基于区域的无人机着陆系统和方法
技术领域
本公开涉及允许使用具有独特高程范围和传感器参数的可配置操作区域以及纠错进行无人机(UAV)的准确且故障安全(fail-safe)着陆的UAV系统和方法。
背景技术
通常，UAV被配置有悬停能力，但是在着陆期间精度较差。导致出现这些问题的一些原因包括但不限于在UAV上使用的一些传感器(诸如全球定位系统(GPS)传感器)缺乏准确性，所述传感器在准确度方面缺乏粒度，因为它们仅准确到大约+/-三英尺。UAV控制系统提供不适合嘈杂或动态着陆条件的预定控制逻辑。由于需要将续航里程(在较长的电池充电时间之间)最大化，因此UAV是针对效率而并非针对控制和精度被优化(例如，四轴飞行器、六轴飞行器；二叶片转子，而非四叶片转子)。外部因素也可能导致UAV错误着陆，所述外部因素诸如由UAV螺旋桨产生的下沉气流，所述下沉气流可能会从目标位置反射出来并且可能影响UAV稳定性。在一些情况下，强风或阵风可能导致UAV在降落时失去平衡。如果目标位置在移动基底(诸如车辆)上，则这些挑战将更加复杂。
发明内容
本文提供了基于区域的无人机着陆系统和方法。一种示例性方法包括：确立多个操作区域，所述多个操作区域中的每一者与一高程范围相关联；使用传感器导引无人机(UAV)通过多个操作区域中的每一者以将所述UAV着陆在目标位置上，其中所述传感器被配置为感测所述UAV与所述目标位置之间的距离，并且其中所述传感器的各部分被配置为在不同高程使用；以及确定所述UAV在着陆期间的错误，其中在确定有所述错误时，所述UAV撤退到更高高程操作区域。
附图说明
参考附图陈述详细描述。使用相同的附图标记可以指示相似或相同的项。各个实施例可以利用除了附图中所示的元件和/或部件之外的元件和/或部件，并且一些元件和/或部件可能不存在于各个实施例中。附图中的元件和/或部件不一定按比例绘制。在整个本公开中，依据上下文，可以互换地使用单数和复数术语。
图1描绘其中可以实现用于提供本文公开的系统和方法的技术和结构的说明性架构。
图2A是具有着陆表面的示例性目标位置结合地理围栏的正视图。
图2B是具有倾斜或凹形的着陆表面的示例性目标位置的正视图。
图2C是具有设置有用于将UAV导引就位的风扇或喷嘴的着陆表面的示例性目标位置的正视图。
图3是用于纠正在UAV着陆期间感测到的错误状况的示例性撤退和重试(故障安全)方法的流程图。
图4示出了用于在UAV着陆期间检测和纠正错误状况的示例性轨迹和比例导航(proportional navigation)方法。
图5和图6是本公开的示例性方法的流程图。
具体实施方式
概述
本文公开的系统和方法被配置为提供UAV在目标位置并且在一些实施例中在可移动目标位置上的故障安全着陆。在一些实施例中，所述系统和方法是故障安全的并意图防止对车辆、旁观者或其他附近物体造成损伤。
更详细地，本文的系统和方法被配置为提供用于使UAV和/或目标位置实现用于将UAV着陆在目标位置上的基于高程或基于区域的方法的手段。在一些实施例中，实现包括确立多个操作区域的到达、撤退和重试过程。在各个实施例中，可以使用诸如比例导航之类的方法来检测和纠正在UAV着陆期间检测到的错误，诸如UAV与诸如着陆平台之类的从属目标位置之间未对准。
在一些情况下，多个操作区域可以各自包括被配置的地理围栏边界，所述地理围栏边界具有限定空域柱或空域圆柱体的高度和宽度(例如，直径)。UAV可以凭借依次通过这些操作区域中的每一者来着陆。在一些实施例中，UAV和/或目标位置可以使用适合于分配给操作区域中的每一者的高程范围的特定类型的传感器。通常，本文使用的传感器能够允许UAV、目标位置或两者确定UAV相对于目标位置的位置和/或定向(定向指示UAV与目标位置之间的对准)。
在通行期间，UAV、目标位置或两者的组合可以基于传感器输入来确定UAV是否经历了错误状况或异常。当在UAV的当前操作区域确定有错误状况时，可以控制UAV回到外部区域(例如，较高高程操作区域)。UAV可以再次尝试通过所述操作区域。错误状况可以基于诸如过度的UAV移动之类的多种状况而触发。该过程确保当UAV在未触发错误状况或异常的情况下通过了操作区域中的每一者时UAV会着陆在目标位置上。本文更详细地提供了本公开的这些和其他优点。
说明性实施例
现在转向附图，图1描绘了其中可以实现本公开的技术和结构的说明性架构100。说明性架构100可以包括UAV 102、目标位置104、车辆106和网络108。网络108可以包括多种不同类型的网络中的任何一种或组合，诸如有线网络、因特网、无线网络和其他专用和/或公共网络。在一些情况中，网络108可以包括蜂窝、Wi-Fi或Wi-Fi直连。在一些实施例中，本文公开的一些功能性可以完全在UAV层面执行。在其他实施例中，本文公开的一些功能性可以完全在目标位置执行。在一些实施例中，本文公开的一些功能性可以在UAV和目标位置两处协作地执行。
在各个实施例中，目标位置104可以设置在车辆106上。目标位置104也可以是静止装置。UAV 102可以被控制为凭借通过多个操作区域而着陆在目标位置104上，所述多个操作区域诸如第一操作区域110A(也称为最高高程操作区域)、第二操作区域110B(也称为第一中间高程操作区域)、第三操作区域110C(也称为第二中间高程操作区域)和第四操作区域110D(也称为最低高程操作区域或倒数第二区域)。根据一些实施例，各个操作区域可以通过UAV、目标位置或其组合来确立。通常，可以通过地理围栏来限定操作区域。在该示例中，操作区域的一部分具有地理围栏，所述地理围栏可以成形为具有高度尺寸和直径尺寸的圆柱体或柱。操作区域可以包括由高度尺寸和距目标位置104的中心轴线的水平距离限定的高程范围。图2A示出了目标位置的示例性中心轴线。
