(57)【要約】【課題】十分な冗長度が確保できる数量の飛行制御装置を無人航空機に搭載できない場合であっても、飛行制御機能の冗長化を好適に図る。【解決手段】飛行制御システム１は、無人航空機１０自身の制御信号と地上設備２０からの制御信号とによって無人航空機１０の飛行を制御する。無人航空機１０及び地上設備２０には、機体センサー１２からのセンサー出力信号Ｓ１に基づいて機体アクチュエータ１３の駆動を制御可能な少なくとも１つのＦＣＵがそれぞれ設けられている。無人航空機１０上の少なくとも１つのＦＣＵと、地上設備２０の少なくとも１つのＦＣＵとで、無人航空機１０上の一のＦＣＵを主機とする飛行制御機能の冗長系が構成され、無人航空機１０上で飛行制御を行うＦＣＵに異常が発生した場合に、当該ＦＣＵから他のＦＣＵへの飛行制御機能の移行を、地上設備２０から実行可能に構成されている。【選択図】図１
2015054613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無人航空機自身の制御信号と地上設備からの制御信号とによって無人航空機の飛行を制御する無人航空機の飛行制御システムであって、
前記無人航空機及び前記地上設備には、前記無人航空機の飛行状態を検出する機体センサーからのセンサー出力信号に基づいて、前記無人航空機の各部を動作させる機体アクチュエータの駆動を制御可能な少なくとも１つの飛行制御装置がそれぞれ設けられ、
前記無人航空機上の前記少なくとも１つの飛行制御装置と、前記地上設備の前記少なくとも１つの飛行制御装置とで、前記無人航空機上の一の飛行制御装置を主機とする飛行制御機能の冗長系が構成され、
前記無人航空機上で飛行制御を行う飛行制御装置に異常が発生した場合に、当該飛行制御装置から他の飛行制御装置への飛行制御機能の移行を前記地上設備から実行可能に構成されていることを特徴とする無人航空機の飛行制御システム。
【請求項２】
前記無人航空機及び前記地上設備には、互いに信号を送受信可能な信号送受信手段がそれぞれ設けられ、
前記無人航空機上では、前記少なくとも１つの飛行制御装置が前記センサー出力信号に基づく演算結果データを出力するととともに、当該演算結果データが前記信号送受信手段を介して前記地上設備へ送信され、
前記地上設備では、
前記少なくとも１つの飛行制御装置が前記無人航空機から送信された前記センサー出力信号に基づく演算結果データを出力するととともに、
当該演算結果データと、前記無人航空機から送信された演算結果データとの比較によって、飛行制御を行う飛行制御装置に異常が発生したか否かが判定されることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機の飛行制御システム。
【請求項３】
前記無人航空機には、主機と第一バックアップ機の２つの飛行制御装置が搭載され、
前記地上設備には、第二バックアップ機の飛行制御装置が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の無人航空機の飛行制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無人航空機の飛行制御システムに関し、特に当該飛行制御システムの飛行制御機能を冗長化するうえで有用な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
無人で飛行する無人航空機では、一般に、機体センサーからのセンサー出力信号や地上設備からの制御信号に基づいて、機体に搭載された飛行制御装置が飛行制御を行う。この種の無人航空機において、飛行制御の信頼性を向上させようとした場合、機体に複数の飛行制御装置を搭載させて飛行制御機能の冗長化を図ることが考えられる。しかし、機体に複数の飛行制御装置を搭載させることは、重量や搭載スペースの点で好ましくないのは勿論のこと、各種の制約からこの搭載がそもそも困難な場合もある。
