キャプティブキャリー無人航空機システムの実証のための飛行インタプリタ
【課題】無人航空機システム(UAS)の飛行制御システムおよびUASの飛行制御システムを搭載する有人無人両用機(OPV)を組み入れたUASのテストのためのシステムを提供する。
【解決手段】OPV12は、OPVの飛行制御システム19と、UASの飛行プロファイルの制御パラメータを表す、UASの飛行制御システムからの入力を受信する飛行制御インタプリタ(FCI)20とを有する。FCIは、OPVの飛行制御システムへ出力としてステータスコマンドを提供し、飛行プロファイルを再現する。こうしたステータスコマンドは、姿勢、垂直方向の航法、水平方向の航法、旋回率、速度、およびエンジン動作から成る群から選択される。OPVの飛行制御システムは、緊急事態、飛行の安全、または他の不測の事態に備えてパイロットのオーバーライドを含み、搭乗しているパイロットがOPVの制御を引き継ぐことができるようにする。
【解決手段】OPV12は、OPVの飛行制御システム19と、UASの飛行プロファイルの制御パラメータを表す、UASの飛行制御システムからの入力を受信する飛行制御インタプリタ(FCI)20とを有する。FCIは、OPVの飛行制御システムへ出力としてステータスコマンドを提供し、飛行プロファイルを再現する。こうしたステータスコマンドは、姿勢、垂直方向の航法、水平方向の航法、旋回率、速度、およびエンジン動作から成る群から選択される。OPVの飛行制御システムは、緊急事態、飛行の安全、または他の不測の事態に備えてパイロットのオーバーライドを含み、搭乗しているパイロットがOPVの制御を引き継ぐことができるようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の参照
本出願は、ともに本出願と共通の譲受人を有してほぼ同時に出願され、その開示が参照により本明細書に組み込まれている、「Enhanced Delectability of Air Vehicles for Optimal Operations in Controlled Airspace」という名称の出願第13/196844号、整理番号11−0294、および「Method and System to Autonomously Direct Aircraft to Emergency/Contingency Landing Sites Using On−board Sensors」という名称の出願第13/196855号、整理番号11−0292との同時係属である。
【0002】
本開示の諸実施形態は、概して無人航空機システムの制御飛行の分野に関し、より詳細には、有人無人両用機(Optionally Piloted Vehicle、OPV)に搭載されたキャプティブキャリー代用(Captive Carry Surrogate)の無人航空機システム(Unmanned Aircraft System、UAS)により領空域(National Airspace)においてUASを制御するためのシステムおよび方法に関し、このシステムは、UASの飛行制御システム(Flight Control System、FCS)を通じてリンクされたコマンドからの制御を飛行制御インタプリタ(Flight Control Interpreter、FCI)を介してOPVへ渡す。
【背景技術】
【0003】
UASは、航空機産業界に広まりつつあるが、既存の手順は、他のあらゆるタイプの航空機とともにNASで飛行できるように作成されていない。これは、一部には、UASの様々なミッションプロファイル、いくつかの無効にされる運用概念、および現在のNASの近代化の遅れによる。このような近代化は、およそ次の10年のうちに計画されている。
【0004】
このように、人口の多い地域で近代的な民間演習に参加するなど、新しい機能を実証するための許可を得ることは非常に困難であるので、UAS技術およびセンサのテストは容易に実現されず、また費用がかかる。さらに、FAAは、NAS内のUASの飛行活動に厳しい制限を課す。UASの飛行活動の許可はFAAによって与えられることが可能であるが、単にケースバイケースで、個々の飛行活動それぞれに対して適用されて、付与されなければならない許可証明書(Certificate of Authorization、COA)の発行にFAAの承認を得られる。COAの発行は、一般に取得するのが非常に難しく、長い期間がかかり、多くの場合は全く認められない。こうしたFAAの制限は、明らかにNASにおける安全な飛行操作を維持するために課されるが、急速に発展しているUAS航空機群に対して、開発、テスト、および訓練の取り組みを著しく妨げている。
【0005】
NASにおけるUAS活動に現在承認されている実行は、COAを要求して、課された制限内の限られた飛行許可動作を行うことである。この手法は、計画に費用および日程を大幅に追加することにより、UAS技術の開発、テスト、および訓練に悪影響を及ぼす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】出願第13/196844号
【特許文献2】出願第13/196855号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
したがって、NASにおいてUASが動作できることを安全に、効率よく、低コストで実証する機能を提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本明細書に記載する諸実施形態は、無人航空機システム(UAS)の飛行制御システムおよびUASの飛行制御システムを搭載した有人無人両用機(OPV)を組み入れたUASのテストのためのシステムを提供する。OPVは、OPVの飛行制御システムおよびUASの飛行プロファイルに関する制御パラメータを表すUASの飛行制御システムからの入力を受信する飛行制御インタプリタ(FCI)を有する。FCIは、OPVの飛行制御システムへの出力としてステータスコマンドを提供して、飛行プロファイルを再現する。OPVの飛行制御システムは、緊急の事態、飛行の安全、または他の不測の事態に備えてパイロットのオーバーライド(override)を含み、搭乗しているパイロットがUASを取り付けられたOPVの制御を引き継ぐことができるようにする。
【0009】
有利には、OPV飛行制御システムを使用して、4Dトラジェクトリ、無線/地上通信の削減、空域セクタをより良いバランス制御装置の作業負荷にする、限られた「動的セクタ再構築」を確立する、FAA/ユーザの飛行計画および状況認識情報の共有、および共通の天候情報を連邦航空局(Federal Aviation Administration、FAA)およびユーザ施設へより良く普及させることなど、NASの改善を評価し、その実現の助けとなることができる。
【0010】
UASおよびOPVは、UAS飛行制御システムをOPVに搭載した少なくともUASの胴体を備えて、UASのキャプティブキャリーテストシステムに含まれることが可能である。パイロットのオーバーライドを備えたOPV飛行制御システムを有するOPVは、UASの胴体と、UASの飛行制御システムから制御パラメータを受信する飛行制御インタプリタ(FCI)とを搭載する。FCIは、OPV飛行制御システムにステータスコマンドを提供してUAS飛行プロファイルを再現し、その後これはOPVの地上モニタによって追跡される。
【0011】
記載する諸実施形態は、少なくとも無人航空機システム(UAS)の飛行制御システムを有するUASの胴体が、パイロットのオーバーライドを備えたOPVの飛行制御システムを有するOPVに取り付けられる、領空域(NAS)における無人航空機システム(UAS)のテストのための方法を提供する。UASの飛行制御システムは、OPVの飛行制御システムと相互に接続されたFCIと、相互に接続される。UASの飛行プロファイルが開始され、UASの飛行制御システムからの制御パラメータがFCIに提供される。制御パラメータは、FCIにおいて解釈される。プロファイルが完全であるかどうか、判断が行われ、完全でない場合、FCIからOPVの制御システムへステータスコマンドが出力される。パイロットのオーバーライドのコマンドの存在が判断され、存在しない場合、OPVはステータスコマンドに基づいて制御される。
【0012】
記載した特徴、機能、および利点は、本発明の様々な実施形態において独立して実現されることが可能であり、またはさらに他の実施形態では組み合わされることが可能であり、さらなる詳細は、次の説明および図面を参照して理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】例示的実施形態のシステム要素のブロック図である。
【図2】システムの例示的実施形態の運用概念情報のフローのブロック図である。
【図3】システムの例示的運用プロファイルのフロー図である。
【図4A】システムの諸実施形態で使用される例示的OPVのプラットフォームである。
【図4B】システムの諸実施形態で使用される例示的OPVのプラットフォームである。
【図4C】システムの諸実施形態で使用される例示的OPVのプラットフォームである。
【図4D】システムの諸実施形態で使用される例示的OPVのプラットフォームである。
