JP2018013337A - 飛行物体の誘導位置決め装置および方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ドローン等の飛行物体の3次元位置を、地上から直接、高精度に位置決め制御することを可能とするための方法および装置を提供する。【解決手段】地上にパン角とチルト角の制御が可能な2軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータを設置してその上にレーザ距離計測器を搭載し、レーザ光を飛行物体に照射した際のパン角、チルト角、飛行物体までの距離を同時に計測することで、前記パンチルトアクチュエータによってレーザ光の照射方向を移動させつつ、前記飛行物体内蔵の移動手段を用いてレーザ光のスポット位置が前記レシーバ装置の中心に位置する状態を保持させながら、飛行物体を誘導目標3次元位置座標に誘導する。【選択図】図1
Description
本発明は、飛行物体の誘導位置決め装置および方法に関し、より詳細には、地上に設置したパン角、チルト角の制御が可能なパンチルトアクチュエータ上に搭載したレーザ距離計測器によって飛行物体までの距離を測定し、その時のパン角とチルト角とから、パンチルトアクチュエータの設置位置を基準として飛行物体の現在の3次元位置座標値を求め、別途設定された飛行物体の誘導目標3次元位置座標値と現在位置とから飛行物体の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として求め、パンチルトアクチュエータのパン角およびチルト角を操作し、同時に、飛行物体の鉛直線方向移動量を飛行物体内蔵の飛行物体操作部に送出して、レーザ距離計測器から飛行物体に照射されるレーザ光の照射方向を移動させながら、このレーザ光を飛行物体に追尾させることで飛行物体を所定の3次元位置に誘導位置決めするための装置と方法に関する。
ドローン等の飛行物体の3次元位置を地上から正確に制御するためには、まず、物体代表点の3次元空間座標を正確に計測する必要がある。従来の3次元位置計測法としてGPSが幅広く利用されているが、計測精度は高々数メートル程度であり、高精度な位置決め装置には適用できない。
飛行物体の3次元位置を高精度に測定することを目的とした従来技術として、飛行物体を画像追尾してその方向角を計測すると共に、飛行物体までの距離をレーザ距離計測器で計測することにより飛行物体の3次元位置を計測する装置に関する報告があるが、飛行物体の3次元位置を誘導制御するための機能は備えていない。(特許文献1)
飛行物体の誘導位置決め装置に関する従来技術として、加速度センサとGPSを用いた複合航法システムを搭載した小型無人ヘリコプタの誘導制御装置に関する報告があるが、その3次元位置決め精度は数メートル程度にとどまっている。(非特許文献1)
他に、飛行物体にカメラを搭載し、搭載したカメラから得られる視覚情報を基に飛行物体の3次元位置決めをする誘導制御装置に関する報告があるが、その3次元位置決め精度も数メートル程度にとどまっている。(非特許文献2)
鈴木智, 中澤大輔, 田原誠, 野波健蔵, "安価GPSを用いた小型電動ヘリコプタの誘導制御", 第11回「運動と振動の制御」シンポジウム講演論文集,pp.175-180 (2009)
飯村健, 大竹博, 田中一男, 跡治保尭, "搭載カメラのみを用いた屋内用小型ヘリコプタの自己位置・姿勢推定と飛行制御", ロボティクス・メカトロニクス講演会講演概要集 2009 (2009)
本発明の目的は、従来法における「高精度な3次元位置決めが困難」という課題を解決し、地上からの誘導制御によって、飛行物体の3次元位置を高精度に制御することができる装置および方法を提供することにある。
係る目的を達成するため、本発明の飛行物体の誘導位置決め装置は、
2軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータと、該パンチルトアクチュエータ上に搭載されて飛行物体との相対距離を測定するレーザ距離計測器と、前記飛行物体の下部に取り付けられた、前記レーザ距離計測器から照射されたレーザ光のスポット位置が測定可能なレシーバ装置と、前記パンチルトアクチュエータのパン角とチルト角と、前記レーザ距離計測器での測定値から、前記パンチルトアクチュエータの設置位置を基準として前記飛行物体の3次元位置座標値を求める飛行物体3次元位置演算部と、該飛行物体3次元位置演算部で得られた前記飛行物体の3次元座標値と別途設定された飛行物体の誘導目標3次元位置座標値とから前記飛行物体の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として算出する飛行物体移動量演算部と、該飛行物体移動量演算部での演算結果を受けて、前記鉛直線方向移動量を飛行物体内蔵の飛行物体操作部に送出すると同時に前記パンチルトアクチュエータのパン角およびチルト角を制御する制御部からなることを特徴とする。
2軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータと、該パンチルトアクチュエータ上に搭載されて飛行物体との相対距離を測定するレーザ距離計測器と、前記飛行物体の下部に取り付けられた、前記レーザ距離計測器から照射されたレーザ光のスポット位置が測定可能なレシーバ装置と、前記パンチルトアクチュエータのパン角とチルト角と、前記レーザ距離計測器での測定値から、前記パンチルトアクチュエータの設置位置を基準として前記飛行物体の3次元位置座標値を求める飛行物体3次元位置演算部と、該飛行物体3次元位置演算部で得られた前記飛行物体の3次元座標値と別途設定された飛行物体の誘導目標3次元位置座標値とから前記飛行物体の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として算出する飛行物体移動量演算部と、該飛行物体移動量演算部での演算結果を受けて、前記鉛直線方向移動量を飛行物体内蔵の飛行物体操作部に送出すると同時に前記パンチルトアクチュエータのパン角およびチルト角を制御する制御部からなることを特徴とする。
