JP2020138681A - 無人飛行体の制御システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】任意の方向に飛行可能なドローン100を、車両200に設けられた離着陸ポート401の上方から降下して着陸させるドローン100の制御システムであって、ドローン100に設けられ当該ドローン100の下方を撮影するカメラ101と、ドローンの飛行制御を行う機体制御コントローラ103と、カメラ101によって撮影した画像より着陸地点の画像上の位置を抽出し、ドローン100を着陸地点の上方から、カメラ101の下方位置に対応する撮影画像の中心Cと着陸地点の画像上の位置Qとの差を減少しつつ降下させ、着陸地点Pに着陸するように機体制御コントローラ103を制御する。
【選択図】図2
Description
ドローンを搭載可能とした車両においては、ドローンの使用後に車両に格納する際に、自動的にドローンの飛行制御をして、車両上に設けた着陸地点に着陸させることが望ましい。
このように、格納や充電のために自動的に車両にドローンを着陸させる方法として、例えば特許文献1には、ドローンにGPSセンサを搭載し、ドローンの位置情報を逐時取得して、車両の位置と一致させるようにドローンを誘導する技術が開示されている。
また、好ましくは、前記制御部は、前記車両に配置され、前記無人飛行体は、前記カメラの撮影画像を無線通信を介して前記機体制御部に送信し、前記制御部は、前記無人飛行体の機体を飛行制御する制御コマンドを無線通信を介して前記機体制御部に送信するとよい。
また、好ましくは、前記制御コマンドは、少なくとも前記車両の識別情報、前記無人飛行体の前記着陸地点への着陸予定時刻情報及び着陸予定位置情報を有する着陸指令情報を含むとよい。
また、好ましくは、前記無人飛行体は、プロポーショナルシステムによって飛行制御可能であり、前記制御コマンドは、前記プロポーショナルシステムによる制御情報と互換性のあるロール、ピッチ、ヨーとXYZ直交座標軸上の移動量に関する情報を含むとよい。
また、好ましくは、前記無人飛行体の位置を検出する第1のGPSセンサと、前記車両の位置を検出する第2のGPSセンサと、を備え、前記制御部は、前記第1のGPSセンサ及び前記第2のGPSセンサの検出値に基づいて前記着陸地点と前記無人飛行体との相対位置及び相対距離を演算し、前記相対位置に基づいて、前記無人飛行体を前記着陸地点に向けて移動するように前記機体制御部を制御する第2の着陸制御を実行可能であり、前記無人飛行体を前記着陸地点に着陸させる際に、前記相対距離が所定距離以上の場合には前記第2の着陸制御により前記機体制御部を制御し、前記相対距離が所定距離未満の場合には前記第1の着陸制御により前記機体制御部を制御するとよい。
これにより、第1の着陸制御の際に、例えば相対距離が大きい場合に画素数を低くすることで、カメラによって撮影した画像を認識する制御の負荷を低減させることができる。
これにより、車両の制御部と無人飛行体との通信を安定させることができる。
図1は、本発明の実施形態のドローン制御システムにおけるドローンの運用イメージ図である。
本発明のドローン制御システムは、車両及び当該車両に搭載可能としたドローンを含むドローンシステムに適用され、ドローンの飛行制御を実行するシステムである。
車頂架台400には、ドローン100の離着陸を行う基地としての離着陸ポート401、ドローン100のバッテリ109を非接触充電するための充電部402が備えられている。
ドローン100は、カメラ101、第1のGPSセンサ102、機体制御コントローラ103(機体制御部)、通信制御部104、映像データ用無線送信部105、送信アンテナ106、機体制御用無線受信部107、受信アンテナ108、バッテリ109を備えている。
第1のGPSセンサ102は、ドローン100の位置を取得する機能を有する。
機体制御コントローラ103は、ドローン100の各プロペラの回転制御により飛行制御を行うものであり、後述するように、プロポーショナルシステム(プロポ)を用いたドローン100の機体制御信号に基づいて飛行制御を行う機能を有する。
映像データ用無線送信部105は、カメラ101で撮影した画像情報を、送信アンテナ106を介して無線によって車載機300に送信する機能を有する。
機体制御用無線受信部107は、受信アンテナ108を介して車載機300から発信した機体制御信号を受信する機能を有する。
車両200には、車載機300(制御部)及び車頂架台400が備えられている。車頂架台400は車両200の上部に設置され、ドローン100の離着陸を行う基地としての離着陸ポート401、ドローン100のバッテリ109を非接触充電するための充電部402が備えられている。
