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技術 自律型無人航空機及びその制御方法

出願人 アビエイター・アイピー・リミテッド
発明者 ケリー、グラハムリー
出願日 2018年12月18日 (2年6ヶ月経過) 出願番号 2020-531624
公開日 2021年3月18日 (3ヶ月経過) 公開番号 2021-509096
状態 未査定
技術分野 交通制御システム 飛行船・気球・飛行機
主要キーワード 事前修正 目視範囲 フェイルセーフ状態 遠隔力 複合センサー 方向制御システム 目的パラメータ 不測事態
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2021年3月18日)のものです。
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図面 (5)

課題・解決手段

機体本体と、機体本体(12)に取り付けられた少なくとも1つの飛行ステムと、前記各飛行システムを制御するように適合されたオンボードフライトコントローラ(18)と、前記オンボード・フライト・コントローラによって実行される機械読み取り可能な飛行制御命令を保存するメモリ記憶装置と、オンボード・フライト・コントローラ(18)にリアルタイムの内部飛行特性データを提供するために各飛行システムと通信可能に結合されたオンボード・フィードバック・システムと、リアルタイムの外部飛行特性データを受信し、オンボード・フライト・コントローラ(18)に提供するように構成された外部フィードバック・システムとを含む自律型無人航空機(10)が提供される。オンボード・フライト・コントローラ(18)は、外部ソースから任務目的パラメータデータを受信し、任務目的パラメータデータに従って離陸飛行計画を決定し、リアルタイムの内部飛行特性データとリアルタイムの外部飛行特性データに基づいて、各飛行システムを制御するために離陸前飛行計画を調整するために、機械読み取り可能な飛行制御命令を動的に実行するように構成されている。

概要

背景

現在、無人航空機の大半は、主に有人航空機の安全性を考慮して、隔離された空域での運用を余儀なくされている。有人用空域に入ることが許可されている数少ない無人航空機は空軍によって運営されているものが多い。このドローンとも呼ばれる無人航空機は、有人航空機とほぼ同等のシステムを搭載した衛星通信リンクを使用して、遠隔パイロットが操作可能な技術を利用している。

しかし、商用運用の場合には、法制上の問題、および、費用の問題から、無人航空機はそれに相当する能力を備えていない。

現在、商業運用は、重量20キログラム以下の小型無人航空機に限定されている。これらの無人航空機の最大航続距離飛行高度には制限があり、一般的には使用者目視範囲内での運用しか認められておらず、管理空域等から離れていることが飛行の条件となっている。

無人航空機に搭載された技術の有効性遠隔操作者技能に依存している。遠隔操作者と制御装置との通信途絶えたり、障害が発生したりした場合には、無人航空機自体による復旧選択肢は限られている。通信障害が発生した場合、無人航空機は自動的に離陸位置に戻ることができる。また、推進手段に障害が発生した場合、適切な装備プログラムがあれば、無人航空機はその推進手段への電源供給を切断し、パラシュートを使用することができる。これにより、無人航空機の壊滅的な破壊を防ぐことができるが、無人航空機の着陸先を制御することができず、無人航空機または第三者のいずれかに何らかの損害が発生する可能性が残されている。熟練した操作者がいなければ、無人航空機の降下を制御することはできない。

多くの無人航空機には、自動操縦自律巡航制御が搭載されているが、これは安定した飛行状態を実現するためのものであり、高い応答性や動的な飛行制御が求められる用途には不向きである。

本願発明は、障害時にも適切なレベルの安全性を維持しつつ、無人航空機の自律性を向上させることができるシステムを提供することを目的とする。

概要

機体本体と、機体本体(12)に取り付けられた少なくとも1つの飛行システムと、前記各飛行システムを制御するように適合されたオンボードフライトコントローラ(18)と、前記オンボード・フライト・コントローラによって実行される機械読み取り可能な飛行制御命令を保存するメモリ記憶装置と、オンボード・フライト・コントローラ(18)にリアルタイムの内部飛行特性データを提供するために各飛行システムと通信可能に結合されたオンボード・フィードバック・システムと、リアルタイムの外部飛行特性データを受信し、オンボード・フライト・コントローラ(18)に提供するように構成された外部フィードバック・システムとを含む自律型無人航空機(10)が提供される。オンボード・フライト・コントローラ(18)は、外部ソースから任務目的パラメータデータを受信し、任務目的パラメータデータに従って離陸飛行計画を決定し、リアルタイムの内部飛行特性データとリアルタイムの外部飛行特性データに基づいて、各飛行システムを制御するために離陸前飛行計画を調整するために、機械読み取り可能な飛行制御命令を動的に実行するように構成されている。

目的

本願発明は、障害時にも適切なレベルの安全性を維持しつつ、無人航空機の自律性を向上させることができるシステムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

機体本体(12)と、前記機体本体(12)に取り付けられた少なくとも1つの飛行ステムと、前記飛行システムのそれぞれを制御するように構成されたオンボードフライトコントローラ(18)と、前記オンボード・フライト・コントローラ(18)によって実行される機械読み取り可能な飛行制御命令を保存するメモリ記憶装置と、リアルタイムの内部飛行特性データを前記オンボード・フライト・コントローラ(18)に提供するために、前記飛行システムのそれぞれと通信可能に結合されているオンボード・フィードバック・システムと、複数の異なるナビゲーションセンサーを含むナビゲーション制御システムと、リアルタイムの外部飛行特性データを受信して前記オンボード・フライト・コントローラ(18)に提供するように構成され、リアルタイムの外部飛行特性データを決定するための少なくとも1つのオンボードセンサーから成る外部フィードバック・システムとを含み、前記オンボード・フライト・コントローラ(18)が、外部ソースから任務目的パラメータデータを受信し、前記任務目的パラメータデータと前記ナビゲーション制御システムに従って離陸飛行計画を決定し、前記リアルタイムの内部飛行特性データとリアルタイムの外部飛行特性データに基づいて前記飛行システムのそれぞれを制御するために前記離陸前飛行計画を調整ための機械読み取り可能な飛行制御命令を動的に実行するように配置されており、前記オンボード・フライト・コントローラ(18)は、さらに、潜在的な衝突の検出に応答して、複数の飛行計画の修正を同時に計算するように適合された衝突解決回路を含み、前記衝突解決回路は、前記複数の飛行計画の修正のうちの1つの選択および実施を優先させる、自律型無人航空機(10)。

請求項2

前記少なくとも1つの飛行システムが、推力制御システム揚力制御システム、方向制御システム、ナビゲーション制御システム、および、通信システム(16)のうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の自律型無人航空機(10)。

請求項3

前記通信システム(16)が設けられ、前記オンボード・フライト・コントローラ(18)が、前記自律型無人航空機(10)に送られる通信信号真偽を検証するための通信検証回路を含む、請求項2に記載の自律型無人航空機(10)。

請求項4

前記通信検証回路が、地理検証識別子と飛行段階検証識別子とのうちの少なくとも1つから成る、請求項3に記載の自律型無人航空機(10)。

請求項5

前記複数の異なるナビゲーション・センサーが、少なくとも1つの衛星ナビゲーション・センサーと少なくとも1つの非衛星ナビゲーション・センサーを含む、前記請求項のいずれか1項に記載の自律型無人航空機(10)。

請求項6

前記リアルタイム外部飛行特性データが、航空交通管制通信、空域管制データ環境情報データ、任務目的パラメータデータ、衝突予測データ、安全着陸情報データ、地理情報データ、および、積載物情報データのうちの少なくとも1つを含む飛行関連パラメータを示すものである、前記請求項のいずれか1項に記載の自律型無人航空機(10)。

請求項7

前記任務目的パラメータデータが、積載物情報データ、ターゲット目標目的地情報、および、経由地情報データのうちの少なくとも1つから成る、前記請求項のいずれか1項に記載の自律型無人航空機(10)。

請求項8

前記離陸前飛行計画が、初期内部飛行特性データ、初期外部飛行特性データ、または、その両方に基づいてさらに決定される、前記請求項のいずれか1項に記載の自律型無人航空機(10)。

