CN111226349B - 尾部跟踪天线 - Google Patents

Abstract

一种无人机(UAV)以及无人机与地面控制器之间的通信系统，所述UAV具有顶侧、底侧和天线侧。UAV的天线侧可具有铰链，平板天线可设置为枢转地耦合到该铰链。所述平板天线可以通过重力主动控制或被动控制。

Description

尾部跟踪天线

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年8月21日根据35 U.S.C.120先前提交的申请No.15/682,54 2的权益。

技术领域

本公开的领域一般是无人机(UAV)，并且具体地是UAV通信设备。

背景技术

UAV，或UAV(无人机)，通常由手持遥控器或某种地面通信设备控制。UAV也已知经由天线进行通信。各种类型的天线是已知的；一些用于数据传输，一些用于视频数据传输，一些用于GPS定位。

改进UAV中的通信的需求是持续存在的。增加UAV的天线的通信范围的需求也是持续存在的。一种已知的解决方案是使用越来越大的天线，或者通过为手持遥控器增加越来越大的增强器。

所有引用的专利、申请和文献通过整体引用并入本文。此外，通过引用并入本文的参考文献中的术语的定义或使用，与本文中所提供的该术语的定义不一致或相反，则本文中所提供的该术语的定义适用并且参考文献中该术语的定义不适用。该实施例可以寻求满足上述期望中的一个或多个。尽管本实施例可以排除上述期望中的一个或多个，但是应当理解，本实施例的一些方面可能不一定排除它们。

发明内容

本文公开了一种具有可枢转的平板天线的预期的无人机(UAV)。在一个实施例中，UAV具有设置在UAV的外部上并且可以耦合到平板天线的铰链。

还可以预期的是用于封闭可枢转的平板天线的壳体。壳体可以设置在UAV的外部上。

预期的平板天线可以设置在壳体内并且可枢转地耦合到铰链以改变平板天线的俯仰。

在一些实施例中，平板天线可以被主动地控制。在一些实施例中，致动器用于主动控制平板天线的俯仰。在其他实施例中，致动器可以是伺服电动机、云台、气动电动机、液压电动机。

在一些其他实施例中，平板天线自由地可枢转地、自由地耦合到铰链，并且由重力致动。

在实施例的一个方面中，可存在间隙，其足够间隔在平板天线与壳体之间以产生空气阻力以在平板天线受到重力作用时抑制平板天线的自由枢转运动。在其他实施例中，在平板天线自由地且滞后地通过所述重力枢转时间隙的大小保持一致。

在该实施例的一个方面中，预期的壳体具有底壁，并且底壁可以具有弓形形状。

在又一个实施例中，壳体是气密的。

壳体可具有许多形状和大小。在一个实施例中，壳体可以具有耦合到铰链的第一壁，并且第一壁可以被布置成当无人机倾斜超过第一角度时停止第一壁上的平板天线，其中第一角度与垂直于铰链的垂直轴成最多120度。

可选地，可以存在耦合到铰链的第二壁，第二壁可以被布置成当无人机倾斜超过第二角度时停止第二壁上的平板天线，其中第二角度与垂直于铰链的垂直轴成最多120度。

所公开的实施例的其他方面包括通信系统，预期的系统包括具有顶侧、底侧和天线侧的UAV，以及地面控制器，其被配置为向UAV发送命令和地面控制器的位置信息，使得UAV持续地保持以天线侧面向地面控制器，不管UAV与地面控制器的相对定向如何。

在预期的实施例中，UAV的天线侧可以具有包括耦合到无人机的铰链的天线设备，以及可枢转地耦合在铰链上的平板天线。

如上所述，可以有可选的壳体来封闭平板天线，并且平板天线相对于壳体枢转。壳体可用于消除作用在平板天线上的风力。

如上文所论述，天线设备中的平板天线可自由地枢转，且可耦合到铰链。在这样的实施例中，平板天线可以仅通过重力来致动。

根据以下对实施例的详细描述以及附图，本实施例的各种目标、特征、方面和优点将变得更加显而易见，在附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

