JP2019073084A - ドローンと無人船とのテレメトリー連携システム - Google Patents

Abstract

【課題】 鉄筋等の金属が多い場所・施設の近くや電線・アンテナ等磁場が影響する範囲では、地磁気を上回る磁界によって磁気コンパスによる地磁気の検出ができなくなりドローン１の機体の絶対方位７０が検出できないことがある。【解決手段】 ドローン１と無人船２とは、ドローン側フライトコントローラー（以下「ＦＣ」という。）とドローン側ビジョンポジショニングシステム（以下「ＶＰＳ」という。）が取得した情報と、無人船側ＦＣと無人船側ＶＰＳが取得した情報と、を相互にテレメトリー通信する。ドローン１が認識した無人船２の方位７２と無人船２が認識したドローン１の方位７３とが相互に反対方位である場合は、ドローン側ＦＣが正常であると判断され、ドローン１が認識した無人船２の方位７２と無人船２が認識したドローン１の方位７３とが相互に反対方位でない場合は、ドローン側ＦＣが異常であると判断される。【選択図】 図５

Description

本発明は、ドローンの姿勢安定と航法の技術に関する。

近年、ドローン（無人航空機）の利用への期待が高まっている。空撮、測量、農業、物流、中継基地、点検・整備などの分野での利用に多く提案がなされている。なお、本明細書中では、ドローンは３つ以上のプロペラ（回転翼）を備える小型無人航空機であるマルチコプターを指すものとする。マルチコプターには、プロペラ（回転翼）が３つのトライコプター、４つのクアッドコプター、６つのヘキサコプターおよび８つのオクトコプターが含まれる。

ところで、無人船は、許容される積載物の重量が大きく取れることから、ドローンと組み合わせ使用することにより、両者の短所を補完することが期待される。具体的には、無人船が航行可能な水面上におけるドローンとの連携システムが考えられる。その場合、無人船が重量物を担当することで、ドローンが負担すべき重量が軽減できることによるドローンの飛行の長時間化が期待される。また、ドローンによる早期の現場到着と現場状況把握、その後の無人船の到着による救出作業と、救難作業における両者の連携システムなども考えられている（例えば、特許文献１）。

ドローンにはフライトコントローラー（以下「ＦＣ」という。）が搭載される。ＦＣによって、ドローンの姿勢安定と航法が自動化されている。ＦＣは、マイコンと、センサー類と、ＧＰＳ受信機を備えている。センサー類としては、ジャイロセンサー、加速度センサー、気圧センサー、磁気コンパス、超音波センサーなどが使用される。ジャイロセンサーや加速度センサーがドローンの姿勢の状態を検知して、ドローンの機体の姿勢の傾きが修正される。

また、ドローンにはビジョンポジショニングシステム（以下「ＶＰＳ」という。）が搭載される。ＶＰＳは、マイコンと、カメラを備えている。ＶＰＳは、カメラに写っている物体とドローンとの間の相対運動による画像内の物体の見かけの動きの方向と移動量を画像処理技術により検出する。すなわち、ＶＰＳは、ドローンに搭載されたカメラの画像を白黒に２値化して特徴点の画像内平面座標上での移動ベクトルから、ドローンの位置変化を推定する。

特開２０１６−８８３３７号公報

ＦＣに含まれるＧＰＳによっては、ドローンの絶対的な位置は検出できるが、ドローンの機体の向きまでは検出できない。ドローンの機体の向きは、磁気コンパスを用いて検出する。

ところが、鉄筋等の金属が多い場所・施設の近くや、電線・アンテナ等磁場が影響する範囲では地磁気を上回る磁界によって、磁気コンパスによる地磁気の検出ができなくなる。その場合、ドローンの機体の向きが検出できなくなってしまう。