在一个实施例中，第一操作区域110A是在第二操作区域110B的高程范围之外的任何位置(location/position)。实际上，第一操作区域110A是自由区域空间112A。第二操作区域110B由地理围栏112B限定。第三操作区域110C由地理围栏112C限定，并且第四操作区域110D由地理围栏112D限定。在一些实施例中，UAV 102依次通过操作区域110A至110D中的每一者，直到UAV 102成功着陆在目标位置104上。在一个实施例中，第一操作区域110A包括UAV 102在目标位置104上方一千英尺或以上的任何位置，而与UAV 102相对于目标位置104的定向/对准度无关。第二操作区域110B包括地理围栏112B，所述地理围栏由UAV 102在目标位置104上方五百英尺或以上并且在目标位置104的中心轴线(参见关于中心轴线的图示的图2A)的100英尺直径内的任何位置来限定。
第三操作区域110C包括地理围栏112C，所述地理围栏由UAV 102在目标位置104上方五十英尺或以上并且在目标位置104的中心轴线的十英尺直径内的任何位置来限定。第四操作区域110D包括地理围栏112D，所述地理围栏由UAV 102在目标位置104上方五英尺或以上并且在目标位置104的中心轴线的一英尺直径内的任何位置来限定。可以肯定的是，尽管已经公开了四个特定的操作区域和对应的地理围栏，但是根据本公开可以利用更少或附加的操作区域。
在一些实施例中，UAV 102包括UAV控制器114，所述UAV控制器包括处理器116和存储器118。存储器118存储由处理器116执行以执行本文公开的UAV着陆程序的各方面的指令。当提及由UAV控制器114执行的操作时，应当理解，这包括处理器116对指令的执行。根据一些实施例，UAV 102包括多个传感器118A至118N，诸如无线电、惯性测量单元(IMU)、声纳、光探测和测距(LIDAR)和/或相机。多个传感器118A至118N共同地被配置为提供GPS信号、实时动态GPS信号、航迹推算信号、气压计信号、声纳信号、超声信号、光探测和测距(LIDAR)信号和相机图像中的任何一者或多者。在一些实施例中，基于UAV的当前高程或UAV正在其中操作的当前操作区域来选择使用这些传感器中的一者或多者。在本文更详细地提供关于操作区域的细节。在一些实施例中，UAV 102包括多个传感器118A至118N的全部或一部分。
在一个实施例中，UAV控制器114在上面公开的操作区域中的每一者处利用多个传感器118A至118N中的一者或多者。例如，当UAV 102在第一操作区域110A内时，UAV控制器114可以利用GPS传感器、实时动态传感器、航迹推算传感器、气压计或其组合中的任何一者或多者，以确定UAV 102相对于目标位置104的位置。
当UAV在第二操作区域110B内时，UAV控制器114可以利用声纳、超声和/或LIDAR中的任何一者或多者，以确定UAV 102相对于目标位置104的位置。当UAV在第三操作区域110C内时，UAV控制器114可以利用LIDAR和相机图像中的任何一者或多者，以确定UAV 102相对于目标位置104的位置。当UAV在第四操作区域110D内时，UAV控制器114可以利用任何相机图像，以确定UAV 102相对于目标位置104的位置。在一些实施例中，目标位置104包括UAV控制器114可以读取并用来使其自身与目标位置104对准的基准物体，诸如二维或三维图像。这种对准是当UAV 102与目标位置104即将要接触时对UAV位置的微调对准。同样，每个操作区域的确切尺寸是可选的，并且可以根据设计要求而变化。
在一些实施例中，可以从这些输入或传感器信号中的任一者确定UAV 102相对于目标位置104的位置。在各个实施例中，UAV控制器114可以被配置为确定UAV正在多个操作区域中的哪个操作区域中操作。例如，UAV控制器114可以被配置为确定目标位置104的位置并确定UAV 102相对于目标位置104的位置。可以基于由UAV控制器114确定的UAV 102相对于目标位置104的位置来确定当前操作区域。在一些实施例中，UAV控制器114存储多个操作区域的参数，诸如操作区域的高程范围。
在某些实施例中，UAV控制器114从目标位置控制器(在本文更详细地讨论)接收每个操作区域的参数。所述参数可以包括高程范围、传感器类型和地理围栏边界。在其他实施例中，UAV控制器114可以被提供有目标位置104的当前位置，并且使用UAV 102的存储器118中所存储的操作区域的指定参数来实现操作区域。在一些实施例中，UAV控制器114实时地或接近实时地接收目标位置104的位置，这在目标位置104正移动时是有利的。
在一些实施例中，UAV控制器114可以基于UAV 102正在其中操作的当前操作区域来选择多个传感器118A至118N中的一者或多者。即，UAV控制器114可以确定其当前在哪个操作区域中操作，并选择适合于所述操作区域的传感器。在一个实施例中，在第一操作区域110A中操作UAV 102时所使用的传感器能够以比在较低高程处感测UAV 102相对于目标位置104的位置/定向时所使用的那些传感器更低的粒度水平来感测位置。即，当在第一操作区域110A中的高高程处飞行时，UAV 102不太可能遇到地基障碍物。可以肯定的是，外部区域的精度要求较低，使得如果UAV 102在高度足以避开障碍物的高程处操作，则仅GPS就足够了。
