JP6754005B2 - マルチコプターによる風速測定 - Google Patents

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Description

本発明は、風速測定に用いることのできるマルチコプター、マルチコプターによる風速測定方法、ならびにコンピュータシステム、デジタル記憶媒体、コンピュータプログラムプロダクト、およびコンピュータプログラムに関する。
マルチコプターのコントローラは、Bangura M.他による「マルチローター航空機の空気力学的力制御（Aerodynamic Power Control for Multirotor Aerial Vehicles）」（ＩＥＥＥロボティクスとオートメーションに関する国際会議（ＩＣＲＡ）、２０１４年５月３１日〜６月７日、中国香港）に開示されており、風擾乱および地面効果に対して堅牢な動作を行う。
特許文献１より、ＵＡＶの操作中に風速を推定することができる方法が知られている。
ＵＳ８，２１９，２６７Ｂ２
本発明の目的は、マルチコプター、および改善された風速測定を可能とするマルチコプターの操作方法を定めることである。
本発明は、独立請求項の特徴からもたらされる。好都合な開発および改良は、従属請求項の主題である実施形態からもたらされる。本発明のさらなる特徴、適用可能性、および利点は、以下の詳細な説明、ならびに図に示す本発明の例示的実施形態の説明からもたらされる。
プロペラ機が基本的に平行、特に同一面で構成される場合、以下の特殊なケースが生じる。
この場合、「マルチコプター」という用語は、二つ以上の駆動ユニット、特にモータ駆動のプロペラを備える航空機を示す。また、マルチコプターは、揚力面および／または制御面を備えてもよい。原則的に、マルチコプターへのＮ個のプロペラＰＲＯＰｎの配置は任意である。各プロペラは、好都合には、自身の座標系に記述される。Ｎ個のプロペラＰＲＯＰｎは、好都合には、ベクトル化されてもよく、すなわち、各プロペラは、自身の時間変化座標系に記述されてもよい。したがって、本方法は、原則的に、プロペラの配置が必ずしも同一面ではないそのほかの配置に一般化することができる。対応する必要な推定器の組み合わせは、説明された共通事例から明確に導き出すことができる。
以下、本発明の説明および実施に用いられるいくつかの関係および数学的原理を説明する。
I．運動式（剛体力学）
本発明のマルチコプターに適用可能な運動式は、基本的に以下の通りとなる
この点についてより詳細な記述は、例えば、Tomic T.著「マルチコプター制御のための加速度に基づく擾乱観察の評価（Evaluation of acceleration-based disturbance observation for multicopter control）」欧州制御会議（ＥＣＣ）、２０１４年、２９３７〜２９４４ページに求められる。
IV．ブラシレスＤＣ電気モータを記述するモデル
好都合には、以下の動的モータモデルが駆動ユニットの空気力学的力の推定に用いられる。
である。
ここで拡張された方程式系の解は以下の通りである。
上記の式（１）〜式（７）は、対応するプロペラ座標系に記述される。
式（９）および式（１０）は、対応するプロペラ座標系に記述される。したがって、本発明の請求項１にしたがって推定される速度は、これらの式が当てはまるよう、プロペラ座標系に投影することができる。
基礎最適化問題を、数学的に定式化することもできる。このためには、ｏ＊＝ａｒｇｍｉｎＫ（Ｊ）とすることにより、ヤコビ行列の条件数を最小化する向きｏ＊を決定しなければならず、ここでＫは条件数である。
好都合には特に軌道計画を用いることができ、および／またはマルチコプターの制御を最適な風推定に適したものとすることもできる。また、解は、傾斜法、可能性に基づく方法、またはそのほかの等価な数学的な解によって生成されてもよい。
この対策により、風速測定の正確さが向上し、測定の堅牢さが向上する。
好都合には、マルチコプターに３Ｄ加速度センサ、ジャイロスコープ、および位置決定システムが設けられて、第一のパラメータＰ１を決定する第一のインターフェースに接続される。位置決定システムは、好都合には、衛星ナビゲーションシステムおよび／または光学ナビゲーションシステムである。
上記の式（１）〜式（７）は、対応するプロペラ座標系に記述される。
式（９）および式（１０）は、対応するプロペラ座標系に記述される。したがって、本発明の請求項１にしたがって推定される速度は、これらの式が当てはまるよう、プロペラ座標系に投影することができる。
提案の方法の好都合な一改善例は、非線形二次最小化問題は、非線形最適化法（例えば、レーベンバーグ・マーカート法）によって解決されることを特徴とする。
本発明の別の局面は、データ処理装置を備えるコンピュータシステムに関し、上記データ処理装置は、上記の方法が当該データ処理装置において実行されるよう設計される。
本発明の別の局面は、電子的に読み取り可能な制御信号を有するデジタル記憶媒体に関し、上記制御信号は、上記方法が実行されるよう、プログラム可能なコンピュータシステムとの間で相互作用を行うことができる。
本発明の別の局面は、機械読み取り可能な担体に記録されたプログラムコードを有するコンピュータプログラムプロダクトに関し、上記プログラムコードは、当該プログラムコードがデータ処理装置で実行されると、上記方法を実行する。
本発明の別の局面は、プログラムコードを有するコンピュータプログラムに関し、上記プログラムコードは、上記プログラムがデータ処理装置で実行されると、上記方法を実行する。このため、データ処理装置は、先行技術より周知の任意のコンピュータシステムとして設計することができる。
上記マルチコプターは、好都合には、上記データネットワークにおける無線通信を行うエージェントまたはソフトボットとして具現化および構成される。ここで「エージェント」という用語は、「特定の環境に置かれ、この環境において（所定の）目的を達成するために独立したアクションを行うことができるコンピュータシステム」という意味で用いられる。
提案のシステムの好都合な一改善例は、二以上のマルチコプター、および／または上記データネットワークにおいて上記マルチコプターとデータ交換を行うよう構成された制御センターが、請求項３に記載の非線形二次最小化問題を最適化法によって解決するよう具現化および構成されることを特徴とする。これは、特に、提案のシステムを、例えば本発明の請求項３に記載のように、対応する方程式系が用意され、マルチコプターの全部または一部（エージェント）を考慮し、非線形二次最小化問題を最適化法によって解決される分散型風速推定器として用いることを可能とする。また、上記の例示的方法による回帰の学習をマルチコプターのシナリオに適用することもできる。
さらなる利点、特徴、および詳細は、少なくとも一の例示的実施形態が場合により図面を参照して詳細に説明される以下の詳細な説明からもたらされるものである。同一、類似、および／または機能的に同一の部分には、同一の参照符号を与えるものとする。
図１は、マルチコプターのダイナミクスの説明に用いる変数を示す図である。 図２は、本発明にかかるマルチコプターの構成を示す模式図である。 図３は、本発明にかかる方法のフローチャートの模式図である。
以上、本発明を好適な例示的実施形態によって詳細に説明したが、本発明は開示された例によって限定されるものではなく、ここから本発明の保護の範囲を逸脱することなくその他の変形例を導き出すことが当業者には可能である。したがって、様々な変形例の可能性が存在することは明らかである。また、例として挙げた実施形態が、実質的に、例えば、本発明の保護の範囲、適用可能性、または構成の限定として解釈されるべきではない単なる例を示すものであることも明らかである。むしろ、上記の説明および図の説明は、当業者が、具体的な形で例示的実施形態を実施できるようにするためのものであり、本発明の開示概念についての知識を有する当業者は、例えば例示的実施形態において触れた個々の要素の機能または構成に関して、請求項、および本明細書におけるより広範囲な説明などのその法的な等価物によって定義される保護の範囲を逸脱することなく、多様な変更を行うことができるものである。
１０１ 第一のインターフェース
１０２ 第二のインターフェース
１０３ 第一のユニット
１０４ 第二のユニット
１０５ 第三のユニット
１０６ 記憶ユニット
１０７ 送信ユニット
２０１〜２０６ 方法ステップ

