JP7184381B2 - Unmanned aerial vehicle, flight control device for unmanned aerial vehicle, flight control method for unmanned aerial vehicle, and program - Google Patents

Unmanned aerial vehicle, flight control device for unmanned aerial vehicle, flight control method for unmanned aerial vehicle, and program Download PDF

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特許法第30条第2項適用 平成29年7月6日 説明による公開 [刊行物等] 平成29年7月28日 実証試験による公開 [刊行物等] 平成29年8月10日 説明による公開 [刊行物等] 平成29年8月17日 説明による公開 [刊行物等] 平成29年8月21日 実証試験による公開 [刊行物等] 平成29年9月28日 販売による公開 [刊行物等] 平成29年9月28日 販売による公開 [刊行物等] 平成29年10月25日 販売による公開 [刊行物等] 平成29年10月27日 実証試験による公開Application of Article 30(2) of the Patent Act July 6, 2017 Publication with explanation [Publication, etc.] July 28, 2017 Publication with demonstration test [Publication, etc.] August 10, 2017 Publication with explanation [Publications, etc.] August 17, 2017 Disclosure by explanation [Publications, etc.] August 21, 2017 Disclosure by demonstration test [Publications, etc.] September 28, 2017 Disclosure by sales [Publications, etc.] ] September 28, 2017 Disclosure through sales [Publications, etc.] October 25, 2017 Disclosure through sales [Publications, etc.] October 27, 2017 Disclosure through demonstration tests

本発明は、無人航空機、無人航空機の飛行制御装置、無人航空機の飛行制御方法、及びプログラムに関する。より詳細には、本発明は、無人航空機と対象要素との距離を制御するための飛行制御装置、飛行制御方法等に関する。 The present invention relates to an unmanned aerial vehicle, a flight control device for an unmanned aerial vehicle, a flight control method for an unmanned aerial vehicle, and a program. More particularly, the present invention relates to flight control devices, flight control methods, etc. for controlling the distance between an unmanned aerial vehicle and a target element.

近年、複数の回転翼の回転速度を制御することにより飛行を制御する無人航空機が市場に流通しており、撮影調査、農薬散布、物資輸送等の産業用途、あるいはホビー用途において広く利用されている。 In recent years, unmanned aerial vehicles that control flight by controlling the rotational speed of multiple rotor blades have been distributed in the market, and are widely used in industrial applications such as photographing surveys, pesticide spraying, material transportation, and hobby applications. .

無人航空機は、一例においてはプロポーショナル・コントローラ(プロポ)等の外部入力装置から入力される外部入力信号により飛行するが、操縦者から目視できない遠方を飛行している場合には、機体が構造物等に接近して衝突の恐れがあってもこれを認識できず、衝突を回避できない恐れがある。また無人航空機が、フライトコントローラによって自律制御プログラムを実行することにより、予め設定された飛行計画経路を飛行する場合であっても、飛行計画経路の作成にあたって考慮されていなかった障害物等が存在する場合にはこれへの機体の衝突を回避できない恐れがある。 In one example, an unmanned aerial vehicle flies according to an external input signal input from an external input device such as a proportional controller (propo). Even if there is a risk of collision due to approaching the vehicle, it may not be possible to recognize this and avoid the collision. Even when an unmanned aerial vehicle flies along a preset flight plan route by executing an autonomous control program with a flight controller, there are obstacles that were not taken into consideration when creating the flight plan route. In some cases, it may not be possible to avoid collision of the aircraft against this.

特開2012-198077号公報JP 2012-198077 A

株式会社東芝、「単眼カメラで撮影した1枚の画像からカラー画像と距離画像を同時に取得できる撮像技術を開発」、[online]、株式会社東芝 研究開発センター、[平成29年10月16日検索]、インターネット<URL:https://www.toshiba.co.jp/rdc/detail/1606_01.htm>Toshiba Corporation, "Development of imaging technology that can simultaneously acquire a color image and a depth image from a single image taken with a monocular camera", [online], Toshiba Corporation Research and Development Center, [searched on October 16, 2017 ], Internet <URL: https://www.toshiba.co.jp/rdc/detail/1606_01.htm> Vinay R., “What is OpenCV?”, [online], Intel, [平成29年10月23日検索], インターネット<URL:https://software.intel.com/en-us/articles/what-is-opencv>Vinay R., “What is OpenCV?”, [online], Intel, [Searched on October 23, 2017], Internet <URL: https://software.intel.com/en-us/articles/what- is-opencv> Andrew J.Davison, et al., “MonoSLAM: Real-Time Single Camera SLAM”, IEEE TRANSACTIONS ON PATTERN ANALYSIS AND MACHINE INTELLIGENCE, VOL.29, NO.6, JUNE 2007, [online], [平成29年10月20日検索], インターネット<URL: https://www.doc.ic.ac.uk/~ajd/Publications/davison_etal_pami2007.pdf>Andrew J.Davison, et al., “MonoSLAM: Real-Time Single Camera SLAM”, IEEE TRANSACTIONS ON PATTERN ANALYSIS AND MACHINE INTELLIGENCE, VOL.29, NO.6, JUNE 2007, [online], [October 2017 Searched on the 20th], Internet <URL: https://www.doc.ic.ac.uk/~ajd/Publications/davison_etal_pami2007.pdf> Georg Klein, “Parallel Tracking and Mapping for Small AR Workspaces - Source Code”, [online], Georg Klein Home Page, [平成29年10月20日検索], インターネット<URL: http://www.robots.ox.ac.uk/~gk/PTAM/>Georg Klein, “Parallel Tracking and Mapping for Small AR Workspaces - Source Code”, [online], Georg Klein Home Page, [searched on October 20, 2017], Internet <URL: http://www.robots.ox .ac.uk/~gk/PTAM/> Georg Klein, et al., “Parallel Tracking and Mapping for Small AR Workspaces”, Proc. International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR'07, Nara), [online], [平成29年10月20日検索], インターネット<URL: http://www.robots.ox.ac.uk/~gk/publications/KleinMurray2007ISMAR.pdf>Georg Klein, et al., “Parallel Tracking and Mapping for Small AR Workspaces”, Proc. International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR'07, Nara), [online], [searched October 20, 2017], Internet <URL: http://www.robots.ox.ac.uk/~gk/publications/KleinMurray2007ISMAR.pdf> 槙 修一、他3名、「レーザ距離センサを用いた移動式三次元計測システムの開発」、[online]、2014年映像情報メディア学会冬季大会、[平成29年10月20日検索]、インターネット<URL: https://www.jstage.jst.go.jp/article/itewac/2014/0/2014_4-13-1_/_pdf>Shuichi Maki, 3 others, "Development of mobile 3D measurement system using laser distance sensor", [online], 2014 Institute of Image Information and Television Engineers Winter Conference, [searched on October 20, 2017], Internet< URL: https://www.jstage.jst.go.jp/article/itewac/2014/0/2014_4-13-1_/_pdf>

これに鑑み、本発明は、飛行中に機体と対象要素との距離を計測し、計測値に応じて当該距離を制御するための飛行制御装置、飛行制御方法等を提供することを課題とする。 In view of this, it is an object of the present invention to provide a flight control device, a flight control method, etc. for measuring the distance between an airframe and a target element during flight and controlling the distance according to the measured value. .

上記課題を解決するべく、本発明は、外部入力信号及び/又は予め生成された飛行計画情報を用いた制御により飛行する無人航空機と、対象要素と、の距離を計測する距離センサとして、対象要素を撮影する撮影カメラと、撮影した画像情報を用いて距離の計測値を決定する計測値決定回路と、を備えた距離センサと、距離センサにより計測された距離の計測値に応じて、飛行中に無人航空機と対象要素との距離を制御するための制御信号を生成する制御信号生成回路とを備えた無人航空機の飛行制御装置を提供する。ここで、距離の計測値に「応じて」「距離を制御するための制御信号を生成する」とは、距離の計測値がどのような値であったとしても距離を制御するための制御信号が生成されなければならないということを意味しているわけではなく、一例においては距離の計測値が所定範囲から外れた場合にのみ、距離を制御するための制御信号が生成される。 In order to solve the above problems, the present invention provides a distance sensor that measures the distance between an unmanned aerial vehicle that flies under control using an external input signal and/or flight plan information generated in advance and a target element. and a distance sensor equipped with a camera for photographing and a measurement value determination circuit for determining a distance measurement value using the photographed image information, and a distance measurement value measured by the distance sensor, during flight and a control signal generating circuit for generating a control signal for controlling the distance between the unmanned aerial vehicle and a target element. Here, “according to” the measured value of the distance and “generating a control signal for controlling the distance” means that the control signal for controlling the distance is generated regardless of the measured value of the distance. does not mean that must be generated, in one example, a control signal for controlling the distance is generated only when the measured distance is out of a predetermined range.

無人航空機は、少なくとも外部入力信号を用いた制御により飛行する無人航空機であってよく、外部入力信号は、無人航空機の飛行中に外部入力装置からリアルタイムで入力される信号であってよく、制御信号は、距離の計測値に応じて外部入力信号を変更して得られる信号であってよい。 The unmanned aerial vehicle may be an unmanned aerial vehicle that flies under control using at least an external input signal, and the external input signal may be a signal input in real time from an external input device during flight of the unmanned aerial vehicle. may be a signal obtained by changing an external input signal according to the distance measurement.

無人航空機は、少なくとも飛行計画情報を用いた制御により飛行する無人航空機であってよく、飛行計画情報は、コンピュータがプログラムを実行することにより飛行前に予め生成された飛行計画情報であってよい。 The unmanned aerial vehicle may be an unmanned aerial vehicle that flies under control using at least flight plan information, and the flight plan information may be flight plan information generated in advance before flight by a computer executing a program.

計測値決定回路は制御信号生成回路に統合されていてよい。 The measured value determination circuit may be integrated with the control signal generation circuit.

制御信号生成回路は、計測値が第1の基準値よりも小さい場合、無人航空機を対象要素から離れさせるための制御信号を生成するよう構成されていてよい。ただし、「対象要素から離れさせるための制御信号を生成する」ための条件として「計測値が第1の基準値よりも小さい場合」という条件に加えて何らかの追加的条件を課してもよいし、また「計測値が第1の基準値よりも小さい場合」という条件が満たされない場合であっても「対象要素から離れさせるための制御信号を生成する」ことを禁止するものではない。 The control signal generation circuitry may be configured to generate a control signal to move the unmanned aerial vehicle away from the target element when the measured value is less than the first reference value. However, some additional condition may be imposed in addition to the condition "when the measured value is smaller than the first reference value" as the condition for "generating a control signal for moving away from the target element". Also, even if the condition "when the measured value is smaller than the first reference value" is not satisfied, it is not prohibited to "generate a control signal for moving away from the target element".

制御信号生成回路は、計測値が、第1の基準値以上の第2の基準値よりも大きい場合、無人航空機を対象要素に近づけるための制御信号を生成するよう構成されていてよい。ただし、「対象要素に近づけるための制御信号を生成する」ための条件として「計測値が、第1の基準値以上の第2の基準値よりも大きい場合」という条件に加えて何らかの追加的条件を課してもよいし、また「計測値が、第1の基準値以上の第2の基準値よりも大きい場合」という条件が満たされない場合であっても「対象要素に近づけるための制御信号を生成する」ことを禁止するものではない。 The control signal generation circuitry may be configured to generate a control signal to bring the unmanned aerial vehicle closer to the target element when the measured value is greater than a second reference value greater than or equal to the first reference value. However, in addition to the condition "when the measured value is greater than the second reference value equal to or greater than the first reference value" as a condition for "generating a control signal for approaching the target element", some additional condition may be imposed, and even if the condition "when the measured value is greater than the second reference value equal to or greater than the first reference value" is not satisfied, "the control signal for approaching the target element It is not prohibited to "generate

第1の基準値と第2の基準値とは等しくてもよい。 The first reference value and the second reference value may be equal.

制御信号生成回路は、計測値が第1の基準値よりも小さく、且つ経時的に計測値が減少する場合において、無人航空機を対象要素から離れさせるための制御信号を生成し、計測値が第2の基準値よりも大きく、且つ経時的に計測値が増大する場合において、無人航空機を対象要素に近づけるための制御信号を生成するよう構成されていてよい。ただし、「無人航空機を対象要素から離れさせるための制御信号を生成」するための条件、「無人航空機を対象要素に近づけるための制御信号を生成する」ための条件として、それぞれ「計測値が第1の基準値よりも小さく、且つ経時的に計測値が減少する場合」という条件、「計測値が第2の基準値よりも大きく、且つ経時的に計測値が増大する場合」という条件に加えて何らかの追加的条件を課してもよいし、また「計測値が第1の基準値よりも小さく、且つ経時的に計測値が減少する場合」という条件、「計測値が第2の基準値よりも大きく、且つ経時的に計測値が増大する場合」という条件がそれぞれ満たされない場合であっても、「無人航空機を対象要素から離れさせるための制御信号を生成」すること、「無人航空機を対象要素に近づけるための制御信号を生成する」ことを禁止するものではない。 The control signal generation circuit generates a control signal for moving the unmanned aerial vehicle away from the target element when the measured value is smaller than the first reference value and the measured value decreases over time, and the measured value is the first reference value. 2 reference value and the measured value increases over time, it may be configured to generate a control signal to bring the unmanned aerial vehicle closer to the target element. However, the condition for "generating a control signal to move the unmanned aerial vehicle away from the target element" and the condition for "generating a control signal for moving the unmanned aerial vehicle closer to the target element" are, respectively, that "the measured value is the first In addition to the condition "when the measured value is smaller than the reference value of 1 and the measured value decreases over time", and the condition "when the measured value is greater than the second reference value and the measured value increases over time" may impose some additional conditions, and the condition "when the measured value is smaller than the first reference value and the measured value decreases over time", "the measured value is less than the second reference value and the measurement value increases over time”, even if the conditions are not met, “generate a control signal to move the unmanned aerial vehicle away from the target element”, “unmanned aerial vehicle Generating a control signal for approaching the target element is not prohibited.

飛行制御装置は、撮影カメラの撮影とは異なる方向を撮影する外部環境撮影カメラを更に備えてよい。 The flight control device may further include an external environment imaging camera that captures images in a direction different from that of the imaging camera.

飛行制御装置は、無人航空機の周囲に存在する要素に対する無人航空機の相対位置を計測するための相対位置計測センサを更に備えてよい。 The flight controller may further comprise a relative position measurement sensor for measuring the relative position of the unmanned aerial vehicle with respect to elements present in the unmanned aerial vehicle's environment.

対象要素は、被点検構造物であってよい。 The target element may be an inspected structure.

また本発明は、上記飛行制御装置を備えた無人航空機を提供する。 The present invention also provides an unmanned aerial vehicle comprising the above flight control device.