当在第二操作区域110B中的中等高程处飞行时，UAV控制器114可以利用环境传感器(诸如声纳、超声、LIDAR等)来避开诸如输电塔和建筑物之类的静态障碍物。当在第三操作区域110C中的低高程处飞行时，UAV控制器114可以利用环境传感器和预测算法来导航诸如动物、人类、车辆等等之类的动态物体。通常，中间区域会累积传感器资产。随着UAV 102的高程降低，周围环境变得更加混杂。可以随着高程降低而启用静态障碍物躲避、然后启用动态障碍物躲避。
当在第四操作区域110D中的超低高程处飞行时，UAV控制器114可以利用相机输入将UAV 102与目标位置104对准。在超低水平(几英尺到几英寸)处，相机输入允许对UAV 102相对于目标位置104的垂直位置和水平位置两者进行微调调整以实现最终的接近。
当处于倒数第二区域(UAV 102与目标位置104之间进行接触之前的最后区域)(在该例子中为第四操作区域110D)时，UAV控制器114可以确保将UAV 102定位在目标位置104的正上方。最终的接近可以通过UAV控制器102与目标位置104之间的某种形式的通信来辅助。在一个示例性实施例中，基准标记被显示在目标位置104上。该基准标记可以由UAV安装的相机来跟踪。可以使用任何合适的基准标记，诸如包括符号、图案或其他类似标记的任何记号。在另一个实施例中，可以将轨迹控制和校正消息从目标位置104发送到UAV 102(利用目标位置104的板外或非UAV处理能力)。因此，当UAV 102处于最低高程操作区域中时，目标位置104的控制器和UAV控制器114彼此通信以将UAV 102导引到目标位置104上。
根据一些实施例，目标位置包括目标位置控制器120，所述目标位置控制器包括处理器122和存储器124。存储器124存储由处理器122执行以执行本文公开的UAV着陆程序的各方面的指令。在提及由目标位置控制器120执行的操作时，应当理解，这包括处理器122对指令的执行。在各个实施例中，目标位置104可以包括上文公开的传感器类型中的任一者，诸如GPS、实时动态GPS、航迹推算、气压计、声纳、超声、光探测和测距和/或相机。因此，目标位置104包括多个传感器126A至126N。通常，为给定的地理围栏和操作区域选择的传感器类型可以基于地理围栏所覆盖的高程范围。同样，高程越高，对传感器类型的特殊性或灵敏性的要求越低。
在一些实施例中，目标位置控制器120可以被配置为确立如上文所公开的多个操作区域。这可以包括选择用于操作区域中的一者或多者的地理围栏中的每一者的大小和形状。而且，目标位置控制器120可以针对多个操作区域中的每一者而选择UAV 102和/或目标位置控制器120应当利用前述传感器中的哪些传感器。目标位置控制器120可以向UAV 102传达关于操作区域的数据(例如，地理围栏参数)和用于每个操作区域的一个或多个传感器类型。
在一个实施例中，目标位置包括用于多个操作区域中的第一操作区域的全球定位传感器、用于多个操作区域中的第二操作区域的无线电信标、用于多个操作区域中的第三操作区域的光学传感器以及用于多个操作区域中的第四操作区域的激光传感器。可以在UAV层面为每个操作区域提供相同布置。
图2A至图2C各自示出了可以用作图1的目标位置104的目标位置的实施例。在图2A中，目标位置200包括着陆表面202，所述着陆表面包括基准标记204，在该例子中，所述基准标记包括可以被UAV的相机或其他类似光学传感器观察到的符号(诸如圆圈内的X)。在该示例中，基准标记204与着陆表面202的中心对准。基准标记204可以被UAV上的相机观察到，所述相机可以是可供UAV使用的多个装置/传感器中的一者。
使用中心轴线CA作为参考来确定为操作区域确立的地理围栏的横向距离或直径，诸如地理围栏部分201，其宽度由以中心轴线CA为参考测量的半径或直径D来限定。在一些实施例中，目标位置200包括着陆辅助机构。在各个实施例中，着陆辅助机构包括一个或多个磁体206，所述磁体适于吸引与UAV相关联的金属部件和/或磁体。一个或多个磁体206可以定位于着陆表面202上或定位于着陆表面202内。当UAV处于着陆表面202上方的倒数第二或最低操作区域时，一个或多个磁体206在UAV上施加磁力以将UAV向下拉至与着陆表面202接触。一个或多个磁体206可以是无源或有源电磁体。
图2B示出了另一个示例性目标位置210，所述目标位置包括着陆辅助机构，所述着陆辅助机构包括着陆表面212，所述着陆表面具有倾斜或凹形的侧壁214以将UAV导引到目标位置210的中心。在一些情况下，倾斜或凹形侧壁214可以与磁体或风扇/喷嘴组合。侧壁214可以设置有辅助UAV着陆在着陆表面212上的任何期望的形状或角度。
图2C示出了另一个示例性目标位置216，所述目标位置包括着陆辅助机构，所述着陆辅助机构包括引导UAV与着陆表面220接触的管道风扇或空气喷嘴218中的至少一者。在一些实施例中，空气喷嘴218可以使UAV在着陆表面220上方居中以防止UAV横向移动。
