JP2018090117A - 無人飛行装置、無人飛行方法及び無人飛行プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】飛行物体が近づいてきた場合に、回避動作を実施することができる無人飛行装置、無人飛行方法及び無人飛行プログラムの提供すること。【解決手段】無人飛行装置は、外部の音圧を計測する音圧計測手段と、前記音圧の発生源の移動方向を算出する移動方向算出手段と、前記移動方向に基づいて、前記発生源と所定範囲内に近接することを回避するための回避経路を算出する回避経路算出手段と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、無人飛行装置、無人飛行方法及び無人飛行プログラムに関する。

従来、小型無人飛行装置（ドローンとも呼ばれる）の利用が提案されている。

特開２００４−２５６０２０号公報

ドローンの用途の一つとして、空中から地上を撮影する空撮がある。ドローンが空撮する位置へ向かって飛行している途中や、空撮している最中に、有人のヘリコプターが接近してくる場合がある。このような場合には、ドローンはヘリコプターを回避する必要がある。このような回避動作は、従来、地上から無線でドローンを制御して実施しているが、ドローンの高度が高い場合、ドローンとヘリコプターの相対的な位置を地上から正確に認識することは困難であるから、適切な回避動作を実施できない場合がある。また、ドローンを自律飛行させているときには、地上からの制御はできない。

本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、飛行物体が近づいてきた場合に、回避動作を実施することができる無人飛行装置、無人飛行方法及び無人飛行プログラムの提供を目的とする。

第一の発明は、自律飛行するための自律飛行手段を有する無人飛行装置であって、外部の音圧を計測する音圧計測手段と、前記音圧の発生源の移動方向を算出する移動方向算出手段と、前記移動方向に基づいて、前記発生源と所定範囲内に近接することを回避するための回避経路を算出する回避経路算出手段と、
を有する無人飛行装置である。

第一の発明の構成によれば、無人飛行装置は、自律飛行しつつ、外部の音圧を計測し、その発生源の移動方向を算出したうえで、回避経路を算出する。これにより、飛行物体が近づいてきた場合に、回避動作を実施することができる。

第二の発明は、第一の発明の構成において、前記発生源が、前記無人飛行装置が作業を実施する作業位置から所定範囲内に位置する場合には、前記発生源との接触を回避しつつ作業を実施するための変更作業位置を算出する変更作業位置算出手段を有する、
無人飛行装置である。

第三の発明は、第二の発明の構成において、前記無人飛行装置は、前記作業位置において前記作業を実施しているときに、前記発生源との接触を回避する場合には、前記変更作業位置に向かっている間においても前記作業を継続する、無人飛行装置である。

第四の発明は、第一乃至第三のいずれかの発明の構成において、前記回避経路は、前記発生源と遠ざかる方向で、前記発生源の進行方向と略直交する経路である、無人飛行装置である。

第五の発明は、自律飛行するための自律飛行手段を有する無人飛行装置が実施する無人飛行方法であって、外部の音圧を計測する音圧計測ステップと、前記音圧の発生源の移動方向を算出する移動方向算出ステップと、前記移動方向に基づいて、前記発生源と所定範囲内に近接することを回避するための回避経路を算出する回避経路算出ステップと、を含む無人飛行方法である。

第六の発明は、自律飛行するための自律飛行手段を有する無人飛行装置を制御するコンピュータを、外部の音圧を計測する音圧計測手段、前記音圧の発生源の移動方向を算出する移動方向算出手段、前記移動方向に基づいて、前記発生源と所定範囲内に近接することを回避するための変更経路を算出する変更経路算出手段、として機能させるためのプログラムである。

以上のように、本発明によれば、飛行物体が近づいてきた場合に、回避動作を実施することができる。

本発明の実施形態の作用の概略を示す図である。 本発明の実施形態の無人飛行体の構成を示す概略図である。 無人飛行体の動作を示す概略図である。 回避必要性を説明するための図である。 無人飛行体の動作を示す概略図である。 無人飛行体の動作を示す概略図である。 無人飛行体の動作を示す概略図である。 無人飛行体の機能ブロックを示す概略図である。 無人飛行体の動作を示すフローチャートである。 無人飛行体の動作を示すフローチャートである。