【０００３】
そこで、例えば特許文献１に記載の技術では、無人航空機自体には飛行制御装置（自動制御装置）を搭載させずに、地上設備に複数の飛行制御装置を設けている。この技術によれば、機体センサーからのセンサー出力信号に基づいて地上設備の飛行制御装置が生成した機体操縦信号を無人航空機へ送信してその飛行制御を行いつつ、地上設備に設けた複数の飛行制御装置によって飛行制御機能の冗長化を図ることが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−８０８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、センサー出力信号や機体操縦信号が常に機体と地上設備間のデータリンクを介して送受信される制御形態であるため、飛行制御装置を機体に搭載させる場合に比べて制御精度が低下するおそれがある。機体と地上設備間のデータリンクにはデータ量の制限やデータ遅延などが生じうるため、主たる飛行制御装置に故障が生じた非常時だけであれば未だしも、常時このような制御形態が採られることは、より高精度な飛行制御を望むうえで好ましくない。
【０００６】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、十分な冗長度が確保できる数量の飛行制御装置を無人航空機に搭載できない場合であっても、高精度な飛行制御をしつつ、飛行制御機能の冗長化を好適に図ることができる無人航空機の飛行制御システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
無人航空機自身の制御信号と地上設備からの制御信号とによって無人航空機の飛行を制御する無人航空機の飛行制御システムであって、
前記無人航空機及び前記地上設備には、前記無人航空機の飛行状態を検出する機体センサーからのセンサー出力信号に基づいて、前記無人航空機の各部を動作させる機体アクチュエータの駆動を制御可能な少なくとも１つの飛行制御装置がそれぞれ設けられ、
前記無人航空機上の前記少なくとも１つの飛行制御装置と、前記地上設備の前記少なくとも１つの飛行制御装置とで、前記無人航空機上の一の飛行制御装置を主機とする飛行制御機能の冗長系が構成され、
前記無人航空機上で飛行制御を行う飛行制御装置に異常が発生した場合に、当該飛行制御装置から他の飛行制御装置への飛行制御機能の移行を前記地上設備から実行可能に構成されていることを特徴とする。
ここで、「主機」とは、飛行制御システムの各部が正常に動作している常態において優先的に機能するものを意味する。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の無人航空機の飛行制御システムにおいて、
前記無人航空機及び前記地上設備には、互いに信号を送受信可能な信号送受信手段がそれぞれ設けられ、
前記無人航空機上では、前記少なくとも１つの飛行制御装置が前記センサー出力信号に基づく演算結果データを出力するととともに、当該演算結果データが前記信号送受信手段を介して前記地上設備へ送信され、
前記地上設備では、
前記少なくとも１つの飛行制御装置が前記無人航空機から送信された前記センサー出力信号に基づく演算結果データを出力するととともに、
当該演算結果データと、前記無人航空機から送信された演算結果データとの比較によって、飛行制御を行う飛行制御装置に異常が発生したか否かが判定されることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の無人航空機の飛行制御システムにおいて、
前記無人航空機には、主機と第一バックアップ機の２つの飛行制御装置が搭載され、