【図5】本明細書に記載する諸実施形態の運用の方法のフローチャートである。
【図6】システムの諸実施形態におけるUASとOPVとの間のコマンドおよび情報のフローを示すフローチャートである。
【図7】UASが実行してOPVと通信するルート変更プロセスを示すフローチャートである。
【図8】OPVを使用して飛行中に実現することができるUAS上のデータサンプルをテストし、取り込むことを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本明細書に記載する諸実施形態は、NAS内の有人航空機の動作に関するFAAの規定に準拠するテスト環境を提供する。UASの機体、有効搭載量、およびアビオニクス機器が、有人無人両用機(OPV)上または内部に取り付けられる。OPVはパイロットを航空機に乗せているので、NAS内の飛行に関するFAAの要件に準拠している。UASのテスト中、OPVの制御は、UASの飛行特性を模倣する制御法則のコンピュータ(control law computer)によって発行されるコマンドによって行われる。このようにしてOPVは、UASの運動学的飛行プロファイルをまねることができる。テスト飛行中に異常が発生する場合、OPVの制御はセイフティパイロットによる制御に即座に移行し、その後セイフティパイロットがNAS飛行規定の下で手動でOPV機を操縦する。飛行インタプリタが機能して、UASへの飛行コマンド、およびUASからOPVへの飛行コマンドを解釈する。OPVは、4Dトラジェクトリ、無線/地上通信の削減、制御装置の作業負荷をより良く均衡化させるための空域セクタの作成、制限された「動的セクタ再構築」の確立、FAA/ユーザ飛行計画および状況認識情報の共有、ならびに共通の天気情報を連邦航空局(FAA)およびユーザの設備により良く普及させることなど、計画されたNASの改善においてUASのテストに使用することができる。
【0015】
図1に表すように、完全な胴体10または一定の実施形態では完全なUASである可能性のあるUASの操作要素および制御要素は、OPV12によって運ばれる。UASの胴体は、UASのセンサ14およびUASの飛行制御システム16を組み込んでおり、Insitu、Inc.118 East Columbia River Way、Bingen、Washington 98605によって製造されたInsitu’s Multiple UAS Software Environment (I−MUSE)などのコマンドおよび制御ソフトウェアを使用して、一般的な地上管制局18と通信する。完全なUASの意図された自律的動作において、UASの飛行制御システム16は、UASのセンサが一般的な地上管制局へミッション情報を提供し、一般的な地上管制局から飛行制御情報を受信して、UASの飛行経路を制御する。飛行動作の一定の段階では、UASの飛行制御システムは一般的な地上管制局とは独立してあらかじめプログラムされたモードで動作し、単に飛行状態情報およびセンサのデータを送信することができる。
【0016】
OPV12は、OPVの従来の飛行経路制御のオートパイロットシステムなど、OPVの動作を制御する飛行制御システム19を含む。OPVは、自律的UASの飛行特性に相当する飛行特性を提供する能力に対するUASの飛行包絡線を含む飛行包絡線を用いて選択または設計される。UASからOPVへの飛行制御インタプリタ(FCI)20は、UASの飛行制御システム16からの入力に対してOPV飛行制御システム19へ出力して接続される。
【0017】
図2は、システムの例示的実施形態の動作概念情報のフローを示している。開示した実施形態のUASの飛行制御システム16は、FCI20への入力として6つの主要制御パラメータ、すなわち、姿勢データ22、垂直方向の航法データ24、水平方向の航法データ26、旋回率データ28、速度データ30、およびエンジン動作データ32(RPMなど)を提供する。入力データは、FCIによって解釈され、OPVのオートパイロット36によって解釈できるステータスコマンドに変換され、UASだけで実行されるプロファイルを再現するまたは模倣する飛行プロファイルを実現する。オートパイロット36は、次いでステータスコマンド、姿勢38、垂直方向の航法40、水平方向の航法42、旋回率44、速度46、およびエンジン動作48を使用して、OPVの飛行制御翼面(OPV自体により要素50として表される)を制御し、そのような飛行プロファイルを実現する。パイロットのオーバーライドインタフェース52により、FCIコマンドが人間のパイロットからの直接制御によってオーバーライドされることが可能になる。
【0018】
パイロットのオーバーライドインタフェース52によって中断されなければ、OPVはUASと同一の飛行プロファイルおよび飛行運動学で動作し、UASの制御とミッションプロファイルの両方を評価することができる。図1に戻ると、OPV12と、UASの一般的な地上管制局18とは独立して動作するOPV地上モニタシステム56とを含む、UASのキャプティブキャリー(UAS C2)のテストベッドが、UASの被テスト物(test articles)の航空電子工学および飛行運動学を厳密に再現する能力を提供し、実際のUASの飛行によって経験されるものとほぼ同一の包括的な試験環境を提示するUASへのユーザにトランスペアレントな操作インタフェースを提供し、候補ユーザの機関および組織によって必要とされるように地域的に実行可能なUASのパイロットトレーニング環境を提供する。プログラム的利点は、費用のかかるテスト領域を使用する必要がないことからコストを削減すること、飛行ハードウェアの費用のかかる資格認定プロセスを回避できること、およびテスト中のUASの潜在的な損失をなくすことを含む。UAS C2テストベッドは、UASシステムおよびそのハードウェアを保証するためのシステムを提供することができる。さらにUAS C2テストベッドは、DHSの実行、検索、および救済操作、ならびに湾岸地域の最近の油流出災害のような国家の非常事態など、特別に必要な場合に臨時に迅速に使用される高度な最先端のUASのセンサ技術を提供できる限定された運用能力の可能性を有する。
【0019】
UASのキャプティブキャリーのテストベッドは、有人無人両用機(OPV)を使用して、飛行の安全に関してFAAの満足のいくようにUASの動作、および4Dトラジェクトリのような最新のNAS技術との一体化を実証する。例示的実施形態では、UASの胴体は、センサを搭載し、両翼およびエンジンを外してOPVに取り付けられる。他の実施形態では、UAS全体または単にUASのセンサおよび制御要素がOPVに取り付けられる場合がある。オートパイロット36においてFCIによってOPVの制御法則のコンピュータにコマンドが送信され、UAS飛行特性を模倣する。したがって、OPVの実際の飛行制御は、一般的な地上管制局18におけるオペレータには完全にトランスペアレントである。緊急事態、飛行の安全の問題、またはその他の不測の事態の場合には、OPVに搭乗しているパイロットがATCおよびUASオペレータと通信状態にあり、パイロットのオーバーライドインタフェース52を介していつでもOPVのコマンドを取得することができる。
【0020】
図3に示すように、UASの完全な一連の動作テストは、OPVを使用するUASキャプティブキャリーのテストベッドによって遂行することができる。一般的な地上管制局18の制御の下で、または一般的な地上管制局によって監視されるUAS自体における自律的なあらかじめプログラムされた制御の下で、UAS10を取り付けられたOPV12は離着陸用地60(例えば、空港または代替の修復空港)から離れて、第1の場所62でUASのセンサ14を使用してリモートセンシングを行うためのプロファイルで動作し、脅威検出のために第2の場所64へ移り、戦車66またはレーダーもしくは地対空ミサイルのような他の装置など、実際の脅威もしくはシミュレートされた脅威を監視する。OPVは次に、UASのセンサを使用して実際のまたはシミュレートされた国境パトロールのために第3の場所68に再び移ることができる。OPVはその後、着陸するために離着陸用地60(または、代替のリカバリ空港)に戻る。動作全体は、OPV地上モニタシステム56によって独立して監視される。UASキャプティブキャリーのテストベッドは、1)FAAからの許可証明書なしでNASにUASを配備すること、2)人口の多い地域でUAS製品を実証すること、3)Sense and Avoid(感知と回避)技術のテスト、評価、および検証、4)Method and System to Autonomously Direct Aircraft to Emergency/Contingency Landing Sites using On−board Sensorsという名称の同時係属の出願番号第XX/XXX,XXX号、代理人整理番号第11−0292に記載されるSafe Area Flight Emergency(SAFE)のテスト、評価、および検証、5)様々なミッションシナリオに対する制御操作(CONOPS)の開発、6)新しいUASのセンサ技術、7)UAS上の臨時のデータ通信網を実証すること、に関する同様のシナリオに使用することができる。
【0021】
