JP2020524630A - Ｕａｖの飛行体積を制御するための能動的テザー、並びに関連する方法及びシステム - Google Patents

Abstract

ＵＡＶの飛行体積を制御するための能動的テザー、並びに関連する方法及びシステムについて開示する。代表的な実施形態による方法は、ＵＡＶを発射場から上方に導くステップと、ＵＡＶが空中に存在している間にＵＡＶの故障又はこれから起きる故障の指示を受け取るステップと、指示に応答して、ＵＡＶに取り付けられたテザーを介してＵＡＶに加速度を付与するステップと、を含む。【選択図】図１

Description

〔関連出願との相互参照〕
本出願は、２０１７年６月１３日に出願された係属中の米国仮特許出願第６２／５１９，０８９号に対する優先権を主張するものであり、この文献は引用により本明細書に組み入れられる。

本技術は、一般にＵＡＶが動作する飛行体積（ｆｌｉｇｈｔ ｖｏｌｕｍｅｓ）を制御するための能動的テザー、並びにさらなる抑制を含む関連するシステム及び方法に関する。

無人航空機（ＵＡＶ）は、有人航空機又は衛星によって行われていたはずの様々な作業を実行する人気の高い装置になってきた。このような作業は、監視作業、イメージング作業、及び積載物搬送作業を含む。しかしながら、ＵＡＶには多くの欠点がある。例えば、建物、樹木又はその他の物体の近くなどの狭苦しい場所でＵＡＶを動作させること、特に自律的にそれを行うことは困難となり得る。特に、ＵＡＶがこのような物体と衝突するのを防ぐことは困難となり得る。従って、近隣に潜在的危険物が存在する領域では、ＵＡＶが所望の監視作業を実行できないこともある。従って、ＵＡＶが排除されそうな領域を含み得る作業環境内でＵＡＶの安全かつ正確な航行を可能にする技術及び関連するシステムが依然として必要とされている。

本技術のいくつかの実施形態による、テザーを使用して動作するＵＡＶの部分的概略図である。 本技術のいくつかの実施形態による、テザーを使用して高所から動作するＵＡＶの部分的概略図である。 ＵＡＶが動作する領域の体積を増加させる情報を収集するＵＡＶの部分的概略図である。 本技術のいくつかの実施形態による、テザー及びビレイ装置を使用して動作するＵＡＶの部分的概略図である。 本技術のいくつかの実施形態による、ＵＡＶの代表的な動作方法を示すフロー図である。 本技術のいくつかの実施形態による、ＵＡＶの代表的な動作方法を示す別のフロー図である。

本技術は、一般にテザーなどを介してＵＡＶの飛行を抑制するためのシステム及び方法に関する。例えば、いくつかの実施形態では、ＵＡＶの故障又は潜在的故障の指示に対してＵＡＶを素早く引き寄せることによって自動的に応答するウィンチにテザーが接続される。いくつかの実施形態では、たとえＵＡＶが故障して地面に落下しつつある場合でも、ウィンチがＵＡＶの非増強降下速度（ｕｎ−ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ｄｅｓｃｅｎｔ ｒａｔｅ）よりも速くＵＡＶを引き寄せることができる。この構成は、たとえ飛行体積内に回避すべき危険物又はその他の特徴物が存在する場合でも、ＵＡＶがさらに大きな飛行体積内で飛行することを可能にすることができる。例えば、故障時にＵＡＶを素早く引き寄せる能力は、たとえＵＡＶが危険物の上方で及び／又は危険物を越えて故障した場合でも、ＵＡＶが危険物に衝突する確率を大幅に軽減することができる。いくつかの実施形態では、高速動作するウィンチに加えて又はその代わりに他の技術を使用することもできる。例えば、テザーは、故障時にＵＡＶが移動できる限られた範囲のみを含む潜在的暴露環境内でＵＡＶが動作できるようにする１又は２以上のビレイ装置を通過することができる。別の例では、ＵＡＶの降下速度を減速させることによって潜在的衝突半径をさらに制限して航空機を保護するのに役立つことができるパラシュートを、能動的に動作するウィンチと組み合わせて展開することができる。

以下、特定の代表的な構成を参照しながら、開示する技術のいくつかの実施形態の具体的詳細について説明する。開示する技術は、ＵＡＶと、その他の構成を有する関連システムとに従って実施することができる。また、いくつかの実施形態では、開示する技術の特定の態様を、ＵＡＶ以外の自律走行車（例えば、自律的陸上車両又は船舶）との関連で実施することもできる。明確にするために、以下の説明では、しばしばＵＡＶに関連する周知の構造又はプロセスではあるが、現在開示している技術のいくつかの重要な態様を不必要に曖昧にする恐れがある構造又はプロセスを表す具体的詳細については説明しない。さらに、以下の開示では、開示する技術の異なる態様のいくつかの実施形態を示すが、本技術のいくつかの実施形態は、本節で説明するものとは異なる構成及び／又はコンポーネントを有することもできる。従って、本技術は、追加要素を含む、及び／又は図１〜図６を参照しながら後述する要素のうちのいくつかを含まないいくつかの実施形態を有することもできる。

開示する技術のいくつかの実施形態は、プログラマブルコンピュータ又はコントローラによって実行されるルーチンを含むコンピュータ実行可能命令の形を取ることができる。当業者であれば、本技術は、以下で図示し説明するもの以外のコンピュータ又はコントローラシステム上で実施することもできると理解するであろう。本技術は、後述するコンピュータ実行可能命令のうちの１つ又は２つ以上を実行するように特別にプログラム、構成又は構築された専用コンピュータ、コントローラ又はデータプロセッサにおいて具体化することができる。従って、本明細書で一般的に使用する「コンピュータ」及び「コントローラ」という用語は（空中及び／又は地上の）好適なデータプロセッサを含み、パームトップコンピュータ、ウェアラブルコンピュータ、セルラー又は携帯電話機、マルチプロセッサシステム、プロセッサベースの配線プログラム可能な家庭用電化製品、ネットワークコンピュータ、ラップトップコンピュータ及びミニコンピュータなどを含むインターネット機器及びハンドヘルド装置を含むことができる。これらのコンピュータが取り扱う情報は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を含むいずれかの好適な表示媒体に提示することができる。当業で周知のように、一般にこれらのコンピュータ及びコントローラは、様々なプロセッサ、メモリ（例えば、非一時コンピュータ可読媒体）、入力／出力装置、及び／又はその他の好適な機能を有する。

