(57)【要約】      （修正有）【課題】無人航空輸送体を介して化学物質を自動的に放出又は検知するシステム及び方法を提供する。【解決手段】化学センサ、風センサ、環境特徴をキャプチャするための撮像デバイス、及び／又はそれらと動作可能に接続されたプロセッサを利用することができる。プロセッサは、化学センサ、風センサ、及び撮像デバイスからデータを収集するために使用されて、収集されたデータに少なくとも部分的に基づいて、航行中間点を特定し、化学センサ又は航空機に命令を提供する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
輸送体（１００）を化学物質源に航行させるための化学物質検知システム（１１２）であって、
空気中の１以上の化学物質を反映した化学データを提供するための化学センサ（１５０）、
空気の１以上の流れ状態を反映した風データを提供するための風センサ（１４０）、及び
前記化学データ及び前記風データに少なくとも部分的に基づいて、前記航空機（１００）の航行中間点を特定し、前記航空機（１００）に飛行命令を提供するためのプロセッサ（１１６）を備える、化学物質検知システム（１１２）。
【請求項２】
１以上の環境特徴を反映した画像データを提供するための撮像デバイスを更に備え、前記プロセッサ（１１６）が、前記画像データに少なくとも部分的に基づいて前記航空機（１００）に飛行命令を提供する、請求項１に記載の化学物質検知システム（１１２）。
【請求項３】
前記航空機（１００）に搭載された化学物質貯蔵ユニットから化学物質を放出するための化学物質放出ポートを更に備える、請求項１又は２に記載の化学物質検知システム（１１２）。
【請求項４】
前記化学センサ（１５０）の近傍の動圧を検出するための圧力センサ（１６０）を更に備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の化学物質検知システム（１１２）。
【請求項５】
前記プロセッサ（１１６）が、前記化学センサ（１５０）の検知フィルムが飽和した場合に、前記検知フィルムから化学物質を脱離させるための命令を送るように構成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の化学物質検知システム（１１２）。
【請求項６】
航空機（１００）を化学物質源に航行させるための方法であって、
空気中の１以上の化学物質を反映した化学データを化学センサ（１５０）から受け取ること、
空気の１以上の流れ状態を反映した風データを風センサ（１４０）から受け取ること、及び
前記化学センサ（１５０）及び前記風センサ（１４０）と動作可能に接続されたプロセッサ（１１６）によって、前記化学データ及び前記風データに少なくとも部分的に基づいて航行中間点を特定することを含む、方法。
【請求項７】
圧力センサ（１６０）によって、前記化学センサ（１５０）の近傍の動圧を検出するステップを更に含む、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、広くは、化学試薬を検知する又は放出するシステム及び方法に関し、特に、無人航空輸送体を介して化学物質を自動的に放出又は検知するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無人航空輸送体（UAV）は、航空写真、監視、科学研究、地理調査、及び遠隔検知などの、様々な分野で広く使用されるようになってきた。UAVは、UAVの動作の様々な態様を制御するために使用される様々な電気部品を搭載することができる。UAVは、航行、監視、又は遠隔検知目的で、１以上のセンサも運ぶことができる。
【０００３】
先進の化学物質検知を無人航空輸送体に統合するこれまでの試みは、比較的遅く又は扱いにくい（例えば、太い（blimp））プラットフォームをもたらした。それらは、系統的な環境同定を提供するには大き過ぎであり且つ高速であり過ぎる（例えば、より大きな固定翼の無人航空機システム（UAS））。または、意味のあるミッションを実行するには、大きなペイロードによる制約を受け過ぎる。飛行する輸送体を生み出した二三の労力においては、（化学プルームの追跡航行などの）自律性が成功裡に実装されなかった。
【０００４】
したがって、化学試薬用の多くの環境調査は、未だに手動のデバイスを使用することが必要であり、現場作業員に対するリスクをもたらしている。敵対的な地域での武器検証ミッションなどの一部のオペレーションでは、遠隔の化学センサデータを取得する効果的な方法がない。したがって、UAVによる臭気又は化学物質の自動的な検知が必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、無人航空輸送体を介して化学物質を自動的に放出及び／又は検知することを対象とする。
【０００６】
第１の態様によれば、輸送体を化学物質源に航行させるための化学物質検知システムが、空気中の１以上の化学物質を反映した化学データを提供するための化学センサ、空気の１以上の流れ状態を反映した風データを提供するための風センサ、及び、化学データ及び風データに少なくとも部分的に基づいて、航空機の航行中間点を特定し、航空機に飛行命令を提供するためのプロセッサを備える。
【０００７】
特定の態様では、化学物質検知システムが、１以上の環境特徴を反映した画像データを提供するための撮像デバイスを更に備え、プロセッサが、画像データに少なくとも部分的に基づいて航空機に飛行命令を提供するように構成されている。
【０００８】
特定の態様では、化学物質検知システムが、航空機に搭載された化学物質貯蔵ユニットから化学物質を放出するための化学物質放出ポートを更に備える。
【０００９】
特定の態様では、化学物質検知システムが、化学センサの近傍の動圧を検出するための圧力センサを更に備える。
【００１０】
特定の態様では、プロセッサが、化学センサの検知フィルムが飽和した場合に、検知フィルムから化学物質を脱離させるための命令を送るように構成されている。
【００１１】
特定の態様では、撮像デバイスが、カメラ又はビデオレコーダを備える。
【００１２】
特定の態様では、プロセッサが、１以上のオプティカルフロー法（optical flow technique）によって画像データに少なくとも部分的に基づいて航空機の速度を推定するように構成されている。
【００１３】
特定の態様では、輸送体が航空機である。
【００１４】
第２の態様によれば、航空機の外部空気を検知するための航空機が、機体、プロペラと動作可能に連結されたモータを備える推進器、空気中の１以上の化学物質を反映した化学データを提供するための化学センサであって、入口ポート及び出口ポートに流体連結した化学センサ、空気の１以上の流れ状態を反映した風データを提供するための風センサ、並びに、化学センサ及び風センサと通信可能に接続されたプロセッサであって、所定の化学物質を含む化学プルームを検出するために化学データ及び風データを処理するように構成されたプロセッサを備える。
【００１５】
特定の態様では、プロセッサが、収集されたデータに少なくとも部分的に基づいて、航行中間点を特定し、航空機の飛行コントローラに命令を提供するように構成されている。
【００１６】
特定の態様では、プロセッサが、１以上の環境特徴を反映した画像データを提供するための撮像デバイスと通信可能に接続されており、プロセッサは、１以上のオプティカルフロー法によって画像データに少なくとも部分的に基づいて航空機の速度を推定するように構成されている。
【００１７】
特定の態様では、プロセッサが、風データに少なくとも部分的に基づいて化学プルームの風向きを特定するように構成されている。
【００１８】
特定の態様では、プロセッサが、風上追跡プロセスを介して化学プルーム源を特定するように構成されている。
【００１９】
特定の態様では、風上追跡プロセスが、ある位置からの風速又は風向きを使用して、化学プルームの先行する位置を決定し、化学プルームを源まで追跡することを含む。
【００２０】
特定の態様では、プロセッサが、風データに少なくとも部分的に基づいて空気の速度及び風向きを反映した速度ベクトルを決定するように構成されている。
【００２１】
特定の態様では、航空機が、航空機に搭載された化学物質貯蔵ユニットから化学物質を放出するための化学物質放出ポートを更に備える。
【００２２】
特定の態様では、入口ポートが、プロペラによって生成された風の逆流（prop wash）の範囲内で航空機上に位置決めされている。
【００２３】
特定の態様では、入口ポートが、その開口がプロペラに向けられた状態で位置決めされている。
【００２４】
特定の態様では、出口ポートが、航空機上に位置決めされ、プロペラから離れる空気を排出するように構成されている。
【００２５】
特定の態様では、プロセッサが、化学データ及び風データに応じて飛行経路を推定するように構成されている。
【００２６】
特定の態様では、プロセッサが、化学データに少なくとも部分的に基づいて臭気の強度を決定するように構成されている。
【００２７】
特定の態様では、航空機が、化学センサの近傍の動圧を検出するための圧力センサを更に備える。
【００２８】
特定の態様では、航空機が、機体から径方向に延在する少なくとも１つのローターブームを更に備え、推進器が、前記少なくとも１つのローターブームの遠位端に位置決めされている。
【００２９】
