CN112513763A - 在飞行控制器信号丢失后对机器人运载工具进行控制 - Google Patents

Abstract

各种实施例包括用于控制机器人运载工具的设备和方法。所述机器人运载工具的每个电子速度控制器(ESC)可以从所述机器人运载工具的飞行控制器或者另一个处理设备接收开环飞行控制信息。在一些实施例中，每个ESC可以将所提供的开环飞行控制信息存储在存储器中。响应于检测来自所述飞行控制器的控制信号的丢失，每个ESC可以访问所存储的开环飞行控制信息，以及基于所述开环飞行控制信息执行对与每个ESC相关联的发动机的控制。所述开环飞行控制信息可以是将在一个时段中被执行的发动机控制指令的序列或者使每个ESC能够生成发动机控制指令的序列的经参数化的信息或者运载工具状态信息。

Description

在飞行控制器信号丢失后对机器人运载工具进行控制

优先权声明

本专利申请要求于2018年8月2日递交的、标题为“CONTROLLING A ROBOTICVEHICLE FOLLOWING FLIGHT CONTROLLER SIGNAL LOSS”的美国非临时专利申请No.16/053,117,的优先权，该申请被转让给本申请的受让人，并据此通过引用被明确地并入本文。

背景技术

机器人运载工具(例如，“UAV”或者“无人机”)通常是由处置机器人运载工具的众多功能(诸如，飞行控制和导航、对传感器数据(例如，来自照相机、声纳、陀螺仪、加速度计等的输入)进行处理、接收和处理GPS信号、对无线装置进行控制以用于通信等)的强大的主处理器控制的。

旋翼机型机器人运载工具(即，由“直升机”型旋翼推进的机器人运载工具)正在被日益广泛地使用。旋翼机机器人运载工具的主处理器包括特别处置飞行操作的飞行控制器。然而，许多多旋翼航空机器人运载工具是动态不稳定的，并且在正常操作期间，这样的机器人运载工具依赖于由主(飞行)控制器进行的主动控制来使用多种多样的机载传感器(诸如，加速度计、陀螺仪、气压计、GPS接收机、磁力计和其它合适的传感器)使姿态、方位和速度控制稳定和闭环。为了达到闭环飞行控制，通过使用传感器数据的组合，主处理器持续地计算和向电子速度控制器(ESC)发送发动机行为或者状态信息(例如，功率、每分钟的转数(RPM)或者其它合适的信息)。ESC接收该发动机行为或者状态信息，并且应用闭环发动机控制技术来达到每个发动机的期望的状态，因此执行闭环飞行控制中的最后的步骤。

发明内容

各种实施例包括可以在机器人运载工具的处理设备和电子速度控制器(ESC)内被实现的用于实现对所述机器人运载工具的开环控制(例如，在来自飞行控制器的控制信号丢失之后)的方法。各种实施例可以包括：由所述机器人运载工具的每个ESC接收开环飞行控制信息；以及，由每个ESC响应于检测来自所述飞行控制器的控制信号的丢失，基于所述开环飞行控制信息执行对与每个ESC相关联的发动机的控制。在一些实施例中，由每个ESC基于所述开环飞行控制信息执行对与每个ESC相关联的发动机的控制可以包括：由每个ESC基于所述开环飞行控制信息调整对与所述ESC相关联的所述发动机的闭环控制。

在一些实施例中，被每个ESC接收的所述开环飞行控制信息可以包括发动机控制指令的序列；并且，基于所述开环飞行控制信息执行对与每个ESC相关联的发动机的控制可以包括：执行发动机控制指令的所述序列。

在一些实施例中，用于每个ESC的所述开环飞行控制信息可以包括对发动机控制指令的时间序列的参数化；并且，由每个ESC基于所述开环飞行控制信息执行对与每个ESC相关联的发动机的控制可以包括每个ESC基于对发动机控制指令的所述时间序列的所述参数化确定发动机控制指令的序列，以及执行发动机控制指令的所述序列。

在一些实施例中，基于所述开环飞行控制信息执行对与每个ESC相关联的所述发动机的开环飞行控制可以包括：由每个ESC基于所述开环飞行控制信息确定用于与所述ESC相关联的所述发动机的发动机控制指令；以及，由每个ESC执行所确定的发动机控制指令。

在一些实施例中，被每个ESC接收的所述开环飞行控制信息可以包括运载工具状态信息；并且，基于所述开环飞行控制信息确定用于与所述ESC相关联的所述发动机的发动机控制指令可以包括：由每个ESC基于所述运载工具状态信息确定用于执行对控制信号丢失事件的合适响应的发动机控制指令。这样的实施例可以进一步包括：由每个ESC定期从所述飞行控制器接收所述运载工具状态信息。

一些实施例可以进一步包括所述机器人运载工具的处理设备执行以下操作：确定运载工具状态信息；基于所述运载工具状态信息确定用于每个ESC的所述开环飞行控制信息；以及，将所确定的开环飞行控制信息提供给每个ESC。在这样的实施例中，由所述机器人运载工具的每个ESC从所述飞行控制器接收开环飞行控制信息可以包括每个ESC执行以下操作：从所述处理设备接收所述开环飞行控制信息；以及，将所接收的开环飞行控制信息存储在可以被所述ESC访问的存储器中。在这样的实施例中，将所确定的开环飞行控制信息提供给每个ESC可以包括：由所述处理设备将所确定的开环飞行控制信息存储在可以被每个ESC访问的存储器中；并且，由每个ESC接收开环飞行控制信息可以包括：每个ESC能访问所述处理设备将所确定的开环飞行控制信息存储在其中的所述存储器。

在一些实施例中，基于所述运载工具状态信息确定用于每个ESC的所述开环飞行控制信息可以包括所述处理设备执行以下操作：基于所述运载工具状态信息确定所述机器人运载工具对控制信号丢失事件的合适响应；基于所确定的合适响应确定用于每个ESC的发动机控制指令的序列；以及，将发动机控制指令的所述相应的序列提供给每个ESC，其中，由每个ESC接收开环飞行控制信息可以包括：从所述处理设备接收发动机控制指令的所述相应的序列。在这样的实施例中，基于所确定的合适响应确定用于每个ESC的发动机控制指令的序列可以包括：所述处理设备从所述运载工具状态信息开始响应于ESC指令的序列执行对机器人运载工具行为的提前仿真，以确定将使所述机器人运载工具处于将使所述机器人运载工具能够达到受控着陆或者最小化对所述机器人运载工具的损坏的朝向的发动机控制指令的序列。

进一步的实施例包括具有被配置为执行上面概述的方法中的任一种方法的操作的处理设备和一个或多个ESC的机器人运载工具。进一步的实施例包括被配置为执行上面概述的方法中的任一种方法的操作的ESC。进一步的实施例包括用于在机器人运载工具中使用的被配置为执行上面概述的方法中的任一种方法的操作的处理设备。

附图说明

被并入本文并且构成本说明书的一部分的附图示出了示例实施例，并且与上面给出的一般描述内容和下面给出的详细描述内容一起用于解释各种实施例的特征。

图1是适于与各种实施例一起使用的在通信系统内操作的机器人运载工具的系统方框图。

图2是示出适于与各种实施例一起使用的机器人运载工具的部件的部件方框图。

图3是示出适于与机器人运载工具一起使用的控制器的部件的部件方框图。

图4是示出适于与各种实施例一起使用的机器人运载工具的部件的部件方框图。

图5是示出根据各种实施例的运载工具轨迹的图。

图6是示出根据各种实施例的控制机器人运载工具的方法的流程图。

图7是示出根据一些实施例的控制机器人运载工具的方法的流程图。

图8是示出根据一些实施例的控制机器人运载工具的方法的流程图。

图9是示出根据一些实施例的生成开环控制信息的示例方法的流程图。

具体实施方式

将参考附图详细描述各种实施例。在任何可能的地方，相同的附图标记将贯穿附图被用于指相同或者相似的部分。对具体的示例和实施例作出的引用是出于说明的目的的，并且不旨在限制权利要求的范围。

各种实施例通过提供确定在飞行控制器故障的情况下将被ESC执行的故障安全飞行控制指令的序列的方法和被配置执行这些方法的机器人运载工具飞行控制器和ESC来改进机器人运载工具的功能和可靠性。在各种实施例中，响应于检测来自飞行控制器的控制信号的丢失，ESC可以使用所确定的开环飞行控制指令控制一个或多个相关联的发动机。

机器人运载工具的主或者飞行控制器通常是能够控制机器人运载工具的许多功能(诸如，飞行控制和导航、处理传感器数据(例如，来自照相机、声纳、陀螺仪、加速度计等的输入)、接收和处理GPS信号、控制无线装置以用于通信等)的稳健的处理设备。主或者飞行控制器可以包括具有存储器、数据接口、航空电子传感器和处理器以及其它的被配置为监视和控制机器人运载工具的各种部件和功能的部件的稳健的处理设备。主控制器可以被实现为“片上系统”(SOC)，SOC是单个包装或者组件内的互连的电子电路的集合，其通常但不仅仅包括一个或多个处理器、存储器、通信接口和存储装置存储器接口。机器人运载工具通过包括日益复杂的硬件部件和基于软件的功能来利用这样的主控制器的能力。随着机器人运载工具部件和功能的复杂度提高，引起来自主控制器的控制信号的丢失的硬件或者软件故障的可能性也提高。

