相关联，所述电力线意欲例如对灯柱的照明装置供电且从本身预先存在的市区电力网分出。

在图2中以较大比例示出了图1中的一些电线杆2-4、10，其也是以示意形式示出，对于每个电线杆，电气设备12-14、20固定在电线杆的顶端并且设置有用于在第一无线网络中通讯的无线电通讯接口。所有设备12-20都设置有这样的无线接口。

后者具有预定的覆盖范围，其允许设备12-20在其活动半径内与数个其他设备12-20进行通讯、并与固定至电线杆的所有设备12-20一起形成在图1中用附图标记40表示且用第一虚线标示的第一无线网络。

无线网络40形成虚拟空中通讯网络，其包括所有可能的路径，这些路径可配置为飞行路径Pi。

在这一点上，对于具体飞行路径P的配置，提供控制设备，即控制器35，所述控制器连接至无线网络并且意欲将编程命令传输至设备12-20。例如，在图1中示出的图示中，在将编程命令传输至设备12、13、14、20后控制器35已经配置了飞行路径P。

作为示例，这些命令可包括用于识别待引导的无人机的代码(code)、及对每个设备12、13、14而言识别沿着飞行路径P的无人机可被导向的后面的设备13、14、20和/或带有(along with)任何偏差间隔(deviation intervals)的飞行坐标的代码。

有利地，根据本发明的一方面，第一无线网络40可以是预先存在的市区智能电网，即，已经被实施且有效的，例如用于调节沿着道路网的灯柱的照明。

设备12、13、14、20经由第一无线网络40接收的编程命令在同一设备中进行处理，以便对用于与无人机通讯的无线电通讯模块22、23、24、30编程。

在图中，无人机由100标示，其沿着两个灯柱3、4之间的其飞行路径的一部分示出，优选位于灯柱之上的预定高度处。沿着该部分，无人机100已经从设备13接收到飞行命令并且朝向设备14被引导，在设备14处无人机100将接收飞行路径P的后面的部分4-5的飞行命令，即，从电线杆4移动至电线杆5。

优选地，飞行路径P中涉及的设备形成第二无线网络，在图2中由50表示，并且通过第二类型的虚线标示，基本上对应于在图1中已经通过P指示的飞行路径。有一些设备，例如图2中的设备12、14，被设计为允许用于各种目的的无人机的降落，比如，无人机电池的再充电或用电线杆附近可利用的电池对其更换。有利地，无人机在电线杆附近存放的放完电的电池通过与该电线杆相关联的电力网再充电，并且可用于其他无人机。

无人机降落在设置有基座的设备12、14中的一个上还被设想用于其他功能，比如将存储在无人机100上的数据传输至设备12、14，或反之亦然，从设备12、14传输数据至无人机100，或用于执行由控制器35或设备12-20编程的在电线杆2、4处无人机100的定时的停止。该些停止操作具有调节数个无人机100的交通的功能，主要为无人机提供交通灯系统。

该系统例如被安装为在无线网络中的、或在已经存在的设备12-20中其中一个的附近的专门设备(adhoc device)，该系统尤其在控制器编程的飞行路径之间可能的交叉口处是必要的。

而且，无人机降落在基座上被设想用于在无人机之间交换运输的货物，即，用于放下由第一无人机运输的货物，及用于由在第一无人机之后到达降落基座上的第二无人机获取所述货物。

在这一点上，根据本发明的导航系统还设想对依靠无人机之间的转运的货物或信息的运输进行编程。例如，参考图2，为了从飞行路径上的起始点(电线杆2)至后面的点或末端(电线杆44)进行一部分转运操作，可沿着设置有降落基座的飞行路径P从电线杆2至中间电线杆4导引第一无人机100，并对在中间电线杆4处卸货进行编程。在电线杆4处，可对第二无人机(图中未示出)进行编程以获取货物并将其运输至也设置有降落基座的下一个电线杆44，在此，进行与再一无人机的交换或货物的最后递送(如果电线杆44是沿着飞行路径P的末端电线杆)。

优选地，设置有降落基座的设备还包括无线或有线型的以太网接口，其目的在于从无人机100快速传输数据或快速传输数据至无人机100。

根据本发明的另一方面，设置有降落基座的设备形成第三网络，其由图2中的70表示，其具有比第一无线网络40和第二无线网络50更大的带宽，并且意欲传输从无人机获取的数据(移交)。

仅仅应当指出的是第三无线网络70和第二无线网络40分别在图2和1中单独显示，仅仅是为了清楚起见，但是第二和第三网络可以在导航系统1中连同网络50被同时实施和运转。

