JP5506369B2

JP5506369B2 - Ｕａｖの飛行制御の方法およびシステム

Info

Publication number: JP5506369B2
Application number: JP2009287600A
Authority: JP
Inventors: エリック・イー・ハンケ; ジョン・イーレイン
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2029-12-18
Also published as: EP2296070A1; JP2010202178A; US20100228406A1

Description

本開示は、無人航空機（ＵＡＶ：ｕｎｍａｎｎｅｄａｉｒ−ｖｅｈｉｃｌｅ）などのようなダクテッドファン航空機（ｄｕｃｔｅｄ−ｆａｎａｉｒ−ｖｅｈｉｃｌｅ）に関し、詳細には、ダクテッドファン航空機の飛行に関する。

政府権利
米国政府は、国防高度研究計画局（ＤＡＲＰＡ：ＤｅｆｅｎｓｅＡｄｖａｎｃｅｄＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｊｅｃｔｓＡｇｅｎｃｙ）によって与えられた契約第ＭＤＡ９７２−０１−９−００１８号に従って、本発明に対して一定の権利を取得している。

ダクテッドファン航空機については、優れた静止空力ホバリング性能（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｈｏｖｅｒｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）、３次元高精度位置保持（ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｈｏｌｄ）、低速飛行、高精度垂直離着陸（ＶＴＯＬ：ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｖｅｒｔｉｃａｌｔａｋｅ−ｏｆｆａｎｄｌａｎｄｉｎｇ）の能力が知られている。加えて、ダクトは、動作中に近くで、回転するファン・ブレードと接触しないように防護する。

そのため、ダクテッドファン航空機、特にダクテッドファンを備える無人航空機（ＵＡＶ）は、戦場というシナリオで配備されることが増えている。例えば、典型的なＵＡＶの作戦行動は、偵察および監視、部隊および地上車両の誘導、ならびに非照準線上ターゲティング（ｎｏｎ−ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔｔａｒｇｅｔｉｎｇ）を含むことができる。従って、ＵＡＶは、地上部隊の（また、航空部隊でさえも）直接の視線上にない区域における敵の部隊および車両を発見するように、構成することができる。実質的に、ＵＡＶは、敵の領地に入り込めるので、部隊のための「哨兵」となることができる。

例えば偵察任務中にＵＡＶを操作するためには、１人または複数人のＵＡＶのオペレータは、ＵＡＶの飛行を制御するのに加えて、対象物の画像を取得するためにＵＡＶカメラを操作する必要がある。一人のオペレータは、一般に、ＵＡＶの飛行と対象物の観察とに時間を割り振る必要がある。例えば、ＵＡＶにセンサが搭載されている場合、位置を保つためにＵＡＶの姿勢は絶えず更新されなければならず、オペレータは、ＵＡＶの操縦と、画像の取得および／または分析とに、注意を振り分けるよう強いられる。代替例として、偵察任務中にＵＡＶを操作するために２人のオペレータが必要とされることもある。例えば、第１のオペレータは、ＵＡＶを操縦し、第２のオペレータは、任意の対象物の所望の画像を取得するために、ＵＡＶに搭載されたカメラを制御する。

本開示は、ＵＡＶの飛行を制御するための方法と、ＵＡＶシステムとについて説明する。ジンバル式センサ（ｇｉｍｂａｌｅｄｓｅｎｓｏｒ）を有するＵＡＶの飛行を制御するための方法は、対象とする目標点に関連する第１の入力を受け取るステップと、ジンバル式センサを、対象とする目標点に向けるステップとを含む。この方法は、所望の飛行経路に対応する第２の入力を受け取るステップを更に含む。所望の飛行経路を達成するための速度ベクトル飛行コマンド（ｖｅｌｏｃｉｔｙｖｅｃｔｏｒｆｌｉｇｈｔｃｏｍｍａｎｄ）が選択でき、速度ベクトル飛行コマンドを選択するステップは、ジンバル式センサからの姿勢データ（ａｔｔｉｔｕｄｅｄａｔａ）を速度ベクトル飛行コマンドに変換するステップを含むことができる。この方法は、選択された速度ベクトル飛行コマンドに従ってＵＡＶの飛行を操作するステップを更に含む。ＵＡＶのこの飛行中、ジンバル式センサは、対象とする目標点に向けられたままである。

本明細書では、本発明の例示的な実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、一例による、ジンバル式センサを有するＵＡＶの図である。図２は、図１に示されるＵＡＶなどのような、ＵＡＶの飛行を制御するための方法を示すフローチャートである。