许多多旋翼航空机器人运载工具是动态不稳定的，并且在正常操作期间，这样的机器人运载工具依赖于由主(飞行)控制器进行的主动控制来使用多种多样的机载传感器(诸如，加速度计、陀螺仪、气压计、GPS接收机、磁力计和其它合适的传感器)使姿态、方位和速度控制稳定和闭环。在一些情况下，主或者飞行控制器通过持续地向对驱动旋翼的发动机进行供电和控制的电子速度控制器(ESC)发送RPM或者其它的控制信号来控制旋翼速度。为了达到闭环飞行控制，通过使用传感器数据的组合，主或者飞行控制器持续地计算和向电子速度控制器(ESC)发送发动机行为或者状态信息(例如，功率、RPM或者其它合适的信息)。ESC接收该发动机行为或者状态信息，并且应用闭环发动机控制技术来达到每个发动机的期望的状态，因此执行闭环飞行控制中的最后的步骤。在来自主或者飞行控制器的控制信号丢失(例如，由于处理器崩溃、通信总线故障等)的情况下，旋翼机机器人运载工具可以迅速地变得不稳定。这样的不稳定性可能导致产生受控飞行的丢失、不稳定的操纵和可能伤害人类或者动物的碰撞，以及潜在地损坏机器人运载工具或者其它财产。这样的控制信号丢失可能由于多种多样的原因而发生，包括导致产生处理器熄火或者重启的主或者飞行控制器中的软件问题、主或者飞行控制器或者向ESC传送控制信号的电路中的故障等。

各种实施例提供在来自飞行控制器的控制信号被中断时对机器人运载工具进行控制的方法和被配置为执行这些方法的ESC。在各种实施例中，不时地，每个ESC可以从飞行控制器接收开环飞行控制信息，每个ESC可以将开环飞行控制信息存储在与ESC相关联的存储器中。响应于来自飞行控制器的控制信号的中断，每个ESC可以独立地访问所存储的开环飞行控制信息和基于开环飞行控制信息执行独立地执行对相关联的发动机的控制(即，在没有对飞行控制行为的反馈的情况下)。由于对机器人运载工具发动机的开环飞行控制不可以对运载工具姿态的变更作出反应，所以由ESC进行的这样的开环飞行控制可能被限于用于为了紧急迫降对机器人运载工具进行定位或者摆姿势(例如，降落伞回收)的短暂操纵或者直到(例如，在重启之后)再次从飞行控制器接收控制信号之前的临时控制。

如本文中使用的，“开环飞行控制”表示不使用用于达到期望的闭环飞行控制的传感器反馈的情况下的对机器人运载工具的飞行控制。例如，在没有来自加速度计、陀螺仪和其它的传感器的信息的情况下，机器人运载工具可以尝试“盲目地”(即，在没有传感器信息的情况下)飞行，而ESC仍然根据发动机方位传感器或无传感器偿技术拥有对各个发动机的控制和知道它们的状态。“开环飞行控制信息”指使ESC能够执行对相关联的发动机的开环飞行控制(诸如，为了达到非平凡开环飞行控制行为的发动机控制)的信息。平凡开环飞行控制的一个示例是继续执行最后的已知的有效发动机命令。平凡开环飞行控制的另一个示例是简单地停止发动机。由于ESC在实现开环飞行控制指令时从发动机接收信息和执行对发动机的闭环控制，所以开环飞行控制信息是可由ESC根据对各个发动机的控制进行区分的。在一些实施例中，除了飞行操作所需的正常通信之外，飞行控制器可以向一个或多个ESC提供开环飞行控制信息。在一些实施例中，一个或多个ESC可以存储开环飞行控制信息，以及在来自飞行控制器的飞行控制信号丢失的情况下使用开环飞行控制信息来执行对机器人运载工具的一个或多个发动机的闭环控制。

在一些实施例中，开环飞行控制信息可以包括发动机控制指令。在一些实施例中，发动机控制指令可以包括将在一个时段(例如，1-2秒)中被应用于相对应的发动机的一系列发动机速度(例如，以RPM计)。在一些实施例中，开环飞行控制信息可以包括与从飞行控制器接收的正常控制指令类似的一段时间中的发动机控制指令的序列。在一些实施例中，开环飞行控制信息可以包括具有与实时ESC控制(例如，以RPM计)相同的格式的ESC命令的经时间参数化的数组。例如，飞行控制器可以预先确定用于在给定机器人运载工具的当前的姿态、速度和海拔高度的情况下对控制信号丢失事件作出响应的适合于每个ESC的发动机控制指令，并且将所预先确定的发动机控制指令发送给每个ESC(例如，发送给每个ESC的处理器)以便存储在本地存储器中。飞行控制器可以通过基于机器人运载工具的状态信息(诸如，海拔高度、纵摇、速度、当前的发动机RPM和/或其它类似的状态信息)确定对控制信号丢失事件的合适的运载工具响应和预先计算在被ESC独立地执行时将导致机器人运载工具执行该响应的发动机控制指令的序列来确定用于每个ESC的发动机控制指令。

在一些实施例中，用于每个ESC的开环飞行控制信息可以被格式化为对发动机控制指令的时间序列的参数化。例如，飞行控制器可以诸如通过确定可以被用于对发动机控制指令进行参数化的多项式的序列和通过向每个ESC发送多项式的系数而非发送发动机控制指令的完整数组来压缩发动机控制指令的序列。

在一些实施例中，每个ESC可以将所确定的发动机控制指令存储在存储器中，并且在飞行控制器信号丢失的情况下，每个ESC可以检索发动机控制指令，并且控制其相关联的发动机。

在一些实施例中，由飞行控制器提供给每个ESC的开环飞行控制信息可以包括使每个ESC能够独自确定用于执行对控制信号丢失事件的合适响应的合适的发动机控制系列的关于机器人运载工具的状态信息。这样的状态信息可以例如包括运载工具的海拔高度(例如，纵摇、横摇和偏航角)、速度、海拔高度、当前的发动机RPM和/或其它类似的状态信息。每个ESC可以存储所接收的状态信息，并且响应于检测飞行控制器信号的丢失，每个ESC可以检索状态信息，并且使用状态信息来生成用于建立对其相关联的发动机的控制的发动机控制信号。在一些实施例中，开环飞行控制信息可以使每个ESC能够生成用于相对短的时段(例如，一秒或者多秒内)的发动机控制指令。

在一些实施例中，飞行控制器(或者ESC控制器)可以确定用于遵循预定的故障安全轨迹、将机器人运载工具置于具体的故障安全状态下或者用于执行具体的故障安全行动的发动机控制指令。例如，飞行控制器(或者ESC控制器)可以确定将把机器人运载工具带到一个水平飞行姿态并且然后关闭发动机的发动机控制指令。作为另一个示例，飞行控制器(或者ESC控制器)可以确定用于降低机器人运载工具的速度和/或在指定的海拔高度处趋平的发动机控制指令。作为另一个示例，飞行控制器(或者ESC控制器)可以确定用于上升到指定的海拔高度(视具体情况)、停止发动机和部署降落伞的发动机控制指令。作为另一个示例，飞行控制器(或者ESC控制器)可以确定用于以使得使螺旋桨与发动机分离(例如，通过被旋开)的方式停止发动机和部署降落伞的发动机控制指令。实现各种实施例的飞行控制器信号丢失情况下的其它形式的操纵是可能的。

可以于在多种多样的通信系统100内操作的机器人运载工具内实现各种实施例，在图1中示出了通信系统100的一个示例。参考图1，通信系统100可以包括机器人运载工具102、基站104、接入点106、通信网络108和网络元件110。

基站104和接入点106可以分别通过有线的和/或无线的通信回程116和118提供用于接入通信网络108的无线通信。基站104可以包括被配置为在广域(例如，宏小区)以及小型小区中提供无线通信的基站，小型小区可以包括微小区、毫微微小区、微微小区和其它类似的网络接入点。接入点106可以被配置为在相对较小的区域中提供无线通信。基站和接入点的其它的示例也是可能的。

机器人运载工具102可以通过无线通信链路112与基站104通信，以及通过无线通信链路114与接入点106通信。无线通信链路112和114可以包括多个载波信号、频率或者频带，这些载波信号、频率或者频带中的每个载波信号、频率或者频带可以包括多个逻辑信道。无线通信链路112和114可以使用一种或多种无线接入技术(RAT)。可以被用在无线通信链路中的RAT的示例包括3GPP长期演进(LTE)、3G、4G、5G、全球移动系统(GSM)、码分多址(CDMA)、宽带码分多址(WCDMA)、微波接入全球互通(WiMAX)、时分多址(TDMA)和其它的移动电话通信技术蜂窝RAT。可以被用在通信系统100内的各种无线通信链路中的一个或多个无线通信链路中的RAT的进一步的示例包括中距协议(诸如，Wi-Fi、LTE-U、LTE-直接、LAA、MuLTEfire)和相对短距的RAT(诸如，ZigBee、蓝牙和蓝牙低能量(LE))。

网络元件110可以包括网络服务器或者另一个类似的网络元件。网络元件110可以通过通信链路122与通信网络108通信。机器人运载工具102和网络元件110可以经由通信网络108进行通信。网络元件110可以为机器人运载工具102提供多种多样的信息(诸如，导航信息、气象信息、关于环境条件的信息、移动控制指令和其它的与机器人运载工具102的操作相关的信息、指令或者命令)。