附图说明

应当注意的是，附图可以以简化的形式，并且可能不以精确的比例。参考本文的公开内容，仅出于方便和清楚的目的，相对于附图使用诸如“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上”、“下”、“在......上”、“上方”、“在......下”、“下方”、“后面”、“前面”、“远侧”和“近侧”的方向术语。这样的方向术语不应被解释为以任何方式限制实施例的范围。

图1是根据实施例的一个方面的天线设备的实施例的透视透明图。

图2是根据实施例的一个方面的天线设备的另一个实施例的透视透明图。

图3是根据实施例的一个方面的天线设备的又一个实施例的透视透明图。

图4是根据实施例的一个方面的天线设备的再一个实施例的透视透明图。

图5是当UAV处于水平飞行时具有预期天线设备的UAV的侧视说明性视图。

图6是当UAV处于水平飞行时具有预期天线设备的另一UAV的侧视说明性视图，并且其中所述平板天线停留在倾斜位置中。

图7是当UAV向前移动，因此向前倾斜，并且允许平板天线通过重力向下悬挂时具有预期天线设备的UAV的侧视说明性视图。

图8是彼此通信的向前移动的UAV和运动中的汽车的图示。

图9示出了其中无论何时UAV相对于地面控制器，UAV的天线侧保持面向地面控制器的系统。

具体实施方式

本公开的一个方面是一种用于改进通信和/或增加UAV与地面/水上的收发器(可以是手持控制器或一些其他设备)之间的通信范围的装置，而不必使用更大的天线，或者不需要增加增强器。

现有技术的UAV可以在UAV上的某处安装多种类型的天线(例如，全向天线、定向天线、平板天线)。

已知的平板天线通常在UAV的侧面上固定地附接到UAV的外部。现有技术的平板天线是固定的，并且不相对于UAV的主体移动。

本发明人已经发现了在不改变平板天线的类型/大小/强度的情况下显著增加UAV天线通信的距离和覆盖范围的新颖方法。

如上所述，现有技术的解决方案包括使用更大的天线和/或将信号增强器添加到地面控制器。这种使用增强器和较大天线的现有技术解决方案使手持控制器不合期望地庞大和沉重。

此外，售后更大的天线和增强器对于最终消费者来说是昂贵的，因此是不合期望的。对于制造商，使用更大的天线构建UAV可能是昂贵的，并且可能不合期望地使UAV更重，从而负面地影响飞行时间和能量消耗。

因此，本公开还提供了用于改进和/或增加UAV上的平板天线的通信范围的低成本解决方案。

现在可以通过转向实施例的以下详细描述来更好地理解实施例及其各种实施例，这些实施例被呈现为权利要求中定义的实施例的所示示例。应明确地理解，由权利要求书定义的实施例可比下文所描述的所说明实施例更宽。

在不脱离实施例的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员可以做出许多改变和修改。因此，必须理解的是，所示出的实施例仅仅是为了示例的目的而提出的，并且不应当被认为是对由所附权利要求限定的实施例的限制。例如，尽管以下以特定组合阐述了权利要求的要素，但是必须明确地理解，该实施例包括更少、更多或不同要素的其他组合，其即使在这些组合中最初没有要求保护时也在本文被公开。

在本说明书中用于描述实施例及其各种实施例的词语应被理解为不仅是其通常定义的含义的意义，还包括在本说明书结构、材料或动作的超出通常定义的含义的范围的特殊定义。因此，如果在本说明书的上下文中可以将元件理解为包括多于一个的含义，则其在权利要求中的使用必须被理解为对由说明书和由词语本身支持的所有可能的含义是通用的。

因此，以下权利要求的词语或元件的定义不仅包括文字上阐述的元件的组合，而且包括用于以基本上相同的方式执行基本上相同的功能以获得基本上相同的结果的所有等同结构、材料或动作。在此意义上，因此预期两个或两个以上元件的等效替代可对权利要求书中的元件中的任一者进行，或单个元件可替代权利要求中的两个或两个以上元件。尽管上述元件可能被描述为作用在特定的组合并且甚至最初是这样要求保护的，但是应当清楚地理解，在一些情况下，来自要求保护的组合的一个或多个元件可以从组合中被切除，并且要求保护的组合可以指向子组合或子组合的变型。

