JP2012516988A

JP2012516988A - マルチモードの無人航空機

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Publication number: JP2012516988A
Application number: JP2011548413A
Authority: JP
Inventors: ミラジェス，カルロス
Original assignee: Aerovironment Inc
Current assignee: Aerovironment Inc
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2030-02-02
Also published as: US9127908B2; KR101730664B1; KR20200049872A; SG173856A1; US20160025457A1; AU2010239639B2; KR102464125B1; CN102362141A; CA2979232A1; CA2759383A1; KR102105282B1; US20230104051A1; WO2010123611A1; US20100198514A1; CN105783594A; KR101851094B1; US10494093B1; KR20110133557A; JP6921147B2; KR101920188B1

Abstract

アップリンク信号（４５１）および／または情景変化の自律判定に反応して、終末ホーミングモード（５１０）から目標サーチモード（５３０）に移行する（５２０）よう構成された、無人航空機（ＵＡＶ）（１００）を具えるシステム。
【選択図】図４

Description

本願は、２００９年２月２日出願の米国仮特許出願第６１／１４９，３０４号、２００９年１１月９日出願の米国仮特許出願第６１／２４１，０１７号、２００９年１１月９日出願の米国仮特許出願第６１／２４０，９８５号，２００９年１１月９日出願の米国仮特許出願第６１／２４０，９８７号、２００９年１１月９日出願の米国仮特許出願第６１／２４０，９９６号、２００９年１１月９日出願の米国仮特許出願第６１／２４１，００１号の利益を主張するものであり、全ての目的のためにその全体が参照により本書に組み込まれる。

幾つかの実施形態における発明は無人航空機（ＵＡＶ）に関し、特に小型および／または一人で持ち運べるＵＡＶに関するものである。

誘導爆弾のような軍需品および、前方爆発性を有するおよび／または車両の運動エネルギを目標に付与するよう構成された攻撃ミサイルの有効性は、運動能力による限界を規定し、望ましくは目標を閉ループ終末ホーミングしている最中の目標を含む、縮小する円錐の有効体積として特徴付けることができる。このような軍需品やミサイルは、一般市民の要素といった非対象物に対して、少なくともある程度は対象を容易に定義できる従来の戦場には適応する。調査用ＵＡＶを含む偵察機は、通常は通信回線を介して調整され、認識された目標への砲爆のような空襲作戦を容易にする。ミサイルまたは軍需品を輸送するＵＡＶは、ＵＡＶからミサイルまたは軍需品を発射または投下することによって素早く反応する能力を有しうる。しかしながら、ＵＡＶからのミサイルまたは軍需品の投下も、上記の有効円錐が縮小するという欠点を有する。従来にない戦闘は巻き添え被害を最小限にする必要性を増加させるが、規定された有効円錐（すなわち、運動性能）を有するミサイルまたは軍需品では、運動時間の減少およびホーミング車両の制限された運動性能によって、目標を変更する、あるいはミサイルまたは誘導爆弾が目標に接近しているときに目標から外れることは一層難しくなる。図１Ａは、航空機５のような手段から発射されうる、操縦可能な誘導デバイスの運動円錐の平面図である。図示された誘導デバイスは図の右側への対地速度を有し、抗力および重力の双方の影響を受ける。誘導デバイス１０の予想軌道は、地表３０に設置された予定の目標２０に近付けることができる。空力エフェクタの調整および／または圧力中心または質量中心の何れかの移動次第で、誘導デバイス１０はその実際の軌道を運動領域４０として図１Ａの平面図に図示された運動円錐の体積内に収めることができる。最大の下方旋回では、誘導デバイスは予定目標から最も上方範囲の軌道として図示された軌道、すなわち運動円錐４０のアップレンジの運動限界境界線４２に従う。誘導デバイスの最適な滑空角特性を利用した最大の上方旋回では、誘導デバイスは予定目標から最も下方範囲の軌道、すなわち運動円錐４０のダウンレンジの運動限界境界線４１に従う。運動円錐４０底部のダウンレンジ落下予定範囲４５は、アップレンジの運動限界境界線４２と地表３０の交点４３から、ダウンレンジの運動限界境界線４１と地表３０の交点４４へと地表３０に沿った距離として規定することができる。図１Ｂは図１Ａの誘導デバイス１０の運動円錐５０の平面図であるが、飛行の後の時間である。運動円錐５０底部のダウンレンジ落下予定範囲５５は、アップレンジの運動限界境界線５２と地表３０の交点５３から、ダウンレンジの運動限界境界線５１と地表３０の交点５４へと地表３０に沿った距離として規定することができる。図１Ｂのダウンレンジ落下予定範囲５５は、図１Ａのダウンレンジ落下予定範囲４５よりも小さいことに留意されたい。すなわち、図１Ａを図１Ｂと比較すると、誘導デバイスが目標を要撃するのに可能な地表領域は、運動している攻撃車両が予定目標に接近すると縮小する。

本発明は、無人航空機（ＵＡＶ）の実施形態と、ＵＡＶが第１のモードから第２のモードにＵＡＶを移行するよう構成された処理ユニットを具えうる他の装置の実施形態とを含んでおり、第１のモードは終末ホーミングモードである。ＵＡＶの処理ユニットの終末ホーミングモードはさらに、目標体積へのホーミングを含みうる。幾つかの実施形態では、処理ユニットはさらに、アップリンク信号に反応して、終末ホーミングモードから第２のモードにＵＡＶを移行するよう構成される。幾つかの実施形態では、処理ユニットはさらに、処理ユニットの機上処理、オペレータ、および指示送信デバイスのうちの少なくとも１つによって生成された指示に反応して、終末ホーミングモードから第２のモードにＵＡＶを移行するよう構成される。幾つかの実施形態では、ペイロードはＵＡＶと一体型である。幾つかの実施形態では、ペイロードは、目標体積に近接したＵＡＶから放出されるよう構成されている。幾つかの実施形態では、処理ユニットは、コンピュータ実行可能な命令を実行するよう構成された中央プロセッサ、電気回路、電子回路、および論理ゲートアレイのうち少なくとも１つを具える。幾つかの実施形態では、第２のモードは目標サーチモードである。ＵＡＶの実施形態はさらに、目標センサを具えうる。ＵＡＶの複数の実施形態はさらに目標センサ一式を具えてもよく、ＵＡＶの目標センサ一式は、電気光学カメラ、遠赤外カメラ、短波長赤外カメラ、高周波受信機、および無線通信機のうちの少なくとも１つを具える。幾つかの実施形態では、ＵＡＶは重量値によって特徴付けてもよく、ＵＡＶはさらに、第２のモードの場合に、少なくともＵＡＶの重量値の揚力の大きさを維持するよう構成される。幾つかの実施形態では、ＵＡＶはさらに、第２のモードの場合に、少なくとも水平飛行を維持するよう構成されてもよい。ＵＡＶの複数の実施形態は、１０乃至１，０００ワット時の範囲のエネルギを蓄電した化学電池によって飛行中に動力供給されており、ＵＡＶは終末ホーミングモードの軌道から目標サーチモードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行することができる。ＵＡＶの幾つかの実施形態は、４４ワット時未満のエネルギを蓄電した化学電池によって飛行中に動力供給されており、ＵＡＶは終末ホーミングモードの軌道から目標サーチモードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行することができる。ＵＡＶの複数の実施形態は、２３キログラム未満の質量によって特徴付けることができる。ＵＡＶの複数の実施形態は少なくとも０．５キログラムの質量によって特徴付けられ、化学電池および電気モータ駆動プロペラにより飛行中に動力供給されており、ＵＡＶは終末ホーミングモードの軌道から調査モードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行することができる。ＵＡＶの複数の実施形態は、少なくとも１．３キログラムの質量によって特徴付けられ、化学電池および電気モータ駆動プロペラによって飛行中に動力供給されており、ＵＡＶは終末ホーミングモードの軌道から調査モードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行することができる。ＵＡＶの複数の実施形態は、終末ホーミングモードの軌道から目標サーチモードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行するよう構成されてもよく、ＵＡＶは２３キログラム未満の発射質量値により特徴付けることができ、ＵＡＶは（ａ）化学電池、および／または（ｂ）燃焼機関の少なくとも一方によって動力供給されたプロペラにより、飛行中に推力を生成するよう構成されてもよい。ＵＡＶの複数の実施形態は、終末ホーミングモードの軌道から目標サーチモードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行するよう構成されてもよく、ＵＡＶは２３キログラム未満の質量により特徴付けられ、ＵＡＶはタービン機関によって飛行中に推力を生成するよう構成されてもよい。ＵＡＶの複数の実施形態は、アップリンク信号が目標体積へのホーミングを含む終末ホーミングモードから目標サーチモードへのモードの移行を示すと処理ユニットが判定した場合、およびＵＡＶが目標体積に最接近する前に指示的なアップリンク信号が少なくとも２秒ＵＡＶに受信された場合に、目標サーチモードの軌道に移動させる動力飛行をするよう構成されてもよい。

