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节省UAV能量消耗和提高其悬停精度的方法

节省uav能量消耗和提高其悬停精度的方法
1.本国际专利申请要求于2020年5月1日提交的美国临时专利申请序号63/018,982的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
2.本发明总体上涉及通过将多旋翼无人飞行器(“uav”)停驻在现场的平面结构(包括但不限于天花板、墙壁和地面)上来降低其能量消耗和提高其悬停精度。

背景技术：

3.近年来，在建筑行业和基础设施管理中对部署uav的需求不断增加，以便提高任务效率、降低劳动力成本和增强工地安全。uav在3d空间中独特和卓越的机动性被认为使得能够实现许多地面载具不可能实现的或对人类来说太危险的应用。例如，使用uav用于自动建筑工地监控将通过识别潜在风险来增强工地安全。配备有激光扫描仪的uav可以自动获取未知环境的3d数字模型，这可以应用于建筑信息建模(bim)以提高任务效率，并且使得能够实现大型多层建筑的常规建模。其他应用，例如基础设施检查(如桥梁、塔)和紧急运送(如急救药品、血样)也从uav的能力中受益匪浅。
4.尽管有这些令人兴奋的可能性，但是由持续的螺旋桨旋转和由此产生的能量消耗造成的多旋翼uav受限的工作时间严重阻碍了它们在长期任务中的实际使用，如建筑工地监测和建模[1，2]。图1总结了dji科技有限公司制造的不同尺寸的商用现货(“cots”)多旋翼uav的工作时间，基于[56]中公开的动量理论、即wb·d·wt-3/2
(m/√kg)的预测。在等式和附图中，wb是电池重量，w
t
是总重量，d是螺旋桨尺寸，n是旋翼数量。多旋翼uav的典型工作时间是几十分钟。当携带额外的有效载荷(例如，用于bim的激光扫描仪)或者尺寸更小(例如，为了在拥挤的建筑工地中具有更好的机动性)时，工作时间继续减少，如图1所示。这些短的工作时间导致驱动螺旋桨马达的电池需要频繁充电，这极大地限制了任务效率并增加了设施成本。
[0005]
鸟类和昆虫停驻或休息在自然物体上(如树枝、电线)以节省能量。此外，停驻允许它们获得用于观察的有利位置(停驻和凝视)[3]。王霸鹟(kingbirds)停驻在电线上，以获得开阔空间的不受阻挡的视野，这有利于它们侦察潜在的猎物。许多其他鸟类(如岩鸽)停驻在树枝或高处的电线上以节省能量，同时远离可能的捕食者(见图2a)。受大自然的启发，研究者已经开始在uav中采用类似的停驻行为来延长工作时间[4]。根据适用的停驻结构，这些发展落入三类：墙壁、天花板和树枝状形状。
[0006]
停驻在墙壁上。anderson等人[5]使用带有液体胶水的粘性垫将轻型飞机停驻在竖直表面上。通过使用剃刀刀片切下垫来实现平面与表面的分离。在mellinger等人和bayraktar等人[6，7]的工作中，魔术贴被用于将uav附接到倾斜表面。通过模仿用爪子来进行停驻，kovavc等人[8]开发了一种带有两个能够刺入墙壁的针的停驻机构。asbect等人和roderick等人[9][14]描述了使用微刺来接合墙壁上的粗糙物(图2b)。这两种方法通常具有最小的力支持，并且只在轻型飞行机器昆虫或特技飞机上演示。对于更重的多旋翼uav，
干粘性的受壁虎启发的抓握器用于提供更强的粘附[15-18]。其他抓握器，如纤维粘性垫[19]和干粘性垫[20]，以及控制方法[21，22]也在被活跃地研究。在上述所有方法中，uav都必须将底侧转向前方才能停驻在墙壁上。参见图2c，该图示出了使用如[18]中的受壁虎启发的抓握器进行的这种动作。这种过程通常会阻挡任务传感器(例如，摄像头14)的视野范围，任务传感器也安装在载具的底侧以实现工作中的视频采集。这些抓握器的安装也可能会对传感器造成机械干扰。
[0007]
