在发生飞行偶然事件的情况下无人飞行器飞行路径的确定.pdf

本申请公开一种用于无人驾驶飞机的增强控制系统，其将约束添加到如果发生飞行偶然事件，例如强迫改道或未计划降落的引擎失效或遇到干扰，选择飞行路径的过程中。约束是：(1)确保在偶然事件操作期间当需要时，通信是可用的；以及(2)确保在偶然事件操作期间当需要时，来自全球定位系统(或其他导航系统)的信号是可用的。

权利要求书
1.  一种响应于飞行偶然事件控制无人驾驶飞机的方法，该方法包括：
通过所述无人驾驶飞机上的计算机系统执行操作，该操作包括：
(a)确定所述无人驾驶飞机的当前飞行路径是否应该被改变；
(b)响应于所述当前飞行路径应该被改变的确定，确定满足信号接收约束的所述无人驾驶飞机的不同飞行路径；以及
(c)控制所述无人驾驶飞机飞过所述不同飞行路径。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中所述信号接收约束是通信或导航约束。

3.  根据权利要求1所述的方法，其中所述不同飞行路径的目的地是紧急降落点。

4.  根据权利要求1所述的方法，其中所述不同飞行路径的目的地是不被包括于所述无人驾驶飞机的计划任务内的新航路点。

5.  根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)包括使用RF环境模型和几何引擎来确定所述无人驾驶飞机飞向的不同位置，所述不同位置被计算以减少干扰的影响。

6.  根据权利要求5所述的方法，其进一步包括如果由于所述不同位置的原因，与所述操作者的连接被恢复，则更新所述RF环境模型。

7.  一种用于响应于飞行偶然事件控制无人驾驶飞机的方法，该方法包括：
通过所述无人驾驶飞机上的计算机系统执行操作，该操作包括：
(a)确定信号接收条件是否指定了所述无人驾驶飞机的当前取向应该被改变；
(b)响应于所述当前取向应该被改变的确定，确定满足信号接收约束的无人驾驶飞机的不同取向；以及
(c)控制所述无人驾驶飞机重新取向为所选的不同取向。

8.  根据权利要求7所述的方法，其中所述信号接收约束是通信或导航约束。

9.  根据权利要求7所述的方法，其中步骤(a)包括：
(d)确定机载接收机是否正在接收足够的信号；以及
(e)如果所述计算机系统在步骤(d)中确定所述接收机未正在接收足够的信号，则确定接收功率是否大于第一预定义的阈值。

10.  根据权利要求9所述的方法，其中步骤(b)包括使用RF环境模型和几何引擎来确定所述无人驾驶飞机的所述不同取向，所述不同取向被计算以改进信号接收。

11.  根据权利要求10所述的方法，其进一步包括如果由于所述不同取向的原因，与所述操作者的连接被恢复，则更新所述RF环境模型。

12.  根据权利要求10所述的方法，其中响应于所述接收功率小于第二预定义的阈值的确定，所述无人驾驶飞机被重新取向以便不同的天线指向操作者。

13.  根据权利要求12所述的方法，其中响应于所述接收功率大于所述第一预定义的阈值并且小于所述第二预定义的阈值的确定，所述无人驾驶飞机被重新取向以便其机体使天线免遭干扰信号。

14.  一种用于响应于飞行偶然事件控制无人驾驶飞机的方法，该方法包括：
通过所述无人驾驶飞机上的计算机系统执行操作，该操作包括：
(a)确定所述无人驾驶飞机的飞行关键组件是否操作得足够良好以继续飞行；
(b)响应于所述飞行关键组件没有操作得足够良好以继续飞行的确定，创建可到达降落点列表；
(c)确定到至少一个所述可到达降落点的至少一条路径是否满足信号接收约束；以及
(d)控制所述无人驾驶飞机遵循所述至少一条路径。

15.  根据权利要求14所述的方法，其中所述信号接收约束是通信或导航约束。

16.  一种用于响应于飞行偶然事件控制无人驾驶飞机的系统，其包括：
计算机系统和存储RF环境模型的计算机存储器；
几何引擎；以及
RF约束逻辑，
其中所述计算机系统被配置为根据所述RF约束逻辑的第一例程来执行操作，该操作包括：
确定所述无人驾驶飞机的当前飞行路径是否应该被改变；
响应于所述当前飞行路径应该被改变的确定，使用所述RF环境模型和所述几何引擎来确定满足信号接收约束的所述无人驾驶飞机的不同飞行路径；以及
控制所述无人驾驶飞机飞过所选的不同飞行路径。

