CN111033428A - 利用单个芯片来控制设备运动的设备和*** - Google Patents

利用单个芯片来控制设备运动的设备和*** Download PDF

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刘利剑
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Abstract

公开了利用单个芯片来控制可移动物体的设备和***。设备(例如，片上***控制器)可以包括连接器和运动控制子***块，该运动控制子***块通信地耦接到该连接器，并且被配置为控制可移动物体的运动。该设备还可以包括视觉子***块，该视觉子***块通信地耦接到连接器，并且被配置为提供可移动物体周围操作环境的可视化。该设备还可以包括平台子***块，该平台子***块通信地耦接到连接器，并且被配置为向运动控制子***块和视觉子***块提供定时和功率管理。

Description

利用单个芯片来控制设备运动的设备和***
技术领域
本公开总体上涉及设备运动控制，更具体地，涉及用于飞行设备的运动控制的设备和***。
背景技术
无人驾驶飞行器(“UAV”)(有时被称为“无人机”)包括各种尺寸和配置的无人驾驶飞行器，其能够由用户进行远程操作和/或被编程用于进行自动飞行。UAV可以用于许多目的，并且经常用于各种个人应用、商业应用和战术应用。在许多应用中，UAV也可以配备有辅助装置以执行各种任务。例如，配备有成像器材(例如，相机、摄像机等)的UAV可以捕捉难以、不切实际的或者根本不可能捕捉的图像或视频片段。配备有成像设备的UAV在监视、国防和专业录像等行业中特别有用，并且也受爱好者欢迎以资娱乐。
用于UAV的控制***通常使用多个微控制器或芯片来实现。例如，UAV可以包括被配置为控制该UAV的飞行操作的飞行控制微控制器。飞行控制微控制器可以与在单独芯片上实现的视觉***互连。视觉***可以被配置为检测UAV周围的物体。飞行控制微控制器可以从视觉***接收信息，并利用该信息来跟踪运动物体或避开障碍物。飞行控制微控制器还可以与微控制器/芯片互连，该微控制器/芯片用于控制其他设备，包括成像设备和/或支持该成像设备的云台。随着微控制器/芯片数量的增加，与它们之间实现互连相关联的尺寸、成本和复杂性也随之增加。因此，用于UAV的控制***变得更大、更昂贵并且更复杂。
发明内容
在一个方面，本公开涉及一种用于控制可移动物体的集成控制器。该集成控制器可以包括连接器和运动控制子***块，该运动控制子***块通信地耦接到该连接器，并且被配置为控制可移动物体的运动。该集成控制器还可以包括视觉子***块，该视觉子***块通信地耦接到连接器，并且被配置为提供可移动物体周围操作环境的可视化。该集成控制器还可以包括平台子***块，该平台子***块通信地耦接到连接器，并且被配置为向运动控制子***块和视觉子***块提供定时和功率管理。
在另一方面，本公开涉及一种可移动物体。该可移动物体可以包括一个或多个推进设备和集成控制器，集成控制器与该一个或多个推进设备通信并被配置为控制该可移动物体。该集成控制器可以包括连接器和运动控制子***块，该运动控制子***块通信地耦接到该连接器，并且被配置为控制可移动物体的运动。该集成控制器还可以包括视觉子***块，该视觉子***块通信地耦接到连接器，并且被配置为提供可移动物体周围操作环境的可视化。该集成控制器还可以包括平台子***块，该平台子***块通信地耦接到连接器，并且被配置为向运动控制子***块和视觉子***块提供定时和功率管理。
在另一方面，本公开涉及一种用于控制可移动物体的集成控制器。该集成控制器可以包括连接器和运动控制子***块，该运动控制子***块通信地耦接到该连接器，并且被配置为控制可移动物体的运动。集成控制器还可以包括云台控制子***块，该云台控制子***块通信地耦接到连接器并被配置为控制位于可移动物体上的云台的操作。集成控制器还可以包括成像子***块，该成像子***块通信地耦接到连接器并被配置为控制安装在云台上的成像设备的操作。集成控制器还可以包括视觉子***块，该视觉子***块通信地耦接到连接器并被配置为至少部分地基于由成像设备获得的数据来提供可移动物体周围的操作环境的可视化。此外，集成控制器可以包括平台子***块，该平台子***块通信地耦接到连接器并被配置为向运动控制子***块、云台控制子***块、成像子***块和视觉子***块提供定时和功率管理。
应当理解，前面的一般描述和下文的详细描述都仅是示例性和解释性的，并不非限制所要求保护的本发明。
附图说明
图1示出了描述可移动物体(例如，UAV)的示例性控制***的组件之间的功能关系的框图；
图2示出了描述根据本公开的实施例配置的示例性可视化过程的图示；
图3示出了根据本公开的实施例配置的控制***；
图4示出了根据本公开的实施例配置的可移动物体；
图5示出了描述根据本公开的实施例配置的带宽管理的图示；以及
图6示出了根据本公开的实施例配置的示例性功率管理过程的流程图。
具体实施方式
下文的详细描述参考附图。在可能的情况下，在附图和下面的描述中使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。虽然在本文中描述了若干说明性的实施例，但可以有修改、调整以及其他实现。例如，可以对附图所示的组件进行替换、添加或修改。因此，下面的详细描述不限于所公开的实施例和示例。相反，适当的范围由所附权利要求限定。
无人驾驶飞行器(UAV)在许多行业和许多情况下都被认为是用于减轻人员直接进行某些任务的责任的有用工具。例如，UAV已被用于运送货物、进行监视并且在专业场所和休闲场所中采集各种类型的成像数据和传感数据(例如照片、视频、超声的、红外的等)，从而提供极大的灵活性并增强了人的能力。