停驻在天花板上。与停驻在墙壁上相比，对停驻在天花板上的研究要少得多。roberts等人[23]使用环形磁铁将四旋翼uav停驻在铁质天花板上。graule等人[24]提出了一种可切换的电粘合剂，它使得能够在各种材料上实现受控的停驻和脱离：玻璃、木材和天然树叶。这种粘附机制需要1000v的电压供应，并产生很小的静电力，只能举起一只重量少于一克的机器昆虫。见图2d。sanchez-cuevas等人[25]利用螺旋桨“天花板效应”[26，27]将一个正常尺寸的四旋翼飞行器停驻在桥梁上。已经对单螺旋桨和全四旋翼的飞行器进行了各种实验，以显示能量节省相对于螺旋桨到天花板距离。更近期地，chirarattananon等人[28]利用相结合的动量理论和叶片元素法研究了“天花板效应”，并展示了轻型微尺寸四旋翼飞行器的概念性的停驻。参见https://www.bitcraze.io/crazyflie-2/。
[0008]“天花板效应”可以被描述为这样一种效应，当螺旋桨从下面接近平坦的天花板时，来自螺旋桨的空气的上游将与天花板相互作用。结果是，以一定速度(即需要一定的功率)旋转的螺旋桨，在更靠近天花板时会产生更大的推力。可以想象，“额外的推力”是由螺旋桨空气上游-天花板的相互作用产生的，而不消耗来自马达的进一步的功率。换句话说，当提供相同的推力(例如，uav重量)时，螺旋桨在接近天花板时将比在空中消耗更少的功率。在精心设计的情况下，功率通常会降低30％甚至更多。
[0009]
停驻在树枝上。对于树枝形结构，研究者[29-32]通过模仿鸣禽的脚开发了被动抓握机构。这种机构利用uav的重量来被动地致动抓握器(见图2e)。其他研究者[33-35]已经公开了用于停驻在树枝形结构上的类似抓握器，其中抓握器由伺服马达致动，从而允许稳定和可控的停驻和脱离。在这两种情况下，抓握器都安装在uav的底侧，这阻挡了传感器的视野，并可能导致任务干扰或甚至暂停。
[0010]
现有差距。简而言之，虽然这些方法在特定情况下工作良好，但是它们中没有一种既能够停驻在墙壁上又能够停驻在天花板上，上述情况在实际应用中广泛存在，例如竣工bim。此外，它们中的大多数都需要抓握器，这使得机械设计变得复杂，并干扰了任务。结果，这些设计都没有被实际的多旋翼uav大量采用。为了提高实用uav的效率和精度，提出一种与现有uav兼容、需要最少甚至不需要机械附件、并且不干扰任务的新的停驻方法论是至关重要和迫切的。
[0011]
本发明人之一的fu zhang在uav设计[36]、实施[37-39]、导航[40-42]和控制[43-47]方面已经进行了大量的工作。最值得注意的是，在《科学机器人学(science robotics)》封面文章报道的工作[48]中，fu zhang开发了一种爪状可变形起落架，其使得uav能够停驻在各种自然结构上，例如树枝、电线杆和屋顶(图2f)，但不能停驻在平面结构上。所有这些工作都已在实际系统上实施和测试，并将大大有利于本发明的uav开发和控制。

技术实现要素：

[0012]
本发明旨在通过利用天花板效应、利用uav和现场的平面结构(包括墙壁、天花板和地面)之间的接触来增加多旋翼uav的工作持续时间和精度。本发明还通过停驻在附近的建筑物上来帮助防止uav在恶劣的天气条件下(例如，强风)坠毁。本发明还使得uav能够着陆，而不会有起落架阻挡机载传感器的视野。
[0013]
一种设计涉及停驻在平面结构上，而另一种涉及在地面上移动。对于每一种设计，提出了轨迹生成和控制算法，以实现自主、快速、精确的停驻和空中-地面混合移动。所有的设计和算法都被示出为集成到一个真实的四旋翼uav中，该四旋翼uav在真实世界的实验中受到测试。
附图说明
[0014]
当结合以下详细描述和附图考虑时，本发明的前述和其它目的和优点将变得更加明显，在附图中，相同的标号在各个视图中指代相同的元件，并且其中：