特定の態様では、航空機が、機体から径方向に延在する複数のローターブームを更に備え、複数のローターブームのそれぞれが、その遠位端に位置決めされた推進器及び化学センサを備える。
【００３０】
特定の態様では、航空機が、多回転翼垂直離着陸（VTOL）無人航空輸送体（UAV）である。
【００３１】
特定の態様では、化学センサが、外部のペイロードを介して設けられている。
【００３２】
特定の態様では、外部のペイロードが、吊り荷（slung-load）構成内の綱を介して航空機から吊り下げられるように構成されている。
【００３３】
第３の態様によれば、輸送体を化学物質源に航行させるための方法が、空気中の１以上の化学物質を反映した化学データを化学センサから受け取ること、空気の１以上の流れ状態を反映した風データを風センサから受け取ること、及び、化学センサ及び風センサと動作可能に接続されたプロセッサによって、化学データ及び風データに少なくとも部分的に基づいて航行中間点を特定することを含む。
【００３４】
特定の態様では、該方法が、圧力センサによって、化学センサの近傍の動圧を検出するステップを更に含む。
【００３５】
特定の態様では、該方法が、化学センサの検知フィルムが飽和した場合に、プロセッサによって、検知フィルムから化学物質を脱離させるための命令を提供するステップを更に含む。
【００３６】
第４の態様によれば、化学物質を検知及び放出するための航空機が、機体、ローターを有する推進器、ローターの下に位置決めされた入口ポートを有する化学センサ、航空機に搭載された化学物質貯蔵ユニットから化学物質を放出するための化学物質放出ポート、及び、化学物質放出ポートと通信可能に接続され、化学物質放出ポートを介して化学物質を選択的に放出するように構成されたプロセッサを備える。
【００３７】
特定の態様では、プロセッサが、航空機の外部空気の１以上の流れ状態を反映した風データを提供するように構成された風センサと動作可能に接続されており、プロセッサは、風データに少なくとも部分的に基づいて化学プルームの風向きを特定するように構成されている。
【００３８】
特定の態様では、航空機が、１以上の環境特徴を反映した画像データを提供するための撮像デバイスを更に備え、プロセッサが、１以上のオプティカルフロー法によって画像データに少なくとも部分的に基づいて航空機の速度を推定するように構成されている。
【００３９】
特定の態様では、プロセッサが、化学センサに１以上の命令を送るように構成されている。
【００４０】
特定の態様では、１以上の命令が、化学センサの検知フィルムが飽和した場合に、検知フィルムから化学物質を脱離させるための命令を含む。
【００４１】
特定態様では、プロセッサが、化学センサを通って流れた化学物質の量を推定し、センサ脱離のための適切な時間を特定するように構成されている。
【００４２】
本明細書で説明されるデバイス、システム、及び方法の上述の或いは他の目的、特徴、及び利点は、それらの特定の実施形態の以下の説明から明らかとなる。その際に、添付の図面が示され、類似の番号が類似の構造物を指す。図面は、必ずしも縮尺通りに描かれておらず、その代わりに、本明細書で説明されるデバイス、システム、及び方法の原理を示すことに重点が置かれている。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１ａ】図１ａから図１ｃは、化学物質放出又は検知システムが装備された例示的な多回転翼垂直離着陸（VTOL）UAVを示す。
【図１ｂ】図１ａから図１ｃは、化学物質放出又は検知システムが装備された例示的な多回転翼垂直離着陸（VTOL）UAVを示す。
【図１ｃ】図１ａから図１ｃは、化学物質放出又は検知システムが装備された例示的な多回転翼垂直離着陸（VTOL）UAVを示す。
【図２】化学物質放出又は検知システムを有するUAV用の例示的な制御システムを示す。
【図３】航空機を介して化学プルームをその源まで風上追跡及び確認する例示的なプロセス図を示す。
【図４ａ】図４ａ及び図４ｂは、化学物質を放出及び／又は検知するための吊り荷センサペイロードが装備された例示的な多回転翼VTOL UAVを示す。
【図４ｂ】図４ａ及び図４ｂは、化学物質を放出及び／又は検知するための吊り荷センサペイロードが装備された例示的な多回転翼VTOL UAVを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本開示の好適な実施形態が、添付の図面を参照しながら以下で説明されることとなる。図面における構成要素は必ずしも正確な縮尺で描かれておらず、むしろ、本発明の原理を明確に示すことに重点が置かれている。例えば、要素のサイズは、説明の明快さ及び利便性のために強調され得る。更に、可能な場合には、一実施形態の同じ又は類似の部品に言及するのに、図面全体を通して同じ参照番号を使用する。以下の記載では、周知の機能及び説明は詳細には記載されない。なぜならばそれらは、不必要な詳細によって本開示を不明確にし得るからである。明細書中の如何なる言葉も、実施形態の実施に必須である請求されていない要素を示すものとして解釈されるべきではない。
【００４５】
本明細書中の値の範囲の列挙は、本明細書中の他のところで示されない限り、範囲内に入る任意の及び全ての値を個別に参照することを制限するものではなく、そのような範囲内の各個別の値は、本明細書で個別に挙げられているように本明細書の中に組み込まれる。「約」、「近似的に」などの用語は、数値に付随しているときに、意図された目的のために満足に動作すると当業者によって認められた偏差を示すものと解釈されるべきである。値及び／又は数値の範囲は、例示的なものとしてのみ本明細書で提供され、説明される実施形態の範囲の限定を構成しない。本明細書で使われているあらゆる実施例又は例示を表す文言（「例えば」、「など」、又はそれらと同様なもの）は、単に実施例をより良く説明することを意図したものであり、実施形態の範囲を限定するものではない。明細書中の如何なる言葉も、実施形態の実施に必須である請求されていない要素を示すものとして解釈されるべきではない。
【００４６】
以下の説明では、「第１の」、「第２の」、「上」、「底」、「側」、「前」、「後」などの用語が、利便性のための用語であり、限定的な用語として解釈されるべきでない。本明細書で提供される様々なデータ値（例えば、ボルト、秒など）は、１以上の他の所定のデータ値によって代替され、したがって、限定的なものではなくむしろ例示的なものとして見られるべきである。本開示に対して、以下の用語と定義が適用される。
【００４７】
「航空輸送体」及び「航空機」という用語は、限定しないが、固定翼機、無人航空輸送体、可変翼機、及び垂直離着陸機（VTOL）を含む、飛行可能な機械を意味する。
【００４８】
「及び／又は」という用語は、「及び／又は」によって接合されるリスト内の項目の任意の１以上を意味する。一実施例として、「ｘ及び／又はｙ」は、３つの要素の組｛（ｘ）、（ｙ）、（ｘ、ｙ）｝のうちの任意の要素を意味する。言い換えると、「ｘ及び／又はｙ」は、「ｘとｙのうちの一方又は両方」を意味する。別の一実施例として、「ｘ、ｙ、及び／又はｚ」は、７つの要素の組｛（ｘ）、（ｙ）、（ｚ）、（ｘ、ｙ）、（ｘ、ｚ）、（ｙ、ｚ）、（ｘ、ｙ、ｚ）｝のうちの任意の要素を意味する。言い換えると、「ｘ、ｙ、及び／又はｙ」は、「ｘ、ｙ、及びｚのうちの１以上」を意味する。
【００４９】
「回路」及び「電気回路」という用語は、物理的電子部品（すなわち、ハードウェア）、並びに、ハードウェアを構成し、ハードウェアによって実行され、且つ／又はさもなければハードウェアに関連し得る、任意のソフトウェア及び／又はファームウェア（「コード」）を指す。本明細書で使用される際に、例えば、特定のプロセッサ及びメモリは、コードの１以上のラインの第１の組を実行するときに第１の「回路」を備え、コードの１以上のラインの第２の組を実行するときに第２の「回路」を備え得る。本明細書で使用される際に、（例えば、ユーザが構成可能な設定、工場での調整などによって）機能の実行が不可能であるか又は可能でないか否かに関わりなく、回路が機能を実行するために必要なハードウェア及び（もし必要ならば）コードを備えるときはいつでも、回路は、機能を実行するために「動作可能」である。
【００５０】
本明細書で使用される際に、「通信する」及び「通信している」という用語は、ソースから目的地へデータを送信する又はさもなければ搬送すること、並びに目的地に搬送されるべきデータを、通信媒体、システム、チャネル、ネットワーク、デバイス、ワイヤー、ケーブル、ファイバー、回路、及び／又はリンクに送達することを指す。本明細書で使用される際に、「通信（communication）」という用語は、そのように伝達されるか又は配信されるデータを意味する。本明細書で使用される際に、「通信（communications）」という用語は、通信媒体、システム、チャネル、ネットワーク、デバイス、ワイヤー、ケーブル、ファイバー、回路、及び／又はリンクのうちの１以上を含む。
【００５１】
