CN117321528A - 用于无人机的自主管理的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无人机的自主导航的智能设备，该智能设备包括控制单元，该控制单元被布置成：通过无线连接与远程控制站点通信，获取任务路线γ，该无人机被布置成沿循该任务路线以到达期望目的地，该任务路线γ通过相对于参考系S(x，y，z)的坐标x_m(t)、y_m(t)、z_m(t)定义；周期性地获取对应于空间位置的分量的值x_a、y_a、z_a，对应于速度的分量的值v_x、v_y、v_z以及对应于加速度的分量的值a_x、a_y、a_z。此外，在至少一个预先确定的运动学条件发生的情况下，该控制单元被布置成检查与该远程控制站点的该无线连接的状态，并且在该无线连接活动的情况下，向该远程控制站点发送报警信号并且等待响应时间t_r，在该无线连接不活动或者在该响应时间t_r内没有来自该远程控制站点的响应的情况下，该控制单元被布置成激活紧急导航模式。

Description

用于无人机的自主管理的设备和方法

技术领域

本发明涉及使用无人机的特殊负载的导航和运输领域。

具体地，本发明涉及一种用于无人机在没有与远程引航员连接的情况下的自主导航的智能设备。

现有技术的描述

众所周知，当前的无人机具有各种安全系统来控制导航并且防止飞行器迷路。

通常，这些安全系统在无线电连接丢失、临界能量自主性水平或偏离为任务设定的路线的情况下开始操作。在这种情况下，导航模式和在任务开始时设定的参数的配置被改变，使得无人机进入自主导航模式，该自主导航模式保持直到引航员远程干预。

一般来讲，该自主导航模式是在任务开始时预定义的，并且简单地涉及返回到起飞基地(“返回到起飞点”模式)或在沿着路线的预定义着陆点(“安全检查点”)处着陆。

此类自主导航的示例在US10889374B1中示出，其中在无线电连接丢失的情况下，飞行器被编程为到达第一或第二“航点”。另一个示例在US2021064025A1中示出。

然而，此类系统不涉及对完成任务的可行性或对安全飞行条件的任何评估。这意味着几乎已经完成其任务的无人机可能被召回到基地，而此时其原本还具有能量自主性以沿着路径继续。此外，自动返回到基地是通过预设的直线飞行来执行的，在返回路径具有障碍物(诸如树或建筑物)的情况下，这可能导致对无人机的损坏。

发明内容

因此，本发明的特征是提供一种用于无人机的自主导航的智能设备，其允许在预先确定的危急条件发生时自主地控制无人机的导航。

此外，本发明的特征是提供这样一种智能设备，其能够在与控制站点的连接丢失的情况下独立地评估是否完成任务。

本发明的另一特征是提供这样一种智能设备，其可识别代替预定路线的替代轨迹以到达期望目的地。

这些和其他目的通过一种用于无人机的自主导航的智能设备来实现，该无人机包括用于允许该无人机在飞行中移动的至少一个马达，该智能设备包括控制单元，该控制单元被布置成在使用中连接到该马达或每个马达以便控制该无人机的导航，该控制单元还被布置成：

-通过无线连接与远程控制站点通信；

-获取任务路线γ，该无人机被布置成沿循该任务路线以到达期望目的地，该任务路线γ通过相对于参考系S(x,y,z)的坐标x_m(t)、y_m(t)、z_m(t)定义；

