CN108205328B - 建立供交通工具遵循的与目标相邻的飞行图式的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及建立供交通工具遵循的与目标相邻的飞行图式的系统和方法。一种建立供飞行器遵循的与目标相邻的飞行图式的示例方法包括确定到目标的驶离距离。驶离距离指示在沿飞行图式的一点处距目标的距离。示例方法还包括基于驶离距离生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式。

Description

建立供交通工具遵循的与目标相邻的飞行图式的系统和方法
技术领域
本公开总体涉及用于建立供交通工具遵循的与目标相邻的飞行图式(flightpattern)的系统和方法，并且更具体地涉及用于确定(例如)飞行器的驶离(stand-off)飞行图式的方法。
背景技术
用于飞行器(AV)的制导、导航与控制(GNC)系统包括AV上的航空电子设备和相关联的地面支持系统。AV的制导通常通过适应AV的有效载荷的因素和收集AV的任务的任何信息进行控制。对于一些任务，使AV保持驶离图式或与目标有关的其他图式会是有用的。这可能是为了适应有效载荷图像质量，诸如使AV上的摄像机能够从期望的视角获得高质量图像。
制导和导航算法中的不确定性和潜在故障会引起保持AV在图式中的定位的问题。此外，确定目标的位置和速度(或者相对于AV的相对位置和速度)的方法是基于AV定位信息，并且因此可需要精确的位置信息。
需要目标的位置和速度的实时数据以及准确知晓AV的位置和速度来确定供AV遵循的图式，使得目标保持在AV的恒定视阈中。用于固定翼飞行器或者无法进行或对盘旋或位置保持不起作用的任何飞行器的现有驶离图式通常由于预设参数而难以适应变化的条件，并且难以改变目标暴露于有效载荷覆盖范围的量。需要的是供AV遵循的与目标有关的可预测并且一致的图式确定方法，当目标的位置更新时，该图式确定方法也能够更新。
发明内容
在一个示例中，描述了建立供飞行器遵循的与目标相邻的飞行图式的方法。该方法包括确定到目标的驶离距离，并且驶离距离指示在沿飞行图式的一点处距目标的距离。该方法还包括基于驶离距离生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式。
在另一示例中，描述了具有指令存储于其中的非暂时性计算机可读存储介质，该指令在由具有一个或多个处理器的系统执行时，引起系统执行建立供飞行器遵循的与目标相邻的飞行图式的功能。该功能包括确定到目标的驶离距离，并且驶离距离指示在沿飞行图式的一点处距目标的距离。该功能还包括基于驶离距离生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式。
在又一示例中，描述了计算装置。计算装置包括用于接收到目标的驶离距离的通信接口，并且驶离距离指示在沿飞行图式的一点处距目标的距离，其中飞行图式与目标相邻并且供飞行器遵循。计算装置还包括一个或多个处理器，该一个或多个处理器用于执行存储在数据存储装置上的指令，以基于驶离距离生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式。
已经论述的特征、功能和优点能够在各种实施例中独立地实现或者可结合在其他实施例中，其进一步的细节能够参考以下描述和附图看出。
附图说明
被认为是说明性实施例的特性的新颖特征在所附权利要求中阐述。然而，在结合附图阅读时，通过参考本公开的说明性实施例的以下详细描述将最好地理解说明性实施例以及它们的优选使用模式、进一步的目的和描述，其中：
图1是根据示例实施例的系统的框图。
图2示出根据示例实施例的包括多个交通工具的示例系统。
图3示出根据示例实施例的沿x-y坐标系的供(一个或多个)交通工具遵循的示例飞行图式。
图4示出根据示例实施例的飞行图式的示例确定。
图5示出根据示例实施例的朝向并且沿飞行图式的用于(一个或多个)交通工具的示例进场路径。
图6示出根据示例实施例的朝向并且沿具有禁飞区的飞行图式的用于(一个或多个)交通工具的示例进场路径。
图7示出根据示例实施例的朝向并且沿具有禁飞区的飞行图式的用于(一个或多个)交通工具的另一示例进场路径。
图8是根据示例实施例的用于飞行图式的示例GNC序列的示例流程图。
图9是根据示例实施例的用于与飞行图式相关联的动力特性和有效载荷限制的示例流程图。
图10是根据示例实施例的用于飞行图式的优化的示例流程图。
图11示出根据示例实施例的建立供(一个或多个)飞行器遵循的与目标相邻的飞行图式的示例方法的流程图。
图12示出根据示例实施例的与图11所示的方法一起使用的示例方法的流程图。
图13示出根据示例实施例的与图11所示的方法一起使用的另一示例方法的流程图。
图14示出根据示例实施例的与图11所示的方法一起使用的另一示例方法的流程图。
图15示出根据示例实施例的与图11所示的方法一起使用的另一示例方法的流程图。
图16示出根据示例实施例的与图11所示的方法一起使用的另一示例方法的流程图。
图17示出根据示例实施例的与图11所示的示例方法一起使用的另一示例方法的流程图。
图18示出根据示例实施例的与图11所示的方法一起使用的另一示例方法的流程图。
图19示出根据示例实施例的与图11所示的方法一起使用的另一示例方法的流程图。
图20示出根据示例实施例的与图11所示的方法一起使用的另一示例方法的流程图。
图21示出根据示例实施例的与图11所示的方法一起使用的另一示例方法的流程图。
图22示出根据示例实施例的与图11所示的方法一起使用的另一示例方法的流程图。
