用于航空包裹拾取和递送的系统和方法与流程

在独立权利要求中进行限定各个方面。各方面的可选特征在从属权利要求中进行限定。

本公开大体涉及飞行器系统，并且更具体涉及能够识别、获取、运输和安放对象的飞行器和飞行器系统。

背景技术：

航空包裹递送(apd)的普及是许多领域中的生长区，包括商用和国防。在当前实践中，包裹递送一般用人类操作者来执行。例如，需要人类操作者操作运输的装置(例如，运输包裹的运载工具，诸如飞行运载工具或卡车)，并且在地面上装载包裹(例如，运送和固定包裹)。

相比之下，无人驾驶航空运载工具(uav)已经在商用和国防市场中得到普及。实际上，商用低成本uav开发是活跃且发展中的行业，其中uav技术证明是用于涉及情报、监视、侦察、以及有效载荷获取和递送的任务剖面图的有价值工具。uav公司继续引进具有更大能力的uav，并且最近，已经采用uav来操纵和运输对象。例如，uav系统正在被设计为将包裹递送给消费者。当前代的低成本商用现货(cots)uav(即，消费uav)已经能够执行相对安全的小规模操作。然而，现有的消费uav遭受空气动力学不稳定性和不准确性，这使得这种uav不能精确抓紧和安放对象。时间上，绝大部分的uav被差地装备用于对象运输。

因此，存在对于能够在多种情况下高精确操纵、运输和安放对象的航空运载工具(例如，uav)的需要。还存在对于具有改善的空气动力学稳定性和准确性以提供增加的对象运输服务的对象操纵系统的需要。

技术实现要素：

本文公开了能够操纵、固定运输和安放对象的飞行器和飞行器系统，尤其包括用于这种飞行器的对象操纵系统。在一些实施例中，所述飞行器是垂直起飞和降落(vtol)飞行器。在一些实施例中，所述飞行器是自主的无人驾驶航空运载工具(uav)。

根据第一方面，一种用于经由飞行器操纵对象的航空操纵系统包含：多个传感器，其被配置为识别所述对象的物理特性；对象操纵系统，其被耦接到所述飞行器的机体，并且被配置为将所述对象固定到所述机体；以及处理器，其与所述多个传感器通信地耦接，并且被配置为至少部分地基于来自所述多个传感器的信息控制所述对象操纵系统的操作，其中所述处理器被进一步配置为控制所述对象与所述机体之间的对准。

在某些方面中，所述多个传感器包含光学模块。

在某些方面中，所述光学模块包含rgb(红/绿/蓝)摄像机。

在某些方面中，所述对象操纵系统包含一个或更多个机器人臂，以对准所述机体与所述对象，并且相对于所述机体固定所述对象。

在某些方面中，所述一个或更多个机器人臂被配置为经由安装结构可移除地耦接到所述机体。

在某些方面中，所述一个或更多个机器人臂被配置为考虑所述飞行器的移动，由此允许所述飞行器移动同时维持至少一个机器人臂与所述对象之间的接触。

在某些方面中，所述一个或更多个机器人臂被配置为响应于来自操作者的命令而操作。

在某些方面中，所述操作者被远程地安置，并且来自所述操作者的所述命令经过无线链路被所述处理器接收。

在某些方面中，所述对象操纵系统包含被耦接到所述机体的闭锁机构，所述一个或更多个机器人臂被配置为相对于所述闭锁机构定位所述对象，以便将所述对象固定到所述机体。

在某些方面中，所述一个或更多个机器人臂被配置为相对于所述机体将所述对象固定在所述飞行器的所述质心处或附近的位置中。

在某些方面中，所述飞行器被配置为与地基降落结构协作来促进对象操纵。

在某些方面中，所述地基降落结构被配置为支撑所述对象。

在某些方面中，所述地基降落结构包含被定尺寸并且被成形为接受所述飞行器的一个或更多个降落支撑件。

在某些方面中，所述一个或更多个降落支撑件被配置为在所述飞行器的降落操作期间至少部分地基于所述对象或所述飞行器的特性朝向所述对象引导所述对象操纵系统。

在某些方面中，被定尺寸的所述一个或更多个降落支撑件以漏斗类型布置方式进行布置。

在某些方面中，所述地基降落结构包括轮子和驱动系统，以在所述飞行器的降落操作期间相对于所述飞行器或所述对象操纵系统移动所述对象。

在某些方面中，所述地基降落结构被配置为在所述飞行器的所述降落操作期间动态地考虑所述飞行器的未预期的或不必要的移动。

在某些方面中，所述一个或更多个机器人臂被配置为拾取所述对象。

在某些方面中，所述飞行器是垂直起飞和降落(vtol)飞行器。

在某些方面中，所述vtol飞行器是无人驾驶航空运载工具(uav)。

在某些方面中，所述uav是多旋翼uav飞行器具有从所述机体径向地延伸的多个旋翼吊杆，所述多个旋翼吊杆中的每一个具有与其耦接的推进器。

在某些方面中，所述uav是直升机。

在某些方面中，所述飞行器是包含起落架的vtol飞行器，所述起落架被耦接到所述机体，其中所述起落架被配置为在对象获取期间缩回，并且在所述飞行器的降落操作期间展开。

在某些方面中，所述起落架包含轮子或起落撬。

在某些方面中，所述对象操纵系统包含一个或更多个反馈传感器，以当与所述对象相互作用时为所述处理器提供反馈数据。

在某些方面中，所述一个或更多个反馈传感器包含光学传感器或压力传感器。

在某些方面中，所述对象包含代码或基准标记以帮助确定所述对象的物理特性。

在某些方面中，所述对象是静止的，并且所述处理器被配置为根据来自所述多个传感器的输入控制所述飞行器的飞行控制器，以通过调整所述飞行器的位置和取向来对准所述机体与所述对象。

在某些方面中，所述对象是可移动的，并且所述处理器被配置为控制所述对象操纵系统对准所述对象与所述机体。

根据第二方面，一种使用飞行器的航空操纵系统操纵对象的方法包含：经由第一传感器识别与用于运输的目标对象相关联的特性；将所述飞行器定位为在所述对象上方盘旋，使得所述对象可接近对象操纵系统；对准所述对象与闭锁机构；以及经由所述闭锁机构将所述对象固定到所述飞行器。

在某些方面中，所述方法可以进一步包含：通过起落架系统将所述飞行器降落在表面上，所述起落架系统被附接到所述飞行器的机体；经由所述起落架调整所述飞行器的位置以对准所述闭锁机构与所述对象，其中所述起落架系统在调整期间维持与所述表面的接触；以及带着所固定的对象起飞。

在某些方面中，所述物理特性是所述对象的高度、长度、宽度、重量或形状中的一个。

根据第三方面，一种使用被耦接到飞行器的对象操纵系统来促进对象的操纵的地基降落结构包含：支撑所述对象的对象支撑元件；以及在降落后支撑所述飞行器的降落支撑元件，其中所述降落支撑元件被配置为在所述飞行器的降落操作期间引导所述飞行器，以朝向所述对象引导所述对象操纵系统。

在某些方面中，所述地基降落结构被配置为至少部分地基于所述对象或所述飞行器的特性调整所述对象支撑元件。

在某些方面中，所述地基降落结构被配置为在所述飞行器的所述降落操作期间动态地调整所述对象支撑元件。

在某些方面中，所述地基降落结构被配置为至少部分地基于所述对象或所述飞行器的特性调整所述降落支撑元件。

在某些方面中，所述地基降落结构被配置为在所述飞行器的所述降落操作期间动态地调整所述降落支撑元件。

在某些方面中，所述地基降落结构包含多个轮子和驱动系统，以在所述飞行器的降落操作期间相对于所述飞行器或所述对象操纵系统移动所述对象。

在某些方面中，所述地基降落结构被配置为在所述飞行器的降落操作期间动态地考虑所述飞行器的未预期的或不需要的移动。

在某些方面中，所述降落支撑元件包含保护性覆盖物以减轻对所述飞行器的损坏。

在某些方面中，所述保护性覆盖物包含橡胶。

在某些方面中，所述保护性覆盖物是气动结构。

在某些方面中，所述地基降落结构被配置为在所述飞行器的降落操作期间与所述飞行器通信。

在某些方面中，所述地基降落结构被配置为基于与所述飞行器的通信相对于所述对象操纵系统对准所述对象。

附图说明

从附图中所示的其特定实施例的以下描述中，本文所述的装置、系统和方法的前述和其他目的、特征和优点将是显而易见的，其中相同的附图标记指代相同的结构。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本文所述的装置、系统和方法的原理上。