映像データ用無線受信部302は、受信アンテナ301を介してドローン100からの映像データを受信する機能を有する。
通信制御部305は、送信アンテナ304を介してドローン100との無線通信を行うための情報の変復調、符号化・復号化を行う機能を有する。
AIパターン認識部306は、ドローン100のカメラ101で撮影した画像データのパターンを認識・分析し、ドローン100の機体制御情報を得る機能を有する。
音声認識部308は、マイクロフォン309を介して入力した作業者等の音声から指示を認識する機能を有する。
コマンド生成部310は、AIパターン認識部306や音声認識部の認識結果に基づいてコマンドテーブル311を参照してドローン100を制御するための制御コマンドを生成する機能を有する。なお、制御コマンドは、少なくとも車両200の識別情報、ドローン100の離着陸ポート401への着陸予定時刻情報及び着陸予定位置情報を有する着陸指令情報を含む。
また、車載機300には、車両200に設けられた第2のGPSセンサ313より、車両200の現在位置情報が入力される。なお、第2のGPSセンサ313については、例えば車両200に搭載したナビゲーションシステムから車両200の現在位置情報を取得してもよい。
本制御は、車載機300及びドローン100が共同して実行する。図3には、車両200にドローン100が格納された状態からドローン100の離陸、撮影、車両200への着陸までの制御要領が示されている。なお、図3の右側に記載したフローはドローン100が実行する制御であり、図3の左側に記載したフローは車載機300が実行する制御である。
ステップS101では、車載機300は、マイクロフォン309より離陸指令が入力した場合に、離陸指令情報をドローン100に送信する。離陸指令情報は、離陸時刻、撮影場所、撮影時間等を含む。本ステップにおいて、音声認識部308は、マイクロフォン309から入力した作業者による音声を認識する。コマンド生成部310は、通信制御部305経由で音声認識部308より入力した音声認識情報に基づいて、コマンドテーブル311を用いて例えば撮影場所の緯度経度情報を取得し、制御コマンドを生成する。制御コマンドは、通信制御部305、機体制御用無線送信部303、送信アンテナ304を介して、ドローン100に無線による離陸指令情報として送信される。そして、ステップS102に進む。
ステップS104では、ドローン100は、ステップS102で受信した離陸指令情報の撮影場所に向けて移動する。なお、本ステップにおいては、第1のGPSセンサ102によって検出したドローン100の位置が、離陸指令情報における撮影場所の上方位置となるように、機体制御コントローラ103を作動制御すればよい。そして、ステップS105に進む。
ステップS106では、ドローン100は、カメラ101により撮影した画像データを通信制御部104、映像データ用無線送信部105、送信アンテナ106を経由して車載機300に送信する。そして、ステップS107に進む。なお、本ステップにおける画像データ用の無線周波数は、例えば電波干渉の少ない5GHz帯を使用するとよい。また、後述するステップS110において使用する機体制御用情報用の無線周波数は、例えば電波障害物に強い920MHz帯や2GHz帯を使用するとよい。また、これらの無線通信は、複数の周波数帯のうち、干渉の少ない周波数帯を自動的に選択して用いるとよい。これにより機体制御用情報通信用のエリアを映像データ通信用のエリアより大きく設定できドローン100の機体制御を安定して可能となる一方、映像データについてはデータ量の多い鮮明な映像を受信することが可能となる。
ステップS108では、車載機300は、離陸指令情報に含まれる撮影時間を経過した時点で着陸指令情報をドローン100に送信する。着陸指令情報は、車両200のID情報、ドローン100の着陸予定時刻情報、着陸予定位置情報、車両200の移動経路、移動速度を含み、機体制御用無線送信部303及び送信アンテナ304を介して送信される。そして、ステップS109に進む。
ステップS110では、ドローン100を自動的に離着陸ポート401に着陸させる自動着陸制御を行う。自動着陸制御の詳細は後述する。そして、ドローン100の着陸が完了したら、ステップS111に進む。
ステップS112では、車載機300が着陸を受信する。そして、本ルーチンを終了する。
以上の制御により、ドローン100の離陸から、撮影、着陸までの制御が完了する。なお、本制御の後、即ちドローン100の離着陸ポート401への着陸の後に、車両充電部403によってドローン100のバッテリ109を自動的に充電させるとよい。
