WO2018021300A1 - 探索システムおよび当該探索システムに用いられる発信器 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a search system and a transmitter used in the search system.
- Patent Document 1 discloses a search target discovery unit that receives an electrical signal transmitted from a signal generator included in a search target and estimates the position of the search target.
- the search target discovery unit is equipped with a GPS device.
- the search target discovery unit that has received the electrical signal transmitted from the signal generator transmits its own position information acquired using the GPS device to another search target discovery unit or position measurement device.
- the position measurement device receives a plurality of pieces of position information transmitted from the search target discovery unit and analyzes the presence position of the search target by performing three-point measurement.
- the search target discovery unit When the search target discovery unit is installed in a moving body such as an automobile or a flying body and the climber is carried by carrying the signal generator to a climber, the search target discovery unit is used to The existence of a person.
- Patent Document 1 in order to perform three-point measurement, it is necessary to place at least three search target discovery units on three mobile bodies.
- a non-limiting exemplary embodiment of the present application is directed to a search system for searching for a transmitter by detecting a radio signal output from the transmitter with at least one moving body, and a transmitter used in the search system I will provide a.
- the search system is a search system that searches for the transmitter by detecting a radio signal output from the transmitter with at least one mobile body, and the mobile body includes: An antenna device that receives the radio signal, a measurement device that measures an arrival direction of the radio signal received by the antenna device, and a position of the transmitter is estimated from the arrival direction of the radio signal measured by the measurement device And a self-position estimating device that estimates the position of itself and outputs position information, the self-position estimating device at least when the computing circuit estimates the position of the transmitter The position information of is output.
- the search system is a search system that searches for a transmitter by detecting a radio signal output from the transmitter with at least one mobile unit, and the mobile unit The mobile unit is received by the antenna device, the antenna device that receives the radio signal, the self-position estimation device that estimates the position of the mobile device and outputs the position information.
- a communication circuit that transmits the processing signal obtained from the radio signal and the position information, and the processing device receives the processing signal and the position information, and a communication circuit that receives the processing signal and the radio signal based on the processing signal.
- an arithmetic circuit for measuring the direction of arrival and further estimating the position of the transmitter from the direction of arrival of the radio signal and the position information.
- the transmitter according to the present disclosure is a transmitter used in any of the search systems described above, and includes a primary battery and an IC circuit that operates on the primary battery to generate the wireless signal. And an antenna element for outputting the radio signal.
- At least one mobile unit that has received a radio signal transmitted from a transmitter can measure the arrival direction of the radio signal.
- the mobile body estimates its own position and outputs position information. Thereby, the position of the transmitter can be estimated.
- At least one mobile unit receives a radio signal transmitted from a transmitter and transmits a processing signal obtained from the radio signal to a processing device.
- the processing device can measure the direction of arrival of the radio signal and estimate the position of the transmitter.
- the position of the transmitter can be estimated if there is at least one moving body, the cost of introducing a search system is reduced compared to the case where three or more moving bodies are always required.
- FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of the search system 100.
- FIG. 2 is an external perspective view of an exemplary multicopter 1 according to the present disclosure.
- FIG. 3 is a side view of the multicopter 1.
- FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a hardware configuration of the multicopter 1.
- FIG. 5 is a diagram mainly showing a configuration of internal hardware of the flight controller 11.
- FIG. 6A shows the relationship between an antenna device 15 having M antenna elements arranged in a straight line and a plurality of incoming waves k (k: an integer from 1 to K; the same applies hereinafter; the meaning of K will be described later).
- FIG. FIG. 6B is a diagram illustrating the antenna device 15 that receives the k-th incoming wave.
- FIG. 7 is a diagram showing a geometric relationship for measuring the arrival direction of a radio signal performed by the arithmetic circuit 10.
- FIG. 8 is a diagram illustrating a hardware configuration of the processing device 40.
- FIG. 9 is a diagram illustrating an internal configuration of the transmitter 50.
- FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of the air magnesium battery 56 during non-power generation.
- FIG. 11 is a view showing the sliding sealing lid 59.
- FIG. 12 is an external view of a life jacket 70 worn during activities in the sea or river.
- FIG. 13 is a diagram illustrating a procedure of position estimation processing of the transmitter 50 by the multicopter 1.
- FIG. 14 is a diagram illustrating a processing procedure of the multicopter 1 and the processing device 40 according to the second aspect.
- FIG. 15 is a diagram illustrating a method of detecting a radio signal transmitted from the transmitter 50 using the three multicopters 1a, 1b, and 1c.
- FIG. 16 is a diagram illustrating an operation example when the multicopter 1 a detects a radio signal from the transmitter 50.
- FIG. 17 is a diagram showing the multicopters 1b and 1c flying in the vicinity of the multicopter 1a.
- FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a flight method that estimates the position of the transmitter 50 with higher accuracy using one multicopter 1.
- the moving body is typically a flying body such as a multicopter, and it does not matter whether it is unmanned or manned. Below, a multicopter is illustrated and demonstrated.
- FIG. 1 shows the configuration of the search system 100.
- the search system 100 includes a multicopter 1, a position estimation processing device 40 in the search and rescue center facility 30, and a transmitter 50.
- the position estimation processing device 40 is abbreviated as “processing device 40”.
- the search system 100 can be broadly divided into two usage modes. It is the 1st aspect which the multicopter 1 performs the process which estimates the position of the transmitter 50, and the 2nd aspect which the processing apparatus 40 provided in the exterior performs.
- the specific contents of the two aspects are as follows.
- the multicopter 1 detects the radio signal output from the transmitter 50 using the antenna device, and measures the arrival direction of the radio signal using the measurement device mounted on the multicopter 1. Further, the arithmetic circuit of the multicopter 1 performs a process of searching for the transmitter 50 from the arrival direction of the radio signal.
- the multicopter 1 uses a global positioning system (hereinafter referred to as “GPS” (Global Positioning System)) together with information on the position of the transmitter 50.
- GPS Global Positioning System
- Two or more multicopters 1 may be used.
- the multicopter 1 detects the radio signal output from the transmitter 50 and transmits it to the processing device 40 provided outside as a processing signal to which a predetermined process has been added. At this time, the multicopter 1 also transmits position information obtained by estimating its own position using a GPS unit or the like to the processing device 40. The processing device 40 performs the process of measuring the arrival direction of the radio signal using the processing signal obtained from the multicopter 1 and searching for the transmitter 50 from the measured arrival direction and the position information of the multicopter 1.
- an antenna device having a plurality of antenna elements arranged in an array is mounted on at least one multicopter 1, and the antenna device receives a radio signal transmitted from a transmitter. Then, the arrival direction of the radio signal is measured in the multicopter 1 or in the processing device 40. Since a plurality of multicopters 1 are not essential, the cost of introducing the search system 100 is reduced as compared to the case where three or more multicopters 1 are always required as in Patent Document 1.
- the transmitter 50 that is preferably used in the search system 100 of any aspect will be described.
- a transmitter 50 that starts transmission of a radio signal for the first time in a distress will be described.
- the transmitter 50 is equipped with an air magnesium battery that starts power generation when a liquid containing an electrolytic solution is injected.
- the owner of the transmitter 50 injects water, water, or water obtained from snow that is carried into the battery.
- the owner of the transmitter 50 can automatically inject water from the sea or river into the battery by attaching the transmitter 50 to the life vest.
- a search-necessary situation for example, disaster or distress
- the system 100 operator is notified by turning on the sound, the screen display, or the lamp.
- the position of the transmitter 50 is estimated by the search system 100 in either the first aspect or the second aspect.
- the system operator can quickly start rescue activities such as organizing and dispatching search teams. Since the battery of the transmitter 50 is not used before occurrence of a search-needed situation, it has sufficient power and can continue to operate stably even during a rescue operation.
- the multicopter 1, the processing device 40, and the transmitter 50 will be described in detail.
- a configuration according to the first aspect described above will be described.
- FIG. 2 is an external perspective view of an exemplary multicopter 1 according to the present disclosure.
- FIG. 3 is a side view of the multicopter 1.
- the multicopter 1 flies over a mountainous area, the sea, or a river, for example, and detects a radio signal output from the transmitter 50.
- the multicopter 1 autonomously flies in a predetermined airspace using GPS. As will be described later, when the multicopter 1 detects a radio signal transmitted from the transmitter 50, the multicopter 1 operates in a search mode in which the position of the transmitter 50 is searched.
- the multicopter 1 includes a central housing 2, a plurality of arms (for example, arms 3) extending around the central housing 2, and a plurality of legs 6 extending below the central housing 2.
- a configuration related to the arm 3 will be described as an example.
- the configuration of the other arms is the same as that of the arm 3.
- a motor 4 is provided on the tip side of the arm 3 (the side opposite to the central housing 2).
- a rotating blade 5 is provided on the rotating shaft of the motor 4. As the motor 4 rotates, the rotor blades 5 also rotate and give lift to the multicopter 1. In this specification, as long as the flight mentioned later can be performed, the number of the rotor blades 5 provided in one multicopter 1 is arbitrary.