返回参考图1，在目标位置控制器120已经确立了多个操作区域并且与UAV 102协作之后，目标位置控制器120确定UAV正在多个操作区域中的哪个操作区域中操作。这可以在较高高程操作区域中通过UAV控制器114与目标位置控制器120之间的通信实现。这可以包括当UAV控制器114和目标位置控制器120彼此远离时通过网络108进行的通信。当UAV控制器114和目标位置控制器120彼此接近(例如，在使用特定的或选定的短程无线连接的范围内)时，通信可以通过短程通信发生。在一些实施例中，UAV控制器114利用通信接口128，并且目标位置控制器120利用通信接口130。通信接口128和通信接口130中的每一者能够通过短程连接而连接到网络108或彼此。
在操作中，UAV 102按从最高高程进入区域到最低高程进入区域的顺序方式通过多个操作区域，以着陆在目标位置104上。该过程可以完全由UAV控制器114执行、完全由目标位置控制器120执行，或在UAV控制器114与目标位置控制器120之间协作地执行。
在该着陆过程期间，UAV控制器114和/或目标位置控制器120被配置为监测关于UAV 102的错误状况。通常，当UAV通过多个操作区域中的一者时发生错误时，可以由UAV102执行撤退和重试过程。错误状况的发现可以通过UAV控制器114、目标位置控制器120或在其间协作地发生。
通常，响应于错误，UAV 102可以从多个操作区域中的当前操作区域撤退到多个操作区域中更高高程操作区域，并尝试再次通过多个操作区域中的当前操作区域。该过程降低了UAV 102在着陆期间可能对其自身或另一个物体造成损坏的可能性。概括地说，撤退和重试过程确保UAV 102在任何给定的操作区域内不会出现无规律或过度移动。例如，UAV102可能因意外的阵风而在操作区域内过度移动。在另一个示例中，UAV 102可能因目标位置104的意外移动而在操作区域内过度移动。在另一个示例中，UAV 102可能因环境状况或因在UAV或目标位置层面的机械、电气或通信相关故障而在操作区域内无规律地移动。
可以使用任何一个或多个过程(诸如移动阈值的实现方式或诸如比例导航之类的技术的使用)来确定这些错误状况。关于移动阈值，可以在UAV或目标位置层面维持移动阈值。通常，如果UAV控制器114和/或目标位置控制器120确定UAV 102正在操作区域的地理围栏内操作，则可以确定UAV 102没有处于错误状况。如果UAV控制器114和/或目标位置控制器120确定UAV 102曾经处于操作区域的地理围栏内，但是已移动到所述地理围栏外(但并未移动到操作区域的较低地理围栏中)，则可能触发错误状况。因此，所述阈值是地理围栏的边界。在又一示例中，如果UAV控制器114和/或目标位置控制器120确定与移动阈值相比，UAV 102已经沿水平方向和/或垂直方向无规律地或过度地移动就位，则可能已发生错误状况。例如，如果UAV 102相对于目标位置104以每秒五英尺以上的速率水平移动，则可以推断出由于UAV 102上的风切变(wind shear)已发生了错误状况。再次，这些仅仅是示例，但是确定错误状况的总体目标是确保在UAV 102前进通过操作区域时，UAV 102朝向目标位置104受控地下降。在一些实施例中，可以针对操作区域中的每一者而应用独特的错误状况。因此，在一个操作区域中触发错误状况的原因可能不会在另一个操作区域中触发错误状况。例如，为较低的操作区域确立的移动阈值可能不同等地适用于较高的操作区域，所述较高的操作区域可能具有更宽松的移动阈值或错误确定状况。
现在参考图3，示出了与到达、撤退和重试过程有关的示例性方法。通常，在步骤302中，UAV正尝试到达下一个区域或目标(诸如目标位置表面)。在该过程期间，在步骤304中，UAV控制器或目标位置控制器可以监测异常(例如，错误状况)。如果UAV在监测期间达到其目标，则在步骤306中，监测过程在着陆时终止。如果没有遇到异常，但是UAV还没有到达其目标，则所述方法包括允许UAV转至另一个较低操作区域的步骤308。
如果在步骤304中检测到异常(例如，错误状况)，则所述方法过渡到异常处置步骤310。在一些实施例中，异常处置可以包括使UAV撤退到较高操作区域/从当前操作区域(检测到错误的操作区域)撤退到较高操作区域。在一些情况下，这可以包括紧邻的较高操作区域。在其他情况下，这可以包括使UAV撤退到最高操作区域。在步骤312中，允许UAV恢复控制，这可以包括使UAV稳定或悬停就位或者将UAV调平。一旦恢复控制，UAV就可以朝向目标重试进入并通过操作区域。
图4示出了使用比例导航进行错误检测的示例性过程。通常，比例导航(PN)是归向导引律(homing-guidance law)。PN是基于以下条件：如果当第一车辆逐渐接近目标车辆时，第一车辆与目标车辆之间的视线(LOS)矢量不旋转，则这两个车辆处于碰撞航线。PN允许计算第一车辆的横向加速导引以便维持LOS矢量的方向，使得目标被拦截，如右图所示。PN导引原则为UAV精确着陆提供了基于区域的撤退-重试异常监测。可以基于UAV 400和目标位置402的惯性位置和速度以规则的时间间隔来计算UAV 400与目标位置402之间的LOS的转速。如上所述，在每个操作区域中使用不同的传感器配置来测量这些信号。
目标位置402可以是可能具有一定的垂直接近阈值的着陆架本身，或者可能是后续(例如，较高高程)区域的边界上的固定点。
如果LOS的转速由于外部干扰(诸如阵风、相对于UAV 400的地面效应或目标位置402的突然加速)而超出预设阈值，则触发异常，并且UAV 400撤退到外部区域并重试操纵。异常监测可以在UAV层面、目标位置层面或在其间协作地执行。该预设阈值可以被选择为常数，或UAV 400与目标位置402之间的距离的函数。因为当无人机与目标之间的距离接近零时LOS旋转达到无穷大，所以当UAV 400足够接近目标位置402时，可以将预设阈值设为无穷大。
