CN111512253B - 绳钩的主动位置控制 - Google Patents

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Abstract

示例系统包括飞行器、传感器和绞盘系统。绞盘系统包括设置在线轴上的系绳、可操作以向该系绳施加扭矩的马达、以及耦合到该系绳并配置为机械地耦合到有效载荷的有效载荷耦合装置。该系统还包括配置为在至少水平方向上重新定位有效载荷耦合装置的重新定位设备。控制系统被配置为控制飞行器通过从线轴解开系绳来部署有效载荷耦合装置；当飞行器悬停在有效载荷上方时，从传感器接收指示有效载荷耦合装置相对于有效载荷的位置的数据；以及使用该重新定位设备并基于所述数据，在水平方向上重新定位有效载荷耦合装置，以使该有效载荷耦合装置机械地耦合到有效载荷。

Description

绳钩的主动位置控制
技术领域
本申请一般地涉及飞行器，并且更具体地，涉及绳钩的主动位置控制。
背景技术
无人驾驶运载工具，也可以称为自动运载工具，是能够在没有实际的人类操作员的情况下行驶的运载工具。无人驾驶运载工具可以在遥控模式、自动模式或部分自动模式下操作。
当无人驾驶运载工具在遥控模式下操作时，在远程地点的飞行员或驾驶员可以经由通过无线链路发送给无人驾驶运载工具的命令来控制无人驾驶运载工具。当无人驾驶运载工具在自动模式下操作时，无人驾驶运载工具通常基于预编程的导航航路点(waypoint)、动态自动化系统或这些的组合来移动。此外，一些无人驾驶运载工具可以在遥控模式和自动模式两者下操作，并且在一些情况下可以在两种模式下并行操作。例如，远程飞行员或驾驶员可能希望将导航留给自动系统，同时手动地执行另一任务，诸如操作机械系统来拾取物体。
各种类型的无人驾驶运载工具存在于各种不同的环境中。例如，无人驾驶运载工具存在于用于空中、地面、水下和太空中的操作。示例包括四轴飞行器(quad-copter)和尾坐式(tail-sitter)UAV等。无人驾驶运载工具也存在于混合操作中，其中多环境操作是可能的。混合无人驾驶运载工具的示例包括既能在陆地上也能在水上操作的两栖飞行器，或者既能在水上也能在陆地上着陆的浮筒飞机。其他示例也是可能的。此外，无人驾驶运载工具可能需要(多个)物理着陆结构来拾取或放下有效载荷(payload)、给电池充电或完成其他任务。
发明内容
在示例实施例中，无人机(UAV)可以配置为拾取、运输和放下有效载荷。该UAV可以包括绞盘(winch)系统，该绞盘系统具有设置在线轴(spool)上的系绳、由马达驱动、并且被配置为部署耦合到系绳的有效载荷耦合装置，以便在拾取之前接合(engage)有效载荷或者在放下之前脱离(disengage)有效载荷。当拾取有效载荷时，UAV的控制系统可以使用与其耦合的一个或多个传感器来识别环境中的有效载荷，并通过从线轴解开(unwind)系绳来部署有效载荷耦合装置。可以与绞盘系统协同地重新定位UAV，以便将有效载荷耦合装置带到有效载荷的阈值距离内。然后，UAV的位置可以固定在有效载荷的上方，以使UAV的移动不会引起悬挂在其下的系绳上的有效载荷耦合装置的振荡或其他移动。
重新定位设备或装置可以用于在至少水平方向上重新定位有效载荷耦合装置，以使用有效载荷耦合装置将有效载荷机械地耦合到系绳。重新定位设备和有效载荷耦合装置之间的距离可以小于UAV和有效载荷耦合装置之间的距离。因此，重新定位设备可以提供对有效载荷耦合装置更直接的控制，允许有效载荷更快地机械耦合到系绳，且具有更少的有效载荷耦合装置的振荡或不希望的移动。可以与绞盘系统协同地控制重新定位设备，以同时控制有效载荷耦合装置的水平和垂直位置两者。
在第一实施例中，提供了一种系统，该系统包括飞行器、耦合到该飞行器的传感器以及耦合到该飞行器的绞盘系统。该绞盘系统包括设置在线轴上的系绳、可操作以向该系绳施加扭矩(torque)的马达、以及耦合到该系绳的前端并配置为机械地耦合到有效载荷的有效载荷耦合装置。该系统还包括配置为在至少水平方向上重新定位有效载荷耦合装置的重新定位设备和控制系统。该控制系统配置为识别环境中要由飞行器拾取的有效载荷。该控制系统还配置为控制飞行器悬停在有效载荷上方。该控制系统还配置为控制绞盘系统通过从线轴解开系绳来部署有效载荷耦合装置。该控制系统还配置为，当飞行器悬停在有效载荷上方时，从传感器接收指示有效载荷耦合装置相对于有效载荷的位置的传感器数据。该控制系统还配置为，当飞行器悬停在有效载荷上方时，使用重新定位设备并基于传感器数据，在水平方向上重新定位有效载荷耦合装置，以使该有效载荷耦合装置机械地耦合到有效载荷。
在第二实施例中，提供了一种系统，该系统包括由控制系统识别环境中要由飞行器拾取的有效载荷。绞盘系统耦合到飞行器。该绞盘系统包括设置在线轴上的系绳、可操作以向该系绳施加扭矩的马达、以及耦合到该系绳的前端并配置为机械地耦合到有效载荷的有效载荷耦合装置。该方法还包括由控制系统控制飞行器悬停在有效载荷上方。该方法还包括由控制系统控制绞盘系统，以通过从线轴解开系绳来部署有效载荷耦合装置。该方法还包括当飞行器悬停在有效载荷上方时，由控制系统从飞行器上的传感器接收指示有效载荷耦合装置相对于有效载荷的位置的传感器数据。该方法还包括，当飞行器悬停在有效载荷上方时，由控制系统提供指令，以基于传感器数据，使用配置为在至少水平方向上重新定位有效载荷耦合装置的重新定位设备来在水平方向上重新定位有效载荷耦合装置，以使该有效载荷耦合装置机械地耦合到有效载荷。
在第三实施例中，提供了一种其上存储有指令的非暂时性计算机可读存储介质，当由计算设备执行时，指令使得计算设备执行操作。这些操作包括识别环境中要由飞行器拾取的有效载荷。绞盘系统耦合到飞行器。该绞盘系统包括设置在线轴上的系绳、可操作以向该系绳施加扭矩的马达、以及耦合到该系绳的前端并配置为机械地耦合到有效载荷的有效载荷耦合装置。操作还包括控制飞行器悬停在有效载荷上方。操作还包括控制绞盘系统通过从线轴解开系绳来部署有效载荷耦合装置。操作还包括当飞行器悬停在有效载荷上方时，从飞行器上的传感器接收指示有效载荷耦合装置相对于有效载荷的位置的传感器数据。操作还包括，当飞行器悬停在有效载荷上方时，提供指令以基于传感器数据，使用配置为在至少水平方向上重新定位有效载荷耦合装置的重新定位设备来在水平方向上重新定位有效载荷耦合装置，以使该有效载荷耦合装置机械地耦合到有效载荷。
在第四实施例中，提供了一种系统，该系统包括飞行器、耦合到该飞行器的传感器以及耦合到该飞行器的绞盘系统。该绞盘系统包括设置在线轴上的系绳、可操作以向该系绳施加扭矩的马达、以及耦合到该系绳的前端并配置为机械地耦合到有效载荷的有效载荷耦合装置。该系统还包括配置为在至少水平方向上重新定位有效载荷耦合装置的重新定位设备。该系统还包括用于识别环境中要由飞行器拾取的有效载荷的装置。该系统还另外包括用于控制飞行器悬停在有效载荷上方的装置，以及用于控制绞盘系统通过从线轴解开系绳来部署有效载荷耦合装置的装置。该系统还包括用于在飞行器悬停在有效载荷上方时，从传感器接收指示有效载荷耦合装置相对于有效载荷的位置的传感器数据的装置。该系统还包括，当飞行器悬停在有效载荷上方时，使用重新定位设备并基于传感器数据，在水平方向上重新定位有效载荷耦合装置，以使该有效载荷耦合装置机械地耦合到有效载荷。
通过阅读以下详细描述，并参考适当的附图，这些以及其他实施例、方面、优点和替代方案对于本领域普通技术人员来说将变得清晰。此外，应当理解，此处提供的本概述和其他描述以及附图旨在仅通过示例的方式示出实施例，因此，多种变化是可能的。例如，结构元件和过程步骤可以被重新排列、组合、分布、消除或以其他方式改变，同时保持在所要求保护的实施例的范围内。
附图说明
图1A是根据示例实施例的UAV的图示。
图1B是根据示例实施例的UAV的简化图示。
图1C是根据示例实施例的UAV的简化图示。
图1D是根据示例实施例的UAV的简化图示。
图1E是根据示例实施例的UAV的简化图示。
图2是示出根据示例实施例的UAV系统的组件的简化框图。
图3是示出根据示例实施例的分布式UAV系统的简化框图。
图4是示出根据示例实施例的空运提供商控制系统的示例布置的框图。
图5A、5B、5C、5D、5E和5F示出了根据示例实施例的从拾取地点拾取有效载荷的UAV。
图6A、6B和6C示出了根据示例实施例的具有轮子的有效载荷耦合装置。
图7A和7B示出了根据示例实施例的另一具有轮子的有效载荷耦合装置。
图8A、8B、8C、8D和8E示出了根据示例实施例的有效载荷耦合装置，其中轮子用于接合有效载荷。
图9A、9B、9C和9D示出了根据示例实施例的用于重新定位有效载荷耦合装置的机械臂。
图10示出了根据示例实施例的具有鳍(fin)的有效载荷耦合装置。
图11A和11B示出了根据示例实施例的用于重新定位有效载荷耦合装置的有效载荷耦合装置上的鳍。
图12示出了根据示例实施例的流程图。
具体实施方式
本文描述了示例方法、设备和系统。应当理解，词语“示例”和“示例性”在本文用来表示“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例”或“示例性”的任何实施例或特征不一定被解释为优选的或优于其他实施例或特征，除非是这样指出的。可以利用其他实施例，并且可以做出其他改变，而不脱离本文呈现的主题的范围。
因此，本文描述的示例实施例并不意味着是限制性的。容易理解的是，如本文中一般描述并在附图中示出的，本公开的各方面可以以各种不同的配置来布置、替换、组合、分离和设计。
在整个说明书中，冠词(a/an)用于介绍示例实施例的元素。任何对“一”的引用都是指“至少一个”，任何对“该”的引用都是指“该至少一个”，除非另有说明，或者除非上下文另有明确规定。在所描述的至少两个术语的列表中使用连词“或”的目的是表示任何列出的术语或列出的术语的任何组合。
序数诸如“第一”、“第二”、“第三”等的使用是为了区分各个元素，而不是表示那些元素的特定顺序。出于描述的目的，术语“多个(multiple和plurality of)”是指“两个或多个”或“多于一个”。
此外，除非上下文另有所指，附图的每一个中所示的特征可以彼此结合使用。因此，附图一般应该被视为一个或多个总体实施例的组成方面，应理解并非所有图示的特征对于每个实施例都是必要的。在附图中，相似的符号通常标识相似的组件，除非上下文另有规定。此外，除非另有说明，否则附图不是按比例绘制的，并且仅用于说明目的。此外，附图仅是代表性的，并未示出所有组件。例如，可能没有示出额外的结构或约束组件。
此外，本说明书或权利要求中的元件、框或步骤的任何列举都是为了清楚的目的。因此，这种列举不应解释为需要或暗示这些元件、框或步骤遵循特定的布置或以特定的顺序执行。
I.概述
本文公开的是用于用于协助UAV将绳钩(tethered hook)耦合到有效载荷以拾取有效载荷，以及用于在有效载荷的拾取或放下期间稳定或抑制绳钩和有效载荷的振荡的设备和装置的示例实现方式。自动或半自动操作的UAV可以配置为在整个地理区域拾取、运输和放下各种有效载荷。有效载荷可以包括或包含在包裹、板条箱(crate)、袋或其他保护有效载荷并提供与UAV接合的附接点的容器中。为了避免不得不着陆在地面或有效载荷上以拾起或放下有效载荷，UAV可以使用绕(wind)在马达驱动的线轴上的系绳来将挂钩(hook)、卡环(clasp)、抓钩(grapnel)、钩状物(crook)、爪(claw)、搭扣(hasp)或其他有效载荷耦合装置下降到地面，以拾起或放下有效载荷。
当在没有人类用户在地面上的情况下拾取有效载荷，以将挂钩耦合到有效载荷上时，UAV可能不得不操控(steer)挂钩到有效载荷的附接点上。这可能包括控制挂钩的水平和垂直位置。可以基于传感器数据由UAV的控制系统自动控制挂钩的水平和垂直位置。可以从耦合到UAV的传感器接收传感器数据。传感器可以直接耦合到UAV(例如，连接到UAV机身)，或者间接耦合到UAV(例如，连接到系在UAV上的挂钩)，以及其他可能性。传感器数据可以包括感知数据，诸如来自深度相机或光探测和测距设备的感知数据、UAV高度数据、GPS数据、磁力计数据和方位数据，以及其他可能性。这些数据可以表示或者可以用于确定有效载荷的位置、UAV相对于有效载荷的位置以及挂钩相对于有效载荷的位置，以及其他可能性。
可以通过调整UAV在地面上悬停的高度以及缠绕(spool)和退绕(unspool)系绳来控制挂钩的垂直位置。挂钩的垂直位置可以紧跟UAV的垂直运动和系绳的缠绕或退绕，且没有太多延迟。
通过相对于有效载荷水平地重新定位UAV，挂钩的水平位置是可调整的。然而，以这种方式定位挂钩可能会导致UAV的水平运动和挂钩的相应运动之间的延迟。这种延迟可能是由于UAV的运动必须沿系绳传递到挂钩上，而不是直接(例如，通过刚性(rigid)连接)在挂钩上生成或传递到挂钩上。此外，UAV的运动传递到挂钩的程度可能基于UAV的运动(kinematics)而变化。也就是说，因为绳钩形成悬挂在UAV上的摆锤(pendulum)，取决于UAV以多快的速度移动(即驱动频率，以及该驱动频率与摆锤的共振频率相比如何)，以及UAV的运动和摆锤的任何摆动(swing)之间的相位关系，该摆锤可以移动或激励(excite)到不同的程度。随着系绳的退绕的长度增加，挂钩可能更难以操控和控制。
为了更直接地控制挂钩的位置，UAV系统可以采用配置为更直接地控制挂钩的至少水平位置的重新定位设备或装置。重新定位设备可以比UAV更靠近挂钩，因此可以比UAV更直接地控制挂钩的水平位置。重新定位设备可以与水平地重新定位UAV结合使用，或者代替水平地重新定位UAV，以将操控挂钩到有效载荷上的附接点上。除了控制挂钩的水平位置外，重新定位设备还可以控制挂钩的方位，以使挂钩的开口(而不是其背面)朝向附接点的面。因此，由于挂钩的位置与有效载荷上的附接点的位置重合，两者将变成机械上耦合的，而不是以不产生耦合的方式碰撞。可以至少基于指示挂钩相对于有效载荷的位置的传感器数据，由控制系统来控制重新定位设备。
