JP2019016197A - 移動体誘導システム - Google Patents

Abstract

【課題】移動体が自己位置を精度よく把握できない環境下、かつ障害物が存在する空間で、移動体が目的地まで到達可能な誘導システムを提供する。【解決手段】ＧＮＳＳ信号受信環境下で自己位置を把握し、現在地から目的地周辺まで自律移動する移動体と、目的地周辺に到達した前記移動体を目的地に誘導する移動体誘導装置と、を備えた移動体誘導システムであって、前記移動体は、目的地周辺に到達するまでは自律移動し、目的地周辺に到達してからは前記移動体誘導装置に誘導されることを特徴とする移動体誘導システム。【選択図】 図１

Description

本発明は、空間上を自由に動く移動体を目的地に誘導する移動体誘導システムに関する。

空間上を自由に動く移動体の一種として、近年急速に機体性能が向上している小型の無人飛行体（所謂、ドローン）がある。従来の無人飛行体は、操縦者がリモートコントロールによって操縦する必要があったが、近年では、汎地球航法衛星システム（Global Navigation Satellite System、ＧＮＳＳ）と連携することで、自己の現在位置を常時取得し、自己の現在位置と目的地位置を比較することで自律的に目的地に到達することが可能となった。なお、ＧＮＳＳ信号受信により取得される緯度、経度及び高度を、以下ではグローバル座標系での位置情報と表現する。

その一方で、ＧＮＳＳ受信機の測位精度は単独測位で誤差が数十ｍと言われており、またビルやマンションといった高層建築物の谷間などでは電波が受信できる衛星数が限られ、測位精度がさらに低下することが知られている。

そのため、ＧＮＳＳ受信機で受信した自己位置情報のみを利用して、無人飛行体を狭い目的地（例えば、マンションのベランダやバルコニーなど）に着陸させることは、測位精度の面から非常に困難であった。特に、目的地近傍に障害物（例えば、ベランダの手すりなど）がある場合、無人飛行体の自律判断で障害物回避を行う必要もあり、目的地への着陸を更に困難なものとしていた。

非ＧＮＳＳ環境下で移動体が自己位置を推定する技術として、例えば、特許文献１〜特許文献３に開示された技術が知られている。

特許文献１の請求項１には、「飛行空間内において移動物体と所定の離間距離を保って追従飛行する自律飛行ロボットにおいて、前記飛行空間における移動可能空間及び該飛行空間内にある障害物を表した飛行空間マップを記憶した記憶部と、前記移動物体の移動物体位置と自律飛行ロボットの自己位置とを推定する処理を行う位置推定手段と、前記移動物体位置から前記離間距離だけ離れた周囲の位置に複数の移動候補位置を設定する移動候補位置設定手段と、前記各移動候補位置を評価した結果から該移動候補位置のうちの一つを移動目標位置に設定する処理を行う移動目標位置設定手段と、前記自己位置から前記移動目標位置へ移動するよう制御する処理を行う移動制御手段と、を有し、前記各処理を逐次繰り返すことによって追従移動するものであって、前記移動目標位置設定手段は、前記飛行空間マップ及び前記自己位置から該自己位置が前記移動可能空間内に位置しているとき、前記移動可能空間内の領域であって前記障害物の近傍にない前記移動候補位置についてのみ前記評価を行うことを特徴とする自律飛行ロボット。」と記載されており、周囲環境を撮影した複数の画像の特徴量（記憶部に記憶された飛行空間マップ）と無人飛行体が持つカメラで得られた画像と比較することで自己位置を推定する方法が開示されている。

また、特許文献２の請求項１には、「自動離着陸システムに用いられる離着陸ターゲット装置であって、該離着陸ターゲット装置は所要数の発光素子を有するターゲットと、前記発光素子の発光を制御するターゲット制御部とを具備し、前記発光素子はターゲットの離着陸面に、所定形状のパターンを表示する様所定の配列で設けられ、全灯状態で図形中心を有するターゲットマークを形成する様に表示し、前記ターゲット制御部は、最初に前記発光素子を全灯した全灯パターンを表示し、次に前記発光素子の一部を点灯し、点灯部分が所定形状のパターンを表示する様発光を制御することを特徴とする離着陸ターゲット装置。」と記載されており、飛行体が持つ撮像装置が着陸地点を誤認することを避けるのに適した離着陸ターゲット装置が開示されている。

さらに、特許文献３の要約書には、「情報取得システムは、撮影目標物の情報を取得するＲＣ撮影装置と、ＲＣ撮影装置の飛行状態を無線通信によって制御してＲＣ撮影装置を情報取得可能領域に飛行させるＲＣ制御装置と、を有し、測量装置は、撮影目標物の位置、ＲＣ撮影装置の位置、及び情報取得可能領域に飛行するＲＣ撮影装置の飛行の障害になり得る飛行時障害物を測量し、ＲＣ制御装置は、測量装置の測量結果を基に、ＲＣ撮影装置が飛行時障害物に接触することなく情報取得可能領域に飛行できる飛行経路を算出し、算出した飛行経路及び飛行中のＲＣ撮影装置の飛行状態を基に、ＲＣ撮影装置との無線通信によるＲＣ撮影装置の飛行状態の制御を行いＲＣ撮影装置を情報取得可能領域に飛行させる。」と記載されており、ラジコンヘリコプタ等のＲＣ撮影装置を限定された空間（情報取得可能領域）の中で自由に飛行させる技術が開示されている。

