JP2022143989A - 飛行体の角度検出装置及び測量システム - Google Patents

Abstract

【課題】別途測量機等を使用することなく、飛行体の角度、方位を検出可能とする飛行体の角度検出装置及び測量システムを提供する。【解決手段】設置点に設けられる着地装置と、該着地装置に着地した飛行体５との間の回転角を検出する飛行体の角度検出装置であって、前記飛行体は前記着地装置に水平方向にのみ回転可能に支持され、又前記飛行体は下方にパルス光の検出光を照射する回転角検出器９及びセンサ制御部を有し、前記着地装置は前記飛行体の回転軸心を中心とする円状の面を有し、前記回転角検出器は、前記円状の面に前記検出光を照射し、前記円状の面からの反射検出光を受光し、前記センサ制御部は、前記回転角検出器からの反射光検出信号に基づき前記飛行体と前記着地装置間の回転角を検出する様構成された。【選択図】図２

Description

本発明は飛行体の角度検出装置及び測量システムに関するものである。

近年、小型無人飛行体（ＵＡＶ：Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｉｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）の進歩に伴い、ＵＡＶに各種装置を搭載して遠隔操作により飛行させ、或はＵＡＶを自律飛行させ、所要の作業が行われている。例えば、ＵＡＶに写真測量用カメラ、レーザスキャナ等の測定機を搭載し、写真測量、或は飛行しつつ点群データを取得し、広範囲の測定が行われている。

特に、レーザスキャナを搭載したＵＡＶでは、簡便に広範囲の点群データを取得でき、詳細な地形の３次元測定、或は構築物の３次元測定が可能である。

点群データを取得する場合、測定点を特定する為に、ＵＡＶの位置、更にＵＡＶの向きを正確に検出することが不可欠である。然し乍ら、ＵＡＶに搭載される、ＵＡＶの向き（方位）を正確に検出する角度検出器、或は方位検出器は具体化されていない。

尚、現在のＵＡＶの向き検出方法としては、追尾機能を有するトータルステーション等測量機を利用する方法があり、測量機でＵＡＶの複数点を測定して、測定された複数の点の３次元座標から、ＵＡＶの向きを検出する方法が提案されている。この場合、トータルステーション等測量機を必要とするので、簡便な方向検出とは言えなかった。

特開２０１８－４４９１３号公報 特開２０１６－１６１４１１号公報 特開２０２０－９４８６５号公報 特許第６７５２４５９号公報

本発明は、別途測量機等を使用することなく、飛行体の角度、方位を検出可能とする飛行体の角度検出装置及び該飛行体の角度検出装置を具備する測量システムを提供するものである。

本発明は、設置点に設けられる着地装置と、該着地装置に着地した飛行体との間の回転角を検出する飛行体の角度検出装置であって、前記飛行体は前記着地装置に水平方向にのみ回転可能に支持され、又前記飛行体は下方にパルス光の検出光を照射する回転角検出器及びセンサ制御部を有し、前記着地装置は前記飛行体の回転軸心を中心とする円状の面を有し、前記回転角検出器は、前記円状の面に前記検出光を照射し、前記円状の面からの反射検出光を受光し、前記センサ制御部は、前記回転角検出器からの反射光検出信号に基づき前記飛行体と前記着地装置間の回転角を検出する様構成された飛行体の角度検出装置に係るものである。

又本発明は、前記円状の面は基準位置を有し、前記着地装置は前記基準位置が既知の方向に向くよう設置され、前記回転角は既知の方向を基準とする回転角である飛行体の角度検出装置に係るものである。

又本発明は、前記円状の面には、角度検出パターンが設けられた飛行体の角度検出装置に係るものである。

又本発明は、前記円状の面には、モアレ縞を生成する一方のモアレパターンが設けられ、前記回転角検出器には他方のモアレパターンが設けられた飛行体の角度検出装置に係るものである。

又本発明は、前記センサ制御部は、前記反射光検出信号に基づき前記円状の面の性状を検出し、各パルス光間の性状の偏差に基づき角度を検出する様構成された飛行体の角度検出装置に係るものである。

