技術 無人飛行体の着陸誘導システム

0001

この発明は無人飛行体の着陸誘導システムに関する。

0002

無人飛行体の着陸誘導システムとしては、特許文献１記載の技術を挙げることができる。特許文献１記載の技術は、無人飛行体をグラウンドステーションの上方に誘導し、登載カメラでグラウンドステーションの着陸部に配置される２個の発信器などの信号発信素子からなるランドマーク群から発信される円錐形状を呈する赤外線などのエネルギビームを検出して得た値あるいはＬＥＤ（発光素子）を撮像して得た画像に基づいて無人飛行体を着陸部に誘導するように構成している。

0003

米国特許第９４２９９５３号明細書

0004

特許文献１記載の技術は上記のように構成して無人飛行体の着陸を誘導しているが、撮像の場合には撮像した信号発光素子の強度変化の値に基づいて誘導するに止まるため、無人飛行体を着陸部に精度良く誘導するのが困難であった。

0005

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、グラウンドステーションの上方に誘導した無人飛行体の登載カメラで着陸部に配置されるランドマーク群を撮像して得た撮像画像からｘ，ｙ，ｚ空間上の位置を推定して着陸動作範囲を算出し、それに基づいて着陸部に精度良く誘導するようにした無人飛行体の着陸誘導システムを提供することにある。

0006

上記の目的を達成するため、この発明は、基体に取り付けられて電動モータで回転駆動される複数個のロータ部と、前記電動モータの電気エネルギを貯留するバッテリと、第１コントローラとを有する無人飛行体と、地上に設置されると共に、着陸部と、前記第１コントローラと通信可能な第２コントローラと、電源とを有するグラウンドステーションとを備え、前記無人飛行体を前記グラウンドステーションの着陸部に誘導して着陸させる無人飛行体の着陸誘導システムにおいて、前記グラウンドステーションの着陸部に配置され、それぞれ少なくとも３個の信号出力素子からなると共に、前記少なくとも３個の信号発信素子から規定される面積が徐々に減少するように配置される少なくとも第１、第２、第３ランドマーク群と、前記無人飛行体の下部に配置されて前記無人飛行体の下方を撮像して撮像画像を出力するカメラとを備えると共に、前記第１コントローラと第２コントローラの少なくともいずれかは、前記無人飛行体が前記グラウンドステーションの上方に誘導されて前記撮像画像に前記ランドマーク群が撮像されるとき、その撮像画像の画面全体に占める面積を算出する画像面積算出部と、前記画像面積算出部で算出された面積が所定面積以上のとき、前記ランドマーク群を順次切り替えるランドマーク切り替え部と、前記切り替えられたランドマーク群の撮像画像から前記グラウンドステーションに対する前記無人飛行体のｘ，ｙ，ｚ空間上の位置を推定する位置推定部と、前記位置推定部で推定されたｘ，ｙ，ｚ空間上の位置から前記無人飛行体の着陸動作範囲を算出する着陸動作範囲算出部と、前記着陸動作範囲算出部で算出された着陸動作範囲に基づいて前記無人飛行体の前記着陸部への着陸を誘導制御する誘導制御部とを備える如く構成した。

0007

この発明の実施形態に係る無人飛行体のグラウンドステーションへの着陸誘導システムを全体的に示す概略図である。
図１のグラウンドステーションのハウジングのルーフを開放したときの斜視図である。
図１の無人飛行体の斜視図である。
図２のハウジングの側面断面図である。
図２のハウジングのルーフを閉鎖したときの斜視図である。
図４のハウジングのルーフの開閉機構とリンクの昇降機構の駆動部材を示す要部斜視図である。
図１に示す無人飛行体のコントローラとグラウンドステーションのコントローラの入出力をブロック図である。
図６のリンクの昇降機構のプレートの説明上面図である。
図７のカメラのランドマークの撮像画像を示す説明図である。
図１の着陸誘導システムの動作を示すフロー・チャートである。
図１の無人飛行体の飛行領域の説明図である。
図９フロー・チャートの位置推定値算出の詳細を示すサブ・ルーチン・フロー・チャートである。
図９フロー・チャートの着陸動作範囲算出の詳細を示すサブ・ルーチン・フロー・チャートである。
図９フロー・チャートで算出される着陸動作範囲などを示す説明図である。
図１４の着陸動作範囲などの算出に使用されるパラメータの説明図である。
図１４と同様に着陸動作範囲などを示す説明図である。
図９フロー・チャートの位置・速度制御の詳細を示すサブ・ルーチン・フロー・チャートである。
図９フロー・チャートのランドマーク面積算出の詳細を示すサブ・ルーチン・フロー・チャートである。
図９フロー・チャートの探索飛行を示す説明図である。

