JP2001175329A - Ｇｐｓを利用した無人飛行体の無線操縦システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 無線操縦システムに、ＧＰＳシステムを安価
に組み込む。 【解決手段】 無線操縦送信機と被操縦体にＧＰＳ受信
機を組み込み、両者の位置データの差から、両者の相対
位置を取得し、被操縦体の位置制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本出願の発明は、模型用飛行
機、ヘリコプター等、無線により遠隔制御される被操縦
体の位置精度を向上させるための無線操縦システムに関
する。

【０００２】

【従来の技術】ＧＰＳ（Grobal Positoning System、汎
地球測位システム、全地球測位システムといわれてい
る。）は、アメリカ合衆国によって、航空機・船舶等の
航法支援用として開発されたシステムである。このシス
テムの利用は、地上約２万kmを周回する２４個のＧＰＳ
衛星（６軌道面に４個ずつ配置）のうち３個以上（４個
以上の衛星を利用すれば、三次元的な位置決定が可能と
なる。）のＧＰＳ衛星からの距離を同時に知ることによ
り、自分の位置等を決定することにより行われている。
ＧＰＳ衛星からの距離は、ＧＰＳ衛星から絶え間なく発
信されている電波が受信機に到達するまでに要した時間
から求めることができる。このシステムは、陸、海、空
の移動体及び測量等の正確な位置決めシステムとして利
用されている。

【０００３】ＧＰＳは、もともと、米国の軍事目的とい
う性格上、米国の国防上の理由で混入されている意図的
精度劣化である選択利用性といわれる誤差（ＳＡ：Sele
ctive Availability）が加えられており、また自然界の
要因、電離層、対流層、マルチパス、及び受信機のノイ
ズ等の様々な誤差要因が存在するため、一般的には、Ｇ
ＰＳをそのまま利用した場合、数十〜数百メートルの位
置誤差が発生する。そのため、このような誤差を修正す
るためのＧＰＳの測位方式として、ディファレンシャル
ＧＰＳ（Differential−GPS、相対的測位法式、以下
「ＤＧＰＳ」という。）があり、カーナビゲーション等
で応用されている。これにより、数メートル〜数十メー
トルまで位置誤差が改善される。

【０００４】ＤＧＰＳは、正確の位置が分かっている基
準局と利用者である移動局とからなり、基準局は、衛星
を追跡し、観測ができた各衛星についてそれぞれ疑似距
離（衛星と受信点間の距離は、各種誤差を含むため疑似
距離と称する。）の補正値を計算し、移動局はこの補正
値を受信し、受信した補正値を用いて移動局が測定した
自己の位置を示す疑似距離の誤差を消去して、高精度の
位置情報を得るようにしている。

【０００５】基準局からリアルタイムで位置補正情報を
伝える方法として、狭いサービスエリアで比較的高精度
のサービスを提供するローカルエリアＤＧＰＳ（Local
areaDGPS）、広いサービスエリアでやや低精度のサービ
スを提供するワイドエリアＤＧＰＳ（wide area DGPS）
とがある。

【０００６】図５は、基準局としてＦＭ放送局を利用し
たＤＧＰＳシステムを示した模式図である。基準局５０
であるＦＭ放送局５１は、ＧＰＳ受信機５２及びＦＭア
ンテナ５３よりなり、利用者である移動局５４は、ＧＰ
Ｓ受信機５５，ＧＰＳアンテナ５６、ＦＭ受信機５７，
ＦＭアンテナ５８及び位置情報表示器５９より構成され
ている。ＦＭ放送局５１は、既知の位置情報とＧＰＳ受
信機５２から取得された位置情報とを比較して、その誤
差データを演算し、ＦＭ放送電波の未使用周波数領域、
又はＦＭ周波数をＡＭ変調することにより補正値をアン
テナ５３より発信している。移動局５４である利用者
は、ＦＭ放送局５１より発信された電波から補正値を抽
出して、ＧＰＳアンテナ５６を通してＧＰＳ受信機５５
にて受信したＧＰＳ位置情報を補正することにより、よ
り正確な位置情報を絶対位置として位置情報表示器５９
に表示することができる。

