具有倾斜螺旋桨的无人机以及相关系统和方法与流程

本申请是申请日为2016年6月21日的中国专利申请cn201680086962.0(“具有倾斜螺旋桨的无人机以及相关系统和方法”)的分案申请。

本技术总体上涉及具有倾斜螺旋桨的无人机，以及相关的系统和方法。

背景技术：

无人机(uav)可以自主操作，或者在场外人工控制器的控制下操作。相应地，无人机可以进行各种各样的任务，这些任务对载人飞行器的性能而言是危险的、昂贵的和/或其他令人反感的。代表性的任务包括作物监测、房地产摄像、建筑物和其他结构检查、消防和安全任务、边境巡逻和产品交付等。一个代表性任务包括通过无人机承载的相机或其他图像传感器获取图像。用无人机获取这种图像的挑战在于，由于无人机是空中飞行的，因此至少在某些条件(包括无人机进行演习的条件)下可能难以稳定图像。相应地，仍然需要改进的技术和系统用于控制无人机和无人机承载的有效载荷。

技术实现要素：

提供以下的发明内容以方便读者并显示所公开的技术的几个代表性实施例。

根据代表性实施例的无人机(uav)设备包括机身、由机身承载的多个球形电机和多个可旋转的螺旋桨，其中单独螺旋桨由相应的单独球形电机承载。在特定实施例中，单独球形电机中的至少一个可以包括转子和至少一个定子，其中转子和至少一个定子中的至少一个可相对于另一个围绕两个或三个相交轴线旋转。在特定实施例中，相交轴线可以是正交的。在任何前述实施例中，单独球形电机可以包括转子和三个定子，和/或可以包括超声波球形电机。在任何前述实施例中，球形电机可以包括多个相对于机身具有固定位置的定子，和承载相应的单独螺旋桨并可相对于多个定子旋转的转子。转子可以包括具有轴线并且承载相应的单独螺旋桨的螺旋桨轴，并且转子围绕轴线的旋转使螺旋桨围绕轴线旋转。在任何前述实施例中，转子可以承载具有螺旋桨轴的电动机，螺旋桨轴承载相应的单独螺旋桨，其中电动机的启动使螺旋桨轴和螺旋桨围绕轴线旋转。例如，电动机可以包括无刷直流电机。在另一代表性实施例中，转子可以具有相对于机身的固定位置，并且定子可以承载单独螺旋桨，并可作为一个单元相对于转子旋转。

在任何前述实施例中，机身可以包括中心部和至少三个从中心部向外定位的外部。例如，每个单独外部可以承载单个螺旋桨，并且在特定实施例中，每个外部可以包括支臂，支臂的至少一部分与相邻的支臂分离。在任何前述实施例中，设备还可以包括由机身承载的成像装置。成像装置可以包括相机，并且在特定实施例中，设备可以进一步包括连接在机身和成像装置之间的云台。

在任何前述实施例中，设备可以进一步包括由用于控制无人机的指令编程的控制器。例如，代表性指令在被执行时接收改变机身的行进方向的请求，并且响应于该请求，引导多个球形电机中的至少一个以使相应的单独螺旋桨倾斜。在任何前述实施例中，指令在被执行时可以引导至少一个球形电机以使相应的单独螺旋桨倾斜，而不引导机身倾斜。在特定实施例中，指令可引导第一螺旋桨在第一方向倾斜，并引导第二螺旋桨在与第一方向相反的第二方向倾斜。在又一些实施例中，指令在被执行时可引导至少一个球形电机以使对应的单独螺旋桨倾斜，而不改变无人机承载的成像装置的取向。在又一特定实施例中，指令可以引导至少一个球形电机倾斜而不导致成像装置将机身成像(例如，捕捉图像)。指令可引导至少一个球形电机使相应螺旋桨的推力轴线远离机身向外倾斜，例如以避免或减小由螺旋桨驱动的空气撞击机体的程度。

在任何前述实施例中，控制器可以包括由机身承载并且具有第一无线通信装置的第一控制器，并且设备可以进一步包括具有配置为与第一无线通信装置无线通信的第二无线通信装置的远程第二控制器。

