(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛行制御システムであって、
プロセッサであって、
１つ以上の入力に応答して航空機の状態を変更するために、複数のアクチュエータの各々に対してコマンドのセットを生成し、
前記コマンドのセットを、前記複数のアクチュエータを含む全てより少ないアクチュエータに提供するように構成された、プロセッサ
を備え、
前記プロセッサは、自動モードとパイロット制御モードとの間で切り替えが可能であり、
前記プロセッサおよび１つ以上の追加のプロセッサは、モードを同時に切り替えるように構成されている、飛行制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、対応するセンサのセットを有する、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、対応するセンサのセットを有し、前記コマンドのセットは、前記センサのセットからのセンサデータに応答して生成される、システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、レートジャイロ、加速度計、磁力計、または気圧計を備える、対応するセンサのセットを有する、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、
前記複数のアクチュエータは、前記複数のアクチュエータのゼロまたは１つのアクチュエータが作動してない場合に、前記航空機における飛行を可能にするように構成される、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、１つのアクチュエータのみに物理的に接続される、システム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムであって、
前記複数のアクチュエータに対してコマンドのセットを生成し、前記コマンドのセットを前記複数のアクチュエータを含む全てより少ないアクチュエータに提供するように構成された１つ以上の追加のプロセッサを備える、システム。
【請求項８】
請求項７に記載のシステムであって、
等しい数のプロセッサとアクチュエータとを備える、システム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムであって、
前記複数のアクチュエータの１つのアクチュエータは、ただ１つの対応するプロセッサからコマンドを受信する、システム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、基本的な自動操縦能力を提供する、システム。
【請求項１１】
請求項１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、姿勢制御および姿勢レート制御を実行する、システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、パイロットから入力を受信する、システム。
【請求項１３】
請求項１１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、上位フライト命令を処理するように構成されたプロセッサから入力を受信する、システム。
【請求項１４】
請求項１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、自動モードの上位プロセッサから入力を受信し、パイロット制御モードのパイロット制御部から入力を受信する、システム。
【請求項１５】
飛行制御システムであって、
プロセッサであって、
１つ以上の入力に応答して航空機の状態を変更するために、複数のアクチュエータの各々に対してコマンドのセットを生成し、
前記コマンドのセットを、前記複数のアクチュエータを含む全てより少ないアクチュエータに提供するように構成された、プロセッサ
を備え、
前記プロセッサは、自動モードとパイロット制御モードとの間で切り替えが可能であり、
前記プロセッサおよび１つ以上の追加のプロセッサは、パイロット指示に基づいてモードを切り替えるように構成されている、飛行制御システム。
【請求項１６】
飛行制御システムであって、
プロセッサであって、
１つ以上の入力に応答して航空機の状態を変更するために、複数のアクチュエータの各々に対してコマンドのセットを生成し、
前記コマンドのセットを、前記複数のアクチュエータを含む全てより少ないアクチュエータに提供するように構成された、プロセッサ
を備え、
前記プロセッサは、自動モードとパイロット制御モードとの間で切り替えが可能であり、
前記プロセッサは、自動モードの上位プロセッサから入力を受信し、パイロット制御モードのパイロット制御部から入力を受信し、
前記複数のアクチュエータのアクチュエータは、状態を前記上位プロセッサに報告する、飛行制御システム。
【請求項１７】
飛行制御システムであって、
プロセッサであって、
１つ以上の入力に応答して航空機の状態を変更するために、複数のアクチュエータの各々に対してコマンドのセットを生成し、
前記コマンドのセットを、前記複数のアクチュエータを含む全てより少ないアクチュエータに提供するように構成された、プロセッサ
を備え、
前記複数のアクチュエータに対してコマンドのセットを生成し、前記コマンドのセットを前記複数のアクチュエータを含む全てより少ないアクチュエータに提供するように構成された１つ以上の追加のプロセッサを備え、
前記プロセッサは、電気的に分離されている、飛行制御システム。
【請求項１８】
請求項１に記載のシステムであって、
前記航空機は、マルチコプタを含む、システム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
航空機の飛行において、自動飛行制御は必要不可欠である。自動飛行制御または自動操縦プログラムの安全は、重要である。自動飛行制御システムは、故障を予防するために一種の冗長性を必要としうる。自動飛行制御システムにおける冗長性の構築は、複雑でありまたは費用がかかりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００２】
本発明の様々な実施形態は、以下の発明を実施するための形態および付随する図面において開示される。
【０００３】
【図１】非冗長飛行制御システムの実施形態を表す図。
【０００４】
【図２】三重冗長飛行制御システムの実施形態を表す図。
