JP6555786B2 - 無人航空機の飛行高度設定方法および無人航空機システム - Google Patents

Description

本発明は、無人航空機技術に関する。

下記特許文献１には、飛行高度を設定飛行高度に自動的に保つ模型航空機が開示されている。

特開平５−３１７５２８号公報

マルチコプターに代表される小型の無人航空機は、機体の飛行動作を制御するフライトコントローラとよばれる制御装置を備えている。市場に流通するフライトコントローラ製品の中には、オートパイロット機能を備えているものがある。オートパイロット機能とは、無人航空機の姿勢や飛行位置を自動的に維持したり、操縦者が作成した飛行計画に基づいて無人航空機を自律的に飛行させたりする機能である。一般的なオートパイロットの飛行計画には、機体の離着陸地点や飛行ルートの経緯度、高度、速度、機首の方位角などを指定することができる。その他、空撮に特化した一部のフライトコントローラでは、カメラによる撮影の開始・終了、ＰＴＺなどを指定可能なものもある。

このようなフライトコントローラは、飛行中の飛行高度を制御するため、気圧センサや、レーザ・超音波による測距センサ、または、カメラを使った画像認識手段を備えている。

気圧センサを使った制御では、対地高度ではなく気圧高度に基づいて飛行高度が決定されるため、地表や地物の標高は考慮されない。そのため、例えば山肌の傾斜に沿って無人航空機を飛行させるためには、事前に山肌の起伏を調査して、飛行経路上の飛行高度を逐次手動で指定しなければならない。ここで、地図の等高線を参照して飛行高度を指定しようとする場合、地図の等高線では大まかな標高しか知ることができないため、例えば無人航空機と山肌との距離を５ｍに維持しながら飛行させるような飛行計画を作成することはできない。一方、山肌の詳細な測量を事前に行う場合には、作業が大掛かりになり、コスト面での問題が生じることとなる。さらに、測量データは年月の経過とともに陳腐化するため、測量データに要求される精度によっては、短い期間で測量を繰り返す必要がある。

測距センサや画像認識手段によれば、その場その場における地表や地物との相対距離に基づいて飛行高度を制御することができる。一方、例えば樹木が林立した領域の上を飛行させる場合、相対距離が狭い範囲で乱高下するため、飛行高度が安定しないという問題がある。

また、上記いずれの高度制御手段を用いた場合でも、飛行経路の前方に障害物があったときにこれを迂回させるためには、他の方策を講じる必要がある。

上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、地表または地物の起伏や傾斜に応じて飛行計画の飛行高度を効率的に設定可能な飛行高度設定方法および無人航空機システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の無人航空機の飛行高度設定方法は、無人航空機を飛行させ、地表または地物の高さを測定する起伏調査工程と、前記無人航空機を自律飛行させる経路の指定を含む設定データである飛行計画の作成時に、前記起伏調査工程で測定した地表または地物の高さに基づいて該飛行計画の経路上の飛行高度を設定する高度設定工程と、を含むことを特徴とする。

起伏調査工程において、無人航空機を飛行させて地表または地物の高さを測定することにより、そのときの実際の地形に基づいて飛行高度を設定することが可能となる。そして、本発明の高度設定工程では、起伏調査工程の測定結果に基づいて飛行計画の飛行高度が自動設定されるため、好適な飛行高度を操縦者が計算して入力する手間が省かれる。また、本発明では、高度設定工程で作成した飛行計画に基づいて無人航空機を自律飛行させ、無人航空機に何らかの作業を行わせることを想定しているが、その作業に先立って、無人航空機を地表または地物の高さの測定にも利用することで、別途測量機器等を用意して測量を行う必要がない。そのため、本発明の方法では、測量作業の手間やコストの問題、年月の経過による測量データの陳腐化の問題は生じない。さらに、地図等では把握することができない数ｍ単位の小さな起伏や傾斜を現場で取得することができるため、より実際に即した飛行高度を設定することができる。

また、前記起伏調査工程では、前記無人航空機に搭載された高度センサを使って取得した海抜高度または該無人航空機の離陸地点からの相対高度、および、前記無人航空機から下方に向けられた測距センサまたは撮影手段を使って取得した対地高度に基づいて、地表または地物の高さを測定することが好ましい。

無人航空機が高度センサと、測距センサまたは撮影手段と、を備え、離陸地点からの相対高度または海抜高度から対地高度を減算することで飛行経路上の地表または地物の高さを算出可能であることにより、地表または地物の高さを容易に特定することが可能となる。さらに、これら二つの高度を使って無人航空機の飛行中の飛行高度を制御することにより、飛行高度の制御精度を向上させることもできる。

また、本発明の無人航空機の飛行高度設定方法は、前記無人航空機を自律飛行させる経路を、その経路上の地表または地物の高さに対して余裕をもたせた飛行高度で指定した飛行計画を作成する仮経路設定工程をさらに含み、前記起伏調査工程では、前記仮経路設定工程で作成された前記飛行計画により前記無人航空機を自律飛行させ、該飛行計画の経路上の地表または地物の高さを測定することが好ましい。

起伏調査工程の測定結果を高度設定工程で利用するためには、高度設定工程で指定する経路の地表または地物の高さが測定されている必要がある。つまり、起伏調査工程では、高度設定工程で指定する予定の経路を通るように機体を飛行させる必要があり、これを手動操縦で行うためには熟練した操縦技能が必要である。また、テレメトリデータの経緯度値を手元の管理装置で確認しながら操縦する方法も考えられるが、効率のよい方法とはいえない。そこで、飛行高度に余裕をもたせた飛行計画を作成し、その飛行計画を使って自律飛行で起伏調査工程を行うことにより、より効率的に、高度設定工程で指定する経路上の地表または地物の高さを測定することが可能となる。

