JP6717727B2 - 飛行物体の監視通信方式 - Google Patents

Description

本発明は、ドローンなどの飛行物体の墜落を検知し通報するシステムに関する。

ドローンが多用化されつつあるが、ラジコンのようにドローンを操縦する趣味の範囲から、ドローンにカメラをつけ、数１００メートルの範囲で農地、牧場、林野などの監視を行う業務用として使用される例も多くなり、将来は、宅配物を届ける手段としてドローンを活用することも実証実験などで検討されている。しかしながら、ドローンの墜落については管理されてなく、いつ、どこで墜落したかなどを集中管理することが、ドローンの技術進歩で飛行範囲が拡大され多用化されてくる今後、社会的に求められてくる。

特許文献1には、ドローンにGPSセンサを取り付け、ドローンの移動軌跡を管理する技術が開示されているが、ドローンが飛行中に何かと衝突したり、墜落したりの異常状態を検出する技術は開示されていない。

特開２０１５−２０７１４９

飛行物体が飛行中に生じる異常状態が検知されたら、直ちに、そのことを、どこで異常が発生したかの情報とともに飛行物体管理局に無線連絡することで、飛行物体管理局は、常時、飛行物体の異常状態を把握できるようにする。

本発明においては、飛行物体には、飛行物体とは別に、マッチ箱程度の大きさの筐体(飛行物体モニタ)が物理的に結合され、その筐体内には、衝撃センサと、GPSセンサと、無線通信回路が内蔵され、衝撃センサ出力が、ある設定値を超過したら、飛行中に衝突あるいは墜落が生起したと判断し、その時点でのGPS情報とともに、無線通信回路から、飛行物体管理局にそのことを連絡する。

無線通信方式としては、自営の通信網、例えば２０キロメートル程度の広さで使用可能といわれるLoRa通信方式のようなLPWA（Low Power Wide Area）方式を用いることで、省電力化を可能にする。

飛行物体から物体の飛行を駆動する電池の残量低下など、飛行物体の異常状態の情報が得られれば、その情報も合わせて飛行物体管理局に連絡する。

飛行物体と独立した筐体が、飛行物体の衝突や墜落などの異常を監視すると、直ちに、そのことを飛行物体管理局に連絡するので、多数の飛行物体の飛行を集中的に管理できるシステムができる。飛行物体としてドローンを例にすれば、ドローンが具備する機能は多種多彩で、GPSで飛行を制御・管理できるものから、GPS機能を内蔵しないものまであるが、本発明は、ドローンが所有する機能を問わず、飛行物体の異常を独立的に管理できる。

また、LPWA無線方式を用いることで、無線通信方式として３G、4Gのような携帯電話方式に比し省電力化が図れる。

本発明による飛行物体の監視通信方式の全体構成図である。 本発明による飛行物体モニタの内部構成を示すブロック図である。 本発明による無線監視局の内部構成を示すブロック図である。 本発明による飛行物体モニタと無線監視局、飛行物体管理局間の通信シーケンスの一例を示すものである。 本発明による通信信号の信号形式を示す図である。 本発明の衝撃センサの出力波形を示すものである。

以下本発明を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明による飛行物体の監視通信方式のシステムの全体構成図であり、飛行物体（以後、物体と称す）１０に飛行物体モニタ（以後、モニタと称す）２０が、物理的に結合されていて、モニタ２０は無線監視局（以後、監視局と称す）３０と無線通信する。ひとつの監視局３０が監視する広さは、無線通信が可能な範囲で、LPWA無線方式では２０キロメートル程度の範囲が可能である。この範囲に、飛行しているモニタは、監視局３０で、いくつでも監視可能である。物体１０のモニタ２０への物理的結合手段としては、ネジ止め、電気的接続端子と共にネジ止めの手段があろうが、ここでは、その方法は問わない。