また、前記レシーバ装置は、前期レーザ距離計測器から照射されたレーザ光のスポットを投影するためのスクリーンと、該スクリーンの後方に設置されて該スクリーン上の前記レーザ光のスポット位置を撮像するカメラとで構成されることを特徴とする。
さらに、前記パンチルトアクチュエータ上に、前記レーザ距離計測器と並行に、ズーミング可能な飛行物体撮像用カメラを設置したことを特徴とする。
係る目的を達成するため、本発明の飛行物体の誘導位置決め方法は、
地上の所定位置に2軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータと、該パンチルトアクチュエータ上に搭載されたレーザ距離計測器を設置し、前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角を制御して空中に停止した前記飛行物体の下部に搭載したレシーバ装置に前記レーザ距離計測器からレーザ光を照射して、飛行物体3次元位置演算部で、前記レーザ距離計測器での測定値とその時の前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角とから、前記パンチルトアクチュエータの設置位置を基準として前記飛行物体の3次元位置座標値を求め、飛行物体移動量演算部で、前記3次元位置座標値と予め設定されている前記飛行物体の誘導目標3次元位置座標値とから前記飛行物体の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として算出し、制御部によって前記パンチルトアクチュエータのパン角およびチルト角を操作し、同時に、前記飛行物体の鉛直線方向の移動量を前記飛行物体に内蔵された飛行物体操作部に送出して、前記移動量だけ前記飛行物体を移動させることを特徴とする。
地上の所定位置に2軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータと、該パンチルトアクチュエータ上に搭載されたレーザ距離計測器を設置し、前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角を制御して空中に停止した前記飛行物体の下部に搭載したレシーバ装置に前記レーザ距離計測器からレーザ光を照射して、飛行物体3次元位置演算部で、前記レーザ距離計測器での測定値とその時の前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角とから、前記パンチルトアクチュエータの設置位置を基準として前記飛行物体の3次元位置座標値を求め、飛行物体移動量演算部で、前記3次元位置座標値と予め設定されている前記飛行物体の誘導目標3次元位置座標値とから前記飛行物体の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として算出し、制御部によって前記パンチルトアクチュエータのパン角およびチルト角を操作し、同時に、前記飛行物体の鉛直線方向の移動量を前記飛行物体に内蔵された飛行物体操作部に送出して、前記移動量だけ前記飛行物体を移動させることを特徴とする。
また、本発明の飛行物体の誘導位置決め方法は、前記レーザ光を前記レシーバ装置に照射した状態で、前記レシーバ装置に照射されたレーザ光のスポット位置が前記レシーバ装置のスクリーンの中心部に位置するように前記飛行物体操作部によって前記飛行物体を水平面内でフィードバック制御すると同時に、前記飛行物体内蔵の飛行物体操作部によって前記飛行物体移動量演算部が指示する鉛直線方向移動量だけ移動させることを特徴とする。
また、前記制御部は、前記レシーバ装置からの前記レーザ光のスポットが前記レシーバ装置のスクリーン上に存在するか否かの信号を受けて、スクリーン上に存在する場合は前記飛行物体の誘導位置決め制御を継続し、レーザ光のスポットがスクリーン上に存在しないときは前記飛行物体の誘導位置決め制御を停止して前記飛行物体がその場に留まるよう制御することを特徴とする。
また、前記制御部は、前記パンチルトアクチュエータ上に搭載した前記飛行物体撮像用カメラで撮像した前記飛行物体の画面内位置情報から、前記飛行物体が前記飛行物体撮像用カメラの画面中央位置となるように前記パンチルトアクチュエータのパン角とチルト角を制御することを特徴とする。
以上説明したように、本発明の飛行物体の誘導位置決め装置および方法によれば、
地上に2軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータと、該パンチルトアクチュエータ上に搭載されたレーザ距離計測器を設置し、前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角を制御して空中に停止した飛行物体の下部に搭載したレシーバ装置に前記レーザ距離計測器からレーザ光を照射して該レーザ距離計測器での測定値とその時の前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角とから、前記パンチルトアクチュエータの設置位置を基準として前記飛行物体の3次元位置座標値を求め、前記飛行物体の現在の3次元位置座標値と予め設定されている飛行物体の誘導目標3次元位置座標値とから前記飛行物体の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として算出して前記パンチルトアクチュエータのパン角およびチルト角を操作しながら、前記レシーバ装置に照射されたレーザ光のスポット位置が該レシーバ装置のスクリーン上の中心部に位置するように前記飛行物体に内蔵された飛行物体操作部によって前記飛行物体を水平面内でフィードバック制御すると同時に、前記鉛直線方向移動量だけ前記飛行物体を鉛直線方向に移動させることができるため、飛行物体の高精度な3次元誘導位置決め制御が可能になる。
