JP7022559B2

JP7022559B2 - 無人航空機の制御方法および無人航空機の制御用プログラム

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Publication number: JP7022559B2
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Inventors: 陽佐々木
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Description

本発明は、無人航空機の制御技術に関する。

橋脚やコンクリートで補強された法面の点検にＵＡＶ(Unmanned Aerial Vehicle)（無人航空機）を用いることが考えられている。この技術では、ＵＡＶにレーザースキャナやカメラを搭載し、橋脚や法面のレーザースキャンや撮影を行う。特許文献１には、ＵＡＶを用いて施設を点検する技術について記載されている。

特開２０１７－１５４５７７号公報

例えばトンネルの内壁や橋脚の点検などでは、ある特定部分の撮影を行いたいといった要望がある場合がある。この場合、ＵＡＶの正確な飛行制御が必要となる。ＵＡＶの正確な飛行制御を行う方法として、ＵＡＶにレーダーやレーザースキャナ、更に高精度のＩＭＵ（慣性計測装置）を装備し、周囲の三次元計測を行いながら飛行する形態が考えられる。しかしながら、この方法は、ＵＡＶに搭載する機器の重量の増加、消費電力の増加、コストの増加が問題となる。また、撮影対象に対するＵＡＶの位置関係の特定をどのように行うのかが問題となる。

このような背景において、本発明は、対象物の特定の部位に効率よくＵＡＶを誘導できる技術の提供を目的とする。

本発明は、測距光を兼ねるレーザーポイント光を発光するトータルステーションを用いた無人航空機の制御方法であって、既知の位置に設置した前記トータルステーションから対象物に前記測距光を兼ねるレーザーポイント光を照射することで前記対象物上において輝点による描画図形の形成を行い、無人航空機に搭載したカメラにより前記対象物における前記描画図形を撮影し、前記カメラが撮影した画像中に写った前記描画図形が特定の画面位置に写り、且つ、前記描画図形の画面上での大きさが規定のものとなるように前記無人航空機の飛行制御が行われ、予め設定された特定の経路に沿って前記トータルステーションからの前記レーザーポイント光の照射位置を移動させることで、前記無人航空機を前記経路に沿って飛行させ、前記測距光を兼ねるレーザーポイント光により前記トータルステーションから前記輝点までの距離が計測され、前記計測された距離に基づき、前記描画図形が予め定めた大きさとなるように調整される無人航空機の制御方法である。

本発明は、測距光を兼ねるレーザーポイント光を発光するトータルステーションを用いた無人航空機の制御をコンピュータに行なわせるためのプログラムであって、コンピュータに既知の位置に設置した前記トータルステーションから対象物に前記測距光を兼ねるレーザーポイント光を照射することで前記対象物上において輝点による描画図形の形成と、無人航空機に搭載したカメラによる前記対象物における前記描画図形の撮影と、前記カメラが撮影した画像中に写った前記描画図形が特定の画面位置に写り、且つ、前記描画図形の画面上での大きさが規定のものとなるように前記無人航空機の飛行制御と、予め設定された特定の経路に沿って前記トータルステーションからの前記レーザーポイント光の照射位置を移動させることで、前記無人航空機の前記経路に沿っての飛行とを実行させ、前記測距光を兼ねるレーザーポイント光により前記トータルステーションから前記輝点までの距離が計測され、前記計測された距離に基づき、前記描画図形が予め定めた大きさとなるように調整される無人航空機の制御用プログラムである。

本発明によれば、対象物の特定の部位に効率よくＵＡＶを誘導できる技術が提供される。

実施形態の概要を示す図である。実施形態のブロック図である。実施形態のブロック図である。輝点により描かれる図形の一例を示す図である。実施形態のＵＡＶのブロック図である。処理の手順の一例を示すフローチャートである。

１．第１の実施形態
（概要）
図１には、壁面３００をカメラ２０１で撮影するＵＡＶ２００が示されている。壁面３００は、例えばコンクリートで補強された崖や法面、トンネルの壁面、橋脚の側面、ビル等の建物の側面等である。図１には、壁面３００がコンクリートで構成され、そのひび割れや劣化の程度をカメラ２０１が撮影する画像から診断する場合の例が示されている。

壁面３００には、既知の位置に設置されたＴＳ（トータルステーション）１００からポイント指示用レーザー光が照射されている。このポイント指示用レーザー光の壁面３００における反射点には、当該レーザー光の反射に起因する輝点３０１が形成される。このレーザー光は、測距光も兼ねており、ＴＳ１００から見た輝点３０１の三次元座標がＴＳ１００で計測される。また、ＴＳ１００は、望遠鏡とカメラを備え、ＴＳ１００により輝点３０１を中心とした壁面３００の画像が取得される。