图1a至图1c图示了示例垂直起飞和降落(vtol)飞行器。

图2a至图2c图示了另一示例vtol飞行器。

图3a和图3b图示了操作示例对象操纵系统的示例vtol飞行器。

图4a至图4d图示了用于与图3a和图3b的示例vtol飞行器一起使用的示例对象操纵系统。

图5图示了用于对象操纵系统的集成架构的示例示意图。

图6a和图6b图示了操作另一示例对象操纵系统的示例vtol飞行器。

图7a至图7c图示了当uav朝向对象行进并且抓紧对象时uav的示例操作。

图8a和图8b图示了示例vtol飞行器操作示例对准漏斗系统以进行对象操纵。

图9a至图9g图示了示例vtol飞行器操作示例缩回和部署系统以进行用于对象操纵。

图10a和图10b图示了示例vtol飞行器操作被配置为定位vtol飞行器的示例起落架以进行对象操纵。

图11a和图11b图示了示例vtol飞行器与示例降落结构协作来促进对象操纵。

图12图示了用于飞行器处理器配合对象操纵系统来操作的集成架构的示例示意图。

图13图示了用于与对象操纵系统一起使用的示例方法。

具体实施方式

本公开涉及能够操纵、固定、运输和安放对象(例如，货物、包裹等)的飞行器和飞行器系统。所述飞行器能够是vtol类型运载工具，包括小型和大型uav。在一些实施例中，所述uav是自主uav。所述飞行器可以被配置为采用对象操纵系统来通过一个或更多个传感器、一个或更多个附件、机器人系统(例如，抓取器或其他类型的操纵器，被飞行员操作和/或具有自主功能)和/或促进对象操纵的其他类型的装置或系统与对象相互作用。

本文中公开的系统和方法提供了对象到飞行器的外部操纵和闭锁。例如，自主vtol飞行器被配置为经由传感器(例如，经由光学捕获和图像识别)识别对象，在传感器(例如，gps、加速度计、光学传感器、lidar、雷达等)的帮助下接近对象，经由机器人臂和/或传感器(例如，压力/应变计、光学传感器、阻抗传感器等)操纵对象(例如，调整对象的位置和/或取向)，和/或通过闭锁机构(例如，机器人抓取器/臂、磁性锁定机构、在外壳中的放置等)固定对象。

在示例中，闭锁机构可以位于自主vtol飞行器的外壳外部，和/或对象另外地以与飞行器的外部关系(例如，外部外壳)被固定。在这样的布置中，对象被固定到飞行器，以确保对飞行器的起飞的能力的最小影响(例如，飞行器的空气动力学基本上不受固定的对象的损害)。一旦被固定，自主vtol飞行器就能够安全地起飞，并且将对象运输到期望的方位。以与对象获取类似的方式，对象操纵系统能够安全地卸载对象而不损害对象或飞行器的完整性。

如在下面更详细地描述的，目前公开的系统和方法解决地了与外部对象闭锁的构思相关联的许多问题。例如，通常被固定到飞行器机体的底部的起落架和/或其他机构能够使对象的接近和/或获取困难。目前描述的系统降低起落架与对象进行意外接触的危险。进一步地，当飞行器将它本身与对象对准和/或将对象与飞行器对准时，该系统提供了由飞行器系统与对象之间的有意接触产生的改善的对准特征。

位于飞行器的底部上的系统诸如通过自主uav的使用导致对于对象拾取和递送的提高的安全性、速度和准确性。对象操纵系统的闭锁机构(例如，机器人臂；夹持器等)能够位于飞行器的底部处或附近，其能够将对象保持在飞行器的质心处或附近的固定空气动力学位置中，由此与常见的配置(诸如悬吊载荷)相比提供了有利的空气动力学性能。例如，另外，悬吊载荷将能够被正常飞行特性(诸如阵风或运载工具加速)激励的高度无阻尼的振动模式引入到飞行器。因此，悬吊载荷包裹递送布置是相对更易受阻力、天气状况(例如，阵风)、振动等影响。

在一些实施例中，传统的起落架能够被修改或替换以帮助对象获取。例如，起落架通常支持平坦地形上的降落(例如，起落撬或轮子)。目前公开的系统和方法可以采用多种替代选择，诸如主动起落架和被用来与对象和/或周围环境进行初始接触的其他机构。这种接触帮助引导飞行器和/或对象操纵系统以定位和/或固定对象以便进行运输。

在示例中，除了在降落后支撑飞行器之外，主动起落架可以使用一系列操作阻抗(即，机械阻抗，其广泛地由类似于弹簧、阻尼器、质量等的机械行为组成)来实现对于对象的“触摸”或“感觉”而无需强的相互作用力。进一步地，主动的弹簧和阻尼控制能够被用来调整当飞行器系统与对象相互作用时的位移误差。在一些实施例中，除了主动起落架之外或作为主动起落架的替代选择，机器人臂和/或抓取器能够被采用。这样的机器人系统能够被飞行员(例如，经过网络远程地)和/或自主地操作以操纵和/或固定对象。

因此，本文中公开的系统和方法减轻了与通过航空运载工具的对象拾取相关联的碰撞和损坏的危险。在对常规尝试的改进中，本文中描述的系统和方法减轻了由于飞行运载工具与包裹之间的任何意外接触的对飞行器和/或对象的潜在损坏。如果例如飞行运载工具被损害(例如，坏掉的旋翼)或如果有价值的包裹被损坏(特别是在事故疏散或casevac情况下)，运载工具与包裹之间的意外接触能够可能是灾难性的。常规的航空包裹递送是不复杂的，并不解决对象与飞行器之间的未预期的、未计算的或不期望的间歇性接触的挑战，所公开的系统和方法使对象拾取可靠且安全，实现了基于航空的物流在国防(例如，物流和casevac)和商用领域(例如，仓库以及城市和乡村的包裹递送)中的扩展。根据本文中公开的系统，对运载工具和对象(即，有效载荷)的损坏的危险是显著更低的。

对使apd自动化以增加吞吐量、降低成本并且减少危险(尤其在主动军事环境中的apd的情况下)有很大利益。在自动化apd(aapd)中，大多数研究利用小型无人驾驶航空运载工具(例如递送玉米煎饼的“taco-copter”)来执行。例如，被安装在常规飞行器(诸如直升机)的机舱内部的绞盘系统可以被使用，在此情况下直升机可以降落在包裹附近，并且绞盘从运载工具延伸以获取包裹。为了使系统有效地运行，包裹必须配合在基于具体飞行器的尺寸和限制的相对小的区域内。

面向诸如包裹拾取构想的一个挑战围绕足够靠近特定包裹降落以将包裹带到货舱内的困难。在导航系统被配合到uh-1(aeh-1)直升机的示例中，运载工具的尺寸和标准化包裹的尺寸会需要降落飞行器。在一个示例中，标准化包裹可以是联合模块化联运集装箱(jmic)，但是其他包裹被考虑。当前的系统(诸如采用uh-1的那些)不能被设计用于准确盘旋或甚至降落，尤其在变化的状况(例如，险恶的天气、崎岖的地形等)下。此外，航空对象获取具有若干操作危险。一个挑战是一旦飞行运载工具已经获取对象就确保安全的飞行动力学。例如，悬吊载荷包含许多潜在危险：当悬吊载荷可能被缠结在树木或电线中时，必须提供显著的间隙，并且欠阻尼的悬吊载荷能够将显著的加载诱导到飞行运载工具上。任何包裹运送方案必须不超过飞行运载工具的承载能力，并且必须不显著地更改质心。

其他系统已经针对航空运载工具包裹运输进行尝试。例如，悬吊载荷系统降下缆索以固定对象，所述对象在运输期间在飞行中在运载工具下方摇摆。悬吊载荷方法的缺点影响飞行动力学，飞行动力学极大地受包裹诱导的振动/振荡模式损害，因为缆索系统在非常低的振荡频率的情况下是高度欠阻尼的。由于所谓的飞行员诱导的振荡，这种振荡频率已经导致直升机坠落的显著历史–其中飞行员对载荷的移动作出响应，而非减轻它，结果由于有效载荷运动、飞行员视觉观察到的那些运动与飞行器控制之间的在时间尺度上的不一致而放大振荡。自主系统能够遭受相同的弱点，除非有效载荷被显著地用器械装备。进一步地，由于在将绳索/钩子精确地放置到包裹连接器上方面的困难，使用悬吊载荷自主地获取包裹也将会是非常有挑战性的。可靠地这样做需要地面上的装置/机器人/人类操作者进行这样的连接。

另一危险是在拾取和/或放下期间与环境和/或对象意外接触的可能性。对于外部闭锁，存在飞行器与环境和/或包裹之间的意外接触能够发生的可能性。例如，飞行器采用的夹持器可以被布置在被动降落起落撬的边界内部。因此，当直升机正在朝向包裹飞行时，它必须在其起落撬横跨对象/包裹的情况下盘旋。存在直升机的任何横向干扰可能导致对象与起落撬之间的接触的显著危险。在某些方面中，外部闭锁可以包含被安装在飞行器的主体附近的末端执行器(例如，夹持器)和/或闩锁。因此，包裹被外部地承载，而且被刚性地保持在飞行器的质心附近。与悬吊载荷相比，这提供了有利的飞行动力学。传统外部闭锁方法的显著缺点是运载工具必须在包裹附近降落。因此，对大型的昂贵飞行器，在降落期间涉及显著的危险。类似地，如果直升机起落撬下降到包裹上，那么运载工具和/或包裹则会被灾难地损坏。

如能够意识到的，大多数常规构思的主要危险是飞行运载工具与环境和/或包裹之间的意外接触的可能性。这种接触能够伤害飞行动力学、包裹或飞行运载工具本身。因此，对包裹拾取的这种策略可以使得现有技术能够被部署为在没有显著的额外高危险工程学的情况下拾取包裹。

下面将参考附图描述本公开的优选实施例。附图中的部件不一定按比例绘制，而是重点在于清楚地说明本实施例的原理。例如，为了清楚和方便描述，元件的尺寸可以被夸大。此外，在任何可能的地方，在整个附图中使用相同的附图标记来指代实施例的相同或相似的元件。在以下描述中，没有详细描述公知的功能或构造，因为它们可能以不必要的细节模糊本公开。说明书中的任何语言都不应被解释为表示任何未要求保护的元件对于实施例的实践是至关重要。

