CN116069066A - 分布式飞行控制系统 - Google Patents

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CN116069066A CN202310226825.4A CN202310226825A CN116069066A CN 116069066 A CN116069066 A CN 116069066A CN 202310226825 A CN202310226825 A CN 202310226825A CN 116069066 A CN116069066 A CN 116069066A
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T.赖克特
J.杰克逊
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Abstract

本申请涉及分布式飞行控制系统。响应于一个或多个输入，产生用来改变飞行器的状态的、针对多个致动器中的每个的一组命令。向少于包括多个致动器的所有致动器提供该组命令。

Description

分布式飞行控制系统
背景技术
本申请是申请号：2016800916886发明名称：分布式飞行控制系统的分案申请。在驾驶某飞行器期间，自动化飞行控制是不可缺少的。自动化飞行控制或者自动驾驶(autopilot)程序的安全是关键的。自动化飞行控制系统可能需要一种形式的冗余来抵御故障。建立自动化飞行控制系统中的冗余可能是复杂的或昂贵的。
附图说明
在以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。
图1是图示非冗余飞行控制系统的实施例的图。
图2是图示三重冗余飞行控制系统的实施例的图。
图3A是图示利用分布式飞行控制系统的多翼机(multicopter)的实施例的图。
图3B是图示利用分布式飞行控制系统的多翼机的实施例的图。
图4是图示分布式飞行控制系统的实施例的图。
图5是图示分布式飞行控制系统中的连接的实施例的图。
图6是图示分布式飞行控制系统的实施例的图。
图7是图示分布式飞行控制系统的模式切换机构的实施例的图。
图8是图示模式切换判定过程的实施例的流程图。
图9是图示飞行器中的分布式飞行控制系统的实施例的图。
图10是图示分布式飞行控制系统过程的流程图。
图11是图示分布式飞行控制系统的飞行计算机的实施例的图。
图12是图示分布式飞行控制系统流程的实施例的图。
具体实施方式
本发明可以以多种方式实现，所述多种方式包括作为过程、装置、系统、物质的组成、被包含在计算机可读存储介质上的计算机程序产品和/或处理器，诸如配置成执行指令的处理器，所述指令存储在耦合到处理器的存储器上和/或由耦合到处理器的存储器提供。在此详细说明中，这些实现方式或本发明可以采用的任何其他形式可以称为技术。一般而言，可以在本发明的范围内改变所公开的过程的步骤的顺序。除非另有说明，否则诸如被描述为配置成执行任务的处理器或存储器的组件可以被实现为临时配置成在给定时间执行任务的通用组件或者被制造成执行任务的特定组件。如在本文中所使用，术语“处理器”指的是配置成处理数据(诸如计算机程序指令)的一个或多个设备、电路和/或处理核。
连同图示本发明的原理的附图，下面提供本发明的一个或多个实施例的详细描述。虽然结合这样的实施例描述了本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求限制，并且本发明涵盖许多备选、修改和等同物。在以下描述中阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。提供这些细节是出于示例的目的，并且可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下根据权利要求来实践本发明。为了清楚起见，并未详细描述与本发明相关的技术领域中已知的技术材料，使得不会不必要地模糊本发明。
描述了分布式飞行控制系统。飞行控制系统包括处理器，其配置成响应于一个或多个输入，产生用来改变飞行器的状态的、针对多个致动器中的每个的一组命令。输入可以包括期望的姿态或者姿态变化的速率。在一些实施例中，飞行控制系统包括一组传感器，并且该组命令是响应于传感器读数而产生的。处理器配置成向少于包括多个致动器的所有致动器提供该组命令。在一些实施例中，飞行器包括多个致动器，其配置成在众多致动器中的零个或者一个致动器不活动的情况下使能飞行器中的飞行。系统可以包括相等数量的处理器和致动器。处理器和致动器可以包括其中每个致动器从对应处理器接收指令的一对一关系。