ＵＡＶ２００は、カメラ２０１を備え、壁面３００をカメラ２０１で撮影しながら壁面２０１に沿って飛行する。この際、カメラ２０１が撮影した画像中に写った輝点３０１をＵＡＶ２００の側で認識し、輝点３０１を利用してＵＡＶ２００の飛行制御が行なわれる。

ＴＳ１００は、既知の位置に設置され、ＵＡＶ２００によって撮影したい壁面上に沿ってポイント指示用のレーザー光の輝点を動かす。例えば、経路３０２に沿って輝点３０１を動かすことで、輝点３０１の動きに合わせってＵＡＶ２００が移動する。また、この際、カメラ２０１により壁面３００における輝点３０１を含む領域の撮影が行われる。

（ＴＳ（トータルステーション））
以下、ＴＳ１００について説明する。図２は、ＴＳ１００のブロック図である。ＴＳ１００は、レーザー光発光部１０１、レーザー光受光部１０２、測距部１０３、水平・鉛直角検出部１０４、水平・鉛直角駆動部１０５、三次元位置算出部１０６、ＵＡＶ誘導部（輝点位置制御部）１０７、輝点描画部１０８、レーザースキャナ１０９を備えている。ＴＳ（トータルステーション）については、特開２００９－２２９１９２号公報、特開２０１２－２０２８２１号公報、日本国特許第５１２４３１９号公報等に記載されている。

レーザー光発光部１０１は、測距光を兼ねるポイント指示用レーザー光を発光する。この光は、図示しない光学系を介して、対象物に対して照射される。ここで、ポイント指示用レーザー光は、可視光が採用される。レーザー光受光部１０２は、対象物に照射され、そこで反射されたポイント指示用レーザー光の反射光を図示しない光学系を介して受光する。

測距部１０３は、測距光を兼ねるポイント指示用レーザー光の飛翔時間に基づくＴＳ１００から輝点３０１までの距離の算出を行う。具体的には、ＴＳ１００の内部にリファレンス光の光路が設けられており、このリファレンス光とレーザー光受光部１０２で受光した測距光（兼ポイント指示用レーザー光）の位相差から輝点３０１までの距離が計算される。

ＴＳ１００は、水平回転が可能な本体を備えている。この本体には、鉛直方向の回転（仰角と俯角の回転制御）が可能な可動部が取り付けられている。この可動部にレーザー光発光部１０１，レーザー光受光部１０２および測距部１０３の光学系が固定され、測距光兼ポイント指示用レーザー光の光軸の水平方向および鉛直方向における向きの制御が可能とされている。

水平・鉛直角検出部１０４は、上記の可動部の水平角（水平方向における角度）と鉛直角（仰角または俯角の角度）を検出する。角度の検出は、ロータリーエンコーダにより行われる。角度計測の基準は、例えば水平角では北の方向を０°として時計回り方向の角度、鉛直角では水平を０°として仰角を＋、俯角を－として計測する例が挙げられる。なお、ＴＳ１００は、地図座標系（絶対座標系）上における既知の位置に設置される。地図図座標系とは、ＧＮＳＳで用いられるグローバルな座標系のことである。

水平・鉛直角駆動部１０５は、上記可動部の水平方向の回転駆動、鉛直方向の回転駆動行うためのモータや駆動回路を備える。上記可動部の水平角および鉛直角の制御を行うことで、輝点３０１の位置制御が行なわれる。

三次元位置算出部１０６は、測距部１０３が算出した距離と水平・鉛直角検出部１０４が検出した輝点３０１の方向（ＴＳ１００からの方向）とから輝点３０１の三次元座標値を算出する。この輝点３０１の三次元座標値は、ＴＳ１００を原点としたＴＳ座標系上におけるものとして取得される。このＴＳ座標系としては、東方向をＸ軸、北方向をＹ軸、鉛直上方の方向をＺ軸としたＸＹＺ座標系が挙げられる。

ＵＡＶ誘導部（輝点位置制御部）１０７は、図１の輝点３０１を経路３０２に沿って移動させる制御を行う。輝点３０１の移動は、水平・鉛直角駆動部１０５によるＴＳ１００可動部の水平方向の回転駆動、鉛直方向の回転駆動により行われる。本明細書で開示する技術では、輝点３０１を追うようにＵＡＶ２００が飛行する。ＵＡＶ誘導部１０７は、ＵＡＶ２００を飛行させたい経路に沿って輝点３０１により形成される図形を移動させ、それによりＵＡＶ２００の飛行誘導を行う。輝点３０１により形成される図形の移動経路３０２は、予め決められている形態が挙げられるが、操作者により動かされる形態でもよい。

