JP7086554B2 - 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 - Google Patents

Description

本発明は、無人航空機の制御技術に関する。

ＴＳ（トータルステーション）でＵＡＶ(Unmanned Aerial Vehicle)（無人航空機）を追尾する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

ＵＳ２０１４／０２１０６６３号公報

ＵＡＶの飛行中に、搭載機器の故障や不具合、電池残量の不足、天候の急変といった問題に起因して、急ぎＵＡＶを帰還あるいは安全な場所に着陸させなくてはならない場合がある。特に電池残量に問題がある場合は、電池切れによる墜落を避けるために、極力最短距離の飛行で帰還させる必要がある。

この際、何ら障害物がない場所であれば最短距離の飛行で帰還させればよいが、建物等の障害物がある場合、その存在を考慮した経路でＵＡＶを帰還させる必要がある。また、上記の緊急時の帰還は、自動制御で行われることが望まれる。これは、緊急時におけるオペレータの操縦による帰還は、誤操作による事故の発生が懸念されるからである。

このような背景において、本発明は、飛行中のＵＡＶの緊急帰還時において、障害物を効果的に避けて帰還する技術の提供を目的とする。

本発明は、レーザースキャナを備えたトータルステーションによる無人航空機の制御方法であって、前記トータルステーションのレーザー光により飛行する無人航空機を追尾しつつ、前記レーザースキャナにより前記飛行する前記無人航空機を中心とした範囲のレーザースキャンを行い、前記レーザースキャンに基づき、前記無人航空機の飛行経路を含む空間の三次元マップを作成し、前記三次元マップに基づき、予め定められた特定の地点への帰還時における飛行を制御する無人航空機の制御方法である。

本発明は、レーザースキャナを備えたトータルステーションによる無人航空機の制御をコンピュータに実行させるプログラムであって、コンピュータに前記トータルステーションのレーザー光により飛行する無人航空機を追尾しつつ、前記レーザースキャナにより前記飛行する前記無人航空機を中心とした範囲のレーザースキャンと、前記レーザースキャンに基づき、前記無人航空機の飛行経路を含む空間の三次元マップの作成と、前記三次元マップに基づき、予め定められた特定の地点への帰還時における飛行の制御とを実行させ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、飛行中のＵＡＶの緊急帰還時において、障害物を効果的に避けて帰還する技術が得られる。

実施形態の概要図である。 ＴＳ（トータルステーション）のブロック図である。 経路設定装置のブロック図である。 経路の選定を説明するイメージ図である。 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、飛行するＵＡＶ２００をＴＳ１００で追尾する状態が示されている。ＵＡＶ２００の飛行は、予め定められた飛行経路に沿ったものでもよいし、操縦者がコントローラを操作してのマニュアル操縦であってもよい。ＵＡＶ２００が飛行する空域には、ＵＡＶ２００の飛行にとっては障害物となる立ち木１１０が存在している。障害物は、建物、鉄塔、電信柱、崖、丘、山等であってもよい。

ＴＳ１００は、レーザースキャン機能を有し、飛行するＵＡＶ２００の追跡と測位を行いつつ、ＵＡＶ２００周辺のレーザースキャンを行い、飛行するＵＡＶ２００周辺の三次元点群データを取得する。そして、この三次元点群データに基づき、三次元マップを作成する。例えば、ＵＡＶ２００が立ち木１１０の近くを飛行すれば、立ち木１１０の三次元モデルが含まれる三次元マップがＴＳ１００の側で作成される。

何らかの理由により、ＵＡＶ２００を予め定めた地上位置に帰還させなければならない場合、ＴＳ１００が取得した三次元マップに基づき、ＵＡＶ２００の帰還経路が決定され、この帰還経路に沿った飛行制御が行われる。

緊急時には、なるべく最短の経路での帰還が望まれるが、障害物への接触や衝突は避けなければならない。上記の三次元マップを用いた帰還経路の設定により、障害物への干渉や衝突を避けつつ、最短距離での帰還が可能となる。

（ＵＡＶ２００）
ＵＡＶ２００は、市販の通常のものに反射プリズム２０１を装着したものである。ＵＡＶ２００の選択は、自由であり、本発明の利用者が自由に選択できる。ただし、ＵＡＶ２００は、外部からの制御信号を受けて飛行する機能を備えている必要がある。

