CN109153445A - 具有不同用途螺旋桨的多旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明描述的是多旋翼飞行器***和操作多旋翼飞行器***的方法，包括这些，具有：底盘(106)，至少两个安装的提升电机和至少四个安装的控制电机安装在底盘(106)内，其中，至少两个安装的提升电机各自具有提升螺旋桨(102)，至少四个安装的控制电机各自具有控制螺旋桨(108)，其中提升螺旋桨(102)和控制螺旋桨(108)处于平行平面中或共面；计算机，其安装在底盘上，该计算机与控制电机通信；电源，其安装在底盘，该电源连接到控制电机；以及天线，其安装在底盘上，与计算机通信。在一些示例中，控制***被加密。

Description

具有不同用途螺旋桨的多旋翼飞行器

技术领域

所公开的实施例总体上涉及使用螺旋桨的飞行器领域，并且更具体地涉及具有不同用途螺旋桨的多旋翼飞行器。

背景技术

当前飞行器或航空器可以以许多不同的方式被供电。困难与多个螺旋桨飞行器(多旋翼飞行器)相关联，这是因为需要复杂的传动装置***向多个螺旋桨传送动力并且控制该数量的螺旋桨的旋转。只有创建电动机和高容量电池的电子控制的有效***才能提供用于产生这种远程无线电控制的多旋翼飞行器的微型设计的机会。但是，在这种设计中增加电机的整体尺寸和容量的尝试遇到了尺度问题。涉及这项技术任务的障碍包括大形电机、电动机或内燃机的缓慢响应，其用于操纵多旋翼飞行器本体-转向左侧和右侧、急剧爬升、空中悬停和下降，迫使用于某些螺旋桨的电机速率的突然升高以及用于其他螺旋桨的电机速度下降。以这种方式操纵可能需要螺旋桨电机操作中的快速变化，并且根据立方定律(cube law)，旋转电机元件和螺旋桨自身的响应在大电机中减慢。由于这个原因，以小尺寸容易实现的事情，在实践中在大尺寸和显著的螺旋桨和电机重量以及惯性问题的情形中是难以实现的。

发明内容

本发明提供了用于提供和控制多旋翼飞行器的***和方法，包括：底盘，其具有安装到底盘的至少两个提升电机和至少四个控制电机，其中，至少两个安装的提升电机各自具有提升螺旋桨，至少四个安装的控制电机各自具有控制螺旋桨，其中，提升螺旋桨和控制螺旋桨是共面的或在平行的平面中，并且其中提升螺旋桨至少是控制螺旋桨长度的两倍；计算机，其安装在底盘上，该计算机与控制电机通信；电源，其安装在底盘上，该电源连接到控制电机；以及天线，其安装在底盘上，与计算机通信。一些实施例还包括在提升螺旋桨下方安装到底盘的副翼。在一些实施例中，电源是电池或发电机中的一个。在一些实施例中，底盘具有周边且底盘包括在其周边内的提升螺旋桨和控制螺旋桨。在一些实施例中，载荷传感器可以安装在底盘上并且与计算机通信，计算机构造为计算载荷不平衡并且指示出载荷不平衡的警告。在一些实施例中，喷射器可以安装在底盘上并与计算机通信，并且在一些实施例中，可以在底盘上安装钩和绞盘。在一些实施例中，底盘是铝棒的敞开式框架。在一些示例中，提升电机是电动机、内燃机或燃气涡轮机中的至少一个。在一些实施例中，计算机与导航***通信并且被构造为控制控制螺旋桨的旋转以将飞行器操纵到导航***导航点。在一些实施例中，提升螺旋桨是至少一米长。

这里描述的是多旋翼飞行器***和操作多旋翼飞行器***的方法，包括这些，具有：底盘，至少两个安装的提升电机和至少四个安装的控制电机安装在底盘内，其中，至少两个安装的提升电机各自具有提升螺旋桨，至少四个安装的控制电机各自具有控制螺旋桨，其中，提升螺旋桨和控制螺旋桨是在平行的平面中，并且其中提升螺旋桨至少是控制螺旋桨的两倍长；计算机，其安装在底盘上，该计算机与控制电机通信；电池，其安装在底盘上，该电池连接到控制电机；以及天线，其安装在底盘上，与计算机通信。在一些示例中，控制***是被加密的。

通过以下结合附图的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，附图通过示例的方式示出了本发明的实施例的各种特征。

附图说明

为了更好地理解本申请中描述的实施例，应当结合以下附图参考下面的详细描述，在附图中，相同的附图标记贯穿附图指代相对应的部分。

图1是符合这里描述的发明方面的多旋翼飞行器示例的图。

图2是符合这里描述的发明方面的多旋翼飞行器示例的另一图。

图3是符合这里描述的发明方面的多旋翼飞行器示例的另一图。

图4是符合这里描述的发明方面的多旋翼飞行器示例的另一图。

图5是符合这里描述的发明方面的飞行状态的流程图。

图6是符合这里描述的发明方面的飞行方案的示例图。

图7是符合这里描述的发明方面的示例性计算机硬件。

图8A和图8B是符合这里描述的发明方面的示例控制流程图。

图9是符合这里描述的发明方面的示例流程图。

图10是符合这里描述的发明方面的示例性货物图。

图11是符合这里描述的发明方面的示例货物的详图。

具体实施方式

现在将详细参考实施例，其示例在附图中示出。在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本文提出的主题的充分理解。但是对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践主题。此外，这里描述的特定实施例是通过示例提供的，并且不应该用于将本发明的范围限于这些特定的实施例。在其他情况下，没有详细描述公知的数据结构、定时协议、软件操作、过程和部件，以免不必要地模糊本发明的实施例的各方面。

