JP2022055024A - 操縦支援装置 - Google Patents

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Abstract

Figure 2022055024000001
【課題】視界が遮られる状況においても操縦者が航空機を飛行させることが可能となる操縦支援装置を得ること。
【解決手段】本発明の操縦支援装置100は、航空機の操縦を支援する操縦支援装置100であって、航空機の周辺の障害物の位置を検出する障害物位置検出部101と、障害物によって遮られる航空機の死角領域の死角領域撮像画像を取得する画像取得部103と、障害物に対する航空機の衝突リスクを算出する判定部105と、死角領域撮像画像と衝突リスクに基づいて障害物に重畳する位置に表示される死角領域投影画像を生成する画像生成部106と、死角領域投影画像を表示する表示部15と、を有することを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、航空機の操縦を支援する操縦支援装置に関する。
航空機の操縦は、有視界飛行が安全上好ましく、悪天候(雲や霧など)のように、視界が遮られるような状態において飛行することは可能な限り避けることが望ましい。
特開2019-020992号公報
しかしながら、例えば飛行中の天候悪化により視界が奪われることもある。このような場合に、航空機は、地上を移動する移動体とは異なり、天候が回復して視界が得られるまで同じ場所に無限に留まり続けることはできず、所定の時間以内に駐機場に着陸する必要がある。また、回転翼航空機のように比較的低空を小回りに飛行可能な航空機の場合、他の回転翼航空機やビルなどの障害物との衝突を避けて飛行する必要があり、その際、左右だけでなく上下にも注意する必要がある。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、視界が遮られる状況においても操縦者が航空機を飛行させることが可能となる操縦支援装置を提供することである。
上記課題を解決する本発明の操縦支援装置は、
航空機の操縦を支援する操縦支援装置であって、
前記航空機の周辺の障害物の位置を検出する障害物位置検出部と、
前記障害物によって遮られる前記航空機の死角領域の死角領域撮像画像を取得する画像取得部と、
前記障害物に対する前記航空機の衝突リスクを算出する判定部と、
前記死角領域撮像画像と前記衝突リスクに基づいて前記障害物に重畳する位置に表示される死角領域投影画像を生成する画像生成部と、
前記死角領域投影画像を表示する表示部と、
を有することを特徴とする操縦支援装置。
本発明によれば、障害物と自機との衝突リスクに応じて投影画像が生成されるため、操縦者は衝突リスクを下げつつ死角の状況を把握することが可能となる。
本明細書において開示される主題の、少なくとも一つの実施の詳細は、添付されている図面と以下の記述の中で述べられる。開示される主題のその他の特徴、態様、効果は、以下の開示、図面、請求項により明らかにされる。
実施例1における操縦支援装置を含む航空機の構成を示すブロック図。 実施例1の操縦支援装置の機能の一例を示すブロック図。 死角領域判断処理の一例を示すフローチャート。 自機と死角領域との関係の一例を説明する平面図。 死角領域の投影画像を生成する処理の一例を説明するフローチャート。 自機と死角領域との関係の他の一例を説明する平面図。 死角領域の投影画像を生成する処理の他の一例を説明するフローチャート。 衝突リスクと投影対象となる障害物への画像透過度の関係を示す図。 衝突リスクに応じて調整される投影画像について説明するイメージ図。 実施例2の操縦支援装置の機能の一例を示すブロック図。 実施例2における誘導機による自機の誘導状態を示す図。 実施例3の操縦支援装置の機能の一例を示すブロック図。 実施例3における誘導機による自機の誘導状態を示す図。
[実施例1]
図1は、本発明の実施例1における操縦支援装置を含む航空機の構成を示すブロック図である。
自機1は、空中で同じ場所に浮いている、いわゆるホバーリングが可能で操縦者が搭乗して操縦する回転翼航空機や垂直離着陸機などの航空機である。本実施形態では、複数のプロペラをそれぞれ電動モータ18によって回転させて飛行するeVTOL(電動垂直離着陸機)の場合を例に説明する。自機1は、図1に示すように、制御装置10、入出力装置11、操作量検出センサ12、ナビゲーション装置13、通信装置14、表示装置15、環境認識センサ16、回転速度センサ17、電動モータ18、およびバッテリ19を有している。
