无人驾驶飞行系统和用于无人驾驶飞行系统的控制系统的制作方法

专利检索2022-05-10  11


无人驾驶飞行系统和用于无人驾驶飞行系统的控制系统
1.本技术是申请日为2019年11月5日、申请号为201911070318.6、名称为“无人驾驶飞行系统和用于无人驾驶飞行系统的控制系统”的发明专利申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术要求2019年1月23日提交的美国临时专利申请序列号62/795,942的优先权,所述申请公开的全部内容由此通过引用的方式并入。
技术领域
4.本公开总体上涉及无人驾驶飞行系统领域,更具体地说,本公开涉及一种无人驾驶飞行系统、尤其是一种双旋翼无人驾驶飞行系统以及用于无人驾驶飞行系统的控制系统。


背景技术:

5.传统的无人驾驶飞行系统(亦被称为“无人机”)基本上采用四、六或八的偶数个旋翼的形式,这是因为通常偶数旋翼的无人驾驶飞行系统的飞行控制算法和运动形式更为简单,通过调节每个旋翼的转速,实现无人驾驶飞行器升力的变化,从而控制无人驾驶飞行系统的姿态和位置。但由于采用多旋翼的形式,传统的无人驾驶飞行系统的尺寸相对大。此外,在无人驾驶飞行系统的总重量相同的情况下,结构相同但旋翼尺寸不同的无人驾驶飞行系统的效率也不同。具体而言,相对于尺寸较小的旋翼而言,为了实现相同的提升功率,尺寸较大的旋翼旋转得更慢并且需要更少的功率消耗,这对于提高效率及节省耗能是有利的。因此,与传统的多旋翼无人驾驶飞行系统相比,双旋翼无人驾驶飞行系统具有优越的飞行效率和更快速的动态响应。
6.另一方面,传统的无人驾驶飞行系统(例如四个旋翼无人驾驶飞行系统)通常通过调节每个旋翼的转速,实现无人驾驶飞行系统升力的变化,从而控制无人驾驶飞行系统的姿态和位置。然而,例如四个旋翼需要四台电机分别驱动其旋转,耗电量较大,在现今电池技术无法取得突破性进展的前提下,其续航时间始终无法得到延长。有鉴于此,相关技术人员研发了双旋翼驱动的无人驾驶飞行系统。然而,现有的双旋翼无人驾驶飞行系统结构复杂,装配十分麻烦。并且,现有的双旋翼无人驾驶飞行系统旋转的传动效率较低,无法有效的延长续航时间。


技术实现要素:

7.为了解决上述技术问题中的至少一个,本公开旨在提供一种无人驾驶飞行系统、尤其是双旋翼无人驾驶飞行系统,以克服现有的多旋翼无人驾驶飞行系统的缺点,例如续航时间短、旋翼组件结构复杂、装配麻烦、水平飞行速度慢等。在具有相同的电池容量和相同的无人驾驶飞行系统总重量的情况下,根据本公开的双旋翼无人驾驶飞行系统可以实现更快的水平飞行速度、更长的飞行时间、且旋翼组件结构简单、整体装配和维护更为容易,而且还能如同现有的多旋翼无人驾驶飞行系统一样地实现垂直起降。
8.为此,根据本公开的第一方面,提供了一种无人驾驶飞行系统,所述无人驾驶飞行系统包括:主体和连接到所述主体的提升机构,其中,所述提升机构包括:分别设置在所述主体的两侧的两个旋翼组件臂结构,其中,每个旋翼组件臂结构分别包括:臂、可枢转的旋翼组件、用于驱动所述旋翼组件绕枢转轴线枢转的电动机和用于安装所述电动机的电动机基座,其中,所述臂的一个端部可枢转地连接在主体的一侧上,在所述臂的另一端部上可枢转地设置有所述电动机基座,并且所述电动机基座的旋转轴线高于所述无人驾驶飞行系统的重心。由此,在所述无人驾驶飞行系统的飞行期间,所述旋翼组件臂结构能够提供克服无人驾驶飞行系统倾转的力矩,从而提高飞行稳定性。
9.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述电动机基座的旋转轴线与无人驾驶飞行系统的重心之间的高度差大于所述旋翼组件在飞行状态下的总长度的八分之一。
10.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述电动机基座的旋转轴线与无人驾驶飞行系统的重心之间的高度差小于所述旋翼组件在飞行状态下的总长度的四倍。
11.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述旋翼组件臂结构能够在臂展开位置和臂折叠位置之间移动,在所述臂展开位置中,所述两个旋翼组件臂结构的臂与所述主体的横向轴线之间成第一固定角度地位于主体两侧,其中,所述第一固定角度优选在0~55
°
的范围内,在所述臂折叠位置中,所述臂大致平行于所述主体的纵向轴线与所述主体的纵向轴线之间成第二固定角度地位于主体两侧,其中,所述第二固定角度优选在0~10
°
的范围中。
12.在根据本公开的第一方面中,优选地,在所述臂展开位置中,所述电动机基座的旋转轴线与主体的横向轴线之间成第三固定角度β,其中,所述第三固定角度β在0~25
°
的范围中。
13.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述电动机基座的旋转轴线与所述电动机的旋转轴线之间的角度在0~90
°
的范围中。
14.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述旋翼组件臂结构分别包括限位组件,用于在所述臂展开位置中,将所述旋翼组件臂结构的臂与所述主体的横向轴线之间成第一固定角度地保持在所述主体的侧上。
15.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述限位组件包括臂限位结构、限位块以及弹簧,其中,在所述臂展开位置中,所述弹簧对限位块加载,使得所述限位块能够与所述臂限位结构接合,以阻止所述旋翼组件臂结构的移动。
16.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述限位组件还包括限位解锁部件,所述限位解锁部件与所述限位块连接,并且所述限位解锁部件在被致动时克服所述弹簧的力而使所述限位块与所述臂限位结构解除接合。
17.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述臂通过弹性枢转轴与所述主体连接。
18.在根据本公开的第一方面中,优选地,在所述臂展开位置中,所述两个旋翼组件臂结构的臂呈基本v型的形式布置于所述主体两侧。
19.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述旋翼组件包括第一翼片、第二翼片以及用于连接所述第一翼片和所述第二翼片的翼片安装组件,其中,所述第一翼片和所述第二翼片分别安装在所述翼片安装组件的两端并且能够在翼片展开位置和翼片折叠位置之间枢转,在所述展开位置中,所述第一翼片和所述第二翼片分别沿不同的方向定向地安装在
翼片安装组件上,在所述翼片折叠位置中,所述第一翼片和所述第二翼片沿大致相同的方向定向地安装在翼片安装组件上,使得所述第一翼片和所述第二翼片至少部分重叠。
20.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述翼片安装组件包括彼此固定连接的安装件和安装座,所述第一翼片和所述第二翼片在靠近所述翼片安装组件的端部处分别设置有第一翼片安装孔和第二翼片安装孔,所述安装件包括用于穿过所述第一翼片安装孔的第一安装柱和用于穿过所述第二翼片安装孔的第二安装柱,使得所述第一和所述第二翼片可枢转地连接到翼片安装组件。
21.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述安装座通过螺纹连接固定到所述安装件。
22.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述安装件包括设有所述第一安装柱的第一端部段、设有所述第二安装柱的第二端部段、以及中间段,所述安装座包括容纳所述第一安装柱的第一容纳端部段、容纳所述第二安装柱的第二容纳端部段、以及容纳中间段,所述第一和第二端部段与中间段成角度且对称地设置在中间段两侧,并且所述第一和第二容纳端部段与容纳中间段成角度且对称地设置在容纳中间段两侧。
23.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述第一翼片和所述第二翼片的靠近所述翼片安装组件的端部构成为与翼片基准平面成一倾斜角度。
24.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述旋翼组件臂结构还包括旋转机构,所述电动机基座通过所述旋转机构连接到所述臂,所述旋转机构包括:设置在所述臂中的伺服电动机,用于驱动所述电动机基座相对于所述臂旋转,和齿轮传动机构,所述齿轮传动机构连接到所述臂的端部,并且所述齿轮传动机构至少包括:壳体、输入齿轮和输出齿轮,其中,所述输入齿轮与所述伺服电动机连接,所述输出齿轮通过一固定部与所述电动机基座固定连接。
25.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述齿轮传动机构还包括至少一个中间齿轮,所述中间齿轮固定在所述齿轮传动机构的壳体上并且连接在输入齿轮与输出齿轮之间进行传动。
26.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述旋翼组件臂结构包括容纳部,所述电动机的电源线在所述臂内沿所述旋转机构外侧延伸穿过该容纳部并连接到电源。
27.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述无人驾驶飞行系统是无人驾驶飞行器,并且无人驾驶飞行系统还包括:通信系统,用于从控制器发送和/或接收信息;处理系统,用于从所述通信系统接收操作指令,并且基于该操作指令控制无人驾驶飞行系统的部件;摄像系统,用于获得影像数据;电源,用于为无人驾驶飞行系统的有源部件供电。
28.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述无人驾驶飞行系统还包括光学系统,用于记录靠近无人驾驶飞行系统的物理空间的图像,其中,所述光学系统包括至少一个光学传感器。
29.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述无人驾驶飞行系统还包括障碍物检测和规避系统,其包括:同轴地配备在主体的中心顶部和中心底部的至少两个超广角镜头摄像机;连接到所述超广角镜头摄像机的存储器,用于存储摄像机的测量值;连接到所述超广角镜头摄像机的视觉处理器,用于实时或近实时地图像处理。
30.在根据本公开的第一方面中,优选地,所述障碍物检测和规避系统还包括:传感
器,用于采样指示系统操作的信号,所述传感器包括方向传感器、声学传感器、光学传感器、触摸传感器、位置传感器中至少一个或多个。
31.根据本公开的第二方面,提供一种用于无人驾驶飞行系统的控制系统,所述控制系统包括上述无人驾驶飞行系统以及系统控制器。
附图说明
32.图1是根据本公开一种优选实施例的、包括无人驾驶飞行系统和用于控制无人驾驶飞行系统的设备的系统示意图;
33.图2是根据本公开一种优选实施例的示例性无人驾驶飞行系统的正视图;
34.图3是根据本公开一种优选实施例的示例性光学系统的透视图;
35.图4是根据本公开一种优选实施例的无人驾驶飞行系统的框图;
36.图5是根据本公开一种优选实施例的无人驾驶飞行系统的控制框图;
37.图6是根据本公开一种优选实施例的包括障碍物检测和规避系统的无人驾驶飞行系统的框图;
38.图7是根据本公开一种优选实施例的、处于折叠状态的无人驾驶飞行系统的透视图;
39.图8是根据本公开一种优选实施例的、处于展开状态的无人驾驶飞行系统的正视图;
40.图9是根据本公开一种优选实施例的、处于展开状态的无人驾驶飞行系统的透视图;
41.图10是根据本公开一种优选实施例的、无人驾驶飞行系统的旋转机构的分解视图;
42.图11是根据本公开一种优选实施例的、图10的旋转机构的第一旋转机构的分解视图;
43.图12是根据本公开一种优选实施例的、图10的旋转机构的第二旋转机构的分解视图;
44.图13是根据本公开一种优选实施例的、图10的旋转机构的第三旋转机构的示意图;
45.图14是根据本公开一种优选实施例的、图13的第三旋转机构的分解视图;
46.图15a是根据本公开一种优选实施例的、无人驾驶飞行系统的旋翼组件的分解的透视图;
47.图15b是根据本公开一种优选实施例的、无人驾驶飞行系统的旋翼组件的分解的正视图;
48.图16是根据本公开一种优选实施例的、处于第一折叠状态的无人驾驶飞行系统的正视图;
49.图17是根据本公开一种优选实施例的、处于第二折叠状态的无人驾驶飞行系统的正视图;
50.图18是根据本公开一种优选实施例的、处于前飞位置中的无人驾驶飞行系统12的俯视图;
51.图19是根据本公开一种优选实施例的、处于后飞位置中的无人驾驶飞行系统12的俯视图;
52.图20a是根据本公开一种优选实施例的、处于悬停位置中的无人驾驶飞行系统212的示意性俯视图;
53.图20b是根据本公开一种优选实施例的、处于前飞位置中的无人驾驶飞行系统212的示意性透视图;
54.图20c是根据本公开一种优选实施例的、处于后飞位置中的无人驾驶飞行系统212的示意性透视图;
55.图20d是根据本公开一种优选实施例的、处于悬停位置中的无人驾驶飞行系统212的示意性正视图;
56.图20e是根据本公开一种优选实施例的、处于折叠状态中的无人驾驶飞行系统212的示意性透视图;
57.图20f是根据本公开一种优选实施例的、处于折叠状态中的无人驾驶飞行系统212的示意性正视图;
58.图20g是根据本公开一种优选实施例的、处于折叠状态中的无人驾驶飞行系统212的示意性俯视图;
59.图20h是根据本公开一种优选实施例的、处于展开状态中的无人驾驶飞行系统212的示意性透视图;
60.图20i是根据本公开一种优选实施例的、处于展开状态中的无人驾驶飞行系统212的示意性正视图;
61.图21是根据本公开一种优选实施例的限位组件的剖视图;
62.图22是根据本公开一种优选实施例的所述旋翼组件臂结构的一部分的剖视图。
具体实施方式
63.在本公开中,除非另有说明,否则使用术语“第一”、“第二”等来描述各种要素并不意图限定这些要素的位置关系、时序关系或重要性关系,这种术语只是用于将一个要素与另一要素区分开。在一些示例中,第一要素和第二要素可以指向该要素的同一示例,而在某些情况下,基于上下文的描述,它们也可以指代不同示例。
64.在本公开中对各种所述示例的描述中所使用的术语只是为了描述特定示例的目的,而并非旨在进行限制。除非上下文另外明确地表明,如果不特意限定要素的数量,则该要素可以是一个也可以是多个。此外,本公开中所使用的术语“和/或”涵盖所列出的项目中的任何一个以及全部可能的组合方式。
65.1.关于控制系统10
66.下面将参见图1描述根据本公开的一种优选实施例的用于操控无人驾驶飞行系统12的控制系统10,所述控制系统10包括无人驾驶飞行系统12和用于控制无人驾驶飞行系统12的设备(系统控制器14),如图1中示出的那样。
67.该控制系统10可以包括具有控制客户端16的系统控制器14,在一种优选的实施例中,该系统控制器14可以是远程的控制装置。系统控制器14可例如设置在诸如地面站、遥控器或者移动电话等设备中。控制客户端16提供允许用户18向无人驾驶飞行系统12发送指令
以控制其操作的用户界面。此外,如下文更深入讨论的那样,无人驾驶飞行系统12可包括一个或多个摄像机,用于获得可以发送到系统控制器14和/或存储在无人驾驶飞行系统12上的存储器中的照片和/或视频。根据本公开的一种优选的实施方式,系统控制器14还可以包括手持遥控装置8,该手持遥控装置8为无人驾驶飞行系统12和系统控制器14提供支持。手持遥控装置8可以进一步包括快速捕获和释放机构,用于分别在起飞和着陆操作期间可控捕获和释放无人驾驶飞行系统12。
68.系统控制器14可用于显示数据(例如控制客户端16所指示命令)、接收用户输入、基于该用户输入计算操作指令(例如控制客户端16所指示命令)、将操作指令发送到无人驾驶飞行系统12、存储控制客户端信息(例如,相关的无人驾驶飞行系统标识符、安全密钥、用户账号信息、用户偏好等)或执行任何其他合适的功能。
69.系统控制器14可以是用户装置(例如,智能手机、平板电脑、笔记本电脑、手表、可穿戴设备等)、联网服务器系统、远程服务器系统、或者是任何其他合适的远程计算系统。在此,远程计算系统用于接收和辅助用户输入并且还可以为此自动生成控制指令并将控制指令发送给(一个或多个)无人驾驶飞行系统12,且每个无人驾驶飞行系统12均可以由一个或多个远程计算系统控制。远程计算系统优选地通过控制客户端(例如,本机应用程序、浏览器应用程序等)控制无人驾驶飞行系统12,但是可以以其他方式控制无人驾驶飞行系统12。当所述系统控制器14构造为用户装置时,该用户装置可以包括电力存储装置(例如,电池)、处理系统(例如,cpu、gpu、存储器等)、用户输出装置(例如,显示器、扬声器、振动机构等)、用户输入装置(例如,键盘、触摸屏、麦克风等)、定位系统(例如,gps系统)、传感器(例如,光学传感器(例如光传感器和摄像机)、方向传感器(例如加速度计、陀螺仪和高度计)、音频传感器(诸如麦克风)等)、数据通信系统(例如,wi

