無人航空機のナビゲーションのためのシステム及び方法
【課題】無人航空機（ＵＡＶ）の航行のためのシステム及び方法を提示する。
【解決手段】好ましい一つの実施形態では、ＵＡＶは、少なくとも１つの飛行コリドー及び飛行経路を用いてコンフィギュレーションが行われ、第１のＵＡＶ飛行計画が計算される。第１のＵＡＶ飛行計画の運行中に、ＵＡＶは障害物を視覚的に検出し、この障害物を回避するように第２のＵＡＶ飛行計画を計算する。更に、第１又は第２のＵＡＶ飛行計画の運行中に、ＵＡＶは未知の航空機を音響的に検出し、この未知の航空機を回避するように第３のＵＡＶ飛行計画を計算する。加えて、ＵＡＶは、地上管制局から受信した情報などのような他の情報に基づいて、新しい飛行計画を計算することもできる。
【解決手段】好ましい一つの実施形態では、ＵＡＶは、少なくとも１つの飛行コリドー及び飛行経路を用いてコンフィギュレーションが行われ、第１のＵＡＶ飛行計画が計算される。第１のＵＡＶ飛行計画の運行中に、ＵＡＶは障害物を視覚的に検出し、この障害物を回避するように第２のＵＡＶ飛行計画を計算する。更に、第１又は第２のＵＡＶ飛行計画の運行中に、ＵＡＶは未知の航空機を音響的に検出し、この未知の航空機を回避するように第３のＵＡＶ飛行計画を計算する。加えて、ＵＡＶは、地上管制局から受信した情報などのような他の情報に基づいて、新しい飛行計画を計算することもできる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書における実施形態は、無人航空機（ＵＡＶ）のナビゲーションのためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国政府は、米国陸軍との契約第Ｗ５６ＨＺＶ−０５−Ｃ−０７２４号に従って、本発明における幾つかの権利を取得済みである場合がある。
【０００３】
ＵＡＶは、カメラ、センサ、通信機器、又は他のペイロードを搬送することのできる遠隔操縦又は自己操縦される航空機であり、管制、持続、水平飛行が可能であり、通常はエンジンにより動力が供給される。自己操縦型ＵＡＶは、事前にプログラム済みの飛行計画に基づいて自律的に飛行することができる。
【０００４】
ＵＡＶは、有人飛行体が適切でない又は実用可能でない場合の様々な任務のために、ますます使用されるようになってきている。これらの任務は、監視、偵察、目標捕捉、データ捕捉、通信中継、デコイ、ハラスメント、供給飛行などのような、軍事状況を含むことがある。ＵＡＶはまた、消火活動、自然災害踏査、市民暴動や犯罪現場の警察による視察、科学調査などのような、監視する人間が危険にさらされるであろう多くの民間任務にもますます使用される。後者の一例は、気象の形態や火山の観測であろう。
【０００５】
小型化技術が向上したのに伴い、今や非常に小さいＵＡＶ（超小型航空機、即ち、ＭＡＶと呼ばれることもある）を製造することが可能である。ＵＡＶ及びＭＡＶの設計及び動作の例については、米国特許出願第１１／７５２４９７号、第１１／７５３０１７号、及び第１２／１８７１７２号を参照されたい。これらの米国特許出願は全て、その全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【０００６】
ＵＡＶは、推進力のためにダクテッド・ファンを使用するように設計することができ、また、ダクトを介して空気を吸引して揚力を提供するプロペラを使用して、ヘリコプタのように飛行することができる。ＵＡＶのプロペラは、ダクトに格納されることが好ましく、一般にガソリン・エンジンにより駆動される。ＵＡＶは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）電子センサ技術を使用して制御することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願第１１／７５２４９７号
【特許文献２】米国特許出願第１１／７５３０１７号
【特許文献３】米国特許出願第１２／１８７１７２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の航空機は上反角翼設計を使用する場合があり、この設計では、翼を航空機の縦軸の前方又は後方から見たときに、翼がこの軸から上方向の角度を呈する。ダクテッド・ファンのＵＡＶは、上反角翼設計を欠く場合があり、従って、ダクテッド・ファンのＵＡＶがどの方向に飛行しているかを決定するのが困難な場合がある。このため、有人機も無人機も、このようなＵＡＶとの衝突を回避するのが難しい可能性がある。ＵＡＶがより広く配備されるのに伴い、空域はますます混雑してくる。従って、ＵＡＶ衝突回避システムを改善する必要性が高まっている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ＵＡＶのナビゲーション（航行）を改善するために、少なくとも１つの飛行コリドー（航空機専用路）と少なくとも１つの飛行経路とを表すデータを用いてＵＡＶをコンフィギュレーション（構成す）ることができる。これらの飛行コリドー及び飛行経路を、それらの位置の周囲、上、又は下を航行することにより回避するように、第１の飛行計画を計算することができる。ＵＡＶが第１の飛行計画を運行する間に、ＵＡＶは、例えばカメラを介して、ＵＡＶの飛行計画内又はＵＡＶの飛行計画付近で障害物を検出することがある。従って、飛行コリドー及び飛行経路に加えて障害物をも回避するように、第２の飛行計画を計算することができる。
【００１０】
別の実施形態では、ＵＡＶはまた、音響入力を使用して近くの未知の航空機を検出し、これに応答して、その検出した未知の航空機を回避するように新しい飛行計画を計算することもできる。加えて、ＵＡＶは、友好的なＵＡＶ又は有人機から、障害物の位置及び／又はベクトルを示す送信を受信することもできる。ＵＡＶは、これに応答して、障害物を回避するように新しい飛行計画を計算することができる。これらのＵＡＶ航行機構は、ＵＡＶにより自律的に実施されてもよく、或いは、１又は複数の地上管制局からの入力に関連して実施されてもよい。
【００１１】
一般に、ＵＡＶは、複数の入力モード（例えば、手動、光学、音響、熱、及び／又は電子的な手段）を使用して、飛行計画の計算及び調整を行うことができる。このマルチモードの航行ロジックは、ＵＡＶにおいて事前に構成済みであってもよく、或いは、動的にＵＡＶへアップロードされてもよい。
【００１２】
これら及び他の態様及び利点は、添付の図面を適宜に参照しながら後続の詳細な記述を読めば、当業者には明らかになるであろう。更に、前述の概要は例に過ぎず、特許請求する本発明の範囲を限定することを意図しないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、例示的なＵＡＶ設計の図である。
【図２】図２は、地上ベースの及び空中の様々な障害物及び物体との干渉を回避するＵＡＶ飛行計画の例を示す。
【図３】図３は、ＵＡＶが未知の航空機を検出して回避する例を示す。
【図４】図４は、ＵＡＶが友好的なＵＡＶからの入力に基づいて新しい飛行計画を計算する例を示す。
【図５】図５、図６、図７は、例示的な実施形態による方法のフロー・チャートである。
【図６】図５、図６、図７は、例示的な実施形態による方法のフロー・チャートである。
【図７】図５、図６、図７は、例示的な実施形態による方法のフロー・チャートである。
【図８】図８は、例示的なＵＡＶを構成する機能ユニットを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に、例示的なＵＡＶ１００を示す。ＵＡＶ１００は、偵察、監視、及び目標捕捉（ＲＳＴＡ）の任務に使用することができる。例えば、ＵＡＶ１００は、発射して、着陸位置へ到達する前に、飛行計画に従って１又は複数の中間点へ飛行することによりＲＳＴＡ任務を実行することができる。発射されると、ＵＡＶ１００は、自律的に、或いは、１又は複数の地上管制局からの様々な度合いの遠隔オペレータ・ガイダンスを用いて、そのようなＵＡＶ飛行計画を実施することができる。ＵＡＶ１００は、ホバリング用ダクテッド・ファンをもつＵＡＶとすることができるが、代替のＵＡＶの実施形態を用いることもできる。
【００１５】
ＵＡＶ１００は、ビデオ・カメラや音響センサなどのような、１又は複数の能動型又は受動型のセンサを備えることができる。代替の実施形態では、ビデオ・カメラ及び／又は音響センサに加えて、運動センサ、熱センサ、風センサ、ＲＡＤＡＲ、ＬＡＤＡＲ、電気光学（ＥＯ）センサ、不可視光センサ（例えば赤外線（ＩＲ）センサ）、及び／又は、ＥＯ／ＩＲセンサなどのような、種々のタイプのセンサを使用することができる。更に、マルチモード航行ロジックに従って、複数のタイプのセンサを相互に関連して使用することもできる。意図されたＵＡＶの任務の特性、及びＵＡＶを動作させることを想定した環境に応じて、種々のタイプのセンサを使用することができる。
