相關申請的交叉引用

本申請要求2014年12月19日提交的美國臨時專利申請?zhí)枮?2/094,798的優(yōu)先權和利益，該臨時專利申請的內(nèi)容由此出于所有目的通過引用并入本文。

實施例總體上涉及用于無人機系統(tǒng)(uas)的系統(tǒng)、方法和設備，更具體地涉及限制對uas的訪問。

背景

為了在國家空域中允許對無人機系統(tǒng)(uas)的操作，需要高度可靠的裝置和方法，以確保uas不會進入其受限制/禁止的空域，不會與有人駕駛飛機相撞和/或以其他方式干擾其操作。然而，為了滿足這一需要，uas的成本和復雜性必須保持合理，以促進其商業(yè)可行性。

豁免或授權證書(coa)中給出的共同限制要求uas明確地以至少五海里的距離避開機場。機場周圍的這個區(qū)域旨在用作緩沖區(qū)，以使uas遠離可能以機場起落航線(trafficpattern)飛行的任何有人駕駛飛機。由于沒有實際的物理障礙，因此無論是意外的還是有意的，不定的uas仍然可以跨過這個緩沖區(qū)，并且相對快速地緊密接近有人駕駛飛機。因此，這樣的緩沖區(qū)可以減輕空中碰撞的可能性，但是最終不能起到防止它的作用。更具體地說，沒有什么在物理上防止uas被卷入與處于機場起落航線的有人駕駛飛機的潛在致命的空中碰撞。由于空中碰撞危害的最糟的可信結果是致命性，所以這種危險會被指定為“災難性”臨界(criticality)。

概述

示例性方法實施例可以包括：由處理器確定無人機系統(tǒng)(uas)相對于至少一個飛行邊界的位置；以及如果所確定的uas位置跨過該至少一個飛行邊界，則由處理器實施uas的至少一個飛行限制。在另外的示例性方法實施例中，至少一個飛行邊界可以包括禁止的飛行區(qū)域。在附加的示例性方法實施例中，至少一個飛行限制可以具有防止uas跨過禁止的飛行區(qū)域的足夠高的系統(tǒng)完整性，例如至少1*10^-7。在另外的示例性方法實施例中，所接收的至少一個飛行邊界還可以包括用戶定義的飛行邊界，其中，用戶定義的飛行邊界小于禁止的飛行區(qū)域。在另外的示例性方法實施例中，至少一個飛行邊界還可以包括基于來自uas的感測與規(guī)避系統(tǒng)的輸入的至少一個邊界。在另外的示例性方法實施例中，感測與規(guī)避系統(tǒng)可以包括雷達、聲納、光學傳感器和lidar中的至少一個。

在另外的示例性方法實施例中，至少一個飛行邊界在飛行之前由用戶從第三方數(shù)據(jù)庫更新。在另外的示例性方法實施例中，至少一個飛行邊界可在飛行期間由以下項中的至少一個來更新：感測與規(guī)避系統(tǒng)和第三方數(shù)據(jù)庫。在另外的示例性方法實施例中，uas位置可以經(jīng)由全球定位系統(tǒng)(gps)、慣性測量單元(imu)和高度計來確定。另外的示例性方法實施例可以包括如果uas遇到錯誤且確定的uas位置處于將在設定時間內(nèi)跨過至少一個飛行邊界的軌跡中，則由處理器實施uas的至少一個飛行限制。在另外的示例性方法實施例中，錯誤可以是以下項中的至少一個：電池故障、推進設備故障、感測與規(guī)避系統(tǒng)故障以及全球定位系統(tǒng)(gps)故障。

在另外的示例性方法實施例中，至少一個飛行限制的第一飛行限制可以包括：當至少一個飛行邊界的第一邊界被uas跨過時，由處理器向用戶發(fā)送警告。在另外的示例性方法實施例中，至少一個飛行限制的第二飛行限制可包括使得uas著陸。在另外的示例性方法實施例中，uas的至少一個飛行限制可以包括以下中的至少一個：激活降落傘；切斷uas的一個或更多個推進設備的電源；使uas的一個或更多個組件分離；爆炸裝藥；以及使到uas的一個或更多個推進設備的電力反向。在另外的示例性方法實施例中，uas的至少一個飛行限制可以包括以下中的至少一個：將致動器致動到最大偏轉(zhuǎn)；以及，將致動器致動以實施uas的遠離所接收的一個或更多個飛行邊界的轉(zhuǎn)彎。

示例性系統(tǒng)實施例可以包括飛行限制控制器(flc)，其包括：具有可尋址存儲器的處理器，所述處理器被配置為：確定無人機系統(tǒng)(uas)相對于至少一個飛行邊界的位置；并且如果確定的uas位置跨過至少一個飛行邊界，則實施uas的至少一個飛行限制。在另外的示例性系統(tǒng)實施例中，系統(tǒng)還可以包括uas，uas包括：uas電源；uas控制器；uas導航設備；uas無線電裝置；以及至少一個推進設備。在另外的示例性系統(tǒng)實施例中，uas導航設備還可以包括全球定位系統(tǒng)(gps)、慣性測量單元(imu)和高度計。在另外的示例性系統(tǒng)實施例中，uas無線電裝置還可以包括收發(fā)器。

在另外的示例性系統(tǒng)實施例中，uas還可以包括：至少一個控制表面；以及附接到至少一個控制表面的至少一個致動器。在另外的示例性系統(tǒng)實施例中，uas的至少一個飛行限制可以是使至少一個致動器到最大偏轉(zhuǎn)的致動。在另外的示例性系統(tǒng)實施例中，飛行限制控制器的處理器可被配置為從以下項中的至少一個接收輸入：uas電源、uas控制器、uas導航設備、uas無線電裝置以及至少一個推進設備。在另外的示例性系統(tǒng)實施例中，系統(tǒng)還可以包括uas操作員控制器，其包括：具有可尋址存儲器的uas操作員控制器處理器，uas控制器處理器被配置為：接收uas的狀態(tài)，其中，狀態(tài)包括關于以下項中的至少一個的數(shù)據(jù)：uas電源、uas控制器、uas導航設備、uas無線電裝置以及至少一個推進設備；并且如果確定的uas位置跨越至少一個飛行邊界，則接收警告。

