JP7428461B2

JP7428461B2 - 無人航空機システムおよび飛行制御方法

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Publication number: JP7428461B2
Application number: JP2020007201A
Authority: JP
Inventors: 陽介舘
Original assignee: Alpine Electronics Inc
Current assignee: Alpine Electronics Inc
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2024-02-06
Anticipated expiration: 2040-01-21
Also published as: JP2021113005A

Description

本発明は、ドローン等の無人航空機と当該無人航空機を遠隔操作可能な送信機とを含む無人航空機システムに関する。

例えば鉄塔に架設された送電線の表面などの点検は、作業者が双眼鏡を使って送電線の表面を直接目視したり、ヘリコプターから目視したり、鉄塔に登った人が電線を伝って確認したり、自走機を利用するなどして行っている。このような高所の構造物の点検に空撮機能を備えたドローンを接近させ、カメラで点検箇所を撮影し、作業者が点検箇所を目視するのと変わらない映像を得ることができれば、点検に要するコストを大幅に削減することが可能となる。また、決められた飛行ルートを決められた速度で飛行して離陸地点まで自動で戻り着陸するように機体を制御する自律制御技術の開発が進められ、実用化されつつある。

特許文献１の空撮方法では、図１に示すように、自立制御により飛行するＡ／Ｃヘリ１は、予め設定された飛行ルートに従い、出発地点である地上局２を離陸した後、鉄塔Ａの上方の（ａ）ポイントまで飛行し、次に、鉄塔Ｂの上方の（ｂ）ポイントまで高架電線Ｗに沿って平行に飛行し、この間、高架電線Ｗがカメラの撮影領域の中心に位置するように高架電線Ｗを追尾しながら高架電線Ｗの映像を連続的に記録する。また、飛行中に高架電線Ｗまでの距離を測定し、測定された距離に応じてカメラのズーム倍率を調整することでカメラフレーム内に十分な大きさに拡大された高精細な高架電線Ｗの映像を記録できるようにしている。

特開２００６－０２７４４８号公報

近年では、ドローンのような小型無人航空機を使った架空地線・電線の点検システムや、ある範囲の地形をくまなく連続撮影することで地形の詳細な形状を得る測量システムの開発、実用化が進められている。ドローンには、点検対象物までの距離および角度を検出する物体検出センサ（例えば、ＬｉＤＡＲ）が搭載され、ドローンは、物体検出センサの検出結果に基づき機体と点検対象物との位置関係が一定に保たれるように自律飛行することで、点検対象物を追尾しつつ点検対象物への接触が防止される。また、ドローンには、点検対象物を撮像するカメラがジンバルを介して搭載される。ジンバルは、カメラの向きを３次元方向で微調整することができるアクチュエータであり、ジンバルは、ドローンの姿勢が変化しても常にカメラが撮影対象物の方向を向くように、物体検出センサの検出結果を利用してカメラの角度を制御する。その結果、撮像フレームの中央に点検対象物が撮像されるように撮像が制御される。

点検対象物の撮影時、ドローンは、構造物から一定の距離および角度を維持しながら自動航行されるが、気象状況や構造物の形状は配置等の理由により、ドローンを予め決められた距離や角度ではなく、距離や角度、撮影位置を調整したいケースがある。図２（Ａ）は、ドローンと高架電線とを側方から見た図を示している。ドローン１０に搭載されたカメラ１２で高架電線Ｗを撮像するとき、太陽の位置に応じて影ができないようにドローン１０と高架電線Ｗとの相対角度Ｓを調整したい場合や、ドローン１０と高架電線Ｗとの距離Ｌを調整したい場合が生じる。図２（Ｂ）は、ドローンと構造物（ダム等）を側方から見た図を示している。ドローン１０を構造物２０の壁面に沿って飛行する際、構造物２０との距離Ｌを調整したい場合がある。

従来技術では、ドローン１０が一定距離Ｌまたは相対角度Ｓを保持するためのパラメータは、数値で入力設定するものであり、ドローンの自動航行中に操作レバー等を用いて直感的にパラメータを変更することができなかった。また、ドローンの移動方向や速度を調整する際も、自動航行では予め設定した内容に基づき点検撮影を実施するため、フレキシビリティにかけるという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決し、無人航空機の操作性を改善した無人航空機システムおよび飛行制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る無人航空機システムは、無人航空機と当該無人航空機を遠隔操作可能な送信機とを含むものであって、前記無人航空機は、対象物の位置を検出する検出手段と、飛行を制御する制御手段と、前記送信機と通信する通信手段とを含み、前記制御手段は、前記検出手段の検出結果に基づき無人航空機の自動飛行を制御中に、前記通信手段を介して前記送信機から前記無人航空機の遠隔操作に関する操作信号を受け取ったとき、前記操作信号に基づく割り込み飛行制御を可能にする操作モードを有する。