图23示出根据示例实施例的与图11所示的方法一起使用的另一示例方法的流程图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述所公开的实施例，在附图中示出所公开的实施例的部分而非全部。实际上，可以描述若干不同的实施例，并且不应被解释为受限于在本文阐述的实施例。更确切地说，描述这些实施例，使得本公开将彻底而全面并且将向本领域的技术人员完全传达本公开的范围。
对目标或目标位置的信息收集或对陆标的观察(即，收集导航信息，诸如交通工具相对于陆标的位置)能够通过交通工具在目标或陆标近端执行观察操纵来执行。目标曝光和图像质量能够影响信息的质量。因此，期望制导交通工具适应有效载荷和信息收集任务。对于一些任务，使交通工具保持驶离图式是有用的。这可能是为了例如适应有效载荷图像质量。驶离意味着交通工具没有飞越或环绕目标或陆标。示例包括保持目标的顺风(down-wind)，以减少交通工具噪声特征或实现生物感测、保持目标的逆太阳(up-sun)以用于更好的图像曝光，以及在多尘或多雾环境中保持目标的逆风(up-wind)。
在下面描述的示例中，许多飞行图式被描述用于基于不同的考虑因素在目标附近机动飞行(maneuver)。
现在参考图1，根据示例实施例示出系统100的框图。系统100包括与计算装置104通信的一个或多个交通工具102。
(一个或多个)交通工具102可包括自主交通工具并且可采取许多不同类型的交通工具的形式，许多不同类型的交通工具包括飞行器(其包括有翼飞行器、无人驾驶飞行器(UAV)、无人机、旋翼机装置、多轴直升机(multicopter))、自主驱动交通工具、陆地交通工具、水上交通工具、潜水交通工具，以及其他可能的交通工具。
(一个或多个)交通工具包括通信接口106，通信接口106可以是无线接口和/或允许与一个或多个网络或与一个或多个远程装置(诸如，与计算装置104)的短距离通信和长距离通信两者的一个或多个有线接口。此类无线接口可在一个或多个无线通信协议(诸如，蓝牙、WiFi(例如，电气和电子工程师协会(IEEE)802.11协议)、长期演进(LTE)、蜂窝通信、WiMAX(例如，IEEE 802.16标准)、无线射频识别(RFID)协议、近场通信(NFC)，和/或其他无线通信协议)下提供通信。此类有线接口可包括以太网接口、通用串行总线(USB)接口或类似接口以经由导线、双绞线、同轴电缆、光学链路、光纤链路或与有线网络的其他物理连接通信。
(一个或多个)交通工具102还包括传感器108，传感器108能够包括任何数量或类型的传感器，包括摄像机110、麦克风112、生物传感器114、雷达(RADAR)116以及辐射传感器118。传感器108允许(一个或多个)交通工具102感测环境中的物体。作为一个示例，麦克风112包括听觉传感器以识别环境中的听觉特征或听觉水平。作为另一示例，RADAR 116能够确定到物体的距离，或者感测物体的存在，和/或确定到物体的距离。RADAR 116还能够包括光探测和测距(LIDAR)系统、激光探测与测距(LADAR)系统、和/或红外或前视红外(FLIR)系统以及其他可能的系统。辐射传感器118例如能够检测或识别大气或环境中的辐射水平。
摄像机110能够包括从环境中捕获图像数据的成像系统，诸如摄像机。作为具体示例，能够使用电荷耦合装置(CCD)摄像机或互补型金属氧化物半导体(CMOS)摄像机，以及其他可能的摄像机。因此，摄像机110能够包括视觉摄像机。摄像机110还能够包括夜视摄像机和/或前视红外雷达装置或红外摄像机。鉴于有助于导航的当前估计位置，摄像机110可捕获环境的影像并且将该影像与所期望的进行比较。
麦克风112可被配置成从环境中捕获声音。
生物传感器114(或生物学传感器)包括换能器和生物元素(生物元素可以是与正被测试的分析物相互作用的酶、抗体、或核酸)，并且生物反应通过换能器转换为电信号。生物传感器114可检测例如环境中的某些化学品。生物传感器114也可采取温度传感器的形式。
(一个或多个)交通工具102被示为包括另外的部件，包括惯性测量单元(IMU)120，该惯性测量单元能够包括可一起用于确定(一个或多个)交通工具102的取向的加速度计和陀螺仪两者。具体地，加速度计能够测量(一个或多个)交通工具102相对于地面的取向，而陀螺仪测量围绕轴线的旋转速率。IMU 120可采取小型化微机电系统(MEM)或纳米机电系统(NEMS)的形式或者包括小型化微机电系统(MEM)或纳米机电系统(NEMS)。还可利用其他类型的IMU。除加速度计和陀螺仪外，IMU 120还可包括可有助于更好地确定(一个或多个)交通工具102的位置和/或有助于增加该交通工具的自主性的其他传感器。此类传感器的两个示例是可用于确定(一个或多个)交通工具102的姿态和海拔的磁力仪和压力传感器(或气压计)。
(一个或多个)交通工具102还可包括全球定位系统(GPS)接收器122，其被配置成提供公知GPS系统特有的数据，诸如(一个或多个)交通工具102的GPS坐标。此类GPS数据可由(一个或多个)交通工具102用于各种功能，诸如导航到目标位置。
(一个或多个)交通工具102还可包括交通工具控制系统124，其包括发动机/电动机126和能源128。取决于(一个或多个)交通工具102的形式，能够使用各种发动机和能源。示例能源128能够包括用于向(一个或多个)交通工具102提供动力的燃料或电池。发动机/电动机126可以是燃烧发动机或电动机器，这里举几个示例。
(一个或多个)交通工具102的各种部件可被称为向(一个或多个)交通工具102提供执行某些任务的能力的交通工具102的资产，其中除其他可能性之外，所述交通工具的各种部件包括通信接口106、(一个或多个)传感器108、IMU 120、GPS接收器122、交通工具控制系统124。取决于交通工具的配置和用途，各种交通工具能够具有不同的资产组合。