本発明の複数の実施形態は、ペイロードを目標体積に送達するよう構成された無人航空機（ＵＡＶ）のエアフレームと、ＵＡＶエアフレームに搭載された処理ユニットとを有する装置を具えてもよく、処理ユニットは、コンピュータ実行可能な命令を実行するよう構成された中央処理ユニット、電気回路、電子回路、および論理ゲートアレイのうち少なくとも１つを具えており、処理ユニットは第１のモードから第２のモードに装置を移行するよう構成され、第１のモードは終末ホーミングモードであり、当該終末ホーミングモードは目標体積へのＵＡＶホーミングを含み、処理ユニットはさらに、処理ユニットの機上処理、オペレータ、および指示送信デバイスのうち少なくとも１つによって生成される指示に反応して、終末ホーミングモードから第２のモードに装置を移行するよう構成されている。これらの装置の幾つかの実施形態における第２のモードは目標サーチモードであり、この装置は更に、少なくとも目標サーチモードの間に、目標サーチ体積から電磁放射を受信するよう構成された目標センサを具えている。当該装置の複数の実施形態はさらに、目標サーチモードの場合に、少なくとも水平飛行を維持するよう構成することができる。

本発明は、機上処理である信号または数値に反応して、終末ホーミングモードから、調査モード、監視モード、偵察モード、観察モード、遠隔モード、および／または目標サーチモードの何れの別のモードに無人航空機（ＵＡＶ）を移行することが可能な方法およびシステムを含み、ＵＡＶの機上処理は、第３の航空機に搭載の指示送信デバイスまたは第３の送信局からの信号として、および／または、携帯のユーザインタフェースからおよび／または情景変化の自律判断によって生成された信号として、ＵＡＶのアップリンクにもたらされうるモード移行を開始する指示を認識する。例示的なシステムは、調査、観察および／または目標センサといった少なくとも１のセンサと処理ユニットとを具えるＵＡＶを含んでもよく、この処理ユニットは、アップリンク信号に反応して、ＵＡＶを終末ホーミングモードから目標サーチモードなどの別のモードに移行するよう構成されている。ＵＡＶの目標センサなどの少なくとも１のセンサは画像デバイスを具えることができ、処理ユニットは、１以上の画像が変化した状態に基づいて、終末ホーミングモードから目標サーチモードなどの別のモードにＵＡＶを移行するよう構成されてもよい。さらに、ＵＡＶは、終末ホーミングモードの軌道から目標サーチモードの軌道などの別のモードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行するよう動力供給することができる。

ＵＡＶの幾つかの実施形態は、１００ワット時未満のエネルギを蓄電する化学電池によって飛行中に動力供給し、ＵＡＶのプロペラモータに動力供給して、ＵＡＶを終末ホーミングモードの軌道から目標サーチモードの軌道などの別のモードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行することができる。ＵＡＶの幾つかの実施形態は１．０乃至１．４キログラムの質量を有し、化学電池によって飛行中に電気モータ駆動プロペラに動力を供給して、ＵＡＶを終末ホーミングモードの軌道から目標サーチモードの軌道などの別のモードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行してもよい。ＵＡＶの幾つかの実施形態は１．４キログラム未満の質量であり、電気的に動力供給される少なくとも１のプロペラを有する。約４乃至２５キログラムの質量を有するＵＡＶの幾つかの実施形態は、電気モータ、または燃焼機関、および／または電気−燃焼ハイブリッドエンジンによって動力供給される少なくとも１のプロペラを有しうる。ＵＡＶの幾つかの実施形態は、約２５キログラム以下の質量を有し、燃焼機関またはタービン機関によって動力供給されてもよい。

ＵＡＶの幾つかの実施形態は、終末ホーミングモードの軌道から目標サーチモードの軌道などの別のモードの軌道に移行する間に、局所重力加速度と航空機の質量の積よりも大きい、または航空機の重量よりも大きい揚力（空気力学的に上昇する力）の大きさを生成するよう構成される。ＵＡＶの幾つかの実施形態は、終末ホーミングモードの軌道から目標サーチモードの軌道などの別のモードに移行する間に、推力を生成するプロペラに動力供給するよう構成されてもよい。ＵＡＶの中心線に対してほぼ垂直な方向へのＵＡＶの加速飛行は「水平方向の加速度」と称され、中心線に沿った加速または減速は「縦方向の加速度」と称することができる。従って、ＵＡＶの複数の実施形態は、水平飛行に要求されるよりも横方向に加速する、すなわち、複数のモードが移行する期間にわたって重量を上回るよう構成される。すなわち、ＵＡＶは水平飛行を保持するために局所重力加速度よりも大きい揚力による第１の加速度を要しており、本発明では、ＵＡＶは局所重力加速度よりも大きい揚力による加速度を生成し、終末ホーミングモードの軌道から目標サーチモードなどの別のモードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行することが可能である。移行の一部として、航空機がプロペラを始動する、あるいはプロペラの回転速度を増加させることができる。ＵＡＶの複数の実施形態は、アップリンク信号が終末ホーミングモードから目標サーチモードなどの別のモードへのモードの移行を示すと処理ユニットが判定した場合、およびＵＡＶが目標に再接近する前に、幾つかの実施形態では少なくとも２秒というように、ＵＡＶが目標から離れる操作に間に合うようアップリンク信号がＵＡＶに受信される場合に、目標サーチモードなどの別のモードの軌道を実現するよう飛行中に動力供給することができる。このように離れる操作は、目標との衝突を防ぎ、目標から最小距離にＵＡＶを維持できるようにする。

ＵＡＶの複数の実施形態は、飛行モードの間で移行するよう構成されているため、目標ホーミングモードから目標サーチモードまたは調査モードなどの別のモードに移行している間、および任意に目標ホーミングモードに戻る間に、電池および／または可燃燃料などの蓄積された化学エネルギを、飛行高度の上昇といった航空機の位置エネルギおよび／または対気速度などの運動エネルギに変換することができる。

本発明のマシン利用可能処理の実施形態は、無人航空機（ＵＡＶ）の飛行モードを移行する方法を含み、当該方法は、（ａ）自動終末ホーミングモードの間に、ＵＡＶプロセッサによってモードの変化に対する検査をするステップと、（ｂ）外部発信源からのモード変更命令信号、および／または情景変化に基づいて自律的に生成された信号を受信するステップと、（ｃ）目標サーチモードなどの別のモードに移行し、モード変更命令信号に基づいて飛行命令を変更するステップとを具える。従って、幾つかの実施形態について、標的センサなどのＵＡＶの少なくとも１のセンサは画像デバイスを具えてもよく、処理ユニットは、閾値を越えるピクセル状態の量および／または大きさの変化、あるいは時間差方式の離散時間型の画像のフーリエ変換といった画像の情報内容または画像の一部における変化といった１以上の画像が変化した状態に基づいて、ＵＡＶを終末ホーミングモードから目標サーチモードなどの別のモードに移行するよう構成される。無人航空機（ＵＡＶ）の飛行モードを移行する例示的な方法は、（ａ）自動終末ホーミングモードの間に、ＵＡＶプロセッサによってモードの変化に対する検査をするステップと、（ｂ）モード変更命令信号を受信するステップと、（ｃ）目標検出および／または目標捕捉する別のモードのような、事前終末ホーミングモードに移行するステップと、（ｄ）モード変更命令信号に基づいて飛行命令を変更するステップとを含みうる。幾つかの実施形態について、モード変更命令信号を受信するステップは、１以上の画像が変化した状態に基づいてもよい。幾つかの実施形態について、モード変更命令信号を受信するステップは、地上の通信局または飛行送信機といった外部発信源に基づいてもよい。幾つかの実施形態について、事前終末ホーミングモードは目標サーチモードであってもよく、目標サーチモードはさらに、事前終末コミット体積を含みうる。ＵＡＶの複数の実施形態は画像や飛行状態のデータをダウンリンクしてもよいが、測定された画像センサのトラッキング角度、角速度ジャイロスコープ、直線加速度計、およびＧＰＳ受信機からの飛行データは全て機上の処理ユニットに取り込まれ、舵面アクチュエータおよび／またはプロペラの回転速度を制御することで飛行制御を変化させてもよい。

