JP2013107626A - 無人飛翔体の耐障害性飛行制御システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の独立制御可能な制御ベーンを備える無人飛翔体（ＵＡＶ）を制御するための方法および装置を提供すること。
【解決手段】制御ベーンのそれぞれを、命令された操作をＵＡＶに行わせる位置に移動する制御ベーン位置コマンドが供給される。制御ベーンの１つが動作不可能であることが感知され、動作不可能な制御ベーンの位置が決定される。動作不可能な制御ベーンの決定された位置に基づき、命令された操作をＵＡＶにさらに行わせる新しい制御ベーン位置コマンドが決定される。
【選択図】図１

Description

連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
[0001]本発明は、米陸軍（ＴＡＣＯＭ）により与えられた契約番号Ｗ５６ＨＺＶ−０５−Ｃ−０７２４の下で政府の支援によりなされたものである。政府は、本発明に対し一定の権利を有する。

[0002]本発明は、一般的に、無人飛翔体（unmanned air vehicles）（ＵＡＶ）に関し、より具体的には、ＵＡＶに対する耐障害性飛行制御システム（fault tolerant flight control systems）および方法に関する。

[0003]さまざまな種類の無人飛翔体（ＵＡＶ）は、戦場、国境警備、ならびにさまざまな他の防衛および安全保障関連の戦域に次第に配備されつつある。典型的なＵＡＶの活動は、偵察および監視、部隊および地上車両の誘導、ならびに非照準線上ターゲティング（non-line-of-sight targeting）を含みうる。したがって、ＵＡＶは、地上部隊が（または航空部隊でさえも）直接的な照準線を欠いている区域における敵の部隊、不法な国境通過、および車両を検知するように構成することができる。

[0004]人気が高まってきているＵＡＶの特定の種類の１つに、ダクテッドファン型飛翔体がある。これらの種類のＵＡＶは、その静止空力ホバリング性能、３次元高精度位置保持、低速飛行、高精度垂直離着陸（ＶＴＯＬ）の能力が卓越していることで知られている。それに加えて、ダクトは、動作中に近くで回転するファンブレードとの接触を防ぐ防護手段となる。ダクテッドファン型ＵＡＶは、典型的には、複数の制御ベーンの位置を制御することによって操作される。より具体的には、制御ベーンは、アクチュエータによって位置決めされ、次いで、アクチュエータは飛行制御システムによって制御される。

[0005]いくつかの現行のＵＡＶ飛行制御システムは、ベーン制御アクチュエータが動作不可能であるかどうかを監視することはしない。その結果、動作不可能な制御ベーンは検知されないままになる可能性がある。さらに、ＵＡＶ飛行制御システム内の制御法則は、制御ベーンのループを閉じない。むしろ、制御法則はＵＡＶの回転速度に関してループを閉じ、これにより、これらの速度を強制的に０°／秒にすることによってＵＡＶの姿勢を維持する。制御ベーンアクチュエータが動作不可能になった場合、飛翔体を安定させようとして制御法則により制御ベーン偏向がなおいっそう大きく動作不可能な制御ベーンアクチュエータに割り当てられるが、効果はない。その代わりに、ＵＡＶが不安定になり、潜在的に失われる可能性があるという効果のみが生じる。

[0006]したがって、オペレータが喪失の危険性をほとんど、またはまったく冒すことなくＵＡＶを制御可能に着陸させることができるような１つまたは複数の動作不可能な制御ベーンアクチュエータの効果を緩和するＵＡＶに対する耐障害性飛行制御システムおよび方法が必要である。本発明は、少なくともこのようなニーズに対処できる。

[0007]一実施形態では、複数の独立制御可能な制御ベーンを有する無人飛翔体（ＵＡＶ）を制御するための方法は、制御ベーンのそれぞれを、命令された操作をＵＡＶに行わせる位置に移動する制御ベーン位置コマンドを供給するステップを含む。制御ベーンの１つが動作不可能であることが感知され、動作不可能な制御ベーンの位置が決定される。動作不可能な制御ベーンの決定された位置に基づき、命令された操作をＵＡＶにさらに行わせる新しい制御ベーン位置コマンドが決定される。

[0008]別の実施形態では、複数の独立制御可能な制御ベーンを備える無人飛翔体（ＵＡＶ）のための飛行制御システムは、複数の独立制御ベーンアクチュエータ、アクチュエータコントローラ、およびミッション管制装置を備える。それぞれの制御ベーンアクチュエータは、これらの制御ベーンのうちの異なる１つの制御ベーンに接続される。アクチュエータコントローラは、制御ベーンアクチュエータに接続され、さらに制御ベーン位置コマンドを受信するように接続される。アクチュエータコントローラは、制御ベーン位置コマンドに応答して、制御ベーンアクチュエータを制御して、制御ベーンのそれぞれを、命令された操作をＵＡＶに行わせる位置に移動するように構成されている。ミッション管制装置は、アクチュエータコントローラに接続され、制御ベーン位置コマンドを供給するように構成されている。ミッション管制装置は、制御ベーンの１つが動作不可能であることを感知し、動作不可能な制御ベーンの位置を決定し、動作不可能な制御ベーンの決定された位置に基づき、命令された操作をＵＡＶにさらに行わせる新しい制御ベーン位置コマンドを決定するようにさらに構成されている。