本技術は、通信ネットワークを通じて結合された遠隔処理装置によってタスク又はモジュールが実行される分散環境で実施することもできる。分散コンピュータ環境では、局所的及び遠隔的メモリ記憶装置内にプログラムモジュール又はサブルーチンを配置することができる。後述する技術の態様は、磁気的又は光学的に読み取り可能又は取り外し可能なコンピュータディスクを含むコンピュータ可読媒体に記憶又は分散させることも、ネットワークを介して電子的に分散させることもできる。本技術の態様に特有のデータ構造及びデータ送信も本技術の範囲に含まれる。

図１は、環境１３０内で動作するＵＡＶ１１０を含むシステム１００の部分的概略図である。環境１３０は、標的１３１（例えば、ＵＡＶ１１０の監視対象）と、回避すべき１又は２以上の危険物１４０又はその他の物体又は特徴物（例えば、道路１４１における車両１４２及び歩行者１４３）とを含むことができる。全体的なシステム１００は、標的１３１におけるＵＡＶ１１０のミッション遂行を可能にしながら、ＵＡＶ１１０が故障によって危険物１４０に衝突又は別様に干渉するリスクを大幅に軽減するように構成された抑制システム１５０を含むことができる。

ＵＡＶ１１０は、積載物１１１（例えば、標的１３１を評価するために使用される１又は２以上のカメラ又はその他のセンサ１１２）を含むことができる。ＵＡＶ１１０は、標的１３１に対する適所に自機を移動させる推進システム１１３をさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、標的１３１が、セルラーネットワークアンテナ１３３を有するタワー１３２、或いはＵＡＶ１１０が実行する検査、サービス及び／又はその他の動作の恩恵を受ける他の構造を含むことができる。

抑制システム１５０は、ＵＡＶ１１０とウィンチ１５１との間に接続されたテザー１５３を含むことができる。以下でさらに詳細に説明するように、テザー１５３は、ＵＡＶ１１０の動きを制限し、ＵＡＶ１１０をウィンチ１５１に向けて加速させるのに十分なほど頑強な抑制線１５４を含むことができる。テザー１５３は、ＵＡＶ１１０とコントローラ１２０との間に有線リンクを提供する通信回線１５５を含むこともできる。コントローラ１２０は、無線リンク１２１を介してＵＡＶと通信することもできる。また、コントローラ１２０は、ウィンチ１５１の動作を制御するために、ウィンチ１５１を駆動するウィンチモータ１５２に結合することもできる。

１つの動作モードでは、抑制システム１５０が、ウィンチ１５１からの第１の最大距離又は半径Ｒ１でＵＡＶ１１０を飛行可能にするように構成される。第１の半径Ｒ１は、ＵＡＶ１１０がその監視ミッションの少なくともいくつかの態様を第１の位置Ｐ１から実行できるようにするのに十分なものである。第１の半径Ｒ１は、第１の半径Ｒ１によって示す半球体積内のいずれかの地点でＵＡＶ１１０が故障して着地せざるを得ない場合に、ＵＡＶ１１０が危険物１４０に衝突しないように選択される。例えば、強風Ｗ、或いは推進システム又は航行システムの故障によってＵＡＶ１１０が危険物１４０に向かって運ばれた場合、制限された第１の半径Ｒ１は、たとえ危険物１４０に最も近い位置（Ｐ２）であってもＵＡＶ１１０が危険物１４０に衝突するのを防ぐ。

上述した第１の動作モードでは、ＵＡＶ１１０がそのミッションで飛行している間、コントローラ１２０の指揮下にあるウィンチ１５１がテザー１５３上の張力を制御する。従って、ＵＡＶ１１０が意図的にウィンチ１５１から離れる方向に導かれた場合、コントローラ１２０は、第１の半径Ｒ１までテザー１５３を緩めるようにウィンチモータ１５２に指示することができる。ＵＡＶ１１０がウィンチ１５１に向かって飛行した場合、コントローラ１２０は、結果として生じる緩みを巻き取るようにウィンチモータ１５２に指示することができる。いずれの場合にも、ＵＡＶ１１０が移動できる最大距離（Ｒ１）がテザー１５３の最大繰り出し長さによって制限される場合を除き、ＵＡＶ１１０の飛行経路はテザー１５３によって制御されない。