在各种实施例中，机器人运载工具可以包括航空机器人运载工具的有翼的或者旋翼机品种。图2示出了使用多个旋翼202的航空机器人运载工具200的一个示例，这多个旋翼202由相对应的发动机驱动以提供离地升空(或者起飞)以及其它的航空动作(例如，前向推进、上升、下降、横向移动、倾斜、旋转等)。机器人运载工具200是作为可以使用各种实施例的机器人运载工具的一个示例被说明的，而不旨在暗示或者要求各种实施例限于航空机器人运载工具或者旋翼机机器人运载工具。各种实施例可以被用于与使用ESC的有翼型机器人运载工具、基于陆地的自主运载工具和水上的自主运载工具。

参考图1和2，机器人运载工具200可以是与机器人运载工具102类似的。机器人运载工具200可以包括一些旋翼202、机架204和起落柱206或者滑橇。机架204可以为与旋翼202相关联的发动机提供结构性支撑。起落柱206可以支持机器人运载工具200的部件的组合的最大载荷重量(以及，在一些情况下，有效载荷)。为了易于描述和说明，省略了机器人运载工具200的一些详细的方面(诸如，连线、机架结构互连或者其它的对于本领域的技术人员将是已知的的特征)。例如，尽管机器人运载工具200被显示和描述为具有机架204，机架204具有一些支撑构件或者机架结构，但可以使用模制机架来构造机器人运载工具200，其中，通过模制结构来获得支撑。尽管所示出的机器人运载工具200具有四个旋翼202，但这仅是示例性的，并且各种实施例可以包括多于或者少于四个的旋翼202。

机器人运载工具200可以进一步包括控制单元210，控制单元210可以容纳被用于为机器人运载工具200供电和控制机器人运载工具200的操作的各种电路和设备。控制单元210可以包括飞行控制器220、功率模块230、传感器240、一个或多个照相机244、输出模块250、输入模块260和无线装置270。

飞行控制器220可以包括被配置为具有用于控制机器人运载工具200的操纵和其它的操作的处理器可执行指令的处理设备221。处理设备221可以是多核处理器或者多处理器组件。飞行控制器220可以还包括(例如，作为SOC)或者被耦合到导航单元222、存储器224、惯性传感器/陀螺仪/加速度计单元226(其可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计、惯性测量单元和其它类似的部件)和航空电子模块228，这些部件全部被耦合到处理设备221。飞行控制器220和/或导航单元222可以被配置为通过无线连接(例如，蜂窝数据网络)与服务器通信以接收在导航中有用的数据、提供实时定位报告和对数据进行评估。

航空电子模块228可以被耦合到处理设备221和/或导航单元222，并且可以被配置为提供与操纵控制相关的信息(诸如，海拔高度、姿态、空速、航向和导航单元222可以用于导航目的的类似信息(诸如，全球导航卫星系统(GNSS)定位更新之间的航位推算))。陀螺仪/加速度计单元226可以包括加速度计、陀螺仪、惯性传感器或者其它类似的传感器。航空电子模块228可以包括陀螺仪/加速度计单元226或者从陀螺仪/加速度计单元226接收数据，陀螺仪/加速度计单元226提供可以在导航和定位计算中被使用的与机器人运载工具200的朝向和加速度有关的数据，以及提供在各种实施例中被用于对图像进行处理的数据。

飞行控制器220可以进一步从诸如是图像传感器或者光学传感器(例如，能够感应可见光、红外线、紫外线和/或其它波长的光的传感器)这样的传感器240接收额外的信息。传感器240还可以包括射频(RF)传感器、气压计、湿度传感器、声纳发射器/检测器、雷达发射器/检测器、麦克风或者另一个声学传感器、激光雷达传感器、飞行时间(TOF)3-D照相机或者另一个可以提供可以被飞行控制器220用于移动操作、导航和定位计算和确定环境条件的信息的传感器。传感器240还可以包括被配置为检测由机器人运载工具的一个或多个部件生成的温度的一个或多个传感器(诸如，温度计、热敏电阻、热电偶、正温度系数传感器和其它的传感器部件)。

功率模块230可以为包括飞行控制器220、传感器240、一个或多个照相机244、输出模块250、输入模块260和无线装置270的各种部件提供功率。另外，功率模块230可以包括诸如是可再充电电池这样的能量存储部件。飞行控制器220可以被配置为具有用于诸如通过使用充电控制电路执行充电控制算法来控制对功率模块230的充电(即，对所收集的能量的存储)的处理器可执行指令。替换地或者额外地，功率模块230可以被配置为对其自身的充电进行管理。飞行控制器220可以被耦合到输出模块250，输出模块250可以输出用于管理驱动旋翼202的发动机和其它的部件的控制信号。

可以在机器人运载工具200向目的地推进时通过控制旋翼202的各个发动机来控制机器人运载工具200。飞行控制器220可以从导航单元222接收数据，以及使用这样的数据来确定机器人运载工具200的当前的定位和朝向以及去往目的地的合适的航线或者中间站点。在各种实施例中，导航单元222可以包括使机器人运载工具200能够使用GNSS信号进行导航的GNSS接收机系统(例如，一个或多个全球定位系统(GPS)接收机)。替换地或者另外，导航单元222可以被装备为具有用于从无线节点(诸如，导航信标(例如，甚高频(VHF)全向测距(VOR)信标)、Wi-Fi接入点、蜂窝网络站点、无线站、远程计算设备、其它的机器人运载工具等)接收导航信标或者其它的信号的无线导航接收机。

无线装置270可以被配置为接收导航信号(诸如，来自航空导航设施等的信号)，以及将这样的信号提供给处理设备221和/或导航单元222以在机器人运载工具导航中提供辅助。在各种实施例中，导航单元222可以使用从位于地面上的可识别的RF发射器(例如，AM/FM无线站、Wi-Fi接入点和蜂窝网络基站)接收的信号。

导航单元222可以包括规划应用，规划应用可以执行计算以便在容积空间内为机器人运载工具规划行进的路径(“路径规划”)。在一些实施例中，规划应用可以使用信息来执行路径规划，这些信息包括关于将被机器人运载工具执行的任务的方面的信息、关于环境条件、可以被机器人运载工具的一个或多个部件在执行任务时生成的热量以及一个或多个热约束的信息。

无线装置270可以包括调制解调器274和发射/接收天线272。无线装置270可以被配置为执行与多种多样的通信设备(例如，无线通信设备(WCD)290)的无线通信，无线通信设备的示例包括无线电话基站或者蜂窝塔(例如，基站104)、网络接入点(例如，接入点106)、信标、智能电话、平板型设备或者机器人运载工具200可以与之通信的另一个计算设备(诸如，网络元件110)。飞行控制器220可以经由无线装置270的调制解调器274和天线272，以及无线通信设备290经由发射/接收天线292建立双向无线通信链路294。在一些实施例中，无线装置270可以被配置为支持与使用不同无线接入技术的不同无线通信设备的多个连接。

在各种实施例中，无线通信设备290可以通过中间接入点被连接到服务器。在一个示例中，无线通信设备290可以是机器人运载工具运营商、第三方服务(例如，包裹配送、账单结算等)的服务器或者站点通信接入点。机器人运载工具200可以通过一个或多个中间通信链路(诸如，被耦合到广域网(例如，互联网)或者其它的通信设备的无线电话网络)与服务器通信。在一些实施例中，机器人运载工具200可以包括和使用其它形式的无线通信，诸如，与其它的机器人运载工具的网状连接或者去往其它的信息源(例如，气球或者其它的用于收集和/或分布气象或者其它的收集信息的数据的站)的连接。

在各种实施例中，控制单元210可以被装备为具有输入模块260，输入模块260可以被用于多种多样的应用。例如，输入模块260可以从机载照相机244或者传感器接收图像或者数据，或者可以从其它的部件(例如，有效载荷)接收电子信号。

尽管作为单独的部件示出了控制单元210的各种部件，但这些部件(例如，飞行控制器220、输出模块250、无线装置270和其它的单元)中的一些或者全部部件可以一起被集成到单个设备、电路板或者模块(诸如，SOC)中。

图3示出了被集成为SOC的机器人运载工具飞行控制器220内的进一步的部件。参考图1-3，飞行控制器220内的处理设备221可以包括一个或多个处理器或者处理器核314、工作存储器316、通信接口318和存储装置存储器接口320。存储装置存储器接口320可以被配置为使处理器314能够向存储装置存储器324存储数据和从存储装置存储器324检索数据，存储装置存储器324可以如所示出的那样被集成在飞行控制器220SOC内，或者作为单独的部件被连接。被配置为SOC的飞行控制器220可以包括通信部件322，通信部件322可以集成具有无线调制解调器274的无线装置270，无线调制解调器274被配置为连接到天线272以便建立无线通信链路等。

被集成为SOC的飞行控制器220可以进一步包括硬件接口328，硬件接口328被配置为使处理设备221能够与导航模块222、惯性传感器/陀螺仪/加速度计模块226和航空电子模块228对接，以及与机器人运载工具的各种部件通信和控制机器人运载工具的各种部件。在一些实施例中，硬件接口328还可以提供用于如下面进一步描述的那样向ESC提供开环飞行控制信息的去往一个或多个ESC的输出。