【００１６】
ＵＡＶ１００はまた、これらのセンサ及び他の入力デバイスに結合されたプロセッサ及びメモリを備えることもできる。メモリは、ＵＡＶの飛行計画、飛行コリドー、飛行経路、地形図、及び他の航行情報を含めての、静的及び／又は動的なデータを含むように構成されることが好ましい。メモリはまた、本明細書に開示する方法に従って飛行動作及び他の動作を実施するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令を含むこともできる。
【００１７】
概して言えば、ＵＡＶ１００はＵＡＶ飛行計画によりプログラムすることがで、このＵＡＶ飛行計画は、ある種の地理座標や、位置や、障害物を回避しながら、幾つかの中間点の間を特定の順序で飛行するようにＵＡＶ１００に命令するものである。例えば、ＵＡＶ１００が商業用、民間用、又は軍事用の飛行コリドーの付近を飛行している場合、ＵＡＶ１００は、飛行コリドーの稼働時間中にはこのコリドーを飛行することを避けるべきである。同様に、ＵＡＶ１００が、有人航空機又は別のＵＡＶの飛行経路を含んでプログラムされている場合、ＵＡＶ１００は、この飛行経路を回避するようにＵＡＶ飛行計画を調整すべきである。加えて、ＵＡＶ１００がそのＵＡＶ飛行計画に従って飛行しており、ＵＡＶ１００が既知の又は以前に未知であった障害物に遭遇した場合、ＵＡＶ１００は、障害物を回避するようにＵＡＶ飛行計画を調整すべきである。
【００１８】
本明細書では、用語「飛行計画」は、一般に、ＵＡＶ１００などのＵＡＶの計画された飛行経路を指し、用語「飛行経路」は、一般に、ＵＡＶが遭遇するかもしれない別の航空機の、観察又は計画された飛行経路を指す。しかしながら、これらの用語は、他の場合には交換可能に使用することもできる。
【００１９】
図２に、ＵＡＶ飛行計画に従ったＵＡＶの飛行を示しており、この図では、ＵＡＶ、例えばＵＡＶ１００は、飛行コリドー及び別の航空機の飛行経路を回避するように、ＵＡＶ飛行計画を計算する。これを行う際、ＵＡＶは、マルチモード型ロジックと、少なくとも２つのソースからの入力とを使用することが好ましい。ＵＡＶ飛行計画は、障害物を回避するように後に調整することができる（又は新しい飛行計画を計算することができる）。この調整又は再計算もまた、マルチモード型ロジックを使用することが好ましい。
【００２０】
図２に示すＵＡＶ飛行計画は４つの中間点を含む。ＵＡＶ１００は、中間点２１０で開始し、中間点２１５へ進み、次いで中間点２２０へ進み、最後に中間点２２５へ進んだ後に中間点２１０に戻るものとする。しかしながら、この４つの中間点及びこのＵＡＶ飛行計画は例に過ぎない。実際のＵＡＶ飛行計画は、より多くの又は少ない数の中間点を含んでもよく、これらの中間点間の経路は、図２に示すよりも直接的である場合もそうでない場合もある。
【００２１】
ＵＡＶ１００は、その位置及び速度を求めるため、並びにそのＵＡＶ飛行計画を調整するために、搭載型の全地球測位システム（ＧＰＳ）を備えることができる。しかしながら、ＵＡＶ１００は、ＧＰＳの代わりに又はＧＰＳと共に、他のタイプの位置決定機器を航行のために使用してもよい。
【００２２】
ＵＡＶ１００は、空港２３０、飛行コリドー２４５、及び飛行経路２３５に関する情報により事前にコンフィギュレーション（構成）済みであると考えられる。代替例として、この情報は、飛行計画を立てている間にＵＡＶ１００にアップロードされてもよく、或いは、飛行中に動的にＵＡＶ１００へ送信されてもよい。しかしながら、ＵＡＶ１００は、障害物２４０に関する情報は含まない場合がある。従って、ＵＡＶ１００は、空港２３０、飛行コリドー２４５、及び飛行経路２３５を回避する第１のＵＡＶ飛行計画を計算できるものとすることができるが、ＵＡＶ１００は、障害物２４０を回避するようにそのＵＡＶ飛行計画を動的に調整する必要がある場合がある。
【００２３】
例えば、ＵＡＶ１００は、第１のＵＡＶ飛行計画と、そのセンサの１又は複数のものからの入力とに基づいて、障害物２４０を回避するように第２のＵＡＶ飛行計画を計算することができる。代替例として、ＵＡＶ１００は、空港２３０、飛行コリドー２４５、飛行経路２３５、及び障害物２４０を回避するように、そのＵＡＶ飛行計画を動的に調整又は再計算することもできる。更に、ＵＡＶ１００は、地上管制局からの入力に基づいてそのＵＡＶ飛行計画を調整することもできる。
【００２４】
ＵＡＶ１００が厳密にどのようにそのＵＡＶ飛行計画を運行、調整、又は再計算するように構成されているかにかかわらず、ＵＡＶ１００は、地点Ａに到達したとき、飛行コリドー２４５を回避する必要があると決定する。飛行コリドー又は航空路は、典型的には、軍事用、商業用、又は民間用の航空機が使用できる空域である。飛行コリドーは、航空機が飛行することのできる、地面より上の３次元のハイウェイと考えることができる。これらの航空機は、飛行コリドー中では、管制塔からの指示に従う場合もあり、そうでない場合もある。飛行コリドーは、ベクトル、幅、１又は複数の高度或いは高度範囲、及び時間帯で指定されることが好ましい。例えば、飛行コリドー２４５は、ベクトル３０５度、幅１０海里、高度範囲０〜３０４８ｍ（０〜１００００フィート）、及び時間帯０６：００時〜１４：００時（午前６時〜午後２時）で指定することができる。しかしながら、飛行コリドーは、より多くの又は少ない数のファクタを使用して指定することもできる。
【００２５】
時間帯は、飛行コリドー２４５が使用中となる時刻を指定することが好ましい。おそらく、飛行コリドー２４５は、この時間帯外には何れの航空機によっても使用されないことになり、従って、ＵＡＶ１００は、この時間帯外には安全に飛行コリドー２４５を横断することができる。
【００２６】
地点Ａに接近しつつあるとき、ＵＡＶ１００は、飛行コリドー２４５を横切ろうとしていると判断する。ＵＡＶ１００は、現在時刻と飛行コリドー２４５の時間帯とを比較することが好ましい。現在時刻が飛行コリドー２４５の時間帯内にある場合、ＵＡＶ１００は、飛行コリドー２４５を回避すべきであると決定する。図２に示すように、ＵＡＶ１００は、飛行コリドー２４５の周囲及び空港２３０の近くを飛行することができる。代替例として、ＵＡＶ１００は、高度を変更して飛行コリドー２４５を回避できると判断することもできる。好ましくは、ＵＡＶは、数海里又は高度数千フィートだけ、飛行コリドー２４５及び空港２３０を回避する。
【００２７】
地点Ｂでは、ＵＡＶ１００は、飛行コリドー２４５及び空港２３０を通過済みであり、中間点２１５に向かうその元のベクトルを再獲得済みである。しかし、ＵＡＶ１００は、このベクトルを再獲得する必要はなく、より直接的な方式で中間点２１５へ進むこともできる。
【００２８】
中間点２１５に来ると、ＵＡＶ１００は、その方向を変更し、そのＵＡＶ飛行計画に従って、中間点２２０へ向かうベクトル上を進む。地点Ｃで、ＵＡＶ１００は、飛行経路２３５を横切るかもしれないと判断する。飛行経路２３５は、別のＵＡＶや有人航空機の事前に定義された飛行経路であり得る。好ましくは、ＵＡＶ１００は、飛行経路２３５に従って飛行する航空機を回避するために、地点Ｃと地点Ｄとの間でそのベクトルは維持するが高度を変更する。しかしながら、ＵＡＶ１００は、他の方法で飛行経路２３５を回避してもよい。
【００２９】
地点Ｄで、ＵＡＶは、その前の高度に戻り、そのＵＡＶ飛行計画に従って中間点２２０へ進む。中間点２２０に来ると、ＵＡＶ１００は、方向を変更し、そのＵＡＶ飛行計画に従って、中間点２２５に向かうベクトル上を進む。地点Ｅで、ＵＡＶ１００は障害物２４０を感知する。障害物２４０は、ＵＡＶ１００にとって未知のものであり得、従って、ＵＡＶ１００は、障害物２４０を回避するようにそのＵＡＶ飛行計画を動的に調整することができる。この調整は、ＵＡＶ１００により自律的に決定及び実行されることができ、また、地上管制局からの入力に関連して行われてもよい。
【００３０】
更に、障害物２４０は、静止物体であり得、或いは、地上又は空中で動いている物体であり得る。例えば、障害物２４０は、航空機や気象観測気球であり得る。代替例として、障害物２４０は、建造物や高射砲の配備などのような、地上の物体とすることもできる。好ましくは、ＵＡＶ１００は、その機内搭載ビデオ・カメラにより障害物２４０を検出するが、ＵＡＶ１００は、１又は複数の他のセンサを使用して障害物２４０を感知してもよい。
【００３１】
地点Ｅでは、ＵＡＶ１００は、障害物２４０を回避するようにＵＡＶ飛行計画を動的に調整する。例えば、ＵＡＶ１００は、障害物２４０の周囲、上、又は下を飛行することができる。地点Ｆで、ＵＡＶ１００は、中間点２２５に向かう元のベクトルを再獲得する。中間点２２５に来ると、ＵＡＶ１００は、方向を変更し、そのＵＡＶ飛行計画に従って、中間点２１０へ戻るベクトル上を進む。
