KR102385014B1 - 분산형 비행 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

하나 이상의 입력들에 응답하여 항공기의 상태를 변경하기 위한 복수의 액추에이터들의 각각에 대한 명령들의 세트가 생성된다. 명령들의 세트는 복수의 액추에이터들을 포함한 모든 액추에이터들보다 적은 액추에이터들로 제공된다.

Description

분산형 비행 제어 시스템{DISTRIBUTED FLIGHT CONTROL SYSTEM}
본 발명은 분산형 비행 제어 시스템에 관한 것이다.
자동 비행 제어는 일부 항공기를 비행시키는 데 필수적이다. 자동 비행 제어 또는 자동 조종 프로그램의 안전은 대단히 중요하다. 자동 비행 제어 시스템은 고장들로부터 보호하기 위해 중복성의 형태를 요구할 수 있다. 자동 비행 제어 시스템들에서 중복성을 구축하는 것은 복잡하거나 값비쌀 수 있다.
미국특허 US 8,033,509호 및 미국특허출원공개공보 US 2007/0007385 호에서는 관련 종래기술을 기술하고 있다.
자동 비행 제어 시스템들에서 중복성을 구축하는 것은 복잡하거나 값비쌀 수 있는 등 종래 기술에 따른 문제점을 개선한다.
하나 이상의 입력들에 응답하여 항공기의 상태를 변경하기 위한 복수의 액추에이터들의 각각에 대한 명령들의 세트가 생성된다. 명령들의 세트는 복수의 액추에이터들을 포함한 모든 액추에이터들보다 적은 액추에이터들로 제공된다.
본 발명에 따른 각각의 프로세서는 모든 액추에이터들을 고려하며 모든 액추에이터들에 대한 지시들을 산출하지만 단지 하나의 액추에이터만을 제어한다. 프로세서는 단지 하나의 액추에이터에만 물리적으로 연결될 수 있다. 프로세서가 오작동하는 경우에, 항공기의 단지 하나의 액추에이터만이 영향을 받을 수 있다. 분산형 비행 제어 시스템은 구현하기에 단순하며 중복적인 자동 조종 하드웨어 셋-업을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들은 다음의 상세한 설명 및 수반하는 도면들에 개시된다.
도 1은 비-중복 비행 제어 시스템의 실시예를 예시한 다이어그램이다.
도 2는 3중 중복 비행 제어 시스템의 실시예를 예시한 다이어그램이다.
도 3a는 분산형 비행 제어 시스템을 이용하는 멀티콥터의 실시예를 예시한 다이어그램이다.
도 3b는 분산형 비행 제어 시스템을 이용하는 멀티콥터의 실시예를 예시한 다이어그램이다.
도 4는 분산형 비행 제어 시스템의 실시예를 예시한 다이어그램이다.
도 5는 분산형 비행 제어 시스템에서 연결의 실시예를 예시한 다이어그램이다.
도 6은 분산형 비행 제어 시스템의 실시예를 예시한 다이어그램이다.
도 7은 분산형 비행 제어 시스템의 모드-스위치 메커니즘의 실시예를 예시한 다이어그램이다.
도 8은 모드 스위치 판단 프로세스의 실시예를 예시한 흐름도이다.
도 9는 항공기에서 분산형 비행 제어 시스템의 실시예를 예시한 다이어그램이다.
도 10은 분산형 비행 제어 시스템 프로세스를 예시한 흐름도이다.
도 11은 분산형 비행 제어 시스템의 비행 컴퓨터의 실시예를 예시한 다이어그램이다.
도 12는 분산형 비행 제어 시스템 흐름의 실시예를 예시한 다이어그램이다.
본 발명은 프로세스; 장치; 시스템; 물질의 구성; 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체상에 구체화된 컴퓨터 프로그램 제품; 및/또는 프로세서, 예컨대 상기 프로세서에 결합된 메모리 상에 저장되며 및/또는 메모리에 의해 제공된 지시들을 실행하도록 구성된 프로세서를 포함하여, 다수의 방식들로 구현될 수 있다. 본 명세서에서, 이들 구현들, 또는 본 발명이 취할 수 있는 임의의 다른 형태는 기술들로서 불리울 수 있다. 일반적으로, 개시된 프로세스들의 단계들의 순서는 발명의 범위 내에서 변경될 수 있다. 달리 서술되지 않는다면, 태스크를 수행하도록 구성되는 것으로서 설명된 프로세서 또는 메모리와 같은 구성요소는 주어진 시간에 태스크를 수행하도록 일시적으로 구성되는 일반 구성요소 또는 태스크를 수행하기 위해 제조되는 특정 구성요소로서 구현될 수 있다. 여기에서 사용된 바와 같이, 용어('프로세서')는 컴퓨터 프로그램 지시들과 같은, 데이터를 프로세싱하도록 구성된 하나 이상의 디바이스들, 회로들, 및/또는 프로세싱 코어들을 나타낸다.
본 발명의 하나 이상의 실시예들에 대한 상세한 설명은 본 발명의 원리들을 예시하는 수반하는 도면들과 함께 이하에서 제공된다. 본 발명은 이러한 실시예들과 관련되어 설명되지만, 본 발명은 임의의 실시예에 제한되지 않는다. 본 발명의 범위는 청구항들에 의해서만 제한되며 본 발명은 다수의 대안들, 수정들 및 등가물들을 포함한다. 다수의 특정 세부사항들은 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 다음의 설명에서 제시된다. 이들 세부사항들은 예의 목적을 위해 제공되며 본 발명은 이들 특정 세부사항들 중 일부 또는 모두 없이 청구항들에 따라 실시될 수 있다. 명료함을 위해, 본 발명에 관련된 기술 분야들에서 알려진 기술 자료는 본 발명이 불필요하게 모호해지지 않도록 상세하게 설명되지 않았다.
분산형 비행 제어 시스템이 설명된다. 비행 제어 시스템은 하나 이상의 입력들에 응답하여 항공기의 상태를 변경하기 위해 복수의 액추에이터들의 각각에 대한 명령들의 세트를 생성하도록 구성된 프로세서를 포함한다. 입력들은 요구된 자세 또는 자세 변화의 레이트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 비행 제어 시스템은 센서들의 세트를 포함하며, 명령들의 세트는 센서 판독들에 응답하여 생성된다. 프로세서는 복수의 액추에이터들을 포함한 모든 액추에이터들보다 적은 액추에이터들로 명령들의 세트를 제공하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 항공기는 다수의 액추에이터들 중 0 또는 1개의 액추에이터들이 비활성인 경우에 항공기에서 비행을 가능하게 하도록 구성된 복수의 액추에이터들을 포함한다. 시스템은 복수의 프로세서들을 포함할 수 있다. 시스템은 동일한 수의 프로세서들 및 액추에이터들을 포함할 수 있다. 프로세서들 및 액추에이터들은 1 대 1 관계를 포함할 수 있으며 여기에서 각각의 액추에이터는 대응하는 프로세서로부터 지시들을 수신한다.