处理设备221可以包括多种不同类型的处理器314和处理器核，诸如，通用处理器、中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、图形处理单元(GPU)、加速处理单元(APU)、处理设备的具体的部件的子系统处理器(诸如，用于照相机子系统的图像处理器或者用于显示器的显示处理器)、辅助处理器、单核处理器和多核处理器。处理设备221可以进一步体现其它的硬件和硬件组合，诸如，现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、其它的可编程逻辑设备、分立的门逻辑、晶体管逻辑、性能监视硬件、看门狗硬件和时间参考。集成电路可以被配置为使得集成电路的部件驻留在单片半导体材料(诸如，硅)上。

飞行控制器220可以包括多于一个处理设备221，因此增加飞行控制器220内的处理器314和处理器核的数量。飞行控制器220还可以包括不位于处理设备221内的其它的处理器(未示出)。一个或多个处理器314可以各自被配置为用于具体的目的，这些目的对于处理设备221或者飞行控制器220SOC的不同的处理器314可以是相同的或者不同的。可以将具有相同的或者不同的配置的处理器314和处理器核中的一个或多个处理器314和处理器核分组在一起。

处理设备221的工作存储器316可以是被配置为用于存储用于被处理器314访问的数据和处理器可执行指令的易失性或者非易失性存储器。飞行控制器220和/或处理设备221可以包括被配置为存储包括任务相关数据的用于各种目的的数据(例如，视频数据、导航地图、任务计划等)的一个或多个存储装置存储器224。工作存储器316可以包括诸如是随机存取存储器(RAM)或者主存储器这样的易失性存储器和高速缓存存储器。

飞行控制器220和处理设备221的部件中的一些或者全部部件可以被不同地布置和/或被组合，而仍然提供各种方面的功能。飞行控制器220和处理设备221可以不限于这些部件中的每个部件的一个部件，并且可以在各种配置中包括每个部件的多个实例。进一步地，另一个处理设备(与221类似的)可以被包括在飞行控制器220内或者被耦合到飞行控制器220，并且被配置为执行与向ESC提供开环飞行控制信息相关联的各种实施例的操作中的一些或者全部操作。为了易于引用，术语“处理设备”被一般地用于指飞行控制器、飞行控制器内的处理器或者机器人运载工具内的被配置为执行各种实施例的操作的单独的处理设备。

图4是示出适于与各种实施例一起使用的机器人运载工具400的部件的部件方框图。参考图1-4，机器人运载工具400可以是与机器人运载工具102、200类似的。机器人运载工具400是作为机器人运载工具的一个示例被示出的，而不旨在暗示或者要求各种实施例限于航空机器人运载工具或者旋翼机机器人运载工具。各种实施例可以与有翼型机器人运载工具、基于陆地的自主运载工具和水上的自主运载工具一起使用。

机器人运载工具400可以包括被耦合到控制单元210的一个或多个电子速度控制器(ESC)402。ESC 402可以处置包括通过相对应的发动机404控制旋翼406中的每个旋翼406的操作的方面的功能。ESC 402可以被耦合到功率模块230。功率模块230(例如，机载电池)可以被耦合到发动机404(例如，经由ESC 402)和飞行控制器220。每个发动机404可以是与相应的发动机驱动器402b和解码器402a相关联的。每个解码器402a可以对从飞行控制器220去往相对应的发动机驱动器402b的信号(诸如，控制信号)进行解码。

在正常操作中，飞行控制器220可以向ESC 402发送用于控制给驱动旋翼406中的每个旋翼406的发动机404的功率的控制信号。飞行控制器220可以经由被发送到每个ESC402的控制信号单个地控制每个发动机404的速度。飞行控制器220可以以不同的旋转速率驱动发动机404“向前”以生成不同的量的辅助推力，或者驱动发动机404“向后”以产生不同的量的混合气动力。通过控制与旋翼406中的每个旋翼406相对应的单个发动机404的速度，飞行控制器220可以在机器人运载工具400向目的地前进和/或在各种飞行模式下操作时维持受控的飞行。

飞行控制器220通常是能够控制机器人运载工具的许多功能(诸如，经由ESC 402对发动机404的控制，以及包括飞行控制、对传感器数据进行处理、接收和处理GPS信号、控制无线装置以用于通信等的其它的操作)的稳健的处理设备。如在上面指出的，航空机器人运载工具的飞行操作期间的飞行控制器故障或者重启的后果可以是灾难性的，因为飞行控制器220将停止对ESC 402进行信号通知，使ESC停止对发动机404供电。在一些实施例中，来自飞行控制器220的控制信号的丢失可以包括来自导航单元222、惯性传感器/陀螺仪/加速度计单元226和/或航空电子模块228中的一项或多项的信号的丢失。

每个ESC 402可以包括一个ESC控制器408，ESC控制器408可以被耦合到相对应的存储器408a。ESC控制器408可以被配置为(例如，经由输出330)不时地从飞行控制器220或者另一个处理设备接收开环飞行控制信息。ESC控制器408可以将所接收的开环飞行控制信息存储在存储器408a中。在各种实施例中，响应于检测来自飞行控制器220的控制信号已经被丢失，ESC控制器408可以被配置为取得对ESC 402的控制(即，开始向ESC 402发出发动机控制信号)。在这样的实施例中，ESC控制器408可以从存储器408a中检索所存储的开环飞行控制信息，以及可以经由ESC 402向发动机404发出发动机控制指令。如所描述的，在一些实施例中，ESC控制器408可以根据所存储的之前从飞行控制器220或者另一个处理设备接收的指令的序列向发动机404发出发动机控制指令。在一些实施例中，ESC控制器408可以使用从飞行控制器220或者另一个处理设备接收的姿态信息来生成和向发动机404发出发动机控制指令的序列。

图5是示出来自飞行控制器的控制信号丢失之后的运载工具轨迹的示例的图，示出了常规机器人运载工具的轨迹500和实现各种实施例的机器人运载工具的轨迹550。参考图1-5，处于飞行控制器210的控制之下的机器人运载工具(例如，102、200、400)在任意给定的瞬间可以处在动态状态下(例如，从一个朝向转移到另一个朝向)。

图5示出了在飞行控制器故障之前执行相同的横摇操纵的常规机器人运载工具(轨迹500)和实现各种实施例的机器人运载工具(轨迹550)两者。因此，在所示出的示例中，处在状态502下的常规机器人运载工具和处在状态552下的实现各种实施例的机器人运载工具处在非水平状态下，而飞行控制器提供指引ESC控制飞行发动机引起绕纵摇轴的逆时针旋转(用弯曲的箭头指示)的主动飞行控制。

由飞行控制器在状态502和552下命令的上仰导致机器人运载工具到达状态504、554，在状态504、554下，运载工具正在逼近水平朝向，但刚好在飞行控制故障之前仍然正在绕纵摇轴旋转。

参考常规机器人运载工具的轨迹500，在飞行控制器故障的情况下(用虚线指示)，机器人运载工具的ESC可以继续执行响应于刚好在故障之前来自飞行控制器的控制信号生成的相同的发动机控制。在所示出的示例中，这样的发动机控制使机器人运载工具从状态502到状态504绕纵摇轴旋转。因此，ESC继续执行相同的发动机控制的结果将使机器人运载工具继续绕纵摇轴旋转地通过状态506、508、510、512和514，导致受控飞行的丢失。

参考实现各种实施例的机器人运载工具的轨迹550，飞行控制器可以定期生成将在飞行控制信号丢失(例如，可能在飞行控制器故障、重启或者暂停时发生)的情况下被执行的开环飞行控制信息553的集合。因此，除了向ESC发送引起从状态552到状态554的绕纵摇轴的旋转的控制信号之外，飞行控制器可以向ESC提供开环飞行控制信息以便存储在本地存储器中(或者可以将信息存储在被ESC访问的存储器中)，并且ESC可以被配置为如果来自飞行控制器的控制信号被丢失则访问并且实现所存储的开环飞行控制信息。

在飞行控制器故障的情况下，每个ESC可以访问所存储的开环飞行控制信息，并且在没有来自加速度计、陀螺仪和其它的传感器的信息的情况下基于开环飞行控制信息控制一个或多个飞行发动机。例如，在刚好处在飞行控制器故障之后的状态556下，ESC可以从存储器获取所存储的开环飞行控制信息，并且在状态558下开始控制相关联的发动机逆转存在于状态554下的绕纵摇轴的旋转，以及向水平飞行再调整机器人运载工具。除了通过在状态556下引起绕纵摇轴的逆向旋转力来逆转存在于状态554下的纵摇轴运动之外，所存储的开环飞行控制信息可以包括用于ESC控制相关联的发动机基本上取消或者减小在状态下556下被引起的机器人运载工具绕纵摇轴的角速度的指令。因此，在刚好处在达到水平飞行之前的状态558下，所存储的开环飞行控制信息可以包括用于ESC控制相关联的发动机短暂地引起绕纵摇轴的逆向旋转力以使得机器人运载工具在达到状态560下的水平飞行时是稳定的指令。