また、前記仮経路設定工程で作成される前記飛行計画、および、前記高度設定工程で作成される前記飛行計画は、経緯度上の経路が略同一であることが好ましい。

仮経路設定工程で作成される飛行計画の経路、すなわち起伏調査工程において無人航空機を飛行させる経路の経緯度と、高度設定工程で指定される経路の経緯度とが略同一であることにより、起伏調査工程の測定範囲を実際に必要となる範囲だけに絞り込むことができる。これにより起伏調査工程が効率化されるとともに、高度設定工程における自動設定可能範囲の網羅率を高めることができる。

また、本発明の無人航空機の飛行高度設定方法は、前記無人航空機が維持すべき対地高度である目標距離を指定する目標距離設定工程をさらに含み、前記高度設定工程では、前記起伏調査工程で測定した地表または地物の高さに前記目標距離を加えた高さを前記飛行計画の経路上の飛行高度として自動的に設定することが好ましい。

地表または地物と無人航空機との目標距離を無人航空機の作業目的に応じて適宜指定することにより、本発明の方法を広範な用途に適用することが可能となる。

また、本発明の無人航空機の飛行高度設定方法は、前記高度設定工程で作成した前記飛行計画により前記無人航空機を自律飛行させ、該飛行計画の経路上の地表または地物の高さを測定する起伏再調査工程と、前記起伏再調査工程で測定した地表または地物の高さに前記目標距離を加えた高さを前記飛行計画の経路上の飛行高度として自動的に設定する高度再設定工程と、をさらに含むことが好ましい。

起伏調査工程の測定精度によっては、一度の測定だけでは十分な精度の飛行高度を設定することができない場合もある。そこで、高度設定工程で作成された飛行計画を使って再度、地表または地物の高さを測定することにより、最初の測定結果よりも高精度な測定結果を得ることができる。そして、その測定結果に基づいて飛行計画を作成することにより、より理想的な飛行高度を設定することが可能となる。

また、前記高度設定工程で作成される前記飛行計画には、傾斜面に沿った経路が指定されることが好ましい。

本発明によれば、一般的なフライトコントローラ製品では困難な、傾斜面に沿った自律飛行を容易に実現することができる。

また、上記課題を解決するため、本発明の無人航空機システムは、無人航空機と、前記無人航空機を自律飛行させる経路の指定を含む設定データである飛行計画を作成する管理装置と、を備え、前記無人航空機または前記管理装置は、前記飛行計画に基づいて前記無人航空機を自律飛行させる自律飛行制御手段と、前記無人航空機を飛行させた経路の地表または地物の高さを算出する起伏取得手段と、を有し、前記管理装置は、前記飛行計画の作成時に、前記起伏取得手段で算出した地表または地物の高さに基づいて、前記飛行計画の経路上の飛行高度を自動的に設定する高度設定手段を有することを特徴とする。

本発明の無人航空機システムは、地表または地物の高さを算出する起伏取得手段を有することにより、無人航空機を飛行させる実際の地形に基づいて飛行高度を設定することができる。そして、起伏取得手段の算出結果に基づいて高度設定手段が飛行計画の飛行高度を自動的に設定することにより、好適な飛行高度を操縦者が計算して入力する手間が省かれる。また、本発明では、高度設定手段により飛行高度が設定された飛行計画を使って無人航空機を自律飛行させ、無人航空機に何らかの作業を行わせることを想定しているが、その作業に先立って、無人航空機を地表または地物の高さの測定にも利用することで、別途測量機器等を用意して測量を行う必要がない。そのため、本発明の無人航空機システムでは、測量作業の手間やコストの問題、年月の経過による測量データの陳腐化の問題は生じない。さらに、地図等では把握することができない数ｍ単位の小さな起伏や傾斜を現場で取得することができるため、より実際に即した飛行高度を指定することができる。

また、前記無人航空機は、海抜高度または離陸地点からの相対高度を取得する高度センサと、地表または地物との距離を測定可能な情報を取得する距離情報取得手段と、を有し、前記無人航空機または前記管理装置は、前記距離情報取得手段で取得した情報から前記無人航空機の対地高度を算出する距離測定手段を有し、前記起伏取得手段は、前記高度センサで取得した海抜高度または離陸地点からの相対高度と、前記距離測定手段で取得した対地高度とに基づいて、地表または地物の高さを算出することが好ましい。

高度センサと距離測定手段とを備え、離陸地点からの相対高度または海抜高度から対地高度を減算することで飛行経路上の地表または地物の高さを算出可能であることにより、地表または地物の高さを容易に特定することが可能となる。

また、前記管理装置は、前記無人航空機が維持すべき対地高度である目標距離を記憶する目標距離保持部を有し、前記高度設定手段は、地表または地物の高さに前記目標距離を加えた高さを前記飛行計画の経路上の飛行高度として自動的に設定することが好ましい。

地表または地物と無人航空機との目標距離を無人航空機の作業目的に応じて適宜指定することにより、本発明の無人航空機システムを幅広い用途に柔軟に適用することが可能となる。

以上のように、本発明の飛行高度設定方法および無人航空機システムによれば、地表または地物の起伏や傾斜に対して無人航空機の飛行高度を効率的に設定することが可能となる。