特許第６０１４４８５号公報 特許第５７７５３５４号公報 特開２０１５−１１３１００号公報

特許文献１に開示の技術は、同文献の段落００２３「各種データには、本発明の「飛行空間マップ」に対応する２Ｄポイント情報８１及びボクセル情報８２、・・・が含まれる。」、段落００２４「本実施形態では、飛行高度毎に設定された複数の点集合を２Ｄポイント情報として予め記憶部８に記憶していることとし、自律飛行ロボットの飛行高度によって対応する飛行高度の点集合を記憶部８から読み出して利用するものとする。」、段落００２５「ボクセル情報８２は、飛行空間をボクセル空間として複数のボクセルに分割して飛行空間の障害物の構造等を表した情報であり、予め管理者等によって設定され記憶部８に記憶される情報である。」のように、予め管理者等が設定した目的地近傍の２Ｄポイント情報、ボクセル情報が必要であり、飛行空間マップが設定されていない初回の飛行時は有人操縦により、飛行空間マップ作成のための情報収集を行う必要がある。

特許文献２に開示の技術は、飛行体の搭載カメラで離発着ターゲット装置を撮影可能な位置に飛行体を到達させなければならず、カメラの向きや進入方向に制約が生じ、また離発着ターゲット装置は遠方からも認識しやすいように十分な大きさを持たせる必要がある。

また、特許文献１、２ともに、無人飛行体のカメラを着陸時制御に使用するものであるため、マンションの特定のバルコニーが目的地である場合には、目的地に接近するまでに、他家の内部を撮影してしまう可能性があり、プライバシー保護の観点からも望ましくない。

さらに、特許文献３に開示の技術は、ラジオコントロールによる飛行体における飛行状態の制御に関するものであり、運用可能エリアが電波の届く範囲に限定され、長距離の自律飛行に適用できるものではない。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＧＮＳＳを利用しても移動体の自己位置を精度よく把握できない高層建築物の谷間などの環境下であって、目的地近傍に障害物が存在する場合であっても、移動体に搭載したカメラを使用することなく、かつ、有人操縦に頼ることなく、移動体を目的地に誘導可能な移動体誘導システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の動体誘導システムは、ＧＮＳＳ信号受信環境下で自己位置を把握し、現在地から目的地周辺まで自律移動する移動体と、目的地周辺に到達した前記移動体を目的地に誘導する移動体誘導装置と、を備えた移動体誘導システムであって、前記移動体は、目的地周辺に到達するまでは自律移動し、目的地周辺に到達してからは前記移動体誘導装置に誘導されるものとした。

本発明によれば、無人飛行体などの移動体の目的地が、ＧＮＳＳ信号受信による位置情報が取得が困難な、高層建築物の谷間のような環境下に設定された場合でも、移動体に搭載したカメラを使用することなく、かつ、有人操縦に頼ることなく、障害物を避けながら、移動体を目的地まで誘導することが可能となる。

実施例１の移動体誘導システムのブロック図である。 実施例１の移動体誘導装置と無人飛行体のブロック線図である。 実施例１の誘導装置座標系を表す図である。 実施例１の目的地がある建築物の正面図である。 実施例１の目的地がある建築物の横断図である。 実施例１の空間情報の取得に用いるマーカの外観図である。 実施例１のカメラで無人飛行体を取得した際に得られる画像の模式図である。 実施例１の無人飛行体を誘導装置座標系で表す図である。 実施例１の誘導信号を誘導装置座標系で表す図である。 実施例３の移動体誘導装置と無人飛行体のブロック線図である。 実施例４の移動体誘導装置と無人飛行体のブロック線図である。 実施例４の位置計測部の振り角と測定平面までの距離の関係を示す図である。

以下、本発明の実施例を説明する。以下では、便宜上、複数の実施例に分割して本発明に係る構成を説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施例を説明するための各図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、重複説明は省略する。

図１は、実施例１の移動体誘導システム１の概要を示すブロック図であり、小型の無人飛行体３が目的地２である建築物７の四階ベランダに向かって自律飛行している様子を示している。

ここに示すように、本実施例の移動体誘導システム１は、ＧＮＳＳ信号を用いて目的地２の近傍まで自律移動する無人飛行体３と、目的地２に接近した無人飛行体３を誘導する、目的地２の近傍（図１では、四階ベランダの軒下）に設置された移動体誘導装置４と、インターネット回線６を介して両者を管制する管制装置５からなる。なお、誤差が数十ｍであるＧＮＳＳの測位精度から考えると、目的地２とその上方に設置される移動体誘導装置４のグローバル座標系での座標は同じとみなすことができる。

本実施例の無人飛行体３は、四つのプロペラ軸をプロペラ軸の同軸上に配置された同数の電磁モータで回転させ、各軸の回転数の違いで上下左右前後に移動が可能なマルチコプタであり、垂直に上昇及び下降が可能である。各プロペラは地上から視認しやすいように蛍光塗料で塗装されており、機体前方の二軸は黄色に、後方の二軸は赤色に塗り分けられている。なお、各プロペラ軸は機体上部から見ると正方形に配置されており、正方形の対角線方向のプロペラ軸間距離は４６０ｍｍである。