0008

以下、添付図面に即してこの発明に係る無人飛行体の着陸誘導システムを実施するための形態について説明する。

0009

図１はこの発明の実施形態に係る無人飛行体の着陸誘導システムを全体的に示す概略図、図２は図１のグラウンドステーションのハウジングのルーフを開放したときの斜視図、図３は図１の無人飛行体の斜視図、図４は図２のハウジングの側面断面図、図５は図２のハウジングのルーフを閉鎖したときの斜視図、図６は図４のハウジングのルーフの開閉機構などを示す要部斜視図、図７は図１に示す無人飛行体とグラウンドステーションのコントローラの入出力をブロック図、図８は図６のリンクの昇降機構のプレートの説明上面図、図９は図７のカメラのランドマークの撮像画像を示す説明図、図１０は図１の着陸誘導システムの動作を示すフロー・チャート、図１１は図１の無人飛行体の飛行領域の説明図、図１２と図１３は図９フロー・チャートの位置推定値算出と着陸動作範囲算出のサブ・ルーチン・フロー・チャート、図１４から図１６は図９フロー・チャートで算出される着陸動作範囲などの説明図、図１７と図１８は図９フロー・チャートの位置・速度制御とランドマーク面積算出のサブ・ルーチン・フロー・チャート、図１９は図９フロー・チャートの探索飛行を示す説明図である。

0010

図１と図２に示す如く、この実施形態に係る無人飛行体の着陸誘導システムは、無人飛行体（UnmannedAerial Vehicle）１とグラウンドステーション２とを備え、無人飛行体１をグラウンドステーション２に誘導して着陸させるように構成される。

0011

図３に示す如く、無人飛行体１は、基体（ボディ）１０と、ロータ部１２と、基体１０内に搭載されるバッテリ１４と、複数個、具体的には４個のアーム１６とを備える。尚、図３において基体１０は１０ａを前部、１０ｂを後部とする。

0012

基体１０は、無人飛行体１の中央付近に位置する長円筒体形状体からなる。ロータ部１２は、基体１０に複数個、具体的には４個のロータ取り付け軸２０と、ロータ取り付け軸２０にそれぞれ取り付けられる４個のロータ（プロペラ）２２と、４個のロータ２２を回転駆動する電動モータ２４とからなる。

0013

電動モータ２４は、バッテリ１４から電気エネルギの供給を受けるとき、４個のロータ２２を回転駆動する。このように、無人飛行体１は具体的にはクアッドコプタ型のドローンからなる。

0014

４個のアーム１６は４本のパイプあるいはロッド状の部材からなり、それぞれ４個のロータ取り付け軸２０から下方に延びると共に、基体１０の下部で円形リング（より詳しくは大略円形状のリング）１６ａを介して相互に接近しつつ集合して集合部１６ｂを形成する。

0015

４個のアーム１６にはそれぞれ電極接点２６が形成される。電極接点２６はアーム１６においてロータ部１２の直下位置付近からその中央位置付近まで所定の距離に亘って形成される。後述の如く、電極接点２６はグラウンドステーション２の充電用接点と接触すると、通電されてバッテリ１４を充電する。

0016

図３に示す如く、基体１０には、バッテリ１４の他、絶対座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚ（図１に示す）のＺ軸に対する無人飛行体１の傾斜を示す出力を生じるジャイロセンサ３０と、基体１０の前部下方に取り付けられて無人飛行体１の進行方向と左右方向などを撮像する第１カメラ３２ａと、基体１０の下部に配置されて基体１０の直下を撮像する第２カメラ３２ｂと、衛星群からのＧＮＳＳ信号を受信して無人飛行体１の現在位置を示す出力を生じるＧＮＳＳ受信機３４と、無人飛行体１の下方にレーザビームあるいは超音波信号を放射して反射波から高度を示す出力を生じる高度計３６と、進行方向に同様に超音波信号を放射して反射波から障害物を示す出力を生じる障害物検知センサ４０などが搭載される。尚、図３において手前側のロータ部１２の図示を省略した。

0017

第１カメラ３２ａは無人飛行体１の進行方向などを、第２カメラ３２ｂは無人飛行体１の下方（直下）を撮像して撮像画像を出力する。尚、第１カメラ３２ａで無人飛行体１の下方（直下）も撮像させることで、第１カメラ３２ａに第２カメラ３２ｂの機能を兼用させる（換言すれば、第２カメラ３２ｂを不要とする）ようにしても良い。

0018

尚、第２カメラ３２ｂは、図３に示す如く、９４０ｎｍの波長のみを通過させるフィルタ３２ｂ１を装着されてなる。この波長は地表での太陽スペクトルの値が低いため、他の強い波長成分による外乱を防止することができる。

0019

基体１０には上記したセンサの出力を入力し、入力したセンサ出力に基づいて無人飛行体１の通信とフライトを制御する、少なくとも１個のＭＰＵとメモリを備えたマイクロコンピュータを有する電子制御ユニット（Electronic Control Unit）からなる通信／フライトコントローラ（以下「第１コントローラ」という）４６が登載される。第１コントローラ４６は後述する地上（グラウンド）に設置可能なグラウンドステーション２の第２コントローラと通信可能に構成される。

0020

即ち、図１に示す如く、この実施形態に係る無人飛行体の着陸誘導システムは、無人飛行体１に加え、地上（グラウンド）に設置可能なグラウンドステーション２を備え、グラウンドステーション２は、ハウジング５０と、ハウジング５０内に設置される環状の着陸部５２と、前記した充電用接点５４と、駆動部材５６と、エネルギ源（電源）６０とを備える。

