悬停飞行器及其操控方法与流程

本公开的主题涉及悬停飞行器。

背景技术：

出于一个或多个原因，使人类成员在无人驾驶飞行器(uav)通常用于执行任务的地方执行任务是不切实际。一般，这样的任务是监视，但是它们也可以是科学研究、农业、搜寻和救援等。uav的航程主要取决于其重量和电池容量。

一种类型的uav是悬停飞行器，其配置为在一个位置滞空一段长时间。这样的uav一般包括多个旋翼，多个旋翼设计为一起操作以允许uav从一个地方飞到另一个地方、悬停、升降并且校正与预期行为(例如俯仰和横滚)的偏离。

技术实现要素：

根据本公开的主题的一个方面，提供了一种悬停飞行器，其包括空中单元和辅助单元，其中：

●空中单元配置为在飞行过程中承载辅助单元并且包括飞行系统，所述飞行系统配置为便于提供气动升力以便于飞行器的悬停；并且

●辅助单元包括电源，所述电源与飞行系统电连通以提供用于其操作的电力；

所述悬停飞行器进一步包括拆离系统，所述拆离系统配置为：

●便于选择性地在飞行器的脱离配置和附接配置之间切换飞行器，其中，在脱离配置中空中单元和辅助单元彼此远离，在附接配置中空中单元和辅助单元彼此紧固；以及

●在飞行器处于其脱离配置中时保持电连通。

所述飞行器可以配置为在处于其附接配置中时，利用与拆离系统分离的元件提供电源和飞行系统之间的电连通。

所述拆离系统可以包括一个或多个电缆，所述一个或多个电缆配置为保持电连通并且在其相对端处附接到空中单元和辅助单元。

所述拆离系统可以进一步包括绞盘，所述绞盘配置为选择性地释放和收回电缆。

所述绞盘可以安装到空中单元。

所述绞盘可以安装到辅助单元。

所述拆离系统可以包括两个电缆，其中，电缆到空中单元的附接点彼此间隔第一距离，并且电缆到辅助单元的附接点彼此间隔比第一距离大的第二距离。

所述拆离系统可以包括绞盘，所述绞盘安装到空中单元并且配置为选择性地释放和收回电缆。

所述飞行器可以配置成使得第一电缆承载从电源到飞行系统的正电荷，并且第二电缆承载从电源到飞行系统的负电荷。

所述拆离系统可以配置为在飞行器处于其附接配置中时确定电缆的拉紧度。

所述拆离系统可以包括电机并且配置为通过测量电机的电流来检测拉紧度。

所述拆离系统可以配置为利用无线能量传输来保持电连通。

所述飞行器可以进一步包括跟踪系统，所述跟踪系统配置为便于辅助单元的定位并且便于空中单元到定位的导航。

所述辅助单元可以包括漂浮装置，所述漂浮装置配置为便于辅助装置漂浮在水体上。所述辅助单元可以包括防水壳体，所述防水壳体在其中包含电源。

所述辅助单元可以包括摄像机。所述摄像机可以配置为无线地传输由其捕获的图像。所述摄像机可以配置为将图像捕获为视频。

所述飞行器可以配置为便于电源的再充电。

所述辅助单元的重量可以是飞行器的重量的至少40％。所述辅助单元的重量可以是飞行器的重量的至少50％。

所述拆离系统可以配置为确定空中单元和辅助单元之间的最大分离距离，在该最大分离距离内其(即，拆离系统)配置为在飞行器的脱离配置中保持电连通。所述飞行系统可以配置为在飞行器处于其脱离配置中时便于空中单元悬停在辅助系统上方高达等于至少最大分离距离的高度。

所述飞行系统可以包括选自包括旋翼、电机和飞行控制器的组中的一个或多个。

所述辅助单元可以进一步包括推进装置，所述推进装置配置为在飞行器处于其脱离配置中时便于辅助单元的行进。

所述推进装置可以包括陆地推进装置，所述陆地推进装置配置为驱动辅助单元穿越陆地。所述陆地推进装置可以包括选自包括轮、履带、滚轴、腿机构、异时(metachronal)装置和其组合的组中的一个或多个陆地推进元件。