【００３２】
ＵＡＶ１００が、何れかの理由でコースを変更する必要があると決定したとき、又は決定する間、又は決定した後に、ＵＡＶ１００は、コース変更を示すアラート（警告）を地上管制局へ送信することができる。このコース変更の一部として、ＵＡＶ１００は、そのセンサ、例えばビデオ・カメラを使用して、近くの地形の新しい画像を獲得することができる。従って、地点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、及び／又はＦでＵＡＶ１００により行われる行動は何れも、ＵＡＶ１００と地上管制局との間の通信、並びに、ＵＡＶ１００による近くの地形の新しい画像の獲得を伴い得る。
【００３３】
飛行コリドー、飛行経路、及び障害物の回避に加えて、ＵＡＶ１００は、未知の航空機を動的に回避するように構成することができる。未知の航空機は、ＵＡＶ１００がそのビデオ・カメラ又は他の光学センサを介して未知の航空機を検出できないかもしれないような角度から、ＵＡＶ１００に接近する場合がある。ビデオ・カメラ又は光学センサでは検出されないかもしれない未知の航空機を検出するために、ＵＡＶ１００に音響センサを装備することができる。このような音響センサは、こうした未知の航空機に関連するエンジン・ノイズ及び／又は風変位ノイズを検出できることが好ましい。
【００３４】
音響センサは、１又は複数の音響プローブ、及びデジタル信号プロセッサを備えることができる。好ましくは、音響プローブは、音響入力信号を受け取って、これらの信号から、風及びＵＡＶ振動に関連する雑音を除去するように構成される。更に、音響入力信号は、電気形式に変換してデジタルで表現することができる。デジタル信号プロセッサは、音響入力信号をフィルタリングして近くの航空機を検出及び／又は追跡することができ、プロセッサなどのような他のＵＡＶコンポーネントへ航行入力を提供することができ、それにより、ＵＡＶ１００は、検出された航空機を回避することができ、且つ／又は検出された航空機と安全な距離を維持することができる。しかしながら、他のタイプの音響又は非音響センサをこの目的に使用してもよい。
【００３５】
図３に、音響センサ入力を使用して未知の航空機を回避するＵＡＶ１００などのようなＵＡＶの例示的な実施形態を示す。ＵＡＶ１００は、ＵＡＶ飛行計画３１０に従って飛行している。地点Ｇで、ＵＡＶ１００は未知の航空機３２０を検出する。ＵＡＶ１００は、未知の航空機３２０が未知の航空機ベクトル３３０に従って飛行していると決定又は推定することができる。次いで、ＵＡＶ１００は、未知の航空機３２０を回避するようにその飛行計画を調整することができる。好ましくは、ＵＡＶ１００は、その音響センサを介して未知の航空機３２０を検出するが、ＵＡＶ１００は、ＥＯやＩＲの信号などのような他のタイプの入力に応答して同様の回避策を講じることもできる。
【００３６】
更に、ＵＡＶ１００は、その周囲に関するより多くの情報を収集するために、その動作域内の他の友好的なＵＡＶ、友好的な有人航空機、又は地上管制局と通信することもできる。例えば、ＵＡＶ１００は、以前は未知であった飛行コリドー、飛行計画、飛行経路、障害物、又は別のタイプの状況情報に関して、友好的なＵＡＶ、有人航空機、又は地上管制局から、情報を受信することができ、そして、それに応じて、ＵＡＶ１００は、そのＵＡＶ飛行計画を調整することができる。加えて、ＵＡＶ１００は、それの付近の未知の航空機に関して、友好的なＵＡＶ、有人航空機、又は地上管制局から情報を受信することもでき、そして、ＵＡＶ１００は、未知の航空機を回避するようにその飛行計画を調整することができる。好ましくは、ＵＡＶ１００は、信用できる任意のソースを介して受信した任意の航行入力を使用して、その任務のパラメータに基づいて、ＵＡＶ飛行計画に動的な変更を加えるかどうかを判定する。
【００３７】
図４に、友好的なＵＡＶから入力を受信し、この入力に従ってＵＡＶ飛行計画を調整するＵＡＶ１００などのようなＵＡＶを示す。代替例として、ＵＡＶ１００は、この入力を、友好的な有人航空機又は地上管制局から受信することができる。
【００３８】
図４において、ＵＡＶ１００は、ＵＡＶ飛行計画４１０に従って飛行することが好ましい。地点Ｈで、ＵＡＶ１００は、友好的なＵＡＶ４２０から入力を受信する。好ましくは、ＵＡＶ１００は、この入力を通信リンク４３０を介して受信し、通信リンク４３０は、ワイヤレス通信リンクとすることができる。通信リンク４３０は、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）、周波数ホッピング、符号分割多元アクセス（ＣＤＭＡ）を含めた様々なタイプのワイヤレス技術に従って動作することができる。好ましくは、通信リンク４３０は、無許可の聴取者がＵＡＶ１００と友好的なＵＡＶ４２０との間の送信を復号できないように、暗号化されることが好ましい。更に、ＵＡＶ１００と友好的なＵＡＶ４２０とは、相互に向けたポイント・ツー・ポイント（２地点間）伝送の送信を介して通信してもよく、或いは、ブロードキャスト・システムを介して通信してもよく、ブロードキャスト・システムの場合は、他の友好的なＵＡＶ（図示せず）もまた、ＵＡＶ１００と友好的なＵＡＶ４２０との間の送信を受信することができる。
【００３９】
ＵＡＶ４２０から入力の受信に応答して、ＵＡＶ１００は、この入力を考慮に入れるようにＵＡＶ飛行計画を調整することができる。例えば、ＵＡＶ１００は、その経路にある飛行コリドー、飛行経路、障害物、又は未知の航空機を回避するように、新しい飛行計画を計算することができる。加えて、ＵＡＶ１００は、友好的なＵＡＶ４２０から受信した入力を記憶し、後に、その情報を、通信リンクを介して別の友好的なＵＡＶにへ送信することもできる。
【００４０】
図２、図３、及び図４に開示した方法、システム、及びデバイスは、全体又は部分を相互に組み合わせてもよい。例えば、ＵＡＶ１００は、図２により示すようなＵＡＶ飛行計画に従って飛行しており、次いで、図３に示すように未知の航空機を検出して回避することができる。加えて、ＵＡＶ１００がコースを変更する必要があると決定したときは、ＵＡＶ１００は、コース変更を示すアラートを地上管制局へ送信することができる。一般に、ＵＡＶ１００は、好ましくは、複数のソースからの入力を使用するマルチモード型航行ロジックを適用して、どのように任務を実施するかを決定する。
【００４１】
図５、図６、及び図７に、それぞれのステップ又はイベントのシーケンスを表すことにより、本発明の例示的な実施形態による方法のフロー・チャートを示す。しかしながら、実施形態の範囲を逸脱することなく、これらのステップ又はイベントは、異なる順序で行われてもよく、また、より少い又は多くの数のステップ又はイベントが行われてもよい。更に、これらのフロー・チャートに示す方法の全体又は部分を相互と組み合わせて、追加の実施形態を形成することもでき、そうした追加の実施形態も本発明の範囲内にある。
【００４２】
図５に、方法５００のフロー・チャートを示す。方法５００は、カメラからの入力に基づいてＵＡＶ飛行計画を調整する手段を提供する。ステップ５１０で、少なくとも１つの飛行コリドー及び少なくとも１つの飛行経路を回避するように、第１のＵＡＶ飛行計画が計算される。飛行コリドーは、例えば商業用飛行コリドーであり得、中間点、ベクトル、ベクトルを中心とした幅、及び高度範囲のうちの１又は複数のものと、時間帯とを含むことができる。飛行経路は、ＵＡＶ又は有人航空機の飛行経路とすることができ、やはり中間点、ベクトル、ベクトルを中心とした幅、及び高度範囲のうちの１又は複数のものと、時間帯とを含むことができる。
【００４３】
ステップ５２０で、ＵＡＶは、第１のＵＡＶ飛行計画に従って飛行する。ステップ５３０で、第１のＵＡＶ飛行計画及びカメラからの入力に基づいて、第２のＵＡＶ飛行計画が計算される。カメラからの入力は、例えば、動いている又は静止している障害物の、可視光周波数の航行信号、赤外線光周波数の航行信号、又は他の指示とすることができる。従って、ステップ５４０で、ＵＡＶは、第２の飛行計画に従って飛行する。特に、カメラからの入力が障害物を示す場合、第２の飛行計画は、好適にこの障害物を回避する。方法５００は、ＵＡＶ１００などのようなＵＡＶにより全て実施されてもよく、或いは、地上管制局と共にＵＡＶにより実施されてもよい。
【００４４】
図６に、方法６００のフロー・チャートを示す。方法６００は、方法５００の実施中又は実施後に行うことができる。ステップ６１０で、音響センサを使用して未知の航空機が検出される。この未知の航空機は、ＵＡＶの付近にある可能性が高い。ステップ６２０で、方法５００からの第１のＵＡＶ飛行計画や第２のＵＡＶ飛行計画などのような前のＵＡＶ飛行計画に基づいて、新しいＵＡＶ飛行計画が計算される。新しいＵＡＶ飛行計画は、好ましくはこの未知の航空機並びに他の障害物を回避するものであり、ＵＡＶが前のＵＡＶ飛行計画に対して速度、方向、及び／又は高度を変更することを伴い得る。従って、ステップ６３０で、ＵＡＶは新しいＵＡＶ飛行計画に従って飛行する。
