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CN110007686B - 用于无人飞行器的防撞系统和方法 - Google Patents

用于无人飞行器的防撞系统和方法 Download PDF

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CN110007686B CN201811516401.7A CN201811516401A CN110007686B CN 110007686 B CN110007686 B CN 110007686B CN 201811516401 A CN201811516401 A CN 201811516401A CN 110007686 B CN110007686 B CN 110007686B
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Abstract

本发明涉及用于无人飞行器的防撞系统和方法。用于载具的避障系统，该避障系统可包括：通信装置；多个传感器，所述多个传感器被配置以探测载具的预定距离内的碰撞威胁；和处理器。处理器可通信地耦接到通信装置和所述多个传感器，并且被配置以接收通过所述通信装置通信至控制系统的导航命令。处理器还可以从所述多个传感器中的至少一个接收反映障碍位置的障碍数据。利用障碍数据，处理器识别用于避开所述障碍的方向。响应时，处理器可通过所述通信装置输出命令给所述控制系统，使载具在所述飞行方向上行进。利用障碍数据，处理器可进一步执行着陆协助模块、具有飞行员超控的三区域碰撞保护功能、和/或目标过滤功能。

Description

用于无人飞行器的防撞系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年1月6日提交的临时专利申请序列号62/443,087在美国法典第35卷第119条e款(35U.S.C.§119(e))下的权益，其内容通过引用由此并入。
技术领域
本公开总体上涉及自主(自主操纵，autonomous)载具(vehicle)导航，以及更具体地涉及用于探测固定和/或移动对象并围绕固定和/或移动对象自动导航的系统、方法、和技术。本公开还涉及用于探测对象和围绕对象自动导航的传感器未知(agnostic)和载具未知系统、方法、和技术。
背景技术
已证明无人驾驶空中载具(“unmanned aerial vehicle，UAV”)技术是用于涉及情报、监视、侦查、和有效载荷递送的任务剖面(mission profiles)的重要工具。在诸如低海拔城市侦查的情境中，UAV如微型空中载具(“MAV”)会遇到大的和小的障碍，障碍可能是固定的或是移动的，并且其位置不可提前知晓。并且，由于UAV和MAV往往在约束的、杂乱的环境中飞行，因此它们易于与对象撞击或碰撞。此外，UAV和MAV总体上比传统空中载具更便宜，并因此更流行，且经常被可能转而会引发碰撞的不熟练的飞行员使用。用于防止UAV和MAV撞向对象和其它障碍的现有技术，如全球定位系统(“GPS”)，总体上是不够的，因为多种对象无法通过GPS装置识别，并且根据地形，GPS精确度性能在不同环境差异很大。
因此，尚存在对能够在杂乱的导航环境中响应变化的和未知的障碍的改进的自主载具导航系统和避障系统的需求。此外，还存在对用于增强和/或超控(超越，overriding)通信至载具的导航命令的自主载具导航或避障系统的需求。
发明概述
可将自主载具改进有飞行控制系统，所述飞行控制系统具有多个传感器(例如，声学传感器、视觉传感器、或类似物)。所述多个传感器可结合用于小型空中载具的防撞解决方案——如PanoptesTM防撞系统，更通常地被称为动态避障系统——来利用。
根据第一方面，一种方法，其用于在飞行器中提供碰撞保护，该方法包括：从定位在飞行器上并且可操作地与处理器耦接的传感器接收传感器输入，其中传感器被配置以识别视野内的障碍；从飞行员接收飞行员命令流；至少部分基于所述传感器输入来识别视野内的障碍；从视野内的多个区域确定障碍位于其中的区域，其中该区域的确定至少部分基于传感器输入；设置控制输入作为在确定步骤中确定的区域的函数；输入控制输入至比例微分(PD)控制器从而产生控制数据；通过处理器产生控制命令流作为控制数据的函数；以及通过处理器比较控制命令流与飞行员命令流从而确定来自飞行员的飞行员命令流是否安全。
根据第二方面，用于在飞行器中提供碰撞保护的导航系统包括：传感器，其被配置以耦接到飞行器并配置以识别视野内的障碍；处理器，其可操作地与传感器和存储装置耦接，其中处理器被配置以接收来自飞行员的飞行员命令流，其中处理器进一步被配置以：至少部分基于来自所述传感器的传感器输入来识别视野内的障碍；从视野内的多个区域确定障碍位于其中的区域，其中该区域的确定至少部分基于传感器输入；设置控制输入作为在确定步骤中确定的区域的函数；输入控制输入至比例微分(PD)控制器从而产生控制数据；通过处理器产生控制命令流作为控制数据的函数；以及通过处理器比较控制命令流与飞行员命令流从而确定来自飞行员的飞行员命令流是否安全。
在某些方面中，当来自飞行员的飞行员命令流被确定为不安全时，控制命令流代替飞行员命令流被通信至飞行器的飞行控制器。
在某些方面中，当来自飞行员的飞行员命令流被确定为安全时，飞行员命令流被通信至飞行器的飞行控制器。
在某些方面中，传感器输入包括距离-速率评估或距离评估。
在某些方面中，飞行员命令流来自人类飞行员。
在某些方面中，飞行员命令流来自自动驾驶仪。
在某些方面中，多个区域包括第一区域、第二区域、和第三区域，如进入区域(incoming region)、恐慌区域、和/或临界区域。
在某些方面中，第一区域被限定为传感器最大距离和第一阈值(例如，进入阈值)之间的区域。
在某些方面中，第二区域被限定为第一阈值和第二阈值之间的区域。
在某些方面中，第三区域被限定为第二阈值(例如，恐慌阈值)与飞行器之间的区域。
在某些方面中，如果飞行员命令流能够被处理器理解为尝试以(1)减少飞行器与障碍之间的距离，或(2)增加飞行器速率到控制数据所设置的速率限制之上，则飞行员命令流被确定为不安全。
在某些方面中，飞行员超控命令可接收自飞行员，其中飞行员超控命令超控(凌驾，override)控制命令流。
在某些方面中，处理器被配置以执行目标过滤操作。
在某些方面中，目标过滤操作包括以下步骤：针对飞行器视线内的障碍从RADAR(雷达)系统接收距离和量级数据；通过处理器并且至少部分基于距离和量级数据来确定量级是否饱和；通过处理器计算反映随时间的距离和量级数据的扫描线(迹线，trace)的至少部分的标准偏差；通过处理器确定扫描线的新距离点；通过处理器计算扫描线的新距离点与来自进入数据的指定(assigned)距离之间的最小差异；以及通过处理器、通过临界阻尼低通滤波器(LPF)计算置信值和低通值。
在某些方面中，利用源自信号均值、标准偏差、和量级的统计学项的加权平均数来计算置信值和低通值。
在某些方面中，加权平均数是针对期望的滤波器性能由操作者限定的。
根据第三方面，用于提供目标过滤以提高飞行器中的精确度的方法包括：针对飞行器视线内的障碍从RADAR系统接收距离和量级数据；针对至少部分基于距离和量级数据的预先确定的障碍数目中的每一个，通过处理器来确定量级是否饱和，其中如果量级饱和，则处理器被配置以设置距离为已知良好值；通过处理器计算反映随时间的距离和量级数据的扫描线的至少部分的标准偏差；通过处理器确定扫描线的新距离点；通过处理器计算扫描线的新距离点与来自进入数据的指定距离之间的最小差异；通过处理器确定是否满足多个条件中的每一个，其中如果多个条件中的一个或多个不满足，则处理器被配置以利用线性回归计算新的经过滤距离点；增加迭代计数器(iteration counter)；以及通过处理器、通过临界阻尼低通滤波器(LPF)计算置信值和低通值。
在某些方面中，针对飞行器视线内的预先确定的障碍数目的每一个，执行或重复每一个步骤。
在某些方面中，预先确定的障碍数目包括飞行器视线内最突出的五个障碍。
在某些方面中，标准偏差属于通过20个点的线性回归的扫描线的最近20个点。
在某些方面中，最小差异是扫描线的最近距离与来自进入数据的指定距离之间的差。
在某些方面中，多个条件包括：(1)最小差异是否大于3.5倍标准偏差；和(2)最小差异是否大于0.4。
在某些方面中，多个条件进一步包括：(1)标准偏差是否小于0.2；和(2)迭代计数器是否小于15。
在某些方面中，利用源自信号均值、标准偏差、和量级的统计学项的加权平均数计算置信值和低通值。
在某些方面中，加权平均数是针对期望的滤波器性能由操作者限定的。
本发明的实施方式涉及用于提供飞行器中的碰撞保护的方法，方法包括从定位在飞行器上并且可操作地与处理器耦接的传感器接收传感器输入，其中传感器可被配置以识别视野内的障碍；接收来自飞行员的飞行员命令流；至少部分基于所述传感器输入来识别视野内的障碍；从视野内的多个区域中确定障碍可能位于其中的区域，其中可至少部分基于传感器输入来确定区域；设置控制输入作为确定步骤中确定的区域的函数；输入控制输入至比例微分(PD)控制器从而产生控制数据；通过处理器产生控制命令流作为控制数据的函数；以及通过处理器比较控制命令流与飞行员命令流从而确定来自飞行员的飞行员命令流是否可能安全。其中当来自飞行员的飞行员命令流可确定为不安全时，控制命令流可代替飞行员命令流通信至飞行器的飞行控制器。当来自飞行员的飞行员命令流可确定为安全时，飞行员命令流可通信至飞行器的飞行控制器。传感器输入可包括距离-速率评估或距离评估。这可增强性能。多个区域可包括第一区域、第二区域、和第三区域。如果飞行员命令流能够被处理器理解为尝试以(1)减少飞行器与障碍之间的距离，或(2)增加飞行器速率到控制数据所设置的速率限制之上，则飞行员命令流可被确定为不安全。
方法可包括接收来自飞行员的飞行员超控命令的步骤，其中飞行员超控命令超控控制命令流。方法可包括执行目标过滤操作的步骤。目标过滤操作可包括以下步骤：针对飞行器视线内的障碍从RADAR系统接收距离和量级数据；通过处理器并且至少部分基于距离和量级数据确定量级是否可能饱和，通过处理器计算反映随时间的距离和量级数据的扫描线的至少部分的标准偏差；通过处理器确定扫描线的新距离点；通过处理器计算扫描线的新距离点与来自进入数据的指定距离之间的最小差异；以及通过处理器、通过临界阻尼低通滤波器(LPF)计算置信值和低通值。
