JP2020196375A - データ収集用自律無人航空機、その制御方法及び制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】自律無人航空機が、センサ装置からのデータに緊急データが含まれるとき及びセンサ装置からのデータが取得できないときの処理を課題とする。【解決手段】本発明に係る自律無人航空機(11)は、所定の飛行計画に従って飛行する自律無人航空機(11)、センサ装置(131,…,13N)の近傍上空を飛行中にセンサ装置(131,…,13N)のセンサ信号を受信する移動基地局部(55)と、センサ信号に対応するセンサデータを収集データとして記憶するセンサデータ記憶部(56)と、収集データに緊急データが含まれているか否かを検出する緊急データ検出部(5432)と、緊急データが検出されたとき、自律無人航空機(11)の現在位置を取得する位置取得部(5423)と、現在位置から最も近い基地に向け自律無人航空機(11)を自律操縦する自律操縦部(5424)と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、データ収集用自律無人航空機、その制御方法及び制御プログラムに関する。

インターネットに多様かつ多数の物が接続され、及びそれらの物から送信され、又はそれらの物に送信される大量の情報の円滑な流通が国民生活及び経済活動の基盤となる社会の実現を図る、インターネット・オブ・シングス（ＩｏＴ:Internet of Things）の実用化が進められている。ＩｏＴの通信方式には、省電力で、なおかつカバーするエリアの広い（ＬＰＷＡ：Low Power and Wide Area）無線方式であることが求められる。ＬＰＷＡ無線方式としては、例えばＬｏＲａ、ＳＩＧＦＯＸ、ＮＢ−ＩｏＴがある。ＬＰＷＡ無線方式の通信距離は数Ｋｍである。

しかし、広大なエリア、例えば、広大な牧場、山岳地帯等にある多くの対象物から遍くデータを収取するには１つの地上基地局だけでは、不十分である。したがって、多くの地上基地局を分散配置する方法が考えられるが、設置場所、メンテナンス、電源供給に課題があり、実用的でも経済的でもない。そこで、広大なエリアでの通信距離不足を補う方法として、無人航空機、例えばドローン等を用いて、対象物の上空を飛行して、対象物からのデータ収集を行う方法がある。無人航空機とは、構造上人が乗ることができない機器であって、遠隔操作又は自動縦により飛行させることができものをいう。

特許文献１には、複数のセンサ装置の上空を飛行する自律無人航空機であって、センサ信号に対応するセンサデータを収集データとして順次収集記憶して、自律無人航空機が着陸したとき、収集データを地上基地局に送信する自律無人航空機が記載されている。

また、特許文献２には、小型無人飛翔体を飛ばして各検知センサ装置から、センサデータを無線通信により読み込み、内部メモリ（メモリカード）に書き込んで記憶させ、小型無人飛翔体からメモリカードを外して、センサデータを取集する方法が記載されている。

特願２０１８−２３６７３５号 特開２０１８−１４３２１５号公報

特許文献１の自律無人航空機は、所定の飛行計画を実施して基地に着陸した後に収集データを、例えばセンサ装置監視者側の通信装置に送信するので、緊急に通知することを要するセンサデータを検出していたとき、通知が遅れてしまうことになる。又、例えば放牧されている牛にセンサ装置が取り付けられていると、牛の移動に伴いセンサ装置も移動するので、所定の飛行計画に基づいて飛行する自律無人航空機では、センサデータ収集が十分にできないこともある。

特許文献２に記載のデータ取得方法は、小型無人飛翔体の操縦と小型無人飛翔体からメモリカードを外してセンサデータを取集するので、緊急に通知通することを要するセンサデータが記憶されていても、通知が遅れてしまうことになる。

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、分散したセンサ装置からのデータに緊急データが含まれるとき及びセンサ装置からのデータが取得できないときの、自律無人航空機の処理を課題とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る自律無人航空機は、所定の飛行計画に従って飛行する自律無人航空機であって、センサ装置の近傍上空を飛行中にセンサ装置のセンサ信号を受信する移動基地局部と、センサ信号に対応するセンサデータを収集データとして記憶するセンサデータ記憶部と、収集データに緊急データが含まれているか否かを検出する緊急データ検出部と、緊急データが検出されたとき、自律無人航空機の現在位置を取得する位置取得部と、現在位置から最も近い基地に向け自律無人航空機を自律操縦する自律操縦部と、を有することを特徴とする。

本発明に係る自律無人航空機は、自律無人航空機が基地に着陸したか否かを判定する着陸判定部と、自律無人航空機が着陸したと判定されたとき、センサデータ記憶部に記憶された収集データを示す収集信号を地上基地局に送信することを示す送信指示を移動基地局部に出力する収集データ送信指示部と、を更に有することが好ましい。

本発明に係る自律無人航空機は、センサ装置からの電波強度が所定の停止強度以上であるか否かを判定する電波強度判定部と、電波強度が所定の停止強度以上であると判定されたときに、自律無人航空機を空中停止させる空中停止指示部と、自律無人航空機が空中停止したことに応じて、センサ信号を受信することを示す受信指示を移動基地局部に出力する受信指示部と、を更に有することが好ましい。

本発明に係る自律無人航空機は、所定の飛行計画に従って飛行する自律無人航空機であって、センサ装置の近傍上空を飛行中に、センサ装置からの電波の到来方向と電波強度が所定の強度以上であるか否かを判定する電波判定部と、電波強度が所定の強度未満であるときは、飛行計画に基づく飛行ルートに代えてセンサ装置からの電波の到来方向に自律無人航空機を自律操縦する自律操縦部と、センサ装置からの電波の到来方向への飛行により電波強度が所定の強度以上となったときにセンサ装置のセンサ信号を受信する移動基地局部と、センサ信号に対応するセンサデータを収集データとして記憶するセンサデータ記憶部と、を有することを特徴する。

本発明に係る自律無人航空機は、自律無人航空機のセンサ信号を受信した現在位置を取得する位置取得部を更に有し、自律操縦部は、現在位置から最も近い飛行計画設定位置に自律無人航空機を自律操縦する、ことが好ましい。

