JP7479265B2

JP7479265B2 - 移動体制御システム

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Publication number: JP7479265B2
Application number: JP2020161075A
Authority: JP
Inventors: 健二今本; 幹雄板東; 貴廣伊藤; 敬一勝田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2024-05-08
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: WO2022064736A1; JP2022054084A; US20230334995A1

Description

本発明は、移動体制御システムに関し、特に、垂直離発着が可能な移動体の移動体制御システムに関する。

近年、都市内や都市間の次世代移動手段として、空を飛ぶことが可能な小型電動航空機等による移動体の開発が行われている。このとき、複数の移動体が行きかうために、衝突を防止するための制御が求められる。

例えば、特許文献１では、互いに交差しない飛行経路を設定し、前後の飛行物体が近接しないように制御する技術が記載されている。

特開２００３－６７９８号公報

特に、垂直離発着が可能な移動体では、個々の離発着場（スカイポート）の位置が近くに存在する場合が多く存在する。このため、移動体の離発着時には、移動体同士が近接して衝突の危険性が高く、高度な制御が求められる。

しかしながら、特許文献１のように、互いに交差しない飛行経路をそれぞれ設定すると、特定の空間に設定できる飛行経路は限られた経路のみになる。特に、スカイポートの位置が近接している垂直離発着が可能な移動体は、相互に干渉しない飛行経路の設定が困難なケースが存在する。もしくは、相互に干渉しない飛行経路を設定できたとしても、その数は限られたものとなり、求められる運用を実行できない可能性が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みて、垂直離発着が可能な移動体の制御をより適切に行うことができる移動体制御システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、代表的な本発明の移動体制御システムの一つは、垂直離発着が可能な複数の移動体に対して離発着の監視及び制御を行う地上監視装置と、前記地上監視装置と通信が可能で各移動体に搭載される移動体制御装置とを備え、前記移動体制御装置は、当該移動体制御装置が搭載される移動体の飛行を制御し、前記地上監視装置は、前記移動体が離発着する際の飛行進路を割り当てるとともに、第１の移動体の第１の飛行進路と第２の移動体の第２の飛行進路との間に干渉空間が存在する場合、優先度の高い前記第１の移動体の前記第１の飛行進路の予約を最初に許可して前記第１の移動体の移動体制御装置に前記第１の飛行進路の予約確保の通知をし、このとき、優先度の低い前記第２の移動体の前記第２の飛行進路の予約は許可せずに、前記第１の移動体が前記第１の飛行進路の前記干渉空間を通過したら、前記第２の移動体に対して前記第２の飛行進路の予約を許可して前記第２の移動体の移動体制御装置に前記第２の飛行進路の予約確保の通知を行い、前記第１の移動体が前記第１の飛行進路の前記干渉空間を通過したか否かは、前記第１の移動体の移動体制御装置が前記第１の移動体又は地上に設置したセンサを用いて前記干渉空間の通過を検知して前記地上監視装置へ通知することで、前記地上監視装置が前記第１の移動体の前記干渉空間の通過を判定することを特徴とする。

本発明によれば、移動体制御システムにおいて、垂直離発着が可能な移動体の制御をより適切に行うことができる。
上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態により明らかにされる。

図１は、本発明の移動体制御システムの一実施形態を示すブロック図である。図２は、本発明の移動体制御システムに適用可能な移動体が離発着する場合の例を示す図である。図３は、本発明の移動体制御システムにおいて複数の移動体が離発着する場合の例を示す図である。図４は、本発明の移動体制御システムの制御の例を示すフローチャートである。

本発明を実施するための形態を説明する。

図１は、本発明の移動体制御システムの一実施形態を示すブロック図である。

移動体制御システムは、地上監視装置１０と移動体制御装置２０を備えており、これらは、無線等による通信が可能である。地上監視装置１０は、飛行位置監視部１１、飛行進路割当部１２、通信部１３を備えている。移動体制御装置２０は、飛行制御部２１、周辺監視部２２、離発着計画部２３、通信部２４を備えている。

移動体制御システムで制御する移動体は、垂直離発着が可能な垂直離着陸機（ＶＴＯＬ）が想定される。この移動体は、人を乗せて移動する移動体にも適用でき安全性が求められる。また、無人で移動する移動体に適用してもよい。移動体は、例えば、モータやエンジン等の駆動装置により推進することができる。また、移動体の離発着の際は、自動で制御されることが可能な機能を備えている。