本发明的另一个实施方式涉及用于提供飞行器中的碰撞保护的导航系统，导航系统包括：传感器，其被配置以耦接到飞行器并配置以识别视野内的障碍；处理器，其可操作地与传感器和存储装置耦接，其中处理器可被配置以接收来自飞行员的飞行员命令流，其中处理器可进一步被配置以：至少部分基于来自所述传感器的传感器输入识别视野内的障碍；从视野内的多个区域中确定障碍可能位于其中的区域，其中区域可至少部分基于传感器输入来进行确定；设置控制输入作为确定步骤中确定的区域的函数；输入控制输入至比例微分(PD)控制器从而产生控制数据；通过处理器产生控制命令流作为控制数据的函数；以及通过处理器比较控制命令流与飞行员命令流从而确定来自飞行员的飞行员命令流是否可能安全。当来自飞行员的飞行员命令流可被确定为不安全时，控制命令流可代替飞行员命令流通信至飞行器的飞行控制器。这可以增强系统的操作。多个区域可包括第一区域、第二区域、和第三区域。如果飞行员命令流可被处理器理解为尝试以(1)减少飞行器与障碍之间的距离，或(2)增加飞行器速率到控制数据设置的速率限制之上，则飞行员命令流可被确定为不安全。处理器可被配置以接收来自飞行员的超控控制命令流的飞行员超控命令。飞行器可以是垂直起降(VTOL)飞行器。导航系统可包括着陆协助模块以指导飞行器执行着陆机动从而避开飞行器下方探测到的障碍。
处理器可被配置以执行目标过滤操作。目标过滤操作可包括以下步骤：针对飞行器视线内的障碍从RADAR系统接收距离和量级数据；通过处理器并且至少部分基于距离和量级数据来确定量级是否可能饱和，通过处理器计算反映随时间的距离和量级数据的扫描线的至少部分的标准偏差；通过处理器确定扫描线的新距离点；通过处理器计算扫描线的新距离点与来自进入数据的指定距离之间的最小差异；以及通过处理器、通过临界阻尼低通滤波器(LPF)计算置信值和低通值。可利用源自信号均值、标准偏差、和量级的统计学项的加权平均数计算置信值和低通值。加权平均数可针对期望的滤波器性能由操作者限定。
附图简述
本文所述的装置、系统、和方法的前述及其它目标、特征、和优势将通过下文其具体实施方式的描述而明显，如附图中所示例的，其中相同的参考编号指代相同的结构。附图不必按照比例，而重点放在示例本文所述的装置、系统、和方法的原理。
图1示例了使用动态防撞系统自主导航的环境。
图2a示例了具有动态防撞系统的第一实例性自主载具。
图2b示例了具有动态防撞系统的第二实例性自主载具。
图2c示例了使其传感器以面朝下配置进行定位的自主载具。
图2d示例了使其传感器以面朝前配置进行定位的自主载具。
图2e示例了使其传感器以面朝前配置和面朝下配置两者进行定位的自主载具。
图3是用于自主载具的动态防撞和导航系统的框图。
图4是当使载具从某位置导航到目标时使用动态防撞系统的方法的流程图。
图5a到5c示例了实例性RADAR飞行控制/防撞(RFCA)模块。
图6a是具有飞行员超控的实例性三区域碰撞保护功能的流程图。
图6b是飞行器面对三个区域的示例。
图7是实例性着陆协助模块的流程图。
图8是实例性目标滤波器的输入和输出图表。
图9是实例性目标过滤功能的流程图。
发明内容
本公开的实施方式将参考所附附图在下文进行描述。在以下描述中，不再详细描述公知功能或构造，因为其会以不必要的细节来模糊本公开。本文描述了用于自主载具导航，以及具体地用于使用避障的多个方法的导航的装置、系统、和方法。
本文提到的所有文件通过引用其全部内容由此并入。以单数形式提及项目应当理解为包括该项目的复数形式并且反之亦然，除非以其它方式明确说明或通过上下文而明确。语法上的连词意图表达连接的从句、语句、词语等的任意及所有分离的和连接的组合，除非以其它方式说明或通过上下文而明确。因此，术语“或”总体上应当理解意为“和/或”等。本文中值的范围的限定不意图为限制性的，相反却单独指代落在该范围内的任意及所有值(除非在本文以其它方式表明)，并且在此范围内的每一个单独值都并入说明书中，如同其在本文被单独限定一样。
词语“约”、“大约”或类似词，在伴随数值时应被解释为表示会被本领域普通技术人员所理解以出于意图目的而令人满意地进行操作的偏差。本文提供的值和/或数值的范围仅作为实例并且不构成对所述实施方式的范围的限制。本文提供的任意及所有实例、或示例性语言的使用(“例如”、“诸如”或类似词)都仅意图更好地示例实施方式，并且不对所述实施方式的范围加以限制。说明书中的语言不应被解释为表示任意未要求保护的元素都是实施方式的实践所必需的。在以下描述中，应当理解术语诸如“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“侧面”、“前方”、“背面”等都是便利性词语，并且不应被解释为限制性术语。对于该应用，以下术语和定义将应用：
术语“空中载具”和“飞行器”指代能够飞行的机器，包括但不限于，固定翼飞行器、无人驾驶空中载具、可变翼飞行器、和垂直起降(VTOL)飞行器。
如本文使用的术语“通信(communicate)”和“通信(communicating)”指代将数据从某来源传输(或以其它方式传送)到目的地，以及将数据递送到通信介质、系统、信道、网络、装置、电线、电缆、纤维、电路、和/或连接件以被传送到目的地。
术语“回路”和“电路”指代物理(physical)电子部件(即硬件)和可配置硬件、由硬件执行、以及或以其它方式与硬件关联的任意软件和/或固件(“代码”)。如本文使用的，例如，具体的处理器和存储器可包括在执行第一组一行或多行代码时的第一“回路”以及可包括在执行第二组一行或多行代码时的第二“回路”。
如本文使用的术语“计算机”指代被设计以顺序地和自动地执行一系列算法或逻辑操作的可编程装置，不限制地包括，个人计算机(例如，可从 等获得的个人计算机)、手持式基于处理器的装置、和装备有处理器或微处理器(microprocessor)的任意其它电子装置。
术语“示例性”意为用来充当非限制性实例、范例、或示例。类似地，如本文使用的，术语“例如”引起一连串一个或多个非限制性实例、范例、或示例。如本文使用的，电路是“可操作的”以在不论电路何时包括执行功能的必要硬件和代码(如果其必要的话)都执行功能，而不管功能的执行是无效或是有效的(例如，通过操作者能够配置的设置、工厂修整等)。
如本文使用的术语“处理器”指代处理装置、设备、程序、回路、部件、系统、和子系统，不管是否在硬件、有形体现的软件或两者中实施，并且不管是否能够编程。如本文使用的术语“处理器”包括但不限于一个或多个计算机、硬连线回路、信号修正装置和系统、用于控制系统的装置和机器、中央处理单元、可编程装置和系统、现场可编程门阵列、专用整合回路、芯片上的系统、包括独立元件和/或回路的系统、状态机、虚拟机、和数据处理器。
如本文使用的术语“导航命令”指代用于导向载具的命令。导航命令可由飞行控制系统表示或提供为数字数据或模拟数据命令或信号。导航命令可以不限制地由自动驾驶仪、飞行员(无论位于本地还是远程)、和/或避障系统发起。导航命令可以与例如控制器或操纵机构通信。
本公开致力于提供通过探测碰撞威胁来促进自主载具导航和/或避障的系统和方法。如本文公开的，可通过利用尤其是听觉技术(例如，回声定位传感器)、用于感测对象/障碍(例如，固定和/或移动的非合作目标)的视觉技术、或其组合来探测一个或多个碰撞威胁而促进自主载具导航和/或避障。这种碰撞威胁的实例可包括障碍诸如(不限制地)鸟类、人、其它载具、结构(例如，建筑物、门、塔等)、植物(例如，树木、灌木丛等)等。自主载具导航和/或避障功能(例如，任何硬件和/或相关方法)可在其初始设计和制造期间并入空中载具的控制系统(例如，飞行控制系统，无论是人为控制还是自动驾驶仪)；然而，这种功能可以通过被配置以控制、或超控现有飞行控制系统的辅助系统(例如，附加系统、或“改型”系统)可选地提供。当使用辅助系统时，优选地，它们不需要对现有飞行控制系统(例如，原始导航部件)或空中载具的结构进行改进，从而减轻不期望的安装时间和花费，同时保留了任何部件保证(保修，warranties)、认证等。
在某些方面中，自主载具导航和/或避障功能可以是载具未知和传感器未知。的确，对于常见的小型UAV，回声和视觉传感器的最大距离与相对固定障碍或移动对象的接近(closure)速率之间存在重叠，其中那些传感器是有效的。因此，自主载具导航、避障和/或防撞功能可利用回声传感器和/或视觉传感器用于距离(distance)/距离(range)测量。例如，UAV和MAV可包括传感器——包括利用电声学、光学、RADAR、和/或自动化、广播式自动相关监视(“ADS-B”)(例如，ADS-B接收器)的那些传感器。
自主载具导航和/或避障系统可以是传感器未知，并且处理收集的数据和融合接收自多种传感器的收集到的信息(即，数据)以形成全局环境评估。利用全局环境评估，与障碍探测和导航算法、或防撞算法相关的特征可以被提取并存储在数据库中。算法库可以访问数据库以便在探测到碰撞威胁后确定是否必须采取行动以避免碰撞。算法库还可以访问数据库以便确定必须采取哪种行动——如果行动被视为必需的话。
如果行动是必需的，则自主载具导航和/或避障系统可以随后与先前存在的载具基础结构(例如，现有飞行控制系统)相互作用以防止碰撞。的确，自主载具导航和/或避障系统与现有系统之间的接口可以是载具未知的，从而使其能够与多种空中载具(包括先前存在的空中载具)耦接。
图1显示了利用本文公开的避障系统的自主导航的示例性环境100，其总体上还可被称为动态防撞系统，可以促进电子缓冲器(“e-缓冲器”)功能。环境100可包括目标102、一条或多条道路110和任意数目的障碍诸如建筑物112、公用线路114、公用电线杆116、和树木118。除此之外，环境100可进一步包括沿路径的未预料到的障碍122——利用动态防撞系统可以对其动态探测。如示例的，空中载具可被配置以遵循一个或多个导航路径(例如，导航路径104、106、108)接近目标102，其中每一个路径通过例如自动驾驶仪(auto-pilot)提供或确定并被配置以解决一个或多个障碍。
