JP5926637B2 - 回避経路導出装置、回避経路導出プログラム、および、回避経路導出方法 - Google Patents

Description

本発明は、航空機（自機）の飛行経路に回避エリアが生じた場合の回避経路を導出する回避経路導出装置、回避経路導出プログラム、および、回避経路導出方法に関する。

航空機は、障害物の無い空間を飛行するが、低空飛行等において山や建造物が障害物となったり、その飛行経路によっては敵の攻撃を受けるといった脅威に曝されるおそれがある。したがって、飛行経路に、このような回避すべき回避エリアが生じた場合、その回避エリアを回避する回避経路を導出し、かかる回避経路を飛行するのが望ましい。

そこで、自機位置と地形データとに基づき自機の飛行経路が地物等と衝突の危険性があることをパイロットに知らせる技術が知られている（例えば、特許文献１）。また、地形の最大高度をメッシュで表し、航空機が移動する領域における地表高度の包絡線を定義して、衝突を防止する技術も知られている（例えば、特許文献２）。

また、最低飛行高度を超える地形高さの一連のノードを危険ゾーンの識別に用いる技術や（例えば、特許文献３）、複数の航空機同士の衝突を回避しつつ、その経路コストが最小となる経路を算出する技術（例えば、特許文献４）が開示されている。

特開平４−３１５０８４号公報 特許第３７３８４１５号 特開２００１−３３２７１号公報 特開２００９−２５１７２９号公報

しかし、上述した技術では、回避エリア自体やその回避経路として無数の候補が挙げられるため、回避エリアを回避し、かつ、飛行コストが最小となる最短の回避経路を導出するために、処理負荷の増加および処理時間の長時間化を招いていた。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、回避エリアや回避経路のパターンを簡素化し、経路判定の効率化を図ることで、軽負荷かつ短時間で回避経路を導出することが可能な、回避経路導出装置、回避経路導出プログラム、および、回避経路導出方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の回避経路導出装置は、回避すべき回避エリアを特定する回避エリア特定部と、回避エリアを含む対象領域を多角形の複数の分割領域に分割する領域分割部と、分割領域の角であり、かつ、回避エリアの境界より外側に位置する複数の候補ノードを抽出する候補ノード抽出部と、任意の回避開始点から候補ノードまで、候補ノード間、および、候補ノードから任意の回避終了点までの分割経路について回避エリアを通過するか否か判定し、回避開始点から回避終了点まで回避エリアを通過することなく連続する分割経路から成り、その総距離が最短となる回避経路を特定する経路特定部と、を備えることを特徴とする。

候補ノードそれぞれには、候補ノードから回避終了点までの最短の経路における直後の候補ノード、および、最短の経路の距離である回避終了点までの最短距離をパラメータとするノードパラメータが対応付けられ、経路特定部は、任意の候補ノードから回避終了点までの、回避エリアを通過することなく連続する分割経路の距離を順次導出し、その距離が最短であれば、任意の候補ノードのノードパラメータの直後の候補ノードおよび回避終了点までの最短距離を、最短となった分割経路における直後の候補ノードおよび回避終了点までの最短距離に更新してもよい。

候補ノードそれぞれには、候補ノードから回避開始点までの最短の経路における直前の候補ノード、および、最短の経路の距離である回避開始点までの最短距離をパラメータとするノードパラメータが対応付けられ、経路特定部は、任意の候補ノードから回避終了点までの、回避エリアを通過することなく連続する分割経路の距離を順次導出し、その距離が最短であれば、最短となった分割経路における直後の候補ノードのノードパラメータの直前の候補ノードを任意の候補ノードに更新し、かつ、最短となった分割経路における候補ノード全てのノードパラメータの回避開始点までの最短距離を、最短となった分割経路における回避開始点までの最短距離に更新してもよい。

経路特定部は、分割領域の少なくとも一部が回避エリアに含まれる回避領域の周囲を構成する交差レグと、分割経路とが交わることで、回避エリアを通過すると判定してもよい。

経路特定部は、交差レグと分割経路とが交わっていたとしても、分割経路の高度が、回避領域の高度より高ければ、回避エリアを通過しないと判定してもよい。

経路特定部は、候補ノードから回避開始点までの直線距離と、候補ノードから回避終了点までの直線距離の和が短い候補ノードから順に、回避エリアを通過するか否か判定してもよい。

上記課題を解決するために、本発明の回避経路導出プログラムは、コンピュータを、回避すべき回避エリアを特定する回避エリア特定部と、回避エリアを含む対象領域を多角形の複数の分割領域に分割する領域分割部と、分割領域の角であり、かつ、回避エリアの境界より外側に位置する複数の候補ノードを抽出する候補ノード抽出部と、任意の回避開始点から候補ノードまで、候補ノード間、および、候補ノードから任意の回避終了点までの分割経路について回避エリアを通過するか否か判定し、回避開始点から回避終了点まで回避エリアを通過することなく連続する分割経路から成り、その総距離が最短となる回避経路を特定する経路特定部と、して機能させる。

上記課題を解決するために、本発明の回避経路導出方法は、コンピュータが、回避すべき回避エリアを特定し、回避エリアを含む対象領域を多角形の複数の分割領域に分割し、分割領域の角であり、かつ、回避エリアの境界より外側に位置する複数の候補ノードを抽出し、任意の回避開始点から候補ノードまで、候補ノード間、および、候補ノードから任意の回避終了点までの分割経路について回避エリアを通過するか否か判定し、回避開始点から回避終了点まで回避エリアを通過することなく連続する分割経路から成り、その総距離が最短となる回避経路を特定することを特徴とする。