終末ホーミングは通常、ＵＡＶが適正速度、または最小の飛行終速度を維持するように推進システムがそのパワー出力を減少させる、あるいは全く必要がなくなる程の急傾斜である降下を含む。このような最小飛行速度は、ＵＡＶの失速および／または最小運動速度であってもよい。このような動力の減少は、音響学的な特性を減少させる。

本発明の様々なＵＡＶの実施形態は、例えば、（ａ）地表からの発射筒、（ｂ）他の空中プラットフォームから発射または投下、（ｃ）静止または移動している地上車または海上船舶から発射といった、幾つかのシステムによって発射することができる。

本発明の実施形態は例として図示されており、添付の図面に限定はされない。
図１Ａは、操作可能な攻撃車両の運動限界を示している。図１Ｂは、操作可能な攻撃車両の縮小した運動円錐の平面図である。図２Ａは、本発明の航空機の実施形態の平面図である。図２Ｂは、本発明の航空機の実施形態の側面図である。図３は、本発明のシステム構造の実施形態の最上位機能ブロック図である。図４は、本発明の実施形態の操作を展開した例示的な図である。図５は、本発明の実施形態の例示的なモード論理の最上位フローチャートである。図６は、本発明の実施形態の操作を展開した他の例示的な図である。図７は、本発明の実施形態の操作を展開した他の例示的な図である。図８は、本発明の実施形態の例示的なモード論理の他の最上位フローチャートである。図９は、地上目標に対するホーミングへのトラックパターンの移行、終末ホーミングからの離脱、およびトラックパターンへの復帰におけるＵＡＶの例示的な図である。図１０は、航空機の運動限界によってＵＡＶを拒む、例示的な空間体積を示している。図１１は、初期の終末ホーミング段階における運動および範囲限界を有する例示的なＵＡＶを示している。図１２は、後半の終末ホーミング段階における運動および範囲限界を有するＵＡＶを示している。

本発明の実施例を示す図面について説明する。図２Ａは、本発明のＵＡＶ部１００の実施例の上面図を示している。例示的なＵＡＶは、可視光および／または赤外光を検知するピクセルアレイのようなホーミングセンサ１１１を有する前端部１１０と、致命的または実際には非致命的、すなわち展開可能な電子組立部品の着色カプセルといった、正確に送達するための弾頭または他のペイロードなどの展開可能なペイロード１１２とを具える。この前端部は、非常に爆発しやすい（ＨＥ）、徹甲用、指向性爆薬、対人用、抗放射線、電磁パルス（ＥＭＰ）および／または有向性爆薬といった様々な弾頭を支持するよう構成することができる。これらの弾頭は、取り外し可能および／または交換可能であってもよい。前端部は弾頭ユニットの代わりまたはその一部に、ＵＡＶの軌道を伸ばしうる更なる電池パックを支持するよう構成されてもよい。ＵＡＶの複数の実施形態は、センサ１１１および１１５を含むセンサ一式を有する場合があり、ミリ波システム、レーザ受信機および／または送信機といったレーダー画像センサ、光検出および測距（ＬｉＤＡＲ）デバイスなどのレーザー画像システム、および電波受信機などの他の電磁検出器といった、１以上の受動的および／または能動的な受信器を具えている。このような例示的な前端部センサの商業的な供給源は、ボイシ、ＩＤ８３７０７−０００６のＭｉｃｒｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社による、ＭｉｃｒｏｎＭＴ９Ｐ０３１、５ＭｐのＣＭＯＳＤｉｇｉｔａｌＩｍａｇｅＳｅｎｓｏｒを含む。前端部１１０はさらに、電子アセンブリ（ＥＡ）１１３または航空電子機器を具えてもよく、これらは実行したときに、ＵＡＶの位置、直線および／または回転速度、直線加速度および／または姿勢に関連する情報を取り込み、オートパイロット処理および／またはエンジン制御処理または遠隔人間パイロット処理の何れかまたは双方に対する命令を生成する、誘導指示を有する誘導プロセッサを具えてもよい。前端部１１０またはＥＡ１１３はさらに、ＵＡＶが対象物または目標の周りを回転している間に対象物または目標の見ることができるよう配置された、側面センサまたはカメラ１１５（図２Ａおよび図２Ｂに図示）を具えうる。例えば、側面センサ１１５が地面を向くようにＵＡＶをバンクさせることにより、ＵＡＶが目標の周りを回転している間にセンサ１１５は目標をを観察できる。センサ１１５は、センサ１１１について本書に記載する任意の例示的なセンサであってもよい。

ＵＡＶは、電池ユニットなどの１以上の電源１１４と、内部燃焼機関を含む燃焼機関、タービン、または燃料タンクと、出力調整回路とを具えうる。さらに、推進力の供給源はタービン機関、または固体または液体ロケットモータといったプロペラシステムを増補させる、あるいは交換することができる。ＵＡＶの複数の実施形態は、１乃至１．５キログラムの範囲の質量におけるＵＡＶについて１０乃至３０分飛行させるためのプロペラモータを含む、機上の電気デバイスに動力供給するために用いることができる約４４ワット時のエネルギを蓄電する化学電池を具えうる。ＵＡＶの実施形態は、更に小型および／または更に短い飛行時間および／または少ない質量を有しうる、および／または異なる揚抗比を有してもよく、その結果、４４ワット時未満を要することもある。ＵＡＶの実施形態は、更に大型および／または更に長い飛行時間を有してもよく、その結果、４４ワット時以上を要することもある。航空機の質量が約１．３キログラム以上に増加すると、効果的な終末ホーミングの円錐に必要な推力および揚力は、航空機がハイブリッドシステムなどの４４ワット時以上を有する電池電気システムを増補させる、あるいは電池電気システムを内部燃焼機関および／またはタービン機関と交換する燃焼機関を具えるようにしてもよい。ＵＡＶは、ＥＡおよび／または航空機の重力中心に近接するＥＡおよび／または姿勢および／または速度のジャイロスコープおよび／または直線加速時計の一部などとして、ＧＰＳアンテナおよびＧＰＳ受信機といった航空機用のセンサを具えてもよい。ＵＡＶはプロペラ１３０およびプロペラモータ１３１などの推力を生成するモードを有してもよく、他の実施形態は、タービンモータおよび／またはロケットモータを別個または組み合わせて用いてもよい。

ＵＡＶは、右翼１４１、左翼１４２、左尾翼１４４、右尾翼１４３およびラダー翼１４５、１４６といった揚力面を有しうる。翼要素１４１、１４２は、エレボンとして駆動する駆動動翼１４７、１４８を有してもよい、あるいはエレベータとして駆動する面を有する翼として組み込むこともできる。ＵＡＶの実施形態は、水平飛行に対して重力加速度の約１．２乃至２．０倍の運動余裕を有し、出撃期間の大部分を持続できるよう最小であってもよい。終末ホーミングモードおよび中止が可能な最終時点では、ＵＡＶの複数の実施形態は、重力加速度の約２．０乃至２．５倍の運動余裕を有する。高い加速度を特徴とする運動性能が望ましいが、このような高性能は大型の翼および／または高い揚力、更なる重量および体積の双方を要する翼で得られると認識されている。ＵＡＶの複数の実施形態は、０．０４９平方メートル（約７６平方インチ）の翼面積を有し、０．０１６平方メートル（約１５平方インチ）乃至１．０平方メートル（約１５５０平方インチ）の範囲内となりうる。

２００９年９月９日出願の米国仮特許出願第６１／２４０，９８５号、名称「エレボン制御システム（Elevon Control System）」について説明がされており、参照により本書に組み込まれる。尾翼要素１４３、１４４は、エルロンまたはエレベータとして駆動する駆動動翼を有してもよい。ＵＡＶのラダー翼１４５、１４６は本体に固定されてもよい、すなわち、ラダー翼１４５、１４６は垂直安定板として機能し、その結果、ＵＡＶはヨーイングが静的に安定しうる、すなわち、航空機の重力中心の後部にヨーイングの圧力中心がある。ＵＡＶのヨーイングの安定性は、連結され制御される後縁部または１以上のラダー翼の面によって増加させることができる。ＵＡＶの幾つかの実施形態は、ＵＡＶの機体に適合する回転可能なプラットフォームに装着された２のラダーアセンブリを有し、ヨーイング制御の増大に影響を与えることができる。幾つかの実施形態では、ＵＡＶはＵＡＶ発射装置コンテナに梱包され、一人で持ち運びされる。２００９年９月９日出願の米国仮特許出願第６１／２４０，９８７号、名称「無人航空機の携帯用発射筒（Unmanned Aerial Vehicle Portable Launch Tube）」について説明がされており、参照により本書に組み込まれる。このＵＡＶは、０．５乃至２５キログラムの質量を有しうる。従って、ＵＡＶの幾つかの実施形態は、ＵＡＶが２５キログラム未満の発射重量を有し、化学電池、燃焼機関、またはその両方によって駆動されるプロペラによって飛行時に動力供給される場合に、終末ホーミングモードの軌道から目標サーチモードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行するよう構成することができる。幾つかの実施形態では、ＵＡＶはタービン機関によって動力供給されてもよい。ＵＡＶの実施形態は、ＵＡＶが１．０乃至２．０キログラムの発射重量を有し、化学電池、燃焼機関、またはその両方によって駆動されるプロペラによって飛行時に動力供給される場合に、５０乃至１２０ノットの対気速度、および約２０分の飛行機間を有しながら、終末ホーミングモードの軌道から目標サーチモードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行するよう構成することができる。