例示的な一実施形態では、ダクテッドファン航空機は、ＵＡＶの形態をとることができる。例えば、ダクテッドファン航空機は、超小型航空機（ＭＡＶ：ｍｉｃｒｏａｉｒ−ｖｅｈｉｃｌｅ）の形態をとることができる。代替例として、ダクテッドファン航空機は、有機航空機（ＯＡＶ：ｏｒｇａｎｉｃａｉｒ−ｖｅｈｉｃｌｅ）の形態をとることができる。現在、米国政府は、２つのクラスのＯＡＶ、即ち、より小型であるクラスＩＯＡＶと、より大型であるクラスＩＩＯＡＶとの開発に資金提供している。本明細書では、本発明は、例として、ＭＡＶを参照して説明される。しかし、本発明は、クラスＩまたはＩＩのＯＡＶ、ならびに他のタイプのＯＡＶ、ＵＡＶ、およびダクテッドファン航空機にも拡がることを、当業者であれば理解されよう。

図１は、ＭＡＶ１００の図である。ＭＡＶ１００は、ダクト１０４と、エアダクト１０４の内に配置されるファン１０６とを含む。加えて、ＭＡＶ１００は、中心機体（ｃｅｎｔｅｒｂｏｄｙ）１１０を有する。中心機体は、ＭＡＶ１００が動作するための構成要素を含むことができる。例えば、中心機体は、ＭＡＶ１００に動力を提供するためのエンジンを含むことができる。

中心機体１１０に加えて、ＭＡＶは、ＭＡＶの更なる構成要素を収容する少なくとも１つのポッド（ｐｏｄ）を含むこともできる。例えば、ＭＡＶ１００は、ポッド１１２およびポッド１１４を含む。ポッド１１２は、ジンバル式カメラ１１６などのような、取り付けられたジンバル式センサを有することができる。ポッド１１２は、ジンバル式カメラ制御システム、ＧＰＳ、無線、および画像用のビデオ・リンクなどのような、他の構成要素を収容することもできる。ジンバル式カメラ制御部は、プロセッサ１１５を含むことができる。プロセッサ１１５は、典型的にはソフトウェア・アプリケーションからの命令を解釈および実行するように動作可能な、ハードウェア、ファームウェア、および／またはソフトウェアの任意の組み合わせとすることができる。例えば、プロセッサ１１５は、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）とすることができる。

ポッド１１４は、航空電子工学（ａｖｉｏｎｉｃｓ）や航法のシステムなどのような、更なるＭＡＶ構成要素を含むことができる。航空電子工学システムはプロセッサを含むことができる。ジンバル式カメラ制御プロセッサと同様に、このプロセッサは、典型的にはソフトウェア・アプリケーションからの命令を解釈および実行するように動作可能な、ハードウェア、ファームウェア、および／またはソフトウェアの任意の組み合わせとすることができる。代替例として、航空電子工学システムを制御するプロセッサは、ジンバル式カメラ制御システムを制御するのと同じプロセッサとすることができる。航空電子工学システム１２０は、ジンバル式カメラ制御システムおよびジンバル式カメラと結合することができる。ジンバル式カメラおよびジンバル式カメラ制御部と連携して、航空電子工学システム１２０は、ＯＡＶ１００の姿勢、位置付け、および前進速度を制御することによって、ＯＡＶ１００を制御することができる。ジンバル式カメラ制御システムと連携する航空電子工学システム１２０は、様々な入力を使用して航空機を制御することができる。例えば、航空電子工学システム１２０は、ＯＡＶ１００を制御するために、ジンバル式カメラの角度、慣性センサ、ＧＰＳ、気流の速さおよび方向などの入力を使用することができる。

ポッドに配置されるＭＡＶ構成要素は、他の方法で構成／配置できることを理解されたい。更に、より多くのポッドまたはより少数のポッドを用いることが可能である。例示的な一実施形態では、ポッドと、それらに収容される構成要素は、好ましくは、ＭＡＶの重心を維持するように選択される。ＭＡＶ１００は、アンテナ１２４などのような１または複数のアンテナを含むこともできる。アンテナ１２４は、ＭＡＶが、航法信号および像信号などのような信号を受信および送信することを可能にする。