第２の動作モードでは、抑制システム１５０を、例えば非常時などに（能動的抑制機能が作動した時点で）ＵＡＶ１１０の動きを能動的に制御するように構成することができる。このモードでは、（第２の半径Ｒ２によって示すように）ＵＡＶ１１０がウィンチ１５１からさらに離れて移動することができる。従って、ＵＡＶ１１０は、その移動半径を第１の半径Ｒ１と比べてΔＲだけ増加させることができる。これにより、ＵＡＶ１１０が第３の位置Ｐ３まで移動して標的１３１にさらにアクセスできるようになる。広がった第２の半径Ｒ２は、危険物１４０の上空におけるＵＡＶ１１０の飛行も可能にする。システム１００は、ＵＡＶ１１０が故障によって危険物１４０に衝突（又は別様に干渉）するリスクを相殺又は排除するために、ＵＡＶ１１０を危険物１４０から離して能動的に加速及び／又は別様に転換させるための規定を含む。例えば、仮にＵＡＶ１１０が第３の位置Ｐ３において故障して第２の半径Ｒ２に沿って危険物１４０に向かって移動すれば、第４の位置Ｐ４によって示すように危険物１４０に衝突してしまうことになる。しかしながら、この第２の動作モードでは、コントローラ１２０が、故障（例えば、実際の故障、初期不良、これから起きる故障、或いは予想又は予測される故障）を示す入力を（例えば、ＵＡＶ１１０から）受け取り、テザー１５３を素早く引き寄せるようにウィンチモータ１５２及びウィンチ１５１に指示することによって応答する。コントローラ１２０が受け取る入力は、特定の構成に応じて完全に自動的な入力とする（例えば、ＵＡＶ１１０の機内又は機外のセンサからコントローラ１２０が自動生成入力を受け取る）ことも、或いは手動要素を含む（例えば、手動でスイッチを操作するユーザからコントローラ１２０が入力を受け取る）こともできる。いずれの場合にも、コントローラ１２０が開始するその後の応答は、降下位置Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７及びＰ８によって示すようにＲ２の半径の円弧よりも制限された降下線又は降下経路に沿ってＵＡＶ１１０をウィンチ１５１に向けて転換させる。この制限された経路は、第２の位置Ｐ２よりも危険物１４０の方に近いいずれかの地面にＵＡＶ１１０が接触するのを防ぐことができる。いくつかの実施形態では、ウィンチ１５１の素早い作動が、危険物１４０の手前のウィンチ１５１に至るまでのいずれかの地点でＵＡＶ１１０が地面にぶつかるように仕向けることができる。

上述した効果を奏するために、ウィンチ１５１は、（例えば、ＵＡＶ１１０が故障によって降下する際の）テザー１５３の緩みに合わせるだけでなく、ＵＡＶ１１０をウィンチ１５１に向けて加速させるのに十分な張力をテザー１５３に加える加速度及び速度で動作することができる。例えば、ウィンチ１５１は、ＵＡＶ１１０が故障の結果として抑制されずに落下すると思われる速度よりも速い速度までＵＡＶ１１０を下向きに加速させるのに十分な張力をＵＡＶ１１０に加えることができる。

ＵＡＶ１１０は、コントローラ１２０及びウィンチ１５１による引き戻し反応を引き起こす様々な潜在的故障のうちのいずれかに遭遇する恐れがある。例えば、故障は、ＵＡＶ１１０に搭載されるプロペラ、モータ、電子スピードコントローラ、バッテリ、ナビゲーションユニット及び／又は通信ユニットのうちの１つ又は２つ以上に発生し得る。故障は、様々な好適な方法のうちのいずれかで検出することができる。例えば、モータ又はプロペラが故障した場合には、好適なセンサを使用して、命令していないモータ速度の変化を検出することができる。バッテリの故障は、電圧センサによって検出することができ、ＵＡＶナビゲーション及び／又は通信システムの故障は、他のセンサ又はアルゴリズムによって検出することができる。ＵＡＶ１１０は、示された故障に応答して、有線通信回線１５５又は無線リンク１２１を介して信号を送信することができ、この信号がコントローラ１２０に受け取られることによって、上述したウィンチ１５１の作動が加速される。他の例では、例えば手動オペレータ又は自律的飛行計画のいずれによっても許可されていない方向にＵＡＶ１１０が移動し始めることがある。このような場合には、故障がＵＡＶ１１０の特定の位置（例えば、無許可の位置）に対応し、ＧＰＳ、地上スキャナ１６０、又はその他の好適な装置を介して検出することができる。これらの事例では、いずれも対応する信号がコントローラ１２０に送信され、コントローラ１２０がウィンチ１５１に指示を行う。

ウィンチモータ１５２及びウィンチ１５１は、故障時にはＵＡＶ１１０をウィンチ１５１に向かって素早く加速させるように構成されるが、このような加速は、第２の半径Ｒ２によって表す半球体積内の全ての地点における危険物との衝突を回避するほど十分に素早くない場合もある。例えば、ＵＡＶ１１０が自律的に又はオペレータの制御下で第４の位置Ｐ４まで飛行した後に故障した場合（ここでは第４の位置Ｐ４が故障地点を表す）、ウィンチ１５１は、ＵＡＶ１１０が車両１４２又は危険物１４０の他の要素に衝突する前にＵＡＶ１１０を安全な場所に引き込むことができない場合もある。従って、ＵＡＶ１１０が動作できる体積は、単純な半球よりも複雑な形状を有することができる。例えば、危険物１４０の近くでは、許可された飛行体積が小さな半径を有することができる。従って、コントローラ１２０は、より複雑な形状の飛行体積にアクセスすることができ、及び／又はこのような飛行体積の形状を判断するためのアルゴリズムを含むことができる。

ＵＡＶ１１０が動作できる飛行体積の規定に役立つように、スキャナ１６０を使用して環境１３０をスキャンし、危険物を識別することができる。システム１００は、危険物が識別されると、故障時のＵＡＶ１１０の最大降下速度、及び故障指示に応答してテザー１５３に付与される最大加速度及び速度などの重み係数によって、（単複の）危険物を考慮するためにどのように飛行体積を変更すべきであるかを自動的に識別することができる。図３を参照しながら後述するように、スキャナ１６０によって提供された情報は、ＵＡＶ１１０自体を使用して拡大することもできる。

少なくともいくつかの実施形態では、ＵＡＶ１１０が、故障時に自機の降下を減速させ、従ってウィンチ１５１がＵＡＶを引き寄せる時間を増やすことによってＵＡＶの最終着陸位置のさらなる制御を可能にするスピードブレーキ１１４を含むことができる。例えば、スピードブレーキ１１４は、ＵＡＶ１１０の降下速度を減速させてウィンチ１５１がＵＡＶ１１０を危険物１４０から離して内向きに引き寄せるための時間を増やすパラシュート１１５（及び／又は別の好適な装置）を含むことができる。１つの実施形態では、ウィンチモータ１５２が、（スピードブレーキ１１４によって引き起こされる減速した降下に起因して）ＵＡＶ１１０がウィンチ１５１の真上の安全着陸ゾーン１５６に確実に停止するようにＵＡＶ１１０を効果的に引き寄せることができる。