無人航空機システムを使った農薬散布作業の様子を示す模式図である。 マルチコプターの機能構成を示すブロック図である。 管理装置の機能構成を示すブロック図である。 飛行計画の作成の流れを示すフローチャートである。 図１の経路の一部を抜き出した側面視断面図であ 図５の一部を抜き出した部分拡大図である。 図５の果樹等の高さ情報を加工した後で飛行高度を自動設定した様子を示す図である。 本例の無人航空機システムを他の用途に応用した例を示す模式図である。

［実施形態概要］
以下、本発明の実施形態（以下、「本例」ともいう。）について説明する。本実施形態は、小型の無人回転翼航空機であるマルチコプター１０および管理装置６０からなる無人航空機システムＳを使って、山麓の傾斜面に造成された果樹園に農薬を散布する作業の例である。

図１は、無人航空機システムＳを使った農薬散布作業の様子を示す模式図である。本例の農薬散布作業では、マルチコプター１０は、予め指定された経路ｒに沿って、地表である山肌や地物である果樹（以下、これらを総称して「果樹等ｇ」という。）の上を所定の飛行高度ａで自律飛行し、農薬を散布する。

［機能構成］
（マルチコプターの機能構成）
図２はマルチコプター１０の機能構成を示すブロック図である。マルチコプター１０は、主に、制御部であるフライトコントローラ１１、操縦者が携行する管理装置６０から制御信号を受信し、また、管理装置６０とデータの送受信を行う通信装置１２、固定ピッチのプロペラが装着されたブラシレスモータである複数のロータ１３、これらロータ１３の駆動回路であるＥＳＣ１３１（Electric Speed Controller）、機体下方の果樹等ｇを撮影する撮影手段であるカメラ４０、および、これらに電力を供給するバッテリー１９により構成されている。

フライトコントローラ１１はマイクロコントローラである制御装置２０を備えている。制御装置２０は、中央処理装置であるＣＰＵ２１、ＲＡＭやＲＯＭ・フラッシュメモリなどの記憶装置からなるメモリ２２、および、ＥＳＣ１３１を介して各ロータ１３の回転数を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）コントローラ２３を有している。

フライトコントローラ１１はさらに、ＩＭＵ３１（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）、ＧＰＳアンテナ３２、気圧センサ３３、および電子コンパス３４を含む飛行制御センサ群３０を有しており、これらは制御装置２０に接続されている。

ＩＭＵ３１は、主に３軸加速度センサおよび３軸角速度センサにより構成されている。ＧＰＳアンテナ３２は、正確には航法衛星システム（ＮＳＳ：Navigation Satellite System）の受信器である。ＧＰＳアンテナ３２は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ:Global Navigation Satellite System）または地域航法衛星システム（ＲＮＳＳ:Regional Navigational Satellite System）から現在の経緯度値および時刻情報を取得する。気圧センサ３３は飛行高度を測定する高度センサの一態様である。気圧センサ３３は、検出した気圧値を海抜高度またはマルチコプター１０の離陸地点からの相対高度に変換することでマルチコプター１０の飛行高度を特定する。なお、本発明の高度センサは気圧センサ３３に限られず、例えばＧＰＳアンテナ３２でジオイドからの標高を取得することも可能である。電子コンパス３４は機首の方位角を測定する方位センサの一態様である。本例の電子コンパス３４には３軸地磁気センサが用いられている。制御装置２０は、これら飛行制御センサ群３０により、機体の傾きや回転のほか、飛行中の経緯度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得することが可能とされている。

制御装置２０は、マルチコプター１０の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御するプログラムである飛行制御プログラム２２１を有している。飛行制御プログラム２２１は、飛行制御センサ群３０から取得した情報を基に個々のロータ１３の回転数を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながらマルチコプター１０を飛行させる。

本例の制御装置２０はさらに、マルチコプター１０の自律飛行制御手段である自律飛行プログラム２２２を有している。自律飛行プログラム２２２は、マルチコプター１０を飛行させる経路ｒや高度ａ、速度などの設定データである飛行計画２２３に基づいてマルチコプター１０を自律的に飛行させるプログラムである。なお、本発明でいう「経路ｒ」とは、水平面上（経緯度上）の飛行経路を意味している。自律飛行プログラム２２２は、操縦者（管理装置６０）からの実行指示や所定の時刻などを開始条件として、マルチコプター１０を飛行計画２２３に基づいて自律的に飛行させる。本例ではこのような自律飛行を指して「オートパイロット」という。本例では基本的に、マルチコプター１０をオートパイロットで飛行させることを想定しているが、操縦者が管理装置６０を使って手動で操縦することも可能である。また、本例ではマルチコプター１０に自律飛行制御手段が搭載されているが、管理装置６０が自律飛行制御手段を備え、無線通信により遠隔からマルチコプター１０を操縦することでオートパイロットを行うことも可能である。

カメラ４０はマルチコプター１０の飛行中に機体下方の静止画像を一定の距離間隔で連続撮影（連写）する。カメラ４０で撮影された各画像には、その撮影位置におけるマルチコプター１０の経緯度および飛行高度の情報が付加される。これらの付加情報は、マルチコプター１０のＧＰＳアンテナ３２および気圧センサ３３で得られた情報である。上記各画像は、マルチコプター１０の進行方向において、カメラ４０の画角内に収められる果樹等ｇの像の一部が重なる間隔で撮影されている。これら各画像は、後述する管理装置６０の画像認識プログラム７２１で解析されることにより、その撮影位置におけるマルチコプター１０（カメラ４０）と果樹等ｇとの距離（対地高度）が算出される。すなわち、本例のカメラ４０は、マルチコプター１０と果樹等ｇとの距離を測定可能な情報を取得する距離情報取得手段である。なお、本例のカメラ４０は、撮影した画像およびその付加情報をカメラ４０が備えるＳＤメモリカードなどのメモリ４１に記録する構成とされているが、通信装置１２を介してこれをリアルタイムに管理装置６０に送信する構成としてもよい。また、本例では距離情報取得手段としてカメラ４０が採用されているが、本発明の距離情報取得手段は、無人航空機と地表または地物との距離を測定可能な情報を取得する手段であればよく、カメラ４０のほか、レーザ測距センサなどの光学式測距センサ、または超音波センサなどを採用することもできる。