- the rotary blade 5 attached to one motor 4 has a plurality of blades 5a and 5b extending from the rotary shaft. However, three or more blades may be used.
- the rotor blade 5 is preferably made of carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP) from the viewpoint of strength, weight, and the like.
- the multicopter 1 includes an antenna device 15 that receives a radio signal from the transmitter 50, a measurement device 9 that measures the arrival direction of the radio signal received by the antenna device 15, and the arrival of the radio signal measured by the measurement device 9. And an arithmetic circuit 10 for estimating the position of the transmitter 50 from the direction. Details of the processing of the measuring device 9 and the arithmetic circuit 10 will be described later.
- FIG. 4 schematically shows the hardware configuration of the multicopter 1.
- the multicopter 1 includes a measuring device 9, an arithmetic circuit 10, a flight controller 11, a GPS module 12, a communication circuit 13, an electronic control unit 14 (ECU 14), and an antenna device 15. Among these, the flight controller 11 controls the operation of the multicopter 1.
- the flight controller 11 receives information and / or operation signals from the GPS module 12 and the communication circuit 13, performs predetermined processing for flight, and outputs a control signal to each ECU 14. Further, when the flight controller 11 receives the radio signal transmitted from the transmitter 50 via the antenna device 15, the flight controller 11 causes the measuring device 9 to measure the arrival direction of the radio signal. Further, the flight controller 11 causes the arithmetic circuit 10 to estimate the position of the transmitter 50 from the arrival direction of the radio signal measured by the measuring device 9. However, the measuring device 9 and the arithmetic circuit 10 may not be controlled by the flight controller 11. For example, when there is a predetermined input from the antenna device 15, the measuring device 9 may perform a process of measuring a predetermined arrival direction of a radio signal. Moreover, the arithmetic circuit 10 may perform the operation
- Each ECU 14 controls the rotation of the motor 4 based on the control signal.
- the flight controller 11 can move the multicopter 1 forward, retreat, turn, make it stationary in the air, and further move it up and down.
- the posture of the multicopter 1 can be tilted forward or backward.
- PWM Pulse ⁇ ⁇ Width Modulation
- each ECU 14 controls the electric power supplied to the motor 4 by changing the PWM duty ratio.
- FIG. 5 mainly shows the internal hardware configuration of the flight controller 11.
- the flight controller 11 includes a microcontroller 20, a ROM 21, a RAM 22, and a sensor group, which are connected to each other via an internal bus 24.
- the flight controller 11 is connected to the GPS module 12, the communication circuit 13, and the plurality of ECUs 14 via a communication interface (not shown).
- the data signal input via the communication interface is transmitted through the flight controller 11 via the internal bus 24 and acquired by the microcontroller 20. More specific description will be given below.
- the processing of the microcontroller 20 is realized by the computer 20 executing a computer program stored in the ROM 21 and expanded in the RAM 22.
- the microcontroller 20 acquires a signal detected by the sensor group.
- the sensor group is, for example, a triaxial gyro sensor 23a, a triaxial acceleration sensor 23b, an atmospheric pressure sensor 23c, a magnetic sensor 23d, and an ultrasonic sensor 23e.
- the 3-axis gyro sensor 23a detects forward / backward tilt, left / right tilt, and rotational angular velocity, and grasps the attitude and movement of the aircraft.
- the triaxial acceleration sensor 23b detects accelerations in the front-rear direction, the left-right direction, and the up-down direction.
- the three-axis gyro sensor and the three-axis acceleration sensor can be realized by one module. Such a module is sometimes referred to as a “6-axis gyro sensor”.
- the atmospheric pressure sensor 23c grasps the altitude of the aircraft from the difference in atmospheric pressure.
- the magnetic sensor 23d detects the direction.
- the ultrasonic sensor 23e grasps the ground distance by transmitting an ultrasonic wave directly below and detecting a reflected signal. The ultrasonic sensor 23e is used at a predetermined altitude close to the ground.
- the microcontroller 20 acquires information indicating the current position of the multicopter 1 from the GPS module 12.
- the “current position” includes information on latitude, longitude, and altitude on the earth.
- the GPS module 12 outputs information indicating the current position by receiving radio waves from a plurality of artificial satellites (GPS satellites) and calculating the distance between the own device and each GPS satellite.
- the GPS module 12 can output information indicating the latitude, longitude, and altitude of the multicopter 1 on the earth by using at least four artificial satellites.
- the microcontroller 20 acquires an operation signal from the communication circuit 13.
- the operation signal is transmitted from the search and rescue center facility 30 via the antenna device 32, for example.
- the operation signal is, for example, a signal that instructs the multicopter 1 to start flying or return.
- the airspace in which the multicopter 1 flies is determined in advance, and the multicopter 1 autonomously flies in the airspace upon receiving a flight start instruction.
- the multicopter 1 returns to the search and rescue center facility 30 when an operation signal instructing return is received or when the remaining amount of a battery (not shown) becomes equal to or less than a predetermined level.
- the microcontroller 20 outputs an appropriate control signal to the ECU 14 based on the signal acquired from the sensor group and the signal acquired from the outside.
- the ECU 14 receives the control signal and drives the motor 4. Specifically, the ECU 14 changes the rotation speed of the motor 4 or a control signal output for rotating the motor 4.
- the GPS module 12 is an example for acquiring information on the current position of the multicopter 1.
- the current position information of the multicopter for example, when the communication circuit 13 is compatible with radio waves of a mobile phone frequency, the radio wave intensity from a plurality of base stations of the mobile phone is used. Information on the current position can be acquired. Further, the position information at the start of the flight is accurately acquired, and further, during the flight, the above-described gyro sensor 23a, triaxial acceleration sensor 23b, atmospheric pressure sensor 23c, magnetic sensor 23d, and ultrasonic sensor 23e are used during the flight. It is also possible to acquire information on the current position of In the present specification, devices that can acquire position information, including the GPS module 12 and the various sensors described above, are collectively referred to as “self-position estimation devices”.
- the flight controller 11 controls the rotation of each of the plurality of motors 4 or each of the engines based on the position information acquired using the “self-position estimation device”. Thereby, the flight controller 11 can control autonomous flight in a predetermined airspace or an airspace instructed from the processing device 40 or the like. Such a flight controller 11 may be referred to as an “autonomous flight unit”.
- the antenna device 15 is an array antenna arranged in a two-dimensional (planar) shape
- the measuring device 9 is a microcomputer that performs the following processing. Note that the process performed by the measurement device 9 is a process of “estimating” the arrival direction of the radio signal, but this process is described as “measuring” in this specification.
- FIG. 6A shows the relationship between an antenna device 15 having M antenna elements arranged in a straight line and a plurality of incoming waves k (k: an integer from 1 to K; the same applies hereinafter; the meaning of K will be described later). Is shown.
- Each incoming wave is a radio signal.
- the radio signal is described as coming from the upper part of the drawing, but in the example of the present embodiment, the radio signal is transmitted from the transmitter 50 on the ground surface or water.
- the antenna device 15 receives a plurality of incoming waves incident simultaneously from various angles.
- the incident angle of the incoming wave represents an angle based on the broad side B of the antenna device 15 (a direction perpendicular to the linear direction in which the antenna element groups are arranged).
- the “kth arrival wave” means an arrival wave identified by an incident angle ⁇ k when K arrival waves are incident on the array antenna from K targets existing in different directions. .
- FIG. 6B shows the antenna device 15 that receives the k-th incoming wave.
- the signal received by the antenna device 15 can be expressed as Equation 1 as a “vector” having M elements.
- Equation 1 [s 1 , s 2 ,..., S M ] T
- s m (m: integer of 1 to M; the same applies hereinafter) is a value of a signal received by the m-th antenna element.
- the superscript T means transposition.
- S is a column vector.
- the column vector S is given by the product of a direction vector (steering vector or mode vector) determined by the configuration of the array antenna and a complex vector indicating a signal at the wave source (signal source).
- the number of wave sources is K
- the wave of the signal arriving at each antenna element from each wave source is linearly superimposed.
- s m can be expressed as in Expression 2.
- Equation 2 a k , ⁇ k, and ⁇ k are the amplitude of the k-th incoming wave, the incident angle of the incoming wave (an angle indicating the direction of arrival), and the initial phase, respectively.
- ⁇ is the wavelength of the incoming wave
- j is an imaginary unit.
- Equation 2 s m is expressed as a complex number composed of a real part (Re) and an imaginary part (Im).
- the measuring device 9 obtains the autocorrelation matrix Rxx (Equation 4) of the incoming wave using the array received signal X shown in Equation 3, and further obtains each eigenvalue of the autocorrelation matrix Rxx.
- the superscript H represents complex conjugate transposition (Hermitian conjugate).
- the number of eigenvalues (signal space eigenvalues) having a value equal to or greater than a predetermined value determined by thermal noise corresponds to the number of incoming waves. Then, by calculating the angle at which the likelihood of the arrival direction of the reflected wave is maximized (becomes the maximum likelihood), the number of targets and the angle at which each target exists can be specified. This process is known as a maximum likelihood estimation method.