地上に2軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータと、該パンチルトアクチュエータ上に搭載されたレーザ距離計測器を設置し、前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角を制御して空中に停止した飛行物体の下部に搭載したレシーバ装置に前記レーザ距離計測器からレーザ光を照射して該レーザ距離計測器での測定値とその時の前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角とから、前記パンチルトアクチュエータの設置位置を基準として前記飛行物体の3次元位置座標値を求め、前記飛行物体の現在の3次元位置座標値と予め設定されている飛行物体の誘導目標3次元位置座標値とから前記飛行物体の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として算出して前記パンチルトアクチュエータのパン角およびチルト角を操作しながら、前記レシーバ装置に照射されたレーザ光のスポット位置が該レシーバ装置のスクリーン上の中心部に位置するように前記飛行物体に内蔵された飛行物体操作部によって前記飛行物体を水平面内でフィードバック制御すると同時に、前記鉛直線方向移動量だけ前記飛行物体を鉛直線方向に移動させることができるため、飛行物体の高精度な3次元誘導位置決め制御が可能になる。
また、前記制御部が、前記レシーバ装置からの、前記レーザ距離計測器から飛行物体に照射されたレーザ光のスポットが該飛行物体の下部に取り付けられたレシーバ装置のスクリーン上に存在するか否かの信号を受けて、スクリーン上に存在する場合は飛行物体の誘導位置決め制御を継続し、レーザ光のスポットがスクリーン上に存在しないときは飛行物体の誘導位置決め制御を停止して飛行物体がその場に留まるよう制御することで、前記レーザ距離計測器が飛行物体を見失ったときも、システムが暴走することなく、飛行物体の誘導位置決め制御装置の安定した動作が可能となる。
また、前記パンチルトアクチュエータ上に搭載した前記飛行物体撮像用カメラで撮像した前記飛行物体の画面内位置情報から、前記飛行物体が前記飛行物体撮像用カメラの画面中央位置となるように前記パンチルトアクチュエータのパン角とチルト角を制御することで、前記レーザ距離計測器が飛行物体を見失ったときもその復旧が容易になり、飛行物体の誘導位置決め制御装置の簡便な操作が可能となる。
「図1」本発明の飛行物体の誘導位置決め制御装置の装置構成とその座標系を示す図である。
「図2」本発明の一実施形態にかかるレーザ光のレシーバ装置の構成とその座標系を示す図である。
「図3」本発明の一実施形態にかかるシステム構成を示す構成図である。
「図4」本発明の一実施形態にかかる操作・測定・データ処理手順の概要を示す図である。
「図5」本発明の一実施形態にかかるレーザ光による飛行物体の誘導制御系の構成を示すブロック図である。
「図6」本発明の一実施形態にかかる、飛行物体撮像用カメラでの飛行物体の探索に係る制御系の構成を示すブロック図である。
「図7」本発明の原理的妥当性を確認するための地上実験の装置構成を示す図である。
「図8(a)」レーザ距離計測器からレシーバ装置に照射されたレーザ光スポットの撮像画面である。
「図8(b)」レーザ距離計測器からレシーバ装置に照射されたレーザ光スポットの撮像画面を2値化処理した画像である。
「図9(a)」地上実験でのパンチルトアクチュエータのパン角の時系列データを示す図である。
「図9(b)」地上実験でのパンチルトアクチュエータのチルト角の時系列データを示す図である。
「図9(c)」地上実験でのレーザ距離計測器の時系列データを示す図である。
「図10(a)」図9(a)、図9(b)、図9(c)とから計算される、スクリーン上でのレーザ光のスポット位置のX座標を示す図である。
「図10(b)」図9(a)、図9(b)、図9(c)とから計算される、スクリーン上でのレーザ光のスポット位置のY座標を示す図である。
「図11」レーザ光に追従して移動した平面移動ロボットの車輪回転数から計算される自己位置推定値
の時系列データを示す図である。
「図12」図11のデータをXY平面にプロットした、平面移動ロボットの移動軌跡を示す図である。
「図13」レシーバ装置のスクリーン上でのレーザスポット位置の時系列データを示す図である。
「図2」本発明の一実施形態にかかるレーザ光のレシーバ装置の構成とその座標系を示す図である。
「図3」本発明の一実施形態にかかるシステム構成を示す構成図である。
「図4」本発明の一実施形態にかかる操作・測定・データ処理手順の概要を示す図である。
「図5」本発明の一実施形態にかかるレーザ光による飛行物体の誘導制御系の構成を示すブロック図である。
「図6」本発明の一実施形態にかかる、飛行物体撮像用カメラでの飛行物体の探索に係る制御系の構成を示すブロック図である。
「図7」本発明の原理的妥当性を確認するための地上実験の装置構成を示す図である。
「図8(a)」レーザ距離計測器からレシーバ装置に照射されたレーザ光スポットの撮像画面である。
「図8(b)」レーザ距離計測器からレシーバ装置に照射されたレーザ光スポットの撮像画面を2値化処理した画像である。
「図9(a)」地上実験でのパンチルトアクチュエータのパン角の時系列データを示す図である。
「図9(b)」地上実験でのパンチルトアクチュエータのチルト角の時系列データを示す図である。
「図9(c)」地上実験でのレーザ距離計測器の時系列データを示す図である。
「図10(a)」図9(a)、図9(b)、図9(c)とから計算される、スクリーン上でのレーザ光のスポット位置のX座標を示す図である。
「図10(b)」図9(a)、図9(b)、図9(c)とから計算される、スクリーン上でのレーザ光のスポット位置のY座標を示す図である。
「図11」レーザ光に追従して移動した平面移動ロボットの車輪回転数から計算される自己位置推定値
の時系列データを示す図である。
「図12」図11のデータをXY平面にプロットした、平面移動ロボットの移動軌跡を示す図である。
「図13」レシーバ装置のスクリーン上でのレーザスポット位置の時系列データを示す図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。各図において、同一の構成要素は同一番号をつけて示し、簡略化のためその説明を省略することがある。
図1は本発明の飛行物体の誘導位置決め制御装置の装置構成を示す図であり、図2は飛行物体の下部に取り付けられたレーザ光のレシーバ装置の構成とその座標系を示す図である。