항공기는 어느 정도의 자동화를 갖고 제어될 수 있다. 분산형 비행 제어 시스템은 하나 이상의 비행 컴퓨터들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 비행 컴퓨터들 중 한 비행 컴퓨터는 자동-조종(auto-pilot) 소프트웨어를 실행할 수 있다. 비행 컴퓨터는 프로세서 및 센서들의 세트를 포함할 수 있다. 분산형 비행 제어 시스템은 안전 이유들로 중복성의 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 시스템은 고장의 임의의 단일 고장점들에 대해 자유롭도록 요구될 수 있다. 분산형 비행 제어 시스템은 과-작동된 항공기(over-actuated aircraft)에서 이용될 수 있으며, 여기에서 중복성은 물리적으로 항공기에 내장된다. 예를 들면, 항공기는 제어 가능한 비행을 위해 그것이 요구하는 것보다 많은 액추에이터들을 포함할 수 있다. 분산형 비행 제어 시스템은 과-작동된 항공기의 이점을 취할 수 있다. 항공기의 물리적 중복성은 비행 제어 시스템 중복성을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 각각의 액추에이터는 별개의 프로세서에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 프로세서는 모든 액추에이터들을 고려하며 모든 액추에이터들에 대한 지시들을 산출하지만 단지 하나의 액추에이터만을 제어한다. 프로세서는 단지 하나의 액추에이터에만 물리적으로 연결될 수 있다. 프로세서가 오작동하는 경우에(in the event a processor malfunctions), 항공기의 단지 하나의 액추에이터만이 영향을 받을 수 있다. 분산형 비행 제어 시스템은 구현하기에 단순하며 중복적인 자동 조종 하드웨어 셋-업(redundant autopilot hardware set-up)을 포함할 수 있다.
도 1은 비-중복(non-redundant) 비행 제어 시스템의 실시예를 예시한 다이어그램이다. 묘사된 비행 컴퓨터 및 액추에이터들은 동일한 항공기 상에 배치될 수 있다. 도시된 예에서, 입력들은 비행 컴퓨터(100)로 제공된다. 입력들은 항공기 상에서의 계기들로부터 수집된 정보를 포함할 수 있다. 입력들은 제어들을 통해 또는 인터페이스를 통해 조종사에 의해 전달된 신호들을 포함할 수 있다. 비행 컴퓨터(100)는 입력들을 프로세싱하며 입력들에 기초하여 요구된 비행 궤적 상에서 항공기를 가동시킬 항공기의 액추에이터들을 위한 지시들을 결정할 수 있다. 비행 컴퓨터(100)는 지시들을 액추에이터_1(102), 액추에이터_2(104), 액추에이터_3(106), 및 액추에이터_4(108)로 제공할 수 있다. 액추에이터들은 항공기의 궤적에 영향을 주는 항공기의 물리적 구성요소를 포함할 수 있다. 액추에이터는 모터, 플랩(flap), 푸시로드(pushrod), 제어 표면, 메커니즘, 물질계(physical world)와 상호 작용하는 구성요소, 또는 임의의 적절한 오브젝트를 포함할 수 있다.
비행 컴퓨터(100)는 액추에이터들 모두에 대한 지시들을 생성할 수 있다. 액추에이터들은 요구된 비행을 달성하기 위해 조정될 수 있다. 예를 들면, 항공기의 좌측 상에서의 회전자 및 항공기의 우측 상에서의 회전자는 항공기의 회전을 방지하기 위해 반대 방향들로 회전하도록 지시받을 수 있다. 비-중복 비행 제어 시스템은 구축하기에 단순하지만, 안전 우려를 제기할 수 있다. 비행 컴퓨터(100)가 오작동하는 경우에, 어떤 백-업 시스템도 나타나지 않는다. 비행 컴퓨터(100)에서의 단일 에러가 항공기의 충돌을 일으킬 수도 있다.
도 2는 3중 중복 비행 제어 시스템의 실시예를 예시한 다이어그램이다. 3중 중복 비행 제어 시스템은 중복성을 제공하기 위해 3개의 비행 컴퓨터들을 사용한다. 도시된 예에서, 입력들은 비행 컴퓨터_1(200), 비행 컴퓨터_2(202), 및 비행 컴퓨터_3(204)으로 제공된다. 비행 컴퓨터들은 판단 유닛(206)으로 정보를 제공한다. 비행 컴퓨터들 각각은 항공기의 모든 액추에이터들에 대한 지시들을 개별적으로 결정할 수 있다. 판단 유닛(206)은 어떤 지시들을 상기 액추에이터들에게 제공할지를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 판단 유닛(206)은 투표 기법(voting scheme)을 사용할 수 있다. 예를 들면, 비행 컴퓨터_1(200) 및 비행 컴퓨터_2(202)가 액추에이터_1(208)에 대한 동일한 지시를 생성하였지만 비행 컴퓨터_3(204)는 생성하지 않은 경우에, 판단 유닛(206)은 대다수의 비행 컴퓨터들이 동의한 지시를 전달할 수 있다. 도시된 예에서, 판단 유닛(206)은 액추에이터_1(208), 액추에이터_2(210), 액추에이터_3(212), 및 액추에이터_4(214)로 지시들을 제공한다.
3중 중복 비행 제어 시스템은 항공기의 자동 조종 시 중복성을 제공하며 단일 고장점들을 제거할 수 있다. 그러나, 상기 시스템은 구현하기에 복잡하거나 값비쌀 수 있다. 판단 유닛(206)은 복잡한 하드웨어 또는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 판단 유닛(206)은 그 하드웨어 또는 소프트웨어에서 중복 요소들을 요구할 수도 있다. 상기 시스템의 하드웨어 또는 소프트웨어는 처음부터 끝까지 요구된 중복성을 갖고 설계되도록 요구될 수 있다.
일부 항공기에 대해, 비-중복 또는 3중 중복 비행 제어 시스템은 비용, 복잡도, 또는 안전 우려들로 인해 실현 가능하지 않다. 일부 항공기는 이들 특성들에 기초하여 비행 제어 시스템에 맞는 특정 특성들을 보일 수 있다. 분산형 비행 제어 시스템은 물리적으로 중복성 항공기를 효율적으로 이용할 수 있다.
도 3a는 분산형 비행 제어 시스템을 이용하는 멀티콥터의 실시예를 예시한 다이어그램이다. 일부 실시예들에서, 멀티콥터는 본질적으로 불안정하다. 멀티콥터는 멀티콥터가 플리핑(flipping)하는 것을 방지하기 위해 능동 제어 또는 자동 조종을 요구할 수 있다. 멀티콥터는 단지 기계적인 조종사 제어들과는 대조적인, 그 제어 시스템에서의 전자 장치들을 요구할 수 있다. 분산형 비행 제어 시스템은 조종사가 멀티콥터를 수동으로 조종하도록 허용하기 위해 요구된 자동 조종 기능의 최소 레벨을 제공할 수 있다. 시스템은 자세 제어(attitude control) 또는 자세 레이트 제어(attitude rate control)를 포함한, 멀티콥터에 대해 요구된 자동 조종 기능의 기본 레벨을 제공할 수 있다. 최소량의 입력들이 제공되어, 분산형 비행 제어 시스템은 항공기가 제어되지 않은 롤링(rolling), 피칭(pitching), 또는 요잉 토크들(yawing torques)을 생성하는 것을 방지할 수 있다. 분산형 비행 제어 시스템은 멀티콥터를 안정되게 유지하기 위해 적절한 몸체 토크들(proper body torques)을 생성할 수 있다. 시스템은 모든 액추에이터들이 동일한(예로서, 모터들) 멀티콥터와 같은 항공기에서 용이하고 세련되게 이용될 수 있다.
도시된 항공기는, 동체의 양 측면 상에 5개의 회전자들을 가진 동체(300)를 포함한다. 회전자들(302, 306, 310) 및 회전자들(312, 316, 및 320)은 각각 동체의 좌측 및 우측 측면들 상에서 동체(300)에 인접하여 배치된다. 회전자들(304 및 308)은 회전자들(302, 306, 및 310)에 인접하여 배치된다. 회전자들(314 및 318)은 회전자들(312, 316, 및 320)에 인접하여 배치된다. 외부 회전자들(304, 308, 314, 및 318)은 두 개의 내부 회전자들, 예로서 동체에 인접한 회전자들 사이에 배치될 수 있다. 회전자 구성은 멀티콥터가 넓은 날개 길이를 갖도록 허용할 수 있다.
