JP2017171283A - 無人航空ビークル飛行制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】危険な状況／動作の有無について無人航空ビークルの動作を監視し、危険が検出された時、無人航空ビークルの動作をミッション実行モードから安全モードに切り替える飛行制御システムを提供する。【解決手段】無人航空ビークルの飛行を制御する飛行管理システム４０と、無人航空ビークルを誘導するために、飛行管理システム４０にコマンドを送信するミッション制御モジュール２と、安全モードで飛行するように、飛行管理システム４０にコマンドを伝達する安全モジュール８と、飛行管理システム４０がミッション制御モジュール２からコマンドを受信するミッション状態と、安全モジュール８からコマンドを受信する安全状態との間で切替可能な通信制御コンポーネント６と、モード変更を許可するトリガ条件の存在を判断して、トリガ条件が存在する場合、通信制御コンポーネント６に、ミッション状態から安全状態に切り替えさせる監視モジュール４と、を含む。【選択図】図２

Description

本明細書に開示される技術は、概して、無人航空ビークルに関する。より具体的には、本明細書に開示される技術は、無人航空ビークルの自律運転により、危険な状態が生じないようにするためのシステム及び方法に関する。

無人航空ビークルは、人間の操縦者やパイロットを乗せていない動力式重航空機（powered, heavier-than-air, aerial vehicle）である。このビークルは、空力を用いて揚力を生成し、自律飛行又は遠隔操縦が可能であり、使い捨て又は再利用が可能であり、破壊的又は非破壊的なペイロード（lethal or non-lethal payload）を運ぶことが可能である。

無人航空ビークルのための自律ミッションとは、例えば、無人航空ビークルを誘導して、管制局の無線通信範囲外の既知の離れた位置に存在しうる関心対象のターゲット（targets of interest）を探索するミッションである。そのようなミッションは、関心対象のターゲットを検出及び特定するために偵察画像データを処理すること、ターゲットに近づくようにナビゲートして、ターゲットのアイデンティティを確認するために撮像を行うというミッションの目的を達成すること、又は、ターゲットの動きを追跡して、ターゲットの方向又は向首方向（heading）を特定することを、さらに含みうる。例示的なミッションは、ターゲット又は当該ターゲットの動き方向を特定するミッションの目的を取得すると、例えば、管制局の通信範囲内の位置まで無人航空ビークルを誘導して当該管制局にターゲット情報を送信するためのコマンドを生成したり、無人航空ビークルの初期位置まで戻って着陸するためのコマンドを生成したりすることを、さらに含みうる。

軍事用途に加えて、商業用途における無人航空ビークルの使用も増加傾向にある。世界中の空域で無人航空ビークルの数が増加しているため、全世界で規制が課される可能性が高い。最も重要な要件としては、商業用空域における無人航空ビークルの操縦者は、危険な状況又は危険な動作の有無について自己の無人航空ビークルが常に監視下にあることを保証し、危険な状況又は危険な動作が検出されると、安全モードに切り替えることが求められる。

以下に詳しく開示される要旨は、危険な状況や危険な動作の有無について無人航空ビークルの動作を常に監視するとともに、ミッションの実行中に危険な状況や危険な動作が検出された場合、無人航空ビークルの動作をミッション実行モードから安全モードに切り替えることが可能な、無人航空ビークル内の切替可能な飛行制御システムに関する。以下に詳しく開示する実施形態は、飛行管理システムと、自律型ミッション制御モジュールと、安全モジュールと、監視モジュールとを含み、当該監視モジュールは、危険な状況や危険な動作の有無についてビークルの動作を監視するとともに、危険な状況や動作が検出された場合、制御信号を出力して、通信制御コンポーネントを安全モードに切り替えるように構成されている。当該安全モードにおいては、飛行管理システムは、ミッション制御モジュールの代わりに安全モジュールから送信されたコマンドを受信する。通常動作に回復すると（これについては、ミッション制御モジュールからの信号によって監視モジュールに通知可能である）、監視モジュールは、安全モジュールの代わりにミッション制御モジュールからのコマンドを飛行管理システムに対して選択的に伝達させるように通信制御コンポーネントを制御する。

本明細書において、「モジュール」との用語は、ソフトウェアでプログラムされた少なくとも１つのコンピュータ又はプロセッサを包含し、また、ネットワークやバスを介して通信する複数のプログラム化コンピュータ又はプロセッサを有する場合も包含すると広く解釈されるべきである。前述の「コンピュータ」及び「プロセッサ」との用語は、何れも、処理ユニット（例えば、中央処理ユニット、集積回路、又は、演算論理ユニット）を含む装置をいう。２つ又はそれ以上のモジュールは、共通のハードウェアコンポーネント（例えば、プロセッサ又はコンピュータ）により実行可能なそれぞれのソフトウェアアプリケーションを含んでもよいし、個々のハードウェアコンポーネントにより実行可能なそれぞれのソフトウェアアプリケーションを含んでもよい。

以下に詳しく開示する実施形態においては、自律型無人航空ビークルを確実に正しく動作させるとともに、これを自律型無人航空ビークルの認可に利用可能な態様で実施するために、検証及び妥当性確認の技術（verification and validation techniques）を用いている。監視モジュールは、無人航空ビークル内における自律システムの実行を監視するとともに、当初に計画されたミッションの実行中、システムが安全な動作範囲から外れた場合に、回復ミッションを行うことができるように設計されている。