【０００５】
【図３Ａ】分散型飛行制御システムを用いるマルチコプタの実施形態を表す図。
【０００６】
【図３Ｂ】分散型飛行制御システムを用いるマルチコプタの実施形態を表す図。
【０００７】
【図４】分散型飛行制御システムの実施形態を表す図。
【０００８】
【図５】分散型飛行制御システムにおける接続の実施形態を表す図。
【０００９】
【図６】分散型飛行制御システムの実施形態を表す図。
【００１０】
【図７】分散型飛行制御システムのモード切替機構の実施形態を表す図。
【００１１】
【図８】モード切替決定プロセスの実施形態を表すフロー図。
【００１２】
【図９】航空機における分散型飛行制御システムの実施形態を表す図。
【００１３】
【図１０】分散型飛行制御システムプロセスを表すフロー図。
【００１４】
【図１１】分散型飛行制御システムのフライトコンピュータの実施形態を表す図。
【００１５】
【図１２】分散型飛行制御システムフローの実施形態を表す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、プロセス、装置、システム、組成物、コンピュータ可読記憶媒体において具現化されるコンピュータプログラム製品、ならびに／または、プロセッサ（プロセッサに結合されたメモリに格納された命令、および／もしくは、そのメモリによって提供された命令を実行するように構成されたプロセッサ）を含む様々な方法によって実施されうる。本明細書では、これらの実施形態または本発明が取りうる他の形態は、技術と呼ばれてよい。一般に、開示のプロセスの工程の順序は、本発明の範囲内で変更されてよい。特に明記されない限り、タスクを実行するように構成されると説明されるプロセッサまたはメモリなどの構成部品は、一定の時間にタスクを実行するように一時的に構成される一般構成部品、または、タスクを実行するように作られた特定構成部品として実装されてよい。本明細書で用いられる「プロセッサ」との用語は、１つ以上のデバイス、回路、および／または、コンピュータプログラム命令などのデータを処理するように構成された処理コアと呼ばれる。
【００１７】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細な説明は、本発明の原理を表す付随の図と併せて以下に提供される。本発明は、そのような実施形態と関連して説明されるが、いずれの実施形態にも限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定され、本発明は、多くの変更、修正、および同等物を含む。多くの特定の詳細は、本発明の十分な理解を提供するために以下の説明に記載される。これらの詳細は、例示の目的で提供され、本発明は、これらの特定の詳細の一部または全てなしに特許請求の範囲に従って実施されてよい。明確性のために、本発明に関する技術分野において周知の技術内容は、本発明が不必要に曖昧にならないように詳細には説明されていない。
【００１８】
分散型飛行制御システムについて説明される。飛行制御システムは、１つ以上の入力に応答して航空機の状態を変更するために複数のアクチュエータの各々に対してコマンドのセットを生成するように構成されたプロセッサを備える。入力は、所望の姿勢または姿勢変更速度を含んでよい。いくつかの実施形態では、飛行制御システムは、センサのセットを備え、コマンドのセットは、センサの読み取りに応答して生成される。プロセッサは、複数のアクチュエータを含む全てより少ないアクチュエータにコマンドのセットを提供するように構成される。いくつかの実施形態では、航空機は、多数のアクチュエータのうちゼロまたは１つのアクチュエータが作動していない場合に航空機における飛行を可能にするように構成された複数のアクチュエータを備える。システムは、複数のプロセッサを備えてよい。システムは、等しい数のプロセッサとアクチュエータとを備えてよい。プロセッサおよびアクチュエータは、各アクチュエータが対応するプロセッサから命令を受信する１対１の関係を有してよい。
【００１９】
航空機は、自動化の段階によって制御されてよい。分散型飛行制御システムは、１つ以上のフライトコンピュータを備えてよい。１つ以上のフライトコンピュータの１つのフライトコンピュータは、自動操縦ソフトウェアを実行してよい。フライトコンピュータは、プロセッサおよびセンサのセットを備えてよい。分散型飛行制御システムは、安全上の理由で冗長要素を備えてよい。例えば、システムは、一ヶ所の故障もないことが求められうる。分散型飛行制御システムは、冗長性が航空機に物理的に構築された冗長駆動する航空機において用いられてよい。例えば、航空機は、制御可能な飛行にとって必要以上のアクチュエータを備えてよい。分散型飛行制御システムは、冗長駆動する航空機をうまく利用してよい。航空機の物理的冗長性は、飛行制御システムの冗長性を実施するために用いられてよい。各アクチュエータは、別々のプロセッサによって制御されてよい。いくつかの実施形態では、各プロセッサは、全てのアクチュエータを考慮して全てのアクチュエータに対する命令を算出するが、１つのアクチュエータのみを制御する。プロセッサは、１つのアクチュエータのみに物理的に接続されてよい。プロセッサが誤作動した場合は、航空機の１つのアクチュエータのみが影響を受けうる。分散型飛行制御システムは、実行が簡単で、冗長な自動操縦ハードウェアの設定を備えてよい。
【００２０】
図１は、非冗長飛行制御システムの実施形態を表す図である。図のフライトコンピュータおよびアクチュエータは、同じ航空機に設置されてよい。図の例では、入力は、フライトコンピュータ１００に提供される。入力は、航空機の計器から収集された情報を含んでよい。入力は、制御部またはインタフェースを介してパイロットから送信された信号を含んでよい。フライトコンピュータ１００は、入力を処理し、航空機のアクチュエータに対して、入力に基づいて航空機を所望の飛行軌道に乗せる命令を決定してよい。フライトコンピュータ１００は、命令をアクチュエータ＿１  １０２、アクチュエータ＿２  １０４、アクチュエータ＿３  １０６、およびアクチュエータ＿４  １０８に提供してよい。アクチュエータは、航空機の飛行軌道に影響を与える航空機の物理的構成要素を含んでよい。アクチュエータは、モータ、フラップ、プッシュロッド、操縦面、機構、物質界と相互に作用する構成要素、または任意の適した物体を備えてよい。
【００２１】
