JP2016068764A - 航空機の飛行制御方法及び航空機の飛行制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】航空機を定点で滞空させながら、死角を有する搭載センサーによって遠方の目標物を常続的に監視する。【解決手段】機体後方に死角を有する映像センサーが搭載された航空機１０の飛行を制御し、当該航空機１０を滞空させつつ映像センサーにより目標物を撮影する。目標物を常に映像センサーの撮影範囲内に捉えるように、所定の飛行中心位置Ｃを中心とする８の字状の飛行パターンＰｓで航空機１０を飛行させる。【選択図】図３

Description

本発明は、航空機の飛行制御方法及び航空機の飛行制御システムに関し、特に航空機を滞空させつつ遠方の目標物を監視させるうえで有用な技術である。

近年、特に無人航空機などの航空機は、特定の目標物を常続的に監視するといった用途に用いられる場合があり、種々の関連技術が提案されてきている。
例えば特許文献１では、移動する目標物を常に搭載センサーの視野内に入れつつ無人航空機で追跡する技術が提案されている。

特開２００９−１７３２６３号公報

しかしながら、航空機を定点で滞空させながら当該航空機に遠方の目標物を常続的に監視させるといった技術は、未だ提案されていない。
また、目標物を監視するセンサー（例えば映像センサー）は、その可動範囲（撮影範囲）に制限があったり、航空機の機体自身が当該センサーの視野を遮ったりして、機体の所定方向（例えば機体後方）が死角となる場合がある。このような場合、単純に航空機を旋回させながら目標物を監視させようとすると、目標物が死角方向に位置するときにセンサーの撮影範囲から外れてしまう。

そこで、本発明の目的は、航空機を定点で滞空させながら、死角を有する搭載センサーによって遠方の目標物を常続的に監視することである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
機体の所定方向に死角を有する映像センサーが搭載された航空機の飛行を制御し、当該航空機を滞空させつつ前記映像センサーにより所定の目標物を撮影させる航空機の飛行制御方法であって、
前記目標物を常に前記映像センサーの撮影範囲内に捉えるように、所定の飛行中心位置を中心とする８の字状の飛行パターンで前記航空機を飛行させることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の航空機の飛行制御方法において、
前記映像センサーの撮影範囲が、機体前方から機体左右両方向へそれぞれ所定の撮影角に及ぶ範囲であり、
前記飛行パターンでは、前記目標物の方向を基準とする前記航空機の機首方位の絶対値が常に前記撮影角以下であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の航空機の飛行制御方法において、
前記航空機が風を受けていない無風状態では、前記目標物の方向と直交する方向に沿った長軸を有する８の字状の飛行パターンで前記航空機を飛行させることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の航空機の飛行制御方法において、
前記航空機が風を受けている受風状態では、そのときの飛行パターンでの機首方位の範囲が前記映像センサーの撮影範囲内となるように、前記無風状態での前記飛行パターンの前記トラック角を調整した飛行パターンで前記航空機を飛行させることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の航空機の飛行制御方法において、
前記航空機が前記目標物の方向とは異なる側の方向からの風を受けた場合に、前記目標物の方向に対して前記長軸を傾けるように前記無風状態での前記飛行パターンを傾斜させた飛行パターンで前記航空機を飛行させることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の航空機の飛行制御方法において、
前記飛行パターンがほぼ水平面内でのものであることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、
機体の所定方向に死角を有する映像センサーが搭載された航空機の飛行を制御し、当該航空機を滞空させつつ前記映像センサーにより所定の目標物を撮影させる航空機の飛行制御システムであって、
前記目標物を常に前記映像センサーの撮影範囲内に捉えるように、所定の飛行中心位置を中心とする８の字状の飛行パターンで前記航空機を飛行させることを特徴とする。

本発明によれば、目標物を常に映像センサーの撮影範囲内に捉えるように、所定の飛行中心位置を中心とする８の字状の飛行パターンで航空機を飛行させるので、機体の所定方向に死角を有する映像センサーであっても、その撮影範囲内から目標物を外すことなく常続的に監視することができる。
したがって、航空機を定点で滞空させながら、死角を有する映像センサーによって遠方の目標物を常続的に監視することができる。

飛行制御システムの概念図である。 飛行制御システムの概略構成を示すブロック図である。 無風状態での航空機の飛行パターンを示す図である。 無風状態でのトラック角の範囲と映像センサーの撮影範囲とを説明するための図である。 航空機が受ける風の風向き方向を示す図である。 図５の各風向き方向の風を受けたときの航空機の機首方位の一例を示す図である。 受風状態での航空機の飛行パターンの一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
［飛行制御システムの構成］
図１は、本実施形態における航空機の飛行制御システム（以下、単に「飛行制御システム」という。）１の概念図であり、図２は、飛行制御システム１の概略構成を示すブロック図である。
図１に示すように、飛行制御システム１は、地上設備２０からの制御信号によって航空機１０の飛行を制御し、当該航空機１０によって遠方の目標物Ｔを常続的に監視しようとするものである。