在一个示例中，重新定位设备可以采用两个或更多个耦合到挂钩上的轮子的形式。为了拾取物体，UAV可以将挂钩下降到地面上，并且挂钩可以使用轮子来驱动自身朝向有效载荷，以机械地耦合到有效载荷上的附接点。轮子可以允许挂钩的水平位置和朝向的直接控制。因此，可以减少或消除经由UAV运动水平地重新定位挂钩导致的不准确性和振荡。在挂钩下降到地面、到达轮子上时，UAV可以保持系绳的少量张力(例如，通过致动(actuate)线轴或重新定位UAV)，以防止系绳松弛并妨碍轮子。在挂钩仅包括两个轮子的实现方式中，可以在系绳上保持张力，并且可以调整UAV的水平位置，从而保持挂钩在两个轮子上直立。
尽管如此，在一些实现方式中，UAV可以使系绳松弛，并且挂钩能够使用轮子来在系绳上驱动超过或围绕系绳。此外，挂钩可以以其他方式平衡。例如，挂钩可以包括三个或更多个轮子(即，挂钩可以是固有平衡的)，或者可以基于来自一个或多个陀螺仪的传感器数据致动驱动轮子的马达，以保持挂钩在轮子上直立。
在另一示例中，重新定位设备可以采取在其第一端耦合到UAV的臂的形式。该臂在其第二端可以包括系绳延伸穿过的引导件(guide)。相对于UAV，臂的位置和方位在一个或多个自由度上可调整，以控制系绳引导件的位置。臂可以定位在UAV下方，使得引导件在比UAV接合系绳(即线轴)的点更靠近挂钩的点处环绕(encircle)或接合系绳。因此，通过相对于UAV水平地重新定位系绳引导件，可以比通过重新定位UAV更直接地控制挂钩的水平位置。通过臂对挂钩的重新定位可以操控挂钩到有效载荷上的附接点上，并且还可以用于抑制在拾取和放下期间(例如，在绞盘上升和绞盘下降期间)有效载荷的振荡。
在另一示例中，重新定位设备可以采取多个可调整的鳍、翼片(airfoil)或挂钩上的其他空气动力学特征的形式。由于挂钩位于UAV下方，可以致动挂钩上的鳍，以使用UAV悬停时生成的空气的下压气流(downwash)来操纵挂钩。鳍可以彼此协同地致动鳍，以(即，通过在挂钩上生成力)调整挂钩的水平位置以及(即，通过在挂钩上生成扭矩)挂钩的方位。在一些实现方式中，鳍可以是被动的(即，未致动的)，并且可以通过(i)作为由UAV生成的空气的下压气流而使挂钩保持在UAV下方大致居中处，以及(ii)当挂钩摆动时，在挂钩上生成水平方向上的额外阻力，操作来抑制挂钩的振荡。被动鳍可以通过一个或多个弹簧偏置到部署的位置或配置。当挂钩收回到UAV或在环境中遇到障碍物时，鳍可能会被推入隐藏或收起(stowed-away)状态。
在又一示例中，重新定位设备可以实现为一个或多个位于挂钩上或挂钩附近的系绳上的推进部(thruster)。在一些实现方式中，一个或多个推进部相对于挂钩是可操控的，因此可以通过指向一个或多个推进部而在给定的水平方向上重新定位挂钩，从而在给定的方向上向挂钩施加力。可替代地，当推进部固定时，可以致动推进部的组合以生成将在期望的方向上位移挂钩的力。在一些实现方式中，UAV可以使用推进部、鳍、机械臂和轮子的组合来控制挂钩的位置。
如前所述，重新定位设备可以用于结合UAV的位置的改变来控制挂钩，或者可以完全避免重新定位UAV的需要。例如，在UAV到达目标拾取地点后，UAV可以部署挂钩，并使用绞盘系统(即，线轴的解开)协调其自身的位置，以将挂钩带到有效载荷的阈值距离内。在示例中，阈值距离可以包括重新定位设备和绞盘系统能够重新定位挂钩以将其机械地耦合到有效载荷而无需进一步调整UAV的位置的距离。阈值距离可以取决于UAV使用的重新定位设备的类型。因此，在将挂钩带到阈值距离内之后，UAV可以悬停在有效载荷上方的固定位置，以将挂钩保持在该阈值距离内。UAV可以对其的位置进行微调，以补偿由风、系绳的移动和其他环境条件造成的干扰。
当UAV悬停在有效载荷上方的固定位置时，重新定位设备可以用于将挂钩引导到有效载荷上的附接点上。控制系统可以基于挂钩相对于附接点的当前位置和方位来确定挂钩要遵循的轨迹(trajectory)，以与有效载荷上的附接点重合并与之耦合。然后，重新定位设备可以用于沿着该轨迹移动挂钩。
可替代地，在一些实现方式中，重新定位设备可以与UAV的移动协同操作。也就是说，UAV可能不会悬停在有效载荷上方的固定位置，而是会重新定位自身，以使挂钩沿着确定的轨迹移动。重新定位设备可以与UAV的位置的改变协同来操作，以保持挂钩在轨迹上居中，并防止挂钩振荡。这种方法可以允许对挂钩的精准控制，以与UAV将挂钩移动到比重新定位设备更远的距离的能力相结合。
II.示例无人驾驶运载工具
在本文中，术语“无人机系统”和“UAV”指的是能够在没有在物理上存在的人类飞行员的情况下执行一些功能的任何自动或半自动运载工具。UAV可以有多种形式。例如，UAV可以采取固定机翼飞行器、滑翔飞行器、尾坐式飞行器、喷气式飞行器、涵道风扇(ductedfan)飞行器、轻于空气的飞船(诸如飞艇或可操纵气球)、旋翼飞行器(诸如直升机或多旋翼飞行器)和/或扑翼飞行器等形式。此外，术语“无人机(drone)”、“无人机系统(unmannedaerial vehicle system，UAVS)”或“无人机(unmanned aerial vehicle)”也可以用于指UAV。
图1A是示例UAV 100的立体图。UAV 100包括机翼102、吊臂(boom)104和机身(fuselage)106。机翼102可以是静止的，并且可以基于机翼形状和UAV的前向空速生成升力。例如，两个机翼102可以具有翼型(airfoil-shaped)横截面，以在UAV 100上产生空气动力。在一些实施例中，机翼102可以承载水平推进单元108，并且吊臂104可以承载垂直推进单元110。在操作中，推进单元的电力可以由机身106的电池舱112提供。在一些实施例中，机身106还包括航空电子舱114、附加电池舱(未示出)和/或用于处理有效载荷的递送单元(未示出，例如绞盘系统)。在一些实施例中，机身106是模块化的，并且两个或更多个舱(例如，电池舱112、航空电子设备舱114、其他有效载荷和递送舱)可以彼此分离并且可以彼此固定(securable)(例如，机械地、磁性地或以其他方式)以连续地形成机身106的至少部分。
在一些实施例中，吊臂104终止于方向舵116，用于改进UAV 100的偏航控制。此外，机翼102可以终止于翼尖(wing tip)117，用于改进UAV的升力的控制。
在图示的配置中，UAV 100包括结构框架。该结构框架可以称为UAV的“结构H形框架”或“H形框架”(未示出)。H形框架可以在机翼102内包括翼梁(wing spar)(未示出)，并且在吊臂104内包括吊臂托架(boom carrier)(未示出)。在一些实施例中，翼梁和吊臂托架可以由碳纤维、硬塑料、铝、轻金属合金或其他材料制成。翼梁和吊臂托架可以用夹具连接。翼梁可以包括用于水平推进单元108的预钻孔，并且吊臂托架可以包括用于垂直推进单元110的预钻孔。
在一些实施例中，机身106可以可移除地附接到H形框架(例如，通过夹具附接到翼梁，配置有凹槽(groove)、突起(protrusion)或其他特征以与相应的H形框架特征匹配等)。在其他实施例中，机身106类似地可以可移除地附接到机翼102。机身106的可移除附件可以改进UAV 100的质量和/或模块化。例如，机身106的电气/机械部件和/或子系统可以与H形框架分开测试，并且在连接到H形框架之前进行测试。类似地，印刷电路板(printedcircuit board，PCB)118可以与吊臂托架分开测试，并且在连接到吊臂托架之前测试，因此在完成UAV之前消除了有缺陷的部件/子组件。例如，机身106的部件(例如，航空电子设备、电池单元、递送单元、附加电池舱等)可以在机身106安装到H形框架之前进行电气测试。此外，PCB 118的马达和电子设备也可以在最终装配之前进行电气测试。一般地，在装配过程的早期对有缺陷的部件和组件的识别降低了UAV的总体成本和交货时间(lead time)。此外，不同类型/型号的机身106可以附接到H形框架，因此改进了设计的模块化。这种模块化允许UAV 100的这些不同部件在不需要对制造过程进行重大检修的情况下进行升级。
在一些实施例中，机翼外壳和吊臂外壳可以通过粘合元件(例如，胶带、双面胶带、胶水等)附接到H形框架。因此，可以将多个外壳附接到H形框架上，而不是将单体喷涂到(spray onto)H形框架上。在一些实施例中，多个外壳的存在减少了由UAV的结构框架的热膨胀系数引起的应力(stress)。因此，UAV可以具有更好的尺寸准确度和/或改进的可靠性。
此外，在至少一些实施例中，相同的H形框架可以与具有不同大小和/或设计的机翼外壳和/或吊臂外壳一起使用，因此改进了UAV设计的模块化和多功能性。机翼外壳和/或吊臂外壳可以由相对轻的聚合物(例如，闭孔泡沫)制成，并且由较硬但相对薄的塑料外壳覆盖。
来自机身106的功率和/或控制信号可以通过穿过机身106、机翼102和吊臂104的电缆路由到PCB 118。在所示实施例中，UAV 100具有四个PCB，但是其他数量的PCB也是可能的。例如，UAV 100可以包括两个PCB，每个吊臂一个。PCB承载电子元件119，例如，包括功率转换器、控制器、存储器、无源元件等。在操作中，UAV 100的推进单元108和110电连接到PCB。
图示的UAV可能有多种变化。例如，固定机翼UAV可以包括更多或更少的旋翼单元(垂直或水平)，和/或可以利用一个或多个涵道风扇来推进。此外，具有更多机翼的UAV(例如，具有四个机翼的“x形机翼”配置)也是可能的。尽管图1示出了两个机翼102、两个吊臂104、两个水平推进单元108和每个吊臂104上六个垂直推进单元110，但是应当理解，UAV100的其他变型可以用这些组件中的更多或更少的来实现。例如，UAV 100可以包括四个机翼102、四个吊臂104和或多或少的推进单元(水平或垂直)。
类似地，图1B示出了固定机翼UAV 120的另一示例。固定机翼UAV 120包括机身122、具有翼型横截面以提供UAV 120的升力的两个机翼124、稳定飞机的偏航(向左或向右转弯)的垂直稳定器126(或垂尾(fin))、稳定俯仰(向上或向下倾斜)的水平稳定器128(也称为升降舵(elevator)或尾翼(tailplane))、起落架(landing gear)130和包括马达、轴(shaft)和螺旋桨(propeller)的推进单元132。
图1C示出了具有推动器(pusher)配置的UAV 140的示例。术语“推进部”指的是推进单元142安装在UAV 140的后部并向前“推动”运载工具的事实，这与推进单元142安装在UAV 140的前部形成对比。类似于对图1A和图1B的描述，图1C描绘了推动器飞机中使用的普通结构，包括机身144、两个机翼146、垂直稳定器148和包括马达、轴和螺旋桨的推进单元142。
图1D示出了典型的尾坐式UAV 160。在示出的示例中，尾坐式UAV 160具有固定机翼162，以提供升力并允许UAV 160水平滑行(例如，沿着x轴，在大致垂直于图1D所示位置的位置)。然而，固定机翼162也允许尾坐式UAV 160自己垂直起飞和着陆。
例如，在发射场，尾坐式UAV 160可以垂直放置(如图所示)，垂尾164和/或机翼162搁置在地面上，并将UAV 160稳定在垂直位置。然后，尾坐式UAV 160可以通过操作螺旋桨166来生成向上的推力(thrust)(例如，一般沿着y轴的推力)而起飞。一旦处于合适的高度，尾坐式UAV 160可以使用襟翼(flap)168将自身重新定向在水平位置，使得机身170相比于y轴更接近于与x轴对准。水平放置的螺旋桨166可以提供向前的推力，这样尾坐式UAV 160可以以与典型飞机相似的方式飞行。
图示的固定机翼UAV可能有多种变化。例如，固定机翼UAV可以包括更多或更少的螺旋桨，和/或可以利用一个或多个涵道风扇来推进。此外，具有更多机翼(例如，具有四个机翼的“x形机翼”配置)、更少机翼或者甚至没有机翼的UAV也是可能的。
如上所述，除了固定机翼UAV之外或作为固定机翼UAV的替代，一些实施例可能包括其他类型的UAV。例如，图1E示出了通常被称为多旋翼飞行器的旋翼飞行器180的示例。多旋翼飞行器180也可以称为四轴飞行器(quadcopter)，因为它包括四个旋翼182。应该理解的是，示例实施例可以包括比多旋翼飞行器180具有更多或更少旋翼的旋翼飞行器。例如，直升机通常具有两个旋翼。具有三个或更多个旋翼的其他示例也是可能的。这里，术语“多旋翼飞行器”是指任何具有两个以上旋翼的旋翼飞行器，并且术语“直升机”是指具有两个旋翼的旋翼飞行器。
更详细地参考多旋翼飞行器180，四个旋翼182为多旋翼飞行器180提供推进和机动性。更具体地，每个旋翼182包括附接到马达184的叶片(blade)。如此配置，旋翼182可以允许多旋翼飞行器180垂直起飞和着陆，以任何方向机动，和/或悬停。此外，可以成组和/或不同地调整叶片的俯仰，并且可以允许多旋翼飞行器180控制其俯仰、滚转、偏航和/或高度。
应该理解，本文提到的“无人驾驶”飞行器或UAV同样适用于自动和半自动飞行器。在自动实现中，飞行器的所有功能都是自动化的；例如经由响应来自各种传感器的输入和/或预定信息的实时计算机功能来预编程或控制。在半自动实现中，飞行器的一些功能可以由人类操作员控制，而其他功能是自动执行的。此外，在一些实施例中，UAV可以配置为允许远程操作员接管其他可由UAV自动控制的功能。此外，给定类型的功能可以在一个抽象级别远程控制，并在另一个抽象级别自动执行。例如，远程操作员可以控制UAV的高级导航决策，诸如通过指定UAV应该从一个地点行进到另一个地点(例如，从郊区的仓库行进到附近城市的递送地点)，而UAV的导航系统自动地控制更细粒度的导航决策，诸如在两个地点之间采取的特定路线、实现路线的特定航行控制以及在导航路线时避开障碍等。