-周期性地获取值x_d、y_d、z_d，这些值对应于无人机相对于参考系S(x,y,z)的空间位置的分量；

-周期性地获取值v_x、v_y、v_z，这些值对应于无人机相对于参考系S(x,y,z)的速度的分量；

-周期性地获取值a_x、a_y、a_z，这些值对应于无人机相对于参考系S(x,y,z)的加速度的分量；

其主要特征是所述控制单元还被布置成：

-在以下条件中的至少一个条件发生的情况下检查与远程控制站点的无线连接的状态：

-在时间t^*，x_d>x_m(t^*)+d_x和/或y_d>y_m(t^*)+d_y和/或z_d>z_m(t^*)+d_z；

-和/或/>和/或/>

-和/或/>和/或/>

其中d_x、d_y、d_z、是预先确定的值；

-在无线连接活动的情况下，向远程控制站点发送报警信号并且等待响应时间t_r；

-在无线连接不活动的情况下或者在响应时间t_r内没有远程控制站点的响应的情况下，激活紧急导航模式，其中控制单元被布置成：

-获取值E_res，该值对应于在无人机上可用的能量；

-计算值E_mis，该值对应于无人机沿循任务路线γ以到达期望目的地所要求的能量；

-在E_res≥k_mis*E_mis，其中k_mis是大于或等于1的系数的情况下，控制无人机沿着任务路线γ的导航；

-在E_res<k*E_mis的情况下，控制无人机沿着替代任务路线γ的路线的导航以使无人机执行安全着陆。

具体地，为了计算值E_mis，控制单元被布置成执行对沿着直到期望目的地的任务路线γ作用的风的速度的估计。

具体地，基于以下源中的至少一个源来估计风的速度：

-在统计基础上制作的风图；

-互联网上的天气预报；

-由位于任务路线γ附近的气象站点提供的数据；

-在任务开始之前提供的数据。

另选地，沿着任务路线γ的风的速度可通过测量作用在无人机上的风速来估计，例如通过使用放置在无人机自身上的传感器或者通过马达为将无人机保持在适当位置而产生的能量消耗的差异。

有利地，在E_res<k*E_mis的情况下，控制单元被布置成：

-执行对沿着替代任务路线γ的多条路线γ_i作用的风的速度的估计，并且能够允许无人机到达期望目的地；

-对于每条路线计算γ_i计算值该值对应于无人机沿循路线γ_i以到达期望目的地所要求的能量；

-识别能量值之间的较低值/>该较低值/>与路线γ^*相关联；

-在的情况下，控制无人机沿着直到期望目的地的路线γ^*的导航。

另选地或在确定替代路线的步骤之后，在E_res<k_mis*E_mis的情况下，控制单元被布置成：

-计算值E_cp，该值对应于无人机到达任务路线γ附近的至少一个检查点所要求的能量；

-在E_res≥k_cp*E_cp，其中K_cp是大于或等于1的系数的情况下，控制无人机沿着替代任务路线的导航以使无人机降落在检查点处。

具体地，在E_res<K_cp*E_cp的情况下，控制单元被布置成控制无人机的导航以执行紧急着陆。

具体地，在无人机上存在用于维持所运输的负载的温度的制冷设备的情况下，计算E_mis、和E_cp的值包括评估用于维持温度的此类制冷设备的消耗的步骤。

有利地，响应时间t_r是预先确定的时间。具体地，t_r＝3s

另选地，响应时间t_r由控制单元基于无线连接的响应速度来计算。

具体地，t_r根据以下等式通过使用智能设备与远程控制站点之间的ping来计算：

其中是无线连接的ping往返时间的平均值，β是连续概率分布值，并且σ_p是ping往返时间的标准差。

有利地，在紧急导航模式下，控制单元被布置成在时间t_s内以搜索频率f₁检查无线连接的状态，并且其中在时间t_s之后，控制单元被布置成以搜索频率f₂<f₁检查无线连接的状态。

具体地，时间t_s可以是预先确定的时间，或者可基于完成紧急导航所需的总时间来计算。例如，t_s可以是完成到达期望目的地或在紧急导航模式下进行提前着陆所要求的估计时间的预先确定的百分比。

另选地或组合地，当值E_res低于预先确定的阈值时，或者在达到完成紧急导航所要执行的航段的预先确定的百分比时，控制单元可以从搜索频率f₁切换到搜索频率f₂。

以此方式，当紧急导航接近结束时，控制单元可逐渐减少用于搜索无线连接信号的能量消耗。例如，在一定时间或在紧急导航模式下所要完成的路线的一定百分比之后，控制单元可完全停止检查连接状态，因为远程恢复导航将不再方便。

