DE112015007209T5

DE112015007209T5 - Universalsteuerung für robuste Trajektorienfolge bei unbemannten Multirotorluftfahrzeugen (UAVs)

Info

Publication number: DE112015007209T5
Application number: DE112015007209.8T
Authority: DE
Inventors: David Gomez Gutierrez; Maynard C. Falconer
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2018-10-25
Also published as: WO2017111971A1; CN108473200A; US20190031341A1

Abstract

Eine Universalsteuerung für eine robuste Trajektorienfolge bei unbemannten Multirotorluftfahrzeugen (UAVs, Unmanned Aerial Vehicles) ist offenbart. Eine bestimmte Ausführungsform umfasst: ein Sensorsystem zum Messen einer Position und Ausrichtung eines unbemannten Multirotorluftfahrzeugs (UAV); und ein Flugsteuersystem, das mit dem Sensorsystem gekoppelt ist, wobei das Flugsteuersystem für Folgendes konfiguriert ist: Erhalten von Positions- und Ausrichtungsdaten von dem Sensorsystem; Erzeugen mehrerer Ableitungen aus den Positions- und Ausrichtungsdaten unter Verwenden eines Differentiators; Anwenden eines Entkopplungssteuerungsgesetzes zum näherungsweisen Entkoppeln von Translationsdynamiken voneinander in einem dreidimensionalen (3D) Raum; Berechnen von Fehlerwerten zwischen gewünschten Trajektorien und tatsächlichen Trajektorien in jeder Dimension des 3D-Raums unter Verwenden der mehreren Ableitungen und der entkoppelten Dynamiken; und Erzeugen von Steuersignalen zum Variieren von Drehzahlen mehrerer Schubelemente, um den berechneten Fehlerwerten in jeder Dimension des 3D-Raums entgegenzuwirken.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft elektronische Systeme, mobile Vorrichtungen, unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs, Unmanned Aerial Vehicles) und computerimplementierte Software gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen und insbesondere eine Universalsteuerung für eine robuste Trajektorienfolge bei unbemannten Multirotorluftfahrzeugen (UAVs).
HINTERGRUND
Autonome Systeme, einschließlich Drohnen, sind ein schnell wachsender Markt, der in allen Aspekten unserer Welt Anwendung findet (z. B. landwirtschaftliche Betriebe, Lagerhäuser, Krankenhäuser, kommerzielle Fischerei, Privathaushalte, Büros, Auslieferung, Forstwirtschaft, Katastrophenszenarien und Ähnliches). Unbemannte Multirotorluftfahrzeuge (UAVs), einschließlich Multirotorflugobjekte wie der Quadrotor, sind ebenfalls ein schnell wachsendes Gebiet der Luftfahrtrobotik. Tatsächlich haben sich Quadrotor-Luftfahrtrobotikfahrzeuge zu einer Standardplattform für die Robotikforschung weltweit entwickelt. Quadrotoren verfügen bereits über eine ausreichende Nutzlast und Flugbetriebsdauer, um zahlreiche Innen- und Außenbereichsanwendungen zu unterstützen. Batterieweiterentwicklungen, autonomer Betrieb und andere Technologien erhöhen schnell den Spielraum der kommerziellen Möglichkeiten. Der Anstieg an Innen- und Außenbereichsanwendungen führt jedoch auch zu einer größeren Variabilität bei Nutzlasten und Konfigurationen der UAVs. Infolgedessen muss ein erheblicher Zeit- und Kostenaufwand zum Neukonfigurieren, Modifizieren und/oder Neuabstimmen der UAV-Steuerung bei sich ändernden Nutzlasten und Konfigurationen aufgewendet werden, um eine präzise Trajektorienfolge für eine autonome Navigation aufrechtzuerhalten.
Figurenliste
Die verschiedenen Ausführungsformen sind in den Figuren der beiliegenden Zeichnungen lediglich beispielhaft und nicht beschränkend veranschaulicht, wobei:

1A, 1B und 1C ein herkömmliches Quadkopter-, Quadrotor- oder Multirotor-UAV in Bezug auf die Dimensionen einer Bewegung, innerhalb derer das UAV gesteuert werden muss, darstellen;
2 einen herkömmlichen modellbasierten Steuerungsprozess zum Steuern eines Quadrotors darstellt;
3 und 4 einen herkömmlichen Proportional-Integral-Differential(PID)-Steuerungsprozess zum Steuern eines Quadrotors darstellen;
5 ein Blockdiagramm eines Multirotor-UAV und eine Bodensteuerung gemäß eines Ausführungsbeispiels darstellt;
6 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Flugsteuersystems und der Trajektoriensteuerlogik gemäß eines Ausführungsbeispiels darstellt;
7 einen parameterunempfindlichen Steuerungsprozess zum Steuern eines Multirotor-UAV gemäß eines Ausführungsbeispiels darstellt;
8 ein Verarbeitungsflussdiagramm ist, das ein Ausführungsbeispiel eines hierin beschriebenen Verfahrens darstellt; und
9 eine schematische Repräsentation einer Maschine in der beispielhaften Form eines mobilen Datenverarbeitungs- und/oder Kommunikationssystems darstellt, wobei ein Satz von Anweisungen, wenn er ausgeführt wird, und/oder eine Verarbeitungslogik, wenn sie aktiviert ist, die Maschine veranlassen kann, eine oder mehrere der hierin beschriebenen und/oder beanspruchten Verfahrensweisen durchzuführen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden Beschreibung werden zu Zwecken der Erläuterung zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein umfassendes Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen bereitzustellen. Es ist für einen Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet jedoch offensichtlich, dass die verschiedenen Ausführungsformen ohne die spezifischen Details ausgeführt werden können.
In den hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen ist eine Universalsteuerung für eine robuste Trajektorienfolge bei unbemannten Multirotorluftfahrzeugen (UAVs) offenbart. Ausführungsbeispiele sind beschrieben, in denen die UAV-Steuerung konfiguriert ist, während eines autonomen Flugs des UAV unempfindlich für Parametervariationen bei dem UAV zu sein. Infolgedessen kann die Steuerung für jedes Multirotor-UAV bei einer Vielzahl von Anwendungen mit geringer oder keiner Modifikation, Abstimmung oder Neukonfiguration der Steuerung für einen autonomen Betrieb verwendet werden. Die hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen verbessern die Steuerungsauslegung für eine robuste Trajektorienfolgeregelung, so dass die verbesserte Steuerung keine Kenntnis zu den Parametern des Multirotor-UAV-Systems erfordert. Die verbesserte Steuerung wird dadurch unempfindlich für Parametervariationen bei dem UAV.
Einige der Vorteile der verbesserten Steuerung sind unten stehend zusammengefasst. Erstens können variable Nutzlasten oder neue Merkmale, wie etwa Kameras und/oder Batterien, zu dem UAV hinzugefügt werden, ohne dass ein Modifizieren und/oder Neuabstimmen der Steuerung erforderlich ist, während eine präzise Trajektorienfolge bei einer autonomen Navigation aufrechterhalten wird. Zweitens kann die verbesserte Steuerung, indem die UAV-Steuerung unempfindlich für Parametervariationen (z. B. UAV-Systemparameter wie etwa Masse, Größe, Nutzlast usw.) wird, ohne erhebliche Modifikation oder Neuabstimmung der Steuerung als eine Universalsteuerung für jede Klasse von Mulirotor-UAV verwendet werden. Drittens stellt die verbesserte Steuerung eine präzise Trajektorienfolge bereit, die robust und resistent gegen externe Störungen ist.
Die geringen Kosten von Drohnen und UAVs in Verbindung mit ihrer Manövrierbarkeit und Fähigkeiten bei der Navigation und Kartierung haben neue Außen- und Innenbereichsanwendungen ermöglicht. Durch neue und erweiterte Anwendungen wird das UAV jedoch intelligenter und zu einem autonomen Betrieb fähig. Ein wichtiger Faktor bei einem autonomen Betrieb ist die Fähigkeit, das durch die vorkonfigurierte Steuerung geplante präzise Manöver autonom durchzuführen. Derzeit erfordern Verfahrensweisen zum Steuern des autonomen Flugs von Multirotor-UAVs für die Auslegung der richtigen Steuerung eine präzise Modellierung und Kennzahlenermittlung der UAV-Systemparameter (wie etwa Schubkraft der Motoren, Trägheiten, Masse, Größe usw.). Da Merkmale, wie etwa unterschiedliche Batterien, Kameras oder Nutzlasten, zu dem UAV hinzugefügt werden, beginnt die Leistung des UAV von der durch die ursprüngliche präzise Modellierung und Kennzahlenermittlung der UAV-Systemparameter konfigurierten Leistung zu variieren (abzuweichen). Die Leistung des UAV verschlechtert sich ohne die richtige (neukonfigurierte) Modellierung der neuen Systemparameter aufgrund der Abweichung von dem bei der ursprünglichen Auslegung verwendeten Modell. Zwar existieren Verfahrensweisen für eine Online-Identifikation und ein Lernen, um dieses Problem zu lösen, diese führen jedoch oft zu einer langsamen Anpassung, was eine wirkungslose Steuerung bei schnellen Wendemanövern zur Folge hat. Die Details von verschiedenen Ausführungsbeispielen werden unten in Verbindung mit den beigefügten Figuren bereitgestellt.
Nunmehr Bezug nehmend auf die 1A, 1B und 1C ist ein herkömmliches Quadkopter-, Quadrotor- oder Multirotor-UAV in Bezug auf die Dimensionen einer Bewegung, innerhalb derer das UAV gesteuert werden muss, darstellt. Zwar sind Beispiele eines UAV mit vier Rotoren (Schubelementen) hierin offenbart, es ist jedoch für Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet offensichtlich, dass die vorliegende Offenbarung gleichermaßen auf Multirotor-UAVs mit einer Anzahl an Schubelementen anwendbar ist, die größer oder kleiner als vier ist. In dem in den 1A, 1B und 1C gezeigten Beispiel besteht der Quadrotor 110 aus vier einzelnen Rotoren oder Schubelementen M1, M2, M3 und M4, die an ein starres kreuzförmiges Flugwerk angebracht sind. In der Regel wird eine Ausrichtungs- und Trajektoriensteuerung eines Quadrotors durch Differentialsteuerung des durch jedes Schubelement erzeugten Schubs erzielt.
Ein mathematisches Modell eines Quadkopters beschreibt seine Fluglage gemäß der wohlbekannten Geometrie des typischen UAV. Insbesondere, wie in den 1A, 1B und 1C gezeigt, besteht das typische Multirotor-UAV aus vier Schubelementen M1, M2, M3 und M4, die sich orthogonal an dem starren kreuzförmigen Flugwerk befinden. Es gibt drei Bewegungen, die alle möglichen Kombinationen einer Fluglage bei einem Multirotor-UAV beschreiben. Eine Rollbewegung ϕ (Rotation um die X-Achse, siehe 1A) wird erhalten, wenn der Abgleich des Schubs von den Schubelementen M2 und M4 geändert wird (z. B. Drehzahl erhöht oder verringert sich). Durch Ändern des Roll ϕ-Winkels wird eine laterale Beschleunigung erhalten. Eine Nickbewegung θ (Rotation um die Y-Achse, siehe 1B) wird erhalten, wenn der Abgleich des Schubs von den Schubelementen M1 und M3 geändert wird. Eine Änderung des Nick θ-Winkels führt zu einer Längsbeschleunigung. Eine Gierbewegung ψ (Rotation um die Z-Achse, siehe 1C) wird durch eine gleichzeitige Änderung des Schubs von jeder Kombination der Schubelemente M1 und M3 oder M2 und M4 erhalten. Wie unten stehend detaillierter beschrieben, können diese Prinzipien und Techniken für eine Steuerung der Ausrichtung und Position des Quadrotors in drei Dimensionen verwendet werden, um dem Quadrotor zu ermöglichen, eine gewünschte oder Referenztrajektorie auf eine Weise zu erlangen und zu folgen, die unempfindlich für Quadrotorparametervariationen ist.