fi模块、ble、蜂窝模块等)或任何其他合适的组件。
70.在优选的实施例中,系统控制器14包括一个或多个传感器,所述传感器检测或感测由用户18执行的操作或动作以控制无人驾驶飞行系统12的操作,而在某些条件下,例如,当无人驾驶飞行系统12距离用户18太远时则无需与系统控制器14进行物理交互。相应地,无人驾驶飞行系统12可以包括一个或多个传感器,用于检测或获取由用户18执行的操作或动作,以控制无人驾驶飞行系统12的操作(见下文)。
71.作为一种替代,在不与系统控制器14发生物理交互的情况下,也可仅仅在无人驾驶飞行系统12上机载实施从开始(释放和悬停)到完成动作(飞行和捕获)的整个控制环路以及控制无人驾驶飞行系统12的各运动和事件的触发,例如,拍摄照片和视频,而同时又不涉及系统控制器14。在这种情况下中,控制系统10可构造成在无系统控制器14的情况下实现用户18与无人驾驶飞行系统12的交互。在此,可以由用户通过用户表达来完成对无人驾驶飞行系统12的控制而不使用系统控制器14。用户表达可以包括但不限于由用户实施的任何动作,该动作不包括与系统控制器14的物理交互,但包括思考(通过脑波测量)、面部表情(包括眼睛运动)、手势和/或语音。在这样的实施例中,直接经由光学传感器36和至少一些其他传感器44接收用户指令并由机载处理系统22处理该用户指令以控制无人驾驶飞行系统12。
72.然而,在没有与系统控制器14发生物理交互的情况下,也可以使用系统控制器14的显示器来显示从无人驾驶飞行系统12中获取的图像和/或视频,所述图像和/或视频能够
辅助用户18控制无人驾驶飞行系统12。另外,与系统控制器14相关联的传感器36、44,例如摄像机(多个摄像机)和/或麦克风(未示出)可以将数据传送到无人驾驶飞行系统12,例如,当无人驾驶飞行系统12距离用户18太远时。从系统控制器14中继到无人驾驶飞行系统12的传感器数据的使用方式与使用来自机载传感器36、44的传感器数据以利用用户表达控制无人驾驶飞行系统12的方式相同。
73.以这种方式,可以在没有与系统控制器14发生物理交互、甚至是不使用系统控制器14的情况下从开始到结束完全控制无人驾驶飞行系统12,例如基于在各种机载传感器36、44处接收的用户指令控制无人驾驶飞行系统12。应当注意的是在下文的讨论中,机载传感器36、44的使用还可以包括在系统控制器14上使用对应或类似的传感器。通常,用户18可以利用某些手势和/或语音控制来控制飞行期间无人驾驶飞行系统12的起飞、着陆、运动以及其他特征,例如触发照片和/或视频捕获。
74.在图1中可见,所述系统控制器14可包括控制客户端16,用于从无人驾驶飞行系统12接收(诸如图像和/或视频的)数据并在系统控制器14上可视地显示出。控制客户端16还可以用于接收(例如由用户18发出的)操作指令并基于该操作指令辅助无人驾驶飞行系统12的远程控制。控制客户端16优选直接构造在系统控制器14上,但是可替代地控制客户端16也可构造在无人驾驶飞行系统12上或在任何其他适当系统上,在这种情况下,用户可以仅控制无人驾驶飞行系统12而不与系统控制器14直接或物理交互。控制客户端16可以是本机应用程序(例如,移动应用程序)、浏览器应用程序、操作系统应用程序或者是任何其他合适的构造。
75.系统控制器14还可包括以下装置中的一个或多个:输出装置、输入装置、通信系统、传感器、电源、处理系统(例如,cpu、存储器等)或任何其他合适的部件。输出装置可以包括:显示器(例如,led显示器、oled显示器、lcd等)、音频扬声器、灯(例如,led)、触觉输出装置(例如,可触像素系统、振动电动机等)或任何其他合适的输出装置。输入装置可以包括:触摸屏(例如,电容式、电阻式等)、鼠标、键盘、运动传感器、麦克风、生物识别输入装置、摄像机或任何其他合适的输入装置。通信系统可以包括无线连接件,例如无线电支持系统:远程系统(例如,wi

fi、蜂窝、wlan、wimax、微波、ir、射频等)、短程系统(例如,ble、ble远程、nfc、zigbee、rf、音频、光学等)或任何其他合适的通信系统。传感器可以包括:方向传感器(例如,加速度计、陀螺仪等)、环境光传感器、温度传感器、压力传感器、光学传感器、声学传感器或任何其他合适的传感器。在一个变型中,系统控制器14可以包括显示器(例如,包括覆盖显示器的触摸屏的触敏显示器)、一组无线电(例如,wi

fi、蜂窝、ble等)以及一组方向传感器。然而,系统控制器14可包括任何合适的一组部件。
76.无人驾驶飞行系统12(或称无人机)用于在物理空间内飞行、捕获图像或视频、近乎实时地将所获得的图像或视频传输到系统控制器14,并且基于从系统控制器14接收到的操作指令进行操作。(一个或多个)无人驾驶飞行系统12可选地与系统控制器14一起使用或者与任何其他合适的系统一起使用。在一种优选的实施方式中,无人驾驶飞行系统12是旋翼飞行器(例如,四轴飞行器、直升机、滚翼飞行器等),但是可替代无人驾驶飞行系统12固定翼飞行器、航空器或者是任何其他合适的无人驾驶飞行系统。无人驾驶飞行系统12可以包括主体20、提升机构40、电源38、传感器36、44、处理系统22、通信系统24、和/或包括任何其他合适的部件(下文将详细描述)。
77.在将视频传输到系统控制器14之前,无人驾驶飞行系统12可以附加地预处理所获得的图像、视频(例如,视频帧)和/或从机载音频传感器接收的音频、基于其自有操作指令生成并自动运行(例如,自动跟随对象)、或执行任何其他合适的功能。无人驾驶飞行系统12还可以用于使得光学传感器的视野在物理空间内移动。例如,无人驾驶飞行系统12可以控制宏运动(例如,大的fov变化,米调整量级)、微运动(例如,小的fov变化,毫米或厘米调整量级)或任何其他合适的运动。
78.基于机载处理来自机载传感器的传感器数据,无人驾驶飞行系统12可以来执行某些功能,包括但不限于:
79.﹣起飞和着陆;
80.﹣所有者识别;
81.﹣面部识别;
82.﹣语音识别;
83.﹣面部表情和手势识别;和,
84.﹣基于所有者、面部、表情和手势识别以及语音识别来控制(例如,运动)无人驾驶飞行系统。
85.下面,将进一步详细描述根据本公开的一种优选实施例的无人驾驶飞行系统12的机械系统、电学系统和控制方式。
86.2.关于无人驾驶飞行系统12的机械系统
87.在本公开中,所述无人驾驶飞行系统12优选是两侧彼此镜像的,并且在无人驾驶飞行系统的每一侧上具有相应的组件。当说明适用于两个组件时,单个附图标记可以用于指代左右(沿无人驾驶飞行系统的纵向轴线观察)组件两者。当说明特指左或者右组件时,特定的附图标记用来清楚地指代特定的左或者右组件。例如“旋翼组件42”可以用来说明左旋翼组件和右旋翼组件两者,而说明中所用的“旋翼组件42a”和“旋翼组件42b”分别特指左旋翼组件和右旋翼组件。
88.下面将参照图2、图7

