CN113906304A - 用于感测和避让外部物体的飞行器系统的分层软件架构 - Google Patents

Abstract

一种用于飞行器的监测系统具有被配置为感测飞行器周围的物体并提供指示感测到的物体的数据的传感器。感测和避让系统被设计在多个软件层中，每个层以独立的方式运行。回避软件层由满足适用的监管标准的固定、不可修改的代码组成。软件层的其余部分可以由可修改或不可修改的代码组成，该代码被配置为即使在修改时也不会对回避软件层的功能产生不利影响。感测和避让系统的每个软件层可以使用来自传感器的信息和关于飞行器的信息来生成建议，该建议最终用于确定飞行器可以遵循以避免与感测到的物体相撞的可能路线。然后可以根据建议控制飞行器以避免与物体碰撞。

Description

用于感测和避让外部物体的飞行器系统的分层软件架构

背景技术

飞行器在飞行过程中可能会遇到各种各样的碰撞风险，例如碎片、其他飞行器、设备、建筑物、鸟、地形和其他物体。与任何此类物体相撞可能会对飞行器及其乘员造成重大损坏和/或伤害。传感器可用于检测构成碰撞风险的物体并警告飞行员检测到的碰撞风险。在自驾飞行器中，指示飞行器周围的物体的传感器数据可用于避让与检测到的物体发生碰撞。

为了确保飞行器的安全高效运行，飞行器需要能够检测飞行器周围空间中的物体。然而，检测飞行器周围的物体以及确定飞行器要遵循的合适路径以避让与物体碰撞可能具有挑战性。能够执行可靠地检测和避让飞行器外部物体所需的评估的系统的设计或实施可能是昂贵的或繁重的。

为了使飞行器被认证为满足适航标准，任何与安全关键操作(例如避让碰撞)相关的软件和电子硬件必须符合美国联邦航空管理局(FAA)、国际标准化组织(ISO)和/或其他标准制定组织发布的一些标准。例如，D0-178和D0-254以及其他标准可能适用于规范安全关键硬件和软件。

在一些情况下，感测物体的检测、识别和/或避让可以包括一个或多个能够独立适应新数据和先前执行的计算的智能(例如，自主)部件。这些部件可能不依赖于明确的编程指令，而是应用机器学习技术来逐步生成用于预测分析的修改的、改进的模型和算法。

由于基于模型的软件范例可以不依赖于一组固定的代码，因此在认证标准方面出现了一些挑战。最初，一旦飞行器已经被认证为符合监管标准，飞行器制造商可能在不经过新的或补充的认证流程的情况下，无法更改认证所基于的任何安全关键部件，包括软件。这种对修改的限制不允许灵活、适应性的解决方案。此外，即使可以在对一个软件进行每次修改后寻求重新认证，但让每次修改(无论多么微小)都重复经历认证过程可能会非常昂贵、耗时或不切实际。

通常需要开发适应性的智能软件以可靠地检测和避让飞行器附近的物体，同时满足高水平的航空安全标准并有效地保持飞行器获得的任何认证。

附图说明

参考以下附图可以更好地理解本公开。附图的元件不必相对于彼此成此例，而是重点放在清楚地说明本公开的原理。

图1是图示根据本公开的一些实施例的具有飞行器监测系统的飞行器的顶部透视图的图。

图2A是图示根据本公开的一些实施例的飞行器监测系统的一部分的框图。

图2B是图示根据本公开的一些实施例的飞行器监测系统的一部分的框图。

图3是图示根据本公开的一些实施例的感测和避让元件的架构的图。

图4是图示根据本公开的一些实施例的感测和避让元件的框图。

图5是图示根据本公开的替代实施例的感测和避让元件的框图。

图6是图示根据本公开的一些实施例的用于感测和避让外部物体的方法的流程图。

具体实施方式

本公开大体上涉及用于飞行器的用于感测和避让外部物体的自主解决方案的架构。在一些实施例中，飞行器包括具有传感器的飞行器监测系统，所述传感器用于感测飞行器周围的物体的存在，以避碰、导航或其他目的。传感器中的至少一个可被配置为感测传感器的视场内的物体并提供指示感测到的物体的传感器数据。然后可以基于传感器数据的解释来控制飞行器。飞行器包括“感测和避让”系统，该系统通常针对传感器数据的收集和解释以确定物体是否是碰撞威胁，并且如果是，则提供建议(在本文中也称为报告)飞行器所采取的行动的建议，以避免与感测到的物体的碰撞。在优选实施例中，感测和避让系统包括感测系统中的多个算法(将在下面更详细地描述)，每个算法从同一组传感器获取数据，并且每个算法生成可以用于生成报告的单独的输出。

