CN111552310B - 飞行器及其运动规划方法和系统 - Google Patents

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Abstract

对飞行器进行运动规划的方法和系统，包括：运动预先规划单元，借助地面或相关飞行器上的计算单元执行预先规划算法并确定参考轨迹，优选定期沿参考轨迹确定紧急轨迹和置信区间，置信区间给出在无预先规划路线时飞行器操纵的但飞行器不可离开或仅可在预定位置离开的空间体积；存储单元，将关于参考轨迹、置信区间和飞行器与参考轨迹之间的允许偏差的参数存储在飞行器上的数据库中；实时控制单元，通过使用所述参数和置信区间及传感器检测的飞行器系统数据进行实时运动规划；操控自动装置，借助源自实时运动规划的S/R信号操控飞行控制/调节装置，使飞行器沿参考轨迹运动或在给定或需与参考轨迹有偏差时沿置信区间内的实时轨迹或沿紧急轨迹运动。

Description

飞行器及其运动规划方法和系统
技术领域
本公开涉及一种根据方案1的用于对飞行器、尤其是对(分布式电驱动的载重和/或载人的)能垂直起飞和着陆的(VTOL)飞行器(多直升机)进行运动规划的方法。
本公开也涉及根据方案18的用于对飞行器、尤其对(电驱动的)载重和/或载人VTOL飞行器进行运动规划的系统。
最后，本公开涉及根据方案26的飞行器、尤其是(分布式电驱动的能垂直起飞和着陆的)载重和/或载人(VTOL)飞行器。
背景技术
考虑到人口和城市建设的发展，如今需要飞行器、尤其是电驱动的、能垂直起飞和着陆的、载重和/或载人飞行器，这种飞行器尤其在城市环境中可用作未来的运输工具并且即使在未经飞行员培训的情况下未受训练的用户也可进行控制。优选地，这种飞行器甚至可完全自主地飞行。为此，需要全面的运动规划以及相应的运动规划器，以便在飞行操作期间尽可能完全地避免问题、甚至事故。
过去，已经针对这种运动规划器的相应部分方面进行了研究。因此，已经在军事环境中开发和批准了用于创建全面预先规划的、基于地图的任务的规划环境(NASA)。对此，通过定期规划的紧急着陆轨迹来确保安全，该紧急着陆轨迹可在飞行中通过状态机实时选择。在1990年代，就基于地图开发了所谓的GCAS(地面防撞系统)系统，该系统通过有针对性地演习(NASA、空中客车)来自动防止与地形发生碰撞。
完整的任务预先规划(“任务”在此以及在下面与术语“飞行”同义)具有如下缺点，使得在飞行期间的决定能力大大地受限于飞行之前所考虑或所预见的情景。在不确定的环境中、例如在具有多个(可运动的)障碍物的能见度差的城市环境中，这需要完整的预先规划，以便能够在出现不太可能发生的事件之前预见并且考虑到该不太可能发生的事件。在直接的、未经考虑的实施的情况下，这伴随有实际上不再可操作的计算和存储工作。
与必须预先知道飞行器在执行任务期间可能采取的所有可能的飞行状态的纯粹预先规划不同，在飞行平台(飞行器)本身上执行的(实时)规划算法提供更多受限制的透明性，这使得监管机构所需的检查和认证变得困难。此外，计算需求量相当大，并且因此在实时条件下的可执行性可能有问题。通常，所述的(实时)规划算法是基于优化或抽样的方法，该方法没有事先明确已知的决定性行为。这尤其在对载人飞行器的规划环境进行认证时是一种障碍。原则上，有关当局有兴趣确保，在轨迹规划期间或在飞行期间可随时一再地并且确定地发现飞行器(具体)位于何处。
由此，在现有技术中，在控制和规划方法方面都明显不能满足在飞行期间、在高度安全要求(操作安全)和低资源消耗的同时还确保飞机的可追溯的、实时的航行导航和决定性决策(计算效率)。
发明内容
本公开的目的是，对此提供补救并且提供在本文开始处限定的方法和系统，其中，为了提高监管机构的检查和认证，该方法和系统具有较高的透明度并且在合理的计算和存储成本下提供实时可执行性，并且可用于在复杂环境中对安全性要求很高的自主民航导航。
该目的通过具有方案1的特征的方法、具有方案18的特征的系统以及具有方案26的特征的飞行器来实现。根据本公开的思想的改进方案在从属方案中进行限定。
根据本公开的用于对飞行器、尤其是VTOL飞行器、例如分布式电驱动的载重和/或载人多直升机进行运动规划的方法包括：借助地面上或相关飞行器上的计算单元对运动进行预先规划并确定参考轨迹，特别是沿着参考轨迹(理论飞行轨迹)定期对紧急轨迹尤其是紧急着陆轨迹进行预先规划，并且沿着参考轨迹对所谓的置信区间(期望的可允许偏差)进行规范或定义，置信区间各自表示在没有预先规划的路线的情况下飞行器能够操纵的、但是飞行器不可离开或仅可在预定位置离开的空间体积；将参考轨迹的参数和关于飞行器相对于参考轨迹的允许偏差及置信区间(或相应参数)的参数存储在飞行器上的数据库中；通过使用所述参数以及传感器检测的或由外部提供的飞行器环境和系统数据在飞行器上进行实时运动规划，可从环境和系统数据中推导出飞行器的系统状态(例如通过根据模型进行估计或预测)；以及借助从实时运动规划中推导出来的控制/调节信号来操控飞行器的飞行控制/调节装置。在该方法中，以这样的方式操控飞行器的飞行控制/调节装置，使得飞行器要么a)沿着参考轨迹运动要么b)在给定与参考轨迹的偏差(例如由于风的影响)或需要与参考轨迹有偏差(例如由于出现障碍物)的情况下沿着位于置信区间内的实时重新计算的轨迹或沿着紧急轨迹进行运动。
这种用于运动规划的方法克服了决定性规划行为、规划算法的实时可执行性和限定的运行条件下(例如天气和飞行路线)轨迹序列行为的必要可预测性之间的差距，降低了所需的计算和存储成本，并提高了监管机构对航空器运营商的检查(检验)和验证透明度。在此情况下，一个重要的方面是沿着参考轨迹设置所述置信区间，其中每个置信区间分别是一个空间体积，在该空间体积中飞行器原则上在没有精确的预先规划的路线的情况下可在该体积中自由地操纵，因为不存在(已知的)潜在危险，但是飞行器不可离开或仅可在预定位置处离开，从而确保了飞行器的所需定位性。
根据本公开的用于对飞行器、尤其是电驱动的载重和/或载人多直升机进行运动规划的系统包括：运动预先规划单元，其被构造和确定为借助地面上或相关飞行器上的计算单元执行预先规划算法，通过该预先规划算法可确定参考轨迹、特别是沿着参考轨迹定期确定紧急轨迹、尤其是紧急着陆轨迹，并且沿着参考轨迹确定置信区间，置信区间各自给出在没有预先规划的路线的情况下飞行器能够操纵的、但是飞行器不可离开或仅可在预定位置离开的空间体积；存储单元，在该存储单元中可根据运动预先规划单元的指示将参考轨迹的参数、置信区间的参数和关于飞行器相对于参考轨迹的允许偏差的参数存储或可存储在飞行器上的数据库中；飞行器上的实时控制单元，其被构造和确定为，通过使用所述参数和置信区间以及通过传感器检测的或由外部提供的飞行器环境和系统数据进行飞行器的实时运动规划；以及操控装置，其被构造和确定为，借助从实时运动规划中推导出来的控制/调节信号来操控飞行器的飞行控制/调节装置，通过以这样的方式操控或可操控飞行控制/调节装置，使得飞行器要么a)沿着参考轨迹运动要么b)在给定与参考轨迹的偏差或需要与参考轨迹有偏差(见上文)的情况下沿着位于置信区间内的实时轨迹或沿着紧急轨迹进行运动或移动。
根据本公开的飞行器、尤其是VTOL飞行器、优选分布式电驱动的能垂直起飞和着陆的载重和/或载人多直升机形式的飞行器至少包括根据本公开的系统的位于飞行器上的部件或特征、尤其是：(可选的)运动预先规划单元；具有数据库的存储单元；实时控制单元、操控装置；和系统监控器，该系统监控器被构造且确定为，记录并提供关于飞行器的可用数据。
