JP2008290704A - 傾斜表面上での垂直離陸及び着陸方法 - Google Patents

Abstract

【課題】傾斜表面上で離陸及び着陸を行うことができる無人航空機を提供する。
【解決手段】離陸及び着陸モードが、垂直離陸及び着陸（ＶＴＯＬ）無人航空機（ＵＡＶ）の飛行制御システムに付加される。離陸及び着陸モードは、飛行制御システム及びＶＴＯＬ−ＵＡＶの既存の制御表面及びスロットル制御に利用できるデータを使用する。その結果、ＶＴＯＬ−ＵＡＶは、傾斜表面上でＵＡＶを平行にするように設計された着陸ギヤを使用することなく、傾斜表面上で離陸及び着陸を行うことができる。
【選択図】図４

Description

米国政府はＤＡＲＰＡにより裁定された契約番号ＨＲ００１１−０５−Ｃ−００４３に従って本発明におけるある権利を取得した。本発明は一般に垂直離陸及び着陸に関し、特に、傾斜表面上での垂直離陸及び着陸に関する。

現在まで、無人航空機（ＵＡＶ;Unmanned Air Vehicles）は典型的には固定翼航空機であった。しかしながら、他の形式のＵＡＶが軍事及び民間の双方の使用のために現在開発されている。現在開発されている１つの形式のＵＡＶはダクトファン式の垂直離陸及び着陸（ＶＴＯＬ）航空機である。ＶＴＯＬ−ＵＡＶは「複雑な」地形として普通に表現される窮屈な都会領域及び郊外領域のような種々の領域において作動することができる。

ＶＴＯＬ−ＵＡＶは、垂直に発進し、予め計画した飛行計画に沿って飛行し、そして垂直に着陸するためにＵＡＶを一般に必要とする自主的な特務(autonomous missions)を遂行するように設計される。例えば、特務で飛行している間のある時点で、ＵＡＶは「高所(perch)及び凝視(stare)」観察を遂行することを期待することができる。高所及び凝視観察では、ＵＡＶは垂直に着陸し、（可能ならエンジン停止状態で長期間にわたって）観察を遂行し、垂直に離陸することが必要となる。

特務では、ＶＴＯＬ−ＵＡＶは整備されていない地面又は航空機のデッキ上で離陸及び着陸を行う必要があることがある。離陸及び着陸表面は平坦でないことがあり、例えば、３０度又はそれ以上の大きな角度まで傾斜していることがある。伝統的には、機械的な着陸ギヤ機構は、ＵＡＶが傾斜表面上で垂直に離陸及び着陸できるように、ＵＡＶを水平にするように設計されていた。不運にも、このような機械的な着陸ギヤ機構は、ＵＡＶの耐久性及び飛行性能の双方に対して妥協できるようにするため、複雑で重い。更に、ある機械的な着陸ギヤ機構は１０度又はそれ以下の傾斜に限定され、これは、ＵＡＶがある地形状態で特務を遂行するのを制限してしまうことがある。

従って、傾斜を補償するための機械的な着陸ギヤ機構を使用せずに、ＶＴＯＬ−ＵＡＶが傾斜表面上で垂直に離陸及び着陸できるようにするのが有益である。

傾斜表面上で無人航空機を着陸させるための方法が開示される。この方法は傾斜表面の上方で垂直に下降させる工程と、傾斜表面により生じる圧力差を検出する工程と、圧力差により生じる運動に対抗する工程と、無人航空機が傾斜表面に接触する時点を検出する工程と、無人航空機が傾斜表面に接触したときに、無人航空機が傾斜表面上に着陸してしまうまで、無人航空機を回転させる工程とを有する。

圧力差により生じる運動に対抗するために、無人航空機の羽根を調整することができる。更に、圧力差により生じる運動に対抗するために無人航空機のスロットルを調整することができる。無人航空機の飛行制御システムは着陸接触状態を検出することができる。無人航空機を回転させるために、無人航空機の羽根を調整することができる。羽根の調整は、無人航空機が傾斜表面に接触したときに生じる運動に対抗するように羽根を動かす工程を有することができる。更に、航空機の下降速度を制御するために無人航空機のスロットルを調整することができる。スロットルの調整は重力に対抗するようにスロットルを増大させる工程を有することができる。

傾斜表面から無人航空機を垂直に離陸させるための方法も開示される。この方法は発進指令を受け取る工程と、姿勢方位を決定する工程と、重力に対抗するように無人航空機の羽根を方位決めする工程と、無人航空機の着陸ギヤを傾斜表面から引き離すように推力を増大させる工程と、傾斜表面から実質上垂直に上昇させる工程とを有する。

