专利名称:自主操作的交通工具快速研发测试台系统和方法
技术领域：
本发明总体涉及用于交通工具的算法和构造的快速研发和测试的系统和方法，包括有人和无人飞行工具，以及基于水和陆地的交通工具。
背景技术：
研发和测试交通工具，包括基于空气、水和陆地的交通工具，的现有方法一般需要计算机模拟和原型测试。遗憾的是，计算机模拟的执行是比较消耗时间的并且会无益地简化实际系统的许多复杂度。类似地，原型测试的成本可能是无益地昂贵的。在飞行工具的情况下，传统系统，诸如加利福尼亚的Mountain View的MLB公司的BAT Unmanned AerialVehicle，由于操作成本、后勤问题、安全规程和其他因素，只可应用于相对有限的飞行小时数和条件。
虽然现有技术的研发和测试交通工具的方法已经实现理想的结果，但是仍然存在改进的空间。更具体地说，能够快速地、精确地且经济地实现交通工具的算法和构造的研发和测试的方法和系统将会是十分有用的。
发明内容
本发明提供一种快速地研发和测试交通工具和交通工具部件的系统和方法。本发明的实施例可以有利地提供测试能力的显著改进，与现有技术系统和方法相比，允许更快速地、高效地且成本有效地调查和研发新型交通工具(包括基于空气、水和陆地的交通工具)和交通工具部件(包括硬件和软件部件)。
在一项实施例中，一种用于可控地操作一个或多个交通工具的系统包括位置参考系统以及命令和控制架构。该位置参考系统用以随着一个或多个交通工具在所述控制容积中操作而重复地测量一个或多个交通工具的一个或多个位置和移动特性。所述命令和控制架构用以接收来自于所述位置参考系统的重复测量的一个或多个位置和移动特性，并且根据来自于所述位置参考系统的重复测量的一个或多个稳定和控制特性确定对应的控制信号(在集中的控制操作模式下)。所述控制信号然后被传送至操作于所述控制容积中的一个或多个交通工具，从而以闭环反馈的方式控制所述一个或多个交通工具的位置、移动和稳定性其中的至少一个。在一项备选实施例中，该系统以分布式控制操作模式操作，其中，通过机载处理部件确定所述控制信号，这些机载处理部件位于交通工具上，接收由所述位置参考系统测量的信息，并且确定相关联交通工具的控制信号。
在另一实施例中，命令和控制架构还包括用以从一个或多个交通工具接收健康监视信息的健康监视部件，并且根据所接收的健康监视信息评价一个或多个交通工具的健康状态。该命令和控制架构还用以至少部分地根据一个或多个交通工具的经评价健康状态确定对应的控制信号。
在另一实施例中，一种操作一个或多个交通工具的方法包括使用位置参考系统测量一个或多个交通工具的一个或多个稳定性和控制特性。所测量的一个或多个稳定性和控制特性从位置参考系统接收，命令信号根据一个或多个稳定性和控制特性进行判定。将所述命令信号传送至操作于所述控制容积中的一个或多个交通工具，从而以闭环反馈的方式控制一个或多个交通工具的一个或多个稳定性和控制特性。
下面将参照
本发明的实施例。
图1是根据本发明一项实施例的研发和测试交通工具和交通工具部件的研发系统的不意图；
图2是根据本发明特定实施例的图1的研发系统的命令和控制架构的示意图；
图3是根据本发明另一示例性实施例的与图2的命令和控制架构相对应的控制方法的流程图；
图4是根据本发明一项备选实施例的研发系统的示意图；
图5是图4的研发系统的测试交通工具的放大示意图；
图6是图4的研发系统的测试交通工具和健康监视控制板的平面图；
图7是用于飞行工具操作的图4的研发系统的局部视图；
图8是图4的研发系统的计算机系统的示意图；
图9是图4的研发系统的健康监视系统的示意性概视图；
图10至12是由图9的分析和显示部件提供的代表性截屏；
图13是测试车辆的等轴视图，具有根据本发明另一实施例的集成健康监视控制板和处理部件；以及
图14是图13的健康监视控制板和处理部件的放大正视图。
具体实施方式
本发明涉及用于交通工具的算法和构造的快速研发和测试的系统和方法，包括载人和无人飞行工具，以及基于水和陆地的交通工具。本发明的特定实施例的许多具体详细内容在下述说明书以及图1-14中阐述以对这些实施例提供完全的理解。但是，本领域技术人员将理解，本发明可具有其他实施例，或者本发明可在不采用下述说明书中记载的细节的情况下实现。
一般地，根据本发明的实施例的系统和方法有利地允许在受控环境下快速地研发和测试各种交通工具和交通工具部件(硬件和软件)。更具体地说，本发明的实施例能够使用一个或多个测试交通工具实现快速地且重复地测试新软件系统、航空电子系统、控制算法、计算机硬件部件、传感器、结构或其他适当的有关参数。因为本发明的实施例可经调整以适应于例如适当的实验室环境，所以可以快速地、高效地且成本有效地测试和研发新的交通工具和交通工具部件。因此，本发明的实施例可提供测试能力的显著改善，允许新的交通工具(包括基于空气、水和陆地的交通工具)和交通工具部件以更低的成本进行更快速的调查和研发。
图1是根据本发明一项实施例的研发和测试交通工具和交通工具部件的研发系统100的示意图。在该实施例中，研发系统100包括操作连接至位置参考系统120和操作人员界面150的命令和控制计算机102。多个测试交通工具110操作位于在研发系统100的操作期间由位置参考系统120监视的控制空间122中。如图1所示，测试交通工具110可包括无人航空工具(UAV) 110A、无人地面交通工具(UGV) 110B，或者任何其他适当类型的测试交通工具110C。
命令和控制计算机102经由通信连接105操作通信于每个测试交通工具110，该通信连接可以是无线连接、基于有线的连接、光纤连接或者任何其他适当类型的通信连接。每个通信连接105都在命令和控制计算机102和测试交通工具110之间传送信号和数据。例如，在图1所示的实施例中，命令和控制计算机102用以从测试交通工具110接收视频和传感器信号104以及健康监视信号106，并且将适当的命令信号108传送至测试交通工具110。命令和控制软件程序112可在命令和控制计算机102上实现，从而执行与监视和控制测试交通工具110和研发系统100的各种部件相关的多种功能。可选择地，命令和控制计算机102可包括用以执行这些功能的一个或多个的一个或多个可编程硬件部件。