更一般地，应该理解，本文描述的示例UAV不是限制性的。示例实施例可以包括任何类型的无人机，或在类型的无人机中实现，或者采取任何类型的无人机的形式。
III.示例UAV组件
图2是示出根据示例实施例的UAV 200的组件的简化框图。UAV 200可以采用参考图1A-图1E描述的UAV 100、120、140、160和180之一的形式，或者在形式上与之类似。然而，UAV 200也可以采取其他形式。
UAV 200可以包括各种类型的传感器，并且可以包括配置为提供本文描述的功能的计算系统。在所示实施例中，UAV 200的传感器包括惯性测量单元(inertialmeasurement unit，IMU)202、(多个)超声波传感器204和GPS接收器206以及其他可能的传感器和传感系统。
在所示实施例中，UAV 200还包括(多个)处理器208。处理器208可以是通用处理器或专用处理器(例如，数字信号处理器、专用集成电路等)。处理器208可以配置为执行存储在数据存储210中的计算机可读程序指令212，并且可以被执行以提供本文描述的UAV的功能。
数据存储210可以包括一个或多个计算机可读存储介质或采取一个或多个计算机可读存储介质的形式，这些介质可以被至少一个处理器208读取或访问。一个或多个计算机可读存储介质可以包括易失性和/或非易失性存储组件，诸如光、磁、有机或其他存储器或盘存储，其可以整体或部分地与(多个)处理器208中的至少一个集成。在一些实施例中，数据存储210可以使用单个物理设备(例如，一个光、磁、有机或其他存储器或盘存储单元)来实现，而在其他实施例中，数据存储210可以使用两个或更多个物理设备来实现。
如前所述，数据存储210可以包括计算机可读程序指令212和可能的附加数据，诸如UAV 200的诊断数据。这样，数据存储210可以包括程序指令212，以执行或促进本文描述的UAV功能中的一些或全部。例如，在所示实施例中，程序指令212包括导航模块214和系绳控制模块216。
A.传感器
在说明性实施例中，IMU 202可以包括加速度计和陀螺仪，它们可以一起用于确定UAV 200的方位。具体地，加速度计可以测量运载工具相对于地球的方位，而陀螺仪可以测量绕轴的旋转速率。IMU以低成本、低功耗封装形式在市场上销售。例如，IMU 202可以采用小型化微机电系统(MicroElectroMechanical System，MEMS)或纳米机电系统(NanoElectroMechanical System，NEMS)的形式或包括小型化微机电系统或纳米机电系统。也可以利用其他类型的IMU。
除了加速度计和陀螺仪之外，IMU 202可以包括其他传感器，这可以帮助更好地确定位置和/或帮助增加UAV 200的自动性。这种传感器的两个示例是磁力计和压力传感器。在一些实施例中，UAV可以包括低功率、数字3轴磁力计，其可以用于实现用于准确航向信息的方位独立电子罗盘。然而，也可以利用其他类型的磁力计。其他示例也是可能的。此外，注意，UAV可以包括上述惯性传感器中一些或所有，作为独立于IMU的组件。
UAV 200还可以包括压力传感器或气压计，其可以用于确定UAV 200的高度。可替代地，其他传感器，诸如声波高度计或雷达高度计，可以用于提供高度的指示，这可有助于提高IMU的准确度和/或防止IMU的漂移。
在另一方面，UAV 200可以包括一个或多个传感器，其允许UAV感测环境中的物体。例如，在所示实施例中，UAV 200包括(多个)超声波传感器204。(多个)超声波传感器204可以通过生成声波并确定波的传输和从物体接收相应的回波之间的时间间隔来确定到物体的距离。无人驾驶运载工具或IMU的超声波传感器的典型应用是低空控制和避障。超声波传感器也可以用于需要在一定高度悬停或需要能够检测障碍的运载工具。可以使用其他系统(诸如光探测和测距(light detection and ranging，LIDAR)系统、激光探测和测距(laserdetection and ranging，LADAR)系统和/或红外或者前视红外(forward-lookinginfrared，FLIR)系统，以及其他可能性)来确定、感测附近物体的存在和/或确定到附近物体的距离。
在一些实施例中，UAV 200还可以包括一个或多个成像系统。例如，UAV 200可以利用一个或多个静态和/或视频相机从UAV的环境中捕获图像数据。作为具体的示例，电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)相机或互补金属氧化物半导体(complementarymetal-oxide-semiconductor，CMOS)相机可以用于无人驾驶运载工具。这样(多个)成像传感器具有多种可能的应用，诸如避障、定位技术、用于更准确的导航的地面跟踪(例如，通过将光流技术应用于图像)、视频反馈和/或图像识别和处理，以及其他可能性。
UAV 200还可以包括GPS接收器206。GPS接收器206可以配置为提供众所周知的GPS系统的典型数据，诸如UAV 200的GPS坐标。这种GPS数据可以由UAV 200用于各种功能。这样，UAV可以使用GPS接收器206来帮助导航到呼叫者的地点，至少部分地由他们的移动设备提供的GPS坐标指示。其他示例也是可能的。
B.导航和地点确定
导航模块214可以提供允许UAV 200例如在其环境中移动并到达期望的地点的功能。为此，导航模块214可以通过控制影响航行的UAV的机械特征(例如，其(多个)方向舵、(多个)升降舵、(多个)副翼(aileron)和/或其(多个)螺旋桨的速度)来控制航行的高度和/或方向。
为了将UAV 200导航到目标地点，导航模块214可以实现各种导航技术，例如，诸如基于地图的导航和基于定位的导航。利用基于地图的导航，可以向UAV 200提供其环境的地图，然后，该地图可以用于将UAV 200导航到地图上的特定地点。利用基于定位的导航，UAV200可能能够使用定位在未知环境中导航。基于定位的导航可以包括UAV 200构建其自身的环境地图，并计算其在地图中的位置和/或环境中物体的位置。例如，当UAV 200在其环境中移动时，UAV 200可以连续使用定位来更新其环境的地图。这种连续的建图(mapping)过程可以称为同时定位和建图(simultaneous localization and mapping，SLAM)。也可以利用其他导航技术。
在一些实施例中，导航模块214可以使用依赖于航路点的技术来导航。具体地，航路点是在物理空间中标识点的坐标集合。例如，空中导航航路点可以由某个纬度、经度和高度来定义。因此，导航模块214可以使UAV 200从航路点移动到航路点，以便最终行进到最终目的地(例如，航路点序列中的最终航路点)。
在另一方面，导航模块214和/或UAV 200的其他组件和系统可以配置为“定位”，以更精确地导航到目标地点的场景。更具体地，在某些情况下，可能期望UAV处于UAV正在递送有效载荷228的目标地点的阈值距离内(例如，在目标目的地的几英尺内)。为此，UAV可以使用两层(two-tired)方法，其中UAV使用更通用的地点确定技术来导航到与目标地点相关联的一般区域，然后使用更精细的地点确定技术来标识和/或导航到一般区域内的目标地点。
例如，UAV 200可以使用航路点和/或基于地图的导航来导航到递送有效载荷228的目标目的地的一般区域。然后，UAV可以切换到UAV利用定位过程来定位和行进到更具体的地点的模式。例如，如果UAV 200要将有效载荷递送到用户的家，那么UAV 200需要基本上靠近目标地点，以避免将有效载荷递送到不期望的区域(例如，到屋顶上、到水池中、到邻居的财产上等)。然而，GPS信号可能只能让UAV 200到此(例如，在用户的家的一个街区内)。然后可以使用更精确的地点确定技术来找到特定的目标地点。
一旦UAV 200已经导航到目标递送地点的一般区域，各种类型的地点确定技术可以用于完成目标递送地点的定位。例如，UAV 200可以配有一个或多个传感系统，例如，诸如超声波传感器204、红外传感器(未示出)和/或其他传感器，其可以提供导航模块214用来自动或半自动导航到特定目标地点的输入。
作为另一示例，一旦UAV 200到达目标递送地点(或移动物体，诸如人或他们的移动设备)的一般区域，UAV 200可以切换到“电传操纵(fly-by-wire)”模式，在该模式下，UAV200至少部分地由远程操作员控制，该操作员可以将UAV 200导航到特定的目标地点。为此，可以将来自UAV 200的传感数据发送给远程操作员，以协助他们将UAV 200导航到特定地点。
作为又一示例，UAV 200可以包括能够向路人发信号，以协助到达特定的目标递送地点的模块。例如，UAV 200可以在图形显示器中显示请求这种协助的可视消息或者通过扬声器播放音频消息或音调以指示对这种协助的需要，以及其他可能性。这种视觉或听觉消息可以指示在将UAV 200递送到特定的人或特定地点时需要协助，并且可以提供信息来协助路人将UAV 200递送到人或地点(例如，人或地点的描述或图片，和/或人或地点的名称，以及其他可能性)。在UAV无法使用感觉功能或其他地点确定技术到达特定目标地点的情况下，这种功能会很有用。然而，该特征不限于这种情况。
在一些实施例中，一旦UAV 200到达目标递送地点的一般区域，UAV 200可以利用来自用户的远程设备(例如，用户的手机)的信标来定位该人。这种信标可以采取各种形式。作为示例，考虑远程设备(诸如请求UAV递送的人的手机)能够(例如，经由RF信号、光信号和/或音频信号)发送方向信号。在这种情况下，UAV 200可以配置为通过“获取(source)”这种方向信号来导航—换句话说，通过确定该信号最强的地点并相应地导航。作为另一示例，移动设备可以发射在人类范围内或人类范围外的频率，并且UAV 200可以监听该频率并相应地导航。作为相关的示例，如果UAV 200正在收听口头命令，那么UAV 200可以利用口头陈述(诸如“我在这里！”)以获取请求有效载荷的递送的人的具体地点。
在替代的布置中，导航模块可以在与UAV 200无线通信的远程计算设备上实现。该远程计算设备可以接收指示UAV 200的操作状态的数据、来自UAV 200的允许其评估UAV200所经历的环境条件的传感器数据、和/或UAV 200的地点信息。在提供了这种信息的情况下，远程计算设备可以确定UAV 200应该进行的高度和/或方向调整，和/或可以确定UAV200应该如何调整其机械特征(例如，其(多个)方向舵、(多个)升降舵、(多个)副翼(aileron)和/或其(多个)螺旋桨的速度)，以便实现这种移动。然后，远程计算系统可以将这样的调整传送给UAV 200，以便UAV 200可以以确定的方式移动。
C.通信系统
在另一方面，UAV 200包括一个或多个通信系统218。通信系统218可以包括一个或多个无线接口和/或一个或多个有线接口，这些接口允许UAV 200经由一个或多个网络进行通信。这种无线接口可以提供在一个或多个无线通信协议(诸如蓝牙、WiFi(例如，IEEE802.11协议)、长期演进(Long-Term Evolution，LTE)、WiMAX(例如，IEEE 802.16标准)、射频ID(radio-frequency ID，RFID)协议、近场通信(near-field communication，NFC)和/或其他无线通信协议)下的通信。这种有线接口可以包括以太网接口、通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)接口或类似接口，以经由电线、双绞线、同轴电缆、光链路、光纤链路或其他物理连接与有线网络进行通信。
在一些实施例中，UAV 200可以包括允许短程通信和远程通信的通信系统218。例如，UAV 200可以配置为用于使用蓝牙的短程通信和CDMA协议下的远程通信。在这样的实施例中，UAV 200可以配置为用作“热点”，或者换句话说，作为远程支持设备和一个或多个数据网络(诸如蜂窝网络和/或互联网)之间的网关或代理。如此配置，UAV 200可以促进远程支持设备无法独自执行的数据通信。
例如，UAV 200可以提供到远程设备的WiFi连接，并且用作蜂窝服务提供商的数据网络的代理或网关，例如，UAV可以在LTE或3G协议下连接到该数据网络。UAV 200还可以作为高空气球(high-altitude ballon)网络、卫星网络或这些网络的组合的代理或网关，以及远程设备可能无法接入的其他网络。
D.电力系统
在另一方面，UAV 200可以包括(多个)电力系统220。(多个)电力系统220可以包括一个或多个电池，用于向UAV 200供电。在一个示例中，一个或多个电池可以是可重复充电的，并且每个电池可以经由电池和电源之间的有线连接和/或经由无线充电系统(诸如向内部电池施加外部时变磁场的感应充电系统)充电。
E.有效载荷递送
UAV 200可以采用各种系统和配置来运输和递送有效载荷228。在一些实现方式中，UAV 200的有效载荷228可以包括设计为将各种货物运输到目标递送地点的“包裹”或采取设计为将各种货物运输到目标递送地点的“包裹”的形式。例如，UAV 200可以包括其中可以运输一个或多个物品的舱。这样的包裹可以包括一种或多种食品、购买的货物、医疗用品或任何其他具有适合由UAV在两个地点之间运输的大小和重量的物品。在其他实施例中，有效载荷228可以仅是正在递送的一个或多个物品(例如，没有容纳物品的任何包裹)。
在一些实施例中，有效载荷228可以附接到UAV，并且在UAV的航行的一些或全部期间基本上位于UAV的外部。例如，在到目标地点的航行期间，包裹可以拴系或以其他方式可释放地附接在UAV下方。在包裹承载UAV下方的货物的实施例中，包裹可以包括各种特征，这些特征保护其内容物免受环境影响，减少系统上的空气动力阻力，并防止包裹的内容物在UAV航行期间移动。