そこで、本発明は、上述した磁気コンパスの異常に対応することができる、ドローンと無人船とによるテレメトリー連携システムを構築することを目的とする。

第１の発明に係るドローンと無人船とのテレメトリー連携システムは、三次元移動可能なドローンと水面上移動可能な無人船とのテレメトリー連携システムであって、前記ドローンは、ドローン側フライトコントローラー（以下「ＦＣ」という。）と、ドローン側ビジョンポジショニングシステム（以下「ＶＰＳ」という。）と、を備え、前記無人船は、無人船側ＦＣと、無人船側ＶＰＳと、を備え、前記ドローンと前記無人船とは、前記ドローン側ＦＣと前記ドローン側ＶＰＳが取得した情報と、前記無人船側ＦＣと前記無人船側ＶＰＳが取得した情報と、を相互にテレメトリー通信しており、前記ドローンが認識した前記無人船の方位と前記無人船が認識した前記ドローンの方位とが相互に反対方位である場合は、前記ドローン側ＦＣが正常であると判断され、前記ドローンが認識した前記無人船の方位と前記無人船が認識した前記ドローンの方位とが相互に反対方位でない場合は、前記ドローン側ＦＣが異常であると判断される、ことを特徴とする。

第１の発明に係るドローンと無人船とのテレメトリー連携システムは、ドローンのＦＣの磁気コンパスがドローンの機体の正しい向きを検出できなくなると、前記ドローンが認識した前記無人船の方位と前記無人船が認識した前記ドローンの方位とが相互に反対方位でなくなることにより、前記ドローン側ＦＣが異常であると判断することができる。

第２の発明に係るドローンと無人船とのテレメトリー連携システムは、前記ドローン側ＦＣが異常であると判断された場合は、前記ドローンは、前記ドローン側ＦＣが取得した情報に代え前記無人船側ＦＣが取得した情報を採用することを特徴とする。

第２の発明に係るドローンと無人船とのテレメトリー連携システムは、ドローンのＦＣの磁気コンパスがドローンの機体の正しい向きを検出できなくなっても、前記無人船のＦＣの磁気コンパスが検出した絶対方位をドローンのＦＣが採用するので、ドローンは正しい方位を認識することができる。

第３の発明に係るドローンと無人船とのテレメトリー連携システムは、三次元移動可能なドローンと水面上移動可能な無人船とのテレメトリー連携システムであって、前記ドローンは、ドローン側磁気コンパス、ドローン側カメラ、及びドローン側画像認識装置と、を備え、前記ドローンは、前記ドローン側カメラが写し出した前記無人船を前記ドローン側画像認識装置が画像認識することで算出した方向と、前記ドローン側磁気コンパスが検出した絶対方位と、から前記ドローンから見た前記無人船の方位を算出し、前記無人船は、無人船側磁気コンパス、無人船側カメラ、及び無人船側画像認識装置と、を備え、前記無人船は、前記無人船側カメラが写し出した前記ドローンを前記無人船側画像認識装置が画像認識することで算出した方向と、前記無人船側磁気コンパスが検出した絶対方位とから前記無人船から見た前記ドローンの方位を算出し、前記ドローンと前記無人船とは、前記ドローンから見た前記無人船の方位情報と、前記無人船から見た前記ドローンの方位情報と、を相互にテレメトリー通信しており、前記ドローンから見た無人船の方位と、前記無人船から見た前記ドローンの方位と、が相互に反対方位である場合は、前記ドローン側磁気コンパスが正常であると判断され、前記ドローンから見た前記無人船の方位と、前記無人船から見た前記ドローンの方位と、が相互に反対方位でない場合は、前記ドローン側磁気コンパスが異常であると判断される、ことを特徴とする。

第３の発明に係るドローンと無人船とのテレメトリー連携システムは、ドローンのＦＣの磁気コンパスが地磁気の検出ができなくなりドローンの機体の向きが検出できなくなると、前記ドローンが認識した前記無人船の方位と前記無人船が認識した前記ドローンの方位とが相互に反対方位でなくなることにより、前記ドローン側ＦＣが異常であると判断することができる。

第４の発明に係るドローンと無人船とのテレメトリー連携システムは、前記ドローン側磁気コンパスが異常であると判断された場合は、前記ドローンは、前記ドローン側磁気コンパスが検出した絶対方位に代え前記無人船側磁気コンパスが検出した絶対方位を採用することを特徴とする。

第４の発明に係るドローンと無人船とのテレメトリー連携システムは、前記ドローン側磁気コンパスが正しい絶対方位を検出できなくなっても、前記無人船側磁気コンパスが検出した絶対方位を前記ドローンが採用するので、前記ドローンは正しい方位を認識することができる。