应当理解，LOS的转速与UAV 400和目标位置402之间的距离成反比。因此，当UAV远离目标位置时，由于外部干扰导致的UAV轨迹的微小偏差可能不会触发异常。相反，当UAV靠近目标位置时，LOS的转速可能对外部干扰更为敏感，并且突然的轨迹偏差更可能触发异常。这是非常有利的性质，因为当UAV远离目标位置时，UAV可以校正其轨迹而不必撤退，而当UAV接近目标位置时，UAV可能没有足够的控制权限来恢复着陆轨迹，因此必须撤退。
在错误状况轨迹406旁边示出了示例性有利轨迹404。每个轨迹的数字标签表示UAV使用传感器测量结果来计算LOS的假设情况。在轨迹404中，没有异常被触发，因为在整个操纵中，UAV 400与目标位置402之间的LOS几乎是固定的。
相反，在轨迹406中，UAV 400由于外部干扰而在点1至点2之间水平地被扰动。然而，这不会触发异常，因为由于UAV 400与目标位置402之间的距离较大，因此LOS转速被确定为较小。然而，当在4至5之间发生类似干扰时，LOS旋转较大，并且这会触发异常，从而迫使UAV 400撤退并重试。可以肯定的是，LOS计算可以在UAV层面、目标位置层面或在其间协作地执行。该过程可以在UAV控制器与目标位置控制器之间执行，其中控制和校正消息被从目标位置的控制器提供给UAV。UAV的控制器根据控制和校正消息来重新定位自身。该重新定位可以发生在对UAV和目标位置进行定向以确保正确对准的操作区域内或者发生在UAV撤退到较高高程时。
图5示出了本公开的示例性方法的流程图。所述方法通常是针对使无人机(UAV)着陆。所述方法包括确立多个操作区域的步骤502，其中所述多个操作区域中的每一者与一高程范围相关联。操作区域可以被UAV确立为地理围栏，或者可以从诸如具有着陆平台的车辆之类的目标位置接收。在一些实施例中，操作区域可以由圆柱体限定，所述圆柱体具有与高程范围相对应的高度分量和与从目标位置的中心轴线测量的直径相对应的宽度分量。
接下来，所述方法包括使用传感器导引无人机(UAV)通过多个操作区域中的每一者以将UAV着陆在目标位置上的步骤504。可以肯定的是，传感器被配置为感测UAV与目标位置之间的距离或UAV与目标位置之间的定向。在一些实施例中，传感器的各部分被配置为在不同高程处使用。在各个实施例中，所述方法包括确定UAV在着陆期间的错误的步骤506。如果检测到错误，则所述方法包括当确定有错误时撤退或使UAV撤退到较高高程操作区域的步骤508。再次，可以使用比例导航逻辑或使用如上所述的移动阈值来确定错误。
图6是用于使用传感器将UAV导引到多个操作区域中的每一者中以使UAV着陆在目标位置上的详细方法的流程图。所述方法可以包括使用全球定位信号来导引UAV通过多个操作区域中的第一者的步骤602。接下来，所述方法包括使用无线电信号来导引UAV通过多个操作区域中的第二者的步骤604。在一些实施例中，所述方法包括使用光学信号导引UAV通过多个操作区域中的第三者的步骤606，以及使用激光信号导引UAV通过多个操作区域中的第四者的步骤608。
在一些实施例中，所述方法包括利用撤退和重试逻辑来纠正错误状况并且当UAV处于多个操作区域中的第三者或第四者中的任一者中时利用UAV控制器与目标位置控制器之间的控制和校正消息的步骤610。在一些实施例中，所述控制和校正消息用于通过改变UAV相对于目标位置的水平位置或垂直位置中的至少一者来调整UAV的定向。
示例性实施例
在一些情况下，以下示例可以由本文所述的系统和方法共同或单独地实现。
示例1可以包括一种系统，所述系统包括：目标位置，其用于接收无人机(UAV)；多个传感器，其被配置为确定所述UAV在所述目标位置上方的不同高程处的位置或定向；以及处理器和用于存储可执行指令的存储器，所述处理器执行所述指令以：确定所述UAV正在多个操作区域中的哪个操作区域中操作，所述多个操作区域中的每一者与一高程范围相关联，其中所述UAV以顺序方式通过所述多个操作区域以着陆在所述目标位置上；确定当所述UAV通过所述多个操作区域中的一者时何时发生错误；并且响应于所述错误而确定对所述UAV的指令以从所述多个操作区域中的当前操作区域撤退到所述多个操作区域中的外部操作区域。
示例2可以包括根据示例1和/或本文中的一些其他示例的系统，其中所述传感器各自被配置为感测所述UAV与所述目标位置之间的距离，所述传感器中的每一者被配置为在不同高程使用。
示例3可以包括根据示例1和/或本文中的一些其他示例的系统，其中所述多个传感器的第一部分与最高高程操作区域相关联，所述第一部分包括全球定位、实时动态、航迹推算、气压计或其组合中的至少一者，并且其中所述多个传感器的第二部分与第一中间高程操作区域相关联，所述第二部分包括声纳、超声、光探测和测距或其组合中的至少一者，所述多个传感器的所述第二部分被配置为允许所述UAV避开所述目标位置附近的静态障碍物。
示例4可以包括根据示例3和/或本文中的一些其他示例的系统，其中所述多个传感器的第三部分与第二中间高程操作区域相关联，所述第三部分包括相机、光探测和测距或其组合中的至少一者，所述多个传感器的所述第三部分被配置为允许UAV避开所述目标位置附近的动态障碍物。
示例5可以包括根据示例4和/或本文中的一些其他示例的系统，其中所述多个传感器的第四部分与最低高程操作区域相关联，并且被配置为确保所述UAV定向在所述目标位置的正上方。