17.  根据权利要求16所述的系统，其中所述信号接收约束是通信或导航约束。

18.  根据权利要求16所述的系统，其中所述计算机系统进一步能够根据所述RF约束逻辑的第二例程执行操作，所述操作包括：
确定信号接收约束是否指定了所述无人驾驶飞机的当前取向应该被改变；
响应于所述当前取向应该被改变的确定，使用所述RF环境模型和所述几何引擎来确定满足所述信号接收约束的所述无人驾驶飞机的不同取向；以及
控制所述无人驾驶飞机重新取向为所选的不同取向。

19.  根据权利要求18所述的系统，其中所述信号接收约束是通信或导航约束。

20.  一种用于响应于飞行偶然事件控制无人驾驶飞机的系统，其包括：
计算机系统和存储RF环境模型的计算机存储器；
几何引擎；以及
RF约束逻辑，所述计算机系统能够根据所述RF约束逻辑执行操作，该操作包括：
确定所述无人驾驶飞机的飞行关键组件是否操作得足够良好以继续飞行；
响应于所述飞行关键组件没有操作得足够良好以继续飞行的确定，创建可到达降落点列表；
使用所述RF环境模型和所述几何引擎，确定到至少一个所述可到达降落点的至少一条路径是否满足信号接收约束；以及
控制所述无人驾驶飞机遵循所述至少一条路径。

