JP2019155932A - 飛行制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】航空機の安全飛行を確保しつつ、適切な経路を選択する。【解決手段】飛行制御システム１０は、所定の契機で航空機の現行経路以外の複数の仮想経路を設定する仮想経路設定部２０と、現行経路および複数の仮想経路それぞれにおけるエンベローププロテクションを評価する第１評価部２２と、エンベローププロテクションの評価に基づいて現行経路および複数の仮想経路のうちいずれか１の経路を決定する経路決定部２６と、決定された経路に基づいて航空機を飛行制御する飛行制御部２８と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、航空機を飛行制御する飛行制御システムに関する。

無人の航空機（無人機）は、パイロットを搭乗させることなく、所定の航路を無人で飛行する航空機である。このような無人機の対気速度、高度、大気温度の各検出データに基づき、ピッチ、ロール、ヨー等の姿勢制御を行う技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開平０７−２７１４４０号公報

無人機は、予め設定された経路（予定経路）を予め設定された諸元で飛行する。しかし、設定された予定経路が飛行環境の変化により追従不可能な経路となった場合に無人機が失速することがある。また、地上の起伏の特定精度が低いと、想定外の障害物に無人機が接触するおそれが生じる。さらに、飛行経路が特定されていない他の航空機が飛行する領域では、そのような他の航空機と衝突する可能性がある。

そこで、本発明は、このような課題に鑑み、航空機の安全飛行を確保しつつ、適切な経路を選択することが可能な飛行制御システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の飛行制御システムは、所定の契機で航空機の現行経路以外の複数の仮想経路を設定する仮想経路設定部と、現行経路および複数の仮想経路それぞれにおけるエンベローププロテクションを評価する第１評価部と、エンベローププロテクションの評価に基づいて現行経路および複数の仮想経路のうちいずれか１の経路を決定する経路決定部と、決定された経路に基づいて航空機を飛行制御する飛行制御部と、を備える。

現行経路および複数の仮想経路におけるミッション達成度を評価する第２評価部を備え、経路決定部は、エンベローププロテクションおよびミッション達成度の評価に基づいて現行経路および複数の仮想経路のうちいずれか１の経路を決定してもよい。

経路決定部は、エンベローププロテクションの評価が最大となる経路を決定し、エンベローププロテクションの評価が複数の経路で等しい場合、ミッション達成度の評価が最大となる経路を決定してもよい。

本発明によれば、航空機の安全飛行を確保しつつ、適切な経路を選択することが可能となる。

航空機の飛行態様を説明するための説明図である。 無人機の制御系を説明するための機能ブロック図である。 飛行制御処理の流れを示すフローチャートである。 仮想経路設定部が設定する複数の仮想経路を説明するための説明図である。 エンベローププロテクションによる評価を説明するための説明図である。 ミッション達成度による評価を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、航空機の飛行態様を説明するための説明図である。ここでは、航空機として、パイロットを搭乗させることなく、所定の航路を無人で飛行する無人機１を挙げて説明する。無人機１は、地上において、図１（ａ）に示すような予定経路２や、その予定経路２における飛行態様（飛行位置、機体速度、機体姿勢、機首方向等）が予め設定されており、設定された予定経路２を設定された飛行態様で飛行する。無人機１では、パイロットが搭乗していないので、パイロットにかかる加速度（Ｇ）の負担を考慮する必要がなく、万が一、不慮の事故が生じた場合でも人命を損なうことがない。

しかし、無人機１にはパイロットが搭乗していないので、設定された予定経路２が飛行環境の変化により追従不可能な経路となった場合に無人機１が失速することがある。例えば、無人機１の予定経路２およびその飛行態様は、無人機１の性能が許容する範囲で決定されているものの、図１（ｂ）のように、不測の悪天候中における上昇命令や降下命令に対し、性能が不足して速度超過や速度不足に陥る場合がある。

また、図１（ｃ）のように、飛行経路が特定されていない他の航空機３や鳥、想定外の障害物が存在すると、それらと無人機１とが接触（衝突）するおそれもある。そこで、本実施形態では、無人機１の安全飛行を確保しつつ、適切な経路を選択することが可能な飛行制御システムを提供する。以下では、本実施形態の目的である飛行制御に必要な構成を説明し、本実施形態に関係のない構成については説明を省略する。

（飛行制御システム１０）
図２は、無人機１の制御系を説明するための機能ブロック図である。無人機１は、飛行保持部１２と、飛行状態センサ１４と、飛行機構１６と、中央制御部１８とを含んで構成されている。