本発明によれば、回避エリアや回避経路のパターンを簡素化し、経路判定の効率化を図ることで、軽負荷かつ短時間で回避経路を導出することが可能となる。

航空機の概略的な構成を示す機能ブロック図である。 第１の実施形態における回避経路導出方法の処理の流れを示したフローチャートである。 回避エリア特定処理を説明するための説明図である。 領域分割処理を説明するための説明図である。 交差レグ特定処理を説明するための説明図である。 候補ノード抽出処理を説明するための説明図である。 候補ノード抽出処理を説明するための説明図である。 経路特定処理の具体的な処理の流れを示したフローチャートである。 経路特定処理による回避経路の特定を具体的に説明する説明図である。 経路特定処理のうち交差判定を説明するための説明図である。 第２の実施形態における３次元空間における位置関係を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（航空機１００）
本実施形態において、航空機１００は、予め定められた自機の飛行経路中に、障害物が存在する、または、何らかの脅威に曝されるおそれのある回避すべき回避エリアが生じた場合、回避エリアを回避する回避経路を導出し、その回避経路に従って飛行する。以下、回避経路を導出する航空機１００の構成を述べ、その後に、具体的な方法を説明する。

図１は、航空機１００の概略的な構成を示す機能ブロック図である。航空機１００は、情報取得部１１０と、中央制御部１１２と、飛行機構１１４とを含んで構成される。ここでは、本実施形態に必要な構成のみを説明し、本実施形態に関係のない構成については説明を省略する。

情報取得部１１０は、通信部１１０ａ、操作部１１０ｂ、センサ１１０ｃ、表示部１１０ｄ等を含む。通信部１１０ａは、放送型自動従属監視（ＡＤＳ−Ｂ：Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）等のデータリンク手法を用い、飛行中または陸上（船上）において、地上設備との通信を行う。操作部１１０ｂは、操縦桿、操作キー、タッチパネル等で構成され、パイロットの操作入力を受け付ける。本実施形態では、通信部１１０ａまたは操作部１１０ｂを通じて飛行経路、および、障害物や脅威の情報を取得する。センサ１１０ｃは、飛行位置（経度、緯度、高度を含む）、機体速度、機体姿勢、機体が受ける風力、風向き、天候、機体周囲の気圧、温度、湿度等の現在の飛行状態を検出する。表示部１１０ｄは、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等で構成され、通信部１１０ａ、操作部１１０ｂ、センサ１１０ｃ等を通じて取得された様々な情報の一部を表示し、パイロットに伝達する。

中央制御部１１２は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路で構成され、航空機１００全体を管理および制御する。また、中央制御部１１２は、回避エリア特定部１２０、領域分割部１２２、交差レグ特定部１２４、候補ノード抽出部１２６、経路特定部１２８として機能する。

飛行機構１１４は、内燃機関（例えばジェットエンジンやレシプロエンジン）を有し、推進力により固定翼周りに揚力を生じさせることで機体を移動させる。ただし、揚力を生じさせる機構は、かかる場合に限らず、回転翼機（ヘリコプター）のように、内燃機関によって回転翼を回転させて揚力を生じさせ、機体を大気中に浮上した状態に維持する機構で構成することもできる。

上述したように、回避エリアを回避する回避経路を導出すべく、中央制御部１１２の各機能部は、以下のように動作する。すなわち、回避エリア特定部１２０は、回避すべき回避エリアを特定する。領域分割部１２２は、回避エリアを含む対象領域を多角形の複数の分割領域に分割する。交差レグ特定部１２４は、回避領域を構成するレグである交差レグを特定する。候補ノード抽出部１２６は、分割領域の角であり、かつ、回避エリアの境界より外側に位置する複数の候補ノードを抽出する。経路特定部１２８は、任意の回避開始点から候補ノードまで、候補ノード間、および、候補ノードから任意の回避終了点までの分割経路について回避エリアと交差するか否かを判定する。そして、経路特定部１２８は、回避開始点から回避終了点まで回避エリアと交差することなく連続する複数の分割経路から成り、その総距離が最短となる回避経路を特定する。このようにして特定された回避経路が表示部１１０ｄに表示される。以下、このような各機能部の詳細な動作を具体的に説明する。

（第１の実施形態：回避経路導出方法）
図２は、第１の実施形態における回避経路導出方法の処理の流れを示したフローチャートである。ここでは、図２のフローチャートに従って、回避すべき回避エリアを特定し、その回避エリアを回避する回避経路を導出する。ここで、回避経路は、飛行経路中に生じた回避エリアの手前の任意の点である回避開始点を始点とし、回避エリアの先の任意の点である回避終了点を終点とした、回避エリアの外側に設けられる経路である。回避開始点や回避終了点は、回避エリアの大きさや航空機１００の速度等に基づき予め定められた規則に応じて決定される。また、本実施形態においては、航空機１００の飛行高度と等しい水平面上における最短の経路を回避経路とする。

以下、図２に従い、準備工程に属する、回避エリア特定処理Ｓ１、領域分割処理Ｓ２、交差レグ特定処理Ｓ３、候補ノード抽出処理Ｓ４、回避経路導出工程に属する経路特定処理Ｓ５の順に説明する。

（回避エリア特定処理Ｓ１）
図３は、回避エリア特定処理Ｓ１を説明するための説明図である。回避エリア特定部１２０は、地上設備との通信またはパイロットの操作入力を通じ、飛行経路１５０において障害物や脅威となる物体を把握し、図３に示すように、飛行経路１５０および障害物や脅威となる物体の位置から自機を回避させるための回避エリア１５２を特定する。ここでは、説明の便宜上、１の回避エリア１５２を挙げて説明するが、複数の回避エリア１５２が離隔して存在する場合もある。

（領域分割処理Ｓ２）
領域分割部１２２は、回避エリア特定部１２０が特定した回避エリア１５２を含む対象領域を多角形の複数の分割領域に分割する。ここでは、分割領域の形状を四角として説明するが、三角形や六角形等、任意の多角形を採用することができる。

図４は、領域分割処理Ｓ２を説明するための説明図である。具体的に、まず、領域分割部１２２は、図４（ａ）に示すように、航空機１００の飛行高度と等しい高度における水平面のうち、任意の回避開始点ＷＰ１と回避終了点ＷＰ２との間にある対象領域１５４を切り出す。対象領域１５４は、回避エリア１５２の大きさおよび形状に基づき予め定められた規則に応じて決定され、例えば、一辺が第１所定距離（例えば、１０ｋｍまたは１００ｋｍ等）となる正方形とする。ここでは、対象領域１５４を正方形で示すが、かかる場合に限らず、長方形や多角形であってもよい。

