CN111819422A - 用于确定用于垂直起降(vtol)飞行器的飞行计划的方法和系统 - Google Patents

用于确定用于垂直起降(vtol)飞行器的飞行计划的方法和系统 Download PDF

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CN111819422A CN201980017326.6A CN201980017326A CN111819422A CN 111819422 A CN111819422 A CN 111819422A CN 201980017326 A CN201980017326 A CN 201980017326A CN 111819422 A CN111819422 A CN 111819422A
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Abstract

系统、设备和方法，用于：由具有可寻址存储器(1427)的处理器(1424)接收表示用于由飞行器的一个或更多个传感器成像的地理区域的数据(1302)；确定覆盖该地理区域的一个或更多个直线段(1304)；确定位于每个所确定的直线段的端部处的一个或更多个航路点(1306)，其中每个航路点包括地理位置、海拔高度和行进方向；确定连接直线段中的每一个的一个或更多个转弯(1308)，其中每个转弯包括一个或更多个连接段；以及由处理器生成用于飞行器的飞行计划(1314)，该飞行计划包括：所确定的一个或更多个直线段和连接每个直线段的所确定的一个或更多个转弯。

Description

用于确定用于垂直起降(VTOL)飞行器的飞行计划的方法和 系统
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2018年1月29日提交的第62/623,473号美国临时专利申请的优先权和权益，其内容为了所有目的据此通过引用并入本文。
技术领域
实施方案总体上涉及无人驾驶飞行器(UAV)，且更具体地涉及用于UAV的飞行计划。
背景
无人驾驶飞行器(UAV)历史上一直通过各种方式操作，这些方式包括由远程操作员或飞行员直接或手动控制，以及由UAV执行的预编程操作。由远程操作员手动飞行控制带来了各种问题，包括控制的准确性和定时，这通常会导致操作的质量、效率和速度的显著降低。
概述
方法实施方案可以包括：由具有可寻址存储器的处理器接收表示用于由飞行器的一个或更多个传感器成像的地理区域的数据；由所述处理器确定覆盖所述地理区域的一个或更多个直线段；由所述处理器确定位于每个所确定的直线段的端部处的一个或更多个航路点，其中每个航路点包括地理位置、海拔高度(altitude)和行进方向；由所述处理器确定连接所述直线段中的每一个的一个或更多个转弯(turnarounds)，其中每个转弯包括一个或更多个连接段；以及由所述处理器生成用于所述飞行器的飞行计划，所述飞行计划包括：所确定的一个或更多个直线段和连接每个直线段的所确定的一个或更多个转弯。
在另外的方法实施方案中，飞行器可以是垂直起降(VTOL)飞行器。用于成像的地理区域可以包括植被。所确定的一个或更多个直线段可以基于期望的图像分辨率和期望的图像重叠中的至少一个在用于成像的所述地理区域内间隔开。确定覆盖所述地理区域的所述一个或更多个直线段还可以包括：由所述处理器基于每个直线段以设定增量进行的旋转来确定一个或更多个飞行路径；以及由所述处理器选择所确定的一个或更多个飞行路径中的以所述设定增量中的一个增量由所述飞行器使用最少能量完成的飞行路径。所选择的飞行路径可以基于以下项中的至少一个：风速、风向、所述地理区域的形状、所述地理区域的尺寸以及所述地理区域中任何障碍物的存在。
在另外的方法实施方案中，所确定的一个或更多个直线段中的每一个可以大体上平行于其他所确定的一个或更多个直线段中的每一个。每个航路点的所述行进方向可以是当所述飞行器通过所述航路点时所述飞行器的行进方向。一个或更多个连接段包括以下项中的至少一个：一个或更多个弧形段(arcuate segments)和一个或更多个直线连接部。一个或更多个连接段可以基于飞行器特性。一个或更多个连接段中的每一个可以包括起点、中点和终点。
另外的方法实施方案可以包括：由所述处理器确定从所述飞行器的起飞位置到所述一个或更多个航路点中的第一个航路点的路径，其中所述第一个航路点是在所述飞行器起飞之后由所述飞行器到达的第一个航路点，和/或由所述处理器确定从所述一个或更多个航路点中的最后一个航路点到所述飞行器的着陆位置的路径，其中所述最后一个航路点是在所述飞行器着陆之前由所述飞行器到达的最后一个航路点。所生成的飞行路径还可以包括：从所述飞行器的所述起飞位置到所述第一个航路点的所确定的路径，以及从所述最后一个航路点到所述飞行器的所述着陆位置的所确定的路径。另外的方法实施方案可以包括由所述处理器基于飞行器特性将所生成的用于所述飞行器的飞行计划分成两个或更多个飞行计划。
系统实施方案可以包括：飞行器，所述飞行器具有用于成像的一个或更多个传感器；以及处理器，所述处理器具有可寻址存储器，所述处理器被配置成：接收表示用于由所述飞行器的所述一个或更多个传感器成像的地理区域的数据；确定覆盖所述地理区域的一个或更多个直线段；确定位于每个所确定的直线段的端部处的一个或更多个航路点，其中每个航路点包括地理位置、海拔高度和行进方向；确定连接所述直线段中的每一个的一个或更多个转弯，其中每个转弯包括一个或更多个连接段；以及生成用于所述飞行器的飞行计划，所述飞行计划包括：所确定的一个或更多个直线段和连接每个直线段的所确定的一个或更多个转弯。
在另外的系统实施方案中，飞行器可以是垂直起降(VTOL)飞行器。所确定的一个或更多个直线段可以基于期望的图像分辨率和期望的图像重叠中的至少一个在用于成像的所述地理区域内间隔开，并且其中所确定的一个或更多个直线段中的每一个可以大体上平行于其他所确定的一个或更多个直线段中的每一个。每个航路点的所述行进方向是当所述飞行器通过所述航路点时所述飞行器的行进方向。
另一方法实施方案可以包括：接收表示用于由飞行器的一个或更多个传感器成像的地理区域的数据；基于期望的图像分辨率和期望的重叠中的至少一个确定覆盖所述地理区域的一个或更多个直线段；确定位于每个所确定的直线段的端部处的一个或更多个航路点，其中每个航路点包括地理位置、海拔高度和行进方向；确定连接所述直线段中的每一个的一个或更多个转弯，其中每个转弯包括一个或更多个连接段，其中所述一个或更多个连接段包括以下项中的至少一个：一个或更多个弧形段和一个或更多个直线连接部，并且其中所述一个或更多个连接段基于飞行器特性；确定从所述飞行器的起飞位置到所述一个或更多个航路点中的第一个航路点的路径；确定从所述一个或更多个航路点中的最后一个航路点到所述飞行器的着陆位置的路径；以及生成用于所述飞行器的飞行计划，所述飞行计划包括：从所述飞行器的所述起飞位置到所述第一个航路点的所确定的路径、所确定的一个或更多个直线段、连接每个直线段的所确定的一个或更多个转弯以及从所述最后一个航路点到所述飞行器的所述着陆位置的所确定的路径。
附图简述
图中的部件不一定按比例绘制，相反强调了说明本发明的原理。在全部不同的视图中，相同的参考数字指示对应的部分。在附图的图中通过示例而非限制的方式图示了实施方案，其中：
图1描绘了具有由地面控制站控制的飞行器的空中运载工具系统(air vehiclesystem)；
图2描绘了垂直起降(VTOL)飞行器的实施方案的透视图；
图3描绘了具有带有可寻址存储器的处理器的示例性飞行跟踪模块；
图4描绘了由航路点(waypoints)确定的UAV飞行的方法400的概念性图示；
图5描绘了根据本发明的实施方案的确定高能效飞行计划的直线飞行段的概念性图示；
图6描绘了根据本发明的实施方案的生成能够连接以形成高能效飞行计划的飞行段的概念性图示；
图7描绘了根据本发明的实施方案的用于确定用于VTOL飞行器的飞行计划的过程；
图8描绘了根据本发明的实施方案的所确定的飞行计划；
图9描绘了试验(proof)的输出图，该试验指示了待由UAV传感器覆盖的地理区域的每一行可以在给定次数的通过中被覆盖；
图10A描绘了地理区域被UAV的传感器覆盖；
图10B描绘了图10A的地理区域上的重叠的传感器区域矩形；
图10C描绘了提供图10B的地理区域的重叠的多个重叠的传感器区域矩形；
图11A描绘了用于覆盖待成像的地理区域的直线段的飞行计划优化；
图11B描绘了用于覆盖图11A的地理区域的直线段的飞行计划优化，其中直线段被旋转；
图11C描绘了用于覆盖图11A的地理区域的直线段的飞行计划优化，其中直线段进一步被旋转；
图12A描绘了生成连接覆盖待成像的地理区域的直线段的飞行路径；
图12B描绘了用于构造连接图12A中的直线段的转弯的飞行段的库(library)；
图13描绘了用于生成飞行路径以对地理区域进行成像的方法的流程图；以及
图14图示了成像系统的计算设备实施方案的示例性顶级功能框图。
详细描述