根据本公开的方法的优选改进方案包括：在飞行或任务之前执行运动预先规划，从而获得预先规划结果，该预先规划结果包括参考轨迹(或标称轨迹)和紧急轨迹。这包括对可实现状态的集合的分析，这些状态可通过与参考轨迹的(最大)偏差获得；以及预先给定严格的优先级协议，以便在计算单元(地面上的计算单元或飞行器上的计算单元)上实现具有准决定性行为的实时可执行性。所提到的偏差例如是由飞行器上的测量误差和/或调节/控制偏差引起的。然后，在飞行器上的数据库中存储预先规划结果以及必要时存储优先级协议(如果尚未存在)。基于当前的环境和系统状态来确定飞行器上的状态机，在飞行期间的给定时间点允许使用路线规划模式，借助该路线规划模式可随时通过飞行器到达目的地来结束飞行(任务)或尤其通过可靠的紧急着陆或通过到达备选目的地来可靠地提前结束，其中，根据飞行器上的传感器的传感器数据以及根据外部数据(例如UTM/ATM数据、天气数据等)或根据与其他飞行器优选是同一飞行器的通信来确定当前的环境和系统状态。在飞行期间，飞行器上的计算单元在考虑到可实现状态的集合(可实现集合)以及预定操纵类型的基于优先级协议的严格优先级并同时遵循预定置信区间和指定飞行水平面的情况下，根据所确定的路线规划模式实时自动化地执行运动规划，并且在控制技术方面将实时运动规划的结果应用于飞行器的实时飞行控制。
优选针对每种飞行器类型以及针对每个任务进行计算，因为外部干扰会根据任务概况(例如风、空气密度等)而改变。如果在同一任务中重复使用相同的飞行器类型，即如果(实际上)外部干扰相同，则可省略重新计算。
可实现集合例如可通过以下方式进行考虑，也即相关飞行器由于(针对发动机转速、尾翼设置等)所使用的致动装置的干扰(漂移等)或分辨率不足而尽管名义上沿着参考轨迹运动但理论上会到达空间中的哪些位置。为了表示该数量，可在考虑飞行器不同性能状态(例如标称状态、故障情况、环境条件)的情况下以每条轨迹(可能的飞行路线的包络线)可实现数量的形式提供离散表示。替代或额外地，出于规划的目的，可为飞行器和/或已知的障碍物设置“包罩”、即不可接触到的缓冲区域，或以“包罩”包围飞行器和/或已知的障碍物。
具体来说，根据本公开的方法在相应的设计方案中可假设以下形式：
1.基于3D地图数据以及叠加的额外信息、如禁止飞行区、天气数据、潜在危险地图(这意味着地图中的区域具有不同的潜在情况-不利的区域具有较高的潜在情况，有利的区域具有较低的潜在情况)、紧急着陆地点等，确定标称飞行路线。
2.基于标称飞行路线计算标称轨迹(参考轨迹)。
3.在此基础上，以固定的时间间隔分别针对最有利的紧急着陆地点计算紧急轨迹。
4.基于1-3点的数据，沿着标称轨迹分配置信区间。这些置信区间可叠加，这意味着具有不同功能(例如躲避、等待着陆等)的置信区间可叠加。
5.借助该数据材料，可以要求当局放行飞行，这仍然可能会引起规划的轨迹发生改变(例如可能需要取消单个的(紧急)轨迹)。
6.然后，将当局发布的数据存储在飞行器上并且可被应用于实时规划。
上述第2和3点包括，针对飞行器类型和待规划任务的每个组合执行可实现集合(应理解为最大路线误差/偏差)的分析，如上所述那样。该分析及其结果一同汇入标称轨迹的计算中。
可实现集合与所谓的飞行包络线不同：可实现集合描述相应飞行器类型的飞行机械运行边界。根据所选择的路线规划模式(例如，从点A向点B的正常客机飞行)，仅释放飞行包络线的部分区域(例如，因为乘客通常不允许承受大于1.2g的加速度)，而例如在紧急模式下，自动驾驶仪会释放飞行器的最佳性能(直至飞行包络线的边缘)。
这种预先规划的新型组合，通过考虑了可实现集合、置信区间和严格的优先级协议而实现了具有准决定性行为的实时可执行性。飞行器(优选以嵌入式计算机的形式)上的状态机(尤其以算法或切换逻辑的形式)基于由系统监控器基于(关于飞行器)内部和外部的环境和系统数据确定的当前系统状态进行确定，并依照诸如安全性或效率等标准来确定相应允许的路线规划模式，借助该路线规划模式，可随时结束任务或可靠地提前结束任务。这也称为“故障操作”(到达目的地)或“故障安全”(可靠的紧急着陆或到达备选目的地)。
该规划是根据优先级协议在严格的操纵优先级下执行的，然后，例如在垂直操纵(上升、下降)之前、在水平操纵(侧向躲避)之前进行途中操纵(即在预先规划的飞行路线上操纵，例如制动，见下文)，其中飞行路线可向上/向下或向右/向左离开。同样地，上升可比下降具有更高的优先级。在此，保持定义的置信区间，并且必要时保持指定的飞行水平面(飞行高度)。类似于完全预先规划任务，此处描述的路线规划可给出关于不可到达的位置和状态的精确陈述。通过相应的设计，该方法既可以计算各个飞行轨迹的组合又可以计算针对允许轨迹的在线规划的闭集，其中涉及所有允许飞行路线的(优选保守的、即借助安全缓冲区估计的)并集。
因此，在根据本公开的方法的改进方案中，通过分析可实现状态的集合，确定飞行器允许的单个飞行路线的组合以及飞行路线的至少一个闭集、优选地飞行器允许的所有飞行路线的保守估计并集。所有允许的飞行路线的这种并集优选可包括所有的置信区间和预先规划的参考和紧急轨迹。
由此，虽然存在着严格限制(例如空间延展、受限的飞行性能)，但是可在嵌入式计算机上实时地解决规划难题。
这优选通过经由准离散状态并结合严格的优先级的准决定性预先规划和对所考虑的飞行操纵进行限制来实现。因此，在根据本公开的方法的改进方案中，特别地，通过限制操纵库来在实时飞行控制期间限制所考虑的飞行操纵数量，其中操纵库包括用于路线规划的可能飞行路线或飞行路线区段的有限集合，操纵库保存在飞行器上的数据库中，其中，操纵库优选包括用于飞行器的飞行控制/调节装置的例如查表形式的预定义控制/调节信号，并且最优选地通过使用对称和叠加以优化存储的方式存储在数据库中。
在此，操纵库的使用仅是多种方案中的一种方案。重要的是，在考虑可实现集合的情况下，可在预定时间间隔内进行实时规划。
与纯粹的固定预先规划相比，这在飞行期间提高了规划的灵活性，从而允许整合反应性规划部分(例如避免碰撞或与其他空中交通保持足够的间距-隔离)。此外，在透明度和可验证性保持不变的情况下，大大降低了预先规划的复杂性以及需要保存在飞行器上的规划方案的存储复杂性。
在根据本公开的方法的相应改进方案中，将每个操纵库与飞行器类型(例如飞行性能、新位置)进行适配，从而对于同一类型的所有飞行器而言，可使用从其推导出来的所有飞行路线。这改进了可用性并且降低了成本和时间。
但是，替代地，也可在使用其他规划方法时根据给定飞行器类型的飞行状态来确定可实现集合的表示并重复使用。
通过借助置信区间进行预先规划，可以在起飞之前充分考虑在飞行期间可能发生的每种可能的事件，由此尤其可以确保操作员、空域管理(ANSP：空中航行服务提供商)和航空当局具有可追溯性。
此处描述的路线规划方法根据设计方案而包括以下性能中的一个或多个、优选所有性能：
1.城市环境中的飞行路线的预先规划；
2.考虑着陆地点和紧急着陆方法；
3.用于检测与躲避(DAA)的碰撞避免；
4.与邻近的空中交通隔离(在所谓的“清晰”功能的意义上；通过ATM/UTM空中交通管理或无人飞机系统交通管理进行规范)。
根据设计方案，它基于以下应在起飞之前指定的边缘条件中的一个或多个、优选所有条件：