作为可选的添加物，设置电缆网络，其由图1中的60表示，如果无人机100不能到达降落基座或不能完成两个电线杆之间的空中部分，所述网络用于接收无人机100。根据本发明的一个方面，电缆网络60还可用于数据传输。

此外，保护网络(未示出)在低于无人机100的飞行高度的高度处在电线杆之间延伸，用于在无人机突然损坏、落向地面时接住无人机。有利地，保护网络可用于解决其他安全问题，例如通过为通过灯柱下方或沿着道路网行进的任何人提供保护系统，并且还防止在无人机与地面发生碰撞时的任何损坏。

Claims (14)

1.无人机(100)的导航系统(1)，其包括：

-多个设备(12-20)，其在无线网络(40)中互相连接，并且包括用于与所述无人机(100)通讯的无线电通讯模块(22-30)；

-控制器(35)，其连接至所述无线网络(40)并且意欲通过将配置命令传输至所述无线网络(40)的各自的设备(12、13、14、20)对所述无人机(100)的飞行路径(P)编程，用于配置所述无线电通讯模块(22、23、24、30)，其特征在于：

-多个电线杆(2-10)固定至地面上，并由私人或公共电力网供电；

-每个所述设备固定至所述电线杆(2-10)其中之一者，并由所述电力网供电；

-所述飞行路径(P)是两个或更多个电线杆(2、3、4、10)之间的路径，并且

-所述配置命令包括用于识别所述无人机的代码、及对每个设备(12、13、14)而言识别沿着所述飞行路径(P)的所述无人机被导向的后面的设备(13、14、20)与具有偏差间隔的飞行坐标的代码，其中，所述飞行路径(P)中电线杆(3)上的一个设备的所述无线电通讯模块(33)被配置为朝着所述飞行路径(P)中电线杆(4)上所述后面的设备的所述无线电通讯模块(34)导引所述无人机(100)。

2.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于所述电线杆(12-20)是铁路网的架线塔，并且所述电力网从所述电力铁路网分出。

3.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于所述电线杆(12-20)是道路通讯网络的公共灯柱。

4.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于所述无线网络(40)是网状网络。

5.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于被配置为沿着所述飞行路径(P)引导所述无人机(100)的所述模块(22、23、24、30)形成第二无线网络(50)，所述第二无线网络(50)具有与所述第一无线网络(40)相比不同的功能特征。

6.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于至少一个所述设备(12、14)包括用于所述无人机(100)的降落基座。

7.根据权利要求6所述的导航系统，其特征在于设置有降落基座的所述设备(12、14)中的至少一个包括无线或有线以太网接口，所述以太网接口可连接至所述无人机(100)，以便从所述无人机传输数据或传输数据至所述无人机。

8.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于设置有降落基座的所述设备(12、14)中的至少一个包括用于对所述无人机(100)的电池进行再充电或更换的装置，或用于无人机之间交换货物的区域。

9.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于设置有降落基座的多个设备(12,14)形成第三无线网络(70)，所述第三无线网络(70)具有比所述无线网络(40)的带宽更宽的带宽，并且意欲用于数据传输。

10.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于进一步包括位于所述电线杆之间的电缆网络(60)，所述电缆网络(60)的电缆意欲例如在无人机飞行期间损坏的情况下被所述无人机(100)接合。

11.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于包括物理安全网络，所述物理安全网络在所述无人机的飞行高度下方的所述电线杆之间延伸，并意欲在所述无人机落向地面的情况下接住所述无人机。

12.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于在所述控制器(35)中所述飞行路径的编程包括对所述无人机在电线杆处的一个或多个定时停止进行编程，以避免与其他无人机碰撞。

13.用于导引无人机(100)的方法，其包括以下步骤：

-在无线网络(40)中连接多个设备(12-20)；

-通过将配置命令从控制器传输至所述无线网络(40)的各自的设备对所述无人机的飞行路径P进行编程，用于配置所述设备的无线电通讯模块，其特征在于：

将所述设备固定至位于地面上的电线杆上，所述电线杆与公共或私人电力网相关联，并用与所述电线杆相关联的同一电力网对所述设备供电；

其中，所述配置命令包括用于识别所述无人机的代码、及对每个设备(12、13、14)而言识别沿着所述飞行路径(P)的所述无人机被导向的后面的设备(13、14、20)的代码，其中，所述飞行路径(P)中电线杆(3)上的一个设备的所述无线电通讯模块(33)朝着所述飞行路径(P)中电线杆(4)上所述后面的设备的所述无线电通讯模块(34)导引所述无人机(100)。

14.适于由根据权利要求1-12所述的系统驾驶的无人机(100)，其包括用于从固定至所述电线杆的所述设备的所述无线电通讯模块接收飞行命令的装置。