【０００７】図６は、絶対位置としての位置情報ではな
く、相対位置としての位置情報を簡便に取得できるよう
にした、ローカルＤＧＰＳシステムを示す模式図であ
る。システムＡ側のＧＰＳ受信機６１が受信したデータ
をデータ通信システム６３によって、システムＢ側にア
ンテナ６８を介してＦＭ受信機６７へ送信する。システ
ムＡ、Ｂの二つのＧＰＳ受信データには同じ誤差データ
が含まれているため、絶対位置を知ることはできない
が、二つのＧＰＳ受信機６１，６５のＧＰＳ衛星からの
位置情報データから、システムＡ側に対するシステムＢ
の相対位置を位置情報表示器６９に表示することができ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記ローカルＤＧＰＳ
システムは、少なくとも基準局の電波を受信する必要が
あるため、場所や地域に限定されるという問題が生ず
る。又、該システムを無人飛行体の無線操縦システムに
適用しようとすると、従来の無人飛行体の無線操縦シス
テムに基準局の電波を受信し解析する手段を設けること
がが必要となり、さらに、被操縦体である無人飛行体、
例えばヘリコプター等に搭載するためには専用の電源が
必要であり、そのため従来のシステム全体は、かなり高
価なものとなってしまう。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本出願のの請求項１の発
明は、飛行体を操縦する操作信号を出力する無線操縦手
段と、 衛星の電波を受信して自己位置を検出するＧＰ
Ｓ測位手段と、上記無線操縦手段から出力される操作信
号と、上記ＧＰＳ測位手段によって検出された位置デー
タを時分割的に重畳した制御情報として送信する送信手
段を備えている無人飛行体の無線操縦制御システムであ
る。

【００１０】請求項２の発明は、制御情報は上記操作信
号を送る複数のチャンネルデータと、上記位置データを
送るチャンネルデータによって構成され、請求項３の発
明は、位置データは上記操作信号を送るチャンネルの各
ヘッダ部に分配されていることを特徴と子、請求項４の
発明は、飛行体を操縦する操作信号と、衛星の電波を受
信して自己位置を検出する位置データを送信する無線操
縦装置と、衛星の電波を受信して自己位置を検出するＧ
ＰＳ測位手段と、上記操作信号に対応して飛行状態が制
御される被制御手段を備えている被操縦体によって構成
され、上記被操縦体は上記無線操縦装置から送信された
位置データと、自己のＧＰＳ測位手段によって検出した
位置データの差を演算した相対位置データによって飛行
状態が制御されるように構成されている無人飛行体の無
線操縦制御システムである。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の１実施例を模式
的に示すもので、模型飛行機やヘリコプター用の従来の
無人飛行体の無線操縦システムへローカルＤＧＰＳシス
テムを組み込んだ構成例を示すものである。操縦者Ａが
持っている無線操縦送信機１は、無線操縦信号及びＧＰ
Ｓ信号送信機２、送信アンテナ３、ＧＰＳ受信機４及び
アンテナ５、とから構成され、被操縦体Ｂの制御ユニッ
ト１０には、ＧＰＳ受信機１１及びアンテナ１２、ＦＭ
受信機１３及びアンテナ１４、及び位置演算及び制御装
置１５、とから構成されている。

【００１２】操縦者Ａのもつ無線操縦送信機１は、アン
テナ５を介してＧＰＳ受信機４で受信したＧＰＳ衛星か
らの受信データに基づいて、操縦者Ａの現在位置（緯
度、経度及び又は高度）の位置情報をメモリ（図示せ
ず）に記憶し、無線操縦信号及びＧＰＳ信号送信機２に
よって、アンテナ３を介して、操縦制御信号の送信と同
時に、送信する。被操縦体Ｂの制御ユニット１０のＦＭ
受信機１３は、アンテナ１４を介して、無線操縦送信機
１から送信された操縦信号データと、ＧＰＳ衛星から取
得した位置情報（操縦者Ａの現在位置を示す）を受信
し、メモリ（図示せず）に記憶する。一方、ＧＰＳ衛星
からの受信データに基づいて、被操縦体Ｂの現在位置
（緯度、経度及び又は高度）の位置情報は、アンテナ１
２を介してＧＰＳ受信機１１により受信され、メモリ
（図示せず）に記憶する。そして、該図示しないメモリ
に記憶された該操縦者ＡのＧＰＳ衛星による位置情報、
及び被操縦体ＢのＧＰＳ衛星による位置情報は、位置情
報演算及び制御装置１５に送られ、両情報をもとに、被
操縦体Ｂの操縦者Ａからの相対位置が演算され、被操縦
体Ｂの制御に使用される。この際、操縦者ＡのＧＰＳ衛
星による位置情報、及び被操縦体ＢのＧＰＳ衛星による
位置情報が含む誤差は、両位置情報から相対位置を求め
る演算の過程で相殺され、かなり正確な操縦者Ａと被操
縦体Ｂの相対位置（ｍ単位の精度も可能）を求めること
ができる。