[0009]別の実施形態では、ダクテッドファン型無人飛翔体は、本体部、ファン、複数の独立制御可能な制御ベーン、複数の独立制御ベーンアクチュエータ、アクチュエータコントローラ、およびミッション管制装置を備える。本体部は、エアインレットおよびエアアウトレットを有するエアダクトを画成する内面を備える。ファンは、エアインレットとエアアウトレットとの間のダクト内に配設される。ファンは、駆動トルクを受けるように適合されており、そのトルクに応じて、エアインレット内に空気を引き込み、エアアウトレットから空気を放出し、それにより本体部において揚力を発生させるように動作可能である。それぞれの制御ベーンは、エアアウトレットの下流で本体部に接続される。それぞれの制御ベーンアクチュエータは、これらの制御ベーンのうちの異なる１つの制御ベーンに接続される。アクチュエータコントローラは、制御ベーンアクチュエータに接続され、さらに制御ベーン位置コマンドを受信するように接続される。アクチュエータコントローラは、制御ベーン位置コマンドに応答して、制御ベーンアクチュエータを制御して、制御ベーンのそれぞれを、命令された操作をＵＡＶに行わせる位置に移動するように構成されている。ミッション管制装置は、アクチュエータコントローラに接続され、制御ベーン位置コマンドを供給するように構成されている。ミッション管制装置は、制御ベーンの１つが動作不可能であることを感知し、動作不可能な制御ベーンの位置を決定し、動作不可能な制御ベーンの決定された位置に基づき、命令された操作をＵＡＶにさらに行わせる新しい制御ベーン位置コマンドを決定するようにさらに構成されている。

[0010]さらに、ＵＡＶの耐障害性機構制御システムおよび方法の他の望ましい特徴および特性は、添付図面および前記背景技術と併せて、以下の発明を実施するための形態および付属の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

[0011]本発明は、以下では、図面を用いて説明され、類似の番号は類似の要素を示す。

[0012]無人飛翔体（ＵＡＶ）の実施形態の一例を示す簡略図である。 [0013]図１に示されているＵＡＶの底面図であって、その上の制御ベーンの配置を例示する図である。 [0014]図１のＵＡＶを制御するために使用されうる例示的な飛行制御システムの２つの異なる実施形態のうちの一方の機能ブロック図である。 図１のＵＡＶを制御するために使用されうる例示的な飛行制御システムの２つの異なる実施形態のうちの他方の機能ブロック図である。 [0015]ロール／補助翼操作を行うために制御ベーンの後縁部がどのように移動されるかを示す、図１のＵＡＶの底面図である。 ピッチ／昇降機操作を行うために制御ベーンの後縁部がどのように移動されるかを示す、図１のＵＡＶの底面図である。 ヨー／ラダー操作を行うために制御ベーンの後縁部がどのように移動されるかを示す、図１のＵＡＶの底面図である。 [0016]１つまたは複数の動作不可能な制御ベーンを抑制するために図１のＵＡＶを制御するプロセスの流れ図である。

[0017]以下の詳細な説明は、本質的に例にすぎず、発明または発明の用途および使用を限定することを意図していない。本明細書で使用されるとき、「例示的な」という単語は、「一例、事例、または例示として使用される」ことを意味する。そのため、本明細書で「例示的な」と説明されている実施形態は、必ずしも、他の実施形態よりも好ましい、または有利であると解釈されるべきではない。本明細書で説明されている実施形態はすべて、当業者が本発明を製作するか、または使用することを可能にし、特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲を限定しないように用意された例示的な実施形態である。さらに、前記技術分野、背景技術、概要、または以下の発明を実施するための形態で提示されている明示された、または暗示された理論により束縛されることも意図していない。

[0018]図１を参照すると、無人飛翔体（ＵＡＶ）の実施形態の一例の簡略図が示されており、これについて簡単に説明する。しかし、そうする前に、図示されているＵＡＶ１００は、マイクロ飛翔体（ＭＡＶ）として実装されているが、これは一実施形態の例にすぎず、ＵＡＶ１００はさまざまに実装することが可能であることに留意されたい。例えば、これは、有機飛翔体（ＯＡＶ）または他の数多くの種類のダクテッドファン型飛翔体のうちのいずれか１つとして実装することが可能になる。

[0019]その具体的実装形態が何であれ、図示されているＵＡＶ１００は、本体部１０２、ファン１０４、およびエンジン１０６を備える。本体部１０２は、エアインレット１１４およびエアアウトレット１１６を有するエアダクト１１２を画成する内面１０８を備える。ファン１０４は、エアインレット１１４とエアアウトレット１１６との間のエアダクト１１２内に配設される。ファン１０４は、エンジン１０６に接続され、エンジン１０６から駆動トルクを受ける。受けた駆動トルクに応じて、ファン１０４は、エアインレット１１４内に空気を引き込み、空気をエアアウトレット１１６から放出し、それにより、飛行のための揚力を発生させる。

[0020]図１にさらに示されているように、ＵＡＶは、それに加えて、複数の制御ベーン１１８を備える。制御ベーン１１８は、ファン１０４の下流に配設され、制御可能に移動されて、ＵＡＶ１００に操作性をもたらす。制御ベーン１１８の数および配置は異なっていてもよいが、図示されている実施形態では、ＵＡＶ１００は、エアアウトレット１１６のまさに下流に配置されている８個の制御ベーン１１８を備える。図２により明確に示されているように、制御ベーン１１８はペアで配設され、第１のペア１１８−１、１１８−２、第２のペア１１８−３、１１８−４、第３のペア１１８−５、１１８−６、および第４のペア１１８−７、１１８−８となっている。それぞれのペアを含む制御ベーン１１８は、好ましくは一緒に動作する。いくつかの実施形態では、それぞれのペアを含む制御ベーン１１８は、一緒に接続され、単一のアクチュエータを介して移動される。他の実施形態では、制御ベーン１１８は、それぞれ、独立したアクチュエータに接続される。両方の実例において、制御ベーン１１８は、飛行制御システムを介して制御可能に移動される。例示的な飛行制御システムの２つの異なる実施形態が図３および図４に示されており、次にこれらについて説明する。