ＵＡＶ２００には、ＴＳ１００からの追尾および測距のターゲットとなる反射プリズム２０１が取り付けられている。反射プリズム２０１は、入射光を１８０°向きを変えて反射する光学特性を有している。ＴＳ１００は、追尾光により反射プリズム２０１を捉えることでＵＡＶ２００の捕捉および追尾を行い、測距光により反射プリズム２０１の位置を計測することで、ＵＡＶ２００の測位を行う。

（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、測距光発光部１０１、測距光受光部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、追尾部１０７、レーザースキャナ１０８、経路選定装置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。

測距光照射部１０１は、測距光をＵＡＶ２００の反射プリズム２０１に向けて照射する。測距光は、図示しない光学系を介して、反射プリズム２０１に対して照射される。測距光受光部１０２は、反射プリズム２０１で反射された測距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、測距光の飛翔時間に基づくＴＳ１００から反射プリズム２０１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測距光受光部１０２で受光した測距光の位相差から反射プリズム２０１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。この可動部に測距光照射部１０１および測距光受光部１０２の光学系、追尾部１０７の光学系が固定されている。この可動部を上下左右に振ることで、追尾光および測距光の水平方向と鉛直方向の照射方向の制御が行なわれる。なお、レーザースキャナ１０８は、可動部でなく本体に固定されている。勿論、レーザースキャナ１０８を上記の可動部に備えた構造も可能である。

水平・鉛直角検出部１０４は、上記の可動部（本体）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を計測し、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を行う。水平・鉛直角駆動部１０５は、上記の駆動を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、追尾光と測距光の照射方向の制御が行なわれる。

三次元位置算出部１０６は、測距部１０３が算出した反射プリズム２０１までの距離と、水平・鉛直角検出部１０４が検出した測距光の光軸の方向とから反射プリズム２０１の三次元座標値を算出する。この三次元座標値は、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。なお、ＴＳ１００の地図座標系上における位置は既知であるので、平行移動の座標変換により、ＴＳ１００が測位した反射プリズムの位置は、地図座標系上で記述できる。

追尾部１０７は、追尾光により飛行するＵＡＶ２００を追尾する。追尾部１０７によりＵＡＶ２００が追尾されることで、測距光の光軸をＵＡＶ２００に向ける制御が行われる。具体的には、追尾光によりＵＡＶ２００が備える反射プリズム２０１が補足されるように水平・鉛直角駆動部１０５が動作し、測距光の光軸が反射プリズム２０１に向くようにＴＳ１００の光軸の制御が行われる。追尾光を用いた反射プリズムの追尾については、例えば、日本国特許第５１２４３１９号に記載されている。

レーザースキャナ１０８は、測距光の光軸を中心した範囲のレーザースキャンを行い、当該範囲のおける三次元レーザースキャンデータを取得する。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も利用可能である。

経路選定装置１０９は、レーザースキャナ１０８により得られたスキャンデータから３次元マップを作成する。そして、この３次元マップを用いて、ＵＡＶ２００の飛行の障害物となるものを抽出し、抽出された障害物が存在する場所やレーザースキャンされておらず状況が不明な場所を回避するように、帰還経路を選定する。

（経路選定装置の構成）
図３は、経路選定装置１０９のブロック図である。経路選定装置１０９は、着陸位置情報受付部２０１、機***置情報受付部２０２、スキャンデータ受付部２０３、スキャンマップ作成部２０４、飛行禁止箇所抽出部２０５、経路選定部２０６、機体操縦信号生成部２０７、飛行距離算出部２０８、バッテリ消費量算出部２０９、着陸可能地点探索部２１０、外部作成マップ受付部２１１を備えている。

図３に示される制御装置１０５の各機能部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）に代表されるＰＬＤ（Programmable Logic Device）などの電子回路により構成される。また、一部の機能を専用のハードウェアで構成し、他の一部を汎用のマイコンにより構成することも可能である。

各機能部を専用のハードウェアで構成するのか、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するのかは、要求される演算速度、コスト、消費電力等を勘案して決定される。なお、機能部を専用のハードウェアで構成することとソフトウェア的に構成することは、特定の機能を実現するという観点からは、等価である。

経路設定装置１０９をＴＳ１００とは別の外付けの装置として用意することも可能である。この際、経路設定装置１０９をＰＣ（パーソナル・コンピュータ）やタブレットＰＣで構成することができる。

