JP2018063264A - レーダ装置、コントロールシステム、移動装置及び無人航空機 - Google Patents

Abstract

【課題】無人航空機の自律飛行や自動車の自動運転等に適用可能な障害物検知センサーに用いられるレーダ装置やコントロールシステム等を提供する。【解決手段】レーダ装置３０は、指向性回転アンテナ３１と、指向性回転アンテナ３１の回転を可能にするアンテナ駆動装置３２と、指向性回転アンテナ３１による電波の送受信結果から対象物を探知する探知制御ユニットと、を備える。指向性回転アンテナ３１は、マイクロ波の送受信が可能なアンテナ３１Ａと、アンテナ３１Ａが載置されるロータ３１Ｒと、ロータ３１Ｒを回転自在に支持するステータ３１Ｓと、各部を収容するレドーム３１Ｒと、を備える。アンテナ駆動装置３２は、ステータ３１Ｓに対してロータ３１Ｒを回転させる。【選択図】図３

Description

本発明は、レーダ装置、コントロールシステム、移動装置及び無人航空機に関する。

高度な情報処理技術の発展により、自動車等の移動体の自動運転の研究開発が進められている。この自動運転を行う場合、自動車の位置の測定、自動車の周囲の障害物の検出、そして、位置情報及び検出結果に基づく自動運転の制御等が必要となる。これによれば、障害物が現れた場合であっても、その障害物を回避することが可能となるため、自動運転技術がより安全なものとなる。その技術の１つとして、ミリ波ナロービーム形成を用いて車両の地点を表す位置情報を決定する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１７−１９１０９８号公報

ところで、近年「ドローン」（以下、無人航空機と称する）の産業用分野への実用化が盛んに研究されている。従来からの操縦者による無線操縦を介した飛行制御のみならず、無人航空機自体がGPS（Global Positioning System）による位置情報を自ら取得し、予め与えられた地図情報を参照することにより自律的に航路を判断し自律飛行制御の研究開発も盛んに行われている。

ところが、GPSを使用した自律飛行では予め与えられた地図情報に対しての飛行しか出来ない。このため、飛行中に遭遇する例えば「鳥、他の飛行隊（例えば、無人航空機等）、地上の高層建造物や鉄塔等」の障害物を自律的に検知し衝突防止を行うには他の障害物検知センサーが必要となる。

かかる障害物検知センサーとしては、全天候型であること検知速度が速いことが挙げられる。しかしながら、既存の検知センサーでは、特許文献1のようなものに限られ、無人航空機の自律飛行や自動車の自動運転等に適用可能な障害物検知センサーは未だ知られていない。

本発明は、斯かる実情に鑑み、無人航空機の自律飛行や自動車の自動運転等に適用可能な障害物検知センサーに用いられるレーダ装置やコントロールシステムを提供しようとするものである。さらに、本発明は、これらを搭載した移動装置及び無人航空機を提供しようとするものである。

本発明は、指向性アンテナユニットと、前記指向性アンテナユニットを回転させるアンテナ駆動装置と、前記指向性アンテナユニットによる電波の送受信結果から対象物を探知する探知制御ユニットと、を備え、前記指向性アンテナユニットは、マイクロ波の送受信が可能なアンテナユニットと、前記アンテナユニットを載置するロータと、前記ロータを回転自在に支持するステータと、を備え、前記アンテナ駆動装置は、前記ステータに対して前記ロータを回転させることを特徴とするレーダ装置である。

また、本発明は、移動装置の操作を行う操作制御部と、前記移動装置に搭載された上記のレーダ装置と、を備え、前記操作制御部は、前記レーダ装置の探知結果に基づいて、前記移動装置の操作を行うことを特徴とするコントロールシステムである。

さらに、本発明は、上記のコントロールシステムを搭載したことを特徴とする移動装置や無人航空機である。

本発明によれば、無人航空機の自律飛行や自動車の自動運転等に適用可能な障害物検知センサーに用いられるレーダ装置やコントロールシステムを提供することができる。さらに、本発明は、これらを搭載した移動装置及び無人航空機を提供することができる。

無人航空機の概要を示す説明図である。 レーダ装置の概要を示すブロック図である。 （Ａ）は、指向性回転アンテナの概要を示す斜視図である。（Ｂ）は、指向性回転アンテナの概要を示す側面図である。 指向性回転アンテナの動作の概要を示す平面である。 レーダ装置の概要を示すタイミングチャートである。 レーダ装置による探知の概要を示す説明図である。