Nunmehr Bezug nehmend auf 2 ist ein herkömmlicher modellbasierter Steuerungsprozess zum Steuern eines Quadrotors dargestellt. Der modellbasierte Steuerungsprozess verwendet ein mathematisches Modell zum Berechnen eines Steuerungsgesetzes für ein spezifisches UAV, das von dem Zustand und den Parametern des spezifischen UAV abhängt. Als Teil des modellbasierten Steuerungsprozesses wie in 2 gezeigt, wird ein Satz von Parametern in Zusammenhang mit einem bestimmten UAV in einem Offline- (d. h. Nicht-Flug-) Schritt vorkalkuliert und definiert. Unter Verwenden eines mathematischen Modells des UAV wird a priori während des Offline-Schritts ein Steuerungsgesetz (z. B eine mathematische Funktion, die den Zustand und die Parameter des bestimmten UAV als Teil der Eingabe verwendet) berechnet. Das mathematische Modell wird teilweise aus den Gesetzen der Physik unter Verwenden eines wohlbekannten Newton-Euler-Verfahrens erhalten, um die Bewegung des UAV entlang eines dreidimensionalen (3D) Raums sowie seine Ausrichtung, parametriert durch die Eulerwinkel, nämlich Nicken, Rollen und Gieren, zu beschreiben. Bei einer gegebenen Anzahl an UAVs variiert das Modell zwischen den unterschiedlichen UAVs nur durch Ändern der Masse, der Länge des UAV (verwendet zum Erhalten der Drehmomente), der Trägheitsmatrix und der Matrix der Rotorparameter. Um ein modellbasiertes Steuerungsgesetz zu erhalten, werden derartige UAVspezifische Parameter üblicherweise gemessen (z. B. die Masse, die Flugwerkdimensionen, die Rotorparameter usw.) oder offline identifiziert (z. B. die Trägheitsmatrix). Basierend auf diesem Modell und den vorkalkulierten UAV-spezifischen Parametern kann ein Prozess für eine standardmäßige Trajektorienfolgeregelung durchgeführt werden.
Das Steuerungsgesetz wird während des Online-Schritts (d. h. einer Flugphase) durch eine Flugsteuerung verwendet, um die Aktion der UAV-Motoren zu steuern, damit eine gewünschte Flugtrajektorie erzielt und aufrechterhalten wird. Das Steuerungsgesetz ist jedoch nur wirksam, wenn die vorkalkulierten Parameter nahe an den wirklichen oder tatsächlichen Parametern des bestimmten UAV liegen. Wenn die Parameter des bestimmten UAV schlecht vorkalkuliert sind oder sich deutlich ändern und sich die tatsächlichen Parameter deutlich von den vorkalkulierten Parametern unterscheiden, müssen der Offline-Konfigurationsprozess und die Steuerungsgesetzerzeugung wiederholt werden, um neue Parameter und ein neues Steuerungsgesetz zum Verwenden durch die Steuerung in dem Online-Schritt zu erhalten. Wenn die Parameter und das zugehörige Steuerungsgesetz eines bestimmten UAV deutlich von den tatsächlichen Parametern des UAV abweichen, hat dies Ineffizienzen und Instabilitäten bei der Leistung des UAV während eines Flugs zur Folge.
Nunmehr Bezug nehmend auf 3 und 4 ist ein herkömmlicher Proportional-Integral-Differential(PID)-Steuerungsprozess zum Steuern eines Quadrotors dargestellt. Auf eine Weise, die ähnlich zu dem oben zusammengefassten wohlbekannten modellbasierten Steuerungsprozess ist, ist die herkömmliche PID-UAV-Steuerung immer noch parameterabhängig. Wie in 3 gezeigt, erzeugt der PID-Steuerungsprozess proportionale, integrale und differentiale Terme oder PID-Verstärkungen, die durch den PID-Steuerungsprozess verwendet werden, um UAV-Steuerungsaktionen durchzuführen. Wie in 4 gezeigt, erfordert der PID-Steuerungsprozess immer noch die Definition eines Satzes von UAV-spezifischen Parametern in einem Offline-Schritt. Wie oben erläutert, können dieses UAV-spezifischen Parameter Motorschub- und Luftwiderstandskoeffizienten, Trägheiten (Ix, Iy und Iz), UAV-Masse, UAV-Flugwerkdimensionen, die Rotorparameter usw.) umfassen. Die UAV-spezifischen Parameter werden in einem Offline-Prozess verwendet, um die erstmaligen proportionalen, integralen und differentialen Terme (PID-Verstärkungen) abzuleiten. Eine PID-Steuerung wird als eine Fluglagensteuerung (z. B. Nick-, Roll- und Giersteuerung) verwendet, während die Navigation des UAV durch eine Person, die die Bodensteuerung verwendet, ferngesteuert wird. Durch Verwendung von durch Versuch und Irrtum erhaltenen Flugleistungsdaten und mathematischen Abstimmungsverfahren werden die PID-Verstärkungen für jede Dynamik des Multirotor-UAV (d. h. Nicken, Rollen und Gieren) angepasst, um für ein spezifisches UAV mit einem spezifischen Parametersatz zu funktionieren. Unterschiedliche UAVs mit unterschiedlichen spezifischen UAV-Parametern erfordern jedoch unterschiedliche PID-Verstärkungen. Eine PID-Steuerung hängt von den spezifischen UAV-Parametern ab, da PID-Verstärkungen für jedes einzelne UAV unterschiedlich sind. Daher müssen, wenn es eine deutliche Änderung der UAV-Parameter gibt, wie etwa eine Änderung der Masse des UAV aufgrund eines Tragens einer Nutzlast oder Hinzufügen von Merkmalen wie Kameras, die PID-Verstärkungen für das spezifische UAV neu abgestimmt werden, um die Effizienz und Stabilität des PID-gesteuerten UAV aufrechtzuerhalten.
Die bekannten Verfahrensweisen für einen autonomen Flug eines Multirotor-UAV erfordern, wie oben beschrieben, entweder eine detaillierte Modellierung und Parameterkonfiguration oder eine mühsame und iterative Abstimmung der PID-Steuerungsverstärkungen. Auf jeden Fall hängen die herkömmlichen Verfahrensweisen von den spezifischen Parametern in Zusammenhang mit einem bestimmten UAV ab. Daher stellen die derzeitigen Verfahrensweisen UAV-Flugsteuerungen bereit, die von UAV-Parametern abhängig sind, empfindlich für sogar leichte Parametervariationen sind und eine sorgfältige Auslegung, Konfiguration und Abstimmung der Steuerung für jede unterschiedliche UAV-Auslegung erfordern.
Die 5 bis 7 stellen ein Blockdiagramm und einen Steuerungsprozess für ein Multirotor-UAV 500 dar, das mit einer Bodensteuerung 560 gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet werden kann (oder nicht). Die hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen stellen eine präzise Trajektorienfolgeregelung (ein essentielles Element für autonome Navigation) bereit, die unempfindlich für UAV-Parametervariationen ist. Infolgedessen sind die Ausführungsbeispiele nicht UAV-parameterabhängig und erfordern keine spezifische UAV-Parameterkonfiguration oder iterative Abstimmung. Somit stellen die verschiedenen Ausführungsformen ein UAV-Steuersystem und einen UAV-Steuerungsprozess bereit, die ohne mühsame Neukalibrierung zweckdienlich und effizient für eine große Vielzahl von unterschiedlichen UAV-Typen, -Größen und -Nutzlasten sind.
Unter Bezugnahme auf 5 kann ein UAV 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel einen Hauptteil, der als zentraler Rumpf 510 dient, und vier (oder mehr oder weniger) Antriebsarme, die sich lateral von einem proximalen Ende erstrecken und mit dem Rumpf an einem distalen Ende verbunden sind, umfassen. Das UAV 500 des Ausführungsbeispiels kann vier (oder mehr oder weniger) Elektromotoren 540 (z. B. M1, M2, M3 und M4) umfassen. Jeder Motor ist an dem distalen Ende eines jeweiligen Antriebsarms angebracht. Jeder Motor hat einen Rotor, der konfiguriert ist, in Rotation durch den Motor in einer Ausrichtung (d. h. einer Rotationsrichtung) angetrieben zu werden, die in Bezug auf die Schwerkraft einen vertikal nach unten wirkenden Schub bewirkt, wenn sich das UAV in Bezug auf die Schwerkraft in einer aufrechten Ausrichtung befindet (z. B. siehe 1C). Durch Kombination des Motors und des Rotors wird ein Schubelement gebildet, das konfiguriert ist, in Bezug auf den Rumpf Schub in einer primären Schubrichtung bereitzustellen (z. B. entlang der vertikalen Dimension).
In einem Ausführungsbeispiel kann der Rumpf 510 eine Leistungsquelle oder ein Leistungsspeicherelement 550 (z. B. eine Batterie), ein Flugsteuersystem 600 und ein Sensorsystem 520 umfassen, das Ausrichtungssensoren 522, Positionssensoren 524, (gegebenenfalls) eine Kamera 526 umfasst. Das Flugsteuersystem 600 kann ferner einen drahtlosen UAV-Transceiver 530 zum drahtlosen Kommunizieren mit einer Bodensteuerung 560 umfassen. Das Flugsteuersystem 600 ist konfiguriert, die Drehzahl zu steuern, mit der die Motoren der Antriebselemente (M1, M2, M3 und M4) 540 die Rotoren in Rotation antreiben. In einer bestimmten Ausführungsform kann das Flugsteuersystem 600 konfiguriert sein, die Richtung der Rotation der Rotoren umzukehren, und somit können die Motoren konfiguriert sein, die Rotoren in jeder von zwei Rotationsrichtungen anzutreiben.
Das Flugsteuersystem 600 umfasst eine Steuerung 610 und eine Trajektoriensteuerlogik 620, die konfiguriert sind, den Betrieb der Schubelemente (M1, M2, M3 und M4) 540 zu koordinieren, um einen gesteuerten Flug in Reaktion auf Steuersignale von dem Flugsteuersystem 600 zu erreichen. Die Steuerung 610 kann ein Beliebiges einer Vielzahl von standardmäßigen Mikrosteuerungen, Mikroprozessoren, Chipsätzen oder ein anderes elektronisches Steuersystem sein. Die Trajektoriensteuerlogik 620 umfasst einen ausführbaren Prozess, der durch die Steuerung 610 ausführbar ist, zum Implementieren eines UAV-parameterunempfindlichen UAV-Steuersystems und -prozesses, die insbesondere für den autonomen Betrieb des UAV 500 zweckdienlich sind. Die Trajektoriensteuerlogik 620 ist unten stehend detaillierter beschrieben.
