CN115210671A - 用于飞行的远程或机载控制的设备、方法和系统 - Google Patents

用于飞行的远程或机载控制的设备、方法和系统 Download PDF

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CN115210671A CN202080096083.2A CN202080096083A CN115210671A CN 115210671 A CN115210671 A CN 115210671A CN 202080096083 A CN202080096083 A CN 202080096083A CN 115210671 A CN115210671 A CN 115210671A
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J·A·格雷罗
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Abstract

本公开总体上涉及控制系统，并且具体地涉及用于远程地或在交通工具上控制飞行的设备、方法和系统。更具体地，本公开描述了允许用户使用单个控制器控制一控制目标在一个或多个自由度中或沿着一个或多个自由度的运动的控制系统的实施例。

Description

用于飞行的远程或机载控制的设备、方法和系统
相关申请
本申请要求于2019年12月9日提交的美国临时专利申请号62/945,339和于2020年12月3日提交的美国非临时专利申请号17/110,576的优先权和益处，其各自的公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开一般涉及控制系统，并且具体地涉及用于控制无人驾驶航空系统(UAS)以及机载驾驶飞行器的飞行的设备、方法和系统。一些实施例公开了一种控制器，其包括用于控制诸如飞行物体的控制目标的推力的接口。控制器还可以具有反馈系统，该反馈系统被配置为向飞行员警告飞行物体在其飞行路径上感测到的障碍物。
附图说明
图1是根据实施例的用于飞行的远程或机载控制的控制系统的示例示意图。
图2A是示出根据一个实施例的包括图1的控制系统的控制器的侧视图。
图2B是示出根据一个实施例的图1的控制系统的视图。
图2C是示出根据一个实施例的图2A的控制器的正视图。
图2D是示出根据一个实施例的包括图1的控制系统的控制器的侧视图。
图2E是示出根据一个实施例的图2D的控制器的万向节机构的横截面侧视图。
图3A是根据一个实施例的具有反馈系统的控制器的示意图，该反馈系统被配置为与控制目标通信以从控制目标接收反馈。
图3B是根据一个实施例的图3A的控制器的反馈系统的横截面顶视图。
图3C是根据一个实施例的用户操纵图3A的控制器的示意图的侧视图。
具体实施方式
本公开描述了控制系统的实施例，该控制系统允许用户使用单个控制器来对控制目标在一个或多个自由度(DoF)中或沿着一个或多个自由度(DoF)的运动进行控制。例如，统一的手用控制器可以允许用户控制一个或多个DoF中的目标的运动，一个或多个DoF包括三个旋转DoF(例如，俯仰、偏航和翻滚)和三个平移DoF(例如，沿x、y和z轴的移动)。例如，统一手用控制器可以允许用户控制目标在三个旋转DoF(例如，俯仰、偏航和滚动)和一个平移DoF(例如，沿z轴的移动)中的运动。控制系统还可以被配置为允许用户控制虚拟设置(诸如但不限于游戏环境)中的控制目标的移动。在一些实施例中，控制系统还可允许用户基于由控制目标获得的传感输入或测量结果从控制目标接收反馈，无论是在真实环境中还是在虚拟环境中。
参考图1，示出了根据一些实施例的控制系统100的示例性示意图，该控制系统包括耦合到信号转换系统104的控制器102，该信号转换系统进一步耦合(例如，远程地)到控制目标106。控制目标106可以是物理或虚拟对象，诸如远程控制对象(例如，无人机、飞行器、固定翼飞行器、直升机、机器人、末端执行器(例如，机器人钳子的末端、机器人臂末端执行器)等)、相机视场(例如，包括相机中心视场和变焦)、交通工具速度向量等。在一些实施例中，控制器102可以装载在控制目标106上，而不是被远程控制。在这样的实施例中，例如，操作员、飞行员等可以承载在控制目标106上(例如，驾驶/载人飞行)。控制目标的其他示例，无论是远程控制的还是其他的，包括电动、混合动力和/或燃烧动力的飞行器、远程操作交通工具(ROV)、载人潜水器、航天器和虚拟飞行器(例如，可在三维虚拟世界中操作的)。在一些实施例中，控制器102和信号转换系统104可以组合成单个系统，而在其他实施例中，控制器102和信号转换系统104可以是分离的(例如，物理上不同的、在分离的外壳中等)系统。在一些实施方式中，控制器102包括多个控制构件102a-102n。例如，控制器102可以包括第一控制构件102a，其进而可以包括或包含控制构件102b-102n的其余部分，即，控制构件102b-102n的其余部分可以位于第一控制构件102a上，其进而是控制器102的一部分。控制器处理器108A与控制构件102a-102n中的每一个耦合。在一个实施例中，控制器处理器108a可以是中央处理单元、可编程逻辑控制器和/或各种其他处理器。控制器处理器108a还可以耦合到旋转模块108b、平移模块108c和收发机108d中的每一个。在一些实施方式中，在多个控制构件102a-102n、控制器处理器108a、旋转模块108b、平移模块108c和收发机108d之间可以存在一个或多个连接和/或耦合(例如，有线或无线)。
控制系统100中的信号转换系统104包括收发机104a，其可以通过有线连接、无线连接和/或各种其它连接耦合到控制器102中的收发机108d。转换处理器104b耦合到收发机104A、控制模块104c和可以包括在存储器、存储设备和/或其它计算机可读介质上的配置参数104d。在一个实施例中，转换处理器104b可以是中央处理单元、可编程逻辑控制器和/或各种其他处理器。在一些实施方式中，在收发机104a、转换处理器104b、控制模块104c和配置参数104d之间可以存在连接和/或耦合(例如，有线或无线)。控制模块104c可以通过有线连接、无线连接和/或各种其它连接耦合到控制目标106。