说明书在发生飞行偶然事件的情况下无人飞行器飞行路径的确定
技术领域
本公开总体涉及用于选择飞行器的飞行路径的系统的方法。特别地，本公开涉及如果发生飞行偶然事件为无人驾驶飞机(UAV)选择飞行路径的系统和方法。
背景技术
小型UAV必须可以利用通信和导航信号以便它们进行某些任务，这些任务包括降落。为按计划进行的任务(nominal mission)制定计划一般包括要考虑到在哪和何时这些信号是可用的并且在哪和何时它们被阻挡。许多已知的软件包支持这种计划。
当一些其他的偶然事件强迫UAV离开按计划进行的任务路径时，有时通信或导航信号被意外地阻挡(比如，被干扰)或被仅相关的已知因素(比如，地形)阻挡。这些其他的偶然事件的示例包括引擎故障或为了追踪嫌疑目标而飞行临时航线。
为了说明前述内容，考虑一个方案，其中UAV处在山区内，且可以在操作者的视线内。其在轨道内飞行以监视目标并且停留在先前任务计划所限定的“良好通信和导航”区域内。然后操作者使UAV进入未计划的方向以便支持搜索和营救。这将使UAV处于山脉之后，进而切断了按计划进行的高度处的通信信号。在这种情形下，不期望丢失UAV或放弃该任务。
较大的UAV和有人驾驶飞行器经常具有针对通信(比如，SATCOM)和导航(比如，惯性导航)的冗余的系统，该系统可使其对干扰和其他偶然事件做出响应而不失去通信和导航。即它们具有许多的光谱自由度。另一方面，小型UAV一般不能容下这些冗余系统所需的重量、动力以及体积；因此，小型UAV依靠单一无线电和全球定位系统(GPS)接收器。为了处理飞行偶然事件的通信/导航方面，这种UAV具有少量或没有光谱自由度；代替地，它们必须依靠飞行控制使能的自由度。
一种解决方案是交通工具操作者响应于飞行偶然事件实时地人工选择路径。当偶然事件要求强行降落时，交通工具操作者(经由UAV摄像机或在地图上)查看周围从而寻找潜在的降落点，根据通信的需要将他的或她的最好 的猜测作为飞行器能够安全地到达的地点，从这些地点中拾取一个地点，并且尝试驾驶UAV到达那个地点。同样地对于从飞行计划的其他偏离，操作者拾取他或她猜测将会是安全的并且有充分通信的路径，同时完成任务目标。
另一种解决方案是对UAV期望的行为进行预编程。当UAV丢失通信或者丢失其与GPS信号的连接时，其执行它的操作者在飞行前预编的路径。
进一步的解决方案，对于要求强行降落的偶然事件而言，其提供计算机程序，该计算机程序检查所存储的信息，该信息关于地形、天气、飞行器性能特性以及诸如机场、公路、电线或森林的地形特征；选择在飞行器的性能限制下能够到达的潜在降落点；以及使飞行器飞到这些地点之一或者显示信息以引导交通工具操作者到达这些地点之一。对于包括特设的重新计划的飞行计划而言，这种已知的解决方案提供了路径，从该路径UAV总能够在UAV的运动极限内到达安全降落点。这种已知的解决方案不考虑通信或GPS连接约束。
在此需要一种系统和方法，其能够帮助UAV选择在偶然事件情形中维持使用通信和导航信号的飞行路径。
发明内容
改进的UAV控制系统在此被描述，其将约束添加到在发生飞行偶然事件，诸如引擎故障或者遇到干扰(其强迫改道或未计划的降落)的情况下选择飞行路径的过程中。约束为：(1)确保在偶然事件操作期间当需要时通信是可用的；以及(2)确保在偶然事件操作期间当需要时来自GPS(或其他导航系统)的信号是可用的。
根据本文公开的不同实施例，增强UAV控制系统帮助UAV选择飞行路径，该飞行路径可在偶然事件情形中维持使用通信和导航信号。根据一个实施例，UAV控制系统包括计算机系统，其被编程以便(a)检测飞行偶然事件，(b)选择符合通信和导航信号可用的要求同时满足其他约束的路径，以及(c)飞行所选路径。UAV控制系统进一步包括RF环境的数字模型，所述RF环境包含操作者的发射机的位置、如雷达站或已知干扰机的其他发射机的特性、UAV上每个天线的方位和取向，RF信号极化，可导致多路衰减的地形特征等等。控制系统进一步包括几何引擎，其包含数据和函数以便分析UAV方位和取向的改变如何影响相对于操作者的RF信号的每个天线的方位和取向。控制 系统可进一步包括何时以及如何使用RF环境模型和几何引擎的逻辑。