可以利用某种程度的自动化来控制飞行器。分布式飞行控制系统可以包括一个或多个飞行计算机。一个或多个飞行计算机中的飞行计算机可以运行自动驾驶软件。飞行计算机可以包括处理器和一组传感器。出于安全原因分布式飞行控制系统可以包括冗余的元件。例如，可以要求系统免于任何单点的故障。分布式飞行控制系统可以被利用于过致动的飞行器中，其中物理上将冗余建立在飞行器之中。例如，相较于飞行器为了可控飞行所需要的，它可以包括更多的致动器。分布式飞行控制系统可以利用过致动的飞行器。飞行器的物理冗余可以用于实现飞行控制系统冗余。每个致动器可以由分离的处理器控制。在一些实施例中，每个处理器考虑所有致动器并且计算针对所有致动器的指令，但是仅控制一个致动器。处理器可以物理上仅连接到一个致动器。在处理器出错(malfunction)的情况下，仅可能影响飞行器的一个致动器。分布式飞行控制系统可以包括易于实现且冗余的自动驾驶硬件结构。
图1是图示非冗余飞行控制系统的实施例的图。所描绘的致动器和飞行计算机可以被定位在相同飞行器上。在所示出的示例中，输入被提供给飞行计算机100。输入可以包括从飞行器上的仪器收集的信息。输入可以包括由飞行员经由控制或经由接口递送的信号。飞行计算机100可以处理输入并且基于输入确定针对飞行器的致动器的指令，所述针对飞行器的致动器的指令将飞行器置于期望的飞行轨迹上。飞行计算机100可以向致动器_1102、致动器_2104、致动器_3106以及致动器_4108提供指令。致动器可以包括飞行器的物理部件，其影响飞行器的轨迹。致动器可包括电动机、襟翼(flap)、推杆(pushrod)、控制表面、机构、与物理世界相互作用的部件，或者任何合适的对象。
飞行计算机100可以产生针对所有致动器的指令。可以协调致动器以便达到期望的飞行。例如，可以指导飞行器左侧上的旋翼和飞行器右侧上的旋翼以相反方向旋转，以便防止飞行器的旋转。虽然非冗余飞行控制系统易于建立，但是它可能增加安全顾虑。在飞行计算机100出错的情况下，没有示出备用系统。飞行计算机100中的单个错误可能导致飞行器坠毁。
图2是图示三重冗余飞行控制系统的实施例的图。三重冗余飞行控制系统使用三个飞行计算机来提供冗余。在所示出的示例中，输入被提供给飞行计算机_1200、飞行计算机_2202，以及飞行计算机_3204。飞行计算机向判定单元206提供信息。飞行计算机可以各自分离地确定针对飞行器的所有致动器的指令。判定单元206可以用于确定向致动器提供哪些指令。判定单元206可以使用投票方案。例如，在飞行计算机_1200和飞行计算机_2202针对致动器_1208产生相同指令而飞行计算机_3204没有的情况下，判定单元206可以传递大多数飞行计算机对其意见一致的指令。在所示出的示例中，判定单元206向致动器_1208、致动器_2210、致动器_3212以及致动器_4214提供指令。
三重冗余飞行控制系统可以在飞行器的自动驾驶中提供冗余并且消除单点的故障。然而，对于实现系统可能是复杂的或昂贵的。判定单元206可能包括复杂的硬件或软件。判定单元206可能在其硬件或软件中需要冗余元件。系统的硬件或软件可能需要自始至终考虑到冗余而被设计。
对于某些飞行器而言，非冗余或三重冗余飞行控制系统由于成本、复杂性或安全顾虑而不可行。某些飞行器可能表现出特定特性，其适合基于那些特性的飞行控制系统。分布式飞行控制系统可以有效地利用物理上冗余的飞行器。
图3A是图示利用分布式飞行控制系统的多翼机的实施例的图。在某些示例中，多翼机固有地不稳定。多翼机可能需要主动控制或自动驾驶以防止多翼机翻转。与仅机械的飞行员控制形成对照，多翼机可能需要其控制系统中的电子设备。分布式飞行控制系统可以提供允许飞行员手动驾驶多翼机所需的最小级别的自动驾驶功能性。系统可以提供对于多翼机所需的基本级别的自动驾驶功能性，包括姿态控制或姿态速率控制。在提供最小量的输入的情况下，分布式飞行控制系统可以防止飞行器产生不受控制的滚动、俯仰或偏航转矩(yawing torque)。分布式飞行控制系统可以生成恰当的本体转矩以保持多翼机稳定。系统可以容易且优雅地被利用于诸如多翼机的飞行器中，在所述多翼机中所有致动器是相同的(例如电动机)。
所示出的飞行器包括机身300，在机身的任一侧上具有五个旋翼。旋翼302、306、310和旋翼312、316和320分别在机身的左侧和右侧上被定位邻近于机身300。旋翼304和308被定位邻近于旋翼302、306和310。旋翼314和318被定位邻近于旋翼312、316和320。外旋翼304、308、314和318可以被定位在两个内旋翼(例如邻近于机身的旋翼)之间。旋翼配置可以允许多翼机具有宽翼展。
多翼机的致动器可以包括旋翼。多翼机可能被过致动。可以存在比维持飞行器的期望的飞行所确实需要的更多的旋翼。例如，在十个旋翼中的一个不活动的情况下，多翼机可以达到可接受的飞行性能。飞行器可以物理上是冗余的，使得在一个旋翼活动但是没有如期望的来操作的情况下，飞行器仍然能够维持期望的飞行。例如，在一个旋翼以不期望的方向或以不期望的速度旋转的情况下，飞行器将不会翻转过来。物理上冗余的飞行器可能对于分布式飞行控制系统是适当的。
