JP6742324B2 - 誘導システム、方法、及び無人機 - Google Patents

Description

本発明は、無人機の誘導システムに関する。
特に、本発明は、市街地、市街地外、あるいは個人の環境内の無人機の飛行を自動化するための後述のタイプのシステムに関する。
本発明は、無人機を誘導するための方法、及び、後述のシステムによって誘導される無人機に関するものでもある。

知られているように、無人機又はＲＰＶ（遠隔的に操縦された車両）は、操縦士のいない、遠隔的に制御された飛行機であり、例えば、認識及び監視作業に使用される。

無人機の誘導は、現在、遠隔制御装置によって行われる。
無人機の現在の商業的な嗜好の観点で、アプリケーションは、操作が容易で直感的なスマートフォンやタブレットに対して開発されている。これらアプリケーションは、スマートフォンやタブレットのＣＰＵに制限される性能の特徴を有する制御ソフトウェアに基づいている。しかし、これらアプリケーションは、どんな場合でも、加速度計、ジャイロスコープ、磁気計、などの多くのセンサのデータを解析でき、リアルタイムで無人機の全モータを管理でき、安定的な飛行が維持され、飛行姿勢の外乱が補正される。

後述の遠隔制御装置およびアプリケーションは、高精細度画質を超える写真やゲームに対し良好な結果を持って、使用されており、しかし、商品配達やある領域のビデオ監視のような無人機に対する適切な自動アプリケーションの開発は、多くの要素によって妨げられており、まず最初に、無人機の飛行を自動化する必要があり、飛行が、人の制御及び人の視覚範囲外から独立して行われる。

専門タイプのいくつかの無人機は、自動操縦システムが設けられており、このシステムは、航空会社で使用されるシステムと非常に親密に関係しており、したがって、ある複雑さとコストを有している。

このシステムは、ＧＰＳの位置によって無人機の航路をオンボードで記録することができる。しかし、それは、依然として、実際のアプリケーションでは、無人機の使用を妨げる問題によって影響される。例えば、市街地環境における無人機の飛行を自動化するこの操縦システムのプログラミングは、その位置で複数のＧＰＳ座標の検出、および、無人機のメモリにこれら座標の記憶が必要であり、時間が要求され、他の安全上に関連する問題を含む何かを必要とする。その問題は、自身の操縦システムでプログラムされた無人機との衝突の可能性や地上参照点の欠如をチェックし、無人機の復旧時に使用される必要なものを含む。

さらに、いくつかの領域におけるＧＰＳの接続性の制限された利用可能性、及び、その不十分な精度の欠如によって、その知られたシステムは、例えば、クレーンのような高く移動可能な機械のような飛行を妨げる障害物が存在する、あるいは、新しい建物が比較的短時間で出現し、飛行を妨げる突発的な障害物を形成するような、市街地環境において、使用され得る。これらの問題の観点で、公衆会議での飛行禁止あるいは、常時、安全及び信頼性を有する接続性を確保する必要性のような、ある地域のあるいは国の規則に従う、ことはほとんど不可能である。

いずれの場合でもこれら全ての問題は、操縦者制御に伴う知られた自動操縦システムに対して必要となる。無人機のバッテリーの寿命は、主要な制限である。なぜなら、取替えの実行や再充電を行うなどの手動の動作を必要とするからである。これは、その分野あるいは長距離に渡って、そのアプリケーションの本当の自動化の実施となる。ＵＳ２０１４／０３２０３４は、従来技術による、無人機のための誘導システムの一例である。

本発明の基本を形成する技術的な問題は、飛行の自動化と安全性を改善できる無人機の誘導システムを工夫することであり、無人機の使用を市街地、市街地外、あるいは個人的な環境において、アプリケーションの広範囲にまで広げ、実質的に現在知られたシステムに影響する欠点を克服することができる。

本発明が主張する思想は、既存の地上の通信網、例えば、市街地又は市街地外の道路又は鉄道網に沿って、地面に固定された複数の構造要素上に複数の電子装置を固定し、無人機に飛行指令を、装置から、構造要素より上の所定高度で、既存の通信網に沿って実質的に送信することで、飛行指令を無人機に対して放射するように、電子装置のいくつかを構成することである。構造要素は、既存の電気パワーグリッドに関連しており、例えば、それらは、道路網の街灯であり、あるいは、鉄道の鉄柱である。有利には、装置は、構造要素に関連する同一の電気パワーグリッドによって電気が供給される。

