JP6913464B2 - 飛行システム、飛行管理方法及び飛行プログラム - Google Patents

Description

本発明は、飛行システム、飛行管理方法及び飛行プログラムに関する。

従来、小型無人飛行体（「ドローン」とも呼ばれる）の利用が提案されている。このようなドローンを利用して、映像情報を収取する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００６−２７３３１号公報

ところで、ドローンを複雑な地形（以下、「複雑地形」という。）の上空を飛行させ、空撮などを行う場合がある。ここで、複雑地形とは、自然の山や谷または人工の斜面、あるいは建物などの構造物が入り組んだ地形を意味する。複雑地形においては、大きな起伏、小さな凹凸、特殊な形状の建物や樹木などが、気流に影響を及ぼしている。ドローンを飛行させる際には、墜落の回避、飛行姿勢の維持、あるいは、バッテリーの節約のために、気流の流れの静かな空域や上昇気流が存在する空域を飛行させることが望ましい。ところが、複雑地形における気流の計算は、上述の自然物や構造物のほかに、気圧、日照、湿度などの影響を受けて複雑であるから、短時間で正確に算出することは困難である。

本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、飛行装置を効率よく飛行させるための飛行システムを提供することを目的とする。

第一の発明は、自律飛行が可能な第一の飛行体と通信可能な管理装置を有する飛行システムであって、前記第一の飛行体は、飛行した空域の状況を示す空域情報を生成する空域情報生成段手段と、前記空域情報を送信する空域情報送信手段と、を有し、前記管理装置は、前記空域情報を受信する空域情報受信手段と、前記空域情報に基づいて、前記空域内を移動するための経路を算出する経路算出手段と、前記経路を示す経路情報を第二の飛行体に送信する経路情報送信手段と、を有する飛行システムである。

第一の発明の構成によれば、管理装置は、第一の飛行体が実際に空域を飛行して収取した空域情報に基づいて、その空域内を移動するために、電力消費量が最も少ないなど、適切な経路を算出することができる。これにより、第二の飛行体を効率よく飛行させることができる。

第二の発明は、第一の発明の構成において、前記管理装置は前記空域を所定の部分空域に区分し、前記第一の飛行体はすべての前記部分空域を飛行して、前記空域情報を生成する、飛行システムである。

第三の発明は、第一の発明または第二の発明の構成において、前記空域情報は気流の方向を示す情報を含む、飛行システムである。

第四の発明は、自律飛行が可能な第一の飛行体を管理する管理装置が実施する飛行管理方法であって、前記第一の飛行体が飛行した空域の状況を示す空域情報を受信する空域情報受信ステップと、前記空域情報に基づいて、前記空域内を移動するための経路を算出する経路算出ステップと、前記経路を示す経路情報を第二の飛行体に送信する経路情報送信ステップと、を有する飛行管理方法である。

第五の発明は、自律飛行が可能な第一の飛行体を管理する管理装置を制御するコンピュータを、前記第一の飛行体が飛行した空域の状況を示す空域情報を受信する空域情報受信手段、前記空域情報に基づいて、前記空域内を移動するための経路を算出する経路算出手段と、前記経路を示す経路情報を第二の飛行体に送信する経路情報送信手段、として機能させるための飛行プログラムである。

本発明によれば、無人飛行装置を効率よく飛行させることができる。

本発明の実施形態に係る飛行システムの作用を示す概略図である。 飛行体を示す概略図である。 飛行システムによる情報収集の方法を示す概略図である。 飛行体の機能ブロックを示す図である。 基地局の機能ブロックを示す図である。 第一の飛行体の動作を示すフローチャートである。 基地局の動作を示すフローチャートである。 第二の実施形態の飛行システムによる情報収集の方法を示す概略図である。 第三の実施形態の飛行システムによる情報収集の方法を示す概略図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態）について詳細に説明する。以下の説明においては、同様の構成には同じ符号を付し、その説明を省略又は簡略する。なお、当業者が適宜実施できる構成については説明を省略し、本発明の基本的な構成についてのみ説明する。