具体地，当无人机在紧急导航期间进入着陆阶段时，该过程不能被远程控制站点中断。这是因为，一旦着陆阶段已经开始，就不再方便中断该阶段，而是要完成着陆并且执行新的起飞。

有利地，该智能设备还包括：

-定位装置，该定位装置被布置成测量无人机相对于参考系S(x,y,z)的空间位置的分量x_d、y_d、z_d；

-速度测量装置，该速度测量装置被布置成测量无人机相对于参考系S(x,y,z)的速度的分量v_x、v_y、v_z；

-加速度测量装置，该加速度测量装置被布置成测量无人机相对于参考系S(x,y,z)的加速度的分量a_x、a_y、a_z。

具体地，该智能设备还包括天线，该天线被布置成在该智能设备与该远程控制站点之间提供无线连接。

具体地，无线天线还可建立互联网连接。

附图说明

现在将参考附图，通过对本发明的一些示例性实施方案进行的示例性但非限制性的以下描述来示出本发明，在附图中：

-图1示出了根据本发明的用于自主导航的智能设备的控制单元所沿循的流程图的优选解决方案。

具体实施方式

根据本发明的用于无人机的自主导航的智能设备包括控制单元，该控制单元被布置成在使用中连接到无人机的马达以便控制无人机本身的导航。

具体地，智能设备可以是在无人机外部的设备，并且通过将智能设备的控制单元与无人机的机载计算机连接而与无人机一体地布置。在这样做时，智能设备可以在现有的无人机上使用。

另选地，智能设备可直接集成到无人机中，并且控制单元可以是无人机的唯一机载计算机。

具体地，控制单元被布置成优选地在开始任务之前获取任务路线γ，无人机必须沿循该任务路线以到达期望目的地。此类任务路线γ通过相对于参考系S(x,y,z)的坐标x_m(t)、y_m(t)、z_m(t)定义。

此外，控制单元被布置成通过无线连接与远程控制站点通信。具体地，智能设备可包括被布置成提供该无线连接的天线。另选地，智能设备可被配置用于将控制单元连接到放置在无人机上的无线天线。

有利地，控制单元还适用于连接到互联网网络。

图1的流程图示出了根据本发明的用于无人机的自主导航的智能设备的控制单元所沿循的可能算法的以下步骤。

一旦无人机飞行任务已经开始，智能设备的控制单元就被布置成周期性地获取值x_d、y_d、z_d、v_x、v_y、v_z、a_x、a_y、a_z，这些值分别对应于无人机相对于参考系S(x,y,z)的位置、速度和加速度的分量。

具体地，无人机的位置、速度和加速度的此类分量可通过存在于设备中的相应定位装置以及速度和加速度传感器来确定。另选地，智能设备的控制单元可连接到无人机上的定位装置以及速度和加速度传感器。

以此方式，控制单元周期性地检查无人机的位置、速度和加速度，以检测在飞行期间可能存在的异常。

具体地，在以下条件中的至少一个条件发生的情况下检测到异常：

-在时间t^*，x_d>x_m(t^*)+d_x和/或y_d>y_m(t^*)+d_y和/或z_d>z_m(t^*)+d_z；

-和/或/>和/或/>

-和/或/>和/或/>

其中d_x、d_y、d_z、是预先确定的值。

第一条件的发生意味着无人机已经从沿着空间坐标中的至少一个空间坐标的任务路线γ过度移动，这些空间坐标在时间t^*应当是x_m(t^*)、y_m(t^*)、z_m(t^*)。

第二条件和第三条件中的至少一个条件的发生意味着无人机的速度或加速度显著不同于期望值。

通过周期性地检查关于上述运动分量的条件，可以在无人机失去速度或被风移动或遭受例如由于与障碍物的碰撞而引起的海拔高度的突然变化的情况下迅速地进行干预。

如果验证了所述条件中的至少一个条件，则控制单元继续验证与远程控制站点的无线连接状态。在连接活动的情况下，控制单元发送报警信号并且在时间t_r内等待来自远程控制站点的响应。

