(57)【要約】【課題】この発明は、上昇気流の発生している領域を精度よく特定し、飛行体による上昇気流を利用した飛行を可能とする飛行制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】飛行制御装置１００ａは、上昇気流を利用して飛行する無人航空機１０００に配備される。飛行制御装置１００ａは、無人航空機１０００の飛行中の加速度を検出して加速度情報を出力する加速度センサ１０と、ＧＰＳ衛星から測位情報を受信し、受信した測位情報に基づき無人航空機１０００の現在の飛行位置を示す飛行位置情報を生成する慣性航法装置２０と、加速度センサ１０が出力した加速度情報と慣性航法装置２０が生成した飛行位置情報とを用いて、上昇気流の分布を示す上昇気流分布情報を生成する信号処理器３０と、信号処理器３０が生成した上昇気流分布情報を参照して無人航空機１０００の飛行制御を実行する誘導装置４０とを備えた。【選択図】図２
2007245797.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上昇気流を利用して飛行する飛行体に配備される飛行制御装置において、
前記飛行体の飛行中の加速度を検出し、検出した加速度を加速度情報として出力する加速度センサと、
測位情報を受信し、受信した測位情報に基づき前記飛行体の現在の飛行位置を示す飛行位置情報を生成して出力する測位部と、
前記加速度センサが出力した加速度情報と前記測位部が出力した飛行位置情報とを用いて、上昇気流の分布を示す上昇気流分布情報を生成する分布情報生成部と、
前記分布情報生成部が生成した上昇気流分布情報を参照して前記飛行体の飛行制御を実行する飛行制御部と
を備えたことを特徴とする飛行制御装置。
【請求項２】
前記飛行制御装置は、さらに、
飛行中における前記飛行体の機体近傍に生じる気流の速度を計測し、計測した気流の速度を気流速度情報として出力する風速計を備え、
前記分布情報生成部は、
前記測位部が出力した飛行位置情報と前記風速計が出力した気流速度情報とを用いて上昇気流の概略の分布予想を示す概略分布予想情報を生成し、
前記飛行制御部は、
前記分布情報生成部が生成した概略分布予想情報を参照して前記飛行体の飛行制御を実行し、
前記分布情報生成部は、
前記前記飛行制御部による概略分布予想情報を参照した飛行制御の実行後に、前記加速度センサが出力した加速度情報と前記測位部が出力した飛行位置情報とを用いて、上昇気流分布情報を生成することを特徴とする請求項１記載の飛行制御装置。
【請求項３】
前記飛行制御装置は、さらに、
前記飛行体の飛行中に地表面の地表温度を検出し、検出した地表温度を地表温度情報として出力する温度センサを備え、
前記分布情報生成部は、
前記測位部が出力した飛行位置情報と前記温度センサが出力した地表温度情報とを用いて上昇気流の概略の分布予想を示す概略分布予想情報を生成し、
前記飛行制御部は、
前記分布情報生成部が生成した概略分布予想情報を参照して前記飛行体の飛行制御を実行し、
前記分布情報生成部は、
前記前記飛行制御部による概略分布予想情報を参照した飛行制御の実行後に、前記加速度センサが出力した加速度情報と前記測位部が出力した飛行位置情報とを用いて、上昇気流分布情報を生成することを特徴とする請求項１記載の飛行制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３いずれかに記載の飛行制御装置を備えたことを特徴とする飛行体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、上昇気流を利用して飛行距離或いは飛行時間を延伸させる航空機に配備される飛行制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な無人航空機は、離陸前に予め設定された飛行経路や、或いは飛行中に地上から無線で指定を受けた飛行経路を飛行する方式を採っている。特に、近年の無人航空機はＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）装置を搭載しており、飛行経路は複数の３次元座標で設定する場合が多い。このような無人の航空機は、指定された地点上空からの地上画像情報の収集等を主な用途としている。無人航空機の動力源にはレシプロエンジン、或いは電動モータが使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