如本文所使用的，术语“壳体”连同平板天线是指外壳或覆盖物。其可以或可以不具有穿孔，除非如下具体描述。例如，壳体可以是具有贯通开口的开口框架。壳体也可以是封闭的，使得消费者在不拆卸壳体的情况下不能容易地接近壳体内的部件。

在图1中，在本发明的一个方面，天线设备100具有可枢转地耦合到可选壳体3的平板天线2。在将于后面更详细地描述的本公开的一个方面中，当重力作用于平板天线2上时，平板天线2自由地向下直线悬挂。

在将于后面更详细地描述的本公开的另一个方面中，平板天线2未被主动地控制并且仅由重力被动地控制，并且其枢转运动的范围或速度可以受到机械止动件、壁和空气阻力的限制。

在将于后面更详细地描述的本公开的另一个方面中，平板天线2被主动地控制，使得当重力作用于平板天线2上时平板天线不自由地悬挂。

无论平板天线2是通过重力主动地控制还是被动地控制，平板天线2都被配置为与地面控制器或与诸如另一UAV的任何其他通信点传输数据。

平板天线2的任何已知大小、类型、形状和强度是预期的。在所示的实施例中，使用正方形平板天线2。在一个实施例中，平板天线可以是具有10db增益的天线。

预期的平板天线2可以耦合到铰链1。铰链可以设置在UAV的外部上，或者可选的壳体3内。铰链允许平板天线2在可选壳体3内的枢转运动范围内移动。

枢转运动范围允许平板天线2改变俯仰(pitch)，使得平板天线2可以更适当地面向地面控制器15(见图8)。在图8中，UAV 13和汽车都以相同的速度向前移动。平板天线的俯仰被自动调整(稍后将更详细地讨论)以维持与汽车上的地面控制器15的良好通信。

图1描绘了用于封闭平板天线2和铰链1的壳体3。

应当特别注意的是，一些实施例不需要使用壳体3。特别地，平板天线2被主动控制的实施例可以不具有壳体3。壳体3可以消除当UAV行进时作用在平板天线上的风的影响。此外，壳体3可以保护平板天线2免受各种因素(天气、沙子、灰尘等)。壳体3还可以保护天线2的完整性免受物理损坏(例如，当UAV从天空落下时)。

在大多数实施例中，壳体3可以设置在UAV的外部。它可以定位在UAV的侧面或UAV的底部。

可存在耦合到铰链的第一和第二壁7、8。第一壁7可以被布置成当无人机在飞行期间倾斜超过预定义角度时停止平板天线进一步枢转。在一个预期的实施例中，该角度与垂直于铰链的垂直轴成最多65度；在另一个预期的实施例中，该角度与垂直于铰链的垂直轴成最多55度；在又一个预期的实施例中，该角度与垂直于铰链的垂直轴成最多45度；在又一个预期的实施例中，该角度与垂直于铰链的垂直轴成最多35度；在另一个预期的实施例中，该角度与垂直于铰链的垂直轴成最多25度；在又进一步预期的实施例中，该角度与垂直于铰链的垂直轴成最多15度。

类似地，预期的第二壁8可以被布置成当无人机在飞行期间倾斜超过预定义角度时停止平板天线进一步枢转。在一个预期的实施例中，该角度与垂直于铰链的垂直轴成最多负65度；在另一个预期的实施例中，该角度与垂直于铰链的垂直轴成最多为-55度；在又一个预期的实施例中，该角度与垂直于铰链的垂直轴成最多为-45度；在又一预期的实施例中，该角度与垂直于铰链的垂直轴成最多-35度；在另一个预期的实施例中，该角度与垂直于铰链的垂直轴成最多-25度；在又进一步预期的实施例中，该角度与垂直于铰链的垂直轴成最多-15度。