また本発明は、対象要素を撮影し、撮影した画像情報を用いて、外部入力信号及び/又は予め生成された飛行計画情報を用いた制御により飛行する無人航空機と、対象要素と、の距離の計測値を決定することにより、距離を計測する段階と、距離の計測値に応じて、飛行中に無人航空機と対象要素との距離を制御するための制御信号を生成する段階とを備えた無人航空機の飛行制御方法を提供する。 In addition, the present invention captures an image of a target element, and uses the captured image information to determine the distance between an unmanned aircraft that flies under control using an external input signal and/or pre-generated flight plan information, and the target element. measuring a distance by determining a metric; and generating a control signal for controlling the distance between the unmanned aerial vehicle and a target element in flight in response to the distance metric. A flight control method for an aircraft is provided.

また本発明は、対象要素を撮影カメラが撮影した画像情報を用いて、外部入力信号及び/又は予め生成された飛行計画情報を用いた制御により飛行する無人航空機と、対象要素と、の距離の計測値を計測値決定回路に決定させ、距離の計測値に応じて、飛行中に無人航空機と対象要素との距離を制御するための制御指令値を制御信号生成回路に生成させるためのプログラムを提供する。当該プログラムは、ハードディスク、CD-ROM、任意の半導体メモリ等、コンピュータによる読み取り可能な不揮発性(非一時的)記録媒体に記録された状態で(1つの記録媒体に記録されても、2以上の記録媒体に分散して記録されてもよい。)プログラム製品として提供することも可能である。 In addition, the present invention provides a method for determining the distance between an unmanned aerial vehicle that flies under control using an external input signal and/or flight plan information generated in advance using image information captured by a camera that captures a target element, and the target element. A program for causing the measured value determination circuit to determine the measured value and causing the control signal generation circuit to generate a control command value for controlling the distance between the unmanned aerial vehicle and the target element during flight according to the measured value of the distance. offer. The program is recorded in a computer-readable non-volatile (non-temporary) recording medium such as a hard disk, CD-ROM, arbitrary semiconductor memory (even if it is recorded in one recording medium, two or more It may be distributed and recorded on a recording medium.) It is also possible to provide as a program product.

本発明に従って無人航空機と対象要素との距離を制御しつつ無人航空機を飛行させれば、無人航空機が飛行中に被点検構造物や障害物等に衝突するリスクを少なくとも低減できる。 By flying the unmanned aerial vehicle while controlling the distance between the unmanned aerial vehicle and the target element according to the present invention, it is possible to at least reduce the risk of the unmanned aerial vehicle colliding with a structure to be inspected, an obstacle, or the like during flight.

本発明の一実施形態である無人航空機の斜視図。1 is a perspective view of an unmanned aerial vehicle that is an embodiment of the present invention; FIG. 図1の無人航空機をzの負方向から見た図。FIG. 2 is a diagram of the unmanned aerial vehicle of FIG. 1 viewed in the negative z direction; 図1の無人航空機の構成を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the unmanned aerial vehicle in FIG. 1; 無人航空機と被点検構造物との距離計測、及び計測値に応じた距離制御を説明するためのフローチャート。4 is a flowchart for explaining distance measurement between an unmanned aerial vehicle and a structure to be inspected, and distance control according to the measured value. ステレオカメラによる距離計測の原理を説明するための図(特開2012-198077号の図1から引用し、座標軸の定義のみ変更した)。A diagram for explaining the principle of distance measurement by a stereo camera (cited from FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-198077, with only the definition of coordinate axes changed). ステレオカメラと計測値決定回路の構成を示すブロック図(特開2012-198077号の図5から引用し、参照符号のみを変更した)。FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of a stereo camera and a measurement value determination circuit (cited from FIG. 5 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-198077, only the reference numerals are changed); 被点検構造物から距離dだけ離れて飛行する無人航空機を示す図。FIG. 4 shows an unmanned aerial vehicle flying a distance d from a structure to be inspected; 無人航空機と被点検構造物との距離dが第1の基準値D1よりも小さい場合に無人航空機を被点検構造物から離れされるための制御が行われることを説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining that control is performed to move the unmanned aerial vehicle away from the structure to be inspected when the distance d between the unmanned aerial vehicle and the structure to be inspected is smaller than a first reference value D1 ; 無人航空機と被点検構造物との距離dが第2の基準値D2よりも大きい場合に無人航空機を被点検構造物に近づけるための制御が行われることを説明するための図。FIG. 5 is a diagram for explaining that control is performed to bring the unmanned aerial vehicle closer to the structure to be inspected when the distance d between the unmanned aerial vehicle and the structure to be inspected is greater than a second reference value D2 ; 第1の基準値D1と第2の基準値D2とが等しいときに、無人航空機と被点検構造物との距離をD1=D2にするための制御が行われることを説明するための図。To explain that when the first reference value D1 and the second reference value D2 are equal, control is performed to set the distance between the unmanned aerial vehicle and the structure under inspection to D1 = D2 . illustration. 無人航空機と被点検構造物との距離がD1=D2に制御されるとき、無人航空機の飛行が実質的に2次元面内に制限されることを示す図。FIG. 4 illustrates that the flight of the unmanned aerial vehicle is substantially restricted within a two-dimensional plane when the distance between the unmanned aerial vehicle and the structure under inspection is controlled to D 1 =D 2 ; 無人航空機と被点検要素との距離がD1=D2に制御されるとき、無人航空機の飛行が実質的に1次元線上に制限されることを示す図。FIG. 4 illustrates that the flight of the unmanned aerial vehicle is substantially constrained to a one-dimensional line when the distance between the unmanned aerial vehicle and the inspected element is controlled to D 1 =D 2 ; 図4のフローチャートの変形例。FIG. 5 is a modified example of the flowchart of FIG. 4; 本発明の一実施形態である無人航空機の試作機をzの正方向から見た図。The figure which looked at the prototype of the unmanned aerial vehicle which is one Embodiment of this invention from the positive direction of z. 本発明の一実施形態である無人航空機の試作機をzの正方向よりやや斜め方向から見た写真。A photograph of a prototype of an unmanned aerial vehicle that is an embodiment of the present invention, viewed from a direction slightly oblique to the positive direction of z. 図10A,図10Bの試作機の構成を示すブロック図。FIG. 10A is a block diagram showing the configuration of the prototype shown in FIGS. 10A and 10B; 図10A,図10Bの試作機を操縦するための外部入力装置上の距離設定ノブを示す図。FIG. 10B shows a distance setting knob on an external input device for steering the prototype of FIGS. 10A and 10B; 図10A,図10Bの試作機の初期設定に用いられる離陸パッドを示す図。10A and 10B show take-off pads used for initial setup of the prototype of FIGS. 10A and 10B; FIG.

以下、本発明の一実施形態である無人航空機、無人航空機の飛行制御装置、無人航空機の飛行制御方法、及びプログラムを、図面を参照しつつ説明する。ただし本発明による無人航空機、無人航空機の飛行制御装置、無人航空機の飛行制御方法、及びプログラムが以下に説明する具体的態様に限定されるわけではなく、本発明の範囲内で適宜変更可能であることに留意する。例えば、本発明に係る無人航空機はマニュアル型でも自律飛行型でもよく、これらを組み合わせたセミマニュアル型の無人航空機でもよいし、無人航空機の機能構成も、図3や図11に示されるものに限らず同様の動作が可能であれば任意であり、例えば通信回路、計測値決定回路、SLAM処理回路のうち1以上を主演算回路に統合する等、複数の構成要素が実行すべき動作を単独の構成要素により実行してもよいし、あるいは主演算回路の機能を複数の演算回路に分散する等、図示される単独の構成要素の実行すべき動作を複数の構成要素により実行してもよい。一例として、図3においては計測値決定回路が制御信号生成回路とは別個のハードウェア(例えば、市販されているステレオカメラに予め付属するデジタル信号処理部としての、プロセッサ、メモリ等からなる回路)として描かれているが、主演算回路によりそのようなデジタル信号の処理を行う(単眼カメラ2つにより撮影カメラを構成し、それぞれの撮影した画像データを主演算回路に出力する。)等の構成をとることにより、計測値決定回路を制御信号生成回路に統合してもよい。無人航空機の自律制御プログラムは、ハードディスクドライブ等の記録デバイスに記録されて主演算回路により読み出されて実行されるものであってもよいし(図示される自律制御プログラムが、距離制御モジュール等、複数のプログラムモジュールに分解されてもよいし、その他の任意のプログラムが主演算回路等により実行されてもよい。)、マイコン等を用いた組み込み型のシステムによって同様の動作が実行されてもよい。以下の実施形態で示される全ての構成要素を本発明に係る無人航空機、無人航空機の飛行制御装置が備える必要はなく、また示される方法ステップ、あるいはこれを処理装置に実行させるための命令の全てを本発明に係る無人航空機の制御方法あるいはプログラムが備える必要もない。無人航空機を飛行させるための回転翼も、図1,図2等で示されるような6つのロータR1~R6に限らず、例えば4つのロータR1~R4等、任意の数の回転翼(ロータ、プロペラ等、任意の回転翼)であってよい。無人航空機はシングルロータ型のヘリコプタや固定翼機等、任意の無人航空機であってよい。無人航空機の機体サイズも任意である。 An unmanned aerial vehicle, a flight control device for an unmanned aerial vehicle, a flight control method for an unmanned aerial vehicle, and a program according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the unmanned aerial vehicle, the flight control device for the unmanned aerial vehicle, the flight control method for the unmanned aerial vehicle, and the program according to the present invention are not limited to the specific embodiments described below, and can be appropriately modified within the scope of the present invention. Note that For example, the unmanned aerial vehicle according to the present invention may be a manual type or an autonomous flight type, or a semi-manual type unmanned aerial vehicle combining these. Any operation is possible as long as similar operations are possible. Alternatively, the operation to be performed by a single illustrated component may be performed by a plurality of components, such as distributing the function of a main processing circuit to a plurality of processing circuits. As an example, in FIG. 3, the measured value determination circuit is hardware separate from the control signal generation circuit (for example, a circuit consisting of a processor, a memory, etc., as a digital signal processing unit attached in advance to a commercially available stereo camera). , the main processing circuit performs such digital signal processing (a photographing camera is composed of two monocular cameras, and the image data photographed by each is output to the main processing circuit). The measurement determination circuit may be integrated with the control signal generation circuit by taking The autonomous control program of the unmanned aerial vehicle may be recorded in a recording device such as a hard disk drive, read out by the main computing circuit, and executed (the autonomous control program shown in the figure may be stored in a distance control module, etc. It may be decomposed into a plurality of program modules, or any other program may be executed by a main arithmetic circuit or the like.) Similar operations may be executed by an embedded system using a microcomputer or the like. . It is not necessary for an unmanned aerial vehicle or a flight control device for an unmanned aerial vehicle according to the present invention to include all of the components shown in the following embodiments, and all of the shown method steps or instructions for causing a processing device to execute them. need not be included in the unmanned aerial vehicle control method or program according to the present invention. The rotors for flying the unmanned aerial vehicle are not limited to six rotors R1 to R6 as shown in FIGS. any rotating blade, such as a propeller). The unmanned aerial vehicle may be any unmanned aerial vehicle, such as a single rotor helicopter or fixed wing aircraft. The body size of the unmanned aerial vehicle is also arbitrary.

無人航空機の構成と飛行制御の概要
図1に、本発明の一実施形態である無人航空機の斜視図を示し、図2に、無人航空機をzの負方向から見た図を示す(着陸脚5は略した)。無人航空機1は、本体部2と、本体部2からの制御信号により駆動する6つのモータM1~M6(図2)と、モータM1~M6の各々の駆動により回転して無人航空機1を飛行させる6つのロータ(回転翼)R1~R6と、本体部2とモータM1~M6とをそれぞれ接続するアームA1~A6(図2)と、飛行中に前方を撮影するためのステレオカメラ3と、飛行中に前方以外を撮影するための外部環境撮影カメラ4と、離着陸時の転倒防止等に寄与する着陸脚5とを備えている。図1に示すとおり、x軸周り、y軸周り、z軸周りの回転角として、ロール角、ピッチ角、ヨー角が定義される。また機体の上昇、下降(ロータR1~R6全体としての回転数)に対応する量として、スロットル量が定義される。図2に示すとおり、ロータR1,R3,R5はzの負方向から見て時計回りに回転し、ロータR2,R4,R6はzの負方向から見て反時計回りに回転する。すなわち隣り合うロータ同士は逆向きに回転する。6本のアームA1~A6は長さが等しく、図2に示すとおり60°間隔で配置されている。無人航空機1は、その他にも用途等に応じて追加のカメラやペイロード等を備えていてよい(不図示)。
Overview of configuration and flight control of unmanned aerial vehicle FIG. 1 shows a perspective view of an unmanned aerial vehicle that is an embodiment of the present invention, and FIG. omitted). The unmanned aerial vehicle 1 has a main body 2, six motors M1 to M6 (FIG. 2) driven by control signals from the main body 2, and the motors M1 to M6 are driven to rotate and fly the unmanned aerial vehicle 1. 6 rotors (rotary blades) R1 to R6, arms A1 to A6 (FIG. 2) connecting the main body 2 and the motors M1 to M6, respectively, a stereo camera 3 for photographing the front during flight, and a flight An external environment photographing camera 4 for photographing areas other than the front and a landing leg 5 contributing to prevention of overturning during takeoff and landing are provided. As shown in FIG. 1, a roll angle, a pitch angle, and a yaw angle are defined as rotation angles about the x-axis, the y-axis, and the z-axis. A throttle amount is defined as an amount corresponding to the ascent and descent of the airframe (the number of rotations of the rotors R1 to R6 as a whole). As shown in FIG. 2, rotors R1, R3 and R5 rotate clockwise when viewed in the negative z direction, and rotors R2, R4 and R6 rotate counterclockwise when viewed in the negative z direction. That is, adjacent rotors rotate in opposite directions. The six arms A1 to A6 have the same length and are arranged at intervals of 60° as shown in FIG. The unmanned aerial vehicle 1 may also be equipped with additional cameras, payloads, etc. (not shown) depending on the application.