[0021]図３を最初に参照すると、飛行制御システム３００は、接続された（またはグループ化された）ペアの飛行制御ベーン１１８と一緒に実装されるＵＡＶ１００を制御するように構成されている。つまり、上で指摘されているように、制御ベーンの第１のペア１１８−１、１１８−２は、一緒に接続され、制御ベーンの第２のペア１１８−３、１１８−４は、一緒に接続され、制御ベーンの第３のペア１１８−５、１１８−６は、一緒に接続され、制御ベーンの第４のペア１１８−７、１１８−８は、一緒に接続される。図示されている飛行制御システム３００は、ミッション管制装置３０２、アクチュエータコントローラ３０４、および複数のアクチュエータ３０６（例えば、３０６−１、３０６−２、３０６−３、３０６−４）を備える。ミッション管制装置３０２は、例えば、遠隔送信機からの命令された操作を表す飛行制御コマンドを受信するように適合されている。ミッション管制装置３０２は、飛行制御コマンドに応答して、以下で詳述される制御法則を実行して、制御ベーン位置コマンドを生成し供給するように構成されている。アクチュエータコントローラ３０４に供給される制御ベーン位置コマンドは、制御ベーン位置（例えば、偏向（ｄ））を表す。

[0022]アクチュエータコントローラ３０４は、ミッション管制装置３０２によって供給される制御ベーン位置コマンドを受信するように接続され、このコマンドに応答して、アクチュエータ３０６を制御して、制御ベーン１１８を命令された位置に移動するように構成されている。アクチュエータ３０６は、それぞれ、異なるペアの制御ベーン１１８に接続され、異なるペアの制御ベーン１１８に関連付けられる。このため、アクチュエータ３０６のそれぞれの移動により、制御ベーン１１８の関連付けられているペアのそれぞれが命令された制御ベーン位置に移動（例えば、偏向）される。理解されうるように、制御ベーン１１８を命令された制御ベーン位置に移動すると、ＵＡＶ１００は命令された操作を行うことになる。

[0023]次に図４を参照すると、独立移動可能な制御ベーン１１８と一緒に実装されるＵＡＶ１００を制御するように構成されている飛行制御システム４００が示されている。図示されている飛行制御システム４００はまた、ミッション管制装置３０２、２つの独立したアクチュエータコントローラ３０４（３０４−１、３０４−２）、および複数のアクチュエータ３０６を備える。容易に理解されうるように、アクチュエータ３０６の個数は、すでに説明されている実施形態の個数の２倍である（例えば、３０６−１、３０６−２、３０６−３、３０６−４、３０６−５、３０６−６、３０６−７、３０６−８）。ミッション管制装置３０２、アクチュエータコントローラ３０４、およびアクチュエータ３０６は、すべて好ましくは、すでに説明されている実施形態のものと少なくとも実質的に同じになるように構成されており、したがって、その詳細な説明を繰り返さない。もちろん、主な相違点は、アクチュエータ３０６がそれぞれ、異なる制御ベーン１１８に接続されているという点である。そのため、個別の制御ベーン１１８を命令された制御ベーン位置に移動すると、ＵＡＶ１００は命令された操作を行う。

[0024]制御ベーン１１８が、単一のアクチュエータ３０６にペアとして接続されるか、または別々のアクチュエータ３０６に個別に接続されるかに関係なく、制御ベーン１１８のペアは４５度クロッキングされ、９０度隔てられているので、制御ベーン１１８のそれぞれのペアは、ロール（または補助翼）、ピッチ（または昇降機）、およびヨー（またはラダー）の操作に寄与する。これは、図５〜図７を参照しつつ、以下のベーン偏向の表記法を使用して、より明確に説明されている。制御ベーンの第１のペア１１８−１、１１８−２の組み合わされた偏向は、「ｄ_１」として参照され、制御ベーンの第２のペア１１８−３、１１８−４の組み合わされた偏向は、「ｄ_２」として参照され、制御ベーンの第３のペア１１８−５、１１８−６の組み合わされた偏向は、「ｄ_３」として参照され、制御ベーンの第４のペア１１８−７、１１８−８の組み合わされた偏向は、「ｄ_４」として参照される。さらに、基準点５０６および５０８をそれぞれ貫通する図５内の５０２および５０４とラベル付けされた軸は、基準軸である。これに基づき、基準点５０６から見て基準軸５０２を中心とする、または基準点５０８から見て基準軸５０４を中心とする時計回り（ＣＷ）の方向の制御ベーンの偏向は、実線の矢印を使用して示されており、プラス（＋）の符号を割り当てられている。逆に、基準点５０６から見て基準軸５０２を中心とする、または基準点５０８から見て基準軸５０４を中心とする反時計回り（ＣＣＷ）の方向の制御ベーンの偏向は、破線の矢印を使用して示されており、マイナス（−）の符号を割り当てられている。

[0025]上述の表記法を念頭に置くと、図５において、一方の方向へのＵＡＶ１００のロール／補助翼操作は、制御ベーンの第１および第２のペア（ｄ_１、ｄ_２）が両方ともＣＷ（＋）方向に回転し、制御ベーンの第３および第４のペア（ｄ_３、ｄ_４）が両方ともＣＣＷ（−）方向に回転するように命令することによって実行されうることがわかる。図６に示されているように、一方の方向へのＵＡＶ１００のピッチ／昇降機操作は、制御ベーンの第１、第２、第３、および第４のペア（ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３、ｄ_４）がすべてＣＷ（＋）方向に回転するように命令することによって実行されうる。最後に、図７に示されているように、一方の方向へのＵＡＶ１００のヨー／ラダー操作は、制御ベーンの第１および第４のペア（ｄ_１、ｄ_４）が両方ともＣＣＷ（−）方向に回転し、制御ベーンの第２および第３のペア（ｄ_２、ｄ_３）が両方ともＣＷ（＋）方向に回転するように命令することによって実行されうる。図５〜図７には示されていないが、図示されている方向と反対の方向へのロール／補助翼操作、ピッチ／昇降機操作、およびヨー／ラダー操作は、制御ベーンの各ペアの回転方向を反転することによって実行されうることは理解されるであろう。