图17描述根据本公开的一种优选实施例的无人驾驶飞行系统12的机械系统。如图2、图7

图9所示,无人驾驶飞行系统12(例如,双旋翼无人驾驶飞行系统)可包括主体20和提升机构40。
89.在该优选的实施方式中,无人驾驶飞行系统12的主体20用于支撑其它各部件且用于机械地保护和/或保持各部件。主体20可以是包括内腔的,或者主体20可以是平台、壳体或者具有任何合适的构造。主体20可以是封闭的、敞开的(例如,桁架)或者具有任何合适的结构。主体20可由金属、塑料(例如,聚合物)、碳复合材料或任何其他合适的材料制成。主体20可例如具有第一端20a(前端)和第二端20b(后端)。主体20可以限定纵向轴线、侧向轴线、横向轴线、前端、后端(例如,沿着纵向轴线与前端相对的端部)、顶部、底部(例如,沿着横向轴线与顶部相对的部分)或任何其他合适的参考。在一种优选的变型中,在无人驾驶飞行系统12的飞行中,主体20的横向轴线可以基本上平行于重力矢量(例如垂直于地平面),而主体的纵向和侧向轴线可以基本垂直于重力矢量(例如,平行于地面)。
90.优选地,主体20基本上容纳(例如封装)通信系统24、电源38和处理系统22,但是可以以其他方式构造。在此,电池形式的电源38被容纳于且构成主体20的一部分。在一个变型中,主体20还包括平行于旋翼旋转平面并沿主体20的第一和第二侧布置的第一和第二框
架。此时,所述框架可以用作各旋翼和保持机构(例如,诸如用户的手)之间的中间部件。框架可以沿着主体20的单侧(例如,沿着旋翼的底部或顶部)延伸,或沿着主体20的第一侧和第二侧(例如,沿着主体20的顶部和底部)延伸。所述框架可以静态或可致动地安装到主体20。
91.所述主体20的框架可包括一个或多个孔(例如,气流孔),所述孔用于将一个或多个旋翼流体连接到周围环境,这可使空气和/或其他适当流体在周围环境和旋翼之间流动(例如,使旋翼能够产生使无人驾驶飞行系统12在整个周围环境中移动的空气动力)。所述孔可以是细长的或者可以具有相对大的长度和宽度。孔可以基本相同或者可以彼此不同。优选地,孔的尺寸设计为小到足以防止保持机构的部件(例如,手指)穿过孔。优选地,旋翼附近的框架可构成为具有几何透明度(例如,开口面积与总面积的比率大),使得无人驾驶飞行系统能够飞行,更优选地实现高性能飞行机动操纵。例如,每个孔均可以小于阈值尺寸(例如,小于所有维度的阈值尺寸,细长狭缝比阈值尺寸窄但明显长于阈值尺寸等)。在一具体示例中,框架具有80%﹣90%的几何透明度,并且孔(例如,圆形、多边形,例如正六边形等)各自限定直径介于12mm﹣16mm之间的外接圆。但是可以以其他方式构造主体。
92.主体20(和/或任何其他合适的无人驾驶飞行系统12的部件)可以限定可由保持机构(例如,人手、无人驾驶飞行系统底座、爪等)保持的保持区域。所述保持区域优选地围绕旋翼中的一个或多个的一部分、尤其优选地完全围绕所有旋翼地构成,从而防止旋翼与保持机构或靠近无人驾驶飞行系统12的其他物体之间发生任何无意的相互作用。例如,保持区域在无人驾驶飞行系统平面(例如,侧平面、旋翼平面等)上的投影可以重叠(例如,部分地、完全地、大部分、至少90%等)旋翼中的一个或多个旋翼的扫掠区域(例如,旋翼的扫掠面积,旋翼组的总扫掠面积等)在同一无人驾驶飞行系统平面上的投影。
93.在该优选的实施方式中,无人驾驶飞行系统12的提升机构40用于实现无人驾驶飞行系统飞行。提升机构40优选地包括由电动机82驱动的可枢转的旋翼组件42,但是可替代地包括任何其他合适的推进机构。提升机构40优选地安装在主体20上并由处理系统22控制,但也可以替代地以其他方式安装在无人驾驶飞行系统12上和/或受控制。在一种优选的实施方式中,无人驾驶飞行系统12可包括多个提升机构40。在一个示例中,无人驾驶飞行系统12包括两个提升机构40,优选提升机构40围绕无人驾驶飞行系统12的周边基本等距分布。然而,可以用其它方式构造提升机构40。
94.无人驾驶飞行系统12的提升机构40用于提供升力,并且优选地包括由一个或多个电动机(例如两个电动机)分别或共同地驱动的一组旋翼组件臂结构。每个旋翼组件臂结构分别包括:臂72、可枢转的旋翼组件42、用于驱动所述旋翼组件42绕枢转轴线枢转的电动机82和用于安装所述电动机的电动机基座84,其中,臂72的一个端部可枢转地连接在主体20的一侧上,在臂72的另一端部上可枢转地设置有电动机基座84,并且所述电动机基座的旋转轴线高于所述无人驾驶飞行系统的重心g(参见图20d),由此,,在飞行期间,所述旋翼组件臂结构能够提供克服无人驾驶飞行系统倾转的力矩从而提高无人驾驶飞行系统的飞行稳定性。优选所述电动机基座的旋转轴线与无人驾驶飞行系统的重心的高度差h(参见图20d)大于所述旋翼组件42在飞行状态下的总长度l(参见图20d)的八分之一、优选大于所述旋翼组件42在飞行状态下的总长度l的四分之一、尤其优选大于所述旋翼组件42在飞行状态下的总长度l的二分之一,并且优选所述电动机基座的旋转轴线与无人驾驶飞行系统的
重心的高度差小于所述旋翼组件42在飞行状态下的总长度l的四倍、尤其小于所述旋翼组件42在飞行状态下的总长度l的两倍。作为一种示例,所述高度差h例如为所述旋翼组件42的总长度的三倍。作为另一种示例,所述高度差h例如等于所述旋翼组件42的总长度。在此所述“旋翼组件42在飞行状态下的总长度”可以例如是两个翼片80a、80b的长度之和。
95.在该优选的实施方式中,每个旋翼均优选地构造成围绕对应的旋翼轴线(即电动机轴线a
m
)旋转,限定垂直于其旋翼轴线的对应“旋翼平面”,并扫出其旋翼平面上的“扫掠区域”。电动机82优选地构造成为旋翼提供足够的动力以实现无人驾驶飞行系统飞行并且更优选地以两种或更多种运行方式,所述运行方式中的至少一种包括提供足够的飞行动力并且其中至少一种包括较之飞行所需提供更少的动力(例如,提供零功率,提供最小飞行功率的10%等)。由电动机提供的功率优选地影响旋翼围绕其旋翼轴旋转的角速度。在无人驾驶飞行系统飞行期间,该组旋翼优选地构造成协作地或单独地产生(例如,通过绕其旋翼轴旋转)基本上所有(例如,大于99%、大于95%、大于90%、大于75%)由无人驾驶飞行系统12产生的总空气动力(可能不包括由主体20产生的阻力,例如以高空速飞行期间)。可替代地或附加地,无人驾驶飞行系统12可以包括用于产生用于无人驾驶飞行系统飞行的力的任何其他合适的飞行部件,例如喷气发动机、火箭发动机、机翼、太阳帆和/或任何其他合适的力产生部件。在所示实施例中,无人驾驶飞行系统12的提升机构40包括两个旋翼组件42(见下文)。
96.在该优选的实施方式中,由图7至图9可见,所述旋翼组件臂结构能够在臂展开位置和臂折叠位置之间移动。在所述“臂展开位置”中,所述两个旋翼组件臂结构的臂72与主体20的横向轴线a
b
之间成第一固定角度α(参见图20a)地位于主体两侧,其中,所述第一固定角度α优选在0~55
°
、例如在10
°
~50
°
的范围内,尤其优选在25
°
~45
°
的范围内,应当理解的是所述角度α也可以是任何其它角度。在此,在该臂展开位置中,所述两个旋翼组件臂结构的臂72呈基本v型的形式布置于所述主体两侧。也可考虑当臂的形状被改变时,所述臂可呈其它形式、例如呈u型形式布置于所述主体两侧。在所述“臂折叠位置”中,所述臂72能够大致平行于所述主体的纵向轴线并且应尽可能地贴靠到所述主体上。此时,所述臂72与所述主体的纵向轴线as之间成第二固定角度γ(参见图7)地位于主体两侧,优选所述第二固定角度γ在0~10
°
的范围中,例如所述第二固定角度为小于5
°
。为了保持所述无人驾驶飞行系统在展开状态下的平衡性,在所述“臂展开位置”中,所述电动机基座的旋转轴线a
t
与主体的横向轴线a
b
之间成第三固定角度β,如图20a中所示出的那样。在此,所述主体的横向轴线a
b
与两个电动机基座的中心连线重合。在该优选的实施方式中,所述第三固定角度β在0~25
°
的范围中,例如所述第三固定角度β小于15
°
、尤其小于10
°
,这对于保持无人驾驶飞行系统在飞行状态下的稳定性是有利的。为了实现上述旋翼组件臂结构的可折叠性,所述臂72通过弹性枢转轴与所述主体连接。
97.在一种优选的实施方式中,两个旋翼组件臂结构还分别包括限位组件,用于在所述臂展开位置中,将所述旋翼组件臂结构的臂与所述主体的纵向轴线as之间成一固定角度地保持在所述主体的侧上。参见图21,所述限位组件包括限位孔凹部150、限位块155以及弹簧160。在此,所述弹簧160始终对限位块加载,当所述臂运动到该“臂展开位置”时,所述限位块155能够在弹簧160的弹簧力作用下与所述臂限位结构150接合。由此,臂72被锁定在该臂展开位置中。弹性枢转轴与限位组件提高了臂在臂展开位置中的扭力,更可靠的把臂固
定在展开状态。也可考虑任何其它形式的限位组件,以将各臂固定在臂展开位置中的。优选地,所述限位组件还包括限位解锁部件165,该限位解锁部件165与限位块155连接。当需要使所述臂离开该“臂展开位置”时,用户致动该限位解锁部件165(例如在图21中向左运动),由此所述限位块155克服弹簧160的力地向左运动,从而使限位块155与臂限位结构150解除接合,继续运动所述臂则可将各臂调节到“臂折叠位置”中。
98.参照图8和图9所示,在该优选的实施例中,每个旋翼组件42包括两个翼片,即第一翼片80a和第二翼片80b,并且每个旋翼组件42包括用于连接第一翼片80a和第二翼片80b的翼片安装组件。
99.在此,所述第一翼片80a和所述第二翼片80b分别安装在所述翼片安装组件的两端并且能够在翼片展开位置和翼片折叠位置之间枢转。在该翼片展开位置中,第一翼片80a和第二翼片80b分别沿不同的方向定向地安装在翼片安装组件上,在该翼片折叠位置中,第一翼片80a和第二翼片80b沿大致相同的方向定向地安装在翼片安装组件上,使得第一翼片80a和第二翼片80b至少部分重叠(参照图7)。在图7所示实施例中,第一翼片80a和第二翼片80b大致沿主体20的纵向轴线方向折叠在一起,以尽可能减小整个飞行系统折叠后的体积,提高便携性。
100.参见图10,在该优选的实施例中,每个提升机构40均包括相应的电动机82和电动机基座84。电动机82驱动相应的旋翼组件42a、42b围绕由电动机82的轴82a限定的电动机轴线a