図3は、図1の無人航空機の構成を示すブロック図である。無人航空機1の本体部2は、プロセッサ、一時メモリ等から構成されて各種演算を行う主演算回路7aと、主演算回路7aによる演算で得られた制御指令値データをモータM1~M6へのパルス信号(PWM,Pulse Width Modulation信号)に変換する等の処理を担う、プロセッサ、一時メモリ等から構成される信号変換回路7bと(主演算回路7a、信号変換回路7bを含む演算回路を制御信号生成回路8と称する。)、制御信号生成回路8により生成されたパルス信号をモータM1~M6への駆動電流へと変換するスピードコントローラ(ESC:Electric Speed Controller)ESC1~ESC6と、外部との各種データ信号の送受信を担う通信アンテナ12及び通信回路13と、GPS(Global Positioning System)センサ、姿勢センサ、高度センサ、方位センサ等の各種センサを含むセンサ部14と、自律制御プログラム9a(距離制御モジュール9bを含む)、各種データベース9c等を記録するハードディスクドライブ等の記録デバイスから構成される記録装置10と、リチウムポリマーバッテリやリチウムイオンバッテリ等のバッテリデバイスや各要素への配電系を含む電源系11とを備えている。また無人航空機1は、ステレオカメラ3と、ステレオカメラ3により撮影された画像情報のデジタル信号処理を行うことにより距離の計測値を決定する、プロセッサ、一時メモリ等から構成された計測値決定回路6と、飛行中にステレオカメラ3の撮影とは異なる方向を撮影して自己のメモリに記録する外部環境撮影カメラ4とを備えている(外部環境撮影カメラ4により撮影された画像情報は随時記録装置10に記録されてもよい。)。 3 is a block diagram showing the configuration of the unmanned aerial vehicle of FIG. 1. FIG. The main body 2 of the unmanned aerial vehicle 1 includes a main arithmetic circuit 7a, which is composed of a processor, a temporary memory, etc., and performs various arithmetic operations. A signal conversion circuit 7b composed of a processor, a temporary memory, etc., which performs processing such as conversion to signals (PWM, Pulse Width Modulation signals), and an arithmetic circuit including a main arithmetic circuit 7a and a signal conversion circuit 7b. circuit 8), speed controllers (ESC: Electric Speed Controllers) ESC1 to ESC6 that convert the pulse signals generated by the control signal generation circuit 8 into driving currents for the motors M1 to M6, and various data with the outside. A communication antenna 12 and a communication circuit 13 responsible for transmitting and receiving signals, a sensor unit 14 including various sensors such as a GPS (Global Positioning System) sensor, an attitude sensor, an altitude sensor, an azimuth sensor, and an autonomous control program 9a (distance control module 9b ), a recording device 10 composed of a recording device such as a hard disk drive for recording various databases 9c, etc., a battery device such as a lithium polymer battery or a lithium ion battery, and a power supply system 11 including a power distribution system to each element It has Also, the unmanned aerial vehicle 1 includes a stereo camera 3 and a measured value determination circuit 6 configured by a processor, a temporary memory, etc., which determines a measured value of distance by performing digital signal processing of image information captured by the stereo camera 3. and an external environment photographing camera 4 that photographs a direction different from that of the stereo camera 3 during flight and records it in its own memory (image information photographed by the external environment photographing camera 4 is recorded at any time by a recording device). 10).

その他に、無人航空機1は機能用途に応じて任意の機能部、情報等を備えていてよい。
一例として、無人航空機1が飛行計画に従って自律飛行する場合(自律飛行モード)には、飛行の開始位置、目的位置、開始位置から出発して目的位置に到達するまでに経由すべきチェックポイント位置(緯度、経度、高度)の集合である飛行計画経路、速度制限、高度制限等、飛行中に従うべき何らかの経路、規則等を含む飛行計画を示すデータである飛行計画情報(外部コンピュータが飛行計画情報生成プログラムを実行することにより、無人航空機1のユーザ等が外部インターフェースから入力した条件や経路等を用いて飛行前に予め生成された情報)が記録装置10に記録され、また無人航空機1の飛行計画に含まれる飛行計画経路周辺の2次元マップ又は3次元マップ情報も記録装置10に記録され、主演算回路7aが飛行計画情報を読み込んで自律制御プログラム9aを実行することにより、飛行計画に従って無人航空機1が飛行する。具体的には、センサ部14の各種センサから得られる情報により無人航空機1の現在位置、速度等を決定し、飛行計画で定められた飛行計画経路、速度制限、高度制限等の目標値と比較することにより主演算回路7aでスロットル量、ロール角、ピッチ角、ヨー角に関する制御指令値を演算し、これを主演算回路7aがロータR1~R6の回転速度に関する制御指令値に変換して信号変換回路7bに送信し、当該回転速度に関する制御指令値を示すデータを信号変換回路7bでパルス信号に変換してスピードコントローラESC1~ESC6に送信し、スピードコントローラESC1~ESC6がそれぞれパルス信号を駆動電流へと変換してモータM1~M6にそれぞれ出力し、モータM1~M6の駆動を制御してロータR1~R6の回転速度等を制御することにより無人航空機1の飛行が制御される。一例として、無人航空機1の高度を上げる制御指令に対してはロータR1~R6の回転数が増加し(高度を下げる場合には減少)、無人航空機1を前進方向(図1のxの正方向)に加速する制御指令に対しては、ロータR1,R2の回転数を減らしてロータR4,R5の回転数を増やす(減速であれば逆の制御)等の制御が行われる。無人航空機1が実際に飛行した飛行経路(各時刻における無人航空機1の機体位置等)や各種センサデータ等の飛行記録情報は、飛行中に随時各種データベース9cに記録される。
In addition, the unmanned aerial vehicle 1 may be provided with arbitrary functional units, information, etc. according to the functional application.
As an example, when the unmanned aerial vehicle 1 autonomously flies according to the flight plan (autonomous flight mode), the flight start position, the target position, and the checkpoint positions ( latitude, longitude, altitude) Flight plan information (external computer generates flight plan information) By executing the program, information generated in advance using conditions, routes, etc. input by the user of the unmanned aerial vehicle 1 from an external interface) is recorded in the recording device 10, and a flight plan of the unmanned aerial vehicle 1 is recorded. The two-dimensional map or three-dimensional map information around the flight plan route included in is also recorded in the recording device 10, and the main arithmetic circuit 7a reads the flight plan information and executes the autonomous control program 9a to execute the unmanned aerial vehicle according to the flight plan 1 flies. Specifically, the current position, speed, etc. of the unmanned aerial vehicle 1 are determined from information obtained from various sensors of the sensor unit 14, and compared with target values such as the flight plan route, speed limit, altitude limit, etc. determined in the flight plan. As a result, the main computation circuit 7a computes control command values relating to the throttle amount, roll angle, pitch angle, and yaw angle, and the main computation circuit 7a converts these into control command values relating to the rotational speeds of the rotors R1 to R6, and outputs signals The signal conversion circuit 7b converts the data indicating the control command value related to the rotation speed into a pulse signal and transmits it to the speed controllers ESC1 to ESC6. The flight of the unmanned aerial vehicle 1 is controlled by controlling the rotation speeds of the rotors R1 to R6 by controlling the driving of the motors M1 to M6. As an example, in response to a control command to raise the altitude of the unmanned aerial vehicle 1, the number of revolutions of the rotors R1 to R6 is increased (reduced when the altitude is lowered), and the unmanned aerial vehicle 1 is moved forward (the positive direction of x in FIG. 1). ), control such as decreasing the rotation speed of the rotors R1 and R2 and increasing the rotation speed of the rotors R4 and R5 (reverse control for deceleration) is performed. Flight record information such as the flight path actually flown by the unmanned aerial vehicle 1 (body position of the unmanned aerial vehicle 1 at each time, etc.) and various sensor data are recorded in various databases 9c at any time during the flight.

なお、無人航空機1が、プロポーショナル・コントローラ(プロポ)等の外部入力装置から通信アンテナ12及び通信回路13により飛行中にリアルタイムで受信する外部入力信号により示される外部入力指令値(スロットル量、ロール角、ピッチ角、ヨー角に関する指令値)に従って飛行する場合(マニュアルモード)は、外部入力指令値を用いて主演算回路7aが自律制御プログラム9a(外部入力装置によるマニュアル制御専用の機体として無人航空機1を構成する場合は、記録装置10に記録された別個の制御プログラム。)を実行することによりロータR1~R6の回転速度に関する制御指令値を演算し、このデータを信号変換回路7bでパルス信号に変換して、以下同様に、スピードコントローラESC1~ESC6、モータM1~M6を用いてロータR1~R6の回転速度を制御して飛行制御を行う。 The unmanned aerial vehicle 1 receives external input command values (throttle amount, roll angle , pitch angle, and yaw angle) (manual mode), the main arithmetic circuit 7a uses the external input command value to control the autonomous control program 9a (the unmanned aerial vehicle 1 as an aircraft dedicated to manual control by an external input device is configured, a separate control program recorded in the recording device 10) is executed to calculate the control command value for the rotational speed of the rotors R1 to R6, and this data is converted into a pulse signal by the signal conversion circuit 7b. After conversion, the speed controllers ESC1 to ESC6 and the motors M1 to M6 are used in the same way to control the rotational speeds of the rotors R1 to R6 to perform flight control.

あるいは、機体の姿勢のみ自律制御する姿勢制御モード(セミマニュアルモードの一例)で無人航空機1を飛行させる場合は、センサ部14の姿勢センサ(ジャイロセンサ、磁気センサ等)の測定により得られる姿勢情報を示すデータを用いて主演算回路7aが自律制御プログラム9aを実行することにより、姿勢センサからのデータと姿勢の目標値を比較する等して姿勢制御の指令値(ロール角、ピッチ角、ヨー角に関する指令値)を演算し、当該姿勢制御の指令値と、外部入力装置から受信する外部入力信号により示される外部入力指令値(スロットル量、ロール角、ピッチ角、ヨー角に関する指令値)とを組み合わせることにより、スロットル量、ロール角、ピッチ角、ヨー角に関する(合成)制御指令値を演算し、これをロータR1~R6の回転速度に関する制御指令値に変換し(主演算回路7aが自律制御プログラム9aを実行することにより演算及び変換が行われる。)、以下同様に飛行が制御される。 Alternatively, when flying the unmanned aerial vehicle 1 in an attitude control mode (an example of a semi-manual mode) in which only the attitude of the aircraft is autonomously controlled, attitude information obtained by measuring the attitude sensor (gyro sensor, magnetic sensor, etc.) of the sensor unit 14 The main arithmetic circuit 7a executes the autonomous control program 9a using the data indicating the attitude control command values (roll angle, pitch angle, yaw command value for attitude control) and the external input command value (command value for throttle amount, roll angle, pitch angle, yaw angle) indicated by the external input signal received from the external input device. are combined to calculate (synthesized) control command values relating to the throttle amount, roll angle, pitch angle, and yaw angle, which are converted into control command values relating to the rotational speeds of the rotors R1 to R6 (the main computation circuit 7a autonomously Calculations and conversions are performed by executing the control program 9a), and the flight is controlled in the same way.

自律飛行型無人航空機の一例としては、ミニサーベイヤーACSL-PF1(株式会社自律制御システム研究所)、Snap(Vantage Robotics社)、AR.Drone2.0(Parrot社)、Bebop Drone(Parrot社)等が市販されている。以下に説明する無人航空機1の飛行制御において、無人航空機1は基本的に外部入力装置等からの外部入力信号に従って飛行し、姿勢、及び対象要素との距離のみが自律制御されるものとするが、完全自律制御飛行や完全外部制御飛行をする無人航空機1においても同様に距離制御を含む飛行制御が可能である。 Examples of autonomous flying unmanned aerial vehicles include Mini Surveyor ACSL-PF1 (Autonomous Control Systems Laboratory Co., Ltd.), Snap (Vantage Robotics), AR. Drone 2.0 (Parrot), Bebop Drone (Parrot), etc. are commercially available. In the flight control of the unmanned aerial vehicle 1 described below, the unmanned aerial vehicle 1 basically flies according to external input signals from an external input device or the like, and only the attitude and the distance to the target element are autonomously controlled. Similarly, flight control including distance control is possible in the unmanned aerial vehicle 1 that performs fully autonomous control flight or fully external control flight.

距離計測と計測値に応じた距離制御
本実施形態における無人航空機1は、無人航空機1と、被点検構造物等の対象要素との距離を、ステレオカメラ3と計測値決定回路6とを用いて飛行中に計測し、計測値決定回路6から距離の計測値を示す信号をリアルタイムで受信した制御信号生成回路8が、当該距離の計測値に応じて当該距離を飛行中にリアルタイムで制御するための制御信号を生成する(主演算回路7aが制御指令値を生成し、信号変換回路7bが制御指令値データをパルス信号としての制御信号に変換する)ことにより距離制御を行う。図4に、ステレオカメラ3と計測値決定回路6とを用いた距離計測、そしてその後に続く、距離制御モジュール9bを含む自律制御プログラム9aを主演算回路7aが実行することにより行われる制御指令値の生成処理を含む処理のフローチャートを示す。
Distance Measurement and Distance Control Based on Measured Values The unmanned aerial vehicle 1 in this embodiment measures the distance between the unmanned aerial vehicle 1 and a target element such as a structure to be inspected using a stereo camera 3 and a measured value determination circuit 6. The control signal generation circuit 8, which measures during flight and receives in real time a signal indicating the measured value of the distance from the measured value determination circuit 6, controls the distance in real time according to the measured value of the distance during flight. (the main arithmetic circuit 7a generates a control command value, and the signal conversion circuit 7b converts the control command value data into a control signal as a pulse signal) to perform distance control. FIG. 4 shows the distance measurement using the stereo camera 3 and the measured value determination circuit 6, followed by the control instruction value obtained by the main arithmetic circuit 7a executing the autonomous control program 9a including the distance control module 9b. 4 shows a flowchart of processing including generation processing of .

まず、無人航空機1の飛行中にステレオカメラ3が対象要素(後述の図7A等に示す被点検構造物15aとする。)を撮影し(ステップS401)、計測値決定回路6が、左右のカメラC0,C1(後述の図5,図6参照)で同時に撮影された画像情報を用いて無人航空機1と被点検構造物15aとの距離の計測値dを決定する(ステップS402)。計測値決定回路6は、距離の計測値dを示す信号を主演算回路7aに出力する(ステップS403)。以下、特許文献1(特開2012-198077号公報。発明者:青木 伸、発明の名称「ステレオカメラ装置、視差画像生成方法」、出願人:株式会社リコー、出願番号:特願2011-61729、平成23年3月18日出願)の記載を引用しつつ、距離計測の原理やステレオカメラ3の構成を説明する。 First, during the flight of the unmanned aerial vehicle 1, the stereo camera 3 photographs a target element (a structure to be inspected 15a shown in FIG. Using the image information captured simultaneously by C0 and C1 (see FIGS. 5 and 6 described later), the measured value d of the distance between the unmanned aerial vehicle 1 and the structure to be inspected 15a is determined (step S402). The measured value determination circuit 6 outputs a signal indicating the measured value d of the distance to the main arithmetic circuit 7a (step S403). Below, Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-198077. Inventor: Shin Aoki, Title of Invention: "Stereo Camera Device, Parallax Image Generation Method", Applicant: Ricoh Co., Ltd., Application Number: Japanese Patent Application No. 2011-61729, (filed on Mar. 18, 2011), the principle of distance measurement and the configuration of the stereo camera 3 will be described.

ステレオカメラによる距離計測
図5は、特許文献1の図1からの引用である(座標軸の定義のみ変更している。)。ステレオカメラ3による距離計測の原理は、以下に特許文献1の段落[0003]-[0004]から引用して説明するとおり、図5を用いて説明される。
Distance measurement by stereo camera FIG. 5 is a quote from FIG. 1 of Patent Document 1 (only the definition of coordinate axes is changed). The principle of distance measurement by the stereo camera 3 will be explained with reference to FIG.

