系绳管理系统和方法

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2020年1月19日提交的且题为“TETHER MANAGEMENT SYSTEMS ANDMETHODS”的美国临时专利申请No.62/963,143的权益和优先权，在此通过引用将上述申请的全部内容并入本文中。

本申请涉及2019年4月2日提交的且题为“RADIO LINK COVERAGE MAP AND LOSSMITIGATION SYSTEMS AND METHODS”的国际专利申请PCT/US2019/025458，通过引用将上述申请的全部内容并入本文中。PCT/US2019/025458要求2018年4月30日提交的且题为“RADIOLINK COVERAGE MAP AND LOSS MITIGATION SYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请No.62/664,719的权益，通过引用将上述申请的全部内容并入本文中。

本申请涉及2018年9月24日提交的且题为“PERSISTENT AERIAL RECONNAISSANCEAND COMMUNICATION SYSTEM”的美国专利申请No.16/088,040的权益，通过引用将上述申请的全部内容并入本文中。美国专利申请No.16/088,040是2017年3月24日提交的且题为“PERSISTENT AERIAL RECONNAISSANCE AND COMMUNICATION SYSTEM”的PCT专利申请PCT/US2017/024152的根据35U.S.C.371的国家阶段，通过引用将上述申请的全部内容并入本文中。PCT/US2017/024152要求2016年3月24日提交的美国临时专利申请No.62/312,887、2016年3月31日提交的美国临时专利申请No.62/315,873、2016年4月12日提交的美国临时专利申请No.62/321,292、2016年11月10日提交的美国临时专利申请No.62/420,548、2017年2月24日提交的美国临时专利申请No.62/463,536的权益，通过引用将其全部内容合并于此。

技术领域

本发明总体上涉及无人传感器平台，并且更具体地涉及用于无人飞行器的系绳管理的系统和方法。

背景技术

现代无人传感器平台，例如无人飞行器(UAV)、遥控水下航行器(ROV)、无人(水)面飞行器(USV)和无人地面车辆(UGV)都可以在所有环境中进行远距离操作；农村，城市甚至水下。这些平台的操作通常包括无人传感器平台和基站之间的实时数据传输，该基站通常包括显示器，以将平台捕获的遥测、图像和其他传感器数据有效地传达给操作员。在整个任务中，通常要求操作员或包含这些平台的系统仅依靠从无人传感器平台接收的数据来操纵或控制或监测无人传感器平台。这样，与无人传感器平台的安全和精确控制有关的非自动化或不可靠自动化方面会显著降低平台和/或其组成系统的操作灵活性。

因此，在本领域中需要用于自动化或更可靠地自动化对无人传感器平台的控制并增加这些系统的操作灵活性的方法。

发明内容

提供系绳管理系统和相关技术，以改善无人飞行器(UAV)和/或结合了一个或多个这种UAV的无人机系统(UAS)的操作。所描述的系绳管理系统的一个或多个实施例可以有利地包括：通信模块，用于在地面站和UAS的UAV之间建立一个或多个有线和/或无线通信链路；方向传感器，其被配置为在UAV在调查区域内机动时提供系留UVA的航向；和控制器，其用于控制通信模块、方向传感器和/或移动平台的操作；以及一个或多个附加传感器，以测量和提供与移动平台的操纵和/或其他操作相对应的传感器数据。在各种实施例中，这样的附加传感器可以包括被配置为捕获调查区域的传感器数据的远程传感器系统，从传感器数据可以生成调查区域的二维和/或三维空间图。例如，测绘系统可以包括一个或多个可见光谱和/或红外照相机和/或耦接到UAV的其他远程传感器系统。

在一个实施例中，系统包括逻辑设备，其被配置为与耦接至系留的UAV的方向传感器和通信模块进行通信，其中，通信模块被配置为与和系留的UAV相关联的基站建立通信链路，方向传感器被配置为在系留的UAV在调查区域内机动时提供系留的UAV的航向。逻辑设备可以被配置为从方向传感器接收与系留的UAV在调查区域内的一个或多个位置相对应的航向数据；确定耦接在基站和系留的UAV之间的系绳的累积扭曲，其中系绳的累积扭曲至少部分地基于所接收的航向数据；并至少部分地基于所确定的累积扭曲和与耦接在基站和系留的UAV之间的系绳相关联的最大允许累积扭曲来生成系绳损坏警告通知。

在另一实施例中，一种方法包括：从与系留的UAV耦接的方向传感器接收航向数据，该航向数据被配置为当系留的UAV在调查区域内机动时提供该系留的UAV的航向，其中航向数据对应于该系留的UAV在调查区域内的一个或多个位置；确定耦接在基站和系留的UAV之间的系绳的累积扭曲，其中系绳的累积扭曲至少部分地基于所接收的航向数据；并至少部分地基于所确定的累积扭曲和与耦接在基站和系留的UAV之间的系绳相关联的最大允许累积扭曲来生成系绳损坏警告通知。

本发明的范围由权利要求限定，通过引用将权利要求合并至本部分中。通过考虑以下对一个或多个实施例的详细描述，本领域技术人员将更全面地理解本发明的实施例，并实现其附加优点。下文将参考附图，首先简要地介绍附图。