本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、当業者が適宜実施できる構成については説明を省略し、本発明の基本的な構成についてのみ説明する。

図１及び図２に示す無人飛行体１（以下、「無人機１」という。）は、自律飛行可能な、いわゆる、ドローン、あるいは、マルチコプターある。無人機１は、無人飛行装置の一例である。

地域２００は、山２０２，２０４及び２０６を背景とし、前方に湖２０８がある。山２０６と湖２０８の間には、道路２１０が配置され、自動車２１４が通行している。山２０６の山裾と道路２１０の間には、複数の家屋からなる集落２１２が形成されている。無人機１は、所定の空間位置から集落２１２を撮影する作業を行うようになっている。

無人機１は、所定の空間位置へ向かう途中や、所定の空間位置において撮影中に、ヘリコプター３００と所定範囲内に近接することを回避するように構成されている。所定範囲内とは、例えば、１００メートル（ｍ）以内の距離である。

図２に示すように、無人機１は、筐体２を有する。筐体２には、丸棒状のアーム４が接続されている。各アーム４にはモーター６が接続されており、各モーター６にはプロペラ８が接続されている。各モーター６は、筐体２内のコンピュータによってそれぞれ独立して制御され、無人機１を上下水平方向の移動や回転、空中での停止（ホバリング）及び姿勢制御を自在に行うことができるようになっている。アーム４には保護枠１０が接続され、プロペラ８が外部の物体に直接接触することを防止している。アーム４及び保護枠１０は、例えば、炭素繊維強化プラスチックで形成されており、強度を保ちつつ、軽量に構成されている。

筐体２には、無人機１の各部を制御するコンピュータ、無線通信装置、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用した測位装置、自律飛行制御装置、加速度センサー及びジャイロセンサー等の慣性センサー、磁気センサー、気圧センサー、温度センサー、バッテリー等が配置されている。また、筐体２には、固定装置（いわゆる、「ジンバル」）１２を介してカメラ１４が配置されている。カメラ１４は、デジタル画像を撮像するデジタルカメラ、あるいは、ビデオカメラ等である。無人機１は、通信装置によって、基地局１００（図８参照）と通信可能になっている。

筐体２には、音圧センサー２０が配置されている。音圧センサー２０は、指向性を有する６つのマイクロホン２０ａ〜２０ｆで構成される。マイクロホン２０ａと２０ｂ、マイクロホン２０ｃと２０ｄ、マイクロホン２０ｅと２０ｆは、それぞれ最大感度方向が互いに逆方向を向くように、すなわち０度と１８０度を向くように配置される。それら３組のマイクロホン対は、各マイクロホン対を互いに直交し、一点（「原点」と呼ぶ）で交わる３つの軸線、すなわちｘ，ｙ，ｚ軸に沿って、かつ、原点を挟むようにそれぞれ配置される。マイクロホン２０ａ〜２０ｆは、それぞれ、カーディオイド指向特性を持つマイクロホンで構成することができる。無人機１は、音圧センサー２０からの出力値によって、音圧の発生源としてのヘリコプター３００の位置及び移動方向を算出するようになっている。ここで、ヘリコプター３００の位置とは、無人機１に対する方角（角度）及び無人機１との距離である。移動方向とは、無人機１の進行方向に対するヘリコプター３００の進行方向である。

各マイクロフォン２０ａ等には、計測された音圧値を増幅するアンプと、それをデジタルデータに変換するＡ／Ｄコンバータが配置されている。

発生源が位置する角度は、指向性を有する２つのマイクロホンからなるマイクロホン対で計測された音圧の差分値を、記憶手段に予め格納された到来角度ごとのマイクロホン感度差に照合することで到来角度を推定したり（国際公開第２００９−１５３９９９号パンフレット、国際公開第２００６−０５４５９９号パンフレット参照）、マイクロホン対でそれぞれ計測された音圧の加算値及び差分値を乗じるか又は二乗音圧の差分値を計算し、次いで音響インピーダンスρｃ（ρ；空気密度、ｃ；音速）で除することにより、各マイクロホン対の配置軸線に沿った音響インテンシティ成分を算出するとともに、別のマイクロホン対を用いて異なる軸線方向に沿った音響インテンシティ成分を同様に算出し、これら音響インテンシティのベクトル成分から到来角度を推定したりすることが可能である（国際公開第２００９−１５３９９９号パンフレット、特開２００８−２４９７０２号公報参照）。音響インテンシティとは、音圧及び粒子速度の積である。この積は、媒体中を伝播する音の伝播方向に沿って単位時間あたりに単位面積を流れるエネルギー、すなわち、音響エネルギーに相当する。