壳体3的不同方面包括具有可选的气密壳体，使得没有空气从壳体3的内部逸出。

在本实施例的一个方面中预期的壳体在一端部上具有与第一壁7相邻的并且在相对的端部上与第二壁8相邻的底壁5。现在参考图1-7，底壁5可具有弓形形状。在其他实施例中，无论底壁可具有什么外部形状，底壁5的内表面可具有弓形形状。通过具有弓形形状，底壁5的内表面沿着其整个枢转运动范围保持与平板天线2的远侧凸缘等距。在一个示例中，当平板天线2向最左边摆动时，远侧凸缘与底壁5的内表面的最近部分之间的距离为X。当平板天线2向最右边摆动时，远侧凸缘与底壁5的内表面的最近部分之间的距离仍然为X。在该特定实施例中，远侧凸缘与底壁5的内表面的最近部分之间的距离总是X，无论平板天线相对于壳体3的倾斜角度如何。

虽然壳体3被示出为具有饼形(pie-shape)，但是壳体也可以具有各种外部形状。在一些实施例中，壳体3的外部形状是空气动力学的和/或低轮廓的。

现在参考图2，在一些实施例中，平板天线2可以被主动地控制。在其他实施例中，致动器11用于主动控制平板天线2的俯仰/枢转运动。在其他实施例中，致动器11可以是伺服电动机、云台(单轴)、气动电动机、液压电动机。

在其他实施例中，可以使用某种控制臂、1轴云台、2轴云台或3轴云台主动控制平板天线2的倾斜/移动/摆动。通过使用云台，平板天线2可以被主动地控制和移动，使得平板天线2总是指向地面控制器。

在又一个实施例中，使用1轴云台是优选的，因为其成本小于2轴或3轴云台。该1轴云台将仅可负责调整俯仰角。如稍后将描述的，偏航角的变化可以通过UAV自动调整其位置来实现，使得即使当UAV和地面控制器的相对位置改变时，其天线侧仍然面向地面控制器(见图9)。

在进一步的实施例中，可以在没有任何主动控制的情况下被动地控制平板天线2。也就是说，没有主动控制来克服重力而移动平板天线2。如图1、3和4中所示，平板天线2在静止时自由地向下悬挂。

如上所述，第一壁7和第二壁8可用作止动件，阻止平板天线2进一步摆动。还可以预期的是，具有机械止动件(未示出)，例如在壳体3的内壁表面上的突起，作为适当的点，以阻止平板天线2进一步摆动。

而平板天线2可以自由地悬挂在铰链1上(见图5)，一些实施例提供附加的机构来抑制枢转运动。换句话说，可以有附加的结构机制来延迟平板天线的枢转运动(即，减慢枢转运动)。

在操作中，当多轴飞行器UAV 13在飞行中向前或向后移动时，UAV以一定角度自然地倾斜(见图7，当UAV 13向图的右侧移动时)。这样，当UAV 13向前倾斜时，平板天线也将向前倾斜，并且由于重力而垂直悬挂并且保持相对垂直。在平板天线不可自由枢转的情况下，平板天线将不合期望地指向天空。因此，UAV 13保持与地面控制器15良好通信。

在一个实施例中，平板天线2被设计为在静止时以5度倾斜(如图6所示)。这可以通过各种方法来实现。例如，使用某种机械止动器或弹簧来使其相对于重心保持在期望的角度。

在一个实施例中，在平板天线2与壳体3的内表面之间可存在足够间隔的间隙4以产生空气阻力以在平板天线受到重力作用时抑制平板天线的自由枢转运动。在其他实施例中，间隙被定义为平板天线2的整个外围与壳体3的内表面之间的空间。在一些实施例中，间隙4的大小在平板天线通过壳体2内的所述重力自由地且滞后地枢转的情况下保持一致。

在另一个实施例中，间隙3可以包括在平板天线2上或在天线的外围边缘上的通气孔或穿孔。

在图3的实施例中，壳体3可以在侧壁9上具有通向大气的开口8。因为只有少量气体被允许通过开口8逸出，所以开口8的大小和位置设置成使得平板天线2的自由摆动被减慢。

在图4的实施例中，壳体3可以是气密的，并且平板天线2适当地设置在壳体中，使得少量气体围绕平板天线的边缘逸出。在其他实施例中，可以在任何地方提供气孔，诸如在平板天线的边缘周围，使得在平板天线的任一侧上的腔室之间的缓慢气体交换使“枢转”动作缓慢。