請求項9

前記離陸前飛行計画が、予め決定された既定飛行計画情報データに従って決定される、前記請求項のいずれか一項に記載の自律型無人航空機(10)。

請求項10

前記予め決定された既定の飛行計画情報データが、地理情報データ、空域情報データ、および予め整理された空域制限情報データのうちの少なくとも1つから成る、請求項9に記載の自律型無人航空機(10)。

請求項11

前記複数のフェイルセーフ操作のうちの1つを選択して実施することを優先させるためのランキング回路をさらに備えている、前記請求項のいずれか1項に記載の自律型無人航空機(10)。

請求項12

前記機内センサーが、カメラレーザーベースのセンサー、近接センサー、自動依存監視ブロードキャスト(ADS-B)センサー、および、衛星ナビゲーション・センサーのうちの少なくとも1つから成る、前記請求項のいずれか1項に記載の自律型無人航空機(10)。

請求項13

前記オンボード・フライト・コントローラ(18)が、前記離陸前飛行計画および前記複数の飛行計画の修正に基づいて三次元飛行計画モデルを生成する、前記請求項のいずれか1項に記載の自律型無人航空機(10)。

請求項14

前記三次元飛行計画モデルが、前記複数の異なるナビゲーション・センサー、前記機内差センサー、データベースのいずれか一つ以上を複合した入力に基づき決定される、請求項13に記載の自律型無人航空機(10)。

請求項15

前記三次元飛行計画モデルが、飛行環境モデルと飛行軌跡モデルとから成る、請求項13または請求項14に記載の自律型無人航空機(10)。

請求項16

前記衝突回避回路が、複数の飛行計画修正のうちの1つの実施を優先して選択するために、機械学習により重み付けされた結果決定アルゴリズムを利用する、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の自律型無人航空機(10)。

請求項17

a)前記無人航空機(10)の少なくとも1つの飛行システムを示すリアルタイムの内部飛行特性データを取得するステップと、b)前記無人航空機(10)の外部にある飛行関連パラメータを示すリアルタイムの外部飛行特性データを取得するステップと、c)無人航空機が任務目的パラメータデータを受信し、任務目的パラメータデータに従って離陸前飛行計画を決定するステップと、d)前記無人航空機(10)の飛行を制御する離陸前の飛行計画を調整するために、リアルタイムの内部飛行特性データとリアルタイムの外部飛行特性データとに基づいて機械可読飛行制御命令を動的に実装するステップと、e)衝突回避回路による潜在的な衝突の検出に応答して、複数の飛行計画の修正を同時に計算するステップと、 f)前記複数の飛行計画修正のうちの1つの選択および実施を優先するステップとを含む、飛行中の人間の入力を継続的に行なうことなく自律型無人航空機(10)の飛行を制御する方法。

請求項18

前記少なくとも1つの飛行システムが、推力制御システム、揚力制御システム、方向制御システム、ナビゲーション制御システム、および、通信システムのうちの少なくとも1つから成る、請求項17に記載の方法。

請求項19

前記飛行関連パラメータが、航空交通管制通信、空域管制データ、環境情報データ、任務目的パラメータデータ、衝突予測データ、安全着陸情報データ、地理情報データ、および、積載物情報データのうちの少なくとも1つを含む、請求項17または請求項18に記載の方法。

請求項20

前記飛行関連パラメータが航空管制通信を含み、前記ステップd)において、前記離陸前飛行計画が、前記無人航空機によって決定された航空管制の任意の変更または予定された変更に応答して調整される、請求項19に記載の方法。

請求項21

前記航空交通管制の変更または予定された変更を決定した時に、前記無人航空機(10)が、更新された航空交通管制通信を求める、請求項20に記載の方法。

請求項22

a)無人航空機(10)の少なくとも1つの飛行システムを示すリアルタイムの内部飛行特性データを取得するステップと、b)無人航空機(10)の外部にある飛行関連パラメータを示すリアルタイムの外部飛行特性データを取得するステップと、c)前記無人航空機(10)のオンボード・フライト・コントローラを使用して、リアルタイムの外部飛行特性データに基づいて、無人航空機(10)のための複数の異なるフェイルセーフ操作を決定するステップと、d)前記リアルタイムの外部飛行特性データの変更に応答して、複数の異なるフェイルセーフ操作を更新するステップと、e)リアルタイムの内部飛行特性データに基づいてトリガ可能なフェイルセーフ状態を決定するステップと、f)前記フェイルセーフ状態がトリガされた場合に、前記リアルタイムの外部飛行特性データおよび前記オンボード・フライト・コントローラの機械読み取り可能な飛行制御命令に従って、前記無人航空機のための前記複数の異なるフェイルセーフ操作のうちの1つを選択して実行するステップとを含む、無人航空機(10)のために自動化されたフェイルセーフ操作を提供する方法。

請求項23

前記少なくとも1つの飛行システムが、推力制御システム、揚力制御システム、方向制御システム、ナビゲーション制御システム、および通信システムのうちの少なくとも1つから成る、請求項22に記載の方法。

請求項24

前記飛行関連パラメータが、航空交通管制通信、空域管制データ、環境情報データ、任務目的パラメータデータ、衝突予測データ、安全着陸情報データ、地理情報データ、および積載物情報データのうちの少なくとも1つを含む、請求項22または請求項23に記載の方法。

請求項25

前記複数のフェイルセーフ操作が、第1のセーフランディング状態を示す第1のフェイルセーフ操作と、第2のセーフランディング状態を示す第2のフェイルセーフ操作と、少なくとも1つの飛行システムの壊滅的な故障の場合の着陸状態を示す第3のフェイルセーフ操作を含み、前記オンボード・フライト・コントローラが、ステップf)の間に、前記第1のフェイルセーフ操作、前記第2のフェイルセーフ操作と、前記第3のフェイルセーフ操作の選択および実行の優先順位を決定するための順位付け回路を有する、請求項22から24のいずれか1項に記載の方法。

請求項26

ステップe)の間に、フェイルセーフ状態がトリガされると、前記無人航空機(10)が、機械読み取り可能な飛行制御命令を動的に実行して、前記第1のフェイルセーフ操作、前記第2のフェイルセーフ操作と、前記第3のフェイルセーフ操作のうちの優先順位付けされた1つを実行するように、前記少なくとも1つの飛行システムを制御するように、前記機械読み取り可能な飛行制御命令を実行する、請求項25に記載の方法。

請求項27

ステップf)の間に、選択されたフェイルセーフ状態が、無人航空機(10)の遠隔ユーザーによって上書き可能である、請求項22から26のいずれか一項に記載の方法。

技術分野

0001

本願発明は、無人航空機の自動フェイルセーフ運転を提供する方法、および、当該方法を実行可能な無人航空機に関する。また、無人航空機の飛行制御システム、および、飛行中に人間の入力を定常的に行なうことなく無人航空機の飛行を制御する方法も提供される。

背景技術

0002

現在、無人航空機の大半は、主に有人航空機の安全性を考慮して、隔離された空域での運用を余儀なくされている。有人用空域に入ることが許可されている数少ない無人航空機は空軍によって運営されているものが多い。このドローンとも呼ばれる無人航空機は、有人航空機とほぼ同等のシステムを搭載した衛星通信リンクを使用して、遠隔パイロットが操作可能な技術を利用している。

0003

しかし、商用運用の場合には、法制上の問題、および、費用の問題から、無人航空機はそれに相当する能力を備えていない。

0004

現在、商業運用は、重量20キログラム以下の小型無人航空機に限定されている。これらの無人航空機の最大航続距離飛行高度には制限があり、一般的には使用者目視範囲内での運用しか認められておらず、管理空域等から離れていることが飛行の条件となっている。

0005

無人航空機に搭載された技術の有効性遠隔操作者技能に依存している。遠隔操作者と制御装置との通信途絶えたり、障害が発生したりした場合には、無人航空機自体による復旧選択肢は限られている。通信障害が発生した場合、無人航空機は自動的に離陸位置に戻ることができる。また、推進手段に障害が発生した場合、適切な装備プログラムがあれば、無人航空機はその推進手段への電源供給を切断し、パラシュートを使用することができる。これにより、無人航空機の壊滅的な破壊を防ぐことができるが、無人航空機の着陸先を制御することができず、無人航空機または第三者のいずれかに何らかの損害が発生する可能性が残されている。熟練した操作者がいなければ、無人航空機の降下を制御することはできない。