除非本文另有说明，否则本文中对数值范围的引用并非旨在限制，而是单独地指代落入该范围内的任何值和所有值，并且在该范围内的每个单独的值被并入说明书中，如同其被本文单独引用一样。当伴随数值时，词语“约”，“近似”等应被解释为表示本领域普通技术人员理解为出于预期目的而令人满意地操作的偏差。本文提供的值和/或数值的范围仅作为示例，并不构成对所述实施例的范围的限制。本文提供的任何示例或示例性语言(“例如”、“诸如”等)的使用仅旨在更好地说明实施例，而不是对实施例的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应被解释为表示任何未要求保护的实施例对于实施例的实践是至关重要的。

在以下描述中，应当理解诸如“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“侧面”、“前面”、“后面”等术语是出于方便且不应解释为限制性术语的词语。本文提供的各种数据值(例如，电压、秒数等)可以用一种或多种其他预定数据值替代，并且因此不应当被视为是限制性的，而是示例性的。对于本公开，以下术语和定义适用：

术语“航空运载工具”和“飞行器”是指能够飞行的机器，包括但不限于固定翼飞行器、无人驾驶航空运载工具、可变翼飞行器和垂直起飞和降落(vtol)飞行器。

术语“和/或”表示列表中由“和/或”连接的任何一个或多个项目。作为示例，“x和/或y”表示三元素集{(x)，(y)，(x，y)}中的任何元素。换句话说，“x和/或y”表示“x和y中的一个或两个”。作为另一个例子，“x，y和/或z”表示七元素集{(x)，(y)，(z)，(x，y)，(x，z)，(y，z)，(x，y，z)}中的任何元素。换句话说，“x，y和/或z”表示“x，y和z中的一个或多个”。

术语“电路”和“电路系统”是指物理电子组件(例如，硬件)和可以配置硬件、由硬件执行和/或以其他方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(“代码”)。如本文所使用的，例如，特定处理器和存储器可以包括当执行第一组一行或多行代码时的第一“电路”，并且可以包括当执行第二组一行或多行代码时的第二“电路”。如本文所使用的，电路系统“可操作”以执行功能，无论何时电路系统都包括执行功能所必要的硬件和代码(如果有必要)，而不管功能的执行是否被禁用或未被启用(例如，通过用户可配置的设置、工厂修整等)。

如本文所使用的术语“通信”和“进行通信”包括将数据从源传送到目的地并将数据传送到通信介质、系统、信道，网络、装置、电线、电缆、光纤、电路和/或链接以传达到目的地。如本文所使用的术语“通信”表示如此传送或传递数据。如本文所使用的术语“通信”包括通信介质、系统、信道、网络、装置、电线、电缆、光纤、电路和/或链路中的一个或多个。

如本文所使用的术语“耦接”，“耦接到”和“与…耦接”各自表示两个或更多个装置、设备、文件、电路、元件、功能、操作、过程、程序、媒体、组件、网络、系统、子系统和/或手段之间的关系，构成以下中的任何一个或多个：(i)无论是直接或通过一个或多个其他装置、设备、文件、电路、元件、功能、操作、过程、程序、媒体、组件、网络、系统、子系统和/或手段的连接；(ii)无论是直接或通过一个或多个其他装置、设备、文件、电路、元件、功能、操作、过程、程序、媒体、组件、网络、系统、子系统或手段的通信关系；和/或(iii)功能关系，其中任何一个或多个装置、设备、文件、电路、元件、功能、操作、过程、程序、媒体、组件、网络、系统、子系统或手段的操作取决于，全部或部分地，其中任何一个或多个其他项的操作。

如本文所使用的术语“数据”表示任何标记、信号、记号、符号、域、符号集、表示、信息以及表示信息的一种或多种任何其他物理形式，无论是永久的还是临时的，无论是可见的、听觉的、声学的、电的、磁的、电磁的或以其他方式表现出来。术语“数据”用于表示一种物理形式的预定信息，包括一种或多种不同物理形式的相应信息的任何表示和所有表示。

如本文所使用的术语“数据库”表示相关数据的有组织的主体，而不管数据或其组织的主体的表示方式。例如，相关数据的有组织的主体可以是表、图、网格、数据包、数据报、帧、文件、电子邮件、消息、文档、报告、列表或任何其他形式中的一个或多个的形式。

术语“示例性”意味着“用作示例、实例或说明”。本文描述的实施例不是限制性的，而仅是示例性的。应当理解的是，所描述的实施例不必被解释为相对于其他实施例是优选的或更具优势。此外，术语“本发明的实施例”、“实施例”或“发明”不要求本发明的所有实施例都包括所讨论的特征、优点或操作模式。

术语“存储器装置”表示存储供处理器使用的信息的计算机硬件或电路。存储器装置可以是任何合适类型的计算机存储器或任何其他类型的电子存储介质，诸如，只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、高速缓冲存储器、光盘只读存储器(cdrom)、电光存储器、磁光存储器、可编程只读存储器(prom)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、计算机可读介质等。

如本文所使用的术语“网络”包括所有类型的网络和互联网路，包括因特网，并且不限于任何特定网络或互联网。

术语“处理器”表示处理装置、设备、程序、电路、组件、系统和子系统，无论是以硬件、具体表现的软件或两者实现，还是是否可编程的。术语“处理器”包括但不限于一个或多个计算装置、硬连线电路、信号修改装置和系统、用于控制系统的装置和机器、中央处理单元、可编程装置和系统、现场可编程门阵列、专用集成电路、片上系统、包括分立元件和/或电路的系统、状态机、虚拟机、数据处理器、处理设施以及前述的任何组合。处理器可以是例如任何类型的通用微处理器或微控制器、数字信号处理(dsp)处理器、专用集成电路(asic)。处理器可以耦接到存储器装置或与存储器装置集成。

图1a至1c图示了示例垂直起飞和降落(vtol)飞行器100。在该示例中，飞行器100被图示为vtol运载工具(例如，直升机、多旋翼飞行器等)，并且一般包含机体102、(直接地或通过一个或更多个吊杆)被耦接到机体102的一个或更多个推进器106、以及在下方被固定到机体102的起落架108。一个或更多个推进器106(例如，与螺旋桨等可操作地耦接的马达或发动机)用来为飞行器100提供升力或推力。虽然图1a至图1c将飞行器100更一般地图示为直升机(其可以是无人驾驶的和/或自主的)，如将会在下面结合至少图7a至图7c解释的，但是飞行器100可以是较小的多旋翼uav飞行器。不管飞行器100的类型/配置如何，对象操纵系统104(例如，闭锁机构)能够被附接到机体102以操纵并固定搁在稳定表面126(例如，地面、船舶甲板、运载工具等)上的对象120(例如，包裹、货物或其他有效载荷)。虽然稳定表面126被图示为水平的，但是稳定表面126可以替代地是竖直的(例如，结构/建筑物的墙壁或侧面)。

在理想的情况下，如在图1a中图示的，飞行器100朝向对象120下降，在空中盘旋，并且在没有飞行器100与对象120之间的意外和/或不必要的接触的情况下与对象120立即且精确地对准。然而，图1b图示了更可能的情况，其中飞行器100的位置移位到侧面，如通过箭头110指示的。在该情况下，起落架108能够与对象120进行接触。图1c图示了飞行器100向下移位，如通过箭头112示出的。如果飞行器100未相对于对象120被适当地对准，如图所示，向下移位能够导致起落架108向下压在对象120上。位置的这种移位能够由风的改变、机械故障、人类误差等造成。接触能够损坏对象120、飞行器100和/或环境。

图2a至图2c图示了被配置为使用航空操纵系统减轻飞行器100与对象120之间的意外接触的发生的示例飞行器100。如在图2a的示例中示出的，飞行器100可以具有合适的尺寸以拾取并运输对象120，诸如货物、包裹、容器、运载工具、人员和其他有效载荷；然而，取决于应用，飞行器100可以替代地是较小的多旋翼飞行器。在任何情况下，飞行器100可以接近对象120，如通过下降箭头114示出的，在空中盘旋，借助于对象操纵系统104操纵并获取对象120，并且飞离。在一些示例中，对象操纵系统被配置为执行以下任务中的一个或更多个：操纵(例如，定位和/或取向)对象120；从稳定表面126提升对象120；和/或将对象120固定(例如，闭锁)到飞行器100。概括地，这些能力被描述为由对象操纵系统、提升机构、闭锁机构和/或固定机构执行，所有机构全体被识别为对象操纵系统104。

在对象120的拾取期间，飞行器100下方的区域应当是空旷的并且没有刚性物件(例如，被动起落架)，使得飞行器100能够在对象120附近盘旋，同时减轻与起落架108碰撞和/或缠结的危险。这能够尤其通过缩回起落架108和/或缩回对象操纵系统104(例如，进入或紧靠机体102)来实现。在该示例中，缩回的起落架108可以被优化以避免与对象120意外接触，而非仅仅为了空气动力学益处。

在图2a的示例中，当飞行器100接近对象120时，如通过箭头114示出的，起落架108能够被向内缩回，诸如朝向机体102的底盘中心被旋转，通过箭头116a和116b示出。在其他示例中，起落架108向上缩回到机体102内，向外旋转到机体102的侧面，和/或其本身折叠。在任何情况下，起落架108能够被定位使得与起落架108和对象120的意外接触被限制。