無人飛行体３は三つの加速度検出器と三つの角速度検出器を持ち、機体の姿勢制御や慣性航法による飛行に用いる。また、針路を補正するための磁気コンパスを持つ。無人飛行体３は、搭載するＧＮＳＳ受信機で複数の航行衛星の発する航行電波を受信することで、グローバル座標系における自己の座標を常時取得している。また、無人飛行体３は無線通信装置を持ち、インターネット回線６を介して移動体誘導装置４および管制装置５と相互に情報を交換できる情報伝達経路１０１および１０３を形成する。なお、移動体誘導装置４と管制装置５間も、インターネット回線６を介する双方向の情報伝達経路１０２を形成する。これらの情報伝達経路のうち無線部分に、３Ｇ、４Ｇ、ＬＴＥ、ＷｉＭＡＸなどのモバイル通信回線を利用すれば、無人飛行体３の自律移動中のインターネット回線６との接続を概ね全域に亘り維持できるが、他の無線通信方式を利用しても良い。

本実施例の無人飛行体３の特徴として、管制装置５から与えられる目的地２のグローバル座標系における位置情報を基に自律的に飛行する自律飛行モードと、移動体誘導装置４により与えられる誘導信号を基に従属的に飛行する誘導飛行モードの二種類の飛行モードを持つことが挙げられる。自律飛行モードは、管制装置５から与えられる目的地のグローバル座標系での位置情報と、ＧＮＳＳ信号受信より得られる自己位置情報の差分から無人飛行体３が自律的に機体の方位角と移動量、飛行高度を決定する飛行モードである。これに対し、誘導飛行モードは、移動体誘導装置４が無人飛行体３の相対位置と姿勢から方位角と移動量を無人飛行体３に指令する飛行モードである。なお、両者とも機体の姿勢制御は無人飛行体３自身が行っており、外部からの指令がなく、突風といった大きく飛行環境が変化しない場合は、その場に静止する等、適当な自律制御が行われる。

また、無人飛行体３に飛行制御部は外部または内部演算により移動方向と移動量が与えられると、検出加速度の２回積分により算出される距離と検出角速度の積分により算出される方角を用いて飛行する、慣性航法による飛行を行う。

次に、図２のブロック図を用いて、移動体誘導装置４の詳細を説明する。ここに示すように、移動体誘導装置４は、目的地２の周辺に到達した無人飛行体３の位置と方位角を計測する位置及び方位角計測部４１と、無人飛行体３の誘導前に記憶部４５に記憶した空間情報４０３からルート情報４０４を生成するルート生成部４２と、ルート情報４０４を踏まえて無人飛行体３の誘導信号４０５を作成する誘導信号生成部４３と、インターネット回線６を介して管制装置５および無人飛行体３と通信する通信部４４と、を持っている。なお、位置及び方位角計測部４１、ルート生成部４２、誘導信号生成部４３の一部または全部は、必ずしも専用のハードウェアである必要はなく、半導体メモリ等の主記憶装置に記憶されたプログラムやハードディスク等の補助記憶装置に記憶されたデータを、ＣＰＵ等の演算装置で処理することで実現されるものであっても良い。

これらのうち、位置及び方位角計測部４１は、無人飛行体３や後述するマーカＭを含む画像を取得するカメラ４１ａと、カメラ４１ａをモータでパンとチルトするパン及びチルト機構部４１ｂと、パン及びチルト機構部４１ｂの回転角度と取得した画像４０１から無人飛行体３の位置と方位角を算出する演算部４１ｃを持つ。カメラ４１ａは、固定焦点のレンズ（図示せず）と、撮像素子（図示せず）、また筐体およびカラーにより構成される。本実施例での撮像素子は１／４型で２５９２画素×１９４４画素、レンズの焦点距離は１０ｍであり、３０ｍ遠方での撮像範囲は２１．６ｍ×１６．２ｍ（８．３ｍｍ／画素）、１ｍ遠方では０．７２ｍ×０．５４ｍｍ（０．２７ｍｍ／画素）である。

図３は、移動体誘導装置４が持つ三次元ユークリッド空間におけるローカル座標系であり、以下では誘導装置座標系と呼ぶ。誘導装置座標系はパン及びチルト機構部４１ｂにより変更されるカメラ４１ａのパン軸をｚ軸とし、チルト軸はｘｙ平面上に存在する。原点はパン軸及びチルト軸の交点（＝移動体誘導装置内）である。このとき、パン動作の基準位置（φ_ｏ＝０度）をｘ軸とし、チルト動作の基準位置（θ_ｏ＝０度）をｚ軸とする。本実施例では、移動体誘導装置４を誘導装置座標系のｘ軸が真東に、ｙ軸が真北に向く、ｘｙ平面が水平となるように設置する。これは、右手系東基準（東が正のｘ方向で、角度増分は反時計回り）と呼ばれ、方位角＝φの関係にある。このとき、グローバル座標系の方位角と誘導装置座標系の方位角は同一である。ｘ軸が真東からφ’だけずれて設置する場合は移動体計測部で計測した角度からφ’減算すればよい。なお、移動体誘導装置４は無人飛行体３を誘導する前に、誘導装置座標系での目的地２の座標および目的地２周辺部に存在する障害物の座標を目的地周辺の空間情報４０３としてあらかじめ位置及び方位角計測部４１で取得し、記憶部４５に記憶しておく。