0006

多くの無人航空機には、自動操縦自律巡航制御が搭載されているが、これは安定した飛行状態を実現するためのものであり、高い応答性や動的な飛行制御が求められる用途には不向きである。

0007

本願発明は、障害時にも適切なレベルの安全性を維持しつつ、無人航空機の自律性を向上させることができるシステムを提供することを目的とする。

0008

本願発明の第1の側面によれば、無人航空機のために自動化されたフェイルセーフ操作を提供する方法が提供される。この方法は、以下のステップを含む。a)無人航空機の少なくとも1つの飛行システムの状態を示すリアルタイムの内部飛行特性データを取得するステップ;b)無人航空機の外部にある飛行関連パラメータを示すリアルタイムの外部飛行特性データを取得するステップ;c)無人航空機のオンボードフライトコントローラを使用して、リアルタイムの外部飛行特性データに基づいて、無人航空機のための複数の異なるフェイルセーフ操作を決定するステップ;d)リアルタイム外部飛行特性データの変更に応答して、複数の異なるフェイルセーフ操作を更新するステップ;e)リアルタイムの内部飛行特性データに基づいてトリガ可能なフェイルセーフ状態を決定するステップ;f)フェイルセーフ状態がトリガされた場合に、リアルタイム外部飛行特性データおよびオンボード・フライト・コントローラの機械読み取り可能な飛行制御命令に従って、無人航空機のための複数の異なるフェイルセーフ操作のうちの1つを選択して実行するステップ。

0009

商業利用が制限されている空域において無人航空機の運用が許されるかどうかの重要な考慮点の一つは、地上にいる人へのリスクである。遠隔操作者がいる場合には、重大な障害の影響を軽減できる可能性があるが限定的である。無人航空機が飛行中に連続的にフェイルセーフ操作の選択肢を評価することができる機構を提供することにより、地上へのリスクを迅速に評価することができ、したがって、前記リスクを低減または回避するための適切な手段を講じることができる。潜在的には、このような無人航空機により、商業運用を可能にすると共に、紛争地域における軍事能力を向上できる可能性がある。

0010

少なくとも1つの飛行システムは、推力制御システム揚力制御システム、方向制御システムナビゲーション制御システム、および、通信システムのうちの少なくとも1つを含んでいることが好ましい。無人航空機の状態に関する情報を提供する飛行システムの数が多ければ多いほど、フェ入りセーフ操作を正確に行なうことができる可能性が高くなる。すなわち、フィードバックのレベルを上げることで、無人航空機の全体的な安全性を向上できる可能性がある。

0011

飛行関連パラメータは、航空交通管制通信、空域管制データ環境情報データ任務目的パラメータデータ、衝突予測データ、安全着陸情報データ、地理情報データ、および、積載物情報データのうちの少なくとも1つを含むことが好ましい。先の例と同様に、考慮される外的要因の数が多ければ多いほど、無人航空機が任意のフェイルセーフ操作が有効かを判断するために必要な情報を持ち、それを実施可能になる可能性が高くなる。

0012

複数のフェイルセーフ操作は、第1の安全着陸状態を示す第1のフェイルセーフ操作、第2の安全着陸状態を示す第2のフェイルセーフ操作、および、少なくとも1つの飛行システムの壊滅的な故障の場合の着陸状態を示す第3のフェイルセーフ操作で構成され、オンボード・フライト・コントローラが、ステップf)の間に第1、第2および第3のフェイルセーフ操作の選択および実施に優先順位を付けるためのランク付け回路を有するオプションが提供されてもよい。

0013

ステップe)において、フェイルセーフ状態がトリガされた場合、無人航空機は、第1、第2、および第3のフェイルセーフ動作のうちの優先順位付けされた1つを実行するように少なくとも1つの飛行システムを制御するために、機械読み取り可能な飛行制御命令を動的に実行してもよい。考慮すべき一連のフェイルセーフ動作(そのうちの少なくとも1つは壊滅的障害)を提供することにより、無人航空機は、行動を決定する前に利用可能なオプションを検討することを余儀なくされ、より有害ではない代替手段が発見された場合にはより害の小さいフェイルセーフ動作を常に再検討することができる。

0014

さらに、ステップf)において選択されたフェイルセーフ条件は無人航空機の遠隔操作者によって上書き可能であってもよい。遠隔操作者は、生存の確率を向上させ、地上の人や財産への損害のリスクを低下させることができる立場にあるかもしれないので、故障状態に、無人航空機の機能をユーザーオーバーライドできることは有用である。

0015

本願発明の第2の側面によれば、以下から成る自律型無人航空機が提供される。機体本体;機体本体に取り付けられた少なくとも1つの飛行システム;前記飛行システムを制御するように適合されたオンボード・フライト・コントローラ;前記オンボード・フライト・コントローラによって実行される機械読み取り可能な飛行制御命令を保存したメモリ記憶装置;前記オンボード・フライト・コントローラにリアルタイムの内部飛行特性データを提供するために前記飛行システムと通信可能に結合された機内フィードバック・システム;複数の異なるナビゲーションセンサーと、リアルタイムの外部飛行特性データを受信して機内のフライトコントローラに提供するように構成された外部フィードバック・システムとから成るナビゲーション制御システム(ここで、前記オンボード・フライト・コントローラは、外部から任務目的パラメータデータを受信し、前記任務目的パラメータデータおよび前記ナビゲーション制御システムに従って離陸飛行計画を決定し、前記リアルタイムの内部飛行特性データおよびリアルタイムの外部飛行特性データに基づいて、前記各飛行システムを制御するための離陸前飛行計画を調整するための機械読み取り可能な飛行制御命令を動的に実行し、さらに、潜在的な衝突の検出に応答して複数の飛行計画の修正を同時に計算するように適合された衝突解決回路を含み、前記衝突解決回路は、前記複数の飛行計画の修正のうちの1つの選択および実行を優先することを特徴とする)。

0016

飛行中に飛行計画を動的に変更して、発生する可能性のある衝突を確実に解決することができる無人航空機を提供することは、そのような無人航空機の自律性に向けた大きな一歩となる。遠隔操作者を常時必要としないことで、無人航空機の実用性を特に商用運用において大幅に向上させることができる。無人航空機は、フェイルセーフ状況の集合から対応を選択することができるだけでなく、特定の衝突の判定に対応して、可能な回避策の酒豪を決定して実行することもできる。また、これにより、無人航空機は、衝突を回避するための最も安全な選択肢について学習した判断を下すことができる。

0017

少なくとも1つの飛行システムは、推力制御システム、揚力制御システム、方向制御システム、ナビゲーション制御システム、および、通信システムのうちの少なくとも1つを含んでいることが好ましい。

0018

前記通信システムが設けられている場合、前記オンボード・フライト・コントローラは、前記自律型無人航空機への着信通信信号の真偽を検証するための通信検証回路を含んでいてもよい。前記通信検証回路は、地理検証識別子、および飛行段階検証識別子のうちの少なくとも1つを含んでいてもよい。

0019

無人航空機への着信通信を確認できる仕組みを提供することで、無人航空機の制御権略取の可能性を大幅に低減することができる。敵対的な通信を受信したかどうかをより知的に判断するために、この機能を予想される飛行計画に取り入れることができる。

0020

複数の異なるナビゲーション・センサーは、少なくとも1つの衛星ナビゲーション・センサーと少なくとも1つの非衛星ナビゲーション・センサーとから構成されていることが好ましい。無人航空機に搭載されたナビゲーション・システムの多様化は、たとえば、特定の一形態のナビゲーションを中断する妨害攻撃から保護するのに役立つことができる。一般的に、無人航空機は自律的に行動するためには正確な位置を知る必要があり、この多様化によって位置情報が失われないようにすることができる。