＜第一の実施形態＞
図１に示すように、本実施形態の飛行システムは、飛行体１Ａ及び１Ｂ（以下、「無人機１Ａ」、「無人機１Ｂ」と呼ぶ。）と、無人機１Ａ等と通信可能な基地局１００を有する無人機１Ａは第一の飛行体の一例であり、無人機１Ｂは第二の飛行体の一例である。無人機１Ａ等は、所定の経路を自律飛行して、所定の作業を行う。基地局１００は、パーソナルコンピュータであり、無人機１Ａ等の充電装置（図示せず）も備えている。本実施形態において、無人機１Ａ等は、出発位置Ｓから所定の経路を飛行して目標位置Ｇに至り、撮影作業を行うものとして、説明する。出発位置Ｓから目標位置Ｇに至る最短の経路は直線的な経路であるが、障害物の状況や気流の状況によっては、最短経路をとるのは理想的ではない。採用可能な経路が存在する領域は、例えば、最短経路を中心として、水平方向に５０メートルずつ拡大するものと仮定する。図１に示す領域は、山２００、２０２、２０４、２０６及び２０８、川２１０が存在し、自然物が入り組んだ複雑地形である。山２０２の東側斜面、山２０４の東側斜面及び山２０６の東側斜面には、上昇気流Ｕが流れている。一方、山２０２の西側斜面、山２０４の西側斜面及び山２０６の西側斜面には、下降気流Ｄが流れている。無人機１Ａ等は、自律飛行可能であり、所定の飛行経路が緯度・経度・高度によって与えられると、その所定の経路を飛行する。無人機１Ａ等は、気流などによって飛行姿勢が乱れたり、所定の経路を外れた場合には、推力を調整して、自動的に所定の経路を維持し、姿勢を修正するようになっている。無人機１Ａ等が、山２０２の東側斜面、山２０４の東側斜面及び山２０６の東側斜面を経て目標位置Ｇに至る場合には、上昇気流Ｕを利用できるから、無人機１Ａ等が発生させる上向きの推力は、上昇気流Ｕを利用しない場合に比べて小さくてもよい。これに対して、無人機１Ａ等が、山２０２の西側斜面、山２０４の西側斜面及び山２０６の西側斜面を経て目標位置Ｇに至る場合には、下降気流Ｄの影響を受けるから、無人機１Ａ等が発生させる上向きの推力は、下降気流Ｄが流れていない場合に比べて大きい。

図１においては、出発位置Ｓから目標位置Ｇに至る飛行経路は、上昇気流Ｕを利用できるＲｏｕｔｅ１が、電力消費量が少ないので望ましい。しかし、複雑地形であるうえに、気流は日照などの気象条件によっても変動するから、どの部分で上昇気流Ｕが生じているのか、短時間で計算することは困難である。この点、本実施形態の無人飛行システムにおいては、無人機１Ａが実際に飛行して生成した空域情報を基地局１００において処理し、電力消費量が少ない効率的な飛行経路を算出するようになっている。また、気流によっては、無人機が飛行することが危険な空域も存在するから、例えば、無人機１Ａを軽量かつ頑丈な構成にして空域情報を生成させ、基地局１００において、危険な経路を回避でき、かつ、電力消費量が少ない飛行経路を算出し、その飛行経路を無人機１Ｂに適用することもできる。

無人機１Ａ等は、基地局１００からの指示で飛行を開始し、また、基地局１００において充電等を行うようになっている。

図２に示すように、無人機１Ａ等は、筐体２を有する。筐体２には、無人機１Ａ等の各部を制御するコンピュータ、自律飛行装置、無線通信装置、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用した測位装置、慣性センサー、気圧センサー、バッテリー等が配置されている。また、筐体２には、固定装置１２を介して、カメラ１４が配置されている。カメラ１４は、可視光カメラ、または、近赤外線カメラであるが、切り替え可能なハイブリッドカメラであってもよい。固定装置１２は、カメラ１４による撮影画像のぶれを最小化し、かつ、カメラ１４の光軸を任意の方向に制御することができる３軸の固定装置（いわゆる、ジンバル）である。

