CN109460066B - 用于航空器的虚拟现实系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种具有飞行器、本地无线收发器以及仿真计算机的仿真系统。飞行器可包括机载无线收发器和飞行控制器，飞行控制器与机载传感器有效载荷可操作地耦接以感知物理环境并生成位置和姿态数据。仿真计算机可被配置成经由本地无线收发器与飞行器进行无线通信。在操作中，仿真计算机可被配置为生成一个或多个虚拟现实传感器输入并从飞行器接收位置和姿态数据。仿真计算机可以被配置成将一个或多个虚拟现实传感器输入传输到飞行器的飞行控制器。

Description

用于航空器的虚拟现实系统

交叉申请

本申请根据《美国法典》第35卷119(e)节要求于2017年8月25日提交的标题为“Virtual Reality System for Aerial Vehicle”的美国临时专利申请No.62/550,348的权益，该申请内容通过引入并入本文。

技术领域

本主题公开涉及飞行器、航空系统以及用于与航空系统一起使用的虚拟现实系统。

背景技术

现有的防空系统不适合防御侵入性低成本无人驾驶航空器(UAV)，诸如商购可得的UAV，其可用于携载简易武器和/或监视系统。例如，针对火箭、火炮和迫击炮的传统防御系统通常涉及防空导弹或枪支(例如，密集方阵近防武器系统，CWIS)。然而，由于与由航空威胁引起的潜在伤害相比，此类系统相对昂贵，因此此类系统通常是不切实际且成本高昂的。其它防御系统方案使用管发射小型无人机系统(UAS)。然而，尤其是由于管发射系统必须装配在管内，这些管发射系统更慢和/或更不易操控。也就是说，尺寸要求导致设计牺牲(例如，移除某些控制表面)。

可理解，为了减轻不对称袭击，防空系统应该采用与给定目标飞行器或对象(例如，侵入性袭击运载器)的成本相当的防御性运载器/飞行器。防空系统应该进一步被配置成防御大量目标飞行器，同时使用足够快速和可操控的防御性飞行器以拦截和/或以其它方式使目标飞行器失能。为了跟踪目标飞行器，现有的防空系统使用安装到万向节和/或炮塔的传感器。虽然这些防空系统适用于位于一定距离的目标飞行器，但它们不适用于近侧的(即，在附近的)快速移动的对象/飞行器。因此，防空系统应该采用在飞行期间跟踪、成像以及瞄准近侧的目标飞行器的成像系统和方法。

为了提供防空系统及其防御性飞行器的远程控制、监视和/或测试，防空系统可进一步采用虚拟现实系统以生成航空仿真环境。通过航空仿真环境，尤其是通过减少实验飞行小时数、降低与飞行的运载器事故相关联的技术风险，并且通过使得能够使用仿真来建模不同结果的概率以及基于飞行验证针对所有可能情景的算法鲁棒性来改进测试和评估结果的及时性和彻底性，可以以降低的成本开发和评估改进的自主性。

鉴于上述情况，需要改进的防空系统。也需要被配置成防范大量侵入性运载器的防空系统。另外，需要虚拟或增强现实系统以使用例如现实世界输入和仿真输入来生成航空仿真环境。

发明内容

本文公开了飞行器、航空系统以及用于与航空系统一起使用的虚拟现实系统。

根据第一方面，飞行器仿真系统包括：具有机载无线收发器和飞行控制器的飞行器，所述飞行控制器与机载传感器有效载荷可操作地耦接以感知物理环境并生成位置和姿态数据，机载传感器有效载荷包括具有预定视场的机载相机；本地无线收发器；以及被配置成经由本地无线收发器与飞行器进行无线通信的仿真计算机，其中仿真计算机被配置成生成一个或多个虚拟现实传感器输入，其中仿真计算机被配置成从飞行器接收飞行器相对于物理环境的描述的位置和姿态数据，并且其中仿真计算机被配置成将一个或多个虚拟现实传感器输入传输到飞行器的飞行控制器。

在某些方面，一个或多个虚拟现实传感器输入表示仿真的障碍物。

在某些方面，仿真的障碍物包括至少一个移动对象。

在某些方面，仿真的障碍物包括至少一个静态对象。

在某些方面，仿真的障碍物包括至少一个人造对象。

在某些方面，仿真的障碍物包括至少一个自然对象。

在某些方面，飞行器仿真系统还包括与仿真计算机可操作地耦接的显示器设备，其中显示器设备被配置成显示预定视场的视频馈送。

在某些方面，视频馈送如由机载相机捕获。

在某些方面，视频馈送如由机载相机捕获并且用与飞行器的操作参数有关的测量数据的覆盖进行增强。

在某些方面，测量数据包括飞行器速度、飞行器高度以及飞行器航向。

在某些方面，视频馈送如由机载相机捕获并且用来自仿真计算机的覆盖进行增强。

在某些方面，覆盖包括至少一个仿真的障碍物。

在某些方面，仿真的障碍物包括人造对象或自然对象中的至少一个。

在某些方面，视频馈送是至少部分地基于来自飞行器的位置和姿态数据而生成的虚拟环境。

在某些方面，视频馈送是至少部分地基于(1)来自飞行器的位置和姿态数据以及(2)一个或多个虚拟现实传感器输入而生成的虚拟环境。

在某些方面，显示器设备是虚拟现实耳机。

在某些方面，显示器设备是计算机监视器。

在某些方面，显示器设备是被配置成向飞行器提供飞行命令的人机界面(HMI)设备。

在某些方面，飞行器是多旋翼垂直起飞和着陆(VTOL)无人驾驶航空器(UAV)。

在某些方面，机载传感器有效载荷包括实时动态(RTK)全球定位系统(GPS)。

在某些方面，飞行器仿真系统包括基于地面的RTK GPS。

根据第二方面，使用飞行器和仿真计算机提供飞行器仿真的方法包括：在仿真计算机处接收来自飞行器的机载传感器有效载荷的位置和姿态数据，其中位置和姿态数据是飞行器相对于物理环境的描述；经由仿真计算机生成一个或多个虚拟现实传感器输入；以及经由本地无线收发器从仿真计算机向飞行器无线地发射一个或多个虚拟现实传感器输入到飞行器的飞行控制器。

在某些方面，一个或多个虚拟现实传感器输入表示仿真的障碍物。

在某些方面，仿真的障碍物包括至少一个移动对象和至少一个静态对象。

在某些方面，该方法还包括经由与仿真计算机可操作地耦接的显示器设备显示飞行器的预定视场的视频馈送的步骤。

在某些方面，视频馈送如由飞行器的机载相机捕获并且用测量数据的覆盖进行增强。

在某些方面，视频馈送如由飞行器的机载相机捕获并且用来自仿真计算机的覆盖进行增强。

在某些方面，覆盖包括仿真的障碍物中的至少一个。

在某些方面，视频馈送是至少部分地基于(1)来自飞行器的位置和姿态数据以及(2)一个或多个虚拟现实传感器输入而生成的虚拟环境。

根据第三方面，用于在具有仿真计算机的仿真系统中使用的飞行器包括：机载无线收发器；具有带有预定视场的机载相机的机载传感器有效载荷；以及与机载传感器有效载荷可操作地耦接的飞行控制器，以感知物理环境并生成飞行器的位置和姿态数据，其中飞行控制器被配置成经由机载无线收发器与仿真计算机进行无线通信，其中飞行控制器被配置成将位置和姿态数据传送到仿真计算机，并且其中飞行控制器被配置成从仿真计算机接收一个或多个虚拟现实传感器输入。

在某些方面，一个或多个虚拟现实传感器输入表示仿真的障碍物。

在某些方面，仿真的障碍物包括至少一个移动对象。

在某些方面，飞行器被配置成经由机载无线收发器将预定视场的视频馈送传送到仿真计算机。

在某些方面，视频馈送如由机载相机捕获并且用来自仿真计算机的覆盖进行增强。

在某些方面，机载传感器有效载荷包括实时动态(RTK)全球定位系统(GPS)。

在某些方面，飞行器仿真系统包括基于地面的RTK GPS。

本发明的实施例涉及飞行器仿真系统，其包括具有机载无线收发器和飞行控制器的飞行器，飞行控制器与机载传感器有效载荷可操作地耦接，以感知物理环境并生成位置和姿态数据，机载传感器有效载荷包括具有预定视场的机载相机；本地无线收发器；以及仿真计算机，该仿真计算机被配置成经由本地无线收发器与飞行器进行无线通信，其中仿真计算机可被配置成生成一个或多个虚拟现实传感器输入，其中仿真计算机可被配置成从飞行器接收飞行器相对于物理环境的描述的位置和姿态数据，并且其中仿真计算机可被配置成将一个或多个虚拟现实传感器输入传输到飞行器的飞行控制器。一个或多个虚拟现实传感器输入可表示仿真的障碍物。这将在某些条件下增强操作。仿真的障碍物可包括至少一个移动对象。仿真的障碍物可包括至少一个静态对象。飞行器仿真系统也可包括与仿真计算机可操作地耦接的显示器设备，其中显示器设备可被配置成显示预定视场的视频馈送。视频馈送可由机载相机捕获并且用与飞行器的操作参数有关的测量数据的覆盖进行增强。视频馈送可如由机载相机捕获并且用来自仿真计算机的覆盖进行增强。覆盖可包括至少一个仿真的障碍物。视频馈送可为至少部分地基于来自飞行器的位置和姿态数据而生成的虚拟环境。视频馈送可为至少部分地基于(1)来自飞行器的位置和姿态数据以及(2)一个或多个虚拟现实传感器输入而生成的虚拟环境。显示器设备可为虚拟现实耳机。机载传感器有效载荷可包括实时动态(RTK)全球定位系统(GPS)。

本发明的另一实施例涉及使用飞行器和仿真计算机提供飞行器仿真的方法，该方法包括：在仿真计算机处接收来自飞行器的机载传感器有效载荷的位置和姿态数据，其中位置和姿态数据可为飞行器相对于物理环境的描述；经由仿真计算机生成一个或多个虚拟现实传感器输入；以及经由本地无线收发器从仿真计算机向飞行器无线地传输一个或多个虚拟现实传感器输入到飞行器的飞行控制器。一个或多个虚拟现实传感器输入可表示仿真的障碍物。这可以改进仿真的性能。该方法也可包括经由与仿真计算机可操作地耦接的显示器设备显示飞行器的预定视场的视频馈送的步骤，其中视频馈送可如由飞行器的机载相机捕获并且用来自仿真计算机的覆盖进行增强。覆盖可包括仿真的障碍物中的至少一个。该方法也可包括经由与仿真计算机可操作地耦接的显示器设备显示飞行器的预定视场的视频馈送的步骤，其中视频馈送可为至少部分地基于(1)来自飞行器的位置和姿态数据以及(2)一个或多个虚拟现实传感器输入而生成的虚拟环境。