概述

在过去的一个世纪中已经使用各种飞行器来使人类离开地球并进入天空。有些机器已由人类直接操纵，其他机器则被远程地操纵。随着技术的发展，已经有可能以新的方式利用经过测试的飞行方法。例如，这里讨论的***和方法提供了利用具有用于提升和控制的多个螺旋桨的飞行运载工具(多旋翼飞行器)的新方法。由于计算机的进步，这里公开的多旋翼飞行器可以在许多不同的条件下有效地以稳定的飞行状态飞行。并且由于电池动力性能的进步，这种多旋翼飞行器可以是或包括电动马达，而不是由喷气推进、内燃机或其他方式单独提供动力。

如上所述，例如，直径小于一米的小型多旋翼飞行器已被业余爱好者用于飞行，甚至在飞行时拍摄和发送照片。但是，使用小型多旋翼飞行器在某些行业可能不会有益。在一些行业中，可能需要能够提升重的有效载荷并且飞行长距离的超过两米宽的大尺寸的运载工具。在这种示例中，有人驾驶或无人驾驶飞行器可能需要显著的电机尺寸和动力容量，以及大的转子盘以便形成必要的提升。此外，这种电机和其螺旋桨在***性容量增加和速度加速的脉冲状态中以及类似地容量和速度的脉冲性急剧减小下可能更难以控制。然而，这种状态在推进飞行和空中悬停期间对于多旋翼飞行器的精确和高性能控制及其空间取向的响应变化是必需的。在多旋翼飞行器本体相对于行进路线的定位方面，在形成多旋翼飞行器螺旋桨的提升的功能与形成用于改变多旋翼飞行器本体的空间取向和飞行模式的扭矩的第二功能之间最大程度地表现出矛盾的地方。

本文描述的实施例通过使用多种螺旋桨类型和/或尺寸用于不同功能来解决这些问题，其中所有螺旋桨可以改变它们的旋转速度并因此控制由它们产生的推力。在一些实施例中，各种螺旋桨相对于运载工具的整个框架或底盘以相同的总体方向取向。因此，代替以一种方式和其他方式成角度的一些螺旋桨，提升螺旋桨和控制螺旋桨可以通过改变它们的速度来影响多旋翼飞行器的俯仰、偏航和/或滚转。

可以使用具有不同用途螺旋桨的多旋翼飞行器，其包括由具有不同功能用途的一定数量的螺旋桨组成的螺旋桨组。螺旋桨可根据其预期目的分为至少两种类型，即：提升螺旋桨，其增进主水平推力并形成提升；以及操纵/控制螺旋桨，其确定多旋翼飞行器本体的空间取向及其相对于行进路线的位置，包括增进附加的辅助水平提升推力。这些工程解决方案的应用技术结果是生产多旋翼飞行器，该多旋翼飞行器由于高的提升动力的表现而具有容易实现的显著有用的载荷，并且同时易于快速且容易地控制并且改变其空间位置。

图1示出了这种多旋翼飞行器的的示例的立体图。在该示例中，在底盘(或本体，或框架)106中示出了两个较大的螺旋桨102。这两个大的提升螺旋桨102可用于提供大部分的整体提升，以使多旋翼飞行器离地，并使多旋翼飞行器悬停在一定高度处。在一些实施例中，两个提升螺旋桨沿相反方向旋转。在一些示例性实施例中，两个提升螺旋桨102相对于底盘106位于彼此相同的平面上。这些提升螺旋桨102中的每个都具有它们自己的电动机，它们自己的飞行控制器并且可以通过多旋翼飞行器中各种计算机中的任一个控制。这种控制可以调节每个提升螺旋桨102的速度以及其他方面，并且可以监测两个螺旋桨相对于彼此的同步。在一些实施例中，提升螺旋桨102共用中央电机并通过轴或带***转动。在一些实施例中，中央提升电机是内燃电动机、电力电动机、燃气涡轮发动机或混合电动机。在具有内燃电动机或燃气涡轮发动机的实施例中，各个螺旋桨可以不使用它们自己的电动机，而是可以共用连接到为螺旋桨提供动力的传动装置的中央电机。

在一些示例中，提升螺旋桨102的数量可以仅为两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个或任意数量的提升螺旋桨。该数量可以通过多旋翼飞行器的设计用途和有效载荷来确定。

在该示例中，多旋翼飞行器的底盘106是包围螺旋桨及其他们的螺旋桨弧状部的箱状框架。换句话说，在一些示例性实施例中，底盘106封装多旋翼飞行器的所有部件(包括整个螺旋桨)。这种设计允许一些安全性，因为在飞行中多旋翼飞行器螺旋桨弧状部可以通过底盘106本体自身的周边被遮蔽而与结构隔开。在飞行中撞击杆或其他物体可能仅导致撞击底盘106而不是撞击可能影响飞行或甚至使多旋翼飞行器不能工作的任何螺旋桨。在一些实施例中，较小的控制螺旋桨108也被封装在底盘的周边内。同样，这在运行中以及运输和储存中可以保护螺旋桨。

具有外部结构并且还具有低轮廓的底盘106可以允许多旋翼飞行器在较小的空间中操作并且在不操作时容易运输和存储。图1所示的箱状框架是一种敞开式框架设计，其由诸如铝或钢的金属的棒、管、I梁和/或杆制成。可以使用任何类型的结构框架，管的描述不是限定性的。这种框架可以由任何材料制成，诸如碳纤维、玻璃纤维、塑料、夹层复合材料或其他重量轻且坚固的材料。任何形状的底盘可以用于容纳螺旋桨和机械装置，图1矩形设计仅仅是示例性的。可以使用其他形状，诸如正方形、圆形、椭圆形、六边形、八边形或其他形状。提升和控制螺旋桨的数量和布置可能会影响整个多旋翼飞行器的形状设计。