以下に詳しく開示される要旨の一側面においては、無人航空ビークルの飛行を制御するための機上システムが提供される。当該機上システムは、無人航空ビークルの飛行を制御するように構成された飛行管理システムと、ミッションを実行するように無人航空ビークルを誘導するために、飛行管理システムに対してコマンドを発信することによりミッションを管理するように構成されたミッション制御モジュールと、安全モードにおいて安全に飛行を継続できるように無人航空ビークルを誘導するために、飛行管理システムに対してコマンドを発信するように構成された安全モジュールと、飛行管理システムがミッション制御モジュールからコマンドの通信を受信するミッション状態と、飛行管理システムが安全モジュールと通信するとともに安全モジュールにより制御される安全状態との間で切替可能な通信制御コンポーネントと、ミッションモードから安全モードへのモード変更を許可するトリガ条件が存在するか否かを判断して、トリガ条件が存在する場合、通信制御コンポーネントに、ミッション状態から安全状態に切り替えさせるように構成された監視モジュールと、を含む。様々な実施形態によれば、トリガ条件は、（ａ）ミッション制御モジュールにより発信された無効なコマンド、若しくは、ミッション制御モジュールにより発信された有効なコマンドにおける、規制に抵触するパラメータ、（ｂ）ヘルス状態センサにより検出された、無人航空ビークルの欠陥または不具合、又は、（ｃ）飛行状態センサにより検出された危険な飛行状態、のうちのいずれか１つである。上記監視モジュールは、さらに、ミッションモジュール及び航空機の通常動作が回復すると、通信制御コンポーネントに、安全状態からミッション状態に切り替えさせるように構成されている。

以下に詳しく開示される要旨の別の一側面においては、無人航空ビークルの飛行を制御するための方法が提供される。当該方法は、（ａ）ミッションを実行するように無人航空ビークルを誘導するために、無人航空ビークル内のミッション制御モジュールから、無人航空ビークル内の飛行管理システムにコマンドを送信し、（ｂ）ミッション制御モジュールから飛行管理システムに送信されたコマンドの有効性を監視し、（ｃ）ミッション制御モジュールから飛行管理システムに送信されたコマンドに基づいて（例えば、コマンドが無効であるか否かを判断することにより）、トリガ条件が存在するか否かを判断し、（ｄ）ミッション制御モジュールから飛行管理システムに送信された有効なコマンドに従って、無人航空ビークルを誘導する、ことを含む。上記方法は、（ｅ）ミッション制御モジュールから飛行管理システムに送信されたコマンドが無効であると判断し、（ｆ）ミッション制御モジュールから飛行管理システムへの無効なコマンドの伝達を中止し、（ｇ）安全モードで動作するように無人航空ビークルを誘導するために、無人航空ビークル内の安全モジュールから飛行管理システムにコマンドを伝達し、（ｈ）ミッション制御モジュールにより発信されたコマンドが無効である場合、ミッション制御モジュールを再起動する、ことをさらに含む。いくつかの実施形態によれば、ステップ（ｂ）は、ミッション制御モジュールにより発信されたコマンドに含まれるパラメータが、規制に抵触しているか否かを監視することを含む。監視されるパラメータは、ミッション制御モジュールから出力されるハートビート、旋回率、上昇率、降下率、ロール率、ピッチ率、及び、ヨー率のうちの１つであってもよい。

以下に詳しく開示される要旨の別の一側面においては、無人航空ビークルの飛行を制御するための方法が提供される。当該方法は、（ａ）ミッションモードでミッションを実行するように無人航空ビークルを誘導するために、無人航空ビークル内のミッション制御モジュールから、無人航空ビークル内の飛行管理システムにコマンドを伝達し、（ｂ）ミッションモードから安全モードへのモード変更を許可するトリガ条件が存在するか否かを監視し、（ｃ）トリガ条件が存在する場合に安全モードで動作するように無人航空ビークルを誘導するために、ミッション制御モジュールからのコマンドを伝達する代わりに、無人航空ビークル内の安全モジュールから飛行管理システムへコマンドを伝達する、ことを含む。様々な実施形態によれば、トリガ条件は、（ａ）ミッション制御モジュールにより発信されたコマンドが無効であるか、或いは、ミッション制御モジュールにより発信された有効なコマンドのパラメータが規制に抵触している場合、（ｂ）ヘルス状態センサが、無人航空ビークル内の欠陥または不具合を検出した場合、（ｃ）飛行状態センサが、危険な飛行状態を検出した場合、又は、（ｄ）無人航空ビークルに対する物体の位置が、規制に抵触している場合、のうちのいずれか１つである。

以下に詳しく開示される要旨のさらに別の一側面においては、無人航空ビークルの飛行を制御するための機上システムが提供される。当該機上システムは、無人航空ビークルの飛行を制御するように構成された飛行管理システムと、ミッションを実行するように無人航空ビークルを誘導するために、飛行管理システムに対してコマンドを発信することにより、ミッションモードにおいてミッションを管理するように構成されたミッション制御モジュールと、安全モードにおいて安全に飛行を継続できるように無人航空ビークルを誘導するために、飛行管理システムに対してコマンドを発信するように構成された安全モジュールと、ミッションモードから安全モードへのモード変更を許可するトリガ条件が存在するか否かを判断するように構成された監視モジュールと、を含み、飛行管理システムは、監視モジュールによりトリガ条件が存在することが判断されると、当該判断に応じて、ミッション制御モジュールからではなく、安全モジュールからコマンドの通信を受信する。好ましくは、上記システムは、飛行管理システムが、ミッション制御モジュールからコマンドの通信を受信するミッション状態と、飛行管理システムが安全モジュールからコマンドの通信を受信する安全状態との間で切替可能なハードウェアである通信制御コンポーネントをさらに含み、通信制御コンポーネントの状態は、監視モジュールからの出力により制御される。

無人航空ビークルを安全に自律動作させるためのシステム、装置、及び方法の他の態様は、以下に開示される。

上記セクションで説明した特徴、機能、及び利点は、様々な実施形態において個々に実現可能であるが、他の実施形態においては、互いに組み合わせることも可能である。上述した態様及び他の態様を説明するために、以下において、図面を参照しながら様々な実施形態を説明する。

典型的な無人航空ビークルの主要サブシステムのレイアウトを示すブロック図である。 一実施形態による、無人航空ビークルの飛行を制御するための機内システムの全体構造を示すブロック図である。 一実施形態による、無人航空ビークルの飛行を制御するための方法のステップを示すフロー図である。

以下では図面を参照するが、これらの図面では、異なる図面においても同様の要素には同じ参照符号を付している。

以下では、無人航空ビークルの飛行を制御するためのシステムの例示的な実施形態を、詳細に説明する。ただし、実際の実施形態の特徴の全てを本明細書において説明するわけではない。当業者であれば理解するように、このような実際の実施形態のいずれの開発においても、システム関連及びビジネス関連の規制への適合などの開発者固有の目的を達成するために、その実施態様固有の多くの決定を行わなければならず、そのような決定は、実施態様によって異なるものである。さらに、このような開発努力は、複雑で時間がかかるかもしれないが、それでも本開示の利益を享受する当業者にとっては、日常的な作業となるであろう。