本系统允许为对地理区域进行成像的飞行器创建飞行路径。直线段覆盖了待成像的地理区域。一个或更多个航路点位于每个直线段的端部处。每个航路点包含地理位置、海拔高度和行进方向。行进方向是当飞行器通过航路点时飞行器将行进的方向。一个或更多个转弯将直线段连接在一起。转弯包括弧形段和/或直线部分。通过提供行进方向和转弯，所公开的系统确保飞行器大体上与每个直线段成一直线，滑出轨道现象(overshoot)被消除，并且整个地理区域以高分辨率成像，具有期望的重叠，并且具有最小的误差。
所公开的UAV具有允许自动化操作的控制系统。在这样的自动化系统中，航路点可以由用户编程到飞行系统中，以指示UAV在哪里飞行。航路点可以是空间中的点，或者是地图位置，诸如经度和纬度，其中海拔高度与之相关联。一旦被编程，那么航路点可以按照待飞行的顺序被设定。然而，UAV不能在穿过一个航路点时立即改变方向。例如，一旦UAV到达第一个航路点，它可能必须转向以改变方向以到达第二个航路点，这可能导致滑出轨道现象。每次穿过一个航路点时都可能出现这种滑出轨道现象。因此，连续航路点的使用可能导致UAV的不均匀且潜在的低效运行。使用附加的航路点可能会减少一些不利影响，但增加航路点的数量会为飞行的设置和准备增加大量的工作量和复杂性。
在许多实施方案中，该方法包括：接收表示用于由垂直起降(VTOL)飞行器飞过的地理区域的几何数据；确定用于飞过该地理区域的多个飞行段，其中至少一个飞行段基于几何数据和飞行器特性；基于多个飞行段确定用于飞行器的飞行计划；以及启动飞行器飞行计划。在多种实施方案中，多个飞行段可以包括弧形飞行路径，其中每个飞行路径基于飞行器速度和海拔高度。在附加的实施方案中，该方法还可以包括获取地理区域上的飞行条件，并基于获取的飞行条件更新飞行计划。在进一步的实施方案中，获取的飞行条件可以包括风速、当前VTOL飞行器电池电量和确定的物理障碍物中的一种或更多种。在几种实施方案中，飞行器特性可以包括VTOL飞行器重量、当前VTOL飞行器电池电量和VTOL飞行器的预定机动性特性中的至少一种。
图1描绘了具有由地面控制站120控制的飞行器110的空中运载工具系统100。飞行器100在图1中以水平定向示出，诸如它将在向前飞行期间被定位。地面控制站(GCS)120可以经由机载控制系统操作飞行器100的马达。马达的操作可以向飞行器100施加力和扭矩两者。在许多实施方案中，GCS可以与飞行器100通信，以基于由用户对GCS的输入来确定用于给定地面区域的飞行计划。飞行计划可以包括允许飞行器100用照相机和/或传感器覆盖来覆盖整个限定的地理区域的连续路线。在多种实施方案中，飞行计划包括顺序布置以便于飞行器100覆盖由用户在GCS 120上输入的整个地理区域的飞行段。
在几种实施方案中，飞行段是限定高度和速度的弧形飞行路径。在附加的实施方案中，飞行段可以由一系列数据点组成，这些数据点包括但不限于起点、终点、段标识号和段类型标识。在还有的附加的实施方案中，起点和/或终点包括经度点和纬度点以及海拔高度。在另外的实施方案中，起点和/或终点还可以包括期望的速度标记，该速度标记指示当到达起点和/或终点时飞行器应该行进的速度。在进一步的实施方案中，起点和/或终点可以是许多类型中的一种，包括但不限于直线、弧形、起飞、定向转变、悬停或着陆。在另外的实施方案中，飞行段还可以包括指示飞行器是否应该在飞行段期间成像的二进制标志(binary flag)。在更进一步的实施方案中，飞行段还可以包含基于其他数据遵循的一组控制法则的指示。作为示例且非限制，可以实施控制法则，该控制法则在成像发生时限制飞行器的横滚。在另外的实施方案中，弧形飞行段可以由一系列三个点限定，这三个点可以指示半径、中心和行进方向(顺时针或逆时针)。再次在另外的实施方案中，限定弧形飞行段的三个点可以指示弧形飞行路径的起点、终点和中点。
图2描绘了垂直起降(VTOL)飞行器200的实施方案的透视图。飞行器200可能能够垂直起飞和着陆、悬停、垂直飞行、在垂直定向上操纵、在垂直飞行和水平飞行之间转变以及在向前飞行期间在水平定向上操纵。飞行器200可以由机载控制系统控制，该机载控制系统调整对马达232b、233b、242b、243b和控制表面222、224中的每一个的推力。机载控制系统可以包括具有可寻址存储器的处理器，并且可以施加马达232b、233b、242b、243b的差动推力，以对飞行器200施加力和扭矩两者。
飞行器200包括机身210和从机身210的两侧延伸的机翼220。机翼220可以包括定位在机身210的任一侧上的控制表面222、224。在一些实施方案中，机翼220可以不包括任何控制表面以减小重量和复杂性。在水平飞行期间，机翼220的顶侧或第一侧228可以相对于地面被向上定向。在水平飞行期间，机翼220的底侧或第二侧226可以相对于地面被向下定向。机翼220定位在机翼平面225中和/或周围。机翼平面225可以平行于由如图2中示出的x-y-z坐标系限定的x-y平面，其中x方向朝向飞行器200的纵向轴线，并且y方向朝向沿着机翼220出来的方向。机翼220可以大致位于机翼平面225上和/或与机翼平面225对齐。在一些实施方案中，机翼220可以限定或以其它方式具有翼的平面形状，该平面形状限定一平面，机翼关于该平面至少对称地被定位。
一个或更多个传感器204可以在第二侧226上设置在飞行器200的机身210中，以在水平向前飞行期间捕获数据。传感器204可以是照相机，并且在飞行器200的飞行期间捕获的任何图像可以被存储和/或传输到外部设备。传感器204可以相对于飞行器200的机身210是固定的或可枢转的。在一些实施方案中，传感器204可以基于任务的需要而被交换，诸如使用用于夜间飞行的红外相机替换LIDAR(激光雷达)。在多种实施方案中，传感器204可能能够获取允许飞行器200的周围的三百六十度视角的数据。
飞行器200被描绘为处于垂直定向，因为它将在起飞之前或着陆之后被定位在地面上。起落架203可以将飞行器200保持在该垂直定向上。在一些实施方案中，起落架203可以在飞行器200的水平向前飞行期间充当垂直稳定器。
第一马达组件230设置在机翼220的远离机身210的第一端或尖端处。第一马达组件230包括一对马达舱232、233，该对马达舱232、233包括舱结构232a、233a和马达232b、233b；小翼238、239；以及螺旋桨234、235。顶部左舷马达舱(top port motor pod)232可以包括支撑顶部左舷马达232b的顶部左舷舱结构232a。旋翼或螺旋桨234可以由顶部左舷马达232b驱动，以向飞行器200提供推力。顶部左舷马达舱232可以设置在机翼220的第一侧228上，并可以通过间隔件或小翼238与机翼220的第一端分离。马达232b在螺旋桨234上施加力矩或扭矩以使它旋转，并且在这样做时在飞行器200上施加相反的力矩或扭矩236。相反的力矩236用于旋转或推动飞行器200围绕其质心202旋转。力矩236可以随着螺旋桨234的速度而变化以及当螺旋桨234加速或减速时变化。螺旋桨234可以是固定或可变距螺旋桨。
马达232b和螺旋桨234的旋转轴线与垂直方向成角度但与小翼238的平面和/或与垂直于机翼平面225的平面对齐使得由螺旋桨234的操作产生的推力的一个分量在x方向上是竖直的(vertical)并且该推力的另一分量在负z方向上垂直于机翼220。推力的这个垂直分量可以对沿机翼220至飞行器200的质心202的力矩臂起作用，以赋予力矩来使或至少促使飞行器200在飞行器200处于垂直飞行时围绕它的垂直轴线旋转，并且在航空器处于向前水平飞行时围绕水平轴线横滚。在一些实施方案中，推力的垂直于机翼220的或负z方向的该分量也可以被施加在螺旋桨234处的从航空器200的质心202移位一定距离的位置处，以便向飞行器200施加力矩来使或至少促使飞行器200围绕它的质心202俯仰。这种俯仰可以引起或至少便于飞行器200从垂直飞行到水平飞行以及从水平飞行到垂直飞行的转变。
底部左舷马达舱233可以包括支撑底部左舷马达233b的底部左舷舱结构233a。底部左舷马达233b与顶部左舷马达232b相对地设置在机翼220的第二侧226上。旋翼或螺旋桨235可以由底部左舷马达233b驱动，以向飞行器200提供推力。底部左舷马达舱233可以设置在机翼220的第二侧226上，并可以通过间隔件或小翼239与机翼220的第一端分离。
马达233b在螺旋桨235上施加力矩或扭矩以使它旋转，并且在这样做时在飞行器200上施加相反的力矩或扭矩237。相反的力矩237用于旋转或推动飞行器200围绕其质心202旋转。力矩237可以随着螺旋桨235的速度而变化以及当螺旋桨235加速或减速时变化。螺旋桨235可以是固定或可变距螺旋桨。
马达舱233、马达233b和螺旋桨235可以都被对齐以便当处于小翼239的平面内时在机翼220的第二侧226的方向上向下、在z方向上从x-y平面向下、与垂直方向成角度，使得由螺旋桨235产生的任何力及其力分量应对齐小翼239的平面和/或位于小翼239的平面内，从而最小化或不产生小翼239的平面的侧向力。马达233b和螺旋桨235的对齐可以是它们各自的旋转轴线的同轴对齐。
马达233b和螺旋桨235的轴线与垂直的x方向的角度可以从5度变化到35度。在一种实施方案中，该角度可以与垂直方向成大约10度。马达233b和螺旋桨235的轴线的角度可以由在垂直飞行中提供足够的偏航和/或在水平飞行中提供足够的横滚所需的期望侧向力分量(诸如，克服机翼220上的风效应所必需的侧向力分量)来确定。这个角度可以被最小化，以最大化用于垂直飞行的垂直推力分量和用于水平飞行的向前推力分量。