根据一个实施例的UAV控制系统能够在每个以下偶然事件方案中维持使用通信和导航信号：(1)UAV已经进入了一个空间，在该空间中，由于干扰的原因通信和/或导航信号突然不可用，且干扰的空间范围是未知的；(2)已经存在引擎故障(或其他飞行控制故障)并且在降落不久前通信被需要，该通信包括时间以在数据可以被交换前同步通信链路；以及(3)UAV已经被改道以便追踪通过先前任务计划所覆盖区域外的新目标。软件模块或计算机程序能够被分别执行以便响应于任一个前述偶然事件而维持使用通信和导航信号。
下文公开的一个方面是响应于飞行偶然事件控制无人驾驶飞机的方法，包括由无人驾驶飞机上的计算机系统进行的以下操作：(a)确定无人驾驶飞机的当前飞行路径是否应该被改变；(b)响应于当前飞行路径应该被改变的确定，确定满足信号接收约束的无人驾驶飞机的不同飞行路径；以及(c)控制无人驾驶飞机飞过不同飞行路径。信号接收约束是通信或导航约束。在一个实施例中，不同飞行路径的目的地是紧急降落点。在另一个实施例中，不同飞行路径的目的地是没有被包含在无人驾驶飞机的计划任务内的新航路点。在进一步的实施例中，步骤(b)包括使用RF环境模型和几何引擎确定无人驾驶飞机的不同位置以便飞到正被计算的不同位置以减少干扰的影响。如果由于不同的位置的原因，与操作者的连接被恢复，则更新RF环境模型。
另一方面是响应于飞行偶然事件控制无人驾驶飞机的方法，包括由无人驾驶飞机上的计算机系统进行的以下操作：(a)确定信号接收条件是否指定无人驾驶飞机的当前取向应该被改变；(b)响应于当前取向应该被改变的确定，确定满足信号接收约束的无人驾驶飞机的不同取向；以及(c)控制无人驾驶飞机重新取向为已选择的不同取向。在一个实施例中，步骤(a)包括：(d)确定机载接收机是否正在接收足够的信号；以及(e)如果计算机系统确定在步骤(d)中接收机没有接收到足够的信号，则确定接收功率是否大于预定义的阈值。步骤(b)可以包括使用RF环境模型和几何引擎确定无人驾驶飞机的不同取向，正被计算的不同取向用于改善信号的接收。如果因为不同的取向，与操作者的连接被恢复，则更新RF环境模型。
根据进一步的方面，响应于飞行偶然事件控制无人驾驶飞机的方法被提供，其包括由无人驾驶飞机上的计算机系统进行的以下操作：(a)确定无人 驾驶飞机的飞行关键组件是否操作得足够良好以继续飞行；(b)响应于飞行关键组件没有操作得足够良好的以继续飞行的确定，创建可到达的降落点列表；(c)确定到达至少一个可到达降落点的至少一条路径是否满足信号接收约束；以及(d)控制无人驾驶飞机以遵循至少一条路径。
上述的每个方法可以由包括计算机系统和计算机存储器的系统自动地执行，所述存储器存储了RF环境模型，几何引擎以及RF约束逻辑。
根据一个实施例，计算机系统被编程以响应于当前飞行路径应该被改变的确定，使用RF环境模型和几何引擎确定满足信号接收约束的无人驾驶飞机的不同飞行路径。
根据另一个实施例，计算机系统被编程以响应于当前取向应该被改变的确定，使用RF环境模型和几何引擎确定满足信号接收约束的无人驾驶飞机的不同取向。
根据另一个实施例，计算机系统被编程以执行以下操作：确定无人驾驶飞机的飞行关键组件是否操作得足够良好以继续飞行；响应于飞行关键组件没有操作得足够良好以继续飞行的确定，创建可到达降落点列表；使用RF环境模型和几何引擎确定到达至少一个可到达降落点的至少一条路径是否满足信号接收约束；以及控制无人驾驶飞机遵循至少一条路径。
增强控制系统和方法的其他方面在下文中被公开并且被声明。
附图说明
图1是显示了典型的UAV的主要子系统的布局的框图。
图2是根据一个实施例显示了如果发生飞行偶然事件用于控制UAV的飞行路径的系统的软件组件的框图。
图3是显示了响应于干扰或硬件故障维持使用通信和导航信号的算法的步骤的流程图。
图4是显示了响应于引擎或飞行控制故障维持使用通信和导航信号的算法的步骤的流程图。
图5是显示了响应于执行未计划任务部分的命令维持使用通信和导航信号的算法的步骤的流程图。
对附图的参考将会在下文中被做出，其中不同附图中类似的元件拥有相同的参考数字。
具体实施方式
图1显示了一种可运用本文公开的增强控制系统的UAV10的主要子系统的布局。UAV10具有在其前端的摄像机12和在其后端的马达14。马达14驱动推进器16的转动。所有的子系统经由一个或多个数据总线24与机载控制计算机22(下文为“控制器”)通信。图1所述的UAV10具有分别安装在机翼18和20的翼尖处的两个天线26和28。每个天线连接到GPS接收机30、常规无线电接收机(Rx)32以及无线电发射机(Tx)34。UAV进一步包括也可经由一个或多个数据总线24与控制器22通信的致动器36和飞行仪器38。