特に、装置は、無線網、例えば、メッシュ網において、装置が無人機のために仮想的な空中通信網を形成する手段によって、接続されている。仮想的な空中通信網は、装置間の全ての可能な通信接続に対応している。無人機の飛行経路は、仮想的な空中通信網に沿った全ての可能な経路の中から選択された所定の経路の構成から得られる。経路は、複数のノードによって形成され、飛行経路、および、１つのノードと次のノードとの間の区間、に対し構成された装置に対応している。１つのノードから次のノードまでの無人機の飛行のための指令は、構造要素に固定された装置から送信される。

現在の思想に基づいて、技術的な問題は、無人機のための誘導システムによって解決される。

無人機のための誘導システムは、
地面に固定され、個人又は公衆の電気パワーグリッドに関連した複数の構造要素と、好ましくは、ポール、
前記ポールに固定され、前記ポールに関連した同一の前記電気パワーグリッドによって電力が供給された複数の装置と、該装置は、無線網において一緒に接続されており、前記無人機と通信するための無線通信モジュールを有しており、
前記無線網に接続され、前記無線通信モジュールを構成するために、構成指令を前記２又はそれ以上のポールに送信することで、２つ又はそれ以上のポール間、好ましくは、前記ポールよりも上の所定の飛行高度で、前記無人機の飛行経路Ｐをプログラムするコントローラと、
を備え、
前記飛行経路における１つのポールの無線通信モジュールは、前記無人機を、前記飛行経路における次のポールの無線通信モジュールに誘導する。
本発明の一実施形態において、前記ポールは、例えば、鉄道網の鉄柱であり、前記パワーグリッドは、電気の前記鉄道網から分岐されている。
他の実施形態において前記ポールは、道路網の公衆の街灯である。
前記無線網は、メッシュ状のネットワークであるのが好ましい。例えば、前記無線網は、市街地の環境における街灯の照明を規制するために使用される既存のスマートグリッドである。

無線通信モジュールは、前記無人機を、前記飛行経路Ｐに沿って誘導し第２無線網を形成するように構成されている。前記第２無線網は、前記第１無線網と異なる特性を有していてもよい。例えば、本発明の一局面に従って、前記２つの無線網の待ち時間は異なり、あるいは、本発明の他の局面に従って、前記第２無線網は前記第１無線網の帯域幅よりも広い帯域幅を有していてもよい。

前記装置には、したがって、２つの異なる無線通信インターフェースが設けられている。第１インターフェースは前記第１無線網で動作し、第２インターフェースは、前記第２無線網で動作する。

前記第２無線網は、前記無人機を前記飛行経路に沿って操縦するための情報を前記無人機に送信し前記無人機からの情報を受信するように適合されているので、前記第２無線網は、通信網の制御および監視を形成する。この情報は、前記第２無線網から前記第１無線網へ、及び、後者を介して監視目的で様々な装置に対し、転送される。

前記ポールに固定された装置のうちの少なくとも１つは、前記無人機のための着地ベースを有しており、好ましくは、前記無人機に接続され得る無線又は有線タイプのイーサネットインターフェースを有し、前記無人機から又は前記無人機へデータを転送する。

さらに、好ましくは、着地ベースが設けられた前記装置のうちの少なくとも１つは、前記無人機のバッテリーを再充電又は取替えるための手段を有している。有利には、前記手段は、前記無人機の自律を延長し、同一無人機を用いて、いかなる人の動作も不要とし、多くの長距離飛行をカバーする。

また、本発明に従って、着地ベースが設けられたいくつかの装置は、第３通信網、例えば、無線タイプで、第１無線網の帯域幅より広い帯域幅を有し、データを転送する通信網を形成する。この場合、前記装置は、したがって、前記第３無線網で動作する第３無線インターフェースが設けられている。

実施形態の他の変形において、着地ベースが設けられた前記装置は、光ファイバ又は銅のイーサネット又はＰＬＣ技術のような上述の無線網とは異なる技術に基づいた通信網に接続される。

前記無人機を、あるポールで着地させ、あるいは、地面から離陸させる誘導を行うように装置をプログラミングすることも考えられる。好ましくは、飛行高度は、したがって、前記無人機をポールに対し垂直及び平行に離陸させることで到達され、地面上の降下はこの方法で行われる。

実施形態の変形に従って、離陸は、前記無人機を着地ベースから地面に降下させるためのシステムによって行われ、システムは、前記無人機を作動させる手段と、着地ベースから地面あるいは人が届く範囲内の所定高さまでスライドさせる手段と、を有している。有利には、前記降下システムは、プログラムされ、自動化され、無人機着陸動作を簡略化し、例えば、メンテナス目的で考えられていてもよい。さらに、前記無人機は、後述のシステムによって、地面から着地ベースまで、上げられ、直接その着地ベースから、地面からではなく離陸してもよい。