次に、図４Ａ、図４Ｂを用いながら、位置及び方位角計測部４１による空間情報４０３の取得方法について説明する。図４Ａは、目的地２として設定されたベランダ周辺の正面図を示し、図４Ｂは、図４ＡのＣ断面で見た横断図を示す。また、現在位置Iにいる無人飛行体３が、中継点II、中継点IIIを経由して、目的地２である着陸点IVに誘導される様子を示している。

これらに示すように、目的地２は無人飛行体３の現在位置Iよりも低い位置にあるが、現在位置Iと着陸点IVを結ぶ直線上には、障害となる構造物８が設置されているため、無人飛行体３は現在位置Iから目的地２まで直線的に飛行することができず、また、無人飛行体３から目的地２を視認することもできない。これに対し、位置及び方位角計測部４１は、張り出した天井部に設置されており、パン及びチルト機構部４１ｂを用いることで、無人飛行体３と目的地２の双方を見通すことができる。

位置及び方位角計測部４１による空間情報４０３の取得には、図５に示すマーカＭを用いる。マーカＭは、プラスチック等の平板であり、表側の中心には黒丸が描かれ、その周辺には四つの黒四角が描かれている。そして、黒四角の間隔を１００ｍｍとしており、これを１ｍ離れた正対位置からカメラ４１ａで撮影した画像４０１では、隣り合う黒四角の距離は３６０画素である。このことから、カメラ４１ａでは、１ｍ先の黒四角間隔１００ｍｍが３６０画素として観測されることが分かる。

次に、図４Ａ、図４Ｂに示す点Ｍ_１〜Ｍ_５にマーカＭを置き、カメラ４１ａを操作して点Ｍ_１〜Ｍ_５の各点を含む画像４０１を撮影する。ここで、点Ｍ_１〜Ｍ_４は目的地の四隅に相当する位置であり、点Ｍ_５は構造物８の上端のカメラ４１ａに正対する位置である。このとき、各点の撮影時のパン及びチルト機構部４１ｂの回転角φ、θを記録しておく。次に、演算部４１ｃで、各点における画像４０１で隣り合う黒四角間の画素数ｎを求める。例えば、点Ｍ_５を含む画像４０１_５で黒四角間の画素数ｎが４５０であった場合、移動体誘導装置４から点Ｍ_５までの距離Ｌ_５は式１で求められる。

点Ｍ_５の撮影時に、パン及びチルト機構部４１ｂの回転角がφ_５、θ_５であるとき、誘導装置座標系で表した点Ｍ_５の座標Ｇ_５（ｘ_G5，ｙ_G5，ｚ_G5）は、式２で求められる。

他の点Ｍ_１〜Ｍ_４についても同様の手順により誘導装置座標系の座標Ｇ_１〜Ｇ_４を得ることができるため、目的地周辺の点Ｍ_１〜Ｍ_５の誘導装置座標系での座標Ｇ_１〜Ｇ_５を空間情報として生成することができる。なお、カメラ４１ａにマーカＭを撮影させる際には、一度カメラの視野内に入ったマーカＭ中心の黒丸を追尾するよう自動でパン及びチルト機構部４１ｂを動作させてもよいし、手動で合わせてもよい。

次に、位置及び方位角計測部４１による無人飛行体３の位置及び方位角計測方法について説明する。無人飛行体３の検知前は、移動体誘導装置４は、管制装置５から予め与えられる無人飛行体３の接近方向にカメラ４１ａの光軸を向け、画像取得を繰り返しながら、背景差分法で無人飛行体３の検出を行う。具体的には、背景とする接近前の画像４０１’と現在の画像４０１の各画素での差を比較し、差が一定以上を超えた画素の塊が設定値を超えた場合に無人飛行体３とみなし、位置及び方位角計測演算を開始する。本実施例では、３０ｍ遠方において機体が正面に向いた際の断面積が６５０画素以上となった場合に無人飛行体３であると判断する。無人飛行体３の検知後は、パン及びチルト機構部４１ｂを画像中心が無人飛行体３の中心となるよう駆動制御する。例えば、無人飛行体３の中心が画面右上（第一象限）に写る場合、パン角度φとチルト角度θを増やせばよい。

図６は、無人飛行体３が遠方から接近して来る場合に、カメラ４１ａで取得される画像４０１である。図中の点３ａ〜３ｄはプロペラ中心位置を示しており、点３ａ、点３ｂが黄色、点３ｃ、点３ｄが赤色であった。上述したように、無人飛行体３では、黄色のプロペラは機体前方に配置され、赤色のプロペラは機体後方に配置されることから、画像４０１中の移動体は無人飛行体３であり、移動体誘導装置４に向かって飛んでいるものと判断できる。このとき、無人飛行体３の姿勢が水平である場合の方位角は、点３ｃと点３ｄを結ぶ線分の中点から、点３ａ、点３ｂを結ぶ線分の中点に向かう方向Ｄとなり、画面に垂直な軸と成す角をω_Ｄとする。