Das Flugsteuersystem 600 eines Ausführungsbeispiels kann eine UAV-Steuerung entweder in einem autonomen Modus oder in Reaktion auf von einem Bediener am Boden gesendete manuelle Anweisungen durchführen, der eine Bodensteuerung 560 manipuliert, die mit einem Prozessor 561, einer Anzeige 562 zum Anzeigen einer Videoaufnahme von der UAV-Kamera 526, einem drahtlosen Transceiver 563, manuellen Steuerelementen 564 und einer Leistungsquelle oder einem Leistungsspeicherelement (z. B. Batterie) 565 konfiguriert ist. Die manuellen Steuerelemente 564 können standardmäßige von Personen bedienbare Steuerelemente für manuellen Flug sein, was in der Form einer elektronischen oder elektromechanischen Vorrichtung sein kann, wie etwa eine Spielesteuerung oder ein standardmäßiger Fernsteuerungssender. Der drahtlose Transceiver 563 der Bodensteuerung ist konfiguriert, über eine drahtlose Verbindung mit dem drahtlosen Transceiver 530 des UAV zu kommunizieren, um die Flugsteuerungseingaben höherer Ordnung des Bedieners am Boden zu dem UAV-Flugsteuersystem 600 zu senden, und um Informationen (wie etwa eine Videoaufnahme) zurück von der UAV-Kamera 526 zu empfangen. Alternativ dazu können die Flugsteuerungseingaben bei einem autonomen Modus in Reaktion auf automatisierte Anweisungen erzeugt werden, die durch das Flugsteuersystem 600 in der Form eines Trajektorienplans empfangen werden, der durch eine Trajektorienplanungskomponente 629 (in den 6 und 7 gezeigt) oder ein anderes adaptives Steuerprogramm bereitgestellt ist. Die Trajektorienplanungskomponente 629 und/oder das Flugsteuersystem 600 können Sensordaten verwenden, die durch die Ausrichtungssensoren 522 oder von den Positionssensoren 524 bereitgestellt sind, wie etwa ein Signal von einem Sensor eines globalen Positionsbestimmungssystems (GPS, Global Positioning System). In der Regel können die durch das Flugsteuersystem 600 verarbeiteten Anweisungen (unabhängig davon, ob manuell oder automatisiert) auf Fluganweisungen höherer Ordnung (z. B. höher fliegen, vorwärts fliegen, abbiegen und Ähnliches) und Nutzlastanweisungen (z. B. Kamera drehen, Kamera schwenken und Ähnliches) ausgerichtet sein. Das Flugsteuersystem 600 ist dazu ausgeführt, die Anweisungen höherer Ordnung in Anweisungen niedrigerer Ordnung umzuwandeln, wie etwa Anweisungen, die einzelne Motoren der Schubelemente (M1...M4) 540 mit den gewünschten Rotorrotationsraten und in den gewünschten Richtungen aktivieren, oder Anweisungen, die die an die Motoren zum Erreichen desselben Zwecks gelieferte Leistung steuern.
In den Ausführungsbeispielen können während eines typischen Fluges alle der Schubelemente 540 Schub in der primären Schubrichtung erzeugen, in der Regel in der vertikalen Dimension in Bezug auf den Rumpf 510. Wie unten stehend detaillierter beschrieben, ist das Flugsteuersystem 600 ferner konfiguriert, die Drehzahl eines oder mehrerer Motoren der Schubelemente (M1, M2, M3 und M4) 540 derart zu steuern, dass die Ausrichtung des Rumpfes 510 geändert werden kann, um eine laterale Beschleunigung (Rollen), eine Längsbeschleunigung (Nicken) oder eine Rotation um die Z-Achse (Gieren) zu bewirken. Somit kann das UAV 500, unter Anleitung des Flugsteuersystems 600, seine primäre Schubrichtung relativ zur Schwerkraft basierend auf einer UAV-Ausrichtung anpassen. Wie oben in Bezug auf die 1A, 1B und 1C beschrieben, wird eine Rollbewegung ϕ (Rotation um die X-Achse, siehe 1A) erhalten, wenn der Abgleich des Schubs von den Schubelementen M2 und M4 geändert wird (z. B. Drehzahl erhöht oder verringert sich). Durch Ändern des Roll ϕ-Winkels wird eine laterale Beschleunigung erhalten. Eine Nickbewegung θ (Rotation um die Y-Achse, siehe 1B) wird erhalten, wenn der Abgleich des Schubs von den Schubelementen M1 und M3 geändert wird. Eine Änderung des Nick θ-Winkels führt zu einer Längsbeschleunigung. Eine Gierbewegung ψ (Rotation um die Z-Achse, siehe 1C) wird durch eine gleichzeitige Änderung des Schubs von jeder Kombination der Schubelemente M1 und M3 oder M2 und M4 erhalten. Wie unten stehend detaillierter beschrieben, kann das Flugsteuersystem 600 für eine Steuerung der Ausrichtung und Position des UAV 500 in drei Dimensionen verwendet werden, um dem UAV 500 zu ermöglichen, eine gewünschte oder Referenztrajektorie auf eine Weise zu erlangen und zu folgen, die unempfindlich für Parametervariationen des UAV 500 ist.
6 stellt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Flugsteuersystems 600 und der Trajektoriensteuerlogik 620 gemäß eines Ausführungsbeispiels dar. Wie oben beschrieben, kann das Flugsteuersystem 600 für eine Steuerung der Ausrichtung und Position des UAV 500 in drei Dimensionen verwendet werden, um dem UAV 500 zu ermöglichen, eine gewünschte oder Referenztrajektorie auf eine Weise zu erlangen und zu folgen, die unempfindlich für Parametervariationen des UAV 500 ist. Das Flugsteuersystem 600 eines Ausführungsbeispiels ist konfiguriert, die Drehzahl zu steuern, mit der die Motoren der Schubelemente (M1, M2, M3 und M4) 540 die Rotoren in Rotation antreiben. Das Flugsteuersystem 600 umfasst eine Steuerung 610 und eine Trajektoriensteuerlogik 620, die konfiguriert sind, den Betrieb der Schubelemente (M1, M2, M3 und M4) 540 zu koordinieren, um einen gesteuerten Flug in Reaktion auf Steuersignale von dem Flugsteuersystem 600 zu erreichen. Das Flugsteuersystem 600 eines Ausführungsbeispiels kann eine UAV-Steuerung entweder in einem autonomen Modus oder in Reaktion auf von einem Bediener am Boden gesendete manuelle Anweisungen durchführen, der eine Bodensteuerung 560 manipuliert. In einem autonomen Modus kann die Trajektoriensteuerlogik 620 Steuersignale für die Schubelemente 540 basierend auf einem durch die Trajektorienplanungskomponente 629 bereitgestellten Trajektorienplan erzeugen. Wie unten stehend detaillierter beschrieben, kann die Trajektoriensteuerlogik 620 die Ausrichtung und Position des UAV 500 in drei Dimensionen bestimmen und eine gewünschte Trajektorie entsprechend eines Trajektorienplans auf eine Weise erlangen und folgen, die unempfindlich für Parametervariationen des UAV 500 ist. Dieses Merkmal der Trajektoriensteuerlogik 620 eines Ausführungsbeispiels ist unten detaillierter beschrieben.
Immer noch Bezug nehmend auf 6 ist die Trajektoriensteuerlogik 620 eines Ausführungsbeispiels als eine Messlogik 622, eine Differentiatorlogik 626, eine Entkopplungslogik 624 und eine Aktionssteuerlogik 628 umfassend gezeigt. Wie oben beschrieben kann die Trajektorienplanungskomponente 629 einen Trajektorienplan bereitstellen, der eine gewünschte Trajektorie definiert. Die Messlogik 622, die Differentiatorlogik 626, die Entkopplungslogik 624 und die Aktionssteuerlogik 628 werden verwendet, um die tatsächliche Trajektorie des UAV 500 in jeder Dimension zu bestimmen und um Steuersignale zu erzeugen, durch die die tatsächliche Trajektorie des UAV 500 mit der gewünschten Trajektorie konvergiert.
Die Messlogik 622 kann Logik zum Erhalten und Vorverarbeiten von Sensordaten umfassen, die von den verschiedenen in dem Sensorsystem 520 an dem UAV 500 enthaltenen Sensoren empfangen werden. In einem Ausführungsbeispiel kann das Sensorsystem 520 Ausrichtungssensoren 522, Positionssensoren 524 und (gegebenenfalls) eine Kamera 526 enthalten. Die Ausrichtungssensoren 522 können einen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop, einen Temperatursensor, einen Drucksensor, einen Höhenmesser, einen Fluggeschwindigkeitssensor oder einen beliebigen einer Vielzahl anderen Sensoren umfassen, die zum Bestimmen der Ausrichtung des UAV 500 zweckdienlich sind. Die Positionssensoren 524 können einen Sensor eines globalen Positionsbestimmungssystems (GPS, Global Positioning System), einen UKW-Drehfunkfeuerempfänger (VOR, VHF Omni Directional Radio Range), einen Radiokompassempfänger (ADF, Automatic Direction Finder), ein Astronavigationssystem oder andere standardmäßige Verfahren für eine Navigation umfassen. Wie in 7 gezeigt, kann die Messlogikkomponente 622 die Sensordaten von dem Sensorsystem 520 erhalten und Daten oder Signale, die indikativ für eine aktuelle Position und Ausrichtung des UAV 500 sind, zu jedem Zeitpunkt produzieren. Die Messlogikkomponente 622 kann konfiguriert sein, die aktuelle Position und Ausrichtung des UAV 500 mit einer gewünschten Rate zu aktualisieren. Die aktuelle Position und Ausrichtung des UAV 500 kann der Differentiatorlogik 626 und der Entkopplungslogik 624 des Ausführungsbeispiels bereitgestellt werden. In einer bestimmten Ausführungsform können die Positions- und die Ausrichtungsdaten der Differentiatorlogik 626 und der Entkopplungslogik 624 als (x-, y-, z-) Positionen und Eulerwinkel (d. h. Nicken, Rollen und Gieren) bereitgestellt sein, die von den Daten von den Sensoren des Sensorsystems 520 erhalten oder abgeleitet sein können.
7 stellt einen parameterunempfindlichen Steuerungsprozess zum Steuern eines Multirotor-UAV gemäß eines Ausführungsbeispiels dar. Der parameterunempfindliche Steuerungsprozess des Ausführungsbeispiels kann durch die in den 6 und 7 gezeigte Trajektoriensteuerlogik 620 durchgeführt werden. Wie in 7 gezeigt und im Gegensatz zu den oben beschriebenen herkömmlichen Quadrotorsteuerungsprozessen enthält ein erstmaliger Satz von Vorgängen des Offline-Schritts für den parameterunempfindlichen Steuerungsprozess des Ausführungsbeispiels nicht die Definition oder Abstimmung von UAV-Parametern oder Verstärkungswerten. Stattdessen kann der parameterunempfindliche Steuerungsprozess des Ausführungsbeispiels den Offline-Schritt erstmalig verwenden, um ein allgemeines mathematisches Modell zu erzeugen, das die näherungsweisen Dynamiken des UAV 500 ohne Berücksichtigung der bestimmten Parameter in Zusammenhang mit einem spezifischen UAV definiert. Jegliche parameterspezifischen oder parameterabhängigen Terme in dem Modell sind eliminiert. Wie unten stehend detaillierter beschrieben, werden die parameterabhängigen Terme als Störungen behandelt, die durch den parameterunempfindlichen Steuerungsprozess korrigiert werden. Das Ergebnis des Offline-Schritts ist die Erzeugung eines Entkopplungssteuerungsgesetzes, das die näherungsweisen Dynamiken des UAV 500 ohne Berücksichtigung der spezifischen Parameter des UAV 500 definiert. Das Entkopplungssteuerungsgesetz kann durch die Entkopplungslogik 624 wie unten stehend detaillierter beschrieben verwendet werden. Zwar kann das offline erzeugte Entkopplungssteuerungsgesetz die Dynamiken des UAV 500 die exakt modellieren, die verbleibenden Vorgänge des parameterunempfindlichen Steuerungsprozesses dienen jedoch zum Korrigieren der Ungenauigkeiten in dem erstmalig erzeugten Entkopplungssteuerungsgesetz. Die verbleibenden Vorgänge sind unten stehend ausführlicher beschrieben. Es ist auch wichtig anzumerken, dass die Vorgänge des Offline-Schritts des Ausführungsbeispiels im Unterschied zu den oben beschriebenen herkömmlichen Quadrotorsteuerungsprozessen für jedes Multirotor-UAV nur einmal durchgeführt werden müssen, nicht wiederholt bzw. iterativ wie bei den herkömmlichen Verfahrensweisen.