0021

さらに、リアルタイムの外部飛行特性データは、航空交通管制通信、空域管制データ、環境情報データ、任務目的パラメータデータ、衝突予測データ、安全着陸情報データ、地理情報データ、および積載物情報データのうちの少なくとも1つを含む、1つ以上の飛行関連パラメータを示すものであってもよい。

0022

選択肢として、任務目的パラメータデータは、積載物情報データ、位置ターゲット目標目標経由地情報データのうち少なくとも1つから構成されていてもい。好ましい構成では、離陸前飛行計画は、最初の内部飛行特性データ、最初の外部飛行特性データ、または、その両方に従ってさらに決定されてもよい。

0023

離陸前飛行計画は、予め定められた既定飛行計画情報データに従ってさらに決定されることが好ましい。さらに、予め決定された既定の飛行計画情報データは、地理情報データ、空域情報データ、および予め組織化された空域制限情報データのうちの少なくとも1つから構成されていてよい。なお、離陸前飛行計画は、必ずしも地上管制官が提供する予め定められた飛行計画のみに基づいて決定される必要はない。また、気象状況と同様に、重量や燃料容量などの搭載物情報が無人航空機の運用に関連してもよい。

0024

自律型無人航空機は、複数のフェイルセーフ操作のうちの1つを選択して実施することに優先順位を付けるためのランキング回路をさらに含んでもよい。無人航空機の飛行中に1つ以上のフェイルセーフ操作を連続的にランク付けする機能は、重要なシステム障害時のリスク評価をリアルタイムで決定することを可能にし、したがって、うまくいけば、無人航空機が日常的な操作中に予期せずに墜落した場合に危険にさらされる可能性のある地上の人や財産に対する危険を回避できる。そして、無人航空機は、自身の飛行計画の修正により、潜在的リスクを軽減するための対策を講じることができるようになる。

0025

内センサーは、カメラレーザーベース・センサー、近接センサー放送型自動位置情報伝送監視(ADS-B)センサー、衛星ナビゲーション・センサーのうち少なくとも1つを含んでよい。無人航空機に機内センサーを設けることで、飛行中の衝突を回避するために必要な情報を確実にオンボード・フライト・コントローラに提供することができる。これにより、無人航空機は、課せられた空域制限を、規制遵守して飛行することができる。

0026

オンボード・フライト・コントローラは、離陸前飛行計画と複数の飛行計画の修正に基づいて、3D飛行計画モデルを生成することが好ましい。より好ましくは、3D飛行計画モデルは、複数の異なるナビゲーション・センサー、各機内センサー、1つ以上のデータベース、または、それらの組み合わせからの混合入力に基づいて決定されてもよい。3D飛行計画モデルは、飛行環境モデルと飛行軌跡モデルとから構成されることが好ましい。

0027

任意の選択肢として、衝突解決回路は、複数の飛行計画修正のうちの1つの実施形態を優先して選択するために、機械学習による重み付けされた結果決定アルゴリズムを利用してもよい。

0028

本願発明の第3の側面によれば、以下より構成される無人航空機管理システムが提供される。好ましくは本願発明の第2の側面に従った自律型無人航空機;前記自律型無人航空機の遠隔地にある飛行管サーバ。ここで、前記飛行管理サーバは、前記飛行管理サーバが前記リアルタイムの外部飛行特性データの少なくとも一部を提供することができるように、前記外部フィードバック・システムに無線通信可能に結合されている。

0029

衝突を自ら動的に回避することができる無人航空機を提供することで、人手を介さない地上管制も可能になる。これは、無人航空機技術の自動化、特に商業分野での需要拡大のための重要な改善である。

0030

本願発明の第4の側面によれば、飛行中の人間の入力を継続的に行なうことなく、無人航空機の飛行を制御する方法が提供され、この方法は、以下のステップを含む。a)無人航空機の少なくとも1つの飛行システムの状態を示すリアルタイムの内部飛行特性データを取得するステップ;b)無人航空機の外部にある飛行関連パラメータを示すリアルタイムの外部飛行特性データを取得するステップ;c)無人航空機が、任務目的パラメータデータを受信し、任務目的パラメータデータに従って離陸前飛行計画を決定するステップ;d)無人航空機の飛行を制御するために離陸前飛行計画を調整するために、リアルタイムの内部飛行特性データおよびリアルタイムの外部飛行特性データに基づいて、機械読み取り可能な飛行制御命令を動的に実行するステップ。

0031

無人航空機の飛行の自動化を改善するために提供され得る、動的に実装可能な機械読み取り可能な飛行命令の提供は、既存の空域要件に対する航空機のコンプライアンスを大幅に改善する。特に、このことは、他の航空機利用者にリスクを与えることないため、商用向け空域で運用可能になることにつながる可能性がある。

0032

少なくとも1つの飛行システムは、推力制御システム、揚力制御システム、方向制御システム、ナビゲーション制御システム、および、通信システムのうちの少なくとも1つを含んでいることが好ましい

0033

さらに、飛行関連パラメータは、航空交通管制通信、空域管制データ、環境情報データ、任務目的パラメータデータ、衝突予測データ、安全着陸情報データ、地理情報データ、および積載物情報データのうちの少なくとも1つを含んでもよい。

0034

飛行関連パラメータは、好ましくは、航空交通管制通信を含んでもよく、ステップd)の間に、離陸前飛行計画は、無人航空機によって決定された航空交通管制の任意の変更または変更予定に応答して適応される。航空交通管制の変更または変更予定が決定されると、無人航空機は、更新された航空交通管制通信を求めることができる。

0035

無人航空機が、制限された空域に進入するとき、または制限された空域に閾値を越える前に、航空交通管制と接触する能力は、無人航空機が前記空域内で動作できることを確実にする上で重要な価値がある。

0036

本願発明の第5の側面によれば、以下の構成からなる自律型無人航空機が提供される。機体本体;機体本体に取り付けられた少なくとも1つの飛行システム;前記飛行システムを制御するように構成されたオンボード・フライト・コントローラ;前記オンボード・フライト・コントローラによって実行される機械読み取り可能なフライト制御命令を保存したメモリ記憶装置;前記オンボード・フライト・コントローラにリアルタイムの内部フライト特性データを提供するために前記飛行システムまたは前記各飛行システムと通信可能に結合された機内フィードバック・システム。ここで、オンボード・フライト・コントローラは、外部ソースから任務目的パラメータデータを受信し、任務目的パラメータデータに従って離陸前飛行計画を決定し、リアルタイムの内部飛行特性データおよびリアルタイムの外部飛行特性データに基づいて各飛行システムを制御するために離陸前飛行計画を適応させる機械読み取り可能な飛行制御命令を動的に実行するように構成されていることを特徴とする。

図面の簡単な説明

0037

本願発明の第2の側面による自律型無人航空機の一実施形態を示す概略図である。
図1に示した無人航空機の第1の飛行計画の例を示す概略図である。
図1に示した無人航空機の第1の飛行計画の例を示す概略図である。
本願発明の第1の側面に従った方法を実施する図1の無人航空機の概略図である。

実施例

0038

以降では、添付の図面を参照して、例示として、本願発明をより具体的に説明する。

0039

図1に、自律的な飛行が可能であり、特に、離陸前の飛行計画を自律的に適応させることができる、無人航空機が図示されている(全体を番号10で示す)。本開示に係る無人航空機(10)は、「beyond line-of-sight」(BLOS)クラフト、すなわち、離陸位置にいる操作者の視野から離れて飛行するものである。特に、本願に係る無人航空機(10)は、高度3000メートルまで、飛行範囲50キロメートルまでの使用に適したカテゴリー、または、高度5500メートルまで、飛行範囲160キロメートルまでの使用に適したカテゴリーに属する、中高度及び高高度耐久性を有する無人航空機に分類される。

0040

無人航空機(10)は、機体本体(12)から成る。機体本体(12)は、少なくとも1つの(好ましくは複数の異なる)飛行システムが搭載されており、固定翼型の機体であっても、マルチプター型の機体であってもよい。この機体本体(12)には、本実施形態では、無人航空機(10)は、マルチコプター型の機体を有するように描かれている。