制御装置10は、操縦者の操縦に応じた自機1の飛行制御や操縦者の操縦を支援する操縦支援制御を行う。制御装置10は、プロセッサと、メモリと、不揮発性メモリと、I/Oインタフェースを含む。メモリには、制御プログラムがロードされて、プロセッサによって実行される。不揮発性メモリには、プログラムやデータが格納される。I/Oインタフェースは、各種センサやネットワークに接続される。
操作量検出センサ12は、自機に搭乗した操作者による操作レバーやペダルなどの操作量を検出する。ナビゲーション装置13は、GPS等の位置情報と地図情報に基づいて目的地までの飛行経路を操縦者に示して案内する。通信装置14は、地上のカメラ管制塔、駐機場、監視カメラ、他の航空機との間で種々の情報の通信を行う。通信装置14は、自機1以外の装置と情報の授受を行い、自機1を適切に制御し、表示装置15を介して操縦者に情報を提示する。
表示装置15は、例えば障害物を透過した透過画像を、自機1のフロントガラスの障害物に重畳する位置に表示させる構成を有する。表示装置15は、ヘッドアップディスプレイのように車両のガラスや、ルームミラー、サイドミラーなどに投影する方法や、拡張現実ゴーグル、眼鏡のようなドライバが直接取り付ける装置に投影する方法を採用してもよい。また、ナビゲーション装置13に透過画像の画像データを出力して、ナビゲーション装置13の表示モニターに透過画像を表示させても良い。
環境認識センサ16は、自機の周辺状況を認識するセンサであり、自機1の機体前後、左右および上下に取り付けられている。環境認識センサ16は、カメラ、超音波センサ、LiDAR、および赤外線センサの少なくともいずれか一つによって構成されている。回転速度センサ17は、各電動モータ18の回転数を検出する。検出された回転数は、制御装置10に出力され、モータ制御に用いられる。
制御装置10は、バッテリ19からの電力を電動モータ18に供給して電動モータ18の回転を制御し、自機1の飛行制御を行う。制御装置10は、操縦支援装置100に含まれている。
図2は、操縦支援装置の構成を説明する図である。
操縦支援装置100は、制御装置10と、表示装置15とによって構成されている。操縦支援装置100は、外部装置110と通信可能に接続されている。外部装置110は、例えば地上の建物や駐機場に設置されている監視カメラであり、自機1からリクエストを受けた場合に、周辺を撮像した画像を、自機1の死角領域の画像として、画像データと三次元位置の情報を操縦支援装置100に送信する。
操縦支援装置100は、図2に示すように、障害物位置検出部101、死角領域判定部102、死角領域撮像画像取得部103、投影先物体情報取得処理部104、衝突リスク判定部105、死角領域投影画像生成部106を有している。
障害物位置検出部101は、自機1の周辺に存在する障害物とその位置を検出し、死角領域判定部102は、障害物によって自機1の死角となる領域を判定する処理を行う。自機1の進行方向や障害物の位置、および死角領域は、ナビゲーション装置13から情報を取得して認識してもよい。障害物位置検出部101は、自機1と障害物との間の相対位置を検出する。障害物の検出は、外部装置110で撮像された撮像画像の画像データと三次元位置の情報を用いて行うこともでき、また、自機1が備える環境認識センサ16からの情報を用いて行ってもよい。障害物位置検出部101は、自機1を原点とした3次元座標上における障害物の位置を示す複数の点群のデータ(3D点群情報)を検出する。
図3は、死角領域判断処理の一例を示すフローチャートである。
まず、障害物位置検出部101で検出した障害物の3次元情報を取得し(S301)、障害物による遮蔽の有無について判断する(S302)。ここでは、自機1の視認領域Saにおいて、障害物によって遮蔽されていると判断された場合には、その領域が死角領域Sbであると判断される(S303)。
図4は、死角領域の一例を説明する平面図である。
例えば、図4では、自機1から視認可能な領域Saと、障害物401によって自機1から遮蔽された領域Sbが発生している。死角領域判定部102は、この遮蔽された領域Sbを死角領域として判定する。