在一些实施例中，感测系统的输出可以包括表示飞行器要采取的动作的位置和向量信息。在一些实施例中，输出可以被计划和避让系统用于生成表示逃避路径或动作，其表示飞行器可以遵循以安全地避免与检测到的物体碰撞的路线。作为多个示例中的一个，计划和避让系统可以生成逃避动作，例如“以500英尺/分钟爬升并保持状态直到报告警报关闭”，但是可以使用任何适当类型的逃避路径或动作。在一些实施例中，逃避路径或动作可以作为报告传送给飞行器控制系统，该飞行器控制系统通过控制例如飞行器的速度或方向来实现该报告，以避免与感测到的物体碰撞，从而将飞行器相对于感测到的物体导航到所需位置，或出于其他目的控制飞行器。

感测和避让系统的架构被设计为包括多个离散层，每一层实现与感测过程和/或碰撞避让过程相关的一个或多个算法(或逻辑)。在优选实施例中，第一层可以包括一组固定的不可修改代码，该代码满足基于任何相关认证和/或监管标准的高水平安全要求。该第一层包括软件和/或相应的计算硬件，根据任何相关规定(包括针对传统的确定性软件的那些规定)，所有软件和/或相应的计算硬件都可以通过相同的高安全标准认证。应注意，此处使用的“传统”软件是指其确定性性质，并不将此类软件限制为任何特定的编程模型。第一层所依赖的传感器也可根据相同的高安全标准进行认证。

在优选实施例中，独立于第一层的第二层可以包括一组可修改的代码。第一层和第二层可以被配置为彼此独立地起作用；例如，它们可以全部或部分地物理分离到不同的计算硬件(例如，到不同的印刷电路板(PCB)上或到独立的处理单元上)和/或逻辑分离。除此之外，第二层的实施不会对第一层的安全性和性能产生不利影响。因此，即使修改了第二层的代码，第一软件层的安全性和性能也不会受到这些修改的负面影响。保持不变的第一层的代码将继续满足其相关的认证和/或监管标准，因此，第一层或整个感测和避让系统(即，包括多个层的软件的整体)的重新认证将是不必要的。

图1描绘了根据本公开的一些实施例的具有飞行器监测系统5的飞行器10的俯视透视图。图1将飞行器10描绘为自主垂直起降(VTOL)飞行器10，然而，飞行器10可以是各种类型。飞行器10可以被配置为承载各种类型的有效载荷(例如，乘客、货物等)。在其他实施例中，具有类似功能的系统可用于其他类型的交通工具10，例如，汽车或船只。在图1所示的实施例中，飞行器10被配置用于自驾(例如，自主)飞行。作为示例，飞行器10可以被配置为在飞行器10上的飞行控制器(图1中未示出)的监管下通过遵循预定路线到达其目的地来执行自主飞行。在其他实施例中，飞行器10可以被配置为在远程控制(例如通过与远程飞行员无线(例如，无线电)通信)下操作。替代地或附加地，飞行器10可以是有人驾驶的交通工具。

在图1的实施例中，飞行器10具有一个或多个第一类型的传感器20，用于监测飞行器10周围的空间；以及一个或多个第二类型的传感器30，用于提供相同空间的感测或附加空间的感测。任何数量的传感器和任何类型数的传感器可以包括图示的传感器20、30。在各种实施例中，这些传感器可以是用于检测物体存在的任何合适的光学或非光学传感器，例如电光或红外(E0/IR)传感器(例如，照相机)、光检测和测距(LIDAR)传感器、无线电检测和测距(雷达)传感器、转发器、惯性导航系统和/或全球导航卫星系统(INS/GNSS)，或任何其他可能合适的传感器类型。例如，传感器可以被配置为从物体15接收指示物体15的飞行路径的广播信号(例如，通过自动相关监视广播(ADS-B)技术)。

为了便于说明，图1仅描绘了在飞行器10前部的传感器20、30，然而，在优选实施例中，传感器20、30可以位于飞行器10上的不同位置并且可以在飞行器周围所有方向上具有全部或部分视场。图1的飞行器监测系统5被配置为使用传感器20、30来检测在飞行器10的某个附近范围内的物体15，例如飞行器10的飞行路径附近。然后可以处理这样的传感器数据以确定物体15是否对交通工具10构成碰撞威胁。在这点上，飞行器监测系统5可以被配置为确定关于飞行器10及其路线的信息。飞行器监测系统5可以例如确定飞行器10要遵循的安全逃避路径，该路径将避免与物体15碰撞。