本发明的另一实施例涉及用于在具有仿真计算机的仿真系统中使用的飞行器，该飞行器包括：机载无线收发器；具有带有预定视场的机载相机的机载传感器有效载荷；以及与机载传感器有效载荷可操作地耦接的飞行控制器，以感知物理环境并生成飞行器的位置和姿态数据，其中飞行控制器可被配置成经由机载无线收发器与仿真计算机进行无线通信，其中飞行控制器可被配置成将位置和姿态数据传送到仿真计算机，并且其中飞行控制器可被配置成从仿真计算机接收一个或多个虚拟现实传感器输入。飞行器可被配置成经由机载无线收发器将预定视场的视频馈送传送到仿真计算机。这将增强操作。视频馈送可如由机载相机捕获并且用来自仿真计算机的覆盖进行增强。

附图说明

如以下附图所示，本文描述的设备、系统以及方法的前述和其它对象、特征、以及优点从本文特定实施例的以下描述中将显而易见，其中相似的附图标记是指相似的结构。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本文所述的设备、系统和方法的原理。

图1示出示例性防空系统。

图2a至图2c示出示例性多旋翼垂直起飞和着陆(VTOL)防御性UAV。

图2d示出用于防御性UAV的示例飞行器控制系统的框图。

图2e至图2g示出示例性拴系多旋翼VTOL防御性UAV布置。

图3a和图3b示出示例性基于相机的导引头(seeker)系统。

图4示出示例性地面存储系统。

图5a至图5c示出示例性悬挂存储系统。

图6a至图6d示出具有各种示例显示屏的示例性HMI设备。

图7a示出在UAV注册期间防御性UAV和C-RAM C2系统之间的示例性消息交换序列。

图7b示出在展开和接合期间防御性UAV和C-RAM C2系统之间的示例性消息交换序列。

图8示出示例性虚拟现实仿真系统。

图9a示出如由防御性UAV的传感器有效载荷捕获的示例性真实世界空间。

图9b示出了图9a上覆盖有虚拟现实任意障碍物的示例性真实世界空间。

具体实施方式

下面将参考附图描述本发明的优选实施例。附图中的部件不一定按比例绘制，而是重点在于清楚地示出本实施例的原理。比如，为了清楚和方便描述，可夸大元件的尺寸。此外，在可能的情况下，遍历附图使用的相同的附图标记是指实施例的相同或类似的元件。在以下描述中，没有详细描述公知的功能或结构，因为它们可在不必要的细节上模糊本发明。说明书中的任何语言都不应被解释为将任何未要求保护的元件指示为实施实施例的必要特征。

除非本文另有说明，否则本文中对数值范围的引用并非意图限制，而是单独地指代落入该范围内的任何和所有值，并且在该范围内的每个分离的值均被并入说明书中，如同其被单独引用于此一样。当伴随数值时，词语“约”、“大约”等应被解释为指示本领域普通技术人员将理解的出于预期目的令人满意地操作的偏差。值和/或数值的范围在本文中仅作为示例提供，并且不构成对所描述的实施例的范围的限制。本文提供的任何示例或示例性语言(“例如”、“诸如”等)的使用仅意图更好地说明实施例，而不是对实施例的范围形成限制。说明书中的任何语言都不应被解释为指示任何未要求保护的元件对于实施例的实践是必要的。

在以下描述中，应理解术语诸如“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“侧面”，“前面”、“背面”等术语是为了方便并且不应被解释为限制性术语。本文提供的各种数据值(例如，电压、秒等)可用一个或多个其它预定数据值代替，并且因此不应被视为限制，而是示例性的。对于本公开，应适用以下术语和定义：

术语“航空器”和“飞行器”是指能够飞行的机器，包括但不限于固定翼飞行器、无人驾驶航空器(UAV)、可变翼飞行器和垂直起飞和着陆(VTOL)飞行器。

术语“和/或”意指由“和/或”连接的列表中的项目中的任一个或多个。作为示例，“x和/或y”意指三元素集合{(x)、(y)、(x，y)}中的任何元素。换句话说，“x和/或y”意指“x和y中的一个或二个”。作为另一示例，“x、y和/或z”意指七元素集合{(x)、(y)、(z)、(x，y)、(x，z)、(y，z)、(x，y，z)}中的任何元素。换句话说，“x、y和/或z”意指“x、y和z中的一个或多个”。

术语“电路”和“电路系统”是指物理电子部件(例如，硬件)和可配置硬件、由硬件执行并且或以其它方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(“代码”)。如本文所用，例如，特定处理器和存储器可包括当执行第一组一行或多行代码时的第一“电路”，并且可包括当执行第二组一行或多行代码时的第二“电路”。如本文所用，每当电路系统包括执行功能的必要硬件和代码时(如果必需的话)，无论功能的执行被禁用还是未被启用(例如，通过可由用户配置的设置、出厂调整等)，电路系统均“可操作”以执行功能。

本文使用的术语“传送”和“通信”包括将数据从源传达到目的地并将数据传递到待传达到目的地的通信介质、系统、信道、网络、设备、电线、缆线、光纤、电路和/或链路。本文使用的术语“通信”意指如此传达或传递的数据。本文使用的术语“通信装置”包括通信介质、系统、信道、网络、设备、电线、缆线、光纤、电路和/或链路中的一个或多个。

本文使用的术语“耦接”、“耦接到”和“与……耦接”均意指两个或更多个设备、装置、文件、电路、元件、功能、操作、过程、程序、介质、部件、网络、系统、子系统和/或器件之间的关系，构成以下中的任何一个或多个：(i)连接，无论是直接连接还是通过一个或多个其它设备、装置、文件、电路、元件、功能、操作、过程、程序、介质、部件、网络、系统、子系统或器件的连接；(ii)通信关系，无论是直接关系还是通过一个或多个其它设备、装置、文件、电路、元件、功能、操作、过程、程序、介质、部件、网络、系统、子系统或器件的关系；和/或(iii)功能关系，其中任何一个或多个设备、装置、文件、电路、元件、功能、操作、过程、程序、介质、部件、网络、系统、子系统或器件的操作全部或部分取决于它们中的任何其它一个或多个的操作。

本文使用的术语“数据”意指任何指示、信号、标记、符号、域、符号集、表现以及表示信息的任何其它物理形式，无论是永久的还是临时的，无论是可视的、可听的、声学的、电的、磁的、电磁的或以其它方式表现出来。术语“数据”用于表示处于一种物理形式的预定信息，涵盖对应不同物理形式的信息的任何和所有表示。

本文使用的术语“数据库”意指相关数据的有组织的主体，而不管数据或其有组织的主体的表示方式。例如，相关数据的有组织的主体可以具有表、地图、网格、分组、数据报、帧、文件、电子邮件、消息、文档、报告、列表或任何其它形式中的一个或多个形式。

术语“示例性”意指“用作示例、实例或说明”。本文描述的实施例非限制性的，而仅是示例性的。应该理解的是，所描述的实施例不必被解释为比其它实施例更优选或更具优势。此外，术语“本发明的实施例”、“实施例”或“发明”不要求本发明的所有实施例都包括所讨论的特征、优点或操作模式。

术语“存储器设备”意指用于存储由处理器使用的信息的计算机硬件或电路系统。存储器设备可以是任何合适类型的计算机存储器或任何其它类型的电子存储介质，诸如例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、高速缓冲存储器、只读光盘存储器(CDROM)、电光存储器、磁光存储器、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、计算机可读介质等。

本文使用的术语“网络”包括所有种类的网络和互联网络，包括因特网，并且不限于任何特定网络或互联网络。

术语“处理器”意指处理设备、装置、程序、电路、部件、系统和子系统，无论是以硬件实施、以软件有形地体现还是二者兼有，以及无论其是否可编程。术语“处理器”包括但不限于一个或多个计算设备、硬连线电路、信号修改设备和系统、和用于控制系统的设备和机器、中央处理单元、可编程设备和系统、现场可编程门阵列、专用集成电路、片上系统、包括分立元件和/或电路的系统、状态机、虚拟机、数据处理器、处理设施以及前述中的任一个的组合。处理器可为例如任何类型的通用微处理器或微控制器、数字信号处理(DSP)处理器、专用集成电路(ASIC)。处理器可耦接到存储器设备或与存储器设备集成。

本文公开了拦截目标对象诸如目标飞行器的航空系统。在一个方面，航空系统可采用一个或多个改进的低成本商用现货(COTS)飞行器(例如，UAV)来袭击目标飞行器。例如，通过安装改进的通信和传感器有效载荷和/或一个或多个目标失效(targetneutralization)设备，可将COTS UAV变换成防御性飞行器(例如，拦截飞行器)。

所公开的防空系统的目的是通过具有多个防御性飞行器的装载和准备存储和发射系统接近防御性飞行器与目标飞行器的成本之间的同等。如将要公开的，防空系统的存储和发射单元可足够的轻且简单，以部署到例如战斗前哨(COP)、远程主操作基地(MOB)和/或前进作战基地(FOB)(或从它们部署)。低成本的方法以往被认为风险太大；然而，所公开的防空系统的模块化基础设施(例如，飞行控制、归航系统、用于转向和归航的算法和硬件、与跟踪系统的通信、人机界面设备等)允许便携性和可升级性，从而能够在未来使用更高能力的运载器和飞行硬件，同时允许部件升级和更换。此外，所公开的防空系统可为平台不可知的。因此，随着威胁变得速度更快并且更可操控，防御性UAV可对应地升级，同时基础设施将不会过时。例如，可重复使用各种防御系统，诸如跟踪系统、算法、用于转向和归航防御性飞行器的硬件、以及(一个或多个)人机界面。尽管主题公开通常以防空的方式描述，但是主题公开可与几乎任何COTS飞行器(例如，无人机)一起使用，以使其能够与现有的国防系统进行通信，无论是针对该特定任务还是任何其它任务(例如，通过由美国国际开发署(USAID)的领土三维(3D)测绘、海啸后的救援任务等)。

在某些方面，所公开的防空系统可并入执行虚拟现实硬件在环(in-loop)传感器仿真的系统和方法。用于测试和验证的各种技术不必限于无人机防御，而是可与许多不同的系统一起采用。例如，航空系统可使用真实的防御性UAV促进虚拟(或增强的)现实、导航和控制算法的飞行中测试。如将讨论的，虚拟现实系统可使用例如真实世界输入和仿真输入(例如，从虚拟/增强现实仿真系统)生成航空仿真环境。也就是说，物理防御性UAV可在真实世界环境中操作(例如，飞行)，同时接收来自虚拟世界的仿真传感器反馈输入。虚拟世界可以经由一个或多个远程定位的高端图形处理器生成，该高端图形处理器与具有在其上实施的软件的非暂时性存储器设备可操作地耦接。在操作中，航空仿真环境可使用虚拟或增强现实软件和硬件提供实时性能，该虚拟或增强现实软件和硬件可与防御性飞行器的实际测量位置紧密耦接。可使用机载全球定位系统(GPS)和/或惯性导航系统(INS)系统实时或接近实时地确定实际位置。在某些方面，实时运动(RTK)GPS可用于在不同操作条件下测试防御性飞行器。