例えば、橋梁の点検をＵＡＶ２００で行なう場合を考える。ここで、橋梁の三次元モデルデータは予め取得されているものとする。この場合、ＵＡＶ２００に動画カメラを搭載し、橋梁の撮影を行い、その動画像によりコンクリートのひび割れの有無や劣化の状態、ボルト結合部の状態等の点検が行なわれる。この際、撮影予定の対象となる部位に沿って径路３０２が設定され、輝点３０１により形成される図形の移動が行なわれる。そして、輝点３０１の移動に追従するようにＵＡＶ２００が飛行する。この際の輝点３０１の誘導がＵＡＶ誘導部（輝点位置制御部）１０７によって行われる。ＵＡＶ誘導部（輝点位置制御部）１０７の機能により、輝点３０１を利用したＵＡＶ２００の飛行制御が行なわれる。

輝点描画部１０８は、ポイント指示用レーザー光（測距光）を照射しながら照射方向の水平角および鉛直角の制御を行うことで、輝点３０１を動かし輝点３０１の軌跡による描画制御を行う。この輝点を用いた描画により、輝点による特定の形状の図形（輝点描画図形）が対象面（例えば、図１の壁面３００）上で形成される。

以下、輝点描画部１０８によって行われる描画について説明する。図４には、輝点３０１の描画の一例が示されている。この例では、輝点３０１をＬ字型に１～５Ｈｚ程度の繰り返し周波数で周期的に往復させ、Ｌ字形状の描画を行っている。このＬ字形状の輝点の軌跡の対象面における向きおよび大きさは、予め定めた特定なものとなるように描画が行なわれる。輝点によって描かれる図形は、認識できるものであれば文字に限定されず、三角形や矢印等でもよい。

上述した描画により形成された図形は、図１の経路３０２に沿って移動する。この際、図形の位置は、その重心の位置や予め定められた位置（Ｌ字であれば、縦線と横線の交点等）で把握される。例えば、図４の場合でいうと、Ｌ字形状の輝点の軌跡が、ＵＡＶ２００を飛行させたい方向に向かって移動する。この際、時間軸上で測距値が揺らぐので、特定の間隔（０．５～１秒程度）で平均化した値を測距値として採用する。

輝点による描画図形は、輝点形成位置で予め定めた大きさ、縦横比、および向きとなるように調整される。この調整には、対象物の三次元形状に関するデータとＴＳ１００から輝点までの距離の情報が必要となる。対象物の三次元形状に関するデータは、予め三次元レーザースキャナや立体写真画像から得た三次元モデルから把握しておく。ＴＳ１００から対象物までの距離は、ＴＳ１００が有する測距機能やレーザースキャナ機能を用いて取得できる。

特に輝点の描画を行う対象面に対して斜めの方向からポイント指示用レーザー光を照射する場合は、正面から描画を行った場合の形状となるように描画を行う。この場合、後述するレーザースキャナ１０９からのレーザースキャンデータを用いて、対象面の法線ベクトルを算出し、この法線ベクトルとＴＳ１００からのポイント指示用レーザー光の光軸とのなす角度から、輝点描画図形が正面から描画を行った場合の形状となるように射影変換を利用した描画を行う。

レーザースキャナ１０９は、ポイント指示用レーザー光の照射点（輝点３０１）付近のレーザースキャンを行い、輝点３０１付近の三次元点群データを取得する。輝点付近のレーザースキャンを行うことで、輝点３０１付近の対象物の表面のＴＳ１００の光軸に対する向きが判る。すなわち、ポイント指示用レーザー光の光軸に対する対象物の表面の法線の向きが判る。

レーザースキャナについては、例えば特開２０１０－１５１６８２号公報、特開２００８－２６８００４号公報、米国特許８７６７１９０号公報、米国特許７９６９５５８号公報に記載されている。また、ＵＳ２０１５／０２９３２２４号公報には、光学系の回転や往復運動を利用せずに電子式にスキャンを行う形態のレーザースキャナが記載されている。この電子式にスキャンを行う形態のレーザースキャナを用いることもできる。