所存储的开环飞行控制信息可以进一步包括用于ESC控制相关联的发动机以均衡的方式(例如，具有用于避免引起纵摇或者横摇的相等的速度)减少提升(或者停止)以使得机器人运载工具可以通过状态562下降到状态564下的着陆的指令。在一些实施例中，ESC可以随后执行故障安全操作，诸如，如所示出的那样在到达状态560下的稳定(例如，水平的)朝向时停止发动机，使能够进行状态562和564下的在几乎没有或者没有角速度的情况下的自由下落。通过飞行控制器生成这样的开环飞行控制信息，机器人运载工具550能够在飞行控制器故障时达到受控飞行状态，特别是与在状态514下所示出的常规机器人运载工具的非受控飞行相反，这可以减少、最小化或者消除着陆或者撞击时的损坏(状态564)。

在各种实施例中，飞行控制器可以确定用于将机器人运载工具置于期望的状态下的开环飞行控制信息。期望的状态可以取决于机器人运载工具的初始状态信息(即，运载工具在开环飞行控制信息被生成时的状态)而改变。在一些实施例中，飞行控制器可以生成和提供开环飞行控制信息，并且在提供正常的飞行控制信号或者指令的同时向一个或多个ESC提供所确定的开环飞行控制信息。在一些实施例中，飞行控制器可以确定(例如，未来的)多个时间步进中的一个或多个时间步进处的未来的发动机控制指令。

在各种实施例中，飞行控制器可以通过多种方式生成开环飞行控制信息。在一些实施例中，飞行控制器可以使用机器人运载工具的数学模型基于运载工具的当前已知的状态(例如，方位、朝向、线性速度和纵摇/横摇/偏航角速度)投射或者预测未来的某个时段(例如，毫秒或者秒的时段)处的机器人运载工具的运动，并且生成将在所投射的未来的时间期间被ESC执行以达到鉴于所投射的运动的期望的飞行朝向(例如，水平的或者稳定的飞行)的合适的飞行控制指令。

在一些实施例中，飞行控制器可以使用机器人运载工具的数学模型来执行对机器人运载工具的运载工具动态的提前仿真，所述提前仿真从当前的运载工具状态开始执行ESC指令的序列，包括对运载工具对所存储的飞行控制信息的响应的仿真。在一些实施例中，飞行控制器可以从当前的状态开始响应于ESC指令的序列执行对机器人运载工具行为的提前仿真，以确定将导致所预测的接下来的运载工具状态的序列将使机器人运载工具进入期望的状态的发动机控制指令的序列。

在一些实施例中，飞行控制器可以使用相同的飞行控制算法来向ESC提供正常飞行操作信号或者命令，并且确定开环飞行控制信息。在一些实施例中，飞行控制器可以结合一种或多种飞行控制算法使用从提前仿真中仿真出的运载工具状态信息来确定开环飞行控制信息。在一些实施例中，在完成提前仿真之后，飞行控制器可以确定开环飞行控制信息，并且将所确定的开环飞行控制信息提供给一个或多个ESC。

在一些实施例中，飞行控制器可以在不执行对运载工具动态和控制的明确的离散仿真的情况下确定开环飞行控制信息。例如，飞行控制器可以确定经时间参数化的用于对ESC进行控制的多项式形式的解决方案，该解决方案计算起来显著更快，并且可以用更紧凑的形式来表示。与基于提前仿真所确定的开环飞行控制信息相比，这样的经时间参数化的开环飞行控制信息对于确定或者生成和向一个或多个ESC发送来说可能更高效。

图6示出了根据各种实施例的一种控制机器人运载工具的方法600。参考图1-6，方法600可以在机器人运载工具(例如，102、200、400)的硬件部件和/或软件部件中被实现，机器人运载工具的操作可以是受飞行控制器(例如，220)或者机器人运载工具的另一个处理设备和ESC控制器(例如，408等)的控制的。

在方框602中，飞行控制器或者另一个处理设备可以确定运载工具的状态信息。例如，飞行控制器可以作为正常飞行控制操作的一部分确定海拔高度、纵摇、速度、当前的发动机RPM和/或其它类似的状态信息中的一项或多项。作为另一个示例，另一个处理设备可以访问位于飞行控制器的存储器内或者来自姿态传感器(例如，加速度计和陀螺仪)的飞行控制信息。

在方框604中，飞行控制器或者另一个处理设备可以将开环飞行控制信息提供给ESC控制器(例如，ESC控制器408)。开环飞行控制信息可以使ESC控制器能够控制相关联的发动机。例如，开环飞行控制信息可以是可以被每个ESC响应于控制信号丢失而执行的发动机控制指令的序列(或者经参数化的序列)。作为另一个示例，飞行控制器或者另一个处理设备可以确定适于被ESC控制器用于响应于来自飞行控制器的控制信号的丢失而生成发动机控制的姿态信息。

在方框606中，ESC可以将所提供的开环飞行控制信息存储在存储器(例如，存储器408a)中。

方框602-604中的操作可以由飞行控制器与对ESC进行的正常控制并行地定期执行。因此，尽管未在图6中示出，但飞行控制器可以向每个ESC发送用于直到某个引起方框608中的来自飞行控制器的控制信号丢失的事件(例如，处理器重启)之前都维持受控飞行的发动机控制信号。

在确定方框612中，ESC控制器可以确定是否检测到来自飞行控制器的控制信号的丢失。

响应于确定未检测到来自飞行控制器的控制信号的丢失(即，确定方框612＝“否”)，ESC控制器可以继续存储从飞行控制器或者另一个处理设备接收的开环飞行控制信息。在一些实施例中，可以将所接收的开环飞行控制信息的每个集合存储在存储器中以替换(例如，覆盖)之前所存储的这样的信息的集合。

响应于确定来自飞行控制器的控制信号的丢失被检测(即，确定方框612＝“是”)，ESC控制器可以在方框614中访问所存储的开环飞行控制信息。

在方框616中，ESC控制器可以基于开环飞行控制信息控制与ESC相关联的一个或多个发动机。在一些实施例中，ESC控制器可以基于开环飞行控制信息调整对与ESC相关联的发动机或多个发动机的闭环控制。

图7示出了根据一些实施例的一种控制机器人运载工具的方法700。参考图1-7，方法700可以在机器人运载工具(例如，102、200、400)的硬件部件和/或软件部件中被实现，机器人运载工具的操作可以是受飞行控制器(例如，220)或者机器人运载工具的另一个处理设备和ESC控制器(例如，408等)的控制的。在方框502、508和512中，飞行控制器或者另一个处理设备和ESC控制器分别可以执行如所描述的方法500的被类似地编号的方框的操作。

在方框702中，飞行控制器或者另一个处理设备可以基于所确定的运载工具状态信息确定对控制信号丢失事件的合适的机器人运载工具响应。合适的响应可以是最小化对其它的物体和人的风险和/或最小化对机器人运载工具的损坏的响应。例如，如果运载工具状态信息指示机器人运载工具正在以高的速度移动，则合适的响应可以是在发动机被关闭之前减缓或者停止以避免撞上人或者物体。作为另一个示例，如果运载工具状态信息指示机器人运载工具处在不稳定的姿态下，则合适的响应可以是在发动机被关闭之前使运载工具水平以实现更受控的向地面下降。作为另一个示例，如果运载工具状态信息指示机器人运载工具接近于地面，则合适的响应可以是在发动机被关闭之前使运载工具水平并且下降以进行软着陆。作为另一个示例，如果运载工具状态信息指示机器人运载工具对于在发动机停止之前着陆太高但对于降落伞部署来说太低，则合适的响应可以是在发动机被关闭和降落伞被部署之前爬升到更高的海拔高度以实现软着陆。可以基于当前的运载工具姿态信息确定多种合适的响应，一个瞬间的对控制信号丢失事件的合适响应在几秒之后当机器人运载工具的姿态、速度和海拔高度已经变更时可能是不合适的。在一些实施例中，飞行控制器或者另一个处理设备在确定对控制信号丢失事件的合适响应以避免撞上人、动物和其它物体时还可以考虑其它的信息(诸如，照相机图像和地形图)。

在方框704中，飞行控制器或者另一个处理设备可以为每个ESC生成发动机控制指令，所述发动机控制指令在被ESC以开环方式执行时将使机器人运载工具执行所确定的对控制信号丢失事件的合适响应。例如，发动机控制指令可以包括将在控制信号丢失随后的各种时刻处被达到的发动机速度(例如，以RPM计)。在一些实施例中，用于每个ESC的开环飞行控制信息可以包括对发动机控制指令的时间序列的参数化。例如，飞行控制器或者另一个处理设备可以对发动机控制指令的序列进行压缩，所述压缩诸如通过确定可以被用于对发动机控制指令进行参数化的多项式的序列和通过向每个ESC发送多项式的系数而非发送发动机控制指令的完整数组。在一些实施例中，开环飞行控制信息可以包括用于相对短的时段(例如，一秒或多秒的时段)的足够数量的发动机控制指令。

在方框706中，飞行控制器或者另一个处理设备可以将所生成的开环飞行控制指令提供给每个ESC。该操作可以与去往每个ESC的正常控制信号的传输并行地被定期执行。

在方框708中，每个ESC控制器可以在与该ESC相对应的存储器中(例如，在该ESC内的存储器中)存储从飞行控制器接收的开环飞行控制指令。

在确定方框512中，每个ESC控制器可以确定是否来自飞行控制器的控制信号已经被丢失。只要控制信号继续从飞行控制器被接收(即，确定方框512＝“否”)，每个ESC控制器就继续在方框708中接收和存储来自飞行控制器或者另一个处理设备的开环飞行控制指令。这样，新鲜的开环飞行控制指令被定期接收和存储在存储器中以使得ESC始终准备好对控制信号丢失事件作出响应。

