CN109906186A - 用于无人驾驶飞机的自动化回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人驾驶飞机系统，所述无人驾驶飞机系统包括自动化回收系统(500)，所述自动化回收系统可使用双杆(513)和捕捉线机构(514)以可靠经济的方式回收飞机。

Description

用于无人驾驶飞机的自动化回收系统
相关申请的交叉引用
本专利合作条约专利申请要求2016年9月21日提交的名称为“AutomatedRecovery System for Unmanned Aircraft”(用于无人驾驶飞机的自动化回收系统)的美国临时专利申请No.62/397,864的优先权，该临时专利申请的内容全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开涉及被设计用于可靠、大容量操作的无人驾驶飞机系统(UAS)。UAS包括用于无人驾驶飞机的自动化回收系统。
背景技术
自主飞行器在过去几年里逐渐流行起来。无人驾驶飞行器(UAV)已从十分罕见变为司空见惯的景象。UAV不仅由业余爱好者和娱乐性飞行器操作员使用，而且也由政府和企业使用，以实现诸如监视、测绘和近来的空投的目的。
为了使用UAS经济地进行大容量操作，UAV和地面设备必须被按一定方式设计，以允许飞机易于测试、发射和回收。
发明内容
本文所讨论的实施方案涉及使用UAV进行可靠的大容量操作的方法和系统。
用于停止飞机的飞行的系统可包括两个线支撑机构，这两个线支撑机构支撑在基部表面(例如，地面)上方且隔开一定空间；捕捉线，该捕捉线悬挂在这两个线支撑机构之间；致动器系统，该致动器系统被配置为移动这两个线支撑机构以引起捕捉线行进穿过捕捉窗口；绕线系统，该绕线系统被配置为从这两个线支撑机构延长或收回捕捉线；以及回收控制系统。回收控制系统可被配置为响应于检测到某状况，激活致动器系统以移动这两个线支撑机构，从而使捕捉线移动穿过捕捉窗口并且使飞机上的接合构件与捕捉线接合。回收控制系统可被进一步配置为测量捕捉线上的力，并且引起绕线系统延长捕捉线以保持捕捉线上的所测量的力在阈值以下。该状况可为从远程源接收到运动开始命令。远程源可为飞机。
这两个线支撑机构中的第一线支撑机构可包括可旋转地耦接到支撑结构的第一杆，并且这两个线支撑机构中的第二线支撑机构包括可旋转地耦接到支撑结构的第二杆。致动器系统可被配置为使第一线支撑机构和第二线支撑机构相对于支撑结构旋转。
回收控制系统可被进一步配置为确定预测的飞机轨迹，并且基于预测的飞机轨迹来确定运动开始时间。回收控制系统可检测到达运动开始时间时的状况。
激活致动器系统以移动这两个线支撑机构的操作可引起捕捉线向上移动穿过捕捉窗口，并且回收控制系统可被进一步配置为在捕捉线接合飞机上的接合构件之后，激活致动器系统以沿不同方向移动这两个线支撑机构，从而向下移动捕捉线。
回收控制系统可被进一步配置为在引起绕线系统延长捕捉线之后，引起绕线系统收回捕捉线。引起绕线系统收回捕捉线可包括引起绕线系统将捕捉线收回到一定放线长度，该放线长度防止在捕捉线停止飞机之后飞机撞击基部表面。
用于停止飞机的飞行的系统可包括支撑结构，该支撑结构具有至少两个支撑构件，所述至少两个支撑构件在基部表面上方延伸并且彼此相隔一定空间；第一线支撑机构，该第一线支撑机构附接到所述至少两个支撑构件中的第一支撑构件并且可相对于第一支撑构件移动；第二线支撑机构，该第二线支撑机构附接到所述至少两个支撑构件中的第二支撑构件并且可相对于第二支撑构件移动；捕捉线，该捕捉线在第一线支撑机构和第二线支撑机构之间延伸；以及致动器系统，该致动器系统被配置为基本上协同地移动第一线支撑机构和第二线支撑机构，从而使捕捉线移动穿过捕捉窗口。
第一线支撑机构可为可相对于第一支撑构件旋转的第一杆，并且第二线支撑机构可为可相对于第二支撑构件旋转的第二杆。第一杆可为管状结构，该管状结构限定沿着第一杆的长度延伸的通道，并且捕捉线的一部分可延伸穿过该通道。第二杆可为附加管状结构，该附加管状结构限定沿着第二杆的长度延伸的附加通道，并且捕捉线的附加部分可延伸穿过该附加通道。
致动器系统还可包括被配置为移动第一线支撑机构的第一马达，以及被配置为移动第二线支撑机构的第二马达。第一马达和第二马达可被配置为旋转第一线支撑机构和第二线支撑机构。第一马达和第二马达可被配置为沿着线性路径移动第一线支撑机构和第二线支撑机构。
用于停止飞机的飞行的方法可包括在被配置为控制包括可移动捕捉线的飞机回收机构的回收控制系统处：激活飞机回收机构的致动器系统以使捕捉线向上移动穿过捕捉窗口，从而使飞机上的接合构件与捕捉线接合；在接合飞机上的接合构件之后，测量捕捉线上的力；以及引起绕线系统延长捕捉线以保持捕捉线上的所测量的力在阈值以下。
该方法还可包括确定预测的飞机轨迹；基于预测的飞机轨迹来确定运动开始时间；以及确定已到达运动开始时间。回收控制系统可响应于确定已到达运动开始时间，而激活致动器系统以使捕捉线向上移动穿过捕捉窗口。
可使用基于地面的传感器来确定预测的飞机轨迹。可使用基于飞机的传感器来确定预测的飞机轨迹。
附图说明
这些附图使用类似的附图标记来标识类似的元件。附图标记后跟字母(诸如“100a”)指示该文字特指具有该特定附图标记的元件。文字中未后跟字母的附图标记(诸如“100”)是指各附图中带有该附图标记的任何或全部元件(例如，文字中的“100”是指各附图中的附图标记“100a”和/或“100b”)。
图1A是根据一个示例性实施方案的示出UAS的部件及可与之对接的实体的示意图。
图1B是根据一个示例性实施方案的示出UAV发射过程的示意图。
图2A是根据一个实施方案的示出UAV的示例性设计的顶部透视图的示意图。
图2B是根据一个实施方案的示出UAV的示例性设计的底部透视图的示意图。
图2C是根据一个实施方案的示出具有尾钩延伸吊臂的UAV的示例性设计的底部透视图的示意图。
图2D是根据一个示例性实施方案的示出UAV的部件的系统示意图。
图3是根据一个示例性实施方案的示出配送中心的部件的示意图。
图4是根据一个示例性实施方案的示出全局服务的部件的示意图。
图5A是根据一个示例性实施方案的示出自动化回收系统的部件的示意图。
图5B是根据一个示例性实施方案的示出一个捕捉杆的更详细视图的示意图。
图5C是根据一个示例性实施方案的示出具有捕捉线卷轴的捕捉线的一部分的更详细视图的示意图。
图5D是根据一个示例性实施方案的示出一个捕捉杆的更详细视图的示意图，其中示出了线通道。
图5E是根据一个实施方案的示出回收飞机的自动化回收系统的示意图。
图5F是根据一个示例性实施方案的示出图像序列的示意图，该图像序列示出了回收飞机的自动化回收系统。
图5G是根据一个示例性实施方案的示出着陆坪的更详细视图的示意图。
图5H是示出自动化回收系统的替代实施方案的示意图。
图6A是根据一个示例性实施方案的示出使用自动化回收系统回收飞机的方法的示意图。
图6B是根据一个示例性实施方案的示出将与替代回收方法一起使用的捕捉线的运动路径的示意图。
图6C是根据一个示例性实施方案的示出使用自动化回收系统回收飞机的替代方法的示意图。
图7是根据没有着陆坪的一个替代实施方案的示出图像序列的示意图，该图像序列示出了回收飞机的自动化回收系统。
具体实施方式
虽然已参照各种实施方案描述了本公开，但应当理解，这些实施方案是示例性的并且本公开的范围不限于这些实施方案。许多变型、修改、添加和改进是可能的。模块和程序在各种实施方案中可以以不同方式分开或组合，或者用不同术语描述。这些和其他变型、修改、添加和改进可落在如以下权利要求限定的本公开的范围内。
本文件描述了被设计用于大容量操作(诸如普通包裹投递)的UAS。该系统包括被设计为基本上独立于地面操作员操作的UAV、测试与校准系统、UAV发射架、自动化回收系统、以及附接有被设计为空投的降落伞的包裹。该系统还包括软件部件，其中一些软件部件可在UAV上执行，一些软件部件可在本地运行的计算机服务器上执行，并且一些软件部件可在远程云服务器上执行。
本文所述的UAS提供了用于执行各种目标功能(包括但不限于包裹投递、数据捕捉、测绘、监视和基础设施供应)的平台。虽然本文描述了UAS系统的具体实施方案，但一些实施方案可包括一般不与每一个目标功能相关的系统和方法。本领域技术人员将易于认识到所述系统或方法相对于目标功能的相关性。
无人驾驶航空系统(UAS)
本文件中公开的UAS是被设计用于安全、可靠的大容量操作的无人驾驶飞机系统的示例性实施方式。在该实施方案中，飞机是固定翼UAV，但UAS也可结合其他飞机设计来使用，诸如四轴飞行器、轻于空气的飞行器(诸如软式飞艇)、滑翔机、倾转旋翼飞机等。此外，如本文所用，术语“自主的”可指在无需用户干预和/或控制的情况下由无人驾驶飞行器执行的飞行器的操作，以及描述被设计为在无需对其所有或部分任务进行人为干预和/或控制的情况下操作的飞行器。因此，即使人类操作员可选择越过飞行器的自主控制，飞行器和/或系统也可被描述为自主的。
图1A示出了UAS和对接实体的实施方案。在该实施方案中，UAS 100从服务请求者104接收服务请求并且部署UAV 102以满足该请求。如果UAV 102遇到其机载自动化无法理解或处理的情形(或人类操作员察觉到必须要人为干预的情形)，UAS 100能够通过选择可向UAV 102发出命令的远程飞行器操作员108来提供人为干预。在该实施方案中，UAS 100包括配送中心101、UAV 102和全局服务103。
服务请求者104是向UAS 100发出服务请求的人类用户或自主系统。在服务请求者104是人类用户的情况下，该用户可使用远程客户端设备(诸如移动电话、平板电脑或个人计算机)来发出该请求。服务请求是让UAS 100在目的地位点105处提供某种服务的指令。目的地位点105可为任何指定位置，诸如一部分开阔地、建筑物、邮寄地址、全球定位系统(GPS)坐标或一片空域。在一些实施方案中，目的地位点105是信标设备的位置。信标设备可为发射可用于跟踪或识别位置的信号的任何设备，诸如例如应答器、移动电话等。也可通过识别特定对象来指定目的地位点105，该特定对象诸如例如为指定飞行器、信箱、投递坪、或可被跟踪以指示服务的目标位置的某个其他目标对象。在另一个实施方案中，目的地位点105是服务请求者104的位置，但并不一定是这种情况。虽然在该实施方案中示出了一个服务请求者104和一个目的地位点105，但实际上可存在许多服务请求者104和目的地位点105。
所请求的服务可为可由机载平台提供的任何服务。例如，在一个实施方案中，服务请求者104所发出的服务请求是将包含具体有效载荷的包裹投递到目的地位点105的请求。在另一个实施方案中，服务请求是使用安装在UAV 102上的相机在目的地位点105处或沿着往返目的地位点105的路线捕获图像数据的请求。在又一个实施方案中，服务请求是使用安装在UAV 102上的Wi-Fi网关来提供目的地位点105处的互联网接入点的请求。可使用UAS100在目的地位点105处提供许多其他服务，诸如使用安装在UAV上的仪器进行包裹收取、监视、测绘、数据捕捉等。
UAV 102是无人驾驶飞行器。可使用多种系统和机架来实现UAV 102。几乎任何实际飞行平台都可用作UAV 102的飞行器基部，包括滑翔机、普通飞机、气球、直升机等。在一个实施方案中，使用被优化用于长途飞行的具有冗余推进系统的固定翼飞机来实现UAV102。在另一个实施方案中，使用被优化用于短途飞行及垂直起飞和着陆的四旋翼飞机来实现UAV 102。在又一个实施方案中，使用具有倾转旋翼的、能够进行长途飞行及垂直起飞和着陆的混合型固定翼飞机来实现UAV 102。在另一个实施方案中，使用固定翼飞机来实现UAV 102，该固定翼飞机具有被配置为提供水平推力的固定的水平取向马达，以及被配置为提供垂直推力的单独固定的垂直取向马达。还可使用轻于空气的平台(诸如气球、软式飞艇或其他飞船)来实现UAV 102。UAS 100中的UAV 102的一个用途是用作可在最少人类参与的情况下按需快速部署的灵活平台。