图1中的示例性底盘106示出了中央壳体110，其中诸如电池、天线和计算机的部件可以安装到底盘。这种壳体可以采用各种形式的任一种，并且不需要是如图所示的镶板金属壳体。透明塑料可以封装壳体110，壳体可以是敞开的，或者它可以完全通过塑料或金属闭合件封装。着陆装置也可以与图1中所示的两个滑轨112不同。各种滑轨、轮、浮筒、滚轮或其他着陆机构中的任何一种都可以用于多旋翼飞行器。

除了较大的提升螺旋桨102之外，图1还示出了在底盘内间隔开的一组较小的控制螺旋桨108。在一些实施例中，这些控制螺旋桨108定位在底盘的边缘处，但仍在其整个周边内，例如在如图1所示的拐角处。在一些实施例中，附加控制螺旋桨可被放置在提升螺旋桨102周围的各种位置的任一个中。在一些实施例中，控制螺旋桨可位于底盘外部。可以使用任何类型的支座或框架或平台来支撑这种控制螺旋桨。对位于整个底盘或框架结构内的控制螺旋桨的描述并不意图是限制性的。在一些实施例中，控制螺旋桨108可以以二比一的比例在数量上超过较大的提升螺旋桨102。在一些实施例中，控制螺旋桨可以以四比一的比例在数量上超过提升螺旋桨。在一些实施例中，控制螺旋桨可以以另一比例在数量上超过提升螺旋桨。在一些实施例中，控制螺旋桨108相对于底盘106位于相同的平面上、大体上与提升螺旋桨102相同的平面上、和/或与所述提升螺旋桨平行的平面上。换句话说，提升螺旋桨102和控制螺旋桨108可以相对于底盘沿相同方向或大致相同方向取向，而不是沿不同方向取向。在这种实施例中，控制螺旋桨的不同速度可以改变多旋翼飞行器的取向、俯仰、偏航和/或滚转。在一些示例中，控制螺旋桨108位于与提升螺旋桨102不同的平面处，诸如正好在从多旋翼飞行器的侧面观察到的提升螺旋桨102的平面的上方或下方，或上方和下方的组合。

在一些实施例中，提升螺旋桨的尺寸和重量比控制螺旋桨的尺寸和重量至少大两倍。在一些实施例中，由提升螺旋桨提供的潜在推力至少是可由控制螺旋桨提供的潜在推力的两倍。

图2示出了另一个透视图示例多旋翼飞行器，但具有可选的壁覆盖物204或裙部，其围绕另外的敞开式框架多旋翼飞行器底盘的侧面的各个部段。这种示例性覆盖物可用于将空气朝向螺旋桨引导，并增加飞行特性，包括悬停以及减少可降低来自任何螺旋桨的提升的侧倾角(side draft)。敞开式框架底盘可覆盖有任何种类的材料以形成壁，比如织物、铝、碳纤维、树脂玻璃或其他材料。壁还可包括传感器、布线、天线、或本文所述的多旋翼飞行器的其他部件。

螺旋桨概述

由于与控制较大的多旋翼飞行器相关联的潜在问题，尤其是在具有共面或平行平面布置的螺旋桨的情况下，本文描述的实施例包括将多旋翼飞行器上的螺旋桨类型分割成更大和更小的螺旋桨尺寸。这种分割可以允许多旋翼飞行器通过较大的螺旋桨产生大部分提升推力，这不需要非常频繁地改变它们的旋转速率。这种分割还可以允许多旋翼飞行器从较小的螺旋桨产生大部分控制推力，这可以比提升螺旋桨以更大的频率改变其旋转速率。这种提升螺旋桨可以是一米长或更长。并且这种控制螺旋桨可以是半长或更短。

这种提升和控制螺旋桨可以布置在多旋翼飞行器中的各种位置中的任何位置(如图1中的示例所示)或其他布置处，以便保持适当的平衡。这种布置还可以允许提升螺旋桨被构造为用于增进多旋翼飞行器的主水平推力并且为多旋翼飞行器形成大部分提升。这种布置还可以允许控制螺旋桨被构造为增进操纵推力(例如控制多旋翼飞行器的空间取向及其在操作中相对于行进路线的位置)，以及增进用于多旋翼飞行器的附加的辅助水平推力。控制螺旋桨，因为它们更小，可以更快速地改变旋转速率，并调节为多旋翼飞行器的导航、取向、俯仰、偏航和滚转。

在一些实施例中，这些螺旋桨可布置在多旋翼飞行器底盘中的共面或平行平面布置中。这种布置将总体上彼此平行的螺旋桨轴布置在多旋翼飞行器的底盘内，并且使螺旋桨叶片大致彼此平行地布置。这种布置还将需要使每个螺旋桨应该彼此间隔开，以允许螺旋桨自由旋转并改变速度，而不会干扰或接触下一个螺旋桨，或者仅布置在彼此上方或下方，使得重叠将具有竖直间距。在这种实施例中，结果将是包围所有螺旋桨的多旋翼飞行器底盘的平坦的总体竖直尺寸。这种平坦形状可以允许比具有以不同轴线布置的螺旋桨的多旋翼飞行器更容易储存、堆叠和运输。

图3示出了具有较大提升螺旋桨以及较小控制螺旋桨的示例性多旋翼飞行器的俯视图。图3示出了在多旋翼飞行器的中央的较大提升螺旋桨302以及围绕多旋翼飞行器的周边布置的示例性八个控制螺旋桨和电机308的示例位置。两组螺旋桨都显示为共面或平行平面，因为它们的螺旋桨轴在底盘内全部大致平行。因此，每个螺旋桨与下一个螺旋桨间隔开，并且没有螺旋桨弧状部将相交或接触，因为它们要么水平地间隔开，要么在平行的平面上竖直地间隔开(比如安装在不同的高度处)，这可以允许螺旋桨弧状部的重叠或者螺旋桨弧状部的间距比如果它们在同一平面上的间距更近。同样，较小控制螺旋桨的数量和位置可以与图3所示的不同。例如，可以仅使用四个控制螺旋桨308而不是八个，并且它们在底盘内的位置可以不同。