- the measuring device 9 outputs the angle ⁇ that takes the largest value as the direction in which the transmitter 50 exists.
- the method for estimating the angle ⁇ indicating the arrival direction of the incoming wave is not limited to this example.
- Various arrival direction estimation algorithms can be used.
- the maximum likelihood estimation method such as the SAGE (Space-Alternating Generalized Expectation-maximization) method
- SAGE Space-Alternating Generalized Expectation-maximization
- SAGE Space-Alternating Generalized Expectation-maximization
- the arrival direction of radio waves may be estimated using the amplitude monopulse method.
- the direction of arrival of the radio signal can be estimated for the direction in which the phase difference occurs in the radio signal incident on the row of antenna elements (first direction).
- the arrival direction of the radio signal cannot be estimated for the second direction perpendicular to the first direction.
- FIG. 7 shows a geometric relationship for measuring the arrival direction of the radio signal performed by the arithmetic circuit 10.
- the X axis, the Y axis, and the Z axis are taken.
- the XY plane is the ground or water surface.
- the Z axis represents the height direction.
- FIG. 7 shows that the transmitter 50 is present at a position higher than the ground (for example, on the middle of a cliff). In addition, when the transmitter 50 exists on the water surface, the transmitter 50 is located on the XY plane.
- the measuring device 9 measures the arrival direction of the radio signal transmitted from the transmitter 50.
- the arrival directions are an angle ⁇ in the azimuth direction and an angle ⁇ in the elevation direction.
- An angle ⁇ in the azimuth direction is an angle formed by a straight line A ′ obtained by projecting the straight line A connecting the antenna device 15 and the transmitter 50 onto the XY plane and the Y axis.
- the angle ⁇ in the elevation direction is an angle formed by the straight line A and the Z axis.
- the arithmetic circuit 10 can estimate the position of the transmitter 50 using the angles ⁇ and ⁇ and the current altitude information of the multicopter 1.
- the arithmetic circuit 10 estimates that the transmitter 50 is present at the intersection of the straight line A and the water surface.
- the arithmetic circuit 10 can recognize whether the transmitter 50 exists on the water surface with reference to the information on the topographic map.
- the arithmetic circuit 10 may recognize whether or not the transmitter 50 exists on the water surface based on the notification from the processing device 40.
- the arithmetic circuit 10 In the case where the transmitter 50 exists on land, for example, when the multicopter 1 holds information on the topographic map, the arithmetic circuit 10 refers to the information on the topographic map, and calculates the straight line A and the ground. It can be determined that there is a terrain such as a cliff at the intersection. In that case, the arithmetic circuit 10 estimates that the transmitter 50 exists at the position (X 0 , Y 0 , Z 0 ) of the intersection of the straight line A and the cliff.
- the multicopter 1 can estimate the position of the transmitter 50.
- QUIUPPA Finland
- the locating system can be used.
- FIG. 8 shows a hardware configuration of the processing device 40.
- the processing device 40 includes a central processing circuit (CPU) 41, a memory 42, map information 43, an image processing circuit 44, a speaker 45, a warning lamp 46, and a communication circuit 47, which are internal buses. 48 is connected.
- a monitor 49 is connected to the processing device 40.
- the processing device 40 is typically a computer system such as a PC.
- the processing device 40 may be a portable terminal such as a smartphone, a tablet computer, or a laptop computer.
- the communication circuit 47 receives a radio signal indicating the estimated transmitter position and position information from the multicopter 1 via the antenna device 32 of the search and rescue center facility 30, and transmits it to the CPU 41. In response to receiving the information, the CPU 41 notifies the operator of the search system 100 of the occurrence of a search-necessary situation (for example, disaster or distress).
- a search-necessary situation for example, disaster or distress
- the CPU 41 refers to the map information 43 by using the estimated transmitter position and the position information of the multicopter 1.
- the map information 43 stores a map of a search planned area and topographic map data.
- the CPU 41 generates a message prepared in advance and a map image displaying the estimated position of the transmitter 50 in an identifiable manner, causes the image processing circuit 44 to process the map image, and causes the monitor 49 to display the map image.
- the CPU 41 outputs audio data previously stored in the memory 42 from the speaker 45.
- the CPU 41 causes the warning lamp 46 to blink with a blinking pattern previously stored in the memory 42.
- the operator can quickly start rescue activities such as organizing and dispatching search teams.
- the provision of the image processing circuit 44 is not essential. Instead of the image processing circuit 44, the CPU 41 may perform the same processing.
- a device that outputs a visual, auditory, or tactile stimulus that calls attention to a person may be referred to as an “output device”.
- the monitor 49, the speaker 45, and the warning lamp 46 described above are in the category of output devices.
- a motor that outputs a tactile stimulus by vibration is also in the category of an output device.
- FIG. 9 shows the internal configuration of the transmitter 50.
- the transmitter 50 includes a wireless circuit 51 and an air magnesium battery 56.
- the wireless circuit 51 includes a storage device 52, an antenna element 54, and an IC circuit 55.
- the storage device 52 is, for example, a flash ROM, and stores unique identification information 53 for each transmitter 50.
- the IC circuit 55 When power is supplied from the air magnesium battery 56, the IC circuit 55 generates a high-frequency signal having a predetermined frequency and periodically transmits the high-frequency signal via the antenna element 54.
- the air magnesium battery 56 is a primary battery, and starts power generation when a liquid containing an electrolyte such as water is injected.
- the air-magnesium battery 56 can be stored for a long period of time, for example, for 10 years or more, until the liquid is injected.
- the owner may artificially inject the liquid when seeking the search.
- FIG. 10 shows the configuration of the air magnesium battery 56 during non-power generation.
- the air magnesium battery 56 has a positive electrode 56a made of carbon and a negative electrode 56b made of magnesium.
- the air magnesium battery 56 includes a ring 57, a sealing lid 59, and a string 58 that connects the ring 57 and the sealing lid 59.
- the sealing lid 59 closes the liquid inlet 60.
- the sealing lid 59 slides.
- FIG. 11 shows the sealing lid 59 slid. Thereby, the owner can inject the liquid from the liquid inlet 60.
- FIG. 11 shows the injected liquid 61.
- the air magnesium battery 56 can generate power for transmitting the radio signal for about one week even if the transmitter 50 is about the size of a business card.
- the transmitter 50 transmits a radio signal using a frequency of 2.4 GHz along Bluetooth (registered trademark) 4.0 (also referred to as “BLE”), which is a short-range wireless communication standard with low power consumption. Send. When there is no other wireless device in the outdoors with good visibility, the wireless signal can reach about 300 m to 1 km.
- the antenna device 15 of the multicopter 1 also receives a radio signal with a specification based on the same standard as the communication standard of the transmitter 50.
- FIG. 12 is an external view of the life jacket 70 worn during activities in the sea or river.
- the life jacket 70 is provided with a pocket 71 to which the transmitter 50 can be attached.
- the faller pulls the ring 57, so that the surrounding water is injected into the air magnesium battery 56 and power generation is started. Thereafter, transmission of radio signals is continuously performed.
- the air magnesium battery 56 of the transmitter 50 has sufficient power because it is not used before occurrence of a search-needed situation. Therefore, it is possible to continue the transmission of the radio signal stably until the position estimation by the multicopter 1 and the arrival of the rescue team.
- the position of the pocket 71 is preferably a position where water is injected into the air magnesium battery 56 while a person is wearing and drifting, and is capable of transmitting a radio signal and is not submerged. .
- the sealing lid 59 may not be provided, and the liquid may automatically enter the air magnesium battery 56 at the time of water immersion.
- FIG. 13 shows a procedure of position estimation processing of the transmitter 50 by the multicopter 1.
- step S1 the flight controller 11 of the multicopter 1 flies according to a flight command from the processing device 40 of the search and rescue center facility 30. During flight, power is continuously supplied to the antenna device 15 so that a radio signal can be received.
- step S2 the measuring device 9 determines whether or not the radio signal output from the transmitter 50 has been detected.
- the measuring device 9 repeats the determination in step S2 until the wireless signal output from the transmitter 50 is detected.
- the measuring device 9 executes the process of step S3.
- Steps S1 and S2 are normal flight modes until a radio signal is detected, and steps S3 to S5 are search modes for searching for the transmitter 50 when a radio signal is detected.
- step S3 the measuring device 9 measures the arrival direction of the radio signal.
- step S4 the arithmetic circuit 10 estimates the position of the transmitter 50 using information indicating the arrival direction of the radio signal. The process of measuring the arrival direction of the radio signal and estimating the position of the transmitter 50 is as described above.
- step S5 the flight controller 11 estimates the current position using, for example, the GPS module 12, and outputs the position information to the processing device 40 of the search and rescue center facility 30 via the communication circuit 13. At this time, the estimated position information of the transmitter 50 may also be transmitted.
- the multicopter 1 can be used to realize discovery and rescue of a rescuer who owns the transmitter 50.
- FIG. 14 shows a processing procedure of the multicopter 1 and the processing device 40 according to the second aspect.
- step S ⁇ b> 20 a flight command is transmitted from the processing device 40 to the multicopter 1 via the antenna 32.