「[0003]
図1は平行配置したステレオカメラによる距離計測の原理を説明するための図である。カメラC0とC1が距離Bだけ離れて設置されている。カメラC0とC1の焦点距離、光学中心、撮像面は下記のとおりである。
焦点距離:f、
光学中心:O0、O1
撮像面:s0、s1
カメラC0の光学中心O0から光軸方向に距離dだけ離れた位置にある被写体Aの像は、直線A-O0と撮像面s0との交点であるP0に像を結ぶ。一方カメラC1では、同じ被写体Aが、撮像面s1上の位置P1に像を結ぶ。ここで、カメラC1の光学中心O1を通り、直線A-O0と平行な直線と、撮像面s1との交点をP0’とし、点P0’とP1との距離をpとする。」(特許文献1の段落[0003]を引用)
"[0003]
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of distance measurement by stereo cameras arranged in parallel. Cameras C 0 and C 1 are placed a distance B apart. The focal lengths, optical centers, and imaging planes of the cameras C0 and C1 are as follows.
focal length: f,
Optical center: O 0 , O 1
Imaging plane: s 0 , s 1
An image of an object A located at a distance d in the optical axis direction from the optical center O 0 of the camera C0 forms an image at P 0 which is the intersection of the straight line AO 0 and the imaging plane s 0 . On the other hand, in the camera C1, the same subject A forms an image at the position P1 on the imaging surface s1 . Here, let P 0 ' be the intersection of a straight line passing through the optical center O 1 of the camera C1 and parallel to the straight line AO 0 and the imaging surface s 1 , and let p be the distance between the points P 0 ' and P 1 . do. "(citing paragraph [0003] of Patent Document 1)

「[0004]
0’は、カメラC0上の像P0と同じ位置であり、距離pは、同じ被写体の像の、二つのカメラで撮影した画像上での位置のずれ量を表し、これを視差と呼ぶ。
三角形:A-O0-O1、三角形O1- P0’-P1は相似なので、
d = Bf/p
が得られる。カメラC0とC1の距離B(基線長)と焦点距離fが既知ならば、視差pから距離dを求めることができる。」(特許文献1の段落[0004]を引用)
"[0004]
P 0 ' is the same position as the image P 0 on the camera C0, and the distance p represents the amount of positional deviation between the images of the same subject on the images taken by the two cameras, which is called parallax. .
Triangle: AO 0 -O 1 and triangle O 1 -P 0 '-P 1 are similar, so
d = Bf/p
is obtained. If the distance B (baseline length) between the cameras C0 and C1 and the focal length f are known, the distance d can be obtained from the parallax p. "(citing paragraph [0004] of Patent Document 1)

以上、特許文献1の図1及び段落[0003]-[0004]を引用してステレオカメラによる距離計測の原理を説明した。なお、以降においては図5に示すとおり被写体(対象要素)Aと、光学中心O0,O1との光軸方向の距離dを「無人航空機1と対象要素Aとの距離」とするが、例えば被写体(対象要素)Aと撮像面s0,s1との光軸方向の距離=d+fとして「無人航空機1と対象要素Aとの距離」を定義するなど、当該「距離」の定義は任意である。以降の記載における「距離d」とは、上記式d = Bf/pで定義されるdに限らず、そのように任意に定義された「距離」であってよい。 The principle of distance measurement by a stereo camera has been described above with reference to FIG. 1 and paragraphs [0003] to [0004] of Patent Document 1. In the following, as shown in FIG. 5, the distance d in the optical axis direction between the subject (target element) A and the optical centers O 0 and O 1 will be referred to as "the distance between the unmanned aerial vehicle 1 and the target element A". For example, the distance between the object (target element) A and the imaging planes s 0 and s 1 in the optical axis direction = d + f, such as defining the "distance between the unmanned aerial vehicle 1 and the target element A". is. The “distance d” in the following description is not limited to d defined by the above formula d=Bf/p, but may be any “distance” defined as such.

図6は、ステレオカメラ3と計測値決定回路6の構成を示すブロック図であり、特許文献1の図5から引用して参照符号を変更したものである。以下、特許文献1の段落[0030]-[0036]を引用して(参照符号は変更する。)、それらの構成を説明する。 FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the stereo camera 3 and the measurement value determination circuit 6, which is quoted from FIG. 5 of Patent Document 1 with the reference numerals changed. Hereinafter, referring to paragraphs [0030] to [0036] of Patent Document 1 (reference numbers will be changed), their configurations will be described.

「[0030]
〔構成〕
図5は、ステレオカメラ3の該略構成図の一例を示す。カメラ部300には右カメラC1と左カメラC0が配置されている。右カメラC1と左カメラC0は、同じレンズ、同じCMOSイメージセンサを有し、右カメラC1と左カメラC0は互いの光軸が平行に、かつ、二つの撮像面が同一平面になるように配置されている。左カメラC0と右カメラC1は同じレンズ301、絞り302、CMOSイメージセンサ303を有する。」(特許文献1の段落[0030]を引用。ただし参照符号を変更した。)
"[0030]
〔Constitution〕
FIG. 5 shows an example of a schematic configuration diagram of the stereo camera 3. As shown in FIG. A right camera C1 and a left camera C0 are arranged in the camera section 300 . The right camera C1 and the left camera C0 have the same lens and the same CMOS image sensor, and the right camera C1 and the left camera C0 are arranged such that their optical axes are parallel to each other and their imaging surfaces are on the same plane. It is The left camera C0 and the right camera C1 have the same lens 301, diaphragm 302, and CMOS image sensor 303. (Paragraph [0030] of Patent Document 1 is quoted. However, reference numerals have been changed.)

「[0031]
CMOSイメージセンサ303は、カメラ制御部308が出力する、制御信号を入力として動作する。CMOSイメージセンサ303は1000x1000 画素のモノクロイメージセンサであるとし、レンズ301は、上下左右共に片側80 度、両側160 度の視野の像を、等距離射影方式でCMOSイメージセンサ303の撮像領域内に結像する特性を持つ。」(特許文献1の段落[0031]を引用。ただし参照符号を変更した。)
"[0031]
The CMOS image sensor 303 operates with a control signal output by the camera control unit 308 as an input. The CMOS image sensor 303 is assumed to be a monochrome image sensor of 1000×1000 pixels, and the lens 301 focuses an image of a field of view of 80 degrees on one side and 160 degrees on both sides in the imaging area of the CMOS image sensor 303 by equidistant projection method. It has the characteristic to image. (Paragraph [0031] of Patent Document 1 is quoted. However, reference numerals have been changed.)

「[0032]
なお、レンズ特性は等距離射影特性に限られず、等立体角射影や正射影など、魚眼レンズとして利用されるレンズや、強い樽型の歪曲収差を持つ中心射影特性などをもつレンズでもよい。いずれのレンズも等距離射影と同様に、中心射影に比べ画像周辺の拡大率が小さいため、本実施形態と同等の効果が得られる。」(特許文献1の段落[0032]を引用)
"[0032]
Note that the lens characteristics are not limited to equidistant projection characteristics, and may be lenses that are used as fisheye lenses, such as equisolid angle projection or orthogonal projection, or lenses that have central projection characteristics with strong barrel distortion. As with the equidistant projection, both lenses have a smaller enlargement ratio in the periphery of the image than in the central projection, so that the same effects as in the present embodiment can be obtained. "(citing paragraph [0032] of Patent Document 1)

「[0033]
さらに、歪曲の小さい中心射影特性を持つレンズを利用した場合でも、変形画像の画素数を小さくすることで、同傾向の効果が得られる。」(特許文献1の段落[0033]を引用)
"[0033]
Furthermore, even when a lens having central projection characteristics with small distortion is used, the effect of the same tendency can be obtained by reducing the number of pixels of the deformed image. "(citing paragraph [0033] of Patent Document 1)

「[0034]
CMOSイメージセンサ303が出力した画像信号は、CDS304に出力され相関二重サンプリングによるノイズ除去が行われ、AGC305により信号強度に応じて利得制御され、A/D306によりA/D変換される。画像信号はCMOSイメージセンサ303の全体を記憶可能なフレームメモリ307に記憶される。」(特許文献1の段落[0034]を引用。ただし参照符号を変更した。)
"[0034]
The image signal output from the CMOS image sensor 303 is output to the CDS 304 and subjected to noise removal by correlated double sampling. The image signal is stored in a frame memory 307 capable of storing the entire CMOS image sensor 303 . (Paragraph [0034] of Patent Document 1 is quoted. However, the reference numerals have been changed.)

「[0035]
フレームメモリ307に記憶された画像信号はデジタル信号処理部6により、距離の算出等が行われ、仕様によってはフォーマット変換され液晶などの表示手段に表示される。デジタル信号処理部6は、DSP、CPU、ROM、RAMなどを備えたLSIである。後述する機能ブロックは、例えばこのデジタル信号処理部6により、ハード的又はソフト的に提供される。なお、カメラ制御部308をデジタル信号処理部6に配置してもよく、図示する構成は一例である。」(特許文献1の段落[0035]を引用。ただし参照符号を変更した。)
"[0035]
The image signal stored in the frame memory 307 is subjected to distance calculation and the like by the digital signal processing unit 6, and depending on the specifications, the format is converted and displayed on display means such as a liquid crystal. The digital signal processing unit 6 is an LSI including a DSP, CPU, ROM, RAM, and the like. Functional blocks to be described later are provided, for example, by this digital signal processing unit 6 in terms of hardware or software. Note that the camera control unit 308 may be arranged in the digital signal processing unit 6, and the illustrated configuration is an example. (Paragraph [0035] of Patent Document 1 is quoted. However, the reference numerals have been changed.)

「[0036]
デジタル信号処理部6は、水平同期信号HD、垂直同期信号VD及びクロック信号の各パルスをカメラ制御部308に出力する。または、カメラ制御部308が水平同期信号HD及び垂直同期信号VDを生成することも可能である。カメラ制御部308は、タイミングジェネレータやクロックドライバを有し、HD,VD及びクロック信号からCMOSイメージセンサ303を駆動するための制御信号を生成する。」(特許文献1の段落[0036]を引用。ただし参照符号を変更した。)
"[0036]
The digital signal processing unit 6 outputs each pulse of the horizontal synchronizing signal HD, the vertical synchronizing signal VD and the clock signal to the camera control unit 308 . Alternatively, the camera control section 308 can generate the horizontal synchronization signal HD and the vertical synchronization signal VD. A camera control unit 308 has a timing generator and a clock driver, and generates control signals for driving the CMOS image sensor 303 from HD, VD and clock signals. (Paragraph [0036] of Patent Document 1 is quoted. However, reference numerals have been changed.)

上記引用した特許文献1の記載において、以降ではカメラ制御部308をカメラ制御回路308と称することがある。またCMOSとはComplementary Metal Oxide Semiconductor(相補型金属酸化膜半導体)の略称である。CDSとはCorrelated Double Sampling(相関二重サンプリング)の略称であり、以降ではCDS304をCDS回路304と称する。AGCとはAutomatic Gain Control(自動利得調整)の略称であり、以降ではAGC305をAGC回路305と称する。A/DとはAnalog/Digital(アナログ/デジタル)の略称であり、以降ではA/D306をA/Dコンバータ306と称する。DSPとはDigital Signal Processor(デジタル・シグナル・プロセッサ)の略称である。CPUとはCentral Processing Unit(中央処理装置)の略称である。ROMとはRead Only Memory(リード・オンリー・メモリ)の略称である。RAMとはRandom Access Memory(ランダム・アクセス・メモリ)の略称である。LSIとはLarge-Scale Integrated Circuit(大規模集積回路)の略称である。本実施形態においては、デジタル信号処理部(計測値決定回路)6がROMに記憶された距離の計測値を決定するためのプログラムをCPUで実行することにより距離の計測値を算出することとする。一例においては、計測値決定回路6が、カメラC0,C1により撮影される各々の画像の両方に含まれるピクセルの各々について、d = Bf/p等により距離の計測値を決定し、各ピクセルの色を当該ピクセルの距離計測値に対応する色とした距離画像を生成し、距離画像データから得られる、対象要素と無人航空機1との距離に対応する計測値を主演算回路7aに出力する。 In the description of Patent Document 1 cited above, the camera control unit 308 may be referred to as a camera control circuit 308 hereinafter. CMOS is an abbreviation for Complementary Metal Oxide Semiconductor. CDS is an abbreviation for Correlated Double Sampling, and the CDS 304 is hereinafter referred to as the CDS circuit 304 . AGC is an abbreviation for Automatic Gain Control, and the AGC 305 is hereinafter referred to as the AGC circuit 305 . A/D is an abbreviation for Analog/Digital, and the A/D 306 is hereinafter referred to as the A/D converter 306 . DSP is an abbreviation for Digital Signal Processor. CPU is an abbreviation for Central Processing Unit. ROM is an abbreviation for Read Only Memory. RAM is an abbreviation for Random Access Memory. LSI is an abbreviation for Large-Scale Integrated Circuit. In this embodiment, the digital signal processing unit (measurement value determination circuit) 6 calculates the distance measurement value by executing a program for determining the distance measurement value stored in the ROM by the CPU. . In one example, the measurement value determination circuit 6 determines a distance measurement value such as d=Bf/p for each pixel included in both images captured by the cameras C0 and C1, and calculates the distance measurement value for each pixel. A distance image having a color corresponding to the distance measurement value of the pixel is generated, and a measurement value corresponding to the distance between the target element and the unmanned aerial vehicle 1 obtained from the distance image data is output to the main arithmetic circuit 7a.

以上、特許文献1の図1,図5、及び段落[0003]-[0004],[0030]-[0036]を引用することにより距離計測の原理やステレオカメラ3,計測値決定回路6の構成を説明したが、このようなステレオカメラ3,計測値決定回路6以外の撮影カメラ、計測値決定回路を用いて被写体(対象要素)と無人航空機1との距離を決定することも可能である。例えばステレオカメラ3の代わりに単眼カメラを用いて、短い時間間隔で対象要素を2回撮影し、各回の撮影時における単眼カメラの位置(センサ部14により検出され、主演算回路7aを介して計測値決定回路6に入力されるとする。)を図6のカメラC0,C1の位置と同様に用いれば、ステレオカメラに比べて精度は劣るとしても同様の原理で距離を計測することができる。また、「単眼カメラで撮影した1枚の画像からカラー画像と距離画像を同時に取得できる撮像技術」(非特許文献1)が株式会社東芝により開発されており、この技術を用いて距離を計測してもよい。また撮影カメラにズームレンズを備えれば計測精度を向上できる。 1, 5, and paragraphs [0003]-[0004], [0030]-[0036] of Patent Document 1, the principle of distance measurement, the configuration of the stereo camera 3 and the measurement value determination circuit 6 However, it is also possible to determine the distance between the subject (target element) and the unmanned aerial vehicle 1 using a photographing camera and a measurement value determination circuit other than the stereo camera 3 and the measurement value determination circuit 6. For example, using a monocular camera instead of the stereo camera 3, the target element is photographed twice at short time intervals, and the position of the monocular camera at each time of photographing (detected by the sensor unit 14 and measured via the main arithmetic circuit 7a input to the value determination circuit 6) is used in the same manner as the positions of the cameras C0 and C1 in FIG. In addition, Toshiba Corporation has developed an imaging technology capable of simultaneously acquiring a color image and a distance image from a single image taken with a monocular camera (Non-Patent Document 1), and this technology is used to measure distance. may Also, if the camera is equipped with a zoom lens, the measurement accuracy can be improved.