在另外的示例性系統(tǒng)實施例中，flc還可以包括：flc電源；flc控制器；flc導航設備；以及flc無線電裝置。在另外的示例性系統(tǒng)實施例中，flc還可以包括flc存儲器儲存器，其中，flc存儲器儲存器可以記錄uas的飛行數(shù)據(jù)，其中，飛行數(shù)據(jù)可以包括來自以下項中的至少一個的輸入：flc電源；flc控制器；flc導航設備；以及flc無線電裝置。在另外的示例性系統(tǒng)實施例中，uas的至少一個飛行限制可以包括以下中的至少一個：激活降落傘；切斷uas的一個或更多個推進設備的電源；使uas的一個或更多個組件分離；爆炸裝藥；以及使到uas的一個或更多個推進設備的電力反向。在另外的示例性系統(tǒng)實施例中，uas的至少一個飛行限制可以包括以下項中的至少一個：將致動器致動到最大偏轉(zhuǎn)；以及，將致動器致動以實施uas的遠離接收的一個或更多個飛行邊界的轉(zhuǎn)彎。

附圖簡述

圖中的組件不一定按比例繪制，反而將強調(diào)放在說明本發(fā)明的原理上。貫穿不同的圖，類似的參考數(shù)字指示相應的部件。在附圖中的圖中以示例的方式而非限制的方式來說明實施例，在附圖中：

圖1描繪了在飛行路徑中通過航路點行進到操作區(qū)域的無人機系統(tǒng)(uas)的示例性實施例，其中，uas保持在機場和塔臺的飛行邊界和緩沖區(qū)之外；

圖2a描繪了在朝向其被禁止的由三個飛行邊界圍繞的空域的軌跡中的示例性uas；

圖2b描繪了跨過包圍其被禁止的空域的三個飛行邊界中的第一飛行邊界的圖2a的示例性uas；

圖2c描繪了已經(jīng)飛過第一飛行邊界并跨過第二飛行邊界的圖2a的示例性uas；

圖2d描繪了以180度的轉(zhuǎn)彎將其飛行路徑調(diào)整為遠離其被禁止的空域和第二飛行邊界的圖2a的示例性uas；

圖2e描繪了已經(jīng)飛過第一飛行邊界和第二飛行邊界并跨過第三飛行邊界的圖2a的示例性uas；

圖2f描繪了圖2a的示例性uas，其已經(jīng)將連接到uas的方向舵的致動器致動到最大偏轉(zhuǎn)，以便將uas保持在圓周飛行模式中，其阻止進一步向前移動，并防止uas進入其被禁止的空域；

圖2g描繪了圖2a的示例性uas，其在跨越第三飛行邊界時，使降落傘展開作為飛行限制，以便在進入其被禁止的空域之前使uas下落；

圖2h描繪了圖2a的示例性uas，其響應于降落傘的展開和/或其他飛行限制而在進入其被禁止的空域之前降落在地面上；

圖3描繪了具有帶有可尋址存儲器的處理器的示例性飛行限制控制器(flc)，其接收輸入，發(fā)送狀態(tài)或警告信號，并且實施一個或更多個飛行限制；

圖4描繪了具有結合到uas控制器中以用于實施uas的飛行限制的飛行限制方面的uas的系統(tǒng)架構；

圖5描繪了具有添加到uas并與uas控制器通信以便實施飛行限制的flc的uas的系統(tǒng)架構；

圖6描繪了具有添加的含存儲器并與uas控制器、uas收發(fā)器和uasgps通信以實施飛行限制的flc的uas的系統(tǒng)架構；

圖7描繪了具有添加的含存儲器和gps并與致動器通信以實施飛行限制的flc的uas的系統(tǒng)架構；

圖8描繪了具有添加的含存儲器和gps并與致動器通信以便實施飛行限制并且與uas控制器進行單向通信以將數(shù)據(jù)從flc傳遞到uas控制器的flc的uas的系統(tǒng)架構；

圖9描繪了四旋機翼(quadcopter)式uas的系統(tǒng)架構，該uas具有連接在uas控制器和每個電子速度控制器之間的作為線束的flc以便實施飛行限制；

圖10描繪了四旋機翼式uas的系統(tǒng)架構，該uas具有連接到在電子速度控制器的其中一個和uas控制器之間的開關以將切斷到uas推進設備的其中一個的電力作為飛行限制的flc；

圖11描繪了獨立的飛行限制設備(fld)，其可以可拆卸地附接到一個或更多個uas系統(tǒng)以實施飛行限制，并包括單獨的推力發(fā)生器和/或降落傘；以及

圖12描繪了用于在uas已經(jīng)跨過飛行邊界時實施飛行限制的實施例的示例性功能框圖。

詳細描述

本系統(tǒng)允許用于無人機系統(tǒng)(uas)的高度可靠的監(jiān)管設備。系統(tǒng)監(jiān)控和評估三維空間中的uas位置，并將該位置與一個或更多個飛行邊界進行比較。如果和當uas跨越這樣的飛行邊界的邊緣，那么系統(tǒng)將自動激活至少一個飛行限制。飛行限制可包括：對uas操作員的警告信號；離開飛行邊界的自動駕駛儀命令；用于將uas維持在圓周飛行模式中的致動器命令，其防止uas進入飛行邊界；降落傘或其他緊急救援設備的展開；組件分離，諸如uas的機翼；推進設備的節(jié)流閥(throttle)調(diào)節(jié)；對uas的一個或更多個推進設備的電力切斷；以及單獨的推力發(fā)生器。該系統(tǒng)可被實施為完全集成到現(xiàn)有uas組件(例如，uas控制器、全球定位系統(tǒng)(gps)、慣性測量單元(imu)、高度計、電池、存儲器等)中的設備；完全分離的設備，其可被可拆卸地附接到各種uas；或單獨和現(xiàn)有組件的某種組合。該系統(tǒng)允許具有相對較低的操作可靠性的現(xiàn)成的uas(例如，廉價的uas)與單獨的高度可靠的飛行終止設備配對，使得組合地實現(xiàn)將防止uas進入其被禁止的空域和/或在地面上危險的、禁止的和/或以其他方式嚴禁uas飛越上空的區(qū)域上飛過。