図１に示すように、自律飛行が可能な無人飛行体２は、本体１０と、ＧＰＳからの信号を受信可能なＧＰＳ受信機２０と、レーダ装置３０と、を備える。本体１０は、いわゆるドローンと称されるものであり、回転翼１１と、カメラなどのセンサ類と、外部機器と通信を可能にする通信ユニットと、各部を制御する制御部と、を備え、制御部は、レーダ装置３０やセンサ類や通信ユニットからの信号に応じて、複数の回転翼１１の駆動制御を行い、羽上昇、下降、前後左右の飛行、右旋回、左旋回等が可能となっている。
ていてもよい。

図２に示すように、レーダ装置３０は、指向性回転アンテナ（指向性アンテナユニット）３１と、指向性回転アンテナの回転を可能にするアンテナ駆動装置３２と、指向性回転アンテナ３１による電波の送受信結果から対象物を探知する探知制御ユニット３５と、を備える。

指向性回転アンテナ３１は、図３に示すように、マイクロ波（波長：１００μｍ以上１ｍ）の送受信が可能なアンテナ３１Ａと、アンテナ３１Ａが載置されるロータ３１Ｒと、ロータ３１Ｒを回転自在に支持するステータ３１Ｓと、各部を収容するレドーム３１Ｒと、を備える。アンテナ駆動装置３２は、ステータ３１Ｓに対してロータ３１Ｒを回転させる。

アンテナ３１Ａとしては、線状アンテナ、板状アンテナ、平面アンテナ、開口面アンテナ（例えば、パラボラアンテナ、ホーンアンテナ、レンズアンテナ等）、進行波アンテナ、ＥＨアンテナ等、既存のアンテナを適宜利用することができる。

図２に示すように、探知制御ユニット３５は、アンテナ３１Ａを介して所定の電波を発信するためのマイクロ波発信器３５Ｓと、アンテナ３１Ａを介して所定の電波を受信するための受信器３５Ｒと、アンテナ３１Ａを介した送受信の切り替えを行う送受切替器３５Ｗと、アナログ信号をデジタル信号へ変換するＡＤ変換器３５Ｅと、角度信号を発生させる角度信号発生器３５Ｇと、マイクロ波発信器３５Ｓ、ＡＤ変換器３５Ｅ、送受切替器３５Ｗ及び角度信号発生器３５Ｇの間で同期を取るための同期信号発生器３５Ｙと、ＡＤ変換器３５Ｅ及び角度信号発生器３５Ｇからの出力を受信する信号処理部３５Ｃとを備える。

送受切替器３５Ｗは、アンテナ３１Ａを、マイクロ波発信器３５Ｓ又は受信器３５Ｒのいずれか一方に対して電気的に接続させるものである。これにより、送受切替器３５Ｗは、アンテナ３１Ａとマイクロ波発信器３５Ｓが電気的に接続する送信可能状態と、アンテナ３１Ａと受信器３５Ｒが電気的に接続する受信可能状態と、の間で切替可能となっている。送受切替器３５Ｗの送信可能状態と受信可能状態の切り替えは、同期信号発生器３５Ｙが出力する同期信号に従って行われる。

マイクロ波発信器３５Ｓは、同期信号発生器３５Ｙが出力する同期信号に従って、所定のマイクロ波の発生信号を出力する。マイクロ波発信器３５Ｓによるマイクロ波の発生信号の出力タイミングは、あらかじめ設定されている。

受信器３５Ｒは、アンテナ３１Ａが受信したアナログ信号を受信する。ＡＤ変換器３５Ｅは、同期信号発生器３５Ｙが出力する同期信号に従って、受信器３５Ｒが受信したアナログ信号をデジタル信号へ変換する。ＡＤ変換器３５Ｅは、この変換処理により、反射波時間情報と、反射波強度情報と生成する。さらに、ＡＤ変換器３５Ｅは、反射波時間情報と、反射波強度情報を信号処理部３５Ｃへ出力する。

角度信号発生器３５Ｇは、同期信号発生器３５Ｙが出力する同期信号に従って、角度信号を出力する。角度信号は、アンテナ駆動装置３２や信号処理部３５Ｃに入力される。アンテナ駆動装置３２は、入力された角度信号に従って、ステータ３１Ｓに対してロータ３１Ｒを回転させる。

信号処理部３５Ｃは、ＡＤ変換器３５Ｅや角度信号発生器３５Ｇから所定の信号を読み取るものである。信号処理部３５Ｃは、角度信号発生器３５Ｇから入力された角度信号はアンテナビーム方位情報として読み取る。信号処理部３５Ｃは、反射波時間情報と、反射波強度情報と、アンテナビーム方位情報等に基づき、ターゲットエリアにおける対象物の有無を判定する。