図２Ｂは、左翼１４２が動作している後縁動翼１４８を有し、２のアンテナワイヤ２１０、２２０（縮尺は一定ではない）が機体２０１から延在している例示的なＵＡＶの側面図を示している。アンテナ要素の１つはアップリンク２１０として利用してもよく、特に、終末ホーミングモードから目標サーチモードまたは偵察モードへの移行、あるいは目標サーチモードから終末ホーミングモードなどのホーミングモードへの移行を行うモード制御信号を受信する。他のアンテナ要素は、ライブビデオ、自動ビデオ追跡状態、飛行パラメータ、および／またはＵＡＶの状態といったデータを送信するためのダウンリンク２２０として用いることができる。送受信機能を有するよう具え付けられた場合、１つのアンテナを両方の機能に利用することができる。ビデオデータおよび飛行状態のデータはダウンリンクすることができるが、ＵＡＶは、ジャイロ、加速度計などの様々な機上飛行センサ、ＧＰＳ受信機の出力、および画像センサまたは他の前端部の目標追跡／追尾センサからの目標データを機上プロセッサによって処理し、動翼作動命令を生成し、目標サーチ段階および終末ホーミング段階の双方、およびその間の移行についてＵＡＶを適宜誘導する。ＧＰＳアンテナ２３０は機体に適合するか機体内に装着されてもよい、すなわち、ＧＰＳ周波数帯において非常に透過する（低損失）材料で作られた場合に、機体の内側に装着することができる。通常、ＧＰＳアンテナは、ＧＰＳ衛星の配置から信号を受信できるように、ＵＡＶの機体上または機体に沿って装着または配置することができる。

図３は、ＵＡＶ処理および誘導および制御サブシステム３００の例示的な機能ブロック図を示しており、誘導センサ３１０は、追尾または追跡プロセッサ３２０の追尾または追跡処理に関連する外部環境についての情報を提供する。誘導センサ、より一般的には誘導センサ一式は、受動的および／または能動的なレーダーサブシステム、赤外線検出サブシステム、赤外線画像サブシステム、ビデオカメラベースのサブシステムなどの可視光画像サブシステム、紫外光検出サブシステム、およびそれらの組み合わせを含みうる。追尾プロセッサ３２０は、画像処理および目標追跡処理の双方、およびアップリンク受信器３３５から受信されうる目標指定または再指定入力３２１および／または誘導プロセッサ３３０の出力を含みうる。画像処理および／または目標追跡情報３２２はダウンリンク送信機３２３を介して送信することができ、この送信機はアップリング／ダウリンク受信機の一部であってもよい。誘導処理の指示を実行する誘導プロセッサ３３０は、追尾処理３２０からの目標情報３２４、およびＧＰＳ受信機３３１、および／またはジャイロスコープおよび加速度計３３２からの位置、速度、および／または姿勢といったＵＡＶの飛行状態の情報がある場合には、それらを受け取ることができる。軌道を最適にする航路のウェイポイントおよび／または目標サーチを受信する誘導プロセッサ３３０は、メモリの記憶３３３を参照にしてもよい。システムの実施形態について、誘導プロセッサ３３０は、発射準備段階の外部データポート３３４によって、あるいは発射後段階のアップリンク受信機３３５によって、軌道を最適にする航路のウェイポイントおよび／または目標サーチを受信および／または更新してもよい。飛行経路、軌道、または角度や方向を変える航路を決定する指示の一部を実行する誘導プロセッサ３３０は、特に終末ホーミングモードではない場合に、軌道情報を最適にするウェイポイントおよび／または監視を参照にしてもよい。２００９年９月９日出願の米国仮特許出願第６１／２４１，００１号、名称「ＲＦ透過性発射筒における遠隔操作ＵＡＶを有する無人航空機システム（Unmanned Aerial Vehicle System with Remotely Operated UAV in an RF Transparent Launch Tube）」について説明されており、参照により本書に組み込まれる。誘導プロセッサ３３０は、アップリンク受信機３３５を介して命令を受信し、終末ホーミングモードから目標サーチモードすなわち非終末ホーミングモードに切り換えるか移行し、目標サーチモードから終末ホーミングモードに切り換えることができる。ＵＡＶは、自動的またはアップリンクに反応して、側方搭載型カメラすなわちセンサ１１５、または他の情景検出センサからの画像を処理し、前部搭載型カメラまたは他の情景検出センサに切り換えることができる。例えば、追尾処理３２０によってロックされた可視目標はＧＰＳ座標を基準に追跡され、修正可能な終末ソリューションの決定に関係する指示を実行する誘導プロセッサ３３０によって反復的に決定することができる終末ホーミングのソリューションに組み込むことができる。誘導処理３３０はＧＰＳ受信機に支援されるストラップダウン航法のソリューションを含んでもよく、外部アップリンクによって開始される、あるいは終末ホーミング段階の情景変化に基づいて自動的に開始される、終末ホーミングを中断した後の事前終末コミットポイントまたは復帰ウェイポイントの記録を適宜支持することができる。その後、ＵＡＶは、前の終末段階を開始した空間体積内、その近傍、またはほぼ同一の空間体積に戻ることができる。航空電子センサの実施形態は、５メガピクセルの解像度、６０Ｈｚの画像レート、１Ｘ−３Ｘなどのデジタルズーム、局所的なサブフレーム、および自動明度制御を有するデジタルカメラ、および／または６４０×４８０ＦＰＡフォーマット、スイス、ジュネーブのＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社のＡＲＭ（登録商標）９マイクロコントローラ、ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社のＬＩＳ３Ｌ０２ＤＱＭＥＭＳ３軸直線加速度計、マサチューセッツ州ノーウッドのＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓ社のＡＤＸＲＳ６１２ジャイロスコープ、カリフォルニア州ミルピタスのＳｉｌｉｃｏｎＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ社のＳＭ５８７２対気速度センサ、圧力計および高度計として中国ＶＴＩＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社のＳＣＰ１０００−Ｄ０１／Ｄ１１圧力センサ、ミネソタ州プリマスのＨｏｎｅｙｗｅｌｌ社のＨＭＣ１０４３磁力計、およびスイス、タルウィルのｕＢｌｏｘ社のＮＥＯ−５ＱＧＰＳ（Ｌ１、Ｃ／Ａコード）受信機およびパッチＬ１ＧＰＳアンテナを有する長波長赤外カメラなどの例示的なデバイスを含んでもよい。ミッションや予想される環境状態に応じて、他のＧＰＳ受信機およびアンテナを用いてもよい。

ＵＡＶの飛行対気速度の実施形態は５７乃至１３０マイル時（５０乃至１１２ノット）の範囲内であってもよいが、他の対気速度も可能である。終末ホーミングモードの例は、追跡誘導および終末ホーミングモードの衝突サブモードのために適用されうる重力付勢と、終末ホーミングモードの空中迎撃サブモードのために適用されうる加速度付勢とを有する比例航法誘導との組み合わせを利用してもよい。誘導処理３３０およびオートパイロット処理３４０は命令を実行してバンクトゥターン誘導に影響を与えることができ、例えばエレボンの実施形態では、主にロール角および揚力によって、さらにはプロペラのスロットル調整によって、速度ベクトルを再び方向付けることにより、航空機の方向を変えることができる。例えば、１以上の動翼は、力やトルクに航空機や速度ベクトルに対して垂直な直線加速度の一部を再び方向付けさせる１以上の動翼アクチュエータ３５０によって再び方向付けられる。速度ベクトルに沿った航空機の直線加速度の部分は空力抵抗に非常に影響され、直線加速度はモータプロセッサ３６０およびプロペラモータ３７０によって増加しうる。完全な３軸制御の実施形態については、スキッドターンおよび他の比例積分微分誘導を含む更なる制御トポロジを実装し、構造を制御してもよい。追尾処理、誘導処理、モータ処理、および／またはオートパイロット処理はアドレス可能なメモリを有する１つのマイクロプロセッサによって実行することができる、および／または、この処理はデータバスなどを介して分散通信における２以上のマイクロプロセッサに分散してもよい。