圖1描繪了在受控空域的區(qū)域附近的飛行路徑中的無人機系統(tǒng)(uas)的示例性實施例100，其保持在機場和塔臺的飛行邊界之外。從基礎位置104發(fā)射uas102。uas102在航路點(106、108、110)之間行進以到達操作區(qū)域112。uas102徘徊在操作區(qū)域112周圍，收集數(shù)據(jù)和/或執(zhí)行任務功能。uas102經(jīng)由航路點(114、116、118)返回到基礎位置104。可以由uas操作員定義航路點(106、108、110、114、116、118)和/或操作區(qū)域112，以避免進入飛行邊界，例如，包括受控空域的地理圍欄和/或其它障礙。飛行邊界可以是由水平尺寸和相對于地面的垂直高度限定的虛擬表面。飛行邊界可以是簡單的幾何形狀，例如，圓柱體或圓頂或復雜的多點表面。在一些實施例中，可以由uas的處理器基于操作區(qū)域112的位置、任何飛行邊界和/或附加的uas傳感器輸入(例如，風速、uas電池電量等)來確定航路點(106、108、110、114、116、118)。

受控空域可以包括具有設定距離(例如，圍繞機場120的五海里)的禁止的飛行區(qū)域124的機場120?？梢杂芍T如聯(lián)邦航空管理局(faa)的政府機構根據(jù)規(guī)章制度設定這個禁止的飛行區(qū)域124。uas不被允許跨過禁止的飛行區(qū)域124。第一飛行邊界126可被創(chuàng)建為緩沖區(qū)，以確保uas102不進入禁止的飛行區(qū)域124和對應于利用機場120的飛行器的飛行路線的大致在機場的南北的區(qū)域。飛行邊界可能會根據(jù)各種既定的規(guī)則、規(guī)定和/或禁止的飛行區(qū)域而變化?？捎烧芾頇C構和/或第三方數(shù)據(jù)庫建立飛行邊界。

uas102的其他障礙可能存在于飛行區(qū)域中，但不受政府管理機構和/或第三方數(shù)據(jù)庫的限制。塔臺128位于uas102飛行區(qū)域內(nèi)，但不受其他限制。知道塔臺128位置的uas操作員可以創(chuàng)建圍繞塔臺128的第二用戶定義的飛行邊界130，以確保uas102不會影響和/或干擾塔臺128。

uas102可以將飛行邊界(124、126、130)的位置存儲在存儲器中?？梢詮恼芾頇C構和/或第三方數(shù)據(jù)庫下載這些飛行邊界(124、126、130)。uas操作員可以添加額外的飛行邊界以減少飛行區(qū)域，但不能移除現(xiàn)有的飛行邊界。在一些實施例中，可以實時地更新飛行邊界，例如限制用于緊急或自然災害需要(諸如消防活動)的區(qū)域。

uas102可以向uas操作員提供關于uas飛行位置、速度和/或收集的其他數(shù)據(jù)的狀態(tài)信息。如果uas102跨過了飛行邊界，則uas102還可以向uas操作員提供警告。uas102可能在跨過飛行邊界時實現(xiàn)至少一個飛行限制。這些飛行限制的范圍可以從警告信號到uas102的著陸(參見圖2a-2h)。

圖2a描繪了接近位于其被禁止的空域周圍的幾個飛行邊界的示例性uas。uas200在朝禁止的飛行區(qū)域204的軌跡202中行進?？梢詣?chuàng)建一個或更多個飛行邊界以確保uas200不會穿進禁止的飛行區(qū)域204。禁止的飛行區(qū)域204可以包括機場(參見圖1)或其中uas干擾由于其可能導致空中碰撞而可能是“災難性”的其他位置。因此，提供對“災難性”臨界的減輕的安全功能所需的系統(tǒng)完整性水平對于小型通用航空飛機來說為1*10^-6，對于較大型飛機為1*10^-9。雖然尚未確定uas的要求是什么，但可能至少相當于占據(jù)空域124的有人駕駛飛機的要求，即1*10^-6和1*10^-9之間或約1*10^-7。這是非常高的可靠性要求，不僅征用整個uas，而且征用uas的涉及到減輕“災難性”危險的每一部分。因此，用于防止uas200跨入禁止的飛行區(qū)域204的系統(tǒng)的可靠性必須至少為1*10^-7。

uas200可以是具有推進設備(例如，發(fā)動機)和至少一個控制表面的無人駕駛飛機。在一些實施例中，uas200可以具有一個或更多個推進設備，以便控制飛行器的高度、速度和/或軌跡202。uas200可以是無動力的飛行器，例如，氣球、降落傘、滑翔機和/或風箏，其中，至少一個飛行限制可以在無動力的飛行器進入禁止的飛行區(qū)域204之前使其落地。uas200可以是輕于空氣的飛行器，諸如飛艇或飛船。一個或更多個飛行限制基于uas200的推進、上升和/或控制的類型來防止uas200進入禁止的飛行區(qū)域204。

