JP6785874B2 - 無人航空機用視野ベース較正システム - Google Patents

Description

〔関連出願の相互参照〕
[0001] この特許協力条約の特許は、２０１６年３月２８日に出願され、名称が「大量運転のための無人航空機システム」である米国仮特許出願第６２／３１４，３２３号、および２０１６年８月４日に出願され、名称が「無人航空機用の視野ベースの較正システム」である米国特許出願第１５／２２９，０９９号の優先権を主張し、これらの出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。

[0002] 本開示は、信頼性が高い、大量運転向けに設計された無人航空機（ＵＡＶ）用の視野ベースの較正システムに関する。

[0003] この数年、自律型航空機が人気を得ている。ＵＡＶは、希少であったがよく見かける光景になった。ＵＡＶは、趣味に熱中する人および娯楽の旅客に使用されるだけでなく、監視、地図作成、最近は空中投下などの目的で政府や企業によっても使用されている。

[0004] 無人航空機システム（ＵＡＳ）を用いて大量動作を経済的に行うためには、ＵＡＶおよび地上設備は、航空機を容易に試験し、較正し、打ち上げおよび回収する方式で設計することが必要である。

[0005] 本明細書で検討する実施形態は、ＵＡＶを視野ベースで較正しおよび試験するための方法およびシステムに関する。１つの実施形態では、カメラが乗り物（例えば、ＵＡＶ）に位置決めされ、結果として乗り物の基部基準および乗り物上の可動基準がカメラの視野内で視認できるように構成されている。次いで、カメラから基部基準および可動基準の画像を受け取るために、試験および較正コンピュータが使用される。画像は画像データを含む。次いで、コンピュータは、画像データに基づいて基部基準と可動基準との間の相対的方位を決定する。

[0006] 基部基準と可動基準との間の相対的方位、および乗り物の基部面に関する位置情報は、乗り物の可動部品の実際位置を決定するために使用される。可動部品の実際位置は、可動部品に関する報告位置と比較され、実際位置と報告位置との間の差が閾値量よりも大きい場合、通知が生成される。

[0007] 図面では、類似の要素を識別するために類似の参照番号が使用される。「１００ａ」など参照符号の後の文字は、その特定の参照番号を有する要素を本文が具体的に参照することを示す。「１００」など以下の文字を含まない本文中の参照番号は、各図中でその参照番号が付された任意のまたは全ての要素を指す。（例えば、本文中の「１００」は、参照番号「１００ａ」および／または「１００ｂ」を意味する）。

１つの例示的な実施形態による、ＵＡＳの構成要素および構成要素とインターフェースすることができる存在物を示す線図である。 １つの例示的な実施形態によるＵＡＶ打上げプロセスを示す線図である。 １つの実施形態によるＵＡＶの例示的デザインの上方斜視図を示す線図である。 １つの実施形態によるＵＡＶの例示的デザインの下方斜視図を示す線図である。 １つの実施形態による、尾部フック延長ブームを備えたＵＡＶの例示的デザインの下方斜視図を示す線図である。 １つの実施形態によるＵＡＶの構成要素を示すシステム線図である。 １つの実施形態による物流センターの構成要素を示す線図である。 １つの実施形態による地球規模サービスの構成要素を示す線図である。 １つの実施形態による、例示的な試験および較正システムを上面図で示す線図である。 １つの実施形態による、例示的な試験および較正システムの実施例を、ＵＡＶをその上に載置して上面図で示す線図である。 １つの実施形態による、例示的な試験および較正システムの実施例を、ＵＡＶをその上に載置して側面図で示す線図である。 １つの実施形態による、カメラ、基部基準および可動基準を示す例示的な試験および較正システムを示す線図である。 １つの実施形態による例示的なカメラの拡大図を示す線図である。 １つの実施形態による、カメラベースのシステムを使用した試験および較正の例示的なプロセスを示す線図である。

[0022] 本開示は様々な実施形態を参照して記載されているが、これらの実施形態は例示的であり、本開示の範囲はそれらに限定されないことを理解されたい。多くの変形、修正、追加および改良が可能である。モジュールおよび手順は、様々な実施形態において異なる方式で分離しまたは組み合わせることができ、または異なる用語で記載することができる。これらおよび他の変形、修正、追加および改良は、以下の特許請求の範囲に定義される開示の範囲内に属することができる。

[0023] この文書では、大容量のＵＡＳ動作とともに使用するために設計された試験および較正システムが説明される。ＵＡＳはＵＡＶを含み、ＵＡＶは、地上オペレータ、試験および較正システム、ＵＡＶ打上げ装置および回収システムから実質的に独立して動作するように設計されている。このシステムは複数ソフトウェア構成要素も含み、すなわちＵＡＶ上で実行される一部のソフトウェア構成要素、局地的にランするコンピュータサーバー上で実行される一部のソフトウェア構成要素、遠隔クラウドサーバー上で実行される一部のソフトウェア構成要素を含む。

[0024] 本明細書にて説明するＵＡＳは、様々な目的機能を実行するためのプラットフォームを提供し、目的機能は、限定されないが、小包の配達、データの収集、地図の作成、監視およびインフラストラクチャの提供を含む。本明細書には、ＵＡＳシステムの特定の実施形態が説明されているが、一部の実施形態は、一般に、全ての目的機能には関連しないシステムおよび方法を含むことができる。当業者であれば、目的機能に関連して記述されたシステムまたは方法の関連性を容易に理解する。
無人航空機（ＵＡＳ）

[0025] この文書で開示されたＵＡＳは、安全で、信頼性が高い大量運航向けに設計された無人航空機システムの例示的な実装である。この実施形態では、航空機は固定翼式ＵＡＶであるが、ＵＡＳは、４人乗りヘリコプタ、軽飛行機（例えば、小型飛行船）、グライダー、ティルトローター航空機など、他の航空機デザインとともに使用することもできる。
さらに、本明細書で使用する場合、「自律型」という用語は、使用者の介入および／または制御なしで乗り物によって実行される無人乗り物の動作を指し、ならびにそれらの飛行任務の全部または一部に関する使用者の介入および／または制御なしで動作するように設計された乗り物を説明する。したがって、乗り物および／またはシステムは、人間オペレータが乗り物の自律的制御に優先することを選択し得るとしても、自律的であると説明することができる。

[0026] 図１Ａは、ＵＡＳおよびインターフェース接続する存在物の実施形態を示す。この実施形態では、ＵＡＳ１００は、サービス要求者１０４からサービス要求を受信し、その要求を満たすためにＵＡＶ１０２を配備する。ＵＡＶ１０２に搭載された自動操作が認識または対処できない状況にＵＡＶ１０２が出会った場合（または人間オペレータが人間の介入を保証する状況に気付いた場合）、ＵＡＳ１００は、ＵＡＶ１０２に命令を発行可能な遠隔の乗り物運転者１０８を選択することによって、人間を介入させることができる。この実施形態では、ＵＡＳ１００は、物流センター１０１、ＵＡＶ１０２および地球規模サービス１０３を備えている。

[0027] サービス要求者１０４は、ＵＡＳ１００にサービス要求を発行する人間使用者または自律型システムである。サービス要求者１０４が人間使用者である場合、その使用者は、携帯電話、タブレットまたはパソコンなどの遠隔顧客装置を使用して、その要求を発行することができる。サービス要求は、宛先サイト１０５において何らかのサービスを提供するためのＵＡＳ１００に対する命令である。宛先サイト１０５は、地面の一部、建物、郵便の宛先、全地球測位システム（ＧＰＳ）座標または空域の一部など、任意の指定された場所とすることができる。一部の実施形態では、宛先サイト１０５は、ビーコン装置の場所である。ビーコン装置は、例えば、応答装置、携帯電話のような、場所を追跡または識別するために使用可能な信号を放出する任意の装置とすることができる。宛先サイト１０５はまた、特定の物体を識別することによって指定することもでき、物体は、例えば、サービスの目標位置を示すために追跡可能な指定された乗り物、郵便ポスト、配達パッドまたは他の目標物体などである。
別の実施形態では、宛先サイト１０５は、サービス要求者１０４の場所であるが、そうである必要はない。この実施形態では、一人のサービス要求者１０４および１つの宛先サイト１０５が図示されているが、実際には、多くのサービス要求者１０４および宛先サイト１０５が存在することができる。

[0028] 要求されたサービスは、空中プラットフォームから提供可能な任意のサービスとすることができる。例えば、１つの実施形態では、サービス要求者１０４によって発行されたサービス要求は、特定の有効搭載量を含む小包を宛先サイト１０５に配達するための要求である。別の実施形態では、サービス要求は、宛先サイト１０５にまたは宛先サイト１０５へのおよび宛先サイト１０５からの経路に沿って、ＵＡＶ１０２上に取り付けたカメラを使用して画像データを取り込む要求である。さらに別の実施形態では、サービス要求は、宛先サイト１０５に、ＵＡＶ１０２に搭載されたＷｉ−Ｆｉゲートウェーを使用してインターネットアクセスポイントを提供するための要求である。宛先サイト１０５でＵＡＳ１００を使用すれば、ＵＡＶ搭載機器を用いた小包集荷、監視、地図作成、データ収集など他の多くのサービスを提供することができる。

[0029] ＵＡＶ１０２は無人航空機である。ＵＡＶ１０２は、様々なシステムおよび機体を使用して実装することができる。ＵＡＶ１０２向けの乗り物基地として、グライダー、飛行機、気球、ヘリコプタなどを含む、ほぼすべての実用的な空中プラットフォームが使用できる。１つの実施形態では、ＵＡＶ１０２は、長距離飛行向けに最適化された冗長推進システムを備えた固定翼式航空機を用いて実施される。別の実施形態では、ＵＡＶ１０２は、短距離飛行および垂直離陸向けに最適化された４人乗りローター航空機を使用して実施される。さらに別の実施形態では、ＵＡＶ１０２は、ティルトローターを備えた、長距離飛行および垂直離陸の両方が可能な、ハイブリッド式固定翼航空機を用いて実施される。別の実施形態では、ＵＡＶ１０２は、水平推進力を供給するように構成された固定水平方位モータと、垂直推進力を供給するように構成された別個の固定垂直方位モータとを有する固定翼式航空機を使用して実施される。ＵＡＶ１０２はまた、気球、小型軟式飛行船または他の飛行船のような軽飛行機のプラットフォームを用いて実施することもできる。ＵＡＳ１００内にあるＵＡＶ１０２の１つの目的は、人間の関与を最小限に抑えて、オンデマンドで素早く展開できる可撓性のプラットフォームとして役に立つことである。

[0030] ＵＡＶ１０２は、多くのシナリオにおいて、人間の援助なしに動作するように設計された自律型乗り物であるが、時々人間コントローラまたはパイロットの介入を必要とすることがある。例えば、地球規模システムのオペレータ１０６または物流センターのオペレータ１０７は、その飛行任務中に、悪天候、取り消しされた配達など何らかの外部的な問題のせいで、ＵＡＶ１０２に回収命令を送信することができる。ＵＡＶ１０２はまた、その飛行任務中に、人間の援助を積極的に要求することができる。例えば、ＵＡＶ１０２は、その視野および／または運航アルゴリズムが高い信頼性で経路を生成できない環境に出会うことがある。そのようなシナリオでは、ＵＡＶ１０２は、地球規模サービス１０３に援助の要求を送信する。地球規模サービス１０３は、状況を処理するための遠隔乗り物オペレータ１０８を選択し、そのオペレータは、ＵＡＶ１０２に、ＵＡＶ１０２がその環境を運航するのを助け得る１つ以上の命令を送信する。

[0031] ＵＡＶ１０２は、サービス要求者１０４から受信したサービス要求の性質に応じて、任意の適切な有効搭載量を携行することができる。ＵＡＶ１０２の構成要素は、図２Ａ〜図２Ｄに関する説明とともにより詳細に説明する。図１Ａには単一のＵＡＶ１０２が示されているが、ＵＡＳ１００内に複数のＵＡＶ１０２が存在することができる。

[0032] 物流センター１０１は、ＵＡＶ１０２に関する打ち上げ、再充電、通信、修理および有効搭載量物流を容易にする固定されたまたは移動する施設である。物流センター１０１は、図３の説明でさらに詳しく説明する。図１Ａには単一の物流センター１０１が示されているが、ＵＡＳ１００内に1つよりも多い物流センター１０１が存在することができる。１つの実施形態では、ＵＡＳ１００内の各ＵＡＶ１０２は、単一の物流センター１０１に基づいており、その物流センター１０１で修理され、再積み込みされおよび再充電される。別の実施形態では、各ＵＡＶ１０２は、ＵＡＳ１００内の任意の物流センター１０１で修理、再積み込みおよび再充電され、ＵＡＶ１０２は、現在のサービス要求の物流要件および将来のサービス要求の予測要件に基づいて、物流センター１０１間で経路を決める。各物流センター１０１は、ＵＡＶ１０２の自動化され、信頼性の高い、大量の打ち上げおよび回収が可能な打上げシステムおよび回収システムを有することができる。各物流センター１０１はまた、打上げ前および／または回収後に、ＵＡＶ１０２を試験しおよび較正するための装置を含むこともできる。

[0033] 地球規模サービス１０３は、インターネットを利用してアクセス可能な１つまたは複数のコンピュータサーバシステム、ラン中のソフトウェアサービス（即ち、コンピュータソフトウェアプログラム）から構成され、それらは、物流センター１０１およびＵＡＶ１０２用の現地外のサポート、ネットワーク管理組織、航空交通管制、通信、データ保存および物流機能を提供する。１つの実施形態では、地球規模サービス１０３は、サービス要求者１０４から、宛先サイト１０５に地理的に隣接する（または地理上相対的に近接している）物流センター１０１にサービス要求を発送する。

[0034] 地球規模サービス１０３はまた、その飛行任務中に、ＵＡＶ１０２からの支援要求を受信することもできる。そのような要求に基づいて、地球規模サービス１０３は、遠隔乗り物オペレータの集まりから１つの遠隔乗り物オペレータ１０８を選択し、その遠隔乗り物オペレータ１０８にＵＡＶ１０２の環境に関するデータを提供する。この提供されたデータに基づいて、遠隔乗り物オペレータ１０８は、ＵＡＶ１０２に１つまたは複数の命令を供給して、ＵＡＶ１０２がその搭載された知能では処理できない何らかの問題を克服するのを助けることができる。地球規模サービス１０３は、図４の説明とともにより詳細に説明する。

[0035] 地球規模システムオペレータ１０６は、システムの正確で効率的な機能を保証するために、ＵＡＳ１００を監視して動作させる人間使用者とすることができる。例えば、一部の実施形態では、地球規模システムオペレータ１０６は、地球規模サービス１０３のコンピュータサーバーを介してＵＡＳ１００を監視して、物流センター１０１の有効搭載量がサービス要求者１０４からのサービス要求を満たすために適切となるのを保証することができる。１つの例示的な実施形態では、地球規模システムオペレータ１０６は、地球規模サービス１０３を用いて、消耗している有効搭載量の在庫を予測して、特定の有効搭載量の新しい在庫を配送センター１０１に発送することができる。

[0036] ２人以上の地球規模システムオペレータ１０６が存在することができ、地球規模システムオペレータ１０６は、多数の物流センター１０１、ＵＡＶ１０２およびサービス要求者１０４向けのサービスを監視して提供することができる。