少なくともいくつかの実施形態では、安全着陸ゾーン１５６に、防御パッド、ネット、又はＵＡＶ１１０の着地を和らげる別の好適な材料を取り付けることができる。いくつかの例では、ウィンチ１５１がスピードブレーキ１１４の作動と共にＵＡＶ１１０を引き込む速度が、航空機の完全性を維持することができる。他の例では、ウィンチ１５１がＵＡＶ１１０を引き込む速度が、スピードブレーキ１１４又は安全着陸ゾーン１５６の速度定格を超えることができる。このような実施形態では、スピードブレーキ１１４を取り除き、或いはＵＡＶ１１０が危険物１４０から離れて内向きに引き込まれる際にスピードブレーキ１１４を単純に機能しないようにすることができる。いくつかの実施形態では、危険物１４０に衝突しないことを確実にするために、ＵＡＶ１１０及び／又は安全着陸ゾーン１５６を破壊することができる。

上述したいくつかの実施形態では、ＵＡＶ１１０がそのミッションを遂行するためにウィンチ１５１の上方に位置する。他の実施形態では、例えば図２に示すように、ウィンチ１５１がＵＡＶ１１０の上方に位置することもできる。例えば、標的１３１は、建物１３４から伸びるアンテナ１３３を含むことができ、従ってウィンチ１５１を建物１３４の屋上に配置することができる。図２に示す制約環境１３０は、例えば列車１４５を支える高架路線１４４などの第１の危険物１４０ａを含むことができる。ＵＡＶ１１０の飛行エンベロープは、制約はされ得るものの、ウィンチ１５１の最大加速度及び速度が第１の危険物１４０ａから離れたＵＡＶ１１０の迂回を可能にできるのであれば、依然としてＵＡＶ１１０が危険物１４０ａの上空を飛行できるようにして、例えば標的１３１を評価するのに有利な地点を提供することができる。第２の「危険物」１４０ｂは、標的１３１自体を含むことができる。仮に、提案される飛行エンベロープ又は飛行体積沿いの何らかの地点でＵＡＶ１１０が故障した場合、ＵＡＶ１１０は、アンテナ１３３に向かって方向を変える可能性がある。従って、ウィンチ１５１の最大速度を考慮して、アンテナ１３３の付近におけるＵＡＶ１１０の飛行を可能にする一方で、故障時にはＵＡＶ１１０をアンテナ１３３から離して素早く上向きに引っ張り挙げる能力を維持するように飛行エンベロープを適合させることができる。

図３は、別の環境３３０で動作するＵＡＶ１１０の部分的概略図である。環境３３０は、第１の危険物３４０ａ（例えば、損傷しやすい構造）及び第２の危険物３４０ｂ（例えば、建物）を含むことができる。スキャナ１６０は、第２の半径Ｒ２によって示す許容飛行体積を策定するために使用される。上述したように、第２の半径Ｒ２は、体積内の様々な地点において異なる値を有することができる。例えば、第２の半径Ｒ２は、第１の危険物３４０ａの近くよりも第２の危険物３４０ｂの近くの方が大きな値を有することができる。

スキャナ１６０は、環境３３０のマップ作成プロセスの一部として、例えば第１の危険物３４０ａにおける第１の既知の危険物表面３４６ａ、第２の危険物３４０ｂにおける第２の既知の危険物表面３４６ｂなどの既知の危険物表面を識別することができる。センサ１６０は、危険物表面３４６ａ、３４６ｂの背後の環境を感知できないこともあるので、環境３３０は、対応する未知の領域３４７ａ、３４７ｂを含む。さらなる情報がなければ、通常、許容又は許可される飛行エンベロープ又は体積は、リスクを避けるために未知の領域３４７ａ、３４７ｂを除外する。しかしながら、いくつかの実施形態では、ＵＡＶ１１０自体を使用して未知の領域３４７ａ、３４７ｂの範囲を縮小し、従ってＵＡＶ１１０が利用できる飛行エンベロープを増加させることもできる。例えば、ＵＡＶ１１０を、テザー１５３の制御下で拡張半径Ｒ３まで飛行させることができる。ＵＡＶ１１０は、第９の位置Ｐ９に達すると、内蔵カメラ１１２又はその他のセンサを、未知の領域３４７ａ、３４７ｂの一部を含む視野を有するように配向することができる。例えば、カメラ１１２は、第１の未知の領域３４７ａの少なくとも一部を含む第１の視野１１６ａと、第２の未知の領域３４７ｂの少なくとも一部を含む第２の視野１１６ｂとを有することができる。このＵＡＶ１１０から第１及び第２の視野１１６ａ及び１１６ｂを介して得られた追加情報の結果、第１の更新された危険物表面３４８ａ及び対応する第１の更新された危険物領域３４９ａと、第２の更新された危険物表面３４８ｂ及び対応する第２の更新された危険物領域３４９ａとを含むように飛行エンベロープを更新することができる。図示の実施形態では、ＵＡＶ１１０が、対応する第３の更新された危険物表面３４８ｃを有する第３の危険物３４０ｃを識別することができる。更新された危険物表面３４８に加え、この時点で当初は未知であった領域３４７ａ、３４７ｂの残り部分が既知となり、従って飛行エンベロープをこれらの領域にまで広げることができ、ＵＡＶ１１０の故障時には、テザー１５３がＵＡＶ１１０をこれらの領域から引き戻すように動作することができる。

図４は、本技術のいくつかの実施形態に従って動作する抑制システム１５０の部分的概略図である。抑制システム１５０は、図１〜図３を参照しながら上述したものと概ね同様に動作する、ウィンチ１５１と、ウィンチモータ１５２と、テザー１５３と、コントローラ１２０とを含むことができる。第１の動作モードでは、テザー１５３が、対応する危険物１４０（この例では配電所４３９）を回避するために加速された引き戻し動作（ｒｅｅｌ−ｂａｃｋ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を必要としないＵＡＶ１１０の動作を可能にする第１の半径Ｒ１を有することができる。従って、ＵＡＶ１１０は、第１の半径Ｒ１に沿って第１０の位置Ｐ１０まで上昇することができる。第２の動作モードでは、テザー１５３が第２の半径Ｒ２まで延び、すなわちＵＡＶ１１０は、危険物１４０の上空を飛行することができ、ウィンチ１５１は、ＵＡＶの故障時にＵＡＶ１１０と危険物１４０との間の接触を上述したように防ぐことができる。