（ＵＡＶ）
ＵＡＶ２００は、図３の飛行制御装置２１０、ＧＳＮＮ位置特定装置、高度計、方位センサ、ＩＭＵ（慣性計測装置）、傾斜センサ、無線通信装置等を備える。飛行制御装置２１０以外は、通常のＵＡＶが備える機器および機能であるので説明は省略する。また、カメラ２０１の姿勢を動かすことができる構造の場合、カメラ２０１の姿勢制御装置がＵＡＶ２００に搭載される。

図３にＵＡＶ２００が備える飛行制御装置２１０のブロック図が示されている。飛行制御装置２１０は、コンピュータとして機能するハードウェアであり、ＣＰＵ，メモリ、各種のインターフェースを備える。飛行制御装置２１０は、汎用のマイコンを用いて構成もしてもよいし、専用のハードウェアとして開発してもよい。例えば、マイコンボード、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の電子回路を用いて飛行制御装置２１０を構成することができる。

飛行制御装置２１０は、画像データ受付部２１１、輝点検出部２１２、図形検出部２１３、飛行制御部２１４、通信部２１５、記憶部２１６を備えている。これらの機能部の一部または全部は、ＣＰＵにおけるプログラムの実行により、ソフトウェア的に構成される形態もよいし、専用のハードウェアで構成される形態でもよい。

画像データ受付部２１１は、カメラ２０１が撮影した画像を受け付ける。この例において、カメラ２０１は動画を撮影し、その画像データが画像データ受付部２１１で受け付けられる。なお、動画程コマ数が多くない高速シャッター画像（例えば、０．１秒毎に撮影）を用いることもできる。

輝点検出部２１２は、カメラ２０１が撮影した画像の中からＴＳ１００から照射されたポイント指示用レーザー光による輝点を検出する。輝点の検出は、デジタル処理により周囲より高輝度の画素を検出することで行われる。この例では、カメラ２０１が撮影した動画像データに含まれる複数枚のフレーム画像から、輝点３０１の軌跡を検出する。例えば、図４のＬ字形状の輝点の軌跡が輝点検出部２１２で検出される。この際、輝点３０１は図形を描くために細かく動いている。そこで、図形が描かれる時間以上の期間において取得された軌跡の変化を平均化し、図形を描く輝点の集合を検出する。例えば、０．５秒間でＬ字形状の図形が描かれるとする。この場合、輝点の動きを０．５秒～０．７秒程度の期間で平均化した輝点の軌跡を検出する。なお、この軌跡は、図１の軌跡３０２とは異なり、図４のような図形を描くための短い時間間隔で繰り返される軌跡である。

図形検出部２１３は、輝点検出部２１２で検出された輝点の軌跡から図形の検出をする。例えば、図４の場合でいうと、Ｌ字形状の図形の検出が図形検出部２１３で行われる。この処理は、公知の形状認識処理アルゴリズムを用いて行われる。

飛行制御部２１４は、ＵＡＶ２００の飛行制御を行う。飛行制御部２１４で行われる飛行制御には、通常のＵＡＶで行われる飛行制御に加えて、図形検出部２１３で検出したポイント指示用レーザー光による輝点によって描かれる図形（例えば、図４のＬ字形状の輝点の軌跡）に基づく飛行制御が含まれる。

以下、ポイント指示用レーザー光（測距光）が対象物に照射されることで形成される図形として図４のＬ字形状を採用した場合における飛行制御の例を説明する。

まず、図形検出部２１３で検出されたＬ字形状図形の画面中での位置を検出する。例えば、Ｌ字形状図形の画面中における重心の位置を、当該図形の画面中での位置（着目位置）として検出する。そして、この着目位置が画面中の予め定めた位置（左下や中央等）にくるようにＵＡＶの位置の制御を行う。

次に、図形検出部２１３で検出されたＬ字形状図形の画面上における向きを検出する。そして、この向きが予め定めた向き（例えば、図４の向き）となるようにＵＡＶ２００の姿勢を制御する。この処理では、図１のＸ軸回りの回転制御が行なわれる。

次に、Ｌ字形状図形の縦横比が予め定めた値（図４の場合は１：１）に近づくようにＵＡＶ２００の姿勢制御を行う。このＬ字形状図形（輝点描画図形）の縦横比を用いた姿勢制御は、図１におけるＺ軸回りの回転制御が行なわれる。

縦横比に限定されず、交差する２軸の方向における寸法の比率を採用することもできる。ただし、交差する２軸のなす角度がなるべく９０°（直交状態）に近い方が好ましい。また、交差する３軸以上の方向における寸法の比率を判定基準として採用することもできる。この場合、輝点により描かれた図形の３軸以上の方向における寸法の比率が予め定めた値に最も近づくようにＵＡＶの姿勢制御が行なわれる。例えば、６０°の角度差で交差する３本の軸を設定し、この３軸の方向における図形の比率が予め定めたものとなるようにＵＡＶの姿勢制御が行なわれる。