附图说明

图1示出了根据本公开的实施例的无人飞行器系统(UAS)的示图。

图2示出了根据本公开的实施例的UAS的移动平台(UAV)的示图。

图3A示出了根据本公开实施例的包括系留的UAV的UAS的示图。

图3B示出了根据本公开实施例的用于包括系留的UAV的UAS的通信和电力互连的示图。

图4示出了根据本公开实施例的包括经历意外系绳扭曲的系留的UAV的UAS的图。

图5示出了根据本公开实施例的用于提供系绳管理的状态机的图。

图6示出了根据本公开实施例的用于提供系绳管理的各种操作的流程图。

通过参阅下文的详细说明将最佳地理解本发明的实施方式及其优势。应该意识到，类似的附图标记用于标识一个或多个附图中的类似元件。

具体实施方式

提供了系绳管理系统和相关技术，以提高包括无人机传感器平台(例如无人机(UAV))的无人机系统(UAS)的操作灵活性和可靠性。当通过系绳连接到电源时，被通常称为无人机的UAV可以延长飞行时间。但是，传统的系绳通常会带来一些不期望的副作用，例如飞行距离有限和额外重量。在某些系留飞行场景中，UAV可能会多次旋转，以用于跟踪目标等目的。结果，由于所产生的扭曲而积累的张力最终可能会损坏系绳。这样，可能有必要通过使飞机反向旋转(例如，反向偏航)来消除或至少减小累积的扭曲以解开系绳。对于包括系留的UAV的UAS系统的操作员而言，多次手动反向旋转UAV可能是一项令人沮丧的任务。本文所述的实施例通过以下方式来抵消这种挫败感：跟踪系绳中的累积的扭曲并且将累积的扭曲(例如，或者UAV的偏航)通知给操作者；当系绳被扭曲到和/或超过预选的最大允许累积扭曲时提醒操作员；和/或自动驾驶UAV以解开系绳，以使累积的扭曲小于最大允许累积的扭曲。

系绳管理系统可以有利地包括：通信模块，被配置为与系留的UAV相关联的基站建立通信链路；逻辑设备，被配置为与通信模块进行通信；以及方向传感器，其耦接至系留的UAV；以及一个或多个附加传感器，用于测量和提供与移动平台的操纵和/或其他操作相对应的传感器数据。在各种实施例中，这样的附加传感器可以包括被配置为捕获调查区域的传感器数据的远程传感器系统，从传感器数据可以生成调查区域的二维和/或三维空间图。例如，测绘系统可以包括一个或多个可见光谱和/或红外照相机和/或耦接到UAV的其他远程传感器系统。

图1示出了根据本公开实施方式的UAS 100的框图。在一些实施例中，系统100可以被配置为在场景上飞行、飞行穿过结构、或接近目标，并且通过使用万向架系统122将成像系统/传感器有效载荷140瞄准到场景、结构或目标或者其一些部分来成像或感测该场景、结构或目标或其一些部分。所得图像和/或其他传感器数据可以被处理(例如，通过传感器有效载荷140、平台110和/或基站130)，并通过使用用户界面132(例如，一个或多个显示器，例如多功能显示器(MFD)、便携式电子设备(诸如平板、笔记本电脑或智能手机)，或者其他适当界面)来显示给用户，和/或存储在内存中，以供后续查看和/或分析。在一些实施例中，如本文所述，系统100可以被配置为使用这样的图像和/或传感器数据来控制平台110和/或传感器有效载荷140的操作，例如，控制万向架系统122以将传感器有效载荷140对准特定方向，或控制推进系统124以将平台110移动到场景或结构中的或相对于目标的期望位置。

在图1所示的实施例中，UAS 100包括平台110、可选的基站130以及至少一个成像系统/传感器有效载荷140。平台110可以是被配置为移动或飞行以及定位和/或瞄准传感器有效载荷140(例如，相对于指定或检测到的目标)的移动平台。如图1所示，平台110可以包括一个或多个控制器112、方向传感器114、陀螺仪/加速度计116、全球导航卫星系统(GNSS)118、通信模块120、万向架系统122、推进系统124和其他模块126。平台110的操作可以是基本上自主的和/或部分地或完全地由可选基站130控制，基站130可以包括用户接口132、通信模块134和其他模块136中的一个或多个。在其他实施例中，平台110可以包括基站130的一个或多个元件，例如具有各种类型的载人飞机、陆地车辆和/或水面或水下运输器。传感器有效载荷140可以物理地耦接到平台110，并且被配置为捕获由平台110和/或基站130的操作所选择和/或取像的目标位置、区域和/或物体的传感器数据(例如，可见光谱图像、红外图像、窄孔径雷达数据和/或其他传感器数据)。在一些实施例中，系统100的一个或多个元件可以在组合的外壳或结构中实现，该外壳或结构可以耦接到平台110或位于平台110内和/或由系统100的用户持有或携带。

控制器112可以被实现为任何适当的逻辑设备(例如，处理设备、微控制器、处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、存储器存储设备、存储器读取器或其他设备或设备组合)，以适于执行、存储和/或接收适当的指令，例如，实现用于控制平台110和/或系统100的其他元件的各种操作的控制回路的软件指令。这样的软件指令还可以实现用于处理红外图像和/或其他传感器信号、确定传感器信息、提供用户反馈(例如，通过用户界面132)、向设备查询操作参数、为设备选择操作参数、或执行本文中描述的各种操作(例如，由系统100的各种设备的逻辑设备执行的操作)的方法。

另外，可以提供非暂时性介质，用于存储机器可读指令，以加载到控制器112中并由其执行。在这些和其他实施例中，可以在适当的地方用其他组件来实现控制器112，例如易失性存储器、非易失性存储器、一个或多个接口和/或用于与系统100的设备交互的各种模拟和/或数字部件。例如，控制器112可适于例如随着时间的推移而存储传感器信号、传感器信息、用于坐标系变换的参数、校准参数、校准点集和/或其他操作参数，并利用用户界面132将这些存储的数据提供给用户。在一些实施例中，控制器112可以例如与平台110的一个或多个其他元件集成，或分布为平台110、基站130和/或传感器有效载荷140内的多个逻辑设备。