【００４５】
図７に、方法７００のフロー・チャートを示す。方法７００は、方法５００の実施中又は実施後に行うことができる。ステップ７１０で、ＵＡＶ１００などのようなＵＡＶと、友好的なＵＡＶとが、ワイヤレス・ネットワークを介して情報を相互に共有する。ワイヤレス・ネットワークは、ＵＡＶと友好的なＵＡＶとの間のポイント・ツー・ポイント・ネットワークとすることができ、また、ブロードキャスト・ネットワークであってもよい。ＵＡＶと友好的なＵＡＶとの間の送信は、このネットワークを介して行ったり来たりすることができ、１又は複数の飛行コリドー、飛行計画、飛行経路、障害物、又は未知の航空機に関する情報を含むことができる。ステップ７２０で、前のＵＡＶ飛行計画、及び友好的なＵＡＶと共有された情報に基づいて、新しいＵＡＶ飛行計画が計算される。好ましくは、この新しい飛行計画は、ＵＡＶが友好的なＵＡＶから知った１又は複数の飛行コリドー、飛行計画、飛行経路、障害物、又は未知の航空機を回避する。従って、ステップ７３０で、ＵＡＶは新しいＵＡＶ飛行計画に従って飛行する。
【００４６】
図８は、ＵＡＶ１００を例示する単純化したブロック図であって、本明細書における実施形態に従って動作するように構成されたＵＡＶにおいて見られるであろう機能コンポーネントの幾つかを示すブロック図である。図８には示していないが、ＵＡＶは、垂直離着陸が可能なダクテッド・ファン型ＵＡＶとすることができる。しかしながら、他のＵＡＶ設計を使用してもよい。
【００４７】
例示的なＵＡＶ１００は、好ましくは、プロセッサ８０２、メモリ８０４、通信インタフェース８０６、及び１又は複数のセンサ８０８を備え、これらは全てシステム・バス８１０又は同様の機構により結合することができる。プロセッサ８０２は、好ましくは、１又は複数の汎用プロセッサ、及び／又は１又は複数の専用プロセッサ（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）等）などのような、１又は複数のＣＰＵを備える。メモリ８０４は、揮発性及び／又は不揮発性メモリを含むことができ、全体又は一部分をプロセッサ８０２に統合することができる。
【００４８】
メモリ８０４は、好ましくは、プロセッサ８０２により実行可能なプログラム命令と、本明細書に記載の様々なロジック機能を実施するためにこれらの命令により操作されるデータとを保持する。（代替例として、ロジック機能は、ハードウェア、ファームウェア、及び／又は、ハードウェアとファームウェアとソフトウェアとの任意の組み合わせにより定義することもできる。）
【００４９】
通信インタフェース８０６は、ワイヤレス・リンクの形をとることができ、例えばＯＦＤＭ、周波数ホッピング、ＣＤＭＡなどに基づくプロトコルに従って動作することができる。しかしながら、通信インタフェース８０６を介して、他の形の物理層接続、及び他のタイプの標準又はプロプラエタリの通信プロトコルを使用してもよい。更に、通信インタフェース８０６は、複数の物理インタフェース（例えば、複数のワイヤレス・トランシーバ）を含むこともできる。厳密な実装手段にかかわらず、通信インタフェース８０６は、好ましくは、ＵＡＶ１００と１又は複数の他の有人又は無人航空機との間で、及び／又は、ＵＡＶ１００と１又は複数の地上管制局との間で、情報を送受信できる。
【００５０】
センサ８０８は、ＵＡＶ１００の付近の環境情報を収集するのを容易にする。センサ８０８は、ビデオ・カメラ、音響センサ、運動センサ、熱センサ、風センサ、ＲＡＤＡＲ、ＬＡＤＡＲ、ＥＯセンサ、ＩＲセンサ、及び／又は、ＥＯ／ＩＲセンサなどのような、複数のタイプの感知デバイスを含むことができる。センサ８０８は、好ましくは、静止している又は動いている物体及び障害物を、可視光及び赤外線光のスペクトルに基づいて、並びにそのような物体の音響放射に基づいて、検出できる。
【００５１】
例として、メモリ８０４は、異なる航空機の少なくとも１つの飛行経路を表すデータと、少なくとも１つの飛行コリドーを表すデータとを含むことができる。更に、メモリ８０４は、少なくとも１つの飛行経路及び少なくとも１つの飛行コリドーを回避するための第１のＵＡＶ飛行計画を計算するため、及びその第１のＵＡＶ飛行計画をメモリに記憶するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令と、ＵＡＶが第１のＵＡＶ飛行計画に従って飛行するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令と、第１のＵＡＶ飛行計画及びカメラからの入力に基づいて第２のＵＡＶ飛行計画を計算するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令と、ＵＡＶが第２のＵＡＶ飛行計画に従って飛行するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令とを含むことができる。
【００５２】
加えて、メモリ８０４は、第２のＵＡＶ飛行計画及び音響センサからの入力に基づいて第３のＵＡＶ飛行計画を計算するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令と、ＵＡＶが第３のＵＡＶ飛行計画に従って飛行するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令とを含むことができる。
【００５３】
更に、メモリ８０４は、他のＵＡＶ又は地上管制局からワイヤレス・ネットワーク・インタフェースを介して飛行計画情報を受信するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令と、第２のＵＡＶ飛行計画及び受信した飛行計画情報に基づいて第３のＵＡＶ飛行計画を計算するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令と、ＵＡＶが第３のＵＡＶ飛行計画に従って飛行するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令とを含むことができる。
【００５４】
図８に示す基本的なブロック図と同様に、地上管制局もまた、バスによりリンクされたプロセッサ、メモリ、及び通信インタフェースを備えることができる。代替の一実施形態では、ＵＡＶ１００などのＵＡＶにより使用されるマルチモード型航行ロジックは、ＵＡＶとそのような地上管制局との間で分散されてもよい。従って、幾つかの航行に関する決定はＵＡＶにより行うことができ、航行に関する他の決定は地上管制局により、又はＵＡＶと地上管制局との何らかの組み合わせにより、行うことができる。更に、このようなＵＡＶは、複数の地上管制局と接触し、これらの地上管制局のうちの１又は複数のものと意思決定能力を共有してもよい。
【００５５】
以上、本発明の例示的な実施形態について述べた。しかし、特許請求の範囲により定義する本発明の真の範囲及び趣旨を逸脱することなく、これらの実施形態に変更及び改造を加えてもよいことは、当業者であれば理解するであろう。
【技術分野】
【０００１】
本明細書における実施形態は、無人航空機（ＵＡＶ）のナビゲーションのためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国政府は、米国陸軍との契約第Ｗ５６ＨＺＶ−０５−Ｃ−０７２４号に従って、本発明における幾つかの権利を取得済みである場合がある。
【０００３】
ＵＡＶは、カメラ、センサ、通信機器、又は他のペイロードを搬送することのできる遠隔操縦又は自己操縦される航空機であり、管制、持続、水平飛行が可能であり、通常はエンジンにより動力が供給される。自己操縦型ＵＡＶは、事前にプログラム済みの飛行計画に基づいて自律的に飛行することができる。
【０００４】
ＵＡＶは、有人飛行体が適切でない又は実用可能でない場合の様々な任務のために、ますます使用されるようになってきている。これらの任務は、監視、偵察、目標捕捉、データ捕捉、通信中継、デコイ、ハラスメント、供給飛行などのような、軍事状況を含むことがある。ＵＡＶはまた、消火活動、自然災害踏査、市民暴動や犯罪現場の警察による視察、科学調査などのような、監視する人間が危険にさらされるであろう多くの民間任務にもますます使用される。後者の一例は、気象の形態や火山の観測であろう。
【０００５】