そして、領域分割部１２２は、対象領域１５４を、緯度方向および経度方向（東西南北方向）に対して、交点間の距離が第１所定距離より短い第２所定距離（例えば、５０ｍ、１ｋｍまたは５ｋｍ等）となる網目（メッシュ）状に分割し、その網目状に分割された分割領域１５６を、計算対象の最小単位とする。ここでは、分割領域１５６を正方形で示すが、かかる場合に限らず、長方形や多角形であってもよい。

分割領域１５６の大きさは、回避開始点ＷＰ１と回避終了点ＷＰ２間の距離および回避エリア１５２の大きさ、処理能力（処理可能な分解能）に基づき予め定められた規則に応じて決定される。また、以後の演算においては、分割領域１５６の角（交点）をノードと称し、ノード間において東西南北に延長される線分をレグと称する。

続いて、領域分割部１２２は、対象領域１５４内の複数の分割領域１５６のうち、回避エリア１５２に相当する分割領域１５６である回避領域１５８を特定する。回避領域１５８は、分割領域１５６の角に対応する４つのノードのうち、少なくとも１のノードが回避エリア１５２に含まれる（分割領域１５６の一部が回避エリア１５２に含まれる）分割領域１５６である。したがって、図４（ｂ）における複数の分割領域１５６のうち、斜線で示した分割領域１５６が回避領域１５８となる。ここで、仮に回避エリア１５２が複数存在していた場合、このような隣接する回避領域１５８の群が複数存在することとなる。

（交差レグ特定処理Ｓ３）
図５は、交差レグ特定処理Ｓ３を説明するための説明図である。ここでは、緯度方向および経度方向をｘ軸およびｙ軸で示している。交差レグ特定部１２４は、後述する交差判定に用いるために、回避領域１５８を構成するレグである交差レグを特定する。交差レグの候補となるレグは、図５中のｘ軸方向のレグとｙ軸方向のレグに大別できるため、ここでは、交差レグ１６０について、ｘ軸方向の交差レグとｙ軸方向の交差レグとを段階的に求める。

交差レグ特定部１２４は、まず、図５のように、分割領域１５６について、ｘ軸方向とｙ軸方向に、座標に相当する番号を付与する（ｘ＝０，１，…，６、ｙ＝０，１，…，６）。そして、ｘ軸方向の交差レグ１６０ａを導出するため、交差レグ特定部１２４は、図５（ａ）に破線の矢印で示したように、ｙの座標値を１ずつインクリメントして、ｘ軸方向のレグを順次抽出し、そのレグが交差レグ１６０ａに相当するか、すなわち、回避領域１５８を構成するレグであるか否か判定する。そして、ｘ＝０〜１に関する交差レグ１６０ａの判定が終了したら、ｘ＝１〜２に関する交差レグ１６０ａを判定し、ｘ＝５〜６に関する交差レグ１６０ａを判定するまで判定処理を繰り返す。こうすることで、図５（ａ）に太い実線で示したｘ軸方向の交差レグ１６０ａが特定される。

続いて、ｙ軸方向の交差レグ１６０ｂを導出するため、交差レグ特定部１２４は、図５（ｂ）に破線の矢印で示したように、ｘの座標値を１ずつインクリメントして、ｙ軸方向のレグを順次抽出し、そのレグが交差レグ１６０ｂに相当するか、すなわち、回避領域１５８を構成するレグであるか否か判定する。そして、ｙ＝０〜１に関する交差レグ１６０ｂの判定が終了したら、ｙ＝１〜２に関する交差レグ１６０ｂを判定し、ｙ＝５〜６に関する交差レグ１６０ｂを判定するまで判定処理を繰り返す。こうすることで、図５（ｂ）に太い実線で示したｙ軸方向の交差レグ１６０ｂが特定される。

交差レグ１６０は、後述する交差判定に利用されるので、座標と対応付け、例えば、テーブル等を通じて管理するのが望ましい。

（候補ノード抽出処理Ｓ４）
図６および図７は、候補ノード抽出処理Ｓ４を説明するための説明図である。候補ノード抽出部１２６は、図６に黒丸で示すように、領域分割部１２２が抽出した回避領域１５８の角であり、かつ、回避エリア１５２の境界より外側に位置する複数の候補ノード１６２を抽出する。ただし、隣り合う回避領域１５８に共通する候補ノード１６２については１の候補ノード１６２として取り扱う。ここでは、理解を容易にするため少数の候補ノード１６２を挙げて説明するが、候補ノード１６２の数は、対象領域１５４と分割領域１５６の大きさに応じて変化する。

そして、候補ノード抽出部１２６は、図７に示すように、抽出した複数の候補ノード１６２によってノードリスト１６４を生成してＲＡＭに格納し、ノードリスト１６４において候補ノード１６２をソートする。ソートの順番は、各候補ノード１６２から回避開始点ＷＰ１までの直線距離と、同候補ノード１６２から回避終了点ＷＰ２までの直線距離の和の短い順に行われる。かかる直線距離は、交差レグ１６０と交差するか否かを問わない。したがって、結果的に、飛行経路１５０に近い候補ノード１６２が比較的上位に、飛行経路１５０に遠い候補ノード１６２が比較的下位に配される。

このように、直線距離の短い順に候補ノード１６２をソートするのは、以下の理由による。すなわち、後述する経路特定処理Ｓ５において、まず、経路特定部１２８に、候補ノード１６２から回避開始点ＷＰ１までの直線距離と、候補ノード１６２から回避終了点ＷＰ２までの直線距離の和が短い候補ノード１６２から順に、回避エリア１５２と交差するか否か判定させる。そして、比較的早期に最短である可能性の高い回避経路を導出し、以後の演算において回避経路の書き換え回数を削減し、処理負荷を軽減するためである。