根据至少一个方面，空中载具可被配置以利用动态防撞系统动态避开未预料到的障碍122，不论是在自动驾驶仪的导向下还是被远程控制。具体地，在探测碰撞威胁(例如，未预料到的障碍122)后，动态防撞系统就可以基于接收自例如多个传感器的测量来指导空中载具以超控来自自动驾驶仪或飞行员的任何命令(例如，通过飞行控制系统)从而避开未预料到的障碍122并最终回到导航路径。
图2a和2b示例了适于与动态防撞系统一起使用的载具(例如，自主载具)的立体图。图2a中示例的飞行器200可包括机体202、起落架204、电子模块300(示例于图3中)、和一个或多个推力发生器206(例如，涡轮、可操作地与螺旋桨耦接的马达或引擎等)。电子模块300可与机体202整合，或通过独立壳体或舱体(吊舱，pod)来提供。图2b示例了与图2a中的飞行器200基本上相同的第二载具；然而，第二载具的传感器210定位更接近载具的中心并布置在独立壳体208中。具体地，尽管一个可以适用于某些应用，但是两个或更多个独立壳体208(例如，改型导航模块，如结合图5a到5c描述的)可围绕飞行器200的周围进行定位，从而提供以空中载具的飞行路线定向的视野。独立壳体208可以是从机体202上可拆卸的并可进一步被配置以容纳电子模块300，或其部分(例如，起到电子模块300壳体的作用)。进一步，独立壳体208的功能可以以适合的方式分布从而不需要对空中载具的永久原始导航部件或结构进行修改。
因此，传感器210可以以图2c中示例的面朝下配置定位在飞行器200上从而探测下方障碍，可以以图2d中示例的面朝前配置定位在飞行器200上从而探测飞行器200前方的障碍，或可以以图2e中示例的其组合进行定位。如可被理解的，传感器210可进一步定位在飞行器200的侧面、后部和/或顶部以探测相对于飞行器200所有方向的障碍和其它威胁。因此，应当理解传感器210的位置可由设计者按照具体目的、传感器类型、和/或操作的需要而确定；并因此应当不限于本公开所描绘的布局。起落架204可以是如示例的简易滑橇(skids)，或在飞行器200不飞行时能够支撑飞行器200，同时允许其起飞、着陆、和/或无损伤地滑行(taxi)的任意其它装置，如轮子、滑橇、滑板、浮板(floats)、或其组合。起落架204还能够缩回以减少飞行时的阻力。
为了通过调整飞行器200的滚转、俯仰、和偏航来促进受控飞行，飞行器200可进一步包括一个或多个操纵机构304或被配置以接收导航命令并因此响应的等同操纵系统。为此，操纵机构304可以可操作地与控制器耦接或包括一个或多个处理器、致动器、马达、和/或能够接收导航命令和对导航命令响应的其它装置(例如，电子或机电装置)。适合的操纵机构304不限制地包括传统飞行控制表面(例如，襟翼、副翼、升降舵、舵、阻流板、气闸、和/或其它飞行控制表面)，以及其它飞行控制机构，如矢量推力控制系统。矢量推力控制的功能可通过移动推力发生器206从而在期望的方向上引导推力进而控制飞行来促进。例如，铰接的电马达布置可利用矢量推力控制以直接改变推力矢量。的确，独立铰接的推力矢量马达舱体允许在垂直飞行和水平飞行之间迅速转换。在某些方面中，飞行器200可进一步包括两个或更多个垂尾(例如，垂直稳定器、和/或水平稳定器)——具体地关于固定翼空中载具。
飞行器200可进一步包括情报、监视、侦查(“ISR”)有效载荷用于收集数据。例如，飞行器200可装备有有效载荷舱体，其包括一个或多个摄像机、音频装置、和其它传感器。由UAV 106收集的任何视频、图像、音频、遥测、和/或其它传感器数据(“监视数据”)可本地存储或使用与机载无线通信装置诸如发射器/接收器耦接的天线以实时方式从飞行器200无线通信到远程位置。可选地，监视数据可通过有线连接通信或以其它方式传送到远程位置或另一方(party)(例如，当被系留、或在地面上、操作后时)。
尽管图2a到2e中描绘的载具200是垂直起降(“VTOL”)空中载具，但将理解，本文所述的自主载具可包括任何载具、装置、部件、元件等——利用本文公开的动态防撞系统的原理可有用地被导航——其不限制地包括任何无人载具、有人载具、空中载具、地面载具、水上载具、太空载具、远程控制载具、大型载具、小型载具等，除非明确说明或从文本中明确。例如，本文所述的自主载具可包括直升飞机或利用用以提升的水平螺旋桨的其它载具等。本文所述的自主载具也可以，或替代地，包括具有向前飞行能力的空中载具，如固定翼空中载具。对于另外的信息，其它适合的自主载具由共有的题为“Modular Miniature UnmannedAircraft With Vectored-Thrust Control”的美国专利号8,500,067和题为“AutonomousVehicle Navigation System And Method”的美国专利公开号2015/0260526更详细地公开。例如，美国专利公开号2015/0260526描述了飞行器和传感器有效载荷以提供改进的导航系统，其获益自摄像机和回声定位传感器——具有重叠(覆盖，overlapping)视野。
总体上，电子模块可用于容纳载具的航空电子设备(avionics)、电源(例如，推进电池、发生器、或类似物)、传感器有效载荷、和通信装置或系统。如上指出的，电子模块可与机体202整合或包含在独立壳体内，其还可以潜在地为机体202提供刚性。因此，电子模块能够从机体202移除和替换，并且可容纳本文考虑的e-缓冲器和/或导航系统及方法的任意系统或子系统。电子模块可包括电子器件和硬件，用于支持、或促进e-缓冲器和导航系统及方法。然而，某些电子器件和/或硬件可配置在电子模块壳体的外部。例如，飞行器200可进一步包括用于促进自主飞行的一个或多个传感器210，其可以不限制地包括，回声定位传感器、超声传感器、红外传感器、RADAR等。传感器210可适当地安装在飞行器200上以实现功能。例如，某些传感器(例如，基于视觉或声学的那些传感器)的放置可配置在飞行器200上、在电子模块壳体(如果使用的话)外，因为某些传感器放置在电子模块壳体内会妨碍或阻碍传感器功能。例如，如图2a和2b中示例的，传感器210可定位在机体202的表面(例如，顶部、底部、边缘等)上和/或在电子模块壳体(例如，独立壳体208)顶上。
传感器210可利用一个或多个回声定位传感器，其总体上通过向环境中发射声频并探测从回声定位传感器附近的障碍返回的声频的任何回声来发挥作用。利用回声的强度和/或回声返回的方向，回声可用于定位和/或识别障碍，进而可使空中载具改变方向以避开与一个或多个障碍碰撞。
不论所使用的传感器210的类型，动态防撞系统都可被配置以超控、或减弱来自位于远程的飞行员的命令——当这种命令会使飞行器200与障碍碰撞时。因此，动态防撞系统提供了：(1)减弱会导致碰撞的操作者输入；和(2)如果必要的话，主动减少在对象方向上的速度分量。
为此，可将传感器定位以获得在载具的行进方向上的视野，从而识别飞行器200的路径中的潜在障碍。例如，单一传感器(或单组传感器)可提供在载具的前方以探测载具的路径中的碰撞(例如，障碍(obstructions)或障碍(obstacles))威胁。而且，多个传感器210(或多组传感器)可围绕飞行器200的周围(和/或顶部和底部)进行定位以提供以飞行器200的飞行路线定向的视野。因此，多个传感器210将能够使飞行器200探测飞行器200的任意侧的碰撞威胁。
如本文所述，传感器210可包括，尤其是，本领域已知的或将被本领域知晓的任意基于视觉的传感器或回声定位传感器，不限制地包括，超声传感器等。一方面，摄像机206可用于通过三维重建技术诸如光流识别较大对象。尽管这可能提供用于自主导航的有用信息，但是与光学成像有关的处理等待时间，以及对多种类型的对象的可见性的敏感性可能限制光学传感技术用于探测在载具的飞行路线上的小的、快速接近的对象的实用性。通过使传感器210朝向飞行路线定向，声学探测可补充光学探测并用于探测迫切障碍，该障碍应该引发由载具执行响应机动。
将理解，声学传感器的一个目的是用于直接提供对飞行路径(或其它行进线路)中的障碍——具体地，使用视觉探测或其它技术不会探测到的障碍的即时探测。相应地，应当理解传感器210的一个目的是用于提供对具体方向(例如，载具的任意方向)上的障碍——具体地，使用视觉探测或其它技术不会容易探测到的障碍的即时探测。尽管回声定位阵列在该环境中运行良好，但是其它传感器系统也可以，或替代地，适当用于障碍的快速、准确探测，如基于激光的技术或利用光学、声学、无线电频率、或其它传感形式的任意其它适合的技术。适于在自主载具中实施并且能够准确和快速识别障碍的任意这种技术都可使用，代替本文考虑的系统和方法中的回声定位传感器。因此，动态防撞系统总体上是传感器不可知的——在于其能够被配置以利用多种传感器技术中的一种，或其组合。例如，动态防撞系统可利用基于视觉的传感器和基于声学的传感器的组合。
尽管电子模块可作为单一壳体进行提供，但是电子模块可以替代地包括多个壳体或“子壳体”。例如，电子模块可被分成两个壳体，用于较重部件诸如电池的第一壳体，和用于更精密部件诸如航空电子设备、监视有效载荷、传感器有效载荷、和任意其它电子设备的第二壳体。可在壳体中将部件分布、或分开，以提供贯穿机体202的期望的重量分布。
飞行控制系统可用于控制和/或导航飞行器200。飞行控制系统不必是载具上单独的物理项目，但却可以是较大导航系统的部件或其自身可包括导航系统的所有部件。除非以其它方式明确说明或从文本中明确，参考导航系统进行描述的任意部件还可以被飞行控制系统使用或包括在飞行控制系统中，反之亦然。操作时，飞行控制系统可基于接收自导航系统的部件的信号确定和/或指导飞行器200遵循导航路径以便到达期望的位置。例如，飞行控制系统可促进自动驾驶仪功能和/或响应于远程导航命令。为此，飞行控制系统306可通信地将飞行器200与远程位置耦接，并且可被配置以在(例如，到和从)飞行器200和远程位置之间发送和接收信号。导航模块的功能可以以任意适合的方式分布在飞行控制系统中的部件之间、分布在飞行器200中其它地方的部件之间、和/或分布在远程定位的部件之间。而且，适合的电子的、机械的、和通信接口可被提供以促进对机体202的电子模块的移除和替换。