因为它们可能是“无人的”，即，无需机载人员操作，所以用于UAV的控制***通常需要附加组件(例如，摄像机子***、视觉子***等)，以帮助检测和/或可视化其周围环境。图1示出了用于UAV的示例性控制***100中的各个组件之间的功能关系。如图1所示，控制***100可以包括飞行控制子***102、视觉子***104、成像子***106和云台控制子***108。
飞行控制子***102可以被配置为与UAV上的各种设备通信。例如，飞行控制子***102可以与无线通信***110通信以从操作员接收远程控制指令。飞行控制子***102还可以与定位***(例如，全球导航卫星***或GNSS)112通信，以接收指示UAV的位置的数据。飞行控制子***102可以与各种其他类型的设备通信，包括气压计114、惯性测量单元(IMU)116、应答器等。飞行控制子***102还可以向一个或多个电子速度控制器(ESC)118提供控制信号(例如，以脉冲或脉冲宽度调制信号的形式)，该电子速度控制器118可以被配置为控制位于UAV上的一个或多个推进设备。因此，以这种方式配置的飞行控制子***102可以通过控制一个或多个电子速度控制器118来控制UAV的运动。
飞行控制子***102还可以与视觉子***104通信，该视觉子***104被配置为检测和可视化(例如，使用计算机视觉)UAV周围的物体。飞行控制子***102可以从视觉子***104接收信息，并利用该信息来确定飞行路线(或对现有的飞行路线进行调整)。例如，基于从视觉子***104接收到的信息，飞行控制子***102可以决定是停留在现有的飞行路径上，还是改变飞行路径以跟踪视觉子***104所识别的物体，或者改变飞行路径(例如，覆盖从操作员接收的命令)以避开由视觉子***104检测到的障碍物。
可以设想的是，视觉子***104可以利用各种类型的仪器和/或技术来检测UAV周围的物体。例如，在一些实施例中，视觉子***104可以与超声模块120通信，该超声模块120被配置为检测UAV周围的物体并测量该UAV与检测到的物体之间的距离。视觉子***104也可以与包括飞行时间(TOF)传感器122、雷达(例如，包括毫米波雷达)、声纳、激光雷达、气压计等的其他类型的传感器通信。
视觉子***104也可以与成像子***106通信。成像子***106可以被配置为使用一个或多个成像设备(例如，相机)124来获得图像或视频素材。视觉子***104可以利用该图像或视频素材来生成UAV周围环境的视觉表示。可以设想的是，这样的视觉表示可以用于各种目的。例如，在一些实施例中，视觉子***104可以使用一个或多个图像识别处理或计算机视觉处理来处理该视觉表示以检测可识别的物体。视觉子***104可以向飞行控制子***102报告以这种方式识别的物体，使得飞行控制子***102可以确定是否调整UAV的飞行路径。在另一示例中，视觉子***104可以向远程操作员提供(例如，发送)该视觉表示，使得该远程操作员可以使UAV周围的环境可视化，就像该操作员位于该UAV上一样。在又一示例中，该视觉表示可以被记录在位于UAV上的数据存储设备中。
在一些实施例中，飞行控制子***102、视觉子***104、成像子***106和成像设备124可以被配置为参考公共时间信号进行操作。在一些实施例中，飞行控制子***102可以被配置为以时间同步信号(SYNC)的形式提供公共时间信号，并向视觉子***104、成像子***106和成像设备124发送该时间同步信号。例如，如图2所示，飞行控制子***102可以通过向成像设备124发送时间同步信号(SYNC)来控制成像设备124的曝光(或记录)的定时。飞行控制子***102还可以基于在向成像设备124发送SYNC信号时可用于飞行控制子***102的各种类型的感测数据(例如，位置、高度、航向、温度等)来计算元数据。飞行控制子***102可以为该元数据加上时间戳。例如视觉子***104的其他子***可以识别该元数据的时间戳，并将该元数据与同时捕获的图像或视频素材相关联。以这种方式，视觉子***104可以精确地确定在捕获该图像或该视频素材时正在报告什么感测数据。
在一些实施例中，由成像设备124捕获的图像或视频素材可以是需要进一步处理的数据格式(例如，直接从图像传感器获得的数据可能需要转换成可显示的格式)。在这样的实施例中，由成像设备124捕获的图像或视频素材在被提供给视觉子***104之前可以被提供给成像子***106，以进行附加处理(例如，滤波、调整大小、缩小比例、减少噪声、锐化等)。替代地或附加地，成像设备124或视觉子***104可以包括能够提供图像处理的一个或多个处理器，在这种情况下，可以向视觉子***104直接提供由成像设备124捕获的图像或视频素材。
视觉子***104可以利用该图像或视频素材来检测UAV周围的物体，并向飞行控制子***102报告有关检测到的物体的信息。视觉子***104可以使用最初用于元数据的相同时间戳来为该报告加时间戳。以这种方式，飞行控制子***102能够精确地确定在给定时间处UAV周围的环境是什么样的，使得飞行控制子***102可以在需要时做出关于飞行路径调整的有根据的决定(例如，进行避障)。飞行控制子***102还可以基于时间戳将从其他设备(例如，定位***112)接收到的位置数据与从视觉子***104接收到的图像数据进行交叉引用，从而允许飞行控制子***102精确地确定在给定位置处UAV周围的环境是什么样的，以便飞行控制子***102可以根据需要做出有关飞行路线调整的有根据的决定。