[0037] 物流センターオペレータ１０７は、物流センター１０１を監視して動作させる人間使用者である。物流センターオペレータ１０７は、物流センター１０１に局地的なＵＡＳ１００の構成要素が正しく機能することを保証し得る。これは、物流センター１０１に基づくＵＡＶ１０２の他に、打上げ装置、回収システム、試験および較正システム、再充電器、有効搭載量など他の構成要素も含む。物流センター１０１は、物流センターオペレータ１０７の仕事を助長するシステムおよび方法を提供する。例えば、一部の実施形態では、物流センター１０１を動作させる物流センターオペレータ１０７に、オペレータインターフェースが設けられ、オペレータインターフェースにより、物流センターオペレータ１０７が、その物流センター１０１における各タイプの有効搭載量の在庫を決定するのが可能になるとともに、物流センターオペレータ１０７が、供給不足である何れかのタイプの有効搭載量を注文するのが可能になる。物流センターオペレータ１０７はまた、その物流センター１０１に位置する打ち上げシステム、回収システム、および試験／較正システムを、オペレータインターフェースを用いて動作させることができる。物流センターオペレータ１０７の作業を助長する物流センターシステムおよび方法は、図８の説明とともに詳細に説明する。

[0038] 遠隔乗り物オペレータ１０８は人間使用者であり、人間使用者は、地球規模サービス１０３からＵＡＶ１０２に関する情報を受信するとともに、ＵＡＶ１０２に、ＵＡＶ１０２がその飛行任務を完了するのを助けるための命令を送信することができる。システムの１つの実施形態では、システム内の任意のＵＡＶ１０２を援助できる利用可能な遠隔乗り物オペレータ１０８の集まりが存在する。地球規模サービス１０３は、ＵＡＶ１０２から援助の要求を受信すると、利用可能な遠隔乗り物オペレータ１０８の中から選択し、そのオペレータに要求を発送する。遠隔乗り物オペレータ１０８は、ＵＡＶ１０２の状況に関する情報を再検討し、１つまたは複数の命令をＵＡＶ１０２に送信する。これらの命令に基づいて、ＵＡＶ１０２は、その飛行任務を完了するのを助けるための作用を始める。１つの実施形態では、地球規模システムオペレータ１０６および遠隔乗り物オペレータ１０８の役割が統合されている。

[0039] 図１Ｂは、ＵＡＳ１００によって実施されるＵＡＶ打上げプロセスの１つの実施形態を示す。最初の工程として、ＵＡＳ１００の地球規模サービス１０３は、サービス要求者１０４からサービス要求を受信する（１５０）。サービス要求は、サービスが配達される場所を指定する宛先サイト１０５を特定する。本明細書で説明するとき、サービス要求は、サービス要求者によって要求された有効搭載量に対応する有効搭載量情報も含むことができる。次いで、地球規模サービス１０３は、サービス要求を満たす適切な物流センター１０１を選択する（１５１）。一部の実施形態では、地球規模サービス１０３は、宛先サイト１０５の場所に最も近い物流センター１０１を決定することによって、サービス要求を満たす物流センター１０１を選択する（１５１）。別の実施形態では、地球規模サービス１０３は、物流センター１０１が宛先サイト１０５に近いこと、ならびにサービス要求において特定された有効搭載量の利用性を示す物流センター１０１での在庫の両方を考慮に入れて、サービス要求を満たす物流センター１０１を選択する（１５１）。例えば、サービス要求が、宛先サイト１０５に特定タイプの品目を配達する要求である場合、地球規模サービス１０３は、宛先サイト１０５の近くにありかつ要求された品目がその在庫にある物流センターから、ある物流センター１０１を選択する。物流センター１０１を選択するために、例えば、局地的な気象条件および物流センター１０１での航空交通量など他の要因も用いることもできる。

[0040] 物流センター１０１が選択されると（１５１）、サービス要求内の情報の少なくとも一部がその物流センター１０１に送信される（１５２）。宛先サイトの場所および有効搭載量情報に加えて、サービス要求は、物流センター１０１における有用なサービス要求を満たすために他の情報を含むことができる。例えば、一部の実施形態では、サービス要求は、これが宛先サイト１０５でいつ満たされる必要があるかの時間をさらに備える。

[0041] ＵＡＶ１０２を選択して、物流センターでの選択プロセス中またはその後の何れかに、要求を満たす飛行任務を飛行させることができる（１５３）。飛行任務を飛行させるＵＡＶ１０２は、サービス要求および／またはシステム効率に関連する１つまたは複数の基準に基づいて選択することができる（１５３）。例えば、１つの実施形態では、ＵＡＶ１０２は、そのバッテリの充電レベルおよび宛先サイト１０５までの距離に基づいて選択される（１５３）。別の実施形態では、ＵＡＶ１０２は、その機体に搭載された機器およびサービス要求で特定されたデータ取込みのタイプに基づいて選択される（１５３）。さらに別の実施形態では、ＵＡＶ１０２は、サービス要求において配達のために特定された小包に一致する有効搭載量で小包に基づいて選択される（１５３）。

[0042] 代替の実施形態では、ＵＡＳ１００は、所定の飛行任務のための予め構成されたＵＡＶを選択しない。代わりに、物流センター１０１または地球規模サービス１０３の何れかは、サービス要求を完了するために必要な一連の構成要素を決定し、物流センター１０１は、飛行任務のために必要な構成要素を備えるＵＡＶを組み立てる。例えば、宛先サイト１０５が物流センター１０１から所定の距離にある場合、飛行任務のためのＵＡＶは、適切なバッテリパックおよびエンジンで構成され、その目的地への往復飛行を完了することができる。

[0043] ＵＡＶ１０２の選択（１５３）は、物流センターを選択した（１５１）後に行うことができ、または物流センター１０１を選択する（１５１）際の要因として用いることができる。例えば、物流センター１０１は、特定のタイプのＵＡＶ機体、ＵＡＶバッテリまたはＵＡＶエンジンを有する物流センターのみから、サービス要求によって要求される有効搭載量の重量に基づいて選択することができる（１５１）。

[0044] 飛行任務のためのＵＡＶ１０２が選択されると（１５３）、そのＵＡＶ１０２のための飛行任務データが生成される（１５４）。飛行任務データは、ＵＡＶ１０２が宛先サイト１０５に飛行してサービス要求を満たすことが可能になる情報である。一部の実施形態では、飛行任務データは、宛先サイト１０５向けのＧＰＳ座標の他に、それらのＧＰＳ座標への飛行を助長する飛行回廊地帯情報も含む。飛行回廊地帯情報は、図２に関する説明とともにより詳細に説明する。飛行任務データに関連するさらなる詳細は、図２Ｄ、図３、図４に関する説明で検討する。飛行任務データは、生成された後（１５４）、ＵＡＶ１０２上のデータベースにアップロードされる。

[0045] 飛行任務データを生成してアップロードすると（１５４）、ＵＡＶ１０２が打ち上げられる（１５５）。ＵＡＶ１０２が打ち上げられてから再び着陸するまで、サービス要求を完了する飛行任務は続いているとみなされる。１つの実施形態では、ＵＡＶ１０２は、複数のサービス要求を満たす飛行任務を持って打ち上げることができる。別の実施形態では、ＵＡＶ１０２を打ち上げた後、飛行任務データの少なくとも一部がアップロードされ、場合によっては生成される。
無人航空機（ＵＡＶ）

[0046] ＵＡＶ１０２は、ハードウェアモジュールおよびソフトウェアモジュールを備える航空機システムであり、両モジュールによりＵＡＶ１０２は、人間の監督が殆どまたは全くない状態でサービス要求を満たすことが可能になる。１つの実施形態では、ＵＡＶ１０２は、ハードウェアモジュールおよびソフトウェアモジュールを含む機体から構成され、両モジュールによりＵＡＶ１０２は、自律的に飛行してサービス要求を完了することが可能になる。図２Ａは、ＵＡＶ１０２の例示的な実施形態の上方斜視図を示す。図示した実施形態は、翼２１１、尾部２１２および制御面２１３を含む。制御面２１３は、アクチュエータ（図示しない）に連結され、アクチュエータによって移動される。１つの実施形態では、アクチュエータは電気サーボモータである。別の実施形態では、アクチュエータは空気圧式である。ＵＡＶ１０２は、推進に用いる１つ以上のエンジンも有する。エンジンは、図２Ａに描いた説明図には示していないが、翼２１１、航空機の機首または胴体に取り付けることができる。エンジンの数および位置は、航空機の要求に基づいて変更可能である。エンジンは、軽航空機での使用に適した、ジェットエンジン、電力プロペラエンジン、ガソリン動力プロペラエンジン、または他のタイプのエンジンとすることができる。

[0047] 図示した実施形態では、ＵＡＶは、炭素繊維およびプラスチックで組み立てた固定翼式航空機であり、Ｖ字形尾部は二重の尾翼方向舵を備えている。ＵＡＶ１０２には代替の機体構成および材料も使用することができる。例えば、ＵＡＶ１０２は、４人乗りヘリコプタ、従来の尾部を持つ固定翼式航空機、翼および垂直離陸ローターの両方を有するハイブリッド航空機とすることができる。航空機に使用する材料は、炭素繊維、チタンおよびアルミニウム合金、プラスチック、あるいは他の任意の耐久性がある軽量材料とすることができる。

[0048] 図２Ｂは、ＵＡＶ１０２の同じ実施形態の下方斜視図を示す。航空機のこの図は、較正基準２１４、有効搭載量室ドア２１５および尾部フック２１６を示す。較正基準２１４は幾何学的模様であり、これにより視野ベースの試験および較正システムが、制御面２１３の位置および移動を決定することが可能になる。較正基準ならびに試験および較正システムは、飛行前点検中に使用されて、ＵＡＶ１０２の複数制御面２１３が、それらのサーボが作動されたとき、期待通りに移動することを保証する。

[0049] 有効搭載量室ドア２１５は、ＵＡＶ１０２内の内部有効搭載量室への接近を許す。有効搭載量室は、配達用小包、監視飛行任務用の機器、通信機器などを運ぶために使用可能である。有効搭載量室ドア２１５は、ＵＡＶ１０２の飛行中に開き、宛先サイト１０５で小包を空中投下するのを可能にする。内部有効搭載量室は、運ばれた小包を有効搭載量室から排出するために用いる機構を含むことができる。有効搭載量室から小包を排出するために用いる機構は、圧縮ばね、弾性バンド、サーボモータ、油圧機構または任意の他の装置とすることができ、それらは、有効搭載量を強制的に排出し、結果として航空機を配達中に確実に片づけることができる。

[0050] １つの実施形態では、ＵＡＶ１０２は、内部有効搭載量室の代わりに、航空機胴体の外部に直接取り付けた有効搭載量を担持する。外部に担持された有効搭載量の場合、航空機の胴体には、有効搭載量を解放するために作動し得る有効搭載量のための取付け点がある。

[0051] 尾部フック２１６は、ＵＡＶ１０２の尾部または胴体に取り付けた耐久性があるフック状構造である。尾部フック２１６は、ＵＡＶ１０２の回収を援助する。図示の実施形態では、尾部フック２１６は、ＵＡＶ１０２の尾部２１２に直接取り付けているが、代替の実施形態では、図２Ｃに示すように、尾部フック２１６は、尾部２１２の端部を越えて延びる延長ブーム２１７の端部に取り付けることができる。延長ブームはブームヒンジ２１８に結合することができ、ブームヒンジ２１８は、ＵＡＶ１０２の本体と尾部フック２１６との間の分離を可能にするために、尾部フック２１６が尾部２１２から離れるように枢動させる。この分離により、ＵＡＶ１０２の安全な回収を援助することができる。

[0052] 図２Ｄは、１つの実施形態によるＵＡＶ１０２のシステムのブロック図である。図２Ｄに示すＵＡＶ１０２の実施形態は、飛行任務プラナー２００、飛行制御装置２０１、センサーシステム２０２、通信システム２０３、アクチュエータ制御システム２０４、推進管理システム２０５、有効搭載量管理システム２０６および安全システム２０７を備える。共同して、これらのモジュールは、一緒にＵＡＶ１０２用の航空機制御システム２１０を構成する。ＵＡＶ１０２の１つの実施形態では、複雑さを低減し、信頼性を向上させ、重量を軽減しおよび／または費用を削減するために、上述した２つ以上のモジュールを単一のハードウェア構成要素に組み合わせることができる。例えば、１つの例示的な実施形態では、飛行任務プラナー２００および飛行制御装置２０１は、同じシステムオンチップ（ＳＯＣ）ハードウェア上で動作するソフトウェアモジュールを使用して実装することができる。

[0053] 図示していないが、ＵＡＶ１０２のモジュールは、少なくとも１つの通信バスを介して相互接続されている。バスにより、モジュール同士が互いに通信して、情報および命令を送受信することが可能になる。バスは、航空および乗り物技術に精通した者に既知の何れかの方法を用いて実施することができる。例えば、バスは、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）規格を使用して実装することができる。システムの信頼性を向上させるために、実施形態は、追加の冗長バスを使用することができる。例えば、デュアルＣＡＮバスを実装して、ＵＡＶがバス故障により制御不可能になるのを防止することができる。

[0054] 飛行任務プラナー２００は、ＵＡＶ１０２の他のモジュールに高水準の指令および目標を提供するモジュールであり、これらの指令および目標の実行により、ＵＡＶ１０２はサービス要求を満たす。飛行任務プラナー２００によって生成された目標および指令は、ＵＡＶ１０２の他のモジュールに連絡され、他のモジュールは、次いでシステムの他のモジュールに関する追加の指令および目標の生成を含む、飛行任務を完了するために他の作用を生じることができる。

[0055] 例えば、１つの実施形態では、飛行任務プラナー２００は、ＵＡＶ１０２が宛先サイト１０５に到達するために横切ることができる一連の中間地点を決定し、第１の中間地点の位置を、その場所へ飛行する指令とともに飛行制御装置２０１に目標として提供する。この実施形態では、すると飛行制御装置２０１は、次いで、ＵＡＶ１０２を目標場所に向けて移動させるのに必要な向きおよび推進力を計算することができ、飛行制御装置２０１は、例えば、アクチュエータ制御システム２０４および推進管理システム２０５のような他のモジュールのために、さらなる指令を生成することもできる。アクチュエータ制御システム２０４および推進管理システム２０５は、これらに送信される指令によりＵＡＶ１０２の向きを変更し、ＵＡＶ１０２を目標場所に向かって推進させる作用を生じさせ得る。飛行任務プラナー２００の指令および目標に応答して、ＵＡＶ１０２内の様々なモジュールが様々な作用を生じ、その結果としてＵＡＶ１０２は、指定された第１の中間地点に飛行する。その目標が達成されると、飛行任務プラナー２００は、他のモジュールに新しい目標および指令を送信することができ、結果としてＵＡＶ１０２は、宛先サイト１０５に到達する高水準の目標が満たされるまで、第２の中間地点および第３の中間地点などに飛行する。

[0056] 移動指令に加えて、飛行任務プラナー２００は、有効搭載量の低下、画像データの取り込み、データの送信などの作用を生じる他の指令を、ＵＡＶ１０２のモジュールに発行することができる。飛行任務プラナー２００はまた、地球規模サービス１０３から、人間オペレータからまたは第三者の制御装置（航空交通管制官のような）から命令を受信し、これらの命令に基づいて、ＵＡＶ１０２モジュールに指令を出すことができる。例えば、１つの例示的な実施形態では、ＵＡＶ１０２に搭載されている飛行任務プラナー２００は、人間オペレータから、近づいている嵐のせいで物流センター１０１に引き返す命令を受信することができる。この命令に応答して、飛行任務プラナー２００は、ＵＡＶ１０２内の他のモジュールに送信される新しい目的地および指令を生成し、これらの新しい目的地および指令の結果として、ＵＡＶ１０２は、航路を変更して物流センター１０１に引き返す。