1.在飞行领域的扩展3D地图中提供着陆地点信息、潜在危险(例如在地面上、在地面附近和在空中)、空域结构、天气信息等，这些信息用作路线规划方法的基础。
2.假定在标称运行期间可能导致偏离飞行路线的干扰作用是有限的(例如最大风力和阵风强度)。
3.飞机的飞行性能参数(例如动力学和运动学)是已知的，并且在飞行控制和规划时被考虑在内。在此，飞行性能参数的正负最大值以及飞行器的结构特性决定了飞行包络线。
4.模型质量(即模型和观察到的飞行行为之间的偏差)。
5.基于第2-4点分析可实现集合(即，由于错误、分辨率不准确等原因，控制器规范可能导致的所有可能状态的并集)。
6.通过考虑可实现集合(参见下面的图1和3)，提供操纵库(即，用于路线规划的可能飞行路线区段的有限集合)，这优选针对给定的飞行器类型而仅执行一次。
7.定义并且提供具有指定属性(例如操纵子集、功能分配)的置信区间的集合或将其与参考轨迹相关联。
在飞行期间可能会进行状态自动化，即自动地执行由状态(在此为系统状态)出现而触发的动作。飞行器的系统状态可从传感器测量值、外部数据和/或基于其的模型预测而得出。
因此，在根据本公开的方法的相应第一改进方案中规定，在起飞之前(以电子形式)提供相关飞行区域的扩展的3D地图，该地图尤其包括着陆地点信息、潜在危险(例如在地面上、在地面附近和在空中)、空域结构、天气信息等并且被用作路线规划方法的基础。
因此，在根据本公开的方法的相应第二改进方案中规定，对可实现集合的分析可以考虑以下影响因素中的至少一个：
-标称运行期间的(外部)干扰作用(例如最大风力和阵风强度)；
-飞行器的飞行性能参数(例如动力学和运动学)(对应于上述飞行包络线)；
-模型质量(即模型和观察到的实际飞行行为之间的偏差)；
从中得出所有可能的飞行路线的并集，其可在考虑所述错误、干扰因素和不精确性的情况下基于参考轨迹从飞行器的飞行控制/调节装置的(允许)操纵中得出。
在根据本公开的方法的范围中，如已经详细阐述的那样，置信区间各自提供在没有预先规划路线的情况下飞行器可以进行操纵、但是飞行器不可或不允许离开或仅可或仅允许在预定位置处离开的(空间、地理)体积。此外，在根据本公开的方法的相应改进方案中，置信区间优选可分别与至少一个特定特性相关联，其中最优选地根据其特性或功能为每个置信区间分配操纵库的子集，其中高度优选地在置信区间内对操纵的执行进行优先级排序(例如根据优先级协议的规定)并且在置信区间内可对功能进行叠加。
置信区间的功能决定了在置信区间内允许的操纵类型(例如等待着陆地点、硬躲避、软躲避等)。根据功能，可加入其他特性。例如，允许的飞行包络线在具有“硬躲避”功能的置信区间中(即使用所有可用储备来营救乘客和飞行器)受到的限制将比在具有“软躲避”功能的置信区间中(在考虑乘客舒适度和系统磨损的情况下的躲避)受到的限制更少。由此，例如可针对相关置信区间释放可能使用的操纵库的不同子集，从而在规划中明确排除某些操纵。
可针对多个功能来释放置信区间。然后，叠加相关功能的特性。然后，根据该方法的实施，所有特性可应用于所有功能，但是优选通过情况区分、根据功能进行释放。
根据该方法的设计，得到多级路线规划过程，其包括以下步骤中的一个或多个、优选所有步骤：
1.在提到的地图上识别紧急着陆地点并且优选根据特定标准(例如安全性、环境的潜在危险、医院、适应性、可实现性等)对紧急着陆地点进行分类。
2.在地面上预先规划最佳参考轨迹，也即在飞行之前进行预先规划或在任务开始之前在用户PC(具有用户操作系统的计算机)上进行预先规划或在起飞之前在飞行器上在飞行器上的嵌入式计算机上进行预先规划。
3.在地面上在用户PC上定期预先规划紧急轨迹或紧急着陆轨迹或在起飞之前在飞行器上预先规划紧急轨迹或紧急着陆轨迹。
4.沿着预先规划的路线(参考轨迹、必要时加上紧急轨迹)定义和分配置信区间。
5.(如果适用的话)在飞行器上在置信区间内沿着参考轨迹实时规划实际飞行路线。对此，连续且重复地优选执行以下步骤：
I.更新系统状态(通过系统监控器，状态机从中更新路线规划模式)
II.基于此，尤其根据位置坐标和所需的动作(例如躲避)来更新待飞行的置信区间(见上文)。
III.在考虑到置信区间特性和优先级协议的情况下，例如通过使用采用有限时间范围的基于模型的规划方法(例如“模型预测控制(MPC)”或“后视范围方法(RHM)”)来更新上一时间步长中计算的飞行路线。
因此，在根据本公开的方法的相应改进方案中，在飞行之前优选依次执行以下步骤：
a.在地图上、尤其在上述3D地图上识别紧急着陆地点并且优选根据特定标准(例如安全性、环境的潜在危险、医院、适应性、可实现性等)对紧急着陆地点进行分类；
b.在计算单元上预先规划最佳参考轨迹；
c.在计算单元上沿着参考轨迹定期预先规划紧急轨迹/紧急着陆轨迹；
d.至少沿着预先规划的参考轨迹、必要时包括紧急轨迹/紧急着陆轨迹来定义和分配置信区间；
为了在实时运动规划时使用，其结果被存储在飞行器的数据库中并且在飞行期间进行携带。
因此，在根据本公开的方法的另一相应改进方案中规定，在实时运动规划期间，由飞行器上的计算单元确定沿着参考轨迹并且位于置信区间内的实际飞行路线。这包括：
i.通过状态机更新路线规划模式；
ii.根据系统状态更新当前待飞行的置信区间；
iii.在考虑到置信区间特性和优先级协议的情况下，例如通过使用采用有限时间范围的基于模型的规划方法(例如“模型预测控制(MPC)”或“后视范围方法(RHM)”)来更新上一时间步长中确定或计算出的飞行路线。
根据设计方案，优选在飞行器上执行申请人开发的针对地面上和飞行期间的可变部分的方法。在此，在飞行器停在地面期间，地面部分的执行位置可以是飞行器机载计算机或外部用户PC，其中在起飞之前在中间步骤中可以将结果从外部用户PC传输给飞行器。实时部分是在飞行中并且在飞行器上的机载计算单元上执行。优选为此目的提供的算法可设计成，不仅可在具有用户操作系统的计算机(用户PC)上执行也可在嵌入式系统上执行。计算机硬件的更精确的规范不是本公开的对象。
因此，在根据本公开的系统的特殊改进方案中规定，实时控制单元被构造成位于飞行器上的计算单元尤其是嵌入式系统或用户PC上，在其上可设置并执行或可执行用于对飞行器进行实时运动规划的算法。
根据本公开的系统的优选改进方案可相应规定，运动预先规划单元被构造为嵌入式系统或用户PC，其中，在飞行器外部的计算单元的情况下，可在起飞之前将预先规划的任务的参数传递给飞行器。
为了简化空间中两点之间的飞行连接的实时规划和实施，可基于现有的地图(参见上面对边缘条件的描述)在地面上执行对任务的部分预先规划。其结果优选存储在飞行器的数据库中并且携带。在数据库的辅助下可明显降低实时算法的复杂性。预先规划和存储成本的降低是有重大意义的优点，在本公开中可实现该优点。
为了在地面上基于任务级别进行预先规划，可将所提到的地图的不同数据层组合(“合并”)成抽象的潜在危险，其根据地理位置代表一种对飞行器及其任务的不期望的影响程度。基于该潜在危险、可达到的紧急着陆地点的数量和类型以及能效的加权成本函数可以可选地被用于对起点与终点之间的预先规划的飞行路线进行优化。然后，可以针对不同的路线规划模式，利用轨迹来扩展通过此种方式创建的飞行路线。以优选固定的路线间隔计算到最近的紧急着陆地点的紧急轨迹，并将其存储在数据库中。对于每个路线间隔，优选在考虑各种飞行器状态(例如标称状态或故障情况，在故障情况下例如至少一个传感器提供不允许的测量值，例如“电池电量过低”)的情况下计算轨迹，并且还计算优化目标并将其存储在数据库中。优化目标可尤其为时间、安全性或能效优化。优选借助已知的准随机路线规划算法来进行路线规划。这迫使决定性的特性。在下一步骤中，优选可沿着这样的路线来规划置信区间，也即如果需要的话飞行器能够在该路线中自由操纵(参见图2)。这些置信区间可与关于其功能、位置和范围的信息一起存储在数据库中。对于每个置信区间，都可通过算法确保保持在对应的区间界限内。如果在外部计算机上进行预先规划，则在飞行之前或任务开始之前将预先规划的数据库传输给飞行器。