第３の動作モードでは、テザー１５３が、ビレイポイント４５６に位置するビレイ装置４５７を通過して、故障時にＵＡＶ１１０の動きをさらに制限することができる。具体的には、ＵＡＶ１１０が第１１の位置Ｐ１１に存在している間に故障した場合、ＵＡＶ１１０の動きがビレイ装置４５７によって危険物１４０との接触を避けるように制約される。或いは、ＵＡＶ１１０は、テザー１５３によってビレイポイント４５６から懸下されたままになることができる。ビレイ装置４５７は、ウィンチ１５１も加速的に動作したかどうかにかかわらずＵＡＶ１１０を懸下することができる。従って、ビレイ装置４５７は、単独で使用することも、或いは上述した加速的引き寄せ動作（ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｒｅｅｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）と併用することもできる。

特定の実施形態では、ＵＡＶが対象とする標的１３１が、１又は２以上のアンテナ１３３を支えるタワー１３２を含み、このタワー１３２にビレイポイント４５６を配置することができる。他の実施形態では、ビレイポイント４５６が他の位置を有することができる。いくつかの実施形態では、人間のオペレータ又はＵＡＶ１１０がビレイ装置４５７を適所に配置することができる。例えば、ビレイ装置４５７は、自機をタワー１３２に付着させる電磁アクチュエータを有することができる。使用後には、電磁石の機能を遠隔的に停止させて、ビレイ装置４５７を後で使用できるように地上に戻すことができる。ビレイ装置４５７のゲートに別の電磁石を結合して、テザー１５３に対して選択的に係合及び離脱させることもできる。他の実施形態では、ビレイ装置４５７を環境内に恒久的に固定して取り付けに利用することもできる。さらに別の実施形態では、ＵＡＶ１１０がビレイ装置４５７を必要とすることなくビレイポイント４５６を形成することもできる。例えば、ＵＡＶ１１０は、タワー１３２の周囲を複数回飛行して、ビレイポイント４５６にテザー１５３をしっかりと巻き回すことができる。

上述したように、本技術に従って構成されるシステムは、ＵＡＶの故障時にＵＡＶ１１０と環境１３０内の物体との間の衝突リスクを軽減又は最小化するように、ＵＡＶ１１０が飛行する領域を制限又は制約するのに適した様々な形で動作することができる。図５に示すように、代表的な方法５００は、飛行領域を計画又は識別するステップ（ブロック５０１）と、飛行領域内でテザーの（及び／又は他の）制約下でＵＡＶを飛行させるステップ（ブロック５１０）と、緊急着陸位置又は衝突位置を制約するようにテザーを操作するステップ（ブロック５２０）とを含む。図６を参照しながら後述するように、上述した作業は、いずれも他の作業とは無関係に実行することができ、及び／又は１又は２以上のサブプロセスを含むこともできる。

図６に、図５を参照しながら上述したプロセス又はステップのうちの、本技術のいくつかの実施形態に適したいくつかのプロセス又はステップの具体的詳細を示す。一般に、代表的プロセス６００は、計画段階（ブロック６０１）と、飛行段階（ブロック６１０）と、終了段階（ブロック６２０）とを含む。上述した各段階は、１又は２以上の関連ステップ又はプロセスを含むことができる。例えば、計画段階６０１は、ＵＡＶが動作する環境の表現を構築するステップを含むことができる。この表現は、２次元表現又は３次元表現を含むいくつかの好適な構成を有することができる。この表現は、図１及び図３を参照しながら上述したスキャナ１６０から単独で、又はさらなる入力と共に取得することができる。例えば、Ｇｏｏｇｌｅ Ｍａｐｓ又はその他の既存のデータベースを初期表現として使用し、必要に応じて、スキャナ１６０又は他の好適な装置を介してさらに最近取得されたデータで更新することができる。

ブロック６０３において、プロセスは、ＵＡＶ１１０が回避すべき特定の領域（例えば、危険物）を決定又は識別するステップを含む。このような領域は、安全にとって極めて重要なものとすることができ、及び／又は他の制限理由を有することもできる。いくつかの実施形態では、このような領域がオペレータによって（例えば、２Ｄマップ又は３Ｄ表現を使用して）選択され、いくつかの実施形態では、例えば適切な光学的認識技術、データベース、及び／又はその他の技術を使用することによって、これらの領域を自動的に決定することができる。これらの領域は、一般に平坦である（例えば、道路）ことも、或いはさらに３Ｄ的な形状を有する（例えば、建物）こともできる。

プロセスは、環境及び回避すべき特定の領域の初期表現に基づいて、許可された飛行体積を決定するステップをさらに含むことができる（ブロック６０４）。このプロセスは、初期の制約されていない体積を、安全にとって極めて重要又は別様に慎重に扱うべきものとして識別された体積と組み合わせるステップを含むことができる。プロセスは、最終的な制約領域の範囲を決定するために、ウィンチがどこに位置するかを考慮することによって好適なテザーの配向及び半径のエンベロープを決定するステップを含むことができる。テザーの配向及び半径は、故障時にＵＡＶを引き戻すのに必要な時間をさらに決定することができる。他の因子としては、以下に限定するわけではないが、制限領域と安全着陸領域との近接性、様々な標高又は高度におけるテザーの長さ、テザーの引き戻し速度、ＵＡＶの重量、風速、スピードブレーキの使用又は未使用、及び使用する場合にはスピードブレーキの展開速度が挙げられる。この結果、ＵＡＶが安全に飛行すると予想されるとともに、たとえＵＡＶの故障時であってもＵＡＶが危険物を回避できる体積を得ることができる。

