CN111065890A - 确定空速的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

确定可移动物体(100)的空速的方法包括校准过程，以确定施加在可移动物体(100)上的力与可移动物体(100)的空速之间的关系。确定在可移动物体(100)移动时施加在可移动物体(100)上的力，并且基于所确定的力和关系来确定可移动物体(100)的空速。

Description

确定空速的系统和方法
版权声明
本专利文档的公开的一部分包含受到版权保护的内容。版权所有者不反对任何人对专利文档或专利公开的传真复制(当它出现在专利和商标局的专利文件或记录中时)，但在其他方面保留所有版权。
技术领域
本公开总体上涉及飞行仪表，更具体地，涉及确定空中物体的空速的系统和方法。
背景技术
无人驾驶飞行器(“UAV”)有时被称为“无人机”，包括可以由用户远程操作或编程用于自动飞行的各种尺寸和配置的无人驾驶飞机。UAV可以用于许多目的，其经常用于各种个人、商业和战术应用。例如，UAV可以配备有成像设备，例如相机、摄像机等。配备有成像设备的UAV除了爱好者和出于娱乐目的而受到欢迎之外，还特别用于监视、国防和专业摄像行业等。
与其他飞行器(例如载人航空器和直升机)类似，UAV的飞行特性在很大程度上取决于UAV相对于空气的速度(空速)。例如，必须控制固定翼UAV以某个阈值空速或高于某个阈值空速飞行，以便UAV的机翼可以产生充足的升力以使UAV保持在空中。必须控制多轴直升机UAV低于最大安全前进空速飞行，以避免诸如后行叶片失速之类不必要的情况。因此，准确确定空速对于UAV的安全和有效操作是必要的。
利用传统技术，可以基于查找表来估计UAV的空速，查找表将UAV的姿态(其指示UAV相对于水平面的取向，并且可以包括相对于水平地面的偏航角、俯仰角和横滚角)映射到水平空速。查找表通常在校准过程期间创建，其间UAV在固定高度以预定姿态和稳定速度并且在没有气流的环境中飞行(例如完全封闭的室内环境)。当没有风时，UAV的地速被认为是它的水平空速。可以基于用全球定位系统(GPS)测量的UAV水平位置的改变来确定UAV的地速。在用不同的姿态重复测试之后创建查找表，以反映姿态和空速(或地速)之间的对应关系。在操作中，查找表用于基于UAV的姿态估计UAV的空速。
这种传统方法有其限制。首先，在无风环境中生成的查找表不能准确地反映在有风的环境(例如室外环境)中姿态和空速之间的关系。其次，查找表仅反映姿态与稳定的空速之间的对应关系。换句话说，它无法在UAV以某种姿态达到稳定速度之前指示空速。例如，当UAV爬升、下降、加速或减速时，查找表不能用于估计过渡期间的空速。
因此，需要提供改进的空速估计，从而改进飞行操作。
发明内容
根据本公开，提供了一种确定可移动物体的空速的方法。方法包括校准过程，以确定施加在可移动物体上的力与可移动物体的空速之间的关系。确定在可移动物体移动时施加在可移动物体上的力，并且基于所确定的力和关系来确定可移动物体的空速。
根据本公开，提供了一种可移动物体，包括：存储器，存储空速与施加在可移动物体上的力之间的关系；第一传感器，感测施加在可移动物体上的力；以及处理器，被配置为基于所述关系和可移动物体上所感测的力来确定可移动物体的空速。
根据本公开，还提供了一种可移动物体，包括：一个或多个螺旋桨；电子速度控制模块，被配置为确定一个或多个螺旋桨的转速；加速度计，被配置为检测由可移动物体接收的一个或多个力；姿态检测单元，包括磁力计、陀螺仪或惯性测量单元中的至少一个；气压计，被配置为提供用于确定空气密度的信息；存储器，存储空速与施加在可移动物体上的力之间的关系；以及处理器，被配置为基于所述关系、检测到的力、转速、由姿态检测单元检测到的姿态来确定可移动物体的空速。
应理解，前面的一般性描述和下面的详细描述都只是示例性和说明性的，并不是对权利要求中所限定的公开实施例的限制。
附图说明
包含在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了若干实施例，并与描述一起用于解释所公开的原理。在附图中：
图1示出了可以使用本公开的示例性实施例的用例。
图2示出了根据本公开的实施例的确定空中物体的空速的方法。
图3和图4是根据本公开的实施例的用于确定空中物体的空速的示例性系统的示意图。
图5A至图5C是示出根据本公开的实施例的可以执行用于确定空中物体的空速的示例性步骤序列的流程图。
图6是根据本公开的实施例的用于确定空中物体的空速的示例性系统的示意图。
具体实施方式