スカイポートは、１つの移動体が離発着する地上側の場所である。垂直離着陸機の場合、滑走路を利用する航空機に比べて、離発着に場所をとらないため、ある程度の範囲内に複数のスカイポートを設けることが可能である。これにより、多様な運用を可能とする。例えば、ビルの屋上や、空きスペース等、様々な場所に設けることが想定できる。当該移動体制御システムでは、複数のスカイポートに対して制御可能であり、例えば、３か所以上、５か所以上等と、制御できるスカイポートの数を増やすことが可能である。

地上監視装置１０は、各移動体の離発着を監視・制御する地上側に設置される装置である。例えば、サーバ等で構成することができる。１つの地上監視装置１０が全ての移動体を監視してもよいし、所定の範囲内を飛行する移動体のみを監視してもよい。ここでの所定の範囲は、例えば、対象となるスカイポートに対して各移動体の離発着を監視・制御するために必要な範囲等である。

地上監視装置１０は、複数設けてもよい。この場合、１つの地上監視装置が故障した場合に、他の地上監視装置が補助をする構成としてもよい。さらに、１台の地上監視装置１０で監視可能な台数を越えた移動体が監視・制御エリアに侵入してきた場合に、他の地上監視装置１０がその範囲の監視・制御の補助をしてもよい。地上監視装置１０は安全性・稼働率確保のため、冗長構成（二重化）としてもよい。すなわち、監視・制御するために必要なサーバ等の同じ装置を地上監視装置１０内に２つに設ける、又は、同じ装置を他の地上監視装置１０に設ける等してバックアップの体制を整える。

飛行位置監視部１１は、各移動体の飛行位置を監視する。監視する移動体の範囲は、監視範囲内を飛行又は監視範囲内に存在する移動体でもよいし、離着陸を予定している移動体に限定してもよい。位置を特定する方法は、地上に設置したセンサを用いて移動体の位置を検知してもよいし、各移動体から位置情報を受け取ってもよい。地上に設置するセンサの例としては、カメラ、ＩＲ（赤外線）カメラ、レーザーレーダ、ライダー（ＬＩＤＡＲ）等のセンサがあげられる。これらにより、３次元的に空間を把握しながら移動体の位置を把握する。また、移動体から位置情報を受け取る場合は通信部１３を介して行われる。

飛行進路割当部１２は、移動体が離発着する際の飛行空間を「飛行進路」として規定する。各移動体より受信した離発着計画情報、および各移動体の飛行位置に基づき、各移動体が離発着すべきスカイポートの位置、および離発着時の飛行進路を割り当てる。飛行進路は、目的のスカイポートに対して設定される離発着時のルートを割り当てられる。ここで、割り当てる飛行進路が他の飛行進路と干渉する「干渉空間」が存在してもよい。この「干渉空間」が存在する飛行進路においては、当該進路が予約されていない限り、当該飛行進路の飛行を禁止する。他の飛行進路を予約した他の移動体が当該干渉空間を通過し終えた場合、当該飛行進路の次の予約を許可する処理を行う。予約の割り当ては、定められた方法で割り当てる。

予約を割り当てる際には優先度をあらかじめ定めて割り当てを行うことができる。離発着計画部２３より送られてくる飛行優先度の情報も加味して割り当てを行う。例えば、先着順に割り当てたり、各移動体の待ち時間を最小化するように割り当てたりする等である。飛行進路が３以上重なる干渉空間が存在する場合においても、割り当てする優先度が高い順に予約をすることを可能とする。

また、優先順位から各移動体が対象の飛行進路を通過可能な予定時刻を算出してもよい。これにより、各移動体の予定待ち時間が算出され、スカイポートの到着予定時刻を知ることができるとともに、バッテリや燃料の減り具合を予測することもできる。

ここで、「飛行進路」の規定について説明する。飛行進路は、移動体の飛行に必要な飛行空間である。飛行進路の規定は、予め複数のスカイポートに対する飛行進路を固定的に規定する方法があげられる。この場合、干渉空間を許容することで、干渉を避けるための限られた飛行進路ではなく、干渉空間を含む多くの飛行進路の設定が可能である。また、この他、その時の移動体の数や周囲の環境等の状況に応じて演算を行い、最適な飛行進路を組み合わせて規定する方法もあげられる。この場合でも、干渉空間を許容することで、多様な飛行進路の設定が可能となる。また、飛行進路の大きさは、状況に応じて変更するようにしてもよい。例えば、風が強い場合は、位置がずれる可能性が大きいため飛行進路の大きさを大きくとるなど、気象条件に応じて変更することができる。