筐体２には、丸棒状のアーム４が接続されている。各アーム４にはモーター６が接続されており、各モーター６にはプロペラ８が接続されている。

アーム４には保護枠１０が接続され、プロペラ８が外部の物体に直接接触することを防止している。アーム４及び保護枠１０は、例えば、炭素繊維強化プラスチックで形成されており、強度を保ちつつ、軽量に構成されている。

図３に、出発位置Ｓから目標位置Ｇの間の空域（以下、「飛行空域」と呼ぶ）と、出発位置Ｓから目標位置Ｇに至る飛行経路を示す。基地局１００は、飛行空域を示す情報を、例えば、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４・・・Ｅ４という部分空域に区分して保持している。基地局１００は、各部分空域における気流の方向を、無人飛行体１Ａから取得する空域情報に基づいて判断する。

飛行空域において、上昇気流Ｕ及び下降気流Ｄが図３に示すように分布しているとする。しかし、基地局１００にとって、上昇気流Ｕ及び下降気流Ｄの分布は未知である。そこで、基地局１００は、例えば、現実的に経路として採用可能な空域として、例えば、図３に示す部分空域Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４・・・Ｅ４を経路Ｒ１を採用して、無人機１Ａを飛行させる。無人機１Ａは、経路Ｒ１を飛行しつつ、各部分空域の空域情報を収集する。空域情報は、各部分空域における無人機１Ａの推力を示す情報であり、例えば、各モーター６の出力や回転数である。基地局１００は、無人機１Ａの仕様と飛行経路の高度等から、気流がない場合の無人機１Ａの各モーター６の出力や回転数を示す情報（以下、「予定推力」と呼ぶ）を算出して、保持している。基地局１００は、無人機１Ａから受信した空域情報に含まれる推力と、予定推力の差分を計算する。基地局１００は、その差分によって、気流が上昇気流なのか下降気流なのかを判断する。そして、基地局１００は、経路の長さも勘案し、できるだけ上昇気流を利用し、下降気流を回避する最適経路Ｒ２を算出する。基地局１００は、次に飛行する無人機１Ｂには、最適経路Ｒ２を飛行させる。

図４は、無人機１Ａ等の機能構成を示す図である。無人機１Ａ等は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）５０、記憶部５２、無線通信部５４、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）部５６、慣性センサー部５８、駆動制御部６０、画像処理部６２、及び、電源部６４を有する。

無人機１Ａ等は、無線通信部５４によって、基地局１００と通信可能になっている。無人機１Ａ等は、無線通信部５４によって、基地局１００から、発進等の指示を受信する。

無人機１Ａ等は、ＧＰＳ部５６と慣性センサー部５８によって、無人機１Ａ等自体の位置を測定することができる。ＧＰＳ部５６は、基本的に、３つ以上のＧＰＳ衛星からの電波を受信して無人機１Ａ等の位置を計測する。慣性センサー部５８は、例えば、加速度センサー及びジャイロセンサーによって、出発点からの無人機１Ａ等の移動を積算して、無人機１Ａ等の位置を計測する。無人機１Ａ等自体の位置情報は、無人機１Ａ等の移動経路の決定及び自律移動のために使用するほか、無人機１Ａ等の推力を示す情報と座標（位置）とを紐づけするために使用する。

画像処理部６２によって、無人機１Ａ等はカメラ１４を作動させて外部の画像を取得することができる。

駆動制御部６０によって、無人機１Ａ等は各プロペラ８に接続された各モーター６の回転を制御し、上下水平移動や空中停止、傾きなどの姿勢を制御するようになっている。

電源部６４、例えば、交換可能な可充電電池であり、無人機１Ａ等の各部に電力を供給するようになっている。

記憶部５２には、出発点から目的位置まで自律移動するための移動計画を示すデータ等の自律移動に必要な各種データ及びプログラム、作業予定領域の地形、形状や構造物の位置を示す情報のほか、以下の各プログラムが格納されている。