- the multicopter 1 Thereafter, in the multicopter 1, the above-described processes of steps S1 and S2 are performed. Thereafter, the multicopter 1 and the processing device 40 operate in the search mode.
- step S10 the flight controller 11 of the multicopter 1 generates a processing signal by performing predetermined processing on the radio signal.
- the “predetermined process” is, for example, a radio signal filtering process and a digitizing process.
- step S11 the flight controller 11 estimates the current position using, for example, the GPS module 12, and generates position information.
- step S12 the generated processing signal and position information are transmitted to the processing device 40 via the communication circuit 13.
- Steps S21 to S24 are processes performed by the CPU 41 of the processing device 40.
- step S ⁇ b> 21 the CPU 41 receives the processing signal and the position information via the communication circuit 47.
- step S22 the CPU 41 measures the arrival direction of the radio signal based on the processed signal.
- step S23 the CPU 41 estimates the position of the transmitter 50 based on the measured arrival direction of the radio signal and the position information of the multicopter 1.
- step S24 the CPU 41 notifies the operator of the search system 100 of the occurrence of a search-necessary situation (for example, disaster or distress). Specifically, the CPU 41 causes the speaker 45 to output a warning sound, display a warning message on the monitor 49, and / or blink the warning lamp 46.
- a search-necessary situation for example, disaster or distress.
- the cost of the multicopter 1 can be reduced. Further, power consumption can be suppressed by omitting the measuring device 9 and the arithmetic circuit 10.
- FIG. 15 shows a method of detecting a radio signal transmitted from the transmitter 50 using three multicopters 1a, 1b, and 1c. If each multicopter 1a, 1b, 1c has a radius in which a radio signal can be detected is about 100 m, the multicopters 1a, 1b, 1c fly in parallel with an interval L of less than about 200 m. That is, the interval L can be determined based on the detectable range of the multicopter. The parallel flight may be performed using two multicopters 1 or may be performed using four or more multicopters 1.
- FIG. 16 shows an operation example when the multicopter 1a detects a radio signal from the transmitter 50.
- the multicopter 1a that has detected the radio signal transmits the position information estimated using the GPS module 12 to the other multicopters 1b and 1c together with a notification indicating that the radio signal has been detected.
- the purpose is to estimate the position of the transmitter 50 quickly and with higher accuracy.
- FIG. 17 shows the multicopters 1b and 1c flying in the vicinity of the multicopter 1a.
- the multicopters 1b and 1c By flying in the vicinity of the multicopter 1a, the multicopters 1b and 1c also receive the radio signal of the transmitter 50.
- the multicopters 1a to 1c can also estimate the position of the transmitter 50 by so-called three-point measurement. That is, it can be said that the transmitter 50 exists in a range where all the detectable ranges of the multicopters 1a to 1c overlap.
- the multicopters 1a to 1c may estimate the position of the transmitter 50. As a result, when two or all of the estimated positions of the multicopters 1a to 1c are the same position, the possibility that the transmitter 50 exists at the position is considered to be very high. As a result, it is possible to quickly find the transmitter 50 even in places with particularly high undulations such as mountains.
- FIG. 18 shows an example of a flight method in which the position of the transmitter 50 is estimated with higher accuracy by using one multicopter 1.
- the flight controller 11 stops the multicopter 1 in the space where the radio signal is received. Since the antenna device 15 continuously receives radio signals, the arithmetic circuit 10 continuously estimates the position of the transmitter 50. Since the process of estimating the position of the transmitter 50 is performed multiple times at the same position, the position estimation accuracy can be further increased.
- the flight controller 11 turns the multicopter 1 in the space where the radio signal is received. Even during turning, the antenna device 15 continuously receives radio signals. For example, it is assumed that the arithmetic circuit 10 estimates that the position of the transmitter 50 exists in the direction P at a certain flight position, and estimates that the position of the transmitter 50 is in the Q direction at other flight positions. Then, the flight controller 11 estimates the intersection of the estimated directions P and Q as the position of the transmitter 50. Thereby, the multicopter 1 can estimate the position of the transmitter 50 with higher accuracy.