在接近对象120中，飞行器100的一个或更多个传感器118能够帮助确定到对象120的距离和/或方向，以及识别对象120的一个或更多个物理特性。一个或更多个物理特性能够尤其包括对象120的尺寸、几何形状、重量等。在一些实施例中，对象120被配置有包含信息(诸如重量、耐用性、内含物、固定指令等)的远程可读代码(例如，经由光学信号、无线信号，诸如rfid/nfc等)。额外地或替代地，关于环境的信息能够经由一个或更多个传感器118被提供给飞行器100。

该对象信息、以及关于飞行器100、对象120、环境等的任何存储的和/或网络连接的信息能够被提供给飞行器100的处理器(例如，飞行器处理器162)，以帮助确定通过飞行器100到对象120的接近和对象120的最终获取。例如，飞行器处理器162可以被用来使用一个或更多个传感器118识别一个或更多个障碍物，并且响应地调整该接近。此外，对象120的尺寸和形状能够被用来通知飞行器100从哪个角度接近，以及是否需要额外的动作来促进有效的获取。例如，如果对象操纵系统104位于飞行器100下方，飞行器100盘旋的距稳定表面126的高度可以被调整以接受更大的对象120。额外地或替代地，如果对象120配备有具体的固定装置(例如，绞盘挂钩、托盘、容器上的狭槽的布置等)，飞行器100能够准备对应的操纵和/或固定机构，和/或调整该接近以有效地获取对象120。

所公开的提供优于常规系统的显著益处的系统和方法的方面是包含自主技术。例如，飞行系统、操纵机构和/或固定机构能够被配置为自主地操作。换言之，飞行器100的系统能够执行通过多个传感器(诸如(一个或多个)传感器118)、存储的数据、趋势分析等通知的各种逻辑程序，以在无需人类干预的情况下有效地识别、接近、固定和运输对象。

对象操纵系统104能够被附接到机体102，以操纵并且固定对象120。对象操纵系统104能够被配置为完全自主地操作，被配置为从人类操作者(例如，通过网络经由远程装置)接收指令，或自主功能和人类指导的组合。在一些实施例中，飞行器100的系统是完全自主的。例如，如将会结合图5解释的，对象操纵系统104可以被自主地控制或由用户通过网络远程地控制。因此，飞行和对象获取系统被配置为在没有人类指令的情况下操作。

被存储到存储器装置并且在处理器上被运行的一系列算法或其他指令(例如，逻辑步骤、机器学习、人工智能系统)能够诸如在多个传感器118(例如，lidar、雷达、光学系统、声波系统、温度传感器、压力传感器等)的帮助下通知并且调整每个系统的操作。在一些示例中，传感器118与对象操纵系统104和/或机体102集成在一起，诸如以提供反馈来通知飞行器100的降落和/或其他能力。因此，装备有对象操纵系统104的飞行器100被设计用于自主飞行、对象获取和运输，如本文中公开的。

虽然在若干附图中图示了直升机类型的vtol飞行器，但是本公开的教导可以被类似地应用于其他飞行器，包括较小的uav(例如，多旋翼uav–例如，如在图7a至图7c中图示的)和固定翼飞行器。进一步地，虽然飞行器100被图示为具有单个推进器106，但是本领域技术人员将会理解，额外的推进器106可以被采用(例如，在小型多旋翼uav、较大的vtol飞行器等的情况下)以实现期望的功能，并且取决于例如推力要求。飞行器100的部件可以由金属、复合材料或其组合制作。在一些实施例中，对象操纵系统104和起落架108可以被制作为单一单元或为被耦接到彼此的单独部件。在一些实施例中，对象操纵系统104(例如，其部件，诸如机器人臂或其他操纵装置)能够被可移除地耦接到机体102，使得它能够从机体102被移除并且用另一系统类型来替换/代替，由此延伸飞行器和对象操纵系统的有用性。

归因于目前公开的系统的优点涉及在不存在将包裹带到运载工具的基础结构(例如，不在人和机器将会装载飞行器的机场处)的情况下使用航空运载工具。在一些情况下，这会需要在降落飞行器的情况下拾取包裹。所公开的系统因此允许以下自主对象获取操作：识别的对象；接近并在对象上方盘旋；操纵并固定对象；以及带着对象飞离。额外地或替代地，如在图2c中示出的，机体102的底部表面能够配备有具有粗糙材料性质的保护性覆盖物122，以在不损坏飞行器100的情况下处理与对象120的相互作用。这样的保护性覆盖物122能够由金属、复合材料、橡胶等制造，以确保与对象120或环境间的任何不必要的接触不导致对飞行器100的损坏。气动结构(例如，具有保护性涂层(诸如橡胶)的可充气物品)也可以被采用。

在示例中，保护性覆盖物122能够包括传感器124，诸如嵌入式触摸传感器，其使得飞行器100与对象120之间的任何接触的精确方位能够被知晓。例如，嵌入式应变计、压力传感器、电容式触摸等能够被嵌入并且被分布遍及飞行器100的底部表面。传感器124还可以包括光学传感器以帮助对象120的准确操纵和获取。信息能够被处理器/控制器分析，其能够命令对象操纵系统104和/或飞行控制器针对有效的对象闭锁进行调整。

在某些方面中，标记可以被放置在对象上，以引导对象与飞行器之间的对准。飞行器可以装备有当对象进入传感器的视场范围内识别标记的传感器。传感器可以是光学传感器、lidar、基于radar的传感器等。标记可以是视觉标记、红外标记、增强现实标记等。替代地，对象可以正在发射可由传感器124中的一个跟踪的信号。

图3a和图3b图示了操作示例对象操纵系统104的示例vtol飞行器100。在图3a的示例中，对象操纵系统104包含外部闭锁机构132，诸如机器人抓取器、抓紧器或夹持器。如图所示，一旦飞行器100已经到达对象120，对象操纵系统104就被部署以获取对象120，如在图3a和图3b中图示的。图3a图示了具有对象操纵系统104的飞行器100，所述对象操纵系统104被配置为从机体102向下延伸的机器人臂128。如图所示，机器人臂128可以被提供有抓取器/指状物以固定对象120。机器人臂128能够经由一系列致动关节130被部署，被对象操纵处理器(例如，参见图5)控制。对象操纵系统104可以被安装到机体102，并且可以具有例如万向架系统或u形托架，以促进沿多个方向(例如，六个自由度)的移动。外部闭锁机构132可以是可操作的以在对象120下方滑动，由此当机器人臂128被向内拖拉时朝向机体102向上提升对象120，如通过箭头134示出的。已经操纵对象120，机器人臂128能够被缩回，由此将对象固定在机体102处或附近，如在图3b中示出的。一旦被固定，飞行器100就被配置用于飞行，并且将会起飞以运输对象120。在某些方面中，处理器(例如，对象操纵处理器168)可以经由一个或更多个传感器监测对象120(例如，其相对于飞行器100的方位)，并且控制对象操纵系统104(例如，机器人臂128或其他操纵装置)以考虑飞行器100相对于对象120的移动，由此允许飞行器100移动同时维持至少一个机器人臂128与对象120之间的接触。

尽管被图示为单个机构，但是对象操纵系统104能够包括单独的操纵机构和闭锁机构。例如，机器人臂128可以操纵对象120，诸如以调整对象120的位置，以促进单独的机构固定对象120。如果对象120可以被绞盘固定，例如，机器人臂128可以将对象120推动、拉动、提升或另外取向到绞盘能够联结到被安装在对象120上的合适钩子上的位置内。额外地或替代地，机器人臂128能够将对象120定位到机体102的舱室内，使得对象120被运输到机体102的内部。此外，尽管对象操纵系统104被图示为被定位在机体102下方，但是对象操纵系统104能够位于除了下侧之外或代替下侧的一个或更多个侧面上。在某些方面中，起落架108可以被配置为辅助或充当机器人臂128。例如，起落架108可以使用能够移动和/或固定对象120以及在降落操作期间支撑飞行器100的重量的一个或更多个铰接的机器人臂来制作。

在某些示例中，机器人臂128的功能可以增加从对象操纵系统可到达的距离。为此目的，机器人臂128可以采用伸缩吊杆，其可以包括致动器组件，诸如被电动马达或其他致动器驱动(例如，在长度上调整)的滚珠丝杠/螺母组件。与对象操纵系统相关联的各种硬件可以由一个或更多个轻质材料制作，包括金属、金属合金、塑料(例如，3d打印的塑料)和/或复合材料。机器人臂128可以采用例如无刷dc可反向驱动马达。在操作中，臂可以被独立地控制以经由机器人臂128相对于飞行器100上升和下降。

来自传感器的额外感测能够为飞行器100提供信息，以相对于对象120定位其本身并且朝向对象120导航并抓紧对象120。例如，机器人臂128可以被提供有深度摄像机和/或一个或更多个触摸传感器，以测量机器人臂128相对于对象120的相对取向。来自一个或更多个传感器的反应例如对象操纵系统的运动学状态的信息能够被通信给处理器(例如，飞行器处理器162)，以提供关于飞行器100相对于对象120的精确位置的信息。该信息提高飞行器100的定位和导航，以实现对象120的精确抓紧。