記憶部５２には、飛行制御プログラム、駆動制御プログラム、バッテリー残量確認プログラム、空域情報生成プログラム、及び、空域情報送信プログラムが格納されている。ＣＰＵ５０と飛行制御プログラムは、飛行制御手段の一例である。ＣＰＵ５０と駆動制御プログラムは、駆動制御手段の一例である。ＣＰＵ５０とバッテリー残量確認プログラムは、バッテリー残量確認手段の一例である。ＣＰＵ５０と空域情報生成プログラムは、空域情報生成手段の一例である。ＣＰＵ５０と空域情報送信プログラムは、空域情報送信手段の一例である。

無人機１Ａ等は、飛行制御プログラムによって、無人機１Ａ等の自律飛行を制御する。具体的には、無人機１Ａ等は、各モーター６の出力を調整し、予定した飛行経路を外れたり、飛行姿勢が乱れた場合には修正し、予め規定された飛行経路及び高度を維持するようになっている。飛行経路は、基地局１００から受信する。無人機１Ａ等は、飛行している空域に上昇気流が流れているときには、上昇するための推力を低下させ、下降気流が流れているときには上昇するための推力を増加する。

無人機１Ａ等は、バッテリー残量確認プログラムによって、無人機１Ａ等のバッテリー残量が基準値以下になったか否かを確認する。そして、無人機１Ａ等は、バッテリー残量が基準値以下になった場合には、基地局１００にその旨を示す情報を送信するようになっている。基準値は、例えば、無人機１Ａ等が、所定の経路を経て基地局１００に帰還するまでに必要なバッテリー残量に適宜の余裕を加えた残量である。

そして、無人機１Ａ等は、上述の駆動制御プログラムによって、モーター６の出力を制御する。

無人機１Ａ等は、空域情報生成プログラムによって、現在位置における推力を示す情報と現在位置を示す現在位置情報と紐づけし、空域情報を生成する。推力を示す情報は、例えば、モーター６の回転数や電力消費量である。また、空域情報には、筐体２内に格納した気圧センサーによる気圧を含めてもよい。

無人機１Ａは、空域情報送信プログラムによって、基地局１００に空域情報を送信する。

図５は、基地局１００の機能構成を示す図である。基地局１００は、ＣＰＵ１１０、記憶部１１２、通信部１１４、画像処理部１１６、無人機制御部１１８、無人機充電部１２０、電源部１２２を有する。

基地局１００は、通信部１１４によって、無人機１Ａ等と通信可能になっている。基地局１００は、画像処理部１１６によって、無人機１Ａ等から受信した画像を処理するようになっている。基地局１００は、無人機制御部１１８によって、無人機１Ａ等に発進等の指示を出すようになっている。基地局１００は、無人機充電部１２０によって、無人機１Ａ等のバッテリーの充電を行うようになっている。

基地局１００の記憶部１１２には、空域情報受信プログラム、経路算出プログラム、経路情報送信プログラムが格納されている。ＣＰＵ１１０と空域情報受信プログラムは、空域情報受信手段の一例である。ＣＰＵ１１０と経路算出プログラムは、経路算出手段の一例である。ＣＰＵ１１０と経路情報送信プログラムは、経路情報送信手段の一例である。

基地局１００は、空域情報受信プログラムによって、無人機１Ａから空域情報を受信すると、経路算出プログラムによって、出発位置Ｓから目標位置Ｇに到達するために、最も電力消費量が少ない最適経路を算出する。基地局１００は、例えば、図３に示すように、出発位置Ｓから目標位置Ｇに至る一定の広がりを有する飛行空域の地図データを有し、複数の部分空域に区分して記憶している。図３は平面的に表現されているが、実際には、緯度、経度及び高度で座標が規定される３次元のデータである。基地局１００は、無人機１Ａが最初に飛行する経路を規定する時点で、経路の各部分空域ごとに、無人機１Ａの仕様によって規定される予定推力を示す予定推力情報を生成する。基地局１００は、経路の各部分空域ごとに、予定推力Ｆ０と実際の推力Ｆ１との差分ΔＦ（Ｆ０−Ｆ１）を算出し、ΔＦがプラスであれば上昇気流Ｕが流れていると判断し、ΔＦがマイナスであれば下降気流Ｄが流れていると判断する。これにより、空域の地図データにおける上昇気流Ｕの部分、下降気流Ｄの部分を認識する。そして、可能な限り、上昇気流Ｕの部分を通過して、かつ、距離が短い最適経路Ｒ２を算出する。