因此，在根据本公开的方法的有利改进方案中规定，在飞行器上执行针对地面上和飞行期间的可变部分的方法，其中，在飞行器停在地面期间在地面上执行的部分的执行位置是飞行器上的计算单元或外部计算单元，在起飞之前在中间步骤中将预先规划的结果从外部计算单元传递给飞行器，而在飞行期间执行的部分是在飞行器上的计算单元上执行的，优选地，相关算法被设计为既可在具有用户操作系统的计算机上执行又可以在嵌入式系统上执行。
因此，在根据本公开的方法的另一改进方案中规定，所使用的地图包括不同的数据层并且将地图的不同数据层组合在一起以形成抽象的潜在危险，该潜在危险表示对飞行器及其任务的不期望影响与位置的相关性，从而可使用基于潜在危险、可达到的紧急着陆地点的数量和类型以及能效的加权成本函数来优化起点和终点之间的预先规划的飞行路线。
在根据本公开的方法的又一改进方案中规定，可以针对不同的路线规划模式，利用轨迹来扩展飞行路线，为此目的，可以以固定的路线间隔来计算到最近的紧急着陆地点的紧急轨迹并且将其存储在数据库中，因此，优选地，对于每个路线间隔，在考虑各种飞行器状态的情况下计算轨迹，并且还计算并存储优化目标，这些优化目标可以尤其为时间、安全性或能效优化。
需要指出的是，在根据本公开的方法中规定，优选如上所述的那样，沿着飞行路线来规划置信区间，其中在置信区间中飞行器能够在需要时优选自由地或不受限制地进行操纵。这些置信区间被存储在数据库中，优选带有关于其功能、地理位置和空间范围的信息，其中，最优选地，对于给定的置信区间，通过算法飞行控制技术来确保飞行器留在对应的区间界限内。
在飞行器上的实时规划和执行过程中，预先规划的路线可用作飞行期间的参考轨迹。在飞行期间，优选借助优化方法来计算实际路线，该优化方法通过在有限的时间范围内至少间或地或分段地在每个时间步长中对操纵库中的操纵进行排布来产生跟随参考轨迹的路线，也即不是必须规划至任务结束(这实现了一种特殊类型的操纵自动化)，因此使用操纵库仅为多种方案中的一种方案。
因此，在根据本公开的方法的相应改进方案中可规定，预先规划的飞行路线在飞行期间被用作参考轨迹，而实际的飞行路线是在飞行期间借助优化方法和实时算法通过飞行器上的计算单元来计算的，其中，实际的飞行路线是通过在有限的时间范围内至少间或地或分段地在每个时间步长中对操纵库中的操纵进行排布以产生跟随参考轨迹的飞行路线而产生的。
优选为此目的而使用的实时控制或实时算法包括状态机(见上文)，该状态机基于飞行器当前的传感器检测的系统状态来确定或选择待使用的路线规划模式。针对每个时间步长，所述算法优选在有限数量的离散的预定路线规划模式中进行选择，在本公开的有利的改进方案中，每个路线规划模式都分别与标称路线、紧急轨迹/紧急着陆轨迹或置信区间和对应的操纵子集相对应(参见图3)。优选地，路线规划遵循操纵协议，该操纵协议根据相应提供的方案按等级调节操纵序列。对于每个置信区间，优选通过算法来确保保持在对应的区间界限之内。
因此，在根据本公开的方法的相应改进方案中还可规定，实时算法与状态机交互，该状态机可根据飞行器的能够由传感器确定的当前系统状态来确定或选择路线规划模式，其中，优选地，针对每个时间步长，实时算法可在有限数量的离散的路线规划模式中进行选择，其中每个路线规划模式都分别与预先规划的飞行路线、紧急轨迹/紧急着陆轨迹或置信区间和对应的操纵子集相对应。
根据本公开的系统的优选改进方案可相应地规定，该系统额外地包括飞行器上的状态机，该状态机优选被构造成算法或切换逻辑并且基于系统和环境数据(其可通过飞行器上的传感器进行检测)以及外部数据(例如UTM/ATM数据、天气数据等)来触发(选择)不同的系统行为，其中，状态机在飞行器上并且在飞行期间执行或可执行。
整个任务规划可被划分成若干区段，例如被划分成起飞、(正常)飞行和着陆。针对这些区段中的每个区段，可分别限定不同的优先级和操纵库子集。例如，在起飞或着陆过程期间，示例性地，使操纵水平躲避比垂直躲避(另一可能的操纵)更优先；在飞行期间，这可优选是刚好相反的。
因此，在根据本公开的方法的相应改进方案中有利地规定，将整个运动规划划分成不同的区段，尤其是起飞、飞行和着陆，其中优选地，针对至少部分区段定义不同的优先级协议和操纵库子集。
因此，在根据本公开的方法的另一相应改进方案中规定，遵循优先级协议来产生飞行路线，该优先级协议根据可用选项来调节操纵序列。
如果主管航空当局有相应的规定，则该方法的各个步骤可由当权者批准使用并且以简化的方式被整合到总体批准的解决方案中。
根据本公开的系统的另一改进方案，实时控制单元优选与存储单元和状态机交互，从而基于存储的参数和由状态机触发的系统行为(或选择的路线规划模式)来计算实际的飞行路线并且将相应的控制/调节信号输出给飞行器的飞行控制/调节装置。
优选地，根据本公开的系统的又一改进方案，运动预先规划单元和在其上实施的预先规划算法具有以下输入：1)通用地图格式形式的地图材料和相应的地图数据；和2)起点和目的地坐标，这些输入优选以文本文件的形式输入或通过使用用户界面进行输入；以及具有以下输出：1)优选地理参考的、参数化的或非参数化的轨迹，最优选为表格形式的轨迹；以及2)优选地理参考的置信区间，最优选为表格形式的置信区间。输入数据优选被存储或传输到飞行器上的数据库。
优选地，根据本公开的系统的另一改进方案，飞行器上的数据库包括：
-任务图；
-预先规划中提及的参数，尤其是轨迹和置信区间；
-具有上述相关特征的操纵库。
-具有上述相关特征的优先级协议。
在根据本公开的系统的相应设计方案中，实时算法可包括状态机或至少部分地与状态机相关联。相应地，将飞行器的(尤其是传感器检测的)系统状态作为输入信号而被呈现在系统监控器的输入处，而其输出信号指示相关联的、被选出的路线规划模式以便在路线规划中继续参考。
优选地，在飞行器上的嵌入式计算机上执行的实际的(实时)路线规划算法优选接收以下输入或信号或参数：
1.来自状态估计的状态矢量(该矢量优选基于飞行器的和可能其环境的不同传感器的测量数据中的传感器数据融合)，根据该传感器数据，基于模型可估算出飞行器的物理状态(例如可根据模型预测确定的直接测量值，如压力、温度、GPS数据、转速和加速度推导的如位置角等的变量)；
2.数据库中的参考规划(见上文)；
3.数据库中的操纵库(见上文)；
4.由状态机确定或选出的路线规划模式(见上文)；以及
5.数据库中的操纵优先级(优先级协议)(见上文)。
作为开始日期，优选将路线矢量输出给飞行器的相关致动器的调节和/或操控装置(例如发动机、尾翼等)，通过该调节和/或操控装置可对飞行器的飞行行为产生影响。该矢量可包括位置规范p和其时间导数以及但不限于偏航角Psi(ψ)和其时间导数或可用于飞行控制的其他变量。
因此，在根据本公开的系统的相应的改进方案中可规定，飞行器上的计算单元和在其上实施的路线规划算法具有以下输入：