本発明に従った前記システムは、前記ポール間にケーブル網を選択的に備え、該ケーブルに、前記無人機が、例えば飛行中の故障した場合に、かかる。前記ケーブル網には、前記無人機からデータを取得し、および、前記無人機に対しデータを転送するためのインターフェースが設けられていてもよい。

さらに、物理的な安全網は、好ましくは、弾性であり、前記無人機の飛行高度より低く前記ポール間に延びており、前記無人機が地面に落下するときに、前記無人機を捕獲するようになっている。

本発明の一局面に従って、より詳細に下記説明に示すように、前記コントローラにおける飛行経路のプログラミングは、他の無人機との衝突を回避するために、ポールで、前記無人機を１又はそれ以上の時間設定で停止する構成を有する。

本発明の技術的な問題は、請求項に記載したような、上述のシステム及び対応する操縦方法によって、無人機が誘導されることでも解決される。
さらに、本発明の特有の特徴及び利点は、添付図面を参照して、ただ例による下記説明から明確になるであろう。

本発明に従った無人機のための誘導システムを概略的な形式で示している。 図１に従った無人機に対する誘導システムの一部の拡大図である。

図１を参照して、この図は概略的な形式で本発明に従った誘導システムを示している。符号１で全体を示し、地面に固定された複数の要素を有しており、例えば、道路網に沿って配置された街灯や鉄道の鉄柱からなるポール２−１０を有している。

本発明の保護範囲を制限することなく、図１に示す図は、特に、道路網に関連し、ｎつ（３つ）の道路Ｓ１−Ｓ３を有し、交差点、例えば、道路Ｓ２とＳ３との間に交差点を有している。

ポールは、例えば、街灯のライト装置に出力する意図の電力線に関連しており、それ自体、既存の市街地のパワーグリッドから枝分かれしている。

図１において、ポール２−４、１０のいくつかは、図２において、より大きなスケールで示されており、概略的な形式で、各ポールに対し、電気装置１２−１４、２０を示す。その電気装置は、ポールの上端に固定されており、第１無線網における通信のための無線通信インターフェースが設けられている。全電気装置１２−２０に、そのような無線通信インターフェースが設けられている。

後半は、所定のカバー範囲を有しており、これにより、装置１２−２０は、動作半径内のいくつかの他の装置１２−２０と通信を行うことができ、ポールに固定された全装置１２−２０と、図１の符号４０で示し第１破線で示す第１無線網を形成する。

第１無線網４０は、仮想的な空中通信網を形成し、この通信網は、飛行経路Ｐｉとして構成されてもよい、全ての可能な経路を有している。
この接続において、特定の飛行経路Ｐの構成のために、制御装置、例えば、コントローラ３５が、設けられており、前記コントローラは、無線網に接続されており、プログラミング指令を装置１２−２０に送信する。例えば、図１に示す図において、コントローラ３５は、プログラミング指令を装置１２、１３、１４、２０に送信した後、飛行経路Ｐを構成する。

例によって、これらの指令は、誘導された無人機を識別するためのコード、および、装置１２、１３、１４のそれぞれに対し、無人機が誘導される飛行経路Ｐに沿った次の装置１３、１４、２０を識別するためのコード、及び／又は、ズレ間隔を有する飛行座標、を有していてもよい。

有利には、本発明の一局面に従って、第１無線網４０は、既存の市街地のスマートグリッドであってもよく、例えば、道路網に沿った街灯の光を制限するために、既に実施され、作動していてもよい。

第１無線網４０を介して装置１２、１３、１４、２０によって受信されたプログラミング指令は、同一装置内で処理され、無人機と通信を行うため、無線通信モジュール２２、２３、２４、３０をプログラムする。

図において、無人機は１００で示され、２つの街灯３、４間、好ましくは、その街灯上の所定高さの飛行経路の区間に沿って示されている。この区間に沿って、無人機１００は、既に、装置１３から飛行指令を受信し、装置１４に向けて誘導される。そこで、無人機１００は、飛行経路Ｐの次の区間４−５、例えば、ポール４からポール５までの移動、に対する飛行指令を受信する。

好ましくは、飛行経路Ｐに含まれた装置は、第２無線網を形成する。第２無線網は、図２において、５０で示され、第２タイプの破線で示され、図１においてＰで既に示された飛行経路に実質的に対応している。