在一些实施例中，在一个旋翼故障的情况下，飞行器能够检测故障并且关闭相对的旋翼以便平衡转矩。在一些实施例中，旋翼不在通信中。在一些实施例中，飞行计算机的输出处的交叉耦合不会出现。分布式飞行控制系统的飞行计算机中的反馈控制算法可以解决旋翼故障。飞行计算机可以检测飞行装置(vehicle)的位置或完整姿态。它们可以确定合适的电动机速度以达到期望的姿态。在电动机正出错并且未达到期望的位置的情况下，系统可以继续调整速度或推力直到达到正确的状态为止。
图3A的多翼机可被设计成具有小的形状因数。多翼机可以在低的高度处并且以低速飞行。多翼机可被设计成是低成本的。在一些实施例中，分布式飞行控制系统是利用低成本部件制造的简单解决方案。系统可以设计用于低成本飞行器。
在一些实施例中，分布式飞行控制系统被用在无人驾驶飞行器中。例如，所示出的多翼机可以是完全自主的。在一些实施例中，分布式飞行控制系统被用在有人驾驶飞行器中。
图3B是图示利用分布式飞行控制系统的多翼机的实施例的图。在所示出的示例中，多翼机包括机身350和旋翼352、354、356、358、360、362、364和366。八个旋翼布置在机身350周围。旋翼可以经由杆(boom)或横梁(beam)而被附接。分布式飞行控制系统可被用在标准的多翼机中。分布式飞行控制系统可被用在标准的飞行器中。例如，系统可被用在包括两个机翼的飞行器中。
图4是图示分布式飞行控制系统的实施例的图。在所示出的示例中，向飞行计算机_1400、飞行计算机_2404、飞行计算机_3408以及飞行计算机_4412提供输入。输入可以包括期望的姿态和期望的姿态速率。输入可以源自飞行员控制或者源自较高级别的飞行计算机。
飞行计算机_1400向致动器_1402提供输入。飞行计算机_2404向致动器_2406提供输入。飞行计算机_3408向致动器_3410提供输入。飞行计算机_4412向致动器_4414提供输入。在一些实施例中，飞行计算机针对飞行器的每个致动器而存在。每个飞行计算机可能不知道其他飞行计算机。每个飞行计算机可以表现得好像它是系统中存在的唯一飞行计算机。飞行计算机可以彼此解耦，其中在它们之中没有通信。系统的所有飞行计算机可能是完全相同的。它们可以包括完全相同的硬件和软件。飞行计算机可以包括处理器、一组传感器以及计算机算法。该组传感器可以包括速率陀螺仪、加速度计或者磁力计。在一些实施例中，飞行计算机是包括若干集成电路的板。例如，一个集成电路可以起微处理器的作用，而另一个集成电路可以起加速度计的作用。每个飞行计算机可以确定针对飞行器的所有致动器的指令。飞行计算机可以基于它的输入(例如期望的姿态或期望的姿态速率)来确定指令并且收集传感器数据。飞行计算机可以确定针对致动器的指令以在保持飞行器平衡的同时达到期望的姿态或姿态速率。例如，多翼机可能固有地不稳定并且需要飞行计算机将其放置到位的转矩控制回路。每个飞行计算机可以运行反馈控制回路。
在一些实施例中，每个飞行计算机仅物理上连接到一个致动器。对应于飞行计算机的致动器可仅接收适用于所述致动器的指令。在一些实施例中，飞行器的致动器与其他致动器解耦。致动器可以不在通信中。在一些实施例中，飞行计算机向它物理上连接到的致动器提供针对所有致动器的指令。致动器可以基于致动器的位置而利用正确的指令。
在一些实施例中，分布式飞行控制系统使得能够使用易于建立或编程的飞行计算机。计算机可以包括低成本处理器。由于解耦的飞行计算机，导致分布式飞行控制系统的布线可能是简单的。在错误出现在单个飞行计算机中的情况下，可能仅影响其单独的对应致动器。由于物理上冗余的飞行器，导致在致动器出错的情况下，飞行器的飞行轨迹可以如所期望的进行。针对每个致动器使用分离的飞行计算机可以允许飞行计算机中的故障渗透到致动器级别，在所述致动器级别所述故障被解决。出现在飞行计算机或速度控制器中的错误可能在飞行器的单独的对应致动器中造成非期望的行为。在过致动的飞行器中，致动器的非期望的行为不显著影响飞行器的飞行轨迹。
图5是图示分布式飞行控制系统中的连接的实施例的图。在一些实施例中，在飞行控制系统中使用的布线或线束使得飞行计算机向飞行器中可用的致动器的子集提供指令。在所示出的示例中，呈现了四个致动器。分布式飞行控制系统可以被定位在具有四个致动器的飞行器上。在所示出的示例中，飞行计算机_1500、飞行计算机_2504、飞行计算机_3508以及飞行计算机_4512各自产生四个输出。输出可以是针对飞行器中每个致动器的指令。每个飞行计算机可以确定针对所有致动器的指令，其中每个致动器的指令在不同的线上被提供。每个飞行计算机可以具有不连接到致动器的一个或多个线，并且输出不被使用。例如，每个飞行计算机具有连接到致动器的一个致动器指令输出线，而来自飞行计算机的所有其他致动器指令输出线未连接到任何致动器。如所示出的，飞行计算机_1500物理上连接到致动器_1502且物理上没有连接到其他致动器。飞行计算机_2504物理上连接到致动器_2506且物理上没有连接到其他致动器。飞行计算机_3508物理上连接到致动器_3510且物理上没有连接到其他致动器。飞行计算机_4512物理上连接到致动器_4514且物理上没有连接到其他致动器。