1.来自状态确定(或状态估计)的状态矢量，该状态矢量优选是基于模型的，所述模型是基于传感器数据融合的，所述传感器数据融合根据来自飞行器的不同传感器的数据而实现；
2.来自数据库的参数；
3.来自数据库的操纵库；
4.来自状态机的涉及系统行为的信号；
5.来自数据库的优先级协议；
以及具有用于路线矢量的输出以输出给调节和/或操控装置，该路线矢量尤其具有位置规范p和其时间导数以及偏航角ψ和其时间导数。
在该说明书中，以下术语是重要的并且应再次简述：
“预先规划单元”优选但是不限于为位于飞机上的计算机(嵌入式计算机或用户PC)，在该计算机上执行预先规划算法。该计算机的位置没有明确定义，因为可为飞行器的机载计算机(在地面的情况下)以及为地面控制台中的外部计算机，其中可将预先规划的任务传递到飞行器上。
“状态机”可采用切换逻辑的形式或采用(基于软件的)算法的形式；状态机优选根据待定义的(可通过飞行器或其传感器检测的)事件来触发不同的系统行为，其中，状态机尤其在预定的路线规划模式中进行选择。状态机位于飞行器上并且在飞行期间执行或运行。优选使用监控算法或综合系统监控器作为状态机的输入，该监控算法或综合系统监控器根据传感器数据确定“飞行器”系统和其环境的各自状态(温度、风速、...以及可能的外部数据)并且将相应的结果(信号)发送给状态机。监控算法/系统监控器本身不是本公开的对象。
“实时控制单元”优选为位于飞行器上的计算机(嵌入式或用户PC)，在其上执行算法以控制飞行器。基于预先规划的结果和状态机的状态预定，在实时控制单元上实时地计算实际飞行路线并且将其发送给飞行调节器(例如上述调节和/或操控装置)。
附图说明
本公开的其他特征和优点从以下根据附图对实施例的描述中得出。
图1示意性地示出了在预先规划运动时可实现的飞行路线的特定集合；
图2示例性地示出了飞行器可自由操纵的置信区间；
图3示出了可预先计算且可组合的操纵的操纵库；
图4示出了具有置信区间的路线预先规划的原理；
图5示出了具有置信区间的实时规划；
图6示出了所描述的路线规划方法和具有相应硬件分配的相应系统的框图；以及
图7示出了图6的系统在多直升机中的应用。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了参考轨迹RT，该参考轨迹在执行预先规划运动时确定。此外，附图标记EM示出了一些可实现的飞行路线(所谓的可实现集合)。附图标记1表示VTOL飞行器，其优选是载人电驱动多直升机，例如申请人企业的2X。附图标记x和z表示(两个)空间方向或空间坐标。图1在很大程度上对应于在飞行区域FG的扩展3D地图中提供着陆地点信息、潜在危险、领空结构等的地图，该地图用作路线规划方法的基础。附图标记2示出了障碍物，即飞行器1的示例性的潜在危险，例如位于x和z对应值处的房屋。附图标记RT表示在预先规划范畴中确定的参考轨迹；区域或空间EM(可能的飞行路线的包络线)描述可能出现的与指令路线或参考轨迹RT之间的有限数量的偏差，该偏差例如可由外部干扰因素产生或由飞行器1的控制/调节变量的分辨率不足而产生。因此，除了已经提及的着陆地点信息、潜在危险、领空结构等，该预先规划优选还包括其他的影响因素，例如标称运行期间的有限的干扰作用(例如最大风力和阵风强度)、飞行器1的飞行性能参数(例如动力学和运动学参数)和模型质量(即，模型和观察到的飞行性能之间的偏差)。由此得出示出的区域FE，该区域表示飞行器1可实现的飞行路线的闭集、优选表示飞行器1原理上可实现的所有飞行路线的保守估计并集(可实现集合)。相应的信息适合于在数据技术上进行处理并且被存储以备后用。
图2以附图标记3示出了置信区间以及位于其中的飞行器，例如根据图1的飞行器1。飞行器在置信区间3中可自由地操纵，但是只能在定义的点P1、P2处飞行(飞入)或离开置信区间。换句话说：置信区间3分别给出三维地理空间，在该地理空间中即使没有预先规划的路线也允许飞行器1(自由地)操纵，但是飞行器不允许或不可或仅允许或仅可在预定位置P1、P2处离开该空间。该相应的信息、尤其是置信区间3的位置和/或大小也可适当地在数据技术上进行处理并且被存储以备后用。置信区间3优选分别与至少一个特定特性关联，其中，最优选地，根据置信区间的特性或功能而为每个置信区间3分配操纵库的子集(参见下文，图3)。最优选地，在置信区间3内严格地对操纵执行进行优先排序(例如根据优先级协议)，并且在置信区间内可对功能进行叠加。在这一点上，补充地参考在概述部分对术语“功能”的定义。
图3示意性地示出了飞行器1的具有预先计算的且可组合的(飞行)操纵的操纵库的图形。坐标x和y指示在飞行区域FG’内的两个可能的空间方向。对于该路线规划，通过考虑可实现集合(EM，参见图1)来提供操纵库(即，可能的飞行路线F1、F2、F3、…的有限集合，以用于路线规划；清晰起见，未示出所有的飞行路线)。由此，与严格的优先排序(例如，飞行路线1比飞行路线2具有更高的优先级，而飞行路线2比飞行路线3具有更高的优先级)相结合，可在对所考虑的飞行操纵数量进行限制的情况下通过准离散状态来实现准决定性的预先规划。在实时飞行控制时，相应地将待考虑的飞行操纵F1、F2、F3、…的数量局限于操纵库。考虑到飞行器1的不同性能状态(例如标称状态、故障情形、环境条件)，将操纵库保存在飞行器1上的数据库中。
图4示出了飞行器从A到B的、具有置信区间3.1-3.5的路线预先规划的原理：经规划的飞行路线或参考轨迹RT经由紧急轨迹N1、N2、N3、…(仅明确示出几个)而被扩展到紧急着陆地点ELSi(i＝1、2、…)以及置信区间3.1-3.5，其中，置信区间3.1-3.5无需完全沿着参考轨迹RT进行布置。在垂直(图4的下部)方向上限定了飞行水平面FL1、FL0、FL-1。在给定的置信区间3.1-3.5中(如果飞行器1处于该置信区间中)，飞行器1的实时控制在现有框架条件内在水平面中自由规划(图4的上部)，并且额外地，在考虑可能的优选级(例如先上升(FL-1向着FL0或FL0向着FL1)再下降(FL1向着FL0或FL0向着FL-1))的情况下，在垂直方向上变换飞行水平面FL1、FL0、FL-1。任务可分成不同的区段或部分，例如起飞(Take-Off)、正常飞行(未示出)和着陆(Landing)，如图所示的那样。
图5示意性地示出了具有置信区间3.1、3.2的飞行路线的实时规划：实时规划单元(实时控制装置，未示出)或配置有实时规划单元的飞行器1可在相关时间点t(未示出)飞过两个置信区间3.1、3.2中的其中一个或标示出的(直线的)参考轨迹RT。飞行器1上的状态机(此处未示出)基于检测到的障碍物2来选择具有对应功能或规格“硬躲避”的置信区间2(附图标记3.2)，这对应于路线规划模式。在置信区间3.2内，直升机(飞行器1)借助对应的(允许的)操纵而相应地越过障碍物2并且之后返回到参考路线(参考轨迹RT)上。在这种情况下，飞行器1(在实时规划的飞行路线AM上)进行水平躲避操纵。根据优先级协议，这可意味着危险或障碍物2识别得太迟，以致于飞行器1不能可靠地在参考轨迹RT上减速(需要更高的优先级)并且垂直空间(更高或更低的飞行水平面，参见图4)被阻挡，因此实际上不能实施优选的操纵，例如上升到另一飞行水平面(参见图4)。
图6示出了所述的路线规划方法和相应的硬件分配的框图。预先规划的详细程度和范围是可变的。