いくつかの装置、例えば、装置１２、１４は、図２において、無人機バッテリーの再充電、そのポール付近で利用可能なバッテリーとの交換のような様々な目的で、無人機１００の着地を許可するように設計されている。有利には、ポール付近の無人機に配置され放電されたバッテリーは、そのポールと関連するパワーグリッドによって再充電され、他の無人機に対して利用可能となる。

着地ベースが設けられた装置１２、１４のうちの一方上への無人機１００の着地は、無人機１００に記憶されたデータを装置１２、１４に転送する、その逆で、装置１２、１４から無人機１００へデータを転送する、あるいは、例えば、コントローラ３５又は装置１２−２０によってプログラムされたポール２、４で無人機１００を設定時間で停止させる、ような他の機能のため、としても考えられる。その停止は、いくつかの無人機１００の交通を規制する機能を有しており、基本的に、無人機１００に対し交通信号システムを与えることとなる。

このシステムは、例えば、特定の目的として、第１無線網、あるいは、既存の装置１２−２０周辺に取付けられ、コントローラ３５によってプログラムされた飛行経路間の可能な交差点で特に必要である。

さらに、着地ベース上への無人機の着地は、無人機間で輸送された商品を交換するため、すなわち、第１の無人機が輸送した商品を置き、その着地ベース上に第１の無人機の後到着した第２の無人機がその商品を取得するため、として考えられる。

この接続において、本発明に従った誘導システムは、無人機間の連携によって、商品あるいは情報の輸送をプログラムしている、と考えられる。例えば、図２を参照して、飛行経路上の始点（ポール２）から次のポール又はターミナル（ポール４４）までの動作の連携の一部を実行するために、第１の無人機１００をポール２から中間のポール４まで、着地ベースが設けられた飛行経路Ｐに沿って誘導し、中間のポール４で商品を降ろすようにプログラムできる。

ポール４で、第２の無人機（不図示）は、商品を取得し、着地ベースが設けられた次のポール４４に輸送し、そこで、さらなる無人機との交換、あるいは、商品の最終的な配達が行われる（ポール４４が飛行経路Ｐに沿った端ポールである場合）ように、プログラムされてもよい。

好ましくは、着地ベースが設けられた装置は、無人機１００から／へのデータ高速転送を意図した無線又は有線型のイーサネットインターフェースを有している。

本発明の別の局面に従って、着地ベースが設けられた装置は、図２の７０で示された第３の通信網を形成している。この第３の通信網は、第１無線網４０及び第２無線網５０よりも大きな帯域幅を有しており、無人機から取得したデータを転送する（引き渡す）ことを意図している。

第３無線網７０及び第２無線網４０は、図２及び１において、その明確性のためだけに、別々に夫々示されているが、第２及び第３無線網は、同時に、通信網５０と共に、誘導システム１において、同時に実施され、動作してもよい、ということを単に指摘すべきである。

選択的な付加として、図１の６０で示すケーブル網が設けられている。無人機１００が着地ベースに到達できない、あるいは、２つのポール間の空中区間を完了できない場合に、上記通信網は無人機１００を受けるために使用される。本発明の一局面に従って、ケーブル網６０は、データ転送のために使用されてもよい。

さらに、保護網（不図示）が、突発的に故障し地面へ落下する無人機１００を捕獲するために、無人機１００の飛行高度よりも低い高度で、ポール間に延びている。有利には、保護網は、例えば、保護システムを、街灯下を通過する或いは道路網に沿って走行する、何かに対して供給し、地面との衝撃による無人機への損傷を防止することで、他の安全性の問題を解決するために使用されてもよい。

Claims (14)