在一些实施例中，“缓慢”枢转动作是优选的，因为有时无人机可能在飞行期间无意中不稳定地移动，而“被减慢的”枢转动作将防止平板天线2也不稳定地摆动。

虽然所公开的实施例示出了使用间隙或足够间隔的气封来计量气体交换以作为减慢摆动的方式，但是可以存在实现相同结果的各种其他方式。例如，枢转接合可使用某种气动枢转接合，使得摆动动作减慢。

所公开的实施例的其他方面包括通信系统，其中所设想的系统包括具有顶侧、底侧和天线侧的UAV 13。系统还包括地面控制器15，地面控制器15被配置为向UAV 13发送命令和地面控制器的位置信息，使得UAV 13持续地保持以所述天线侧面向地面控制器，不管UAV与地面控制器的相对定向如何。位置信息的一个示例是GPS坐标。

根据本发明的许多方面，天线侧被定义作为预期可枢转的平板天线2所位于的侧面。在图9中，六个多轴飞行器13中的每一个上的点表示可枢转平板天线2在每个UAV 13上的位置。

命令可以是以电子控制信号形式的任何自动或用户引导的命令，以控制UAV 13的任何方面。控制信号可以包括飞行控制。

在操作中，因为不需要复杂的机构来改变可枢转平板天线2的俯仰和偏航，可枢转平板天线2的预期实施例提供经济解决方案。如上所述，通过重力调节可枢转的平板天线2的俯仰，并且通过无论UAV 13朝向什么方向行进UAV 13有意地面向其天线侧(图9中的点)来调节偏航。

图9示出了环绕车辆30中的地面控制器的一个UAV 13(实线)。虚线中的五个其他UAV表示UAV 13在其包围汽车30时的各种位置。

在一个场景中，假设汽车和UAV 13是空运转的并且不在任何方向上行进，并且UAV处于12点时钟位置。当UAV处于水平飞行并且不倾斜时，其平板天线2将保持在预定俯仰角Y中。在如上所述的一些实施例中，该预定俯仰角相对于垂直于地面的垂直轴为零(如图5中所示)。在如上所述的其他实施例中，该预定的俯仰角可以是相对于垂直于地面的垂直轴成5度(如图6中所示)。

假设现在汽车30与UAV 13一起行进，并且UAV处于12点时钟位置。当UAV向前行进时，UAV向前倾斜，诸如图7和8中所示。尽管UAV保持向前倾斜，但平板天线2将保持在与UAV处于水平飞行中一样的俯仰角Y中。以这种方式，即使UAV在行驶期间倾斜，UAV 13和地面控制器之间的接收和通信也保持相对不变。

假设现在UAV 13被车辆30中的用户特别引导以在汽车30向前行进时“跟随”汽车30。UAV现在处于6点时钟位置。注意，即使汽车30和UAV两者在相同方向上行进，UAV也将使其天线侧(点)面向汽车30。这意味着如果天线侧被认为是UAV的背侧，则UAV基本上向后飞行。当UAV 13在该场景中向后行进时，UAV 13向后倾斜。尽管UAV保持向后倾斜，但平板天线2将保持在与UAV处于水平飞行中一样的俯仰角Y中。同样，即使UAV在飞行期间向后倾斜，UAV 13与地面控制器之间的接收和通信也保持相对不变。

虽然本文的公开讨论了UAV与地面控制器之间的通信的改进，但是应当直接地认识到，预期的设备可以同样地对改进飞行中的UAV之间的通信起效果。

预期的壳体3可由合适的材料制成以承受极端温度和极端情况，这些材料包括合成聚合物、各种金属和金属合金、天然存在的材料、纺织纤维及其所有合理的组合。

因此，已经公开了尾部跟踪天线的特定实施例和应用。然而，对本领域技术人员显而易见的是，在不背离本文所公开概念的前提下，除了已经描述的修改之外，还可以进行更多修改。因此，除了所附权利要求的精神之外，该实施例不受限制。此外，在解释说明书和权利要求时，所有术语应当以与上下文一致的最宽泛的可能方式来解释。特别地，术语“包括”和“包含”应当被解释为以非排他性的方式指代元件、组件或步骤，其指示所引用的元件、组件或步骤可以存在，或利用，或与未明确引用的其他元件、组件或步骤组合。如本领域普通技术人员所观察的，现在已知或以后设计的所要求保护的主题的非实质改变被明确地设想为在权利要求的范围内是等同的。因此，本领域普通技术人员现在或以后已知的明显替换被定义为在所定义的元件的范围内。因此，权利要求应被理解为包括上面具体示出和描述的内容、概念上等同的内容、可以被明显取代的内容以及实质上并入了实施例的基本思想的内容。此外，在说明书和权利要求是指从由A、B、C…和N组成的组中选择的至少其中一个的情况下，所述文本应被解释为仅需要来自所述群组的一个元件，而不是A加上N，或B加N等。