フライトコンピュータ１００は、全てのアクチュエータに対して命令を生成してよい。アクチュエータは、所望の飛行を実現するために調整されてよい。例えば、航空機の左側のロータおよび航空機の右側のロータは、航空機の回転を防止するために反対方向に回転するように指示されてよい。非冗長飛行制御システムは、構築しやすいが、安全性の懸念を引き起こしうる。フライトコンピュータ１００が誤作動した場合のバックアップシステムが示されていない。フライトコンピュータ１００におけるただ１つのエラーでも航空機を墜落させる可能性がある。
【００２２】
図２は、三重冗長飛行制御システムの実施形態を表す図である。三重冗長飛行制御システムは、冗長性を提供するために３つのフライトコンピュータを用いる。図の例では、入力は、フライトコンピュータ＿１  ２００、フライトコンピュータ＿２  ２０２、およびフライトコンピュータ＿３  ２０４に提供される。フライトコンピュータは、情報を判定部２０６に提供する。フライトコンピュータは各々、航空機の全てのアクチュエータに対する命令を別々に決定してよい。判定部２０６は、どの命令をアクチュエータに提供するかを決定するために用いられてよい。判定部２０６は、ボーティング方式を用いてよい。例えば、フライトコンピュータ＿１  ２００およびフライトコンピュータ＿２  ２０２はアクチュエータ＿１  ２０８に対して同じ命令を生成するが、フライトコンピュータ＿３  ２０４は生成しない場合は、判定部２０６は、多数のフライトコンピュータが同意した命令を伝達してよい。図の例では、判定部２０６は、命令をアクチュエータ＿１  ２０８、アクチュエータ＿２  ２１０、アクチュエータ＿３  ２１２、およびアクチュエータ＿４  ２１４に提供する。
【００２３】
三重冗長飛行制御システムは、航空機の自動操縦における冗長性を提供し、一ヶ所の故障も排除してよい。しかし、システムは、実施するのが複雑で費用がかかりうる。判定部２０６は、複雑なハードウェアまたは複雑なソフトウェアを備えてよい。判定部２０６は、そのハードウェアまたはソフトウェアにおいて冗長要素を必要としてよい。システムのハードウェアまたはソフトウェアは、終始冗長性を念頭に設計される必要があるだろう。
【００２４】
いくつかの航空機については、非冗長飛行制御システムまたは三重冗長飛行制御システムは、コスト、複雑さ、または安全性の懸念から実行可能ではない。いくつかの航空機は、それらの特性に基づいて飛行制御システムに適した特定の特性を発揮してよい。分散型飛行制御システムは、物理的に冗長な航空機を効率的に利用してよい。
【００２５】
図３Ａは、分散型飛行制御システムを用いるマルチコプタの実施形態を表す図である。いくつかの実施形態では、マルチコプタは、本質的に不安定である。マルチコプタは、マルチコプタがフリップするのを防ぐために能動制御または自動操縦を必要としてよい。マルチコプタは、単独自動パイロット制御に対するその制御システムにおいて電子装置を必要としてよい。分散型飛行制御システムは、パイロットが手動でマルチコプタを操縦できるのに必要な最低限の自動操縦機能を提供してよい。システムは、姿勢制御または姿勢レート制御を含む、マルチコプタに必要な基本レベルの自動操縦機能を提供してよい。最小限の入力量が提供されると、分散型飛行制御システムは、航空機が制御されていないローリング、ピッチング、またはヨーイングするトルクを引き起こすことを防いでよい。分散型飛行制御システムは、マルチコプタの安定を保つために適した機体のトルクを生成してよい。システムは、全てのアクチュエータ（例えば、モータ）が同じであるマルチコプタなどの航空機において円滑かつ体裁よく用いられてよい。
【００２６】
図の航空機は、両側に５つのロータを有する機体３００を備える。ロータ３０２、ロータ３０６、ロータ３１０、および、ロータ３１２、ロータ３１６、ロータ３２０は、それぞれ機体３００の左側と右側に機体に隣接して設置される。ロータ３０４およびロータ３０８は、ロータ３０２、ロータ３０６、ロータ３１０に隣接して設置される。ロータ３１４およびロータ３１８は、ロータ３１２、ロータ３１６、ロータ３２０に隣接して設置される。外側のロータ３０４、ロータ３０８、ロータ３１４およびロータ３１８は、２つの内側のロータ（例えば、機体に隣接するロータ）の間に設置されてよい。ロータの構成は、マルチコプタが広い翼幅を有することを可能にしてよい。
【００２７】
マルチコプタのアクチュエータは、ロータを備えてよい。マルチコプタは、冗長駆動してよい。航空機の所望の飛行を維持するために厳密に必要であるよりも多くのロータが存在してよい。例えば、マルチコプタは、１０のロータのうち１つが作動していない場合に許容できる飛行性能を実現してよい。航空機は、１つのロータが作動しているが望ましく動作していない場でも所望の飛行を維持することができるように、物理的に冗長であってよい。例えば、航空機は、１つのロータが望ましくない方向に、または望ましくない速度で回転している場合でもフリップオーバーしないだろう。物理的に冗長な航空機は、分散型航空制御システムによく適しうる。
【００２８】
いくつかの実施形態では、１つのロータが故障した場合は、航空機は、故障を検出し、トルクのバランスを取るために反対側のロータをオフできる。いくつかの実施形態では、ロータ同士は、連通されていない。いくつかの実施形態では、フライトコンピュータの出力でのクロスカップリングは起こらない。分散型飛行制御システムのフライトコンピュータにおけるフィードバック制御アルゴリズムは、ロータの故障を解決してよい。フライトコンピュータは、機体の位置または完全姿勢を検出してよい。それらは、所望の姿勢を実現するために適切なモータ速度を決定してよい。モータが誤作動して所望の位置が実現されない場合は、システムは、正しい状態が実現されるまで速度または推力を調整し続けてよい。
【００２９】
図３Ａのマルチコプタは、スモールフォームファクタを有するように設計されてよい。マルチコプタは、低高度および低速で飛行してよい。マルチコプタは、低コストになるように設計されてよい。いくつかの実施形態では、分散型飛行制御システムは、低価格部品から作られた単純な解決策である。システムは、低価格航空機向けに設計されてよい。
【００３０】
いくつかの実施形態では、分散型飛行制御システムは、無人航空機に用いられる。例えば、図のマルチコプタは、完全に自動化されてよい。いくつかの実施形態では、分散型飛行制御システムは、有人航空機に用いられる。
【００３１】