0041

機体本体(12)に直接関連する飛行システムは、図示されたマルチコプター推進ユニットのように、差動推力システムを提供する、推力方向制御システム(14)を含んでもよい。しかしながら、上述のとおり、固定翼型の配置であって、推力を提供するための独立したしたエンジンと、方向制御を提供するためのフラップ、または、ラダーを含んでいてもよい。

0042

一部の無人航空機(10)では、たとえば、の形成を撃退するための機体本体(12)上のコーティング、または氷を取り除くための空気式ブーツ・システムなどの除氷システムが提供されてもよい。これは、無人航空機(10)によって高い高度での作業が行なわれる場合に特に重要である。

0043

通信システム(16)が、無人航空機(10)の飛行システムとして提供され、好ましくは、命令、指示、または、制御信号などを、たとえば遠隔制御装置または航空交通管制装置から無人航空機(10)に送信する手段を提供してもよい。また、通信システム(16)の一部として、外部への発信通信手段が設けられていてもよい。通信システム(16)は、たとえば、サービス拒否攻撃中間者攻撃マルウェア注入攻撃、または周波数妨害等による、無人航空機(10)への干渉を防止するために、暗号化能力を提供することが好ましい。無人航空機(10)の他のサイバー防御としては、たとえば、オンボード・フライト・コントローラ(18)をファラデーケージ封入することなどが考えられる。

0044

通信システム(16)は、オンボード・フライト・コントローラ(18)が、無人航空機(10)への着信通信信号の真偽を判定するために構成された通信検証回路を含むことが好ましい。よい。これは、地理的検証識別子、飛行段階検証識別子、または、その両方を含んでもよく、通信信号が予期しない地理的位置、たとえば特定のローカル航空交通管理に関連付けられていない通信周波数で受信されたかどうか、または、通信信号が無人航空機(10)の飛行計画の予期しない段階で受信されたかどうかを判断してもよい。これらは、通信システム(16)に対する敵対的な攻撃を示している可能性があり、したがって、予期せず送信された任意のコマンド信号識別および拒否は、無人航空機(10)の継続的な操作に有益である。さらに、飛行システムは、通信システム(16)と通信可能な、ナビゲーション制御システム(20)を含んでよい。ナビゲーション制御システム(20)は、GPSロケータのような位置ロケータを含んでいてよく、慣性航法システムとして機能することが好ましい。内部ナビゲーションシステムは、機体本体(12)に備えられた複数の加速度計ジャイロスコープ、または、その両方から構成されていてもよい。

0045

妨害型攻撃を防ぐためには、無人航空機内での航行制御機能多様性が重要になる可能性がある。たとえば、GPS/GLONASS/GALILEOといった3タイプの衛星ナビゲーションシステムの組み合わせ、慣性ナビゲーションシステムを提供する確認用GPS、または、両社の組み合わせがあってもよい。

0046

さらに、VHF方位無線範囲(VOR)システム、無指向性無線ビーコン(NDB)、トランスポンダベースの無線航行技術である距離測定装置DME)などの高周波航行補助装置が提供されてもよい。

0047

複数の異なるナビゲーション・センサーが提供されることが好ましく、ナビゲーション・センサーの少なくとも1つがGPSなどの衛星ベースのナビゲーション・センサーであり、他の少なくとも1つがVORシステムなどの非衛星ベースのナビゲーション・センサーであることがより好ましい。

0048

また、ナビゲーション制御システム(20)は、無人航空機(10)の1つ以上のセンサー(22)から情報が中継される少なくとも1つのセンサー入力、通信システム(16)などの他の関連ソースから情報を受信するための1つ以上のデータ入力、または、その両方を含んでいてもよい。

0049

無人航空機(10)に装備可能なセンサー(22)の例としては、光学センサー(たとえば、カメラやLIDARのようなレーザー・ベースのセンサー)があり、そのようなセンサー(22)には、画像処理ソフトウェアが提供され、無人航空機(10)の衝突検出支援してもよい。また、オーディオメトリックセンシングを使用した近接センサーを備えてもよく、これも同様に衝突検出を支援し得る。

0050

他のセンサー(22)としては、無人航空機(10)の軌道に基づく超音波センサーまたは光学センサーなどの障害物センサー地形の問題を判断するためのレーダ高度計悪天候への接近を判断するための気象レーダまたは予報センサー、他の航空機との衝突の可能性を判断するための3Dモデリングセンサーが含まれる。

0051

また、自動依存監視-ブロードキャスト(ADS-B)技術に依存したセンサー、または、同様の衛星ナビゲーション技術などのより標準的な航空機センサー技術も無人航空機(10)のためのオンボードセンサーとして提供してよい。また、航空機トランスポンダ(24)、たとえばモードS機器もセンサー(22)として考慮してよい。

0052

さらに、飛行システムは、飛行関連データを記憶するための1つ以上の記憶装置(24)を含んでよい。これには、たとえば、標準的なフライトレコーダーが含まれていてよい。他の飛行関連データには、無人航空機(10)のリアルタイムパワー燃料残量地形データ、飛行士への通知(NOTAM)データ、気象データ、空域データ、飛行計画データを含まれてよい。

0053

飛行関連データの任意の一部、または、すべてが、追加的または代替的に、たとえば通信システム(16)を介して無人航空機(10)に中継される外部ソースによって提供されてよい。これは、気象データやNOTAMデータにおいて特に重要であり、他の種類のフライト関連データよりも頻繁に更新されてよい。

0054

上記の飛行システムのリスト網羅的であることを意図したものではなく、任意の適切な飛行制御システム、テレメトリシステムセンシングシステム、または、これらと類似の飛行システムが無人航空機(10)の一部として提供されてもよい。

0055

無人航空機(10)には、各飛行システムと通信可能なオンボード・フライト・コントローラ(18)が設けられている。具体的には、オンボード・フライト・コントローラ(18)は、必要に応じて無人航空機(10)の飛行経路を制御できるように、推力・揚力・方向制御システム(14)と結合されている。しかしながら、オンボード・フライト・コントローラ(18)は、外部フィードバック・システムを介して、無人航空機(10)の外部にある飛行関連パラメータを示すリアルタイムの外部飛行特性データを取得するように構成されると共に、オンボード・フィードバック・システムを介して、無人航空機(10)の飛行システムの少なくとも1つのリアルタイムの内部飛行特性データを取得することができるよう構成されている。

0056

オンボード・フライト・コントローラ(18)は、飛行システムのコマンド機能を変更して制御することができる専用のプロセッサ(26)を含んでいる。プロセッサ(26)は、オンボード・フライト・コントローラ(18)の一部であってもよい記憶装置(28)と結合されており、オンボード・フライト・コントローラ(18)によって実行される、機械読み取り可能なフライト制御命令が記憶されている。

0057

また、機体本体(12)には積載物支持体が搭載されている可能性が高く、その形態は、無人航空機(10)によって運ばれる貨物の種類や重量に依存する。たとえば、商業用途では、積載物支持体は、小包または小包を運ぶように設計されていてもよく、典型的には、機体本体(12)のアンダーフレームが利用される。しかし、軍事用途では、積載物支持体は、たとえばミサイル発射のための安定した土台を提供できる武器マウントであってもよい。

0058

オンボード・フライト・コントローラ(18)は、外部からの任務目的パラメータデータ(無人航空機(10)に中継されてもよいし、ローカルにプログラムされていてもよい)を受信するように配置されており、その任務目的パラメータデータに従って、離陸前飛行計画を決定する。そして、オンボード・フライト・コントローラ(18)は、リアルタイムの内部飛行特性データとリアルタイムの外部飛行特性データとに基づいて、離陸前の飛行計画を調整するために、各飛行システムを制御するための機械読み取り可能な飛行制御命令を動的に実行することができる。

0059

任務目的パラメータデータは、積載物情報データ、位置ターゲット目標目標、経由地情報データのうち少なくとも1つを含むことができる。すなわち、データは、無人航空機(10)の1つ以上の任務目的パラメータを示すものであってもよい。たとえば、積載物情報データは、たとえば、積載物の重量、危険物表示、無人航空機(10)の飛行能力に与える影響)たとえば、積載物が無人航空機(10)の空力に与える影響)などの積載物に関する情報から構成されていてもよい。