無人航空ビークルは、固定翼機、回転翼機、又は、ジェットエンジン及び揚力ファンを有する垂直離陸及び着陸ビークルであってもよい。本明細書に開示する切替可能制御システムは、無人航空ビークルで用いられる推進システムのタイプに関わらず、いずれの無人航空ビークルにおいても利用可能である。

図１は、本明細書で開示される改良型飛行制御システムを利用可能なタイプの無人航空ビークル１０における主要サブシステムのレイアウトを示す。無人航空ビークル１０は、前方端にカメラ１２を有し、後方端にモーター１４を有する。モーター１４は、プロペラ１６の回転を駆動する。全てのサブシステムは、１つ又は複数のデータバス２４を介して、機内制御コンピュータ２２と通信する。図１に示す無人航空ビークル１０は、翼１８及び２０の先端に設けられた２つのアンテナ２６及び２８を有する。各アンテナは、ＧＰＳ受信機３０、通常無線受信機（Ｒｘ）３２、及び、無線送信機（Ｔｘ）３４に接続している。無人航空ビークル１０は、さらに、アクチュエータ３６と、飛行状態センサ（ＦＳＳ）とを含み、これらもまた、１つ又は複数のデータバス２４を介して制御コンピュータ２２と通信する。

図１に示す無人航空ビークル１０は、図２に示すコンポーネントの全てを含むように改変することができる。代替の実施形態において、図２に示すコンポーネントは、他のタイプの無人航空ビークルに組み込まれてもよい。例えば、図２に示すコンポーネントは、揚力ファンを有するタイプの無人航空ビークルに組み込まれてもよい。他の例として、図２に示すコンポーネントは、結合翼（joined wings）における揚力ファンと、推進ベクトルエンジンとを含むとともに、これらにより、ホバリングを含む垂直離陸及び着陸や、低速及び高速の両方での操作を実現する無人航空ビークルに組み込まれてもよい。

図２を参照すると、一実施形態による無人航空ビークルの飛行を制御するための機内システムは、以下のコンポーネント、すなわち、無人航空ビークルの飛行を制御するように構成された（少なくとも飛行管理コンピュータ及び非一時的な有形のコンピュータ可読記憶媒体を含む）飛行管理システム４０と、ミッションモードにおいてミッションを実行するように無人航空ビークルを誘導するために、飛行管理システム４０に対してコマンドを発信することによりミッションを管理するように構成されたミッション制御モジュール２と、無人航空ビークルを確実に回復させるように設計された安全モードにおいて、安全に飛行を継続できるように無人航空ビークルを誘導するために、飛行管理システム４０に対してコマンドを発信するように構成された安全モジュール８と、飛行管理システム４０がミッション制御モジュール２から送信されたコマンドを受信するミッション状態（図２に示す）と、飛行管理システム４０が安全モジュール８から送信されたコマンドを受信する安全状態（図２には示していない）との間で切替可能な通信制御コンポーネント（ＣＣＣ）６と、例えば、ミッション制御モジュール２により発信されたコマンドが無効と決定された場合などのトリガ条件が存在するか否かを判断するとともに、当該判断の結果に基づいて、通信制御コンポーネント６の状態を設定するように構成された監視モジュール４と、を含む。監視モジュール４は、トリガ条件が存在する場合、例えば、ミッション制御モジュール２により発信されたコマンドが無効である場合、又は、これ以外のトリガー条件が存在する場合、通信制御コンポーネント６を、ミッション状態から安全状態に切り替える。無効コマンドには、例えば、無人航空ビークルに実際には搭載されていない特定のコンポーネント又は装置を起動するためのコマンド又は信号が含まれる。さらに、無効コマンドには、例えば、ランディングギアのドアが閉まっている状態でのランディングギアの展開コマンドや、速度パラメータ値が欠けているエンジン速度コマンドなども含まれる。

より具体的には、ミッション制御モジュール２は、特別な航空機条件（例えば、エンジンロスやオーバーヒート）に当てはまる場合、作動しないようにプログラムされてもよい。仮にこのような条件下で当該制御モジュールが作動し続けた場合、たとえ有効なコマンドを生成及び通信している場合であっても、危険な状況を作り出すことになる。好ましい実施形態によれば、監視モジュール４は、（ａ）ミッション制御モジュール２により、飛行管理システム４０に対して、無効なコマンドが発信されている場合、（ｂ）ミッション制御モジュール２により、飛行管理システム４０に対して、無効なパラメータ（すなわち、規制に抵触する値を有するパラメータ）を有する有効なコマンドが発信されている場合、（ｃ）ヘルス状態センサ４６が、航空ビークルの欠陥または不具合を検出した場合、及び（ｄ）飛行状態センサ３８が、危険な飛行状況（例えば、失速（stall）、航空交通管制信号の喪失など）を検出した場合、のうちのいずれか１つのトリガ条件が発生した場合、通信制御コンポーネント６を安全モードに切り替えるように構成されている。

通信制御コンポーネント６は、飛行管理システム４０を、ミッション制御モジュール２又は安全モジュール８のいずれかに接続するための物理回路（例えば、ハードウェア）を含みうる。図２に示す実施形態において、通信制御コンポーネント６は、電気スイッチである。代替例においては、通信制御コンポーネント６は、安全モジュール８及びミッション制御モジュール２の各々についてのポート、例えばＴＣＰ／ＩＰポートと、飛行管理システム４０との通信用のポート、例えばＴＣＰ／ＩＰポートとの間の物理接続部を含んでもよい。これに代えて、通信制御コンポーネント６は、ミッション制御モジュール２又は安全モジュール８のいずれか一方からのコマンドを選択的に飛行管理システム４０に伝達するためのソフトウェアと組み合わせられるルータ又は他のコンポーネントを含んでもよい。