なお、計測値決定回路6から主演算回路7aへと出力される、距離の計測値を示す信号は、一例においては計測値決定回路6により生成された距離画像に含まれる各ピクセルの距離のうち最も小さい距離を示す信号であってもよいし(この場合、撮影された画像に含まれる要素のうち無人航空機1からの距離が最も小さい要素が「対象要素」となる。)、あるいは計測値決定回路6の動作により任意の画像処理アルゴリズムで特定の要素を物体検出し、その要素と無人航空機1との距離を上述の原理で計測値決定回路6が決定し、当該距離を示す信号を主演算回路7aへと出力してもよい。例えば、インテル社により公開されているオープンソースのライブラリであるOpen CV(Open Source Computer Vision Library)の画像処理機能により、撮影された画像から特定の物体を輪郭に基づき検出することができる(非特許文献2)。この場合、計測値決定回路6のメモリにそのような画像処理プログラムを予め実装しておき、計測値決定回路6のプロセッサで画像処理プログラムを実行することにより、フレームメモリ307に記録された画像情報から特定の要素を検出してこの要素と無人航空機1との距離を決定することができる。 In one example, the signal indicating the measured value of the distance output from the measured value determination circuit 6 to the main arithmetic circuit 7a is It may be a signal indicating the shortest distance (in this case, the element with the shortest distance from the unmanned aerial vehicle 1 among the elements included in the photographed image is the "target element"), or the measurement value is determined. By the operation of the circuit 6, a specific element is detected by an arbitrary image processing algorithm, the distance between the element and the unmanned aerial vehicle 1 is determined by the measurement value determination circuit 6 based on the principle described above, and a signal indicating the distance is used as the main calculation. You may output to the circuit 7a. For example, the image processing function of Open CV (Open Source Computer Vision Library), which is an open source library published by Intel Corporation, can detect a specific object from a photographed image based on its contour (non-patent Reference 2). In this case, such an image processing program is previously installed in the memory of the measured value determination circuit 6, and the image information recorded in the frame memory 307 is executed by the processor of the measured value determination circuit 6. , and the distance between this element and the unmanned aerial vehicle 1 can be determined.

距離計測値に応じた距離制御
上述のステップS401~S403に示すとおり距離の計測値dが決定され、これを示す信号が主演算回路7aへと出力されると、主演算回路7aは、距離制御モジュール9bを含む自律制御プログラム9aを実行することによりステップS404以降の処理を行う。なお、ステップS401~S403は所定時間間隔で繰り返され、したがって図4の処理フローに従う処理全体、及びその後の制御処理も所定時間間隔で繰り返されるが、ステレオカメラ3において撮影される画像(動画)の1フレームごとに(1コマごとに)距離の計測値dを決定してこれを示す信号を主演算回路7aに出力することは必須ではなく、例えば撮影の10フレームごとに1回、図4のフローチャート全体の処理が実行されるとしてもよい。図9の変形例においても同様である。
Distance Control According to Distance Measured Value When the distance measurement value d is determined as shown in steps S401 to S403 described above and a signal indicating this is output to the main computation circuit 7a, the main computation circuit 7a performs distance control. The processing after step S404 is performed by executing the autonomous control program 9a including the module 9b. Note that steps S401 to S403 are repeated at predetermined time intervals, and therefore the entire processing according to the processing flow of FIG. 4 and the subsequent control processing are also repeated at predetermined time intervals. It is not essential to determine the measured value d of the distance for each frame (for each frame) and output a signal indicating it to the main arithmetic circuit 7a. The processing of the entire flowchart may be performed. The same applies to the modification shown in FIG.

本実施形態において、無人航空機1は、プロポーショナル・コントローラからの外部入力信号により飛行中にリアルタイムで入力される外部入力指令値(スロットル量、ロール角、ピッチ角、ヨー角に関する指令値)、及び主演算回路7aが自律制御プログラム9aを実行することにより姿勢センサからのデータを用いて生成される姿勢制御の指令値(ロール角、ピッチ角、ヨー角に関する指令値)を組み合わせた(合成)制御指令値(一例においては、スロットル量に関する指令値として外部入力指令値のスロットル量を用い、ロール角、ピッチ角、ヨー角のそれぞれに関する指令値として、外部入力指令値と姿勢制御の指令値におけるロール角の指令値同士を足し合わせた指令値、ピッチ角の指令値同士を足し合わせた指令値、ヨー角の指令値同士を足し合わせた指令値をそれぞれ用いる。)による制御を受けて、対象要素としての被点検構造物15aの周りを飛行しているとする(図7A)。 In this embodiment, the unmanned aerial vehicle 1 receives external input command values (throttle amount, roll angle, pitch angle, and yaw angle command values) input in real time during flight by an external input signal from a proportional controller, A (synthetic) control command in which posture control command values (command values relating to roll angle, pitch angle, and yaw angle) generated using data from the posture sensor by the arithmetic circuit 7a executing the autonomous control program 9a are combined. value (in one example, the throttle amount of the external input command value is used as the command value for the throttle amount, and the roll angle in the external input command value and the command value for attitude control is used as the command value for each of the roll angle, pitch angle, and yaw angle The command value obtained by adding the command values of , the command value obtained by adding the command values of the pitch angle, and the command value obtained by adding the command values of the yaw angle are used respectively. (Fig. 7A).

主演算回路7aは、距離の計測値dを示す信号の入力を受けると、距離制御モジュール9bを実行することにより当該計測値dを第1の基準値D1(予め外部から入力される等して記録装置10に記録されており、主演算回路7aが距離制御モジュール9bを実行することにより読み出されるとする。第2の基準値D2も同様。)と比較する(ステップS404)。計測値dが第1の基準値D1よりも小さい場合(Yes)は、図7Bに示すとおり無人航空機1が被点検構造物15aに近づき過ぎているため、無人航空機1を被点検構造物15aから離れさせるための制御指令値が生成される(ステップS405)。一例において、無人航空機1を後方向(図1のx方向の逆方向)に移動させるべく、上記外部入力指令値と姿勢制御の指令値を組み合わせたスロットル量、ロール角、ピッチ角、ヨー角に関する(合成)制御指令値のうちピッチ角に関する量を、図1中のピッチ角を示す矢印方向に機体を回転させる(機体の前部分が上昇し後部分が下降する)ことに対応する量で更新することにより、無人航空機1を被点検構造物15aから離れさせるための制御指令値を生成する。 When receiving the input of the signal indicating the measured value d of the distance, the main arithmetic circuit 7a converts the measured value d to the first reference value D 1 (preliminarily input from the outside, etc.) by executing the distance control module 9b. is recorded in the recording device 10, and is read out by the main arithmetic circuit 7a executing the distance control module 9b.The same applies to the second reference value D2 .) (step S404). If the measured value d is smaller than the first reference value D 1 (Yes), the unmanned aerial vehicle 1 is too close to the structure to be inspected 15a as shown in FIG. A control command value for moving away from is generated (step S405). In one example, in order to move the unmanned aerial vehicle 1 in the backward direction (in the direction opposite to the x direction in FIG. 1), there are (Synthetic) Update the amount related to the pitch angle in the control command value with the amount corresponding to rotating the fuselage in the direction of the arrow indicating the pitch angle in Fig. 1 (the front part of the fuselage rises and the rear part of the fuselage descends). By doing so, a control command value for moving the unmanned aerial vehicle 1 away from the structure to be inspected 15a is generated.

ステップS404において計測値dが第1の基準値D1よりも小さくない場合(No)、無人航空機1は被点検構造物15aに近づき過ぎてはいないため、ステップS405の処理は行われず、処理はステップS406に進む。主演算回路7aは、距離制御モジュール9bを実行することにより当該計測値dを第2の基準値D2と比較する(ステップS406)。ここで第2の基準値D2は第1の基準値D1以上の基準値である。計測値dが第2の基準値D2よりも大きい場合(Yes)は、図7Cに示すとおり無人航空機1が被点検構造物15aから離れ過ぎているため、無人航空機1を被点検構造物15aに近づけるための制御指令値が生成される(ステップS407)。一例において、無人航空機1を前方向(図1のx方向)に移動させるべく、上記外部入力指令値と姿勢制御の指令値を組み合わせたスロットル量、ロール角、ピッチ角、ヨー角に関する(合成)制御指令値のうちピッチ角に関する量を、図1中のピッチ角を示す矢印の逆方向に機体を回転させる(機体の前部分が下降し後部分が上昇する)ことに対応する量で更新することにより、無人航空機1を被点検構造物15aに近づけるための制御指令値を生成する。 If the measured value d is not smaller than the first reference value D1 in step S404 (No), the unmanned aerial vehicle 1 is not too close to the structure to be inspected 15a. The process proceeds to step S406. The main arithmetic circuit 7a compares the measured value d with the second reference value D2 by executing the distance control module 9b (step S406). Here, the second reference value D2 is a reference value greater than or equal to the first reference value D1 . If the measured value d is greater than the second reference value D 2 (Yes), the unmanned aerial vehicle 1 is too far from the structure to be inspected 15a as shown in FIG. 7C. is generated (step S407). In one example, in order to move the unmanned aerial vehicle 1 forward (in the x direction in FIG. 1), the throttle amount, roll angle, pitch angle, and yaw angle obtained by combining the external input command value and the attitude control command value (synthesis) Among the control command values, the amount related to the pitch angle is updated with an amount corresponding to rotating the aircraft in the opposite direction of the arrow indicating the pitch angle in FIG. 1 (the front portion of the aircraft descends and the rear portion rises). Thus, a control command value for bringing the unmanned aerial vehicle 1 closer to the inspected structure 15a is generated.

ステップS406において計測値dが第2の基準値D2よりも大きくない場合(No)、無人航空機1は被点検構造物15aから離れ過ぎてはいないため、ステップS407の処理は行われず、処理はステップS408に進む。主演算回路7aは、上記外部入力指令値と姿勢制御の指令値を組み合わせた(合成)制御指令値としてスロットル量、ロール角、ピッチ角、ヨー角に関する制御指令値を生成する(ステップS408)。 If the measured value d is not greater than the second reference value D2 in step S406 (No), the unmanned aerial vehicle 1 is not too far from the structure to be inspected 15a, so the process of step S407 is not performed, and the process ends. The process proceeds to step S408. The main arithmetic circuit 7a generates control command values relating to the throttle amount, roll angle, pitch angle, and yaw angle as control command values obtained by combining the externally input command values and attitude control command values (step S408).

図4の処理フローに従って、ステップS405,S407,S408のいずれかによりスロットル量、ロール角、ピッチ角、ヨー角に関する制御指令値が生成される。引き続き、主演算回路7aが自律制御プログラム9aを実行することによりこれら制御指令値をロータR1~R6の回転速度に関する制御指令値に変換し、信号変換回路7bがこれらをパルス信号に変換することで制御信号を生成し、スピードコントローラESC1~ESC6がそれぞれパルス信号を駆動電流へと変換してモータM1~M6にそれぞれ出力し、モータM1~M6の駆動を制御してロータR1~R6の回転速度等を制御することにより無人航空機1の飛行が制御される。これにより、無人航空機1と被点検構造物15aとの距離dは、第1の基準値D1から第2の基準値D2までの範囲内に向かって制御されることとなる。図4のフローに従う処理、及びその後の制御処理は所定時間間隔で繰り返されるため、無人航空機1が第1の基準値D1から第2の基準値D2までの範囲内に入らない限り、その範囲内に向かうよう無人航空機1は制御を受け続けることになる。 According to the processing flow of FIG. 4, control command values relating to the throttle amount, roll angle, pitch angle, and yaw angle are generated in any of steps S405, S407, and S408. Subsequently, the main arithmetic circuit 7a executes the autonomous control program 9a to convert these control command values into control command values relating to the rotational speeds of the rotors R1 to R6, and the signal conversion circuit 7b converts them into pulse signals. A control signal is generated, and each of the speed controllers ESC1 to ESC6 converts the pulse signal into a drive current and outputs it to each of the motors M1 to M6, thereby controlling the driving of the motors M1 to M6 and controlling the rotational speeds of the rotors R1 to R6. The flight of the unmanned aerial vehicle 1 is controlled by controlling the . As a result, the distance d between the unmanned aerial vehicle 1 and the structure to be inspected 15a is controlled within the range from the first reference value D1 to the second reference value D2 . Since the processing according to the flow of FIG. 4 and the subsequent control processing are repeated at predetermined time intervals, unless the unmanned aerial vehicle 1 falls within the range from the first reference value D1 to the second reference value D2 , The unmanned aerial vehicle 1 continues to be controlled so as to head within the range.

ここで、第1の基準値D1と第2の基準値D2とが等しい場合、無人航空機1と被点検構造物15aとの距離dは当該基準値に等しい一定距離に向かって制御されることになる(図7D)。この場合、無人航空機1の飛行は被点検構造物15aからの等距離面16a内に向かって制御されることとなり(図8A)、実質的には無人航空機1の飛行経路を2次元化することが可能である。対象要素が被点検構造物15aではなく電線等の被点検要素15bである場合は、同様の原理で無人航空機1と被点検要素15bとの距離dを制御することにより、無人航空機1の飛行を被点検要素15bからの等距離線16b上に向かって制御して実質的に1次元化することも可能である(図8B)。 Here, when the first reference value D1 and the second reference value D2 are equal, the distance d between the unmanned aerial vehicle 1 and the structure to be inspected 15a is controlled toward a constant distance equal to the reference value. (Fig. 7D). In this case, the flight of the unmanned aerial vehicle 1 is controlled toward an equidistant plane 16a from the structure to be inspected 15a (FIG. 8A). is possible. When the target element is an inspected element 15b such as an electric wire instead of the inspected structure 15a, the flight of the unmanned aerial vehicle 1 is controlled by controlling the distance d between the unmanned aerial vehicle 1 and the inspected element 15b on the same principle. It is also possible to control toward the equidistant line 16b from the inspected element 15b to make it substantially one-dimensional (FIG. 8B).