0060

位置目標は、無人航空機(10)の目的地であってもよく、定点ではなくエリアであってもよい。経由地情報データは、たとえば、第2の任務目的目標を達成するために、または特定の飛行禁止区域を回避するために、オペレータが無人航空機(10)を経由して飛行させることを望む関心のある位置を含んでいてもよい。一方、ターゲット目標は、移動可能な目標であり、救助や他の方法で目標とする必要がある個人(または、個人のグループ)であってよい。

0061

実際には、これにより、無人航空機(10)は、(内部または外部のいずれかの)飛行に関連した情報を受信したときに、その飛行を自律的に制御することができるようになる。これは、現在のところ、(特に衝突回避が必要とされる可能性のある状況下では)遠隔操作者からのほぼ定常的な入力を必要とする無人航空機のとは全く対照的である。

0062

このように、既存の無人航空機は、様々な情報源から情報を蓄積している可能性があり、特に衝突検知の判定に関しては、その情報を蓄積している可能性がある。これらの情報源は、通常は地上に存在する(無人航空機自体の飛行範囲から距離がある)意思決定者によって優先順位付けされ、分析されている。新たな脅威が検出されることで衝突の見通しが変化し、様々な情報源の優先順位は常に流動的なものとなる。これにより、現実には飛行経路が常に不安定になってしまう可能性がある。

0063

本願発明では、オンボード・フライト・コントローラ(18)のセントラルプロセッサは、無人航空機(10)の飛行範囲内にある。これにより、以下にいくつかの例示的シナリオ概説されるように、オンボード・フライト・コントローラ(18)のプロセッサ(26)による3D飛行計画モデルの機上での作成が可能になる。3D飛行計画モデルは、無人航空機(10)によって決定された直近の問題を積極的に回避するために修正することができる。

0064

飛行計画の3D計算モデルの作成は、たとえば、x、y、zの座標系または緯度経度、高度の座標系により、環境、すなわち地形および空域を表現し、3Dモデル内の無人航空機(10)自体の位置を座標系に基づいたシステムで表してもよい。すなわち、3D飛行計画モデルは、無人航空機(10)の環境を示す飛行環境モデルと軌道を示す飛行軌道モデルから構成されていてもよい。従来は、このような計算を行なうために必要な処理能力の達成に必要なプロセッサは、重量の問題により、無人航空機への搭載は非現実的であった。しかしながら、計算能力に対するプロセッサ(26)の軽量化を考慮すると、現在は、機上での処理を実現できる軽量のオンボード・フライト・コントローラ(18)の利用が可能である。解析アルゴリズムの改善により、このような3D飛行計画モデルの計算をリアルタイムまたはほぼ利折るタイムで行なうことも可能である。

0065

位置データを提供する様々なセンサー(光学センサー(22)、無線周波数航行補助装置、航空機トランスポンダ(24)のような位置センサー)からの情報を融合することによって、無人航空機(10)に提供される、3D飛行計画モデル内の環境に対する位置データの精度が改善される。

0066

また、たとえば障害物センサー(22)から検出された物体データのような動的データを追加することで、無人航空機(10)が状況認識性を著しく向上させることができ、3D飛行計画モデルの有用性を大幅に向上させることができる。さらに、NOTAMデータや気象データなどの静的な時間ベース環境データにより3D飛行計画モデルはさらに有用になる。

0067

プロセッサ(26)によって3D飛行計画モデルが作成されると、プロセッサ(26)は、3D飛行計画モデル内で検出された物体または障害物に基づいて1つ以上の予測アルゴリズムを実行することができ、それにより、時間に依存した3Dモデルを作成することができる。また、プロセッサ(26)は、たとえば、パターン予測回路を使用して、時間依存3Dモデル内のパターンを特定することが好ましい。これは、潜在的な衝突をもたらす可能性があり、プロセッサ(26)は、次いで、衝突解決回路を使用して、無人航空機(10)のための潜在的な選択肢を決定し、状況に応じて重み付けされた成功結果を選択する。パターン予測回路は、衝突判定のために、機械学習(たとえば強化学習)によるパターン認識を使用してよい。

0068

衝突解決回路が提供する選択肢は、多様な要素(航空法、オペレータや任務目的パラメータに応じた運用要件、無人航空機(10)の種類に対する飛行原理などを含むがこれらに限定されない)を含む無人航空機(10)の運用上の制約に基づいて選択可能であってもよい。無人航空機(10)の飛行原理は、揚力の計算式等から計算されて、その飛行経路に変換される。たとえば、失速速度、絶対超過速度、最大高度、最大揚力など、その飛行範囲能力の機内内部モデルが提供され、プロセッサ(26)は、無人航空機(10)が利用可能な選択肢を決定し、無人航空機(10)がその飛行範囲内に留まり、可能な限り衝突を回避するルートを利用し、その任務目的指令を維持するようにするための、重み付けされた成功結果を作成してよい。これは、本願発明の無人航空機(10)の環境を決定するための混合センサーのアプローチによってのみ達成可能である。

0069

もちろん、無人航空機(10)の外部への飛行計画の逸脱が要求されることがある(たとえば航空交通管制の命令など)。この場合、無人航空機(10)は、航空交通管制に制御を譲ることはないが、航空交通管制は、無人航空機(10)が利用可能なパラメータに基づいて、飛行計画の修正要求を無人航空機(10)に行なうことができ、無人航空機(10)は、これを受け入れるか、拒否することができる。たとえば、航空管制官は、飛行計画の修正の要求をオンボード・フライト・コントローラ(18)に提出してもよいが、無人航空機(10)は、たとえば失速状態になる場合など、それに応じることができないことを認識していてもよい。この例では、無人航空機(10)は、航空交通管制と通信して別の指示を要求することができ、または代替的に、無人航空機(10)は、制御された空域を完全に回避することを決定してもよい。

0070

この能力は、図2の100において一般的に示されているような例示的な飛行計画を参照することで適切に説明できる。無人航空機(10)は、好ましくは、オンボード・フライト・コントローラ(18)によって生成された3Dモデルの形で、その離陸地点出発地点)(130)において初期飛行計画を決定する。この初期飛行計画は、無人航空機(10)の目的地(132)、および、任意の任務目的目標または目標の優先度に関する情報に基づいて決定されてよい。初期飛行計画は、無人航空機(10)と目的地(132)との間の既知の障害物に基づいて、3D空間内で非直線になる可能性が高い。

0071

無人航空機(10)にアップロードまたは中継される可能性のある他の関連情報には、遠隔力またはローカルに地上管制から送信される、積載物の質量、重心、NOTAM情報、現在の天候情報、または従うべき指示的な初期飛行計画のような情報が含まれてよい。地上管制から送信される任意の情報は、通信システム(16)の暗号化されたチャネルを介して送信され、プロセッサ(26)によってローカルに復号化されて送信された情報の真正性を確認するようにしてよい。この情報の中には最初は提供できないものもあり、この場合には、飛行中に通信システム(16)を介して受信されなければならない。

0072

地上管制は、1台または複数の自律型無人航空機(10)とリモートにある飛行管理サーバとして構成されてよい。飛行管理サーバは、無人航空機(10)の外部フィードバック・システムに無線通信可能に結合され、飛行中に飛行計画を形成することができるリアルタイムの外部飛行特性データの少なくとも一部を提供することができるように構成されてよい。

0073

無人航空機(10)は、搭載されたオンボード・フライト・コントローラ(18)によって決定された初期飛行計画に基づいて、初期経路、必要動力、推力、制御設定、および、他の関連する変数を計算することができる。これは、飛行計画の実行可能性を判断するために使用することができ、プロセッサ(26)は、実行可能性をテストすることができる検証回路を含んでいてもよい。たとえば、飛行禁止区域を回避するように最初に最適化されているフライトプランを3Dフライトプランとして作成し、プロットすることができる。

0074

一旦飛行計画が決定されると、無人航空機(10)は、地上管制や航空管制連絡して離陸を確認し、飛行計画を実行してよい。その後、静的および動的な航空情報を、無人航空機(10)の後の飛行計画を更新するために使用することができる。