所公开的防空系统提供优于现有解决方案的许多优点。例如，在考虑成本的情况下，系统防空系统的优点是其低成本，这可通过尤其是其COTS飞行器基线结构实现。另外，可实现更有效和更便宜地扩大防空系统规模的能力，因为不需要在每个防御性飞行器基础上重复最昂贵的部件(例如，瞄准系统、无线电、热/电池维护硬件和软件)，相反，它们仅需要在每个防空系统的基础上重复。在某些方面，防空系统也可采用便携式存储系统设计，该设计是可扩展的并且适合于许多共同定位或堆叠的部件。与通常需要功能强大的设备以使飞行器(例如，管发射(tube-launched)飞行器)加速到飞行速度的其它解决方案相比，在使用VTOL防御性飞行器的情况下部署成本极低。例如，使用COTS VTOL竞速无人机作为基准运载器比目前的管发射解决方案更有效。机载基于相机的瞄准系统和机载目标失效设备的使用允许低成本系统实现类似于更昂贵的解决方案的准确度。COTS传感器的其它组合，包括有源(例如，雷达或激光雷达)和无源(例如，红外、声学等)传感器，也可履行定位传感器的概念，以解决在将运载器引导进入目标附近的基于地面的系统的准确度的改进。

图1示出示例性防空系统100，其可提供日间和夜间的防御操作能力。防空系统100实现对飞行器防御的低成本、基于COTS的小型无人机系统(SUAS)的方法，该方法具有短期实现和随着威胁能力的增加(例如，更高的速度、加速度和高度)变换成更有能力的运载器的能力。防空系统100的主要部件通常可分成三个子系统：(1)机载模块化拦截无人机航空电子设备组(MIDAS)，以提供飞行控制、归航和通信；(2)人机界面(HMI)设备114，以提供操作员交互；以及(3)地基或海基机架、击败(defeat)和发射部件。下面更详细地描述各种子系统。防空系统100的机架、击败和发射部件可包括或可兼容反火箭、火炮和迫击炮(C-RAM)命令和控制(C2)系统110，以实现与现有军事防御系统的即时整合。C-RAM C2系统110提供传感器套件，以在空中进入的火炮、火箭和迫击炮弹击中地面目标之前检测并提供预警。如图所示，防空系统100通常包括一架或多架防御性UAV 102(例如，VTOL UAV或另一飞行器)、HMI设备114以及机架、击败和发射部件，机架、击败和发射部件通常包括与C-RAM C2系统110进行通信的一个或多个飞行器(例如，UAV)存储系统106和基于地面的飞行器(例如，UAV)控制器108。如图所示，机架、击败和发射部件可安装到便携式平台(例如，轮式基座)或固定。

防空系统100可执行作为C-RAM C2系统110(或另一目标系统)与其进行通信的高级系统共同操作的一系列功能。也就是说，来自C-RAM C2系统110的命令可与机架、击败和发射部件集成，作为经由一个或多个无线电设备的输入。至少部分地基于这些命令，可以遵循协议以响应于来自C-RAM C2系统110的信号(例如，C2信号)准备、武装和(当检测到威胁时)发射防御性UAV 102(例如，从UAV存储系统106)。在某些方面，轻量型反迫击炮雷达(LCMR)(例如，AN/TPQ-49或AN/TPQ-50)可用于提供威胁跟踪来代替C-RAM C2系统110。命令和控制也可以来自地面上的操作员，其中操作员基于目标的视线观察、手持式瞄准设备或其它器件以估计目标的位置、航向和速度，从而提供瞄准信息。在这些情况中的每种情况下，可使用军用波段无线电接收机(例如，Rajant无线电设备，其类似于R05010雷达数据传输系统AN/TSC)来执行C-RAM C2或其它系统110与防空系统100之间的通信。可替换地，操作员可手动地将运载器飞行到其它机载系统所需的范围内以检测和定位目标运载器。

防空系统100的各个部件各自提供独特的能力，以集成的方式协同工作以确保有效的低成本解决方案。可通过UAV控制器108维护和更新可容纳在UAV存储系统106中的防御性UAV 102。便于飞行器管理和通信的UAV控制器108可通过电力连接(例如，缆线、接触、无线充电等)和有线/无线数据链路连接到防御性UAV 102。UAV控制器108可与UAV存储系统106分离或集成。每个防御性UAV 102可包括机载系统和无线电设备以直接或通过中间/中继设备(例如，UAV控制器108和/或HMI设备114)与瞄准系统(例如，C-RAM C2系统110)进行通信。例如，UAV控制器108和/或HMI设备114可用于提供接收和中继功能。在某些方面，HMI设备114可经由标准平板电脑或移动电话提供一个或多个软件部件(例如，应用程序)，该标准平板电脑或移动电话提供简单的初始化和武装命令，并从防御性UAV 102和UAV控制器108二者接收状态信息和警报。HMI设备114也可用作将防御性UAV 102朝向目标飞行的直接控制机构。

当需要时，防御性UAV 102可使用低成本的机载COTS部件，诸如用于与地面仪器(例如，UAV存储系统106/UAV控制器108)进行通信的低成本无线电设备、用于瞄准目标飞行器104的低成本相机。实际上，无线电设备可以与UAV控制器108通信地耦接，该UAV控制器108保持防御性UAV 102中的每个的温度、电池电荷、电池温度和整体健康状况被调节，同时将来自瞄准系统(例如，经由较高成本的无线电设备)的命令和控制信号中继到防空系统100中的所有防御性UAV 102；从而实现多个运载器瞄准，同时使整个防空系统100的成本保持最小。UAV存储系统106在系统的发射部分和地面部分之间提供可管理的积极互连，保护和集成所有部件，并提供无故障和可靠的发射。HMI设备114提供与功能的连接并简化设置、长期健康监视以及发射后决策(这在最后是任选的)。虽然低成本的部件和方法是有利的，但在需要或期望更高质量或军用指定部件的情况下，它们不是必需的。

防御性UAV 102。防空系统100使低成本、模块化的航空电子设备组或套件能够适于各种COTS UAV，将它们变换成防御性UAV 102。模块化拦截无人机航空电子设备组(MIDAS)可用于将几乎任何COTS UAV变换成防御性UAV 102。降低将COTS UAV转换成防御性UAV 102所要求的修改的成本可通过使用高帧速相机(和相关联的嵌入式软件)和使用与更集中、更昂贵的系统进行通信的非常低成本的无线电设备来实现，该更集中、更昂贵的系统被设计成与现有的瞄准系统进行通信。例如，防空系统100可采用两个或更多个防御性UAV102，每个用改进的飞行控制法则、专用瞄准相机、目标失效设备以及低延迟无线电设备进行修改。防御性UAV 102也可包括对GPS和惯性部件的升级。

可以理解，第一人称视角(FPV)UAV非常小、低成本且可操控。因此，机载MIDAS系统的重量应该是轻量级的(例如，<100g)，以实现与FPV竞速器和其它小型UAV兼容。例如，FPVUAV可被装配成实现10,000英尺/分钟的爬升率、速度达到120节以及推力/重量>4(4g操控)。通过将这些UAV修改成尤其是包括基于相机的瞄准系统，并且通过升级UAV的飞行控制系统/软件，UAV可以被转换成具有撞击能力或进入典型的现成无人机的非常短距离(<0.5m)内的能力的防御性UAV 102。

在操作中，防御性UAV 102可从C-RAM C2系统110(例如，直接或间接地经由UAV控制器108或HMI设备114)接收命令、朝向检测到的威胁(例如，目标飞行器104)进行操控，以及经由多种导向技术中的一种接合威胁。示例性导向技术包括快速响应碰撞模式，该模式提供高闭合速率下的快速响应第一次经过和类似于空中格斗的追踪(追逐)模式，这为武器在目标飞行器104上训练和执行扫射经过提供了更长的时间段。如本文所用，术语扫射是指从移动基部(例如，飞行器)并且考虑目标的相对运动(例如，“领先”目标，以确保直接击中)向目标进行武器的单轮射击或多轮射击。在某些方面，防御性UAV 102可使用例如远程控制器232并入飞行员切换(hand-off)和接管能力。防御性UAV 102可在准备状态下保持在UAV存储系统106中，并且当用信号通知(例如，通过C-RAM C2系统110)时，执行拦截操控以进入目标的近距离范围内。

用于与防空系统100一起使用的合适的飞行器包括图2a至图2c中所示的多旋翼防御性UAV 102。如图所示，防御性UAV 102通常包括机架202(例如，机身或其它结构)、从每个角落和/或从机架202径向延伸的多个旋翼吊杆204(例如，纵向吊杆)、起落装置210和多个推进器208。起落装置210和多个旋翼吊杆204的支柱可制造为单个单元，或作为彼此耦接的分离部件。虽然遍布附图示出多旋翼VTOL UAV，但是本公开的教导可类似地应用于其它飞行器，尤其包括固定翼、旋转翼、多旋翼等。

机架202可与多个旋翼吊杆204中的每个的近侧端部耦接，使得多个旋翼吊杆204的远侧端部从机架202基本径向延伸。机架202和多个旋翼吊杆204可制造为单个单元，或作为彼此耦接的分离部件。多个旋翼吊杆204中的每个的远侧端部可与推进器208耦接，推进器208中的每个被示为提升马达208a，该提升马达208a耦接到螺旋桨208b并被配置成驱动/旋转螺旋桨208b。所述多个推进器208中的每个放置在旋翼吊杆204的远侧端部处并取向成向下(相对于机架202)引导推力。提升马达208a可以为经由电子速度控制器(ESC)206控制的电动马达。为此，也可提供例如邻近提升马达208a并在旋翼吊杆204的远侧端部处集成(或以其它方式耦接)的ESC 206。虽然防御性UAV 102被示出为具有四个推进器208(即，四旋翼飞行器)，但是本领域技术人员将理解可采用额外的或更少的推进器208以实现期望的功能并取决于例如推力要求。

图2d示出用于防御性UAV 102的示例性飞行器控制系统的框图。飞行器控制系统被配置成控制防御性UAV 102的各种飞行器部件和功能。如图所示，防御性UAV 102包括与至少一个存储器设备218通信地耦接的一个或多个飞行器处理器216、飞行控制器220、飞行器无线收发器222(例如，在期望情况下的低成本无线电设备)、导航系统224，以及在期望情况下的目标失效设备234(例如，可展开的网112、射弹设备230等)。飞行器处理器216可至少部分地基于指令(例如，软件)和存储到存储器设备218(例如，硬盘驱动器、闪存等)的一个或多个数据库而执行一个或多个操作。