航空機１０は、本実施形態ではパイロットが搭乗していない無人の飛行機であり、図２に示すように、後述する地上設備２０のデータリンク送受信器２１と互いに各種信号を送受信可能なデータリンク送受信器１１のほか、機体センサー１２と、機体アクチュエータ１３と、飛行制御装置１４とを備えている。

機体センサー１２は、航空機１０の飛行状態などを検出するための各種のセンサーであり、映像センサー１２ａ，ジャイロセンサー１２ｂ，速度センサー１２ｃ，ＧＰＳ（Global Positioning System）１２ｄ等を含んで構成されている。
このうち、映像センサー１２ａは、図示しないジンバルに載置されて機体左右方向に向きを変えられるように設けられており、機体前方（機首方向）から機体左右両方向へそれぞれ所定の撮影角α［°］に及ぶ範囲で撮影できるようになっている。撮影角αは、９０°超１８０°未満の角度であり、本実施形態では１２０°となっている。つまり、本実施形態の映像センサー１２ａは、機体前方を中心とした−α［°］〜＋α［°］（本実施形態では−１２０°〜＋１２０°）の角度範囲が撮影範囲となっており、航空機１０の機体後方に死角（撮影できない領域）を有している（図４参照）。また、映像センサー１２ａは、目標物Ｔの位置又は画像を撮影対象として指定されることにより、その撮影範囲内において自動的に目標物Ｔの方向を向くように追随して撮影できるようになっている。
また、機体センサー１２では、速度センサー１２ｃやＧＰＳ１２ｄから得られる対地速度及び対気速度に基づいて、機外の風向き及び風速を検出できるようになっている。
これらの機体センサー１２は、検出した各種のセンサー出力信号を飛行制御装置１４へ出力する。

機体アクチュエータ１３は、航空機１０の各部を動作させる各種のアクチュエータであり、具体的には、エルロン，ラダー，エレベータ，スロットル，フラップ，脚等を動作させるためのものである。

飛行制御装置１４は、地上設備２０から送信される制御信号や機体センサー１２から入力されるセンサー出力信号に基づいて、機体アクチュエータ１３等の各部を制御したり、データリンク送受信器１１を通じて地上設備２０へ各種信号を送信したりする。

地上設備２０は、航空機１０のデータリンク送受信器１１と互いに各種信号を送受信可能なデータリンク送受信器２１のほか、オペレータによる操縦操作などに基づいて飛行制御システム１を統括的に制御する中央制御装置２２を備えている。

［航空機の飛行パターン］
続いて、目標物Ｔを映像センサー１２ａで常続的に監視（撮影）するときの航空機１０の飛行パターンについて説明する。航空機１０は、飛行制御装置１４による制御（又は地上設備２０の中央制御装置２２からの制御指令）によって、自動的に当該飛行パターンでの飛行及び目標物Ｔの撮影を実行するようになっている。
なお、以下の説明では、航空機１０は、目標物Ｔからの距離が無限遠の遠方地点において、水平面内で滞空飛行しつつ目標物Ｔを撮影するものとする。また、航空機１０は、飛行パターン中では殆どロールやピッチを伴うことなくほぼ水平面内で回転するものとする。

＜無風状態での飛行パターン＞
まず、無風状態における航空機１０の飛行パターンＰｓについて説明する。ここで、「無風状態」とは、航空機１０が全く風を受けていないか、或いは、風見効果（横風を受けて機首が風上側に傾く性質）では機首が傾かない程度の弱い風しか受けていない状態をいう。
図３は、無風状態での航空機１０の飛行パターンＰｓを示す図であり、図４は、無風状態でのトラック角θの範囲と映像センサー１２ａの撮影範囲とを説明するための図である。

図３に示すように、無風状態においては、航空機１０は、目標物Ｔを常に映像センサー１２ａの撮影範囲内に捉えるように、水平面内において（数字の）８の字状の飛行パターンＰｓで飛行する。より詳しくは、航空機１０は、目標物Ｔの方向を０°方向としたときのトラック角θ（進行方向、無風状態では機首方位）の絶対値が常に撮影角α（本実施形態では１２０°）以下となるように、所定の飛行中心位置Ｃを中心とする８の字状の飛行パターンＰｓで旋回飛行する。そのため、この飛行パターンＰｓは、０°方向と直交する方向に沿った長軸Ａｘ（飛行中心位置Ｃを通って２つの環の中心を貫く軸）を有する８の字状となる。
なお、本実施形態では、航空機１０が飛行中心位置Ｃを通過するときに、トラック角θの絶対値が撮影角αと等しくなっている。そのため、図４に示すように、映像センサー１２ａの撮影範囲とトラック角θの範囲とが一致している。
このような飛行パターンＰｓで飛行することにより、航空機１０は、定点で滞空しつつ目標物Ｔを常に映像センサー１２ａの撮影範囲内に捉えることができる。