図4A〜4Dに示すように、UAS C2テストベッドにおいてOPVには飛行体の様々な構成を使用することができる。第1のOPV構成は、図4Aに示すBoeing Little Bird 70のようなヘリコプターである。この飛行体のタイプは、広範囲の操縦速度を可能にして、より低速で飛行するUASのシミュレーション、または回転翼航空機もしくはホバリング機能を備えたVTOL UASのシミュレーションに対応する。1つの例では、弾薬が爆破される場合があり、例えば、オペレータの要求なしに低速攻撃ならびに高速攻撃の速度を使用してミサイルまたは兵器のテストを行うことができる。したがってこの独立して使用できるOPVの構成は、1つもしくは複数の段階または計画であらかじめプログラムされることが可能であり、オペレータの要求をなくすことによって向上した安全性を提供する。このように、結果としてこの構成は、積極的な攻撃パターンテスト容易性の危険にオペレータをさらすことが少なくなる。さらに、また別の例では、人々または地形情報の収集または認識ミッションについて、積極的な水平方向ならびに垂直方向の加速および回転の構成が、オペレータの安全を犠牲にすることなく、固定もしくは移動構造物または他の移動物体もしくは航空機の近くで行われることが可能であり、このようなテストパターンは、従来の多くの無人航空機では可能ではない。
【0022】
他の構成では、図4Bに示すCessna SkyMaster72(CessnaモデルC337またはUSAF O−2)のような従来の一般航空機は、より高い対気速度および/または最大積載量の要件を有するより大型のUAS航空機に使用することができる。他の変形では、より小さいUASのための代替的OPVが、図4に示すRutan Canard Variant (例えば、VariEzeまたはLongEze)または図4Dに示すDiamond Aircraft DA−20 76など、Burt Rutanによる航空機の設計に基づく先尾翼改良機74などの航空機に含まれることが可能である。有利には、こうした従来の一般航空機の例では、様々な離陸および着陸速度および迎え角を使用して、稼働寿命中の航空機の性能特性のプロットを生成することができ、したがってオペレータは、距離を置いた戦略的な見晴らしの良い地点からUAS航空機を遠隔で制御し、リアルタイムで監視する。例えば、機械的構成は、翼幅の範囲、胴体または翼の構造上の抗力係数、翼のフローパターン、方向舵の動き、翼の偏向(wing deflection)、尾翼の振動および揺れ(swinging and swaying)、および航空機の離陸、上昇、および下降パターンを含むことができる。このように、オペレータは、外力または危険にさらされることなく、航空機の物理特性、電気特性、および運動特性をほぼ同時に観察および/または追跡することができる。このような外力または危険は、オペレータの過失または機械的障害または結果として尾翼のスピン状態をもたらす可能性がある突発的な予測できない風の方向パターンにより、不注意な墜落事故を引き起こす可能性があり、これらは適切に行われなければ、望ましくない結果を生み出す可能性がある。
【0023】
動作中、UAS C2テストベッドの諸実施形態は、図5のフローチャートが示すように使用される。UASの飛行制御システムおよびセンサシステムの操作構成要素を備えたUASの胴体10は、OPVの機体12に取り付けられる、ステップ502。UASの飛行制御システム16は、FCI20に接続され、ステップ504、FCIはOPV飛行制御システム19に接続される、ステップ506。次にUASの飛行プロファイルが開始される、ステップ508。前述のように、UAS飛行プロファイルは、あらかじめプログラムされることが可能である。他の例では、UAS飛行プロファイルの制御は、一般的な地上管制局18においてオペレータ(例えば、認定された航空職員または指導者)によって行われ、UASの飛行制御システムにデータ510を提供することが可能である。UASの飛行制御システムは、その後、命じられた飛行プロファイルの出力制御信号を提供する、ステップ512。FCI20は、UAS制御信号を解釈する、ステップ514。すでに確認したように、UAS制御信号は、姿勢データ22と、垂直方向の航法データ24と、水平方向の航法データ26と、旋回率データ28と、速度データ30と、エンジン動作のデータ32とを含むことができる。飛行プロファイルがまだ完成していない場合、ステップ516、FCIはステータスコマンドをOPVオートパイロット36に出力する、ステップ518。すでに確認したように、ステータスコマンドは、姿勢38と、垂直方向の航法40と、水平方向の航法42と、旋回率44と、速度46と、エンジン動作のデータ48とを含むことができる。パイロットのオーバーライドが存在しない場合、ステップ520、オートパイロットはその後OPの飛行制御を行い、ステップ522、自律型動作でUASによって操縦されるプロファイルを模倣してステータスコマンドに対応する。飛行中、UASのセンサシステム14が動作しており、ステップ524、UASが自律的動作中であるかのように一般的な地上管制局にデータを提供する。OPVおよびそのシステムは、一般的な地上管制局におけるUASのオペレータには「トランスペアレント」である。OPV地上モニタ56は、OPVの実際の飛行プロファイルを追跡し、実際の飛行性能の確実なデータを提供する、ステップ526。緊急事態、飛行の安全性の問題またはその他の異常もしくは不測の事態があるいかなる場合も、ステップ520においてパイロットのオーバーライドを実行することができ、OPVのパイロットは、OPVの直接制御を引き継ぐことができ、ステップ528、FCIの出力のステータスコマンドをオーバーライドする。
【0024】
UASの様々な機能が、OPVで操縦されながらテストされ、検証されることが可能である。第1の例として、OPVを旋回させる、および上下させる(pitching)ためのコマンドをテストすることができる。
【0025】
OPVに取り付けられて飛行中に、UASはFCIを介してOPVの制御法則のコンピュータにコマンドを送信し、そうしてUASは旋回する、上下動する、およびその他の場合は規定のパターンで飛行することができる。一般的な地上管制局またはUASのセンシングパッケージ(すなわち、姿勢、垂直方向の航法、水平方向の航法、旋回率、速度、およびエンジン動作に関するデータ)からの入力により、UASは例えば右に旋回しなければならないと判断できるようになる。右に旋回すると、UASは、UASとOPVとの間のコマンドおよび情報の流れを描く図6に示すように、次の動作を実行する。まず、UASは、この実施形態についてはその6つの制御パラメータから、機動(例えば、右旋回)が必要であると判断する、ステップ602。UASは、次いでFCIに適切なパラメータのデータを送信し、ステップ604、FCIがOPVの現在の経路を変更するためのステータスコマンドを生成する。これらのステータスコマンドはOPVに送信され、ステップ606、次いでOPVがコマンドを解釈して飛行プロファイルを実行し、ステップ608、UASのみによって実行されるプロファイルを模倣するまたは再現する。
【0026】
一般的な地上管制局からのコマンドに従うためにルートを変更することが、第2の例となる。UASは、場合によっては外部オペレータ(OPV内のパイロットではない)からのルート変更コマンドに応答することが必要となる。これらのコマンドが受信されると、これらのコマンドは次に、図6に示すように同様のフローによって処理される。図7は、UASが実行してOPVに伝えるルート変更プロセスを説明している。ルート変更に関する新しいコマンドがUASによって受信されると、ステップ702、UASの飛行制御システムが、FCIにパラメータを送信する、ステップ704。FCIはコマンドを解釈し、OPVオートパイロット用のステータスコマンドを生成する、ステップ706。ステータスコマンドは、次にオートパイロットに送信され、ステップ708、オートパイロットがステータスコマンドを解釈して、ルートを変更する、ステップ710。
【0027】
第3の例として、UAS上でデータサンプルをテストして取得することを、OPVで飛行中に実行することができる。飛行証明については、UASは、いくつかの安全試験および効率試験を行って、合格しなければならない。こうしたテストの一部を実行するために、UASはOPVからの援助を必要とする場合がある。この例には、離陸および上昇能力の評価、ならびに燃料効率の追跡が含まれる。図8に示すように、要求されるテストを実行しなければならないUASに、(一般的な地上管制局からまたはあらかじめプログラムされたコマンドから)初期キューが送信される、ステップ802。UASはその内部センサおよび制御装置を作動させ、ステップ804、テストがOPVの援助/協力を必要とするかどうかを判断する、ステップ806。必要とする場合、必要なセンサおよび制御装置からのパラメータがFCIに送信され、ステップ808、次いでFCIが情報をOPV用のステータスコマンドに変換する、ステップ810。次にOPVはテスト用のコマンドを実行する、ステップ812。
【0028】