本明細書で使用される際に、「に接続される」及び「と接続される」という用語は、各々、２以上のデバイス、装置、ファイル、要素、機能、動作、プロセス、プログラム、媒体、構成要素、ネットワーク、システム、サブシステム、及び／又は手段の間の関係性を意味する。その関係性は、（ｉ）直接的にか又は１以上の他のデバイス、装置、ファイル、回路、要素、機能、動作、プロセス、プログラム、媒体、構成要素、ネットワーク、システム、サブシステム、又は手段を介してかに関わらず、接続、（ｉｉ）直接的にか又は１以上の他のデバイス、装置、ファイル、回路、要素、機能、動作、プロセス、プログラム、媒体、構成要素、ネットワーク、システム、サブシステム、又は手段を介してかにかかわらず、通信関係、並びに／又は（ｉｉｉ）任意の１以上のデバイス、装置、ファイル、要素、機能、動作、プロセス、プログラム、媒体、構成要素、ネットワーク、システム、サブシステム、又は手段の動作が、全体的に又は部分的に、それらのうちの任意の他の１以上の動作に応じる、機能的な関係のうちの任意の１以上を構成する。
【００５２】
本明細書で使用される際に「データ」という用語は、恒久的であるか又は一時的であるかに関わらず、視覚的、聴覚的、音響的、電気的、磁気的、電磁的、又はさもなければ明示されたかに関わらず、しるし、信号、マーク、シンボル、ドメイン、シンボルセット、表現、及び情報を表す任意の他の物理的形態（複数可）を意味する。「データ」という用語は、異なる物理的形態（複数可）を採る対応する情報の任意の及び全ての表現を包含する、１つの物理的形態を採る所定の情報を表すために使用され得る。
【００５３】
本明細書で使用される際に「データベース」という用語は、データ又はデータの組織化された本体が表現されるやり方に関わりなく、関連するデータの組織化された本体を意味する。例えば、関連するデータの組織化された本体は、表、マップ、グリッド、パケット、データグラム、フレーム、ファイル、Ｅメール、メッセージ、文書、レポート、リスト、又は任意の他の形態のうちの１以上の形態を採り得る。
【００５４】
「例示的な」という用語は、「実施例、事例、又は例示として働く」ことを意味する。本明細書で説明される実施形態は、限定的ではなく、むしろ例示的のみである。説明される実施形態は、必ずしも他の実施形態よりも好適であり又は有利であると解釈されないことが、理解されるべきである。更に、「本発明の実施形態」、「実施形態」、又は「発明」という用語は、本発明の全ての実施形態が、説明された特徴、利点、又は動作のモードを含むことを必要としない。
【００５５】
「メモリデバイス」という用語は、プロセッサによって使用されるために情報を記憶するコンピュータハードウェア又は回路を意味する。メモリデバイスは、例えば、リードオンリーメモリ（ROM）、ランダムアクセスメモリ（RAM）、キャッシュメモリ、コンパクトディスクリードオンリーメモリ（CDROM）、電気光学メモリ、磁気光学メモリ、プログラマブルリードオンリーメモリ（PROM）、消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（EPROM）、電気的消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（EEPROM）、コンピュータ可読媒体などの、任意の適切な種類のコンピュータメモリ又は任意の他の種類の電子記憶媒体であり得る。
【００５６】
本明細書で使用される際に、「ネットワーク」という用語は、インターネットを含む全ての種類のネットワークと相互間ネットワークの両方を含み、任意の特定のネットワーク又は相互間ネットワークに限定されない。
【００５７】
「プロセッサ」という用語は、ハードウェアに実装されていてもソフトウェアに明白に具現化されていても又はそれらの両方でも、それがプログラム可能であってもそうではなくても、プロセッサデバイス、装置、プログラム、回路、構成要素、システム、及びサブシステムを意味する。「プロセッサ」という用語は、１以上のコンピュータデバイス、配線回路、信号修正デバイス及びシステム、システムを制御するためのデバイス及び機械、中央処理装置、プログラマブルデバイス及びシステム、フィールドプログラマブルゲートアレイ、特定用途向け集積回路、チップ上のシステム、離散した要素及び／又は回路を備えたシステム、状態機械、仮想機械、データプロセッサ、処理設備、並びにそれらの任意の組み合わせを含むが、それらに限定されるものではない。例えば、プロセッサは、任意の種類の汎用マイクロプロセッサ又はマイクロコントローラ、デジタル信号処理（DSP）プロセッサ、特定用途向け集積回路（ASIC）であり得る。プロセッサは、メモリデバイスに接続され又はメモリデバイスと統合され得る。
【００５８】
無人航空輸送体（UAV）などの航空機用の化学物質放出及び／又は検出システムが、本明細書で開示される。化学物質放出及び／検出システムは、他のセンサに接続された化学物質検知又は化学物質自律システムを利用することができる。例えば、特定の態様では、化学物質放出又は検出システムが、化学センサ、風センサ、１以上の撮像デバイス、並びに１以上のセンサと動作可能に接続された搭載型の処理ユニット（例えば、プロセッサ、メモリ、及び／又は駆動回路）を備えてよい。すなわち、搭載型の処理ユニットは、プロセッサ及び関連付けられた駆動回路（例えば、様々なセンサ、アクチュエータなどのための）を備えてよい。化学物質検知データ、風データ、及び視覚的なデータの間のセンサ融合は、UAVが、例えば、化学プルームをそれらの源まで追跡し、それによって、とりわけ武器検証、化学物質漏れ調査、及び地雷除去を含む用途のための重要な能力を提供することを可能にする。搭載型のトランシーバ、テレメトリ、及び無線通信を介して、UAVは、オペレータにリスクをもたらすことなしに、化学試薬及び／又はその位置に関するリアルタイムの情報をオペレータに提供することができる。化学物質放出及び／又は検出システムは、UAVの安全回復が不可能であり得る汚染された領域の中へ展開されたときに、特に重要な費用効果に優れた技術を提供する。
【００５９】
化学物質放出及び／又は検出システムは、マルチUAV航行用にも使用され得る。すなわち、航空輸送体の群は、機密情報を集めるために集団で働いてよい。例えば、航空輸送体の群れ（例えば、１０から１００の航空輸送体）は、複数の集団（例えば、約２から２０、より好適には約５から１５、又は最も好適には約１０の集団）に分割されてよい。その場合、各集団は、複数の航空輸送体（例えば、約２から２０、より好適には約５から１５、又は最も好適には約１０の航空輸送体）を有する。各集団は、集団のメンバー（例えば、スレーブUAV）が集団のリーダー（例えば、マスターUAV）を認識及び追跡（すなわち、追従）することを可能にする、独特な化学物質を放出するように構成された集団のリーダーを有してよい。例えば、集団のリーダーは、他のUAVが、他のUAVによって既に探索されてしまった移動方向及び目的地を決定するために使用することができる、例えばフェロモンを空気中に放出することができる。
【００６０】
多回転翼垂直離着陸UAV
化学物質検知及び／又は放出システムと共に使用されるのに適した航空機１００は、多回転翼VTOL UAVとして構成され得る。その一実施例が、図１ａから図１ｃで示されている。具体的には、図１ａが、航空機１００の側面図を示し、一方、図１ｂ及び図１ｃは、それぞれ、航空機１００の上面及び底面等角図を示している。示されるように、航空機１００は、一般的に、機体１０２（例えば、胴体）、機体１０２から径方向に延びる複数のローターブーム１０４（例えば、長手方向ブーム）、着陸装置１１０、及び複数の推進器１０８を備える。
【００６１】
機体１０２は、複数のローターブーム１０４の遠位端が、機体１０２から径方向に延在するように、複数のローターブーム１０４のそれぞれの近位端に連結されてよい。機体１０２及び複数のローターブーム１０４は、単一のユニットとして製作されてよく、又は互いに連結される別個の部品として製作されてよい。複数のローターブーム１０４のそれぞれの遠位端は、推進器１０８に連結されてよい。推進器１０８のそれぞれは、プロペラ１０８ｂを駆動し／回転させるための電気モータ１０８ａに連結されたプロペラ１０８ｂを伴って示されている。前記複数の推進器１０８のそれぞれが、ローターブーム１０４の遠位端に位置決めされ、揚力を提供し（それによって）とりわけVTOLの機能を実現するために、推力を（機体１０２に対して）下向きに向けるように方向付けられてよい。電気モータ１０８ａは、電子速度コントローラ（ESC）１０６を介して制御される電気モータであってよい。このために、ESC１０６は、例えば、ローターブーム１０４の範囲内及び／又は電気モータ１０８ａの近傍でローターブーム１０４の遠位端に設けられてもよい。
【００６２】
電気モータ１０８ａは、各ローターブーム１０４の遠位端に示されているが、代わりに、複数（又は単数）の電気モータ１０８ａが機体１０２に位置決めされ、電気モータ１０８ａと１以上のプロペラ１０８ｂとの間のギアボックス及び／又は駆動シャフトを介して１以上のプロペラ１０８ｂを駆動（回転）するように構成されていてよい。更に、各ローターブーム１０４は単一の推進器１０８のみを有するものとして図示されているが、各ローターブーム１０４の遠位端に、複数の推進器１０８が設けられてよい。例えば、各ローターブーム１０４の遠位端にクロス部材が位置決めされ、推進器１０８を互いから離間させるように（例えば、ローターブーム１０４の長さに対して垂直に）配置されるか、又は他の態様でプロペラ１０８ｂ間の干渉を防止するように（例えば、互い違いの構成／一部が重なった構成で）配置されていてよい。航空機１００の構成要素は、金属、複合材料、又はこれらの組み合わせから製造されてよい。
【００６３】