[0015]
图1是uav飞行时间相对于基于动量理论的预测的曲线图，其中电池重量、总重量、螺旋桨尺寸和旋翼数量是参数；
[0016]
图2a是停驻在水平电线上的鸟的照片，图2b是微刺的照片，图2c是受壁虎启发的抓握器的照片；图2d是电粘性抓握器的照片，图2e是被动抓握器的照片，图2f是显示主动抓握器的一系列照片；
[0017]
图3a是根据本发明的uav的示意图，该uav利用天花板效应来停驻在平面结构上，包括墙壁、天花板和地面，并在所有情况下保留最大可能的视角，图3b是根据本发明的uav停驻在墙壁、天花板和地面上的示意图，图3c是本发明的uav的横截面图，该uav由于抵消重力的静摩擦力而停驻在墙壁上，并且该横截面图示出了作用在其上的力；
[0018]
图4a示出了本发明的uav接近、停驻和脱离天花板，图4b示出了本发明的uav接近、停驻和脱离竖直墙壁，图4c示出了本发明的uav接近、停驻和脱离地面；
[0019]
图5是级联控制结构的示例性实施例的框图，其为停驻动作的所有阶段提供兼容的接口；和
[0020]
图6a是停驻在天花板上的本发明的uav的照片，图6b是停驻在墙壁上的本发明的uav的照片，图6c是示出本发明的uav具有超过30％的功率减少的图。
具体实施方式
[0021]
本发明旨在生成图3a中以两个取向示出的uav 10。如图3b所示，它被设计成利用“天花板效应”停驻在或连接到平面结构上，包括墙壁20、21和天花板22以及平坦地面23。这在所有情况下都保留了最大可能的视角。当停驻在墙壁上时，静摩擦力建立，并且抵消重力，如图3c所示。
[0022]
使用标准的四旋翼飞行器10(图3a)执行停驻，其中螺旋桨保护器12用作当载具接触平面结构例如墙壁时的支撑结构。与[6，15-20，23，24，29-35，48]中公开的现有设计相比，本发明的停驻方法不需要任何额外的部件，例如抓握器(出于安全目的，无论如何都需要螺旋桨保护器12)，并且保留了最大可能视野范围。此外，与环境的充分而牢固的接触大大提高了uav的精度。
[0023]
这种停驻方法被扩展成一种新颖的着陆策略，其中uav颠倒翻转10’，并且使用螺旋桨保护器12作为在地面23上的起落架(图3b)。这种着陆动作允许机载摄像头14a、14b具有大的清晰的视野范围，消除了对可缩回起落架的需要。这对于具有360度机载摄像头的uav，例如dji phantom x(可在https://youtu.be/ec1ef2uaq4u获得的概念设计)特别有用。特别是，为了不阻挡摄像头的视野，传统的起落架在起飞后需要被缩回。缩回系统向uav增加了更多的重量和复杂性，因此是不利的。当停驻在天花板、墙壁、斜坡或地面上时，本发明不会阻挡任何机载摄像头的视野，因此不需要缩回起落架。
[0024]
根据本发明，停驻需要uav与环境进行完全接触，这为其控制带来了各种挑战：
[0025]
(1)uav必须以不稳定的竖直姿势接近墙壁，这需要精确的轨迹生成和跟踪控制；
[0026]
(2)当接近环境结构时，下游的螺旋桨将受到影响并对系统造成相当大的扰动；
[0027]
(3)控制器需要适应由接触引起的未知且变化的静态摩擦；和
[0028]
(4)当与环境结构接触时，uav动力学突然切换，并且要求控制器正确地响应。
[0029]
为了应对这些挑战并使得能够进行自主、安全、精确和快速的停驻，系统设计通过集成轨迹生成、跟踪控制和停驻动作得到优化。
[0030]
为了增强uav的停驻能力，阻尼器13位于每个螺旋桨保护器12的边沿上，如图3a所示。阻尼器可以(a)在冲击天花板时吸收动能，(b)在停驻期间增加与墙壁的摩擦，以及(c)在接触不平坦的天花板或墙壁时改善顺应性。此外，为了使得能够进行完全受控的停驻，可以使用[49]中公开的开源电子速度控制(“esc”)，其允许螺旋桨反转旋转并产生正推力和负推力。将该系统与[50]中公开的也产生可逆推力的可变螺距螺旋桨相比，本发明不需要复杂的螺距变化机构，而只需要升级esc固件，从而最大化本发明与现有uav的兼容性。然而，可变螺距螺旋桨也与本发明兼容，只要它们能够逆转螺旋桨推力。