响应于检测到来自飞行控制器的控制信号的丢失(即，确定方框512＝“是”)，每个ESC控制器可以访问所存储的开环飞行控制指令，并且在方框712中通过执行开环飞行控制指令来执行对与ESC相关联的发动机的控制。因此，每个ESC可以就像指令是由飞行控制器或者另一个处理设备发出的那样执行所存储的开环飞行控制指令的序列。在一些实施例中，ESC控制器可以基于在方框710中被访问的被存储在存储器中的经参数化的信息确定在方框712中被执行的开环飞行控制指令。在一些实施例中，ESC控制器可以通过对在方框710中被访问的被存储在存储器中的信息执行其它的操作(诸如，对以经压缩的格式被存储的指令进行解压)来确定在方框712中被执行的开环飞行控制指令。在一些实施例中，每个ESC可以基于开环飞行控制信息调整对相关联的发动机的闭环控制。一旦全部所存储的开环飞行控制指令已经被执行，则ESC可以执行另一个操作(诸如，降低发动机的功率)。

图8示出了根据各种实施例的一种控制机器人运载工具的方法800。参考图1-8，方法800可以在机器人运载工具(例如，102、200、400)的硬件部件和/或软件部件中被实现，机器人运载工具的操作可以是受飞行控制器(例如，220)或者机器人运载工具的另一个处理设备和ESC控制器(例如，408等)的控制的。在方框502-514中，飞行控制器或者另一个处理设备和ESC控制器分别可以执行如所描述的方法500的被类似地编号的方框的操作。

在方框802中，飞行控制器或者另一个处理设备可以基于在方框502中所确定的运载工具信息的至少一个子集定期向每个ESC提供运载工具状态信息。例如，飞行控制器或者另一个处理设备可以为每个ESC提供机器人运载工具的当前的横摇、纵摇和偏航角以及空速和海拔高度信息。被提供给每个ESC的运载工具状态信息的子集可以是特别适于使每个ESC控制器能够确定对控制信号丢失事件的合适响应的信息。在一些实施例中，这样的状态信息可以包括例如海拔高度、纵摇、速度、当前的发动机RPM和/或其它类似的状态信息。

在方框804中，每个ESC控制器可以将从飞行控制器或者另一个处理设备接收的运载工具状态信息存储在存储器中。

在确定方框512中，每个ESC控制器可以确定是否来自飞行控制器的控制信号已经被丢失。只要控制信号继续从飞行控制器被接收(即，确定方框512＝“否”)，每个ESC控制器就继续在方框804中接收和存储来自飞行控制器或者另一个处理设备的运载工具状态信息。这样，新鲜的运载工具状态信息被定期接收和存储在存储器中以使得ESC始终被装备为具有当前的运载工具状态信息以对控制信号丢失事件作出响应。

响应于检测到来自飞行控制器的控制信号的丢失(即，确定方框512＝“是”)，每个ESC控制器可以在方框806中访问所存储的运载工具状态信息。

在方框808中，每个ESC控制器可以基于所存储的运载工具状态信息确定用于相关联的发动机对控制信号丢失事件作出响应的合适的发动机控制指令。在一些实施例中，每个ESC控制器可以确定用于其相关联的发动机的一系列发动机控制指令，这一系列发动机控制指令在被ESC中的全部ESC独立执行时将使机器人运载工具执行在全部发动机被关闭之前将运载工具置于更安全的状况下的操纵。响应于控制信号丢失而将被执行的合适的操纵可以取决于当前的运载工具姿态(例如，纵摇、横摇和偏航)、速度和海拔高度。在一些实施例中，每个ESC控制器可以对当前的运载工具状态信息应用和算法以生成合适的发动机控制指令系列。在一些实施例中，每个ESC控制器可以在表查找操作中使用当前的运载工具状态信息以从与运载工具状态相关的指令的数据库中获取合适的发动机控制指令系列。

在方框810中，ESC控制器可以通过执行所确定的开环飞行控制指令来执行对相关联的发动机或多个发动机的开环飞行控制。在方框808中所确定的和执行810中的发动机控制指令的数量或者持续时间可以是足以在全部发动机被断电之前稳定机器人运载工具或者以其它方式将机器人运载工具置于更安全的状况下(诸如，停止运载工具和/或使运载工具水平一个短暂的时段(例如，1到2秒))。在一些实施例中，每个ESC可以基于开环飞行控制信息调整对相关联的发动机的闭环控制。

图9示出了根据一些实施例的一种用于由飞行控制器或者另一个处理设备生成开环飞行控制信息的示例方法900。参考图1-9，方法900可以被飞行控制器(例如，210)内的处理设备(例如，220)或者被能够访问运载工具状态信息的另一个处理设备(例如，陀螺仪、加速度计等)实现。出于一般适用性，在对方法900的描述中使用了术语“处理设备”。方法900示出了可以在方法600的方框604和方法700的方框702和704中被执行的操作的示例。

在方框902中，处理设备可以确定或者访问运载工具朝向和运载工具状态信息。例如，飞行控制器将能够作为生成闭环飞行控制指令的过程的一部分访问或者直接访问运载工具状态信息(例如，水平和垂直速度以及纵摇/横摇/偏航旋转速度)。作为另一个示例，执行方法900的处理设备可以访问运载工具状态信息被存储在其处的存储器。作为一个进一步的示例，执行方法900的处理设备可以接收或者在存储器中访问状态传感器(包括陀螺仪、加速度计等)的输出。确定或者访问运载工具朝向和运载工具状态信息使处理器能够确定信息被获取的瞬间的运载工具朝向和运动。

在方框904中，处理器可以确定或者访问飞行控制器正在向ESC发出的当前的控制信号。例如，如果飞行控制器正在执行方法900，则作为被发出的控制信号生成这样的信息。作为另一个示例，执行方法900的处理设备可以在控制信号被发向ESC时接收或者截获控制信号或者访问控制信号被临时保存在其处的存储器。确定或者访问向ESC发出的当前的控制信号为处理器提供关于在信息被获取的瞬间被旋翼施加于运载工具的力以及随着控制信号被实现和发动机相应地作出响应在下一个瞬间将被施加于运载工具的力的信息。

在方框906中，处理器可以确定在控制信号丢失的情况下要达到的机器人运载工具的期望的状态。期望的状态可以是将使机器人运载工具能够诸如在撞击地面时达到受控着陆或者最小化对机器人运载工具的损坏的朝向。机器人运载工具的期望的状态可以取决于运载工具的当前的朝向和速度状态，特别是其中运载工具当前处在可能难以使用开环控制信息来控制的高度不稳定的配置下、正在行进得太快以至不能使用开环控制信息被停止、或者太高以至不能使用开环控制信息达到受控着陆的情形下。在一些实施例中，这可能是由于开环飞行控制可以被实现的持续时间受限于未来的运载工具状态(例如，1-2秒)的可预测性。作为一个示例，如果机器人运载工具相对较低并且处在接近稳定的飞行朝向下，则处理器可以确定期望的状态将是实现在大约几秒内进行朝向地面的受控下降的具有零速度并且旋翼提供平衡的提升(例如，用以避免引起横摇或者纵摇)的水平飞行。作为另一个示例，如果机器人运载工具正在高的海拔高度处飞行，则期望的状态可以是具有零速度的水平飞行之后跟随关闭旋翼以使得机器人运载工具采用该配置自由降落。作为另一个示例，如果机器人运载工具正在采用高度不稳定的配置进行飞行(诸如，具有用于最大化水平速度的大的纵摇角)，则处理器可以确定期望的状态是将在开环飞行控制的持续时间结束之前停止或者最小化水平速度以使得减少对运载工具的速度的影响的朝向。

在方框908中，处理器可以对当前的ESC控制信号中的当前的状态信息应用机器人运载工具的数学模型以将运载工具朝向和速度状态投射到未来的一段短暂的时间(在本文中被称为“时间步进”)处。换种说法，处理器可以使用机器人运载工具的数学模型对未来的短暂时间处的机器人运载工具的行为进行仿真。这样的数学模型可以基于当前的朝向和当前的纵摇、横摇、偏航和平移速度计算未来的几毫秒处的机器人运载工具的朝向和速度状态。这样的数学模型还可以基于来自运载工具的结构上的空气阻力和由于当前的ESC控制信号而由旋翼生成的运载工具上的力的在六个维度(即，X、Y、Z、纵摇、横摇、偏航)上被施加于运载工具的加速度来计算所投射的下一个步进处的运载工具的纵摇、横摇、偏航和平移速度。这样的计算可以采用以下形式：

P(t+Δt)＝P(t)+Vp(t)*Δt

Vp(t+Δt)＝Ap*Δt

其中，P(t)是时间增量t处的沿一个具体的维度的方位或者朝向；Vp(t)是时间增量t处的沿该具体的维度的速度；Ap(t)是时间增量t处的沿该具体的维度的加速度；以及，Δt是每个时间增量之间的时间(即，仿真步步进的持续时间)。由于加速度步进之间的时间期间的加速度产生的对方位朝向的变更的贡献在该近似中被忽略，其对于短的时间增量是有效的。可以使用公知的线性加速度(例如，F＝MA)和角加速度(例如，α＝I/τ)方程计算关于每个维度或者自由度的加速度。在一些实施例中，可以对于机器人运载工具的六个自由度以矩阵格式实现这样的运动方程，可以由针对向量操作被优化的处理器(诸如，图形处理单元(GPU))处理这样的运动方程。