所公开的实施例提供了用于飞行仪表的改进技术，更具体地，基于空中物体的地速和由空中物体接收的一个或多个力来确定空中物体的空速的系统和方法。由此产生的系统和方法在确定在不同环境和不同飞行状态下操作的空中物体的空速的能力方面提供了增强的准确性、可用性和鲁棒性。
现将详细参考示例性公开的实施例，其示例在附图中示出并在本文中公开。方便的是，贯穿附图，相同的附图标记将用于指代相同或类似的部件。
以下使用UAV作为示例性可移动物体来提供实施例。如在本文中所使用的，术语UAV可以指代被配置为自主地(即，通过电子控制系统)和/或由机外人员手动地操作和控制的空中设备。还应理解，在与本公开一致的实施例中，也可以或备选地使用其他类型的空中可移动物体。例如，本文所提出的实施例应该适用于被配置为在合适的介质上或在合适的介质内(例如表面、空气、水、轨道、空间、地下等)行进的任何合适的可移动物体、设备、机构、系统或机器。
图1是可以将本公开的示例性实施例与可移动物体100结合使用的用例的图。例如，可移动物体100可以是使用一个或多个螺旋桨101a和101b的可移动的多轴UAV。
可移动物体100的位置、姿态和移动可以根据不同的视角而被不同地表征。地球或地面参考系被标记为具有x轴、y轴和z轴的三维空间，x-y平面平行于水平地面104。例如，如图所示，相对于地球参考系，可移动物体100处于水平地面104上方的高度102处，并且处于相对于水平地面104的姿态(例如具有俯仰角103)。可移动物体100还以水平地速108(相对于地面104)和竖向地速109沿着方向106移动。可移动物体100还迎着气流110移动。
同时，还经常在可移动物体自身的视角或参考系中定义坐标系，标记为x'、y'和z'。在可移动物体的坐标系中，移动可以包括横向分量和竖向分量，横向移动在螺旋桨的旋转平面中，竖向移动在垂直于旋转平面的方向上。在本公开中，术语“横向”和“竖向”在可移动物体的坐标系或参考系中如此定义。如果没有另外说明，没有撇号的变量指代地球或地面参考系中的物理属性；具有撇号的变量指代可移动物体的参考系中的物理属性。
如以上所讨论的，在传统方法中，UAV的姿态被映射到稳定的水平地速，不能提供对正在经受高度和速度改变且正在气流的影响下移动的空中物体(如可移动物体100)的空速的准确估计。与本公开的实施例相一致，可以实时并以更好的准确度来实现对空速的估计，如下面详细描述的。
在具有横向分量和竖向分量的移动中，可移动物体100受到各种力，包括重力、横向方向上的所谓H力、竖向方向上的推力T和形阻力。为便于讨论，定义了几个参数：
ρ：空气密度。
m：可移动物体的质量。
ω：螺旋桨旋转的角速度。
ωt：螺旋桨旋转的所有角速度的和。
R：可移动物体的姿态的矩阵表示，即可移动物体100在地球参考系中的取向。其可以表示为方向余弦矩阵(DCM)，或四元数、轴角或欧拉角矩阵。
v：地速或可移动物体相对于地面的速度，表示为x、y、z坐标系(即地球参考系)中的三维矢量
Figure BDA0002398772680000051
w：气流，或空气或气团的速度，表示为x、y、z坐标系(即地球参考系)中的三维矢量
Figure BDA0002398772680000052
其也经常被称为风速。
u：空速表示为x、y、z坐标系(即地球参考系)中的三维矢量
Figure BDA0002398772680000053
u＝v+w。
u′：在可移动物体的参考系中表示的空速u。u'＝Ru。
V′：轴向空速或竖向空速，即可移动物体的参考系中的空速的竖向分量。因此，
Figure BDA0002398772680000054
其中
Figure BDA0002398772680000055
是选择第三个分量的选择矩阵，即u′的z'轴分量。
W＇：横向空速，即可移动物体的参考系中的空速的横向分量。因此，W＝S12u＇，其中
Figure BDA0002398772680000056
是选择前两个分量的选择矩阵，即u＇的x'轴分量和y'轴分量。
在本说明书的上下文中，尽管被称为“速度”，但空速、地速和风速都是矢量，具有幅度分量和方向分量。
由螺旋桨101a和101b生成的横向H力可以由下面的表达式表示：
H＇＝kρωtW＇＝kρωtS12Ru＝kρωtS12R(v+w) (1)，
其中k是缩放常数。横向力还包括形阻力；但与H力相比，横向平面中的形阻力要小得多，因此可以忽略不计。
竖向方向上的推力T＇取决于螺旋桨的转速和直径d，并且推力可以表示为：
T＇＝CTρd4ω2 (2)。
CT是推力系数，其取决于轴向空速或竖向空速V＇和螺旋桨速度。CT随着竖向空速的增加而减小。
竖向方向上的形阻力由可移动物体的表面与空气之间的摩擦引起，可以表示为：
Figure BDA0002398772680000061