在一个实施例中，控制器102被配置为通过多个控制构件102a-102n中的一个或多个接收来自用户的输入，并且基于该输入发送信号。例如，控制器102可以被提供为“操纵杆”或控制杆，其被配置用于在虚拟环境中(例如，在视频游戏中、在真实世界模拟器上、在虚拟现实环境中、在增强现实环境中、作为远程控制虚拟/真实世界控制系统的一部分和/或在各种其他虚拟环境中)导航。在另一示例中，控制器102可以被提供为用于控制交通工具的控制杆，该交通工具可以是有人驾驶的或无人驾驶的，诸如但不限于飞行器、潜水器、航天器、船只等。即，控制器102可以被提供为用于控制飞行物体的控制杆，诸如但不限于无人驾驶或遥控驾驶交通工具(例如，“无人机”)；有人驾驶、无人驾驶或遥控驾驶的交通工具和陆地交通工具；有人驾驶、无人驾驶或遥控驾驶的飞行器(例如，固定翼飞行器)；有人驾驶、无人驾驶或遥控驾驶的船只；有人驾驶、无人驾驶或遥控驾驶的潜水器；有人驾驶、无人驾驶或遥控驾驶的航天器、火箭、卫星和/或类似物。在一些实施方式中，控制器102可以被提供为用于控制电动载人飞行器的控制杆，该电动载人飞行器例如是经常被称为电动垂直起飞和着陆(e-VTOL)飞机的驾驶式多转子无人机。在另一示例中，控制器102可以被提供为用于控制机器人或其他非交通工具装置(例如，手术装置、组装装置等)的控制杆。图2A-2E示出了控制器102(或202)的示例性示意性实施方式。
使用第一控制构件102a的旋转输入可以使用旋转模块108b来检测和/或测量。例如，旋转模块108b可以包括位移检测器，用于检测第一控制构件102a从起始位置的位移，作为上面讨论的俯仰输入、偏航输入和滚动输入中的一个或多个。位移检测器可以包括用于检测光束的光电检测器、旋转和/或线性电位计、感应耦合线圈、物理致动器、陀螺仪、开关、换能器和/或各种其他位移检测器。在一些实施例中，旋转模块108b可以包括用于检测第一控制构件102a距空间中的起始位置的位移的加速度计。例如，加速度计可以各自测量第一控制构件102a相对于惯性参照系的适当加速度。
在一些实施例中，使用第一控制构件102a的输入可以使用用于第一控制构件102a的三个运动范围(例如，前后、左右和围绕纵向轴线旋转)中的每一个的中断开关、换能器和/或直接开关来检测和/或测量。例如，中断开关可以用于检测第一控制构件102a何时初始地从每个旋转范围的零位置移动(例如，从大约0.5度到大约5度、从大约1度到大约3度、大约2度的范围内的角位移，包括其间的值和子范围)；换能器可以提供与第一控制构件102a在每个运动范围内的位移成比例的信号，并且直接开关可以检测第一控制构件102a何时进一步从每个运动范围的零位置移动(例如，从大约10度到大约15度、从大约11度到大约13度、大约12度的范围内的角位移，包括其间的值和子范围)。中断开关和直接开关还可以允许检测第一控制构件102a的加速度。在一个实施例中，可以在控制器102中提供冗余检测器和/或开关以确保控制系统100是容错的。
使用第二控制构件102b的平移输入可以使用平移模块108c来检测和/或测量。例如，平移模块108c可以包括平移检测器，用于检测第二控制构件102b从作为上述z轴(即，垂直运动)输入的起始位置的位移。作为示例性说明，第二控制构件102b可以是如参照图2A-C所讨论的轮(例如，滚花轮)，并且平移模块108c可以被配置为检测轮的旋转作为与控制目标106的z轴运动相关的输入。平移检测器可以包括物理致动器、平移加速度计和/或各种其他平移检测器(例如，上文讨论的用于检测和/或测量旋转输入的检测器和开关可以被重新用于检测和/或测量平移输入)。在一些实施例中，第二控制构件102b可以是弹簧对中的，并且被配置为由用户向下推(例如，朝向第一控制构件102a的表面，第二控制构件从该表面延伸)和由用户向上拉(例如，远离第一控制构件102a的表面，第二控制构件从该表面延伸)，以例如提供控制目标205的Z轴移动或控制(例如，下推引起负Z方向上的移动，并且上拉引起正Z方向上的移动)。
在实施例中，控制器102的控制器处理器108a被配置为生成要由收发机108d发送的控制信号。如上文所论述，控制器处理器108a可经配置以基于由旋转模块108b检测及/或测量的一或多个旋转输入及/或由平移模块108c检测及/或测量的一或多个平移输入而产生控制信号。由控制器处理器108a产生的那些控制信号可以包括定义用于4-DOF(即，俯仰、偏航、滚动、沿z轴的运动)中的一个或多个的运动输出信号的参数。在若干实施例中，对于产生离散控制信号的每个离散预定运动(例如，用于提供俯仰输入的第一控制构件102a运动、用于提供偏航输入的第一控制构件102a运动、用于提供滚动输入的第一控制构件102a运动和用于提供z轴输入的第二控制构件102b运动)，产生离散控制信号类型(例如，偏航输出信号、俯仰输出信号、滚动输出信号和z轴运动输出信号)。除了4-DOF控制之外，诸如开/关、调整和其它多功能命令的离散特征可以被传输到控制目标106。相反，可以在控制器102上接收数据或反馈(例如，诸如LED的指示器可以点亮为绿色以指示控制器102开启)。
在一个实施例中，控制器102的收发机108d被配置为通过有线或无线连接发送控制信号。例如，控制信号可以是射频(“RF”)信号、红外(“IR”)信号、可见光信号和/或各种其它控制信号中的一个或多个。在一些实施例中，收发机108d可以是被配置为根据
Figure BDA0003788737150000061
协议将控制信号作为RF信号发送的
Figure BDA0003788737150000062
发送器。
在一个实施例中，信号转换系统104的收发机104a被配置为接收由控制器102的收发机108d通过如上所述的有线或无线连接发送的控制信号，并且将接收到的控制信号提供给信号转换系统104的转换处理器104b。在一些实现中，收发机108d可被配置为接收信号(例如，来自收发机104a)。