所述推进装置可以包括航海推进装置，所述航海推进装置配置为驱动辅助单元穿越水。所述航海推进装置可以包括选自包括螺旋桨、舵和其组合的群中的一个或多个航海推进元件。

所述推进装置可以进一步包括辅助控制器以引导其操作。所述辅助控制器可以配置为与空中单元的飞行系统通信。

所述推进装置可以至少部分地由电源供电。

所述推进装置可以至少部分地由辅助电源供电。

根据本公开的主题的另一方面，公开了一种操控悬停飞行器以部署其辅助单元的方法，所述方法包括：

●提供根据前述权利要求中任一项所述的飞行器；

●所述飞行器在其附接配置中悬停在表面上方；

●释放辅助单元以放置在表面上；以及

●所述飞行系统提供气动升力，从而便于空中单元从辅助单元上升；

其中，所述气动升力小于飞行器的重量而大于空中单元的重量。

所述气动升力可以超过空中单元的重量达约20％到约50％的辅助单元重量。

飞行器的悬停可以在所述表面上方(即，使得飞行器的部分不接触所述表面和/或被所述表面支撑)，并且释放包括降低辅助单元以放置在所述表面上。

附图说明

为了更好地理解本文公开的主题并且示范在实践中其是如何实现的，现将参考附图通过仅非限制性示例的方式描述实施方式，其中：

图1a和1b是根据本公开的主题的悬停飞行器处于其附接配置和脱离配置中的底部透视图；

图2是根据图1a和1b中示意的飞行器处于其脱离配置中的一个变形的示意性侧视图；

图3和4是图1a和1b中示意的飞行器的绞盘的侧视图；

图5是根据图1a和1b中示意的飞行器的空中单元和辅助单元的一个变形的特写截面视图；

图6是图1a和1b中示意的飞行器的辅助单元的示例的侧视图；以及

图7示意了部署图1a和1b中示意的飞行器的辅助单元的方法。

具体实施方式

如图1a和1b所示，提供了一种悬停飞行器，其总体以10来表示。飞行器10配置为靠其自身的动力悬停(即在空中保持在一个地方)以及在空中从一个地方移动到另一个地方。相应地，其包括空中单元12，空中单元12具有提供气动升力的飞行系统14。飞行系统14还可用于促进飞行器的移动。根据一些示例，飞行系统14包括多个旋翼16，例如如图1a和1b所示的四旋翼。飞行系统14可以进一步包括促进飞行器的移动所需的其他元件，包括电机、一个或多个飞行控制器等。其可以进一步包括传感器、警报器等。所述飞行器可以是无人驾驶的，例如自主的或由人类操作员远程控制的。根据一些示例，其为无人机。

空中单元12可以附加地包括设备(未示出)，包括但不限于：诸如视频和/或音频记录装置的监视设备、环境传感器、gps装置、通信设备等，其对执行所需的无人任务可能是需要的。

此外，飞行器10包括控制器(未示出)以引导其操作。将要理解，尽管此处在说明书和权利要求书中术语“控制器”涉及单个元件，但是在不背离本公开的主题的范围的情况下，经细节上的必要修改，其可以包括多个元件的组合，这些元件可以或可以不处于物理接近的位置，或者可以或可以不彼此直接连接。此外，在不背离本公开的主题的范围的情况下，经细节上的必要修改，此处(包括随附权利要求的记载)公开的控制器执行功能、配置为执行功能或其他类似语言隐含包括系统10的其他元件执行、配置为执行这些功能。