其中A是参考表面积，CD是阻力系数。因此，可移动物体100受到的总竖向力可以表示为：
F′＝D(V′)-∑iT′(ωi，V′) (4)，
其中第二分量表示所有螺旋桨i的推力的和。
在表达式(1)、(2)和(3)中，S12、螺旋桨直径d和参考表面积A是已知的常数。大多数变量可以用可移动物体100机载的设备、传感器或组件来测量。例如，地速v可以由GPS或成像设备测量；姿态矩阵R可以根据惯性测量单元(IMU)、陀螺仪或磁力计的读数确定，其可以提供关于例如可移动物体100的角速率和取向的信息；空气密度ρ可以由气压高度计或温度传感器测量；以及螺旋桨转速ω可以由电子速度控制(ESC)模块测量。ESC模块可以使驱动螺旋桨的电动机的转速变化，并且可以提供关于转速的信息。
加速度计可以感测可移动物体100的确切的加速度，即相对于自由下落并移除了重力的加速度。换句话说，如果可移动物体100自由下落，则加速度计测量到0加速度。如果可移动物体100静止地位于桌子上，则加速度计测量与桌子施加的力相对应的加速度，该力是重力的反作用力。根据牛顿第二定律，如此测量的加速度可以用于导出可移动物体100所受到的总的力。假设在可移动物体的参考系中所测量的加速度是
Figure BDA0002398772680000071
则可移动物体100受到的力是矢量F′＝ma′。因为a′不反映重力，所以F′主要包括H力(表达式(1))、推力T′(表达式(2))和竖向形阻力D′(表达式(3))。
H力仅沿可移动物体的参考系中的横向方向，并且可以从测量的加速度导出：
H’＝S12F′＝mS12a′ (5)。
与表达式(1)组合，这意味着
S12a′＝k1ρωtS12R(v+w) (6)。
在表达式(6)中，仅调节的缩放常数k1＝k/m和风速w是未知的。
同样地，可以使用测量的加速度表示竖向方向上的力：
Figure BDA0002398772680000072
将(7)与(4)组合而得到下面的(8)：
Figure BDA0002398772680000073
可以通过消除质量要素m来将表达式(8)化简为下面的(9)：
Figure BDA0002398772680000074
其中，g(V′)＝D(V′)/m以及∑if′(ωi，V′)＝∑iT′(ωi，V′)/m。在表达式(9)中，V′是未知的。函数g(V′)和f′(ωi，V′)也是未知的，因为系数CD以及CT与V′之间的关系是未知的。
与本发明的实施例相一致，可以在实际飞行之前对可移动物体100进行校准，以确定表达式(6)中的缩放常数k1和表达式(9)中的函数g(V′)和f′(ωi，V′)，使得在实际飞行期间，可以使用这些表达式来将各种变量的测量结果用于确定空速(因此得到风速)。一方面，可以基于线性回归方法来确定缩放常数k1。例如，可以将表达式(6)改写如下：
Figure BDA0002398772680000081
如果我们使用y来表示S12a′，使用Φ来表示[ρωtS12Rv k1ρωtS12R]，使用θ来表示未知量
Figure BDA0002398772680000082
则(6*)被简化为y＝Φ6。然后，在时间j处，由(6*)所定义的瞬时关系可以被表示为yj＝Φjθj。通过风速来突然改变方向或幅度是不常见的。因此，相比于可移动物体100上的传感器的采样速率，θ被认为是缓慢改变的变量。结果是，可以使用随时间变化的姿态R、空气密度ρ、螺旋桨转速ωt和地速v的瞬时测量结果来确定缩放常数k1，其中，k1随时间j递归更新。例如，可以将递归最小二乘滤波器应用于表达式(6*)以递归地确定k1。在已经生成充足的数据并在计算中应用之后，k1的值应该是可靠的。
备选地，可以在室内环境中执行横向方向上的校准，在室内环境中，风速w可以假设为零。在该情况下，表达式(6)被化简为：
S12a＇＝k1ρωtS12Rv (6**)。
可以用加速度a＇、转速的和ωt、密度ρ、转速的和ωt、姿态R和地速v的测量结果来确定常数k1。在室内环境中，可以由机载传感器或由运动捕获设备测量地速v。同样地，可以基于一系列的前述测量结果，采用线性回归方法来确定k的值。例如，可以收集加速度计读数的集合和ρωtS12Rv的对应值的集合。可以基于估计的k1的值来确定用于预测ρωtS12Rv的值的函数，还可以确定使ρωtS12Rv的预测值和实际值之间的平方差最小化的k1的值。横向移动的室内校准简单得多，因为风速可以假设为0，但要求大的室内场地，以确保校准在整个横向速度的范围内可靠。
在校准期间，可移动物体100可以被设置为沿不同方向移动，使得姿态R和/或地速v，以及由此得到的Φ或ρωtS12Rv持续不断地改变，从而提供充足的持续激励，并使参数k1转换为正确且更可靠的值。例如，可以通过可移动物体以恒定速率或以不同的速率持续不断地转弯或改变其航向来改变姿态R。此外，即使6是缓慢改变的变量，但可以使用遗忘因子来给出递归过程中的历史值的某个权重。