在一些实施例中，一个或多个成像设备(例如，相机)124可以被安装在云台1.26上。云台126可以被配置为向安装在其上的成像设备124提供稳定以及可旋转的支撑。如图1所示，可以通过云台控制子***108来控制云台126的操作，该云台控制子***108可以与控制***100的其他子***(例如，飞行控制子***102和/或成像子***106)通信。云台控制子***108可以例如控制云台126以特定的旋转速度绕垂直轴旋转，以允许成像子***106获取UAV周围的环境的360°全景视图。在另一示例中，如果飞行控制子***102接收(例如，来自操作员的)命令以获取特定位置的图像或视频素材，则飞行控制子***102可以指示云台控制子***108旋转云台126，使得安装在云台126上的成像设备124可以指向该特定位置。应当理解的是，上文所述的示例仅仅是示例性的，并不意味着是限制性的。可以设想的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，云台126可以被配置为对各种其他类型的请求进行响应。
在一些实施例中，前述飞行控制子***102、视觉子***104、成像子***106和云台控制子***108可以被封装在一起以形成单个集成控制器的块(或核心)。在一些实施例中，该集成控制器可以被实现为片上***(SOC)控制器，该片上***控制器可以包括单个集成电路，该单个集成电路集成了飞行控制子***102、视觉子***104、成像子***106和云台控制子***108的所有组件。在一些实施例中，该集成控制器可以包括封装在单个封装件中的一个以上的集成电路。应当理解的是，尽管以下描述可以参考片上***控制器，但是提供这些参考是出于说明性目的，并不意味着是限制性的。可以设想的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以以其他方式来配置根据本公开的实施例配置的集成控制器。
现在通常参考图3和图4。图3示出了根据本公开的实施例配置的示例性片上***控制器300。图4示出了配备有根据本公开的实施例配置的片上***控制器300的可移动物体400。应当理解的是，尽管在图4中将可移动物体400描述为UAV，但是该描绘仅是示例性的，并不意味着是限制性的。可以设想的是，控制器300可以被用于控制各种其他类型的可移动物体。
如图3所示，控制器300可以包括飞行控制子***块(通常也可以被称为运动控制子***块)302。控制器300还可以包括视觉子***块304、成像子***块306、云台控制子***块308、平台子***块310和连接上述块302-310的连接器312。在一些实施例中，连接器312可以包括总线。该总线可以被配置为支持与高级微控制器总线架构(AMBA)、开放式核心协议(OCP)连接器或各种其他类型的标准或非标准(定制)连接器兼容的连接。替代地或附加地，连接器312可以被配置为支持纵横开关、网络连接或可以促进与连接器312相连的任何两个块之间通信的其他类型的连接机制。例如，在一些实施例中，连接器312可以被实现为内置网络，该内置网络可以使用标准数字连接和逻辑门形成。请注意，实现这样的内置网络可以帮助减小与常规实施方式(通常需要在多个微控制器或芯片之间进行复杂的互连)相关联的尺寸、成本和复杂性。
可以设想的是，飞行控制子***块302、视觉子***块304、成像子***块306、云台控制子***块308和平台子***块310可以分别通过它们相应的数据端口320、330、340、350和360连接到连接器312。在一些实施例中，数据端口320、330、340、350和360可以被配置为支持与AMBA或OCP连接器兼容的连接。替代地或附加地，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，数据端口320、330、340、350和360也可以被配置为支持其他类型的标准或非标准(定制)连接器。
在一些实施例中，连接器312可以被配置为实现优先级仲裁和/或服务质量(QoS)策略。例如，如果连接器312被实现为内置网络，则连接器312可以被配置为提供与在计算机网络(或其他分组交换电信网络)中使用的QoS策略实现类似的QoS策略实现，以确保连接到连接器312上的各个块的平稳操作并防止饥饿。在一些实施例中，认识到飞行控制子***块302对UAV 400的操作的关键性质，连接器312可以实现向飞行控制子***块302分配更高优先级的QoS策略(例如，与其他子***块304-308相比)，以确保飞行控制子***块302的性能(例如，数据流)具有一定水平。
替代地或附加地，如果需要，则可以利用一个或多个专用连接器390(与连接器312分离的连接器)来向飞行控制子***块302提供附加带宽。在一些实施例中，控制器300内部的连接器(例如，片上总线)可以被用作为专用连接器390。替代地，控制器300可以被配置为允许控制器300外部的连接器用作为专用连接器390。应当理解的是，提供专用连接器390可以帮助减少其他子***块对飞行控制子***块302的影响。提供专用总线390还可以防止在控制器300中发生死锁。例如，当子***块(例如，视觉子***块304)经历异常行为(例如，如果视觉子***块304未能接收到期望的握手或释放信号)并进入等待状态时，可能发生死锁。如果另一子***块(例如，飞行控制子***块302)需要访问视觉子***块304，则飞行控制子***块302也可以被强制进入等待状态。如果这些子***块不能无限地改变其状态，则它们将被死锁，并且飞行控制子***块302可能会停止正常运行。因此，重要的是防止死锁发生在控制器300包含的子***块，特别是飞行控制子***块302上。
在一些实施例中，可以提供专用连接器390以促进一个子***块(例如，飞行控制子***块302)和另一子***块(例如，平台子***块310，如图3所示)之间的通信。在一些实施例中，专用连接器390可以包括串行***接口(SPI)总线390。在一些实施例中，可以将SPI总线390内部化，使得其完全集成到控制器300中。可以设想的是，以这种方式对专用SPI总线390进行内部化允许控制器300利用SPI提供的优点(例如，鲁棒性和可靠性)并将这些优点用于内部通信。在一些实施例中，飞行控制子***块302可以包括至少一个专用内部数据端口326，该专用内部数据端口326被配置为将飞行控制子***块302连接到专用SPI总线390。类似地，另一子***块(例如，平台子***块310)也可以包括至少一个专用内部数据端口366，该专用内部数据端口366被配置为将平台子***块310连接到专用SPI总线390。