代替の実施形態によると、通信制御コンポーネント６は、プリント回路基板上のハードウェアで実施されうる。このプリント回路基板は、当該基板に亘って（適切な電子特性を有する）Ｅｔｈｅｒｎｅｔ信号を伝えるように構成されている。例えば、通信制御コンポーネント６は、Ｅｔｈｅｒｎｅｔスイッチであってもよい。このスイッチは、監視モジュール４から電気信号を受信し、さらに、Ｅｔｈｅｒｎｅｔコネクタを介してミッション制御モジュール２及び安全モジュール８に接続される入力を有し、Ｅｔｈｅｒｎｅｔコネクタを介して飛行管理システム４０に接続される出力を有する。監視モジュール４は、Ｅｔｈｅｒｎｅｔスイッチの切替ロジックを制御することができ、切替ロジックは、常時、各方向において１つの経路のみが有効になるように、ＸＯＲ機能を実行することができる。

ミッション制御モジュール２は、対地通信システム４８及びアンテナ５０を経て、地上管制局（図２には示していない）と通信することができる。ミッション制御モジュール２は、汎用又はミッション用のアーキテクチャを有するとともに、選択されたミッションプランの動作を実行するために特別に設計されたソフトウェアでプログラムされたコンピュータであってもよい。ミッションプランは、離陸前に、無人航空ビークル内の非一時的な有形のコンピュータ可読記憶媒体に記録されていてもよいし、飛行中に、対地通信システム４８及びアンテナ５０を介して、地上管制局から受信してもよい。

ミッション制御モジュール２と地上管制局との間の通信は、専用の中継ネットワーク又は衛星ネットワークを介して行われてもよい。すなわち、ミッション制御モジュール２と地上管制局とは、必ずしも直接通信を行わなくてもよい。これに代えて、管制局は、航空機に設けられてもよい。

ミッション制御モジュール２は、無人航空ビークルに課せられたミッション又はオペレーションの経過を監視するように構成されうる。ミッション制御モジュールは、飛行計画ソフトウェア、学習アルゴリズムなどを含みうる。ミッション制御モジュール２は、ミッション又はオペレーションの経過を監視している間、情報を収集することができる。収集された情報は、ミッションプランにおけるコンフリクト（conflict）を示す場合があるが、ミッション制御モジュール２は、交渉アルゴリズムを用いて、このコンフリクトを解決することができる。これに加えて、ミッション制御モジュール２は、通信制御コンポーネント６にコマンドを送信する。これらのコマンドは、動作を実行するために飛行管理システム４０に送信される。これらのコマンドは、動作を実行するためのパラメータを提供してもよいし、動作を実行するためのこれらパラメータの一部を提供してもよい。他の例においては、これらのコマンドは、動作を実行するためのパラメータを提供せず、飛行管理システム４０に、動作を実行するためのこれらのパラメータの全て又は一部を選択させるようにしてもよい。

飛行管理システム４０は、動作の性能を制御するための複数の構成を有しうる。複数の構成の各々は、例えば、限定するものではないが、飛行管理プログラムを構成するための、複数のプロセス、プログラミングコード、複数のアルゴリズム、複数のツール、複数の制御部、及び／又は、複数の他の好適な要素を含みうる。

引き続き図２を参照すると、飛行管理システム４０は、ＧＰＳ受信機３０からＧＰＳデータを受信し、飛行状態センサ３８から飛行状態データを受信し、これらの情報を用いて、ビークル状態推定器を介してビークル状態推定値（例えば、位置、対気速度など）を計算する。ビークル状態推定器は、飛行状態センサ３８により提供される、航空データ（例えば、対気速度、迎え角（angle of attack）、温度、及び気圧高度）及び慣性基準（例えば、姿勢、飛行経路ベクトル、対地速度、及び位置）情報、さらには、ＧＰＳ受信機３０から受信した位置データに基づいて、ビークル状態パラメータを推定するように構成されたコンピュータ又はプロセッサを含みうる。ビークル状態推定値は、飛行管理システム４０により、監視モジュール４及び安全モジュール８に対して出力される。任意ではあるが、上記ビークル状態推定値を、さらに、ミッション制御モジュール２に提供してもよい。

さらに、飛行管理システム４０は、その機能を実行する過程において、ビークル状態推定値を用いる。より具体的には、飛行管理システム４０は、無人航空ビークルの様々な飛行制御部４２（例えば、動翼）に対してコマンドを発信する誘導及びナビゲーション機能を有する。さらに、飛行管理システム４０は、所望レベルの推力及び／又は揚力を実現するために、様々な推進システム４４に対してコマンドを発信する推力及び／又は揚力管理機能を有する。

監視モジュール４は、例えば、ミッション制御モジュール２により発信されるコマンドが無効であると判断された場合などのトリガ条件が存在するか否かを判断するように構成されている。この判断は、例えば、これらのコマンドが、規制に抵触する条件を生み出すか否かを監視することにより行われる。様々な実施形態によれば、監視パラメータは、ミッション制御モジュールから出力されたハートビート（heart-beat）、無人航空ビークルの旋回率（rate of turn）、無人航空ビークルの上昇率（rate of climb）、無人航空ビークルの降下率（rate of descent）、無人航空ビークルのロール率（roll rate）、無人航空ビークルのピッチ率（pitch rate）、無人航空ビークルのヨー率（yaw rate）、無人航空ビークルの予定飛行経路に対する物体の位置、及び、無人航空ビークルから物体までの距離、のうちの１つである。

少なくとも部分的にビークル状態推定値に基づいて監視パラメータが計算される実施形態においては、監視モジュール４は、ビークル状態推定値を用いて、監視されている様々なパラメータの現在の値を計算するように構成されている。これらの現在値は、それぞれの閾値と比較されて、規制に抵触しているか否かが判断される。