ある実施態様では、前記操作モードは、前記対象物と前記無人航空機との間の距離または相対角度の一方を固定し、他方を変更可能にする。ある実施態様では、前記自動飛行は、前記無人航空機と対象物との間の距離および相対角度を維持しつつ対象物を追尾する。ある実施態様では、前記制御手段は、前記操作モードに移行したとき、受信した通常のモードの操作信号を前記操作モードの操作信号に切替える。ある実施態様では、前記送信機は、ユーザーにより操作可能なスティックと、前記スティックの操作方向に基づき前記操作信号を生成する生成手段と、生成された操作信号を前記無人航空機に送信する送信手段とを含み、前記生成手段は、前記操作モードのとき、通常モードのときにスティックに割り当てられた操作信号と異なる操作信号を生成する。ある実施態様では、前記生成手段は、前記通常モードのとき、前記スティックの第１および第２の操作方向に基づき前記無人航空機を上昇および下降させる操作信号を生成し、前記操作モードのとき、前記第１および第２の操作方向に基づき前記無人航空機と対象物との間の距離を離間および接近させる操作信号を生成する。ある実施態様では、前記生成手段は、前記通常モードのとき、前記スティックの第３および第４の操作方向に基づき前記無人航空機を左移動および右移動させる操作信号を生成し、前記操作モードのとき、前記第３および第４の操作方向に基づき前記無人航空機と対象物との間の左側の相対角度および右側の相対角度を変化させる操作信号を生成する。ある実施態様では、前記第１および第２の操作方向は、前記スティックの上下方向の移動であり、前記第３および第４の操作方向は、前記スティックの左右方向の移動である。ある実施態様では、前記生成手段は、前記スティックを上方向または下方向に一定角度傾斜させたとき、前記無人航空機と対象物との距離を単位時間当たり一定の距離で増加または減少させる操作信号を生成する。ある実施態様では、前記生成手段は、前記スティックを左方向または右方向に一定角度傾斜させたとき、前記無人航空機と対象物との間の相対角度を単位時間当たり一定の角度で増加または減少させる操作信号を生成する。ある実施態様では、前記送信機はさらに、前記通常モードのとき、無人航空機を前進、後退、左旋回、右旋回させるための別のスティックを含み、前記生成手段は、前記操作モードのとき、前記別のスティックの第１および第２の操作方向に基づき前記無人航空機を前進および後進させる操作信号を生成し、第３および第４の操作方向に基づく左旋回および右旋回の操作信号を無効にする。ある実施態様では、前記送信機はさらに、前記通常モードのとき、無人航空機を前進、後退、左旋回、右旋回させるための別のスティックを含み、前記生成手段は、前記操作モードのとき、前記別のスティックの全ての操作方向に基づく操作信号を無効にする。ある実施態様では、前記検出手段は、ＬｉＤＡＲを含み、対象物までの距離および相対角度を検出する。

本発明に係る飛行制御方法は、無人航空機と、当該無人航空機を遠隔操作可能な送信機とを含む無人航空機システムにおけるものであって、前記無人航空機は、対象物との距離および相対角度の検出結果に基づく自動飛行の制御中に、前記送信機から前記無人航空機の遠隔操作に関する操作信号を受け取ったとき、前記操作信号に基づく割り込み飛行制御を可能にする操作モードに移行し、前記操作モードにおいて、前記操作信号に基づき前記無人航空機と対象物との距離および相対角度の一方を固定し他方を変更可能にする。

ある実施態様では、前記自動飛行は、前記無人航空機と対象物との間の距離および相対角度を維持しつつ対象物を追尾する。ある実施態様では、前記操作モードに移行したとき、受信した通常のモードの操作信号を前記操作モードの操作信号に切替える。ある実施態様では、前記送信機は、ユーザーにより操作可能なスティックを含み、前記スティックの操作方向に基づき前記操作信号を生成し、生成した操作信号を前記無人航空機に送信し、前記送信機は、前記操作モードのとき、通常モードのときに前記スティックに割り当てられた操作信号と異なる操作信号を無人航空機に送信する。ある実施態様では、前記送信機は、前記通常モードのとき、前記スティックの第１および第２の操作方向に基づき前記無人航空機を上昇および下降させる操作信号を生成し、前記操作モードのとき、前記第１および第２の操作方向に基づき前記無人航空機と対象物との間の距離を離間および接近させる操作信号を生成する。ある実施態様では、前記送信機は、前記通常モードのとき、前記スティックの第３および第４の操作方向に基づき前記無人航空機を左移動および右移動させる操作信号を生成し、前記操作モードのとき、前記第３および第４の操作方向に基づき前記無人航空機と対象物との間の左側の相対角度および右側の相対角度を変化させる操作信号を生成する。

本発明によれば、無人航空機の自動飛行の制御中に、送信機からの操作信号に基づく割込み飛行制御を可能にする操作モードを備えるようにしたので、無人航空機の遠隔操作のフレキシビリティを増加させることができる。

