JP6759210B2 - 無人航空機システム（ｕａｓ）操縦の制御および制限のための監視安全システム - Google Patents

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２０１４年１２月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／０９４，７９８号の優先権及び利益を主張し、その内容は全ての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。

技術分野
各実施形態は一般に、無人航空機システム（unmanned aerial systems：ＵＡＳ）のシステム、方法、および装置に関し、より具体的にはＵＡＳのアクセス制限に関する。

国家空域における無人航空機システム（ＵＡＳ）の操縦を可能にするには、ＵＡＳが制限／禁止空域に進入して有人航空機と衝突したりその運行に干渉しないようにする、信頼できる手段と方法が必要である。しかし、このニーズを満たすにあたり、ＵＡＳの商業的可能性を促進するために、そのコストと複雑性を合理的に保つ必要がある。

免除・承認証明書（ＣＯＡ）にある共通の制限は、ＵＡＳが空港から少なくとも５海里の距離離れていることを要求する。この空港周辺領域は、空港のトラフィックパターンで飛行している有人航空機からＵＡＳを遠ざけるためのバッファとして機能するように意図されている。 実際の物理的な障壁はないため、偶発的または故意により、ＵＡＳはこのバッファを越えて比較的すぐに有人航空機に接近することが可能である。結果として、このようなバッファは、空中衝突の可能性を低減できるが、結局はそれを防止する作用はない。より具体的には、空港のトラフィックパターン内でＵＡＳが有人航空機との潜在的に致命的な空中衝突に巻き込まれることを物理的に阻止するものはない。空中衝突事故の最悪かつ確実な結果は惨事であるため、この事故は「大惨事」なる重要度が割り当てられている。

例示的な実施形態の方法は、プロセッサが、少なくとも１の飛行境界に対する無人航空機システム（ＵＡＳ）の位置を特定するステップと；前記プロセッサが、特定されたＵＡＳの位置が前記少なくとも１の飛行境界を横切った場合に、当該ＵＡＳに少なくとも１の飛行制限を実施するステップとを含むことを特徴とする。さらなる例示的な実施形態の方法では、前記少なくとも１の飛行境界は、飛行禁止区域を含んでもよい。さらなる例示的な実施形態の方法では、前記少なくとも１の飛行制限は、ＵＡＳが前記飛行禁止区域を横断するのを防止する、例えば少なくとも１×１０^−７の十分に高いシステムの完全性を有することができる。さらなる例示的な実施形態の方法では、受信される少なくとも１の飛行境界が、ユーザが定義した飛行境界を含んでもよく、ここでユーザが定義した飛行境界は前記飛行禁止区域より小さい。さらなる例示的な実施形態の方法では、少なくとも１の飛行境界は、前記ＵＡＳの感知・回避システムからの入力に基づいた少なくとも１の境界を含んでもよい。さらなる例示的な実施形態の方法では、前記感知・回避システムは、レーダー、ソナー、光学センサ、およびＬＩＤＡＲの少なくとも１つを含んでもよい。

さらなる例示的な実施形態の方法では、前記少なくとも１の飛行境界は、飛行前に第三者のデータベースからユーザによって更新される。さらなる例示的な実施形態の方法では、前記少なくとも１の飛行境界は、飛行中に、感知・回避システムおよび第三者データベースのうちの少なくとも１つによって更新されてもよい。さらなる例示的な実施形態の方法では、前記ＵＡＳの位置は、全地球測位システム（ＧＰＳ）、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、および高度計を介して判定されてもよい。さらなる例示的な実施形態の方法は、ＵＡＳにエラーが生じ、特定されたＵＡＳの位置が設定時間内に１以上の飛行境界を横切る軌道内にある場合に、プロセッサによって、ＵＡＳの少なくとも1つの飛行制限を有効化することを含んでもよい。さらなる例示的な方法の実施形態では、エラーは、バッテリの故障、推進装置の故障、感知・回避システムの故障、および全地球測位システム（ＧＰＳ）故障のうちの少なくとも１つであり得る。

さらなる例示的な方法の実施形態では、１以上の飛行制限のうちの第１の飛行制限が、ＵＡＳが少なくとも１つの飛行境界のうちの第１の境界を横切ったときに、プロセッサがユーザに警告を発することを含んでもよい。さらなる例示的な方法の実施形態では、少なくとも１つの飛行制限のうちの第２の飛行制限が、ＵＡＳを着地させることを含んでもよい。さらなる例示的な方法の実施形態では、ＵＡＳの少なくとも１つの飛行制限が、パラシュートの作動、ＵＡＳの１以上の推進装置の動力源の遮断、ＵＡＳの１またはそれ以上の要素の分離、爆破、およびＵＡＳの１以上の推進装置へのスロットルの逆転、の１以上を含み得る。さらなる例示的な方法の実施形態では、ＵＡＳの少なくとも１の飛行制限は、アクチュエータを最大偏向まで作動させること、受信された１またはそれ以上の飛行境界からＵＡＳが離れるようにアクチュエータを作動させること、の１以上を含み得る。

例示的なシステムの実施例は、アドレス可能メモリを有するプロセッサを含む飛行制限コントローラ（ＦＬＣ）を含み、このプロセッサは、少なくとも１の飛行境界に対する無人航空機システム（ＵＡＳ）の位置を特定し、特定されたＵＡＳの位置が前記少なくとも１の飛行境界を横切った場合に、前記ＵＡＳに少なくとも１の飛行制限を実施するよう構成される。さらなる例示的なシステムの実施例では、システムは、ＵＡＳ電源、ＵＡＳコントローラ、ＵＡＳナビゲーション装置、ＵＡＳ無線、および１以上の推進装置を具える。さらなる例示的なシステムの実施例では、ＵＡＳナビゲーション装置がさらに、全地球測位システム（ＧＰＳ）、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、および高度計を含んでもよい。さらなる例示的なシステムの実施例では、ＵＡＳ無線がさらに、トランシーバを含んでもよい。

さらなる例示的なシステムの実施例では、ＵＡＳがさらに、１以上の操縦面と、当該１以上の操縦面に取り付けられた１以上のアクチュエータとを具えてもよい。さらなる例示的なシステム実施例では、前記ＵＡＳの少なくとも１つの飛行制限は、前記１以上のアクチュエータを最大偏向へと作動させることであってもよい。さらなる例示的なシステムの実施例では、飛行制限コントローラのプロセッサが、ＵＡＳ電源、ＵＡＳコントローラ、ＵＡＳナビゲーション装置、ＵＡＳ無線、および少なくとも１の推進装置のうちの１以上からの入力を受信するように構成されてもよい。さらなる例示的なシステムの実施例では、システムがさらに、アドレス可能メモリを有するＵＡＳオペレータコントローラプロセッサを含むＵＡＳオペレータコントローラを含み、当該ＵＡＳコントローラプロセッサは、ＵＡＳ電源、ＵＡＳコントローラ、ＵＡＳナビゲーション装置、ＵＡＳ無線、および１以上の推進装置のうちの１以上のデータを含むＵＡＳのステータスを受信するとともに、特定されたＵＡＳの位置が少なくとも１の飛行境界を横切った場合に警告を受信する。

さらなる例示的なシステムの実施例では、ＦＬＣはさらに、ＦＬＣ電源と、ＦＬＣコントローラと、ＦＬＣナビゲーション装置と、ＦＬＣ無線とを含み得る。さらなる例示的なシステムの実施例では、ＦＬＣはさらにＦＬＣメモリストアを含み、このＦＬＣメモリストアはＵＡＳのフライトデータを記録することができ、フライトデータは、ＦＬＣ電源、ＦＬＣコントローラ、ＦＬＣナビゲーション装置、およびＦＬＣ無線のうちの１以上からの入力を含み得る。さらなる例示的なシステムの実施例では、ＵＡＳの少なくとも１の飛行制限は、パラシュートの作動、ＵＡＳの１またはそれ以上の推進装置の電源遮断、ＵＡＳの１またはそれ以上の要素の分離、爆破、およびＵＡＳの１以上の推進装置への動力の逆転、のうちの１以上を含み得る。さらなる例示的なシステムの実施例では、ＵＡＳの少なくとも１の飛行制限は、アクチュエータを最大偏向まで作動させること、受信した１以上の飛行境界から離れる方向へＵＡＳを転回させるようアクチュエータを作動させること、の１以上を含み得る。