图3是飞行器200(例如，自主载具)的框图，其具有飞行控制系统306、动态防撞系统302、电子模块300、和操纵机构304。更具体地，图3示例了电子模块300，其用于容纳、或以其它方式包括载具的飞行控制系统306、电源336(例如，推进电池)、传感器有效载荷(例如，ISR有效载荷334)和通信装置(一个或多个)338。然而，尽管图3中示例了具体布置，但将理解部件的布置可以变化。例如，飞行控制系统306和/或动态防撞系统302可位于一个或多个专用壳体内和/或可从飞行器200移除。例如，动态防撞系统的功能可通过可移除地且非永久地耦接到载具(例如，通过机体)的改型导航模块来提供。这种改型导航模块可被配置以拦截和修正本文公开的信号或导航命令。
可选地，飞行控制系统306和/或动态防撞系统302可整合到飞行器200中并且以通信关系与电子模块300和/或操纵机构304耦接。在某些实施方式中，飞行控制系统306和/或动态防撞系统302可共享部件，如存储器、传感器、处理器、或控制器。进一步地，电子模块300可以以任意期望的方式可移除地耦接到飞行器200或整合到飞行器200的机身或类似物中。因此，各种部件的布置可按照设计者或操作者期望的被配置，并因此不应当限于本文所述或所示例的具体实例。例如，飞行控制系统306和/或动态防撞系统302可附接到载具的外部，或整体或部分地设置在载具内。飞行控制系统306和/或动态防撞系统302可以是可移除的且可替换的包装或模块——其可从载具中移除或替换，或永久地耦接到载具或整合到载具中。
模块化壳体可包住电子模块300、飞行控制系统306、和/或动态防撞系统302中的一个或多个部件。模块化壳体可由塑料、金属、木材、复合材料、陶瓷、或适于具体载具或载具类型的目的的任意材料构造。模块化壳体可以是可拆卸的或是可退壳的(ejectable)，或其可以永久地耦接到载具。模块化壳体可以以本领域普通技术人员已知的任意方式附接至载具。模块化壳体可包括用于传感器诸如传感器210的开口。
电子模块300。如上文所述，电子模块300可用于容纳载具200的航空电子设备(例如，飞行控制系统206)、电源336、传感器有效载荷如ISR有效载荷334、和通信装置或系统338；并且可与机体202整合或包含在独立壳体内。在某些方面中，电子模块300可进一步包括动态防撞系统300、或其功能。
操纵机构304。操纵机构304可被配置以在导航路径上操纵飞行器200(不论自主地还是在人为控制下)从而到达本文考虑的目标。飞行器200可以是本文提及的或以其它方式在本领域已知(或将被本领域知晓)的任意载具。类似地，操纵机构304可以是本文提及的或以其它方式被本领域已知(或将被本领域知晓)的任意操纵形式。总体上，操纵机构304响应于来自飞行控制系统306的信号，其可利用反馈或其它控制系统沿预期线路准确引导飞行器200。
如上指出的，操纵机构304可包括，例如，在飞行器200后面的舵，以及升降舵，和适用于垂直飞行载具的任意其它控制表面，连同相关电缆、致动器等。操纵机构304也可以，或替代地，包括用于操纵自主载具的任意机构。例如，对于空中载具，操纵机构304更通常地可包括舵、升降舵、襟翼、副翼、阻流板、气闸、和其它控制表面。对于其它空中载具，如直升飞机，操纵机构304可包括多个旋翼，其可以是固定旋翼或可操纵旋翼，连同机翼及其它控制表面。操纵机构304还可以包括利用矢量推力控制以直接改变推力矢量的铰接电马达。对于路基载具，操纵机构304可包括齿条齿轮系统、能够可变可旋转的胎面(treads)、再循环球系统等。操纵机构304也可以，或替代地，包括提供飞行器200的推力、加速、和减速连同方向性控制的任意部件。尽管载具总体上可以使用单独的或整合的部件用于驱动和导向，但是促进对载具移动期间的控制的所有这种组合都旨在落入本文考虑的“操纵机构”的范围内。
动态防撞系统302。e-缓冲器模块总体上包括电路以促进避障系统的e-缓冲器功能。的确，飞行控制系统306和动态防撞系统302可协作提供避障系统。如本文公开的，动态防撞系统302可包括一个或多个传感器210，其中每一个传感器210都可具有声学视野(“FOV”)。然而，传感器210可以是本文提及的或以其它方式提及的任意回声定位传感器。利用这些传感器210，动态防撞系统302可以探测未预料到的障碍122并且将响应的导航命令通信到所述飞行控制系统306以便避开所述未预料到的障碍122。
动态防撞系统302的功能可通过飞行控制系统306或独立系统来促进，所述促进利用例如，图2a和2b中示例的处理器340(或其它相当的逻辑)、存储器342、和沿飞行器200的机体202的顶部、底部、和/或周围(例如，一个或多个边缘)定位的一个或多个传感器210(例如，声学传感器、视觉传感器、或其组合)。动态防撞系统302可用于减少与飞行器200的任意定向中的以及关于对象与载具的任意相对位置的障碍进行碰撞的可能性。更具体地，动态防撞系统302可通过多个传感器210来提供，其可用于探测多种障碍。总体上，动态防撞系统302可以直接与操纵机构304(或通过控制器)和/或与飞行控制系统306通信，以便提供，例如，来自传感器210的感测数据和/或派生(derivative)命令(例如，修正的导航命令，如可选的导航路径、减弱的导航信号、或响应机动，其可以是响应于感测数据或全局环境评估值的控制命令并被配置以避开未预料到的障碍122)。因此，动态防撞系统302具体可用于涉及与障碍近在咫尺的操作的任务中。
动态防撞系统302的某些益处和贡献包括：(1)可用于基于单独的传感器输入产生全局环境评估的传感器未知方法，(2)可用于以载具未知途径与现有载具控制基础结构接合的传感器未知方法，以及(3)实现e-缓冲器功能所必需的导航算法。例如，动态防撞系统302可整合到飞行器200中并以通信关系与操纵机构304、飞行控制系统306、光学系统、传感器210、或其组合耦接。
动态防撞系统302也是有利的，在于响应于离对象的距离，其利用相对直接的状态机来激活、测量(scale)、或无效(deactivate)每一个要素——操作者输入、对距离的比例积分微分(“PID”)、自动驾驶仪命令等——的影响，从而降低错误的风险。进一步地，完整的状态机评估可组装有少到四个回声定位传感器。然而，在某些实施方式中(例如，在仅一个方向需要监测时)，仅使用置于载具的前端上的单一传感器就可提供避障系统。本文公开的动态防撞系统302的另一优势在于动态防撞系统302不需要任何协作性的目标传感器。即，对应的传感器不必置于障碍上，从而极大地增强了动态防撞系统302的实用性。进一步地，动态防撞系统302不需要空中载具数据信息或防撞算法。
多种物理配置是可能的，以及动态防撞系统302也可以，或替代地，与载具300、飞行控制系统306整合，或包括本文所述的任意部件。为此，正如关于图2a和2b讨论的，传感器210可整合在载具300的壳内。传感器210的整合提供了多个优势。例如，传感器210的整合提供了紧密包装(例如，在尺寸和重量上)，同时避免了回声定位传感器干扰(交叉对话)，以及/连同避免了电磁干扰(“EMI”)和螺旋桨声学噪音。并且，飞行器200壳允许精确的放置、低阻力、和传感器210的简易替换(例如，如果传感器损坏或如果以其它方式期望替换/升级传感器)。例如，针对一个或多个传感器，凹部可提供在载具的壳内，从而减少不期望的阻力。传感器可进一步覆有防护罩。然而，防护罩应当被配置以不阻碍传感器的功能/可靠性。例如，当使用基于声学的传感器时，防护罩应当是声学不可见的(例如，具有由薄弹性膜覆盖的微小、规则间隔的孔的织物或反射物)。声学不可见的反射物材料的一个实例由JongJin Park等人在题为“Giant Acoustic Concentration by Extraordinary Transmissionin Zero-Mass Metamaterials”,Phys.Rev.Lett.110,244302(公开日为2013年6月13)的出版物中进行了描述。类似地，当使用基于视觉的传感器时，防护罩应当是透明的或以其它方式被设计以允许可见性。
虽然目前的动态防撞系统302被描述为利用回声定位传感器作为传感器210，但是动态防撞系统302可利用接收自任意传感器(不论是回声定位传感器还是本文所述的其它类型，不对其限制)的测量并融合接收到的数据以创建全局环境评估。算法所关注的特征可从该全局环境评估提取并存储在目标数据库中。全局环境评估可以是传感器在飞行器周围探测到的内容的抽象概括。例如，如果可用多个传感器提供对相同状态(例如，到障碍的距离)的测量，则其融合那些状态。如果多个传感器可用，提供多个不同状态(例如，到障碍的距离，和障碍的速度/接近速率)。通过将该全局环境评估实例化为如上文所述的感测数据的抽象概括，其充当能够被算法库访问的单一接口。
该目标数据库可充当可被动态防撞系统302或其它自主载具导航或避障系统使用的任意算法的公用接口。在动态防撞系统302的情况下，被确定造成碰撞威胁的对象被传递给动态防撞系统302特异性算法。
如上文所述，动态防撞系统302可通过飞行控制系统306的载具控制接口与飞行器200整合，而不修改飞行器200上的现有系统，且不需要载具的自动驾驶仪(或人为控制)的状态的知识。例如，嵌入式逻辑装置或处理器340，如微处理器，可以(1)拦截原始导航命令(例如，由飞行员或自动驾驶仪导致的飞行命令)，(2)根据预定的e-缓冲器算法来减弱，以及(3)向载具的飞行控制系统306(例如，自动驾驶仪)或操纵机构304供给新的或修正的导航命令(例如，由动态防撞系统产生的减弱的命令)作为替换或超控导航命令。另外，动态防撞系统302可以拦截从自动驾驶仪向推力发生器206(例如，电马达，通过脉冲宽度调制(“PWM”)信号)的控制信号(例如，导航命令)，并且在将那些信号发送到飞行控制系统306和/或推力发生器206(例如，马达、涡轮等)之前修正那些信号。本文公开的动态防撞系统302的益处在于其实现了目标避障而不需要对飞行器200进行改变——即，动态防撞系统302是载具未知的。在某些方面中，由于系统中的显著延迟可导致不期望的飞行器200的操作，所以在动态防撞系统302的嵌入式装置上执行的软件可对于执行速度来不断地监测。