圖2b描繪了跨過第一飛行邊界的圖2a的示例性uas。uas200位于使其跨過圍繞禁止的飛行區(qū)域204的第一飛行邊界206的軌跡202上。每個飛行邊界的位置可以是基于時間的，例如，基于uas200的速度和/或軌跡202，第一飛行邊界206可以距離禁止的飛行區(qū)域204為六十秒。每個飛行邊界也可以基于設定的緩沖距離，例如，第一飛行邊界206可以是距禁止的飛行區(qū)域204的一英里。在一些實施例中，可以由uas操作員設置一個或更多個飛行邊界的位置。在其他實施例中，每個飛行邊界的位置可以基于基于時間的因子和距離的組合，例如在設定范圍內(nèi)變化和/或在設定范圍內(nèi)由uas操作員選擇。

飛行邊界的數(shù)量可以作為動態(tài)系統(tǒng)由飛行限制控制器(flc)和/或uas控制器來改變，以確保uas200不會跨入禁止的飛行區(qū)域204。在跨過第一飛行邊界206時，flc和/或uas控制器可以向uas操作員發(fā)送信號，通知uas操作員uas200已經(jīng)跨過了第一飛行邊界206。該通知可向操作員提供在采取任何進一步的動作例如使得uas著陸之前改變uas200的軌跡202的機會。

圖2c描繪了跨過第二飛行邊界的圖2a的示例性uas。uas200的軌跡202繼續(xù)朝向禁止的飛行區(qū)域204，并跨過第二飛行邊界208。flc和/或uas控制器在uas200跨過第二飛行邊界208時實施第二飛行限制。第二飛行限制可以指示uas控制器以使uas著陸，反轉(zhuǎn)uas的方向(參見圖2d)和/或防止uas200進入禁止的飛行區(qū)域204的其他機動動作。第一飛行邊界206和第二飛行邊界208之間的距離可以提供uas操作員時間以校正uas200的軌跡202。該第二飛行限制還可以防止uas操作員對uas200采取進一步的控制，直到uas200在第二飛行邊界208之外和/或著陸到地面上(參見圖2h)。

圖2d描繪了將其飛行路徑調(diào)整為遠離其被禁止的空域和第二飛行邊界的圖2a的示例性uas。uas200的軌跡202可以使轉(zhuǎn)彎發(fā)生，其使uas200遠離禁止的飛行區(qū)域204。flc和/或uas控制器可以命令具有至少1*10^-7的系統(tǒng)完整性程度的致動器致動以使得uas航線被調(diào)節(jié)180度。在其他實施例中，自動駕駛儀可以引導諸如四旋機翼式uas(參見圖9-10)的uas遠離禁止的飛行區(qū)域204。uas200可以及時向uas操作員傳達飛行路徑調(diào)整或其他飛行限制的確認。

圖2e描繪了跨過第三飛行邊界的圖2a的示例性uas。uas200的軌跡202跨越第三飛行邊界210。flc和/或uas控制器在跨過第三飛行邊界210時實施第三飛行限制。第三飛行限制使uas200著陸和/或以其他方式以至少為1*10^-7的系統(tǒng)完整性程度防止usa200進入禁止的飛行區(qū)域204。如果跨過第二飛行邊界208實施第二飛行限制，以發(fā)生將使uas200遠離禁止的飛行區(qū)域204的轉(zhuǎn)彎(參見圖2d)，并且這是無效的，例如，uas控制器錯誤和/或故障，那么為了使得uas200不進入禁止的飛行區(qū)域204，必須采取更為激烈的行動。

uas200在處于將在設定的時間內(nèi)(例如，十五秒內(nèi))跨過至少一個飛行邊界(206、208、210)和/或禁止的飛行區(qū)域204的軌跡202中時可能遇到錯誤。錯誤可能是電池故障，例如，電池電量耗盡和/或以其他方式對1*10^-7的等級是不可靠的。該錯誤還可能是uas200的推進設備故障，例如，用于控制uas200的控制表面的致動器發(fā)動機對操作員無響應和/或以其他方式對1*10^-7不可靠。錯誤可能是感測與規(guī)避系統(tǒng)故障，例如，雷達、聲納、光學傳感器和/或lidar系統(tǒng)對操作員無響應和/或以其他方式對1*10^-7的等級不可靠。該錯誤也可能是gps故障，例如，gps失去與最小所需數(shù)量的衛(wèi)星的連接和/或以其他方式對1*10^-7的等級不可靠。該錯誤也可能是uas200與操作員之間的連接故障。如果發(fā)生這樣的錯誤，并且uas200處于將在設定時間內(nèi)跨過至少一個飛行邊界(206、208、210)和/或禁止的飛行區(qū)域204的軌跡204，則必須實施至少一個飛行限制。如果沒有實施飛行限制，則uas200將跨過至少一個飛行邊界(206、208、210)和/或禁止的飛行區(qū)域204。設定時間可以由系統(tǒng)和/或操作員設置為足以以1*10^-7的可靠性確保uas200將不會跨入至少一個飛行邊界(206、208、210)和/或禁止的飛行區(qū)域204。設定時間也可以基于以下項和/或針對其調(diào)整：延遲；從uas200到地面站的數(shù)據(jù)傳輸時間；地面站處理時間；人的響應時間；天氣影響，諸如風；uas200內(nèi)部和/或外部的電磁干擾；來自聲學、熱學、振動、化學和/或冶金的裝置的干擾；和/或uas200組件的準確性，以確保uas200不跨過至少一個飛行邊界(206、208、210)和/或禁止的飛行區(qū)域204。設定時間也可以基于任何規(guī)避策略所需的任何命令和控制數(shù)據(jù)鏈路或其他通信鏈路的可用性，并符合標準以用于確保這樣的規(guī)避策略可以在uas200跨過至少一個飛行邊界(206、208、210)和/或禁止的飛行區(qū)域204之前執(zhí)行。

圖2f描繪了圖2a的示例性uas，其已經(jīng)將致動器致動到最大偏轉(zhuǎn)，以便將uas保持在圓周飛行模式中，其防止uas進入其被禁止的空域。flc和/或uas控制器例如通過來自致動器的滿舵(fullrudder)偏轉(zhuǎn)來實施急轉(zhuǎn)彎作為第三飛行限制，由此uas200的軌跡202進入螺旋，其防止uas200進入禁止的飛行區(qū)域204。螺旋軌跡202可以持續(xù)直到uas200耗盡電力并著陸到地面上。

