[发明专利]用于稳健干扰抑制的分布式加速度感测

说明书

本申请公开一种空中交通工具，其包括机身、用于提供输出控制信号的飞机飞行控制器，以及定位在机身上的平面印刷电路板。印刷电路板可以包括与其耦合的处理器、速率陀螺仪和至少三个加速度计。处理器被配置为至少部分地基于从至少三个加速度计和所述速率陀螺仪中的至少一个接收的反馈信号来产生致动信号。处理器将致动信号传送到所述飞机飞行控制器，飞机飞行控制器被配置为基于所述致动信号调节输出控制信号。

政府利益声明

本发明是在美国空军授予的合同号：FA8651-13-C-0017下，由政府支持完成。政府拥有本发明的某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年10月21日提交的临时专利申请序列号62/411,147在35U.S.C.§119(e)下的权益，该申请的内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明总体涉及自主交通工具导航，并且更具体地涉及使用本体感测技术提供阵风抑制和增加交通工具稳定性的技术。

背景技术

无人机(UAV)、小型无人驾驶系统(sUAS)和其他小型飞机，特别是那些旨在用于城市环境或其他杂乱环境中的小型飞机，当遇到大气湍流和阵风时，在飞机的状态(例如，姿态和方位)的稳定性方面面临极大的限制。特别是，大风、杂乱的城市环境以及对其他交通工具的接近可能造成干扰，该干扰通常难以用现有的飞行控制技术抑制。实际上，当在城市峡谷中航行时，1米至2米的偏移当然会导致障碍物碰撞、任务失败或交通工具损失。阵风抑制和交通工具稳定性对于产生清晰易懂的监控视频尤为重要，这是这些小型飞机的主要职责。例如，UAV经常受到不对称的阵风的影响，这种阵风是由城市峡谷中的流动通道和遮挡引起的——这个环境所特有的流场。

虽然传统的惯性导航系统(INS)对于交通工具稳定性有效，但因为必须在校正误差之前测量误差，所以传统的惯性导航系统导致姿态校正的固有滞后。此外，虽然有效，但使用基于应变和压力的测量值的一些先前研究的本体感测方法需要相对复杂的结构和空气动力学建模。例如，McKenna等人共同拥有的题为“用于不需要的力抑制和交通工具稳定性的系统和方法(System and Method for Unwanted Force Rejection and VehicleStability)”的美国专利公开No.2016/0200420公开了经由使用嵌入在机翼内的应变计的本体感测技术提供阵风抑制和增加交通工具稳定性的技术。

随着飞行交通工具能力扩展到更复杂的任务和动态环境，可以采用新的传感器方案来提高稳健性、可生存性和任务有效性。例如，主动感测作用在交通工具上的干扰力和力矩的能力以及在反馈策略中使用这些感测量以减轻干扰的能力。因此，小型飞机(诸如UAV和sUAS)将通过增加机动性、扩大飞行包线和改进性能而大大受益于阵风抑制。然而，另一个添加的复杂性是小型UAV经常受到用万向架固定的有效载荷稳定性和交通工具可操纵性的严格要求，同时还将交通工具驱动到较小的尺寸和有效载荷能力。鉴于小型UAV和sUAS的紧张资源约束，挑战是不仅要实现这些功能，还要在满足大小、重量和功率的约束的封装件内实现这些功能。因此，在具有传统姿态控制惯性传感器(诸如陀螺仪和加速度计)的延迟/噪声属性(由于平台动力学引起的延迟)的较小平台上特别难以实现阵风抑制。

鉴于对增加的自主性/性能和平台/感测系统的小型化的需求，需要改进的系统和方法，以用于经由例如生物启发的角加速度感测和其他本体感测技术提供阵风抑制和增加交通工具稳定性。如本文所公开的，所得到的系统可以应用于范围从竖直起飞和着陆飞机到固定翼飞机的空气系统，该空气系统受到大风、交通工具-交通工具干扰和杂乱的城市区域中的不可预测的飞行条件的阻碍。

发明内容