JP2010218321A

JP2010218321A - 移動体の物体投下装置、物体投下システム及びそれらに用いる物体投下方法

Info

Publication number: JP2010218321A
Application number: JP2009065347A
Authority: JP
Inventors: Takanari Arai; 貴成荒井
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2029-03-18
Also published as: JP5549089B2

Abstract

【課題】移動体に搭載して物体の投下を自動的に行うための小型軽量な投下演算器を実現することが可能な移動体の物体投下装置を提供する。
【解決手段】移動体の物体投下装置は、移動体に設置されかつ移動体の対気速度を検出する第１及び第２の対気速度センサ（１１ａ，１１ｂ）と、第１及び第２の対気速度センサ（１１ａ，１１ｂ）各々の検出結果と移動体の機体情報（２ａ）とから風向風速を求める演算手段（１１ｃ）と、演算手段（１１ｃ）で求めた風向風速とＧＰＳ情報（２ｂ）と初期情報（３）とから投下物の落下位置と誤差範囲とを計算する落下予測器（１２ａ）とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は移動体の物体投下装置、物体投下システム及びそれらに用いる物体投下方法に関し、特に無人機で物体投下を行う際の風向風速の計測方法に関する。

例えば、有人機における物体投下は、風向風速等の影響を予測して主に目視によって行われている。しかしながら、無人機で物体投下を実現する場合は、人による風向風速等の影響を加味した物体投下の判断が難しく、この判断の自動化を行う必要がある。さらに、物体投下の判断を行う機器を小型無人機に搭載する場合は、小型軽量な投下演算器が必須となる。

本発明に関連する投下方法では、上記のように、人が手動により風向風速等の影響を予測して物体投下の判断を行っている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、投下後の物体の挙動（風向風速等の影響による物体の挙動の変化）の予測が難しいことから、移動体（特に、無人移動体）に用いる自動落下装置の実現が困難である。

本発明に関連する投下方法では、風向風速を求める手段として、気象情報を使用しており、地上にある気象計から気象情報を移動体に伝送する装置を機上側と地上側とに必要とする。さらに、移動体の風向風速を知る手段としては、風向風速計が使用されている。

特開２００２−０３２５１９号公報

本発明に関連する投下方法では、移動体の風向風速を知る手段として風向風速計を使用しているため、装置の風向風速演算器の小型化が実現できないという問題がある。

また、風向風速演算器の結果を用いて落下位置の予測を行う落下予測器は、公知の技術であるが、地図情報を用いて安全な範囲と危険な範囲とを判別していないことや落下位置の誤差推定を行っていないことがあり、投下演算器の物体投下演算の安全対策に問題がある。

そこで、本発明の目的は上記の問題点を解消し、移動体に搭載して物体の投下を自動的に行うための小型軽量な投下演算器を実現することができる移動体の物体投下装置、物体投下システム及びそれらに用いる物体投下方法を提供することにある。

本発明による移動体の物体投下装置は、移動体に設置されかつ前記移動体の対気速度を検出する第１及び第２の対気速度センサと、
前記第１及び第２の対気速度センサ各々の検出結果と前記移動体の機体情報とから風向風速を求める演算手段と、
前記演算手段で求めた風向風速とＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）情報と初期情報とから投下物の落下位置と誤差範囲とを計算する落下予測器とを備えている。

本発明による物体投下システムは、上記の移動体の物体投下装置を含むことを特徴とする。

本発明による物体投下方法は、移動体から投下物を投下する物体投下装置に用いる物体投下方法であって、
前記移動体に、前記移動体の対気速度を検出する第１及び第２の対気速度センサを設置し、
前記物体投下装置が、前記第１及び第２の対気速度センサ各々の検出結果と前記移動体の機体情報とから風向風速を求める演算処理と、前記演算処理で求めた風向風速とＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）情報と初期情報とから投下物の落下位置と誤差範囲とを計算する落下予測処理とを実行している。