他の実施形態によれば、監視モジュール４は、無人航空ビークルの位置及び予定飛行経路に対する物体の位置を監視するように構成されている。図２に示すように、無人航空ビークルは、物体の位置に関する情報を受信するように構成することができる。例えば、無人航空ビークルは、アンテナ５４を介して、他の同様に装備された航空機とのデータリンクが可能なＡＤＳ−Ｂ受信機５２を含みうる。周知のように、放送型自動従属監視（ＡＤＳ−Ｂ：Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）技術は、位置及び速度データを毎秒送信して、リアルタイムで交通位置や他のデータの特定を行うことができる。ＡＤＳ−Ｂ受信機５２は、ＡＤＳ−Ｂの範囲内におけるＡＤＳ−Ｂを装備した物体の位置及び速度に関する情報を監視モジュール４に提供することができる。この構成においては、監視モジュール４は、無人航空ビークルの予定飛行経路に対する物体の位置を監視して、無人航空ビークルの飛行経路が、物体が位置する空間と交わる場合に、信号を送出する。これに加えて、或いは、これに代えて、無人航空ビークルは、当該無人航空ビークルから物体までの距離を測定する物体近接センサ５６（例えば、レーザー距離計）を備えていてもよい。この構成においては、監視モジュール４は、物体と無人航空ビークルとが離隔している距離を監視し、無人航空ビークルの飛行経路と物体との離隔がなくなる場合に、信号を送出する。さらなる代替例によれば、無人航空ビークルは、レーダーシステムを備えてもよく、このレーダーシステムは、当該システムの範囲内における物体の位置を追跡する。

図２に示すように、ミッション制御モジュール２は、さらに、カメラ１２及び画像処理部６０にコマンドを送信することができる。この画像処理部は、カメラが取り込んだ画像を処理するように構成されている。処理された画像は、無人航空ビークル内の非一時的な有形のコンピュータ可読記憶媒体に格納され、その後、無人航空ビークルが、地上管制局の画像送信範囲内にある位置に到達した際、或いは、当該範囲内で着陸した際に、ダウンロードすることができる。任意ではあるが、ミッション制御モジュール２は、カメラが搭載されているパン・チルトユニット（pan-tilt unit）（不図示）を制御するためのカメラ起動ソフトウェア（camera deployment software）を含むように構成されてもよい。

上述したように、切替可能制御システムの複数のコンポーネントは、それぞれ別個のモジュールであってもよい。ミッション制御モジュール２は、地上管制局からの通信を受信するように構成されている。これらの通信は、偵察ミッションが実行される既知の位置などの、ミッションの目的を含みうる。ミッション制御モジュール２は、さらに、ミッション位置までの無人航空ビークルのナビゲーションを自律的に計画し、飛行管理システム４０に対して、無人航空ビークルの飛行及び方向を制御するように指示するための誘導コマンドを決定するように構成される。ミッション制御モジュール２は、さらに、関心対象のターゲットを検出及び特定するために、カメラ１２に対して、画像を取得するように指示するコマンド、及び、画像処理部６０に対して、取得した画像データを処理するように指示するコマンドを生成するように構成されている。これに加えて、ミッション制御モジュール２は、飛行管理システム４０に対する（通信制御コンポーネント６を介した）通信のためのコマンドを生成するように構成されており、これらのコマンドには、旋回、傾斜、スピン、上昇、降下などを行って無人航空ビークルを配向又は誘導することにより、関心対象のターゲットの動きを追跡したり、当該ターゲットに近づいて、そのアイデンティティ確認のために撮像を行ったりするためのコマンドが含まれる。

例示的な実施形態においては、無人航空ビークルは、少なくとも監視モジュール４、通信制御コンポーネント６、及び、安全モジュール８を組み入れた制御盤、コンポーネント、又は、回路を含む。

監視モジュール４は、ハードウェア及び／又はソフトウェアを含んでもよく、入力を監視するように設計された実行可能なコマンド、又は、ミッション制御モジュール２から飛行管理システム４０に送られるコマンドを含む。監視モジュール４は、通信制御コンポーネント６に出力を供給し、当該通信制御コンポーネントに、監視モジュール４による判断に基づいて、ミッション制御モジュール２からのコマンド、又は、安全モジュール８からのコマンドのいずれかを、飛行管理システム４０に対して選択的に伝達させるようにする。なお、ミッションの実行中の通信制御コンポーネントは、ミッション制御モジュール２から飛行管理システム４０にミッションコマンドを伝達することができる状態である。

一実施形態によれば、監視モジュール４は、ミッション制御モジュール２が、期待するレート（例えば、ハートビート率）で動作又は通信しているか否かを判断するアルゴリズムを実行する。監視モジュール４により、ミッション制御モジュール２が適切に通信又は動作してないと判断された場合、監視モジュール４は、ミッション制御モジュール２のリセット処理を開始するとともに、通信制御コンポーネント６が、安全モジュール８からのコマンドを飛行管理システム４０に対して選択的に伝達できるようにするための出力を生成する。監視モジュール４が、リセット（又は、再起動）を開始する場合、リセットタイマーも開始してもよい。リセット時間が経過すると、監視モジュール４は、ミッション制御モジュール２が通常動作に回復したことを示す信号及び／又はコマンドの入力を監視する。通常動作に回復した場合（これは、ミッション制御モジュール２からの信号によって監視モジュール４に通知可能である）、監視モジュール４は、（安全モジュール８の代わりに）ミッション制御モジュール２からのコマンドを飛行管理システム４０に対して選択的に伝達させるように通信制御コンポーネント６を制御する。

これに加えて、或いは、これに代えて、監視モジュール４は、ミッション制御モジュール２が、無人航空ビークルの動作状況が規制に抵触するようなコマンドを発信しているか否かを判断する１つ又は複数のアルゴリズムを実行する。監視されている動作状況は、旋回率、上昇率又は降下率、ロール率、ピッチ率（すなわち、傾斜率）、及びヨー率のうちの１つ又は複数であってもよい。これらの飛行パラメータのうちのいずれか１つの特定の閾値に抵触している場合、監視モジュール８は、通信制御コンポーネント６の状態を切り替えて、安全モジュール８からのコマンドを飛行管理システム４０に選択的に伝達することにより、無人航空ビークルに、安全モードでの飛行に戻らせるように構成されている。

いくつかの実施形態によれば、監視モジュール４は、無人航空ビークルの予定飛行経路に対する物体の位置が、障害となったり衝突を引き起こしたりするおそれがある場合、又は、無人航空ビークルと物体との離隔がなくなる場合、安全モードに切り替えるように構成されている。