虽然UAV 102在大多数场景中是被设计为在无需人类协助的情况下操作的自主飞行器，但其可能偶尔需要控制人员或飞行员的干预。例如，全局系统操作员106或配送中心操作员107可能因为一些外部问题(诸如天气恶劣、投递被取消等)而在UAV 102执行任务时向该UAV发出召回命令。UAV 102还可在执行其任务时主动请求人类协助。例如，UAV 102可能遇到其视觉和/或导航算法无法产生具有高度可靠性的路径的环境。在此类场景中，UAV102将向全局服务103发送协助请求。全局服务103将选择远程飞行器操作员108来处理该情形，并且该操作员可向UAV 102发送一个或多个命令以帮助其导航其环境。
UAV 102可运载任何合适的有效载荷，具体取决于从服务请求者104接收的服务请求的性质。将在对图2A至图2D的描述中更详细解释UAV 102的部件。虽然图1A中描绘的是单个UAV 102，但UAS 100中可存在多于一个UAV 102。
配送中心101是有利于UAV 102的发射、再装填、通信、维修和有效载荷物流的固定或移动设施。将在对图3的描述中更详细解释配送中心101。虽然图1A中示出的是单个配送中心101，但UAS 100中可存在多于一个配送中心101。在一个实施方案中，UAS 100中的每个UAV 102设在单个配送中心101处，并且在该配送中心101处维修、重新装载和再装填。在另一个实施方案中，每个UAV 102可在UAS 100中的任何配送中心101处维修、重新装载和再装填，并且UAV 102可基于当前服务请求的物流需求以及未来服务请求的预计需求来在配送中心101之间选定路线。每个配送中心101可具有发射架系统和自动化回收系统，这些系统能够进行UAV 102的自动化、可靠的大容量发射和回收。每个配送中心101还可包括在发射之前和/或在回收之后测试和校准UAV 102的设备。
全局服务103可由运行软件服务(即，计算机软件程序)的一个或多个计算机服务器系统构成，这些软件服务可通过互联网访问，为配送中心101和UAV 102提供异地支持、管理、空中交通管制、通信、数据存储和物流功能。在一个实施方案中，全局服务103将来自服务请求者104的服务请求路由到配送中心101，该配送中心地理上毗邻(或地理上相对接近)目的地位点105。
全局服务103还可在UAV 102执行其任务时从该UAV接收协助请求。基于此类请求，全局服务103将从操作员池选择远程飞行器操作员108，并且向远程飞行器操作员108提供关于UAV 102环境的数据。基于这种提供的数据，远程飞行器操作员108可向UAV 102提供一个或多个命令以帮助其克服其机载智能无法处理的任何问题。将在对图4的描述中更详细解释全局服务103。
全局系统操作员106可为人类用户，其监测并操作UAS 100以确保该系统的正确有效运行。例如，在一些实施方案中，全局系统操作员106可通过全局服务103的计算机服务器来监测UAS 100，以确保配送中心101备有适当的有效载荷，从而满足来自服务请求者104的服务请求。在一个示例性实施方案中，全局系统操作员106在预计到特定有效载荷的存货即将耗尽时可使用全局服务103将该有效载荷的新存货运往配送中心101。
可存在多于一个全局系统操作员106，并且全局系统操作员106可监测多个配送中心101、UAV 102和服务请求者104并为之提供服务。
配送中心操作员107是监测并操作配送中心101的人类用户。配送中心操作员107可确保配送中心101本地的UAS 100部件正确运行。这包括设在配送中心101处的UAV 102，以及其他部件，诸如发射架、回收系统、测试与校准系统、再装填器、有效载荷等。配送中心101提供促进配送中心操作员107的任务的系统和方法。例如，在一些实施方案中，操作配送中心101的配送中心操作员107配备有操作员接口，该操作员接口允许其确定该配送中心101处每种类型的有效载荷的库存，并且使其能够订购更多任何类型的供应不足的有效载荷。配送中心操作员107还可使用操作员接口来操作位于该配送中心101处的发射架系统、自动化回收系统和测试/校准系统。将在对图3的描述中更详细解释促进配送中心操作员107的工作的配送中心系统和方法。
远程飞行器操作员108是人类用户，该人类用户从全局服务103接收关于UAV 102的信息，并且可向UAV 102发出命令以帮助其完成其任务。在该系统的一个实施方案中，存在可向该系统中的任何UAV 102提供协助的可用远程飞行器操作员108的池。当全局服务103从UAV 102接收到协助请求时，其从可用远程飞行器操作员108中选择并且将该请求路由到该操作员。远程飞行器操作员108查看关于UAV 102情况的信息，并且向UAV 102发送一个或多个命令。基于这些命令，UAV 102采取帮助其完成其任务的动作。在一个实施方案中，全局系统操作员106和远程飞行器操作员108的角色被合并。
图1B示出了由UAS 100实现的UAV发射过程的一个实施方案。作为初始步骤，UAS100的全局服务103在150处从服务请求者104接收服务请求。该服务请求指定了目的地位点105，该目的地位点指定将递送该服务的位置。如本文所述，该服务请求还可包括与服务请求者所请求的有效载荷相对应的有效载荷信息。全局服务103随后在151处选择将由其满足服务请求的合适的配送中心101。在一些实施方案中，全局服务103在151处通过以下方式选择将由其满足服务请求的配送中心101：确定离目的地位点105的位置最近的配送中心101。在另一个实施方案中，全局服务103在151处通过以下方式选择将由其满足服务请求的配送中心101：考虑配送中心101与目的地位点105的接近度以及配送中心101处指示服务请求中指定的有效载荷的可用性的库存。例如，如果服务请求是将具体类型的物品投递到目的地位点105的请求，则全局服务103将从这些配送中心中选择靠近目的地位点105且其库存中具有所请求的物品的配送中心101。也可使用其他因素来选择配送中心101，诸如例如配送中心101处的本地天气状况和空中交通。
一旦在151处选择配送中心101，就在152处向该配送中心101发送服务请求中的信息的至少一部分。除了目的地位点位置和有效载荷信息之外，服务请求还可包含可用于在配送中心101处满足服务请求的其他信息。例如，在一些实施方案中，服务请求还包含指定应在何时在目的地位点105处满足服务请求的时间。
可在配送中心选择过程期间或之后在153处选择UAV 102来执行飞行任务以满足请求。可在153处基于与服务请求和/或系统效率有关的一个或多个标准来选择将执行飞行任务的UAV 102。例如，在一个实施方案中，在153处基于其电池的电量以及离目的地位点105的距离来选择UAV 102。在另一个实施方案中，在153处基于安装在其机架上的仪器以及服务请求中指定的数据捕捉的类型来选择UAV 102。在又一个实施方案中，在153处基于与服务请求中指定用于投递的包裹匹配的其有效载荷中的包裹来选择UAV 102。
在替代实施方案中，UAS 100不从为给定任务预先配置的UAV中选择。相反，配送中心101或全局服务103确定需要完成服务请求的一组部件，并且配送中心101使包括所需部件的UAV组装好以用于该任务。例如，如果目的地位点105离配送中心101一定距离，则用于该任务的UAV可配置有合适的电池组和发动机以完成到该目的地的往返飞行。
UAV 102的选择153可在配送中心的选择151之后进行，或可用作在151处选择配送中心101的一个因素。例如，可在151处基于服务请求所需的有效载荷的重量，仅从具有特定类型的UAV机架、UAV电池或UAV发动机的那些配送中心选择配送中心101。
一旦在153处为该任务选择UAV 102，就在154处为其生成任务数据。任务数据是使UAV 102能够导航到目的地位点105并且满足服务请求的信息。在一些实施方案中，任务数据包括目的地位点105的GPS坐标以及促进导航到这些GPS坐标的飞行走廊信息。将在对图2D和图3的描述中更详细讨论飞行走廊信息。将在对图2D、图3和图4的描述中讨论与任务数据有关的更多细节。在154处生成任务数据之后，将其上传到UAV 102上的数据库中。
一旦在154处生成并上传任务数据，就在155处发射UAV 102。从发射UAV 102的时间起一直到其再次着陆为止，其被视为在执行完成服务请求的任务。在一个实施方案中，可带着满足多于单个服务请求的任务来发射UAV 102。在另一个实施方案中，在155处发射UAV102之后，上传并且可能甚至生成任务数据的至少一部分。
无人驾驶飞行器(UAV)
UAV 102是具有硬件和软件模块的飞机系统，这些硬件和软件模块使其能够在很少或没有人为监督的情况下满足服务请求。在一个实施方案中，UAV 102由包括硬件和软件模块的机架构成，这些硬件和软件模块使其能够自主地飞行并且完成服务请求。图2A示出了UAV 102的示例性实施方案的上部透视图。所示的实施方案包括机翼211、尾翼212和控制表面213。控制表面213耦接到致动器(未在该图中描绘)并由这些致动器移动。在一个实施方案中，这些致动器是电伺服马达。在另一个实施方案中，这些致动器是气动的。UAV 102还具有用于推进的一个或多个发动机。这些发动机未在图2A中描绘的图示中描绘，但它们可安装在飞机的机翼211、机头或机身上。可基于对飞机的要求来改变发动机的数量和位置。这些发动机可为喷气发动机、电力推进器发动机、汽油动力推进器发动机或适用于轻型飞机的任何其他类型的发动机。
在所示的实施方案中，UAV是固定翼飞机，其由碳纤维和塑料构造，并且具有包括双方向升降舵的V形尾翼。替代机架构型和材料也可用于UAV 102。例如，UAV 102可为四轴飞行器、具有常规尾翼的固定翼飞机、具有机翼和垂直起飞旋翼的混合型飞机等。用于该飞机的材料可为碳纤维、钛和铝合金、塑料或任何其他耐用的轻质材料。
图2B示出了UAV 102的相同实施方案的下部透视图。飞机的该视图示出了校准基准214、有效载荷舱门215和尾钩216。校准基准214是使基于视觉的测试与校准系统能够确定控制表面213的位置和移动的几何图案。在飞行前检查期间使用校准基准及测试与校准系统来确保UAV 102的控制表面213在这些控制表面的伺服机构被激活时以预期方式移动。
有效载荷舱门215允许进入UAV 102内的内部有效载荷舱。有效载荷舱可用来运载用于投递的包裹、用于监视任务的仪器、通信设备等。有效载荷舱门215可在UAV 102处于飞行中时打开，以便将包裹空投在目的地位点105处。内部有效载荷舱可包括用于将运载的包裹从有效载荷舱排出的机构。用于将包裹从有效载荷舱排出的机构可为压缩弹簧、弹性带、伺服马达、液压机构或任何其他可用于强行排出有效载荷使得其可以在投递期间可靠地清空飞机的设备。被设计用于从UAV 102空投的包裹的一个实施方案以及与UAV 102空投包裹有关的更多细节将结合图6描述。
在一个实施方案中，UAV 102从外部运载其有效载荷，该有效载荷直接附接到飞机机身，而不是在内部有效载荷舱中。就外部运载的有效载荷而言，飞机机身将具有有效载荷的附接点，这些附接点可被致动以便释放有效载荷。