本発明に係る自律無人航空機の制御方法は、所定の飛行計画に従って飛行する自律無人航空機の制御方法であって、センサ装置の近傍上空を飛行中にセンサ装置のセンサ信号を受信することと、センサ信号に対応するセンサデータを収集データとして記憶することと、収集データに緊急データが含まれているか否かを検出することと、緊急データが検出されたとき、自律無人航空機の現在位置を取得することと、現在位置から最も近い基地に向け自律無人航空機を自律操縦することと、を有することを特徴とする。

本発明に係る自律無人航空機の制御プログラムは、所定の飛行計画に従って飛行する自律無人航空機の制御方法であって、センサ装置の近傍上空を飛行中にセンサ装置のセンサ信号を受信することと、センサ信号に対応するセンサデータを収集データとして記憶することと、収集データに緊急データが含まれているか否かを検出することと、緊急データが検出されたとき、自律無人航空機の現在位置を取得することと、現在位置から最も近い基地に向け自律無人航空機を自律操縦することと、を含む処理を、プロセッサに実行させることを特徴とする。

本発明に係る発明によれば、上述の問題を解決するためになされたものであり、分散したセンサ装置からのデータに緊急データが含まれるとき及びセンサ装置からのデータが取得できないときの、自律無人航空機の適切な処理を可能となる。

第１実施形態に係る自律無人航空機によるデータ収集の一例の概要を示す図である。 ドローンの外観の一例を示す斜視図である。 ドローン本体部の構成の一例を示す概要図である。 制御部のブロック構成の一例を示す図である。 制御記憶部に記憶される基地位置テーブル、センサ装置位置テーブル、及び飛行計画ファイルの一例を示す図であり、（ａ）は基地位置テーブルの一例を示す図であり、（ｂ）はセンサ装置位置テーブルの一例を示す図であり、（ｃ）飛行計画ファイルの一例を示す図である。 センサデータ収集処理の一例を示すフローチャートである。 収集データ送信処理の一例を示すフローチャートである。 センサ装置からのセンサデータを収集した収集データに緊急性を示すデータが含まれることを検出したとき、自律無人航空機の飛行ルートを変更する処理の一例を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る自律無人航空機によるデータ収集の一例の概要を示す図である。 センサ装置からの電波の到来方向を検出する方法の一例を示す図である。 第２実施形態における制御部のブロック構成の一例を示す図である。 センサ装置が移動して自律無人航空機がセンサ装置からのデータ収集ができなくなったときに飛行ルートを変更する飛行ルート変更処理フローの一例を示すフローチャートである。

以下、本開示の一側面に係る自律無人航空機、その制御方法及び制御プログラムについて、図を参照しつつ説明する。但し、本開示の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。尚、以下の説明及び図において、同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

［第１実施形態における自律無人航空機の飛行ルート変更の概要］
図１は、第１実施形態に係る自律無人航空機によるデータ収集の一例の概要を示す図でる。

自律無人航空機は、例えば、複数のローターを回転させることで揚力を発生させつつ飛行するドローン１１である。ドローン１１は、不図示の移動基地局部を搭載する。移動基地局部は、例えばＬＰＷＡ通信方式の無線装置である。ＬＰＷＡ無線通信方式は、例えばＬｏＲａ、ＳＩＧＦＯＸ、ＮＢ−ＩｏＴである。

ドローン１１は、基地１２から、離陸し、所定の飛行計画に基づく通常ルート１８を自律飛行して、各センサ装置１３１、１３２、・・・、１３Ｎがつけられた対象物１４１、１４２、・・・、１４Ｎの近傍上空を通過する。センサ装置１３１、１３２、・・・、１３Ｎがつけられた対象物１４１、１４２、・・・、１４Ｎは、例えば、放牧されている牛、登山者である。牛につけられたセンサ装置は、例えば、体温、心拍数を計測する生体センサである。したがって、１つのセンサ装置は、複数のセンサを有してもよい。又、センサ装置は、設置されている場所における、例えば気温、雨量、日照量、水位を計測するセンサ装置であってもよい。各センサ装置１３１〜１３Ｎは、例えばＬＰＷＡ通信方式の無線装置を有し、検出したセンサデータを示すセンサ信号を複数回に亘ってドローン１１の不図示の移動基地局部に送信する。

所定の飛行計画に基づく通常ルート１８を飛行するドローン１１に搭載された不図示の移動基地局部は、各センサ装置１３１、１３２、・・・、１３Ｎと無線通信を行い、各センサ信号を順次受信する。受信したセンサ信号に対応するセンサデータが、ドローン１１に搭載された不図示のセンサデータ記憶部に収集データとして記憶される。センサ信号の受信にあたっては、ドローン１１はセンサ装置の近傍上空に空中停止、いわゆるホバリングして、センサ信号を受信することが好ましい。通信が安定し、高い通信品質が維持されるからである。

ドローン１１は不図示の複数の測位衛星１５からの電波信号を受信して位置を計測するクローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ：Global Positioning System）装置を搭載する。各センサ装置１３１〜１３Ｎの位置情報は、例えば飛行計画として飛行前にドローン１１に与えられていることが好ましい。ドローン１１は、各センサ装置１３１〜１３Ｎの位置情報に基づき、自機の位置を確認しながらセンサ装置の近傍上空に飛行することができる。

又、例えば、各センサ装置１３１〜１３Ｎは、それぞれ、ＧＰＳ装置を有してもよい。ドローン１１は、各センサ装置１３１〜１３Ｎから各センサの位置信号を含むセンサ信号を受信して、センサ装置の近傍上空に自律的に飛行するようにすることができる。