[0057] １つの実施形態では、飛行任務プラナー２００は有限状態機械２０８を含む。有限状態機械２０８はデータ構造であり、データ構造は、ＵＡＶ１０２の飛行任務の過程において、飛行任務プラナー２００がいつおよびどのような環境でＵＡＶ１０２の他の構成要素に目標および指令を発行するかを整理する。概念的には、有限状態機械２０８は、複数の乗り物状態と、それらの状態間の対応する有効な移行とから成る。乗り物状態の少なくとも１つは、ＵＡＶ１０２の飛行任務中は常にアクティブである。飛行任務プラナー２００は、現在の乗り物状態に基づいて、目標および指令を通信バスを介してＵＡＶ１０２の他のモジュールに同報通信する。有限状態機械２０８は、飛行任務が進行するにつれてある乗り物状態から別の乗り物状態に移行し、有限状態機械２０８が新しい乗り物状態に入ると、飛行任務プラナー２００は、ＵＡＶ１０２の他のモジュールに新たな目標および指令を同報通信することができる。例えば、１つの実施形態では、ＵＡＶ１０２は、各種乗り物状態、即ち打ち上げ、計画通りの飛行、位置の保持、小包の配達、引き返しおよび着陸を含む。この実施形態では、飛行任務プラナー２００は、打上げ状態で飛行任務を開始することができる。打上げ状態では、飛行任務プラナーは、飛行制御装置２０１にＵＡＶ１０２を離陸させる目標を与えることができる。その目標に基づいて、アクチュエータ制御システム２０４および推進管理システム２０５に指令を発行することによって、飛行制御装置２０１は、エンジンが供給する推進力を増加させるとともに、翼のフラップを下げることができる。乗り物が飛行中になれば、有限状態機械２０８は、計画通りの飛行状態に移行することができる。計画通りの飛行状態では、飛行任務プラナー２００は、飛行制御装置２０１に、特定の宛先に飛行する旨の指令を送信することができる。ＵＡＶ１０２が宛先に到達すると、有限状態機械２０８は、小包配達状態に移行することができる。小包配達状態に基づいて、飛行任務プラナー２００は、飛行制御装置２０１および有効搭載量管理システム２０６の両方に、宛先サイトに安全に接近し有効搭載量を解放する指令を送信することができる。

[0058] 有限状態機械２０８は、様々な異なるデータ構造を用いて表現することができ、様々なハードウェア、ソフトウェアまたは混成ハードウェア−ソフトウェア方法を用いて実施することができる。１つの実施形態では、有限状態機械２０８は、乗り物状態および有効状態移行を定める技術仕様書を作成し、次いで、定まった状態および移行を表す実行可能コードまたは物体コードを生成するために技術仕様書を編集することによって実施される。この実施形態では、実行可能コードまたは物体コードは、ＵＡＶ１０２内のランダムアクセスメモリ、ハードディスク記憶装置、フラッシュメモリなどのコンピュータ記憶媒体に記憶することができる。別の実施形態では、技術仕様書は、１つまたは複数のハードウェアモジュールを用いて実施可能なハードウェアデザインに変換することができる。

[0059] 飛行任務プラナー２００は、ＵＡＶ１０２の打上げ前に、物流センター１０１から飛行任務データが提供される。飛行任務データは情報を含み、情報により飛行任務プラナー２００が宛先サイト１０５の場所を見つけ、その場所への適切な経路を決定し、およびサービス要求を完了するために要求されるあらゆる要求に特有の作用を生じることが可能になる。例えば、いくつかの実施形態では、飛行任務プラナー２００は、宛先場所、宛先場所への経路、および搭載カメラを用いて画像を取り込む経路沿いに一連の地点を備えている。

[0060] 一部の実施形態では、飛行任務データは、動作領域に関する局地的な天空地図を含む。動作領域は、物流センター１０１および宛先サイト１０５を含む地理的領域である。局地的な天空地図は、飛行任務プランニングに有用な情報を含む編成されたデータであり、データは、宛先サイト１０５、飛行回廊地帯および制御された地帯の場所を含む。局地的な天空地図は、カスタムデータ構造に記憶することができ、またはそれは、ＭＹＳＱＬ、ＰＯＳＴＧＲＥＳＳＱＬ、ＭＯＮＧＯＤＢ、ＣＯＵＣＨＤＢなどの標準データベースソフトウェアを使用して保存することができる。データベースを地理的座標に基づいて編成および検索する能力があるスソフトウェアがあり、これは特に天空地図を保存するのに適している。

[0061] 飛行回廊地帯は、ＵＡＶ飛行のためにＵＡＳ１００によって指定された空域の領域である。飛行回廊地帯の局地的な状況はＵＡＳ１００によって監視され、飛行回廊地帯は、ＵＡＶ１０２によって使用されて、場所間で安全かつ効率的に進行することができる。局地的な天空地図は、複数の飛行経路の各々に関する情報を含む。各飛行回廊地帯に関する情報は、限定されないが、飛行回廊地帯の場所、高度、局地的な風の状態、局地的な航空交通（即ち、飛行回廊地帯内の他のＵＡＶおよび航空機）、降水量、航空事故、地理的障害（例えば、山々）などを含む。複数飛行回廊地帯を所定の方式で細分化し、それにより複数飛行回廊地帯は、別々の航路を飛行する複数の航空機に、１つの飛行回廊地帯内で安全に適応するのが可能になる。例えば、多数の航空機は、各航空機に回廊地帯内の独特かつ排他的な航路を割り当てることによって、単一の飛行経路に適応することができる。１つの実施形態では、各飛行回廊地帯は、水平方向に薄く切って垂直方向に離れた複数層とされ、回廊地帯内の各層は、その飛行任務の間は特定のＵＡＶ１０２向けの航路として確保しておくことができる。例えば、飛行回廊地帯は、３つの航路に、即ち１００ｍ地上高さ（ＡＧＬ）から１１０ｍＡＧＬまでの１つの航路、１１０ｍＡＧＬから１２０ｍＡＧＬまでの別の航路、および１２０ｍＡＧＬから１３０ｍＡＧＬまでの第３の航路に薄く切ることができる。航空機は、これらの層（航路）に割り当てられ、結果としてたとえそれらが飛行回廊地帯内の通路と交差しても、複数層が割り当てられた航路にくっついている限り、それらの高度差により、衝突が起こらないことが保証される。物流センター１０１から離陸する前に、ＵＡＶ１０２に情報を提供することができ、この情報は、その飛行任務の間に安全に占有し得る１つまたは複数の飛行回廊地帯スロットに取っておくことができる。飛行回廊地帯のこれらの取っておいた航路は、ＵＡＶ１０２に、物流センター１０１から宛先サイト１０５への経路を提供することができる。

[0062] 飛行回廊地帯は、天空地図に、様々な異なる方式で表現することができる。１つの実施形態では、飛行回廊地帯は、コンピュータ記憶媒体に記憶された高度付きの地理座標のシーケンスとして表される。例えば、飛行回廊地帯は、緯度、経度および高度（即ち３次元）のシーケンスとして表すことができる。この実施形態では、点列は、飛行回廊地帯を形成する一連の接続された線分を定める。緯度および経度は、ＧＰＳ座標として与えることができる。追加のメタデータはまた、点または線分に関連付けて、例えば局地的な気象条件などの飛行回廊地帯に関する追加情報を表すこともできる。別の実施形態では、飛行廊下は、特定の緯度、経度、および高度座標を通過するように曲線が定まる３次元曲線（ベジェスプラインなど）のシーケンスとして表される。

[0063] 制御地帯は、航空機が他の航空機と接近することがある地理的領域であるので、そこでは航空機間の衝突を避けるために調整が必要である。物流センター１０１および宛先サイト１０５の場所は、一般には制御地帯であり、その理由は、多数のＵＡＶ１０２がこれらの場所に同時に接近しようと試みることがあるためである。他の場所も制御地帯とすることができ、例えば、複数の飛行回廊地帯が交差する場所は、制御された地帯とすることができる。ＵＡＶ１０２の飛行任務プラナー２００は、制御地帯に近付き、入りまたはここから去るとき、特定の作用を生じて、ＵＡＶ１０２が他の航空機から安全な距離を保つのを保証することができる。例えば、飛行任務プラナー２００は、有限状態機械２０８を新しい乗り物状態に移行させることができる。同様に、飛行任務プラナー２００は、ＵＡＶ１０２の速度、高度および／または機首方位を変更する（新しい乗り物状態に移行した結果として、または乗り物状態を変更しないで）ことができる。

[0064] 制御地帯は、様々な方式で表現することができる。１つの実施形態では、制御地帯は、緯度座標および経度座標（制御地帯の中心点）と半径とによって表される。この実施形態では、制御地帯は円形状である。別の実施形態では、制御地帯は、一連の緯度地点および経度地点によって定まる多角形によって表される。例えば、制御地帯は、三角地帯を定める３つのＧＰＳ座標によって表わすことができ、または制御地帯は、矩形地帯を定める４つのＧＰＳ座標によって表わすことができる。飛行回廊地帯のような制御地帯は、その垂直境界を示すための高度値も含むことができる。例えば、制御地帯を定めるために用いる緯度座標および経度座標は、高度座標も含むことができる。

[0065] 一部の実施形態では、局地的な天空地図は、より広い地理的領域に関する情報を含む地球規模天空地図から生成され、生成は、動作領域に関連する地球規模天空地図内の情報を選択することによって行う。地球規模天空地図があまりに大きくない場合、天空地図全体は、動作領域に関連する局地的な部分集合の代わりに、ＵＡＶ１０２に保存することができる。

[0066] 天空地図の情報を用いて、飛行任務プラナー２００は、打上げ前または打上げ直後に、物流センター１０１から宛先サイト１０５への動的経路を生成する。動的経路は、飛行任務の目標の他に、ＵＡＶ１０２がサービス要求を満たした後に物流センター１０１に引き返す必要性をも考慮する。一部の実施形態では、飛行任務プラナー２００は、物流センター１０１または地球規模サービス１０３から予め生成された経路を受信し、飛行任務プラナー２００がそうするための命令を受信した場合、または動作領域の状態が経時的に変化する場合のみ、その経路を変更する。

[0067] 動的経路は、ＵＡＶ１０２がその現在場所からある目標場所まで飛行するために通過することがある一連の飛行回廊地帯である。ＵＡＶ１０２がその飛行任務を飛ぶにつれて、ＵＡＶ１００は、天空地図への更新をＵＡＳ１００から受信することができ、更新には、動作領域内の飛行回廊地帯の局地的な状況に関する更新が含まれる。更新は、地球規模サービス１０３から、物流センター１０１からまたは他のＵＡＶ１０２から受信することができる。一部の実施形態では、更新はまた、サービス要求者１０４から、または気象情報プロバイダ、通信社、航空交通管制官、衛星、民間航空局、法執行機関、軍事航空局などのような、第三者から受信することもできる。

[0068] 飛行任務プラナー２００は、飛行廊下の更新が受信されると、飛行任務中に動的経路を変更することができる。例えば、一部の実施形態では、飛行任務プラナー２００は、悪天候、飛行廊下に不法侵入する航空機などの飛行危険を回避するために、動的経路を変更することができる。動的経路が変更されると、飛行任務プラナー２００は、目標位置に到達するために横断する飛行経路のシーケンスを再決定することになる。

[0069] 図２Ｄに示すように、ＵＡＶ１０２は飛行制御装置２０１も含む。飛行制御装置２０１は、飛行任務プラナー２００に案内機能、飛行機能および制御機能を提供する。例えば、飛行任務プラナー２００は、飛行任務中の様々な時間にＵＡＶ１０２の位置、向き、高度および速度を知ることが必要であり、飛行制御装置２０１は、状態推定と呼ばれるプロセスを通じてこの情報を提供する。同様に、飛行任務プラナー２００は、ＵＡＶ１０２にある地点から別の地点へ移動することを要求するとき、飛行制御装置２０１に、その目的地を達成するための命令を送信する。飛行制御装置２０１は、案内機能、飛行機能および制御機能を提供するために、センサーシステム２０２、アクチュエータ制御システム２０４および推進管理システム２０５とバスを介して通信する。

[0070] センサーシステム２０２は、センサー機器からの情報を飛行制御装置２０１に提供する。一部の実施形態では、センサーシステム２０２は、例えばＧＰＳユニット、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、動圧センサー、静圧センサー、気温読取り器などいくつかの機器を備える。

[0071] アクチュエータ制御システム２０４は、機体上の制御面２１３を含む、ＵＡＶ１０２の様々な可動部品を制御する各種アクチュエータを含む。アクチュエータは、機械的移動を可能にするために使用できる電気サーボ、油圧または他の技術から成ることができる。アクチュエータ制御システム２０４は、飛行制御装置２０１からの命令に基づいて、アクチュエータの状態を変更することができる。アクチュエータ制御システム２０４はまた、制御面２１３の位置および移動をフィードバック可能な測定手段（例えば、エンコーダ、リゾルバまたはポテンショメータ）も有することができる。制御面２１３の位置および移動は、飛行制御装置２０１へ折り返し報告される。

[0072] あらゆる移動する機械システムでは、製造プロセスの結果として、または使用の結果として、わずかな不正確さ、欠陥または「偏流」を生じることがあるため、制御面２１３、アクチュエータおよび測定手段は、制御面２１３の実際位置および移動は、アクチュエータ制御システム２０４が測定手段から受け取る位置および移動に密接に対応するように、定期的に較正される必要がある。この較正を実行するために使用するシステムおよび方法は、図５に関連してより詳細に説明する。

[0073] 推進管理システム２０５は、例えばプロペラ動力式ＵＡＶに搭載されたプロペラの速度を調整することによって、ＵＡＶ１０２に搭載されたエンジンが与える力を制御するとともに、ＵＡＶに残っているバッテリ容量を監視する。飛行制御装置２０１は、推進管理システム２０５と通信することによって、ＵＡＶ１０２の進行速度を調整することができる。推進管理システム２０５はまた、ＵＡＶ１０２に搭載されたバッテリの物理的属性、例えばバッテリ電圧の経時的変化、バッテリによる電流出力の経時的変化、および飛行期間にわたるバッテリのセル化学の変化も監視することができる。監視情報は、物流センター１０１または地球規模サービス１０３に連絡することができ、連絡は、飛行任務中に通信システム２０３を介してまたはＵＡＶ１０２が物流センター１０１に引き返した後に行う。後者の場合、情報は、無線手段、有線手段、またはメモリカードのような記憶媒体の物理的な転送によって通信することができる。

[0074] 飛行制御装置２０１は、センサー管理システム２０２およびアクチュエータ制御システム２０４から情報を受信して状態を推定し、それによりＵＡＶ１０２の位置、方向および速度の最良の推測が飛行任務プラナー２００に提供される。状態推定値は、ＵＡＶ１０２の様々なシステムが新しい情報を提供すると、継続的に更新されかつ検査される。

[0075] 飛行任務プラナー２００は、ＵＡＶ１０２が進行する必要がある高レベルの目標場所を決定し、目標場所を飛行制御装置２０１に伝達する。飛行任務プラナー２００は、任意の適切な技術を用いて、指令および目的地を飛行制御装置２０１に伝達することができる。例えば、１つの実施形態では、飛行任務プラナー２００は、一連の中間地点を介して飛行制御装置２０１に移動目標を通知する。別の代替実施形態では、飛行任務プラナー２００は、スプラインを介して飛行制御装置２０１に移動目標を通知する。