在一些示例中，每个控制螺旋桨具有其自己的电动机308并且由机载计算机***控制。这种控制可以包括螺旋桨旋转速度以及与其他控制螺旋桨和/或较大的提升螺旋桨302的同步。在使用与共面控制螺旋桨308结合的较大提升螺旋桨302的布置中，控制螺旋桨的速度在操纵操作中将比提升螺旋桨的速度更频繁地改变。因为控制螺旋桨将改变整个多旋翼飞行器的俯仰、偏航和滚转，所以控制每个控制螺旋桨308的每个电机将由机载计算机独立地控制。这将允许在飞行期间控制螺旋桨速度的独立变化。提升螺旋桨302也可由机载计算机控制，但提升螺旋桨302的速度变化可能不像较小的控制螺旋桨308那样频繁或突然地改变。

多旋翼飞行器中的螺旋桨的共面布置还可以允许底盘的轮廓在高度上紧凑。通过将提升螺旋桨308和控制螺旋桨302两者布置在底盘内大约相同的高度处，底盘的总高度可被保持为相对较短，尽管宽到足以容纳所有螺旋桨弧状部。这种平坦设计可以用于帮助将多个多旋翼飞行器存储在一个地方。这可以让它们一个堆叠在另一个上面。它可以允许多旋翼飞行器在不太可能实现的结构内部和周围操作。

在一些实施例中，提升螺旋桨302的尺寸和重量比控制螺旋桨308的尺寸和重量至少大两倍，并且控制螺旋桨308的数量比提升螺旋桨302的数量至少大两倍。因此，如果提升螺旋桨302是一米长，则控制螺旋桨将是半米长或更短。在一些示例性实施例中，提升螺旋桨302可以是一米长，并且每个控制螺旋桨308可以是四分之一米长。

将螺旋桨组元件分割为成至少两种螺旋桨类型会导致提升螺旋桨302，在尺寸方面(例如转子跨度或螺旋桨弧状部)较大，以及可能较重(这取决于制造螺旋桨所使用的材料)。在操作中，提升螺旋桨可实现用于大部分飞行状态的大致恒定速度，从而潜在地改变高度和悬停操纵。由于这种布置，与控制螺旋桨308相比，提升螺旋桨302可能不需要频繁地改变它们的旋转速度。因此，如果提升螺旋桨302共用比如电动机、内燃发动机或涡轮风扇或涡轮喷气发动机的电机，则与控制螺旋桨308相比，由于提升螺旋桨302将引起更恒定的旋转速度，所以传动装置或同步驱动装置上的负载将较小。

在一些实施例中，尺寸和转子盘尺寸较小并且因此具有较小重量和较快响应时间的控制螺旋桨可以主要操作为形成与多旋翼飞行器的提升本体相关的扭转和倾斜力矩。这可以允许更容易，更有效和更准确的操纵，或者多旋翼飞行器的空间取向的变化和其本体相对于其行进路线的位置的变化。一些实施例中，当多旋翼飞行器朝向如在图6中更详细公开的一般方向路线倾翻时，控制螺旋桨可以增加由较大提升螺旋桨产生的水平推力。

图4示出了示例多旋翼飞行器的另一示例立体图。在一些实施例中，代替仅仅调节提升螺旋桨402和/或控制螺旋桨408的速度，可以借助于彼此平行且在一些或所有螺旋桨下方布置的副翼板来调节空气中的多旋翼飞行器取向。安装在底盘上的位于螺旋桨下方的可移动板或副翼470可以与多旋翼飞行器的稳定***一起工作。因此，偏转板或副翼可以使由任何螺旋桨产生的气流偏转以用于操纵。图4还示出了附接到底盘上的副翼470，该副翼附接到各种***中的任一个(比如与机载计算机通信的机械臂和伺服电机)以控制其移动。副翼470可被布置成使来自提升螺旋桨的推力偏转以进行操纵。副翼470可以被放置在底盘的下侧下方或下侧上的各种位置中的任何一个，用于提升螺旋桨402和/或控制螺旋桨408。

在一些示例性实施例中，不仅可以改变螺旋桨的速度，而且还可以调节每个单独的螺旋桨叶片的桨距。在这种示例中，在飞行期间，即使螺旋桨自身的旋转保持恒定，也可以使用提升螺旋桨叶片的桨距来调节提升。在一些示例中，螺旋桨的这种恒定速度可以比改变单个螺旋桨的速度使用更少的能量。***可以被允许在紧急情况下自动旋转，从而如果失去电力则减慢多旋翼飞行器的下降。

在一些示例中，螺旋桨可以设置在万向节上，该万向节相对于整个底盘本体框架移动并改变整个螺旋桨单元的角度。在这种示例中，伺服电机可以通过机载计算机***移动以影响螺旋桨在多旋翼飞行器的其相对部分中的提升。这可以用于改变包括悬停以及水平行进方式的任何飞行状态。