例如，当有效载荷228采取用于运输物品的包裹的形式时，该包裹可以包括由防水纸板、塑料或任何其他轻质防水材料构成的外壳。此外，为了减小阻力，包裹可以具有光滑表面，该表面具有尖的前部，从而减小前部横截区域。此外，包裹的侧面可以从宽底部到窄顶部逐渐变细，这允许包裹用作窄挂架(pylon)，以减少对UAV的(多个)机翼的干扰影响。这可能会使包裹的一些正面区域和体积远离UAV的(多个)机翼，从而防止由包裹引起的(多个)机翼上的升力的减小。此外，在一些实施例中，包裹的外壳可以由单片材料构成，以减少气隙(air gap)或额外材料，这两者都可能增加系统的阻力。附加地或可替代地，包裹可以包括稳定器以抑制包裹颤振。这种颤振的减少可能会使包裹具有与UAV不那么牢固的连接，并且可能导致包裹的内容物在航行期间较少移动。
为了递送有效载荷，UAV可以包括可以由系绳控制模块216控制的绞盘系统221以使在UAV 200悬停在上方时将有效载荷228下降到地面。如图2所示，绞盘系统221可以包括系绳224，并且系绳224可以通过有效载荷装置226耦合到有效载荷228。系绳224可以绕在耦合到UAV的马达222的线轴(spool)上。马达222可以采用可以由速度控制器主动控制的DC马达(例如，伺服(servo)马达)的形式。系绳控制模块216可以控制速度控制器以使马达222旋转线轴，从而解开或收回系绳224并下降或升高有效载荷耦合装置226。在实践中，速度控制器可以输出线轴的期望的操作速率(例如，期望的RPM(转每分))，该期望的操作速率可以对应于系绳224和有效载荷228应当朝向地面下降的速度。然后，马达222可以旋转线轴，以使其保持期望的操作速率。
为了经由速度控制器控制马达222，系绳控制模块216可以从被配置为将机械位置转换为代表性模拟或数字信号的速度传感器(例如，编码器)接收数据。特别地，速度传感器可以包括可以提供与马达的轴或与马达耦合的线轴的旋转位置(和/或旋转运动)相关的信息的旋转编码器以及其他可能性。此外，速度传感器可以采取绝对编码器和/或增量编码器等形式。因此，在示例实现方式中，当马达222使线轴的旋转时，可以使用旋转编码器来测量该旋转。在这样做时，旋转编码器可以用于将旋转位置转换为由系绳控制模块216使用的模拟或数字电子信号，以确定线轴从固定参考角度的旋转量和/或表示新的旋转位置的模拟或数字电子信号，以及其他选项。其他示例也是可能的。
基于来自速度传感器的数据，系绳控制模块216可以确定马达222和/或线轴的转速，并响应地(例如，通过增加或减少供应给马达222的电流)控制马达222以使马达222的转速匹配期望的速度。当调整马达电流时，电流调整的幅度可以基于使用确定的和期望的马达222的速度的比例积分微分(proportional-integral-derivative，PID)计算。例如，当前调整的幅度可以基于线轴的确定的速度和期望的速度之间的当前差、过去差(基于随时间累积的误差)，以及未来差(基于当前变化率)。
在一些实施例中，系绳控制模块216可以改变系绳224和有效载荷228下降到地面的速率。例如，速度控制器可以根据可变的部署速率曲线(profile)和/或响应于其他因素来改变期望的操作速率，以便改变有效载荷228向地面下降的速率。为此，系绳控制模块216可以调整施加到系绳224的制动量或摩擦量。例如，为了改变系绳部署速率，UAV 200可以包括可以向系绳224施加可变压力量的摩擦垫。作为另一示例，UAV 200可以包括改变线轴放出系绳224的速率的马达驱动制动系统。这种制动系统可以采取机电系统的形式，在该机电系统中，马达222操作以降低线轴放出系绳224的速率。此外，马达222可以改变由其调整线轴的速度(例如，RPM)的量，从而可以改变系绳224的部署速率。其他示例也是可能的。
在一些实施例中，系绳控制模块216可以配置为将供应给马达222的马达电流限制到最大值。由于对马达电流的这种限制，可能存在马达222不能以速度控制器指定的期望的速率操作的情况。例如，可能存在这样的情况，其中速度控制器指定了马达222应当朝向UAV200收回系绳224的期望的操作速率，但是马达电流可能被限制，使得系绳224上足够大的向下力抵消马达222的收回力，并且导致系绳224反而解开。取决于UAV 200的操作状态，可以施加和/或改变对马达电流的限制。
在一些实施例中，系绳控制模块216可以配置为基于供应给马达222的电流量来确定系绳224和/或有效载荷228的状态。例如，如果向系绳224施加向下力(例如，如果有效载荷228附接到系绳224，或者如果系绳224在朝向UAV 200收回时被物体阻碍)，系绳控制模块216可能需要增加马达电流，以使马达222和/或线轴的确定的转速匹配期望的速度。类似地，当从系绳224移除向下力时(例如，在有效载荷228的递送或系绳阻碍的移除时)，系绳控制模块216可能需要降低马达电流，以使马达222和/或线轴的确定的转速匹配期望的速度。这样，系绳控制模块216可以配置为监控供应给马达222的电流。例如，系绳控制模块216可以基于从马达的电流传感器或电力系统220的电流传感器接收到的传感器数据来确定马达电流。在任何情况下，基于供应给马达222的电流，系绳控制模块216可以确定有效载荷228是否附接到系绳224，是否有人或物正在拉动系绳224，和/或在收回系绳224之后有效载荷耦合装置226是否压在UAV 200上。其他示例也是可能的。
在有效载荷228的递送过程中，有效载荷耦合装置226可以配置为在其通过系绳224从UAV降下时，固定(secure)有效载荷228，并且还可以配置为在到达地面时释放有效载荷228。然后，有效载荷耦合装置226可以通过使用马达222卷绕系绳224而收回到UAV。
在一些实现方式中，一旦有效载荷228下降到地面，有效载荷可以被动地释放。例如，被动释放机构可以包括一个或多个适于收回到壳体中和从壳体中伸出的摆臂。伸出的摆臂可以形成效载荷228可以附接在其上的挂钩。在经由系绳将释放机构和有效载荷228下降到地面时，释放机构上的重力以及向下的惯性力可以导致有效载荷228从挂钩脱离，从而允许释放机构朝向UAV向上升。释放机构还可以包括弹簧机构，当摆臂上没有其他外力时，该弹簧机构偏压(bias)该摆臂以使其收回到壳体中。例如，弹簧可以在摆臂上施加朝向壳体推动或拉动摆臂的力，使得一旦有效载荷228的重量不再迫使摆臂从壳体伸出，摆臂收回到壳体中。当释放机构在有效载荷228的递送时朝向UAV升起时，将摆臂收回到壳体中可以降低释放机构阻碍有效载荷228或其他附近物体的可能性。
主动有效载荷释放机构也是可能的。例如，诸如基于大气压力的高度计和/或加速度计的传感器可以帮助检测释放机构(和有效载荷)相对于地面的位置。来自传感器的数据可以通过无线链路传送回UAV和/或控制系统，并用于帮助确定释放机构何时到达地面(例如，通过检测具有地面撞击特性的加速器的测量)。在其他示例中，UAV可以基于重量传感器检测到系绳上的阈值低向下力和/或基于在下降有效载荷时、由绞盘消耗的功率的阈值低的测量来确定有效载荷已经到达地面。
除了系绳递送系统之外或作为系绳递送系统的替代，用于递送有效载荷的其他系统和技术也是可能的。例如，UAV 200可以包括气囊下降系统或着陆伞下降系统。可替代地，承载有效载荷的UAV 200可以仅在递送地点着陆。其他示例也是可能的。
IV.示例UAV部署系统
UAV系统可以用于提供各种UAV相关的服务。具体地，UAV可以在可以与区域和/或中央控制系统通信地多个不同的发射场中提供。这种分布式UAV系统可以允许UAV快速部署，以提供跨大地理区域(例如，比任何单个UAV的航行范围大得多)的服务。例如，能够承载有效载荷的UAV可以分布在跨大地理区域的多个发射场处(甚至可能分布在整个国家，或者甚至全世界)，以便提供到整个地理区域的地点的各种物品的按需运输。图3是示出根据示例实施例的分布式UAV系统300的简化框图。
在说明性UAV系统300中，接入系统302可以允许与UAV 304的网络的交互、控制和/或利用。在一些实施例中，接入系统302可以是允许UAV 304的人工控制的派遣的计算系统。这样，控制系统可以包括或以其他方式提供用户可以通过其访问和/或控制UAV 304的用户界面。
在一些实施例中，UAV 304的派遣可以附加地或可替代地经由一个或多个自动化的过程来完成。例如，接入系统302可以派遣UAV 304中的一个来将有效载荷运输到目标地点，并且UAV可以通过利用各种机载传感器(诸如，GPS接收器和/或其他各种导航传感器)自动地导航到目标地点。
此外，接入系统302可以提供UAV的远程操作。例如，接入系统302可以允许操作员经由其用户界面控制UAV的航行。作为具体的示例，操作员可以使用接入系统302将UAV 304中的一个派遣到目标地点。然后，派遣的UAV可以自动地导航到目标地点的一般区域。在这点上，操作员可以使用接入系统302来控制所派遣的UAV，并将所派遣的UAV导航到目标地点(例如，正向其运输有效载荷的特定人员)。UAV的远程操作的其他示例也是可能的。
在说明性实施例中，UAV 304可以采取各种形式。例如，UAV 304中的每一个可以是如图1A、1B、1C、1D、1E或图2所示的UAV。然而，UAV系统300也可以利用其他类型的UAV，而不脱离本发明的范围。在一些实现方式中，UAV 304中的所有可以具有相同或相似的配置。然而，在其他实现方式中，UAV 304可以包括多种不同类型的UAV。例如，UAV 304可以包括多种类型的UAV，每种类型的UAV配置为用于不同类型的有效载荷递送能力。
UAV系统300还可以包括远程设备306，该远程设备可以采取各种形式。一般地，远程设备306可以是任何可以直接或间接请求派遣UAV的设备。注意，间接请求可能包括任何可以通过派遣UAV来响应的通信，诸如请求包裹递送。在示例实施例中，远程设备306可以是手机、平板计算机、膝上型计算机、个人计算机或任何网络连接的计算设备。此外，在一些情况下，远程设备306可以不是计算设备。例如，允许经由普通老式电话服务(plain oldtelephone service，POTS)通信的标准电话可以用作远程设备306。其他类型的远程设备也是可能的。
此外，远程设备306可以配置为经由一种或多种类型的通信网络308与接入系统302通信。例如，远程设备306可以通过在POTS网络、蜂窝网络和/或诸如互联网的数据网络上通信来与接入系统302(或接入系统302的人类操作员)通信。也可以利用其他类型的网络。
在一些实施例中，远程设备306可以配置为允许用户请求从某个源地点拾取一个或多个物品和/或将一个或多个物品递送到期望的地点。例如，用户可以经由他们的手机、平板计算机或膝上型计算机请求UAV将包裹递送到他们的家中。作为另一示例，用户可以在递送时请求到他们所位于的地方的动态递送。为了提供这样的动态递送，UAV系统300可以接收来自用户的手机或用户身上的任何其他设备的地点信息(例如，GPS坐标等)，使得UAV可以导航到用户的地点(如由用户的手机所指示的)。
在一些实施例中，企业用户(例如，餐厅)可以利用一个或多个远程设备306来请求派遣UAV从源地点(例如，餐厅的地点)拾取一个或多个物品(例如，食物订单)，然后将一个或多个物品递送到目标地点(例如，顾客的地点)。此外，在这样的实施例中，可能存在与公共物品提供商账户(例如，由特定餐厅的多个雇员和/或所有者使用的账户)相关联的远程设备306的多个实例。此外，在这样的实施例中，远程设备306可以用来向运输提供商计算系统(例如，中央派遣系统310和/或本地派遣系统312)发送物品提供商提交，每个物品提供商提交指示在给定的未来时间处、给定UAV运输服务的量的各自的定量测量。例如，远程设备306可以用于生成和发送物品提供商提交，该物品提供商提交指定在特定时间或在未来的特定时间段期间期望的UAV运输服务的级别(例如，期望的UAV递送航行的数量和/或速率)，和/或与物品提供商对UAV运输服务的需求相对应的货币价值。
在说明性布置中，中央派遣系统310可以是服务器或服务器组，其配置为从接入系统302接收派遣消息请求和/或派遣指令。这种派遣消息可以请求或指示中央派遣系统310协调UAV到各种目标地点的部署。中央派遣系统310还可以配置为将这样的请求或指令路由到一个或多个本地派遣系统312。为了提供这种功能，中央派遣系统310可以经由数据网络(诸如为接入系统和自动化的派遣系统之间的通信而建立的互联网或专用网络)与接入系统302通信。
在所示的配置中，中央派遣系统310可以配置为协调来自多个不同的本地派遣系统312的UAV 304的派遣。这样，中央派遣系统310可以跟踪UAV 304中的哪些位于本地派遣系统312中的哪些，哪些UAV 304当前可以用于部署，和/或UAV 304中的每一个配置为用于哪些服务或操作(在UAV机群包括配置为用于不同服务和/或操作的多种类型的UAV的情况下)。附加地或可替代地，每个本地派遣系统312可以被配置为跟踪其的相关联的UAV 304中的哪些当前可以用于部署和/或当前处于物品运输中。
在一些情况下，当中央派遣系统310从接入系统302接收到对UAV相关的服务(例如，物品的运输)的请求时，中央派遣系统310可以选择UAV 304中的特定一个来派遣。中央派遣系统310可以相应地指示与所选UAV相关联的本地派遣系统312派遣所选UAV。然后，本地派遣系统312可以操作其的相关联的部署系统314来发射该所选UAV。在其他情况下，中央派遣系统310可以向请求支持的地点附近的本地派遣系统312中的一个转发对UAV相关的服务的请求，并将对UAV 304中的特定一个的选择留给本地派遣系统312。
在示例配置中，本地派遣系统312可以实现为与本地派遣系统控制的(多个)部署系统314位于相同地点的计算系统。例如，本地派遣系统312中的特定一个可以由安装在建筑物(诸如仓库)的计算系统来实现，与本地派遣系统312中的特定一个相关联的部署系统314和UAV 304也位于该建筑物中。在其他实施例中，本地派遣系统312中的特定一个可以在远离本地派遣系统的相关联的部署系统314和UAV 304的地点实现。
