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
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 Download PDFInfo
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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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