（管理装置の機能構成）
図３は管理装置６０の機能構成を示すブロック図である。管理装置６０は、マルチコプター１０の各種設定、状態監視、および操縦を行う端末であり、無人航空機分野において一般にＧＣＳ（Ground Control Station）と呼ばれている装置である。

管理装置６０は、主に、中央処理装置であるＣＰＵ６１、ＲＡＭやＲＯＭ・フラッシュメモリなどの記憶装置からなるメモリ６２、マルチコプター１０と無線通信を行う通信装置６３、各種情報を操縦者に視覚的に表示するモニタ６４、操縦者からの入力を受け付ける入力装置６５、および、これらに電力を供給するバッテリー６９を備えている。

通信装置６３は、マルチコプター１０と制御信号やデータの送受信を行うことが可能であれば、その具体的な通信方式やプロトコルは問わない。例えば、マルチコプター１０への飛行計画２２３のアップロードやマルチコプター１０からのテレメトリデータの受信はＷｉ−Ｆｉ（Wireless Fidelity）により双方向通信で行い、手動操縦時の操縦信号はＰＣＭ（pulse code modulation：パルス符号変調）信号を２．４ＧＨｚ帯の周波数ホッピング方式で送信する構成などが考えられる。その他、マルチコプター１０および管理装置６０がその通信装置１２，６３として、３ＧやＬＴＥ（Long Term Evolution）、ＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）などの移動体通信網への接続モジュールを備える構成としてもよい。こうすることにより操縦者は、移動体通信網のサービスエリア内であればどこからでもマルチコプター１０を制御することが可能となる。また、本例のマルチコプター１０および管理装置６０は必ずしも無線で通信する必要はなく、有線接続で通信を行う構成としてもよい。

管理装置６０には、マルチコプター１０の飛行計画２２３を作成する飛行計画作成プログラム７１がインストールされている。操縦者は、飛行計画作成プログラム７１を使って地図データ７３を参照しながら飛行計画２２３を作成し、これをマルチコプター１０にアップロードすることができる。

管理装置６０のメモリ６２にはさらに、カメラ４０のメモリ４１に記録された画像を解析して、マルチコプター１０（カメラ４０）がその画像を撮影したの位置と、その下方に存在する果樹等ｇとの距離（対地高度）を算出する画像認識プログラム７２１が登録されている。画像認識プログラム７２１は、本発明の距離測定手段の一態様である。

本例の画像認識プログラム７２１は、本発明の起伏取得手段の一態様である高度マッピングプログラム７２のサブプログラムである。高度マッピングプログラム７２は、各画像に付加された飛行高度情報と、画像認識プログラム７２１で測定した対地高度とに基づいて、マルチコプター１０がその画像を撮影した位置における果樹等ｇの高さを算出する。そして、高度マッピングプログラム７２は、各画像に付加された経緯度情報に基づいて、地図データ７３上に果樹等ｇの高さをマッピングする。

そして、飛行計画作成プログラム７１は、そのサブプログラムとして、飛行計画２２３の飛行高度を自動設定する高度設定プログラム７１１を有している。高度設定プログラム７１１は、本発明の高度設定手段の一態様である。高度設定プログラム７１１は、地図データ７３にマッピングされた果樹等ｇの高さ情報に基づいて、操縦者が指定した経路ｒの飛行高度ａを自動的に設定する。なお、詳細は後述するが、本例における果樹等ｇの「高さ」とは、マルチコプター１０の離陸地点からの相対的な高度差を意味している。ただしこれは、果樹等ｇの高さを測定するときと農薬を散布するときのマルチコプター１０の離陸地点が同じであることを前提とした方法である。果樹等ｇの高さを測定するときと農薬を散布するときのマルチコプター１０の離陸地点が異なる場合には、測定した果樹等ｇの高さを海抜高度に換算したり、気圧値に換算したりすればよい。

また、管理装置６０のメモリ６２には、農薬の散布時にマルチコプター１０が維持すべき果樹等ｇとの距離（対地高度）である目標距離ｉが登録されている。目標距離ｉは操縦者により指定された距離である。すなわち、管理装置６０のメモリ６２は本発明の目標距離保持部の一態様である。

管理装置６０には、一般的なノート型パソコンやタブレットコンピュータを好適に用いることができる。図３に示す主要構成が一装置に集約されており、また持ち運びも容易だからである。一方、本発明の管理装置６０は、高度設定手段を備え、飛行計画を作成可能であれば、その物理的な形態は問わない。例えば図３に示す各構成を有する別々の装置を組み合わせて管理装置６０としてもよい。また、本例ではマルチコプター１０と管理装置６０が別々の装置として構成されているが、マルチコプター１０自体に管理装置６０の機能を搭載した構成としてもよい。その場合、操縦者は、ノート型パソコンやタブレットコンピュータを使ってマルチコプター１０内の管理装置６０にアクセスすればよい。