図３Ｂは、分散型飛行制御システムを用いるマルチコプタの実施形態を表す図である。図の例では、マルチコプタは、機体３５０、ならびに、ロータ３５２、ロータ３５４、ロータ３５６、ロータ３５８、ロータ３６０、ロータ３６２、ロータ３６４、およびロータ３６６を備える。８つのロータは、機体３５０の周りに配置される。ロータは、ブームまたはビームによって取り付けられてよい。分散型飛行制御システムは、標準的なマルチコプタにおいて用いられてよい。分散型飛行制御システムは、標準的な航空機において用いられてよい。例えば、システムは、２つの翼を備える航空機において用いられてよい。
【００３２】
図４は、分散型飛行制御システムの実施形態を表す図である。図の例では、入力は、フライトコンピュータ＿１  ４００、フライトコンピュータ＿２  ４０４、フライトコンピュータ＿３  ４０８、およびフライトコンピュータ＿４  ４１２に提供される。入力は、所望の姿勢または所望の姿勢レートを含んでよい。入力は、パイロット制御部または上位フライトコンピュータから供給されてよい。
【００３３】
フライトコンピュータ＿１  ４００は、入力をアクチュエータ＿１  ４０２に提供する。フライトコンピュータ＿２  ４０４は、入力をアクチュエータ＿２  ４０６に提供する。フライトコンピュータ＿３  ４０８は、入力をアクチュエータ＿３  ４１０に提供する。フライトコンピュータ＿４  ４１２は、入力をアクチュエータ＿４  ４１４に提供する。いくつかの実施形態では、フライトコンピュータは、航空機のアクチュエータごとに存在する。各フライトコンピュータは、他のフライトコンピュータを認識しなくてよい。各フライトコンピュータは、それがシステムに存在する唯一のフライトコンピュータであるかのように動作してよい。フライトコンピュータは、互いの間に通信がなく、互いから分離されてよい。システムの全てのフライトコンピュータは、同一であってよい。それらは、同一のハードウェアおよび同一のソフトウェアを備えてよい。フライトコンピュータは、プロセッサ、センサのセット、およびコンピュータアルゴリズムを備えてよい。センサのセットは、レートジャイロ、加速度計、または磁力計を備えてよい。いくつかの実施形態では、フライトコンピュータは、いくつかの集積回路を備えた基板である。例えば、１つの集積回路は、マイクロプロセッサとして機能するが、別の集積回路は、加速度計として機能してよい。各フライトコンピュータは、航空機の全てのアクチュエータに対する命令を決定してよい。フライトコンピュータは、その入力（例えば、所望の姿勢または所望の姿勢レート）および収集したセンサデータに基づいて命令を決定してよい。フライトコンピュータは、航空機のバランスを維持しながら所望の姿勢または所望の姿勢レートを実現するために、アクチュエータに対する命令を決定してよい。例えば、マルチコプタは、本質的に不安定であり、フライトコンピュータが設置するトルク制御ループを必要としてよい。
【００３４】
いくつかの実施形態では、各フライトコンピュータは、１つのアクチュエータのみに物理的に接続される。フライトコンピュータに対応するアクチュエータは、そのアクチュエータ向けの命令のみを受信してよい。いくつかの実施形態では、航空機のアクチュエータは、他のアクチュエータから分離される。アクチュエータ同士は、連通されなくてよい。いくつかの実施形態では、フライトコンピュータは、全てのアクチュエータに対する命令を物理的に接続されているアクチュエータに提供する。アクチュエータは、アクチュエータの位置に基づいて正しい命令を利用してよい。
【００３５】
いくつかの実施形態では、分散型飛行制御システムは、構築しやすいまたはプログラムしやすいフライトコンピュータの使用を可能にする。コンピュータは、低価格のプロセッサを備えてよい。分散型飛行制御システムの配線は、フライトコンピュータが分離されているため単純であってよい。１つのフライトコンピュータにおいてエラーが発生した場合は、唯一それに対応するアクチュエータのみが影響を受けてよい。物理的に冗長な航空機であるため、航空機の飛行軌道は、アクチュエータが誤作動した場合も希望通りに進行しうる。アクチュエータごとに別々のフライトコンピュータを用いることで、フライトコンピュータの故障が解決されるアクチュエータレベルに伝わることができる。飛行制御装置または速度制御装置で起こるエラーは、航空機の唯一対応するアクチュエータにおいて望ましくない動作をもたらしうる。冗長駆動する航空機において、アクチュエータの望ましくない動作は、航空機の飛行軌道に大きな影響を与えない。
【００３６】
図５は、分散型飛行制御システムにおける接続の実施形態を表す図である。いくつかの実施形態では、飛行制御システムで用いられる配線またはワイヤハーネスは、フライトコンピュータに航空機において利用可能なアクチュエータのサブセットへの命令を提供させる。図の例では、４つのアクチュエータが存在する。分散型飛行制御システムは、４つのアクチュエータを備える航空機に設置されてよい。図の例では、フライトコンピュータ＿１  ５００、フライトコンピュータ＿２  ５０４、フライトコンピュータ＿３  ５０８、フライトコンピュータ＿４  ５１２は各々、４つの出力を生成する。出力は、航空機の各アクチュエータに対する命令であってよい。各フライトコンピュータは、全てのアクチュエータに対する命令を決定してよく、各アクチュエータの命令は、異なる配線で提供される。各フライトコンピュータは、アクチュエータに接続されていない、出力が用いられていない１つ以上の配線を有してよい。例えば、各フライトコンピュータは、アクチュエータに接続されている１つのアクチュエータ命令出力配線を有するが、フライトコンピュータからの全ての他のアクチュエータ命令出力配線は、どのアクチュエータにも接続されていない。図のように、フライトコンピュータ＿１  ５００は、アクチュエータ＿１  ５０２に物理的に接続され、他のアクチュエータには接続されていない。フライトコンピュータ＿２  ５０４は、アクチュエータ＿２  ５０６に物理的に接続され、他のアクチュエータには接続されていない。フライトコンピュータ＿３  ５０８は、アクチュエータ＿３  ５１０に物理的に接続され、他のアクチュエータには接続されていない。フライトコンピュータ＿４  ５１２は、アクチュエータ＿４  ５１４に物理的に接続され、他のアクチュエータには接続されていない。
【００３７】
図６は、分散型飛行制御システムの実施形態を表す図である。いくつかの実施形態では、分散型飛行制御システムは、複数のレベルのフライトコンピュータを有する。上位フライトコンピュータは、次に下位フライトコンピュータに提供される単純なコマンドのセットへの複雑な命令を減らしてよい。上位フライトコンピュータは、航空機の位置および速度を制御しうるが、下位フライトコンピュータは、航空機の姿勢を制御する。アクチュエータは、下位フライトコンピュータから命令を受信してよい。図の例では、入力は、上位フライトコンピュータ６００に提供される。