上記のＬ字形状図形の画面上での縦横比を用いたＵＡＶ２００の姿勢制御を行うと、画面中におけるＬ字形状図形の位置が変化する。よって、（１）Ｌ字形状図形の画面中での位置に基づくＵＡＶ２００の位置の調整と、（２）Ｌ字形状図形の画面中での縦横比に基づくＵＡＶ２００の姿勢の調整とを交互に繰り返し、Ｌ字形状図形の画面中での位置が予め定めた特定の位置で、且つ、画面中におけるＬ字形状図形の縦横比が規定の値となるようにする。

次に、画面中のＬ字形状図形の縦横の寸法（Ｌｘおよび／またはＬｚ）が、予め定めた値となるように、ＵＡＶ２００の位置を制御する。ここで、ＵＡＶ２００の位置が対象物から規定値より離れている場合、（Ｌｘおよび／またはＬｚ）は規定値よりも小さくなる。また、ＵＡＶ２００の位置が規定値より対象物に近い場合はその逆となる。

上記の検出された図形の画面上での大きさが規定のものとなるようにＵＡＶ２００の位置を制御することで、ポイント指示用レーザー光（測距光）が照射される対象物とＵＡＶ２００との間の距離（図１のＸ軸上における位置）が予め定めた値となる。

図４のＬ字形状図形の描画位置は、図１の軌跡３０２にしたがって移動する。上記の姿勢制御および移動制御が１秒毎といった時間間隔で連続して行われることで、対象物（例えば、図１の壁面３００）に対して特定の姿勢および位置関係を維持しつつ、符号３０２で示されるような指示経路でもってＵＡＶ２００が移動する。すなわち、輝点３０１で構成される図形（輝点描画図形）の動きを追うように、ＵＡＶ２００が移動する。

なお、実際のＵＡＶ２００の飛行では、まず操縦者による遠隔操縦によりＵＡＶ２００が対象物に近づき、その後にＴＳ１００からのポイント指示用レーザー光を用いた上述の飛行制御が行なわれる。

通信部２１５は、操縦者が扱う操縦用コントローラからの信号を受け付ける。また、通信部２１５から飛行時の各種のデータ（位置データ等）が操縦用コントローラや外部の機器に向かって送信される。記憶部２１６は、半導体メモリで構成され、飛行制御装置２１０の動作に必要な各種のデータ、動作の結果得られたデータ、動作に必要なプログラムが記憶される。また、飛行制御装置２１０がＵＡＶ２００に搭載される場合、飛行計画や飛行ログ、ＵＡＶ２００の動作に必要な各種のデータやプログラムが記憶部２１６に記憶される。

（処理の一例）
以下、飛行制御装置２１０で行なわれる処理の一例を説明する。図５は、飛行制御装置２１０で行なわれる処理の手順の一例を示すフローチャートである。図５の処理を実行するためのプログラムは、記憶部２１６等の適当なメモリ領域に記憶され、そこから読み出されて実行される。このプログラムを適当な記憶媒体に記憶させ、そこから提供される形態も可能である。

対象物（例えば、図１の壁面３００）にポイント指示用のレーザー光を照射し、輝点による図形の描画を行っている段階で図５の処理が開始される。図５の処理が開始されると、まず輝点３０１で構成される図形（輝点描画図形）が検出できたか否か、が判定される（ステップＳ１０１）。この処理は、図形検出部２１２で行なわれる。輝点描画図形が検出できた場合、ステップＳ１０２に進み、そうでない場合、ＵＡＶ２００を上下左右に移動させつつステップＳ１０１を繰り返す。

なお、当該図形を検出できない時間が一定時間を過ぎた場合、輝点３０１を見失った状況の判定（ロスト判定）となり、その旨（ロスト報知）がＴＳ１００の側、あるいはＵＡＶ２００の図示しないコントローラに通知される。またこの際、事故を防ぐため、ＵＡＶ２００はその場でホバリング状態となる。

ステップＳ１０２では、カメラ２０１が撮影した画像の画面中における輝点描画図形の位置に基づくＵＡＶ２００の位置制御が行なわれる。この処理では、画面内における輝点描画図形の位置が予め定めた特定の位置となるように、ＵＡＶ２００の位置を調整する飛行制御が行なわれる。