図７は、誘導装置座標系を水平面（ｘｙ平面）で見た無人飛行体３の座標Ｇ_UAVを表しており、画像を撮影した際のカメラ４１ａのパン角がφＧであるとすると、無人飛行体３の方位角φ_UAVとＧ_UAV座標（ｘ_UAV，ｙ_UAV，ｚ_UAV）は式３となる。

ここで、Ｌ_UAVは、画像４０１の点３ａと点３ｄを結ぶ線分の画素数と、点３ａと点３ｄを結ぶ線分の画素数の平均ｎ_UAVを用いて、式４で求めることができる。なお、式３、式４による方位角計測方法は、無人飛行体３の傾きを考慮しない簡易なものであり、簡単に演算できるという利点があるが、より高い精度が必要な場合は、他の演算方法を用いても良い。

なお、式４において、３６０はマーカＭに描かれた隣り合う黒四角を１ｍ離れた距離から撮像した時の画素数、０．１０はマーカＭに描かれた隣接する黒四角の距離、０．４６は無人飛行体３のプロペラ軸間距離である。

次に、図４Ａ、図４Ｂを用いて、ルート生成部４２におけるルート情報４０４の生成方法を説明する。ルート生成部４２では、位置及び方位角計測部４１で算出された無人飛行体３の現在位置Iでの位置及び方位角情報４０２と、記憶部４５に記憶された空間情報４０３から、現在位置Iから目的地２までのルートを生成する。本実施例の空間情報４０３は、目的地周辺の点Ｍ_１〜Ｍ_５の誘導装置座標系の座標である。本実施例のルート作成は、以下の四つのルールに従う。
（１）現在位置から目的地点までは、周囲１ｍに障害物がない場合、最短距離で移動する。
（２）狭隘部に進入する際は、入り口から１ｍ離れた位置で一度静止する。
（３）目的地に至る狭隘部は、空間の中心を通る。狭隘部は徐行（速度は０．１ｍ／秒）する。
（４）目的地には、必ず真上で静止してから垂直に降下（降下速度は０．１ｍ／秒）する。

図４Ｂに示すように、本実施例では、現在位置Iと着陸点IVを結ぶ直線上に障害物となる構造物８が存在し、その上方の開口部が０．８ｍの狭隘部でとなっているため、上述のルールに従うと、図４Ａ、図４ＢのI〜IVに示すルートが作成される。

すなわち、現在位置Iから、狭隘部手前（中継点II）に直線的に向かい、中継点IIで一度静止し、中継点IIから目的地上空（中継点III）まで最徐行で進み、目的地上空（中継点III）で静止し、最後に垂直降下し、目的地２の中心にある着陸点IVに着陸する、というルートが作成される。そして、作成されたルート上の各点の誘導装置座標系の座標値に、区間毎の制限速度を付加することでルート情報４０４が生成される。なお、ルート情報４０４の生成は、基本的には無人飛行体３を検知し、誘導対象であることが確認された直後に一度行えばよいが、無人飛行体３が著しくルートを外れた場合にはその場に静止するよう指令を出し、その後、再度ルート生成を行っても良い。

続いて、誘導信号生成部４３の働きについて説明する。図２に示すように、誘導信号生成部４３は、位置及び方位角計測部４１で取得した無人飛行体３の現在の位置及び方位角情報４０２と、ルート生成部４２で作成したルート情報４０４を用いて、誘導信号４０５を生成する。なお、誘導信号４０５は方位角指令φと移動量指令（前進ｆ及び上昇ｈ）、移動の制限速度からなる。

最初に、誘導信号生成部４３は、位置及び方位角情報４０２とルート情報４０４から、現在位置I座標（ｘ_I，ｙ_I，ｚ_I）と中継点II座標（ｘ_II，ｙ_II，ｚ_II）を抽出し、式５に基づいて、現在位置Iから中継点IIまでの誘導信号４０５_I−II（方位角指令φ_I−II、前進移動量指令ｆ_I−II、上昇移動量指令ｈ_I−II）を生成する。図８は、この演算で求められた誘導装置座標系の誘導信号４０５_I−IIを示す図である。

無人飛行体３は、通信部４４、情報伝達経路１０３を介して、移動体誘導装置４からの誘導信号４０５を受け取ると、まず、方位角指令φ_I−IIに従って旋回動作を行い、その後、前進移動量指令ｆ_I−II、上昇移動量指令ｈ_I−IIに従って、前進及び上昇動作を実施する。なお、無人飛行体３がルートを移動中も位置及び方位角計測部で常時位置及び方位角情報を取得しており、誘導により無人飛行体３が中継点II、または、中継点IIIに到達したことを確認すると、中継点IIから中継点IIIに行くための誘導信号４０５_II−III、または、中継点IIIから着陸点IVに行くための誘導信号４０５_III-IVを作成し、無人飛行体３に向けて送信する。なお、無人飛行体３がルートを大きく外れた場合は、無人飛行体３にその場で静止するよう指令し、ルート生成からやり直す。