飞行示例

图5是使用较大的提升螺旋桨和较小的控制螺旋桨的示例性多旋翼飞行器的一系列事件的流程图。首先，502在多旋翼飞行器的运动开始时，两种类型的所有螺旋桨都被启动，而其一半在一个方向上旋转，而另一半在另一个方向上旋转，以便提供旋转螺旋桨的反作用转矩的相互补偿。接下来，504通过大的提升螺旋桨产生主提升，无论何时需要改变飞行高度，大的提升螺旋桨以逐渐减速或加速的方式旋转，或者保持悬停。然后，506多旋翼飞行器本体的空间取向的控制的功能和其相对于其行进路线的位置的改变是由控制螺旋桨诱导的，该控制螺旋桨与提升螺旋桨相比较小。为此，控制螺旋桨对于旋转速度变化具有更快的响应，因此相比于较大的提升螺旋桨更适合频繁的速度调节。在一些示例中，控制螺旋桨的数量大于提升螺旋桨的数量-在一些示例中多达两倍或三倍。最后，508当多旋翼飞行器上升到足以水平飞行的高度时，控制螺旋桨通过在一侧上使控制螺旋桨加速并使其在另一侧上减速而使多旋翼飞行器本体倾斜。结果是多旋翼飞行器本体的倾斜，并且所有螺旋桨类型的所得的推力空气流包括水平分量，该水平分量产生允许多旋翼飞行器在地表面上横越的水平推力。

图6示出了多旋翼飞行器在从起飞到悬停过渡到水平飞行状态时的示例图形表示。首先，当在地面上时602，提升螺旋桨开始旋转并形成竖直提升。产生的推力矢量690是完全竖直的。接下来，604提升螺旋桨将多旋翼飞行器提升离开地面，并且控制螺旋桨开始在底盘的一侧上比在另一侧上更快地旋转。产生的推力矢量主要是竖直的690，但是产生少量的水平推力692。接下来，606在离地面所需的高度处，控制螺旋桨增加旋转速度并将多旋翼飞行器的底盘朝向行进方向倾斜到一侧。这种倾斜可以通过在底盘的一侧上的控制螺旋桨的加速以及在另一侧上减慢控制螺旋桨的速度来控制，从而产生底盘相关部分的更多和更少的提升。形成的水平推力矢量692随着竖直推力矢量690开始减小而增加。接下来，在608处，当控制螺旋桨使底盘倾斜时，提升螺旋桨最终不仅产生用于多旋翼飞行器的主竖直提升，而且还产生一些水平推力。此时，形成的水平推力矢量692比竖直推力矢量690大得多。最后，在610处，多旋翼飞行器利用控制螺旋桨以及提升螺旋桨来控制高度以及多旋翼飞行器的姿态，以获得针对环境的最有效的飞行状态。此时，如果即使竖直推力矢量存在的话，则水平推力矢量692比竖直推力矢量大得多。在任何时候，多旋翼飞行器可以枢转回到其用于起飞602和悬停、着陆等的方向。在一些实施例中，由于由提升螺旋桨产生的较大推力，多旋翼飞行器可能需要更像其在起飞602期间那样的取向以便获得显著的高度。当处于一定高度时，在飞行期间取向可以朝向水平飞行状态610再次倾斜并且根据需要来回地倾斜。

因此，在一些示例中，水平推力可以由提升螺旋桨和控制螺旋桨两者来形成，而在一些实施例中，由提升螺旋桨引发的水平推力与由控制螺旋桨引发的水平推力的比率可以是例如60-40或70-30。

控制示例

图7示出了计算机硬件701的示例分组，其可以由多旋翼飞行器使用以控制螺旋桨、导航、无线通信、获取传感器读数、操作任何机载周边装置等。中央处理单元(CPU)702可以用于处理计算机701中的指令，并且被示出为通过总线704或其他布线与其他计算机硬件部件通信。CPU 702还与某种类型的用户接口706通信。这种用户接口可以是多旋翼飞行器本身上的任何类型的用户接口，或者(未示出)经由无线发送器远程连接到地面站或其他操作器单元。这种用户接口706可用于控制多旋翼飞行器、导航、对多旋翼飞行器的各个方面进行诊断测量、以将飞行方向或有效载荷方向(诸如如下所述的农业喷射)编程到多旋翼飞行器中。用户接口706可用于改变编程到多旋翼飞行器中的任何自动驾驶状态或用于任何其他各种动机。硬件还示出了各种周边设备708中的任何一种，例如用于远程通信的天线、用于导航***的天线，例如，全球卫星定位***(GPS)、格洛纳斯(GLONASS)、伽利略(Galileo)、罗兰(LORAN)、雷达信标或任何其他类型种类的周边设备，例如传感器操作器、相机、有效载荷传感器、加速度计、陀螺仪、空气速度指示器，高度计、雷达高度计、电机速度计、喷射器装置、诸如具有挂钩的绞盘的载荷移动、起落架展开、副翼移动等。最后，存储器710被示为具有多种程序中的任一种，比如但不限于操作***712、网络通信714、指令716、应用718、数据存储720、数据表722、事务日志724、飞行参数记录726、以及加密数据728。其他各种程序的任一种可以由多旋翼飞行器中的计算机硬件使用。

这种计算机硬件可以包括多旋翼飞行器可利用以用于特定飞行状态的程序。例如，多旋翼飞行器可以出于各种原因使用悬停程序，例如，如果与地面控制器失去通信。如果失去控制或输入，则自动引导程序可用于导航，诸如导航航点、悬停、徘徊、导航到家、着陆等。自动引导可用于货物拾取和下落状态。自动引导可以用于农业喷洒模式等。可以将任何类型的自动引导或飞行控制状态编程到多旋翼飞行器计算机中。

图8A和图8B共同示出了根据这里描述的一些实施例的示例控制流程。在某些示例中，控制***可以包括两个回路：内部控制回路和外部控制回路。这种布置可以被封装在单个硬件-软件组合中。

首先，自动引导***从位置传感器和状态传感器接收信号。这种传感器可以是任何数量的物件，诸如但不限于加速度计、陀螺仪、磁力计、高度计、大气压力传感器、导航***(诸如GPS、GLONASS、激光雷达(LIDAR)、LORAN)、地面站传感器、内燃发动机的转速传感器、控制电机的rpm传感器等。