应当理解的是，尽管图3示出了飞行控制子***块302连接到专用SPI总线390的主机，但是这种描述仅仅是为了说明目的而存在的，并不意味着是限制性的。可以设想的是，另一子***块(例如，平台子***块310)可以代替地连接到该主机。还可以设想的是，可以利用一个以上的专用SPI总线390来促进飞行控制子***块302与其他子***块之间的通信，而不脱离本公开的精神和范围。应当理解的是，尽管具体实施方式可以变化，但是使用专用SPI总线390的目的是防止专用SPI总线390上可能发生的任何故障影响连接器312。以这种方式，如果SPI主机与SPI从机之间的通信失败，则该故障可以包含在专用SPI总线390中，该专用SPI总线可以在不影响控制器300的其他部分(例如，连接器312)的情况下被重置。因此，可以设想的是，以这种方式实现专用SPI总线390可以提高飞行控制子***块302与其他子***块之间通信的鲁棒性(例如，与仅依靠连接器312或使用AMBA高性能总线(AHB)或高级可扩展接口(AXI)总线相比)。以这种方式提高鲁棒性还可以帮助防止潜在的死锁发生。
应当理解的是，以上示例中对SPI的引用仅是示例性的，并不意味着是限制性的。在一些实施例中，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，专用连接器390可以包括其他类型的连接器(例如，I2C、通用异步接收机-发射机(UART)等)。
如图3所示，飞行控制子***块302还可以包括一个或多个内部数据端口320，该内部数据端口320被配置为将飞行控制块302连接到连接器312。飞行控制子***块302还可以包括处理器322。处理器322可以包括一个或多个专用处理单元、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或与被配置用于存储处理器可执行代码的至少一个非暂时性处理器可读存储器324耦接的各种其他类型的处理器或处理单元。当该处理器可执行代码由处理器322执行时，处理器322可以执行指令以执行与上述飞行控制子***102相关联的功能。例如，飞行控制子***块302可以包括一个或多个外部数据端口326，该外部数据端口326被配置为促进飞行控制子***块302与一个或多个电子速度控制器(ESC)118之间的通信。ESC118随后连接到位于UAV 400(图4)上的一个或多个推进设备402。因此，如此配置的飞行控制子***块302可以通过控制ESC 118来控制UAV 400的运动。
飞行控制子***块302还可以被配置为通过数据端口326与位于UAV 400上的其他设备通信。这样的设备可以包括无线***110、GNSS 112、气压计114、IMU 116、应答器等。在一些实施例中，飞行控制子***块302可以利用通用异步接收机-发射机(UART)微芯片来控制飞行控制子***块302与无线***110之间的通信接口以及飞行控制子***块302与GNSS112之间的通信接口。在一些实施例中，飞行控制子***块302可以利用串行***接口(SPI)总线来促进与气压计114和IMU 116的通信。
视觉子***块304可以包括一个或多个内部数据端口330，该内部数据端口330被配置为将视觉子***块304连接到连接器312。视觉子***块304还可以包括处理器332。处理器332可以包括一个或多个专用处理单元、ASIC、FPGA、或与被配置用于存储处理器可执行代码的至少一个非暂时性处理器可读存储器334耦接的各种其他类型的处理器或处理单元。当该处理器可执行代码由处理器332执行时，处理器332可以执行指令以执行与上述视觉子***104相关联的功能。例如，视觉子***块304可以被配置为处理获得的图像或视频素材来生成UAV 400周围的环境的视觉表示。
视觉子***模块304还可以包括一个或多个外部数据端口336，该外部数据端口336被配置为促进视觉子***块304与位于UAV上的其他设备的通信，例如，超声模块120、TOF传感器122、雷达、声纳、激光雷达等。在一些实施例中，视觉子***块304可以利用串行***接口(SPI)总线和/或通用输入/输出(GPIO)接口来促进与超声模块120的通信。在一些实施例中，视觉子***块304可以利用串行计算机总线(例如，12C等)来促进与TOF传感器122的通信。
成像子***块306可以包括一个或多个内部数据端口340，该内部数据端口340被配置为将成像子***块306连接到连接器312。成像子***块306还可以包括处理器342。处理器332可以包括一个或多个专用处理单元、ASIC、FPGA、或与被配置用于存储处理器可执行代码的至少一个非暂时性处理器可读存储器334耦接的各种其他类型的处理器或处理单元。当该处理器可执行代码由处理器342执行时，处理器342可以执行指令以执行与上述成像子***106相关联的功能。例如，成像子***块306可以包括一个或多个外部数据端口346，该外部数据端口346被配置为促进与位于UAV 400上的一个或多个成像设备(例如，相机)124的通信。在一些实施例中，成像子***块306可以利用移动工业处理器接口(MIPI)和/或通用输入/输出(GPIO)接口，来促进与一个或多个成像设备124的通信。以这种方式配置的成像子***块306能够控制一个或多个成像设备124的操作，并从一个或多个成像设备124获得图像或视频素材。