飞行器10进一步包括辅助单元18，辅助单元18承载用于向飞行系统14提供电力供其运行的电池20。将要理解，尽管本公开涉及电池，但是根据一些变形，在不背离本公开的主题的范围的情况下，经细节上的必要修改，可以用配置为提供所需电力的另一合适部件或多个合适部件替代电池。相应地，飞行器10配置为保持电池20和飞行系统14之间的电连通(例如，举例来说，电连接，其可以包括但不限于一个或多个物理连接)。

除了设置在空中单元12上的任何摄像机之外，辅助单元18可以进一步包括摄像机22。摄像机22可以配置为监视辅助单元18附近。这例如在辅助单元18从空中单元脱离(这将在下面描述)并且坐落在其可能遭受干预的区域中的表面上时可能是有用的。摄像机22可以配置为捕获视频，并且可以配置为无线地将由此捕获的图像例如传输到空中单元、到远程控制中心等。

空中单元12配置为在飞行过程中承载辅助单元18。根据一些示例，空中单元12配置为在其中接纳辅助单元18，例如如图1b所示。根据一些变形，空中单元12包括形成在其下侧用于在其中容纳辅助单元18的凹部24。

所述飞行器进一步包括拆离系统，其总体上以26表示，并且在图1a和1b中仅部分可见。拆离系统26配置为在脱离配置和附接配置之间切换飞行器10，其中，在脱离配置中空中单元12和辅助单元18彼此远离(即物理上脱离)，例如如图1a所示，在附接配置中空中单元和辅助单元彼此紧固，例如如图1b所示。

此外，拆离系统26包括配置为在飞行器10处于其附接配置中时保持空中单元12和辅助单元18之间的张紧机械连接的适当布置(在图1a和1b中未示出)。当空中单元12和辅助单元18如此地机械连接时，它们作为单个单元一起移动。

所述拆离系统进一步配置为在飞行器10处于其脱离配置中时保持电池20和飞行系统14之间的电连通。由于电池20(或其他电源)一般组成飞行器10的重量的很大一部分，所以通过允许电池选择性地与空中单元12脱离并且仍然向其供应电力，飞行器10可以以需要较小电力用于悬停的方式(例如，辅助单元坐落在例如地、房顶上等的外部表面上)来操作,从而延长其操作时间。

根据一些示例，辅助单元18(包括电池20)的重量组成飞行器10的重量的至少40％。根据其他示例，其组成飞行器10的重量的至少50％。

根据一些示例，拆离系统26包括一个或多个电缆28，电缆28配置为在飞行器处于其脱离配置中时跨接在空中单元12和辅助单元18之间。所述电缆在一端连接到空中单元12，以使得它们与飞行系统14的需要来自电池20的电力的元件(例如电机、飞行控制器等)电连通，并且在其另一端与电池连接。

拆离系统26因此可包括具有两条导线的单个电缆28，其中一条导线用于承载从电池20到飞行系统的正电荷(即，其连接到电池的正极端子)，而其中一条导线用于承载从电池20到飞行系统的负电荷(即，其连接到电池的负极端子)。

替代地，拆离系统26可以包括两个电缆28(例如如图1b中所示)，其连接到如上所述的电池20和飞行系统14。如最佳地在图2中示出的，根据一种变形，两个电缆28在彼此间隔第一距离d1的附接点处连接到空中单元12，并且在彼此间隔第二距离d2的附接点处连接到辅助单元18，第二距离d2大于第一距离d1。根据这种布置，当从空中单元12悬吊时，电缆28彼此向外成角度。这可以增加飞行器处于其脱离配置中的稳定性。

根据拆离系统26包括一个或多个电缆28的任一示例(例如参考图1b和2并且在其中示意的那些示例)，所述拆离系统可以包括配置为选择性地释放和收回电缆的机构，从而促进分别在其脱离配置和附接配置之间切换飞行器10。例如，如图3所示，拆离系统26可包括绞盘30，绞盘30例如连接到空中单元12，以实现电缆28的释放/收回。