通信部１３は、移動体制御装置２０の通信部２４と無線等により通信を行う。これにより、地上監視装置１０と移動体制御装置との間の通信を行うことができる。

移動体制御装置２０は、各移動体の飛行を制御する装置である。各移動体に搭載することを基本とする。一方で、例えば地上に設置して遠隔操作する構成としてもよいし、１つの移動体に設置した移動体制御装置２０が周辺に存在する他の移動体を制御してもよい。移動体制御装置２０は安全性・稼働率確保のため、冗長構成（二重化）としてもよい。すなわち、監視・制御するためのコンピュータ等の装置を移動体制御装置２０内に２つに設ける、又は、同じ装置を他の移動体制御装置２０に設ける等してバックアップの体制を整える。

飛行制御部２１は、移動体の飛行を制御する。離発着計画部２３より受信した離発着指示に基づき、移動体の飛行速度、方向、タイミングを管理し、飛行制御に要するモータ等の駆動装置を駆動させる。

周辺監視部２２は、センサ等を用い、機体周辺の状況を監視する。飛行経路上に、障害物を検知した場合、進行停止や回避経路を飛行制御部２１へ指示してもよい。障害物は、例えば、ビルや鳥等があげられる。これらの障害物は、飛行位置監視部１１とは別に検知することで、より確実な障害物の検知を可能とする。ここでのセンサは、例えば、カメラ、ＩＲカメラ、ミリ波レーダ、超音波センサ等のセンサがあげられる。センサは各移動体に搭載することを基本とするが、例えば地上に設置した場合は、地上で監視した結果を移動体へ送信する構成としてもよいし、１つの移動体に設置したセンサが監視した結果を周辺の他移動体へ送信してもよい。

障害物の情報は、地上監視装置１０へ送られ、地上監視装置１０ではその情報に基づき飛行進路を変更または修正してもよい。飛行進路を変更は、到着するスカイポートを変更するなどルート自体を変更することが含まれる。飛行進路の修正は、飛行進路の一部の形状について障害物を避けるように修正することが含まれる。

離発着計画部２３は、移動体の飛行スケジュールに基づき、自身の飛行進路、飛行タイミング、使用するスカイポートを計画し、地上監視装置１０へ当該飛行進路の予約確保を要請する。飛行進路の決定は、離発着計画部２３からの要請に基づき地上監視装置１０が行う。離発着計画部２３は、地上監視装置１０より予約確保が可能との通知を受信したら、飛行制御部へ当該飛行進路の飛行を指示する。地上監視装置１０へ予約確保を要請する際は、当該移動体の飛行進路、飛行タイミング、使用するスカイポートの位置の情報を送信する。これらの情報に加え、飛行優先度、機体性能、気象条件等の情報を送信してもよい。

ここで、飛行優先度の例について説明する。まずは、単に移動体からの要請順に優先度を決める方法があげられる。次に、費用を払うなどして優先度を高くする権利を持っている移動体の優先度を高くする方法があげられる。次に、緊急車両に相当する移動体（例えば、警察車両、救急車、消防車等に相当する移動体）については、優先度を高くする方法があげられる。また、全体として、効率のよい移動体の飛行進路順に基づき飛行優先度を決める方法があげられる。さらに、移動体の残りの燃料やバッテリ残量を考慮して、これら残量が少ない移動体は優先度を高くする方向があげられる。これらの優先度は組み合わせて、移動体制御装置２０で最終的に規定することが可能である。

通信部２４は、地上監視装置１０の通信部１３と無線等により通信を行う。

図２は、本発明の移動体制御システムに適用可能な移動体が離発着する場合の例を示す図である。

移動体５１は、垂直離発着が可能な垂直離着陸機（ＶＴＯＬ）である。空を飛んでいる移動体５１がスカイポート５３へ着陸する場合、飛行経路５２を通って、スカイポート５３に着陸する。飛行経路５２は、水平か水平に近い方向での経路５２ａと、垂直な経路５２ｂが想定される。飛行経路５２は、移動体５１が移動するために必要な大きさが確保される。移動体５１は、スカイポート５３の上空まで経路５２ａを通って移動してから、垂直な経路５２ｂを通って、スカイポート５３へ着陸する。離陸の場合は、この逆の順番でであり、ある程度上空まで垂直に移動してから横方向へ移動する。この場合も、必要な飛行経路が確保される。