基地局１００は、経路情報送信プログラムによって、最適経路Ｒ２を示す経路情報を無人機１Ｂに送信する。無人機１Ｂは、経路情報に示される最適経路Ｒ２によって、出発位置Ｓから目標位置Ｇに向かう。

以下、無人機１Ａの動作を、図６のフローチャートを参照して説明する。無人機１Ａは、基地局から飛行経路Ｒ１（図３参照）を示す情報と発進指示を受信すると発進位置Ｓから発進し、目標位置Ｇまでの飛行経路において、継続的に位置情報及び推力情報を生成する（ステップＳＴ１）。そして、無人機１Ａは、位置情報と推力情報を紐づけして空域情報を生成し（ステップＳＴ２）、基地局１００へ送信する（ステップＳＴ３）。無人機１Ａは、空域情報収集の任務が終了したと判断した場合、あるいは、バッテリー残業が基準値以下であると判断すると（ステップＳＴ４）、基地局１００へ帰還する（ステップＳＴ５）。

続いて、図７を参照して、基地局１００の動作を説明する。基地局１００は、１番機である無人機１Ａに発進指示を行うと（ステップＳＴ２０１）、無人機１Ａから空域情報を受信する（ステップＳＴ２０２）。基地局１００は、無人機１Ａからの空域情報を参照して、各部分空域ごとの予定推力Ｆ０と実際の推力Ｆ１との差分ΔＦ（Ｆ０−Ｆ１）を算出する（ステップＳＴ２０３）。基地局１００は、各部分空域ごとの差分ΔＦに基づいて、最適経路Ｒ２を算出し（ステップＳＴ２０４）、２番機である無人機１Ｂに最適経路Ｒ２を示す最適経路情報を送信し（ステップＳＴ２０５）、無人機１Ｂに発進指示を送信する（ステップＳＴ２０６）。

＜第二の実施形態＞
第二の実施形態について、第一の実施形態と異なる部分について、説明する。

図８に示すように、基地局１００は、１番機である無人機１Ａをすべての部分空域を通過するように飛行させる。そのために、例えば、飛行経路Ｒ１を適用する。無人機１Ａの任務は、目標位置Ｇにおいて撮影などを行うのではなくて、すべての部分空域における空域情報を生成することであから、無人機１Ａの構成は、空域情報の収集のための最小限度で足り、例えば、カメラ１４及び固定装置１２（図２参照）は備えなくてもよい。

基地局１００は、無人機１Ａから受信した空域情報から、各部分空域ごとの予定推力Ｆ０と実際の推力Ｆ１との差分ΔＦ（Ｆ０−Ｆ１）を算出する。第一の実施形態とは異なり、ΔＦがプラスかマイナスかによって、上昇気流Ｕが流れているか下降気流Ｄが流れているかの判断は行なわず、ΔＦの数値を最適経路の算出に利用する。上昇気流でも、弱い上昇気流と強い上昇気流があり、ΔＦの値は異なる。ΔＦが＋１２の場合と＋９の場合とでは、ΔＦが＋１２の方が上昇気流は強い。また、下降気流でも、弱い下降気流と強い下降気流があり、ΔＦの値は異なる。飛行経路として採用可能な部分空域として、上昇気流が流れている部分空域が複数ある場合、ΔＦの数値を使用することによって、２番機である無人機１Ｂの飛行において、より消費電力量の少ない部分空域を選択することができる。例えば、図８に示すように、部分空域Ｂ２と部分空域Ｃ２のいずれを通過しても、出発位置Ｓから目標位置Ｇまでの距離が大きく変わらない場合、部分空域Ｂ２のΔＦは「−７」であり、部分空域Ｃ２のΔＦは「−５」であるから、より下降気流の弱い部分空域Ｃ２を選択する。同様に、部分空域Ｃ３のΔＦは「＋５」であり、部分空域Ｄ３のΔＦは「＋３」であるから、より上昇気流の強い部分空域Ｃ３を選択する。なお、上昇気流が強すぎると無人機１Ｂの飛行が困難になるから、上昇気流の許容範囲Ｗを規定している。基地局１００は、上昇気流の許容範囲Ｗの範囲内において、より強い上昇気流の部分空域を選択するようになっている。また、基地局１００は、出発位置Ｓと目標位置Ｇを直線で結ぶ最短距離から乖離するほど、最適経路Ｒ２を算出する際の評価を下げる。例えば、部分空域Ｅ２のΔＦは「＋１０」であるが、最短距離から乖離しているから評価を下げ、ΔＦがマイナスであっても、部分空域Ｃ２を通過する経路を最適経路Ｒ２として算出する。