物体15可以是飞行器10在飞行过程中可能遇到的各种类型的物体，例如，另一架飞行器(例如，无人机、飞机或直升机)、鸟、碎片或地形、或者如果飞行器10和物体15相撞可能损坏飞行器10或影响其飞行的任何其他类型的物体。物体15在图1中被描绘为具有特定尺寸和形状的单个物体，但应当理解，物体15可以代表一个或多个物体，所述物体可以采用多种形状或尺寸中的任一种并且可以具有各种特性(例如，静止的或移动的、合作的或不合作的)。在一些情况下，物体15可以是智能的、反应性的和/或高度机动的，例如另一运动中的有人驾驶或无人驾驶的飞行器。

图1的实施例还大体图示了如何可以避让检测到的物体15。飞行器监测系统5可以使用关于飞行器10的信息，例如飞行器的当前操作条件(例如，空速、高度、方向(例如，俯仰、滚转或偏航)、油门设置、可用电池功率、已知系统故障等)、飞行器在当前操作条件、天气、空域限制等状况下的能力(例如，机动性)，以生成飞行器在其当前操作条件下能够飞行的一条或多条路径。在一些实施例中，这可以采取生成逃避包络线(escape envelope)25的形式，该逃避包络线25定义了代表飞行器10可以安全遵循的可能路径范围的区域的边界。逃避包络线25(显示为“漏斗”形状)可以被理解为可能的避让操作的包络线或范围。该逃避包络线可以采用任何形状，但通常在远离飞行器10的位置处变宽，表明飞行器10在其行进时能够从其当前路径转向更远的事实。飞行器监测系统5然后可以选择逃避包络线25内的逃避路径35以供飞行器10遵循，以便避让检测到的物体15。

在识别逃避路径35时，飞行器监测系统5可以使用来自传感器20、30的关于感测到的物体15的信息，例如其位置、速度和/或可能的分类(例如，物体是鸟、飞行器、碎片、建筑物等)。传感器20、30能够检测其视场内任何地方的物体。如上所述，传感器在飞行器周围(未具体显示)的所有方向上具有全部或部分视场视场不限于图1所示的逃避包络线25。逃避路径35也可以被定义为使得飞行器将返回到飞行器在执行回避机动飞行之前所遵循的大致航向。

图2A和2B描绘了飞行器监测系统5的实施例，其包括一个或多个传感器20、一个或多个传感器30、感测系统205(其可包括例如下文更详细描述的回避系统209和冲突解除系统207)(图2A)、计划和避让系统220(其可以包括例如避让系统224和飞行计划系统228等部件)(图2A和2B)以及飞行器控制系统240(其可包括例如任务处理元件242、飞行器控制器245、推进系统247和一个或多个致动器246等部件)(图2B)。在图2A和2B所示的实施例中，飞行器监测系统5的部件可以驻留在交通工具10上并且可以通过有线通信(例如，传导)和/或无线通信(例如，无线网络或短程无线协议，例如蓝牙)与飞行器监测系统5的其他部件进行通信，然而在不同的实施例中可以使用替代的实现方式。

应当理解，图2A和2B中所示的部件仅是说明性的，并且飞行器监测系统5可以包括未示出的各种部件，以用于实现本文所述的功能以及用于一般执行碰撞威胁感测操作和交通工具控制。类似地，尽管特定功能可归因于如本文所讨论的飞行器监测系统5的各种部件，但应理解，在其他替代实施例中，此类功能可由不同部件或由一个或多个部件执行。

参考图2A，来自传感器20、30，感测系统205和计划和避让系统220的一些部件的组合一起用作“感测和避让”元件210。如图2A所示，感测系统205在一些实施例中可以耦联到传感器20和传感器30中的每一个。感测和避让元件210可以执行传感器数据(以及其他数据，例如飞行计划数据(例如，地形和天气信息等)和/或从飞行器控制系统240接收的关于逃避包络线的数据)的处理，以为飞行器控制器245要采取的行动生成建议(也称为报告)。

支持该建议的数据可以从感测系统205发送到避让元件224(计划和避让系统220的避让元件)，避让元件224对其应用避让算法以生成优化的逃避路径。在一些实施例中，避让元件可以是ACAS或ACAS-X系统。在一些实施例中，避让算法本质上可以是确定性的。在一些实施例中，该算法还可考虑来自飞行计划系统228的信息。这样的信息可以包括例如先验信息(例如关于建筑物或其他已知静态特征的位置的地形信息)、关于天气的信息、空域信息(包括其他飞行器(例如，机队中的其他飞行器)的已知飞行路径))和/或其他相关的预先确定的(或可预先发现的)信息。

感测和避让元件210和计划和避让系统220的其他元件可以用硬件或硬件和软件/固件的组合来实现。作为示例，感测和避让元件207可以包括一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或用软件或固件编程的微处理器，或用于执行所描述的功能的其他类型的电路。下面将参考图3和4更详细地描述感测和避让元件210的部件的示例性配置。