なお、図4に示すような距離制御を行うか否かは、一例においてはプロポーショナル・コントローラから送信されるモード切替え信号を通信アンテナ12及び通信回路13で受信し、主演算回路7aがモード切替え信号の入力を受けて自律制御プログラムを実行することにより切り替えられる。これにより、無人航空機1を被点検構造物15aに接近させて被点検構造物15aの方向をステレオカメラ3が向くように制御してから、距離制御モードをオンとするためのモード切換え信号をプロポーショナル・コントローラから通信アンテナ12へと送信し、距離制御モードへと移行して点検作業を行い(ステレオカメラ3により撮影される画像情報を、静止画あるいは動画として計測値決定回路6から主演算回路7aに出力し、通信回路13及び通信アンテナ12を介して随時操縦者の外部コンピュータに送信すればリアルタイムでの点検が可能であるし、上記静止画あるいは動画を記録装置10に記録しておいて飛行終了後に読み出すことも可能である。点検用のカメラとしてステレオカメラ3とは別個のカメラを無人航空機1に備え、別個のカメラにより撮影された画像情報を同様に利用してもよい。)、作業が終了したら距離制御モードをオフとするためのモード切換え信号をプロポーショナル・コントローラから通信アンテナ12へと送信して距離制御モードを終了させ、無人航空機1を帰還させる等の制御が可能となる。 Whether or not to perform the distance control as shown in FIG. 4 is determined by, for example, receiving a mode switching signal transmitted from the proportional controller by the communication antenna 12 and the communication circuit 13, and the main arithmetic circuit 7a receiving the mode switching signal. can be switched by executing the autonomous control program in response to the input of As a result, after the unmanned aerial vehicle 1 is brought close to the structure to be inspected 15a and controlled so that the stereo camera 3 faces the direction of the structure to be inspected 15a, the mode switching signal for turning on the distance control mode is proportionally・Transmit from the controller to the communication antenna 12, shift to the distance control mode, and perform inspection work (image information captured by the stereo camera 3 is transferred from the measurement value determination circuit 6 to the main arithmetic circuit 7a as a still image or moving image). , and transmitted to the operator's external computer via the communication circuit 13 and communication antenna 12 at any time, real-time inspection is possible. A camera separate from the stereo camera 3 may be provided in the unmanned aerial vehicle 1 as an inspection camera, and image information captured by the separate camera may be used in the same way. is completed, a mode switching signal for turning off the distance control mode is transmitted from the proportional controller to the communication antenna 12 to end the distance control mode, and control such as returning the unmanned aerial vehicle 1 becomes possible.

既に述べたとおり、無人航空機1はリアルタイムで入力される外部入力指令値と自律制御プログラム9aの実行により生成される姿勢制御の指令値を組み合わせた(合成)制御指令値による制御で飛行しているとしたが、無人航空機1が上述の飛行計画情報を用いた制御に従って飛行している場合であっても同様の距離計測、距離制御が可能である。制御フローは図4に示したフローと基本的に同様であり、例えばステップS405で無人航空機1を被点検構造物15aから離れさせるための制御指令値が生成されるときは、この制御指令値を用いて主演算回路7aが自律制御プログラム9aを実行することにより、無人航空機1を被点検構造物15aから離れる方向に飛行するよう制御し、更に記録装置10に記録された飛行計画情報に含まれる飛行計画経路を、ステップS405の実行された時の無人航空機1の位置を通らず被点検構造物15aから離れる方向に迂回するように変更する。あるいは、例えばステップS407で無人航空機1を被点検構造物15aに近づけるための制御指令値が生成されるときは、この制御指令値を用いて主演算回路7aが自律制御プログラム9aを実行することにより、無人航空機1を被点検構造物15aに近づく方向に飛行するよう制御し、更に記録装置10に記録された飛行計画情報に含まれる飛行計画経路を、ステップS407の実行された時の無人航空機1の位置を通らず被点検構造物に近づく方向に迂回するように変更する。図4のフローに従う処理、及びその後の制御処理は所定時間間隔で繰り返されるため、無人航空機1が第1の基準値D1から第2の基準値D2までの範囲内に入らない限り、その範囲内に向かうよう無人航空機1は制御を受け続け、そして飛行計画経路が変更され続けることになる。無人航空機1が、外部入力信号を受信していないときは飛行計画情報を用いた制御により飛行しつつ、外部入力信号を受信したときにはその外部入力指令値による制御を優先させて一時的にマニュアル制御になるようなモードで飛行している場合であっても、同様の距離計測、距離制御が可能であり、一例においては、既に述べたとおり無人航空機1を被点検構造物15aから離れさせるため、あるいは被点検構造物15aに近づけるための制御指令値を生成する際に併せて飛行計画経路が上述の被点検構造物15aから離れる方向、あるいは被点検構造物15aに近づく方向に迂回する経路へと変更される。同様に、以下に説明する図9のフローチャートに従う処理も、無人航空機のさまざまな飛行モードに対して実施可能である。 As already described, the unmanned aerial vehicle 1 flies under control based on a (combined) control command value obtained by combining an external input command value input in real time and an attitude control command value generated by executing the autonomous control program 9a. However, similar distance measurement and distance control are possible even when the unmanned aerial vehicle 1 flies according to the control using the flight plan information described above. The control flow is basically the same as the flow shown in FIG. Using the main arithmetic circuit 7a to execute the autonomous control program 9a, the unmanned aerial vehicle 1 is controlled to fly away from the structure to be inspected 15a, and is included in the flight plan information recorded in the recording device 10. The flight plan route is changed so as to detour away from the structure to be inspected 15a without passing through the position of the unmanned aerial vehicle 1 when step S405 was executed. Alternatively, for example, when a control command value for bringing the unmanned aerial vehicle 1 closer to the structure under inspection 15a is generated in step S407, the main arithmetic circuit 7a executes the autonomous control program 9a using this control command value. , the unmanned aerial vehicle 1 is controlled to fly in a direction approaching the structure to be inspected 15a, and the flight plan route included in the flight plan information recorded in the recording device 10 is recorded as the unmanned aerial vehicle 1 when step S407 is executed. Change to detour in the direction approaching the structure to be inspected without passing through the position of Since the processing according to the flow of FIG. 4 and the subsequent control processing are repeated at predetermined time intervals, unless the unmanned aerial vehicle 1 falls within the range from the first reference value D1 to the second reference value D2 , The unmanned aerial vehicle 1 will continue to be controlled to come within range, and the flight plan path will continue to change. When the unmanned aerial vehicle 1 does not receive an external input signal, it flies under control using flight plan information, and when it receives an external input signal, it temporarily performs manual control by prioritizing control based on the external input command value. Similar distance measurement and distance control are possible even when flying in a mode such that Alternatively, when the control command value for approaching the structure to be inspected 15a is generated, the flight plan route is detoured in the direction away from the structure to be inspected 15a or in the direction approaching the structure to be inspected 15a. Be changed. Similarly, the process according to the flow chart of FIG. 9, described below, is also operable for various flight modes of the unmanned aerial vehicle.

以上説明した図4のフローチャートの変形例を図9に示す。ステップS901~S908の処理は図4のステップS401~S408の処理と同様であり適宜説明を省略する。図9のフローチャートにおいては、新たにステップS909とステップS910の比較処理が追加されている。 FIG. 9 shows a modification of the flowchart of FIG. 4 described above. The processing of steps S901 to S908 is the same as the processing of steps S401 to S408 in FIG. 4, and the description thereof will be omitted as appropriate. In the flowchart of FIG. 9, comparison processing in steps S909 and S910 is newly added.

ステップS901~S903においては、図4のステップS401~S403と同様に、無人航空機1の飛行中にステレオカメラ3が対象要素(被点検構造物15aとする。)を撮影し(ステップS901)、計測値決定回路6が、左右のカメラC0,C1(図5,図6参照)で同時に撮影された画像情報を用いて無人航空機1と被点検構造物15aとの距離の計測値dを決定する(ステップS902)。計測値決定回路6は、距離の計測値dを示す信号を主演算回路7aに出力する(ステップS903)。図4のフローチャートと同様に図9の処理フロー、及びその後の制御処理も所定時間間隔で繰り返され、すなわち主演算回路7aには各距離計測により決定された距離の計測値dを示す信号が入力され続けるが、ここにおいて主演算回路7aは、入力された信号の示す距離の計測値dを、その計測値dに対応する計測時刻(信号入力を受けた時刻)と関連付けて、計測値d及び対応する計測時刻の組のデータとして記録装置10に記録し続ける。 In steps S901-S903, similarly to steps S401-S403 in FIG. The value determining circuit 6 determines the measured value d of the distance between the unmanned aerial vehicle 1 and the structure to be inspected 15a using the image information captured simultaneously by the left and right cameras C0 and C1 (see FIGS. 5 and 6) ( step S902). The measured value determination circuit 6 outputs a signal indicating the measured value d of the distance to the main arithmetic circuit 7a (step S903). 9 and subsequent control processing are repeated at predetermined time intervals in the same manner as the flow chart of FIG. Here, the main arithmetic circuit 7a associates the measured value d of the distance indicated by the input signal with the measurement time corresponding to the measured value d (the time at which the signal was input), and the measured value d and It continues to record in the recording device 10 as data of a set of corresponding measurement times.

主演算回路7aは、距離の計測値dを示す信号の入力を受けると、距離制御モジュール9bを実行することにより当該計測値dを第1の基準値D1と比較する(ステップS904)。計測値dが第1の基準値D1よりも小さい場合(Yes)、主演算回路7aは、更に、距離制御モジュール9bを実行することにより、当該計測値d(最新の計測値)と、前回計測値決定回路6から入力を受けた信号により示される、前回の距離の計測値d0とを比較する(S909)。最新の計測値dが前回の計測値d0よりも小さい場合(Yes)は、無人航空機1が被点検構造物15aに近づき過ぎており、且つ経時的に距離の計測値が減少しているため、無人航空機1を被点検構造物15aから離れさせるための制御指令値が生成される(ステップS905)。なお、主演算回路7aが1回目の計測による距離の計測値を示す信号の入力を受けた場合であり「前回の」計測値が存在しない場合は、ステップS909の比較を省略して(Yesとみなして)ステップS905の処理が行われる。 When the main arithmetic circuit 7a receives the input of the signal indicating the measured value d of the distance, it compares the measured value d with the first reference value D 1 by executing the distance control module 9b (step S904). If the measured value d is smaller than the first reference value D 1 (Yes), the main arithmetic circuit 7a further executes the distance control module 9b so that the measured value d (latest measured value) and the previous The previous distance measurement value d 0 indicated by the signal received from the measurement value determination circuit 6 is compared (S909). If the latest measured value d is smaller than the previous measured value d 0 (Yes), the unmanned aerial vehicle 1 is too close to the inspected structure 15a and the measured distance value is decreasing over time. , a control command value for moving the unmanned aerial vehicle 1 away from the structure to be inspected 15a is generated (step S905). When the main arithmetic circuit 7a receives the input of the signal indicating the measured value of the distance in the first measurement and the "previous" measured value does not exist, the comparison in step S909 is omitted (Yes and Considered), the process of step S905 is performed.

ステップS904において計測値dが第1の基準値D1よりも小さくない場合(No)、あるいは、計測値dが第1の基準値D1よりも小さいがステップS909において最新の計測値dが前回の計測値d0よりも小さくない場合(No)、無人航空機1は被点検構造物15aに近づき過ぎてはいないか、あるいは被点検構造物15aから離れつつあるか等距離を保っているため、ステップS905の処理は行われず、処理はステップS906に進む。主演算回路7aは、距離制御モジュール9bを実行することにより当該計測値dを第2の基準値D2と比較する(ステップS906)。既に述べたとおり第2の基準値D2は第1の基準値D1以上の基準値である。計測値dが第2の基準値D2よりも大きい場合(Yes)、主演算回路7aは、更に、距離制御モジュール9bを実行することにより、当該計測値d(最新の計測値)と、前回計測値決定回路6から入力を受けた信号により示される、前回の距離の計測値d0とを比較する(S910)。最新の計測値dが前回の計測値d0よりも大きい場合(Yes)は、無人航空機1が被点検構造物15aから離れ過ぎており、且つ経時的に距離の計測値が増大しているため、無人航空機1を被点検構造物15aに近づけるための制御指令値が生成される(ステップS907)。なお、主演算回路7aが1回目の計測による距離の計測値を示す信号の入力を受けた場合であり「前回の」計測値が存在しない場合は、ステップS910の比較を省略して(Yesとみなして)ステップS907の処理が行われる。 If the measured value d is not smaller than the first reference value D1 in step S904 (No), or if the measured value d is smaller than the first reference value D1 in step S909, the latest measured value d is the previous is not smaller than the measured value d 0 (No), the unmanned aerial vehicle 1 is not approaching the inspected structure 15a too much, or is moving away from the inspected structure 15a or is maintaining an equal distance. The process of step S905 is not performed, and the process proceeds to step S906. The main arithmetic circuit 7a compares the measured value d with the second reference value D2 by executing the distance control module 9b (step S906). As already described, the second reference value D2 is a reference value greater than or equal to the first reference value D1 . If the measured value d is greater than the second reference value D 2 (Yes), the main arithmetic circuit 7a further executes the distance control module 9b so that the measured value d (latest measured value) and the previous A comparison is made with the previous distance measurement value d0 indicated by the signal received from the measurement value determination circuit 6 (S910). If the latest measured value d is greater than the previous measured value d0 (Yes), the unmanned aerial vehicle 1 is too far from the structure to be inspected 15a, and the measured distance has increased over time. , a control command value for bringing the unmanned aerial vehicle 1 closer to the structure to be inspected 15a is generated (step S907). When the main arithmetic circuit 7a receives the input of the signal indicating the measured value of the distance in the first measurement and there is no "previous" measured value, the comparison in step S910 is omitted (Yes and Considered), the process of step S907 is performed.

ステップS906において計測値dが第2の基準値D2よりも大きくない場合(No)、あるいは、計測値dが第2の基準値D2よりも大きいがステップS910において最新の計測値dが前回の計測値d0よりも大きくない場合(No)、無人航空機1は被点検構造物15aから離れ過ぎてはいないか、あるいは被点検構造物15aに近づきつつあるか等距離を保っているため、ステップS907の処理は行われず、処理はステップS908に進む。主演算回路7aは、上記外部入力指令値と姿勢制御の指令値を組み合わせた(合成)制御指令値としてスロットル量、ロール角、ピッチ角、ヨー角に関する制御指令値を生成する(ステップS908)。 If the measured value d is not greater than the second reference value D2 in step S906 (No), or if the measured value d is greater than the second reference value D2 in step S910, the latest measured value d is the previous is not greater than the measured value d 0 (No), the unmanned aerial vehicle 1 is not too far from the structure to be inspected 15a, or is approaching the structure to be inspected 15a or is maintaining an equal distance. The process of step S907 is not performed, and the process proceeds to step S908. The main arithmetic circuit 7a generates control command values relating to the throttle amount, roll angle, pitch angle, and yaw angle as control command values obtained by combining the externally input command values and attitude control command values (step S908).

図9の処理フローに従って、ステップS905,S907,S908のいずれかによりスロットル量、ロール角、ピッチ角、ヨー角に関する制御指令値が生成される。以降の制御指令値の変換、制御信号の生成等は図4に関連して既に述べたとおりである。 According to the processing flow of FIG. 9, control command values relating to the throttle amount, roll angle, pitch angle, and yaw angle are generated in any of steps S905, S907, and S908. Subsequent conversion of the control command value, generation of the control signal, etc. are as already described with reference to FIG.