在操作中，命令和控制计算机102使得适当的命令信号108传送至一个或多个测试交通工具110，指导测试交通工具110执行所需的活动或功能。例如，一个或多个UAV测试交通工具IlOA可接收指令以沿着所需的飞行路径飞行并且使用机载传感器收集所需的信息。类似地，UGV和其他测试交通工具110BU10C可接收指令以横跨所需的地面路径，收集信息或者执行其他所需的活动。该测试交通工具110可接受命令来彼此独立地移动，或者可选择地，两个或多个测试交通工具110可接受命令以按照相协调的方式移动，诸如聚集(flocking)、挤满(swarming)或者超挤满(ultraswarming)移动,如2005年6 月 8 日在 IEEE Swarm Intelligence Symposium 出版的 Holland 等人的 Beyond SwarmIntelligence:the Ultraswarm 更完全记载的那样。
在测试交通工具110移动于控制空间122期间，位置参考系统120监视测试交通工具Iio的位置并且为命令和控制计算机102提供位置反馈信息122。命令和控制计算机102将位置反馈信息122与测试交通工具110的预期或所需位置进行比较，并且使得经由通信连接105将适当的命令信号108传送至测试交通工具110，从而在它们所需的位置或者沿着它们所需的前进方向可控制地调节(或者保持)测试交通工具110的位置。因此，位置参考系统120使得研发系统100具有闭环反馈控制能力，从而可控制地调节测试交通工具110的移动的位置和过程。更具体地说，位置参考系统120可有利地提供闭环反馈信息122，使得命令和控制计算机102能够确定和控制不仅仅位置和移动还有姿态和稳定控制命令，从而正确地控制和稳定该测试交通工具110。
现在，将在下文更详细地说明具体实施例，从而有利于更完整地理解根据本发明的系统和方法的各个方面。例如，图2是根据本发明一项特定实施例的图1的研发系统100的命令和控制架构200的示意图。在该实施例中，命令和控制架构200包括与实际环境和对应实际动态特性210的接口并且用以执行与控制空间122中的测试交通工具110相关联的计算和数据管理(为了简化，在图2中仅示出UAV测试交通工具IlOA和UGV测试交通工具110B)。该实时环境和动态接口 210可设置在命令和控制计算机102上，例如作为命令和控制软件112的一部分。每个测试交通工具110经由对应的通信连接105与实时环境和动态接口 210通信。
如图2进一步地示出，命令和控制架构200还包括用于每个测试交通工具110的交通工具控制单元212。每个交通工具控制单元212可位于相应的测试交通工具110上，诸如有人测试交通工具，或者可旋转地，可以与测试交通工具110分离开(或者远程)(例如，地面控制单元，空中控制单元，海中控制单元等)，如图2所示。交通工具控制单元212与控制数据网络240和健康监视网络242操作通信。
实时环境和动态特性功能210也与位置参考系统120操作性交互。应该理解的是，位置参考系统120可以是任何适当类型的系统，能够测量控制空间122中的测试交通工具110的位置和移动。在优选实施例中，位置参考系统120能够测量限定每个测试交通工具110的位置和移动的六个自由度的每个。例如，适当位置参考系统的实施例可包括激光扫描系统，诸如以商业方式从乔治亚州的Alpharetta的Mensi, Inc.得到的那些系统，以及激光雷达系统，诸如在授权给Frank等的美国专利N0.5，202, 742、授权给Izumi等的美国专利N0.5，266，955、授权给Kai的美国专利N0.5，724，124中大体公开的那些系统。在其他实施例中，位置参考系统可包括成像系统，诸如从加利福尼亚的San Ramon的CyraTechnologies, Inc.买到的Cyrax基于激光的成像系统。在其他实施例中,适当的位置参考系统可包括雷达和激光雷达系统，诸如瑞士的Heerbrugg的Leica Geosystems, Inc.售卖的LR200激光镭射系统。可选择地，位置参考系统可包括全球定位系统(GPS)和红外全球定位系统(IRGPS)，诸如在授权给Gildea等的美国专利N0.5，589，835、授权给Pratt的美国专利 N0.6，452，668B1、授权给 Hedges 等的美国专利 N0.6，501，543B2,6, 535，282B2,6，618，133B2和6，630，993B1大体公开的那些系统，以及弗吉尼亚的Dulles的ARC SecondInc.售卖的那些系统。位置参考系统的其他实施例可包括基于声纳的超声波系统，诸如Carengie-Mellon 大学的 TheRobotics Institue 的 Moravec 等的 High Resolution Mapsfrom Wide Angle Sonar 描述的类型，以及从马里兰的Rockville 的Automated Precision,Inc.得到的基于激光的点跟踪系统，或者任何其他适当类型的位置测量系统。
继续参照图2，重设格式模块214操作连接在位置参考系统120与控制数据网络240之间，并且用以接收由位置参考系统120测量的位置和移动数据，从而按照需要重新设定这些数据的格式，以及将这些数据经由控制数据网络240传播至命令和控制架构200的各个其他部件。应该理解，重新设定格式模块214可以从位置参考系统120分离开，如图2所示，或者可选择地，可以结合入位置参考系统120中。如上所述，由位置参考系统120提供的位置、姿态和移动数据(并且由重新设定格式模块214重新设定格式)以闭环反馈方式由命令和控制架构200使用，即通过比较实际数据和所需或已预测的数据(例如，使用实时环境和动态特性功能210或模拟环境和动态特性模块220，如下所述)并且发送适当的控制和稳定命令(例如，使用交通工具控制模块212)，从而可控制地据此调节(或保持)测试交通工具110的位置、姿态和移动其中的一个或多个。