在方框910中，处理器可以使用机器人运载工具的所投射的朝向和速度状态(即，在方框908中生成的信息)为每个ESC生成适于将机器人运载工具指引向期望的状态的开环飞行控制指令。在一些实施例中，可以使用与在正常闭环飞行控制中被使用的飞行控制规则相同或者相似的飞行控制规则(但是在这些规则中被使用的朝向和速度状态信息是通过数学模型(即，通过仿真)针对时间步进被生成的)生成开环飞行控制指令。所生成的开环飞行控制指令可以是适合于在对运载工具的未来的朝向和速度进行仿真时被使用的时间步进的持续时间的一个或者一系列指令。可以将在方框910中生成的开环飞行控制指令临时存储在缓冲器或者其它的存储器中。

在确定方框912中，处理器可以确定是否开环飞行控制在其中是可行的的未来的最大仿真时间已经到达。再一次地，开环飞行控制仅在初始状态条件的误差和非可预期的力致使控制指令不恰当之前的有限的时段(例如，1-2秒)中是可行的。与对天气进行预测类似，被用作仿真的初始条件的朝向(例如，陀螺仪误差)和加速度测量的小误差以及像风这样的未知的外部的力在足够的时间之后将导致产生对朝向和速度的大的影响。因此，超过投影机器人运载工具朝向和动态是可行的的时间地使用开环飞行控制信息对机器人运载工具进行控制而没有陀螺仪和加速度计反馈可能使机器人运载工具进入将导致产生比发动机被简单地关闭的情况下更大损坏的状态。为了将此考虑在内，处理器可以对运载工具朝向进行仿真和生成开环飞行控制的未来的持续时间可以是受限于确定方框912的，诸如被限于大约几秒。

响应于确定未来的最大仿真时间已经到达(即，确定方框912＝“否”)，处理器可以在方框914中对所投射的运载工具状态信息和最后的开环ESC控制信号应用机器人运载工具的数学模型以将运载工具朝向和速度状态以及加速度投射到未来的下一个时间步进处。换种说法，在方框914中，处理器从最后的所投射的朝向和速度状态(在方框908中被确定或者随后在方框914中被确定)开始并且在六个维度上应用运载工具的最后的所投射的加速度(例如，如被实现指令的ESC施加于旋翼的在方框910中根据开环飞行控制指令所确定的)地继续对机器人运载工具的仿真。可以如参考方框908描述的那样计算对运载工具朝向和速度状态信息以及经更新的加速度的投射。

在确定方框916中，处理器可以确定是否在方框914中所投射的朝向和所确定的速度状态已经达到期望的状态。换种说法，处理器可以确定是否已经收集了足够的开环控制指令以便在从如在方框902中确定的当前的朝向和速度状态开始被ESC执行时使机器人运载工具能够达到期望的状态。

响应于确定所投射的运载工具状态还未达到期望的状态(即，确定方框916＝“否”)，处理器可以再次在方框910中为每个ESC生成适于仿真时间步进中的所投射的运载工具朝向和速度状态和加速度的开环飞行控制指令。再一次地，可以针对时间步进生成用于每个ESC的开环飞行控制指令以便将机器人运载工具驱动到期望的状态。

方框910直到916中的操作可以在仿真循环中继续直到到达期望的状态(确定方框916)或者达到最大仿真时间(如在确定方框912中确定的)为止。

响应于确定所投射的运载工具状态已经达到期望的状态(即，确定方框916＝“是”)，处理器可以为每个ESC生成适于在以开环方式操作时维持期望的状态的开环飞行控制指令。换种说法，处理器可以在方框918中生成被配置为一旦运载工具达到期望的状态则避免扰乱运载工具的朝向的开环飞行控制指令。例如，飞行控制指令可以使ESC将飞行发动机控制为使得施加相等的推力和升力，因此避免引起运载工具中的纵摇或者横摇。作为另一个示例，飞行控制指令可以使ESC停止为旋翼供电以使得机器人运载工具可以在没有被旋翼施加纵摇或者横摇力矩的情况下自由降落。

响应于确定最大仿真时间已经到达(即，确定方框912＝“是”)或者在于方框918中生成用于维持期望的状态的开环飞行控制指令之后，处理器可以在方框920中提供所生成的开环飞行控制指令(或者实现这些指令的信息)以使得如果需要则信息可以被每个ESC访问。例如，处理器可以在方框920中将所生成的开环飞行控制信息发送给每个ESC以使得每个ESC可以将信息存储在本地存储器中。作为另一个示例，在方框920中，处理器可以将所生成的开环飞行控制信息存储在在飞行控制信号丢失发生的情况下每个ESC可以访问的存储器或多个存储器中。

仅作为用于说明权利要求的各种特征的示例提供了所说明和描述的各种实施例。然而，就任何给定的实施例所示出和描述的特征不必限于相关联的实施例，并且可以与被示出和描述的其它实施例一起被使用或者被组合在一起。进一步地，权利要求不旨在受任一个示例实施例的限制。例如，方法500、600、700和800的操作中的一个或多个操作可以被替换为方法500、600、700和800的一个或多个操作或者被与之组合在一起，并且反之亦然。

前述的方法描述和流程图是仅作为说明性的示例被提供的，并且不旨在要求或者暗示各种实施例的操作必须按照所呈现的次序被执行。如本领域的技术人员应当认识到的，前述实施例中的操作的次序可以按照任意次序被执行。诸如是“此后”、“然后”、“接下来”等这样的术语不旨在限制操作的次序；这些术语被用于引导读者通过对方法的描述。进一步地，任何例如使用冠词“一”、“一个”或者“那个”以单数形式对权利要求元素作出的引用不应当被解释为将该元素限于单数。

结合本文中公开的实施例描述的各种说明性的逻辑方框、模块、电路和算法操作可以被实现为电子硬件、计算机软件或者这两者的组合。为了清楚地说明硬件与软件的该可互换性，已在上面概括地根据它们的功能描述了各种说明性的部件、方框、模块、电路和操作。这样的功能被实现为硬件还是软件取决于具体的应用和被强加于总体系统的设计约束。技术人员可以针对每个具体的应用以不同的方式实现所描述的功能，但这样的实施例决策不应当被解释为使脱离权利要求的范围。

被用于实现结合本文中公开的方面描述的各种说明性的逻辑、逻辑方框、模块和电路的硬件可以利用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其它可编程逻辑设备、分立的门或者晶体管逻辑、分立的硬件部件或者被设计为执行本文中描述的功能的其任意组合来实现或者执行。通用处理器可以是微处理器，但替换地，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或者状态机。处理器也可以被实现为接收机智能对象的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP核的一个或多个微处理器或者任何其它这样的配置。替换地，一些操作或者方法可以被专用于给定的功能的电路执行。

在一个或多个方面中，所描述的功能可以用硬件、软件、固件或者其任意组合来实现。如果用软件来实现，则功能可以作为非暂时性计算机可读存储介质或者非暂时性处理器可读存储介质上的一个或多个指令或者代码被存储。本文中公开的方法或者算法的操作可以被体现在可以位于非暂时性计算机可读或者处理器可读存储介质上的处理器可执行软件模块或者处理器可执行指令中。非暂时性计算机可读或者处理器可读存储介质可以是任何可以被计算机或者处理器访问的存储介质。作为示例而非限制，这样的非暂时性计算机可读或者处理器可读存储介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、闪存、CD-ROM或者其它光盘存储装置、磁盘存储装置或者其它磁性存储智能对象或者任何其它的可以被用于存储采用指令或者数据结构的形式的期望的程序代码并且可以被计算机访问的介质。如本文中使用的磁盘和光盘包括压缩盘(CD)、激光盘、光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光盘，其中，磁盘通常磁性地复制数据，而光盘利用激光在光学上复制数据。以上各项的组合也被包括在非暂时性计算机可读和处理器可读介质的范围内。额外地，方法或者算法的操作可以作为可以被并入计算机程序产品的非暂时性处理器可读存储介质和/或计算机可读存储介质上的代码和/或指令中的一个代码和/或指令或者其任意组合或者集合存在。

提供前述的对所公开的实施例的描述以使本领域的技术人员能够制作或者使用权利要求。对这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员将是显而易见的，并且本文中定义的一般原理可以被应用于其它的实施例，而不脱离权利要求的精神或者范围。因此，本公开内容不旨在限于本文中所示的实施例，而将符合与随后的权利要求和本文中公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (30)

1.一种用于控制机器人运载工具的方法，包括：

由所述机器人运载工具的每个电子速度控制器(ESC)接收开环飞行控制信息；以及

响应于检测到来自飞行控制器的控制信号的丢失，由每个ESC基于所述开环飞行控制信息执行对与每个ESC相关联的发动机的控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，由每个ESC基于所述开环飞行控制信息执行对与每个ESC相关联的发动机的控制包括：

由每个ESC基于所述开环飞行控制信息调整对与所述ESC相关联的所述发动机的闭环控制。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：