以下、この処理の詳細な一例を説明する。まず、撮像画面上に直交するＸ－Ｙ軸が設定されているものとする。ここで、輝点描画図形が規定の画面位置からＸ＋方向にあるする。この場合、画面がＸ－方向に流れるようにＵＡＶ２００の移動制御が行なわれる。この結果、画面中における輝点描画図形の位置は、Ｘ－方向に移動する。こうして、画面中における輝点描画図形の位置が常に一定の位置となるように飛行制御が行なわれる。この結果、輝点描画図形を追うようにＵＡＶが飛行する。以上の輝点描画図形に追従させる飛行制御に係る処理は、飛行制御部２１４で行なわれる。なお、以下のステップＳ１０２～Ｓ１０６の処理も飛行制御部２１４で行なわれる。

次に、輝点描画図形の向きと縦横比に基づく、ＵＡＶ２００の姿勢制御が行なわれる（ステップＳ１０３）。この処理では、画面中の輝点描画図形が予め定めた向き、および予め定めた縦横比に最も近くなるようにＵＡＶ２００の姿勢の調整が行なわれる。

ステップＳ１０３の処理を行うと、画面中における輝点描画図形の位置が変化する。そこで、ステップＳ１０４の判定を行い、画面中における輝点描画図形の位置のずれがあれば、ステップ１０２以下の処理を再度実行する。画面中における輝点描画図形の位置のずれがなければ、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、輝点描画図形の画面中での大きさに基づく、ＵＡＶ２００の位置の制御が行なわれる。この処理では、画面中の輝点描画図形が予め定めた大きさとなるようにＵＡＶ２００の位置の調整が行なわれる。この処理により、対象物とＵＡＶ２００（カメラ２０１）の間の距離が予め定めた特定のもとなる。

そして、次の処理タイミングであるか否かの判定が行われ（ステップＳ１０６）、次の処理タイミングであれば、ステップＳ１０１以下の処理を繰り返す。例えば、ステップＳ１０１～Ｓ１０４の処理は、０．５秒～２秒間隔で繰り返し行われる。

以上の処理によれば、輝点３０１が図形を描画すると共に、この図形が経路３０２に沿って移動するので、輝点３０１を利用したＵＡＶ２００の姿勢制御、壁面３００から距離を保つ飛行制御、および飛行経路の制御が行なわれる。すなわち、ＵＡＶ２００は、壁面３００に対する姿勢および壁面３００からの離間距離の制御が行なわれつつ、輝点３０１の移動経路３０２に沿って輝点３０１を追うように（正確には、輝点３０１で形成される輝点描画図形を追うように）移動する。

（優位性）
本実施形態によれば、ポイント指示を行う誘導用のレーザー光を用いて、ＴＳ１００により対象物の特定の部位に効率よくＵＡＶを誘導できる。この技術では、ＵＡＶ２００は画像処理により対象物に対する姿勢と位置の調整を行う。この技術では、位置制御のために、レーダーやレーザースキャンのための装置、更に高精度なＩＭＵをＵＡＶの側で持つ必要はない。そのため、対象物に対するＵＡＶの姿勢制御および位置制御に係るＵＡＶの側の負担を軽くできる。

操縦者によるマニュアル操作で壁面３００から一定の距離を取ってＵＡＶ２００を飛行させるのは、高度な技術を要し、また困難な場合がある。これに対して、本実施形態の技術では、高度な操縦テクニックを必要とせずに、壁面３００に沿っての飛行制御が可能となる。

２．第２の実施形態
ＵＡＶ２００からカメラ２０１が撮影した画像のデータが送信され、それをＴＳ１００や他のデータ処理装置で受信し、そのデータを地上の側で処理し、その結果を受けた飛行制御信号をＵＡＶ２００に送信し、ＵＡＶ２００の操縦を行ってもよい。この場合、図３の飛行制御装置がＴＳ１００や地上設置型の装置として用意され、飛行制御装置２１０で行なわれるポイント指示用レーザー光の輝点に係る処理が地上の側で行われる。この場合、ＵＡＶ２００に搭載するハードウェアが簡素化され、またＵＡＶ２００の側での演算の負担が軽減される。

３．第３の実施形態
例えば、機体の水平制御（図１のＹ軸およびＸ軸回りの姿勢制御）は、ＵＡＶ２００が備えたＩＭＵや傾斜センサの出力を用いて行う。そして、図１のＺ軸回りの姿勢制御を輝点描画図形の画像中におけるＺ軸およびＹ軸方向における寸法に基づいて行う。すなわち、輝点描画図形の撮影画像の画面中におけるＺ軸方向およびＹ軸方向における寸法の比率が、予め定めた値（あるいは範囲）となるようにＵＡＶ２００のＺ軸回りにおける姿勢制御を行う。