在这一实施例中，命令和控制架构200还包括模拟环境和动态特性模块220，用以执行与一个或多个模拟交通工具模块222相关联的计算和数据管理。该模拟环境和动态特性模块220也可设置在命令和控制计算机102中，作为一部分命令和控制软件112。每个模拟交通工具模块222操作通信控制数据网络240和健康监视网络242。该模拟环境和动态特性模块220还用以将与模拟交通工具222相关联的模拟位置、姿态和移动数据，以及与模拟交通工具222相关联的健康管理数据，提供至重新设定格式模块214，从而传播至控制数据网络240。因此，命令和控制架构200可有利地用于研发在具有实时和模拟交通工具和环境条件的环境中操作的测试交通工具110。[0032]一个或多个操作人员224可经由操作人员界面150的命令和控制模块226将控制命令发送至研发系统100的各个部件，其与控制数据网络240和健康监视网络242操作通信。例如，操作人员224A可将适当的命令传送至模拟交通工具模块222A从而经由控制数据网络240导引模拟交通工具模块222k的移动、姿态、活动或任何其他所需特性。然后，一个或多个操作人员224可在操作人员界面150的情况显示模块228上监视研发系统100的有关的任何所需特性，包括模拟交通工具模块222和测试交通工具110的位置、移动和健康特性。例如，模拟交通工具模块222k的操作人员224A可在情况显示软件228的模拟交通工具显示部分228A上监视所需的特性(例如，位置、移动、健康特性等)。
在图2所示的实施例中，命令和控制架构200还包括通过再充电站控制单元232操作连接至控制数据和健康监视网络240、242的再充电站230。该再充电站230用以根据传播至健康监视网络242的健康监视信息将可消耗资源的补给提供至测试交通工具110。网络管理员模块234连接至控制数据和健康监视网络240、242并且用以执行各种传统网络管理活动和功能。记录模块236连接至控制数据和健康监视网络240、242并且用以记录在随后分析的研发测试期间在控制数据和健康监视网络240、242上传播的数据。用于测试后分析和展示的记录测试的回放功能可使用记录模块236与命令和控制模块226之间的控制和健康监视网络240、242接口来实现。
图3是根据本发明另一示例性实施例的与图2的命令和控制架构200对应的控制方法300的流程图。在该实施例中，研发系统100的各个部件在方框302示出，控制空间122中的一个或多个测试交通工具110(如果可以的话，为模拟交通工具)在方框304初始化。操作人员限定的测试计划在方框305输入，控制信号在方框306通信至测试交通工具110。例如，在一些实施例中，命令和控制计算机102可使得交通工具控制单元212将适当的命令信号108传送至测试交通工具110，指引测试交通工具110以执行所需的活动或功能。命令和控制计算机102可根据例如安装在命令和控制软件112中的一个或多个控制算法或软件程序确定适当的命令信号。
在方框308，位置参考系统120监视测试交通工具110的位置和移动，如果可以的话，模拟交通工具的位置和动态特性也被计算。由位置参考系统120测量的(以及为模拟交通工具计算的)位置和动态特性数据在方框310通信至命令和控制计算机102。在优选实施例中，位置参考系统120能够测量限定每个测试交通工具110的位置和移动的六个自由度，但是，在备选实施例中，位置参考系统120可适当地测量少于六个自由度。类似地，在方框312，由每个测试交通工具110上的传感器收集的健康监视数据，如果可以的话，模拟交通工具健康数据，被通信至命令和控制计算机102。
在图3所示的实施例中，控制方法300包括在方框330更新操作人员的情况显示。在方框332，作出判定(或者一系列判定)来确定测试交通工具110和模拟交通工具中的一个或多个是否接近或正跨过安全极限。如果是这样，操作人员可在方框334发送适当的控制命令，从而按照需要校正一个或多个交通工具的位置或过程，一个或多个交通工具的位置和过程可因此在方框336进行调节。
如图3进一步地示出，由位置参考系统120测量的位置和动态特性数据，以及由车载传感器传送的健康监视数据，在方框314与预测和所需数据值进行比较。例如，测试交通工具110的测得位置、姿态和速度可根据存储在命令和控制计算机102中的预编程任务计划而与所需值进行比较。类似地，车辆健康数据，诸如电池电荷量，燃油量，压力和温度水平，武器状态，其他可消耗资源水平以及任何其他所需健康参数可根据预编程任务计划与预期或所需值进行比较。
根据在方框314执行的比较，在方框316作出判定(或一系列判定)，从而确定是否需要对测试交通工具110其中的一个或多个作出位置调节。如果是这样，那么一个或多个测试交通工具Iio的位置调节在方框318执行。例如，命令和控制计算机102可使得适当的位置控制命令从对应交通工具控制单元212发出从而可控制地调节一个或多个测试交通工具110的位置。
类似地，在方框320，作出判定(或一系列判定)从而确定是否需要一个或多个测试交通工具110的稳定调节。如果是这样，一个或多个测试交通工具110的适当稳定参数的调节在方框322处实现。用于稳定调节的现有技术一般需要使用传感器，诸如转速计算陀螺仪和加速计，设置在测试交通工具110上，从而提供用于实现稳定的数据。在当前实施例中，位置参考系统420以足够的高精度和低延迟提供用于实现稳定调节的数据，从而明显地减小或消除对这些传感器的需求。其他益处在于减小与承载这些传感器的需求相关联的测试交通工具重量。