- the search system of the present disclosure can be widely used for searching for a person, an animal, or the like carrying the transmitter 50, or searching for an object provided with the transmitter 50.
- Multicopter 9 Measuring device 10 Arithmetic circuit 11 Flight controller (autonomous flight unit) 12 GPS module 13 Communication circuit 14 Electronic control unit (ECU) DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Antenna apparatus 32 Antenna apparatus 30 Search and rescue center facility 40 Position estimation processing apparatus 41 CPU 42 Memory 43 Map Information 44 Image Processing Circuit 45 Speaker 46 Warning Lamp 47 Communication Circuit 48 Internal Bus 49 Monitor 50 Transmitter 51 Radio Circuit 52 Storage Device 53 Identification Information 54 Antenna Element 55 IC Circuit 56 Air Magnesium Battery 100 Search System
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Abstract
本開示の移動体は、無線信号を受信するアンテナ装置と、アンテナ装置で受信した無線信号の到来方向を測定する測定装置と、測定装置によって測定された無線信号の到来方向から発信器の位置を推定する演算回路と、自身の位置を推定して位置情報を出力する自己位置推定装置とを有する。自己位置推定装置は、少なくとも演算回路が発信器の位置を推定したときに移動体の位置情報を出力する。
Description
本開示は、探索システム、および、当該探索システムに用いられる発信器に関する。
特許文献1は、探索対象が備える信号発生装置から発信される電気信号を受信して探索対象の位置を推定する探索対象発見ユニットを開示する。探索対象発見ユニットはGPS装置を搭載する。信号発生装置から発信される電気信号を受信した探索対象発見ユニットは、GPS装置を利用して取得した自らの位置情報を他の探索対象発見ユニットまたは位置計測装置に送信する。位置計測装置は、探索対象発見ユニットから送信される複数の位置情報を受信して探索対象の存在位置を、三点計測を行って分析する。
探索対象発見ユニットを自動車、飛行体等の移動体に設置し、かつ、信号発生装置を登山者等に携行させることにより、当該登山者が遭難した場合には、探索対象発見ユニットを用いて遭難者の存在を把握することができる。
特許文献1によれば、三点計測を行うため、少なくとも3台の探索対象発見ユニットを3台の移動体に載置する必要がある。
本願の、限定的ではない例示的なある実施形態は、発信器から出力される無線信号を少なくとも1台の移動体で検出して発信器を探索する探索システムおよび当該探索システムに用いられる発信器を提供する。
本開示の探索システムは、例示的な実施形態において、発信器から出力される無線信号を少なくとも1台の移動体で検出して前記発信器を探索する探索システムであって、前記移動体は、前記無線信号を受信するアンテナ装置と、前記アンテナ装置で受信した前記無線信号の到来方向を測定する測定装置と、前記測定装置によって測定された前記無線信号の到来方向から前記発信器の位置を推定する演算回路と、自身の位置を推定して位置情報を出力する自己位置推定装置とを備え、前記自己位置推定装置は、少なくとも前記演算回路が前記発信器の位置を推定したときに前記移動体の位置情報を出力する。
本開示の探索システムは、他の例示的な実施形態において、発信器から出力される無線信号を少なくとも1台の移動体で検出して前記発信器を探索する探索システムであって、前記移動体、前記発信器および処理装置を備え、前記移動体は、前記無線信号を受信するアンテナ装置と、自身の位置を推定して位置情報を出力する自己位置推定装置と、前記アンテナ装置によって受信された前記無線信号から得られる処理信号および前記位置情報を送信する通信回路とを備え、前記処理装置は、前記処理信号および前記位置情報を受信する通信回路と、前記処理信号に基づいて前記無線信号の到来方向を測定し、さらに前記無線信号の到来方向および前記位置情報から前記発信器の位置を推定する演算回路とを備えている。
本開示の発信器は、例示的な実施形態において、上述のいずれかの探索システムで用いられる発信器であって、一次電池と、前記一次電池で動作して前記無線信号を生成するIC回路と、前記無線信号を出力するアンテナ素子とを有する。
本開示の例示的な実施形態によれば、発信器から送信された無線信号を受信した少なくとも1台の移動体は、無線信号の到来方向を測定することができる。当該移動体は、自身の位置を推定して位置情報を出力する。これにより、発信器の位置を推定することができる。
本開示の例示的な他の実施形態によれば、少なくとも1台の移動体は発信器から送信された無線信号を受信し、当該無線信号から得られる処理信号を処理装置に送信する。処理装置は、無線信号の到来方向を測定し、発信器の位置を推定することができる。
少なくとも1台の移動体があれば発信器の位置を推定できるため、常時3台以上の移動体が必要な場合と比較すると探索システムを導入するコストが低減される。
以下、添付の図面を参照しながら、本開示による探索システム、および、当該探索システムで用いられる発信器の構成例を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。たとえば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明においては、同一または類似する構成要素には、同一の参照符号を付している。
1.探索システムの構成および概要
まず、図1を参照しながら、本開示による、移動体を含む探索システムを用いて行われる処理の概要を説明する。移動体は、典型的にはマルチコプターなどの飛行体であり、無人であるか有人であるかは問わない。以下では、マルチコプターを例示して説明する。
まず、図1を参照しながら、本開示による、移動体を含む探索システムを用いて行われる処理の概要を説明する。移動体は、典型的にはマルチコプターなどの飛行体であり、無人であるか有人であるかは問わない。以下では、マルチコプターを例示して説明する。
図1は、探索システム100の構成を示す。探索システム100は、マルチコプター1と、探索救助センター施設30内の位置推定処理装置40と、発信器50とを含む。以下では、位置推定処理装置40を「処理装置40」と略記する。
本開示による探索システム100では、大きく分けて2つの利用態様が考えられ得る。発信器50の位置を推定する処理を、マルチコプター1が行う第1の態様と、外部に設けられた処理装置40が行う第2の態様である。2つの態様の具体的な内容は以下のとおりである。
第1の態様では、マルチコプター1は、発信器50から出力される無線信号を、アンテナ装置を用いて検出し、マルチコプター1に搭載した測定装置を用いて無線信号の到来方向を測定する。さらに、マルチコプター1の演算回路は、無線信号の到来方向から発信器50を探索する処理を行う。発信器50の位置が推定されたとき、マルチコプター1は、発信器50の位置の情報と共に、グローバル・ポジショニング・システム(以下、「GPS」(Global Positioning System)と記述する。)等を用いて自身の位置を推定して得られた位置情報を、探索救助センター施設30の処理装置40に送信する。なお、マルチコプター1は2台以上使用されてもよい。
第2の態様では、マルチコプター1は、発信器50から出力される無線信号を検出し、所定の処理を加えた処理信号として外部に設けられた処理装置40に送信する。このとき、マルチコプター1は、GPSユニット等を用いて自身の位置を推定して得られた位置情報も、処理装置40に送信する。処理装置40は、マルチコプター1から得られた処理信号を用いて無線信号の到来方向を測定し、測定された到来方向およびマルチコプター1の位置情報から発信器50を探索する処理を行う。
いずれの態様においても、少なくとも1台のマルチコプター1に、アレー状に配置された複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置を搭載し、当該アンテナ装置で、発信器から送信された無線信号を受信する。そして、マルチコプター1において、または処理装置40において当該無線信号の到来方向を測定する。複数台のマルチコプター1は必須ではないため、特許文献1のように、常時3台以上のマルチコプター1が必要な場合と比較すると探索システム100を導入するコストが低減される。
また本開示では、いずれの態様の探索システム100でも好適に用いられる発信器50を説明する。
たとえば特許文献1に記載された信号発生装置を人に携行させる場合、不意の滑落、雪崩等に対応するために通常は信号発生装置に常時通電しておく必要がある。その結果、遭難時には信号発生装置のバッテリの残存容量が既に低下しており、救助活動に支障をきたす可能性がある。また、全ての信号発生装置から常時電気信号が送信されている状況では、多数の電気信号の中から、遭難者の信号発生装置が発信する電気信号を識別する必要がある。
そこで本開示では、たとえば遭難時に初めて無線信号の発信を開始する発信器50を説明する。当該発信器50は、電解液を含む液体が注入されることにより発電を開始する空気マグネシウム電池を搭載している。山岳での遭難事故の場合、発信器50の所有者は、携行する水、沢または雪から得られた水を当該電池に注入する。または、海川での水難事故の場合、発信器50の所有者は救命ベストに発信器50を装着しておくことにより、海または川の水を自動的に当該電池に注入することができる。
たとえば探索救助センター施設30に設置された処理装置40は、発信器50に電力が供給されて無線信号の発信が開始されたことを検出すると、要探索状況(たとえば災害、遭難)が発生したことを示す音声、画面表示、またはランプを点灯させ、システム100運営者に報知する。上述のとおり、第1の態様または第2の態様のいずれであっても、探索システム100によって発信器50の位置が推定されている。これにより、システム運営者は探索隊の編成、派遣等の救助活動を迅速に開始することができる。発信器50の電池は、要探索状況発生前には使用されていないため十分な電力を有しており、救助活動中も安定して動作を継続することができる。
続いて、マルチコプター1、処理装置40および発信器50を詳細に説明する。以下の説明は、上述した第1の態様に即した構成を説明する。