４．第４の実施形態
ＵＡＶ２００の機体に対してカメラ２０１の向きが可変制御できる形態も可能である。この場合に、ポイント指示用レーザー光の輝点で描かれる図形（輝点描画図形）を用いてカメラ２０１の指向方向の制御（姿勢制御）を行ってもよい。この場合、ＵＡＶ２００は、カメラ２０１の姿勢を制御するカメラ姿勢制御装置を備える。図５には、カメラ姿勢制御装置２２０を備えたＵＡＶ２００のブロック図の例が示されている。

例えば、対象面が傾斜面である場合、機体を傾けての飛行は難しい場合があるので、機体は水平とし、カメラ２０１の光軸が対象面に垂直となるようにカメラ２０１を傾ける。この際の処理に、輝点描画図形を用いてもよい。この場合、輝点描画図形の縦横比が特定の値となるように、カメラ２０１の向きが調整される。なお、カメラ２０１の向きの調整が行なわれると、画面中での輝点描画図形の位置が変わるので、輝点描画図形の画面中での位置が特定の位置で、且つ、その縦横比が特定の値となるように、カメラ２０１の向きの調整とＵＡＶ２００の位置（および姿勢）の調整が交互に繰り返し行われる。

カメラ２０１の姿勢制御とＵＡＶ２００の姿勢制御の両方を、輝点描画画像を用いて行う形態も可能である。

５．第５の実施形態
基本的にＵＡＶをマニュアル操縦で飛行させ、細かい姿勢や位置の調整が輝点描画画像を用いて行われるセミオートの態様も可能である。

６．具体例
以下、コンクリートで補強した法面の検査を行う場合の具体例を説明する。この場合、図１の壁面３００がコンクリートで補強された法面となる。以下、図１の符号３００を法面と捉えて説明を行う。まず前提として、ＴＳ１００により壁面３００の複数の点の測位（あるいはレーザースキャン）が行われ、壁面３００の三次元モデルがＴＳ１００の側で得られているとする。あるいは、法面３００の三次元データが予め用意されており、それがＴＳ１００に入力されていてもよい。

ここで、法面３００の撮影位置を経路３０２として設定する。この設定は、以下のようにして行われる。例えば、ＴＳ１００にノート型ＰＣを接続し、ＴＳ１００が記憶する法面３００の三次元モデルをノート型ＰＣのディスプレイに表示する。この三次元モデルは、ＴＳ１００を原点とする三次元座標上または地図座標系（経度・緯度・平均水面からの高度で座標が指定される座標系）上で記述される。そして、このノート型ＰＣを操作して法面３００の三次元モデル上に経路３０２を設定する。

法面３００の三次元モデル上に経路３０２を設定することで、経路３０２の三次元空間中での位置が特定される。ＴＳ１００は、上記座標系上の既知の位置に設置される。そして、ＴＳ１００からポイント指示用レーザー光を法面３００の経路３０２の出発点の位置に照射し、輝点３０１を法面３００の表面に形成する。この際、ＴＳ１００の描画機能を用いて輝点３０１により図４の図形を描画する。次に、輝点３０１により形成される図形をカメラ２０１の画面が捉える位置までＵＡＶ３００をマニュアル操縦で飛行させる。

次に、ＴＳ１００の機能を用いて輝点３０１により形成される図形を経路３０２に沿って移動させる。ＴＳ１００は、本来精密な位置の測量を行う測量装置であり、三次元位置が指定されれば、その点に向けてポイント指示用レーザー光（測距用レーザー光）を照射することができる。この機能を用いて輝点３０１により形成される図形を経路３０２に沿って移動させる。

ＵＡＶ２００は、図６に示す処理を行い、輝点３０１により形成される図形を追い、当該図形の移動に追従して飛行する。この際、当該図形の見え方を用いた位置制御と姿勢制御が行われる。また、飛行の過程でカメラ２０１により法面３００の撮影が行われる。すなわち、カメラ２０１により経路３０２に沿った法面３００の動画撮影が行われる。

以上の例では、ＴＳ１００により法面３００の三次元情報が得られており、ＴＳ１００により法面３００上で輝点３０１を動かすことで、ＵＡＶ２００の飛行制御が行われる。これは、ＴＳ１００による輝点３０１を利用した間接的なＵＡＶ２００の飛行制御と捉えることができる。