他のデータは、UASがそのテストを完了するためにOVPからの介入を必要としない場合があり(図8の「いいえ」の矢印)、UASは次に助けを借りずに必要なテストを行う、ステップ814。正確な対気速度の評価は、非OPVの相互作用テストの例である。UASは、UAS上に直接対気速度センサを有することができ、OPVからの支援/協力を必要としない。
【0029】
無人航空機システム(UAS)のテストのためのシステムは、UASの飛行制御システムと、UASの飛行制御システムに取り付けられた有人無人両用機(OPV)とを含み、上記OPVがOPV飛行制御システムと、UASの飛行プロファイルの制御パラメータを表す、UASの飛行制御システムからの入力を受信する飛行制御インタプリタ(FCI)とを含み、上記FCIがOPV飛行制御システムへの出力としてステータスコマンドを提供して飛行プロファイルを再現し、上記OPV飛行制御システムがさらにパイロットのオーバーライドを含む。UASのテストのためのシステムは、少なくともUAS胴体に統合されたUASの飛行制御システムを含むことができ、さらにUASのセンサを含む。UASテストのためのシステムは、FCIからステータスコマンドの出力を受信するオートパイロットを含むOPVの飛行制御システムを含むことができる。またUASテストのためのシステムは、UASの飛行制御システムの制御のための一般的な地上管制局を含むことができる。さらに、システムは、UASのセンサからデータを受信する一般な地上管制局を含むことができる。制御パラメータは、姿勢、垂直方向の航法、水平方向の航法、旋回率、速度、およびエンジン動作から成る群から選択することができる。UASテストのシステムは、姿勢、垂直方向の航法、水平方向の航法、旋回率、速度、およびエンジン動作から成る群から選択されるステータスコマンドを含むことができる。
【0030】
無人航空機システム(UAS)のキャプティブキャリーテストシステムは、UASの飛行制御システムを有するUASの胴体と、パイロットのオーバーライドを備えたOPVの飛行制御システムを有する有人無人両用機(OPV)を含むことができる。OPVは、UASの胴体およびUASの飛行制御システムから制御パラメータを受信する飛行制御インタプリタ(FCI)を搭載することができる。FCIは、ステータスコマンドをOPV飛行制御システムに提供して、UASが実行飛行プロファイルを再現することができる。UASキャプティブキャリーテストシステムは、OPV地上モニタを含めることができ、UASの飛行制御システムと通信している一般的な地上管制局を含むことができる。UASキャプティブキャリーテストシステムは、さらにUASの胴体に組み込まれたUASのセンサを含むことができ、上記センサは、一般的な地上管制局と通信している。OPVの飛行制御システムは、FCIからステータスコマンドの出力を受信するオートパイロットを含めることができる。UASキャプティブキャリーテストシステムは、姿勢、垂直方向の航法、水平方向の航法、旋回率、速度、およびエンジン動作から成る群から選択される制御パラメータを含めることができる。ステータスコマンドは、姿勢、垂直方向の航法、水平方向の航法、旋回率、速度、およびエンジン動作から成る群から選択することができる。
【0031】
領空域(NAS)における無人航空機システム(UAS)のテストの方法は、UASの飛行制御システムを有するUASの胴体を、パイロットのオーバーライドを備えたOPV飛行制御システムを有する有人無人両用機(OPV)に取り付けることと、UASの飛行制御システムを飛行制御インタプリタ(FCI)と相互に接続することと、FCIをOPV飛行制御システムと相互に接続することと、UAS飛行プロファイルを開始することと、UASの飛行制御システムからFCIへ制御パラメータを提供することと、FCIにおいて制御パラメータを解釈することと、プロファイルが完全であるかどうかを判断することと、完全ではない場合、FCIからOPV制御システムへステータスコマンドを出力することと、パイロットのオーバーライドがあるかどうかを判断することと、ステータスコマンドに基づいてOPVを制御することとを含むことができる。この方法はさらに、一般的な地上管制局を使用してUASの飛行制御システムと通信することを含むことができる。この方法は、一般的な地上管制局を用いてUASのセンサシステムを監視することを含むことができる。この方法は、OPV地上管制局を用いてOPVの実際の飛行プロファイルを追跡することを含むことができる。この方法は、パイロットのオーバーライドをアサートすること、およびOPVの制御を引き継ぐことを含むことができる。領空域において有人無人両用機(OPV)を制御する方法は、無人航空機システム(UAS)をOPVに取り付けることと、UASの飛行制御システムを用いて飛行プロファイルの制御パラメータを受信することと、制御パラメータを飛行制御インタプリタに送ることとを含むことができる。この方法はまた、OPV飛行制御システムにおいてFCIからステータスコマンドを受信することと、OPVを用いてUAS飛行プロファイルを再現することとを含むことができる。この方法は、緊急事態または不測の事態が発生する場合、パイロットのオーバーライドをアサートすることと、OPVの制御を引き継ぐことと含むことができる。
【0032】
特許法の定めるところにより、本発明の様々な実施形態について詳細に説明したが、当業者は、本明細書に開示する特定の実施形態に対する変更形態および代替形態を認識するであろう。このような変更形態は、次の特許請求の範囲に定められる本発明の範囲および趣旨に従うものである。
【符号の説明】
【0033】
10 UASの胴体
12 有人無人両用機
14 UASのセンサ
16 UASの飛行制御システム
18 一般的な地上管制局
19 OPVの飛行制御システム
20 飛行制御インタプリタ
【技術分野】
【0001】
関連出願の参照
本出願は、ともに本出願と共通の譲受人を有してほぼ同時に出願され、その開示が参照により本明細書に組み込まれている、「Enhanced Delectability of Air Vehicles for Optimal Operations in Controlled Airspace」という名称の出願第13/196844号、整理番号11−0294、および「Method and System to Autonomously Direct Aircraft to Emergency/Contingency Landing Sites Using On−board Sensors」という名称の出願第13/196855号、整理番号11−0292との同時係属である。
【0002】
本開示の諸実施形態は、概して無人航空機システムの制御飛行の分野に関し、より詳細には、有人無人両用機(Optionally Piloted Vehicle、OPV)に搭載されたキャプティブキャリー代用(Captive Carry Surrogate)の無人航空機システム(Unmanned Aircraft System、UAS)により領空域(National Airspace)においてUASを制御するためのシステムおよび方法に関し、このシステムは、UASの飛行制御システム(Flight Control System、FCS)を通じてリンクされたコマンドからの制御を飛行制御インタプリタ(Flight Control Interpreter、FCI)を介してOPVへ渡す。
【背景技術】
【0003】
UASは、航空機産業界に広まりつつあるが、既存の手順は、他のあらゆるタイプの航空機とともにNASで飛行できるように作成されていない。これは、一部には、UASの様々なミッションプロファイル、いくつかの無効にされる運用概念、および現在のNASの近代化の遅れによる。このような近代化は、およそ次の10年のうちに計画されている。
【0004】
このように、人口の多い地域で近代的な民間演習に参加するなど、新しい機能を実証するための許可を得ることは非常に困難であるので、UAS技術およびセンサのテストは容易に実現されず、また費用がかかる。さらに、FAAは、NAS内のUASの飛行活動に厳しい制限を課す。UASの飛行活動の許可はFAAによって与えられることが可能であるが、単にケースバイケースで、個々の飛行活動それぞれに対して適用されて、付与されなければならない許可証明書(Certificate of Authorization、COA)の発行にFAAの承認を得られる。COAの発行は、一般に取得するのが非常に難しく、長い期間がかかり、多くの場合は全く認められない。こうしたFAAの制限は、明らかにNASにおける安全な飛行操作を維持するために課されるが、急速に発展しているUAS航空機群に対して、開発、テスト、および訓練の取り組みを著しく妨げている。
【0005】
NASにおけるUAS活動に現在承認されている実行は、COAを要求して、課された制限内の限られた飛行許可動作を行うことである。この手法は、計画に費用および日程を大幅に追加することにより、UAS技術の開発、テスト、および訓練に悪影響を及ぼす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】出願第13/196844号
【特許文献2】出願第13/196855号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