参考图2B，计划和避让系统220可以向飞行器控制系统240的任务处理元件242提供生成的路径和/或其他信号。在一些实施例中，飞行器控制器20可以通过提供信号或以其他方式控制多个致动器246来执行飞行器10的适当控制操作，所述多个致动器246可以分别耦联到一个或多个飞行控制表面248，例如方向舵、副翼、升降舵、襟翼、扰流板、制动器或通常用于控制飞行器的其他类型的空气动力装置。尽管在图2B中为了说明的简单描绘了单个致动器246和单个飞行控制表面248，也可以实施任何实际数量的致动器246和飞行控制表面248以实现飞行器10的飞行操作。推进系统247可以包括各种部件，例如发动机和螺旋桨，以用于向飞行器10提供推进力或推力。一个或多个飞行器传感器249可以监测飞行器10的各种部件的操作和性能并且可以向飞行器控制器245发送指示这种操作和性能的反馈。响应于飞行器传感器249提供的关于飞行器10的系统的性能的信息，飞行器控制器245可以控制飞行器10执行飞行操作。

应当理解，飞行器控制器245是反应系统，接收感测和避让系统210的建议并且对其作出反应。响应于接收到建议，任务处理元件242可以被配置为向飞行器控制器245提供信号以响应于威胁采取行动，例如向用户(例如，飞行员或乘客)提供警告或控制飞行器控制系统240(例如，致动器246和推进系统247)以改变飞行器10的速度(速率和/或方向)。例如，飞行器控制器245可以努力控制飞行器10的速度以遵循逃避路径35，从而避让感测到的物体15。或者，飞行器控制器245可以基于感测到的物体15导航到期望的目的地或其他位置。

在替代实施例中，计划和避让系统220(或者仅避让逻辑224)的功能和任务处理元件242的功能可以用相同的计算硬件来实现或者可以共享处理器或其他资源。即，避让逻辑224可以在任务处理元件242的计算机系统上实现，或者替代地，任务处理元件242可以在计划和避让系统220的计算机系统上实现，即，感测和避让系统210所使用的计算硬件的一些子集。

参考图2A和2B将理解，在飞行器监测系统5的实施中可以使用任意数量的计算机。特别地，使用不同的处理器或其他硬件有助于在硬件资源中分散处理负担。此外，在不同硬件中分离部件有助于将任何一个元件与可能影响另一个元件的硬件故障隔离开来。此外，将不同的处理器或其他硬件用于感测和避让元件210和/或其他部件可以有助于降低设计和制造成本。另一方面，对飞行器重量和功耗的考虑可能会限制可以在其上实现功能的离散计算单元的数量。尽管存在上述限制和机会，但在优选实施例中，感测系统205可以在其自己的计算系统上(或在专用于感测系统205的多个计算系统上)实现，这是由于由系统执行的相对高的处理量所需的计算能力以及感测系统的特定安全要求(如下所述)，但是其他实施例可以例如在共享计算系统上不同地实现。

图3图示了感测系统205的设计的一般原理。图3的左侧描绘了感测和避让系统210的感测系统205的分层布置。在图示的实施例中，感测系统205被设计为包括多个离散的软件“层”和/或支持计算机硬件。最里面描绘的层是回避层209。在回避层209的外部并与回避层209分开的是冲突解除层207。在一些实施例中，感测和避让系统210还包括飞行计划层228。这些层中的每一层都包括一个或多个算法，以用于响应于碰撞的检测而为飞行器将采取的行动生成建议。

图3的右侧描绘了感测系统205的逻辑流程的框图。传感器套件20、30从飞行器10外部进行测量。在优选实施例中，相同的传感器20、30将信息馈送到回避层209和冲突解除层207中，然而，在替代实施例中，可以分别为每一个使用不同的传感器分组。来自回避层207和不可修改的软件209的位置和向量数据然后可以被提供给避让算法224。在一些实施例中，避让算法是机载防撞系统(ACAS)，但是在其他实施例中其他算法也是可能的。

如图3所示，回避层209和冲突解除层207使用不同类型的算法处理传感器数据。第一架构层(回避层209)在图3中作为“不可修改”的软件标出，仅包括在飞行器监测系统的整个生命周期中都不会改变的一组静态代码。回避层209可以被设计成满足任何相关的认证和/或监管标准。回避层209中的代码本质上是确定性的，使得在给定特定输入的情况下，回避层209的逻辑的数据输出将始终相同。

第二层(冲突解除层207)包括“可修改的软件”，例如适应性模型和算法。在一些实施例中，冲突解除层207可以是依赖于神经网络的智能系统。冲突解除层207本质上可以是概率性的(使用概率模型)，其中即使给出相同的输入，系统的数据输出也可以变化，因为系统适应局部变化。