ドローン１１は、飛行計画に基づく通常ルート１８を自律飛行して各センサ装置１３１〜１３Ｎからのセンサデータの収集が終わると、離陸した基地１２に着陸する。基地１２は、例えば、ドローン１１が、離陸又は着陸するためのベース、例えば円錐台を備える。又、基地１２の近傍には、地上基地局１６が設けられている。ドローン１１が基地１２のベースに着陸したとき、ドローン１１に搭載された移動基地局部は、収集した収集データに対応する収集信号を地上基地局１６に送信する。着陸後であれば、多量の収集信号を送信しても、通信の安定性と信頼性が図れるからである。更に収集信号は、地上基地局１６を介して、例えばインターネット１７上に送られる。

なお、ドローン１１が着陸する基地は、ドローン１１が離陸した基地１２とは異なる基地１２´でもよい。基地１２と同様に、基地１２´は円錐台を備え、近傍には地上基地局１６´が設けられている。ドローン１１が基地１２´のベースに着陸したとき、ドローン１１に搭載された移動基地局部は、収集した収集データに対応する収集信号を地上基地局１６´に送信する。更に収集信号は、地上基地局１６´を介して、例えばインターネット１７上に送られる。

例えば、ドローン１１の不図示の緊急データ検出部がセンサ装置１３２から収集した収集データに緊急状態を示す緊急データが含まれていることを検出すると、ドローン１１の不図示の自律操縦部がドローン１１の飛行ルートを飛行計画に基づく通常ルート１８から緊急ルート１９に変更する。緊急データとは、例えばセンサ装置監視者側の通信装置に送信して、センサ装置監視者に緊急に通知することを要するセンサデータである。

尚、センサ装置からのセンサ信号に緊急を示すセンサ信号が含まれているか否かに関連して、センサ装置自身が緊急性を判定して通常のセンサ信号とは別の緊急を示すセンサ信号を送信する例がある。この場合は、緊急データ検出部は、収集データに緊急を示すセンサ信号に対応するセンサデータが含まれているか否かを検出する。又、別の例として、センサ信号に対応するセンサデータに所定の閾値以上又は以下の値を示すセンサデータが含まれるか否かを緊急データ検出部自身が検出する場合がある。例えば、水位を検出するセンサ装置であれは、緊急を示すセンサデータは所定の閾値を超えたセンサデータである。例えば、位置に取り付けられた脈拍を検出するセンサ装置であれば、脈拍が異常に低い又は高い場合である。

センサ装置１３２の近傍上空において、緊急データ検出部が収集データに緊急状態を示す緊急データが含まれていることを検出すると、自律操縦部は、飛行計画に基づく通常ルート１８に代えて、センサ装置１３２の近傍上空から基地１２に向かう緊急ルート１９を飛行するようにドローン１１を制御する。

ドローン１１は、緊急ルート１９を飛行して基地１２に着陸する。ドローン１１が基地１２のベースに着陸したとき、ドローン１１に搭載された移動基地局部は、収集した収集データに対応する収集信号を地上基地局１６に送信し、地上基地局１６を介して、例えばインターネット１７上に送られる。センサ装置監視者は、センサ装置１３２に緊急状態が発生したことを速やかに知ることができる。

なお、通常ルート１８の近傍に、基地１２以外の基地１２′があり、センサ装置１３２の位置から基地１２´が最も近い基地である場合には、基地１２´に向けて飛行してもよい。ドローン１１は、センサ装置１３２が緊急性を示す検出信号を送信したことをより早くセンサ装置監視者側の通信装置に送信することができる。

［ドローンの外観概要］
図２は、ドローンの外観の一例を示す斜視図である。

ドローン１１は、ドローン本体部２０から４つの支柱２１．２２、２３，２４がそれぞれ脚部２５、２６，２７，２８に接続している。各脚部の上部にはそれぞれ不図示の電気モータ３１、３２，３３、３４が内蔵され、４つの回転翼３５，３６、３７、３８に接続されている。ドローン１１は、４つの回転翼３５〜３８の回転により揚力と推進力を得て飛行することができる。ドローン本体部２０は、不図示の制御部と電源を内蔵し、電源から各支柱内に配線された電気コードにより電力が供給され、各電気モータが駆動される。制御部は、４つの電気モータそれぞれの回転速度と回転方向を制御することにより、ドローン１１の飛行を制御する。更に、各脚部の下側先端には、ドローンの着陸を検出する着陸検出部４１、４２，４３，４４を有する。尚、検出部は一つ以上あればよい。

ドローン本体部２０の上部には、移動基地局部用の通信アンテナ４５を有する。各センサ装置１３１〜１３Ｎ及び地上基地局１６と通信するためである。又、複数の測位衛星１５からの電波信号を受信するＧＰＳアンテナ４６を有する。更に、緊急時に、ドローン操縦者がドローン１１を手動で遠隔操縦するための操縦アンテナ４７を有してもよい。移動基地局部用の通信アンテナ４５、ＧＰＳアンテナ４６、及び操縦アンテナ４７は、ドローン本体部２０に内蔵されていてもよい。

［ドローン本体部の構成の概要］
図３は、ドローン本体部の構成の一例を示す概要図である。

ドローン本体部２０は、電源部５１、回転制御部５２、航法センサ部５３、制御部５４、移動基地局部５５、及びセンサデータ記憶部５６を有する。電源部５１は、飛行用電源５１１、制御用電源５１２、通信用電源５１３を有する。各電源は、１つ又は複数の、例えば、リチウムイオン２次電池、リチウム電池、ニッカド電池により構成される。更に、電源部５１は、各電源のそれぞれの電力残量を検出する電力残量検出部５１４を有する。電力残量検出部５１４は、制御部５４に接続される。各電源の残存電力量信号を制御部５４に送るためである。

飛行用電源５１１は、回転制御部５２を介して、４つの電気モータ３１〜３４に電力を供給して、回転翼３５〜３８を回転させる。各回転翼の回転速度は供給電力に応じて変化し、供給電力の調整は回転制御部５２が行う。ドローン１１の飛行を制御する制御部５４が回転制御部５２に接続され、制御部５４は、回転制御部５２が飛行に応じた適切な供給電力を電気モータ３１〜３４に供給するように制御する。