Immer noch Bezug nehmend auf 7 ermöglicht der parameterunempfindliche Steuerungsprozess des Ausführungsbeispiels der Trajektoriensteuerlogik 620, die Trajektorien im 3D-Raum (d. h. die Bewegung über x, y und z) unabhängig zu steuern, was es der Trajektorienplanungskomponente 629 ermöglicht, gewünschte Trajektorien unabhängig für x, y, z und Gieren (als eine Funktion der Zeit) zu produzieren. Daher ermöglicht der parameterunempfindliche Steuerungsprozess dem UAV 500, einer Trajektorie im 3D-Raum zu folgen, wobei Referenztrajektorien für die Position (x, y, z) und das Gieren unabhängig verfolgt werden. Bei dem parameterunempfindlichen Steuerungsprozess des Ausführungsbeispiels werden die aktuelle Position des UAV 500 und ihre ersten vier Ableitungen verwendet, um die Bewegungsrichtung vorherzusagen und entsprechend zu kompensieren. In dem Ausführungsbeispiel werden die mehreren Differentiale aus der Position des UAV 500 während des Vorgangs des Online-Schritts der Differentiatorlogik 626 unter Verwenden eines Gleitmodusdifferentiators höherer Ordnung erzeugt. Die mehreren Ableitungen können als Geschwindigkeit, Beschleunigung, Ruck und Rütteln bezeichnet werden. Die mehreren Ableitungen können in der Differentiatorsteuerlogik der Differentiatorlogik 626 wie in 7 gezeigt erzeugt werden. Die Differentiatorlogik 626 verwendet einen rekursiven Prozess für das Berechnen der mehreren Ableitungen der Position, nämlich Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck, während des Online-Schritts. Die Ableitungen werden verwendet, um die Bewegungsrichtung des UAV 500 vorherzusagen und eine präzise Trajektorienfolge aufrechtzuerhalten. Die mehreren durch die Differentiatorlogik 626 in dem Ausführungsbeispiel erzeugten Ableitungen können der Entkopplungslogik 624 wie in 7 gezeigt bereitgestellt werden.
Sobald das Entkopplungssteuerungsgesetz erstmalig während des Offline-Schritts wie oben beschrieben erzeugt wird, kann das Entkopplungssteuerungsgesetz der Entkopplungslogik 624 bereitgestellt werden. Wie in 7 gezeigt, empfängt die Entkopplungslogik 624 die Positions- und Ausrichtungsdaten von der Messlogikkomponente 622 und die mehreren durch die Differentiatorlogik 626 erzeugten Ableitungen. Die Entkopplungslogik 624 verwendet die Positions- und Ausrichtungsdaten und die mehreren Ableitungen mit dem Entkopplungssteuerungsgesetz, um unabhängige Trajektorien in jeder Dimension des dreidimensionalen (3D) Raums und ein zugehöriges näherungsweises Entkopplungssignal zu produzieren. Die Entkopplungslogik 624 ist eine Abschwächung einer bei einer modellbasierten Trajektorienfolge verwendeten Entkopplungssteuerung (auch bekannt als nicht-interaktive Steuerung), die im Unterschied zu der herkömmlichen Entkopplungssteuerung, parameterfrei ist. Da die Entkopplungslogik parameterfrei ist, ist die Entkopplungslogik 624 jedoch nicht in der Lage, die Dynamiken exakt zu entkoppeln. Die restlichen Terme oder Überkopplung, die nach der Anwendung des Entkopplungssteuerungsgesetzes durch die Entkopplungslogik 624 verbleibt, wird als eine Störung behandelt, die durch die Schaltsteuerungskomponente 627 verworfen (oder kompensiert) wird. Die Überkopplung ist als das näherungsweise Entkopplungssignal codiert. Die Position, die mehreren durch die Differentiatorlogik 626 erzeugten Ableitungen und das durch die Entkopplungslogik 624 erzeugte näherungsweise Entkopplungssignal können der Schaltsteuerungskomponente 627 der Aktionssteuerlogik 628 bereitgestellt werden. Die Schaltsteuerungskomponente 627 kann das näherungsweise Entkopplungssignal mit der Position und ihren mehreren durch die Differentiatorlogik 626 erzeugten Ableitungen verwenden, um das UAV 500 auf der gewünschten Trajektorie durch Kompensieren der durch das näherungsweise Entkopplungssignal definierten Überkopplung zu halten. Die Trajektorie ist eine Funktion der Zeit; somit gibt es eine Zeit, die mit jeder gewünschten Position der gewünschten Trajektorie, wie sie von der Trajektorienplanungskomponente 629 erhalten wurde, in Zusammenhang steht. Daher können die mit der gewünschten Trajektorie in Zusammenhang stehenden Zeit- und Positionsdaten durch die Trajektorienplanungskomponente 629 erhalten oder erzeugt werden und der Schaltsteuerungskomponente 627 bereitgestellt werden, um der Schaltsteuerungskomponente 627 zu ermöglichen, das UAV 500 auf der gewünschten Trajektorie zu halten.
In dem Ausführungsbeispiel können die Aktionssteuerlogik 628 und die Schaltsteuerungskomponente 627 darin die Positions- und Ausrichtungsinformationen, einschließlich Nicken, Rollen und Gieren, die von der Messlogikkomponente 622 erhalten wurden, zusammen mit den mehreren Ableitungen der Position (d. h. Geschwindigkeit, Beschleunigung, Ruck und Rütteln) in der interessierenden Richtung (x, y oder z) und dem näherungsweisen Entkopplungssignal verwenden, um Fehlerwerte zwischen den gewünschten (durch die Trajektorienplanungskomponente 629 bereitgestellten) Trajektorien und den tatsächlichen Trajektorien in jeder der unabhängigen Dimensionen zu berechnen. Die Aktionssteuerlogik 628 kann ferner Steuersignale erzeugen, um die Drehzahlen der Schubelemente 540 zu variieren, um den zuvor für jede der Dimensionen berechneten Fehlerwerten entgegenzuwirken. Infolgedessen kann die Aktionssteuerlogik 628 betrieben werden, um zu bewirken, dass die tatsächlichen Trajektorien des UAV 500 in jeder der Dimensionen mit den gewünschten Trajektorien konvergieren. In einer bestimmten Ausführungsform kann die Aktionssteuerlogik 628, anstatt die exakte Winkelgeschwindigkeiten für jedes der Schubelemente 540 zu berechnen, Steuersignale erzeugen, um jeden der Motoren der Schubelemente 540 zwischen einem hohen Drehzahlwert und einem niedrigen Drehzahlwert schnell umzuschalten. Die beiden Drehzahlwerte (hoch und niedrig) können in ein impulsweitenmoduliertes (PWM, Pulse Width Modulated) Signal codiert werden, um ein schnell ansprechendes Signal zu produzieren. Daher kann die Bewegung des UAV 500 schnell auf neue Positions- und Ausrichtungsmessungen und die zugehörigen gewünschten Trajektorien ansprechen.
In den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen nähert das Ausführungsbeispiel, anstatt die unerwünschten Dynamiken exakt aufzuheben und die Dynamiken perfekt zu entkoppeln, die entkoppelten Dynamiken an, wodurch restliche Terme oder Überkopplung erzeugt werden, die parameterabhängig sein können. Derartige restliche Terme werden als unbekannte Störungen behandelt, die durch den parameterunempfindlichen Steuerungsprozess des Ausführungsbeispiels verworfen werden oder denen durch diesen entgegengewirkt wird. Infolgedessen kann der parameterunempfindliche Steuerungsprozess die Parameterabhängigkeit der Steuerungsauslegung eliminieren, indem die Terme, die parameterabhängig sind, als unbekannte Störungen behandelt werden, denen durch den Steuerungsprozess entgegengewirkt wird, um eine Trajektorienfolge mit unbekannten Parametern zu erzielen. Auf diese Weise kann der parameterunempfindliche Steuerungsprozess der verschiedenen Ausführungsformen mit einer großen Vielzahl an UAVs verwendet werden, ohne mühsame Neukonfiguration und Abstimmung von Parametern oder Verstärkungen.
Im Vergleich zu bestehenden Lösungen stellen die hierin beschriebenen Ausführungsformen eine Vielzahl an Vorteilen bereit. Erstens stellt der hierin beschriebene parameterunempfindliche Steuerungsprozess eine Universalsteuerung für mehrere Klassen von Multirotor-UAVs bereit. Dies ermöglicht die Verwendung derselben Steuerung für eine große Vielzahl von UAVs mit unterschiedlichen Größen und Gewichten und ohne das Erfordernis einer sorgfältigen Abstimmung der Steuerung für jedes einzelne UAV. Zweitens stellt der hierin beschriebene parameterunempfindliche Steuerungsprozess eine Trajektorienfolgeregelung bereit, die unempfindlich für Parametervariationen bei dem UAV ist. Dies ermöglicht ein Hinzufügen von Komponenten oder Neukonfigurieren von Komponenten des UAV ohne Kompromisse bei der Präzision der Trajektorienfolge und ohne Erfordern eines zusätzlichen Abstimmens, wie es bei derzeitigen Verfahrensweisen erforderlich ist. Drittens stellt der hierin beschriebene parameterunempfindliche Steuerungsprozess eine präzise Trajektorienfolge bereit, die robust und resistent gegen externe Störungen ist.
Nunmehr Bezug nehmend auf 8, stellt ein Verarbeitungsflussdiagramm ein Ausführungsbeispiel eines hierin beschriebenen Verfahrens 1100 dar. Das Verfahren 1100 eines Ausführungsbeispiels umfasst: Erhalten von Positions- und Ausrichtungsdaten von einem Sensorsystem eines unbemannten Multirotorluftfahrzeugs (UAV) (Verarbeitungsblock 1110); Erzeugen mehrerer Ableitungen aus den Positions- und Ausrichtungsdaten unter Verwenden eines Differentiators (Verarbeitungsblock 1120); Anwenden eines Entkopplungssteuerungsgesetzes zum näherungsweisen Entkoppeln von Translationsdynamiken voneinander in einem dreidimensionalen (3D) Raum (Verarbeitungsblock 1130); Berechnen von Fehlerwerten zwischen gewünschten Trajektorien und tatsächlichen Trajektorien in jeder Dimension des 3D-Raums unter Verwenden der mehreren Ableitungen und der entkoppelten Dynamiken (Verarbeitungsblock 1140); und Erzeugen von Steuersignalen zum Variieren von Drehzahlen mehrerer Schubelemente, um den berechneten Fehlerwerten in jeder Dimension des 3D-Raums entgegenzuwirken (Verarbeitungsblock 1150).
Hierin beschriebene Ausführungsformen sind anwendbar für die Verwendung mit allen Arten von integrierten Halbleiterschaltungschips (IC, Integrated Circuit). Beispiele der IC-Chips umfassen unter anderem Prozessoren, Steuerungen, Chipsatzkomponenten, programmierbare logische Anordnungen (PLAs, Programmable Logic Arrays), Speicherchips, Netzwerkchips, Systems-on-a-Chip (SOCs), SSD-/NAND-Steuerungen, ASICs und Ähnliches. Zusätzlich sind in einigen Zeichnungen Signalleitungen durch Linien repräsentiert. Alle repräsentierten Signalleitungen können, unabhängig davon, ob sie zusätzliche Informationen aufweisen oder nicht, tatsächlich ein oder mehrere Signale umfassen, die sich in mehrere Richtungen bewegen können, und können mit jeder geeigneten Art von Signalschema implementiert sein, z. B. digitale oder analoge Leitungen, die mit Differenzpaaren, optischen Faserleitungen und/oder einendigen Leitungen implementiert sind.
Es wurden beispielhafte Größen, Modelle, Werte, Bereiche angegeben, auf die die Ausführungsformen jedoch nicht beschränkt sind. Da sich Herstellungstechniken (z. B. Photolitographie) mit der Zeit weiterentwickeln, wird erwartet, dass Vorrichtungen mit kleinerer Größe hergestellt werden können. Zusätzlich können wohlbekannte Leistungs-/Masseverbindungen zu integrierten Schaltungs(IC)-Chips und anderen Komponenten, aus Gründen der Einfachheit der Veranschaulichung und Erläuterung und um bestimmte Aspekte der Ausführungsformen nicht unklar zu machen, in den Figuren gezeigt sein oder nicht. Ferner können Anordnungen in Blockdiagrammform gezeigt sein, um Ausführungsformen nicht unklar zu machen sowie auch hinsichtlich der Tatsache, dass Besonderheiten in Bezug auf die Implementierung derartiger Blockdiagrammanordnungen in hohem Maße von der Plattform abhängen, in der die Ausführungsform implementiert werden soll, d. h. derartige Besonderheiten sollten sich weit innerhalb des Aufgabenbereichs eines Durchschnittsfachmanns befinden. Wenn spezifische Details (z. B. Schaltungen) dargelegt sind, um Ausführungsbeispiele zu beschreiben, sollte es für einen Durchschnittsfachmann klar sein, dass Ausführungsformen ohne oder mit Variationen dieser spezifischen Details ausgeführt werden können. Die Beschreibung ist daher als veranschaulichend und nicht beschränkend anzusehen.