試作機
本発明者は、距離計測及びこれに応じた距離制御を行う本発明の無人航空機1の試作機を設計した。ただし本試作機は、図3の構成中、センサ部14の各種センサに加えて、図10A及び図10Bの下方(図1のz方向)及びそのやや斜め方向から見た図及び写真と、図11のブロック図とにそれぞれ示すとおり、下方カメラ17とSLAM(Simultaneous Localization and Mapping)処理回路18とを備えている。ただし、図10Aにおいては着陸脚5を省略した。下方カメラ17は飛行中に下方(図1のz方向)を撮影する単眼カメラであり、図6のステレオカメラと同様にCDS回路、AGC回路、A/Dコンバータ、フレームメモリを備え、撮影した画像の信号処理、記録をこれらにより行う。SLAM処理回路18は、CPU,GPU(Graphics Processing Unit:グラフィクス・プロセッシング・ユニット),メモリ等を備える市販の回路基板であり、メモリにVisual SLAMを実行するためのプログラムやデータ等を記録して用いる。Visual SLAMとは、連続して撮影された画像の複数のフレーム間で複数の特徴点を追跡することにより自己位置とマップの推定を並行して行う技術であり、MonoSLAM(非特許文献3)やPTAM(Parallel Tracking and Mapping)(非特許文献4,5)等、さまざまなアルゴリズムが開発されている。SLAM処理回路18がそのようなアルゴリズムを実装したプログラムを実行することにより、下方カメラ17のフレームメモリに記録された画像信号を用いてVisual SLAMによる自己位置推定とマッピングを行い、これにより推定された自己位置(無人航空機1の周囲に存在する要素に対する無人航空機1の相対位置)や速度(位置の時間微分により求められる。)、姿勢(撮影した画像における複数の特徴点の配置から幾何学計算により求められる。)等、図3の構成においてセンサ部14からのセンサデータを用いて決定されていた、無人航空機1の状態を表す量を決定する。これらの量を示す信号は主演算回路7aへと出力され、そして主演算回路7aは、図3の構成においてセンサ部14から入力される情報を利用していたのと同様にSLAM処理回路18から入力される情報を利用する。またSLAM処理回路18が推定したマップ情報も主演算回路7aへと出力され、記録装置10に記録される。SLAMに関連する構成以外は、基本的には図1~図9を用いて説明した構成と同様である。なお、下方カメラ17としては単眼カメラではなく図5,図6を用いて説明したステレオカメラを用いてもよく、この場合も同様の原理でVisual SLAMによる自己位置等の推定が可能である。Visual SLAMではなく、例えばレーザ距離センサを用いたSLAMも適用可能であり、この場合は下方カメラ17の代わりにレーザ距離センサを用いる(非特許文献6)。
Prototype The inventor of the present invention designed a prototype of the unmanned aerial vehicle 1 of the present invention that performs distance measurement and distance control according to the distance measurement. However, in the configuration of FIG. 3, in addition to the various sensors of the sensor unit 14, this prototype machine has views and photographs viewed from below (the z direction in FIG. 1) and from a slightly oblique direction in FIGS. 11, it has a lower camera 17 and a SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) processing circuit 18 . However, the landing leg 5 is omitted in FIG. 10A. The lower camera 17 is a monocular camera that takes pictures of the lower direction (the z direction in FIG. 1) during flight. are used for signal processing and recording. The SLAM processing circuit 18 is a commercially available circuit board equipped with a CPU, a GPU (Graphics Processing Unit), memory, etc., and uses the memory by recording programs and data for executing Visual SLAM. . Visual SLAM is a technique for estimating a self-position and a map in parallel by tracking a plurality of feature points between a plurality of frames of continuously captured images. Various algorithms have been developed, such as PTAM (Parallel Tracking and Mapping) (Non-Patent Documents 4 and 5). By executing a program in which the SLAM processing circuit 18 implements such an algorithm, the image signal recorded in the frame memory of the lower camera 17 is used to perform self-position estimation and mapping by Visual SLAM. Self-position (the relative position of the unmanned aerial vehicle 1 with respect to elements existing around the unmanned aerial vehicle 1), velocity (determined by time differentiation of the position), attitude (by geometric calculation from the arrangement of a plurality of feature points in the photographed image determined using the sensor data from the sensor unit 14 in the configuration of FIG. Signals indicating these quantities are output to the main arithmetic circuit 7a, and the main arithmetic circuit 7a uses the information input from the sensor section 14 in the configuration of FIG. Use the information entered. The map information estimated by the SLAM processing circuit 18 is also output to the main arithmetic circuit 7a and recorded in the recording device 10. FIG. Except for the configuration related to SLAM, it is basically the same as the configuration described with reference to FIGS. 1 to 9. FIG. As the lower camera 17, the stereo camera described with reference to FIGS. 5 and 6 may be used instead of the monocular camera. In this case, the same principle can be used to estimate the self position and the like by Visual SLAM. For example, SLAM using a laser range sensor is also applicable instead of Visual SLAM, and in this case, the laser range sensor is used instead of the lower camera 17 (Non-Patent Document 6).

以下、本試作機の具体的構成を説明する。本試作機は、センサ部14として、気圧高度計、ソナー、GPSセンサを備えており、主には下方カメラ17とSLAM処理回路18によるVisual SLAM処理により信頼性の高い機体位置等のデータが得られない場合にこれらセンサ部14のセンサを用いた検出処理へと動作が切り替えられる。なお、SLAM処理回路18から主演算回路7aへの機体位置等のデータ送信は、1つのデータ線を用いた3.3V UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)のインターフェースを介して行われる。 The specific configuration of this prototype will be described below. This prototype has a barometric altimeter, a sonar, and a GPS sensor as the sensor section 14. Mainly, the downward camera 17 and visual SLAM processing by the SLAM processing circuit 18 provide highly reliable data such as the position of the aircraft. If not, the operation is switched to detection processing using these sensors of the sensor unit 14 . Data such as the aircraft position is transmitted from the SLAM processing circuit 18 to the main processing circuit 7a via a 3.3V UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) interface using one data line.

ハードウェア構成として、SLAM処理回路18の回路基板としてはNVIDIA Jetson TX2 (vision computer)とCTI Orbitty carrier board for NVIDIA Jetson TX2を、ステレオカメラ3としてはZED stereo camera (USB 3.0)を、下方カメラ17としてはIDS UI-1220SE mono grayscale camera (USB 2.0)とTheia MY110M lens for mono cameraを用いた。 As the hardware configuration, as the circuit board of the SLAM processing circuit 18, NVIDIA Jetson TX2 (vision computer) and CTI Orbitty carrier board for NVIDIA Jetson TX2, as the stereo camera 3, ZED stereo camera (USB 3.0), and the lower camera 17 used IDS UI-1220SE mono grayscale camera (USB 2.0) and Theia MY110M lens for mono camera.

なお、上記構成のSLAM処理回路18の動作電力としては基本的に2Wで9-14Vが要求されるが、この電力は機体本体の電源系11(メインバッテリ)から得ることとした。無人航空機1本体に備えられた電源ボタン(不図示)を押すことで無人航空機1が起動、あるいは動作停止するが、SLAM処理回路18の動作のオンオフも無人航空機1本体の動作のオンオフに伴って切り替えられる。例えば、無人航空機1本体の動作を停止するべく電源ボタンを押すと、まずSLAM処理回路18に対して主演算回路7aから停止命令信号が送信されてSLAM処理回路18が動作を停止し、その後に本体の動作が停止する。メインバッテリが切断された後にSLAM処理回路18がシャットダウンすることを可能とするために、SLAM処理回路18に十分な容量のバックアップバッテリを別途備えてもよい。 The operating power of the SLAM processing circuit 18 having the above configuration is basically required to be 2W and 9-14V. By pressing a power button (not shown) provided on the main body of the unmanned aerial vehicle 1, the unmanned aerial vehicle 1 is activated or stopped. can be switched. For example, when the power button is pressed to stop the operation of the main body of the unmanned aerial vehicle 1, a stop command signal is first transmitted from the main arithmetic circuit 7a to the SLAM processing circuit 18, and the SLAM processing circuit 18 stops operating. The machine stops working. A separate backup battery of sufficient capacity may be provided for the SLAM processing circuit 18 to allow the SLAM processing circuit 18 to shut down after the main battery is disconnected.

本試作機は、プロポ等の外部入力装置による操縦を基本としつつ、飛行中の状況に応じた変更処理(例えば近距離の障害物を検知したとき、制御信号生成回路8等による上述の距離制御処理が行われて外部入力信号が変更される。)や外部からのコマンド入力による変更処理(一時停止、強制停止などの緊急コマンドを地上局等から送信することで飛行に強制的に介入することが可能である。)等によりプロポ等からの入力信号をオーバーライドすることが可能である。 本試作機は、以下の5つのモードで動作可能である。 While this prototype is basically operated by an external input device such as a radio, the change processing according to the situation during flight (for example, when an obstacle at a short distance is detected, the above-mentioned distance control by the control signal generation circuit 8 etc. processing is performed and the external input signal is changed.) and change processing by command input from the outside (forcibly intervening in the flight by sending an emergency command such as a pause or a forced stop from the ground station, etc.) is possible.), etc., to override the input signal from the transmitter or the like. This prototype can operate in the following five modes.

1.姿勢制御モード
外部入力装置から受信する外部入力信号により示される外部入力指令値と、センサ部14の測定により得られる姿勢情報のデータを用いて主演算回路7aが自律制御プログラム9aを実行することにより生成される姿勢制御の指令値とを組み合わせて(合成)制御指令値を生成することにより、姿勢を自律制御するセミマニュアルモードである。無人航空機1を離陸させるためには、機体が離陸するまで単純に「thrust」スティックを上方向に押せばよく、以降は自律制御により姿勢が安定化されつつ外部入力信号に従って機体を操縦することができる。着陸のためには、機体が着陸するまで単純に「thrust」スティックを下方向に押せばよい。離陸及び着陸は以降のモードを含む全てのモードで実行でき、後述のGPSウェイポイントモード(離陸と着陸は自律的に実行される。)を除く各モードにおいて手順は同一である。
2.Visionアシストモード
既に述べたとおり、センサ部14に代わって下方カメラ17とSLAM処理回路18によるVisual SLAM処理により得られた機体位置、速度、姿勢等の情報を用いるモードである。外部入力信号により示される外部入力指令値と、Visual SLAM処理によって得られる情報を用いて主演算回路7aが自律制御プログラム9aを実行することにより生成される自律制御の指令値とを組み合わせて、(合成)制御指令値を生成することにより制御するセミマニュアルモードである。この制御モードにおいて、操縦者が指を外部入力装置から離す時、無人航空機1はその時の機体位置に留まる。無人航空機1を左に移動させるためには、「roll」スティックを左に押す。停止するためには、単純にスティックから手を離せばよい。無人航空機1を上方に移動させるためには、「thrust」スティックを上に押す。停止させるために、単純にスティックをリリースすればよい(「thrust」スティックにはバネが搭載されていて、ミドルポジションに戻る。)。
3.距離制御モード
本試作機においては上記「2.」のVisionアシストモードと共に用いられるモードであり、既に説明したとおりの原理により、無人航空機1の正面にある最も近い対象要素(壁、トラス、ワイヤ等)に対して固定の距離が維持されるように距離制御を行うモードである。左/右及び上/下の方向への飛行制御は、無人航空機1の正面にある対象要素に沿って機体を「スライド」させるために用いることができる。固定の距離としての目標値は、外部入力装置19上の距離設定ノブ20を用いて最小1m、最大3mの範囲内で設定される(図12)。
4.GPSアシストモード
基本的に外部コントローラからの制御信号で動作しつつ、GPSセンサデータに基づき姿勢・(ホバリング時の)位置を自律制御するモードである。
5.GPSウェイポイントモード
予め飛行計画情報の一部として設定されたGPSウェイポイントを利用して、上述の飛行計画情報によって与えられる飛行計画に従い、GPSセンサからの位置データ等を用いて飛行計画経路を自律飛行するモードである。
1. Attitude control mode By using the external input command value indicated by the external input signal received from the external input device and the attitude information data obtained by the measurement of the sensor unit 14, the main computation circuit 7a executes the autonomous control program 9a. This is a semi-manual mode in which the attitude is autonomously controlled by generating a (combined) control command value in combination with the generated attitude control command value. To take off the unmanned aerial vehicle 1, simply push the "thrust" stick upward until the aircraft takes off, after which the aircraft can be steered according to external input signals while the attitude is stabilized by autonomous control. can. To land, simply push the "thrust" stick downwards until the aircraft lands. Takeoff and landing can be performed in all modes including the following modes, and the procedure is the same in each mode except GPS waypoint mode (takeoff and landing are performed autonomously) described later.
2. Vision assist mode
As already described, this mode uses information such as aircraft position, velocity, attitude, etc. obtained by Visual SLAM processing by the lower camera 17 and SLAM processing circuit 18 instead of the sensor unit 14 . By combining the external input command value indicated by the external input signal and the autonomous control command value generated by the main arithmetic circuit 7a executing the autonomous control program 9a using the information obtained by the Visual SLAM processing, ( This is a semi-manual mode in which control is performed by generating synthetic) control command values. In this control mode, when the operator releases his/her finger from the external input device, the unmanned aerial vehicle 1 remains at the current body position. To move the unmanned aerial vehicle 1 to the left, push the "roll" stick to the left. To stop, simply let go of the stick. To move the unmanned aerial vehicle 1 upward, push the "thrust" stick up. To stop, simply release the stick (the "thrust" stick is spring loaded and returns to the middle position).
3. Distance control mode
In this prototype, this mode is used together with the Vision Assist mode described in "2." above. In this mode, the distance is controlled so that a fixed distance is maintained. Flight controls in left/right and up/down directions can be used to “slide” the airframe along target elements in front of the unmanned aerial vehicle 1 . A target value as a fixed distance is set within a range of minimum 1 m and maximum 3 m using the distance setting knob 20 on the external input device 19 (FIG. 12).
4. GPS assist mode
This is a mode in which the attitude/position (at the time of hovering) is autonomously controlled based on GPS sensor data while basically operating with control signals from an external controller.
5. GPS waypoint mode
Using GPS waypoints set in advance as part of the flight plan information, in accordance with the flight plan given by the above-mentioned flight plan information, in a mode in which the flight plan route is autonomously flown using position data etc. from the GPS sensor. be.

飛行モードは外部入力装置上のモードスイッチ(不図示)を用いて選択される。ただし「3.」の距離制御モードは、離陸動作中及び着陸動作中において不能とされる。 Flight modes are selected using a mode switch (not shown) on the external input device. However, the distance control mode of "3." is disabled during takeoff and landing operations.