在一个实施例中，转换处理器104b被配置为处理从控制器102接收的控制信号。例如，转换处理器104b可以耦合到包括指令的计算机可读介质，当由转换处理器104b执行所述指令时，使得转换处理器104b提供控制程序，所述控制程序被配置为将控制信号转换为移动命令并且使用信号转换系统104的控制模块104c根据移动命令来控制所述控制目标106。在一个实施例中，转换处理器104b可以将控制信号转换成用于虚拟三维(“3D”)环境(例如，手术患者的虚拟表示、视频游戏、模拟器、虚拟现实(VR)环境、增强虚拟现实(AVR环境)和/或各种其他虚拟3D环境)的移动命令。因此，控制目标106可以存在于虚拟空间中，并且可以向用户提供从控制目标内部的视点来看的虚拟环境的视点或虚拟表示(即，控制系统100可以包括向用户提供从虚拟环境中的控制目标的视点的显示器)。在另一示例中，控制目标106可以是物理设备，诸如机器人、末端执行器、手术工具、提升系统等，和/或各种可操纵机械设备，包括但不限于交通工具，诸如无人驾驶或遥控驾驶交通工具(例如，“无人机”)；有人驾驶、无人驾驶或遥控驾驶的交通工具和陆地交通工具；有人驾驶、无人驾驶或遥控驾驶的飞行器(例如，固定机翼飞行器)；有人驾驶、无人驾驶或遥控驾驶的船只；有人驾驶、无人驾驶或遥控驾驶的潜水器；以及有人驾驶、无人驾驶或遥控的航天器、火箭、卫星等。
在一个实施例中，信号转换系统104的控制模块104c被配置为基于从信号转换系统104中的控制程序提供的移动命令来控制所述控制目标106的移动。在一些实施例中，如果控制目标106在虚拟环境中，则控制模块104c可以包括用于在虚拟环境内移动虚拟表示或视点的应用编程接口(API)。API还可以向控制模块104c提供来自虚拟环境的反馈，诸如例如碰撞反馈。在一些实施例中，来自控制目标106的反馈可以允许控制模块104c自动地调整控制目标的移动，以例如避免与指定区域(例如，真实或虚拟环境中的对象、真实或虚拟患者的关键区域等)的碰撞。在其他实施例中，如果控制目标106是物理设备，则控制模块104c可以包括用于控制物理设备的移动的一个或多个控制器。例如，信号转换系统104可以装载在交通工具上，并且控制模块104c可以包括用于控制交通工具的各种推进和/或转向机构的各种物理控制器。
在一个实施例中，信号转换系统104包括操作参数104d，当使用来自控制器102的信号生成移动命令时，该操作参数由转换处理器104b使用。操作参数可包括但不限于增益(即灵敏度)、起始速率(rate of onset)(即滞后)、死区(即中性区)、极限(即最大角位移)和/或类似参数。在一个实施例中，第一控制构件102a和第二控制构件102b的增益可以由用户独立地定义。在该示例中，第二控制构件102b与第一控制构件102a相比可以具有增加的灵敏度，以补偿例如第二控制构件102b具有比第一控制构件102a更小的运动范围。类似地，第一控制构件102a和第二控制构件102b的起始速率可以被独立地限定，以确定在第一控制构件102a和第二控制构件102b的重新定位应当被转换成控制目标106的实际移动之前应当经过的时间量(即，滞后)。第一控制构件102a和第二控制构件102b的极限和死区也可以通过校准每个控制构件的中性区和最大位置而独立地限定。
在一个实施例中，操作参数还可以定义如何将响应于第一控制构件102a和第二控制构件102b的不同移动从控制器102发送的信号转换成被发送到控制目标的移动命令。如上所述，第一控制构件102a的特定移动可以产生俯仰、偏航和滚动旋转移动输出信号，而第二控制构件102b的特定移动可以产生z轴(即，垂直)平移移动输出信号。在一个实施例中，操作参数可以限定响应于来自第一控制构件102a和第二控制构件102b的移动和所产生的移动输出信号而将哪些移动命令发送到控制目标106。
在一些实施例中，操作参数104d可以从由用户操作的外部计算设备(未示出)接收。例如，外部计算装置可以预先配置有用于与控制器102和/或信号转换系统104接口的软件。在其它实施例中，操作参数104d可以由用户使用包括在控制器102或信号转换系统104中的显示屏直接输入。例如，第一控制构件102a和/或第二控制构件102b可以用于导航用于定义操作参数104d的配置菜单。
参考图2A-2E，在一些实施例中，控制器202包括作为第一控制构件102a的控制杆202a，其被配置为由用户相对于底座208重新定位。控制杆202a的重新定位允许用户使用第一控制构件102a提供包括俯仰输入、偏航输入和滚动输入的旋转输入(例如，三个自由度)，并且使控制器处理器108a输出旋转移动输出信号，该旋转移动输出信号包括俯仰移动输出信号、偏航移动输出信号和滚动移动输出信号。特别地，使控制杆202A相对于底座208沿着轴线“A”(图2A)前后倾斜(即，使控制杆202a围绕耦合接头207前后倾斜)可提供产生俯仰移动输出信号的俯仰输入，使控制杆202a相对于底座208围绕其纵向轴线左右旋转(即，绕耦合接头207沿“B”线旋转(图2A)可以提供产生偏航移动输出信号的偏航输入，以及使控制杆202a相对于底座208沿着轴线“C”左右倾斜(即，使控制杆202a围绕耦合接头207左右倾斜)可以提供产生滚动移动输出信号的滚动输入。在一些实施方式中，由第一控制构件102a的重新定位产生的移动输出信号可以根据上述讨论重新配置使得第一控制构件102a的与上述讨论的类似移动产生不同的输入和移动输出信号(例如，相对于底座208沿着轴线“C”左右倾斜控制杆202a可以被配置为提供偏航输入，该偏航输入产生偏航移动输出信号，而围绕其纵向轴线旋转控制杆202a可以被配置为提供产生滚动移动输出信号的滚动输入)。
在一些实施例中，控制杆202a包括作为多个控制构件202b-202n中的一个的轮202b(例如，滚花轮)。例如，轮202b可以是第二控制构件102b，其被配置为由控制器202的用户沿着线E(图2A)绕轴线“D”(图2A和2C)或相对于该轴线旋转。第二控制构件102b的旋转允许用户使用第二控制构件102b向控制器提供平移移动输入，并且使得控制器处理器108a输出包括垂直或z轴移动输出信号的平移移动输出信号。平移移动输入可包括与第二控制构件102b的油门(throttle)推力(例如，当控制目标是固定翼飞行器时)和方向相关的输入。例如，控制器102的用户可以在轮202b上施加力以使轮202b沿着线E并且围绕或相对于轴线“D”在向前方向或向后方向上旋转。平移移动输入可包括在施加力之后的轮202b的油门设定(例如，对应于油门的推力)和/或力的方向(例如，对应于油门的方向)，且作为输入的结果由控制器处理器108a产生的平移移动输出信号可包括分别与控制目标205的速度和/或控制目标205的移动方向(例如，上(+z轴)或下(-z轴)方向)相关的输出信号。