随着全局环境评估和载具控制接口就位和调谐(tuned)，动态防撞系统302可聚焦在会导致载具撞向对象的导航命令(如由飞行员或自动驾驶仪导致的那些)上。PID距离控制器还能够保持状态并拒绝不想要的操作者输入(例如，避障)。可使用高通、低通、和带通滤波器、前馈方法、和高增益积分器拒绝或修正飞行员输入(例如，导航命令)。另外，执行增益规划技术用于稳健的可控性。例如，在由于载具的操作者的控制输入导致载具接近未预料到的障碍122的情况下，动态防撞系统可降低那些控制输入作为到对象的距离的函数的有效性。如果载具继续接近未预料到的障碍122，则动态防撞系统最终完全减弱在对象的方向上的所有控制输入和/或积极地减小接近对象的速度。类似地，如果载具由于环境条件(例如，风或阵风)朝向对象移动从而产生碰撞危险，则动态防撞系统提供导航命令以确保载具的位置不落到距离对象的预定安全距离以下。可以调整减弱使得动态防撞系统降低那些控制输入(例如，导航命令)作为到对象的距离的函数的有效性。例如，随着载具与对象之间的距离减少，可使用反向距离-减弱功能，借此增加控制输入减弱使得控制输入有效地减少、无视、或反转。进一步地，在某些情况下，动态防撞系统啮合可被占用以保持载具处于距对象固定的距离以允许近距离系统地勘测该对象而无影响未预料到的障碍122的危险。动态防撞系统302的双模式能力——包括相对于对象保持距离或在飞行期间执行避障的两个能力——使得动态防撞系统302可用于各种操作者。即，保持载具与对象之间的距离对于数据收集是有利的，而避障协助了经验不足的飞行员。
动态防撞系统302可进一步包括配备的/解除配备的(武装的/解除武装的，armed/disarmed)特征。配备的/解除配备的特征可用于，例如防止e-缓冲器控制器在起飞或着陆期间一经探测到地面就错误地发出碰撞的信号。的确，在飞行、起飞、和着陆的各种阶段使动态防撞系统302配备/解除配备的安全性措施进一步提高了飞行器200的稳健性和安全性。例如，动态防撞系统302可由控制者(例如，操作载具的飞行员)手动致动，或自动配备/解除配备——取决于载具的距离、位置、海拔、飞行时间等。在某些方面中，动态防撞系统302可被配置以在多个操作模式之间转换。可利用例如定位在空中载具上的物理开关、通过操作者界面/装置(例如，通过远程控制器/地面点)远程地等来选择期望的操作模式。实例性操作模式不限制地包括失效模式(即，系统关闭)、精确模式、性能模式等。例如，在精确模式中，动态防撞系统302能够通过调节的输入控制/飞行器响应映射等实现诸如自动起飞、拒绝错误的操作者输入、避障、精确控制飞行器的特征(features)。精确模式还可被设计以允许UAV比性能模式更近地接近障碍(例如，约1至10英尺，更优选地约3-7英尺、或约4.5英尺)。在性能模式中，动态防撞系统302可提供与精确模式相同的益处，但针对较快速飞行方案进行优化。例如，在性能模式中，飞行器可在比性能模式更大的距离处避开障碍。另外，回避机动可比精确模式中的机动更加激进以防止较高的操作速度。
飞行控制系统306。飞行控制系统306可基于接受自导航系统的部件的信号确定飞行器200的一个或多个导航路径以到达期望的位置。飞行控制系统306可以计算、产生、以及发送导航命令(例如，数据信号)到操纵机构304以沿导航路径引导飞行器200到期望的位置。飞行控制系统306可整体或部分地设置在独立壳体内、在机体202内、或其某个组合。飞行控制系统306可进一步包括动态防撞系统302或飞行控制系统306的任意部件，例如，参考图3所述的。的确，飞行控制系统306和动态防撞系统302总体上被配置以引导、或以其它方式控制飞行器200内的一个或多个操纵机构304。飞行控制系统306可以通信关系与飞行器200和远程位置耦接并可被配置以通过通信装置338发送信号至飞行器200和远程位置及从飞行器200和远程位置接收信号。通信装置338可以是，例如，无线电收发机和天线。
总体上，飞行控制系统306可包括操纵系统308、地图系统310、GPS系统312、处理器314、陀螺仪316、控制器318、加速度计320、和/或存储器330。飞行控制系统306还可以包括设置在电子模块300壳体内的上文所述部件，以及其它传感器332，如对于无人驾驶空中载具或其它自主或手动驾驶的载具的操作所必要或有用的任意其它常规飞行仪器、传感器、处理电路、通信电路、包括摄像机和类似物的光学系统。飞行控制系统306的部件中的一个或多个可容纳在电子模块300壳体内。
飞行控制系统306可与一个或多个操纵机构304和/或动态防撞系统302通信地耦接。例如，操纵系统308可被配置以接收来自飞行控制系统306(或动态防撞系统302)的信号并提供适合的控制信号到载具的操纵机构304以便沿期望的路线引导飞行器200。
地图系统310可以是基于地图的飞行控制系统的部分，所述基于地图的飞行控制系统提供某区域内关于天然和人造特征的位置信息。这可包括任意详细水平的信息，包括例如地形图、识别道路、建筑物、河流等的一般二维地图、或表征各种天然和人造障碍诸如树木、雕塑、公共基础设施、建筑物等的高度和形状的详细三维数据。一方面，地图系统310可与光学系统协作以视觉验证周围环境，或出于路径确定等目的，地图系统310可与GPS系统312协作以提供关于环境内的多种障碍的信息。一方面，地图系统310可在拒绝GPS或GPS受损的环境中提供补充导航协助。当GPS部分或完全缺失时，地图系统310可与其它传感器332诸如光学传感器、惯性传感器等协作以提供位置信息，直到GPS信号能够恢复。
地图系统310可以更通常地与飞行控制系统306的其它部件通信以便支持本文考虑的载具的导航。尽管这可包括提供用于计算路线的地图信息，但是这还可以包括独立的导航能力。例如，地图系统310可以提供基于地图的导航系统，其存储包括一个或多个对象的操作环境的地图。基于地图的导航系统可耦接到摄像机并被配置以通过将存储的对象与可视环境相比而确定载具的位置，这可以在缺失GPS数据或其它位置信息的情况下提供位置数据。
GPS系统312可以是全球定位系统的部分，被配置以确定电子模块300或飞行器200的位置。GPS系统312可包括本领域已知或本领域将知晓的任意GPS技术，包括常规基于卫星的系统以及利用公共或私人经营的信标、位置信号等的其它系统。GPS系统312可包括探测用于计算位置的数据的一个或多个收发机。GPS系统312可与飞行控制系统306的其它部件协作以控制飞行器200的操作并沿预期路径导航载具。
陀螺仪316可以是被配置以探测电子模块300或电子模块300所耦接的飞行器200的旋转的装置。陀螺仪316可与飞行器200整合或其可以设置在电子模块300壳体内或外。陀螺仪316可包括本领域已知或本领域将知晓的任意陀螺仪或其变形(例如，陀螺仪、微电子机械系统(“MEMS”)、光纤陀螺仪、振动-结构陀螺仪、动态调谐陀螺仪等)。陀螺仪316可与飞行控制系统306的其它部件协作以控制飞行器200的操作并沿预期路径导航载具。
加速度计320可以是被配置以探测电子模块300或飞行器200的线性运动的任意装置。加速度计320可与飞行器200整合或其可设置在电子模块300壳体内或外。加速度计320可包括本领域已知或本领域将知晓的任意加速度计(例如，电容式、电阻式、弹簧-质量基座、直流(“DC”)响应式、机电伺服、激光、磁感应、压电式、光学式、低频、摆式积分陀螺加速计、共振、应变仪、表面声波、MEMS、热式、真空二极管式等的加速度计)。加速度计320可与飞行控制系统306的其它部件协作以控制飞行器200的操作并沿预期路径导航载具。
还可类似地使用其它传感器(或传感器系统)332或传感器210。例如，飞行器200(或载具的飞行控制系统306、动态防撞系统302、电子模块300)可利用红外传感器、RADAR(即，无线电探测和测距(RAdio Detection And Ranging))传感器、LiDAR(即，光探测和测距(Light Detection Ranging))传感器等。任意前述的都可单独使用或与本文所述的其它系统和传感器组合使用以增强载具导航。处理器314可以通信关系与控制器318、飞行器200、飞行控制系统306、操纵机构304、和本文所述的其它多种其它部件、系统、和子系统耦接。处理器314可以是飞行器200或飞行控制系统306的内部处理器、电子模块300内以支持本文考虑的多种导航功能的另外的处理器、本地或远程连接到飞行器200和飞行控制系统306的台式计算机等的处理器、通过数据网络耦接到飞行器200和飞行控制系统306的服务器或其它处理器、或任意其它处理器或处理电路。总体上，处理器314可被配置以控制飞行器200或飞行控制系统306的操作并执行各种处理和计算功能以支持导航。处理器314可包括协作执行本文所述步骤的多个不同处理器——如在飞行器200的内部处理器控制飞行器200的操作而壳体中的处理器预处理光学和回声定位数据的情况下。
处理器314可被配置以基于多种输入(例如，可多方面地基于来自GPS系统312、地图系统310、陀螺仪316、加速度计320的数据的位置信息、移动信息、动态防撞系统302数据等)和任意其它导航输入以及可提供关于飞行器200周围环境中的障碍的信息的光学系统和回声定位系统来确定或修订飞行器200到某位置的导航路径。可例如仅基于GPS系统312提供的位置信息、利用基于陀螺仪316、加速度计320等探测到的移动的飞行中调整来确定初始路径。处理器314还可以被配置以利用光学的导航系统，其中处理器被配置以识别光学系统的FOV内的可见障碍；例如，利用光流处理一系列图像并先占(preempt)GPS系统312以围绕可见障碍并朝向位置导航飞行器200。处理器314可进一步被配置以识别动态防撞系统302的FOV内——通常在载具的飞行路线内——的障碍，并进一步被配置以先占GPS系统312和光学导航系统以执行响应机动，响应机动围绕障碍引导飞行器200并使飞行器200返回到朝向位置的先前路线中。