最後に、本実施例において、無人飛行体３が現在位置から目的地２へ着陸する一連の流れを説明する。

まず、本システムの操作者（図示せず）または上位制御装置（図示せず）が、管制装置５にグローバル座標系での目的地２の座標（≒誘導装置座標系の原点）を与える。管制装置５は、与えられた目的地２の座標情報を、情報伝達経路１０１を用いて無人飛行体３に送る。無人飛行体３は与えられた目的地２の座標情報とＧＮＳＳ信号受信による自己の座標情報により、目的地近傍まで自律飛行する。このとき、管制装置５が無人飛行体３へ渡す目的地２の座標は、最終的な目的地を最初から与えてもよいし、目的地までの複数の中間点を複数回にわたり与えてもよい。また、管制装置５は、接近する無人飛行体３のロータ間距離の情報と、無人飛行体３の接近方向を、情報伝達経路１０２を用いて移動体誘導装置４に送る。移動体誘導装置４は、管制装置５より与えられた無人飛行体３の接近方向に基づき、位置及び方位角計測部４１のカメラ４１ａの光軸を接近方向と一致するよう、パン及びチルト機構部４１ｂを駆動する。

無人飛行体３が移動体誘導装置４の位置及び方位角計測部４１の検知範囲に入ると、誘導装置座標系における無人飛行体３の座標と姿勢情報が得られるようになる。そして予め設定した発報領域に無人飛行体３が入ると、移動体誘導装置４は管制装置５に情報伝達経路１０２を用いて無人飛行体３の接近を報告する。なお、発報領域は、移動体計測部４１の最大検知範囲より狭い領域とし、移動体誘導装置４が一度検知した無人飛行体３の機影を見失わないようにする。無人飛行体接近の報告を受けた管制装置５は、無人飛行体３に対して、自律飛行モードから誘導飛行モードへ切り替えるモード切り替え指令を、情報伝達経路１０１を用いて送信する。モード切り替え指令を受け取った無人飛行体３は、飛行モードを切り替え、情報伝達経路１０３で移動体誘導装置４から送付される誘導信号を待つ。

移動体誘導装置４は、目的地２への誘導を開始する前に、検知した無人飛行体３が正規の誘導対象であるか、正常に誘導ができるかを確認する。具体的には、無人飛行体３に対して特定の動作をするよう確認動作指令を出し、無人飛行体３が特定の動作をすることを位置及び方位角計測部４１で確認する。動作として、例えば無人飛行体３に飛行位置を変えずにその場で機体正面の方向を一回転する旋回動作を行う。無人飛行体３が所定の行動を行い、正規の誘導対象であることと、誘導が正常に行えることを確認すると、移動体誘導装置４のルート生成部４２で、位置及び方位角計測部４１により得られた無人飛行体３の位置及び方位角情報４０２と、事前に記憶部に記録した空間情報４０３から、現在位置から目的地までのルート情報４０４を生成する。そして、無人飛行体３が生成したルートを飛行するよう、誘導信号生成部４３で現在の無人飛行体３の位置及び方位角情報４０２とルート情報４０４から機体の方位角と移動量からなる誘導信号４０５を生成する。そして、誘導信号４０５は通信部４４より情報伝達経路１０３を用いて無人飛行体３に送信し、無人飛行体３は与えられた誘導指令に従って飛行する。誘導信号の生成と飛行を繰り返すことで目的地２の上空まで到達し、最終的に高度を下げて着陸する。

本実施例では、無人飛行体３と移動体誘導装置４間を情報伝達経路１０３で接続しているが、情報伝達経路１０１と情報伝達経路１０２と管制装置５を用いることで直接接続していなくてもよい。

以上で説明した本実施例の移動体誘導システムによれば、無人飛行体などの移動体の目的地が、ＧＮＳＳ信号受信による位置情報の取得が困難な、高層建築物の谷間のような環境下に設定された場合でも、移動体に搭載したカメラを使用することなく、かつ、有人操縦に頼ることなく、障害物を避けながら、移動体を目的地まで誘導することが可能となる。

次に、実施例２の移動体誘導システムを説明する。なお、実施例１と共通する点は重複説明を省略する。

本実施例の移動体誘導装置４は、空間情報４０３の内容が実施例１とは異なる。実施例１では、空間情報４０３が目的地周辺部の構造物上の各点（点Ｍ_１〜点Ｍ_５）の座標値であったが、本実施例では飛行ルート（中継点II、III、着地点IV）の座標値とする。これを取得するには、まず、図４Ｂの中継点IIにマーカＭを置き、カメラ４１ａ中心がマーカＭの黒丸と重なるようにパン及びチルト機構部４１ｂを駆動制御する。この時の中継点IIの座標値を、式１および式２で算出する。同様に、中継点III、着陸点IVの座標値を求め、これらを用いて空間情報４０３を生成する。

そして、ルート作成部４２では、位置及び方位角計測部４１で算出された無人飛行体３の現在位置Iでの位置及び方位角情報４０２と、記憶部４５に記憶された空間情報４０３から、現在位置Iから目的地２までのルート情報４０４を生成する。中継点IIから着陸点IVに至るルートは予め登録されているので、ここでは現在位置Iから中継点IIまでのルートだけを作成すればよい。