図３は、本発明の移動体制御システムにおいて複数の移動体が離発着する場合の例を示す図である。

図３では、模式的に２つの飛行進路のみを示している。第１の移動体６１は、第１の飛行経路６２を通過して第１のスカイポート６３に着陸しようとしている。第２の移動体７１は、第２の飛行経路７２を通過して第２のスカイポート７３に着陸しようとしている。このとき、第１の飛行経路６２と第２の飛行経路７２の間には干渉空間８０が存在するため、第１の移動体６１と第２の移動体７１を同時に移動させると衝突の危険性が生じる。

地上監視装置１０は、優先度の高い第１の移動体６１に対する第１の飛行経路６２の予約を最初に許可する。このとき、第２の移動体７１に対する第２の飛行経路７２の予約は干渉空間８０が存在するため許可されない。このため、この時点で第２の移動体７１は第２の飛行経路７２の干渉空間８０を通過することが禁止される。そして、第１の移動体６１が第１の飛行経路６２の干渉空間８０を通過したら、地上監視装置１０は、第２の移動体７１に対する第２の飛行経路７２の予約を許可する。すると、第２の移動体７１は、第２の飛行経路７２を通過して第２のスカイポート７３に着陸することができる。また、離陸の際も同様な制御が可能となる。

図４は、本発明の移動体制御システムの制御の例を示すフローチャートである。

まず、移動体制御装置２０は、飛行スケジュールに基づき自身の飛行進路、および飛行タイミングを計画する（Ｓ１０１）。これは、上述した離発着計画部２３で行う。

次に、移動体制御装置２０は、計画した離発着計画に基づき、地上監視装置１０へ飛行進路の予約確保を要請する。その際、離発着計画における飛行進路、飛行タイミング、使用するスカイポートの位置等を送信する（Ｓ１０２）。

次に、予約確保の要請等を含む情報を受信した地上監視装置１０は、移動体より受信した離発着計画情報および移動体の飛行位置に基づき移動体が離発着すべきスカイポートの位置および離発着時の飛行進路を割り当てる（Ｓ１０３）。この処理は、上述した飛行進路割当部１２で行う。

次に、地上監視装置１０は、割り当てをした飛行進路に「干渉空間」が存在するかを判定する（Ｓ１０４）。この干渉空間は、割り当てをした飛行進路に、すでに予約している他の移動体の飛行進路と干渉する空間が存在しているか否かで判定される。この処理は、上述した飛行進路割当部１２で行う。干渉空間が存在する場合はＳ１０５へ行き、干渉空間が存在しない場合はＳ１０６へ行く。

Ｓ１０５では、地上監視装置１０は、当該飛行進路の飛行を禁止する。移動体制御装置２０の離発着計画部２３は、この情報を受信したら当該飛行進路を通過する制御を行うことができない。

Ｓ１０６では、地上監視装置１０は、当該飛行進路の予約を許可する。この情報は、移動体制御装置２０へ送信される。

次に、移動体制御装置２０は、地上監視装置１０より予約確保が可能との通知を受信したら、飛行制御部２１へ当該飛行進路の飛行を指示する（Ｓ１０７）。この処理は、上述した離発着計画部２３で行う。

次に、移動体制御装置２０は、移動体が当該飛行進路を通過したらその情報を地上監視装置１０へ通知する（Ｓ１０８）。これは、移動体に設けられたセンサ等で検知できる。この処理は、上述した離発着計画部２３で行う。なお、飛行進路を完全に抜けていなくても、干渉空間を通過していればよいため、該当する干渉空間を通過することの通知としてもよい。

次に、移動体制御装置２０から情報を受信した地上監視装置１０は、当該飛行進路の予約を解除する（Ｓ１０９）。これにより、当該飛行進路と共有する干渉空間を有する次の飛行進路の予約が可能となる。