作为非限制性的说明性示例，参照图2B，轮202b可包括标记210，其包括轮202b的油门设置的值或模式，这种油门设置对应于控制目标205的机动(mobility)状态，例如但不限于对应于控制目标205的发动机/马达关闭的“关闭”设置、对应于控制目标205的发动机/马达空转的“空转”设置、和/或对应于控制目标106运动(例如，以“低”速、“高”速等在垂直或z方向上行进)的一个或多个设置。控制器202可以包括指示器212(例如，标签(tab))，其被配置为识别当轮202b作为轮202b的油门设置而停止时与指示器212对准的标记。例如，当控制目标205的机动状态为关闭或空转(即，控制目标205的发动机/电动机分别为关闭或空转)时，控制器202和轮202b可相对于彼此定位，以使得指示器212与轮202b上的标记对齐，从而分别将轮202b的油门设定识别为“关闭”或“空转”。然后，用户可以向轮202b施加力以旋转轮202b，使得指示器212与轮202b上的标记对准，从而将轮202b的油门设置识别为“低”、“高”或任何其他油门设置。
在一些实施方式中，第二控制构件102b对用户施加的力的响应性可以由另一控制构件(例如，控制构件102c-102n中的一个或多个)调节。例如，当改变轮202b的油门设置时，轮202b对施加在轮202b上的力的量的响应性可以由张力调谐器202c调节，该张力调谐器被配置为当轮202b在力的影响下旋转时改变轮202b所经历的摩擦。也就是说，可以通过张力调谐器202c来调整轮202b的油门设置。这样，可以使用张力调谐器202c来改变为了产生给定量的控制目标速度而必须施加到轮202b上的力的量。例如，张力调谐器202c可以具有一系列设置(例如，值或模式)，并且当张力调谐器202c被设置在不同的值或模式时，用户可能必须向轮202b施加不同量的力以产生相同的控制目标速度。
在一些实施例中，控制器102可以包括安全机构202d，其被配置为防止轮202b的非预期旋转，以及轮202b的油门设置的非预期改变，这可以对应于控制目标205的机动状态的非预期改变。例如，安全机构202D可以是多个控制构件102a-102n中的一个，并且可以被配置为防止轮202b沿着线E(即，围绕或相对于轴线“D”)旋转(例如，即使当用户施加力时)，除非安全机构被停用(例如，相对于安全机构202d采取在先或同时的动作)。例如，安全机构202d可以包括球塞，当用户在轮202b上施加力时，安全机构202d的球塞将必须被压下以允许轮202b旋转。在一些实施方式中，除非安全机构102d被停用，否则轮202b的油门设置可能不被改变。在其他实施方式中，除非安全机构202d被停用，否则轮202b的第一组油门设置可能不会被改变为第二组油门设置，而其他改变可以在不停用安全机构202d的情况下发生。例如，安全机构202d可以被配置为使得除非安全机构202d被停用(例如，球塞被压下)，否则不允许油门设置从“空转”改变到“关闭”，从而防止轮202b的意外旋转，并且因此也防止控制目标106的机动状态从“空转”到“关闭”的意外改变。
在一些实施例中，除了控制杆202a、轮202b、张力调谐器202c和/或安全机构202d之外，多个控制构件102a-102n还包括其它控制构件，所述其它控制构件被配置为允许用户向控制器202提供输入，并且使控制器处理器108a产生输出信号以传输到控制目标205。在一些实施方式中，其他控制构件还可以被配置为从控制目标205和/或外部设备(未示出)接收数据，并且在控制器202的用户界面(未示出)处显示数据(或其表示)。例如，其它控制构件可以包括无线电通信接口(例如，即按即说无线电按钮)、用于操纵控制目标205的前轮的控制构件、用于使推力反向的控制构件等。
作为另一个示例，其他控制构件可以包括配平(trim)控制件202e，其被配置为允许由控制器202控制的控制目标205的DoF的用户输入设置。例如，配平控制件202e可被配置为允许用于控制目标205的三个旋转DoF中的一个或多个的用户输入命令设置，即，控制目标205的俯仰、偏航和滚动中的一个或多个。在一些实施方式中，配平控制件202e可以被配置为允许用于控制目标205的一个平移DoF的用户输入命令设置(例如，沿着z轴的移动)。例如，配平控制件202e可以是配平按钮的形式，其允许在控制目标的运动期间用于引导控制目标的用户输入命令设置(例如，用于控制目标205的俯仰、偏航和/或滚动的旋转参数)。配平控制件202e(例如，用于俯仰、偏航和/或滚动的配平按钮组)可以被配置为与控制杆202a分离。例如，控制杆202a可以包括按钮(例如，推动按钮)，其被配置为当接合(例如，被推动)时，引起配平控制件202e从控制杆202a释放或解耦。
在一些实施例中，控制目标205可由多个动力源提供动力，并且控制器202可被配置为允许用户通过如本说明书通篇所讨论的那样单独地控制各个动力源来控制一控制目标205在一个或多个DoF(例如，三个旋转DoF(例如，俯仰、偏航和滚动)和一个平移DoF(例如，沿着x轴的纵向移动，例如固定翼飞行器的推力))中的运动。例如，控制目标205可以是多发动机飞行物体，并且控制杆202a可以包括多个轮204，其中多个轮204中的每个轮被配置为控制多发动机控制目标205的一个发动机(例如，多发动机商用喷气式飞行器，诸如B737等)。在多个轮204中的每个轮被配置为控制多发动机控制目标205的发动机的情况下，可以操纵轮中的一个以关闭发动机中的一个，同时可以操纵另一个轮以控制另一个发动机。在这样的示例中，安全机构206还可以包括至少与多个轮204的轮的数量一样多的安全机构元件，并且每个安全机构元件可以被配置为防止多个轮204的相应的轮的非故意的旋转。在一些实施方式中，安全机构206可以被配置为防止与控制目标相关联的马达、发动机、转子等的突然关闭。更具体地，当安全机构206被接合时，安全机构206可以防止一个或多个轮204从“空转”位置移动到“关闭”位置，并且当安全机构206被脱离时，允许从“空转”位置移动到“关闭”位置。