[0031]
如图3a所示的uav具有四个由单独的可逆马达驱动的螺旋桨。用于马达的动力来自电池15。uav还配备有飞行时间(“tof”)激光测距系统15和被动全向轮19。uav处于机载计算机16的控制之下。
[0032]
优选地，开发有效的轨迹生成算法，该算法允许多旋翼uav以期望的速度和姿态接近平面结构。uav系统中的可逆螺旋桨对轨迹生成提出了在[51，52]中公开的现有工作中很少研究的两个新挑战：(1)在确定推力输入和姿态时的模糊性(例如，同时将uav翻转倒置和改变推力的符号不改变加速度)，以及(2)当反转马达旋转时，由马达延迟引起的轨迹跟踪性能的退化。通过根据实际任务将整个轨迹分成更小的子轨迹(即，运动基元)，本发明以分级轨迹生成框架克服了这些挑战。对于每个子轨迹，所有螺旋桨保持其旋转方向(推力也是如此)，从而使得能够使用现有的轨迹生成算法(例如，如[52]中所公开的)。此外，这确保了所有螺旋桨同时反转其旋转，并且仅在两个子轨迹之间反转旋转，从而防止在执行激进(aggressive)动作(例如停驻)时的频繁的反转旋转。开发了核心函数库，该核心函数库计算从任何起始状态到任何给定目标状态的最优子轨迹。通过利用最优解的封闭形式结构并利用高性能机载计算设备16(例如，英特尔nuc板)的可用性开发了实时轨迹生成。关于该计算机主板的信息可以在https://www.intel/content/www/us/en/products/boards-kits/nuc/boards/nuc7i7dnbe.html到。
[0033]
开发了控制框架，作为可用于停驻的所有阶段的统一控制框架，这对于接触丰富的机器人来说是一项具有挑战性的任务。本发明独特的停驻设计允许使用级联控制结构
(图5)，该级联控制结构广泛用于现有的uav中，并使本发明与其他uav系统的兼容性最大化。在该控制结构中，外环控制器跟踪期望轨迹，内环控制器调节推力输入和角速度。这种控制结构为停驻的所有阶段提供了兼容的接口，并支持它们之间的容易的切换。例如，当朝向停驻位置飞行时，跟踪控制器15对于精确跟踪规划的轨迹是必要的，使得uav以期望的速度和姿态到达停驻位置。在接触建立和保持阶段期间，希望直接指令油门和扭矩(或姿态)。
[0034]
控制器参数可以通过本发明人之一的先前工作中开发的可在[53，54]中到的回路整形技术而在频域中被优化。此外，可以增加额外的反馈补偿(例如，如[46]中公开的扰动观测器)，以便进一步削弱由环境结构引起的各种空气动力扰动。前馈控制，例如[55]中公开的从先前迭代中学习的迭代学习控制和实时调整参数的自适应控制，被用于提高控制性能。
[0035]
当uav停驻在天花板上时由本发明利用的“天花板效应”所引起的功率节省被确定。结果如图6c所示。停驻通过人类驾驶员小心地将uav飞向天花板而执行。见图3b和6a。一旦观察到完全接触，油门被逐渐减小，直到发生脱离。结果表明，功率降低达到30％。虽然节省的功率没有[6，15-20，23，24，29-35，48]中公开的基于抓握器的解决方案多，但这种停驻是现有的uav在没有任何附加装置的情况下能够实现的。
[0036]
基于所开发的轨迹生成和跟踪控制算法，开发了uav的动作，所述动作使得能够自主、安全和鲁棒地在天花板上停驻。停驻分为三个阶段：接近、接触建立和保持、脱离(图4a)。在接近阶段，uav从其当前状态移动到目标状态，在目标状态中，位置就在天花板下面，并且速度和加速度都为零。目标的零加速度意味着uav处于具有零俯仰角和零滚转角的悬停姿态，这对于安全停驻是必要的。接近轨迹通过使用所开发的算法反复生成，其中推力总是正的。