[0026]上記から、当業者であれば、飛行制御システム３００、４００によって命令される制御ベーンの偏向（ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３、ｄ_４）は同等の操縦翼面偏向をもたらすことを理解するであろう。これらの同等の操縦翼面偏向は、本開示の残り部分において、補助翼偏向（δａ）、昇降機偏向（δｅ）、およびラダー偏向（δｒ）と称される。当業者であれば、それに加えて、制御ベーン偏向（ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３、ｄ_４）と操縦翼面偏向（補助翼（δａ）、昇降機（δｅ）、およびラダー（δｒ））との間の関係が式

で示されうることを理解するであろう。これらの式は、

のように標準的な行列表記に書き換えることができる。
[0027]ミッション管制装置３０２内で実行される制御法則は、「理想化された」操縦翼面偏向（δａ、δｅ、およびδｒ）について解く。δｎの項は、本明細書では「無用の項」と称されることに留意されたい。これは、制御法則では使用されず、したがってゼロと仮定されるからである。つまり、

である。この仮定の下で、偏向の式は

となる。
[0028]ＵＡＶ１００が正常に動作している場合、動けなくなっていたり、または他の何らかの形で動作不可能になっているアクチュエータ３０６もしくは制御ベーン１１８がなければ、上記の計算は制約条件

に従って実行されるが、
ただし、式中、
ｄ_ｍｉｎは、最小の制御ベーン偏向角度であり、
ｄ_ｍａｘは、最大の制御ベーン偏向角度であり、
ｒ_ｍｉｎは、最小の制御ベーン角度変化率であり、
ｒ_ｍａｘは、最大の制御ベーン角度変化率である。

[0029]制御法則はリアルタイムで実行され、そのため、１つの時間ステップから次の時間ステップに移るときの前後に「チャタリング」しない滑らかに変化するアクチュエータコマンドを確実に生成する高速計算アルゴリズムであることに留意されたい。このようなチャタリングは、アクチュエータ３０６の寿命を縮める可能性がある。制御法則は、最適な操縦翼面偏向（δａ、δｅ、δｒ）を求めようとすることによって、制御ベーン偏向（ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３、ｄ_４）を割り当て、位置および速度の制約条件
Ｂｕ＝ｄ
に従って、ｍ個の方程式とｎ個の未知数からなる以下の線形システムを最小にすることによって制御ベーン偏向（ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３、ｄ_４）を割り当て、
ただし、式中、
Ｂは、ｍ個の行（式）とｎ個の変数（未知数）を有する線形系中の式の係数を含む行列であり、
ｕは、費用関数の最低値をもたらすｎ個の未知数のベクトルであり、
ｄは、それぞれの式（右側）に対する所望の値を含むｍ個の要素からなるベクトルである。
上記の方程式系（δｎ＝０の仮定を含む）を使用することで、

が得られるが、
ただし、

である。
[0030]方程式の数より未知数の数が多い場合（ｎ＞ｍ）、解の数は無限である。そのため、解集合を制限するために、追加の制約条件が実行される。この追加の制約条件は、解（ｕ）は指定された好ましい解（ｕ_ｐ）を近似するというものである。このアプローチは、二次費用関数

によって与えられる。ただし、Ｗ_ｐは、互いに関してｎ個の未知数について解くことの重要性を強調する重み行列であり、

となるように制約される。Ｗ_ｐに対するこの制約条件は、行列を強制的に正の定符号になるようにする。
[0031]ＵＡＶ１００の全体的構造および機能、および飛行制御システム３００、４００において実行される制御アルゴリズムについて説明したが、起こりそうもないが、仮に１つまたは２つの制御ベーンが動作不可能になるという事象を想定した場合、飛行制御システム３００、４００が実行するプロセスについて次にさらに詳しく説明する。しかし、そうする前に、飛行制御システム３００、４００は、少なくともいくつかの実施形態において、アクチュエータの位置のフィードバックなしで実装されうることに留意されたい。アクチュエータの位置のフィードバックが利用可能でない場合、アクチュエータ／制御ベーンが動作不可能になる前に送信された最後の制御ベーン位置コマンドが故障位置にあると仮定される。これは、通常使用されるアクチュエータ３０６が故障位置に「ロック」するので有効な仮定である。

[0032]飛行制御システム３００、４００が実行する概略的なプロセスは、図８の流れ図に示されており、システム３００、４００が、制御ベーン１１８の１つ（または１つのペア）が動作不可能であると感知したときに開始する（ステップ８０２）。これは、直接的に、アクチュエータおよび／または制御ベーン位置フィードバックを介して、または間接的に、ＵＡＶ１００が命令された操作を行っていないことを感知することによって実行されうる。１つまたは複数の制御ベーン１１８が動作不可能であると判定された場合、動作不可能な制御ベーン（複数可）の位置が判定される（ステップ８０４）。これは、直接的に、アクチュエータおよび／または制御ベーン位置フィードバックを介して、または間接的に、上記のように、最後に命令された制御ベーン位置を使用して実行されうる。これ以降、動作不可能な制御ベーンの決定された位置に基づき、命令された操作をＵＡＶ１００にさらに行わせる新しい制御ベーン位置コマンドが決定される（ステップ８０６）。

[0033]飛行制御システム３００、４００が、上で説明され図８に示されているプロセス８００を実行する特定の方法について、次にさらに詳しく説明する。最初にまず図３に示されている飛行制御システム３００を備えるＵＡＶ１００のその実装形態について説明し、次に、図４に示されている飛行制御システム４００を備えるＵＡＶ１００のその実装形態について説明する。