在其他实施例中，用于无人机的推进设备包括具有转子和成形为与转子旋转接触的多个定子的球形电机。轴由转子或至少一个定子承载，并且螺旋桨由轴承载。转子、定子和螺旋桨的布置可以具有任何上述配置。

在又一些实施例中，无人机控制设备可以包括控制器和由控制器承载并用指令编程的计算机可读介质，所述指令在被执行时接收改变无人机的行进方向的请求，并且响应于所述请求，引导多个球形电机中的至少一个以使无人机的对应螺旋桨倾斜。指令在被执行时可以引导球形电机以任何上述方式操作。

又一实施例包括一种用于配置无人机控制器的方法，包括用指令编程计算机可读介质，所述指令当被执行时接收改变无人机的行进方向的请求，并且响应于该请求，引导多个球形电机中的至少一个以使无人机的对应螺旋桨倾斜。指令可以引导球形电机以任何上述方式操作。

又一实施例包括一种使无人机飞行的计算机实现方法，包括接收改变无人机的行进方向的请求，并且响应于所述请求，引导多个球形电机中的至少一个以使无人机的对应螺旋桨倾斜。所述计算机实现方法可以引导球形电机以任何上述方式操作。

附图说明

图1是根据本技术的代表性实施例的具有定位为控制多个螺旋桨的球形电机的无人机的部分示意等距图。

图2是根据本技术的代表性实施例的配置为使螺旋桨绕多个轴线旋转的代表性球形电机的部分示意放大视图。

图3a是根据本技术的实施例的承载多个球形电机的无人机的部分示意侧视图。

图3b是根据本技术的代表性实施例的承载在无人机上并配置为控制无人机的控制器的部分示意图。

图4是根据本技术的一个实施例的多个螺旋桨在相同方向倾斜的图3a所示的无人机的部分示意图。

图5是根据本技术的一个实施例的多个螺旋桨在相反方向倾斜的图3a所示的无人机的部分示意图。

图6是根据本技术的一个实施例的承载具有固定转子和可旋转定子的球形电机的无人机的部分示意等距图。

图7是根据本技术的一个实施例的承载电动螺旋桨电机的球形电机的部分示意等距图。

图8是根据本技术的代表性实施例的示出用于控制无人机的过程的流程图。

具体实施方式

1.概述

本技术总体上涉及具有倾斜螺旋桨的无人机(uav)、以及相关的系统和方法。在特定实施例中，无人机包括支撑一个或多个旋转螺旋桨的球形电机。球形电机可用于使螺旋桨轴倾斜而不使无人机的机身倾斜。螺旋桨轴本身可以由球形电机驱动，或者由球形电机的一个或多个部件承载的附加螺旋桨电机驱动。与传统的无人机推进系统相比，这种布置有望提供几个优点，下面将进一步描述。

为清楚起见，在下面的描述没有阐述若干细节，所述细节描述众所周知的并且经常与无人机及相应的系统和子系统相关联的结构或过程，但可能不必要地掩盖所公开的技术的一些重要方面。此外，尽管以下公开内容阐述了本技术的不同方面的若干实施例，但是若干其他实施例可以具有与本部分所描述的那些不同的配置或不同的部件。相应地，所述技术可具有其他实施例，其具有附加元件和/或没有以下参考图1-8描述的若干元件。

提供图1-8以说明所公开的技术的代表性实施例。除非另有规定，否则附图不意图限制本申请的保护范围。

下面描述的技术的许多实施例可以采取计算机可执行或控制器可执行指令的形式，包括由可编程计算机或控制器执行的例程。相关领域的技术人员将理解，所述技术可以在与下面所示和描述的那些不同的计算机或控制器系统上执行。所述技术可以体现在专用计算机或数据处理器中，其被特别地编程、配置或构造为进行下面描述的计算机可执行指令中的一个或多个。相应地，本文通常使用的术语“计算机”和“控制器”指代任何数据处理器，并且可以包括互联网设备和手持设备(包括掌上电脑、可穿戴计算机、蜂窝或移动电话、多处理器系统、基于处理器的或可编程的消费电子产品、网络计算机、微型计算机等)。由这些计算机和控制器处理的信息可以呈现在任何合适的显示介质上，包括crt显示器或lcd。用于进行计算机可执行或控制器可执行任务的指令可以存储在任何合适的计算机可读介质中或其上，包括硬件、固件或硬件和固件的组合。指令可以包含在任何合适的存储器装置中，包括例如闪存驱动器、usb装置和/或其它合适的介质。