[0037]
一旦uav位于天花板正下方的目标位置，接触将在天花板效应的帮助下自动建立。此后，扭矩将被设置为零，同时逐渐减小油门以节省能量。相信当停驻在天花板上时，精度将会提高，并且将有可能确定在不同的螺旋桨到天花板的距离下可达到的最小油门。
[0038]
脱离阶段是接近阶段的逆过程：将uav从停驻位置移动到大大低于天花板的位置，并且速度和加速度为零。这个过程通过上面讨论的轨迹生成和跟踪控制而直接实现。
[0039]
图6b示出了利用天花板效应的四旋翼uav在墙壁上的停驻试验。本发明在竖直墙壁上的使用也适用于倾斜表面。该uav具有不可逆的螺旋桨，但是仍然能够通过人类驾驶员停驻在墙壁上。在该背景下，uav首先缓慢地向墙壁移动。一旦一侧的两个螺旋桨保护器接触到墙壁，它们就形成枢轴，并且使得uav能够旋转，直到另外两个螺旋桨保护器也接触到墙壁。与天花板类似，停驻在墙壁上节省30％的电池电量。
[0040]
根据本发明，通过充分利用可逆推力和模拟接触过程中摩擦的效应，开发了使得能够自主和激进停驻的动作。类似于天花板，墙壁停驻被分成三个阶段：接近、接触建立和保持以及脱离(图4b)。整个过程由控制器16主动控制，并且一旦uav在空中(即，接近和脱离)，轨迹被反复计算。
[0041]
接近轨迹由两个子轨迹组成：第一个子轨迹将uav从当前状态加速到中间状态，第二个子轨迹将uav减速到目标状态。中间状态的速度平行于n，即墙壁的法线，并且加速度为g-εn，这意味着推力为εn。使用小推力ε而不是零推力，因为零推力会使姿态不可确定(例如，所有姿态都导致相同的零加速度)。由于ε非常小，所以螺旋桨基本上以怠速rpm旋转，即
马达正常工作的最小速度，从而在实际上提供可忽略的推力并允许旋转反向以用于第二子轨迹。类似地，在停驻位置，速度和加速度分别设置为零和g+εn。结果，第一个子轨迹总是具有正推力，而第二个子轨迹是负推力，两者都可以通过[52]中的轨迹算法生成。在两个子轨道之间，所有的螺旋桨都反转其方向，推力也是如此。中间速度和位置将两个子轨迹参数化，并且它们的值通过最小化总成本(例如，加加速度、能量)来确定。
[0042]
一旦uav处于停驻位置，就用正油门建立接触，该正油门产生按压墙壁的推力。在此之后，静摩擦力建立，并且抵消重力。假设tu和t
l
分别为上部螺旋桨和下部螺旋桨的推力，两者均为正，nu、n
l
为法向力，fu；f
l
是静摩擦力(见图3c)，则保持接触的充分和必要条件是：
[0043]
零水平力：tu+t
l
＝nu+n
l
(1a)
[0044]
零竖直力：fu+f
l
＝mg(1b)
[0045]
零俯仰扭矩：lh(fu+f
l
)＝lv(t
u-nu)-lv(t
l-n
l
)(1c)
[0046]
有效法向力：nu≥0；n
l
≥0(1d)
[0047]
从(1a-1c)中，我们可以求解法向力：n
l
＝t
l
+(lh/lv)mg；nu＝t
μ-(lh/lv)mg。由于静摩擦f通过f≤μsn与法向n相关，其中μs是静摩擦系数，(1a-1b)导致μs(tu+t
l
)≥mg。此外，螺旋桨功率通过来自[56]中公开的动量理论的pαt√t而与推力相关。在所有这些的情况下，最小功率如下获得。
[0048][0049]
等式(2)的最优解从[57]中描述的kkt条件获得，并且分为三种情况：(1)μs≤lv/lh,则t
μ*
＝t
l*
＝mg/2μs；(2)lv/lh≤μs≤2(lv/lh),则t
μ*
＝(lh/lv)mg,t
l
*＝mg[1/μ
s-(lh/lv)]；(3)μs≥2(lv/lh),则t
μ*
＝(lh/lv)mg；t
l*
＝0.实际上，系数μs通常是未知的，因为它也取决于环境的材料。为了到最小的推力和功率，使用如下的主动搜索过程：在建立接触后，在第一种情况下，通过将扭矩设置为零(即t
μ
＝t
l