したがって、NASにおいてUASが動作できることを安全に、効率よく、低コストで実証する機能を提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本明細書に記載する諸実施形態は、無人航空機システム(UAS)の飛行制御システムおよびUASの飛行制御システムを搭載した有人無人両用機(OPV)を組み入れたUASのテストのためのシステムを提供する。OPVは、OPVの飛行制御システムおよびUASの飛行プロファイルに関する制御パラメータを表すUASの飛行制御システムからの入力を受信する飛行制御インタプリタ(FCI)を有する。FCIは、OPVの飛行制御システムへの出力としてステータスコマンドを提供して、飛行プロファイルを再現する。OPVの飛行制御システムは、緊急の事態、飛行の安全、または他の不測の事態に備えてパイロットのオーバーライド(override)を含み、搭乗しているパイロットがUASを取り付けられたOPVの制御を引き継ぐことができるようにする。
【0009】
有利には、OPV飛行制御システムを使用して、4Dトラジェクトリ、無線/地上通信の削減、空域セクタをより良いバランス制御装置の作業負荷にする、限られた「動的セクタ再構築」を確立する、FAA/ユーザの飛行計画および状況認識情報の共有、および共通の天候情報を連邦航空局(Federal Aviation Administration、FAA)およびユーザ施設へより良く普及させることなど、NASの改善を評価し、その実現の助けとなることができる。
【0010】
UASおよびOPVは、UAS飛行制御システムをOPVに搭載した少なくともUASの胴体を備えて、UASのキャプティブキャリーテストシステムに含まれることが可能である。パイロットのオーバーライドを備えたOPV飛行制御システムを有するOPVは、UASの胴体と、UASの飛行制御システムから制御パラメータを受信する飛行制御インタプリタ(FCI)とを搭載する。FCIは、OPV飛行制御システムにステータスコマンドを提供してUAS飛行プロファイルを再現し、その後これはOPVの地上モニタによって追跡される。
【0011】
記載する諸実施形態は、少なくとも無人航空機システム(UAS)の飛行制御システムを有するUASの胴体が、パイロットのオーバーライドを備えたOPVの飛行制御システムを有するOPVに取り付けられる、領空域(NAS)における無人航空機システム(UAS)のテストのための方法を提供する。UASの飛行制御システムは、OPVの飛行制御システムと相互に接続されたFCIと、相互に接続される。UASの飛行プロファイルが開始され、UASの飛行制御システムからの制御パラメータがFCIに提供される。制御パラメータは、FCIにおいて解釈される。プロファイルが完全であるかどうか、判断が行われ、完全でない場合、FCIからOPVの制御システムへステータスコマンドが出力される。パイロットのオーバーライドのコマンドの存在が判断され、存在しない場合、OPVはステータスコマンドに基づいて制御される。
【0012】
記載した特徴、機能、および利点は、本発明の様々な実施形態において独立して実現されることが可能であり、またはさらに他の実施形態では組み合わされることが可能であり、さらなる詳細は、次の説明および図面を参照して理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】例示的実施形態のシステム要素のブロック図である。
【図2】システムの例示的実施形態の運用概念情報のフローのブロック図である。
【図3】システムの例示的運用プロファイルのフロー図である。
【図4A】システムの諸実施形態で使用される例示的OPVのプラットフォームである。
【図4B】システムの諸実施形態で使用される例示的OPVのプラットフォームである。
【図4C】システムの諸実施形態で使用される例示的OPVのプラットフォームである。
【図4D】システムの諸実施形態で使用される例示的OPVのプラットフォームである。
【図5】本明細書に記載する諸実施形態の運用の方法のフローチャートである。
【図6】システムの諸実施形態におけるUASとOPVとの間のコマンドおよび情報のフローを示すフローチャートである。
【図7】UASが実行してOPVと通信するルート変更プロセスを示すフローチャートである。
【図8】OPVを使用して飛行中に実現することができるUAS上のデータサンプルをテストし、取り込むことを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本明細書に記載する諸実施形態は、NAS内の有人航空機の動作に関するFAAの規定に準拠するテスト環境を提供する。UASの機体、有効搭載量、およびアビオニクス機器が、有人無人両用機(OPV)上または内部に取り付けられる。OPVはパイロットを航空機に乗せているので、NAS内の飛行に関するFAAの要件に準拠している。UASのテスト中、OPVの制御は、UASの飛行特性を模倣する制御法則のコンピュータ(control law computer)によって発行されるコマンドによって行われる。このようにしてOPVは、UASの運動学的飛行プロファイルをまねることができる。テスト飛行中に異常が発生する場合、OPVの制御はセイフティパイロットによる制御に即座に移行し、その後セイフティパイロットがNAS飛行規定の下で手動でOPV機を操縦する。飛行インタプリタが機能して、UASへの飛行コマンド、およびUASからOPVへの飛行コマンドを解釈する。OPVは、4Dトラジェクトリ、無線/地上通信の削減、制御装置の作業負荷をより良く均衡化させるための空域セクタの作成、制限された「動的セクタ再構築」の確立、FAA/ユーザ飛行計画および状況認識情報の共有、ならびに共通の天気情報を連邦航空局(FAA)およびユーザの設備により良く普及させることなど、計画されたNASの改善においてUASのテストに使用することができる。
【0015】
図1に表すように、完全な胴体10または一定の実施形態では完全なUASである可能性のあるUASの操作要素および制御要素は、OPV12によって運ばれる。UASの胴体は、UASのセンサ14およびUASの飛行制御システム16を組み込んでおり、Insitu、Inc.118 East Columbia River Way、Bingen、Washington 98605によって製造されたInsitu’s Multiple UAS Software Environment (I−MUSE)などのコマンドおよび制御ソフトウェアを使用して、一般的な地上管制局18と通信する。完全なUASの意図された自律的動作において、UASの飛行制御システム16は、UASのセンサが一般的な地上管制局へミッション情報を提供し、一般的な地上管制局から飛行制御情報を受信して、UASの飛行経路を制御する。飛行動作の一定の段階では、UASの飛行制御システムは一般的な地上管制局とは独立してあらかじめプログラムされたモードで動作し、単に飛行状態情報およびセンサのデータを送信することができる。
【0016】
OPV12は、OPVの従来の飛行経路制御のオートパイロットシステムなど、OPVの動作を制御する飛行制御システム19を含む。OPVは、自律的UASの飛行特性に相当する飛行特性を提供する能力に対するUASの飛行包絡線を含む飛行包絡線を用いて選択または設計される。UASからOPVへの飛行制御インタプリタ(FCI)20は、UASの飛行制御システム16からの入力に対してOPV飛行制御システム19へ出力して接続される。
【0017】
図2は、システムの例示的実施形態の動作概念情報のフローを示している。開示した実施形態のUASの飛行制御システム16は、FCI20への入力として6つの主要制御パラメータ、すなわち、姿勢データ22、垂直方向の航法データ24、水平方向の航法データ26、旋回率データ28、速度データ30、およびエンジン動作データ32(RPMなど)を提供する。入力データは、FCIによって解釈され、OPVのオートパイロット36によって解釈できるステータスコマンドに変換され、UASだけで実行されるプロファイルを再現するまたは模倣する飛行プロファイルを実現する。オートパイロット36は、次いでステータスコマンド、姿勢38、垂直方向の航法40、水平方向の航法42、旋回率44、速度46、およびエンジン動作48を使用して、OPVの飛行制御翼面(OPV自体により要素50として表される)を制御し、そのような飛行プロファイルを実現する。パイロットのオーバーライドインタフェース52により、FCIコマンドが人間のパイロットからの直接制御によってオーバーライドされることが可能になる。
【0018】