ＭＡＶ１００は、ステータ・アセンブリ（ｓｔａｔｏｒａｓｓｅｍｂｌｙ）１１２と、ベーン（ｖａｎｅ）１１４とを含むこともできる。ステータ・アセンブリ１１２およびベーン１１４は、ダクト１０４内に配置されたファン１０６の下方に配置することができる。ステータ・アセンブリ１１２は、ダクト１０４内のファン１０６の直下に配置することができ、ファン１０６の後方に渦流を流す（即ち、ファンによって発生させられた渦気流を整流する）ように動作することができる。ベーン１１４も、ファン１０６の下方に配置することができ、ＭＡＶ１００のための制御モーメント（ｃｏｎｔｒｏｌｍｏｍｅｎｔ）を生成するように動作することができる。例えば、ベーン１１４は、エアダクト１０４の出口部１１６の僅かに下方に配置することができる。ＭＡＶ１００は、固定および／または可動のベーンを含むことができる。航空機が飛び立つと、制御ベーン１１４は、飛行の方向を制御するための信号を受け取る。制御ベーンは、信号に応答して動き、ファン１０６からの気流の進路を変更して、航空機の飛行方向を誘導する。

ＭＡＶ１００は、例えば、地表面の上方約３０．４８メートル（１００フィート）から約１５２．４メートル（５００フィート）の高度で動作することができ、典型的には、ＭＡＶは、地面の上方約３．０５メートル（１０フィート）から約１５２．４メートル（５００フィート）の間を飛行する。ＭＡＶは、昼間や夜間の前方および下を見る動画像または静止画像を提供することができる。ＭＡＶは、雨天および穏やかな風を含む様々な天候状態で動作することができる。ＭＡＶシステムに関して必要とされるオペレータ訓練は最低限のものである。ポータブル地上局などのような地上局は、航空機を誘導し、１または複数のジンバル式カメラから画像を受信するために使用することができる。地上局は、ＭＡＶのための飛行経路または飛行経路の一部をプログラムするため、あるいは飛行経路または飛行経路の一部を手動で制御するために使用することができる。ジンバル式カメラは、昼間用の電気光学カメラや夜間任務用の赤外線カメラとすることができる。任意のタイプや時間の任務に適した任意のカメラを使用することができる。

ＭＡＶ１００は、自律的に動作し、プログラムや偵察などの簡単な任務を実行することが可能である。好ましくは、ＭＡＶ１００は、オペレータの制御下で動作する。上述のように、ＭＡＶは、典型的には、パイロットとセンサのオペレータとからなる班を必要とする。パイロットは、例えば、Ｃバンド見通し内データ・リンク（Ｃ−ｂａｎｄｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔｄａｔａｌｉｎｋ）やＫｕバンド衛星リンク（Ｋｕ−Ｂａｎｄｓａｔｅｌｌｉｔｅｌｉｎｋ）を介してコマンドを送信するコントロール手段を使用して、ＭＡＶを操縦することができる。ＭＡＶは、Ｌ−３Ｃｏｍ衛星データ・リンク・システム（Ｌ−３Ｃｏｍｓａｔｅｌｌｉｔｅｄａｔａｌｉｎｋｓｙｓｔｅｍ）を介して命令を受信することができる。パイロット（１人または複数人）および他の班員（１人または複数人）は、ＭＡＶから受信した画像およびレーダを使用して、ＭＡＶの制御に関する決定を下し、ＭＡＶによって受け取られる像を制御することができる。

典型的なＭＡＶとは異なり、ＭＡＶ１００は、好ましくは、航空機を飛行させることと、所望の像を取得することとの両方のために必要なのは、１人のオペレータのみである。しかしながら、一般には必要でないが、ＭＡＶ１００などのような実施形態によるＭＡＶを、２人以上のオペレータで操作できることも理解されたい。ＭＡＶ１００では、ジンバル式カメラ１１６などのようなジンバル式センサは、航空電子工学システム１２０などのような飛行制御手段に結合される。ＭＡＶ１００へのジンバル式センサのそのような統合は、ジンバル式センサの照準と航空機制御システムとを密接に結合し、例示的な一実施形態では、そのことが、２人以上のオペレータからなる班の必要性を排除する。ＭＡＶ１００は、オペレータが所望の像を取得することに集中するように自由にされる間に、航空機を飛行させるように動作する機上搭載ソフトウェア、例えば、飛行計画、誘導、および飛行制御のためのソフトウェアなどを含む。そのようなしっかりと統合されたジンバル式センサと飛行制御手段とを備えるシステムは、ＭＡＶのオペレータが、航空機の操縦と対象物の観察とを同時に考える必要なしに、取得すべき像に集中することを可能にする。例示的な一実施形態では、ＭＡＶ１００の航空機動作は、航空機が現在行っていることではなく、対象とする点に対して決定される。言い換えると、ＭＡＶ１００の飛行は、ジンバル式カメラが向けられている対象とする目標物に対して制御される。