次に、死角領域撮像画像取得部103は、死角領域の画像を取得する処理を行う。死角領域の画像は、地上に設置された監視カメラや他の航空機などの外部装置110から取得される。図4に示す例では、外部装置110として、地上に2台の監視カメラ111、112が設置されており、監視カメラ111によって死角領域Sbの画像が撮像されている。死角領域撮像画像取得部103は、外部装置110の監視カメラ111によって撮像された死角領域Sbの画像を、通信装置14によって受信し、死角領域撮像画像として取得する。
投影先物体情報取得処理部104は、死角領域投影画像を投影させる投影先の物体情報を取得する処理を行う。死角領域投影画像が投影される投影先の物体は、障害物位置検出部101で検出された自機1の障害物であり、投影先の物体の例として、例えば他の航空機2、ビルや鉄塔などの背の高い建築物、山、雲や霧が挙げられる。図4に示す例では、障害物401が投影先として選定される。
衝突リスク判定部105は、死角領域投影画像が投影される投影先の物体である障害物に自機1が衝突するリスクを算出する。まず、障害物が、自機1と接触しても問題がないものであるか否かが判断される。例えば障害物が、雲や霧のように衝突しても問題がないものである場合には、衝突リスクはゼロと判断される。そして、例えば他の航空機2や建築物等の自機1と衝突した場合に問題があるものについては、衝突リスクの指標として、例えばTTC(Time to Collision)を用いて衝突リスクが算出される。TTCは障害物と自機1が衝突するまでに要すると予測される時間であり、例えば障害物が停止していると仮定した上で、自機1の速度、障害物と自機1との間の距離などを用いて算出することができる。
死角領域投影画像生成部106は、死角領域撮像画像と衝突リスクとに基づいて、障害物に重畳する位置に表示される死角領域投影画像を生成する処理を行う。死角領域投影画像は、操縦者が操縦席から見たときに、投影先として選定された物体に重畳する位置に表示される画像であり、表示装置15によって例えばフロントウィンドウやナビゲーション装置13のモニター画面に表示される。死角領域投影画像は、衝突リスクに応じて障害物を透過する透過率が調整される。
図5は、死角領域の投影画像を生成する処理の一例を説明するフローチャートである。
ステップS501では、投影対象となる障害物の個数([i]個)を取得し、投影対象となる障害物の個数分、以下の処理を実行する。
ステップS502では、自機1と[i]個目の投影先の障害物との衝突リスクを算出する。衝突リスクは、例えば障害物の種類や、自機1と障害物との相対速度と相対距離に基づいて衝突リスク[i]を算出する。
ステップS503では、ステップS502で算出した衝突リスク[i]が所定値以上の場合はステップS504に移行し、衝突リスク[i]が所定値未満の場合はステップS505に移行する。ステップS504では、投影先の障害物[i]との衝突リスクが高いと判定し、投影対象となる障害物[i]への死角領域投影画像の投影を禁止する。これにより、表示装置15は、死角領域投影画像を表示しない。したがって、操縦者は、衝突の危険が高いときには本来の障害物との位置を把握でき、安全な飛行が可能となる。
ステップS505では、投影先の障害物[i]との衝突リスクが低いと判定し、投影対象となる障害物[i]への死角領域の画像の投影を許可する。これにより、自機1の表示装置15は、死角領域投影画像の表示を行う。上記処理を投影対象となる障害物の個数分実施し、各障害物に対して投影許可になったものに対してのみ、死角領域投影画像の表示を実施する。したがって、自機1の操縦者は、衝突リスクが高いときには障害物の存在を明確に認識することができ、衝突リスクが低いときには、死角領域の状況を把握することができ、安全な飛行が可能となる。
図6は、自機と死角領域との関係の他の一例を説明する平面図である。
図6に示す例では、2つの障害物601、602によって、自機1に2つの死角領域Sb1、Sb2が発生している。これら2つの死角領域Sb1、Sb2は監視カメラ121、122によってそれぞれ撮像されており、その画像データは通信装置14を介して自機1に提供されている。2つの障害物601、602は、いずれも自機1が衝突した場合に問題を生ずる物体であり、障害物601の方が障害物602よりも自機1との距離が短くなっている。したがって、障害物601は、自機1との衝突リスクが高く、表示装置15による死角領域投影画像の投影が禁止される。一方、障害物602は、自機1との衝突リスクが低く、表示装置15による死角領域投影画像の投影が許可される。したがって、自機1の操縦者は、飛行に影響のある障害物601の存在を明確に認識することができるとともに、飛行に影響のない障害物602による死角領域Sb2の状況を把握することができ、安全な飛行ができる。