1. 無人機（１００）のための誘導システム（１）であって、
   無線網（４０）で相互に接続されており、前記無人機（１００）と通信するための無線通信モジュール（２２、２３、２４、３０）を有する複数の装置（１２、１３、１４、２０）と、
   前記無線網（４０）に接続され、前記無線通信モジュール（２２、２３、２４、３０）を構成するために、前記無線網（４０）の各装置（１２、１３、１４、２０）に対し構成指令を送信することで、前記無人機（１００）の飛行経路（Ｐ）をプログラムするコントローラ（３５）と、
   を備え、
   複数のポール（２−１０）は、地面に固定され、個人又は公衆の電気パワーグリッドによって電力が供給され、
   前記装置の夫々は、前記ポール（２−１０）のうちの１つに固定され、前記電気パワーグリッドによって電力が供給され、
   前記構成指令は、前記無人機を識別するためのコード、及び、装置（１２、１３、１４）のそれぞれに対し、前記無人機を誘導する前記飛行経路（Ｐ）に沿った次の装置（１３、１４、２０）を識別するためのコード、及び、飛行座標、を有し、
   前記飛行経路（Ｐ）におけるポール（３）上の装置の無線通信モジュール（２３）は、前記無人機（１００）を、前記飛行経路（Ｐ）におけるポール（４）上の次の装置の無線通信モジュール（２４）に誘導する、ように構成されている、
   誘導システム。
2. 請求項１記載の誘導システムであって、
   前記ポール（２−１０）は、鉄道網の鉄柱であり、前記電気パワーグリッドは、電気の前記鉄道網から分岐されている、
   誘導システム。
3. 請求項１記載の誘導システムであって、
   前記ポール（２−１０）は、道路網の公衆の街灯である、
   誘導システム。
4. 請求項１記載の誘導システムであって、
   前記無線網（４０）は、メッシュ状のネットワークである、
   誘導システム。
5. 請求項１記載の誘導システムであって、
   前記無線通信モジュール（２２、２３、２４、３０）は、前記無人機（１００）を、前記飛行経路（Ｐ）に沿って誘導し、前記無線網（４０）と比較して異なる機能的特徴を有する第２無線網（５０）を形成するように構成されている、
   誘導システム。
6. 請求項１記載の誘導システムであって、
   前記装置（１２、１３、１４、２０）のうちの少なくとも１つは、前記無人機（１００）のための着地ベースを有する、
   誘導システム。
7. 請求項６記載の誘導システムであって、
   着地ベースが設けられた前記装置（１２、１４）のうちの少なくとも１つは、前記無人機（１００）と接続される無線又は有線のイーサネットインターフェースを有する、
   誘導システム。
8. 請求項１記載の誘導システムであって、
   着地ベースが設けられた前記装置（１２、１３、１４、２０）のうちの少なくとも１つは、前記無人機（１００）のバッテリーを再充電又は交換するための手段、または、前記無人機（１００）間で商品を交換するための領域を有する、
   誘導システム。
9. 請求項１記載の誘導システムであって、
   着地ベースが設けられた複数の装置（１２、１３、１４、２０）は、データ送信のための、前記無線網（４０）の帯域幅よりも広い帯域幅を有する第３無線網（７０）を形成する、
   誘導システム。
10. 請求項１記載の誘導システムであって、
    前記ポール間にケーブル網（６０）を更に備え、
    該ケーブル網（６０）のケーブルに、前記無人機（１００）が飛行中の故障した場合に、かかる、
    誘導システム。
11. 請求項１記載の誘導システムであって、
    前記無人機（１００）の飛行高度よりも低く、前記ポール間に延びる物理的な安全網を備え、
    前記安全網は、前記無人機（１００）が地面に落下する場合に該無人機（１００）を捕獲する、
    誘導システム。
12. 請求項１記載の誘導システムであって、
    前記コントローラ（３５）における前記飛行経路のプログラミングは、他の無人機との衝突を回避するために、ポールで、１又はそれ以上の前記無人機（１００）の時間設定された停止を行うプログラムミングを含む、
    誘導システム。
13. 無人機（１００）を誘導するための方法であって、
    複数の装置（１２−２０）を、無線網（４０）において接続するステップと、
    前記装置の無線通信モジュールを構成するために、コントローラから前記無線網（４０）の各装置へ構成指令を送信することで、前記無人機の飛行経路（Ｐ）をプログラミングするステップと、
    を含み、
    前記装置を地面のポールに固定し、前記ポールは公衆又は個人の電気パワーグリッドに関連しており、前記装置に前記ポールと関連する同一の前記電気パワーグリッドで電力を供給し、
    前記構成指令は、前記無人機を識別するためのコード、及び、装置（１２、１３、１４）のそれぞれに対し、前記無人機を誘導する前記飛行経路（Ｐ）に沿った次の装置（１３、１４、２０）を識別するためのコード、を有し、
    前記飛行経路（Ｐ）におけるポール（３）上の装置の無線通信モジュール（３３）は、前記無人機（１００）を、前記飛行経路（Ｐ）におけるポール（４）上の次の装置の無線通信モジュール（３４）に誘導する、
    方法。
14. 請求項１乃至１２のうちのいずれか１項記載のシステムによって操作されるように適合された無人機（１００）であって、
    前記ポールに固定された前記装置の前記無線通信モジュールからの飛行指令を受信するための手段を備える、
    無人機。

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