圖2g描繪了圖2a的示例性uas，其使降落傘展開以在進入其被禁止的空域之前使uas下落。flc和/或uas控制器可以實施降落傘212的展開作為第三飛行限制，以免uas200進入禁止的飛行區(qū)域204。降落傘212產(chǎn)生足夠的阻力以防止uas200進一步飛入禁止的飛行區(qū)域204。降落傘212可以隨著用于關閉uas推進設備(例如，發(fā)動機)的命令而被展開，從而使uas下落。在一些實施例中，降落傘212可以安裝在uas上的在uas上產(chǎn)生不對稱力的位置，其使得uas無法飛行(參見圖11)。

圖2h描繪了在進入其被禁止的空域之前降落在地面上的圖2a的示例性uas。軌跡202示出了在展開降落傘(圖2g)和/或進入螺旋(圖2f)之后，uas在進入其被禁止的空域之前在地面上著陸212。在其他實施例中，flc和/或uas控制器可以切斷到一個或更多個uas推進設備的電力，使到一個或更多個推進設備的電力反向，分離uas的機翼或其他組件，使得連續(xù)飛行不可持續(xù)，和/或激活爆炸裝藥。在一些實施例中，飛行限制可以是動態(tài)的，并且向uas操作員和/或uas控制器提供在采取更激烈的動作(例如，使降落傘展開和/或使uas著陸)之前校正uas軌跡的機會。

圖3描繪了具有含可尋址存儲器的處理器的示例性飛行限制控制器(flc)300。flc302可以包括處理器304和存儲器306。flc302可以是獨立于uas控制器308的設備(參見圖5-8)，或與uas控制器308集成(參見圖4)。flc302、uas控制器308、輸入端和輸出端之間的集成度可以基于系統(tǒng)組件的可靠性而變化。使flc302與uas控制器308分離向flc302提供對跨越飛行邊界或其他方式進入其被禁止的空域的uas的飛行的最終監(jiān)督控制。當uas的一部分的故障、uas航線的用戶編程故障和/或uas操作員322錯誤可能導致uas跨過飛行邊界時，flc302可以替代uas控制器308并且實施飛行邊界限制，例如終止飛行。

flc302可以接收定義飛行邊界310的輸入。飛行邊界310可以提供定義uas的飛行邊界和/或其被禁止的空域的數(shù)據(jù)。飛行邊界310可從外部源(例如，來自第三方服務器的地理圍欄)下載并存儲在flc302的存儲器306中。飛行邊界310可以在uas起飛之前被加載和/或在飛行期間被動態(tài)更新，例如由于變化的條件和/或更新的限制。在一些實施例中，可以將飛行邊界310預先加載到存儲器306中。

flc302還可以從感測與規(guī)避系統(tǒng)312接收輸入。感測與規(guī)避系統(tǒng)312可以是雷達、聲納、光學傳感器和/或lidar系統(tǒng)。感測與規(guī)避系統(tǒng)312可以提供關于可能碰撞和/或以其他方式干擾uas的操作的任何物體(例如，塔臺(參見圖1)、高大樹木和/或有人駕駛飛機)的信息。感測與規(guī)避系統(tǒng)312還可以接收來自其他飛行器的輸入，例如來自緊急車輛的通知飛行器由于消防活動而不進入空域的信號。感測與規(guī)避系統(tǒng)312和飛行邊界310輸入可由flc302使用，以避免進入禁止的和/或危險的空域。

flc302還可以從全球定位系統(tǒng)(gps)314和慣性測量單元(imu)316接收輸入，以確定uas位置。flc302可以使用高度計318輸入來確定uas姿態(tài)。gps314、imu316和高度計318可以是僅向flc302提供輸入的單獨和/或冗余設備。在一些實施例中，可由flc302和uas控制器308兩者使用gps314、imu316和/或高度計318。在一些實施例中，如果uas中的相應設備故障，則flc302可以將接收到的一個或更多個輸入(310、312、314、316、318)傳遞到uas控制器308，作為備份和/或由于由flc302接收的設備輸入的更高的系統(tǒng)完整性而用于主要使用。在一些實施例中，接收的輸入(310、312、314、316、318)可以作為uas飛行數(shù)據(jù)的“黑盒”記錄被存儲在flc302的存儲器306中。

可以使用電池320來為flc302供電。位置輸入(314、316)和高度輸入318可以與飛行邊界輸入310和感測與規(guī)避系統(tǒng)輸入312組合使用，以由flc302的處理器304確定uas相對于一個或更多個飛行邊界的位置、是否已經(jīng)跨過這些一個或更多個飛行邊界、和/或在跨越這些一個或更多個飛行邊界時是否應該實施對uas的至少一個飛行限制。

飛行限制可以是動態(tài)的，并且向uas操作員322和/或uas控制器308的uas自動駕駛儀提供在額外的飛行限制之前校正uas軌跡的機會(參見圖2a-2h)。flc302可以經(jīng)由收發(fā)器326向uas操作員322發(fā)送狀態(tài)信號324。uas操作員322可以使用具有含可尋址存儲器的uas操作員控制器處理器的uas操作員控制器。uas控制器處理器可以接收uas的狀態(tài)，其中，狀態(tài)可包括關于以下項中的至少一個的數(shù)據(jù)：uas電源320、uas控制器308、uas導航設備、uas無線電裝置和至少一個推進設備。如果確定的uas位置跨過至少一個飛行邊界，則uas控制器處理器還可以接收警告。