以这种方式，需要至少两个动作来从“空转”转换到“关闭”，包括安全机构206的脱离和一个或多个轮子204的操纵。在一些实施方式中，多个轮204可以彼此同步，使得当控制器202的用户在多个轮204中的一个上施加力以使所述多个轮旋转时，多个轮204中的其他(一个或多个)轮也可以以与该多个轮基本上类似的方式旋转。在其它实施方式中，多个轮204可以不同步，并且用户可以单独地接合多个轮204以单独地控制所述控制目标205的多个动力源。例如，用户可以使用多个轮204中的一个轮来空转或关闭多发动机控制目标205的一个发动机(例如，通过将该一个轮的油门设定“空转”或“关闭”分别与控制器202的指示器212对准)，同时另一个发动机在运行。多个轮204的同步或不同步可由同步性控制元件(例如，标签)(未示出)控制，该同步性控制元件位于控制器202上并且被配置为允许通过用户的一只手来基本精确地调整多个轮204的油门设置，同时另一只手放置在控制杆202a上。
在一些实施例中，参照图2D，控制器202具有(a)第一控制构件202a、具有三个独立移动度的操纵杆状结构，其意图由用户的手抓握，以及(b)安装在第一控制构件202a上的第二控制构件202b，用于由抓握第一控制构件202a的用户的手上的拇指或其他手指操纵，这使得用户能够生成四个独立控制输入，用于命令交通工具在四个DoF中移动。第一控制构件202a的近端枢转地连接到基座208，使得第一控制构件202A可沿x轴独立地枢转并沿y轴独立地枢转。在该示例中，基部208被配置为由用户支撑(例如，由用户的手保持或以其他方式携带在用户的身体上，诸如通过臂支架、背带等)。即使在移动时，例如步行、滑雪、跑步、驾驶时，由用户支撑的基座也提供一致的已知参考系，可用于检查、安全和电影式无人机任务。
在一些实施例中，诸如例如弹簧的弹性构件可以定位在第一控制构件202a和基部208之间，以便提供沿着第一控制构件202a的纵向轴线向上或向下的弹性移动。在一些实施例中，这种沿第一控制构件的纵向轴线相对于基座208的向上或向下移动可被配置为产生控制目标的Z轴移动(向上或向下，垂直移动)。在一些实施例中，相对于第一控制构件的纵向轴线相对于基座208的向前或向后移动可以被配置为产生控制目标(例如，固定翼飞行器)的X轴移动(向前或向后，纵向移动)。
在一些实施例中，参考图2E，控制器202可以包括双轴万向架230，其可以用作输入装置的一部分，用于产生控制输入以命令摄像机或传感器转向系统。两轴万向架230可用于同时支持两个DoF中的角位移和角位移的测量，但可通过锁定一个DoF而适用于支持用于在单个DoF中位移的第一控制构件202a(例如，如图2D所示)。万向节可以安装在基座例如基座208中。其柱222可将万向架230耦合到第一控制构件202a。第一控制构件202a使柱222绕相交于万向节中心的两个正交轴线枢转。一个轴线相对于基座保持固定，而另一个轴线围绕固定轴线旋转。两轴万向架230是两轴万向节的代表性示例，其适于在第一控制构件202a离开和重新进入这两个旋转轴中的每一个的预定零位时产生触觉反馈。
此外，在其中万向节可以被锁定或阻止绕一个轴线旋转以仅允许绕一个轴线旋转的替代实施例中，可以省略用于产生绕锁定或阻止的轴线旋转的力反馈的棘爪。
万向节可以由两个构件组成：相对于基座236保持固定的第一构件232和由第一构件232约束以围绕单个轴线旋转或围绕两个正交轴线中的每一个旋转并且以其它方式限制第一构件232和第二构件228围绕任何其它轴线的相对旋转的第二构件228。柱222耦合到第二构件228以围绕两个正交轴线中的每一个枢转。如果第二构件228被限制为仅绕两个正交轴线中的一个旋转，则杆222与第二构件228耦合，使得其可绕第二轴线枢转而不旋转第二构件228。
在旨在作为代表的该特定实施方式中，球(即，第二构件)228安装在承窝(socket)(即，第一构件)232内。杆222的延伸部234装配在形成于球228中的互补开口内，使得杆222的角位移或枢转也旋转球228。在该示例中，球228被保持在承窝232内，使得其可以在承窝232内绕彼此相互正交的两个轴中的每一个以两个DoF自由旋转，其中两个轴中的一个相对于万向架230的基座236保持固定。可选地，可以允许其围绕延伸穿过柱222的第三相互正交的轴线旋转。基座236代表用于将万向节安装到基座208上的结构，第一控制构件202a可以反作用于该结构。
与柱222连接的帽238在承窝232的球形外表面上延伸，并具有互补的球形内表面。杆222的枢转使帽相对于承窝移动。
尽管承窝232的内表面可与球228互补并支撑球228的旋转，但在替代实施例中，球228可以其它方式和通过其它部件被支撑以围绕一个或两个相互正交的旋转轴线旋转，包括通过一个或多个轴或轮轴，所述一个或多个轴或轮轴支撑球228相对于承窝232的旋转。在这种替代实施例中，球228和承窝232的内表面不必是球形或互补的。
在一些实施例中，控制器202可以被配置为控制具有分布式电力推进(利用由电池和/或混合系统供应的电力)的载人飞行器，例如，具有或不具有机翼的领航式多旋翼无人机，以产生额外的升力。在这样的实施例中，第一控制构件202a可包括弹簧对中机构，如本文中进一步详细描述的，从而提供沿X、Y和Z轴的平移控制(例如，细微平移)以及旋转控制(例如，偏航)，如本文中各种实施例中所述的。此外，在一些实施方式中，每个轮204可以控制单独的推力部件(例如，领航式多旋翼无人机后面的推动式螺旋桨)。例如，一旦达到安全巡航高度，一个推力部件可提供悬浮和定向，而第二推力部件可提供速度(例如，“快速前进”)控制。
参考图3A-B，在一些实施例中，诸如但不限于遥控飞行器(例如，“无人机”)、陆地交通工具、飞行器(例如，固定翼飞行器)、船只、潜水器、航天器、火箭、卫星、手术设备、组件或工业设备等的控制目标306可以配备有被配置为感测控制目标306附近的物体304和/或沿着控制目标306的行进路径的障碍物的检测器。检测器可以被配置为检测造成与控制目标306碰撞的风险的静止以及移动的对象。例如，检测器可以被配置为检测在控制目标306的指定半径内的静止对象。作为另一示例，检测器可以被配置为检测在控制目标的指定半径内并且以大于给定速度行进的移动对象。这种检测器的示例包括光检测和测距(LIDAR)系统、雷达、GPS(参考MAP)、ADS-B(用于避开其他飞行器)、视频(以及相关联的视频分析)。