飞行器无线收发器222可以与天线212耦接以在防御性UAV 102和HMI设备114、另一远程设备(例如，便携式电子设备，诸如智能电话、平板电脑和膝上型计算机)和/或其它控制器(例如，基站)之间传送数据。例如，防御性UAV 102可与远程设备(例如，UAV存储系统106、UAV控制器108、C-RAM C2系统110、HMI设备114等)直接或间接地(例如，通过网络228或使用中间中继设备)传送数据(已处理的数据、未处理的数据等)。(一个或多个)远程设备可便于监视和/或控制防御性UAV 102及其(一个或多个)有效载荷，包括传感器有效载荷226。飞行器无线收发器222可以使用一个或多个无线标准诸如蓝牙(例如，从2.4GHz至2.485GHz的工业、科学和医疗(ISM)波段的短波长、超高频(UHF)无线电波)、近场通信(NFC)、Wi-Fi(例如，电气和电子工程师学会(IEEE)802.11标准)等进行通信。在某些方面，无线收发器222可与手持远程控制器232进行无线通信。例如，在防御性UAV 102在操作员的视线内的情况下，操作员可希望经由远程控制器232采取手动控制(或超控(override)自动驾驶)。

响应于经由飞行器无线收发器222来自操作员、自动驾驶员、导航系统224或其它高级系统的命令，飞行器处理器216可操作地耦接到飞行控制器220以控制各种致动器(例如，致动/部署/释放/缩回目标失效设备234的那些致动器，以及控制任何飞行表面的移动的那些致动器)和/或提升马达208a(例如，经由ESC 206)的操作。在某些方面，飞行器处理器216和飞行控制器220可集成到单个部件或电路中。在操作中，飞行控制器220可动态地(即，实时地或接近实时地)并且在飞行的各个阶段(例如，起飞、巡航、着陆)期间经由ESC206独立地调节来自每个旋翼吊杆204上的每个提升马达208a的推力以控制防御性UAV 102的横摆、俯仰或偏航。具体地，可通过经由ESC 206调节从电源(例如，电池包或电池组)供应到每个电动马达的电力来控制提升马达208a。

导航。飞行器处理器216可操作地耦接到导航系统224，该导航系统224可包括GPS224a，GPS 224a与INS 224b和/或惯性测量单元(IMU)224c通信地耦接以提供飞行器的位置数据(例如，其坐标、轨迹、方位、航向等)，其可以包括一个或多个陀螺仪和加速度计。GPS224a给出绝对无漂移位置值，该值可以用于重置INS解决方案或可以通过使用诸如卡尔曼滤波器的数学算法与INS解决方案混合。为了测试系统，或在跟踪设备协作的情况下，RTK卫星导航可用于使用信号载波的相位的测量而不是信号的信息内容，来加强从基于卫星的定位系统(例如，GPS/IMU)导出的位置数据的精度；也被称为载波相位加强。RTK通常依赖单个参考站或插值虚拟站以提供实时校正，从而生成厘米级精度。例如，防御性UAV 102可以为装配有RTK GPS设备的COTS UAV，以提供具有厘米(cm)级精度的绝对位置。通过利用安装在目标UAV 102和防御性UAV 102二者上的RTK GPS模块，可在接合期间在两个运载器的方位上收集信息。可在目标运载器上使用相同的RTK GPS方法，并且将获得相同类型的结果。然而，另外地，我们将能够使用MIDAS相机导引头数据以确定在碰撞路线方法期间以及在追踪模式和/或追逐模式期间可以在目标上维持的运载器相对指向准确度。

传感器有效载荷。为了收集数据和/或监视区域，防御性UAV 102可进一步配备有传感器有效载荷226，传感器有效载荷226包括例如一个或多个相机226a(例如，用于记录或捕获图像和/或视频的光学仪器，包括光检测和测距(激光雷达)设备)、音频设备226b(例如，麦克风、回声定位传感器等)、光源226c(例如，结构化光源，诸如激光器，以及具有SLM(空间光调制器)或DMD(数字微镜设备)的LED光源)、以及其它传感器226d以提供传感器数据(例如，照片、视频、音频、传感器测量值、雷达测量值和X射线测量值等)，该传感器数据可用于促进导航，以及在需要的情况下的情报、监督和侦察(ISR)功能。

传感器有效载荷226可操作地耦接到飞行器处理器216，以促进传感器有效载荷226和飞行器处理器216之间的传感器数据的通信。传感器有效载荷226可经由万向节系统可旋转地并且可枢转地耦接到例如机架202(或另一结构部件，诸如旋翼吊杆204)的下侧表面，以使得传感器有效载荷226能够更容易地向下取向以监视下方和/或地面上的对象。数据可经由飞行器无线收发器222通过网络228从防御性UAV 102动态地或周期性地传送到远程控制器232(例如，HMI设备114)，或存储到存储器设备218以便稍后访问或处理。

传感器数据可用于导航防御性UAV 102。例如，传感器有效载荷226可提供必要的硬件(例如，相机226a、光源226c等)以用于下面描述的基于相机的导引头系统。航空系统受益于改进的系统和方法，从而跟踪飞行器以用于成像和瞄准。例如，通过基于相机的导引头系统，防御性飞行器可使用高刷新率相机、操纵光源304(例如，使用反射器/镜子)扫描视场(FOV)和立体视觉以推断在低成本、轻量级系统中的深度。使用IMU 224c、微机电系统(MEMS)镜子306和快速相机可以实现在不稳定平台上的极快对象跟踪。基于相机的导引头系统可以用于执行目标飞行器104的终端成像。也可以使用晶体管-晶体管逻辑(TTL)线同步和惯性测量单元(IMU)反馈。可使用通过低成本无线电设备路由的上行链路命令、使用基于视觉的导向的终端导向，以及整体防御性UAV 102管理和通信、内置测试(BIT)等实现防御性飞行器的导向。

基于相机的导引头系统可以使用可转向的结构化光源304(例如，光源226c)扫描目标飞行器104，该光源304扫描以照明防御性UAV 102，无论UAV 102是在双目相机的视场中的何处。通过扫描镜，可以将非常强的光(例如，激光)朝向目标飞行器104指引，以非常高的带宽(例如，大约4-21kHz)锁定并跟踪目标飞行器104。镜角信息提供对目标的相对方位角和仰角，相对方位角和仰角可用于防御性UAV 102的终端导向。一组相机(例如双目相机)允许推断出深度，以实质上消除混乱并有助于终端导向。450-495nm(例如，450nm-蓝色)激光光源304和相机带通滤波器(例如，450-495nm/蓝色带通滤波器)可用于使白天和夜晚二者操作的性能最大化。换句话说，滤波器的波长优选地与光源的波长匹配。为了降低整体系统成本，可采用基于视觉的归航系统以用于终端接合(最终20-50m)。立体视觉系统可经由通用串行总线(USB)可操作地耦接到处理器。例如，USB 3.0机器视觉相机使设计人员能够以分辨率换帧速率，例如FLIR/Point Grey 5MP相机可在73fps下实现2448x2048像素分辨率和在199fps下实现800x600像素分辨率。可替换地，Ximea生产在1000fps下具有640x400像素或在210fps下具有1280x1024像素的USB 3.0相机。相机可与NVidia Tegra TK1配对，这允许将图像处理和归航嵌入在通用图形处理单元(GPU)上。虽然使用相机描述瞄准，但是其它瞄准方法可提供更高的准确度和/或更低的成本。例如，其它瞄准方法可利用雷达或声纳。本文描述的瞄准可使用具有分辨率和/或范围的折衷的低成本雷达或声纳(例如，声学、红外、微型雷达、激光雷达或激光测距系统)来实现。

参考图3a和图3b，基于相机的导引头系统可利用具有MEMS镜子306的高频成像系统(该MEMS镜子306操纵光源304在某些区域中移动)以及在3D体积中捕获该特定区域的成像器。例如，MEMS镜子306可使用扫描由MEMS控制的双轴(例如，尖端倾斜)微观小镜子来促进光束转向(或2D光学扫描)，其中通过在镜子阵列周围的两个电极之间施加电压来控制它们的状态。图3a示出具有单个相机302和光源304的基于相机的导引头系统300a，而图3b示出具有两个相机302(立体视觉)和光源304的基于相机的导引头系统300b。也可以使用单个相机和MEMS镜子来确定3D位置；然而，当目标在两个相机和MEMS镜子的三重交叉区域内时，准确度有所改进。虽然光源304通常被描述为激光器，但也可考虑其它光源；诸如一个或多个发光二极管(LED)。

基于相机的导引头系统通常包括一个或多个相机302、光源304、MEMS镜子306、IMU224c和处理器308(例如，飞行器处理器216或专用处理器)。MEMS镜子306根据镜子位置控制从光源304输出的光的角度。与处理器308协同的IMU 224c控制MEMS镜子306和两个相机302的感兴趣区域。例如，处理器308可被配置成调节MEMS镜子306的镜子位置(例如，其沿一个或多个轴的角度)以调节从光源304输出的光的角度。基于相机的导引头系统的可替换的使用延伸超过目标飞行器的扫描，例如扫描和跟踪地面上的人或车。

相机302用于捕获图像。相机刷新率可大于800Hz，这将实现作为引导头的反UAS应用的更大的能力。立体视觉相机系统准确地确定目标的3D相对位置。因此，两个或更多个相机302用于创建立体视觉设置以准确地检测目标的3D位置。如图3b所示，在光源304和两个相机302之间存在重叠。这实现目标在空间中的3D位置的立体视觉或多视图计算。

IMU 224c可以用于利用成像系统捕获运载器动态。IMU 224c提供防御性UAV 102的真实位置的反馈。通过并入IMU 224c信息，照明和成像以高刷新率更新，以预测目标飞行器104在给定时间相对于防御性UAV将位于何处以及处于相机FOV中的何处。由于防御性UAV102持续移动，因此IMU 224c提供在一定时间段内准确的防御性UAV 102的真实位置和高度的反馈。这可以用于移动光源304射束(通过MEMS镜子306)并捕获在两个相机302中的适当的感兴趣区域。操纵较小的光束可用于在日间/夜间操作期间完成期望的刷新率(即，大于800Hz)；高频MEMS镜子306可以用于操纵来自光源304的光束。在某些方面，MEMS镜子可与极短脉冲激光一起使用以通过燃烧来使目标失效。照明被定位到目标对象，该目标对象应在相机302的FOV内；该照明由MEMS镜子306操纵。另外，光源304被操纵以通过执行背景去除使成像器上捕获的光子的信噪比最大化。光源304可例如通过经由处理器308与相机同步的TTL线被调制。这使得相机302能够在灯关闭的情况下捕获图像以及在灯打开的情况下拍摄图像。通过从彼此中减去两个图像，可以去除背景并检测变化的对象。传统上，操纵照明以获得高保真度图像并不有效，然而，并入IMU 224c以去除背景从而实现高信噪比。在使用强光激光器作为光源304的情况下，光源304(即，强力激光器)也可用于禁用目标飞行器104。