云台控制子***块308可以包括一个或多个内部数据端口350，该内部数据端口350被配置为将云台控制子***块308连接到连接器312。云台控制子***块308还可以包括处理器352。处理器332可以包括一个或多个专用处理单元、ASIC、FPGA、或与被配置用于存储处理器可执行代码的至少一个非暂时性处理器可读存储器334耦接的各种其他类型的处理器或处理单元。当该处理器可执行代码由处理器352执行时，处理器352可以执行指令以执行与上述云台控制子***108相关联的功能。例如，云台控制子***108可以包括一个或多个外部数据端口356，该外部数据端口356被配置为促进与位于UAV 400上的一个或多个云台126的通信。在一些实施例中，云台控制子***块308可以利用串行***接口(SPI)总线和/或支持以脉冲或脉冲宽度调制(PWM)信号形式的数据通信的接口，以促进与云台126的一个或多个组件的通信。如前所述，以这种方式配置的云台控制子***块308能够有效地控制云台126的操作。
平台子***块310可以包括一个或多个内部数据端口360，该内部数据端口360被配置为将平台子***块310连接到连接器312。平台子***块310还可以包括处理器362。处理器332可以包括一个或多个专用处理单元、ASIC、FPGA、或与被配置用于存储处理器可执行代码的至少一个非暂时性处理器可读存储器334耦接的各种其他类型的处理器或处理单元。当处理器可执行代码由处理器362执行时，处理器362可以执行指令以向控制器300中包含的其他块302-308提供定时、功率管理、任务委派/管理和资源(例如，带宽、数据存储、数据端口)管理。
在一些实施例中，例如，平台子***块310可以包括定时单元372。定时单元372可以被实现为平台子***块310的集成组件。替代地，定时单元372可以被实现为与平台子***块310的电路分离但与之通信相连的器件。定时单元372可以包括能够产生时间参考(例如，振荡信号)的器件。这样的器件可以包括但不限于电阻电容器(RC)振荡器、温度补偿晶体振荡器(TCXO)、晶体、石英等。可以设想的是RC振荡器(以及使用半导体材料实现的其他类型的振荡器)可以被实现为平台子***块310(或通常为控制器300)的集成组件。使用其他类型的材料(例如，TCXO、晶体、石英等)实现的振荡器可以被实现为通信地连接到平台子***块310的电路的外部组件。
可以设想的是，以这种方式配置的定时单元372可以用作为控制器300中包含的所有块302-310的通用时间参考。在一些实施例中，定时单元372可以被配置为以固定频率(例如，38.4MHz)提供通用时间参考。如果控制器300中包含的一些块需要不同频率的定时信号，则平台子***块310可以利用一个或多个锁相环(PLL)来针对那些块生成具有期望频率的定时信号。例如，如果飞行控制子***块302需要200Mhz的定时信号且视觉子***块304需要500MHz的不同定时信号，则可以利用第一PLL来生成用于飞行控制子***块302的200MHz的定时信号，并且可以利用第二PLL来生成用于视觉子***块304的500MHz的定时信号，其中，两个PLL被配置为基于由定时单元372提供的通用时间参考进行操作。以这种方式，定时单元372能够向不同的子***提供不同的定时信号。应当理解的是，尽管PLL的具体实施方式可以变化，但是基准时间参考仍然在控制器300中包含的所有块之间普遍共享。
应当理解的是，在上述示例中，对被配置为以38.4MHz生成时间参考的定时单元的引用仅仅是示例性的，并不意味着是限制性的。还应当理解的是，以上引用的PLL可以被实现为定时单元372的集成组件，或者被实现为与定时单元372的电路分离但与之通信相连的组件。此外，应当理解的是，并非所有的PLL都需要始终保持接合。例如，如果在给定时刻未使用子***块(例如，云台控制子***块308)，则其对应的PLL可以暂时解除接合以减少功耗。替代地或附加地，可以设想的是，控制器300中包括的一个或多个PLL可以被配置为以较低的频率操作以帮助降低功耗。
在一些实施例中，平台子***块310可以包括数据存储设备374。数据存储设备374可以被实现为平台子***块310的集成组件。替代地，数据存储设备374可以被实现为与平台子***块310的电路分离但与之通信相连的器件。数据存储设备374可以包括例如双倍数据速率(DDR)随机存取存储器。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，数据存储设备374还可以包括其他类型的存储器。
可以设想的是，以这种方式配置的数据存储设备374可以用作为可访问控制器300中包含的多个块的共享数据存储设备。例如，在一些实施例中，控制器300中包含的各种块可以被配置为通过平台子***块310访问数据存储设备374。替代地和/或附加地，在一些实施例中，数据存储设备374可以被配置为支持多个数据端口，从而允许包含在控制器300中的不同块使用对它们可用的不同(唯一)数据端口来访问数据存储设备374。
应当理解的是，上述示例中引用的DDR随机存取存储器仅是示例性的，并不意味着是限制性的。可以设想的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以利用其他类型的数据存储设备。例如，在一些实施例中，平台子***块310可以包括数据存储设备376，该数据存储设备376可以被实现为非易失性存储设备，例如，闪存等。可以设想的是，数据存储设备376以与上述类似的方式被配置为共享数据存储设备。