従来の高架電線等を空撮する無人航空機の例を説明する図である。図２（Ａ）は、ドローンと高架電線とを側方から見た模式図であり、図２（Ｂ）は、ドローンと構造物とを側方から見た模式図である。本発明の実施例に係る無人航空機システムの構成を示すブロック図である。本発明の実施例に係る無人航空機の電気的な構成を示すブロック図である。本発明の実施例に係る無人航空機システムの飛行モードを示す図である。本発明の実施例に係る送信機の電気的な構成を示すブロック図である。図７（Ａ）は、通常の飛行モードのときにスティックの移動方向に割り当てられた操作信号を説明する図、図７（Ｂ）は、割込み操作モードのときにスティックの移動方向に割り当てられた操作信号を説明する図である。図８（Ａ）は、通常の飛行モードのときにスティックを上方向に倒したときの無人航空機の飛行を説明する図、図８（Ｂ）は、割込み操作モードのときにスティックを上方向に倒したときの無人航空機の飛行を説明する図である。本発明の実施例に係る無人航空機システムの動作を説明するフローチャートである。図１０（Ａ）は、本実施例の割込み操作モード時の距離の微調整例を示し、図１０（Ｂ）は、割込み操作モード時の相対角度の微調整例を示す。図１１（Ａ）は、通常の飛行モードのときにスティックの移動方向に割り当てられた操作信号を説明する図、図１１（Ｂ）は、第２の実施例による割込み操作モードのときにスティックの移動方向に割り当てられた操作信号を説明する図である。第２の実施例により割込み操作モードにおいて右スティックが操作されたときの無人航空機の飛行例を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について説明する。本発明の無人航空機システムは、例えば、ドローン、ヘリコプター、飛行船のような無人航空機と、無人航空機を遠隔操作可能な送信機とを含む。本発明の無人航空機システムは、人間が目視により点検することが難しい、鉄塔に架設された送電線、ダム等の構造物、土砂崩れなどの自然災害現場などの点検あるいは地形の測量などに用いられる。

図３は、本発明の実施例に係る無人航空機システムの構成を示す図である。無人航空機システム１００は、無人航空機１１０と送信機１２０とを含む。以下の説明では、無人移動体としてドローンを図示する。無人航空機１１０は、機体本体に、点検対象物（例えば、高架電線やダム等の構造物）や測定対象物を撮影するための撮影カメラ１１２を搭載する。撮影カメラ１１２は、ジンバルのような角度調整アクチュエータを介して機体本体に取り付けられる。角度調整アクチュエータは、例えば、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の自由度３で撮影カメラ１１２の角度または姿勢を調整することが可能である。

送信機１２０は、筐体１２２を含み、筐体１２２には、アンテナ１２４、操作用のスティック１２６Ａ、１２６Ｂ、ディスプレイ１２８等が取り付けられる。また、筐体内部には、送信機１２０の動作を制御するための電子部品等が収容される。送信機１２０は、無線通信手段を介して無人航空機１１０と双方向のデータ通信が可能である。スティック１２６Ａ、１２６Ｂは、無人航空機１１０を遠隔操作するためのレバーであり、本例では、２つのスティック１２６Ａ、１２６Ｂは、それぞれ上下左右の４つの方向に傾斜することができ、スティック１２６Ａ、１２６Ｂの移動方向に応じた操作信号が無人航空機１１０へ送信され、無人航空機１１０は、受信した操作信号に基づき飛行することが可能である。

図４は、本実施例に係る無人航空機１１０の電気的な構成を示すブロック図である。無人航空機１１０は、ＧＰＳ受信部２００、自立航法センサ２１０、物体検出部２２０、撮影カメラ２３０、カメラ角度調整部２４０、ロータ駆動部２５０、記憶部２６０、出力部２７０、通信部２８０および制御部２９０を含んで構成される。但し、上記構成は一例であり、必ずしもこれに限定されるものではない。

ＧＰＳ受信部２００は、ＧＰＳ衛星から発せられるＧＰＳ信号を受信し、無人航空機１１０の緯度、経度を含む絶対位置を検出する。無人航空機１１０は、予め用意された飛行情報に従い自動航行することが可能である。飛行情報は、例えば、図１に示すように、出発地点である地上局２、鉄塔Ａの（ａ）ポイント、鉄塔Ｂの（ｂ）ポイント、帰還地点である地上局２を飛行する飛行ルート（緯度、経度の位置情報を含む）や、飛行速度、飛行高度、対象物を追尾する場合には対象物との間の距離および相対角度などの飛行条件などを含む。無人航空機１１０は、ＧＰＳ受信部２００で検出された位置情報を利用して飛行ルートに従い飛行する。

自立航法センサ２１０は、無人航空機１１０が自立航法するために必要なセンサ、例えば、方位センサや高度センサを含む。自立航法センサ２１０のセンサ出力は、飛行情報に従い自律飛行するときの制御に利用され得る。

物体検出部２２０は、点検対象物までの相対的距離および角度を検出する。物体検出部２２０は、例えば、ＬｉＤＡＲ（Laser Imaging Detection and Ranging）を用いて構成される。ＬｉＤＡＲは、パルス状に発光するレーザーを３６０度の方位で照射し、そのレーザー照射に対する反射光を測定することで、物体までの距離および角度を検出する。物体検出部２２０は、例えば、点検対象物である高架電線Ｗまでの距離および角度を検出したり、測量対象物である検証点までの距離および角度を検出する。なお、物体検出部２２０は、ＬｉＤＡＲに限定されず、これ以外にも１つまたは複数のカメラを用いて物体までの距離および角度を検出するものであってもよい。無人航空機１１０は、物体検出部２２０の検出結果に基づき、点検対象物である高架電線Ｗと一定の距離および角度を保つように高架電線Ｗを追尾し、あるいは測定対象物である検証点と一定の距離および角度を保つように検証点を追尾することができる。