2.マルチコプターの構成
図2は、本開示による例示的なマルチコプター1の外観斜視図である。また、図3は、マルチコプター1の側面図である。
図2は、本開示による例示的なマルチコプター1の外観斜視図である。また、図3は、マルチコプター1の側面図である。
マルチコプター1は、たとえば山岳地帯、海または河川の上空を飛行し、発信器50から出力される無線信号を検出する。マルチコプター1は、GPSを利用して、予め定められた空域を自律飛行する。後述のように、マルチコプター1は、発信器50から送信された無線信号を検出すると、発信器50の位置を探索する探索モードで動作する。
マルチコプター1は、中央筐体2と、中央筐体2の周囲に伸びる複数のアーム(たとえばアーム3)と、中央筐体2の下方に伸びる複数の脚6とを備えている。以下、アーム3に関連する構成を例示して説明する。他のアームの構成もアーム3と同じである。
アーム3の先端側(中央筐体2と反対側)には、モータ4が設けられている。モータ4の回転軸には回転翼5が設けられている。モータ4が回転することによって回転翼5も回転し、マルチコプター1に揚力を与える。本明細書では、後述する飛行を行うことができる限り、1台のマルチコプター1に設けられる回転翼5の数は任意である。
1つのモータ4に取り付けられる回転翼5は、回転軸から伸びる複数のブレード5aおよび5bを有している。ただし、ブレードは3枚以上であってもよい。また、回転翼5は、強度、重量等の観点で炭素繊維強化プラスチック(carbon-fiber-reinforced plastic;CFRP)で製造されていることが好適である。
マルチコプター1は、発信器50からの無線信号を受信するアンテナ装置15と、アンテナ装置15で受信した無線信号の到来方向を測定する測定装置9と、測定装置9によって測定された無線信号の到来方向から、発信器50の位置を推定する演算回路10とを有する。測定装置9および演算回路10の処理の詳細は後述する。
図4は、マルチコプター1のハードウェアの構成を模式的に示す。
マルチコプター1は、測定装置9と、演算回路10と、フライトコントローラ11と、GPSモジュール12と、通信回路13と、電子制御ユニット14(ECU14)と、アンテナ装置15とを備えている。このうち、フライトコントローラ11がマルチコプター1の動作を制御する。
フライトコントローラ11は、GPSモジュール12および通信回路13から情報および/または操作信号を受け、飛行のための所定の処理を行って、各ECU14に制御信号を出力する。またフライトコントローラ11は、アンテナ装置15を介して、発信器50から送信された無線信号を受信すると、測定装置9に無線信号の到来方向を測定させる。さらにフライトコントローラ11は、演算回路10に、測定装置9によって測定された無線信号の到来方向から、発信器50の位置を推定させる。ただし、測定装置9および演算回路10は、フライトコントローラ11から制御されなくてもよい。たとえば測定装置9は、アンテナ装置15から所定の入力があると、予め定められた、無線信号の到来方向を測定する処理を行ってもよい。また演算回路10は、測定装置から、無線信号の到来方向を示す情報を受け取ると、予め定められた、発信器50の位置を推定する動作を行ってもよい。
各ECU14は、制御信号に基づいてモータ4の回転を制御する。全てのモータ4の回転を制御することにより、フライトコントローラ11は、マルチコプター1を前進させ、後退させ、旋回させ、空中で静止させ、さらに上下方向へ移動させることができる。マルチコプター1の前進および後退に際し、マルチコプター1の姿勢を前傾または後傾させることも可能である。なお、モータ4の回転を制御する態様として、たとえばPWM(Pulse Width Modulation)を利用できる。この場合、各ECU14は、PWMのデューティ比を変更することで、モータ4に電力に供給される電力を制御する。
なお、モータ4に代えて、液体燃料を燃焼させて回転するエンジンを採用してもよい。
図5は、主としてフライトコントローラ11の内部ハードウェアの構成を示す。
フライトコントローラ11は、マイクロコントローラ20と、ROM21と、RAM22と、センサ群とを有しており、これらが内部バス24で相互に通信可能に接続されている。また、フライトコントローラ11は、図示されない通信インタフェースを介して、GPSモジュール12、通信回路13、および複数のECU14と接続されている。通信インタフェースを介して入力されたデータ信号は、内部バス24を介してフライトコントローラ11の内部を伝送され、マイクロコントローラ20によって取得される。以下、より具体的に説明する。なお、マイクロコントローラ20の処理は、ROM21に格納され、RAM22に展開されたコンピュータプログラムがマイクロコントローラ20によって実行されることにより、実現される。
マイクロコントローラ20は、センサ群が検出した信号を取得する。センサ群は、たとえば3軸ジャイロセンサ23a、3軸加速度センサ23b、気圧センサ23c、磁気センサ23d、超音波センサ23eである。
3軸ジャイロセンサ23aは、前後の傾きと左右の傾き、回転の角速度を検出し、機体の姿勢と動きを把握する。3軸加速度センサ23bは、前後方向、左右方向、上下方向の加速度を検出する。なお、3軸ジャイロセンサと3軸加速度センサをひとつのモジュールで実現することも可能である。そのようなモジュールは、「6軸ジャイロセンサ」と呼ばれることもある。気圧センサ23cは、気圧の違いから機体の高度を把握する。磁気センサ23dは方位を検出する。超音波センサ23eは、直下に超音波を発信して反射信号を検出することで、対地距離を把握する。なお超音波センサ23eは、予め定められた、地上に近い高度で使用される。
さらにマイクロコントローラ20は、GPSモジュール12からマルチコプター1の現在位置を示す情報を取得する。「現在位置」は、地球上の緯度、経度および高度の情報を含む。GPSモジュール12は、複数の人工衛星(GPS衛星)からの電波を受信して自機と各GPS衛星との距離を演算することにより、現在位置を示す情報を出力する。GPSモジュール12は、少なくとも4つの人工衛星を利用することにより、地球上のマルチコプター1の緯度、経度および高度を示す情報を出力することができる。
マイクロコントローラ20は、通信回路13から操作信号を取得する。操作信号は、たとえば探索救助センター施設30からアンテナ装置32を介して送信される。操作信号は、たとえばマルチコプター1の飛行開始、または帰還を指示する信号である。本明細書では、マルチコプター1が飛行する空域は予め定められており、マルチコプター1は、飛行開始の指示を受けると当該空域を自律飛行する。マルチコプター1は、帰還を指示する操作信号を受信したとき、またはバッテリ(図示せず)の残量が所定以下になったとき、探索救助センター施設30に帰還する。
センサ群から取得した信号、および外部から取得した信号に基づき、マイクロコントローラ20はECU14に適切な制御信号を出力する。ECU14は制御信号を受け取り、モータ4を駆動する。具体的には、ECU14は、モータ4の回転速度、またはモータ4を回転させるために出力する制御信号を変更する。
なお、GPSモジュール12は、マルチコプター1の現在位置の情報を取得するための一例である。マルチコプター1の現在位置の情報を取得する他の例として、たとえば通信回路13が携帯電話の周波数の電波に対応している場合、携帯電話の複数の基地局からの電波強度等を利用して現在位置の情報を取得することができる。また、飛行開始時の位置情報を正確に取得しておき、さらに飛行時に上述したジャイロセンサ23a、3軸加速度センサ23b、気圧センサ23c、磁気センサ23d、超音波センサ23eを用いることにより、飛行中の現在位置の情報を取得することもできる。本明細書では、GPSモジュール12、上述の各種センサを含む、位置情報を取得可能な装置を包括して「自己位置推定装置」と称する。
また、フライトコントローラ11は、当該「自己位置推定装置」を用いて取得された位置情報に基づいて複数のモータ4の各々またはエンジンの各々の回転を制御する。これにより、フライトコントローラ11は、予め定められた空域、または、処理装置40等から指示された空域における自律飛行を制御することができる。そのようなフライトコントローラ11は、「自律飛行ユニット」と呼ばれることがある。
次に、アンテナ装置15および測定装置9を説明する。たとえば、アンテナ装置15は、2次元(平面)状に配置されたアレーアンテナであり、測定装置9は以下の処理を行うマイコンである。なお、測定装置9が行う処理は、無線信号の到来方向を「推定する」処理であるが、本明細書では当該処理を「測定する」と記述する。
説明の簡単化のため、2次元状に配置されたアレーアンテナのうちの、直線状に配置された一列のアンテナ素子に着目して、当該一列のアンテナ素子に入射する信号波の到来方向を推定する技術を説明する。
図6Aは、直線状に配置されたM個のアンテナ素子を有するアンテナ装置15と、複数の到来波k(k:1~Kの整数。以下同じ。Kの意味は後述する。)との関係を示している。各到来波は無線信号である。説明の便宜上、無線信号は図面の上方から到来するよう記載されているが、本実施形態の例では、無線信号は地表または水上の発信器50から送信されている。
アンテナ装置15は、様々な角度から同時に入射する複数の到来波を受ける。到来波の入射角度(到来方向を示す角度)は、アンテナ装置15のブロードサイドB(アンテナ素子群が並ぶ直線方向に垂直な方向)を基準とする角度を表している。
いま、k番目の到来波に注目する。「k番目の到来波」とは、異なる方位に存在するK個の物標からアレーアンテナにK個の到来波が入射しているときにおける、入射角θkによって識別される到来波を意味する。
図6Bは、k番目の到来波を受信するアンテナ装置15を示している。アンテナ装置15が受信した信号は、M個の要素を持つ「ベクトル」として、数1のように表現できる。
(数1)
S=[s1,s2,…,sM]T
(数1)
S=[s1,s2,…,sM]T
ここで、sm(m:1~Mの整数;以下同じ。)は、m番目のアンテナ素子が受信した信号の値である。上つきのTは転置を意味する。Sは列ベクトルである。列ベクトルSは、アレーアンテナの構成によって決まる方向ベクトル(ステアリングベクトルまたはモードベクトル)と、波源(信号源)における信号を示す複素ベクトルとの積によって与えられる。波源の個数がKであるとき、各波源から個々のアンテナ素子に到来する信号の波が線形的に重畳される。このとき、smは数2のように表現できることが知られている。
数2におけるak、θkおよびφkは、それぞれ、k番目の到来波の振幅、到来波の入射角度(到来方向を示す角度)、および初期位相である。また、λは到来波の波長、jは虚数単位である。
数2から理解されるように、smは、実部(Re)と虚部(Im)とから構成される複素数として表現されている。
ノイズ(内部雑音または熱雑音)を考慮してさらに一般化すると、アレー受信信号Xは数3のように表現できる。
(数3)
X=S+N
Nはノイズのベクトル表現である。
(数3)
X=S+N
Nはノイズのベクトル表現である。
ここで、上付きのHは複素共役転置(エルミート共役)を表す。
