JP2019067252A - 経路選定装置、無人航空機、データ処理装置、経路選定処理方法および経路選定処理用プログラム - Google Patents

経路選定装置、無人航空機、データ処理装置、経路選定処理方法および経路選定処理用プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】無人航空機に最適な経路で帰還または着陸させる。【解決手段】無人航空機の飛行を制御する装置であって、当該無人航空機の着陸位置を受け付ける着陸位置情報受付部と、当該無人航空機の現在位置を受け付ける機体位置情報受付部と、当該無人航空機が備えたレーザースキャナによるスキャン対象の三次元スキャンデータを受け付けることが可能なスキャンデータ受付部と、前記スキャンデータ受付部が受け付けた前記三次元スキャンデータに基づき、三次元マップを作成するスキャンマップ作成部と、前記三次元マップにおいて、飛行の障害となる飛行禁止箇所を抽出する飛行禁止箇所抽出部と、前記三次元マップにおいて、前記無人航空機の現在位置から前記着陸位置までの当該無人航空機の飛行経路であって、前記飛行禁止箇所を回避することができる飛行経路を選定する経路選定部とを備える経路選定装置。【選択図】図３

Description

本発明は、無人航空機を最適な経路で帰還または着陸させる技術に関する。
ＴＳ（トータルステーション）で飛行するＵＡＶ（Unmanned Aerial Vehicle）を追尾し、ＴＳが備えるレーザー測距機能を用いてＵＡＶの位置を特定する方法がある（例えば、特許文献１を参照）。
ＵＳ２０１４／０２１０６６３号公報
ＵＡＶ等の無人航空機の飛行では、自機に搭載されたバッテリの低下や無線操作機との通信遮断等の原因により、航空機を緊急で帰還させなければならない場合がある。現状の緊急時の対応は、障害物回避のため、飛行時の最高高度で帰還する方法や無人航空機をその場にて着陸させる方法等が存在する。しかし、飛行時の最高高度での帰還はバッテリ消費量が大きくなり、無人航空機をその場に着陸させるのは着陸地点の状況が不明な場合があるため、リスクが大きい。そこで本発明は、リスクを低減できる無人航空機の帰還時および着陸時における動作に関する技術の改良を目的とする。
請求項１に記載の発明は、無人航空機の飛行を制御する装置であって、当該無人航空機の着陸位置を受け付ける着陸位置情報受付部と、当該無人航空機の現在位置を受け付ける機体位置情報受付部と、当該無人航空機が備えたレーザースキャナによるスキャン対象の三次元スキャンデータを受け付けることが可能なスキャンデータ受付部と、前記スキャンデータ受付部が受け付けた前記三次元スキャンデータに基づき、三次元マップを作成するスキャンマップ作成部と、前記三次元マップにおいて、飛行の障害となる飛行禁止箇所を抽出する飛行禁止箇所抽出部と、前記三次元マップにおいて、前記無人航空機の現在位置から前記着陸位置までの当該無人航空機の飛行経路であって、前記飛行禁止箇所を回避することができる飛行経路を選定する経路選定部とを備える経路選定装置である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記スキャンマップ作成部は、無人航空機が備えたレーザースキャナが、三次元スキャンデータを得られなかった箇所を前記三次元マップ上で立体的に表現し、前記飛行禁止箇所抽出部は、前記三次元マップ上で立体的に表現された、無人航空機が備えたレーザースキャナが、三次元スキャンデータを得られなかった箇所を前記飛行禁止箇所とすることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記経路選定部によって選定された飛行経路を当該無人航空機に飛行させる信号を生成する機体操縦信号生成部を備えることを特徴とする。請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記三次元マップから当該無人航空機が着陸可能な場所を検索する着陸可能地点検索部を備え、前記経路選定部は、前記着陸可能地点検索部が検索した当該無人航空機が着陸可能な場所を前記着陸位置として、当該無人航空機の経路を選定することを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明において、当該無人航空機外で作成された前記三次元マップを受け付ける外部作成マップ受付部を備え、前記経路選定部は、前記外部作成マップ受付部が受け付けた前記三次元マップを用いて、当該無人航空機の経路を選定することを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発明において、前記経路選定部によって選定された飛行経路を当該無人航空機に飛行させた場合の飛行距離を算出できる飛行距離算出部と、前記経路選定部によって選定された飛行経路を当該無人航空機に飛行させた場合のバッテリ消費量を算出できるバッテリ消費量算出部のうち少なくとも一つを備え、前記経路選定部は、飛行距離とバッテリ消費量のうち少なくとも一つを経路選定要素として、無人航空機の経路を選定することを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の経路選定装置を備えた無人航空機である。請求項８に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の経路選定装置を備えたデータ処理装置である。