在一些实施例中，控制器112可以被配置成基本上连续地监测和/或存储由平台110、传感器有效载荷140和/或基站130的一个或多个元件提供的状态和/或传感器数据(例如，平台110、传感器有效负载140和/或基站130的位置和/或方向)，以及平台110、传感器有效负载140和/或基站130之间建立的通信链路的状态(例如，包括系统100的元件之间的例如利用数字通信链路发送和接收数据的数据包丢失)。具体地，通常将包丢失估计为丢失的包与发送到指定目标的包的百分比。然而，控制器112还可以被配置为对包丢失进行分类，例如可以对平台110和/或传感器有效载荷140的特定用途可接受的包丢失量进行分类的简化缩放方法。无论如何，可以建立这样的通信链路，并将其配置为在系统100的整个操作期间在系统100的元件之间基本上连续地传输数据，其中，这些数据包括各种类型的传感器数据、控制参数和/或其他数据。

方向传感器114可以被实现为指南针、浮子、加速度计和/或其他设备中的一个或多个，所述其他设备能够测量平台110、万向架系统122、成像系统/传感器有效载荷140和/或系统100的其他元件的方向(例如，相对于一个或更多参考方向(例如重力和/或磁北)的侧倾、俯仰和/或偏航的大小和方向)，并且将测量值提供为能够被传送到系统100的各种设备的传感器信号和/或数据。陀螺仪/加速度计116可以被实现为一个或多个电子六分仪、半导体器件、集成芯片、加速度计传感器、加速度计传感器系统或其他设备，这些其他设备能够测量平台110和/或系统100的其他元件的角速度/加速度和/或线性加速度(例如方向和大小)，并且将测量值提供为可以传送到系统100的其他设备(例如，用户界面132，控制器112)的传感器信号和/或数据。

可以根据任何全球导航卫星系统来实现GNSS 118，全球导航卫星系统包括GPS、GLONASS和/或基于伽利略的接收机和/或其他设备，这些其他设备能够基于从太空和/或地面源(例如eLoran和/或其他至少部分地面系统)接收到的无线信号来确定平台110(例如，或平台的元件110)的绝对和/或相对位置，并且能够将这些测量值提供为能够被传送到系统100的各种设备的传感器信号和/或数据(例如，坐标)。在一些实施例中，GNSS118可以例如包括高度计，或者可以用于提供绝对高度。

通信模块120可以被实现为被配置为在系统100的元件之间发送和接收模拟和/或数字信号的任何有线和/或无线通信模块。例如，通信模块120可以被配置为从基站130接收飞行控制信号和/或数据，并将它们提供给控制器112和/或推进系统124。在其他实施例中，通信模块120可以被配置为从传感器有效载荷140接收图像和/或其他传感器信息(例如，可见光谱和/或红外静止图像或视频图像)，并将传感器数据中继到控制器112和/或基站130。在一些实施例中，通信模块120可以被配置为例如支持扩频传输和/或系统100的元件之间的多个同时通信信道。如本文所述，无线通信链路可以包括一个或多个模拟和/或数字无线电通信链路，例如WiFi等，并且可以是例如在系统100的元件之间建立的直接通信链路，或者可以通过一个或多个配置为接收和重传无线通信的无线中继站进行中继。

在一些实施例中，通信模块120可以被配置为监测在平台110、传感器有效载荷140和/或基站130之间建立的通信链路的状态(例如，包括系统100的元件之间发送和接收的数据的包丢失，例如使用数字通信链接)。这样的状态信息可以被提供给例如控制器112，或者被发送给系统100的其他元件以进行监测、存储或进一步处理，如本文所述。特别地，通信模块120可以被配置为监测平台110与基站130之间的通信的包丢失和/或根据对于与平台110和/或系统100的其他元件的操作和/或状态相关联的特定用途或应用的可接受的包丢失水平来对这种包丢失进行分类。无论如何，由通信模块120建立的通信链路可以被配置为在系统100的整个操作期间基本上连续地在系统100的元件之间传输数据，其中，这种数据包括各种类型的传感器数据、控制参数和/或其他数据，如本文所述。

在一些实施例中，万向架系统122可以被实现为致动的万向架架，例如，其可以由控制器112控制以相对于目标稳定传感器有效载荷140或根据期望的方向和/或相对位置来对准传感器有效载荷140。这样，万向架系统122可以被配置为向控制器112和/或通信模块120(例如，万向架系统122可以包括其自有的方向传感器114)提供传感器有效载荷140的相对定向(例如，相对于平台110的定向)。在其他实施例中，万向架系统122可以被实现为重力驱动的架(例如，非致动的)。在各种实施例中，万向架系统122可以被配置为提供电力、支持有线通信和/或以其他方式支持铰接的传感器/传感器有效载荷140的运行。在进一步的实施例中，万向架系统122可以被配置为耦合到激光指示器、测距仪和/或其他设备，例如以大体上同时地支撑、稳定、供电和/或瞄准多个设备(例如，传感器有效载荷140和一个或多个其他设备)。

推进系统124可被实现为一个或多个推进器、涡轮机或其他基于推力的推进系统，和/或可用于向平台110提供动力和/或升力和/或将平台110转向的其他类型的推进系统。在一些实施例中，推进系统124可以包括多个螺旋桨(例如，三旋翼、四旋翼、六旋翼，八旋翼或其他类型的“旋翼”)，其可以被控制(例如，由控制器112控制)，以为平台110提供升力和运动并为平台110提供取向。在其他实施例中，推进系统110可以被主要配置为提供推力，而平台110的其他结构提供升力，例如在固定翼实施例(例如，机翼提供升力)和/或浮空器实施例(例如，气球、飞艇、混合式浮空器)。在各种实施例中，推进系统124可以用便携式电源来实现，例如电池和/或内燃机/发电机和燃料供应。