具体地，响应时间t_r可以是预先确定的时间，例如t_r＝3s，或者可以是由控制单元基于无线连接的响应速度来动态计算的时间。

有利地，t_r可根据以下等式使用智能设备与远程控制站点之间的ping来计算：

其中是无线连接的ping往返时间的平均值，β是连续概率分布值，并且σ_p是ping往返时间的标准差。

在控制站点在时间t_r内响应的情况下，导航脱离手动模式并且由控制站点远程管理。

然而，在无线连接不活动或者控制站点在时间t_r内不响应的情况下，控制单元进入紧急导航模式并且开始控制无人机的导航。

以此方式，根据本发明的智能设备可以在意外飞行或不利天气条件的情况下、以及在无线连接丢失的情况下以及在这两种条件的情况下迅速且自主地动作。

具体地，根据本发明的优选实施方案，一旦它进入紧急导航模式，控制单元就检查值E_res，该值对应于在无人机上可用的能量。

具体地，可用能量是可存储在一个或多个电池中的电力。此外，电力可来自太阳能电池板或允许电池再充电的其他能量源。另选地，在无人机由非电动马达驱动的情况下，基于所使用的能量源来测量可用能量。例如，在无人机使用热力发动机的情况下，基于机上存在的燃料来测量可用能量。在混动无人机的情况下，基于机上存在的所有能量源来测量能量。

然后，控制单元继续计算值E_mis，该值对应于无人机沿循任务路线γ以到达期望目的地所要求的能量。

具体地，为了计算值E_mis，控制单元被布置成执行对用于执行任务路线γ的马达的标称消耗的计算以及对沿着任务路线γ作用的风的速度的估计两者。以此方式，控制单元可具有对将通过平衡风的作用而被花费以维持飞行路径的实际能量的更准确的估计。

例如，可基于以下源中的至少一个源来估计风的速度：

-在统计基础上制作的风图；

-互联网上的天气预报；

-由位于任务路线γ附近的气象站点提供的数据；

-在任务开始之前提供的数据。

控制单元还可利用其他源或基于作用在无人机上的风速来做出估计。具体地，作用在无人机上的速度可使用传感器(例如风速计)来测量，或者其可通过马达为保持无人机沿着特定轨迹而产生的能量消耗的差异来计算。

在条件E_res≥k_mis*E_mis发生的情况下，这意味着任务可正确地完成并且因此控制无人机沿着任务路线γ的导航直到到达期望目的地。

系数k_mis是大于或等于1的系数，其允许管理关于控制单元估计的安全裕度。该系数可预先确定或者由控制单元实时地确定。例如，系数k_mis可由控制单元基于源的准确性来确定，沿着待行进路线的风条件从该源导出。如果源被认为是非常可靠的，例如其定位非常靠近任务路线γ的气象站点的实时预测，则系数k_mis可具有比源被认为不可靠的情况(诸如例如，统计风图)更低的值。

另一方面，如果条件E_res<k_mis*E_mis发生，则控制单元可检查任务路线γ附近的至少一个检查点的位置。这些检查点的位置可由控制单元在任务之前或者甚至在任务期间获取。

然后，控制单元继续计算值E_cp，该值对应于无人机到达这些可用的检查点中最近的检查点所要求的能量。

在E_res≥k_cp*E_cp发生的情况下，控制单元控制无人机沿着替代任务路线的导航以使无人机降落在检查点处。对于系数k_cp，适用对于系数k_mis所做的相同考虑。

另一方面，如果条件E_res<k_cp*E_cp发生，则控制单元被布置成控制无人机的导航以执行紧急着陆。

根据本发明的实施方案，当条件E_res<k_mis*E_mis发生时，在检验检查点的位置之前，控制单元可检验代替任务路线的替代路线是否可用，这涉及较低的能量消耗。