図1において、1は位置制御の対象となるホバリング動作が可能な飛行物体であり、座標系
は飛行物体に固定された座標系である。
2は地上に設置されたパン角、チルト角の2軸自由度を持ったパンチルトアクチュエータであり、パンチルトアクチュエータ2上には飛行物体1との距離を測定するレーザ距離計測器3とズーミング可能な飛行物体撮像用カメラ4が搭載されている。パンチルトアクチュエータ2は、水平面を基準面とし、パンチルト回転位置を中心点とする球面極座標系
を有している。
図2において、5は飛行物体1の下部に搭載され、レーザ距離計測器3から飛行物体1に向けて照射されたレーザ光のスポット位置を検出するためのレシーバ装置であり、レシーバ装置5は、レーザ光が照射される半透明のスクリーン6とスクリーン6上のレーザ光のスポット位置を撮影するためのカメラ7とで構成されている。
レシーバ装置5の座標系は前記飛行物体の座標系と一致している。
図1において、1は位置制御の対象となるホバリング動作が可能な飛行物体であり、座標系
は飛行物体に固定された座標系である。
2は地上に設置されたパン角、チルト角の2軸自由度を持ったパンチルトアクチュエータであり、パンチルトアクチュエータ2上には飛行物体1との距離を測定するレーザ距離計測器3とズーミング可能な飛行物体撮像用カメラ4が搭載されている。パンチルトアクチュエータ2は、水平面を基準面とし、パンチルト回転位置を中心点とする球面極座標系
を有している。
図2において、5は飛行物体1の下部に搭載され、レーザ距離計測器3から飛行物体1に向けて照射されたレーザ光のスポット位置を検出するためのレシーバ装置であり、レシーバ装置5は、レーザ光が照射される半透明のスクリーン6とスクリーン6上のレーザ光のスポット位置を撮影するためのカメラ7とで構成されている。
レシーバ装置5の座標系は前記飛行物体の座標系と一致している。
図3は本発明の一実施形態にかかるシステム構成を示す図である。以下の説明の中で、飛行物体下部に搭載されたレシーバ装置にレーザ光のスポットが照射されている状態を「トラッキングモード」といい、レーザ光のスポットがレシーバ装置から逸脱した状態を「ロストモード」といい、レーザ光のスポットをレシーバ装置に戻す操作状態を「シーキングモード」という。
図3において、8は、トラッキングモードにおいてパンチルトアクチュエータ2のパン角
、チルト角
と、レーザ距離計測器3での測定値
とから、飛行物体1の現在位置を求める飛行物体3次元位置演算部であり、9は飛行物体移動量演算部であり、前記飛行物体3次元位置演算部で求めた飛行物体1の現在の3次元位置座標値と予め設定されている前記飛行物体1の誘導目標3次元位置座標値とから前記飛行物体1の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として算出して制御部10に出力する。制御部10は前記飛行物体移動量演算部9からの前記移動量を受けて、パンチルトアクチュエータ2のパン角及びチルト角を操作し、同時に、前記鉛直線方向移動量を前記飛行物体1に内蔵された飛行物体操作部に送出して、前記鉛直線方向移動量だけ前記飛行物体1を移動させる。
なお、制御部によるパン角およびチルト角の操作速度、鉛直線方向移動量の送出方法は、飛行物体1に内蔵された飛行物体操作部の応答性を考慮して決定する必要があることはもちろんである。
制御部10はまた、前記飛行物体1の下部に搭載されたレシーバ装置5からのレーザ光の逸脱の有無に関する信号(以下、レーザビームキャプチャフラグと表記することがある。)を受けて、トラッキングモードとロストモードを弁別し、本発明の飛行物体の誘導位置決め装置の全体動作を制御する。
図3では飛行物体3次元位置演算部8、飛行物体移動量演算部9、制御部10を別々の要素として記したが、これらを一つの演算処理装置内で構成することはもちろん可能である。
図3において、8は、トラッキングモードにおいてパンチルトアクチュエータ2のパン角
、チルト角
と、レーザ距離計測器3での測定値
とから、飛行物体1の現在位置を求める飛行物体3次元位置演算部であり、9は飛行物体移動量演算部であり、前記飛行物体3次元位置演算部で求めた飛行物体1の現在の3次元位置座標値と予め設定されている前記飛行物体1の誘導目標3次元位置座標値とから前記飛行物体1の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として算出して制御部10に出力する。制御部10は前記飛行物体移動量演算部9からの前記移動量を受けて、パンチルトアクチュエータ2のパン角及びチルト角を操作し、同時に、前記鉛直線方向移動量を前記飛行物体1に内蔵された飛行物体操作部に送出して、前記鉛直線方向移動量だけ前記飛行物体1を移動させる。
なお、制御部によるパン角およびチルト角の操作速度、鉛直線方向移動量の送出方法は、飛行物体1に内蔵された飛行物体操作部の応答性を考慮して決定する必要があることはもちろんである。
制御部10はまた、前記飛行物体1の下部に搭載されたレシーバ装置5からのレーザ光の逸脱の有無に関する信号(以下、レーザビームキャプチャフラグと表記することがある。)を受けて、トラッキングモードとロストモードを弁別し、本発明の飛行物体の誘導位置決め装置の全体動作を制御する。
図3では飛行物体3次元位置演算部8、飛行物体移動量演算部9、制御部10を別々の要素として記したが、これらを一つの演算処理装置内で構成することはもちろん可能である。
上記の説明から、パンチルトアクチュエータ2とレーザ距離計測器3によって測定された飛行物体1の現在位置は球面極座標
の形で得られる。予め設定されている前記飛行物体の誘導目標3次元位置座標値が球面極座標系で与えられている場合は対応する座標パラメータの差分として、パンチルトアクチュエータ2のパン角及びチルト角の操作量、前記飛行物体1の鉛直線方向移動量を求めることができるが、誘導目標3次元位置座標値がXYZ直交座標系で与えられている場合は、よく知られた以下の変換式を用いることで、本発明の飛行物体の誘導位置決め装置および方法は、球面極座標系
、XYZ直交座標系
のいずれにも対応することができる。