马达233b和螺旋桨235的旋转轴线与垂直方向成角度但与小翼239的平面和/或与垂直于机翼平面225的平面对齐使得由螺旋桨235的操作产生的推力的分量在x方向上是竖直的并且该推力的另一分量在z方向上垂直于机翼220。推力的这个垂直分量可以对沿机翼220至飞行器200的质心202的力矩臂起作用，以赋予力矩来使或至少促使飞行器200在飞行器200处于垂直飞行时围绕它的垂直轴线旋转，并且在航空器处于向前水平飞行时围绕水平轴线横滚。在一些实施方案中，推力的垂直于机翼220的或z方向的该分量也可以被施加在螺旋桨235处的从航空器200的质心202移位一定距离的位置中，以便向飞行器200施加力矩来使或至少促使飞行器200围绕它的质心202俯仰。这种俯仰可以引起或至少便于飞行器200从垂直飞行到水平飞行以及从水平飞行到垂直飞行的转变。
第二马达组件240设置在机翼220的远离机身210且远离第一马达组件230的第二端或尖端处。第二马达组件240包括一对马达舱242、243，该对马达舱242、243包括舱结构242a、243a和马达242b、243b；小翼248、249；以及螺旋桨244、245。顶部右舷马达舱243可以包括支撑顶部右舷马达243b的顶部右舷舱结构243a。旋翼或螺旋桨245可以由顶部右舷马达243b驱动，以向飞行器200提供推力。顶部右舷马达舱243可以设置在机翼220的第一侧228上，并可以通过间隔件或小翼249与机翼220的第二端分离。马达243b在螺旋桨245上施加力矩或扭矩以使它旋转，并且在这样做时在飞行器200上施加相反的力矩或扭矩247。相反的力矩247用于旋转或推动飞行器200围绕其质心202旋转。力矩247可以随着螺旋桨245的速度而变化以及当螺旋桨245加速或减速时变化。螺旋桨245可以是固定或可变距螺旋桨。
马达舱243、马达243b和螺旋桨245都可以被对齐以便当处于在小翼249的平面内时在机翼220的第一侧228的方向上向上、在负z方向上从x-y平面向上、与垂直方向成角度，使得由螺旋桨247产生的任何力及其力分量应对齐小翼249的平面和/或位于小翼249的平面内，从而最小化或不产生小翼249的平面的侧向力。马达243b和螺旋桨245的对齐可以是它们各自的旋转轴线的同轴对齐。
马达243b和螺旋桨245的轴线与垂直的x方向的角度可以从5度变化到35度。在一种实施方案中，该角度可以与垂直方向成大约10度。马达243b和螺旋桨245的轴线的角度可以由在垂直飞行中提供足够的偏航和/或在水平飞行中提供足够的横滚所需的期望侧向力分量(诸如，克服机翼220上的风效应所必需的侧向力分量)来确定。这个角度可以被最小化，以最大化用于垂直飞行的垂直推力分量和用于水平飞行的向前推力分量。
马达243b和螺旋桨245的旋转轴线与垂直方向成角度但与小翼249的平面和/或与垂直于机翼平面225的平面对齐使得由螺旋桨245的操作产生的推力的分量在x方向上是竖直的并且该推力的另一分量在负z方向上垂直于机翼220。推力的这个垂直分量可以对沿机翼220至飞行器200的质心202的力矩臂起作用，以赋予力矩来使或至少促使飞行器200在飞行器200处于垂直飞行时围绕它的垂直轴线旋转，并且在航空器处于向前水平飞行中时围绕水平轴线横滚。在一些实施方案中，推力的垂直于机翼220的或负z方向的该分量也可以被施加在螺旋桨245处的从航空器200的质心202移位一定距离的位置处，以便向飞行器200施加力矩来使或至少促使飞行器200围绕它的质心202俯仰。这种俯仰可以引起或至少便于飞行器200从垂直飞行到水平飞行以及从水平飞行到垂直飞行的转变。
底部右舷马达舱242可以包括支撑底部右舷马达242b的底部右舷舱结构242a。底部右舷马达242b与顶部右舷马达243b相对地设置在机翼220的第二侧226上。旋翼或螺旋桨244可以由底部右舷马达242b驱动，以向飞行器200提供推力。底部右舷马达舱242可以设置在机翼220的第二侧226上，并可以通过间隔件或小翼248与机翼220的第二端分离。
马达舱242、马达242b和螺旋桨244可以都被对齐以便当处于小翼248的平面内时在机翼220的第二侧226的方向上向下、在z方向上从x-y平面向下、与垂直方向成角度，使得由螺旋桨244产生的任何力及其力分量应对齐小翼248的平面和/或处于小翼248的平面内，从而最小化或不产生小翼248的平面的侧向力。马达242b和螺旋桨244的对齐可以是它们各自的旋转轴线的同轴对齐。
马达242b和螺旋桨244的轴线与垂直的x方向的角度可以从5度变化到35度。在一种实施方案中，该角度可以与垂直方向成大约10度。马达242b和螺旋桨244的轴线的角度可以由在垂直飞行中提供足够的偏航和/或在水平飞行中提供足够的横滚所需的期望侧向力分量(诸如，克服机翼220上的风效应所必需的侧向力分量)来确定。这个角度可以被最小化，以最大化用于垂直飞行的垂直推力分量和用于水平飞行的向前推力分量。
马达242b在螺旋桨244上施加力矩或扭矩以使它旋转，并且在这样做时在飞行器200上施加相反的力矩或扭矩246。相反的力矩246用于旋转或推动飞行器200围绕其质心202旋转。力矩246可以随着螺旋桨244的速度而变化以及当螺旋桨244加速或减速时变化。螺旋桨244可以是固定或可变距螺旋桨。
马达242b和螺旋桨244的旋转轴线与垂直方向成角度但与小翼248的平面和/或与垂直于机翼平面225的平面对齐使得由螺旋桨244的操作产生的推力的分量在x方向上是竖直的并且该推力的另一分量在z方向上垂直于机翼220。推力的这个垂直分量可以对沿机翼220至飞行器200的质心202的力矩臂起作用，以赋予力矩来使或至少促使飞行器200在飞行器200处于垂直飞行时围绕它的垂直轴线旋转，并且在航空器处于向前水平飞行时围绕水平轴线横滚。在一些实施方案中，推力的垂直于机翼220的或z方向的该分量也可以被施加在螺旋桨244处的从航空器200的质心202移位一定距离的位置处，以便向飞行器200施加力矩来使或至少促使飞行器200围绕它的质心202俯仰。这种俯仰可以引起或至少便于飞行器200从垂直飞行到水平飞行以及从水平飞行到垂直飞行的转变。
马达232b、233b、242b、243b操作使得在用于固定距旋翼的推力或旋转方面的变化以及成对马达所产生的扭矩或力矩可以产生施加到飞行器200的合力矩(resultingmoment)，以用受控方式移动飞行器200。由于马达232b、233b、242b、243b中的每一个从航空器纵向中心线、在悬停中从垂直方向和在向前水平飞行中从水平方向的偏离角度(anglingoff)，除了由马达232b、233b、242b、243b的操作的差异所赋予的力矩之外，互补的力分量也被产生并被施加到飞行器200，以用同样的方式移动飞行器200。
在水平飞行中增加对顶部两个马达232b、243b的推力并且减小对底部两个马达233b、242b的推力将使飞行器200下俯。在水平飞行中减小对顶部两个马达232b、243b的推力并且增加对底部两个马达233b、242b的推力将使飞行器200上仰。在顶部两个马达232b、243b的推力和底部两个马达233b、242b的推力之间的差可用于控制飞行器200在水平飞行期间的俯仰。在一些实施方案中，机翼220上的控制表面222、224也可用于补充飞行器200的俯仰控制。需要顶部马达和底部马达通过它们各自的小翼分离，以产生飞行器200的俯仰力矩。
在水平飞行中增加对顶部左舷马达232b和底部右舷马达242b的推力并且减小对顶部右舷马达243b和底部左舷马达233b的推力将使飞行器200相对于飞行器200的后视图顺时针横滚。在水平飞行中减小对顶部左舷马达232b和底部右舷马达242b的推力并且增加对顶部右舷马达243b和底部左舷马达233b的推力将使飞行器200相对于飞行器200的后视图逆时针横滚。在顶部左舷马达和底部右舷马达的推力与顶部右舷马达和底部左舷马达的推力之间的差可以用于控制飞行器200在水平飞行期间的横滚。在一些实施方案中，机翼220上的控制表面222、224也可用于补充飞行器200的横滚控制。
在水平飞行中增加对两个左舷马达232b、233b的推力并且减小对两个右舷马达242b、243b的推力将使飞行器200向右舷偏航。在水平飞行中减小对两个左舷马达232b、233b的推力并且增加对两个右舷马达242b、243b的推力将使飞行器200向左舷偏航。在顶部右舷马达242b和底部右舷马达243b的推力与顶部左舷马达232b和底部左舷马达233b的推力之间的差可以用于控制飞行器200在水平飞行期间的偏航。
图3描绘了具有带有可寻址存储器300的处理器的示例性飞行跟踪模块。飞行跟踪模块302可以包括处理器304和存储器306。飞行跟踪模块302可以是独立于UAV控制器308的设备，或者与UAV控制器308集成。在更进一步的实施方案中，地面控制系统可以确定飞行计划，然后该飞行计划被传送到UAV。在更进一步的实施方案中，飞行计划可以由诸如手机或平板电脑的移动计算设备确定，并且然后传送到UAV。飞行跟踪模块302、UAV控制器308、输入端和输出端之间的集成程度可以基于系统部件的可靠性而变化。将飞行跟踪模块302与UAV控制器308分开为飞行跟踪模块302提供了在飞行计划中对UAV的飞行的最终监督控制。