また本試作機を飛行させる前には、Visual SLAM処理の初期化のために、図13の離陸パッド21を用いたセットアップ作業が行われる。セットアップ手順は以下のとおりである。
1.外部入力装置(無線コントローラ)がオフであることを確認する。
2.機体バッテリをプラグインする。
3.機体の「vision power」ボタンを押す。
a.「vision power」LEDが黄色く点滅を始める。
b.「vision power」LEDが無地の緑になるまで待つ。
4.機体を離陸パッド21の上に置く。
a.ステレオカメラ3が図13中の矢印(前方)の方向を向くように置く。
b.また着陸脚5の前方2つの端部が、第1のマーク22の上にそれぞれ位置するように置く。
5.機体背部の「Initialize」ボタンを押す。
6.機体を、着陸脚5の前方2つの端部が第1のマーク22から第2のマーク23へとスライドするように移動させる。
7.機体背部の「Initialize」LEDが消えたことを確認する。「Initialize」LEDが消えない場合、ステップ4から作業を繰り返す。
Also, before flying this prototype, setup work using the take-off pad 21 of FIG. 13 is performed for initialization of Visual SLAM processing. The setup procedure is as follows.
1. Make sure the external input device (wireless controller) is turned off.
2. Plug in the aircraft battery.
3. Press the "vision power" button on the aircraft.
a. The "vision power" LED starts flashing yellow.
b. Wait until the "vision power" LED turns solid green.
4. Place the aircraft on the take-off pad 21.
a. The stereo camera 3 is placed so as to face the direction of the arrow (forward) in FIG.
b. Also, the front two ends of the landing leg 5 are placed on the first mark 22 respectively.
5. Press the "Initialize" button on the back of the aircraft.
6. The aircraft is moved so that the front two ends of the landing legs 5 slide from the first mark 22 to the second mark 23 .
7. Confirm that the "Initialize" LED on the back of the aircraft has gone out. If the "Initialize" LED does not go out, repeat from step 4.

このセットアップ作業は、機体の着陸脚5の前方2つの端部が第1のマーク22にそれぞれ位置する第1の固定位置と、前方2つの端部が第2のマーク23にそれぞれ位置する第2の固定位置とから下方カメラ17で初期設定用ピクチャ24を撮影し、Visual SLAM処理に用いる最初の2つの画像を取得するためのものである。セットアップ作業中、上記「5.」の作業を行ったときに第1の固定位置から初期設定用ピクチャ24が撮影され、上記「6.」の作業を行ったときに第2の固定位置から初期設定用ピクチャ24が撮影される。下方カメラ17と、観察された特徴点の3D位置との間の相対的な姿勢を、平面を介するカメラ間のホモグラフィを見出すことにより計算できる。初期設定用ピクチャ24内の各マーカ(模様)は既知のサイズであり、撮影した画像を用いて下方カメラ17から離陸パッド21までの実際の距離を決めることができる。この実際の距離を、初期のSLAMマップから得られる離陸パッド21の面からの距離と比較し、SLAM処理と現実世界との間のスケール(割合)を設定することができる。なお、下方カメラ17としてステレオカメラを用いる場合、第1の固定位置から初期設定用ピクチャ24を撮影すれば2つの画像が得られるため、上記「6.」の作業は省略できる。 This setup operation consists of a first fixed position where the front two ends of the landing gear 5 of the fuselage are positioned at the first marks 22 respectively, and a second fixed position where the front two ends are positioned at the second marks 23 respectively. and the bottom camera 17 from a fixed position to obtain the first two images used for Visual SLAM processing. During the setup work, the initial setting picture 24 is captured from the first fixed position when the above "5." is performed, and the initial setting picture 24 is captured from the second fixed position when the above "6." A setting picture 24 is taken. The relative pose between the lower camera 17 and the observed 3D positions of the feature points can be calculated by finding the homographies between the cameras through the plane. Each marker (pattern) in the initialization picture 24 is of known size and the captured image can be used to determine the actual distance from the lower camera 17 to the take-off pad 21 . This actual distance can be compared to the distance from the plane of the take-off pad 21 obtained from the initial SLAM maps to set the scale between SLAM processing and the real world. Note that when a stereo camera is used as the lower camera 17, two images can be obtained by photographing the initial setting picture 24 from the first fixed position, so that the above operation "6." can be omitted.

本発明は、産業用、ホビー用を含むあらゆる用途に用いられるあらゆる無人航空機の制御のために利用することが可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used to control any unmanned aerial vehicle used for any purpose including industrial use and hobby use.

1 無人航空機
2 本体部
3 ステレオカメラ
4 外部環境撮影カメラ
5 着陸脚
6 計測値決定回路(デジタル信号処理部)
7a 主演算回路
7b 信号変換回路
8 制御信号生成回路
9a 自律制御プログラム
9b 距離制御モジュール
9c 各種データベース
10 記録装置
11 電源系
12 通信アンテナ
13 通信回路
14 センサ部
C0 左カメラ
C1 右カメラ
A 被写体
0,O1 光学中心
0,s1 撮像面
0,P1 像位置
300 カメラ部
301 レンズ
302 絞り
303 CMOSイメージセンサ
304 CDS回路
305 AGC回路
306 A/Dコンバータ
307 フレームメモリ
308 カメラ制御部(カメラ制御回路)
15a 被点検構造物
15b 被点検要素
16a 等距離面
16b 等距離線
17 下方カメラ
18 SLAM処理回路
19 外部入力装置
20 距離設定ノブ
21 離陸パッド
22 第1のマーク
23 第2のマーク
24 初期設定用ピクチャ
1 Unmanned aerial vehicle 2 Main unit 3 Stereo camera 4 External environment camera 5 Landing leg 6 Measured value determination circuit (digital signal processing unit)
7a main arithmetic circuit 7b signal conversion circuit 8 control signal generation circuit 9a autonomous control program 9b distance control module 9c various databases 10 recording device 11 power supply system 12 communication antenna 13 communication circuit 14 sensor section C0 left camera C1 right camera A subject O 0 , O 1 optical center s 0 , s 1 imaging plane P 0 , P 1 image position 300 camera unit 301 lens 302 aperture 303 CMOS image sensor 304 CDS circuit 305 AGC circuit 306 A / D converter 307 frame memory 308 camera control unit (camera control circuit)
15a structure to be inspected 15b element to be inspected 16a equidistant surface 16b equidistant line 17 downward camera 18 SLAM processing circuit 19 external input device 20 distance setting knob 21 take-off pad 22 first mark 23 second mark 24 initial setting picture

Claims (11)

外部入力信号及び/又は予め生成された飛行計画情報を用いた制御により飛行する無人航空機と、対象要素と、の距離を計測する距離センサとして、該対象要素を撮影する撮影カメラと、撮影した画像情報を用いて該距離の計測値を決定する計測値決定回路と、を備えた距離センサと、
前記距離センサにより計測された前記距離の計測値に応じて、飛行中に前記無人航空機の飛行を制御するための制御信号を生成する制御信号生成回路と
を備え、
前記制御信号生成回路は、
前記計測値が第1の基準値よりも小さく、且つ経時的に該計測値が減少する場合において、前記無人航空機を前記対象要素から離れさせるための制御信号を生成し、
前記計測値が前記第1の基準値よりも小さく、且つ、経時的に該計測値が減少しない場合において、前記距離の制御を伴わない制御信号を生成し、
前記計測値が、前記第1の基準値以上の第2の基準値よりも大きく、且つ経時的に該計測値が増大する場合において、前記無人航空機を前記対象要素に近づけるための制御信号を生成し、
前記計測値が前記第2の基準値よりも大きく、且つ、経時的に該計測値が増大しない場合において、前記距離の制御を伴わない制御信号を生成する
よう構成された、
無人航空機の飛行制御装置。
A photographing camera for photographing the target element as a distance sensor for measuring the distance between the unmanned aircraft flying under control using an external input signal and/or flight plan information generated in advance and the target element, and the photographed image a measurement determination circuit that uses the information to determine a measurement of the distance;
a control signal generation circuit that generates a control signal for controlling the flight of the unmanned aerial vehicle during flight according to the distance measurement value measured by the distance sensor;
The control signal generation circuit is
generating a control signal to move the unmanned aerial vehicle away from the target element when the measured value is less than a first reference value and the measured value decreases over time;
generating a control signal that does not involve control of the distance when the measured value is smaller than the first reference value and the measured value does not decrease over time;
generating a control signal for bringing the unmanned aerial vehicle closer to the target element when the measured value is greater than a second reference value equal to or greater than the first reference value and the measured value increases over time; death,
When the measured value is greater than the second reference value and the measured value does not increase over time, a control signal is generated that does not involve control of the distance.
configured as
Unmanned aerial vehicle flight controller.
前記無人航空機は、少なくとも前記外部入力信号を用いた制御により飛行する無人航空機であって、該外部入力信号は、該無人航空機の飛行中に外部入力装置からリアルタイムで入力される信号であり、前記制御信号は、前記距離の計測値に応じて該外部入力信号を変更して得られる信号である、請求項1に記載の飛行制御装置。 The unmanned aerial vehicle is an unmanned aerial vehicle that flies under control using at least the external input signal, the external input signal being a signal input in real time from an external input device during flight of the unmanned aerial vehicle, and 2. The flight control device according to claim 1, wherein the control signal is a signal obtained by changing the external input signal according to the measured value of the distance. 前記無人航空機は、少なくとも前記飛行計画情報を用いた制御により飛行する無人航空機であって、該飛行計画情報は、コンピュータがプログラムを実行することにより飛行前に予め生成された飛行計画情報である、請求項1に記載の飛行制御装置。 The unmanned aerial vehicle is an unmanned aerial vehicle that flies under control using at least the flight plan information, and the flight plan information is flight plan information generated in advance before flight by a computer executing a program. The flight control device of claim 1. 前記計測値決定回路が前記制御信号生成回路に統合されている、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の飛行制御装置。 4. A flight controller according to any one of the preceding claims, wherein the measurement determination circuit is integrated with the control signal generation circuit. 前記第1の基準値と前記第2の基準値が等しい、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の飛行制御装置。 5. A flight control device according to any preceding claim, wherein the first reference value and the second reference value are equal. 前記撮影カメラの撮影とは異なる方向を撮影する外部環境撮影カメラを更に備えた、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の飛行制御装置。 6. The flight control device according to any one of claims 1 to 5, further comprising an external environment photographing camera that photographs a direction different from that of the photographing camera. 前記無人航空機の周囲に存在する要素に対する該無人航空機の相対位置を計測するための相対位置計測センサを更に備えた、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の飛行制御装置。 7. The flight control device according to any one of claims 1 to 6, further comprising a relative position measurement sensor for measuring the relative position of the unmanned aerial vehicle with respect to elements existing around the unmanned aerial vehicle. 前記対象要素は、被点検構造物である、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の飛行制御装置。 8. A flight control system according to any one of claims 1 to 7, wherein the target element is a structure to be inspected. 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の飛行制御装置を備えた無人航空機。 An unmanned aerial vehicle comprising a flight control device according to any one of claims 1 to 8. 対象要素を撮影し、撮影した画像情報を用いて、外部入力信号及び/又は予め生成された飛行計画情報を用いた制御により飛行する無人航空機と、該対象要素と、の距離の計測値を決定することにより、該距離を計測する段階と、
前記距離の計測値に応じて、飛行中に前記無人航空機の飛行を制御するための制御信号を生成する段階と
を備え、
前記制御信号を生成する段階は、
前記計測値が第1の基準値よりも小さく、且つ経時的に該計測値が減少する場合において、前記無人航空機を前記対象要素から離れさせるための制御信号を生成し、
前記計測値が前記第1の基準値よりも小さく、且つ、経時的に該計測値が減少しない場合において、前記距離の制御を伴わない制御信号を生成し、
前記計測値が、前記第1の基準値以上の第2の基準値よりも大きく、且つ経時的に該計測値が増大する場合において、前記無人航空機を前記対象要素に近づけるための制御信号を生成し、
前記計測値が前記第2の基準値よりも大きく、且つ、経時的に該計測値が増大しない場合において、前記距離の制御を伴わない制御信号を生成する
ことを含む、
無人航空機の飛行制御方法。
Photographing a target element and using the photographed image information to determine a measured distance between the target element and an unmanned aerial vehicle flying under control using an external input signal and/or pre-generated flight plan information. measuring the distance by
generating control signals for controlling flight of the unmanned aerial vehicle during flight in response to the distance measurement;
The step of generating the control signal includes:
generating a control signal to move the unmanned aerial vehicle away from the target element when the measured value is less than a first reference value and the measured value decreases over time;
generating a control signal that does not involve control of the distance when the measured value is smaller than the first reference value and the measured value does not decrease over time;
generating a control signal for bringing the unmanned aerial vehicle closer to the target element when the measured value is greater than a second reference value equal to or greater than the first reference value and the measured value increases over time; death,
When the measured value is greater than the second reference value and the measured value does not increase over time, a control signal is generated that does not involve control of the distance.
including
A flight control method for an unmanned aerial vehicle.
対象要素を撮影カメラが撮影した画像情報を用いて、外部入力信号及び/又は予め生成された飛行計画情報を用いた制御により飛行する無人航空機と、該対象要素と、の距離の計測値を決定する段階を計測値決定回路に行わせ、
前記距離の計測値に応じて、飛行中に前記無人航空機の飛行を制御するための制御指令値を生成する段階であって、
前記計測値が第1の基準値よりも小さく、且つ経時的に該計測値が減少する場合において、前記無人航空機を前記対象要素から離れさせるための制御指令値を生成し、
前記計測値が前記第1の基準値よりも小さく、且つ、経時的に該計測値が減少しない場合において、前記距離の制御を伴わない制御指令値を生成し、
前記計測値が、前記第1の基準値以上の第2の基準値よりも大きく、且つ経時的に該計測値が増大する場合において、前記無人航空機を前記対象要素に近づけるための制御指令値を生成し、
前記計測値が前記第2の基準値よりも大きく、且つ、経時的に該計測値が増大しない場合において、前記距離の制御を伴わない制御指令値を生成する
ことを含む段階を、制御信号生成回路に行わせる
ためのプログラム。
Determining the measured distance between the target element and the unmanned aerial vehicle flying under control using external input signals and/or pre-generated flight plan information, using image information captured by the camera that captures the target element causing the measured value determination circuit to perform the step of
generating a control command value for controlling the flight of the unmanned aerial vehicle during flight according to the distance measurement,
generating a control command value for moving the unmanned aerial vehicle away from the target element when the measured value is smaller than a first reference value and the measured value decreases over time;
generating a control command value that does not involve control of the distance when the measured value is smaller than the first reference value and the measured value does not decrease over time;
When the measured value is greater than a second reference value equal to or greater than the first reference value and the measured value increases with time, a control command value for bringing the unmanned aerial vehicle closer to the target element is set. generate and
When the measured value is greater than the second reference value and the measured value does not increase over time, a control command value is generated that does not involve controlling the distance.
A program for causing a control signal generation circuit to perform a step including:
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