図中の構成要素は必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに本発明の原理を例示することに重点が置かれている。同じ参照符号は、異なる図を通して対応する部品を示す。実施形態は例として示され、添付の図面のものに限定されるものではない。
図１は、複数の中間地点を通ってオペレーション領域へと移動する飛行経路内にある無人航空機システム（ＵＡＳ）の例示的実施形態を示す図であり、ＵＡＳが空港およびタワーのためのの飛行境界およびバッファゾーンから離れた状態にある。 図２Ａは、ＵＡＳが３つの飛行境界で囲まれた禁止空域への軌道内にある状態を示す例である。 図２Ｂは、図２ＡのＵＡＳが、禁止空域を囲む３つの飛行境界のうちの第１の飛行境界を横切る例を示す。 図２Ｃは、図２ＡのＵＡＳが、第１の飛行境界を通過して第２の飛行境界を横切る例を示す。 図２Ｄは、図２ＡのＵＡＳが、その航路を１８０度転回するよう調整して禁止空域および第２の飛行境界から離れる例を示す。 図２Ｅは、図２ＡのＵＡＳが、第１の飛行境界と第２の飛行境界を通過して、第３の飛行境界を横切る例を示す。 図２Ｆは、図２ＡのＵＡＳが、ＵＡＳの方向舵に接続されたアクチュエータを最大偏向まで作動させて円形飛行パターンに維持し、さらなる前進を阻止してＵＡＳが禁止空域に入るのを防止する例を示す。 図２Ｇは、図２ＡのＵＡＳが、第３の飛行境界を横切った場合の飛行制限としてパラシュートを展開し、ＵＡＳが禁止空域に入る前に着地させる例を示す。 図２Ｈは、図２ＡのＵＡＳが、禁止空域に入る前にパラシュートの展開および／または他の飛行制限に応じて着地した例を示す。 図３は、入力を受信し、ステータスを送信し、または警告信号を送り、１またはそれ以上の飛行制限を実施する、アドレス指定可能メモリを有するプロセッサを具える飛行制限コントローラ（ＦＬＣ）の例を示す。 図４は、ＵＡＳの飛行制限を実施するためにＵＡＳコントローラに組み込まれた複数の飛行制限態様を有するＵＡＳのシステム構成を示す。 図５は、飛行制限を実施するためにＵＡＳに加えられ、ＵＡＳコントローラと通信するＦＬＣを有するＵＡＳのシステム構成を示す。 図６は、飛行制限を実施するために、メモリが追加され、ＵＡＳコントローラ、ＵＡＳトランシーバ、およびＵＡＳのＧＰＳと通信するＦＬＣを有するＵＡＳのシステム構成を示す。 図７は、飛行制限を実施するために、メモリとＧＰＳが追加され、アクチュエータと通信するＦＬＣを有するＵＡＳのシステム構成を示す。 図８は、メモリとＧＰＳが追加され、飛行制限を実施するためにアクチュエータと通信し、ＦＬＣからＵＡＳコントローラにデータを渡すためにＵＡＳコントローラと一方向通信するＵＡＳのシステム構成を示す。 図９は、飛行制限を実施するためにＵＡＳコントローラと各電子速度コントローラとの間に配線ハーネスとして接続されたＦＬＣを有するクワッドコプター型ＵＡＳのシステム構成を示す。 図１０は、飛行制限としてＵＡＳ推進装置の１つの動力を遮断するために、電子速度コントローラの１つとＵＡＳコントローラとの間のスイッチに接続されたＦＬＣを具えるクワッドコプター型ＵＡＳのシステム構成を示す図である。 図１１は、飛行制限を実施するために１またはそれ以上のＵＡＳシステムに取り外し可能に取り付けられ、別個の推力発生器および／またはパラシュートを有する独立した飛行制限装置（ＦＬＤ）を示す。 図１２は、ＵＡＳが飛行境界を越えた場合に飛行制限を実施する実施例の例示的な機能ブロック図を示す。

本システムは、無人航空機システム（ＵＡＳ）のための信頼性の高い監視装置を実現する。このシステムは、３次元空間におけるＵＡＳの位置を監視、評価し、その位置を１またはそれ以上の飛行境界と比較する。もしＵＡＳがこれらの飛行境界を越えた場合、システムは少なくとも１の飛行制限を自動的に作動させる。飛行制限は、ＵＡＳのオペレータへの警告信号、飛行境界を離れるようにする自動操縦コマンド、ＵＡＳが飛行境界に入らないようにする円形飛行パターンにＵＡＳを維持するための作動コマンド、パラシュートまたは他の緊急リカバリ装置の展開、ＵＡＳの翼といった構成要素の分離、推進装置のスロットル調整、ＵＡＳの１以上の推進装置への動力の遮断、および別個の推力発生装置を含む。このシステムは、ＵＡＳコントローラ、全地球測位システム（ＧＰＳ）、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、高度計、バッテリ、メモリなどの既存のＵＡＳの構成要素に完全に一体型の装置として、または多様なＵＡＳに着脱可能な完全に別個の装置として、あるいは別個および既存の要素のいくつかの組み合わせとして、実施することができる。このシステムにより、安価なＵＡＳのような動作信頼性が比較的低い既製のＵＡＳでも、別個の信頼性の高い飛行停止装置と組み合わせることが可能となり、その組み合わせによって、ＵＡＳの禁止空域への侵入、および／または、危険あるいは禁止された、および／またはＵＡＳを飛ばしてはいけない領域の上空飛行を防止するシステムが実現する。

図１は、無人航空機システム（ＵＡＳ）が、空港およびタワー１００用の飛行境界外の離れた制御空域周辺の飛行経路内にある例示的な実施例を示す。ＵＡＳ１０２は、基点１０４から離陸する。このＵＡＳ１０２は、中間地点（１０６、１０８、１１０）の間を移動して操作空域１１２へと到達する。ＵＡＳ１０２は操作領域１１２周辺を飛んでデータを収集し、および／または任務機能を実行する。ＵＡＳ１０２は、中間地点（１１４、１１６、１１８）を介して基点１０４に戻る。中間地点（１０６、１０８、１１０、１１４、１１６、１１８）および／または操作領域１１２は、制御空域および／または他の障害物を含むジオフェンスなどの飛行境界に入らないようにＵＡＳの操縦者が規定することができる。飛行境界は、水平距離と地上からの垂直高さによって規定される仮想表面であり得る。飛行境界は、例えば円柱やドームといった単純な幾何学的形状、または複雑な多点表面であってもよい。いくつかの実施例では、中間地点（１０６、１０８、１１０、１１４、１１６、１１８）は、操作領域１１２の位置、任意の飛行境界、および／または、風速やＵＡＳ電池レベル等の追加的なＵＡＳのセンサ入力に基づいてＵＡＳのプロセッサが決定することができる。

制御空域は空港１２０を含み、これは例えば当該空港１２０の周囲５海里といった所定の距離の飛行禁止区域１２４を有する。この禁止飛行区域１２４は、例えば連邦航空局（ＦＡＡ）といった政府機関の規則や規制に基づき設定される。ＵＡＳは飛行禁止区域１２４を横切ってはならない。飛行禁止区域１２４と、空港１２０を利用する航空機の飛行ルートに対応する通常は空港の南北の領域が、ＵＡＳ１０２の侵入を確実に防ぐバッファとして設けられる。これらの飛行境界は様々な制定規則、規制、および／または飛行禁止区域に基づいて変化してもよい。飛行境界は、政府機関および／または第三者データベースによって確立されてもよい。

飛行領域内にはＵＡＳ１０２への他の障害も存在し得るが、政府機関および／または第三者データベースによって制限されたものではない。タワー１２８がＵＡＳ１０２の飛行領域内に配置されているが、他の制限はない。タワー１２８の位置を知っているＵＡＳのオペレータは、ＵＡＳ１０２がタワー１２８に衝突および／または干渉しないことを確実にするために、タワー１２８の周囲にユーザ定義の第２の飛行境界１３０を作成することができる。

ＵＡＳ１０２は、飛行境界（１２４、１２６、１３０）の位置をメモリに記憶することができる。これらの飛行境界（１２４、１２６、１３０）は、政府機関および／または第三者データベースからダウンロードすることができる。ＵＡＳのオペレータは、さらなる飛行境界を追加して飛行範囲を狭めることができるが、既存の飛行境界を削除することはできない。いくつかの実施例では、例えば消防活動のような緊急事態または自然災害のための領域を制限すべく、飛行境界はリアルタイムで更新されてもよい。

ＵＡＳ１０２は、ＵＡＳの飛行位置、速度、および／または収集された他のデータに関するステータス情報をＵＡＳのオペレータに提供してもよい。ＵＡＳ１０２はまた、ＵＡＳ１０２が飛行境界を交差した場合に、ＵＡＳのオペレータに警告を発するようにしてもよい。ＵＡＳ１０２は、飛行境界を横切った場合に少なくとも１の飛行制限を実施することができる。これらの飛行制限は、警告信号からＵＡＳ１０２を着地させることまで及びうる（図２Ａ−２Ｈ参照）。

図２Ａは、禁止空域の周りに設けられたいくつかの飛行境界にＵＡＳが近づく例を示している。ＵＡＳ２００が、禁止飛行領域２０４に向かって軌道２０２上を移動している。１またはそれ以上の飛行境界を作成して、ＵＡＳ２００が禁止飛行領域２０４に交差しないようにすることができる。禁止飛行領域２０４は、空港（図１参照）、または空中衝突を引き起こす可能性があることからＵＡＳの干渉が「大惨事」となる他の場所を含み得る。したがって、「大惨事」の臨界点を下げる安全作用に求められるシステム保全性（system integrity）のレベルは、小型一般航空機では１×１０^−６であり、大型航空機では１×１０^−９である。ＵＡＳの必要条件はまだ決定されていないが、空域１２４にある有人航空機と少なくとも同等、すなわち１×１０^−６から１×１０^−９の間、あるいは約１×１０^−７となるであろう。これは非常に高い信頼性要件であり、ＵＡＳ全体としてだけでなく、「大惨事」の危険を下げるべくＵＡＳの各部品に課される。したがって、ＵＡＳ２００が禁止飛行領域２０４を横切らないようにするシステムの信頼性は、少なくとも１×１０^−７が求められる。