ブロック６０５は、上記で定められた許可された飛行体積内で飛行経路を計画するステップを含む。いくつかの実施形態では、ユーザが、システムによって課される制約を用いて飛行経路を作成することができる。他の実施形態では、アルゴリズムが、やはり制約を考慮して飛行経路を構築することができる。さらに別の実施形態では、ブロック６０５を省略し、オペレータが許可された飛行体積内で飛行計画を使用せずに飛行させることができる。システムは、危険物との付随的又は偶発的接触、及び／又は危険領域への乗り入れを防ぐために、テザーを介してこのような領域を避けるようにＵＡＶの飛行を自動的に制約することができる。

ブロック６１０（ＵＡＶを飛行させるステップ）は、正常な飛行動作を含むことができる（ブロック６１１）。システムは、正常な飛行動作の一部として、１又は２以上の安全指示を繰り返しチェックすることができる。例えば、ブロック６１２において、システムは、ＵＡＶが上記の許可された飛行体積（例えば、安全な状態の空間）内に存在するかどうかを判定することができる。このプロセスは、予め設定されたスケジュールに従って（例えば、毎秒複数回）ＵＡＶの位置、速度及び／又は加速度をチェックするステップを含むことができる。許可された飛行体積内に存在する場合、ループは反復し続ける。許可された飛行体積内に存在しない場合、プロセスは終了段階６２０に進む。プロセスは、システムが許可された飛行体積内で動作しているかどうかを判定することに加えて（例えば、これと並行して）、飛行システムが正常であるかどうかを判定するステップを含むことができる（ブロック６１３）。代表的なシステムは、センサ、アクチュエータ及び／又は推定器を含む。正常である場合、ループは反復し、正常でない場合、プロセスは終了段階６２０に進む。

終了段階６２０は、ＵＡＶが利用できる飛行半径を縮小してＵＡＶが危険物又は危険領域に接触するのを防ぐようにテザーを引き戻すことによって能動的回収（ａｃｔｉｖｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ）を開始するステップを含むことができる（ブロック６２１）。例えば、上述したように、システムは、故障又は差し迫った故障の指示に応答して、テザーを介してＵＡＶをウィンチに向けて速やかに加速させることができる。いくつかの実施形態では、システムが、例えばＵＡＶを再始動させ、又はＵＡＶの衝撃力を別様に低減しようと繰り返し試みることによって、ＵＡＶに対するダメージを抑えようと試みることができる。上記の実施形態では、いずれも一般にＵＡＶへのダメージは望ましくないものの、ＵＡＶが遠ざけている危険物へのダメージよりはましであると予想される。従って、典型的な動作では、危険物に近接しているはずの場所からＵＡＶを除去することが最も優先される。任意に、プロセスは、ＵＡＶの降下速度を示して接触半径をさらに縮小するようにスピードブレーキ（例えば、パラシュート）を展開するステップを含むことができる（ブロック６２２）。

上述したいくつかの実施形態の１つの特徴は、ＵＡＶが排除されたはずの領域内をテザーによって飛行可能にできる点である。具体的には、ＵＡＶの故障時にＵＡＶが損傷しやすい構造に接触する前、及び／又は危険領域内の装置又は人々に別様に干渉する前に潜在的危険領域からＵＡＶを除去できるほど十分に素早く応答して十分に素早くテザーを加速させるウィンチにテザーを結合することができる。従って、このような実施形態は、関連するリスクを不必要に高めることなくＵＡＶの作業範囲を改善することができる。