飞行跟踪模块302可以接收定义飞行边界310的输入。飞行边界310可以提供定义UAV的飞行边界和/或其被禁止的空域的数据。飞行边界310可以从外部源(例如，来自第三方服务器的地理围栏(geofence))下载并存储在飞行跟踪模块302的存储器306中。飞行边界310可以在UAV起飞之前被加载和/或在飞行期间被动态更新，例如由于变化的条件和/或更新的飞行边界。在一些实施方案中，可以将飞行边界310预先加载到存储器306中。
飞行跟踪模块302还可以从感测与规避系统(sense and avoid system)312接收输入。感测与规避系统312可以是雷达、声纳、光学传感器和/或LIDAR系统。感测与规避系统312可以提供关于可能碰撞和/或以其他方式干扰UAV的操作的任何物体(例如，塔台、高大树木和/或其他航空器)的信息。感测与规避系统312还可以接收来自其他航空器的输入，例如来自紧急飞行器的信号，该信号通知航空器由于消防活动而不进入空域。感测与规避系统312和飞行边界310的输入可以被飞行跟踪模块302使用以基于这些变化的条件更新飞行计划。
飞行跟踪模块302还可以从全球定位系统(GPS)314和惯性测量单元(IMU)316接收输入，以确定UAV位置。飞行跟踪模块302可以使用高度计318输入来确定UAV海拔高度。GPS314、IMU 316和高度计318可以是仅向飞行跟踪模块302提供输入的单独和/或冗余设备。在一些实施方案中，飞行跟踪模块302和UAV控制器308两者可以使用GPS 314、IMU316和/或高度计318。在一些实施方案中，飞行跟踪模块302可以将接收到的一个或更多个输入(310、312、314、316、318)传递到UAV控制器308，在UAV中的相应设备出故障的情况下作为备份和/或由于由飞行跟踪模块302接收的设备输入的更高的系统完整性而用于主要使用。在一些实施方案中，接收的输入(310、312、314、316、318)可以作为UAV飞行数据的“黑匣子”记录被存储在飞行跟踪模块302的存储器306中。
可以使用电池320来为飞行跟踪模块302供电。位置输入(314、316)和海拔高度输入318可以与飞行边界输入310和感测与规避系统输入312组合使用，以由飞行跟踪模块302的处理器304确定给定由UAV控制器308和/或UAV操作员322确定的期望覆盖区域和/或飞行几何形状的所确定的飞行计划。
飞行计划可以是动态的，并且为UAV操作员322和/或UAV控制器308的UAV自动驾驶仪提供基于之前或随后获取的数据更好地优化UAV轨迹的机会。飞行跟踪控制器302可以经由收发器326向UAV操作员322发送状态信号324。UAV操作员322可以使用具有带有可寻址存储器的UAV操作员控制器处理器的UAV操作员控制器。UAV控制器处理器可以接收UAV的状态，其中，状态可以包括关于以下项中的至少一个的数据：UAV电源320、UAV控制器308、UAV导航设备、UAV无线电装置和至少一个推进设备。如果确定的UAV飞行计划需要基于新获取的数据进行调整，则UAV控制器处理器也可以接收警告。
图4描绘了由航路点440A、440B、440C、440D、440E确定的UAV飞行的方法400的概念性图示。UAV 410的飞行计划被编程为使得UAV410以预先定义的顺序通过每个航路点440A、440B、440C、440D、440E。在该示例中，UAV 410可以飞往第一个航路点440A。在飞向(headingtoward)初始航路点440A的过程中，UAV 410不考虑任何其他航路点或位置几何形状，诸如被覆盖的地理区域405的场地几何形状。UAV 410开始从UAV410的当前位置飞向第一个航路点440A的过程。在完成到第一个航路点440A的行进后，UAV 410然后评估第二个航路点440B的位置。一旦确定了第二个航路点440B的位置，UAV 410可以试图创建其当前位置和第二个航路点440B的位置之间的最短路线。
在一些实施方案中，这产生了UAV 410可能进行窄转向(narrow turn)的情况，这可能导致UAV 410消耗更多能量并产生较低能效的路线。在其他实施方案中，由于飞行器特性，UAV 410可能进行次优转向(sub-optimal turn)420A。该次优转向420A可以产生与感测的期望路径430的偏移435。这可能导致地理区域405的一部分未被UAV 410的传感器捕获。同样，当UAV 410到达第二个航路点440B时，第三个航路点440C被确定为下一个要飞向的位置。这导致第二次次优转向420B到下一个航路点440C。该第二次次优转向420B可能潜在地产生地理区域405的未被UAV 410的传感器捕获的附加部分。当到达第三个航路点440C并且使用第四个航路点440D时，该过程重复，从而导致第三次次优转向420C。一旦到达第四个航路点440D并且确定了最终航路点440E，则UAV 410可以进行第四次次优转向420D。
UAV 410需要来自UAV传感器的一致的图像，以便创建可以用于检查和/或分析的数据，并且每次次优转向420A、420B、420C、420D可能产生不一致，这可能导致较低的图像质量、分析中的误差等。在一些实施方案中，UAV 410试图创建其当前位置和下一个航路点的位置之间的最短路线。在许多情况下，这会产生这样一种情况，即UAV可能试图进行转向，该转向对于其最小转向半径来说太小，从而导致UAV偏离待覆盖的陆地上的直线路线。UAV随后可以修正其路线，导致偏离直线路线430的偏移435。在许多实施方案中，该偏移435可能导致陆地区域的没有被UAV上的传感器捕获的区域。在多种实施方案中，待成像的地理区域405上的航路点440A、440B、440C、440D、440E的数量和位置可能导致多个偏移。
图5描绘了根据本发明的实施方案的确定高能效飞行计划的直线飞行段的概念性图示。在许多实施方案中，飞行计划确定500可以通过评估待由UAV 510传感器成像的地理区域505来完成。UAV 510可以具有确定的传感器能力区域，其可以由覆盖的宽度来表示。在多种实施方案中，这种确定可以通过将一系列传感器区域矩形520A、520B、520C覆盖在陆地505区域上来实现，该一系列传感器区域矩形对应于在UAV 510在陆地505上飞行一系列直线540A、540B、540C的情况下将由UAV 510传感器覆盖的陆地505的区域。在许多实施方案中，每个传感器区域矩形520A、520B、520C可以具有显著的重叠，如图10C中所示，以允许将图像拼接在一起，但是为了说明的目的，这里将其表示为邻接的矩形。在一些实施方案中，传感器区域矩形520A、520B、520C可以以试图最小化被覆盖两次的陆地505的量的方式被重叠，同时试图确保陆地505的整个区域在至少一次通过中被UAV 510传感器覆盖。在附加的实施方案中，通过首先确定UAV 510的起点530A和终点530B、在两个点530A、530B之间生成直线540A并且通过将传感器区域矩形520A的宽度与UAV 510的传感器能力的宽度或距离相关联来生成传感器区域矩形520A的宽度，可以生成传感器区域矩形520A、520B、520C。同样，在另外的实施方案中，可以通过评估UAV510的起点530A、530C、530E和终点530B、530D、530F并在相应的点对530A、530B、530C、530D、530E、540F之间生成直线540A、540B、540C来确定传感器区域矩形520B、520C。在进一步的实施方案中，传感器区域矩形520A、520B、520C的确定的起点和终点可以互换，即，根据应用，起点可以用作终点，且反之亦然。在进一步的附加实施方案中，起点和终点530A、530B、530C、530D、530E、540F可以由UAV系统评估，以用于经由附加的直线和/或弧形路径来连接，以便创建覆盖整个陆地505区域的线性的整体飞行计划。飞行路径还可以包括起飞和着陆到起点和终点530A、530B、530C、530D、530E、540F和/或从起点和终点530A、530B、530C、530D、530E、540F起飞和着陆。
图6描绘了根据本发明的实施方案的生成能够连接以形成高能效飞行计划的飞行段的概念性图示。飞行段生成过程600可以包括评估一系列直线620A、620B、620C，这些直线被确定为允许整个地理区域605被UAV610的一个或更多个传感器的传感器覆盖。另外，在某些实施方案中，起点660可以被评估为UAV 610的发射点。UAV系统可以生成UAV 610能够飞行的一系列潜在的线和/或弧形路径。在附加的实施方案中，潜在的线和/或弧形路径可以由外部源(诸如但不限于基于UAV 610的特性的飞行段形状的库)提供。在另外的实施方案中，飞行段的潜在的线和/或弧形路径可以具有与每个相应形状相关联的相关联的长度或总能量消耗。在进一步的实施方案中，UAV系统可以通过下述方式来生成飞行计划，即，通过连接直线620A、620B、620C的起点和终点，使得只有起点6360和终点630A可以具有到其他点的单个连接并且每个其他剩余点被限制成与两个其他点连接。在另外的实施方案中，飞行计划可以以减少与所使用的飞行段的总和相关联的总长度和/或能量消耗的额外目标来生成。