求めた複数の固有値のうち、熱雑音によって定まる所定値以上の値を有する固有値(信号空間固有値)の個数が、到来波の個数に対応する。そして、反射波の到来方向の尤度が最も大きくなる(最尤度となる)角度を算出することにより、物標の数および各物標が存在する角度を特定することができる。この処理は、最尤推定法として公知である。
上述の処理により、測定装置9は、一番大きな値を取る角度θを発信器50が存在する方位として出力する。なお、到来波の到来方向を示す角度θを推定する方法は、この例に限定されない。種々の到来方向推定アルゴリズムを用いて行うことができる。たとえばSAGE(Space-Alternating Generalized Expectation-maximization)法などの最尤推定法によれば、到来波数の情報を利用して、相関の高い複数の到来波の方位を検出できる。なお、SAGEなどの最尤推定法は既知の技術であるため、詳細な説明は省略する。振幅モノパルス法を用いて電波の到来方位を推定してもよい。
直線状に配置された一列のアンテナ素子を用いた場合、アンテナ素子の列に入射する無線信号に位相差が生じる方向(第1方向)については、無線信号の到来方向を推定することはできる。しかしながら、第1方向に垂直な第2方向については、無線信号の到来方向を推定することはできない。第2方向に関する到来方向を推定するためには、2次元(平面)的に配置されたアンテナ素子を用いることが必要である。2次元的に配置されたアンテナ素子を用いて第1方向および第2方向を算出する技術は周知であるため、本明細書での詳細な説明は省略する。
図7は、演算回路10が行う無線信号の到来方向を測定する幾何学的な関係を示す。図示されるようにX軸、Y軸およびZ軸をとる。XY平面は地面または水面である。Z軸は高さ方向を表す。図7では、発信器50が地面よりも高い位置(たとえば崖の中腹)に存在していることを示している。なお、発信器50が水面に存在する場合には、発信器50はXY平面上に位置する。
測定装置9によって、発信器50から送信される無線信号の到来方向が測定される。到来方向は、アジマス方向の角度αと、エレベーション方向の角度βである。アジマス方向の角度αは、アンテナ装置15と発信器50とを結ぶ直線AをXY平面に投影した直線A’とY軸とがなす角度である。エレベーション方向の角度βは、直線AとZ軸とがなす角度である。演算回路10は、角度αおよびβと、現在のマルチコプター1の高度の情報とを用いて、発信器50の位置を推定することができる。
たとえば発信器50が水面に存在する場合には、演算回路10は、直線Aと水面との交点の位置に発信器50が存在すると推定する。マルチコプター1が地形図の情報を保持している場合には、演算回路10は、当該地形図の情報を参照して、発信器50が水面に存在するか否かを認識することができる。または演算回路10は、処理装置40からの通知によって発信器50が水面に存在するか否かを認識してもよい。
発信器50が陸上に存在する場合であって、たとえばマルチコプター1が地形図の情報を保持している場合には、演算回路10は、当該地形図の情報を参照して、直線Aと地面との交点に崖等の地形が存在すると判定できる。その場合には、演算回路10は、直線Aと崖との交点の位置(X0,Y0,Z0)に発信器50が存在すると推定する。
上述の処理により、マルチコプター1は、発信器50の位置を推定することができる。
なお、フィンランドのQUUPPA社は、位置推定技術を利用したロケーティングシステムを提供している。本実施形態では、当該ロケーティングシステムを利用することが可能である。
3.位置推定処理装置の構成
図8は、処理装置40のハードウェアの構成を示す。
図8は、処理装置40のハードウェアの構成を示す。
処理装置40は、中央演算回路(CPU)41と、メモリ42と、地図情報43と、画像処理回路44と、スピーカ45と、警告ランプ46と、通信回路47とを有し、これらが内部バス48で接続されている。処理装置40にはモニタ49が接続されている。処理装置40は典型的にはPC等のコンピュータシステムである。または、処理装置40はスマートフォン、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータなどの持ち運び可能な端末であってもよい。
通信回路47は、探索救助センター施設30のアンテナ装置32を介して、マルチコプター1から、推定された発信器の位置および位置情報を示す無線信号を受信し、CPU41に送信する。CPU41は、当該情報の受信に応答して、要探索状況(たとえば災害、遭難)の発生を探索システム100の運営者に報知する。
たとえばCPU41は、推定された発信器の位置およびマルチコプター1の位置情報を利用して地図情報43を参照する。地図情報43は、捜索予定地域の地図および地形図のデータが格納されている。CPU41は、予め用意されたメッセージ、および、推定された発信器50の位置を識別可能に表示した地図画像を生成して画像処理回路44に処理させ、モニタ49に表示させる。または、CPU41は、予めメモリ42に保持されていた音声データをスピーカ45から出力する。または、CPU41は、予めメモリ42に保持されていた点滅パターンで警告ランプ46を明滅させる。これにより、運営者は探索隊の編成、派遣等の救助活動を迅速に開始することができる。なお、画像処理回路44を設けることは必須ではない。画像処理回路44に代えてCPU41が同じ処理を行ってもよい。
本明細書では、人の注意を喚起する視角的、聴覚的または触覚的な刺激を出力する装置を「出力装置」と呼ぶことがある。上述のモニタ49、スピーカ45および警告ランプ46は、出力装置の範疇である。また、振動により触覚的な刺激を出力するモータもまた、出力装置の範疇である。
4.発信器の構成
図9は、発信器50の内部構成を示す。発信器50は、無線回路51と、空気マグネシウム電池56とを有する。無線回路51は、記憶装置52と、アンテナ素子54と、IC回路55とを有する。記憶装置52はたとえばフラッシュROMであり、発信器50毎に一意の識別情報53が格納されている。IC回路55は、空気マグネシウム電池56から電力が供給されると、予め定められた周波数の高周波信号を生成し、アンテナ素子54を介して周期的に送信する。
図9は、発信器50の内部構成を示す。発信器50は、無線回路51と、空気マグネシウム電池56とを有する。無線回路51は、記憶装置52と、アンテナ素子54と、IC回路55とを有する。記憶装置52はたとえばフラッシュROMであり、発信器50毎に一意の識別情報53が格納されている。IC回路55は、空気マグネシウム電池56から電力が供給されると、予め定められた周波数の高周波信号を生成し、アンテナ素子54を介して周期的に送信する。
空気マグネシウム電池56は一次電池であり、水等の電解液を含む液体が注入されると発電を開始する。空気マグネシウム電池56は、液体が注入されるまでは長期間、たとえば10年間以上劣化することなく保存できる。所有者は探索を求める場合に液体を人為的に注入すればよい。
図10は、非発電時の空気マグネシウム電池56の構成を示す。空気マグネシウム電池56は、炭素で構成された正電極56aおよびマグネシウムで構成された負電極56bを有する。空気マグネシウム電池56には、リング57と、封止蓋59と、リング57と封止蓋59とを結ぶ紐58とを有する。
封止蓋59は液体注入口60を塞いでいる。所有者がリング57を引っ張ることにより、封止蓋59がスライドする。図11は、スライドした封止蓋59を示す。これにより、所有者は液体注入口60から液体を注入することができる。図11には注入された液体61が示されている。
無線信号の生成および送信に要する電力は非常に少ないため、発信器50が名刺程度の大きさであっても、空気マグネシウム電池56は、1週間程度は無線信号を送信する電力を発電できる。発信器50は、低消費電力の近距離無線通信規格であるBluetooth(登録商標)4.0(「BLE」と呼ばれることもある。)に沿った、2.4GHzの周波数を用いた無線信号を送信する。見通しのよい屋外で、周りに他の無線機器が存在しない場合には、無線信号は300m~1km程度まで到達し得る。なお、マルチコプター1のアンテナ装置15もまた、発信器50の通信規格と同じ規格に準拠した仕様で無線信号を受信する。
図12は、海または河川での活動時に着用されるライフジャケット70の外観図である。ライフジャケット70にはポケット71が用意されており、発信器50を装着することができる。海または河川での転落時に、転落者がリング57を引っ張ることにより、周囲の水が空気マグネシウム電池56に注入され、発電が開始される。以後、無線信号の送信が継続的に行われる。発信器50の空気マグネシウム電池56は、要探索状況発生前には使用されていないため十分な電力を有している。よって、マルチコプター1による位置の推定、および、救助隊の到着まで安定して無線信号の送信を継続することができる。
ポケット71の位置は、人が着用して漂流している間に、空気マグネシウム電池56に水が注入される位置であって、かつ無線信号の送信が可能な、水没しない位置であることが好ましい。封止蓋59を設けず、浸水時に空気マグネシウム電池56に自動的に液体が入るよう構成してもよい。
5.マルチコプター1による位置推定処理
図13は、マルチコプター1による発信器50の位置推定処理の手順を示す。
図13は、マルチコプター1による発信器50の位置推定処理の手順を示す。
ステップS1において、マルチコプター1のフライトコントローラ11は、探索救助センター施設30の処理装置40からの飛行指令に従い飛行する。飛行時には、無線信号を受信できるよう、アンテナ装置15には電力が継続して供給される。
ステップS2において、測定装置9は、発信器50から出力された無線信号を検出したか否かを判定する。測定装置9は、発信器50から出力された無線信号を検出するまではステップS2の判定を繰り返す。無線信号を検出すると、測定装置9はステップS3の処理を実行する。なお、ステップS1および2は、無線信号を検出するまでの通常飛行モードであり、ステップS3~S5は、無線信号を検出したことによる、発信器50を探索するための探索モードである。
ステップS3において、測定装置9は無線信号の到来方向を測定する。続くステップS4において、演算回路10は、無線信号の到来方向を示す情報を利用して発信器50の位置を推定する。無線信号の到来方向を測定し、発信器50の位置を推定する処理はすでに説明したとおりである。
ステップS5において、フライトコントローラ11は、たとえばGPSモジュール12を利用して現在の位置を推定し、通信回路13を介して探索救助センター施設30の処理装置40に位置情報を出力する。このとき、推定した発信器50の位置情報も併せて送信してもよい。
以上の処理により、マルチコプター1を利用して、発信器50を所有する要救助者の発見および救助を実現することができる。
6.処理装置による位置推定処理
次に、本実施形態の冒頭で説明した、第2の態様で動作する探索システム100の動作を説明する。第2の態様に関する限り、マルチコプター1からは測定装置9および演算回路10を省略できる。
次に、本実施形態の冒頭で説明した、第2の態様で動作する探索システム100の動作を説明する。第2の態様に関する限り、マルチコプター1からは測定装置9および演算回路10を省略できる。