音圧の発生源（以下、「発生源」という。）が無人機１に接近しているのか否かは、マイクロフォン２０ａ等が検出する音圧レベルが大きくなるか否か、あるいは、周波数によって判断する。

音圧レベルが大きくなる場合には、発生源が無人機１に近づいていると判断し、逆に、音圧レベルが小さくなる場合には、発生源が無人機１から遠ざかっていると判断する。

音圧の発生源が無人機１に接近しているのか否かを音圧の周波数によって判断する場合について、説明する。音圧の発生源の本来の周波を「周波数ｆ０」とし、無人機１が移動中のヘリコプター３００からの音圧の周波数を「周波数ｆ１」とし、無人機１が空中停止中のヘリコプター３００からの音圧の周波数を「周波数ｆ２」とする。周波数ｆ０が既知であれば、無人機１は、周波数ｆ１が周波数ｆ０よりも高いか否かを判断し、周波数ｆ１が周波数ｆ０よりも高い場合には、ヘリコプター３００は無人機１に接近していると判断する。周波数ｆ０が未知であれば、無人機１は、外部の音圧を検出した時点で空中停止して音圧を検出し、周波数ｆ２が周波数ｆ１よりも高いか否かを判断し、周波数ｆ２が周波数ｆ１よりも高い場合には、ヘリコプター３００が無人機１に接近していると判断する。

発生源と無人機１との距離は、無人機１が、ヘリコプター３００の音圧レベルと距離との関連データを保持しておき、実際に測定した音圧レベルと対比することで、算出することができる。距離の算出に際して、例えば、風向きや風速による補正を行ってもよい。なお、無人機１が、ヘリコプター３００の音圧レベルと距離との関連データを保持していない場合には、距離を仮定して、計算に使用する。例えば、時刻ｔにおける距離を１５０メートル（ｍ）と仮定し、時間Δｔが経過した時刻ｔ＋Δｔにおける距離を１４０メートル（ｍ）と仮定する。Δｔは、短い時間であり、例えば、０．１秒（ｓ）である。

無人機１は、時刻ｔにおける音圧と、時刻ｔから時間Δｔが経過した時刻ｔ＋Δｔにおける音圧に基づいて、その音圧の発生源の無人機１に対する角度及び距離を算出し、その音圧の発生源の移動方向を算出する。

なお、音圧計測、角度算出、距離算出及び接近の判断に係る構成は、音圧値を計測可能でかつその音圧値を用いて発生音の到来角度、音圧レベル及び周波数を算出することができる限り、任意の構成とすることが可能である。

図３に示すように、無人機１が作業位置Ｐ１に向かって飛行経路Ｒ１に従って飛行中の場合、ヘリコプター３００が移動方向Ｂ１で接近していると判断すると、飛行経路Ｒ１を回避経路Ｒ２に変更する。回避経路Ｒ２の初期段階は、移動方向Ｂ１と略直交する方向である。これにより、ヘリコプター３００と所定範囲内に接近することを回避することができる。回避経路は複数あり得るが、無人機１は、所定の優先順位によって、回避経路を決定する。例えば、ヘリコプター３００の下方に入る回避経路は採用しない。あるいは、回避を迅速に行うため、回避経路の初期段階において、風上から風下に向かう経路を優先する。風向きは、無人機１の自律飛行制御装置からの出力によって判断することができる。例えば、無人機１が南から北に向かって一直線に飛行している場合、無風状態の場合には、進行方向に対して左右のモーター６は、同じ回転数で回転している。これに対して、西から東へ向かう風向きの場合、無人機１は、一直線に飛行するために、左右のモーター６の回転数を変えて、南から北に向かう推力成分に加えて、東から西に向かう推力成分を発生させている。このため、各モーター６の回転数によって、風向きを判断することができる。