在图8A的示例中，存在来自三个源：802地面站、804卫星导航(诸如全球定位***)、以及激光检测和测量LIDAR***806的三个输入。可以使用任何类型的输入，但是这三个输入例如设计器在图8A中用于示例。接着，将来自这些或其他位置传感器的任何组合的位置输入供给到位置控制器808中。这种位置控制器可以是机载计算机中的计算机实现***。位置控制器808然后确定三个维度x、y和z控制以供给到旋转矩阵810中。旋转矩阵810可确定任何数目的设定点，例如但不限于推力、滚转、俯仰和偏航。

内部控制回路

内部控制回路可以是运载工具的滚转、俯仰、偏航和推力的自动(自动的)控制。图8B示出了从8A的流程的继续。姿态控制器814从旋转矩阵810接收偏航、俯仰和滚转数据。姿态控制器814还从惯性传感器、陀螺仪或惯性测量单元IMU812接收输入。

反馈信号可以是滚转角(相对于地平线)、俯仰角度(相对于地平线)和偏航角度(相对于北或航向)、以及滚转、俯仰和偏航的角速度、运载工具的高度、高度变化的速度、大气压力等。滚转、俯仰和偏航角的控制信号以及运载工具推力的控制信号来自外部控制回路。内部控制回路的控制信号以及反馈信号也可以是旋转矩阵、四元数、推力矢量等。

控制器可以分别用于每个控制信道(滚转、俯仰、偏航和推力)。控制器可通过角度和角速度(以及任何其他控制器)用作P、PI和PID控制器。从控制器814到每个控制信道的输出信号可以影响运载工具的致动器-转子、控制螺旋桨、副翼等中的每一个，每个控制信号的影响可以通过混合矩阵来确定，其中每个信号通过其对一个或另一个致动器的影响率来确定。

混合器816可以从姿态控制器814接收关于偏航，俯仰和滚转以及来自旋转矩阵810的推力的输入。混合器Qp16可以利用比如以下的混合矩阵：

来自混合器816的输出可以被供给到用于提升和控制螺旋桨818的各种电机中。

外部控制回路

外部控制回路可以是运载工具在全局坐标系中的位置、高度、航向、速度和移动的自动(自动化的)控制。外部控制回路可以确定运载工具的飞行模式，例如起飞、着陆、海平面以上的高度的保持、地面以上的高度的保持，空间中的点的保持、分配飞行、越过障碍物的飞行、到起点的返回、通信损失的飞行等。外部控制回路也可以控制运载工具的附件。

用于外部控制回路的反馈信号可以是运载工具在全局坐标系中的位置、空间中的移动速度、地面(底层表面/海平面)之上的运载工具的高度、高度变化率、航向、航向变化率等。用于外部控制回路的控制信号可以是在全局坐标系中设置的坐标、航向、空间中的移动速度、地面(下层表面/海平面)之上的高度等。

控制器可以分别用于每个控制信道(航向、纬度移动、经度移动、高度、移动速度等)。控制器可以用作比例(P)、比例积分(PI)和比例积分微分(PID)控制器(以及任何其他控制器)。从控制器到每个外部回路控制信道的输出信号可以影响内部控制回路的每个输入。每个控制信号的影响可以通过旋转矩阵、推力矢量、混合矩阵等的形成来确定。

加密控制示例

在一些实施例中，多旋翼飞行器可以被控制或者与地面控制器或卫星控制器通信。在这种示例实施例中，发送到和来自多旋翼飞行器的用于导航、方向或诸如传感器、摄像机、喷射器、装载装置等周边设备的控制的其他方向的信号可以被加密。这种加密可以确保多旋翼飞行器不接收干扰控制输入，并且多旋翼飞行器通信仅能够被预期的地面或卫星站接收。

因此，机载计算机和软件以及相关的地面/卫星站软件被特别设计为确保操作安全性。特别地，一些实施例包括针对控制无线电信道的保护、针对操作器的恶意意图的保护以及针对飞行控制器物理替换的保护。在一些实施例中，安全方法基于PKI(公钥基础设施)。在这种示例中，飞行控制器可以存储由CA(证书颁发机构)产生的并且用于授权所有输入命令的PKI证书。

在一些实施例中，***经由将预先设计的飞行程序加载到飞行控制器中来划分执行软件操作的权限，以及划分设计由飞行控制器执行的飞行程序的权限。在这种示例中，具有执行软件操作的权限的用户通过使用由CA产生的相关操作员证书来这样做。操作器证书允许***与软件建立安全的命令无线电链路，并在运载工具上传送预先设计的飞行程序。有权限设计飞行程序的人通过使用也由CA产生的相关的设计器证书来这样做。因此，飞行程序可以存储可以确保飞行控制器程序有资格执行的安全签名。上述权限分配可以帮助确保防止操作器或其他人的恶意意图，比如尝试执行未经授权的接管控制。为了完全接管控制软件，需要获得总是在两个用户之间分配的操作器证书和设计师证书，使得恶意接管尝试非常不切实际。

为了保护***免受飞行控制器物理替换，一些实施例包括飞行控制器与控制螺旋桨(EM控制器)的电动机控制器或任何其他类型的周边设备(诸如传感器操作器、相机、有效载荷传感器、加速度计、陀螺仪、空气速度指示器、高度计、用于电机的RPM计量器等)之间的可以基于区块链技术的授权过程。EM控制器可以通过与诸如飞行控制器的启用侧的数据交换和验证过程来启用。如果启用侧通过使用具体算法知道从EM控制器的唯一私钥派生的密钥，则该数据交换过程只能获得成功。这些唯一的私钥可以在生产期间被加载到EM控制器安全存储器中。派生密钥也可以在生产期间被加载到飞行控制器安全存储器中。因此，飞行控制器可以仅与存在于运载工具上的精确EM控制器一起工作。飞行控制器的替换会导致新的飞行控制器不具有在运载工具上存在的EM控制器的派生密钥。这种EM控制器不能通过飞行控制器启动用并且将保持禁用，这将导致无法导航***。