監視モジュール４により、安全モジュール８に対する飛行管理システム４０の接続を通信制御コンポーネント６に行わせる場合、当該安全モジュールは、例えば、無人航空ビークルが初期位置に戻って着陸できるように当該無人航空ビークルを誘導又はナビゲートするためのコマンドを送信することができる。これに加えて、安全モジュールは、例えば、近くの物体に関するＡＤＳ−Ｂ情報、又は、物体近接センサ５６により得られた近くの物体に関するセンサデータに基づいて、近くの物体から無人航空ビークルを遠ざけるように誘導又はナビゲートするためのコマンドを送信するように構成することができる。安全モジュール８は、さらに、地上管制局へ向かうように無人航空ビークルを誘導又はナビゲートして当該管制局との通信を再確立することにより、無人航空ビークルの遠隔誘導を可能とするためのコマンドを送信することができる。

上記説明を要約するために、図３は、図２に示すシステムの監視モジュールを用いて、無人航空ビークルの飛行を制御するための方法１００のステップを示す。監視モジュール４は、ミッション制御モジュールからコマンドを受信する（ステップ１０２）。次に、監視モジュール４は、入力／信号が、予め設定された時間内または予め設定された最低通信速度で受信されたか否かを判断する（ステップ１０４）。

入力が、予め設定された時間内または予め設定された最低通信速度で受信されなかった場合、監視モジュール４は、ミッション制御モジュール２のリセットが開始されたか否かを判断する（ステップ１０６）。リセットが開始された場合、監視モジュール４は、ミッション制御モジュール２からの入力を監視し続ける。リセットが開始されなかった場合、監視モジュール４は、ミッション制御モジュール２にリセット（すなわち、再起動）信号を出力して、リセットタイマーを開始する（ステップ１０８）。次に、監視モジュール４は、安全状態に切り替わる通信制御コンポーネント６に対して制御信号を出力し（ステップ１２０）、通信制御コンポーネント６に、ミッション制御モジュール２からのコマンドをブロックさせる一方で、飛行管理システム４０に対する安全モジュール８からのコマンドは許容させる。

図３に示すステップ１０４を再び参照すると、監視モジュールの入力が、予め設定された時間内または予め設定された最低速度を上回る速度で受信された場合、監視モジュール４は、入力が、旋回、上昇、又は降下などの操縦タイプのコマンドであるか否かを判断する（ステップ１１０）。入力が、操縦タイプのコマンドである場合、監視モジュール４は、コマンドレート（commanded rate）が、特定の閾値に抵触しているか否かを判断する（ステップ１１２）。コマンドレートが、特定の閾値に抵触している場合、監視モジュール４は、安全状態に切り替わる通信制御コンポーネント６に対して、制御信号を出力する（ステップ１２０）。コマンドレートが、特定の閾値に抵触していない場合、監視モジュール４は、ステップ１１４に進む。

ステップ１１０に戻って、監視モジュール４に対する入力が、操縦タイプのコマンドでない場合、監視モジュール４は、入力が、方向コマンド又は位置「移動」コマンド（"go to" location command）であるか否かを判断する（ステップ１１４）。監視モジュール４に対する入力が、方向コマンド又は位置「移動」コマンドでない場合、プロセス１００は、ステップ１０２及び１０４に戻る。監視モジュール４に対する入力が、方向コマンド又は位置「移動」コマンドである場合、監視モジュール４は、ステップ１１８に進む。

プロセス１００中、監視モジュール４は、ＡＤＳ−Ｂ送受信機５２からＡＤＳ−Ｂ情報を受信し、物体近接センサ５６から物体近接データを受信する（ステップ１１６）。監視モジュール４は、上記情報を読み込み、当該情報を用いて、無人航空ビークルの方向又は将来位置（すなわち、予定飛行経路）が、近くの物体により遮られるか否かを計算する（ステップ１１８）。無人航空ビークルの予定飛行経路が遮られる場合、監視モジュール４は、安全状態に切り替わる通信制御コンポーネント６に対して制御信号を出力する（ステップ１２０）。無人航空ビークルの予定飛行経路が遮られない場合、プロセス１００は、ステップ１０２及び１０４に戻る。

さらに、本開示は、以下の付記による実施形態を含む。

付記１．無人航空ビークルの飛行を制御するための機上システムであって、
前記無人航空ビークルの飛行を制御するように構成された飛行管理システムと、
ミッションを実行するように前記無人航空ビークルを誘導するために、前記飛行管理システムに対してコマンドを発信することにより、前記ミッションを管理するように構成されたミッション制御モジュールと、
安全モードにおいて安全に飛行を継続できるように前記無人航空ビークルを誘導するために、前記飛行管理システムに対してコマンドを発信するように構成された安全モジュールと、
前記飛行管理システムが前記ミッション制御モジュールからコマンドの通信を受信するミッション状態と、前記飛行管理システムが前記安全モジュールからコマンドの通信を受信する安全状態との間で切替可能な通信制御コンポーネントと、
ミッションモードから安全モードへのモード変更を許可するトリガ条件が存在するか否かを判断して、前記トリガ条件が存在する場合、前記通信制御コンポーネントに、前記ミッション状態から前記安全状態に切り替えさせるように構成された監視モジュールと、を含む機上システム。

付記２．前記監視モジュールは、さらに、前記ミッションモジュール及び航空機が通常動作に回復すると、前記通信制御コンポーネントに、前記安全状態から前記ミッション状態に切り替えさせるように構成されている、付記１に記載のシステム。

付記３．前記トリガ条件は、前記ミッション制御モジュールにより発信されたコマンドが無効であると判断された場合、又は、前記ミッション制御モジュールにより発信された有効なコマンドのパラメータが規制に抵触している場合である、付記１に記載のシステム。

付記４．前記監視モジュールは、さらに、前記ミッション制御モジュールにより発信された前記コマンドが無効であると判断された場合、前記ミッション制御モジュールを再起動するように構成されている、付記３に記載のシステム。

付記５．ヘルス状態センサをさらに含み、前記トリガ条件は、前記ヘルス状態センサが、前記無人航空ビークル内の欠陥または不具合を検出した場合である、付記１に記載のシステム。