図４を使用して、ヘリコプター３００が無人機１に接近している場合において、ヘリコプター３００を回避する必要があるか否かを判断する例を説明する。
図４（ａ）に示すように、無人機１は、時刻ｔにおいて音圧を測定し、ヘリコプター３００が位置する角度及び距離を算出する。そして、無人機１は、短い時間Δｔが経過した時刻ｔ＋Δｔにおいて、ヘリコプター３００が位置する角度及び距離を算出する。Δｔは、例えば、０．１秒（ｓ）である。図４（ａ）に示すように、無人機１は、無人機１とヘリコプター３００との距離が近づいており、時刻ｔにおける角度と時刻ｔ＋Δｔにおける角度がともに角度Ａ１で等しい場合には、移動方向Ｂ１を算出する。移動方向Ｂ１は、飛行経路Ｒ１における移動方向と等しく、いずれ、無人機１はヘリコプター３００と所定範囲内に接近する。無人機１は、例えば、図３の回避経路Ｒ２を算出し、回避経路Ｒ２を経由して作業位置Ｐ１に向かう。

図４（ｂ）に示すように、無人機１は、時刻ｔにおける角度が角度Ａ１であり、時刻ｔ＋Δｔにおける角度が角度Ａ２である場合には、移動方向Ｂ２を算出する。現時点では、無人機１とヘリコプター３００は近づいているが、移動方向Ｂ２は飛行経路Ｒ１の方向とほぼ直交するから、いずれ、遠ざかる。このため、無人機１は、飛行経路Ｒ１を維持する。

図４（ｃ）に示す様に、無人機１は、時刻ｔにおける角度が角度Ａ３であり、時刻ｔ＋Δｔにおける角度が角度Ａ４である場合には、移動方向Ｂ３を算出する。移動方向Ｂ３の延長線は、飛行経路Ｒ１の延長線と近接し、無人機１がヘリコプター３００と所定距離内に近接する可能性があるから、無人機１は、移動方向Ｂ３と略直交する回避経路を算出する。

図５に示すように、無人機１は、回避経路Ｒ２の途中位置Ｒ２ａにおいて、音圧センサー２０で取得した音圧に基づいて、ヘリコプター３００の移動方向を算出し、ヘリコプター３００が無人機１から遠ざかっている場合には、当初の回避経路Ｒ２を経由して、作業位置Ｐ１へ向かう。

これに対して、図６に示すように、無人機１が、回避経路Ｒ２の途中位置Ｒ２ａにおいて、音圧センサー２０で取得した音圧に基づいて、ヘリコプター３００が作業位置Ｐ１近傍に位置していると判断した場合には、回避経路Ｒ２を修正し、作業位置Ｐ１の代替位置としての変更作業位置Ｐ２（以下、「作業位置Ｐ２」という。）へ向かう。無人機１は、ヘリコプター３００からの音圧から、ヘリコプター３００が位置する角度を算出することによって、ヘリコプター３００が作業位置Ｐ１の方向に位置するか否を判断することができる。また、無人機１は、その音圧レベルによって、ヘリコプター３００が作業位置Ｐ１の近傍に位置するか否かを判断することができる。例えば、無人機１は、ヘリコプター３００との距離と音圧レベルを関連付けたデータを参照して、音圧レベルによって、ヘリコプター３００との距離を判断する。作業位置Ｐ２は変更作業位置の一例である。作業位置Ｐ２は、作業位置Ｐ１における作業と同質の作業を実施できる空中の位置である。作業位置Ｐ２は、ヘリコプター３００から所定の距離だけ離れ、かつ、無人機１による撮影などの作業にヘリコプター３００が障害にならない位置である。所定の距離は、例えば、１００メートル（ｍ）である。ヘリコプター３００が所定の距離以内に位置するか否かは、音圧レベルで判断する。