接下来，在方框324，作出判定(或一系列判定)从而确定一个或多个测试交通工具110的健康条件是否是不可接受的。如果是这样，在方框325作出判定，从而确定不可接受的健康条件是不是可校正的。如果是这样，那么采取校正操作，从而在方框326调节一个或多个测试交通工具110的高效健康条件，包括使用健康条件作为对应(各)交通工具的控制命令中的约束。如果交通工具的健康条件不是不可接受的，或者如果任何不可接收条件都不是可校正的，那么在方框328，判定该测试或任务是否是完整的。如果并非如此，那么方法300返回至方框306并且重复上述操作。否则，方法300完成。
应该理解，图3所示的各个步骤，在没有明确说明的情况下，等同地应用于模拟交通工具。传播位置和姿态数据214的应用程序可结合来自于实时和模拟环境的数据，使得单个交通工具，不管是实时还是模拟的，都不知道源头并且能够反作用于其他交通工具并且以通用的方式提供数据。模拟环境和动态特性模块220提供模拟健康数据以用于在方框324中进行评估并且用于实现交通工具316、320的稳定和位置调节。所模拟的数据可基于设计成模拟实际交通工具的模块并且可包括判定性和随机的行为，从而最好地反应不确定的实际环境。
图4是根据本发明的一项备选实施例的研发系统400的示意图。在该实施例中，研发系统400包括经由数据站404操作连接至位置参考系统420的主处理计算机402，经由数据连接452 (例如，以太网连接)进入应用计算机410。远程控制测试交通工具410位于由位置参考系统420监视的控制(或收集)容积422中。
位置参考系统420包括多个移动收集装置424 (例如，照相机)，这些装置围绕控制容积422操作分布并且用以监视设置在测试交通工具410上的多个回复反射性标记器426的位置和移动。在图4所示的实施例中，移动收集装置424以光谱的可见部分操作，但是，在备选实施例中，可使用以光谱的其他部分(例如，近红外、红外等)操作的装置。移动收集装置424用以监视回复反射性标记器426并且将回复反射性标记器426的位置实时地输出至主处理计算机402。可选择地，使用测试交通工具410上的回复反射性标记器426的相对位置的优先现有知识，移动收集装置424可内部处理测得标记器位置数据从而获得表示测试交通工具410的标记器分组的位置和方向数据，并且可将测试交通工具410的位置和方向数据输出至主处理计算机402。
在一项特定实施例中，总共六个移动收集装置424围绕大概房间尺寸的控制容积422分布(例如，25’ X25’ X8’)，并且用以在10毫秒处理延迟下以达到500Hz的刷新率提供回复反射性标记器426的位置的次毫米级(sub-millimeter)位置精确度。因此，位置参考系统420可提供六个自由度，大概实时地跟踪测试交通工具410，从而实现测试交通工具410的位置、移动和稳定特性的闭环反馈控制。在备选实施例中，可使用任何适当数量的移动收集装置424(例如，两个或多个)，并且可向上或向下调节控制容积422至所需尺寸。例如，在另一特定实施例中，使用八个移动收集装置424。类似地，在备选实施例中，移动收集装置424可用以提供任何适当或所需的分辨率和操作频率。可在位置参考系统420中使用的适当移动收集装置424包括英国Oxford的Vicon Limited售卖的照相机系统，以及可从加利福尼亚的Santa Rosa的Motion Analysis Corp.得到的照相机系统。适当的位置参考系统的其他实施例和操作方面记载在上述共同拥有的美国专利申请N0.(t.b.d.)，名称为 “Closed-Loop Feedback Control of Cehicles Using Motion CaptureSystems，，，律师卷N0.N01-0304US，2006年7月24日同时提交。
图5和6分别是与研发系统400的其他部件相关联的测试交通工具410的放大示意性和平面图。图7示出在研发系统400的控制容积422中操作的测试交通工具410。如图5最清楚地示出，在该实施例中，测试交通工具410包括车载控制器414，操作连接至多个转子组件412和电源416 (例如，电池)。电流传感器417监视由每个转子组件412吸引的电流，热敏电阻418监视每个转子组件412的温度。在特定实施例中，测试交通工具410是Saskatchewan 的 Saskatoon 的 Draganfly Innovations, Inc.售卖的 Draganflyer Re 直升飞机的改进版本。
机载控制器414操作连接至控制模块460。该控制模块460可位于测试交通工具410上，或者可选择地，可离开测试交通工具410而远程定位，并且可经由无线通信连接与机载控制器414通信。在图5所示的实施例中，控制模块460包括连接至处理部件464转而连接至通信部件466的健康管理部件462。处理和通信部件464、466可具有大概的重合作用和功能。例如，在一项特定实施例中，处理部件463可执行数据收集以及相对低等级的机载处理活动，通信部件466可执行相对高等级的机上处理活动以及通信活动。健康管理和/或处理部件462、464适于监视电源416的电压水平、电流传感器417和温度传感器418的输出，并且缓冲、过滤和调节从测试交通工具410接收的信号，以通信至通信部件466。然后，通信部件466用以将这些数据传送至研发系统400的命令和控制部件，从而实现健康监视测试交通工具410的各种系统和参数。在一项特定实施例中，处理部件464可以是Robostix微控制器，通信部件466可以是Connex 400xm-bt平台，这二者都是加利福尼亚的PortolaValley的gumstix inc.售卖的。在另一实施例中,微控制器(例如,Robostix微控制器)可与印刷电路板结合从而将这些功能设置在测试交通工具410上，如下文参照图13和14所示。
