JP2022520118A - 無人航空機の高度から風向および風速度の測定値を決定するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

ＵＡＶが高度で経験する風速および風向は、ＵＡＶ上に加速度計、ジャイロスコープ、およびコンパスを配置することによって決定される。ＵＡＶが経験する速度の変化は、加速度計によって決定される。基準面に対する方位およびＵＡＶが経験する角速度は、ジャイロスコープによって決定される。ＵＡＶの磁気的方位は、コンパスによって決定される。ＵＡＶによって示されるロールおよびピッチは、速度の変化、方位および角速度の変化の関数として決定される。ＵＡＶの回転中心を通過する水平面上の投影ロールベクトルおよび投影ピッチベクトルは、ロールおよびピッチの関数として決定される。ＵＡＶが経験する風の風速は、投影ロールベクトルおよび投影ピッチベクトルの関数として決定される。風向は、ＵＡＶの投影ロールベクトルおよび投影ピッチベクトルならびに磁気的方位の関数として決定される。【選択図】図１

Description

アルフレッド デュシャルム
ロバート トッピング
関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年２月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／８０６，５５９号の優先権を主張する、２０２０年２月１３日に出願された米国特許出願第１６／７８９，９６１号の優先権を主張するものであり、その内容は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、無人航空機（「ＵＡＶ」）に関し、より具体的には、ＵＡＶが飛行する風向および風速度の関数として、風力を間接的に決定するための構造および方法に関する。

ＵＡＶは、目的地に向かって飛行している場合でも、地上に対して固定された位置を維持しようとしている場合でも、入力された飛行経路および／もしくは固定された地上位置に対して、速さおよび方向を維持する必要がある。ＵＡＶが空中を飛行して、風を受けると、ＵＡＶは、総称して「姿勢」と称されるロールおよびピッチを補償して、操縦し、位置を維持する必要がある。これを実現するためには、必要に応じて所望の位置と方位を維持するための是正措置が実行され得るように、風速および風向を決定する必要がある。

風車または回転風速計などの機械的センサを利用して風速度を測定することは当業者に周知である。かかる装置を地上で使用しても、地上での風速度は高度でＵＡＶが経験する風速度と同じではないため、高度での風速度を予測するものではない。さらに、かかる従来技術の風検出装置は、大規模で重量があるため、飛行中のエネルギー使用量、ペイロード要件、操縦性、および他の物理的要因を考慮して、設計における重量およびスペースを節約する必要があるＵＡＶには適用できない。

予測された位置と比較して既知の距離における経路長の変化を測定するために、超音波トランスデューサを利用することも知られている。しかし、これらは重量が重く、基盤重量を増加させ、基盤のスペースを占有するという欠点がある。

したがって、従来技術の欠点を克服した、風向および風速を間接的に感知するための構造および方法が求められている。

発明の概要
ＵＡＶが高度で経験する風速および風向は、ＵＡＶに加速度計、ジャイロスコープ、およびコンパスを配置することによって決定される。ＵＡＶが経験する速度の変化は、加速度計によって決定される。基準面に対する方位およびＵＡＶが経験する角速度は、ジャイロスコープによって決定される。ＵＡＶの磁気的方位は、コンパスによって決定される。ＵＡＶによって示されるロールおよびピッチは、速度の変化、方位および角速度の変化の関数として決定される。ＵＡＶの回転中心を通過する水平面上の投影ロールベクトルおよび投影ピッチベクトルは、ロールおよびピッチの関数として決定される。ＵＡＶが経験する風の風速は、投影ロールベクトルおよび投影ピッチベクトルの関数として決定される。風向は、ＵＡＶの投影ロールベクトルおよび投影ピッチベクトルならびに磁気的方位の関数として決定される。
本発明の特徴および利点は、同様の要素が同様にラベル付けされている本発明の以下の詳細な説明からより容易に明らかになるであろう。

本発明に従って構築された無人航空機の概略図である。 本発明に従って構築されたＵＡＶの風向および風速度を決定するためのシステムの概略図である。 本発明に従って風向および風速度を決定する方法のフローチャートである。

好適な実施形態の詳細な説明
最初に図１を参照する。図１では、本発明に従って構築された、概して１０として示されるＵＡＶが提供されている。ＵＡＶ１０は、筐体の形態のプラットフォーム１２を含む。当技術分野で知られているように、回転子２０は、プラットフォーム１２から延在する。ＵＡＶのロールおよびピッチを決定するための構造を含む電子機器１００は、ハウジング１２内に取り付けられる。