멀티콥터의 액추에이터들은 회전자들을 포함할 수 있다. 멀티콥터는 과-작동될 수 있다. 항공기의 요구된 비행을 유지하기 위해 엄격하게 요구되는 것보다 많은 회전자들이 존재할 수 있다. 예를 들면, 멀티콥터는 10개의 회전자들 중 하나가 비활성인 경우에 수용 가능한 비행 성능을 달성할 수 있다. 항공기는, 하나의 회전자가 활성이지만 요구된 대로 동작하지 않는 경우에, 항공기가 여전히 요구된 비행을 유지할 수 있도록 물리적으로 중복성일 수 있다. 예를 들면, 항공기는 하나의 회전자가 요구되지 않는 방향으로 또는 요구되지 않는 속도로 회전하고 있는 경우에 뒤집어지지 않을 것이다(will not flip over). 물리적으로 중복성인 항공기는 분산형 비행 제어 시스템에 적절할 수 있다.
일부 실시예들에서, 하나의 회전자가 고장난 경우에, 항공기는 고장을 검출하며 토크의 균형을 유지하기 위해 반대 회전자를 턴 오프할 수 있다. 일부 실시예들에서, 회전자들은 통신하지 않는다. 일부 실시예들에서, 비행 컴퓨터들의 출력에서의 교차 결합은 일어나지 않는다. 분산형 비행 제어 시스템의 비행 컴퓨터들에서 피드백 제어 알고리즘들은 회전자 고장을 해결할 수 있다. 비행 컴퓨터들은 운송 수단의 위치 또는 전체 자세를 검출할 수 있다. 이들은 요구된 자세를 달성하기 위해 적절한 모터 속도들을 결정할 수 있다. 모터가 오작동하며 요구된 위치가 달성되지 않는 경우에, 시스템은 정확한 상태가 달성될 때까지 계속해서 속도 또는 추력(thrust)을 조정할 수 있다.
도 3a의 멀티콥터는 작은 형태-인자를 갖도록 설계될 수 있다. 멀티콥터는 낮은 고도 및 낮은 속도들로 비행될 수 있다. 멀티콥터는 저-비용이도록 설계될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분산형 비행 제어 시스템은 저-비용 부품들을 갖고 만들어진 단순한 솔루션이다. 시스템은 저-비용 항공기를 위해 설계될 수 있다.
일부 실시예들에서, 분산형 비행 제어 시스템은 무인 항공기에서 사용된다. 예를 들면, 도시된 멀티콥터는 완전히 자율적일 수 있다. 일부 실시예들에서, 분산형 비행 제어 시스템은 유인 항공기에서 사용된다.
도 3b는 분산형 비행 제어 시스템을 이용하는 멀티콥터의 실시예를 예시한 다이어그램이다. 도시된 예에서, 멀티콥터는 동체(350) 및 회전자들(352, 354, 356, 358, 360, 362, 364, 및 366)을 포함한다. 8개의 회전자들은 동체(350) 주위에 배열된다. 회전자들은 붐들(booms) 또는 빔들(beams)을 통해 부착될 수 있다. 분산형 비행 제어 시스템은 표준 멀티콥터에서 사용될 수 있다. 분산형 비행 제어 시스템은 표준 항공기에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 시스템은 두 개의 날개들을 포함하는 항공기에서 사용될 수 있다.
도 4는 분산형 비행 제어 시스템의 실시예를 예시한 다이어그램이다. 도시된 예에서, 입력들은 비행 컴퓨터_1(400), 비행 컴퓨터_2(404), 비행 컴퓨터_3(408), 및 비행 컴퓨터_4(412)로 제공된다. 입력들은 요구된 자세들 또는 요구된 자세 레이트들을 포함할 수 있다. 입력들은 조종사 제어들로부터 또는 상위 레벨 비행 컴퓨터로부터 얻을 수 있다.
비행 컴퓨터_1(400)은 입력들을 액추에이터_1(402)로 제공한다. 비행 컴퓨터_2(404)는 입력들을 액추에이터_2(406)로 제공한다. 비행 컴퓨터_3(408)은 입력들을 액추에이터_3(410)로 제공한다. 비행 컴퓨터_4(412)는 입력들을 액추에이터_4(414)로 제공한다. 일부 실시예들에서, 비행 컴퓨터는 항공기의 각각의 액추에이터에 대해 존재한다. 각각의 비행 컴퓨터는 다른 비행 컴퓨터들을 알지 못할 수 있다. 각각의 비행 컴퓨터는 그것이 시스템에 존재하는 유일한 비행 컴퓨터인 것처럼 동작할 수 있다. 비행 컴퓨터들은 서로 분리될 수 있으며, 그것들 간에 어떤 통신도 없다. 시스템의 모든 비행 컴퓨터들이 동일할 수 있다. 그것들은 동일한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함할 수 있다. 비행 컴퓨터들은 프로세서, 센서들의 세트, 및 컴퓨터 알고리즘들을 포함할 수 있다. 센서들의 세트는 레이트 자이로, 가속도계, 또는 자력계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 비행 컴퓨터는 여러 개의 집적 회로들을 포함한 보드이다. 예를 들면, 하나의 집적 회로는 마이크로프로세서로서 기능할 수 있는 반면, 또 다른 것은 가속도계로서 기능한다. 각각의 비행 컴퓨터는 항공기의 모든 액추에이터들에 대한 지시들을 결정할 수 있다. 비행 컴퓨터는 그것의 입력들(예로서, 요구된 자세 또는 요구된 자세 레이트) 및 수집된 센서 데이터에 기초하여 지시들을 결정할 수 있다. 비행 컴퓨터는 항공기를 균형 있게 유지하면서 요구된 자세 또는 자세 레이트를 달성하기 위해 액추에이터들에 대한 지시들을 결정할 수 있다. 예를 들면, 멀티콥터는 본질적으로 불안정하며 비행 컴퓨터가 착수하는 토크 제어 루프를 요구할 수 있다. 각각의 비행 컴퓨터는 피드백 제어 루프를 실행할 수 있다.
일부 실시예들에서, 각각의 비행 컴퓨터는 단지 하나의 액추에이터에만 물리적으로 연결된다. 비행 컴퓨터에 대응하는 액추에이터는 단지 상기 액추에이터에 적용한 지시만을 수신할 수 있다. 일부 실시예들에서, 항공기의 액추에이터는 다른 액추에이터들로부터 분리된다. 액추에이터들은 통신하지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 비행 컴퓨터는 그가 물리적으로 연결되는 액추에이터로 모든 액추에이터들에 대한 지시들을 제공한다. 액추에이터는 액추에이터의 위치에 기초하여 정확한 지시를 이용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 분산형 비행 제어 시스템은 구축하거나 또는 프로그램하기에 단순한 비행 컴퓨터들의 사용을 가능하게 한다. 컴퓨터들은 저 비용 프로세서들을 포함할 수 있다. 분산형 비행 제어 시스템의 배선은 분리된 비행 컴퓨터들로 인해 단순할 수 있다. 에러가 단일 비행 컴퓨터에서 발생하는 경우에, 단지 그것의 단일 대응 액추에이터만이 영향을 받을 수 있다. 물리적으로 중복성인 항공기로 인해, 항공기의 비행 궤적은 한 액추에이터가 오작동하는 경우에도 요구된 대로 진행될 수 있다. 각각의 액추에이터에 대해 별개의 비행 컴퓨터를 사용하는 것은 비행 컴퓨터에서의 고장이 액추에이터 수준으로 여과되게 하여 해결될 수 있다. 비행 컴퓨터 또는 속도 제어기에서 발생한 에러는 항공기의 단일 대응 액추에이터에서 요구되지 않는 거동을 야기할 수 있다. 과-작동된 항공기에서, 액추에이터의 요구되지 않는 거동은 항공기의 비행 궤적에서 의미있는 영향을 주지 않는다.