将要理解，尽管图3示意了拆离系统26包括利用单个绞盘30而释放/收回的两个电缆28的示例，但是其可以包括利用单个绞盘而释放/收回的单个电缆、利用两个分离的绞盘释放/收回的两个电缆或电缆和绞盘的任何其他合适组合。

绞盘30包括卷筒32和旋转装置，例如电机36并且可选地包括用于从电机向卷筒传输角运动的合适传动元件(例如齿轮、滑轮、带等；未示出)。取决于卷筒32的旋转方向，电缆28缠绕到卷筒上或从卷筒退绕，这在本领域内是公知的。可以设置合适的引导件(未示出)以促进电缆28绕着卷筒32缠绕。

根据参考图2的变形在上面描述的、拆离系统26包括两个电缆28的示例(即，其中与空中单元12的附接点彼此间隔第一距离，而与辅助单元18的附接点彼此间隔比第一距离大的第二距离)，电缆28与空中单元12的附接点(在图3中以40a表示)为电缆28从绞盘30的卷筒32降下的点。电缆28可以朝向卷筒中央附接到卷筒。由于电缆28从彼此向外的角度，它们距离空中单元12越远，在通过转动卷筒32收回电缆的过程中，电缆会以单层绕着卷筒缠绕(如42所示)，即，电缆绕着卷筒的缠绕朝向卷筒的外边缘推进，从而在收回过程中促进电缆沿卷筒长度的均匀分布。

根据一些示例，例如如图4所示，绞盘30可以安装到辅助单元18，从而进一步减少空中单元的重量。根据例如参考图2的变形在上面描述的、拆离系统26包括两个电缆28的示例(即，其中与空中单元12的附接点彼此间隔第一距离，而与辅助单元18的附接点彼此间隔比第一距离大的第二距离)，电缆28与辅助单元18的附接点(在图4中以40b表示)为电缆28从绞盘30的卷筒32上升的点。电缆28可以朝向卷筒边缘附接到卷筒。由于电缆28从彼此向内的角度，它们距离辅助单元18越远，在通过转动卷筒32收回电缆的过程中，电缆会以单层绕着卷筒缠绕(如42所示)，即，电缆绕着卷筒的缠绕朝向卷筒的中央推进，从而在收回过程中促进电缆沿卷筒长度的均匀分布。

电机36可以配置为便于确定电缆28的拉紧度。例如，其可以以允许在使用过程中电流从其穿过的方式连接到控制器。本领域技术人员将理解，电缆28的拉紧度可以与在使用过程中(例如当电缆被完全收回时)穿过电机36的电流相关。控制器因此可以配置为通过测量穿过电机36的电流(或利用据报的测量)来确定电缆28的拉紧度。这例如在辅助单元18从和/或到空中单元12的脱离和附接过程中会是有用的，这将在下面描述。

根据一些变形，控制器配置用于确定线缆28的绝对拉紧度(例如通过测量其张力)，在这种情况下，在控制器中预载例如电缆的物理特性的相关信息。根据其他变形，控制器配置成用于确定电缆28的相对拉紧度，例如以这样的方式来操作飞行器：施加已知的参考拉紧度，并且测量经过电机36的电流来获得参考测量。可以例如通过将随后测量与参考测量比较来利用参考测量——在给定方向上(例如降低)与参考值相差达预定量的随后测量可以确定为指示电缆28没有充分拉紧，并且可能需要适当的校正动作。

将要理解，尽管已经在上面将控制器描述为配置成利用穿过电机的电流的测量来确定电缆28的拉紧度，但是经细节上的必要修改，其可以配置为利用任何其他合适方法来确定电缆28的拉紧度。

根据一些示例，飞行器10配置为在处于其脱离配置中时便于空中单元12和辅助单元18二者物理上脱离并且解栓(例如，不带例如参考参考标记28在上面描述的电缆)。因此，拆离系统26可以包括用于在处于其脱离配置中时便于保持电池20和飞行系统14之间的电连通的元件，例如便于无线能量传输的系统。许多合适的系统是公知的，并且给定飞行器10的参数，相关领域技术人员会能够实现(例如，包括进行必要的调整)用于电连通的合适系统。这样的参数可以包括但不限于：空中单元12的功率需求、无线能量传输系统的传输能力、在飞行器10操作的过程中需要的安全等级等。

