JP2020091580A - 飛行装置制御システム - Google Patents
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Abstract
Description
(第1実施形態)
図1に示すように第1実施形態による飛行装置制御システム10は、飛行装置11および地上設備12を備える。飛行装置11は、本体13、再帰反射部材14、設置部15および反射部材駆動装置16を備えている。また、地上設備12は、測量部17および制御装置18を備えている。飛行装置11は、地上設備12の測量部17から照射された光を再帰反射部材14で反射する。地上設備12の測量部17は、再帰反射部材14で反射した光を用いて飛行装置11を追尾して飛行装置11の飛行データを取得する。設置部15は、再帰反射部材14が設置されている。
変化量取得部36は、飛行装置11の飛行姿勢の変化量を取得する。具体的には、変化量取得部36は、状態取得部34で取得した飛行装置11の飛行姿勢の経時的な変化に基づいて、単位時間あたりの変化量または基準となる時期から任意の時期までの変化量を、飛行姿勢の変化量として取得する。
まず、本実施形態における飛行装置制御システム10における座標系について図3に基づいて説明する。本実施形態の飛行装置制御システム10では、機体座標系ΣAと、測量部座標系ΣWとを設定している。機体座標系ΣAは、飛行装置11に設定されている座標系である。一方、測量部座標系ΣWは、地上設備12の測量部17に設定されている座標系である。
・ΣA 各軸回転角度(φ,θ,ψ)t
は、いずれも飛行姿勢推定部65による推定の対象となる。
ここで、tは、(px,py,pz)の転置行列であることを意味する。
これにより、飛行姿勢推定部65は、既知の値として、
・座標Axi=(xi,yi,zi)t
・座標WXi=(Xi,Yi,Zi)t
・推定開始から計測された各軸回転量(Δφi,Δθi,Δψi)t
・推定開始から計測された並進変位WΔpAWi=(Δpxi,Δpyi,Δpzi)t
を用いて飛行装置11の飛行姿勢を推定する。
なお、上記において、座標Axi、座標WXi、位置WpAWは、並進変位WΔpAWiは、いずれもベクトルである。
飛行姿勢推定部65は、複数の異なる時期に取得した検出データを用いて、既存のDLT(Direct Liner Transformation)法を用いて飛行装置11の姿勢を推定する。
任意の計測ステップiにおける2つの座標系の間における同時変換行列は、以下の式1の通りである。
それぞれの計測ステップiで計測した値に対しては、以下の式2、式3が成立する。
そこで、上記の複数の式から、以下の式4に変形する。
飛行姿勢推定部65は、飛行姿勢の推定を開始する姿勢推定開始信号を受け取ると(S101)、計測ステップの数をステップ数nとして設定する(S102)。飛行姿勢推定部65は、単位時間あたりのデータ検出回数と検出時間との積としてステップ数nを設定する。この場合、単位時間あたりのデータ検出回数および検出時間は、いずれも任意に設定することができる。ステップ数nが大きくなるほど、精度は向上するものの処理が煩雑になる。そのため、飛行姿勢推定部65は、飛行装置11に要求される飛行姿勢の推定精度に基づいてステップ数nを任意に設定する。
一方、飛行姿勢推定部65は、計測ステップiがステップ数nに到達すると(S107:Yes)、上記の「式4」となるMνを導出する(S109)。さらに、飛行姿勢推定部65は、S109で導出したMνから、「式5」を満たす飛行姿勢νを推定する(S110)。
第2実施形態による飛行装置制御システムについて説明する。
第2実施形態による飛行装置制御システム10は、概略的な構成が第1実施形態と共通するのに対し、処理に用いるデータおよび処理の流れの一部が第1実施形態と相違する。
飛行姿勢推定部65は、姿勢推定開始信号を受け取ると(S201)、計測ステップの数をステップ数nとして設定する(S202)。飛行姿勢推定部65は、ステップ数nを設定すると、反射部材駆動装置16により再帰反射部材14を駆動する(S203)。飛行姿勢推定部65は、再帰反射部材14の駆動が開始されると、各種パラメータの取得を開始する(S204)。飛行姿勢推定部65は、機体側パラメータを取得するとともに(S205)、地上側パラメータを取得する(S206)。
なお、第2実施形態では、飛行装置11に搭載されている例えば図示しないカメラで撮影した画像などを用いて回転角度φ、ψ、位置座標(px,py,pz)を推定または検出する構成としてもよい。
第3実施形態による飛行装置制御システムについて説明する。
第3実施形態による飛行装置制御システム10は、概略的な構成が第1実施形態と共通するのに対し、処理の流れの一部が第1実施形態と相違する。
飛行姿勢推定部65は、姿勢推定開始信号を受け取ると(S301)、計測ステップの数をステップ数nとして設定する(S302)。飛行制御部35は、S302において飛行姿勢推定部65がステップ数nを設定すると、飛行装置11の飛行モードを姿勢安定モードへ移行する(S303)。すなわち、飛行制御部35は、状態取得部34の各種センサおよびカメラなどから取得した情報に基づいて、スラスタ22におけるモータ23の回転数およびプロペラ24のピッチを制御する。これにより、飛行制御部35は、飛行装置11の各軸における回転および飛行位置の変化を制限する。