图9示出了根据一些实施例的加密飞行控制示例的示例流程图。在图9中，存在两个选项，证书可以被预加载以开始该过程。在一个选项中，设计师证书确保飞行程序符合条件被执行902。在另一选项中，操作器证书允许建立无线电信道通信并将飞行程序加载到飞行控制器中904。无论哪种方式，下一步是飞行控制器使用预加载证书来授权数据发送器和输入数据906。最后，通过知道EM控制器的派生密钥的飞行控制器启用EM控制器908。通过这种方式，可以使用加密来防止第三方接管或恶意控制。

货物示例

因为这里公开的多旋翼飞行器的规模可以足够大以提升和移动数百甚至数千磅的货物，所以多旋翼飞行器可以用于各种工业原因中的任一种，包括但不限于货物移动和农业喷洒。载荷承载实施例可以采取许多形式并且在各种地方中的任一个中安装在底盘上。例如，在一些实施例中，底盘利用安装在底盘之下、其侧面上和/或框架本身上的任何数量的钩、轨道、篮、网、臂或其他保持或提升装置。也可以安装滑轮和/或绞盘，以使货物相对于底盘上下移动。

在货物示例中，确保货物以不会不利地影响用于飞行的重量和平衡参数的方式固定到多旋翼飞行器可能是有用的。因此，货物重量和平衡可以通过放置在底盘上各个位置处的机载传感器来计算。

可以在多旋翼飞行器的本体或底盘的各个方面中使用压电传感器或应变仪来检测货物位置和潜在的不平衡。这种应变仪可以被放置在支撑底盘、起落架、货物被系住或固定的位置或用于测量的其他位置中的每一个中。传感器可以与机载计算机和/或无线发射机通信到另一台计算机，以向人类控制器或自动控制器通知货物布置。因此，在起飞之前或飞行期间，可以检测到与多旋翼飞行器的计算的可允许重心范围的任何偏离。在这种偏离的情况下，***通过在遥控控制和/或自动驾驶中的通信发出关于这一点的警告。

在诸如用于农业喷洒示例的货物布置中，多种肥料、种子、水和/或其他化学品中的任一种都可以由多旋翼飞行器运输和递送。例如，液体和/或干燥材料可以由多旋翼飞行器通过位于底盘的下侧和侧面上的喷嘴来递送。在一些实施例中，可以调节罐的内容物的递送或排空，以确保重量和平衡不会对飞行产生不利影响。图10示出了示例性罐组，其可由多旋翼飞行器使用以存储、运输和递送可喷射的有效载荷。主保持罐1002被示出为被细分以减少飞行中内容物的晃动以及在罐的填充和排空期间的重量分布。也可以使用细分罐内的任何附加挡板和/或壁。止回阀1004可以位于每个子罐的入口处以用于填充，也可以位于出口端口处以用于喷射。

图11示出了图10的示例性罐的细节。主填充端口1102处的止回阀示出为通向腔室1106，该腔室1106通向用于每个子罐的单独止回阀1104。可喷射材料然后可以通过填充端口被1102装载，并填充子罐，以便随后通过喷射器的任何布置喷射或递送喷射货物。

总结

如本文所公开的，可以经由计算机硬件、软件和/或固件来实施与本发明一致的特征。例如，本文所公开的***和方法可体现为各种形式，包括例如数据处理器，比如还包括数据库、数字电子电路、固件、软件、计算机网络、服务器或它们的组合的计算机。此外，虽然所公开的实施方式中的一些描述了特定的硬件部件，但是与本文的创新一致的***和方法可以通过硬件、软件和/或固件的任何组合来实施。此外，本文创新的上述特征和其他方面和原理可以在各种环境中实施。这种环境和相关应用可以被专门构造以用于执行根据本发明的各种例程、过程和/或操作，或者它们可以包括由代码选择性地启用或重新构造以提供必要功能的通用计算机或计算平台。本文所公开的过程不固有地涉及任何特定的计算机、网络、架构、环境或其他装置，并且可以由硬件、软件和/或固件的适当组合来实施。例如，各种通用机器可以与根据本发明的教导写入的程序一起使用，或者可以更方便地构造专用装置或***以执行所需的方法和技术。

本文中所描述的方法和***(例如逻辑)的方面可实施为编程到多种电路中的任一者中的功能性，包括可编程逻辑装置(“PLD”)，诸如现场可编程门阵列(“FPGA”)、可编程阵列逻辑(“PAL”)装置、电可编程逻辑和存储器件和基于标准单元的装置、以及专用集成电路。用于实现各方面的一些其他可能性包括：存储器装置、具有存储器的微控制器(诸如EEPROM)、嵌入式微处理器、固件、软件等。此外，各方面方面可以体现在具有基于软件的电路仿真的微处理器、离散逻辑(顺序和组合)、定制装置、模糊(神经)逻辑、量子装置、以及任何上述装置类型的混合。可以以各种部件类型提供底层装置技术，例如，诸如互补金属氧化物半导体(“CMOS”)的金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)技术、诸如发射极耦合逻辑的双极技术(“ECL”)、聚合物技术(例如，硅共轭聚合物和金属共轭聚合物-金属结构)、混合模拟和数字等。