【００３８】
入力は、ユーザインタフェースからの入力を含んでよい。例えば、パイロットは、緯度および経度を入力してよい。入力は、悪天候の場所の回避、人口密度の低い地域上空の飛行、または最短経路の選択に対する定めなどの条件を含んでよい。入力は、複雑な飛行軌道を実行する命令を含んでよい。上位フライトコンピュータは、入力に基づいて航空機にとって適切な速度または位置を決定してよい。上位フライトコンピュータは、所望の速度または位置を実現するために航空機を自動的に針路を決定または制御してよい。上位フライトコンピュータは、入力に基づいて所望の姿勢または所望の姿勢変化比率を決定し、所望の姿勢または所望の姿勢変化比率を下位フライトコンピュータに提供してよい。上位フライトコンピュータ６００は、下位フライトコンピュータ＿１  ６０２、下位フライトコンピュータ＿２  ６０４、下位フライトコンピュータ＿３  ６０８、および下位フライトコンピュータ＿４  ６１０に与えられる命令を決定する。
【００３９】
図のように、下位フライトコンピュータ＿１  ６０２は、入力をアクチュエータ＿１  ６１２に提供する。下位フライトコンピュータ＿２  ６０４は、入力をアクチュエータ＿２  ６１４に提供する。下位フライトコンピュータ＿３  ６０８は、入力をアクチュエータ＿３  ６１６に提供する。下位フライトコンピュータ＿４  ６１０は、入力をアクチュエータ＿４  ６１８に提供する。下位フライトコンピュータは、ロータの速度、フラップの傾斜角度、使用推力の量、または他の適した要素を決定してよい。下位フライトコンピュータは、完全なフィードバック制御を実施してよい。例えば、下位フライトコンピュータは、航空機の実際の姿勢または姿勢レートを決定し、航空機の所望の姿勢または姿勢レートと比較してよい。下位フライトコンピュータは、次に、存在する場合は２つの値の差を低減させる命令を決定してよい。航空機は、２、１０、２２、または任意の適した数のアクチュエータを備えてよい。航空機は、等しい数の下位フライトコンピュータを備えてよい。
【００４０】
図７は、分散型飛行制御システムのモード切替機構の実施形態を表す図である。いくつかの実施形態では、下位フライトコンピュータは、上位フライトコンピュータによって制御される、または、手動で（例えば、パイロットによって）制御される選択肢を有する。下位フライトコンピュータは、飛行の基準レベルを維持するために、アクチュエータの動作を常に計算してよい。それらは、さらに、上位フライトコンピュータ、または、航空機の飛行軌道を導くパイロットによって与えられた命令を計算に入れてよい。フライトコンピュータは各々、上位フライトコンピュータをリッスンすることから手動制御をリッスンすることにいつ切り替えるかを決定するための独立したコードまたはハードウェアを備えてよい。制御は、上位フライトコンピュータにおいて誤作動が検出された場合、または、ばらつきが検出された場合に、手動モードに切り替わることが望ましい。いくつかの実施形態では、航空機の実態は、追跡されて航空機の所望の状態と比較される。実態が所望の状態を適切に追跡していない場合は、システムは、誤作動が検出されたことを伝えてよい。パイロットの制御は、スイッチ、ボタン、アプリケーション、または、モードを選択する他の手段を含んでよい。
【００４１】
いくつかの実施形態では、システムの下位フライトコンピュータは同一である。しかし、各下位フライトコンピュータは、それ自体のセンサのセットを備えてよい。コンピュータは、センサデータを用いてモードの切り替えが必要かどうかを決定してよい。異なる下位フライトコンピュータは、異なる仕様のセンサを備えてよい。下位フライトコンピュータは、航空機の様々な位置に設置されることで、センサデータを多様にしてよい。フライトコンピュータ同士をリンクさせないことで、それらは異なる時間にモードを切り替える決定をしてよい。
【００４２】
１つの下位フライトコンピュータが上位のコンピュータをリッスンすることからパイロットラインをリッスンすることに切り替える場合は、全てのフライトコンピュータは、同時に切り替えられてよい。全てのフライトコンピュータについて同じモードを維持することで、航空機のアクチュエータが航空機を効率的に飛行できるようにしてよい。いくつかの実施形態では、分散型飛行制御システムのフライトコンピュータ同士は連通する。フライトコンピュータおよびパイロットラインは、切り替えと連動するバスまたは通信ネットワークによって通信してよい。フライトコンピュータおよびパイロットラインは、論理ゲートを介して電気的に接続されてよい。図の例では、フライトコンピュータ＿１、フライトコンピュータ＿２、フライトコンピュータ＿３、フライトコンピュータ＿４、およびパイロットは、ＯＲゲートに対する入力である。いくつかの実施形態では、フライトコンピュータおよびパイロットは、一連のＯＲゲートに対する入力であり、各ＯＲゲートは、２つの入力を有する。いくつかの実施形態では、航空機が１つのモードにあるときは、通信回線は、「低い」と読まれる、または、所定の電圧閾値未満である。フライトコンピュータまたはパイロットがモードを切り替える場合は、フライトコンピュータまたはパイロットの信号は、「高く」なってよい、または、所定の電圧閾値より上になってよい。信号の１つを高くすることで、全ての通信回線が高くなり、全てのフライトコンピュータおよびパイロットのモードを変更する。
【００４３】
図８は、モード切替決定プロセスの実施形態を表すフロー図である。８００では、フライトコンピュータがモードを切り替えたかどうかが決定される。プロセスは、システムの下位フライトコンピュータのうちのいずれかのフライトコンピュータがモードを切り替えたかどうかを確かめるためにチェックしてよい。モードを切り替えたフライトコンピュータがない場合は、プロセスは８００を繰り返す。いくつかの実施形態では、プロセスは、８００を繰り返す前に一定の期間中断する。フライトコンピュータがモードを切り替えた場合は、８０２において全てのフライトコンピュータのモードは切り替えられる。
【００４４】