一旦确定了k1(以及由此得到的k)，然后就可以将该值存储(例如存储在可移动物体100所包括的存储器中)，并且可以使用该值，基于表示H力的实时测量结果(表达式(5))以及空气密度ρ和转速ω的实时测量结果的加速度计读数来实时地确定横向空速W＇。
可以在风洞中执行竖向方向上的校准。图2描绘了这种配置，其中可移动物体100迎着水平风204竖向放置。风204因此竖向吹向螺旋桨101a和101b。在校准期间，风速改变，并且所有螺旋桨被控制为也改变了的相同速度。在这种配置中，可以基于风速w和水平地速v的GPS读数来确定竖向/轴向空速V′。针对每对螺旋桨速度ωj和风速wj，获得地速的GPS读数(由此得到的竖向空速Vj)和加速度计读数aj，提供数据三元组(ωj，V′j，a′j)。回顾上面的表达式(9)：
Figure BDA0002398772680000091
然后，可以使用一系列数据三元组(ωj，V′j，a′j)来拟合函数g(V′)和f′(ωi，V′)。g(V′)和f(ωi，V′)的确定也可以基于回归方法。
在一些实施例中，可以在室外环境中执行竖向方向上的校准，特别是当几乎不存在风时。例如，可以将可移动物体100发射到空中，然后允许其上升和下降。可移动物体100竖向移动，其可以以不同的竖向空速V＇移动。还可以生成竖向空速V＇和转速ω的不同组合，并映射到不同的加速度计读数a，并可以因此确定函数g(V′)和f(ωi，V′)。
一旦确定了函数g(V′)和f(ωi，V′)，然后就可以使用加速度计读数a来解出竖向/轴向速度V′，作为螺旋桨的加速度和速度的函数。
V＝h(a′z，ω1，ω2，...，ωN) (10)。
基于表示g(V′)和f(ωi，V′)的参数来确定函数h的参数。可以存储函数h(a′z，ω1，ω2，...，ωN)，g(V′)和f(ωi，V′)的参数(例如存储在包括在可移动物体100中的存储器中)，并且可以使用这些参数，基于表示可移动物体100所受到的竖向力(除重力所引起的拉力之外)的实时测量结果以及转速ω1…ωN和空气密度ρ的实时测量结果的加速度计读数，实时地确定竖向空速。
在实际飞行期间，使用校准结果来确定横向空速W＇和竖向空速V＇。然后，可以基于这两个量来确定三维空速u＇。根据u＇，地球上的空速u可以确定为u＝R-1u′。利用u和地速v的GPS读数，还可以将风速w确定为u-v。
现在参考图3，图3是根据所公开的实施例的用于执行一个或多个操作的示例性系统300的图。系统300可以包括壳体302和一个或多个螺旋桨304。壳体302可以容纳机械组件，例如用来控制螺旋桨304的运动的电机和致动器。壳体302还可以容纳：电子组件，例如GPS接收器306，被配置为接收用于位置确定的GPS信号；电子速度控制模块308，被配置为确定螺旋桨304的旋转角速度；高度计309，被配置为提供系统300的高度的测量结果；气压和温度传感器310，被配置为提供关于空气密度的信息(基于例如气压和温度)；以及姿态检测单元312，被配置为提供关于系统300的姿态的信息(偏航角、俯仰角和横滚角中的至少一个)。姿态检测单元312可以包括例如磁力计、陀螺仪和/或IMU。壳体302还可以包括一个或多个加速度计314，加速度计314被配置为测量系统300沿x轴、y轴和z轴接收的力。壳体302还可以容纳一个或多个摄像机316，摄像机316被配置为提供用于各种应用的图像数据，例如避免碰撞、确定地速(例如通过跟踪物体的尺寸相对于时间的改变)等。
壳体302还可以容纳包括一个或多个处理器、一个或多个输入/输出(I/O)设备以及一个或多个存储器的控制器系统。图4示出了根据所公开的实施例的可以使用的示例性控制器系统400的示意性框图。系统400可以包括一个或多个处理器420、一个或多个I/O设备422以及一个或多个存储器424。在一些实施例中，系统400可以采用移动计算设备、通用计算机等的形式，用于执行与所公开的实施例一致的一个或多个操作。
处理器420可以包括一个或多个已知的处理设备。例如，处理器可以来自于由Intel制造的处理器系列、来自于由Advanced Micro Devices制造的处理器系列等。备选地，处理器可以基于ARM架构。在一些实施例中，处理器可以是移动处理器。所公开的实施例不限于处理器的任何具体类型。
I/O设备422可以是被配置为允许控制器410接收和/或发送数据的一个或多个设备。I/O设备422可以包括一个或多个通信设备和接口，以及任何必要的模数和数模转换器，以与其他机械组件和设备(例如螺旋桨304、GPS接收器306、高度计309、气压计和温度传感器310、姿态检测单元312、加速度计314和摄像机316)进行通信和/或控制其他机械组件和设备。