飛行保持部１２は、無人機１が飛行する予定経路２や、その予定経路２のそれぞれの飛行位置における飛行態様を特定可能な飛行データ等、無人機１が飛行するのに必要な様々なデータを保持する。

飛行状態センサ１４は、無人機１に設けられた航法センサ等の様々なセンサを通じて、飛行位置（経度、緯度、高度を含む）、機体速度、機体姿勢、機体が受ける風力、風向き、天候、機体周囲の気圧、温度、湿度等の現在の飛行状態を検出する。

飛行機構１６は、翼が機体に固定されている固定翼と、推進力を得る内燃機関（例えば、ジェットエンジンやレシプロエンジン）とで構成され、推進力により翼周りに揚力を生じさせることで、機体が大気中に浮上した状態を維持する。ただし、揚力を生じさせる機構はかかる場合に限らず、回転可能に設けられた回転翼（ローター）により揚力を得たり、推進力を得ることも可能である。

また、飛行機構１６では、昇降舵や補助翼（エルロン）を通じてバンク角（ロール角）、機首角（ピッチ角）、内燃機関の出力等を調整することで、飛行方位（ヨー角）、高度、飛行速度を制御することも可能である。

中央制御部１８は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路で構成され、無人機１全体を管理および制御する。また、中央制御部１８は、ＲＯＭやＲＡＭと協働して飛行制御システム１０として機能する、仮想経路設定部２０、第１評価部２２、第２評価部２４、経路決定部２６、飛行制御部２８としても動作する。以下、飛行制御システム１０による飛行制御処理について、当該中央制御部１８の各機能部の動作も踏まえて詳述する。

（飛行制御処理）
図３は、飛行制御処理の流れを示すフローチャートである。ここでは、所定時間（例えば０．５秒）経過毎の割込信号に応じて当該飛行制御処理が実行される。飛行制御処理では、仮想経路設定部２０が複数の仮想経路を設定し（Ｓ２００）、第１評価部２２がエンベローププロテクションを評価し（Ｓ２０２）、第２評価部２４がミッション達成度を評価し（Ｓ２０４）、経路決定部２６が、エンベローププロテクションおよびミッション達成度の評価に基づいて経路を決定し（Ｓ２０６）、飛行制御部２８が無人機１を飛行制御する（Ｓ２０８）。

（仮想経路設定処理Ｓ２００）
無人機１は、予め設定された予定経路２に追従するように制御され、その制御結果として所定の経路を飛行する。ここでは、予定経路２に対し、実際に飛行している経路を現行経路と言う。

仮想経路設定部２０は、所定の契機、例えば、所定時間（例えば０．５秒）毎に、無人機１が飛行している現行経路を参照し、現行経路以外の複数の仮想経路を設定する。

図４は、仮想経路設定部２０が設定する複数の仮想経路を説明するための説明図である。具体的に、仮想経路設定部２０は、図４に実線で示した現行経路５０、すなわち、無人機１のロール軸を中心に、ヨー方向に±１０度、ピッチ方向に±１０度の範囲を設定し、その範囲内において、ヨー方向およびピッチ方向に１度ずつずらした、図４に破線で示す放射状の仮想経路５２を設定する。なお、仮想経路５２を設定する範囲は±１０度に限らず、任意に設定することができる。

ここで、複数の仮想経路５２は、全て直線であり、ヨー方向およびピッチ方向の少なくとも一方における他の仮想経路５２と１度の角度をなす。また、その仮想経路５２の長さは、機体速度（ｍ／ｓ）×所定時間（例えば５秒）とする。なお、ここでは、説明の便宜上、仮想経路５２を直線としているが、機体姿勢の変化等を踏まえた曲線で表してもよい。また、仮想経路５２間の角度は１度に限らず、任意に設定することができる。

なお、ここでは、無人機１に対し、複数の仮想経路５２を設定する例を挙げて説明しているが、機体速度等、他の様々なパラメータも複数設定し、例えば、複数の仮想経路５２それぞれに対し複数の機体速度を適用することもできる。

（エンベローププロテクション評価処理Ｓ２０２）
第１評価部２２は、現行経路５０および複数の仮想経路５２、具体的には、現行経路５０や仮想経路５２の最先端部位（例えば５秒後の機体位置）それぞれにおけるエンベローププロテクションを評価する。エンベローププロテクションは、運動荷重倍数（航空機が飛行中に受ける空気力を水平定常飛行時の荷重（機体重量）で除算した値）、機体姿勢、機体速度等について予め設定された飛行態様の許容範囲を超過しないように自動的に航空機を制御する機能である。ここでは、エンベローププロテクションとして、失速防止（機体速度）と墜落防止（機体高度）の２つを例示して説明する。