無人航空機のうち特に小型のものは搭載可能な燃料の量に限界があるため、搭載するペイロードを大きくすると、重量増に伴う燃料の消費量の増加及び搭載可能燃料の減少に伴って飛行可能な距離や時間が短くなる。反対に搭載する燃料の量を多くすると、搭載可能なペイロードが減少し本来の用途の達成に制限が加わる場合がある。
【０００４】
この問題を解決するための手段として、気流或いは風速分布を遠隔計測するためのレーザや光学装置を取り付け、上昇気流の位置を推定するとともに、積極的に上昇気流領域を飛行させる方式があった（例えば、特許文献１）。
【０００５】
しかし、この方式では気流の推定は行うものの、上昇気流の実測を実施していなために精度に課題があった。また、雲等の気象の影響を受けた場合には、更に推定精度が劣化するという課題があった。
【特許文献１】特開２００５−８２０１８号公報
【０００６】
この発明は、上昇気流の発生している領域及びその強さ分布をより良い精度で特定する飛行制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の飛行制御装置は、
上昇気流を利用して飛行する飛行体に配備される飛行制御装置において、
前記飛行体の飛行中の加速度を検出し、検出した加速度を加速度情報として出力する加速度センサと、
測位情報を受信し、受信した測位情報に基づき前記飛行体の現在の飛行位置を示す飛行位置情報を生成して出力する測位部と、
前記加速度センサが出力した加速度情報と前記測位部が出力した飛行位置情報とを用いて、上昇気流の分布を示す上昇気流分布情報を生成する分布情報生成部と、
前記分布情報生成部が生成した上昇気流分布情報を参照して前記飛行体の飛行制御を実行する飛行制御部と
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明により、上昇気流の発生している領域を精度よく特定し、上昇気流を利用した飛行を可能とする飛行制御装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１、図２を用いて実施の形態１を説明する。実施の形態１は、飛行体に生じる加速度を検出する加速度センサと、位置を測位する測位部と、加速度センサの検出した加速度と、測位部が測位した位置とから上昇気流の分布を示す上昇気流分布情報を生成する分布情報生成部とを備えた飛行制御装置に関する。
【００１０】
図１は、実施の形態１における飛行制御装置１００ａが用いられる状況を示す図である。図１は、無人航空機１０００（飛行体の一例）と、地上局２０００と、上昇気流２と、複数のＧＰＳ衛星とを示している。地上局２０００は、無人航空機１０００の飛行状況のモニタや、飛行経路の設定等を行なう。無人航空機１０００は、飛行制御装置１００ａを配備する。無人航空機１０００は、飛行制御装置１００により、上昇気流を利用して飛行する。ＧＰＳ衛星は測位情報を送信する。
【００１１】
図２は、実施の形態１の飛行制御装置１００ａを説明するためのブロック図である。無人航空機１０００は、飛行制御装置１００ａ、通信装置４００、オートパイロット５００、動力部６００、操舵装置７００を備えている。
【００１２】
また、飛行制御装置１００ａは、加速度センサ１０、加速度センサ２１と角速度センサ２２とＧＰＳ装置２３とを有する慣性航法装置２０（測位部の一例）、信号処理器３０（分布情報生成部の一例）、誘導装置４０（飛行制御部の一例）を備える。
【００１３】
次に、各要素の機能を説明する。
【００１４】
（１）誘導装置４０は、飛行経路に従い機体の姿勢とエンジンの出力を制御する。
（２）通信装置４００は、地上局と無人航空機間の情報を送受信する。
（３）オートパイロット５００は、誘導装置４０からの指令に従い機体の姿勢を変化させるための操舵指令を出力する。
（４）動力部６００（エンジン或いはモータ）は、誘導装置４０からの指示に従い、所要の推進量を発生する。
（５）操舵装置７００は、無人航空機の舵面を制御する。
（６）加速度センサ１０は、上昇気流を検出する。
（７）信号処理器３０は、加速度センサ１０及び慣性航法装置２０情報から上昇気流の位置と範囲（上昇気流分布情報）を推定する。