一旦对象120被获取，机器人臂128就可以在运输期间稳定对象120以防止例如任何潜在的撞出。例如，稳定控制能够使用例如单个弹簧-阻尼器增益设置或通过读取飞行器100和/或对象120上的加速度计数据的主动振动识别和抑制来执行，所述单个弹簧-阻尼器增益使用优化来选择并不主动读取加速度计数据。在一个示例中，机器人臂128可以采取图3b的装载位置，由此对象120被固定在机体102下方的适当位置中。该装载配置使机器人臂128和对象120靠近飞行器100的质心，这为飞行器100提供最有利的飞行动力学。

机器人臂128充当与对象120和环境相互作用的对象操纵系统104的一部分。用于操纵、运输和安放对象120的合适机构包括夹持器、磁铁和真空杯(例如，抽吸杯)。例如，夹持器可以被用作机器人臂128的闭锁机构132。机器人臂128可以进一步包括监测环境的其他装置，诸如防碰撞传感器和摄像机。在某些方面中，机器人臂128可以是可互换的。为此目的，快速连接装置可以被提供在臂吊杆的末端处，以物理地且通信地接合被定位在机器人臂128上的对应快速连接装置。为此目的，快速连接装置可以提供两个配合部分，被设计为锁定或耦接在一起、承载有效载荷并且具有能力传递诸如电信号、气动、水等的效用的主侧和工具侧。因此，经由快速连接装置，将会使得操作者能够快速地替换被安装在臂吊杆上的机器人臂128的类型。

为了对象120的最佳操纵和固定，机器人臂128可以经由对象操纵系统(例如，为飞行器处理器162)提供传感器反馈，以调整操纵系统、提升和/或闭锁机构的取向。例如，与距离传感器耦接的压力传感器(即，触摸)能够帮助对象操纵系统和飞行器100两者相对于对象120取向机器人臂128，并且确保对象120被牢固地抓紧。因此，机器人臂128可以包括反馈传感器，以为飞行器处理器162提供关于对象120和/或邻近对象120或对象120附近的环境的反馈。

图4a至图4d图示了用于与对象操纵系统一起使用的示例提升机构136。提升机构136展示了具有低摩擦、低惯性和足够顺应性(即，刚性)的被动机器人肢体能够增强飞行器100的航空操纵能力。提升机构136可以包括轻质机器人腿部156，所述轻质机器人腿部156在其远端处具有末端执行器146(充当对象操纵系统、闭锁机构、机器人臂等)，并且经由基座138被耦接到飞行器。基座138可以与图3a和图3b的对象操纵系统104(也参见图6a和6b)类似的方式被固定到飞行器的机体102的下侧。例如，代替机器人臂128(或除了机器人臂128之外)，提升机构136可以耦接到飞行器100。如所图示的，机器人腿部156可以包括一组(例如，两个)单独的联接腿，每个联接腿一般包含上连杆140(类似于股骨)、中间连杆142(类似于胫骨)和下连杆144(类似于脚)。轻质机器人腿部156的结构部件(例如，上连杆140、中间连杆142、下连杆144等)可以被提供有多个孔以允许不同的肢体几何形状并且降低结构的重量，然而孔可以被省略。

图遍及图4a至图4d图示的，末端执行器146可以由两个单独的/个体的膝和髋关节150、152(例如，类似于在图3a和图3b中图示的关节130)支撑。膝关节150中的每一个可以被提供有能够独立地移动的个体弹簧元件154。两腿方法提供了对于飞行器100的较宽的支撑区域，而两个腿的独立运动还提高了提升机构136对飞行器100的滚动运动的容差。两腿方法和末端执行器146设计还允许飞行器横向移动，同时维持末端执行器146与稳定表面126之间的接触。这种能力通过两个腿的独立运动来提高，这能够使得末端执行器146能够在飞行运载工具被滚动移动时维持与稳定表面126的表面接触。

上连杆140可以在其近端处经由髋(上)关节148与基座138枢转地耦接。上连杆140可以在其远端处经由膝(中间)关节150与中间连杆142的近端枢转地耦接。中间连杆142可以在其远端处经由踝(下)关节152与下连杆144的近端枢转地耦接。下连杆144可以在其远端处与末端执行器146(固定地或枢转地，根据需要)耦接。虽然下连杆144和末端执行器146一般被描述为单独的部件，但是它们可以替代地被形成为整体(单个)部件，如当在下连杆144与末端执行器146之间期望固定连接时可以是这样的情况。因此，髋关节148、膝关节150和踝关节152中的一个或更多个可以采用枢转关节(例如，围绕枢转轴线b、c和/或d的旋转)。枢转关节可以被形成为具有销的铰链、具有销的u形接头等。

一个或更多个线性弹簧元件154(例如，金属弹簧、弹性/橡胶带/条带等)可以被放置在中间连杆142与基座138(或上连杆140)的刚性主体之间。在某些方面中，末端执行器146的旋转踝关节152可以被设计为使得，重力被动地将末端执行器146的底部与稳定表面126对准。在某些方面中，提升机构136可以被配置有内置顺应性，使得飞行器能够朝向稳定表面126飞行。腿的顺应性允许一定程度上分离末端执行器146与稳定表面126之间的冲击，并且即使飞行器未精确地在单个竖直高度或取向处，腿和踝的运动范围也允许接触被维持。这种顺应性帮助飞行器的稳定性。

提升机构136可以被附接到飞行器100，使得末端执行器146与飞行器100的质心近似对准。在一些实施例中，提升机构136可以“拉动”(或“拖曳”)末端执行器146(即，以将末端执行器146稍微放置在质心“后面”)，并且然后向前驱动飞行器。虽然图4a至图4d图示了推动配置(即，末端执行器146稍微在质心前面)，末端执行器(无论是被动末端执行器146还是主动末端执行器)的放置可以被向后移动以实现拖曳/拉动配置。

图5图示了用于如本文中公开的对象操纵系统160(例如，对象操纵系统104)的示例集成架构158的示意图。在操作中，来自机载imu164和飞行器传感器166的输入被飞行器处理器162用于飞行器100的粗略稳定。然而，对象操纵系统160提供额外的输入给飞行器处理器162，该输入具有与飞行器反馈法则类似的类型，且部分地由于对象操纵处理器168(例如，微控制器)从其他反馈传感器176导出的较高保真度信息(诸如(例如，来自传感器118等)目标位置感测、压力感测和关节位置感测)而具有更精细解析度。因此，粗略定位和姿态/速率输入可以被来自对象操纵系统160的更精细尺度的输入扩大。

对象操纵系统160与飞行器100的系统的集成能够使用对象操纵处理器168来促进，所述对象操纵处理器168被设计为与主机飞行器100的飞行器处理器162通信，并且控制对象操纵系统160(包括其反馈传感器176和各种致动器(例如，第一关节致动器182a、第二关节致动器182b、末端执行器致动器184))的操作。即，关节致动器182a、182b和末端执行器致动器184中的每一个可以包括例如由对象操纵处理器168控制的马达驱动电路。

一个或更多个反馈传感器176被配置为监测第一关节致动器182a、第二关节致动器182b和末端执行器致动器184的力和位置。一个或更多个反馈传感器176还可以包括电流传感器以监测到各种致动器的电流来确定载荷。来自一个或更多个反馈传感器176和/或编码器178的输出信号能够作为反馈被提供给对象操纵处理器168，以便尤其在马达控制循环170中使用。编码器178可以被附接到旋转对象(例如，马达或联动关节)以测量旋转，这使得对象操纵处理器168能够确定旋转传感器处的位移、速度、加速度或角度。例如，位置数据能够被数值地微分以估计速度和加速度；但是加速度也能够直接通过imu来测量(跨过不同关节的多个imu可以提供每个关节的独立数据)。(一个或多个)编码器178能够被安装在致动器处或在联动关节本身处。

对象操纵处理器168还可以从其他反馈传感器(例如，机器人臂128的一个或更多个端点压力传感器174、和/或传感器124等)和光学模块172(例如，传感器124和/或传感器118等的系统)接收反馈，其提供目标位置感测数据。对象操纵系统160因此能够提供：(1)为臂阻抗控制提供严格的内循环控制；(2)为飞行器内循环(姿态和速率)提供低水平反馈以改善飞行器盘旋的准确性；以及(3)为飞行器处理器162提供更高水平命令以命令飞行器接近对象120。换言之，处理器(诸如飞行器处理器162)可以与多个传感器通信地耦接，并且被配置为至少部分地基于来自多个传感器的信息自主地控制对象操纵系统的操作。集成架构158允许拾取和放置操作的高带宽端点控制，其中飞行器被当作总体拾取和放置系统的元件。

可以提供次要imu180以为对象操纵系统160提供额外的6-轴陀螺仪和加速度计组合，以填补并补偿飞行器的航空电子和导航系统中的任何潜在缺点。因此，对象操纵处理器168也可以从冗余的次要imu180接收数据。次要imu180可以例如被定位在末端执行器146上。

图6a和图6b图示了操作另一示例对象操纵系统104的示例vtol飞行器100。对象操纵系统104包含外部闭锁机构132，诸如机器人抓紧器、夹持器或其他末端执行器。然而，对象操纵系统104具有单个肢体，其能够以多个自由度操作。这可以提供额外的灵活性，例如能够到达更紧密的地点，但是不能提升较重的载荷。