0075

ここで記載されたシナリオでは、無人航空機(10)は、最初の飛行計画の作成時点では迂回する方法として認識されていなかったか、または不確実であったかもしれない制限空域(134)に到達するまで、第1の方向に沿って飛行を開始する。したがって、初期飛行計画の修正は、無人航空機(10)の飛行中に行なわなければならない。飛行により無人航空機(10)が出発地点(130)のローカルな通信範囲から外れている可能性が高いため、無人航空機(10)は飛行計画の修正についての判断を行ななければならない。

0076

従来の構成では、無人航空機は、事前にプログラムされた優先順位のロジックに従って、衝突が発生した時にそれに反応することになる。通常、これは、デフォルトとして有人制御に戻ることになる。この場合、これは不可能であるため、飛行中での積極的な衝突回避が必要となる。これは、本願に係る無人航空機(10)がこのように機能するするためには、航空機トランスポンダ(24)のような従来の無人航空機には存在しないであろう複数の異なるセンサーからの入力を必要とする。

0077

無人航空機(10)は、現地の航空交通管理者に連絡して、制限空域(134)を通過するように要求することができる。ここで、航空交通管理者は、無人航空機(10)に対して、その直通ルートおよび好ましいルートを経由するのではなく、最短ルートを経由して制限空域(134)を通過するコースを修正するように指示している。オンボード・フライト・コントローラ(18)上に提供される機械読み取り可能な飛行制御命令は、航空交通管理指示が自律的な飛行制御を要求する、または、それより優先することを指示し、それにより、無人航空機(10)が安全かつ規制に準拠した方法で飛行することを可能にする。これは、たとえば、オンボード・フライト・コントローラ(18)による3D飛行計画モデルの修正など、飛行計画に対する飛行中の修正によって達成することができる。すなわち、3D飛行計画モデルは、衝突制御が無人航空機(10)の飛行計画命令を完全に上書きすることなく、目的地(132)への最適化された経路を維持する、融合型の3D飛行計画モデルである。オンボード・フライト・コントローラ(18)は、可能な限り安全な方法で既存の3D飛行計画における衝突または潜在的な障害を回避するために、複数の異なる衝突解決シナリオを同時に決定するように適合された衝突解決回路を介して、3D飛行計画モデルを修正するように構成されていることが好ましい。

0078

現在、無人航空機は、センサーまたは情報源のいずれか一つの特定の基準に応答して、モジュラーコードの一部を選択するコンティンジェンシハンドラー不測事態対応プログラム)を利用している。しかしながら、複数のセンサー入力に基づいて、複数の異なる選択肢からの重み付けされた成功結果を選択するという本願発明の複合センサーのアプローチは、従来技術では達成不可能である。

0079

無人航空機(10)は、制限空域(134)への進入に先立ち、典型的には通信システム(16)を介して暗号化された通信チャネルアクセスすることにより、現地の航空交通管理者に連絡することができることが好ましい。既知の現地航空交通管理との事前連絡により、無人航空機(10)は、その飛行計画の見通しに関連する航空交通管制通信を受信することができる。これにより、無人航空機(10)の元の所有者や操作者と直接通信することなく、無人航空機(10)の運行を行なうことができるため、従来の無人航空機よりも有人航空機に近い運行を行なうことができる。

0080

無人航空機(10)は、現地の航空交通管理者が航空交通管制通信を提供したような時間まで、制限空域(134)への進入を遅らせてもよい。これは、無人航空機(10)が中間的な回り道をしたり、応答待ちの間に位置保持パターンに入ったりすることにより実現してよい。応答の遅れがあったり、航空管制通信が飛行計画を最適な完了に不充分であったりする場合には、無人航空機(10)は、目的地(132)への代替ルートを取るように飛行計画を修正してもよい。いずれにしても、この制御ロジックは、すべてオンボード・フライト・コントローラ(18)に提供されるものであり、無人航空機(10)がその操作者に指示を求める必要はない。

0081

このようにして、無人航空機(10)は、現地の航空規制に関する最新情報を航空交通管制に求めることができ、これにより、無人航空機(10)は、専用の、かつ、継続的な人間の入力を必要とせずに、飛行計画の事前修正を行なうことができる能力を大幅に向上させることができる。

0082

一旦、無人航空機(10)が制限空域(134)を避けると、必要に応じて飛行計画を再計算することができる。無人航空機(10)に利用可能な全ての情報に基づいて、目的地(132)への最適化された経路がオンボード・フライト・コントローラ(18)によって計算されるようなブレンド3Dモデルアプローチが取られることが好ましい。途中、無人航空機(10)は、その後、たとえば、それぞれの軌道が重なり合って衝突の可能性を生じさせるような、他の有人航空機(138)との衝突状況(136)の可能性を検知することがある。このシナリオでは、機械読み取り可能な飛行制御命令のデフォルト処理は、おそらく有人航空機(138)に航路を譲ることになるであろうが、その場合には、搭載されたオンボード・フライト・コントローラ(18)は、衝突シナリオを防止するために、無人航空機(10)のための逸脱経路を計算する必要がある。

0083

無人航空機(10)にとって、この逸脱によってさらなる衝突事象や危険な飛行操縦が生じる可能性がある。オンボード・フライト・コントローラ(18)は、可能な限り安全な方法で衝突を回避するために、複数の異なる衝突解決シナリオを同時に決定するように構成された衝突解決回路を介して、複数の異なる飛行計画修正を決定することができるよう構成されていることが好ましい。

0084

たとえば、ある航路変更オプションが、無人航空機(10)にNOTAM排除ゾーンを通過させる可能性があり、別のオプションが、都市上空の飛行をもたらす可能性があり、その両方が危険である可能性がある。最も安全な選択肢は、安全な高さまで上昇または下降して衝突を回避することかもしれない。飛行計画の最も適切な修正の選択は、機械読み取り可能な飛行管制命令に従って行なわれ、したがって、状況に依存する。このようにして、無人航空機(10)は、外部の飛行特性データ(この場合は潜在的な衝突)に適応することができる。

0085

方向転換に続いて、無人航空機(10)は、規制的な性質を有することもある更なる障害物との衝突に遭遇する可能性がある。ここで、計算された飛行計画は、無人航空機(10)を、好可能な限り回避されるべき人口密集地(140)の上に導くものである。この状況が検出されると、無人航空機(10)は、人口密集地(140)上の飛行の回避を試み、最も安全な行動のコースをプロットする。

0086

最終的に、無人航空機(10)は目的地(132)に到着する。この例では、無人航空機(10)の任務目的は、捜索救助任務の一環としての偵察を行なうことである。この例のように、飛行計画は、関心のある目標の位置の決定のために、小さな領域の上を飛行することを含んでよい。このような任務目的では、特に敵地においては、無人航空機(10)が無線通信を行なわないことが好ましい可能性があり、ゆえに、無人航空機(10)の自律飛行できることがきわめて重要である。

0087

これは、たとえば、光学センサー(22)を使用して、地上レベル人体を示す熱パターンを識別することによって実行されてもよい。なお、無人航空機(10)は、必ずしもローカルで画像処理を行なう必要はなく、通信システム(16)を介して地上管制と通信を行なうことで画像処理を行なってもよい。

0088

この時点で、地上管制は、無人航空機(10)の自律制御機能取り消してもよく、それによって、遠隔操作者によってのみ提供され得る、よりインテリジェントな機能を提供することができる。

0089

任務目的が完了するか、または、放棄されると、無人航空機(10)は、それに応じて飛行計画を再計算しながら、帰還軌道を開始する。これには、往路飛行中に収集された履歴情報、たとえば制限空域(134)の存在などを用いて、経路をプロットすることを含んでいてよい。図2に示すように、無人航空機(10)は、離陸地点(130)に向かって最も直接的な経路を飛行し、その後、既知の制限空域(134)を迂回してもよい。

0090

飛行計画が無人航空機(10)の状態を確実に反映できるように、無人航空機(10)は、オンボード・フライト・コントローラ(18)にリアルタイムの内部飛行特性データを提供するために、各飛行システムと通信可能に結合されている機内フィードバック・システムを有していてもよい。実際には、これは、無人航空機(10)が動的に変更され、飛行計画によって決定された任意の特定の操縦を実行できるために、少なくとも燃料電力情報をオンボード・フライト・コントローラ(18)に中継することであってもよい。