根据一些示例，飞行器10包括跟踪系统，所述跟踪系统例如在飞行器处于其脱离配置中时便于空中单元12定位辅助单元18。所述跟踪系统可以进一步便于空中单元12到辅助单元18的导航。所述跟踪系统可以包括空中单元12和辅助单元18上的元件(未示出)，例如辅助单元上的应答器和空中单元上的接收器。根据一些变形，所述应答器可以位于空中单元12上，其中辅助单元18包括接收器并且被配置为(例如利用包括在其中的专用处理器)向空中单元发出飞行命令以基于利用接收器确定的位置来将其导航到所述位置。

根据一些变形，拆离系统26配置成用于利用如上所述的无线能量传输来保持电连通，并且进一步利用无线能量传输系统作为跟踪系统或利用无线能量传输系统补充跟踪系统。例如，无线能量传输系统可以配置为执行多线圈磁波束形成用于能量传输和跟踪二者，例如在计算机学会的“proceedingsofthe20thannualinternationalconferenceonmobilecomputingandnetworking”第495-506页中jouyajadidian和dinakatabi的“magneticmimo:howtochargeyourphoneinyourpocket”中所公开的，上述公开的全部内容通过引用并入本文中。

将要理解，尽管对本文所述的跟踪系统的使用在飞行器10被配置为在其脱离配置中便于空中单元12和辅助单元18二者物理上脱离并且解栓(如上所述)时是特别有用的，但是对本文所述的跟踪系统的使用在飞行器被设计为保持空中单元和辅助单元两者之间的物理拴系时也会是有用的。

根据一些示例，在飞行器处于其附接配置中时，利用与拆离系统26分离的元件，空中单元12和辅助单元18被一起配置为使得可以建立电池20和飞行系统14之间的电连通(即，绕过组成拆离系统的一部分并且被配置为在空中单元和辅助单元位于彼此相距一定距离时在电池和飞行系统之间进行电连接的至少一些元件)。用于该目的，空中单元12和辅助单元18可以包括直接连接装置。直接连接装置配置为在飞行器10处于其附接位置中时在电学上绕过拆离系统26(例如根据上述示例，绕过电缆28)。因此，在飞行器10处于其附接位置中时通过利用拆离系统26来保持电连通所产生的电损耗(例如由于拆离系统26中固有的电阻)可以通过在空中单元12和辅助单元18之间提供直接连接来避免。

如图5所示，总体上以44表示的直接连接装置可以包括分别设置在空中单元12和辅助单元18上的触点46、48。设置在空中单元12上的触点46与飞行系统14电连通，并且设置在辅助单元18上的触点48与电池20电连通。触点46、48被安置成使得在空中单元12和辅助单元18在飞行器的附接配置中紧固到彼此时，触点彼此接触，从而提供电池20和飞行系统14之间的电通路。可以设置例如包括夹、滑动件、闩锁等中的一个或多个的机械紧固装置(未示出)来促进和保持触点46、48之间的部署。直接连接装置44和/或拆离系统26可以配置为在直接连接装置在提供电连通时中断由拆离系统提供的电连通。

将要理解，尽管在此处已经将直接连接装置44描述为不同于拆离系统26及其元件，但是，在不背离本公开的主题的范围的情况下，经细节上的必要修改，可以将其设置为拆离系统的一部分，与拆离系统共享元件等。