图6是图示分布式飞行控制系统的实施例的图。在一些实施例中，分布式飞行控制系统具有多个级别的飞行计算机。较高级别的飞行计算机可以将复杂指令简化成其随后提供给较低级别的飞行计算机的一组简单命令。较高级别的飞行计算机可以控制飞行器的位置和速度，而较低级别的飞行计算机控制飞行器的姿态。致动器可以从较低级别的飞行计算机接收指令。在所示出的示例中，向较高级别的飞行计算机600提供输入。
输入可以包括来自用户界面的输入。例如，飞行员可以输入纬度和经度。输入可以包括条件，诸如避免具有恶劣天气的位置、飞越低人口密度的区域、或采取最短路径的规定。输入可以包括用来执行复杂飞行轨迹的指令。较高级别的飞行计算机可以基于输入确定飞行器的合适速度或位置。较高级别的飞行计算机可以自动地导航或控制飞行器以达到期望的速度或位置。较高级别的飞行计算机可以基于输入确定期望的姿态或期望的姿态变化的速率，并且向较低级别的飞行计算机提供期望的姿态或期望的姿态变化的速率。较高级别的飞行计算机600确定给予较低级别的飞行计算机_1602、较低级别的飞行计算机_2604、较低级别的飞行计算机_3608以及较低级别的飞行计算机_4610的指令。
如所示出的较低级别的飞行计算机_1602向致动器_1612提供输入。较低级别的飞行计算机_2604向致动器_2614提供输入。较低级别的飞行计算机_3608向致动器_3616提供输入。较低级别的飞行计算机_4610向致动器_4618提供输入。较低级别的飞行计算机可以确定旋翼的速度、襟翼的倾斜角度、使用的推力的量或任何其他合适的因素。较低级别的飞行计算机可以执行完全反馈控制。例如，较低级别的飞行计算机可以确定飞行器的实际姿态或姿态速率并且与飞行器的期望的姿态或姿态速率进行比较。然后，较低级别的飞行计算机可以确定降低两个值之间的差(如果这个差存在的话)的指令。飞行器可以包括2个、10个、22个或任何合适数量的致动器。飞行器可以包括相等数量的较低级别的飞行计算机。
图7是图示分布式飞行控制系统的模式切换机构的实施例的图。在一些实施例中，较低级别的飞行计算机具有要由较高级别的飞行计算机控制或者要被手动控制(例如由飞行员)的选项。较低级别的飞行计算机可以不断地计算致动器动作以便维持基本级别的飞行。它们可以进一步把指令计算在内，所述指令由较高级别的飞行计算机或飞行员给出从而引导飞行器的飞行轨迹。飞行计算机可以各自包括独立的代码或硬件，以确定何时从听从较高级别的飞行计算机切换到听从手动控制。在较高级别的飞行计算机中检测到出错或者检测到不正规内容的情况下，可能期望将控制转变到手动模式。在一些实施例中，飞行器的实际状态被跟踪并与飞行器的期望的状态进行比较。在实际状态未合适地跟踪期望的状态的情况下，系统可以发信号通知检测到出错。飞行员的控制可以包括切换设备、按钮、应用程序或其他用来选择模式的机构。
在一些实施例中，系统的较低级别的飞行计算机是完全相同的。然而，每个较低级别的飞行计算机可以包括其自身的一组传感器。计算机可以使用传感器数据来确定是否需要模式切换。不同的较低级别的飞行计算机可以包括不同规格的传感器。较低级别的飞行计算机可以被定位于飞行器上的变化的位置，从而导致传感器数据变化。在没有链接飞行计算机的情况下，它们可以在不同时间确定切换模式。
在一个较低级别的飞行计算机从听从较高级别的飞行计算机切换到听从飞行员线路(pilotline)的情况下，所有飞行计算机可以立刻被切换。维持针对所有飞行计算机的相同模式可允许飞行器的致动器有效地驾驶飞行器。在一些实施例中，分布式飞行控制系统的飞行计算机在通信中。飞行计算机和飞行员线路可以通过总线或通讯网络来通信以协调切换。飞行计算机和飞行员线路可以经由逻辑门而电连接。在所示出的示例中，飞行计算机_1、飞行计算机_2、飞行计算机_3、飞行计算机_4以及飞行员是到OR门的输入。在一些实施例中，飞行计算机和飞行员是到一系列OR门的输入，其中每个OR门具有两个输入。在一些实施例中，当飞行器在一种模式下时，通信线路读为“低”或低于预定电压阈值。在飞行计算机或飞行员切换模式的情况下，飞行计算机或飞行员的信号可以升“高”或高于预定电压阈值。将信号中的一个拉高可能导致整个通信线路要被拉高，从而使用于所有飞行计算机和飞行员的模式变化。
图8是图示模式切换判定过程的实施例的流程图。在800中，确定飞行计算机是否已经切换模式。过程可以查看系统的较低级别的飞行计算机中的任何飞行计算机是否已经切换模式。在没有飞行计算机已经切换模式的情况下，过程重复800。在一些实施例中，过程在重复800之前暂停达预定的一段时间。在飞行计算机已经切换模式的情况下，在802中所有飞行计算机的模式被切换。