0021

グラウンドステーション２のハウジング５０は、図１と図２に示す如く、４個の側壁５０ａが対向配置された、全体として直方体からなるボックス状を呈し、上部に開閉機構を介して開閉可能なルーフ５０ｂを備え、内部に無人飛行体１を収容可能な格納空間５０ｃを備えると共に、キャスタ・固定具５０ｄで移動・固定自在に構成される。

0022

ルーフ５０ｂは４個の側壁５０ａにそれぞれ取り付けられる４個の折曲形状のシャッタ５０ｂ１からなり、図４に示す如く、シャッタ５０ｂ１を開放方向に移動させてルーフ５０ｂ、換言すればハウジング５０を開放するように構成される。

0023

４個のシャッタ５０ｂ１は上面視においてそれぞれ大略三角形状を呈すると共に、閉鎖方向に移動させられたとき、図５に示す如く、シャッタ５０ｂ１の端縁５０ｂ１１を相互に接触させてルーフ５０ｂ、換言すればハウジング５０を閉鎖し、よって下部の格納空間５０ｃを気密に保持するように構成される。

0024

着陸部５２は、図１と図２に示す如く、ハウジング５０内に昇降機構を介して重力軸（Ｚ軸）方向に昇降可能に配置されると共に、水平軸（Ｘ，Ｙ軸方向）に平行に配置される。着陸部５２は図示のように環状を呈すると共に、その内側には無人飛行体１の複数本のアーム１６の集合部１６ｂを受ける受け部５２ａが形成される。

0025

即ち、着陸部５２は幅狭の環（リング）状を呈すると共に、その内側には円形の受け部５２ａが形成され、無人飛行体１がグラウンドステーションに着陸するとき、受け部５２ａに無人飛行体１のアーム１６の集合部１６ｂを進入させて受けるように構成される。

0026

前記した如く、アーム１６は円形リング１６ａを介して集合部１６ｂで集合させられることから、円錐形状に類似する形状を得ることができ、同様に円形の受け部５２ａへの無人飛行体１の集合部１６ｂの進入が容易にされる。

0027

充電用接点５４は、受け部５２ａの周囲（円周）に所定の角度範囲、例えば受け部５２ａの中心を結ぶ対角線上において３０度に亘って形成されると共に、無人飛行体１の複数本のアーム１６に形成される前記した電極接点２６と接触するとき、エネルギ源６０に貯留される電力を無人飛行体１のバッテリ１４に供給（充電）するように形成される。

0028

充電用接点５４は、図２に示す如く、無人飛行体１のアーム１６の集合部１６ｂが受け部５２ａに所定の向きで、具体的には基体１０の前部１０ａが所定の方向を向いて進入するとき、無人飛行体１のアーム１６に形成される電極接点２６と接触可能なように、受け部５２ａの周囲（周縁の円周方向）に例えば３０度の所定の角度範囲に亘って形成される。

0029

より詳しくは、充電用接点５４は、受け部５２ａの周囲に配置される１組の正電極接点５４ａと負電極接点５４ｂとからなり、無人飛行体１の電極接点２６がグラウンドステーション２側の正電極接点５４ａと負電極接点５４ｂとに接触したとき、エネルギ源６０に貯留される電力を無人飛行体１のバッテリ１４に通電させるように構成される。

0030

エネルギ源６０は直流電力を供給するバッテリからなるが、それに限定されるものではなく、バッテリに代え、商用電力、あるいはガソリン燃料を供給されて動作するエンジン発電機などであっても良い。

0031

駆動部材５６は着陸部５２を昇降させる昇降機構とルーフ５０ｂを開閉する開閉機構とに接続され、エネルギ源６０から駆動力を供給されるとき、着陸部５２の昇降機構とルーフ５０ｂの開閉機構とを駆動するように構成される。

0032

駆動部材５６は具体的には、図６に示す如く、駆動手段（例えば電動モータ）５６ａと、駆動手段５６ａにベルト・プーリ機構５６ｂを介して連結されて駆動手段５６ａの回転に伴って回転するねじ軸５６ｃと、ねじ軸５６ｃに取り付けられてねじ軸５６ｃの回転につれて移動、正確にはＺ軸方向に昇降するナット５６ｄと、ナット５６ｄに取り付けられて昇降するプレート５６ｅとからなる。尚、駆動手段５６ａは油圧モータであっても良いことは言うまでもない。

0033

着陸部５２の昇降機構は、図４に示す如く、などについて説明すると、着陸部５２に一端で連結される第１リンク６２からなる。また、ルーフ５０ｂの開閉機構はルーフ５０ｂに一端で連結されると共に、他端で第１リンク６２に連結される第２リンク６４からなる。

0034

駆動部材５６において駆動手段５６ａはエネルギ源６０から通電されて駆動力を供給されるとき、ナット５６ｄを移動させて第１リンク６２を第２リンク６４に対して駆動することで駆動部材５６の昇降機構とルーフ５０ｂの開閉機構とを連動して駆動する。

0035

即ち、駆動部材５６のナット５６ｄが駆動手段５６ａの回転につれて上昇すると、第１リンク６２は上方に駆動されると共に、第２リンク６４も上方に駆動され、次いで第１リンク６２がさらに上方に駆動されると、図４に示すように着陸部５２は限界位置まで上昇すると共に、ルーフ５０ｂも全開させられる。