尾钩216是附接到UAV 102的尾翼或机身的耐用钩状结构。尾钩216有助于回收UAV102。在所示的实施方案中，尾钩216直接附接到UAV 102的尾翼212，但在替代实施方案中，如图2C所示，尾钩216可附接在延伸吊臂217的端部处，该延伸吊臂延伸超过尾翼212的端部。延伸吊臂可耦接到吊臂铰链218，该吊臂铰链允许尾钩216枢转远离尾翼212，以允许UAV102的主体与尾钩216之间留出间距。该间距可有助于UAV 102的安全回收。使用自动化移动捕捉线回收UAV的一种方法和系统将结合图5A至图5H以及图6A至图6B详细描述。尾钩216是可有助于停止和回收UAV 102的一个示例性接合构件。其他示例性接合构件可包括可耦接到UAV 102或以其他方式与UAV 102一体化的链条、缆绳、杆或其他部件。
图2D是根据一个示例性实施方案的UAV 102的系统的框图。图2D所示的UAV 102的实施方案包括任务规划器200、飞行控制器201、传感器系统202、通信系统203、致动器控制系统204、推进管理系统205、有效载荷管理系统206和安全系统207。总体来说，这些模块一起构成UAV 102的飞机控制系统210。在UAV 102的实施方案中，上文提及的模块中的两者或更多者可组合成单个硬件部件以降低复杂性，改善可靠性，减轻重量，和/或降低成本。例如，在一个示例性实施方案中，可使用在相同片上系统(SOC)硬件上运行的软件模块来实现任务规划器200和飞行控制器201。
虽然未在该图中描绘，但UAV 102的这些模块经由至少一个通信总线互连。该总线允许这些模块彼此通信以接收并发送信息和命令。可使用对于熟悉航空和飞行器工程的人员已知的任何方法来实现该总线。例如，可使用控制器局域网(CAN)标准来实现该总线。为了改善该系统的可靠性，实施方案可使用附加冗余总线。例如，可实现双CAN总线以防止总线故障引起UAV失控。
任务规划器200是为UAV 102的其他模块提供高级别指令和目标的模块；这些指令和目标的执行引起UAV 102满足服务请求。任务规划器200所产生的目标和指令被传送到UAV 102的其他模块，然后其他模块可采取其他动作以完成任务，包括为该系统的其他模块生成附加指令和目标。
例如，在一个实施方案中，任务规划器200确定UAV 102可穿越的一组航点以便到达目的地位点105，并且向飞行控制器201提供第一航点的位置作为目标以及飞往该位置的指令。在该实施方案中，然后飞行控制器201可继而计算朝向目标位置移动UAV 102所需的取向和推进力；飞行控制器201还可为其他模块(诸如例如致动器控制系统204和推进管理系统205)生成另外的指令。向致动器控制系统204和推进管理系统205发送的指令可使它们采取改变UAV 102的取向并朝向目标位置推进该UAV的动作。作为UAV 102中的各种模块响应于任务规划器200的指令和目标而采取的动作的结果，UAV 102将飞往指定的第一航点。一旦实现该目标，任务规划器200可向其他模块发送新目标和指令，使得UAV 102飞往第二航点、第三航点等等，直到满足到达目的地位点105的更高级别目标。
除了移动指令之外，任务规划器200还可向UAV 102的模块发出其他指令，这些指令引起诸如有效载荷的投放、图像数据的捕捉、数据的传输等动作。任务规划器200还可从全局服务103、从人类操作员或从第三方管制员(诸如空中交通管制员)接收命令，并且可基于这些命令来向UAV 102模块发出指令。例如，在一个示例性实施方案中，由于即将来临的风暴，UAV 102机载的任务规划器200可从人类操作员接收命令以飞回到配送中心101。响应于该命令，任务规划器200将产生向UAV 102中的其他模块发送的新目标和指令，并且作为这些新目标和指令的结果，UAV 102将改变航向并返回到配送中心101。
在一个实施方案中，任务规划器200包括有限状态机208。有限状态机208是在UAV102执行任务的过程期间组织该任务规划器200何时并在什么情况下向UAV 102的其他部件发出目标和指令的数据结构。从概念上讲，有限状态机208包括多种飞行器状态以及这些状态之间的对应有效转变。至少一种飞行器状态在UAV 102执行任务期间始终是激活的。任务规划器200基于当前飞行器状态通过通信总线将目标和指令广播到UAV 102的其他模块。有限状态机208在任务推进时从一种飞行器状态转变为另一种飞行器状态，并且当有限状态机208进入新的飞行器状态时，任务规划器200可将新目标和指令广播到UAV 102的其他模块。例如，在一个实施方案中，UAV 102包括如下飞行器状态：发射、标称飞行、保持位置、投递包裹、返回和着陆。在该实施方案中，任务规划器200可在发射状态下开始任务。在发射状态下，任务规划器可向飞行控制器201给出使UAV 102起飞的目标。基于该目标，飞行控制器201通过向致动器控制系统204和推进管理系统205发出指令，可增加发动机所提供的推力并且可降低机翼上的襟翼。一旦飞行器升空，有限状态机208就可转变为标称飞行状态。在标称飞行状态下，任务规划器200可向飞行控制器201发送飞往特定目标目的地的指令。一旦UAV 102到达目的地，有限状态机208就可转变为投递包裹状态。基于投递包裹状态，任务规划器200可向飞行控制器201和有效载荷管理系统206两者发送指令，使得安全接近目的地位点并且释放有效载荷。
有限状态机208可使用多种不同数据结构来表示，并且可使用多种硬件、软件或混合硬件-软件方法来实现。在一个实施方案中，通过以下方式实现有限状态机208：创建定义飞行器状态和有效状态转变的技术规范，然后编译该技术规范以产生表示所定义的状态和转变的可执行或目标代码。在该实施方案中，可执行或目标代码可存储在UAV 102中的计算机存储介质(诸如随机存取存储器、硬盘存储、闪存)中。在另一个实施方案中，技术规范可被转换为可使用一个或多个硬件模块实现的硬件设计。
在从配送中心101发射UAV 102之前为任务规划器200提供任务数据。任务数据包括使任务规划器200能够定位目的地位点105、确定到该位置的适当路线以及执行完成服务请求所需的任何请求特定的动作的信息。例如，在一些实施方案中，为任务规划器200提供目的地位置、到目的地位置的路线以及将使用机载相机捕捉图像的沿着该路线的一系列点。
在一些实施方案中，任务数据包括操作区域的本地星空地图。操作区域是涵盖配送中心101和目的地位点105的地理区域。本地星空地图是包括可用于任务规划的信息的组织数据，包括目的地位点105、飞行走廊和控制区的位置。本地星空地图可存储在自定义的数据结构中，或其可使用诸如MYSQL、POSTGRESSQL、MONGODB、COUCHDB等标准数据库软件来存储。具有基于地理坐标来组织和检索数据的能力的数据库软件尤其适用于存储星空地图。
飞行走廊是UAS 100指定用于UAV飞行的空域区域。UAS 100可监测飞行走廊中的本地状况，并且UAV 102可使用飞行走廊在各位置之间安全而有效地行进。本地星空地图包括关于多个飞行走廊中的每一者的信息。关于每个飞行走廊的信息可包括但不限于关于飞行走廊的位置、高度、本地风况、本地空中交通(即，飞行走廊内的其他UAV和飞机)、降水、空中危险因素、地理障碍物(例如，山脉)等的数据。飞行走廊可按一定方式细分，以便允许它们安全地容纳在单个飞行走廊内的单独航线中飞行的若干飞机。例如，可通过在走廊中为每个飞机分配不同且独占的航线，而在单个飞行路线中容纳多个飞机。在一个实施方案中，每个飞行走廊可被水平切分为数层，且这些层之间具有垂直间距，并且走廊中的每层可在特定UAV 102执行任务的持续时间内预留为该UAV的航线。例如，飞行走廊可被切分为三层，即，从100m离地高度(AGL)至110m AGL的一个航线、从110m AGL至120mAGL的另一个航线以及从120m AGL至130m AGL的第三航线。飞机可被分配到这些层(航线)，使得即使它们在飞行走廊中的路径交叉，只要它们保持其分配的航线，它们的高度差就能确保不会发生碰撞。在从配送中心101起飞之前，可为UAV 102提供信息，该信息为其在一个或多个飞行走廊中预留其可在执行任务的持续时间内安全占用的位置。飞行走廊中的这些预留的航线可为UAV 102提供从配送中心101到目的地位点105的路线。
飞行走廊可按多种不同方式在星空地图中表示。在一个实施方案中，飞行走廊表示为具有高度的地理坐标序列，该地理坐标序列存储在计算机存储介质中。例如，飞行走廊可表示为纬度、经度和高度(即，三维)点的序列。在该实施方案中，该点序列限定形成飞行走廊的一系列连接的线段。纬度和经度数可作为GPS坐标给出。附加元数据还可与这些点或线段相关联，以表示关于飞行走廊的附加信息，诸如例如本地天气状况。在另一个实施方案中，飞行走廊表示为三维曲线(诸如贝塞尔样条)的序列，其中这些曲线被限定为使得它们穿过特定纬度、经度和高度坐标。
控制区是飞机可与其他飞机紧密接近并因此需要飞机之间协调以避免碰撞的地理区域。配送中心101和目的地位点105的位置通常是控制区，这是由于多个UAV 102可尝试同时接近这些位置。其他位置也可为控制区；例如，多个飞行走廊相交的地方可为控制区。UAV 102的任务规划器200可在接近、进入或离开控制区时采取特定动作，以便确保UAV 102与其他飞机保持安全距离。例如，任务规划器200可引起有限状态机208转变为新的飞行器状态。类似地，任务规划器200可引起UAV 102改变速度、高度和/或航向(作为转变为新的飞行器状态的结果或在飞行器状态未改变的情况下)。
控制区可按多种方式表示。在一个实施方案中，控制区由纬度和经度坐标(控制区的中心点)及半径表示。在该实施方案中，控制区的形状为圆形。在另一个实施方案中，控制区由纬度和经度点序列所限定的多边形表示。例如，控制区可由限定三角形区的三个GPS坐标表示，或控制区可由限定矩形区的四个GPS坐标表示。与飞行走廊一样，控制区还可包括高度值以指示该区的垂直边界。例如，用于限定控制区的纬度和经度坐标还可包括高度坐标。
在一些实施方案中，通过在包含关于更宽地理区域的信息的全局星空地图中选择涉及操作区域的信息，而由全局星空地图生成本地星空地图。如果全局星空地图不是特别大，则整个星空地图可存储在UAV 102上，而不是仅仅涉及操作区域的本地子集。
在发射之前或在发射后不久，任务规划器200使用星空地图中的信息来形成从配送中心101到目的地位点105的动态路线。该动态路线考虑了任务的目标以及UAV 102在满足服务请求之后返回到配送中心101的要求。在一些实施方案中，任务规划器200从配送中心101或全局服务103接收预先生成的路线，并且只有在接收到修改路线的命令或操作区域中的状况随时间而改变时才修改该路线。
动态路线是UAV 102可穿越的飞行走廊序列以从其当前位置飞往某个目标位置。当UAV 102执行其飞行任务时，其可从UAS 100接收星空地图的更新，包括与操作区域中的飞行走廊的本地状况有关的更新。这些更新可接收自全局服务103、配送中心101或其他UAV102。在一些实施方案中，更新还可接收自服务请求者104，或接收自第三方，诸如天气信息提供者、新闻服务、空中交通管制员、卫星、民用航空局、执法机构、军用航空局等。
当接收到飞行走廊更新时，任务规划器200可在任务期间修改动态路线。例如，在一些实施方案中，任务规划器200可改变动态路线以避免飞行危险因素，诸如恶劣天气、飞机侵入飞行走廊等。当动态路线被修改时，任务规划器200将重新确定将被穿越的飞行走廊序列以到达目标位置。
如图2D所示，UAV 102还包括飞行控制器201。飞行控制器201为任务规划器200提供导引、导航和控制功能。例如，任务规划器200需要在任务期间的各个时间获知UAV 102的位置、取向、高度和速度，并且飞行控制器201通过称为状态估计的过程来提供该信息。类似地，当任务规划器200需要UAV 102从一个位点移动到另一个位点时，其向飞行控制器201发送命令以实现该目标。飞行控制器201通过总线与传感器系统202、致动器控制系统204和推进管理系统205通信，以提供导引、导航和控制功能。