示例6可以包括根据示例1和/或本文中的一些其他示例的系统，所述系统还包括着陆辅助机构，所述着陆辅助机构包括设置在所述目标位置上的一个或多个磁体，所述一个或多个磁体与设置在所述UAV上的一个或多个UAV磁体协作。
示例7可以包括根据示例1和/或本文中的一些其他示例的系统，其中所述目标位置具有倾斜或凹形的侧壁以将所述UAV导引到所述目标位置的中心。
示例8可以包括根据示例1和/或本文中的一些其他示例的系统，所述系统还包括着陆辅助机构，所述着陆辅助机构包括引导所述UAV与所述目标位置接触的管道风扇或空气喷嘴中的至少一者。
示例9可以包括一种系统，所述系统包括：无人机(UAV)，其被配置为在多个操作区域中操作，所述多个操作区域中的每一者与一高程范围相关联，所述UAV包括多个传感器，所述UAV包括控制器、处理器和用于存储可执行指令的存储器，所述处理器执行所述指令以：使所述UAV按从最高高程操作区域到最低高程操作区域的顺序方式通过所述多个操作区域以着陆在所述目标位置上；确定当所述UAV通过所述多个操作区域中的一者时何时发生错误；并且响应于所述错误而使所述UAV从所述多个操作区域中的当前操作区域撤退到所述多个操作区域中的较高高程操作区域。
示例10可以包括根据示例9和/或本文中的一些其他示例的系统，其中所述控制器使用比例导航来确定已经发生了错误，在所述比例导航中所述控制器确定所述UAV与所述目标位置之间的视线矢量，其中当所述视线矢量的旋转等于或大于阈值时，所述控制器使所述UAV撤退到所述多个操作区域中的所述较高高程操作区域。
示例11可以包括根据示例9和/或本文中的一些其他示例的系统，其中所述多个传感器包括用于所述多个操作区域中的第一操作区域的全球定位传感器、用于所述多个操作区域中的第二操作区域的无线电信标、用于所述多个操作区域中的第三操作区域的光学传感器以及用于所述多个操作区域中的第四操作区域的激光传感器。
示例12可以包括根据示例11和/或本文中的一些其他示例的系统，其中所述光学传感器包括感测所述目标位置上的基准标记的相机。
示例13可以包括根据示例11和/或本文中的一些其他示例的系统，所述系统还包括：当所述UAV处于所述第四操作区域中时，从所述目标位置的控制器接收控制和校正消息；以及根据所述控制和校正消息来重新定位所述UAV。
示例14可以包括根据示例9和/或本文中的一些其他示例的系统，其中当所述控制器确定所述UAV在所述多个操作区域中的一者中的水平或垂直移动已经超过阈值时，所述控制器确定已经发生了错误。
示例15可以包括一种用于使无人机(UAV)着陆的方法，所述方法包括：确立多个操作区域，所述多个操作区域中的每一者与距目标位置的距离范围相关联；使用传感器导引无人机(UAV)通过所述多个操作区域中的每一者以将所述UAV着陆在所述目标位置上，其中所述传感器被配置为感测所述UAV与所述目标位置之间的距离或所述UAV与所述目标位置之间的定向，其中所述传感器的各部分被配置为在不同高程使用；以及确定所述UAV在着陆期间的错误，其中在确定有所述错误时，所述UAV撤退到具有比当前操作区域大的距离的操作区域。
示例16可以包括根据示例15和/或本文中的一些其他示例的方法，其中确定所述错误包括确定所述UAV与所述目标位置之间的视线矢量，其中当所述视线矢量的旋转等于或大于阈值时，所述UAV撤退到较高高程操作区域。
示例17可以包括根据示例15和/或本文中的一些其他示例的方法，其中确定所述错误包括确定所述UAV在所述多个操作区域中的一者中的水平或垂直移动已经超过阈值。
示例18可以包括根据示例15和/或本文中的一些其他示例的方法，其中所述多个操作区域由圆柱体限定，所述圆柱体具有与所述高程范围相对应的高度分量和与从所述目标位置的中心轴线测量的直径相对应的宽度分量。
示例19可以包括根据示例15和/或本文中的一些其他示例的方法，其中使用所述传感器将所述UAV导引到多个操作区域中的每一个中以使所述UAV着陆在目标位置上包括：使用全球定位信号导引所述UAV通过所述多个操作区域中的第一者；使用无线电信号导引所述UAV通过所述多个操作区域中的第二者；使用光学信号导引所述UAV通过所述多个操作区域中的第三者；以及使用激光信号导引所述UAV通过所述多个操作区域中的第四者。
示例20可以包括根据示例19和/或本文中的一些其他示例的方法，所述方法还包括当所述UAV处于所述多个操作区域中的所述第三者或第四者中的任一者中时利用控制和校正消息，所述控制和校正消息用于通过改变所述UAV相对于所述目标位置的水平或垂直位置中的至少一者而调整所述UAV的定向。
在以上公开内容中，已经参考附图，所述附图形成本公开的一部分，其示出可以实践本公开的特定实现方式。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实现方式，并且可以做出结构上的改变。本说明书中对于“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但每个实施例可能不一定包括所述特定特征、结构或特性。此外，此类短语不一定是指同一实施例。另外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确地描述，本领域技术人员结合其他实施例将认识到此类特征、结构或特性。