UAV系统300的所示配置的多种变化和替代是可能的。例如，在一些实施例中，远程设备306的用户可以直接从中央派遣系统310请求包裹的递送。为此，可以在远程设备306上实现应用，该应用允许用户提供关于所请求的递送的信息，并生成和发送数据消息以请求UAV系统300提供递送。在这样的实施例中，中央派遣系统310可以包括自动化的功能，以处理由这样的应用生成的请求，评估这样的请求，并且如果合适的话，与适当的本地派遣系统312协调以部署UAV。
此外，本文归属于中央派遣系统310、(多个)本地派遣系统312、接入系统302和/或(多个)部署系统314的功能的一些或全部可以组合在单个系统中，在更复杂的系统(例如，具有更多控制层)中实现，和/或以各种方式在中央派遣系统310、(多个)本地派遣系统312、接入系统302和/或(多个)部署系统314之间重新分派。
此外，尽管每个本地派遣系统312被示出为具有两个相关联的部署系统314，但是给定的本地派遣系统312可以可替代地具有更多或更少的相关联的部署系统314。类似地，尽管中央派遣系统310被示出为与两个本地派遣系统312通信，但是中央派遣系统310可以可替代地与更多或更少的本地派遣系统312通信。
在另一方面，部署系统314可以采取各种形式。在一些实现方式中，部署系统314中的一些或所有可以是被动地促进UAV从静止地点起飞以开始航行的结构或系统。例如，部署系统314中的一些或全部可以采取着陆垫、机库(hangar)和/或跑道等形式。这样，给定的部署系统314可以布置为促进一次一个UAV 304的部署，或者多个UAV的部署(例如，足够大以供多个UAV同时使用的着陆垫)。
附加地或可替代地，部署系统314中的一些或全部可以采取主动发射UAV 304中的一个或多个的形式或包括主动发射UAV 304中的一个或多个的系统。这种发射系统可以包括提供自动化的UAV发射的特征和/或允许人工协助的UAV发射的特征。此外，给定的部署系统314可以配置为发射一个特定的UAV 304，或者发射多个UAV 304。
注意，部署系统314还可以配置为在着陆时被动地促进和/或主动地协助UAV。例如，相同的着陆垫可以用于起飞和着陆。附加地或可替代地，部署系统可以包括可操作以接收进入UAV的机械臂。部署系统314还可以包括其他结构和/或系统，以协助和/或促进UAV着陆过程。此外，协助和/或促进UAV着陆过程的结构和/或系统可以实现为单独的结构和/或系统，只要UAV可以从着陆结构或系统移动或被移动到部署系统314用于重新部署。
部署系统314还可以配置为提供附加功能，例如，包括诊断相关的功能(诸如验证UAV的系统功能、验证UAV内所装设备(例如有效载荷递送装置)的功能)，和/或维护UAV内所装设备或其他物品(例如通过监控有效载荷的状态，诸如有效载荷温度、重量等)。
在一些实施例中，本地派遣系统312(连同它们各自的(多个)部署系统314)可以策略性地分布在整个区域(诸如城市)。例如，本地派遣系统312可以策略性地分布，使得每个本地派遣系统312接近一个或多个有效载荷拾取地点(例如，在餐厅、商店或仓库附近)。然而，取决于特定的实现方式，本地派遣系统312可以以其他方式分布。
作为另一示例，允许用户经由UAV运输包裹的信息亭(kiosk)可以安装在不同的地点。这种信息亭可以包括UAV发射系统，并且可以允许用户提供他们的包裹以装载到UAV上，并且支付UAV运输服务费用，以及其他可能性。其他示例也是可能的。
在另一方面，UAV系统300可以包括或能够访问用户账户数据库316。用户账户数据库316可以包括多个用户账户的数据，并且每个用户账户与一个或多个人相关联。对于给定的用户账户，用户账户数据库316可以包括与提供UAV相关的服务相关或在提供UAV相关的服务中有用的数据。通常，与每个用户账户相关联的用户数据可选地由相关联的用户提供和/或在相关联的用户的许可下收集。
此外，在一些实施例中，如果人希望由UAV 304从UAV系统300向其提供UAV相关的服务，则可能需要该人向UAV系统300注册用户账户。这样，用户账户数据库316可以包括给定用户账户的授权信息(例如，用户名和密码)，和/或可以用于授权访问用户账户的其他信息。
在一些实施例中，人可以将他们设备中的一个或多个与他们的用户账户相关联，使得这些设备可以访问UAV系统300的服务。例如，当人使用相关联的手机来例如向接入系统302的操作员发出呼叫或者向派遣系统发送请求UAV相关的服务的消息时，可以经由唯一的设备标识号来识别该电话，然后该呼叫或消息可以归属于相关联的用户账户。其他示例也是可能的。
附加地或可替代地，希望使用由空运服务提供商(ATSP)提供的UAV运输服务来递送他们的产品的物品提供商，可以向UAV系统300注册物品提供商账户。这样，用户账户数据库316可以包括给定物品提供商账户的授权信息(例如，一个或多个用户名和密码组合)，和/或可以用于授权访问给定物品提供商账户的其他信息。可替代地，物品提供商账户的数据可以与接收方用户账户保存在分离的数据库中。用于存储这种账户数据的其他数据结构和存储配置也是可能的。
V.具有位于不同地点的物品提供商和UAV中枢的UAV运输服务
ATSP可以是与提供运输的物品和/或具有请求这些物品的递送的接收方的接口的一个或多个实体分离的实体。例如，操作配置为用于物品递送的UAV机群的公司可以为第三方实体(诸如餐厅、服装店、杂货店和其他“实体”和/或在线零售商，以及其他可能性)提供递送服务。这些第三方实体可能在ATSP有账户，第三方可以经由这些账户向ATSP请求和/或购买UAV运输服务。此外，第三方实体可以直接或通过由ATSP提供的计算系统(例如，应用和/或服务器系统)与接收方(例如，顾客)交互。
图4是示出空运服务提供商控制系统401的示例布置的框图，该空运服务提供商控制系统401为位于远离服务提供商的中央UAV派遣地点(例如，UAV巢)的多个物品提供商协调UAV运输服务。ATSP可以是独立于物品提供商的实体。如图所示，ATSP控制系统401可以通信地耦合到UAV巢404a、404b、404c和404d(即UAV巢404a-d)的计算或控制系统，并且通信地耦合到物品提供商406a、406b、406c和406d(即物品提供商406a-d)的计算系统。这种通信耦合可以使用各种类型的有线和/或无线通信协议和网络来实现。
UAV巢404a-d中的每一个都是UAV可以存储至少一小段时间，并且UAV可以从这里开始执行UAV运输任务(例如，UAV可以起飞的地方)的设施。在一些实现方式中，UAV巢中的一些或所有可以采取本地派遣系统和一个或多个部署系统的形式，诸如上面参考图3描述的那些。当然，UAV巢中的一些或所有也可以采取其他形式和/或执行不同的功能。
物品提供商406a-d的计算系统中的每一个可以与不同的物品提供商账户相关联。这样，与物品提供商406a-d相关联的计算系统中的一个或多个可以包括被授权访问与ATSP相对应的物品提供商账户的一个或多个计算设备。此外，ATSP可以将物品提供商账户的数据存储在物品提供商账户数据库407中。
在实践中，物品提供商406a-d的计算系统中的一个或多个可以包括一个或多个远程计算设备(例如，诸如参考图3描述的一个或多个远程设备306)，一个或多个远程计算设备已经登录或被授权访问相同的物品提供商账户(例如，手机、膝上型计算机和/或企业的雇员的计算设备)。附加地或可替代地，物品提供商406a-d的计算系统中的一个或多个可以用较少的临时的(ad-hoc)方法来实现；例如在物品提供商的设施中安装一个或多个用户界面终端。其他类型的物品提供商计算系统也是可能的。
为了以高效和灵活的方式向各种物品提供商提供UAV运输服务，ATSP控制系统401可以基于需求和/或其他因素将不同的UAV动态地分配给不同的物品提供商的运输任务，而不是将每个UAV永久地分配给特定的物品提供商。因此，为给定的第三方物品提供商执行运输任务的特定的一个或多个UAV可能会随时间变化。
与将特定的UAV永久地分配给特定物品提供商的布置相比，将UAV动态地分配给多个不同物品提供商的航行可以帮助ATSP更有效地利用UAV组(例如，通过减少不必要的UAV停机时间)。更具体地，为了动态地将UAV分配给来自第三方物品提供商的运输请求，ATSP控制系统401可以根据服务区域内不同地点或子区域的时变需求水平，在服务区域内的多个UAV部署地点(例如，可以称为“中枢”或“巢”)之间动态地重新分派UAV。
UAV巢404a-d的每个各自的UAV巢被示为分别具有与其相关联的相应的地理区域405a、405b、405c和405d(即，地理区域405a-d)，在该地理区域内，各自的UAV巢的UAV向物品提供商和/或物品接收方提供运输服务。由给定的UAV巢服务的地理区域可以至少部分地由位于或计划位于给定的UAV巢的UAV的(多个)航行范围来定义。在一些实现方式中，与UAV巢404a-d相对应的地理区域405a-d可以每个具有固定的大小，该大小不随时间变化。在其他实现方式中，地理区域405a-d中的每一个的大小可以基于各种因素(诸如地理区域和/或附近地理区域中对UAV运输服务的需求、分配为从相应的UAV巢进行操作的UAV的数量和/或能力、和/或位于UAV巢附近的物品提供商的数量和/或特性，以及其他可能性)随时间变化。
附加地或可替代地，每个地理区域405a-d的大小可以在逐个订单的基础上变化，和/或根据物品提供商而变化。更具体地，当运输任务包括三个或更多个航段时(例如，从UAV巢到物品提供商进行拾取的航行、从物品提供商到递送地点的航行以及到UAV巢的返回航行)，在递送物品之前可能有两个或更多个航段。因此，对于给定的运输任务，对给定的物品提供商是否在UAV巢的地理服务区域内的评估可以取决于从UAV巢到物品拾取地点的距离、从拾取地点到递送地点的距离以及从递送地点到UAV巢的距离的组合。因此，对于一个运输任务，给定的UAV巢能够服务给定的物品提供商，但对于另一个运输任务，给定的UAV巢不能服务给定的物品提供商。在这种情况下，可能根本没有利用定义的“地理服务区域”的概念。相反，ATSP控制系统401可以仅评估在给定任务的完成的所有参数的情况下，UAV运输任务是否可以在逐个任务的基础上实现。
由于某些物品提供商只能由某个或多个UAV巢提供服务(或更好地由某个或多个UAV巢提供服务)，并且由于不同物品提供商对UAV运输服务的需求可能不同，ATSP控制系统401可以对于给定的地理/服务区域，在共同服务于给定区域的UAV巢404a-d之间实现分派和重新分派UAV的持续过程。具体地，ATSP控制系统401可以连续地、周期性地或不时地评估每个物品提供商406a-d的需求和/或其他因素，并确定在UAV巢404a-d中的每一个处期望的UAV的相对数量，以便满足在相应的地理区域中的UAV运输任务的需求。附加地或可替代地，ATSP控制系统401可以确定在UAV巢404a-d中的每一个处期望的UAV的相对数量，使得UAV巢404a-d可以共同满足由UAV巢404a-d共同服务的更大区域中的UAV运输服务的需求。
VI.示例有效载荷拾取操作
图5A、5B、5C、5D、5E和5F示出了包括配置为用于有效载荷的拾取和放下的绞盘系统的UAV 500，并且该绞盘系统包括耦合到线轴504的系绳502、有效载荷闩锁(latch)506和有效载荷耦合装置512。图5A-5E示出了UAV 500和用于拾取有效载荷508的绞盘系统。然而，UAV 500和绞盘系统也可以用于放下有效载荷508。
有效载荷锁存器506可以用于在有效载荷508的运输期间将有效载荷508固定到UAV 500。例如，如图所示，有效载荷闩锁506可以采取可以与有效载荷耦合装置512结合(例如，通过滑入有效载荷耦合装置512中的一个或多个接收槽中)的一个或多个销(pin)的形式。将有效载荷闩锁506的销插入到有效载荷耦合装置512中可以将有效载荷耦合装置512固定在UAV 500的下侧的插座(receptacle)514内，从而防止有效载荷508从UAV 500下降和/或相对于UAV 500移动(例如，振荡)。在一些实施例中，有效载荷闩锁506可以布置为接合线轴504或有效载荷508，而不是接合有效载荷耦合装置512，以防止有效载荷508下降。
可以操作线轴504来解开系绳502，以使用系绳502和有效载荷耦合装置512将有效载荷508从UAV 500下降到地面，或者使用系绳502和有效载荷耦合装置512卷绕系绳502以将有效载荷508从地面提升到UAV 500。有效载荷508可以是用于从拾取地点运输到递送目的地的物品，并且可以容纳在(或以其他方式结合)包裹、容器或配置为与有效载荷耦合装置512和/或有效载荷闩锁506对接的其他结构内。当UAV 500悬停在有效载荷508上方时，UAV 500的绞盘系统可操作以受控的方式自动地拾取或放下有效载荷508。
如图5A所示，在从发射场到目标地点520的航行期间，从该目标地点要拾取有效载荷508，有效载荷闩锁506可以处于关闭位置(例如，销接合有效载荷耦合装置512)，以保持有效载荷耦合装置512抵靠或靠近UAV 500的底部，或者甚至部分地或完全地在UAV 500内。目标地点520可以是期望的拾取地点上方的空间中的点。然后，当UAV 500到达目标地点520时，UAV的控制系统(例如，图2的系绳控制模块216)可以将有效载荷闩锁506拨动(toggle)到打开位置(例如，将销从有效载荷耦合装置512脱离)，从而允许有效载荷耦合装置512从UAV 500下降以拾取有效载荷508，如图5B所示。此外，控制系统可以(例如，通过控制图2的马达222)操作线轴504，使得有效载荷耦合装置512下降到地面。