請求項９に記載の発明は、無人航空機の飛行を制御する方法であって、当該無人航空機の着陸位置を受け付ける着陸位置情報受付ステップと、当該無人航空機の現在位置を受け付ける機体位置情報受付ステップと、当該無人航空機が備えたレーザースキャナによるスキャン対象の三次元スキャンデータを受け付けることが可能なスキャンデータ受付ステップと、前記スキャンデータ受付部が受け付けた前記三次元スキャンデータに基づき、三次元マップを作成するスキャンマップ作成ステップと、前記三次元マップにおいて、飛行の障害となる飛行禁止箇所を抽出する飛行禁止箇所抽出ステップと、前記三次元マップにおいて、前記無人航空機の現在位置から前記着陸位置までの当該無人航空機の飛行経路であって、前記飛行禁止箇所を回避することができる飛行経路を選定する経路選定ステップとを有する無人航空機の制御方法である。
請求項１０に記載の発明は、コンピュータに読み取らせて実行させる無人航空機の飛行制御プログラムであって、コンピュータを当該無人航空機の着陸位置を受け付ける着陸位置情報受付部と、当該無人航空機の現在位置を受け付ける機体位置情報受付部と、当該無人航空機が備えたレーザースキャナによるスキャン対象の三次元スキャンデータを受け付けることが可能なスキャンデータ受付部と、前記スキャンデータ受付部が受け付けた前記三次元スキャンデータに基づき、三次元マップを作成するスキャンマップ作成部と、前記三次元マップにおいて、飛行の障害となる飛行禁止箇所を抽出する飛行禁止箇所抽出部と、前記三次元マップにおいて、前記無人航空機の現在位置から前記着陸位置までの当該無人航空機の飛行経路であって、前記飛行禁止箇所を回避することができる飛行経路を選定する経路選定部として機能させる経路選定用のプログラムである。
本発明によれば、飛行中のＵＡＶ等の無人航空機に、帰還または着陸を要する問題が発生した際、よりリスクの少ない動作を選択させることができる。例えば、ＵＡＶの飛行中にバッテリの急激な低下が発生し、ＵＡＶに何らかの対応を求められた場合、障害物となる物体を避けることができ、かつバッテリの消費量をできる限り抑えることができる飛行経路をＵＡＶ側で選定し、帰還または着陸することができる。
実施形態の概念図である。 ＵＡＶのブロック図である。 ＵＡＶに備えられる経路選定装置のブロック図である。 三次元マップの概念図である。 処理の一例を示すフローチャートである。 処理の一例を示すフローチャートである。 外部データ処理装置のブロック図である。 処理の一例を示すフローチャートである。 外部データ処理装置のブロック図である。
１．第１の実施形態
（概要）
一般に、ＵＡＶ等の無人航空機は、空中で高度上昇を伴う動作を行う際に、電力を多く消費し、搭載されているバッテリの量を圧迫する。そこで、本実施形態では、高度上昇動作をできる限り行わずに帰還する経路を選定可能な形態を示す。
図１には、飛行するＵＡＶ１００が示されている。ＵＡＶ１００は、レーザースキャナ１０１を備え、飛行しながらレーザースキャンを行ったデータを基にして、飛行経路として通過した場所の三次元マップを作成する。この三次元マップを用いて、ＵＡＶ１００は、飛行（帰還）経路の選定を行う。
なお、本発明に用いるＵＡＶ１００は、予め定めた飛行ルートを自律飛行するものであるが、無線操縦による飛行制御も可能である。
（ＵＡＶの構成）
図２は、ＵＡＶ１００のブロック図である。ＵＡＶ１００は、レーザースキャナ１０１、ＧＮＳＳを利用したＧＮＳＳ位置特定装置（ＧＮＳＳ受信機）１０２、ＩＭＵ（慣性計測装置）１０３、高度計１０４、制御装置１０５、記憶装置１０６、通信装置１０７、経路選定装置１０８を備えている。
レーザースキャナ１０１は、レーザー光を測定対象物に対してスキャン（走査）し、その反射光を検出することで、測定対象物の概形を三次元座標を有する点群データとして得る。本発明の利用においては、飛行時にスキャン可能な範囲にあって、ＵＡＶ１００の帰還時に障害物となり得るものを測定対象とする。レーザースキャナ１０１については、例えば特開２０１０−１５１６８２号公報、特開２００８―２６８００４号公報、米国特許８７６７１９０号公報、米国特許７９６９５５８号公報等に記載されている。また、レーザースキャナ１０１として、スキャンを電子式に行う形態のもの（例えば、ＵＳ２０１５／０２９３２２４号公報参照）を採用することもできる。