続いて、候補ノード抽出部１２６は、図７に示すように、ノードリスト１６４内の各候補ノード１６２に対しノードパラメータ１６６を設定してＲＡＭに格納する。ノードパラメータ１６６は、ＷＰ１直前ノード（RootNode：回避開始点ＷＰ１までの最短の経路における直前の候補ノード１６２）、ＷＰ１最短距離（DisS：最短の経路における回避開始点ＷＰ１までの最短距離）、ＷＰ２直後ノード（回避終了点ＷＰ２までの最短の経路における直後の候補ノード１６２）、ＷＰ２最短距離（DisE：最短の経路における回避終了点ＷＰ２までの最短距離）、対象ノードリスト（SearchNode：ＷＰ２直後ノードの候補となる候補ノード１６２（対象ノード）のリスト）、対象ノード総数（SearchNodeNo：対象ノードリストに対応付けられた対象ノードの総数）の６つのパラメータからなる。ここでは、経路判定を行う上での基準となる任意の候補ノード１６２を基準ノードとし、その基準ノードとの交差判定を行う対象となる候補ノード１６２を対象ノードとする。

ここで、ＷＰ１直前ノードは、交差レグ１６０と交差することなしに回避開始点ＷＰ１と連続する分割経路のうち、最短の分割経路群における直前の候補ノード１６２を示す。したがって、交差レグ１６０との交差なしに回避開始点ＷＰ１と直接連続する場合、ＷＰ１直前ノードは回避開始点ＷＰ１となる。ＷＰ１最短距離は、ＷＰ１直前ノードに示された候補ノード１６２を含む回避開始点ＷＰ１までの最短の経路の総距離を示す。かかる総距離は、ＷＰ１直前ノードに示された候補ノード１６２におけるＷＰ１最短距離に、ＷＰ１直前ノードに示された候補ノード１６２から当該候補ノード１６２までの距離を加えることで導出できる。

また、ＷＰ２直後ノードは、交差レグ１６０と交差することなしに回避終了点ＷＰ２と連続する分割経路のうち、最短の分割経路群における直後の候補ノード１６２を示す。したがって、交差レグ１６０との交差なしに回避終了点ＷＰ２と直接連続する場合、ＷＰ２直後ノードは回避終了点ＷＰ２となる。ＷＰ２最短距離は、ＷＰ２直後ノードに示された候補ノード１６２を含む回避終了点ＷＰ２までの最短の経路の総距離を示す。かかる総距離は、ＷＰ２直後ノードに示された候補ノード１６２のノードパラメータ１６６におけるＷＰ２最短距離に、ＷＰ２直後ノードに示された候補ノード１６２から当該候補ノード１６２までの距離を加えることで導出できる。

また、対象ノードリストは、ＷＰ１直前ノードに設定された候補ノード１６２を除く、当該候補ノード１６２から交差レグ１６０と交差することなしに連続する１または複数の候補ノード１６２（対象ノード）のリストである。ここでは、対象ノードの経路判定が完了すると、対象ノードリストからその対象ノードが削除される。また、対象ノードは、ノードリスト１６４の各候補ノード１６２とリンクしているので、例えば、以降の説明において、対象ノードのＷＰ１直前ノードといった場合、対象ノードに対応する候補ノード１６２のノードパラメータを示す。対象ノード総数は、かかる対象ノードリストに対応付けられた対象ノードの総数である。ここでは、対象ノードリストから対象ノードが削除されると、それに伴って、対象ノード総数も削減される。

ノードパラメータ１６６の生成時には、上記ＷＰ１直前ノード、ＷＰ１最短距離、ＷＰ２直後ノード、ＷＰ２最短距離、対象ノードリスト、対象ノード総数の値は全てリセットされる。かかるリセットにおいて、ＷＰ１最短距離およびＷＰ２最短距離は、無限大∞や設定可能な最大値が設定される。

（経路特定処理Ｓ５）
経路特定部１２８は、回避開始点ＷＰ１から候補ノード１６２までの分割経路、候補ノード１６２間の分割経路、および、候補ノード１６２から回避終了点ＷＰ２までの分割経路について回避領域１５８（回避エリア１５２）と交差するか否か判定する。そして、経路特定部１２８は、交差しないと判定した分割経路のうちの、回避開始点ＷＰ１から回避終了点ＷＰ２まで回避領域１５８と交差することなく連続する分割経路から成り、その総距離が最短となる回避経路を特定する。

本実施形態では、以下のような概念で最短となる回避経路を特定する。まず、回避開始点ＷＰ１を始点として、候補ノード１６２間の線分が交差レグ１６０と交差していない候補ノード１６２を次々に接続して、一度、回避終了点ＷＰ２までの少なくとも１本の経路を導出し、その経路の総距離を保持する。その後、他の候補ノードの組み合わせについても経路の総距離を導出し、保持された経路の総距離より短くなれば、その経路を最短経路として更新する。また、他の候補ノード１６２の組み合わせを判定する際、その途中段階であっても、分割経路の総距離が、保持された経路の総距離より長くなれば、その経路は最早選択されないので、それ以降の処理を省略する。こうして処理負荷を軽減することができる。

具体的に、回避開始点ＷＰ１から回避終了点ＷＰ２までの経路が一度導出されると、それ以後は、１の基準ノードに対する１または複数の対象ノード全てについて経路判定を行う。また、対象ノードと回避終了点ＷＰ２とを結ぶ直線が交差レグ１６０と交差していれば、さらにその対象ノードを基準ノードとし、その基準ノードの下位の対象ノードを新たに導出する。

こうして対象ノードの経路判定が完了すると、基準ノードに対する１または複数の対象ノードのうち、基準ノードから回避終了点ＷＰ２までの、回避エリア１５２と交差することなく連続する分割経路が最短となる経路を抽出し、その結果を基準ノードのノードパラメータ（ＷＰ２最短距離、ＷＰ２直後ノード）に反映する。こうして、基準ノードから回避終了点ＷＰ２までの連続する分割経路を確定できる。

また、経路特定部１２８は、基準ノードから回避終了点ＷＰ２までの、回避エリア１５２と交差することなく連続する分割経路が最短となる経路が抽出されると、対象ノードから回避終了点ＷＰ２までの、回避エリア１５２と交差することなく連続する１または複数の候補ノード１６２全てのノードパラメータ（ＷＰ１最短距離、対象ノードのみＷＰ１直前ノード）も更新する。こうして、基準ノードから回避終了点ＷＰ２までの候補ノード１６２に、回避開始点ＷＰ１の情報を反映することができる。