图2根据一个实施例显示了如果发生飞行偶然事件用于控制UAV的飞行路径的系统的硬件和软件组件。这种软件运行在图1所述的计算机上。方框21表示处理器，其执行控制计算机22(控制器22)的一个或多个硬件或软件组件上的指令或操作。方框23表示存储器，其可以是临时的或永久的存储介质，包含但不限于，闪速存储器、硬盘以及存储器棒。方框25表示网络或可以采用的形式例如但不限于一个或多个有线传输路径、wi-fi路由器、光纤电缆、同轴电缆、红外线的通信链路，或具有一个或多个路径以便在一个或多个硬件或软件组件与处理器21之间传递信号并且通过一个或多个数据总线24交换信息、指令或操作的无线通信链路。方框40表示偶然事件路径计划器，其可以采取的形式为控制器22内的软件模块。偶然事件路径计划器40使用约束以便在未按计划进行的操作期间计划路径。这种约束可以包括被存储在各自的数据库42、44、46、48内的交通工具飞行器、地形、天气以及空域约束。
交通工具飞行器约束数据库42包含指示了因素的数据，所述因素限制了交通工具飞行器的性能，诸如电池寿命，诸如最大滚转率、最大倾斜角、最小转弯半径、滑翔速度等等。地形约束数据库44包含指示了降落点处的以及沿飞行路径到降落点的地形的特性的数据。地形约束可以被用于识别考虑了地形，例如山脉、丘陵、峡谷、河流等等的到达降落点的安全入口进路路径。天气约束数据库46可以包括指示了天气信息，特别是降落点处以及沿飞行路径到降落点的历史天气信息、趋势等等的数据。空域约束数据库48包含指示了可用于生成到达降落点的一条或多条飞行路径的空域的数据。空域约束可以指示，例如，飞机不能合法地飞过的军事设施或其他敏感区域。
根据一个实施例，增强UAV控制系统进一步包括数字RF环境模型50、几何引擎52以及用于确定何时并且如何使用RF环境模型50和几何引擎52的RF约束逻辑54。RF环境模型50可以包含操作者的发射机位置、其他发射机例如无线电站或抑制干扰机的特性、UAV上每个天线的方位和取向、RF信号极化、可导致多路衰减的地形特征等等。几何引擎52包括数据和函数以便分析UAV方位和取向的改变如何影响相对于操作者的RF信号的每个天线的方位和取向。偶然事件路径计划器40进一步包括逻辑，该逻辑包括约束其他约束(上述)中的RF约束，例如，在偶然事件操作期间约束。
例如，正如附图和本文中所说明的，计算机系统可以被配置以便根据所述RF约束逻辑的第一例程来执行操作，这包含：确定无人驾驶飞机的当前飞行路径是否应该被改变，响应于当前飞行路径应该被改变的确定使用所述RF环境模型和几何引擎确定满足信号接收约束的无人驾驶飞机的不同飞行路径，以及控制无人驾驶飞机飞过所选的不同飞行路径。在另一个示例中，计算机系统可以进一步能够根据RF约束逻辑的第二例程来进行操作，这包括：确定信号接收约束是否指定了无人驾驶飞机的当前取向应该被改变，响于当前取向应该被改变的确定使用RF环境模型和所述几何引擎来确定满足所述信号接收约束的无人驾驶飞机的不同取向，以及控制无人驾驶飞机重新取向为所选的不同取向。
图3显示了用于响应于干扰而维持使用通信和导航信号的算法(由控制器执行)的步骤。方框55和56概述了在本领域为公知的“预编行为”策略。图2中部分描述的对系统干扰的增强响应比单一的预先计划操作更为复杂。
根据图3所述的步骤55，UAV执行按计划进行的任务函数，机载控制系统指导这些函数并且保持对交通工具状态的跟踪，即位置、速度、燃料水平等。在步骤56中，机载控制系统检查是否无线电装置正在接收足够的通信信号，即来自接收机的清楚的数据。如果是，则控制系统通过其按计划进行的任务继续引导UAV。如果否，则其开始一系列的诊断和响应。
第一诊断步骤58检查所接收的功率是否大于用户所选的低阈值，阈值1。如果否，则推测UAV的接收机已经故障了。机载控制器将不能修复接收机并且因此不能再得到与操作者间的通信。控制器执行用户规定的预先计划操作(步骤60)。如果是，则推测UAV的接收机仍然起作用。控制器进入下一个诊断步骤62。
第二诊断步骤62检查所接收的功率是否大于用户所选的中等阈值，阈值2(阈值2大于阈值1)。如果否，则推测UAV的接收机仍然工作，但是至少一个天线(或从天线到接收机的电缆)受损。结果，接收机正得到比其应该得到的信号弱得多的信号。