根据一些示例，辅助单元18可以配置成用于漂浮在水上。这例如对于在海岸区域使用飞行器10来说会是有用的。因此，如图6a所示，辅助单元18包括配置为给辅助单元(包括电池20)提供充足浮力以将其保持漂浮在水中的一个或多个漂浮物50。辅助单元18可以进一步包括适配器52，适配器52配置为连接到拆离系统26(例如其电缆28，如所示意的)，并且辅助单元18的电池20、漂浮物50和其他元件安装到适配器52。辅助单元18可以进一步包括防水壳体54，电池20包含在防水壳体54中。壳体54可以包括用于例如电线从其穿过的合适的孔(未示出)。所述孔可以设置有密封件，密封件配置为允许电线从其穿过同时防止水进入。

根据其他示例，辅助单元18可以配置为用于驱动其自身穿越陆地(包括但不限于任何大致固态的表面，例如建筑物等)。因此，如图6b所示，其可以包括陆地推进装置，陆地推进装置的一个非限制性示例示意并指示为56，其配置为便于辅助单元18在陆地上的行进。陆地推进装置56可以由电池20和/或专用电源供电，并且包括一个或多个陆地推进元件，包括但不限于轮58(如所示意的)、履带、滚轴、腿机构和/或异时装置(例如，以便于蜿蜒滑行)。壳体60可以设置成包含电池(未示出)，并且承载陆地推进装置56的元件。

陆地推进装置56可以进一步包括配置为引导其操作的一个或多个控制器。替代地，空中单元12的飞行系统14可以配置为引导陆地推进装置56的操作。根据一些示例，陆地推进装置56可以包括控制器以引导其操作，该控制器从空中单元12的飞行系统14接收输入。根据空中单元12的飞行系统14帮助引导陆地推进装置56的操作的示例，其间的通信可以无线地、经由跨接在其间的电缆(例如，利用一个或多个专用电缆，利用电力线通信协议等在电缆28上发送信号)提供。

根据其他示例，辅助单元18可以包括航海推进装置，其配置为便于辅助单元18穿越水(例如穿越水面或潜入水下)的行进。根据一些示例，根据参考图6a在上面描述并且在图6a中示出的示例来设置辅助单元18。经细节上的必要修改，航海推进装置可以类似于参考图6b在上面描述并且在图6b中示出的陆地推进装置56，包括一个或多个合适的航海推进元件(例如螺旋桨、舵等)而不是陆地推进元件。

将要理解，辅助单元18可以提供有陆地推进系统和航海推进系统二者，或者提供有单个推进系统，经细节上的必要修改，该单个推进系统可选择性地作为陆地推进系统或航海推进系统一者而工作。

如图7所示，飞行器10可以配置为通过操作执行以100表示的方法来将辅助单元18部署在例如屋顶或其他表面上。根据拆离系统26包括一个或多个电缆28的示例，部署辅助单元18可以便于例如当空中单元俯仰、翻滚或经历任何其他意料之外的运动时，减小电缆变得与空中单元12的一部分(例如螺旋桨等)纠缠在一起的可能性。

在方法100的步骤110中，飞行器10悬停在表面上方。其可以悬停在表面上方(例如其上方一小段距离)，或者使得辅助单元18与表面接触。

在方法100的步骤120中，飞行器10释放辅助单元18以坐落在表面上，即，切换到其脱离配置。

在步骤130中，飞行系统14给空中单元12提供气动升力，从而便于其从辅助单元18上升，辅助单元18保持在表面上。所述气动升力足以提升空中单元12而不提升辅助单元18，同时保持电缆28拉紧。这样，其可以小于飞行器10的重量(即，空中单元12、辅助单元18和拆离系统26的总重)，而大于空中单元的重量(包括刚性地安装到其上的任何拆离系统的元件)。所述气动升力可以超过空中单元12的重量达辅助单元18的重量的约20-50％。

经细节上的必要修改，在部署飞行器10以相反顺序操作所述方法时，飞行器10可以进一步配置为收回辅助单元18。

本发明所属技术邻域的技术人员将容易理解在不脱离发明的范围的情况下，经细节上的必要修改，可以对本发明进行多种改变、变化和变形。