の形で得られる。予め設定されている前記飛行物体の誘導目標3次元位置座標値が球面極座標系で与えられている場合は対応する座標パラメータの差分として、パンチルトアクチュエータ2のパン角及びチルト角の操作量、前記飛行物体1の鉛直線方向移動量を求めることができるが、誘導目標3次元位置座標値がXYZ直交座標系で与えられている場合は、よく知られた以下の変換式を用いることで、本発明の飛行物体の誘導位置決め装置および方法は、球面極座標系
、XYZ直交座標系
のいずれにも対応することができる。
図2に示したレシーバ装置5では、カメラ7で撮像した画像を適当な閾値によって輝度の高い領域を白、低い領域を黒と2値化処理し、白領域、即ちレーザスポット部分の重心計算処理を施すことによりレーザスポット位置
を求めることができる。
を求めることができる。
同様の方法で、パンチルトアクチュエータ2上に搭載した飛行物体撮像用カメラ4で撮像した画像を適当な閾値によって輝度の高い領域を白、低い領域を黒と2値化処理することによって飛行物体1の本体部分のみが白く変換され、その白領域の重心計算処理を施すことにより飛行物体1の本***置
を求めることができる。
を求めることができる。
図4を用いて、本発明での操作・測定・データ処理手順の概要を説明する。
ステップ1:
誘導制御の対象となる飛行物体1を、飛行物体1に内蔵された移動手段を用いて、任意の3次元空間位置(もちろん、誘導目標3次元位置座標値近傍が望ましい)に移動させ、ホバリング状態にする。この時はまだロストモードである。
ステップ2:
シーキングモードによって、パンチルトアクチュエータ2に搭載されたズーミング可能な飛行物体撮像用カメラ4を用いて(あるいは、目視等によって)、レーザ距離計測器3からのレーザ光がレシーバ装置5に照射されるように操作し、トラッキングモードにする。
ステップ3:
飛行物体3次元位置演算部8で、トラッキングモードになった時の、パンチルトアクチュエータ2のパン角、チルト角、レーザ距離計測器3の測定値として、飛行物体1の現在3次元位置
を測定する。
ステップ4:
飛行物体移動量演算部9で、飛行物体3次元位置演算部8で測定された前記飛行物体1の現在の3次元位置座標値と予め設定されている飛行物体の誘導目標3次元位置座標値とから、パンチルトアクチュエータ2のパン角及びチルト角設定値
と前記飛行物体1の鉛直線方向移動量誤差
を求める。
ステップ5:
ステップ4で求められたパン角およびチルト角によってパンチルトアクチエータ2を操作しながら、レシーバ装置5に照射されたレーザ光のスポット位置がレシーバ装置5のスクリーン上の中心部に位置するように前記飛行物体1に内蔵された飛行物体操作部によって前記飛行物体1を水平面内でフィードバック制御すると同時に、鉛直線方向移動量だけ前記飛行物体1を鉛直方向に移動させる。
ステップ6:
ステップ5の操作による飛行物体1の移動後の3次元座標位置を、パンチルトアクチュエータ2のパン角、チルト角、レーサ距離計測器3での測定値として確認する。
ステップ7:
飛行物体1が所定の誤差範囲内で誘導目標3次元位置に誘導されたか否かを判定し、誘導完了の場合は、その状態を保持して飛行物体1を目標3次元空間位置にフィックスする。
飛行物体1を目標3次元空間位置にフィックスする方法としては、例えば、パン角、チルト角設定値
を固定し、鉛直線方向移動量誤差
をゼロとする方法が可能である。
実際には、ステップ5、ステップ6は、後述する制御方式によって同時並行的に実施され、飛行物体1は誘導目標3次元位置に誘導される。
また、誘導位置決め制御中に何らかの原因でロストモードになった場合は、ステップ2に戻ってシーキングモードから再実施する。
ステップ1:
誘導制御の対象となる飛行物体1を、飛行物体1に内蔵された移動手段を用いて、任意の3次元空間位置(もちろん、誘導目標3次元位置座標値近傍が望ましい)に移動させ、ホバリング状態にする。この時はまだロストモードである。
ステップ2:
シーキングモードによって、パンチルトアクチュエータ2に搭載されたズーミング可能な飛行物体撮像用カメラ4を用いて(あるいは、目視等によって)、レーザ距離計測器3からのレーザ光がレシーバ装置5に照射されるように操作し、トラッキングモードにする。
ステップ3:
飛行物体3次元位置演算部8で、トラッキングモードになった時の、パンチルトアクチュエータ2のパン角、チルト角、レーザ距離計測器3の測定値として、飛行物体1の現在3次元位置
を測定する。
ステップ4:
飛行物体移動量演算部9で、飛行物体3次元位置演算部8で測定された前記飛行物体1の現在の3次元位置座標値と予め設定されている飛行物体の誘導目標3次元位置座標値とから、パンチルトアクチュエータ2のパン角及びチルト角設定値
と前記飛行物体1の鉛直線方向移動量誤差
を求める。
ステップ5:
ステップ4で求められたパン角およびチルト角によってパンチルトアクチエータ2を操作しながら、レシーバ装置5に照射されたレーザ光のスポット位置がレシーバ装置5のスクリーン上の中心部に位置するように前記飛行物体1に内蔵された飛行物体操作部によって前記飛行物体1を水平面内でフィードバック制御すると同時に、鉛直線方向移動量だけ前記飛行物体1を鉛直方向に移動させる。
ステップ6:
ステップ5の操作による飛行物体1の移動後の3次元座標位置を、パンチルトアクチュエータ2のパン角、チルト角、レーサ距離計測器3での測定値として確認する。
ステップ7:
飛行物体1が所定の誤差範囲内で誘導目標3次元位置に誘導されたか否かを判定し、誘導完了の場合は、その状態を保持して飛行物体1を目標3次元空間位置にフィックスする。
飛行物体1を目標3次元空間位置にフィックスする方法としては、例えば、パン角、チルト角設定値
を固定し、鉛直線方向移動量誤差
をゼロとする方法が可能である。
実際には、ステップ5、ステップ6は、後述する制御方式によって同時並行的に実施され、飛行物体1は誘導目標3次元位置に誘導される。
また、誘導位置決め制御中に何らかの原因でロストモードになった場合は、ステップ2に戻ってシーキングモードから再実施する。
図5及び図6を用いて、制御方法の詳細を説明する。
制御の目的は、パンチルトアクチュエータ2から見た飛行物体1の3D現在値
を、目標位置