举例来说，在某些实施方案中，飞行段生成过程600可以通过生成弧线650B、640B接着是直线630B来连接起点660和终点630A，这可以允许UAV 610以使得UAV 610在UAV 610通过航路点时朝向期望的方向通过每个航路点的方式转向。在某些进一步的实施方案中，该过程可以无限地重复，直到待成像的整个地理区域605被UAV 610的一个或更多个传感器覆盖。在又一实施方案中，所使用的曲线和/或飞行段的类型可以产生这样的飞行路径，即，跳过传感器区域矩形的连续行，而在飞行路径中稍后完成被跳过的行，如图12A中所示。当UAV 610的转向半径大于传感器区域矩形的单行的间距时，这可能经常发生。
UAV 610的起飞和着陆位置可以位于地理区域605内或者位于地理区域605外。UAV610可以从其起飞位置飞到起始航路点660。UAV 610可以从其终点航路点飞到其着陆位置。起飞位置和着陆位置可以是相同的位置或不同的位置。可以优化飞行路径，以便最小化飞行路径距离，包括从起飞位置飞到起始航路点660以及从终点航路点630A飞到着陆位置的时间。在图6中所示的示例中，仅示出了三个直线段620A、620B、620C，这导致起始航路点660位于地理区域605的与终点航路点630A相反的一侧上。在具有多于三个直线段的飞行计划中，飞行路径可以被优化，使得起始航路点和终点航路点彼此靠近地布置和/或布置在待成像的地理区域605的同一侧上。
所公开的系统中的每个航路点660、659、658、630A包括位置、海拔高度和方向。例如，起始航路点660可以具有基于纬度和经度坐标的地理位置。起始航路点660也可以具有海拔高度。海拔高度可以是大约平均海平面(MSL)的高度和/或地面高度。例如，如果纬度和经度位置起始航路点660高于待成像的地理区域605的其他部分，那么MSL上方的高度可以更高，使得从UAV 610的一个或更多个成像仪到地面的距离保持大体上恒定。在其他实施方案中，UAV 610的海拔高度可以保持在大体上恒定的MSL处，而不管地面高度的变化。
期望的高度可能取决于成像仪特性、UAV特性和/或任何规定。在一种实施方案中，高度可以是大约100米。每个航路点的高度可以由用户或操作员基于飞行器能力、期望的图像质量等来改变。
航路点的方向可以是当UAV通过航路点时UAV 610行进的方向。例如，在起始航路点660和航路点659中，行进方向大体上是向左的。该航路点的方向确保UAV 610在其通过该航路点时不再转向。如果不包括方向，则UAV 610可能会飞出期望的直线段620C，诸如图4中所示的。在一些实施方案中，每个航路点也可以包括速度标记。速度标记是当UAV通过航路点时UVA正行进的设定速度或速度范围。完成特定的转向或机动操纵可能需要特定的速度或速度范围。
在图6中所示的实施方案中，UAV 610离开直线段620C，并在设定的地理位置、海拔高度和方向下通过航路点659，其中在图6中所示的俯视图中，该方向朝向页面的左侧。UAV610需要从航路点659飞到航路点658，以对下一个直线段620B成像。第一个直线段620C和待成像的下一个直线段之间的连接部是转弯657。转弯657包括一个或更多个连接段650B、640B、630B。一个或更多个连接段650B、640B、630B可以包括一个或更多个弧形段650B、640B和/或一个或更多个直线连接部630B。第一弧形段650B是逆时针弧形段，其连接到第二弧形段640B。第二弧形段640B是顺时针弧形段，其连接到直线连接部630B。
每个弧形段650B、640B包括半径、中心和行进方向。在一些实施方案中，每个弧形段650B、640B可以包括起点、中点和终点，其可以用于获得半径、中心和行进方向。多个弧形段650、640B和/或直线连接部630B可以组合以产生期望的转弯657。如图6中所示，仅仅包括单个弧线将导致UAV 610飞过直线段620B，因为UAV 610将不能通过朝向图6中所示的页面的右侧的方向的航路点658。图6中所示的转弯657允许UAV通过朝向左侧的航路点659和通过朝向右侧的航路点658。航路点的方向确保UAV 610大体上在具有每个直线段620B、620C的路径上。当离开被成像的直线段时，UAV 610通过航路点，使得航路点方向大体上与离开的直线段成一直线。当进入待成像的直线段时，UAV 610也通过航路点，使得航路点方向大体上与进入的直线段成一直线。航路点的这些方向确保UAV610在通过航路点时沿正确的方向行进，且不仅仅是通过航路点。
在一些实施方案中，每个弧形段和/或直线连接部还可以包括海拔高度变化。当UAV 610首次起飞并在其到达最终海拔高度之前，可以使用一个或更多个弧形段和/或直线连接部来获得海拔高度。在一种实施方案中，可以使用弧形段，使得UAV 610在轨道中转向。当增加海拔高度时，由UAV610进行的每个完整转向可以是例如40米的海拔高度增加。弧形段可以允许UAV 610增加或损失高度。在水平飞行中使用弧形段的益处是，它比在垂直飞行中悬停更有效地增加海拔高度。此外，使用弧形段可以允许UAV610在增加海拔高度的同时停留在期望的边界内。
即使有许多行需要跳过或不按顺序完成，也总会有线性的整体可用飞行路径待生成。这可以在24个样本传感器区域矩形“行”上使用由马萨诸塞州纳蒂克的The MathWorks公司从
Figure BDA0002666732380000203
获得的下列代码来示出没有跳过或重复的行而得到证明：
Figure BDA0002666732380000201
下列
Figure BDA0002666732380000204
代码陈述了实施方案的通用解决方案，其中由于UAV的转向能力，可以跳过多个传感器区域矩形行。此代码确保不会跳过或重复任何行。如果行太靠近，那么可能需要使用钮扣钩式转向(button hook style turn)，诸如图6中的转弯中所示的。然而，如果跳过一行，那么可以使用更理想的转弯。在下面示出的模式中，行顺序可能包括跳过三行、返回两行、跳过三行、返回两行、跳过三行、跳过三行、返回两行等。
Figure BDA0002666732380000202
Figure BDA0002666732380000211
图7描绘了根据本发明的示例性实施方案的用于确定用于VTOL飞行器的飞行计划的过程。过程700包括接收飞行区域几何形状输入(步骤702)。在一些实施方案中，接收的飞行区域几何形状是从用户经由地面控制站单元选择待飞过的区域获得的。在某些实施方案中，飞行区域几何形状可以在飞行之前预编程或者从网络连接获得。在某些实施方案中，飞行区域几何形状包括纬度点和经度点。在某些进一步的实施方案中，UAV操作员可以通过在地图上绘制期望区域的图片来确定飞行区域，并且纬度点和经度点是基于操作员的绘制动态地确定的。在更进一步的实施方案中，海拔高度或其他高度数据可以被预编程并在飞行计划中被自动考虑，而不需要操作员输入来考虑飞行区域上的高度变化。以这种方式，可以在发射之前确定和/或验证可行的飞行计划。
在另外的实施方案中，一旦飞行区域几何形状已知，则过程700可以生成一个或更多个传感器区域矩形以覆盖接收的飞行几何形状(步骤704)。在另外的实施方案中，传感器区域矩形可以基于接收的几何形状输入区域的大小和UAV的感测能力来生成。
在还有的其它实施方案中，过程700可以为每个生成的传感器区域矩形确定直线飞行段路径(步骤706)。在一些实施方案中，过程700可以包括在传感器区域矩形之前确定直线段。在进一步的附加实施方案中，过程700可以从所确定的直线飞行段路径以及其他直线和/或弧形飞行段生成整体飞行路径(步骤708)。在许多实施方案中，在确定可用的UAV飞行段时，可以考虑UAV的特性，这些可用的UAV飞行段可以包括但不限于有效转向半径、重量、当前电池电量和/或照相机/传感器覆盖区域。在几种实施方案中，所确定的飞行计划可以是优化的飞行计划。在另外的实施方案中，飞行计划可以通过许多因素的评估被确定为更优化，这些因素包括但不限于连续行间距、飞行器的最小转向半径、整个飞行计划的长度和/或已知的天气条件。在另外的实施方案中，飞行计划可以基于飞行器的最小飞行半径来确定，使得飞行计划避免了飞行器不能进行的和/或非高能效的转向。在许多实施方案中，用于确定给定飞行区域几何形状的飞行计划的过程可以包括利用预先定义的飞行段。在许多实施方案中，飞行计划可以包括飞行段，这些飞行段本身是包括空中空间内的线和弧线的弧形飞行路径，这些线和弧线被顺序排列在一起以覆盖所确定的飞行区域几何形状。在进一步的实施方案中，飞行段可以包括UAV的位置、速度和海拔高度标记。在另外的实施方案中，UAV系统可以利用软件来进行误差检查和/或平滑连续的飞行段，以符合UAV的飞行能力。以这种方式，生成的整体飞行路径以及其他包含的数据可以组成飞行计划。在许多实施方案中，一旦生成整体飞行路径，飞行计划就可以开始(步骤712)。
在执行飞行计划的过程期间，UAV系统的某些实施方案可以评估当前飞行计划条件(步骤716)。如果确定当前飞行条件在正常参数内(步骤718)，那么飞行计划可以继续执行(步骤722)。