m
旋转。通过旋翼组件42a、42b围绕旋翼轴线的受控旋转以及旋翼组件42a、42b相对于相应臂72的旋转可以实现无人驾驶飞行系统12的受控飞行。如下文进一步讨论的那样,由于通过旋翼组件42a、42b相对于相应臂72的旋转来实现对无人驾驶飞行系统12飞行的控制,因此主体(或机身)20通常不会倾斜。这使得无人驾驶飞行系统12在运动方向上的表面风阻最小化。
101.特别地参照图10,在所示实施例中,旋翼组件42a、42b相对于相应臂72的旋转由相应的旋转机构86执行,所述电动机基座84通过所述旋转机构连接到各臂72。由此,旋转机构86可控制地使电动机82相对于臂72旋转。每个旋转机构86均包括伺服电动机88以及齿轮传动机构90。伺服电动机88设置在所述臂中并且通过齿轮传动机构90与电动机基座84连接,用于驱动所述电动机基座84相对于所述臂72旋转。所述齿轮传动机构90连接到所述臂的端部(固定到臂72的连接端74上),并且所述齿轮传动机构至少包括:壳体92、输入齿轮98和输出齿轮102,其中,输入齿轮98与伺服电动机88连接,输出齿轮102通过一固定部94与电动机基座84固定连接。齿轮传动机构90还可包括轴承92和固定部分94。在空间允许的情况下,也可考虑可以使用转向齿轮来代替齿轮传动机构90。由图可见,旋转机构86的至少一部分、例如伺服电动机88可被容纳在臂72的内腔中。在另一替代的实施例中,一个或多个伺服电动机(多个伺服电动机)直接耦合到并且驱动旋翼组件42a、42b并与旋翼组件42a、42b同轴,在该情况下可省去齿轮传动机构90。
102.图11至图13分别示出了齿轮传动机构的三种实施方式。
103.在图11所示的齿轮传动机构90的第一实施例中,齿轮传动机构90包括由齿轮传动机构主体96a和齿轮传动机构盖96b形成的齿轮传动机构壳体96。齿轮传动机构壳体96容纳第一齿轮98(输入齿轮)、第二齿轮100(中间齿轮)和第三齿轮102(输出齿轮)。第一齿轮98连接伺服电动机88的输出轴。第二齿轮100通过定位结构固定在齿轮传动机构壳体96内,所
述定位结构位于齿轮传动机构侧面的定位结构上并且与其相连。定位结构位于齿轮传动机构壳体96的内表面上的。在替代实施例中,齿轮传动机构90可在相应的定位结构上包括两个、三个或更多个第二齿轮。第三齿轮102通过轴承92连接到电动机基座84。通过固定部分94连接电动机基座84和第三齿轮102的输出轴。
104.在图12中示出齿轮传动机构90’的第二实施例。在此,输入齿轮106a同时驱动两个中间齿轮106b、106c。这两个中间齿轮106b、106c固定在所述齿轮传动机构的壳体92上并且连接在输入齿轮与输出齿轮之间进行传动,具体地,在传动中沿相反方向旋转并且驱动输出齿轮106d。
105.图13和图14示出了齿轮传动机构90”的第三实施例。齿轮传动机构90”包括输入齿轮108a和转向齿轮108b。输入齿轮108a连接到伺服电动机88并由其驱动。连接轴110的第一端110a连接到转向齿轮108b。连接轴110的第二端110b连接到电动机基座84。在该实施例中,省去了中间齿轮,而仅需使用两个齿轮实现传动。
106.此外,由图22可见,所述旋翼组件臂结构包括容纳部87,电动机82的电源线83能够在臂72内沿旋转机构86外侧延伸穿过该容纳部87而连接到电源,避免线缆裸露到臂外部,使得系统外观更加美观且更加安全,同时防止电源线83与齿轮传动机构互相干涉。
107.图15a和图15b示出了所述旋翼组件42的具体结构。在该优选的实施例中,所述翼片安装组件包括彼此固定连接的安装件112和安装座114。在此,所述第一翼片80a和所述第二翼片80b在靠近所述翼片安装组件的端部处分别设置有翼片安装孔118(即第一翼片安装孔和第二翼片安装孔)。在所述安装件112的底部设置有用于穿过所述第一翼片安装孔的第一安装柱和用于穿过所述第二翼片安装孔的第二安装柱,使得所述第一和所述第二翼片可枢转地连接到翼片安装组件。所述安装座114可例如通过螺纹连接固定到所述安装件112上,也可考虑其它任何连接方式,使得安装座114与安装件112固定连接并且不影响所述翼片的枢转。由此翼片80a、80b保持就位但是可以围绕相应的柱旋转。
108.翼片80a、80b的根部或端部保持与安装件112和安装座114的安装表面平行。机翼的安装表面相对于水平面成预定角度。在该优选的实施中,所述安装件112包括设有所述第一安装柱的第一端部段、设有所述第二安装柱的第二端部段、以及中间段。相应地,所述安装座114包括容纳所述第一安装柱的第一容纳端部段、容纳所述第二安装柱的第二容纳端部段、以及容纳中间段。所述第一和第二端部段与中间段成角度c(例如0~180
°
范围中的任意的角度、优选90
°
~180
°
范围中的任意的角度)且对称地(也可考虑非对称地)设置在中间段两侧,并且所述第一和第二容纳端部段与容纳中间段成角度且对称地设置在容纳中间段两侧。并且相应地,所述第一翼片80a和所述第二翼片80b的靠近所述翼片安装组件的端部构成为与翼片基准平面成一倾斜角度d,其中,所述角度d可以是例如0~180
°
范围中的任意的角度、优选90
°
~180
°
范围中的任意的角度。在此,通过所述角度c和角度d的配合,所述在所述第一翼片80a和所述第二翼片80b在它们的“翼片折叠位置”中能尽可能地沿相同的方向定向,即使得所述第一翼片80a和所述第二翼片80b尽可能重叠地被收起。例如,角度c和角度d可以相等且均为135
°
。当翼片80a、80b旋转90
°
或更大时,整个翼片80a、80b低于翼片80a、80b的安装表面,并且折叠时翼片靠近臂72(如图17和图18所示)。这对于无人驾驶飞行系统12的整体空间节省是有利的,尽可能减小了在无人驾驶飞行系统12不被使用时的收纳体积。
109.在该优选的实施方式中,在飞行期间,电动机82的旋转驱动相应的旋翼组件42。在离心力的作用下,折叠的翼片80a、80b能够自动地展开。可以操作无人驾驶飞行系统12以通过提升动力竖直地上升。伺服电动机88和齿轮传动机构90驱动或旋转相应的电动机基座84,以实现旋翼平面的倾斜。当两个旋翼组件42向机身20的前方倾斜时,无人驾驶飞行系统12将俯仰以实现向前飞行。类似地,当两个旋翼组件42向主体20的后方倾斜时,无人驾驶飞行系统12可以实现向后飞行。当两个旋翼组件42中的一个向前倾斜而另一个向后倾斜时,无人驾驶飞行系统12沿着偏航方向旋转。当两个旋翼组件42保持与地平面平行时,无人驾驶飞行系统将悬停。通过在两个旋翼组件之间产生提升和旋转速度差的差异,无人驾驶飞行系统12可以翻滚。当电动机基座的安装平面平行于地平面时,转向齿轮处于零位置,并且电动机基座可以在
±
90
°
的范围内,例如50
°
旋转。
110.当无人驾驶飞行系统处于向前飞行状态时,两个旋翼组件42以期望的角度a(通常大于180
°
)朝向机身的前部倾斜,如图18所示。类似地如图19所示,在向后飞行状态下,两个旋翼组件42朝向机身后部倾斜。因此,两个旋翼成所需的角度b(通常大于180
°
)。角度a和角度b可以相同或不同。
111.可以将无人驾驶飞行系统12置于紧凑的存储状态,如图16和17所示。首先,如图16所示,旋翼结构70a、70b可绕相应的铰链机构78旋转,以使相应的臂72靠近主体20。然后,包括电动机82和电动机基座84的旋翼组件42可围绕相应的臂72旋转至向下位置,如图17所示。在给定的实施例或设计中,旋翼结构可以放置在向上和/或向下的位置。换句话说,给定的实施例或设计可以允许旋翼结构70a、70b仅被放置在向上位置,仅向下位置,或向上和向下折叠位置。
112.根据本公开的一种优选实施例,无人驾驶飞行系统12还可以包括致动机构28(未示出),用于将光学系统26(下文将借助图3和图4详细描述)可操作地安装到主体20。致动机构28还可以附加地用于阻尼光学传感器振动(例如,机械稳定所得图像),适应无人驾驶飞行系统翻滚,或执行任何其他合适的功能。致动机构28可以是有源(例如,由处理系统控制)、无源(例如,由一组重物、弹簧元件、磁性元件等控制)或以其他方式控制。致动机构28可使光学系统26相对于主体20绕一根或多根轴旋转,使光学系统26相对于主体沿一根或多根轴平移或以其他方式致动光学系统26。光学传感器(多个光学传感器)36可以沿着第一端顺着光学传感器背面(例如,与有源表面相对)通过光学传感器主体或沿着光学传感器36的任何其他合适部分安装到支撑件。
113.在一个变型中,致动机构28可包括连接到单个枢转支撑件(例如,万向节)的电动机(未示出),其中电动机使得支撑件基于从控制器接收到的指令而围绕旋转(或万向节)轴线枢转。支撑件优选地布置成使得旋转轴线基本上平行于主体20的侧向轴线,但是可替代地布置成使旋转轴线相对于主体20成任何其他合适的取向。支撑件优选地布置在由主体20限定的凹腔内,其中该凹腔还包括光学传感器36,但光学传感器36也可以沿主体外部布置或布置在主体20的任何其它合适的部分处。光学传感器36优选地安装在支撑件上,其中,有源表面基本平行于旋转轴线(例如,侧向轴线,或平行于主体20的侧向轴线的轴线,基本上平行于旋转轴线),但是可替代地布置成使得有源表面布置成与旋转轴线成任何合适的角度。所示电机优选地是电动机,但也可以替代地是任何其他合适的电机。可以使用的电动机的示例包括:dc电动机(例如,有刷电动机)、ec电动机(例如,无刷电动机)、感应电动机、同
步电动机、磁电动机或任何其他可电动电动机。该电动机优选地安装到主体20(例如,主体内部),电连接到处理系统22并由处理系统22控制,并且电连接到电源38或系统并且由电源38或系统供电。然而,可以以其他方式连接电动机。致动机构28优选地包括单个电动机支撑件组,但是可替代地包括多个电动机支撑件组,其中辅助电动机支撑件组可以布置成与第一电动机支撑件组正交(或相对于第一电动机支撑件组成任何其他合适的角度)。
114.在第二变型中,致动机构28可包括一组枢转支撑件和连接到光学传感器36的重物,该重物偏离光学传感器重心,其中致动机构28可被动地稳定光学传感器36。
115.3.关于无人驾驶飞行系统12的电学系统
116.下面将参照图3