図示するように、航空機１００には、複数の撮像デバイス１１４が装備されていてよい。撮像デバイス１１４は、とりわけレーダーベースのセンサ、カメラ、ビデオレコーダ、及び他の光学デバイス（例えば、LIDAR）であってよく、又はそれらを備えてよい。１以上の撮像デバイスは、環境特徴などの航空機１００の外部の光景の画像及び／又は動画をキャプチャするように位置決めされていてよい。例えば、図示されているように、撮像デバイス１１４は、機体１０２の周りの３６０度の視界を提供するために、機体１０２の左、右、前、及び後に設けられてよい。更なる撮像デバイス１１４が、機体１０２の上方及び下方の視界を提供するために、機体１０２の上部及び／又は下部にも設けられてよい。特定の態様では、撮像デバイス１１４が、１以上のジンバルデバイスを介して機体１０２と回転可能且つ旋回可能に（例えば、下側に）連結されていてよい。特定の態様では、１以上の撮像デバイス１１４が、下方の特徴を撮像するために、（航空機１００に対して）下向きに方向付けられていてよい。１以上の撮像デバイス１１４は、環境特徴を特定し、速度推定値を提供し、又はそれらの両方のために構成されていてよい。したがって、１以上の撮像デバイス１１４は、（例えば、１以上のオプティカルフロー法によって）風速プローブの精度を改善するために使用されてよい。
【００６４】
化学物質放出及び／又は検出システムを提供するために、航空機１００は、化学物質検知システム１１２を利用することができる。例えば、航空機１００には、化学センサ１５０、圧力センサ１６０、入口ポート１５２、及び化学物質放出ポート１７０が装備されていてよい。例えば、ローターブーム１０４のうちの１以上は、例えば、化学センサ１５０及び／又は圧力センサ１６０を包含し得る、センサハウジング１３２を画定するように形作られていてよい。
【００６５】
化学センサ１５０は、濃縮器性能及び指向性検出の両方を最適化するために、航空機１００の全体を通して戦略的な場所に位置決めされていてよい。例えば、プロペラ１０８ｂは、空気を入口ポート１５２を通して出口ポート１５４から出すように押す（それによって、化学物質検知システム１５０などを通して空気を送る）ために使用され得る動圧源であってもよい。図示されているように、VTOL回転翼航空機では、入口ポート１５２が、航空機１００（例えば、ローターブーム１０４）上に位置決めされていてよい。それによって、動作中、入口ポート１５２は、プロペラ１０８ｂによる風の逆流の範囲内にあり、それによって、動圧を利用することができる。理解され得るように、「プロペラによる風の逆流」という用語は、プロペラ１０８ｂの動作によって生成される空気の流れを指す。別の一実施例では、入口ポート１５２が、航空機１００の前縁に位置決めされていてよい。それによって、飛行中に、正の動圧が入口ポート１５２を通して空気を押す。更に、入口ポート１５２は、後退可能であってよい。それによって、入口ポート１５２は、（例えば、延伸した位置及び／又は後退した位置の間で）選択的に、プロペラによる風の逆流の範囲内に位置決めされる。
【００６６】
入口ポート１５２は、環境から空気を受け取り、（例えば、センサハウジング１３２の範囲内で）化学センサ１５０に（出口ポート１５４を介して排出され得る）空気を供給するために、プロペラ１０８ｂの下で上向きに面するように、ローターブーム１０４の遠位端（例えば、電気モータ１０８ｂのアウトボード）に位置決めされていてよい。例えば、入口ポート１５２は、化学センサ１５０に向けて気流を導く開口部を有するチューブとして形作られていてよい。例えば、入口ポート１５２の開口端部（開口）は、プロペラ１０８ｂの下側に（例えば、ローターブーム１０４から上向きに）面していてよい。それによって、プラペラによる風の逆流は、入口ポート１５２の中に向けられる。言い換えると、入口ポート１５２は、航空機１００上でプロペラ１０８ｂ（ローター又は他の推力発生器）によって生成される、プロペラによる風の逆流の範囲内に位置決めされていてよい。特定の態様では、入口ポート１５２が、その開口がプロペラに向けられた状態で位置決めされていてよい。
【００６７】
出口ポート１５４は、電気モータ１０８のインボードに位置決めされ、下向き（すなわち、入口ポート１５２の反対側）に面するように配置されていてよい。特定の態様では、出口ポート１５４が、航空機１００上に位置決めされ、プロペラ１０８ｂから離れるように化学センサから空気を排出するように構成されている。例えば、（１以上の）出口ポート１５４は、その開口端がプロペラ１０８ｂから離れるように（例えば、ローターブーム１０４から下向きに）面した状態のチューブとして形作られていてもよい。それによって、出口ポート１５４から排出される空気は、プロペラ１０８ｂからの風の逆流と同じ方向に移動する。したがって、出口ポート１５４は、プロペラ１０８ｂの排気からのエジェクタ効果を利用するように配置することができる。
【００６８】
圧力センサ１６０は、化学センサ１５０の近傍で（例えば、そこにおいて又は近くで）動圧を検出するように構成されていてよい。したがって、特定の態様では、圧力センサ１６０が、航空機１００（例えば、ローターブーム１０４）上に位置決めされていてよい。それによって、動作中、圧力センサ１６０も、プロペラ１０８ｂによる風の逆流の範囲内にある。別の一態様では、圧力センサ１６０が、航空機１００上の何れか他の所に位置決めされていてよい。化学センサ１５０及び圧力センサ１６０は、複数のローターブーム１０４上に設けられてよい。図示されているように、例えば、４つのローターブーム１０４が、その遠位端に向けて化学センサ１５０及び圧力センサ１６０を備えてよい。
【００６９】
航空機１００には、化学プルームをその源から離れるように運び得る風向き及び／又は風速を特定するように構成された風センサ１４０が装備されていてよい。風センサ１４０は、気流センサ、加速度計、ピトー管静的風速計、又は他の種類の風速計を含んでよい。風センサ１４０は、例えば、機体１０２の上端上に位置決めされていてよい。但し、他の位置も可能である。同様に、例えば、風センサ１４０は、機体の前面に位置決めされていてよい。例えば、風センサ１４０は、飛行中に航空機１００の前方面に形成された延在するアームの遠位端に配置されていてよい。しかし、１つの考慮事項は、風センサ１４０によって行われる測定に対する悪影響を緩和させるために、風センサ１４０をプロペラによる風の逆流の外側に位置決めすることである。ある態様では、風速が、風センサ１４０からの入力、及び、プロペラによる風の逆流又は航空機の周りの気流などの航空機１００を移動させることによって生成される気流をディスカウントするための他の搭載型のセンサからの入力に基づいて決定されてよい。
【００７０】
化学物質放出ポート１７０（例えば、ポンプに連結された放出ノズル）は、化学物質を貯蔵するための化学物質貯蔵ユニット１７５に連結されていてよい。化学物質貯蔵ユニットは、任意の不必要な飛行中の抵抗を緩和させるために、航空機１００の範囲内（例えば、機体１０２の範囲内）に位置付けられていてよい。化学物質放出ポート１７０は、化学物質貯蔵ユニット１７５内に貯蔵され得る化学物質を（ポンプを介して）引き出し、（放出ノズルを介して）放出するように構成されていてよい。例えば、化学物質は、ミスト又は噴霧１８０の形態で放出されてよい。特定の態様では、化学物質放出ポート１７０は、出口ポート１５４と一体化されていてよい。それによって、ミスト又は噴霧１８０は、出口ポート１５４（又は別の共通のポート又はノズル）を介して排出される。したがって、化学物質検知システム１１２は、航空機１００（例えば、機体１０２、翼、ローターブーム１０４の範囲内）に搭載された化学物質貯蔵ユニット１７５から化学物質を放出するための化学物質放出ポート１７０を更に備えてよい。空気中に放出された化学物質は、放出している航空機（例えば、マスターUAV）の移動方向及び目的地（推定される飛行経路）を決定するために他の航空機によって利用されてよい。
【００７１】
飛行コントローラ１２０は、プロセッサ１１６を介して放出ポート１７０と動作可能に接続されており、別のデバイス（例えば、地上基地局又は別のUAV）又は人間によって検出される所定量の化学物質を放出するように構成されている。例えば、マスターUAVは、放出ポート１７０を介して特定の化学臭気を放出することができ、次いでスレーブUAVが、化学臭気を検出し、化学臭気の源（すなわち、マスターUAV）の位置に少なくとも部分的に基づいてマスターUAVの方向に航行するための、搭載型の化学センサ１５０を使用することができる。
【００７２】