このように、基準ノードに対する１または複数の対象ノードの経路判定が全て完了すると、基準ノードの経路判定が完了し、その基準ノードを対象ノードとする上位の基準ノードの経路判定を順次完了させることが可能となる。そして、最終的に基準ノードが回避開始点ＷＰ１となると、全ての対象ノードに対する経路判定が完了したことになり、最短となる回避経路が特定されることとなる。以下、具体的な処理を説明する。

図８は、経路特定処理Ｓ５の具体的な処理の流れを示したフローチャートである。ここでは、最短となる回避経路の距離を示す変数Ｄが初期化（設定可能な最大値を代入）され、基準ノードとして回避開始点ＷＰ１が設定されているとする。

（ステップＳ５−１）
まず、経路特定部１２８は、ノードリスト１６４から、基準ノードのＷＰ１直前ノードに設定された候補ノード１６２を除く（初回はなし）候補ノード１６２を昇順に順次抽出し、当該候補ノード１６２と基準ノード（初回は回避開始点ＷＰ１）とを結ぶ線分と交差レグ１６０との交差判定を行う。かかる交差判定については、図１０を用いて後述する。ここで、候補ノード１６２と基準ノードとを結ぶ線分が交差レグ１６０と交差していないと判定すれば、経路特定部１２８は、当該候補ノード１６２を基準ノードに対する対象ノードとし、基準ノードの対象ノードリストに追加するとともに、追加する度に対象ノード総数を１だけインクリメントする。また、対象ノードのＷＰ１直前ノードに、候補ノード１６２に対応する基準ノードを設定し、対象ノードのＷＰ１最短距離に、基準ノードと対象ノード間の距離を設定する。

（ステップＳ５−２）
候補ノード１６２との交差判定を通じて対象ノードを抽出し終えると、経路特定部１２８は、対象ノードリストの先頭に位置する対象ノードを特定する。こうして、対象ノードリストから対象ノードを順次抽出することができる。

（ステップＳ５−３）
続いて、経路特定部１２８は、特定した対象ノードに回避終了点ＷＰ２の情報（ＷＰ２最短距離、ＷＰ２直前ノード）が既に設定されているか否か判定する。これは、ＷＰ２最短距離が設定可能な最大値となっているか否か、または、ＷＰ２直前ノードが設定されているか否かによって行われる。その結果、回避終了点ＷＰ２の情報が設定されていれば、ステップＳ５−８に処理を移し、回避終了点ＷＰ２の情報が設定されていなければ、ステップＳ５−４に処理を移す。

（ステップＳ５−４）
ステップＳ５−３において、回避終了点ＷＰ２の情報が設定されていないと判定されると、経路特定部１２８は、当該対象ノードと回避終了点ＷＰ２とを結ぶ線分と交差レグ１６０との交差判定を行う。その結果、当該対象ノードと回避終了点ＷＰ２とを結ぶ線分と交差レグ１６０とが交差していれば、ステップＳ５−５に処理を移し、交差していなければ、ステップＳ５−７に処理を移す。

（ステップＳ５−５）
ステップＳ５−４において、当該対象ノードと回避終了点ＷＰ２とを結ぶ線分と交差レグ１６０とが交差していると判定されると、経路特定部１２８は、基準ノードのＷＰ１最短距離に、基準ノードと対象ノード間の距離を加えた値と、最短となる回避経路の距離を示す変数Ｄとを比較する。その結果、基準ノードのＷＰ１最短距離に、基準ノードと対象ノード間の距離を加えた値が、変数Ｄより長いと判定されれば、ステップＳ５−１２に処理を移し、変数Ｄより長くないと判定されれば、ステップＳ５−６に処理を移す。ここでは、変数Ｄより総距離が長い対象ノードについては、その経路は最早選択されないので、ステップＳ５−６に進めないこととし、経路判定の対象から除外している。こうして、処理負荷を軽減することが可能となる。

（ステップＳ５−６）
ステップＳ５−５において、基準ノードのＷＰ１最短距離に、基準ノードと対象ノード間の距離を加えた値が、変数Ｄより長くないと判定されると、経路特定部１２８は、当該対象ノードを新たに下位の基準ノードとして設定し、ステップＳ５−１からの処理を繰り返す。

（ステップＳ５−７）
ステップＳ５−４において、当該対象ノードと回避終了点ＷＰ２とを結ぶ線分と交差レグ１６０とが交差していないと判定されると、経路特定部１２８は、当該対象ノードの回避終了点ＷＰ２の情報を更新する。具体的に、対象ノードのＷＰ２直後ノードに回避終了点ＷＰ２を、対象ノードのＷＰ２最短距離に、対象ノードと回避終了点ＷＰ２間の距離を設定する。

（ステップＳ５−８）
次に、経路特定部１２８は、当該対象ノードのＷＰ２最短距離に、基準ノードと対象ノード間の距離を加えた値と、基準ノードのＷＰ２最短距離とを比較する。その結果、対象ノードのＷＰ２最短距離に、基準ノードと対象ノード間の距離を加えた値が、基準ノードのＷＰ２最短距離より短いと判定されれば、ステップＳ５−９に処理を移し、基準ノードのＷＰ２最短距離より短くないと判定されれば、ステップＳ５−１０に処理を移す。

（ステップＳ５−９）
ステップＳ５−８において、対象ノードのＷＰ２最短距離に、基準ノードと対象ノード間の距離を加えた値が、基準ノードのＷＰ２最短距離より短いと判定されれば、経路特定部１２８は、基準ノードの回避終了点ＷＰ２に関する情報、および、対象ノードから回避終了点ＷＰ２までのＷＰ１に関する情報を更新する。具体的に、経路特定部１２８は、基準ノードのＷＰ２最短距離に、対象ノードのＷＰ２最短距離と基準ノードと対象ノード間の距離とを加えた値を設定し、ＷＰ２直後ノードに、対象ノードに対応する候補ノード１６２を設定する。こうして、基準ノードから回避終了点ＷＰ２までの連続する分割経路を確定できる。また、経路特定部１２８は、対象ノードのＷＰ１直前ノードに、基準ノードに対応する候補ノード１６２を設定するとともに、基準ノードのＷＰ１最短距離に基づいて、対象ノードから回避終了点ＷＰ２までのＷＰ１最短距離を更新する。例えば、経路特定部１２８は、対象ノードと連続するそれより後（下位）の候補ノード１６２を順次呼び出し、呼び出した候補ノード１６２とその直前の候補ノード１６２間の距離と、直前の候補ノード１６２のＷＰ１最短距離との和を計算して、呼び出した候補ノード１６２のＷＰ１最短距離とする。

