JP7434131B2

JP7434131B2 - 駐機支援システム

Info

Publication number: JP7434131B2
Application number: JP2020173187A
Authority: JP
Inventors: 京士朗伊多倉; 直之田代; 貴廣伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2020-10-14
Filing date: 2020-10-14
Publication date: 2024-02-20
Anticipated expiration: 2040-10-14
Also published as: JP2022064508A

Description

本発明は、航空機等の駐機支援システムに関するものである。

近年、電動モータで複数の回転翼を回転させ、垂直離着陸できる小型航空機（電動垂直離着陸機 eVTOL : electric vertical takeoff and landing aircraft）の利用のニーズが高まっている。電動垂直離着陸機（eVTOL）は、都市部の渋滞や環境負荷の低減、また過疎地域への輸送手段の確保など様々な交通課題の解決が期待されている。

上記のような小型航空機では、複数機の小型航空機が行き交うため、エアポートに安全に離発着させることが要求される。

垂直離着陸できる航空機の着陸に関しては、例えば特許文献１に記載の技術がある。特許文献１では、航空機の機体にマーカーを設け、第１画像センサで捉えた機体の画像を画像処理し、画面の中心にマーカーが一致するように制御して機体を所定の高度まで降下させる。降下した機体は第２画像センサで捉えられる位置まで誘導され、その位置でホバリング状態となる。第２画像センサで捉えた機体は、画像処理されて画面の中心にマーカーが一致するように制御され、着陸点に着陸するように誘導される。

特開平５－２４５８９号公報

特許文献１においては、垂直離着陸できる航空機を着陸点の上空まで誘導し、ホバリング状態から着陸点に誘導して航空機を自動的に着陸させるという一つの手法を提案している。しかしながら、例えば、ホバリング状態からパイロットが手動で着陸を行う場合、パイロットが目視にて着陸点を確認して着陸させる必要があるので、航空機を安全に着陸させるためには機体の高度や姿勢を正確に認識できる技術が必要となる。

本発明の目的は、航空機を着陸させる際の安全性を向上させた駐機支援システムを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、航空機の機体の位置情報を計測する地上センサを備えた駐機支援システムであって、前記地上センサが計測した前記機体の位置情報から、前記機体の高度を算出する計算部と、前記計算部で算出された前記高度を前記機体に送信する地上側通信部と、前記機体に備えられた機体表示部とを備え、前記機体表示部には、前記機体の機体画像と、前記計算部で算出した前記高度を表示することを特徴とする。

本発明によれば、航空機を着陸させる際の安全性を向上させた駐機支援システムを提供することができる。

本発明の実施例１に係る駐機支援システムの概念図である。本発明の実施例１に係る計算部及び機体の関係を示すブロック図である。本発明の実施例１に係る機体表示部に表示される表示内容の一例である。本発明の実施例１に係る機体表示部に表示される表示内容の一例である。本発明の実施例１に係る駐機支援システムの処理を示すフローチャートである。本発明の実施例１に係る機体１１０の高度算出方法を示す概略図である。本発明の実施例２に係る地上センサと機体との関係を３次元的に見た概略図である。図６を上方から見た概略図である。図６を側方から見た概略図である。

以下、本発明の実施例について添付の図面を参照しつつ説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、同様の説明は繰り返さない。

本発明の各種の構成要素は必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、一の構成要素が複数の部材から成ること、複数の構成要素が一の部材から成ること、或る構成要素が別の構成要素の一部であること、或る構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複すること、などを許容する。

実施例１では、電動モータで複数の回転翼を回転させ、垂直離着陸できる小型航空機（電動垂直離着陸機 eVTOL : electric vertical takeoff and landing aircraft）の例について説明する。

図１は本発明の実施例１に係る駐機支援システムの概念図である。図１において、航空機１００は、機体１１０と、機体１１０内に備えられたモータによって回転駆動する複数の回転翼１２０と、機体１１０に備えられ地上の機器と通信を行う機体側通信部１３０を備えている。また、機体１１０には、モータに電力を供給するバッテリ（図示せず）が備えられている。機体１１０は、利用者が搭乗したり、荷物の運搬に利用される。