도 5는 분산형 비행 제어 시스템에서 연결의 실시예를 예시한 다이어그램이다. 일부 실시예들에서, 비행 제어 시스템에서 사용된 배선 또는 배선 하네스(wiring harness)는 비행 컴퓨터로 하여금 항공기에서 이용 가능한 액추에이터들의 서브세트로 지시들을 제공하게 한다. 도시된 예에서, 4개의 액추에이터들이 존재한다. 분산형 비행 제어 시스템은 4개의 액추에이터들을 갖고 항공기 상에 배치될 수 있다. 도시된 예에서, 비행 컴퓨터_1(500), 비행 컴퓨터_2(504), 비행 컴퓨터_3(508), 및 비행 컴퓨터_4(512)는 각각 4개의 출력들을 생성한다. 출력들은 항공기에서 각각의 액추에이터에 대한 지시들일 수 있다. 각각의 비행 컴퓨터는 모든 액추에이터들에 대한 지시들을 결정할 수 있으며, 여기에서 각각의 액추에이터의 지시들은 상이한 와이어 상에서 제공된다. 각각의 비행 컴퓨터는 액추에이터들에 연결되지 않은 하나 이상의 와이어들을 가질 수 있으며 출력들은 사용되지 않는다. 예를 들면, 각각의 비행 컴퓨터는 액추에이터에 연결되는 하나의 액추에이터 지시 출력 와이어를 갖지만 비행 컴퓨터로부터의 모든 다른 액추에이터 지시 출력 와이어들은 어떠한 액추에이터에도 연결되지 않는다. 도시된 바와 같이, 비행 컴퓨터_1(500)은 액추에이터_1(502)에 물리적으로 연결되며 다른 액추에이터들에는 연결되지 않는다. 비행 컴퓨터_2(504)는 액추에이터_2(506)에 물리적으로 연결되며 다른 액추에이터들에는 연결되지 않는다. 비행 컴퓨터_3(508)은 액추에이터_3(510)에 물리적으로 연결되며 다른 액추에이터들에는 연결되지 않는다. 비행 컴퓨터_4(512)는 액추에이터_4(514)에 물리적으로 연결되며 다른 액추에이터들에는 연결되지 않는다.
도 6은 분산형 비행 제어 시스템의 실시예를 예시한 다이어그램이다. 일부 실시예들에서, 분산형 비행 제어 시스템은 다수의 레벨들의 비행 컴퓨터들을 갖는다. 상위 레벨 비행 컴퓨터들은 복잡한 지시들을 단순한 명령들의 세트로 감소시킬 수 있으며, 그 후 하위 레벨 비행 컴퓨터들로 제공된다. 상위 레벨 비행 컴퓨터는 항공기의 위치 및 속도를 제어할 수 있지만 하위 레벨 비행 컴퓨터들은 항공기의 자세를 제어한다. 액추에이터들은 하위 레벨 비행 컴퓨터들로부터 지시를 수신할 수 있다. 도시된 예에서, 입력들은 상위 레벨 비행 컴퓨터(600)로 제공된다.
입력들은 사용자 인터페이스로부터의 입력을 포함할 수 있다. 예를 들면, 조종사는 위도 및 경도를 입력할 수 있다. 입력들은 열악한 날씨를 가진 위치들을 피하고, 낮은 인구 밀도의 면적들에 걸쳐 비행하거나, 또는 가장 짧은 경로를 취하기 위한 조항과 같은, 조건들을 포함할 수 있다. 입력들은 복잡한 비행 궤적을 실행하기 위한 지시를 포함할 수 있다. 상위 레벨 비행 컴퓨터는 입력들에 기초하여 항공기에 대한 적절한 속도 또는 위치를 결정할 수 있다. 상위 레벨 비행 컴퓨터는 요구 속도 또는 위치를 달성하도록 자동으로 내비게이션하거나 또는 항공기를 제어할 수 있다. 상위 레벨 비행 컴퓨터는 입력들에 기초하여 요구된 자세 또는 요구되는 자세 변화의 레이트를 결정하며 요구된 자세 또는 요구되는 자세 변화의 레이트를 하위 레벨 비행 컴퓨터들로 제공할 수 있다. 상위 레벨 비행 컴퓨터(600)는 하위 리벨 비행 컴퓨터_1(602), 하위 레벨 비행 컴퓨터_2(604), 하위 레벨 비행 컴퓨터_3(608), 및 하위 레벨 비행 컴퓨터_4(610)로 주어진 지시들을 결정한다.
하위 레벨 비행 컴퓨터_1(602)은 도시된 바와 같이 액추에이터_1(612)로 입력들을 제공한다. 하위 레벨 비행 컴퓨터_2(604)는 액추에이터_2(614)로 입력들을 제공한다. 하위 레벨 비행 컴퓨터_3(608)은 액추에이터_3(616)으로 입력들을 제공한다. 하위 레벨 비행 컴퓨터_4(610)는 액추에이터_4(618)로 입력들을 제공한다. 하위 레벨 비행 컴퓨터들은 회전자에 대한 속도, 플랩의 경사각, 사용된 추력의 양, 또는 임의의 다른 적절한 인자를 결정할 수 있다. 하위 레벨 비행 컴퓨터들은 완전 피드백 제어를 수행할 수 있다. 예를 들면, 하위 레벨 비행 컴퓨터는 항공기의 실제 자세 또는 자세 레이트를 결정하며 항공기의 요구된 자세 또는 자세 레이트에 비교할 수 있다. 하위 레벨 비행 컴퓨터는 그 후 존재한다면, 두 개의 값들 사이에서의 차이를 낮추기 위한 지시들을 결정할 수 있다. 항공기는 2, 10, 22, 또는 임의의 적절한 수의 액추에이터들을 포함할 수 있다. 항공기는 동일한 수의 하위 레벨 비행 컴퓨터들을 포함할 수 있다.