0036

尚、図６に示す如く、着陸部５２はプレート５６ｅとの間には、着陸部５２と同径の孔を有する円形ガイド６６と、円形ガイド６６からプレート５６ｅに向けて延びるポスト７０と、ポスト７０の内部から円形ガイド６６を貫通して着陸部５２に連結されるロッド７２が設けられ、それらによって着陸部５２の昇降が円滑に行われる。

0037

図１の説明に戻ると、無人飛行体１は電動モータ２４で回転駆動される複数個のロータ部１２とバッテリ１４と第１コントローラ４６とを備えると共に、地上に設置されるグラウンドステーション２は、ハウジング５０に設けられる着陸部５２と、第１コントローラ４６と双方向通信可能に接続される、第２の通信／グラウンドコントローラ（以下「第２コントローラ」という）７６を備える。

0038

第２コントローラ７６は、少なくとも１個のＭＰＵとメモリを備えたマイクロコンピュータを有する電子制御ユニット（Electronic Control Unit）からなり、遠隔地のオフィスなどに設置されるクラウド上のサーバ８０にアンテナなどの送受信手段によってイーサネット（登録商標）あるいは公衆電話通信網などを介して双方向通信可能に接続され、サーバ８０からの指示あるいはそこに格納される制御プログラムに従って動作するように構成される。

0039

図７は無人飛行体１側の第１コントローラ４６とグラウンドステーション２側の第２コントローラ７６の入出力関係を示す説明図である。

0040

尚、エネルギ源６０から充電用接点５４の正負電極接点５４ａ，５４ｂに印加される電圧は電圧計（検出回路）８２で検出され、その出力は第２コントローラ７６に入力される。即ち、充電用接点５４の正負電極接点５４ａ，５４ｂは、その間に無人飛行体１の電極接点２６が接触するまでは抵抗が無限大となる一方、接触すると接地されて所定の値となることから、第２コントローラ７６は、電圧計８２の出力から無人飛行体１がグラウンドステーション２に着陸したか否かを判断することができる。

0041

図８に示す如く、グラウンドステーション２は、着陸部５２に配置される、少なくとも３個の、第１、第２、第３ランドマーク群９０，９２，９４を備える。第１、第２、第３ランドマーク群９０，９２，９４は、より具体的には着陸部５２の外周のハウジング５０の付近でその下部のプレート５６ｅの内外に配置され、それぞれ少なくとも３個の信号発信素子（具体的にはＬＥＤ（発光素子）からなる）Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３と、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３と、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３とを備える。尚、ランドマーク群が４個以上であっても良く、信号発信素子が４個以上であっても良いことはいうまでもない。

0042

第１、第２、第３ランドマーク群９０，９２，９４はそれら少なくとも３個の信号発信素子から規定される面積が徐々に減少するように配置される。即ち、図９に示す如く、第１、第２、第３ランドマーク群９０，９２，９４は、３個の信号発信素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３；Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）の全てを含んで半径が最小となる円を一意に決定できるため、それらの円で規定される面積がＬ（大）、Ｍ（中）、Ｓ（小）と徐々に減少するように、プレート５６ｅ上あるいはその付近に配置される。

0043

また、図示の如く、３個の信号発信素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３；Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）は両端の素子Ｌ１，Ｌ３（Ｍ１，Ｍ３；Ｓ１，Ｓ３）を結ぶ３つの直線が規定の方向で、かつ相互に異なる方向を示すように所定のパターンで配置される。

0044

第１ランドマーク群９０は着陸部５２の受け部５２ａの位置を無人飛行体１に大まかに視認させると共に、第２、第３ランドマーク群９２，９４は受け部５２ａの位置とそこに着陸すべき基体１０の前部１０ａの方向とを視認させて無人飛行体１のハウジング５０への着陸を正確かつ容易にするように構成される。

0045

第１、第２、第３ランドマーク群９０，９２，９４を構成する信号発信素子Ｌｎ，Ｍｎ，Ｓｎ、即ち、ＬＥＤ（発光素子）の出力（光度）は第１、第２、第３ランドマーク群９０，９２，９４で同一とするが、ランドマーク群ごとに相違させても良く、あるいは着陸時の状況に応じて相違させても良い。

0046

尚、３個の信号発信素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３；Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）はこの実施形態では上記のようにＬＥＤ（発光素子）から構成するが、３個の信号発信素子はＬＥＤに限定されるものではなく、他の光エネルギを発信する素子であれば何でも良い。

0047

以下、この実施形態に係る無人飛行体の着陸誘導システムの動作を図１０フロー・チャートに従って説明する。尚、図１０の処理は、第１コントローラ４６と第２コントローラ７６の少なくともいずれか、具体的には主として第１コントローラ４６によって実行される。

0048

Ｓ１０においてＧＮＮＳ受信機（位置センサ）３４から得られるデータに基づき、グラウンドステーション２の配置位置を含む、無人飛行体１の飛行領域の地図に従って無人飛行体１をグラウンドステーション２の上方に移動（飛行）させる。図１１にその飛行領域を示す。

0049

次いでＳ１２に進み、ドライバ回路（図示せず）に指示して第１ランドマーク群９０の３つのＬＥＤ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）を点灯（発信）させる。