作为响应(步骤64)，控制器使用RF环境的其内部数字模型和其几何引擎以便假定新的方位，该方位可以改进RF的接收(比如，通过对UAV取向以将不同的天线指向操作者，或者通过得到高度以建立到达操作者的更清楚的路径)并且其在其他飞行约束下是可以实现的。在给定的情况中假定的新方位的数量是n_max。控制器指导UAV以飞向每个假定的新方位并且通过将RF信号强度增加在阈值2以上来检查是否步骤64成功(步骤66)。如果其成功，则控制器更新其RF环境模型(步骤80)并且在其新的RF约束下继续该任务(返回到步骤55)。如果其不成功，但是其他假定的新方位保留(即n＜n_max)，则控制器指导UAV以便飞向下一个假定的方位。这个过程重复直到所有假定的方位被穷尽。如果假定方位中没有一个成功，则控制器执行用户规定的预先计划操作(步骤60)。
现在返回到诊断测试是否所接收的功率大于阈值2(见步骤62)，如果答复为是，那么这意味着UAV正在接收足够强的信号，但是不能理解它。推测某些强RF信号正在混扰操作者的信号。换言之，信号被干扰了。(这不一定是恶意干扰。例如，地面上某人可以正在操作其金属外壳被移除的电气设备，没有意识到当该设备没有被屏蔽时其发射了强RF干扰)。
对干扰做出的响应可以包括几个步骤。在步骤68中，不同的频率被选择以用于RF接收机。每次选择之后，控制器确定频率的改变是否已经避免了干扰(步骤70)。如果频率改变成功，控制器更新其RF环境模型(步骤80)以将干扰信号的位置、频率以及观测强度包含在内。然后其在新的RF约束下继续它的按计划进行的任务(返回到步骤55)。
如果改变频率不成功，则控制器试验各种其他策略。例如(步骤72)，其可以尝试对UAV重新取向以便使用UAV的机体以使天线免遭干扰信号。对天线故障做出的响应也一样，控制器能够使用其RF环境模型和其几何引擎来假定可以恢复信号的几个新取向。控制器依次试验它们中的每一个直到其达到成功(步骤74)并且更新RF环境模型(步骤80)，或者穷尽了所有假定的取向。如果其没有成功，但是其他假定的新取向保留(例如，m＜m_max)，控 制器指导UAV采取下一个假定的取向。该过程重复直到所有假定的方位被穷尽。
如果其穷尽所有的假定取向，则随后控制器假定了新位置以便试验(步骤76)。为了这样做，其使用了其RF环境模型(该RF环境模型能够包含地形/城市地图和地球表面附近电磁波的1/R4传播模型)与在UAV的当前位置处观测到的干扰强度一起来假定位置处于干扰信号可以被建筑物或地形阻挡的地方或者与干扰机的距离使干扰信号太弱以致无效的地方。其飞向列表上的每个位置，依次试验每个位置。如果其不能成功，但是其他假定的新位置保留(即p＜p-max)，则控制器指导UAV飞向下一个假定位置。该过程重复直到所有假定位置被穷尽。如果控制器成功地恢复与操作者的连接，则其更新RF环境模型(步骤80)并且继续它的任务(返回到步骤55)。如果不能，则控制器执行用户规定的预先计划的操作(步骤60)。
图3中图示描述的逻辑的以上论述使用了通信故障作为示例，即UAV失去了与操作者的连接。如果UAV失去与导航信号(例如来自GPS)的连接，则相似的逻辑链可以应用。
图4显示了增强UAV控制系统如何响应引擎故障或机身的飞行关键零件故障。顶部的三个方块82，84，86和底部的方块96概述了现有技术中已知的“预编行为”策略。剩余的步骤已经被添加以提供增强UAV控制系统。特别地，根据图4中所示的实施例，增强UAV控制系统将通信/导航约束添加到发动机故障路径选择中。
在步骤82中，UAV执行按计划进行的任务函数。机载控制系统指导这些函数并且保持交通工具状态的跟踪，例如，位置、速度、燃料水平等等。
在步骤84中，机载控制系统检查发动机是否仍然工作得足够良好以继续飞行。如果是，则控制系统通过其按计划进行的任务继续引导UAV(返回到步骤82)。如果否，则控制系统运行飞行计划部分的安全区飞行紧急程序，例如在美国专利申请公开号2011/0264312A1中公开的安全区飞行紧急程序，或者等同的软件，以便生成物理上可到达的降落点列表和到达其中每个降落点的一条或多条飞行路径(步骤86)。与现有技术不同的是，本文公开的增强UAV控制系统不是简单地拾取这些路径中的一条并且飞过该路径；代替地，其进行通信/导航约束检查(步骤88)。
在通信/导航约束方块88内，控制器考虑列表上的第一降落点。如果从当 前位置到达降落点的至少一条路径满足关于通信和导航的所有约束，则控制器沿着该路径到达降落点(步骤90)。如果不是，则控制器从考虑中删除该降落点(步骤92)。然后做出是否有任意多个降落点剩余在列表上(步骤94)的确定。如果是，则控制器检查下一个降落点是否满足约束(返回到步骤88)等等。如果物理上可达到的降落点中没有一个能够通过满足通信和导航约束的路径到达，则控制器执行用户所选的预先计划操作(步骤96)，其一般为某种水上迫降。