两种算法的结果(回避和冲突解除)可以被转换或放置成标准格式并且被提供给计划和避让系统220，其基于此生成报告。在优选实施例中，如上所述，避让元件224可以采用ACAS系统的形式。在一个实施例中，避让元件224可以是ACAS-X实现方式。

以另一种方式解释它，在优选实施例中，当检测到物体15时，回避层209和冲突解除层207中的每一个从传感器20、30接收数据并且进行各自的处理以提供位置和向量信息给计划和避让系统220。冲突解除层207使用诸如机器学习的非确定性方法来对物体15进行分类，并基于一组或多组训练数据(例如关于检测到的物体的历史数据和/或检测到的物体所遵循的路径)来预测其位置和向量数据。回避层209使用确定性方法，例如数学规则或存储在存储器中的其他信息(例如，一组预先建立的“if-then-else”规则或其他封闭形式的数学表达)，以提供位置和向量数据。因为这些感测和避让决策是分开地并且彼此并行地做出的，所以不同的回避和冲突解除逻辑可能导致提供给计划和避让系统220的两组结果之间的差异。然而，在物体移动太靠近飞行器或以其他方式对飞行器构成需要立即采取行动的威胁的情况下，回避层209将覆盖(override)冲突解除层207。

在图3的实施例中，可以包括第三个“飞行计划”层。飞行计划层228考虑预先存在的信息，预先存信息指的是在飞行之前已知但仍与避让碰撞相关的信息。这样的信息可以包括例如先验信息(包括关于建筑物或其他已知静态特征的位置的地形信息)、关于天气的信息、空域信息(包括其他飞行器(例如，机队中的其他飞行器)的已知飞行路径))和/或其他相关的预先存在的信息。

在一个实施例中，感测和避让系统的层可以被设计成满足FAA使用的各种安全分类，例如，设计保证级别(DAL)“A”到“E”，每个级别的严格性相应地减小。回避层209由软件和计算/或硬件构成，其在任何相关规定(包括针对传统(确定性，并且在某些情况下，单线程)软件的那些规定)下，可认证为高安全标准。此类标准可包括行业标准等，例如D0-178和D0-254。例如，参考FAA基于字母的设计保证级别分类，在一个优选实施例中，回避层的软件和计算硬件至少满足DAL-B级别认证。回避层所依赖的传感器也至少可以根据监管机构标准在相同的安全标准下进行认证--作为相同安全标准的单个传感器或作为实现满足相同安全标准的较低标准的多个传感器的组合。还可以理解，逃避层的每个子系统都满足相同的安全标准。在其他实施例中，回避层的软件和硬件以及传感器可以被设计成满足比DAL-B级别更高或更低级别的认证。

在优选实施例中，冲突解除层的软件和/或硬件也被设计成满足监管标准，例如FAA安全标准。但是，由于冲突解除层的软件是可修改的，因此在FAA标准下对冲突解除层的明确认证可能存在限制，使得该认证可能值得也可能不值得寻求，或者可能实用也可能不实用。

在一些实施例中，冲突解除层可以被设计成满足比回避层更不严格的分类。换句话说，因为回避层209用作避让碰撞的后备网，所以在回避层209的功能中所允许的错误比在冲突解除层207中的错误要少。然而，替代实施例是可能的，其中冲突解除层被设计成满足与回避层相同的安全标准分类。

在一些实施例中，冲突解除层207可以使用与回避层209所使用的传感器相同的传感器。在这样的实施方式中，冲突解除层所使用的传感器可以被认证为至少与回避层相同的高标准。然而，在替代实施方式中，冲突解除层可以使用与回避层所使用的传感器分离的一组传感器。在该替代实施方式中，冲突解除层使用的传感器只需要满足与冲突解除层本身的软件和硬件所满足的安全标准相同的安全标准。

在优选实施例中，回避层和冲突解除层在逻辑上是去耦联的，以便离散地起作用。每一层都能够在没有其他层的初步、并发或后续动作的情况下进行动作。换句话说，冲突解除层的算法对回避层的功能没有不利影响，也不能覆盖回避层的功能，也就是说，它们不会改变、阻碍或恶化回避层的输出结果、效率、性能等，也不会从回避层的功能中获取资源。因为冲突解除层207不干扰回避层209执行的功能，所以冲突解除层207的功能不会不利地影响回避层的安全合规性。例如，这种独立性可以通过感测和避让系统的软件和硬件的事件日志或其他适当类型的证据来显示。因此，应当理解，冲突解除层207的修改本身并不导致需要根据FAA(或其他机构)的安全标准对回避层209重新认证。因此，即使冲突解除层的代码被修改(例如，为了满足不断提高的概率模型标准、改进的神经网络等)，回避层提供的代码和安全级别也不会受到此类修改的影响并保持不变。被设计为符合任何相关认证和/或监管标准的回避层保持不变。即使在对第二层的代码进行任何更改之后，感测和避让系统的架构整体上(即包括多个层的软件整体)也将继续满足此类标准(甚至可能提高性能)。因为即使在改变冲突解除层207之后，系统也保持已经认证的回避层209的完整性，所以不必要对软件整体进行重新认证或补充认证将因此是。