例如，其他模块126可以包括其他和/或附加的传感器、致动器、通信模块/节点和/或用户界面设备，并且例如可以用于提供与平台110的操作有关的附加环境信息。在一些实施例中，其他模块126可以包括湿度传感器、风和/或水温传感器、气压计(例如，飞行气压计)、高度计、雷达系统、接近传感器、可见光谱照相机或红外照相机(具有额外的安装座)、辐照度检测器和/或其他环境传感器，以提供可以显示给用户和/或由系统100的其他设备(例如，控制器112)使用的测量值和/或其他传感器信号，从而提供平台110和/或系统100的操作控制。

在一些实施例中，其他模块126可以包括耦合到平台110的一个或多个致动的和/或铰接的设备(例如，多光谱主动照明器、可见和/或IR相机、雷达、声纳和/或其他被致动的设备)，其中每个被致动的设备包括一个或多个致动器、其适于响应于一个或多个控制信号(例如，由控制器112提供)而相对于平台110调整该设备的取向。特别地，其他模块126可以包括被配置为提供图像数据的立体视觉系统，该图像数据可以用于例如计算或估计平台110的位置，或者用于计算或估计在平台110附近的导航危险的相对位置。在各种实施例中，控制器130可以被配置为使用这样的接近度和/或位置信息来帮助安全地操纵平台110和/或监测通信链路质量，如本文所述。一个或多个这样的相机/视觉系统(例如，其他模块126)可以用作位置传感器并且被配置为经由视觉测距法、同时定位和地图构建(SLAM)和/或其他技术来提供平台110的位置，作为GNSS 118的补充和/或替代，例如当GNSS信号被墙壁、建筑物和/或环境电磁噪声有效阻止或阻塞时。

基站130的用户界面132可以被实现为显示器、触摸屏、键盘、鼠标、操纵杆、旋钮、方向盘、飞行摇杆和/或任何其他能够接受用户输入和/或向用户提供反馈的设备中的一个或多个。在各种实施例中，用户界面132可以适于向系统100的其他设备(例如控制器112)提供用户输入(例如，作为由基站130的通信模块134发送的信号和/或传感器信息的类型)。用户界面132还可以利用一个或多个逻辑设备(例如，类似于控制器112)来实现，逻辑设备可以适于存储和/或执行诸如软件指令之类的指令，以实现本文所述的各种过程和/或方法中的任何一种。例如，用户界面132可以适于例如形成通信链路、发送和/或接收通信(例如，红外图像和/或其他传感器信号、控制信号、传感器信息、用户输入和/或其他信息)，或执行此处描述的各种其他过程和/或方法。

在一个实施例中，用户接口132可以适于显示各种传感器信息和/或其他参数的时间序列，作为图表或地图的一部分或覆盖在图表或地图上，其可以参考平台110和/或平台110，和/或系统100的其他元件的位置和/或取向。例如，用户接口132可以适于显示覆盖在地理地图上的平台110和/或系统100的其他元件的位置、航向和/或方向的时间序列，该地理地图可以包括一个或多个图表，用于指示致动器控制信号、传感器信息和/或其他传感器和/或控制信号的相应时间序列。

在一些实施例中，用户接口132可以适于例如接受用户输入，该用户输入包括针对系统100的元件的用户定义的目标航向、航路点、路线和/或取向，并且适于生成控制信号以使平台110根据目标航向、路线和/或取向移动，或相应地瞄准传感器有效载荷140。例如，在其他实施例中，用户接口132可以适于接受修改控制器112的控制回路参数的用户输入。

在另外的实施例中，用户接口132可以适于接受用户输入，该用户输入包括例如用户定义的与平台110相关联的被致动或铰接的设备(例如，传感器有效载荷140)的目标姿态、取向和/或位置，并且适于产生控制信号，以根据目标姿态、取向和/或位置来调节被致动设备的方向和/或位置。这样的控制信号可以被发送到控制器112(例如，使用通信模块134和120)，其然后可以相应地控制平台110。

通信模块134可以被实现为被配置为在系统100的元件之间发送和接收模拟和/或数字信号的任何有线和/或无线通信模块。例如，通信模块134可以被配置为将飞行控制信号从用户接口132传输到通信模块120或144。在其他实施例中，通信模块134可以被配置为从传感器有效载荷140接收传感器数据(例如，可见光谱和/或红外静止图像或视频图像，或其他传感器数据)。在一些实施例中，通信模块134可以被配置为例如支持扩频传输和/或系统100的元件之间的多个同时通信信道。在各种实施例中，如本文所述，通信模块134可以被配置为监测在基站130、传感器有效载荷140和/或平台110之间建立的通信链路的状态(例如，包括系统100的元件之间所发送和接收的数据的包丢失，例如采用数字通信链路时)。这样的状态信息可以被提供给例如用户接口132，或者被发送给系统100的其他元件以进行监测、存储或进一步处理，如本文所述。

基站130的其他模块136可以包括例如其他和/或附加的传感器、致动器、通信模块/节点和/或用于提供与基站130相关联的附加环境信息的用户接口设备。在一些实施例中，其他模块136可以包括湿度传感器、风和/或水温传感器、气压计(例如，标记气压计)、雷达系统、可见光谱相机、红外相机、GNSS和/或提供测量和/或其他传感器信号的其他环境传感器，这些测量和/或其他传感器信号可以显示给用户和/或由系统100的其他设备(例如控制器112)使用，以提供对平台110和/或系统100的操作控制或处理传感器数据以补偿环境条件，例如与平台110和/或基站130大致处于相同高度和/或相同区域内的大气中的水分。在一些实施例中，其他模块136可以包括一个或多个致动的和/或铰接的设备(例如，多光谱主动照明器、可见和/或IR相机、雷达、声纳和/或其他被致动的设备)，其中每个被致动的设备包括一个或多个致动器，其适于响应于一个或多个控制信号(例如，由用户接口132提供)而调整该设备的取向。