第５の発明に係るドローンと無人船とのテレメトリー連携システムは、前記ドローンは、下方から視認可能に取り付けられたドローン側マーカーを備え、前記無人船は、上方から視認可能に取り付けられた無人船側マーカーを備え、前記ドローン側画像認識装置は、前記ドローン側カメラが写し出した前記無人船側マーカーを画像認識し、前記無人船側画像認識装置は、前記無人船側カメラが写し出した前記ドローン側マーカーを画像認識することを特徴とする。

第５の発明に係るドローンと無人船とのテレメトリー連携システムは、前記ドローン側ＶＰＳが前記無人船側マーカーを確実に画像認識することができ、前記無人船側ＶＰＳが前記ドローン側マーカーを確実に認識することができる。

本発明により、ドローンの磁気コンパスの異常に対応することができる、ドローンと無人船とによるテレメトリー連携システムを構築することができる。

本発明に係るドローンと無人船とのテレメトリー連携システムの全体図である。 実施の形態に係る、ドローンの内部ブロック図である。 実施の形態に係る、無人船の内部ブロック図である。 正常時のドローンと無人船とのテレメトリー連携システムの機能を説明する図である。 異常時のドローンと無人船とのテレメトリー連携システムの機能を説明する図である。

図１は、本発明に係るドローン１と無人船２とのテレメトリー連携システムの全体図である。ドローン１は、巨大な鋼構造物である吊り橋３の空撮、測量、点検・整備を行っている。無人船２は、吊り橋３の近くの水面４上を航行していて、ドローン１と相互にテレメトリー通信している。吊り橋３又はその周辺の陸地には、ドローン１と無人船２の操縦者がいる。操縦者は、ラジコン送信機（以下「プロポ」という。）を使って、ドローン１と無人船２を操縦している。なお、図１に示すようにドローン１と無人船２とは高度差を有しており、その高度差以上に水平方向の位置ズレを有している。

図２は、ドローン１の内部ブロック図である。ドローン１は、送受信機１０、ＦＣ（フライトコントローラー）２０、ＶＰＳ（ビジョンポジショニングシステム）３０、エレクトリックスピードコントローラ（以下「ＥＳＣ」という。）４０、モーター４１、バッテリー４２を備えている。

送受信機１０は、プロポからの操作電波を受信する。また、送信機１０は、無人船２の送受信機とテレメトリー信号を送受信する。さらに、ドローン１内部で、送受信機１０は、ＦＣ２０との間で信号をやり取りする。

ＦＣ２０は、マイコン２１、ジャイロセンサー２２、加速度センサー２３、気圧センサー２４、磁気コンパス２５、超音波センサー２６、ＧＰＳ受信機２７を備えている。ジャイロセンサー２２は、ドローン１の角速度を検出する。加速度センサー２３は、ドローン１の加速度を検出する。気圧センサー２４は、ドローン１が位置する高さの気圧を検出することでドローン１の高度を検出する。磁気コンパス２５は、地磁気の絶対方位を検出することでドローン１の機体の向きを検出する。超音波センサー２６は、地面に向け超音波を発し、返ってきた超音波を検出することで、ドローン１の地面からの高さを検出する。ＧＰＳ受信機２７は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信することでドローン１の絶対位置を検出する。マイコン２１は、ジャイロセンサー２１、加速度センサー２３、気圧センサー２４、磁気コンパス２５、超音波センサー２６、ＧＰＳ受信機２７からの検出信号を受け取り、ドローン１の姿勢安定と航法の演算を行う。ＦＣ２０は、ＶＰＳ３０との間で信号をやり取りする。また、ＦＣ２０は、ＥＳＣ４０に信号を送りバッテリー４２からモーター４１への電流を制御することで、モーター４１の回転制御を行う。

ＶＰＳ３０は、マイコン３１と、カメラ３２を備えている。ＶＰＳ３０は、カメラ３２に写っている物体とドローン１との間の相対運動による画像内の物体の見かけの動きの方向と移動量を画像処理技術により検出する。すなわち、ＶＰＳ３０のマイコン３１は、ドローン１に搭載されたカメラ３２の画像を白黒に２値化して特徴点の画像内平面座標上での移動ベクトルから、ドローン１の位置変化を推定する。本実施の形態では、ドローン１のカメラ３２に写る無人船２の画像を画像処理により検出し、ドローン１の機体に対する無人船２の方位を把握する。