図４は、本発明のモード移行を単純化した図４００である。ＵＡＶ４１０は、目標サーチモード、偵察モード、監視モード、調査モードおよび／または他の観察モードの一部として、円形（すなわち、地上の地点または位置目標の周囲を回転）または他の飛行パターン４２０のレーストラックにあってもよい。追尾処理は、誘導処理および／または地上命令ノード４５０のような命令ノードからのアップリンクと共に、ＵＡＶ４１０を終末ホーミングの衝突モード４３０にすることができる。次に、弾頭の爆発、目印の投下、または染料の投与というようにペイロードを効果的に展開する、および／または目標と衝突させるために十分接近しようとして、ＵＡＶ４１０を地上車などの地上目標４４０に誘導することができる。ペイロードを展開する前に、ＵＡＶ４１０は命令ノード４５０からモード移行信号４５１を受信することができ、ＵＡＶ４１０は、モード移行信号４５１に反応して、以前（または少なくとも実質的に同一）の目標サーチ、偵察、監視、調査または観察モード４２０、または新たな目標サーチ、偵察、監視、調査または観察モード４６０に戻る。

複数の実施形態では、以前のモード４２０または新たなモード４６０の何れかにおいて、バンクターンをしているＵＡＶ４１０は、本書に記載する側部センサ１１５のような、バンクターンの内側を向いてＵＡＶ４１０に配置される側面に位置するセンサまたは横向きセンサは、回転のほぼ中心に位置する地上目標４９０を見ることができる。ＵＡＶが終末ホーミングモード４３０に移行した場合、ＵＡＶは、本書に記載するセンサ１１１（図２Ａ）のような前方に位置するセンサまたは正面センサに切り換えることができる。他の実施形態では、モード４２０および／またはモード４６０において、ＵＡＶ４１０は側部および前部カメラといった異なるセンサ間で切り換えて、目標の観察を維持してもよい。

ＵＡＶはヘリコプター４７０などの航空機との終末ホーミング空対空モードに入ってもよく、命令ノードは航空機４８０であってもよい。終末ホーミング空対空モードに入る信号に反応して、ＵＡＶは、終末ホーミング空対空モードの目標追跡に上手く適した誘導センサを使用するか、切り替えることができる。ＵＡＶ４１０は次に、弾頭の爆発というようにペイロードを効果的に展開する、および／または空中目標４７０と衝突させるために十分接近しようとして、空中目標４７０に誘導してもよい。ペイロードを展開する前に、ＵＡＶ４１０は、航空機命令ノード４８０などの命令ノードからモード移行信号４８１を受信してもよい。ＵＡＶ４１０は、モード移行信号４８１に反応して、以前の監視モード４２０、または新しいまたは代替的な目標サーチモード、または偵察モード４６０に戻る。ミッションは、出撃中、あるいはＵＡＶが飛行および作動している間に実行、実施および実現された、一連のイベント、モード、および／または目的として規定することができる。ミッションの間、幾つかの実施形態では、ＵＡＶは複数のモード移行信号を受信し、複数のモード移行を実行することがある。幾つかの実施形態では、終末ホーミングモードは、弾頭の爆発、または目標との接触、地表との接触、または空対空異常接近により終了することがある。

一度あるいは反復であろうと、操作のモード間を切り換えるＵＡＶ４１０の機能によって、ＵＡＶのオペレータは、離れた距離からある期間にわたって比較適広い視野の監視をすることができ、さらに更に詳細な情報を得るべく１度以上接近することも可能となる。監視位置にあるＵＡＶでは、オペレータに与えられる広いまたは広範囲の視野により、オペレータは監視下の領域および領域内に起こっているイベントの総合的または戦略的な把握が可能となる。すなわち、オペレータは、特定の位置目標だけではなく、周囲の領域、すなわち多くの他の予想される目標や非戦闘員の周囲を含む領域を見ることができる。これは、オペレータに、ＵＡＶ使用の選択肢といった融通性、および併せて可能な操作を与える。例えば、監視モードにあり、比較的高い高度にあるＵＡＶでは、オペレータは、建物やその周りの領域を見て車両や人の出入りを観察したり、ＵＡＶを投入するか否かといった決定をする前にそのような観察をしたり、投入する場合にはどの対象を目標にするかを観察することができる。

しかしながら、本書に記載するように、小型および／または人が携帯できるＵＡＶに利用できるような、（パンチルトズーム機能がない、または限定された）比較的小型の固定カメラの固有の制約が与えられるため、ＵＡＶが監視位置にある間にもたらされる詳細の量は、戦闘や標的の開始を決定するオペレータの要求を満たすには十分でないことがある。すなわち、この詳細は特定の建物または領域を選択するには十分となりうるが、特定の車両または生物の選択または区別には十分でないことがある。

このような場合、本発明の実施形態によって、オペレータが終末ホーミングモードを開始し、ＵＡＶが目標に接近して非常に詳しい情報を得るために、選択／指定された目標へとＵＡＶ４１０を誘導することが可能である。この手法の際、オペレータは、初期の目標の選択または除外の確認、他の目標の選択、選定した接近法の評価、および／または他の位置目標への接近、目標または目標領域の更なる情報の入手、特定の人物、車両、建物、または他のもの、または他のこのような動作の識別を含む多くの異なる方法で、この詳細な情報を利用してもよい。本書に記載するように、この終末ホーミング段階では、オペレータおよび／またはＵＡＶプロセッサは、モードの変更を命令し、ＵＡＶ４１０を終末ホーミングから監視または目標サーチモードに移行させることができる。ミッションが進行している間、オペレータは、位置目標または目標および／または周囲の領域における所望の情報を得るべく、位置目標に到達するかペイロードを展開する前に移行するされることを知りながらも、幾つかの終末ホーミング手法に投入することができる。

図５は、モード移行の論理の例を示す最上位フローチャート５００である。ＵＡＶは自動終末ホーミングモード５１０にあり、モード変更入力５２０を連続的に検査している。この例では、ペイロードを展開する前に外部発信源からモード変更命令信号が受信された場合、ペイロードを展開することなく、ＵＡＶを目標サーチ／監視モード５３０、または偵察モードに移行することができる。ＵＡＶのモード論理処理は、例えば、１以上の目標としている基準が５４０を満たして自動終末ホーミングを開始する、あるいはＵＡＶがアップリンクの命令５５０によって終末ホーミングに入ることができるまで、このモード５３０を続けることがある。終末モードは、衝突、すなわち地上目標の迎撃、および／または空対空迎撃またはペイロードを展開するサブモードを含むことがあり、ペイロードを展開するサブモードはサブのサブモードを含んでもよく、サブのサブモードは染料の散布が続く目印の展開を含みうる。

図４に図示された幾つかの実施形態はさらに、ホーミング後のウェイポイントおよび／またはコミットポイントといった復帰点の、ｘｙｚ、北−東−下方（ＮＥＤ）といった３空間の座標を記録するよう構成された処理を含む。例えば、図６は、目標サーチ、監視／調査モード、偵察モードおよび／または観察モードの一部として、円形または他の飛行パターン４２０のレーストラックにおけるＵＡＶ４１０を図示している。誘導処理および／または地上命令ノード４５０のような命令ノードからのアップリンクと共に、追尾処理はコミットポイント６１０または空間のコミット体積において、ＵＡＶ４１０を終末ホーミングの衝突モード４３０にすることができる。コミットポイント６１０またはコミット空間は、ＵＡＶの向きを目標上に設置し、ＵＡＶを少なくとも配置して、これにより、ＵＡＶのホーミングおよび／または目標センサが追跡のために目標を得るまたは画像化することが可能となる。次に、ＵＡＶ４１０は地上車などの地上目標４４０に対して誘導される。ペイロードを展開する前、ＵＡＶ４１０は、命令ノード４５０からモード移行信号４５１を受信することができ、ＵＡＶ４１０は、モード移行信号４５１に反応して、図４に示すように、以前の目標サーチまたは調査／監視または偵察モード４２０あるいは新たな目標サーチまたは調査／監視モード（図示せず）または偵察モード４６０に戻り、特にコミット体積またはコミットポイント６１０、または少なくとも実質的にこの体積またはポイントに戻ることができる。他の処理の選択肢は、例えば、ＵＡＶを目標に再接近および／または最速に戻す、新たなコミットポイントといった偵察する新たな位置および／またはコミットポイントにＵＡＶを向ける、あるいは、ホーミングおよび／または目標センサが目標を捕捉または画像化できるように少なくとも十分に再配置することである。例えば、ＵＡＶは、ＵＡＶ搭載のカメラからもたらされるダウンリンクで送られる表示を介して、オペレータが目標や目標への攻撃の開始を見ることができる新たな位置に誘導することができる。コミットポイント６１０におけるＵＡＶの向きは、ホーミングセンサ／目標センサおよび／またはＵＡＶのパイロットを目標に再投入させるのを補助する。ＵＡＶが偵察および／またはコミットポイント６１０に達するか近接する場合の実施形態では、ＵＡＶはダウンリンクなどを介してユーザに通知することができる。従って、オペレータはダウンリンクを介して多くの興味がある領域の視界を受信することができ、オペレータの状況認識を高め、その結果、終末ホーミングを投入させる実行可能な目標を識別するのにオペレータが要する時間を減少させることができる。