小型化技術が向上したのに伴い、今や非常に小さいＵＡＶ（超小型航空機、即ち、ＭＡＶと呼ばれることもある）を製造することが可能である。ＵＡＶ及びＭＡＶの設計及び動作の例については、米国特許出願第１１／７５２４９７号、第１１／７５３０１７号、及び第１２／１８７１７２号を参照されたい。これらの米国特許出願は全て、その全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【０００６】
ＵＡＶは、推進力のためにダクテッド・ファンを使用するように設計することができ、また、ダクトを介して空気を吸引して揚力を提供するプロペラを使用して、ヘリコプタのように飛行することができる。ＵＡＶのプロペラは、ダクトに格納されることが好ましく、一般にガソリン・エンジンにより駆動される。ＵＡＶは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）電子センサ技術を使用して制御することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願第１１／７５２４９７号
【特許文献２】米国特許出願第１１／７５３０１７号
【特許文献３】米国特許出願第１２／１８７１７２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の航空機は上反角翼設計を使用する場合があり、この設計では、翼を航空機の縦軸の前方又は後方から見たときに、翼がこの軸から上方向の角度を呈する。ダクテッド・ファンのＵＡＶは、上反角翼設計を欠く場合があり、従って、ダクテッド・ファンのＵＡＶがどの方向に飛行しているかを決定するのが困難な場合がある。このため、有人機も無人機も、このようなＵＡＶとの衝突を回避するのが難しい可能性がある。ＵＡＶがより広く配備されるのに伴い、空域はますます混雑してくる。従って、ＵＡＶ衝突回避システムを改善する必要性が高まっている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ＵＡＶのナビゲーション（航行）を改善するために、少なくとも１つの飛行コリドー（航空機専用路）と少なくとも１つの飛行経路とを表すデータを用いてＵＡＶをコンフィギュレーション（構成す）ることができる。これらの飛行コリドー及び飛行経路を、それらの位置の周囲、上、又は下を航行することにより回避するように、第１の飛行計画を計算することができる。ＵＡＶが第１の飛行計画を運行する間に、ＵＡＶは、例えばカメラを介して、ＵＡＶの飛行計画内又はＵＡＶの飛行計画付近で障害物を検出することがある。従って、飛行コリドー及び飛行経路に加えて障害物をも回避するように、第２の飛行計画を計算することができる。
【００１０】
別の実施形態では、ＵＡＶはまた、音響入力を使用して近くの未知の航空機を検出し、これに応答して、その検出した未知の航空機を回避するように新しい飛行計画を計算することもできる。加えて、ＵＡＶは、友好的なＵＡＶ又は有人機から、障害物の位置及び／又はベクトルを示す送信を受信することもできる。ＵＡＶは、これに応答して、障害物を回避するように新しい飛行計画を計算することができる。これらのＵＡＶ航行機構は、ＵＡＶにより自律的に実施されてもよく、或いは、１又は複数の地上管制局からの入力に関連して実施されてもよい。
【００１１】
一般に、ＵＡＶは、複数の入力モード（例えば、手動、光学、音響、熱、及び／又は電子的な手段）を使用して、飛行計画の計算及び調整を行うことができる。このマルチモードの航行ロジックは、ＵＡＶにおいて事前に構成済みであってもよく、或いは、動的にＵＡＶへアップロードされてもよい。
【００１２】
これら及び他の態様及び利点は、添付の図面を適宜に参照しながら後続の詳細な記述を読めば、当業者には明らかになるであろう。更に、前述の概要は例に過ぎず、特許請求する本発明の範囲を限定することを意図しないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、例示的なＵＡＶ設計の図である。
【図２】図２は、地上ベースの及び空中の様々な障害物及び物体との干渉を回避するＵＡＶ飛行計画の例を示す。
【図３】図３は、ＵＡＶが未知の航空機を検出して回避する例を示す。
【図４】図４は、ＵＡＶが友好的なＵＡＶからの入力に基づいて新しい飛行計画を計算する例を示す。
【図５】図５、図６、図７は、例示的な実施形態による方法のフロー・チャートである。
【図６】図５、図６、図７は、例示的な実施形態による方法のフロー・チャートである。
【図７】図５、図６、図７は、例示的な実施形態による方法のフロー・チャートである。
【図８】図８は、例示的なＵＡＶを構成する機能ユニットを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に、例示的なＵＡＶ１００を示す。ＵＡＶ１００は、偵察、監視、及び目標捕捉（ＲＳＴＡ）の任務に使用することができる。例えば、ＵＡＶ１００は、発射して、着陸位置へ到達する前に、飛行計画に従って１又は複数の中間点へ飛行することによりＲＳＴＡ任務を実行することができる。発射されると、ＵＡＶ１００は、自律的に、或いは、１又は複数の地上管制局からの様々な度合いの遠隔オペレータ・ガイダンスを用いて、そのようなＵＡＶ飛行計画を実施することができる。ＵＡＶ１００は、ホバリング用ダクテッド・ファンをもつＵＡＶとすることができるが、代替のＵＡＶの実施形態を用いることもできる。
【００１５】
ＵＡＶ１００は、ビデオ・カメラや音響センサなどのような、１又は複数の能動型又は受動型のセンサを備えることができる。代替の実施形態では、ビデオ・カメラ及び／又は音響センサに加えて、運動センサ、熱センサ、風センサ、ＲＡＤＡＲ、ＬＡＤＡＲ、電気光学（ＥＯ）センサ、不可視光センサ（例えば赤外線（ＩＲ）センサ）、及び／又は、ＥＯ／ＩＲセンサなどのような、種々のタイプのセンサを使用することができる。更に、マルチモード航行ロジックに従って、複数のタイプのセンサを相互に関連して使用することもできる。意図されたＵＡＶの任務の特性、及びＵＡＶを動作させることを想定した環境に応じて、種々のタイプのセンサを使用することができる。
【００１６】
ＵＡＶ１００はまた、これらのセンサ及び他の入力デバイスに結合されたプロセッサ及びメモリを備えることもできる。メモリは、ＵＡＶの飛行計画、飛行コリドー、飛行経路、地形図、及び他の航行情報を含めての、静的及び／又は動的なデータを含むように構成されることが好ましい。メモリはまた、本明細書に開示する方法に従って飛行動作及び他の動作を実施するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令を含むこともできる。
【００１７】
概して言えば、ＵＡＶ１００はＵＡＶ飛行計画によりプログラムすることがで、このＵＡＶ飛行計画は、ある種の地理座標や、位置や、障害物を回避しながら、幾つかの中間点の間を特定の順序で飛行するようにＵＡＶ１００に命令するものである。例えば、ＵＡＶ１００が商業用、民間用、又は軍事用の飛行コリドーの付近を飛行している場合、ＵＡＶ１００は、飛行コリドーの稼働時間中にはこのコリドーを飛行することを避けるべきである。同様に、ＵＡＶ１００が、有人航空機又は別のＵＡＶの飛行経路を含んでプログラムされている場合、ＵＡＶ１００は、この飛行経路を回避するようにＵＡＶ飛行計画を調整すべきである。加えて、ＵＡＶ１００がそのＵＡＶ飛行計画に従って飛行しており、ＵＡＶ１００が既知の又は以前に未知であった障害物に遭遇した場合、ＵＡＶ１００は、障害物を回避するようにＵＡＶ飛行計画を調整すべきである。
【００１８】
本明細書では、用語「飛行計画」は、一般に、ＵＡＶ１００などのＵＡＶの計画された飛行経路を指し、用語「飛行経路」は、一般に、ＵＡＶが遭遇するかもしれない別の航空機の、観察又は計画された飛行経路を指す。しかしながら、これらの用語は、他の場合には交換可能に使用することもできる。
【００１９】
図２に、ＵＡＶ飛行計画に従ったＵＡＶの飛行を示しており、この図では、ＵＡＶ、例えばＵＡＶ１００は、飛行コリドー及び別の航空機の飛行経路を回避するように、ＵＡＶ飛行計画を計算する。これを行う際、ＵＡＶは、マルチモード型ロジックと、少なくとも２つのソースからの入力とを使用することが好ましい。ＵＡＶ飛行計画は、障害物を回避するように後に調整することができる（又は新しい飛行計画を計算することができる）。この調整又は再計算もまた、マルチモード型ロジックを使用することが好ましい。
【００２０】
図２に示すＵＡＶ飛行計画は４つの中間点を含む。ＵＡＶ１００は、中間点２１０で開始し、中間点２１５へ進み、次いで中間点２２０へ進み、最後に中間点２２５へ進んだ後に中間点２１０に戻るものとする。しかしながら、この４つの中間点及びこのＵＡＶ飛行計画は例に過ぎない。実際のＵＡＶ飛行計画は、より多くの又は少ない数の中間点を含んでもよく、これらの中間点間の経路は、図２に示すよりも直接的である場合もそうでない場合もある。