姿勢方位の決定は、無人航空機が傾斜表面上に位置しているか否かを特定することができる。羽根の方位決めは姿勢方位の決定に基づいて羽根を正の角度に調整する工程を含むことができる。方法はまた傾斜表面の上方のある距離へ実質上垂直に上昇させる工程を有することができる。

傾斜表面上で垂直に離陸及び着陸させるための方法も開示される。この方法は無人航空機の飛行制御システムにおいて離陸モードを提供する工程を有する。離陸モードは傾斜表面に実質上垂直に最初に上昇させるように無人航空機の少なくとも１つの羽根及び推力を調整する。方法はまた無人航空機の飛行制御システムにおいて着陸モードを提供する工程を有する。着陸モードは、無人航空機が着陸するまで接触地点のまわりで無人航空機を回転させるように、無人航空機が接触地点で傾斜表面に接触したことを検出したときに、無人航空機の少なくとも１つの羽根及び推力を調整する。

離陸モードは姿勢方位の決定に基づいて羽根を調整することができる。着陸モードは上り坂方向に無人航空機を回転させることができる。更に、着陸モードは接触地点により生じる運動に対抗する。当業者なら、これらの及び他の態様及び利点は、添付図面を適切に参照して以下の詳細な説明を読むことにより、明らかとなろう。更に、この課題を解決するための手段は単なる例であり、特許請求の範囲で規定するような本発明の要旨を限定する意図のものではない。

添付図面に関連して現時点で好ましい実施の形態を以下に説明するが、種々の図面において、同様の符号は同様の素子を示す。図１は垂直離陸及び着陸（ＶＴＯＬ）無人航空機（ＵＡＶ）１００のブロック線図である。典型的には、ＵＡＶ１００は胴体１０２と、ダクト１０４と、制御羽根１０６と、着陸ギヤ１０８とを有する。ＵＡＶ１００の重心１１４は典型的には制御羽根１０６の上方に位置する。ＵＡＶ１００は他の素子をも含み、任意の特定のＶＴＯＬ−ＵＡＶのデザインに限定されない。例えば、ＵＡＶ１００は有機航空機（ＯＡＶ）又は小型航空機（ＭＡＶ）とすることができる。

胴体１０２は、ＵＡＶ１００の他の素子を収容するハウジングとすることができる。胴体１０２はＵＡＶ１００を駆動するエンジン及びエンジンのためのガソリンのような燃料の貯蔵部を収容することができる。胴体１０２はまた、飛行制御システム１１０及び道案内システム１１２のような航空機の作動のための素子を収容することができる。

飛行制御システム１１０は、飛行中のＵＡＶ１００を制御するためにプロセッサ、データ記憶装置及びモード制御ソフトウエアを有することができる。飛行制御システム１１０は、道案内システム１１２及び（又は）ＵＡＶ１００のオペレータから入力を受け取る。入力及び着陸飛行制御モードや離陸飛行制御モードのようなモード形式に応じて、飛行制御システム１１０は、ＵＡＶ１００の運動を制御するように羽根及びスロットルを調整できる。

道案内システム１１２は、慣性測定センサ、総括位置決め衛星（ＧＰＳ）センサ、地上レベルセンサ、気圧センサ、磁気計、速度センサ及び加速度計を有することができる。さらに、道案内システム１１２はプロセッサ及びデータ記憶装置を有することができる。道案内アルゴリズムはデータ記憶装置内に貯蔵することができる。道案内システム１１２はセンサからデータを受け取ることができ、プロセッサは出力として道案内結果を提供するように道案内アルゴリズムを実行することができる。道案内結果はＵＡＶ１００の位置、標高、地面からの高さ、姿勢（例えば縦揺れ、横揺れ、偏揺れ）、姿勢率、速度及び（又は）時間の見積もり値とすることができる。

ダクト１０４は、揚力を提供するためにダクト１０４を通して空気を吸引するファンを有する。ファンは、ダクト１０４の頂部を通して空気を吸引し、推力を提供するために底部から空気を排出させる。ダクト１０４とファンとの組み合わせにより生じる推力はＵＡＶ１００の停空飛翔即ちホバリング及び飛行を可能にするのに十分なほど強力である。制御羽根１０６はダクト１０４内に位置するファンの下方に位置することができる。制御羽根１０６はＵＡＶ１００のために進路決めする推力を提供する。

着陸ギヤ１０８は、飛行していないときのＵＡＶ１００を支持し、飛行後のＵＡＶ１００の着陸を可能にする構造体である。着陸ギヤ１０８は固定の又は活動的な着陸ギヤ機構とすることができる。例えば、着陸ギヤ１０８は３点支柱又は着陸リングを有することができる。図１に示すように、着陸ギヤ１０８は３点支柱を有する；しかし、本発明はこの形式の着陸ギヤに限定されない。
着陸飛行制御モード
図２は、傾斜部上での垂直着陸のための方法２００のフローチャートである。ブロック２０２において、ＵＡＶ１００は既存の飛行制御モードの下に垂直下降を開始する。図３は傾斜表面３０４の上方で垂直下降３０２しているＶＴＯＬ−ＵＡＶ１００の絵図３００である。