在这种情况下，控制单元被布置成：

-执行对沿着替代任务路线γ的多条路线γ_i作用的风的速度的估计，并且能够允许无人机到达所述期望目的地；

-对于每条路线计算γ_i计算值该值对应于无人机沿循路线γ_i以到达期望目的地所要求的能量；

-识别能量值之间的较低值/>将其关联到路线γ^*；

-在的情况下，控制无人机沿着直到期望目的地的路线γ^*的导航；

-在的情况下，继续尝试着陆在检查点附近。

另外在这种情况下，控制单元可通过利用上面列出的源来估计风速。

控制单元可被设定成以预先确定的方式执行或不执行计算与路线γ_i相关联的能量值的步骤。另选地，该步骤的实现可由控制单元基于可用数据来决定。例如，在被认为足够可靠的源可用于估计风速的情况下，控制单元可决定执行该步骤。

有利地，在无人机上存在用于维持所运输的负载的温度的制冷设备的情况下，计算E_mis、和E_cp的值包括评估用于维持温度的此类制冷设备的消耗的步骤。

具体地，在紧急导航模式期间，控制单元被布置成在时间t_s内以搜索频率f₁检查无线连接的状态，并且在时间t_s之后，控制单元被布置成以搜索频率f₂<f₁检查无线连接的状态。

具体地，时间t_s可以是预先确定的时间，或者可基于完成紧急导航所需的总时间来计算。例如，t_s可以是完成到达期望目的地或在紧急导航模式下进行提前着陆所要求的估计时间的预先确定的百分比。

另选地或组合地，当值E_res低于预先确定的阈值时，或者在达到完成紧急导航所要执行的航段的预先确定的百分比时，控制单元可以从搜索频率f₁变换到搜索频率f₂。

以此方式，当紧急导航接近结束时，控制单元可逐渐减少用于搜索无线连接信号的能量消耗。例如，在一定时间或在紧急导航模式下所要完成的路线的一定百分比之后，控制单元可完全停止检查连接状态，因为远程恢复导航将不再方便。

具体地，当无人机在紧急导航期间进入着陆阶段时，该过程不能被远程控制站点中断。这是因为，一旦着陆阶段已经开始，就不再方便中断该阶段，而是要完成着陆并且执行新的起飞。

对本发明的示例性实施方案的前述描述将根据概念角度如此完全地揭示本发明，使得其他人将能够通过运用当前的知识来针对各种应用修改和/或调整这些实施方案，而不需要进一步研究并且不离偏本发明，并且因此，应当理解，此类调整和修改将必须被视为等同于具体实施方案。用于实现在此描述的不同功能的构件和材料可以具有不同的性质，而为此不脱离本发明的领域。应当理解，本文所采用的措辞或术语是出于描述而不是限制的目的。

Claims (9)

1.一种用于无人机的自主导航的智能设备，所述无人机包括适用于允许所述无人机在飞行中移动的至少一个马达，所述智能设备包括控制单元，所述控制单元被布置成在使用中连接到所述马达或每个马达以便控制所述无人机的所述导航，所述控制单元还被布置成：

-通过无线连接与远程控制站点通信；

-获取任务路线γ，所述无人机被布置成沿循所述任务路线以到达期望目的地，所述任务路线γ通过相对于参考系S(x,y,z)的坐标x_m(t)、y_m(t)、z_m(t)定义；