在一些实施例中，在800中确定飞行计算机是否已经切换模式或者是否接收到要切换模式的指示。要切换模式的指示可以由飞行员或较高级别的飞行计算机接收。例如，在较高级别的飞行计算机检测到较高级别的飞行计算机被折衷的情况下，较高级别的飞行计算机可以自动地将较低级别的飞行计算机从自动模式切换到手动模式。在没有信号从飞行员的飞行器控制被接收达一段时间的情况下，模式可以自动地从手动模式切换到较高级别的飞行计算机模式。
图9是图示飞行器中的分布式飞行控制系统的实施例的图。在一些实施例中，系统可由包括两个杆和机身的飞行器利用。系统可以用于多翼机上，其折衷被安装在两个杆上的旋翼。图3的多翼机可以被定位在两个杆或者浮筒(pontoon)上。杆可以是可充气的或者轻质的，并且能够使飞行器降落在水上。飞行员可以位于机身中。
在所示出的示例中，分布式飞行控制系统的主要元件被存储在机身975上。主板974位于机身975上。主板974可以充当底板。系统的较低级别的飞行计算机可以设置在共享电路板上。较低级别的飞行计算机可以插入到主板中。在所示出的示例中，较低级别的飞行计算机950、954、958、962、966、952、956、960、964以及968被安装在主板974上。较低级别的飞行计算机可以彼此电隔离。它们可以插入到分离的电源中。较低级别的飞行计算机可以是具有一组传感器的微控制器。传感器可以包括典型的智能电话传感器，诸如磁力计、速率陀螺仪或加速度计。较低级别的飞行计算机可以被安装在机身中的飞行器的中心，以便从其传感器收集精确的数据。较高级别的飞行计算机970也被安装在主板974上。全球定位系统971、雷达972以及相机973也被安装在主板974上，并且向较高级别的飞行计算机970提供数据。相机973可以包括立体相机或红外相机。诸如激光雷达或声纳的其他传感器也可以向主板提供数据。
在所示出的示例中，显示器942呈现在机身上。显示器可以向飞行器的飞行员提供飞行信息。显示器可以使得飞行员能够例如经由触摸屏来控制飞行器。模式切换944、飞行员控制946以及停止开关(killswitch)948也呈现在机身上。模式切换944可以包括按钮、切换设备或其他控制，其使得飞行员能够在手动模式与较高级别的飞行计算机自动模式之间进行切换。停止开关948可以允许飞行员对飞行器的所有致动器(诸如所有旋翼)禁用动力。飞行员控制946可以包括飞行员操纵以调整飞行器的位置的一个或多个物理对象。例如，可以使用操纵杆、方向盘、踏板、操作杆或其他任何合适的控制。在一些实施例中，引导按钮可以存在。引导按钮可用于接通系统的电源。增加动力消耗和减低动力消耗的机构可以物理上分离，以便减少触发错误动作的机会。
在所示出的示例中，较高级别的飞行计算机970从飞行员控制和传感器接收输入。较高级别的飞行计算机可以基于飞行员控制和传感器信息向较低飞行计算机提供指令。例如，在飞行员在飞行器处于自动模式的同时突然使飞行器的方向变化的情况下，较高级别的飞行计算机可以立即允许飞行员控制输入以取代飞行器的先前的路径。
在一些实施例中，较低级别的飞行计算机连接到旋翼。较低级别的飞行计算机可以由也为旋翼供电的电池供电。电池可以与其他旋翼或飞行计算机隔离。在所示出的示例中，较低的飞行计算机952向电子速度控制器978提供输入。电子速度控制器978连接到旋翼979。电子速度控制器可以确定旋翼转动多快。电子速度控制器978可以与管理电池977的电池管理系统976进行通信。控制器和电池管理系统可以共享模拟连接。增加旋翼速度可能包括使用更多的电池功率(batterypower)。
在所示出的示例中，较低的飞行计算机952、956、960、964以及968控制被定位在右杆998上的五个旋翼。较低的飞行计算机956控制电子速度控制器982，所述电子速度控制器982控制旋翼983。电池981由电池管理系统980管理。电池981为旋翼983和较低的飞行计算机956供电。较低的飞行计算机960对应于电子速度控制器986、旋翼988、电池管理系统984以及电池985。较低的飞行计算机964对应于电子速度控制器992、旋翼993、电池管理系统990以及电池991。较低的飞行计算机968对应于电子速度控制器996、旋翼997、电池管理系统994以及电池995。
在所示出的示例中，较低的飞行计算机950、954、958、962以及966控制被定位在左杆940上的五个旋翼。较低的飞行计算机950控制电子速度控制器906，所述电子速度控制器906控制旋翼904。电池900由电池管理系统902管理。电池900为旋翼904和较低的飞行计算机950供电。较低的飞行计算机954对应于电子速度控制器914、旋翼912、电池管理系统910以及电池908。较低的飞行计算机958对应于电子速度控制器922、旋翼920、电池管理系统918以及电池916。较低的飞行计算机966对应于电子速度控制器930、旋翼928、电池管理系统926以及电池924。较低的飞行计算机966对应于电子速度控制器938、旋翼936、电池管理系统934以及电池932。