ＧＮＳＳ位置特定装置１０２は、ＧＰＳ衛星に代表される航法衛星からの航法信号を受信し、それに基づき測位（位置の特定）を行う。ＧＮＳＳ位置特定装置１０２によりＧＮＳＳ位置特定装置１０２（ＧＮＳＳ位置特定装置１０２のアンテナの位置）の地図座標系における位置（経度・緯度・高度）が特定される。地図座標系とは、地図データを扱う際に利用されるグローバルな座標系である。通常ＧＮＳＳ位置特定装置（例えば、汎用のＧＰＳ受信機）で得られる位置のデータは、地図座標系におけるものとして得られる。
ＧＮＳＳ位置特定装置１０２で行われる測位は、実装コストは安価であるが低精度である単独測位または実装コストは高価であるが高精度である相対測位がある。どちらであっても本発明の利用は可能であるが、ＵＡＶ等の無人航空機を自律飛行させるには、機体の位置情報を精度の高い情報として取得する必要があるため、相対測位等の計測精度の高い態様のものが望ましい。精度の高い相対測位の技術としては、例えば、ＲＴＫ（Real Time Kinematic）測位を利用した高精度（誤差数cm以下）な位置の測定が挙げられる。ＲＴＫ測位に関しては、例えば国土地理院のホームページ(http://terras.gsi.go.jp/geo_info/GNSS_iroiro.html)に記載されている。
ＲＴＫ測位では、ＵＡＶ１００が飛行する現場に固定基準局（ＧＮＳＳもしくはＧＮＳＳ装置付きＴＳ（トータルステーション）等）を用意し、固定基準局とＵＡＶ１００が航法衛星と通信を行いながら、測位を行う。この測位により、ＵＡＶ１００の位置情報が、高い精度で得られる。
また、ＧＮＳＳ位置特定装置１０２は、時計の機能を有し、ＵＡＶ１００の位置情報やレーザースキャンデータは、対応する時刻の情報と共に飛行ログに記憶される。
ＩＭＵ１０３は、飛行中のＵＡＶ１００に加わる加速度を計測する。ＩＭＵ１０３の出力は、飛行中におけるＵＡＶ１００の姿勢制御に利用される。また、ＩＭＵ１０３の出力から飛行中におけるＵＡＶ１００の姿勢に関する情報が得られる。高度計１０４は、気圧を測定し、ＵＡＶ１００の高度を計測する。
制御装置１０５は、後述する飛行経路の選定に加え、ＵＡＶ１００に係る各種の制御を行う。ＵＡＶ１００に係る各種の制御には、飛行制御、レーザースキャナ１０１の照射（スキャン）に係る制御、記憶装置１０６に記憶するデータの管理に関する制御、通信装置１０７の動作に関する制御が含まれる。
記憶装置１０６は、予め定めた飛行経路を飛ぶための飛行計画および飛行ログを記憶する。飛行ログは、飛行中の位置（経度、緯度、高度）とその計測時刻のデータを記憶したデータである。飛行中の位置の測定は、０．５秒毎や１秒毎といった特定の時間間隔（勿論、不規則なタイミングの場合も有り得る）で行われ、刻々と計測された位置のデータは、測定時刻と関連付けされて飛行ログに記憶される。また、レーザースキャナ１０１による照射（スキャン）の時刻と画像データ、ＩＭＵ１０３で計測されたＵＡＶ１００の姿勢に関するデータ、高度計１０４が計測した高度のデータも飛行ログと関連付けされた状態で記憶装置１０６に記憶される。
通信装置１０７は、無線通信機能を備える。通信装置１０７は、無線通信機能により、ＵＡＶ１００と操作機器（地上でＵＡＶ１００の操作を行う者が操作するコントローラ）との間における操作信号の送受信、固定基準局や航法衛星との間で行う位置測位のための通信、および飛行中のＵＡＶ１００がスキャンしたスキャナデータ、そのスキャンデータから作成された３次元マップや測位データの他の機器への送受信を行う。
通信装置１０７は、無線通信機能の他に有線通信機能を備える。通信装置１０７は、有線通信機能を用いて、飛行していない状態（着地している状態）におけるＵＡＶ１００と他の機器との間の通信を行う。例えば、飛行の操作に係る信号の受信（操作コントローラからの制御信号の受信）、飛行計画のデータの受信、ログデータの他の機器への送信等が通信装置１０７によって行われる。なお、通信装置１０７が光通信機能を有していてもよい。以上の通信装置１０７の説明は、後述する通信部３０４および通信装置４０１も同様である。
経路選定装置１０８は、レーザースキャナ１０１により得られたスキャンデータから３次元マップを作成する。そして、この３次元マップを用いて、ＵＡＶ１００の飛行の障害物となるものを抽出し、抽出された障害物が存在する場所やレーザースキャンされておらず状況が不明な場所を回避するように、最適な経路を選定する。
（経路選定装置の構成）