＜受風状態での飛行パターン＞
続いて、受風状態における航空機１０の飛行パターンについて説明する。ここで、「受風状態」とは、風見効果によって機首が傾くほどの風を航空機１０が受けている状態をいう。
図５は、航空機１０が受ける風の風向き方向を示す図であり、図６は、図５の各風向き方向の風を受けたときの航空機１０の機首方位の一例を示す図であり、図７は、受風状態での航空機１０の飛行パターンＰｗの一例を示す図である。
なお、ここでは、目標物Ｔの方向（０°方向）を北として、図５〜図７に示すように東西南北の各方位を定めるものとする。また、図６に示す機首方位（矢印の長さ）は、ある一定の風の強さを仮定したものである。

図５及び図６に示すように、受風状態においては、航空機１０は、風見効果により機首が風上側に傾くため、その分だけ機首方位，ひいては映像センサー１２ａの撮影範囲が、トラック角θ（進行方向）と異なることとなる。そのため、航空機１０は、無風状態での飛行パターンＰｓのままで飛行した場合には、概して北側（目標物Ｔ側）からの風を受けると目標物Ｔを撮影しやすくなり（撮影範囲に余裕が生じ）、その反対の南側からの風を受けると目標物Ｔを撮影しにくくなる（目標物Ｔが撮影範囲から外れやすくなる）。

そこで、航空機１０が北側からの風を受ける場合には、上述の通り映像センサー１２ａの撮影範囲に余裕が生じるため、機首方位の範囲が映像センサー１２ａの撮影範囲（−α〜＋α：本実施形態では−１２０°〜＋１２０°）内となりつつ、これらが一致に近くなるまで、トラック角θを調整することができる。これにより、このときの飛行パターンを、無風状態での飛行パターンＰｓよりも東西にコンパクトなものにすることができる。

一方、航空機１０が北側以外からの風を受ける場合には、上述の通り目標物Ｔが映像センサー１２ａの撮影範囲から外れやすくなるものの、北側からの風を受ける場合と同様に、機首方位の範囲が映像センサー１２ａの撮影範囲内となりつつ、これらが一致に近くなるまでトラック角θを調整することで対応することができる。

具体的には、航空機１０の東向き飛行と西向き飛行との何れにおいても目標物Ｔが撮影範囲から外れるとき（図６では風向き方向がＳＳＷ、Ｓ、ＳＳＥのとき）には、このときの飛行パターンを無風状態での飛行パターンＰｓと同じ向きとしつつ、トラック角θを調整する。具体的には、このときの飛行パターンを無風状態での飛行パターンＰｓよりも東西に長尺なものにするとともに、機首方位の範囲が映像センサー１２ａの撮影範囲内となりつつ、これらが一致に近くなるようにトラック角θを調整する。これにより、飛行パターンが無風状態での飛行パターンＰｓよりも東西に長尺なものになりながらも、目標物Ｔを常に映像センサー１２ａの撮影範囲内に捉えることができる。

また、航空機１０の東向き飛行と西向き飛行との何れか一方において目標物Ｔが撮影範囲から外れるとき（図６では風向き方向がＷ、ＷＳＷ、ＥＳＥ、Ｅのとき）には、無風状態の飛行パターンＰｓを傾けるようにして、機首方位の範囲が映像センサー１２ａの撮影範囲と一致するようにする。
例えば航空機１０が東からの風を受ける場合には、西向き飛行のときに目標物Ｔが撮影範囲から外れ、東向き飛行のときには撮影範囲に余裕がある（図６の風向き方向Ｅを参照）。そこで、図７に示すように、８の字の長軸Ａｘが西に向かうに連れて北側に位置するように０°方向に対して当該長軸Ａｘを傾けて、無風状態の飛行パターンＰｓを傾斜させた飛行パターンＰｗで飛行することによって、目標物Ｔを常に映像センサー１２ａの撮影範囲内に捉えることができる。
なお、東向き飛行と西向き飛行との何れでも目標物Ｔが撮影範囲から外れるときには無風状態での飛行パターンＰｓの向きのままトラック角θを調整し、東向き飛行と西向き飛行との何れか一方で目標物Ｔが撮影範囲から外れるときには無風状態の飛行パターンＰｓを傾けるようにすることとしたが、これら（トラック角θの調整と飛行パターンＰｓの傾斜）を両方行ってもよい。