由每个ESC接收的所述开环飞行控制信息包括发动机控制指令的序列；并且

基于所述开环飞行控制信息执行对与每个ESC相关联的发动机的控制包括：执行发动机控制指令的所述序列。

4.根据权利要求1所述的方法，其中：

用于每个ESC的所述开环飞行控制信息包括对发动机控制指令的时间序列的参数化；并且

由每个ESC基于所述开环飞行控制信息执行对与每个ESC相关联的发动机的控制包括每个ESC执行以下操作：

基于对发动机控制指令的所述时间序列的所述参数化确定发动机控制指令的序列；以及

执行发动机控制指令的所述序列。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述开环飞行控制信息执行对与每个ESC相关联的所述发动机的开环飞行控制包括：

由每个ESC基于所述开环飞行控制信息确定用于与所述ESC相关联的所述发动机的发动机控制指令；以及

由每个ESC执行所确定的发动机控制指令。

6.根据权利要求5所述的方法，其中：

由每个ESC接收的所述开环飞行控制信息包括运载工具状态信息；并且

基于所述开环飞行控制信息确定用于与所述ESC相关联的所述发动机的发动机控制指令包括：由每个ESC基于所述运载工具状态信息确定用于执行对控制信号丢失事件的合适响应的发动机控制指令。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：由每个ESC定期从所述飞行控制器接收所述运载工具状态信息。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：

由所述机器人运载工具的处理设备确定运载工具状态信息；

由所述处理设备基于所述运载工具状态信息确定用于每个ESC的所述开环飞行控制信息；以及

由所述处理设备将所确定的开环飞行控制信息提供给每个ESC。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，由所述机器人运载工具的每个ESC从所述飞行控制器接收开环飞行控制信息包括每个ESC执行以下操作：

从所述处理设备接收所述开环飞行控制信息；以及

将所接收的开环飞行控制信息存储在可由所述ESC访问的存储器中。

10.根据权利要求8所述的方法，其中：

由所述处理设备将所确定的开环飞行控制信息提供给每个ESC包括：由所述处理设备将所确定的开环飞行控制信息存储在可由每个ESC访问的存储器中；并且

由每个ESC接收开环飞行控制信息包括：每个ESC能访问所述处理设备将所确定的开环飞行控制信息存储在其中的所述存储器。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，由所述处理设备基于所述运载工具状态信息确定用于每个ESC的所述开环飞行控制信息包括：

由所述处理设备基于所述运载工具状态信息确定所述机器人运载工具对控制信号丢失事件的合适响应；

由所述处理设备基于所确定的合适响应确定用于每个ESC的发动机控制指令的序列；以及

由所述处理设备将发动机控制指令的相应的序列提供给每个ESC，

其中，由每个ESC接收开环飞行控制信息包括：从所述处理设备接收发动机控制指令的所述相应的序列。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，基于所确定的合适响应确定用于每个ESC的发动机控制指令的序列包括：由所述处理设备从所述运载工具状态信息开始，响应于ESC指令的序列执行对机器人运载工具行为的提前仿真，以确定将使所述机器人运载工具处于将使所述机器人运载工具能够达到受控着陆或者最小化对所述机器人运载工具的损坏的朝向的发动机控制指令的序列。

13.一种机器人运载工具，包括：

存储器；

处理设备；以及

至少一个电子速度控制器(ESC)，其被耦合到所述存储器和所述处理设备，并且被配置为控制至少一个发动机，其中，每个ESC被配置为执行以下操作：

接收开环飞行控制信息；以及

响应于检测到来自所述飞行控制器的控制信号的丢失，基于所述开环飞行控制信息执行对与每个ESC相关联的发动机的控制。

14.根据权利要求13所述的机器人运载工具，其中，每个ESC还被配置为通过基于所述开环飞行控制信息调整对与所述ESC相关联的所述发动机的闭环控制，来基于所述开环飞行控制信息执行对与每个ESC相关联的所述至少一个发动机的控制。

15.根据权利要求13所述的机器人运载工具，其中：

由每个ESC接收的所述开环飞行控制信息包括发动机控制指令的序列；并且

每个ESC还被配置为通过执行发动机控制指令的所述序列，来基于所述开环飞行控制信息来执行对与每个ESC相关联的所述至少一个发动机的控制。

16.根据权利要求15所述的机器人运载工具，其中：

用于每个ESC的所述开环飞行控制信息包括对发动机控制指令的时间序列的参数化；并且

每个ESC还被配置为通过执行以下操作来基于所述开环飞行控制信息执行对与每个ESC相关联的所述至少一个发动机的控制：

基于对发动机控制指令的所述时间序列的所述参数化来确定发动机控制指令的序列；以及

执行发动机控制指令的所述序列。

17.根据权利要求13所述的机器人运载工具，其中，每个ESC还被配置为通过执行以下操作来基于所述开环飞行控制信息执行对与每个ESC相关联的所述至少一个发动机的开环飞行控制：

基于所述开环飞行控制信息确定用于所述至少一个发动机的发动机控制指令；以及

执行所确定的发动机控制指令。

18.根据权利要求17所述的机器人运载工具，其中：

由每个ESC接收的所述开环飞行控制信息包括运载工具状态信息；并且

每个ESC还被配置为通过基于所述运载工具状态信息确定用于执行对控制信号丢失事件的合适响应的发动机控制指令，来基于所述开环飞行控制信息确定用于所述至少一个发动机的发动机控制指令。

19.根据权利要求13所述的机器人运载工具，其中，所述处理设备是所述机器人运载工具的飞行控制器，并且所述至少一个ESC被配置为定期从所述飞行控制器接收运载工具状态信息。

20.根据权利要求13所述的机器人运载工具，其中，所述处理设备被配置为执行以下操作：

确定运载工具状态信息；

基于所述运载工具状态信息，确定用于每个ESC的所述开环飞行控制信息；以及

将所确定的开环飞行控制信息提供给每个ESC。

21.根据权利要求20所述的机器人运载工具，其中，每个ESC还被配置为执行以下操作：

从所述处理设备接收所确定的开环飞行控制信息；以及

将所接收的开环飞行控制信息存储在可由所述ESC访问的存储器中。

22.根据权利要求20所述的机器人运载工具，其中：

所述处理设备还被配置为通过将所确定的开环飞行控制信息存储在可由所述ESC访问的存储器中，来将所确定的开环飞行控制信息提供给每个ESC；并且

每个ESC还被配置为通过能访问所述处理设备将所确定的开环飞行控制信息存储在其中的所述存储器，来接收所述开环飞行控制信息。

23.根据权利要求20所述的机器人运载工具，其中，所述处理设备还被配置为执行以下操作：

基于所述运载工具状态信息，确定所述机器人运载工具对控制信号丢失事件的合适响应；

基于所确定的合适响应，确定用于每个ESC的发动机控制指令的序列；以及

将发动机控制指令的相应的序列提供给每个ESC，并且

其中，由每个ESC接收的所述开环飞行控制信息包括所述相应的发动机控制指令。

24.根据权利要求23所述的机器人运载工具，其中，所述处理设备还被配置为通过以下操作来基于所确定的合适响应确定用于每个ESC的发动机控制指令的序列：从所述运载工具状态信息开始，响应于ESC指令的序列执行对机器人运载工具行为的提前仿真，以确定将使所述机器人运载工具处于将使所述机器人运载工具能够达到受控着陆或者最小化对所述机器人运载工具的损坏的朝向的发动机控制指令的序列。

25.一种用于在机器人运载工具中使用的电子速度控制器(ESC)，其被配置为执行以下操作：

接收开环飞行控制信息；以及

响应于从机器人运载工具检测到来自飞行控制器的控制信号的丢失，基于所述开环飞行控制信息执行对与所述ESC相关联的发动机的控制。

26.根据权利要求25所述的ESC，其中，所述ESC还被配置为将所接收的开环飞行控制信息保存在可由所述ESC访问的存储器中。

27.根据权利要求25所述的ESC，其中：

由所述ESC接收的所述开环飞行控制信息包括对发动机控制指令的时间序列的参数化；并且

所述ESC还被配置为通过执行以下操作来基于所述开环飞行控制信息执行对与每个ESC相关联的发动机的控制：

基于对发动机控制指令的所述时间序列的所述参数化来确定发动机控制指令的序列；以及

执行发动机控制指令的所述序列。

28.根据权利要求25所述的ESC，其中：

由所述ESC接收的所述开环飞行控制信息包括运载工具状态信息；并且

所述ESC还被配置为通过基于所述运载工具状态信息确定用于执行对控制信号丢失事件的合适响应的发动机控制指令，来基于所述开环飞行控制信息执行对与所述ESC相关联的发动机的控制。

29.一种用于在机器人运载工具中使用的处理设备，其被配置为执行以下操作：

基于当前的运载工具状态信息，确定所述机器人运载工具对控制信号丢失的合适响应；

为所述机器人运载工具的每个电子速度控制器(ESC)生成在被执行时将使所述机器人运载工具执行对控制信号丢失的所述合适响应的发动机控制指令的序列；以及

向每个ESC提供发动机控制指令的所述序列。

30.根据权利要求29所述的处理设备，其中，所述处理设备还被配置为通过执行以下操作来为每个ESC生成在被执行时将使所述机器人运载工具执行对控制信号丢失的所述合适响应的发动机控制指令的序列：基于所述运载工具状态信息和ESC指令的序列执行对机器人运载工具行为的提前仿真，以确定预测的接下来的运载工具状态的序列和将使所述机器人运载工具处于将使所述机器人运载工具能够达到受控着陆或者最小化对所述机器人运载工具的损坏的朝向的发动机控制指令的序列。

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