制御用電源５１２は、航法センサ部５３、制御部５４、及びセンサデータ記憶部５６に電源を供給する。通信用電源５１３は、移動基地局部５５に電力を供給する。

３つの電源は１つにまとめてもよい。又、例えば、制御用電源５１２と通信用電源５１３とを１つにまとめてもよい。

航法センサ部５３は、制御部５４に接続され、ドローン１１の飛行情報、例えば、速度、加速度、傾き、位置を計測し、制御部５４に伝える。制御部５４は、得られた飛行情報に基づきドローン１１の飛行を制御する。航法センサ部５３は、慣性計測装置５３１（ＩＭＵ：inertial measurement unit）とＧＰＳ装置５３２を有し、ＧＰＳ装置５３２は、ＧＰＳアンテナ４６に接続される。

制御部５４は、ドローン１１の飛行制御、各センサ装置１３１〜１３Ｎ及び基地１２への飛行ルート制御、移動基地局部５５と各センサ装置１３１〜１３Ｎの通信制御、センサデータ記憶部に収集データとして記憶されるセンサデータに緊急データが含まれるか否かの検出等を行う。又、制御部５４は、操縦者がドローン１１を手動で操縦できるように操縦アンテナ４７と接続される。

移動基地局部５５は、制御部５４に接続される。移動基地局部５５は、通信アンテナ４５と接続され、例えば、ＬｏＲａ通信方式により各センサ装置と通信することができる。又、移動基地局部５５は、各センサ装置からの通信信号の電波強度を計測することができる。制御部５４は、移動基地局部５５が計測した電波強度により、各センサ装置とドローン１１との距離を推定できる。

センサデータ記憶部５６は、制御部５４と移動基地局部５５に接続されている。センサデータ記憶部５６は、例えば、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：hard disk drive）、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ：Solid State Drive）、着脱式フラッシュメモリユニットである。センサデータ記憶部５６には、移動基地局部５５が、各センサ装置１３１〜１３Ｎから収集したセンサデータが記憶され、収集データとして蓄積される。制御部５４は、センサデータ記憶部５６の残記憶容量を検出し、残記憶容量が少ない場合は、ドローンの飛行ルートを変更して基地１２に着陸することができる。

更に、制御部５４は、ドローン１１の脚部に設けられた着陸検出部４１〜４４に接続される。ドローン１１が基地１２に着陸すると、着陸検出部４１〜４４からの着陸検出信号を受信した制御部５４は、移動基地局部５５が、センサデータ記憶部５６に蓄積された収集データを収集信号として地上基地局１６に送信するように制御することができる。着陸検出部４１〜４４は、例えば、基地１２の円錐台上部面に接触したことを検知するタッチセンサである。又、着陸検出部は本体底面に取り付けられた超音波距離センサであってもよい。超音波距離センサは超音波を地上方向に向け発信して、反射波を受信することにより、ドローン１１と基地１２の円錐台上部面との距離を計測することにより、着陸を検出することができる。

［制御部のブロック構成］
図４は、制御部のブロック構成の一例を示す図である。

制御部５４は、制御記憶部５４１と、制御処理部５４２とを有する。制御記憶部５４１は、１又は複数の半導体メモリにより構成される。例えば、ＲＡＭや、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリの少なくとも一つを有する。制御記憶部５４１は、制御処理部５４２による処理に用いられるドライバプログラム、オペレーティングシステムプログラム、アプリケーションプログラム、データ等を記憶する。

制御記憶部５４１は、ドライバプログラムとして、回転制御部５２、慣性計測装置（ＩＭＵ)５３１等を制御するデバイスドライバプログラムを記憶する。コンピュータプログラムは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な可搬型記録媒体から、公知のセットアッププログラム等を用いて制御記憶部５４１にインストールされてもよい。また、プログラムサーバ等からダウンロードしてインストールしてもよい。

更に、制御記憶部５４１は、所定の処理に係る一時的なデータを一時的に記憶してもよい。制御記憶部５４１は、基地の位置情報を記録した基地位置テーブル５４１１、各センサ装置の位置情報を記録したセンサ装置位置テーブル５４１２、飛行計画ファイル５４１３、センサ閾値テーブル５４１４等を記憶する。

制御処理部５４２は、一又は複数個のプロセッサ及びその周辺回路を有する。制御処理部５４２は、ドローン１１の全体的な動作を統括的に制御するものであり、例えば、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）等のプロセッサである。例えば、制御処理部５４２は、ドローン１１の飛行等を制御するＭＰＵと、センサ装置、地上基地局等との通信を制御するＭＰＵにより構成されていてもよい。

制御処理部５４２は、制御記憶部５４１に記憶されているプログラム（オペレーティングシステムプログラム、ドライバプログラム、アプリケーションプログラム等）に基づいて処理を実行する。また、制御処理部５４２は、複数のプログラム（アプリケーションプログラム等）を並列に実行してもよい。制御処理部５４２は、飛行計画取得部５４２１、センサ装置カウンタ５４２２、位置取得部５４２３、自律操縦部５４２４、電波強度判定部５４２５、空中停止指示部５４２６、受信指示部５４２７、距離判定部５４２８、着陸判定部５４２９、収集データ送信指示部５４３０、手動操縦部５４３１、緊急データ検出部５４３２等を有する。

手動操縦部５４３１は、ドローン１１を操縦者が手動で操縦するための処理を行う。自律操縦部５４２４による自律飛行中であっても、操縦者の指示により制御部５４は、自律操縦部５４２４に対して、割込制御を行い手動操縦部５４３１により、ドローン１１を操縦することが可能になる。緊急性を要するセンサ装置との通信を行う際に有効である。又、手動操縦部５４３１による割込制御が終了したときには、自律操縦部５４２４は、中断された自律飛行を再開することが可能となる。

制御処理部５４２が有するこれらの各部は、独立した集積回路、回路モジュール、マイクロプロセッサ、又はファームウェアとして制御部５４に実装されてもよい。

図５は、制御記憶部に記憶される基地位置テーブル、センサ装置位置テーブル、及び飛行計画ファイルの一例を示す図である。図５（ａ）は基地位置テーブルの一例を示す図であり、図５（ｂ）はセンサ装置位置テーブルの一例を示す図であり、図５（ｃ）は飛行計画ファイルの一例を示す図である。