バッテリー４２は、リチウムポリマーバッテリーが使用される。リチウムポリマーバッテリーは、小型・軽量にも関わらず、１セル当たり３．７Ｖと高い起電力があり、大容量、高エネルギー密度であるという特徴を有する。

ＥＳＣ４０は、ＦＣ２０からのモーター出力指令値に従った電流値をモーター４１に供給する。モーター４１は、ブラシレスＤＣモーターが使用される。ブラシレスＤＣモーターには強力な磁力を有するネオジム磁石が用いられる。実施の形態に係るドローン１は、４枚のプロペラを有するクアッドコプターであるため、それぞれのプロペラを回転するＥＳＣ４０とモーター４１が４組配置されている。もし仮に、ドローン１（マルチコプター）が、トライコプターであれば３組、ヘキサコプターであれば６組、オクトコプターであれば８組のＥＳＣ４０とモーター４１が配置されることになる。

図３は、無人船２の内部ブロック図である。無人船２は、送受信機１０、ＦＣ５０、ＶＰＳ３０、ＥＳＣ４０、モーター４１、バッテリー４２を備えている。図３に示した無人船２の内部ブロック図は、図２に示したドローン１の内部ブロック図と近似している。そのため、共通する構成要素には同一の番号を付し、その詳細な説明を省略する。以下、図３に示す無人船２の内部ブロック図について、図２に示すドローン１の内部ブロック図と相違する部分を説明する。

ドローン１のＦＣ２０が超音波センサー２６を備えているのに対し、無人船２のＦＣ５０は超音波センサーを備えていない点が相違する。超音波センサー２６は、２ｃｍから４ｍぐらいの範囲の地上との距離を測定する高度計として使用するので、水上を移動する無人船２には必要ないからである。また、ドローン１がＥＳＣ４０とモーター４１に関しては４つの組合せを備えているのに対し、無人船２がＥＳＣ４０とモーター４１の２つの組合せしか備えていない点が相違する。ドローン１が４つのプロペラを駆動するのに対し、無人船２は、１つのスクリューと舵を動かせば足りるからである。

無人船２のＶＰＳ３０は、無人船２のカメラ３２に写るドローン１の画像を画像処理により検出し、無人船２の船体に対するドローン１の方向を把握する。

本発明の実施の形態に係る、ドローン１と無人船２とのテレメトリー連携システムについて、以下に説明する。

ドローン１の送受信機１０と無人船２の送受信機１０とは、ドローン１のＦＣ２０とＶＰＳ３０が取得した情報と、無人船２のＦＣ５０とＶＰＳ３０が取得した情報と、を相互にテレメトリー通信する。具体的には、ドローン１が取得した、ドローン１の角速度、ドローン１の加速度、ドローン１の高度、ドローン１の機体の絶対方位、ドローン１の機体の絶対位置、ドローン１の機体に対する無人船２の方向、の情報を無人船２は受け取る。一方、無人船２が取得した、無人船２の角速度、無人船２の加速度、無人船２の高度、無人船２の船体の絶対方位、無人船２の船体の絶対位置、無人船２の船体に対するドローン１の方向、の情報をドローン１は受け取る。

（正常時）
図４は、正常時のドローン１と無人船２とのテレメトリー連携システムの機能を説明する図である。また、図４は、ドローン１と無人船２とを上方から見た図となっている。ドローン１は、ドローン１の磁気コンパス２５によってドローン１の機体の絶対方位６０（ドローン１の機体を中心に東、西、南、北（Ｅ、Ｗ、Ｓ、Ｎ）で示される方位）を把握している。また、カメラ３２と画像処理装置３１とによって、ドローン１の機体のカメラ３２から見える無人船２の方向を算出している。この２つの情報からドローン１は、ドローン１から見た無人船２の方位６２は、ＳＳＷ（南南西）であることを算出する。