（８）慣性航法装置２０は、機体に発生する加速度と角運動量を検出するるとともにＧＰＳ装置２３からの位置情報に基づき機体の位置、速度、姿勢を算出する。
【００１５】
また、図２には自然界に存在する上昇気流２と、操舵とエンジン出力との結果として発生する機体の運動１とを示している。
【００１６】
図２では、加速度センサ１０が上昇気流に基づき生じる加速度を、加速度センサ１０が検出するように示している。しかしこれに限ることはなく、慣性航法装置２０が備える加速度センサ２１により検出しても構わない。
【００１７】
図２を参照して飛行制御装置１００ａの動作概要を説明する。
【００１８】
（１）加速度センサ１０（あるいは加速度センサ２１。以下同様である）は、無人航空機１０００の飛行中の加速度を検出し、検出した加速度を「加速度情報」として出力する。
（２）慣性航法装置２０の備えるＧＰＳ装置２３は、例えば少なくとも４機のＧＰＳ衛星から測位情報を受信し、受信した測位情報による位置情報を出力する。そして慣性航法装置２０は、ＧＰＳ装置２３の出力した位置情報と加速度センサ２１の検出した加速度情報とに基づき、無人航空機１０００の飛行位置を示す「飛行位置情報」を生成し出力する。
（３）信号処理器３０は、加速度センサ１０が出力した加速度情報と慣性航法装置２０が出力した飛行位置情報とを入力し、入力した加速度情報と飛行位置情報とに基づいて、上昇気流２の分布を示す「上昇気流分布情報」を生成する。
（４）誘導装置４０は、信号処理器３０が生成した上昇気流分布情報を参照して、無人航空機１０００の飛行を制御する。
【００１９】
以下、具体的に無人航空機１０００の飛行を説明する。誘導装置４０は、離陸前に予め設定された飛行経路或いは飛行途中に通信装置４００を介して地上局２０００から送られてきた飛行経路を飛行できるように、オートパイロット５００へ機体の姿勢に対する指令を出力する（ステップＳ１）とともに、動力部６００へエンジンの推力制御のための指令を出力する（Ｓ２）。また、誘導装置４０は、無人航空機１０００の現在位置、速度、姿勢、残燃料等の情報を通信装置４００を介して地上局に出力する（Ｓ３）。
【００２０】
誘導装置４０からの姿勢制御指令（Ｓ１）を受けたオートパイロット５００は、無人航空機１０００の各舵面に必要な舵角量を計算し、操舵装置７００に出力する（Ｓ４）。また、誘導装置４０からの推力指令（Ｓ２）を受けた動力部６００は、エンジンを制御し所要の推力を発生する（Ｓ５）。動力部６００が発生する推力（Ｓ５）と操舵装置７００による舵の動作（Ｓ６）により無人航空機１０００の機体の運動１が発生する（Ｓ７）。
【００２１】
発生した機体の運動１に対しては、慣性航法装置２０に搭載している加速度センサ２１及び角速度センサ２２により加速度、角速度を検出する。この場合、加速度センサ２１と角速度センサ２２の物理的な搭載位置は、必ずしも慣性航法装置２０の内部でなくてもよい。さて、慣性航法装置２０は、検出された機体の加速度を積分し機体の速度と位置を算出するとともに、検出した角速度を積分することにより機体の姿勢角を算出する。また、慣性航法装置２０は、定期的にＧＰＳ装置２３を介して取得するＧＰＳ情報に基づき、算出した自己の位置情報を補正して飛行位置情報を生成する。
【００２２】
ここで、飛行経路上に上昇気流２が存在すると、無人航空機１０００には上向きの加速度が発生する。そこで、上向きの加速度を検出するための加速度センサ１０を機体の内部に設置する（加速度センサ２１で兼用しても構わない）とともに、その出力データ（加速度情報）を信号処理器３０でモニタする。
【００２３】
信号処理器３０は、慣性航法装置２０から受け取る無人航空機１０００の位置情報（飛行位置情報）と、上向きの加速度を検出した領域を重ね合わせて記録しておく。そして、信号処理器３０は、強い上向きの加速度を検出した一定の領域があった場合には、その領域に上昇気流が存在するものと判断し、誘導装置４０に対して上昇気流の発生位置、領域及び強さを含む分布図（上昇気流分布情報）を出力する。誘導装置４０は、信号処理器３０が出力した分布図（上昇気流分布情報）を入力し、入力した上昇気流分布情報を参照して、必要に応じ上昇気流の存在する領域を旋回するための指令をオートパイロット５００及び動力部６００に出力することにより無人航空機１０００の飛行制御を実行する。
【００２４】