[0076] 飛行制御装置２０１は、移動目標を中間地点、スプラインまたは他の適切な形式として受け取り、ルールまたは物理モデルに基づいて、アクチュエータ制御システム２０４および推進管理システム２０５に伝達することが必要な命令を決定して、運動目標を達成する。例えば、一部の実施形態によれば、物理ベースのモデルは、現在の状態推定（即ち、ＵＡＶ１０２の位置、向きおよび速度）ならびに風または気温を含む局地的な条件に基づいて、舵エレベーターおよび翼フラップ状態ならびにＵＡＶ１０２のための必要なエンジン推進力を出力する。

[0077] 通信システム２０３は送信機および受信機を備え、これによりＵＡＶ１０２が異なる通信プロトコルを使用して情報を送信および受信することが可能になる。通信システム２０３は、ＣＤＭＡ、ＧＳＭ（登録商標）、３Ｇ／４Ｇ、ＬＴＥなどの標準的なセル方式の無線技術用の送信機および受信機の他に、ＵＡＶ１０２が物流センター１０１または別のＵＡＶ１０２と直接通信することを可能にする、見通し線無線通信機を含むことができる。

[0078] 通信システム２０３はまた網形回線網を援助することができ、第１のＵＡＶ１０２は第２のＵＡＶ１０２が送信した信号を受信して再同報通信して、結果として第２のＵＡＶ１０２の有効な通信範囲を広げることができる。第３のＵＡＶ１０２は、第１のＵＡＶ１０２が再同報通信した信号を同様に受信して再同報通信し、通信範囲をさらに広げることができる。他のＵＡＶのための信号を受信して再同報通信するこの方法は、システム内で動作する全てのＵＡＶ１０２の接続性を高めるために、ＵＡＳ１００の動作の全領域にわたって実施することができる。網形回線網、またはＩＥＥＥ８０２．１５．４、ＺＩＧＢＥＥ（登録商標）、ＢＡＴＭＡＮ、ＨＷＭＰ、ＩＥＥＥ８０２．１１ＭＥＳＨなどの標準網形回線網プロトコルを実装するために、カスタムメッシュプロトコルが使用できる。システムの１つの実施形態では、網形回線網プロトコルを実装するために見通し線無線機のみが使用される。

[0079] 通信システム２０３は、飛行任務プラナー２００によって使用され、ＵＡＶ１０２の現在の状態に関する情報を含む状況伝達事項を定期的に同報通信する。同報通信された状況伝達事項の目的は、物流センター１０１、地球規模サービス１０３および他のＵＡＶ１０２にＵＡＶに関する重要な情報を通知することである。例えば、状況伝達事項は、ＵＡＶ１０２の現在の位置、現在の機首方位、現在の速度、現在の宛先などに関する情報を含むことができる。他の情報、例えばＵＡＶ１０２の有効搭載量、そのバッテリの状態および他の同様の情報なども同報通信することができる。航空管制に関するいくつかの特定の情報も、状況伝達事項において同報通信することができ、状況伝達事項のこの使用は、以下でより詳細に説明する。ＵＡＶ１０２によって同報通信される状況伝達事項は、他のＵＡＶ１０２によって網形回路網プロトコルに基づいて再同報通信されて、状況伝達事項の有効範囲を広げることができる。

[0080] 有効搭載量管理システム２０６は、サービス要求の性質および有効搭載量に応じて、ＵＡＶ１０２によって担持される有効搭載量に関する様々な機能を実行する。例えば、打上げ前にＵＡＶ１０２に有効搭載量を取り付けたとき、有効搭載量管理システム２０６は、取り付けが成功したことを飛行任務プラナー２００および／または物流センター１０１に連絡する。サービス要求が小包配達である場合、有効搭載量管理システム２０６は、有効搭載量の状況、例えば、有効搭載量が腐敗しやすい場合の有効搭載量の温度を監視し、宛先サイト１０５における有効搭載量の解放を管理する。この実施例では、飛行任務プラナー２００は、有効搭載量を宛先サイト１０５に安全に落とすために必要なＵＡＶ１０２の位置、高度、速度および向きを決定し、有効搭載量管理システム２０６に、有効搭載量を適切な時間に解放するための命令を連絡する。有効搭載量管理システム２０６は、命令を受信し、有効搭載量室ドア２１５を開いて、有効搭載量を落とす。

[0081] 有効搭載量管理システム２０６は、有効搭載量の性質に応じて他の機能を実行することができる。例えば、サービス要求が監視または地図作成に関連する場合、有効搭載量管理システム２０６は、有効搭載量に含まれるカメラシステムとインターフェースで接続し、飛行任務プラナー２００から受信した命令に基づいて画像またはビデオを取り込むことができる。例えば、この実施形態では、飛行任務プラナー２００は、ＵＡＶ１０２がその経路内のどこか関心のある地点を飛行するとき、有効搭載量管理システム２０６に命令を送信して画像を取り込むことができる。

[0082] 安全システム２０７は、ＵＡＶ１０２に取り付けた様々なフェイルセーフ構成要素を管理する。例えば、１つの実施形態では、安全システム２０７はパラシュートシステムを監視および制御し、パラシュートシステムは、飛行任務プラナー２００から受信した命令に基づいて、あるいは飛行制御装置２０１またはセンサーシステム２０２から直接受け取った情報に基づいて展開することができる。例えば、ＵＡＶ１０２が回収不可能な急降下に入れば、安全システム２０７は、センサーシステム２０２から受信したデータに基づいてパラシュートを展開することができる。別の実施形態では、飛行任務プラナー２００は、安全システム２０７に指示して、地球規模サービス１０３または物流センター１０１から受信した伝達事項に基づいてパラシュートを展開することができる。パラシュート展開命令が役立つのは、航空交通が混雑してある地帯内の多数の航空機間に切迫した衝突の可能性があることを航空管制プロセスが検出した場合である。ＵＡＶ１０２にそのパラシュートを展開させて降下させることにより、ＵＡＶ１０２が他の航空機の飛行経路に進入するのが防止され得る。

[0083] 飛行任務プラナー２００は、システム内で動作するＵＡＶ１０２間の衝突の危険を最小限に抑えるための航空交通管理プロトコルに従うように設計されている。航空交通管制プロトコルは、飛行任務における特定の時間におよび／または特定の条件下で、ＵＡＶ１０２が実行する必要がある作用および同報通信する必要がある伝達事項を定める。

[0084] 航空交通管理プロトコルは、航空機が天空地図を横断する際に従う規則を提供する。この規則は、航空機の位置および周囲の事情の他に、他の航空機の位置および周囲の事情に基づいて同報通信する必要がある特定の伝達事項を定める。規則はまた、航空機が地帯内にある他の航空機の事情の他に、その航空機が他の航空機から受信した伝達事項に基づいて実行する必要がある作用を同様に特定する。航空管制プロトコルによって特定される規則は、飛行制御装置２０１、センサーシステム２０２および通信システム２０３などの上述したシステムを含む、ＵＡＶ１０２内のソフトウェア／ハードウェアシステムおよび方法によって実行される。飛行任務プラナー２００は、受信した通信、天空地図内の場所、飛行情報など、ＵＡＶの事情に関する情報が集約されたハブである。飛行任務プラナー２００は、集約された情報および航空交通管理プロトコルに基づいて、ＵＡＶ１０２の他のモジュールおよびシステムに命令を発行する。

[0085] ＵＡＶ１０２は自律的に動作するように設計されているが、飛行任務プラナー２００は、その飛行計画に優先する命令を、通信システム２０３を介して受信するように構成されている。例えば、ＵＡＶ１０２は、物流センター１０１または地球規模サービス１０３からの指令を受信することができ、指令は、悪天候またはその地帯に進入する旅客機のためにＵＡＶ１０２が直ちに基地に戻るように命令するものである。このような命令を受信すると、飛行任務プラナー２００は、ＵＡＶ１０２の移動目標を変更して新しい指令を他のモジュールに発行し、その結果ＵＡＶ１０２は、必要に応じてその飛行経路を調整する。ＵＡＶ１０２は、その飛行に調整された経路に沿って、航空交通管理プロトコルを適用し続けることができる。上述したＵＡＶ１０２の構造および機能性は、１つの例示的な実施に基づいてモジュールに分割されているが、様々なモジュールの機能性を結合しまたはさらに分割し、結果として図２Ｄに示した構成要素よりも多いまたは少ない構成要素が存在するようにしても良い。様々なモジュールの機能性の一部を、ＵＡＶ１０２のサーボ、センサーおよび他のハードウェア構成要素に直接委ねることも可能である。例えば、飛行制御装置２０１は、複数のサーボモータと直接通信することができ、各モータは、記載されたアクチュエータ制御システム２０４の機能性を有する。ハードウェア構成要素制御のそのような分散化は、いくつかの実装において故障許容の観点から有益なことがある。
物流センター

[0086] 物流センター１０１は、ＵＡＳ１００のための局地的な物流を取り扱う。地球規模サービス１０３は、サービス要求者１０４からサービス要求を受信すると、宛先サイト１０５の場所を含むサービス要求内の基準に従ってサービス要求を満たすために、物流センター１０１を選択する。地球規模サービス１０３は、次いで、サービス要求内の情報の少なくとも一部を、選択された物流センター１０１に送信する。

[0087] 物流センター１０１は、ＵＡＶ１０２の打ち上げおよび回収と、有効搭載量、機器、バッテリおよびＵＡＶ１０２の在庫の維持および監視と、地球規模サービス１０３への局地的な情報の通信とに関与している。他の機能、即ち飛行任務のためのＵＡＶ、バッテリおよび有効搭載量の選択、飛行任務データの準備ならびに飛行任務中のＵＡＶの監視および通信などは、実施および／またはシステム状況に応じて、物流センター１０１または地球規模サービス１０３の何れかによって実行することができる。物流センター１０１に、その動作を助長するために、物流センターオペレータ１０７が配置できる。

[0088] 図３は、１つの実施形態による物流センター１０１のブロック図である。前述したように、物流センター１０１のこの実施形態によって実行される機能の一部は、代わりに、地球規模サービス１０３によって実行することができる。同様に、地球規模サービス１０３の機能の一部は、物流センター１０１によって局地的に実行することができる。当該技術のシステム設計者は、地球規模サービス１０３および物流センター１０１の機能性を特定のＵＡＳ実施の要求に基づいて適切な方法で分割することができる。

[0089] この実施形態では、物流センター１０１は、バッテリ管理システム３０１、有効搭載量在庫管理システム３０２、ＵＡＶ動作システム３０３、物流センター管理システム３０４、オペレータインターフェース３１２、およびＵＡＶ在庫管理システム３１３から構成される。

[0090] 物流センター管理システム３０４は、物流センター１０１のハブとして機能する。
この実施形態では、物流センター管理システム３０４は、飛行任務マネージャ３０５、センサーステーション３０６、通信ステーション３０７、物流システム３０８、天空地図データベース３０９、地形図データベース３１０、およびインターフェース処理装置３１１を備える。１つの例示的な実施形態では、物流センター管理システム３０４は、特殊なセンサーおよび通信周辺機器を有する１つまたは複数のコンピュータサーバーを用いて実施される。

[0091] 物流センター１０１の一部の機能は、人間物流センターオペレータ１０７の援助を必要とすることがある。例えば、ＵＡＶの組み立て、ＵＡＶの修理、有効搭載量の着脱、ＵＡＶの回収、バッテリの交換、ＵＡＶ打上げ装置上へのＵＡＶ１０２の設置、および充電装置へのバッテリの設置は、それらが完全に自動化されていなければ、人間の関与が必要な作業である。オペレータインターフェース３１２により、物流センターオペレータ１０７が物流センター管理システム３０４および地球規模サービス１０３から情報および指令を受信する他に、情報および指令を物流センター管理システム３０４および地球規模サービス１０３に送り返すことも可能になる。物流センター管理システム３０４は、インターフェース処理装置３１１を介してオペレータインターフェース３１２と通信する。一部の実施形態では、オペレータインターフェース３１２は、スマートフォン、卓上コンピュータまたはパソコン上で動作するアプリケーションであり、インターフェース処理装置３１１は、ＩＥＥＥ８０２．１１などの無線通信プロトコルを介してアプリケーションと通信する。

[0092] 飛行任務マネージャ３０５は、物流センター１０１における飛行任務動作の局地的な態様を管理するためのモジュールである。一部の実施形態では、飛行任務マネージャ３０５は、地球規模サービス１０３からサービス要求（またはサービス要求から得たデータ）を受信し、ＵＡＶ１０２またはこれに組み立てるＵＡＶ構成要素を選択し、飛行任務中にＵＡＶ１０２によって利用される飛行任務データを準備し、飛行任務のための適切な有効搭載量を選択し、ＵＡＶ１０２を試験しおよび打ち上げ、飛行任務中にＵＡＶ１０２および有効搭載量の状態を監視する。飛行任務マネージャ３０５は、飛行任務の様々な段階の間に、オペレータインターフェース３１２を介して物流センターオペレータ１０７と通信し、ＵＡＶ１０２の準備、取り込み、打ち上げおよび回収を助長するために、飛行任務の状況ならびに生じる作用を表す指令の両方と通信する。

[0093] 飛行任務マネージャ３０５は、物流センター管理システム３０４の他の構成要素を利用して、ＵＡＶ１０２、ＵＡＶ動作システム３０３、バッテリ管理システム３０１、および局地的な在庫を含む、ＵＡＳ１００の局地的な事情および様々な局地的な構成要素の状況を監視する。

[0094] 飛行任務マネージャ３０５は、通信ステーション３０７によって、地球規模サービス１０３および局地的なＵＡＶ１０２との接触を保つ。サービス要求に関する情報は、地球規模サービス１０３から受信し、局地的な条件、進行中の飛行任務、在庫などに関する情報は、地球規模サービス１０３に送り返される。通信ステーション３０７は、限定されないが、ＧＳＭ（登録商標）、ＣＤＭＡ、ＧＳＭ（登録商標）、３Ｇ／４Ｇ、ＬＴＥなどを含む、いくつかの異なる標準電気通信プロトコル用の送信機および受信機を有する。これらの標準プロトコルに加えて、通信ステーション３０７はまた、見通し線またはメッシュプロトコルも援助して、ＵＡＶ１０２および他の物流センター１０１との直接通信を可能にすることができる。最後に、通信ステーション３０７は、ＵＡＳ１００の他の構成要素および第三者の情報プロバイダと高速で通信する、インターネットへの有線接続も含むことができる。飛行任務マネージャ３０５は、通信ステーション３０７を介して受信した情報の一部をオペレータインターフェース３１２に送信し、その結果物流センターオペレータ１０７が、局地的な飛行任務に関連するＵＡＶ１０２またはＵＡＳ１００の他の構成要素の状況を監視することができる。

[0095] センサーステーション３０６は、主に、物流センター１０１の場所のための局地的な気象データを収集するために使用する。センサーステーション３０６は、圧力センサー、温度計、風センサー、降水量検出器などを含むことができる。センサーステーション３０６はまた、レーダ、無線追跡機および光学物体認識システムなどの機器を用いて、ＵＡＶ１０２を検出および追跡するために使用することもできる。飛行任務マネージャ３０５は、センサーステーション３０６からオペレータインターフェース３１２を介して物流センターオペレータ１０７に情報を提示することができ、結果として物流センターオペレータ１０７は、ＵＡＶ１０２および物流センター１０１を悪天候から保護するために必要な作用を生じることができる。例えば、センサーステーション３０６が接近している嵐を検出すれば、飛行任務マネージャ３０５は、オペレータインターフェース３１２を介して物流センターオペレータ１０７に通知を表示し、オペレータ１０７は、既に打ち上げたＵＡＶ１０２を回収するために、打ち上げていない飛行任務を打ち切ることなどが含まれる。