在成像系统/传感器有效载荷140被实现为成像设备的实施例中，成像系统/传感器有效载荷140可以包括成像模块142，其可以被实现为检测器元件的冷却和/或未冷却的阵列，例如可见光谱和/或红外敏感探测器元件，包括量子阱红外光电探测器元件、基于辐射热测量计或微型辐射热计的探测器元件、基于II型超晶格的探测器元件和/或其他可以布置在焦平面阵列中的红外光谱探测器元件。在各种实施例中，成像模块142可以包括一个或多个逻辑设备(例如，类似于控制器112)，其可以被配置为在将图像提供给存储器146或通信模块144之前处理由成像模块142的检测器元件捕获的图像。更一般地，成像模块142可以被配置为至少部分地执行或者与控制器112和/或用户接口132组合地执行本文描述的任何操作或方法。

在一些实施例中，举例来说，传感器有效载荷140可以用类似于成像模块142的第二或另外的成像模块来实现，其可以包括被配置为检测其他电磁光谱(例如可见光，紫外线和/或其他电磁光谱或这些光谱的子集)的检测器元件。在各种实施例中，可以将这样的附加成像模块校准或配准到成像模块142，以使得由每个成像模块捕获的图像占据其他成像模块的已知且至少部分重叠的视场，从而允许将不同光谱图像几何地相对于彼此配准(例如，通过缩放和/或定位)。在一些实施例中，除了或替代依赖于已知的重叠视场，可以使用模式识别处理将不同光谱图像彼此配准。

传感器有效载荷140的通信模块144可以被实现为被配置为在系统100的元件之间发送和接收模拟和/或数字信号的任何有线和/或无线通信模块。例如，通信模块144可以被配置为将红外图像从成像模块142传输到通信模块120或134。在其他实施例中，通信模块144可以被配置为从控制器112和/或用户接口132接收控制信号(例如，引导捕获、聚焦、选择性滤波和/或传感器有效载荷140的其他操作的控制信号)。在一些实施例中，通信模块144可以被配置为例如支持扩频传输和/或系统100的元件之间的多个同时通信信道。在各种实施例中，如本文所述，通信模块144可以被配置为监测在传感器有效载荷140、基站130和/或平台110之间建立的通信链路的状态(例如，包括系统100的元件之间所发送和接收的数据的包丢失，例如采用数字通信链路时)。这样的状态信息可以被提供给例如成像模块142，或者被发送给系统100的其他元件以进行监测、存储或一步处理，如本文所述。

例如，存储器146可以被实现为一种或多种机器可读介质和/或逻辑设备，其被配置为存储软件指令、传感器信号、控制信号、操作参数、校准参数、红外图像和/或其他便于系统100操作的数据，并将其提供给系统100的各个元件。存储器146也可以至少部分地实现为可移动存储器，例如安全数字存储卡，例如包括用于这种存储器的接口。

传感器有效载荷140的方向传感器148可以实施成类似于方向传感器114或陀螺仪/加速度计116和/或能够测量传感器有效载荷140、成像模块142和/或传感器有效载荷140的其他元件的取向(例如，相对于一个或多个参考方向(例如重力和/或磁北)的侧倾、俯仰和/或偏航的大小和方向)的任何其他设备，其还提供这些测量值作为可以传送到系统100的各种设备的传感器信号。传感器有效载荷140的陀螺仪/加速度计(例如，角运动传感器)150可以被实现为一个或多个电子六分仪、半导体装置、集成芯片、加速度计传感器、加速度计传感器系统或其他设备，这些设备能够测量传感器有效载荷140和/或传感器有效载荷140的各种元件的角速度/加速度(例如，角运动)和/或线性加速度(例如方向和大小)，并将这些测量值作为传递给系统100的各个设备的传感器信号。

传感器有效载荷140的其他模块152可以包括例如其他和/或附加的传感器、致动器、通信模块/节点、冷却或未冷却的光学滤波器和/或用于提供与传感器有效载荷140相关联的附加环境信息的用户接口设备。在一些实施例中，其他模块152可以包括湿度传感器、风和/或水温传感器、气压计(例如，载荷气压计)、雷达系统、可见光谱相机、红外相机、GNSS、和/或提供测量和/或其他传感器信号的其他环境传感器，这些测量和/或其他传感器信号可以显示给用户和/或由成像模块142或系统100的其他设备(例如控制器112)使用，以提供对平台110和/或系统100的操作控制或处理图像以补偿环境条件。

通常，可以用任何适当的逻辑设备(例如，处理设备、微控制器、处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、存储器存储设备、存储器读取器、或其他设备或设备组合)来实现系统100的各个元件，这些设备适于执行、存储和/或接收适当的指令，例如实现用于提供传感器数据和/或图像或在系统100的一个或多个设备之间传输和/或接收通信(例如传感器信号，传感器信息和/或控制信号)的方法的软件指令。

另外，可以提供一种或多种非暂时性介质来存储机器可读指令，以加载到由系统100的一个或多个设备实现的任何逻辑设备中并由其执行。在这些和其他实施例中，逻辑设备可以在适当的地方用其他组件来实现，例如易失性存储器、非易失性存储器和/或一个或多个接口(例如，集成电路(I2C)接口、移动工业处理器接口(MIPI)，联合测试操作组(JTAG)接口(例如IEEE 1149.1标准测试访问端口和边界扫描架构)和/或其他接口，例如一个或多个天线的接口或用于特定类型的传感器的接口)。