機体１１０が離着陸するエアポート２００には、管制設備２１０が備えられており、管制設備２１０には航空機１００の機体１１０の位置情報を計測する地上センサ２２０と、地上センサ２２０で計測した計測値に基づいて機体１１０の高度（地上からの高さ）等を算出する計算部２３０と、機体１１０との間で通信を行う地上側通信部２４０が備えられている。地上センサ２２０としては、カメラ、ミリ波レーダー等を使用する。実施例１では一例としてカメラを使用する。また、地上センサ２２０が計測する機体１１０の位置情報とは、地上センサ２２０が機体１１０を捉えた際のピッチ角度θ（図５参照）とする。

次に計算部２３０と機体１１０の構成について説明する。図２は本発明の実施例１に係る計算部及び機体の関係を示すブロック図である。

図２において、計算部２３０は、地上センサ２２０で検出した検出値を変換し、機体１１０の高度ｈを算出する位置変換部２３１と、機体１１０を側方からみた画像を複数記憶保持する機体画像保持部２３２と、機体１１０の機体情報に基づいて複数の機体画像から任意の機体画像を選択すると共に、位置変換部２３１の情報を選択した機体画像に合成する画像合成部２３３を備えている。また、計算部２３０は、図示はしないが、各種の演算処理を実行する中央処理装置（CPU：Central Processing Unit）と、演算処理を実行するプログラムが格納されたROM（Read Only Memory）と、データ処理の過程でデータを一時的に書き込んだり読み込んだりするRAM（Random Access Memory）を備えている。

機体１１０は、前述した機体側通信部１３０と、回転翼１２０等の機体１１０を制御すると共に、機体側通信部１３０を介して管制設備２１０と送受信を行う機体制御部１４０と、管制設備２１０から受信した情報を機体制御部１４０で処理し、機体内に情報を表示する機体表示部１５０を備えている。機体制御部１４０では、機体１１０の大きさや形状、機体１１０の位置情報（緯度・経度）といった機体情報を、機体側通信部１３０を介して管制設備２１０に送信する。機体１１０には、機体１１０の位置情報（緯度・経度）を特定するためのＧＰＳ（Global Positioning System）信号を受信するＧＰＳ受信部が備えられている。

エアポート２００には、機体１１０の大きさや形状が異なる複数種の機体１１０が離着陸するため、管制設備２１０が個々の機体１１０の大きさや形状を判別できるよう、機体制御部１４０は自己の機体情報を管制設備２１０に送信する。

機体画像保持部２３２には、エアポート２００に離着陸する複数種の機体１１０に関する機体画像が予め記憶されている。

画像合成部２３３は、地上側通信部２４０で受信したある１機の機体情報に基づき、機体画像保持部２３２に記憶されている複数の機体画像の中から、受信した機体情報に該当する機体画像を選定する。さらに、画像合成部２３３は、選定した機体画像に、位置変換部２３１で算出した機体１１０の高度ｈが表示されるように画像を合成する。

画像合成部２３３で合成された画像は、地上側通信部２４０から無線で送信され、機体側通信部１３０で受信される。機体側通信部１３０で受信されたデータは、機体制御部１４０を介して機体表示部１５０に表示される。機体表示部１５０には、図３に示すような画像が表示される。

図３Ａ及び図３Ｂは本発明の実施例１に係る機体表示部に表示される表示内容の一例である。

機体表示部１５０には、画像合成部２３３で選択された機体１１０の機体画像１０１と、機体１１０が着陸する地上２０１と、地上２０１からの機体画像１０１（機体１１０）の高度ｈが表示されている。機体画像１０１は、機体１１０を横方向から見た画像としている。

図３Ａにおいて、機体画像１０１（機体１１０）の高度はｈ１となっており、機体１１０が降下をすると、図３Ｂに示すように機体画像１０１（機体１１０）が画面上の下方に移動すると共に高度がｈ２として表示される。このように機体表示部１５０には、機体１１０の降下に合わせ、機体画像１０１と高度の数値が更新されて表示される。