)然后逐渐减小油门来进行搜索(即情况1)。如果检测到接触丢失(例如，从惯性测量单元(“imu”)测量)，则固定tu，逐渐减小t
l
(即，情况2)。搜索过程在检测到另一个接触丢失或t
l
达到零时(即情况3)终止。应当注意，t
μ
和t
l
都随系数μs单调下降(总功率也是如此)即使在最坏的情况下(即情况1)，最小推力也是t
μ*
＝t
l*
＝mg/2μs，如果μs≥1，这个最小推力比停驻在天花板上时的推力更小。
[0050]
此外，可以探索各种阻尼器材料，如橡胶和干粘合剂，以最大化常见墙壁材料(如混凝土、石灰、砖和木材)的系数μs。此外，uav的当根据本发明停驻在墙壁上时的精度的提高也可以通过实验来确定。
[0051]
脱离阶段通过将油门设置为负值并将姿态设置为悬停姿态来实现。这将触发上部螺旋桨的反向旋转以及下部螺旋桨的降低或甚至反向的旋转。负油门将使uav快速离开墙壁，而姿态指令将使uav旋转到悬停姿态。在此过程中可能会发生高度下降，但是可能的高度下降通常很小，因为脱离非常快。在脱离之后还可以使用恢复轨迹来引导uav回到正常悬停状态。
[0052]
为了实现在地面上的停驻，应该有能够保证安全着陆的可控制的翻转动作。翻转
是需要精确的感测和控制的特技飞行动作。
[0053]
已经进行的先前工作是用固定螺距螺旋桨执行360
°
翻转(见[58-60])，以及用可变螺距螺旋桨执行180
°
翻转(见[50])。然而，使用可逆固定螺距螺旋桨的180
°
翻转仅被技术熟练的驾驶员在小型四旋翼飞行器上、在没有位置控制的情况下演示过。即使这样，与本发明不同，先前的无人驾驶飞机也不能在以那种取向着陆。与可变螺距螺旋桨相比，可逆固定螺距螺旋桨具有更大的马达延迟，这给翻转带来了显著的挑战。然而，本发明仍然适用于可变螺距螺旋桨。
[0054]
本发明利用三阶段过程：上升、翻转和下降(见图4c)。在第一的上升阶段，uav以速度v
t
和加速度g+εe3在竖直方向加速到目标高度h。小推力εe3意味着uav处于悬停姿态，所有螺旋桨都处于怠速rpm。在第二的翻转阶段，油门保持在零，同时姿态被设置为倒置悬停姿态。这将触发螺旋桨中的一半反向其旋转并且开始该翻转。此外，零油门导致在翻转过程中零水平位移。在翻转结束时，所有螺旋桨都将处于怠速rpm，具有反向旋转。在第三的下降阶段，uav将增加其螺旋桨旋转(在相反的方向)来使其自身减速直到它触碰地面。在上升(正推力)和下降(负推力)过程中反复计算和跟踪轨迹，从而不产生水平位移。高度h和速度v
t
通过实验来调整。
[0055]
本发明的系统在图3a中示出，具有单个被动全向轮19，以获得来自地面的力支撑，从而允许螺旋桨以低得多的速度旋转(因此功率更低)，这是保持令人满意的控制权所必需的。当在地面上移动时，四个螺旋桨以与在空中相同的方式致动uav，即，不同的推力致动姿态，姿态然后致动平移，因此允许在不同的飞行模式中使用相同的控制结构和轨迹生成方法。空中到地面的过渡轨迹通过以下方式生成：(a)将目标位置设置为与地面接触的点，(b)将目标速度和加速度设置为平行于地面。阻尼器13用于吸收冲击地面时的剩余动能。
[0056]
如[61]中所公开的，在地面上移动还会引起地面效应，这甚至会节省更多的能量(图6c)。可以在根据本发明运行的实际uav中、在空中、在地面上以及在空中-地面转换期间研究最小可达到的油门、由于油门减小和地面效应而节省的功率以及沿地面的混合运动。
[0057]
所有开发的算法都集成到一个完整的四旋翼系统中，该系统可以自动执行导航、平面结构检测、轨迹生成和跟踪控制。图5中示出了控制系统的示例性实施例。在图3a的uav中，自动驾驶仪执行控制算法，机载微型计算机50执行实时轨迹生成、自主导航以及平面或结构检测。传感器，如[62]中公开的intel realsense d400，提供输入，因此uav可以自动导航，构建环境地图，并检测其中的平面结构。对于导航和地图构建，可以直接使用用于realsense的现有的开源软件。参见，使用d435i的slam，https://github/intelrealsense/realsense-ros/wiki/slam-with-d435i。对于平面检测，采用了[63]中描述的方法，这些方法已经在真实数据集上被证明是高效和有效的。这些方法针对大的竖直和水平平面进行了优化。