撮影カメラ２３０は、上記したように、機体本体の下部に角度調整アクチュエータを介して取り付けられる。撮影カメラ２３０は、点検対象物である高架電線やダム等の構造物、あるいは測定対象物である検証点の動画を撮像し、例えば、１秒間に２４個の映像フレーム（静止画）を生成する。さらに撮影カメラ２３０は、ズーム機能を備え、映像フレーム内に一定の大きさの対象物が撮像されるように、その倍率が調整される。

カメラ角度調整部２４０は、制御部２９０からの角度調整信号に応答して角度調整アクチュエータを駆動し、撮影カメラ２３０の角度を調整する。制御部２９０は、自立航法センサ２１０や物体検出部２２０の検出結果に基づき撮影カメラ２３０の撮像方向（撮影カメラのレンズの光軸）が鉛直方向となる角度を算出し、その算出結果に基づき角度調整信号を生成する。カメラ角度調整部２４０は、角度調整信号に基づき角度調整アクチュエータを駆動し、撮像カメラ２３０の撮影方向を調整する。例えば、カメラ角度算出部２４０は、撮像カメラ２３０の撮影方向（光軸）が鉛直方向になるように角度を算出し、高架電線Ｗや検証点を真上から空撮する。

ロータ駆動部２５０は、制御部２９０からの駆動信号に基づきプロペラ等に接続されたロータを回転させる。制御部２９０は、ＧＰＳ受信部２００、自立航法センサ２１０および物体検出部２２０により検出された情報を用い、送信機１２０からの操作信号や飛行情報に基づき無人航空機１１０の飛行を制御するための駆動信号を生成する。対象物を自動追尾する場合には、対象物との距離および相対角度を一定に保つような自動制御が行われる。

記憶部２６０は、無人航空機１１０を動作させるために必要な種々の情報を記憶する。記憶部２６０は、例えば、予め用意された飛行情報を記憶したり、制御部２９０が実行するためのプログラムやソフトウエアを記憶したり、撮影カメラ２３０で撮像された点検対象物や測定対象物の映像データを記憶する。

出力部２７０は、記憶部２６０に記憶された情報を読出し、これを外部に出力する。出力部２７０の構成は特に限定されないが、例えば、出力部２７０は、記憶部２６０の映像データを表示する表示部を備えることができ、あるいは記憶部２６０から読み出した映像データ等を通信部２８０を介して送信機１２０や外部の基地局に有線または無線により出力することができる。

通信部２８０は、無人航空機１１０と送信機１２０との間で無線によるデータ通信を可能にしたり、あるいは有線または無線により外部の基地局との間でデータ通信を可能にする。送信機１２０は、通信部２８０を介して無人航空機１１０を遠隔操作するための操作信号を送信したり、あるいは無人航空機１１０は、撮影カメラ２３０で撮影したリアルタイムの映像データや記憶部２６０から読み出した映像データ等を送信機１２０や基地局に送信することが可能である。

制御部２９０は、無人航空機１１０の各部を制御する。ある実施態様では、制御部２９０は、ＲＯＭ／ＲＡＭを含むマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、画像処理プロセッサ等を含み、記憶部２６０あるいはＲＯＭ／ＲＡＭに格納されたプログラムやソフトウエアを実行することで無人航空機１１０の飛行や点検対象物の撮影を制御する。

本実施例では、無人航空機１１０は、図５に示すように、３つの飛行モードを有する。通常の飛行モード３００は、送信機１２０からの操作信号に基づき無人航空機１１０の飛行を制御する。自動飛行モード３１０は、点検対象物や測定対象物を追尾するように無人航空機１１０の自動飛行を制御する。自動飛行モードでは、ＧＰＳ受信部２００で検出された絶対位置（緯度、経度、高度）や自立航法センサ２１０で検出された方位や高度等に基づき、予め用意された飛行ルートを無人航空機１１０が飛行するように制御する。さらに自動飛行モード３１０では、物体検出部２２０により検出された点検対象物や測定対象物と距離および相対角度を一定に保ちながら対象物を追尾するように無人航空機１１０の自動飛行が制御される。割込み操作モード３２０は、自動飛行モード３１０中に、送信機１２０から遠隔操作のための操作信号を受信した場合、操作信号による飛行制御の割込みを行う。この詳細は後述する。

図６は、本実施例の送信機１２０の電気的な構成を示すブロック図である。送信機１２０は、スティック１２６Ａ、１２６Ｂ（図３を参照）の移動方向に応じた操作入力を受け取る入力部４００、アンテナ１２４を介して無人航空機１１０と無線通信によるデータ通信を可能にしたり他の電子装置と有線または無線によるデータ通信を可能にする通信部４１０、筐体１２２のディスプレイ１２８に種々の情報（例えば、無人航空機１１０から送信される点検対象物等の映像データ、飛行モードの状態など）を表示する表示部４２０、音声出力部４３０、種々のデータやソフトウエア等を記憶する記憶部４４０、送信機１２０の全体を制御する制御部４５０を含む。

ある実施態様では、制御部４５０は、ＲＯＭ／ＲＡＭを含むマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ等を含み、記憶部４４０あるいはＲＯＭ／ＲＡＭに格納されたプログラムやソフトウエアを実行することで無人航空機１１０の遠隔操作等を制御する。