【００２１】
ＵＡＶ１００は、その位置及び速度を求めるため、並びにそのＵＡＶ飛行計画を調整するために、搭載型の全地球測位システム（ＧＰＳ）を備えることができる。しかしながら、ＵＡＶ１００は、ＧＰＳの代わりに又はＧＰＳと共に、他のタイプの位置決定機器を航行のために使用してもよい。
【００２２】
ＵＡＶ１００は、空港２３０、飛行コリドー２４５、及び飛行経路２３５に関する情報により事前にコンフィギュレーション（構成）済みであると考えられる。代替例として、この情報は、飛行計画を立てている間にＵＡＶ１００にアップロードされてもよく、或いは、飛行中に動的にＵＡＶ１００へ送信されてもよい。しかしながら、ＵＡＶ１００は、障害物２４０に関する情報は含まない場合がある。従って、ＵＡＶ１００は、空港２３０、飛行コリドー２４５、及び飛行経路２３５を回避する第１のＵＡＶ飛行計画を計算できるものとすることができるが、ＵＡＶ１００は、障害物２４０を回避するようにそのＵＡＶ飛行計画を動的に調整する必要がある場合がある。
【００２３】
例えば、ＵＡＶ１００は、第１のＵＡＶ飛行計画と、そのセンサの１又は複数のものからの入力とに基づいて、障害物２４０を回避するように第２のＵＡＶ飛行計画を計算することができる。代替例として、ＵＡＶ１００は、空港２３０、飛行コリドー２４５、飛行経路２３５、及び障害物２４０を回避するように、そのＵＡＶ飛行計画を動的に調整又は再計算することもできる。更に、ＵＡＶ１００は、地上管制局からの入力に基づいてそのＵＡＶ飛行計画を調整することもできる。
【００２４】
ＵＡＶ１００が厳密にどのようにそのＵＡＶ飛行計画を運行、調整、又は再計算するように構成されているかにかかわらず、ＵＡＶ１００は、地点Ａに到達したとき、飛行コリドー２４５を回避する必要があると決定する。飛行コリドー又は航空路は、典型的には、軍事用、商業用、又は民間用の航空機が使用できる空域である。飛行コリドーは、航空機が飛行することのできる、地面より上の３次元のハイウェイと考えることができる。これらの航空機は、飛行コリドー中では、管制塔からの指示に従う場合もあり、そうでない場合もある。飛行コリドーは、ベクトル、幅、１又は複数の高度或いは高度範囲、及び時間帯で指定されることが好ましい。例えば、飛行コリドー２４５は、ベクトル３０５度、幅１０海里、高度範囲０〜３０４８ｍ（０〜１００００フィート）、及び時間帯０６：００時〜１４：００時（午前６時〜午後２時）で指定することができる。しかしながら、飛行コリドーは、より多くの又は少ない数のファクタを使用して指定することもできる。
【００２５】
時間帯は、飛行コリドー２４５が使用中となる時刻を指定することが好ましい。おそらく、飛行コリドー２４５は、この時間帯外には何れの航空機によっても使用されないことになり、従って、ＵＡＶ１００は、この時間帯外には安全に飛行コリドー２４５を横断することができる。
【００２６】
地点Ａに接近しつつあるとき、ＵＡＶ１００は、飛行コリドー２４５を横切ろうとしていると判断する。ＵＡＶ１００は、現在時刻と飛行コリドー２４５の時間帯とを比較することが好ましい。現在時刻が飛行コリドー２４５の時間帯内にある場合、ＵＡＶ１００は、飛行コリドー２４５を回避すべきであると決定する。図２に示すように、ＵＡＶ１００は、飛行コリドー２４５の周囲及び空港２３０の近くを飛行することができる。代替例として、ＵＡＶ１００は、高度を変更して飛行コリドー２４５を回避できると判断することもできる。好ましくは、ＵＡＶは、数海里又は高度数千フィートだけ、飛行コリドー２４５及び空港２３０を回避する。
【００２７】
地点Ｂでは、ＵＡＶ１００は、飛行コリドー２４５及び空港２３０を通過済みであり、中間点２１５に向かうその元のベクトルを再獲得済みである。しかし、ＵＡＶ１００は、このベクトルを再獲得する必要はなく、より直接的な方式で中間点２１５へ進むこともできる。
【００２８】
中間点２１５に来ると、ＵＡＶ１００は、その方向を変更し、そのＵＡＶ飛行計画に従って、中間点２２０へ向かうベクトル上を進む。地点Ｃで、ＵＡＶ１００は、飛行経路２３５を横切るかもしれないと判断する。飛行経路２３５は、別のＵＡＶや有人航空機の事前に定義された飛行経路であり得る。好ましくは、ＵＡＶ１００は、飛行経路２３５に従って飛行する航空機を回避するために、地点Ｃと地点Ｄとの間でそのベクトルは維持するが高度を変更する。しかしながら、ＵＡＶ１００は、他の方法で飛行経路２３５を回避してもよい。
【００２９】
地点Ｄで、ＵＡＶは、その前の高度に戻り、そのＵＡＶ飛行計画に従って中間点２２０へ進む。中間点２２０に来ると、ＵＡＶ１００は、方向を変更し、そのＵＡＶ飛行計画に従って、中間点２２５に向かうベクトル上を進む。地点Ｅで、ＵＡＶ１００は障害物２４０を感知する。障害物２４０は、ＵＡＶ１００にとって未知のものであり得、従って、ＵＡＶ１００は、障害物２４０を回避するようにそのＵＡＶ飛行計画を動的に調整することができる。この調整は、ＵＡＶ１００により自律的に決定及び実行されることができ、また、地上管制局からの入力に関連して行われてもよい。
【００３０】
更に、障害物２４０は、静止物体であり得、或いは、地上又は空中で動いている物体であり得る。例えば、障害物２４０は、航空機や気象観測気球であり得る。代替例として、障害物２４０は、建造物や高射砲の配備などのような、地上の物体とすることもできる。好ましくは、ＵＡＶ１００は、その機内搭載ビデオ・カメラにより障害物２４０を検出するが、ＵＡＶ１００は、１又は複数の他のセンサを使用して障害物２４０を感知してもよい。
【００３１】
地点Ｅでは、ＵＡＶ１００は、障害物２４０を回避するようにＵＡＶ飛行計画を動的に調整する。例えば、ＵＡＶ１００は、障害物２４０の周囲、上、又は下を飛行することができる。地点Ｆで、ＵＡＶ１００は、中間点２２５に向かう元のベクトルを再獲得する。中間点２２５に来ると、ＵＡＶ１００は、方向を変更し、そのＵＡＶ飛行計画に従って、中間点２１０へ戻るベクトル上を進む。
【００３２】
ＵＡＶ１００が、何れかの理由でコースを変更する必要があると決定したとき、又は決定する間、又は決定した後に、ＵＡＶ１００は、コース変更を示すアラート（警告）を地上管制局へ送信することができる。このコース変更の一部として、ＵＡＶ１００は、そのセンサ、例えばビデオ・カメラを使用して、近くの地形の新しい画像を獲得することができる。従って、地点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、及び／又はＦでＵＡＶ１００により行われる行動は何れも、ＵＡＶ１００と地上管制局との間の通信、並びに、ＵＡＶ１００による近くの地形の新しい画像の獲得を伴い得る。
【００３３】
飛行コリドー、飛行経路、及び障害物の回避に加えて、ＵＡＶ１００は、未知の航空機を動的に回避するように構成することができる。未知の航空機は、ＵＡＶ１００がそのビデオ・カメラ又は他の光学センサを介して未知の航空機を検出できないかもしれないような角度から、ＵＡＶ１００に接近する場合がある。ビデオ・カメラ又は光学センサでは検出されないかもしれない未知の航空機を検出するために、ＵＡＶ１００に音響センサを装備することができる。このような音響センサは、こうした未知の航空機に関連するエンジン・ノイズ及び／又は風変位ノイズを検出できることが好ましい。
【００３４】
音響センサは、１又は複数の音響プローブ、及びデジタル信号プロセッサを備えることができる。好ましくは、音響プローブは、音響入力信号を受け取って、これらの信号から、風及びＵＡＶ振動に関連する雑音を除去するように構成される。更に、音響入力信号は、電気形式に変換してデジタルで表現することができる。デジタル信号プロセッサは、音響入力信号をフィルタリングして近くの航空機を検出及び／又は追跡することができ、プロセッサなどのような他のＵＡＶコンポーネントへ航行入力を提供することができ、それにより、ＵＡＶ１００は、検出された航空機を回避することができ、且つ／又は検出された航空機と安全な距離を維持することができる。しかしながら、他のタイプの音響又は非音響センサをこの目的に使用してもよい。
【００３５】
図３に、音響センサ入力を使用して未知の航空機を回避するＵＡＶ１００などのようなＵＡＶの例示的な実施形態を示す。ＵＡＶ１００は、ＵＡＶ飛行計画３１０に従って飛行している。地点Ｇで、ＵＡＶ１００は未知の航空機３２０を検出する。ＵＡＶ１００は、未知の航空機３２０が未知の航空機ベクトル３３０に従って飛行していると決定又は推定することができる。次いで、ＵＡＶ１００は、未知の航空機３２０を回避するようにその飛行計画を調整することができる。好ましくは、ＵＡＶ１００は、その音響センサを介して未知の航空機３２０を検出するが、ＵＡＶ１００は、ＥＯやＩＲの信号などのような他のタイプの入力に応答して同様の回避策を講じることもできる。