監視局３０は、公衆通信網４０を介して、飛行物体管理局（以後、管理局と称す）５０に接続され、管理局５０は、すべての飛行物体の飛行管理を行っている。

図１では，ひとつの監視局３０が管理局５０に接続されているが、実際は、多数の監視局３０の情報が、公衆通信網４０を介して、管理局５０に集約されることが可能である。例えば，同一市内に５個ある監視局の情報を、市で一つの管理局５０で集中管理するとか、管理のレベルを県、州、日本全土とかのレベルで行うことも可能である。

公衆通信網４０は、携帯電話網、電話網、インタネット網などが、適宜選択使用される。

図２は、飛行物体モニタ２０の内部構成を示すブロック図であり、GPSセンサ２１、飛行軌跡メモリ２２、物体情報メモリ２３、衝撃センサ２４、レベル判定回路１８、無線通信回路２５、電池２６、モニタIDメモリ２７、電源供給制御回路２８、時計２９、タイマ１９、開始スイッチ１７、コネクタ１５よりなる。なお、電池には外部から電池電圧を測定できるように端子Aが設けられていて、飛行の開始前には電池電圧がチェックされる。

電池２６が、常時通電しているブロックは、時計２９のみであり、衝撃センサ２４、レベル判定回路１８、タイマ１９は、飛行中は常時、他のブロックは必要に応じ通電される。このような通電制御は、電源供給制御回路２８が行う。電源供給制御回路２８の制御の詳細はついては後記する。

物体１０とモニタ２０は、製品の発売前に、それぞれのメーカ名、製造番号、具備する機能について、管理局５０へ登録し、管理局５０から、それぞれのID符号を得て、そのID符号は、工場などで、製品に書きこんでおく。物体１０が具備する機能情報としては、GPSセンサを内蔵で飛行軌跡を管理する機能、モニタ２０と接続する接続端子の有無、接続端子があるとき、その接続端子に物体１０の電池残量が低下したことを通知する機能、電池残量が低下したとき、モニタ２０からの給電を受ける機能などがある。管理局５０は、すべての物体１０とモニタ２０の製品に関する情報を総合的に管理し、物体の飛行中に墜落などの異常が発生か、飛行開始後無事飛行を終え正常に着地したかなどを把握管理している。なお、管理局５０からID符号が付与されていないときは、メーカ名と製造番号をID符号として代用してもよい。

モニタ２０は、前記したように、それ単独で筐体化されていて、飛行の都度、結合される物体１０が異なることもよくある。そのため、飛行開始前には、物体１０とモニタ２０との組み合わせを、管理局５０に連絡しておくことが必要である。物体１０に接続端子が具備されているときは、モニタ２０は、物体のID符号を自動的に得て、飛行開始直前あるいは直後に、管理局５０に通信で報告できるが、接続端子が具備されてないときは、飛行前に、その組み合わせ（それぞれのID符号）を、管理局５０に別途連絡しておく必要がある。この連絡は、前記したように、管理局５０が飛行中の物体情報を把握管理するために必要で、飛行開始後、正常に着陸したか、あるいは飛行中に事故などの異常事態に遭遇したかを知るために重要である。連絡法としては電話でもよく、スマートフォンなどに連絡用のアプリケーションソフトウエアを搭載しておき、それを用いてもよい。

物体１０の飛行開始時にはモニタ２０にある開始スイッチ１７を押し、飛行を開始したことを、物体２０のID符号、モニタ２０のID符号とともに管理局５０に伝えるが、物体１０が接続端子を具備していないときは、物体１０のID符号や機能情報を得るため、無線通信回路２５が、管理局５０に、物体１０の機能情報などを問い合わせる。その通信シーケンスについては後記する。

物体１０の飛行中は、飛行軌跡は、時計２９からタイマ１９で、一定の周期信号を発生させて、その周期で、GPSセンサ情報を得て、飛行軌跡メモリ２２にGPS情報と時刻を書きこんでいく。物体情報メモリ２３が、物体１０にGPS機能が具備されていることを知ったときは、飛行軌跡を記憶することは必ずしも必要ではなく、必要としないときは、タイマ１９を不作動とし、GPSセンサ２１、飛行軌跡メモリ２２への周期的な電源供給を停止することで、モニタ２０のさらなる省電力が図れる。