次に、実施例３の移動体誘導システムを説明する。なお、上述の実施例と共通する点は重複説明を省略する。

図９は、本実施例に係る移動体誘導装置４と無人飛行体３のブロック図である。本実施例に係る移動体誘導装置４と無人飛行体３は、互いに直接通信できる無線通信部４５ａおよび４５ｂを持つことを特徴とする。実施例１の構成では、無人飛行体３は常時インターネット環境に接続する必要があったが、本実施例の構成では、目的地２に向かって飛行を開始する前に、インターネットに接続されたタブレット端末などから目的地情報を与え、多くの飛行時間ではオフラインで飛行し、目的地近傍に接近した際に移動体誘導装置４の持つ無線通信部４５ａと接続して誘導信号４０５を受け取ることで、目的地へ到達することが可能である。

本構成によれば、無人飛行体３と移動体誘導装置４をインターネット環境に接続する必要があるのは、無人飛行体３の出発時だけで良いため、無人飛行体３がモバイル通信回線に接続できないような僻地を通って目的地２に向かう場合であっても、実施例１と同様の効果を得ることができる。

次に、実施例４の移動体誘導システムを説明する。なお、上述の実施例と共通する点は重複説明を省略する。

本実施例の移動体誘導装置４では、これまでの実施例とは違い、無人飛行体３の位置計測にカメラ４１ａではなく一次元距離計４６ａを用いる。一次元距離計は、光検出測距計（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection Ranging、ＬＩＤＡＲ）と呼ばれるもので、パルス状に照射したレーザ光の対象物での散乱光を測定し、照射開始から検出に要した時間から対象物との距離を求めるものである。本実施例のＬＩＤＡＲの使用波長は５３５ｎｍの可視光線であり、測定点を目視できる。また、測定可能距離が４０ｍあり、毎秒５００回の測定が可能である。なお、一次元距離計はカメラに比べ奥行き方向の精度に優れる一方、色の認識ができないといった制約もある。

図１０は、本実施例に係る移動体誘導装置４のブロック線図である。図２の移動体誘導装置４との差異は、位置計測部４６内にある一次元距離計４６ａ、一次元距離計４６ａをモータでパン及びチルトするためのパン及びチルト機構部４６ｂ、パン及びチルト機構部４１ｂの回転角度と取得した距離情報４０６から無人飛行体３の位置４０７を算出する演算部４６ｃである。上述したように、一次元距離計４６ａは対象物との距離を直接測定できるので、本実施例では、図５のマーカＭを用いる必要がない。

ここで、パン及びチルト機構部４６ｂの走査パターンを格子状とした際の、各軸方向の振り角θ（＝φ）と、各軸方向の測定点数ｍ、測定平面までの距離Ｌ_distを用いると、検出範囲Ｌ_det、水平方向の分解能Ｌ_a（測定点間距離に相当）と走査周波数ｆは、式６で示すことができる。

ここで、横方向分解能１５（全２２５点、操作周波数２.２Ｈｚ）、振り角３.０度とし、測定平面３０ｍ先での検出範囲１.５７ｍ四方、同水平方向分解能０.１０ｍと固定する走査条件を、検出時走査条件とする。検出時走査条件は、接近する無人飛行体３を検出する際に用いる。その一方、無人飛行体３を誘導する際には、横方向分解能１０（全４９点、走査周波数５.０Ｈｚ）で、測定平面までの距離に応じて振り角を変更し、検出範囲と水平方向分解能をそれぞれ０.５ｍ、０.０５ｍとする走査条件とし、これを誘導時走査条件とする。誘導時走査条件の距離に対する振り角の設定は図１１のようにし、一走査前で検出された測定距離から振り角の条件を変える。

本実施例の移動体誘導装置４で空間情報４０３を得る際には、実施例１とは異なりマーカＭは用いず、測定したい点（図４Ａ、図４Ｂの点Ｍ_１〜Ｍ_５）に一次元距離計４６ａの光軸を手動もしくはモータ駆動で向け、そのとき計測した測定点までの距離Ｌ、パン角度φ、チルト角度θより、誘導装置座標系での測定点の座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）は、式７で表される。

このとき、可視波長を使用しているため、測定点は視認できる。ルート生成方法は実施例１と同一である。

次に、位置計測部４６による無人飛行体３の計測方法について説明する。なお、移動体誘導装置４が無人飛行体３を検知する前は、位置計測部４６は検出時走査条件で管制装置５から与えられる無人飛行体３の接近方向を走査中心として走査しており、ある時刻で測定した結果と現走査での距離の差分値を比較する。そして、差が一定以上を超えた測定点の塊が設定値を超えた場合に移動体とみなし、誘導時走査条件での計測に切り替える。本実施例では、四点以上で距離が５０ｍｍ以上となった場合に移動体と判断する。誘導時走査条件での計測は、各走査点での計測距離と振り角について式７を用いて座標値を求め、隣接する走査点との三次元の距離が０.１ｍ以内である走査点群を無人飛行体３とする。この点群の中心座標を無人飛行体３の位置４０７とし、次の走査での走査中心が無人飛行体３の位置となるようパン及びチルト機構部４６ｂを駆動する。

次に、誘導信号生成部４３の働きについて説明する。誘導信号生成部４３は、位置計測部４６で取得した現在の無人飛行体３の位置４０７と、ルート生成部４２で作成したルート情報４０４を用いて、誘導信号４０５を生成する。なお、本実施例の誘導信号は実施例１と異なり、ルート作成部４２で作成されたルート座標と、無人飛行体の現在地座標からなる。無人飛行体３は、移動体誘導装置４に検出される前は、管制装置５から与えられたグローバル座標系で与えられた目的地座標と、ＧＮＳＳ信号受信で得られる自己位置から自律飛行を行い、移動体誘導装置４に検出された後は、移動体誘導装置４により与えられるルート座標を目的地とし、同時に与えられる現在値座標で飛行する。