在一些实施例中，每个较低级别的飞行计算机经由串行连接而连接到电子速度控制器。每个较低级别的飞行计算机可以具有分离的串行连接，其与飞行控制系统中的其他连接隔离。例如，一个较低级别的飞行计算机与一个电子速度控制器之间的一个串行连接中的短接可能对飞行控制系统中的其他较低级别的飞行计算机或其他电子速度控制器没有影响。
飞行员控制946可以经由模拟连接而连接到较高级别的飞行计算机970。在一些实施例中，飞行员控制输入可以在手动模式下的同时首先输入到较高级别的飞行计算机。较高级别的飞行计算机可以在命令被给予较低级别的飞行计算机之前增强飞行员指令。例如，当飞行器被期望在其当前位置保持不动，飞行员可以释放所有的飞行员控制。较高级别的飞行控制器可以执行高度控制并且防止飞行器在位置上漂移。在手动模式期间使用较高级别的飞行控制器可以允许飞行器的位置被更精确地控制。然而，分布式飞行控制可以使得飞行员输入能够直接被提供给较低级别的飞行计算机。如所示出的，飞行员控制附加地分离地连接到较低级别的飞行计算机。在较高级别的飞行计算机故障的情况下，飞行员能够直接向较低级别的飞行计算机提供输入。
分布式飞行控制系统的电子速度控制器和电池管理系统可以经由以太网而连接。在一些实施例中，电子速度控制器和电池管理系统通过以太网网络提供信息，其关于电池的状态、产生的热量，或任何其他合适的信息。较低级别的飞行计算机也可以是网络的部分。组件可以插入到以太网交换机(Ethernetswitch)中。Wi-Fi无线电可以连接到以太网网络，并向飞行员或地面提供有关分布式飞行控制系统的组件的信息。
图10是图示分布式飞行控制系统过程的流程图。过程可以由系统的单个较低级别的飞行计算机来执行。在1000中，接收飞行员或较上级别的飞行计算机输入。在1002中，确定针对所有致动器的对应指令。较低级别的飞行计算机可以确定针对飞行器的所有致动器的位置或动作，以完成所接收的指令并且还维持期望的基本级别的飞行。在1004中，向单个致动器提供致动器指令。较低级别的飞行计算机可以物理上仅连接到一个致动器。
图11是图示分布式飞行控制系统的飞行计算机的实施例的图。较低级别的飞行计算机1116包括一组传感器和处理器1114。在所示出的示例中，速率陀螺仪1100、加速度计1102、磁力计1104以及气压计1106向处理器1114提供传感器数据。处理器可以包括微处理器。处理器1114包括姿态估计器1108、姿态控制器1110以及状态机112。如所示出的，向姿态估计器1108提供传感器数据。
姿态估计器可以基于所提供的传感器数据确定飞行器的近似实际姿态。向姿态控制器1110提供姿态估计。如所示出的，姿态控制器1110从状态机1112接收期望的姿态。姿态控制器1110可以确定期望的姿态与姿态估计之间是否存在差。姿态控制器可以确定致动器命令，其旨在使飞行器的实际姿态变化以匹配期望的姿态。姿态控制器1110向状态机1112提供致动器命令。
状态机1112接收期望的姿态和致动器命令。期望的姿态可以由飞行员或较高级别的飞行计算机提供。状态机可以确定向姿态控制器提供哪个期望的姿态。例如，在飞行控制系统被设置成自动模式(其中在较高级别的飞行计算机的控制之下)的情况下，状态机可以忽略来自飞行员的输入。状态机1112输出针对飞行器的致动器命令。在一些实施例中，状态机1112充当过程控制机构。例如，在飞行器在陆地上并且不应该使用飞行控制的情况下，状态机可以防止发送致动器命令。所提供的命令可以针对不同类型的致动器而变化(基于飞行器)。例如，可以为多翼机提供电动机命令。
在一些实施例中，数据由处理器1114收集并被提供给较高级别的飞行计算机。数据可以包括传感器数据或者位置数据。数据可以用于登录。在一些实施例中，飞行器的致动器可以与系统的较高级别的飞行计算机进行通信。致动器可以报告其健康状态(health)。系统可以使用致动器健康状态信息以利用其他致动器来补偿失效或出错的致动器。向回报告状况可以使得飞行器能够比迭代的默认策略更快地适应故障。通过默认，系统可以迭代并连续调整到致动器的指令，直到达到期望的飞行位置或轨迹为止。