图6描述根据本公开的一种优选实施例的无人驾驶飞行系统12的电学系统。如图3

图6所示,无人驾驶飞行系统12(例如,无人驾驶飞行系统)可包括处理系统22、通信系统24、光学系统26(包括传感器36、44)、电源38、和障碍物检测和规避单元50等。无人驾驶飞行系统12可以附加地或替代地包括提升机构、传感器、动力系统或任何其他合适的部件(见下文)。
117.无人驾驶飞行系统12的处理系统22用于控制无人驾驶飞行系统操作。处理系统22可以:从通信系统24接收操作指令,将操作指令解释为机器指令,以及基于该机器指令(单独地或作为一组)控制无人驾驶飞行系统部件。处理系统22可以附加地或替代地处理由摄像机记录的图像,将图像传输到系统控制器14(例如,实时或接近实时),或执行任何其他合适的功能。处理系统22可以包括以下中的一个或多个:处理器32(例如,cpu、gpu等)、存储器(例如,闪存、随机存取存储器等)或任何其他合适的处理部件。在一个变型中,处理系统22还可以包括专用硬件,所述专用硬件在传输到系统控制器14之前自动处理图像(例如,使图像去扭曲、过滤图像、裁剪图像等)。处理系统22优选地连接到无人驾驶飞行系统12的有源部件并且安装到主体20,但是替代地可以利用其它方式与无人驾驶飞行系统部件相关联。
118.处理系统22可以执行该方法;在飞行期间稳定无人驾驶飞行系统12(例如,选择性地操作旋翼以使飞行中的无人驾驶飞行系统摆动最小化);基于遥控指令接收、解释和操作无人驾驶飞行系统12;或用其它方式控制无人驾驶飞行系统的操作。处理系统22优选地被构造成接收和解释由传感器36、44采样的测量值,更优选地解释通过组合由不同传感器采样的测量值(例如,组合摄像机和加速度计数据)。无人驾驶飞行系统12可以包括一个或多个处理系统,其中不同的处理器可以执行相同的功能(例如,用作多核系统),或者执行专用功能。处理系统22优选地安装在主体20上,但也可以替代地安装在任何其他合适的部件上。处理系统22优选地由电源38供电,但是可以以其他方式供电。处理系统22优选地连接到传感器36、44、通信系统24和提升机构40并控制传感器36、44、通信系统24和提升机构40,但是可以附加地或替代地连接到任何其他合适的部件并与之交互。
119.无人驾驶飞行系统12的通信系统24用于从系统控制器14发送和/或接收信息和/或用于与一个或多个远程计算系统通信。通信系统24优选地连接到处理系统22,使得通信系统24将数据发送到处理系统22和/或从处理系统22接收数据,但也可以替代地连接到任何其他合适的部件。无人驾驶飞行系统12可包括一种或多种类型的一个或多个通信系统24。通信系统24可以包括无线连接装置,例如无线电支持系统:远程系统(例如,wi

fi、蜂窝、wlan、wimax、微波、ir、射频等)、短程系统(例如,ble、ble远程、nfc、zigbee、rf、音频、光学等)或任何其他合适的通信系统24。通信系统24优选地与系统控制器14共享至少一个系
统协议(例如,ble、rf等),但是可以替代地通过中间通信系统(例如,协议转换系统)与系统控制器14通信。通信系统24的示例包括802.11x、wi