2.代表性实施例

图1是根据本技术的实施例配置的代表性无人机100的部分示意等距图。无人机100可以包括机身110，机身110又可以包括中心部111和一个或多个外部112。在图1所示的代表性实施例中，机身110包括四个外部112(例如支臂113)，当它们远离中心部111延伸时，它们彼此间隔开。在其他实施例中，机身110可以包括其他数量的外部112。在任何这些实施例中，单独外部112可以支撑驱动无人机100的推进系统169的部件。例如，单独支臂113可以支撑相应的单独螺旋桨163。如随后将参考图2-8进一步描述的，螺旋桨163又可由允许螺旋桨相对于机身110倾斜的球形电机120驱动。

机身110可以承载有效载荷130，例如成像装置131。在特定实施例中，成像装置131可以包括相机，例如摄像机和/或照相机。相机可以对任何各种合适波段中的波长敏感，包括视觉、紫外、红外和/或其他波段。在又一些实施例中，有效载荷130可以包括其他类型的传感器和/或其他类型的货物(例如包裹或其他可交付物)。在许多这些实施例中，有效载荷130相对于机身110通过云台115支撑，云台115允许有效载荷130相对于机身110独立定位。相应地，例如当有效载荷130包括成像装置131时，成像装置131可以相对于机身110移动以跟踪目标。如图1所示，当无人机100未处于飞行中时，起落架114可将无人机100支撑在保护有效载荷130的位置。

在代表性实施例中，无人机100包括控制系统140，控制系统140具有承载在无人机100上的一些部件和位于无人机100外的一些部件。例如，控制系统140可以包括由无人机100承载的第一控制器141，以及位于远离无人机100处且经由通信链路152(例如无线链路)连接的第二控制器142(例如，人工操作的基于地面的控制器)。第一控制器141可以包括执行引导无人机100的动作(包括但不限于推进系统169和成像装置131的操作)的指令的计算机可读介质143。第二控制器142可以包括一个或多个输入/输出装置148，例如显示器144和控制装置145。操控者操纵控制装置145以远程控制无人机100，并且经由显示器144和/或其他装置从无人机100接收反馈。在其他代表性实施例中，无人机100可以自主操作，在这种情况下，第二控制器142可被消除，或者可以仅用于操控者超控功能。在任何这些实施例中，控制系统140引导球形马达120的操作，这将在下面进一步详细描述。

图2是图1所示的机身110的一部分的部分示意等距图，示出根据本技术的代表性实施例配置的代表性球形电机120。在这个实施例的特定方面，球形电机120可以包括具有三个自由度的超声波电机。代表性电机可从okrobotics(www.ok-robotics.com)获得。超声波球形电机的一般操作描述在标题为“球形超声电机的设计与实现(designandimplementation0fsphericalultrasonicmotor)”的文章(mashimo等人，ieeetransactions0nultrasonics，ferroelectrics，andfrequencycontrol，v0l.56，no.11(2009年11月))中，其通过引用结合在此。

球形电机120可以包括相对于机身110由多个定子122支撑的球形或部分球形的转子126。例如，图2示出与转子126接触的三个定子122。每个定子122可以包括接触转子126的压电件123、向压电件123提供电信号的电极124、以及承载电极124和压电件123的定子支架125。每个定子支架125可以由安装元件121承载，安装元件121又附接到机身110。

当定子122(特别是压电件123)被致动时，转子126可被引导以围绕图2所示的x、y或z轴中的任一个轴旋转。交叉的x、y和z轴可以是正交的(如图2所示)或者在其他实施例中可以具有其他相对取向。转子126可以如箭头a所示相对于x轴、如箭头b所示相对于y轴、以及如箭头c所示相对于z轴倾斜。在示出的实施例中，转子126承载螺旋桨电机160，螺旋桨电机160又驱动螺旋桨轴161绕轴线162旋转。如图2所示，轴线162与z轴重合。螺旋桨轴161承载相应的螺旋桨163(图1所示)。相应地，当螺旋桨电机160使螺旋桨轴161围绕轴线162旋转时，可以选择性地启动定子122以使螺旋桨轴161相对于x轴和y轴倾斜。随后参照图8描述代表性螺旋桨电机160的更多细节。在另一实施例中，螺旋桨轴161可以直接连接到转子126，而不包括螺旋桨电机160。相应地，除了使螺旋桨轴161绕x轴和y轴倾斜之外，还可以选择性地启动定子122以使螺旋桨轴161绕轴线162旋转。