ここで、図２を参照する。図２では、電子機器１００の構造がより具体的に提供されている。電子機器１００は、当技術分野で知られているように、無線またはテザーを介して地上に送信されるＵＡＶ１０の飛行を制御するための制御信号を受信するフライトコントローラ１０２を含む。フライトコントローラ１０２は、当技術分野で知られているように、回転子制御信号を、受信した制御信号に応答して動作する回転子２０に送信する。１つの非限定的な例示的実施形態では、フライトコントローラ１０２は、ＵＡＶ１０の磁気的方位を決定するためのコンパス１０８などの装置を含む。フライトコントローラ１０２はまた、以下で考察されるように動作するマイクロコントローラ１１０を含む。

電子機器１００は、ＵＡＶ１０のロールおよびピッチを決定するための慣性運動ユニット（ＩＭＵ）１０４も含む。３次元における動きを決定するために、ＩＭＵ１０４は、速度（速さおよび方向）の変化を測定する３次元加速度計１１２と、基準面およびＵＡＶ１０の角速度に対する方位を決定するジャイロスコープ１１４と、を含む。これらにより、共に、ＵＡＶ１０のロール、ピッチ、ヨー、および速度が決定される。加速度計１１２およびジャイロスコープ１１４は、ＭＥＭであってもよく、これによって、風検出装置によって占有されるスペースおよび重量が低減される。ＩＭＵ１０４は、フライトコントローラ１０２に運動出力（ロール、ピッチ、ヨー、および速度）を提供する。これは、以下で考察されるように、風向および風速度を決定し、それに応じて補正を行うために使用される。

ロールおよびピッチの量は、空力、質量およびその他の要因の関数として、ＵＡＶ設計によって異なる。第１のステップでは、既知の風況に応答して、ＵＡＶのロール、ピッチ、および磁気的方位の変化が、補正係数を決定するために直接測定される。次に、既知の風の状態に応答する平均ロールおよび平均ピッチが決定される。これは、以下の式で電子機器１００を利用して決定することができる。

式中、ｎはサンプルの数であり、サンプルレートおよび平均の所望の持続時間によって求めることができる。

次いで、水平面上に投影されたベクトルは、次のように決定される。

式中、

および

は、ＵＡＶの回転中心を通過する水平面上のそれぞれ、投影ロールベクトルおよび投影ピッチベクトルを表す。

本発明者は、風速度は、ＵＡＶ１０の回転中心を通過する水平面上の補正値および投影されたロールベクトルおよびピッチベクトル

の関数として決定され得ると判断した。補正値は、ＵＡＶ１０のメーカーおよびモデルの関数として変化する固定数値である。結果として、風速度は、以下の式に従って電子機器１００によって決定することができる。

式中、Ｗｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎは、固有のＵＡＶ設計ごとの風補正係数であり、上で考察されたように決定される。

風向はまた、同じ情報から、コンパス１０８によって決定されるＵＡＶ１０の磁気的方位の関数として決定されてもよい。コンパス１０８は、地上（磁気的方位）に対して真の方位を提供する。風向は、以下の式で決定することができる。

（６）Ｗｉｎｄ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ＝Ｈ＋ｔａｎ^－１（Ｒ ^－／Ｐ ^－ ）

式中、Ｈは、コンパス１０８によって決定されるクラフトの磁気的方位である。

加速度計１１２、ジャイロスコープ１１４、およびコンパス１０８などの、オンボードの軽量な回路ベースの電子機器の発明的な使用の結果として、マイクロコンピュータ１１０により、ＵＡＶ１０がリアルタイムで経験している高度での風向および風速度を決定し、所望の地上位置または飛行経路に対するフライトコントローラ１０２のための補正命令を提供することが可能になる。ここで、図３を参照して、本方法をより詳細に説明する。

ステップ２００では、ＩＭＵ１０４に入力を提供するクロック１０６は、加速度計１１２およびジャイロスコープ１１４がロールおよびピッチの測定を開始するためのタイミング期間を開始する。通常の飛行による通常の姿勢変化を風による長期的なオフセットと区別することができるように、例えば３０秒の時間をかけて、ロールおよびピッチの測定値が収集される。時間周期クロック１０６の終了時に、ＩＭＵ１０４に、加速度計１１２およびジャイロスコープ１１４によって決定される、測定されたロールおよびピッチを出力させる信号をマイクロコントローラ１１０に出力する。ステップ２０２では、磁気的方位は、コンパス１０８によって決定され、クロック１０６によって決定された時間周期、加速度計１１２およびジャイロスコープ１１４の出力と共にマイクロコントローラ１１０に入力される。