図7および図8は、図5に示す処理の変形例を説明する図であり、図7は、死角領域の投影画像を生成する処理の他の一例を説明するフローチャート、図8は、衝突リスクと投影対象となる障害物への画像透過度の関係を示す図である。
上述の図5に示す例では、衝突リスクが所定値以上のときは、死角領域投影画像の投影表示を禁止とする処理を行う場合について説明したが、図6および図7に示す変形例では、衝突リスクの大きさに応じて、投影対象となる障害物への画像透過度を変更する処理を行う。ステップS701、S702の処理は、図5のステップS501、S502の処理と同じであるので説明を省略する。ステップS703では、投影対象となる障害物への画像透過度を算出する処理を行う。ここでは、図8に示すように、衝突リスクが高くなるに応じて画像透過度を小さくし、衝突リスクが所定値より高いときは投影対象となる障害物への画像透過度をゼロにする。したがって、衝突リスクが高くなるに応じて操縦者は障害物の存在をより明確に認識することができる。画像透過度がゼロのときは、本来の周辺障害物の情報が表示される。これは、上述の実施例のように透過画像を離散的に切り替えると操縦者が不自然に感じることがあるため、本変形例のように画像透過度を連続的に変化させることで、より自然な画像を操縦者に提供することができる。
図9は、衝突リスクに応じて調整される投影画像について説明するイメージ図である。
図9に示すシーンは、先行する他の航空機2に自機1が追従して飛行している状況を示している。自機1の前方には、他の航空機2と、ビル901、904と、雲902、907が存在しており、自機1の操縦者は、フロントウィンドウ900を通してこれらを認識することができる。自機1の飛行経路は、他の航空機2に追従してビル901の側方を通過してから左に曲がる経路となっている。先行する他の航空機2と自機1との間には雲902が浮かんでおり、航空機2の一部が雲902によって遮蔽されている。
衝突リスク判定部105によって、ビル901については自機1との衝突リスクが高いと判定されており、死角領域投影画像生成部106において、投影対象となるビル901への死角領域投影画像の投影が禁止され、表示装置15によるフロントウィンドウ900への死角領域投影画像の投影表示は行われていない。したがって、自機1の操縦者は、ビル901の存在を把握し、安全に飛行できるように自機1を操縦することができる。
一方、ビル904については自機1との衝突リスクが低く、雲902、907については自機1との衝突リスクがゼロである。したがって、死角領域投影画像生成部106によって、これらを透過した死角領域投影画像903、905、908の投影が許可され、表示装置15によるフロントウィンドウ900への死角領域投影画像の投影表示が行われる。したがって、自機1の操縦者は、雲902によって隠れている死角領域内の他の航空機2、ビル904の死角領域に存在する他の航空機3、および雲907によって隠れている他の航空機4を認識することができ、安全に飛行できるように自機1を操縦することができる。
なお、自機1にとっては、先行する他の航空機2も自機1の障害物となり得る。操縦支援装置100は、自機1が先行する他の航空機2を追従して定速で飛行しているような状況では、先行する他の航空機2の後方部に他の航空機2の前方カメラの画像が投影されるように表示装置15を制御する。そして、他の航空機2との距離が短くなるにつれ他の航空機2の後方部の画像の透過度を徐々に小さくする。そして、衝突リスクが所定値より高くなると、他の航空機2の後方部に画像を投影せず、本来の他の航空機2の後方部が見えるように表示装置15により表示制御がなされる。これにより、先行する他の航空機2の動作に応じて透過画像がハンチングすることを防ぐことができ、より自然な死角領域の画像の提供が可能となる。以上のように、衝突リスクの大きさにより死角領域の画像の透過度合いが連続的に変化するため、より自然な画像を操縦者に提供でき、安全な飛行が可能となる。