着陸位置情報受付部２０１は、ＵＡＶ２００を帰還させたい、または着陸させたい地点の位置情報を受け付ける。なお、受け付ける位置情報は、一つに限定されず、複数でもよい。なお、初期設定では、出発地点が帰還させたい位置として設定される。

機***置情報受付部２０２は、ＴＳ１００が測位したＵＡＶ２００の位置情報を受け付ける。ＵＡＶ２００が搭載したＧＮＳＳ位置特定装置が特定したＵＡＶ２００の位置情報を受け付ける形態も可能である。スキャンデータ受付部２０３は、レーザースキャナ１０８がスキャンしたレーザースキャンデータを取得する。

スキャンマップ作成部２０４は、スキャンデータ受付部２０３で受け付けたレーザースキャンデータから三次元マップを作成する。作成される三次元マップは、概略マップでよい。図１の地形から作成される三次元マップとしては、例えば、図４の例が挙げられる。三次元マップは、(x,y,z)成分で表される三次元空間であり、計測された対象は、ＴＳ１００から見える範囲におけるその最大幅、最大高さを、それぞれ(x,y,z)成分で表したものとなる。そのため、計測された対象は、三次元空間上で直方体１１１のＴＳ１００から見える面として近似される。ここで直方体１１１は、レーザースキャンで得られた立ち木１１０の三次元情報を直方体で近似した三次元モデルである。

飛行禁止箇所抽出部２０５は、スキャンマップ作成部２０４で作成された三次元マップにおいて、ＵＡＶ２００の飛行の障害となる障害物が存在する空間、ＴＳから見た当該障害物の背後の空間、更にレーザースキャンが行われなかった空間を飛行禁止箇所として抽出する。ＴＳ１００から見た直方体１１１の背後の空間は、ＴＳ１００からのレーザースキャンデータが得られず、その空間の三次元情報は不明である。そこで、その空間は飛行禁止箇所として扱い、不慮の事故の発生を防止する。また、レーザースキャナが行なわれなかった空間も三次元情報が不明であるので、不慮の事故の発生を防止するために飛行禁止箇所とする。

経路選定部２０６は、障害物を回避し飛行することが可能な一または複数の経路の検索、およびこの一または複数の経路の中からの最適な経路の選定を行う。障害物を回避し飛行することが可能な一または複数の経路の検索は、スキャンマップ作成部２０４が作成した三次元マップと障害物抽出部２０５が抽出した障害物に基づき行われる。経路の候補は予め設定されていてもよいが、より短い経路が抽出できる場合もあるので、帰還が必要となった段階で三次元マップを利用した帰還経路の探索を行う。また、予め設定された経路については、レーザースキャンで得られた三次元マップに基づき、障害物との干渉を判定する。ここで、障害物との干渉が予想される場合は、障害物を回避する経路の候補を新たに検索する。検索された飛行可能経路が複数である場合は、抽出された障害物を回避できる経路の中から、飛行距離および消費電力の点で有利な経路を選択する。例えば、複数の経路の中から最小の消費電力の経路を選択する。

経路の選定は、例えば以下の方法が挙げられる。まず、スキャンマップ作成部２０４で三次元マップを、単位空間(x,y,z)=(1,1,1)１００個分から成る(x,y,z)=(100,100,100)を設定する。そして、障害物や状況不明箇所である飛行禁止箇所の幅、奥行きおよび高さは、(x,y,z)の各値を整数で表現し、その位置も(x,y,z)を用いて、1≦x,y,z,≦100で表現すれば、三次元マップ上のどの単位空間に飛行禁止箇所が存在するかが分かる。

同様に、ＵＡＶ２００の位置と帰還地点の位置も(x,y,z)を用いて、1≦x,y,z,≦100で表現すれば、三次元マップ上でのＵＡＶ２００の位置と帰還地点の位置も特定される。三次元マップ上で特定されたＵＡＶ２００の位置と帰還地点の位置は、１００個ある単位空間の内のどれかに対応する。

そこで、ＵＡＶ２００の位置に対応する単位空間をスタート地点、帰還地点の位置に対応する単位空間をゴール地点、障害物がある単位空間とスキャンデータが無く状況が不明な単位空間を飛行禁止箇所として、スタート地点からゴール地点まで、通行禁止箇所ではない単位空間だけを通る経路を検索する。これにより、障害物を回避（迂回）して帰還できる経路が得られる。さらに、最短の経路を選定するには、検索された経路の中から通る単位空間の数が最少の経路を選定すればよい。