前記地上設備には、第二バックアップ機の飛行制御装置が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、無人航空機に設けられた少なくとも１つの飛行制御装置と、地上設備に設けられた少なくとも１つの飛行制御装置とで、無人航空機上の１つの飛行制御装置を主機とする飛行制御機能の冗長系が構成されており、無人航空機上で飛行制御を行う飛行制御装置に異常が発生した場合に、当該飛行制御装置から他の飛行制御装置への飛行制御機能の移行が地上設備から行われる。これにより、従来と異なり、常態では無人航空機上の主機の飛行制御装置で飛行制御を行いつつ、無人航空機上の飛行制御装置に異常が発生した場合には、地上設備のものを含む他の飛行制御装置に飛行制御機能を代替させることができる。したがって、十分な冗長度が確保できる数量の飛行制御装置を無人航空機に搭載できない場合であっても、高精度な飛行制御をしつつ、飛行制御機能の冗長化を好適に図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】無人航空機の飛行制御システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
［構成］
図１は、本実施形態における無人航空機の飛行制御システム（以下、単に「飛行制御システム」という。）１の構成を示すブロック図である。
この図に示すように、飛行制御システム１は、地上設備２０からの制御信号によって無人航空機１０の飛行を制御するものである。
【００１４】
無人航空機１０は、後述する地上設備２０のデータリンク送受信器２１とデータリンクを構成して互いに各種信号を送受信可能なデータリンク送受信器１１のほか、機体センサー１２と、機体アクチュエータ１３と、２つのＦＣＵ（Flight Control Unit：飛行制御装置）１４，１４とを備えている。
【００１５】
機体センサー１２は、無人航空機１０の飛行状態を検出するための各種のセンサーであり、ジャイロセンサー，速度センサー，ＧＰＳ（Global Positioning System），高度センサー等を含んで構成されている。この機体センサー１２は、検出した各種の飛行状態データを、センサー出力信号Ｓ１としてデータリンク送受信器１１及び２つのＦＣＵ１４，１４へそれぞれ出力する。
機体アクチュエータ１３は、無人航空機１０の各部を動作させる各種のアクチュエータであり、具体的には、エルロン，ラダー，エレベータ，スロットル，フラップ，脚等を動作させるためのものである。
【００１６】
２つのＦＣＵ１４，１４は、それぞれ、地上設備２０から送信される後述の自動制御モード信号Ｓ７や機体センサー１２からのセンサー出力信号Ｓ１に基づいて、機体アクチュエータ１３の駆動を制御する駆動制御信号Ｓ２を生成し、データリンク送受信器１１及び機体アクチュエータ１３へ出力する。また、２つのＦＣＵ１４，１４は、自動制御モード信号Ｓ７やセンサー出力信号Ｓ１に基づく演算結果のデータを、ＦＣＵ出力信号Ｓ３としてデータリンク送受信器１１へそれぞれ出力する。この２つのＦＣＵ１４，１４は、第一ＦＣＵ１４ａと第二ＦＣＵ１４ｂからなり、このうち、第一ＦＣＵ１４ａが常態で優先的に機能する（飛行制御を行う）主機であり、第二ＦＣＵ１４ｂがその第一バックアップ機である。
【００１７】
また、２つのＦＣＵ１４，１４は、第一切替器１５及び第二切替器１６をこの順番に介して機体アクチュエータ１３と接続されている。
このうち、第一切替器１５は、機体アクチュエータ１３に入力させる駆動制御信号Ｓ２を、第一ＦＣＵ１４ａからのものと第二ＦＣＵ１４ｂからのものとで切り替えるものである。この第一切替器１５は、常態で第一ＦＣＵ１４ａからの駆動制御信号Ｓ２が機体アクチュエータ１３に入力されるように設定されている。