存储器424可以包括一个或多个存储设备，存储设备被配置为存储由处理器420使用以执行与所公开的实施例有关的功能的软件指令。例如，存储器424可以被配置为存储诸如程序426之类的软件指令，当指令由处理器420执行时，执行一个或多个操作。例如，存储器424可以包括诸如用户级应用之类的单个程序426，程序426执行所公开的实施例的功能，或存储器424可以包括多个软件程序。另外，处理器420可以执行远离控制器410定位的一个或多个程序(或其部分)。此外，存储器424还可以被配置为存储例如由软件程序426使用的数据。
在一些实施例中，可以将系统300和400配置成图1和图2的可移动物体100，软件程序426可以包括一个或多个软件模块，当其由控制器系统400执行时，执行与本公开的实施例一致的如下方法：基于可移动物体100的地速和由可移动物体100接收的一个或多个力来确定可移动物体100的空速。
例如，返回参考图1和图2，软件程序426可以包括一个或多个软件模块，该软件模块被配置为执行用于水平空速确定的第一校准模式，在第一校准模式下，软件程序426可以控制可移动物体100以相对于水平地面104的某个速度和某个姿态(例如具有俯仰角103)移动。软件模块可以包括电子速度控制模块308，并且可以控制螺旋桨304的相对转速，以便控制可移动物体100的方向、空速、姿态和高度。软件程序426可以与加速度计314交互以收集由控制可移动物体100接收的H力的样本。软件程序426还可以与例如GPS接收器306和/或摄像机316交互以生成位置数据，并生成可移动物体100的地速样本。软件程序426还可以与例如气压计和温度传感器310和姿态检测单元312交互，以获得例如空气密度和姿态的测量样本。软件程序426还可以执行例如递归最小二乘法(RLS)或使用所收集的样本的最小二乘估计算法以及已知的螺旋桨的转速，来确定H力与水平空速之间的关系，如在表达式(1)、(6*)和(6**)中所示。关系可以以缩放因子k的形式表示，其可以存储在存储器424中。在第一校准模式完成之后，软件程序426然后可以基于所存储的缩放因子k和H力、空气密度、姿态和螺旋桨的转速的新样本来确定水平空速。
此外，软件程序426可以包括一个或多个软件模块，该软件模块被配置为执行用于确定竖向空速的第二校准模式。例如，软件程序426可以控制可移动物体100沿着竖向方向移动，同时螺旋桨以预定转速旋转。软件程序426还可以控制可移动物体100在风洞内移动，使得螺旋桨的旋转轴与风向对齐。在两种情况下，软件程序426可以获取加速度计读数、螺旋桨转速和空速的不同组合，然后执行回归方法的算法以确定表达式(9)中表示g(V′)和∑if′(ωi，V′)的参数，表达式(10)中的h(a′z，ω1，ω2，...，ωN)，并将参数存储在存储器424中。在第二校准模式完成之后，软件程序426然后可以基于所存储的参数和加速度计读数、姿态、空气密度和螺旋桨转速的新样本来确定竖向空速。
现在参考图5A，其示出了根据本公开的实施例的用于基于可移动物体的地速和由可移动物体接收的一个或多个力来确定可移动物体的空速的示例性过程500的步骤。该过程可以以软件、硬件或其任何组合来实现。出于解释而非限制的目的，将在系统300和400的背景下描述过程500，使得所公开的过程可以由在控制器系统400和/或可移动物体100中执行的软件来执行。
在步骤502中，系统确定开始用于确定空速的校准阶段。开始校准阶段的确定可以由不同事件触发。例如，系统可以确定在系统刚刚启动时开始校准阶段，或者系统未保持在空中预定的时间量(例如一周)等。
在确定开始校准阶段之后，系统进行到步骤504，以确定是继续进行第一校准模式(用于水平空速确定)还是进行第二校准模式(用于竖向空速确定)。在一些实施例中，系统可以被配置为首先进行第一校准模式，然后进行第二校准模式，反之亦然。在一些实施例中，如果气流方向大部分与地面平行，则系统还可以确定放弃第二校准模式。在该情况下，系统可以基于可移动物体的水平空速(在第一校准模式完成之后)和姿态来确定竖向空速。例如，系统可以基于水平空速到可移动物体的运动方向上的投影(基于姿态确定的)来确定可移动物体的空速，然后将空速投射到竖向z轴上以确定竖向空速。
在步骤504中确定继续第一校准模式之后，系统然后可以进行到步骤506并执行第一校准模式以确定第一校准参数。现在参考图5B，其示出了根据本公开的实施例的用于第一校准模式的一系列步骤。在步骤508中进入第一校准模式之后，系统进行到步骤510并控制可移动物体沿相对于螺旋桨的旋转轴的第一方向移动以生成H力。例如，返回参考图1，系统可以控制可移动物体以俯仰角103沿着平行于地平线的方向移动。