控制器318可以是可操作的，以控制飞行器200和飞行控制系统306的部件，如操纵机构304。控制器318可以电子地或以其它方式以通信关系与处理器314、飞行器200、飞行控制系统306、操纵机构304、和本文所述的装置和系统的其它各种部件耦接。控制器318可包括适于控制本文所述飞行器200和飞行控制系统306的各种部件的软件和/或处理电路的任意组合，不限制地包括，微处理器、微控制器、专用整合回路、可编程门阵列、和任意其它数字和/或模拟部件、以及前述的组合，连同用于通信控制信号、驱动信号、电力信号、传感器信号等的输入和输出。一方面，这可包括与飞行器200和飞行控制系统306直接和物理关联的电路，如机载处理器。在其它方面中，这可以是诸如本文所述的处理器314的处理器，其可以例如通过有线或无线连接与耦接到飞行器200和飞行控制系统306的个人计算机或其它计算装置关联。类似地，本文所述的的多种功能可在用于飞行器200、飞行控制系统306、和独立计算机的机载处理器中分配。所有这种计算装置和环境旨在落入本文使用的术语“控制器”或“处理器”的含义之内，除非明确提供了不同含义或以其它方式从上下文中明确。
存储装置330可包括本地存储装置或远程存储装置，其存储飞行控制系统306的数据日志(记录，log)，不限制地包括，感测到的障碍的位置、地图、图像、定向、速度、导航路径、操纵说明、GPS坐标、传感器度数等。存储器322也可以，或替代地，存储聚集自具体载具的多次导航的数据，或聚集自不同载具的多次导航的数据的日志。存储装置322也可以，或替代地，存储来自光学系统和动态防撞系统302的传感器数据、相关的元数据等。存储在存储器330中的数据可被处理器314、控制器318、远程处理资源等访问。
图4是利用动态防撞系统导航载具的方法400的流程图。动态防撞系统在步骤402处开始、或被激活。一旦激活，动态防撞系统就利用一个或多个传感器监测环境(例如，在每个自由度方向上)。如上文所述，传感器可以是，例如回声定位传感器。如步骤404中所示，方法400可包括探测未预料到的障碍122。
如步骤404中所示，方法400可包括利用一个或多个回声定位传感器(或其它适合的传感器)探测障碍。步骤404可包括输出声学信号、探测那些声学信号的回声、和利用所探测到的回声来确定障碍的大小和位置。通常地，这可以是能够通过听觉流来探测的任意障碍，其阻碍、部分阻碍、遮蔽、危及等载具从某位置到目标的导航路径。障碍可以是任意物理障碍，如建筑物、树木、电线、岩石等。更通常地，第一障碍可以是载具应该避开的任意位置或路径。
如步骤406中所示，方法400可包括确定是否减弱导航命令。关于是在步骤412处减弱导航命令还是在步骤408处计算响应机动的决定可以基于障碍的距离。例如，如果到障碍的距离满足或超过预定距离阈值，则动态防撞系统的处理器可以在步骤412处减弱导航命令。如果到障碍的距离小于预定距离阈值，因而暗示更加迫近的碰撞，则动态防撞系统的处理器可以在步骤408处计算响应机动。
如步骤412中所示，方法400可包括减弱导航命令。例如，在由于载具的操作者或自动驾驶仪的控制输入而导致载具接近障碍的情况下，动态防撞系统可以基于到对象的距离来调整控制输入。如果载具继续接近障碍，则动态防撞系统可最终完全拒绝在对象方向上的所有控制输入和/或积极地减小接近对象的速度。
如步骤414中所示，方法400可包括计算避开障碍的响应机动。一方面，响应机动可以是预定的响应机动，其提供了从修订航线的临时偏移并在响应机动执行后立即返回到修订航线。在另一方面中，这可包括根据关于障碍的信息从多个预定响应机动之间选择或根据来自回声定位系统的反馈动态地创建响应机动。在适当的情况下，响应机动可进一步适用于其它数据诸如GPS数据、光学数据、或其它传感器数据，以便更好地响应所探测到的障碍的环境。然而，针对响应机动的计算指令可传输到载具的操纵系统用于对应的执行。
如步骤410中所示，方法400可包括确定障碍是否在一定距离之外，作为在步骤412处减弱或在步骤414处响应机动的结果。如果障碍在一定距离之外，则方法400可在步骤416处结束，或在替代方案中，在步骤402处重新开始以避开未来的障碍。如果障碍仍在一定距离之内，则方法400可返回步骤404。
RADAR飞行控制/防撞(RFCA)模块500。动态防撞系统302可体现为RADAR飞行控制/防撞(RFCA)模块500，其利用RADAR作为传感器210中的一个，如具有矩形波束成形器的微RADAR传感器。如图5a到5c中所示，RFCA模块500可包括射频大规模整合(RFLSI)部件502、与一个或多个存储装置504(例如，RAM和ROM)和一个或多个传感器210耦接的微控制器(MCU)508、电缆输入506诸如USB on-the-go连接器、和到飞行器200的接口连接器510。RFCA模块500可进一步包括用于信号和电压处理的各种电子组件512(例如，电容器、电感器、LDO调节器等)。传感器210中的一个(例如，具有矩形波束成形器的微RADAR传感器)可位于相同的PCB 514上或通过电子导体或无线电收发机远程安置并耦接到PCB 514。
接口连接器510可在RFCA模块500与飞行器200之间提供电力和通用异步接收器/发送器(UART)功能。RFCA模块500是优选紧密的，并且部分上归因于是载具和传感器未知的，被配置以充当通过接口连接器510与飞行器200的现有飞行控制系统306和/或操纵机构(一个或多个)304耦接的改型。在操作时，传感器210向微控制器508提供输入测量，所述微控制器508被配置以运行一个或多个软件程序(例如，导航、海拔保持、着陆协助、和碰撞保护软件/功能)。微控制器508向飞行器200的飞行控制系统306输出命令。RFCA模块500有利之处在于其提供可靠且灵活的架构，该架构可以作为单一模块操作以捕获原始数据(例如，来自一个或多个传感器210)、信号处理、和探测算法。RFCA模块500与飞行器200之间的数据通信可通过单一的双向通信信道促进，所述单一的双向通信信道可以是通过例如MAVLink应用程序接口(API)可配置的。
RFCA模块500可以以面朝下的配置、面朝前的配置、或其组合安装在飞行器200上。在面朝下的配置中，如图2c所示，RFCA模块500可促进海拔保持和着陆协助功能(例如，通过着陆协助模块)。例如，RFCA模块500可以通过海拔保持功能命令飞行器200保持到下方探测的障碍(距地面)的预定高度，或在着陆协助功能中，命令飞行器200执行着陆机动从而避开下方探测的障碍。在面朝前的配置中，如图2d中所示，RFCA模块500通过命令向前方向的飞行机动以防止与探测的障碍碰撞来提供碰撞保护(例如，充当制动器)。初步测试显示RFCA模块500提供1-10米的距离、上至5m/s的速度、40Hz的更新速率、70°(面朝前的配置)和60°(面朝下的配置)的视野(FOV)、8cm的分辨率，其中探测的对象是最近的对象——不管是固定的还是移动的。
RFCA模块500优选地紧密且重量轻，从而最小化飞行器200上的载荷及拼装(排版，imposition)。例如，RFCA模块500可具有10mm与50mm之间的长度(L)，更优选地，在20mm与40mm之间，最优选地约30mm，同时宽度(W)可在10mm与40mm之间，更优选地，在15mm与30mm之间，最优选地约20mm，其中高度(H)在1mm与10mm之间，更优选地，在3mm与7mm之间，最优选地约5mm。具有20x30x5mm的RFCA模块500，例如，已显示具有小于25克的重量和小于1瓦特(W)的功率消耗。
三区域碰撞保护功能。在某些方面中，动态防撞系统302的处理器340可执行具有飞行员超控特征的三区域碰撞保护功能。然而，在某些方面中，可提供包括促进三区域碰撞保护功能的电路的独立模块。三区域碰撞保护功能提供了传感器和飞行器未知技术用于防止飞行器200与其环境/距离内的对象猛然碰撞。换言之，三区域碰撞保护功能提供“探测并避开”能力和/或“感测并避开”能力至飞行器200，其对于不管是通过飞行员还是自主飞行的飞行器导航都是关键的。
利用三区域碰撞保护功能(例如，通过三区域碰撞保护算法600)的飞行器200的优势在于运用低成本和低保真度距离测量以为正被主动驾驶的飞行器100提供有效的碰撞保护系统的能力。三区域碰撞保护功能还能够缩放来自一个或多个传感器210的传感器输入，同时保持传感器和飞行器两者在其设计上是未知的，从而使三区域碰撞保护功能能够与几乎所有飞行器一起使用。
利用图6a中示例的三区域碰撞保护算法600可促进实例性三区域碰撞保护功能。如所示，在步骤602处接收从一个或多个传感器210、人类飞行员、或自动驾驶仪向三区域碰撞保护算法600的输入。输入可包括距离-速率评估、距离评估、和输入飞行员命令流(即，飞行员命令)——其可以是来自人类操作者或自动驾驶仪的命令流。利用这三个输入，三区域碰撞保护算法600在步骤604处从物理空间内的多个区域中确定目标目前所在的区域。如将论述的，区域是空间区域、或其部分，其一般由载具200与传感器210的可操作距离(例如，最大可操作距离)之间的传感器210的视野来限定。在一些实施方式中，三个区域被识别为：进入区域622、临界区域620、或恐慌区域618。三个区域可通过利用例如步骤606处提供的公式进行识别。
在其它实施方式中，如图6b中所示，三个区域可基于操作者所确定的传感器距离阈值(例如，第一和第二距离阈值624、626)进行识别，该阈值规定了(dictate)距离边界。如所示，第一区域(进入区域622)跨越传感器最大距离与进入阈值626(例如，第一阈值/距离)之间的区域；第二区域(临界区域)跨越进入阈值626与恐慌阈值624之间的区域；以及第三区域(恐慌区域618)跨越恐慌阈值624(例如，第二阈值/距离)与载具自身之间的区域。如可被理解的，传感器最大距离可以指代在此点给定传感器能够以合理可靠性探测对象/目标的最大距离。如所示，每个区域的形状都可规定为视野(FOV)形状的函数。传感器距离阈值624、626可通过飞行器200接收自操作者。例如，如果目标位于进入区域或临界区域中，则利用操作者所设置的距离阈值和区域距离-速率限制来计算距离、距离-速率域(domain)内的速率限制曲线。基于这些确定，三区域碰撞保护算法600在步骤606处设置控制输入(例如，速率设置和/或Kp)。三区域碰撞保护算法600随后在步骤608处输入来自步骤606的速率设置和/或Kp控制输入到比例微分(PD)控制器从而输出控制数据。在步骤610处，三区域碰撞保护算法600转换来自步骤608的控制数据(即，无单位，范围为-1到1)到控制命令流(即，在来自步骤602的飞行员命令单元输入中——如PWM脉冲长度，范围为1000到2000)。在步骤612处，三区域碰撞保护算法600比较来自步骤610的控制命令流与飞行员命令流(即，飞行员命令——步骤602的输入飞行员命令流)以确定飞行员命令是否安全。如果命令可被理解为尝试减少载具到目标的距离，或将载具速率增加到606中设置的速率限制(例如，速率设置)之上，则飞行员命令被视为不安全。如果飞行员命令被确定为不安全(即，不安全)，则三区域碰撞保护算法600在步骤614处输出来自步骤610的控制命令流。如果飞行员命令被确定为为安全，则三区域碰撞保护算法600在步骤616处输出来自步骤602的输入飞行员命令流。