いくつかの実施形態では、８００において、フライトコンピュータがモードを切り替えたかどうか、または、モード切り替えの指示を受信したかどうかが決定される。モード切り替えの指示は、パイロットまたは上位フライトコンピュータによって受信されてよい。例えば、上位フライトコンピュータが不正にアクセスされたことを上位フライトコンピュータが検出した場合は、上位フライトコンピュータは、下位フライトコンピュータを自動から手動に自動的に切り替えてよい。信号がパイロットの航空機制御から一定期間受信されない場合は、モードは、手動から上位フライトコンピュータモードに自動的に切り替えられてよい。
【００４５】
図９は、航空機における分散型飛行制御システムの実施形態を表す図である。いくつかの実施形態では、システムは、２つのブームおよび機体を備える航空機によって用いられてよい。システムは、２つのブームに搭載されるロータを備えるマルチコプタで用いられてよい。図３のマルチコプタは、２つのブームまたはポンツーンの上方に設置されてよい。ブームは、膨張式または軽量であり、航空機を水上に着水できるようにしてよい。パイロットは、機体内に位置してよい。
【００４６】
図の例では、分散型飛行制御システムの主な要素は、機体９７５に格納されている。マスタボード９７４は、機体９７５に位置する。マスタボード９７４は、バックプレーンとして機能してよい。システムの下位フライトコンピュータは、共通の回路基板上に配置されてよい。下位フライトコンピュータは、マスタボードに接続されてよい。図の例では、下位フライトコンピュータ９５０、９５４、９５８、９６２、９６６、９５２、９５６、９６０、９６４、９６８は、マスタボード９７４に搭載される。下位フライトコンピュータは、互いに電気的に分離されてよい。それらは、別々の電源に接続されてよい。下位フライトコンピュータは、センサのセットを備えるマイクロコントローラであってよい。センサは、磁力計、レートジャイロ、または加速度計などの一般的なスマートフォンセンサを備えてよい。下位フライトコンピュータは、それらのセンサから正確なデータを収集するために、航空機の機体の中央に搭載されてよい。上位フライトコンピュータ９７０もマスタボード９７４に搭載される。全地球測位システム９７１、レーダ９７２、およびカメラ９７３もマスタボード９７４に搭載され、データを上位フライトコンピュータ９７０に提供する。カメラ９７３は、ステレオカメラまたは赤外線カメラを含んでよい。ライダまたはソナなどの他のセンサも、データをマスタボードに提供してよい。
【００４７】
図の例では、表示部９４２は、機体に存在する。表示部は、飛行情報を航空機のパイロットに提供してよい。表示分は、例えばタッチスクリーンによって、パイロットが航空機を制御できるようにしてよい。モードスイッチ９４４、パイロット制御部９４６、およびキルスイッチ９４８も機体に存在する。モードスイッチ９４４は、ボタン、スイッチ、または、パイロットが手動モードと上位フライトコンピュータ自動モードとの間で切り替えが可能な他の制御部を備えてよい。キルスイッチ９４８は、パイロットが全てのロータなど航空機の全てのアクチュエータへの電力を停止できるようにしてよい。パイロット制御部９４６は、航空機の位置を調節するためにパイロットが操作する１つ以上の対象物を備えてよい。例えば、操縦桿、操縦ハンドル、ペダル、レバー、または他の適切な制御部が用いられてよい。いくつかの実施形態では、起動ボタンが存在してよい。起動ボタンは、システムの電源をオンするために用いられてよい。パワーアップ機構およびパワーダウン機構は、誤作動を誘発する可能性を低下させるために物理的に分離されてよい。
【００４８】
図の例では、上位フライトコンピュータ９７０は、パイロット制御部およびセンサから入力を受信する。上位フライトコンピュータは、パイロット制御部およびセンサの情報に基づいて下位フライトコンピュータに命令を提供してよい。例えば、航空機が自動モードにある間にパイロットが航空機の方向を急変させる場合は、上位フライトコンピュータは、直ちにパイロット制御部の入力が航空機の以前の経路に優先するようにしてよい。
【００４９】
いくつかの実施形態では、下位フライトコンピュータは、ロータに接続される。下位フライトコンピュータは、ロータにも給電するバッテリによって給電されてよい。バッテリは、他のロータまたはフライトコンピュータから分離されてよい。図の例では、下位フライトコンピュータ９５２は、入力を電子速度制御装置９７８に提供する。電子速度制御装置９７８は、ロータ９７９に接続される。電子速度制御装置は、ロータが回転する速度を決定してよい。電子速度制御装置９７８は、バッテリ９７７を管理するバッテリ管理システム９７６と連通してよい。制御装置およびバッテリ管理システムは、アナログ接続を共有してよい。ロータ速度の増加は、より多くのバッテリ電源を用いることを含んでよい。
【００５０】
図の例では、下位フライトコンピュータ９５２、９５６、９６０、９６４、９６８は、右側ブーム９９８に位置する５つのロータを制御する。下位フライトコンピュータ９５６は、ロータ９８３を制御する電子速度制御装置９８２を制御する。バッテリ９８１は、バッテリ管理システム９８０によって管理される。バッテリ９８１は、ロータ９８３および下位フライトコンピュータ９５６に給電する。下位フライトコンピュータ９６０は、電子速度制御装置９８６、ロータ９８８、バッテリ管理システム９８４、およびバッテリ９８５に対応する。下位フライトコンピュータ９６４は、電子速度制御装置９９２、ロータ９９３、バッテリ管理システム９９０、およびバッテリ９９１に対応する。下位フライトコンピュータ９６８は、電子速度制御装置９９６、ロータ９９７、バッテリ管理システム９９４、およびバッテリ９９５に対応する。
【００５１】
図の例では、下位フライトコンピュータ９５０、９５４、９５８、９６２、９６６は、左側ブーム９４０に位置する５つのロータを制御する。下位フライトコンピュータ９５０は、ロータ９０４を制御する電子速度制御装置９０６を制御する。バッテリ９００は、バッテリ管理システム９０２によって管理される。バッテリ９００は、ロータ９０４および下位フライトコンピュータ９５０に給電する。下位フライトコンピュータ９５４は、電子速度制御装置９１４、ロータ９１２、バッテリ管理システム９１０、およびバッテリ９０８に対応する。下位フライトコンピュータ９５８は、電子速度制御装置９２２、ロータ９２０、バッテリ管理システム９１８、およびバッテリ９１６に対応する。下位フライトコンピュータ９６６は、電子速度制御装置９３０、ロータ９２８、バッテリ管理システム９２６、およびバッテリ９２４に対応する。下位フライトコンピュータ９６６は、電子速度制御装置９３８、ロータ９３６、バッテリ管理システム９３４、およびバッテリ９３２に対応する。