0091

予想される挙動からの逸脱がある場合には、無人航空機(10)の移動範囲が制限され、完全な帰還が不可能となる可能性がある。この場合、無人航空機(10)は、地上の人や財産、および、自分自身に損害を与えることなく、安全に着陸できるよう最適なフェイルセーフ条件を決定してもよい。代替の着陸位置(142)が決定されてもよく、無人航空機(10)は、パラシュート(44)のような安全装置展開によって(または十分な動力能力がある場合には制御された降下によって)着陸位置(142)に着陸することが好ましい。

0092

無人航空機(10)の能力の決定は、大気データ外気温、および、位置データセンサー、無人航空機(10)への電力供給から決定される残りの電力などの環境条件から類推してよい。空気データ、GPS、および慣性航法システムなどの飛行決定センサー(22)の情報を加味して、プロセッサ(26)は、最良ケース、および、最悪のケースの飛行時間予測を行なう。

0093

無人航空機(10)が代替着陸位置(142)に(可能である場合)着陸した後、暗号化された通信を介して、通信システム(16)を介してその位置を地上管制にブロードキャストしてもよく、その後、地上管制が、無人航空機(10)を無傷サルベージできるようにしてもよい。

0094

代替の指示飛行計画が図3の200に示されている。これは、無人航空機(10)の意思決定プロセスの他の例を示す。

0095

前述の飛行計画と同様に、無人航空機(10)は、オンボード・フライト・コントローラ(18)によって算出された予め定められた飛行計画に従って、離陸地点(230)から離陸する。本例でも初飛行で制限空域(234)に遭遇したものとする。

0096

図3の制限空域(234)は、直接外に出ることが求められる、通過して飛行することが許可されているという点で、図2に示した制限空域(234)より制限が小さい。しかし、無人航空機(10)が現地の状況に応じて飛行するように、現地の航空管制官が飛行指示を行なうことがほとんどであろう。これらの飛行指示は、オンボード・フライト・コントローラ(18)によって管理される3D飛行計画モデルの一部として投入されてもよく、3D飛行計画モデルの後続の部分は、飛行計画に加えられた修正に基づいて再計算されてもよい。

0097

制限空域(234)か出ると、誘導が必要な危険地形(246)が存在する。これは、無人航空機(10)に搭載されたセンサー(22)によって直接検出されてもよく、あるいは、搭載されたオンボード・フライト・コントローラ(18)に地理情報として予めプログラムされていてもよい。ナビゲーション制御システム(20)は、危険地形(246)の危険性を判断するために、たとえば全地球測位衛星(GPS)ナビゲーションを介して決定された無人航空機(10)の位置を関連付ける機能を有してよい。

0098

同様の飛行計画からの逸脱は、たとえば、氷、雷雨強風大雨などの悪天候、電気的干渉、他の地理的要因、またはNOTAM制限空域など、多くの状況で考慮される可能性がある。

0099

いずれにしても、危険地形(246)に関する無人航空機(10)の飛行経路にかかわらずオンボード・フライト・コントローラ(18)は、目的地(232)に向かうコースを決定するために飛行計画を再計算する。

0100

ここでも、有人航空機(238)との衝突は、他の航空機(238)の存在をセンサー等の方法で感知することで、飛行計画を修正することによって克服することができる。

0101

その最初の目的地(232)において、無人航空機(10)は、第2の目的地(248)に方向転換して第2の任務目的を実行する前に、第1の任務目的(たとえば、偵察任務)を実行してもよい。この目的地の区別は、任務目的コマンドや地上管制から経由地情報を提供することで設定してもよく、これにより、無人航空機(10)に多様な目的地を提供することができる。

0102

所定の任務目的が達成されたか、または失敗した場合、無人航空機(10)は、離陸地点(230)に戻ってもよい。この例では、制限空域(234)を迂回する努力はなされず、無人航空機(10)は、離陸地点(230)に向けて直接的な経路を取る。

0103

制限空域(234)に入ると、現地の航空管制官は、無人航空機(10)が制限空域(234)のルールを遵守するように無人航空機(10)に指示を出してもよい。その際、無人航空機(10)は、電力が枯渇し、制限空域(234)からの退出時に、帰路を完了することができないと判断する。

0104

このように、オンボード・フライト・コントローラ(18)は、無人航空機自体の損傷を制限することに加えて、地上の人や財産への損傷の可能性を制限するような、実施可能な最も安全なフェイルセーフ操作についての決定を行なう。この例では、代替着陸地点(242)を発見する。

0105

故障時の安全性を確保するための具体的アプローチを図4に示す。無人航空機(10)は、オンボード・フライト・コントローラ(18)を利用して、利用可能な情報を考慮して、取り得るフェイルセーフ操作の組を決定する。ここでは、3つの可能なフェイルセーフのシナリオが、オンボード・フライト・コントローラ(18)によって決定される。

0106

好ましくは、無人航空機(10)は、利用可能な様々なオプションを分析し、フェイルセーフ操作が作動する少なくとも1つ、好ましくは少なくとも3つのシナリオを連続的に更新する。

0107

第1のシナリオでは、350で示されるように、着陸位置が危険な地形にあり、墜落時に無人航空機がほぼ確実に破壊されるという破滅的な故障条件が計算される。明らかにこのようなシナリオは、理想的ではなく、したがって、プロセッサ(26)の計算に基づいて適切に優先順位を下げることができる。

0108

第2のシナリオでは、352で示されているように、無人航空機(10)は、より制御された降下を実行することができるかもしれないが、人口の多いまたは人の居住領域の上にある。この場合、特に、無人航空機(10)の飛行に重要なシステムのいずれかに障害が発生した場合には、地上にいる人の危険性が高くなる。ここでも、プロセッサ(26)のランク付け回路は、その固有危険性のためにこのシナリオの優先順位を下げてもよい。

0109

第3のシナリオでは、354で示されているように、無人航空機は、過疎地の上で推力をカットし、代わりにパラシュート(44)を作動させることができる。この場合、下降速度は低いが、方向制御に制限があることが考えられる。しかし、無人航空機(10)が利用可能な3つのシナリオのうち、このオプションが好ましいと思われる。

0110

プロセッサ(26)のランキング回路は、無人航空機(10)が利用可能な様々なオプションの適合性を評価することができ、オンボード・フライト・コントローラ(18)は、人、財産、および、無人航空機(10)自体のリスク軽減を加味し、それに応じて最適なフェイルセーフ操作を選択して実行する。

0111

無人航空機(10)の用途に応じて、様々な要素の相対的な重要度を適宜重み付けしてもよい。ほとんどの状況では、地上の安全が最も重要な関心事であることが予想されるが、紛争地域では、敵の手に落ちることを防ぐために、無人航空機の安全性や破壊がより重要になる可能性がある。

0112

したがって、人間のパイロットと同等の飛行判断を行なう手段を提供することで、規制空域内で安全に飛行することができる制御機能を有する無人航空機を提供することが可能となる。そうすることで、既存の航空パラメータとの衝突の可能性が緩和され、無人航空機は、学習された決定処理を介して、地上との定常的なやり取りなしに、安全かつ制御された方法で自律的に動作することができる。

0113

本願発明に関連して本明細書で使用される場合、「comprises/comprising」(から成る)および「having/including」(を含む)という語は、記載された特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を特定するために使用されるが、1つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、構成要素またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。

0114

明確化のために別個の実施形態の文脈で説明されている本願発明の特定の特徴が、一つの実施形態で組み合わせて提供されることがあることを理解されたい。逆に、簡潔化のために、単一の実施形態の文脈で説明されている本願発明の様々な特徴が、別々に、または任意の適切なサブコンビネーションで提供されてもよい。

0115

上述した実施形態は例示として提供されるものであり、本明細書で定義される本願発明の範囲から逸脱することなく、当分野に熟練した者には、他の様々な修正が可能なことは明らである。

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