ＵＡＳ２００は、例えばモータといった推進装置と、１以上の操縦面を有する無人航空機であってもよい。いくつかの実施例では、ＵＡＳ２００は、航空機の高度、速度、および／または軌道２０２を制御するために、１またはそれ以上の推進装置を有してもよい。ＵＡＳ２００は、バルーン、パラシュート、グライダー、および／またはカイトのような非動力航空機であってもよいが、禁止飛行領域２０４に入る前に少なくとも１の飛行制限が当該非動力航空機を着地させるようにする。ＵＡＳ２００は、飛行船や気球などの航空機よりも軽量であり得る。１またはそれ以上の飛行制限は、ＵＡＳ２００の推進、上昇および／または制御の種類に基づいて、ＵＡＳ２００が禁止飛行領域２０４に入るのを防止する。

図２Ｂは、図２Ａの例のＵＡＳが第１の飛行境界を横切るところを示す。 ＵＡＳ２００は、禁止飛行領域２０４の周囲の第１の飛行境界２０６を横切る軌道２０２上にある。各飛行境界の位置は、例えば、第１の飛行境界２０６をＵＡＳ２００の速度および／または軌道２０２において禁止飛行領域２０４から６０秒地点とするといった時間ベースとすることができる。各飛行境界はまた、設定されたバッファ距離に基づいてもよく、例えば、第１の飛行境界２０６は禁止飛行領域２０４から１マイルのようにしてもよい。いくつかの実施例では、１またはそれ以上の飛行境界の位置が、ＵＡＳのオペレータによって設定されてもよい。他の実施例では、各飛行境界の位置は時間ベースの要素と距離の組み合わせに基づき、例えば、設定範囲内で変化し、および／または設定範囲内でＵＡＳのオペレータによって選択されてもよい。

飛行境界の数は、ＵＡＳ２００の禁止飛行領域２０４への侵入を確実に防ぐために、飛行制限コントローラ（ＦＬＣ）および／またはＵＡＳコントローラによって動的システムとして変更することができる。第１の飛行境界２０６を越えたとき、ＦＬＣおよび／またはＵＡＳコントローラがＵＡＳのオペレータに、ＵＡＳ２００が第１の飛行境界２０６を越えたことを知らせる信号を送信してもよい。この通知により、ＵＡＳを着地させる等の更なる措置が実施される前に、オペレータにＵＡＳ２００の軌道２０２を変更する機会が与えられる。

図２Ｃは、図２Ａの例のＵＡＳが、 第２の飛行境界を横切るところを示す。ＵＡＳ２００の軌道２０２は禁止飛行領域２０４の方へと続き、第２の飛行境界２０８を横切る。ＦＬＣおよび／またはＵＡＳコントローラが、この第２の飛行境界２０８を横切るＵＡＳ２００に第２の飛行制限を実施する。この第２の飛行制限は、ＵＡＳコントローラ２００にＵＡＳを着陸させるか、ＵＡＳの方向を反転させるか（図２Ｄ参照）、および／またはＵＡＳ２００が禁止飛行領域２０４に入るのを防ぐための他の操作を指示してもよい。第１の飛行境界２０６と第２の飛行境界２０８の距離の間の時間に、ＵＡＳのオペレータはＵＡＳ２００の軌道２０２を修正することができる。この第２の飛行制限はまた、ＵＡＳ２００が第２の飛行境界２０８の外に出るまで、および／または地上に着陸するまで（図２Ｈ参照）、ＵＡＳのオペレータにＵＡＳ２００のさらなる制御ができなくなるようにしてもよい。

図２Ｄは、図２Ａの例のＵＡＳが、その飛行経路を禁止空域および第２の飛行境界から離れる方へ調整する場合を示す。ＵＡＳ２００の軌道２０２は、ＵＡＳ２００を禁止飛行領域２０４から離れる方向へ旋回するよう定めうる。ＦＬＣおよび／またはＵＡＳコントローラは、少なくとも１×１０^−７のシステム保全性の度合いを有するアクチュエータに指示し、ＵＡＳの飛行コースを１８０度調整するよう作動させる。他の実施例では、自動操縦装置が例えばクアッドコプター型のＵＡＳ（図９−１０参照）を、禁止飛行領域２０４から遠ざかるように誘導してもよい。ＵＡＳ２００は、適時にＵＡＳのオペレータに飛行経路の調整や他の飛行制限の確認を通信することができる。

図２Ｅは、図２Ａの例のＵＡＳが、第３の飛行境界を横断するところを示す。ＵＡＳ２００の軌道２０２が、第３の飛行境界２１０を横切る。ＦＬＣおよび／またはＵＡＳコントローラは、第３の飛行境界２１０を横切った場合に第３の飛行制限を実施する。この第３の飛行制限はＵＡＳ２００を着地させ、および／または、そうでなくても１×１０^−７のシステム保全性の度合いでＵＡＳ２００による禁止飛行領域２０４の侵入を阻止する。第２の飛行境界２０８を越えた場合に第２の飛行制限が実施されてＵＡＳ２００を禁止飛行領域２０４から離れるようにするが（図２Ｄ参照）、これが有効でなかったため、すなわちコントローラエラーおよび／または故障があるため、ＵＡＳ２００が禁止飛行領域２０４に入らないようにすべく、より思い切った行動が取られなければならない。

ＵＡＳ２００は、例えば１５秒の設定時間内に、１以上の飛行境界（２０６、２０８、２１０）および／または禁止飛行領域２０４を横切る軌道２０２中にエラーが生じることがある。このエラーは、バッテリの電力不足、および／または他の１×１０^−７の評価に関連のない電源故障であり得る。このエラーはまた、例えばＵＡＳ２００の操縦面を制御するためのアクチュエータモータがオペレータに応答しない、および／または他の１×１０^−７の評価に関連のない推進装置の故障であり得る。このエラーは、例えばレーダー、ソナー、光学センサ、および／またはＬＩＤＡＲシステムがオペレータに応答しない、および／または他の１×１０^−７の評価に関連のない感知・回避システムの故障であり得る。このエラーはまた、例えばＧＰＳが最低必要数の衛星へ接続していない、および／または他の１×１０^−７の評価に関連のないＧＰＳの故障であり得る。このエラーはまた、ＵＡＳ２００とオペレータ間の接続障害であり得る。このようなエラーが発生し、ＵＡＳ２００が設定時間内に少なくとも１つの飛行境界（２０６、２０８、２１０）および／または禁止飛行領域２０４を横切る軌道２０２上にある場合、１以上の飛行制限が実施されるようにする。飛行制限が実施されない場合、ＵＡＳ２００は１以上の飛行境界（２０６、２０８、２１０）および／または禁止飛行領域２０４を横切ることになる。設定時間は、システムおよび／またはオペレータによって、ＵＡＳ２００が１以上の飛行境界（２０６、２０８、２１０）および／または禁止飛行領域２０４に１×１０^−７の信頼性で交差しないことを保証するのに十分なものでなければならない。設定時間はまた：レイテンシー；ＵＡＳ２００から地上局へのデータ伝送時間；地上局での処理時間；人間の応答時間；風などの天候の影響；ＵＡＳ２００内部および／または外部の電磁干渉；音響、熱、振動、化学および／または冶金手段からの干渉；および／または、ＵＡＳ２００が１以上の飛行境界（２０６、２０８、２１０）および／または禁止飛行領域２０４を越えないことを確実にするためのＵＡＳ２００の構成要素の精度；に基づくか、および／またはこれに合わせて調整されてもよい。設定時間はさらに、何らかの回避操作や、ＵＡＳ２００が１以上の飛行境界（２０６、２０８、２１０）および／または禁止飛行領域２０４を越える前にこのような回避操作が確実に実行されるようにするための基準に必要なコマンドおよび制御データリンクまたは他の通信リンクの可用性に基づいてもよい。

図２Ｆは、図２Ａの例のＵＡＳにおいて、禁止空域へのＵＡＳの進入を防止する円形飛行パターンにＵＡＳ２００を維持するためにアクチュエータを最大偏向まで作動させた状態を示す。ＦＬＣおよび／またはＵＡＳコントローラは第３の飛行制限として、例えばアクチュエータから舵をいっぱいに偏向させて急旋回を実施し、これによりＵＡＳ２００の軌道２０２が螺旋となってＵＡＳ２００が禁止飛行領域に入るのが防止される。この螺旋状の軌道２０２は、ＵＡＳ２００の電源がなくなって着地するまで継続されてもよい。

図２Ｇは、図２Ａの例のＵＡＳが禁止空域に入る前に、パラシュートを展開させて降下する状態を示す。ＦＬＣおよび／またはＵＡＳコントローラは、ＵＡＳ２００が禁止飛行領域２０４に入らないようにするための第３の飛行制限として、パラシュート２１２を展開させる。パラシュート２１２は十分な牽引力をもたらし、ＵＡＳ２００がそれ以上禁止飛行領域２０４内へ飛ばないようにする。パラシュート２１２は、例えばモータなどのＵＡＳの推進装置をオフにしてＵＡＳを着地させる命令とともに展開してもよい。いくつかの実施例では、パラシュート２１２はＵＡＳに、ＵＡＳ上に非対照的な力が生じてＵＡＳが飛行できないようにするＵＡＳの位置に設けられてもよい（図１１参照）。