计算装置104具有(一个或多个)处理器130，并且还具有均连接到通信总线140的通信接口132、数据存储装置134、输出接口136和显示器138。计算装置104还可包括使得能够在计算装置104内通信并且能够在计算装置104和其他装置(未示出)之间通信的硬件。硬件例如可包括发射器、接收器、和天线。
通信接口132可以是无线接口和/或允许与一个或多个网络或与一个或多个远程装置短距离通信和长距离通信的一个或多个有线接口。此类无线接口可在一个或多个无线通信协议(诸如，甚高频(VHF)数据链路(VDL)、VDL模式2、VHF电台上的飞行器通信寻址与报告系统(ACARS)数字通信和卫星通信(SATCOM)、蓝牙、WiFi(例如，电气和电子工程师协会(IEEE)802.11协议)、长期演进(LTE)、蜂窝通信、近场通信(NFC)、和/或其他无线通信协议)下提供通信。此类有线接口可包括行器数据总线，诸如基于航空无线电公司(ARINC)429、629或664的接口，以太网接口，通用串行总线(USB)接口或类似接口，以经由导线、双绞线、同轴电缆、光学链路、光纤链路或与有线网络的其他物理连接进行通信。因此，通信接口132可被配置成从一个或多个装置接收输入数据，并且还可被配置成向其他装置发送输出数据。
通信接口132还可包括用户输入装置，例如键盘或鼠标。在一些示例中，通信接口132接收由用户输入的信息，诸如供(一个或多个)交通工具102遵循的相对于目标的驶离距离。
数据存储装置134可包括能够被(一个或多个)处理器130读取或访问的一个或多个计算机可读存储介质，或者采取一个或多个计算机可读存储介质的形式。计算机可读存储介质能够包括能够与(一个或多个)处理器130全部或部分地集成的易失性和/或非易失性存储部件，诸如光学存储器、磁存储器、有机存储器或其他存储器或磁盘存储装置。数据存储装置134被认为是非暂时性计算机可读介质。在一些实施例中，数据存储装置134能够使用单个物理装置(例如，一个光学存储器、磁存储器、有机存储器或其他存储器或磁盘存储单元)实施，而在其他实施例中，数据存储装置134能够使用两个或更多个物理装置实施。
因此数据存储装置134是非暂时性计算机可读存储介质，并且可执行指令142存储于其上。指令142包括计算机可执行代码。当指令142由(一个或多个)处理器130执行时，引起(一个或多个)处理器130执行功能。此类功能包括建立供飞行器遵循的与目标相邻的飞行图式。此外，此类功能还可包括确定到目标的驶离距离和基于驶离距离生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式，其中所述驶离距离指示在沿飞行图式的一点处距目标的距离。下面描述示例功能的细节。
(一个或多个)处理器130可以是通用处理器或专用处理器(例如，数字信号处理器、专用集成电路等)。(一个或多个)处理器130可从通信接口132接收输入，并且处理输入以生成存储在数据存储装置134中并且输出到显示器138的输出。(一个或多个)处理器130能够被配置成执行可执行指令142(例如，计算机可读程序指令)，可执行指令142存储在数据存储装置134中并且可执行以提供本文所述的计算装置104的功能。
输出接口136向显示器138输出信息或者也向其他部件输出信息。因此，输出接口136可类似于通信接口132，并且也可以是无线接口(例如，发射器)或有线接口。输出接口136可以向(一个或多个)交通工具102发送指令，所述指令指示飞行所生成的飞行图式，以便遵循使得能够例如从(一个或多个)交通工具102上的机头安装传感器连续覆盖目标的路径。
计算装置104可被包括在多个不同的交通工具内，所述多个不同的交通工具包括例如飞行器、汽车或轮船。替代地，计算装置104可被包括在与不同的交通工具通信并且控制不同的交通工具的地面站中。
图2示出包括(一个或多个)交通工具102a-c的示例系统150，该(一个或多个)交通工具均可包括(一个或多个)传感器108a-c。取决于应用或任务，(一个或多个)交通工具102a-c可包括不同的传感器或相同的传感器。系统150进一步包括控制中心152。(一个或多个)交通工具102a-c具有使得(一个或多个)交通工具102a-c能够与控制中心152无线地通信的通信接口106。控制中心152能够根据需要通知(一个或多个)交通工具102a-c执行任务。
示例任务包括(一个或多个)交通工具102a-c在驶离图式内机动飞行以执行目标的驶离观察。例如，(一个或多个)交通工具102a-c可包括摄像机并且在(一个或多个)交通工具102a-c无法盘旋的情况下能够沿围绕目标位置的轨道飞行。在约3000英尺的海拔处，示例图式可包括3000英尺的半径。然而，在某些情况中，可期望(一个或多个)交通工具102a-c不围绕目标位置的轨道飞行，但是在飞行图式期间仍想一直看到目标位置或目标。
没有绕目标位置的轨道飞行但是在飞行图式期间允许一直看到目标位置或目标的示例飞行图式包括8字形图式，其中(一个或多个)交通工具102a-c始终朝目标转动。
图3示出根据示例实施例的沿x-y坐标系的供(一个或多个)交通工具102遵循的示例飞行图式。在图3中，示出目标60(或目标位置)，并且能够在目标160的一侧实施8字形图式162，使得(一个或多个)交通工具不绕目标169的轨道运行。为了生成8字形图式162，选择在矩形中的四个航路点，并且(一个或多个)交通工具102点到点地飞行。使用8字形图式162能够提供优点，或者可提供从点到点的不期望的转变，其中需要(一个或多个)交通工具102进行急转弯。
8字形图式162可被称为双纽线图式。
图3还示出示例飞行图式，该飞行图式以定制方式修改8字形图式162的形状，从而导致双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式164。如图3所示，双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式164与展平的8字形图式相似。
