JP7086554B2 - Unmanned aerial vehicle control method and unmanned aerial vehicle control program - Google Patents

Unmanned aerial vehicle control method and unmanned aerial vehicle control program Download PDF

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Description

本発明は、無人航空機の制御技術に関する。 The present invention relates to a control technique for an unmanned aerial vehicle.

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)。 A technique for tracking a UAV (Unmanned Aerial Vehicle) (unmanned aerial vehicle) with a TS (total station) is known (see, for example, Patent Document 1).

US2014/0210663号公報US2014 / 0210663 Gazette

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。 During a UAV flight, the UAV may have to return or land in a safe place in a hurry due to problems such as equipment failure or malfunction, low battery power, or sudden changes in the weather. In particular, if there is a problem with the remaining battery power, it is necessary to return by flying the shortest distance possible in order to avoid a crash due to a dead battery.

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。 At this time, if there is no obstacle, the UAV may be returned by the shortest flight, but if there is an obstacle such as a building, it is necessary to return the UAV by a route considering the existence of the obstacle. Further, it is desired that the above-mentioned emergency return is performed by automatic control. This is because there is a concern that an accident may occur due to an erroneous operation when the operator returns by maneuvering in an emergency.

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。 Against this background, it is an object of the present invention to provide a technique for effectively avoiding obstacles and returning during an emergency return of a UAV in flight.

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。 The present invention is a method for controlling an unmanned aircraft by a total station equipped with a laser scanner, and is a range centered on the unmanned aircraft flying by the laser scanner while tracking the unmanned aircraft flying by the laser beam of the total station. Based on the laser scan, a three-dimensional map of the space including the flight path of the unmanned aircraft is created, and based on the three-dimensional map, the flight at the time of returning to a predetermined specific point is performed. It is a control method for unmanned aircraft to be controlled.

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。 The present invention is a program for causing a computer to control an unmanned aircraft by a total station equipped with a laser scanner, wherein the computer tracks an unmanned aircraft flying by the laser beam of the total station, and the laser scanner flies. A laser scan of a range centered on an unmanned aircraft, a three-dimensional map of the space including the flight path of the unmanned aircraft based on the laser scan, and a predetermined specific point based on the three-dimensional map. It is a program for controlling an unmanned aircraft that controls flight at the time of return .

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。 According to the present invention, it is possible to obtain a technique for effectively avoiding obstacles and returning during an emergency return of a UAV in flight.

実施形態の概要図である。It is a schematic diagram of an embodiment. TS(トータルステーション)のブロック図である。It is a block diagram of TS (total station). 経路設定装置のブロック図である。It is a block diagram of a route setting device. 経路の選定を説明するイメージ図である。It is an image diagram explaining the selection of a route. 処理の手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the processing procedure.

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。
1. 1. First Embodiment (Overview)
FIG. 1 shows a state in which a flying UAV200 is tracked by a TS100. The flight of the UAV 200 may be along a predetermined flight path, or may be a manual operation in which the operator operates the controller. In the airspace where the UAV200 flies, there is a standing tree 110 that is an obstacle to the flight of the UAV200. Obstacles may be buildings, towers, utility poles, cliffs, hills, mountains and the like.

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。 The TS100 has a laser scan function, performs laser scan around the UAV200 while tracking and positioning the flying UAV200, and acquires three-dimensional point cloud data around the flying UAV200. Then, a three-dimensional map is created based on the three-dimensional point cloud data. For example, if the UAV 200 flies near the standing tree 110, a three-dimensional map containing a three-dimensional model of the standing tree 110 is created on the TS100 side.

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。 When the UAV200 must be returned to a predetermined ground position for some reason, the return route of the UAV200 is determined based on the three-dimensional map acquired by the TS100, and flight control is performed along this return route.

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。 In an emergency, it is desirable to return by the shortest route possible, but contact with obstacles and collisions should be avoided. By setting the return route using the above three-dimensional map, it is possible to return in the shortest distance while avoiding interference and collision with obstacles.

(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)
The UAV200 is a commercially available ordinary one equipped with a reflection prism 201. The selection of the UAV 200 is free, and the user of the present invention can freely select it. However, the UAV 200 needs to have a function of flying by receiving a control signal from the outside.