在一些实施方式中，为了避免与感测到的物体或障碍物304碰撞，控制目标306可以向控制所述控制目标306的控制器302提供关于感测到的物体或障碍物304的存在和状态的反馈。可操作地耦合到控制目标306的检测器和/或其他通信系统可以向控制器302(例如，向控制器302的收发机104a)发送数据，该数据包括感测对象信息，例如但不限于感测对象304与控制目标306的距离、感测对象304与控制目标306的角位移、感测对象304的速度(如果感测对象正在运动)等。
在一些实施例中，控制器302可以包括控制模块(未示出)(例如，诸如控制模块104c)，其被配置为分析所接收的数据并且生成信号，该信号被配置为基于分析的结果触发位于控制器302内的用户反馈系统。例如，所接收的数据可包括连续数据，该连续数据包括所感测的物体304的位置信息，并且该分析可确定所感测物体或障碍物304接近控制目标306的速度和方向。作为另一示例，所接收的数据可能已经包括与所感测的物体或障碍物304的接近的速度和方向有关的信息。在这样的示例中，控制模块可以以通知控制器302的用户所感测到的物体或障碍物304所处的方向(例如，从控制目标306的角度看)或所感测到的物体或障碍物304正从其接近的方向和/或所感测到的物体或障碍物304正接近控制目标306的速率的方式触发控制器302的反馈系统。
反馈系统向控制器302的用户通知与由控制目标306感测的物体或障碍物304相关的信息的方式可以取决于控制器302的反馈元件。在一些实施方案中，反馈可呈触觉反馈的形式，且控制器302的反馈元件可为位于或定位于控制器302上或内的一个或多个振动触觉电动机308a到308n(例如，两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个等振动触觉电动机308a到308n)。在这样的实现中，控制器302的控制模块可生成信号，该信号被配置为使得控制器的振动触觉电动机308a-308n根据振动触觉电动机308a-308n的振动模式与关于感测到的物体或障碍物304的信息之间的预定义关系来振动。例如，振动触觉电动机308a-308n的振动速率可以与所感测的物体或障碍物304的距离相关。这样，对于运动中并且接近控制目标306的感测对象或障碍物304，控制模块可以生成增加振动触觉电动机308a-308n的振动速率的信号(例如，这可以实时或接近实时地发生，因为数据是连续或基本连续地从控制目标306发送到控制器302的)。作为另一个例子，振动触觉电动机308a-308n的振动模式和与所感测到的物体或障碍物304相关的信息之间的预定关系可以根据该信息通知振动触觉电动机308a-308n中的哪个(哪些)可以振动。例如，如果信息指示感测到的物体或障碍物304正从控制目标306的右侧接近控制目标306，则控制模块可以生成使位于控制器右侧的振动触觉电动机振动的信号。图3B示出了控制器302内的振动触觉电动机308a-308n的示例性分布的顶部横截面图。在这种实施例中，最靠近操纵控制器的用户的手掌的“右”振动触觉电动机(例如，图3C)可以振动，指示或通知用户物体或障碍物正在从控制目标306的右侧接近控制目标306。
如上所述，振动触觉电动机308a-308n可以位于控制器302内。在一些实施方式中，一个或多个振动触觉电动机308a-308n可以是控制器302的其他特征的一部分或与其集成。例如，控制器302可包括拇指鞍状物310，用于放置操纵控制器的用户的拇指(例如，图3C)，并且一个或多个振动触觉电动机308a-308n可与拇指鞍状物310集成。作为另一个例子，控制器302可包括控制按钮312(例如，诸如但不限于配平控制件202e)，并且一个或多个振动触觉电动机308a-308n可与控制按钮312集成。
在一些实施例中，振动触觉电动机308a-308n中的每一个都可以用振动吸收材料进行振动隔离，从而允许离散的振动信号被传送到控制器302的手柄。这样，飞行员或操作员被给予空间上不同的反馈，例如，在左侧接近飞行器等。
在一些实施例中，代替振动反馈或除了振动反馈之外，反馈可以包括视觉反馈，并且控制器302的反馈元件可以是一个或多个光源(未示出)，诸如但不限于LED等，其位于控制器302上并且被配置为响应于来自控制模块的信号而点亮。例如，控制器302的控制模块可以生成信号，该信号被配置为根据光源的照明图案与关于感测到的物体或障碍物304的信息之间的预定义关系来使光源点亮。例如，光源的照明的图案、强度和/或顺序可以与感测到的物体或障碍物304的距离和/或感测到的物体或障碍物304接近控制目标306的速率相关。作为说明性示例，对于运动中并且接近控制目标306的感测对象或障碍物304，控制模块可以生成使光源增加强度或其照明和/或闪烁速率的信号(例如，这可以在数据从控制目标306连续或基本连续地发送到控制器302时实时地或几乎实时地发生)。作为另一示例，光源的照明图案和与所感测的物体或障碍物304相关的信息之间的预定义关系可以根据该信息通知光源中的哪个(哪些)光源可以振动。例如，如果信息指示感测到的物体或障碍物304正从控制目标306的左侧接近控制目标306，则控制模块可以生成使控制器左侧的光源点亮而中间和右侧的光源关闭的信号。
虽然本文已经描述和示出了各种发明性实施例，但是本领域的普通技术人员将容易地想到用于执行本文所述的功能和/或获得本文所述的结果和/或一个或多个优点的多种其它部件和/或结构，并且此类变型和/或修改中的每一个被认为在本文所述的发明性实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易地理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置旨在是示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明教导的一个或多个具体应用。本领域技术人员仅使用常规实验即可认识到或能够确定本文所述的具体发明实施方案的许多等同物。因此，应当理解，前述实施例仅以示例的方式呈现，并且在所附权利要求及其等同物的范围内；本发明的实施例可以以不同于具体描述和要求保护的方式实施。本公开的发明实施例涉及本文所述的每个单独的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。此外，如果这些特征、系统、物品、材料、套件和/或方法不是相互矛盾的，则两个或更多个这些特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合都包括在本公开的发明范围内。