図４に前記した幾つかの実施形態はさらに、ホーミング後のウェイポイントおよび／またはコミットポイントといった復帰点の、ｘｙｚ、ＮＥＤといった３空間の座標を記録するよう構成された処理を含む。例えば、図７は、監視／調査、目標サーチモード、または偵察モードの一部として、円形または他の飛行パターン４２０のレーストラックにあるＵＡＶ４１０を示している。誘導処理および／または地上命令ノード４５０のような命令ノードからのアップリンクと共に、目標センサ処理は、コミットポイント６１０または空間のコミット体積において、ＵＡＶ４１０を終末ホーミング衝突モード４３０に入れることができる。ＵＡＶ４１０は次いで、地上車などの地上目標４４０に対して誘導することもできる。ペイロードを展開する前に、ＵＡＶ４１０は、自律的にＵＡＶ自体をモード移行して、図４に示すように、以前の監視モード４２０または新たな目標サーチ、調査／監視、または偵察モード４６０に戻ることができ、特に、コミット体積またはコミットポイント６１０に戻ることができる。例えば、ヘリコプター４７０は目標車両４４０とＵＡＶ４１０の間を飛行していることがある。ＵＡＶ搭載の画像処理は、目標の追跡画像の内容における急激な変化を検出し、自律的に飛行モードを変更してコミット体積６１０またはモード４２０に戻すことができる。例えば、画像処理は、ピクセル状態におけるフレーム間の変化、または幾つかのフレームにわたる変化、あるいはピクセル状態におけるフレーム間の変化の一部を判定する閾値テストを含むことがあり、晴天での（ＶＦＲ）航法を表す閾値レベルに軽微な天候状態の影響を加える場合、この閾値は目標とホーミングしているＵＡＶの間にある航空機といった目標を不明瞭にする物体を表すことがある、および／または、この閾値は、煙幕等によって目標自体を遮蔽する目標領域または遮蔽位置に移動している目標を表すことがある。他のテストは、目標を含む画像領域といった画像の一部の離散型フーリエ変換（ＤＦＴ）における、フレーム間の画像の変化、または幾つかのフレームにわたる変化に基づく閾値化テストを含んでもよく、フレーム間または幾つかのフレームにわたるＤＦＴの急激な変化は、終末ホーミングから調査モードへの移行を要する不明瞭さを表す場合がある。

図８は、モード移行の論理の例を示す最上位フローチャート８００である。ＵＡＶは自動の終末ホーミングモード８１０にあり、モードの変化８２０を設定すべく状況を継続的に調査することができる。この例では、ＵＡＶは搭載カメラを介して受信した画像の全てまたは一部を処理することができ、情景の内容がペイロードを展開する前のある一定期間で著しく変化したか否かを検査することができる。変化していない場合、この画像処理は、ペイロードを展開せずに、飛行モードを保存されている終末ホーミングのコミット体積８３０に、または目標サーチ、調査／監視または偵察モードに移行できるモード変更フラグを立てることができる。ＵＡＶモードの論理処理は、例えば、１以上の目標とする基準８４０が満たされて自動終末ホーミングを開始するまでこのモード８３０を続けてもよい、あるいは、ＵＡＶはアップリンクによる命令８５０によって終末ホーミングに入ってもよい。情景変化テストの例は、一連のフレームにわたって検出された明暗度の範囲のパーセンテージを含む、ピクセル変化の最小パーセンテージを含みうる。画像範囲内、特に画像追跡機に網羅される領域に近接する範囲内の急激な明暗度の変化は、目標とＵＡＶの間に位置する物体または誤判定の追跡ソリューションを示すことがある。情景変化テストの他の例は、選択された間隔で画像の一部の２次元周波数変換を比較し、著しい情景構成の変化が起こったか否かを判定することができる。画像の一部の周波数成分における急激な変化、すなわち、特に画像追跡機に網羅される領域に近接する画像の複雑度の変化は、目標とＵＡＶの間に位置する物体または誤判定の追跡ソリューションを示すことがある。ＵＡＶの複数の実施形態は、オペレータとの信号連絡を失った場合に、ＵＡＶがミッションを続けたり、場合によって監視モードへと戻す変更が可能な機上処理を有する。例えば、地上ベースのオペレータは、ユーザインタフェースやアップリンクを介して目標を指定することができ、この指定に反応して、ＵＡＶは終末ホーミング段階を開始してもよい。ＵＡＶが地表に接近するにつれて、オペレータとＵＡＶの間の視程が、山および／または木などによって失われる場合がある。視程通信の損失は、機上処理によってＵＡＶを作動させ、終末段階からモードを変化させて、視程信号接続を回復するのに十分な高度でＵＡＶを監視モードに戻すことができる。ＵＡＶは視程通信の中断を検出した時点またはその後に機上に１以上の画像フレームを記録してもよく、一端視程通信が回復すると、ＵＡＶはダウンリンクを介して１以上の記録されたフレームを送信することができる。

ＵＡＶを制御したり誘導または操縦するのに必要な処理は完全にＵＡＶの機上に位置しているため、ＵＡＶは遠隔ユーザ、オペレータまたは機外のプロセッサから独立して操作することができる。すなわち、ＵＡＶの操作は別の機外プロセッサおよび／またはオペレータとの通信リンクの維持に依存していない。複数の実施形態では、機上プロセッサはオペレータとの通信を喪失した後に、ＵＡＶが現行のモードを維持する、または自動的に所定の別または代替のモード、および／または規定の一連の動作またはモードに移行するようにプログラムされている。例えば、目標への終末ホーミングモードにおけるＵＡＶは、通信信号が中断された場合に、終末ホーミングを維持するようプログラムできる。この方法では、ＵＡＶの機上処理およびシステムは、終末ホーミングを継続して完了し、オペレータ、ユーザおよび／または機外プロセッサからの更なる入力または指示がなくとも自動的にペイロードを送達するようにＵＡＶを誘導することができる。

ＵＡＶの実施形態は電池などの機上電源を具え、動力供給装置などを介して処理に動力供給することができ、１以上の電気機械アクチュエータの電気回路およびプロペラ駆動電気回路用の共同電源として１以上の電池を有しうる。このＵＡＶの実施形態の対気速度は、５０乃至１２０ノットの範囲にあってもよい。従って、ＵＡＶは、速度ベクトルに関して、地上車よりも大きい横加速度を有するサイズであってもよく、更に、ゆっくりと運動している目標よりも大きい横加速度、すなわち車両の中心線に対して垂直な加速度を有するサイズであってもよい。例えば、地上車は０．１Ｇｓで加速または減速し、制動する場合は更に高くなることがあり、Ｇは公称重力加速度であって、ヘリコプターは０．３Ｇｓで加速または減速し、上昇または急降下する場合は更に高くなりうる。ＵＡＶの空力反応または運動反応は、ＵＡＶが命令された横加速度の６３％に達する時間によって規定される運動時定数によって特徴付けることができる。運動している目標、終末ホーミング段階において回避時定数によって特徴付けられる速度ベクトルの向きおよび／または大きさを変更している目標に対するＵＡＶの適用については、ＵＡＶの運動時定数は目標の回避時定数より小さくてもよい。例えば、人間のオペレータがいる地上車は、３秒の回避時定数で減速する場合があり、従って、正常な終末ホーミングのＵＡＶは、ペイロードおよび／または弾頭がミッションの効果を必要とするときに、ＵＡＶの速度方向を再調整して目標に衝突させる、および／または目標の十分近くに接近させるため、３秒未満の運動時定数を有してもよい。