制御部４５０は、通常の飛行モードか自動飛行モードかを選択するモード選択部４５２と、スティックの移動方向に割り当てられた操作信号を生成する操作信号生成部４５４と、操作信号を通信部４１０を介して無人航空機１１０へ送信する操作信号送信部４５６とを含む。モード選択部４５２は、通常の飛行モード３００または自動飛行モード３１０を選択する。例えば、筐体１２２に設けられたスイッチをユーザーが操作することで通常の飛行モード３００または自動飛行モード３１０が選択される。

操作信号生成部４５４は、モード選択部２５２で選択されたモードに応じて、スティック１２６Ａ、１２６Ｂの移動方向に割り当てられた操作信号を生成するが、本実施例では、通常の飛行モード３００のときと割込み操作モード３２０のときとで、スティック１２６Ａ、１２６Ｂに割り当てられる操作信号を変更する。

図７（Ａ）は、通常の飛行モードのときのスティックと操作信号との関係を示す図である。左右のスティック１２６Ａ、１２６Ｂはそれぞれ上下左右に傾斜させることが可能である。右のスティック１２６Ａの上下方向はそれぞれ機体の上昇および下降の操作信号に割り当てられ、左右方向はそれぞれ機体の左移動および右移動の操作信号に割り当てられる。左のスティック１２６Ｂの上下方向はそれぞれ機体の前進および後進の操作信号に割り当てられ、左右方向はそれぞれ機体の左旋回および右旋回の操作信号に割り当てられる。

図７（Ｂ）は、割込み操作モードのときのスティックと操作信号との関係を示す図である。この場合、右スティック１２６Ａの上下方向はそれぞれ機体と対象物との間の距離の離間および接近の操作信号に割り当てられ、左右方向はそれぞれ機体と対象物との間の左右方向の相対角度を変化させる操作信号に割り当てられる。一方、左スティック１２６Ｂの移動方向に対応する操作信号は全て無効にされる。

操作信号送信部４５６は、生成された操作信号を無人航空機１１０へ送信し、無人航空機１１０の制御部２９０は、受信した操作信号に基づきロータ駆動部２５０を介して無人航空機の飛行を制御する。

図８（Ａ）は、通常の飛行モードのときにスティック１２６Ａが上方向に一定角度傾斜倒されたときの無人航空機１１０の飛行制御を示している。この場合、無人航空機１１０は、ＧＰＳ信号等から算出された現在位置をもとに、一定速度（例えば、０．５ｍ／秒）で上昇するように制御される。図８（Ｂ）は、割込み操作モードのときにスティック１２６Ａが上方向に一定角度傾斜倒されたときの無人航空機１１０の飛行制御を示している。この場合、ＬｉＤＡＲ等の物体検出部２２０の検出結果をもとに、無人航空機１１０と点検対象物（高架電線Ｗ）との間の距離Ｌが一定速（例えば、０．５ｍ／秒）で増加するように制御される。スティック１２６Ａの傾斜時間に応じて相対距離Ｌを増加させてもよいし、スティック１２６Ａの傾斜回数に応じて相対距離Ｌを増加させてもよい。例えば、スティック１２６Ａを１回傾斜させれば相対距離Ｌが０．５ｍだけ増加し、２回傾斜させれば相対距離Ｌが１．０ｍだけ増加するようにしてもよい。

また、図示しないが、通常の飛行モードのときにスティック１２６Ａが右方向に一定角度傾斜倒された場合には、無人航空機１１０は、ＧＰＳから算出された現在位置や自立航法センサ２１０の検出結果をもとに、一定速度で右方向に移動するように飛行が制御される。割込み操作モードのときのスティック１２６Ａが右方向に一定角度傾斜された場合には、無人航空機１１０は、物体検出部２２０の検出結果をもとに、無人航空機１１０と点検対象物との相対角度が大きくなるように（本例では、点検対象物の鉛直方向を角度ゼロとし、そこから右側の角度が一定速で大きくなるように）飛行が制御される。

次に、本実施例の無人航空機システムの動作について説明する。先ず、無人航空機の飛行モードが選択される。モード選択部４５２は、例えば、送信機１２０のスイッチのユーザー操作に応じて通常の飛行モード３００または自動飛行モードを選択する。通常の飛行モード３００が選択された場合、ユーザーが送信機１２０の左右のスティック１２６Ａ、１２６Ｂを操作し、スティック１２６Ａ、１２６Ｂの移動方向に対応する操作信号が通信部４１０を介して無人航空機１１０に送信される。無人航空機１１０は、通信部２８０を介して操作信号を受信し、制御部２９０は、受信した操作信号に基づきロータ駆動部２５０を介して無人航空機１１０の飛行を制御する。

次に、自動飛行モードが選択された場合の動作を図９のフローを参照して説明する。先ず、送信機１２０において自動飛行モードが選択されると（Ｓ１００）、送信機１２０は、通信部４１０を介して無人航空機にモードを通知し、両者は、選択されたモードを共有する。