双纽线是类似于无穷大符号的8字形图式。具体地，伯努利双纽线是类似于无穷大符号的展平的8字形图式。
蚌线是衍生自现有的曲线C、线L和点O的一对数学曲线，如下所述。假设O是固定点，并且假设线L是通过O并在点Q处与曲线C相交的线。曲线C相对于点O的蚌线是线L上的点P1和点P2的轨迹，使得
P1Q＝P2Q＝k 方程(1)
其中k是常数。这种变换能够被如下使用：点O是目标160，线L是从(一个或多个)交通工具102到目标160的视线，曲线C是双纽线，并且蚌线式变换是飞行图式164。
线L能够通过以下方式进行描述：
y-y0＝m(x-x0) 方程(2)
其中m是线的斜率。
然后，用于蚌线式变换的参数表达式通过以下方式给出：
x＝f(s) 方程(3)
y＝g(s) 方程(4)
Figure BDA0001465313860000091
Figure BDA0001465313860000092
Figure BDA0001465313860000093
伯努利双纽线能够根据独立参数“s”表示如下：
Figure BDA0001465313860000094
Figure BDA0001465313860000095
其中s∈[0,2π)并且a是大小常数。
8字形图式162的另一示例是Gerono双纽线(Lemniscate of Gerono)，其是较不平的更传统的8字形图式，对于飞行器来说，该双纽线转变成更温和的航线逆转(coursereversal)，并且Gerono双纽线的公式比伯努利双纽线更简单。然而，距目标的距离的更大变化可以是不期望的。Gerono双纽线被参数式地用公式表示如下：
f(s)＝a cos s 方程(10)
g(s)＝a sin s cos s 方程(11)
飞行图式164可以例如遵循伯努利双纽线或Gerono双纽线。8字形的蚌线式变换导致能够覆盖目标曝光的广角(例如，180°)的平滑图式。飞行图式164的图式能够被参数式地限定，如上所示，这对于制导和导航公式具有优点。参数公式能够用目标的广角驶离覆盖范围适应系统操作者。用于飞行图式164的平滑的非启发式公式能够用几个参数来成形，这允许(一个或多个)交通工具102遵循适应从机头安装传感器连续覆盖目标160的路径。
双纽线图式和蚌线式变换的组合导致如下用于飞行图式164的参数表达式。在两个蚌线曲线中，飞行图式会受限于“较远的”蚌线曲线。因此，答案会局限于正函数。常数a和k是从期望的几何结构中先验已知的。使用伯努利双纽线，飞行图式164的坐标定义如下：
Figure BDA0001465313860000096
Figure BDA0001465313860000101
其中
Figure BDA0001465313860000102
上述方程(12)-(14)确定解析封闭形式解中的飞行图式164的坐标，这导致避免ad-hoc结构的直接且易于验证的软件代码。
图4示出根据示例实施例的飞行图式164的示例确定。首先，选择目标160或目标位置。随后，选择飞行图式164相对于目标160的取向166。取向166指示(一个或多个)交通工具102将在哪侧上机动飞行(例如，逆太阳、顺风等)。然后，选择距目标160的正常驶离距离(d0)168。最后，选择期望的覆盖范围170。示例覆盖范围包括例如大于0°到180°。取向166、正常驶离距离168和覆盖范围170与用于距离的解析公式的设计常数k、双纽线凸角(lobe)的大小a以及双纽线和目标的相对位置{x0,y0}有关。上述公式定位在目标160处，相对于目标160定向，并且基于(一个或多个)交通工具102和有效载荷能力进行缩放。
因此，在示例中，能够基于在目标160周围的覆盖范围170的角度确定飞行图式164，这可包括确定双纽线的凸角的大小。
作为一个示例，图4的布局能够在地面控制站中的图形化任务管理系统中通过操作者选择或输入目标160、选择或输入驶离航路点172、以及选择期望的覆盖范围170来实施。对于上述示例，为了设定驶离图式的大小，在示例中参数a和k能够如下关联。例如，选择正常驶离距离d0＝1000，并且然后计算
Figure BDA0001465313860000103
并且将双纽线置于{x0,y0}＝{0,a}。从目标160到驶离航路点172的方位对完整的场景进行取向。
例如，算法实施方式可包括操作者将相对于目标的驶离航路点{xw,yw}指定在{xt,yt}，并且正常驶离距离被计算为：
Figure BDA0001465313860000104
距目标的方位被计算为：
Xt＝arctan2{(yw-yt),(xw-xt)} 方程(16)
其中arctan2指四象限反正切函数。
驶离大小参数被计算为：
Figure BDA0001465313860000105
Figure BDA0001465313860000111
然后，双纽线定位在{x0,y0}，目标位于{0,-a}p。
使用目标位置，双纽线的布置在导航坐标系(例如，局部北东地坐标系(NED坐标系))中被计算为：
Figure BDA0001465313860000112
其中
Figure BDA0001465313860000113
最后，驶离场景能够从目标旋转到期望的方位。例如，如果使用局部NED导航公式，图式能够被形成为：
Figure BDA0001465313860000114
因此，在示例中，能够基于飞行图式164相对于目标160的取向166、基于覆盖范围170的角度或者还基于取向166和覆盖范围170的组合来确定飞行图式164。