図２は、ＭＡＶ１００などのような、ジンバル式センサを有するＵＡＶを操作するための方法２００を示すフローチャートである。図２に示された例は、ＭＡＶ１００により実行されるステップを示している。しかし、これらのステップは、地上制御システムなどの他のエンティティと連携するＵＡＶによっても実行できることを理解されたい。

ブロック２０２において、ＭＡＶ１００は、対象とする目標点に関連する第１の入力を受け取る。ブロック２０４において、ＭＡＶ１００は、ジンバル式センサを、対象とする目標点に向ける。ブロック２０６において、ＭＡＶ１００は、所望される飛行経路に対応する第２の入力を受け取る。その後、ブロック２０８において、ＭＡＶ１００は、所望の飛行経路を達成するために速度ベクトル飛行コマンドを選択するが、これは、ジンバル式センサからの姿勢データを速度ベクトル飛行コマンドに変換することによりなされる。

速度ベクトル飛行コマンドを選択した後、ブロック２１０において、ＭＡＶ１００は、選択された速度ベクトル飛行コマンドに従ってＭＡＶの飛行を行う。その後、しっかりと統合されたジンバル式カメラ・センサと飛行制御手段は、所望の飛行経路に従って航空機を飛行させ、飛行中、ジンバル式カメラは対象物に焦点を合わせたままでいる。飛行制御手段は、ジンバル式カメラが向いている場所付近で、ＭＡＶが所望の飛行経路上を飛行し、ジンバル式カメラが対象物に焦点を合わせたままでいるように決定される。方法２００のこれらのステップは、以下のサブセクションでより詳細に説明される。

ｉ．対象とする目標点に関する入力を受け取り、ジンバル式センサを対象とする目標点に向ける
上述のように、実施形態によるＭＡＶは、オペレータが、対象物を選択し、航空機を、対象物に向けて飛行させたり、対象物から遠けるように飛行させたり、対象物の周りを飛行させたりするなどのように、所望の経路で飛行させることを可能にする。この能力を達成するために、ＭＡＶ１００は、地上制御システムから、対象とする目標点に関連する入力を受け取ることができる。好ましくは、地上制御システムは、オペレータ制御ユニット（ＯＣＵ：ｏｐｅｒａｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔ）と、地上データ端末（ＧＤＴ：ｇｒｏｕｎｄｄａｔａｔｅｒｍｉｎａｌ）とを含む。ＯＣＵは、オペレータ用の表示およびデータ入力デバイスであり、ＯＣＵは、オペレータが、対象とする目標物を入力することを可能にするタッチ・スクリーンを備えることができる。ＧＤＴは、通信信号をＭＡＶ１００から受信するため及びＭＡＶ１００へ送信するための、アップリンクおよびダウンリンク通信無線を含むことができる。オペレータは、オペレータ用の地図表示ユニット上で対象物に軽く触れることができる。対象物は、対象点とすることができる。例えば、対象点は、地平線上の一点や、敵のベース・キャンプなどの対象物とすることができる。他の例も同様に可能である。

対象とする目標点に関連する入力を受け取った後、ＭＡＶ１００は、ジンバル式カメラ１１６を、対象とする目標点に向け、航空機を、対象物に向かって飛行させたり、対象物から遠ざけるように飛行させたり、対象物の周囲を飛行させるなどのように、所望の経路で飛行させることができる。

ｉｉ．所望の飛行経路に対応する入力を受け取る
ＭＡＶ１００は、対象とする目標物に関連する所望の飛行経路に対応する入力も受け取ることができる。ＭＡＶ１００は、この入力を地上制御システムから受け取ることができる。オペレータは、対象とする目標点に向かう、目標点から遠ざかる、目標点の周囲を回るなどのような、所望の飛行経路を選択することができる。飛行経路は、オペレータがそれに従って航空機を飛行させることを望む飛行経路に基づいて選択することができる。これは、様々な要因に依存することができる。例えば、飛行経路は、オペレータがＭＡＶ１００を飛行させたい方向、ＭＡＶ１００が実行中の任務のタイプ、および／またはＭＡＶ１００が取得する必要のある像のタイプに依存することができる。

例えば、航空機は、縦方向および／または横方向に、増分ステップ分だけ手動で移動させることができる。代替例として、航空機は、誘導経路（ｇｕｉｄｅｐａｔｈ）を対象物に向かうように又は対象物から遠ざかるように飛行するように指令を受けることができる。更なる代替例として、ジンバル式カメラは、常に対象点を向くようにでき（対象点に対してロックでき）、ＭＡＶは、対象物の周りの周囲経路上を飛行することができる。他の所望の飛行経路も同様に可能である。