本文公开的系统、设备、装置和方法的实现方式可以包括或利用专用或通用计算机，所述专用或通用计算机包括计算机硬件，例如一个或多个处理器和系统存储器，如本文所讨论。在本公开的范围内的实现方式还可以包括用于携载或存储计算机可执行指令和/或数据结构的物理和其他计算机可读介质。此类计算机可读介质可以是可以由通用或专用计算机系统访问的任何可用介质。存储计算机可执行指令的计算机可读介质是计算机存储介质(装置)。携载计算机可执行指令的计算机可读介质是传输介质。因此，作为示例而非限制性地，本公开的实现方式可以包括至少两种截然不同的计算机可读介质：计算机存储介质(装置)和传输介质。
计算机存储介质(装置)包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM、固态驱动器(SSD)(例如，基于RAM)、快闪存储器、相变存储器(PCM)、其他类型的存储器、其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁性存储装置，或者可以用于存储呈计算机可执行指令或数据结构的形式的期望程序代码手段并可由通用或专用计算机访问的任何其他介质。
本文公开的装置、系统以及方法的实现方式可以通过计算机网络进行通信。“网络”被限定为使得能够在计算机系统和/或模块和/或其他电子装置之间传输电子数据的一个或多个数据链路。当通过网络或另一种通信连接(硬连线、无线或者硬连线或无线的任何组合)向计算机传送或提供信息时，计算机适当地将所述连接视为传输介质。传输介质可以包括网络和/或数据链路，所述网络和/或数据链路可以用于携载呈计算机可执行指令或数据结构的形式的期望程序代码手段并且可以由通用或专用计算机访问。上述的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。
计算机可执行指令包括例如在处理器处执行时致使通用计算机、专用计算机或专用处理装置执行特定功能或功能组的指令和数据。所述计算机可执行指令可以是(例如)二进制的、例如汇编语言的中间格式指令，或者甚至源代码。尽管已经用特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了本主题，但是应当理解，在所附权利要求中限定的主题不必限于所描述的特征或上文描述的动作。而是，所描述的特征和动作是作为实现权利要求的示例性形式而公开的。
本领域技术人员应理解，本公开可以在具有许多类型的计算机系统配置的网络计算环境中实践，所述计算机系统配置包括内置式车辆计算机、个人计算机、台式计算机、膝上型计算机、消息处理器、手持式装置、多处理器系统、基于微处理器的或可编程的消费型电子器件、网络PC、小型计算机、大型计算机、移动电话、PDA、平板计算机、寻呼机、路由器、交换机、各种存储装置等。本公开还可以在分布式系统环境中实践，其中通过网络链接(通过硬连线数据链路、无线数据链路或通过硬连线数据链路与无线数据链路的任何组合)的本地和远程计算机系统两者均执行任务。在分布式系统环境中，程序模块可以位于本地和远程存储器存储装置两者中。
此外，在适当的情况下，本文所描述的功能可以在硬件、软件、固件、数字部件或模拟部件中的一者或多者中执行。例如，一个或多个专用集成电路(ASIC)可被编程为执行本文所描述的系统和程序中的一者或多者。贯穿本说明和权利要求使用某些术语来指代特定系统部件。如本领域技术人员应理解，可用不同的名称来指代部件。本文献并不意图区分名称不同但功能相同的部件。
应当注意，上文论述的传感器实施例可以包括计算机硬件、软件、固件或它们的任何组合以执行其功能的至少一部分。例如，传感器可以包括被配置为在一个或多个处理器中执行的计算机代码，并且可以包括由计算机代码控制的硬件逻辑/电路。这些示例性装置在本文中是出于说明目的提供的而不意图是限制性的。如相关领域技术人员将知道的，本公开的实施例可在其他类型的装置中实现。
本公开的至少一些实施例涉及包括存储在任何计算机可用介质上的此类逻辑(例如，呈软件形式)的计算机程序产品。此类软件当在一个或多个数据处理装置中执行时致使装置如本文所描述地进行操作。
尽管已经在上面描述了本公开的各个实施例，但是应当理解，这些实施例仅通过示例而非限制的方式呈现。相关领域技术人员将明白，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出形式和细节方面的各种改变。因此，本公开的广度和范围不应受上述示例性实施例中的任一者限制，而是应当仅仅根据所附权利要求及其等效物来限定。已经出于说明和描述目的而呈现了前述描述。前述描述并非意图是详尽的或将本公开限制于所公开的精确形式。根据上述教导，许多修改和变化是可能的。此外，应注意，前述替代实现方式中的任一者或全部可按照任何期望的组合来使用，以形成本公开的额外的混合实现方式。例如，相对于特定装置或部件描述的功能性中的任一者可以由另一个装置或部件来执行。此外，尽管已经描述了特定的装置特性，但是本公开的实施例可涉及许多其他装置特性。此外，尽管已经用特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了实施例，但是应当理解，本公开不必限于所描述的特定特征或动作。相反，特定的特征和动作是作为实现所述实施例的说明性形式而公开的。除非另外特别说明，或者另外在所用的上下文内所理解，否则诸如“能够”、“可以”、“可”或“可能”等条件语言通常意图传达某些实施例可以包括某些特征、要素和/或步骤，而其他实施例可不包括某些特征、要素和/或步骤。因此，此类条件语言通常不意图暗示特征、要素和/或步骤对于一个或多个实施例而言无论如何都是必需的。