图5示出根据示例实施例的沿飞行图式164的用于(一个或多个)交通工具102的示例进场路径。在图5中，(一个或多个)交通工具102从北接近驶离航路点，并且转换到在距驶离航路点172的某一距离内追踪的飞行路径。图5示出两个替代的进场路径174和176。进场路径174示出(一个或多个)交通工具102从西北接近并且通过首先横越凸角170，并且然后横越凸角180沿箭头所示的飞行图式164行进。进场路径176示出(一个或多个)交通工具102从东北接近，并且通过首先横越凸角180并且然后横越凸角178沿箭头所示的飞行图式164行进。
图6示出根据示例实施例的沿具有禁飞区的飞行图式164的用于(一个或多个)交通工具102的示例进场路径。如图6所示，接近目标160的区域能够被指定为禁飞区182，并且双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式164还能够基于避免进入所指定的禁飞区182。
图7示出根据示例实施例的沿具有禁飞区的飞行图式164的用于(一个或多个)交通工具102的另一示例进场路径。如图7所示，接近目标160的另一区域能够被指定为不同的禁飞区184，并且双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式164还能够基于避免进入所指定的禁飞区184。
制导逻辑能够用于提供从(一个或多个)交通工具102的当前位置到目标160目的地的路径，并且返回到恢复位置。飞行图式164因此能够与基于制导的路径遵循逻辑结合，以为(一个或多个)交通工具102导航。能够使用比例导航反馈。如果路径参数“s”由沿路径的(一个或多个)交通工具102的位置的反馈驱动，则沿飞行图式164的(一个或多个)交通工具姿势(即，位置和取向)能够保持如下。
给定能够根据独立参数s被参数化的期望图式，路径然后由坐标{xp(s),yp(s)}给出。图式能够用于(一个或多个)交通工具102的制导，例如通过考虑沿具有由参数s给出的位置的期望路径行进的坐标系Fs。坐标系的速度和方向与参数s关联如下。
Figure BDA0001465313860000121
和
Figure BDA0001465313860000122
坐标系Fs被限定为具有沿速度
Figure BDA0001465313860000123
定向的xs轴线、向下的zs轴线和在右手取向的ys轴线。因此，坐标系Fs在水平面上通过以下方式隐含地限定：
Figure BDA0001465313860000124
沿路径的前进通过以下给出：
Figure BDA0001465313860000125
沿期望路径的Fs的位置由参数s指示，即由对方程(25)的积分指示。数值积分能够例如用以下实现：
Figure BDA0001465313860000126
其中Δt是足够小的积分时间步骤，并且其中是s0是图式中的期望起始点。假设{xs,ys}表示(一个或多个)交通工具102在Fs中的位置。给定s，按照如下来计算集合{xs,ys,Xs}。假设到目标的距离被定义为：
Figure BDA0001465313860000127
f；g；r相对于参数s的导数为
Figure BDA0001465313860000128
Figure BDA0001465313860000129
Figure BDA00014653138600001210
驶离图式的位置坐标的导数为：
Figure BDA0001465313860000131
Figure BDA0001465313860000132
曲线上的期望航线然后从以下获得：
Xs＝arctan2(yp′,x′p) 方程(33)
其中arctan2指示四象限反正切解。
通过上述构造，如果坐标系Fs由参数s定位，则(一个或多个)交通工具102在坐标系中被定位为：
Figure BDA0001465313860000133
在制导构造中使用的投射的一个示例是将Fs定义为Serret-Frenet坐标系。(一个或多个)交通工具102在Serret-Frenet坐标系位于xs＝0(根据定义)并且
Figure BDA0001465313860000134
图8是根据示例实施例的用于飞行图式164的示例GNC序列200的示例流程图。首先，在方框202处，例如使用方程(12)-(14)执行图式公式。随后，如方框204所示，执行用于(一个或多个)交通工具102的横向轨迹误差和期望航线的测量。横向轨迹误差是指(一个或多个)交通工具102偏离飞行图式164，并且期望的航线是如何将(一个或多个)交通工具102引导回到飞行图式164的中心线。示例航线测量能够使用方程(33)确定，并且示例横向轨迹误差测量能够使用方程(34)确定。
然后，如方框206所示，执行横向轨迹到倾斜角逻辑以确定(一个或多个)交通工具102的倾斜以例如遵守期望的航线。在方框208处，执行飞行器内环路动力特性以沿期望的航线引导(一个或多个)交通工具102。方框206和208的功能例如可由(一个或多个)交通工具102执行。
然后，在反馈环路中考虑(一个或多个)交通工具102的运动特性。运动特性是指(一个或多个)交通工具102在飞行期间能够做什么的限制。一些飞行器可能无法遵循某些图式。驶离图式的参数公式能够用于先验地预测飞行器和有效载荷性能，并且适应性修改驶离图式以优化有效载荷视角。例如，通过将驶离图式公式与能够协调转弯并用风力效果表示的交通工具的运动模型结合：
Figure BDA0001465313860000141
Figure BDA0001465313860000142
Figure BDA0001465313860000143
Figure BDA0001465313860000144
Figure BDA0001465313860000145