当有效载荷耦合装置512朝向有效载荷508下降时，控制系统可以从UAV 500或有效载荷耦合装置512上的一个或多个传感器接收数据，以监控有效载荷耦合装置512的下降。如图5C和5D所示，控制系统可以基于该传感器数据，与绞盘系统协同地调整UAV 500的位置，以操纵有效载荷耦合装置512到有效载荷508的阈值距离内，并使用有效载荷耦合装置512将有效载荷508机械地耦合到系绳502。当UAV 500保持在悬停模式时，可以调整UAV500的位置，或者可替代地，UAV 500可以暂时恢复到航行模式以执行调整。用绞盘系统协调UAV 500可以包括调整UAV 500的垂直位置、UAV 500的水平位置以及系绳502从线轴504解开的程度，以引导有效载荷耦合装置512与有效载荷508上的附接点重合并由此接合。
在示例中，控制系统可以使用各种类型的数据和各种技术来确定有效载荷耦合装置512相对于地面或UAV 500的位置。该数据可以包括，例如，来自UAV 500上的一个或多个感知传感器(例如，航行时间相机、立体相机、光检测和测距设备、RADAR等)的传感器数据。在一些实施例中，数据可以是来自指示线轴504的旋转的编码器的数据。基于来自编码器的数据，控制系统可以确定线轴504已经经历了多少转，并且基于该转数，确定从线轴504解开的系绳502的长度(例如，通过将线轴504的转数乘以包围线轴504的系绳502的周长)。在一些实施例中，线轴504上的系绳502的周长可以随着系绳502从线轴504卷绕或解开而变化，因此控制系统可以配置为在确定解开的系绳长度时考虑这些变化。
在将有效载荷耦合装置512附接到有效载荷508之后，控制系统可以操作线轴504以朝向UAV 500收回系绳502、有效载荷耦合装置512和有效载荷508，如图5E所示。一旦有效载荷耦合装置512到达或接近UAV 500，控制系统可操作线轴504以将有效载荷耦合装置512拉入插座514中，并且控制系统可以将有效载荷闩锁506拨动至关闭位置，如图5F所示。然后，UAV 500可以返回航行模式，并继续将有效载荷508递送到其目标目的地。
回到图5C，为了使用有效载荷耦合装置512将系绳502机械地耦合到有效载荷508，UAV 500的控制系统可以确定其中移动有效载荷耦合装置512的轨迹，通过该轨迹将其引导到或进入有效载荷508上的附接点。值得注意的是，除了在物理上与有效载荷508上的附接点重合之外，在一些实现方式中，有效载荷耦合装置512可能需要以特定的方式定向，以便与有效载荷508上的附接点接合。例如，如图所示，当有效载荷耦合装置512是挂钩或挂钩状设备时，挂钩的开口可能需要面向有效载荷508上的附接点(例如，手柄)以与之接合。因此，轨迹可以定义有效载荷耦合装置512在空间中行进的路径，以及有效载荷耦合装置512沿着该路径的方位。具体取决于实现方式，空间中的路径可以定义为一维、二维或三维。
确定轨迹的过程可以基于并通过有效载荷耦合装置512和有效载荷508上的一个或多个视觉标记来促进。有效载荷508上的标记可以帮助控制系统识别有效载荷的地点和有效载荷上的附接点，而有效载荷耦合装置512上的标记可以相对于有效载荷508帮助有效载荷耦合装置512定位。标记可以设计为使得当有效载荷耦合装置512上的标记与有效载荷508上的标记对准时，从UAV 500上的一个或多个传感器的角度看，有效载荷耦合装置512将与有效载荷508上的附接点对准，以便有效载荷耦合装置512成功地耦合到效载荷508上。
控制系统可以协同线轴504控制UAV 500的位置和方位，以沿着确定的轨迹移动有效载荷耦合装置512。控制系统可以包括，例如，基于有效载荷耦合装置512的实际位置和由轨迹指示的位置之间的差、该差的导数以及该差的积分来调整UAV 500的位置的比例积分微分(PID)控制器。
当重新定位UAV 500时，在UAV 500的运动和该运动被传递到有效载荷耦合装置512之间可能存在延迟。该延迟可能取决于系绳502的解开的长度，如果突然调整UAV 500的位置，可能导致有效载荷耦合装置512相对于UAV 500振荡，如箭头516指示的。因此，当有效载荷耦合装置512接近朝向有效载荷508上的附接点的轨迹的末端时，可以降低调整UAV500的位置的速率，以抑制振荡并最小化或减少有效载荷耦合装置512的实际位置和由轨迹指示的目标地点之间的差。降低调整UAV 500的位置的速率可以包括限制UAV 500以最大速度和最大加速度移动，和/或调整PID控制器的增益值以产生UAV 500的位置的逐步调整。
在一些情况下，有效载荷耦合装置512的振荡可能使得难以准确地控制有效载荷耦合装置512以将其引导到有效载荷508上的附接点上。例如，当解开长的长度的系绳502以到达有效载荷508时(即，当UAV 500悬停在有效载荷508上方较高处时)，或者当风以不可预测的方式推动有效载荷耦合装置512时，振荡可能难以避免、抑制或控制。在其他情况下，足够慢地调整UAV 500的位置以避免振荡并准确地将有效载荷耦合装置512引导到有效载荷508上的附接点上可能需要很长时间(例如，超过阈值时间量，诸如10、20或30秒)。保持有效载荷耦合装置512和UAV 500接近地面超过阈值时间量可能是危险的，因此是不希望的(例如，由于UAV 500或有效载荷耦合装置512和地面附近的物体之间碰撞的可能性增加)。
因此，除了调整UAV 500的位置以将有效载荷耦合装置512引导到有效载荷508上的附接点上之外，或者代替所述调整UAV 500的位置，UAV 500可以利用配置为在至少水平方向上重新定位有效载荷耦合装置512的重新定位设备。与通过重新定位UAV 500以操控经由系绳502连接到其上的有效载荷耦合装置512所实现的相比，重新定位设备可以允许对有效载荷耦合装置512的水平位置的更准确的控制。
VII.用于重新定位有效载荷耦合装置的示例设备
图6A、6B和6C示出了用于有效载荷耦合装置的重新定位设备的示例实现方式。即，图6A-6C示出了具有轮子604(每侧一个，在侧视图中仅示出一个轮子)和用于连接到有效载荷的附接点608(仅示出其横截面)的自锁(self-latching)机构的有效载荷耦合装置600。每个轮子可以由相应的马达驱动，以允许有效载荷耦合装置600在环境中移动。自锁机构包括孔(aperture)或开口612、主体606、用于限制主体606的运动范围的止动件(stopper)602以及主体606绕其枢转的枢轴(pivot)610。附接点608可以是手柄或其他配置为与自锁机构机械耦合的匹配机构的部分。
可以将有效载荷耦合装置600放置在地面上，并且可以使用可构成重新定位设备或装置的轮子604来驱动有效载荷耦合装置600朝向有效载荷，以使用闩锁机构接合附接点608，而不是在有效载荷耦合装置600在半空中时，使UAV操控有效载荷耦合装置600到附接点608上。当朝向附接点608驱动有效载荷耦合装置600时，附接点608可以推动主体606，如图6B所示，导致主体606绕枢轴610枢转出。当驱动有效载荷耦合装置600足够靠近有效载荷时，如图6C所示，主体606可以下降，将附接点608闩锁到有效载荷耦合装置600。在一些实现方式中，闩锁机构可以是被动的(即，非致动的)。可替代地，闩锁机构可以是主动的(即，致动的)，允许控制系统选择性地关闭和打开闩锁以接合和脱离有效载荷。
图7A和7B示出了有效载荷耦合装置的替代实现方式。也就是说，有效载荷耦合装置700可以具有由相应的马达驱动的、在其上有效载荷耦合装置可以放置在地面上，且可以用于在环境中重新定位有效载荷耦合装置700的轮子704。有效载荷耦合装置700可以包括孔或开口712和在如图7B所示的关闭位置和如图7A所示的打开位置之间可操作的锁706。可以致动锁706，并且因此锁706可以由控制系统控制，以从有效载荷耦合装置700接合和脱离有效载荷。在一些实现方式中，有效载荷耦合装置的形状、大小和其他设计方面，以及闩锁或锁机构的设计或类型，可以不同于图6A-7B中所示的那些(例如，基于有效载荷耦合装置要耦合到的有效载荷上的手柄或匹配机构的设计)，而不脱离本公开的范围。
图8A、8B、8C、8D和8E示出了具有以轮子704的形式的重新定位设备、用于将有效载荷508耦合到系绳502的有效载荷耦合装置700。首先，控制系统可以使UAV悬停在有效载荷508上方，并通过从线轴504解开系绳502来部署有效载荷耦合装置700，如图8A所示。这可以涉及与绞盘系统协同控制UAV 500的位置，以操纵有效载荷耦合装置700到有效载荷的阈值距离内(例如，几英寸或几英尺)，使得有效载荷耦合装置700不必经过超过阈值距离的距离到达有效载荷508，从而加速有效载荷接合过程。值得注意的是，通过将有效载荷耦合装置700设置在地面上以执行有效载荷拾取，可以减少、最小化或消除有效载荷耦合装置700的振荡。在一些实现方式中，附接点可以在有效载荷508的顶部，并且因此可以将有效载荷耦合装置700放置在有效载荷508的顶部以到达附接点。
如图8B所示，当操纵有效载荷耦合装置700到有效载荷508的阈值距离内并放置在地面上时，可以使UAV 500悬停在有效载荷508上方的固定或近似固定的位置(例如，在设置地点的几厘米内)，以将有效载荷耦合装置700保持在有效载荷的阈值距离内。也就是说，UAV 500的位置可以在空间中固定，以便不会无意地相对于有效载荷508重新定位有效载荷耦合装置700，从而允许使用轮子704相对于有效载荷508重新定位有效载荷耦合装置700。在固定位置悬停可能包括进入“固定位置悬停模式”，该模式可以是“悬停模式”的子集，或者可以是单独的模式。
值得注意的是，将UAV 500悬停在固定位置并依靠轮子704来水平地重新定位有效载荷耦合装置700可以简化将有效载荷508机械地耦合到系绳502的过程。在一些情况下，通过重新定位UAV 500来控制有效载荷耦合装置700的位置可能是困难和不准确的，因为UAV500的移动可能由于系绳502导致有效载荷耦合装置700具有延迟的移动。也就是说，由于系绳502的柔性(compliance)，在UAV 500水平地重新定位之后，有效载荷耦合装置700的水平位置可能不会立即改变。然而，轮子704直接引起有效载荷耦合装置700中的移动，而没有由于系绳502引起的任何延迟。也就是说，通过将重新定位设备放置得更靠近有效载荷耦合装置700，可以减少或消除延迟，并且因此可以比重新定位UAV 500更准确地控制有效载荷耦合装置700的水平位置。尽管如此，重新定位设备及其操作可以与UAV 500的重新定位结合使用，以控制有效载荷耦合装置的水平位置。
控制系统可以控制线轴504以保持系绳502上的张力802。该张力的幅度(例如，T1)可以使得系绳502保持拉紧(taut)(即，不松弛到地面)，并且有效载荷耦合装置700的轮子704保持在地面上，从而允许有效载荷耦合装置700被重新定位，如图8C和8D中的特写所示。当在地面上驱动有效载荷耦合装置700时，保持系绳502远离地面可以防止系绳502成为有效载荷耦合装置700的障碍(例如，与有效载荷耦合装置700纠缠)。当重新定位有效载荷耦合装置700以朝向有效载荷508移动时，可以调整张力802的幅度(例如，从T1到T2)。
在有效载荷耦合装置700仅使用两个轮子的实现方式中，系绳502上的张力也可以操作以保持有效载荷耦合装置700在两个轮子上直立，从而防止有效载荷耦合装置700翻倒并潜在地失去牵引力。值得注意的是，当有效载荷耦合装置700在环境中移动时，使用系绳502上的张力来平衡有效载荷耦合装置700，允许有效载荷耦合装置700保持平衡，而无需使用额外的马达、传感器和用于这种马达的控制操作，从而降低成本和复杂性。
然而，在一些实现方式中，可以允许系绳502松弛和/或落到地面。有效载荷耦合装置700可以配置为使用轮子704来驱动超过或围绕位于地面上的系绳502的部分。此外，有效载荷耦合装置700可以以其他方式保持在轮子704上的平衡。例如，有效载荷耦合装置700可以包括三个或更多个轮子，使得其在轮子上保持固有的平衡。在另一示例中，有效载荷耦合装置700可以在其中包括一个或多个陀螺仪或IMU。来自陀螺仪或IMU的数据可以用于控制驱动轮子704的马达，以保持有效载荷耦合装置在轮子704上的平衡。
在将有效载荷耦合装置700放置在地面上之后，可以驱动轮子704以使有效载荷耦合装置700朝向有效载荷508上的附接点800移动。附接点800可以是手柄或配置为与有效载荷耦合装置700对接或耦合的其他匹配机构。在一些情况下，由UAV 500使用的有效载荷耦合装置的类型可以取决于UAV 500计划运输的有效载荷上的附接点的类型。也就是说，在部署UAV之前，可以基于UAV计划运输的有效载荷上的有效载荷附接点的类型来选择或交换有效载荷耦合装置。
有效载荷耦合装置700移动的轨迹可以基于来自UAV 500或有效载荷耦合装置700上的一个或多个传感器的传感器数据来确定。例如，在一些实现方式中，UAV 500的控制系统可以基于来自UAV 500上的传感器和/或有效载荷耦合装置700上的传感器的传感器数据，确定轨迹并提供控制输入以使轮子704跟随该轨迹。在其他实现方式中，在UAV 500将有效载荷耦合装置700设置在地面上之后，独立于UAV 500的控制系统并且例如在有效载荷耦合装置700上实现的有效载荷耦合装置700的控制系统可以自动地控制轮子704以使有效载荷耦合装置朝向有效载荷508上的附接点移动。也就是说，在有效载荷耦合装置700放置在地面上之后，有效载荷耦合装置700可以作为单独的自动飞行器来操作，以识别有效载荷508，识别有效载荷508上的附接点，并朝向附接点移动以将其自身耦合到有效载荷508。
如图8D和8E所示，有效载荷耦合装置700可以使用锁706将其自身机械地附接到有效载荷508上的附接点800。此后，可以致动线轴504以收回系绳502并提升有效载荷508。一旦有效载荷耦合装置700收回到插座514中，UAV 500可以进入航行模式，并且可以继续将有效载荷508递送到其目的地。