然而，在另外的实施方案中，如果确定飞行条件不在正常参数内(步骤718)，那么基于新的飞行条件重新计算飞行计划(步骤720)。新的条件可以包括查看新的地理区域的命令或愿望。例如，优先级可能改变并且飞行计划可能更新以开始新的任务或对新的地理区域进行成像。由于太阳相对于飞行器和飞行计划的方向，双向反射分布(BRDF)可能导致由飞行器捕获的图像的一半比图像的另一半暗。可以通过重新计算的飞行计划来减小BRDF，其中飞行器可以飞行新的飞行计划，例如大体上垂直于太阳的方向的飞行计划。对飞行计划的任何改变或飞行计划的重新计算可以是自动的和/或可以向飞行器的用户或操作者提供提示。用户或操作者可以确认新的飞行计划不会引起任何问题，诸如飞过某个地理位置或飞得离障碍物太近。
在一些实施方案中，飞行计划可以提供飞行器速度的调整。例如，如果预计暴风雨将在飞行计划完成之前到达，则用户或操作者可能决定牺牲图像质量，以使飞行计划在暴风雨到达之前并且比最初的结束估计更快地完成。作为另一个示例，飞行计划可以被修改，使得飞行器在待成像的某些区域上以较快的速率飞行，并且在待成像的其他区域上以较慢的速率飞行。关注的区域(诸如呈现出损害的作物)可以以较慢的速率成像，以确保对图像的任何科学分析的准确性，而不关注的区域可以以较高的速率成像。如果在以较高速率成像的区域中检测到任何关注区域，则可以构建新的飞行计划或修改的飞行计划，以获得这些新关注区域的更高质量的图像。在一些实施方案中，飞行计划可以在较低海拔高度下飞行以获得高分辨率收集。在其他实施方案中，如果期望改变分辨率，或者如果某个区域需要更高的分辨率或更多的细节，则飞行计划可以改变飞行的高度。在一些实施方案中，成像仪可以固定到UAV，而不使用万向节。
飞行计划可以允许UAV的动态移动，以通过进行转向来捕获透视图像等，使得成像仪不向下指向地面或待成像的区域。该透视图像可以提供待成像区域的另一个视图，诸如示出作物的高度、从侧面看出的对作物的损害等的部分3D图像。多个转向可以用来从这些不是自上而下的视点收集多个图像。
在更进一步的实施方案中，飞行计划可以被调整，使得UAV被引导回到着陆点和/或UAV被引导以试图立即着陆。在某些实施方案中，可以基于更新的信息动态地创建和/或改变飞行计划，更新的信息包括但不限于当前风速或飞行计划内的未知障碍物。在另外的实施方案中，飞行计划可以基于在发射地点处确定的更新的发射点来更新。在许多实施方案中，飞行计划可以在飞行中途改变，以使UAV返回到发射点，以便解决电池寿命突然下降的问题，这可能导致在飞行计划完成之前完全功率损失。在某些实施方案中，在完成的飞行计划中收集的数据被用于未来的飞行计划中，以确定用于未来飞行计划的潜在能量使用。
图8描绘了根据本发明的实施方案的所确定的飞行计划。飞行计划800包括包含直线和弧线的一系列飞行段。在许多实施方案中，各种弧线的半径不小于计划实施飞行计划的飞行器的最小转向半径。在多种实施方案中，飞行计划800将允许对飞行器时间表的感测范围内的预先确定的区域进行完全感测，以实施所确定的飞行计划800。
图9描绘了试验的输出图900，该试验指示了待由UAV传感器覆盖的地理区域的每一行可以在给定次数的通过中被覆盖。水平轴是通过次数并且垂直轴是行数。在该示例中，有二十五次通过和二十五个行数。在许多实施方案中，该过程描述了当UAV的转向直径大于单行间距时用于场地覆盖的方法。在许多实施方案中，这可以允许转向花费更少的时间，从而提高能量效率。在附加的实施方案中，该方法简单地遵循以下顺序：a＝[3，-2，3，-2，3]，其中在每次通过结束时，选择a的下一个元素以确定要跳过多少行。在进一步的实施方案中，通过使用下面的
Figure BDA0002666732380000242
代码绘制24行以简单地示出没有行被跳过或重复，在图900中证明了该方法：
Figure BDA0002666732380000241
Figure BDA0002666732380000251
图10A描绘了UAV 1004对地理区域1002的传感器覆盖1000。传感器覆盖1000被示出为矩形，该矩形示出了由UAV 1004的一个或更多个成像仪在设定高度处成像的地理区域。当UAV 1004在待成像的地理区域1002上飞过时，它将对具有传感器覆盖1000的宽度1006的区域进行成像。增加UAV 1004的海拔高度可以加宽传感器覆盖1000的宽度1006，但是降低图像分辨率和/或质量。降低UAV 1004的海拔高度可以缩小传感器覆盖1000的宽度1006，但是增加图像分辨率和/或质量。在一些实施方案中，除了起飞和着陆之外，UAV 1004可以在大体上恒定的海拔高度下飞行，以提供传感器覆盖1000的大体上恒定的宽度1006、图像分辨率和/或图像质量。
图10B描绘了图10A的地理区域1002上的重叠的传感器区域矩形1008。当UAV 1004接近1002地理区域1002时，它将捕获覆盖重叠的传感器区域矩形1008的图像。重叠的传感器区域矩形1008对应于由UAV1004的一个或更多个成像仪在地理区域1002内成像的区域。重叠的传感器区域矩形1002基于大致对应于UAV 1004的飞行路径的直线段1110。
图10C描绘了提供图10B的地理区域1002的重叠1012、1014、1016的多个重叠的传感器区域矩形1008。直线段1010可以被放置成以便提供地理区域1002的重叠1012、1014、1016。重叠1012、1014、1016允许地理区域1012的所捕获的图像被拼接在一起。图像拼接可能需要几种常见的识别特征或对象来确保准确性。在一些实施方案中，每个图像之间的重叠可以是80％，使得每行的80％在前一行中可见。在不需要拼接的实施方案中，重叠可以被最小化或消除。
结束条件1018、1020可以位于每个传感器区域矩形1008的端部上。结束条件1018、1020指示地理区域1002结束的位置。在一些实施方案中，结束条件1018、1020可以是提供了方向的航路点。在其他实施方案中，航路点1022、1024可以位于地理区域1002之外并经过结束条件，以便确保飞行器不会试图开始转弯，直到其已经离开待成像的地理区域1002。结束条件1018、1020和/或航路点1022、1024可以包括位置、海拔高度和定向，其中定向是当UAV1004通过结束条件1018、1020和/或航路点1022、1024时UAV 1004需要前进的方向。在一些实施方案中，不使用结束条件1018、1020，并且代替地利用来自飞行路径的起始和结束两者的信息。
图11A描绘了用于覆盖待成像的地理区域1100的直线段的飞行计划优化。本文公开的系统可以覆盖一系列平行的直线段1102，这些直线段覆盖待成像的地理区域1100。直线段1102之间的间隔可以基于传感器区域覆盖和期望的重叠，如图10A-图10C中所示的。
图11B描绘了用于覆盖图11A的地理区域1100的直线段1102的飞行计划优化，其中直线段1102被旋转。系统可以通过计算如图11A中所示的直线段的飞行计划来测试最优飞行计划，并且然后将直线段1102旋转1104设定的量，诸如五度，并确定新的飞行计划。
图11C描绘了用于覆盖图11A的地理区域1100的直线段1102的飞行计划优化，其中直线段1102进一步被旋转1106。本文公开的系统可以基于直线段1102在初始位置(如图11A中所示的)和垂直位置(如图11C中所示的)之间旋转1106的定向在设定的段处生成飞行计划。例如，系统可以以五度的增量生成飞行计划，以确定理想的飞行计划。影响直线段的定向的因素可以包括风速、风向、地理区域1110的形状、地理区域1110的尺寸、地理区域1100中任何障碍物的存在等。这些确定还可以考虑起飞位置、着陆位置和/或连接直线段1102的任何转弯。虽然直线段被描绘为直的，但是它们可以是任何形状，只要实现了期望的图像分辨率和/或重叠。例如，直线段可以具有波浪或弧形形状，并且大体上彼此平行。
图12A描绘了生成连接覆盖待成像的地理区域1204的直线段1202的飞行路径1200。图12B描绘了用于构造连接图12A中的直线段的转弯的飞行段的库1300。飞行器在第一个航路点1206处进入地理区域。飞行器从起飞位置飞到起始航路点1206。飞行器在最后一个航路点1208处结束成像。飞行器从最后一个航路点1208飞到着陆位置。飞行路径1200可以被优化以包括从起飞位置到第一个航路点1206以及从最后一个航路点1208到着陆位置的距离。
每个直线段1202可以通过转弯1210连接到另一个直线段。每个转弯1210包含一个或更多个连接段1212、1214。连接段1212、1214可以是弧形段和/或直线连接部。每个连接段1212、1214可以存储在飞行段的库1300中，如图12B中所示的。并非所有连接段1212都可用于每种飞行器。例如，一些飞行段可能基于飞行器的特性(诸如飞行器的转向半径、最大速度等)而受到限制。不是所有的飞行器都能完成所有的飞行段。当创建飞行路径1200时待使用的可用飞行段可以基于飞行器的特性。
库1300可以特定于正使用的飞行器，例如基于转向半径。库1300中的每个段可能不可用或不可访问。例如，段可能需要转向半径，该转向半径对于用于对地理区域1204进行成像的飞行器来说不适用。作为另一个示例，在库1300中有四旋翼飞机可能能够完成而水平飞行中的飞机不能完成的段。每个飞行器可以允许从库1300选择不同的段。