[0096] 何れかの乗り物飛行任務を打ち上げる前に、飛行任務マネージャ３０５は、飛行任務のエネルギー要件を飛行任務情報に基づいて決定する。飛行任務情報は、サービス要求からの情報、局地的な状態（気温、風および降水量など）に関する情報、ならびに乗り物および有効搭載量の特性に関する情報を含む。例えば、１つの実施形態では、エネルギー要求は要因のコンピュータ分析によって決定され、要因は、宛先サイト１０５の場所、宛先サイト１０５への経路、宛先サイト１０５への経路に沿った風況、飛行特性（単位距離飛行当たりのその一般的な電力消費、空気力学的抗力など）、およびサービス要求を満たすために必要な有効搭載量の重量などである。飛行任務マネージャ３０５は、バッテリ管理システム３０１に飛行任務エネルギー要求を伝え、バッテリ管理システム３０１は、次いでバッテリ在庫から飛行任務のために十分な電力を供給できる１つまたは複数のバッテリを選択する。バッテリ管理システム３０１は、選択されたバッテリを、飛行任務を運ぶＵＡＶ１０２内へ自動的に設置することができ、またはバッテリ管理システム３０１は、特定のバッテリを設置する必要があることを物流センターオペレータ１０７に通知する、表示計器を使用することができる。バッテリ管理システム３０１の動作に関連するさらなる詳細は後述する。

[0097] 物流システム３０８は、物流センター１０１における様々な構成要素の在庫水準を追跡し、これらの在庫水準を地球規模サービス１０３および飛行任務マネージャ３０５に報告する。この在庫情報は、サービス要求を満たす特定の物流センター１０１を選択するときに使用することができる。

[0098] 物流システム３０８は、バッテリ管理システム３０１、有効搭載量在庫管理システム３０２およびＵＡＶ在庫管理システム３１３とインターフェースで接続して、それぞれバッテリ、有効搭載量およびＵＡＶ／ＵＡＶ構成要素の在庫水準を決定する。物流システム３０８は、特定された期間内に、在庫水準が閾値を下回るときまたは在庫水準が閾値を下回ると予測されるとき、追加在庫の配達を要求することができる。

[0099] 地球規模サービス１０３は、物流システム３０８によって報告された在庫水準を監視し、現在の在庫水準または将来予測される在庫水準に基づいて、追加の在庫品目を事前に配送センター１０１に発送することができる。物流システム３０８はまた、物流センターオペレータ１０７に、在庫内の特定の品目に関する在庫の不足または誤りを、オペレータインターフェース３１２を介して直接通知することができる。これらの通知に基づいて、物流センターオペレータ１０７は、必要に応じて品目を補充または補修することができる。

[0100] 配送センター１０１にある各品目は、物流システム３０８によって監視可能な追跡タグを添付することができる。追跡を実施するために、バーコード、ＲＦＩＤタグ、ＮＦＣタグなどを含む様々な技術が使用可能である。これらのタグは、物流センター１０１にあって追跡を必要とする全ての品目に添付することができ、品目は、ＵＡＶ１０２、ＵＡＶ構成要素、有効搭載量、バッテリ、スペア部品などを含む。タグは、物体識別子を、物流センターにおいて追跡された各物理的物体に関連付ける。例えば、物流センター１０１にある各有効搭載量は、それに付随するタグによって示されるそれに関連する物体識別子を有する。物体識別子は、タグをスキャンするように構成された読取り器によってタグから読み取ることができる。例えば、ＲＦＩＤタグはＲＦＩＤ読取り器を用いて、ＮＦＣタグはＮＦＣ読取り器を用いて読み取ることができる。

[0101] 物体識別子が使用され、スキャンされた物体のタイプおよびその固有の識別情報を決定することができる。例えば、有効搭載量物体に添付されたタグにより、その物体は特定のタイプの有効搭載量であること、およびその物体は有効搭載量の特定の事例であり、在庫内の同じタイプの他の有効搭載量とは異なることが識別される。一部の実施形態では、物体識別子が使用され、在庫データベース内の物体に関連するデータベース照合を決定することができる。物流システム３０８は、各物体識別子に関連する物体の在庫水準を地球規模サービス１０３に報告する。

[0102] 図示した物流センター１０１の実施形態はまた、ＵＡＶ１０２に搭載され得る様々な有効搭載量のための在庫水準および状況を追跡する、有効搭載量の在庫管理システム３０２も含む。有効搭載量の在庫管理システム３０２はまた、特定の有効搭載量に関する再充電、冷蔵および他の整備関連機能を提供することができる。例えば、有効搭載量がワクチンであれば、有効搭載量の在庫管理システムは、ワクチン用量用の冷蔵保存容器を提供し、保存容器内の温度および容器に保存された用量の数を監視して、物流システム３０８に報告することができる。飛行任務マネージャ３０５は、物流センター１０１に保存された様々な有効搭載量の状況を、物流センターオペレータ１０７にオペレータインターフェース３１２を介して通知することができる。例えば、一部の実施形態では、飛行任務マネージャ３０５は、通知をオペレータインターフェース３１２に送信して、物流センターオペレータ１０７に、有効搭載量の在庫管理システム３０２に保存された特定のワクチンが切れたことを通知することができる。この通知に基づいて、物流センターオペレータ１０７は、期限切れのワクチンを保管場所から取り出し、それを新しい在庫品と交換することができる。

[0103] ＵＡＶ在庫管理システム３１３は、配送センター１０１に保存された組立てＵＡＶ１０２およびＵＡＶ部品を追跡し、この情報を物流システム３０８に報告する。飛行任務マネージャ３０５または地球規模サービス１０３は、物流システム３０８に問い合わせて、特定の物流センター１０１における飛行任務に利用可能なＵＡＶ供給源を決定し、ＵＡＳ１００が受信したサービス要求の要件に基づいてこれらの供給源を割り当てることができる。飛行任務を満たすために特定のＵＡＶ構成が必要なとき、飛行任務マネージャ３０５は、命令を物流センターオペレータ１０７にオペレータインターフェース３１２を介して送信し、ＵＡＶ在庫管理システム３１３に保存された特定のセットの構成要素を組み立て、その飛行任務を完了するのに適したＵＡＶを構築する。ＵＡＶまたはＵＡＶ構成要素が追加されて在庫から除去されるとき、ＵＡＶ在庫管理システム３１３は、これらの供給源の利用可能性だけでなく、構成要素の状況、例えばその状態および交換の必要性などを追跡する。この情報は、飛行任務マネージャ３０５および地球規模サービス１０３によって使用されて、物流センター１０１のための新しいＵＡＶ１０２または構成要素の配達を注文することができる。

[0104] ＵＡＶ１０２にアップロードされる飛行任務データは、地球規模サービス１０３から受信したサービス要求の要件に基づいて準備される。飛行任務マネージャ３０５による飛行任務データの準備について検討するが、代替の実施形態も可能であり、そこでは、ＵＡＶ１０２に搭載された地球規模サービス１０３または飛行任務プラナー２００の何れかが、飛行任務データを準備する。飛行任務データは、宛先サイト１０５の場所およびサービス要求を満たすために必要な有効搭載量だけでなく、宛先場所までの飛行経路を生成するために必要な情報も含む。経路の生成に必要な情報は、天空地図データベース３０９および地形図データベース３１０に局地的に保存されている。

[0105] 天空地図データベース３０９は、物流センター１０１によって供給される地理的領域内の複数の飛行回廊地帯に関するデータを含む。天空地図データベース３０９は、地球規模サービス１０３の一部である地球規模天空地図データベース４００と少なくとも部分的に同期することができる。飛行回廊地帯のデータは、天候、航空交通などの飛行回廊地帯内のリアルタイムな状態に関する情報を含む。局地的な天空地図データベース３０９は、地球規模サービス１０３、他の物流センター１０１および第三者（気象サービスおよび航空交通管制官など）から受信した最新の情報に基づいて、飛行回廊地帯データを更新する。最近飛行回廊地帯内を飛行したＵＡＶ１０２はまた、物流センター１０１に、飛行回廊地帯内に存在する最後に監視された状態に関するデータを送信することができ、この情報を天空地図データベース３０９によって使用して関連する飛行回廊地帯データを更新することができる。物流センター１０１における局地的な天空地図データベース３０９が、飛行回廊地帯について地球規模天空地図データベース４００よりも最新の情報を有するとき、地球規模天空地図データベース４００は、通信ステーション３０７を介して更新される。その逆も真であり、地球規模天空地図データベース４００からの最新の更新は、通信ステーション３０７を介して受信し、局地的な天空地図データベース３０９に組み込まれる。

[0106] 地形図データベース３１０は地形データを含み、地形データは、物流センター１０１によって供給される地理的領域における、地形障害物および地面障害物に関する情報である。この地形データは、限定されないが、未加工画像、高さマップ、三次元（３Ｄ）メッシュなど、さまざまな方法で保存することができる。地球規模サービス１０３はまた、地形図データベース３１０と少なくとも部分的に同期する地球規模地形図データベース４０１を含む。天空地図データベースの場合と同様に、地形図データベース３１０は、それらの飛行任務フライト中にＵＡＶ１０２から取り込まれたデータに基づいて更新される。例えば、ＵＡＶ１０２が、場所上方を飛行し、地形地図データベース３１０中のその場所に存在しなかった新たな障害物に関する情報を取り込めば、地形地図データベース３１０は、飛行任務中またはＵＡＶ１０２が物流センター１０１に戻った後の何れかに、ＵＡＶ１０２から受信したデータを介して新しい情報で更新される。

[0107] 天空地図データベース３０９からの飛行回廊地帯に関する情報は、ＵＡＶ１０２を宛先サイト１０５に送るのに十分であり得るが、ＵＡＶ１０２が飛行している地面に関する情報もまた、飛行任務の様々な段階中に有用であり得る。例えば、ＵＡＶの打ち上げおよび回収の間に、打上げ地および回収用地の近くの地形および障害物が関係している。さらに、サービス要求が小包配達を必要とすれば、ＵＡＶ１０２の飛行任務プラナー２００は有効搭載量を落とす場所を決定する必要があるので、有効搭載量がアクセス可能な場所に着陸し、局地的な構造、物体または人を傷つけることがないように、宛先サイト１０５における地形および障害物が関係する。

[0108] 地形図データベース３１０からの情報は、監視または地図作成を必要とするサービス要求を満たすためにも有用である。一部の実施例では、地形図データベース３１０からの地形データは、ＵＡＶを打ち上げることなく、監視要求または地図作成要求を満たすために使用可能である。例えば、ＵＡＶ１０２が、特定の場所における宛先サイト１０５で画像を最近取り込み、その後の何れかのサービス要求が同じ場所である閾値時間内に画像取込みを要求するとき、宛先サイトから来た最近の情報地形図データベース３１０に保存された地形図１０５をサービス要求者１０４に送信することができる。

[0109] 飛行任務データを局地的に準備するために、飛行任務マネージャ３０５は、まず地球規模サービス１０３から受信したサービス要求情報から宛先サイト１０５の場所を決定する。この宛先場所と、一般的に物流センター１０１の場所である打上げ場所とに基づいて、任務マネージャ３０５は、飛行任務のための動作領域を決定し、この地理領域に関連するデータを天空地図データベース３０９および地形図データベース３１０から抽出する。抽出された情報は、飛行任務データの一部としてＵＡＶ１０２に送信される。一部の実施形態では、飛行任務マネージャ３０５は、宛先サイト１０５への最安の費用経路を、飛行任務データの一部としてＵＡＶ１０２に提供する。実施に応じて、経路は、地球規模サービス１０３、ＵＡＶ１０２内の飛行任務プラナー２００、および／または飛行任務マネージャ３０５によって動的に更新することができる。飛行任務フライト中にＵＡＶ１０２への接続性が保証されないとき、ＵＡＶ１０２に搭載された飛行任務プラナー２００により、経路を動的に更新することが許される。

[0110] 一部の実施形態では、ＵＡＶ１０２は、天空地図データベース３０９および地形図データベース３１０の完全なコピー保存を、データベース内の情報の部分集合のみのコピー保存の代わりに保存する。これは、データベースのサイズが十分に小さく、ＵＡＶ１０２上の保存供給源がデータセット全体を保存するのに十分であるときに行うことができる。これが当てはまらないときは、前述したように、情報の部分集合はＵＡＶ１０２に保存することができる。同様に、局地的な天空地図データベース３０９および局地的な地形図データベース３１０が十分な保存容量を有する場合、地球規模天空地図４００全体および地球規模地形図４０１は、物流センター１０１に部分的に保存することができる。地球規模データの部分集合は、地球規模データセットが大きすぎて完全な局地的ミラーリングが経済的でないときにのみ、局地的に抽出して保存することができる。

[0111] ＵＡＶ動作システム３０３は、ＵＡＶ１０２の試験および較正、ＵＡＶ１０２の打ち上げ、ならびにＵＡＶ１０２の回収に関与している。ＵＡＶオペレーションシステム３０３は、３つの別個の構成要素、即ち試験および較正システム、ＵＡＶ打ち上げ装置、ならびにＵＡＶ回収システムを含むことができる。しかしながら、速度および効率を向上させるために、これらの構成要素の２つ以上を１つの統合した装置に組み合わせることができる。例えば、試験および較正システムは、ＵＡＶ打上げ装置と組み合わせることができ、結果として航空機は、それが打ち上げ装置に載るとき点検されて試験される。

[0112] 試験および較正システムは、ＵＡＶ１０２の構成要素を試験して、それらが飛行任務中に達成することを保証する。故障した構成要素は、試験中に識別され、オペレータインターフェース３１２を介して物流センターオペレータ１０７に知らせる。試験および較正システムはまた、組み立てたＵＡＶ１０２内の各構成要素が、現在の飛行任務のため飛行任務マネージャ３０５によって割り当てられた構成要素であることを、取り付けたタグを介して点検する。例えば、試験および較正システムは、ＵＡＶ１０２に取り付けたバッテリおよびエンジンを検出し、それらが打上げ前に飛行任務にとって適切な充電および性能状態であることを保証する。食い違いは、配電センターオペレータ１０７に知らせて訂正される。同様に、試験および較正システムは、ＵＡＶ１０２に取り込まれた有効搭載量が現在の飛行任務にとって正しい有効搭載量であることを点検する。最後に、試験および較正システムはまた、ＵＡＶ１０２の制御面および他の可動部品を試験して、これらの部品が、飛行任務プラナー２００および飛行制御装置２０１によって送信された命令に期待された方式で応答することを保証する。試験および較正システムは、図５の説明に関連してより詳細に説明する。

[0113] ＵＡＶ打上げ装置は、ＵＡＶを効率的でかつ信頼できる方式で打ち上げるために使用される自動システムである。ＵＡＶ打上げ装置ならびに試験および較正システムは、組み合わせて単一の装置にすることができる。

[0114] ＵＡＶ回収システムは、ＵＡＶ１０２を、その胴体の摩損を最小限に抑える方式で回収する一方、近辺にいる人間オペレータへの危険を最小化するために使用する自動化されたシステムである。