如图所示，一旦飞行器100已经到达对象120，对象操纵系统104就被部署以获取对象120，如在图6a和图6b中图示的。图6a图示了在对象操纵系统104从机体102向下延伸的情况下的飞行器100。具有抓取器/指状物的机器人臂186在下降后固定对象120。机器人臂186经由一系列致动关节188被部署，被对象操纵处理器(例如，对象操纵处理器168)控制。抓取器612可操作为在对象120下方滑动，由此当机器人臂186被向内拖曳时，朝向机体102向上提升对象120，如通过箭头187示出的。已经操纵对象120，机器人臂186被缩回，由此将对象固定到机体102，如在图6b中示出的。一旦被固定，飞行器100就被配置用于飞行，并且能够增加海拔以运输对象120。

图7a至图7c图示了当飞行器100(被图示为无人驾驶航空运载工具(uav))朝向对象120行进并抓紧对象120时飞行器100的示例操作。如所图示的，多旋翼uav飞行器100包含机体102和多个旋翼吊杆190，所述多个旋翼吊杆190被耦接到机体102并且从那里径向地延伸。每个旋翼吊杆190的远端可以包括推进器106。例如，图示的多旋翼uav飞行器100包含均具有推进器106的六个旋翼吊杆190。

图7a图示了在对象操纵系统104从其装载位置下降到部署位置的情况下的飞行器100，其中端点(例如，闭锁机构–被图示为末端执行器194)正在着陆点处接触稳定表面126。如所图示的，着陆点邻近对象120。一旦接近目标方位，飞行器100就不需要精确定位，因为臂吊杆192下降直至末端执行器194接触目标对象120附近的稳定表面126。末端执行器194的底部上的触摸传感器为飞行器100提供闭环反馈，保持它竖直稳定。光学模块(例如，光学模块172)识别对象120和任何障碍物相对于飞行器100的方位。

当末端执行器194朝向象120行进(被识别为方向a)以执行毫米准确度的拾取操作时，飞行器100能够使用稳定表面126来滑动末端执行器194。飞行器100朝向对象120行进，直至它在末端执行器194的包络内。虽然稳定表面126被图示为大的，其中初始着陆点相对远离对象120，但是端点能够被配置为尤其使用视觉定位和ar标签着陆在对象120的短距离内(例如，2-10厘米或直接在顶部上)；然而其他标签可以被使用，包括rfid和nfc标签。在该示例中，飞行器100使用稳定表面126取向它本身，但是沿任何取向的任何稳定表面126都可以被使用，诸如对象120附近的竖直墙壁。如果对象120被适当地约束，对象本身也可以被用作稳定表面126。

如在图7b中图示的，一旦对象120在末端执行器194的包络内，末端执行器致动器围绕对象120闭合指状构件198。末端执行器194(例如，指状构件198)上的触摸传感器为处理器(例如，对象操纵处理器168)提供反馈，以确保与对象120建立牢固的夹持。当飞行器100捕获对象120并且准备飞离时，末端执行器194(经由对象操纵系统104，例如，机器人臂)与稳定表面126之间的接触将会帮助飞行稳定性。如在图7c中图示的，飞行器100将机器人臂和对象120装载到运输位置，相对于系统重心调整臂以提供最有效的飞行动力学。对象操纵系统104也可以被用来在飞行期间稳定对象120。

虽然上面描述的对象操纵系统104和末端执行器194使用主动部件(例如，马达、致动器等)，但是在某些方面中，诸如关于图4描述的被动提升机构136和被动末端执行器146可以被使用。某些航空操纵系统使用具有高旋转惯性的非顺应性机器人肢体；然而，这些系统不提供飞行器100和提升机构与环境(例如，稳定表面126、平坦表面或正在保持对象120的硬挡块)之间的接触的冲击动力学之间的分离。然而，被动提升机构136可以被配置为提供定向的顺应性和定向的约束以最小化冲击的负面影响，提供了末端执行器146的取向与飞行器100的取向之间的灵活性，并且利用了环境中的可靠约束。被动机构(尤其包括被动踝关节)可以在需要简单性和成本的应用中被采用。例如，具有反馈控制的马达能够被编程为表现得像被动关节，同时还使得被动性质能够通过改变控制系统来调谐。

图8a和图8b图示了操作用于对象操纵的示例对准漏斗系统的示例vtol飞行器100。如图所示，对准漏斗系统包含第一对准引导件202a和第二对准引导件202b，以机械地引导飞行器100与对象120的对准或反之亦然。这些对准引导件202a、202b被布置为限定机械漏斗，以促进飞行器100的对象操纵系统104和对象120在对准引导件202a、202b之间的自对准。

在飞行器100不能降落在区域中和/或盘旋不准确的情况下，对准引导件202a、202b能够引起对象120被放置到支持获取(诸如使用提升和/或闭锁机构(例如，作为对象操纵系统104的一部分))的位置内。在一些实施例中，这些对准引导件是被动的，诸如具有不损坏飞行器100或对象120的阻抗值，并且可以是或可以不是可缩回的。

对准引导件被成形为以三维方式(但是所示出的对准引导件是基本上平面的)与对象120相互作用，使得对准引导件能够引起对象120向前、向后或横向移动(例如，轻推)。对准引导件能够被致动，使得其接近角(即，自飞行器100的角度、形成漏斗状的量)能够通过马达和/或关节200来调整。例如，形成漏斗状的程度能够随着飞行器100、对象120变得对准而增加。

如在图8b中图示的，对准引导件202a、202b可以具有可调和/或方向阻抗控制，使得它们沿一些方向是顺应性的，这可以导致错过(tripping)，并且沿其他方向是刚性的，与对象120相互作用的结果导致适当的对准。例如，对准引导件202a图示了由于与对象120a的接触而对沿110a的方向的力的抵抗，以便在飞行器100下方对准对象120a。相反，对准引导件202b图示了从对象120b对沿110b的方向的力的顺应性，以便不迫使对象远离飞行器100的中心。

在一些实施例中，对准引导件能够额外地或替代地包括主动机器人肢体，其被配置为感测对象并且与对象相互作用以对准、定位和/或固定对象。类似地，飞行控制器可以基于主动机器人肢体与对象之间的相互作用重新定位飞行器以对准它本身与对象。如在图9a至图9g中示出的，示例vtol飞行器100操作示例缩回和部署系统用于对象操纵。该系统包括机器人臂204a和204b，其能够采用诸如通过铰接关节208a和208b连接的多个肢体206a和206b。机器人臂204a和204b能够被自主地和/或被操作者操作，以帮助定位对象120并且固定对象120，诸如通过对象操纵系统104。在示例中，机器人臂204a和204b被配置为诸如在飞行期间缩回到在图9a中示出的抵靠机体102的位置。

图9b图示了被部署为操纵对象120的机器人臂204b。如图所示，元件210b与对象120接触。元件210b能够包括多种传感器(诸如压力传感器、光学传感器等)，以在与对象120相互作用期间为系统提供数据。在示例中，机器人臂204a和204b能够被用来针对对象120(在低接触阻抗的情况下)进行感测，并且然后伸出并且对准对象和飞行器100(在较高阻抗的情况下)。在某些方面中，机器人臂204a和204b也可以充当用于飞行器100的起落架。例如，在较小的轻质飞行器的情况下，机器人臂204a和204b可以被定尺寸并且被成形为操纵对象120并且当降落时支撑飞行器100的重量。

图9c图示了臂206b沿方向212围绕关节208b旋转，使得元件210b轻推对象120与对象操纵系统104对准，如在图9d中示出的。一旦在用于获取的适当位置中，飞行器100能够下降以提升对象，如在图9e中图示的。在一些实施例中，对象操纵系统104将会向下部署以从飞行器100的盘旋高度伸出，以避免飞行器100的进一步移动。

已经将对象120固定在对象操纵系统104中，如在图9f中示出的，机器人臂204a和204b能够分别通过围绕关节208a和208b沿方向214a和214b向内旋转而再次缩回。在对象120靠近飞行器100的质心被固定的情况下，飞行器100起飞以运输对象120，如在图9g中示出的。

图10a和图10b图示了操作示例起落架系统的另一示例vtol飞行器100，所述示例起落架系统被配置为定位vtol飞行器100以便进行对象操纵。起落架系统包括肢体216a和216b，其可以是主动起落架(即，机器人控制的)，被配置为移动飞行器100相对于对象120的位置。例如，一些对象获取和递送情况可以通过将飞行器100降落在对象120上方并且然后操纵飞行器100以对准两者来管理。如图所示，将飞行器100降落在对象120上方应当采用比对象120更大的肢体。

肢体216a和216b可以包括轮子218a和218b或其他类型的结构来接触稳定表面126。一旦降落，肢体216a和216b就能够调整飞行器相对于地面上的稳定表面126和/或对象120的位置。例如，如在图10b中示出的，当肢体216b缩回时，肢体216a能够从机体102延伸，导致飞行器100沿方向220的水平移动。

图11a和图11b图示了与示例地基降落结构228协作来促进对象操纵的示例vtol飞行器100。因此，飞行器100可以被配置为与地基降落结构228协作来促进对象操纵。例如，地基降落结构228能够被安装在稳定表面126上，由一个或更多个基础元件230构建。降落支撑件232从基础元件230延伸以接受飞行器100。地基降落结构228可以被配置为经由一个或更多个对象支撑件236来支撑对象120。当飞行器100降落时，一个或更多个对象支撑件236将对象120保持在用于获取的适当位置中。地基降落结构228可以被配置为经由一个或更多个降落支撑件232来支撑飞行器100。降落支撑件232可以被设计(例如，被定尺寸并且被成形)为接受飞行器100，使得当飞行器100已经降落在地基降落结构228上(或中)时，对象操纵系统104与对象120对准。换言之，一个或更多个降落支撑件232被配置为在飞行器100的降落操作期间至少部分地基于对象120或飞行器100的特性朝向对象120引导对象操纵系统104。例如，降落支撑件232在漏斗类型布置中被图示为以一角度从基础元件230延伸的平面结构。然而，支撑对象120和飞行器100两者的任何形状和/或几何结构也被考虑。例如，u形形状、盒状笼子等能够被类似地采用。