目标失效设备。为了增加禁用目标飞行器104的可能性，防御性UAV 102可配备有目标失效设备以攻击目标飞行器104，诸如可展开的网112、射弹设备230(例如，枪、射弹发射器等)、拖缆、高功率激光、定向能量武器(DEW)等。使用可展开的网112例如增加防御性UAV 102的正面区域可在与目标飞行器104接触时导致85％至95％的失效成功。

参考图2a，射弹设备230可安装到机架202并且向前取向(例如，沿类似于防御性UAV 102的飞行线发射射弹)。参考图2b和图2c，可展开的网112可经由耦接到防御性UAV102的下侧的一对立柱214进一步耦接到防御性UAV 102。例如，立柱214可间隔开，使得每个立柱214耦接到旋翼吊杆204的远侧端部(如图所示)或耦接到机架202的下侧。如图所示，可展开的网112通常包括由刚性网架112b支撑的网212a。可展开的网112可耦接到防御性UAV102的前部端部并且以反向角度取向以捕获目标飞行器104。

在某些方面，多个防御性UAV可彼此协同以接合检测到的威胁。例如，参考图2e至图2f，可展开的网112可拴系到多个飞行器，使得由目标生成的力矩不会克服防御性UAV102的可操作性。类似地，在捕获时网的张力可由防御性UAV(彼此相反地飞行)控制。具体地说，图2e示出经由拴系导线120拴系到彼此的一组防御性UAV 102，而图2f示出经由拴系导线120耦接到一个防御性UAV 102并且经由主导线118和副导线116耦接到另一个防御性UAV102的可展开的网112。减震设备可放置在网和UAV之间的连接处。例如，可使用弹簧和/或一系列滑轮。网可像收缩包装一样。当网被拉开(例如，拉绳)时，由网和入口形成的口袋变得闭合。

现在转向图2e，防空系统100可利用多个防御性UAV 102以使用目标失效设备诸如可展开的网112捕获目标飞行器104。通过利用一个以上的防御性UAV，防空系统100可以捕获目标飞行器，该目标飞行器在捕获点处生成相对较强的力矩和/或具有比防御性UAV 102相对更重的重量。

在一些实施例中，可展开的网112可耦接到防御性UAV 102的后部端部并且以向前的角度取向以从后面抓取/捕获目标飞行器104。该捕获策略是为了使捕获点处的阻力最小化，从而有益于使移动方向与目标飞行器104对准。

在一些实施例中，如图2e至图2g所示，多个防御性UAV 102可协同工作以捕获目标飞行器104。如此，更多的空气动力，诸如升力或推力，可由多个防御性UAV 102生成。尤其是，协同的捕获方法在捕获目标飞行器104时允许接近角度的更大灵活性。例如，多个防御性UAV 102可朝向目标飞行器104以正面角度接近，同时管理由于空气动力增加而在捕获时生成的力矩。

多个防御性UAV可通过拴系导线120拴系。一旦可展开的网112从多个防御性UAV102中的一个(也称为第一防御性UAV)朝向目标飞行器104展开，可展开的网可由多个防御性UAV中的每个携载。可展开的网112可通过主导线118和副导线116连接到第一防御性UAV。第一防御性UAV可在可展开的网112的预展开期间携载可展开的网。当可展开的网112朝向目标飞行器104设置时，拴系导线120可与可展开的网112一起延伸出去。图2f描述了在可展开的网112朝向目标飞行器104设置之后的多个防御性UAV。一旦可展开的网112被设置，副导线116可为细长的，使得副导线116维持最小的张力。在一些实施例中，副导线116可滑动地附接到可展开的网112，以沿副导线116施加最小的张力。拴系防御性UAV(下文中也称为第二防御性UAV)可经由拴系导线120附接到可展开的网112。可展开的网112可分别经由主导线118和拴系导线120由第一防御性UAV 102和第二防御性UAV 102共同执行。

当目标飞行器104由可展开的网112(下文中也称为有效载荷122)捕获时，第一防御性UAV和第二防御性UAV可呈圆圈盘旋。当多个UAV以圆形模式盘旋时，所生成的离心力可部分地缓解沿主导线118和拴系导线120的张力。另外，此圆形图案有助于产生对有效载荷122的提升。目标飞行器104的运动方向可由第一防御性UAV的机载传感器有效载荷检测。

在多个防御性UAV的情况下，防御性UAV中的一个可为领先的UAV。领先的UAV可配备有用于检测和跟踪目标飞行器104的传感器封装(因此领先的UAV可更重并且推力可受损)，但是其它跟随的UAV(即，追踪/跟随的飞行器，诸如第二防御性UAV)可配备有一个或多个距离传感器以维持与领先的UAV的预定距离，但是其可在传感器有效载荷中承载较小的重量，因此可更快并且生成更高的推力。这样，领先的UAV的主要目的是检测和瞄准，而可展开的网112的携载由跟随的UAV完成。另外，舰队(即，领先的和追踪/跟随的UAV)可以预定的形式盘旋，并且也可处于预定的盘旋模式。

主导线118和/或拴系导线120可携载电流。举例来说，副导线116和/或拴系导线120可生成电击以禁用目标飞行器104。防御性UAV 102可经由导线118、120和导电可展开的网112生成传递到目标飞行器104的电击。在一些实施例中，可展开的网112的尺寸可最小，使得其被设计成与目标飞行器104接触(如此，可展开的网112可为任何类型的闭锁设备，诸如钩)。一旦进行接触，就可将禁用电击传递到目标飞行器104。

参考图2g，当多个防御性UAV 102用于捕获目标飞行器104时，防御性UAV可在圆形飞行路径中飞行，这降低了在悬停期间所需的磁盘载荷和电力，同时耦接到有效载荷122。例如，第一防御性UAV 102可在第一方向上用可展开的网112捕获目标飞行器104，而第二防御性UAV 102在第二方向上拴系到可展开的网112并朝向对象飞行。第一方向和第二方向彼此相反。两个飞行方向之间的角度小于90度。有效载荷122可以为例如目标飞行器104和可展开的网112的组合。

当错过距离小但不会以其它方式导致撞击时，可展开的网112或拖缆可以用于截获和禁止进入目标飞行器104。用可防御性UAV 102保持可展开网112减少了网方位的不确定性，该可展开的网112可被收起以减少由网引起的拖曳和误差，从而在到达目标之前网可被展开约25米左右。因此，刚性网架112b可在收起时折叠或以其它方式收缩以减小拖曳和网112a不必要的缠绕的风险。刚性网架112b可采用例如第一纵向收缩/折叠线性支撑件和第二纵向收缩/折叠线性支撑件，该第一和第二纵向收缩/折叠线性支撑件中的每个可基本彼此平行并在其近侧端部处耦接到立柱214。第一纵向收缩/折叠线性支撑件和第二纵向收缩/折叠线性支撑件中的每个的远侧端部可为不固定的。可替换地，在不考虑重量的情况下，远侧端部可经由第三线性支撑件(其可基本垂直于第一支撑件和第二支撑件)彼此耦接，以维持预定距离和/或保持网在远侧端部处拉紧。当在目标飞行器104的近距离范围内时，防御性UAV 102可任选地展开(弹出)可展开的网112以增加防御性UAV 102的正面面积，从而增加攻击目标飞行器104的可能性。可展开的网112通过将展开延迟到下一次经过或通过在错过之后缩回而实现多次经过。可展开的网112也可被设计成在由捕获和缠绕目标引起的载荷下从防御性UAV 102“脱离”；通过该方法，可在接合之后保留UAV 102并返回其起始点以便重新使用。将方位偏置到防御性UAV 102自身转向的方位将导致捕获分布的圆形可能误差(散射)的类似偏置，此种偏置可用于增加攻击的可能性，诸如授予Gundlach等人且标题为“Rail Recovery System For Aircraft”的共同拥有的专利No.9,010,683所描述的那些，该专利讨论捕获导线的情况下的目标概率。

UAV存储系统106。UAV存储系统106将防御性UAV 102容纳在准备警报的长期状态(电池充电、定期执行内置测试、维持GPS锁定，以及加热/冷却等)中，提供干净、干燥的管理温度以保护防御性UAV 102免受元件的影响，并且根据需要促进防御性UAV 102的快速展开。为了以低成本实现简单的安装和便携性，防空系统100的部分可被配置为自包含的存储和发射系统，该系统在视场中容易设置，能够与C-RAM C2系统110进行通信，持续处于准备状态，并且包括具有足够的速度和操控性以瞄准目标飞行器104的多个防御性UAV 102(例如，2个或更多个，更优选地为4个或更多个)。

UAV存储系统106用于若干目的：(1)其允许在方便容纳、运输和维护的包裹中防御许多正在到来的威胁；(2)其通过容纳用于与目标系统(诸如C-RAM C2系统110)和各种防御性UAV 102(UAV存储系统106可将命令和控制数据中继到配备有非常低成本的无线电设备的防御性UAV 102)进行通信的单个无线电设备来降低防御性UAV 102的成本；(3)其保护防御性UAV 102免受元件的影响，直到防御性UAV 102需要元件，维持防御性UAV 102充电状态并保持其相对凉爽和干燥；以及(4)其提供用于自动发射防御性UAV 102的设施。

UAV存储系统106通常包括地面站控制器402、耦接到天线408的无线电设备404、以及对UAV存储系统106的部件供电并且对防御性UAV 102进行充电的充电系统406。地面站控制器402可包括例如与存储器设备402b可操作地耦接的处理器402a。充电系统406可包括例如与充电电路系统和/或线路电流(例如，AC电流)可操作地耦接的内部电池(例如，铅酸、锂离子等)。在一个示例中，AC-DC转换器可用于将AC线路电流转换为DC充电电流以对内部电池进行充电，并且在连接时，对防御性UAV 102进行充电。在线路电流不可用的另一示例中，DC-DC转换器可用于对防御性UAV 102进行充电。在远程方位或线路电流不可用的情况下，可替换地，电源可用于对内部电池和防御性UAV 102进行充电，包括例如太阳能面板和/或风力涡轮。例如，一个或多个太阳能面板或阵列可设置在UAV存储系统106的顶表面上和/或邻近UAV存储系统106。

UAV存储系统106可包括集成特征件，以使整个防御系统成本低并且有效。这些包括实现有效发射的系统设计，使用容器来保护和维持每个防御性UAV 102的充电和温度以延长其寿命，以及用于初始化、武装、通过应用程序与用户通信、健康维护和内置测试以及命令和控制信号的低延迟通信和中继的软件。

UAV存储系统106可被提供为地面存储系统106a或悬挂存储系统106b，其中任一个都可为便携式的。UAV存储系统106的构造和集成细节可以变化，所容纳的防御性UAV 102的数量也可变化。虽然地面存储系统106a被说明为具有多旋翼VTOL防御性UAV 102，但是可预计其它飞行器类型。在采用非VTOL固定翼飞行器的情况下，例如，可使用发射系统以将飞行器推进到翼载(wing-borne)速度。示例发射系统设备尤其包括发射轨道和推进设备。推进设备可以为例如加载的弹簧、耦接到气动发射器的CO₂罐等。