複数の航空機の協働では、マスターUAVが、移動する際に、周期的に放出ポート１７０を介して化学試薬を放出することができる。この放出は、周期的、一時的、又は空間的であってよい。スレーブUAVは、化学センサ１５０を使用して放出された化学試薬を検出することによって、マスターUAVを追跡することができる。例えば、スレーブUAVは、風センサ１４０を使用して、風向き及び／又は風速（例えば、風の速度ベクトル）を特定することができる。風の速度ベクトルに基づいて、スレーブUAVの搭載型のプロセッサは、最初の検出位置における化学試薬の最初の検出から次の中間点を推定することができる。ある態様では、スレーブUAVが、マスターUAVを視覚的に特定するために、撮像デバイス１１４を利用することもできる。したがって、複数のセンサ（例えば、化学センサ、風センサ、及び撮像デバイスの組み合わせ）が、次の中間点を決定し又はマスターUAVを検出するために協働的に利用され得る。ある態様では、スレーブUAVが、カルマンフィルタ（Kalman Filter）などの推定技法を利用して、複数のセンサ入力に基づいてマスターUAVの飛行経路を推定することができる。放出された化学試薬が検出される２つ以上の位置に基づいて、スレーブUAVは、マスターUAVの推定される飛行経路を決定することができる。放出化学試薬の強度又は濃度のレベルが、化学センサ１５０によって検出され、次の中間点を決定すること又は推定される飛行経路を認証することにおいて考慮されてよい。例えば、強度又は濃度のレベルは、スレーブUAVが、マスターUAVなどの化学試薬の源により近づくように移動する際に、強くなると予期することができる。したがって、化学センサ１５０が、スレーブUAVが推定された飛行経路に沿って移動する際に、強度のレベルの減少を検出した場合、プロセッサは、推定された飛行経路が誤りであり、したがって、スレーブUAVはセンサ入力を再計算し又は再評価するように操作され得ることを決定してよい。
【００７３】
ある実施形態では、マスターUAVが、追従しているスレーブUAVに警告信号又は遭難信号を送信するために、所定の種類の化学試薬を放出してよい。この実施形態では、スレーブUAVが、化学センサを使用して所定の種類の化学試薬を検出するや否や、特定の作業（例えば、停止、基地への帰還、ピッチアップなど）を実行するように構成されていてよい。
【００７４】
航空機１００は、６個の推進器１０８を有する（すなわち、６個のローターの航空機）として示されているが、当業者は、所望の機能を実現するために、及び例えば推力の要件次第で、更なる推進器１０８又はより少数の推進器１０８が用いられてよいことを理解するであろう。更に、回転翼航空機が示されているが、固定翼航空機、チルトウイング航空機を含む、他の航空機構成、及び航空機ではないシステムが、上述された化学物質放出及び／又は検出システムに関連して使用されてよい。
【００７５】
固定翼航空機への実装は、前方飛行からの動圧を利用することができる。例えば、固定翼航空機は、胴体、１以上の主翼、テールスタビライザー（例えば、尾翼）、及び飛行（例えば、垂直及び／又は前方飛行）のために必要な推力を生成するための推進システムを備えてよい。胴体は、１以上の主翼とは区別されてよく、又はそれらと一体化されてよい（例えば、混合翼構成）。別の一態様では、飛行翼と呼ばれる、画定された胴体がない構成が利用されてよい。説明された化学物質放出及び／又は検出システムと共に使用されるのに適した例示的な固定翼航空機は、共同所有された（2009年9月9日に出願された）米国特許第8,721,383号及び（2012年8月4日に出願された）米国特許第8,500,067号で説明されており、それらの名称は何れも「Modular Miniature Unmanned Aircraft With Vectored-Thrust Control.」である。例えば、化学センサ及び／又は圧力センサへの入口ポートは、揚力生成本体（例えば、主翼及び／又は尾部）の前縁に設けられてよい。一方、放出ポートは、（例えば、揚力生成本体の下側又は後縁において）前縁の後ろに設けられてよい。別の一態様では、センサポッド（例えば、化学センサ及び／又は圧力センサ）が、胴体に連結されていてよい。
【００７６】
図２は、化学物質放出及び／又は検出機能を提供する化学検知システム１１２を有する例示的な航空機制御システム２００のブロック図を示している。航空機制御システム２００は、航空機１００の様々な航空機構成要素及び機能を制御するように構成されている。図示されているように、航空機１００は、１以上のメモリデバイス１１８、飛行コントローラ１２０、無線トランシーバ１２２、航法システム１２４、化学物質検知システム１１２、１以上の撮像デバイス１１４、風センサ１４０、圧力センサ１６０、並びに／又は諜報、監視、及び偵察（ISR）用ペイロード１２６と、通信可能に接続された１以上のプロセッサ１１６を含む。
【００７７】
１以上のプロセッサ１１６は、メモリデバイス１１８（例えば、ハードドライブ、フラッシュメモリなど）に記憶された指示命令（例えば、ソフトウェア）と１以上のデータベースとに少なくとも部分的に基づいて、１以上の動作を実行するように構成されていてよい。航空機制御システム２００は、航空機１００と、遠隔デバイス１３０（例えば、スマートフォン、タブレット、及びラップトップコンピュータなどの、携帯用電子機器）又は他のコントローラ（例えば、基地局）と、の間でデータを通信するための無線トランシーバ１２２などの、他の所望のサービスを更に含んでよい。例えば、航空機１００は、ネットワーク１２８を介して遠隔デバイス１３０とデータ（処理済みデータ、未処理データなど）を通信してよい。
【００７８】
プロセッサ１１６は、オペレータ、自動操縦装置、航法システム１２４、化学物質検知システム１１２、又は他の高レベルシステムからの、無線トランシーバ１２２を介した命令に応答して、様々なアクチュエータ（例えば、任意の操縦翼面の動作を制御するためのアクチュエータ）及び／又は（例えば、ESC１０６を介して）電気モータ１０８ａの動作を制御するために、飛行コントローラ１２０と動作可能に接続されていてよい。動作中、飛行コントローラ１２０は、航空機１００のロール、ピッチ、又はヨーを制御するために、飛行の様々な段階（例えば、離陸、巡航、着陸）の最中の、各電気モータ１０８ａから各ローターブーム１０４への推力を、ESC１０６を介して動的に（即ちリアルタイム又は略リアルタイムで）且つ独立して調整してよい。言い換えれば、飛行コントローラ１２０は、電気モータ１０８ａのそれぞれが所望の上昇推力（揚力）を生成するように、所与のローターブーム１０４上の電気モータ１０８ａのそれぞれを、独立して制御することができる。例えば、ローターブレード付きのローター（例えば、プロペラ１０８ｂ）が使用されているときに、飛行コントローラ１２０は、ローターのRPMを変更することができ、且つ／又は、所望であれば、ローターブレードのピッチを変更することができる。具体的には、電気モータ１０８ａが、電源（例えば、バッテリパック又はバッテリバンク）から各電気モータに供給される電力を、ESC１０６を介して調整することによって制御されてよい。プロセッサ１１６及び飛行コントローラ１２０は、分離した構成要素として図示されているが、プロセッサ１１６及び飛行コントローラ１２０（又はそれらの機能）は、単一の構成要素又はデバイスの中に統合されてよい。
【００７９】
プロセッサ１１６は、慣性航法システム（INS）１２４ｂ及び／又は慣性計測ユニット（IMU）１２４ｃと通信可能に接続された全地球測位システム（GPS）１２４ａを含み得る、航法システム１２４と動作可能に接続されていてよい。GPS１２４ａによって、INSソリューションをリセットするのに使うことができるか、又はカルマンフィルタ（Kalman Filter）といった数学的アルゴリズムを使ってINSソリューションとブレンドすることができる、完全に偏流（drift）のない位置の値が与えられる。航法システム１２４は、航空機１００の位置及び姿勢を決定するために使用されてよい。その場合、IMU１２４ｃの加速度計及びジャイロスコープからの加速度及び角速度は、時間的に前方に統合され、GPSからの更新を使用して統合の結果として生じる誤差をバインドすることができる。
【００８０】
一般的には信頼できるが、外部ネットワークが利用できない（例えば、航空機１００が信号のない不感帯で操作される）場合、外部ネットワーク（例えば、GPSネットワーク）への依存は、不具合をもたらし得る。更に、GPS信号は、混雑した環境では障害物やマルチパスが生じる可能性があり、更にこれらの信号の受信が妨害又は拒否される可能性がある。したがって、GPSネットワークからの外部信号の受信のみに頼っていると、航空機１００は、特定の故障モードを被り易い。
【００８１】
GPSが拒否される環境では、航空機１００が、ISR用ペイロード１２６及び／又は撮像デバイス１１４を介した視覚ベースの航法を利用することができる。視覚ベースの航法は、有利であろう。というのも、それは外部システムに依存しないからである。しかし、視覚ベースの航法も、何らかの欠点を有する。例えば、視覚ベースの航法は、妨害を受ける又は受け易い環境（例えば、曇り環境）では、信頼性が低くなる。
【００８２】
この潜在的な欠点に対処するために、化学検知システム１１２が、航行中に使用されてよい。例えば、化学検知システム１１２は、既存のシステムを補足し、且つ／又は、既存のシステムが利用できない（例えば、損傷を受けた又は飛行条件のために使用できない）ときに使用され得る。このために、プロセッサ１１６は、化学検知システム１１２と動作可能に接続されてよい。化学検知システム１１２は、とりわけ、化学センサ１５０及び化学物質貯蔵ユニット１７５に連結された化学物質放出ポート１７０を備えることができる。
【００８３】
化学検知システム１１２は、化学検知及び放出機能を促進するために使用されてよい。例えば、動作中、飛行コントローラ１２０が使用されて、化学センサ１５０、風センサ１４０、及び（１以上の）撮像デバイス１１４からデータを集め、集められたデータに基づいて、航行中間点を決定（又は特定）し、化学センサ１５０に命令を提供することができる。例えば、プロセッサ１１６は、化学センサ１５０から化学データを収集し、化学データを処理し、及び飛行コントローラ１２０に命令を提供するように構成されていてよい。搭載型のプロセッサ１１６は、各センサ源からのデータを処理し、航空機の化学プルーム追跡航行のための中間点を特定する。単一のプロセッサ１１６が図示されているが、複数のプロセッサが利用されてよい。例えば、飛行コントローラ１２０に指示命令するために使用されるプロセッサから分離した専用のプロセッサが、化学検知システム１１２（又はISR用ペイロード１２６などの他のセンサシステム）用に使用されてよい。