在附加的实施方案中，本文公开的过程可以利用来自飞行段的预先定义的库1300的多个段形状。在还附加的实施方案中，飞行段的预先定义的库1300可以基于飞行器的特性生成。在附加的实施方案中，潜在的线和/或弧形路径可以由外部源提供，诸如但不限于飞行段形状的库1300或飞行器。在还附加的实施方案中，飞行段的潜在的线和/或弧形路径可以具有与每个相应形状相关联的相关联的长度或总能量消耗。在进一步的实施方案中，飞行器系统可以通过下述方式来生成飞行计划，即，通过连接直线的起点和终点，使得只有起点和终点可以具有到其他点的单个连接并且每个其他剩余点被限制成与两个其他点的连接。在某些进一步的实施方案中，该过程可以无限期地重复，直到整个地理区域1204被飞行器的传感器覆盖。
在一些实施方案中，每个直线段1202的端部处的结束条件可以延伸到航路点1216。航路点相对于地理区域1204的端部的延伸位置可以确保飞行器在飞行路径的转弯1210部分中实现任何转向之前保持飞行路径大体上与直线段中的每一个成一直线。
在图12A中所示的实施方案中，飞行路径大体上示出为二维的。作为第三维和/或第四维的海拔高度和/或速度可以被添加到二维计划中，以确保由在具有可寻址存储器的处理器上创建或查看飞行计划的用户或操作者容易地使用。在一些实施方案中，可以在三维或四维中查看、创建和/或修改飞行计划。
在一些实施方案中，飞行计划可能不能由单次充电的所选择的飞行器来完成。如果是这样，飞行计划可以分成多个部分。在一种实施方案中，多个飞行器可以用于同时或相继完成飞行计划的不同部分。在其他实施方案中，同一飞行器可以用于完成飞行计划的多个部分。一旦飞行器着陆，它可能被补充燃料和/或更换电池，以允许完成飞行计划的下一部分。在一些实施方案中，飞行计划可以被分成两个或更多个部分，并且可以使用单独的飞行器来完成每个部分。在一些实施方案中，飞行器可以具有感测与规避系统，以避免与另一飞行器、障碍物等碰撞。
图13描绘了用于生成飞行路径以对地理区域进行成像的方法1300的流程图。方法1300可以包括接收表示用于由飞行器的一个或更多个传感器成像的地理区域的数据(步骤1302)。用户或系统可以设定用于成像的期望的地理区域，诸如包含农作物、植被等的农田。期望的地理区域也可以包括限制，诸如避开某些地理区域。这些限制可以避免临时改变的需要，诸如修改的飞行计划，一旦飞行器在空中，修改的飞行计划可能导致飞行器飞过受限制的区域。飞行器可以是垂直起降(VTOL)飞行器、无人驾驶飞行器(UAV)和/或VTOL UAV。
方法1300然后可以包括确定覆盖地理区域的一个或更多个直线段(步骤1304)。直线段的数量和位置可以基于期望的图像分辨率和期望的重叠中的至少一种。在一些实施方案中，直线段可以以设定的增量旋转，使得可以选择由飞行器使用最少量能量完成的飞行路径。所确定的一个或更多个直线段中的每一个可以大体上平行于其他所确定的一个或更多个直线段中的每一个。
方法1300然后可以包括确定位于每个所确定的直线段的端部处的一个或更多个航路点(步骤1306)。每个航路点可以包括地理位置、海拔高度和行进方向。每个航路点的行进方向是当飞行器通过航路点时飞行器的行进方向。
方法1300然后可以包括确定连接直线段中的每一个的一个或更多个转弯(步骤1308)。每个转弯可以包括一个或更多个连接段。一个或更多个连接段可以包括一个或更多个弧形段和/或一个或更多个直线连接部。一个或更多个连接段可以基于飞行器特性。一个或更多个连接段中的每一个可以包括起点、中点和终点。
方法1300然后可以包括确定从飞行器的起飞位置到第一个航路点的路径(步骤1310)。
方法1300然后可以包括确定从最后一个航路点到飞行器的着陆位置的路径(步骤1312)。
方法1300然后可以包括为飞行器生成飞行计划(步骤1314)。所生成的飞行计划可以包括：从飞行器的起飞位置到第一个航路点的所确定的路径、所确定的一个或更多个直线段、连接每个直线段的所确定的一个或更多个转弯和/或从最后一个航路点到飞行器的着陆位置的所确定的路径。所生成的飞行路径可以在二维中查看。一旦飞行计划完成，则沿飞行计划的海拔高度可以增加。可以为飞行计划中的每个位置设定海拔高度。飞行器在飞行计划中的每个位置处的速度也可以调整为更快或更慢。飞行路径可以基于以下项中的至少一个：风速、风向、地理区域的形状、地理区域的尺寸以及地理区域中任何障碍物的存在。
方法1300可以包括如果飞行路径不能或不期望在单个飞行路径中完成，则将所生成的飞行路径分成两个或更多个飞行路径(步骤1316)。在一些实施方案中，在飞行计划执行之后，计划可以被分成多个飞行计划。例如，如果风力条件需要使用额外的电池，那么飞行器可能需要在飞行计划完成之前着陆。该系统可以询问用户或操作者是否应该从其由于风或其他影响而停止的地方完成任务。在一些实施方案中，飞行计划可以基于检测到的障碍物被修改。障碍物可以通过感测与规避系统被检测到。在没有感测与规避系统的实施方案中，成像仪可以用于检测物体。例如，在具有固定成像仪的实施方案中，飞行器可以执行一个或更多个机动操纵，该一个或更多个机动操纵提供来自场成像仪的不同视场，以提供周围物体的附加视图，以便避开那些物体。
图14图示了飞行路径生成系统(诸如飞行器、UAV、地面控制器等)的计算设备实施方案的示例性顶层功能框图。示例性实施方案1400被示出为具有处理器1424(诸如，中央处理单元(CPU))、可寻址存储器1427、外部设备接口1426(例如，可选的通用串行总线端口和相关的处理和/或以太网端口和相关的处理)、以及可选的用户界面1429(例如，状态灯阵列和一个或更多个拨动开关、和/或显示器、和/或键盘和/或指针-鼠标系统、和/或触摸屏)的计算设备1420。可选地，可寻址存储器1427可以例如是：闪存、eprom、和/或磁盘驱动器或其他硬盘驱动器。这些元件可以经由数据总线1428彼此通信。处理器1424可以具有操作系统1425(诸如，支持网络浏览器1423和/或应用1422的操作系统)，其可以被配置成执行根据在本文中描述的示例性实施例的过程步骤。
设想了上述实施方案的特定特征和方面的各种组合和/或子组合可以被做出并且仍然落在本发明的范围内。因此，应理解，所公开的实施方案的各种特征和方面可以彼此组合或替代，以便形成所公开的发明的不同模式。此外，意图是，本发明的范围在本文中通过示例的方式被公开，并且不应受到上述特定公开的实施方案的限制。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种方法，包括：
由具有可寻址存储器的处理器接收表示用于由飞行器的一个或更多个传感器成像的地理区域的数据；
由所述处理器确定覆盖所述地理区域的一个或更多个直线段，其中确定覆盖所述地理区域的所述一个或更多个直线段还包括：
由所述处理器基于每个直线段以设定增量进行的旋转来确定一个或更多个飞行路径；以及
由所述处理器选择所确定的一个或更多个飞行路径中的以所述设定增量中的一个增量由所述飞行器使用最少能量完成的飞行路径；
由所述处理器确定位于每个所确定的直线段的端部处的一个或更多个航路点，其中每个航路点包括地理位置、海拔高度和行进方向；
由所述处理器确定连接所述直线段中的每一个的一个或更多个转弯，其中每个转弯包括一个或更多个连接段；以及
由所述处理器生成用于所述飞行器的飞行计划，所述飞行计划包括：所确定的一个或更多个直线段和连接每个直线段的所确定的一个或更多个转弯。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述飞行器是垂直起降(VTOL)飞行器。
3.如权利要求1所述的方法，其中用于成像的所述地理区域包括植被。
4.如权利要求1所述的方法，其中所确定的一个或更多个直线段基于期望的图像分辨率和期望的图像重叠中的至少一种在用于成像的所述地理区域内间隔开。
5.如权利要求1所述的方法，其中所选择的飞行路径基于以下项中的至少一个：风速、风向、所述地理区域的形状、所述地理区域的尺寸以及所述地理区域中任何障碍物的存在。
6.如权利要求1所述的方法，其中所确定的一个或更多个直线段中的每一个大体上平行于其他所确定的一个或更多个直线段中的每一个。
7.如权利要求1所述的方法，其中每个航路点的所述行进方向是当所述飞行器通过所述航路点时所述飞行器的行进方向。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或更多个连接段包括以下项中的至少一个：一个或更多个弧形段和一个或更多个直线连接部。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或更多个连接段基于飞行器特性。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或更多个连接段中的每一个包括起点、中点和终点。
11.如权利要求1所述的方法，还包括：
由所述处理器确定从所述飞行器的起飞位置到所述一个或更多个航路点中的第一个航路点的路径，其中所述第一个航路点是在所述飞行器起飞之后由所述飞行器到达的第一个航路点。
12.如权利要求11所述的方法，还包括：