図２Ｈは、図２Ａの例のＵＡＳが、禁止空域に入る前に地上に着陸した状態を示す。軌道２０２は、禁止空域に入る前にＵＡＳがパラシュートを展開（図２Ｇ）および／または螺旋状に（図２Ｆ）地面に着陸したことを示している。他の実施例では、ＦＬＣおよび／またはＵＡＳコントローラは、１またはそれ以上のＵＡＳ推進装置への電力供給を遮断、１またはそれ以上の推進装置への電力を反転、ＵＡＳの翼または他の部品を分離させて継続飛行できないようにする、および／または爆薬を使用してもよい。いくつかの実施例では、飛行制限を動的にして、ＵＡＳのオペレータおよび／またはＵＡＳコントローラに、例えばパラシュート展開および／またはＵＡＳの着地といったより厳しい行動をとる前にＵＡＳの軌道を修正する機会を与えてもよい。

図３は、プロセッサとアドレス可能メモリ３００を有する飛行制限コントローラ（ＦＬＣ）の一実施例を示す。ＦＬＣ３０２は、プロセッサ３０４と、メモリ３０６とを具える。このＦＬＣ３０２はＵＡＳコントローラ３０８から独立したデバイスであってもよく（図５−８参照））、ＵＡＳコントローラ３０８と一体型でもよい（図４参照）。 ＦＬＣ３０２、ＵＡＳコントローラ３０８、入力部および出力部間の統合の程度は、システム構成要素の信頼性に基づいて変更してもよい。ＦＬＣ３０２をＵＡＳコントローラ３０８から分離させると、ＵＡＳの飛行境界を越える飛行あるいは禁止空域への侵入に対する究極の監視制御がＦＬＣ３０２に提供される。ＵＡＳの一部の誤動作、ＵＡＳの飛行コースのユーザプログラミングの誤動作、および／またはＵＡＳのオペレータ３２２のエラーによりＵＡＳが飛行境界を越えることがあるが、ＦＬＣ３０２はＵＡＳコントローラ３０８をオーバーライドして、飛行境界の制限、例えば、飛行打ち切り等を実施する。

ＦＬＣ３０２は、飛行境界３１０を規定する入力を受け取ることができる。飛行境界３１０は、ＵＡＳの飛行境界および／または禁止空域を規定するデータを提供する。飛行境界３１０は、例えば第三者サーバからのジオフェンスった外部ソースからダウンロードされ、ＦＬＣ３０２のメモリ３０６に格納されてもよい。飛行境界３１０は、ＵＡＳの離陸前にロードされてもよいし、例えば状況の変化および／または制限の更新によって、飛行中に動的に更新されてもよい。いくつかの実施例では、飛行境界３１０は、メモリ３０６に予めロードされていてもよい。

ＦＬＣ３０２はまた、感知・回避システム３１２からの入力を受け取る。感知・回避システム３１２は、レーダー、ソナー、光学センサ、および／またはＬＩＤＡＲシステムであってもよい。感知・回避システム３１２は、例えばタワー（図１参照）、高い樹木および／または有人航空機などの、ＵＡＳに衝突するか、および／またはそうでなくても運行の妨げとなり得る様々な物体の情報を提供する。感知・回避システム３１２は、他の航空機からの入力、例えば消防活動のために航空機に空域に入らないように通知する緊急車両からの信号を受信することもできる。ＦＬＣ３０２は、感知・回避システム３１２および飛行境界３１０からの入力を、禁止および／または危険な空域へ入るのを避けるために使用してもよい。

ＦＬＣ３０２はまた、全地球測位システム（ＧＰＳ）３１４および慣性測定ユニット（ＩＭＵ）３１６からの入力を受け取ってＵＡＳの位置を特定してもよい。高度計３１８の入力は、ＦＬＣ３０２がＵＡＳの姿勢を特定するために用いることができる。ＧＰＳ３１４、ＩＭＵ３１６、および／または高度計３１８は、ＦＬＣ３０２に入力を提供するだけの個別および／または冗長な装置であってもよい。いくつかの実施例では、ＧＰＳ３１４、ＩＭＵ３１６、および／または高度計３１８は、ＦＬＣ３０２とＵＡＳコントローラ３０８の双方が用いることができる。いくつかの実施例では、ＦＬＣ３０２は受信した１以上の入力（３１０、３１２、３１４、３１６、３１８）をＵＡＳコントローラ３０８に渡して、ＵＡＳの対応するデバイスが故障した場合、および／またはＦＬＣ３０２が受信するデバイス入力の高いシステム保全性のための一時的な使用のためのバックアップとすることができる。いくつかの実施例では、受信された入力（３１０、３１２、３１４、３１６、３１８）は、ＵＡＳの飛行データの「ブラックボックス」記録としてＦＬＣ３０２のメモリ３０６内に保存されてもよい。

バッテリ３２０は、ＦＬＣ３０２に電力を供給するために使用される。位置の入力（３１４、３１６）と高度の入力３１８は、ＦＬＣ３０２のプロセッサ３０４によって、飛行境界の入力３１０および感知・回避システムの入力３１２と組み合わせて、１またはそれ以上の飛行境界に対するＵＡＳの位置、これらの１以上の飛行境界を横切ったか、および／または、これらの１以上の飛行境界を横切った場合に１以上の飛行制限を実施すべきか、の決定に用いられる。

これらの飛行制限は、動的であってさらなる飛行制限が課される前にＵＡＳのオペレータ３２２および／またはＵＡＳコントローラ３０８のＵＡＳ自動操縦装置にＵＡＳの軌道を修正する機会を与えてもよい（図２Ａ−２Ｈ参照）。ＦＬＣ３０２は、トランシーバ３２６を介してステータス信号３２４をＵＡＳのオペレータ３２２に送信してもよい。ＵＡＳのオペレータ３２２は、アドレス可能メモリを有するＵＡＳオペレータコントローラプロセッサを有するＵＡＳオペレータコントローラを使用してもよい。ＵＡＳコントローラプロセッサはＵＡＳからステータス情報を受信し、このステータスにはＵＡＳの電源３２０、ＵＡＳコントローラ３０８、ＵＡＳナビゲーション装置、ＵＡＳ無線、および１以上の進装置のうちの少なくとも１つに関するデータが含まれる。ＵＡＳコントローラプロセッサはまた、特定されたＵＡＳの位置が以上の飛行境界を横切った場合に警告を受信する。

ステータス信号３２４は、ＦＬＣへの任意の入力（３１０、３１２、３１４、３１６、３１８、３２０）のデータを含んでもよい。ステータス信号３２４はまた、ＵＡＳが飛行境界を越えていないことをＵＡＳオペレータ３２２に通知してもよい。最初の飛行制限として、ＦＬＣは、第１の飛行境界を横切った場合に警告信号３２８をＵＡＳのオペレータ３２２に送ってもよい（図２Ｂ参照）。ＵＡＳのオペレータ３２２は、１またはそれ以上の飛行制限および各飛行制限のレベルを提供するように、ＦＬＣ３０２を設定することができ、たとえば、警告信号３２８を送信するための第１の飛行境界を設定、あるいはＵＡＳコントローラ３０８の自動操縦に切り替えるための第１の飛行境界を設定することができる。 ＵＡＳのオペレータはまた、ＵＡＳの速度や軌道、および／または飛行境界に対するＵＡＳの設定された距離範囲に基づいて、１以上の飛行境界を特定するようにＦＬＣ３０２を設定してもよい。ＦＬＣ３０２の飛行制限は、設定されたパラメータ内で、ＵＡＳのオペレータ３２２の使用および／または必要性に基づいて、変更することができる。

さらなる飛行境界を越えた場合は、さらなる飛行制限が実施され得る。ＵＡＳコントローラ３０８の自動操縦が、ＵＡＳを飛行境界から離れる方向に向けるようにしてもよい（図２Ｄ参照）。ＵＡＳが飛行境界に入るのを阻止する円形飛行パターンにＵＡＳを維持すべく、アクチュエータ３３０を最大偏向まで作動させてもよい（図２Ｆ参照）。このアクチュエータ３３０はＵＡＳの一部であってもよいし、および／または所望規格を満たすシステム完全性を有する別個のアクチュエータであってもよい。いくつかの実施例では、ＵＡＳの方向舵がバネ付勢されており、アクチュエータへの電力供給がなくなると方向舵が最大偏向となってＵＡＳが円形飛行パターンを保持するようにしてもよい（図２Ｆ参照）。パラシュート３２２を展開させてＵＡＳが飛行境界を横切るのを防止してもよい（図２Ｇ参照）。クアッドコプター型の実施例では、パラシュート３３２の展開前に、ＵＡＳ推進装置すなわちモータへの電力供給を遮断するようにする。ＵＡＳの１またはそれ以上の構成部品を、例えば翼を胴体に連結するピンを破砕することによって分離させ３３４、その結果ＵＡＳがその軌道や飛行境界の横断を継続できないようにしてもよい。推進装置スロットル３３６を、ＵＡＳが徐々に降下するように絞ったり、ＵＡＳがより早く下降するようにゼロに設定したり、および／またはＵＡＳが最も早く降下するように逆転させることができる。ＵＡＳの１以上の推進装置の電力遮断３３８を行ってもよい。クアッドコプター型のＵＡＳでは、推進装置のうちの１つのみを電力遮断すると、ＵＡＳを確実に着地させることができる（図１０参照）。別個の推力発生器３４０を用いて、ＵＡＳを着地および／または軌道偏向させるようにしてもよい（図１１参照）。