図５は、エンベローププロテクションによる評価を説明するための説明図である。第１評価部２２は、まず、図５（ａ）を用いて失速防止を評価する。ここで、失速防止の評価値は、機体速度が１００ｍ／ｓ未満で「０」、１００〜１５０ｍ／ｓの間で漸増し、１５０〜３００ｍ／ｓの間において「１」となり、３００〜３５０ｍ／ｓの間で漸減し、３５０ｍ／ｓ以上で再び「０」となる。したがって、機体速度を１５０〜３００ｍ／ｓに維持している間、失速防止の評価値として「１」を維持できる。なお、機体速度が１００ｍ／ｓ未満であれば、飛行状態を維持できず、３５０ｍ／ｓ以上であれば、機体が破損するおそれがある。

次に、第１評価部２２は、図５（ｂ）を用いて墜落防止を評価する。ここで、墜落防止の評価値は、機体高度が０〜３ｋｍの間で漸増し、３〜１０ｋｍの間において「１」となり、１０〜１１ｋｍの間で漸減し、１１ｋｍ以上で「０」となる。したがって、機体高度を３〜１０ｋｍに維持している間、墜落防止の評価値として「１」を維持できる。

続いて、第１評価部２２は、失速防止の評価値と墜落防止の評価値とに基づいてエンベローププロテクションによる総合評価値を導出する。例えば、第１評価部２２は、失速防止の評価値と墜落防止の評価値とを比較し、数値が低い方を総合評価値とする。これは、エンベローププロテクションによる評価をより厳密にするためである。したがって、失速防止の評価値および墜落防止の評価値のいずれもが「１」であれば、総合評価値も「１」となり、いずれか一方でも「１」未満となると、総合評価値も「１」未満となる。

なお、ここでは、２つの評価値の低い方を総合評価値とする例を挙げて説明しているが、２つの評価値の平均値を総合評価値としたり、２つの評価値同士を乗じたものを総合評価値としてもよい。こうすることで、失速防止の評価値および墜落防止の評価値のいずれもが「１」であれば、総合評価値も「１」となり、いずれか一方でも「１」未満となると、総合評価値も「１」未満となる。

また、ここでは、エンベローププロテクションとして、失速防止（機体速度）と墜落防止（機体高度）の２つを挙げて説明したが、かかる場合に限らず、機体にかかる荷重、角速度、ピッチ角等、設計上制限される様々なパラメータが所定の許容範囲に含まれているか否かで評価してもよい。この場合であっても、許容範囲に含まれていれば評価値を「１」とし、その範囲外であれば「１」より低い数値とする。

（ミッション達成度評価処理Ｓ２０４）
第２評価部２４は、現行経路５０および複数の仮想経路５２、具体的には、現行経路５０や仮想経路５２の最先端部位（例えば５秒後の機体位置）それぞれにおけるミッション達成度を評価する。ミッションとは、無人機１の安全飛行を確保しつつ、早期に達成すべき目的を言い、ミッション達成度は、その達成度合いを言う。ここでは、ミッション達成度として、予定経路２と、現行経路５０や仮想経路５２との偏差、具体的には、予定経路２と現行経路５０や仮想経路５２の最先端部位（例えば５秒後の機体位置）との距離を挙げて説明する。

図６は、ミッション達成度による評価を説明するための説明図である。第２評価部２４は、まず、図６を用いて予定経路２との偏差を評価する。ここで、予定経路２との偏差の評価値は、予定経路２との偏差が０ｍであれば「１」となり、０〜５０００ｍの間で漸減し、５０００ｍ以上で「０」となる。したがって、予定経路２との偏差が０ｍに近ければ近い程、予定経路２との偏差の評価値を「１」に近づけることができる。

かかるミッション達成度を評価することで、無人機１は、予定経路２との偏差が小さい経路を優先的に選択するので、予定経路２に従ったフィードバック制御と同等の効果を得ることができる。

また、ここでは、ミッション達成度として、予定経路２との偏差を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、予定経路２それぞれにおいて設定されている飛行態様と実際の飛行態様との偏差を評価してもよい。この場合であっても、設定されている飛行態様の評価値を「１」とし、それからの偏差が広がれば「１」より低い数値とする。