在一些实施例中，平台子***块310还可以包括带宽管理单元(未示出)。该带宽管理单元可以被实现为平台子***块310的集成组件。替代地，带宽管理单元可以被实现为与平台子***块310的电路分离但与之通信相连的设备。在一些实施例中，带宽管理单元可以被配置为管理关于访问共享资源(例如，数据存储设备374或376)的带宽消耗。例如，带宽管理单元可以向视觉子***块304、成像子***块306和云台控制子***块308中的每一个分配固定带宽。替代地，如图5所示，带宽管理单元可以基于它们的处理需求来动态地调整对视觉子***块304、成像子***块306和云台控制子***块308的带宽分配。例如，当成像子***块306正在积极地处理图像或视频素材时，带宽管理单元可以向成像子***块306分配更高的优先级，并向成像子***块306分配更多带宽。带宽管理单元可以减少向子***块之一分配的带宽，以补偿对成像子***块306的增加的分配。在一些实施例中，带宽管理单元可以基于由UAV进行的特定操作来确定应当减小哪个子***块的分配带宽。例如，如果UAV被用于从静止位置拍摄特定物体，则该UAV可能不需要调整其相机位置，因此带宽管理单元可以暂时减少向云台控制子***块308分配的带宽以补偿成像子***块306的增加的分配。
在一些实施例中，带宽管理单元可以始终向飞行控制子***块302分配最高优先级，因为飞行控制子***块302对UAV是关键任务并且需要实时计算。替代地或附加地，在一些实施例中，飞行控制子***块302可以被配置为利用位于飞行控制子***块302内的存储器324进行操作，以保证在指定的时间限制内做出响应。在一些实施例中，存储器324可以包括一个或多个随机存取存储器(RAM)，该随机存取存储器被配置为提供对飞行控制子***块302的处理器322的快速访问。在一些实施例中，飞行控制子***块302可能根本不需要访问共享存储器资源(例如，数据存储设备374或376)，并且带宽管理单元可能不需要管理关于飞行控制子***块302的带宽分配。
可以设想的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，带宽管理单元还可以被配置为管理对各种其他类型的资源的带宽消耗。在一些实施例中，带宽管理单元可以实现服务质量(QoS)策略目标(例如，类似于在计算机网络和其他分组交换电信网络中使用的QoS策略实现方式)。例如，可以为控制器300中包含的一些块建立QoS配置文件(例如，带宽限制)。如前所述，带宽管理单元可以利用该QoS配置文件来管理连接器312上的带宽消耗和/或关于访问共享资源(例如，数据存储设备374或376)的带宽消耗。以这种方式实现的带宽管理单元可以确保控制器300中包含的各个块的平滑操作并且防止饥饿。
在一些实施例中，平台子***块310还可以包括功率管理集成电路(PMIC)378。PMIC 378可以被实现为平台子***块310的集成组件。替代地，PMIC 378可以被实现为与平台子***块310的电路分离但与之通信相连的设备。在一些实施例中，PMIC 378可以被配置为向控制器300中包含的各个块供电。在一些实施例中，PMIC 378还可以被配置为管理控制器300中包含的各个块的功耗。应当理解的是，尽管PMIC 378可以被配置为提供电源和功率管理，但这种配置仅是示例性的，并不意味着是限制性的。可以设想的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，电源和功率管理可以被实现为单独的组件(例如，电路)或被实现为集成组件。
在一些实施例中，如图6所示，PMIC 378(或单独的功率管理电路)可以被配置为在步骤602中分析控制器300中包含的各个块的状态，并在步骤604中确定任何块是否可以从活跃操作模式切换到功耗减小的模式(例如，空闲模式)。如果当前未使用子***块，则在步骤606中，PMIC 378可以请求该子***块切换到功耗减小的模式。例如，如果在特定操作期间不需要调节云台126，则PMIC 378可以将云台控制子***块308置于待机或空闲模式，直到需要再次调节云台126为止。如果云台控制子***块308利用时钟或PLL来产生其时间信号(如前所述)，则PMIC 378还可以在步骤608中暂时解除接合或关闭云台控制子***块308的时钟或PLL，以进一步减小功耗。当在步骤610中重新接合该子***(例如，由用户或另一个子***)时，PMIC 378可以再次向该子***及其对应的时钟或PLL供电。在一些实施例中，PMIC 378(或单独的功率管理电路)还可以被配置为通过控制(例如，减少或增加)向控制器300中所包含的各个块提供的时间信号的频率来管理功耗。例如，PMIC 378可以降低向特定子***块提供的时间信号的频率，以减少该子***块的功耗。可以设想的是，具有以这种方式管理功耗的能力在各种情况下都可以是令人欣赏的，所述情况包括在电源受设计限制的情况(例如，小型、价格便宜或低端的UAV可以被设计成具有这样的功能)。
在一些实施例中，平台子***块310可以提供控制器300中包含的各个块可防问的共享数据端口380(例如，通用串行总线(USB)端口或联合测试行动组(JTAG)端口)。可以设想的是，可以利用这种共享数据端口380来下载控制器300中包含的各个块的固件更新。可以设想的是，共享数据端口380也可以用作为通用调试端口。例如，如果***工程师需要调试飞行控制子***块302，则该***工程师可以将调试工具(例如，计算机)连接到共享数据端口380，并请求平台子***块310在该调试工具和飞行控制子***块302之间建立连接。***工程师可以以类似的方式调试块304-308。请注意，以这种方式提供共享数据端口380允许飞行控制子***块302、视觉子***块304、成像子***块306和云台控制子***块308消除它们自己的调试端口，从而有效地减小了与实现这些调试端口相关联的尺寸、复杂度和成本。