着陸飛行制御モードは、オペレータにより手動で、又は、ＵＡＶ１００が傾斜表面３０４の上方の所定の高さにあることをＵＡＶの地上レベル（ＡＧＬ）センサが決定したときに自動的に、開始される。着陸飛行制御モードは、好ましくは飛行制御システム１１０により実行されるソフトウエアプログラムである。着陸飛行制御モードは道案内システム１１２から導き出されたデータからＵＡＶ１００の姿勢方位を監視する。通常の下降においては、ＵＡＶ１００は姿勢３０６の上方にあり、この場合、面圧がＵＡＶ１００に影響を及ぼし、下方のダクト１０４を横切る圧力差は均一である。ブロック２０４において、ＵＡＶ１００は、図４に示すような圧力差４０６を検出する。圧力差４０６は圧力センサを使用せずに姿勢データから推測することができる。代わりに、圧力差４０６は圧力センサを使用して検出することができる。

図４は、傾斜表面３０４の上方で更に下降するときのＶＴＯＬ−ＵＡＶ１００の絵図４００である。傾斜表面３０４に向かって下降しているとき、下方のダクト１０４を横切る圧力差４０６は均一ではなくなる。飛行制御システム１１０は、ＵＡＶ１００が体験する圧力差４０６を検出し、これを補償するように作動できる。

ブロック２０６において、飛行制御システム１１０は、羽根１６０を変調し、スロットルを制御することにより、圧力差４０６を検出し、これを補償する。飛行制御システム１１０は、対抗羽根運動４０２により、面圧によって生じる運動４０４に対抗する。羽根の偏向は表面の傾斜度に基づき変更することができ、一方、スロットルの設定は航空機の下降速度を維持するような推力に基づく。

ブロック２０８において、飛行制御システム１１０は、図５に示すような着陸接触状態を検出する。図５は、ＵＡＶ１００が接触地点５０２で傾斜表面３０４に接触した後のＵＡＶ１００の絵図５００である。傾斜表面３０４との接触が飛行制御システム１１０によっては修正できないような方位の変化を生じさせたとき、着陸接触状態の要件が満たされる。この状態は道案内システム１１２内に含まれる既存の船内センサにより検出することができる。

ブロック２１０において、着陸接触状態が検出された後、羽根１０６は図５に示すように上り坂方向においてＵＡＶ１００に回転を与えるために推力を提供するように調整される。対抗羽根運動５０４は接触地点５０２により生じる運動５０６に対抗するように設計される。スロットルはまた、羽根１０６の遷移中にＵＡＶ１００上の重力に対抗するのには十分大きいが、傾斜部３０４から着陸ギヤ１０８を引き離すほどには大きくない推力を提供するように、図８に示すように変調される。

ブロック２１２において、ＵＡＶ１００は、図６に示すように傾斜表面３０４上に着陸する。図６はＵＡＶ１００が傾斜表面３０４上に着陸した後のＵＡＶ１００の絵図６００である。着陸飛行制御は、すべての着陸ギヤ１０８が傾斜表面３０４に接触するまで、接触地点５０２のまわりでＵＡＶ１００を制御された割合で枢動させるように羽根１０６を調整する。この時点で、着陸状態の要件が満たされる。

着陸状態は、スロットルの連続する減少に拘わらず航空機の姿勢角度率のゼロへの減少として既存の船内センサにより検出することができる。着陸状態のための補助的な条件は、ＵＡＶ１００が航空機の特定の傾き(tip-over) 角度を満たしたことを船内センサが検出することである。着陸状態の要件が満たされたとき、スロットルは、ＵＡＶ１００を完全に着地させるようにゼロ又はアイドル状態に減少する。着陸飛行制御モード手順中の予期されるスロットル設定及び羽根の偏向は図８に示す。
離陸飛行制御モード
図７は、傾斜表面３０４からの（図６に示すような）垂直離陸６０２のための方法７００のフローチャートである。ブロック７０２において、ＵＡＶ１００はオペレータから発進指令を受け取る。発進制御を受け取ったとき、離陸飛行制御モードが開始される。離陸飛行制御モードは好ましくは飛行制御システム１１０により実行されるソフトウエアプログラムである。