[0034]起こりそうもないが、制御ベーン１１８の単一のペアが、図３に示されている飛行制御システム３００とともに実装されるＵＡＶ１００において動作不可能になったという事象を仮に想定した場合、制御ベーン１１８のペアが、動作不可能になる前に最後に命令された位置において動作可能になったことが仮定される。したがって、そのペア内の制御ベーン１１８は、同じ位置にロックされることになる。その結果、制御アルゴリズムは、新しい位置制約条件を呼び出すことになる。したがって、例えば、制御ベーンの第１のペア１１８−１、１１８−２が動作不可能になり、制御ベーンの第１のペア１１８−１、１１８−２に供給される最後に命令された位置がｆ_１であった場合、新しい位置制約条件は、以下のようになる。

ｄ_１＝ｆ_１
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_２≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_３≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_４≦ｄ_ｍａｘ
次いで、上記のベーン割り当ての式は、以下のように３つの方程式（δａ、δｅ、およびδｒ）と３つの未知数（ｄ_２、ｄ_３、およびｄ_４）からなる方程式系にまとめることができる。

理解されうるように、この制約条件の組は、制御ベーン１１８の任意の単一のペアの動作不可能性に拡張されうる。
[0035]上記の例は、制御ベーン１１８の２つのペアが動作不可能になる場合に拡張することができる。例えば、制御ベーンの第１のペア１１８−１、１１８−２および第２のペア１１８−３、１１８−４の両方が動作不可能になり、最後に命令された位置がそれぞれｆ_１およびｆ_２であったと仮定する。この場合、新しい位置制約条件は以下のようになる。

ｄ_１＝ｆ_１
ｄ_２＝ｆ_２
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_３≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_４≦ｄ_ｍａｘ
また、このベーン割り当ての方程式の組は

となる。
[0036]上記から、ラダーコマンドの式（δｒ）は、ベーンコマンドの割り当てについて解く際には使用されないことが観察されうる。このことは、ＵＡＶ１００に対する機体設計が静的に安定していない場合に起こりうる。したがって、飛行制御システム３００は、飛翔体がひっくり返って回復できない姿勢にならないようにＵＡＶ１００のピッチおよびロール姿勢を常時調整する。ラダー制約条件を緩和することで、飛翔体がそのｚ軸の周りで向きを変える（例えば、スピンする）ことが可能になり、またＵＡＶオペレータが潜在的に着陸装置および制御ベーン１１８を犠牲にするとしてもエンジンおよび航空電子機器への損傷については最小限度に抑えながら飛翔体を制御しつつ着陸させることが可能になる。これは、着陸装置および制御ベーン１１８が比較的容易に交換することができ、また比較的安価であるため許容可能である。２つのベーンアクチュエータの故障は飛翔体性能をひどく低下させるが、オペレータは、ＵＡＶ１００をより安全な場所に誘導し、ＵＡＶ１００への損傷が小さくなるように着陸させることを試み、飛行チームおよび観察者が怪我をする状況に曝されることを低減することができる可能性がある。

[0037]制御ベーン１１８のそれぞれが独立制御される、図４の飛行制御システム４００に適用される概略的プロセス８００の具体的説明を次に行う。このＵＡＶ１００および飛行制御システム４００の構成に関して、ベーン割り当ての方程式の数は倍になって方程式系

となるが、
ただし、式中、
δａ_１は、ベーンセット１からの補助翼制御の寄与分であり、
δａ_２は、ベーンセット２からの補助翼制御の寄与分であり、
δｅ_１は、ベーンセット１からの昇降機制御の寄与分であり、
δｅ_２は、ベーンセット２からの昇降機制御の寄与分であり、
δｒ_１は、ベーンセット１からのラダー制御の寄与分であり、
δｒ_２は、ベーンセット２からのラダー制御の寄与分であり、
ただし、
ベーンセット１は、図４においてｄ_１．１、ｄ_２．１、ｄ_３．１、およびｄ_４．１としてラベル付けされているアクチュエータ３０６によって制御される制御ベーン１１８に対応する。

ベーンセット２は、図４においてｄ_１．２、ｄ_２．２、ｄ_３．２、およびｄ_４．２としてラベル付けされているアクチュエータ３０６によって制御される制御ベーン１１８に対応する。

[0038]理解されうるように、ＵＡＶ１００が正常に動作している場合、動けなくなっていたり、または他の何らかの形で動作不可能になっているアクチュエータ３０６もしくは制御ベーン１１８がなければ、上記の計算は制約条件
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_１．１≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_１．２≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_２．１≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_２．２≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_３．１≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_３．２≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_４．１≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_４．２≦ｄ_ｍａｘ

に従って実行されるが、
ただし、式中、
ｒ_ｍｉｎは、ベーンに対する最小の角度変化率であり（すべてのベーンは、同じ角度変化率を有すると仮定されていることに留意されたい）、
ｒ_ｍａｘは、ベーンに対する最大の角度変化率である。

[0039]起こりそうもないが、単一の制御ベーン１１８が図４に示されている飛行制御システム４００とともに実装されるＵＡＶ１００において動作不可能になったという事象を仮に想定した場合、制御ベーン１１８が動作不可能になる前に最後に命令された位置において動作可能になったことがここでもまた仮定される。そのため、制御ベーン１１８は、同じ位置にロックされることになる。その結果、制御アルゴリズムは、新しい位置制約条件を呼び出すことになる。したがって、例えば、制御ベーンの第１のペア１１８−１、１１８−２内の第２の制御ベーン１１８−２が動作不可能になり、制御ベーンの第１のペア１１８−１、１１８−２に供給される最後に命令された位置がｆ_１．２であった場合、新しい位置制約条件は、以下のようになる。

ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_１．１≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_１．２＝ｆ_１．２
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_２．１≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_２．２≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_３．１≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_３．２≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_４．１≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_４．２≦ｄ_ｍａｘ
[0040]上記のベーン割り当ての式は、