可以设想的是，共享数据端口380还可以用作为控制器300中包含的各个块的通用数据端口。例如，成像子***块306可以使用数据端口380来建立与无线通信***(例如，Wi-Fi设备)110的连接，并利用无线通信***110来发送图像或视频素材。在另一示例中，平台子***块310可以使用数据端口380来建立与计算机的连接，该端口可以用于(例如，被***工程师)测试或配置平台子***块310(或通常为控制器300)的操作。可以设想的是，飞行控制子***块302、视觉子***块304、成像子***块306和云台控制子***块308还可以根据需要使用数据端口380，并且在一些实施例中，平台子***块310可以被配置为管理作为共享资源的数据端口380的利用率。在一些实施例中，例如，平台子***块310可以被配置为准许控制器300中包含的各个块对数据端口380的平等访问(例如，等时划分)。替代地，在一些实施例中，平台子***块310可以被配置为基于它们的处理需要来动态地调整向控制器300中包含的各个块授权的访问。在一些实施例中，可以向控制器300中包含的各个块分配访问优先级。然而，请注意，这种优先级分配可以是可选的。
在一些实施例中，平台子***块310还可以被配置为向控制器300中包含的一个或多个块提供处理辅助。例如，假设无线通信***110从操作员接收到远程控制指令，该远程控制指令包括与UAV 400的飞行路径的调整、云台126的位置和相机124的操作有关的指令。还假设无线通信***110被配置为向飞行控制子***块302转发接收到的指令。飞行控制子***块302可以处理接收到的指令，并向平台子***块310委派被认为与飞行无关的指令以进一步处理。飞行控制子***块302可以基于指令的格式来确定给定指令是否与飞行有关(例如，该指令可以具有指示其是否意图用于飞行控制的数据字段)。替代地或附加地，飞行控制子***块302可以基于指令旨在控制的子***来确定给定指令是否与飞行有关。例如，如果指令旨在控制螺旋桨，则该指令可以被认为与飞行有关。如果指令被指示控制相机曝光，则该指令可以被认为与飞行无关。应当理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，飞行控制子***块302可以利用其他技术来确定给定指令是否与飞行有关。
平台子***块310在接收到委派指令时就可以处理该委派指令并与负责的子***块进行通信，以相应地处理该委派指令。使用以上示出的示例，平台子***块310可以与云台控制子***块308通信以调整云台126的位置，并且在接收到云台126就位的确认时，与成像子***块306进行通信以控制相机124的操作(例如，按照指示设置相机参数并控制曝光时间)。
应当理解的是，上述示例并不意味着是限制性的。可以设想的是，例如，无线通信***110可以向平台子***块310转发所有接收到的指令，并让平台子***块310确定哪些指令(如果有的话)与飞行无关或与飞行有关，然后向飞行控制子***块302分配与飞行有关的指令，并向其他子***块分配与飞行无关的指令。在另一示例中，无线通信***110可以被配置为向飞行控制子***块302和平台子***块310发送指令。以这种方式，飞行控制子***块302可以处理接收到的指令，并丢弃被认为与飞行无关的指令。另一方面，平台子***块310可以处理接收到的指令，识别与飞行无关的指令，并相应地处理所识别的指令。
从以上可以理解的是，通过将飞行控制子***块302、视觉子***块304、成像子***块306和云台控制子***块308封装在一起，以形成单个片上***控制器300，可以减轻对大的、复杂且昂贵的互连的需求(如果将这些块实现为单独的微控制器/芯片，则可能会需要这些互连)。利用单个片上***控制器300还减小了物理尺寸、重量和功耗。例如，在一些实施例中，根据本公开的实施例配置的控制器300可以具有的物理尺寸范围为：宽度在大约10mm与大约18mm之间，长度在大约10mm与大约18mm之间，并且深度/高度在大约1mm与大约2mm之间。在一些实施例中，控制器300的功耗可以被设计为在大约0.5瓦特和大约15瓦特之间。此外，在一些实施例中，根据本公开的实施例配置的控制器300可以利用具有频率范围在大约100Mhz和大约3GHz之间的时钟。在一些实施例中，根据本公开的实施例配置的控制器300所包括的核的数量可以在1到16的范围内。
可以设想的是，如上所述配置的控制器可以适合于具有有限空间和有限电源的可移动物体(例如，UAV)。然而，应当理解的是，以上所述的特定参数是示例性的，并不意味着是限制性的。可以设想的是，特定的控制器300的物理尺寸、重量和功耗可以基于UAV被配置执行的特定应用而不同。
此外，单个片上***控制器300允许资源共享，这可以进一步减小尺寸、成本和复杂性。如前所述，定时单元372、数据存储设备374和376、功率管理集成电路378以及数据端口380都可以在控制器300中包含的各个块之间共享。
应当理解的是，所公开的实施例不必将其应用限于在以下描述中阐述和/或在附图和/或示例中示出的构造细节和组件布置。所公开的实施例能够变化，或者能够以各种方式被实践或执行。
对于本领域技术人员将显而易见的是，可以对所公开的设备和***进行各种修改和变型。通过考虑所公开的设备和***的规范和实践，其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。旨在将说明书和示例仅视为示例性的，其真实范围由所附权利要求及其等同物指示。

Claims (23)

1.一种用于控制可移动物体的集成控制器，包括：
连接器；
运动控制子***块，所述运动控制子***块通信地耦接到所述连接器，并且被配置为控制所述可移动物体的运动；
视觉子***块，所述视觉子***块通信地耦接到所述连接器，并且被配置为提供对所述可移动物体周围的操作环境的可视化；以及
平台子***块，所述平台子***块通信地耦接到所述连接器，并且被配置为向所述运动控制子***块和所述视觉子***块提供定时和功率管理。
2.根据权利要求1所述的控制器，还包括：
云台控制子***块，所述云台控制子***块通信地耦接到所述连接器，并被配置为控制位于所述可移动物体上的云台的操作；以及