狀態(tài)信號324可以包括關于flc的任何輸入(310、312、314、316、318、320)的數(shù)據(jù)。狀態(tài)信號324還可以通知uas操作員322uas沒有跨過任何飛行邊界。作為初始飛行限制，如果已經(jīng)跨過了第一飛行邊界(參見圖2b)，則flc可以向uas操作員322發(fā)送警告信號328。uas操作員322可以設置flc302以提供一個或更多個飛行限制和每個飛行限制的等級，例如，設置第一飛行邊界以發(fā)出警告信號328或設置第一飛行邊界以接合uas控制器308的自動駕駛儀。uas操作員還可以設置flc302以基于uas的速度和軌跡和/或uas到飛行邊界的設定的距離范圍來確定至少一個飛行邊界。基于uas操作員322的使用和/或需要，flc302的飛行限制可以在設定參數(shù)內(nèi)變化。

如果跨過了額外的飛行邊界，則可實施額外的飛行限制。uas控制器308的自動駕駛儀可以引導uas遠離飛行邊界(參見圖2d)。致動器330可被致動到最大偏轉(zhuǎn)，以將uas保持在圓周飛行模式，這防止uas進入飛行邊界(參見圖2f)。致動器330可以是uas的一部分和/或單獨的致動器，其中系統(tǒng)完整性滿足期望標準。在一些實施例中，uas方向舵可以是彈簧加載的，使得致動器的功率損失將方向舵返回到最大偏轉(zhuǎn)，這將使uas保持在圓周飛行模式中(參見圖2f)?？梢允菇德鋫?32展開，其防止uas跨過飛行邊界(參見圖2g)。在四旋機翼式實施例中，可以在使降落傘332展開之前使uas的推進設備例如發(fā)動機斷電。uas的一個或更多個組件可以被分離，例如通過剪切將機翼連接到機身的銷，使得所得到的uas不能繼續(xù)其軌跡并跨過飛行邊界。推進設備節(jié)流閥336可以被抑制以使uas逐漸著陸，設定為零以便更快地uas下落，和/或反轉(zhuǎn)以便最快地使uas下落?？梢郧袛嗟絬as的一個或更多個推進設備的電力338。在四旋機翼式uas中，只切斷到推進設備中的一個的電力可被用于可靠地使uas下落(參見圖10)?？梢允褂脝为毜耐屏Πl(fā)生器340來使uas下落和/或改變其軌跡(參見圖11)。

為了實現(xiàn)設定的系統(tǒng)完整性，例如，1*10^-7的災難性臨界，系統(tǒng)中的每個元件必須滿足該標準，包括硬件和軟件。rtca文件do-178c中已經(jīng)定義了開發(fā)保證過程，其標題為：“softwareconsiderationsinairbornesystemsandequipmentcertification”。do-178c文件提供了確定軟件是否將在機載環(huán)境中可靠地運行的指導。對于對具有“災難性”臨界的危害的基于軟件的緩解，該要求通常是開發(fā)保證等級(dal)為“a”(對通用航空，減為“b”)。對于任何一件航空電子裝備來說，這確實是非常高的要求(bar)，特別是對于應該降低在航空中執(zhí)行許多不同任務的成本和復雜性的技術例如uas來說。由于uas是軟件密集型飛行器，因此用于限制uas飛行的軟件驅(qū)動系統(tǒng)的添加必然會將所有軟件驅(qū)動到dala或b的要求，從而導致軟件成本增加超過了當前行業(yè)內(nèi)的數(shù)量級。因此，存在對高度可靠而低成本的設備或系統(tǒng)的需求，其將限制或以其他方式控制uas以防止或至少大大降低uas進入有人駕駛飛機占據(jù)的空域和/或與這種飛機相撞的可能性。

圖4描繪了具有結合到uas控制器400中的飛行限制方面的uas的系統(tǒng)架構。系統(tǒng)架構400包括連接到電源總線404的電源，例如，電池402。電源總線404向以下項供電：uas控制器406；無線電裝置，例如，收發(fā)器408；導航設備，例如，gps410；以及控制設備，例如，致動器412。uas控制器406具有存儲器414。

uas控制器406包括微處理器并且用于控制uas的飛行的功能。uas控制器406和所有元件滿足要求的臨界性標準。如果所確定的uas位置跨過至少一個飛行邊界，則uas控制器406可以確定uas位置并且實施至少一個飛行限制。uas控制器406可以從收發(fā)器408和/或存儲器414接收方向命令。uas控制器406可以從gps410和/或其他輸入端接收當前位置、航向、速度和/或高度(參見圖3)。uas控制器406可以確定航向并指示一個或更多個控制表面移動，例如，致動器412移動方向舵。致動器412可以附接到各種控制表面中的任何一個，包括方向舵、升降舵、襟翼、副翼等，只要這種控制表面的偏轉(zhuǎn)足以在被如此命令時使飛行終止。在其他實施例中，致動器412可以被另一個限制飛行設備(例如，降落傘、uas組件分離器、節(jié)流閥控制裝置、電源開關和/或推力發(fā)生器)替換和/或補充。

圖5描繪了具有添加到uas并與uas控制器通信以實施飛行限制的flc的uas的系統(tǒng)架構500。flc502被添加到現(xiàn)有的例如現(xiàn)成的uas系統(tǒng)架構500。flc502與uas控制器504通信，使得flc502可以從uas控制器504接收uas位置數(shù)據(jù)、uas狀態(tài)數(shù)據(jù)和/或飛行邊界數(shù)據(jù)。flc可以單獨地且獨立于uas控制器504確定uas位置，確定uas是否已經(jīng)越過了至少一個飛行邊界，并且確定是否需要實施飛行限制，例如飛行終止。飛行邊界數(shù)據(jù)可以被保留在存儲器506中，其可以經(jīng)由uas控制器504訪問。

flc502、控制器504、收發(fā)器508、gps510和致動器512可以由來自電池516的電源總線514供電。在一些實施例中，flc502可以具有獨立和/或備用電源。為了實施飛行限制，例如飛行終止，flc502通過通信連接518將信號傳輸?shù)絬as控制器504。然后，uas控制器504可以將致動信號520傳輸?shù)街聞悠?12，以將控制表面(例如，方向舵)移動到最大偏轉(zhuǎn)。在該實施例中，flc502、uas控制器504、電池516、電源總線514、存儲器506、gps510和致動器512中的每一個需要足夠可靠以滿足整體uas的可靠性要求。