fi、wi

max、nfc、rfid、蓝牙、蓝牙低功耗、zigbee、蜂窝电信(例如,2g、3g、4g、lte等)、无线电(rf)、有线连接(例如usb)或任何其他合适的通信系统24或其组合。通信系统24优选地由电源38供电,但是可以以其他方式供电。通信系统24优选地连接到处理系统22,但是可以附加地或替代地连接到任何其他合适的组件并与之交互。然而,可以以其他方式构造通信系统24。
120.无人驾驶飞行系统12的光学系统26用于记录靠近无人驾驶飞行系统12的物理空间的图像。光学系统26优选地通过致动机构28安装到主体20上,但也可以替代地静态安装到主体20,光学系统26可拆卸地安装到主体20上,或以其他方式安装到主体20上。光学系统26优选地安装到主体20的前端,但是可以可选地安装到主体20的底部(例如,靠近前部)、顶部、后端或主体20的任何其它适当的部分。光学系统26优选地连接到处理系统22,但也可以替代地连接到通信系统24或任何其他合适的系统。光学系统26还可以包括专用图像处理硬件,所述专用图像处理硬件在传输到处理器或其他端点之前自动处理由摄像机记录的图像。无人驾驶飞行系统12可包括相同或不同类型的一个或多个光学系统26,所述光学系统26安装在相同或不同的位置。在一个变型中,无人驾驶飞行系统12包括安装到主体20的前端的第一光学系统26以及安装到主体20的底部的第二光学系统26。第一光学系统26可以围绕枢转支撑件致动,并且可以相对于主体20基本上静态地保持第二光学系统26,其中相应的有源表面基本上平行于主体底部。第一光学传感器36可以具备高清晰度,而第二光学传感器36可以具备低清晰度。然而,可以用其它方式构造光学系统26。
121.光学系统26可包括一个或多个光学传感器36(见图5)。一个或多个光学传感器36可包括:单镜头摄像机(例如,ccd摄像机、cmos摄像机等)、立体摄像机、高光谱摄像机、多光谱摄像机或任何其他合适的图像传感器。然而,光学系统26可以是任何其他合适的光学系统26。光学系统26可以限定接收光的一个或多个有效表面,但是可以替代地包括任何其他合适的部件。例如,摄像机的有效表面可以是摄像机传感器的有效表面,所述有效表面优选地包括传感器像素的规则阵列。摄像机传感器或其他有效表面优选地基本上是平面和矩形(例如,具有第一传感器边缘、与第一传感器边缘相对的第二传感器边缘以及第三和第四传感器边缘,所述第三边缘和所述第四传感器边缘垂直于第一传感器边缘,并且所述第三和第四传感器边缘从第一传感器边缘延伸到第二传感器边缘),但也可以具有任何合适的形状和/或形貌。光学传感器36可以产生图像帧。图像帧优选地对应于有效表面的形状(例如,矩形,其具有彼此相对的第一和第二帧边缘等),所述图像帧更优选地限定像素位置的规则阵列,每个像素位置均对应于有效表面的传感器像素和/或由光学传感器36采样的图像的像素,但也可以具有任何合适的形状。图像帧优选地限定由光学传感器36采样的图像的各方面(例如,图像尺寸、分辨率、像素尺寸和/或形状等)。光学传感器36可以可选地包括变焦镜头、数字变焦、鱼眼镜头、滤光器或任何其他合适的主动或被动光学调节。光学调节的应用可以由控制器主动控制,由用户18手动控制(例如,其中用户手动设置调节),由系统控制器14控制或以其他方式控制。在一个变型中,光学系统26可以包括封闭光学系统部件的其余部分的壳体,其中壳体安装到主体20。然而,光学系统26可以以其他方式构造而成。
122.在光学系统26中,至少一个光学传感器36被构造成用于实时视频流和计算机视觉分析。可选地,无人驾驶飞行系统12可以具有至少一个深度传感器(或立体视觉对),用于多
像素深度感测。可选地,无人驾驶飞行系统12可以具有至少一个机载麦克风,用于语音识别和控制。
123.通常,为了提供对无人驾驶飞行系统12的完全控制,提供了从空中会话开始到结束的多个用户/无人驾驶飞行系统交互或活动。用户/无人驾驶飞行系统交互包括但不限于起飞和着陆、所有者识别手势识别、面部表情识别和语音控制。
124.光学系统26的传感器36、44用于获取指示无人驾驶飞行系统周围环境和/或无人驾驶飞行系统操作的信号、无人驾驶飞行系统12周围的周围环境(例如,无人驾驶飞行系统12附近的物理空间)的信号或任何其他合适的参数。传感器36、44优选地安装在主体20上并由处理系统22控制,但也可以替代地安装在任何其他合适的部件上和/或以其他方式控制。传感器36、44优选地由电源38供电并由处理器控制,但是可以连接到任何其他合适的部件并与之交互。传感器36、44可包括以下中的一个或多个:摄像机(例如,ccd、cmos、多光谱、视觉范围、高光谱、立体感等)、方向传感器(例如,惯性测量传感器、加速度计、陀螺仪、高度计、磁力计等)、音频传感器(例如,换能器、麦克风等)、气压计、光传感器、温度传感器、电流传感器(例如,霍尔效应传感器)、空气流量计、电压表、触摸传感器(例如,电阻、电容等)、近距离传感器、力传感器(例如,应变仪、称重传感器)、振动传感器、化学传感器、声纳传感器、位置传感器(例如,gps、gnss、三角测量等)或任何其他合适的传感器。在一个变型中,无人驾驶飞行系统12包括:沿着无人驾驶飞行系统主体的第一端安装(例如,静态地或可旋转地)的第一摄像机,其具有与主体的侧向平面相交的视野;第二摄像机,其沿着无人驾驶飞行系统主体的底部安装,其视野基本上与侧向平面平行;以及一组方向传感器,例如高度计和加速度计。无人驾驶飞行系统12可包括一个或多个传感器36、44或任何合适数量的任何传感器类型。
125.无人驾驶飞行系统12的电源38用于为无人驾驶飞行系统12的有源部件(例如,提升机构的电动机等)供电。电源38优选地安装到主体20,并且电连接到无人驾驶飞行系统12的所有有源部件(例如,直接或间接),但可以用其它方式布置。电源38可以是一次电池、二次电池(例如,可充电电池)、燃料电池、能量采集器(例如,太阳能、风能等)或者是任何其他合适的电源。可以使用的二次电池的示例包括:锂化学(例如,锂离子、锂离子聚合物等)、镍化学(例如,镍镉(nicad)、镍氢(nimh)等)或具有任何其他合适化学性质的电池。电源38可以安装到主体20并连接到有源部件,或者以其他方式布置。电源38可以是可充电电池、二次电池、一次电池、燃料电池或者是任何其他合适的电源。
126.参照图6,在本公开的一个优选实施例中,无人驾驶飞行系统12可以包括障碍物检测和规避单元50。在一个实施例中,障碍物检测和规避系统50包括一对超广角镜头摄像机52a、52b,这对摄影机52a、52b可例如同轴地配备在机身的中心顶部和中心底部,使得能够机载、实时或近实时处理摄像机记录的图像。这允许机器人使用由摄像机记录的图像进行导航。
127.一对摄像机52a、52a通常安装或静态地固定到主体20的壳体。存储器54和视觉处理器56连接到该对摄像机52a、52b。该系统用于对被监视区域的图像进行采样,以进行实时或近实时图像处理,例如深度分析。所述系统可以附加地或替代地生成3d视频,生成被监视区域的地图或执行任何其他合适的功能。
128.壳体用于将一对摄像机52a、52b保持在预定构造中。该系统优选地包括单个壳体,
所述单个壳体保持一对摄像机52a、52b,但是该系统可替代地包括多个壳体零件或任何其他合适数量的壳体零件。
129.该对摄像机52a、52b可以用于对无人驾驶飞行系统12周围的周围环境的信号进行采样。该对摄像机52a、52b布置成使每个摄像机的相应视锥与另一个摄像机的视锥重叠(见下文)。
130.每个摄像机52a、52b均可以是ccd摄像机、cmos摄像机或任何其他合适类型的摄像机。摄像机可以在可见光谱、ir光谱或任何其他合适的光谱中敏感。摄像机可以是高光谱、多光谱或捕获任何合适的带子集。摄像机可以具有固定焦距、可调焦距或任何其他合适的焦距。然而摄像机可以具有任何其他合适的参数值集。多个摄像机可以相同或不同。
131.每个摄像机52a、52b优选地与相对于参考点(例如,在壳体上,多个中摄像机中的摄像机,在主机器人上等)的已知位置相关联,但是可以与估计、计算或未知位置相关联。一对摄像机52a、52b优选地静态地安装到壳体(例如,壳体中的通孔),但是可替代地可以可致动地安装到壳体(例如,通过接头)。摄像机可以安装在壳体面、边缘、顶点或任何其他合适的壳体特征上。摄像机可以相对于壳体特征对准、对中或以其他方式布置。摄像机可以布置成具有垂直于壳体半径或表面切线的有效表面、平行于壳体面的有效表面或者以其他方式布置。相邻的摄像机有效表面可以彼此平行、彼此成非零角度、位于同一平面上、相对于参考平面成角度或以其他方式布置。相邻的摄像机优选地具有6.35cm的基线(例如,摄像机间或轴向距离,相应镜头之间的距离等),但是可以进一步分开或靠近在一起。
132.摄像机52a、52b可以连接到相同的视觉处理系统和存储器,但是可以连接到不同的视觉处理系统和/或存储器。优选地,摄像机在相同的时钟上采样,但是可以连接到不同的时钟(例如,其中时钟可以同步或以其他方式相关)。摄像机优选地由相同的处理系统控制,但是可以由不同的处理系统控制。摄像机优选地由相同的电源(例如,可充电电池、太阳能电池板阵列等;主机器人电源、单独的电源等)供电,但是可以由不同的电源供电或以其他方式供电。
133.障碍物检测和规避系统50还可以包括发射器58,所述发射器58用于照射由摄像机52a、52b监视的物理区域。障碍物检测和规避系统50可以包括用于摄像机52a、52b中的一个或多个的一个发射器58、用于摄像机52a、52b中的一个或多个的多个发射器58或者任何其他合适构造中的多个发射器58或任何合适数量的发射器58。发射器(多个发射器)58可以发射调制光、结构光(例如,具有已知图案)、准直光、漫射光或具有任何其他合适属性的光。发射的光可包括可见光范围、uv范围、ir范围或任何其他合适范围内的波长。发射器位置(例如,相对于给定摄像机)优选地是已知的,但是可替代地可以估计、计算或以其他方式确定。
134.在第二变型中,障碍物检测和规避系统50作为非接触式主动3d扫描仪操作。非接触式系统是飞行时间传感器,其包括摄像机和发射器,其中摄像机记录(由发射器发射的信号)从被监视区域中的障碍物反射并基于该反射信号确定系统50与障碍物之间的距离。摄像机和发射器优选地安装在彼此相距预定距离内(例如,几毫米),但是可以以其他方式安装。发射的光可以是漫射光、结构化光、调制光或具有任何其他合适的参数。在第二变型中,非接触系统是三角测量系统,所述三角测量系统还包括摄像机和发射器。发射器优选地安装在摄像机的阈值距离之外(例如,超过摄像机若干毫米)并且以与摄像机有效表面不平行的角度(例如,安装到壳体的顶点)定向,但是可以用其它方式安装。发射的光可以被准直、