图8是适于用于图4的研发系统400的计算机装置500的示意图。更具体地说，计算机装置500可用作主处理计算机402，或者作为应用计算机450，或者二者。在非常基本的构造中，计算装置500包括至少一个处理单元502和系统内存504。根据计算装置500的精确构造和类型，该系统内存504是易失性的(诸如，RAM)，非易失性的(诸如ROM和闪存)或者二者的特定组合。该系统内存504 —般包括操作系统506，一个或多个程序模块508，并且包括程序数据510。
对于根据本发明的方法和系统，程序模块508可包括实现这里所述的一个或多个过程的处理模块509。这里所述的其他模块可以是程序模块508的一部分。作为备选，处理模块509，以及其他模块，可以实现为操作系统506的一部分，或者其可安装在计算装置上并且存储在与系统内存506分离的其他内存中(例如，不可移除的存储522)。
计算装置500可具有其他特征或功能。例如，计算装置500也可包括其他计算存储装置(可移除和/或不可移除)，诸如磁盘、光盘或磁带。这种额外存储如图8所示，可移除的存储520和不可移除的存储522。计算机存储介质可包括易失性和非易失性的，可移除的和不可移除的介质，以存储信息的任何方法或技术实现，诸如计算机可读取指令，数据结构，程序模块或其他数据。该系统内存506，可移除存储520和不可移除存储522都是计算机存储介质的所有实例。因此，计算机存储介质包括但不局限于RAM、ROM、EEPR0M、闪存或者其他内存技术、CD-ROM、数字多用盘(DVD)或者其他光学存储，磁性卡带、磁带、磁盘存储或者其他磁性存储装置，或者可用于存储所需信息并且可由计算装置500处理的任何其他介质。任何这种计算存储介质可以是装置500的一部分。计算装置500也可具有(各)输入装置524，诸如键盘、鼠标、笔、声音输入装置和触摸输入装置。(各)输出装置526诸如显示器、扬声器和打印机也可包括在内。这些装置在本领域中是公知的，不需要在这里进行详细讨论。
计算装置500可包含允许该装置与其他计算装置540诸如通过网络通信的通信连接528。(各)通信连接528是通信介质的一个实例。通信介质一般可实现为计算机可读指令、数据结构、程序模块、或者以调制数据信号形式的其他数据，诸如载波或者其他传输机制，并且包括任何信息输送介质。
各种模块和技术可在这里在计算机可执行指令的通用环境中描述，诸如程序模块，由一个或多个计算机或其他装置执行。一般地，程序模块包括子程序、程序、对象、部件、数据结构等，用于执行特定任务或者执行特定抽象数据类型。这些程序模块等可执行为本地代码或者下载并执行，诸如在虚拟机中或者其他及时(just-1n-time)编译执行环境。一般地，程序模块的功能可以在各个环境中按照需要组合或分布。这些模块和技术的实现可存储或者传送过一些形式的计算机可读取介质。
图9是根据本发明一项备选实施例的研发系统的健康监视系统600的示意性总体图。在该实施例中，测试交通工具610包括交通工具控制器414、电源416、转子组件412和电流与温度传感器417、418，如上所述(图5)。测试交通工具610也包括处理部件614和通信部件616。处理部件614接收来自于测试交通工具610上的各个部件的健康检测数据，包括传感器417、418、惯量测量单元(MU) 618，一个或多个压电陀螺仪619，或者测试交通工具610的任何其他所需部件。处理部件614可过滤、调节和缓冲健康监视数据，之后将其传送至通信部件616，然后传送该监视数据至命令和控制部件620。如上所述，命令和控制部件464、466可具有大概重合的功能和性能，诸如使用处理部件464来执行数据收集和相对低等级的机载处理活动，使用通信部件466来执行相对高等级的机载处理活动。在一些实施例中，例如，处理部件614 (或者部件616)可使用Kalman过滤或其他算法来监视机载传感器的功能健康恶化，诸如压电陀螺仪或其他稳定或导航装置。
命令和控制部件620可位于研发系统中的任何适当位置中，包括例如在主处理计算机402上或者在应用计算机450上(图4)。命令和控制部件620可位于研发系统的单独部件或部分上，或者可在各个部件周围分布。如图9所示，在该实施例中，命令和控制部件620包括稳定和控制处理器622，接收由机载通信部件616传送的交通工具信息。
如图9进一步地示出，稳定和控制处理器622传送至少一部分已接收的交通工具信息至导引管理处理器628。类似地，位置参考系统420在控制容积422中收集测试交通工具610的移动信息，使用移动数据处理部件621处理这一信息，并且将该移动数据(例如，交通工具或标记器位置和方向)传送至导引管理处理器628。导引管理处理器628将移动数据和交通工具信息通信至机柜计算机处理卡650。在一项具体实施例中，机柜计算机处理卡650是一部分主处理计算机402 (图4)。
监视照相机660可设置在测试交通工具610上并且可将图像数据(例如，复合视频图像)传送至命令和控制部件620的照相机接收器662。然后，图像数据被传送至PCI卡664,该卡将图像数据输出至机柜计算机处理卡650。
在图9所示的实施例中，机柜计算机处理卡650包括交通工具任务管理处理部件652、任务平面处理部件654和⑶I处理部件656。任务平面处理部件654用于根据经由⑶I处理部件656提供的用户输入而将高等级任务分配至(各)测试交通工具410。这种“任务”的实例包括在控制容积422的整个或特定子容积中和/或用于另一目标或测试交通工具410 (或者测试交通工具组)提供勘察、监督或目标获取(通常称为RSTA)。交通工具任务管理处理部件652用于将特定动作分配给单个交通工具或者交通工具组，从而实现高等级的任务目标。这种任务的实例包括一个或一序列的随后动作或行为:移动至具体目标位置(即，分段点)、设置(各)方向性传感器、返回至基部紧急陆地、激活/停用(各)监督传感器、提供特定数据的遥测、操作(各)机器人操纵器(如果测试交通工具410装配有这一装置)、执行一组测试交通工具的协调飞行(例如，聚集)。⑶I处理部件656为测试交通工具遥测(例如，监督照相机660视频图像)提供操作人员操作接口，允许用户分配任务，并且监视相应于限定任务的(各)测试交通工具410的有效性，并且使得用户能够保持“在回路中”以发送时间关键和/或安全关键的命令。