に追従させることである。前提として、飛行物体1はホバリング可能、すなわち位置と姿勢は飛行物体1のローカルな位置姿勢制御系により安定化され、飛行物体1のパンチルトアクチュエータ2から見たXYZ方向の位置制御が可能であるとする。このローカルな制御系の操作量が
である。またここでは説明の簡略化のため、飛行物体1の姿勢はパンチルトアクチュエータ2の座標系からみて変化が無い、すなわち以下を満たしていることを前提とする。
ただし、パンチルトアクチュエータから見た飛行物体1の位置と姿勢を表す同次変換行列は
である。
この時、パンチルトアクチュエータ2に内蔵されたエンコーダより
が得られ、レーザ距離計測器3によりレーザビーム長
が得られるので、
と算出される。
一方、飛行物体1の筐体下部には、スクリーン6とカメラ7から構成されるレーザ光のレシーバ装置5が設置され、スクリーン6上のレーザ光スポットを背面からカメラ7で撮像し、画像処理によりその2次元座標値
を測定する。ただし、この座標系原点は前記スクリーン6の中心に位置する。
この
が常に0となるように、
を操作量とするXY方向変位に関するPIDフィードバック制御が構成される。
このようなローカル制御系の存在を前提として、パンチルトアクチュエータ2では、
が以下のように球面極座標系に座標変換される。
これを目標値として、パンチルト角度
,
が制御される。一方、Z方向目標値
と現在値
との誤差
に対して、PID補償を施したのち
にフィードバックされる。この差分信号誤差
は、制御部10から飛行物体1に内蔵された飛行物体操作部へ無線通信により伝送される。以上のXYZ位置制御系により、飛行物体1は直交座標目標位置
に追従する。
制御の目的は、パンチルトアクチュエータ2から見た飛行物体1の3D現在値
を、目標位置
に追従させることである。前提として、飛行物体1はホバリング可能、すなわち位置と姿勢は飛行物体1のローカルな位置姿勢制御系により安定化され、飛行物体1のパンチルトアクチュエータ2から見たXYZ方向の位置制御が可能であるとする。このローカルな制御系の操作量が
である。またここでは説明の簡略化のため、飛行物体1の姿勢はパンチルトアクチュエータ2の座標系からみて変化が無い、すなわち以下を満たしていることを前提とする。
ただし、パンチルトアクチュエータから見た飛行物体1の位置と姿勢を表す同次変換行列は
である。
この時、パンチルトアクチュエータ2に内蔵されたエンコーダより
が得られ、レーザ距離計測器3によりレーザビーム長
が得られるので、
と算出される。
一方、飛行物体1の筐体下部には、スクリーン6とカメラ7から構成されるレーザ光のレシーバ装置5が設置され、スクリーン6上のレーザ光スポットを背面からカメラ7で撮像し、画像処理によりその2次元座標値
を測定する。ただし、この座標系原点は前記スクリーン6の中心に位置する。
この
が常に0となるように、
を操作量とするXY方向変位に関するPIDフィードバック制御が構成される。
このようなローカル制御系の存在を前提として、パンチルトアクチュエータ2では、
が以下のように球面極座標系に座標変換される。
これを目標値として、パンチルト角度
,
が制御される。一方、Z方向目標値
と現在値
との誤差
に対して、PID補償を施したのち
にフィードバックされる。この差分信号誤差
は、制御部10から飛行物体1に内蔵された飛行物体操作部へ無線通信により伝送される。以上のXYZ位置制御系により、飛行物体1は直交座標目標位置
に追従する。
以下、トラッキングモード、ロストモード、シーキングモードでの各部の動作について説明する。
まず、レシーバ装置5がレーザ光のスポット位置を計測可能な状態(即ち、トラッキングモード)では、レーザビームキャプチャフラグをON、計測不能な状態(即ち、ロストモード)ではOFFとし、そのフラグ信号を制御部10へ常に伝送しておく。そして、レーザビームキャプチャフラグがONの時は、指定するパン角
、チルト角
に追従するようにパンチルトアクチュエータ2の制御系は働く。一方、OFFの時には、図6に示すようなシーキングモードへ移行し、例えば、パンチルトアクチュエータ2上に、レーザ距離計測器3と平行に設置された飛行物体撮像用カメラ4及びその処理装置により、以下のような処理が行われる。
飛行物体1側:
強制的に
とすることにより、その時点で飛行物体1をホバリング状態とする。
制御部10およびパンチルトアクチュエータ2側:
飛行物体撮像用カメラ4により,飛行物体1の2次元位置を計測し、カメラ画像中心からの位置誤差が0となるように、制御部10によって、パン角・チルト角をフィードバック制御する。すなわち、図6における位置誤差
をそれぞれ,
なるPID補償を施し、それぞれ
として与える。こうすることで、飛行物体1を画面中央に捉えることができ、その状態でレーザ光はスクリーン6中央にスポットされるので、トラッキングモードへ復帰する。
まず、レシーバ装置5がレーザ光のスポット位置を計測可能な状態(即ち、トラッキングモード)では、レーザビームキャプチャフラグをON、計測不能な状態(即ち、ロストモード)ではOFFとし、そのフラグ信号を制御部10へ常に伝送しておく。そして、レーザビームキャプチャフラグがONの時は、指定するパン角
、チルト角
に追従するようにパンチルトアクチュエータ2の制御系は働く。一方、OFFの時には、図6に示すようなシーキングモードへ移行し、例えば、パンチルトアクチュエータ2上に、レーザ距離計測器3と平行に設置された飛行物体撮像用カメラ4及びその処理装置により、以下のような処理が行われる。
飛行物体1側:
強制的に
とすることにより、その時点で飛行物体1をホバリング状態とする。
制御部10およびパンチルトアクチュエータ2側:
飛行物体撮像用カメラ4により,飛行物体1の2次元位置を計測し、カメラ画像中心からの位置誤差が0となるように、制御部10によって、パン角・チルト角をフィードバック制御する。すなわち、図6における位置誤差
をそれぞれ,
なるPID補償を施し、それぞれ
として与える。こうすることで、飛行物体1を画面中央に捉えることができ、その状態でレーザ光はスクリーン6中央にスポットされるので、トラッキングモードへ復帰する。
なお、飛行物体撮像用カメラ4のズーム調整器は以下のような働きをする。
即ち、トラッキングモードでは、飛行物体1の全体像が明瞭にキャプチャされるように、レーザ距離計測器3で計測される測定値