なお、単位空間の一辺のスケールは可変とすることができる。例えば、１００ｍまでの飛行であるならば、１ｍ×１ｍ×１ｍの単位空間としておき、１００ｍの超過した時点で、２ｍ×２ｍ×２ｍとし、その後も飛行距離に応じて、単位空間の一辺のスケールを変化させることで、多様な飛行距離に対応ができる。ただし、スケールが大きければ大きいほど、障害物があるとされる単位空間も大きくなってしまう等の問題が発生する。そこで、飛行距離が長くなるような場合は、三次元マップを構成する単位空間の数を予め増やしておき、スケールを上げすぎずに済むようにして対応する。

機体操縦信号生成部２０７は、経路選定部２０６が選定した経路をＵＡＶ２００に飛行させるための信号を生成する。機体操縦信号生成部２０７で生成された操縦信号は、ＵＡＶ２００に送信され、この操縦信号によりＵＡＶ２００の飛行制御が行なわれる。

飛行距離算出部２０８は、選定された帰還経路の飛行距離を算出する。バッテリ消費量算出部２０９は、飛行距離算出部２０８の算出結果に基づき、上記選定された帰還経路で必要とされるバッテリ消費量を算出する。この際、旋回や上昇といった要素も鑑みて電力の消費量の算出を行う。着陸可能地点探索部２１０は、当初設定した着陸地点までバッテリが持たないと推定される場合に、着陸可能な地点を探索する。この着陸可能な地点としては、ＴＳ１００の側で作成した三次元マップから障害物がない地点を選択する態様が挙げられる。外部作成マップ受付部２１１は、別に用意されている三次元マップや他の手段で取得した三次元マップの情報を受け付ける。三次元マップでなく、点群データを受け付ける形態も可能である。

（処理の一例）
本実施形態における処理の一例を図５に示す。まず、ＵＡＶ２００は、帰還または着陸地点の位置情報を受け付ける。位置情報を受け付けるタイミングは、ＵＡＶ２００の飛行開始前でも、飛行中でもよいが、後述のステップＳ１０４までに受け付けることが必要である（ステップＳ１０１）。

ＵＡＶ２００の飛行が開始されると、ＴＳ１００によるＵＡＶ２００の追尾および測位が開始される。また、ＵＡＶ２００を中心したレーザースキャナ１０８によるレーザースキャンが行われる。レーザースキャンの範囲は、例えばＵＡＶ２００を中心とした半径２５ｍの範囲で行われる。飛行中、ＵＡＶ２００の位置は、機***置情報受付部２０２で受け付けられ、レーザースキャンデータは、レーザースキャンデータ受付部２０３で受け付けられる（ステップＳ１０２）。スキャンデータを受け付けたら、スキャンマップ作成部２０４で三次元マップの作成が行われる（ステップＳ１０３）。

そして、ＵＡＶ２００に帰還を要する契機があると、ステップＳ１０４からステップＳ１０５に進み、三次元マップ上でのＵＡＶ２００の現在位置と帰還地点の位置の照合が行われる。ここで、ＵＡＶ２００が帰還を要する契機とは、オペレータからの指示、バッテリ量の低下、機器の不具合等が挙げられる。なお、ＵＡＶ２００に帰還を要する契機がなければ、ステップＳ１０２とＳ１０３の処理が繰り返される。

ステップＳ１０４の判定がＹＥＳの場合、ＵＡＶ２００の現在位置と帰還位置を結ぶ直線上の地上位置に飛行禁止箇所が存在するか否かを、ステップＳ１０３で作成した三次元マップに基づき判定する（ステップＳ１０６）。ここで、当該直線上に飛行禁止箇所が存在しなければ、帰還経路として、ＵＡＶ２００の現在位置と帰還位置を一直線に結ぶ直線経路が選定される（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０５において、当該直線上に飛行禁止箇所が存在すれば、その飛行禁止箇所の高度が、ＵＡＶ２００の現在位置より低いか判定する（ステップＳ１０８）。ここで、飛行禁止箇所が複数存在するならば、最も高度の高いものが比較対象となる。

ＵＡＶ２００の現在位置よりも飛行禁止箇所の高度が低ければ、高度を維持したまま帰還位置の上空まで飛行し、帰還地点まで降下する経路が選定される（ステップＳ１０９）。ＵＡＶ２００の現在位置よりも飛行禁止箇所の高度が高ければ、障害物を回避するよう迂回して、最短で帰還地点へ向かう経路が選定される（ステップＳ１１０）。最後に、決定された経路をＵＡＶ２００に飛行させる信号を生成し、処理は終了となる（ステップＳ１１１）。