上述实施例可以以多种方式中的任何一种来实现。例如，本技术的实施例可以使用硬件、固件、软件或其组合来实现。当在固件和/或软件中实现时，固件和/或软件代码可以在任何适当的处理器或逻辑组件的集合上执行，无论是在单个设备中提供还是分布在多个设备中。
在这方面，各种发明构思可以被实现为编码有一个或多个程序的计算机可读存储介质(或多个计算机可读存储介质)(例如，计算机存储器、一个或多个软盘、压缩盘、光盘、磁带、闪存、现场可编程门阵列或其他半导体器件中的电路配置、或其他非瞬态介质或有形计算机存储介质)，当在一个或多个计算机或其他处理器上执行所述程序时，所述程序执行实现上述本发明的各种实施例的方法。一个或多个计算机可读介质可以是可移动的，使得其上存储的一个或多个程序可以被加载到一个或多个不同的计算机或其他处理器上以实现如上所述的本发明的各个方面。
术语“程序”或“软件”在此以一般意义使用，以指代可以用于对计算机或其他处理器编程以实现如上所述的实施例的各方面的任何类型的计算机代码或计算机可执行指令集。另外，应当理解，根据一个方面，当被执行时执行本发明的方法的一个或多个计算机程序不需要驻留在单个计算机或处理器上，而是可以以模块化方式分布在多个不同的计算机或处理器之间以实现本发明的各方面。
计算机可执行指令可以是由一个或多个计算机或其它设备执行的诸如程序模块等许多形式。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。通常，程序模块的功能可按需在各实施例中组合或分布。
此外，数据结构可以以任何适当的形式存储在计算机可读介质中。为了说明的简单起见，数据结构可被示为具有通过数据结构中的位置而相关的字段。这种关系同样可以通过为字段分配存储空间来实现，该存储空间具有计算机可读介质中传达字段之间的关系的位置。然而，任何合适的机制都可用于建立数据结构的字段中的信息之间的关系，包括通过使用指针、标签或建立数据元素之间的关系的其他机制。
而且，各种发明概念可以体现为一个或多个方法，已经提供了其示例。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构建其中以与所示顺序不同的顺序执行动作的实施例，可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施例中被示为顺序动作。
如本文所定义和使用的所有定义应被理解为控制字典定义、通过引用并入的文献中的定义和/或所定义术语的普通含义。
除非明确地相反指示，否则如本说明书和权利要求书中所使用的不定冠词“一”和“一个”应理解为意指“至少一个”。“
在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应当理解为表示这样结合的要素中的“任一个或两个”，即，在一些情况下结合地存在而在其它情况下分开地存在的要素。用“和/或”列出的多个元件应当以相同的方式来解释，即，如此结合的元件中的“一个或多个”。除了“和/或”条款具体指出的要素之外，可以任选地存在其他要素，无论与具体指出的那些要素相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，对“A和/或B”的引用在结合诸如“包括”等开放式语言使用时在一个实施例中可仅指A(可任选地包括除B以外的元素)；在另一个实施方案中，仅指B(任选地包括除A以外的元素)；在另一个实施方案中，指A和B(任选地包括其它元素)；等等。
如在说明书和权利要求书中所使用的，“或”应当理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当在列表中分离项目时，“或”或“和/或”应被解释为包括性的，即包括多个或一系列元件中的至少一个，但也包括多于一个，以及可选地，另外的未列出的项目。仅有明确相反指示的术语，例如“仅一个”或“恰好一个”，或当在权利要求中使用时，“由组成”将指包括多个元素或元素列表中的恰好一个元素。通常，当在术语“或”之前有排他性的术语，例如“任一”、“其中一个”、“仅其中一个”或“正好其中一个”时，如本文所用的术语“或”应仅解释为指示排他性的替代(即，“一个或另一个，但不是两者”)。当在权利要求中使用时，“基本上由……组成”应当具有在专利法领域中使用的其普通含义。
如在说明书和权利要求书中所使用的，参照一列一个或多个要素的短语“至少一个”应当理解为表示选自要素列表中的任何一个或多个要素的至少一个要素，但不一定包括在要素列表中具体列出的每个要素中的至少一个，并且不排除要素列表中的要素的任何组合。该定义还允许除了短语“至少一个”所指的要素列表中具体指出的要素之外的要素任选地存在，无论与具体指出的那些要素相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等效地，“A或B中的至少一个”，或等效地，“A和/或B中的至少一个”)在一个实施例中可以指至少一个(任选地包括多于一个)A，不存在B(并且任选地包括除了B之外的元件)；在另一个实施方案中，指至少一个(任选地包括多于一个)B，不存在A(和任选地包括除A以外的元素)；在又一个实施方案中，指至少一个(任选地包括多于一个)A，和至少一个(任选地包括多于一个)B(和任选地包括其它元素)；等等。
在权利要求书以及上面的说明书中，所有过渡短语例如“包括”、“包含”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”、“组成”等应理解为开放式的，即意指包括但不限于。如美国专利局专利审查规程手册第2111.03节所述，只有过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”分别应当是封闭或半封闭的过渡短语。