物体１０の飛行中の異常は、木などの障害物に衝突したり、墜落したりするが、その検出のために衝撃センサ２４と衝撃レベルを判定するレベル判定回路１８は飛行中、常時給電されている。衝撃センサ２４の出力電圧は、衝撃の大きさにより変化し、物体１０が、（１）飛行中に木や電線などに軽く接触した時、（２）何かに接触し、少し蛇行したが飛行に影響を与えず飛行を継続できる程度の接触、（３）何かに接触し飛行が操縦不能になり、あるいは物体そのものが操縦不能となり、地表あるいは林あるいはビルの屋上などに墜落したとき、（４）本来の着陸地点に正常に戻ったとき（正常に着陸）で、それぞれ、出力電圧と電圧波形は異なる。

レベル判定回路１８は、衝撃センサ２４の出力電圧と波形から、衝撃レベルが、前記（２）、（３）、（４）の時は、無線通信回路２５を起動し、接触が生起した地点でのGPS情報、衝撃センサ出力電圧、衝撃レベルをモニタID符号とともに、監視局３０に送信する。図６には、衝撃センサの出力波形を示す。衝撃センサの出力波形は、パルス状で登坂と下り坂をもったアナログ波形であるが、図６では、インパルス的に示している。図６の(a)、(b)、(c)、(d)、(e)は、各々、上記した衝撃レベルでは、（a）が（１）、（b）が（２）、(c)が（３）、(d)、(e)が（４）に対応する。図６（c)は、墜落の時で衝撃センサ出力電圧は大きく、墜落のショックで数回バウンドする有様、図６（ｄ）は、正常着陸で飛行機のように滑走路をすこし滑る有様、図６（e）は、正常着陸で垂直に落下し１回くらいはバウンドする有様を示している。

衝撃センサ出力波形の観察だけでは、（３）、（４）の判別に、正確性を欠くので、衝撃センサ２４に出力があると同時にGPS情報も観察する。衝撃センサ出力電圧から、上記（３）、（４）ケースに相当する場合は、GPSセンサの位置情報が急激に変化したか、あるいは、なだらかに変化したかを観察し、急激な変化の場合（図６（c）で、三つの出力波形に対応するGPS情報が、大きく変化）は墜落、なだらかな変化（図６（d）で、各出力波形でのGPS情報が小さく変化、図６（e）では、GPS情報はほとんど変化なし）の場合は着陸と判断する。この墜落か着陸かを判断する考え方（判断のアルゴリズム）は、飛行の実態を継続的に観察することで、できるだけ実態に正確なアルゴリズムが選択できるように、いくつかのアルゴリズムがレベル判定回路１８に搭載されていて、飛行の実態を見ながら、最適なアルゴリズムが後記する方法で選択される。例えば、飛行物体の重量によってはアルゴリズム１が最適、当日の天候で風が強い場合はアルゴリズム２とかの判断があろう。

ここで、前記した電源供給制御回路２８の動作を表１にて示す。（図２では、電源供給回路の出力は太線で描かれているが、その制御の詳細を表１に示す。）

表１でわかるように、通信時には、ほとんどのブロックに電源が供給されるが、通信は、飛行開始時と飛行終了時（正常着陸時と墜落時）と異常状態報告時にのみ行われ、1回の通信時間は、数秒程度で十分である。なお、物体１０がGPSセンサ２１を具備しないときは、モニタ２０で飛行軌跡を管理するため、GPSセンサ２１と飛行軌跡メモリ２２は、５分とかの一定周期で給電される。

衝撃センサ２４とレベル判定回路１８は、飛行が終了すると給電が停止されるが、これは飛行中でないときに、モニタ２０が移送されたりする時の振動に、衝撃センサ２４が反応し、異常と判断し管理局５０に連絡することができないようにするためである。

このような使用において、モニタ２０の電池寿命は、電池容量、モニタ２０の稼働時間にもよるが、毎日２時間飛行したとしても、数年は使用可能であろう。このような省電力化には、電源供給制御回路２８で、各回路への電源供給を表１に示すように細かく制御していることと、無線通信方式としてLPWAを使用していることが大きく貢献する。なお、モニタは飛行開始前に端子Aで電池電圧が測定され、飛行に十分かどうかがチェックされる
図３は、監視局３０の内部構成を示す。