一方、第二切替器１６は、機体アクチュエータ１３に入力させる駆動制御信号Ｓ２を、無人航空機１０上のＦＣＵ１４（第一ＦＣＵ１４ａ又は第二ＦＣＵ１４ｂ）からのものと、後述する地上設備２０の第三ＦＣＵ２２からのものとで切り替えるものである。この第二切替器１６は、常態で無人航空機１０上のＦＣＵ１４からの駆動制御信号Ｓ２が機体アクチュエータ１３に入力されるように設定されている。
これら第一切替器１５及び第二切替器１６は、データリンク送受信器１１を介して地上設備２０から送信される後述の第一切替信号Ｓ４及び第二切替信号Ｓ５が入力されることで、切替動作を行う。
【００１８】
地上設備２０は、無人航空機１０のデータリンク送受信器１１と互いに各種信号を送受信可能なデータリンク送受信器２１のほか、第三ＦＣＵ２２と、遠隔操縦装置２３と、中央制御装置２４とを備えている。
【００１９】
第三ＦＣＵ２２は、無人航空機１０に搭載されたＦＣＵ１４と同様のＦＣＵ（飛行制御装置）である。すなわち、第三ＦＣＵ２２は、データリンクを介して無人航空機１０から送信されるセンサー出力信号Ｓ１や、中央制御装置２４から入力される後述の自動制御モード信号Ｓ７に基づいて、駆動制御信号Ｓ２を生成してデータリンク送受信器２１へ出力する。また、第三ＦＣＵ２２は、自動制御モード信号Ｓ７やセンサー出力信号Ｓ１に基づく演算結果のデータを、ＦＣＵ出力信号Ｓ３として中央制御装置２４へ出力する。この第三ＦＣＵ２２は、無人航空機１０に搭載された第一ＦＣＵ１４ａの第二バックアップ機である。つまり、無人航空機１０上の第一ＦＣＵ１４ａ及び第二ＦＣＵ１４ｂと、地上設備２０の第三ＦＣＵ２２とは、無人航空機１０上の第一ＦＣＵ１４ａを主機として、飛行制御機能の冗長系を構成している。
【００２０】
遠隔操縦装置２３は、オペレータによる無人航空機１０の遠隔操縦（手動操縦）が可能なものであり、この操縦操作に応じた機体アクチュエータ１３の駆動制御信号Ｓ２をデータリンク送受信器２１へ出力する。この遠隔操縦装置２３による遠隔操縦時には、オペレータは、無人航空機１０の飛行状態を視認可能な機器（例えば中央制御装置２４のディスプレイなど）を見ながら操縦操作を行う。
【００２１】
遠隔操縦装置２３と第三ＦＣＵ２２とは、第三切替器２５を介してデータリンク送受信器２１と接続されている。第三切替器２５は、データリンク送受信器２１を介して無人航空機１０へ送信する駆動制御信号Ｓ２を、第三ＦＣＵ２２からのものと遠隔操縦装置２３からのものとで切り替えるものである。この第三切替器２５は、常態で第三ＦＣＵ２２からの駆動制御信号Ｓ２がデータリンク送受信器２１に入力されるように設定されており、後述する第三切替信号Ｓ６が中央制御装置２４から入力されることで切替動作を行う。
【００２２】
中央制御装置２４は、飛行制御システム１を中央制御するものである。具体的には、中央制御装置２４は、自動離着陸や自動航行等の制御モードを指示する自動制御モード信号Ｓ７を、データリンク送受信器２１を介して無人航空機１０へ送信するとともに第三ＦＣＵ２２へ出力する。また、中央制御装置２４は、後述するように、データリンク送受信器２１を介して無人航空機１０から送信されるＦＣＵ出力信号Ｓ３や、第三ＦＣＵ２２から入力されるＦＣＵ出力信号Ｓ３に基づいて、各ＦＣＵの動作状況を監視し、飛行制御を行うＦＣＵの切り替えが必要か否かを判定する。そして、ＦＣＵの切り替えが必要と判定した場合、中央制御装置２４は、第一切替信号Ｓ４又は第二切替信号Ｓ５をデータリンク送受信器２１を介して無人航空機１０へ送信したり、第三切替信号Ｓ６を第三切替器２５へ出力したりする。
【００２３】
［動作］
続いて、飛行制御システム１の動作について説明する。
まず、各部が正常に動作している常態における飛行制御システム１の動作について説明する。
【００２４】