機体１１０の操縦士は、機体１１０をエアポート２００に着陸するにあたり、機体表示部１５０にて機体１１０の高度を確認することができるので、地上２０１を目視することなく、機体１１０を着陸させることができる。このため、機体１１０着陸時の安全性を向上することができる。

図３Ａ、図３Ｂでは機体１１０の降下に合わせて機体画像１０１を画面上の下方に移動するようにしたが、機体画像１０１を固定し、機体１１０の降下に合わせて高度のみを変更（ｈ１→ｈ２）するようにしても良い。

次に駐機支援システムの処理内容について説明する。図４は本発明の実施例１に係る駐機支援システムの処理を示すフローチャートである。

ステップＳ４０１において、地上センサ２２０が機体１１０を補足すると（ステップＳ４０１のＹＥＳ）、機体１１０の位置情報であるピッチ角度θを計測する（ステップＳ４０２）。ピッチ角度θは、地上センサ２２０から機体１１０への高さ方向の角度である。地上センサ２２０が機体１１０を補足しない場合（ステップＳ４０１のＮＯ）はステップＳ４０１の処理を繰り返す。

ステップＳ４０２において、地上センサ２２０が機体１１０の位置情報（ピッチ角度θ）を計測すると（ステップＳ４０２のＹＥＳ）、計算部２３０は機体１１０から機体情報を受信したかを判断する（ステップＳ４０３）。地上センサ２２０が機体１１０の位置情報（ピッチ角度θ）を計測していない場合（ステップＳ４０２のＮＯ）は、ステップＳ４０２の処理を繰り返す。

ステップＳ４０３おいて、計算部２３０が機体情報を受信すると（ステップＳ４０３のＹＥＳ）、画像合成部２３３は機体画像保持部２３２に記憶されている複数の機体画像の中から、受信した機体情報の機体１１０に該当する機体画像を選定する（ステップＳ４０４）。

さらに、位置変換部２３１は、機体１１０の位置情報（ピッチ角度θ）を、機体１１０の高度ｈ（高さ位置）に変換する（ステップＳ４０５）。計算部２３０が機体情報を受信しない場合（ステップＳ４０３のＮＯ）は、ステップＳ４０３の処理を繰り返す。

ここで、機体１１０の高度ｈ（高さ位置）の算出方法について、図５を用いて説明する。図５は本発明の実施例１に係る機体１１０の高度算出方法を示す概略図である。

図５において、地上センサ２２０の位置は固定されているので、地上センサ２２０の緯度・経度は予め特定される。また機体１１０には、ＧＰＳ受信部が搭載され、機体１１０の緯度・経度が特定できる。

機体１１０は着陸地点５０１の上空で停止飛行（ホバリング）している。地上センサ２２０は機体１１０を捉えた際のピッチ角度θを検出する。ピッチ角度θは、地上センサ２２０から機体１１０への高さ方向の角度である。

また、機体１１０は停止飛行の状態で、機体１１０の大きさや形状、機体１１０の位置情報（緯度・経度）といった機体情報を管制設備２１０に送信する。

停止飛行状態での機体１１０の緯度・経度は、着陸地点５０１の緯度・経度と等しい。位置変換部２３１では、地上センサ２２０の緯度・経度、及び停止飛行状態での機体１１０の緯度・経度に基づいて、地上センサ２２０と着陸地点５０１との距離ｄ1を算出する。算出にあたっては、式（１）を用いる。

次に式（１）で算出した距離ｄ1と、地上センサ２２０が機体１１０を捉えた際のピッチ角度θから機体１１０の高度ｈ（高さ位）を算出する。算出にあたっては、式（２）を用いる。

ｈ＝ｄ1＊tan（θ）・・・（２）
上記のようにして、機体１１０の高度ｈ（高さ位置）を算出する。

再び図４に戻る。ステップＳ４０５において、機体１１０の高度ｈ（高さ位置）が算出されると、画像合成部２３３はステップＳ４０４において選定した機体画像１０１に、高度ｈ（高さ位置）を合成して機体１１０の高度ｈが認識できる画像を作成する（ステップＳ４０６）。