図14は、第2の態様にかかるマルチコプター1および処理装置40の処理の手順を示す。まずステップS20において、処理装置40からはアンテナ32を介してマルチコプター1に飛行指令が送信される。
その後、マルチコプター1において、上述のステップS1およびS2の処理が行われる。以後、マルチコプター1および処理装置40では、探索モードによる動作が行われる。
ステップS10において、マルチコプター1のフライトコントローラ11は、無線信号に所定の処理を加え処理信号を生成する。「所定の処理」とは、たとえば無線信号のフィルタリング処理、および、デジタル化処理である。ステップS11において、フライトコントローラ11は、たとえばGPSモジュール12を利用して現在の位置を推定し、位置情報を生成する。
ステップS12において、生成した処理信号および位置情報を、通信回路13を介して処理装置40に送信する。
ステップS21~S24は、処理装置40のCPU41によって行われる処理である。
ステップS21において、CPU41は、通信回路47を介して処理信号および位置情報を受信する。
ステップS22において、CPU41は、処理信号に基づいて無線信号の到来方向を測定する。
ステップS23において、CPU41は、測定した無線信号の到来方向およびマルチコプター1の位置情報に基づいて発信器50の位置を推定する。
ステップS24において、CPU41は、要探索状況(たとえば災害、遭難)の発生を探索システム100の運営者に報知する。具体的には、CPU41は、スピーカ45に警告音声の出力、モニタ49への警告メッセージの表示および/または警告ランプ46に点滅を行わせる。
図14の処理によれば、マルチコプター1には測定装置9および演算回路10を設けなくてもよいため、マルチコプター1のコストを低減させることができる。また、測定装置9および演算回路10の省略により、電力の消費を抑えることもできる。
7.マルチコプターの飛行方法
次に、図15~図18を参照しながら、マルチコプター1の飛行方法に関する変形例を説明する。
次に、図15~図18を参照しながら、マルチコプター1の飛行方法に関する変形例を説明する。
図15は、3台のマルチコプター1a、1b、1cを利用して発信器50から送信された無線信号を検出する方法を示す。各マルチコプター1a、1b、1cが無線信号を検出可能な範囲が半径約100mであるとすると、マルチコプター1a、1b、1cは、約200m未満の間隔Lを空けて並列飛行する。つまり、間隔Lは、マルチコプターの検出可能範囲に基づいて決定することができる。なお、並列飛行は2台のマルチコプター1を用いて行ってもよいし、4台以上のマルチコプター1を用いて行ってもよい。
図16は、発信器50からの無線信号をマルチコプター1aが検出したときの動作例を示す。無線信号を検出したマルチコプター1aは、他のマルチコプター1bおよび1cに、無線信号を検出したことを示す通知とともに、GPSモジュール12を用いて推定した位置情報を送信する。
当該通知を受信したマルチコプター1bおよび1cは、受信したマルチコプター1aの位置情報に基づいて、マルチコプター1aの方向に向かう。その目的は、発信器50の位置を迅速かつより高い精度で推定するためである。
図17は、マルチコプター1aの近傍に飛来したマルチコプター1bおよび1cを示す。マルチコプター1aの近傍を飛行することにより、マルチコプター1bおよび1cもまた、発信器50の無線信号を受信する。この場合、マルチコプター1a~1cは、いわゆる三点計測によって発信器50の位置を推定することもできる。すなわち、各マルチコプター1a~1cの検出可能範囲が全て重なっている範囲に発信器50が存在すると言える。
各マルチコプター1a~1cが発信器50の位置を推定してもよい。その結果、マルチコプター1a~1cのうちの2台または全ての推定位置が同じ位置である場合には、発信器50が当該位置に存在する可能性は非常に高いと考えられる。これにより、特に山岳など起伏が激しい場所であっても、発信器50を迅速に発見することが可能である。
図18は、1台のマルチコプター1を用いて、発信器50の位置をより高い精度で推定する飛行方法の例を示す。
マルチコプター1のアンテナ装置15が発信器50の無線信号を受信したとき、フライトコントローラ11は、無線信号を受信した空間でマルチコプター1を停止させる。アンテナ装置15は継続的に無線信号を受信するため、演算回路10は継続的に発信器50の位置を推定する。発信器50の位置を推定する処理を、同じ位置で複数回に亘って行うため、位置の推定精度をより高めることができる。
あるいはマルチコプター1は、マルチコプター1のアンテナ装置15が発信器50の無線信号を受信したとき、フライトコントローラ11は、無線信号を受信した空間でマルチコプター1を旋回飛行させる。旋回中も、アンテナ装置15は継続的に無線信号を受信する。演算回路10は、たとえばある飛行位置では、発信器50の位置がPの方向に存在すると推定し、他の飛行位置では、発信器50の位置がQの方向であると推定されたとする。するとフライトコントローラ11は、推定方向PおよびQの交点を、発信器50の位置であると推定する。これによりマルチコプター1は、発信器50の位置をより高い精度で推定することが可能になる。
本開示の探索システムは、発信器50携行する人、動物等の探索、または発信器50が設けられた物の探索に広く利用可能である。
1 マルチコプター
9 測定装置
10 演算回路
11 フライトコントローラ(自律飛行ユニット)
12 GPSモジュール
13 通信回路
14 電子制御ユニット(ECU)
15 アンテナ装置
32 アンテナ装置
30 探索救助センター施設
40 位置推定処理装置
41 CPU
42 メモリ
43 地図情報
44 画像処理回路
45 スピーカ
46 警告ランプ
47 通信回路
48 内部バス
49 モニタ
50 発信器
51 無線回路
52 記憶装置
53 識別情報
54 アンテナ素子
55 IC回路
56 空気マグネシウム電池
100 探索システム
9 測定装置
10 演算回路
11 フライトコントローラ(自律飛行ユニット)
12 GPSモジュール
13 通信回路
14 電子制御ユニット(ECU)
15 アンテナ装置
32 アンテナ装置
30 探索救助センター施設
40 位置推定処理装置
41 CPU
42 メモリ
43 地図情報
44 画像処理回路
45 スピーカ
46 警告ランプ
47 通信回路
48 内部バス
49 モニタ
50 発信器
51 無線回路
52 記憶装置
53 識別情報
54 アンテナ素子
55 IC回路
56 空気マグネシウム電池
100 探索システム
Claims (14)
- 発信器から出力される無線信号を少なくとも1台の移動体で検出して前記発信器を探索する探索システムであって、
前記移動体は、
前記無線信号を受信するアンテナ装置と、
前記アンテナ装置で受信した前記無線信号の到来方向を測定する測定装置と、
前記測定装置によって測定された前記無線信号の到来方向から前記発信器の位置を推定する演算回路と、
自身の位置を推定して位置情報を出力する自己位置推定装置と
を備え、
前記自己位置推定装置は、少なくとも前記演算回路が前記発信器の位置を推定したときに前記移動体の位置情報を出力する、探索システム。 - 発信器から出力される無線信号を少なくとも1台の移動体で検出して前記発信器を探索する探索システムであって、
前記移動体、前記発信器および処理装置を備え、
前記移動体は、
前記無線信号を受信するアンテナ装置と、
自身の位置を推定して位置情報を出力する自己位置推定装置と、
前記アンテナ装置によって受信された前記無線信号から得られる処理信号および前記位置情報を送信する通信回路と
を備え、
前記処理装置は、
前記処理信号および前記位置情報を受信する通信回路と、
前記処理信号に基づいて前記無線信号の到来方向を測定し、さらに前記無線信号の到来方向および前記位置情報から前記発信器の位置を推定する演算回路と
を備えた、探索システム。 - 前記発信器は、
一次電池と、
前記一次電池で動作して前記無線信号を生成するIC回路と、
前記無線信号を出力するアンテナ素子と
を有する、請求項1または2に記載の探索システム。 - 前記一次電池は、液体が注入されることにより発電を開始する空気マグネシウム電池であり、
前記発信器は、要探索時に前記一次電池に前記液体が自動的にまたは人為的に注入されることによって発電を開始し、前記無線信号の出力を開始する、請求項1から3のいずれかに記載の探索システム。 - 前記移動体は、複数の回転翼、および、複数の回転翼を回転させる複数のモータまたはエンジンをさらに備え、空中を飛行する、請求項1から4のいずれかに記載の探索システム。
- 前記移動体は、前記自己位置推定装置によって測定された前記位置情報に基づいて前記複数のモータまたはエンジンの回転を制御する自律飛行ユニットをさらに備えた、請求項5に記載の探索システム。
- 前記移動体のアンテナ装置が前記無線信号を受信したとき、
前記自律飛行ユニットは前記無線信号を受信した空間で前記移動体を停止または移動させ、前記アンテナ装置は継続的に前記無線信号を受信し、
前記演算回路は継続的に前記発信器の位置を推定する、請求項6に記載の探索システム。 - 前記少なくとも1台の移動体は、第1移動体および第2移動体を含む複数の移動体であり、
前記第1移動体および前記第2移動体は、所定の間隔を空けて飛行する、請求項7に記載の探索システム。 - 前記少なくとも1台の移動体は、第1移動体および第2移動体を含む複数の移動体であり、
前記第1移動体のアンテナ装置が前記無線信号を受信したとき、前記第2移動体は前記第1移動体の位置情報を取得して、前記第1移動体の位置の近傍に移動する、請求項7または8に記載の探索システム。 - 前記移動体は、外部からの飛行指令に基づいて飛行する、請求項5に記載の探索システム。
- 受信した信号に基づいて、人への視角的、聴覚的および/または触覚的な刺激を出力して要探索状況であることを示す出力装置と、
前記移動体の位置情報を受信する通信回路と、
前記位置情報の受信に応答して、前記出力装置を動作させる信号を生成して前記出力装置に送信する演算回路と
をさらに備えた、請求項1に記載の探索システム。 - 前記処理装置は、受信した信号に基づいて、人への視角的、聴覚的および/または触覚的な刺激を出力して要探索状況であることを示す出力装置をさらに備え、
前記通信回路は、前記移動体の位置情報を受信し、
前記演算回路は、前記位置情報の受信に応答して、前記出力装置を動作させる信号を生成して前記出力装置に送信する、請求項2に記載の探索システム。 - 請求項1から12のいずれかに記載の探索システムで用いられる発信器であって、
一次電池と、
前記一次電池で動作して前記無線信号を生成するIC回路と、
前記無線信号を出力するアンテナ素子と
を有する、発信器。 - 前記一次電池は、液体が注入されることにより発電を開始する空気マグネシウム電池であり、
前記発信器は、要探索時に前記一次電池に前記液体が自動的にまたは人為的に注入されることによって発電を開始し、前記無線信号の出力を開始する、請求項13に記載の発信器。
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