図７に示すように、無人機１が、作業位置Ｐ１において作業を実施中に、ヘリコプター３００が接近していると判断した場合には、回避経路Ｒ３によって、作業位置Ｐ２へ向かう。無人機１は、作業位置Ｐ１から作業位置Ｐ２へ向かう間も、作業を継続する。

図８に示すように、無人機１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）５０、記憶部５２、無線通信部５４、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）部５６、慣性センサー部５８、駆動制御部６０、画像処理部６２、音圧センサー部６４、及び、電源部６６を有する。

無線通信部５４によって、無人機１は基地局１００と通信可能になっている。基地局１００は、無人機１の離陸及び着陸を監視及び管理する管理装置の一例であり、適宜、飛行に関する指示を与えるようになっている。

ＧＰＳ部５６と慣性センサー部５８によって、無人機１は機体の位置を測定することができる。ＧＰＳ部５６は、基本的に、３つ以上のＧＰＳ衛星からの電波を受信して無人機１の位置を計測する。慣性センサー部５８は、例えば、加速度センサー及びジャイロセンサーによって、出発点からの無人機１の移動を積算して、無人機１の位置を計測する。

駆動制御部６０によって、無人機１は、各モーター６の回転を制御するようになっている。

画像処理部６２によって、無人機１は、カメラ１４を作動させて画像を取得することができる。

音圧センサー部６４によって、無人機１は、音圧センサー２０を作動させて、外部の音圧を測定するようになっている。

電源部６６は、例えば、交換可能な可充電電池であり、無人機１の各部に電力を供給するようになっている。

記憶部５２には、出発点から目的位置まで自律飛行するための飛行計画を示すデータ等の無人飛行に必要な各種データ及びプログラムや、以下の各プログラムが格納されている。

記憶部５２には、音圧計測プログラム、移動方向算出プログラム、回避必要性判断プログラム、回避経路算出プログラム、変更作業位置算出プログラムが格納されている。

ＣＰＵ５０及び音圧計測プログラムは、外部の音圧を計測する音圧計測手段の一例である。無人機１は、音圧計測プログラムによって、音圧センサー２０を作動し、外部の音圧を計測するようになっている。また、無人機１は、音圧計測プログラムによって、無人機１自体の周波数帯域をフィルタリング処理によって除外し、それ以外の周波数帯域の音圧値を取得するようになっている。

ＣＰＵ５０及び移動方向算出プログラムは、音圧の発生源の移動方向を算出する移動方向算出手段の一例である。無人機１は、取得した音圧値に基づいて、音圧の発生源が位置する角度、距離、及び、その発生源の進行方向を算出する。

ＣＰＵ５０及び回避必要性判断プログラムは、音圧の発生源から回避する必要があるか否かを判断する回避必要性判断手段の一例である。音圧の発生源に所定範囲内に近接する可能性がある場合に、回避する必要がある。無人機１は、音圧の発生源が無人機１から遠ざかっている場合には、回避する必要がないと判断する。音圧の発生源が無人機１の後方（進行方向と反対側）から近づいている場合であって、無人機１の進行方向と発生源の進行方向が略直交する場合には、回避する必要がないと判断する。音圧の発生源が無人機１に近づいている場合であって、発生源が無人機１の進行方向である場合には、回避する必要があると判断する。また、発生源が無人機１の後方であって、無人機１の進行方向と発生源の進行方向が略直交しない場合には、回避する必要があると判断する。

ＣＰＵ５０及び回避経路算出プログラムは、音圧の発生源から回避するための経路を算出する回避経路算出手段の一例である。無人機１は、音圧の発生源が無人機１に近づいている場合に、発生源と遠ざかる方向で、かつ、発生源が近づく方向と略直交する方向を変更経路とする。これにより、無人機１は、作業位置Ｐ１（図３参照）に向かっているときに、ヘリコプター３００が接近してきた場合には、回避経路Ｒ２を経由して、作業位置Ｐ１に向かうことができる。

ＣＰＵ５０及び変更作業位置算出プログラムは、音圧の発生源から回避しつつ作業を実施するための変更作業位置を算出する変更作業位置算出手段の一例である。無人機１は、音圧の発生源からの所定の距離だけ離れ、かつ、音圧の発生源が撮影などの作業の障害にならない位置を作業位置Ｐ２（図６参照）として算出する。