Claims (26)

1.一种控制器，包括：
第一控制构件，所述第一控制构件被配置为能够在三个连续且独立的自由度内来回移动，以作为对其的响应而提供对应的一组三个独立控制输入；
第二控制构件，所述第二控制构件是轮并且定位在所述第一控制构件上，并且被配置为相对于所述第一控制构件以单个自由度来回旋转，以作为对其的响应而提供对应的第四控制输入；以及
控制器处理器，被配置为接收所述一组三个独立控制输入和所述第四控制输入，并且分别生成一组第一控制信号和第二控制信号，
所述一组第一控制信号被配置为对控制目标的三个独立旋转移动进行控制；以及
第二控制信号被配置为控制所述控制目标的垂直移动。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述轮包括至少一对油门设置，所述控制器还包括安全机构，所述安全机构被配置为在所述安全机构未被去激活的情况下防止所述轮在所述一对油门设置之间切换。
3.根据权利要求1所述的控制器，还包括张力调谐器，所述张力调谐器被配置为改变所述轮在相对于所述第一控制构件来回旋转时所经受的摩擦以提供所述对应的第四控制输入。
4.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制目标是固定翼飞行器、电动飞行器、混合动力飞行器和/或燃烧动力飞行器、远程操作交通工具(ROV)、具有分布式电力推进的载人飞行器、载人潜水器、航天器或虚拟飞行器。
5.根据权利要求1所述的控制器，还包括离散控制元件，所述离散控制元件被配置为提供包括配平功能的离散控制输入。
6.根据权利要求1所述的控制器，还包括安全机构，所述安全机构被配置为防止与所述控制目标相关联的电动机、发动机或转子的突然切断。
7.根据权利要求1所述的控制器，其中：
控制目标为具有分布式电力推进的载人飞行器；以及
第一控制构件包括弹簧对中的机构，该弹簧对中的机构被配置为提供平移控制和旋转控制。
8.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述第一控制构件包括多个轮，每个轮被配置为控制所述控制目标的一个推力分量。
9.根据权利要求1所述的控制器，其中所述第一控制构件和所述第二控制构件中的至少一个是弹簧对中的，并且被配置为由用户下推和上拉以控制所述控制目标的Z轴移动。
10.根据权利要求1所述的控制器，其中：
控制目标为固定翼飞行器；以及
相对于第一控制构件的纵向轴线向前或向后的移动被配置为产生控制目标的纵向移动。
11.根据权利要求1所述的控制器，其中：
所述控制目标包括多个发动机；以及
第一控制构件包括多个轮，每个轮被配置为控制所述控制目标的一个发动机。
12.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器在控制所述控制目标时装载在所述控制目标上。
13.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器远程地控制所述控制目标。
14.一种控制器，包括：
收发机，被配置为从控制目标接收数据，所述数据包括与控制目标附近的对象距所述控制目标的距离有关的信息；
控制器处理器，被配置为从所述收发机接收所述数据并生成控制信号以使所述控制器的振动触觉电动机振动，所述振动触觉电动机的振动速率随着所述对象与所述控制目标的距离减小而在强度上增大；以及
控制构件，被配置为由所述控制器的用户的手抓握并且包括在所述振动触觉电动机内。
15.如权利要求14所述的控制器，其中，当距所述控制目标的距离小于预定半径时，所述控制信号使所述振动触觉电动机振动。
16.根据权利要求14所述的控制器，其中所述控制构件包括光源，当距所述控制目标的距离小于预定半径时，所述控制信号使所述光源照明。
17.根据权利要求14所述的控制器，其中所述控制构件包括光源，所述控制信号使得所述光源在所述距离小于距所述控制目标的预定半径时照明，所述照明的强度随着所述物体距所述控制目标的距离减小而增加和/或所述照明的模式随着所述物体距所述控制目标的距离减小而改变。
18.根据权利要求14所述的控制器，其中，所述控制目标是无人机。
19.一种控制器，包括：
第一控制构件，被配置为由所述控制器的用户的手抓握，所述控制器对控制目标的飞行进行控制；
第二控制构件，所述第二控制构件定位在所述第一控制构件上并且被配置为响应于由所述用户施加的力而相对于所述第一控制构件以旋转速率旋转，以作为对其的响应而提供被配置为控制所述控制目标的飞行的垂直运动的对应控制输入；
安全机构，所述安全机构耦合到所述第二控制构件并且被配置为在所述控制目标的飞行期间防止所述第二控制构件相对于所述第一控制构件的意外旋转；以及
张力调谐器，所述张力调谐器耦合到所述第二控制构件并且被配置为当用户将所述施加的力施加到第二控制构件时改变所述第二控制构件的旋转速率。
20.根据权利要求19所述的控制器，其中，所述控制目标是固定翼飞行器、电动飞行器、混合动力飞行器和/或燃烧动力飞行器、远程操作交通工具(ROV)、具有分布式电力推进的载人飞行器、载人潜水器、航天器或虚拟飞行器。
21.根据权利要求19所述的控制器，还包括离散控制元件，所述离散控制元件被配置为提供包括配平功能的离散控制输入。
22.根据权利要求19所述的控制器，还包括安全机构，所述安全机构被配置为防止与所述控制目标相关联的电动机、发动机或转子的突然切断。
23.根据权利要求19所述的控制器，其中，所述第一控制构件包括多个轮，每个轮被配置为控制所述控制目标的一个推力分量。
24.根据权利要求19所述的控制器，其中：
所述控制目标包括多个发动机；以及
第一控制构件包括多个轮，每个轮被配置为控制所述控制目标的一个发动机。
25.根据权利要求19所述的控制器，其中，所述控制器在控制所述控制目标时装载在所述控制目标上。
26.根据权利要求19所述的控制器，其中，所述控制器远程地控制所述控制目标。
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