도 7은 분산형 비행 제어 시스템의 모드-스위치 메커니즘의 실시예를 예시한 다이어그램이다. 일부 실시예들에서, 하위 레벨 비행 컴퓨터들은 상위 레벨 비행 컴퓨터에 의해 제어되거나 또는 수동으로, 예로서 조종사에 의해 제어될 옵션을 갖는다. 하위 레벨 비행 컴퓨터들은 비행의 베이스 레벨을 유지하기 위해 끊임없이 액추에이터 동작들을 산출할 수 있다. 그것들은 항공기의 비행 궤적을 지시하는 상위 레벨 비행 컴퓨터 또는 조종사에 의해 주어진 지시들을 추가로 고려할 수 있다. 비행 컴퓨터들 각각은 상위 레벨 비행 컴퓨터를 따르는 것으로부터 수동 제어를 따르는 것으로 스위칭할 때를 결정하기 위해 독립 코드 또는 하드웨어를 포함할 수 있다. 제어는 오작동이 상위 레벨 비행 컴퓨터에서 검출되거나 또는 불규칙성이 검출되는 경우에 수동 모드로 전환하도록 요구될 수 있다. 일부 실시예들에서, 항공기의 실제 상태는 추적되며 항공기의 요구 상태에 비교된다. 실제 상태가 요구 상태를 적절하게 따르지 않는 경우에, 시스템은 오작동이 검출됨을 시그널링할 수 있다. 조종사의 제어들은 모드를 선택하기 위해 스위치, 버튼, 애플리케이션, 또는 다른 메커니즘을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템의 하위 레벨 비행 컴퓨터들은 동일하다. 그러나, 각각의 하위 레벨 비행 컴퓨터는 그 자신의 센서들의 세트를 포함할 수 있다. 컴퓨터는 모드 스위치가 요구되는지를 결정하기 위해 센서 데이터를 사용할 수 있다. 상이한 하위 레벨 비행 컴퓨터들은 상이한 스펙들의 센서들을 포함할 수 있다. 하위 레벨 비행 컴퓨터들은 항공기 상의 다양한 장소들(varying places)에 배치될 수 있어, 센서 데이터가 달라지게 한다. 비행 컴퓨터들을 연계하지 않고서, 이들은 상이한 시간들에서 모드들을 스위칭하도록 결정할 수 있다.
하나의 하위 레벨 비행 컴퓨터가 상위 레벨 컴퓨터를 따르는(listen) 것으로부터 조종사 라인을 따르는 것으로 스위칭하는 경우에, 모든 비행 컴퓨터들은 동시에 스위칭될 수 있다. 모든 비행 컴퓨터들에 대해 동일한 모드를 유지하는 것은 항공기의 액추에이터들이 효과적으로 항공기를 조종하도록 허용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분산형 비행 제어 시스템의 비행 컴퓨터들은 통신 상태에 있다. 비행 컴퓨터들 및 조종사 라인은 스위칭을 조정하기 위해 버스 또는 통신 네트워크를 통해 통신할 수 있다. 비행 컴퓨터들 및 조종사 라인은 논리 게이트들을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 도시된 예에서, 비행 컴퓨터_1, 비행 컴퓨터_2, 비행 컴퓨터_3, 비행 컴퓨터_4, 및 조종사는 OR 게이트로의 입력들이다. 일부 실시예들에서, 비행 컴퓨터들 및 조종사는 일련의 OR 게이트들로의 입력들이며 여기에서 각각의 OR 게이트는 두 개의 입력들을 가진다. 일부 실시예들에서, 통신 라인은 항공기가 하나의 모드에 있을 때 "로우"로 나타나거나 또는 미리 결정된 전압 임계치 아래에 있는다. 비행 컴퓨터 또는 조종사가 모드들을 스위칭하는 경우에, 비행 컴퓨터 또는 조종사의 신호는 "하이"로 가거나 또는 미리 결정된 전압 임계치보다 위에 있을 수 있다. 신호들 중 하나를 하이로 풀링하는 것은 전체 통신 라인이 하이로 풀링되게 하여, 모든 비행 컴퓨터들 및 조종사에 대한 모드를 변경할 수 있다.
도 8은 모드 스위치 판단 프로세스의 실시예를 예시한 흐름도이다. 800에서, 비행 컴퓨터가 모드들을 스위칭하였는지가 결정된다. 프로세스는 시스템의 하위 레벨 비행 컴퓨터들 중 임의의 비행 컴퓨터가 모드들을 스위칭하였는지를 알기 위해 검사할 수 있다. 어떤 비행 컴퓨터들도 모드들을 스위칭하지 않은 경우에, 프로세스는 800을 반복한다. 일부 실시예들에서, 프로세스는 800을 반복하기 전에 미리 결정된 시간 기간 동안 잠시 멈춘다. 비행 컴퓨터가 모드들을 스위칭한 경우에, 802에서 모든 비행 컴퓨터들의 모드들은 스위칭된다.
일부 실시예들에서, 800에서 비행 컴퓨터가 모드들을 스위칭하였는지 또는 모드들을 스위칭하기 위한 표시가 수신되었는지가 결정된다. 모드들을 스위칭하기 위한 표시는 조종사 또는 상위 레벨 비행 컴퓨터에 의해 수신될 수 있다. 예를 들면, 상위 레벨 비행 컴퓨터는 상위 레벨 비행 컴퓨터가 절충된(compromised) 것을 상위 레벨 비행 컴퓨터가 검출하는 경우에 자동으로부터 수동으로 하위 레벨 비행 컴퓨터들을 자동으로 스위칭할 수 있다. 모드는 어떤 신호들도 일정 기간 동안 조종사의 항공기 제어들로부터 수신되지 않은 경우에 수동으로부터 상위 레벨 비행 컴퓨터 모드로 자동으로 스위칭될 수 있다.
도 9는 항공기에서 분산형 비행 제어 시스템의 실시예를 예시한 다이어그램이다. 일부 실시예들에서, 시스템은 두 개의 붐들 및 동체를 포함하는 항공기에 의해 이용될 수 있다. 시스템은 두 개의 붐들 상에 설치되는 회전자들을 절충한(compromising) 멀티콥터 상에서 사용될 수 있다. 도 3의 멀티콥터는 두 개의 붐들 또는 폰툰들 위에 배치될 수 있다. 붐들은 팽창 가능하거나 또는 경량이며 항공기가 물에 착륙할 수 있게 할 수 있다. 조종사는 동체에 위치될 수 있다.
도시된 예에서, 분산형 비행 제어 시스템의 주요 요소들은 동체(975)에 저장된다. 마스터보드(974)는 동체(975) 상에 위치된다. 마스터보드(974)는 뒤판으로서의 역할을 할 수 있다. 시스템의 하위 레벨 비행 컴퓨터들은 공유 회로 보드 상에 배치될 수 있다. 하위 레벨 비행 컴퓨터들은 마스터보드에 연결될 수 있다. 도시된 예에서, 하위 레벨 비행 컴퓨터들(950, 954, 958, 962, 966, 952, 956, 960, 964, 및 968)은 마스터보드(974) 상에 설치된다. 하위 레벨 비행 컴퓨터들은 서로로부터 전기적으로 분리될 수 있다. 이들은 별개의 전원들에 연결될 수 있다. 하위 레벨 비행 컴퓨터들은 센서들의 세트를 가진 마이크로제어기들일 수 있다. 센서들은 자력계, 레이트 자이로, 또는 가속도계와 같은, 통상적인 스마트폰 센서들을 포함할 수 있다. 하위 레벨 비행 컴퓨터들은 그들의 센서들로부터 정확한 데이터를 수집하기 위해 동체에서 항공기의 중심에 설치될 수 있다. 상위 레벨 비행 컴퓨터(970)는 또한 마스터보드(974) 상에 설치된다. 전역적 위치 결정 시스템(971), 레이더(972), 및 카메라(973)가 또한 마스터보드(974) 상에 설치되며 데이터를 상위 레벨 비행 컴퓨터(970)로 제공한다. 카메라(973)는 스테레오 카메라 또는 적외선 카메라를 포함할 수 있다. 라이다(lidar) 또는 소나(sonar)와 같은 다른 센서들이 또한 데이터를 마스터보드에 제공할 수 있다.