本実施例1によれば、衝突リスクが低いときに、死角領域投影画像を確認できるため安全な飛行が可能となる。本発明は上述した実施形態に限定されず、様々な変形が可能である。例えば、上記した実施例1では、フロントウィンドウ900に死角領域の画像を表示する場合を例に説明したが、かかる構成に限定されるものではなく、例えば、自機1が投影装置を備えており、先行機体の後面やビルの壁に死角領域の画像を直接投影する構成としてもよい。
また、上記した実施例1では、死角領域の画像を投影する領域の障害物の種類に関わらず、同じ衝突リスクとした場合について説明したが、障害物が動的であるか静的であるかに応じて衝突リスクを変更する構成としてもよい。例えば、死角領域の画像を投影する領域の障害物が、動的な障害物か静的な障害物かを判断する手段を有し、死角領域の画像を投影する領域の障害物が静的な障害物よりも動的な障害物の方が衝突リスクを高く設定する構成としてもよい。そして、死角領域の画像を投影する領域の障害物が動的な障害物か静的な障害物かを判断する手段は、周辺障害物が建築物のときには静的障害物と判断し、ホバーリング中の他の航空機のときは動的障害物と判断する構成とすることもできる。
[実施例2]
次に、本発明の実施例2について図10、図11を用いて説明する。
図10は、実施例2の操縦支援装置の機能の一例を示すブロック図、図11は、実施例2における誘導機による自機の誘導状態を示す図である。なお、実施例1と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。
本実施例において特徴的なことは、外部装置110の代わりに、先導機体210に自機1の飛行経路の情報を収集させ、その情報を自機1に提供し、自機1にスカイロード1014を飛行した駐機を行わせる構成としたことである。本実施例の操縦支援装置100は、先導機体210から画像と画像の3次元位置の情報を取得する。これらの情報の取得は、操縦支援装置100の先導機体の情報取得部204により行われる。先導機体210は、雲や霧など有視界飛行が困難な環境下においても飛行可能な高性能レーザ付きの機体であり、操縦者が搭乗する回転翼航空機や、ドローンなどの無人航空機であってもよい。
例えば自機1が、図11に示すように、駐機場1012に向かって飛行している途中で、雲1013により有視界飛行が困難となった場合に、高性能レーザ付きの先導機体210とドローン211を飛ばして障害物の位置と死角領域撮像画像の情報を取得させる。そして、先導機体210およびドローン211からこれらの情報を送信して自機1で取得する。
自機1は、先導機体210およびドローン211から取得した情報に基づいて駐機場までの予め設定された経路であるスカイロード1014を飛行して駐機場1012に着陸することができる。これにより、例えば地上の監視カメラでは撮像が困難な環境下であって、自機1の有視界飛行が困難な場合にも、先導機体によって撮像された画像のデータや、障害物の情報を自機1に提供して、駐機場まで自機1を安全に飛行させることができる。
[実施例3]
次に、本発明の実施例3について図12、図13を用いて説明する。
図12は、実施例3の操縦支援装置の機能の一例を示すブロック図、図13は、実施例3における誘導機による自機の誘導状態を示す図である。なお、上述の各実施例と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。
本実施例において特徴的なことは、自機1を先導する先導機体210を飛行させ、自機1の飛行経路の情報を収集させて自機1に提供し、かつ、スカイロード1014において後続の自機1に死角が発生しないように、先行機体210の位置、速度を制御する構成としたことである。
本実施例の操縦支援装置100は、図12に示すように、先導機体210から画像と画像の3次元位置の情報を取得する。先導機体210は、自機1の操縦支援装置100の死角領域投影画像生成部106から死角領域の発生状況のデータを取得する。先導機体210の機体位置制御部212は、自機1が見失わないで追従できる程度の間隔を開けて先導できるように、その機体位置を制御しながら飛行し、自機1を駐機場1012まで先導する。