ｉｉｉ．所望の飛行経路を達成するために速度ベクトル飛行コマンドを選択する
所望の飛行経路を達成するために速度ベクトル飛行コマンドを選択するステップは、ジンバル式カメラの姿勢データを速度ベクトル飛行コマンドに変換するステップを含む。姿勢データは、例えば、ジンバル式カメラの角度に関するデータとすることができる。例えば、姿勢データは、ジンバル式カメラのパン角度（ｐａｎａｎｇｌｅ）やジンバル式カメラのチルト角度（ｔｉｌｔａｎｇｌｅ、傾斜角度）を含むことができる。ジンバル式カメラからの角度を速度ベクトル飛行コマンドに変換するステップは、所望の飛行経路に応じて様々とすることができ、以下のサブセクションでは幾つかの例が説明される。

１．対象とする目標物に対する縦方向および横方向移動に対応する飛行経路
一実施形態では、所望の飛行経路は、対象とする目標物に対する縦方向（即ち、前後）および／または横方向（即ち、左右）の移動とすることができる。そのような飛行経路は、例えば、対象物の高精度な像を取得するために有益であり得る。また、そのような飛行パターンは、地平線に向かって飛行するために有益であり得る。他の例も同様に可能である。

所望される縦方向および横方向の移動は、北−東（Ｎｏｒｔｈ−Ｅａｓｔ）速度ベクトルなどのような速度ベクトルへと分解することができる。速度ベクトルの北成分および東成分は、以下のようにして計算することができる。

上記の式において、ｖ_{ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ}（ｖ縦方向）は、ＭＡＶの縦方向速度に等しく、ｖ_{ｌａｔｅｒａｌ}（ｖ横方向）は、ＭＡＶの横方向速度に等しく、γ_ｐａｎ（γパン）は、ジンバル式カメラのパン角度に等しい。この開示の目的では、北−東座標系が使用される。しかし、当技術分野で知られているように、他の座標系も同様に可能である。これらの成分は、以下に示される北−東速度ベクトルをもたらすことができる。

この速度ベクトル飛行コマンドは、航空電子工学システム１２０などのようなＭＡＶ飛行制御手段へ渡すことができ、ＭＡＶ飛行制御手段は、ＭＡＶの速度と機首方位とを制御する。速度ベクトルに従ってのＭＡＶの操作が、以下でより詳細に説明される。

２．対象物へ向かうまたは対象物から遠ざかる滑空経路（ｇｌｉｄｅｐａｔｈ）
一実施形態では、所望される飛行経路は、対象とする目標物に対する縦方向（即ち、前後）、横方向（即ち、左右）、および垂直方向（即ち、上下）の移動とすることができる。そのような飛行経路は、例えば、対象物の拡大像を取得するために有益であり得る。他の例も同様に可能である。

所望される縦方向、横方向、および垂直方向の移動は、北−東−上（Ｎｏｒｔｈ−Ｅａｓｔ−Ｃｌｉｍｂ）速度ベクトルなどのような速度ベクトルへと分解することができる。北成分、東成分、および上（climb）成分は、以下のように計算することができる。

上記の式において、ｖ_{ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ}は、ＭＡＶの縦方向の速度に等しく、ｖ_{ｆｌｙ＿ａｔ}は、ＭＡＶの飛行速度（ｆｌｙ−ａｔｖｅｌｏｃｉｔｙ）に等しく、ｖ_{ｖｅｒｔｉｃａｌ}（ｖ垂直方向）は、ＭＡＶの垂直方向の速度に等しく、ｖ_{ｖｅｒｔｉｃａｌ＿ｍａｘ}（ｖ垂直＿最大）は、ＭＡＶの安全操縦限界（ｓａｆｅｈａｎｄｌｉｎｇｌｉｍｉｔ）に基づいた最大上昇速度に等しく、ｖ_{ｖｅｒｔｉｃａｌ＿ｍｉｎ}（ｖ垂直＿最小）は、ＭＡＶの安全操縦限界に基づいた最大下降速度に等しく、γ_ｐａｎは、ジンバル式カメラのパン角度に等しく、γ_ｔｉｌｔ（γチルト）は、ジンバル式カメラのチルト（傾斜）角度に等しい。

垂直方向コマンドが、垂直の上昇または下降の安全操縦限界（異なるＵＡＶ毎に異なり得る）を超えた場合、当該成分は、安全操縦限界にリセットされ得る。この成分が安全操縦限界にリセットされた場合、それによって、縦方向コマンドは、ジンバル式カメラのチルト角度が保たれることを保証するために、強制的に大きさが変えられる。