となる。
[0041]所望の操縦翼面コマンド（δａ、δｅ、およびδｒ）のそれぞれは、以下のようにそれぞれのベーン１１８からの寄与分の総和である。

δａ＝δａ_１＋δａ_２
δｅ＝δｅ_１＋δｅ_２
δｒ＝δｒ_１＋δｒ_２
グループ化されたベーンセット（例えば、一緒に接続された制御ベーン１１８のペア）の場合、ベーンの寄与分は、それぞれの制御ベーン１１８が、

に示されているように、所望の制御力の１／２を与えるように等しいものとして仮定される。しかし、制御ベーン１１８が独立制御される場合、ペアのベーン１１８は、他の制御ベーン１１８に比べて多かれ少なかれ、他の制御ベーン１１８が動作不可能になることを克服することに寄与し、なおも所望の結果をもたらすことが可能である。

[0042]この例をさらに続けて、次に、第２のアクチュエータセットに関連付けられている制御ベーン１１８−２および１１８−４が偏向ｆ_１．２およびｆ_２．２で動作不可能になったと仮定する。この場合、ベーン割り当ての式は、以下の制約条件に従って解かれる。

ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_１．１≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_１．２＝ｆ_１．２
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_２．１≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_２．２＝ｆ_２．２
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_３．１≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_３．２≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_４．１≦ｄ_ｍａｘ
ｄ_ｍｉｎ≦ｄ_４．２≦ｄ_ｍａｘ
[0043]上記の制約条件から容易にわかるように、どのような解も、ベーン割り当ての式のうちの６つのみ満たすが、８つすべてを満たすことはない。これらの制約条件を満たす可能なアプローチは３つある。これらは、ラダーコマンド（δｒ_２）を満たすことを緩和すること、操縦翼面コマンド（δａ、δｅ、δｒ）への最小の影響で制約条件を緩和すること、または段落[0028]、[0029]、および[0030]において説明されているような最適制御割り当て問題としてベーン割り当てを処理することである。第１のアプローチでは、ラダーコマンドの差（Δｒ）（動作不可能な制御ベーンについて（望ましいラダーコマンド）−（理想化されたラダーコマンド））は、

のように、他の制御ベーンの式（δｒ_１ｎｅｗ＝δｒ_１＋Δｒ）に再度割り当てられる。第１の組のアクチュエータに対するベーンが動作可能であるとした場合、この第１の組に対するベーン割り当ては、以下の組の式を使用して解くことが可能になる。これらの割り当ては、すべてのベーンに対するベーン偏向制約条件が満たされるとした場合に２つのベーンの故障を許容すべきであることを暗示する。

このアプローチはアルゴリズムとしては単純であり、このアプローチを故障したベーンの数が多い場合に拡張しようとした場合、面倒な事態が生じる可能性がある。
[0044]第２のアプローチでは、（δａ、δｅ、δｒ）への影響が最小である制約条件が緩和され、差は、他のベーンセット（ｄ_１．１、ｄ_２．１、ｄ_３．１、およびｄ_４．１）に再割り当てされる。このアプローチの結果、ｄ_１．２およびｄ_２．２がｆ_１．２およびｆ_２．２の位置においてそれぞれ故障した場合に、ｄ_３．２およびｄ_４．２に対する式の３つの組み合わせを解くことになる。第１の組の式は、差（Δｒ）が、昇降機または補助翼面コマンドではなく、ベーンセット１のラダー操縦翼面コマンド（δｒ_１）に再割り当てされるとした場合にｄ_３．２およびｄ_４．２の値について解かれる。方程式系

は、故障ベーン位置ｆ_１．２およびｆ_２．２が与えられた場合に解かれる。その結果得られるラダー差（Δｒ）は

となる。次の組の式は、差が、ラダーまたは補助翼操縦翼面コマンドではなく、ベーンセット１の昇降機操縦翼面コマンド（δｅ_１）に再割り当てされるとした場合にｄ_３．２およびｄ_４．２の値について解かれることになる。方程式系

は、故障ベーン位置ｆ_１．２およびｆ_２．２とともに使用される。その結果得られる昇降機差（Δｅ）は

となる。第３の組の式では、故障ベーンの位置がｆ_１．２およびｆ_２．２である方程式系

を使用して、差が、ラダーまたは補助翼操縦翼面コマンドではなく、ベーンセット１の補助翼操縦翼面コマンド（δａ_１）に再割り当てされるとした場合にｄ_３．２およびｄ_４．２の値について解かれる。その結果得られる補助翼再割り当ては

となる。最後に、偏差の大きさが最低（ｍｉｎ（‖Δａ‖，‖Δｅ‖，‖Δｒ‖））である解が次いで選択され、以下の組の式のうちの１つの式において使用される。
ただし、以下の組

は、‖Δａ‖＜‖Δｅ‖および‖Δａ‖＜‖Δｒ‖である場合に使用されるか、
または
この組

は、‖Δｅ‖＜‖Δａ‖および‖Δｅ‖＜‖Δｒ‖である場合に使用されるか、
または
この組

は、‖Δｒ‖＜‖Δａ‖および‖Δｒ‖＜‖Δｅ‖である場合に使用されることに留意されたい。このアプローチはアルゴリズムとしては複雑であり、ベーンの故障の可能なすべての順列を考慮しようとした場合に面倒な事態が生じる可能性がある。特に、これを３つまたはそれ以上のベーンの組み合わせに拡張しようとした場合にそうなる可能性がある。

[0045]第３のアプローチでは、本出願の段落[0028]、[0029]、および[0030]において説明されているように、残りの６つの面にわたって所望のコマンドの割り当てを最適制御割り当て問題として処理する。最適制御割り当てアルゴリズムを使用する利点は、それが普遍的であり、アクチュエータの故障のそれぞれの可能な組み合わせについて問題を書き直すことを必要としないという点にある。それに加えて、この割り当ては、故障したベーンの位置（例ではｆ_１．２およびｆ_２．２）を含むすべての未知数および制約条件が与えられた場合に、それが最良の解であるという点で最適である。したがって、最適な割り当てに対する制約条件は、