一方、無人船２は、無人船２の磁気コンパス２５によって無人船２の船体に対する絶対方位６１（無人船２の船体を中心に東、西、南、北（Ｅ、Ｗ、Ｓ、Ｎ）で示される方位）を把握している。また、カメラ３２と画像処理装置３１とによって、無人船２の船体のカメラ３２から見えるドローン１の方向を算出している。この２つの情報から無人船２は、無人船２から見たドローン１の方位６３は、ＮＮＥ（北北東）であることを算出する。

ドローン１から見た無人船２の方位６２ＳＳＷ（南南西）と、無人船２から見たドローン１の方位６３ＮＮＥ（北北東）は、相互に反対方位である。それによって、ドローン１と無人船２とのテレメトリー連携システムは、ドローンの磁気コンパス２５（図２参照）が検出した絶対方位６０が正しいことを判断する。

（異常時）
図５は、異常時のドローン１と無人船２とのテレメトリー連携システムの機能を説明する図である。また、図５は、ドローン１と無人船２とを上方から見た図となっている。図１に示すようにドローン１は、巨大な鋼構造物である吊り橋３のすぐ近くを飛行している。そのため、ドローン１は、ドローン１の磁気コンパス２５によってドローン１の機体に対する絶対方位７０（ドローン１の機体を中心に東、西、南、北（Ｅ、Ｗ、Ｓ、Ｎ）で示される方位）を誤って把握している。また、カメラ３２と画像処理装置３１とによって、ドローン１の機体のカメラ３２から見える無人船の方向を算出している。この２つの情報からドローン１は、ドローン１から見た無人船２の方位７２は、ＷＳＷ（西南西）であると誤って算出する。

一方、無人船２は、吊り橋３から少し離れて航行しているので、無人船２の磁気コンパス２５によって無人船２の船体に対する絶対方位７１（無人船２の船体を中心に東、西、南、北（Ｅ、Ｗ、Ｓ、Ｎ）で示される方位）を正しく把握している。また、カメラ３２と画像処理装置３１とによって、無人船２の船体のカメラ３２から見えるドローン１の方向を算出している。この２つの情報から無人船２は、無人船２から見たドローン１の方位７３は、ＮＮＥ（北北東）であることを算出する。

図５に示すように、ドローン１から見た無人船２の方位７２ＷＳＷ（西南西）と、無人船２から見たドローン１の方位７３ＮＮＥ（北北東）は、相互に反対方位でない。それによって、ドローン１と無人船２とのテレメトリー連携システムは、ドローン１の磁気コンパス２５（図２参照）が検出した絶対方位７０が誤っていることを判断する。ドローン１と無人船２とのテレメトリー連携システムによって発見された、ドローン１の磁気コンパス２４が検出した絶対方位７０が誤っていることは、送受信機１０からプロポに送信し、プロポが異常を警報するようにしてもよい。そうすることにより、ドローン１と無人船２の操縦者は、ドローン１の磁気コンパス２５（図２参照）が検出した絶対方位７０が誤っていることを知ることができる。

この場合、ドローン１は、ドローン１の磁気コンパス２５（図２参照）が検出した絶対方位７０に代え、無人船２の磁気コンパス２５（図３参照）が検出した絶対方位７１を採用するようにすることができる。これにより、ドローン１は正しい絶対方位７１に基づく姿勢安定と航法を継続することができる。

さらに、ドローン１は、下方から視認可能に取り付けられたドローン側マーカーを備え、無人船２は、上方から視認可能に取り付けられた無人船側マーカーを備えるようにしてもよい。その場合、図２に示すドローン１のドローン側画像認識装置３１は、ドローン側カメラ３２が写し出した無人船側マーカーを画像認識し、図３に示す無人船２の無人船側画像認識装置３１は、無人船側カメラ３２が写し出したドローン側マーカーを画像認識する。これにより、ドローン１と無人船２との距離が大きい場合、あるいは、早朝、夕暮れ、霧などで視界が悪い場合であっても、ＶＰＳ３０（図２、図３参照）によるドローン１と無人船２との相互の画像認識をより確実に行うことができる。

以上説明したように、本発明により、ドローン１の磁気コンパス２５（図２参照）の異常に対応することができる、ドローン１と無人船２によるテレメトリー連携システムを構築することができる。