図4は、自動着陸制御時のドローン100及び離着陸ポート401のイメージ図である。図4に示すように、離着陸ポート401には、着陸地点として、例えばHマークが記載されている。本実施形態の自動着陸制御では、ドローン100は着陸指令情報に基づいて第1のGPSセンサ102及び第2のGPSセンサ313の情報を用いて離着陸ポート401の上方まで移動する(第2の着陸制御)。そして、着陸位置の上方位置からドローン100に搭載したカメラ101により撮影した画像を解析して離着陸ポート401のHマーク上に自動着陸させる(第1の着陸制御)。
図5に示すように、自動着陸制御は、始めにステップS201で、第1のGPSセンサ102によるドローン100の現在位置情報と、第2のGPSセンサ313による車両200の現在位置情報を使用して、離着陸ポート401の上方の所定高度(例えば5m)まで移動する。本ステップでは、車載機300において離着陸ポート401とドローン100との相対位置及び相対距離を演算し、離着陸ポート401とドローン100との相対位置に基づいて、ドローン100の機体制御コントローラ103を制御して、ドローン100を離着陸ポート401の上方の所定高度に向けて移動させる。そしてステップS202に進む。なお、本ステップにおいて第1のGPSセンサ102による現在位置情報を使用して所定高度(所定距離)までドローンを移動させる制御が、本発明の第2の着陸制御に該当する。
図6は、離着陸ポート401上の所定高度でのドローン100のカメラ101による撮影画像の一例を示す
ドローン100の撮影画像410は例えば写真のL版サイズ(89×127mm)とし、画素数は3000×4000(px)とする。そして、車載機300は、図6に示すように、ドローン100を、規定の位置(Hマーク上)に自動着陸させる際に、撮影画像内で認識された離着陸ポート401のHマークのQと撮影画像410の中心Cが重なるように移動させる。
図7にカメラ撮影画像と実空間の関係を示す。
ドローン100に搭載したカメラ101の位置Aから離着陸ポート401上の実空間MNRSを撮影した画像をIJKLとする。カメラ101の視野角をθ、実空間MNRS内の中心をF(本発明のカメラの下方位置に該当する)、撮影画像410(IJKL)内の中心をC(本発明の撮影画像の中心位置に該当する)、実空間MNRS内の着陸地点をP、撮影画像410内の着陸地点をQとする。また、撮影画像IJKLにおけるIJの中心をB、LKの中心をD、実空間MNRSにおけるMNの中心をE、RS方向の中心をGとする。また、撮影画像IJKLにおけるCを中心とした直交座標を(x,y,z)とする。
実距離/画像内距離=FP/CQ=EG/BD=AF/AC・・・(1)
となる。一方、
BC/AC=tan(θ/2)・・・(2)
となる。(2)式より、
AC=BC/tan(θ/2)・・・(3)
となる。上記式(1)、(3)より、
実距離FP=画像内距離CQ×(AF/AC)
=画像内距離CQ×(AF/BC)tan(θ/2)
=画像内距離CQ×2AF/(BD×tan(θ/2))・・・(4)
式(4)により、画像内距離CQを実距離FPに変換することができる。
θ=2Arctan(BC/AC)=137(度)
実距離FP=画像内距離CQ×62・・・(5)
となる。なおAF=2mの場合は、
実距離FP=画像内距離CQ×24.8・・・(6)
となる。
ステップS204では、ドローン100の着陸完了とし、図3に示すステップS111に進む。
ところで、ドローン100の飛行制御(フライトコントロール)として広く使用されているプロポーショナルシステムでは、図8に示すピッチ、ロール、ヨーと、直交座標(x,y,z)、即ちXYZ直交座標軸上の移動量を用いて制御が行われる。ピッチはドローン100のY軸を中心とした傾き角の値であり、この値に応じて機体が前後に傾く。ロールはドローン100のX軸を中心とした傾き角の値であり、この値に応じて機体が左右に傾く。ヨーは、ドローン100のZ軸を中心とした傾き角の値で、この値に応じて機体が回転する仕様となっている。また、直交座標(x,y,z)の値に応じてドローン100の移動量をコントロールしている。
図9は、ドローン100の回転角度からの制御入力値の算出用のマップの一例である。図10は、ドローン100の移動距離からの制御入力値の算出用のマップの一例である。ドローン100の回転角度や移動距離とドローン100への制御入力値は事前に実測しておいた換算式を参照する。図9の換算は、回転角度をα(度)、移動距離をd(m)とした場合、例えば、
回転角度(α度)に対応する制御入力値=0.05α・・・(7)
移動距離を(dm) に対応する制御入力値=0.03d2+0.02d・・・(8)