（ステップＳ５−１０）
続いて、経路特定部１２８は、基準ノードのＷＰ１最短距離とＷＰ２最短距離とを加えた値と、最短となる回避経路の距離を示す変数Ｄとを比較する。その結果、基準ノードのＷＰ１最短距離とＷＰ２最短距離とを加えた値が、変数Ｄより短いと判定されれば、ステップＳ５−１１に処理を移し、変数Ｄより短くないと判定されれば、ステップＳ５−１２に処理を移す。

（ステップＳ５−１１）
ステップＳ５−１０において、基準ノードのＷＰ１最短距離とＷＰ２最短距離とを加えた値が、変数Ｄより短いと判定されれば、経路特定部１２８は、変数Ｄに基準ノードのＷＰ１最短距離とＷＰ２最短距離とを加えた値を設定して、変数Ｄを更新し、当該経路（回避経路）を特定する情報を対応づけてＲＡＭに格納する。かかる回避経路を特定する情報は、当該回避経路の１の候補ノード１６２で足りるので、例えば、基準ノードまたは当該対象ノードであってもよい。こうして、最短の回避経路が更新される。

（ステップＳ５−１２）
続いて、経路特定部１２８は、当該対象ノードに関する経路判定が完了したとして、基準ノードの対象ノードリストから当該対象ノードを削除するとともに、対象ノード総数を１だけデクリメントする。したがって、対象ノードリストの先頭には次の対象ノードが位置することとなる。

（ステップＳ５−１３）
次に、経路特定部１２８は、対象ノード総数が０以下となったか否か判定し、その結果、対象ノード総数が０以下となっていれば、当該基準ノードに関する経路判定が完了したとして、ステップＳ５−１４に処理を移し、対象ノード総数が０以下でなければ、次の対象ノードを経路判定すべく、ステップＳ５−２からを繰り返す。

（ステップＳ５−１４）
ステップＳ５−１３において、対象ノード総数が０以下となっていると判定されれば、経路特定部１２８は、当該基準ノードが回避開始点ＷＰ１であるか否か判定する。その結果、当該基準ノードが回避開始点ＷＰ１であれば、当該経路特定処理Ｓ５を終了してメインルーチンに戻り、当該基準ノードが回避開始点ＷＰ１でなければ、ステップＳ５−１５に処理を移す。

（ステップＳ５−１５）
ステップＳ５−１４において、基準ノードが回避開始点ＷＰ１ではないと判定されると、経路特定部１２８は、当該基準ノードを新たに上位の対象ノードに戻し、ステップＳ５−３からの処理を繰り返す。

こうして、回避開始点ＷＰ１から回避終了点ＷＰ２まで連続する複数の経路から成り、その総距離が最短となる回避経路を特定することが可能となる。

図９は、経路特定処理Ｓ５による回避経路の特定を具体的に説明する説明図である。例えば、図９（ａ）において破線で示すように、候補ノード１６２ａ→１６２ｂ→１６２ｃといった回避経路が既に導出されているとする。このとき、候補ノード１６２ｂのＷＰ１直前ノードには候補ノード１６２ａが設定され、候補ノード１６２ｃのＷＰ１直前ノードには候補ノード１６２ｂが設定される。

ここで、図９（ａ）において一点鎖線で示す、候補ノード１６２ａと候補ノード１６２ｃとを直接結ぶ分割経路が抽出され、基準ノードが候補ノード１６２ａ、対象ノードが候補ノード１６２ｃとなった場合、候補ノード１６２ｂを経由する既存のＷＰ１最短距離より、候補ノード１６２ｂを経由しないＷＰ１最短距離が短くなる。すると、図８のステップＳ５−８においてＹＥＳの判定となり、対象ノードである候補ノード１６２ｃの回避開始点ＷＰ１に関する情報が候補ノード１６２ｂを経由しない経路に更新される。

また、かかる更新に伴い、候補ノード１６２ａおよびそれより前の候補ノード１６２のＷＰ２最短距離と、候補ノード１６２ｃより後ろの候補ノード１６２のＷＰ１最短距離とが更新される。また、対象ノードにおけるＷＰ１最短距離とＷＰ２最短距離との和が変数Ｄ未満であれば、変数Ｄ、すなわち、最短の回避経路も更新される。このようにして、順次最短の回避経路が更新されることで、最終的に、例えば、図９（ｂ）に実線で示したような最短の回避経路が導出される。

（交差判定Ｓ５−４）
図１０は、経路特定処理Ｓ５のうち交差判定Ｓ５−４を説明するための説明図である。経路特定部１２８は、回避開始点ＷＰ１から候補ノード１６２、候補ノード１６２同士、および、候補ノード１６２から回避終了点ＷＰ２のいずれかの経路について回避領域１５８と交差するか否か判定する。

具体的には、経路特定部１２８は、基準ノードから対象ノードまでの直線を生成し、交差レグ特定処理Ｓ３で特定した交差レグ１６０と交差しているか否か判定する。例えば、図１０（ａ）に示す基準ノードＡ（ｘ，ｙ）＝（０，４）から対象ノードＢ（ｘ，ｙ）＝（５，２）までの分割経路を例に挙げると、各軸を図１０（ａ）のように定義した場合、上記の分割経路を特定する式は、ｙ−４＝（２−４）／（５−０）×（ｘ−０）、すなわち、ｙ＝−（２／５）ｘ＋４となり、仮にｘ＝４のときにｙ＝２．４となる。本来、上記ｘ，ｙ座標に加え、高度に相当するｚも含めるべきであるが、高度は、航空機１００の飛行高度と等しいとしているので、ここでは省略する。

上記交差レグ特定処理Ｓ３では、ｘ＝４におけるｙ軸方向の交差レグ１６０ｂも特定されており、分割経路上の点（ｘ，ｙ）＝（４，２．４）は、ｘ＝４、ｙ＝２〜３の交差レグ１６０ｂに含まれる。したがって、基準ノードＡから対象ノードＢまでの分割経路は、交差レグ１６０ｂと交差すると判定することができる。