終末ホーミングの軌道は、ＵＡＶの運動時定数の１０倍よりも大きい迎撃時または衝突時に開始してもよい。ＵＡＶは、照準点に最接近できるまで、２乃至３０秒で照準点に向けて終末ホーミングモードに入ることができる。人間のオペレータは終末ホーミングモードから中断するため０．５乃至１．５秒を飛行時間に加えることがある。すなわち、ユーザからの入力、または自動追跡のトリッピングにおける、目標に最接近するまで３秒という閾値は、任意には動力飛行下で、ＵＡＶが目標から離れたりウェイポイントに向かう運動をするには十分な時間となりうる。終末ホーミング段階がほぼ終了、すなわち、幾つかの運動時定数が続くホーミング軌道段階を実行して、ＵＡＶを目標サーチ、調査、監視および／または偵察軌道または飛行経路に入れることで取り出すことができるのに十分なエネルギが残るように、機上のＵＡＶエネルギは十分ある。ＵＡＶの幾つかの実施形態は、プロペラモータに殆どまたは全く動力供給しないモードにおいて、飛行の終末段階を実行してもよい。ＵＡＶはプロペラモータに動力供給して、終末段階を中止する操作を実行することもできる。例示的なＵＡＶに有効な推進力は水平飛行に要するレベルよりも大きく、終末段階を中断した後に、ウェイポイントまたは目標サーチ、調査、監視および／または偵察軌道またはモードなどの飛行パターンにＵＡＶが戻る選択を容易にする。すなわち、目標ホーミングモードから目標サーチ、調査、監視および／または偵察モードに戻る移行の間、ＵＡＶの複数の実施形態は、電池の蓄電および／または燃料リザーバなどの蓄積された化学エネルギを、高度増加による航空機の位置エネルギ、および速度増加による運動エネルギに変換することが可能である。

図９は、地上目標９２０へのホーミング９１１に移行し、自立的または第３者の何れかによって終末ホーミングを中断し、レーストラック９１０に戻る９１２、レーストラック９１０におけるＵＡＶ９０５を図示している。飛行可能な空域９３０は、ＵＡＶ９０５の機上動力と、ＵＡＶ９０５の最大高度の性能９３１によって制限されたドーム状の体積として図示されている。その運動性能、機上動力、および位置エネルギと運動エネルギの間で変換する能力により、この例に示すＵＡＶ９０５は、様々な方法で飛行可能な空域９３０を利用して、ミッションおよび／またはオペレータの要求および／または要件を容易にする能力および性能を有している。例えば、ＵＡＶ９０５は飛行可能な空域９３０内を移動して、目標サーチ、調査、監視、偵察を実行する、および／または離れて目標９２０を観察をする、あるいは目標９２０のホーミングの投入９１１の開始を待機してもよく、ＵＡＶ９０５は１以上のホーミング段階９１１に入って目標と交戦または評価してもよく、あるいはＵＡＶを経路９１２のような任意の経路を通って再配置し、所望の姿勢／高度および／または接近角度および／または標的体積９２１内の目標９２０への方向を実現してもよい。このような例または他の同様の動作はそれぞれ、飛行可能な空域９３０内に関わらず、実用的にまたは効果的に無制限の異なる高度、姿勢、空間および位置において達成できることに留意されたい。ＵＡＶ９０５が飛行可能な空域９３０を飛行し続け、機上動力が消耗されるにつれて、ＵＡＶ９０５の飛行可能な空域９３０の地上到達範囲の半径（図９に範囲９４０として直線的に示す）は単に縮小するであろう。例えば、４０乃至５０ワット時を蓄電するリチウム電池を有する、１．０乃至２．０キログラムの質量の例示的なＵＡＶの実施形態は、６０乃至１２０ｍｐｈの管出口速度を生じさせるべく管内の１以上の気体生成要素を用いて管式発射され、このＵＡＶは、電動プロペラを用いて、約１０乃至３０分間の調査姿勢のために、終末投入とホーミングの中断を繰り返すにもかかわらず、縮小する飛行可能な空域９３０を維持する。

図１０に示すように、ＵＡＶ９０５は全ての飛行可能な空域を利用することができるが、規定するような運動する能力に制限され、長円１０２１、１０２２のような断面で図１０に示す環状体積によって表すことができることに留意されたい。動力飛行およびＵＡＶによって実施されるエネルギをモニタおよび管理することは、その飛行時間のほぼすべての間、終末ホーミング段階の非常に後半または電池の寿命および位置エネルギおよび運動エネルギによって限定されるような可能な飛行時間の非常に後半を除いて、ＵＡＶがほぼ非対称の三角領域１０３０のような平面に表された円錐あるいは限定された運動線を回避できるようにする。

固有の運動性の欠如、および／または十分に利用可能および／または適用できるエネルギの欠如があり、これらが、運動性能の限界によって制限され、地表、構造物、または他の通過不能な物体で終端する爆弾またはミサイルから予測される固定および／または閉鎖運動円錐を規定する誘導爆弾やミサイルとは異なり、本発明の実施形態のＵＡＶは、十分な運動性能や利用可能および／または適用できるエネルギを有しており、図９および図１０に示すような所定の領域または体積内の何処でも自由に移動することが可能である。すなわち、本発明の実施形態では、誘導爆弾またはミサイルの操作とほぼ同様の方法で、地表、または他の通過不能な物体へとＵＡＶを向ける、すなわち地上の目標へのホーミングによって、ＵＡＶは終末ホーミングモードに入ることができるが、誘導爆弾またはミサイルとは異なり、ＵＡＶは十分な運動性能と適用できるエネルギを保持し、目的としている地表または他の通過不能な物体との衝突を避けることができる。すなわち、本発明の実施形態のＵＡＶは、誘導爆弾またはミサイルの場合のように、地表または通過不能な物体と交差または衝突することを必要とする閉鎖運動限界円錐にＵＡＶの運動を最初および／または常に限定はしない。対照的に、ＵＡＶは運動性能を有し、ＵＡＶが終末ホーミングモードから目標サーチ、調査、監視および／または偵察モードに移行する場合などに、十分なエネルギを適用して、迂回または回避軌道によって上昇させて、地上、目標または他の通過不能な物体に少なくとも１度、場合によっては数回衝突するのを防ぐことができる。

すなわち、誘導爆弾、または地上目標にホーミングしているミサイルは、運動円錐の地表落下予定地内の目標または隣接する地点のいずれかに必ず衝突し、これは、特定の誘導爆弾またはミサイルの運動限界の特性である。対照的に、終末ホーミングモードにおける本発明のＵＡＶの実施形態は、地上目標から撤退して運動を終え、地上目標から離れることができる。その後、ＵＡＶの実施形態は調査を行い、本来の目標を再び投入する、あるいは第２の目標への別または新たな終末ホーミングモードに移行することにより、第２の目標に投入することができる。

例えば、図１１は、目標体積９２１における目標９２０がＵＡＶの範囲限界１１１０およびＵＡＶの運動性能の双方の範囲内にある、終末ホーミング段階におけるＵＡＶ９０５を示している。従って、ＵＡＶは適時終末ホーミング段階を中止して、例示的な迂回軌道１１２０によって更に高い高度に飛行することができ、従って、潜在的に運動エネルギの一部を位置エネルギに変換し、化学電池などの機上の電源から生成されうるプロペラ動作といった推力からのエネルギを場合によって追加する。ＵＡＶの実施形態は、ＵＡＶが必要な場合に監視高度、またはさらに高い高度に戻るのに十分な、リチウム電池などの化学電池といった機上電源を具えている。すなわち、急降下および回復している間、例えばプロペラから追加される更なる推力がないといった、運動エネルギから位置エネルギへの位置エネルギ変換のみがあり、空気抵抗などのエネルギ損失はＵＡＶが有するエネルギ全体を低下させて、終末ホーミング段階または急降下の初期にＵＡＶが有していた同一の高度および速度にＵＡＶが回復するのを妨げる。誘導爆弾やストライクミサイルとは異なり、本発明のＵＡＶの実施形態は電池からＵＡＶの飛行エネルギに動力を変換するよう構成されており、このようなＵＡＶは、終末ホーミング段階またはモードまたは急降下の初期にＵＡＶが有していたような高度や速度と同等またはそれよりも大きい高度や速度を得ることができる。

図１２は、動力飛行およびエネルギをモニタおよび管理した状況でさえ、最後の運動時定数のＵＡＶ９０５が運動限界円錐１２１０によって制限されうることを示している。従って、図１２は、車両と目標の配置およびＵＡＶ９０５自体の横加速度の制約により、運動限界を有するＵＡＶ９０５を示している。図１２では、例示的なＵＡＶ９０５は目標サーチ、調査、監視、または偵察モードに戻ることはできないと予想でき、目標体積９２１内の目標９２０または地表１２３０と衝突する場合がある。すなわち、反応性および最大横加速度の双方に関して、図示のような例示的なＵＡＶ９０５の横方向の運動性能は、閉鎖速度および正常な迂回運動をさせる目標にわたる範囲に対して不十分である。