ドローン１１が離陸又は着陸可能な基地１２は、複数あってもよい。基地位置テーブル５４１１は、例えば、それぞれの基地ＩＤ、基地の位置、例えば、緯度、経度、及び高度のデータ、及び基地の近くにある地上基地局情報を記憶する。なお、高度のデータはなくともよい。地上基地局情報には移動基地局部と地上基地局とが通信するための識別ＩＤが含まれる。地上基地局ＩＤを使用して、ドローン１１が基地に着陸したとき、移動基地局部５５は、基地の近くにある地上基地局と通信することができる。

ドローン１１の緊急データ検出部５４３２が、センサ装置１３２からの収集データに緊急状態を示す緊急データが含まれていることを検出したとする。例えば、自律操縦部５４２４は、飛行計画に基づく通常ルート１８に代えて、離陸した又は着陸予定である基地にドローン１１が帰投する緊急ルート１９に変更する。別の例として、自律操縦部５４２４は、基地位置テーブル５４１１を参照することにより、センサ装置１３２の上空から最も近い基地に向かう緊急ルート１９´を飛行するようにドローン１１を制御することが可能である。

図５（ｂ）はセンサ装置位置テーブルの一例を示す図である。センサ装置位置テーブル５４１２は、それぞれのセンサ装置ＩＤとセンサ装置の位置を示す、例えば、緯度、経度、及び高度のデータを記憶する。なお、高度のデータはなくともよい。

図５（ｃ）は、飛行計画ファイルの一例を示す図である。飛行計画ファイル５４１３は、ドローン１１が離陸を予定している基地の基地ＩＤ、センサデータを収集するセンサ装置の数、センサデータを収集するセンサ装置のセンサ装置ＩＤ、及び着陸を予定している基地の基地ＩＤ、が記憶されている。ドローン１１は、飛行計画ファイル５４１３に記憶されているセンサ装置のセンサＩＤの順番に従いセンサ装置上空を飛行し、記載されている基地ＩＤの基地に着陸する。ドローン１１が離陸する基地と着陸する基地とは異なっていてもよい。

飛行計画の別の例として、各センサ装置の真上を飛行するルートではなく、各センサ装置１３１〜１３Ｎと移動基地局部５５とがデータ通信可能な範囲の位置である飛行中継地点を飛行する計画としてもよい。したがって、飛行計画ファイルは、例えば、各飛行中継地点の緯度、経度、及び高さで与えられてもよい。

［センサデータ収集処理フロー］
図６は、制御処理部５４２により実行されるセンサデータ収集処理の一例を示すフローチャートである。図６に示すセンサデータ収集処理は、予め制御記憶部５４１に記憶されているセンサデータ収集プログラムに基づいて、主に制御処理部５４２によりドローン１１の各要素と協働して実行される。

飛行計画取得部５４２１は、飛行計画ファイル５４１３からセンサデータを収集するセンサ装置数Ｎを取得する（ＳＴ６０１）。センサ装置カウンタ５４２２はカウンタの値ｎを初期値１にセットする（ＳＴ６０２）。飛行計画取得部５４２１は、飛行計画ファイル５４１３から第１番のセンサ装置のセンサ装置ＩＤを取得し、センサ装置位置テーブル５４１２からセンサ装置ＩＤに対応するセンサ装置の位置データを取得する（ＳＴ６０３）。位置取得部５４２３は、ドローン１１の位置データをＧＰＳ装置５３２から取得する（ＳＴ６０４）。自律操縦部５４２４は、第１番のセンサ装置の位置データとドローン１１の位置データに応じて、ドローン１１を第１番目のセンサ装置位置の上空に向け飛行させる（ＳＴ６０５）。

電波強度判定部５４２５は、移動基地局部５５を介して、第１番目のセンサ装置からの電波信号の強度を判定する（ＳＴ６０６）。電波信号強度が所定の停止強度Ｅ以上である（ＳＴ６０６：ＹＥＳ）ときは、空中停止指示部５４２６は、ドローン１１を空中停止させる（ＳＴ６０７）。電波信号強度が所定の停止強度Ｅより小さい（ＳＴ６０６：ＮＯ）ときは、自律操縦部５４２４は、更にドローン１１を第１番目のセンサ装置位置の上空に向け飛行させる（ＳＴ６０５）。

ドローン１１が空中停止した状態で、受信指示部５４２７は、移動基地局部５５に第１番目のセンサ装置からのセンサ信号を受信する受信指示を出力する（ＳＴ６０８）。移動基地局部５５は、受信したセンサ信号に対応する収集データを、センサデータ記憶部５６に記憶させる。ドローン１１が第１番目のセンサ装置に近い上空で空中停止した状態で、センサ信号を受信することで通信品質は安定する。又、センサ装置が設置された場所の地形、気象によってそれぞれのセンサ装置からの電波強度が異なることがある。第１番目のセンサ装置からの電波強度が強い状態で、移動基地局部５５はセンサ信号を受信するので通信品質は高くなる。

センサデータ取得と記憶（ＳＴ６０８）が完了すると、センサ装置カウンタ５４２２はカウンタ値ｎに１をインクリメントする（ＳＴ６０９）。飛行計画取得部５４２１は、センサ装置カウンタの値ｎがデータ収集するセンサ装置の数Ｎを超えるか否かを判定する（ＳＴ６１０）。

センサ装置カウンタの値ｎがデータ収集するセンサ装置の数Ｎを超えない（ＳＴ６１０：ＮＯ）ときは、ＳＴ６０３に戻り、飛行計画取得部５４２１は飛行計画ファイル５４１３から第２番目のセンサ装置との位置データを取得する（ＳＴ６０３）。センサ装置カウンタｎの値がセンサ装置の数Ｎを超えるまでＳＴ６０３〜ＳＴ６１０の処理ループが繰り返され、各センサ装置からのセンサ信号に対応するセンサデータが収集データとしてセンサデータ記憶部５６に順次記憶される。センサ装置カウンタの値ｎがデータ収集するセンサ装置の数Ｎを超えた（ＳＴ６１０：ＹＥＳ）ときは、センサデータ収集処理は終了する。