に基づきカメラズームインを行う。また、シーキングモードでは、直近の
に基づきカメラズームイン状態を継続する
即ち、トラッキングモードでは、飛行物体1の全体像が明瞭にキャプチャされるように、レーザ距離計測器3で計測される測定値
に基づきカメラズームインを行う。また、シーキングモードでは、直近の
に基づきカメラズームイン状態を継続する
以下、図を用いて、本発明の飛行物体の誘導位置決め装置および方法の原理的妥当性を確認するため、飛行物体に代えて平面移動ロボットを用いた地上での誘導実験とその結果について説明する。
図7は実験装置の概要を示す図であり、レシーバ装置5は平面移動ロボット11上に搭載されており、レーザ距離計測器3からのレーザ光が投射される。
平面移動ロボット11は、レシーバ装置5のカメラ7から出力されたデータに基づいて、レーザ光のスポット位置がレシーバ装置5のスクリーン6の中心部に来るように、自らXY2軸方向に移動する機能を有している。
なお、図3に示した飛行物体3次元位置演算部8、飛行物体移動量演算部9、制御部10は、図7中には記載しない制御用PC内で構成した。
なお、実験に用いた各機器は以下のとおりである。
制御用PC:KOUZIRO、FRONTIERDT
パンチルトアクチュエータ:TRACLabs、BiclopsPT
レーザ距離計測器:村上技研産業、LDS-7A
レシーバ装置用カメラ:エレコム、UCAM-DLA200H
レシーバ装置用スクリーン:エイピーピー・ジャパン、ATK901
平面移動ロボット:ADEPT MOBILEROBOTS、Pioneer3-DX
図8(a)は実験においてレーザ距離計測器3からレシーバ装置5に照射されたレーザ光スポットの撮像画面であり、図8(b)はそれを2値化処理した画像である。
パンチルトアクチュエータ2のパン角とチルト角をそれぞれ制御用PCのマウスのXY方向移動に対応させ、マウスを手動操作してパンチルトアクチュエータ2を駆動させた場合の、パン角,チルト角
の時系列データを、それぞれ、図9(a)、図9(b)に示し、この時のーザ距離計測器3での測定値
を図9(c)に示す。図9の
と
から計算されるレーザスポットのXY座標値
を、それぞれ図10(a)、図10(b)に示す。レーザ光に追従して移動した平面移動ロボット11の車輪回転数から計算される自己位置推定値
の時系列データを図11に示し、図11のデータをXY平面にプロットした移動軌跡を図12に、レーザスクリーン座標上でのレーザスポット位置
の時系列データを図13に示す。以上の時系列データより、
のの各要素の最大値はそれぞれ35mm, 20mm程度であり、定常状態の約25秒以降は両者ほぼ0となっており、平面移動ロボット11上に設置されたレシーバ装置の中心が、手動で操作されたレーザ光のスポット位置に追従したことが確認できる。
図7は実験装置の概要を示す図であり、レシーバ装置5は平面移動ロボット11上に搭載されており、レーザ距離計測器3からのレーザ光が投射される。
平面移動ロボット11は、レシーバ装置5のカメラ7から出力されたデータに基づいて、レーザ光のスポット位置がレシーバ装置5のスクリーン6の中心部に来るように、自らXY2軸方向に移動する機能を有している。
なお、図3に示した飛行物体3次元位置演算部8、飛行物体移動量演算部9、制御部10は、図7中には記載しない制御用PC内で構成した。
なお、実験に用いた各機器は以下のとおりである。
制御用PC:KOUZIRO、FRONTIERDT
パンチルトアクチュエータ:TRACLabs、BiclopsPT
レーザ距離計測器:村上技研産業、LDS-7A
レシーバ装置用カメラ:エレコム、UCAM-DLA200H
レシーバ装置用スクリーン:エイピーピー・ジャパン、ATK901
平面移動ロボット:ADEPT MOBILEROBOTS、Pioneer3-DX
図8(a)は実験においてレーザ距離計測器3からレシーバ装置5に照射されたレーザ光スポットの撮像画面であり、図8(b)はそれを2値化処理した画像である。
パンチルトアクチュエータ2のパン角とチルト角をそれぞれ制御用PCのマウスのXY方向移動に対応させ、マウスを手動操作してパンチルトアクチュエータ2を駆動させた場合の、パン角,チルト角
の時系列データを、それぞれ、図9(a)、図9(b)に示し、この時のーザ距離計測器3での測定値
を図9(c)に示す。図9の
と
から計算されるレーザスポットのXY座標値
を、それぞれ図10(a)、図10(b)に示す。レーザ光に追従して移動した平面移動ロボット11の車輪回転数から計算される自己位置推定値
の時系列データを図11に示し、図11のデータをXY平面にプロットした移動軌跡を図12に、レーザスクリーン座標上でのレーザスポット位置
の時系列データを図13に示す。以上の時系列データより、
のの各要素の最大値はそれぞれ35mm, 20mm程度であり、定常状態の約25秒以降は両者ほぼ0となっており、平面移動ロボット11上に設置されたレシーバ装置の中心が、手動で操作されたレーザ光のスポット位置に追従したことが確認できる。
本発明によれば、GPS電波の届かない場所等においても、ドローン等の飛行物体を高精度に誘導位置決め制御することができ、ドローン等の飛行物体を構造物、建造物等の検査装置として使用する際の有用な装置、方法となる。
1 飛行物体
2 パンチルトアクチュエータ
3 レーザ距離計測器
4 飛行物体撮像用カメラ
5 レシーバ装置
6 スクリーン
7 カメラ
8 飛行物体3次元位置演算部
9 飛行物体移動量演算部
10 制御部
11 平面移動ロボット
2 パンチルトアクチュエータ
3 レーザ距離計測器
4 飛行物体撮像用カメラ
5 レシーバ装置
6 スクリーン
7 カメラ
8 飛行物体3次元位置演算部
9 飛行物体移動量演算部
10 制御部
11 平面移動ロボット
Claims (7)