图6b示例了三个区域，即恐慌区域618、临界区域620、和进入区域622的示例性实施方式。飞行器200可具有图6b中所示的视野。在该实施方式中，视野表示上至传感器最大距离的传感器视野向。基于操作者的阈值输入诸如恐慌阈值624和进入阈值626，视野可分为三个区域。因此，飞行器200的控制可随着飞行器200进入三个区域中的每一个而被独特地限制。通过实例的方式，载具200的最大速度、加速度、和/或速率限制可随着飞行器200进入三个区域618、620、622中的每一个而被不同地限制。飞行器200一经位于恐慌区域618中，系统就可以控制飞行器200减速。随着飞行器200进入临界区域620，飞行器200可进一步减速或制动。最后，当飞行器200位于进入区域622(例如，飞行器200处于朝向其视野内的障碍的最近区域中)时，制动命令可被发出和/或操作者输入的向前命令可被忽略以使飞行器200向前机动的任何控制命令无法实现。鉴于对本领域普通技术人员公开的主题，限制命令/控制的这些及其它各种实例将是显而易见的。
着陆协助模块。着陆协助模块包括这样的电路：在着陆操作期间通过自动控制操纵机构304和/或油门利用来自操作者的标称输入使飞行器200自主着陆。然而，在某些方面中，动态防撞系统302的处理器340可执行着陆协助功能。着陆协助模块获益于传感器反馈以禁止飞行器200着陆在障碍和/或可能导致坠毁或对飞行器200有其它危险(例如，由于障碍)的位置上。在着陆机动期间，着陆协助模块利用感知输入关闭回路以确保平滑且安全的着陆。更具体地，着陆协助模块利用来自能够测量到飞行器200下方的多个目标的距离的一个或多个传感器210的输入。一个或多个传感器210可以是，例如RADAR、LiDAR、立体视觉(通过两个或更多个摄像机)等。
着陆协助系统向飞行器200的飞行控制系统306提供了闭环控制和安全着陆检查，而不需要信标或基准监督器。通过基于目标滤波器(下文描述)勘测着陆地点(例如，在目标102处)并计算置信值，飞行器200(通过动态防撞系统302/RFCA模块500/等)可以确定飞行器200下方的区域是否可用于闭环自主着陆。除了识别和/或确认安全着陆区域之外，着陆协助模块还可以产生用于操纵机构304的油门命令和/或控制命令以平滑地使飞行器200着陆。
着陆协助模块通过海拔许可(clearance)和闭环油门命令保持飞行器200的安全操作。着陆协助模块通过一个或多个传感器210测量飞行器200的海拔并对飞行器200执行闭环油门控制以提供着陆协助。在探测到障碍的事件中(例如，通过面朝下的配置的RFCA模块500或其它传感器210)，中止着陆(wave-off)操作可被执行，借此飞行器200中止其着陆和/或识别新的着陆区域。并且，距离测量被过滤以首先确定着陆目标，然后产生闭环油门控制/控制命令，以及最终使不满足着陆参数(例如，置信、最大距离、和下降速率)的自主着陆“中止着陆”(例如，中止(abort))。RFCA模块500随后可在着陆区域已被视为不安全时基于传感器测量识别新的着陆区域，或执行机动而非悬停。
图7示例了用于着陆协助模块的着陆协助功能的实例性着陆协助流程图700。如所示，在步骤702处接收对着陆协助模块的输入。输入可包括距离阵列和着陆参数，其可通过人类操作者或自动驾驶仪产生。
在步骤704处，着陆目标滤波器从距离阵列确定目标数目。在步骤706处，着陆协助模块确定目标数目是否大于一个。如果目标数目大于一个，则着陆协助模块进行至步骤708，否则着陆协助模块进行至步骤710。在步骤708处，着陆协助模块设置目标以等于最小值(距离_阵列)并进行至步骤710。在步骤710处，着陆协助模块确定目标是否满足着陆参数。如果目标满足着陆参数，则着陆协助模块进行至步骤712，否则着陆协助模块进行至步骤716。在步骤712处，着陆协助模块设置着陆_状态等于假并进行至步骤714。在步骤714处，着陆协助模块输出例如着陆_状态到飞行控制系统306。在步骤716处，着陆协助模块设置着陆_状态等于真并进行至步骤718。在步骤718处，着陆协助模块利用比例积分微分(PID)控制器产生控制信号并进行至步骤720。在步骤720处，着陆协助模块转换来自步骤718的控制信号到油门_Cmd单元。在步骤722处，着陆协助模块输出例如着陆_状态和来自步骤720的油门_Cmd到飞行控制系统306。载具飞行控制系统然后可以询问着陆_状态以采取适当动作并将油门_Cmd应用到适当控制回路。
来自着陆协助模块的默认输出可包括，例如：海拔_许可、飞行员_推力_命令、和着陆_状态。然而，输出可被定制(customized)以满足具体需求。定制输出可包括，例如：海拔_相对、目标_VZ(在z-方向上的速度)。着陆协助模块的参数可通过API来配置。
目标过滤模块。RADAR传感器的问题在于输出一般是分散的并且是混乱数据——由于RADAR传感器在大面积上探测对象的能力。因此，分析从RADAR传感器返回的数据可能是困难的，尤其对于导航决定过程。操作时，RADAR传感器可测量其视线内五个最显著的对象以输出对象的相对距离和RADAR探测所处的量级两者。这些值一般以递减量级的顺序输出，但该反馈方法不足以防撞和自主飞行，因为在动态环境中，障碍在量级上持续彼此超越(如RADAR所见的)并且报告的距离是交替的；因此，导致在反馈上大幅跳跃(large jumps)，这严重影响闭环控制器。
解决方案是利用目标过滤模块——包括执行目标过滤算法的电路——以探测真实的对象对噪音，并追踪对象使得清洁(clean)反馈信号返回至飞行器200。目标过滤模块执行目标过滤算法以防止跳跃(jumps)、使输出平滑、并报告置信值，其可用于防止防撞系统的假阳性。因此，五距离(five range)、五量级(five magnitude)RADAR单元的目标过滤和优化利用获自RADAR传感器的数据而允许识别和追踪障碍。目标过滤模块可因此为飞行器200提供五距离、五量级RADAR传感器有效载荷的过滤和优化以通过实现同时追踪五个对象来解决该问题。
执行对象追踪的能力增强了自主导航和防撞两者。在某些方面中，动态防撞系统302的处理器340可执行所公开的目标过滤功能。因此，目标过滤模块将不稳定且充满噪音的RADAR测量转换为能够被用于防撞以及自主飞行反馈的清洁信号。目标过滤模块突出了RADAR模块的优势，同时减弱了其劣势从而优化飞行器200的性能。类似解决方案可通过目前算法的微小改变而衍生出。在子功能(即数字滤波器的类型、线性vs.多项曲线拟合、高斯(Gaussian)vs.二项评估分布(Binomial estimated distributions)等)的选择上存在一些灵活性。
图8示例了实例性目标滤波器模块的输入和输出图表800，其包括电路以使来自一个或多个传感器210的感知数据组合以利用目标滤波器算法812产生具有对应置信值的过滤距离。一个或多个传感器210可包括RADAR和高度计以收集海拔测量802、RADAR量级804、和RADAR距离806。利用信号特性提取技术810，目标滤波器算法812可探测来自RADAR的异常值测量以消除错误数据点。利用信号特性、RADAR量级、和本地噪音(ground noise)评估的加权平均数来计算距离分配和置信值。
图9示例了目利用标过滤模块提供目标过滤功能的实例性流程图900，其中Std_Dev是扫描线的最近20个点的标准偏差——通过对这20个点的线性回归。Min_Diff是扫描线的最近距离和来自进入数据的指定距离之间的最小差异。迭代_计数器(迭代计数或计数器)是连续外推(consecutive extrapolations)的数目。最后，置信值是作为真实目标的距离的置信，其利用量级和Std_Dev的加权和来计算。
在步骤902处，目标过滤模块针对视线内五个最显著对象从RADAR接收五个新距离中的第一个及量级，然后进行至步骤904。在步骤904处，目标过滤模块确定量级是否饱和。在步骤904处如果量级饱和，则目标过滤模块在步骤906处设置距离到先前已知的良好值并在步骤908处继续。在步骤904处如果量级不饱和，则目标过滤模块继续至步骤908。在步骤908处，目标过滤模块计算Std_Dev并进行至步骤910。在步骤910处，目标过滤模块计算和/或识别针对目前扫描线的最佳拟合的新距离点并进行至步骤912。在步骤912处，目标过滤模块计算Min_Diff并进行至步骤914。在步骤914处，目标过滤模块确定是否满足四个条件，四个条件是：(1)Min_Diff是否大于3.5倍Std_Dev；(2)Min_Diff是否大于0.4；(3)Std_Dev是否小于0.2；以及(4)迭代_计数器是否小于15。在步骤914处如果四个条件每一个都满足，则目标过滤模块进行至步骤916；否则目标过滤模块进行至步骤920。
在步骤916处，目标过滤模块利用线性回归计算新的经过滤距离点并进行至步骤918。在步骤918处，目标过滤模块增大迭代_计数器并进行至步骤924。
在步骤920处，目标过滤模块指定来自RADAR的最优数据点以过滤输出距离并进行至步骤922。在步骤922处，目标过滤模块从潜在用于扫描线中移除指定距离并进行至步骤924。
在步骤924处，目标过滤模块利用临界阻尼低通滤波器(LPF)计算置信和低通并进行至步骤926。置信值和低通值可利用源自输入距离信号(例如，信号均值、标准偏差、和量级)的统计学项的加权平均数来计算。置信计算中项的加权可通过操作者来确定(即，操作者定义的)并针对期望的滤波器性能调谐(例如，通过操作者)。在步骤926处，目标过滤模块针对距离2-5中的每一个重复以上(在步骤902处开始)，并且当距离1-5都完成时，进行至步骤928。在步骤928处，目标过滤模块返回过滤距离和置信值。