＜第三の実施形態＞
第三の実施形態について、第二の実施形態と異なる部分について、説明する。

図９に示すように、基地局１００は、１番機である無人機１Ａをすべての部分空域を通過するように飛行させる。ただし、無人機１Ａから受信した空域情報に示される実際の推力をそのまま使用して、最適経路Ｒ２を算出する。すなわち、推定推力Ｆ０と実際の推力Ｆ１との差分ΔＦを計算せずに、実際の推力Ｆ１を使用し、出発位置Ｓから目標位置Ｇまでの空域において、実際の推力Ｆ１が最も小さい経路を最適経路Ｒ２とする。これにより、基地局１００が最適経路Ｒ２を算出するための処理が簡易になる。

なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。また、第二の飛行体は、無人機に限らず、例えば、有人のヘリコプターであってもよい。

１ 無人飛行体
２ 筐体
６ モーター
８ プロペラ

Claims (4)

1. 自律飛行が可能な第一の飛行体と通信可能な管理装置を有する飛行システムであって、
   前記第一の飛行体は、
   飛行した空域の状況を示す空域情報を生成する空域情報生成段手段と、
   前記空域情報を送信する空域情報送信手段と、を有し、
   前記第一の飛行体は、固定翼を有さず、複数のプロペラの回転によって推力を得て飛行し、前記推力を調整することによって予め規定された高度を飛行するように構成されており、
   前記空域情報は、前記推力を示す情報であり、
   前記管理装置は、
   前記空域情報を受信する空域情報受信手段と、
   前記空域情報に基づいて、前記空域内を移動するための経路を算出する経路算出手段と、
   前記経路を示す経路情報を第二の飛行体に送信する経路情報送信手段と、を有する飛行システム。
2. 前記空域情報は前記第一の飛行体の推力を示す情報を含む、請求項１に記載の飛行システム。
3. 自律飛行が可能な第一の飛行体を管理する管理装置が実施する飛行管理方法であって、
   前記第一の飛行体が飛行した空域の状況を示す空域情報を受信する空域情報受信ステップと、
   前記空域情報に基づいて、前記空域内を移動するための経路を算出する経路算出ステップと、を有し、
   前記経路を示す経路情報を第二の飛行体に送信する経路情報送信ステップと、を有し、
   前記第一の飛行体は、固定翼を有さず、複数のプロペラの回転によって推力を得て飛行し、前記推力を調整することによって予め規定された高度を飛行するように構成されており、
   前記空域情報は、前記推力を示す情報である、
   飛行管理方法。
4. 自律飛行が可能な第一の飛行体を管理する管理装置を制御するコンピュータを、
   前記第一の飛行体が飛行した空域の状況を示す空域情報を受信する空域情報受信手段、
   前記空域情報に基づいて、前記空域内を移動するための経路を算出する経路算出手段と、
   前記経路を示す経路情報を第二の飛行体に送信する経路情報送信手段、
   として機能させるためのプログラムであり、
   前記第一の飛行体は、固定翼を有さず、複数のプロペラの回転によって推力を得て飛行し、前記推力を調整することによって予め規定された高度を飛行するように構成されており、
   前記空域情報は、前記推力を示す情報である、
   プログラム。

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