ブロック７０４において、離陸飛行制御モードは、例えば、道案内システム１１２により導き出されたデータからＵＡＶ１００の姿勢方位を決定する。道案内システム１１２により測定されるような姿勢は、ＵＡＶ１００が傾斜表面３０４上に位置していることを表示することができる。

ブロック７０６において、離陸飛行制御モードは、船内センサによる重力の方向(vector)に関する航空機の姿勢の決定に基づき、図６に示すような正の角度に羽根１０６を方位決めする。スロットルが離陸推力を発生させるように増大したとき、羽根１０６は、ＵＡＶ１００が傾斜表面３０４から着陸ギヤ１０８を実質上同時に引き離すために予め位置するように、航空機の重心１１４に関する重力に対抗するように方位決めされる。離陸飛行制御モード手順中の予期されるスロットル設定及び羽根の偏向は図９に示す。

ブロック７０８において、ＵＡＶ１００は、最初は離陸表面に実質上垂直に、上昇を開始する。ＵＡＶ１００が傾斜表面３０４の上方の距離９０２に達したとき、既存の飛行制御が開始されて、ＵＡＶ１００を、ホバリング又は通常の飛行への遷移のための完全な姿勢へ移行させる。例えば、ＵＡＶ１００は離陸表面の上方の数ダクト直径分の距離内で垂直上昇を開始することができる。

ＵＡＶの飛行制御システムに離陸及び着陸モードを付加することにより、着陸ギヤはもはや傾斜表面３０４に対してＵＡＶ１００を水平にする必要がなくなる。その結果、ＵＡＶ１００は種々の地形に対して一層の特務を履行することができる。ＵＡＶ１００の軍事用及び商業用（例えば警察、消防士、国境警備、森林サービス及び安全保障）の双方の使用はＵＡＶ１００の改善された多能から有益になることができる。

図示の実施の形態は、単なる例であり、本発明の要旨を限定するものとして受け取るべきではないことを理解すべきである。例えば、本発明は他のＶＴＯＬ航空機に使用することができる。特許請求の範囲は特記しない限り説明した順番又は素子に限定されるものとして読むべきではない。それ故、特許請求の範囲の要旨及び精神内に入るすべての実施の形態及びその等価物は本発明として請求される。

１つの例に係る、垂直離陸及び着陸（ＶＴＯＬ）無人航空機（ＵＡＶ）のブロック線図である。 １つの例に係る、傾斜部上での垂直着陸の方法のフローチャートである。 １つの例に係る、傾斜部の上方で垂直に下降している図１に示すＶＴＯＬ−ＵＡＶの絵図である。 １つの例に係る、傾斜部の上方で垂直に下降している図１に示すＶＴＯＬ−ＵＡＶの別の絵図である。 １つの例に係る、航空機が傾斜部に接触した後の図１に示すＶＴＯＬ−ＵＡＶの絵図である。 １つの例に係る、航空機が傾斜部上に着陸した後の図１に示すＶＴＯＬ−ＵＡＶの絵図である。 １つの例に係る、傾斜部から垂直離陸する方法のフローチャートである。 １つの例に係る、着陸中のスロットル及び羽根の偏向と姿勢との関係を示すチャートである。 １つの例に係る、離陸中のスロットル及び羽根の偏向と姿勢との関係を示すチャートである。

Claims (3)

1. 傾斜表面上に無人航空機を着陸させる方法であって、
   傾斜表面の上方で垂直に下降させる工程と；
   傾斜表面により生じる圧力差を検出する工程と；
   圧力差により生じる運動に対抗する工程と；
   無人航空機が傾斜表面に接触した時点を検出する工程と；
   無人航空機が傾斜表面に接触したときに、無人航空機が傾斜表面に着陸してしまうまで、無人航空機を回転させる工程と；を組み合わせてなる方法。
2. 傾斜表面から無人航空機を垂直に離陸させる方法であって、
   発進指令を受け取る工程と；
   姿勢方位を決定する工程と；
   重力に対抗するように無人航空機の羽根を方位決めする工程と；
   傾斜表面から無人航空機の着陸ギヤを引き離すように推力を増大させる工程と；
   傾斜表面から実質上垂直に上昇させる工程と；を組み合わせてなる方法。
3. 傾斜表面上での垂直離陸及び着陸のための方法であって、
   傾斜表面に対して実質上垂直に最初に上昇するように無人航空機の少なくとも１つの羽根及び推力を調整するような離陸モードを、無人航空機の飛行制御システムに提供する工程と；
   無人航空機が着陸してしまうまで、接触地点のまわりで無人航空機を回転させるように、無人航空機が接触地点で傾斜表面に接触してしまったことを検出したときに、無人航空機の少なくとも１つの羽根及び推力を調整するような着陸モードを、無人航空機の飛行制御システムに提供する工程と；を有することを特徴とする方法。

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