図３は、経路選定装置１０８のブロック図である。本実施形態における経路選定装置１０８は、着陸位置情報受付部２０１、機体位置情報受付部２０２、スキャンデータ受付部２０３、スキャンマップ作成部２０４、飛行禁止箇所抽出部２０５、経路選定部２０６、機体操縦信号生成部２０７を備えている。
図３に示される制御装置１０５の各機能部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）に代表されるＰＬＤ（Programmable Logic Device）などの電子回路により構成される。また、一部の機能を専用のハードウェアで構成し、他の一部を汎用のマイコンにより構成することも可能である。
各機能部を専用のハードウェアで構成するのか、ＣＰＵにおけるプログラムの実行によりソフトウェア的に構成するのかは、要求される演算速度、コスト、消費電力等を勘案して決定される。なお、機能部を専用のハードウェアで構成することとソフトウェア的に構成することは、特定の機能を実現するという観点からは、等価である。
着陸位置情報受付部２０１は、ＵＡＶ１００を帰還させたい、または着陸させたい地点の位置情報を受け付ける。なお、受け付ける位置情報は、一つに限定されず、複数でもよい。
機体位置情報受付部２０２は、ＧＮＳＳ位置特定装置１０２が特定したＵＡＶ１００の位置情報を受け付ける。スキャンデータ受付部２０３は、レーザースキャナ１０１がスキャンしたレーザースキャンデータを取得する。以上の機体位置情報受付部２０２およびスキャンデータ受付部２０３の構成は、後述する機体位置情報受付部３０１およびスキャンデータ受付部３０２も同様である。
スキャンマップ作成部２０４は、スキャンデータ受付部２０３で受け付けたレーザースキャンデータから三次元マップを作成する。ここで、レーザースキャナ１０１が取得したレーザースキャンデータは、飛行するＵＡＶ１００に固定された座標系で得られたものであるので、スキャン時のＵＡＶ１００の位置と姿勢に基づき、スキャン点を地図座標系に座標変換する。この座標変換は、回転と平行移動によって行われる。ここで、回転に関してはＩＭＵ１０３から得られる姿勢のデータに基づき回転行列を求めることで行われ、平行移動に関してはＧＮＳＳ位置特定装置１０２から得られるＵＡＶ１００の位置のデータから平行移動ベクトルを求めることで行われる。飛行するＵＡＶから得たレーザースキャンデータを地図座標系（地上座標系）に座標変換する技術に関しては、例えば特願２０１７−１７８８３１号に記載されている。
作成される三次元マップは、概略マップでよく、図１の地形から作成される三次元マップとしては、例えば、図４のようになる。三次元マップは、（ｘ,ｙ,ｚ）成分で表される三次元空間となり、計測された対象は、その最大幅、最大奥行きおよび高さを、それぞれ（ｘ,ｙ,ｚ）成分で表す。そのため、計測された対象は、三次元空間上で直方体として近似される。また、ＵＡＶ１００の飛行経路外でレーザースキャンができず、状況が不明な箇所も同様に直方体として近似する。以上の説明は、後述するスキャンマップ作成部３０３も同様である。
飛行禁止箇所抽出部２０５は、スキャンマップ作成部２０４で作成された三次元マップにおいて、ＵＡＶ１００の飛行の障害となる物となるものや状況が不明でＵＡＶ１００を飛行させられない場所を飛行禁止箇所として抽出を行う。例えば、任意時点におけるＵＡＶ１００の位置から帰還地点まで一直線に飛行する経路について飛行禁止箇所を抽出するならば、三次元マップ上でのＵＡＶ１００と帰還地点の位置を特定し、その２点を結ぶ直線と重なる直方体である障害物となる。
経路選定部２０６は、障害物を回避し飛行することが可能な一または複数の経路から最適な経路を選定する。障害物を回避し飛行することが可能な一または複数の経路は、経路の候補として予め設定されていてもよいし、スキャンマップ作成部２０４が作成した三次元マップと障害物抽出部２０５が抽出した障害物から、経路決定部２０６が飛行可能経路を検索してもよい。検索された飛行可能経路が複数であった場合の判断は、抽出された障害物を回避できる経路について、飛行距離および消費する電力量等を勘案し、選定する。
経路の選定は、例えば以下の方法が挙げられる。まず、スキャンマップ作成部２０４で三次元マップを、単位空間（（ｘ,ｙ,ｚ）＝（１,１,１））１００個分から成る、（ｘ,ｙ,ｚ）＝（１００,１００,１００）と設定し作成する。そして、障害物や状況不明箇所である飛行禁止箇所の幅、奥行きおよび高さは、（ｘ,ｙ,ｚ）の各値を整数で表現し、その位置も、（ｘ,ｙ,ｚ）を用いて、１≦ｘ,ｙ,ｚ≦１００で表現すれば、三次元マップ上のどの単位空間に飛行禁止箇所が存在するかが分かる。
同様に、ＵＡＶ１００の位置と帰還地点の位置も、（ｘ,ｙ,ｚ）を用いて、１≦ｘ,ｙ,ｚ≦１００で表現すれば、三次元マップ上でのＵＡＶ１００の位置と帰還地点の位置も特定される。三次元マップ上で特定されたＵＡＶ１００の位置と帰還地点の位置は、１００個ある単位空間の内のどれかに対応する。