传感器系统202将来自传感器仪器的信息提供给飞行控制器201。在一些实施方案中，传感器系统202包括若干仪器，诸如例如GPS单元、惯性测量单元(IMU)、动态压力传感器、静态压力传感器、空气温度读出器等。传感器系统202可提供飞行控制器201可用来估计UAV 102的位置、取向、速度和加速度的信息。如果UAS的其他部件需要该位置、取向、速度和加速度信息，则UAV 102可使用通信系统203来广播该信息。
致动器控制系统204包括控制UAV 102上的各种移动部件的致动器，包括机架上的控制表面213。致动器可由电伺服机构、液压装置或可用于实现机械移动的任何其他技术构成。致动器控制系统204可基于来自飞行控制器201的命令来改变致动器的状态。致动器控制系统204还可具有可对控制表面213的位置和移动给出反馈的测量装置(例如，编码器、分解器或电位计)。控制表面213的位置和移动可被报告回飞行控制器201。
由于任何移动机械系统都可能因制造过程或因使用而形成较小的不精确性、缺陷或“漂移”，因此必须定期校准控制表面213、致动器和测量装置，使得控制表面213的实际位置和运动密切对应于致动器控制系统204从测量装置接收到的位置和运动。将结合图5更详细描述用于执行该校准的系统和方法。
推进管理系统205控制由安装在UAV 102上的发动机施加的力(例如，通过调节安装在以推进器为动力的UAV上的推进器的速度)，并且监测UAV上剩余的电池容量的量。飞行控制器201可通过与推进管理系统205通信来调节UAV 102的行进速度。推进管理系统205还可监测UAV 102机载电池的物理属性，诸如电池电压随时间推移的变化、电池所输出的电流随时间推移的变化以及甚至电池的单元化学性质在飞行持续时间内的变化。可在任务期间或在UAV 102已返回到配送中心101之后经由通信系统203将所监测的信息传送到配送中心101或全局服务103。在后一种情况下，可通过无线方式、有线方式或通过某种存储介质(诸如存储卡)的物理传输来传送信息。
飞行控制器201从传感器管理系统202和致动器控制系统204接收信息，并且执行状态估计，该状态估计向任务规划器200提供UAV 102位置、取向和速度的最佳猜测。在UAV102的各种系统提供新信息时连续地更新并检查该状态估计。
任务规划器200确定UAV 102必须行进到的高级别目标位置，并且将该目标位置传送到飞行控制器201。任务规划器200可使用任何一种或多种适当的技术将指令和目标传送到飞行控制器201。例如，在一个实施方案中，任务规划器200经由航点序列将移动目标传送到飞行控制器201。在另一个替代实施方案中，任务规划器200经由样条将移动目标传送到飞行控制器201。
飞行控制器201接收移动目标(作为航点、样条或任何其他合适的形式)，并且依据规则或基于物理学的模型来确定必须向致动器控制系统204和推进管理系统205传送的命令以实现移动目标。例如，根据一些实施方案，基于物理学的模型依据当前状态估计(即，UAV 102的位置、取向和速度)以及本地状况(包括风和温度)来输出所需的方向升降舵和襟翼状态以及UAV 102的发动机推力。
通信系统203包括发射器和接收器，它们使UAV 102能够使用不同通信协议来发送和接收信息。通信系统203可包括用于标准蜂窝无线电技术(诸如CDMA、GSM、3G/4G、LTE等)以及视线无线电的发射器和接收器，从而允许UAV 102与配送中心101或另一个UAV 102直接通信。
通信系统203还可支持网状联网，使得第一UAV 102可接收并转播第二UAV 102所发送的信号，以便增加第二UAV 102的有效通信范围。第三UAV 102可类似地接收并转播第一UAV 102所转播的信号，从而更进一步增加通信范围。为其他UAV接收并转播信号的该方法可在UAS 100的整个操作区域中实现，以增强该系统中操作的每一个UAV 102的连接性。可使用自定义的网状协议来实现该网状联网，或可使用标准网状联网协议，诸如IEEE802.15.4、ZIGBEE、BATMAN、HWMP、IEEE 802.11MESH等。在该系统的一个实施方案中，仅使用视线无线电来实现网状联网协议。
任务规划器200使用通信系统203来定期广播包含关于UAV 102当前状态的信息的状态消息。所广播的状态消息的用途是向配送中心101、全局服务103和其他UAV 102通知有关UAV的重要信息。例如，状态消息可包含关于UAV 102当前位置、当前航向、当前速度、当前目的地等的信息。还可广播其他信息，诸如UAV 102的有效载荷、其电池的状态以及其他类似信息。也可在状态消息中广播与空中交通管理有关的一些特殊信息，并且下文将更详细描述状态消息的该使用。其他UAV 102可基于网状联网协议来转播UAV 102所广播的状态消息，以便增加状态消息的有效范围。
有效载荷管理系统206执行与UAV 102所运载的有效载荷有关的各种功能，具体取决于服务请求和有效载荷的性质。例如，当有效载荷在发射之前附接到UAV 102时，有效载荷管理系统206将向任务规划器200和/或配送中心101传送该附接成功。在服务请求是包裹投递的情况下，有效载荷管理系统206还监测有效载荷的状态(例如在有效载荷易腐的情况下监测有效载荷的温度)，并且管理目的地位点105处的有效载荷的释放。在该示例中，任务规划器200确定将有效载荷安全投放在目的地位点105处所需的UAV 102的位置、高度、速度和取向，并且将在适当时间释放有效载荷的命令传送到有效载荷管理系统206。有效载荷管理系统206接收该命令并且使有效载荷舱门215打开，从而投放有效载荷。
有效载荷管理系统206可执行其他功能，具体取决于有效载荷的性质。例如，在服务请求与监视或测绘有关的情况下，有效载荷管理系统206可与有效载荷中包括的相机系统对接，并且可基于从任务规划器200接收到的指令来捕捉图像或视频。例如，在该实施方案中，当UAV 102飞越其路线中的某个感兴趣点时，任务规划器200可向有效载荷管理系统206发出命令以捕捉图像。
安全系统207管理安装在UAV 102上的各种故障安全部件。例如，在一个实施方案中，安全系统207监测并控制降落伞系统，该降落伞系统可基于从任务规划器200接收到的命令或基于直接从飞行控制器201或传感器系统202接收到的信息来展开。例如，如果UAV102进入不可恢复的俯冲，则安全系统207可基于从传感器系统202接收到的数据来展开降落伞。在另一个实施方案中，任务规划器200可指示安全系统207基于从全局服务103或配送中心101接收到的消息来展开降落伞。降落伞按命令展开可用于空中交通管制过程检测到繁忙空中交通区域中多个飞机之间有迫近碰撞的可能性的情形。迫使UAV 102展开其降落伞并下降可以防止其进入其他飞机的飞行路径。
任务规划器200被设计为遵守空中交通管理协议以使该系统中操作的各UAV 102之间碰撞的风险降至最低。空中交通管理协议定义了在任务中的特定时间和/或在特定状况下UAV 102必须执行的动作以及必须广播的消息。
空中交通管理协议提供了飞机在穿越星空地图时将遵守的规则。这些规则定义了基于飞机的位置和情况以及基于其他飞机的位置和情况而必须广播的特定消息。这些规则还类似地规定了基于飞机的情况、该区域中的其他飞机的情况并且基于该飞机从其他飞机接收到的消息而必须由该飞机执行的动作。空中交通管理协议所规定的规则由UAV 102中的软件/硬件系统和方法付诸实践，包括上述系统，诸如飞行控制器201、传感器系统202和通信系统203。任务规划器200是聚合与UAV情况有关的信息的枢纽，该信息包括所接收到的通信、星空地图中的位置、飞行信息等。任务规划器200基于聚合的信息和空中交通管理协议来向UAV 102的其他模块和系统发出命令。
虽然UAV 102被设计为自主地操作，但任务规划器200被配置为经由通信系统203来接收可越过任务规划器200的飞行计划的指令。例如，由于恶劣天气或客机进入该区域，UAV 102可从配送中心101或全局服务103接收命令UAV 102立即返回基地的指令。在接收到这种命令后，任务规划器200将改变UAV 102的移动目标并向其他模块发出新指令，使得UAV102根据需要调节其飞行路径。UAV 102可继续将空中交通管理协议应用于其沿着所调节的路线的飞行。上述UAV 102的结构和功能已基于一个示例性实施方式分成模块，但各种模块的功能可被合并或进一步分割，使得存在比图2D所示更多或更少的部件。还可以将各种模块的一些功能直接移交给UAV 102的伺服机构、传感器和其他硬件部件。例如，飞行控制器201可直接与多个伺服马达通信，每个伺服马达具有所述致动器控制系统204的功能。从容错性的视角来看，硬件部件控制的这种分散在一些实施方式中可为有利的。
配送中心
配送中心101处理UAS 100的本地物流。当全局服务103从服务请求者104接收到服务请求时，全局服务103将根据服务请求中的标准(包括目的地位点105的位置)来选择配送中心101以满足服务请求。然后全局服务103将向所选择的配送中心101发送服务请求中的信息的至少一部分。
配送中心101负责发射和回收UAV 102，保持和监测有效载荷、设备、电池和UAV102的库存，以及将本地信息传送到全局服务103。诸如任务的UAV、电池和有效载荷选择、任务数据准备、任务期间的UAV监测和通信等其他功能可由配送中心101或全局服务103执行，具体取决于实施方式和/或系统状态。配送中心操作员107可驻扎在配送中心101以促进配送中心操作。
图3是根据一个示例性实施方案的配送中心101的框图。如此前所提及，由配送中心101的该实施方案执行的一些功能可相反由全局服务103执行。类似地，全局服务103的一些功能可由配送中心101在本地执行。掌握本领域技术的系统设计者可基于特定UAS实施方式的要求，按任何适当的方式划分全局服务103和配送中心101的功能。
在该实施方案中，配送中心101由电池管理系统301、有效载荷库存管理系统302、UAV操作系统303、配送中心管理系统304、操作员接口312以及UAV库存管理系统313构成。
配送中心管理系统304用作配送中心101的枢纽。在该实施方案中，配送中心管理系统304包括任务管理器305、传感器站306、通信站307、物流系统308、星空地图数据库309、地形图数据库310以及接口处理程序311。在一个示例性实施方案中，使用安装有专用传感器和通信外围设备的一个或多个计算机服务器来实现配送中心管理系统304。
配送中心101的一些功能可能需要配送中心操作人员107的协助。例如，UAV组装、UAV维修、有效载荷附接和分离、UAV回收、电池更换、将UAV 102放置在UAV发射架上以及将电池放入充电设备中是可能需要人类参与的任务(如果这些任务未完全自动化的话)。操作员接口312允许配送中心操作员107从配送中心管理系统304和全局服务103接收信息和指令，以及将信息和指令发送回配送中心管理系统304和全局服务103。配送中心管理系统304经由接口处理程序311来与操作员接口312通信。在一些实施方案中，操作员接口312是智能电话、平板计算机或个人计算机上运行的应用程序，并且接口处理程序311经由无线通信协议(诸如IEEE 802.11)来与该应用程序通信。