さらなる実施例
以下の実施例に本技術のいくつかの態様を示す。
１．ＵＡＶの動作方法であって、
ＵＡＶが空中に存在している間にＵＡＶの故障又は予測される故障の指示を受け取るステップと、
指示に応答して、ＵＡＶに取り付けられたテザーを介してＵＡＶに加速度を付与するステップと、
を含む方法。
２．指示を受け取る前に、ＵＡＶを発射場から上方に導くステップをさらに含む、実施例１又は２の方法。
３．ＵＡＶからブレーキを展開するステップをさらに含む、実施例１から３のいずれかの方法。
４．ブレーキはパラシュートを含む、実施例３の方法。
５．上記指示は第１の指示であり、方法は、
飛行体積についての第２の指示を受け取るステップと、
この指示に応答して、ＵＡＶを飛行体積内に保持するようにテザーの展開長さを制御するステップと、
をさらに含む、実施例１から４のいずれかの方法。
６．ＵＡＶを介して取得されたデータを使用して飛行体積を少なくとも部分的に定めるステップをさらに含む、実施例５の方法。
７．テザーは、ウィンチをさらに含む抑制システムの一部であり、飛行体積は、ウィンチからの空間的に変化する半径を有する、実施例５の方法。
８．テザーをビレイ装置に結合するステップをさらに含む、実施例１から７のいずれかの方法。
９．指示に応答して、ＵＡＶの飛行を終了させるステップをさらに含む、実施例１から８のいずれかの方法。
１０．飛行を終了させるステップは、ＵＡＶを損傷させるステップを含む、実施例９の方法。
１１．ＵＡＶに加速度を付与するステップは、テザーを巻き上げるステップを含む、実施例１から１０のいずれかの方法。
１２．ＵＡＶに加速度を付与するステップは、テザーに上向きの加速度を付与するステップを含む、実施例１から１１のいずれかの方法。
１３．ＵＡＶに加速度を付与するステップは、テザーに下向きの加速度を付与するステップを含む、実施例１から１１のいずれかの方法。
１４．ＵＡＶの動作方法であって、
ＵＡＶと電動ウィンチとの間にテザー線を接続するステップと、
電動ウィンチからウィンチ線を繰り出しながら、ＵＡＶを発射場から上方に導くステップと、
故障点からのＵＡＶの降下線が回避すべき標的に交わる故障点を含む飛行経路に沿ってＵＡＶを導くステップと、
ＵＡＶが故障点に存在している間に、ＵＡＶの故障又は予測される故障の指示を受け取るステップと、
指示に応答して、テザー線を介してＵＡＶに発射場に向かう方向に加速度を付与するステップと、
テザーがもたらす張力によってＵＡＶと標的との間の接触を回避しながら、テザーを介してＵＡＶを地面に導くステップと、
を含む方法。
１５．ＵＡＶを地面に導くステップは、ＵＡＶの地面との衝突を和らげるステップを含む、実施例１４の方法。
１６．ＵＡＶに加速度を付与するステップは、テザーに沿って整列した方向に加速度を付与するステップを含む、実施例１４又は１５の方法。
１７．ＵＡＶの動作方法であって、
地上スキャナを使用して、危険物を排除したＵＡＶの飛行体積のマップを作成するステップと、
ＵＡＶと電動ウィンチとの間にテザー線を接続するステップと、
電動ウィンチからウィンチ線を繰り出しながら、ＵＡＶを発射場から上方に導くステップと、
飛行中のＵＡＶによって収集されたデータを使用して、危険物を排除した飛行体積を増加させ、増加した飛行体積が、地上スキャナがアクセスできない部分を含むようにするステップと、
ＵＡＶを飛行体積内に保持するようにテザーの展開長さを制御するステップと、
故障点からのＵＡＶの降下線が危険物に交わる故障点を含む飛行経路に沿ってＵＡＶを導くステップと、
ＵＡＶが故障点に存在している間に、ＵＡＶの故障又は予測される故障の指示を受け取るステップと、
指示に応答して、テザー線を介してＵＡＶに発射場に向かう方向に加速度を付与するステップと、
テザーがもたらす張力によってＵＡＶと危険物との間の接触を回避しながら、テザーを介してＵＡＶを地面に導くステップと、
を含む方法。
１８．テザー線をビレイ接続するステップをさらに含む、実施例１８の方法。
１９．無人航空機（ＵＡＶ）システムであって、
電動ウィンチと、
ＵＡＶと、
電動ウィンチとＵＡＶとの間に接続可能なテザーと、
ＵＡＶの故障を検出するために配置され、故障に対応する信号を発するように構成されたセンサと、
電動ウィンチに結合されたコントローラと、
を備え、コントローラは、
実行時に、センサから発せられた信号に応答して、ＵＡＶをウィンチに向かって加速させるのに十分な速度でテザーを引き寄せるようにウィンチに指示する命令、
を含んでプログラムされた、システム。
２０．センサは、推進システムセンサを含む、実施例１９のシステム。
２１．センサは、ナビゲーションシステムセンサを含む、実施例１９又は２０に記載のシステム。
２２．センサは、ＵＡＶに搭載される、実施例１９から２１のいずれかのシステム。
２３．コントローラは、実行時にテザーの展開長さを制御してＵＡＶを目標飛行体積内に保持するようにウィンチに指示する命令を含んでプログラムされた、実施例１９から２２のいずれかのシステム。
２４．コントローラは、実行時に目標飛行体積の境界に対応する情報を受け取る命令を含んでプログラムされた、実施例２３のシステム。
２５．境界は非半球である、実施例２４のシステム。
２６．情報はＵＡＶから取得される、実施例２４のシステム。
２７．センサは第１のセンサであり、情報は、地上の第２のセンサから取得される、実施例２４のシステム。

以上、本明細書では、開示する技術のいくつかの実施形態を例示目的で説明したが、開示する技術から逸脱することなく様々な修正を行うことができると理解されるであろう。例えば、上述した危険物は、本明細書で具体的に説明して図示した以外の属性を有することもできる。いくつかの実施形態では、許可された飛行体積を危険物まで広げることもでき、或いはいくつかの実施形態では、危険物から一定の隔離距離だけオフセットさせることもできる。ＵＡＶ１１０は、回転式の及び／又は固定された翼構成を含むあらゆる数の好適な構成を有することができる。ウィンチの制御機能は、飛行中のＵＡＶから情報を受け取る地上コントローラによって、ＵＡＶによって直接、或いは空中のコンポーネントと地上のコンポーネントの両方によって実行することができる。

いくつかの実施形態との関連で説明した技術のいくつかの態様は、他の実施形態において組み合わせ又は削除することができる。例えば、いくつかの実施形態では、異なる実体がプロセス全体の異なる要素を実行することができる。例えば、１つの実体が飛行領域の計画又はマップ作成を行い、別のエンティティが制約下でＵＡＶを飛行させることもできる。上述したビレイ装置は、ＵＡＶの故障時にＵＡＶを加速させるように構成されたテザーシステムとの関連で使用することも、或いはＵＡＶに対する張力は維持するもののＵＡＶを能動的に引き寄せることはない単純なテザーと共に使用することもできる。上述したテザー装置は、実施形態に応じて単独で使用することも、ビレイ装置と組み合わせて使用することもできる。さらに、本技術のいくつかの実施形態に関連する利点をこれらの実施形態との関連で説明したが、開示した技術の他の態様もこのような利点を示すことができ、従って本技術の範囲に含まれるために必ずしも全ての態様がこのような利点を示す必要はない。従って、本開示及び関連する技術は、本明細書において明示又は説明していない実施形態を含むことができる。本技術の範囲内には以下の実施例も含まれる。

本明細書で使用する「Ａ及び／又はＢ」などに見られるような「及び／又は」という表現は、Ａのみ、Ｂのみ、及びＡとＢの両方を意味する。引用により本明細書に組み入れられるいずれかの資料が本開示と矛盾する限り、本開示が優先する。

Claims (27)