Claims (16)

1.一种无人机，包括：

铰链，耦合到所述无人机；以及

壳体；

平板天线，所述平板天线设置在所述壳体内并且能枢转地耦合至所述铰链以改变所述平板天线的俯仰，

其中所述平板天线自由地且能枢转地耦合到所述铰链并且由重力致动。

2.根据权利要求1所述的无人机，其进一步包括致动器，用于主动地控制所述平板天线的俯仰。

3.根据权利要求2所述的无人机，其中所述致动器是伺服电动机。

4.根据权利要求1所述的无人机，还包括充分间隔在所述平板天线和所述壳体之间以产生空气阻力的间隙，以通过所述重力抑制所述平板天线的自由枢转运动，并且在所述平板天线通过所述重力自由地和滞后地枢转时所述间隙的大小保持一致。

5.根据权利要求1所述的无人机，其中所述壳体具有底壁，所述底壁具有弓形形状。

6.根据权利要求1所述的无人机，其中所述壳体是气密的。

7.根据权利要求1所述的无人机，其中所述壳体包括：

耦合到所述铰链的第一壁；

所述第一壁被布置成当所述无人机倾斜超过第一角度时停止所述第一壁上的所述平板天线，其中所述第一角度与垂直于所述铰链的垂直轴成最多55度。

8.根据权利要求7所述的无人机，其中所述壳体进一步包括：

耦合到所述铰链的第二壁；

所述第二壁被布置成当所述无人机倾斜超过第二角度时停止所述第二壁上的所述平板天线，其中所述第二角度与垂直于所述铰链的垂直轴成最多-55度。

9.一种无人机通信系统，包括：

无人机，其具有顶侧、底侧和天线侧；

地面控制器，其被配置为向所述无人机发送所述地面控制器的位置信息，使得所述无人机持续地保持以所述天线侧面向所述地面控制器，不管所述无人机与所述地面控制器的相对定向如何；

天线设备，其耦合到所述无人机的所述天线侧，所述天线设备包括：

铰链，其耦合到所述无人机；以及

平板天线，其能枢转地耦合在所述铰链上。

10.根据权利要求9所述的通信系统，还包括致动器，其用于主动地控制所述平板天线的俯仰，其中所述致动器是从由伺服电动机和云台组成的组中选择的一个。

11.根据权利要求9所述的通信系统，其中所述天线设备进一步包括壳体，用于封闭所述平板天线，并且所述平板天线相对于所述壳体枢转。

12.根据权利要求11所述的通信系统，其中所述平板天线自由地且能枢转地耦合到所述铰链，并且由重力致动。

13.根据权利要求12所述的通信系统，还包括间隙，其充分间隔在所述平板天线和所述壳体之间以产生空气阻力，以通过所述重力抑制所述平板天线的自由枢转运动，并且在所述平板天线通过所述重力自由地和滞后地枢转时所述间隙的大小保持一致。

14.根据权利要求12所述的通信系统，其中所述壳体具有底壁，所述底壁具有弓形形状。

15.根据权利要求12所述的通信系统，其中所述壳体包括：

耦合到所述铰链的第一壁；

其中，所述第一壁被布置成当所述无人机倾斜超过第一角度时停止所述第一壁上的所述平板天线，其中所述第一角度与垂直于所述铰链的垂直轴成最多55度。

16.根据权利要求15所述的通信系统，其中所述壳体还包括：

耦合到所述铰链的第二壁；

其中，所述第二壁被布置成当所述无人机倾斜超过第二角度时停止所述第二壁上的所述平板天线，其中所述第二角度与垂直于所述铰链的垂直轴成最多-55度。

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