本発明は、上記のような構成及び動作とすることで、移動体に搭載して物体の投下を自動的に行うための小型軽量な投下演算器を実現することができるという効果が得られる。

本発明の実施の形態による物体投下装置の構成例を示すブロック図である。本発明の実施の形態による移動体の機首の拡大イメージを示す図である。本発明の実施の形態における風向風速ベクトルを示す図である。本発明の実施の形態における誤差領域のない場合の進入経路を示す図である。本発明の実施の形態における誤差領域のある場合の進入経路を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、本発明による物体投下システムの概要について説明する。本発明による物体投下システムは、簡易的な方法で風向風速を計測することを特徴とし、移動体の物体投下装置の小型軽量化を実現している。

物体の投下位置は、力学的に求めることが可能であり、この技術は公知である。本発明による物体投下システムに用いる投下演算器では、投下位置に地図情報と誤差情報とを加えて物体を投下する判定を自動化している。加えて、上記の投下演算器では、経路点を自動的に生成し、無人機の物体投下の自律化を図っている。

これによって、本発明による物体投下システムでは、例えば、物体を長時間に渡って正確に等間隔に複数個投下するという応用も人の手を介さずに容易に実現することができる。

また、本発明による物体投下システムでは、地上画像と各種データとのデータリンクを実現すれば、有人機と同じように、目視で現地の様子を確認し、地図情報と誤差情報とを判断して物体投下指令を出力することも可能である。

さらに、本発明による物体投下システムでは、経路点の自動生成によらず、無人機を操縦して安全な経路から進入させることも容易に実現することができる。

本発明による移動体の物体投下装置は、移動体に設置された対気速度センサ（＃１）及び対気速度センサ（＃２）の検出結果と機体情報とから風向風速を求める演算部を有している。

また、本発明による移動体の物体投下装置は、演算部からの風向風速とＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）情報と初期情報とから物体の落下位置と誤差範囲とを計算する落下予測器を備え、落下予測器の予測結果と地図情報と安全器の出力とに基づいて投下指令発生器からアクチュエータに出力する物体落下指令を生成し、物体の落下を自動的に行っている。

さらに、本発明による移動体の物体投下装置は、落下予測器の予測結果と地図情報とから進入指示を生成する進入指示器と、移動体への指令を発生する移動体指令発生器とを有し、移動体指令発生器にて移動体の制御器に対する指令生成を行うことで、物体の落下を安全に実行することができる。

本発明では、風向風速演算器で互いに直行するように配置された対気速度センサ（＃１）及び対気速度センサ（＃２）を左右対称に設置している。対気速度センサ（＃１）及び対気速度センサ（＃２）各々で検出される風速は、対地速度成分と風向風速成分との和である。

本発明では、対地速度成分をＧＰＳ情報から計測し、ＧＰＳ情報からの対地速度成分と、対気速度センサ（＃１）及び対気速度センサ（＃２）各々からの対気速度成分とのベクトル演算で風向風速を求めることができる。本発明では、２つのピトー管（＃１，＃２）とそのセンサとで構成できる風向風速計を用いているため、装置自体の小型軽量化を図ることができる。

さらに、上記の演算部を含む投下演算器では、落下予測器で予測位置と誤差範囲とを求め、地図情報で安全範囲と危険範囲とを比較することで、投下指令の実行を判断する安全器を新たに設けている。

さらにまた、本発明では、落下予測器の予測位置と誤差範囲と地図情報の安全範囲とが一致し、危険範囲とが不一致となるように、進入指示器の進入情報と高度とを示すことで、安全な物体投下を可能としている。この他に、本発明では、移動体指令発生器を搭載して移動体の自律的な制御も可能としている。

このように、本発明では、従来から知られている方法に比べて、簡易的に風向風速を求める方法と投下位置とその誤差範囲を予想する方法と地図情報とを用いて安全を判断する方法とを加えている。

さらに、本発明では、移動体への進入指示や移動体指令を自動的に発生させる仕組みを加えて、移動体が自律的に物体投下できるシステムを小型軽量で実現できるようにしている。これによって、本発明では、移動体（特に、小型無人機）に搭載して物体の投下を自動的に行うための小型軽量な投下演算器を実現することができる。