도시된 예에서, 디스플레이(942)가 동체 상에 존재한다. 디스플레이는 항공기의 조종사에게 비행 정보를 제공할 수 있다. 디스플레이는 조종사가, 예를 들면, 터치 스크린을 통해 항공기를 제어할 수 있게 할 것이다. 모드 스위치(944), 조종사 제어들(946), 및 킬 스위치(948)가 또한 동체 상에 존재한다. 모드 스위치(944)는 조종사가 수동 모드와 상위 레벨 비행 컴퓨터 자동 모드 사이에서 스위칭할 수 있게 하는 버튼, 스위치, 또는 다른 제어를 포함할 수 있다. 킬 스위치(948)는 조종사가, 회전자들 모두와 같은, 항공기의 모든 액추에이터들로 전력을 불능시키도록 허용할 수 있다. 조종사 제어들(946)은 항공기의 위치를 조정하기 위해 조종사가 조작하는 하나 이상의 물리적 오브젝트들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 조이스틱, 조향 휠, 페달, 레버, 또는 임의의 다른 적절한 제어가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 부트 버튼이 존재할 수 있다. 부트 버튼은 시스템의 전원을 켜기 위해 사용될 수 있다. 파워 업 및 파워 다운 메커니즘들은 부정확한 동작을 트리거하는 기회들을 감소시키기 위해 물리적으로 별개일 수 있다.
도시된 예에서, 상위 레벨 비행 컴퓨터(970)는 조종사 제어들 및 센서들로부터 입력들을 수신한다. 상위 레벨 비행 컴퓨터는 조종사 제어들 및 센서 정보에 기초하여 지시들을 하위 비행 컴퓨터로 제공할 수 있다. 예를 들면, 조종사가 그것이 자동 모드에 있는 동안 항공기의 방향을 갑작스럽게 변경하는 경우에, 상위 레벨 비행 컴퓨터는 조종사 제어 입력이 항공기의 이전 경로를 오버라이드(override)하도록 즉시 허용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 하위 레벨 비행 컴퓨터는 회전자에 연결된다. 하위 레벨 비행 컴퓨터는 또한 회전자에 동력을 공급하는 배터리에 의해 작동될 수 있다. 배터리는 다른 회전자들 또는 비행 컴퓨터들로부터 분리될 수 있다. 도시된 예에서, 하위 비행 컴퓨터(952)는 전자 속도 제어기(978)로 입력들을 제공한다. 전자 속도 제어기(978)는 회전자(979)에 연결된다. 전자 속도 제어기는 회전자가 얼마나 빠르게 도는지를 결정할 수 있다. 전자 속도 제어기(978)는 배터리(977)를 관리하는 배터리 관리 시스템(976)과 통신할 수 있다. 제어기 및 배터리 관리 시스템은 아날로그 연결을 공유할 수 있다. 회전자 속도를 증가시키는 것은 보다 많은 배터리 전력을 사용하는 것을 포함할 수 있다.
도시된 예에서, 하위 비행 컴퓨터들(952, 956, 960, 964, 및 968)은 우측 붐(998) 상에 배치된 5개의 회전자들을 제어한다. 하위 비행 컴퓨터(956)는 회전자(983)를 제어하는 전자 속도 제어기(982)를 제어한다. 배터리(981)는 배터리 관리 시스템(980)에 의해 관리된다. 배터리(981)는 회전자(983) 및 하위 비행 컴퓨터(956)를 작동시킨다. 하위 비행 컴퓨터(960)는 전자 속도 제어기(986), 회전자(988), 배터리 관리 시스템(984), 및 배터리(985)에 대응한다. 하위 비행 컴퓨터(964)는 전자 속도 제어기(992), 회전자(993), 배터리 관리 시스템(990), 및 배터리(991)에 대응한다. 하위 비행 컴퓨터(968)는 전자 속도 제어기(996), 회전자(997), 배터리 관리 시스템(994), 및 배터리(995)에 대응한다.
도시된 예에서, 하위 비행 컴퓨터들(950, 954, 958, 962, 및 966)은 좌측 붐(940) 상에 배치된 5개의 회전자들을 제어한다. 하위 비행 컴퓨터(950)는 회전자(904)를 제어하는, 전자 속도 제어기(906)를 제어한다. 배터리(900)는 배터리 관리 시스템(902)에 의해 관리된다. 배터리(900)는 회전자(904) 및 하위 비행 컴퓨터(950)를 작동시킨다. 하위 비행 컴퓨터(954)는 전자 속도 제어기(914), 회전자(912), 배터리 관리 시스템(910), 및 배터리(908)에 대응한다. 하위 비행 컴퓨터(958)는 전자 속도 제어기(922), 회전자(920), 배터리 관리 시스템(918), 및 배터리(916)에 대응한다. 하위 비행 컴퓨터(966)는 전자 속도 제어기(930), 회전자(928), 배터리 관리 시스템(926), 및 배터리(924)에 대응한다. 하위 비행 컴퓨터(966)는 전자 속도 제어기(938), 회전자(936), 배터리 관리 시스템(934), 및 배터리(932)에 대응한다.
일부 실시예들에서, 각각의 하위 레벨 비행 컴퓨터는 직렬 연결을 통해 전자 속도 제어기에 연결된다. 각각의 하위 레벨 비행 컴퓨터는 비행 제어 시스템에서 다른 연결들로부터 분리되는 별개의 직렬 연결을 가질 수 있다. 예를 들면, 하나의 하위 레벨 비행 컴퓨터와 하나의 전자 속도 제어기 사이에서의 하나의 직렬 연결에서의 단락은 비행 제어 시스템에서 다른 하위 레벨 비행 컴퓨터들 또는 다른 전자 속도 제어기들에 영향을 미치지 않을 수 있다.
조종사 제어들(946)은 아날로그 연결을 통해 상위 레벨 비행 컴퓨터(970)에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 조종사 제어 입력들은 먼저 수동 모드에 있는 동안 상위 레벨 비행 컴퓨터로 입력될 수 있다. 상위 레벨 비행 컴퓨터는 명령들이 하위 레벨 비행 컴퓨터들로 제공되기 전에 조종사 지시들을 강화할 수 있다. 예를 들면, 조종사는 항공기가 그의 현재 위치에서 움직이지 않은 채로 있도록 요구될 때 모든 조종사 제어들을 해제할 수 있다. 상위 레벨 비행 제어기는 고도 제어를 수행하며 항공기가 위치를 표류하는 것(drifting in position)을 방지할 수 있다. 수동 모드 동안 상위 레벨 비행 제어기를 사용하는 것은 항공기의 위치가 보다 정확하게 제어되도록 허용할 수 있다. 그러나, 분산형 비행 제어는 조종사 입력들이 직접 하위 레벨 비행 컴퓨터들로 제공될 수 있게 할 수 있다. 도시된 바와 같이, 조종사 제어들은 하위 레벨 비행 컴퓨터들로 부가적으로 별개로 연결된다. 상위 레벨 비행 컴퓨터가 고장나는 경우에, 조종사는 입력들을 하위 레벨 비행 컴퓨터들로 직접 제공할 수 있다.
분산형 비행 제어 시스템의 전자 속도 제어기들 및 배터리 관리 시스템들은 이더넷을 통해 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전자 속도 제어기들 및 배터리 관리 시스템들은 배터리의 상태, 생성되는 열의 양, 또는 임의의 다른 적절한 정보에 관한 정보를 이더넷 네트워크를 통해 제공한다. 하위 레벨 비행 컴퓨터들은 또한 네트워크의 부분일 수 있다. 구성요소들은 이더넷 스위치에 연결될 수 있다. Wi-Fi 라디오는 이더넷 네트워크에 연결되며 분산형 비행 제어 시스템의 구성요소들에 대한 정보를 조종사로 또는 지상으로 제공할 수 있다.