还应当注意，本文所公开的各种逻辑和/或功能就其行为、寄存器传输、逻辑部件和/或其他特性而言可以使用硬件、固件和/或体现在各种机器可读或计算机可读媒介中的数据和/或指令的任何数量的组合来实现。在其中可体现此类格式化数据和/或指令的计算机可读媒介包括(但不限于)呈各种形式(例如，光学、磁性或半导体存储媒体)的非易失性存储媒介和可用于通过无线、光学或有线信令媒介或其任何组合来传输这种格式化数据和/或指令的载波。此类格式化数据和/或指令通过载波的传输的示例包括但不限于经由一个或多个数据传输协议(例如，HTTP、FTP、SMTP等)在因特网和/或其他计算机网络上传输(上传、下载、电子邮件等)。

除非上下文另外清楚地要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”，“包含”等应以包含性意义解释，而不是排他的或穷尽的含义；也就是说，在“包括但不限于”的意义上。使用单数或复数的词也相应地包括复数或单数。另外，词语“本文”、“下文”、“上面”、“下面”和类似含义的词语指的是整个本申请而不是本申请的任何特定部分。当词语“或”用于引用两个或多个项目的列表时，该词语覆盖以下词语的所有解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及列表中的项目的任意组合。

尽管本文已经具体描述了本发明的某些目前优选的实施方式，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本文所示和所述的各种实施方式进行变化和修改。因此，本发明旨在仅受限于适用的法律规则所要求的程度。

为了解释的目的，已经参考具体实施例描述了前面的描述。然而，以上说明性讨论并非旨在穷举或将本发明限于所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化都是可能的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够最好地利用本发明和具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。

Claims (21)

1.一种多旋翼飞行器***，其包括：

底盘，其具有安装到所述底盘的至少一个提升电机和至少四个控制电机，其中，

所述至少一个安装的提升电机通过驱动器连接到至少两个提升螺旋桨；

所述至少四个安装的控制电机各自具有控制螺旋桨，

其中，所述提升螺旋桨和所述控制螺旋桨是共面的或在平行的平面中；并且

其中，所述提升螺旋桨至少是所述控制螺旋桨的两倍长；

计算机，其安装在所述底盘上，所述计算机与所述控制电机通信；

电源，其安装在所述底盘上，所述电源连接到所述控制电机；以及

天线，其安装在所述底盘上，与所述计算机通信。

2.根据权利要求1所述的***，进一步包括在所述提升螺旋桨下方安装到所述底盘的副翼。

3.根据权利要求1所述的***，其中，所述电源是电池或发电机中的一个。

4.根据权利要求1所述的***，其中，所述底盘具有周边，并且所述底盘包括在其周边内的所述提升螺旋桨和控制螺旋桨。

5.根据权利要求1所述的***，进一步包括安装在所述底盘上并且与所述计算机通信的载荷传感器，所述计算机被构造为计算载荷不平衡并且指示出所述载荷不平衡的警告。

6.根据权利要求1所述的***，进一步包括安装在所述底盘上的喷射器和钩中的至少一个。

7.根据权利要求1所述的***，其中，所述提升螺旋桨为至少一米长。

8.根据权利要求1所述的***，其中，所述机载计算机被构造为通过所述天线与地面控制器使用加密通信。

9.根据权利要求1所述的***，其中，所述提升电机是电动机、内燃机或燃气涡轮机中的至少一个。

10.根据权利要求1所述的***，其中，所述计算机与导航***通信，并且被构造为控制所述控制螺旋桨的旋转以将飞行器操纵到导航***导航点。

11.一种操作飞行器的方法，包括：

致使安装到底盘的至少两个提升螺旋桨旋转；

致使至少两个控制螺旋桨旋转，每个控制螺旋桨具有安装到所述底盘的单独的电动机；

其中，所述提升螺旋桨和所述控制螺旋桨在被安装到所述底盘上时是共面的或在平行的平面中；

通过安装到所述底盘的机载计算机来控制所述控制螺旋桨的旋转。

12.根据权利要求10所述的方法，进一步包括安装到所述底盘的载荷支承钩。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，通过所述机载计算机控制的每个控制螺旋桨的旋转能够基于来自所述机载计算机的导航和定向计算而处于不同的旋转速率。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述机载计算机与导航***通信并且被构造为控制所述控制螺旋桨的旋转以将所述飞行器操纵到导航点。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述机载计算机进一步被构造为通过无线天线使用加密信号与地面控制器通信。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述控制螺旋桨在长度上比所述提升螺旋桨至少短两倍，并且所述提升螺旋桨为至少一米长。

17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述机载计算机控制附接到所述底盘的喷射器。

18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述底盘包括与所述机载计算机通信的载荷传感器，所述机载计算机被构造为如果在所述底盘上存在载荷不平衡时计算并指示出所述底盘上的载荷不平衡。

19.一种多旋翼飞行器***，包括：

底盘，其具有

安装在所述底盘上的至少两个内燃式提升发动机，所述发动机各自具有提升螺旋桨；以及

至少四个安装的电控制电机，每个电制控电机具有控制螺旋桨，

其中所述提升螺旋桨和所述控制螺旋桨构造为在所述底盘内的单个或平行平面上旋转；

其中，所述提升螺旋桨是所述控制螺旋桨的至少两倍长；以及

计算机，其安装在所述底盘上，所述计算机与所述提升发动机和所述控制电机通信，并且构造为控制所述提升螺旋桨和所述控制螺旋桨的旋转速率。

20.根据权利要求18所述的***，其中，所述底盘包括围绕所述提升螺旋桨和所述控制螺旋桨的周边结构。

21.根据权利要求18所述的***，其中，所述计算机被构造为：

与导航***、加速度计、陀螺仪和高度计通信；并且

基于来自所述导航***、加速度计、陀螺仪和高度计的输入来控制所述提升螺旋桨和所述控制螺旋桨的旋转速率。