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。 The UAV200 is equipped with a reflection prism 201 that is a target for tracking and ranging from the TS100. The reflection prism 201 has an optical characteristic of reflecting incident light by changing the direction by 180 °. The TS100 captures and tracks the UAV 200 by capturing the reflection prism 201 with the tracking light, and positions the UAV 200 by measuring the position of the reflection prism 201 with the ranging light.

(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。
(TS (total station))
Hereinafter, the TS100 will be described. FIG. 2 is a block diagram of the TS100. The TS100 includes a range-finding light emitting unit 101, a range-finding light receiving unit 102, a range-finding unit 103, a horizontal / vertical angle detection unit 104, a horizontal / vertical angle drive unit 105, a three-dimensional position calculation unit 106, a tracking unit 107, and a laser. It is equipped with a scanner 108 and a route selection device 109. The TS (total station) is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-229192, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-202821, Japanese Patent No. 5124391, and the like.

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。 The range-finding light irradiation unit 101 irradiates the range-finding light toward the reflection prism 201 of the UAV 200. The ranging light is applied to the reflecting prism 201 via an optical system (not shown). The ranging light receiving unit 102 receives the reflected light of the ranging light reflected by the reflecting prism 201 via an optical system (not shown).

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。 The distance measuring unit 103 calculates the distance from the TS 100 to the reflecting prism 201 based on the flight time of the distance measuring light. Specifically, an optical path for reference light is provided inside the TS100, and the distance from the phase difference between the reference light and the ranging light received by the ranging light receiving unit 102 to the reflecting prism 201 is calculated.

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。 The TS100 has a main body capable of horizontal rotation. A movable part capable of vertical rotation (rotation control of elevation angle and depression angle) is attached to this main body. The optical system of the distance measuring light irradiation unit 101, the distance measuring light receiving unit 102, and the optical system of the tracking unit 107 are fixed to this movable portion. By shaking this movable part up, down, left and right, the horizontal and vertical irradiation directions of the tracking light and the ranging light are controlled. The laser scanner 108 is fixed to the main body instead of the movable part. Of course, a structure in which the laser scanner 108 is provided in the movable portion is also possible.

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。 The horizontal / vertical angle detection unit 104 detects the horizontal angle (angle in the horizontal direction) and the vertical angle (elevation angle or depression angle) of the movable portion (main body). Angle detection is performed by a rotary encoder. In the angle measurement, for example, in the horizontal angle, the north direction is 0 ° and the clockwise angle is measured, and in the vertical angle, the horizontal is 0 ° and the elevation angle is + and the depression angle is-. The TS100 is installed at a known position on the map coordinate system (absolute coordinate system). The map coordinate system is a global coordinate system used in GNSS.

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。 The horizontal / vertical right angle drive unit 105 performs horizontal rotational drive and vertical rotational drive of the movable portion. The horizontal / vertical right-angle drive unit 105 includes a motor and a drive circuit for performing the above-mentioned drive. By controlling the horizontal angle and the vertical angle of the movable portion, the irradiation directions of the tracking light and the ranging light are controlled.

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。 The three-dimensional position calculation unit 106 is the three-dimensional coordinates of the reflection prism 201 from the distance to the reflection prism 201 calculated by the distance measurement unit 103 and the direction of the optical axis of the distance measurement light detected by the horizontal / vertical right angle detection unit 104. Calculate the value. This three-dimensional coordinate value is acquired on the TS coordinate system with the TS100 as the origin. Examples of the TS coordinate system include an XYZ coordinate system in which the east direction is the X axis, the north direction is the Y axis, and the vertically upward direction is the Z axis. Since the position of the TS100 on the map coordinate system is known, the position of the reflection prism positioned by the TS100 can be described on the map coordinate system by the coordinate transformation of the translation.

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。 The tracking unit 107 tracks the UAV 200 flying by the tracking light. By tracking the UAV200 by the tracking unit 107, the optical axis of the distance measuring light is controlled to be directed to the UAV200. Specifically, the horizontal / vertical right-angle drive unit 105 operates so that the reflection prism 201 included in the UAV 200 is supplemented by the tracking light, and the optical axis of the TS100 is directed so that the optical axis of the ranging light faces the reflection prism 201. Control is done. The tracking of the reflecting prism using the tracking light is described in, for example, Japanese Patent No. 512439.

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。 The laser scanner 108 performs a laser scan in a range centered on the optical axis of the ranging light, and acquires three-dimensional laser scan data in the range. The laser scanner is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-151682, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-268004, Japanese Patent No. 8767190, and Japanese Patent No. 7969558. Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. US2015 / 0293224 describes a laser scanner in a form of electronically scanning without utilizing the rotation or reciprocating motion of the optical system. This electronic scan form is also available.