【００５２】
いくつかの実施形態では、各下位フライトコンピュータは、直列接続によって電子速度制御装置に接続される。各下位フライトコンピュータは、飛行制御システムの他の接続から分離される別々の直列接続を有してよい。例えば、１つの下位フライトコンピュータと１つの電子速度制御装置との間の１つの直列接続における漏電は、飛行制御システムの他の下位フライトコンピュータまたは他の電子速度制御装置に影響を与えないだろう。
【００５３】
パイロット制御部９４６は、アナログ接続によって上位フライトコンピュータ９７０に接続されてよい。いくつかの実施形態では、パイロット制御部の入力は、手動モードの間に上位フライトコンピュータに最初に入力されてよい。上位フライトコンピュータは、コマンドが下位フライトコンピュータに与えられる前に、パイロット指示を強化してよい。例えば、パイロットは、航空機がその現在の位置で静止を続けることを希望するときは、全てのパイロット指示を解除してよい。上位の飛行制御装置は、高度制御を行って、航空機が定位置から偏流されるのを防いでよい。手動モード中に上位の飛行制御装置を用いることで、航空機の位置がより正確に制御できるようになってよい。しかし、分散型飛行制御は、パイロット入力が下位フライトコンピュータに直接提供されるようにしてよい。図のように、パイロット制御部は、追加的に下位フライトコンピュータに独立して接続される。上位フライトコンピュータが故障した場合は、パイロットは、入力を下位フライトコンピュータに直接提供できる。
【００５４】
分散型飛行制御システムの電子速度制御装置およびバッテリ管理システムは、イーサネット（登録商標、以下同じ）を介して接続されてよい。いくつかの実施形態では、電子速度制御装置およびバッテリ管理システムは、イーサネットネットワークを通じて、バッテリの状態、生成される熱量、または他の適した情報に関する情報を提供する。下位フライトコンピュータも、そのネットワークの一部であってよい。構成要素は、イーサネットスイッチに接続されてよい。Ｗｉ−Ｆｉ無線は、イーサネットネットワークに接続され、分散型飛行制御システムの構成要素についての情報をパイロットまたは地上に提供してよい。
【００５５】
図１０は、分散型飛行制御システムプロセスを表すフロー図である。プロセスは、システムの１つの下位フライトコンピュータによって実施されてよい。１０００では、パイロット入力または上位フライトコンピュータ入力が受信される。１００２では、全てのアクチュエータに対して対応する命令が決定される。下位フライトコンピュータは、受信した命令を達成し、所望の飛行の基準レベルも維持するために、航空機の全てのアクチュエータの位置または動作を決定してよい。１００４では、アクチュエータ命令が１つのアクチュエータに提供される。下位フライトコンピュータは、１つのアクチュエータのみに物理的に接続されてよい。
【００５６】
図１１は、分散型飛行制御システムのフライトコンピュータの実施形態を表す図である。下位フライトコンピュータ１１１６は、センサのセットおよびプロセッサ１１１４を備える。図の例では、レートジャイロ１１００、加速度計１１０２、磁力計１１０４、および気圧計１１０６は、センサデータをプロセッサ１１１４に提供する。プロセッサは、マイクロコントローラを備えてよい。プロセッサ１１１４は、姿勢推定器１１０８、姿勢制御装置１１１０、および状態機械１１２を備える。図のように、センサデータは、姿勢推定器１１０８に提供される。
【００５７】
姿勢推定器は、提供されたセンサデータに基づいて航空機のおおよその実姿勢を決定してよい。姿勢推定値は、姿勢制御装置１１１０に提供される。図のように、姿勢制御装置１１１０は、状態機械１１１２から所望の姿勢を受信する。姿勢制御装置１１１０は、所望の姿勢と姿勢推定値との間に差が存在するかどうかを決定してよい。姿勢制御装置は、所望の姿勢に整合させるために、航空機の実姿勢の変更を意図したアクチュエータコマンドを決定してよい。姿勢制御装置１１１０は、アクチュエータコマンドを状態機械１１１２に提供する。
【００５８】
状態機械１１１２は、所望の姿勢およびアクチュエータコマンドを受信する。所望の姿勢は、パイロットまたは上位フライトコンピュータによって提供されてよい。状態機械は、どの所望の姿勢を姿勢制御装置に提供するかを決定してよい。例えば、状態機械は、飛行制御システムが上位フライトコンピュータの制御時に自動モードに設定された場合は、パイロットからの入力を無視してよい。状態機械１１１２は、航空機に対するアクチュエータコマンドを出力する。いくつかの実施形態では、状態機械１１１２は、プロセス制御機構として機能する。例えば、状態機械は、航空機が着地し、飛行制御が行われるべきでない場合は、アクチュエータコマンドが送信されるのを防いでよい。提供されるコマンドは、航空機に基づいて異なるタイプのアクチュエータで変化してよい。例えば、モータコマンドは、マルチコプタに対して提供されてよい。
【００５９】
いくつかの実施形態では、データは、プロセッサ１１１４によって収集され、上位フライトコンピュータに提供される。データは、センサデータまたは位置データを含んでよい。データは、ロギングのために用いられてよい。いくつかの実施形態では、航空機のアクチュエータは、システムの上位フライトコンピュータと連通してよい。アクチュエータは、その調子について報告してよい。システムは、故障したアクチュエータまたは誤作動したアクチュエータを他のアクチュエータで補うために、アクチュエータ調子情報を用いてよい。状態を折り返し報告することで、航空機が繰り返しのデフォルト方法より速く故障に適応できるようにしてよい。デフォルトによって、システムは、所望の飛行位置または軌道が達成されるまで、アクチュエータへの命令を繰り返してよい、または、継続して調整してよい。
【００６０】