で与えられる。
なお、上記式(8)に示すように、移動距離と制御入力値とは二次関数の関係となっており、移動距離が小さくなるほど制御入力値が比例関係の場合よりも小さくなるように設定される。したがって、ドローン100が着陸地点に近づくほどドローン100の移動量を抑え、滑らかな着地を実現することができる。
また、ドローン100のカメラ101によって着陸地点を撮影すると、ドローン100の高度が低くなり着陸地点が近くなるにしたがって、着陸目標であるHマークの撮影画像におけるサイズが大きくなる。図6で高度AFが1/2になると、式(5)、式(6)より撮影画像410での離着陸ポート401のHマークの面積は4倍になることから、AIパターン認識部306における画像認識の処理が同じ処理方法であると4倍になる。
図11にAIパターン認識部306での認識対象画像のリサイズ化(等倍から0.1倍まで)による処理時間の測定結果例を示す。
図11で認識対象画像(図6のHマークの部分)を等倍から0.5倍、0.1倍に縮小することで、処理時間は9.3秒から3.3秒、1.1秒に短縮される。
図12に示すように、概ね画像の倍率が0.6倍より小さくなればグレースケール(Grey)処理はカラー処理(Raw)より処理時間が短くなる。
そこで、AIパターン認識部306は、撮影画像の傾きを減少させてから画像認識を行うようにするとよい。
101 カメラ
102 第1のGPSセンサ
103 機体制御コントローラ(機体制御部)
200 車両
300 車載機(制御部)
313 第2のGPSセンサ
401 離着陸ポート(着陸地点)
Claims (7)
- 任意の方向に飛行可能な無人飛行体を、車両に設けられた着陸地点に着陸させる無人飛行体の制御システムであって、
前記無人飛行体に設けられ当該無人飛行体の周囲を撮影するカメラと、
前記無人飛行体の飛行制御を行う機体制御部と、
前記カメラの撮影画像より前記着陸地点の前記撮影画像での位置を抽出し、前記無人飛行体を前記着陸地点から、前記カメラの位置に対応する前記撮影画像の中心位置と前記着陸地点の前記撮影画像での位置との差を減少するように前記機体制御部を制御して、前記無人飛行体を前記着陸地点に着陸させる第1の着陸制御を実行する制御部と、を備えたことを特徴とする無人飛行体の制御システム。 - 前記制御部は、前記車両に配置され、
前記無人飛行体は、前記カメラの撮影画像を無線通信を介して前記機体制御部に送信し、
前記制御部は、前記無人飛行体の機体を飛行制御する制御コマンドを無線通信を介して前記機体制御部に送信することを特徴とする請求項1に記載の無人飛行体の制御システム。 - 前記制御コマンドは、少なくとも前記車両の識別情報、前記無人飛行体の前記着陸地点への着陸予定時刻情報及び着陸予定位置情報を有する着陸指令情報を含むことを特徴とする請求項2に記載の無人飛行体の制御システム。
- 前記無人飛行体は、プロポーショナルシステムによって飛行制御可能であり、
前記制御コマンドは、前記プロポーショナルシステムによる制御情報と互換性のあるロール、ピッチ、ヨーとXYZ直交座標軸上の移動量に関する情報を含むことを特徴とする請求項2または3に記載の無人飛行体の制御システム。 - 前記無人飛行体の位置を検出する第1のGPSセンサと、
前記車両の位置を検出する第2のGPSセンサと、を備え、
前記制御部は、前記第1のGPSセンサ及び第2のGPSセンサの検出値に基づいて前記着陸地点と前記無人飛行体との相対位置及び相対距離を演算し、前記相対位置に基づいて、前記無人飛行体を前記着陸地点に向けて移動するように前記機体制御部を制御する第2の着陸制御を実行可能であり、
前記無人飛行体を前記着陸地点に着陸させる際に、前記相対距離が所定距離以上の場合には前記第2の着陸制御により前記機体制御部を制御し、前記相対距離が所定距離未満の場合には前記第1の着陸制御により前記機体制御部を制御することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の無人飛行体の制御システム。 - 前記制御部は、前記第1の着陸制御の際に、前記着陸地点と前記無人飛行体との相対距離に基づいて、前記カメラによって撮影する画像の画素数を変更することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の無人飛行体の制御システム。
- 前記無線通信は、複数の周波数帯のうち、干渉の少ない周波数帯を自動的に選択して用いられることを特徴とする請求項2に記載の無人飛行体の制御システム。
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