第4実施形態による飛行装置制御システムについて説明する。
第4実施形態による飛行装置制御システム10は、概略的な構成が第1実施形態と共通するのに対し、処理の流れの一部が第1実施形態と相違する。
飛行装置11の飛行姿勢を推定する場合、一般に姿勢アライメント工程およびレート積分工程を含んでいる。姿勢アライメント工程は、飛行装置11が離陸する前に機体座標系ΣAと地上座標系ΣWとの関係の整合を図るいわゆるキャリブレーションを実行する工程である。また、レート積分工程は、状態取得部34で取得した加速度、角速度およびGPSによる位置情報などのデータを逐次演算することにより、機体座標系ΣAと地上座標系ΣWとの関係を更新する工程である。第4実施形態では、飛行装置11は、図7に示すように脚部79を備えている。脚部79は、天地方向においてスラスタ22の下方に設けられ、飛行装置11を地面80に支持する。脚部79は、折り畳み可能とすることができる。飛行姿勢推定部65は、離陸前において飛行装置11が地面80に静止した姿勢アライメント工程において、飛行姿勢を推定する。すなわち、飛行姿勢推定部65は、飛行姿勢が地面80で安定している離陸前の状態のとき姿勢アライメント工程を実行する。換言すると、この姿勢アライメント工程は、飛行装置11の飛行姿勢が安定した姿勢安定モードに相当する。これにより、姿勢アライメント工程の開始から検出された各軸の回転量は式9、姿勢アライメント工程の開始から検出された並進変位WΔpAWiは式10に示す関係が確約される。
飛行姿勢推定部65は、姿勢推定開始信号を受け取ると(S401)、以降の処理に先立って姿勢アライメント工程に移行する(S402)。すなわち、飛行姿勢推定部65は、飛行制御部35を通して飛行装置11を離陸する前の地面80における安定した状態とする。これにより、飛行装置11は、飛行することなく、地面80に待機している。
第5実施形態による飛行装置制御システムについて説明する。
第5実施形態による飛行装置制御システム10は、図9に示すように信頼度算出部81を備えている。信頼度算出部81は、制御装置18において制御演算部61によるコンピュータプログラムの実行によってソフトウェア的に実現されている。なお、信頼度算出部81は、ソフトウェア的に限らず、ハードウェア的、またはソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現してもよい。
飛行姿勢推定部65は、姿勢推定開始信号を受け取ると(S501)、計測ステップの数をステップ数nとして設定する(S502)。飛行姿勢推定部65は、ステップ数nを設定すると、下限値Etの設定を受け付ける(S503)。飛行姿勢推定部65は、操作者が任意に設定する下限値Etを受け付ける。操作者は、例えば地上設備12の制御装置18を通して下限値Etを入力する。飛行姿勢推定部65は、下限値Etの設定を受け付けると、反射部材駆動装置16により再帰反射部材14を駆動する(S504)。飛行姿勢推定部65は、再帰反射部材14の駆動が開始されると、各種パラメータの取得を開始する(S505)。飛行姿勢推定部65は、機体側パラメータを取得するとともに(S506)、地上側パラメータを取得する(S507)。
第6実施形態による飛行制御システムについて説明する。
第6実施形態による飛行装置制御システム10は、第5実施形態の変形であり、図11に示すようにセンサ補正部82を備えている。センサ補正部82は、制御装置18の制御演算部61によるコンピュータプログラムの実行によってソフトウェア的に実現されている。なお、センサ補正部82は、ソフトウェア的に限らず、ハードウェア的、またはソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現してもよい。
飛行姿勢推定部65は、姿勢推定開始信号を受け取ると(S601)、計測ステップの数をステップ数nとして設定する(S602)。飛行姿勢推定部65は、ステップ数nを設定すると、下限値Etの設定を受け付ける(S603)。これとともに、センサ補正部82は、補正必要値Ecの設定を受け付ける(S604)。センサ補正部82は、操作者が任意に設定する補正必要値Ecを受け付ける。操作者は、例えば地上設備12の制御装置18を通して補正必要値Ecを入力する。飛行姿勢推定部65は、下限値Etおよび補正必要値Ecの設定を受け付けると、反射部材駆動装置16により再帰反射部材14を駆動する(S605)。飛行姿勢推定部65は、再帰反射部材14の駆動が開始されると、各種パラメータの取得を開始する(S606)。飛行姿勢推定部65は、機体側パラメータを取得するとともに(S607)、地上側パラメータを取得する(S608)。
第7実施形態による飛行制御システムの飛行装置について説明する。