这里有该系统可以在选择降落点应用的某些示例约束。
1)在当前方位(偶然情形发生的地方)到降落点之间所要求方位处的通信连接。在许多情况中通信要求到地面上的天线的视线。本发明使用地形数据和地形标记算法来检查沿下降路径上的点是否具有足够的连接。通信也要求没有干扰(故意的或不是故意的)。UAV控制系统使用关于已知或有嫌疑的干扰机(包括商业无线电塔)和在本次飞行中与干扰机的任何相遇的数据。关于地形和干扰机的数据被包括在RF环境模型内。
2)在当前方位(偶然事件操作开始的地方)到降落点之间所要求方位处的导航信号接收(例如，GPS)。导航接收机要求到足够数量的导航辅助装置(诸如GPS和WAAS卫星)的视线。UAV控制系统使用预测的卫星方位、地形数据以及地形标记算法来检查沿下降路径上的点是否具有导航信号的充分接收。
根据一个实施例，UAV控制系统选择降落点和下降路径，其中沿该路径的每一个点给予飞机到导航所需的最小数量的导航发射机(比如，GPS卫星)的视线。如果导航整个基于GPS的话，数量一般为四个，或者如果飞机具有气压高度表的话为三个。
在更加复杂的实施例中，UAV控制系统可以具有的信息是关于：(1)在不同高度处所要求的导航精度或离障碍物的距离；以及(2)使用推测航行法、视觉提示、惯性测量或对飞机(或者其操作者，针对具有到操作者的连接性的下降路径的部分)可用的其他信息可实现的导航精度。
在该实施例中，本发明可以选择下降路径，其中沿着该路径的至少一些点不提供到最小数量的发射机的视线，但是其中，不仅在要求高精度的点处，而且对于在这些点之前的用于导航接收机获取导航信号并且对它们进行同步的间隔足够长的间隔来说，可获得足够的发射机的视线。
对于通信连接约束，UAV控制系统的一个实施例选择降落点和下降路径，其中沿该路径的每一个点给予飞机到被链接到UAV的操作者的至少一个天线的清楚的视线。
在更加复杂的实施例中，控制系统可以使用关于飞行阶段的信息，在该飞行阶段中不要求通信选择下降路径，其中沿该路径的至少一些点不提供到天线的视线，但是其中到天线的视线在通信被要求的点处是可用的。如一个示例，本发明可以已经将旧机场识别为可能的降落点，但是用户已经添加了约束，即飞机可以仅仅降落在通过操作者视觉观测没有人妨碍的地方。控制系统知道UAV上的视频摄像机不能分辨距离大于1英里的人类，所以其不要求在离旧机场大于1英里的下降的部分期间通信是可用的。但是，一旦飞机进入机场的英里范围内，它就会选择其中飞机就具有到天线的视线的下降路径。这能够使操作者使用摄像机来可视检查所提出的降落点。(如果其证明机场上有人，则操作者可以命令该交通工具在安全位置水上迫降。)
图4中图示描述的逻辑的以上论述使用引擎故障作为示例。如果由于某些其他原因UAV不能返回其发射点，则UAV控制系统遵循相似的逻辑链，例如副翼松散地损坏并且引起太多的阻力而不能以当前的燃料返回基地。
根据一个实施例，最初的任务计划包含通信/导航约束满足。任何新的任务将会把UAV带到约束满足已经被检查的情况之外的地方和/或时间。UAV将开始飞向新的航路点，而不是在通信/导航约束满足的情况下做出完全的重新计划，这会要求CPU和大量的数据。沿着该航路，UAV控制系统检测在何时/何地约束受到威胁或被违反并且采取措施以恢复。
图5更加详细地显示了增强UAV控制系统如何响应命令以执行未计划任务部分(例如，任务的改变)。在步骤98中，在借助关于任务操作的预期区域的RF相关的信息飞行之前，RF环境模型被加载。尽管大型飞机可以携带大量的数据以用于广泛的各种任务偶然事件，但是小型UAV更多地受限于它们的机载存储容量；它们通常只携带用于计划任务且或许用于一个或两个最有可能的偶然事件的仅仅足够的数据。
在步骤100中，预先计划的约束满足区被加载到控制系统内。该软件模块限定了按计划进行的任务航路点，由于起飞前的计划和分析，所述按计划进行的任务航路点是已知的且满足通信/导航约束(以及其他的约束)。其也限定了空间和时间界限，其中约束仍然满足。