又本発明は、遠隔操縦可能な飛行装置と、上記飛行体の角度検出装置と、前記飛行装置と無線通信可能な遠隔操縦機とを有する測量システムであって、前記飛行装置は、複数で且つ偶数のプロペラフレームに設けられたプロペラユニットと、飛行装置の上面に設けられ、水平軸心を中心に測距光を回転照射して点群データを取得するレーザスキャナと、前記遠隔操縦機と無線通信可能であり、前記プロペラユニットの駆動、前記レーザスキャナの駆動を制御可能な制御装置とを具備し、前記飛行装置が前記着地装置に着地した状態で、前記遠隔操縦機により前記制御装置を介し、前記レーザスキャナを駆動させると共に前記プロペラユニットを駆動させ前記飛行装置を水平回転させ、点群データを取得し、前記制御装置は、取得される点群データと前記回転角検出器が検出する回転角とを関連付けて前記着地装置の設置位置を基準とする３次元データを取得する様構成した測量システムに係るものである。

更に又本発明は、前記着地装置が、前記飛行体に設けられ鉛直下方に延出する着陸棒と自立可能な着地台とを含み、前記着地台は、上部に第１センタリング部材を有し、下部に第２センタリング部材を有し、前記第１センタリング部材と前記第２センタリング部材は同一鉛直線上に設けられ、前記第１センタリング部材は、上部の大径孔と下部の小径孔からなる第一孔が設けられ、前記第２センタリング部材は、上方に向って拡大するテーパ孔を有する第二孔が設けられ、前記着陸棒の下降により、該着陸棒が前記第一孔に嵌合し、前記着陸棒の更なる下降で前記着陸棒が前記第一孔より下方に延出し、前記着陸棒の先端が前記第二孔に契合し、前記着陸棒が前記第１センタリング部材と前記第２センタリング部材により位置決めされ、前記着地台により水平回転自在に支持される様構成された測量システムに係るものである。

本発明によれば、設置点に設けられる着地装置と、該着地装置に着地した飛行体との間の回転角を検出する飛行体の角度検出装置であって、前記飛行体は前記着地装置に水平方向にのみ回転可能に支持され、又前記飛行体は下方にパルス光の検出光を照射する回転角検出器及びセンサ制御部を有し、前記着地装置は前記飛行体の回転軸心を中心とする円状の面を有し、前記回転角検出器は、前記円状の面に前記検出光を照射し、前記円状の面からの反射検出光を受光し、前記センサ制御部は、前記回転角検出器からの反射光検出信号に基づき前記飛行体と前記着地装置間の回転角を検出する様構成されたので、別途測量機等を使用することなく、飛行体の角度を検出することができる。

又本発明によれば、遠隔操縦可能な飛行装置と、請求項１の飛行体の角度検出装置と、前記飛行装置と無線通信可能な遠隔操縦機とを有する測量システムであって、前記飛行装置は、複数で且つ偶数のプロペラフレームに設けられたプロペラユニットと、飛行装置の上面に設けられ、水平軸心を中心に測距光を回転照射して点群データを取得するレーザスキャナと、前記遠隔操縦機と無線通信可能であり、前記プロペラユニットの駆動、前記レーザスキャナの駆動を制御可能な制御装置とを具備し、前記飛行装置が前記着地装置に着地した状態で、前記遠隔操縦機により前記制御装置を介し、前記レーザスキャナを駆動させると共に前記プロペラユニットを駆動させ前記飛行装置を水平回転させ、点群データを取得し、前記制御装置は、取得される点群データと前記回転角検出器が検出する回転角とを関連付けて前記着地装置の設置位置を基準とする３次元データを取得する様構成したので、方位計、角度検出装置を具備しない飛行装置でも３次元座標を有する点群データを取得することができるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る測量システムの構成図である。 該実施例に於いて、飛行装置が着地装置に着地し、支持された状態を示す斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は着地時に於ける飛行装置の着陸棒と着地装置との関係を示す図である。 飛行装置の制御系を示す概略ブロック図である。 第１センタリング部材に設けられる角度検出パターンの一例を示す説明図である。 （Ａ）（Ｂ）は回転角検出器に用いられる角度検出パターンの一例を示し、モアレ縞用検出パターンを示している。 遠隔操縦機の概略ブロック図である。 変更例の着地装置が用いられた測量システムの構成図である。 該変更例に於いて、飛行装置が着地装置に着地し、支持された状態を示す斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）は着地時に於ける飛行装置の着陸棒と着地装置との関係を示す図である。 着地装置の第１センタリング部材の変更例を示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