虽然图3描绘了三(3)层算法，但可以理解，在不同的实施例中，任何数量的层都是允许的，只要至少一层由不可修改的软件组成，而另一层可以独立于第一层而修改。

如将在图2A、2B和3中理解的，感测和避让系统210本身不控制飞行器10、致动器246或推进系统247。相反，感测和避让系统210提供飞行器控制系统240应该采取的动作的建议。该建议信息被发送到任务处理元件242以计算优化路径，该优化路径最终被传送到飞行器控制器245。飞行器控制器245然后可以根据建议控制致动器和飞行器的推进。

图4图示了感测系统205的框图。感测系统205可以以硬件或硬件和软件/固件的组合来实现。在一个实施例中，回避层209和冲突解除层207可以被布置为位于彼此不同的处理核上。作为示例，回避层209和冲突解除层209可以各自包括一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或用软件或固件编程的微处理器、或用于执行所述功能的其他类型电路。

在一个实施例中，冲突解除层和回避层是在两个不同的处理单元(或计算机)上实现的。在例如图4的示例性实施例中，这可以采取分别在两个不同的印刷电路板PCB 1和PCB2上实施的形式。在替代实施例中，这些层可以在同一板上起作用，但是在不同的处理核上。通过这种设置，对PCB中的一个(或替换地，处理单元)的物理(例如，环境)颠倒将不会影响其他的功能。更重要的是，由于回避层209和冲突解除层207并行工作，即使在发生故障的情况下，感测系统205仍能令人满意地工作。在替代实施例中，回避和冲突解除逻辑可以在同一板上，然而，它们可以被实现成在逻辑上去耦联。

如图4所示，冲突解除层207和回避层209可以分别包括一个或多个处理器410和450、存储器440和480中的一个或多个、数据接口420和460中的一个或多个，以及至少一个本地接口415和455。处理器410、450可以被配置为执行存储在存储器440、480中的指令以执行各种功能，例如处理来自传感器20、30(图1、2A、2B)的传感器数据。处理器410、450可以包括中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、图形处理单元(GPU)、FPGA，或其他类型的处理硬件，或者它们的任何组合中的任一个。此外，处理器410、450可以包括任何数量的处理单元以提供更快的处理速度和冗余。

处理器410、450可以经由本地接口415、455与其他元件通信并驱动其他元件，本地接口415、455可以包括至少一个总线。此外，数据接口420、460(例如，端口或引脚)可以为传感器系统205的部件与飞行器控制器系统5的其他部件提供接口，例如传感器20、30和飞行器控制系统5的任何部件。

如图4所示，冲突解除层207可以包括冲突解除逻辑430，并且回避层209可以包括回避逻辑470，该回避逻辑可以在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。在图4中，冲突解除和避让逻辑以软件实现并存储在各自的存储器中以供处理器410、460执行。然而，在其他实施例中其他配置也是可能的。

如前所述，回避层209和冲突解除层207两者分别起作用以提供包括位置和向量信息的建议，以供飞行器10在物体15周围导航。在实践中，冲突解除层207还可以被设计为智能地确定导致更适合乘客体验的更平稳飞行的逃避建议。也就是说，虽然回避层和冲突解除层都将提供可用于避让碰撞的报告，但冲突解除层提供的报告得到概率分析的支持，该分析允许更成熟的逃避路径选择。在这点上，在一些实施例中，冲突解除层207可以采用机器学习算法来对物体15的位置进行分类和检测，以便更好地评估其可能的飞行性能(例如速度和机动性)以及威胁风险。在这点上，冲突解除层207可以将物体数据445存储在存储器440中，其指示飞行器10在飞行期间可能遇到的各种类型的物体，例如鸟或其他飞行器。对于每个物体类型，物体数据445定义标签，该标签可以与传感器数据进行比较以确定感测到的物体何时对应于物体类型。作为示例，物体445可以指示物体的预期大小和形状，其可以与物体的实际大小和形状进行比较以确定物体15是否匹配物体类型。不仅可以识别物体的类别(例如，鸟、无人机、飞行器、直升机等)，还可以识别类别中的特定物体类型。

很明显，在图4的实施例中，回避层和冲突解除层彼此布置在不同的硬件上。替代地，回避层和冲突解除层可以共享硬件但被布置为在逻辑上彼此独立。在一些替代实施例中，回避层和冲突解除层的代码可以包括与位置无关的代码，或者可以存储在存储器的不同部分中。