0050

次いでＳ１４に進み、第２カメラ３２ｂの撮像画像に第１ランドマーク群９０が撮像されているか（換言すれば第１ランドマーク群９０が検知されたか）否か判断する。

0051

Ｓ１４で肯定されるときは、Ｓ１６に進み、位置推定値（着陸用位置推定値）算出と、着陸動作範囲算出と、位置・速度制御と、ランドマーク面積算出とを実行する。

0052

図１２は位置推定値算出のサブ・ルーチン・フロー・チャートである。

0053

以下説明すると、Ｓ１００において第１ランドマーク群９０の画像を第２カメラ３２ｂから取得し、Ｓ１０２に画像上のＬＥＤ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）の位置（ｘ，ｙ座標空間上の位置）を取得する。

0054

次いでＳ１０４に進み、取得したＬＥＤの位置をバッファに保存し（後述するランドマーク面積算出で使用される）、Ｓ１０６に進み、後述するＰ３Ｐアルゴリズムを用いて３次元空間上の位置推定値（より具体的にはその複数の候補群）を算出する。次いでＳ１０８に進み、算出された位置推定値の候補群のうち、利用不可と判断される値を除外する。次いでＳ１１０に進み、図３に示すジャイロセンサ３０やＧＮＳＳ受信機などの内部センサの出力から得られる値と比較し、候補群の中でセンサ出力と最も近い値を着陸用位置推定値として決定する。

0055

この３次元空間上の位置推定は、Ｐ３Ｐアルゴリズムを用いたＭＰＥ（単眼姿勢推定手法）である下記のA Monocular Pose Estimation System based on InfraredLEDsを用いて行われる。尚、この推定手法の詳細は下記のサイトアドレスに示される論文に記載されているので、ここでは説明を省略する。

0056

次いでＳ１１２に進み、算出された位置推定値を第２のバッファに保存する（後述する
着陸動作範囲算出などで使用される）。

0057

図１０フロー・チャートに戻り、Ｓ１６の着陸動作範囲算出を説明すると、図１３はその処理を示すサブ・ルーチン・フロー・チャートである。

0058

同図の説明に入る前に、図１４から図１６を参照してその処理を説明すると、図１４は着陸動作範囲などを示す説明図、図１５はその算出式と使用パラメータを示す説明図、図１６は図１４と同様に着陸動作範囲などを示す説明図である。

0059

無人飛行体１がグラウンドステーション２に近づくとき、無人飛行体１の位置を適正に推定しないと、無人飛行体１のロータ２２などがハウジング５０などに接触するおそれがある。そこで、この実施形態では、Ｐ３Ｐアルゴリズムを用いたＭＰＥによって撮像画像上の２次元位置からｘ、ｙ、ｚ空間上の３次元位置を推定すると共に、公知のカルマンフィルタを用いて位置推定の分散（即ち、不確かさを示す値）を求めるようにした。

0060

図１４に示す着陸動作範囲（円柱）の半径dsrは図１５の式から求められるが、値xy_std（グラウンドステーションの中心、即ち、環状の着陸部５２の中心からの水平距離の推定値の標準偏差（即ち、不確かさを示す値））が大きくなるほど小さくなるように算出される。

0061

また、着陸動作範囲（円錐）の半径dcrは図１５の式から求められるが、ｚ方向の値が大きくなるほど高く、かつ値z_std（ｚ方向の推定値の標準偏差）が大きくなるほどは小さくなるように算出される。

0062

同図の式から明らかな如く、着陸動作範囲の半径lcrは、z方向の値が大きくなるほど高く、ｚ方向の推定値の標準偏差が大きくなるほど小さく、かつ水平方向の推定値の標準偏差が大きくなるほど小さくなるように算出される。

0063

このように、この実施形態においては、位置推定と位置推定の分散を利用して無人飛行体１のグラウンドステーション２での状態を判断して着陸動作範囲とその中の着陸可能範囲とを算出するようにした。

0064

従って、図１６に示す如く、推定値が同じでも分散が大きい、即ち、推定が不確かな場合は、着陸可能範囲は小さく算出され、よって無人飛行体１を早めに退避（上昇）させて着陸動作範囲内に確実に入るように誘導制御される。

0065

以上を前提として図１０フロー・チャートのＳ１６の着陸動作範囲算出を図１３に従って説明すると、Ｓ２００において図１２フロー・チャートのＳ１０６からＳ１１０で算出されてＳ１１２で保存された着陸用の位置推定値を第２バッファから取得し、上記したように着陸動作範囲と着陸可能範囲とを算出する。

0066

次いでＳ２０２に進み、推定された位置が算出された着陸動作範囲（円錐）の内部か否か判断し、肯定されるときはｚ方向について予め定められた速度で下降するように速度制御目標指令値を算出する。このとき、ｚ方向の速度制御目標指令値と共に、推定されたｘｙ位置の中心を位置制御目標指令値として第３バッファに保存する。

0067

他方、Ｓ２０２で否定されるときはＳ２０６に進み、ｚ方向について予め定められた速度で上昇（退避）するように速度制御目標指令値を算出する。即ち、推定された位置が算出された着陸動作範囲の外に出たと判断されるときは、無人飛行体１をｘ，ｙ，ｚ空間においてｚ方向に上昇させるように速度制御目標指令値を算出する。尚、このときも、ｚ方向の速度制御目標指令値と共に、推定されたｘｙ位置の現在位置を位置制御目標指令値として第３バッファに保存する。