[0115] ＵＡＶオペレーションシステム３０３は、物流センターオペレータ１０７により短期間に多くの航空機を確実に打ち上げおよび回収できるように設計されている。

[0116] ＵＡＶ１０２を打ち上げた後、飛行任務マネージャ３０５は、飛行任務フライト中に航空機の監視を継続する。飛行任務マネージャ３０５は、ＵＡＶ１０２から状況更新を受信し、これらの状況更新により、飛行任務マネージャ３０５は、飛行任務の進行を少なくとも断続的に追跡することができる。飛行任務マネージャ３０５は、ＵＡＶ１０２の状況に関連する情報を、物流センターオペレータ１０７にオペレータインターフェース３１２を介して提示することができる。例えば、接近する嵐のような、飛行任務の終了が必要となる局地的な事象があれば、飛行任務マネージャ３０５または物流センターオペレータ１０７の何れか（またはその両方）は、ＵＡＶ１０２に、命令をオペレータインターフェース３１２を介して送信し、ＵＡＶ１０２に物流センター１０１に戻るように通信局３０７を介して指示する。
地球規模サービス

[0117] 地球規模サービス１０３は、１つまたは複数のコンピュータサーバー上で動作するソフトウェアサービスの集合体であり、インターネットまたは別の通信プロトコルを介してアクセス可能である。１つの例示的な実施形態では、地球規模サービス１０３は、Amazon Web ServicesまたはGoogle Cloudなどの第三者データセンターの仮想記憶装置上で動作するソフトウェアモジュールである。

[0118] 地球規模サービス１０３の１つの目的は、多数の物流センター１０１、サービス要求者１０４およびＵＡＶ１０２を調整し、援助しおよび管理するための地球規模インフラを提供することである。しかしながら、一部の実施形態では、地球規模サービス１０３の機能性が、ローカルコンピュータサーバーによって提供され、サーバーは、ＵＡＶ１０２、物流センター１０１およびサービス要求者１０４の局地的なセットに、おそらく各々の１つのみで役立つことが考えられる。

[0119] １つまたは複数の地球規模システムオペレータ１０６および遠隔乗り物オペレータ１０８は、地球規模サービス１０３につながり、完全に自動化できない（または一時的な人間援助を必要とする）システムのための人間の介入を提供する。地球規模システムオペレータ１０６および遠隔乗り物オペレータ１０８は、通常、制御装置を介して地球規模サービス１０３につながる。制御装置は、ネットワークを介して地球規模サービス１０３と通信可能なコンピュータワークステーション、パソコン、タブレット装置、スマートフォンまたは他のコンピュータ装置とすることができる。例えば、１つの例示的な実施形態では、地球規模システムオペレータ１０６は、インターネットに接続されたラップトップコンピュータを使用して、地球規模サービス１０３につながり、同様にインターネットに接続されたコンピュータサーバー上で達成される。

[0120] 図４に示す例示的な実施形態では、地球規模サービス１０３は、複数の物流センター１０１、ＵＡＶ１０２およびサービス要求者１０４に役立つように構成されている。この実施形態では、地球規模サービス１０３は、地球規模天空地図データベース４００、地球規模地形図データベース４０１、データマネージャ４０２、サービス要求処理装置４０３、地球規模物流マネージャ４０４、航空交通管制システム４０５、システムインターフェースマネージャ４０６、および遠隔乗り物マネージャ４０７を含む。

[0121] 前述したように、地球規模天空地図データベース４００および地球規模地形図データベース４０１は、ＵＡＳ１００内における天空地図および地形図データのための地球規模倉庫である。これらのデータベースの局地的バージョンの場合と同様に、これらのデータベースの情報は、ＵＡＳ１００の必要性に応じて様々な方式で表現することができる。図示した実施形態では、これらのデータベースは、単一のユニットとして表されるが、実際には、データベースは、複数のコピー保存されたデータ蓄積を用いて実施し、読取り速度、冗長性および誤差回復を改善することができる。

[0122] データマネージャ４０２は、地球規模データベースへのデータ書込みおよび地球規模データベースからのデータ読出しを管理する。例えば、局地的な天空地図データベース３０９および局地的な地形図データベース３１０への更新が地球規模サービス１０３に伝達されると、データマネージャ４０２は、情報が適切なデータベースに保存され、最新の情報が常に利用可能であり、古い情報で上書きされないことが保証される。データマネージャ４０２はまた、ＵＡＳ１００の外部から受信した情報を管理し、この情報を地球規模データベースに統合する。例えば、第三者の気象情報提供者、航空局および外部航空管制から受信した情報は、地球規模天空地図データベース４００に統合することができる。同様に、第三者の地形データ、地図画像および監視データは、地球規模地形図データベースに統合することができる。

[0123] データマネージャ４０２はまた、各物流センター１０１においてローカルデータベースに送信された更新を管理する。１つの実施形態では、地球規模天空地図データベース４００および地球規模地形図データベース４０１が更新されると、データマネージャ４０２は、それらの最新情報が関連する領域を監視し、それらの最新情報の少なくとも一部を、関連する領域にある物流センター１０１に送信する。別の実施形態では、特定の領域にある物流センター１０１における飛行任務マネージャ３０５は、その領域に関する情報を地球規模サービス１０３から定期的に要求し、データマネージャ４０２は、その領域に関連する一連の情報を地球規模データベースから決定してその情報を物流センター１０１に送信し、そこで情報はローカルデータベースに統合することができる。同様に、飛行中のＵＡＶ１０２は、その現在位置に関する情報を地球規模サービス１０３から要求することができ、データマネージャ４０２は、ＵＡＶ１０２の場所に基づいてＵＡＶ１０２に送り返す必要がある関連情報を同様に決定することができる。

[0124] サービス要求処理装置４０３は、サービス要求者１０４によって送信され地球規模サービス１０３が受信したサービス要求を管理する。サービス要求が地球規模サービス１０３によって受信されるとき、サービス要求処理装置４０３は、地球規模物流マネージャ４０４と通信して、サービス要求を局地的に処理するのに適した物流センター１０１を決定する。前述したように、物流センター１０１の選択は、サービス要求で特定された宛先サイト１０５の場所だけでなく、有効搭載量、ＵＡＶ能力などの要求の物流要件も考慮に入れることができる。例えば、サービス要求は、要求を完了するのに必要な有効搭載量のタイプを特定する情報を含むことができ、物流センター１０１は、様々な物流センター１０１におけるそのタイプの有効搭載量の利用可能性に基づいて選択することができる。

[0125] 有効搭載量のタイプは、有効搭載量のタイプに関連付けられた有効搭載量識別子によって直接特定することができ、または有効搭載量タイプは、関連によって特定することができる。例えば、カメラの有効搭載量は、サービス要求が宛先サイト１０５における画像データのための要求であれば、関連によって特定することができる。

[0126] 一部の実施形態では、サービス要求処理装置４０３は、地球規模システムオペレータ１０６からの入力を受信して、サービス要求を満たすために使用する物流センター１０１を決定する。

[0127] サービス要求を満たすための物流センター１０１およびＵＡＶ１０２が識別されて予約されると、サービス要求処理装置４０３は、サービス要求者１０４に、サービス要求が処理中である旨を通知することができる。サービス要求処理装置４０３はまた、物流センター１０１および／またはＵＡＶ１０２から情報を受信することもでき、情報により予測される飛行任務の完了時間が推定されてサービス要求者１０４に送信することが可能になる。

[0128] サービス要求処理装置４０３は、サービス要求者１０４とシステムインターフェースマネージャ４０６を介して通信することができる。人間サービス要求者１０４は、サービス要求を、地球規模サービス１０３に、携帯電話、卓上コンピュータまたはパソコンなどのある遠隔顧客装置を用いて一般的に送信する。システムインターフェースマネージャ４０６は、情報をサービス要求者１０４によって動作されるクライアント装置に送信することができ、情報は、顧客装置に表示されるように構成されている。例えば、１つの実施形態では、システムインターフェースマネージャ４０６はウェブサーバとして機能し、クライアント装置は、ウェブサーバにつながってシステムインターフェースマネージャ４０６からダウンロードされたウェブページを表示する。この実施例では、サービス要求者１０４は、地球規模サービス１０３に、表示されたウェブページを介して情報を送受信することができる。別の実施形態では、システムインターフェースマネージャ４０６は、インターネットを利用してアプリケーションインタフェースを見せて（表現状態転送または「ＲＥＳＴ」インターフェースなど）、クライアント装置上で動作するアプリケーションは、地球規模サービス１０３から受信した情報をサービス要求者１０４上に表示し、サービス要求者１０４によって入力された情報を地球規模サービス１０３に送り返すように構成することができる。

[0129] サービス要求処理装置４０３はまた、ＵＡＶ１０２がサービス要求を完了するための飛行任務を引き受ける経路を決定する際に、能動的な役割を果たすことができる。例えば、サービス要求処理装置４０３は、システムインターフェースマネージャ４０６を使用して、宛先サイト１０５の正確な場所をサービス要求者１０４に問い合わせ、サービス要求者１０４によって提供された情報は、飛行経路を定める際にＵＡＶ１０２によって使用することができる。

[0130] 上述した地球規模サービス１０３の構造および機能性は、１つの例示的な実施に基づいてモジュールに分割されているが、様々なモジュールの機能性は、結合されまたはさらに分割され、結果として図４に示した構成要素よりも多いまたは少ない構成要素が存在する。たとえば、天空地図データベースおよび地形地図データベースは、１つのデータ蓄積に結合することができる。例示するサービスの一部は、ＵＡＳ１００の外部へ移動可能であり、例えば航空管制システム４０５および地球規模物流マネージャ４０４は、ＵＡＳ１００の外部でアプリケーションプログラミングインターフェース（ＡＰＩ）を介してアクセス可能な独立したサービスとして、動作することができる。構造に対するこれらの変更および他の変更は、システムの全体的な基本設計概念を変更せず、そのような変更を持つシステムは、開示されたシステムと同じまたは類似の方式で動作することができる。

[0131] サービス要求処理装置４０３は、地球規模物流スマネージャ４０４を利用して、物流センター１０１およびＵＡＶ１０２の選択に必要な情報を取得する。地球規模物流マネージャ４０４は、各物流センター１０１にある各局地的な物流システム３０８における在庫情報を追跡する。地球規模物流マネージャ４０４は、在庫品目の供給が、なくなり、ある閾値以下であり、またはある閾値時間内になくなると予測されるとき、追加の在庫を局地的な配送センター１０１に積極的に送ることができる。地球規模物流マネージャ４０４はまた、物流センター１０１で在庫不足が発生した場合に、地球規模システムオペレータ１０６に通知することもできる。地球規模システムオペレータ１０６は、ＵＡＳ１００の外部で作用を生じて、例えば、第三者の倉庫から品目を発注しおよび出荷するなど、新しい在庫品目を配送センター１０１に送ることができる。

[0132] １つの実施形態では、地球規模物流マネージャ４０４は、ＵＡＶが過剰である第１の物流センター１０１からＵＡＶが不足している第２の物流センター１０１にＵＡＶ１０２を再配置する。この実施形態では、地球規模物流マネージャ４０４は、サービス要求の毎日、毎月または毎年の模様を監視して、一定期間にわたって各物流センター１０１における推定ＵＡＶ要件を決定することができる。これらの推定されたＵＡＶ要件に基づいて、地球規模物流マネージャ４０４は、ＵＡＶをある物流センター１０１から、別の物流センター１０１に先制して、再配置することができる。ＵＡＶ１０２の再配置は、第三者の荷送人を用いて行うことができ、または再配置は、物流センター１０１に、他の物流センター１０１に設定された宛先サイト１０５を持つＵＡＶ１０２を打ち上げるための要求を送信することによって行い得る。最適化として、これらの再配置飛行は、深夜または休日など、サービス要求量が少ない時間帯に予定に入れることができる。

[0133] 航空交通管制システム４０５が関与するのは、ＵＡＳ１００によって施設されている領域内で飛行中であることが既知のＵＡＶ１０２および航空機を追跡するときである。航空管制システム４０５は、物流センター１０１、飛行中のＵＡＶ１０２、および第三者の航空交通情報提供者からの情報を受信する。航空管制システム４０５が受信する情報は、ＵＡＳ１００の領域における航空機の既知位置の他に、システムによって登録された飛行経路を含む。物流センター１０１および／またはＵＡＶ１０２は、航空管制システム４０５とともに、飛行任務のための空路を登録することができる。航空交通管制システム４０５により、第三者によって動作されるＵＡＶおよび航空機は、その飛行経路を登録することが可能になる。

[0134] 航空交通管制システム４０５は、航空機およびＵＡＶの場所に関するリアルタイムの最新情報を、飛行している飛行任務であるＵＡＶ１０２に提供する。この情報を使用して、ＵＡＶ１０２に搭載された飛行任務プラナー２００は、他の航空機との衝突を避けるためにその空路を修正することができる。航空管制システム４０５は、ＵＡＶおよびＵＡＳ１００の外部で動作している他の航空機に全ての航空機運航にとってより安全な空域を維持するために、同様の最新情報を与えることができる。

[0135] 航空交通管制システム４０５はまた、サービス要求処理装置４０３および地球規模物流マネージャ４０４に情報を提供する。航空交通管制システム４０５からの情報を使用して、サービス要求のための物流センター１０１の選択およびＵＡＶ１０２の再配置に影響を及ぼすことができる。例えば、サービス要求は、周辺に過剰な航空交通がある物流センター１０１から遠ざけて経路を決めることができ、ＵＡＶ再配置は、航空交通が最も多い時間を避けるように時刻を選ぶことができる。

[0136] 遠隔乗り物マネージャ４０７は、必要に応じて、ＵＡＶ１０２などの自律型乗り物に人間オペレータを提供する。飛行任務の過程で、ＵＡＶ１０２は、その飛行任務プラナー２００または飛行制御装置２０１が認識できないまたは安全に対処できない状況に出会うことがある。例えば、都市環境の自律型乗り物は、そのような複雑な環境において経路決定および物体回避を処理するために必要な経路決定および視野システムを有するのが不要なことがある。したがって、ＵＡＶ１０２などの自律型乗り物は、市外の比較的単純で整然とした環境にある間は、その搭載された飛行任務プラナー２００および飛行制御装置２０１に制御されて飛行することができるが、都市に入ると人間の援助を要求することができる。
試験および較正システム

[0137] 試験および較正システムは、ＵＡＶ１０２の打上げ前に複数の点検機能を実行する自動システムである。試験および較正システムはＵＡＶ１０２の可動部品を較正して、ＵＡＶ１０２のモジュール（アクチュエータ制御システム２０４、飛行制御装置２０１など）によって命令されたとき、部品が期待通りに移動することを保証する。試験および較正システムはまた、ＵＡＶ１０２が、正しい有効搭載量を含む飛行任務に必要であると予測される構成要素を備えることを点検する。最後に、試験および較正システムは、エンジンおよび他の構成要素を試験して故障および欠陥を検出し、可能であれば将来の故障および欠陥を予測することができる。

[0138] 図５Ａは、試験および較正システム５００の実施形態を示す。図示した実施形態では、試験および較正システム５００は、支持台５０１、数個のカメラ５０２、胴体支持支柱５０３および尾部支持支柱５０４を備える。

[0139] 図５Ｂは、ＵＡＶ１０２が試験のために設置された、同じ実施形態の試験および較正システム５００を示す。図５Ｃは、ＵＡＶ１０２が設置された、試験および較正システム５００の実施形態の側面図を示す。

[0140] 支持台５０１は、耐久性材料から成り支持体として働くフレームであり、その上に試験および較正システム５００の他の構成要素が取付け可能である。支持台５０１により、試験および較正システム５００の他の構成要素が、多数のデューティサイクルの後、互いにおよびＵＡＶ１０２に対して一定の位置を維持することが保証される。以下で説明するように、試験および較正システム５００は、様々な試験作業および較正作業のために視野ベースのシステムを使用することができ、これらの作業のために、ＵＡＶ１０２およびカメラは、互いに対して予測可能な位置にあることが有益である。