したがって、無人航空機１０００は、上昇気流の存在する領域を旋回することが可能となり、無人航空機１０００は位置エネルギーを確保できることとなり、飛行距離及び飛行時間を延伸することが可能となる。
【００２５】
実施の形態１の飛行制御装置１００ａは、信号処理器３０が、前記加速度センサ１０の出力した加速度情報と、慣性航法装置２０の生成した飛行位置情報とを用いて上昇気流分布情報を生成するので、精度良く上昇気流の発生している領域を特定することができる。
【００２６】
実施の形態２．
図３は、実施の形態２における飛行制御装置１００ｂを説明するためのブロック図ある。図３の飛行制御装置１００ｂは、図２の飛行制御装置１００ａに対して更にレーザ風速計２００（風速計の一例）を備えた点が異なる。レーザ風速計２００は飛行中における無人航空機１０００の機体近傍に生じる気流の速度を計測し、計測した気流の速度を気流速度情報として出力する。
【００２７】
本実施の形態２では、上昇気流２の発生領域を推定する手段として、飛行制御装置１００ｂがレーザ風速計２００を備える点が特徴である。このレーザ風速計２００を機体のまわりに配置し、その出力である風向及び風速の分布情報（気流速度情報）を信号処理器３０でモニタする。信号処理器３０は、慣性航法装置２０（測位部）から入力する無人航空機１０００の飛行位置情報と、レーザ風速計２００から入力する風向、風速に関する情報（気流速度情報）とを重ね合わせて記録する。そして、局所的に上向き風力の強い領域が存在する場合には上昇気流が存在するものと推定し、その位置及び風力情報とから上昇気流の概略の分布予想を示す「概略分布予想情報」を生成して誘導装置４０に出力する。
【００２８】
誘導装置４０は、信号処理器３０が生成した概略分布予想情報を参照し、先ず、上昇気流が存在すると推定される領域を飛行させる。この際に加速度センサ１０による上向き加速度の計測を継続しており、信号処理器３０に出力する。
【００２９】
信号処理器３０は、誘導装置４０による概略分布予想情報を参照した飛行制御の後に、加速度センサ１０が出力した加速度情報と慣性航法装置２０が出力した無人航空機１０００の飛行位置情報とを用いて分布図（上昇気流分布情報）を生成して誘導装置４０に出力する。
【００３０】
誘導装置４０は、信号処理器３０が出力した上昇気流分布情報を入力し、入力した分布図（上昇気流分布情報）を参照して、必要に応じ上昇気流の存在する領域を旋回するための指令をオートパイロット５００及び動力部６００に出力することにより無人航空機１０００の飛行制御を実行する。これにより、上昇気流の存在する領域を旋回することにより、無人航空機１０００は位置エネルギーを確保できることとなり、飛行距離及び飛行時間を延伸することが可能となる。
【００３１】
実施の形態２の飛行制御装置１００ｂは、信号処理器３０が、レーザ風速計２００の計測した気流速度情報に基づき概略分布予想情報を生成するので、迅速に上昇気流分布情報を生成することができる。
【００３２】
実施の形態３．
図４、図５を用いて実施の形態３を説明する。実施の形態２では、レーザ風速計を用いることにより、信号処理器３０が上昇気流の「概略分布予想情報」を生成した。実施の形態３では、レーザ風速計に代え、地表面の温度を検出する赤外線画像センサ３００を用いることにより「概略分布予想情報」を生成する。
【００３３】
図４は、赤外線画像センサ３００により地表温度を検出する状況を示す図である。
【００３４】
図５は、実施の形態３における飛行制御装置１００ｃを説明するためのブロック図ある。図５は、実施の形態１の図２に対して、飛行制御装置１００ｃが赤外線画像センサ３００（温度センサの一例）を備えた点が異なる。赤外線画像センサ３００は、無人航空機１０００の飛行中において地表面の地表温度を検出し、検出した地表温度を地表温度情報として信号処理器３０に出力する。
【００３５】
実施の形態１では加速度センサ１０により上昇気流の存在領域を推定したが、その領域の推定に進行方向前方の地表面の温度分布を計測するための赤外線画像センサを使用したのが実施の形態３である。すなわち、前記のように、赤外線画像センサ３００を用いて「概略分布予想情報」を生成する点が特徴である。
【００３６】