設定されたシステム完全性、すなわち１×１０^−７の大惨事の臨界を達成するために、ハートウェアとソフトウェアを含むシステムの各要素がこの基準を満たす必要がある。ＲＴＣＡ文書ＤＯ−１７８Ｃ、名称「Software considerations in Airborne Systems and Equipment Certification」に開発保証プロセスが定義されている。このＤＯ−１７８Ｃ文書は、ソフトウェアが空中環境で確実に機能するかどうかを判断するためのガイダンスを提供している。「大惨事」の臨界点の危険に関するソフトウェアベースの緩和は、通常ＤＡＬ（Development Assurance Level）の「Ａ」が要件となる（一般航空機の場合は「Ｂ」に下がる）。これは実際には航空機用のあらゆる部品にとって非常に高い要求となるが、特に多くの異なる航空タスクを実現するためにコストや機能の複雑さを低減させたＵＡＳにとって特に高くなる。ＵＡＳはソフトウェア集約型であるため、ＵＡＳの飛行制限のためのソフトウェア駆動型システムの追加は、必然的にすべてのソフトウェアをＤＡＬのＡまたはＢ要件で実行させることとなり、その結果業界で現在行われている水準よりもソフトウェアコストが大幅に増加する。このように、ＵＡＳが有人航空機が占用する空域に進入する可能性を防止するか、または少なくともこれらに衝突する可能性を最小限に抑えるために、ＵＡＳを制限または制御するための信頼性が高くコストが低い装置またはシステムの要望が存在した。

図４は、飛行制限の態様がＵＡＳコントローラ４００に組み込まれているＵＡＳのシステム構成を示す。このシステム構成４００は、電力バス４０４に接続された電源、例えばバッテリ４０２を含む。電力バス４０４は、ＵＡＳコントローラ４０６、トランシーバ４０８といった無線、例えばＧＰＳであるナビゲーション装置４１０、および例えばアクチュエータである制御装置４１２とに電力を供給する。このＵＡＳコントローラ４０６は、メモリ４１４を有する。

ＵＡＳコントローラ４０６はマイクロプロセッサを具え、ＵＡＳの飛行を制御する。 ＵＡＳコントローラ４０６およびすべての要素は、要求される臨界基準を満たす。ＵＡＳコントローラ４０６はＵＡＳの位置を特定し、この特定されたＵＡＳの位置が少なくとも１つの飛行境界を横切る場合に、１以上の飛行制限を実施することができる。ＵＡＳコントローラ４０６は、トランシーバ４０８および／またはメモリ４１４のいずれかから方向コマンドを受信してもよい。ＵＡＳコントローラ４０６は、ＧＰＳ４１０および／または他の入力から現在位置、進行方向、速度および／または高度を受信してもよい（図３参照）。ＵＡＳコントローラ４０６は進行方向を特定し、例えばアクチュエータ４１２が方向舵を作動させるというように、１またはそれ以上の操縦面に作動指示を出す。アクチュエータ４１２は、方向舵、昇降舵、フラップ、補助翼などを含む様々な操縦面のいずれかに取り付けられ、コマンドを受けたときに飛行を終了させるのに十分なようにこれらの操縦面を偏向させる。他の実施例では、アクチュエータ４１２は、パラシュート、ＵＡＳの部品セパレータ、スロットル制御部、電源スイッチ、および／または推力発生装置などの、別の飛行制限デバイスに置き換えられるか、および／または補充されてもよい。

図５は、ＵＡＳに付加的なＦＬＣが設けられ、ＵＡＳコントローラと通信して飛行制限５００を実施するＵＡＳのシステム構成を示す。ＦＬＣ５０２は、既存の、例えば既製のＵＡＳシステム構成５００に追加することができる。このＦＬＣ５０２はＵＡＳコントローラ５０４と通信して、ＦＬＣ５０２がＵＡＳコントローラ５０４からＵＡＳの位置データ、ＵＡＳのステータスデータ、および／または飛行境界のデータを受信することができる。ＦＬＣはＵＡＳコントローラ５０４とは別個独立して、ＵＡＳの位置を特定し、ＵＡＳが１以上の飛行境界を越えたかどうかを判定し、飛行制限すなわち飛行打ち切りを実施する必要があるか否かを決定することができる。飛行境界のデータはメモリ５０６に保持されており、ＵＡＳコントローラ５０４を介してアクセス可能である。

ＦＬＣ５０２、コントローラ５０４、トランシーバ５０８、ＧＰＳ５１０、およびアクチュエータ５１２は、電力バス５１４を介してバッテリ５１６から電力供給される。いくつかの実施例では、ＦＬＣ５０２は、独立および／またはバックアップ電源を有してもよい。飛行制限すなわち飛行の打ち切りを実施するために、ＦＬＣ５０２は通信接続５１８を介してＵＡＳコントローラ５０４に信号を送信する。その後、ＵＡＳコントローラ５０４は、作動信号５２０をアクチュエータ５１２に送信して、例えば方向舵を最大偏向させるというように操縦面を作動させることができる。本実施例では、ＦＬＣ５０２、ＵＡＳコントローラ５０４、バッテリ５１６、電源バス５１４、メモリ５０６、ＧＰＳ５１０、およびアクチュエータ５１２の各々が、ＵＡＳの信頼性要件全部を満たすのに十分に信頼できるものである必要がある。

図６は、メモリが追加されＵＡＳコントローラ、ＵＡＳトランシーバ、およびＵＡＳのＧＰＳと通信して飛行制限６００を実施するＦＬＣを具えるＵＡＳのシステム構成を示す。メモリ６０４付きのＦＬＣ６０２がＵＡＳシステム構成に追加され、ＵＡＳからトランシーバ６０６やＧＰＳ６０８まで直接リンクされている。ＦＬＣ６０２はまた、別個のメモリ６１２を有するＵＡＳコントローラ６１０と通信する。このＦＬＣ６０２は、メモリ６０４内に飛行制限を保存可能である。ＦＬＣ６０２はまた、トランシーバ６０６を介してＵＡＳのオペレータにステータスおよび／または警告信号を送ることができる。ＦＬＣ６０２は、飛行制限信号６１４をＵＡＳコントローラ６１０に送ることができる。これにより、ＵＡＳコントローラ６１０がアクチュエータ６１８に作動信号６１６を送信する。電力は、ＦＬＣ６０２、コントローラ６１０、トランシーバ６０６、ＧＰＳ６０８、およびアクチュエータ６１８に、バッテリ６２０から電力バス６１８を介して提供される。

図７は、メモリとＧＰＳを有し、アクチュエータと通信して飛行制限を実施させるＦＬＣを具えるＵＡＳのシステム構成を示す。別個のメモリ７０４と、１以上の別個の入力すなわちＧＰＳ７１６とを有するＦＬＣ７０２を、ＵＡＳのシステム構成に追加することができる。このＦＬＣ７０２は、アクチュエータ７０８に作動命令を直接送ることができる。このアクチュエータ７０８は、ＵＡＳコントローラ７１０からの制御信号よりも、ＦＬＣ７０２からの制御信号を優先する。いくつかの実施例では、ＦＬＣ７０２は独立したアクチュエータを制御してもよい。ＦＬＣ７０２は、メモリ７１２を有するＵＡＳコントローラ７１０から独立しており、トランシーバ７１４およびＧＰＳ７１６に接続されてもよい。ＵＡＳコントローラ７１０は、ＵＡＳを制御するためにＵＡＳのオペレータによって使用される。ＵＡＳが飛行境界を越えたとＦＬＣ７０２が判定した場合、当該ＦＬＣ７０２は、ＵＡＳコントローラ７１０、メモリ７１２、トランシーバ７１４、および／またはＧＰＳ７１６からの入力なしで、直接的に飛行制限を実施させることができる。したがって、システムのＦＬＣ７０２、バッテリ７１８、電力バス７２０、メモリ７０４、ＧＰＳ７１６、およびアクチュエータ７０８の要素のみが、ＵＡＳの信頼性要件全体を満たすのに十分に信頼できるものである必要がある。ＵＡＳコントローラ７１０、メモリ７１２、トランシーバ７１４、およびＧＰＳ７１６は、ＵＡＳが禁止空域に入るのを防ぐのに必要ではないので、コストおよび／または信頼性が低くてもよい。

図８は、メモリとＧＰＳ有し、アクチュエータと通信して飛行制限を実施するとともに、ＵＡＳコントローラ８００と一方向通信を行うＦＬＣを有するＵＡＳのシステム構成を示す。図８に示すシステム構成は図７に示すシステム構成と似ているが、ＦＬＣ８０４からＵＡＳコントローラ８０６へ一方向信号８０２であるという相違がある。メモリ８１０、トランシーバ８１２、および／またはＧＰＳ８１４が故障した場合、ＦＬＣ８０４は自身のメモリ８１６および／またはＧＰＳ８１８からコントローラ８０６に信号を送信する。いくつかの実施例では、独立したＦＬＣ８０４からの制御および／または入力は、ＵＡＳコントローラ８０６への類似のおよび／または同一の制御および／または入力よりも高いシステム完全性および／または精度を有し得る。ＵＡＳのオペレータは、ＦＡＳ８０４がＵＡＳコントローラ８０６にこれらの制御および／または入力を提供して、ＵＡＳの信頼性および／または機能を向上させるようにＵＡＳを設定することができる。ＦＬＣ８０４は、ＵＡＳの位置および飛行境界の自身の決定のためのデータを既に受信および／または特定しているので、このデータは、必要に応じてＵＡＳコントローラ８０６によって使用されてもよい。