图9A、9B、9C和9D示出了用于控制有效载荷耦合装置512的水平位置的另一示例重新定位设备。即，有效载荷耦合装置512相对于UAV 500的水平位置可以使用连接到UAV 500的机械臂来控制。该臂可以包括筒(barrel)(或主体)900、杆(rod)902和引导件904。主体900相对于UAV 500可旋转或可枢转，杆902相对于主体900可收缩，并且引导件904相对于杆902可枢转。因此，可以该臂可调整以推动或拉动延伸穿过系绳引导件904的系绳502，以控制有效载荷耦合装置512的水平位置，并且在某种程度上也控制垂直位置。在替代实现方式中，该臂可以包括额外的衔接(articulation)和自由度，以允许有效载荷耦合装置512相对于UAV 500的更复杂的重新定位操作。
类似于图8A-8E，在到达有效载荷508的拾取地点时，UAV 500可以通过从线轴504解绕系绳502并与该解绕协同地重新定位自身来部署有效载荷耦合装置512，以将有效载荷耦合装置512引导到有效载荷508的阈值距离内，如图9A所示。此外，重新定位臂的主体900、杆902和引导件904可以从静止位置延伸(例如，如图9D所示)，以允许系绳502向下延伸穿过引导件904。将有效载荷耦合装置512引导到阈值距离内可以涉及将有效载荷耦合装置512引导到固定垂直高度以及引导到远离有效载荷508上的附接点的固定水平距离。垂直高度和水平距离可以是这样的，当重新定位臂将系绳502推到一侧时，如图9B所示，有效载荷耦合装置512将沿着如箭头906所示的弧摆动，以接合有效载荷508上的附接点。在一些实现方式中，当臂推动或拉动系绳502时，可以解绕额外长度的系绳，以允许有效载荷耦合装置512沿着直线而不是弧形水平地行进。
一旦将有效载荷耦合装置512带到有效载荷508的阈值距离内，可以将UAV 500锁在固定位置，使得它不会产生无意地引起有效载荷耦合装置700中的振荡的移动。尽管风、空气密度的变化和其他环境条件可能会干扰UAV 500，但是控制系统可以操作来抵消这种干扰并保持UAV 500尽可能靠近固定位置。当UAV 500处于固定位置时，定位臂可以用于向右拉动系绳502，使有效载荷耦合装置512向有效载荷508摆动并连接到有效载荷508上的附接点，如图8B和8C所示。主体900可以相对于UAV 500枢转，杆902可以收回到主体900中，并且导向件904可以相对于杆902枢转，以产生有效载荷耦合装置512的期望的移动。在一些情况下，可以操作线轴504以解绕额外长度的系绳502，以允许有效载荷耦合装置512与有效载荷508上的附接点重合。
值得注意的是，由于重新定位臂在更靠近有效载荷耦合装置512的点处推动或拉动系绳502，因此与经由重新定位UAV 500所实现的相比，定位臂可以允许对有效载荷耦合装置512的水平位置进行更准确的控制。也就是说，将重新定位臂的运动沿着比UAV 500的运动更短的系绳502的有效长度传递到有效载荷耦合装置，从而允许对有效载荷耦合装置512的更直接的控制。此外，当UAV 500的位置由于各种干扰源而围绕固定位置变化时，可以调整有效载荷耦合装置512的垂直高度和定位臂拉动系绳502的程度以补偿UAV 500的位置的变化，以便控制有效载荷耦合装置512与有效载荷508上的附接点重合。
当有效载荷耦合装置512与有效载荷508上的附接点接合时，如图9C和9D所示，可以致动线轴504以收回系绳502，从而钩住有效载荷508并将其提升离开地面。如图9D所示，重新定位臂也可以收回或折叠为更紧凑的形式，以便在运输过程中不生成额外的阻力。如前所述，有效载荷508和有效载荷耦合装置512可以固定到UAV 500上，并且UAV 500可以继续将有效载荷508运输到其目的地。
图10示出了重新定位设备的额外的实现方式的透视图、侧视图和俯视图。即，图10示出了配有多个可调整鳍或翼片1002、1004、1006和1008的有效载荷耦合装置1000，这些鳍或翼片构成了重新定位设备或装置。由于有效载荷耦合装置1000上的钩凹部(hookrecess)或开口，鳍1004和1006可以小于鳍1002和1008。可替代地，在其他实现方式中，鳍1002-1008可以是均匀大小的，和/或可以包括不同于图10所示的形状、空气动力学特征和设计方面。由于有效载荷耦合装置1000在拾取和放下过程中位于UAV 500的下方，来自UAV500的旋翼或螺旋桨的空气的下压气流流过鳍1002-1008。因此，通过重新定位鳍1002-1008，该下压气流可以用于在有效载荷耦合装置1000上生成力，以在期望的方向上操控有效载荷耦合装置1000。
图11A和11B示出了有效载荷耦合装置1000上的鳍1002-1008如何用于控制有效载荷耦合装置1000以将其机械地耦合到有效载荷508上的附接点。如前所述，一旦到达拾取地点，UAV 500可以部署系绳502，并且通过使UAV 500的位置与系绳502的部署同步，将有效载荷耦合装置1000带到有效载荷508的阈值距离内。然后，UAV 500的位置可以是固定的，并且鳍1002-1008可以用于将有效载荷耦合装置1000引导到有效载荷508的附接点上。在一些实现方式中，可以在有效载荷耦合装置1000被降低时反复地调整鳍1002-1008，以减少或消除有效载荷耦合装置1000的振荡。
图11A中的特写视图示出了鳍1002以顺时针方向转动，以在有效载荷耦合装置1000上生成指向右侧的力(可以类似地调整鳍1008(未示出)以防止有效载荷耦合装置1000绕由系绳502定义的轴旋转)。鳍1004和1006可以用于控制有效载荷耦合装置1000的方位，使得有效载荷耦合装置1000上的挂钩的开口接合有效载荷508上的附接点，使有效载荷耦合装置1000和有效载荷508机械地耦合或附接，如图11B所示。可以通过利用UAV 500的下压气流1100(为了强调放大显示)来生成定位力、重新定向力和稳定力。
如同前面的示例，一旦有效载荷508通过有效载荷耦合装置512耦合到系绳502，可以操作绞盘来提升有效载荷508并将有效载荷508固定到UAV 500的下侧用于运输。此外，在一些实现方式中，鳍1002-1008可以用于与UAV 500的移动协同地控制有效载荷耦合装置1000的水平位置。在一个示例中，可以调整鳍1002-1008，以考虑或补偿由UAV 500执行的移动，从而保持UAV 500在有效载荷508上方的固定位置。
在另一示例中，可以与UAV 500的移动协同地调整鳍1002-1008，该移动旨在主动地重新定位有效载荷耦合装置1000。为了移动有效载荷耦合装置1000以接合有效载荷508，控制系统可以确定有效载荷耦合装置要遵循的轨迹或路径。可以指定沿着该轨迹的运动的第一分量为由UAV 500引起，并且可以指定沿着该轨迹的运动的第二分量为由鳍1002-1008引起。例如，第一和第二分量可以每个是沿着水平方向的距离。由于UAV 500能够做出比鳍1002-1008更大的调整(尽管不太准确)，所以第一分量可能比第二分量大。因此，移动有效载荷耦合装置1000以与有效载荷508上的附接点接合所需的位移的第一部分可以由UAV500生成，且第二部分可以由鳍1002-1008生成。在执行对有效载荷耦合装置1000的位置的这些调整时，控制系统可以考虑UAV 500的移动和UAV 500向有效载荷耦合装置1000的传递之间的不同延迟，以及鳍1002-1008的移动和由此在有效载荷耦合装置1000上的力的更直接的生成。
在一些实现方式中，鳍1002-1008可以是被动的，即未致动的。鳍1002-1008可以通过一个或多个相应的弹簧将鳍1002-1008偏置到图10所示的部署的或接合的配置。当有效载荷耦合装置1000收回到插座514中时，鳍1002-1008可以克服由弹簧提供的偏压(bias)被推入有效载荷耦合装置1000中，从而使鳍1002-1008呈现收起构型。类似地，当有效载荷耦合装置1000被环境中的物体阻碍时，当UAV 500拉动系绳502以打破阻碍时，鳍1002-1008可以被推入收起构型。当部署被动鳍1002-1008时，作为来自UAV 500的下压气流在鳍1002-1008上流过的结果，被动鳍1002-1008可操作以保持有效载荷耦合装置在UAV 500下方居中处。此外，当有效载荷耦合装置1000摆动时，鳍1002-1008可在水平方向上产生额外的阻力。因此，鳍1002-1008可操作来抑制有效载荷耦合装置1000的振荡，从而促进将有效载荷耦合装置1000引导到有效载荷508的阈值距离内并重新定位有效载荷耦合装置1000以机械地耦合有效载荷508的过程。
此外，在一些实现方式中，代替使用鳍1002-1008，有效载荷耦合装置可以配备有一个或多个推进部。例如，一个可操控推进部可以相对于有效载荷耦合装置1000重新定向，以控制推进部推动有效载荷耦合装置1000的方向。可替代地，可以选择性地激活多个固定的推进部，每个推进部指向不同的方向，以根据期望操控有效载荷耦合装置1000。此外，可以使用固定推进部和可操纵推进部的组合。推进部可以使用旋翼、螺旋桨、加压流体或其他推进装置来实现。
一般地，关于上述重新定位设备的一种实现方式描述的重新定位操作可以与所有其他实现方式一起使用。此外，不同的重新定位设备可以组合在一起使用。例如，有效载荷耦合装置可以包括用于在下降和上升期间控制有效载荷耦合装置的鳍，以及用于在有效载荷耦合装置放置在地面上之后控制其水平位置的轮子。
VIII.额外示例操作
图12示出了与UAV拾取有效载荷相关的示例操作的流程图1200。这些操作可以由UAV 1A-1E、UAV 200、系统300、ATSP控制系统401、UAV 500或UAV 500的控制系统和/或一个或多个其他计算设备或系统执行。
框1202可以涉及由控制系统识别环境中要由飞行器拾取的有效载荷。绞盘系统可以连接到飞行器。绞盘系统可以包括设置在线轴上的系绳、可操作以向系绳施加扭矩的马达、以及耦合到系绳的前端并配置为机械地耦合到有效载荷的有效载荷耦合装置。
框1204可以涉及由控制系统控制飞行器悬停在有效载荷上方。
框1206可以涉及由控制系统控制绞盘系统，以通过从线轴解开系绳来部署有效载荷耦合装置。
框1208可以涉及当飞行器悬停在有效载荷上方时，由控制系统从飞行器上的传感器接收指示有效载荷耦合装置相对于有效载荷的位置的传感器数据。
框1210可以涉及，当飞行器悬停在有效载荷上方的固定位置时，由控制系统提供指令，以基于传感器数据，使用配置为在至少水平方向上重新定位有效载荷耦合装置的重新定位设备来在水平方向上重新定位有效载荷耦合装置，以使该有效载荷耦合装置机械地耦合到有效载荷。重新定位设备可以是在图6A-11B中示出和讨论的或在此描述的重新定位设备或装置中的任何一个或其组合。
在一些实施例中，通过以下方式控制飞行器悬停在有效载荷上方，并控制绞盘系统部署有效载荷耦合装置：与绞盘系统协同地控制飞行器的位置，以操纵有效载荷耦合装置到有效载荷的阈值距离内；并且基于操纵有效载荷耦合装置到有效载荷的阈值距离内，使得飞行器悬停在有效载荷上方的固定位置，以将有效载荷耦合装置保持在有效载荷的阈值距离内。
在一些实施例中，可以为有效载荷耦合装置确定轨迹，以使有效载荷耦合装置遵循该轨迹机械地耦合到有效载荷。可以在至少水平方向上定义轨迹。轨迹的一端可以与有效载荷上的有效载荷耦合装置的附接点重合。可以致动重新定位设备以根据轨迹重新定位有效载荷耦合装置。
在一些实施例中，随着有效载荷耦合装置接近轨迹的一端，可以抑制有效载荷耦合装置的振荡，以减小由轨迹指示的位置和有效载荷耦合装置的实际位置之间的差。
在一些实施例中，轨迹可以定义有效载荷耦合装置相对于有效载荷上的附接点的方位。有效载荷耦合装置在轨迹的一端的方位可以与有效载荷上的附接点的方位匹配，以使有效载荷耦合装置与附接点匹配。
在一些实施例中，重新定位设备可以包括耦合到有效载荷耦合装置并由额外的相应马达驱动的轮子。可以控制飞行器悬停在有效载荷上方，并且可以控制绞盘系统通过与绞盘系统协同地控制飞行器的位置来部署有效载荷耦合装置，以将有效载荷耦合装置及有效载荷耦合装置的轮子放置在有效载荷附近环境的表面上。
在一些实施例中，通过基于传感器数据、识别有效载荷上机械地耦合有效载荷耦合装置的附接点，可以在水平方向上重新定位有效载荷耦合装置以使有效载荷耦合装置机械地耦合到有效载荷。可以使额外的相应马达驱动轮子经过表面并朝向附接点，以使用有效载荷耦合装置机械地耦合有效载荷。
在一些实施例中，轮子可以包括两个轮子。当飞行器悬停在有效载荷上方时，可以控制绞盘系统的马达以在在水平方向上重新定位有效载荷耦合装置的同时保持系绳上的张力以保持有效载荷耦合装置在两个轮子上直立。
在一些实施例中，轮子可以包括两个轮子。有效载荷耦合装置可以包括耦合到其上的一个或多个陀螺仪。可以从一个或多个陀螺仪接收指示有效载荷耦合装置的倾斜的数据。基于指示有效载荷耦合装置的倾斜的数据，可以致动一个或多个额外的相应马达，以保持有效载荷耦合装置在两个轮子上直立。
在一些实施例中，重新定位设备可以包括有效载荷耦合装置上的多个可调整的空气动力学特征。可以通过调整有效载荷耦合装置上的可调整空气动力学特征，使用在飞行器悬停在有效载荷上方时、由飞行器生成的空气的下压气流，来在有效载荷耦合装置上生成力，以在水平方向上重新定位有效载荷耦合装置。
在一些实施例中，有效载荷耦合装置可以在其上包括配置为当飞行器悬停在有效载荷上方时，使用由飞行器生成的空气的下压气流来抑制有效载荷耦合装置的振荡的多个被动空气动力学特征。
在一些实施例中，重新定位设备可以包括有效载荷耦合装置上的配置为在一个或多个方向上推动有效载荷耦合装置的一个或多个推进部。通过致动一个或多个推进部以在水平方向上重新定位有效载荷耦合装置，可以在水平方向上重新定位有效载荷耦合装置。
在一些实施例中，重新定位设备可以包括在其第一端连接到飞行器的致动臂。致动臂可在其第二端包括系绳引导件，系绳延伸穿过该系绳引导件。通过致动致动臂以在水平方向推动系绳和有效载荷耦合装置，可以在水平方向上重新定位有效载荷耦合装置。