Der Begriff „gekoppelt“ kann hierin verwendet sein, um eine beliebige Art von Beziehung, direkt oder indirekt, zwischen den in Frage stehenden Komponenten zu beschreiben, und kann sich auf elektrische, mechanische, Fluid-, optische, elektromagnetische, elektromechanische oder andere Verbindungen beziehen. Zusätzlich können die Begriffe „erstens“, „zweitens“ usw. hierin nur zum Vereinfachen der Erläuterung verwendet sein und keine bestimmte zeitliche oder chronologische Bedeutung haben, sofern nicht anderweitig ausgeführt.
Das UAV 500 kann in einigen Ausführungsformen einen oder mehrere drahtlose Transceiver umfassen. Jeder der drahtlosen Transceiver kann als physische drahtlose Adapter oder virtuelle drahtlose Adapter implementiert sein, was manchmal als „Hardware Radios“ bzw. „Software Radios“ bezeichnet wird. Ein einzelner physischer drahtloser Adapter kann in mehrere virtuelle drahtlose Adapter (z. B. unter Verwenden von Software) virtualisiert sein. Ein physischer drahtloser Adapter verbindet sich in der Regel mit einem hardwarebasierten drahtlosen Zugriffspunkt. Ein virtueller drahtloser Adapter verbindet sich in der Regel mit einem softwarebasierten drahtlosen Zugriffspunkt, der manchmal als ein „SoftAP“ bezeichnet wird. Beispielsweise kann ein virtueller drahtloser Adapter Ad-hoc-Kommunikationen zwischen gleichrangigen Vorrichtungen ermöglichen, wie etwa einem Smartphone und einem Desktop-Computer oder Notebook-Computer. Verschiedene Ausführungsformen können einen einzelnen physischen drahtlosen Adapter, der als mehrere virtuelle drahtlose Adapter implementiert ist, mehrere physische drahtlose Adapter, mehrere physische drahtlose Adapter, die jeweils als mehrere virtuelle drahtlose Adapter implementiert sind, oder irgendeine Kombination daraus verwenden. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele sind in dieser Hinsicht nicht beschränkt.
Die drahtlosen Transceiver können verschiedene Kommunikationstechniken umfassen oder implementieren, um dem UAV 500 zu ermöglichen, mit anderen elektronischen Vorrichtungen, wie etwa der Bodensteuerung 560, zu kommunizieren. Beispielsweise können die drahtlosen Transceiver verschiedene Arten von standardmäßigen Kommunikationselementen implementieren, die ausgelegt sind, mit einem Netzwerk dialogfähig zu sein, wie etwa eine oder mehrere Kommunikationsschnittstellen, Netzwerkschnittstellen, Netzwerkschnittstellenkarten (NIC, Network Interface Cards), Funkeinrichtungen, drahtlose Sender/Empfänger (Transceiver), drahtgebundene und/oder drahtlose Kommunikationsmedien, physische Verbindungselemente und so weiter.
Beispielsweise umfassen Kommunikationsmedien unter anderem drahtgebundene Kommunikationsmedien und drahtlose Kommunikationsmedien. Beispiele von drahtgebundenen Kommunikationsmedien können einen Draht, ein Kabel, Metallleitungen, gedruckte Leiterplatten (PCB, Printed Circuit Boards), Rückwandplatinen, Switch-Fabrics, Halbleitermaterial, eine verdrillte Zweidrahtleitung, ein Koaxialkabel, Lichtleiter, ein sich ausbreitendes Signal und so weiter umfassen. Beispiele von drahtlosen Kommunikationsmedien können Akustik, Funkfrequenzspektrum (RF, Radio Frequency), Infrarot und andere Teile des Spektrums und andere drahtlose Medien umfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das UAV 500 unterschiedliche Arten von drahtlosen Transceivern implementieren. Jeder der drahtlosen Transceiver kann einen gleichen oder unterschiedlichen Satz von Kommunikationsparametern implementieren oder nutzen, um Informationen zwischen verschiedenen elektronischen Vorrichtungen zu kommunizieren. In einer Ausführungsform kann beispielsweise jeder der drahtlosen Transceiver einen unterschiedlichen Satz von Kommunikationsparametern implementieren oder nutzen, um Informationen zwischen dem UAV 500 und einer beliebigen Anzahl an anderen Vorrichtungen zu kommunizieren. Einige Beispiele von Kommunikationsparametern können unter anderem umfassen: ein Kommunikationsprotokoll, einen Kommunikationsstandard, ein Funkfrequenz(RF)-Band, eine Funkeinrichtung, einen Sender/Empfänger (Transceiver), einen Funkprozessor, einen Basisbandprozessor, einen Netzwerkscanschwellenparameter, einen Funkfrequenzkanalparameter, einen Zugriffspunktparameter, einen Ratenauswahlparameter, einen Rahmengrößenparameter, einen Aggregationsgrößenparameter, einen Paketneuversuchsbegrenzungsparameter, einen Protokollparameter, einen Funkparameter, ein Modulations- und Codierschema (MCS, Modulation and Coding Scheme), Bestätigungsparameter, einen Parameter einer Medienzugriffssteuerungsebene (MAC, Medium Access Control), einen physischen (PHY) Ebenenparameter und beliebige andere Kommunikationsparameter, die Vorgänge für die drahtlosen Transceiver beeinflussen. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele sind in dieser Hinsicht nicht beschränkt.
In verschiedenen Ausführungsformen können die drahtlosen Transceiver unterschiedliche Kommunikationsparameter implementieren, die variierende Bandbreiten, Kommunikationsgeschwindigkeiten oder Übertragungsbereiche bieten. Beispielsweise kann ein erster drahtloser Transceiver eine Kurzstreckenschnittstelle umfassen, die geeignete Kommunikationsparameter für eine Kurzstreckenkommunikation von Informationen implementiert, während ein zweiter drahtloser Transceiver eine Langstrecken-Schnittstelle umfassen kann, die geeignete Kommunikationsparameter für eine Kommunikation von Informationen über längere Strecken implementiert.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Begriffe „Kurzstrecke“ und „Langstrecke“ relative Begriffe sein, die sich auf zugehörige Kommunikationsstrecken (oder Reichweiten) für zugehörige drahtlose Transceiver im Vergleich zueinander anstatt auf einen objektiven Standard beziehen. In einer Ausführungsform kann sich der Begriff „Kurzstrecke“ beispielsweise auf eine Kommunikationsstrecke oder -reichweite für den ersten drahtlosen Transceiver beziehen, die kürzer als eine Kommunikationsstrecke oder -reichweite für einen anderen drahtlosen Transceiver ist, der für das UAV 500 implementiert ist, wie etwa ein zweiter drahtloser Transceiver. Gleichermaßen kann sich der Begriff „Langstrecke“ auf eine Kommunikationsstrecke oder -reichweite für den zweiten drahtlosen Transceiver beziehen, die länger als eine Kommunikationsstrecke oder - reichweite für einen anderen drahtlosen Transceiver ist, der für das UAV 500 implementiert ist, wie etwa der erste drahtlose Transceiver. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele sind in dieser Hinsicht nicht beschränkt.
In einer Ausführungsform kann der drahtlose Transceiver beispielsweise eine Funkeinrichtung umfassen, die ausgelegt ist, Informationen über ein drahtloses persönliches Netzwerk (WPAN, Wireless Personal Area Network) oder ein drahtloses lokales Netzwerk (WLAN, Wireless Local Area Network) zu kommunizieren. Der drahtlose Transceiver kann angeordnet sein, um Datenkommunikationsfunktionen gemäß unterschiedlichen Arten von Drahtlosnetzwerksystemen oder -protokollen mit niedrigerer Reichweite bereitzustellen. Beispiele für geeignete WPAN-Systeme, die Datenkommunikationsdienste mit niedrigerer Reichweite bieten, können ein Bluetooth™-System, wie durch die Bluetooth Special Interest Group definiert, ein Infrarot(IR)-System, ein System gemäß Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE™) 802.15, ein DASH7-System, einen drahtlosen universellen seriellen Bus (USB), ein drahtloses High-Definition(HD)-, ein Ultra-Breitband(UWB, Ultra-Wide Band)-System und ähnliche Systeme umfassen. Beispiele für geeignete WLAN-Systeme, die Datenkommunikationsdienste mit niedrigerer Reichweite bieten, können Protokolle der IEEE-802.xx-Serien, wie etwa Protokolle der Standardserien IEEE 802.11a/b/g/n und Varianten umfassen (auch als „WiFi“ bezeichnet). Es versteht sich, dass andere drahtlose Techniken implementiert sein können. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele sind in dieser Hinsicht nicht beschränkt. In einer Ausführungsform kann der drahtlose Transceiver beispielsweise eine Funkeinrichtung umfassen, die ausgelegt ist, Informationen über ein regionales drahtloses Netzwerk (WMAN, Wireless Metropolitan Area Network), ein drahtloses Weitverkehrsnetz (WWAN, Wireless Wide Area Network) oder ein zellulares Funktelefonsystem zu kommunizieren. Ein anderer drahtloser Transceiver kann angeordnet sein, um Datenkommunikationsfunktionen gemäß unterschiedlichen Arten von Drahtlosnetzwerksystemen oder -protokollen mit längerer Reichweite bereitzustellen. Beispiele für geeignete Drahtlosnetzwerksysteme, die Datenkommunikationsdienste mit längerer Reichweite bieten, können Protokolle der IEEE 802.xx-Serien, wie etwa Protokolle der Standardserien IEEE 802.11a/b/g/n und Varianten, Protokolle der Standardserien IEEE 802.16 und Varianten, Protokolle der Standardserien IEEE 802.20 und Varianten (auch als „Mobile Broadband Wireless Access“ (mobiler drahtloser Breitbandzugriff) bezeichnet) und so weiter umfassen. Alternativ dazu kann der drahtlose Transceiver eine Funkeinrichtung umfassen, die ausgelegt ist, Informationen über Datennetzwerklinks zu kommunizieren, die durch ein oder mehreren zellulare Funktelefonsysteme bereitgestellt sind. Beispiele von zellularen Funktelefonsystemen, die Datenkommunikationsdienste bieten, können GSM mit allgemeinen paketbasierten Funkdienstsystemen (GPRS, General Packet Radio Service) (GSM/GPRS), CDMA/lxRTT-Systeme, Systeme zur Erhöhung der Datenübertragungsrate in GSM-Mobilfunknetzen (EDGE, Enhanced Data Rates for Global Evolution), Systeme zur ausschließlichen Datenübertragung (EV-DO, Evolution Data Only oder Evolution Data Optimized), Systeme zur Übertragung von Daten und Sprache (EV-DV, Evolution For Data and Voice), Systeme für einen paketbasierten Hochgeschwindigkeits-Downlink-Zugriff (HSDPA, High Speed Downlink Packet Access), Systeme für einen paketbasierten Hochgeschwindigkeits-Uplink-Zugriff (HSUPA, High Speed Uplink Packet Access) und ähnliche Systeme umfassen. Es versteht sich, dass andere drahtlose Techniken implementiert sein können. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele sind in dieser Hinsicht nicht beschränkt.