監視局３０には、モニタ２０が内蔵する無線通信回路２５と同じくLPWA用の無線通信回路（２）３１があり、モニタ２０と交信する。ひとつの監視局３０には、複数のモニタ２０を監視していて、それらの飛行状態は、物体情報管理回路３２で管理されている。複数の物体の飛行状態は、管理局５０に、公衆通信網４０を介して交信するため、公衆通信網接続回路３３があり、公衆通信網として、インタネット網、公衆携帯電話網、電話回線網が、管理局５０が使用する公衆通信網により適宜選択される。

なお、物体１０の数や飛行範囲など飛行規模によっては、監視局３０が管理局５０の機能を具備し、管理局５０の設置を不要とすることもできる。

図５は、モニタ２０と監視局３０間で交信する通信信号の信号形式を示すもので、図５（a）の信号種別とは、交信する信号の種類を示すもので、本発明においては、「飛行開始」、「機能質問」、「機能情報」、「衝撃発生」、「アルゴ変更」、「異常発生」、「飛行軌跡」、「墜落発生」、「正常着陸」の９種がある。

これらの信号がどのようなときに用いられるかについて表２に示す。

「機能質問」信号は、物体１０が接続端子を具備せず、物体モニタ２０が物体１０のID符号やGPS機能があるかどうかの機能情報を得ることができないとき、それらの情報を管理局５０から得て、物体モニタ２０の物体情報メモリ２３に保存するための質問信号であり、モニタ２０の開始スイッチ１７を押すと、図４に示す通信シーケンスのように、モニタ２０と監視局３０、監視局３０と管理局５０との通信が開始される。開始スイッチ１７は飛行開始を宣言するためのものであり、「機能質問」信号を送信しないときは、「飛行開始」信号が送信され、「機能質問」信号を送信するときは、図４に示すように「機能情報」信号を受信したのちに送信される。

表２のすべての信号が、図５（a）に示すように、モニタIDと時刻と情報フィールドを含むが、情報フィールドを含まない信号もある。また、情報フィールドを含む信号については、情報フィールドの信号形式を、図５(b)、(c)、(d)に示す。なお、「機能質問」信号を除くすべての信号が、モニタIDに加え物体ID信号を送信することは、管理局５０で物体IDとモニタIDをともに管理しているので、必ずしも必要ではないが、管理局５０で管理している情報と飛行の都度、念のため確認を取るという観点では必要なことであり、送信されてもよい。

図５（b）の「機能情報」信号では、機能１、２、３とあるが、物体１０の具備する機能を例示的に１、２、３と示したもので、機能例としてはGPSによる飛行軌跡管理機能や飛行物体の内部異常通知機能や電池残量低下時に外部からの電池供給可能、さらにはカメラ内蔵などがあろう。

物体１０が飛行中に、何かと接触し、レベル判定回路１８で、前記した（２）、（３）、（４）と判定されたときは、「衝撃発生」信号が送信されるが、その情報部の形式は図５（c）に示される。図５（c）では、発生したパルスごとに、衝撃センサ出力のパルスの波高値、波高値を生じた時刻と、その時刻でのGPS値が、１セットとして送信される。例えば、衝撃センサ出力波形を示す図６（ｂ）では１セット、図６（ｃ）では３セット、図６（ｄ）では３セット、図６（e）では２セットの情報が伝送される。

飛行物体管理局５０は、すべての物体から送信されてきた「衝撃発生」信号の波高値、時刻、GPS値の情報とレベル判定情報を常時管理・観察していて、前記したように墜落か着陸かを判断するアルゴリズムを変えた方が良いと判断した時は、「レベル変更」信号でアルゴリズム１にするか２にするかなど、レベル判定回路１８に搭載されている複数のアルゴリズムの番号を伝える。図４に点線で示すが、「レベル変更」信号は飛行開始信号を受信したときに、飛行物体管理局５０が、その返答としてモニタ２０に送る。