图5图示了感测系统205的配置的替代实施例。图5呈现了一个实施例，其中冲突解除层207和回避层209共享一个或多个处理资源510以及存储传感器数据545和物体数据540的一个或多个存储器530。在一个实施例中，如果回避逻辑470的算法不具有足以执行由冲突解除逻辑430执行的详细分类的鲁棒性，则回避逻辑470在其对所获取的传感器数据的分析中将不使用物体数据540。然而，在其他实施例中，回避逻辑可以更具鲁棒性，例如，使用物体数据540来例如执行与过去的物体数据或模板匹配的某种类型的模式。在一些实施例中，回避层209使用的传感器数据可以与冲突解除层使用的传感器数据不同，以便分别存储在存储器530中或不同的存储器中。在其他实施例中，两层之间可能存在传感器数据的冗余。

注意，当以软件实现时，感测和避让逻辑350或其部件可以在任何计算机可读介质上存储和传输，以供可以获取和执行指令的指令执行装置使用或与其结合使用。在本文的上下文中，“计算机可读介质”可以是可以包含或存储由指令执行装置使用或与指令执行装置结合使用的代码的任何装置。

替代实施例可以包括由可修改或不可修改代码构成的附加的架构层(例如，第三、第四、第五或第n层)。如果架构包括任何附加层，则这些层也独立于回避层209的固定代码，以免对该层的功能产生不利影响。

下面将参考图6更详细地描述飞行器监测系统5的示例性使用和操作以便感测和避让飞行器10的路径内的物体15。为了说明的目的，将假设在图6中，物体15在飞行器10的路径内并且在传感器20、30中的至少一个的视场内。

图6图示了用于感测和避让外部物体的示例性方法。在步骤602和604，感测系统205可以从一个或多个传感器20、30接收数据，并且可以检测传感器数据中的物体15。在优选实施例中，感测系统205并行工作以处理冲突解除层207(步骤602)和回避层209(步骤604)中的传感器数据，但在其他实施例中，感测系统205可以不并行处理两组数据。在一些实施例中，传感器20、30中的一些将数据发送到冲突解除层207，而传感器20、30中的其他将数据发送到回避层209，然而，在替代实施例中，两个层使用相同的传感器。在图6所示的实施例中，步骤602和604使用不同的算法进行物体检测。例如，在步骤602中，冲突解除层207可以使用机器学习检测，而在步骤604中，回避层209可以使用经典的确定性检测，但是在不同实施例中任一模块可以使用其他检测方法。

首先转到冲突解除层的过程，基于由传感器20、30感测到的关于物体15的信息(位置、速度、质量、尺寸等)，冲突解除层207可以在步骤606中对物体15进行分类，换言之，识别检测到的物体15的物体类型。此后，处理可以继续到步骤608，其中冲突解除层207可以确定位置和向量数据，然后到步骤612，其中这样的数据被发送到计划和避让系统220中的避让算法。

在回避层的图示过程中，没有对物体进行分类。相反，基于检测到的传感器数据，回避层209可以确定位置和向量数据(步骤610)，并且可以在步骤614中将这样的数据发送到避让算法224。

计划和避让系统220在步骤622接收两组数据。在一些实施例中，避让算法224，无论是自身还是与任务处理元件242结合，都可以验证由冲突解除层207发送的位置和向量数据(步骤620)。计划和避让系统220然后考虑来自飞行计划系统228的飞行计划数据(步骤622)，并且在步骤624中，向飞行器控制系统254提供飞行路径(建议或报告)。

如上所述，位置和向量数据以冗余方式从冲突解除层和回避层发送。这样做是为了提高飞行器的安全性，也就是说，回避层可以充当冲突解除层的更多处理繁重计算的安全网或后备，该繁重计算的结果可能取决于使用的数据的质量。在一些情况下，计划和避让系统220可以选择使用一组接收到的位置/向量数据而不是另一组。这种选择的原因可能会有所不同。例如，计划和避让系统220可能注意到由两个感测系统算法提供的数据之间的大差异，这可能表明该算法存在错误。此外，系统220可以识别与冲突解除层207或回避层209相关的硬件故障，或者专用于这些层的传感器相关的硬件故障。在发生故障的情况下，飞行器监测系统5可被配置为采取纠正动作，例如停用故障处理器或忽略其用于未来控制决策的输出。以这种方式，感测算法中的一个(例如，满足更高安全标准的回避层)可以用作对冲突解除层的更高性能和可变功能的检查或安全网。此外，如上所述，在物体离飞行器太近或以其他方式对飞行器或其乘客构成威胁需要立即行动的情况下，回避层209将覆盖冲突解除层207以指示飞行器控制器将飞行器移动到安全位置。