图6中的框图专门示出了用于为飞行器1(参见图1至图5)、尤其为电驱动载重和/或载人多直升机进行运动规划的系统10。系统10包括运动预先规划单元11，该运动预先规划单元被构造和确定为借助在地面上或相关飞行器1上的未详细示出的计算单元来实施预先规划算法12，通过该预先规划算法可确定参考轨迹RT(例如参考图4或图5)。系统10在运动预先规划单元11中包括称为缓存13的存储单元，在该存储单元中根据运动预先规划单元11的规定存储或可存储参考轨迹的参数和关于飞行器与参考轨迹之间的允许偏差的参数。预先规划算法12除了基于可实现集合(参见图1中的附图标记EM)之外还基于地图和元数据15、飞行包络线(即，相应飞行器类型的飞行机械运行限制；可参考在引言部分中的定义)以及起点/目的地坐标16，并且在使用置信区间3.i和紧急轨迹Ni，i＝1、2、…(例如参见图4)的情况下包括例如关于飞行时间或能效的用于路线优化14的标准。由此实现完整的任务预先规划17，其参数(如所述地)存储在存储单元13中。
飞行器1上的实时控制单元18被设置成通过使用(缓存)存储器13中的前述参数对飞行器1进行实时运动规划，这些参数必要时在起飞之前被传输给飞行器1并且在此被存储在任务数据库19中。任务数据库19相应地包括完整的任务预先规划17以及操纵库20(参见图3)、优先级协议21和提及的地图和元数据15(在任务预先规划的外部批准之后进行传输)。此外，实时控制单元18执行实时算法18a，通过实时算法定义状态机22、操纵自动装置23形式的操控装置和路线序列调节器24。状态机22与系统监控器26交互，系统监控器根据传感器测量数据以及系统内部和外部的数据通信(未示出)来确定飞行器1的(系统)状态，即，系统监控器优选检测关于飞行器1的所有可用数据或信息。操纵自动装置23从状态机22获得关于优选预设路线规划模式的信息，状态机22已经根据系统监控器26传输的系统状态选择了该优选预设路线规划模式。路线规划模式包括例如“标称”、“系统性能受限的规划”、“耗油后立即/尽快着陆”、“安全性最佳的规划”等，它们可与相应的系统状态相关联。示例性可能的系统状态为：“标称”、(不同的)紧急情况(例如“电池损坏”、“发动机故障”、“导航故障”、“轻微受限的系统性能”等)或所谓的“应急状态”(例如军事空中交通优先)。上述定义的置信区间，例如躲避、立即紧急着陆、等待等则与此不同。路线规划模式可以与分配给它的操纵(来自操纵库20(参见图3))相关联，和/或与相应的优先级协议21相关联。一般地，状态机22确定(飞行器1的)状态，并且选出至少一个对应的措施(路线规划模式)。然后，操纵自动装置23实时地根据状态估计27、基于任务数据库19中的信息17、20、21并且根据已知系统状态、基于飞行器1的物理模型来确定飞行路线(轨迹)。由此例如可从直接测量的变量(例如压力、温度或转速)中得出与控制相关的参数，如航向角。操纵自动装置23以合适的数据格式向路线序列调节器24提供轨迹，该路线序列调节器相应地借助从实时运动规划中推导出的控制/调节信号S/R来操控飞行器1的飞行控制/调节装置25(路线矢量)，从而影响飞行器1的实际飞行性能。
在示出的系统10中，运动预先规划单元11可被构造成嵌入式系统或用户PC，其中，在计算单元位于飞行器1的外部的情况下，可将预先规划的任务17的参数传输到飞行器1或任务数据库19上。
在示出的系统10中，实时控制单元18被构造成位于飞行器上的计算单元、尤其是嵌入式系统或用户PC，在其上建立并执行或可执行针对飞行器1的实时运动规划的算法18a。
在示出的系统10中，实时控制单元18与存储单元(任务数据库19)和状态机22交互，从而基于存储在任务数据库19中的参数和由状态机22触发的系统行为(路线规划模式)来计算实际的飞行路线(轨迹)，并且将相应的控制/调节信号S/R输出给飞行器1的飞行控制/调节装置25。
最后，图7示例性地示出了图6中的系统在型号为2X的多直升机中的应用，其中，清晰起见没有重新示出图6中的所有部件。为了飞行器1的实时运动规划而执行算法18a的实时控制单元18位于飞行器1上。实时控制单元18经由飞行器1的飞行控制/调节装置25通过控制或调节的方式作用到飞行器1的示例性给出的(驱动)电动机100上(实际上优选作用到飞行器1的所有电动机上以及必要时作用到额外的控制装置上，如控制器等)，电动机100用于驱动转子或螺旋桨101。以这种方式，可在实时路线规划方面影响飞行器1的飞行行为。

Claims (36)

1.一种用于对飞行器(1)进行运动规划的方法，包括：
借助地面或相关飞行器(1)上的计算单元进行运动预先规划并确定参考轨迹(RT)，定期沿着所述参考轨迹(RT)预先规划紧急轨迹(Ni)，并且沿着所述参考轨迹(RT)定义置信区间(3.1-3.5)，所述置信区间(3.1-3.5)各自给出在没有预先规划的路线的情况下所述飞行器(1)能够被操纵的、但是所述飞行器(1)不可离开或仅可在预定位置(P1、P2)离开的空间体积；
将所述参考轨迹(RT)的参数和关于所述飞行器(1)与所述参考轨迹(RT)之间的允许偏差以及所述置信区间(3.1-3.5)的参数存储在所述飞行器(1)上的数据库(19)中；
通过使用所述参数和所述置信区间(3.1-3.5)以及传感器检测的或外部提供的飞行器环境和系统数据在所述飞行器(1)上进行实时运动规划，其中从所述环境和系统数据中能推导出所述飞行器(1)的系统状态；以及
借助从所述实时运动规划中推导出来的控制/调节信号(S/R)来操控所述飞行器(1)的飞行控制/调节装置(25)；
在所述方法中如此操控所述飞行器(1)的所述飞行控制/调节装置(25)，使得所述飞行器(1)：
a)要么沿着所述参考轨迹(RT)运动；或者
b)要么在给定与所述参考轨迹(RT)的偏差或需要与所述参考轨迹有偏差的情况下，沿着位于所述置信区间(3.1-3.5)内的实时轨迹或沿着紧急轨迹进行运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述飞行器(1)为载重和/或载人飞行器。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述飞行器(1)为分布式电驱动VTOL飞行器。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述紧急轨迹(Ni)包括紧急着陆轨迹(N1、N2、…)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在飞行或执行任务之前，在考虑到与所述参考轨迹的最大偏差以及严格优先级协议(21)的情况下，为了在无论是基于地面的计算单元上还是所述飞行器(1)上的计算单元(18)上实现具有准决定性行为的实时可执行性而执行运动预先规划，从而获得预先规划结果(17)，以及
其中，在考虑到与所述参考轨迹的最大偏差和所述置信区间(3.1-3.5)的情况下，将所述预先规划结果(17)以及所述优先级协议(21)存储在所述数据库(19)中，
其中，所述飞行器(1)上的状态机(22)基于当前的环境和系统状态在飞行期间在给定时间确定允许的路线规划模式，借助所述路线规划模式能随时通过所述飞行器(1)到达目的地(B)而结束飞行或通过可靠的紧急着陆或通过到达备选目的地而可靠地提前结束，所述当前的环境和系统状态根据所述飞行器(1)上的传感器的传感器数据以及外部数据得出，