本実施形態は、ＵＡＶ２００の現在位置と帰還位置を一直線に結ぶ直線経路、高度を維持したまま帰還位置の上空まで飛行し帰還地点まで降下する経路、および飛行禁止箇所を回避するよう迂回して最短で帰還地点へ向かう経路、の３つの飛行経路（動作）が帰還決定時に経路選定部２０６で設定される。

（変形例）
飛行禁止箇所を回避できるような経路を検索し、得られた経路について、バッテリ消費量を算出し、最もバッテリ消費量が少ない経路を選定してもよい。

２．第２の実施形態
（概要）
ＵＡＶ等の無人航空機に帰還を要する契機が発生した場合、離陸した地点を帰還地点とすることが多い。しかし、搭載されたバッテリの残量が乏しく離陸地点までの帰還ができない事態が想定し得る。そこで、離陸地点以外に着地可能な地点を終着地点とした経路を選定する形態を示す。

（構成）
この場合、経路選定装置１０９は、着陸可能地点検索部２１０を備える。着陸可能地点検索部２１０は、スキャンマップ作成部２０４が作成した三次元マップから、ＵＡＶ２００が着陸可能な地点を検索する。着陸可能地点の検索としては、(x,y,z)成分で表される三次元空間である三次元マップ上で、Ｚ＝０となる地点を平坦地である着陸可能地点として選び出す。

ここで、Ｚ＝０である地点は陸地ではなく、河川等の水面である場合もあり得る。そこで、Ｚ＝０である地点が細長く連なっていた場合は、それらの場所は河川と判定し、着陸可能地点から除外することで対応する。すなわち、着陸した場合に水没等のリスクが生じ得る地形の特徴を事前に定義し、着陸可能地点の検索時に定義された特徴を有する場所を除外する。着陸可能地点として、Ｚ＝０であり、且つ閾値以上の広さ（例えば、５ｍ×５ｍ以上）を有する場所を選択する処理は好ましい。また、この場合において、Ｚ＝０でなくてもＺ＝一定の場所（または一定と見なせる場所）を平坦地として選択する処理も有効である。

（変形例）
着陸位置情報受付部２０１で、着陸地点を受け付けず、着陸可能地点検索部２１０により検索された着陸可能な地点を終着地点として、経路の抽出・決定を行ってもよい。ただし、着陸可能地点検索部２１０が着陸可能な地点を検索できなかった場合は、リスクを冒して、その場に着陸する等の対応をする。

（その他）
ＴＳ１００と別にレーザースキャナを用意する形態も可能である。この場合、予めキャリブレーションを行い、別構成のレーザースキャナが得た三次元点群データを、ＴＳを原点とする座標系で扱えるようにしておく。

本発明は、無人航空機の帰還または着陸地点までの経路決定に利用可能である。

１００…ＴＳ（トータルステーション）、１１０…立ち木、１１１…立ち木を障害物として取り扱った場合の直方体イメージ、２００…ＵＡＶ、２０１…カメラ、２０２…反射プリズム。

Claims (2)

1. レーザースキャナを備えたトータルステーションによる無人航空機の制御方法であって、
   前記トータルステーションのレーザー光により飛行する無人航空機を追尾しつつ、前記レーザースキャナにより前記飛行する前記無人航空機を中心とした範囲のレーザースキャンを行い、
   前記レーザースキャンに基づき、前記無人航空機の飛行経路を含む空間の三次元マップを作成し、
   前記三次元マップに基づき、予め定められた特定の地点への帰還時における飛行を制御する無人航空機の制御方法。
2. レーザースキャナを備えたトータルステーションによる無人航空機の制御をコンピュータに実行させるプログラムであって、
   コンピュータに
   前記トータルステーションのレーザー光により飛行する無人航空機を追尾しつつ、前記レーザースキャナにより前記飛行する前記無人航空機を中心とした範囲のレーザースキャンと、
   前記レーザースキャンに基づき、前記無人航空機の飛行経路を含む空間の三次元マップの作成と、
   前記三次元マップに基づき、予め定められた特定の地点への帰還時における飛行の制御と
   を実行させる無人航空機の制御用プログラム。

Images