ステップ２０４において、マイクロコントローラ１１０は、式（３）および（４）に従って、投影ベクトル

を決定する。ステップ２０６において、マイクロコントローラ１１０は、式（５）を利用してＵＡＶ１０が経験する風速度を決定する。ステップ２０８において、マイクロコントローラ１１０は、式（６）に従って、決定された投影ベクトルを利用して風向を決定する。ステップ２０６および２０８が同時に、または他方に対して任意の順序で生じ得ることに留意されたい。風速度および風向は、ＵＡＶ１０によって経験されている風を補償して回転子２０の動作を調整するために、フライトコントローラ１０２の補正値を決定するために利用される。したがって、加速度計１１２、ジャイロスコープ１１４、およびコンパス１０８などのオンボード電子機器の発明的な使用の結果として、ＵＡＶ１０は、事前に決定された姿勢測定値から高度における風速および風向を決定することができ、リアルタイム補正を行って、所望の飛行経路／位置決めを再開することができる。そのため、ＵＡＶレベルではスペース、重量、空力が保存される。

電子機器１００に関連して上で考察された動作も、マイクロコントローラレベルで実現され得ることも理解されたい。マイクロコントローラ１１０は、加速度計およびジャイロスコープを組み込んでもよく、ＩＭＵ１０４を必要とせずにロールおよびピッチを決定することができる。

本発明は、上述の特定の実施形態に限定されないことをさらに認識されるべきである。したがって、本発明の趣旨および添付の特許請求の範囲の範囲から逸脱することなく、多くの修正を行うことができる。

Claims (8)

1. 無人航空機が高度で経験する風速および風向を決定するための方法であって、
   前記無人航空機に加速度計、ジャイロスコープ、およびコンパスを配置するステップと、
   前記加速度計によって、前記無人航空機が経験する速度の変化を決定するステップと、
   前記ジャイロスコープによって、基準面に対する前記無人航空機の方位および前記無人航空機が経験する角速度を決定するステップと、
   前記コンパスによって、前記無人航空機の磁気的方位を決定するステップと、
   前記無人航空機の回転中心を通過する水平面上の投影ロールベクトルおよび投影ピッチベクトルを、既知の風況に応じた前記無人航空機の前記ロールおよびピッチの関数として決定するステップと、
   前記無人航空機が経験する風の風速を、前記投影ロールベクトルおよび前記投影ピッチベクトルの関数として決定するステップと、
   風向を、前記無人航空機の前記投影ロールベクトル、投影ピッチベクトル、および磁気的方位の関数として決定するステップと、を含む、方法。
2. 前記加速度計が、３次元加速度計である、請求項１に記載の高度で無人航空機が経験する風速および風向を決定するための方法。
3. 補正値を、既知の風況に応答して前記無人航空機の前記ロール、ピッチ、および磁気的方位の変化を測定することの関数として決定するステップをさらに含み、前記風速度が、部分的に前記補正値の関数として決定される、請求項１に記載の高度で無人航空機が経験する風速および風向を決定するための方法。
4. 前記補正値が、それぞれの無人航空機のメーカーおよびモデルに固有の無人航空機に割り当てられた固定値である、請求項３に記載の高度で無人航空機が経験する風速および風向を決定するための方法。
5. 所定の期間を決定するステップと、前記所定の期間中の前記ロール、および前記ピッチを決定するステップと、をさらに含む、請求項１に記載の高度で無人航空機が経験する風速および風向を決定する方法。
6. 無人航空機が高度で経験する風速および風向を決定するためのシステムであって、
   前記無人航空機上に配設され、前記無人航空機が経験する速度の変化を決定する加速度計と、
   前記無人航空機上に配設され、基準面に対する前記無人航空機の方位および前記無人航空機が経験する角速度を決定するジャイロスコープと、
   前記無人航空機上に配設され、前記無人航空機の磁気的方位を決定するコンパスと、
   前記コンパス、前記ジャイロスコープ、および加速度計と通信するフライトコントローラであって、前記フライトコントローラが、前記磁気的方位を受信し、前記無人航空機の回転中心を通過する水平面上の投影ロールベクトルおよび投影ピッチベクトルを、前記ロールおよび前記ピッチの関数としてそれぞれ決定することと、前記無人航空機が経験する風の風速を、前記投影ロールベクトルおよび前記投影ピッチベクトルの関数として決定することと、風向を、前記無人航空機の前記投影ロールベクトル、投影ピッチベクトルおよび磁気的方位の関数として決定することと、を行う、フライトコントローラと、を含む、システム。
7. 前記マイクロコントローラが、前記風速および風向を、補正値を利用して、既知の風況に応答して前記無人航空機の前記ロール、ピッチ、および磁気的方位の測定された変化の関数として決定し、前記補正値が、それぞれの無人航空機のメーカーおよびモデルに固有の無人航空機に割り当てられる固定値である、請求項６に記載の無人航空機が高度で経験する風速および風向を決定するためのシステム。
8. クロックをさらに含み、前記クロックが、所定の期間中にタイミング信号を出力し、前記加速度計およびジャイロスコープが、前記所定の期間中に前記フライトコントローラに出力を提供するのみである、請求項６に記載の無人航空機が高度で経験する風速および風向を決定するためのシステム。

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