一方、基準ノードＡから対象ノードＢまでの分割経路をｘに関する式とすると、各軸を図１０（ａ）のように定義した場合、ｘ−０＝（５−０）／（２−４）×（ｙ−４）、すなわち、ｘ＝−（５／２）ｙ＋１０となり、仮にｙ＝３のときにｘ＝２．５となる。

上記交差レグ特定処理Ｓ３では、ｙ＝３におけるｘ軸方向の交差レグ１６０ａも特定されており、分割経路上の点（ｘ，ｙ）＝（２．５，３）の点は、ｘ＝２〜３、ｙ＝３の交差レグ１６０ａに含まれる。したがって、基準ノードＡから対象ノードＢまでの分割経路は、交差レグ１６０と交差すると判定することができる。

ただし、基準ノードから対象ノードまでの直線の一部または全部が交差レグ１６０に含まれる場合であっても、交差すると判定しない場合がある。例えば、図１０（ｂ）において実線矢印で示した基準ノードＣから対象ノードＤまでの分割経路は、ｘ＝２〜３、ｙ＝０の交差レグ１６０ａと一致し、回避領域１５８の周囲を構成するが、正確には回避エリア１５２の外側であり、かかる線分を回避経路の一部としたとしても問題が生じない。

かかる事象は、以下の条件を満たしたときに生じる。（１）分割経路の方向がｘ軸またはｙ軸と一致する、すなわち、０°、９０°、１８０°、２７０°のいずれかであり、かつ、（２）その分割経路の両側に回避領域１５８が存在しない場合である。したがって、交差と判定された線分に対して、さらに、上記の条件を満たすか否か判定し、満たしていれば、交差していないと判定する。ここで、分割経路が０°、９０°、１８０°、２７０°のいずれかであるか否かは、その線分の式がｘ＝α（一定値）またはｙ＝β（一定値）に固定されていることで判定できる。

以上説明したように、本実施形態による回避経路導出方法によって、回避エリア１５２や回避経路のパターンを簡素化し、経路判定の効率化を図ることで、軽負荷かつ短時間で回避経路を導出することが可能となる。

また、上述した回避エリア特定部１２０と、領域分割部１２２と、交差レグ特定部１２４と、候補ノード抽出部１２６と、経路特定部１２８とを備える回避経路導出装置も提供される。さらに、コンピュータを、回避エリア特定部１２０と、領域分割部１２２と、交差レグ特定部１２４と、候補ノード抽出部１２６と、経路特定部１２８として機能させるための回避経路導出プログラムも提供される。また、当該回避経路導出プログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能なフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤ等の記憶媒体も提供される。ここで、プログラムは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理手段をいう。

（第２の実施形態：回避経路導出方法）
第１の実施形態では、回避経路として、航空機１００の飛行高度と等しい水平面上における最短の経路を導出したが、以下の実施形態のように、３次元の空間を対象として最短の経路を導出することもできる。３次元空間においても、基本的な概念および回避経路を導出するアルゴリズムは第１の実施形態の２次元空間と実質的に等しいので、ここではその詳細な説明を省略し、３次元空間において回避経路を導出する場合に適用される第１の実施形態と異なる処理のみを説明する。

図１１は、第２の実施形態における３次元空間における位置関係を説明するための説明図である。図１１に示すように、回避エリア１５２が立体的に定義されるので、その回避領域１５８には高度の概念が加わる。したがって、回避領域１５８は、分割領域１５６を高さ（高度）方向に延長した仮の立方体と回避エリア１５２とが交わる場合に、その仮の立方体内における回避エリア１５２の最大高度以上の部分を切り落とした立方体で表すことができる。したがって、回避領域１５８としての立方体は、分割領域１５６毎に高さが異なり得、全ての回避領域１５８を合わせることで立体的な回避エリア１５２を包含する。

また、第２の実施形態では、図１１に示すように、ノードは、回避領域１５８の立方体の上面の角（交点）となり、レグは、ｘ軸やｙ軸方向のみならずｚ軸方向にも存在する。ここでは、１の交点に隣接する４つの分割領域１５６についてそれぞれ回避領域１５８の立方体の高さが異なり得るので、その交点のｚ軸方向には、それぞれの回避領域１５８に対する４つのノードが存在し得ることとなる。

図１１の定義の下、第１の実施形態における図２のフローチャートに従って、準備工程に属する、回避エリア特定処理Ｓ１、領域分割処理Ｓ２、交差レグ特定処理Ｓ３、候補ノード抽出処理Ｓ４を行う。そして、回避経路導出工程に属する経路特定処理Ｓ５を行うが、かかる経路特定処理Ｓ５における交差判定Ｓ５−４の処理が第１の実施形態と異なっている。

第２の実施形態の交差判定では、まず、第１の実施形態同様、経路特定部１２８が、ｘｙ平面において、分割経路と交差レグ１６０とが交差しているか否か判定する。ただし、第２の実施形態では、分割経路は３次元の式、即ち、ｘ、ｙ、ｚの関数で示される。ｘｙ平面での判定は、ｚを０として、または、省略して行えばよい。ここで、交差していないと判定された分割経路は、第２の実施形態においても交差しないと判定される。

一方、分割経路がｘｙ平面上では交差すると判定されたとしても、３次元空間において分割経路が回避エリア１５２と交差するとは限らない。そこで、経路特定部１２８は、ｘｙ平面において交差すると判定された分割経路に関して、３次元空間でも交差するか否か判定する。これは、対象となる分割経路の高度が、回避領域１５８より高いことをもって判定することができる。