图3a-5示意性地示出了根据本技术的进行多种操作时的无人机100。图3a示出具有可见的两个代表性球形电机120a、120b和相应螺旋桨163a、163b的无人机100。在典型实施例中，如上所述，无人机100将包括多于两个球形电机120和相应的螺旋桨163，例如三个或四个球形电机。第一控制器141在第二控制器142的引导下将螺旋桨163a、163b定位用于悬停。特别地，螺旋桨163a、163b都定位为直接面朝上。

图3b是第一控制器141的示意图，第一控制器141可以包括处理器146、存储器147和输入/输出装置148。存储器147可以从第一控制器141移除，例如可从输入/输出装置148分离。控制单元151引导上述球形电机的操作，并且计算机可读介质143(其可被容纳在任何前述部件的部件中和/或包括任何前述部件的部件)包含当被执行时引导球形电机的行为的指令。第一通信装置150a配置为经由通信链路152提供与由第二控制器142承载的相应的第二通信装置150b的无线通信。

在图4中，第一球形电机120a已经相对于机身110倾斜，使得相应的第一螺旋桨163a和相应的第一推力轴线ta相对于图3a所示的取向倾斜。第二球形电机120b使第二螺旋桨163b在相同方向上倾斜以生成倾斜的第二推力轴线tb。随着两个球形电机120a、120b都如图4所示倾斜，无人机100如箭头d所示从左向右行进。为实现这种运动，机身110本身不倾斜。相应地，有效载荷130(例如成像装置131)不需要倾斜或以其他方式改变取向以适应机身110取向的改变。这与传统无人机的操作不同，传统无人机通常倾斜以改变其飞行所沿的轴线，进而要求成像装置131以相反的方向倾斜，以保持其捕捉的图像的取向。

在图5中，第一和第二球形电机120a、120b已经在相反的方向上倾斜，使得相应的推力轴线ta、tb指向远离中心部111。每个推力向量ta、tb的水平分量th互相抵消，并且垂直分量tv相加，导致垂直方向(如箭头d所示)的行进。由于推力轴线ta、tb从机身110向外指向，因此由相应螺旋桨163a、163b推进的气流不会撞击在机身110上，或比传统布置更小地撞击。因此，预计机身110比传统机身更稳定，从而改善由成像装置131生成的图像的质量。

在参照图2的上述实施例中，定子122相对于机身110具有固定位置，并且转子126相对于定子122旋转。在图6所示的另一实施例中，这些部件可以具有相反的配置。例如，转子126可以经由安装元件621附接到机身110的外部112，以便相对于机身110具有固定的位置。定子122承载螺旋桨电机660，并且当定子122被启动时，相对于固定的转子126旋转以使螺旋桨轴121如箭头a和b所示倾斜。螺旋桨电机660可以使螺旋桨轴121如箭头c所示旋转。在这个实施例中，信号/电力链路(例如，柔性电缆)627向定子122和螺旋桨电机660提供电力。类似的布置可用于向图2所示的螺旋桨电机160提供电力。

图7是承载相应的螺旋桨电机760的球形电机720的部分示意图，螺旋桨电机760至少部分地与相应的转子726集成。转子726由相应的定子722支撑和旋转，其中两个定子在图7中可见。螺旋桨电机760包括围绕相应的螺旋桨电机转子765定位的多个螺旋桨电机定子764以使相应的螺旋桨轴761旋转。用于螺旋桨电机定子764的电力由信号/电力链路727提供，信号/电力链路727连接到转子726，并且足够柔韧以允许转子726在正常操作期间自由地使螺旋桨轴761倾斜。在特定实施例中，信号/通信链路727可以包括具有足够的柔性和应变消除特征的电缆。在另一实施例中，信号/通信链路727可以包括滑环的布置以允许转子726相对于定子722的不受限运动。