図１２は、分散型飛行制御システムフローの実施形態を表す図である。図の例では、スイッチ１２００は、上位フライトコンピュータの所望の姿勢およびパイロットの所望の姿勢を受信する。スイッチ１２００は、飛行制御システムが手動モードか自動モードかに基づいて、総和ブロック１２０２に伝えるための所望の姿勢を決定してよい。総和ブロック１２２０は、所望の姿勢および姿勢推定を受信し、姿勢エラーまたはその２つの間の差を決定してよい。姿勢推定は、航空機の実姿勢の推定であってよい。図の姿勢制御装置１２０４は、姿勢エラーを受信し、姿勢エラーに基づいて航空機に対するアクチュエータコマンドを生成する。コマンドは、姿勢エラーをなくすように決定されてよい。アクチュエータコマンドは、安全ブロック１２０６に提供される。安全ブロック１２０６は、航空機が既に着地した、離陸シーケンスにある、または着陸シーケンスにある場合は、コマンドがアクチュエータに送信されるのを防いでよい。航空機がアクチュエータコマンドを受信する用意がある場合は、アクチュエータコマンドは、安全ブロックによって航空機１２０８に提供される。航空機のアクチュエータは、その状態についての情報をセンサ１２１０に提供してよい。例えば、アクチュエータが位置を変更したという信号が送信されてよい。いくつかの実施形態では、航空機のアクチュエータは、受信したコマンドに基づいて位置を変更し、センサは、位置の変化を検出する。情報は、航空機からセンサに明示的に送信されなくてよい。センサ１２１０は、センサデータを姿勢推定器１２１２に提供する。姿勢推定器１２１２は、受信したセンサデータを処理してよい。例えば、姿勢推定器は、信号ノイズは無視してよい。姿勢推定器１２１２は、センサデータに基づいて航空機の姿勢の推定値を決定してよい。姿勢推定器１２１２は、姿勢推定値を１２０２に提供してよい。いくつかの実施形態では、スイッチ１２００および安全ブロック１２０６は、１つのソフトウェアブロック（例えば、状態機械）によって実行される。
【００６１】
いくつかの実施形態では、下位フライトコンピュータの数は、アクチュエータの数より少なくてよい。例えば、各下位フライトコンピュータは、マルチコプタの２つのロータを制御してよい。２つのロータは、互いに向かい合ってよい。下位フライトコンピュータが故障した場合は、航空機はバランスを保つため、航空機が受ける悪影響はわずかだろう。
【００６２】
上述の実施形態は、明確な理解のためにある程度詳細に説明されたが、本発明は、記載の詳細に限定されない。本発明を実施する多くの他の方法がある。開示の実施形態は、例示的であり、制限的でない。本発明は以下の適用例としても実現できる。
［適用例１］
飛行制御システムであって、
プロセッサであって、
１つ以上の入力に応答して航空機の状態を変更するために、複数のアクチュエータの各々に対してコマンドのセットを生成し、
前記コマンドのセットを、前記複数のアクチュエータを含む全てより少ないアクチュエータに提供するように構成された、プロセッサ
を備える、飛行制御システム。
［適用例２］
適用例１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、対応するセンサのセットを有する、システム。
［適用例３］
適用例１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、対応するセンサのセットを有し、前記コマンドのセットは、前記センサのセットからのセンサデータに応答して生成される、システム。
［適用例４］
適用例１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、レートジャイロ、加速度計、磁力計、または気圧計を備える、対応するセンサのセットを有する、システム。
［適用例５］
適用例１に記載のシステムであって、
前記複数のアクチュエータは、前記複数のアクチュエータのゼロまたは１つのアクチュエータが作動してない場合に、前記航空機における飛行を可能にするように構成される、システム。
［適用例６］
適用例１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、１つのアクチュエータのみに物理的に接続される、システム。
［適用例７］
適用例１に記載のシステムであって、
前記複数のアクチュエータに対してコマンドのセットを生成し、前記コマンドのセットを前記複数のアクチュエータを含む全てより少ないアクチュエータに提供するように構成された１つ以上の追加のプロセッサを備える、システム。
［適用例８］
適用例７に記載のシステムであって、
等しい数のプロセッサとアクチュエータとを備える、システム。
［適用例９］
適用例１に記載のシステムであって、
前記複数のアクチュエータの１つのアクチュエータは、ただ１つの対応するプロセッサからコマンドを受信する、システム。
［適用例１０］
適用例１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、基本的な自動操縦能力を提供する、システム。
［適用例１１］
適用例１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、姿勢制御および姿勢レート制御を実行する、システム。
［適用例１２］
適用例１１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、パイロットから入力を受信する、システム。
［適用例１３］
適用例１１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、上位フライト命令を処理するように構成されたプロセッサから入力を受信する、システム。
［適用例１４］
適用例１に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、自動モードとパイロット制御モードとの間で切り替えが可能である、システム。
［適用例１５］
適用例１４に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、自動モードの上位プロセッサから入力を受信し、パイロット制御モードのパイロット制御部から入力を受信する、システム。
［適用例１６］
適用例１４に記載のシステムであって、
前記プロセッサおよび１つ以上の追加のプロセッサは、モードを同時に切り替えるように構成されている、システム。
［適用例１７］
適用例１４に記載のシステムであって、
前記プロセッサおよび１つ以上の追加のプロセッサは、パイロット指示に基づいてモードを切り替えるように構成されている、システム。
［適用例１８］
適用例１５に記載のシステムであって、
前記複数のアクチュエータのアクチュエータは、状態を前記上位プロセッサに報告する、システム。
［適用例１９］
適用例７に記載のシステムであって、
前記プロセッサは、電気的に分離されている、システム。
［適用例２０］
適用例１に記載のシステムであって、
前記航空機は、マルチコプタを含む、システム。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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