付記６．飛行状態センサをさらに含み、前記トリガ条件は、前記飛行状態センサが、危険な飛行状況を検出した場合である、付記１に記載のシステム。

付記７．前記トリガ条件は、前記ミッション制御モジュールにより発信された有効なコマンドのパラメータが、前記規制に抵触する値を有している場合であり、前記パラメータは、旋回率、上昇率、降下率、ロール率、ピッチ率、及び、ヨー率のうちの１つである、付記１に記載のシステム。

付記８．複数の飛行状態センサと、
物体の位置に関して、前記監視モジュールにデータを送信するために接続されたセンサと、をさらに含み、
前記飛行管理システムは、ビークル状態推定器を含み、当該ビークル状態推定器は、前記飛行状態センサからデータを受信するとともに、前記監視モジュールに対して、少なくともビークルの位置及び速度を含むビークル状態推定値を伝達し、前記監視モジュールは、さらに、前記無人航空ビークルに対する前記物体の位置を計算し、前記無人航空ビークルに対する物体の位置が距離規制に抵触している場合、トリガ条件が存在すると判断するように構成されている、付記１に記載のシステム。

付記９．前記センサは、前記物体の接近に関して、前記監視モジュールにデータを伝達するために接続された物体近接センサである、付記８に記載のシステム。

付記１０．前記規制は、前記無人航空ビークルから前記物体までの最小離隔距離である、付記９に記載のシステム。

付記１１．前記安全モジュールは、さらに、前記物体から前記無人航空ビークルを遠ざけるように誘導するために、前記飛行管理システムに対してコマンドを送信するように構成されている、付記１０に記載のシステム。

付記１２．前記安全モジュールは、さらに、特定の位置まで飛行するように前記無人航空ビークルを誘導するために、前記飛行管理システムに対してコマンドを送信するように構成されている、付記１に記載のシステム。

付記１３．無人航空ビークルの飛行を制御するための方法であって、
（ａ）ミッションを実行するように前記無人航空ビークルを誘導するために、前記無人航空ビークル内のミッション制御モジュールから、前記無人航空ビークル内の飛行管理システムにコマンドを送信し、
（ｂ）前記ミッション制御モジュールから前記飛行管理システムに送信された前記コマンドの有効性を監視し、前記ミッション制御モジュールから前記飛行管理システムに送信された前記コマンドが有効か、或いは無効かに基づいて、トリガ条件が存在するか否かを判断し、
（ｃ）前記ミッション制御モジュールから前記飛行管理システムに送信された有効なコマンドに従って、前記無人航空ビークルを誘導する、ことを含む、方法。

付記１４．（ｄ）前記ミッション制御モジュールから前記飛行管理システムに送信されたコマンドが無効であると判断し、
（ｅ）前記ミッション制御モジュールから前記飛行管理システムへのコマンドの伝達を中止し、
（ｆ）安全モードで動作するように前記無人航空ビークルを誘導するために、前記無人航空ビークル内の安全モジュールから前記飛行管理システムにコマンドを伝達する、ことをさらに含む、付記１３に記載の方法。

付記１５．前記ミッション制御モジュールにより発信された前記コマンドが無効である場合、前記ミッション制御モジュールを再起動することをさらに含む、付記１４に記載の方法。

付記１６．ステップ（ｂ）は、前記ミッション制御モジュールにより発信された前記コマンドに含まれるパラメータが、規制に抵触しているか否かを監視することを含む、付記１３に記載の方法。

付記１７．監視される前記パラメータは、前記ミッション制御モジュールから出力されるコマンドのハートビート率、旋回率、上昇率、降下率、ロール率、ピッチ率、及び、ヨー率のうちの１つである、付記１６に記載の方法。

付記１８．無人航空ビークルの飛行を制御するための方法であって、
（ａ）ミッションモードでミッションを実行するように前記無人航空ビークルを誘導するために、前記無人航空ビークル内のミッション制御モジュールから、前記無人航空ビークル内の飛行管理システムにコマンドを伝達し、
（ｂ）前記ミッションモードから安全モードへのモード変更を許可するトリガ条件が存在するか否かを監視し、
（ｃ）前記トリガ条件が存在する場合に前記安全モードで動作するように前記無人航空ビークルを誘導するために、前記ミッション制御モジュールからのコマンドを伝達する代わりに、前記無人航空ビークル内の安全モジュールから前記飛行管理システムへコマンドを伝達する、ことを含む方法。

付記１９．前記トリガ条件は、前記ミッション制御モジュールにより発信されたコマンドが無効である場合、又は、前記ミッション制御モジュールにより発信された有効なコマンドのパラメータが規制に抵触している場合である、付記１８に記載の方法。

付記２０．前記トリガ条件は、ヘルス状態センサが、前記無人航空ビークル内の欠陥または不具合を検出した場合である、付記１８に記載の方法。

付記２１．前記トリガ条件は、飛行状態センサが、危険な飛行状況を検出した場合である、付記１８に記載の方法。

付記２２．前記トリガ条件は、前記無人航空ビークルに対する物体の位置が、規制に抵触している場合である、付記１８に記載の方法。

付記２３．無人航空ビークルの飛行を制御するための機上システムであって、
前記無人航空ビークルの飛行を制御するように構成された飛行管理システムと、
ミッションを実行するように前記無人航空ビークルを誘導するために、前記飛行管理システムに対してコマンドを発信することにより、ミッションモードにおいて前記ミッションを管理するように構成されたミッション制御モジュールと、
安全モードにおいて安全に飛行を継続できるように前記無人航空ビークルを誘導するために、前記飛行管理システムに対してコマンドを発信するように構成された安全モジュールと、
ミッションモードから安全モードへのモード変更を許可するトリガ条件が存在するか否かを判断するように構成された監視モジュールと、を含み、
前記飛行管理システムは、前記監視モジュールにより前記トリガ条件が存在することが判断されると、当該判断に応じて、前記ミッション制御モジュールからではなく、前記安全モジュールからコマンドを受信するように構成されている、機上システム。

付記２４．前記飛行管理システムが前記ミッション制御モジュールにより制御されるミッション状態と、前記飛行管理システムが前記安全モジュールにより制御される安全状態との間で切替可能な通信制御コンポーネントを更に含み、前記通信制御コンポーネントの状態は、前記監視モジュールからの出力により制御される、付記２３に記載のシステム。