0068

次いでＳ２０８に進み、推定された位置が算出された着陸可能範囲（円錐）の内部か否か判断し、肯定されるときはＳ２１０に進み、ｚ方向について一定速度で下降するように速度制御目標指令値を算出し、そのときのｚ方向の速度制御目標指令値を第４バッファに保存する。尚、Ｓ２０８で否定されるときはＳ２１０をスキップする。

0069

図１０フロー・チャートに戻り、次いでＳ１６の位置・速度制御を説明すると、図１７はその処理を示すサブ・ルーチン・フロー・チャートである。

0070

以下説明すると、Ｓ３００において図１２フロー・チャートのＳ１０６で計算された着陸用位置推定値を第２バッファから取得し、Ｓ３０２に進み、ｚ方向の速度制御目標指令値とｘｙ方向の位置制御目標指令値を第３、第４バッファから取得し、Ｓ３０４に進み、所得した値に基づいて位置・速度制御を実行する。

0071

図１０フロー・チャートに戻り、次いでＳ１６のランドマーク面積計算を説明すると、図１８はその処理を示すサブ・ルーチン・フロー・チャートである。

0072

以下説明すると、Ｓ４００において第１ランドマーク群９０の３個のＬＥＤ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）の位置を図１２フロー・チャートのＳ１０４で保存されたバッファから取得し、Ｓ４０２に進み、画像内でそれらの占める面積を算出する。

0073

これは図９を参照して説明した３個のＬＥＤ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）の全てを含んで半径が最小となる円を求め、それが第２カメラ３２ｂの出力画像の中で示す面積を算出することで行う。

0074

図１０フロー・チャートの説明に戻ると，Ｓ１８に進み、第１ランドマーク群９０の３個のＬＥＤが画像内で所定面積以上、例えば５０％以上を占めているか否か判断し、否定されるときはＳ１６に戻って処理を繰り返す。

0075

他方、Ｓ１８で肯定されるときはＳ２０に進み、ドライバ回路（図示せず）に指示して第１ランドマーク群９０の３つのＬＥＤを消灯させると共に、第２ランドマーク群９２の３つのＬＥＤ（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）を点灯（発信）させる（換言すれば、ランドマーク群を切り替える）。

0076

次いでＳ２２に進み、第２カメラ３２ｂの撮像画像に第２ランドマーク群９２が撮像されているか（換言すれば、第２ランドマーク群９２が検知されたか）否か判断する。

0077

Ｓ２２で否定されるときはＳ２０に戻って処理を繰り返す一方、肯定されるときは、Ｓ２４に進み、Ｓ１６と同様、位置推定値算出と、着陸動作範囲などの算出と、位置・速度制御と、ランドマーク面積算出とを実行する。

0078

次いでＳ２６に進み、第２ランドマーク群９２の３個のＬＥＤが画像内で所定面積以上、例えば５０％以上を占めているか否か判断し、否定されるときはＳ２４に戻って処理を繰り返す。

0079

他方、Ｓ２６で肯定されるときはＳ２８に進み、グラウンドステーション２のドライバ回路（図示せず）に指示して第２ランドマーク群９２の３つのＬＥＤを消灯させると共に、第３ランドマーク群９４の３つのＬＥＤ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）を点灯（発信）させる（ランドマーク群を切り替える）。

0080

次いでＳ３０に進み、第２カメラ３２ｂの撮像画像に第３ランドマーク群９４が撮像されているか（第３ランドマーク群９４が検知されたか）否か判断する。

0081

Ｓ３０で否定されるときはＳ２８に戻る一方、肯定されるときは、Ｓ３２に進み、Ｓ１６と同様、位置推定値算出と、着陸動作範囲などの算出と、位置・速度制御と、ランドマーク面積算出とを実行する。

0082

尚、Ｓ３２において図１３に示す着陸動作範囲算出のＳ２０６において無人飛行体１をｚ方向に上昇させるとき、上昇させた高度が大きいときはＳ１４に戻っての第１ランドマーク群のＬＥＤ検知あるいはＳ２２に戻っての第２ランドマーク群のＬＥＤ検知を行うことになる。即ち、状況に応じてＳ１４，Ｓ２２，Ｓ３０に適宜戻って制御を継続する。

0083

次いでＳ３４に進み、無人飛行体１がグラウンドステーション２の着陸部５２に着陸したことを電圧計８２の出力から確認する。

0084

次いでＳ３６に進み、ロータ２２を停止させる。次いでＳ３８に進み、適宜な手法でバッテリ１４が充電されたことを検知してバッテリ１４への電力供給を停止する。

0085

尚、Ｓ１４で否定されて第２カメラ３２ｂの撮像画像に第１ランドマーク群９０が撮像されていないと判断されるとき、換言すればグラウンドステーション２の上方に誘導されていないと判断されるときはＳ４０に進み、所定の飛行手順に従って所定時間の間、グラウンドステーション２を探索する飛行に移行する。

0086

図１９はその所定の飛行手順の一例を示す。同図（ａ）に示す場合は旋回によって行う。即ち、グラウンドステーション２の方向とそれまでの距離が不明であるので、全方位を探索しつつ、探索範囲を広げて飛行する。このとき、同図（ａ）に示す如く、速度ｖを一定で旋回するのが望ましい。