在一些实施方式中，置信值和低通值可基于飞行器200经常在其中操作的环境来确定。例如，在其中经常有雪的操作环境中，雪的反射率可被认为是所探测噪音水平的常见原因。因此，系统可因此设置置信值和/或低通值以调整RADAR所探测到的可接受噪音水平。类似地，机器学习算法可与本文所述系统的目标过滤功能一起应用。
本文所述系统还可以包括客户机装置，其可包括由操作者操作的任意装置以起始、管理、监测、控制、或以其它方式与导航系统或自主载具相互作用。这可包括台式计算机、膝上型计算机、网络计算机、平板电脑、或能够参与到本文考虑的系统中的任意其它计算装置。客户机装置可包括操作者界面，可包括作为操作者界面的图形用户界面(GUI)、文本或命令线路界面、声音控制界面、和/或基于手势的界面以控制导航系统或自主载具的操作。操作者界面可通过在从例如导航系统或自主载具接收数据和状态信息的客户机装置中的一个上本地执行应用来保持。操作者界面可在客户机装置上创建适合的显示用于操作者互动。例如，操作者界面可包括显示器——其实时显示来自光学系统中的摄像机的视图，或显示来自导航系统内的其它传感器的其它数据。在其它实施方式中，操作者界面可被远程服务并在客户机装置中的一个上呈现。例如，在这样的情况下：导航系统或自主载具包括网页服务器，其通过能够在客户机装置中的一个上执行的网络浏览器或类似客户机内显示的一个或多个网页等来提供信息。一方面，操作者界面可包括声音控制界面，其从操作者接收口述命令和/或提供给操作者口述反馈。
尽管上述系统主要被描述为应用于空中载具，但是本领域技术人员将理解这样的系统、方法、和技术可与其它技术一起使用，如汽车、仓库设备、施工设施、起重机、电动轮椅、机场设备等。
上述系统、装置、方法、过程等可在硬件、软件、或适用于本文所述的控制、数据获取、和数据处理的这些的任意组合中实现。这包括在一个或多个微处理器、微控制器、嵌入式微控制器、可编程数字信号处理器、或其它可编程装置或处理电路、连同内和/或外存储装置中实现。这也可以，或替代地，包括一个或多个专用整合回路、可编程门阵列、可编程阵列逻辑部件、或任意其它装置或可被配置以处理电信号的装置。将进一步理解上文所述方法或装置的实现可包括计算机可执行代码——其创建是利用可被存储、编辑、或翻译以在上述装置中的一个以及处理器、处理器架构的多相组合、或不同硬件和软件的组合上运行的结构编程语言诸如C、面向对象的编程语言诸如C++、或任意其它高级或低级编程语言(包括汇编语言、硬件描述语言、和数据库编程语言和技术)。与此同时，处理可贯穿装置诸如上述的多种系统进行分布，或所有功能可整合到专用的、独立装置中。所有这样的排列和组合都意图落入本公开的范围内。
本文公开的实施方式可包括计算机程序产品，包括计算机可执行的代码或计算机可使用的代码——当其在一个或多个计算装置上被执行时，执行上述控制系统的任意和/或所有步骤。代码可以以非瞬时方式存储在计算机存储装置中，计算机存储装置可以是程序从其执行的存储装置(如与处理器关联的随机进入存储装置)或存储装置诸如磁盘驱动器、闪速存储装置、或任意其它光学的、电磁的、磁性的、红外的、或其它装置或装置的组合。在另一方面中，上述任意系统和方法可以以携带计算机可执行的代码和/或来自其的任意输入或输出的任意适合的传输或传播介质体现。
本文所述的实施方案的方法步骤意图包括使一个或多个其它方(parties)或实体执行该步骤的任意适合的方法，符合可专利性，除非明确提供了不同含义或以其它方式从上下文而明确。这种方或实体不必在任意其它方或实体的指导或控制之下，并且不必处于具体管辖权内。
本文引用的任何专利、专利出版物、或物品在此通过引用以其全部内容并入。应当理解上述方法和系统是以实例的方式列出并且不被限制。多种变化、添加、省略、和其它修改对本领域普通技术人员将是明显的。另外，以上描述及附图中方法步骤的顺序或呈现不意图要求执行所限定步骤的该顺序，除非明确要求具体顺序或从上下文中而明确。因此，尽管已显示和描述了具体实施方式，但是对于本领域技术人员显而易见的是在形式和细节上的各种变化和修改可在其中做出而不偏离本公开的精神和范围，并且意图形成本发明的一部分，其以法律能够允许的最宽泛的含义被解释。

Claims (15)

1.一种用于提供飞行器(100，200)中的碰撞保护的方法，所述方法包括：
从定位在所述飞行器(100，200)上并且可操作地与处理器(314，340)耦接的传感器(210，332)接收传感器(210，332)输入，其中所述传感器(210，332)被配置以识别视野内的障碍；
从飞行员接收飞行员命令流；
至少部分基于所述传感器(210，332)输入来识别所述视野内的障碍；
从所述视野内的多个区域(618，620，622)确定所述障碍位于其中的区域(618，620，622)，其中至少部分基于所述传感器(210，332)输入来确定所述区域(618，620，622)，并且其中所述多个区域(618，620，622)不彼此重叠；
将控制输入设置为从所述多个区域(618，620，622)确定的所述区域(618，620，622)的函数；
输入所述控制输入到比例微分(PD)控制器以产生控制数据；
通过所述处理器(314，340)产生控制命令流作为所述控制数据的函数；以及
通过所述处理器(314，340)比较所述控制命令流与所述飞行员命令流以确定来自所述飞行员的所述飞行员命令流是否安全。
2.如权利要求1所述的方法，其中当来自所述飞行员的所述飞行员命令流被确定为不安全时，所述控制命令流代替所述飞行员命令流被通信至所述飞行器(100，200)的飞行控制器。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中当来自所述飞行员的所述飞行员命令流被确定为安全时，所述飞行员命令流被通信至所述飞行器(100，200)的飞行控制器。
4.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述传感器(210，332)输入包括距离-速率评估或距离评估。
5.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述多个区域(618，620，622)包括第一区域(618，620，622)、第二区域(618，620，622)、和第三区域(618，620，622)。
6.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中如果飞行员命令流能够被所述处理器(314，340)理解为尝试(1)减少所述飞行器(100，200)与所述障碍之间的距离，或(2)增加所述飞行器(100，200)速率至所述控制数据设置的速率限制之上，则所述飞行员命令流被确定为不安全。
7.如权利要求1或权利要求2所述的方法，进一步包括从所述飞行员接收飞行员超控命令的步骤，其中所述飞行员超控命令超控所述控制命令流。
8.如权利要求1或权利要求2所述的方法，进一步包括执行目标过滤操作的步骤，其中所述目标过滤操作包括：
针对所述飞行器的视线内的障碍从RADAR系统接收距离和量级数据；通过所述处理器并且至少部分基于所述距离和量级数据来确定所述量级是否饱和；通过所述处理器计算反映随时间的距离和量级数据的扫描线的至少部分的标准偏差；通过所述处理器确定所述扫描线的新距离点；通过所述处理器计算所述扫描线的所述新距离点与来自进入数据的指定距离之间的最小差异；以及通过处理器、通过临界阻尼低通滤波器LPF计算置信值和低通值。
9.一种用于提供飞行器(100，200)中的碰撞保护的导航系统，所述导航系统包括：
传感器(210，332)，其被配置以耦接到所述飞行器(100，200)并且识别视野内的障碍；
处理器(314，340)，其可操作地与所述传感器(210，332)和存储装置耦接，其中所述处理器(314，340)被配置以从飞行员接收飞行员命令流，其中所述处理器(314，340)进一步被配置以：
至少部分基于来自所述传感器(210，332)的传感器(210，332)输入来识别所述视野内的障碍；
从所述视野内的多个区域(618，620，622)来确定所述障碍位于其中的区域(618，620，622)，其中至少部分基于所述传感器(210，332)输入来确定所述区域(618，620，622)，并且其中所述多个区域(618，620，622)不彼此重叠；
将控制输入设置为从所述多个区域(618，620，622)确定的所述区域(618，620，622)的函数；
输入所述控制输入到比例微分(PD)控制器以产生控制数据；
通过所述处理器(314，340)产生控制命令流作为所述控制数据的函数；以及
通过所述处理器(314，340)比较所述控制命令流与所述飞行员命令流以确定来自所述飞行员的所述飞行员命令流是否安全。
10.如权利要求9所述的导航系统，其中当来自所述飞行员的所述飞行员命令流被确定为不安全时，所述控制命令流代替所述飞行员命令流被通信至所述飞行器(100，200)的飞行控制器。
11.如权利要求9或权利要求10所述的导航系统，其中所述多个区域(618，620，622)包括第一区域(618，620，622)、第二区域(618，620，622)、和第三区域(618，620，622)。
12.如权利要求9或权利要求10所述的导航系统，其中如果飞行员命令流能够被所述处理器(314，340)理解为尝试(1)减少所述飞行器(100，200)与所述障碍之间的距离，或(2)增加所述飞行器(100，200)速率至所述控制数据设置的速率限制之上，则所述飞行员命令流被确定为不安全。
13.如权利要求9或权利要求10所述的导航系统，其中所述处理器(314，340)被配置以接收来自所述飞行员的飞行员超控命令，所述飞行员超控命令超控所述控制命令流。
14.如权利要求9或权利要求10所述的导航系统，其中所述飞行器(100，200)是垂直起降(VTOL)飞行器(100，200)。
15.如权利要求9或权利要求10所述的导航系统，进一步包括着陆协助模块以指导所述飞行器(100，200)执行着陆机动从而避开所述飞行器(100，200)下方探测到的障碍。
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