[0141] 胴体支持支柱５０３および尾部支持支柱５０４は、ＵＡＶ１０２を、それが試験および較正システム５００上に設置されたとき直接支持する。図示した実施形態では、ＵＡＶ１０２は、支持台５０１上に反転位置で配置され、その結果ＵＡＶ１０２の制御面２１３は、試験および較正システム５００のカメラ５０２に近接している。別の実施形態では、支持台および支持支柱は、物理的寸法が異なるＵＡＶを収容するために、異なる物理的構成に配置することができる。支柱５０３および５０４により、ＵＡＶ１０２は、試験および較正システム５００上に設置されたとき、安定した、予測可能および反復可能な方式で載ることが保証される。支柱５０３および５０４は、ＵＡＶ１０２が試験および較正システム５００上に設置されたとき、ＵＡＶ１０２上の各較正基準２１４がカメラ５０２の少なくとも１つの視野内に位置するように位置決めされている。

[0142] カメラ５０２は、ＵＡＶ１０２の較正基準２１４のデジタル画像を取り込むために使用可能なデジタル画像センサーである。図５Ｄは、支持台５０１上に位置決めされて取り付けたカメラ５０２ａおよび５０２ｂを持つＵＡＶ１０２の翼２１１を図示する。図５Ｅは、カメラ５０２の拡大図を示し、レンズ開口部５１０および光源５１１を示す。光源はカメラ本体に取り付けて示すが、別の実施形態では、光源は、カメラ５０２とは別個に取り付けることができる。

[0143] 較正基準２１４には２つのタイプがある。可動基準５０６は、ＵＡＶ１０２の可動部品、例えば制御面２１３、有効搭載量室ドアなどに配置される。基部基準５０５は、ＵＡＶ１０２のうち移動しない近位部分上に、可動基準５０６の近くに設置されている。例えば、図示した実施形態では、基部基準５０６は、翼２１１上の可動基準５０６が制御面２１３を取り付けた場所の近くに配置される。

[0144] 各基部基準５０５は、対応する可動基準５０６と対になっており、逆もまた同様であり、カメラ５０２は、各対の較正基準がカメラ５０２の視野内にあるように設置されている。

[0145] 基準の目的は、デジタル画像内でコンピュータアルゴリズムによって容易に識別できる、明確な模様を提示することである。図示した実施例では、基準は明確な白黒模様であり、白黒模様は、ＵＡＶ１０２に、移し絵またはステッカー（または他の可視の塗料、インク、模様、生地など）として貼ることができる。図示した実施例では、模様は、追加の記号（内側の基準模様）を含む中空内部を持つ、外側の黒色正方形（外側の基準模様）である。黒い四角形（あるいは任意の四角形または他の適切な形状）は、基準の位置を決定するために使用する一方、内部記号により基準を一意に識別してその向きを与えるのに役立つ。

[0146] 他の実施形態も基準として使用することができる。例えば、１つの実施形態では、基準は、ステッカー、塗料、インク、生地または移し絵のような、ＵＡＶ１０２上の明確な色模様とすることができる。別の実施形態では、基準は、別個の集合の一部としてＵＡＶ１０２に直接組み込み、またはＵＡＶ１０２に取り付けた、小さな光源の明確な模様である。さらに別の取り組みでは、小さな円の独特の模様が各表面上で使用されている。

[0147] 試験および較正システム５００は、各図に示さない追加の構成要素を有することができる。追加の構成要素は、試験および較正プロセスにとって必要な計算を実行するための試験および較正コンピュータと、ＵＡＶ１０２に貼り付けたＲＦＩＤタグを検出するためのＲＦＩＤセンサーと、基準を均一に照明するための光源と、ＵＡＳの他の構成要素、例えばＵＡＶ１０２および流通管理システム３０４などと通信するためのＷｉＦｉまたはＥＴＨＥＲＮＥＴ（登録商標）モジュールとを含むことができる。試験および較正コンピュータは、別個のコンピュータサーバー、ひざ載せ型コンピュータ、パソコン、手持ち式コンピュータ、試験および較正システム５００に統合された組込み型コンピュータ、または物流センター管理システム３０４の一部であるソフトウェアモジュールとすることができる。

[0148] 図５Ｆは、試験および較正システム５００によって使用されて、ＵＡＶ１０２の可動部品（制御面など）を試験しおよび較正するプロセスの１つの実施形態を示す。ＵＡＶ１０２のうち試験および較正を必要とする全ての可動部品は、基準（可動基準）をＵＡＶのうち移動する部分に貼り、別の基準（基部基準）をＵＡＶのうち移動しない隣接する表面に貼ることによって準備する。これらの基準は、製造プロセスの一部としてＵＡＶ１０２に一般に適用される。基準は、ＵＡＶ１０２に適用されると航空機上に比較的長期間留まり、基準の特徴が損傷しまたはさもなければ摩耗した場合にのみ交換が必要となる。

[0149] ＵＡＶ１０２上の基準ならびに試験および較正システム５００のカメラは、ＵＡＶの可動部品を試験および較正するために一緒に使用する。既存の拡張現実感システムは、仮想ビデオ物体をライブビデオストリームに設置するのを補助するために基準を使用するが（例えば、ビデオベースの拡張現実感会議システムのための目印追跡およびＨＭＤ較正、ヒロカズカトウおよびMark Billinghurst、情報学施設、広島市立大学、２ヒューマンインターフェース技術実験室、ワシントン大学、これは参照により本明細書に組み込まれている）、試験および較正システム５００は、制御面の向きを決定するために同様の技術を使用する。

[0150] プロセスの第１の工程は、ＵＡＶ１０２を試験および較正システム５００上に設置することである。これにより、カメラ５０２の少なくとも１つが、可動基準５０６および基部基準５０５がカメラの視野内にあるように位置決めされる（５３０）。カメラ５０２と基部基準５０５との相対位置は、試験および較正システム５００によって取り込みまたは計算することが必要であり、これに代えて、基部基準および可動基準の相対位置は、試験および較正システム５００によって画像データから計算可能なことが必要であり、画像データは、カメラの視野およびカメラ固有のパラメータ（焦点距離、レンズ歪みなど）から取り込まれる。

[0151] 図示した実施形態では、支持台５０１は、基準がカメラ５０２の視野内にあることを保証するために使用することができ、相対位置は、後の処理の一部として決定される。しかしながら、代替の実施形態では、支持台５０１は、カメラを基部基準に対して既知の位置に固定するために使用することができる。別の代替の実施形態では、カメラおよび基部基準の相対位置は、カメラの視野原点と基部基準との間の距離、ならびにカメラ視野軸線および基準面の角度を測定する機器を用いて決定することができる。

[0152] 試験および較正の間に、ＵＡＶの制御面の実際位置が測定され、アクチュエータ制御システム２０４によって報告されたそれらの制御面の位置と比較することができる。１つの実施形態では、これらの位置を有意義な方法で比較するために、ＵＡＶ１０２のアクチュエータ制御システム２０４は、試験および較正システム５００から命令を送信され（ＷｉＦｉ、イーサネット（登録商標）または他の手段を介して）、後の工程において測定の基礎として使用することができ、各制御面（または較正されている他の任意の可動部品）を設定された位置に移動させる。例えば、１つの実施形態では、ＵＡＶ１０２の各補助翼は、複数翼に対して、あるいは中立位置または休止位置に対して、４５度の偏向角に移動するように命令されることができる。

[0153] 位置決め工程５３０の後、カメラ５０２は作動されて、基部基準および可動基準の両方を含む画像を取り込む（５３５）。図示した実施形態では、取込み画像は、白黒画像であり、これは、この実施形態における基準は白黒模様であるので十分である。基準が色を含めば、取込み画像はカラー画像とすることができる。取込み画像データは、次いで、試験および較正コンピュータに転送されて処理される。

[0154] 試験および較正コンピュータは、取込み画像を処理して、画像内の基準特徴を決定する（５４０）。これは、多くの異なる技術を使用して行うことができる。図示した実施形態では、基準特徴は、多段階プロセスを用いて決定される。この実施形態では、取込み画像は白黒であり（例えば、画像の画素はグレースケールであり）、基準は白黒模様である。第１の工程は、閾値化アルゴリズムを用いて取込み画像をバイナリデータに変換することであり、閾値化アルゴリズムは、Davies, E Roy著、Machine vision : theory, algorithms, practicalities, Elsevier、２００４年、１１９頁に記載され、それは参照により本明細書に組み込まれている。

[0155] 閾値化アルゴリズムによって出力として生成されるバイナリデータは、全ての画素がバイナリである画素データ（例えば、純粋な黒または純粋な白、中間値画素なし）である。これらのバイナリ画素は輪郭検出アルゴリズムを使用して処理され、輪郭検出アルゴリズムは、Fu Chang および Chun-jen Chen および Chi-jen Lu 著、２００４年に記載されたアルゴリズム、例えば輪郭追跡技術、コンピュータ視野および画像認識を用いた線形時間成分ラベル付けアルゴリズムに記載され、それは参照により本願明細書に組み込まれている。輪郭検出アルゴリズムは、閉じた曲線形状を形成する線を生成する。最大の最外部で閉じた形状は、基準５０５および５０６の外側基準模様に対応する。この最外部で閉じた形状は、取込み画像における主要な基準特徴であり、それは、画像内の基準の位置を決定するために使用することができる。

[0156] 基準特徴が試験および較正コンピュータによって決定された後（５４０）、カメラ視野における基準の二次元方位が基準特徴に基づいて決定される（５４５）。「向き」という用語は、物体の回転姿勢のみを意味するために時々使用するが、本明細書では、「向き」は、画像内の回転姿勢およびカメラによって取り込んだ基準の位置の両方を指すことができる。この実施形態では、基準の二次元方位を決定するために、画像データ内の基準形状が基準特徴に基づいて決定される。

[0157] 内側基準模様の形状は、基準の外側形状に関係しないので、基準特徴の全てが基準幾何学形状を決定するために必要なわけではなく、そのためにプロセスのこの部分は無視することができる。輪郭検出アルゴリズムからの外側基準模様の曲線形状近似は多角形化され、結果として取込み画像からの形状は、外側基準模様の真っ直ぐな辺の多角形状（例えば、図示した実施例のような四辺の多角形）にほぼ適合する。この工程を実行するために、 Ramer-Douglas-Peucker アルゴリズムなどのアルゴリズムが使用できる。デジタル化された線またはその戯画を表現するために必要な地点の数の減少については、参照により本願明細書に組み込まれている、 David Douglas & Thomas Peucker 著、 Algorithms, The Canadian Cartographer 10(2)、112-122 (1973) を参照されたい。この地点では、矩形の基準は画像内で識別されているが、それがカメラの視野に対して回転しているかどうかは分からない（例えば、矩形は、基準の頂点が取込み画像内で検出された矩形の右辺として現れるように回転可能である）。

[0158] 予測される外側基準模様にほぼ適合するポリゴンが、試験および較正コンピュータによって見出されると、多角形の角を表すかどの頂点の二次元座標は、近似多角形状を形成する線と交差することによって決定される。基準の内部の模様は、非対称であり、画像内の基準の二次元方位に関連する何らかの曖昧さを解決するために使用することができる（例えば、内側基準模様は、基準が意図されまたは予測される向きにあるかどうか、あるいは９０度回転され、１８０度回転されまたは２７０度回転され、あるいは他の任意の角度量だけ回転されたかどうかを判断するために使用し得る）。

[0159] 二次元方位が決定されると（５４５）、実際空間における基準の三次元方位を決定するために、基準のかど頂点の二次元座標が、カメラ位置に関する既知の情報と一緒に使用される（５５０）。前述したように、「向き」という用語は、実際空間における物体の回転姿勢および基準の三次元場所を指すことができる。

[0160] 図示した実施形態では、実際空間における三次元方位は、カメラ座標系においてかど頂点の三次元座標によって表され、三次元座標系は、例えば、原点にカメラ、カメラ視軸に沿った正のｚ軸線、右側への正のｘ軸線（図５Ｄに基づく）、および下方へのｙ軸線（図５Ｄに基づく）を有する座標系である。カメラ座標系において基準のかど頂点の３次元座標で決定することは、投影Ｎ地点アルゴリズム（ＰＮＰアルゴリズム）の修正形態を適用することによって達成できる。ＰＮＰアルゴリズムは、三次元実際空間におけるいくつかの固定の参考地点の既知の位置と、カメラの画像視野におけるそれらの固定の参考地点の二次元表現とに基づいて、カメラの向きを決定するために使用し得る。しかしながら、この場合、ＰＮＰアルゴリズムは、カメラ座標系における基準のかど頂点の未知の三次元座標を、カメラの既知の固有パラメータと以前に決定されたかど頂点の二次元座標とに基づいて、代わりに決定するために使用し得る。この場合に適用できる多くのタイプのＰＮＰアルゴリズムが存在する。例えば、遠近法３点アルゴリズムが使用できる。

[0161] 実際空間における基準の三次元方位が決まると、基部基準と可動基準との間の相対的方位を決定することができる（５５５）。図示した実施例では、実際空間における各基準方位は、その基準のかど頂点の三次元座標によって表される。それらの基準の相対的方位は、それらのかど頂点によって形成される複数平面の向きの差を、標準の三次元幾何学的手法および行列演算を用いて計算することによって決定可能である。

[0162] 基準方位間の差を決定するプロセスに単純化も導入可能であり、その際可動部品のデザインに起因する、それらの移動に関する物理的制約を考慮に入れる。例えば、図示した実施形態では、制御面は、基部面（例えば、ＵＡＶ１０２の翼または尾部）に固定されたヒンジの周りに回転することによって移動するので、それらは、一定の曲がった円弧内を移動するように制約されている。したがって、この実施例では、基準面間の角度の差だけを決定することも、空間におけるそれらの相対位置を決定するのに十分であり得る。１つの実施形態では、基準面間の角度の差は、プロセスの他の工程を単純化するために、角度−軸の形態で表すことができる。実際空間における任意の回転について２つの可能な軸−角度表現が存在するので、２つの表現間のこのあいまいさは、何らかの任意の慣例を強要実施することによって解決可能である。例えば、基部基準の法線に対して正のドット積を与える軸線を選択することが強要実施されることがある。他の軸線またはスキームが、各基準に対してスキームが一貫して使用される限り選び得る。

[0163] 可動部品の実際位置は、基部基準と可動基準との間の向きの差に基づいて決定することができる（５６０）。基部基準は移動しない面上に設置され、可動基準は可動面（制御面など）上に設置されるので、可動面の実際位置は、基部基準と可動基準との間の相対的方位に基づいて、試験および較正コンピュータによって決定可能である（５６０）。

[0164] 図示した実施形態では、試験および較正コンピュータは、可動面および基部面が「ゼロ位置」にあるとき、基部基準および可動基準の相対位置に対応する「ゼロオフセット」を保存する。ゼロ位置は、表面が測定される開始点である。例えば、図示した実施例では、制御面は翼に結合された補助翼であり、ゼロ位置は、補助翼が翼に対して偏りなしの位置に命令されたとき、その位置とすることができる。ゼロオフセットは、制御面がゼロ位置にあるときの、基部基準と可動基準との間の向きの差である。