［飛行高度設定方法］
（手順概要）
以下、本例の飛行高度設定方法について説明する。図４は、飛行計画２２３を作成する流れを示すフローチャートである。本例の飛行高度設定方法は、主に、仮経路設定工程Ｓ１０、起伏調査工程Ｓ２０、目標距離設定工程Ｓ３０、および高度設定工程Ｓ４０からなり、必要に応じて、これに、起伏再調査工程Ｓ６０、および高度再設定工程Ｓ７０が加えられる。

（仮経路設定工程および起伏調査工程）
図５は、経路ｒの一部を抜き出した側面視断面図であり、仮経路設定工程Ｓ１０および起伏調査工程Ｓ２０を説明する模式図である。仮経路設定工程Ｓ１０では、経路ｒ上の果樹等ｇの高さに対して余裕をもたせた飛行高度ａを指定した飛行計画２２３（仮飛行計画）を作成する。そして、起伏調査工程Ｓ２０では、この飛行計画２２３でマルチコプター１０を自律飛行させ、経路ｒ上の果樹等ｇの高さを測定する。ここで、「余裕をもたせた飛行高度ａ」は、操縦者の目視や地図の等高線などからおおまかに決定すればよい。本例の場合、離陸地点からの相対高度で１５ｍを超える高さを指定すればよい。

以下、上記各工程についてより具体的に説明する。操縦者はまず、管理装置６０の飛行計画作成プログラム７１を起動し、地図データ７３上で経路ｒを指定する。そして、経路ｒにおいて果樹等ｇの一番高い部分を目視で確認し、経路ｒ全体の飛行高度ａを２０ｍに設定する。

ここで、本例の飛行計画２２３で設定される飛行高度ａは、マルチコプター１０の気圧センサ３３で得られる気圧高度をマルチコプター１０の離陸地点からの相対高度に変換したものである。本例では説明の便宜上、１ｈＰａの高度差を１０ｍとして扱う。この後の起伏調査工程Ｓ２０では、マルチコプター１０は果樹等ｇの最も低い位置から離陸する。図５に示すように、果樹等ｇの最も低い位置の気圧値は１００２．０ｈＰａである。通常、この気圧値（１００２．０ｈＰａ）は海抜１００ｍ前後の標高を示すものであるが、本例のマルチコプター１０は、この気圧値（１００２．０ｈＰａ）を飛行高度ａの基準値（飛行高度ａ：０ｍ）とする。

その後、操縦者は管理装置６０から飛行計画２２３をマルチコプター１０にアップロードし（Ｓ２１）、マルチコプター１０をオートパイロットで自律飛行させ、その経路ｒ上の果樹等ｇをカメラ４０で撮影する（Ｓ２２）。

マルチコプター１０が経路ｒの自律飛行を終えると、操縦者は、マルチコプター１０からカメラ４０のメモリ４１内の画像およびその付加情報を管理装置６０にダウンロードする（Ｓ２３）。そして、管理装置６０の高度マッピングプログラム７２でこれらの画像およびその付加情報を解析し、地図データ７３上に果樹等ｇの高さをマッピングする（Ｓ２４）。

果樹等ｇのうち、起伏調査工程Ｓ２０においてカメラ４０で撮影され、その高さが測定される部分は、図５の太線で示した部分である。ここで、果樹等ｇの最も低い位置は、マルチコプター１０の飛行高度ａが２０ｍ（１０００．０ｈＰａ）となる位置から撮影した距離ｄ１が２０ｍである。そのため、果樹等ｇの最も低い位置の高さｈ１は０ｍとして扱われる。そして、果樹等ｇの最も高い位置は、飛行高度２０ｍから撮影した距離ｄ２が５ｍである。そのため、果樹等ｇの最も高い位置の高さｈ２は１５ｍとして扱われる。このようにして経路ｒ上の果樹等ｇの高さが測定される。

なお、図５の直線ｘ１−ｘ２は、経路ｒ上の果樹等ｇの高さを直線近似した線である。直線ｘ１−ｘ２から、果樹等ｇの高さはｘ１からｘ２に向かって高くなる傾向にあり、ｘ２からｘ１に向かって低くなる傾向にあることが分かる。この直線ｘ１−ｘ２は、この後の高度設定工程Ｓ４０において、経路ｒ上の果樹等ｇの高さ情報を加工するときに使用される。

このように、本例の無人航空機システムＳおよび飛行高度設定方法では、マルチコプター１０が気圧センサ３３およびカメラ４０を備え、マルチコプター１０の飛行高度ａから対地高度を減算することで飛行経路ｒ上の果樹等ｇの高さが算出できる。これにより、果樹等ｇの高さを容易に測定することが可能とされている。

本例では、農薬の散布作業に先立ち、マルチコプター１０を果樹等ｇの高さの測定にも利用している。そのため、別途測量機器等を用意して果樹等ｇの高さを測量する必要がない。よって、本例の方法によれば、測量作業の手間やコストの問題、年月の経過による測量データの陳腐化の問題は生じない。さらに、地図等では把握することができない数ｍ単位の小さな起伏や傾斜を現場で取得することができるため、より実際に即した飛行高度ａを設定することが可能とされている。

なお、本例の仮経路設定工程Ｓ１０は必須の工程ではなく、省略することもできる。その場合、起伏調査工程Ｓ２０では、操縦者がマルチコプター１０を手動で操縦して果樹等ｇの高さを取得すればよい。ただし、起伏調査工程Ｓ２０の測定結果をこの後の高度設定工程Ｓ４０で利用するためには、高度設定工程Ｓ４０で指定する経路ｒの果樹等ｇの高さが測定されている必要がある。つまり、起伏調査工程Ｓ２０では、高度設定工程Ｓ４０で指定する経路ｒを通るように機体を飛行させる必要がある。これを手動操縦で行うためには熟練した操縦技能が求められる。また、テレメトリデータの経緯度値を手元の管理装置６０で確認しながら操縦することも可能ではあるが、効率のよい方法とはいえない。