为了降落在地基降落结构228上，飞行器100包括修改的降落系统222a和222b，诸如导轨、起落撬、轮子等。如图所示，降落系统被构建为与降落支撑件232配合，如在图11b中示出的。机体102的下侧能够用涂层或保护性覆盖物122来保护，以减轻来自与对象120和/或地基降落结构228意外接触的损坏。在某些方面中，降落支撑件232可以包括保护性覆盖物(例如，保护性覆盖物122)以减轻来自与降落支撑件232的接触的对飞行器100的损坏。

在一些实施例中，地基运载工具(例如，有轮的运载工具、机器人运载工具等)能够将对象120插入到地基降落结构228内。运载工具能够被自主地操作，和/或能够包括机器人提升机构。一旦飞行器100已经降落，在对象120与对象操纵系统104对准的情况下，对象就被固定并且准备好飞行，与关于若干附图公开的系统和方法一致。

在某些方面中，地基降落结构228可以被耦接到地基运载工具或与地基运载工具集成在一起。例如，地基降落结构228可以是地基运载工具的一部分，其被配置为在下降期间对准它本身与飞行器100以确保有效的降落。为此目的，地基降落结构228可以包括轮子224和驱动系统，以将对象120运输到拾取方位并且相对于飞行器100和/或对象操纵系统104移动对象(例如，以便对准)。在一个示例中，地基降落结构228可以被配置为动态地(例如，实时或几乎实时)考虑飞行器100的移动(例如，未预期的或不必要的移动)，由此允许飞行器100移动同时维持对象操纵系统与对象之间的接触。对准可以通过被耦接到地基运载工具的多种传感器(例如，光学、lidar等)的数据的分析或通过与飞行器100通信来实现。

图12图示了用于飞行器处理器162配合对象操纵系统来操作的基于飞行器的集成架构的方框图，该对象操作系统被配置为控制在若干附图中图示的飞行器100的各种部件和功能。如所图示的，飞行器包括一个或更多个飞行器处理器162，其与至少一个存储器装置242、对象操纵系统160(例如参见图5)、飞行控制器238、起落架控制器240、无线收发器250和导航系统248通信地耦接。飞行器处理器162可以被配置为至少部分地基于指令(例如，软件)和被存储到存储器装置242(例如，硬盘驱动器、闪速存储器等)的一个或更多个数据库执行一个或更多个操作。

飞行器控制系统可以进一步包括其他期望的服务，诸如天线196与无线收发器250耦接以在飞行器与远程装置254(例如，便携式电子装置，诸如智能手机、平板电脑和笔记本电脑)或其他控制器(例如，基站)之间通信数据。例如，飞行器可以经过网络252或另一运载工具(诸如另一飞行器100或地基运载工具)与远程装置254通信数据(经处理的数据、未处理的数据等)。在某些方面中，无线收发器250可以被配置为一个或更多个无线标准来通信，诸如蓝牙(例如，短波长、从2.4到2.485ghz的工业、科学和医学(ism)波段中的超高频(uhf)无线电波)、近场通信(nfc)、wi-fi(例如，电气与电子工程师学会(ieee)802.11标准)等。远程装置254可以促进飞行器和其(一个或多个)有效载荷(包括对象操纵系统160和传感器166)的监测和/或控制。

飞行器处理器162可以被可操作地耦接到飞行控制器238，以响应于经由无线收发器250来自操作者、自动驾驶仪、导航系统248、传感器166或其他高级系统的命令而控制各种致动器(例如，控制任何飞行部件(诸如旋翼和/或升力马达)的移动的那些)的操作。在某些方面中，飞行器处理器162和飞行控制器238可以被集成为单个部件或电路。在操作中，飞行控制器238可以在飞行的各种阶段(例如，起飞、巡航、降落)期间动态地(即，实时或几乎实时)且独立地调整来自升力马达的推力，以控制飞行器的滚动、俯仰或偏航。换言之，飞行控制器238能够独立地控制旋翼上的升力马达，以产生用于飞行器的期望的升力推力。例如，当具有旋翼叶片的旋翼(例如，螺旋桨)被使用时，飞行控制器238可以改变旋翼的每分钟转数(rpm)，和/或在期望的情况下，改变旋翼叶片的桨距。

飞行器处理器162可以被可操作地耦接到导航系统248，其可以包括与惯性导航系统(ins)246和/或惯性测量单元(imu)164通信地耦接的全球定位系统(gps)244，能够包括一个或更多个陀螺仪和加速度计。gps244给予能够被用来重置ins解或能够通过使用数学算法(诸如卡尔曼滤波器)而与它混合的绝对无漂移位置值。导航系统248可以尤其将惯性稳定数据通信给飞行器处理器162，其可以在飞行、降落和起飞期间被使用以及促进对象操纵系统160的操作。

为了收集数据和/或监测区域，飞行器可以装备有多个传感器166，包括，例如，一个或更多个摄像机166a(例如，用于记录或捕获图像和/或视频的光学仪器，包括光检测和测距(lidar)装置)、音频装置166b(例如，麦克风、回声定位传感器等)和促进系统功能性并且提供数据(例如，照片、视频、音频、传感器测量等)的其他传感器166c。传感器166被可操作地耦接到飞行器处理器162，以促进传感器166与飞行器处理器162之间的通信。数据可以被用来导航飞行器和/或控制对象操纵系统160的操作。传感器166可以在相对于机体的固定位置中，和/或经由万向架系统被可旋转地且枢转地耦接到例如机体的下侧表面(或另一结构部件)，以使得传感器166能够被更容易地向下取向，以监测下方的和/或地面上的对象。数据可以经由无线收发器250经过网络252从飞行器被动态地或周期性地通信到远程装置254，或被存储到存储器装置242用于以后访问或处理。

飞行器处理器162可以与基于传感器读数和/或已知的导航地图(例如，反映障碍物和/或边界的环境的地图)提供环境数据的系统可操作地耦接，所述环境数据可以被加载并且被存储到飞行器(例如，在存储器装置242处)。在某些方面中，导航系统248可以采用来自传感器166的传感器数据来确定环境内的飞行器位置。

飞行器处理器162可以与对象操纵系统160可操作地耦接，以提供对象操纵系统160(例如，采集传感器数据和/或传输命令)与飞行器处理器162之间双向通信。在操作中，飞行器处理器162可以将对象相关的稳定数据通信给对象操纵系统160，并且从对象操纵系统160接收位置命令/数据。例如，至少部分地基于来自操作者、自动驾驶仪、导航系统248、传感器166或其他高级系统的命令，命令可以从飞行器处理器162被通信给对象操纵系统160。因此，在一个方面中，对象操纵系统160(包括其一个或更多个机器人臂(或其他致动器/夹持器/等))可以被配置为响应于来自操作者的命令而操作。操作者可以被远程地安置，并且经由远程装置254通过无线链路(网络252)与对象操纵系统160通信地耦接。进一步地，来自与对象的表面接触的对象操纵系统160的传感器166的反馈以及要被抓紧和安放的对象的位置感测能够帮助确定降落在哪里、如何固定对象等。

传感器166可以包括光学模块，例如，具有红外(ir)摄像机、rgb(红/绿/蓝)摄像机、激光投影仪等。光学模块可以朝向机器人臂(例如，机器人臂128等)的后面被定位，该机器人臂的后面被配置有捕获对象120和环境的图像的前视场。传感器166可以采用一种或更多种感测技术来实现深度知觉、3d成像、内部映射和特征跟踪。ir摄像机与ir激光投影仪一起提供深度信息，以计算机器人臂与对象120之间的空间关系。为此目的，ir摄像机可以是一对摄像机中的一个，所述一对摄像机与彼此间隔开以捕获对象120和环境的不同透视图(即，角度)。使用该数据，对象操纵系统160(经由相应的处理器，诸如对象操纵处理器168)能够将对象120相对于机器人臂的3-d方位测量到非常高的分辨率。

其他反馈传感器可以包括例如压力换能器、触摸传感器等。触摸感测用来促进对象操纵系统160的阻抗控制，并且能够使用被嵌入在铸塑橡胶中的压力传感器来实现。例如，触觉传感器(例如，压力换能器或应变计)可以在与对象120进行接触的位置处被放置在机器人臂的表面上。此外，驱动机器人臂的齿轮的马达可以被用来通过马达电路中的电流感测来执行触觉反馈。对象操纵系统160能够使用来自光学模块的信息来规划接近路径，以朝向对象120快速地移动机器人臂和其触摸传感器。例如，机器人臂可以是具有多个指状构件的主动夹持器，但是考虑了其他形式的夹持器来提供期望的夹持力，诸如夹紧、俘获、捕获和真空抽吸。

对象操纵系统160可以进一步采用条形码(例如，被定位在对象120上)，以经由rgb摄像机166a识别对象120。机器人臂上的多个基准标记(例如，april标签或ar标签)能够帮助确定机器人臂的精确位置。飞行器处理器162被配置为经由传感器166跟踪多个基准标记。