Dies ist zwar nicht gezeigt, das UAV 500 kann jedoch ferner eine oder mehrere Vorrichtungsressourcen umfassen, die häufig für elektronische Vorrichtungen implementiert sind, wie etwa verschiedene Datenverarbeitungs- und Kommunikationsplattformhardware- und - softwarekomponenten, die in der Regel durch eine persönliche elektronische Vorrichtung implementiert sind. Einige Beispiele von Vorrichtungsressourcen können unter anderem einen Co-Prozessor, eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU, Graphics Processing Unit), einen Chipsatz/eine Plattformsteuerlogik, eine Eingabe-/Ausgabe (E/A)-Vorrichtung, computerlesbare Medien, Netzwerkschnittstellen, tragbare Leistungsversorgungen (z. B. eine Batterie), Anwendungsprogramme, Systemprogramme und so weiter umfassen. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele sind in dieser Hinsicht nicht beschränkt.
Hierin enthalten ist ein Satz an Logikflüssen, die beispielhafte Verfahrensweisen zum Durchführen neuer Aspekte der offenbarten Architektur repräsentieren. Zwar sind zur vereinfachten Erläuterung die eine oder mehreren hierin gezeigten Verfahrensweisen als eine Reihe von Maßnahmen gezeigt und beschrieben, Durchschnittsfachleute werden jedoch verstehen und erkennen, dass die Verfahrensweisen nicht durch die Reihenfolge der Maßnahmen beschränkt sind. Einige Maßnahmen können demgemäß in einer anderen Reihenfolge und/oder zusammen mit anderen Maßnahmen außer den hierin gezeigten und beschriebenen erfolgen. Beispielsweise werden Durchschnittsfachleute verstehen und erkennen, dass eine Verfahrensweise alternativ als eine Reihe von in Wechselbeziehung stehenden Zuständen oder Ereignissen, wie etwa in einem Zustandsdiagramm, repräsentiert sein kann. Darüber hinaus sind möglicherweise nicht alle bei einer Verfahrensweise veranschaulichten Maßnahmen für eine neue Implementierung erforderlich. Ein Logikfluss kann in Software, Firmware und/oder Hardware implementiert sein. Bei Software- und Formwareausführungsformen kann ein Logikfluss durch computerausführbare Anweisungen implementiert sein, die auf mindestens einem nichtflüchtigen computerlesbaren Medium oder maschinenlesbaren Medium, wie etwa einem optischen, magnetischen oder Halbleiterspeicher, gespeichert sind. Die hierin offenbarten Ausführungsbeispiele sind in dieser Hinsicht nicht beschränkt.
Die verschiedenen Elemente der Ausführungsbeispiele können, wie zuvor unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, verschiedene Hardwareelemente, Softwareelemente oder eine Kombination aus beidem umfassen. Beispiele für Hardwareelemente können Vorrichtungen, logische Vorrichtungen, Komponenten, Prozessoren, Mikroprozessoren, Schaltungen, Prozessoren, Schaltungselemente (z. B. Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, Induktoren und so weiter), integrierte Schaltungen, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC, Application-Specific Integrated Circuits), programmierbare logische Schaltungen (PLD, Programmable Logic Devices), digitale Signalprozessoren (DSP), im Feld programmierbare Gatteranordnungen (FPGAs, Field-Programmable Gate Arrays), Speichereinheiten, logische Gatter, Verzeichnisse, Halbleitervorrichtung, Chips, Mikrochips, Chipsätze und so weiter umfassen. Beispiele für Softwareelemente können Softwarekomponenten, Programme, Anwendungen, Computerprogramme, Anwendungsprogramme, Systemprogramme, Softwareentwicklungsprogramme, Maschinenprogramme, Betriebssystemsoftware, Middleware, Firmware, Softwaremodule, Routinen, Unterroutinen, Funktionen, Verfahren, Abläufe, Softwareschnittstellen, Anwendungsprogrammschnittstellen (API, Application Program Interfaces), Anweisungssätze, Datenverarbeitungscode, Computercode, Codesegmente, Computercodesegmente, Wörter, Werte, Symbole oder jede Kombination daraus umfassen. Ein Bestimmen, ob eine Ausführungsform unter Verwenden von Hardwareelementen und/oder Softwareelementen implementiert ist, kann jedoch gemäß einer beliebigen Anzahl an Faktoren variieren, wie etwa eine gewünschte Datenverarbeitungsrate, Leistungsniveaus, Wärmebeständigkeiten, Verarbeitungszyklusbudget, Eingangsdatenraten, Ausgangsdatenraten, Speicherressourcen, Datenbusgeschwindigkeiten und andere Auslegungs- oder Leistungsbeschränkungen, wie sie für eine gegebene Implementierung gewünscht sind.
Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen eine technische Lösung eines technischen Problems dar. Die verschiedenen Ausführungsformen verbessern das Funktionieren der elektronischen Vorrichtung durch Bereitstellen von Systemen und Verfahren zum Steuern der Ausrichtung und Trajektorie eines Multirotor-UAV in einer Weise, die unempfindlich für UAV-Parameter ist. Die verschiedenen Ausführungsformen dienen zudem zum Transformieren des Zustands von verschiedenen Systemkomponenten basierend auf einem dynamisch bestimmten Systemkontext. Zusätzlich stellen die verschiedenen Ausführungsformen eine Verbesserung bei einer Vielzahl von technischen Gebieten einschließlich den Gebieten dynamische Datenverarbeitung, Drohnensteuerung, mobile Datenverarbeitung, Informationsaustausch und mobile Kommunikation dar.
9 zeigt eine schematische Repräsentation einer Maschine in der beispielhaften Form einer elektronischen Vorrichtung, wie etwa eines mobilen Datenverarbeitungs- und/oder Kommunikationssystems 700, wobei ein Satz von Anweisungen, wenn er ausgeführt wird, und/oder eine Verarbeitungslogik, wenn sie aktiviert ist, die Maschine veranlassen kann, eine oder mehrere der hierin beschriebenen und/oder beanspruchten Verfahrensweisen durchzuführen. Bei alternativen Ausführungsformen ist die Maschine als eine eigenständige Vorrichtung betrieben oder kann mit anderen Maschinen verbunden (z. B. vernetzt) sein. Bei einer vernetzten Bereitstellung kann die Maschine in der Funktion eines Servers oder einer Client-Maschine in einer Server-Client-Netzwerkumgebung oder als eine gleichrangige Maschine in einer gleichrangigen (Peer-to-Peer) (oder verteilten) Netzwerkumgebung betrieben sein. Die Maschine kann ein Einzelplatzrechner (PC, Personal Computer), ein Laptopcomputer, ein Tablet-Datenverarbeitungssystem, ein persönlicher digitaler Assistent (PDA), ein Mobiltelefon, ein Smartphone, eine Web-Appliance, eine Set-Top-Box (STB), ein Netzwerk-Router, ein Switch oder eine Bridge oder irgendeine andere Maschine sein, die in der Lage ist, einen Satz an Anweisungen (sequentiell oder auf andere Weise) auszuführen oder Verarbeitungslogik zu aktivieren, die von der Maschine vorzunehmende Aktionen spezifizieren. Ferner ist zwar nur eine einzelne Maschinen dargestellt, der Begriff „Maschine“ kann jedoch auch als jede Ansammlung von Maschinen beinhaltend verstanden werden, die einzeln oder gemeinsam einen Satz (oder mehrere Sätze) von Anweisungen oder Verarbeitungslogik ausführen, um eine oder mehrere der hierin beschriebenen und/oder beanspruchten Verfahrensweisen durchzuführen.
Das beispielhafte mobile Datenverarbeitungs- und/oder Kommunikationssystem 700 umfasst einen Datenprozessor 702 (z. B. ein System-on-a-Chip [SoC], einen allgemeinen Verarbeitungskern, einen Graphikkern und gegebenenfalls andere Verarbeitungslogik) und einen Speicher 704, die über einen Bus oder ein anderes Datenübertragungssystem 706 miteinander kommunizieren können. Das mobile Datenverarbeitungs- und/oder Kommunikationssystem 700 kann ferner verschiedene Eingabe-/Ausgabe(E/A)-Vorrichtungen und/oder Schnittstellen 710, wie etwa eine berührungsempfindliche Anzeige, und gegebenenfalls eine Netzwerkschnittstelle 712 umfassen. In einem Ausführungsbeispiel kann die Netzwerkschnittstelle 712 ein oder mehrere Funktransceiver umfassen, die konfiguriert sind, mit einem oder mehreren beliebigen standardmäßigen drahtlosen und/oder zellularen Protokollen oder Zugriffstechnologien kompatibel zu sein (z. B. Funkzugriff für zellulare Systeme 2. (2G), 2.5, 3. (3G), 4. (4G) Generation und zukünftige Generation, globales System für mobile Kommunikation (GSM, Global System for Mobile Communications), allgemeine paketbasierte Funkdienstsysteme (GPRS, General Packet Radio Service), Systeme zur Erhöhung der Datenübertragungsrate in GSM-Mobilfunknetzen (EDGE, Enhanced Data GSM Environment), Breitband-Codemultiplexverfahren (WCDMA, Wideband Code Division Multiple Access), LTE, CDMA2000, WLAN, Drahtlosrouter-Meshnetzwerke (Wireless Router (WR) Mesh) und Ähnliches). Die Netzwerkschnittstelle 712 kann zudem für eine Verwendung mit verschiedenen anderen drahtgebundenen und/oder drahtlosen Kommunikationsprotokollen konfiguriert sein, einschließlich TCP/IP, UDP, SIP, SMS, RTP, WAP, CDMA, TDMA, UMTS, UWB, WiFi, WiMax, Bluetooth™, IEEE 802.11x und Ähnliches. Im Wesentlichen kann die Netzwerkschnittstelle 712 nahezu jeden drahtgebundenen und/oder drahtlosen Kommunikationsmechanismus umfassen oder unterstützen, durch den sich Informationen zwischen dem mobilen Datenverarbeitungs- und/oder Kommunikationssystem 700 und einem anderen Datenverarbeitungs- und/oder Kommunikationssystem über das Netzwerk 714 bewegen können.
Der Speicher 704 kann ein maschinenlesbares Medium repräsentieren, auf dem ein oder mehrere Sätze von Anweisungen, Software, Firmware oder andere Verarbeitungslogik (z. B. die Logik 708) gespeichert ist, die eine oder mehrere der hierin beschriebenen und/oder beanspruchten Verfahrensweisen ausdrücken. Die Logik 708, oder ein Teil davon, kann sich auch, ganz oder zumindest teilweise, während der Ausführung derselben durch das mobile Datenverarbeitungs- und/oder Kommunikationssystem 700 in dem Prozessor 702 befinden. Somit können der Speicher 704 und der Prozessor 702 auch maschinenlesbare Medien darstellen. Die Logik 708, oder ein Teil davon, kann auch als Verarbeitungslogik oder Logik, von der zumindest ein Teil teilweise in Hardware implementiert ist, konfiguriert sein. Die Logik 708, oder ein Teil davon, kann ferner über ein Netzwerk 714 über die Netzwerkschnittstelle 712 übertragen oder empfangen werden. Zwar kann das maschinenlesbare Medium eines Ausführungsbeispiels ein einzelnes Medium sein, der Begriff „maschinenlesbares Medium“ soll jedoch als ein einzelnes nicht flüchtiges Medium oder mehrere nicht flüchtige Medien (z. B. eine zentralisierte oder verteilte Datenbank und/oder zugehörige Caches und Datenverarbeitungssysteme) umfassend verstanden werden, die den einen oder die mehreren Sätze von Anweisungen speichern. Der Begriff „maschinenlesbares Medium“ kann zudem als jedes nicht flüchtige Medium umfassend verstanden werden, das in der Lage ist, einen Satz von Anweisungen zur Ausführung durch die Maschine zu speichern, zu codieren oder zu tragen, und die die Maschine veranlassen, eine oder mehrere der Verfahrensweisen der verschiedenen Ausführungsformen durchzuführen, oder das in der Lage ist Datenstrukturen zu speichern, zu codieren oder zu tragen, die durch einen solchen Satz von Anweisungen genutzt werden oder diesem zugeordnet sind. Der Begriff „maschinenlesbares Medium“ kann dementsprechend als Festkörperspeicher, optische Medien und magnetische Medien umfassend, aber nicht darauf beschränkt, verstanden werden.