無人航空機１１０において、自動飛行をする前に、記憶部２６０等に飛行ルートや飛行条件を含む飛行情報が設定される（Ｓ１００）。飛行ルートは、例えば、高架電線等の対象部の点検撮影を行う場合、点検を開始するスタート地点と点検を終了する終了地点の座標を含み、飛行条件は、飛行速度、対象物との間の距離や相対角度等を含む。無人航空機１１０は、自動飛行中、飛行情報に従いＧＰＳ受信部２００、自立航法センサ２１０および物体検出部２２０の検出結果を用いて高架電線との距離および相対角度が一定となるように対象物を追尾しつつ撮影カメラ２３０により対象物を撮影する。飛行情報の設定方法は任意であるが、例えば、無人航空機１１０と基地局のコンピュータ装置とを接続し、コンピュータ装置から飛行情報を無人航空機１１０の記憶部２６０に書込んでもよいし、送信機１２０から無人航空機１１０に飛行情報を書込むようにしてもよい。

飛行情報が設定されると、制御部２９０は、飛行情報に従い無人航空機１１０の自動飛行を開始させ（Ｓ１２０）、無人航空機１１０がスタート地点に到達すると、制御部２９０は、対象物との距離および相対角度を一定に保ちながら対象物を追尾させ、同時に対象物の撮影を開始する（Ｓ１３０）。初期設定されたパラメータでは、無人航空機１１０が対象物を追尾する場合、無人航空機１１０が対象物の真上に一定距離で位置し、その鉛直方向から対象物を撮影するものとする。無人航空機１１０で撮像された映像データは、記憶部２６０に格納したり、あるいは通信部２８０を介してリアルタイムで送信機１２０へ送信することができる。送信機１２０は、映像データをリアルタイムで受信した場合、この映像データをディスプレイ１２０に表示させることができる。

無人航空機１１０の自動飛行中に、例えば図２（Ａ）、（Ｂ）に示したように、高架電線Ｗとの距離Ｌや相対角度Ｓの微調整、あるいはダムの壁面との距離Ｌの微調整をしたい場合が生じる。例えば、太陽の位置に応じ、無人航空機の影が映らないように無人航空機と対象物との位置関係を調整したい場合や、対象物の損傷内容に合わせて機体をさらに接近させて細部を撮影したい場合、４本１組の電線を撮影するとき、角度によっては手前の電線で奥の電線が隠れてしまう場合などである。微調整の判断するタイミングは任意であるが、例えば、無人航空機１１０と対象物との位置関係を目視しているとき、あるいは無人航空機１１０から送信機１２０に送信された映像データをディスプレイ１２８で目視しているとき、あるいは無人航空機１１０が過去の飛行で撮像した映像データをディスプレイ１２８で目視しているとき等である。

ユーザーは、微調整が必要であると判断した場合（Ｓ１４０）、送信機１２０のスティックを操作し、無人航空機１１０の対象物との距離または相対角度の微調整を行う（Ｓ１５０）。無人航空機１１０の制御部２９０は、自動飛行モード中に送信機１２０から操作信号を受信すると割込み操作モードに移行し（１６０）、送信機１２０から受信した操作信号に基づき無人航空機と対象物との距離または相対角度の一方を固定し他方を変更するような距離／角度の微調整を可能にする（Ｓ１７０）。

図７に示すように、送信機１２０のスティック１２６Ａ、１２６Ｂに割り当てられた操作信号は、通常モードと割込み操作モードとでは異なる。割込み操作モードでは、左スティック１２６Ｂの操作は無効であり、つまり、左スティック１２６Ｂを操作しても操作信号は無人航空機１１０へ送信されない。右スティック１２６Ａを上下方向が操作した場合、操作信号生成部４５４は、無人航空機１１０と対象物との間の距離を離間または接近させる操作信号を生成し、左右方向に操作した場合、無人航空機１１０と対象物との左相対角度または右相対角度を可変する。

図１０（Ａ）は、無人航空機と対象物との距離を微調整する例を示している。ここでは、対象物として高架電線Ｗを例示する。距離Ｌは、飛行情報により初期設定された値であり、ユーザーは、送信機１２０のスティック１２６Ａを上下方向に操作することで無人航空機１１０と高架電線Ｗとの距離Ｌを距離Ｌａまたは距離Ｌｂに変更することができる。割込み操作モードでは、スティック１２６Ａの上下方向が距離の離間および接近に割り当てられ、これは、通常の飛行モードのときの上昇および下降に対応するため、ユーザーは、混乱を生じることなく直感的に距離Ｌの微調整を行うことができる。

図１０（Ｂ）は、無人航空機と対象物との相対角度を微調整する例を示している。飛行情報の初期設定では、無人航空機１１０の中心軸（例えば、撮影カメラの光軸）が高架電線Ｗの真上となる値であるが（θ＝０度）、ユーザーは、送信機１２０のスティック１２６Ａを左方向に操作することで無人航空機１１０と高架電線Ｗとの相対角度をθａに変更し、スティック１２６Ａを右方向に操作することで相対角度をθｂに変更することができる。割込み操作モードでは、スティック１２６Ａの左右方向が左右の相対角度の変更に割り当てられ、これは、通常の飛行モードのときの左移動および右移動に対応するため、ユーザーは、違和感を生じることなく直感的に相対角度の微調整を行うことができる。
なお、無人航空機１１０の制御部２９０は、無人航空機１１０の相対角度がθａ、θｂのように変更された場合には、カメラ角度調整部２４０により撮影カメラ２３０の光軸が高架電線Ｗに向けられるように、撮影カメラ２３０の姿勢も併せて調整される。