图12是图示分布式飞行控制系统流程的实施例的图。在所示出的示例中，切换设备1200接收较高级别的飞行计算机期望的姿态和飞行员期望的姿态。切换设备1200可以基于飞行控制系统是在手动模式还是自动模式下来决定要传递到求和块1202的期望的姿态。求和块1202可以接收期望的姿态和姿态估计，并且确定两者之间的差或者姿态误差。姿态估计可以是飞行器的实际姿态的估计。如所示出的姿态控制器1204接收姿态误差并且基于姿态误差产生针对飞行器的致动器命令。可以确定命令以消除姿态误差。向安全块1206提供致动器命令。安全块1206可以防止命令在飞行器已经降落、在起飞序列中或者在降落序列中的情况下被发送到致动器。在飞行器准备接收致动器命令的情况下，致动器命令由安全块提供给飞行器1208。飞行器的致动器可以向传感器1210提供关于其状态的信息。例如，可以发送致动器使位置变化的信号。在一些实施例中，飞行器的致动器基于接收的命令使位置变化，并且传感器检测位置中的变化。信息可能无法从飞行器显式地被发送到传感器。传感器1210向姿态估计器1212提供传感器数据。姿态估计器1212可以处理所接收的传感器数据。例如，姿态估计器可以忽略信号噪声。姿态估计器1212可以基于传感器数据确定飞行器的姿态的估计。姿态估计器1212可以向1202提供姿态估计。在一些实施例中，切换设备1200和安全块1206可以由一个软件块(例如，状态机)执行。
在一些实施例中，较低级别的飞行计算机的数量可以比致动器的数量少。例如，每个较低级别的飞行计算机可以控制多翼机的两个旋翼。两个旋翼可以彼此相对。在较低级别的飞行计算机故障的情况下，飞行器可能遇到可忽略不计的负面影响，这是因为飞行器保持平衡。
尽管为了清楚理解的目的，已经在一些细节中描述了前述的实施例，但是本发明并不限于所提供的细节。存在许多实现本发明的备选方式。所公开的实施例是说明性的而非限制性的。

Claims (28)

1.一种飞行控制系统，包括：
较高级别的飞行计算机；以及
耦合到较高级别的飞行计算机的多个较低级别的飞行计算机，
其中：
所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个耦合到对应的一组致动器，
所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个包括对应的一组传感器，
所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个从较高级别的飞行计算机接收期望的姿态或期望的姿态变化的速率，以及
所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个被配置成确定用于所述对应的一组致动器的对应的一组指令，以实现期望的姿态或期望的姿态变化的速率，并将对应的一组指令提供给所述对应的一组致动器，其中所述多个较低级别的飞行计算机中的较低级别的飞行计算机包括姿态控制器和姿态估计器。
2.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中所述较高级别的飞行计算机被配置成控制飞行器的位置和速度。
3.一种飞行控制系统，包括：
较高级别的飞行计算机；以及
耦合到较高级别的飞行计算机的多个较低级别的飞行计算机，
其中：
所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个耦合到对应的一组致动器，
所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个包括对应的一组传感器，
所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个从较高级别的飞行计算机接收期望的姿态或期望的姿态变化的速率，以及
所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个被配置成确定用于所述对应的一组致动器的对应的一组指令，以实现期望的姿态或期望的姿态变化的速率，并将对应的一组指令提供给所述对应的一组致动器，其中在检测到与所述较高级别的飞行计算机相关联的故障或异常的情况下，实施手动模式。
4.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中所述对应的一组致动器包括电动机、襟翼、推杆、控制表面、机构，或物理世界相互作用的部件中的至少一个。
5.一种飞行控制系统，包括：
较高级别的飞行计算机；以及
耦合到较高级别的飞行计算机的多个较低级别的飞行计算机，
其中：
所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个耦合到对应的一组致动器，
所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个包括对应的一组传感器，
所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个从较高级别的飞行计算机接收期望的姿态或期望的姿态变化的速率，以及
所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个被配置成确定用于所述对应的一组致动器的对应的一组指令，以实现期望的姿态或期望的姿态变化的速率，并将对应的一组指令提供给所述对应的一组致动器，其中所述对应的一组传感器包括速率陀螺仪、加速度计，和/或磁力计中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中所述对应的一组致动器包括单个致动器。