［収集データ送信処理フロー］
図７は、センサデータ収集後、制御処理部５４２により実行される収集データ送信処理の一例を示すフローチャートである。図７に示す収集データ送信処理は、予め制御記憶部５４１に記憶されている収集データ送信処理プログラムに基づいて、主に制御処理部５４２によりドローン１１の各要素と協働して実行される。

飛行計画取得部５４２１は飛行計画ファイル５４１３から着陸する基地１２の基地ＩＤを取得し、基地位置テーブル５４１１から基地ＩＤに対応する着陸する基地１２の位置データを取得する（ＳＴ７０１）。位置取得部５４２３は、ドローン１１の位置データをＧＰＳ装置５３２から取得する（ＳＴ７０２）。自律操縦部５４２４は、着陸する基地１２の位置データとドローン１１の位置データに応じて、ドローン１１を着陸する基地１２の上空に向け飛行させる（ＳＴ７０３）。

距離判定部５４２８は、着陸する基地１２の位置データとドローン１１の位置データに基づいて着陸する基地１２とドローン１１との距離が所定の距離Ｌ（ｍ）以下であるか否かを判定する（ＳＴ７０４）。着陸する基地１２とドローン１１との距離が所定の距離Ｌを超える（ＳＴ７０４：ＮＯ）ときは、ＳＴ７０２に戻る。着陸する基地１２とドローン１１との距離が所定の距離Ｌ（ｍ）以下である（ＳＴ７０４：ＹＥＳ）ときは、自律操縦部５４２４はドローン１１を降下させる（ＳＴ７０５）。

着陸判定部５４２９は、着陸検出部４１〜４４からの着陸検出信号に基づきドローン１１が基地１２に着陸したか否かを判定する（ＳＴ７０６）。ドローン１１が基地１２に着陸した（ＳＴ７０６：ＹＥＳ）ときは、収集データ送信指示部５４３０は、移動基地局部５５に地上基地局１６にセンサデータ記憶部５６に記憶された収集データを送信する送信指示を出力する（ＳＴ７０７）。その後、収集データ送信処理は終了する。ドローン１１が着陸して安定した状態で、地上基地局１６に収集データ信号を送るので、上空で送信するよりも通信品質は向上する。ドローン１１が基地１２に着陸していない（ＳＴ７０６：ＹＥＳ）ときは、ＳＴ７０５に戻り、自律操縦部５４２４はドローン１１を更に降下させる（ＳＴ７０５）。

［第１実施形態における飛行ルート変更処理フロー］
図８は、センサ装置からのセンサデータを収集した収集データに緊急性を示すデータが含まれることを検出したとき、自律無人航空機の飛行ルートを変更する処理の一例を示すフローチャートである。図８に示す飛行ルート変更処理は、予め制御記憶部５４１に記憶されている飛行ルート変更処理プログラムに基づいて、主に制御処理部５４２によりドローン１１の各要素と協働して実行される。

緊急データ検出部５４３２は、センサ装置からのセンサデータに対応する収集データを収集する（ＳＴ８０１）。緊急データ検出部５４３２は、収集データに緊急データが含まれているか否かを検出する（ＳＴ８０２）。収集データに緊急データが含まれていない（ＳＴ８０２：ＮＯ）ときは、処理を終了する。収集データに緊急データが含まれている（ＳＴ８０２：ＹＥＳ）ときは、位置取得部５４２３は、ＧＰＳ装置５３２からドローン１１の現在位置を取得する（ＳＴ８０３）。

自律操縦部５４２４は、制御記憶部５４１から基地の位置情報を記録した基地位置テーブル５４１１を取得する（ＳＴ８０４）。更に、自律操縦部５４２４は、基地位置テーブル５４１１からドローン１１の現在位置から最も近い基地の位置を特定する（ＳＴ８０５）。自律操縦部５４２４は、飛行計画に基づく通常ルートに代えてドローン１１の現在位置から最も近い基地の位置までの飛行ルートに変更する（ＳＴ８０６）。飛行ルート変更処理は終了する。

［第２実施形態における自律無人航空機の飛行ルートの変更］
第１実施形態は、センサ装置から緊急を示すセンサ信号を受信したとき、自律無人航空機は飛行計画に基づく通常ルートに代えて、最寄りの基地に飛行して、緊急を示すセンサデータを含む収集データを地上基地局に送信する実施形態であった。第２実施形態は、牛の移動に伴い、牛等に取り付けられたセンサ装置が遠くなり、飛行計画に基づく通常ルートでは、自律無人航空機がセンサ装置からのデータ収集ができなくなったときの実施形態である。

図９は、第２実施形態に係る自律無人航空機によるデータ収集の一例の概要を示す図である。

ドローン１１は、基地１２から、離陸し、所定の飛行計画に基づく通常ルート１８を自律飛行して、各センサ装置１３１、１３２、・・・、１３Ｎがつけられた対象物１４１、１４２、・・・、１４Ｎの上空を通過する。センサ装置１３１、１３２、・・・、１３Ｎがつけられた対象物１４１、１４２、・・・、１４Ｎは、例えば、放牧されている牛である。