图8是根据本技术的代表性实施例的示出用于控制无人机飞行的代表性过程880的流程图。该过程可以包括接收改变无人机的行进方向的请求(框881)。响应于该请求，该过程还可以包括引导多个球形电机中的至少一个以使相应的螺旋桨倾斜(框882)。这个过程又可以包括引导螺旋桨倾斜而不进行一个或多个下列功能：(a)引导机身倾斜(框883)，(b)改变成像装置的取向(框884)或(c)使成像装置对机身885成像(例如，捕捉图像)。根据改变行进方向请求的性质，两个螺旋桨可以在相反的方向倾斜(框886)，例如用于横向运动，或两个螺旋桨可以在相同的方向倾斜(框887)，例如用于垂直运动。在任何这些实施例中，推力轴线可以远离机身倾斜(框888)以减小螺旋桨“冲洗”撞击在机身上的程度。

上述几个实施例的一个特征是球形电机可以使它们承载的相应螺旋桨相对于机身倾斜。这种布置的优点是机身本身不需要倾斜以改变方向。因此，不需要改变由机身承载的成像装置或其他传感器的取向以补偿机身取向的变化。预期这又从成像装置或其他传感器产生更一致和稳定的数据。

至少一些前述实施例的另一预期优点在于，倾斜的螺旋桨不太可能引导空气撞击在机身上。相应地，预计机身在空间中的位置比传统布置更稳定，从而从成像装置或其他传感器产生更稳定和一致的数据。

至少一些前述实施例的又另一预期优点是：由球形电机提供的功能可以减少或消除对云台115(图1)提供的功能的需求。特别地，云台无需适应机身的倾斜运动(对传统无人机而言是典型的)并因此可以做得更轻、响应性更低或两者都可以。云台仍可以作为无人机100的一部分存在，例如以允许成像装置131平移拍摄或以其他方式扫描其所成像的环境。除上述优点之外或代替上述优点，减小的在机身110上螺旋桨下洗的冲击可以减少对云台抵消这种下洗可能产生的抖动或其他运动的需要。这又可降低对云台提出的设计要求，并且可以相应地降低云台的成本、增加云台的寿命，或者两者均可。

从前述内容将理解的是，出于说明的目的，本文已经描述了本技术的特定实施例，但是可以在不偏离该技术的情况下做出各种修改。例如，以上在超声波电机的背景下描述了代表性球形电机。在其他实施例中，可以使用其他类型的球形电机代替。在代表性实施例中，螺旋桨电机可以包括无刷直流(bldc)电机，并且其他实施例可以包括其他合适的电机。虽然在一些实施例中由无人机承载的有效载荷包括相机，但是在其他实施例中，有效载荷可以包括其他传感器或其他合适的装置。在上述代表性实施例中，单独球形电机转子承载单独螺旋桨轴。在其他实施例中，球形电机转子可以承载多个(例如，对转的)螺旋桨轴和螺旋桨。

在特定实施例的背景下描述的技术的某些方面可以在其他实施例中组合或消除。例如，如图1所示的一个或多个球形电机和相应的螺旋桨可在其他实施例中消除。并非所有由无人机承载的螺旋桨都需要由球形电机控制。在一些实施例中，一个或多个螺旋桨可以具有固定的旋转轴线，或者可以由除球形电机以外的装置控制。在又一些实施例中，例如在螺旋桨轴直接连接到球形电机转子的情况下，可以消除螺旋桨电机。此外，虽然已经在这些实施例的背景下描述了与本技术的某些实施例相关联的优点，但是其他实施例也可以显示出这样的优点，并且并非所有的实施例都必须要显示出这样的优点才落在本技术范围内。相应地，本公开内容和相关技术可以涵盖未在本文明确示出或描述的其他实施例。

就本文并入的任何材料与本公开内容相冲突而言，由本公开内容支配。

本专利文件的公开内容的至少一部分包含受版权保护的材料。当出现在专利和商标局专利文件或记录中时，版权所有者不反对任何人对专利文件或专利公开进行传真复制，但在其他方面保留所有版权。