在一些实施例中，臂可以在其第一端连接到飞行器。该臂可以在其第二端包括系绳引导件，系绳延伸穿过该系绳引导件。该臂可以配置为当飞行器悬停在有效载荷上方的固定位置时，抑制有效载荷耦合装置的振荡。
在一些实施例中，传感器可以设置在有效载荷耦合装置上，并通过绞盘系统耦合到飞行器。
在一些实施例中，可以控制飞行器悬停在有效载荷上方，并且可以控制绞盘系统通过基于传感器数据确定对(i)飞行器的垂直位置，(ii)飞行器的水平位置，以及(iii)从线轴解开系绳的程度进行同步的调整来部署有效载荷耦合装置。可以与绞盘系统协同地调整飞行器的位置，以执行同步的调整。
在一些实施例中，飞行器的位置的调整和有效载荷耦合装置的位置的相应变化之间的延迟可以基于已经从线轴解开的系绳的长度来确定。基于所确定的延迟，可以与绞盘系统协同地调整飞行器的位置。
在一些实施例中，在机械地耦合到有效载荷之后，飞行器可以与绞盘系统协同地控制以拾取有效载荷。
IX.结论
本公开不限于本申请中所描述的特定实施例，其旨在作为各个方面的说明。在不脱离本公开范围的情况下，可以进行多种修改和变化，这对于本领域技术人员来说是清晰的。除了本文列举的那些之外，在本公开范围内的功能等同的方法和装置对于本领域技术人员来说从前面的描述中将是清晰的。这种修改和变化旨在落入所附权利要求的范围内。
以上详细描述参考附图描述了所公开的系统、设备和方法的各种特征和功能。本文和附图中描述的示例实施例并不意味着是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行其他改变。容易理解的是，如本文中一般描述的和附图中示出的，本公开的各方面可以以各种不同的配置来布置、替换、组合、分离和设计，在本文中明确考虑了所有上述内容。
表示信息的处理的块可以对应于可以被配置为执行本文描述的方法或技术的特定逻辑功能的电路。可替代地或附加地，表示信息的处理的块可以对应于模块、段或程序代码的部分(包括相关的数据)。程序代码可以包括由处理器可执行的一个或多个指令，用于实现方法或技术中的特定逻辑功能或动作。程序代码和/或相关的数据可以存储在任何类型的计算机可读介质上，诸如包括磁盘或硬盘驱动器或者其他存储介质的存储设备。
计算机可读介质还可以包括非暂时性计算机可读介质，诸如存储短时期数据的计算机可读介质，如寄存器存储器、处理器高速缓存和随机存取存储器(random accessmemory，RAM)。计算机可读介质还可以包括存储长时期程序代码和/或数据的非暂时性计算机可读介质，诸如二级或永久长期存储，如只读存储器(read only memory，ROM)、光盘或磁盘、光盘只读存储器(compact-disc read only memory，CD-ROM)。计算机可读介质也可以是任何其他易失性或非易失性存储系统。例如，可以认为计算机可读介质是计算机可读存储介质，或者有形存储设备。
此外，表示一个或多个信息传输的块可以对应于同一物理设备中的软件和/或硬件模块之间的信息传输。然而，其他信息传输可以在不同物理设备中的软件模块和/或硬件模块之间进行。
图中所示的特定布置不应被视为限制性的。应当理解，其他实施例可以包括给定附图中所示的或多或少的每个元件。此外，一些图示的元件可以组合或省略。此外，示例实施例可以包括图中未示出的元件。
此外，本说明书或权利要求中的元件、块或步骤的任何列举都是为了清楚的目的。因此，这种列举不应被解释为要求或暗示这些元件、块或步骤遵循特定的布置或以特定的顺序执行。
尽管本文已经公开了各种方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员来说将是清晰的。本文公开的各种方面和实施例是为了说明的目的，而不是为了限制，真正的范围由所附的权利要求指示。

Claims (20)

1.一种飞行器中的系统，包括：
飞行器；
耦合到所述飞行器的传感器；
耦合到所述飞行器的绞盘系统，其中，所述绞盘系统包括设置在线轴上的系绳、可操作以向所述系绳施加扭矩的马达、以及耦合到所述系绳的前端并配置为机械地耦合到有效载荷的有效载荷耦合装置；
重新定位装置，被安装在所述有效载荷耦合装置上并配置为通过直接向所述有效载荷耦合装置施加至少水平力在至少水平方向上重新定位所述有效载荷耦合装置；以及
控制系统，包括处理器和非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质上存储有指令，当由所述处理器执行时，所述指令使得所述处理器执行操作，所述操作包括：
识别环境中要由所述飞行器拾取的所述有效载荷；
控制所述飞行器悬停在所述有效载荷上方；
控制所述绞盘系统通过从所述线轴解开系绳以部署所述有效载荷耦合装置；
当所述飞行器悬停在所述有效载荷上方时，从所述传感器接收指示所述有效载荷耦合装置相对于所述有效载荷的位置的传感器数据；以及
当所述飞行器悬停在所述有效载荷上方时，使用所述重新定位装置并基于所述传感器数据，在水平方向上重新定位所述有效载荷耦合装置，以机械地耦合到所述有效载荷。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，控制所述飞行器悬停在所述有效载荷上方，并控制所述绞盘系统部署所述有效载荷耦合装置包括：
与所述绞盘系统协同地控制所述飞行器的位置，以操纵所述有效载荷耦合装置到所述有效载荷的阈值距离内；以及
基于所述有效载荷耦合装置被操纵到所述有效载荷的阈值距离内，使所述飞行器悬停在所述有效载荷上方的固定位置，以将所述有效载荷耦合装置保持在所述有效载荷的阈值距离内。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述操作还包括：
确定所述有效载荷耦合装置遵循以机械地耦合到所述有效载荷的轨迹，其中在至少水平方向上定义所述轨迹，并且其中，所述轨迹的末端与所述有效载荷耦合装置在所述有效载荷上的附接点重合；以及
致动所述重新定位装置，以根据所述轨迹重新定位所述有效载荷耦合装置。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述操作还包括：
当所述有效载荷耦合装置接近所述轨迹的末端时，抑制所述有效载荷耦合装置的振荡，以减小由所述轨迹指示的位置和所述有效载荷耦合装置的实际位置之间的差。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述轨迹定义了所述有效载荷耦合装置相对于所述有效载荷上的附接点的方位，并且其中，所述有效载荷耦合装置在所述轨迹的末端的方位与所述有效载荷上的附接点的方位相匹配，以使所述有效载荷耦合装置与所述附接点匹配。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述重新定位装置包括耦合到所述有效载荷耦合装置并由额外的相应马达驱动的轮子，并且其中，控制所述飞行器悬停在所述有效载荷上方，并控制所述绞盘系统来部署所述有效载荷耦合装置包括：
与所述绞盘系统协同地控制所述飞行器的位置，以将所述有效载荷耦合装置及所述有效载荷耦合装置的轮子放置在所述有效载荷附近环境的表面上。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，在水平方向上重新定位所述有效载荷耦合装置，以机械地耦合到所述有效载荷包括：
基于所述传感器数据，识别所述有效载荷上机械地耦合所述有效载荷耦合装置的附接点；以及
使得所述额外的相应马达驱动轮子经过所述表面并朝向所述附接点，以使用所述有效载荷耦合装置机械地耦合所述有效载荷。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述轮子包括两个轮子，并且其中所述操作还包括：
当所述飞行器悬停在所述有效载荷上方时，控制所述绞盘系统的马达在在水平方向上重新定位所述有效载荷耦合装置的同时保持所述系绳上的张力以保持所述有效载荷耦合装置在所述两个轮子上直立。
9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述轮子包括两个轮子，其中，所述有效载荷耦合装置包括耦合到其的一个或多个陀螺仪，并且其中，所述操作还包括：
从所述一个或多个陀螺仪接收指示所述有效载荷耦合装置的倾斜的数据；以及
基于指示所述有效载荷耦合装置的倾斜的数据，致动一个或多个额外的相应马达，以保持所述有效载荷耦合装置在所述两个轮子上直立。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述重新定位装置包括所述有效载荷耦合装置上的多个可调整的空气动力学特征，并且其中，在水平方向上重新定位所述有效载荷耦合装置包括：
调整所述有效载荷耦合装置上的所述可调整的空气动力学特征，使用在所述飞行器悬停在所述有效载荷上方时、由所述飞行器生成的空气的下压空气，来在所述有效载荷耦合装置上生成所述水平力，以在水平方向上重新定位所述有效载荷耦合装置。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述有效载荷耦合装置在其上包括多个被动空气动力学特征，所述多个被动空气动力学特征配置为当所述飞行器悬停在所述有效载荷上方时、使用由所述飞行器生成的空气的下压空气来抑制所述有效载荷耦合装置的振荡。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述重新定位装置包括所述有效载荷耦合装置上的配置为在一个或多个方向上推动所述有效载荷耦合装置的一个或多个推进部，并且其中，在水平方向上重新定位所述有效载荷耦合装置包括：
致动所述一个或多个推进部以在水平方向上重新定位所述有效载荷耦合装置。
13.根据权利要求1所述的系统，还包括：
在其第一端连接到所述飞行器的致动臂，其中，所述致动臂在其第二端包括系绳引导件，所述系绳延伸穿过所述系绳引导件，并且其中，在水平方向上重新定位所述有效载荷耦合装置还包括致动所述致动臂以在水平方向推动所述系绳和所述有效载荷耦合装置。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括在其第一端连接到所述飞行器的臂，其中，所述臂在其第二端包括系绳引导件，所述系绳延伸穿过所述系绳引导件，并且其中，所述臂被配置为当所述飞行器悬停在所述有效载荷上方的固定位置时，抑制所述有效载荷耦合装置的振荡。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器设置在所述有效载荷耦合装置上，并且通过所述绞盘系统耦合到所述飞行器。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，控制所述飞行器悬停在所述有效载荷上方，并控制所述绞盘系统部署所述有效载荷耦合装置包括：
基于所述传感器数据，确定对(i)所述飞行器的垂直位置，(ii)所述飞行器的水平位置，以及(iii)从线轴解开所述系绳的程度的同步的调整；以及
与所述绞盘系统协同地调整所述飞行器的位置，以执行所述同步的调整。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述操作还包括：
基于已经从所述线轴解开的所述系绳的长度，确定所述飞行器的位置的调整和所述有效载荷耦合装置的位置的相应变化之间的延迟；以及
基于确定的延迟，与所述绞盘系统协同地调整所述飞行器的位置。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述操作还包括：
在机械地耦合到所述有效载荷后，与所述绞盘系统协同地控制所述飞行器以拾取有效载荷。
19.一种飞行器中的方法，包括：
由控制系统识别环境中要由飞行器拾取的有效载荷，其中，绞盘系统耦合到所述飞行器，其中，所述绞盘系统包括设置在线轴上的系绳、可操作以向所述系绳施加扭矩的马达、以及耦合到所述系绳的前端并配置为机械地耦合到所述有效载荷的有效载荷耦合装置；
由所述控制系统控制所述飞行器悬停在所述有效载荷上方；
由所述控制系统控制所述绞盘系统，以通过从所述线轴解开所述系绳来部署所述有效载荷耦合装置；
当所述飞行器悬停在所述有效载荷上方时，由所述控制系统从所述飞行器上的传感器接收指示所述有效载荷耦合装置相对于所述有效载荷的位置的传感器数据；以及
当所述飞行器悬停在所述有效载荷上方时，基于所述传感器数据并且由所述控制系统提供指令，以使用安装在所述有效载荷耦合装置上并配置为通过直接向所述有效载荷耦合装置施加至少水平力在至少水平方向上重新定位所述有效载荷耦合装置的重新定位装置，来在水平方向上重新定位所述有效载荷耦合装置，以机械地耦合到所述有效载荷。
20.一种飞行器中的其上存储有指令的非暂时性计算机可读存储介质，当由计算设备执行时，所述指令使得所述计算设备执行操作，所述操作包括：
识别环境中要由飞行器拾取的有效载荷，其中，绞盘系统耦合到所述飞行器，其中，所述绞盘系统包括设置在线轴上的系绳、可操作以向所述系绳施加扭矩的马达、以及耦合到所述系绳的前端并配置为机械地耦合到所述有效载荷的有效载荷耦合装置；
控制所述飞行器悬停在所述有效载荷上方；
控制所述绞盘系统通过从所述线轴解开所述系绳来部署所述有效载荷耦合装置；
当所述飞行器悬停在所述有效载荷上方时，从所述飞行器上的传感器接收指示所述有效载荷耦合装置相对于所述有效载荷的位置的传感器数据；以及
当所述飞行器悬停在所述有效载荷上方时，基于所述传感器数据提供指令，以使用安装在所述有效载荷耦合装置上并配置为通过直接向所述有效载荷耦合装置施加至少水平力在至少水平方向上重新定位所述有效载荷耦合装置的重新定位装置，来在水平方向上重新定位所述有效载荷耦合装置，以机械地耦合到所述有效载荷。
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