根据本发明，提供了一种系统，所述系统具有：目标位置，其用于接收无人机(UAV)；多个传感器，其被配置为确定所述UAV在所述目标位置上方的不同高程处的位置或定向；以及处理器和用于存储可执行指令的存储器，所述处理器执行所述指令以：确定所述UAV正在多个操作区域中的哪个操作区域中操作，所述多个操作区域中的每一者与一高程范围相关联，其中所述UAV以顺序方式通过所述多个操作区域以着陆在所述目标位置上；确定当所述UAV通过所述多个操作区域中的一者时何时发生错误；并且响应于所述错误而确定对所述UAV的指令以从所述多个操作区域中的当前操作区域撤退到所述多个操作区域中的外部操作区域。
根据一个实施例，所述传感器各自被配置为感测所述UAV与所述目标位置之间的距离，所述传感器中的每一者被配置为在不同高程使用。
根据一个实施例，所述多个传感器的第一部分与最高高程操作区域相关联，所述第一部分包括全球定位、实时动态、航迹推算、气压计或其组合中的至少一者，并且其中所述多个传感器的第二部分与第一中间高程操作区域相关联，所述第二部分包括声纳、超声、光探测和测距或其组合中的至少一者，所述多个传感器的所述第二部分被配置为允许所述UAV避开所述目标位置附近的静态障碍物。
根据一个实施例，所述多个传感器的第三部分与第二中间高程操作区域相关联，所述第三部分包括相机、光探测和测距或其组合中的至少一者，所述多个传感器的所述第三部分被配置为允许所述UAV避开所述目标位置附近的动态障碍物。
根据一个实施例，所述多个传感器的第四部分与最低高程操作区域相关联，并且被配置为确保所述UAV定向在所述目标位置的正上方。
根据一个实施例，本发明的特征还在于着陆辅助机构，所述着陆辅助机构包括设置在所述目标位置上的一个或多个磁体，所述一个或多个磁体与设置在所述UAV上的一个或多个UAV磁体协作。
根据一个实施例，所述目标位置具有倾斜或凹形的侧壁以将所述UAV导引到所述目标位置的中心。
根据一个实施例，本发明的特征还在于着陆辅助机构，所述着陆辅助机构包括引导所述UAV与所述目标位置接触的管道风扇或空气喷嘴中的至少一者。
根据本发明，提供了一种系统，所述系统具有：无人机(UAV)，其被配置为在多个操作区域中操作，所述多个操作区域中的每一者与一高程范围相关联，所述UAV包括多个传感器，所述UAV包括控制器、处理器和用于存储可执行指令的存储器，所述处理器执行所述指令以：使所述UAV按从最高高程操作区域到最低高程操作区域的顺序方式通过所述多个操作区域以着陆在所述目标位置上；确定当所述UAV通过所述多个操作区域中的一者时何时发生错误；并且响应于所述错误而使所述UAV从所述多个操作区域中的当前操作区域撤退到所述多个操作区域中的较高高程操作区域。
根据一个实施例，所述控制器使用比例导航来确定已经发生了错误，在所述比例导航中所述控制器确定所述UAV与所述目标位置之间的视线矢量，其中当所述视线矢量的旋转等于或大于阈值时，所述控制器使所述UAV撤退到所述多个操作区域中的所述较高高程操作区域。
根据一个实施例，所述多个传感器包括用于所述多个操作区域中的第一操作区域的全球定位传感器、用于所述多个操作区域中的第二操作区域的无线电信标、用于所述多个操作区域中的第三操作区域的光学传感器以及用于所述多个操作区域中的第四操作区域的激光传感器。
根据一个实施例，所述光学传感器包括感测所述目标位置上的基准标记的相机。
根据一个实施例，本发明的特征还在于：当所述UAV处于所述第四操作区域中时，从所述目标位置的控制器接收控制和校正消息；以及根据所述控制和校正消息来重新定位所述UAV。
根据一个实施例，当所述控制器确定所述UAV在所述多个操作区域中的一者中的水平或垂直移动已经超过阈值时，所述控制器确定已经发生了错误。
根据本发明，一种用于使无人机(UAV)着陆的方法，所述方法包括：确立多个操作区域，所述多个操作区域中的每一者与距目标位置的距离范围相关联；使用传感器导引无人机(UAV)通过所述多个操作区域中的每一者以将所述UAV着陆在所述目标位置上，其中所述传感器被配置为感测所述UAV与所述目标位置之间的距离或所述UAV与所述目标位置之间的定向，其中所述传感器的各部分被配置为在不同高程使用；以及确定所述UAV在着陆期间的错误，其中在确定有所述错误时，所述UAV撤退到具有比当前操作区域大的距离的操作区域。
在本发明的一方面，确定所述错误包括确定所述UAV与所述目标位置之间的视线矢量，其中当所述视线矢量的旋转等于或大于阈值时，使所述UAV撤退到较高高程操作区域。
在本发明的一方面，确定所述错误包括确定所述UAV在所述多个操作区域中的一者中的水平或垂直移动已经超过阈值。
在本发明的一方面，所述多个操作区域由圆柱体限定，所述圆柱体具有与所述高程范围相对应的高度分量和与从所述目标位置的中心轴线测量的直径相对应的宽度分量。
在本发明的一方面，使用所述传感器将所述UAV导引到多个操作区域中的每一个中以使所述UAV着陆在目标位置上包括：使用全球定位信号导引所述UAV通过所述多个操作区域中的第一者；使用无线电信号导引所述UAV通过所述多个操作区域中的第二者；使用光学信号导引所述UAV通过所述多个操作区域中的第三者；以及使用激光信号导引所述UAV通过所述多个操作区域中的第四者。
在本发明的一方面，所述方法包括当所述UAV处于所述多个操作区域中的所述第三者或第四者中的任一者中时利用控制和校正消息，所述控制和校正消息用于通过改变所述UAV相对于所述目标位置的水平或垂直位置中的至少一者而调整所述UAV的定向。