常態においては、無人航空機１０上の第一ＦＣＵ１４ａが、主機のＦＣＵとして当該無人航空機１０の飛行制御を行う。具体的には、第一ＦＣＵ１４ａは、機体センサー１２から入力されるセンサー出力信号Ｓ１に基づいて駆動制御信号Ｓ２を生成し、この駆動制御信号Ｓ２を機体アクチュエータ１３へ出力することで、その駆動を制御する。このとき、第一ＦＣＵ１４ａは、自動離着陸や自動航行等の制御モードを指示する自動制御モード信号Ｓ７を地上設備２０の中央制御装置２４から受信しており、この自動制御モード信号Ｓ７で指示された制御モードに対応するように、駆動制御信号Ｓ２を生成する。また、第一ＦＣＵ１４ａは、駆動制御信号Ｓ２を生成する際の演算結果のデータであるＦＣＵ出力信号Ｓ３を、地上設備２０の中央制御装置２４へ送信する。
【００２５】
このとき、第一ＦＣＵ１４ａのバックアップ機である無人航空機１０上の第二ＦＣＵ１４ｂや地上設備２０の第三ＦＣＵ２２も、第一ＦＣＵ１４ａと同様に動作している。つまり、第二ＦＣＵ１４ｂ及び第三ＦＣＵ２２は、センサー出力信号Ｓ１や自動制御モード信号Ｓ７に基づいて駆動制御信号Ｓ２を生成して機体アクチュエータ１３に向けて出力するとともに、ＦＣＵ出力信号Ｓ３を中央制御装置２４に向けて出力する。このうち、駆動制御信号Ｓ２は第一切替器１５及び第二切替器１６で遮断されて機体アクチュエータ１３には入力されないが、ＦＣＵ出力信号Ｓ３は中央制御装置２４に入力される。中央制御装置２４は、第一ＦＣＵ１４ａを含む３つのＦＣＵから入力された３つのＦＣＵ出力信号Ｓ３を比較することで、第一ＦＣＵ１４ａが正常に動作しているか否かを常時監視する。
【００２６】
続いて、無人航空機１０上の第一ＦＣＵ１４ａに異常が発生した場合における飛行制御システム１の動作について説明する。
【００２７】
地上設備２０の中央制御装置２４は、上述したように、３つのＦＣＵ（第一ＦＣＵ１４ａ，第二ＦＣＵ１４ｂ及び第三ＦＣＵ２２）から入力される３つのＦＣＵ出力信号Ｓ３を比較することで、第一ＦＣＵ１４ａの動作状況を常時監視している。そして、中央制御装置２４は、例えば、第一ＦＣＵ１４ａからのＦＣＵ出力信号Ｓ３に他の２つのＦＣＵからのものと一致しない部分が含まれるなどした場合に、第一ＦＣＵ１４ａに異常が発生し、飛行制御を行うＦＣＵの切り替えが必要と判定する。
【００２８】
すると、中央制御装置２４は、第一切替信号Ｓ４をデータリンク送受信器２１を介して無人航空機１０へ送信し、第一切替器１５へ入力させる。第一切替信号Ｓ４が入力された第一切替器１５は、第一ＦＣＵ１４ａからの駆動制御信号Ｓ２に代えて、第二ＦＣＵ１４ｂからの駆動制御信号Ｓ２が機体アクチュエータ１３に入力されるように、信号ラインを切り替える。こうして、異常が発生したと判定された第一ＦＣＵ１４ａに代えて、正常に機能する第二ＦＣＵ１４ｂが無人航空機１０の飛行制御を行う状態となり、正常な飛行制御状態が維持される。このときには、中央制御装置２４は、第二ＦＣＵ１４ｂ及び第三ＦＣＵ２２から入力される２つのＦＣＵ出力信号Ｓ３を比較することで、第二ＦＣＵ１４ｂが正常に動作しているか否かを常時監視する。
【００２９】
この状態において、中央制御装置２４は、さらに第二ＦＣＵ１４ｂにも異常が発生して、飛行制御を行うＦＣＵの切り替えが必要と判定した場合、飛行制御を行うＦＣＵを第二ＦＣＵ１４ｂから第三ＦＣＵ２２へ切り替える。具体的には、中央制御装置２４は、第二切替信号Ｓ５をデータリンク送受信器２１を介して無人航空機１０へ送信し、第二切替器１６へ入力させる。第二切替信号Ｓ５が入力された第二切替器１６は、第二ＦＣＵ１４ｂからの駆動制御信号Ｓ２に代えて、地上設備２０の第三ＦＣＵ２２からの駆動制御信号Ｓ２が機体アクチュエータ１３に入力されるように、信号ラインを切り替える。こうして、異常が発生したと判定された第二ＦＣＵ１４ｂに代えて、正常に機能する第三ＦＣＵ２２が無人航空機１０の飛行制御を行う状態となり、正常な飛行制御状態が維持される。
【００３０】