任务管理器305是负责管理配送中心101处的任务操作的本地方面的模块。在一些实施方案中，任务管理器305从全局服务103接收服务请求(或来源于这些服务请求的数据)，选择UAV 102或将被组装成UAV 102的UAV部件，准备UAV 102在该任务期间将利用的任务数据，为该任务选择适当的有效载荷，测试并发射UAV 102，并且在该任务期间监测UAV102和有效载荷的状态。任务管理器305在该任务的各个阶段期间经由操作员接口312来与配送中心操作员107通信，以传送任务的状态以及指令，所述指令指示为促进UAV 102的准备、装载、发射和回收而要采取的动作。
任务管理器305利用配送中心管理系统304的其他部件来监测本地环境的状态以及UAS 100的各种本地部件，包括UAV 102、UAV操作系统303、电池管理系统301和本地库存。
任务管理器305通过通信站307来与全局服务103和本地UAV 102保持联系。从全局服务103接收有关服务请求的信息，并且将有关本地状况、正在进行的任务、库存等的信息传输回全局服务103。通信站307可具有用于若干不同标准电信协议(包括但不限于GSM、CDMA、GSM、3G/4G、LTE等)的发射器和接收器。除了这些标准协议之外，通信站307还可支持视线或网状协议以实现与UAV 102和其他配送中心101的直接通信。最后，通信站307还可包括与互联网的有线连接，以便与UAS 100的其他部件和第三方信息提供者进行高速通信。任务管理器305可将经由通信站307接收到的一些信息发送到操作员接口312，使得配送中心操作员107可监测UAV 102或与本地任务相关的UAS 100的其他部件的状态。
传感器站306主要用于为配送中心101的位置收集本地天气数据。传感器站306可包括压力传感器、温度计、风传感器、降水检测器等。传感器站306还可用于使用诸如雷达、无线电跟踪器和光学对象识别系统的仪器来检测和跟踪UAV 102。任务管理器305可经由操作员接口312将来自传感器站306的信息呈现给配送中心操作员107，使得配送中心操作员107可采取保护UAV 102和配送中心101免受恶劣天气的影响所需的动作。例如，如果传感器站306检测到即将来临的风暴，则任务管理器305可经由操作员接口312向配送中心操作员107显示通知，并且操作员107可遵循程序以回收已经被发射的UAV 102，中止尚未发射的任务等。
在任何飞行器任务被发射之前，任务管理器305基于任务信息来确定该任务的任务能量需求。任务信息可包括来自服务请求的信息、有关本地状况(诸如温度、风和降水)的信息以及有关飞行器和有效载荷的特征的信息。例如，在一个实施方案中，通过诸如以下的因素的计算机分析来确定能量需求：目的地位点105的位置、到目的地位点105的路线、沿着到目的地位点105的路线的风况、将处理该任务的UAV 102的飞行特征(诸如其每单位飞行距离的典型功耗、气动阻力等)以及满足服务请求所需的有效载荷的重量。任务管理器305将任务能量需求传送到电池管理系统301，然后该电池管理系统从电池库存选择可为该任务提供足够电力的一个或多个电池。电池管理系统301可将所选择的电池自动地安装到将执行飞行任务的UAV 102中，或其可使用指示器向配送中心操作员107通知必须安装特定电池。下文将讨论与电池管理系统301的操作有关的更多细节。
物流系统308跟踪配送中心101处的各种部件的库存水平，并且向全局服务103和任务管理器305报告这些库存水平。在选择特定配送中心101来满足服务请求时可使用该库存信息。
物流系统308与电池管理系统301、有效载荷库存管理系统302和UAV库存管理系统313对接，以分别确定电池、有效载荷和UAV/UAV部件的库存水平。物流系统308能够在库存水平降至阈值水平以下时或在预测到库存水平在指定时间段内降至阈值水平以下时请求附加存货的递送。
全局服务103可监测物流系统308所报告的库存水平，并且可基于当前库存水平或预测的未来库存水平来主动地将附加库存物品分派到配送中心101。物流系统308还可经由操作员接口312直接向配送中心操作员107通知库存不足或库存中的特定物品有错误。基于这些通知，配送中心操作员107可根据需要补足或维修物品。
配送中心101处的每个物品可附连有可由物流系统308监测的跟踪标签。可使用各种技术来实现跟踪标签，包括条形码、RFID标签、NFC标签等。这些标签可附连到配送中心101处需要跟踪的每一个物品，包括UAV 102、UAV部件、有效载荷、电池、备件等。这些标签将对象标识符与配送中心101处每个跟踪的物理对象相关联。例如，配送中心101处的每个有效载荷将具有与之相关联的对象标识符，该对象标识符由附连到其上的标签指示。可经由被配置为扫描标签的读出器来从标签读取对象标识符。例如，RFID标签将使用RFID读出器读取，NFC标签将使用NFC读出器读取等。
可使用对象标识符来确定已被扫描的对象的类型以及其唯一标识。例如，附连到有效载荷对象的标签将识别该对象是特定类型的有效载荷，以及其是该有效载荷的特定实例，不同于库存中相同类型的其他有效载荷。在一些实施方案中，可使用对象标识符来确定与库存数据库中的该对象相关联的数据库条目。物流系统308向全局服务103报告与每个对象标识符相关联的对象的库存水平。
配送中心101的所示实施方案还包括有效载荷库存管理系统302，该有效载荷库存管理系统跟踪可安装到UAV 102上的各种有效载荷的库存水平和状态。有效载荷库存管理系统302还可提供与特定有效载荷有关的再装填、冷藏和其他维护相关功能。例如，如果有效载荷是疫苗，则有效载荷库存管理系统可提供疫苗剂量的冷藏储存容器，并且可监测储存容器中的温度和容器中储存的剂量数并向物流系统308报告。任务管理器305可经由操作员接口312向配送中心操作员107通知储存在配送中心101处的各种有效载荷的状态。例如，在一些实施方案中，任务管理器305可向操作员接口312发送通知以向配送中心操作员107通知储存在有效载荷库存管理系统302中的特定疫苗已过期。基于该通知，配送中心操作员107可从仓库去除过期的疫苗并将其更换为新存货。
UAV库存管理系统313跟踪配送中心101处储存的组装好的UAV 102和UAV部件，并且向物流系统308报告该信息。任务管理器305或全局服务103可查询物流系统308以确定特定配送中心101处可供任务使用的UAV资源，并且可基于UAS 100所接收到的服务请求的要求来分配这些资源。当需要特定UAV配置来满足任务时，任务管理器305可经由操作员接口312来向配送中心操作员107发送指令，以组装储存在UAV库存管理系统313中的UAV部件的特定集合，从而构造适用于完成该任务的UAV。当从库存添加和去除UAV或UAV部件时，UAV库存管理系统313不仅跟踪这些资源的可用性，而且跟踪部件的状态，诸如其状况和更换的需要。任务管理器305和全局服务103可使用该信息来命令为配送中心101递送新UAV 102或部件。
基于从全局服务103接收到的服务请求的要求来准备将上传到UAV 102的任务数据。虽然我们讨论的是由任务管理器305准备任务数据，但替代实施方案是可能的，其中全局服务103或UAV 102机载的任务规划器200准备任务数据。任务数据不仅包括目的地位点105的位置和满足服务请求所需的有效载荷，而且包括生成到目的地位置的飞行路线所需的信息。路线生成所需的信息被本地存储在星空地图数据库309和地形图数据库310中。
星空地图数据库309包含与配送中心101所服务的地理区域中的多个飞行走廊有关的数据。星空地图数据库309可至少部分地与全局星空地图数据库400(其是全局服务103的一部分)同步。飞行走廊数据包括与飞行走廊内的实时状况(诸如天气、空中交通等)有关的信息。本地星空地图数据库309基于从全局服务103、其他配送中心101和第三方(诸如天气服务和空中交通管制员)接收到的最新信息来更新飞行走廊数据。最近在飞行走廊中飞行的UAV 102还可向配送中心101发送与飞行走廊中存在的最新监测状况有关的数据，并且星空地图数据库309可使用该信息来更新相关的飞行走廊数据。当配送中心101处的本地星空地图数据库309具有比全局星空地图数据库400更新近的飞行走廊相关信息时，经由通信站307来更新全局星空地图数据库400。反之亦然，经由通信站307来接收来自全局星空地图数据库400的最新更新并将其结合到本地星空地图数据库309中。
地形图数据库310包含地形数据，该地形数据是与配送中心101所服务的地理区域中的地形和地面障碍物有关的信息。该地形数据可按多种方式存储，包括但不限于存储为原始图像、高度图和三维(3D)网格。全局服务103还包括全局地形图数据库401，该全局地形图数据库至少部分地与本地地形图数据库310同步。正如星空地图数据库的情况，基于在其任务飞行期间从UAV 102捕捉的数据来更新地形图数据库310。例如，如果UAV 102飞越某位置并且捕捉到与地形图数据库310中的该位置处以前不存在的新障碍物有关的信息，则将在该任务期间或在UAV 102已返回到配送中心101之后经由从UAV 102接收到的数据以新信息更新地形图数据库310。
虽然来自星空地图数据库309的飞行走廊相关信息可足以使UAV 102飞往目的地位点105，但与UAV 102飞越的地面有关的信息在该任务的各个阶段期间也可为有用的。例如，在UAV发射和回收期间，发射和回收位点附近的地形和障碍物是相关的。另外，如果服务请求需要包裹投递，则目的地位点105处的地形和障碍物是相关的，因为UAV 102的任务规划器200必须确定从其投放有效载荷的位置，使得有效载荷在易达的地方着陆并且不损害本地结构、物体或人员。
来自地形图数据库310的信息也可用于满足需要监视或测绘的服务请求。在一些情况下，来自地形图数据库310的地形数据可用于在不发射UAV的情况下满足监视或测绘请求。例如，如果UAV 102最近已在特定位置的目的地位点105处捕捉图像，并且后续的服务请求在某个阈值时间极限内要求相同位置处的图像捕捉，则可向服务请求者104发送已存储在地形图数据库310中的目的地位点105的最新信息。
为了在本地准备任务数据，任务管理器305可首先利用从全局服务103接收到的服务请求信息来确定目的地位点105的位置。基于该目的地位置以及通常为配送中心101的位置的发射位置，任务管理器305为该任务确定相关操作区域，并且从星空地图数据库309和地形图数据库310提取与该地理区域相关联的数据。将所提取的信息发送给UAV 102，作为任务数据的一部分。在一些实施方案中，任务管理器305还为UAV 102提供到目的地位点105的最低成本路线，作为任务数据的一部分。根据该实施方式，可由全局服务103、UAV 102中的任务规划器200和/或任务管理器305动态地更新该路线。当在任务飞行期间无法保证与UAV 102的连接性时，可允许UAV 102机载的任务规划器200动态地更新该路线。
在一些实施方案中，UAV 102存储星空地图数据库309和地形图数据库310的完整镜像，而不是仅存储这些数据库中的信息的子集。这可在如下情况下进行：数据库的大小足够小，使得UAV 102上的存储资源足以存储整个数据集。当情况不是这样时，信息的子集可被存储在UAV 102中，如先前所述。类似地，在本地星空地图数据库309和本地地形图数据库310具有足够存储容量的情况下，整个全局星空地图400和全局地形图401可被本地存储在配送中心101处。仅当全局数据集过大而无法经济地进行完整本地镜射时，全局数据的子集才可被提取并被本地存储。
UAV操作系统303负责UAV 102的测试和校准、UAV 102的发射以及UAV 102的回收。UAV操作系统303可包括三个单独的部件：测试与校准系统、UAV发射架和自动化回收系统。然而，可以将这些部件中的两者或更多者组合成单个集成设备以改善速度和效率。例如，测试与校准系统可与UAV发射架组合，使得在飞机停放在发射架上时核实和测试该飞机。