-周期性地获取值x_d、y_d、z_d，所述值对应于所述无人机相对于所述参考系S(x,y,z)的空间位置的分量；

-周期性地获取值v_x、v_y、v_z，所述值对应于所述无人机相对于所述参考系S(x,y,z)的速度的分量；

-周期性地获取值a_x、a_y、a_z，所述值对应于所述无人机相对于所述参考系S(x,y,z)的加速度的分量；

所述智能设备的特征在于，所述控制单元还被布置成：

-在以下条件中的至少一个条件发生的情况下检查与所述远程控制站点的所述无线连接的状态：

-在时间t^*，x_d>x_m(t^*)+d_x和/或y_d>y_m(t^*)+d_y和/或z_d>z_m(t^*)+d_z；

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-和/或/>和/或/>

其中d_x、d_y、d_z、是预先确定的值；

-在所述无线连接活动的情况下，向所述远程控制站点发送报警信号并且等待响应时间t_r；

-在所述无线连接不活动的情况下或者在所述响应时间t_r内没有来自所述远程控制站点的响应的情况下，激活紧急导航模式，其中所述控制单元被布置成：

-获取值E_res，所述值对应于在所述无人机上可用的能量；

-计算值E_mis，所述值对应于所述无人机沿循所述任务路线γ以到达所述期望目的地所要求的能量；

-在E_res≥k_mis*E_mis，其中k_mis是大于或等于1的系数的情况下，控制所述无人机沿着所述任务路线γ的所述导航；

-在E_res<k*E_mis的情况下，控制所述无人机沿着替代所述任务路线γ的路线的导航以使所述无人机执行安全着陆。

2.根据权利要求1所述的用于无人机的自主导航的智能设备，其中为了计算所述值E_mis，所述控制单元被布置成执行对沿着所述任务路线γ作用的风的速度的估计。

3.根据权利要求1所述的用于无人机的自主导航的智能设备，其中在E_res<k*E_mis的情况下，所述控制单元被布置成：

-执行对沿着替代所述任务路线γ的多条路线γ_i作用的风的速度的估计，并且能够允许所述无人机到达所述期望目的地；

-对于每条路线计算γ_i计算值所述值对应于所述无人机沿循所述路线γ_i以到达所述期望目的地所要求的能量；

-识别所述能量值之间的较低值/>所述较低值/>与路线γ^*相关联；

-在的情况下，控制所述无人机沿着直到所述期望目的地的所述路线γ^*的导航。

4.根据权利要求1所述的用于无人机的自主导航的智能设备，其中在E_res<k_mis*E_mis的情况下，所述控制单元被布置成：

-计算值E_cp，所述值对应于所述无人机到达所述任务路线γ附近的至少一个检查点所要求的能量；

-在E_res≥k_cp*E_cp，其中k_cp是大于或等于1的系数的情况下，控制所述无人机沿着替代任务路线的导航以使所述无人机降落在所述检查点处。

5.根据权利要求4所述的用于无人机的自主导航的智能设备，其中在E_res<k_cp*E_cp的情况下，所述控制单元被布置成控制所述无人机的所述导航以执行紧急着陆。

6.根据权利要求1所述的用于无人机的自主导航的智能设备，其中所述响应时间t_r由所述控制单元基于所述无线连接的响应速度来计算。

7.根据权利要求1所述的用于无人机的自主导航的智能设备，其中在所述紧急导航模式下，所述控制单元被布置成在时间t_s内以搜索频率f₁检查所述无线连接的所述状态，并且其中在所述时间t_s之后，所述控制单元被布置成以搜索频率f₂<f₁检查所述无线连接的所述状态。

8.根据权利要求1所述的用于无人机的自主导航的智能设备，其中所述智能设备还包括：

-定位装置，所述定位装置被布置成测量所述无人机相对于所述参考系S(x,y,z)的所述空间位置的所述分量x_d、y_d、z_d；

-速度测量装置，所述速度测量装置被布置成测量所述无人机相对于所述参考系S(x,y,z)的所述速度的所述分量v_x、v_y、v_z；

-加速度测量装置，所述加速度测量装置被布置成测量所述无人机相对于所述参考系S(x,y,z)的所述加速度的所述分量a_x、a_y、a_z。

9.根据权利要求1所述的用于无人机的自主导航的智能设备，其中所述智能设备还包括天线，所述天线被布置成在所述智能设备与所述远程控制站点之间提供所述无线连接。