圖6描繪了具有添加的含存儲器并與uas控制器、uas收發(fā)器和uasgps通信以實施飛行限制的flc的uas的系統(tǒng)架構600。具有存儲器604的flc602被添加到具有從uas到收發(fā)器606和gps608的直接鏈路的uas系統(tǒng)架構。flc602還與具有單獨存儲器612的uas控制器610通信。flc602可以在存儲器604中存儲飛行限制。flc602還可以經(jīng)由收發(fā)器606向uas操作員發(fā)送狀態(tài)信號和/或警告信號。flc602可以向uas控制器610發(fā)送飛行限制信號614。uas控制器610然后向致動器618發(fā)送致動信號616?？梢越?jīng)由來自電池620的電源總線618向flc602、控制器610、收發(fā)器606、gps608和致動器618提供電力。

圖7描繪了具有添加的含存儲器和gps并與致動器通信以實施飛行限制的flc的uas的系統(tǒng)架構700。具有單獨存儲器704和一個或更多個單獨輸入(例如，gps716)的flc702可以被添加到uas系統(tǒng)架構。flc702可以直接向致動器708發(fā)送致動命令。致動器708將來自flc702的任何控制信號優(yōu)先于來自uas控制器710的任何控制信號。在一些實施例中，flc702可以控制獨立致動器。flc702可以獨立于具有存儲器712的uas控制器710，并且連接到收發(fā)器714和gps716。可以由uas操作員使用uas控制器710以控制uas。如果flc702確定uas已經(jīng)跨過了飛行邊界，則flc702可以直接實施飛行限制，而沒有來自uas控制器710、存儲器712、收發(fā)器714和/或gps716的輸入。因此，只有系統(tǒng)的flc702、電池718、電源總線720、存儲器704、gps716和致動器708元件需要足夠可靠以滿足整體uas可靠性要求。uas控制器710、存儲器712、收發(fā)器714和gps716可以具有較低的成本和/或可靠性，因為不需要它們來防止uas進入其被禁止的空域。

圖8描繪了具有添加的含存儲器和gps并與致動器通信以實施飛行限制并且與uas控制器進行單向通信的flc的uas的系統(tǒng)架構800。圖8的系統(tǒng)架構類似于圖7中所示的系統(tǒng)架構，除了從flc804到uas控制器806的單向信號802之外。在存儲器810、收發(fā)器812和/或gps814發(fā)生故障的情況下，flc804可以將信號802從其自身的存儲器816和/或gps818發(fā)送到控制器806。在一些實施例中，來自獨立的flc804的控制和/或輸入可以具有比對uas控制器806的類似和/或相同的控制和/或輸入更高的系統(tǒng)完整性和/或準確度。uas操作員可以設置uas，使得flc804向uas控制器806提供這些控制和/或輸入，以便增加uas的可靠性和/或功能。由于flc804已經(jīng)接收和/或確定其本身對uas位置和飛行邊界的確定的數(shù)據(jù)，因此，如果期望，該數(shù)據(jù)也可以由uas控制器806使用。

圖9描繪了具有連接在uas控制器和每個電子速度控制器之間以實施飛行限制的flc的四旋機翼式uas的系統(tǒng)架構900。四旋機翼式uas可以具有四個推進設備，例如，發(fā)動機(902、904、906、908)，其各自由相應的電子速度控制器(910、912、914、916)控制。在典型的四旋機翼式uas中，每個電子速度控制器(910、912、914、916)可以具有相應的電力連接(918、920、922、924)和信號連接(926、928、930、932)。這些連接(918、920、922、924、926、928、930、932)可以用線束被接線到uas控制器934中。

四旋機翼式uas可以允許快速拆卸和更換任何單獨的發(fā)動機和/或電子速度控制器，因此通常利用線束以用于簡單連接。代替直接被連接到uas控制器934中，這些連接(918、920、922、924、926、928、930、932)可以被連接到flc936中。然后，flc936可以將這些連接傳遞到uas控制器934，并且uas控制器934可以繼續(xù)工作，就像它是被直接連接的一樣。flc936可以確定uas相對于任何飛行邊界的位置，并且如果跨過飛行邊界，則實施至少一個飛行限制。flc936的飛行限制可以包括減少、切斷和/或反向發(fā)動機(902、904、906、908)中的一個的節(jié)流閥以終止飛行。因為flc位于uas控制器934和發(fā)動機(902、904、906、908)的每個之間，因此只有flc936需要足夠可靠以滿足整體uas的可靠性要求。因此，flc936可以例如經(jīng)由被設計成適用于以其他方式不符合uas可靠性要求的現(xiàn)有的uas上的線束改造到現(xiàn)有uas上。具有改造的flc936的產(chǎn)生的uas將滿足uas的可靠性要求。

圖10描繪了具有連接到在電子速度控制器的其中一個和uas控制器之間的開關的flc的四旋機翼式uas的系統(tǒng)架構1000。對于典型的四旋機翼式uas，對只有一個推進設備(例如，四個發(fā)動機(1002、1004、1006、1008)中的發(fā)動機1002)的節(jié)流閥的減少、切斷和/或反向可以可靠地終止uas飛行。flc1010可以被連接到沿著電力連接1014定位的開關1012，例如具有高可靠性的機械開關。電力連接1014可以從uas控制器1016移動到開關1012，然后通過1018到uas控制器1016。在該實施例中，可以降低flc1010的復雜性，并且可以增加uas飛行終止可靠性。flc1010可以確定uas相對于任何飛行邊界的位置，并且如果跨過飛行邊界，則實施至少一個飛行限制，例如，激活開關1012以切斷到發(fā)動機1002的電力。在一些實施例中，多個開關可以被使用并且可以沿著控制信號和/或功率信號被連接。