例えば、センサ装置１３２の上空を通過する飛行計画に従い通常ルート１８を飛行しているドローン１１からセンサ装置１３２が遠く離れてしまうと、ドローン１１の搭載された不図示の移動基地局部とセンサ装置１３２間でのデータ通信ができなくなる。そこで、センサ装置１３２の近傍上空を飛行中であると推定されるとき、ドローン１１の不図示の電波判定部は、センサ装置１３２からの電波の到来方向と電波強度を判定する。電波強度が所定の強度未満のときは、ドローン１１は、飛行ルート６１に示すようにセンサ装置１３２からの電波の到来方向に向け自律飛行する。センサ装置１３２からの電波強度が所定の電波強度以上となったときに、移動基地局部はセンサ装置１３２からのセンサ信号を受信する。センサ装置１３２からのセンサ信号の受信が完了すると、ドローン１１は、現在の飛行位置６２を検出し、現在位置６２から最も近い飛行計画に設定されている位置１８１への飛行ルート６３を飛行し通常ルート１８に戻る。ドローン１１は、センサ装置１３２からのセンサ信号をもれなく収集することができる。

ドローン１１は、通常ルート１８を飛行して基地１２に着陸する。ドローン１１が基地１２のベースに着陸したとき、ドローン１１に搭載された移動基地局部は、収集した収集データに対応する収集信号を地上基地局１６に送信し、地上基地局１６を介して、例えばインターネット１７上に送られる。

［電波到来方向の検出方法］
図１０は、センサ装置からの電波の到来方向を検出する方法の一例を示す図である。

本実施形態では、センサ装置との通信のためにドローン１１に搭載される移動基地局部５５の通信アンテナは２本の通信アンテナ４５１、４５２で構成される。いわゆるダイバーシティ・アンテナである。例えば、第１通信アンテナ４５１と第２アンテナ４５２の距離をｄ、第２通信アンテナ４５２から見たセンサ装置１３２からの電波の到来方向をθとする。第１通信アンテナ４５１と第２通信アンテナ４５２で同時刻に受信される電波の位相差φは、φ＝（２π／λ）・ｄ・ｓｉｎθ で表される。ここでλはセンサ装置１３２から到来する電波の波長である。ｄは既知であり、位相差φを測定すれば、センサ装置１３２からの電波の到来方向θを求めることができる。アンテナ本数は２本に限定されず２本以上であればよい。通常、アンテナ本数を増やすと精度は向上する。更に、ＭＵＳＩＣ、ＥＳＰＲＩＴ等の方法を使用してもよい。

［制御部のブロック構成］
図１１は、第２実施形態における制御部のブロック構成の一例を示す図である。

制御部７４は、制御記憶部７４１と、制御処理部７４２とを有する。制御記憶部７４１は、所定の処理に係る一時的なデータを一時的に記憶する。制御記憶部７４１は、基地の位置情報を記録した基地位置テーブル７４１１、各センサ装置の位置情報を記録したセンサ装置位置テーブル７４１２、飛行計画ファイル７４１３、センサ閾値テーブル７４１４、更に電波到来方向算出のためのパラメータテーブル７４１５等を記憶する。パラメータテーブル７４１５には、第１通信アンテナ４５１と第２通信アンテナ４５２の距離ｄ、センサ装置１３２から到来する電波の波長λ等が含まれている。

制御処理部７４２は、飛行計画取得部７４２１、センサ装置カウンタ７４２２、位置取得部７４２３、自律操縦部７４２４、電波判定部７４２５、空中停止指示部７４２６、受信指示部７４２７、距離判定部７４２８、着陸判定部７４２９、収集データ送信指示部７４３０、手動操縦部７４３１等を有する。電波判定部７４２５は、センサ装置からの電波の到来方向と電波強度を判定する。

［第２実施形態における飛行ルート変更処理フロー］
図１２は、センサ装置が移動して、所定の飛行計画に基づく通常ルートでは、自律無人航空機がセンサ装置からのデータ収集ができなくなったときに飛行ルートを変更する飛行ルート変更処理フローの一例を示すフローチャートである。図１２に示す飛行ルート変更処理は、予め制御記憶部７４１に記憶されている飛行ルート変更処理プログラムに基づいて、主に制御処理部７４２によりドローン１１の各要素と協働して実行される。

飛行計画に従いセンサ装置の近傍上空を飛行中であると推定されるとき、電波判定部７４２５は、センサ装置からの電波の到来方向と電波強度を検出する（ＳＴ９０１）。更に、電波判定部７４２５は、センサ装置からの電波の電波強度が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ＳＴ９０２）。センサ装置からの電波の電波強度が所定の閾値以上である（ＳＴ９０２：ＹＥＳ）ときは、処理を終了する。センサ装置からの電波の電波強度が所定の閾値未満である（ＳＴ９０２：ＹＥＳ）とき、自律操縦部５４２４は、飛行計画に基づく通常ルート１８に代えて、センサ装置からの電波の到来方向に飛行ルートを変更する（ＳＴ９０３）。

電波判定部７４２５は、センサ装置からの電波の電波強度が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ＳＴ９０４）。センサ装置からの電波の電波強度が所定の閾値以上である（ＳＴ９０４：ＹＥＳ）ときは、空中停止指示部７４２６は自律操縦部５４２４にドローン１１を空中停止させるように指示する（ＳＴ９０６）。

センサ装置からの電波の電波強度が所定の閾値未満である（ＳＴ９０４：ＮＯ）とき、電波判定部７４２５は、センサ装置からの電波の到来方向を検出し（ＳＴ９０５）、自律操縦部５４２４は、電波の到来方向に向かう飛行ルート６１に変更する（ＳＴ９０３）。ＳＴ９０３，ＳＴ９０４，ＳＴ９０５、ＳＴ９０３のループを繰り返すことにより、ドローン１１のセンサ装置への飛行が微調整される。

ドローン１１が空中停止した状態で、受信指示部７４２７は、移動基地局部５５にセンサ装置からのセンサ信号を受信する受信指示を出力する（ＳＴ９０７）。移動基地局部５５は、受信したセンサ信号に対応する収集データを、センサデータ記憶部５６に記憶させる（ＳＴ９０８）。位置取得部７４２３は、ＧＰＳ装置５３２からドローン１１の現在位置６２を取得する（ＳＴ９０９）。