0087

尚、所定の飛行手順は旋回に限られるものではなく、図１９（ｂ）に示すような三角状に飛行させる、あるいは同図（ｃ）に示すように方形状に飛行させるものであっても良い。

0088

次いでＳ４２に進み、所定時間が経過したか否か判断し、否定されるときはＳ１２に戻る一方、肯定されるときはＳ４４に進み、図１１に示す飛行領域の規定場所、より詳しくはＦ／Ｓ時緊急着陸区域に緊急着陸させる。

0089

このように、無人飛行体１がグラウンドステーション２の上方に誘導され（図１０フロー・チャートのＳ１０）、撮像画像にランドマーク群９０（９２，９４）が撮像されるとき、その撮像画像の画面全体に占める面積を算出し（Ｓ１８，Ｓ２６）、算出された面積が所定面積以上のとき、ランドマーク群９０（９２，９４）を切り替えてその撮像画像からグラウンドステーション２に対する無人飛行体１のｘ，ｙ，ｚ空間上の位置を推定し（Ｓ１６（Ｓ２４，Ｓ３２），Ｓ１００からＳ１１２）、推定されたｘ，ｙ，ｚ空間上の位置から無人飛行体１の着陸動作範囲を算出し，それに基づいて前記無人飛行体の前記着陸部への着陸を誘導制御する（Ｓ１６（Ｓ２４，Ｓ３２），Ｓ２００からＳ２１０；Ｓ３０２からＳ３０４）ように構成したので、無人飛行体１をグラウンドステーション２の着陸部５２に精度良く誘導することができる。

0090

即ち、この実施形態にあっては、基体１０に取り付けられて電動モータ２４で回転駆動される複数個のロータ部１２と、前記電動モータの電気エネルギを貯留するバッテリ１４と、（マイクロコンピュータからなる）第１コントローラ（通信／フライトコントローラ４６）とを有する無人飛行体１と、地上に設置されると共に、着陸部５２と、（マイクロコンピュータからなり、）前記第１コントローラと通信可能な第２コントローラ（通信／グラウンドコントローラ７６）と、電源（エネルギ源６０）とを有するグラウンドステーション２とを備え、前記無人飛行体を前記グラウンドステーションの着陸部に誘導して着陸させる、より具体的には着陸させて前記電源から前記バッテリを充電させる無人飛行体の着陸誘導システムにおいて、前記グラウンドステーションの着陸部に配置され、それぞれ少なくとも３個の信号出力素子（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３；Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３；Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）からなると共に、前記少なくとも３個の信号発信素子から規定される面積が徐々に減少するように配置される少なくとも第１、第２、第３ランドマーク群９０，９２，９４と、前記無人飛行体の下部に配置されて前記無人飛行体の下方を撮像して撮像画像を出力するカメラ（第２カメラ３２ｂ）とを備えると共に、前記第１コントローラと第２コントローラの少なくともいずれか、より具体的には第１コントローラは、前記無人飛行体が前記グラウンドステーションの上方に誘導されて前記撮像画像に前記ランドマーク群９０（９２，９４）が撮像されるとき（図１０フロー・チャートのＳ１０）、その撮像画像の画面全体に占める面積を算出する画像面積算出部（Ｓ１６，Ｓ２４，Ｓ３２；Ｓ４００からＳ４０２）と、前記画像面積算出部で算出された面積が所定面積以上のとき、前記ランドマーク群を順次切り替えるランドマーク切り替え部（Ｓ１８，Ｓ２０，Ｓ２６，Ｓ２８）と、前記（ランドマーク切り替え部で）切り替えられたランドマーク群の撮像画像から前記グラウンドステーションに対する前記無人飛行体のｘ，ｙ，ｚ空間上の位置を推定する位置推定部（Ｓ１６，Ｓ２４，Ｓ３２；Ｓ１００からＳ１１２）と、前記位置推定部で推定されたｘ，ｙ，ｚ空間上の位置から前記無人飛行体の着陸動作範囲を算出する着陸動作範囲算出部（Ｓ１６，Ｓ２４，Ｓ３２；Ｓ２００からＳ２１０；Ｓ３０２からＳ３０４）と、前記着陸動作範囲算出部で算出された着陸動作範囲に基づいて前記無人飛行体の前記着陸部への着陸を誘導制御する誘導制御部（Ｓ１６，Ｓ２４，Ｓ３２；Ｓ２００からＳ２１０；Ｓ３０２からＳ３０４）とを備える如く構成したので、無人飛行体１をグラウンドステーション２の着陸部５２に精度良く誘導することができる。

0091

即ち、ランドマーク群９０，９２，９４は３個の信号発信素子から規定される面積が徐々に減少するように配置されることから、無人飛行体１が着陸部５２に近づいたとき、信号発信素子が第２カメラ３２ｂの撮像画面から外れるのを効果的に防止することができる。

0092

また、誘導制御部は算出された着陸動作範囲に基づいて誘導制御するので、無人飛行体１の推定位置が算出された着陸動作範囲の中に入った場合は直陸動作（ロータ２２停止・降下）を行う一方、着陸動作範囲の外に出たときはｚ方向に退避させることが可能となり、無人飛行体１を着陸部５２に精度良く誘導することができる。