以下、無人機１の動作を図９及び図１０のフローチャートで説明する。無人機１は、発進すると（図９のステップＳＴ１）、ヘリコプター音を感知したか否かを判断し（ステップＳＴ２）、ヘリコプター音を感知した場合には、回避が必要か否かを判断する（ステップＳＴ３）。無人機１は、回避が必要であると判断すると、回避経路Ｒ２を算出し（ステップＳＴ４）、回避経路Ｒ２を経由して作業位置Ｐ１に接近する（ステップＳＴ５）。無人機１は、作業位置Ｐ１に到着すると（ステップＳＴ６）、作業を開始する（ステップＳＴ７）。

無人機１は、作業を実施しつつ、ヘリコプター音を感知したか否かを判断し（図１０のステップＳＴ８）、ヘリコプター音を感知した場合には、回避が必要か否かを判断する（ステップＳＴ９）。無人機１は、回避が必要であると判断すると、回避経路Ｒ３及び作業位置Ｐ２を算出し（ステップＳＴ１０）、回避しつつ、作業を継続する（ステップＳＴ１１）。無人機１は、回避経路Ｒ３を経て、作業位置Ｐ２に到着すると、作業位置Ｐ２で作業を継続し（ステップＳＴ１２）、作業が完了したと判断すると（ステップＳＴ１３）、基地局１００に帰還する。

音圧計測プログラム、移動方向算出プログラム、回避必要性判断プログラム、回避経路算出プログラム、変更作業位置算出プログラムが格納されているものとして説明したが、これらのプログラムの全部または一部を基地局１００のサーバ内の記憶部に格納し、基地局１００で処理した結果を無人機１に送信することによって、無人機１を制御するように構成してもよい。この場合、無人機１の記憶部５２は、基地局１００からの指示を処理する処理プログラムを格納すれば足りる。

なお、本発明は、上記実施形態に限らず、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ることができる。

１ 無人飛行体（無人機）
５０ ＣＰＵ
５２ 記憶部
５４ 無線通信部
５６ ＧＰＳ部
５８ 慣性センサー部
６０ 駆動制御部
６２ 画像処理部
６４ 音圧センサー部
６６ 電源部

Claims (6)

1. 自律飛行するための自律飛行手段を有する無人飛行装置であって、
   外部の音圧を計測する音圧計測手段と、
   前記音圧の発生源の移動方向を算出する移動方向算出手段と、
   前記移動方向に基づいて、前記発生源と所定範囲内に近接することを回避するための回避経路を算出する回避経路算出手段と、
   を有する無人飛行装置。
2. 前記発生源が、前記無人飛行装置が作業を実施する作業位置から所定範囲内に位置する場合には、前記発生源との接触を回避しつつ作業を実施するための変更作業位置を算出する変更作業位置算出手段を有する、
   請求項１に記載の無人飛行装置。
3. 前記無人飛行装置は、前記作業位置において前記作業を実施しているときに、前記発生源との接触を回避する場合には、前記変更作業位置に向かっている間においても作業を継続する、
   請求項２に記載の無人飛行装置。
4. 前記回避経路は、前記発生源と遠ざかる方向で、かつ、前記発生源の進行方向と略直交する経路である、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の無人飛行装置。
5. 自律飛行するための自律飛行手段を有する無人飛行装置が実施する無人飛行方法であって、
   外部の音圧を計測する音圧計測ステップと、
   前記音圧の発生源の移動方向を算出する移動方向算出ステップと、
   前記移動方向に基づいて、前記発生源と所定範囲内に近接することを回避するための回避経路を算出する回避経路算出ステップと、
   を含む無人飛行方法。
6. 自律飛行するための自律飛行手段を有する無人飛行装置を制御するコンピュータを、
   外部の音圧を計測する音圧計測手段、
   前記音圧の発生源の移動方向を算出する移動方向算出手段、
   前記移動方向に基づいて、前記発生源と所定範囲内に近接することを回避するための変更経路を算出する変更経路算出手段、
   として機能させるためのプログラム。