（経路決定処理Ｓ２０６）
経路決定部２６は、エンベローププロテクションおよびミッション達成度の評価に基づいて現行経路５０または複数の仮想経路５２のうちいずれか１の経路を決定する。

ここでは、まず、無人機１が失速や墜落することなく、安全に飛行することを優先するために、エンベローププロテクションの評価値を優先する。具体的に、経路決定部２６は、現行経路５０および複数の仮想経路５２のうち、エンベローププロテクションの評価が最大となる経路を決定する。例えば、現行経路５０および複数の仮想経路５２が全て「１」未満であった場合、その中でも最大値となる経路が決定される。

そして、エンベローププロテクションが確保されている場合、すなわち、現行経路５０および複数の仮想経路５２のうちの複数の経路の評価値が最大値「１」であれば（エンベローププロテクションの評価が複数の経路で等しければ）、ミッション達成度の評価が最大となる経路を決定する。例えば、エンベローププロテクションの評価値が複数の経路で最大値「１」であれば、ミッション達成度の評価が高い、例えば、予定経路２との偏差が小さい経路が優先的に決定される。

（飛行制御処理Ｓ２０８）
飛行制御部２８は、経路決定部２６が決定した経路に基づきフィードバック制御により無人機１を飛行制御する。このとき、決定された経路は、次回の飛行制御処理における現行経路５０となる。

以上、説明した構成により、所定時間未来の飛行を予測することで、エンベローブプロテクションにより無人機１の安全を最優先で確保しつつ、適切な経路を選択することが可能となる。

例えば、飛行環境の変化により急上昇が難しい場合においても、無人機１は、その予定経路２の周囲を旋回しつつ、機体速度を維持して自律的に上昇することができる。また、無人機１が他の航空機との編隊飛行を行う場合であっても、他の航空機の変位に応じて追従することが可能となる。

また、コンピュータを飛行制御システム１０として機能させるプログラムや、当該プログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能なフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤ等の記憶媒体も提供される。ここで、プログラムとは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理手段を言う。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態においては、第１評価部２２および第２評価部２４がそれぞれ評価を行い、経路決定部２６が両評価に基づいて１の経路を決定する例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、一方の評価にのみ基づいて経路を決定してもよい。例えば、第１評価部２２が、複数の仮想経路５２それぞれにおけるエンベローププロテクションを評価し、経路決定部２６が、エンベローププロテクションの評価のみに基づいて現行経路５０または複数の仮想経路５２のうちいずれか１の経路を決定してもよい。

また、上述した実施形態においては、航空機として無人機１を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、パイロットが不在の航空機に適用することもできる。

また、上述した実施形態においては、飛行制御システム１０として機能する、仮想経路設定部２０、第１評価部２２、第２評価部２４、経路決定部２６、飛行制御部２８が全て航空機（無人機１）に設けられている例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、その機能部の一部を航空機とは異なる、例えば、地上に位置する装置に設け、無線通信により情報交換がなされるとしてもよい。

なお、本明細書の飛行制御処理の各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、航空機を飛行制御する飛行制御システムに利用することができる。

１ 無人機（航空機）
１０ 飛行制御システム
２０ 仮想経路設定部
２２ 第１評価部
２４ 第２評価部
２６ 経路決定部
２８ 飛行制御部

Claims (3)

1. 所定の契機で航空機の現行経路以外の複数の仮想経路を設定する仮想経路設定部と、
   前記現行経路および前記複数の仮想経路それぞれにおけるエンベローププロテクションを評価する第１評価部と、
   前記エンベローププロテクションの評価に基づいて前記現行経路および前記複数の仮想経路のうちいずれか１の経路を決定する経路決定部と、
   決定された前記経路に基づいて前記航空機を飛行制御する飛行制御部と、
   を備える飛行制御システム。
2. 前記現行経路および前記複数の仮想経路におけるミッション達成度を評価する第２評価部を備え、
   前記経路決定部は、前記エンベローププロテクションおよび前記ミッション達成度の評価に基づいて前記現行経路および前記複数の仮想経路のうちいずれか１の経路を決定する請求項１に記載の飛行制御システム。
3. 前記経路決定部は、前記エンベローププロテクションの評価が最大となる経路を決定し、前記エンベローププロテクションの評価が複数の経路で等しい場合、前記ミッション達成度の評価が最大となる経路を決定する請求項２に記載の飛行制御システム。

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