通常、法面３００の検査は、定期的に行われる。これは、橋梁やトンネルの内壁等の場合も同じである。よって、経路３０２を登録しておけば、次回の検査も同様な飛行制御を行うことができ、作業の手間を省くことができる。

（その他）
ＴＳ１００において、測距光の光源とは別に、ポイント指示用レーザー光の光源を用意する形態も可能である。また、ポイント指示用レーザー光の光源として、ＴＳでなく、輝点の位置制御と描画機能を有するレーザーポインタを用いることもできる。また、輝点描画図形の形状変更によってＵＡＶに動作指示を行う形態も可能である。例えば、緊急帰還の指示を輝点描画図形の形状の変更で行う形態等が可能である。

本実施形態で示す技術は、トンネルの壁面や天井、建物の外壁面、室内の壁面や天井、崖等の法面、橋梁の側面や裏面、橋脚の壁面、煙突の壁面、重油備蓄タンクやガスタンク等の外壁面、各種プラント設備の外壁面、パイプライン設備の外壁面、工場設備の外壁面、船舶や航空機の外側表面等をＵＡＶから撮影する技術に利用することができる。

図２の輝点描画部１０８を独立したハードウェアとして、そこからＴＳ１００に輝点描画のための制御信号を送信する形態も可能である。

図５の構成において、飛行制御装置２１０とカメラ姿勢制御装置２２０を分離せず、統合した構成も可能である。この場合、統合された制御部でＵＡＶ２００の飛行制御とカメラ２０１の姿勢制御とが行なわれる。

カメラ２０１としてステレオカメラを採用する形態も可能である。この場合、輝点３０１とＵＡＶ２００の相対的な三次元位置および向きの関係が撮影画像から特定でき、それを利用して壁面３００に対するＵＡＶ２００の姿勢と位置の制御が行なわれる。すなわち、ステレオ画像を利用して輝点３０１に対して、常に特定の位置関係となるようにＵＡＶ２００の姿勢と位置の制御を行うことで、一定の位置および姿勢の関係を維持した状態で輝点３０１を追いかけるようにＵＡＶ２００の飛行制御が行なわれる。

この場合、ステレオ画像に基づく輝点位置算出部、輝点の位置に対して特定の相対位置となるようにＵＡＶの飛行を制御する飛行制御装置を備えたハードウェアを用意する。このハードウェアは、ＵＡＶに装備してもいし、地上側に配置してもよい。

１００…ＴＳ（トータルステーション）、２００…ＵＡＶ、２０１…カメラ、３００…壁面、３０１…輝点、３０２…輝点の移動軌跡。

Claims

測距光を兼ねるレーザーポイント光を発光するトータルステーションを用いた無人航空機の制御方法であって、
既知の位置に設置した前記トータルステーションから対象物に前記測距光を兼ねるレーザーポイント光を照射することで前記対象物上において輝点による描画図形の形成を行い、
無人航空機に搭載したカメラにより前記対象物における前記描画図形を撮影し、
前記カメラが撮影した画像中に写った前記描画図形が特定の画面位置に写り、且つ、前記描画図形の画面上での大きさが規定のものとなるように前記無人航空機の飛行制御が行われ、
予め設定された特定の経路に沿って前記トータルステーションからの前記レーザーポイント光の照射位置を移動させることで、前記無人航空機を前記経路に沿って飛行させ、
前記測距光を兼ねるレーザーポイント光により前記トータルステーションから前記輝点までの距離が計測され、
前記計測された距離に基づき、前記描画図形が予め定めた大きさとなるように調整される無人航空機の制御方法。
測距光を兼ねるレーザーポイント光を発光するトータルステーションを用いた無人航空機の制御をコンピュータに行なわせるためのプログラムであって、
コンピュータに
既知の位置に設置した前記トータルステーションから対象物に前記測距光を兼ねるレーザーポイント光を照射することで前記対象物上において輝点による描画図形の形成と、
無人航空機に搭載したカメラによる前記対象物における前記描画図形の撮影と、
前記カメラが撮影した画像中に写った前記描画図形が特定の画面位置に写り、且つ、前記描画図形の画面上での大きさが規定のものとなるように前記無人航空機の飛行制御と、
予め設定された特定の経路に沿って前記トータルステーションからの前記レーザーポイント光の照射位置を移動させることで、前記無人航空機の前記経路に沿っての飛行と
を実行させ、
前記測距光を兼ねるレーザーポイント光により前記トータルステーションから前記輝点までの距離が計測され、
前記計測された距離に基づき、前記描画図形が予め定めた大きさとなるように調整される無人航空機の制御用プログラム。