由所述处理器确定从所述一个或更多个航路点中的最后一个航路点到所述飞行器的着陆位置的路径，其中所述最后一个航路点是在所述飞行器着陆之前由所述飞行器到达的最后一个航路点。
13.如权利要求12所述的方法，其中所生成的飞行路径还包括：从所述飞行器的所述起飞位置到所述第一个航路点的所确定的路径，以及从所述最后一个航路点到所述飞行器的所述着陆位置的所确定的路径。
14.如权利要求1所述的方法，还包括：
由所述处理器基于飞行器特性将所生成的用于所述飞行器的飞行计划分成两个或更多个飞行计划。
15.一种系统，包括：
飞行器，所述飞行器具有用于成像的一个或更多个传感器；以及
处理器，所述处理器具有可寻址存储器，所述处理器被配置成：
接收表示用于由所述飞行器的所述一个或更多个传感器成像的地理区域的数据；
确定覆盖所述地理区域的一个或更多个直线段，其中确定覆盖所述地理区域的所述一个或更多个直线段还包括所述处理器被配置成：
基于每个直线段以设定增量进行的旋转来确定一个或更多个飞行路径；以及
选择所确定的一个或更多个飞行路径中的以所述设定增量中的一个增量由所述飞行器使用最少能量完成的飞行路径；
确定位于每个所确定的直线段的端部处的一个或更多个航路点，其中每个航路点包括地理位置、海拔高度和行进方向；
确定连接所述直线段中的每一个的一个或更多个转弯，其中每个转弯包括一个或更多个连接段；以及
生成用于所述飞行器的飞行计划，所述飞行计划包括：所确定的一个或更多个直线段和连接每个直线段的所确定的一个或更多个转弯。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述飞行器是垂直起降(VTOL)飞行器。
17.如权利要求15所述的系统，其中所确定的一个或更多个直线段基于期望的图像分辨率和期望的图像重叠中的至少一个在用于成像的所述地理区域内间隔开，并且其中所确定的一个或更多个直线段中的每一个大体上平行于其他所确定的一个或更多个直线段中的每一个。
18.如权利要求15所述的系统，其中每个航路点的所述行进方向是当所述飞行器通过所述航路点时所述飞行器的行进方向。
19.一种方法，包括：
接收表示用于由飞行器的一个或更多个传感器成像的地理区域的数据；
基于期望的图像分辨率和期望的重叠中的至少一个确定覆盖所述地理区域的一个或更多个直线段，其中确定覆盖所述地理区域的所述一个或更多个直线段还包括：
由所述处理器基于每个直线段以设定增量进行的旋转来确定一个或更多个飞行路径；以及
由所述处理器选择所确定的一个或更多个飞行路径中的以所述设定增量中的一个增量由所述飞行器使用最少能量完成的飞行路径；
确定位于每个所确定的直线段的端部处的一个或更多个航路点，其中每个航路点包括地理位置、海拔高度和行进方向；
确定连接所述直线段中的每一个的一个或更多个转弯，其中每个转弯包括一个或更多个连接段，其中所述一个或更多个连接段包括以下项中的至少一个：一个或更多个弧形段和一个或更多个直线连接部，并且其中所述一个或更多个连接段基于飞行器特性；
确定从所述飞行器的起飞位置到所述一个或更多个航路点中的第一个航路点的路径；
确定从所述一个或更多个航路点中的最后一个航路点到所述飞行器的着陆位置的路径；以及
生成用于所述飞行器的飞行计划，所述飞行计划包括：从所述飞行器的所述起飞位置到所述第一个航路点的所确定的路径、所确定的一个或更多个直线段、连接每个直线段的所确定的一个或更多个转弯以及从所述最后一个航路点到所述飞行器的所述着陆位置的所确定的路径。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
由具有可寻址存储器的处理器接收表示用于由飞行器的一个或更多个传感器成像的地理区域的数据；
由所述处理器确定覆盖所述地理区域的一个或更多个直线段；
由所述处理器确定位于每个所确定的直线段的端部处的一个或更多个航路点，其中每个航路点包括地理位置、海拔高度和行进方向；
由所述处理器确定连接所述直线段中的每一个的一个或更多个转弯，其中每个转弯包括一个或更多个连接段；以及
由所述处理器生成用于所述飞行器的飞行计划，所述飞行计划包括：所确定的一个或更多个直线段和连接每个直线段的所确定的一个或更多个转弯。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述飞行器是垂直起降(VTOL)飞行器。
3.如权利要求1所述的方法，其中用于成像的所述地理区域包括植被。
4.如权利要求1所述的方法，其中所确定的一个或更多个直线段基于期望的图像分辨率和期望的图像重叠中的至少一种在用于成像的所述地理区域内间隔开。
5.如权利要求1所述的方法，其中确定覆盖所述地理区域的所述一个或更多个直线段还包括：
由所述处理器基于每个直线段以设定增量进行的旋转来确定一个或更多个飞行路径；以及
由所述处理器选择所确定的一个或更多个飞行路径中的以所述设定增量中的一个增量由所述飞行器使用最少能量完成的飞行路径。
6.如权利要求5所述的方法，其中所选择的飞行路径基于以下项中的至少一个：风速、风向、所述地理区域的形状、所述地理区域的尺寸以及所述地理区域中任何障碍物的存在。
7.如权利要求1所述的方法，其中所确定的一个或更多个直线段中的每一个大体上平行于其他所确定的一个或更多个直线段中的每一个。
8.如权利要求1所述的方法，其中每个航路点的所述行进方向是当所述飞行器通过所述航路点时所述飞行器的行进方向。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或更多个连接段包括以下项中的至少一个：一个或更多个弧形段和一个或更多个直线连接部。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或更多个连接段基于飞行器特性。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或更多个连接段中的每一个包括起点、中点和终点。
12.如权利要求1所述的方法，还包括：
由所述处理器确定从所述飞行器的起飞位置到所述一个或更多个航路点中的第一个航路点的路径，其中所述第一个航路点是在所述飞行器起飞之后由所述飞行器到达的第一个航路点。
13.如权利要求12所述的方法，还包括：
由所述处理器确定从所述一个或更多个航路点中的最后一个航路点到所述飞行器的着陆位置的路径，其中所述最后一个航路点是在所述飞行器着陆之前由所述飞行器到达的最后一个航路点。
14.如权利要求13所述的方法，其中所生成的飞行路径还包括：从所述飞行器的所述起飞位置到所述第一个航路点的所确定的路径，以及从所述最后一个航路点到所述飞行器的所述着陆位置的所确定的路径。
15.如权利要求1所述的方法，还包括：
由所述处理器基于飞行器特性将所生成的用于所述飞行器的飞行计划分成两个或更多个飞行计划。
16.一种系统，包括：
飞行器，所述飞行器具有用于成像的一个或更多个传感器；以及
处理器，所述处理器具有可寻址存储器，所述处理器被配置成：
接收表示用于由所述飞行器的所述一个或更多个传感器成像的地理区域的数据；
确定覆盖所述地理区域的一个或更多个直线段；
确定位于每个所确定的直线段的端部处的一个或更多个航路点，其中每个航路点包括地理位置、海拔高度和行进方向；
确定连接所述直线段中的每一个的一个或更多个转弯，其中每个转弯包括一个或更多个连接段；以及
生成用于所述飞行器的飞行计划，所述飞行计划包括：所确定的一个或更多个直线段和连接每个直线段的所确定的一个或更多个转弯。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述飞行器是垂直起降(VTOL)飞行器。
18.如权利要求16所述的系统，其中所确定的一个或更多个直线段基于期望的图像分辨率和期望的图像重叠中的至少一个在用于成像的所述地理区域内间隔开，并且其中所确定的一个或更多个直线段中的每一个大体上平行于其他所确定的一个或更多个直线段中的每一个。
19.如权利要求16所述的系统，其中每个航路点的所述行进方向是当所述飞行器通过所述航路点时所述飞行器的行进方向。
20.一种方法，包括：
接收表示用于由飞行器的一个或更多个传感器成像的地理区域的数据；
基于期望的图像分辨率和期望的重叠中的至少一个确定覆盖所述地理区域的一个或更多个直线段；
确定位于每个所确定的直线段的端部处的一个或更多个航路点，其中每个航路点包括地理位置、海拔高度和行进方向；
确定连接所述直线段中的每一个的一个或更多个转弯，其中每个转弯包括一个或更多个连接段，其中所述一个或更多个连接段包括以下项中的至少一个：一个或更多个弧形段和一个或更多个直线连接部，并且其中所述一个或更多个连接段基于飞行器特性；
确定从所述飞行器的起飞位置到所述一个或更多个航路点中的第一个航路点的路径；
确定从所述一个或更多个航路点中的最后一个航路点到所述飞行器的着陆位置的路径；以及
生成用于所述飞行器的飞行计划，所述飞行计划包括：从所述飞行器的所述起飞位置到所述第一个航路点的所确定的路径、所确定的一个或更多个直线段、连接每个直线段的所确定的一个或更多个转弯以及从所述最后一个航路点到所述飞行器的所述着陆位置的所确定的路径。
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