【００８４】
例えば、航空機１００は、化学センサ１５０又は撮像デバイス１１４を使用して、化学試薬の最初の特定（又は追跡）を行うために時間をかけることができる。風センサ１４０から収集されたデータに少なくとも部分的に基づいて、搭載型のプロセッサ１１６は、航空機１００が進行するための次の（１以上の）中間点を特定することができる。本明細書で説明されるように、風向き及び／又は風速は、風センサ１４０によって特定されてよく、次の（１以上の）中間点を決定するために考慮されてよい。化学プルーム内の化学試薬の強度又は濃度レベルは、化学センサ１５０によって検出することができる。そのような強度データは、競合する微量の化学試薬間で選択が必要なときに利用されてよい。例えば、乱気流又は風向きの孤立した変化のために、空気中の化学試薬の複数の特定に基づいて、複数の中間点が特定される場合がある。この実施例では、搭載型のプロセッサ１１６が、最も高い強度を有する中間点を選択することができる。ある態様では、搭載型のプロセッサ１１６が、２つ以上の先行する中間点の位置に基づいて、化学試薬の推定経路を決定することができる。推定経路は、複数のセンサ（例えば、風センサ１４０、化学センサ１５０、及び撮像センサ１１４）から以前に収集されたデータに基づいて、補完することができる。
【００８５】
したがって、一態様では、航空機１００が、航空機の外部空気をモニタするために化学物質検知システム１１２を使用することができる。化学物質検知システム１１２は、空気中の１以上の化学物質を反映した化学データを提供するための化学センサ１５０を備えてよい。化学物質検知システム１１２は、空気の１以上の流れ状態を反映した風データを提供するための風センサ１４０、及び／若しくは、１以上の環境特徴（例えば、１以上の目印又は基準点を有する光景）を反映した画像データを提供するための撮像デバイス１１４を含んでよく、又はそれらと接続されていてよい。１以上のプロセッサ１１６は、化学データ、風データ、及び画像データに少なくとも部分的に基づいて、航空機１００用の航行中間点を特定し、航空機（例えば、飛行コントローラ１２０）に飛行命令を提供するように構成されていてよい。プロセッサ１１６は、化学試薬に関するデータを検出、追跡、及び送信し、航空機１００を航行させるために、化学物質検知システム１１２、風センサ１４０、圧力センサ１６０、及び／又は撮像デバイス１１４からのデータを処理及び／又は融合することができる。
【００８６】
撮像デバイス１１４は、精度の高い風速データを推定することにおいて助けとなるように、オプティカルフロー法を使用して基本的な輸送体の速度推定値を提供することもできる。例えば、オプティカルフロー法を介して、プロセッサ１１６は、観察者（例えば、航空機１００）と光景との間の相対的な動きによってもたらされる視覚的な光景内の物体、表面、及びエッジの見かけの動きのパターンを処理することができる。化学センサ１５０、風センサ１４０、及び／又は撮像デバイス１１４からのセンサデータが使用されて、化学プルーム源の風上追跡及び確認が可能になる。
【００８７】
図３は、風上追跡プロセスを介してプルーム３０４の化学プルーム源３０２を確認するように構成された、航空機１００の例示的なプロセス図３００を示している。特定の態様では、風上追跡プロセスが、風センサを使用して、位置（例えば、航空機１００又はプルーム３０４の現在の位置）からの風速及び／又は風向き（例えば、風データ）を使用して、化学プルーム３０４の先行する位置を決定し、化学プルーム３０４を化学プルーム源３０２まで追跡することを含む。図示されているように、（点Ｃ、すなわち、図示されている現在の位置として示されている）開始点は、化学プルーム源３０２の風下である。航空機１００は、点Ｃすなわち最初の位置において、プルーム３０４を検出することができる。点Ｃにおいてプルーム３０４を検出するや否や、航空機１００は、（矢印Ｃを介して示されている）プルーム３０４がそこから移動して来たところの方向を決定するために、（例えば、風センサ１４０を介して）風速及び／又は風向きを決定することができる。プルーム３０４がそこから移動して来たところの方向を決定するや否や、航空機１００は、（矢印Ｃ’を介して示されている）点Ｂに相当する位置すなわち先行する位置に向けて（例えば、所定の距離だけ）移動することができる。このプロセスは、化学プルーム源３０２の位置が特定されるまで繰り返されてよい。
【００８８】
航空機１００が１つの点からもう１つの点まで移動する距離は、航空機１００が移動する際の特定の位置における化学試薬の濃度レベルの強度に応じて決定されてよい。航空機１００は、化学プルームの化学試薬が再び検出されるか、又はその強度がより強くなる（すなわち、追跡可能になる）まで、一方向に移動することができる。このプロセスを繰り返して、何れかの時点で、（例えば、所定の期間）化学プルームの化学試薬が化学センサによって検出されないときに、航空機１００は、化学試薬が検出されるまで待機（すなわち、ホバー）することができる。代替的に、航空機１００は、化学試薬が検出されないときに、以前の場所まで遡ることができる。ある実施例では、航空機１００が、化学試薬が最初の風源に向って連続的に検出されるときに、風上の化学プルームを連続的に辿ることができる。したがって、航空機の化学センサは、現在位置周辺の化学試薬を連続的又は継続的にモニタしてよい。
【００８９】
ある実施例では、風データの変化が、航空機１００が移動する距離を決定してよい。航空機１００は、化学プルームの以前の位置又は化学プルームがそこから移動して来たところの方向を決定するや否や、風センサが風速及び／又は風向きの変化を検出するまで、その先行する位置に向けて移動することができる。その変化を検出するや否や、プロセッサ１１６は、風上追跡プロセスを繰り返すことができる。例えば、点Ｂに到着するや否や、航空機１００は、（矢印Ｂを介して示されている）プルーム３０４がそこから移動して来たところの方向を決定するために、再び風速及び／又は風向きを決定することができる。特定の態様では、方向が同じであってよく、そのポイントでは航空機１００が同じ経路に沿って移動を継続することができる。それは、航空機１００が化学プルーム源３０２に到着するか又は方向の変化を検出するまで行われる。図示されている実施例では、風向きが点Ｂで変化してよい。点Ｂにおける、プルーム３０４がそこから移動して来たところの方向を決定するや否や、航空機１００は、（矢印Ｂ’を介して示されている）点Ａの位置に向けて移動することができる。
【００９０】
点Ａに到着するや否や、航空機１００は、（矢印Ａを介して示されている）プルーム３０４がそこから移動して来たところの方向を決定するために、風速及び／又は風向きを決定することができる。図示されている実施例では、やはり風向きが点Ａで変化する。プルーム３０４がそこから移動して来たところの方向を決定するや否や、航空機１００は、点Ａから最後の点まで移動することができる。最後の点は、（矢印Ａ’で示されている）化学プルーム源３０２である。プロセス図３００は、３つの点（点Ａ、Ｂ、及びＣ）を示しているが、より多い又はより少ない点が、（点Ｃとして示されている）航空機１００の開始点と化学プルーム源３０２との間に位置決めされてよい。航空機１００は、例えば、風向きの変化や（例えば、化学センサ１５０を介して）化学プルームの濃度の変化などを検出するや否や、プルーム３０４を追跡するために、あるポイントで停止するように信号を送られてよい。
【００９１】
図３で提示されている矢印（すなわち、経路）は、例示目的だけのものである。航空機の実際の経路は、本明細書で説明される風上追跡プロセスを介して決定又は推定される際に、化学プルームの移動の経路と同一であるか又は非常に近い範囲内にあってよい。
【００９２】
化学センサ１５０は、高感度、高速化学検知能力を航空機１００に提供することが好ましい。化学センサ１５０は、一対の磁石の間の磁界内を移動する電流から生じるローレンツ力を使用する共振器技術を利用して、微細加工されたパドル構造体を共振に駆動することができる。例えば、位相ロックループ制御電子回路は、パドルの共振周波数（通常は約２０kHz）をモニタする。パドルの化学的に選択的なコーティングへの質量吸収により、周波数シフトが生じる。コーティングされていない基準パドルを使用すると、温度やガス流などの環境要因によって引き起こされる信号ドリフトを消去できるので、１０億分の５０（ppb）未満の感度で測定することができる。金属ヒーターがパドル上に直接的にパターン化されているため、急速な高温ランプにより、キャプチャされた化学物質をマイクロサンプラーに直接的に脱離させたり、又は検知フィルムを新しくしてクリーンにしたりすることができる。例示的な化学センサ１５０は、サンディア国立研究所（Sandia National Laboratory）から入手可能なマイクロ化学研究室システム（MicroChemlab system）の先進予備濃縮器（SPC）を含む。
【００９３】