パイロットのオーバーライドインタフェース52によって中断されなければ、OPVはUASと同一の飛行プロファイルおよび飛行運動学で動作し、UASの制御とミッションプロファイルの両方を評価することができる。図1に戻ると、OPV12と、UASの一般的な地上管制局18とは独立して動作するOPV地上モニタシステム56とを含む、UASのキャプティブキャリー(UAS C2)のテストベッドが、UASの被テスト物(test articles)の航空電子工学および飛行運動学を厳密に再現する能力を提供し、実際のUASの飛行によって経験されるものとほぼ同一の包括的な試験環境を提示するUASへのユーザにトランスペアレントな操作インタフェースを提供し、候補ユーザの機関および組織によって必要とされるように地域的に実行可能なUASのパイロットトレーニング環境を提供する。プログラム的利点は、費用のかかるテスト領域を使用する必要がないことからコストを削減すること、飛行ハードウェアの費用のかかる資格認定プロセスを回避できること、およびテスト中のUASの潜在的な損失をなくすことを含む。UAS C2テストベッドは、UASシステムおよびそのハードウェアを保証するためのシステムを提供することができる。さらにUAS C2テストベッドは、DHSの実行、検索、および救済操作、ならびに湾岸地域の最近の油流出災害のような国家の非常事態など、特別に必要な場合に臨時に迅速に使用される高度な最先端のUASのセンサ技術を提供できる限定された運用能力の可能性を有する。
【0019】
UASのキャプティブキャリーのテストベッドは、有人無人両用機(OPV)を使用して、飛行の安全に関してFAAの満足のいくようにUASの動作、および4Dトラジェクトリのような最新のNAS技術との一体化を実証する。例示的実施形態では、UASの胴体は、センサを搭載し、両翼およびエンジンを外してOPVに取り付けられる。他の実施形態では、UAS全体または単にUASのセンサおよび制御要素がOPVに取り付けられる場合がある。オートパイロット36においてFCIによってOPVの制御法則のコンピュータにコマンドが送信され、UAS飛行特性を模倣する。したがって、OPVの実際の飛行制御は、一般的な地上管制局18におけるオペレータには完全にトランスペアレントである。緊急事態、飛行の安全の問題、またはその他の不測の事態の場合には、OPVに搭乗しているパイロットがATCおよびUASオペレータと通信状態にあり、パイロットのオーバーライドインタフェース52を介していつでもOPVのコマンドを取得することができる。
【0020】
図3に示すように、UASの完全な一連の動作テストは、OPVを使用するUASキャプティブキャリーのテストベッドによって遂行することができる。一般的な地上管制局18の制御の下で、または一般的な地上管制局によって監視されるUAS自体における自律的なあらかじめプログラムされた制御の下で、UAS10を取り付けられたOPV12は離着陸用地60(例えば、空港または代替の修復空港)から離れて、第1の場所62でUASのセンサ14を使用してリモートセンシングを行うためのプロファイルで動作し、脅威検出のために第2の場所64へ移り、戦車66またはレーダーもしくは地対空ミサイルのような他の装置など、実際の脅威もしくはシミュレートされた脅威を監視する。OPVは次に、UASのセンサを使用して実際のまたはシミュレートされた国境パトロールのために第3の場所68に再び移ることができる。OPVはその後、着陸するために離着陸用地60(または、代替のリカバリ空港)に戻る。動作全体は、OPV地上モニタシステム56によって独立して監視される。UASキャプティブキャリーのテストベッドは、1)FAAからの許可証明書なしでNASにUASを配備すること、2)人口の多い地域でUAS製品を実証すること、3)Sense and Avoid(感知と回避)技術のテスト、評価、および検証、4)Method and System to Autonomously Direct Aircraft to Emergency/Contingency Landing Sites using On−board Sensorsという名称の同時係属の出願番号第XX/XXX,XXX号、代理人整理番号第11−0292に記載されるSafe Area Flight Emergency(SAFE)のテスト、評価、および検証、5)様々なミッションシナリオに対する制御操作(CONOPS)の開発、6)新しいUASのセンサ技術、7)UAS上の臨時のデータ通信網を実証すること、に関する同様のシナリオに使用することができる。
【0021】
図4A〜4Dに示すように、UAS C2テストベッドにおいてOPVには飛行体の様々な構成を使用することができる。第1のOPV構成は、図4Aに示すBoeing Little Bird 70のようなヘリコプターである。この飛行体のタイプは、広範囲の操縦速度を可能にして、より低速で飛行するUASのシミュレーション、または回転翼航空機もしくはホバリング機能を備えたVTOL UASのシミュレーションに対応する。1つの例では、弾薬が爆破される場合があり、例えば、オペレータの要求なしに低速攻撃ならびに高速攻撃の速度を使用してミサイルまたは兵器のテストを行うことができる。したがってこの独立して使用できるOPVの構成は、1つもしくは複数の段階または計画であらかじめプログラムされることが可能であり、オペレータの要求をなくすことによって向上した安全性を提供する。このように、結果としてこの構成は、積極的な攻撃パターンテスト容易性の危険にオペレータをさらすことが少なくなる。さらに、また別の例では、人々または地形情報の収集または認識ミッションについて、積極的な水平方向ならびに垂直方向の加速および回転の構成が、オペレータの安全を犠牲にすることなく、固定もしくは移動構造物または他の移動物体もしくは航空機の近くで行われることが可能であり、このようなテストパターンは、従来の多くの無人航空機では可能ではない。
【0022】
他の構成では、図4Bに示すCessna SkyMaster72(CessnaモデルC337またはUSAF O−2)のような従来の一般航空機は、より高い対気速度および/または最大積載量の要件を有するより大型のUAS航空機に使用することができる。他の変形では、より小さいUASのための代替的OPVが、図4に示すRutan Canard Variant (例えば、VariEzeまたはLongEze)または図4Dに示すDiamond Aircraft DA−20 76など、Burt Rutanによる航空機の設計に基づく先尾翼改良機74などの航空機に含まれることが可能である。有利には、こうした従来の一般航空機の例では、様々な離陸および着陸速度および迎え角を使用して、稼働寿命中の航空機の性能特性のプロットを生成することができ、したがってオペレータは、距離を置いた戦略的な見晴らしの良い地点からUAS航空機を遠隔で制御し、リアルタイムで監視する。例えば、機械的構成は、翼幅の範囲、胴体または翼の構造上の抗力係数、翼のフローパターン、方向舵の動き、翼の偏向(wing deflection)、尾翼の振動および揺れ(swinging and swaying)、および航空機の離陸、上昇、および下降パターンを含むことができる。このように、オペレータは、外力または危険にさらされることなく、航空機の物理特性、電気特性、および運動特性をほぼ同時に観察および/または追跡することができる。このような外力または危険は、オペレータの過失または機械的障害または結果として尾翼のスピン状態をもたらす可能性がある突発的な予測できない風の方向パターンにより、不注意な墜落事故を引き起こす可能性があり、これらは適切に行われなければ、望ましくない結果を生み出す可能性がある。
【0023】
動作中、UAS C2テストベッドの諸実施形態は、図5のフローチャートが示すように使用される。UASの飛行制御システムおよびセンサシステムの操作構成要素を備えたUASの胴体10は、OPVの機体12に取り付けられる、ステップ502。UASの飛行制御システム16は、FCI20に接続され、ステップ504、FCIはOPV飛行制御システム19に接続される、ステップ506。次にUASの飛行プロファイルが開始される、ステップ508。前述のように、UAS飛行プロファイルは、あらかじめプログラムされることが可能である。他の例では、UAS飛行プロファイルの制御は、一般的な地上管制局18においてオペレータ(例えば、認定された航空職員または指導者)によって行われ、UASの飛行制御システムにデータ510を提供することが可能である。UASの飛行制御システムは、その後、命じられた飛行プロファイルの出力制御信号を提供する、ステップ512。FCI20は、UAS制御信号を解釈する、ステップ514。すでに確認したように、UAS制御信号は、姿勢データ22と、垂直方向の航法データ24と、水平方向の航法データ26と、旋回率データ28と、速度データ30と、エンジン動作のデータ32とを含むことができる。飛行プロファイルがまだ完成していない場合、ステップ516、FCIはステータスコマンドをOPVオートパイロット36に出力する、ステップ518。すでに確認したように、ステータスコマンドは、姿勢38と、垂直方向の航法40と、水平方向の航法42と、旋回率44と、速度46と、エンジン動作のデータ48とを含むことができる。パイロットのオーバーライドが存在しない場合、ステップ520、オートパイロットはその後OPの飛行制御を行い、ステップ522、自律型動作でUASによって操縦されるプロファイルを模倣してステータスコマンドに対応する。飛行中、UASのセンサシステム14が動作しており、ステップ524、UASが自律的動作中であるかのように一般的な地上管制局にデータを提供する。OPVおよびそのシステムは、一般的な地上管制局におけるUASのオペレータには「トランスペアレント」である。OPV地上モニタ56は、OPVの実際の飛行プロファイルを追跡し、実際の飛行性能の確実なデータを提供する、ステップ526。緊急事態、飛行の安全性の問題またはその他の異常もしくは不測の事態があるいかなる場合も、ステップ520においてパイロットのオーバーライドを実行することができ、OPVのパイロットは、OPVの直接制御を引き継ぐことができ、ステップ528、FCIの出力のステータスコマンドをオーバーライドする。