其中，在飞行期间，在考虑到可实现状态的集合或飞行路线以及预定操纵类型的遵守所述优先级协议(21)的严格优先级并同时遵守所定义的所述置信区间(3.1-3.5)和预定义的飞行水平面(FL-1、FL0、FL1)的情况下，通过所述飞行器(1)上的所述计算单元(18)根据所确定的路线规划模式来实时地自动执行运动规划，并且在控制技术方面将实时运动规划结果应用于所述飞行器(1)的实时飞行控制。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在飞行或执行任务之前，确定并验证所有允许的飞行路线的并集。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，通过限定操纵库(20)来限制在实时飞行控制期间所考虑的飞行操纵的数量，所述操纵库(20)包括可能的飞行路线或用于路线规划的飞行路线区段的有限集合，所述操纵库(20)保存在所述飞行器(1)的所述数据库(19)中，其中，所述操纵库(20)包括用于所述飞行器(1)的飞行控制/调节装置(25)的预定义的查表形式的控制/调节信号(S/R)，并且通过使用对称和叠加以优化存储的方式存储在所述数据库(19)中。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，将每个所述操纵库(20)与飞行器类型进行适配，从而对于同一类型的所有飞行器(1)而言可使用从其推导出来的所有飞行路线。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，在起飞之前提供相关飞行领域的地图，所述地图包括着陆地点信息、潜在危险(2)、空域结构并且被用作所述路线规划方法的基础。
10.根据权利要求5或6所述的方法，其中，为了确定与所述参考轨迹(RT)的最大偏差，考虑以下影响因素中的至少一个：
-在标称运行期间对所述飞行器(1)的外部干扰；
-所述飞行器(1)的飞行性能参数；
-所述运动预先规划的模型质量；
该分析得出所有可能的飞行路线的并集，所述飞行路线能基于所述参考轨迹(RT)而从所述飞行器(1)的飞行控制/调节装置(25)的允许操纵中得出。
11.根据权利要求7或8所述的方法，其中，根据所分配的功能而为至少一个所述置信区间(3.1-3.5)分配具有相关特征的所述操纵库(20)的子集，其中，在所述置信区间(3.1-3.5)内使所述操纵的执行严格进行优先级排序。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，在飞行之前依次地执行以下步骤：
a.在地图上识别紧急着陆地点并且根据标准对所述紧急着陆地点进行分类；
b.在所述飞行器(1)外部的计算单元(11)上预先规划最佳参考轨迹(RT)；
c.在所述计算单元(11)上沿着所述参考轨迹(RT)定期预先规划紧急轨迹(Ni)；
d.至少沿着预先规划的参考轨迹(RT)、必要时包括所述紧急轨迹(Ni)来定义和分配所述置信区间(3.1-3.5)；
将其结果存储在所述飞行器(1)上的数据库(19)中并且在飞行期间进行携带，以便在实时运动规划时使用。
13.根据权利要求5所述的方法，其中，在飞行之前依次地执行以下步骤：
a.在地图上识别紧急着陆地点并且根据标准对所述紧急着陆地点进行分类；
b.在所述飞行器(1)外部的计算单元(11)上预先规划最佳参考轨迹(RT)；
c.在所述计算单元(11)上沿着所述参考轨迹(RT)定期预先规划紧急轨迹(Ni)；
d.至少沿着预先规划的参考轨迹(RT)、必要时包括所述紧急轨迹(Ni)来定义和分配所述置信区间(3.1-3.5)；
将其结果存储在所述飞行器(1)上的数据库(19)中并且在飞行期间进行携带，以便在实时运动规划时使用。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述紧急轨迹(Ni)包括紧急着陆轨迹(Ni)。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，在实时运动规划期间，通过所述飞行器(1)上的计算单元(18)确定沿着所述参考轨迹(RT)并且位于所述置信区间(3.1-3.5)内的实际飞行路线，所述方法包括：
i.通过所述状态机(22)更新所述路线规划模式；
ii.根据所述系统状态更新当前待飞行的置信区间(3.1-3.5)；
iii.在考虑到置信区间特性和所述优先级协议(21)的情况下，通过使用采用有限时间范围的基于模型的规划方法或通过使用采用多项式和航路点的基于样条线的规划方法来更新上一时间步长中计算的飞行路线。
16.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述地图的不同数据层组合成抽象的潜在危险，所述潜在危险根据位置(x、y、z)代表对所述飞行器(1)及其任务的不期望的影响程度，从而基于所述潜在危险、可达到的紧急着陆地点的数量和类型以及能效的加权成本函数能用于优化起点(A)和终点(B)之间的预先规划的飞行路线。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述置信区间(3.1-3.5)以及对其功能、位置和范围的描述被存储在所述数据库(19)中，其中，针对每个所述置信区间(3.1-3.5)，通过算法确保保持在对应的区间界限内。
18.根据权利要求5所述的方法，其中，预先规划的飞行路线在飞行期间被用作所述参考轨迹(RT)，而实际的飞行路线是在飞行期间借助优化方法和实时算法通过所述飞行器(1)上的计算单元(18)来计算的并作为实时运动规划的一部分，所述实际的飞行路线是通过在有限的时间范围内至少间或地在每个时间步长中对具有相关特征的操纵库(20)中的操纵进行排布以产生跟随所述参考轨迹(RT)的飞行路线而产生的；
其中，通过限定所述操纵库(20)来限制在实时飞行控制期间所考虑的飞行操纵的数量，所述操纵库(20)包括可能的飞行路线或用于路线规划的飞行路线区段的有限集合，所述操纵库(20)保存在所述飞行器(1)的数据库(19)中，其中，所述操纵库(20)包括用于所述飞行器(1)的飞行控制/调节装置(25)的预定义的查表形式的控制/调节信号(S/R)，并且通过使用对称和叠加以优化存储的方式存储在所述数据库(19)中。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述实时算法与所述状态机(22)交互，所述状态机根据当前系统状态确定所述路线规划模式，其中，所述实时算法针对每个时间步长在有限数量的离散的路线规划模式中进行选择，其中每个所述路线规划模式都分别与预先规划的飞行路线、紧急轨迹或所述置信区间(3.1-3.5)和对应的具有相关特征的操纵子集相对应，其中，所述操纵子集为所述操纵库(20)中的飞行操纵的子集并根据所分配的功能而被分配给至少一个所述置信区间(3.1-3.5)。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，遵循所述优先级协议(21)来产生飞行路线，所述优先级协议根据可用选项来调节操纵序列。
21.根据权利要求5所述的方法，其中，将整个运动规划划分成不同的区段，所述区段包括起飞、正常飞行和着陆，并且为至少若干区段定义不同的所述优先级协议(21)和具有相关特征的操纵库(20)的子集；