도 10은 분산형 비행 제어 시스템 프로세스를 예시한 흐름도이다. 프로세스는 시스템의 단일 하위 레벨 비행 컴퓨터에 의해 수행될 수 있다. 1000에서, 조종사 또는 상부 레벨 비행 컴퓨터 입력들이 수신된다. 1002에서, 모든 액추에이터들에 대한 대응하는 지시들이 결정된다. 하위 레벨 비행 컴퓨터는 수신된 지시들을 달성하며 또한 비행의 요구된 베이스 레벨들을 유지하기 위해 항공기의 모든 액추에이터들에 대한 위치 또는 동작을 결정할 수 있다. 1004에서, 액추에이터 지시들이 단일 액추에이터로 제공된다. 하위 레벨 비행 컴퓨터는 단지 하나의 액추에이터에만 물리적으로 연결될 수 있다.
도 11은 분산형 비행 제어 시스템의 비행 컴퓨터의 실시예를 예시한 다이어그램이다. 하위-레벨 비행 컴퓨터(1116)는 센서들의 세트 및 프로세서(1114)를 포함한다. 도시된 예에서, 레이트 자이로(1100), 가속도계(1102), 자력계(1104), 및 바로미터(1106)가 센서 데이터를 프로세서(1114)로 제공한다. 프로세서는 마이크로제어기를 포함할 수 있다. 프로세서(1114)는 자세 추정기(1108), 자세 제어기(1110), 및 상태 기계(1112)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 센서 데이터는 자세 추정기(1108)로 제공된다.
자세 추정기는 제공된 센서 데이터에 기초하여 항공기의 대략적인 실제 자세를 결정할 수 있다. 자세 추정치는 자세 제어기(1110)로 제공된다. 도시된 바와 같이, 자세 제어기(1110)는 상태 기계(1112)로부터 요구된 자세를 수신한다. 자세 제어기(1110)는 요구된 자세와 자세 추정치 사이에 차이가 존재하는지를 결정할 수 있다. 자세 제어기는 요구된 자세에 매칭시키기 위해 항공기의 실제 자세를 변경하도록 의도된 액추에이터 명령들을 결정할 수 있다. 자세 제어기(1110)는 액추에이터 명령들을 상태 기계(1112)로 제공한다.
상태 기계(1112)는 요구된 자세 및 액추에이터 명령들을 수신한다. 요구된 자세는 조종사 또는 상위 레벨 비행 컴퓨터에 의해 제공될 수 있다. 상태 기계는 어떤 요구된 자세를 자세 제어기로 제공할지를 결정할 수 있다. 예를 들면, 상태 기계는 비행 제어 시스템이 상위 레벨 비행 컴퓨터가 제어 중인 자동 모드로 설정하는 경우에 조종사로부터의 입력들을 무시할 수 있다. 상태 기계(1112)는 항공기에 대한 액추에이터 명령들을 출력한다. 일부 실시예들에서, 상태 기계(1112)는 프로세스 제어 메커니즘으로서 동작한다. 예를 들면, 상태 기계는 항공기가 육상에 있으며 비행 제어가 관여되지 않아야 하는 경우에 액추에이터 명령들이 전송되는 것을 방지할 수 있다. 제공된 명령들은 항공기에 기초하여 상이한 유형들의 액추에이터들에 대해 달라질 수 있다. 예를 들면, 모터 명령들은 멀티콥터를 위해 제공될 수 있다.
일부 실시예들에서, 데이터는 프로세서(1114)에 의해 수집되며 상위 레벨 비행 컴퓨터로 제공된다. 데이터는 센서 데이터 또는 위치 데이터를 포함한다. 데이터는 로깅을 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 항공기의 액추에이터는 시스템의 상위 레벨 비행 컴퓨터와 통신할 수 있다. 액추에이터는 그의 건강을 보고할 수 있다. 시스템은 다른 액추에이터들을 갖고 불능된 또는 오작동하고 있는 액추에이터를 보상하기 위해 액추에이터 건강 정보를 사용할 수 있다. 상태를 다시 보고하는 것은 항공기가 반복하는 디폴트 전략보다 빨리 고장에 적응할 수 있게 할 것이다. 자동적으로, 시스템은 요구된 비행 자세 또는 궤적이 달성될 때까지 반복하며 계속해서 액추에이터들에 대해 지시들을 조정할 수 있다.
도 12는 분산형 비행 제어 시스템 흐름의 실시예를 예시한 다이어그램이다. 도시된 예에서, 스위치(1200)는 상위 레벨 비행 컴퓨터 요구된 자세 및 조종사 요구된 자세를 수신한다. 스위치(1200)는 비행 제어 시스템이 수동 모드 또는 자동 모드에 있는지에 기초하여 합산 블록(1202)으로 전달할 요구된 자세에 대해 결정할 수 있다. 합산 블록(1202)은 요구된 자세 및 자세 추정치를 수신하며 자세 에러, 또는 둘 사이에서의 차이를 결정할 수 있다. 자세 추정치는 항공기의 실제 자세의 추정치일 수 있다. 자세 제어기(1204)는 도시된 바와 같이 자세 에러를 수신하며 자세 에러에 기초하여 항공기에 대한 액추에이터 명령들을 생성한다. 명령들은 자세 에러를 제거하기 위해 결정될 수 있다. 액추에이터 명령들은 안전 블록(1206)으로 제공된다. 안전 블록(1206)은 항공기가 이미 착륙된 경우에, 이륙 시퀀스에서, 또는 착륙 시퀀스에서 명령들이 액추에이터들로 전송되는 것을 방지할 수 있다. 항공기가 액추에이터 명령들을 수신할 준비가 된 경우에, 액추에이터 명령들은 안전 블록에 의해 항공기(1208)로 제공된다. 항공기의 액추에이터들은 그들의 상태에 대한 정보를 센서들(1210)로 제공할 수 있다. 예를 들면, 액추에이터들이 위치를 변경하였다는 신호가 전송될 수 있다. 일부 실시예들에서, 항공기의 액추에이터들은 수신된 명령들에 기초하여 위치를 변경하며 센서들은 위치에서의 변화를 검출한다. 정보는 항공기로부터 센서들로 명시적으로 전송되지 않을 수 있다. 센서들(1210)은 센서 데이터를 자세 추정기(1212)로 제공한다. 자세 추정기(1212)는 수신된 센서 데이터를 프로세싱할 수 있다. 예를 들면, 자세 추정기는 신호 잡음을 무시할 수 있다. 자세 추정기(1212)는 센서 데이터에 기초하여 항공기의 자세의 추정치를 결정할 수 있다. 자세 추정기(1212)는 자세 추정치를 1202로 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 스위치(1200) 및 안전 블록(1206)은 하나의 소프트웨어 블록, 예를 들면, 상태 기계에 의해 실행된다.
일부 실시예들에서, 하위 레벨 비행 컴퓨터들의 수는 액추에이터들의 수보다 적을 수 있다. 예를 들면, 각각의 하위 레벨 비행 컴퓨터는 멀티콥터의 두 개의 회전자들을 제어할 수 있다. 두 개의 회전자들은 서로 반대 방향일 수 있다. 하위 레벨 비행 컴퓨터가 고장나는 경우에, 항공기는 항공기가 균형을 이룬 채로 있기 때문에 무시해도 될 정도의 부정적 효과들을 경험할 수 있다.
앞서 말한 실시예들은 이해의 명료함을 위해 약간 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 제공된 세부사항들에 제한되지 않는다. 본 발명을 구현하는 많은 대안적인 방식들이 있다. 개시된 실시예들은 예시적이며 제한적이지 않다.