本例では、飛行高度ａに余裕をもたせた飛行計画２２３を仮経路設定工程Ｓ１０で作成し、起伏調査工程Ｓ２０自体をオートパイロットで行うことにより、高度設定工程Ｓ４０で指定する経路ｒに沿った果樹等ｇの高さを効率的に測定することが可能とされている。また、地図データ７３にマッピングされている経緯度情報と、ＧＰＳアンテナ３２が検出する経緯度値との間には誤差が生じる。起伏調査工程Ｓ２０をオートパイロットで行うことにより、農薬散布作業を行う前にこの誤差の程度を把握し、調整することができる。

（目標距離設定工程）
目標距離設定工程Ｓ３０では、マルチコプター１０が農薬を散布するときに維持すべき果樹等ｇとの距離である目標距離ｉを指定する。本例では目標距離ｉを５ｍとする。マルチコプター１０の作業目的に応じた目標距離ｉを操縦者が適宜指定可能であることにより、本例の無人航空機システムＳおよび飛行高度設定方法を幅広い用途に柔軟に適用することが可能とされている。

（高度設定工程）
高度設定工程Ｓ４０では、高度設定プログラム７１１が、地図データ７３にマッピングされた果樹等ｇの高さに目標距離ｉを加えた高さを、その位置における経路ｒの飛行高度ａとして自動設定する。これにより、好適な飛行高度ａを操縦者が計算して入力する手間が省かれている。

なお、本例では、仮経路設定工程Ｓ１０で指定された経路ｒと、高度設定工程Ｓ４０で指定される経路ｒは同一である。これら経路ｒが同一であることにより、起伏調査工程Ｓ２０の測定範囲が、農薬散布作業において実際に必要となる範囲だけに絞り込まれている。これにより起伏調査工程Ｓ２０が効率化されるとともに、高度設定工程Ｓ４０による自動設定可能範囲の網羅率が高められている。

ここで、例えば地表や地物の高さが経路ｒ上で連続的に滑らかに変化していれば、単に果樹等ｇの高さに目標距離ｉを加えたものを飛行高度ａとすればよい。しかし、本例のように狭い範囲内で果樹等ｇの高さが大きく複雑に変化している場合、単に果樹等ｇの高さに目標距離ｉを加えただけでは、マルチコプター１０の飛行高度ａが不安定になるという問題がある。例えば、図５の破線で囲んだ部分ｇ１では、果樹等ｇの高さが乱高下している。単に果樹等ｇの高さに目標距離ｉを加えた飛行高度ａを飛行させる場合、この部分ｇ１では下降と上昇をほぼ垂直に立て続けに行うことになる。

図６および図７は、地図データ７３にマッピングされた果樹等ｇの高さ情報の加工例を示す模式図である。図６は、図５の一部を抜き出した部分拡大図であり、果樹等ｇの高さが経路ｒの進行方向に向かって高くなる傾向にあるときの、果樹等ｇの高さ情報の加工方法を説明する図である。図７は、図５の果樹等ｇの高さ情報を加工した後で飛行高度ａを自動設定した様子を示す図である。

図６および図７の例では、ウェイポイントｗａからウェイポイントｗｂに向かう経路ｒが操縦者により指定されている。なお、ここでいう「ウェイポイント」とは、経路ｒの中継点である。飛行計画作成プログラム７１は、操縦者が地図データ７３上で指定したウェイポイントをその指定順に結ぶように経路ｒを設定する。

図５を使って説明したように、ウェイポイントｗａからウェイポイントｗｂに向かう方向、つまりｘ１からｘ２に向かう方向は、果樹等ｇの高さが高くなる傾向にある。この区間においては、マルチコプター１０の飛行高度ａを下げる操作は、その効果よりも弊害の方が大きいと考えられる。なぜならば、果樹等ｇの高さに沿ってマルチコプター１０の飛行高度ａを下げるとその直後に急上昇させなければならなくなり、また、果樹等ｇとの衝突のおそれもあるからである。

そこで、本例の高度設定プログラム７１１は、図６に示すように、地図データ７３にマッピングされた果樹等ｇの高さ情報を加工する。具体的には、高度設定プログラム７１１は、まず、ウェイポイントｗａ側からウェイポイントｗｂ側に向かって果樹等ｇの高さを走査する。そして、果樹等ｇの高さがそれ以前の果樹等ｇの高さよりも低くなったときには、その部分の高さを、それ以前の最大の高さに置き換える（破線ｇ’）。この処理により、ウェイポイントｗａからウェイポイントｗｂの果樹等ｇの高さ情報は、図５の太線で示される状態から、図７の太線で示される状態に加工される。そして、高度設定プログラム７１１は、加工後の果樹等ｇの高さに対して目標距離ｉを加算し、経路ｒの飛行高度ａを設定する。なお、高度設定プログラム７１１が飛行高度ａの中継点ａ１を設定する間隔はその用途において求められる精度に応じて適宜調節することができる。

また、図６および図７の進行方向とは逆方向、すなわち、ウェイポイントｗｂからウェイポイントｗａに向かう経路は、図５の直線ｘ１−ｘ２で示されるように、果樹等ｇの高さが低くなる傾向にある。この区間においても、マルチコプター１０の飛行高度ａを下げた直後に急上昇させるという操作にはあまり意味がないと考えられる。よって、この場合も、果樹等ｇの高さ情報を、図７の状態にしてから目標距離ｉを加算することが望ましい。