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。 The route selection device 109 creates a three-dimensional map from the scan data obtained by the laser scanner 108. Then, using this 3D map, the obstacles to the flight of the UAV200 are extracted, and the places where the extracted obstacles exist or the places where the situation is unknown without laser scanning are avoided. Select a return route.

(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、機体位置情報受付部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。
(Configuration of route selection device)
FIG. 3 is a block diagram of the route selection device 109. The route selection device 109 includes a landing position information reception unit 201, an aircraft position information reception unit 202, a scan data reception unit 203, a scan map creation unit 204, a flight prohibited location extraction unit 205, a route selection unit 206, and an aircraft control signal generation unit 207. , A flight distance calculation unit 208, a battery consumption calculation unit 209, a landing possible point search unit 210, and an externally created map reception unit 211.

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。 Each functional unit of the control device 105 shown in FIG. 3 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), a PLD (Programmable Logic Device) represented by an FPGA (Field Programmable Gate Array), or the like. It is composed of electronic circuits. It is also possible to configure some functions with dedicated hardware and some others with general-purpose microcomputers.

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。 Whether each functional unit is configured with dedicated hardware or software-like configuration by executing a program on the CPU is determined in consideration of the required calculation speed, cost, power consumption, and the like. It should be noted that configuring the functional unit with dedicated hardware and configuring it as software are equivalent from the viewpoint of realizing a specific function.

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。 It is also possible to prepare the route setting device 109 as an external device separate from the TS100. At this time, the route setting device 109 can be configured by a PC (personal computer) or a tablet PC.

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。 The landing position information receiving unit 201 receives the position information of the point where the UAV 200 is to be returned or is to be landed. The received position information is not limited to one, and may be plural. In the initial setting, the starting point is set as the position to be returned.

機体位置情報受付部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。 The aircraft position information receiving unit 202 receives the position information of the UAV200 positioned by the TS100. It is also possible to receive the position information of the UAV200 specified by the GNSS position specifying device mounted on the UAV200. The scan data receiving unit 203 acquires the laser scan data scanned by the laser scanner 108.

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。 The scan map creation unit 204 creates a three-dimensional map from the laser scan data received by the scan data reception unit 203. The created three-dimensional map may be a schematic map. As a three-dimensional map created from the terrain of FIG. 1, for example, the example of FIG. 4 can be mentioned. The three-dimensional map is a three-dimensional space represented by the (x, y, z) component, and the measured object has its maximum width and maximum height in the range visible from the TS100, respectively (x, y, z). ) It is expressed by the component. Therefore, the measured object is approximated as a plane visible from the TS100 of the rectangular parallelepiped 111 in the three-dimensional space. Here, the rectangular parallelepiped 111 is a three-dimensional model in which the three-dimensional information of the standing tree 110 obtained by laser scanning is approximated by a rectangular parallelepiped.

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。 In the three-dimensional map created by the scan map creation unit 204, the flight prohibited part extraction unit 205 is a space where an obstacle that obstructs the flight of the UAV 200 exists, a space behind the obstacle as seen from the TS, and a laser. The space that was not scanned is extracted as a flight prohibited area. In the space behind the rectangular parallelepiped 111 seen from the TS100, the laser scan data from the TS100 cannot be obtained, and the three-dimensional information of the space is unknown. Therefore, the space is treated as a prohibited flight area to prevent accidents from occurring. In addition, since the three-dimensional information is unknown in the space where the laser scanner was not performed, the flight is prohibited in order to prevent accidents.

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。 The route selection unit 206 searches for one or a plurality of routes capable of avoiding obstacles and flying, and selects the optimum route from the one or a plurality of routes. The search for one or more routes capable of avoiding obstacles and flying is performed based on the three-dimensional map created by the scan map creating unit 204 and the obstacles extracted by the obstacle extracting unit 205. The route candidates may be set in advance, but since shorter routes may be extracted, a return route search using a three-dimensional map is performed at the stage when feedback is required. Further, for the preset path, the interference with the obstacle is determined based on the three-dimensional map obtained by the laser scan. Here, if interference with an obstacle is expected, a new route candidate for avoiding the obstacle is searched for. If there are multiple routes that can be searched, select a route that is advantageous in terms of flight distance and power consumption from the routes that can avoid the extracted obstacles. For example, the route with the lowest power consumption is selected from a plurality of routes.