[0058]
[64]中公开的轻型单点飞行时间(tof)激光测距模块15用于以毫米级精度测量到平面结构的距离，从而使得当与机载imu 16一起使用时，能够实现精确的停驻控制和可靠的接触检测。有了所有这些，停驻和着陆动作可以与机载感测相结合，以形成完整和自主的系统。
[0059]
图5的级联控制结构广泛用于现有的uav中，并使本发明与其他uav系统的兼容性最大化。在这种控制结构中，机载计算机50、飞行控制器52和四旋翼uav的外环跟踪期望的
轨迹，而舷外计算机50的内环控制器调节推力输入和角速度，该内环控制器包括视觉惯性导航单元60、局部地图构建单元62、平面检测单元64、模式切换逻辑66、接触检测器68和轨迹生成61。这种控制结构为停驻的所有阶段提供了兼容的接口，并支持它们之间的容易的切换。四旋翼uav 54上的传感器84向机载计算机提供关于uav的执行的信号。这些信号在计算机50的视觉惯性导航单元60中被接收。单元60的输出用于单元62中的局部地图构建和单元61中的轨迹生成。局部地图构建单元的输出在平面检测单元64中被接收，平面检测单元64又将信息提供给模式切换逻辑66。模式切换被设置为取决于期望的动作，例如，停驻在天花板、墙壁或地面上。基于来自模式切换器66和视觉惯性导航单元60的信息，轨迹生成单元61生成应用于位于飞行控制器52中的位置控制器70的信号。位置控制器设置推力和姿态。
[0060]
同时，模式切换器66的输出也被输入到接触检测单元68。它的输出确定来自位置控制器的姿态信号是否被施加到姿态控制器72。接着，姿态控制器的输出被施加到比例-积分-微分控制器(“pid”)75。位置控制器70的推力输出被施加到pid 73。因此，pid 73的输出是油门信号，pid 75的输出是马达扭矩信号。基于接触检测器68的输出，这些信号被施加到混合器76。
[0061]
混合器76的输出被施加到uav的致动器动力学系统80，其又驱动uav动力学系统82。动力学系统或马达的作用导致传感器84的输出改变，从而完成外部控制回路。
[0062]
当向停驻位置飞行时，传感器84检测表面或平面。该信息被传递到平面检测器64上。对表面的接近也被传递到已经存储了算法的轨迹生成器。所选择的轨迹取决于来自模式切换器66的模式信号。该轨迹生成信号经过飞行控制器52以控制施加到uav的马达(动力学系统82)的油门和扭矩。以这种方式，uav的飞行路径被控制，使得它精确地跟踪计划的轨迹，使得uav以期望的速度和姿态到达停驻位置。当与表面接触时，接触检测器68改变飞行控制器52，使得uav由于天花板效应而保持与表面接触。
[0063]
尽管已经参照本发明的优选实施例具体示出和描述了本发明；本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在其中在形式和细节上进行各种改变，并且这些实施例仅仅是对本发明的说明，本发明仅由所附权利要求来限定。特别地，前面的详细描述通过示例而非通过限制地说明了本发明。该描述使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，并且描述了本发明的几个实施例、调整、变型和使用方法。
[0064]
参考文献列表
[0065]
本技术中引用了以下参考文献。每篇这样的参考文献通过引用其整体并入本文。
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技术特征：