测试与校准系统测试UAV 102的部件以确保它们将在该任务期间运转。在测试期间识别任何故障部件，并且经由操作员接口312提请配送中心操作员107注意这些故障部件。测试与校准系统还经由附连的标签来核实组装好的UAV 102中的每个部件是任务管理器305为当前任务分配的部件。例如，测试与校准系统检测附接到UAV 102的电池和发动机，并且在发射之前确保它们具有足够用于该任务的电量和性能。提请配送中心操作员107注意任何差异以便校正。类似地，测试与校准系统核实装载到UAV 102上的有效载荷是适合当前任务的有效载荷。最后，测试与校准系统还测试UAV 102的控制表面和其他可移动部件，以确保这些部件以预期方式对任务规划器200和飞行控制器201所发送的命令作出响应。
UAV发射架是用于以有效可靠的方式发射UAV 102的自动化系统。UAV发射架和测试与校准系统可组合成单个设备。
自动化回收系统是用于以使UAV的机身上的磨损最小化、同时还使对附近人类操作员的风险最小化的方式回收UAV 102的自动化系统。将结合图5和图6更详细描述自动化回收系统。
UAV操作系统303被设计为允许配送中心操作员107在短时间段内可靠地发射和回收多个飞机。
UAV 102被发射后，任务管理器305继续在任务飞行期间监测该飞机。任务管理器305从UAV 102接收状态更新，并且这些状态更新使任务管理器305能够至少间歇地跟踪该任务的进度。任务管理器305可经由操作员接口312向配送中心操作员107呈现与UAV 102的状态有关的信息。在存在需要任务终止的某本地事件(诸如例如即将来临的风暴)的情况下，任务管理器305或配送中心操作员107(或两者)可经由操作员接口312通过通信站307向UAV 102发送命令，以指示UAV 102返回到配送中心101。
全局服务
全局服务103是在一个或多个计算机服务器上运行的、可通过互联网或另一种通信协议访问的软件服务集合。在一个示例性实施方案中，全局服务103是在第三方数据中心(诸如亚马逊Web服务或谷歌云)中的虚拟机上运行的软件模块。
全局服务103的一个用途是提供全局基础设施以协调、支持和管理多个配送中心101、服务请求者104和UAV 102。然而，在一些实施方案中，可以想到全局服务103的功能由本地计算机服务器提供，并且该服务器服务于UAV 102、配送中心101和服务请求者104的本地集合—可能仅服务于单一的每一者。
一个或多个全局系统操作员106和远程飞行器操作员108连接到全局服务103，并且为无法完全自动化(或需要临时人类协助)的系统提供人为干预。全局系统操作员106和远程飞行器操作员108通常通过控制设备连接到全局服务103。控制设备可为可通过网络来与全局服务103通信的计算机工作站、个人计算机、平板设备、智能电话或任何其他计算设备。例如，在一个示例性实施方案中，全局系统操作员106使用具有互联网连接的膝上型计算机来连接到在计算机服务器上执行的全局服务103，该计算机服务器也连接到互联网。
在图4所示的示例性实施方案中，全局服务103被配置为服务于多个配送中心101、UAV 102和服务请求者104。在该实施方案中，全局服务103包括全局星空地图数据库400、全局地形图数据库401、数据管理器402、服务请求处理程序403、全局物流管理器404、空中交通管制系统405、系统接口管理器406以及远程飞行器管理器407。
如先前所讨论，全局星空地图数据库400和全局地形图数据库401是UAS 100中的星空地图和地形图数据的全局存储库。正如这些数据库的本地版本的情况，可根据UAS 100的需要按各种方式表示这些数据库中的信息。虽然这些数据库在所示的实施方案中表示为单个单元，但实际上可使用若干镜像数据存储来实现这些数据库以提供改善的读取速度、冗余和错误恢复。
数据管理器402管理全局数据库的数据写入和数据读出。例如，当对本地星空地图数据库309和本地地形图数据库310的更新被传送到全局服务103时，数据管理器402确保信息被存储在适当的数据库中并且最新信息始终可用且不会被过时的信息重写。数据管理器402还管理从UAS 100外部接收到的信息并且将该信息合并到全局数据库中。例如，从第三方天气信息提供者、航空局和外部空中交通管制员接收到的信息可被合并到全局星空地图数据库400中。类似地，第三方地形数据、地图图像和监视数据可被合并到全局地形图数据库中。
数据管理器402还管理向每个配送中心101处的本地数据库发送的更新。在一个实施方案中，当全局星空地图数据库400和全局地形图数据库401被更新时，数据管理器402将监测这些更新相关的区域，并且将这些更新的至少一部分发送到处于相关区域的配送中心101。在另一个实施方案中，处于特定区域的配送中心101处的任务管理器305将定期从全局服务103请求有关该区域的信息，并且数据管理器402将确定全局数据库中与该区域相关的信息集，并将该信息发送到配送中心101，可在此处将信息合并到本地数据库中。类似地，飞行中的UAV 102可从全局服务103请求有关其当前位置的信息，并且数据管理器402可类似地基于UAV 102的位置来确定应发送回UAV 102的相关信息。
服务请求处理程序403管理由服务请求者104发送且由全局服务103接收到的服务请求。当全局服务103接收到服务请求时，服务请求处理程序403将与全局物流管理器404通信以确定适用于在本地处理服务请求的配送中心101。如此前所提及，配送中心101的选择可不仅考虑服务请求中指定的目的地位点105的位置，而且考虑该请求的物流需求，诸如有效载荷、UAV能力等。例如，服务请求可包括指定完成该请求所需的有效载荷类型的信息，并且可基于该有效载荷类型在各个配送中心101处的可用性来选择配送中心101。
有效载荷类型可直接通过与有效载荷类型相关联的有效载荷标识符指定，或其可默示指定。例如，如果服务请求是对目的地位点105处的图像数据的请求，相机有效载荷可默示指定。
在一些实施方案中，服务请求处理程序403从全局系统操作员106获取输入以确定将用于满足服务请求的配送中心101。
一旦配送中心101和UAV 102已被识别并被预留来满足服务请求，服务请求处理程序403就可向服务请求者104通知该服务请求在进行中。服务请求处理程序403还可从配送中心101和/或UAV 102接收信息，该信息允许估计任务完成的预测时间并向服务请求者104发送该预测时间。
服务请求处理程序403能够经由系统接口管理器406来与服务请求者104通信。人类服务请求者104通常将通过某种远程客户端设备(诸如移动电话、平板电脑或个人计算机)来向全局服务103发送服务请求。系统接口管理器406能够向服务请求者104所操作的客户端设备发送信息，该信息被配置为显示在客户端设备上。例如，在一个实施方案中，系统接口管理器406充当Web服务器，并且客户端设备连接到Web服务器并显示从系统接口管理器406下载的网页。在该示例中，服务请求者104可经由所显示的网页接收信息并将信息发送到全局服务103。在另一个实施方案中，系统接口管理器406通过互联网公开应用程序接口(诸如表述性状态转移或“REST”接口)，并且在客户端设备上运行的应用程序被配置为向服务请求者104显示从全局服务103接收到的信息，并且将服务请求者104所输入的信息发送回全局服务103。
服务请求处理程序403还可在确定UAV 102在执行任务时为完成服务请求而采取的路线方面起着积极的作用。例如，服务请求处理程序403可使用系统接口管理器406为服务请求者104查询目的地位点105的精确位置，并且可使用服务请求者104所提供的信息来细化UAV 102在满足服务请求时所使用的飞行路线。
上述全局服务103的结构和功能已基于一个示例性实施方式分成模块，但各种模块的功能可被合并或进一步分割，使得存在比图4所示更多或更少的部件。例如，可以将星空地图和地形图数据库合并成单个数据存储。所示的一些服务可移动到UAS 100外部，例如，空中交通管制系统405和全局物流管理器404可在UAS 100外部操作，作为可通过应用程序编程接口(API)访问的独立服务。该结构的这些和其他变化不会改变该系统的整体架构，并且具有此类变化的系统可按与所公开的系统相同或类似的方式操作。
服务请求处理程序403利用全局物流管理器404来获得配送中心101和UAV 102选择所需的信息。全局物流管理器404在每个配送中心101处的每个本地物流系统308中跟踪库存信息。全局物流管理器404可在任何库存物品的供货耗尽、低于某个阈值数量或预计将在某个阈值时间内耗尽时主动地将附加存货运往本地配送中心101。全局物流管理器404还可在配送中心101处库存不足的情况下通知全局系统操作员106。全局系统操作员106可在UAS 100外部采取动作以将新库存物品运往配送中心101，诸如例如从第三方仓库订购并运输物品。
在一个实施方案中，全局物流管理器404将UAV 102从UAV过多的第一配送中心101重定位到UAV不足的第二配送中心101。在该实施方案中，全局物流管理器404可监测服务请求的每日、每月或每年模式，以确定一段时间内每个配送中心101处的估计UAV需求。基于这些估计UAV需求，全局物流管理器404可抢先将UAV从一个配送中心101重定位到另一个配送中心。可使用第三方托运人进行UAV 102的重定位，或可通过以下方式进行该重定位：向配送中心101发送请求以按照设定为其他配送中心101的目的地位点105来发射UAV 102。作为优化，可在服务请求容量较低的时间期间(例如深夜或在假日期间)安排这些重定位飞行。
空中交通管制系统405负责跟踪已知会在UAS 100所服务的区域中飞行的UAV 102和飞机。空中交通管制系统405从配送中心101、飞行中的UAV 102以及从第三方空中交通信息提供者接收信息。空中交通管制系统405所接收到的信息包括UAS 100区域中的飞机的已知位置，以及向该系统注册的飞行路线。配送中心101和/或UAV 102可向空中交通管制系统405注册任务的飞行路线。空中交通管制系统405还可允许第三方所操作的UAV和飞机注册其飞行路线。
空中交通管制系统405向执行飞行任务的UAV 102提供与飞机和UAV的位置有关的实时信息更新。UAV 102机载的任务规划器200可使用该信息来修改其飞行路线以避免与其他飞机碰撞。空中交通管制系统405可向在UAS 100外部操作的UAV和其他飞机提供类似的信息更新，以便为所有飞机操作保持更安全的空域。
空中交通管制系统405还向服务请求处理程序403和全局物流管理器404提供信息。来自空中交通管制系统405的信息可用于影响针对服务请求的配送中心101的选择以及UAV 102的重定位。例如，可将服务请求路由远离附近空中交通过量的配送中心101，并且可为UAV重定位安排时间以避开空中交通处于其最高点的时间段。
远程飞行器管理器407在人类操作员要求下提供自主飞行器，诸如UAV 102。在任务过程中，UAV 102可能遇到其任务规划器200或飞行控制器201无法理解或安全处理的情况。例如，城市环境中的自主飞行器可能没有必要的路径选择和视觉系统来处理这种复杂环境中的路径确定和物体回避。因此，自主飞行器(诸如UAV 102)在处于城市外的相对简单且整洁的环境中时可在其机载任务规划器200和飞行控制器201的控制下飞行，但一旦进入城市，就可能需要人类协助。
自动化回收系统
图5A示出了自动化回收系统500的一个示例性实施方案。自动化回收系统500被设计为以自动化方式并且以在停止和回收期间使飞机上的应力最小化(从而使飞机部件上的磨损最小化)的方式停止飞机的飞行并回收飞机。