圖11描繪了可以可拆卸地附接到一個或更多個uas系統(tǒng)以實現(xiàn)飛行限制的獨立flc1100。飛行限制設備(fld)1102可以經(jīng)由一個或更多個可拆卸的附件(1104，1106)可拆卸地附接到uas，例如附接到uas機翼1108。fld1102是獨立于與其附接的uas的自包含的設備。fld1102和uas之間的唯一接口是可拆卸附件(1104、1106)。在一些實施例中，fld1102可以附接到uas的其他區(qū)域，例如uas機身。

fld1102的作用與本文所示的其它實施例中的一樣，確定uas位置，并且如果uas位置跨過飛行邊界，則實施飛行限制。通過與uas的操作組件分開，除了將fld1102安裝到uas所需的程度之外，不必對uas飛行器進行修改。uas的組件不必滿足在有人駕駛飛機操作附近操作或地面上的敏感區(qū)域附近操作所需的高可靠性要求。只要fld1102及其組件滿足這些可靠性要求，uas可以在這些區(qū)域中運行。

fld1102可以具有最少的組件和/或軟件。fld1102可以作為通用設計被生產(chǎn)，以供各種不同的預先存在的uas設計中的任一種使用，這導致成本降低并且增加可靠性?？梢栽诙嘤谝粋€uas上使用這樣的fld1102。uas操作員可以具有用于不同目的的幾種不同的飛行器，但是由于uas操作員可能一次只能飛一個，所以uas操作員將僅需要一個fld1102，其根據(jù)需要可以在這些uas之間移動。

fld1102包括諸如電池1110的電源、電源總線1112、flc1114、存儲器1116、諸如gps1118的導航裝置、致動器1120和用于終止飛行的裝置(諸如降落傘1122)。flc1114由電池1110供電，并且用于從gps1118接收uas位置，將其與保存在存儲器1116中的邊界進行比較，并且如果確定uas已經(jīng)通過邊界，指示致動器1120來使降落傘1122展開以終止飛行。

降落傘1122可以在fld1102的后部彈出，使得當展開時，降落傘1122將具有在機翼1108處產(chǎn)生足夠的阻力的尺寸和構造，使得在uas上產(chǎn)生的不對稱力將使其不能繼續(xù)飛。在機翼1108上距離fld1102被可拆卸地附接的機身進一步往外，提供了更大的杠桿臂，并且需要相對較小的降落傘1122以產(chǎn)生足夠的阻力來終止飛行。在一些實施例中，相同的fld1102可被用于不同尺寸的空中交通工具，其中使用不同尺寸的降落傘和/或沿著機翼的不同的放置，例如，對于較大的空中交通工具，在機翼上距離機身進一步往外。在一些實施例中，降落傘1122的固定器可以利用致動器1120與fld1102的其余部分斷開，使得不同的降落傘可被附接以用于fld1102的不同用途。

代替降落傘1122，fld1102可采用各種裝置中的任一種來終止飛行，包括但不限于爆炸裝藥、機翼分離器、反推力發(fā)生器例如單獨的推進器1124以及推進設備例如發(fā)動機1126、對uas或地面站的命令等。在一些實施例中，fld1102可以包括電力發(fā)電機，其使用由uas飛行引起的經(jīng)過fld1102的氣流，以向fld1102提供電力和/或為電池1110再充電。此外，可以由flc1114命令發(fā)生器來提供反向推力以導致飛行終止。

為了提高可靠性，在一些實施例中，fld1102可以被設置在故障安全配置中。例如，降落傘1122可以具有以下默認：其被展開，除非致動器1120例如通過電磁體供電，僅在其被供電時，這將降落傘1120保持就位，例如通過將降落傘1120壓在供電的電磁鐵上的彈簧。也就是說，如果電力損失，致動器1120將自動釋放降落傘1122，并且uas的飛行將立即終止。同樣地，在一些實施例中，flc1114可以被編程為在發(fā)生任何內(nèi)部錯誤(例如，gps鏈路的長時間的丟失)的情況下使降落傘1122展開。

圖12描繪了用于在uas已經(jīng)跨過飛行邊界時實施飛行限制的實施例的示例性功能框圖1200。處理器可以接收uas信息(步驟1202)。uas信息可以包括來自gps、imu、高度計和/或感測與規(guī)避系統(tǒng)的數(shù)據(jù)(參見圖3)。處理器還可以接收至少一個飛行邊界(步驟1204)。飛行邊界可以包括其被禁止的空域、由uas操作員設置的障礙物、以及由處理器和/或uas操作員輸入創(chuàng)建的一個或更多個動態(tài)邊界，以防止uas進入其被禁止的空域，防止干擾有人駕駛飛機和/或與障礙物碰撞(參見圖1和圖2a-2h)。可以由uas操作員使得飛行邊界縮小，但可能不使其放大。處理器可以確定uas相對于至少一個飛行邊界的位置(步驟1206)。處理器可以利用uas信息和飛行邊界來確定uas位置。然后處理器可以確定uas是否已經(jīng)跨過了至少一個飛行邊界(步驟1208)。如果uas沒有跨過至少一個飛行邊界，則處理器繼續(xù)確定uas相對于飛行邊界的位置。如果uas已經(jīng)跨過了至少一個飛行邊界，則處理器實施uas的至少一個飛行限制(步驟1210)。飛行限制可以包括警告信號和/或一個或更多個動態(tài)響應，以確保uas不進入其被禁止的空域(參見圖3)。

可以設想，可以進行對上述實施例的特定特征和方面的各種組合和/或子組合，并且仍然落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，應當理解，所公開的實施例的各種特征和方面可以彼此組合或替代，以形成所公開的發(fā)明的不同模式。此外，本發(fā)明的范圍在本文中旨在以示例的方式公開，并且不應受上述特定公開的實施例的限制。