である。その結果得られる最適な割り当ては、すべての操縦翼面にわたって喪失ベーンの効果およびその結果のベーン偏向を共有して制御権限の全体的喪失を最小限度に抑えることになる。利点は、ここでは、上で説明された何組かの方程式を解かなくてもよいという点、および最適な割り当てについて解くプロセスを、労力を増やすことなく２つより多いベーンに拡張することができるという点である。ベーンの制約条件をベーンの故障位置に設定することによって、例の場合と同様に、追加のベーン故障を考慮することができる。

[0046]当業者であれば、本明細書で開示されている実施形態に関して説明されているさまざまな例示的な論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、またはその両方の組み合わせとして実装することができることを理解するであろう。実施形態および実装形態のいくつかは、機能および／または論理ブロックコンポーネント（またはモジュール）ならびにさまざまな処理ステップに関して上で説明されている。しかし、このようなブロックコンポーネント（またはモジュール）は、指定された機能を実行するように構成された任意の数のハードウェア、ソフトウェア、および／またはファームウェアコンポーネントによって実現されうることは理解されるであろう。ハードウェアとソフトウェアとを入れ替えて使用できることを明確に例示するために、上では、さまざまな例示的なコンポーネント、ブロック、モジュール、回路、およびステップが、概略的にその機能に関して説明されている。このような機能がハードウェアとして実施されるか、ソフトウェアとして実施されるかどうかは、特定の用途とシステム全体に課される設計制約とよって決まる。当業者であれば、それぞれの特定の用途についてさまざまな方法により説明されている機能を実装することができるが、そのような実装形態の決定は、本発明の範囲からの逸脱を引き起こすものとして解釈すべきではない。例えば、システムまたはコンポーネントの実施形態は、１つまたは複数のマイクロプロセッサもしくは他の制御デバイスの制御の下でさまざまな機能を実行することができる、さまざまな集積回路コンポーネント、例えば、記憶素子、デジタル信号処理素子、論理素子、ルックアップテーブル、または同様のものを使用することができる。それに加えて、当業者であれば、本明細書で説明されている実施形態は、単なる例示的な実装形態にすぎないことを理解するであろう。

[0047]本明細書で開示されている実施形態に関して説明されているさまざまな例示的な論理ブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、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）または他のプログラム可能論理デバイス、ディスクリートゲートまたはトランジスタロジック、ディスクリートハードウェアコンポーネント、または本明細書で説明されている機能を実行するように設計されているこれらの任意の組み合わせにより実装または実行することができる。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであってよいが、代替として、プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械であってよい。プロセッサは、コンピューティングデバイスの組み合わせ、例えば、ＤＳＰとマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと連携する１つまたは複数のマイクロプロセッサ、または他のそのような構成としても実装されうる。「例示的な」という単語は、本明細書では、もっぱら「一例、事例、または例示として使用する」ことを意味するために使用される。本明細書で「例示的な」と説明されている実施形態は、必ずしも、他の実施形態よりも好ましい、または有利であると解釈されるべきではない。

[0048]本明細書で開示されている実施形態に関して説明されている方法またはアルゴリズムのステップは、ハードウェアで直接、ハードウェアにより実行されるソフトウェアモジュールにより、またはこれら２つの組み合わせにより具現化することができる。ソフトウェアモジュールは、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、レジスタ、ハードディスク、取り外し可能ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、または当技術分野で知られている他の形態の記憶媒体に格納することができる。例示的な記憶媒体は、プロセッサがその記憶媒体から情報を読み込み、その記憶媒体に情報を書き込めるようにプロセッサに接続される。代替的形態では、記憶媒体は、プロセッサに一体化することができる。プロセッサおよび記憶媒体は、ＡＳＩＣに収めることもできる。ＡＳＩＣは、ユーザ端末に収めることができる。代替形態では、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末内のディスクリートコンポーネントとして常駐することができる。

[0049]本明細書では、第１および第２などの関係語、ならびに同様の語は、一方のエンティティまたはアクションを別のエンティティまたはアクションから、そのようなエンティティまたはアクションの間の実際のそのような関係もしくは順序を必ずしも必要とすることなく、または暗示することなく、区別するためにのみ使用されうる。「第１」、「第２」、「第３」などの序数詞は、複数のもののうちの異なる単一のものを単に示し、請求項における言い回しで特に定められていない限り順番または順序を暗示しない。これらの請求項のうちのいずれかの請求項内の文の順序は、請求項の言い回しで特に定められていない限りそのような順序による時間的または論理的順番でプロセスステップが実行されなければならないことを暗示しない。プロセスステップは、本発明の範囲から逸脱することなく任意の順番での入れ替えを、そのような入れ替えが請求項の言い回しに反しない限り、また論理的に無意味にならない限り、行うことができる。

[0050]さらに、文脈に応じて、異なる要素間の関係を記述する際に使用される「接続する」または「に接続される」などの語句は、それらの要素の間に直接的物理的接続がなされなければならないことを暗示しない。例えば、２つの要素は、互いに、物理的に、電子的に、論理的に、または任意の他の方法で、１つまたは複数の追加要素を通じて接続されうる。

[0051]本発明の前記詳細な説明では、少なくとも１つの実施例が提示されたが、膨大な数の変更形態が存在することは理解されるであろう。この、またはこれらの例示的な実施形態は例にすぎず、本発明の範囲、適用可能性、または構成を制限することをいっさい意図していないことも理解されるであろう。むしろ、前記の詳細な説明は、当業者にとって、本発明の例示的な実施形態を実装するための重宝な指針となるであろう。付属の請求項において述べられているように、本発明の範囲から逸脱することなく例示的な実施形態において説明されている要素の機能および配置にさまざまな変更が加えられることは理解されるであろう。