化学センサ１５０は、化学プルーム追跡航行のための化学試薬の検出と特定の両方を提供することができる。更に、化学センサ１５０は、サンプル内の化学試薬の濃縮レベル又は強度を特定することができる。例えば、化学センサ１５０は、空気／風のサンプルを分析して、構成要素／化合物及び関連濃度のリストを反映したデータを出力するように構成することができる（例えば、パーセンテージ又は百万分の１（PPM））。プロペラの下（又は他の特定の高動圧領域内）のそれらの位置は、化学センサ１５０を通る気流を駆動する助けとなり、搭載型のポンプの使用を避けることができる（サイズ、重量、電力、及び費用（SWaP-C）を低減させる）。風センサ１４０は、風向き及び風速の推定値を提供し、航空機１００が、風上の化学プルームをそれらの源位置まで追跡することを可能にする。風データの推定値の精度は、（例えば、ISR用ペイロード及び／又は（１以上の）撮像デバイス１１４からの）搭載型のカメラのデータを介して更に改善され得る。航法システム１２４からのGPSデータも、GPSが拒否されていない環境内で利用されてよい。搭載型のカメラは、オプティカルフロー法及び他の方法を利用して、輸送体の速度を推定し、真の対気速度から航空機１００の対気速度を見定めることができる。モータ１０８ａ及びプロペラ１０８ｂは、VTOL能力を提供し、航空機１００が、徹底的に且つ系統的に領域を調査することを可能にする。
【００９４】
風センサ１４０は、全方向風速プローブ、ピトープローブのクラスタ、及び／又はプロペラによる風の逆流から離れて位置付けられている風向計を含む、多孔プローブであってよい。撮像デバイス１１４は、軽量であってよく、視覚的な情報を集め、化学物質源として作用し得る環境特徴を位置特定することにおいて助けとなることができる。同様に、撮像デバイス１１４からの視覚的な情報は、化学プルームを特定及び検出するために処理されてよい。例えば、特定の化学物質は、（色煙をもたらす）目立つ色又は不透明さに関連付けられてよい。化学プルームのこれらの及び他の視覚的な特徴は、化学物質の種類を特定し且つ／又はその動きを追跡するのに利用されるように、メモリデバイス１１８によって記憶されてよい。画像内の化学物質の（１以上の）視覚的な特徴を検出するためのアルゴリズムは、ハフ変換（Hough transform）などの様々な処理技法を使用して実現されてよい。例えば、特徴抽出技法は、画像分析、コンピュータ視認（computer vision）、及びデジタル画像処理で使用されてよい。
【００９５】
プロセッサ１１６は、収集されたデータに基づいて、航行中間点を特定し、（例えば、飛行コントローラ１２０を介して）航空機及び／又は化学センサ１５０に命令を提供するように構成されていてよい。化学センサ１５０への例示的な命令は、とりわけ、飽和した場合に検知フィルムから化学物質を脱離させるための命令を含んでよい。
【００９６】
航空機１００には、データを収集し且つ／又は領域をモニタするためのISR用ペイロード１２６が更に装備されていてよい。例えば、ISR用ペイロード１２６は、ISR機能を促進し且つISRデータ（例えば、写真、動画、音響、センサ測定値など）を提供するために、１以上のカメラ、音響デバイス、及び他のセンサを備えてよい。ISR用ペイロード１２６は、ISR用ペイロード１２６とプロセッサ１１６との間のISRデータの通信を促進するために、プロセッサ１１６と動作可能に接続されている。ISR用ペイロード１２６は、下方の及び／又は地上の物体をモニタするためにISR用ペイロード１２６をより容易に方向付けることを可能にするように、例えばジンバル装置を介して、機体１０２（又は例えばローターブーム１０４といった他の構造構成要素）の下側面と回転可能且つ旋回可能に連結されていてよい。特定の態様では、航法システムの構成要素が、ISR用ペイロード１２６と重なっていてよい。例えば、１以上の撮像デバイス１１４は、ISR用ペイロード１２６に統合されてよい。
【００９７】
環境特徴、化学データ、ISRデータ、及び／又は他の情報は、動的に又は定期的に、航空機１００から遠隔デバイス１３０まで、無線トランシーバ１２２を介してネットワーク１２８経由で通信されてよい。環境特徴、化学データ、ISRデータ、及び／又は他の情報は、後でアクセス又は処理するために、メモリデバイス１１８内に記憶されてもよい。特定の態様では、様々な搭載型のセンサ（例えば、撮像デバイス１１４、ISR用ペイロード１２６など）からの未処理データが、遠隔処理用の生データとして航空機１００から無線トランシーバ１２２を介して通信されてよい。
【００９８】
プロセッサ１１６は、飽和した場合に検知フィルムから化学物質を脱離させるための命令などの命令を、化学センサ１５０ハードウェアに提供することもできるだろう。この場合のセンサ融合の使用は、重要である。というのも、脱離命令は、以前の濃度測定値のみならずセンサを通る推定された気流に基づき得るからである。例えば、風速推定値及び輸送体の速度推定値に基づいて、動圧は、リアルタイムでプロペラの下の化学センサ１５０において推定され得る。代替的に、圧力センサが、化学センサの入口ポート１５２において直接的に動圧を測定するために、プロペラの下に配置されてよい。このデータを化学物質の濃度測定値と組み合わせて、プロセッサ１１６は、センサを通って流れる化学物質の量を推定し、センサ脱離のための適切な時間を決定することができる。
【００９９】
特定の態様では、航空機１００用の航法スキームが、天然のシステムから着想を与えられ得る。例えば、雄の蛾は、交尾中に風上にある複雑な化学プルームを追跡するために蛇行経路を利用する。蛾などの昆虫では、遠い距離から重要な資源を位置特定するために、臭気の分子の乱流分布として臭気の源から蒸発して下流又は風下に移動した臭気を追跡するための複雑な挙動が必要である。動的に変化する環境を通じてこれらのプルームを追跡する蛾の驚異的な能力は、それらの臭いセンサの位置に部分的に起因していると考えられる。したがって、プルーム追跡生物からの生物学的原理を使用して、潜在的なセンサ位置を判断することができる。クワッドローターのUASと同様に、蛾の鼓動する翼は、昆虫の体の下に追いやられて頭から尾への流れを引き起こす乱流の円盤状にリングを生成する。ある測定値は、前方に突出する臭気検出アンテナが、翼の鼓動によって生成された乱流の影響外にあり、センサから引き出された空気のサンプルから恩恵を受ける可能性があることを示唆しているが、これは実証されていない。UAVの機体１０２の前部に位置決めされた化学センサ１５０は、昆虫のアンテナのように、生物学的なシステムが対処しなければならない作業又は制約にとって最適であるかもしれない。
【０１００】
図１ａが概して航空機１００に直接的に接続された又は航空機と統合された化学検知システム１１２及び他のセンサ（例えば、風センサ１４０及び圧力センサ１６０）を示している一方で、化学検知システム１１２及び他のセンサのうちの１以上は、外部のペイロード４０２として設けられてよい。図４ａは、化学物質を放出及び／又は検知するための吊り荷センサペイロード１２０が装備された、例示的な多回転翼VTOL UAV航空機１００を示している。図示されているように、外部のペイロード４０２は、例えば、吊り荷制御装置４０８を介して機体１０２に連結された綱４０４を介して、吊り荷構成にある航空機１００の下側から吊り下げられていてよい。
【０１０１】
図１ａの航空機１００との関連で説明されたように、内部センサ４０６の目的は、潜在的な脅威をモニタ又は測定するために遠隔位置に素早く展開され得る移動式センサを設けることである。例えば、外部のペイロード４０２は、航空機１００によって所望の位置に配置及び／又は供給することができる。しかし、外部のペイロード４０２は、（例えば、上述されたように、リアルタイムで又は略リアルタイムでプルームを追跡するために）未だ空中で動作することができる。外部のペイロード４０２は、環境から外部のペイロード４０２の内部センサ４０６に向けて空気を導く、１以上の化学センサ入口ポート１５２を含んでよい。例えば、内部センサ４０６は、化学物質検知システム１１２、風センサ１４０、圧力センサ１６０などを含んでよい。外部のペイロード４０２は、外部のペイロード４０２から空気を排出するための１以上の出口ポート１５４を含んでよい。特定の態様では、外部のペイロード４０２が、ジンバルデバイス上に取り付けられていてよい。
【０１０２】
図示されている吊り荷構成で外部のペイロード４０２を吊り下げることにより、航空機１００の飛行の動力学を化学物質検知（例えば、外部のペイロード４０２）から連結解除することができ、それによって、風、振動、絶縁などによって生じる問題に対処することができる。実際、そのようなセンサは、しばしば、静的な環境で実施することがより容易な微小電気機械デバイスの精密で正確な振動解析に依存する。したがって、ペイロードは、質量中心において又は質量中心の近くで航空機１００の本体（例えば、機体１０２）に固定的に取り付けられてもよいが、この位置は、気流、EMI（電磁干渉）、及び機械的な振動の効果のために、化学センサにとって理想的ではない場合がある。したがって、外部のペイロード４０２は、航空機１００の下方に下げられ（又は落とされ）得る、吊り荷構成で配置されてよい。
【０１０３】