なお、本実施例ではＬＩＤＡＲの波長を可視光としたが、例えば９３５ｎｍなどの目に見えない波長を使用してもよい。その場合、空間情報を測定する際には、測定点を知るためにガイド光として可視光のレーザ源を用意する。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、本実施例では移動体を無人飛行体としたが、他には走行体または浮体が想定される。また、無人飛行体の方位角演算のためにプロペラを機体前後で塗り分けたが、例えば発光素子を用いてもよい。また、複数の移動体誘導装置を用い、互いに連携させてリレー方式でつなぐことで、ＧＮＳＳ信号が受信不能な環境でも無人飛行体を誘導することができる。さらに、移動体誘導装置を、誘導する移動体とは別の移動体に取りつける変形例も考えられる。

１ 移動体誘導システム、
２ 目的地、
３ 無人飛行体、
４ 移動体誘導装置、
５ 管制装置、
６ インターネット回線、
７ 建築物、
８ 構造物、
１０１、１０２、１０３ 情報伝達経路、
４１ 位置及び方位角計測部、
４１ａ カメラ、
４１ｂ パン及びチルト機構部、
４１ｃ 演算部、
４２ ルート生成部、
４３ 誘導信号生成部、
４４ 通信部、
４５ 記憶部、
４５ａ、４５ｂ 無線通信部、
４６ 位置計測部、
４６ａ 一次元距離計、
４６ｂ パン及びチルト機構部、
４６ｃ 演算部、
４０１、４０１’ 画像、
４０２ 位置及び方位角情報、
４０３ 空間情報、
４０４ ルート情報、
４０５ 誘導信号、
４０６ 距離情報、
４０７ 位置、
Ｉ 現在位置、
ＩＩ、ＩＩＩ 中継点、
ＩＶ 着陸点、
Ｍ マーカ

Claims (12)

1. ＧＮＳＳ信号受信環境下で自己位置を把握し、現在地から目的地周辺まで自律移動する移動体と、
   目的地周辺に到達した前記移動体を目的地に誘導する移動体誘導装置と、
   を備えた移動体誘導システムであって、
   前記移動体は、目的地周辺に到達するまでは自律移動し、目的地周辺に到達してからは前記移動体誘導装置に誘導されることを特徴とする移動体誘導システム。
2. 前記移動体誘導システムは、前記移動体および前記移動体誘導装置と通信する管制装置をさらに備え、
   前記管制装置は、前記移動体誘導装置に前記移動体の接近方向を知らせることを特徴とする、請求項１記載の移動体誘導システム。
3. 前記移動体誘導装置は、接近する移動体に対し、正規の誘導対象であることを確認するための動作指令を出すことを特徴とする、請求項１または２に記載の移動体誘導システム。
4. 前記移動体および前記移動体誘導装置は、前記管制装置を介さずに通信する通信部を持つことを特徴とする、請求項２に記載の移動体誘導システム。
5. 前記移動体誘導装置は、
   前記移動体と前記目的地の位置関係を計測する位置及び方位角計測部と、
   移動体位置情報と事前登録された空間情報から目的地までのルートを作成するルート作成部と、
   作成されたルート情報から前記移動体を誘導する誘導信号を生成する誘導信号生成部と、
   を持つことを特徴とする、請求項１から４の何れか一項に記載の移動体誘導システム。
6. 前記位置及び方位角計測部は、
   前記移動体を撮影するカメラと、
   該カメラの光軸を二次元的に走査する走査機構と、
   前記移動体の位置と方位角を算出する演算部と、を持つことを特徴とする、請求項５記載の移動体誘導システム。
7. 前記移動体が前記位置及び方位計測部の検知範囲内に進入したときに、前記移動体の移動が自律移動から誘導移動に切り替わることを特徴とする、請求項５または６に記載の移動体誘導システム。
8. 前記移動体誘導装置は、
   移動体と目的地の位置関係を計測する位置計測部と、
   移動体位置情報と事前登録された空間情報から目的地までのルートを作成するルート作成部と、
   作成されたルート情報から前記移動体を誘導する誘導信号を生成する誘導信号生成部と、
   を持つことを特徴とする、請求項１から４の何れか一項に記載の移動体誘導システム。
9. 前記位置計測部は、
   前記移動体との距離を測定する一次元距離計と、
   該一次元距離計の検出軸を二次元的に走査する走査機構と、
   前記移動体の位置を算出する演算部と、を持つことを特徴とする、請求項８記載の移動体誘導システム。
10. 前記移動体が前記位置計測部の検知範囲内に進入したときに、前記移動体の移動が自律移動から誘導移動に切り替わることによることを特徴とする、請求項８または９記載の移動体誘導システム。
11. 前記空間情報は、目的地周辺の障害物の位置情報であることを特徴とする、請求項５から１０の何れか一項に記載の移動体誘導システム。
12. 前記空間情報は、あらかじめ定めた進入経路であることを特徴とする、請求項５から１０の何れか一項に記載の移動体誘導システム。

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