したがって、経路特定部１２８は、分割経路をｘｙ平面に投影した線分が含まれる回避領域１５８と分割経路とのいずれの高度が高いかを判定する。具体的に、対象となる回避領域１５８の任意のｘ、ｙ座標における分割経路の高度を求め、その分割経路の高度が回避領域１５８の高度より高いかを判定する。分割領域の高度Ｈは、例えば、基準ノードＡを（ｘ１，ｙ１，ｚ１）とし、対象ノードＢを（ｘ２，ｙ２，ｚ２）とし、回避領域１５８の任意のｘ、ｙ座標Ｃを（ｘｎ，ｙｎ）とすると、Ｈ＝（ｚ２−ｚ１）×Ｑ／Ｒ＋ｚ１で表すことができる。ここで、Ｑは、基準ノードＡからｘ、ｙ座標Ｃまでの距離であり、Ｑ＝√（（ｘｎ−ｘ１）^２＋（ｙｎ−ｙ１）^２）で表すことができ、Ｒは、基準ノードＡから対象ノードＲまでのｘｙ平面上の距離であり、Ｒ＝√（（ｘ２−ｘ１）^２＋（ｙ２−ｙ１）^２）で表すことができる。そして、この高度Ｈと、対象となる回避領域１５８の高度とを比較し、高度Ｈの方が高ければ、分割経路は回避領域１５８よりｚ軸方向上方に位置するとして、交差なしと判定する。また、高度Ｈの方が低ければ、分割経路が回避領域１５８に含まれるということになるので、交差するという判定を維持する。

このようにして、第１の実施形態同様、第２の実施形態においても分割経路の交差判定を確実に行うことが可能となり、適切な回避経路を導出することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

また、上述した回避経路導出方法は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、航空機（自機）の飛行経路に回避エリアが生じた場合の回避経路を導出する回避経路導出装置、回避経路導出プログラム、および、回避経路導出方法に利用することができる。

ＷＰ１ …回避開始点
ＷＰ２ …回避終了点
１２０ …回避エリア特定部
１２２ …領域分割部
１２４ …交差レグ特定部
１２６ …候補ノード抽出部
１２８ …経路特定部
１５０ …飛行経路
１５２ …回避エリア
１５６ …分割領域
１５８ …回避領域
１６０ …交差レグ
１６２ …候補ノード
１６４ …ノードリスト
１６６ …ノードパラメータ

Claims (8)

1. 回避すべき回避エリアを特定する回避エリア特定部と、
   前記回避エリアを含む対象領域を多角形の複数の分割領域に分割する領域分割部と、
   前記分割領域の角であり、かつ、前記回避エリアの境界より外側に位置する複数の候補ノードを抽出する候補ノード抽出部と、
   任意の回避開始点から前記候補ノードまで、該候補ノード間、および、該候補ノードから任意の回避終了点までの分割経路について前記回避エリアを通過するか否か判定し、前記回避開始点から前記回避終了点まで前記回避エリアを通過することなく連続する分割経路から成り、その総距離が最短となる回避経路を特定する経路特定部と、
   を備えることを特徴とする回避経路導出装置。
2. 前記候補ノードそれぞれには、該候補ノードから前記回避終了点までの最短の経路における直後の候補ノード、および、該最短の経路の距離である回避終了点までの最短距離をパラメータとするノードパラメータが対応付けられ、
   前記経路特定部は、前記任意の候補ノードから回避終了点までの、前記回避エリアを通過することなく連続する分割経路の距離を順次導出し、その距離が最短であれば、該任意の候補ノードのノードパラメータの前記直後の候補ノードおよび前記回避終了点までの最短距離を、最短となった分割経路における直後の候補ノードおよび前記回避終了点までの最短距離に更新することを特徴とする請求項１に記載の回避経路導出装置。
3. 前記候補ノードそれぞれには、該候補ノードから前記回避開始点までの最短の経路における直前の候補ノード、および、該最短の経路の距離である回避開始点までの最短距離をパラメータとするノードパラメータが対応付けられ、
   前記経路特定部は、前記任意の候補ノードから回避終了点までの、前記回避エリアを通過することなく連続する分割経路の距離を順次導出し、その距離が最短であれば、最短となった分割経路における直後の候補ノードのノードパラメータの前記直前の候補ノードを前記任意の候補ノードに更新し、かつ、最短となった分割経路における候補ノード全てのノードパラメータの前記回避開始点までの最短距離を、最短となった分割経路における前記回避開始点までの最短距離に更新することを特徴とする請求項２に記載の回避経路導出装置。
4. 前記経路特定部は、前記分割領域の少なくとも一部が前記回避エリアに含まれる回避領域の周囲を構成する交差レグと、前記分割経路とが交わることで、前記回避エリアを通過すると判定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回避経路導出装置。
5. 前記経路特定部は、前記交差レグと前記分割経路とが交わっていたとしても、該分割経路の高度が、前記回避領域の高度より高ければ、前記回避エリアを通過しないと判定することを特徴とする請求項４に記載の回避経路導出装置。
6. 前記経路特定部は、候補ノードから前記回避開始点までの直線距離と、該候補ノードから前記回避終了点までの直線距離の和が短い候補ノードから順に、前記回避エリアを通過するか否か判定することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の回避経路導出装置。
7. コンピュータを、
   回避すべき回避エリアを特定する回避エリア特定部と、
   前記回避エリアを含む対象領域を多角形の複数の分割領域に分割する領域分割部と、
   前記分割領域の角であり、かつ、前記回避エリアの境界より外側に位置する複数の候補ノードを抽出する候補ノード抽出部と、
   任意の回避開始点から前記候補ノードまで、該候補ノード間、および、該候補ノードから任意の回避終了点までの分割経路について前記回避エリアを通過するか否か判定し、前記回避開始点から前記回避終了点まで前記回避エリアを通過することなく連続する分割経路から成り、その総距離が最短となる回避経路を特定する経路特定部と、
   して機能させるための回避経路導出プログラム。
8. コンピュータが、
   回避すべき回避エリアを特定し、
   前記回避エリアを含む対象領域を多角形の複数の分割領域に分割し、
   前記分割領域の角であり、かつ、前記回避エリアの境界より外側に位置する複数の候補ノードを抽出し、
   任意の回避開始点から前記候補ノードまで、該候補ノード間、および、該候補ノードから任意の回避終了点までの分割経路について前記回避エリアを通過するか否か判定し、前記回避開始点から前記回避終了点まで前記回避エリアを通過することなく連続する分割経路から成り、その総距離が最短となる回避経路を特定することを特徴とする回避経路導出方法。

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