在图5所示的步骤102中，UAV在飞行中并且控制器正在执行按计划进行的任务。当进行飞行任务时，控制器有时可以接收新的命令，即来自操作者的新航路点。在步骤104中，控制器确定新航路点是否已经被接收。如果是，则控制器将该新航路点添加到其飞行计划内(步骤106)并且随后进入步骤108。如果否，则不执行步骤106并且控制器直接进入到步骤108。
每次UAV离开当前航路点往下一个航路点时，控制器确定下一个航路点是否在预先计划的约束满足区内(步骤108)。如果下一个航路点和通往该航路点的路径在预先计划的约束满足区内，则控制器飞向这里。如果不是，则控制器考虑其RF环境模型是否包括关于该路径的信息(步骤110)。更具体地，控制器确定RF环境模型是否包括在有兴趣的发射机和沿飞行路径到下一个航路点的每个点之间的区域的地形数据。
如果控制器具有关于该路径的RF环境数据，则控制器检查到下一个航路点的路径是否满足通信/导航约束(步骤112)。如果其满足，则控制器飞过该路径(步骤114)。如果不满足，则控制器告诉操作者其不能飞往那个方向(步骤116)并且等待进一步的指令(步骤118)，或在更复杂的实施例中其可以提议所述下一个航路点附近的新航路点(步骤116)并且然后返回步骤102。控制器被编程以提议航路点，该航路点将允许UAV满足约束同时在期望的方向内移动。
如果在步骤110中，控制器确定其没有关于该路径的RF环境数据，则控制器开始飞向下一个航路点(步骤120)，但是当它飞行时，它会检查机载通信/导航接收机是否正在接受所需的信号(步骤122)。如果所需的信号正在被接收，则控制器确定UAV是否已经到达了目标航路点(步骤124)。如果没有，则UAV继续飞向该航路点(步骤120)。如果已经到达了，则控制器返回步骤108，即处理其飞行计划内的下一个航路点。
如果UAV遇到了通信信号问题(当执行图5中的步骤122时)，则随后其不能立即与操作者进行通信。因此其执行用户所选的策略以便恢复通信。示例策略是改变航线(步骤126)直到通信恢复为止(如步骤128中所确定的)并且随后向操作者报告该问题(步骤116)。其他的策略是可能的，例如，爬升到更高的海拔但是仍然在某些用户所选的升限度(比如，1000英尺)以下。如果在执行了步骤126中的策略后，控制器在步骤128中确定了通信/导航接收机仍没有接收到所需信号，则该过程返回到步骤126，即控制器试验不同的 策略。
上述增强UAV控制系统所提供的优点包括至少以下：
(1)在现有技术内已知的是提供给UAV操作者实时地人工选择降落点(或其他路径)的能力。但是，地形标记是一个眼睛不可视的具有三维特征的复杂几何问题(像无线电静区)。人类操作者，特别是在压力下，很难估计可能的飞行路径如何更好地绕过无线电盲区的边界。上述增强UAV控制系统使用更可靠的计算方法来选择降落点(或其他路径)。同样，针对遇到干扰，对于操作者来说不存在可用的无线电链路，所以人工选择是不可能的。增强UAV控制系统在没有无线电链路的情况下继续进行。
(2)在管理安全区飞行紧急事件的已知系统中，有时现有系统推荐在运动学上可达到的降落点和下降路径，但是这可导致不期望的后果，其原因在于操作者过早地失去与控制器的通信或者失去到达所推荐的降落点所要求的导航信号。而上述增强UAV控制系统避免或减轻了这些问题。
(3)当通信丢失并且不可改变时，提供了预编程响应的现有技术解决方案依赖于导航。取决于失去通信的原因和其发生的位置，预编程响应可以不保存UAV。“丢失GPS”响应通常是“爬升”；如果其他飞行器在附近的话，这是不安全的，或者如果UAV已经处于其飞行升限度或者如果引擎故障，这是不可能的。而增强UAV控制系统使用RF环境模型内编码的知识以及几何引擎，加上通过假设定位的空中测试所发现的知识，可作出更加通用的并且有效的响应。
虽然已经参考特定的实施例描述了UAV控制系统，但是本领域的技术人员将会理解在不偏离本文的教导范围的情况下可以做出不同的改变并且可以用等同物来替换其中的元件。此外，在不偏离本文实质范围的情况下可以做出更多的修改以使具体情况适应本文的教导。因此，其旨在使下文所附权利要求不局限于所公开的实施例。
如权利要求中所使用的，术语“计算机系统”应该被宽泛地解释为包含具有至少一个计算机或处理器的系统，并且其可以具有通过网络或总线进行通信的两个或多个自主计算机或处理器。
下文提出的方法权利要求不应该被解释为要求其中所引用的步骤按照字母顺序(权利要求中的任何字母顺序被唯一地用于参考先前引用的步骤的目的)或者按照它们被引用的顺序进行。它们也不应该被解释为排除了可同时 执行的两个或多个步骤的任何部分。