其中{xN,yE}是交通工具位置，{wN,wE}是朝北和朝东的风速，Va是相对于气团的速度，Vg是在地面上的速度，X是航线，ψ是交通工具飞行方向，并且其中控制输入u基于所命令的倾斜角为u＝tanφ，其中倾斜角受限于|φ|≤φmax。方程(36)-(40)能够用于确定(一个或多个)交通工具102的运动特性，并且GNC序列200能够被执行以对能够应用于此类优化的预测器提供迭代信号流。有效载荷性能能够通过使(一个或多个)交通工具102的运动特性与(一个或多个)交通工具102上的具体装备的万向几何结构和运动特性相关进行评估。
图9是根据预测(一个或多个)有效载荷传感器108的性能的示例实施例的用于与飞行图式164相关联的动力特性的示例流程图220。首先，在方框222处，考虑风、太阳和噪声输入。例如，如果有风，则(一个或多个)交通工具102可能需要补偿以迎风飞行以便遵循飞行图式164。作为另一示例，基于太阳的定位或当日时间，(一个或多个)交通工具102和/或飞行图式164能够适当地定位，使得摄像机不直视太阳。因此，飞行图式164相对于目标160的取向能够考虑以下因素：确定飞行图式164相对于目标160的逆太阳位置，确定飞行图式164相对于目标160的逆风位置，或者确定飞行图式164相对于目标160的顺风位置。
如方框224所示，输入(一个或多个)交通工具102的空速，并且然后如方框226，例如形成飞行图式164。在方框228处，考虑(一个或多个)交通工具102的最大角度、取向和位置，并且在方框230处，考虑最大速率和最大惯性速度。在方框232处，还考虑有效载荷性能。这些动力特性使得能够先验地确定(一个或多个)交通工具102是否能够执行期望的飞行图式164。因此，在沿所生成的飞行图式164飞行时，预测沿所生成的飞行图式164的(一个或多个)交通工具的性能能够考虑(一个或多个)交通工具的运动模型、以及风况、太阳相对于(一个或多个)交通工具的位置、以及(一个或多个)交通工具102的噪声输出中的一个或多个。
图10是根据调整飞行图式164以提高(一个或多个)有效载荷传感器108的性能的示例实施例的、用于飞行图式164的优化的示例流程图240。首先，在方框242处，考虑风、太阳和噪声模式，并且在方框244处，确定用于飞行图式164的参数值。在方框246处，确定驶离图式的取向和位置，并且如方框248和250所示能够预测(一个或多个)交通工具102的性能以及(一个或多个)有效载荷传感器108的性能，并且其结果然后能够用于进一步修改飞行图式164以提高所预测的(一个或多个)交通工具102和(一个或多个)有效载荷传感器108的性能。
图11示出根据示例实施例的建立供(一个或多个)飞行器102遵循的与目标160相邻的飞行图式164的示例方法300的流程图。图11所示的方法300提出例如能够与图1所示的系统100、图1所示的计算装置104和/或图2所示的控制中心152一起使用的方法的实施例。进一步地，装置或系统可用于或可被配置成执行图11中提出的逻辑功能。在某些情况下，装置和/或系统的部件可被配置成执行功能，使得部件被实际配置并且构造(用硬件和/或软件)成启用此类性能。在其他示例中，诸如在以特定方式操作时，装置和/或系统的部件可被布置成适于、能够或适合执行功能。方法300可包括如方框302至304中的一个或多个所示的一个或多个操作、功能或动作。虽然方框按连续的顺序示出，但是这些方框还可并行执行和/或按与本文所述的那些顺序不同的顺序执行。此外，各种方框可结合为更少的方框、分为另外的方框和/或基于期望的实施方式被去除。
应当理解，对于本文所述的该过程和方法以及其他过程和方法，流程图示出本实施例的一个可能实施方式的功能和操作。就这一点而言，每个方框可表示程序代码的模块、区段或部分，所述程序代码包括由处理器可执行的用于在过程中实施特定的逻辑功能或步骤的一个或多个指令。程序代码可存储在任何类型的计算机可读介质或数据存储装置上，例如包括磁盘或硬盘驱动器的存储装置。进一步地，程序代码能够以机器可读的格式被编码在计算机可读存储介质上，或者被编码在其他非暂时性介质或制品上。计算机可读介质可包括非暂时性计算机可读介质或存储器，例如在短时间内存储数据的计算机可读媒介，如同寄存器存储器、处理器高速缓存和随机存取存储器(RAM)。计算机可读介质还可包括非暂时性介质，诸如次级存储器或永久性长期存储器，如同只读存储器(ROM)、光盘或磁盘、光盘只读存储器(CD-ROM)。计算机可读介质还可以是任何其他易失性或非易失性存储系统。计算机可读介质例如可被认为是有形的计算机可读存储介质。
此外并且在本文所公开的其他过程和方法中，图11中的每个方框可表示连线以在过程中执行特定的逻辑功能的电路。替代的实施方式被包括在本公开的示例实施例的范围内，其中如本领域技术人员所理解的那样，可按照不同于所示或所论述的顺序来执行功能，包括基本上同时地执行或以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。
在方框302处，方法300包括确定到目标160的驶离距离168，并且驶离距离168指示在沿飞行图式164的一点处距目标160的距离。
在方框304处，方法300包括基于驶离距离生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式164。如所述，双纽线可包括伯努利双纽线或Gerono双纽线。在示例中，生成飞行图式164以与展平的8字形图式相似。
图12示出根据示例实施例的与方法300一起使用的示例方法的流程图。在方框306处，功能包括确定在目标160周围的飞行图式164的覆盖范围170的角度。在方框308处，功能包括还基于覆盖范围170的角度生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式164。确定覆盖范围170的角度能够包括例如确定双纽线的凸角的大小。