また、この状態において、さらに第三ＦＣＵ２２にも異常が発生したと中央制御装置２４が判定したり、モニタ員によって手動操縦への切り替え操作が中央制御装置２４に入力されたりした場合には、中央制御装置２４は、飛行制御を行う機器を第三ＦＣＵ２２から遠隔操縦装置２３へ切り替える。具体的には、中央制御装置２４は、第三切替信号Ｓ６を第三切替器２５へ出力することで、第三ＦＣＵ２２からの駆動制御信号Ｓ２に代えて、遠隔操縦装置２３からの駆動制御信号Ｓ２が無人航空機１０へ送信されるように、第三切替器２５に信号ラインを切り替えさせる。こうして、第三ＦＣＵ２２に代えて、遠隔操縦装置２３を操作するオペレータが無人航空機１０の飛行制御を行う状態となる。
【００３１】
以上のように、本実施形態の飛行制御システム１によれば、常態では無人航空機１０上の主機の第一ＦＣＵ１４ａで飛行制御を行いつつ、無人航空機１０上の第一ＦＣＵ１４ａ（又は第二ＦＣＵ１４ｂ）に異常が発生した場合には、地上設備２０の第三ＦＣＵ２２を含む他のＦＣＵに飛行制御機能を代替させることができる。したがって、十分な冗長度が確保できる数量のＦＣＵを無人航空機１０に搭載できない場合であっても、高精度な飛行制御をしつつ、飛行制御機能の冗長化を好適に図ることができる。
【００３２】
また、無人航空機１０上の２つのＦＣＵ１４，１４の両方に異常が発生した場合であっても、地上設備２０の中央制御装置２４によって地上設備２０の第三ＦＣＵ２２へ飛行制御機能を移行させて、この第三ＦＣＵ２２で無人航空機１０の飛行制御を行うことができる。したがって、無人航空機１０と地上設備２０とのデータリンクさえ機能していれば、無人航空機１０の正常な飛行制御状態を維持することができる。
【００３３】
なお、本発明を適用可能な実施形態は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００３４】
例えば、上記実施形態では、無人航空機１０に２つのＦＣＵ１４（第一ＦＣＵ１４ａ及び第二ＦＣＵ１４ｂ）が搭載され、地上設備２０に１つの第三ＦＣＵ２２が設けられることとしたが、無人航空機１０及び地上設備２０には、少なくとも１つのＦＣＵ（飛行制御装置）がそれぞれ設けられていればよい。
【００３５】
また、飛行制御を行うＦＣＵに異常が発生した（と判定された）場合には、地上設備２０の中央制御装置２４が飛行制御機能の移行を行うこととしたが、中央制御装置２４のモニタ員が最終的にこの移行を指令することとした方がよい。より詳しくは、この場合には、モニタ員（人間）が中央制御装置２４の判定結果を含む全ての関連情報を総合的に捉えたうえで、どのように飛行制御機能の移行を行うか、或いは行わないかを最終的に判断した方がよい。
【００３６】
また、中央制御装置２４は、飛行制御を行うＦＣＵに異常が発生したか否かの判定を行う場合に、各ＦＣＵから出力された演算結果のデータであるＦＣＵ出力信号Ｓ３を比較することとしたが、機体アクチュエータ１３の駆動を制御する駆動制御信号Ｓ２を比較することとしてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１        飛行制御システム
１０      無人航空機
１１    データリンク送受信器（信号送受信手段）
１２    機体センサー
１３    機体アクチュエータ
１４    ＦＣＵ（飛行制御装置）
１４ａ  第一ＦＣＵ
１４ｂ  第二ＦＣＵ
１５    第一切替器
１６    第二切替器
２０      地上設備
２１    データリンク送受信器（信号送受信手段）
２２    第三ＦＣＵ
２３    遠隔操縦装置
２４    中央制御装置
２５    第三切替器
Ｓ１      センサー出力信号
Ｓ２      駆動制御信号
Ｓ３      ＦＣＵ出力信号（演算結果データ）
Ｓ４      第一切替信号
Ｓ５      第二切替信号
Ｓ６      第三切替信号
Ｓ７      自動制御モード信号
【図１】
2015054613.tif 000003