以上仅是对本公开的原理的说明，本领域技术人员可以在不脱离本公开的范围的情况下进行各种修改。出于说明而非限制的目的呈现上述实施例。本公开还可以采用不同于本文明确描述的那些形式的许多形式。因此，要强调的是，本公开不限于明确公开的方法、系统和装置，而是旨在包括在所附权利要求的精神内的对其的变化和修改。

作为进一步的例子，如本文所示和描述的，可以进行设备或工艺参数(例如，尺寸、配置、部件、工艺步骤顺序等)的变化，以进一步优化所提供的结构、装置和方法。无论如何，本文描述的结构和装置以及相关方法具有许多应用。因此，所公开的主题不应限于本文所述的任何单个实施例，而应根据所附权利要求在广度和范围上进行解释。

Claims (16)

1.一种用于飞行器的监测系统，包括：

多个传感器，所述多个传感器用于感测飞行器外部的物体；

包括第一逻辑和第二逻辑的系统，所述第一逻辑和所述第二逻辑中的每一个包括用于以下的相应指令：(a)接收指示由所述多个传感器感测的物体的数据，以及(b)基于接收到的数据，生成用于避让所述物体的建议；和

控制器，所述控制器被配置为基于生成的建议控制飞行器的方向，

其中，包括在所述第一逻辑中的指令是不可修改的，而包括在所述第二逻辑中的指令是可修改的。

2.根据权利要求1所述的监测系统，其中，如果所述第二逻辑中包括的指令被修改，则所述第一逻辑中包括的指令不会根据对所述第二逻辑中包括的指令的修改而被修改。

3.根据权利要求1所述的监测系统，其中，所述包括第一逻辑和第二逻辑的系统包括被配置为实施所述第一逻辑的第一组一个或多个处理器和被配置为实施所述第二逻辑的第二组一个或多个处理器。

4.根据权利要求1所述的监测系统，其中，所述第一逻辑和所述第二逻辑分别在第一电路板和第二电路板上实施。

5.根据权利要求1所述的监测系统，其中，所述第二逻辑中包括的指令在被实施时，被配置为基于所述第二逻辑中包括的指令对物体分类，从而确定物体的物体类型。

6.根据权利要求1所述的监测系统，其中，所述第二逻辑中包括的指令在被实施时，被配置为定位所述物体。

7.根据权利要求1所述的监测系统，其中，所述包括第一逻辑和第二逻辑的系统还包括第三逻辑，所述第三逻辑包括指令，所述指令在被实施时，被配置为分析指示飞行器外部的环境条件的数据。

8.根据权利要求1所述的监测系统，其中，所述监测系统包括被配置为确定所述第二逻辑的输出的准确度的至少一个元件。

9.根据权利要求1所述的监测系统，其中，所述监测系统还包括至少一个元件，所述至少一个元件被配置为基于所述第一逻辑的输出或所述第二逻辑的输出中的一个确定所述飞行器的逃避路径。

10.根据权利要求1所述的监测系统，其中，在接收到的数据指示所述多个传感器感测的物体在距所述飞行器预定距离内的情况下，所述包括第一逻辑和第二逻辑的系统被配置为实施第一逻辑，以便覆盖所述第二逻辑的实施。

11.一种用于飞行器的监测系统，包括：

多个传感器，所述多个传感器用于感测飞行器外部的物体；和

系统，所述系统包括：包括第一指令的第一层、用于所述第一指令的实施的至少一个硬件元件、包括第二指令的第二层和用于所述第二指令的实施的至少一个硬件元件，

其中，所述第一指令和所述第二指令分别包括用于以下的指令：(a)接收指示由所述多个传感器感测的物体的数据，以及(b)基于接收到的数据，生成与用于避让感测到的物体的建议有关的输出，

其中，所述第一指令、所述用于所述第一指令的实施的至少一个硬件元件、和所述多个传感器符合第一安全标准，

并且其中，所述第二指令和所述用于所述第二指令的实施的至少一个硬件元件符合不同于所述第一安全标准的第二安全标准。

12.根据权利要求11所述的监测系统，其中，所述第一安全标准比所述第二安全标准更严格。

13.根据权利要求11所述的监测系统，其中，所述用于所述第一指令的实施的至少一个硬件元件包括被配置为执行所述第一指令的第一处理器，以及

其中，所述用于所述第二指令的实施的至少一个硬件元件包括被配置为执行所述第二指令的第二处理器。

14.根据权利要求13所述的监测系统，其中，所述第一处理器和所述第二处理器被配置为并行地执行所述第一指令和所述第二指令。

15.根据权利要求11所述的监测系统，其中，所述飞行器是自动驾驶的。

16.根据权利要求11所述的监测系统，还包括：

第三层，所述第三层包括用于分析指示所述飞行器外部的条件的数据的第三指令。

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