图13示出根据示例实施例的与方法300一起使用的另一示例方法的流程图。在方框310处，功能包括确定飞行图式164相对于目标160的取向166。在方框312处，功能包括基于取向166生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式164。
图14示出根据示例实施例的与方法300一起使用的另一示例方法的流程图。在方框314处，功能包括确定飞行图式164相对于目标160的逆太阳位置。
图15示出根据示例实施例的与方法300一起使用的另一示例方法的流程图。在方框316处，功能包括确定飞行图式164相对于目标160的逆风位置。
图16示出根据示例实施例的与方法300一起使用的另一示例方法的流程图。在方框318处，功能包括确定飞行图式164相对于目标160的顺风位置。
图17示出根据示例实施例的与方法300一起使用的另一示例方法的流程图。在方框320处，功能包括将接近目标的区域指定为禁飞区182/184。在方框322处，功能包括还基于避免进入所指定的禁飞区182/184而生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式164。
图18示出根据示例实施例的与方法300一起使用的另一示例方法的流程图。在方框324处，功能包括通过计算装置104向(一个或多个)交通工具发送指令，所述指令指示飞行所生成的飞行图式164以便遵循能够从(一个或多个)交通工具102上的机头安装传感器连续覆盖目标160的路径。
图19示出根据示例实施例的与方法300一起使用的另一示例方法的流程图。在方框326处，功能包括在输入接口132处接收对驶离距离168的改变。在方框328处，功能包括基于对驶离距离168的改变实时地修改所生成的飞行图式164。实时处理意味着(一个或多个)处理器130在飞行期间执行动作。实时处理可不断地处理数据以确定(一个或多个)交通工具102是否遵循飞行图式164以便进行调整。换句话说，实时方面包括在接收对驶离距离168的改变时立刻决定基本上立即修改飞行图式164。术语“基本上”是指所叙述的特性、参数或值不需要被精确地实现，但是包括例如公差、测量误差、测量精度限制或本领域技术人员所知的其他因素的偏差或变化可以不排除特征意图提供的影响的量发生。
图20示出根据示例实施例的与方法300一起使用的另一示例方法的流程图。在方框330处，功能包括基于(一个或多个)交通工具的运动模型和风况预测沿所生成的飞行图式164的(一个或多个)交通工具102的性能。在方框332处，功能包括基于所预测的(一个或多个)交通工具102的性能修改所生成的飞行图式164。
图21示出根据示例实施例的与方法300一起使用的另一示例方法的流程图。在方框334处，功能包括在沿所生成的飞行图式164飞行时预测(一个或多个)交通工具102的噪声输出。在方框336处，功能包括基于所预测的(一个或多个)交通工具102的噪声输出修改所生成的飞行图式164。
图22示出根据示例实施例的与方法300一起使用的另一示例方法的流程图。在方框338处，功能包括基于(一个或多个)交通工具102的运动模型预测沿所生成的飞行图式164的(一个或多个)交通工具102的性能。在方框340处，功能包括基于所预测的(一个或多个)交通工具102的性能修改所生成的飞行图式164，以优化(一个或多个)交通工具102的有效载荷的性能。
图23示出根据示例实施例的与方法300一起使用的另一示例方法的流程图。在方框342处，功能包括基于驶离距离168相对于目标169实际上定位双纽线。在方框334处，功能包括蚌线式地变换双纽线。
本文所述的示例提供能够由操作者成形并且适应安装在机头上的有效载荷的可预测驶离观察能力。这种能力能够整合在现有的算法内并且减少编码中的启发性需要，从而减少软件误差的可能性并且减少对软件质量控制所需的工作。在示例中，飞行图式164能够基于所预测的声音模式成形，被成形为保证用于(一个或多个)交通工具102的逆太阳的位置(例如，避免太阳光反射)，并且被成形用于连续覆盖。关于该飞行图式164生成的另一示例益处是将该解析表达式与运动模型结合以预测(一个或多个)交通工具102是否能够执行环境条件中所要求的。
进一步地，本公开包括根据以下条款的实施例：
条款1.一种建立供飞行器遵循的与目标相邻的飞行图式的方法，其包括：
确定到目标的驶离距离，其中驶离距离指示在沿飞行图式的一点处距目标的距离；以及
基于驶离距离生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式。
条款2.根据条款1所述的方法，其中双纽线包括伯努利双纽线或Gerono双纽线。
条款3.根据条款1所述的方法，其中基于驶离距离生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式包括：
生成飞行图式以与展平的8字形图式相似。
条款4.根据条款1所述的方法，进一步包括：
确定在目标周围的飞行图式的覆盖范围的角度；以及
还基于覆盖范围的角度生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式。
条款5.根据条款4所述的方法，其中还基于覆盖范围的角度生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式包括：
确定双纽线的凸角的大小。
条款6.根据条款1所述的方法，进一步包括：
确定飞行图式相对于目标的取向；以及
还基于取向生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式。
条款7.根据条款6所述的方法，其中确定飞行图式相对于目标的取向包括：
确定飞行图式相对于目标的逆太阳位置。