垂直方向および縦方向のこれらの成分が決定されると、速度ベクトルの北成分および東成分は、以下のように計算することができる。

これらの成分は、以下に示される北−東速度ベクトルを導きだす。

この速度ベクトル飛行コマンドは、航空電子工学システム１２０などのようなＭＡＶ飛行制御手段へ渡され、ＭＡＶ飛行制御手段は、選択された速度ベクトル飛行コマンドに従ってＭＡＶを操作するように、ＭＡＶの速度と機首方位とを制御する。速度ベクトルに従ったＭＡＶの操縦が、以下でより詳細に説明される。

３．対象とする目標物の周りの周囲経路
別の実施形態では、所望される飛行経路は、対象とする目標物の周りを回る周囲経路に対応する経路とすることができる。対象とする目標物の周りの周囲を航行する方法は、様々なシナリオにとって有益であり得る。例えば、このタイプの経路は、ＭＡＶを着陸させる領域を調査するために有益で有り得る。また、敵のベース・キャンプや敵の小部隊を調査するためにも有益で有り得る。他の例も同様に可能である。

開示されるシステムは、オペレータが地上局からの速度コマンドを使用して対象物の周りを周航させているときにカメラを対象物に向けたまま保つための方法を提供することにより、これをサポートする。この場合、ジンバル角度は、先の実施形態とは異なり、航空機の移動を計算に入れて調整される。

上述のように、地上制御システムは、タッチ・スクリーン機能を有するスクリーン上にオペレータ用の地図表示を含むことができ、オペレータは、スクリーン上の目標に軽く触れることにより目標を選択することができる。オペレータが、タッチ・スクリーン機能を有する地図ディスプレイ上の点に軽く触れることにより目標点を選択すると、その点は、緯度、経度、および高度として、ＭＡＶへ中継される。一実施形態では、点が選択された後、オペレータは、対象とする点がディスプレイの中央の点となることを期待することができる。なぜなら、システムは、ジンバル式カメラに対して、目標の方を向くように指令するからである。

航空機が対象とする点の周りを周航している間にカメラを対象とする点に向けるプロセスは、コマンドを受け取った時のＭＡＶの位置を使用して、北、東、および高度についての変位を計算することにより開始することができる。この計算は、以下の式を使用して実行することができる。

ΔNorth＝ｒ_Earth＊（Latitude_meas−Latitude_reference）
（Δ北＝ｒ_Earth＊（緯度_測定値−緯度_基準値））
ΔEast＝ｒ_Earth＊（Longitude_meas−Longitude_reference）＊ｃｏｓ（Latitude_reference）
（Δ東＝ｒ_Earth＊（経度_測定値−経度_基準値）＊ｃｏｓ（緯度_基準値））
ΔHeight＝（Elevation_meas−Elevation_reference）
（Δ高さ＝（高度_測定値−高度_基準値））

上記の式において、ｒ_{Ｅａｒｔｈ}は地球の平均半径である。
更に、Ｌａｔｉｔｕｄｅ_ｍｅａｓは、ＭＡＶの緯度測定値であり、Ｌａｔｉｔｕｄｅ_{ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ}は、対象とする点の緯度測定値であり、Ｌｏｎｇｉｔｕｄｅ_ｍｅａｓは、ＭＡＶの経度測定値であり、Ｌｏｎｇｉｔｕｄｅ_{ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ}は、対象とする点の経度測定値であり、Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ_ｍｅａｓは、ＭＡＶの高度測定値であり、Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ_{ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ}は、対象とする点の高度測定値である。

重心からのジンバル式カメラのオフセットは、航空機の重心に対してのカメラの重心に対する間のｘ、ｙ、およびｚのオフセットに対して四元数回転（ｑｕａｔｅｒｎｉｏｎｒｏｔａｔｉｏｎ、クォータニオン・ローテーション）を実行することにより計算することができる。

ここで、
ｑは、慣性座標系からワールド座標系への回転を表す四元数、
ｑ＝［ｗｘｙｚ］、
Δｘ_{ｃａｍｅｒａ}は、ｘ方向における航空機の質量中心からカメラの質量中心までの距離、
Δｙ_{ｃａｍｅｒａ}は、ｙ方向における航空機の質量中心からカメラの質量中心までの距離、
Δｚ_{ｃａｍｅｒａ}は、ｚ方向における航空機の質量中心からカメラの質量中心までの距離、
である。

これらは、ＭＡＶドリフト値とともに足されて、選択された点をカメラが見続けるようにするためのサーボ・コマンド（ｓｅｒｖｏｃｏｍｍａｎｄ）を計算するために使用されるドリフト項が生成される。