传感器信号、控制信号和其他信号可以使用各种有线和/或无线通信技术在系统100的元件之间进行通信，这些技术例如包括电压信令、以太网、WiFi、蓝牙、Zigbee、Xbee、Micronet或其他介质和/或短距离有线和/或无线联网协议和/或实施方式。在这样的实施例中，系统100的每个元件可以包括一个或多个支持有线、无线和/或有线和无线通信技术组合的模块。在一些实施例中，例如，系统100的各种元件或元件的一些部分可以彼此集成，或者可以集成到单个印刷电路板(PCB)上以减少系统复杂性、制造成本、功率要求、坐标系误差和/或各种传感器测量之间的时序误差。

系统100的每个元件可以例如包括一个或多个电池、电容器或其他电力存储设备，并且可以包括一个或多个太阳能电池模块或其他电力生成设备。在一些实施例中，设备中的一个或多个可以使用一根或多根电源线由平台110的电源供电。这样的电源线还可用于支持系统100的元件之间的一种或多种通信技术。

图2示出了根据本公开实施例的包括成像系统/传感器有效载荷140和相关联的万向节系统122的UAS 200的移动平台(UAV)110A和110B的图。在图2所示的实施例中，UAS 200包括基站130、具有铰接的成像系统/传感器有效载荷140和万向节系统122的UAV 110A、以及具有铰接的成像系统/传感器有效载荷140和万向节系统122的UAV 110B，其中基站130可以被配置为控制UAV 110A、UAV 110B和/或传感器有效载荷140的运动、位置和/或取向。

许多UAV被设计为在侦察或观察任务期间飞行或悬停时由板载电池供电，该电池需要为推进系统、板载传感器和其他电子设备供电。因此，电池寿命为UAV提供了最大的任务时长。其他UAV可以配置为通过在操作过程中从地面部署的微丝(microfilament)提供动力，从而扩展任务时长，而在大多数情况下基于微丝的长度来限制任务飞行区域。本文描述的实施例可以包括系留的UAV的受控操作，通过其将电力、控制和通信信号发送到UAV。控制站(例如，基站130)和UAV包括动力管理系统和控制电路，以控制UAV的起飞、飞行操作和着陆。位于UAV上或通过通信网络连接的控制站上的一个或多个控制器被配置为执行指令以操作系统。在一个实施例中，UAV可以根据操作员命令或自主控制的要求，从远程电源(通过系绳)、板载电池或从两者获取电力。值得一提的是，该功能还可以使基于地面或水上的UAV具有电源，以便在系留电源中断时安全、受控地着陆。

如本文所述，UAS的各种实施例包括具有相对较高的系绳部署和收回速率的系绳管理系统。可以使用静态组件，可以在其上放置系绳以进行部署和收回。可移动致动器可以在部署或收回期间响应于来自控制系统的命令而接触系绳，以将系绳与静态组件分离，该控制系统响应于手动和存储指令，以协调系绳管理与UAV飞行控制功能。

在一些实施例中，结合有系留的UAV的UAS可以被称为持久空中侦察和通信(PARC)系统，其通过使用微丝为UAV提供延长的飞行时间，微丝可以通过一对线状导线来实现，其可以向UAV传输超过一千瓦的功率，同时还可以传输双向控制和/或传感器数据，包括高清视频。PARC系统可以快速部署为基于低维护性UAV的UAS，该UAS允许摄像机、无线电或其他有效载荷长时间保持运行。PARC系统可以设计为直观地易于启动/着陆，而较小的物流足迹(logistics footprint)可能会使该系统适合于严酷的环境。PARC系统可能需要最少的操作和维护培训。可以将PARC系统设计为快速而简化的部署，以最大程度地减少操作员的管理，同时最大程度地提高通信扩展、部队保护、持久凝视和战术情报方面的能力。

图3A示出了根据本公开实施例的包括系留的UAV 110的UAS 300的图。在一些实施例中，UAS 300可以被实现为PARC系统。UAS 300包括配备有有效载荷140的系留的UAV 110、系留管理系统360和基站330。UAS 300还可以包括耦接到操作员控制单元(OCU)332的数据平台适配器/媒体转换器(DPA/MC)334。有效负载140可以是摄像机、雷达或PARC系统的特定应用所需的其他类型的监视、通信或其他传感器。通常，系统300可以是图1的系统100的实施例，其中基站330、OCU 332、DPA/MC334和/或系绳管理系统360中的每一个可以是系统100的基站130(例如，和/或其他模块136)的元件。

系绳管理系统360可以是基于地面的部件，其包括容纳系绳线轴组件的线轴组件，该线轴组件可以是保持预先缠绕量的将附着到UAV 110的微丝系绳的圆柱形轮轴。例如，在一个实施例中，线轴组件可以容纳167.6米(550英尺)的微丝系绳。在一个实施例中，微丝系绳可以是具有凯夫拉护套的绝缘的双绞铜线对，该双绞铜线对在系绳管理系统360和UAV110之间提供电力链路和通信链路。基站330可以连接到系绳管理系统360。基站330可以包括在环境密封的外壳中容纳AC电源输入和高压转换电子器件的组件。基站330还可以包括高电压输出端口，以向系绳管理系统360供应高电压，系绳管理系统360经由微丝将高电压传送至UAV 110。数据平台适配器/媒体转换器(DPA/MC)334可以起到将OCU 332连接到基站330的功能，同时还提供电击危险隔离。DPA/MC 334可以包括一个通过光纤电缆连接到基站330的光端口，还可以包括一个与OCU 332连接的以太网端口。OCU 332可以是配备并能够执行OUA应用程序以实现对UAV110的控制的加固型笔记本电脑或其他计算设备。在美国专利7,510,142和7,631,834中可以找到关于系留和非系留载具的操作的更多细节，其全部内容通过引用并入本文。