１：ドローン
２：無人船
２０：ＦＣ（フライトコントローラー）
２５：磁気コンパス
３０：ＶＰＳ（ビジョンポジショニングシステム）
３２：カメラ
５０：ＦＣ（フライトコントローラー）
６０：ドローンの絶対方位
６１：無人船の絶対方位
６２：ドローンから見た無人船の方向
６３：無人船から見たドローンの方向
７０：ドローンの絶対方位
７１：無人船の絶対方位
７２：ドローンから見た無人船の方向
７３：無人船から見たドローンの方向

Claims (5)

1. 三次元移動可能なドローンと水面上移動可能な無人船とのテレメトリー連携システムであって、
   前記ドローンは、ドローン側フライトコントローラー（以下「ＦＣ」という。）と、ドローン側ビジョンポジショニングシステム（以下「ＶＰＳ」という。）と、を備え、
   前記無人船は、無人船側ＦＣと、無人船側ＶＰＳと、を備え、
   前記ドローンと前記無人船とは、前記ドローン側ＦＣと前記ドローン側ＶＰＳが取得した情報と、前記無人船側ＦＣと前記無人船側ＶＰＳが取得した情報と、を相互にテレメトリー通信しており、
   前記ドローンが認識した前記無人船の方位と前記無人船が認識した前記ドローンの方位とが相互に反対方位である場合は、前記ドローン側ＦＣが正常であると判断され、
   前記ドローンが認識した前記無人船の方位と前記無人船が認識した前記ドローンの方位とが相互に反対方位でない場合は、前記ドローン側ＦＣが異常であると判断される、ことを特徴とするドローンと無人船とのテレメトリー連携システム。
2. 前記ドローン側ＦＣが異常であると判断された場合は、前記ドローンは、前記ドローン側ＦＣが取得した情報に代え前記無人船側ＦＣが取得した情報を採用することを特徴とする、請求項１に記載されたドローンと無人船とのテレメトリー連携システム。
3. 三次元移動可能なドローンと水面上移動可能な無人船とのテレメトリー連携システムであって、
   前記ドローンは、ドローン側磁気コンパス、ドローン側カメラ、及びドローン側画像認識装置と、を備え、
   前記ドローンは、前記ドローン側カメラが写し出した前記無人船を前記ドローン側画像認識装置が画像認識することで算出した方向と、前記ドローン側磁気コンパスが検出した絶対方位と、から前記ドローンから見た前記無人船の方位を算出し、
   前記無人船は、無人船側磁気コンパス、無人船側カメラ、及び無人船側画像認識装置と、を備え、
   前記無人船は、前記無人船側カメラが写し出した前記ドローンを前記無人船側画像認識装置が画像認識することで算出した方向と、前記無人船側磁気コンパスが検出した絶対方位とから前記無人船から見た前記ドローンの方位を算出し、
   前記ドローンと前記無人船とは、前記ドローンから見た前記無人船の方位情報と、前記無人船から見た前記ドローンの方位情報と、を相互にテレメトリー通信しており、
   前記ドローンから見た無人船の方位と、前記無人船から見た前記ドローンの方位と、が相互に反対方位である場合は、前記ドローン側磁気コンパスが正常であると判断され、
   前記ドローンから見た前記無人船の方位と、前記無人船から見た前記ドローンの方位と、が相互に反対方位でない場合は、前記ドローン側磁気コンパスが異常であると判断される、ことを特徴とするドローンと無人船とのテレメトリー連携システム。
4. 前記ドローン側磁気コンパスが異常であると判断された場合は、前記ドローンは、前記ドローン側磁気コンパスが検出した絶対方位に代え前記無人船側磁気コンパスが検出した絶対方位を採用することを特徴とする、請求項３に記載されたドローンと無人船とのテレメトリー連携システム。
5. 前記ドローンは、下方から視認可能に取り付けられたドローン側マーカーを備え、
   前記無人船は、上方から視認可能に取り付けられた無人船側マーカーを備え、
   前記ドローン側ＶＰＳは、前記ドローン側カメラが写し出した前記無人船側マーカーを画像認識し、
   前記無人船側ＶＰＳは、前記無人船側カメラが写し出した前記ドローン側マーカーを画像認識することを特徴とする、請求項３又は４に記載されたドローンと無人船とのテレメトリー連携システム。

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