そこで、ＵＡＶ１００の位置に対応する単位空間をスタート地点、帰還地点の位置に対応する単位空間をゴール地点、障害物がある単位空間とスキャンデータが無く状況が不明な単位空間を飛行禁止箇所として、スタート地点からゴール地点まで、通行禁止箇所ではない単位空間だけを通る経路を検索することで、障害物を回避（迂回）して帰還できる経路が得られる。さらに、最短の経路を選定するには、検索された経路の中から通る単位空間の数が最少の経路を選定すればよい。
なお、単位空間の一辺のスケールは可変とすることができる。例えば、１００ｍまでの飛行であるならば、１ｍ×１ｍ×１ｍの単位空間としておき、１００ｍの超過した時点で、２ｍ×２ｍ×２ｍとし、その後も飛行距離に応じて、単位空間の一辺のスケールを変化させることで、多様な飛行距離に対応することができる。ただし、スケールが大きければ大きいほど、障害物があるとされる単位空間も大きくなってしまう等の問題が発生する。そこで、飛行距離が長くなるような場合は、三次元マップを構成する単位空間の数を予め増やしておき、スケールを上げすぎずに済むようにして対応する。
機体操縦信号生成部２０７は、経路選定部２０６が選定した経路をＵＡＶ１００に飛行させるための信号を生成する。そのため、生成された信号は、ＵＡＶ１００の制御装置１０５へ送信される。
（処理の一例）
本実施形態における処理の一例を図５に示す。まず、ＵＡＶ１００は、帰還または着陸地点の位置情報を受け付ける。位置情報を受け付けるタイミングは、ＵＡＶ１００の飛行開始前でも、飛行中でもよいが、後述のステップＳ１０４までに受け付けることが必要である（ステップＳ１０１）。
ＵＡＶ１００は、飛行開始後から自機の位置を把握しながら、レーザースキャナ１０１によって断続的にスキャンを行う。それによって、ＵＡＶ１００の位置情報とともにスキャンデータが得られる（ステップＳ１０２）。次に、ステップＳ１０２で得られたデータに基づき、三次元マップが作成される（ステップＳ１０３）。
そして、ＵＡＶ１００に帰還を要する契機があると、三次元マップ上でのＵＡＶ１００の現在位置と帰還地点の位置を照合する（ステップＳ１０４）。ここで、ＵＡＶ１００が帰還を要する契機とは、オペレータからの指示、バッテリ量の低下、機器の不具合等が挙げられる。
次に、ＵＡＶ１００の現在位置と帰還位置を結ぶ直線上に飛行禁止箇所が抽出されないか判定し、飛行禁止箇所が存在しないか確認する（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０５において、飛行禁止箇所が存在しなければ、帰還経路として、ＵＡＶ１００の現在位置と帰還位置を一直線に結ぶ直線経路が選定される（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０５において、飛行禁止箇所が存在すれば、その飛行禁止箇所の高度が、ＵＡＶ１００の現在位置より低いか判定する。ここで、飛行禁止箇所が複数存在するならば、最も高度の高いものが比較対象となる（ステップＳ１０７）。
飛行禁止箇所の高度が低ければ、高度を維持したまま帰還位置の上空まで飛行し、帰還地点まで降下する経路が選定される（ステップＳ１０８）。飛行禁止箇所の高度が高ければ、障害物を回避するよう迂回して、最短で帰還地点へ向かう経路が選定される（ステップＳ１０９）。最後に、決定された経路をＵＡＶ１００に飛行させる信号を生成し、処理は終了となる（ステップＳ１１０）。
本実施形態は、ＵＡＶ１００の現在位置と帰還位置を一直線に結ぶ直線経路、高度を維持したまま帰還位置の上空まで飛行し帰還地点まで降下する経路、および飛行禁止箇所を回避するよう迂回して最短で帰還地点へ向かう経路、の３つの飛行経路（動作）が予め経路選定部２０６に設定されていることを想定したが、経路選定部２０６に設定する飛行経路（動作）は、例えば、ＵＡＶ１００のオペレータが任意で設定してもよい。任意に飛行経路（動作）を設定するならば、ステップＳ１０５の処理開始までに行うことで対応する。
（変形例）
ＵＡＶ１００の各飛行動作に対応するバッテリの電力消費量が既知である等により、ＵＡＶ１００の現在位置から帰還地点まで飛行した際のバッテリ消費量が試算できるのならば、ステップＳ１０１〜１０４を行った後に、飛行禁止箇所の抽出を行い、その飛行禁止箇所を回避できるような経路を検索し、得られた経路について、バッテリ消費量を算出し、最もバッテリ消費量が少ない経路を選定してもよい。
その場合の経路選定装置１０８の構成は、着陸位置情報受付部２０１、機体位置情報受付部２０２、スキャンデータ受付部２０３、スキャンマップ作成部２０４、飛行禁止箇所抽出部２０５、経路選定部２０６、機体操縦信号生成部２０７に加え、飛行距離算出部２０８、バッテリ消費量算出部２０９を備えることができる。
