[发明专利]遭遇影响效应器的故障的多旋翼器的受控飞行

说明书

技术领域

本发明涉及对遭遇影响效应器的故障的多旋翼器的控制。特别地，本发明涉及用于受控飞行的新型方案，其通过使多旋翼器旋转并且应用新型控制方法来实现对多旋翼器的平移运动控制，从而允许在传统的具有悬停能力的飞行器中在效应器故障的情况下将本发明用作故障安全控制机构，所述飞行器装备有多个刚性附接的定距螺旋桨（“多旋翼器”）。

发明内容

根据本发明，用于控制多旋翼器的先前方法的局限性已明显减小或消除。特别地，其提供用于具有仅有一个功能效应器的交通工具的飞行器控制方案。另外，其提供改进的系统和方法，用于在发生影响一个或更多个效应器的故障的情况下控制飞行器。

本发明的一些实施例的技术优点可允许改进或简化现有多旋翼器的设计。例如，比起当前系统（例如，依赖效应器冗余度（例如，六旋翼器和八旋翼器）或依赖效应器的外罩（例如，护罩、涵道风扇）或依赖安全备用降落伞的那些系统），多旋翼器可需要更小的质量且面临更少的设计约束和固有局限性。

本发明的一些实施例的技术优点可允许增加现有多旋翼器的安全性和可靠性。例如，本发明可允许最小化或消除此类交通工具中由碰撞、机械或电力故障、电子失灵、操作员失误或不利环境条件（例如，风或湍流）所引起的内在风险。本发明还可通过允许性能的逐渐降级而不是完全失去控制的灾难性故障来减轻故障、失灵、操作员失误等等的影响。

本发明的一些实施例的其它技术优点可通过提高多旋翼器的可靠性和安全性、通过允许其用在更广泛的多种操作条件和环境中或通过允许使目前由有经验的人类飞行员对载人和无人两种飞行器执行的一些任务的部分或完全的自动化来允许针对新的应用使用多旋翼器。对人类飞行员的需求严重地限制了在许多应用中多旋翼器的成本有效性、可能的操作条件和飞行续航能力。例如，即便是有经验的人类飞行员仍无法保证在许多真实世界操作条件（包括风和湍流）中的安全且有效的控制。

本发明的一些实施例的另外其它技术优点可允许根据在多种背景下根据多种应用的特定需求来进行定制。示例应用包括：民用基础设施的检测和监控，其可能需要进行危险性或重复性的任务；工业或公共服务应用（例如，工业地点的监督和监控、摄影测绘、勘测）；专业航空摄影或电影摄影；通过航空来运输或输送货物；或玩具，例如小型飞行器；包括根据音乐和灯光设定的舞蹈艺术的舞台演出，或需要与戏剧演员互动的戏剧演出；用于社区的业余爱好者平台（例如，自制无人机组（DIY Drones）；积极研究飞行平台或将飞行平台用作其课程的一部分的团体的研究平台；具有一些例如在极端条件（天气、照明条件、污染）下的可生存性、能源自治、可检测性或操作等要求的军事用途。特别地，一些技术优点允许本发明装备有广泛范围的传感器。例如，红外线传感器允许进行用于检测果园里成片的干土地或用于农作物监控的实施例。

根据本发明的第一方面，提供用于操作在飞行期间遭遇故障的多旋翼器的方法，所述多旋翼器包括本体以及附接到本体的至少四个效应器，每个效应器可操作来产生转矩和推力两者，这两者能够使多旋翼器在没有遭遇所述故障时进行飞行。所述方法可包括识别故障的步骤，其中，所述故障影响由效应器产生的转矩和/或推力，并且响应于故障的识别来实施以下步骤：（1）计算所述本体的主轴相对于预定参考系的取向的估计值，其中，所述主轴是所述多旋翼器在飞行时旋转所围绕的轴线；（2）计算所述多旋翼器的角速度的估计值；（3）基于所述本体的主轴相对于所述预定参考系的取向的所述估计值以及多旋翼器的角速度的所述估计值来控制所述至少四个效应器中的一个或更多个。可执行控制所述至少四个效应器中的一个或更多个的步骤，使得（a）所述一个或更多个效应器共同产生沿着所述主轴的转矩和垂直于所述主轴的转矩，其中，（i）沿着所述主轴的转矩使所述多旋翼器围绕所述主轴旋转，以及（ii）垂直于所述主轴的转矩引起所述多旋翼器移动，使得所述主轴的取向收敛至相对于所述预定参考系的目标取向，以及（b）使得所述一个或更多个效应器单独产生沿着所述主轴的推力。

转矩是围绕多旋翼器质心的转矩。

优选地，角速度是多旋翼器相对于惯性系旋转的速度。

优选地，基于所述本体的主轴相对于预定参考系的取向的所述估计值以及多旋翼器的角速度的所述估计值来控制所述至少四个效应器中的一个或更多个的步骤包括：控制至少四个效应器中不受故障影响的所述其它效应器。

优选地，转矩和推力是非零转矩和非零推力。

优选地，由每个效应器产生的转矩和推力不可避免地且内在地联系在一起。