ステップＳ４０６で作成された画像は、地上側通信部２４０から無線で機体１１０に送信する（ステップＳ４０７）。

機体側通信部１３０を介して機体１１０が作成画像を受信する（ステップＳ４０８のＹＥＳ）と、機体制御部１４０は機体表示部１５０に作成画像を投影する（ステップＳ４０９）。ステップＳ４０８において、作成画像を受信していない場合（ステップ４０８のＮＯ）はステップＳ４０８の処理を繰り返す。

操縦士は機体表示部１５０に表示された作成画像に基づき、機体１１０を降下させる（ステップＳ４１０）。

機体制御部１４０は機体１１０がエアポート２００（地上２０１）に着陸したか否か判断（ステップＳ４１１）し、エアポート２００（地上２０１）に着陸したと判断した場合（ステップＳ４１１のＹＥＳ）は、処理を終了する。ステップＳ４１１において、エアポート２００（地上２０１）に着陸していない場合（ステップ４１１のＮＯ）はステップＳ４０２からの処理を繰り返すことで、高度の情報を更新していく。ただし、ステップＳ４０３において、機体１１０の大きさや形状など、既知の情報については再度受信する必要は無く、ステップＳ４０４の処理もスキップできる。

以上が駐機支援システムの処理内容となる。なお、上記した実施例１では、地上センサ２２０のピッチ角度θ及び機体１１０の緯度・経度を用いて、機体１１０の高度ｈ（高さ位置）を算出するようにしたが、地上センサ２２０と機体１１０との距離を測定し、測定した距離を用いて、機体１１０の高度ｈ（高さ位置）を算出するようにしてもよい。例えば、図５において、地上センサ２２０にミリ波レーダーを用いて、地上センサ２２０と機体１１０との距離ｄ２を測定する。また、地上センサ２２０は機体１１０を捉えた際のピッチ角度θを検出する。

地上センサ２２０と機体１１０との距離ｄ２と、地上センサ２２０が機体１１０を捉えた際のピッチ角度θを用いて、機体１１０の高度ｈ（高さ位置）を算出する。算出にあたっては、式（３）を用いる。

ｈ＝ｄ２＊sin（θ）・・・（３）
上記のようにして、機体１１０の高度ｈ（高さ位置）を算出する。算出された機体１１０の高度ｈ（高さ位置）は、画像合成部２３３にて機体画像１０１に合成される。

以上説明したように実施例１によれば、機体１１０の操縦士は、機体１１０をエアポート２００に着陸するにあたり、機体表示部１５０にて機体１１０の高度を確認することができるので、地上２０１を目視することなく、機体１１０を着陸させることができる。このため、機体１１０着陸時の安全性を向上することができる。

電動垂直離着陸機（eVTOL）のような航空機の場合、バッテリの電力消費量を抑えるために機体は軽量化することが好ましい。実施例１では、地上側の管制設備２１０に、機体１１０の高度ｈ（高さ位置）を算出する計算部２３０を設けるようにしているので、機体１１０側に機体１１０の高度ｈ（高さ位置）を算出する機器が不要となり、機体１１０の軽量化を図ることができる。実施例１によれば、機体１１０の軽量化により、バッテリの電力消費量を低減することができる。

次に本発明の実施例２について、図６～図８を用いて説明する。図６は本発明の実施例２に係る地上センサと機体との関係を３次元的に見た概略図、図７は図６を上方から見た概略図、図８は図６を側方から見た概略図である。実施例１と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

実施例１では管制設備２１０に地上センサを１つ備えていたが、実施例２では地上センサを２つ（複数）備えるようにしている。

図６において、エアポート２００には２台の地上センサ２２０ａ，２２０ｂが備えられている。地上センサ２２０ａと地上センサ２２０ｂの距離を距離ｄとする。地上センサ２２０ａと地上センサ２２０ｂは、位置が固定されているので、距離ｄは予め定められている。地上センサ２２０ａ，地上センサ２２０ｂの何れか一方のセンサを用いてピッチ角度θａを計測する。実施例２では地上センサ２２０ａがピッチ角度θａを計測している。