在操作中，机架计算机处理卡650，稳定和控制处理器622，以及交通工具导引管理处理器628，分析从测试交通工具610接收的交通工具信息，以及从位置参考系统420接收的移动数据以及从监督照相机660接收的图像数据，从而确定用于控制测试交通工具610所必须的适当的稳定和控制信号。这些稳定和控制信号通过PC转RC(个人计算机转远程控制器)转换器624由稳定和控制处理器622传送至远程控制单元626。远程控制单元626将对应的控制信号传送至机载交通工具控制器414，然后又将适当的命令信号通信至测试交通工具610 (例如，转子组件412等)的各个部件，从而保持测试交通工具610的所需位置、速度、方向、姿态和稳定性。
继续参照图9，机架计算机处理卡650操作连接至包括数据收集和分析部件672的分析和显示部件670 (例如图4的应用计算机450或者图1的操作界面150)。数据收集和分析部件672接收机架处理卡650的图像数据、交通工具信息和移动收集数据，从而进行实时分析和显示或者随后后期处理。
部件670、672可以是实时的回路中硬件的快速原型法工具，使用例如德国dSpaceGmbH的北美子公司，MI的Novi的dSPACE，inc.售卖的dSPACE实时回路中硬件的快速原型法系统。这里，经由接口连接器板收集交通工具和系统信息，以及来自于交通工具和系统的各种传感器反馈信号以及命令和控制信号。连接器板将信号发送至实时处理板，其中它们被采样并数字化以进行数字信号处理。该实时处理板还可与软件/PC应用程序实时地交互。定制研发的快速原型法工具可提供组合的实时数据收集，展示，飞行中和飞行后数据分析以及快速交通工具子系统/系统特征和调整。这能够实现子系统和系统部件和相关算法的快速原型化和特征化。作为实例，已经使用这一部件快速地特征化并且分析马达/转子动态特性。快速特征化结果的总结收集在下述图12中。
图10至12是由图9的分析和显示部件670提供的代表性截屏。更具体地说，图10示出描述测试交通工具610的位置和姿态的屏幕显示700。屏幕显示700的一部分702提供测试交通工具610的位置、姿态和方向的数字值。绘制第一迹线704以示出测试交通工具610的所需任务描述，绘制第二迹线706以示出测试交通工具610之后的实际任务描述。因此，分析和现实部件670可提供测试交通工具610的实时视觉展现，以及测试时的部件的性能的定性测量(例如控制算法)。
图11示出描述飞行测试期间用于测试交通工具610的健康监视信息的图表的屏幕显不710。第一图表712不出电源电压相对于飞行时间的曲线图。第二图表714不出由温度传感器418测量的转子组件412处的温度曲线，第三图表716示出由电流传感器417测量的转子组件412的曲线。采用这种方式，该分析和现实部件670可提供关于飞行测试期间的测试交通工具610的重要健康特性的实时信息，这可有利地改善测试质量，减小故障和相关的停机时间。
图12示出可以在使用本发明的实施例的交通工具研发测试期间使用分析和显示部件670进行监视、控制和显示的各种测试参数的多个图表。更具体地说，第一和第二图表720、722示出，对于具有泡沫叶片的转子组件，相应于电机脉冲宽度调制命令工作循环阶跃输入变化的成比例电机转速和电流时间(current time)响应,使得电机阶跃响应特性得以评估。第三图表724示出类似的数据作为722，但是对应于具有尼龙叶片的转子组件。第四图表726示出在泡沫叶片和尼龙叶片二者的情况下，电机速度相对于输入电流的曲线图，能够评估不同叶片材料对电机转速性能的影响。类似地，第五和第八图表728、734示出相应于泡沫叶片和尼龙叶片二者的推力相对于电机转速的曲线图，使得能够评估不同叶片材料对推力性能的影响。第六图表730 (当以第九图表736分析时)使得能够评价电机热动态特性，该图表示出相应于电机的工作循环阶跃输入的成比例数字过滤电机速度和电流响应的曲线图以及温度相对于时间的对应曲线图，使得能够评价特定测试飞行或任务期间的转子组件412的温度特性。第七图表732示出相应于备选电机驱动器电路的使用尼龙叶片的电机的成比例电机转速和电流响应的曲线图，允许评估电机驱动器电路设计变化。当然，可使用分析和显示部件670监视、控制和显示交通工具研发测试期间的有关各种测试参数的多种其他图表。
图13是根据本发明另一实施例的测试交通工具810的等轴视图。在该实施例中，测试交通工具810包括在处理部件(或者印刷电路板或PCB) 870上实现最小化的健康监视控制板860。图14是图13的测试交通工具810的健康监视控制板860和处理部件870的放大正面图。处理部件870包括各种传感器(例如，电流传感器、温度传感器、传感器等)以及通信部件(例如，gumstix, inc.的上述Connex部件)，用于驱动转子组件412的相关联电路，并且在重量轻且高可维护性的高度集成模块中提供上述功能。因此，处理部件870和健康监视控制板860可位于研发系统的交通工具810的每个上，并且可接收由位置参考系统通过通信网络判定的一个或多个稳定性和控制特性，可以分布式(而非集中)的方式计算对应的命令信号，并且可以闭环反馈方式将命令信号通信至每个交通工具的机载控制系统。
从上述说明书可以理解，根据本发明的系统和方法的实施例可以有利地在受控环境中实现各种交通工具和交通工具部件(硬件和软件)的快速研发和测试。交通工具部件，诸如新型软件系统，航空系统，控制算法，计算机硬件部件，传感器，飞行工具部件和结构，以及有关的其他适当参数可以使用与一个或多个测试交通工具结合的研发系统和方法快速且重复地进行测试。本发明的实施例可经调整以适应适当实验室的环境，使得能够快速地、高效地且成本有效地实现新型交通工具和交通工具部件的测试和研发。