其中，通过限定所述操纵库(20)来限制在实时飞行控制期间所考虑的飞行操纵的数量，所述操纵库(20)包括可能的飞行路线或用于路线规划的飞行路线区段的有限集合，所述操纵库(20)保存在所述飞行器(1)的数据库(19)中，其中，所述操纵库(20)包括用于所述飞行器(1)的飞行控制/调节装置(25)的预定义的查表形式的控制/调节信号(S/R)，并且通过使用对称和叠加以优化存储的方式存储在所述数据库(19)中。
22.根据权利要求5所述的方法，在所述飞行器(1)上执行针对地面上和飞行期间的可变部分的方法，其中，在所述飞行器(1)停在地面期间在地面上执行的部分的执行位置是所述飞行器(1)上的计算单元(18)或外部的计算单元(11)，在起飞之前在中间步骤中将所述预先规划结果(17)从所述外部的计算单元(11)传递到所述飞行器(1)上，而在飞行期间执行的部分是在所述飞行器(1)上的计算单元(18)上执行的，其中，相关算法(18a)被设计为既可在具有用户操作系统的计算机(18)上执行又可以在嵌入式系统上执行。
23.一种用于对飞行器(1)进行运动规划的系统(10)，包括：
运动预先规划单元(11)，其被构造和确定为借助地面上或相关飞行器(1)上的计算单元执行预先规划算法(12)，通过所述预先规划算法确定参考轨迹(RT)，并定期沿着所述参考轨迹(RT)预先规划紧急轨迹(Ni)，并且沿着所述参考轨迹(RT)确定置信区间(3.1-3.5)，所述置信区间(3.1-3.5)各自给出在没有预先规划的路线的情况下所述飞行器(1)能够被操纵的、但是所述飞行器(1)不可离开或仅可在预定位置(P1、P2)离开的空间体积；
存储单元，在所述存储单元中根据所述运动预先规划单元(11)的指示将所述参考轨迹(RT)的参数、所述置信区间(3.1-3.5)的参数和关于所述飞行器(1)与所述参考轨迹(RT)之间的允许偏差的参数存储或可存储在所述飞行器(1)上的数据库(19)中；
所述飞行器(1)上的实时控制单元(18)，其被构造和确定为通过使用所述参数和所述置信区间(3.1-3.5)以及传感器检测的或外部提供的所述飞行器(1)的环境和系统数据来进行所述飞行器(1)的实时运动规划；和
操控自动装置(23)，其被构造和确定为借助从所述实时运动规划中推导出来的控制/调节信号(S/R)来操控所述飞行器(1)的飞行控制/调节装置(24、25)，其中通过如此操控或可操控所述飞行器(1)的飞行控制/调节装置(24、25)，使得所述飞行器(1)：
a)要么沿着所述参考轨迹(RT)运动；或者
b)要么在给定与所述参考轨迹(RT)的偏差或需要与所述参考轨迹有偏差的情况下，沿着位于所述置信区间(3.1-3.5)内的实时轨迹或沿着紧急轨迹进行运动或可运动。
24.根据权利要求23所述的系统(10)，其中，所述飞行器(1)为载重和/或载人飞行器。
25.根据权利要求23所述的系统(10)，其中，所述飞行器(1)为分布式电驱动VTOL飞行器。
26.根据权利要求23所述的系统(10)，其中，所述紧急轨迹(Ni)包括紧急着陆轨迹(N1、N2、…)。
27.根据权利要求23所述的系统(10)，其中，所述运动预先规划单元(11)被构造成嵌入式系统或用户PC，其中，在所述飞行器(1)外部的计算单元(11)的情况下，能将预先规划任务的参数(17)传递到所述飞行器(1)上。
28.根据权利要求23所述的系统(10)，所述系统还包括所述飞行器(1)上的状态机(22)，所述状态机被构造成算法并且根据所述飞行器(1)的由传感器检测的系统数据来触发不同的系统行为，其中，所述状态机(22)在所述飞行器(1)上并且在飞行期间被执行或可执行。
29.根据权利要求28所述的系统(10)，其中，所述实时控制单元(18)被构造为位于所述飞行器(1)上的计算单元，在其上设置并执行或可执行用于对所述飞行器(1)进行实时运动规划的算法(18a)。
30.根据权利要求28或29所述的系统(10)，其中，所述实时控制单元(18)与所述数据库(19)和所述状态机(22)交互，从而基于存储的参数和由所述状态机(22)触发的系统行为计算实际的飞行路线并且将相应的控制/调节信号(S/R)输出给所述飞行器(1)的飞行控制/调节装置(24、25)。
31.根据权利要求23所述的系统(10)，其中，所述运动预先规划单元(11)和在其上实施的预先规划算法具有以下输入：1)通用地图格式形式的地图材料和相应的地图数据(15)；和2)起点和目的地坐标(16)，这些输入以文本文件的形式输入或借助用户界面来输入；以及
具有以下输出：1)地理参考的、参数化的或非参数化的轨迹；以及2)地理参考的置信区间。
32.根据权利要求23所述的系统(10)，其中，位于所述飞行器(1)上的数据库(19)包括：
-任务图(15)；
-预先规划(17)中提及的参数，该参数包括轨迹(RT)和置信区间(3.1-3.5)；
-具有相关特征的操纵库(20)，其中，通过限定所述操纵库(20)来限制在实时飞行控制期间所考虑的飞行操纵的数量，所述操纵库(20)包括可能的飞行路线或用于路线规划的飞行路线区段的有限集合，所述操纵库(20)保存在所述飞行器(1)的数据库(19)中，其中，所述操纵库(20)包括用于所述飞行器(1)的飞行控制/调节装置(25)的预定义的查表形式的控制/调节信号(S/R)，并且通过使用对称和叠加以优化存储的方式存储在所述数据库(19)中；
-具有相关特征的优先级协议(21)。
33.根据权利要求23所述的系统(10)，其中，所述飞行器(1)上的计算单元(18)和在其上执行的路线规划算法(18a)具有以下输入：
1)来自状态确定的状态矢量，该状态矢量是根据所述飞行器(1)的不同传感器的数据的传感器数据融合的状态估计，借助模型预测根据所述状态估计来估计所述状态矢量；
2)所述数据库(19)中的参数；
3)所述数据库(19)中的操纵库(20)，其中，通过限定所述操纵库(20)来限制在实时飞行控制期间所考虑的飞行操纵的数量，所述操纵库(20)包括可能的飞行路线或用于路线规划的飞行路线区段的有限集合，所述操纵库(20)保存在所述飞行器(1)的数据库(19)中，其中，所述操纵库(20)包括用于所述飞行器(1)的飞行控制/调节装置(25)的预定义的查表形式的控制/调节信号(S/R)，并且通过使用对称和叠加以优化存储的方式存储在所述数据库(19)中；
4)状态机(22)的关于系统行为的信号，其中，所述状态机(22)被构造成算法并且根据所述飞行器(1)的由传感器检测的系统数据来触发不同的系统行为；
5)所述数据库(19)中的优先级协议(21)；
以及用于路线矢量的给所述调节和/或操控装置(24、25)的输出。
34.根据权利要求33所述的系统(10)，其中，所述路线矢量为具有位置规范p和其时间导数以及偏航角ψ和其时间导数的路线矢量。
35.一种飞行器(1)，所述飞行器(1)具有根据权利要求22至33中任一项所述的位于所述飞行器(1)上的部件或特征，并且包括：
可选的运动预先规划单元(11)；
具有数据库(19)的存储单元；
实时控制单元(18)；
操控自动装置(23)；和
系统监控器，所述系统监控器被构造且确定为记录并提供关于所述飞行器(1)的可用数据。
36.根据权利要求35所述的飞行器(1)，其中，所述飞行器(1)为分布式电驱动的能垂直起飞和着陆的载重和/或载人多直升机。
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