上昇気流が発生する要因のひとつとして、地表面の温度が局所的に高いことが理由と考えられる。このため、この実施の形態３においては、赤外線画像センサ３００を無人航空機１０００の前方下向きに配置しておき、その出力である無人航空機１０００の前方の地表面の温度分布の情報（地表温度情報）を、信号処理器３０でモニタする。信号処理器３０は、慣性航法装置２０（測位部）から入力する無人航空機１０００の飛行位置情報と無人航空機１０００前方の地表面の温度分布の情報（地表温度情報）とを重ね合わせて記録する。そして、信号処理器３０は、一定の領域で前方の地表面に温度の高い部分が存在した場合には、その領域に上昇気流が存在すると推定し、その飛行位置情報と地表温度情報とから上昇気流の概略の分布予想を示す「概略分布予想情報」を生成して誘導装置４０に出力する。
【００３７】
誘導装置４０は、信号処理器３０が生成した「概略分布予想情報」を参照し、先ず、上昇気流が存在すると推定される領域を優先的に飛行させる。そして、その領域の上向きの加速度を加速度センサ１０により計測する。
【００３８】
信号処理器３０は、誘導装置４０による概略分布予想情報を参照した飛行制御の後に、加速度センサ１０が出力した加速度情報と慣性航法装置２０が出力した無人航空機１０００の飛行位置情報とを用いて上昇気流の分布図（上昇気流分布情報）を生成して誘導装置４０に出力する。
【００３９】
誘導装置４０は、信号処理器３０が出力した分布図（上昇気流分布情報）を入力し、入力した分布図（上昇気流分布情報）を参照して、必要に応じ上昇気流の存在する領域を旋回するための指令をオートパイロット５００及び動力部６００に出力する。これにより誘導装置４０は、無人航空機１０００の飛行制御を実行する。したがって、無人航空機１０００は、上昇気流の存在する領域を旋回することにより位置エネルギーを確保できることとなり、飛行距離及び飛行時間を延伸することが可能となる。
【００４０】
実施の形態３の飛行制御装置１００ｃは、信号処理器３０が、赤外線画像センサ３００の検出した地表温度情報に基づき概略分布予想情報を生成するので、迅速に上昇気流分布情報を生成することができる。
【００４１】
以上の実施の形態では、搭載した加速度センサで検出した上向き方向加速度とＧＰＳによる位置情報から上昇気流の存在する範囲を特定し、その上空を旋回等により長時間飛行することにより高度を稼ぎ、飛行距離及び飛行時間を延伸させることが可能な飛行制御装置を備えた無人航空機を説明した。
【００４２】
以上の実施の形態では、搭載したレーザ風速計で上昇気流の概略の位置を推定するとともに、加速度センサで検出した上向き方向加速度とＧＰＳによる位置情報から上昇気流の存在する範囲を特定し、その上空を旋回等により長時間飛行することにより高度を稼ぎ、飛行距離及び飛行時間を延伸させることが可能な飛行制御装置を備えた無人航空機を説明した。
【００４３】
以上の実施の形態では、搭載した赤外線画像センサで地表面の温度を計測し局所的に高温な部分の上空に上昇気流が存在すると推定するとともに、加速度センサで検出した上向き方向加速度とＧＰＳによる位置情報から上昇気流の存在する範囲を特定し、その上空を旋回等により長時間飛行することにより高度を稼ぎ、飛行距離及び飛行時間を延伸させることが可能な無人航空機を説明した。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施の形態１における飛行制御装置１００ａの使用状況を説明する図。
【図２】実施の形態１における飛行制御装置１００ａの構成ブロック図。
【図３】実施の形態２における飛行制御装置１００ｂの構成ブロック図。
【図４】実施の形態３における赤外線画像センサ３００の使用状態を示す図。
【図５】実施の形態１における飛行制御装置１００ｃの構成ブロック図。
【符号の説明】
【００４５】
１  機体の運動、２  上昇気流、３  地表面温度、１０  加速度センサ、２０  慣性航法装置、２１  加速度センサ、２２  角速度センサ、２３  ＧＰＳ装置、３０  信号処理器、４０  誘導装置、１００ａ，１００ｂ，１００ｃ  飛行制御装置、２００  レーザ風速計、３００  赤外線画像センサ、４００  通信装置、５００  オートパイロット、６００  動力部、７００  操舵装置、１０００  無人航空機、２０００  地上局。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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