なお、Ｓ１０７、Ｓ１０８については、地上監視装置１０側で移動体の当該飛行進路の通過を検知できる場合は省略することができる。すなわち、地上監視装置１０側で、飛行進路（干渉空間）の通過を検知できたら、地上監視装置１０の判断で飛行進路の予約を解除してもよい。これ以外の方法として、地上監視装置１０側と移動体制御装置２０側の両方で、移動体の当該飛行進路の通過を検知した場合に、飛行進路の予約を解除するようにして、確実性を向上させてもよい。

（効果）
以上のように、互いに交差する干渉空間が存在する飛行経路を想定することで、近接したスカイポートへの高密度な離発着を可能とする。その際に、予約処理の制御を行うことで、移動体の安全性を確保した飛行が可能となる。また、地上監視装置１０と移動体制御装置２０の連携した処理により、複数の移動体に対する効率的かつ確実な監視と制御を可能とする。このとき、地上監視装置１０は、離発着を行う移動体の必要な範囲を監視して、適切な制御が可能となる。また、移動体制御装置２０からの予約確保を要請により適切なタイミングでの飛行進路の予約が可能となる。また、優先度を決定することにより、効率的な離発着を可能にするとともに、状況に応じた運用や計画的な運航も可能となる。

以上の様に、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、上述した以外の様々な変形例も含まれる。例えば、上記した実施形態に設けられた全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を削除したり、他の構成に置き換えたりすることも可能である。また、実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、上記実施形態では、割り当てられた飛行進路についての予約について説明したが、これ以外に、他の飛行進路を推奨する制御を行ってもよい。例えば、待ち時間が長くなる場合等、条件を地上監視装置１０から移動体制御装置２０へ送信して、他のスカイポートに着陸する飛行進路を推奨する等である。この際、移動体制御装置２０により自動で飛行進路を選択する、又は、操縦者が最適な飛行進路を選択する、などして飛行進路を決定できる。

１０…地上監視装置、１１…飛行位置監視部、１２…飛行進路割当部、１３…通信部、２０…移動体制御装置、２１…飛行制御部、２２…周辺監視部、２３…離発着計画部、２４…通信部、５１…移動体、５２…飛行経路、５２ａ、５２ｂ…経路、５３…スカイポート、６１…第１の移動体、６２…第１の飛行経路、６３…第１のスカイポート、７１…第２の移動体、７２…第２の飛行経路、７３…第２のスカイポート、８０…干渉空間

Claims

垂直離発着が可能な複数の移動体に対して離発着の監視及び制御を行う地上監視装置と、前記地上監視装置と通信が可能で各移動体に搭載される移動体制御装置とを備え、
前記移動体制御装置は、当該移動体制御装置が搭載される移動体の飛行を制御し、
前記地上監視装置は、前記移動体が離発着する際の飛行進路を割り当てるとともに、第１の移動体の第１の飛行進路と第２の移動体の第２の飛行進路との間に干渉空間が存在する場合、優先度の高い前記第１の移動体の前記第１の飛行進路の予約を最初に許可して前記第１の移動体の移動体制御装置に前記第１の飛行進路の予約確保の通知をし、このとき、優先度の低い前記第２の移動体の前記第２の飛行進路の予約は許可せずに、前記第１の移動体が前記第１の飛行進路の前記干渉空間を通過したら、前記第２の移動体に対して前記第２の飛行進路の予約を許可して前記第２の移動体の移動体制御装置に前記第２の飛行進路の予約確保の通知を行い、
前記第１の移動体が前記第１の飛行進路の前記干渉空間を通過したか否かは、前記第１の移動体の移動体制御装置が前記第１の移動体又は地上に設置したセンサを用いて前記干渉空間の通過を検知して前記地上監視装置へ通知することで、前記地上監視装置が前記第１の移動体の前記干渉空間の通過を判定することを特徴とする移動体制御システム。
請求項１に記載の移動体制御システムにおいて、
前記地上監視装置は、前記移動体制御装置からの飛行進路の予約確保の要請に基づき、当該飛行進路が予約可能か否かを判定することを特徴とする移動体制御システム。
請求項１に記載の移動体制御システムにおいて、
前記地上監視装置は、前記移動体が離発着を行うスカイポートが複数存在する領域の飛行進路の制御を行うことを特徴とする移動体制御システム。
請求項１に記載の移動体制御システムにおいて、
前記移動体制御装置は、センサを用いて前記移動体周辺の障害物を検知する機能を有することを特徴とする移動体制御システム。