- 2軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータと、該パンチルトアクチュエータ上に搭載されて飛行物体との相対距離を測定するレーザ距離計測器と、前記飛行物体の下部に取り付けられた、前記レーザ距離計測器から照射されたレーザ光のスポット位置が測定可能なレシーバ装置と、前記パンチルトアクチュエータのパン角とチルト角と、前記レーザ距離計測器での測定値から、前記パンチルトアクチュエータの設置位置を基準として前記飛行物体の3次元位置座標値を求める飛行物体3次元位置演算部と、該飛行物体3次元位置演算部で得られた前記飛行物体の3次元座標値と別途設定された飛行物体の誘導目標3次元位置座標値とから前記飛行物体の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として算出する飛行物体移動量演算部と、該飛行物体移動量演算部での演算結果を受けて、前記鉛直線方向移動量を飛行物体内蔵の飛行物体操作部に送出すると同時に前記パンチルトアクチュエータのパン角およびチルト角を制御する制御部からなることを特徴とする、飛行物体の誘導位置決め制御装置。
- 前記レシーバ装置は、前記レーザ距離計測器から照射されたレーザ光のスポットを投影するためのスクリーンと、該スクリーンの後方に設置されて該スクリーン上の前記レーザ光のスポット位置を撮像するカメラとで構成されることを特徴とする、請求項1記載の飛行物体の誘導位置決め制御装置。
- 前記パンチルトアクチュエータ上に、前記レーザ距離計測器と並行に、ズーミング可能な飛行物体撮像用カメラを設置したことを特徴とする、請求項1記載の飛行物体の誘導位置決め制御装置
- 地上の所定位置に2軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータと、該パンチルトアクチュエータ上に搭載されたレーザ距離計測器を設置し、前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角を制御して空中に停止した飛行物体の下部に搭載したレシーバ装置に前記レーザ距離計測器からレーザ光を照射して該レーザ距離計測器での測定値とその時の前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角とから、前記パンチルトアクチュエータの設置位置を基準として前記飛行物体の3次元位置座標値を求め、該3次元位置座標値と予め設定されている前記飛行物体の誘導目標3次元位置座標値とから前記飛行物体の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として算出して前記パンチルトアクチュエータのパン角およびチルト角を操作し、同時に、前記鉛直線方向移動量を飛行物体内蔵の飛行物体操作部に送出して、前記鉛直線方向移動量だけ前記飛行物体を移動させることを特徴とする、飛行物体の誘導位置決め制御方法。
- 前記レーザ光を前記レシーバ装置に照射した状態で、前記レシーバ装置に照射されたレーザ光のスポット位置が前記スクリーンの中心部に位置するように前記飛行物体内蔵の飛行物体操作部によって前記飛行物体の水平面内2自由度の移動量をフィードバック制御すると同時に、飛行物体移動量演算部が指示する鉛直線方向移動量をフィードバック制御することを特徴とする、請求項4に記載の飛行物体の誘導位置決め制御方法。
- 前記制御部は、前記レシーバ装置からの前記レーザ光のスポットが前記レシーバ装置のスクリーン上に存在するか否かの信号を受けて、レーザ光のスポットがスクリーン上に存在する場合は飛行物体の誘導位置決め制御を継続し、レーザ光のスポットがスクリーン上に存在しないときは飛行物体の誘導位置決め制御を停止してその場に留まるよう制御することを特徴とする、請求項4に記載の飛行物体の誘導位置決め制御方法。
- 前記パンチルトアクチュエータ上に搭載した前記飛行物体撮像用カメラで撮像した前記飛行物体の画面内位置情報から、前記飛行物体が前記飛行物体撮像用カメラの画面中央位置となるように前記パンチルトアクチュエータのパン角とチルト角を制御することを特徴とする、請求項4に記載の飛行物体の誘導位置決め制御方法。
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---|---|---|---|
JP2016141247A JP2018013337A (ja) | 2016-07-19 | 2016-07-19 | 飛行物体の誘導位置決め装置および方法 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016141247A JP2018013337A (ja) | 2016-07-19 | 2016-07-19 | 飛行物体の誘導位置決め装置および方法 |
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---|---|
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---|---|---|---|---|
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WO2019150581A1 (ja) * | 2018-02-05 | 2019-08-08 | 株式会社イージステクノロジーズ | 移動体の測位システム |
KR102210083B1 (ko) * | 2020-01-02 | 2021-02-01 | 고한결 | 드론제어시스템 |
CN113030987A (zh) * | 2019-12-09 | 2021-06-25 | 浙江舜宇智能光学技术有限公司 | 多线激光雷达的激光出射角度测量方法及其***和电子设备 |
CN113945204A (zh) * | 2021-10-26 | 2022-01-18 | 西北工业大学 | 空间点云测量***及标定、重建方法 |
JP2022172181A (ja) * | 2019-08-06 | 2022-11-15 | 直之 村上 | コンピユーターの目(pceye) |
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2016
- 2016-07-19 JP JP2016141247A patent/JP2018013337A/ja active Pending
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