吊るされた（すなわち、下げられた）ときに、外部のペイロード４０２のセンサ（例えば、化学センサ）は、航空機１００からの最も強い気流及びEMIから物理的に除去されたことになる。更に、綱４０４を介して与えられる振り子効果は、機械的ローパスフィルタとして機能することができ、それによって、航空機１００の振動が、外部のペイロード４０２を通過するのを低減させる。言い換えると、外部のペイロード４０２は、航空機１００の強い吹きおろしの外側で動作することとなり、吊り荷の綱４０４は、航空機１００によって生成される高周波数振動のローパスフィルタとして作用することができる。
【０１０４】
図示されているように、航空機１００は、綱４０４を後退させ（例えば、引き込み）及び展開する（例えば、延ばす又は繰り出す）ことによって、（矢印によって示されているように）機体１０２と外部のペイロード４０２との間の距離を調整するように構成された、吊り荷制御装置４０８を含んでよい。例えば、外部のペイロード４０２は、航空機１００、遠隔デバイス１３０、局所的なセンサなどからの命令に基づいて、選択的に綱４０４を引き込む又は繰り出すウインチ及び／又はウインチを駆動するための制御回路を含んでよい。例えば、航空機１００は、綱４０４を引き込むことによって輸送飛行中に航空機１００の近くに外部のペイロード４０２を固定することができ、次いでアクティブな化学物質検知中（例えば、検知位置に到着するや否や）航空機１００の下方に外部のペイロード４０２を展開することができる。航空機１００に又は航空機１００の近くに外部のペイロード４０２を固定することにより、飛行中に化学センサを動作させる気流、振動、及びEMIの必要性に対処する。
【０１０５】
更に、航空機の飛行コントローラ１２０は、航空機１００から外部のペイロード４０２に与えられる力、又は綱４０４を通じて外部のペイロード４０２を介して航空機１００に与えられる力を補償するように構成されていてよい。図４ｂを参照すると、飛行コントローラ１２０は、（例えば、展開されていても又は後退していても）外部のペイロード４０２の状態に基づいて異なる飛行設定を提供することができる。外部のペイロード４０２が展開され（例えば、吊り下げられ又は下げられ）たときに、飛行コントローラ１２０は、航空機１００が（１以上の）入口ポート１５２において新鮮な空気（例えば、推進器１０８からの吹きおろしではない空気）を受け取ることができるように、航空機１００を動作せるように構成されていてよい。例えば、図４ｂで示されているように、飛行コントローラ１２０は、内部センサ４０６が（１以上の）入口ポート１５２において新鮮な乱されていない空気を受け取ることができるように、外部のペイロード４０２の空気吸入中に、安定した前進速度で航空機１００を移動させるように構成されていてよい。
【０１０６】
上記で引用された特許及び特許文献は、全体として参照により本願に援用される。本明細書で参照されることによって組み込まれた参考文献における用語の定義又は使用法が、本明細書で提供される用語の定義又は理解と一貫せず又は矛盾する場合には、本明細書で提供されるその用語の意味が優先され、参考文献におけるその用語の定義は、必ずしも適用されない。部品、特徴などの特定の配置を参照しながら、様々な実施形態が説明されてきたが、これらは、全ての可能な配置又は特徴を網羅することを意図するものではなく、実際、多くの他の実施形態、修正例、及び変形例が、当業者に究明可能であろう。したがって、主たる開示の教示は、特に上述されていなくとも実施可能であることが理解されるべきである。
【０１０７】
本開示は、以下の条項で説明される主題を含む。
条項１
輸送体（１００）を化学物質源に航行させるための化学物質検知システム（１１２）であって、
空気中の１以上の化学物質を反映した化学データを提供するための化学センサ（１５０）、
空気の１以上の流れ状態を反映した風データを提供するための風センサ（１４０）、及び
前記化学データ及び前記風データに少なくとも部分的に基づいて、前記航空機（１００）の航行中間点を特定し、前記航空機（１００）に飛行命令を提供するためのプロセッサ（１１６）を備える、化学物質検知システム（１１２）。
条項２
１以上の環境特徴を反映した画像データを提供するための撮像デバイスを更に備え、前記プロセッサ（１１６）が、前記画像データに少なくとも部分的に基づいて前記航空機（１００）に飛行命令を提供する、条項１に記載の化学物質検知システム（１１２）。
条項３
前記航空機（１００）に搭載された化学物質貯蔵ユニットから化学物質を放出するための化学物質放出ポートを更に備える、条項１又は２に記載の化学物質検知システム（１１２）。
条項４
前記化学センサ（１５０）の近傍の動圧を検出するための圧力センサ（１６０）を更に備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の化学物質検知システム（１１２）。
条項５
前記プロセッサ（１１６）が、前記化学センサ（１５０）の検知フィルムが飽和した場合に、前記検知フィルムから化学物質を脱離させるための命令を送るように構成されている、条項１から４のいずれか一項に記載の化学物質検知システム（１１２）。
条項６
航空機（１００）の外部空気を検知するための前記航空機（１００）であって、
機体（１０２）、
前記機体（１０２）と動作可能に連結された推進器、
空気中の１以上の化学物質を反映した化学データを提供するための化学センサ（１５０）であって、入口ポート及び出口ポートに流体連結した化学センサ（１５０）、
空気の１以上の流れ状態を反映した風データを提供するための風センサ（１４０）、並びに
前記化学センサ（１５０）及び前記風センサ（１４０）と通信可能に接続されたプロセッサで（１１６）あって、所定の化学物質を含む化学プルーム（３０４）を検出するために前記化学データ及び前記風データを処理するように構成されたプロセッサ（１１６）を備える、航空機（１００）。
条項７
前記プロセッサ（１１６）が、前記化学データ及び前記風データに少なくとも部分的に基づいて、航行中間点を特定し、前記航空機（１００）の飛行コントローラに命令を提供するように構成されている、条項６に記載の航空機（１００）。
条項８
前記プロセッサ（１１６）が、１以上の環境特徴を反映した画像データを提供するための撮像デバイスと通信可能に接続されており、前記プロセッサ（１１６）が、１以上のオプティカルフロー法によって前記画像データに少なくとも部分的に基づいて前記化学プルーム（３０４）の源位置を推定するように構成されている、条項６又は７に記載の航空機（１００）。
条項９
前記プロセッサ（１１６）が、前記風データに少なくとも部分的に基づいて前記化学プルーム（３０４）の経路を特定するように構成されている、条項６から８のいずれか一項に記載の航空機（１００）。
条項１０
前記プロセッサ（１１６）が、前記風データに少なくとも部分的に基づいて前記化学プルーム（３０４）の速度及び方向を反映した速度ベクトルを決定するように構成されている、条項６から９のいずれか一項に記載の航空機（１００）。
条項１１
前記プロセッサ（１１６）が、風上追跡プロセスを介して前記化学プルーム（３０４）の源位置を特定するように構成されている、条項９に記載の航空機（１００）。
条項１２
前記風上追跡プロセスが、ある位置からの前記風データを少なくとも部分的に使用して、前記化学プルーム（３０４）の先行する位置を決定し、前記化学プルーム（３０４）を前記源位置まで追跡することを含み、前記風データが、風速及び風向きを含む、条項１１に記載の航空機（１００）。
条項１３
前記入口ポートが、前記推進器によって生成されたプロペラによる風の逆流の範囲内で前記航空機（１００）上に位置決めされている、条項６から１２のいずれか一項に記載の航空機（１００）。
条項１４
前記出口ポートが、前記航空機（１００）上に位置決めされ、前記推進器から離れる空気を排出するように構成されている、条項６から１３のいずれか一項に記載の航空機（１００）。
条項１５
前記プロセッサ（１１６）が、前記化学データ及び前記風データに応じて飛行経路を推定するように構成されている、条項６から１４のいずれか一項に記載の航空機（１００）。
条項１６
前記プロセッサ（１１６）が、前記化学データに少なくとも部分的に基づいて臭気の強度を決定するように構成されている、条項６から１５のいずれか一項に記載の航空機（１００）。
条項１７
前記化学センサ（１５０）が、外部のペイロードを介して設けられている、条項６から１６のいずれか一項に記載の航空機（１００）。
条項１８
前記外部のペイロードが、吊り荷構成内の綱を介して前記航空機（１００）から吊り下げられるように構成されている、条項１７に記載の航空機（１００）。
条項１９
航空機（１００）を化学物質源に航行させるための方法であって、
空気中の１以上の化学物質を反映した化学データを化学センサ（１５０）から受け取ること、
空気の１以上の流れ状態を反映した風データを風センサ（１４０）から受け取ること、及び
前記化学センサ（１５０）及び前記風センサ（１４０）と動作可能に接続されたプロセッサ（１１６）によって、前記化学データ及び前記風データに少なくとも部分的に基づいて航行中間点を特定することを含む、方法。
条項２０
圧力センサ（１６０）によって、前記化学センサ（１５０）の近傍の動圧を検出するステップを更に含む、条項１９に記載の方法。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
2020034548.tif 000008
【外国語明細書】
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