以上のように、本実施形態によれば、目標物Ｔを常に映像センサー１２ａの撮影範囲内に捉えるように、所定の飛行中心位置Ｃを中心とする８の字状の飛行パターンで航空機１０を飛行させるので、機体の所定方向に死角を有する映像センサー１２ａであっても、その撮影範囲内から目標物Ｔを外すことなく常続的に監視することができる。
したがって、航空機１０を定点で滞空させながら、死角を有する映像センサー１２ａによって遠方の目標物Ｔを常続的に監視することができる。

また、受風状態においては、そのときの飛行パターンでの機首方位の範囲が映像センサー１２ａの撮影範囲内となるように、無風状態での飛行パターンＰｓのトラック角θを調整した飛行パターンで航空機１０を飛行させる。これにより、風の影響（風見効果）によって機首が傾いた場合であっても、目標物Ｔを常に映像センサー１２ａの撮影範囲内に捉えることができる。

なお、本発明を適用可能な実施形態は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、航空機１０の飛行パターンは、ほぼ水平面内のものとなることとしたが、高度方向を含む映像センサー１２ａの撮影範囲内に目標物Ｔを捉えることが可能であれば、水平面内でなく傾斜した面内のものであってもよいし、パターン中に高度差を有していてもよい。

また、目標物Ｔが移動した場合や、太陽の位置によって逆光となってしまう場合などには、航空機１０の滞空位置や向きを適宜調整することが好ましい。

また、映像センサー１２ａは、航空機１０の機体後方に死角を有するものであることとしたが、機体前方や機体側方などの機体の所定方向に死角を有するものであればよい。

また、航空機１０は、地上設備２０のオペレータが遠隔操縦するものであってもよいし、無人航空機でなくパイロットが搭乗して操縦するものであってもよい。
また、これらの場合には、飛行制御装置１４又は地上設備２０の中央制御装置２２は、所要の飛行パターンを航空機１０又は地上設備２０の表示手段（ディスプレイなど）に表示させ、当該飛行パターンに沿った飛行の操縦をパイロット又はオペレータに行わせることとしてもよい。

１ 飛行制御システム
１０ 航空機
１２ 機体センサー
１２ａ 映像センサー
１３ 機体アクチュエータ
１４ 飛行制御装置
２０ 地上設備
２２ 中央制御装置
Ｐｓ，Ｐｗ 飛行パターン
Ａｘ 長軸
Ｃ 飛行中心位置
Ｔ 目標物
α 撮影角
θ トラック角

Claims (7)

1. 機体の所定方向に死角を有する映像センサーが搭載された航空機の飛行を制御し、当該航空機を滞空させつつ前記映像センサーにより所定の目標物を撮影させる航空機の飛行制御方法であって、
   前記目標物を常に前記映像センサーの撮影範囲内に捉えるように、所定の飛行中心位置を中心とする８の字状の飛行パターンで前記航空機を飛行させることを特徴とする航空機の飛行制御方法。
2. 前記映像センサーの撮影範囲が、機体前方から機体左右両方向へそれぞれ所定の撮影角に及ぶ範囲であり、
   前記飛行パターンでは、前記目標物の方向を基準とする前記航空機の機首方位の絶対値が常に前記撮影角以下であることを特徴とする請求項１に記載の航空機の飛行制御方法。
3. 前記航空機が風を受けていない無風状態では、前記目標物の方向と直交する方向に沿った長軸を有する８の字状の飛行パターンで前記航空機を飛行させることを特徴とする請求項１又は２に記載の航空機の飛行制御方法。
4. 前記航空機が風を受けている受風状態では、そのときの飛行パターンでの機首方位の範囲が前記映像センサーの撮影範囲内となるように、前記無風状態での前記飛行パターンの前記トラック角を調整した飛行パターンで前記航空機を飛行させることを特徴とする請求項３に記載の航空機の飛行制御方法。
5. 前記航空機が前記目標物の方向とは異なる側の方向からの風を受けた場合に、前記目標物の方向に対して前記長軸を傾けるように前記無風状態での前記飛行パターンを傾斜させた飛行パターンで前記航空機を飛行させることを特徴とする請求項４に記載の航空機の飛行制御方法。
6. 前記飛行パターンがほぼ水平面内でのものであることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の航空機の飛行制御方法。
7. 機体の所定方向に死角を有する映像センサーが搭載された航空機の飛行を制御し、当該航空機を滞空させつつ前記映像センサーにより所定の目標物を撮影させる航空機の飛行制御システムであって、
   前記目標物を常に前記映像センサーの撮影範囲内に捉えるように、所定の飛行中心位置を中心とする８の字状の飛行パターンで前記航空機を飛行させることを特徴とする航空機の飛行制御システム。

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