例えば自機1が、図13に示すように、駐機場1012に向かって飛行している途中で、雲1013により有視界飛行が困難となった場合に、高性能レーザ付きの先導機体210とドローン211を飛ばして障害物の位置と死角領域撮像画像の情報を取得させる。そして、先導機体210およびドローン211からこれらの情報を送信して自機1で取得する。さらに、先導機体210は、自機1が見失わないで追従できる程度の間隔を開けて自機1の前方を飛行し、自機1を駐機場1012まで先導する。
自機1は、先導機体210およびドローン211から取得した情報に基づいて駐機場までの予め設定された経路であるスカイロードを飛行して駐機場に着陸することができる。これにより、例えば地上の監視カメラでは撮像が困難な環境下であって、自機1の有視界飛行が困難な場合にも、先導機体によって撮像された画像のデータや、障害物の情報を自機1に提供して、駐機場まで自機1を安全に飛行させることができる。なお、先導機体210は、1機に限定されるものではなく、複数台を所定間隔を空けてスカイロードに並べて飛ばしてもよく、かかる構成によれば、自機1は、複数台前の死角領域撮像画像を取得することができる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に記載したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、又は置換のいずれもが、単独で、又は組み合わせても適用可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部、及び処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、及び機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。
1・・・自機(航空機)、2・・・他の航空機、15・・・表示装置(表示部)、100・・・操縦支援装置、101・・・障害物位置検出部、103・・・死角領域撮像画像取得部(画像取得部)、105・・・衝突リスク判定部(判定部)、106・・・死角領域投影画像生成部(画像生成部)、110・・・外部装置

Claims (6)

  1. 航空機の操縦を支援する操縦支援装置であって、
    前記航空機の周辺の障害物の位置を検出する障害物位置検出部と、
    前記障害物によって遮られる前記航空機の死角領域の死角領域撮像画像を取得する画像取得部と、
    前記障害物に対する前記航空機の衝突リスクを算出する判定部と、
    前記死角領域撮像画像と前記衝突リスクに基づいて前記障害物に重畳する位置に表示される死角領域投影画像を生成する画像生成部と、
    前記死角領域投影画像を表示する表示部と、
    を有することを特徴とする操縦支援装置。
  2. 前記画像生成部は、前記衝突リスクに応じて前記死角領域投影画像の前記障害物を透過する透過度を調整することを特徴とする請求項1に記載の操縦支援装置。
  3. 前記画像生成部は、前記衝突リスクが高くなるに応じて前記死角領域投影画像の透過度を低く調整することを特徴とする請求項1に記載の操縦支援装置。
  4. 前記画像生成部は、前記衝突リスクが予め設定された閾値より高いときは前記死角領域投影画像の透過度をゼロに調整することを特徴とする請求項1に記載の操縦支援装置。
  5. 前記画像取得部は、前記航空機を先導して飛行する先導機体によって撮像された先導機体撮像画像を取得し、
    前記画像生成部は、前記死角領域撮像画像と前記先導機体撮像画像とを用いて前記死角領域投影画像を生成することを特徴とする請求項1に記載の操縦支援装置。
  6. 前記航空機を先導して飛行する前記先導機体の機体位置制御部に、前記死角領域の発生状況の情報を送信することを特徴とする請求項5に記載の操縦支援装置。
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JPH06337286A (ja) * 1993-05-28 1994-12-06 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 移動体用衝突位置予測警報装置
JP2016045825A (ja) * 2014-08-26 2016-04-04 三菱重工業株式会社 画像表示システム

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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