【0024】
UASの様々な機能が、OPVで操縦されながらテストされ、検証されることが可能である。第1の例として、OPVを旋回させる、および上下させる(pitching)ためのコマンドをテストすることができる。
【0025】
OPVに取り付けられて飛行中に、UASはFCIを介してOPVの制御法則のコンピュータにコマンドを送信し、そうしてUASは旋回する、上下動する、およびその他の場合は規定のパターンで飛行することができる。一般的な地上管制局またはUASのセンシングパッケージ(すなわち、姿勢、垂直方向の航法、水平方向の航法、旋回率、速度、およびエンジン動作に関するデータ)からの入力により、UASは例えば右に旋回しなければならないと判断できるようになる。右に旋回すると、UASは、UASとOPVとの間のコマンドおよび情報の流れを描く図6に示すように、次の動作を実行する。まず、UASは、この実施形態についてはその6つの制御パラメータから、機動(例えば、右旋回)が必要であると判断する、ステップ602。UASは、次いでFCIに適切なパラメータのデータを送信し、ステップ604、FCIがOPVの現在の経路を変更するためのステータスコマンドを生成する。これらのステータスコマンドはOPVに送信され、ステップ606、次いでOPVがコマンドを解釈して飛行プロファイルを実行し、ステップ608、UASのみによって実行されるプロファイルを模倣するまたは再現する。
【0026】
一般的な地上管制局からのコマンドに従うためにルートを変更することが、第2の例となる。UASは、場合によっては外部オペレータ(OPV内のパイロットではない)からのルート変更コマンドに応答することが必要となる。これらのコマンドが受信されると、これらのコマンドは次に、図6に示すように同様のフローによって処理される。図7は、UASが実行してOPVに伝えるルート変更プロセスを説明している。ルート変更に関する新しいコマンドがUASによって受信されると、ステップ702、UASの飛行制御システムが、FCIにパラメータを送信する、ステップ704。FCIはコマンドを解釈し、OPVオートパイロット用のステータスコマンドを生成する、ステップ706。ステータスコマンドは、次にオートパイロットに送信され、ステップ708、オートパイロットがステータスコマンドを解釈して、ルートを変更する、ステップ710。
【0027】
第3の例として、UAS上でデータサンプルをテストして取得することを、OPVで飛行中に実行することができる。飛行証明については、UASは、いくつかの安全試験および効率試験を行って、合格しなければならない。こうしたテストの一部を実行するために、UASはOPVからの援助を必要とする場合がある。この例には、離陸および上昇能力の評価、ならびに燃料効率の追跡が含まれる。図8に示すように、要求されるテストを実行しなければならないUASに、(一般的な地上管制局からまたはあらかじめプログラムされたコマンドから)初期キューが送信される、ステップ802。UASはその内部センサおよび制御装置を作動させ、ステップ804、テストがOPVの援助/協力を必要とするかどうかを判断する、ステップ806。必要とする場合、必要なセンサおよび制御装置からのパラメータがFCIに送信され、ステップ808、次いでFCIが情報をOPV用のステータスコマンドに変換する、ステップ810。次にOPVはテスト用のコマンドを実行する、ステップ812。
【0028】
他のデータは、UASがそのテストを完了するためにOVPからの介入を必要としない場合があり(図8の「いいえ」の矢印)、UASは次に助けを借りずに必要なテストを行う、ステップ814。正確な対気速度の評価は、非OPVの相互作用テストの例である。UASは、UAS上に直接対気速度センサを有することができ、OPVからの支援/協力を必要としない。
【0029】
無人航空機システム(UAS)のテストのためのシステムは、UASの飛行制御システムと、UASの飛行制御システムに取り付けられた有人無人両用機(OPV)とを含み、上記OPVがOPV飛行制御システムと、UASの飛行プロファイルの制御パラメータを表す、UASの飛行制御システムからの入力を受信する飛行制御インタプリタ(FCI)とを含み、上記FCIがOPV飛行制御システムへの出力としてステータスコマンドを提供して飛行プロファイルを再現し、上記OPV飛行制御システムがさらにパイロットのオーバーライドを含む。UASのテストのためのシステムは、少なくともUAS胴体に統合されたUASの飛行制御システムを含むことができ、さらにUASのセンサを含む。UASテストのためのシステムは、FCIからステータスコマンドの出力を受信するオートパイロットを含むOPVの飛行制御システムを含むことができる。またUASテストのためのシステムは、UASの飛行制御システムの制御のための一般的な地上管制局を含むことができる。さらに、システムは、UASのセンサからデータを受信する一般な地上管制局を含むことができる。制御パラメータは、姿勢、垂直方向の航法、水平方向の航法、旋回率、速度、およびエンジン動作から成る群から選択することができる。UASテストのシステムは、姿勢、垂直方向の航法、水平方向の航法、旋回率、速度、およびエンジン動作から成る群から選択されるステータスコマンドを含むことができる。
【0030】
無人航空機システム(UAS)のキャプティブキャリーテストシステムは、UASの飛行制御システムを有するUASの胴体と、パイロットのオーバーライドを備えたOPVの飛行制御システムを有する有人無人両用機(OPV)を含むことができる。OPVは、UASの胴体およびUASの飛行制御システムから制御パラメータを受信する飛行制御インタプリタ(FCI)を搭載することができる。FCIは、ステータスコマンドをOPV飛行制御システムに提供して、UASが実行飛行プロファイルを再現することができる。UASキャプティブキャリーテストシステムは、OPV地上モニタを含めることができ、UASの飛行制御システムと通信している一般的な地上管制局を含むことができる。UASキャプティブキャリーテストシステムは、さらにUASの胴体に組み込まれたUASのセンサを含むことができ、上記センサは、一般的な地上管制局と通信している。OPVの飛行制御システムは、FCIからステータスコマンドの出力を受信するオートパイロットを含めることができる。UASキャプティブキャリーテストシステムは、姿勢、垂直方向の航法、水平方向の航法、旋回率、速度、およびエンジン動作から成る群から選択される制御パラメータを含めることができる。ステータスコマンドは、姿勢、垂直方向の航法、水平方向の航法、旋回率、速度、およびエンジン動作から成る群から選択することができる。
【0031】
領空域(NAS)における無人航空機システム(UAS)のテストの方法は、UASの飛行制御システムを有するUASの胴体を、パイロットのオーバーライドを備えたOPV飛行制御システムを有する有人無人両用機(OPV)に取り付けることと、UASの飛行制御システムを飛行制御インタプリタ(FCI)と相互に接続することと、FCIをOPV飛行制御システムと相互に接続することと、UAS飛行プロファイルを開始することと、UASの飛行制御システムからFCIへ制御パラメータを提供することと、FCIにおいて制御パラメータを解釈することと、プロファイルが完全であるかどうかを判断することと、完全ではない場合、FCIからOPV制御システムへステータスコマンドを出力することと、パイロットのオーバーライドがあるかどうかを判断することと、ステータスコマンドに基づいてOPVを制御することとを含むことができる。この方法はさらに、一般的な地上管制局を使用してUASの飛行制御システムと通信することを含むことができる。この方法は、一般的な地上管制局を用いてUASのセンサシステムを監視することを含むことができる。この方法は、OPV地上管制局を用いてOPVの実際の飛行プロファイルを追跡することを含むことができる。この方法は、パイロットのオーバーライドをアサートすること、およびOPVの制御を引き継ぐことを含むことができる。領空域において有人無人両用機(OPV)を制御する方法は、無人航空機システム(UAS)をOPVに取り付けることと、UASの飛行制御システムを用いて飛行プロファイルの制御パラメータを受信することと、制御パラメータを飛行制御インタプリタに送ることとを含むことができる。この方法はまた、OPV飛行制御システムにおいてFCIからステータスコマンドを受信することと、OPVを用いてUAS飛行プロファイルを再現することとを含むことができる。この方法は、緊急事態または不測の事態が発生する場合、パイロットのオーバーライドをアサートすることと、OPVの制御を引き継ぐことと含むことができる。
【0032】