虽然已经如上所述示出并且描述本发明的优选和备选实施例，但是可以在不脱离本发明的精髓和范围的情况下进行许多改变。因此，本发明的范围并不受到这些优选和备选实施例的公开内容的限制。相反，本发明应该完全由随后的权利要求
进行确定。
权利要求
1.一种用于操作一个或多个交通工具的系统，包括: 位置参考系统，该位置参考系统包括沿着控制容积的周向的至少一部分操作设置的多个照相机，所述位置参考系统用以随着一个或多个交通工具在所述控制容积中操作而至少部分使用所述多个照相机重复地测量所述一个或多个交通工具的一个或多个稳定性和控制特性；以及 控制架构，所述控制架构用以接收来自于所述位置参考系统的重复测量的一个或多个稳定性和控制特性，根据来自于所述位置参考系统的重复测量的一个或多个稳定性和控制特性确定对应的命令信号，并且将对应的命令信号传送至操作于所述控制容积中的一个或多个交通工具，从而在闭环反馈系统内控制所述一个或多个交通工具的一个或多个稳定性和控制特性； 其特征在于还包括: 模拟部件，所述模拟部件用以通过所述控制架构模拟一个或多个模拟交通工具，并且至少部分地根据所述一个或多个模拟交通工具的模拟特性确定所述对应的命令信号。
2.根据权利要求
1所述的系统，其中，所述控制架构包括健康监视部件，该健康监视部件用以接收来自于一个或多个交通工具的健康监视信息，根据所接收的健康监视信息评价一个或多个交通工具的健康状态，所述控制架构还用以至少部分地基于所述一个或多个交通工具的健康监视信息确定所述对应的命令信号。
3.根据权利要求
2所述的系统，其中，所述健康监视信息包括机载交通工具推进系统的特性、机载动力系统的特性以及机载传感器系统的功能性退化中的至少一个。
4.根据权利要求
3所述的系统，其中，所述交通工具中的至少一个包括飞行器，其中，所述机载交通工具推进系统包括用以为飞行器提供升力的一个或多个转子组件。
5.根据权利要求
1所述的系统，其中，所述控制架构包括: 操作连接至所述位置参考系统的至少一个通信网络； 主处理部件，所述主处理部件操作连接至所述至少一个通信网络并且用以计算所述命令信号；以及 一个或多个控制模块，所述控制模块操作连接至所述至少一个通信网络并且用以从所述主处理部件接收命令信号，重新调节所述命令信号为适于由一个或多个交通工具使用的格式，以及将重调节的命令信号传送至一个或多个交通工具。
6.根据权利要求
1所述的系统，其中，所述控制架构包括: 至少一个通信网络，所述通信网络操作连接至所述位置参考系统并且用以传送由所述位置参考系统重复测量的一个或多个稳定性和控制特性；以及 位于每个交通工具上的机载处理部件，所述机载处理部件用以从至少一个通信网络接收所述一个或多个稳定性和控制特性，所述机载处理部件还用以计算所述命令信号并且将所述命令信号通信至每个所述交通工具的机载控制系统。
7.根据权利要求
6所述的系统，其中，所述机载处理部件还包括用以接收关于相关联的一个交通工具的健康监视信息的健康监视部件，所述机载处理部件还用以至少部分地根据所述相关联的一个交通工具的健康监视信息确定所述对应的命令信号。
8.根据权利要求
1所述的系统，其中，所述交通工具和模拟交通工具中的至少一个包括飞行器和基于地面的交通工具中的至少一个。
9.根据权利要求
1所述的系统，其中，所述一个或多个模拟交通工具的模拟特性包括模拟位置特性、模拟姿态特性、模拟稳定性特性、模拟动态特性和模拟健康状态特性中的至少一个。
10.根据权利要求
1所述的系统，其中，所述多个照相机用以确定在所述控制容积中操作的每个交通工具的六个自由度的信息。
11.根据权利要求
1所述的系统，其中，一个或多个交通工具中的每个具有位于其上的多个回复反射性标记器，其中，所述多个照相机用以检测位于一个或多个测试交通工具上的至少一些回复反射性标记器。
12.根据权利要求
11所述的系统，其中，所述多个照相机用以使用光谱的可见波长部分跟踪所述回复反射性标记器。
13.根据权利要求
11所述的系统，其中，所述多个照相机用以使用光谱的红外波长部分跟踪所述回复反射性标记器。
14.一种用于操作一个或多个交通工具的系统，包括: 位置参考系统，该位置参考系统包括相对于控制容积操作设置的多个照相机，所述位置参考系统用以随着一个或多个交通工具在所述控制容积中操作而至少部分使用所述多个照相机重复地测量一个或多个交通工具的一个或多个稳定性和控制特性； 健康监视部件，该健康监视部件用以从所述一个或多个交通工具接收健康监视信息并且根据所接收的健康监视信息评价所述一个或多个交通工具的健康状态； 通信部件，所述通信部件用以从所述位置参考系统接收所述重复测量的一个或多个稳定性和控制特性以及从所述健康监视部件接收所述健康监视信息；以及 处理部件，所述处理部件操作连接至所述通信部件并且用以根据所述重复测量的一个或多个稳定性和控制特性以及健康监视信息确定对应的命令信号，所述通信部件还用以将所述对应的命令信号传送至所述一个或多个交通工具，从而在闭环反馈系统内控制所述一个或多个稳定性和控制特性； 其特征在于还包括: 模拟部件，所述模拟部件操作连接至所述处理部件并且用以模拟一个或多个模拟交通工具，所述处理部件还用以至少部分地根据所述一个或多个模拟交通工具的模拟特性确定所述对应的命令信号。
15.根据权利要求
14所述的系统，其中，所述健康监视信息包括机载交通工具推进系统的特性、机载动力系统的特性和机载传感器信息的功能性降低中的至少一个。
16.根据权利要求
14所述的系统，其中，所述通信部件包括: 操作连接至所述位置参考系统的至少一个通信网络；以及 一个或多个控制模块，所述控制模块操作连接至所述至少一个通信网络并且用以从所述处理部件接收所述命令信号，从而将所述命令信号重新调节为适于由所述一个或多个交通工具使用的格式，并且将所述重新调节的命令信号传送至所述一个或多个交通工具。
17.根据权利要求