在步骤512中，当可移动物体沿第一方向移动时，系统还基于例如GPS提供的位置信息或基于视频图像数据确定的位置信息来确定沿着第一方向的地速。在步骤514中，系统还基于例如气压计和温度传感器数据来确定空气密度。在步骤516中，系统还确定螺旋桨的转速，并且在步骤518中，确定可移动物体沿着第一方向接收的H力。在步骤512至步骤518中，可以在不同时间点处获取这些参数的多个样本。在可移动物体沿第一方向移动时获取这些参数的样本之后，系统然后进行到步骤520，以基于所确定的参数确定一组回归矢量。
在确定回归矢量之后，在步骤522中，系统然后可以使用回归矢量执行回归分析，以确定H力和空速之间的关系。如以上所讨论的，该确定可以基于例如递归最小二乘法(如果风速和常数k都是未知的)或最小二乘估计(如果风速可以假设为零)。基于步骤518的结果，系统然后可以确定是否有充足的数据点来执行分析。可以基于例如在预测的模型和所确定的参数之间是否存在某种程度的收敛、所确定的参数的范围是否满足预定阈值等来确定充裕度。
在步骤524中，如果系统确定没有充足的数据点，则系统可以进行到步骤526并更新第一方向。例如，系统可以改变可移动物体的偏航角，然后重复步骤510至步骤522，以获取更多数据点用于回归分析。另一方面，在步骤526中，如果系统确定数据点充足，则系统随后可以进行到步骤528并基于回归分析的结果来确定第一校准参数。根据表达式(1)，第一校准参数可以包括例如将H力与空速相关联的常数k。在步骤530中，系统然后可以提供用于确定水平空速的第一校准参数。
返回参考图5A，如果在步骤504中系统确定执行用于确定竖向空速的第二校准模式，则系统可以进行到步骤532并执行第二校准模式以确定第一校准参数。
现在参考图5C，其示出了根据本公开的实施例的用于第二校准模式的一系列步骤。随着在步骤534中进入第二校准模式，系统可以在步骤536中控制可移动物体沿与螺旋桨的旋转轴平行的第二方向移动。例如，可以控制可移动物体100竖向地且与螺旋桨101a和101b的旋转轴平行地移动，或者水平地且仍然平行于螺旋桨101a和101b的旋转轴移动(例如沿图2中的方向208)。
当可移动物体沿着第二方向移动时，系统可以进行到步骤538并控制螺旋桨的转速，以获得加速度计读数(其表示由可移动物体沿着第二方向接收的力)、空速和转速的不同组合。例如，可移动物体可以在室外环境中竖向下降并经受竖向空速的增加。在下降期间，系统可以改变螺旋桨的转速，并且从加速器获得可移动物体所受到的竖向力(不包括重力拉力)的测量结果的样本。此外，可移动物体也可以在风洞中水平移动，其中风速(和空速)被调节，并且螺旋桨的转速也被调节，以产生加速度计读数、空速和转速的不同组合。
在收集了加速度计读数、空速和转速的组合之后，系统可以进行到步骤540以执行回归分析，从而确定第二校准参数，该第二校准参数表示竖向空速与加速度计读数和螺旋桨转速的组合之间的关系。例如，系统可以确定表示表达式(9)中的g(V′)和∑if′(ωi，V′)、表达式(10)中的h(a′z，ω1，ω2，...，ωN)的参数。在步骤540中确定第二校准参数之后，系统随后可以进行到步骤542并提供用于确定竖向空速的第二校准参数。
返回参考图5A，在确定了第一校准参数和第二校准参数之后，系统可以进行到步骤544并存储校准参数。在步骤546中，系统可以接收包括空气密度、螺旋桨速度、地速和姿态在内的新飞行数据，然后在步骤548中，基于新飞行数据和校准参数来确定水平空速(沿着x'-y'平面)和竖向空速(沿着z'轴)。
现在参考图6，图6是根据本公开的实施例的用于基于可移动物体的地速和由可移动物体接收的一个或多个力来确定可移动物体的空速的示例性系统600的示意性框图。如图6所示，系统600包括校准模块602，校准模块602包括运动控制模块603、传感器模块604和校准参数模块606。系统600还包括空速确定模块608。
出于本公开的目的，“模块”可以以软件、硬件、固件、这些中的任意混合等实现。例如，如果所公开的“模块”以软件来实现，则它们可以作为程序426的组成部分存储在系统400的存储器424中，并且包括可由一个或多个处理器执行的代码指令，这些模块独立存在或与本实施例或其他实施例中公开的其他模块进行各种组合。另一方面，所公开的“模块”还可以以诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等硬件实现。系统600可以容纳在例如可移动物体100中。