Unter allgemeiner Bezugnahme auf die hierin verwendeten Bezeichnungen und Nomenklatur kann die hierin dargelegte Beschreibung im Sinne von auf einem Computer oder einem Netzwerk von Computern ausgeführten Programmabläufen offenbart sein. Die Ablaufbeschreibungen und Repräsentationen können von Durchschnittsfachleuten verwendet werden, um ihre Arbeit anderen Durchschnittsfachleuten zu vermitteln.
Ein Ablauf ist im Allgemeinen als eine in sich widerspruchsfreie Folge von Vorgängen zu begreifen, die an elektrischen, magnetischen oder optischen Signalen durchgeführt wird, die in der Lage sind, gespeichert, übertragen, kombiniert, verglichen und anderweitig manipuliert zu werden. Die Signale können als Bits, Werte, Elemente, Symbole, Zeichen, Begriffe, Nummern oder Ähnliches bezeichnet sein. Es ist jedoch anzumerken, dass alle diese und ähnliche Begriffe mit den geeigneten physikalischen Größen in Zusammenhang gebracht werden müssen und lediglich zweckmäßige Bezeichnungen für diese Größen sind. Ferner sind die durchgeführten Manipulationen oft in Begriffen wie Hinzufügen oder Vergleichen bezeichnet, wobei diese Vorgänge durch eine oder mehrere Maschinen ausgeführt sein können. Zum Durchführen von Vorgängen der verschiedenen Ausführungsformen zweckdienliche Maschinen können digitale Allzweckcomputer oder ähnliche Vorrichtungen umfassen. Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich auch auf eine Einrichtung oder Systeme zum Durchführen dieser Vorgänge. Die Einrichtung kann speziell für einen Zweck hergestellt sein, oder sie kann einen Allzweckcomputer umfassen, der gezielt durch ein in dem Computer gespeichertes Computerprogramm aktiviert oder neukonfiguriert ist. Die hierin dargelegten Abläufe stehen nicht zwingend mit einem bestimmten Computer oder einer anderen Einrichtung in Zusammenhang. Verschiedene Allzweckmaschinen können mit gemäß den hierin offenbarten Lehren geschriebenen Programmen verwendet werden, oder es kann sich als zweckdienlich erweisen, eine spezialisiertere Maschine zu konstruieren, um die hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
In verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen umfassen Ausführungsbeispiele mindestens die folgenden Beispiele.
Eine Einrichtung, die Folgendes umfasst: ein Sensorsystem zum Messen einer Position und Ausrichtung eines unbemannten Multirotorluftfahrzeugs (UAV); und ein Flugsteuersystem, das mit dem Sensorsystem gekoppelt ist, wobei das Flugsteuersystem für Folgendes konfiguriert ist: Erhalten von Positions- und Ausrichtungsdaten von dem Sensorsystem; Erzeugen mehrerer Ableitungen aus den Positions- und Ausrichtungsdaten unter Verwenden eines Differentiators; Anwenden eines Entkopplungssteuerungsgesetzes zum näherungsweisen Entkoppeln von Translationsdynamiken voneinander in einem dreidimensionalen (3D) Raum; Berechnen von Fehlerwerten zwischen gewünschten Trajektorien und tatsächlichen Trajektorien in jeder Dimension des 3D-Raums unter Verwenden der mehreren Ableitungen und der entkoppelten Dynamiken; und Erzeugen von Steuersignalen zum Variieren von Drehzahlen mehrerer Schubelemente, um den berechneten Fehlerwerten in jeder Dimension des 3D-Raums entgegenzuwirken.
Die oben beanspruchte Einrichtung, wobei das Sensorsystem Ausrichtungssensoren und Positionssensoren umfasst.
Die oben beanspruchte Einrichtung, wobei die mehreren Schubelemente vier Schubelementen entsprechen.
Die oben beanspruchte Einrichtung, wobei die Positions- und Ausrichtungsdaten Nicken, Rollen und Gieren umfassen.
Die oben beanspruchte Einrichtung, wobei die mehreren Ableitungen unter Verwenden eines Gleitmodusdifferentiators höherer Ordnung erzeugt werden.
Die oben beanspruchte Einrichtung, wobei die gewünschten Trajektorien von einer Trajektorienplanungslogikkomponente erhalten werden.
Die oben beanspruchte Einrichtung, die ferner konfiguriert ist, Steuersignale zu erzeugen, um jedes der mehreren Schubelemente zwischen einem hohen Drehzahlwert und einem niedrigen Drehzahlwert unter Verwenden eines impulsweitenmodulierten (PWM, Pulse Width Modulated) Signals umzuschalten.
Ein System, das Folgendes umfasst: einen Rumpf; ein Leistungsspeicherelement; ein Sensorsystem zum Messen einer Position und Ausrichtung eines unbemannten Multirotorluftfahrzeugs (UAV); mehrere Schubelemente; und ein Flugsteuersystem, das mit dem Sensorsystem und den mehreren Schubelementen gekoppelt ist, wobei das Flugsteuersystem für Folgendes konfiguriert ist: Erhalten von Positions- und Ausrichtungsdaten von dem Sensorsystem; Erzeugen mehrerer Ableitungen aus den Positions- und Ausrichtungsdaten unter Verwenden eines Differentiators; Anwenden eines Entkopplungssteuerungsgesetzes zum näherungsweisen Entkoppeln von Translationsdynamiken voneinander in einem dreidimensionalen (3D) Raum; Berechnen von Fehlerwerten zwischen gewünschten Trajektorien und tatsächlichen Trajektorien in jeder Dimension des 3D-Raums unter Verwenden der mehreren Ableitungen und der entkoppelten Dynamiken; und Erzeugen von Steuersignalen zum Variieren von Drehzahlen der mehreren Schubelemente, um den berechneten Fehlerwerten in jeder Dimension des 3D-Raums entgegenzuwirken.
Das oben beanspruchte System, wobei das Sensorsystem Ausrichtungssensoren und Positionssensoren umfasst.
Das oben beanspruchte System, wobei die mehreren Schubelemente vier Schubelementen entsprechen.
Das oben beanspruchte System, wobei die Positions- und Ausrichtungsdaten Nicken, Rollen und Gieren umfassen.
Das oben beanspruchte System, wobei die mehreren Ableitungen unter Verwenden eines Gleitmodusdifferentiators höherer Ordnung erzeugt werden.
Das oben beanspruchte System, wobei die gewünschten Trajektorien von einer Trajektorienplanungslogikkomponente erhalten werden.
Das oben beanspruchte System, das ferner konfiguriert ist, Steuersignale zu erzeugen, um jedes der mehreren Schubelemente zwischen einem hohen Drehzahlwert und einem niedrigen Drehzahlwert unter Verwenden eines impulsweitenmodulierten (PWM, Pulse Width Modulated) Signals umzuschalten.
Ein Verfahren, das Folgendes umfasst: Erhalten von Positions- und Ausrichtungsdaten von einem Sensorsystem eines unbemannten Multirotorluftfahrzeugs (UAV); Erzeugen mehrerer Ableitungen aus den Positions- und Ausrichtungsdaten unter Verwenden eines Differentiators; Anwenden eines Entkopplungssteuerungsgesetzes zum näherungsweisen Entkoppeln von Translationsdynamiken voneinander in einem dreidimensionalen (3D) Raum; Berechnen von Fehlerwerten zwischen gewünschten Trajektorien und tatsächlichen Trajektorien in jeder Dimension des 3D-Raums unter Verwenden der mehreren Ableitungen und der entkoppelten Dynamiken; und Erzeugen von Steuersignalen zum Variieren von Drehzahlen mehrerer Schubelemente, um den berechneten Fehlerwerten in jeder Dimension des 3D-Raums entgegenzuwirken.
Das oben beanspruchte Verfahren, wobei das Sensorsystem Ausrichtungssensoren und Positionssensoren umfasst.
Das oben beanspruchte Verfahren, wobei die mehreren Schubelemente vier Schubelementen entsprechen.
Das oben beanspruchte Verfahren, wobei die Positions- und Ausrichtungsdaten Nicken, Rollen und Gieren umfassen.
Das oben beanspruchte Verfahren, wobei die mehreren Ableitungen unter Verwenden eines Gleitmodusdifferentiators höherer Ordnung erzeugt werden.
Das oben beanspruchte Verfahren, wobei die gewünschten Trajektorien von einer Trajektorienplanungslogikkomponente erhalten werden.
Das oben beanspruchte Verfahren, umfassend ein Erzeugen von Steuersignalen, um jedes der mehreren Schubelemente zwischen einem hohen Drehzahlwert und einem niedrigen Drehzahlwert unter Verwenden eines impulsweitenmodulierten (PWM, Pulse Width Modulated) Signals umzuschalten.
Ein nicht flüchtiges maschinenverwendbares Speichermedium, das Anweisungen ausdrückt, die, wenn sie durch eine Maschine ausgeführt werden, die Maschine zu Folgendem veranlassen: Erhalten von Positions- und Ausrichtungsdaten von einem Sensorsystem eines unbemannten Multirotorluftfahrzeugs (UAV); Erzeugen mehrerer Ableitungen aus den Positions- und Ausrichtungsdaten unter Verwenden eines Differentiators; Anwenden eines Entkopplungssteuerungsgesetzes zum näherungsweisen Entkoppeln von Translationsdynamiken voneinander in einem dreidimensionalen (3D) Raum; Berechnen von Fehlerwerten zwischen gewünschten Trajektorien und tatsächlichen Trajektorien in jeder Dimension des 3D-Raums unter Verwenden der mehreren Ableitungen und der entkoppelten Dynamiken; und Erzeugen von Steuersignalen zum Variieren von Drehzahlen mehrerer Schubelemente, um den berechneten Fehlerwerten in jeder Dimension des 3D-Raums entgegenzuwirken.
Das oben beanspruchte maschinenverwendbare Speichermedium, wobei das Sensorsystem Ausrichtungssensoren und Positionssensoren umfasst.
Das oben beanspruchte maschinenverwendbare Speichermedium, wobei die mehreren Schubelemente vier Schubelementen entsprechen.
Das oben beanspruchte maschinenverwendbare Speichermedium, wobei die Positions- und Ausrichtungsdaten Nicken, Rollen und Gieren umfassen.
Das oben beanspruchte maschinenverwendbare Speichermedium, wobei die Anweisungen konfiguriert sind, die mehreren Ableitungen unter Verwenden eines Gleitmodusdifferentiators höherer Ordnung zu erzeugen.
Das oben beanspruchte maschinenverwendbare Speichermedium, wobei die Anweisungen konfiguriert sind, die gewünschten Trajektorien von einer Trajektorienplanungslogikkomponente zu erhalten.
Das oben beanspruchte maschinenverwendbare Speichermedium, wobei die Anweisungen konfiguriert sind, Steuersignale zu erzeugen, um jedes der mehreren Schubelemente zwischen einem hohen Drehzahlwert und einem niedrigen Drehzahlwert unter Verwenden eines impulsweitenmodulierten (PWM, Pulse Width Modulated) Signals umzuschalten.