特許法の定めるところにより、本発明の様々な実施形態について詳細に説明したが、当業者は、本明細書に開示する特定の実施形態に対する変更形態および代替形態を認識するであろう。このような変更形態は、次の特許請求の範囲に定められる本発明の範囲および趣旨に従うものである。
【符号の説明】
【0033】
10 UASの胴体
12 有人無人両用機
14 UASのセンサ
16 UASの飛行制御システム
18 一般的な地上管制局
19 OPVの飛行制御システム
20 飛行制御インタプリタ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
無人航空機システム(USA)のテストのためのシステムであって、
UASの飛行制御システムと、
UASの飛行制御システムに取り付けられた、有人無人両用機(OPV)の飛行制御システムを有するOPVと、
UASの飛行プロファイルの制御パラメータを表す、UASの飛行制御システムからの入力を受信する飛行制御インタプリタ(FCI)であって、パイロットのオーバーライドをさらに含む前記OPVの飛行制御システムへの出力としてステータスコマンドを提供して飛行プロファイルを再現するFCIと
を含む、UASのテストのためのシステム。
【請求項2】
UASの飛行制御システムが、少なくともUASの胴体に組み込まれ、さらにUASのセンサを備える、請求項1に記載のUASのテストのためのシステム。
【請求項3】
OPVの飛行制御システムが、FCIからステータスコマンドの出力を受信するオートパイロットを含む、請求項1に記載のUASのテストのためのシステム。
【請求項4】
制御パラメータが、姿勢、垂直方向の航法、水平方向の航法、旋回率、速度、およびエンジン動作から成る群から選択される、請求項1に記載のUASのテストのためのシステム。
【請求項5】
無人航空機システム(UAS)の飛行制御システムを有する少なくともUASの胴体と、
パイロットのオーバーライドを備えた有人無人両用機(OPV)飛行制御システムを有するOPVであって、UAS胴体およびUASの飛行制御システムから制御パラメータを受信する飛行制御インタプリタ(FCI)を搭載し、前記FCIがOPV飛行制御システムへステータスコマンドを提供してUAS飛行プロファイルを再現する、OPVと、
OPVの地上モニタと
を含む、無人航空機システム(UAS)のキャプティブキャリーテストシステム。
【請求項6】
UASの飛行制御システムと通信する一般的な地上管制局をさらに含む、請求項5に記載のUASのキャプティブキャリーテストシステム。
【請求項7】
OPVの飛行制御システムが、FCIからステータスコマンドの出力を受信するオートパイロットを含む、請求項5に記載のUASのキャプティブキャリーテストシステム。
【請求項8】
制御パラメータが、姿勢、垂直方向の航法、水平方向の航法、旋回率、速度、およびエンジン動作から成る群から選択される、請求項5に記載のUASのキャプティブキャリーテストシステム。
【請求項9】
領空域(NAS)において無人航空機システム(UAS)をテストするための方法であって、
UASの飛行制御システムを有する少なくともUASの胴体を、パイロットのオーバーライドを備えた有人無人両用機(OPV)の制御システムを有するOPVに取り付けることと、
UASの飛行制御システムを飛行制御インタプリタ(FCI)に相互に接続することと、
FCIをOPVの飛行制御システムに相互に接続することと、
UASの飛行プロファイルを開始することと、
UASの飛行制御システムからの制御パラメータをFCIに提供することと、
FCIにおいて制御パラメータを解釈することと、
プロファイルが完全であるかどうかを判断し、完全ではない場合、FCIからのステータスコマンドをOPVの制御システムに出力することと、
パイロットのオーバーライドがあるかどうかを判断することと、
ステータスコマンドに基づいてOPVを制御することと
を含む、方法。
【請求項10】
一般的な地上管制局を使用してUASの飛行制御システムと通信することをさらに含む、請求項9に記載の方法。
【請求項11】
OPVの地上管制局を用いてOPVの実際の飛行プロファイルを追跡することをさらに含む、請求項9に記載の方法。
【請求項12】
パイロットのオーバーライドをアサートすることと、OPVの制御を引き継ぐこととをさらに含む、請求項9に記載の方法。
【請求項1】
無人航空機システム(USA)のテストのためのシステムであって、
UASの飛行制御システムと、
UASの飛行制御システムに取り付けられた、有人無人両用機(OPV)の飛行制御システムを有するOPVと、
UASの飛行プロファイルの制御パラメータを表す、UASの飛行制御システムからの入力を受信する飛行制御インタプリタ(FCI)であって、パイロットのオーバーライドをさらに含む前記OPVの飛行制御システムへの出力としてステータスコマンドを提供して飛行プロファイルを再現するFCIと
を含む、UASのテストのためのシステム。
【請求項2】
UASの飛行制御システムが、少なくともUASの胴体に組み込まれ、さらにUASのセンサを備える、請求項1に記載のUASのテストのためのシステム。
【請求項3】
OPVの飛行制御システムが、FCIからステータスコマンドの出力を受信するオートパイロットを含む、請求項1に記載のUASのテストのためのシステム。
【請求項4】
制御パラメータが、姿勢、垂直方向の航法、水平方向の航法、旋回率、速度、およびエンジン動作から成る群から選択される、請求項1に記載のUASのテストのためのシステム。
【請求項5】
無人航空機システム(UAS)の飛行制御システムを有する少なくともUASの胴体と、
パイロットのオーバーライドを備えた有人無人両用機(OPV)飛行制御システムを有するOPVであって、UAS胴体およびUASの飛行制御システムから制御パラメータを受信する飛行制御インタプリタ(FCI)を搭載し、前記FCIがOPV飛行制御システムへステータスコマンドを提供してUAS飛行プロファイルを再現する、OPVと、
OPVの地上モニタと
を含む、無人航空機システム(UAS)のキャプティブキャリーテストシステム。
【請求項6】
UASの飛行制御システムと通信する一般的な地上管制局をさらに含む、請求項5に記載のUASのキャプティブキャリーテストシステム。
【請求項7】
OPVの飛行制御システムが、FCIからステータスコマンドの出力を受信するオートパイロットを含む、請求項5に記載のUASのキャプティブキャリーテストシステム。
【請求項8】
制御パラメータが、姿勢、垂直方向の航法、水平方向の航法、旋回率、速度、およびエンジン動作から成る群から選択される、請求項5に記載のUASのキャプティブキャリーテストシステム。
【請求項9】
領空域(NAS)において無人航空機システム(UAS)をテストするための方法であって、
UASの飛行制御システムを有する少なくともUASの胴体を、パイロットのオーバーライドを備えた有人無人両用機(OPV)の制御システムを有するOPVに取り付けることと、
UASの飛行制御システムを飛行制御インタプリタ(FCI)に相互に接続することと、
FCIをOPVの飛行制御システムに相互に接続することと、
UASの飛行プロファイルを開始することと、
UASの飛行制御システムからの制御パラメータをFCIに提供することと、
FCIにおいて制御パラメータを解釈することと、
プロファイルが完全であるかどうかを判断し、完全ではない場合、FCIからのステータスコマンドをOPVの制御システムに出力することと、
パイロットのオーバーライドがあるかどうかを判断することと、
ステータスコマンドに基づいてOPVを制御することと
を含む、方法。
【請求項10】
一般的な地上管制局を使用してUASの飛行制御システムと通信することをさらに含む、請求項9に記載の方法。
【請求項11】
OPVの地上管制局を用いてOPVの実際の飛行プロファイルを追跡することをさらに含む、請求項9に記載の方法。
【請求項12】
パイロットのオーバーライドをアサートすることと、OPVの制御を引き継ぐこととをさらに含む、請求項9に記載の方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【公開番号】特開2013−32151(P2013−32151A)
【公開日】平成25年2月14日(2013.2.14)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2012−170929(P2012−170929)
【出願日】平成24年8月1日(2012.8.1)
【出願人】(500520743)ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】The Boeing Company
【公開日】平成25年2月14日(2013.2.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−170929(P2012−170929)
【出願日】平成24年8月1日(2012.8.1)
【出願人】(500520743)ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】The Boeing Company
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