無人航空機１１０の制御部２９０は、割込み操作モード中に送信機１２０から操作信号を一定期間受信しないとき、あるいは送信機１２０から割込み操作モードを終了する信号を受信したとき、割込み操作モードを終了し（Ｓ１８０）、自動飛行モードに移行し（Ｓ１９０）、微調整された距離および／または相対角度で対象物の撮影が行われる。

このように本実施例によれば、自動飛行モード中に割込み操作モードを設けることで、無人航空機の遠隔操作にフレキシビリティを持たせることができる。さらに割込み操作モード時の送信機１２０のスティック操作を通常の飛行モードのときの操作に対応させるようにしたので、ユーザーは、混乱をきたすことなくスティックを操作することで直感的に距離および相対角度の微調整を行うことができる。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。第１の実施例では、割込み操作モード時に送信機１２０の左スティック１２６Ｂの操作を無効にしたが、第２の実施例では、左スティック１２６Ｂの上下方向の前進および後進の操作を有効にする。図１１（Ａ）は、通常の飛行モード時のスティックと操作信号との関係を示し、図１１（Ｂ）は、第２の実施例による割込み操作モード時のスティックと操作信号との関係を示す。第２の実施例では、操作信号生成部４５４は、割込み操作モードのとき、左スティック１２６Ｂが上下方向に操作されたとき、無人航空機１１０を前進または後進させる操作信号を生成し、左右方向に操作された場合には操作信号を生成しない。それ以外は、第１の実施例のときと同様の操作信号が生成される。

割込み操作モード時に、左スティックを使用した調整例を図１２（Ａ）、（Ｂ）に示す。図１２（Ａ）は、対象物として高架電線Ｗを追尾しているとき、送信機１２０に左スティック１２６Ｂを左右方向に操作することで、無人航空機１１０と高架電線Ｗとの距離および相対角度を一定にしながら、無人航空機１１０をＰ方向に前進、またはＱ方向に後進させることができる。図１２（Ｂ）は、ダム等の構造物２０の壁面を追尾しているとき、送信機１２０に左スティック１２６Ｂを左右方向に操作することで、無人航空機１１０と構造物２０との距離および相対角度を一定にしながら、無人航空機１１０をＰ方向に前進、またはＱ方向に後進させることができる。本実施例においても、割込み操作モードでは、左スティック１２６Ｂの上下方向が前進および後進に割り当てられ、これは、通常の飛行モードのときの前進および後進に対応するため、ユーザーは、混乱を生じることなく直感的に無人航空機の位置の微調整を行うことができる。

次に、本発明の変形例について説明する。上記第１および第２の実施例では、送信機１２０が割込み操作モードのときの操作信号を切替える例（図７（Ｂ）、図１１（Ｂ））を示したが、当該変形例では、無人航空機１１０が割込み操作モードのときの操作信号を切替える。

無人航空機１１０の制御部２９０は、自動飛行モード中に、送信機１２０から操作信号（これは、通常の飛行モードのときに割り当てられた操作信号（図７（Ａ）、図１１（Ａ）を参照）を受信すると、これに応答して割込み操作モードに移行し、さらに受信した通常の飛行モードの操作信号を割込み操作モードの操作信号（図７（Ｂ）、図１１（Ｂ）を参照）に切替える。これにより、ユーザーは、通常の飛行モードのときと同様の感覚で無人航空機１１０の微調整を行うことができる。

上記実施例では、高架電線や地形を撮影する例を示したが、これは一例であり、本発明は、他の高層建造物、自然災害地などの撮影にも適用することができる。さらに本実施例は、撮影カメラが角度調整アクチュエータを介して機体本体に取り付けられる例を示したが、撮影カメラそのものが電子的または光学的な撮影方向の角度調整機能を備えている場合には、角度調整アクチュエータは必ずしも必須ではない。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の要旨の範囲において、種々の変形、変更が可能である。

１００：無人航空機システム１１０：無人航空機
１２０：送信機２００：ＧＰＳ受信部
２１０：自立航法センサ２２０：物体検出部
２３０：撮影カメラ２４０：カメラ角度調整部
２５０：ロータ駆動部２６０：記憶部
２７０：出力部２８０：通信部１９０
２９０：制御部