第7実施形態による飛行装置制御システム10に用いられる飛行装置11は、図13に示すように反射部材駆動装置16の構成が第1実施形態と異なる。第7実施形態の場合、反射部材駆動装置16は、飛行装置11のヨー軸つまり機体座標系ΣAのZ軸と平行な軸Aを中心として再帰反射部材14を回転駆動する。すなわち、再帰反射部材14は、設置部15に対して軸Aを中心に回転する。第7実施形態の場合、反射部材駆動装置16の支持部51は、アクチュエータ52によって、飛行装置11のヨー軸方向に対して垂直な軸Aを中心に回転する。これにより、反射部材駆動装置16は、支持部51の先端に支持された再帰反射部材14を、軸Aを中心に回転駆動する。なお、ヨー軸は、飛行装置11の本体13の中心を貫く軸である。これにより、反射部材駆動装置16は、複雑な駆動機構を必要とせず、構成の簡略化を図ることができる。
以上説明した複数の実施形態では、再帰反射部材14を飛行装置11に設け、この再帰反射部材14を地上設備12の測量部17で追尾する例について説明した。しかし、再帰反射部材14とこれを追尾する測量部17の相対的な関係が維持されていれば、再帰反射部材14または測量部17の設置位置は上述の複数の実施形態に限られない。例えば、再帰反射部材14および測量部17は、以下のように構成を変更することができる。
Claims (11)
- 無人の飛行装置(11)と、
光を照射元へ反射する再帰反射部材(14)と、
前記再帰反射部材(14)で反射した光から、前記再帰反射部材(14)を追尾して、前記再帰反射部材(14)までの距離および前記再帰反射部材(14)の角度を測量する測量部(17)と、
前記測量部(17)で測量した測量結果、および予め設定された目標位置を、前記飛行装置(11)へ提供し、前記飛行装置(11)の飛行を制御する制御装置(18)と、を備える飛行装置制御システムであって、
前記飛行装置(11)と一体または別体に設けられ、前記再帰反射部材(14)が設置されている設置部(15)と、
前記設置部(15)に対して、前記再帰反射部材(14)を相対移動可能に駆動する反射部材駆動装置(16)と、
前記飛行装置(11)の飛行姿勢の変化量を取得する変化量取得部(36)と、
前記測量結果から取得される前記再帰反射部材(14)の移動軌跡、および前記変化量取得部(36)で取得した前記飛行装置(11)の飛行姿勢の変化量から、前記飛行装置(11)の最新の飛行姿勢を推定する飛行姿勢推定部(65)と、
を備える飛行装置制御システム。 - 前記反射部材駆動装置(16)は、前記再帰反射部材(14)をヨー軸方向に対して垂直な軸を中心に回転可能であり、前記再帰反射部材(14)を支持する支持部(51)を有する請求項1記載の飛行装置制御システム。
- 前記再帰反射部材(14)は、前記飛行装置(11)に設けられ、
前記測量部(17)は、前記飛行装置(11)とは別体に離れて設けられている請求項1または2記載の飛行装置制御システム。 - 前記測量部(17)は、前記飛行装置(11)に設けられ、
前記再帰反射部材(14)は、前記飛行装置(11)とは別体に離れて設けられている請求項1または2記載の飛行装置制御システム。 - 前記飛行装置(11)の飛行状態を取得する飛行状態取得部(34)をさらに備え、
前記飛行姿勢推定部(65)は、前記飛行状態取得部(34)で取得した前記飛行装置(11)の飛行状態を用いて前記飛行装置(11)の飛行姿勢を推定する請求項1から4のいずれか一項記載の飛行装置制御システム。 - 前記状態取得部(34)は、前記飛行装置(11)の角速度および並進加速度を取得する速度情報取得部(42、43)を有する請求項1から5のいずれか一項記載の飛行装置制御システム。
- 前記状態取得部(34)は、前記飛行装置(11)の並進位置情報を取得する位置情報取得部(41)を有する請求項1から6のいずれか一項記載の飛行装置制御システム。
- 前記飛行装置(11)は、前記状態取得部(34)で取得した前記飛行装置(11)の飛行姿勢の変化に基づいて前記飛行装置(11)の飛行姿勢を制御する飛行制御部(35)を有し、
前記飛行姿勢推定部(65)は、前記飛行制御部(35)において前記飛行装置(11)の飛行姿勢の変化を制限する姿勢安定モードのとき、前記飛行装置(11)の飛行姿勢を推定する請求項1から7のいずれか一項記載の飛行装置制御システム。 - 前記再帰反射部材(14)または前記測量部(17)の移動軌跡から推定された前記飛行装置(11)の飛行姿勢の信頼度を算出し、算出した前記信頼度を報知する信頼度算出部(81)をさらに備える請求項1から8のいずれか一項記載の飛行装置制御システム。
- 前記信頼度算出部(81)は、前記信頼度が予め設定した設定範囲外であるとき、前記飛行姿勢推定部(65)で推定した飛行姿勢を破棄する請求項9記載の飛行装置制御システム。
- 前記信頼度算出部(81)で算出した前記信頼度に応じて前記飛行姿勢推定部(65)で推定に用いる前記状態取得部(34)で取得した値を補正する補正部(82)を、さらに備える請求項9または10記載の飛行装置制御システム。
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