Eine Einrichtung, die Folgendes umfasst: ein Sensormittel zum Messen einer Position und Ausrichtung eines unbemannten Multirotorluftfahrzeugs (UAV); und ein Flugsteuermittel, das mit dem Sensormittel gekoppelt ist, wobei das Flugsteuermittel für Folgendes konfiguriert ist: Erhalten von Positions- und Ausrichtungsdaten von dem Sensormittel; Erzeugen mehrerer Ableitungen aus den Positions- und Ausrichtungsdaten unter Verwenden eines Differentiators; Anwenden eines Entkopplungssteuerungsgesetzes zum näherungsweisen Entkoppeln von Translationsdynamiken voneinander in einem dreidimensionalen (3D) Raum; Berechnen von Fehlerwerten zwischen gewünschten Trajektorien und tatsächlichen Trajektorien in jeder Dimension des 3D-Raums unter Verwenden der mehreren Ableitungen und der entkoppelten Dynamiken; und Erzeugen von Steuersignalen zum Variieren von Drehzahlen mehrerer Schubelemente, um den berechneten Fehlerwerten in jeder Dimension des 3D-Raums entgegenzuwirken.
Die oben beanspruchte Einrichtung, wobei das Sensormittel Ausrichtungssensoren und Positionssensoren umfasst.
Die oben beanspruchte Einrichtung, wobei die mehreren Schubelemente vier Schubelementen entsprechen.
Die oben beanspruchte Einrichtung, wobei die Positions- und Ausrichtungsdaten Nicken, Rollen und Gieren umfassen.
Die oben beanspruchte Einrichtung, wobei die mehreren Ableitungen unter Verwenden eines Gleitmodusdifferentiators höherer Ordnung erzeugt werden.
Die oben beanspruchte Einrichtung, wobei die gewünschten Trajektorien von einer Trajektorienplanungslogikkomponente erhalten werden.
Die oben beanspruchte Einrichtung, die ferner konfiguriert ist, Steuersignale zu erzeugen, um jedes der mehreren Schubelemente zwischen einem hohen Drehzahlwert und einem niedrigen Drehzahlwert unter Verwenden eines impulsweitenmodulierten (PWM, Pulse Width Modulated) Signals umzuschalten.
Die Zusammenfassung der Offenbarung wird bereitgestellt, damit der Leser schnell die Natur der technischen Offenbarung feststellen kann. Sie wird mit dem Verständnis bereitgestellt, dass sie nicht dazu verwendet wird, den Umfang oder die Bedeutung der Ansprüche zu interpretieren oder zu beschränken. Zusätzlich zeigt sich in der vorangegangenen ausführlichen Beschreibung, dass verschiedene Merkmale in einer einzelnen Ausführungsform zur Straffung der Offenbarung in Gruppen zusammengefasst sind. Dieses Verfahren der Offenbarung darf nicht so ausgelegt werden, als würde es die Absicht widerspiegeln, dass die beanspruchten Ausführungsformen mehr Merkmale erfordern, als in jedem Anspruch ausdrücklich genannt sind. Vielmehr umfasst der Erfindungsgegenstand, wie die folgenden Ansprüche zeigen, weniger als alle Merkmale einer einzelnen offenbarten Ausführungsform. Daher sind die folgenden Ansprüche hierdurch in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als eine separate Ausführungsform für sich allein steht.

Claims

Einrichtung, die Folgendes umfasst: ein Sensorsystem zum Messen einer Position und Ausrichtung eines unbemannten Multirotorluftfahrzeugs (UAV); und ein Flugsteuersystem, das mit dem Sensorsystem gekoppelt ist, wobei das Flugsteuersystem für Folgendes konfiguriert ist: Erhalten von Positions- und Ausrichtungsdaten von dem Sensorsystem; Erzeugen mehrerer Ableitungen aus den Positions- und Ausrichtungsdaten unter Verwenden eines Differentiators; Anwenden eines Entkopplungssteuerungsgesetzes zum näherungsweisen Entkoppeln von Translationsdynamiken voneinander in einem dreidimensionalen (3D) Raum; Berechnen von Fehlerwerten zwischen gewünschten Trajektorien und tatsächlichen Trajektorien in jeder Dimension des 3D-Raums unter Verwenden der mehreren Ableitungen und der entkoppelten Dynamiken; und Erzeugen von Steuersignalen zum Variieren von Drehzahlen mehrerer Schubelemente, um den berechneten Fehlerwerten in jeder Dimension des 3D-Raums entgegenzuwirken.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Positions- und Ausrichtungsdaten Nicken, Rollen und Gieren umfassen.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Ableitungen unter Verwenden eines Gleitmodusdifferentiators höherer Ordnung erzeugt werden.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die gewünschten Trajektorien von einer Trajektorienplanungslogikkomponente erhalten werden.
Einrichtung nach Anspruch 1, die ferner konfiguriert ist, Steuersignale zu erzeugen, um jegliches der mehreren Schubelemente zwischen einem hohen Drehzahlwert und einem niedrigen Drehzahlwert unter Verwenden eines impulsweitenmodulierten (PWM, Pulse Width Modulated) Signals umzuschalten.
System, das Folgendes umfasst: einen Rumpf; ein Leistungsspeicherelement; ein Sensorsystem zum Messen einer Position und Ausrichtung eines unbemannten Multirotorluftfahrzeugs (UAV); mehrere Schubelemente; und ein Flugsteuersystem, das mit dem Sensorsystem und den mehreren Schubelementen gekoppelt ist, wobei das Flugsteuersystem für Folgendes konfiguriert ist: Erhalten von Positions- und Ausrichtungsdaten von dem Sensorsystem; Erzeugen mehrerer Ableitungen aus den Positions- und Ausrichtungsdaten unter Verwenden eines Differentiators; Anwenden eines Entkopplungssteuerungsgesetzes zum näherungsweisen Entkoppeln von Translationsdynamiken voneinander in einem dreidimensionalen (3D) Raum; Berechnen von Fehlerwerten zwischen gewünschten Trajektorien und tatsächlichen Trajektorien in jeder Dimension des 3D-Raums unter Verwenden der mehreren Ableitungen und der entkoppelten Dynamiken; und Erzeugen von Steuersignalen zum Variieren von Drehzahlen der mehreren Schubelemente, um den berechneten Fehlerwerten in jeder Dimension des 3D-Raums entgegenzuwirken.
System nach Anspruch 6, wobei die Positions- und Ausrichtungsdaten Nicken, Rollen und Gieren umfassen.
System nach Anspruch 6, wobei die mehreren Ableitungen unter Verwenden eines Gleitmodusdifferentiators höherer Ordnung erzeugt werden.
System nach Anspruch 6, wobei die gewünschten Trajektorien von einer Trajektorienplanungslogikkomponente erhalten werden.
System nach Anspruch 6, das ferner konfiguriert ist, Steuersignale zu erzeugen, um jedes der mehreren Schubelemente zwischen einem hohen Drehzahlwert und einem niedrigen Drehzahlwert unter Verwenden eines impulsweitenmodulierten (PWM, Pulse Width Modulated) Signals umzuschalten.
Verfahren, das Folgendes umfasst: Erhalten von Positions- und Ausrichtungsdaten von einem Sensorsystem eines unbemannten Multirotorluftfahrzeugs (UAV); Erzeugen mehrerer Ableitungen aus den Positions- und Ausrichtungsdaten unter Verwenden eines Differentiators; Anwenden eines Entkopplungssteuerungsgesetzes zum näherungsweisen Entkoppeln von Translationsdynamiken voneinander in einem dreidimensionalen (3D) Raum; Berechnen von Fehlerwerten zwischen gewünschten Trajektorien und tatsächlichen Trajektorien in jeder Dimension des 3D-Raums unter Verwenden der mehreren Ableitungen und der entkoppelten Dynamiken; und Erzeugen von Steuersignalen zum Variieren von Drehzahlen mehrerer Schubelemente, um den berechneten Fehlerwerten in jeder Dimension des 3D-Raums entgegenzuwirken.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Positions- und Ausrichtungsdaten Nicken, Rollen und Gieren umfassen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die mehreren Ableitungen unter Verwenden eines Gleitmodusdifferentiators höherer Ordnung erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die gewünschten Trajektorien von einer Trajektorienplanungslogikkomponente erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 11, umfassend ein Erzeugen von Steuersignalen, um jedes der mehreren Schubelemente zwischen einem hohen Drehzahlwert und einem niedrigen Drehzahlwert unter Verwenden eines impulsweitenmodulierten (PWM, Pulse Width Modulated) Signals umzuschalten.
Nicht flüchtiges maschinenverwendbares Speichermedium, das Anweisungen ausdrückt, die, wenn sie durch eine Maschine ausgeführt werden, die Maschine zu Folgendem veranlassen: Erhalten von Positions- und Ausrichtungsdaten von einem Sensorsystem eines unbemannten Multirotorluftfahrzeugs (UAV); Erzeugen mehrerer Ableitungen aus den Positions- und Ausrichtungsdaten unter Verwenden eines Differentiators; Anwenden eines Entkopplungssteuerungsgesetzes zum näherungsweisen Entkoppeln von Translationsdynamiken voneinander in einem dreidimensionalen (3D) Raum; Berechnen von Fehlerwerten zwischen gewünschten Trajektorien und tatsächlichen Trajektorien in jeder Dimension des 3D-Raums unter Verwenden der mehreren Ableitungen und der entkoppelten Dynamiken; und Erzeugen von Steuersignalen zum Variieren von Drehzahlen mehrerer Schubelemente, um den berechneten Fehlerwerten in jeder Dimension des 3D-Raums entgegenzuwirken.
Maschinenverwendbares Speichermedium nach Anspruch 16, wobei die Positions- und Ausrichtungsdaten Nicken, Rollen und Gieren umfassen.
Maschinenverwendbares Speichermedium nach Anspruch 16, wobei die Anweisungen konfiguriert sind, die mehreren Ableitungen unter Verwenden eines Gleitmodusdifferentiators höherer Ordnung zu erzeugen.
Maschinenverwendbares Speichermedium nach Anspruch 16, wobei die Anweisungen konfiguriert sind, die gewünschten Trajektorien von einer Trajektorienplanungslogikkomponente zu erhalten.
Maschinenverwendbares Speichermedium nach Anspruch 16, wobei die Anweisungen konfiguriert sind, Steuersignale zu erzeugen, um jegliches der mehreren Schubelemente zwischen einem hohen Drehzahlwert und einem niedrigen Drehzahlwert unter Verwenden eines impulsweitenmodulierten (PWM, Pulse Width Modulated) Signals umzuschalten.
Einrichtung, die Folgendes umfasst: Sensormittel zum Messen einer Position und Ausrichtung eines unbemannten Multirotorluftfahrzeugs (UAV); und Flugsteuermittel, das mit dem Sensormittel gekoppelt ist, wobei das Flugsteuermittel für Folgendes konfiguriert ist: Erhalten von Positions- und Ausrichtungsdaten von dem Sensormittel; Erzeugen mehrerer Ableitungen aus den Positions- und Ausrichtungsdaten unter Verwenden eines Differentiators; Anwenden eines Entkopplungssteuerungsgesetzes zum näherungsweisen Entkoppeln von Translationsdynamiken voneinander in einem dreidimensionalen (3D) Raum; Berechnen von Fehlerwerten zwischen gewünschten Trajektorien und tatsächlichen Trajektorien in jeder Dimension des 3D-Raums unter Verwenden der mehreren Ableitungen und der entkoppelten Dynamiken; und Erzeugen von Steuersignalen zum Variieren von Drehzahlen mehrerer Schubelemente, um den berechneten Fehlerwerten in jeder Dimension des 3D-Raums entgegenzuwirken.
Einrichtung nach Anspruch 21, wobei die Positions- und Ausrichtungsdaten Nicken, Rollen und Gieren umfassen.
Einrichtung nach Anspruch 21, wobei die mehreren Ableitungen unter Verwenden eines Gleitmodusdifferentiators höherer Ordnung erzeugt werden.
Einrichtung nach Anspruch 21, wobei die gewünschten Trajektorien von einer Trajektorienplanungslogikkomponente erhalten werden.
Einrichtung nach Anspruch 21, die ferner konfiguriert ist, Steuersignale zu erzeugen, um jegliches der mehreren Schubelemente zwischen einem hohen Drehzahlwert und einem niedrigen Drehzahlwert unter Verwenden eines impulsweitenmodulierten (PWM, Pulse Width Modulated) Signals umzuschalten.