100: 비행 컴퓨터 206: 판단 유닛
300: 동체 302, 306, 310, 312, 316, 318, 320: 회전자
350: 동체 352, 354, 356, 358, 360, 362, 364, 366: 회전자
600: 상위 레벨 비행 컴퓨터 602, 604, 608, 610: 하위 레벨 비행 컴퓨터
612, 614, 616, 618: 액추에이터 900: 배터리
904: 회전자 906: 전자 속도 제어기
908: 배터리 910: 배터리 관리 시스템
912: 회전자 914: 전자 속도 제어기
916: 배터리 918: 배터리 관리 시스템
920: 회전자 922: 전자 속도 제어기
924: 배터리 926: 배터리 관리 시스템
928: 회전자 930: 전자 속도 제어기
932: 배터리 934: 배터리 관리 시스템
936: 회전자 938: 전자 속도 제어기
940: 좌측 붐 942: 디스플레이
944: 모드 스위치 946: 조종사 제어
948: 킬 스위치 952, 956, 960, 964, 968: 하위 비행 컴퓨터
970: 상위 레벨 비행 컴퓨터 971: 전역적 위치 결정 시스템
972: 레이더 973: 카메라
974: 마스터보드 975: 동체
976: 배터리 관리 시스템 978: 전자 속도 제어기
979: 회전자 981: 배터리
982: 전자 속도 제어기 983: 회전자
984: 배터리 관리 시스템 985: 배터리
986: 전자 속도 제어기 988: 회전자
990: 배터리 관리 시스템 991: 배터리
992: 전자 속도 제어기 993: 회전자
994: 배터리 관리 시스템 995: 배터리
996: 전자 속도 제어기 997: 회전자
1100: 레이트 자이로 1102: 가속도계
1104: 자력계 1106: 바로미터
1108: 자세 추정기 1110: 자세 제어기
1112: 상태 기계 1114: 프로세서
1116: 하위-레벨 비행 컴퓨터 1200: 스위치
1202: 합산 블록 1204: 자세 제어기
1206: 안전 블록 1208: 항공기
1210: 센서 1212: 자세 추정기

Claims (18)

  1. 비행 제어 시스템에 있어서,
    하위 레벨 비행 컴퓨터로서,
    상위 레벨 비행 컴퓨터 및 조종사 중 적어도 하나로부터 수신된 입력에 응답하여 항공기를 균형있게 유지하기 위해 원하는 자세 또는 자세 변화의 레이트를 달성하도록 하위 레벨 비행 컴퓨터와 연관된 하나 이상의 액추에이터에 대한 명령을 결정하고-상기 입력은 상기 원하는 자세 또는 상기 자세 변화의 레이트를 나타냄-;
    결정된 명령에 기초하여 각각의 액추에이터의 위치를 변경하기 위해 복수의 액추에이터들 각각에 대한 명령의 세트를 생성하고;
    상기 명령의 세트를 상기 각각의 액추에이터에 제공하며, 다른 액추에이터에는 상기 명령의 세트를 제공하지 않는, 상기 하위 레벨 비행 컴퓨터를 포함하고,
    상기 하위 레벨 비행 컴퓨터는 나머지 하위 레벨 비행 컴퓨터들과 통신 상에서 디커플링되고, 복수의 액추에이터들 중 각각의 액추에이터를 직접적이고 개별적으로 제어하도록 구성되고,
    나머지 하위 레벨 비행 컴퓨터들의 각각은 하나 이상의 대응하는 나머지 액추에이터들에 연관되고 상기 원하는 자세 또는 자세 변화의 레이트를 달성하기 위해 하나 이상의 대응하는 나머지 액추에이터들을 제어하기 위한 대응하는 명령을 제공하는, 비행 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상위 레벨 비행 컴퓨터 및 조종사 중 적어도 하나는 항공기의 위치 제어를 수행하는, 비행 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상위 레벨 비행 컴퓨터 및 조종사 중 적어도 하나는 항공기의 속도 제어를 수행하는, 비행 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상위 레벨 비행 컴퓨터들 중 적어도 하나는 명령을 심플 명령들의 세트로 감소시키는, 비행 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하위 레벨 비행 컴퓨터는 상위 레벨 비행 명령들을 핸들링하도록 구성된 다른 프로세서로부터 입력을 수신하는, 비행 제어 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하위 레벨 비행 컴퓨터는 자동 모드에서 상기 상위 레벨 비행 컴퓨터로부터 입력을 수신하고 조종사 제어 모드에서 조종사 제어로부터 입력을 수신하는, 비행 제어 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 액추에이터들 중 액추에이터가 상위 레벨 비행 컴퓨터에 상태를 보고하는, 비행 제어 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은 멀티콥터 항공기에 제공되는, 비행 제어 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 하위 레벨 비행 컴퓨터는 회전자용 속도를 결정하도록 구성된, 비행 제어 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 하위 레벨 비행 컴퓨터는 플랩의 경사각을 결정하도록 구성된, 비행 제어 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 하위 레벨 비행 컴퓨터는,
    상기 항공기의 원하는 자세 및 능동 자세 사이의 차이를 계산하고;
    그 차이를 최소화하도록 구성된, 비행 제어 시스템.
  12. 비행 제어 시스템에 있어서,
    상위 레벨 비행 컴퓨터로서,
    수신된 입력에 기초하여 항공기에 대한 속도 및 위치 중 적어도 하나를 결정하고;
    상기 수신된 입력에 기초하여 항공기를 균형있게 유지하기 위해 원하는 자세 및 원하는 자세 변화의 레이트 중 적어도 하나를 결정하고;
    자세 및 자세 변화의 레이트 중 결정된 적어도 하나를 하위 레벨 비행 컴퓨터에 제공하도록 구성된, 상기 상위 레벨 비행 컴퓨터를 포함하고,
    상기 하위 레벨 비행 컴퓨터는, 나머지 하위 레벨 비행 컴퓨터들과 통신 상에서 디커플링되고, 복수의 액추에이터들 중 각각의 액추에이터를 직접적이고 개별적으로 제어하도록 구성되고, 또한,
    상기 자세 및 자세의 레이트 중 적어도 하나에 응답하여 하위 레벨 비행 컴퓨터와 연관된 하나 이상의 액추에이터에 대한 명령을 결정하고;
    결정된 명령에 기초하여 각각의 액추에이터의 위치를 변경하기 위해 복수의 액추에이터들 각각에 대한 명령의 세트를 생성하고;
    상기 명령의 세트를 상기 각각의 액추에이터에 제공하고, 다른 액추에이터에는 상기 명령의 세트를 제공하지 않도록 구성되며,
    나머지 하위 레벨 비행 컴퓨터들의 각각은 하나 이상의 대응하는 나머지 액추에이터들에 연관되고 상기 원하는 자세 또는 자세 변화의 레이트를 달성하기 위해 하나 이상의 대응하는 나머지 액추에이터들을 제어하기 위한 대응하는 명령을 제공하는, 비행 제어 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 수신된 입력은 위도 및 경도 중 적어도 하나를 포함하는, 비행 제어 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 수신된 입력은 적어도 하나의 위치를 피하기 위한 명령을 포함하는, 비행 제어 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 수신된 입력은 특정한 기후 조건들을 피하기 위한 명령을 포함하는, 비행 제어 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 수신된 입력은 낮은 인구 밀도를 갖는 지역에 걸쳐 비행하기 위한 명령을 포함하는, 비행 제어 시스템.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 수신된 입력은 가장 짧은 경로를 취하기 위한 명령을 포함하는, 비행 제어 시스템.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 수신된 입력은 특정한 비행 궤적을 취하기 위한 명령을 포함하는, 비행 제어 시스템.
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