本発明の実施形態では、運動限界円錐１２１０に図示されるように、ＵＡＶの運動限界および地表および／または目標といった通過できない物体によって境界付けられた閉鎖運動円錐が形成され、ＵＡＶが目標、地表または通過不能な物体に衝突するまでの時間が約２乃至３秒の場合、ＵＡＶは迂回軌道１１２０に示すような回避軌道を得ることはできない。本発明の実施形態では、運動限界円錐１２１０に図示されるような、ＵＡＶの運動限界および地表および／または目標といった通過できない物体によって境界付けられた閉鎖運動円錐が形成され、ＵＡＶが目標、地表または通過不能な物体からＵＡＶの速度の約２乃至３秒相当しか離れていない場合、ＵＡＶは迂回軌道１１２０に示すような回避軌道を得ることができない。

上記の実施形態の特定の機能および態様の様々な組み合わせおよび／または半組み合わせをすることができ、それらは本発明の範囲内に収まると考えられる。従って、開示された実施形態の様々な機能および態様は、開示された発明の多様なモードを形成するために、互いに組み合わせられる、あるいは置換されると理解されたい。さらに、例示として本書に開示された本発明の範囲は、上記に具体的に開示された実施形態に限定するものではない。

Claims

無人航空機（ＵＡＶ）において：
当該ＵＡＶを第１のモードから第２のモードに移行するよう構成された処理ユニットを具えており、前記第１のモードは終末ホーミングモードであって；当該ＵＡＶはさらに、ペイロードを目標体積に送達するよう構成されることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、前記終末ホーミングモードが、前記ＵＡＶを前記目標体積に誘導する１以上の指示を含むことを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、前記処理ユニットがさらに、アップリンク信号に反応して、前記終末ホーミングモードから前記第２のモードに前記ＵＡＶを移行するよう構成されることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、前記処理ユニットがさらに、前記処理ユニットの機上処理；オペレータ；および指示送信デバイスのうちの少なくとも１つによって生成された指示に反応して、前記終末ホーミングモードから前記第２のモードに前記ＵＡＶを移行するよう構成されることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、前記ペイロードが、前記ＵＡＶに一体化されることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、前記ペイロードが、前記目標体積に近接する前記ＵＡＶから射出されるよう構成されることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、前記処理ユニットが、コンピュータ実行可能な指示を実行するよう構成された中央プロセッサ；電気回路；電子回路；および論理ゲートアレイのうち少なくとも１つを具えることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、前記第２のモードが、目標サーチモードであることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、前記ＵＡＶがさらに、目標センサを具えることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機がさらに、目標センサ一式を具えており、前記ＵＡＶの前記目標センサ一式は、電気光学カメラ、長波赤外カメラ、短波赤外カメラ、無線周波数受信機、および無線周波数送信機のうち、少なくとも１つを具えることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、当該ＵＡＶが重量値を特徴としており、当該ＵＡＶがさらに、前記第２のモードの場合に、少なくとも前記ＵＡＶの重量値の揚力の大きさを維持するよう構成されることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、前記ＵＡＶがさらに、前記第２のモードの場合に、少なくとも水平飛行を維持するよう構成されることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、前記ＵＡＶは、１０乃至１，０００ワット時の範囲のエネルギを蓄電した化学電池によって飛行中に動力供給されており、前記ＵＡＶは終末ホーミングモードの軌道から目標サーチモードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行できることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、前記ＵＡＶは、４４ワット時未満のエネルギを蓄電する化学電池によって飛行中に動力供給されており、前記ＵＡＶは終末ホーミングモードの軌道から目標サーチモードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行できることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、前記ＵＡＶが、２３キログラム未満の質量であることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、前記ＵＡＶが少なくとも０．５キログラムの質量を特徴とし、化学電池および電気モータ駆動プロペラによって飛行中に動力供給されており、前記ＵＡＶは終末ホーミングモードの軌道から調査モードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行できることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、前記ＵＡＶが少なくとも１．３キログラムの質量を特徴とし、化学電池および電気モータ駆動プロペラによって飛行中に動力供給されており、前記ＵＡＶは終末ホーミングモードの軌道から調査モードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行できることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、前記ＵＡＶが終末ホーミングモードの軌道から目標サーチモードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行するよう構成されており、前記ＵＡＶは２３キログラム未満の発射質量を特徴とし、前記ＵＡＶは、（ａ）化学電池および（ｂ）燃焼機関の少なくとも一方によって動力供給されたプロペラにより飛行中に推力を生成するよう構成されることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、前記ＵＡＶが終末ホーミングモードの軌道から目標サーチモードの軌道に移行し、その後に終末ホーミングモードの軌道に移行するよう構成されており、前記ＵＡＶは２３キログラム未満の質量を特徴とし、前記ＵＡＶはタービン機関によって飛行中に推力を生成するよう構成されることを特徴とする無人航空機。
請求項１に記載の無人航空機において、アップリンク信号が目標体積への誘導を含む終末ホーミングモードから目標サーチモードへのモード移行を示すと前記処理ユニットが判定した場合、および前記ＵＡＶが前記目標体積に最接近する前に、指示的な前記アップリンク信号が少なくとも２秒前記ＵＡＶに受信された場合に、前記ＵＡＶが目標サーチモードの軌道に移動する動力飛行をするよう構成されることを特徴とする無人航空機。
目標体積への誘導によって、ペイロードを前記目標体積に送達するよう構成された無人航空機（ＵＡＶ）の機体と；
前記ＵＡＶの機体に搭載した処理ユニットとを具える装置であって、前記処理ユニットは、コンピュータ実行可能な指示を実行するよう構成された中央処理ユニット；電気回路；電子回路；および論理ゲートアレイの少なくとも１つを具えており、前記処理ユニットは第１のモードから第２のモードに当該装置を移行するよう構成されており、
前記第１のモードは終末ホーミングモードであり、前記終末ホーミングモードは前記ＵＡＶを前記目標体積に誘導するための１以上の指示の実行を含んでおり、前記処理ユニットはさらに、前記処理ユニットの機上処理；オペレータ；および指示送信デバイスのうちの少なくとも１つによって生成された指示に反応して、前記終末ホーミングモードから前記第２のモードに当該装置を移行するよう構成されることを特徴とする装置。
請求項２１に記載の装置において、前記第２のモードが目標サーチモードであって、当該装置は更に、少なくとも前記目標サーチモードの間に、目標サーチ体積から電磁放射線を受信するよう構成された目標センサを具えることを特徴とする装置。
請求項２２に記載の装置において、当該装置が更に、前記目標サーチモードにおいて、少なくとも水平飛行を維持するよう構成されることを特徴とする装置。
無人航空機（ＵＡＶ）の飛行モードを移行する方法において：
ＵＡＶの処理ユニットによって、第１のモードにおいてモードの変化をテストするステップであって、前記第１のモードはペイロードを目標体積に送達する自動終末ホーミングモードであるステップと；
モード変更命令信号を受信するステップと；
前記モード変更命令信号に基づいて第２のモードに移行するステップとを含むことを特徴とする方法。
請求項２４に記載の方法において、前記終末ホーミングモードがさらに、前記ＵＡＶによる、前記目標体積への誘導を含むことを特徴とする方法。
請求項２４に記載の方法において、前記モード変更命令信号を受信するステップが、１以上の画像の変化状態に基づくことを特徴とする方法。
請求項２４に記載の方法において、前記モード変更命令信号を受信するステップの前記モード変更命令信号が、ＵＡＶ搭載の目標センサによって検出された１以上の画像の変化状態に基づくことを特徴とする方法。
請求項２４に記載の方法において、前記モード変更命令信号を受信するステップがさらに、外部発信源に基づくモード変更命令信号を受信するステップを含むことを特徴とする方法。
請求項２４に記載の方法において、前記第２のモードが、目標サーチモードであることを特徴とする方法。
請求項２４に記載の方法において、前記第２のモードが、事前終末コミットのＵＡＶ飛行体積を含む目標サーチモードであることを特徴とする方法。
請求項２４に記載の方法において、前記モード変更命令信号に基づいて第２のモードに移行するステップが、前記処理ユニットの機上処理によって１以上のＵＡＶの飛行命令を自動的に変更することにより生じることを特徴とする方法。