7.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个被配置成确定用于所有所述对应的一组致动器组的对应的一组指令。
8.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中姿态估计器被配置成基于传感器数据来估计飞行器的姿态。
9.根据权利要求8所述的飞行控制系统，其中姿态控制器被配置成确定期望的姿态和估计的姿态之间是否存在差异。
10.根据权利要求8所述的飞行控制系统，其中姿态控制器被配置成确定致动器命令以改变飞行器的实际姿态来匹配期望的姿态。
11.一种飞行控制系统，包括：
较高级别的飞行计算机；以及
耦合到较高级别的飞行计算机的多个较低级别的飞行计算机，
其中：
所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个耦合到对应的一组致动器，
所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个包括对应的一组传感器，
所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个从较高级别的飞行计算机接收期望的姿态或期望的姿态变化的速率，以及
所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个被配置成确定用于所述对应的一组致动器的对应的一组指令，以实现期望的姿态或期望的姿态变化的速率，并将对应的一组指令提供给所述对应的一组致动器，其中包括在所述对应的一组致动器组中的致动器被配置成向所述较高级别的飞行计算机提供健康信息。
12.根据权利要求11所述的飞行控制系统，其中所述较高级别的飞行计算机被配置成基于与所述致动器相关联的健康信息来调整用于对应的一组致动器组的指令。
13.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中所述多个较低级别的飞行计算机位于飞行器上的不同位置。
14.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中所述多个较低级别的飞行计算机通信地链接在一起。
15.根据权利要求14所述的飞行控制系统，其中，在所述多个较低级别的飞行计算机中的一个从听从所述较高级别的飞行计算机切换到听从飞行员线路的情况下，其他所述多个较低级别的飞行计算机从听从所述较高级别的飞行计算机切换到听从飞行员线路。
16.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中飞行控制系统是多翼机的一部分。
17.根据权利要求3所述的飞行控制系统，其中所述较高级别的飞行计算机被配置成控制飞行器的位置和速度。
18.根据权利要求5所述的飞行控制系统，其中所述较高级别的飞行计算机被配置成控制飞行器的位置和速度。
19.根据权利要求11所述的飞行控制系统，其中所述较高级别的飞行计算机被配置成控制飞行器的位置和速度。
20.根据权利要求3所述的飞行控制系统，其中所述对应的一组致动器包括电动机、襟翼、推杆、控制表面、机构，或物理世界相互作用的部件中的至少一个。
21.根据权利要求5所述的飞行控制系统，其中所述对应的一组致动器包括电动机、襟翼、推杆、控制表面、机构，或物理世界相互作用的部件中的至少一个。
22.根据权利要求11所述的飞行控制系统，其中所述对应的一组致动器包括电动机、襟翼、推杆、控制表面、机构，或物理世界相互作用的部件中的至少一个。
23.根据权利要求3所述的飞行控制系统，其中所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个被配置成确定用于所有所述对应的一组致动器组的对应的一组指令。
24.根据权利要求5所述的飞行控制系统，其中所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个被配置成确定用于所有所述对应的一组致动器组的对应的一组指令。
25.根据权利要求11所述的飞行控制系统，其中所述多个较低级别的飞行计算机中的每一个被配置成确定用于所有所述对应的一组致动器组的对应的一组指令。
26.根据权利要求3所述的飞行控制系统，其中所述多个较低级别的飞行计算机位于飞行器上的不同位置。
27.根据权利要求5所述的飞行控制系统，其中所述多个较低级别的飞行计算机位于飞行器上的不同位置。
28.根据权利要求11所述的飞行控制系统，其中所述多个较低级别的飞行计算机位于飞行器上的不同位置。
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