図１は本発明の実施の形態による物体投下装置の構成例を示すブロック図であり、図２は本発明の実施の形態による移動体の機首の拡大イメージを示す図であり、図３は本発明の実施の形態における風向風速ベクトルを示す図である。

図４は本発明の実施の形態における誤差領域のない場合の進入経路を示す図であり、図５は本発明の実施の形態における誤差領域のある場合の進入経路を示す図である。これら図１〜図５を参照して本発明の実施の形態による物体投下装置の動作例について説明する。

図１において、本発明の実施の形態による物体投下装置は、投下演算装置１と、アクチュエータ４と、制御器等５とを備えている。図１においては、本発明の実施の形態を移動体（特に、小型無人機）（図示せず）に適用した例を示している。

投下演算装置１は、その内部に、風向風速演算器１１と投下演算器１２とを備えている。風向風速演算器１１は、移動体の姿勢角と方位角とを出力する機体情報２ａと、移動体の位置と高度と対地速度とを出力するＧＰＳ情報２ｂとを入力し、対気速度（＃１，＃２）を出力する対気速度センサ（＃１）１１ａ及び対気速度センサ（＃２）１１ｂ［図２に示すピトー管（＃１，＃２）］と、その各入力から移動体の風向風速を演算する演算部１１ｃとから構成されている。

移動体姿勢角と高度とから一定で移動している時、図３に示す通り、水平面内で対気速度ベクトルは、対地速度ベクトルと風向風速ベクトルとの和で表される。これにより、本実施の形態では、対地速度ベクトルを分割し、対地速度成分と対気速度（＃１）及び対気速度（＃２）との差を求めることで、風向風速の直交成分を求めている。風向は直交成分の角度を演算し、移動体の方位角を加えることで求めることができ、風速は直交成分の大きさを演算することで求めることができる。

図３において、風向風速演算器１１の演算処理について説明する。風向風速演算器１１は、上記のように、対気速度計（＃１）１１ａ［ピトー管（＃１）］と、対気速度計（＃２）１１ｂ［ピトー管（＃２）］と、演算部１１ｃとを有する。

対気速度計（＃１）１１ａからは速度Ｖａ１が、対気速度計（＃２）１１ｂからは速度Ｖａ２が得られる。速度Ｖａ１，Ｖａ２は、移動体の進行方向に対して左右４５度の位置に設置されたピトー管（＃１，＃２）から得られる対気速度成分である。

対気速度ベクトルＶａは、速度Ｖａ１と速度Ｖａ２との合成成分で、対地速度ベクトルＶｇは、ＧＰＳ受信機（図示せず）から得られる。求める風向風速ベクトルＶｗの方向は、「対地速度ベクトルＶｇ−対気速度ベクトルＶａ」で求められる角度であり、その大きさは｜Ｖｗ｜で表される。風向風速Ｖｗの方向は、機体情報から得られる機首方向から風向風速Ｖｗの方向ベクトルの方位を加減したものである。

上記の説明を式で表すと、

・・・（１）
で表される。

したがって、風速及び風向は、

・・・（２）

・・・（３）
という式によって求められる。

投下演算器１２は、機体情報２ａと、ＧＰＳ情報２ｂとを入力し、落下予測器１２ａと、安全器１２ｃと、投下指令発生器１２ｄと、進入指示器１２ｅと、移動体指令発生器１２ｆとから構成されている。

落下予測器１２ａに対しては、移動体の姿勢角と方位角と３軸ジャイロとを出力する機体情報２ａと、移動体の位置と高度とを出力するＧＰＳ情報２ｂと、投下物の質量と形状と空力係数とを出力する初期情報３とが入力される。地図情報１２ｂとしては、機体情報２ａとＧＰＳ情報２ｂとが入力される。