Claims (20)

  12. データ処理装置を備えるコンピュータシステムであって、
    前記データ処理装置は、請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載の方法が当該データ処理装置において実行されるよう設計される、コンピュータシステム。
  13. 電子的に読み取り可能な制御信号を有するデジタル記憶媒体であって、
    前記制御信号は、請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載の方法が実行されるよう、プログラム可能なコンピュータシステムとの間で相互作用を行うことができる、デジタル記憶媒体。
  14. 機械読み取り可能な担体に記録されたプログラムコードを有するコンピュータプログラムプロダクトであって、前記プログラムコードは、当該プログラムコードがデータ処理装置で実行されると、請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載の方法を実行する、コンピュータプログラムプロダクト。
  15. プログラムコードを有するコンピュータプログラムであって、前記プログラムコードは、前記プログラムがデータ処理装置で実行されると、請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載の方法を実行する、コンピュータプログラム。
  17. 前記マルチコプターは、前記データネットワークにおける無線通信を行うエージェントまたはソフトボットとして具現化および構成される、請求項１６に記載のシステム。
  20. 二以上のマルチコプター、および／または前記データネットワークにおいて前記マルチコプターとデータ交換を行うよう構成された制御センターは、請求項３に記載の非線形二次最小化問題を最適化法によって解決するよう具現化および構成される、請求項１６から請求項１９のいずれか一項に記載のシステム。
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