0093

また、撮像されたランドマーク群のｘ、ｙの２次元位置から例えばＭＰＥ（Ｐ３Ｐアルゴリズム）を使用するなどしてｘ、ｙ、ｚの３次元空間位置を推定することで、無人飛行体１の位置を精度良く推定することができ、よって着陸部５２に精度良く誘導することができる。

0094

また、前記ランドマーク切り替え部は前記画像面積算出部で算出された面積が所定面積以上のとき、前記第１、第２、第３の順に前記ランドマーク群９０，９２，９４を切り替え、前記誘導制御部は前記切り替えられたランドマーク群に基づいて前記無人飛行体の前記着陸部への着陸を誘導制御する如く構成したので、上記した効果に加え、信号発信素子が第２カメラ３２ｂの撮像画面から外れるのを一層効果的に防止することができる。

0095

また、前記着陸動作範囲算出部は、前記推定された位置とその不確かさを示す値とを求め、前記推定された位置とその不確かさを示す値とから前記着陸動作範囲を算出する如く構成したので、上記した効果に加え、位置の推定値だけではなく、不確かさも考慮することで無人飛行体１を着陸部５２に一層精度良く誘導することができる。

0096

また、前記着陸動作範囲算出部は、前記推定された位置の不確かさを示す値が増大するほど減少するように前記着陸動作範囲を算出する如く構成したので、推定が不確かな場合には早めに退避させることも可能となり、よって無人飛行体１を着陸部５２に一層精度良く誘導することができる。

0097

また、前記誘導制御部は、前記推定された位置が前記算出された着陸動作範囲の外に出たと判断されるときは、前記無人飛行体１を前記ｘ，ｙ，ｚ空間においてｚ方向に上昇するように誘導制御する如く構成したので、安全方向に退避させることができ、よって無人飛行体１を着陸部５２に一層精度良く誘導することができる。それに加え、このように制御することで無人飛行体1のヨー軸方向の向きを常に同じ向きで着陸させることができ、充電用接点５４に確実に接触させることが可能となって次の離陸時の準備などの信頼性を向上させることができる。

0098

また、前記第１コントローラ４６は、前記グラウンドステーションの配置位置を含む無人飛行体１の飛行領域を示す地図に従って前記無人飛行体１を前記グラウンドステーション２の上方に誘導した後、前記カメラ３２ｂが前記ランドマーク群の撮像画像も出力しないとき、前記グラウンドステーションの上方に誘導されなかったと判断し、前記無人飛行体を所定の飛行手順に従って飛行させて前記グラウンドステーションを再度探索させる（Ｓ４０からＳ４４）如く構成したので、上記した効果に加え、グラウンドステーション２が検知されない場合も再度探索させることで、グラウンドステーション２を確実に検知することができる。

0099

また、前記第１コントローラ４６は、前記グラウンドステーション２の上方に誘導されなかったと判断したとき、前記無人飛行体１を規定時間に限って前記所定の飛行手順に従って飛行させる（Ｓ４２）如く構成したので、上記した効果に加え、探索を不要に長引かせることがない。

0100

また、前記第１コントローラ４６は、前記規定時間が経過したとき、前記無人飛行体１を既定場所に緊急着陸させる（Ｓ４４）如く構成したので、上記した効果に加え、無人飛行体１を安全に着陸させることができる。

0101

また、前記カメラは、９４０ｎｍ近傍の波長のみを通過させるフィルタを装着されてなる如く構成したので、上記した効果に加え、この波長は地表での太陽スペクトルの値が極めて低いことから、これによって他の強い波長成分による外乱を防止することができる。

0102

尚、上記において無人飛行体をクアッドコプタ型のドローンを例にとって説明したが、無人飛行体はそれに止まるものではなく、基体に取り付けられる複数個のロータの下方から延びる複数本のアームを備えるものであれば、ヘキサコプタ、オプトコプタ型などどのような飛行体であっても良い。

0103

１無人飛行体、２グラウンドステーション、１０基体、１２ロータ部、１４バッテリ、１６アーム、１６ａ円形リング、１６ｂ集合部、２０ ロータ取り付け軸、２２ ロータ、２４電動モータ、２６電極接点、３０ジャイロセンサ、３２ａ 第１カメラ、３２ｂ 第２カメラ、３４ＧＮＳＳ受信機、３６高度計、４０障害物検知センサ、４６通信／フライトコントローラ（第１コントローラ）、５０ハウジング、５０ａ側壁、５０ｂルーフ、５０ｃ格納空間、５０ｄキャスタ・固定具、５２着陸部、５２ａ 受け部、５４充電用接点、５４ａ正電極接点、５４ｂ負電極接点、５６駆動部材、５６ａ 駆動手段（電動モータ）、５６ｂベルト・プーリ機構、５６ｃ ねじ軸、５６ｄナット、５６ｅプレート、６０エネルギ源、６２ 第１リンク、６４ 第２リンク、６６円形ガイド、７０ポスト、７２ロッド、７６ 通信／グラウンドコントローラ（第２コントローラ）、８０サーバ、８２電圧計（検出回路）、９０ 第１ランドマーク群、９２ 第２ランドマーク群、９４ 第３ランドマーク群