落下予測器１２ａは、移動体の位置と、高度と、速度と、姿勢角と、風向風速演算器１１から出力される風向及び風速と、投下物の質量、形状、空力係数とから落下位置の予測と誤差計算とを行い、予測位置と進路予測円とを演算する。

落下位置は、投下物の質量と高度とから落下時間が計算される。風向、風速と、横方向の空力抵抗と、落下時間とによって移動距離が求まる。落下位置は、移動距離と移動体の位置とから求まる。つまり、縦方向の移動距離ｈ、横方向の移動距離ｌは、

・・・（４）
という式で表される。

投下物のパラシュートの最終速度は、

・・・（５）
という式で表されるので、高度（縦方向の移動距離）は、上記の（４）式から

・・・（６）
という式で求められる。

また、（６）式から、

・・・（７）
という式が求められるので、横方向の移動距離ｌ（固定座標系の落下位置ｌ_x，ｌ_y）は、

・・・（８）
という式で求められる。

次に、落下地点の誤差は、風速により生じるので、風速の強弱を係数として誤差半径を演算することができる。つまり、投下地点の誤差Δｌ_x，Δｌ_yは、風速の誤差係数と直進方向の誤差係数として表されるので、

・・・（９）
という式で表すことができる。

地図情報１２ｂは、予め入力された着陸地点の地理的情報（高度、緯度、経度）と着陸目標領域と警戒・危険領域との情報を提供し、予め設定されている安全領域及び危険領域の範囲を出力する。安全領域は、投下物が着地する場所を示し、危険領域は、落下物が着地してはならない場所を示す。これら安全領域と危険領域との関係は、図４及び図５に示す通りである。

安全器１２ｃは、落下予測器１２ａからの落下位置、誤差領域と、地図情報１２ｂの安全領域、危険領域との比較を行い、投下物（図示せず）が無事に投下地点へ着地できるかどうかを判定し、安全であると判定した場合に投下指令を出力する。

安全器１２ｃでは、落下予測器１２ａの予測結果と地図情報１２ｂとを基に領域判定を行う。例えば、安全器１２ｃは、
（投下誤差領域）は（Δｌ_x，Δｌ_y）を含む領域
（安全領域）は（投下誤差領域）を含む領域
（危険領域）は（投下誤差領域）を含まない領域
以上の条件を満たす場合に「投下許可」とする。

投下指令発生器１２ｄは、安全器１２ｃからの投下指令と、機体情報２ａの姿勢角、３軸角速度とを確認し、安全に投下できるタイミングを計り、アクチュエータ４に投下信号を出力する。アクチュエータ４は、投下指令発生器１２ｄからの投下信号に基づいて投下物の投下を行う。

進入指示器１２ｅは、落下予測器１２ａからの落下位置、誤差領域と、地図情報１２ｂの安全領域、危険領域との比較を行い、移動体が最適に進入できるコースの方位、位置、高度、速度を出力する。

移動体指令発生器１２ｆは、進入指示器１２ｅからの方位、位置、高度とから移動体の向かうべき経路点を計算して制御器等５へ出力する。制御器等５は、移動体指令発生器１２ｆからの経路点情報にしたがい、移動体の自動操縦を行うための制御情報を出力する。

上述した投下指令発生器１２ｄ、進入指示器１２ｅ、移動体指令発生器１２ｆは、公知の技術を流用すれば容易に実現することができるので、その説明については省略する。

このように、本実施の形態では、簡易的に風向風速を求める方法と、投下位置と、その誤差範囲を予想する方法と、地図情報とを用いて安全を判断する方法を本発明に関連する投下方法に加えている。

さらに、本実施の形態では、移動体への進入指示や移動体指令を自動的に発生させる仕組みを加えて、移動体が自律的に物体を投下することができるシステムを、小型軽量に実現しているので、移動体（特に、小型無人機）に搭載して物体の投下を自動的に行うための小型軽量な投下演算器を実現することができる。