Claims

無人航空機と当該無人航空機を遠隔操作可能な送信機とを含む無人航空機システムであって、
前記無人航空機は、
対象物の位置を検出する検出手段と、
飛行を制御する制御手段と、
前記送信機と通信する通信手段とを含み、
前記送信機は、
前記無人航空機を遠隔操作するための操作部と、
前記操作部の操作に応じた操作信号を生成する生成手段と、
前記操作信号を前記無人航空機に送信する送信手段と、
通常の飛行モードまたは自動飛行モードを選択する選択手段とを含み、
前記生成手段は、前記選択手段で選択されたモードに応じて前記操作部に割り当てられる操作信号を変更し、
前記制御手段は、前記検出手段の検出結果に基づき無人航空機の自動飛行を制御中に、前記通信手段を介して前記送信機から受け取った前記操作信号に基づく割り込み飛行制御を可能にする操作モードを有する、無人航空機システム。
前記操作モードは、前記対象物と前記無人航空機との間の距離または相対角度の一方を固定し、他方を変更可能にする、請求項１に記載の無人航空機システム。
前記自動飛行は、前記無人航空機と対象物との間の距離および相対角度を維持しつつ対象物を追尾する、請求項１に記載の無人航空機システム。
前記生成手段は、前記自動飛行モードが選択されているとき、前記通常の飛行モードのときに割り当てられる操作信号を前記自動飛行モード用に変更する、請求項１に記載の無人航空機システム。
前記操作部は、ユーザーにより操作可能なスティックを含み、
前記生成手段は、前記スティックの操作方向に基づき前記操作信号を生成し、
前記生成手段は、前記自動飛行モードのとき、通常の飛行モードのときにスティックに割り当てられた操作信号と異なる操作信号を生成する、請求項１に記載の無人航空機システム。
前記生成手段は、前記通常の飛行モードのとき、前記スティックの第１および第２の操作方向に基づき前記無人航空機を上昇および下降させる操作信号を生成し、前記自動飛行モードのとき、前記第１および第２の操作方向に基づき前記無人航空機と対象物との間の距離を離間および接近させる操作信号を生成する、請求項５に記載の無人航空機システム。
前記生成手段は、前記通常の飛行モードのとき、前記スティックの第３および第４の操作方向に基づき前記無人航空機を左移動および右移動させる操作信号を生成し、前記自動飛行モードのとき、前記第３および第４の操作方向に基づき前記無人航空機と対象物との間の左側の相対角度および右側の相対角度を変化させる操作信号を生成する、請求項５または６に記載の無人航空機システム。
前記第１および第２の操作方向は、前記スティックの上下方向の移動であり、前記第３および第４の操作方向は、前記スティックの左右方向の移動である、請求項６または７に記載の無人航空機システム。
前記生成手段は、前記スティックを上方向または下方向に一定角度傾斜させたとき、前記無人航空機と対象物との距離を単位時間当たり一定の距離で増加または減少させる操作信号を生成する、請求項８に記載の無人航空機システム。
前記生成手段は、前記スティックを左方向または右方向に一定角度傾斜させたとき、前記無人航空機と対象物との間の相対角度を単位時間当たり一定の角度で増加または減少させる操作信号を生成する、請求項８に記載の無人航空機システム。
前記送信機はさらに、前記通常の飛行モードのとき、無人航空機を前進、後退、左旋回、右旋回させるための別のスティックを含み、
前記生成手段は、前記自動飛行モードのとき、前記別のスティックの第１および第２の操作方向に基づき前記無人航空機を前進および後進させる操作信号を生成し、第３および第４の操作方向に基づく左旋回および右旋回の操作信号を無効にする、請求項５に記載の無人航空機システム。
前記送信機はさらに、前記通常の飛行モードのとき、無人航空機を前進、後退、左旋回、右旋回させるための別のスティックを含み、
前記生成手段は、前記自動飛行モードのとき、前記別のスティックの全ての操作方向に基づく操作信号を無効にする、請求項５に記載の無人航空機システム。
前記検出手段は、ＬｉＤＡＲを含み、対象物までの距離および相対角度を検出する、請求項１に記載の無人航空機システム。
無人航空機と、当該無人航空機を遠隔操作可能な送信機とを含む無人航空機システムにおける飛行制御方法であって、
前記送信機は、前記無人航空機を遠隔操作するための操作部と、前記操作部の操作に応じた操作信号を生成する生成手段と、前記操作信号を前記無人航空機に送信する送信手段と、通常の飛行モードまたは自動飛行モードを選択する選択手段とを含み、前記生成手段は、前記選択手段で選択されたモードに応じて前記操作部に割り当てられる操作信号を変更し、
前記無人航空機は、対象物との距離および相対角度の検出結果に基づく自動飛行の制御中に、前記送信機から受け取った前記操作信号に基づく割り込み飛行制御を可能にする操作モードに移行し、
前記操作モードにおいて、前記操作信号に基づき前記無人航空機と対象物との距離および相対角度の一方を固定し他方を変更可能にする、飛行制御方法。
前記自動飛行は、前記無人航空機と対象物との間の距離および相対角度を維持しつつ対象物を追尾する、請求項１４に記載の飛行制御方法。
前記生成手段は、前記自動飛行モードが選択されているとき、前記通常の飛行モードのときに割り当てられる操作信号を前記自動飛行モード用に変更する、請求項１４に記載の飛行制御方法。
前記操作部は、ユーザーにより操作可能なスティックを含み、前記生成手段は、前記スティックの操作方向に基づき前記操作信号を生成し、
前記生成手段は、前記自動飛行モードのとき、通常の飛行モードのときに前記スティックに割り当てられた操作信号と異なる操作信号を生成する、請求項１４に記載の飛行制御方法。
前記送信機は、前記通常の飛行モードのとき、前記スティックの第１および第２の操作方向に基づき前記無人航空機を上昇および下降させる操作信号を生成し、前記自動飛行モードのとき、前記第１および第２の操作方向に基づき前記無人航空機と対象物との間の距離を離間および接近させる操作信号を生成する、請求項１４に記載の飛行制御方法。
前記送信機は、前記通常の飛行モードのとき、前記スティックの第３および第４の操作方向に基づき前記無人航空機を左移動および右移動させる操作信号を生成し、前記自動飛行モードのとき、前記第３および第４の操作方向に基づき前記無人航空機と対象物との間の左側の相対角度および右側の相対角度を変化させる操作信号を生成する、請求項１４または１８に記載の飛行制御方法。