地面存储系统106a。如图4所示，地面存储系统106a可定位在地面上并配置有可伸缩的顶部(或致动的盖)以允许防御性UAV 102发射。防空系统100的部件可容纳在便携式壳体410中(带轮或不带轮)。便携式壳体410可为Pelican^TM壳体，诸如可从Pelican Products公司商购获得的Pelican^TM 0550，其内部尺寸为47.57×24.07×17.68英寸。可以理解，便携式壳体可根据防御性UAV 102的数量按比例放大或缩小。

悬挂存储系统106b。在地面安装不切实际或不期望的情况下，可采用悬挂存储系统106b，如图5a至图5c所示。悬挂存储系统106b的整体结构是由支撑缆线504连接的一系列堆叠平台502(例如，如图所示，四个平台502a、502b、502c、502d)。该组平台502从安装点506(例如，旗杆、建筑物的侧面等)悬挂，并且使用平台502自身重量和附接在底部平台502a与固定表面516(例如，地面的基部)之间的张力线508的组合来维持平台502之间的分离。从飞行器飞行视角来看，从高点悬吊悬挂存储系统106b是有益的，并且也减少了篡改的可能性。

电力缆线510和数据缆线512连接存储系统的平台502，以维持防御性UAV 102准备好进行发射并与地面站控制器402接触。电力缆线510和数据缆线512可卷绕支撑缆线504或与支撑缆线504集成。如图5c所示，各种电子部件(例如，地面站控制器402、无线电设备404和充电系统406)可定位在底部平台502a中以增加系统的紧固度，而天线408可定位在更高的点处(例如，最顶部的平台502d)。根据防御性UAV 102和/或平台502的重量，电力缆线510、数据缆线512和任何其它导体(例如，发射导体514)可用作支撑缆线，从而避免对支撑缆线504的需要。

悬挂存储系统106b的结构尤其可由电路板材料(例如，Rogers RO4003C)、玻璃纤维、乙烯基织物、钢缆和/或尼龙绳制成。每个平台502经由电力缆线510分配电力，并经由数据缆线512通过防御性UAV 102支脚上的触点分配数据。数据和/或电力也可无线地传递到防御性UAV 102(例如，感应充电、RF等)。每个平台502可包括带挡板的空气通道，以允许空气循环通过外壳，同时防止雨、雪和/或碎屑进入。空气循环可以为被动的、主动的、或由防御性UAV 102以低功率周期性地(例如，固定间隔)运行其提升马达208a引起，这也用作那些马达的内置测试。空气循环对于确保防御性UAV 102不受温度损害(例如，由于寒冷导致的电池容量降低、由于极热导致的部件故障等)是重要的。平台502也可具有集成的加热元件以对抗低温。一个外壳内的空气循环独立于其它外壳，防止单点故障。外壳的独立性也确保防御性UAV 102中的一些可以在不影响其它UAV的准备就绪的情况下发射。外壳的侧壁铰接或以其它方式折叠打开(在这个概念上，它们被示为织物)以允许运载器展开。

运载器牢固地固定到平台502，以确保其不会在运输中或由于天气引起的移动而移动，并且可靠地维持与电力和数据源的接触。当经由发射导体514发送发射信号时，外壳的侧壁518打开(并落下)并且运载器从其正面捕获中释放(运载器释放信号载体被示为发射导体514)。运载器然后在飞离前执行初始操控以离开外壳。可通过平台502的有意倾斜协助该初始操控，以生成优选的出口方向。

UAV控制器108。虽然UAV控制器108和UAV存储系统106在图1中被示为分离的部件，但是如图4和图5c所示，UAV控制器108可驻留在UAV存储系统106中/与UAV存储系统106集成，并且通过电力和数据链路连接到防御性UAV 102。如上所述，UAV控制器108通常包括地面站控制器402、无线电设备404和充电系统406，以在长持续时间期间维持防御性UAV 102。

可经由简单的地面中继器单元(经由例如UAV控制器108和/或UAV存储系统106)实现通信，该简单的地面中继器单元包括与C-RAM C2系统110兼容的无线电设备404和到防御性UAV 102的低成本上行链路。可以理解，应该使该上行链路中的延迟最小化以提供有效控制。在C-RAM C2系统110提供足够准确的相对位置信息以使得能够朝向目标飞行器104转向而不参考GPS的情况下，变换矩阵可用于通过防御性UAV 102上的防空系统100将来自C-RAMC2系统110的数据转换成可用轨道。通信的主要障碍是尺寸、重量、电力和成本(SWaP-C)以及安全性-无线电设备诸如Rajant Breadcrumb和持久系统(Persistent Systems)MPU-4/5可为与C-RAM C2系统110集成所必需的，但它们沉重、昂贵并且耗电。因此，可优选的是经由用于到防御性UAV 102的加密的上行链路的非常低成本的无线电设备将具有C-RAM C2系统110的无线电设备集成到防空系统100的地面元件(例如，UAV控制器108)中。此接收和传播方法要求C2转换/转移的延迟非常低，但将降低防御性UAV 102的成本。示例性低成本无线电设备包括例如利用TrellisWare技术和Silvus技术的无线电设备。管理和通信部件可以广泛变化，并且其中任一个可以被最小化，例如，通信可以直接到/来自拦截器而不是由管理和通信系统接收和传播。各种软件部件，包括瞄准和导向部件，也可容纳在整体概念中。

HMI设备114。图6a至图6d示出具有各种示例显示屏的示例HMI设备114。HMI设备114提供机外的基于计算机的系统，以用于初始化、武装和更新系统的状态，以及用于在发射之后进行监视和状态警报。HMI设备114提供设置、监视和发射后控制。HMI设备114可集成到软件应用程序(例如，ATAK、KILSWITCH等)中。HMI设备114确保防御性UAV 102的有效命令和控制，同时提供情境感知和控制功能。在软件应用程序中提供的信息可包括当前威胁和防御性UAV 102的方位，以及健康和状态及潜在的命令功能。该界面将支持启动(boot-up)过程，该启动过程建立链路并与外部瞄准和命令以及控制系统一起操作。

HMI设备114可用于确保防空系统100的有效命令和控制。HMI设备114可与防空系统100的所有元件进行通信，以提供情境感知和控制功能。为此，HMI设备114可接收关于当前威胁和防御性UAV 102的方位的信息，以及防御性UAV 102健康和状态及防御性UAV 102命令功能。HMI设备114也可以与地面存储系统的各种元件进行通信，以实现防御性UAV 102的整个电池的初始化和监视。该系统也必须与静态界面C-RAM通信网络(SI-CCN)和加密CCN(E-CCN)集成并支持启动过程，该启动过程建立链路并与C-RAM C2系统110一起操作。虽然防空系统100被示为单个HMI设备114，但是多个HMI设备114可与防空系统100通信地耦接(例如，经由UAV控制器108)。例如，一个或多个操作员可提供有监视和控制防御性UAV 102的能力，而其它操作员(例如，用户)可仅经由其HMI设备114接收警报。HMI设备114也可促进防御性UAV 102轨迹和/或参数的基于地图的指示。HMI设备114也可特征在于具有波段关闭按钮，以使操作员能够中止攻击/接合。如果防空系统100接收到波段关闭命令，则防御性UAV 102(根据C-RAM C2系统110的能力)可假设多个飞行例程中的一个，包括恢复例程、盘旋例程、地面盘旋例程和中止例程。在恢复例程中，(一个或多个)防御性UAV 102可返回基地(起始点)或另一指定的恢复点。在盘旋例程中，(一个或多个)防御性UAV 102可拒绝接合当前目标并等待直到来自C-RAM C2系统110的下一个命令。在地面盘旋例程中，(一个或多个)防御性UAV 102可着陆在指定方位(观察点)处并为新目标保持在适当位置。在中止例程中，(一个或多个)防御性UAV 102可能停机并落到地面。在某些方面，HMI设备114可采用基于平板电脑或基于移动电话的界面以使设置的复杂性最小化，以对系统进行武装，通知用户状态并且一旦发射，就为用户提供关于将如何执行拦截的选项。HMI设备114可以具有各种级别的复杂性和功能性，或可以被完全预知(foregone)，从而允许瞄准系统单独作为界面。如果并入HMI设备114，则其可以处于各种形式的计算机或手持设备上，并以各种方式与其它部件进行通信。

参考附图，HMI设备114被示出具有工具栏区域618a和主显示区域618b。HMI设备114用作操作员和防空系统100的部件之间的通信信道。例如，HMI设备114可用于命令和接收来自UAV存储系统106、UAV控制器108和/或防御性UAV 102的反馈或指令。HMI设备114可以经由显示设备(例如，液晶显示器(LCD))显示UAV 102和/或飞行器的当前状态(例如，当前设置)。HMI设备114的GUI显示器也可兼容夜视护目镜，使得无论操作者的眼镜如何都是可视的。工具栏区域618a可用于在经由主屏幕图标602的主屏幕620、经由视频图标604的视频馈送屏幕622、经由地图图标606的地图屏幕624和/或经由设置图标608的设置屏幕之间切换。

如图6a所示，主屏幕620可允许用户经由设置起始点窗口610设置起始点方位(即，起始点坐标)。在设置起始点窗口610内，操作员可经由地图610a设置起始点坐标，作为当前HMI方位610b(例如，由机载跟踪设备确定的HMI的方位，其可基于GPS、使用通信塔的三角测量技术等)，或作为UAV 610c的当前方位，其可基于来自导航系统224的信号。主屏幕620可允许用户经由设置观察点窗口612设置观察点坐标。在设置观察点窗口612内，与设置起始点窗口610类似，操作员可经由地图612a设置观察点坐标，作为当前HMI方位612b，或作为UAV 612c的当前方位。使用向窗口614的飞行，操作员可指示防御性UAV 102飞到(即，导航到)起始点坐标614a、观察坐标614b或其它坐标614c。命令窗口616可用于发射616a、着陆616b和/或攻击616c(例如，目标飞行器104)。

如图6b所示，视频馈送屏幕622可从传感器有效载荷226实时向用户提供UAV的FOV。视频馈送可以由机载相机226a捕获(例如，没有VR/AR覆盖的实际视频)、覆盖有测量数据、和/或甚至利用来自VR仿真系统(例如，VR仿真系统800)的虚拟现实(VR)覆盖来增强。可记录视频馈送以用于稍后检索和/或复制在另一设备上，诸如显示器耳机(例如，VR头戴式耳机)和/或显示屏(例如LCD显示器)。如图6c所示，地图屏幕624可在地图上显示起始点方位、UAV方位和观察点方位。每个方位可设置有标注窗口，该标注窗口尤其提供坐标。UAV方位可进一步提供(一个或多个)防御性UAV 102的操作参数，诸如燃料/电池充电水平、高度、速度和/或航向。可经由拉环图标626从各种屏幕访问主屏幕620的图标。例如，如图6d所示，主显示区域618b可同时显示主屏幕620图标和另一屏幕(例如，地图屏幕624)或它们的部分，从而允许操作员改变/调节一个或多个参数，同时监视例如地图和/或视频。