ここで、
ΔＮ＝ΔＮｏｒｔｈ＋ΔＮ_{ｃａｍｅｒａ}
（ ΔＮ＝Δ北＋ΔＮ_カメラ）
ΔＥ＝ΔＥａｓｔ＋ΔＥ_{ｃａｍｅｒａ}
（ΔＥ＝Δ東＋ΔＥ_カメラ）
Δｈ＝Δｈｅｉｇｈｔ＋Δｈ_{ｃａｍｅｒａ}
（Δｈ＝Δ高さ＋Δｈ_カメラ）
である。

上記の式によって生成された新しい照準コマンド（pointing command、或る方向に向けるためのコマンド）は、以下に示されるように、スクリーン基準系（ユーザ）座標系（ＳｃｒｅｅｎＲｅｆｅｒｅｎｃｅＦｒａｍｅ（ｕｓｅｒ）ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｆｒａｍｅ）からサーボ座標系へと変換することができる。

ＤＣＭ（servo_elevation，servo_dummy，servo_azimouth）＝
ＤＣＭ（command_elevation，θ，（command_azimouth−Ψ））（−ＤＣＭ（φ，θ，０））
（ＤＣＭ（サーボ_高度，サーボ_ダミー，サーボ_アジマス）＝
ＤＣＭ（コマンド_高度，θ，（コマンド_アジマス−Ψ））（−ＤＣＭ（φ，θ，０）））

この式は、航空機のヨー（ｙａｗ）およびロール（ｒｏｌｌ）の姿勢角度と等しく反対の追加成分を含むサーボ・オフセットを、生成する。

以下は、カメラ・コマンド（即ち、高度コマンドおよび方位角コマンド）におけるオフセットへのコマンドの変換を示している。

ここで、ＤＣＭは、３×３型の方向余弦行列（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｃｏｓｉｎｅｍａｔｒｉｘ）である。ＤＣＭ行列は、機体の軸（ｂｏｄｙａｘｉｓ）（ｂ_ｘ，ｂ_ｙ，ｂ_ｚ）におけるベクトルをサーボ軸（ｓｅｒｖｏａｘｉｓ）（ｓ_ｘ，ｓ_ｙ，ｓ_ｚ）におけるベクトルへと座標変換する。これをもたらすのに必要とされる軸の回転のオーダーは下記のようである。

ｉ．ヨー角度（Ψ）を通じてのｂ_ｚについての回転
ｉｉ．ピッチ角度（θ）を通じてのｂ_ｙについての回転
ｉｉｉ．ロール角度（φ）を通じてのｂ_ｘについての回転

ｉｖ．選択された速度ベクトル飛行コマンドに従ってＵＡＶの飛行を操作する
速度ベクトル飛行コマンドを選択した後、ＭＡＶの飛行は、選択された飛行コマンドに従って操作することができる。飛行コマンドは、航空電子工学システム１２０などのような航空機制御システムへ送ることができ、航空機制御システムは、ＭＡＶの速度と機首方位とを制御する。選択された速度ベクトル飛行コマンドに従ってＭＡＶの飛行を操作している間、ジンバル式カメラは、対象とする目標点に向けられたままであるように、好ましくは、飛行期間にわたって調整される。この操作は、遮るものなく対象物を見ることを可能にし、対象物に焦点が合うようにジンバル式カメラを絶えず調整し続けるオペレータの必要性を軽減する。ジンバル式カメラ・システムは、好ましくは、航空機がジンバル式カメラの視野の外にいることを保証するように、ＵＡＶの航空機機首方位を指令する。ジンバルのパン角度を航空機制御システムの航空機機首方位コントローラへ送ることができ、航空機機首方位は、航空機のロール軸をジンバル式カメラのパン方位（ｐａｎｈｅａｄｉｎｇ）と揃えるように調整することができる。この調整は、航空機がジンバル式カメラの視野の外にいることを保証する。

ある実施形態では、ＵＡＶは、限られた期間だけ選択された飛行コマンドに従って動作することができる。例えば、ＵＡＶは、５〜１０秒の増分量ずつ動作することができる。他の時間増分量も同様に可能である。

限られた期間だけ選択された飛行コマンドに従って動作した後、ＵＡＶ飛行制御手段は、オペレータから別のコマンドを受け取るまでホバリングしているようにＵＡＶに指令することができる。５〜１０秒の増分量に従って動作することは、オペレータが縦方向および横方向の移動に対応する飛行経路を選択するときに、特に有益であり得る。そのような手動の位置移動（reposition、位置変更）コマンドは、高精度な像を取得するために、特に有益であり得る。航空機をホバリング位置に保つことは、航空機が遠ざかることを防止することができ、また、高精度な像を取得するのにより良い位置へ航空機を移動させるための時間をオペレータに与えることもできる。