在所示的实施方案中，自动化回收系统500包括两个捕捉杆513、支撑捕捉杆的基部结构510、在这些杆之间延伸的捕捉线514以及着陆坪512。自动化回收系统500还包括回收控制系统，该回收控制系统可物理地和/或操作性地耦接到自动化回收系统500(和/或其部件或子系统)。基部结构510可支撑捕捉杆513(或任何其他合适的线支撑机构)以及因此的捕捉线514，该捕捉线高出地面任何合适的高度。例如，基部结构510的尺寸和构型可被设定为使得捕捉线514高出地面的最高位置介于约5与200英尺之间，但其他高度也是可能的。
捕捉杆513是可支撑捕捉线的线支撑机构的一个示例。其他线支撑机构可包括滑轮、滚轴、滑车轮、孔眼或其他机构，它们可支撑捕捉线并且使捕捉线移动穿过捕捉窗口，如本文所述。为了使捕捉线移动穿过垂直捕捉窗口(或沿着任何其他路径移动)，线支撑机构可相对于基部结构510移动。例如，线支撑机构可以可旋转地耦接到基部结构510并且经由旋转马达来旋转(如本文相对于捕捉杆513所述，但类似的旋转机构可用于其他类型的线支撑机构)。在其他示例中，线支撑机构可被配置为线性地移动(例如，沿着垂直路径向上和向下移动)，或沿着包括垂直分量的另一个路径移动。在此类情况下，可使用线性致动器、线性马达、液压装置、气动装置或者任何其他合适的致动器系统或马达来移动线支撑机构。
图5B示出了捕捉杆513的更近的视图。每个捕捉杆513可移动地耦接到基部支撑结构510，并且耦接到致动器系统，该致动器系统在图5B中示出为杆旋转马达516，其使捕捉杆513相对于基部结构510移动。回收控制系统可向杆旋转马达516(或其他合适的致动器系统)发出命令，从而使捕捉杆513旋转到各种位置，继而使捕捉线514移动到各种位置，如本文所述。致动器系统(例如，杆旋转马达516)可被配置为协同地移动捕捉杆513(或其他合适的线支撑机构)。例如，即使在捕捉杆513的移动期间，捕捉杆513也可保持大致平行的布置。在使用其他类型的线支撑机构的情况下，即使在线支撑机构的移动期间，它们也可相对于地面保持在大致相同的位置。
自动化回收系统500还包括绕线系统503，该绕线系统被配置为在飞机的回收期间延长或收回捕捉线。绕线系统503可包括马达驱动的捕捉线卷轴，其中捕捉线缠绕在捕捉线卷轴周围。例如，如图5A至图5C所示，捕捉线514从第一捕捉线卷轴515(图5C)沿着捕捉杆513向上延伸到捕捉杆的尖端，其在此跨越到另一个捕捉杆的尖端，并且从此处沿着该捕捉杆向下到达另一个捕捉线卷轴515。图5C示出了绕线系统503的一部分的详图，显示了耦接到捕捉线马达517的捕捉线卷轴515。捕捉线卷轴515可由捕捉线马达517沿任一方向旋转，使得捕捉线514可被放线以松开捕捉线514，或者被收线以跨过捕捉杆513拉紧捕捉线514。回收控制系统可向捕捉线马达517发出命令以对捕捉线514进行收线或放线。绕线系统503可包括多个卷轴和马达，诸如与每个线支撑机构相关联的一个捕捉线卷轴和一个捕捉线马达(例如，如图5A所示)。
图5D示出了捕捉线514和捕捉杆513的一个实施方案。在该实施方案中，捕捉线514从捕捉线卷轴515(图5C)延伸穿过线通道518，该线通道在捕捉杆513内延伸。在该实施方案中，捕捉杆513是具有捕捉线514可从其中穿过的中空内部通道的中空碳纤维管(该中空内部通道可延伸该管的全部或部分长度)。在替代实施方案中，捕捉线514可在捕捉杆513的外部上布线(例如，经由孔眼、导向件、滑轮、滑车轮等)。另外，捕捉杆513可由任何合适的材料或材料组合形成，诸如铝、钢、不锈钢、聚合物等。
图5E示出了根据一个示例性实施方案的自动化回收系统500的部件如何一起工作以回收飞机。在该实施方案中，捕捉杆513围绕基部支撑结构510旋转到一定位置，在该位置中，捕捉线514处于一定高度，使得UAV 102的尾钩216(或其他接合构件)可接合(或钩住)捕捉线514。
图5F示出了图像序列，该图像序列示出了UAV 102如何被捕捉线钩住，从而使UAV102的飞行停止。在该序列中，t0示出了UAV 102沿着将其带到捕捉杆513之间的路径接近自动化回收系统500。捕捉线514被紧紧牵拉在捕捉线卷轴515周围，使得捕捉线514几乎沿直线悬挂在捕捉杆513之间。在t1时，UAV 102现在介于捕捉杆513之间，并且UAV的尾钩216悬挂在飞机下面，使得其将与捕捉线514相交。在t2时，尾钩216已与捕捉线514进行接触。在t3时，通过激活捕捉线马达517，使捕捉线514以可控方式从捕捉线卷轴515放线。由于UAV 102经由尾钩216钩住捕捉线514，因此捕捉线514的该放线使飞机以可控方式减速，而不是使其骤然颠簸停止。这使飞机上的力最小化，从而减少其上的应力。
当捕捉线514使UAV 102停止时，该UAV垂直地降落在着陆坪512上。图5G示出了根据一种构型的着陆坪512。当使UAV 102停止时，捕捉线514被充分放线，以允许飞机在着陆坪上停下来。在该实施方案中，着陆坪512是充气垫，但在另一个实施方案中，着陆坪可为任何减震材料，诸如例如泡沫、稻草、橡胶等。
图5H示出了自动化回收系统500的替代实施方案，其中基部结构510足够大以支撑该系统的其他部件。在该实施方案中，着陆坪512和捕捉杆513被升高到地面水平以上，使得UAV 102不需要下降到接近地面就能进行回收。这通过保持UAV 102的飞行轨迹尽可能远离地面上的人群和财产，而总体上改善了该系统的安全性。
图5H所示的双着陆坪512(捕捉杆513的每一侧上有一个)允许该系统回收沿该系统任一侧上的轨迹飞行的飞机。在替代实施方案中，捕捉杆513被放置在可旋转的基部上，并且单个圆形着陆坪被放置成在所有侧上围绕该基部，使得可通过旋转捕捉杆513以拦截飞机的归航轨迹，从而沿任何方向回收飞机。
图6A示出了使用自动化回收系统500回收飞机的方法的一个实施方案。在一个实施方案中，可由回收控制系统来协调所示方法。回收控制系统可为在配送中心管理系统304中执行的软件模块；具有到自动化回收系统500的通信链路的不同计算机控制系统；或在物理上为自动化回收系统500自身的一部分的计算机控制系统。
可由UAS 100(诸如由配送中心101处的操作员)发起UAV 102的回收，或UAV 102可通过以下方式发起回收：接近配送中心101并且向任务管理器305发送请求回收的通信。
在一个实施方案中，一旦UAV 102准备好被回收，其就进入使其离地面足够低的飞行轨迹，使得其尾钩216与捕捉线514相交。该轨迹被称为“回收轨迹”。一旦UAV 102在其回收轨迹上，就使用图6A中的过程。
自动化回收系统500的该过程的第一步是在600处确定接近的UAV 102的预测轨迹的细节。具体地讲，回收控制系统需要在飞机在捕捉杆513之间飞行时估计尾钩216将在何处。
可基于飞机的位置和速度来确定预测轨迹。也可使用飞机加速度、环境风和其他因素来确定更准确的轨迹，但可能并非在所有情况下都需要这样准确。可按若干方式确定UAV 102的位置、速度和加速度。首先，UAV 102可使用其自身的飞行控制器201和传感器系统202来确定其自身的位置、速度和加速度，并且可使用其通信系统203来传输该信息。该传输的信息可直接由回收控制系统接收，或其可由通信站307接收，该通信站继而可将该信息传送到回收控制系统。然后回收控制系统可使用该信息来确定UAV 102的轨迹。
在替代实施方案中，飞行控制器201可直接确定UAV 102的轨迹，并且可直接传输轨迹信息以供回收控制系统使用。这在一些情况下可为最简单的解决方案，因为UAV 102可能已确定该轨迹信息以便规划通向自动化回收系统500的其自身的路径。
在另一个实施方案中，配送中心管理系统304的传感器站306可用于在UAV 102飞行时跟踪该UAV，并且可用于确定飞机的位置、速度和加速度。在又一个实施方案中，与自动化回收系统500自身相关联的特殊传感器可用于提供地面上的飞机位置和速度的高精度估计(例如，可使用激光雷达、雷达或基于相机的视觉系统)。然后可使用这些基于地面的估计来确定UAV 102的预测轨迹。
一旦在600处确定飞机轨迹，回收控制系统就在601处确定所需的回收杆位置，使得在回收期间UAV 102的尾钩216与捕捉线514相交。
基于预测轨迹在捕捉杆513之间跨越的飞机的预测高度来确定尾钩216与捕捉线514相交所需的回收杆位置。回收杆位置是捕捉杆513必须旋转到的位置，使得捕捉线514处于适合飞机捕捉的高度。在自动化回收系统500使用除杆以外的线支撑机构的情况下，并不确定回收杆的旋转位置，而是系统500可确定适于使用特定线支撑机构的不同位置。例如，在线支撑机构是安装在线性致动器或线性马达上的滑轮或其他导向件的情况下，系统500可确定线支撑机构的目标高度。
一旦在601处确定该回收杆位置(或其他目标位置)，就在602处在检测到某状况时将捕捉杆513(或其他线支撑机构)移动到那些位置。在一些情况下，可基于预测的飞机轨迹来确定该状况。例如，回收系统500可基于UAV 102的预测轨迹来确定“运动开始时间”，该时间是捕捉杆513(或其他线支撑机构)的运动应开始移动的时间以便在目标时间到达目标位置，从而用捕捉线成功捕捉尾钩。引起回收系统500激活致动器系统以将捕捉杆513移动到其目标位置的状况可为确定到达“运动开始时间”。在一些情况下，引起回收系统500激活致动器系统以将捕捉杆513移动到其目标位置的状况是从UAV 102检测到信号(例如，“运动开始”命令)，该信号指示UAV 102相对于回收系统500处于捕捉线513应移动到目标位置的位置。
回收控制系统通过向杆旋转马达516发送旋转命令或通过向任何其他合适的致动器或马达系统发送目标位置命令，来完成捕捉杆513(或其他合适的线支撑机构)的移动602。捕捉杆513一直旋转到悬挂捕捉线514的杆端部处于UAV 102的尾钩216可钩住捕捉线的高度为止。
然而，当UAV 102沿预测轨迹飞行时，可能无法静态地保持给定的回收杆位置。风和其他状况可引起UAV 102偏离其预测的轨迹。当UAV 102的高度改变时，可能需要升高或降低捕捉杆513(或其他线支撑机构)。这通过以下方式完成：首先在603处确定飞机轨迹是否已改变，然后如果飞机轨迹已改变，则再次在601处确定回收杆位置并且在602处根据需要移动捕捉杆513。
如果飞机已被回收，则该过程可结束。如果飞机尚未被回收，则该过程继续在603处确定飞机轨迹是否已改变，并且在602处根据需要移动捕捉杆513。
如果飞机轨迹尚未改变，则回收控制系统将在604处确定飞机尾钩216是否已钩住捕捉线514。这可由回收控制系统通过查询附接到捕捉线514的传感器来确定，这些传感器测量线上的张力(例如，力)。如果线张力突然增大且维持，则该系统确定飞机已被钩住。在一个实施方案中，捕捉线马达517不仅能够旋转捕捉线卷轴515，而且可测量捕捉线514上的张力，这是由于捕捉线514中的张力增大时捕捉线卷轴515会阻止旋转。
如果回收系统在604处确定捕捉线514已被飞机的尾钩216钩住，则其可命令捕捉线马达517使捕捉线514放线以保持捕捉线514上的恒定张力或确保捕捉线514上的张力不超过某个阈值。保持线上的恒定张力确保了UAV 102以均匀的方式减速，因此在回收期间使飞机上的力最小化。防止线张力超过阈值是确保UAV 102不经历超过容许量的减速力的方式。
可由捕捉线马达517基于预测轨迹上的UAV的速度来调节捕捉线514的张力。对于给定的飞机速度和重量而言，捕捉线张力越低，UAV 102在钩住捕捉线之后需要越长的时间停下来。线上的张力越高，UAV 102将越快停下来。
使飞机在更长的时间段内停止减小了飞机所经历的力，但需要更长的着陆坪，因为与在高张力下相比线在低张力下将不得不被更大程度地放线。由于着陆坪具有固定尺寸，如果接近的飞机更快和/或更重，则可增大线张力，以便飞机仍能在着陆坪上停下来。类似地，可使用更低的线张力来回收更慢和/或更轻的飞机。