在一些实施例中，校准模块602被配置为使可移动物体进入校准模式，在校准模式中可以确定用于确定水平空速和竖向空速的校准参数。在一些实施例中，校准模块602被配置为执行例如图5A的步骤502和步骤504。
在一些实施例中，运动控制模块603(其可以是校准模块602的一部分)被配置为基于校准模式来控制可移动物体的运动，并且更新例如运动方向、螺旋桨的转速等。在一些实施例中，运动控制模块603被配置为执行例如图5B的步骤510和步骤526以及图5C的步骤536和步骤538。
在一些实施例中，传感器模块604(其可以是校准模块602的一部分)被配置为获取可移动物体的飞行数据，飞行数据可以包括例如空气密度、螺旋桨速度、地速和可移动物体的姿态以及可移动物体接收的一个或多个力。在一些实施例中，传感器模块604被配置为执行例如图5A的步骤512至步骤518和图5B的步骤538。
在一些实施例中，校准参数模块606被配置为确定用于确定水平空速和竖向空速的校准参数。该确定可以包括回归分析并且基于传感器模块604获取的飞行数据。在一些实施例中，校准参数模块606被配置为执行例如图5B的步骤520至步骤524和步骤528以及图5C的步骤540。
在一些实施例中，空速确定模块608被配置为基于由校准参数模块606提供的校准参数以及由传感器模块604获取的新飞行数据来确定可移动物体的空速。在一些实施例中，空速确定模块608被配置为执行例如图5A的步骤544和步骤548。
考虑到所公开的实施例的说明和实践，其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。说明书和示例应仅被认为是示例性的，所公开的实施例的真实范围和精神由所附权利要求指示。应理解的是，为便于描述，已在本文中对本公开中的示例和描述进行任意地限定。所公开的系统和方法不限于这些简化的示例，并且可以考虑其他的特征和特性，只要适当地执行了指定的功能即可。
虽然为了讨论的目的，已经针对UAV讨论了某些公开的实施例，但本领域技术人员将认识到所公开的用于识别目标物体的方法和系统的有用的应用。此外，尽管所公开的实施例的各方面被描述为与存储在存储器和其他有形的计算机可读存储介质中的数据相关联，但本领域技术人员将认识到，这些方面可以被存储在许多类型的有形的计算机可读介质上并且可以从其执行。此外，所公开的实施例的某些过程和步骤以特定的顺序描述，本领域技术人员将认识到所公开的实施例的实践不限于此，并且可以以许多方式来实现。因此，所公开的实施例不限于上述示例，而是由所附权利要求根据其全部等同物的范围来限定。

Claims (30)

1.一种确定可移动物体的空速的方法，包括：
执行校准过程，以确定施加在所述可移动物体上的力与所述可移动物体的空速之间的关系；
确定所述可移动物体正在移动时施加在所述可移动物体上的力；以及
基于所确定的力和所述关系，确定所述可移动物体的空速。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，校准过程包括：确定在横向方向上施加在所述可移动物体上的力与所述可移动物体的横向空速之间的关系。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述校准过程包括：确定在竖向方向上施加在所述可移动物体上的力与所述可移动物体的竖向空速之间的关系。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述校准过程包括：
确定在横向方向上施加在所述可移动物体上的力与所述可移动物体的横向空速之间的关系；以及
确定在竖向方向上施加在所述可移动物体上的力与所述可移动物体的竖向空速之间的关系。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述校准过程包括以下步骤：
a)控制所述可移动物体在第一方向上移动；
b)调节所述可移动物体在所述第一方向上的速度；
c)检测所述可移动物体沿所述第一方向的加速度；
d)检测飞行参数，例如空气密度、所述可移动物体的一个或多个螺旋桨的转速、姿态和地速；以及
e)基于检测到的加速度和检测到的飞行参数来确定校准参数，所述校准参数表示在所述第一方向上力与空速之间的关系。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述校准过程还包括：重复步骤b)至步骤d)，其中，在步骤e中确定所述校准参数基于在重复的步骤b)至步骤d)中所检测的加速度和飞行参数。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，检测所述加速度包括利用加速度计进行检测。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，检测所述姿态包括利用姿态检测单元进行检测，所述姿态检测单元包括磁力计、陀螺仪或惯性测量单元中的至少一个。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，检测所述空气密度包括利用气压计进行检测。