実施形態に従ってジンバル式カメラを有するＵＡＶを操作することは様々な利点を提供する。例えば、上述のように、ジンバル式カメラを備えないＵＡＶの操作中に、所望の像を取得するには、航空機を飛行させるために時間を費やすことと、像を取得するためにカメラを操作することとを必要とする。しかし、実施形態によるＵＡＶを操作する場合、所望の像を取得することおよび航空機を飛行させることは、簡素化される。オペレータは、ジンバル式カメラ制御システムと航空電子工学システムが対象物に対しての所望される経路でＵＡＶを飛行させている間に、所望の像に焦点を合わせることができる。

ＵＡＶを飛行させ、飛行中に像を取得するのに必要とされるオペレータの人数を少なくすることに加えて、この簡素化は、有益なことに、所望の像を取得するための時間を削減することもできる。例えば、上述のジンバル・システムを備えないＭＡＶでは数分かかったプロセスは、ＭＡＶおよびジンバル式カメラを正しい位置へと操ることが難しいために、約２または３分かかることがある。しかし、実施形態に従ったジンバル・システムは、像に焦点を合わせたＭＡＶの飛行により、所望の像を取得する時間を約数秒に削減することができる。従って、このシステムは、目標を見ることを、より容易かつ迅速にすることにより、改善する。有益なことに、これは、任務時間を短縮することができ、また、ＭＡＶが一つの任務でより多くを達成することを可能にする。

加えて、実施形態に従ってのジンバル式カメラを有するＵＡＶを操作することは、風の強い状況においての利点がある。ＵＡＶの動作は、目標とする像の周辺で決定されるので、突風の最中に、実施形態によるＵＡＶは、像に焦点を合わせたままでいるように動作可能であり、また、突風の後に、像に速やかに焦点を合わせるように動作可能である。突風の後、オペレータが像に対して再び焦点合わせするよりも相対的に速やかに、密接に統合されたジンバル式カメラ・システム制御手段および航空電子工学制御手段は、再び焦点合わせすることができる。

本発明の例示的な実施形態が上述された。「例示的」という語は、本明細書では、「例、実例、または例証として役立つ」という意味で使用されていることを理解されたい。「例示的」として本明細書で説明された実施形態はいずれも、他の実施形態よりも好ましいまたは有利であると必ずしも解釈されるべきではない。

Claims

対象とする目標点に関連する第１の入力、及び、前記対象とする目標点と相対しての所望される飛行経路に対応する第２の入力を受け取るステップと、
無人航空機（ＵＡＶ）のジンバル式センサを前記対象とする目標点に向けるステップと、
プロセッサにより、所望される飛行経路を達成するために、前記ジンバル式センサからの姿勢データに基づいて速度ベクトル飛行コマンドを選択するステップであって、前記姿勢データは、ジンバル式センサの角度データを含むものであり、前記速度ベクトル飛行コマンドは、３つの方向において前記対象とする目標点と相対して前記無人航空機の動きを機制御するものである、ステップと、
選択された前記速度ベクトル飛行コマンドに従って前記無人航空機の飛行の操作を行うステップであって、前記無人航空機の飛行中、選択された前記速度ベクトル飛行コマンドに従って、前記ジンバル式センサは、前記対象とする目標点に向けて固定されて維持される、ステップと、
を含む方法。
無人航空機（ＵＡＶ）システムであって、
ジンバル式カメラを備える無人航空機と、
プロセッサとを備え、
前記プロセッサが、
対象とする目標点に関連する第１の入力、及び、前記対象とする目標点と相対しての所望される飛行経路に対応する第２の入力を受け取り、
前記ジンバル式カメラを前記対象とする目標点に向け、
所望される飛行経路を達成するために、前記ジンバル式カメラからの姿勢データに基づいて少なくとも１つの速度ベクトル飛行コマンドを選択する
ように構成され、前記姿勢データは、ジンバル式カメラの角度データを含むものであり、前記速度ベクトル飛行コマンドは、３つの方向において前記対象とする目標点と相対して前記無人航空機の動きを機制御するものであり、
前記プロセッサが更に、
少なくとも１つの選択された前記速度ベクトル飛行コマンドに従って前記無人航空機の飛行を操作する
ように構成され、前記無人航空機の飛行中、少なくとも１つの選択された前記速度ベクトル飛行コマンドに従って、前記ジンバル式カメラは、前記対象とする目標点に向けて固定されて維持される、
無人航空機システム。