还可使用替代过程利用相同回收装置来回收飞机。在该过程中，并不在飞机钩住捕捉线的时刻保持捕捉杆513稳定，而是这些杆快速旋转，使得捕捉线514沿弧线移动，并且在运动的同时与尾钩216接触。该方法的优点是如果尾钩216的位置存在不确定性，则捕捉线514的移动将确保线至少在其运动路径的某处与钩进行接触。
图6B示出了该概念。此处通过飞机的两个表示102a和102b来示出UAV 102的位置的不确定性。在该实施方案中，不确定性被表示为4m捕捉窗口，飞机的真实位置位于该捕捉窗口内。当飞机与捕捉线的轨迹相交时，飞机可在捕捉窗口内的任何地方，因此捕捉线的轨迹必须使得其接触尾钩，而不论飞机实际位于何处。
610中示出了捕捉线轨迹的侧面轮廓。这是回收过程期间捕捉线514的运动路径的侧视图。在该视图中，捕捉杆513在弧线上的7点钟位置开始，旋转经过6点钟位置，然后沿从5点钟到1点钟位置的弧线扫过捕捉窗口。
611在透视轮廓中示出了相同运动的三维视图。只要飞机在窗口的底部与窗口的顶部之间经过，尾钩216就会被捕捉线514钩住，这是由于该线能快速移动。捕捉杆旋转的速度使得在UAV 102的尾翼穿过捕捉窗口所需的时间内捕捉线514将穿越窗口的底部与窗口的顶部之间的整个路径。因此，不论UAV 102在穿过捕捉窗口时的实际位置如何，捕捉线514都将在其轨迹中的某点处与尾钩216相交。
图6C示出了使用自动化回收系统500以该方式回收飞机的方法的一个实施方案。在该方法中，首先在620处以与结合图6A所讨论的类似的方式确定飞机预测轨迹。一旦确定飞机的轨迹，回收控制系统就将在621处确定飞机的尾钩何时将与捕捉窗口相交的预测。捕捉窗口是在移动线支撑机构(此处为捕捉杆513)时可与UAV 102相交的捕捉线轨迹的部分。在所示的实施方案中，捕捉线运动路径是由该线在空间中的运动限定的三维弧线。飞机的速度、加速度和位置可用于确定飞机在未来的各个时间的运动及其预测位置，而这又可用于确定在理想情况下为与捕捉窗口相交而将放置尾钩216的时间。
然后回收控制系统将在622处确定最佳运动开始时间，使得捕捉线514与尾钩216相交。最佳时间是在尾钩216和捕捉线514相交的可能性最大时开始捕捉杆运动的时间。
回收控制系统将继续在飞机飞越其预测轨迹时监测飞机，并且如果在623处确定轨迹已改变，则其将在621处再次确定飞机将在何时与捕捉窗口相交的预测。如果轨迹未改变，则回收控制系统将向杆旋转马达516发送命令以在625处在精确的运动开始时间移动捕捉杆513，这将引起捕捉杆513一起快速地旋转，继而将引起捕捉线514移动穿过捕捉窗口。
该移动将引起捕捉线514钩住尾钩216，并且该过程的其余部分与图6A所述的过程类似，即，使捕捉线514放线以保持线张力，飞机在着陆坪上停下来等。
在一些情况下，并不是允许飞机在着陆坪(例如，着陆坪512，图5A)上停下来，而是回收系统500允许飞机向下摆动并在从捕捉线514悬挂的同时在地面上方停下来。在此类情况下，回收控制系统可(在捕捉线514被放线或延长以阻止飞机向前移动之后)引起绕线系统503收回捕捉线514，使得飞机在降落时不会碰撞地面。此外，回收控制系统可在飞机(其仍与捕捉线514接合或钩住该捕捉线)朝向地面降落时引起致动器系统移动线支撑机构。这样，绕线系统503、捕捉线514和线支撑机构(例如，捕捉杆513)配合以沿着弧线引导飞机直到其静止悬挂在地面上方。一旦飞机静止，操作员就可手动地从捕捉线514取下飞机(任选地在绕线系统503使捕捉线514进一步延长或放线以将飞机定位在离地面的合适距离(诸如离地面3英尺)之后)。
图7示出了图像序列，该图像序列示出了如上所述在没有着陆坪的情况下可如何收回UAV 102。图7所示的回收系统可对应于这样的系统，其中捕捉杆513在地面上方升高的程度大于图5A至图5H所示的示例性系统。该系统可允许回收系统下方有更大的间隙，以便允许UAV 102在最终支撑捕捉杆513的支撑结构的两个支撑构件之间停下来。
在该序列中，t0示出了UAV 102沿着将其带到捕捉杆513之间的路径接近自动化回收系统500。捕捉线514被紧紧牵拉在捕捉线卷轴周围，使得捕捉线514几乎沿直线悬挂在捕捉杆513之间。在t1时，尾钩216已与捕捉线514进行接触，并且UAV 102在捕捉线514被放线时开始减速。由于UAV 102经由尾钩216钩住捕捉线514，因此捕捉线514的该放线使飞机以可控方式减速，而不是使其骤然颠簸停止。这使飞机上的力最小化，从而减少其上的应力。
在t2时，通过激活捕捉线马达517而使捕捉线514以可控方式从捕捉线卷轴放线，并且可使捕捉杆513往回向下旋转以使经由捕捉线514赋予UAV 102的力与尾钩对齐，并减小UAV 102上的非期望旋转(例如，俯仰)力。
在t3时，UAV 102已沿着由捕捉线514引导的弧线降落，并且已达到地面上方的静止状态并由捕捉线514悬挂。如上所指出，当UAV 102沿着控制的弧线降落时，捕捉线514可能已被收线到特定放线长度，以确保UAV 102不会碰撞或撞击地面。
出于解释的目的，前述描述使用了特定术语以提供对所述实施方案的彻底理解。然而，对于本领域的技术人员将显而易见的是，实施所述实施方案并不需要这些具体的细节。因此，本文所述特定实施方案的前述描述是出于说明和描述的目的给出的。这些描述并非旨在是穷尽的或将所述实施方案限制于所公开的确切形式。对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，根据以上教导内容可以进行许多修改和变化。例如，虽然已经参照以特定顺序执行的特定操作描述和示出了本文所公开的方法或过程，但这些操作可组合、细分或重排序以形成等同的方法或过程而不脱离本公开的教导内容。此外，本文相对于一个实施方案描述的结构、特征、部件、材料、步骤、过程等可从该实施方案省略或结合到其他实施方案中。

Claims (20)

1.一种用于停止飞机的飞行的系统，包括：
两个线支撑机构，所述两个线支撑机构支撑在基部表面上方且隔开一定空间；
捕捉线，所述捕捉线悬挂在所述两个线支撑机构之间；
致动器系统，所述致动器系统被配置为移动所述两个线支撑机构以引起所述捕捉线行进穿过捕捉窗口；
绕线系统，所述绕线系统被配置为从所述两个线支撑机构延长或收回所述捕捉线；以及
回收控制系统，所述回收控制系统被配置为：
响应于检测到某状况，激活所述致动器系统以移动所述两个线支撑机构，从而使所述捕捉线移动穿过所述捕捉窗口并且使所述飞机上的接合构件与所述捕捉线接合；
测量所述捕捉线上的力；并且
引起所述绕线系统延长所述捕捉线以保持所述捕捉线上的所述测量的力在阈值以下。
2.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述两个线支撑机构中的第一线支撑机构包括可旋转地耦接到支撑结构的第一杆；并且
所述两个线支撑机构中的第二线支撑机构包括可旋转地耦接到所述支撑结构的第二杆。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述致动器系统被配置为使所述第一线支撑机构和所述第二线支撑机构相对于所述支撑结构旋转。
4.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述回收控制系统被配置为：
确定预测的飞机轨迹；并且
基于所述预测的飞机轨迹来确定运动开始时间；并且
所述回收控制系统检测到达所述运动开始时间时的所述状况。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述状况是从远程源接收到运动开始命令。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述远程源是所述飞机。
7.根据权利要求1所述的系统，其中：
激活所述致动器系统以移动所述两个线支撑机构的所述操作引起所述捕捉线向上移动穿过所述捕捉窗口；并且
所述回收控制系统被进一步配置为在所述捕捉线接合所述飞机上的所述接合构件之后，激活所述致动器系统以沿不同方向移动所述两个线支撑机构，从而向下移动所述捕捉线。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述回收控制系统被配置为在引起所述绕线系统延长所述捕捉线之后，引起所述绕线系统收回所述捕捉线。
9.根据权利要求8所述的系统，其中引起所述绕线系统收回所述捕捉线包括引起所述绕线系统将所述捕捉线收回到一定放线长度，所述放线长度防止在所述捕捉线停止所述飞机之后所述飞机撞击所述基部表面。
10.一种用于停止飞机的飞行的系统，包括：
支撑结构，所述支撑结构具有至少两个支撑构件，所述至少两个支撑构件在基部表面上方延伸并且彼此相隔一定空间；
第一线支撑机构，所述第一线支撑机构附接到所述至少两个支撑构件中的第一支撑构件并且可相对于所述第一支撑构件移动；
第二线支撑机构，所述第二线支撑机构附接到所述至少两个支撑构件中的第二支撑构件并且可相对于所述第二支撑构件移动；
捕捉线，所述捕捉线在所述第一线支撑机构和所述第二线支撑机构之间延伸；以及
致动器系统，所述致动器系统被配置为基本上协同地移动所述第一线支撑机构和所述第二线支撑机构，从而使所述捕捉线移动穿过捕捉窗口。
11.根据权利要求10所述的系统，其中：
所述第一线支撑机构是可相对于所述第一支撑构件旋转的第一杆；并且
所述第二线支撑机构是可相对于所述第二支撑构件旋转的第二杆。
12.根据权利要求11所述的系统，其中：
所述第一杆是管状结构，所述管状结构限定沿着所述第一杆的长度延伸的通道；并且
所述捕捉线的一部分延伸穿过所述通道。
13.根据权利要求12所述的系统，其中：
所述第二杆是附加管状结构，所述附加管状结构限定沿着所述第二杆的长度延伸的附加通道；并且
所述捕捉线的附加部分延伸穿过所述附加通道。
14.根据权利要求10所述的系统，其中所述致动器系统包括：
第一马达，所述第一马达被配置为移动所述第一线支撑机构；以及
第二马达，所述第二马达被配置为移动所述第二线支撑机构。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一马达和所述第二马达被配置为旋转所述第一线支撑机构和所述第二线支撑机构。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一马达和所述第二马达被配置为沿着线性路径移动所述第一线支撑机构和所述第二线支撑机构。
17.一种用于停止飞机的飞行的方法，包括：
在被配置为控制包括可移动捕捉线的飞机回收机构的回收控制系统处：
激活所述飞机回收机构的致动器系统以使捕捉线向上移动穿过捕捉窗口，从而使所述飞机上的接合构件与所述捕捉线接合；在接合所述飞机上的所述接合构件之后，测量所述捕捉线上的力；以及
引起绕线系统延长所述捕捉线以保持所述捕捉线上的所述测量的力在阈值以下。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
确定预测的飞机轨迹；
基于所述预测的飞机轨迹来确定运动开始时间；以及
确定已到达所述运动开始时间；
其中所述回收控制系统响应于确定已到达所述运动开始时间，而激活所述致动器系统以使所述捕捉线向上移动穿过所述捕捉窗口。
19.根据权利要求18所述的方法，其中使用基于地面的传感器来确定所述预测的飞机轨迹。
20.根据权利要求18所述的方法，其中使用基于飞机的传感器来确定所述预测的飞机轨迹。
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