成像子***块，所述成像子***块通信地耦接到所述连接器并被配置为控制安装在所述云台上的成像设备的操作，
其中，所述视觉子***块被配置为至少部分地基于由所述成像设备获得的数据来提供所述可视化，并且其中，所述平台子***块还被配置为向所述云台控制子***块和所述成像子***块提供定时和功率管理。
3.根据权利要求2所述的控制器，其中，所述平台子***块还包括：
定时单元，被配置为向所述运动控制子***块、所述云台控制子***块、所述成像子***块和所述视觉子***块提供通用定时参考。
4.根据权利要求3所述的控制器，其中，所述定时单元被配置为除了所述通用定时参考之外还提供一个或多个不同的定时信号。
5.根据权利要求2所述的控制器，还包括数据存储设备，所述数据存储设备能够访问所述运动控制子***块、所述云台控制子***块、所述成像子***块、所述视觉子***块和/或所述平台子***块。
6.根据权利要求5所述的控制器，其中，所述数据存储设备包括双倍数据速率DDR随机存取存储器。
7.根据权利要求5所述的控制器，其中，所述数据存储设备包括多个数据端口，并且其中，所述运动控制块、所述视觉子***块、所述云台控制块、所述成像子***块和所述平台子***块中的每一个经由唯一的数据端口通信耦接到所述数据存储设备。
8.根据权利要求2所述的控制器，其中，所述平台子***块还包括数据端口，所述数据端口被配置作为所述运动控制子***块、所述云台控制子***块、所述成像子***块和所述视觉子***块的通用调试端口。
9.根据权利要求8所述的控制器，其中，所述数据端口包括通用串行总线USB端口。
10.根据权利要求2所述的控制器，其中，所述平台子***块还包括功率控制单元，所述功率控制单元被配置为管理所述运动控制子***块、所述云台控制子***块、所述成像子***块和所述视觉子***块的功耗。
11.根据权利要求2所述的控制器，其中，所述平台子***块还包括带宽管理单元，所述带宽管理单元被配置为管理所述运动控制子***块、所述云台控制子***块、所述成像子***块和所述视觉子***块的带宽消耗。
12.根据权利要求1所述的控制器，还包括：
专用连接器，被配置为连接所述运动控制子***块和所述平台子***块。
13.根据权利要求12所述的控制器，其中，所述专用连接器包括串行***接口SPI总线。
14.根据权利要求12所述的控制器，其中，所述运动控制子***块还包括第一专用内部数据端口，所述第一专用内部数据端口被配置为将所述运动控制子***块连接到所述专用连接器的第一端，并且所述平台子***块还包括第二专用内部数据端口，所述第二专用内部数据端口被配置为将所述运动控制子***块连接到所述专用连接器的第二端。
15.一种可移动物体，包括：
一个或多个推进设备；以及
集成控制器，所述集成控制器与所述一个或多个推进设备通信，并被配置为控制所述可移动物体，所述控制器包括：
连接器；
运动控制子***块，所述运动控制子***块通信地耦接到所述连接器，并且被配置为控制所述可移动物体的运动；
视觉子***块，所述视觉子***块通信地耦接到所述连接器，并且被配置为提供对所述可移动物体周围的操作环境的可视化；以及
平台子***块，所述平台子***块通信地耦接到所述连接器，并且被配置为向所述运动控制子***块和所述视觉子***块提供定时和功率管理。
16.根据权利要求15所述的可移动物体，其中，所述控制器还包括：
云台控制子***块，所述云台控制子***块通信地耦接到所述连接器，并被配置为控制位于所述可移动物体上的云台的操作；以及
成像子***块，所述成像子***块通信地耦接到所述连接器并被配置为控制安装在所述云台上的成像设备的操作，
其中，所述视觉子***块被配置为至少部分地基于由所述成像设备获得的数据来提供所述可视化，并且其中，所述平台子***块还被配置为向所述云台控制子***块和所述成像子***块提供定时和功率管理。
17.根据权利要求15所述的可移动物体，其中，所述可移动物体是无人机UAV。
18.根据权利要求15所述的可移动物体，其中，所述平台子***块还包括：
定时单元，被配置为向所述运动控制子***块和所述视觉子***块提供通用定时参考。
19.根据权利要求15所述的可移动物体，其中，所述控制器还包括数据存储设备，所述数据存储设备能够由所述运动控制子***块、所述视觉子***块和/或所述平台子***块访问。
20.根据权利要求15所述的可移动物体，其中，所述平台子***块还包括数据端口，所述数据端口被配置作为所述运动控制子***块和所述视觉子***块的通用调试端口。
21.根据权利要求15所述的可移动物体，其中，所述平台子***块还包括功率控制单元，所述功率控制单元被配置为管理所述运动控制子***块和所述视觉子***块的功耗。
22.根据权利要求15所述的可移动物体，其中，所述平台子***块还包括带宽管理单元，所述带宽管理单元被配置为管理所述运动控制子***块和所述视觉子***块的带宽消耗。
23.一种用于控制可移动物体的集成控制器，包括：
连接器；
运动控制子***块，所述运动控制子***块通信地耦接到所述连接器，并且被配置为控制所述可移动物体的运动；
云台控制子***块，所述云台控制子***块通信地耦接到所述连接器，并被配置为控制位于所述可移动物体上的云台的操作；
成像子***块，所述成像子***块通信地耦接到所述连接器，并被配置为控制安装在所述云台上的成像设备的操作；
视觉子***块，所述视觉子***块通信地耦接到所述连接器，并被配置为至少部分地基于由所述成像设备获得的数据来提供对所述可移动物体周围的操作环境的可视化；以及
平台子***块，所述平台子***块通信地耦接到所述连接器，并被配置为向所述运动控制子***块、所述云台控制子***块、所述成像子***块和所述视觉子***块提供定时和功率管理。
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