「飛行軌跡」信号は、図５（d）に示され、「異常発生」、「墜落発生」信号に続いて送信されるが、情報フィールドは一定周期ごとの時刻とGPS値が連結され送信される。例えば、５０個の飛行軌跡情報があれば、５０個の時刻とGPS値が連結され送信される。なお「飛行軌跡」信号は、「正常着陸」に続いて送信されてもよい。

「異常発生」信号は、物体１０が内部の電池残量低下などの異常状態を通知する機能があるとき、そのことを知らせるものである。物体１０の異常状態の定義は物体１０の仕様そのものであるが、「異常発生」信号の情報フィールドには、物体の異常の定義に従った異常値が別途定められ、その値が異常内容として示される。物体１０の異常状態を知らされた管理局５０は、その物体１０の管理者に電話などで、そのことを伝え、飛行停止などの必要な措置を依頼する。

なお、コネクタ１５で物体１０とモニタ２０が接続されている場合は、「異常発生」信号の内容が物体１０の電池残量低下であるときは、電源供給制御回路２８から、残量少ない物体１０の電池電源をモニタ２０の電池電源を用いて供給するなどの応急措置も採れる。

上記した実施の態様は、飛行物体としてはドローンをイメージして記述しているが、飛行物体としてはドローンに限らず、例えばグライダ、飛行船にも適用可能である。

本発明のモニタ２０は、自営の無線通信網を用い、省電力化を図っていることに加え、自営であるがゆえに、公衆無線通信網のような通信料金の支払いを必要とせず、監視局とともに自由にシステムを構築できることが特徴で、さらにすべての飛行物体を管理する管理局との連携で、国家レベルでの飛行物体管理システムの構築を可能にするものである。

なお、無線通信方式として、自営の通信方式でなく、３Gとか４Gと呼ばれる公衆携帯電話通信網を利用しても本発明の監視通信システムは構築可能である。

本発明による飛行物体モニタは、どのような飛行物体にも取付可能であり、 今後使用の急増が見込まれるドローンには、墜落などの監視通報にきわめて有用なものである。自動車に取り付けられるドライブレコーダのように量販店で販売可能な大きさ、価格で実現でき、商業性も高いものである。

１０． 飛行物体
１５． コネクタ
１７． 開始スイッチ
１８． レベル判定回路
１９． タイマ
２０． 飛行物体モニタ
２１． GPSセンサ
２２． 飛行軌跡メモリ
２３． 物体情報メモリ
２４． 衝撃センサ
２５． 無線通信回路
２６． 電池
２７． モニタIDメモリ
２８． 電源供給制御回路
２９． 時計
３０． 無線監視局
３１． 無線通信回路(２)
３２． 飛行物体情報管理回路
３３． 公衆通信網接続回路
４０． 公衆通信網
５０． 飛行物体管理局

Claims (1)

1. 飛行物体に付加される飛行物体モニタと、無線監視局と、飛行物体管理局とで構成されるシステムであって、前記飛行物体モニタと無線管理局は低消費電力の無線通信網で接続され、固有のID符号が付予された前記飛行物体モニタは、GPSセンサ、時計、衝撃センサ、レベル判定回路、無線通信回路、電源供給制御回路、時計、電池を具備し、前記電源供給制御回路は、衝撃センサとレベル判定回路、時計には常時給電し、前記レベル判定回路には、前記飛行物体の飛行異常を判定する複数の判定アルゴリズムを搭載し、前記衝撃センサの出力が一定値を超過し、飛行異常が生じたと前記レベル判定回路で判定されたとき、レベル判定回路は、衝撃センサ出力とＧＰＳ情報より衝撃レベルを判定し、該衝撃レベル情報とともに前記衝撃センサの波高値、時刻、GPS情報を含んだ衝撃発生信号を、前記無線監視局に送信し、前記飛行物体管理局は、前記飛行物体モニタから届く前記衝撃発生信号を観察しながら前記複数のアルゴリズムの選択指示を行うことを特徴とする飛行物体の監視通信方式。

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