自律操縦部７４２４は、制御記憶部７４１から飛行計画ファイル７４１３を取得する（ＳＴ９１０）。更に、自律操縦部７４２４は、飛行計画ファイル７４１３からドローン１１の現在位置から最も近い飛行計画に設定されている位置１８１を特定する（ＳＴ９１１）。自律操縦部７４２４は、飛行ルート６１から、ドローン１１の現在位置から最も近い飛行計画に設定されている位置１８１までの飛行ルート６３に変更する（ＳＴ９１２）。飛行ルート変更処理は終了する。ドローン１１は、飛行ルート６３を飛行して、飛行計画に基づく通常ルート１８に戻ることができる。

本実施形態では、センサ装置毎にセンサ装置上空で飛行ルートを変更するか否かを判定する例を説明したが、別の例として、複数のセンサ装置のいくつかについてセンサデータ収集ができなくなったときに、飛行ルートの変更をしてもよい。例えば、データ収集対象のセンサ装置数は１００である。飛行計画に基づき半分の５０個のセンサ装置上空を通過したとき、データ収集できたセンサ装置数が３０以下、すなわち収集率６０％以下のときは飛行ルートを変更することにしてもよい。放牧されている牛等の家畜は集団で移動する傾向にあり所定の収集率以下のときは飛行ルートを変更する方法は有用である。

ドローン１１は、４つの回転翼３５、３６，３７、３８を有するとして説明したが、１つ又は複数の回転翼を有していてもよい。又、自律無人航空機は有翼航空機でもよく、ドローンに限られるものではない。更に、自律無人航空機の飛行用動力は電気モータだけでなく、内燃機関動力、ジェット推進動力でもよい。

当業者は、本発明の精神及び範囲から外れることなく、様々な変更、置換、及び修正をこれに加えることが可能であることを理解されたい。

１１ 自律無人航空機
１２ 基地
１３１〜１３Ｎ センサ装置
１４１〜１４Ｎ 対象物
１５ 測位衛星
１６ 地上基地局
１７ インターネット
２０ ドローン本体部
２１〜２４ 支柱
２５〜２８ 脚部
３１〜３４ 電気モータ
３５〜３８ 回転翼
４１〜４４ 着陸検出部
４５ 通信アンテナ
４５１ 第１通信アンテナ
４５２ 第２通信アンテナ
４６ ＧＰＳアンテナ
４７ 操縦アンテナ
５１ 電源部
５２ 回転制御部
５３ 航法センサ部
５４、７４ 制御部
５４１、７４１ 制御記憶部
５４２、７４２ 制御処理部
５５ 移動基地局部
５６ センサデータ記憶部

Claims (7)

1. 所定の飛行計画に従って飛行する自律無人航空機であって、
   センサ装置の近傍上空を飛行中に前記センサ装置のセンサ信号を受信する移動基地局部と、
   前記センサ信号に対応するセンサデータを収集データとして記憶するセンサデータ記憶部と、
   前記収集データに緊急データが含まれているか否かを検出する緊急データ検出部と、
   前記緊急データが検出されたとき、前記自律無人航空機の現在位置を取得する位置取得部と、
   前記現在位置から最も近い基地に向け前記自律無人航空機を自律操縦する自律操縦部と、
   を有する自律無人航空機。
2. 前記自律無人航空機が前記基地に着陸したか否かを判定する着陸判定部と、
   前記自律無人航空機が着陸したと判定されたとき、前記センサデータ記憶部に記憶された前記収集データを示す収集信号を地上基地局に送信することを示す送信指示を前記移動基地局部に出力する収集データ送信指示部と、
   を更に有する請求項１に記載の自律無人航空機。
3. 前記センサ装置からの電波強度が所定の停止強度以上であるか否かを判定する電波強度判定部と、
   前記電波強度が所定の停止強度以上であると判定されたときに、前記自律無人航空機を空中停止させる空中停止指示部と、
   前記自律無人航空機が空中停止したことに応じて、前記センサ信号を受信することを示す受信指示を前記移動基地局部に出力する受信指示部と、
   を更に有する請求項１又は２に記載の自律無人航空機。
4. 所定の飛行計画に従って飛行する自律無人航空機であって、
   センサ装置の近傍上空を飛行中に、前記センサ装置からの電波の到来方向と電波強度が所定の強度以上であるか否かを判定する電波判定部と、
   前記電波強度が所定の強度未満であるときは、前記飛行計画に基づく飛行ルートに代えて前記センサ装置からの電波の到来方向に前記自律無人航空機を自律操縦する自律操縦部と、
   前記センサ装置からの電波の到来方向への飛行により前記電波強度が所定の強度以上となったときに前記センサ装置のセンサ信号を受信する移動基地局部と、
   前記センサ信号に対応するセンサデータを収集データとして記憶するセンサデータ記憶部と、
   を有する自律無人航空機。
5. 前記自律無人航空機の前記センサ信号を受信した現在位置を取得する位置取得部を更に有し、
   前記自律操縦部は、前記現在位置から最も近い前記飛行計画に設定されている位置に前記自律無人航空機を自律操縦する、請求項４に記載の自律無人航空機。
6. 所定の飛行計画に従って飛行する自律無人航空機の制御方法であって、
   センサ装置の近傍上空を飛行中に前記センサ装置のセンサ信号を受信することと、
   前記センサ信号に対応するセンサデータを収集データとして記憶することと、
   前記収集データに緊急データが含まれているか否かを検出することと、
   前記緊急データが検出されたとき、前記自律無人航空機の現在位置を取得することと、
   前記現在位置から最も近い基地に向け前記自律無人航空機を自律操縦することと、
   を有する制御方法。
7. 所定の飛行計画に従って飛行する自律無人航空機の制御プログラムであって、
   センサ装置の近傍上空を飛行中に前記センサ装置のセンサ信号を受信することと、
   前記センサ信号に対応するセンサデータを収集データとして記憶することと、
   前記収集データに緊急データが含まれているか否かを検出することと、
   前記緊急データが検出されたとき、前記自律無人航空機の現在位置を取得することと、
   前記現在位置から最も近い基地に向け前記自律無人航空機を自律操縦することと、
   を含む処理を、プロセッサに実行させる制御プログラム。