以上のことから、本例の高度設定プログラム７１１は、操縦者が指定した各ウェイポイント間の果樹等ｇの高さを直線近似し、これらウェイポイント間において、果樹等ｇの高さが低い方から高い方に向かって図６に示す処理を行う。これにより、経路ｒ全体における不要な高低差が省かれ、マルチコプター１０の飛行動作がより安定する。

そして、高度設定工程Ｓ４０を経て作成された飛行計画２２３の高度が操縦者からみて妥当なものであれば（Ｓ５０：Ｙ）、その飛行計画２２３をマルチコプター１０にアップロードし、農薬散布の準備にとりかかる。

一方、起伏調査工程Ｓ２０の測定精度が不十分な場合には、画像認識プログラム７２１、高度マッピングプログラム７２、または高度設定プログラム７１１がアラートや警告をモニタ６４に表示するようにしてもよい。同様に、急上昇や急降下の程度が所定の閾値を超える箇所がある場合には、その箇所について迂回を提案するようにしてもよい。

（起伏再調査工程および高度再設定工程）
上でも述べたように、起伏調査工程Ｓ２０の測定精度によっては、一度の測定だけでは十分な精度の飛行高度ａを設定することができない場合もある（Ｓ５０：Ｎ）。その場合、高度設定工程Ｓ４０で作成された飛行計画２２３を使って、果樹等ｇの高さを再度測定することにより、最初の測定結果よりも高精度な測定結果を得ることができる。

起伏再調査工程Ｓ６０では、高度設定工程Ｓ４０で作成した飛行計画２２３によりマルチコプター１０を自律飛行させ、飛行計画２２３の経路ｒ上の果樹等ｇの高さを測定する。その手順は最初の起伏調査工程Ｓ２０に準ずるものである。

操縦者は管理装置６０から飛行計画２２３をマルチコプター１０にアップロードし（Ｓ６１）、マルチコプター１０をオートパイロットで自律飛行させ、経路ｒ上の果樹等ｇをカメラ４０で撮影する（Ｓ６２）。

マルチコプター１０が経路ｒの自律飛行を終えると、操縦者は、マルチコプター１０からカメラ４０のメモリ４１内の画像およびその付加情報を管理装置６０にダウンロードする（Ｓ６３）。そして、管理装置６０の高度マッピングプログラム７２でこれらの画像およびその付加情報を解析し、地図データ７３上に果樹等ｇの高さをマッピングする（Ｓ６４）。

高度再設定工程Ｓ７０の手順は高度設定工程Ｓ４０に準ずるものである。高度設定プログラム７１１は、起伏再調査工程Ｓ６０で測定され、地図データ７３にマッピングされた高さ情報に基づいて、経路ｒの飛行高度ａを自動的に設定する。

そして、高度再設定工程Ｓ７０を経て作成された飛行計画２２３の高度が操縦者からみて妥当なものであれば（Ｓ５０：Ｙ）、その飛行計画２２３をマルチコプター１０にアップロードし、農薬散布の準備にとりかかる。この時点でも飛行高度ａの精度が十分でない場合には、起伏再調査工程Ｓ６０および高度再設定工程Ｓ７０を再度繰り返せばよい。

このように、本例の無人航空機システムＳおよび飛行高度設定方法によれば、一般的なフライトコントローラ製品では困難な、地形の起伏や傾斜面に沿った自律飛行を、効率的に実現することができる。

［他の用途への応用例］
図８は、本例の無人航空機システムＳを他の用途に応用した例を示す模式図である。図８は、無人航空機システムＳを使って鉄塔９０に架設された送電線９１のたるみに沿ってマルチコプター１０を飛行させながら、送電線９１を側方から撮影する作業例である。

架空電線路の送電線や配電線には、電線や鉄塔・電柱の保護を目的として、所定の弛度（たるみ）が設けられている。そのため、例えば電線の損傷を点検するために、無人航空機を電線に沿って飛行させながら、電線をその側方から撮影しようとする場合、電線のたるみに合わせて無人航空機の飛行高度を調整する必要がある。このような飛行を手動で行う場合、操縦者には高度な操縦技能が求められ、作業可能な人員の確保が問題となる。

以下、無人航空機システムＳを使った送電線９１の撮影手順を説明する。仮経路設定工程Ｓ１０では、送電線９１に沿って送電線９１の真上をマルチコプター１０に飛行させる飛行計画２２３を作成する。起伏調査工程Ｓ２０では、送電線９１を真上からカメラ４０で撮影し、送電線９１の各位置における高さを測定する。目標距離設定工程Ｓ３０では目標距離ｉを０ｍに設定する。高度設定工程Ｓ４０では、測定した送電線９１の高さを加工せずに飛行高度ａを自動設定する（送電線９１の高さの測定精度が不十分なときは、起伏再調査工程Ｓ６０および高度再設定工程Ｓ７０を繰り返す）。そして、高度設定工程Ｓ４０を経て作成された飛行計画２２３の経路ｒを、送電線９１の撮影に好適な距離だけ手動で移動させる。そして、カメラ４０を送電線９１の方に向け、マルチコプター１０を自律飛行させる。なお、自律飛行プログラム２２２がカメラ４０のＯＮ／ＯＦＦ、ＰＴＺ操作などに対応している場合には、飛行計画２２３でカメラ４０の向きを制御してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることができる。例えば、本発明の飛行高度設定方法および無人航空機システムに使用可能な無人航空機はマルチコプター１０には限られず、無人であることを条件として、ヘリコプターや固定翼機、さらにはＶＴＯＬ機（Vertical Take-Off and Landing：垂直離着陸機）を使用することもできる。また、本発明の飛行高度設定方法および無人航空機システムの用途は農薬散布や電線撮影には限られず、地表や地物の高さに沿った飛行高度の制御が求められる用途であればあらゆる用途に適用可能である。また、本発明でいう「地表または地物」は天然物には限られず、床面、階段、または床に設置された什器など、屋内外の人工物も含まれる。