【００１３】ＧＰＳ衛星からの位置情報のうち、緯度、
経度情報のみを利用した場合は、操縦者Ａと被操縦体Ｂ
との間の相対的な二次元制御を行うことができ、例え
ば、遠方に設定された特定のエリアから飛行物体が逸脱
しないような自動制御を加えることによって、無線操縦
の安定性を確保することができる。すなわち、一定の作
業エリア内のみを飛行し、誤って操縦エリア外に飛行物
体が飛び出し、操縦不能になることを防止する。更に、
高度情報を利用した場合は、操縦者Ａと被操縦体Ｂとの
間の相対的な三次元制御を行うことができ、一定の作業
エリア内の飛行を制御できるとともに、作業エリア内の
起伏に対応した制御も可能となる。

【００１４】図２は、本発明を作業用ヘリコプターに応
用した場合の、例を示す模式図であって、（ａ）は飛行
体の二次元制御、（ｂ）は飛行体の三次元制御の例を示
している。図２（ａ）において、無線操縦送信機１を持
つ操縦者Ａは、作業用の無人ヘリコプターを使って作業
エリア内である作業（例えば、農薬散布、空中撮影等）
をしようとしている。前述のように、ＧＰＳ衛星からの
位置情報を取得して、操縦者Ａと被操縦体Ｂ（作業用ヘ
リコプター）との相対位置が演算され、操縦者Ａの位置
と、作業エリアの位置とが被操縦体Ｂの位置情報演算及
び制御装置１０に入力、記憶されているので、被操縦体
Ｂは、操縦者Ａの操縦にかかわらず、自動的に作業エリ
アから外れないよう水平位置制御される。図２（ｂ）に
おいて、前記図２（ａ）のような作業において、作業エ
リア内に起伏があった場合、障害物の標高データを被操
縦体Ｂの位置情報演算及び制御装置１０に記憶させてお
けば、被操縦体の三次元制御が可能となる。

【００１５】図３は、各種信号のフォーマットを示すも
ので、（ａ）はＧＰＳ衛星から受信される受信データを
示し、（ｂ）は無線操縦送信機が操縦信号を被操縦体に
送信するデータをＰＣＭ（Pulsu Code Modulation、パ
ルス符号変調）に変換した場合のデータフォーマットを
示し、（ｃ）はＰＣＭに置き換える前の各チャンネル毎
のデータフォーマットを示す。

【００１６】図３（ａ）に示すように、ＧＰＳ衛星から
の受信データは、例えば全体３０ビットで構成され、最
初に同期ビットが付けられ、データ部分は２４ビットで
構成されている。無線操縦送信機で送信される操縦用の
デジタル信号は、図３（ｂ）に示すように、本実施例の
場合、８チャンネルの送信機であって（１０チャンネル
以上の送信機も発売されている。）、１フレームで８チ
ャンネルのうち４チャンネルを送信し、次の第２フレー
ムで、残りのチャンネルのデータを送信するようになっ
ている。模型飛行機の場合、方向、エンジン、昇降、傾
き、揚力、引っ込み足の６つの制御で足りるため、２チ
ャンネルが空いている。

【００１７】チャンネル毎のＰＣＭ変換する前のデータ
フォーマットは、図３（ｃ）に示されるようになってい
る。このデータフォーマットでは、２ビットのステータ
スデータは、１ビットのみしか使用されていない。本実
施例では、この空いているステータスデータの１ビット
を使用して、ＧＰＳ衛星からの受信データ２４ビットか
らなる位置データを各チャンネルに分配して被操縦体Ｂ
に送信する。又は、空いているチャンネル（図示例の場
合７チャンネル又は８チャンネル）を利用して、操縦送
信機からの位置データを送信するようにしてもよい。し
たがって、前者の場合は２フレームに１ビット送信する
ことになる。２４ビットの位置データを送信するには、
１フレームの送信に２８．５ｍｓかかるので、 ２８．５（ｍｓ／フレーム）×４８（フレーム）≒１．４ｓｅｃ ・・（１） となる。したがって、被操縦体Ｂの位置制御は、約１．
４秒ごとに行うことができる。また、後者のように空き
チャンネルを複数利用すれば、被操縦体Ｂの位置制御
は、更に短い間隔で制御できる。