飛行距離算出部２０８は、経路選定部２０６で検索されたＵＡＶ１００の現在位置から帰還地点までの経路について飛行距離の算出を行う。飛行距離の算出方法は、例えば、単位空間の集合体として構成される三次元マップならば、その単位空間のスケールにより、算出することができる。
バッテリ消費量算出部２０９は、無人航空機が予定された経路を飛行した際の消費電力量を算出する。例えば、ＵＡＶ１００の各飛行動作に対応するバッテリの電力消費量をデータとして得られれば、経路選定部２０６で検索された飛行経路と飛行距離算出部２０８で算出された飛行距離から算出することができる。
２．第２の実施形態
（概要）
ＵＡＶ等の無人航空機に帰還を要する契機が発生した場合、離陸した地点を帰還地点とすることが多い。しかし、搭載されたバッテリの残量が乏しく離陸地点までの帰還ができない事態が想定し得る。そこで、離陸地点以外に着地可能な地点を終着地点とした経路を選定する形態を示す。
（構成）
ＵＡＶ１００の構成は、図２のとおりとなり、第１の実施形態と変わらない。ただし、経路選定装置１０８は、図３における、着陸位置情報受付部２０１、機体位置情報受付部２０２、スキャンデータ受付部２０３、スキャンマップ作成部２０４、飛行禁止箇所抽出部２０５、経路決定部２０６、機体操縦信号生成部２０７、飛行距離算出部２０８、バッテリ消費量算出部２０９、着陸可能地点検索部２１０を備える。
着陸可能地点検索部２１０は、スキャンマップ作成部２０４が作成した三次元マップから、ＵＡＶ１００が着陸可能な地点を検索する。着陸可能地点の検索としては、（ｘ,ｙ,ｚ）成分で表される三次元空間である三次元マップ上で、ｚ＝０となる地点を平坦地である着陸可能地点として選び出す。
ここで、ｚ＝０である地点は陸地ではなく、河川等の水面である場合もあり得る。そこで、ｚ＝０である地点が細長く連なっていた場合は、それらの場所は河川と判定し、着陸可能地点から除外することで対応する。すなわち、着陸した場合に水没等のリスクが生じ得る地形の特徴を事前に定義し、着陸可能地点の検索時に定義された特徴を有する場所を除外する。
着陸可能地点として、ｚ＝０であり、且つ閾値以上の広さ（例えば、５ｍ×５ｍ以上）を有する場所を選択する処理は好ましい。また、この場合において、ｚ＝０でなくてもｚ＝一定の場所（または一定と見なせる場所）を平坦地として選択する処理も有効である。
（処理の一例）
本実施形態における処理の一例を図６に示す。まず、ＵＡＶ１００は、着陸地点の位置情報を受け付ける。ここで、受け付ける着陸地点の位置情報とは、離陸地点とＵＡＶ１００のオペレータが目視できる範囲で着陸可能地点があれば、その地点の位置情報である。なお、それらの位置情報は、着陸位置情報受付部２０１で受け付ける（ステップＳ２０１）。
そして、自機の位置情報とスキャンデータを得ながら飛行を行う（ステップＳ２０２）。得られた自機の位置情報とスキャンデータから三次元マップを作成する（ステップＳ２０３）。作成された三次元マップ上での、ＵＡＶ１００の現在位置とステップＳ２０１で受け付けた一または複数の着陸地点の位置を照合する（ステップＳ２０４）。
次に、飛行禁止箇所の抽出を行った上で（ステップＳ２０５）、ステップＳ２０１で受け付けた着陸地点以外に、着陸可能地点がないか三次元マップ上で検索し、着陸可能地点があれば、その地点も着陸地点に加える（ステップＳ２０６）。次に、三次元マップ上で、ＵＡＶ１００の現在位置と一または複数の着陸地点の位置を結ぶ経路であって、飛行禁止箇所を回避できるような経路を検索する（ステップＳ２０７）。
次に、ステップＳ２０７で検索された経路が一つならば（ステップＳ２０８）、その一つの経路を選択する（ステップＳ２０９）。ステップＳ２０７で検索された経路が一つでなく複数ならば（ステップＳ２０８）、各経路について、飛行距離やバッテリ消費量等の想定コストを算出する（ステップＳ２１０）。そして、各経路の想定コストを勘案し、最適な経路を選択する（ステップＳ２１１）。最後に選択された経路をＵＡＶ１００に飛行させる信号を生成し（ステップＳ２１２）、処理は終了となる。
（変形例）
着陸位置情報受付部２０１で、着陸地点を受け付けず、着陸可能地点検索部２１０により検索された着陸可能な地点を終着地点として、経路の抽出・決定を行ってもよい。ただし、着陸可能地点検索部２１０が着陸可能な地点を検索できなかった場合は、リスクを冒して、その場に着陸する等の対応をする。
３．第３の実施形態
（概要）