１００ ＵＡＶ
１０２ 本体部
１０４ ファン
１０６ エンジン
１０８ 内面
１１２ エアダクト
１１４ エアインレット
１１６ エアアウトレット
１１８ 制御ベーン
１１８−１、１１８−２ 第１のペア
１１８−３、１１８−４ 第２のペア
１１８−５、１１８−６ 第３のペア
１１８−７、１１８−８ 第４のペア
３００ 飛行制御システム
３０２ ミッション管制装置
３０４ アクチュエータコントローラ（３０４−１、３０４−２）
３０６ アクチュエータ（例えば、３０６−１、３０６−２、３０６−３、３０６−４）
４００ 飛行制御システム
５０２ 基準軸
５０４ 基準軸
５０６および５０８ 基準点
８００ プロセス

Claims (3)

1. 複数の独立制御可能な制御ベーン(vanes)（１１８）を備える無人飛翔体（ＵＡＶ:unmanned air vehicle）（１００）を制御するための方法であって、
   前記制御ベーン（１１８）のそれぞれを、命令された操作を前記ＵＡＶ（１００）に行わせる位置に移動する制御(control)ベーン（１１８）位置コマンドを供給するステップと、
   前記制御ベーン（１１８）のうちの１つが動作不可能であることを感知するステップと、
   前記動作不可能な制御ベーン（１１８）の位置を決定するステップと、
   前記動作不可能な制御ベーン（１１８）の前記決定された位置に基づき、前記命令された操作を前記ＵＡＶ（１００）にさらに行わせる新しい制御ベーン（１１８）位置コマンドを決定するステップと
   を含む方法。
2. 複数の独立制御可能な制御ベーン（１１８）を備える無人飛翔体（ＵＡＶ）（１００）のための飛行制御システム（３００）であって、
   それぞれのアクチュエータが前記制御ベーン（１１８）のうちの異なる１つの制御ベーンに接続された複数の独立した制御ベーン（１１８）アクチュエータ（３０６）と、
   前記制御ベーン（１１８）アクチュエータ（３０６）に接続され、さらに制御ベーン（１１８）位置コマンドを受信するように接続されたアクチュエータコントローラ（３０４）であって、前記制御ベーン（１１８）位置コマンドに応答して、前記制御ベーン（１１８）アクチュエータ（３０６）を制御して、前記制御ベーン（１１８）のそれぞれを、命令された操作を前記ＵＡＶ（１００）に行わせる位置に移動するように構成されている、アクチュエータコントローラ（３０４）と、
   前記アクチュエータコントローラ（３０４）に接続されたミッション管制装置(mission controller)（３０２）であって、飛行制御信号を受信するように適合されており(adapted to)、前記信号に応答して、前記制御ベーン（１１８）位置コマンドを供給する(supply)ように構成されている、ミッション管制装置（３０２）と
   を備え、前記ミッション管制装置（３０２）が、
   前記制御ベーン（１１８）のうちの１つが動作不可能であることを感知し、
   前記動作不可能な制御ベーン（１１８）の位置を決定し、
   前記動作不可能な制御ベーン（１１８）の前記決定された位置に基づき、前記命令された操作を前記ＵＡＶ（１００）にさらに行わせる新しい制御ベーン（１１８）位置コマンドを決定するようにさらに構成されている、
   飛行制御システム（３００）。
3. ダクテッドファン（１０４）型無人飛翔体（ＵＡＶ）（１００）であって、
   エアインレット（１１４）およびエアアウトレット（１１６）を有するエアダクト(air duct)（１１２）を画成する内面（１０８）を備える本体部（１０２）と、
   前記エアインレット(inlet)（１１４）と前記エアアウトレット(outlet)（１１６）との間の前記ダクト内に配設されるファン（１０４）であって、駆動トルクを受けるように適合されており、前記トルクに応じて、前記エアインレット（１１４）内に空気を引き込み、前記エアアウトレット（１１６）から空気を放出し、それにより前記本体部（１０２）において揚力(lift)を発生させるように動作可能である、ファン（１０４）と、
   それぞれの制御ベーン（１１８）が前記エアアウトレット（１１６）の下流(downstream)で前記本体部(main body)（１０２）に接続される複数の独立制御可能な制御ベーン（１１８）と、
   それぞれの制御ベーン（１１８）アクチュエータが前記制御ベーン（１１８）のうちの異なる１つの(a different one of)制御ベーンに接続される複数の制御ベーン（１１８）アクチュエータ（３０６）と、
   前記制御ベーン（１１８）アクチュエータ（３０６）に接続され、さらに制御ベーン（１１８）位置コマンドを受信するように接続されたアクチュエータコントローラ（３０４）であって、前記制御ベーン（１１８）位置コマンドに応答して、前記制御ベーン（１１８）アクチュエータ（３０６）を制御して、前記制御ベーン（１１８）のそれぞれを、命令された操作を前記ＵＡＶ（１００）に行わせる位置に移動するように構成されている、アクチュエータコントローラ（３０４）と、
   前記アクチュエータコントローラ（３０４）に接続されたミッション管制装置（３０２）であって、飛行制御信号を受信するように適合されており、前記信号に応答して、前記制御ベーン（１１８）位置コマンドを供給するように構成されている、ミッション管制装置（３０２）と
   を備え、前記ミッション管制装置（３０２）が、
   前記制御ベーン（１１８）のうちの１つが動作不可能(inoperable)であることを感知し、
   前記動作不可能な制御ベーン（１１８）の位置を決定し、
   前記動作不可能な制御ベーン（１１８）の前記決定された位置に基づき、前記命令された操作を前記ＵＡＶ（１００）にさらに行わせる新しい制御ベーン（１１８）位置コマンドを決定するようにさらに構成されている、
   ダクテッド(ducted)ファン（１０４）型無人(unmanned)飛翔体（ＵＡＶ）（１００）。

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