様々な実施形態を参照して装置及び方法について説明したが、本開示の教示から逸脱することなく、様々な変更が可能であり、構成要素をその均等物で置き換えできることは当業者であれば理解できよう。加えて、本開示の概念や実施を、特定の状況に適合させる様々な変形が可能である。したがって、請求の範囲に包含される要旨は、開示の実施形態によって限定されるものではない。

以下に記載するプロセスに関する請求項は、そこに記載されているステップを、アルファベット順（請求項におけるアルファベットを用いた順序付けは、前述したステップに言及する目的のみで用いられている）又は記載の順に実行することを要件とすると解釈されるべきではない。また、これらの請求項は、２つ又はそれ以上のステップの一部を同時又は交互に行うことを排除するものと解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 無人航空ビークルの飛行を制御するための機上システムであって、
   前記無人航空ビークルの飛行を制御するように構成された飛行管理システムと、
   ミッションを実行するように前記無人航空ビークルを誘導するために、前記飛行管理システムに対してコマンドを発信することにより、前記ミッションを管理するように構成されたミッション制御モジュールと、
   安全モードにおいて安全に飛行を継続できるように前記無人航空ビークルを誘導するために、前記飛行管理システムに対してコマンドを発信するように構成された安全モジュールと、
   前記飛行管理システムが前記ミッション制御モジュールからコマンドの通信を受信するミッション状態と、前記飛行管理システムが前記安全モジュールからコマンドの通信を受信する安全状態との間で切替可能な通信制御コンポーネントと、
   ミッションモードから安全モードへのモード変更を許可するトリガ条件が存在するか否かを判断して、前記トリガ条件が存在する場合、前記通信制御コンポーネントに、前記ミッション状態から前記安全状態に切り替えさせるように構成された監視モジュールと、を含む機上システム。
2. 前記監視モジュールは、さらに、前記ミッションモジュール及び航空機が通常動作に回復すると、前記通信制御コンポーネントに、前記安全状態から前記ミッション状態に切り替えさせるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記トリガ条件とは、前記ミッション制御モジュールにより発信されたコマンドが無効であると判断された場合、又は、前記ミッション制御モジュールにより発信された有効なコマンドのパラメータが規制に抵触している場合である、請求項１に記載のシステム。
4. 前記監視モジュールは、さらに、前記ミッション制御モジュールにより発信された前記コマンドが無効であると判断された場合、前記ミッション制御モジュールを再起動するように構成されている、請求項３に記載のシステム。
5. ヘルス状態センサをさらに含み、前記トリガ条件は、前記ヘルス状態センサが、前記無人航空ビークル内の欠陥または不具合を検出した場合である、請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
6. 飛行状態センサをさらに含み、前記トリガ条件は、前記飛行状態センサが、危険な飛行状況を検出した場合である、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記トリガ条件は、前記ミッション制御モジュールにより発信された有効なコマンドのパラメータが、前記規制に抵触する値を有している場合であり、前記パラメータは、旋回率、上昇率、降下率、ロール率、ピッチ率、及び、ヨー率のうちの１つである、請求項１〜６のいずれかに記載のシステム。
8. 複数の飛行状態センサと、
   物体の位置に関して、前記監視モジュールにデータを送信するために接続されたセンサと、をさらに含み、
   前記飛行管理システムは、ビークル状態推定器を含み、当該ビークル状態推定器は、前記飛行状態センサからデータを受信するとともに、前記監視モジュールに対して、少なくともビークルの位置及び速度を含むビークル状態推定値を伝達し、前記監視モジュールは、さらに、前記無人航空ビークルに対する前記物体の位置を計算し、前記無人航空ビークルに対する物体の位置が距離規制に抵触している場合、トリガ条件が存在すると判断するように構成されている、請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。
9. 前記センサは、前記物体の接近に関して、前記監視モジュールにデータを伝達するために接続された物体近接センサである、請求項８に記載のシステム。
10. 前記規制は、前記無人航空ビークルから前記物体までの最小離隔距離である、請求項９に記載のシステム。
11. 前記安全モジュールは、さらに、前記物体から前記無人航空ビークルを遠ざけるように誘導するために、前記飛行管理システムに対してコマンドを送信するように構成されており、前記飛行管理システムは、前記監視モジュールにより前記トリガ条件が存在することが判断されると、当該判断に応じて、前記ミッション制御モジュールからではなく、前記安全モジュールからコマンドを受信する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記飛行管理システムが前記ミッション制御モジュールにより制御されるミッション状態と、前記飛行管理システムが前記安全モジュールにより制御される安全状態との間で切替可能な通信制御コンポーネントを更に含み、前記通信制御コンポーネントの状態は、前記監視モジュールからの出力により制御される、請求項１に記載のシステム。
13. 無人航空ビークルの飛行を制御するための方法であって、
    （ａ）ミッションを実行するように前記無人航空ビークルを誘導するために、前記無人航空ビークル内のミッション制御モジュールから、前記無人航空ビークル内の飛行管理システムにコマンドを送信し、
    （ｂ）前記ミッション制御モジュールから前記飛行管理システムに送信された前記コマンドの有効性を監視し、前記ミッション制御モジュールから前記飛行管理システムに送信された前記コマンドが有効か、或いは無効かに基づいて、トリガ条件が存在するか否かを判断し、
    （ｃ）前記ミッション制御モジュールから前記飛行管理システムに送信された有効なコマンドに従って、前記無人航空ビークルを誘導する、ことを含む、方法。
14. （ｄ）前記ミッション制御モジュールから前記飛行管理システムに送信されたコマンドが無効であると判断し、
    （ｅ）前記ミッション制御モジュールから前記飛行管理システムへのコマンドの伝達を中止し、
    （ｆ）安全モードで動作するように前記無人航空ビークルを誘導するために、前記無人航空ビークル内の安全モジュールから前記飛行管理システムにコマンドを伝達し、
    前記ミッション制御モジュールにより発信された前記コマンドが無効である場合、前記ミッション制御モジュールを再起動する、ことをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. ステップ（ｂ）は、前記ミッション制御モジュールにより発信された前記コマンドに含まれるパラメータが、規制に抵触しているか否かを監視することを含む、請求項１３に記載の方法。

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