[0165] 各ＵＡＶ１０２における各制御面に関するゼロオフセットは異なることができ、試験および較正システム５００は、各ＵＡＶ１０２の各制御面につき別個のゼロオフセットをデータベース内に保存することができる。ＵＡＶ１０２が試験および較正システム５００上に設置されるとき、較正システムは、どのＵＡＶが試験されているかを検出することができ、これに基づいて、試験および較正システム５００は、そのＵＡＶの各制御面に関するゼロオフセットの適切な値にアクセス接続可能である。

[0166] 試験および較正コンピュータは、制御面の位置を計算する際にゼロオフセットを利用し、その理由は、基準間の角度がゼロ位置でゼロでないことがあり、また測定面に対する基準の適用が不正確であることにより、制御面と基部面とが互いに対してゼロ角であっても、それらに適用される基準は、表面の歪みのために非ゼロ角になり得るあるためである。較正の間、基部面に対する可動面の実際位置は、基部基準と可動基準との間のあり得る初期の不整合を考慮するために、基部基準と可動基準との間の測定された相対的方位を取り出し、それをゼロオフセットによってずれせることによって決定される。

[0167] ハードウェア誤差およびソフトウェア誤差、機械的スリップ、ならびに部品の摩損は、試験および較正コンピュータによって検出され、その際ＵＡＶ１０２のアクチュエータ制御システム２０４によって報告された可動部品の位置（「報告位置」）に対する比較する可動部品の実際位置を比較する（５６５）。

[0168] 可動部品の実際位置と、アクチュエータ制御システム２０４からの報告位置との差は、「アクチュエータ変動」と呼ばれる。アクチュエータ変動が閾値を超えれば、試験および較正コンピュータは、通知を生成することができる（５７０）。そうでなければ、試験および較正コンピュータは、試験に合格したことを示す（５７５）。

[0169] 前述したように、１つの実施形態では、ＵＡＶ１０２の可動部品は、試験および較正プロセスに備えて、アクチュエータ制御システム２０４によってある位置に命令され、この場合、可動部品の報告位置は、ちょうど以前に命令された位置である。別の実施形態では、試験および較正システム５００は、アクチュエータ制御システム２０４に命令して、ＵＡＶ１０２の可動部品を一連の個別工程を介して移動させて、各工程の後に較正プロセス全体を実行することができる。プロセスをこのように繰り返し実行すれば、可動部品の固定された設定点の代わりに、可動部品の移動範囲全体にわたる可動部品の移動の精度を試験することによって、可動部品の較正が改善可能である。

[0170] アクチュエータ変動が閾値を超えると、この情報により人間オペレータに対する通知の送信または提示がトリガされ、試験されている部品に修理または再較正が必要であることを示し得る。例えば、アクチュエータ変動が閾値を超えると、信号をオペレータインターフェース３１２に送って、試験された制御面は修理または再較正する必要があることを、物流センターオペレータ１０７に知らせることができる。

[0171] 制御面を再較正するために、人間オペレータは、物理的調整を行って、制御面の実際位置と報告位置との間の不一致を修正することができる。調整の正確さを点検するために、人間オペレータは、試験および較正システムを使用して制御面を再度試験することができる。較正または修理が十分であれば、アクチュエータ変動は許容可能な閾値を下回るはずである。

[0172] 通知を生成するかどうかを決定するために用いる閾値は、アクチュエータ変動が特定の乗り物および制御面にとってどの程度の重要であるかに基づいて選択できる。大きなアクチュエータ変動が問題でなければ、閾値は、ＵＡＶ飛行に大きな影響を及ぼすことなく、かなり高く設定する（例えば、５％変動、１０％変動、１５％変動または任意の適切な変動）ことができる。しかしながら、制御面によっては、アクチュエータ変動は、乗り物を安全に保つために、非常に低く維持する（例えば、１％変動、２％変動、３％変動または任意の適切な変動）ことが必要である。このような制御面につき通知が生成されると、ＵＡＶ１０２は、報告位置と制御面の実際位置との間の不一致を修正するために、制御面を移動させるアクチュエータが較正または修理されるまで、サービス便を一時的に中止することが必要である。

[0173] 試験および較正システムはまた、アクチュエータ変動を使用して、制御面を移動させるアクチュエータを含む機械機器の将来の故障を予測可能であり、その際過去のアクチュエータ変動測定値に基づいて機器の故障を予測するモデルを使用する。

[0174] 特定の制御面における将来の故障を予測するためにアクチュエータ変動を使用するには、例えば、まず制御面の故障に関連するデータセットを、試験および較正システムまたは同様の装置を用いて収集する。

[0175] 制御面の故障に関するデータセットを収集するにあたり、試験期間中に制御面を移動させるためにアクチュエータ制御システムが使用され、アクチュエータ変動は試験期間にわたって変化するので、制御面が機械的な欠陥をこうむるまで、アクチュエータ変動を測定して保存するために試験および較正システムが使用される。これは、同じタイプの制御面を用いて何度も行なう。データセットは、アクチュエータ変動のパターンを含み、機械的障害の直前に発生するこれらのパターンの一部は、それらの機械的障害を予測する。

[0176] 予測コンピュータモデルは、アクチュエータ変動模様を使用して、制御面の機械的故障を予測することができる。この予測コンピュータモデルは、アクチュエータ変動の模様を観察することによって手動で開発することができ、または予測コンピュータモデルは、機械学習および人工知能技術を用いて自動的に開発または生成することができる。

[0177] 何れにせよ、開発された予測コンピュータモデルは、ある期間にわたって測定された制御面に関するアクチュエータ変動を入力として取り出し、技術者が飛行中の故障を防ぐために制御面をいつ点検する必要があるかを予測することができる。

[0178] 例えば、ＵＡＶ１０２の可動部品の故障を予測する方法は、以下のように実施することができる。最初に、試験および較正システムは、データ収集プロセスを実行することができる。データ収集プロセスは、ＵＡＶ１０２が飛行任務で動作するにつれて、ある期間にわたって実行することができる。このデータ収集プロセスでは、各飛行の後に、特定の可動部品のアクチュエータ変動を決定するために試験および較正システムが使用される。例えば、試験および較正システムは、故障を予測することが望まれる特定の制御面上で使用することができる。データ収集プロセスのために、試験および較正システムは、各飛行の後に図５Ｆに記載したプロセスを制御面上で使用することができ、その際以下のこと、すなわちプロセスによって決定されたアクチュエータ変動を、通知を生成するための閾値と比較する代わりに、データ収集プロセスは、代わりにデータベースに生成された各アクチュエータ変動測定値を、アクチュエータ変動測定値が取り出される制御面に関連する性能データとともに保存することは除かれる。この性能データは、制御面の誤差および故障に関する情報を含む。

[0179] 時間とともに、試験および較正システムは、多くのアクチュエータ変動を、誤差および故障に関連する対応する情報とともにデータベースに保存する。このデータベースは、モデル開発プロセス用の訓練データとして役立つ。モデル開発プロセスでは、訓練データおよび機械学習アルゴリズムは、予測モデルを生成するために使用することができる。
予測モデルは、次いで、故障および誤差を制御面の過去のアクチュエータ変動に基づいて予測するために使用することができ、その際、制御面は、データ収集プロセスにおいてデータを収集し制御面と同じまたは類似のタイプの制御面であること（または過去のアクチュエータ変動が、試験されている制御面での使用にその他の方法で適していること）が前提となる。

[0180] 予測モデルが開発されると、試験および較正システムは、動作しているＵＡＶにおける将来の失敗や誤差を予測するために、モデルと一緒に使用する。これを行うにあたり、データ収集プロセスを実行してＵＡＶを一定期間にわたり動作させるために試験および較正システムが使用される。ここでもまた、一定期間にわたる各飛行の後に、ＵＡＶの制御面でのアクチュエータ変動が保存される。これらの過去のアクチュエータ変動は、モデル開発プロセスから予測モデルに送られる。予測モデルが、過去のアクチュエータ変動に基づいて、制御面における故障または誤差の発生可能性を判断したとき、試験および較正システムは、オペレータインターフェース３１２に通知を送信し、それにより物流センターオペレータ１０７に、その特定の制御面を点検する時間である旨が通知される。

１０２ ＵＡＶ
５００ 試験および較正システム
５０１ 支持台
５０２ カメラ

Claims (23)

1. 自動化された較正のシステムであって、
   乗り物と相対的に位置決めされ、結果として前記乗り物上の基部基準および可動基準がカメラの視野内で視認可能となるように構成されたカメラと、
   試験および較正コンピュータであって、
   前記カメラから前記基部基準および前記可動基準の画像を受け取り、前記画像は画像データを含み、
   前記基部基準と前記可動基準との間の相対的方位を前記画像データに基づいて決定し、
   前記乗り物の可動部品の実際位置を、前記基部基準と前記可動基準との前記相対的方位および前記乗り物の基部面の位置に基づいて決定し、
   前記可動部品の前記実際位置を前記可動部品に関する報告位置と比較し、
   前記実際位置と前記報告位置との間の差が閾値量よりも大きければ通知を生成するように構成された試験および較正コンピュータとを備えることを特徴とするシステム。
2. 前記基部基準と前記可動基準との間の前記相対的方位を前記画像データに基づいて決定することは、
   前記基部基準の二次元方位および前記可動基準の二次元方位を前記画像データに基づいて決定することと、
   前記基部基準の三次元方位および前記可動基準の三次元方位を、前記可動基準および前記基部基準の前記二次元方位と、前記カメラに関する既知の一連の固有パラメータとに基づいて決定することと、
   前記基部基準と前記可動基準との間の前記相対的方位を、前記両基準の前記三次元方位に基づいて決定することとをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記基部基準の前記二次元方位および前記可動基準の前記二次元方位を決定することは、前記画像データにて、前記基部基準および前記可動基準の基準特徴を識別することをさらに含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記基部基準の前記三次元方位および前記可動基準の前記三次元方位を決定することは、前記基部基準および前記可動基準の基準幾何学形状を前記両基準特徴に基づいて決定することをさらに備える、請求項３に記載のシステム。
5. 前記画像データはグレースケール画素を備える、請求項１に記載のシステム。
6. 前記基部基準および前記可動基準は、白黒の矩形模様を備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記可動基準は、前記乗り物の前記可動部品に固定され、前記基部基準は、前記乗り物のうち前記可動部品に隣接する表面に固定され、前記表面は、前記可動部品と相対的に固定されている、請求項１に記載のシステム。
8. 前記報告位置は、前記乗り物のアクチュエータ制御システムによって報告される値である、請求項１に記載のシステム。
9. 前記乗り物は無人航空機であり、前記可動部品は前記無人航空機の制御面である、請求項１に記載のシステム。
10. 自動化された較正のための方法であって、
    基部基準および可動基準の画像をカメラを用いて取り込み、前記画像は画像データを含む工程と、
    前記基部基準と前記可動基準との間の相対的方位を前記画像データに基づいて決定する工程と、
    乗り物の可動部品の実際位置を、前記基部基準と前記可動基準との前記相対的方位および前記乗り物の基部面の位置に基づいて決定する工程と、
    前記可動部品の前記実際位置を前記可動部品に関する報告位置と比較する工程と、
    前記実際位置と前記報告位置との間の差が閾値量よりも大きければ通知を生成する工程とを備えることを特徴とする方法。
11. 前記基部基準と前記可動基準との間の前記相対的方位を前記画像データに基づいて決定する工程は、
    前記基部基準の二次元方位および前記可動基準の二次元方位を前記画像データに基づいて決定する工程と、
    前記基部基準の三次元方位および前記可動基準の三次元方位を、前記可動基準および前記基部基準の二次元方位と、前記カメラに関する既知の一連の固有パラメータとに基づいて決定する工程と、
    前記基部基準と前記可動基準との間の前記相対的方位を、前記両基準の前記三次元方位に基づいて決定する工程とをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
12. 前記基部基準の前記二次元方位および前記可動基準の前記二次元方位を決定する工程は、前記画像データにて、前記基部基準および前記可動基準の基準特徴を識別する工程をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記基部基準の前記三次元方位および前記可動基準の前記三次元方位を決定する工程は、前記基部基準および前記可動基準の基準幾何学形状を前記両基準特徴に基づいて決定する工程をさらに備える、請求項１２に記載の方法。
14. 前記画像データはグレースケール画素を備える、請求項１０に記載の方法。
15. 前記基部基準および前記可動基準は、白黒の矩形模様を備える、請求項１０に記載の方法。
16. 前記可動基準は、前記乗り物の前記可動部品に固定され、前記基部基準は、前記乗り物のうち前記可動部品に隣接する表面に固定され、前記表面は前記可動部品と相対的に固定されている、請求項１０に記載の方法。
17. 前記報告位置は、前記乗り物のアクチュエータ制御システムによって報告される値である、請求項１０に記載の方法。
18. 前記乗り物は無人航空機であり、前記可動部品は前記無人航空機の制御面である、請求項１０に記載の方法。
19. 乗り物の可動部品の故障を予測する方法であって、
    データ収集過程を備え、前記データ収集過程は、
    乗り物のうち可動部品に隣接する表面に固定された基部基準および前記可動部品に固定された可動基準の画像をカメラを用いて取り込み、前記画像は画像データを備える工程と、
    前記基部基準と前記可動基準との間の相対的方位を前記画像データに基づいて決定する工程と、
    乗り物の可動部品の実際位置を、前記基部基準と前記可動基準との間の前記相対的方位および前記乗り物の基部面の既知の実際位置に基づいて決定する工程と、
    前記可動部品の前記実際位置と前記可動部品に対する報告位置との間の差に基づいてアクチュエータ変動を生成する工程とを含み、
    モデル開発過程を備え、前記モデル開発過程は、
    第１の乗り物の第１の可動部品について前記データ収集過程を第１の期間中に第１の複数回実行し、前記データ収集過程によって前記第１の期間中に生成された第１の複数のアクチュエータ変動を保存する工程と、
    前記第１の可動部品の第１の故障条件を検出する工程と、
    前記保存された第１の複数のアクチュエータ変動に基づいて予測モデルを開発する工程とを含み、
    診断過程を備え、前記診断過程は、
    第２の乗り物の第２の可動部品について前記データ収集過程を第２の期間中に第２の複数回実行し、前記データ収集過程によって前記第２の期間中に生成された第２の複数のアクチュエータ変動を保存する工程と、
    前記予測モデルを前記第２の複数のアクチュエータ変動に適用して前記第２の可動部品が故障条件を満たすかどうかを決定する工程と、
    前記第２の可動部品が前記故障条件を満たすという決定に応答して、故障条件通知を生成する工程とを含むことを特徴とする方法。
20. 前記基部基準と前記可動基準との間の相対的方位を前記画像データに基づいて決定する工程は、
    前記基部基準の二次元方位および前記可動基準の二次元方位を前記画像データに基づいて決定する工程と、
    前記基部基準の三次元方位および前記可動基準の三次元方位を、前記基部基準および前記可動基準の前記二次元方位と、カメラに関する既知の一連の固有パラメータとに基づいて決定する工程と、
    前記基部基準と前記可動基準との間の前記相対的方位を、前記両基準の三次元方向に基づいて決定する工程をさらに備える、請求項１９に記載の方法。
21. 前記予測モデルは、機械学習アルゴリズムを用いて生成される、請求項１９に記載の方法。
22. 前記第２の可動部品の故障の可能性が高いことを、前記保存された第２の複数のアクチュエータ変動に基づいて前記予測モデルが判定したとき、前記通知が生成される、請求項１９に記載の方法。
23. 前記第１の可動部品および第２の可動部品は制御面であり、前記第１の乗り物および第２の乗り物は無人航空機である、請求項１９に記載の方法。

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