目标失效。目标失效过程一般可分成三个阶段：接合前阶段、接合阶段以及接合后阶段。可以以多种方式执行瞄准，但是一个实例是使用来自外部瞄准系统的上行链路命令朝向目标进行初步导向(直接路由到运载器或通过低成本无线电设备对由拦截器管理和通信系统中继到运载器)，然后使用基于视觉的导向系统进行终端导向。

接合前。防空系统100的目的是与目标飞行器104接合。也就是说，一旦防空系统100执行了目标飞行器104的发现、修复(fix)、跟踪和瞄准，防空系统100就使用具有界面细节的通用数据格式诸如C-RAM C2系统110从外部系统接收远程发射命令、导航信息、轨道和元数据。防空系统100的前向安置点包括与一个或多个UAV存储系统106通信地耦接的UAV控制器108，UAV存储系统106中的每个包括多个防御性UAV 102。UAV存储系统106可定位在感兴趣区域诸如营地周围的高点处。UAV控制器108和一个或多个UAV存储系统106可共同定位或远程坐落并且无线地或经由缆线通信地耦接。

一旦设置天线(例如，无线电天线)并且防空系统100通电，则防空系统100建立通信链路并验证其是否与旅(BDE)战术操作中心(TOC)C-RAM C2系统110一起操作。可经由HMI设备114经由设置界面显示屏向操作员(例如，士兵)显示防空系统100的进度和状态。通过HMI设备114，操作员可武装防空系统100并定义波段关闭/返回点。一旦设置，HMI设备114可从设置屏幕转换到状态和波段关闭界面屏幕。其它操作员(例如，士兵)可经由他们的HMI设备114订阅现有的安置点。

接合。在接合期间，一个或多个防御性UAV 102可将其GPS方位广播给C-RAM C2系统110，该C-RAM C2系统110使用那些方位来选择发射哪一个或多个防御性UAV 102并引导以拦截目标飞行器104。防御性UAV 102依靠外部C-RAM C2系统110传感器来寻找目标飞行器104并建立其轨迹。C-RAM C2系统110从各种传感器接收关于目标飞行器104的信息。基于由武装系统所传送的信息，C-RAM C2系统110确定可用的防御性UAV 102。

C-RAM C2系统110的发射命令可包括反映目标飞行器104的飞行路径/轨迹的轨迹数据。C-RAM C2系统110然后可发射一个或多个防御性UAV 102，提供在到达目标飞行器104的途中更新的轨道。在操作中，C-RAM C2系统110不仅发射防御性UAV 102，而且还以要传送到远程方位(例如，基站)的格式提供足够的信息以执行朝向目标飞行器104的拦截导向(即成比例导航)。这可采取加速命令(关于导弹)或飞行器(防御性UAV 102)和目标飞行器104的相对位置的形式，远程方位将从这些导出导航命令。

防御性UAV 102计算拦截点并朝向该点飞行。防御性UAV 102在飞行的同时继续从C-RAM C2系统110接收目标飞行器104更新，重新计算可能的拦截点，并相应地调节其飞行轨迹。一旦足够靠近目标飞行器104，无人机就将更多权重分配给内部传感器，并识别目标飞行器104。使用来自内部传感器的精确数据，防御性UAV 102持续地操控以飞入目标飞行器104中，损坏目标飞行器104使其超出飞行能力，并在某些情况下，损坏防御性UAV 102自身。如果目标飞行器104被毁坏，则任何备用跟随防御性UAV 102可返回基地，在基地，防御性UAV 102的电池可被换出或充电。

图7a示出在UAV注册700a期间(一个或多个)防御性UAV 102和C-RAM C2系统110之间的示例性消息交换序列。在步骤702，防御性UAV 102通电。防御性UAV 102可经由远程控制和/或物理开关进行通电。例如，一旦完全充电，则防御性UAV 102可自动通电。在步骤704，防御性UAV 102无线地广播(例如，通告)其可用性及其唯一标识(ID)。无线广播可被加密并且仅可由例如C-RAM C2系统110或防空系统100的另一部件读取。

在步骤706，C-RAM C2系统110使用中继器(例如，UAV控制器108)直接或间接地与防御性UAV 102进行握手协议(握手协议也可被加密)以认证防御性UAV 102。如果C-RAM C2系统110或UAV控制器108不能认证防御性UAV 102，则在步骤712，C-RAM C2系统110或UAV控制器108在退出认证过程之前可将防御性UAV 102标记为威胁和/或经由HMI设备114警告操作员。如果防御性UAV 102被视为是威胁，则C-RAM C2系统110可命令另一防御性UAV 102毁坏未经认证的防御性UAV 102(例如，使用图7b的协议)。

一旦被认证，防御性UAV 102就可在步骤708报告其各种参数。示例参数包括例如其位置、状态、电池状态/范围等。防御性UAV 102可周期性地报告其参数。例如，防御性UAV102可在设置的时段定期广播其参数，该参数可用作心跳消息以确认防御性UAV 102仍然可用。可替换地，防御性UAV 102可响应于事件广播其参数。例如，如果参数中的一个改变(例如，方位改变、电池开始耗尽等)，则防御性UAV 102可警告C-RAM C2系统110。在步骤710，C-RAM C2系统110将防御性UAV 102与其当前参数一起添加到可用防御性UAV 102的列表。

基于来自C-RAM C2系统110的轨迹更新，可经由UAV控制器108在地面上提供初始转向。当范围足够低以使归航相对简单时，可使用基于机载相机的归航系统自主地实现终端导向。可根据需要(例如，经由飞行器处理器216)接合目标失效设备(例如，可展开的网、枪等)。一旦防御性UAV 102在目标飞行器104的预定距离(例如，大约50米)内，基于相机的导引头系统就可扫描目标飞行器104。

可以在接合期间执行立即扫射经过，其中防御性UAV 102与目标飞行器104在类似导弹的碰撞航线上。根据相对的飞行器速度和相遇角度，这可能足以进行攻击。如果没有导致攻击，或关闭率被视为太高而不能维持对目标的“锁定”，则防御性UAV 102可经过目标飞行器104并排队进行第二次经过。第二次经过将利用防御性UAV 102的优越(superior)速度和操控性进入追踪位置，允许相对低速的接近和目标飞行器104的扫射。当执行扫射操控(或一组操控)时，防空系统100必须执行附加功能。首先，防空系统100必须执行“轨道接合”导向计算以进入移动的、潜在操控的目标飞行器104的追踪位置。其次，防空系统100必须建立相对于目标飞行器104维持适当的位置以便扫射的方法。第三，MIDAS必须建立扫射方法，该扫射方法可涉及速度控制、飞行路径角度控制，以及重力和风的调节，以建立可从其射击的稳定平台。接下来，目标失效设备(或其它武器)本身必须朝向目标飞行器104转向。在扫射期间，转向设备(炮塔、万向节或其它机构)将指向武器。防空系统100将以基于相机的导引头输入为基础来命令转向设备的额外自由度。比如，导引头可安装在机身自身上(“有镗孔的”)，并且逻辑从提供运载器加速命令(将重心转向目标)切换到武器指向命令(执行扫射)。另外，可以通过命令防御性UAV 102或其子部件俯仰或偏航来适应目标相对于防御性UAV102飞行路径的高度和方位角偏移，如果存在这些自由度，则导致飞行相对于路径的过度俯仰或侧滑。在这种情况下，必须小心地混合相对于偏航姿态/机身俯仰命令的纵向/横向加速度、速度和飞行路径，以维持运载器在相机视野中并将武器指向目标。

在防御性UAV 102处于近距离追踪的情况下，目标飞行器104被照射，并且目标失效设备使用导引头系统进行恰当地对准，目标失效设备可以经由例如飞行器处理器216触发。仅需继续以“扫射模式”寻找并追赶目标，就可执行损坏评估。所有系统可继续它们的瞄准操作，直到无法再跟踪目标，即目标向下加速(下降)太快而无法追赶。

图7b示出在展开和接合700b(例如，攻击)期间(一个或多个)防御性UAV 102和C-RAM C2系统110之间的示例消息交换序列。在步骤714，C-RAM C2系统110识别威胁(例如，目标飞行器104)。C-RAM C2系统110可确定威胁的当前方位和轨迹。在步骤716，C-RAM C2系统110识别在威胁近侧的一个或多个防御性UAV 102(基于它们的最后已知方位)。例如，C-RAMC2系统110可识别两个或更多个防御性UAV 102，以用于在威胁的当前方位的预定距离内或沿着威胁的轨迹进行展开。在步骤718，C-RAM C2系统110向在步骤716中识别的一个或多个防御性UAV 102发送(例如，传输)发射命令消息。发射命令消息包括目标方位和轨迹。在步骤720，响应于发射命令消息，一个或多个防御性UAV 102以应答(确认)消息进行响应。C-RAM C2系统110可周期性地向一个或多个防御性UAV 102发送轨迹更新，防御性UAV 102中的每个可以以确认及其预测的拦截点作为响应。在步骤721，防御性UAV 102可被配置成在外部导向模式下朝向目标飞行器转向。

在步骤722，防御性UAV 102切换到本地导向模式(即，使用机载传感器进行自导向)。例如，当目标在防御性UAV 102的机载传感器有效载荷的范围内时，防御性UAV 102可切换到本地导向模式。当处于本地导向模式时，防御性UAV 102可在步骤724用计算的拦截点(例如，当其变化时，或者仅以周期性的定期间隔提供)周期性地更新C-RAM C2系统110。防御性UAV 102可保持处于本地导向模式，直到目标接合(例如，目标攻击)。例如，防御性UAV 102可使用机载射弹、网或通过简单地撞击目标飞行器104来攻击目标飞行器104。如果防御性UAV 102在接合后保持操作，则防御性UAV 102可在步骤726向C-RAM C2系统110报告其健康状态。健康状态可包括电池电平、其飞行部件的状态(例如，机载系统的操作状态)。根据健康状态，C-RAM C2系统110、UAV控制器108(例如，经由HMI设备114)或另一系统可指示防御性UAV 102自主着陆以便稍后检索或接合另一目标。在可能时，防御性UAV 102可在步骤728报告返回基地消息并尝试自主地返回到起始点基地或其它预定方位。

接合后。如果目标飞行器104存活(例如，接近错过)，则额外的防御性UAV 102可以跟随以增加目标飞行器104被失效的可能性。在某些方面，目标飞行器104可进行多次经过以增加目标飞行器104被失效的可能性。如果防御性UAV 102在成功接合之后存活，则防御性UAV 102可自主地返回到预定义的恢复点。由于加速和电池放电，防御性UAV 102可在重新使用之前要求再充电。