【００３６】
更に、ＵＡＶ１００は、その周囲に関するより多くの情報を収集するために、その動作域内の他の友好的なＵＡＶ、友好的な有人航空機、又は地上管制局と通信することもできる。例えば、ＵＡＶ１００は、以前は未知であった飛行コリドー、飛行計画、飛行経路、障害物、又は別のタイプの状況情報に関して、友好的なＵＡＶ、有人航空機、又は地上管制局から、情報を受信することができ、そして、それに応じて、ＵＡＶ１００は、そのＵＡＶ飛行計画を調整することができる。加えて、ＵＡＶ１００は、それの付近の未知の航空機に関して、友好的なＵＡＶ、有人航空機、又は地上管制局から情報を受信することもでき、そして、ＵＡＶ１００は、未知の航空機を回避するようにその飛行計画を調整することができる。好ましくは、ＵＡＶ１００は、信用できる任意のソースを介して受信した任意の航行入力を使用して、その任務のパラメータに基づいて、ＵＡＶ飛行計画に動的な変更を加えるかどうかを判定する。
【００３７】
図４に、友好的なＵＡＶから入力を受信し、この入力に従ってＵＡＶ飛行計画を調整するＵＡＶ１００などのようなＵＡＶを示す。代替例として、ＵＡＶ１００は、この入力を、友好的な有人航空機又は地上管制局から受信することができる。
【００３８】
図４において、ＵＡＶ１００は、ＵＡＶ飛行計画４１０に従って飛行することが好ましい。地点Ｈで、ＵＡＶ１００は、友好的なＵＡＶ４２０から入力を受信する。好ましくは、ＵＡＶ１００は、この入力を通信リンク４３０を介して受信し、通信リンク４３０は、ワイヤレス通信リンクとすることができる。通信リンク４３０は、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）、周波数ホッピング、符号分割多元アクセス（ＣＤＭＡ）を含めた様々なタイプのワイヤレス技術に従って動作することができる。好ましくは、通信リンク４３０は、無許可の聴取者がＵＡＶ１００と友好的なＵＡＶ４２０との間の送信を復号できないように、暗号化されることが好ましい。更に、ＵＡＶ１００と友好的なＵＡＶ４２０とは、相互に向けたポイント・ツー・ポイント（２地点間）伝送の送信を介して通信してもよく、或いは、ブロードキャスト・システムを介して通信してもよく、ブロードキャスト・システムの場合は、他の友好的なＵＡＶ（図示せず）もまた、ＵＡＶ１００と友好的なＵＡＶ４２０との間の送信を受信することができる。
【００３９】
ＵＡＶ４２０から入力の受信に応答して、ＵＡＶ１００は、この入力を考慮に入れるようにＵＡＶ飛行計画を調整することができる。例えば、ＵＡＶ１００は、その経路にある飛行コリドー、飛行経路、障害物、又は未知の航空機を回避するように、新しい飛行計画を計算することができる。加えて、ＵＡＶ１００は、友好的なＵＡＶ４２０から受信した入力を記憶し、後に、その情報を、通信リンクを介して別の友好的なＵＡＶにへ送信することもできる。
【００４０】
図２、図３、及び図４に開示した方法、システム、及びデバイスは、全体又は部分を相互に組み合わせてもよい。例えば、ＵＡＶ１００は、図２により示すようなＵＡＶ飛行計画に従って飛行しており、次いで、図３に示すように未知の航空機を検出して回避することができる。加えて、ＵＡＶ１００がコースを変更する必要があると決定したときは、ＵＡＶ１００は、コース変更を示すアラートを地上管制局へ送信することができる。一般に、ＵＡＶ１００は、好ましくは、複数のソースからの入力を使用するマルチモード型航行ロジックを適用して、どのように任務を実施するかを決定する。
【００４１】
図５、図６、及び図７に、それぞれのステップ又はイベントのシーケンスを表すことにより、本発明の例示的な実施形態による方法のフロー・チャートを示す。しかしながら、実施形態の範囲を逸脱することなく、これらのステップ又はイベントは、異なる順序で行われてもよく、また、より少い又は多くの数のステップ又はイベントが行われてもよい。更に、これらのフロー・チャートに示す方法の全体又は部分を相互と組み合わせて、追加の実施形態を形成することもでき、そうした追加の実施形態も本発明の範囲内にある。
【００４２】
図５に、方法５００のフロー・チャートを示す。方法５００は、カメラからの入力に基づいてＵＡＶ飛行計画を調整する手段を提供する。ステップ５１０で、少なくとも１つの飛行コリドー及び少なくとも１つの飛行経路を回避するように、第１のＵＡＶ飛行計画が計算される。飛行コリドーは、例えば商業用飛行コリドーであり得、中間点、ベクトル、ベクトルを中心とした幅、及び高度範囲のうちの１又は複数のものと、時間帯とを含むことができる。飛行経路は、ＵＡＶ又は有人航空機の飛行経路とすることができ、やはり中間点、ベクトル、ベクトルを中心とした幅、及び高度範囲のうちの１又は複数のものと、時間帯とを含むことができる。
【００４３】
ステップ５２０で、ＵＡＶは、第１のＵＡＶ飛行計画に従って飛行する。ステップ５３０で、第１のＵＡＶ飛行計画及びカメラからの入力に基づいて、第２のＵＡＶ飛行計画が計算される。カメラからの入力は、例えば、動いている又は静止している障害物の、可視光周波数の航行信号、赤外線光周波数の航行信号、又は他の指示とすることができる。従って、ステップ５４０で、ＵＡＶは、第２の飛行計画に従って飛行する。特に、カメラからの入力が障害物を示す場合、第２の飛行計画は、好適にこの障害物を回避する。方法５００は、ＵＡＶ１００などのようなＵＡＶにより全て実施されてもよく、或いは、地上管制局と共にＵＡＶにより実施されてもよい。
【００４４】
図６に、方法６００のフロー・チャートを示す。方法６００は、方法５００の実施中又は実施後に行うことができる。ステップ６１０で、音響センサを使用して未知の航空機が検出される。この未知の航空機は、ＵＡＶの付近にある可能性が高い。ステップ６２０で、方法５００からの第１のＵＡＶ飛行計画や第２のＵＡＶ飛行計画などのような前のＵＡＶ飛行計画に基づいて、新しいＵＡＶ飛行計画が計算される。新しいＵＡＶ飛行計画は、好ましくはこの未知の航空機並びに他の障害物を回避するものであり、ＵＡＶが前のＵＡＶ飛行計画に対して速度、方向、及び／又は高度を変更することを伴い得る。従って、ステップ６３０で、ＵＡＶは新しいＵＡＶ飛行計画に従って飛行する。
【００４５】
図７に、方法７００のフロー・チャートを示す。方法７００は、方法５００の実施中又は実施後に行うことができる。ステップ７１０で、ＵＡＶ１００などのようなＵＡＶと、友好的なＵＡＶとが、ワイヤレス・ネットワークを介して情報を相互に共有する。ワイヤレス・ネットワークは、ＵＡＶと友好的なＵＡＶとの間のポイント・ツー・ポイント・ネットワークとすることができ、また、ブロードキャスト・ネットワークであってもよい。ＵＡＶと友好的なＵＡＶとの間の送信は、このネットワークを介して行ったり来たりすることができ、１又は複数の飛行コリドー、飛行計画、飛行経路、障害物、又は未知の航空機に関する情報を含むことができる。ステップ７２０で、前のＵＡＶ飛行計画、及び友好的なＵＡＶと共有された情報に基づいて、新しいＵＡＶ飛行計画が計算される。好ましくは、この新しい飛行計画は、ＵＡＶが友好的なＵＡＶから知った１又は複数の飛行コリドー、飛行計画、飛行経路、障害物、又は未知の航空機を回避する。従って、ステップ７３０で、ＵＡＶは新しいＵＡＶ飛行計画に従って飛行する。
【００４６】
図８は、ＵＡＶ１００を例示する単純化したブロック図であって、本明細書における実施形態に従って動作するように構成されたＵＡＶにおいて見られるであろう機能コンポーネントの幾つかを示すブロック図である。図８には示していないが、ＵＡＶは、垂直離着陸が可能なダクテッド・ファン型ＵＡＶとすることができる。しかしながら、他のＵＡＶ設計を使用してもよい。
【００４７】
例示的なＵＡＶ１００は、好ましくは、プロセッサ８０２、メモリ８０４、通信インタフェース８０６、及び１又は複数のセンサ８０８を備え、これらは全てシステム・バス８１０又は同様の機構により結合することができる。プロセッサ８０２は、好ましくは、１又は複数の汎用プロセッサ、及び／又は１又は複数の専用プロセッサ（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）等）などのような、１又は複数のＣＰＵを備える。メモリ８０４は、揮発性及び／又は不揮発性メモリを含むことができ、全体又は一部分をプロセッサ８０２に統合することができる。
【００４８】
メモリ８０４は、好ましくは、プロセッサ８０２により実行可能なプログラム命令と、本明細書に記載の様々なロジック機能を実施するためにこれらの命令により操作されるデータとを保持する。（代替例として、ロジック機能は、ハードウェア、ファームウェア、及び／又は、ハードウェアとファームウェアとソフトウェアとの任意の組み合わせにより定義することもできる。）
【００４９】