地上センサ２２０ａと地上センサ２２０ｂを結ぶ線ｃ1とし、地上センサ２２０ａと着陸地点５０１とを結ぶ線をｃ２とし、地上センサ２２０ｂと着陸地点５０１を結ぶ線をｃ３とする。

また、線ｃ１と線ｃ２が成すヨー角度をψａとし、線ｃ１と線ｃ３が成すヨー角度をψｂとする。ヨー角度ψａは地上センサ２２０ｂの方位を基準とする機体１１０方位までの角度であり、ヨー角度ψｂは、地上センサ２２０ａの方位を基準とする機体１１０方位までの角度である。

図７において、着陸地点５０１から線ｃ１までの距離（着陸地点５０１から線ｃ１に向かって引いた垂線）をＬとする。

距離Ｌは、ヨー角度ψａ，ψｂ、及び距離ｄから、式（４）を用いて算出することができる。算出にあたっては計算部２３０の位置変換部２３１で実行される。

次に、算出した距離Ｌとヨー角度ψａから、地上センサ２２０ａと着陸地点５０１の距離Ｘを算出する。距離Ｘは式（５）を用いて算出する。

地上センサ２２０ａと着陸地点５０１の距離Ｘと、地上センサ２２０ａが機体１１０を捉えた際のピッチ角度θａを用いて、機体１１０の高度ｈ（高さ位置）を算出する。算出にあたっては、式（６）を用いる。

ｈ＝Ｘ＊tan（θa）・・・（６）
上記のようにして、機体１１０の高度ｈ（高さ位置）を算出する。算出された機体１１０の高度ｈ（高さ位置）は、画像合成部２３３にて機体画像１０１に合成される。

以上説明したように実施例２によれば、機体１１０の操縦士は、機体１１０をエアポート２００に着陸するにあたり、機体表示部１５０にて機体１１０の高度を確認することができるので、地上２０１を目視することなく、機体１１０を着陸させることができる。このため、機体１１０着陸時の安全性を向上することができる。

さらに、実施例２では複数の地上センサ２２０ａ，２２０ｂの検出値に基づいて機体１１０の高度ｈを算出するようにしているので、機体１１０のＧＰＳ受信部が故障した場合であっても機体１１０の高度ｈを算出し、機体表示部１５０にて表示させることができる。

上記した実施例１及び２では、地上側の管制設備２１０に、機体１１０の高度ｈ（高さ位置）を算出する計算部２３０を設けるようにしたが、機体１１０の高度ｈ（高さ位置）を算出する計算部は、機体１１０側に設けるようにしても良い。その場合、地上側通信部２４０は、地上センサ２２０で計測した機体１１０の位置情報（ピッチ角度）と、地上センサ２２０の位置情報（緯度・経度）を機体１１０側に送信する。機体１１０の機体制御部１４０では、地上センサ２２０の位置情報（緯度・経度）とＧＰＳ信号による機体１１０の緯度・経度に基づいて、地上センサ２２０と機体１１０の着陸地点との距離ｄ１を算出すると共に、算出した距離ｄ１とピッチ角度θａから機体１１０の高度を算出する。そして、機体表示部１５０には、機体１１０の機体画像１０１と、機体制御部１４０で算出した高度ｈを表示する。

或いは、地上側通信部２４０は、地上センサ２２０で計測した機体１１０の位置情報（ピッチ角度）と、地上センサ２２０と機体１１０の距離ｄ２を機体１１０側に送信する。機体１１０の機体制御部１４０では、地上センサ２２０で計測した機体１１０の位置情報（ピッチ角度θ）と、距離ｄ２から高度ｈを算出する。そして、機体表示部１５０には、機体１１０の機体画像１０１と、機体制御部１４０で算出した高度ｈを表示する。

機体１１０の機体表示部１５０に表示する機体画像１０１は、自機の機体画像を用い、自機の機体画像１０１に上記で算出した高度ｈを表示するようにする。

なお、本発明は、上述した実施例に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。上述した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定するものではない。