図９は、ＵＡＳコントローラとそれぞれの電子速度コントローラとの間に接続され飛行制限９００を実施するＦＬＣを有するクワッドコプター型ＵＡＳのシステム構造を示す。クワッドコプター型ＵＡＳは、４つの推進装置すなわちモータ（９０２、９０４、９０６、９０８）を有し、これらはそれぞれ対応する電子速度コントローラ（９１０、９１２、９１４、９１６）によって制御される。典型的なクワッドコプター型ＵＡＳでは、各電子速度コントローラ（９１０、９１２、９１４、９１６）は、それぞれの電気接続（９１８、９２０、９２２、９２４）および信号接続（９２６、９２８、９３０、９３２）を有してもよい。これらの接続（９１８、９２０、９２２、９２４、９２６、９２８、９３０、９３２）は、配線ハーネスでＵＡＳコントローラ９３４に配線されてもよい。

クワッドコプター型ＵＡＳでは、個々のモータおよび／または電子速度コントローラの迅速な取り外しと交換が可能であり、このため典型的に接続の容易のためにワイヤハーネスが利用される。これらの接続（９１８、９２０、９２２、９２４、９２６、９２８、９３０、９３２）は、ＵＡＳコントローラ９３４に直接接続されるのではなく、ＦＬＣ９３６に接続される。ＦＬＣ９３６はこれらの接続をＵＡＳコントローラ９３４へ通し、ＵＡＳコントローラ９３４は、まるで直接接続されているかのように機能し続けることができる。ＦＬＣ９３６は、任意の飛行境界に対するＵＡＳの位置を特定し、飛行境界を交差した場合に、少なくとも１の飛行制限を実施する。ＦＬＣ９３６の飛行制限は、飛行を終了させるためにモータ（９０２、９０４、９０６、９０８）のうちの１つのスロットルを低減、停止、および／または逆転することを含んでもよい。ＦＬＣはＵＡＳコントローラ９３４と各モータ（９０２、９０４、９０６、９０８）との間に配置されるので、ＦＬＣ９３６のみがＵＡＳの信頼性要件全部を満たすのに十分な信頼性を有すればよい。したがって、ＦＬＣ９３６は、既存のＵＡＳに適合するように設計されたワイヤハーネスを介して、そうしなければＵＡＳの信頼性要件を満たさない既存のＵＡＳに後付けすることができる。結果として得られるＵＡＳは、ＦＬＣ９３６が付加され、ＵＡＳの信頼性要件を満たすこととなる。

図１０は、電子速度コントローラの１つとＵＡＳコントローラ１０００との間のスイッチにＦＬＣが接続されたクワッドコプター型ＵＡＳのシステム構成を示す。典型的なクワッドコプター型ＵＡＳの場合、例えば４つのモータ（１００２、１００４、１００６、１００８）のうちのモータ１００２といった１つの推進装置のみのスロットルを低減、停止および／または逆転させると、確実にＵＡＳの飛行を終了させることができる。ＦＬＣ１０１０を、電源接続１０１４に沿った例えば高信頼性の機械スイッチであるスイッチ１０１２に接続することができる。電源接続１０１４はＵＡＳコントローラ１０１６からスイッチ１０１２へと移動され、その後に１０１８を通してＵＡＳコントローラ１０１６へと通されてもよい。本実施例では、ＦＬＣ１０１０の複雑さが低減され、ＵＡＳの飛行打ち切りの信頼性が向上する。ＦＬＣ１０１０は、任意の飛行境界に対するＵＡＳの位置を特定し、飛行境界を越えた場合に、例えばスイッチ１００２を作動させてモータ１００２への電力を遮断するなどの１以上の飛行制限を実施する。いくつかの実施例では、複数のスイッチが用いられ、制御信号および／または電力信号に沿って接続されてもよい。

図１１は、飛行制限１１００を実施するために１またはそれ以上のＵＡＳシステムに取り外し可能に取り付けられる独立したＦＬＣを示す。飛行制限デバイス（ＦＬＤ）１１０２は、１またはそれ以上の取り外し可能なアタッチメント（１１０４、１１０６）を介してＵＡＳの例えばＵＡＳの翼１１０８に着脱自在に取り付けることができる。ＦＬＤ１１０２は、それが取り付けられたＵＡＳとは別個の独立型装置である。ＦＬＤ１１０２とＵＡＳ間の唯一のインタフェースは、取り外し可能なアタッチメント（１１０４、１１０６）である。 いくつかの実施例では、ＦＬＤ１１０２をＵＡＳの他の領域、例えばＵＡＳの胴体に取り付けてもよい。

ＦＬＤ１１０２は本書における他の実施例と同様に機能し、ＵＡＳの位置を特定し、ＵＡＳの位置が飛行境界を横切った場合に飛行制限を実施する。ＵＡＳの動作要素と別個のものとすることにより、ＦＬＤ１１０２をＵＡＳに搭載するのに必要なものを除いてＵＡＳを変更する必要がない。ＵＡＳの構成要素は、有人航空機または地上の重要地域の近くで運用するために求められる高信頼性要件を満たす必要はない。ＦＬＤ１１０２とその構成要素がこれらの信頼性要件を満たす限り、ＵＡＳはこれらの領域で運用することができる。

ＦＬＤ１１０２は、最小限の構成要素および／またはソフトウェアとすることができる。ＦＬＤ１１０２は、様々な異なる既存のＵＡＳ設計のいずれかとの使用のための共通の設計として製造することができ、その結果、コストの低減および信頼性の向上を達成できる。このようなＦＬＤ１１０２は、２以上のＵＡＳで使用可能である。ＵＡＳのオペレータは、異なる目的のために異なる航空輸送手段を有してもよいが、ＵＡＳオペレータは一度に１つしか飛ばせないため、当該ＵＡＳのオペレータはＦＬＤ１１０２を１つのみ有し、必要に応じてＵＡＳ間で付け替えてもよい。

ＦＬＤ１１０２は、バッテリ１１１０などの電源、電力バス１１１２、ＦＬＣ１１１４、メモリ１１１６、ＧＰＳ１１１８などのナビゲーション手段、アクチュエータ１１２０、およびパラシュート１１２２などの飛行を終了させるための手段を具える。ＦＬＣ１１１４はバッテリ１１１０で駆動され、ＧＰＳ１１１８からＵＡＳの位置を受信し、メモリ１１１６に保存された境界と比較し、ＵＡＳが境界を通過したと判定された場合にアクチュエータ１１２０に指示してパラシュート１１２２を展開させ、飛行を終了させるよう機能する。

パラシュート１１２２はＦＬＤ１１０２の裏側から射出され、展開されたときにパラシュート１１２２が翼１１０８に十分な抗力を生じさせ、ＵＡＳに非対象的な力が生じて飛行を継続できなくするサイズと構成である。胴体から出ている翼１１０８には、ＦＬＤ１１０２が取り外し可能に取り付けられており、大きなレバーアームが設けられ、相対的に小さなパラシュート１１２２が、飛行を終了させるのに十分な抗力を生じさせる必要がある。いくつかの実施例では、同じＦＬＤ１１０２を、それぞれ異なるサイズのパラシュートを用いる、および／または、例えばより大きな航空機では胴体からさらに外の翼上といった翼の異なる場所に配置された、サイズの異なる航空機に使用してもよい。いくつかの実施例では、アクチュエータ１１２０有するパラシュート１１２２のホルダが、ＦＬＤ１１０２の残りの部分から切り離して、ＦＬＤ１１０２の異なる使用のために異なるパラシュートを取り付けることができる。

パラシュート１１２２の代わりに、ＦＬＤ１１０２は飛行を終了させる様々な手段を用いることができ、これは限定しないが、爆薬、翼セパレータ、別個のプロペラ１１２４といった逆推力発生器、モータ１１２６といった推進装置、ＵＡＳまたは地上局へのコマンド等を含む。いくつかの実施例では、ＦＬＤ１１０２は、ＦＬＤ１１０２に電力供給し、および／またはバッテリ１１１０を再充電するために、ＵＡＳの飛行によってＦＬＤ１１０２を通る空気流を用いる発電機を含んでもよい。さらに、この発電機はＦＬＣ１１１４の命令によって飛行終了を生じさせる逆推力を提供してもよい。

信頼性向上のため、いくつかの実施例では、ＦＬＤ１１０２をフェイルセーフ構成に設定することができる。例えば、パラシュート１１２２はアクチュエータ１１２０が起動されない限りデフォルトで展開するようにする。すなわち、電磁石が電力を得ている場合にのみパラシュート１１２０をその位置に保持し、これは当該パラシュート１１２０を電力供給された電磁石に対して押すことによることができる。すなわち、電力が失われると、アクチュエータ１１２０は自動的にパラシュート１１２２を開放し、ＵＡＳの飛行は直ちに終了する。同様に、いくつかの実施例では、ＦＬＣ１１１４は、ＧＰＳリンクの長時間の消失などの任意の内部エラーが発生した場合にパラシュート１１２２を展開するようにプログラムされてもよい。