虚拟现实硬件在环内传感器仿真。虚拟现实(VR)或增强现实(AR)仿真系统可用于创建高保真度、照片般逼真的航空仿真环境(其中可以开发导航自主算法)以及航空电子设备套件二者，以从第1组到第5组，以更少的实验飞行小时数将飞行特性耦接到UAS上的仿真环境。虽然一般将VR和AR仿真系统描述为与防空系统100和防御性UAV 102相关，但VR仿真系统可应用于几乎任何运载器(无论是空中、陆地还是海上)。例如，这种类型的系统可用于可受限于2D的汽车或船只，而航空系统则要求3D解决方案。除了光学仿真之外，还可预计使用雷达、激光雷达、热或其它感测模态的仿真。VR或AR仿真系统在执行空中操纵或空中特技时也可非常有用。对于空中操纵，仿真人为约束(隐藏的小巷等)的能力可实现系统测试的鲁棒性。对于空中特技，这种精确的定位能力将能够更好地建模飞行动力学中的非线性。

可使用航空仿真环境，其使用图形软件引擎(例如，Unity3D或Unreal)并且紧密地耦接到防御性UAV 102的运动。例如，VR仿真系统可用于基于测量的防御性UAV 102的位置和姿势渲染(render)(实时地或接近实时地)将由虚拟环境中的防御性UAV 102上的光学相机(例如，经由传感器有效载荷226)捕获的仿真相机图像。例如，可在VR系统中完全仿真图像，而仿真的结构/对象可置于AR系统中的实际图像上。

防御性UAV 102对来自模拟传感器/相机图像的反馈的响应可用于构造虚拟环境中的飞行测试。例如，导航系统224(例如，RTK GPS/INS)可用于捕获防御性UAV的位置和姿势，同时模拟超出当前光学相机的传感器模态以并入雷达、长波红外线、声纳、激光雷达等。此类VR和AR系统将使开发新型导航自主算法的项目能够通过减少实验飞行小时数以降低的成本执行，降低与飞行运载器事故相关联的风险，并通过使得能够对所有可能的场景使用蒙特卡洛、基于飞行的算法鲁棒性验证来提高测试和评估结果的及时性和彻底性。

VR仿真系统可包括用于测试诸如感知和避免的特征的算法，这在运载器对运载器碰撞相遇中证明是有用的。利用Unity3D或Unreal作为图形引擎的航空仿真环境支持使用PhysX SDK，这通过检测碰撞、执行光线投射和解决刚性体动力学、流体和粒子而实现交互的实时性能和鲁棒行为。这是可扩展的解决方案，在从智能手机到CPU和GPU的广泛范围的设备上均得到支持。将飞行中实际防御性UAV 102的空中能力与由GPU驱动的物理引擎实现的可视化能力紧密耦接通过创建比传统的板上硬件在环(HIL)仿真更具功能性和更高保真度的仿真基础设施，来允许更强大的能力。通过在仿真环境中将嵌入式解决方案连接到能够容易地重新配置和调节空中或地面上的障碍物的实际运载器，我们相信测试的质量将从当前标准提升一个数量级。

参考图8，VR仿真系统800通常可包括本地RTK GPS 806、仿真计算机802和本地无线收发器804。VR仿真系统800可与经由网络228(和相关硬件)间接耦接的防御性UAV 102直接通信地耦接。包括可操作地与存储器设备802b耦接的处理器802a的仿真计算机802可用于提供虚拟现实感测和自主算法二者(例如，用于在不支持GPS的场景(SENsinG)中导航SUAS的仿真环境和航空电子设备套件，如下讨论的)。仿真计算机802可用一个或多个用户设备诸如显示器设备(例如，虚拟现实耳机808、计算机监视器810等)和/或用户界面812(例如，键盘、鼠标、触摸屏外罩等)被可操作地控制。作为虚拟现实感测和自主算法的数据输入，仿真计算机802经由本地无线收发器804的天线可与防御性UAV 102的GPS 224a、IMU224c和飞行器处理器216进行通信或以其它方式从它们接收数据。

在防御性UAV 102上，GPS 224a可提供关于防御性UAV 102的位置的厘米级准确度，同时IMU 224c提供9-DOF(自由度)姿态信息。飞行器处理器216将来自GPS 224a和IMU224c的数据融合到高保真度运载器状态(姿态和位置)信息中，以用于经由飞行器无线收发器222进行传输。例如，飞行器处理器216可使用扩展的卡尔曼滤波器(EKF)来融合GPS和IMU数据，以提供高保真度运载器状态信息。在操作中，RTK GPS提供低频信息，而IMU提供高频信息；EKF提供平滑的位置和姿态输出。通过组合这两者，大多数计算发生在地面上，从而允许航空器具有最小的有效载荷。通过利用RTK GPS和IMU，可以在户外用大型防御性UAV 102执行虚拟现实HILSIM。这使得自主算法能够在空的空域中进行测试，但是在虚拟现实环境中仿真城市。例如，许多算法可以在不碰撞防御性UAV 102的情况下被测试。

仿真计算机802使用防御性UAV 102的状态信息以创建虚拟现实传感器输入。这些输入用于测试自主算法，自主算法可以通过无线电反馈回到防御性UAV 102并控制防御性UAV 102。例如，信息通过收发器222经由本地无线收发器804的天线馈送到地面上的VR仿真系统800。使用VR仿真系统800，仿真计算机802确定虚拟现实传感器信息，并且然后控制防御性UAV 102以基于这些感知输入(自主算法)采取行动。例如，无线电设备在空中的防御性UAV 102和地面控制站之间与RTK GPS基站、无线电设备和仿真计算机802进行通信。

VR仿真系统800基于测量的位置和姿态渲染(实时地)将由虚拟环境中的运载器上的光学相机捕获的图像。防御性UAV 102对来自模拟相机图像的反馈的响应构成虚拟环境中的飞行测试。在该程序下，空中可视化的能力将被扩展以允许防御性UAV 102在户外飞行，其中RTK GPS/INS捕获防御性UAV 102的位置和姿态，并模拟超出当前光学相机的感测模态。

可经由可以由多个机架平台利用的模块化航空电子设备套件来促进VR仿真系统800。例如，VR仿真系统800可采用开发套件(例如，Jetson TX1或TX2)和传感器，经由飞行控制器(例如，F4高级飞行控制器)或其它嵌入式处理器与飞行控件交互，并且RTK GPS/INS将服务大多数SUAS平台。在一个方面，模块化航空电子设备套件可包括携载板(Jetson TX1)、一个或多个相机、RTK GPS/INS和IMU，从而实现许多导航自主能力。将RTK GPS/INS添加到模块化航空电子设备套件实现户外实验，从而允许在真实的环境条件(风、阵风、温度等)下进行更大范围的测试。模块化航空电子设备套件可以在几乎所有飞行器上使用，范围从纳米无人机(<60g)(例如，Parrot Rolling Spider无人机)到大型有效载荷承载飞行器。

参考图9a，随着防御性UAV 102在真实世界空间600a中移动(通过其位置和姿态以6个自由度描述)，由防御性UAV 102上的传感器感测到的真实世界空间600a被仿真计算机802修改/增强。通过在此种仿真环境中创建感测输入，如图9b所示，可经由虚拟现实耳机808、计算机监视器810或HMI设备114生成并显示/覆盖仿真的障碍物902。仿真的障碍物902可包括移动或静止对象，诸如人造对象(例如，建筑物、运载器、电源线等)和/或自然对象(例如，树木、山脉、鸟类等)。仿真的障碍物902可容易地重新配置。因此，此类可调节的仿真的障碍物902允许工程师利用任意目标执行无限次的飞行测试，同时使对防御性UAV 102的损坏风险最小化，因为障碍物和潜在碰撞是仿真的，而非通过实验创建的。

以上引用的专利和专利公开的全部内容以引用方式并入本文。在通过引用并入本文的参考文献中术语的定义或使用与本文提供的该术语的定义或理解不一致或相反的情况下，适用本文提供的术语的含义，而参考文献中该术语的定义不是必须应用的。尽管已参考零件、特征等的特定布置描述了各种实施例，但是这些并不旨在穷举所有可能的布置或特征，并且实际上本领域技术人员可确定许多其它实施例、修改和变化。因此，应当理解，本公开的教导因此可以以除上文具体描述的方式之外的方式实施。

Claims (9)

1.一种飞行器仿真系统，包括：

飞行器，其具有机载无线收发器和飞行控制器，所述飞行控制器与机载传感器有效载荷可操作地耦接以感知物理环境并生成位置和姿态数据，所述机载传感器有效载荷包括具有预定视场的机载相机；

本地无线收发器；

仿真计算机，其被配置成经由所述本地无线收发器与所述飞行器进行无线通信，

其中所述仿真计算机被配置为生成一个或多个虚拟现实传感器输入，

其中所述仿真计算机被配置为从所述飞行器接收相对于所述物理环境描述所述飞行器的所述位置和姿态数据，以及

其中所述仿真计算机被配置为将所述一个或多个虚拟现实传感器输入传输到所述飞行器的所述飞行控制器，以及

与所述仿真计算机可操作地耦接的显示器设备，

其中所述显示器设备被配置成实时地或接近实时地显示由所述机载相机捕获的所述预定视场的视频馈送，以及

其中所述视频馈送经由所述仿真计算机用来自所述仿真计算机的包括一个或多个仿真的障碍物的覆盖进行增强。

2.根据权利要求1所述的飞行器仿真系统，其中所述一个或多个虚拟现实传感器输入表示所述一个或多个仿真的障碍物。

3.根据权利要求2所述的飞行器仿真系统，其中所述一个或多个仿真的障碍物包括至少一个移动对象。

4.根据权利要求2所述的飞行器仿真系统，其中所述一个或多个仿真的障碍物包括至少一个静态对象。

5.根据权利要求1所述的飞行器仿真系统，其中所述覆盖进一步包括与所述飞行器的操作参数相关的测量数据。

6.根据权利要求1所述的飞行器仿真系统，其中所述机载传感器有效载荷包括实时动态(RTK)全球定位系统(GPS)。

7.一种使用飞行器和仿真计算机提供飞行器仿真的方法，所述方法包括：

在所述仿真计算机处接收来自所述飞行器的机载传感器有效载荷的位置和姿态数据，其中所述位置和姿态数据相对于物理环境描述所述飞行器；

经由所述仿真计算机生成一个或多个虚拟现实传感器输入；

经由本地无线收发器从所述仿真计算机向所述飞行器无线地传输所述一个或多个虚拟现实传感器输入到所述飞行器的飞行控制器；以及

经由与所述仿真计算机可操作地耦接的显示器设备实时地或接近实时地显示预定视场的视频馈送，其中所述视频馈送用来自所述仿真计算机的包括一个或多个仿真的障碍物的覆盖进行增强。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述一个或多个虚拟现实传感器输入表示所述一个或多个仿真的障碍物。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述视频馈送是至少部分地基于(1)来自所述飞行器的位置和姿态数据，以及(2)一个或多个虚拟现实传感器输入而生成的虚拟环境。