图3B示出了根据本公开实施例的用于UAS 300的通信和电力互连的图。如图3B所示，基站330可以将电力(例如，由源336提供)转换为高压电力，并且向系绳管理系统360提供高压电力。基站330还可以向系绳管理系统360提供以太网上的通信链路和低压电力。系绳管理系统360可以将微丝系绳上的高压电力提供给UAV 110，以用于能量密集型操作，例如飞行操作期间的雷达感测和推进。如上所述，微丝还可以提供用于OCU 332和/或UAS 300的操作员与UAV 110通信的通信路径。DPA/MC334可以通过光纤与基站330通信，并且可以通过以太网连接与OCU 332通信。

如本文所述，结合有系留的UAV的UAS通常包括：可携带各种传感器有效载荷的UAV；用于电力和/或数据传输的系绳；以及基站和/或系绳管理系统，其通常包括绞盘以卷收/延伸系绳，并提供外部电力的传输或发电，以通过系绳传送到无人机。无人机在飞行过程中出于任务目的而偏航是很常见的。系留型UAV通常比非系留型UAV飞行更长的时间，因此，在持续数小时或数天的飞行过程中，系留型UAV可能会累积足够的偏航，从而在单一方向中(例如，顺时针可能是正扭曲，逆时针可能是负扭曲)会累积大量的扭曲(例如，完全/360度偏航旋转)。如果大多数扭曲是在一个方向上而不是在两个方向上都保持平衡，则在系绳中累积的扭曲可能会导致损坏，例如由于机械疲劳而损坏系绳接口部件和/或缩短系绳的可靠寿命。无论基站是放置在地面上还是安装在移动的车辆上，由于其相对较大的重量，旋转基站/系绳管理系统以解开系绳通常很困难，并且增加旋转绞盘的机构给系绳管理系统带来了极大的复杂性和/或需要全新的机械设计。因此，更希望旋转系绳的另一端，即UAV。

例如，图4示出了根据本公开实施例的包括经历意外系绳扭曲的系留的UAV 110的UAS 400的图。如图4所示，UAS 400包括通过系绳362系留到基站130/330和/或系绳管理系统360的UAV 110。另外，UAV 110已经在一个方向上充分地偏航，以在系绳362中累积大约3.5周扭曲。

为了减少这种扭曲对完成飞行任务的影响，应该解决以下问题：通常，在累积的扭曲达到或超过预设的最大允许累积扭曲之前，不需要解开绳索362；解开应是自动化的(例如，以减轻UAS 400操作员的操作负担)；在某些情况下，UAS 400的操作员应决定何时启动解开；在任何时候，系绳362的累积扭曲和接近系绳362的最大允许累积扭曲都应由UAS 400监控，并通过适当的指示器和/或警告机构提供给UAS 400的操作员；在解开过程开始之前，应存储UAV 110的航向，并且在可能的情况下，当解开过程完成时，UAV 110应返回到存储的航向；在可能的情况下，应在将UAV110降落之前完全或尽可能多地解开系绳362，以消除在卷绕系绳362时系绳362的扭曲(例如，当引导UAV 110降落并在触地之前完成解开时，可以启动解开过程)；并且，UAS 400和/或UAS 400的操作员应在任何时候(例如，出于安全/紧急情况)暂停/取消已启动的解开过程。

图5示出了根据本公开实施例的用于提供系绳管理的状态机500的图。在图5所示的实施例中，状态机包括初始状态502和三个循环状态：空闲状态504、解开状态506和航向状态508。链接每个循环状态是三个状态更改操作员：起始操作员514、完成操作员516和空闲操作员518。可以设想其他状态和/或操作员，例如紧急空闲操作员将解开状态506和航向状态508中的每个链接到空闲状态504，并绕过图5所示的其他状态和/或操作员。

通常，手动启动和取消可以是系统100/400的操作员提供的用户输入，并且例如当UAV 110被引导降落时，或者当累积的扭曲达到和/或超过最大允许累积扭曲时，可以触发自动启动。解开状态506可以被配置为在执行解开过程之前存储UAV 110的航向，解开过程可以包括尽可能快地反向偏航UAV 110以解开系绳362，并且航向状态508可以被配置为将UAV110偏航到所存储的航向，因此每个状态可能使用不同的控制逻辑。

状态机500的关键参数可以包括最大允许扭曲或扭曲公差(单位：rev/m)，其可以通过基准测试来确定。执行基准测试的一种可能方式是固定系绳362的一端并旋转另一端，同时在系绳362上传输电力和/或数据，直到出现任何临时或永久性能问题。可以通过以下方式确定最大允许扭曲：将旋转的周数(在造成检测到的损坏中)除以测试的系绳的长度，然后可选地将该数量按公差百分比减少，以考虑不均匀的系绳材料(例如10％)。

另一个关键参数可以包括最大允许累积扭曲或警告公差(单位：周数)，其可以被定义为最大允许扭曲乘以从系绳管理系统360中卷出的系绳的长度。如果无法获取系绳362的未卷绕长度，则可以将UAV高度AGL(地上高度)用作粗略选择，AGL可以由差异飞行高度估算系统提供，如2020年1月19日提交的标题为“FLIGHT ALTITUDE ESTIMATION SYSTEMS ANDMETHODS”的美国专利申请No.62/963,128中所述[代理人档案号70052.1841PV01]，在此通过引用将其全部内容并入本文。另一个关键参数可以包括最大解开速度(单位：rad/s)，其可以被定义为UAV 110的最大偏航速度，以估计最小的可能解开时间。