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。 Examples of the route selection include the following methods. First, the scan map creation unit 204 sets a three-dimensional map (x, y, z) = (100,100,100) consisting of 100 unit spaces (x, y, z) = (1,1,1). The width, depth, and height of obstacles and prohibited areas where the situation is unknown are expressed as integers for each value of (x, y, z), and the position is also (x, y, z). Then, if it is expressed by 1 ≦ x, y, z, ≦ 100, it is possible to know in which unit space on the three-dimensional map the flight prohibited part exists.

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。 Similarly, if the position of the UAV200 and the position of the return point are also expressed by 1 ≤ x, y, z, ≤ 100 using (x, y, z), the position of the UAV200 and the return point on the three-dimensional map can be expressed. The position of is also specified. The position of the UAV200 and the position of the return point specified on the three-dimensional map correspond to any one of the 100 unit spaces.

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。 Therefore, the unit space corresponding to the position of the UAV200 is set as the start point, the unit space corresponding to the position of the return point is set as the goal point, the unit space with obstacles and the unit space where the situation is unknown without scan data are set as flight prohibited points. Search for a route that passes only through a unit space that is not a restricted area from the start point to the goal point. As a result, a route that can avoid (detour) obstacles and return is obtained. Further, in order to select the shortest route, the route having the smallest number of unit spaces may be selected from the searched routes.

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。 The scale of one side of the unit space can be variable. For example, if the flight is up to 100m, the unit space is set to 1m x 1m x 1m, and when 100m is exceeded, it is set to 2m x 2m x 2m, and then the scale of one side of the unit space is set according to the flight distance. By changing, it is possible to respond to various flight distances. However, the larger the scale, the larger the unit space where obstacles are considered to occur. Therefore, when the flight distance becomes long, the number of unit spaces constituting the three-dimensional map is increased in advance so that the scale does not need to be increased too much.

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。 The aircraft control signal generation unit 207 generates a signal for making the UAV 200 fly the route selected by the route selection unit 206. The maneuvering signal generated by the aircraft maneuvering signal generation unit 207 is transmitted to the UAV200, and the flight control of the UAV200 is performed by this maneuvering signal.

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。 The flight distance calculation unit 208 calculates the flight distance of the selected return route. The battery consumption calculation unit 209 calculates the battery consumption required for the above-selected feedback route based on the calculation result of the flight distance calculation unit 208. At this time, the power consumption is calculated in consideration of factors such as turning and climbing. The landable point search unit 210 searches for a landable point when it is estimated that the battery does not have up to the initially set landing point. As the landable point, there is an embodiment in which a point without obstacles is selected from the three-dimensional map created on the side of the TS100. The externally created map reception unit 211 receives information on a separately prepared three-dimensional map or a three-dimensional map acquired by other means. It is also possible to accept point cloud data instead of a three-dimensional map.

(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)。
(Example of processing)
An example of the processing in this embodiment is shown in FIG. First, the UAV 200 receives the position information of the return or landing point. The timing of receiving the position information may be before the start of the flight of the UAV200 or during the flight, but it is necessary to receive the position information by step S104 described later (step 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、機体位置情報受付部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)。 When the flight of the UAV200 is started, the tracking and positioning of the UAV200 by the TS100 are started. Further, a laser scan is performed by a laser scanner 108 centered on the UAV 200. The range of the laser scan is, for example, a range of a radius of 25 m centered on the UAV200. During the flight, the position of the UAV 200 is received by the aircraft position information receiving unit 202, and the laser scan data is received by the laser scan data receiving unit 203 (step S102). After receiving the scan data, the scan map creation unit 204 creates a three-dimensional map (step 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。 Then, when the UAV200 has an opportunity to return, the process proceeds from step S104 to step S105, and the current position of the UAV200 and the position of the return point on the three-dimensional map are collated. Here, the trigger for the UAV 200 to return is an instruction from the operator, a decrease in the battery amount, a malfunction of the device, or the like. If there is no opportunity for the UAV200 to return, the processes of steps S102 and S103 are repeated.