ＵＡＶ側でレーザースキャンを行い、外部データ処理装置側で三次元マップを作成し、その三次元マップをＵＡＶ側で利用することで、経路選定する形態も可能である。その場合、ＵＡＶ側で得られたスキャンデータは、外部データ処理装置側へ送信され、外部データ処理装置側は受信したスキャンデータから三次元マップを作成する。そして、外部データ処理装置側で作成された三次元マップは、ＵＡＶ側へ送信される。
本実施形態では、ＵＡＶ１００が得たスキャンデータをＵＡＶ１００と外部データ処理装置３００の両方で、三次元マップを作成する。ＵＡＶ１００と外部データ処理装置３００の両方で、三次元マップを作成する利点は、ＵＡＶ１００が通信断等によって、外部データ処理装置３００が作成した三次元マップのデータを受信できなかったとしても、ＵＡＶ１００で作成した三次元マップを利用して帰還可能となる点や、膨大なデータをリアルタイムで処理可能な装置が飛行体であるＵＡＶ１００に積載不可能な重量であった場合に対応できる点がある。
なお、ＵＡＶ１００に積載される装置は、外部データ処理装置３００が作成した三次元マップのデータを得られなかった等の不測の事態に備えるものであるため、必ずしも高い処理能力を持っていなくともよい。
（構成）
ＵＡＶ１００の構成は、図２のとおりとなり、第１および２の実施形態と変わらない。ただし、経路選定装置１０８は、図３における、着陸位置情報受付部２０１、機体位置情報受付部２０２、スキャンデータ受付部２０３、スキャンマップ作成部２０４、飛行禁止箇所抽出部２０５、経路決定部２０６、機体操縦信号生成部２０７、飛行距離算出部２０８、バッテリ消費量算出部２０９、外部作成マップ受付部２１１を備える。
外部データ処理装置３００の構成は、図７に示す通り、機体位置情報受付部３０１、スキャンデータ受付部３０２、スキャンマップ作成部３０３、通信部３０４を備える。この外部データ処理装置の例としては、図７に示す構造を備えるＴＳ（トータルステーション）等が挙げられる。
（処理の一例）
本実施形態における処理の一例を図８に示す。まず、ＵＡＶ１００は、着陸地点の位置情報を受け付ける（ステップＳ３０１）。そして、自機の位置情報とスキャンデータを受け付けながら、飛行を行う（ステップＳ３０２）。得られた自機の位置情報とスキャンデータは、ＵＡＶ１００から外部データ処理装置へ送信されるとともに（ステップＳ３０３）、ＵＡＶ１００側での三次元マップ作成に利用される（ステップＳ３０４）。
外部データ処理装置は、ＵＡＶ１００からＵＡＶ１００の位置情報とスキャンデータを受信すると（ステップＳ３０５）、外部データ処理装置側でも三次元マップを作成する（ステップＳ３０６）。外部データ処理装置側で作成された三次元マップのデータは、随時、ＵＡＶ１００側へ送信される（ステップＳ３０７）。ＵＡＶ１００は飛行中であり機体の位置は絶えず変化しているため、三次元マップデータの送信間隔はできる限り短い間隔（数秒以下）が望ましい。
そして、ＵＡＶ１００は、外部データ処理装置側で作成された三次元マップのデータを受信できれば、そちらを優先的に採用する（ステップＳ３０８、３０９、３１０）。以降は、採用された方の三次元マップを用いて、図６のステップＳ２０４以下と同様の処理を行う。
また、外部データ処理装置３００が、ＴＳ（トータルステーション）のようにＵＡＶ１００の周りをスキャンし、そのスキャンデータを得られるならば、ステップＳ３０６において、三次元マップを作成する際に利用することも可能である。
本実施形態のような外部データ処理装置側で三次元マップを作成し、そのデータをＵＡＶ１００側へ送信する場合、リアルタイムにデータを通信できることが必要になる。ここで、前述した三次元マップを単位空間で構成する方法を用いて、三次元マップを構成する単位空間の定義をＵＡＶ１００と外部データ処理装置で共通の定義とすれば、外部データ処理装置で三次元マップ作成後、三次元マップを構成する各単位空間が通行禁止空間か否かの情報を送信することで、ＵＡＶ１００側で帰還経路の検索および最適な経路の選定は可能である。つまり、外部データ処理装置からは、三次元マップを構成する単位空間の数と同数の２値信号を送信することで、ＵＡＶ１００は帰還経路の検索および選定を行うことができる。
４．第４の実施形態
経路選定装置１０８は、ＵＡＶ１００に備えられる形態に限定されない。例えば、図９に示すように、通信装置４０１と経路選定装置１０８を備える外部データ処理装置４００は、通信装置４０１により、ＵＡＶ１００の位置情報とＵＡＶ１００が得たスキャンデータを受信し、三次元マップ作成および帰還経路決定を行うことができる。そして、決定した帰還経路を飛行させる機体操縦信号をＵＡＶ１００へ送信することによって、ＵＡＶ１００を帰還させる。
本発明は、無人航空機の帰還または着陸地点までの経路決定に利用可能である。

Claims (10)

  1. 無人航空機の飛行を制御する装置であって、
    当該無人航空機の着陸位置を受け付ける着陸位置情報受付部と、