１００…航空機、１０１…機体画像、１１０機体、１３０…機体側通信部、１４０…機体制御部、１５０…機体表示部、２００…エアポート、２０１…地上、２１０…管制設備、２２０，２２０ａ，２２０ｂ…地上センサ、２３０…計算部、２３１…位置変換部、２３２…機体画像保持部、２３３…画像合成部、２４０…地上側通信部、５０１…着陸地点

Claims

航空機の機体の位置情報を計測する地上センサを備えた駐機支援システムであって、
前記地上センサが計測した前記機体の位置情報から、前記機体の高度を算出する計算部と、前記計算部で算出された前記高度を前記機体に送信する地上側通信部と、前記機体に備えられた機体表示部とを備え、
前記機体表示部には、前記機体の機体画像と、前記計算部で算出した前記高度を表示することを特徴とする駐機支援システム。
請求項１において、
前記機体の機体画像は、前記機体の降下に合わせ、下方に移動するように前記機体表示部に表示することを特徴とする駐機支援システム。
請求項１又は２において、
前記高度は、前記機体の降下に合わせ、数値が更新するように前記機体表示部に表示することを特徴とする駐機支援システム。
請求項１において、
前記地上センサで計測する前記機体の位置情報は、前記地上センサから前記機体への高さ方向の角度であるピッチ角度θであることを特徴とする駐機支援システム。
請求項４において、
前記機体には、前記機体の緯度・経度を特定するためのＧＰＳ（Global Positioning System）信号を受信するＧＰＳ受信部を備え、
前記計算部は、前記機体の緯度・経度及び前記地上センサの緯度・経度から、前記地上センサと前記機体の着陸地点との距離ｄ１を算出すると共に、算出した前記距離ｄ１と前記ピッチ角度θに基づいて前記高度を算出することを特徴とする駐機支援システム。
請求項１において、
前記地上センサで計測する前記機体の位置情報は、前記地上センサから前記機体への高さ方向の角度であるピッチ角度θと、前記地上センサと前記機体の距離ｄ２であり、
前記計算部は、前記距離ｄ２と前記ピッチ角度θから前記高度を算出することを特徴とする駐機支援システム。
請求項１において、
前記計算部は複数の機体画像を保持する機体画像保持部と、前記複数の機体画像の中から特定の機体画像を選定すると共に、選定した前記特定の機体画像に、算出した前記高度を合成する画像合成部を備えたことを特徴とする駐機支援システム。
請求項７において、
前記機体は、前記機体の機体情報を送信し、前記地上側通信部は前記機体情報を受信し、
前記画像合成部は、前記地上側通信部で受信した前記機体情報に基づき、前記特定の機体画像を選定することを特徴とする駐機支援システム。
航空機の機体の位置情報を計測する地上センサを備えた駐機支援システムであって、
前記地上センサが計測した前記機体の位置情報を前記機体側に送信する地上側通信部を備え、
前記機体は、前記地上センサが計測した前記機体の位置情報に基づいて前記機体の高度を算出する機体制御部と、前記機体に備えられた機体表示部とを備え、
前記機体表示部には、前記機体の機体画像と、前記機体制御部で算出した前記高度を表示することを特徴とする駐機支援システム。
請求項９において、
前記地上センサで計測する前記機体の位置情報は、前記地上センサから前記機体への高さ方向の角度であるピッチ角度θであることを特徴とする駐機支援システム。
請求項１０において、
前記機体には、前記機体の緯度・経度を特定するためのＧＰＳ（Global Positioning System）信号を受信するＧＰＳ受信部を備え、
前記機体制御部は、前記機体の緯度・経度及び前記地上センサの緯度・経度に基づいて、前記地上センサと前記機体の着陸地点との距離ｄ１を算出すると共に、算出した前記距離ｄ１と前記ピッチ角度θに基づいて前記高度を算出することを特徴とする駐機支援システム。
請求項９において、
前記地上センサで計測する前記機体の位置情報は、前記地上センサから前記機体への高さ方向の角度であるピッチ角度θと、前記地上センサと前記機体の距離ｄ２であり、
前記機体制御部は、前記距離ｄ２と前記ピッチ角度θに基づいて前記高度を算出することを特徴とする駐機支援システム。