10.根据权利要求5所述的方法，其中，检测所述螺旋桨的转速包括利用电子速度控制模块进行检测，所述电子速度控制模块控制所述一个或多个螺旋桨。
11.根据权利要求5所述的方法，其中，检测所述地速包括利用速度测量模块进行检测。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述速度测量模块包括全球定位系统GPS单元。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述速度测量模块包括相机。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述校准过程包括递归最小二乘拟合步骤。
15.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述校准过程包括：确定横向方向上的关系和竖向方向上的关系；
其中，确定施加在所述可移动物体上的力包括确定所述横向方向和所述竖向方向二者上的力；
其中，确定所述空速包括：1)基于所述横向方向上的力和关系确定横向空速，2)基于所述竖向方向上的力和关系确定竖向空速；以及3)基于所述横向空速和所述竖向空速构建空速。
16.一种可移动物体，包括：
存储器，存储空速与施加在所述可移动物体上的力之间的关系；
第一传感器，感测施加在所述可移动物体上的力；以及
处理器，被配置为基于所述关系和所感测的所述可移动物体上的力来确定所述可移动物体的空速。
17.根据权利要求16所述的可移动物体，其中，存储在所述存储器中的所述关系包括：在横向方向上施加在所述可移动物体上的力与所述可移动物体的横向空速之间的关系。
18.根据权利要求16所述的可移动物体，其中，存储在所述存储器中的所述关系包括：在竖向方向上施加在所述可移动物体上的力与所述可移动物体的竖向空速之间的关系。
19.根据权利要求16所述的可移动物体，其中，存储在所述存储器中的所述关系包括：在横向方向上施加在所述可移动物体上的力与所述可移动物体的横向空速之间的关系，以及在竖向方向上施加在所述可移动物体上的力与所述可移动物体的竖向空速之间的关系。
20.根据权利要求16所述的可移动物体，其中，所述第一传感器包括加速度计。
21.根据权利要求16所述的可移动物体，还包括第二传感器，所述第二传感器感测飞行参数，例如加速度、空气密度、所述可移动物体的一个或多个螺旋桨的转速、姿态和/或地速，其中，基于所述飞行参数确定所述关系。
22.根据权利要求21所述的可移动物体，其中，所述存储器中的所述关系是基于所述可移动物体以变化的速度和/或在变化的方向上移动时所感测的飞行参数来确定的。
23.根据权利要求16所述的可移动物体，还包括磁力计、陀螺仪或惯性测量单元，用于检测所述可移动物体的姿态。
24.根据权利要求16所述的可移动物体，还包括气压计，用于检测空气密度。
25.根据权利要求16所述的可移动物体，还包括磁力计、陀螺仪或惯性测量单元，用于检测所述可移动物体的姿态。
26.根据权利要求16所述的可移动物体，还包括电子速度控制模块，所述电子速度控制模块控制一个或多个螺旋桨的转速。
27.根据权利要求16所述的可移动物体，还包括用于确定地速的全球定位系统GPS单元或相机。
28.根据权利要求16所述的可移动物体，其中，所述处理器被配置为：
基于所述力和关系确定横向空速，
基于所述力和关系确定竖向空速；以及
基于所述横向空速和所述竖向空速构建空速。
29.根据权利要求16所述的可移动物体，其中，所述可移动物体包括无人驾驶飞行器UAV。
30.一种可移动物体，包括：
一个或多个螺旋桨；
电子速度控制模块，被配置为确定所述一个或多个螺旋桨的转速；
加速度计，被配置为检测由所述可移动物体接收的一个或多个力；
姿态检测单元，包括磁力计、陀螺仪或惯性测量单元中的至少一个；
气压计，被配置为提供用于确定空气密度的信息；
存储器，存储空速与施加在所述可移动物体上的力之间的关系；以及
处理器，被配置为基于所述关系、检测到的力、转速、由所述姿态检测单元检测到的姿态来确定所述可移动物体的空速。
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