1. ＵＡＶの動作方法であって、
   前記ＵＡＶが空中に存在している間にＵＡＶの故障又は予測される故障の指示を受け取るステップと、
   前記指示に応答して、前記ＵＡＶに取り付けられたテザーを介して前記ＵＡＶに加速度を付与するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記指示を受け取る前に、前記ＵＡＶを発射場から上方に導くステップをさらに含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記ＵＡＶからブレーキを展開するステップをさらに含む、
   請求項１に記載の方法。
4. 前記ブレーキは、パラシュートを含む、
   請求項３に記載の方法。
5. 前記指示は第１の指示であり、前記方法は、
   飛行体積についての第２の指示を受け取るステップと、
   前記指示に応答して、前記ＵＡＶを前記飛行体積内に保持するように前記テザーの展開長さを制御するステップと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記ＵＡＶを介して取得されたデータを使用して前記飛行体積を少なくとも部分的に定めるステップをさらに含む、
   請求項５に記載の方法。
7. 前記テザーは、ウィンチをさらに含む抑制システムの一部であり、前記飛行体積は、前記ウィンチからの空間的に変化する半径を有する、
   請求項５に記載の方法。
8. 前記テザーをビレイ装置に結合するステップをさらに含む、
   請求項１に記載の方法。
9. 前記指示に応答して、前記ＵＡＶの飛行を終了させるステップをさらに含む、
   請求項１に記載の方法。
10. 前記飛行を終了させるステップは、前記ＵＡＶを損傷させるステップを含む、
    請求項９に記載の方法。
11. 前記ＵＡＶに加速度を付与するステップは、前記テザーを巻き上げるステップを含む、
    請求項１に記載の方法。
12. 前記ＵＡＶに加速度を付与するステップは、前記テザーに上向きの加速度を付与するステップを含む、
    請求項１に記載の方法。
13. 前記ＵＡＶに加速度を付与するステップは、前記テザーに下向きの加速度を付与するステップを含む、
    請求項１に記載の方法。
14. ＵＡＶの動作方法であって、
    前記ＵＡＶと電動ウィンチとの間にテザー線を接続するステップと、
    前記電動ウィンチから前記ウィンチ線を繰り出しながら、前記ＵＡＶを発射場から上方に導くステップと、
    故障点からの前記ＵＡＶの降下線が回避すべき標的に交わる前記故障点を含む飛行経路に沿って前記ＵＡＶを導くステップと、
    前記ＵＡＶが前記故障点に存在している間に、ＵＡＶの故障又は予測される故障の指示を受け取るステップと、
    前記指示に応答して、前記テザー線を介して前記ＵＡＶに前記発射場に向かう方向に加速度を付与するステップと、
    前記テザーがもたらす張力によって前記ＵＡＶと前記標的との間の接触を回避しながら、前記テザーを介して前記ＵＡＶを前記地面に導くステップと、
    を含む、方法。
15. 前記ＵＡＶを前記地面に導くステップは、前記ＵＡＶの前記地面との衝突を和らげるステップを含む、
    請求項１４に記載の方法。
16. 前記ＵＡＶに前記加速度を付与するステップは、前記テザーに沿って整列した方向に前記加速度を付与するステップを含む、
    請求項１４に記載の方法。
17. ＵＡＶの動作方法であって、
    地上スキャナを使用して、危険物を排除した前記ＵＡＶの飛行体積のマップを作成するステップと、
    前記ＵＡＶと電動ウィンチとの間にテザー線を接続するステップと、
    前記電動ウィンチから前記ウィンチ線を繰り出しながら、前記ＵＡＶを発射場から上方に導くステップと、
    飛行中の前記ＵＡＶによって収集されたデータを使用して、前記危険物を排除した前記飛行体積を増加させ、該増加した飛行体積が、前記地上スキャナがアクセスできない部分を含むようにするステップと、
    前記ＵＡＶを前記飛行体積内に保持するように前記テザーの展開長さを制御するステップと、
    故障点からの前記ＵＡＶの降下線が前記危険物に交わる前記故障点を含む飛行経路に沿って前記ＵＡＶを導くステップと、
    前記ＵＡＶが前記故障点に存在している間に、ＵＡＶの故障又は予測される故障の指示を受け取るステップと、
    前記指示に応答して、前記テザー線を介して前記ＵＡＶに前記発射場に向かう方向に加速度を付与するステップと、
    前記テザーがもたらす張力によって前記ＵＡＶと前記危険物との間の接触を回避しながら、前記テザーを介して前記ＵＡＶを前記地面に導くステップと、
    を含む、方法。
18. 前記テザー線をビレイ接続するステップをさらに含む、
    請求項１８に記載の方法。
19. 無人航空機（ＵＡＶ）システムであって、
    電動ウィンチと、
    ＵＡＶと、
    前記電動ウィンチと前記ＵＡＶとの間に接続可能なテザーと、
    前記ＵＡＶの故障を検出するために配置され、前記故障に対応する信号を発するように構成されたセンサと、
    前記電動ウィンチに結合されたコントローラと、
    を備え、前記コントローラは、
    実行時に、前記センサから発せられた前記信号に応答して、前記ＵＡＶを前記ウィンチに向かって加速させるのに十分な速度で前記テザーを引き寄せるように前記ウィンチに指示する命令、
    を含んでプログラムされた、
    ことを特徴とするシステム。
20. 前記センサは、推進システムセンサを含む、
    請求項１９に記載のシステム。
21. 前記センサは、ナビゲーションシステムセンサを含む、
    請求項１９に記載のシステム。
22. 前記センサは、ＵＡＶに搭載される、
    請求項１９に記載のシステム。
23. 前記コントローラは、実行時に前記テザーの展開長さを制御して前記ＵＡＶを目標飛行体積内に保持するように前記ウィンチに指示する命令を含んでプログラムされた、
    請求項１９に記載のシステム。
24. 前記コントローラは、実行時に前記目標飛行体積の境界に対応する情報を受け取る命令を含んでプログラムされた、
    請求項２３に記載のシステム。
25. 前記境界は、非半球である、
    請求項２４に記載のシステム。
26. 前記情報は、前記ＵＡＶから取得される、
    請求項２４に記載のシステム。
27. 前記センサは第１のセンサであり、前記情報は、地上の第２のセンサから取得される、
    請求項２４に記載のシステム。

Images