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技術 無人飛行体の着陸誘導システム

出願人 ラピュタロボティックス株式会社
発明者 レイモンド・オングコナー・スミスクリストフ・ドゥブス岡本悠
出願日 2017年9月13日 (3年5ヶ月経過) 出願番号 2017-175377
公開日 2019年4月4日 (1年10ヶ月経過) 公開番号 2019-051741
状態 未査定
技術分野 飛行船・気球・飛行機 交通制御システム
主要キーワード 長円筒体 大略三角形状 折曲形状 信号出力素子 取り付け軸 無人飛行体 使用パラメータ プーリ機構
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

無人飛行体グラウンドステーションの上方に誘導して登載カメラ着陸部に配置されるランドマーク群を撮像した画像からx,y,z空間上の位置を推定し、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無人飛行体の着陸誘導システムを提供する。

解決手段

無人飛行体がグラウンドステーションの上方に誘導されて撮像画像にランドマーク群が撮像されるとき、撮像画像の画面全体に占める面積を算出し、算出された面積が所定面積以上のとき、ランドマーク群を順次切り替え(S18,S20,S26,S28)、切り替えられたランドマーク群の撮像画像からグラウンドステーションに対する無人飛行体のx,y,z空間上の位置を推定し、それから無人飛行体の着陸動作範囲を算出し、算出された着陸動作範囲に基づいて無人飛行体の着陸部への着陸を誘導制御する(S16,S24,S32)。

概要

背景

無人飛行体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。

概要

無人飛行体をグラウンドステーションの上方に誘導して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た画像からx,y,z空間上の位置を推定し、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無人飛行体の着陸誘導システムを提供する。無人飛行体がグラウンドステーションの上方に誘導されて撮像画像にランドマーク群が撮像されるとき、撮像画像の画面全体に占める面積を算出し、算出された面積が所定面積以上のとき、ランドマーク群を順次切り替え(S18,S20,S26,S28)、切り替えられたランドマーク群の撮像画像からグラウンドステーションに対する無人飛行体のx,y,z空間上の位置を推定し、それから無人飛行体の着陸動作範囲を算出し、算出された着陸動作範囲に基づいて無人飛行体の着陸部への着陸を誘導制御する(S16,S24,S32)。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
0件

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請求項1

基体に取り付けられて電動モータ回転駆動される複数個ロータ部と、前記電動モータの電気エネルギ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、を備えることを特徴とする無人飛行体の着陸誘導システム。

請求項2

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ことを特徴とする請求項1記載の無人飛行体の着陸誘導システム。

請求項3

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とから前記着陸動作範囲を算出することを特徴とする請求項1または2記載の無人飛行体の着陸誘導システム。

請求項4

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ことを特徴とする請求項3記載の無人飛行体の着陸誘導システム。

請求項5

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ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の無人飛行体の着陸誘導システム。

請求項6

前記第1コントローラは、前記グラウンドステーションの配置位置を含む前記無人飛行体の飛行領域を示す地図に従って前記無人飛行体を前記グラウンドステーションの上方に誘導すると共に、前記カメラ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項に記載の無人飛行体の着陸誘導システム。

請求項7

前記第1コントローラは、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たとき、前記無人飛行体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ことを特徴とする請求項6記載の無人飛行体の着陸誘導システム。

請求項8

前記第1コントローラは、前記規定時間が経過したとき、前記無人飛行体を既定場所に緊急着陸させることを特徴とする請求項7記載の無人飛行体の着陸誘導システム。

請求項9

前記カメラは、940nm近傍波長のみを通過させるフィルタを装着されてなることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の無人飛行体の着陸誘導システム。

技術分野

0001

この発明は無人飛行体着陸誘導システムに関する。

背景技術

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。

先行技術

0003

米国特許第9429953号明細書

発明が解決しようとする課題

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。

課題を解決するための手段

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回転駆動される複数個ロータ部と、前記電動モータの電気エネルギ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。

図面の簡単な説明

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ルーフ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リンク昇降機構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。

実施例

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図1の無人飛行体の斜視図、図4図2のハウジングの側面断面図、図5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図6のリンクの昇降機構のプレートの説明上面図、図9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図1の無人飛行体の飛行領域の説明図、図12図13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図18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GNN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はその算出式使用パラメータを示す説明図、図16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推定値標準偏差(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

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