调制或具有任何其他合适的参数。然而,系统50可以限定任何其他合适的非接触式有源系统。然而,这对摄像机可以形成任何其他合适的光学测距系统。
135.障碍物检测和规避系统50的存储器54用于存储摄像机测量值。存储器还可以附加地用于存储设置;地图(例如,校准地图、像素地图);摄像机位置或指数;发射器位置或指数;或任何其他合适的信息组。该系统可以包括一个或多个存储器。存储器优选地是非易失性的(例如,闪存、ssd、emmc等),但也可以替代地是易失性的(例如ram)。在一个变型中,摄像机52a、52b写入相同的缓冲器,其中每个摄像机均被分配缓冲器的不同部分。在第二变型中,摄像机52a、52b写入相同或不同存储器中的不同缓冲器。然而,摄像机52a、52b可以写入任何其他合适的存储器。存储器54优选地可由系统的所有处理系统(例如,视觉处理器、应用处理器)访问,但是可替代地可由处理系统的子集(例如,单个视觉处理器等)访问。
136.障碍物检测和规避系统50的视觉处理系统56用于确定物理点与系统相距的距离。视觉处理系统优选地从像素子集确定每个像素的像素深度,但是可以附加地或替代地确定对象深度或确定物理点或其集合(例如,对象)的任何其他合适的参数。视觉处理系统56优选地处理来自摄像机52a、52b的传感器流。视觉处理系统56可以以预定频率(例如,30fps)处理每个传感器流,但是可以以可变频率或以任何其他合适的频率处理传感器流。可以从应用处理系统60接收预定频率,从存储器检索,基于摄像机得分或分类(例如,正面、侧面、背面等)自动确定,基于可用计算资源(例如,可用磁芯、剩余电池电量等)或以其他方式确定。在一个变型中,视觉处理系统56以相同的频率处理多个传感器流。在第二变型中,视觉处理系统56处理不同频率的多个传感器流,其中基于分配给每个传感器流(和/或源摄像机)的分类来确定频率,其中基于源摄像机相对于主机器人行进矢量的方向分配分类。
137.障碍物检测和规避系统50的应用处理系统60。应用处理系统60可以包括一个或多个应用处理器。应用处理器可以是cpu、gpu、微处理器或任何其他合适的处理系统。应用处理系统60可以附加地或替代地使用传感器流执行对象检测、分类、跟踪(例如,光流)或任何其他合适处理。应用处理系统可以附加地或替代地基于传感器流生成控制指令(例如,基于视觉处理器输出)。例如,可以使用传感器流来执行导航(例如,使用slam、rrt等)或视觉测距过程,其中基于导航输出控制系统和/或主机器人。应用处理系统60可以附加地或替代地接收控制命令并基于该命令操作无人驾驶飞行系统12和/或主机器人。应用处理系统60可以附加地或替代地接收外部传感器信息并基于该命令选择性地操作系统和/或主机器人。应用处理系统60可以附加地或替代地基于传感器测量(例如,使用传感器融合)确定机器人系统运动学(例如,位置、方向、速度和加速度)。在一个示例中,应用处理系统60可以使用来自加速计和陀螺仪的测量值来确定系统和/或主机器人的遍历矢量(例如,系统行进方向)。应用处理系统60可选地基于机器人系统运动学自动生成控制指令。例如,应用处理系统60可以基于来自摄像机52a、52b的图像确定系统的位置(在物理体积中),其中相对位置(来自方向传感器)和实际位置以及速度(由图像确定)可以馈送给飞行控制模块。在该示例中,来自面向下的摄像机子集的图像可以用于确定系统转换(例如,使用光流),其中系统转换可以进一步馈送到飞行控制模块中。在特定示例中,飞行控制模块可以合成这些信号以维持机器人位置(例如,悬停无人驾驶飞行系统)。应用处理系统60可以实现为视觉处理系统56的一部分或与视觉处理系统56分开,或者与视觉处理系统56不同。应用处理系统60可以通过一个或多个接口网桥连接到视觉处理系统56。接口网桥可以是高吞吐量和/或带宽连接,
并且可以使用mipi协议(例如,2输入到1输出摄像机聚合器桥﹣扩展可以连接到视觉处理器的摄像机的数量)、lvds协议、displayport协议、hdmi协议或任何其他合适的协议。可替代地或附加地,接口网桥可以是低吞吐量和/或带宽连接,并且可以使用spi协议、uart协议、i2c协议、sdio协议或任何其他合适的协议。
138.障碍物检测和规避系统50可以可选地包括图像信号处理单元(isp)62,所述图像信号处理单元(isp)62用于在传递到视觉处理系统和/或应用处理系统之前预处理摄像机信号(例如,图像)。isp62可以处理来自所有摄像机的信号,来自摄像机子集的信号,或者来自任何其他合适源的信号。isp62可以自动白平衡,校正场阴影,纠正镜头失真(例如,去扭曲),裁剪,选择像素子集,应用拜耳变换,去马赛克,应用降噪,锐化图像或以其他方式处理摄像机信号。例如,isp62可以从各个流的图像中选择与两个摄像机之间的重叠物理区域相关联的像素(例如,裁剪每个图像以仅包括与立体摄像机对中的摄像机之间共享的重叠区域相关联的像素)。isp62可以是具有多核处理器架构的片上系统、asic,具有arm架构,作为视觉处理系统的一部分,作为应用处理系统的一部分,或者是任何其他合适的处理系统。
139.障碍物检测和规避系统50可以可选地包括传感器64,所述传感器64用于采样指示系统操作的信号。传感器输出可用于确定系统运动学,处理图像(例如,用于图像稳定)或以其他方式使用。传感器64可以是视觉处理系统56、应用处理系统60或任何其他合适的处理系统的外围设备。传感器64优选地静态安装到壳体上,但是可替代地可以安装到主机器人或任何其他合适的系统。传感器64可包括:方向传感器(例如,imu、陀螺仪、加速度计、高度计、磁力计)、声学传感器(例如,麦克风、换能器)、光学传感器(例如,摄像机、环境光传感器)、触摸传感器(例如,力传感器、电容式触摸传感器、电阻式触摸传感器)、位置传感器(例如,gps系统、信标系统、三边测量系统)或任何其他合适的传感器组。
140.此外,障碍物检测和规避系统50可以可选地包括输入装置(例如,键盘、触摸屏、麦克风等)、输出装置(例如,扬声器、灯、屏幕、振动机构等)、通信系统(例如,wifi模块、ble、蜂窝模块等)、电力存储装置(例如,电池)或任何其他合适的部件。
141.该障碍物检测和规避系统50优选地与主机器人一起使用,所述主机器人用于在物理空间内进行遍历。主机器人可以附加地或替代地接收遥控指令并根据遥控指令操作。主机器人还可以附加地生成远程内容或执行任何其他合适的功能。主机器人可以包括以下中的一个或多个:通信模块、动力机制、传感器、内容生成机制、处理系统、重置机制或任何其他合适的部件集。主机器人可以是无人驾驶飞行系统、车辆、机器人、安全摄像机,或者是任何其他可远程控制的系统。动力机构可包括传动系、旋翼、喷嘴、踏板、旋转接头或任何其他合适的动力机构。应用处理系统优选地是主机器人处理系统,但是可替换地可以连接到主机器人处理系统或以其他方式相关。在特定示例中,主机器人包括具有wifi模块、摄像机和应用处理系统的无人驾驶飞行系统(例如,无人驾驶飞行系统)。所述系统可以安装到主机器人的顶部(例如,在典型操作期间基于重力矢量确定)、主机器人的底部、主机器人的前部,位于主机器人中心,或者以其他方式安装到主机器人。该系统可以与主机器人形成为一体,可拆卸地联接到主机器人,或以其他方式附接到主机器人。一个或多个系统可以与一个或多个主机器人一起使用。
142.无人驾驶飞行系统12还可以包括输入装置(例如,麦克风、摄像机等)、输出装置(例如,显示器、扬声器、发光元件等)或任何其他合适的部件。
143.4.无人驾驶飞行系统12的飞行控制
144.下面参照图20a﹣图20i描述根据本公开的一种优选实施例的无人驾驶飞行系统212的不同飞行模式。在该优选实施例中,无人驾驶飞行系统212包括主体220。电池(电源238)结合在主体220中并形成主体220的一部分。主体220具有第一端220a和第二端220b。无人驾驶飞行系统212的提升系统40包括第一旋翼组件242a和第二旋翼组件242b。每个旋翼组件242a、242b包括一组螺旋桨翼片280a、280b。
145.由图20a及图20d可见,旋翼组件242a、242b被控制在如下“悬停位置”:在该悬停位置中,两个电动机轴线(或旋翼组件轴线)彼此平行并且分别与z轴(即竖直轴线a
v
)平行(参见图20d),并且由各旋翼组件轴线在该悬停位置处所限定的平面穿过无人驾驶飞行系统212的质心(参见图20a),此时无人驾驶飞行系统212悬停。在图20a中可见,所述电动机基座旋转轴线a
t
与所述电动机的旋转轴线a
m
之间的角度p在0~90
°
的范围中,这样电动机基座能够在较大范围内旋转,从而能够更灵活有效地控制系统的飞行。
146.由图20d可见,电动机基座旋转轴线a
t
与竖直轴线a
v
(z轴)限定的角度j可以大于或等于(或小于或等于)90度。电动机基座旋转轴线a
t
和电动机轴线a
m
限定的角度k可以大于或等于(或小于或等于)90度。值得注意的是,电动机基座的旋转轴线a
t
与无人驾驶飞行系统的重心g之间的高度差h应大于等于零。
147.由图20b可见,旋翼组件242a、242b被控制在如下“前飞位置”:在该前飞位置中,电动机基座(由此使得旋翼组件242a、242b)朝向无人驾驶飞行系统212的前端枢转过一定角度e,此时无人驾驶飞行系统212前进或向前飞行,电动机轴线与竖直轴线之间的角度e大于或等于零。
148.由图20c可见,旋翼组件242a、242b被控制在如下“后飞位置”:在该后飞位置中,电动机基座(由此使得旋翼组件242a、242b)朝向无人驾驶飞行系统212的后端枢转过一定角度f,此时无人驾驶飞行系统212后退或向后飞行,电动机轴线与竖直轴线之间的角度f大于或等于零。
149.上述角度p、角度j、角度k、角度e和角度f的配合可以实现所述无人驾驶飞行系统212的飞行的稳定性。
150.图20e﹣20g示出了处于折叠状态中的无人驾驶飞行系统212。图20h﹣20i示出了处于展开构造状态的无人驾驶飞行系统212。
151.尽管为了简明而省略,但优选实施例包括各种系统部件和各种方法过程的每种组合和置换,其中方法过程可以以任何合适的顺序依序或同时执行。
152.虽然已经参照附图描述了本公开的实施例或示例,但应理解,上述的方法、系统和设备仅仅是示例性的实施例或示例,本公开的范围并不由这些实施例或示例限制,而是仅由授权后的权利要求书及其等同范围来限定。实施例或示例中的各种要素可以被省略或者可由其等同要素替代。此外,可以通过不同于本公开中描述的次序来执行各步骤。进一步地,可以以各种方式组合实施例或示例中的各种要素。重要的是随着技术的演进,在此描述的很多要素可以由本公开之后出现的等同要素进行替换。
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