尽管被描述为在单个处理器(例如，飞行器处理器162)上操作，但是两个或更多个处理器能够被用于特定的功能。例如，飞行控制器238和对象操纵系统160中的每一个能够具有专用的处理器，其与彼此通信以及与飞行器处理器162通信。

图13图示了由基于飞行器的系统操纵对象的方法1300。方法1300能够是在一个或更多个处理器(例如，对象操纵处理器168或飞行器处理器162)上执行的一组指令(例如，算法、代码、软件等)。在方框1302中，系统经由第一传感器(例如，经由一个或更多个传感器166)识别与用于运输的目标对象(例如，对象120)相关联的特性。在方框1304中，飞行器被定位为在对象上方盘旋，使得对象可接近对象操纵系统(例如，对象操纵系统104)。在一些实施例中，如在方框1306中提供的，飞行器通过被附接到飞行器100的机体102的起落架系统(例如，起落架108，使用起落架处的肢体216a、216b等)降落在表面上。

一旦降落，飞行器的位置就经由起落架来调整以对准对象与闭锁机构(例如，闭锁机构132等)，同时起落架系统在调整期间维持与表面接触，如在方框1308中示出的。在方框1310中，对象被对象操纵系统操纵以对准对象与闭锁机构(例如，闭锁机构132等)。在方框1312中，对象被闭锁机构固定到飞行器。在方框1314中，系统确定对象是否被适当地固定到机体。在方框1316中，飞行器带着所固定的对象起飞以进行运输。

在示例自主系统中，方法1300能够通过各种逻辑程序来执行，由多个传感器通知，其中信息由存储介质提供，信息能够包括来自之前操作的趋势分析、网络连接的信息等，以有效地识别、接近、固定和运输对象，而无需人类干预。

以上引用的专利和专利申请通过引用整体并入本文。如果通过引用并入本文的参考文献中术语的定义或用法与本文提供的该术语的定义或理解不一致或相反，则本文所提供的术语的含义为主，并且该术语在引用文献中的定义不一定适用。尽管已经参考零件、特征等的特定布置描述了各种实施例，但是这些实施例并不旨在穷尽所有可能的布置或特征，并且实际上许多其他实施例、修改和变化将对于本领域技术人员是可确定的。因此，应当理解的，本公开的教导因此可以不同于上文具体描述的方式实施。

本公开包含在以下条款中描述的主题：

条款1.一种用于经由飞行器(100)操纵对象(120、120a、120b)的航空操纵系统(104、160)，所述航空操纵系统(104、160)包含：

多个传感器(166、118、124)，其被配置为识别所述对象(120、120a、120b)的物理特性；

对象(120、120a、120b)操纵系统(104、160)，其被耦接到所述飞行器(100)的机体(102)，并且被配置为将所述对象(120、120a、120b)固定到所述机体(102)；以及

处理器(168)，其通信地耦接所述多个传感器(166、118、124)，并且被配置为至少部分地基于来自所述多个传感器(166、118、124)的信息控制所述对象(120、120a、120b)操纵系统(104、160)的操作，其中所述处理器(168)被进一步配置为控制所述对象(120、120a、120b)与所述机体(102)之间的对准。

条款2.根据条款1所述的航空操纵系统(104、160)，其中所述多个传感器(166、118、124)包含光学模块(172)。

条款3.根据条款1或条款2所述的航空操纵系统(104、160)，其中所述对象(120、120a、120b)操纵系统(104、160)包含一个或更多个机器人臂(206b)，以(1)对准所述机体(102)与所述对象(120、120a、120b)，并且(2)相对于所述机体(102)固定所述对象(120、120a、120b)。

条款4.根据条款3所述的航空操纵系统(104、160)，其中所述一个或更多个机器人臂(206b)被配置为考虑所述飞行器(100)的移动，由此允许所述飞行器(100)移动同时维持至少一个机器人臂(206b)与所述对象(120、120a、120b)之间的接触。

条款5.根据条款3所述的航空操纵系统(104、160)，其中所述对象(120、120a、120b)操纵系统(104、160)包含被耦接到所述机体(102)的闭锁机构，所述一个或更多个机器人臂(206b)被配置为相对于所述闭锁机构定位所述对象(120、120a、120b)，以便将所述对象(120、120a、120b)固定到所述机体(102)。

条款6.根据条款3所述的航空操纵系统(104、160)，其中所述一个或更多个机器人臂(206b)被配置为相对于所述机体(102)将所述对象(120、120a、120b)固定在所述飞行器(100)的所述质心处或附近的位置中。

条款7.根据上面的条款中的任一项所述的航空操纵系统(104、160)，其中所述飞行器(100)被配置为与地基降落结构(228)协作来促进对象(120、120a、120b)操纵。

条款8.根据条款7所述的航空操纵系统(104、160)，其中所述地基降落结构(228)包含被定尺寸并且被成形为接受所述飞行器(100)的一个或更多个降落支撑件(232)。

条款9.根据条款8所述的航空操纵系统(104、160)，其中一个或更多个降落支撑件(232)被配置为在所述飞行器(100)的降落操作期间至少部分地基于所述对象(120、120a、120b)或所述飞行器(100)的特性朝向所述对象(120、120a、120b)引导所述对象(120、120a、120b)操纵系统(104、160)。

条款10.根据上面的条款中的任一项所述的航空操纵系统(104、160)，其中所述一个或更多个机器人臂(206b)被配置为拾取所述对象(120、120a、120b)。

条款11.根据上面的条款中的任一项所述的航空操纵系统(104、160)，其中所述飞行器(100)是包含被耦接到所述机体(102)的起落架(108)的vtol飞行器(100)，其中所述起落架(108)被配置为在对象(120、120a、120b)获取期间缩回，并且在所述飞行器(100)的降落操作期间部署。

条款12.根据上面的条款中的任一项所述的航空操纵系统(104、160)，其中所述对象(120、120a、120b)操纵系统(104、160)包含一个或更多个反馈传感器(166、118、124)，以当与所述对象(120、120a、120b)相互作用时为所述处理器(168)提供反馈数据。

条款13.根据上面的条款中的任一项所述的航空操纵系统(104、160)，其中所述对象(120、120a、120b)包含代码或基准标记以帮助确定所述对象(120、120a、120b)的物理特性。

条款14.根据上面的条款中的任一项所述的航空操纵系统(104、160)，其中所述对象(120、120a、120b)是静止的，并且所述处理器(168)被配置为根据来自所述多个传感器(166、118、124)的输入控制所述飞行器(100)的飞行控制器，以通过调整所述飞行器(100)的位置和取向来对准所述机体(102)与所述对象(120、120a、120b)。

条款15.根据上面的条款中的任一项所述的航空操纵系统(104、160)，其中所述对象(120、120a、120b)是可移动的，并且所述处理器(168)被配置为控制所述对象(120、120a、120b)操纵系统(104、160)对准所述对象(120、120a、120b)与所述机体(102)。

条款16.一种使用飞行器(100)的航空操纵系统(104、160)操纵对象(120、120a、120b)的方法，所述方法包含：

经由第一传感器(166、118、124)识别与用于运输的目标对象(120、120a、120b)相关联的特性；

将所述飞行器(100)定位为在所述对象(120、120a、120b)上方盘旋，使得所述对象(120、120a、120b)可接近对象(120、120a、120b)操纵系统(104、160)；

对准所述对象(120、120a、120b)与闭锁机构；以及

经由所述闭锁机构将所述对象(120、120a、120b)固定到所述飞行器(100)。

17.根据条款16所述的方法，进一步包含：

通过起落架(108)系统将所述飞行器(100)降落在表面上，所述起落架(108)系统被附接到所述飞行器(100)的机体(102)；

经由所述起落架(108)调整所述飞行器(100)的位置以对准所述闭锁机构与所述对象(120、120a、120b)，其中所述起落架(108)系统在调整期间维持与所述表面的接触；以及

带着所固定的对象(120、120a、120b)起飞。

条款18.一种使用耦接到飞行器(100)的对象(120、120a、120b)操纵系统(104、160)来促进对象(120、120a、120b)的操纵的地基降落结构(228)，所述地基降落结构(228)包含：

支撑所述对象(120、120a、120b)的对象(120、120a、120b)支撑元件；以及

在降落后支撑所述飞行器(100)的降落支撑元件，其中所述降落支撑元件被配置为在所述飞行器(100)的降落操作期间引导所述飞行器(100)，以朝向所述对象(120、120a、120b)导向所述对象(120、120a、120b)操纵系统(104、160)。

条款19.根据条款18的所述的地基降落结构(228)，其中所述地基降落结构(228)被配置为至少部分地基于所述对象(120、120a、120b)或所述飞行器(100)的特性调整所述对象(120、120a、120b)支撑元件。

条款20.根据条款18或条款19的所述的地基降落结构(228)，其中所述地基降落结构(228)包含多个轮子(218a、224)和驱动系统，以在所述飞行器(100)的降落操作期间相对于所述飞行器(100)或所述对象(120、120a、120b)操纵系统(104、160)移动所述对象(120、120a、120b)。

条款21.根据条款18、条款19或条款20的所述的地基降落结构(228)，其中所述地基降落结构(228)被配置为在所述飞行器(100)的降落操作期间动态地考虑所述飞行器(100)的未预期的或不必要的移动。