    当該無人航空機の現在位置を受け付ける機体位置情報受付部と、
    当該無人航空機が備えたレーザースキャナによるスキャン対象の三次元スキャンデータを受け付けることが可能なスキャンデータ受付部と、
    前記スキャンデータ受付部が受け付けた前記三次元スキャンデータに基づき、三次元マップを作成するスキャンマップ作成部と、
    前記三次元マップにおいて、飛行の障害となる飛行禁止箇所を抽出する飛行禁止箇所抽出部と、
    前記三次元マップにおいて、前記無人航空機の現在位置から前記着陸位置までの当該無人航空機の飛行経路であって、前記飛行禁止箇所を回避することができる飛行経路を選定する経路選定部と
    を備える経路選定装置。
  2. 前記スキャンマップ作成部は、無人航空機が備えたレーザースキャナが、三次元スキャンデータを得られなかった箇所を前記三次元マップ上で立体的に表現し、
    前記飛行禁止箇所抽出部は、前記三次元マップ上で立体的に表現された、無人航空機が備えたレーザースキャナが、三次元スキャンデータを得られなかった箇所を前記飛行禁止箇所とする請求項１に記載の経路選定措置。
  3. 前記経路選定部によって選定された飛行経路を当該無人航空機に飛行させる信号を生成する機体操縦信号生成部を備える請求項１または２に記載の経路選定措置。
  4. 前記三次元マップから当該無人航空機が着陸可能な場所を検索する着陸可能地点検索部を備え、
    前記経路選定部は、前記着陸可能地点検索部が検索した当該無人航空機が着陸可能な場所を前記着陸位置として、当該無人航空機の経路を選定する請求項１〜３のいずれか一項に記載の経路選定装置。
  5. 当該無人航空機外で作成された前記三次元マップを受け付ける外部作成マップ受付部を備え、
    前記経路選定部は、前記外部作成マップ受付部が受け付けた前記三次元マップを用いて、当該無人航空機の経路を選定する請求項１〜４のいずれか一項に記載の経路選定装置。
  6. 前記経路選定部によって選定された飛行経路を当該無人航空機に飛行させた場合の飛行距離を算出できる飛行距離算出部と、
    前記経路選定部によって選定された飛行経路を当該無人航空機に飛行させた場合のバッテリ消費量を算出できるバッテリ消費量算出部のうち少なくとも一つを備え、
    前記経路選定部は、飛行距離とバッテリ消費量のうち少なくとも一つを経路選定要素として、無人航空機の経路を選定する請求項１〜５のいずれか一項に記載の経路選定措置。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の経路選定装置を備えた無人航空機。
  8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の経路選定装置を備えたデータ処理装置。
  9. 無人航空機の飛行を制御する方法であって、
    当該無人航空機の着陸位置を受け付ける着陸位置情報受付ステップと、
    当該無人航空機の現在位置を受け付ける機体位置情報受付ステップと、
    当該無人航空機が備えたレーザースキャナによるスキャン対象の三次元スキャンデータを受け付けることが可能なスキャンデータ受付ステップと、
    前記スキャンデータ受付部が受け付けた前記三次元スキャンデータに基づき、三次元マップを作成するスキャンマップ作成ステップと、
    前記三次元マップにおいて、飛行の障害となる飛行禁止箇所を抽出する飛行禁止箇所抽出ステップと、
    前記三次元マップにおいて、前記無人航空機の現在位置から前記着陸位置までの当該無人航空機の飛行経路であって、前記飛行禁止箇所を回避することができる飛行経路を選定する経路選定ステップと
    を有する無人航空機の制御方法。
  10. コンピュータに読み取らせて実行させる無人航空機の飛行制御プログラムであって、
    コンピュータを
    当該無人航空機の着陸位置を受け付ける着陸位置情報受付部と、
    当該無人航空機の現在位置を受け付ける機体位置情報受付部と、
    当該無人航空機が備えたレーザースキャナによるスキャン対象の三次元スキャンデータを受け付けることが可能なスキャンデータ受付部と、
    前記スキャンデータ受付部が受け付けた前記三次元スキャンデータに基づき、三次元マップを作成するスキャンマップ作成部と、
    前記三次元マップにおいて、飛行の障害となる飛行禁止箇所を抽出する飛行禁止箇所抽出部と、
    前記三次元マップにおいて、前記無人航空機の現在位置から前記着陸位置までの当該無人航空機の飛行経路であって、前記飛行禁止箇所を回避することができる飛行経路を選定する経路選定部として機能させる経路選定用のプログラム。
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