図１２は、ＵＡＳが飛行境界１２００を越えた場合に飛行制限を実施する実施例の例示的な機能ブロック図を示す。プロセッサがＵＡＳの情報を受信する（ステップ１２０２）。ＵＡＳの情報は、ＧＰＳ、ＩＭＵ、高度計、および／または感知・回避システムからのデータを含み得る（図３参照）。プロセッサは、１以上の飛行境界を受信する（ステップ１２０４）。飛行境界は、禁止空域、ＵＡＳのオペレータによって設定された障害物、およびプロセッサおよび／またはＵＡＳオペレータ入力によって作成された１またはそれ以上の動的な境界を含み、当該ＵＡＳが禁止空域へ侵入したり、有人航空機に干渉したり、および／または障害物に衝突しないようにする（図１、２Ａ−２Ｈ参照）。飛行境界は、ＵＡＳのオペレータによって小さくなり得るが、拡大はできない。プロセッサは、１以上の飛行境界に対するＵＡＳの位置を特定する（ステップ１２０６）。プロセッサは、ＵＡＳの情報および飛行境界を用いてＵＡＳの位置を特定してもよい。次に、プロセッサは、ＵＡＳが１以上の飛行境界を越えたかどうかを判断する（ステップ１２０８）。ＵＡＳが１以上の飛行境界を越えていない場合、プロセッサは飛行境界に対するＵＡＳの位置を判定し続ける。ＵＡＳが１以上の飛行境界を越えた場合、プロセッサはＵＡＳに１以上の飛行制限を実施する（ステップ１２１０）。この飛行制限は、ＵＡＳが確実に禁止空域に入らないようにするための警告信号および／または１以上の動的応答を含んでもよい（図３参照）。

上記の実施例の特定の特徴および態様の様々な組み合わせ、および／または部分的な組み合わせが可能であり、それらは本発明の範囲内に入ると考えられる。したがって、開示された実施例の様々な特徴および態様は、開示された発明の様々な態様を形成するために、互いに組み合わせるか、または互いに置換できることを理解されたい。さらに、本発明の範囲は、例として本明細書中に開示され、上記の特定の開示された実施例によって限定されるべきではない。

Claims (25)