1.一种多旋翼无人飞行器(“uav”)，包括：框架；多个变速马达，所述多个变速马达围绕所述框架间隔开，每个马达驱动螺旋桨旋转，使得旋转的螺旋桨能够使所述框架呈现在环境中的地面上方的水平悬停位置；传感器，用于检测uav与所述环境中的目标表面之间的距离；计算机，执行软件模块以控制所述马达的运行，以使得所述uav执行飞行动作；和计算机存储器，用于存储所述软件模块，其中，存储的模块在由所述计算机执行时使得所述uav至少(a)接近所述目标表面，(b)利用“天花板效应”与所述目标表面接触，以便停驻在表面上，从而提高所述uav的悬停精度并减少所述uav的能量消耗，以及(c)从所述目标表面脱离。2.根据权利要求1所述的uav，其中，所述目标表面是所述环境中的天花板、大致竖直的墙壁、地面和斜坡之一。3.根据权利要求2所述的uav，其中，当处于悬停位置时，所述框架具有大致水平的平面结构，其中下侧朝向所述地面，并且上侧朝向天花板。4.根据权利要求3所述的uav，其中，为了停驻在天花板上，所述uav(a)通过将所述马达的速度增加到悬停速度以上来朝向天花板上升，(b)用所述传感器检测对天花板的接近，(c)当接近天花板时，降低所述马达的速度，(d)当与天花板接触时，甚至更大地降低所述马达的旋转，但是由于天花板效应而保持与天花板的接触，以及(e)通过反转所述马达的旋转方向而使所述uav从天花板脱离。5.根据权利要求3所述的uav，其中，为了停驻在大致竖直的墙壁上或斜坡上，所述uav(a)通过将所述马达的速度增加到悬停速度以上来朝向墙壁上升一部分，(b)通过使所述框架一侧的马达比另一侧的马达旋转得更快，使所述uav侧面翻转，(c)用所述传感器检测对墙壁的接近，(d)当接近墙壁时，降低马达的速度，(e)在与墙壁接触之前，反转旋转方向，以减缓与墙壁的接触，(f)反转马达，从而通过天花板效应与墙壁接触，以及(g)通过反转马达的方向而使所述uav从墙壁脱离。6.根据权利要求3所述的uav，其中，为了停驻在地面上，所述uav(a)通过将所述马达的速度增加到悬停速度以上来上升离开地面一部分，(b)通过使所述框架一侧的马达以一个方向旋转，并且使所述框架另一侧的马达以另一个方向旋转，使所述uav完全翻转，(c)使两侧的马达都反向，(d)用所述传感器检测对地面的接近，(d)当接近地面时降低马达的速度，(e)在与地面接触之前反转马达的旋转方向，从而通过天花板效应与地面接触，以及(g)通过反转马达的方向使所述uav从地面脱离。7.根据权利要求6所述的uav，还包括：位于面向地面一侧的被动全向轮，并且其中，全向轮提供来自地面的力支撑，从而允许螺旋桨以低得多的速度旋转并消耗更少的能量。8.根据权利要求2所述的uav，还包括：位于所述螺旋桨周围的螺旋桨保护器，其中，所述uav和所述目标表面之间的接触是通过作为着陆结构的所述螺旋桨保护器实现的。9.根据权利要求8所述的uav，还包括：设置在保护器上的阻尼器，其中，所述uav和所述目标表面之间的接触是通过所述阻尼器实现的，当撞击表面时，所述阻尼器吸收残余动能，在停驻期间，所述阻尼器增加与所述表面的摩擦，并且在接触不平坦的表面时，所述阻尼器提高顺应性。

技术总结

提供了一种多旋翼无人飞行器(“UAV”)，包括操作它的方法，使得它可以在没有附加设备的情况下停驻在环境中的表面上，从而节省能量。UAV具有框架，该框架支撑围绕框架间隔开的至少四个变速可逆马达。每个马达驱动螺旋桨，所述螺旋桨设置为使框架悬停。传感器设置在UAV上，用于检测UAV和目标表面之间的距离。提供计算机用于执行软件模块，以便控制马达的运行，以使UAV执行飞行动作，包括至少：(a)接近目标表面，(b)使用“天花板效应”来接触目标表面，以便停驻在表面上并减少UAV的能量消耗，以及(c)从目标表面脱离。从目标表面脱离。从目标表面脱离。