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。 If the determination in step S104 is YES, it is determined based on the three-dimensional map created in step S103 whether or not the flight prohibited portion exists at the ground position on the straight line connecting the current position and the return position of the UAV200 (step S106). ). Here, if the flight prohibited portion does not exist on the straight line, a straight line connecting the current position of the UAV 200 and the return position in a straight line is selected as the return route (step S107). In step S105, if the flight prohibited portion exists on the straight line, it is determined whether the altitude of the flight prohibited portion is lower than the current position of the UAV 200 (step S108). Here, if there are multiple flight prohibited points, the one with the highest altitude is the comparison target.

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)。 If the altitude of the prohibited flight point is lower than the current position of the UAV200, a route for flying over the return position while maintaining the altitude and descending to the return point is selected (step S109). If the altitude of the prohibited flight point is higher than the current position of the UAV200, a route to the return point is selected in the shortest time by detouring to avoid obstacles (step S110). Finally, a signal for flying the determined route to the UAV200 is generated, and the process ends (step 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。 In this embodiment, a straight route connecting the current position of the UAV 200 and the return position in a straight line, a route of flying to the sky above the return position and descending to the return point while maintaining the altitude, and a detour to avoid a flight prohibited point are the shortest. The three flight routes (operations) of the route to the return point are set by the route selection unit 206 when the return is determined.

(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。
(Modification example)
You may search for a route that can avoid the prohibited flight points, calculate the battery consumption for the obtained route, and select the route with the lowest battery consumption.

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。
2. 2. Second embodiment (overview)
When an opportunity to return to an unmanned aerial vehicle such as a UAV occurs, the point of takeoff is often set as the return point. However, it is conceivable that the battery installed will be low and it will not be possible to return to the takeoff point. Therefore, a mode is shown in which a route is selected with a landing point other than the takeoff point as the final point.

(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。
(Constitution)
In this case, the route selection device 109 includes a landable point search unit 210. The landable point search unit 210 searches for a landable point by the UAV 200 from the three-dimensional map created by the scan map creation unit 204. As a search for a landable point, a point where Z = 0 is selected as a landable point which is a flat land on a three-dimensional map which is a three-dimensional space represented by the (x, y, z) component.

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。 Here, the point where Z = 0 may not be land but the water surface of a river or the like. Therefore, if the points where Z = 0 are long and narrow, it is determined that those points are rivers, and the points are excluded from the landable points. That is, the characteristics of the terrain where the risk of submersion or the like may occur when landing are defined in advance, and the places having the characteristics defined at the time of searching for the landable points are excluded. As a landable point, it is preferable to select a place where Z = 0 and the area is equal to or larger than the threshold value (for example, 5 m × 5 m or more). Further, in this case, it is also effective to select a place where Z = constant (or a place which can be regarded as constant) as a flat land even if Z = 0.

(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。
(Modification example)
The landing position information reception unit 201 may not accept the landing point, but may extract and determine the route with the landable point searched by the landing possible point search unit 210 as the final point. However, if the landable point search unit 210 cannot search for a landable point, it takes a risk and takes measures such as landing on the spot.

(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。
(others)
It is also possible to prepare a laser scanner separately from the TS100. In this case, calibration is performed in advance so that the three-dimensional point cloud data obtained by the laser scanner having a different configuration can be handled in the coordinate system with the TS as the origin.

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。 The present invention can be used to route an unmanned aerial vehicle to a return or landing point.

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。 100 ... TS (total station), 110 ... standing tree, 111 ... rectangular parallelepiped image when standing tree is treated as an obstacle, 200 ... UAV, 201 ... camera, 202 ... reflective prism.

Claims (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。
It is a method of controlling an unmanned aerial vehicle by a total station equipped with a laser scanner.
While tracking the unmanned aerial vehicle flying by the laser beam of the total station, the laser scanner performs a laser scan in a range centered on the flying unmanned aerial vehicle.
Based on the laser scan, a three-dimensional map of the space including the flight path of the unmanned aerial vehicle was created.
A control method for an unmanned aerial vehicle that controls flight when returning to a predetermined specific point based on the three-dimensional map.
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。
A program that allows a computer to control an unmanned aerial vehicle with a total station equipped with a laser scanner.
On the computer
While tracking the unmanned aerial vehicle flying by the laser beam of the total station, the laser scanner performs a laser scan in a range centered on the flying unmanned aerial vehicle.
Based on the laser scan, the creation of a three-dimensional map of the space including the flight path of the unmanned aerial vehicle,
Based on the 3D map, control of flight when returning to a predetermined specific point
A program for controlling unmanned aerial vehicles to execute .
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