14所述的系统，其中， 所述通信部件包括至少一个通信网络，所述通信网络操作连接至所述位置参考系统并且用以传送由所述位置参考系统重复测量的一个或多个稳定性和控制特性；以及 所述处理部件包括一个或多个机载处理部件，每个处理部件定位在相关联的一个交通工具上并且用以从所述至少一个通信网络接收所述一个或多个稳定性和控制特性，所述机载处理部件还用以计算所述命令信号并且将所述命令信号通信至所述相关联的一个交通工具的机载控制系统。
18.根据权利要求
14所述的系统，其中，所述一个或多个模拟交通工具的模拟特性包括模拟位置特性、模拟姿态特性、模拟稳定性特性、模拟动态特性和模拟健康状态特性中的至少一个。
19.根据权利要求
14所述的系统，其中，所述多个照相机沿着所述控制容积的周向的至少一部分操作设置。
20.根据权利要求
14所述的 系统，其中，一个或多个交通工具中的每个具有位于其上的多个回复反射性标记器，其中，所述多个照相机用以检测位于一个或多个测试交通工具上的至少一些回复反射性标记器。
21.根据权利要求
20所述的系统，其中，所述多个照相机用以使用光谱的可见波长部分和光谱的红外波长部分中的至少一个跟踪所述回复反射性标记器。
22.—种在控制容积内操作一个或多个交通工具的方法，包括: 随着所述一个或多个交通工具在所述控制容积中操作，使用位置参考系统测量所述一个或多个交通工具的一个或多个稳定性和控制特性，所述位置参考系统包括相对于所述控制容积操作设置的多个测量装置； 从所述位置参考系统接收所测得的一个或多个稳定性和控制特性； 根据使用所述位置参考系统测量的一个或多个稳定性和控制特性来确定命令信号；以及 将所述命令信号传送至在所述控制容积内操作的一个或多个交通工具，从而在闭环反馈系统中控制所述一个或多个交通工具的一个或多个稳定性和控制特性； 其特征在于还包括: 模拟一个或多个模拟交通工具并且至少部分地根据所述一个或多个模拟交通工具的模拟特性确定对应的命令信号。
23.根据权利要求
22所述的方法，还包括从所述一个或多个交通工具接收健康监视信息，其中，确定命令信号包括至少部分地根据来自所述一个或多个交通工具的健康监视信息确定命令信号。
24.根据权利要求
23所述的方法，其中，接收健康监视信息包括接收机载交通工具推进系统的特性、机载动力系统的特性以及机载传感器系统的功能性退化中的至少一个。
25.根据权利要求
24所述的方法，其中所述交通工具其中的至少一个包括飞行器，其中，所述机载交通工具推进系统包括用以为所述飞行器提供升力的一个或多个转子组件。
26.根据权利要求
22所述的方法，其中: 接收所测得的一个或多个稳定性和控制特性包括使用至少一个通信网络接收所测得的一个或多个稳定性和控制特性； 确定命令信号包括使用操作连接至所述至少一个通信网络的主处理部件来确定命令信号，以及将所述命令信号重新调节为适于由所述一个或多个交通工具使用的格式；以及 将所述命令信号传送至所述一个或多个交通工具包括将重新调节的命令信号传送至所述一个或多个交通工具。
27.根据权利要求
22所述的方法，其中包括: 接收所测得的一个或多个稳定性和控制特性包括使用至少一个通信网络接收所测得的一个或多个稳定性和控制特性； 确定命令信号包括: 从所述通信网络接收所测得的一个或多个稳定性和控制特性，进入位于所述相关联的一个交通工具上的机载处理部件；以及 使用所述机载处理部件计算用于相关联的一个交通工具的命令信号。
28.根据权利要求
27所述的方法，其中，所述机载处理部件还包括用以接收关于相关联的一个交通工具的健康监视信息的健康监视部件，所述机载处理部件还用以至少部分地根据所述健康监视信息确定所述命令信号。
29.根据权利要求
22所述的方法，其中，确定所述命令信号包括至少部分地根据所述一个或多个模拟交通工具的模拟特性确定所述命令信号。
30.根据权利要求
29所述的方法，其中，确定所述命令信号包括至少部分地根据模拟位置特性、模拟姿态特性、模拟稳定性特性、模拟动态特性和模拟健康条件特性中的至少一个来确定所述命令信号。
31.根据权利要求
22所述的方法，其中，测量一个或多个稳定性和控制特性包括使用沿着所述控制容积的周向的至少一部分操作分布的多个检测装置测量一个或多个稳定性和控制特性，所述检测装置用以确定在所述控制容积中操作的每个交通工具的六个自由度的信息。
32.根据权利要求
31所述的方法，其中，测量一个或多个稳定性和控制特性包括使用位于所述一个或多个测试交通工具的每个上的多个回复反射性标记器测量一个或多个稳定性和控制特性。
33.根据权利要求
32所述的方法，其中，测量一个或多个稳定性和控制特性包括使用多个照相机装置测量一个或多个稳定性和控制特性，所述照相机装置用以使用光谱的可见波长部分和光谱的红外波长部分其中的至少一个跟踪所述回复反射性标记器。
专利摘要
本发明公开用于交通工具和部件的研发测试的系统和方法。在一项实施例中，系统包括位置参考系统和命令和控制架构。该位置参考系统用以重复地测量操作在控制容积中的一个或多个交通工具的一个或多个位置和移动特性。该命令和控制架构用以接收来自于所述位置参考系统的重复测量的特性，并且根据上述特性确定对应的控制信号。所述控制信号然后被传送至一个或多个交通工具，从而以闭环反馈的方式控制所述一个或多个交通工具的位置、移动和稳定性其中的至少一个。该系统还可包括用以监视一个或多个交通工具的健康状态的健康监视部件，所述控制信号至少部分地根据所述健康状态得以确定。
文档编号F41G7/30GKCN101611287SQ200780035156
公开日2013年6月19日 申请日期2007年5月8日
发明者约翰·L·维安, 马里奥·J·瓦伦蒂, 罗纳德·C·普罗文, 詹姆斯·J·特洛伊, 保罗·默里, 查尔斯·A·埃里格纳克, 格雷戈里·J·克拉克, 保罗·E·皮格, 阿里·R·曼索里, 卡利德·阿布德尔-莫塔加利, 斯蒂芬·R·比尼亚夫斯基, 埃马德·W·萨德, 乔纳森·B·豪, 布雷特·M·贝思克 申请人:波音公司, 麻省理工学院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (6),