【００１８】図４は、本発明の１実施例であって、被操
縦体Ｂの制御ユニット１０、特に位置演算及び制御装置
１５の詳細を示す構成図である。位置演算及び制御装置
１５は、位置信号生成部３０，位置情報演算装置３１及
びＣＰＵ３２から構成されている。無線操縦送信機１か
ら送信された無線操縦信号及びＧＰＳ信号（ＰＣＭ信号
に変調された）は、アンテナ１４を介して、受信機２１
により受信され、受信されたＰＣＭ信号は、復調器２
２，エンコーダ２３により、各チャンネル毎のデータと
して、それぞれのチャンネルに送られ、飛行制御が行わ
れる。本実施例の場合、ＧＰＳ信号は、空きチャンネル
ｃｈ７、８を使用して送られてくるので、チャンネルｃ
ｈ７、８に送られたＧＰＳ信号は、位置信号生成部３０
によって位置信号として生成される。被操縦体ＢのＧＰ
Ｓ受信機１１によって受信されたＧＰＳ信号と、前記位
置信号生成部３０で生成された位置信号は、位置情報演
算装置３１に入力され、操縦者Ａと被操縦体Ｂとの相対
位置（又は距離）が演算される。演算された相対位置
（又は距離）は、ＣＰＵ３２に送られ、メモリ（図示な
し）記憶され、被操縦体Ｂの飛行制御用サーボ系の制御
に利用される。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、被操縦体にはＧＰＳを
設けている外には位置データを受信するための特別な受
信設備を搭載することなく、従来の無人飛行体の無線操
縦システムの無線操縦用の受信機・送信機を簡単なイン
ターフェイスを備えるだけで、そのまま使用することが
でき、かつ、基準点（つまり操縦者の現在位置）に対
し、高い精度で相対位置情報を得ることができる。さら
に、従来の無人飛行体の無線操縦システムの無線操縦用
の受信機・送信機のみで制御できるので、場所や地域に
限定されずに使用できる。さらに、特定の作業エリア内
での飛行制御ができ、山間部などのような起伏のあると
ころでも、高度データを利用すれば三次元の飛行制御が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を模式的に示す模式図。

【図２】本発明が、被操縦体の二次元制御、三次元制御
に応用された状態を示す模式図。

【図３】本発明の信号データのフォーマット形式を示す
概念図。

【図４】本発明の被操縦体の制御ユニットの位置演算及
び制御装置の構成図。

【図５】従来のＧＰＳシステムを示す模式図。

【図６】従来のＤＧＰＳシステムを示す模式図。

【符号の説明】

１：無線操縦送信機、 ２：無線操縦信号及びＧＰＳ信
号送信機、３：送信アンテナ、 ４：ＧＰＳ受信機、
５：アンテナ、１０：被操縦体の制御ユニット、 １
１：ＧＰＳ受信機、 １２：アンテナ １３：ＦＭ受信機、 １４：アンテナ１４、 １５：位
置演算及び制御装置 Ａ：操縦者、 Ｂ：被操縦体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河野 騰 千葉県茂原市大芝629 双葉電子工業株式 会社内 Ｆターム(参考） 5H301 AA06 AA10 BB01 BB15 CC04 CC07 DD06 DD17 FF08 KK02 KK03 KK19 QQ06

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】飛行体を操縦する操作信号を出力する無線
   操縦手段と、 衛星の電波を受信して自己位置を検出するＧＰＳ測位手
   段と、 上記無線操縦手段から出力される操作信号と、上記ＧＰ
   Ｓ測位手段によって検出された位置データを時分割的に
   重畳した制御情報として送信する送信手段を備えている
   ことを特徴とする無線操縦装置。
2. 【請求項２】上記制御情報は上記操作信号を送る複数の
   チャンネルデータと、上記位置データを送るチャンネル
   データによって構成されていることを特徴とする請求項
   １に記載の無線操縦装置。
3. 【請求項３】上記位置データは上記操作信号を送るチャ
   ンネルの各ヘッダ部に分配されていることを特徴とする
   請求項１に記載の無線操縦装置。
4. 【請求項４】飛行体を操縦する操作信号と、衛星の電波
   を受信して自己位置を検出する位置データを送信する無
   線操縦装置と、 衛星の電波を受信して自己位置を検出するＧＰＳ測位手
   段と、上記操作信号に対応して飛行状態が制御される被
   制御手段を備えている被操縦体によって構成され、 上記被操縦体は上記無線操縦装置から送信された位置デ
   ータと、自己のＧＰＳ測位手段によって検出した位置デ
   ータの差を演算した相対位置データによって飛行状態が
   制御されるように構成されていることを特徴とする無線
   操縦システム。