条款8.根据条款6所述的方法，其中确定飞行图式相对于目标的取向包括：
确定飞行图式相对于目标的逆风位置。
条款9.根据条款6所述的方法，其中确定飞行图式相对于目标的取向包括：
确定飞行图式相对于目标的顺风位置。
条款10.根据条款1所述的方法，进一步包括：
将接近目标的区域指定为禁飞区；以及
还基于避免进入所指定的禁飞区来生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式。
条款11.根据条款1所述的方法，进一步包括：
通过计算装置向飞行器发送指令，所述指令指示飞行所生成的飞行图式以便遵循能够从飞行器上的机头安装传感器连续覆盖目标的路径。
条款12.根据条款1所述的方法，进一步包括：
在输入接口处接收对驶离距离的改变；以及
基于对驶离距离的改变实时地修改所生成的飞行图式。
条款13.根据条款1所述的方法，进一步包括：
基于飞行器的运动模型和风况预测沿所生成的飞行图式的飞行器的性能；以及
基于所预测的飞行器的性能修改所生成的飞行图式。
条款14.根据条款1所述的方法，进一步包括：
在沿所生成的飞行图式飞行时预测飞行器的噪声输出；以及
基于所预测的飞行器的噪声输出修改所生成的飞行图式。
条款15.根据条款1所述的方法，进一步包括：
基于飞行器的运动模型预测沿所生成的飞行图式的飞行器的性能；以及
基于所预测的飞行器的性能修改所生成的飞行图式以优化飞行器的有效载荷的性能。
条款16.根据条款1所述的方法，其中该方法由具有一个或多个处理器的计算装置执行，并且该方法进一步包括：
基于驶离距离相对于目标实际上定位双纽线；以及
蚌线式地变换双纽线
条款17.一种具有指令存储于其中的非暂时性计算机可读存储介质，该指令在由具有一个或多个处理器的系统执行时引起系统执行建立供飞行器遵循的与目标相邻的飞行图式的功能，该功能包括：
确定到目标的驶离距离，其中驶离距离指示在沿飞行图式的一点处距目标的距离；以及
基于驶离距离生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式。
条款18.根据条款17所述的非暂时性计算机可读介质，其中该功能进一步包括：
确定在目标周围的飞行图式的覆盖范围的角度；
确定飞行图式相对于目标的取向；以及
还基于覆盖范围的角度和飞行图式相对于目标的取向生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式。
条款19.一种计算装置，其包括：
用于接收到目标的驶离距离的通信接口，其中驶离距离指示在沿飞行图式的一点处距目标的距离，该飞行图式与目标相邻并且供飞行器遵循；以及
一个或多个处理器，用于执行存储在数据存储装置上的指令，以基于驶离距离生成双纽线的蚌线式变换形式的飞行图式。
条款20.根据条款19所述的计算装置，进一步包括：
输出接口，用于向飞行器发送指令，该指令指示飞行所生成的飞行图式以便遵循使得能够从飞行器上的机头安装传感器连续覆盖目标的路径。
不同的有利布置的描述被提出用于说明和描述的目的，并且不意图以公开的形式穷尽或限制实施例。许多修改和变化将对本领域技术人员显而易见。进一步地，与其他有利实施例相比，不同的有利实施例可描述不同的优点。选择并且描述所选择的一个或多个实施例以便最佳地解释实施例的原理和实际应用，并且使本领域的其他技术人员能够理解具有如适于设想的特定用途的各种修改的各种实施例的公开内容。

Claims (7)

1.一种建立供飞行器(102)遵循的与目标(160)相邻的飞行图式(164)的方法(300)，其包括：
确定(302)到所述目标的驶离距离(168)，其中所述驶离距离指示在沿所述飞行图式的一点处距所述目标的距离；
确定(306)在所述目标周围的所述飞行图式(164)的覆盖范围角度(170)；
确定(310)所述飞行图式(164)相对于所述目标(160)的取向(166)；以及
基于所述驶离距离、所述覆盖范围角度和所述取向，生成(304)双纽线的蚌线式变换形式的所述飞行图式，
其中生成(304)所述双纽线的所述蚌线式变换形式的所述飞行图式(164)包括生成所述飞行图式以与展平的8字形图式(162)相似。
2.根据权利要求1所述的方法(300)，其中确定(310)所述飞行图式(164)相对于所述目标(160)的所述取向(166)包括：
确定(314)所述飞行图式相对于所述目标的逆太阳位置。
3.根据权利要求1所述的方法(300)，其中确定(310)所述飞行图式(164)相对于所述目标(160)的所述取向(166)包括：
确定(316)所述飞行图式相对于所述目标的逆风位置。
4.根据权利要求1所述的方法(300)，其中确定(310)所述飞行图式(164)相对于所述目标(160)的所述取向(166)包括：
确定(318)所述飞行图式相对于所述目标的顺风位置。
5.根据权利要求1所述的方法(300)，其进一步包括：
将接近所述目标(160)的区域指定(320)为禁飞区(182)；以及
还基于避免进入所指定的禁飞区，生成(322)所述双纽线的所述蚌线式变换形式的所述飞行图式。
6.根据权利要求1所述的方法(300)，其进一步包括：
由计算装置(104)向所述飞行器(102)发送(324)指令，所述指令指示飞行所生成的飞行图式(164)，以便遵循能够从所述飞行器(102)上的机头安装传感器(108)连续覆盖所述目标(160)的路径。
7.根据权利要求1所述的方法(300)，其进一步包括：
在沿所生成的飞行图式(164)飞行时，预测(334)所述飞行器(102)的噪声输出；以及
基于所述飞行器的所述预测的噪声输出，修改(336)所述生成的飞行图式。
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