本発明は、航空機や自動車等の移動体や無人の移動体の投下システムの自動化に適用可能である。

１投下演算装置
２ａ機体情報
２ｂＧＰＳ情報２ｂ
３初期情報
４アクチュエータ
５制御器等
１１風向風速演算器
１１ａ対気速度センサ（＃１）
１１ｂ対気速度センサ（＃２）
１１ｃ演算部
１２投下演算器
１２ａ落下予測器
１２ｃ安全器
１２ｄ投下指令発生器
１２ｅ進入指示器
１２ｆ移動体指令発生器

Claims

移動体に設置されかつ前記移動体の対気速度を検出する第１及び第２の対気速度センサと、
前記第１及び第２の対気速度センサ各々の検出結果と前記移動体の機体情報とから風向風速を求める演算手段と、
前記演算手段で求めた風向風速とＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）情報と初期情報とから投下物の落下位置と誤差範囲とを計算する落下予測器と
を有することを特徴とする移動体の物体投下装置。
前記移動体において、前記第１及び第２の対気速度センサを互いに直交するように左右対称に設置したことを特徴とする請求項１記載の移動体の物体投下装置。
前記落下予測器は、対地速度成分を前記ＧＰＳ情報から計測し、その計測した対地速度成分と前記第１及び第２の対気速度センサ各々からの対気速度成分とのベクトル演算で風向風速を求めることを特徴とする請求項１または請求項２記載の移動体の物体投下装置。
前記落下予測器で計算された落下位置及び誤差範囲と、予め安全範囲と危険範囲とが設定された地図情報とを比較して前記投下物の投下指令の実行の良否を判定する安全器と、
前記落下予測器の予測結果と前記地図情報と前記安全器の判定結果とに基づいて前記投下物の投下指令を生成する投下指令発生器とを含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか記載の移動体の物体投下装置。
前記落下予測器からの落下位置及び誤差領域と、前記地図情報の安全領域及び危険領域との比較を行い、前記移動体の進入可能なコースの方位、位置、高度、速度を出力する進入指示器と、
前記進入指示器からの方位、位置、高度とから前記移動体の向かうべき経路点を計算する移動体指令発生器とを含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか記載の移動体の物体投下装置。
上記の請求項１から請求項５のいずれかに記載の移動体の物体投下装置を含むことを特徴とする物体投下システム。
移動体から投下物を投下する物体投下装置に用いる物体投下方法であって、
前記移動体に、前記移動体の対気速度を検出する第１及び第２の対気速度センサを設置し、
前記物体投下装置が、前記第１及び第２の対気速度センサ各々の検出結果と前記移動体の機体情報とから風向風速を求める演算処理と、前記演算処理で求めた風向風速とＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）情報と初期情報とから投下物の落下位置と誤差範囲とを計算する落下予測処理とを実行することを特徴とする物体投下方法。
前記移動体において、前記第１及び第２の対気速度センサを互いに直交するように左右対称に設置したことを特徴とする請求項７記載の物体投下方法。
前記落下予測処理において、対地速度成分を前記ＧＰＳ情報から計測し、その計測した対地速度成分と前記第１及び第２の対気速度センサ各々からの対気速度成分とのベクトル演算で風向風速を求めることを特徴とする請求項７または請求項８記載の物体投下方法。
前記物体投下装置が、前記落下予測処理で計算された落下位置及び誤差範囲と、予め安全範囲と危険範囲とが設定された地図情報とを比較して前記投下物の投下指令の実行の良否を判定する判定処理と、前記落下予測処理の予測結果と前記地図情報と前記判定処理の判定結果とに基づいて前記投下物の投下指令を生成する投下指令発生処理とを実行することを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか記載の物体投下方法。
前記物体投下装置が、前記落下予測処理で計算された落下位置及び誤差領域と、前記地図情報の安全領域及び危険領域との比較を行い、前記移動体の進入可能なコースの方位、位置、高度、速度を出力する進入指示処理と、前記進入指示処理から出力される方位、位置、高度とから前記移動体の向かうべき経路点を計算する移動体指令発生処理とを実行することを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか記載の物体投下方法。