在各种实施例中，状态机500可以用于生成发送到UAS 100/400(例如，UAS 100/400的自动驾驶仪)和/或UAS 400通信的操作员的通知。一个这样的通知可以包括消息或触发器，该消息或触发器包括表明系绳362被过度扭曲的指示以及用于解开系绳362的指令，例如在用户接口132的显示器上呈现系绳损坏警告消息，其例如可以包括“系绳过度扭曲，请解绕”。这样的通知可以通过监视累积偏航(例如，使用方向传感器114)、将累积偏航的绝对值除以360度以确定累积扭曲、以及相对于最大允许累积扭曲监视累积扭曲而产生。

另一个这样的通知可以包括消息或触发器(例如，当从空闲状态504转变为解开状态506时传递)，该消息或触发器包括解开过程已经开始的指示，例如在用户接口132的显示器上呈现系绳解开过程启动消息，其例如可包括“系绳解开已经开始”。在一些实施例中，启动操作员514可以包括生成这种通知的过程。另一个这样的通知可以包括消息或触发器(例如，当从航向状态508转变为空闲状态504时传递)，该消息或触发器包括解开过程已经完成的指示，例如在用户接口132的显示器上呈现系绳解开过程完成的消息，包括“系绳解开已经完成”。在一些实施例中，完成操作员516和/或空闲操作员518可以包括生成这种通知的过程。在各种实施例中，在用户接口132的显示器上呈现这样的消息是向操作员传递这些通知的优选方式，但是使操作员和/或UAS 100/400的其他元件知道状态转变/状况的任何其他适当方式是可以接受的。如上所述，操作员应易于接近任何用于绳索解开的启动/取消按钮。

图6示出了根据本公开实施例的使用UAS 100和/或300来提供系绳管理的各种操作的流程图600。在一些实施例中，图6的操作可以被实现为由与图1-5中描绘的相应电子设备、传感器、控制回路和/或结构相关联的一个或多个逻辑设备或控制器执行的软件指令。更一般地，图6的操作可以用软件指令、机械元件和/或电子硬件(例如，电感器、电容器、放大器、致动器或其他模拟和/或数字组件)的任何组合来实现。还应该意识到，过程600的任何步骤、子步骤、子过程或块可以以不同于图6示出的实施方式的顺序或布置来执行。例如，在其他实施例中，一个或多个框可以从该过程中省略或添加到该过程中。此外，框输入、框输出、各种传感器信号、传感器信息、校准参数和/或其他操作参数可以在移动到对应过程的后续部分之前被存储到一个或多个存储器。尽管参考图1-5中描述的系统描述了过程600，但是过程600可以由不同于那些系统并且包括不同选择的电子设备、传感器、组件、机构、平台和/或平台属性的其他系统执行。

在框602处，接收航向数据。例如，控制器112、通信模块120、用户界面132和/或通信模块134可以被配置成从方向传感器接收与系留的UAV在调查区域内的一个或多个位置相对应的航向数据。在框604，确定累积的扭曲。例如，控制器112、通信模块120、用户接口132和/或通信模块134可以被配置为确定耦接在基站和系留的UAV之间的系绳的累积扭曲，其中，该系绳的累积扭曲至少部分地基于接收到的航向数据。在各个实施例中，控制器112、通信模块120、用户接口132和/或通信模块134可以被配置为例如基于用于操纵系留的UAV的控制信号来确定系绳的累积扭曲，以便补偿与方向传感器相关联的传感器误差，或者用于补偿与系留的UAV的相对快速偏航和/或系留的UAV的航向的相对较慢的更新率相关的包覆(wrap)误差。在框606中，产生系绳损坏警告通知。例如，控制器112、通信模块120、用户接口132和/或通信模块134可以被配置为至少部分地基于所确定的累积扭曲和与耦接在基站和系留的UAV之间的系绳相关联的最大允许累积扭曲来生成系绳损坏警告通知。

通过提供这种用于系绳管理的系统和技术，本公开的实施例充分改善了无人传感器平台的操作灵活性和可靠性。此外，这样的系统和技术可以用于增加无人移动传感器平台的操作安全性，使其超过常规系统所能达到的安全性。这样，实施例为移动传感器平台系统提供了显着增加的监测便利性和性能。

在适用的情况下，可以利用硬件、软件或硬件和软件的组合来实施本公开提供的各种实施方式。同样在适用的情况下，本文列出的各种硬件元件和/或软件元件可以组合到复合元件中，该复合元件包括软件、硬件和/或二者，而不脱离本公开文本的精神。在适用的情况下，本文列出的各种硬件元件和/或软件元件可以分离成子部件，包括软件、硬件或二者，而不脱离本公开文本的精神。此外，在适用的情况下，可以预期的是，软件元件可以实施为硬件元件，反之亦然。

根据本公开文本的软件(例如非临时性指令、程序代码和/或数据)可以存储在一个或多个非临时性机器可读介质中。还可以预期的是，本文认同的软件可以利用一个或多个通用或专用的计算机和/或计算机系统、网络和/或其他方式实现。在适用的情况下，本文描述的各种步骤的顺序可以发生变化、组合到复合步骤和/或分割成若干子步骤以提供本文描述的特征。

上文描述的实施方式是示例性的，并非限制本发明。应该理解，根据本发明的原理，众多改进和变化是可能的。因此，本发明的范围仅由随附权利要求限定。