1. 無人航空機システム（ＵＡＳ）に飛行制限装置（ＦＬＤ）を取り付けるステップであって、ＦＬＤがＵＡＳに取り外し可能に取り付けられ、前記ＵＡＳが少なくとも１×１０^−７の操作信頼性を有し、前記ＦＬＤが取り外し可能に前記ＵＡＳに取り付けられた際に前記ＵＡＳが最終的な飛行境界を越える可能性が１×１０^−７％以下であり、前記ＦＬＤが前記ＵＡＳから取り外されたときに前記ＵＡＳはこれよりも低い操作信頼性を有するものであるステップと；
   アドレス可能メモリを有するＦＬＤのプロセッサが、禁止飛行領域を内包する第１の飛行境界に対する無人飛行システム（ＵＡＳ）の三次元の位置を特定するステップと；
   特定されたＵＡＳの三次元の位置が前記第１の飛行境界を越えている場合に、前記ＦＬＤのプロセッサが、少なくとも１つの飛行制限を有効にするステップと；
   前記ＦＬＤのプロセッサが、前記ＵＡＳにエラーが生じたかどうかを特定するステップと；
   前記ＦＬＤが前記ＵＡＳにエラーが生じたと特定した場合に、前記ＦＬＤのプロセッサが、前記ＵＡＳの軌道が設定時間内に第２の飛行境界を越えるかどうかを特定するステップと；
   前記ＵＡＳが前記設定時間内に前記第２の飛行境界を越えると特定された場合に、前記ＦＬＤのプロセッサが、少なくとも１つの飛行制限を有効にするステップであって、有効にされた飛行制限によって、前記ＵＡＳが前記飛行禁止領域に進入することを防ぐステップと；を含み、
   前記ＦＬＤが：前記ＵＡＳの位置を特定するために前記ＦＬＤのプロセッサと通信するＦＬＤナビゲーション装置、前記ＦＬＤのプロセッサと通信するＦＬＤ無線、前記ＦＬＤのプロセッサと通信する少なくとも１つのＦＬＤ推進装置、および少なくとも１つのＦＬＤ電源であって、前記ＦＬＤのプロセッサ、前記ＦＬＤナビゲーション装置、前記ＦＬＤ無線、および少なくとも１のＦＬＤ推進装置のうちの少なくとも１つに電力を供給するＦＬＤ電源、のうちの少なくとも１つを具え；
   前記ＵＡＳが：アドレス可能メモリを有するＵＡＳプロセッサ、前記ＵＡＳプロセッサと通信するＵＡＳナビゲーション装置、前記ＵＡＳプロセッサと通信するＵＡＳ無線、前記ＵＡＳプロセッサと通信する少なくとも１つのＵＡＳ推進装置、および少なくとも１つのＵＡＳ電源であって、前記ＵＡＳプロセッサ、前記ＵＡＳナビゲーション装置、前記ＵＡＳ無線、および少なくとも１つの前記ＵＡＳ推進装置のうちの少なくとも１つに電力を供給するＵＡＳ電源、のうちの少なくとも１つを具え；
   前記第１の飛行境界、前記第２の飛行境界、および前記最終的な飛行境界が、前記禁止飛行領域を内包し、前記ＵＡＳから前記禁止飛行領域に向かってこの順序で配置されていることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記ＦＬＤが、さらに：ＦＬＤナビゲーション装置、ＦＬＤ無線、少なくとも１つのＦＬＤ推進装置、少なくとも１つのＦＬＤ電源であって、前記ＦＬＤのプロセッサ、前記ＦＬＤナビゲーション装置、前記ＦＬＤ無線、および少なくとも１つの前記ＦＬＤ推進装置のうちの少なくとも１つに電力を供給するＦＬＤ電源、を具えることを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記ＵＡＳが、さらに：アドレス可能メモリを有するＵＡＳプロセッサ、ＵＡＳナビゲーション装置、ＵＡＳ無線、少なくとも１つのＵＡＳ推進装置、少なくとも１つのＵＡＳ電源であって、前記ＵＡＳプロセッサ、前記ＵＡＳナビゲーション装置、前記ＵＡＳ無線、および少なくとも１つの前記ＵＡＳ推進装置のうちの少なくとも１つに電力を供給するＦＬＤ電源、を具えることを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法が、さらに：
   前記ＦＬＤのプロセッサが、ユーザが規定した少なくとも１つの飛行境界に対する前記ＵＡＳの位置を特定するステップと；
   特定したＵＡＳの位置がユーザが規定した少なくとも１つの前記飛行境界を越えている場合に、前記ＦＬＤのプロセッサが、少なくとも１つの飛行制限を有効にするステップと；を含むことを特徴とする方法。
5. 請求項１に記載の方法が、さらに：
   前記ＦＬＤのプロセッサが、前記ＵＡＳを妨げる少なくとも１つの物体の感知・回避システムから入力を受信するステップと；
   前記ＦＬＤのプロセッサが、前記感知・回避システムから受信した入力に基づいて、少なくとも１の飛行境界を生成するステップと；
   前記ＵＡＳの位置が生成した前記少なくとも１の飛行境界を越えた場合に、前記ＦＬＤのプロセッサが、ＵＡＳの少なくとも１つの飛行制限を有効にするステップと；を含むことを特徴とする方法。
6. 請求項５の方法において、前記感知・回避システムが、レーダー、ソナー、光学センサ、およびＬＩＤＡＲのうちの１以上を具えることを特徴とする方法。
7. 請求項１の方法において、少なくとも１つの飛行境界が、飛行前にユーザによって第三者データベースから更新されることを特徴とする方法。
8. 請求項１に記載の方法において、少なくとも１つの飛行境界が、前記ＵＡＳの飛行中に、感知・回避システムおよび第三者データベースの少なくとも１つにより更新されることを特徴とする方法。
9. 請求項１の方法において、前記ＵＡＳの位置は、全地球測位システム（ＧＰＳ）、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、および高度計を介して特定されることを特徴とする方法。
10. 請求項１に記載の方法において、前記エラーは、バッテリの故障、感知・回避システムの故障、全地球測位システム（ＧＰＳ）故障、および前記ＵＡＳとオペレータ間の接続故障、のうちの少なくとも１つであることを特徴とする方法。
11. 請求項１の方法が、さらに：
    前記ＦＬＤのプロセッサが、特定した前記ＵＡＳの三次元位置が前記第１の飛行境界を越えたかどうかを特定するステップと；
    前記ＵＡＳが前記第１の飛行境界を越えたときに、前記ＦＬＤのプロセッサがユーザに警告を発信するステップと；を含むことを特徴とする方法。
12. 請求項１に記載の方法において、前記少なくとも１つの飛行制限のうちの１つの飛行制限が、前記ＵＡＳを着地させることを含むことを特徴とする方法。
13. 請求項１に記載の方法において、ＵＡＳの前記少なくとも１つの飛行制限が：、パラシュートの作動、前記ＵＡＳの１以上の構成要素の分離、爆破、および前記ＵＡＳの１以上の推進装置へのスロットルの逆転、のうちの１以上を含むことを特徴とする方法。
14. 請求項１に記載の方法において、ＵＡＳの前記少なくとも１つの飛行制限が、アクチュエータを作動させて前記ＵＡＳを円形飛行パターンに維持することを含み、前記円形飛行パターンは少なくとも１つの前記飛行境界を横切っておらず、前記円形飛行パターンは前記禁止飛行領域の外側に前記ＵＡＶを維持することを特徴とする方法。
15. システムにおいて：
    アドレス可能メモリを有するＵＡＳプロセッサ、前記ＵＡＳプロセッサと通信するＵＡＳナビゲーション装置、前記ＵＡＳプロセッサと通信するＵＡＳ無線、前記ＵＡＳプロセッサと通信する少なくとも１つのＵＡＳ推進装置、および少なくとも１つのＵＡＳ電源であって、前記ＵＡＳプロセッサ、前記ＵＡＳナビゲーション装置、前記ＵＡＳ無線、および少なくとも１つの前記ＵＡＳ推進装置のうちの少なくとも１つに電力を供給するＵＡＳ電源、のうちの少なくとも１つを有する無人航空機システム（ＵＡＳ）と、
    ＵＡＳに取り外し可能に取り付けられた飛行制限装置（ＦＬＤ）であって：
    アドレス可能なメモリを有するＦＬＤのプロセッサを有し、当該ＦＬＤのプロセッサが：
    禁止飛行領域を内包する第１の飛行境界に対する前記ＵＡＳの三次元の位置を特定するステップと；
    特定した前記ＵＡＳの位置が前記第１の前記飛行境界を越えている場合に、ＵＡＳの少なくとも１つの飛行制限を有効にするステップと；
    前記ＵＡＳにエラーが生じたかどうかを特定するステップと；
    ＦＬＤが前記ＵＡＳにエラーが生じたと特定した場合に、前記ＦＬＤのプロセッサが、前記ＵＡＳの軌道が設定時間内に第２の飛行境界を越えるかどうかを特定するステップと；
    前記ＵＡＳが前記設定時間内に第２の飛行境界を越えると特定された場合に、少なくとも１つの飛行制限を有効にするステップであって、有効にされた飛行制限によって、前記ＵＡＳが前記飛行禁止領域に進入することを防ぐステップと；を実行するように構成されている飛行制限装置（ＦＬＤ）と；
    前記ＵＡＳの位置を特定するために前記ＦＬＤのプロセッサと通信するＦＬＤナビゲーション装置、前記ＦＬＤのプロセッサと通信するＦＬＤ無線、前記ＦＬＤのプロセッサと通信する少なくとも１つのＦＬＤ推進装置、および少なくとも１つのＦＬＤ電源であって、前記ＦＬＤのプロセッサ、前記ＦＬＤナビゲーション装置、前記ＦＬＤ無線、および少なくとも１のＦＬＤ推進装置のうちの少なくとも１つに電力を供給するＦＬＤ電源、のうちの少なくとも１つと；を具え、
    前記ＵＡＳが少なくとも１×１０^−７の操作信頼性を有し、前記ＦＬＤが取り外し可能に前記ＵＡＳに取り付けられた際に前記ＵＡＳが最終的な飛行境界を越える可能性が１×１０^−７％以下であり、前記ＦＬＤが前記ＵＡＳから取り外されたときに前記ＵＡＳはこれよりも低い操作信頼性を有し、
    前記第１の飛行境界、前記第２の飛行境界、および前記最終的な飛行境界が、前記禁止飛行領域を内包し、前記ＵＡＳから前記禁止飛行領域に向かってこの順序で配置されていることを特徴とするシステム。
16. 請求項１５に記載のシステムにおいて、前記ＵＡＳが、さらに：
    ＵＡＳプロセッサと；
    ＵＡＳナビゲーション装置と；
    ＵＡＳ無線と；
    少なくとも１つのＵＡＳ推進装置と；
    ＵＡＳ電源と；を具え、
    前記ＦＬＤがＵＡＳコントローラと通信して少なくとも１つの飛行制限を有効にすることを特徴とするシステム。
17. 請求項１６のシステムにおいて、前記ＵＡＳナビゲーション装置がさらに、全地球測位システム（ＧＰＳ）、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、および高度計を含むことを特徴とするシステム。
18. 請求項１６のシステムにおいて、前記ＵＡＳ無線は、トランシーバを含むことを特徴とするシステム。
19. 請求項１６に記載のシステムが、さらに：
    前記ＵＡＳの少なくとも１つの操縦面と；
    前記少なくとも１つの操縦面に取り付けられた少なくとも１つのアクチュエータと；を具え、
    前記ＵＡＳの少なくとも１つの飛行制限が、少なくとも１つの前記アクチュエータを作動させて、前記ＵＡＶが前記禁止飛行領域に進入するのを防止する円形飛行パターンに前記ＵＡＶを維持することを特徴とするシステム。
20. 請求項１６に記載のシステムにおいて、前記ＦＬＤのプロセッサが、前記ＵＡＳ電源、前記ＵＡＳコントローラ、前記ＵＡＳナビゲーション装置、前記ＵＡＳ無線、および少なくとも１つの前記ＵＡＳ推進装置、のうちの少なくとも１つからの入力を受信するように構成されていることを特徴とするシステム。
21. 請求項１６に記載のシステムが、さらに：
    ＵＡＳオペレータコントローラであって：
    アドレス可能メモリを有するＵＡＳオペレータコントローラプロセッサであって：
    ＵＡＳの状態を受信するステップであって、前記状態が、前記ＵＡＳ電源、前記ＵＡＳコントローラ、前記ＵＡＳナビゲーション装置、前記ＵＡＳ無線、および少なくとも１つの前記ＵＡＳ推進装置、のうちの少なくとも１つのデータを含むものであるステップと；
    特定されたＵＡＳの位置が少なくとも１つの飛行境界を越えている場合に警告を受信するステップと；を実行するように構成されたＵＡＳオペレータコントローラプロセッサ、を有するＵＡＳオペレータコントローラを具えることを特徴とするシステム。
22. 請求項１５に記載のシステムにおいて、前記ＦＬＤが、さらに：
    前記ＦＬＤナビゲーション装置と；
    前記ＦＬＤ無線と；
    前記ＦＬＤ電源と；を具えることを特徴とするシステム。
23. 請求項１５に記載のシステムにおいて、ＵＡＳの少なくとも１つの前記飛行制限が：パラシュートの作動；前記ＵＡＳの１以上の構成要素の分離；爆破；および前記ＵＡＳの１以上の推進装置へのスロットルの逆転；のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とするシステム。
24. 請求項１５に記載のシステムにおいて、ＵＡＳの少なくとも１つの前記飛行制限が、アクチュエータを作動させて前記ＵＡＳを円形飛行パターンに維持することを含み、前記円形飛行パターンは少なくとも１つの前記飛行境界を横切っておらず、前記円形飛行パターンは前記禁止飛行領域の外側に前記ＵＡＶを維持することを特徴とするシステム。
25. プロセッサおよびアドレス可能メモリを有する第１の無人航空機システム（ＵＡＳ）に飛行制限装置（ＦＬＤ）を取り付けるステップであって、ＦＬＤが第１のＵＡＳに取り外し可能に取り付けられ、前記第１のＵＡＳが少なくとも１×１０^−７の操作信頼性を有し、前記ＦＬＤが取り外し可能に前記第１のＵＡＳに取り付けられた際に前記第１のＵＡＳが最終的な飛行境界を越える可能性が１×１０^−７％以下であるステップと；
    前記ＦＬＤを前記第１のＵＡＳから取り外すステップであって、前記ＦＬＤを前記ＵＡＳから取り外したときに前記ＵＡＳの操作信頼性が低くなるものであるステップと；
    プロセッサおよびアドレス可能メモリを有する第２の無人航空機システムに前記ＦＬＤを取り付けるステップであって、前記ＦＬＤが第２のＵＡＳに取り外し可能に取り付けられ、前記第２のＵＡＳが少なくとも１×１０^−７の操作信頼性を有し、前記ＦＬＤが取り外し可能に前記第２のＵＡＳに取り付けられた際に前記第２のＵＡＳが最終的な飛行境界を越える可能性が１×１０^−７％以下であり、前記ＦＬＤが前記第２のＵＡＳから取り外されたときに前記第２のＵＡＳはこれよりも低い操作信頼性を有するものであるステップと；
    アドレス可能メモリを有するＦＬＤのプロセッサが、禁止飛行領域を内包する第１の飛行境界に対する前記第２のＵＡＳの三次元の位置を特定するステップと；
    特定された第２のＵＡＳの三次元の位置が前記第１の飛行境界を越えている場合に、前記ＦＬＤのプロセッサが、少なくとも１つの飛行制限を有効にするステップと；
    前記ＦＬＤのプロセッサが、前記第２のＵＡＳにエラーが生じたかどうかを特定するステップと；
    前記ＦＬＤが前記第２のＵＡＳにエラーが生じたと特定した場合に、前記ＦＬＤのプロセッサが、前記第２のＵＡＳの軌道が設定時間内に第２の飛行境界を越えるかどうかを特定するステップと；
    前記第２のＵＡＳが前記設定時間内に前記第２の飛行境界を越えると特定された場合に、前記ＦＬＤのプロセッサが、少なくとも１つの飛行制限を有効にするステップであって、有効にされた飛行制限によって、前記第２のＵＡＳが前記飛行禁止領域に進入することを防ぐステップと；を含み、
    前記第１の飛行境界、前記第２の飛行境界、および前記最終的な飛行境界が、前記禁止飛行領域を内包し、前記ＵＡＳから前記禁止飛行領域に向かってこの順序で配置されていることを特徴とする方法。

Images