Ｓ 無人航空機システム
１０ マルチコプター（無人航空機）
１１ フライトコントローラ
２２２ 自律飛行プログラム（自律飛行制御手段）
２２３ 飛行計画
３０ 飛行制御センサ群
３１ ＩＭＵ
３２ ＧＰＳアンテナ
３３ 気圧センサ（高度センサ）
３４ 電子コンパス
４０ カメラ（距離情報取得手段）
６０ 管理装置
６２ メモリ（目標距離保持部）
７１ 飛行計画作成プログラム
７１１ 高度設定プログラム（高度設定手段）
７２ 高度マッピングプログラム（起伏取得手段）
７２１ 画像認識プログラム（距離測定手段）
Ｓ１０ 仮経路設定工程
Ｓ２０ 起伏調査工程
Ｓ３０ 目標距離設定工程
Ｓ４０ 高度設定工程
Ｓ６０ 起伏再調査工程
Ｓ７０ 高度再設定工程
ａ 飛行高度
ｄ１，ｄ２ 対地高度
ｒ 経路
ｉ 目標距離
ｇ 果樹等（地表または地物）
ｈ１，ｈ２ 果樹等の高さ（地表または地物の高さ）
ｉ 目標距離

Claims (9)

1. 無人航空機を飛行させ、地表または地物の高さを測定する起伏調査工程と、
   前記無人航空機を自律飛行させる経路の指定を含む設定データである飛行計画の作成時に、前記起伏調査工程で測定した地表または地物の高さに基づいて該飛行計画の経路上の飛行高度を設定する高度設定工程と、を含み、
   前記無人航空機を自律飛行させる経路を、その経路上の地表または地物の高さに対して余裕をもたせた飛行高度で指定した飛行計画である仮飛行計画を作成する仮経路設定工程をさらに含み、
   前記起伏調査工程では、前記仮経路設定工程で作成された前記仮飛行計画により前記無人航空機を自律飛行させ、該仮飛行計画の経路上の地表または地物の高さを測定することを特徴とする無人航空機の飛行高度設定方法。
2. 前記起伏調査工程では、前記無人航空機に搭載された高度センサを使って取得した海抜高度または該無人航空機の離陸地点からの相対高度、および、前記無人航空機から下方に向けられた測距センサまたは撮影手段を使って取得した対地高度に基づいて、地表または地物の高さを測定することを特徴とする請求項１に記載の無人航空機の飛行高度設定方法。
3. 前記仮経路設定工程で作成される前記飛行計画、および、前記高度設定工程で作成される前記飛行計画は、経緯度上の経路が略同一であることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機の飛行高度設定方法。
4. 前記無人航空機が維持すべき対地高度である目標距離を指定する目標距離設定工程をさらに含み、
   前記高度設定工程では、前記起伏調査工程で測定した地表または地物の高さに前記目標距離を加えた高さを前記飛行計画の経路上の飛行高度として自動的に設定することを特徴とする請求項１に記載の無人航空機の飛行高度設定方法。
5. 前記高度設定工程で作成した前記飛行計画により前記無人航空機を自律飛行させ、該飛行計画の経路上の地表または地物の高さを測定する起伏再調査工程と、
   前記起伏再調査工程で測定した地表または地物の高さに前記目標距離を加えた高さを前記飛行計画の経路上の飛行高度として自動的に設定する高度再設定工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の無人航空機の飛行高度設定方法。
6. 前記高度設定工程で作成される前記飛行計画には、傾斜面に沿った経路が指定されることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機の飛行高度設定方法。
7. 無人航空機と、
   前記無人航空機を自律飛行させる経路の指定を含む設定データである飛行計画を作成する管理装置と、を備え、
   前記無人航空機または前記管理装置は、
   前記飛行計画に基づいて前記無人航空機を自律飛行させる自律飛行制御手段と、
   地表または地物の高さに対して余裕をもたせた飛行高度が指定された前記飛行計画である仮飛行計画に基づいて自律飛行する前記無人航空機の飛行経路上の地表または地物の高さを算出する起伏取得手段と、を有し、
   前記管理装置は、前記飛行計画の作成時に、前記起伏取得手段で算出した地表または地物の高さに基づいて、前記飛行計画の経路上の飛行高度を自動的に設定する高度設定手段を有することを特徴とする無人航空機システム。
8. 前記無人航空機は、
   海抜高度または離陸地点からの相対高度を取得する高度センサと、
   地表または地物との距離を測定可能な情報を取得する距離情報取得手段と、を有し、
   前記無人航空機または前記管理装置は、前記距離情報取得手段で取得した情報から前記無人航空機の対地高度を算出する距離測定手段を有し、
   前記起伏取得手段は、前記高度センサで取得した海抜高度または離陸地点からの相対高度と、前記距離測定手段で取得した対地高度とに基づいて、地表または地物の高さを算出することを特徴とする請求項７に記載の無人航空機システム。
9. 前記管理装置は、前記無人航空機が維持すべき対地高度である目標距離を記憶する目標距離保持部を有し、
   前記高度設定手段は、地表または地物の高さに前記目標距離を加えた高さを前記飛行計画の経路上の飛行高度として自動的に設定することを特徴とする請求項７に記載の無人航空機システム。
   

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