信号処理部３５Ｃにおける処理結果は、本体１０の制御部へ出力される。制御部は、信号処理部３５Ｃによる処理結果に基づいて、複数の回転翼１１について独立した駆動制御を行う。これにより、本体１０は、羽上昇、下降、前後左右の飛行、右旋回、左旋回等を所望の飛行を行うことができる。

次に、レーダ装置３０の使用方法を説明する。

角度信号発生器３５Ｇは、同期信号発生器３５Ｙが出力する同期信号に従って、角度信号を出力する。角度信号は、信号処理部３５Ｃ及びアンテナ駆動装置３２にそれぞれ入力される。信号処理部３５Ｃには、アンテナビーム方位情報として受信される。一方、アンテナ駆動装置３２は、角度信号に従って所定の角度だけ、ステータ３１Ｓに対してロータ３１Ｒを回転させる。これにともない、指向性回転アンテナ３１は、角度信号に従って所定の角度だけ回転する（図４）。

送受切替器３５Ｗは、同期信号に従って、送信可能状態と受信可能状態の切り替えを行う。送信可能状態の場合には、マイクロ波発信器３５Ｓから出力されたマイクロ波の発生信号（図５における送信パルス）が、指向性回転アンテナ３１へ入力される。これにより、指向性回転アンテナ３１から所定のマイクロ波が発生する。

受信可能状態の場合には、指向性回転アンテナ３１が受信した受信信号（図５における受信パルス）が受信器３５Ｒに入力される。ＡＤ変換器３５Ｅは、受信した受信信号を反射波時間情報（図５におけるτ１、τｎ）と、反射波強度情報（図５におけるＡ１、Ａｎ）とに分離して、信号処理部３５Ｃへ入力する。信号処理部３５Ｃは、以下の式１より、反射物までの距離Ｒを測定する。
式１ Ｒ＝τ・Ｃ／２ （τ：反射遅れ時間τ、Ｃ：光速）

さらに、信号処理部３５Ｃは、距離Ｒ及び受信パルス及アンテナビーム方位角情報から、反射物の方位を特定する。

このようにして、指向性回転アンテナ３１の回転と、指向性回転アンテナ３１を介したマイクロ波の送受信とを繰り返し行うことにより、ターゲットエリア、すなわち回転中心からの所定の半径以内における探知が可能となる（図６）。そして、反射物として特定された位置が衝突危険領域に入った場合には、特定された位置を本体１０の回転翼１１の制御部へ出力する。制御部は、特定された位置から本体１０が遠ざかるように回転翼１１の制御を行う。したがって、本発明によれば、無人航空機の自律飛行において、衝突防止が可能となる。

上記実施形態では、無人航空機を例にしたが、他の移動体（例えば、自動車等）にも適用できる。

尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

２ 無人飛行体
１０ 本体
１１ 回転翼
２０ ＧＰＳ受信機
23番地 54 千葉県鎌ヶ谷市東鎌ヶ谷3丁目
３０ レーダ装置
３１ 指向性回転アンテナ
３１Ａ アンテナ
３１Ｒ ロータ
３１Ｒ レドーム
３１Ｓ ステータ
３２ アンテナ駆動装置
３５ 探知制御ユニット
３５Ｃ 信号処理部
３５Ｅ ＡＤ変換器
３５Ｅ マイクロ波発信器３５Ｓ、ＡＤ変換器
３５Ｇ 角度信号発生器
３５Ｒ 受信器
３５Ｓ マイクロ波発信器
３５Ｗ 送受切替器
３５Ｙ 同期信号発生器

Claims (4)

1. 指向性アンテナユニットと、
   前記指向性アンテナユニットを回転させるアンテナ駆動装置と、
   前記指向性アンテナユニットによる電波の送受信結果から対象物を探知する探知制御ユニットと、を備え、
   前記指向性アンテナユニットは、
   マイクロ波の送受信が可能なアンテナと、
   前記アンテナを載置するロータと、
   前記ロータを回転自在に支持するステータと、を備え、
   前記アンテナ駆動装置は、前記ステータに対して前記ロータを回転させることを特徴とするレーダ装置。
2. 移動装置の操作を行う操作制御部と、
   前記移動装置に搭載された請求項１記載のレーダ装置と、を備え、
   前記操作制御部は、前記レーダ装置の探知結果に基づいて、前記移動装置の操作を行うことを特徴とするコントロールシステム。
3. 請求項２に記載のコントロールシステムを搭載したことを特徴とする移動装置。
4. 請求項２に記載のコントロールシステムを搭載したことを特徴とする無人航空機。
   
   

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