通信インタフェース８０６は、ワイヤレス・リンクの形をとることができ、例えばＯＦＤＭ、周波数ホッピング、ＣＤＭＡなどに基づくプロトコルに従って動作することができる。しかしながら、通信インタフェース８０６を介して、他の形の物理層接続、及び他のタイプの標準又はプロプラエタリの通信プロトコルを使用してもよい。更に、通信インタフェース８０６は、複数の物理インタフェース（例えば、複数のワイヤレス・トランシーバ）を含むこともできる。厳密な実装手段にかかわらず、通信インタフェース８０６は、好ましくは、ＵＡＶ１００と１又は複数の他の有人又は無人航空機との間で、及び／又は、ＵＡＶ１００と１又は複数の地上管制局との間で、情報を送受信できる。
【００５０】
センサ８０８は、ＵＡＶ１００の付近の環境情報を収集するのを容易にする。センサ８０８は、ビデオ・カメラ、音響センサ、運動センサ、熱センサ、風センサ、ＲＡＤＡＲ、ＬＡＤＡＲ、ＥＯセンサ、ＩＲセンサ、及び／又は、ＥＯ／ＩＲセンサなどのような、複数のタイプの感知デバイスを含むことができる。センサ８０８は、好ましくは、静止している又は動いている物体及び障害物を、可視光及び赤外線光のスペクトルに基づいて、並びにそのような物体の音響放射に基づいて、検出できる。
【００５１】
例として、メモリ８０４は、異なる航空機の少なくとも１つの飛行経路を表すデータと、少なくとも１つの飛行コリドーを表すデータとを含むことができる。更に、メモリ８０４は、少なくとも１つの飛行経路及び少なくとも１つの飛行コリドーを回避するための第１のＵＡＶ飛行計画を計算するため、及びその第１のＵＡＶ飛行計画をメモリに記憶するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令と、ＵＡＶが第１のＵＡＶ飛行計画に従って飛行するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令と、第１のＵＡＶ飛行計画及びカメラからの入力に基づいて第２のＵＡＶ飛行計画を計算するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令と、ＵＡＶが第２のＵＡＶ飛行計画に従って飛行するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令とを含むことができる。
【００５２】
加えて、メモリ８０４は、第２のＵＡＶ飛行計画及び音響センサからの入力に基づいて第３のＵＡＶ飛行計画を計算するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令と、ＵＡＶが第３のＵＡＶ飛行計画に従って飛行するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令とを含むことができる。
【００５３】
更に、メモリ８０４は、他のＵＡＶ又は地上管制局からワイヤレス・ネットワーク・インタフェースを介して飛行計画情報を受信するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令と、第２のＵＡＶ飛行計画及び受信した飛行計画情報に基づいて第３のＵＡＶ飛行計画を計算するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令と、ＵＡＶが第３のＵＡＶ飛行計画に従って飛行するための、プロセッサにより実行可能なプログラム命令とを含むことができる。
【００５４】
図８に示す基本的なブロック図と同様に、地上管制局もまた、バスによりリンクされたプロセッサ、メモリ、及び通信インタフェースを備えることができる。代替の一実施形態では、ＵＡＶ１００などのＵＡＶにより使用されるマルチモード型航行ロジックは、ＵＡＶとそのような地上管制局との間で分散されてもよい。従って、幾つかの航行に関する決定はＵＡＶにより行うことができ、航行に関する他の決定は地上管制局により、又はＵＡＶと地上管制局との何らかの組み合わせにより、行うことができる。更に、このようなＵＡＶは、複数の地上管制局と接触し、これらの地上管制局のうちの１又は複数のものと意思決定能力を共有してもよい。
【００５５】
以上、本発明の例示的な実施形態について述べた。しかし、特許請求の範囲により定義する本発明の真の範囲及び趣旨を逸脱することなく、これらの実施形態に変更及び改造を加えてもよいことは、当業者であれば理解するであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナビゲーションの方法であって、無人航空機（ＵＡＶ）が、少なくとも１つの飛行コリドーを表すデータと、少なくとも１つの飛行経路を表すデータと、カメラとを装備し、
前記少なくとも１つの飛行コリドー及び前記少なくとも１つの飛行経路を回避するように第１のＵＡＶ飛行計画を計算するステップと、
前記第１のＵＡＶ飛行計画に従って前記無人航空機を飛行させるステップと、
前記第１のＵＡＶ飛行計画と前記カメラからの入力とに基づいて第２のＵＡＶ飛行計画を計算するステップと、
前記第２のＵＡＶ飛行計画に従って前記無人航空機を飛行させるステップと
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記無人航空機が音響センサを更に装備し、
前記音響センサにより未知の航空機を検出するステップと、
前記未知の航空機を更に回避するように、前記第２のＵＡＶ飛行計画に基づいて第３のＵＡＶ飛行計画を計算するステップと、
前記第３のＵＡＶ飛行計画に従って前記無人航空機を飛行させるステップと
を更に備える方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記無人航空機がワイヤレス・ネットワーク・インタフェースを備え、前記無人航空機が少なくとも１つの友好的な無人航空機を含む活動域に配され、
前記無人航空機と前記友好的な無人航空機とがワイヤレス・ネットワークを介して情報を相互に共有するステップと、
前記第２のＵＡＶ飛行計画と、前記友好的な無人航空機と共有される前記情報とに基づいて、第３のＵＡＶ飛行計画を計算するステップと、
前記第３の飛行計画に従って前記無人航空機を飛行させるステップと
を備える方法。
【請求項１】
ナビゲーションの方法であって、無人航空機（ＵＡＶ）が、少なくとも１つの飛行コリドーを表すデータと、少なくとも１つの飛行経路を表すデータと、カメラとを装備し、
前記少なくとも１つの飛行コリドー及び前記少なくとも１つの飛行経路を回避するように第１のＵＡＶ飛行計画を計算するステップと、
前記第１のＵＡＶ飛行計画に従って前記無人航空機を飛行させるステップと、
前記第１のＵＡＶ飛行計画と前記カメラからの入力とに基づいて第２のＵＡＶ飛行計画を計算するステップと、
前記第２のＵＡＶ飛行計画に従って前記無人航空機を飛行させるステップと
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記無人航空機が音響センサを更に装備し、
前記音響センサにより未知の航空機を検出するステップと、
前記未知の航空機を更に回避するように、前記第２のＵＡＶ飛行計画に基づいて第３のＵＡＶ飛行計画を計算するステップと、
前記第３のＵＡＶ飛行計画に従って前記無人航空機を飛行させるステップと
を更に備える方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記無人航空機がワイヤレス・ネットワーク・インタフェースを備え、前記無人航空機が少なくとも１つの友好的な無人航空機を含む活動域に配され、
前記無人航空機と前記友好的な無人航空機とがワイヤレス・ネットワークを介して情報を相互に共有するステップと、
前記第２のＵＡＶ飛行計画と、前記友好的な無人航空機と共有される前記情報とに基づいて、第３のＵＡＶ飛行計画を計算するステップと、
前記第３の飛行計画に従って前記無人航空機を飛行させるステップと
を備える方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−９５２４６（Ｐ２０１０−９５２４６Ａ）
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００９−１９００５５（Ｐ２００９−１９００５５）
【出願日】平成２１年８月１９日（２００９．８．１９）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９００５５（Ｐ２００９−１９００５５）
【出願日】平成２１年８月１９日（２００９．８．１９）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
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