図１、図２は本発明の実施例に係る飛行体の角度検出装置を具備した測量システム１を示している。

測量システム１は、主に遠隔操縦可能な飛行装置（ＵＡＶ）２、該ＵＡＶ２が着地し、該ＵＡＶ２の着地状態を保持する着地装置３、前記ＵＡＶ２を遠隔操縦可能な遠隔操縦機４（後述）から構成される。

先ず、図１を参照してＵＡＶ２について説明する。尚、以下の説明では該ＵＡＶ２が基準姿勢、即ち水平状態での説明とする。

前記ＵＡＶ２は、主に飛行体５と、前記飛行体５の上面に設けられ、測距光を回転照射する測定機としてのレーザスキャナ６と、前記飛行体５の下面に固定され、鉛直下方に延出する着陸棒７と、前記飛行体５の下面に設けられた飛行体カメラ８と、回転角検出器９、前記遠隔操縦機４との間で通信を行う飛行体通信部１０とを具備している。

前記飛行体５には基準点が設定されている。該基準点は、例えば前記飛行体５の機械中心であり、該基準点と前記レーザスキャナ６の測定基準点との位置関係は、既知となっている。又、前記飛行体５と、前記レーザスキャナ６と、飛行体カメラ８とは一体化されている。

前記飛行体５は、放射状に延出する複数で且つ偶数のプロペラフレーム１１（図示では１１ａ～１１ｄ）を有し、該プロペラフレーム１１の先端にプロペラユニット１２ａ～１２ｄが設けられる。該プロペラユニット１２ａ～１２ｄは、プロペラモータとプロペラとを含む。

前記レーザスキャナ６は、パルス発光又はバースト発光されたレーザ光線を測距光として射出し、走査鏡（後述）を介して測距光を回転照射する。該走査鏡は、水平軸心を中心に鉛直方向に回転する。従って、測距光は、前記飛行体５の基準点を含む鉛直平面内で１次元に回転照射される。

尚、バースト発光については、特許文献２に開示されている。

前記着地装置３は、前記着陸棒７と着地台１３とを含む。

前記着陸棒７は、該着陸棒７の軸心１６が前記基準点を通過する様に設けられている。

前記着陸棒７の下端は、図３（Ａ）に示される様に円錐形状の尖端となっている。又、前記着陸棒７の下端と前記基準点との距離は既知となっている。尚、前記着陸棒７は軽量化の為、中空構造が好ましい。又、前記着陸棒７の下端は円錐形状に限らず、球体形状であってもよい。

前記飛行体カメラ８は、前記ＵＡＶ２の下方の画像を取得する様に設けられる。特に、前記飛行体カメラ８は、前記ＵＡＶ２の下方の広域画像と、前記着陸棒７の下端を中心とした部分画像とに切替えて取得できる様に構成されてもよい。

図１～図３を参照して前記着地台１３について説明する。

該着地台１３は、所定の設置点Ｐに水平に設置される。該設置点Ｐは既知のグローバル座標を有する等、既知となっている。或は、設置点Ｐは前記着地台１３が設置後、既知化される。

該着地台１３には前記着陸棒７が上方から降下挿入され、前記着地台１３は挿入された前記着陸棒７を鉛直姿勢で、回転自在に支持する。

前記着地台１３は、４本の傾斜脚１７と、該傾斜脚１７，１７の下部間に掛渡される４本の辺部材１８と、前記傾斜脚１７，１７の下部間に設けられる２本の対角部材１９とより四角錐状に構成され、前記傾斜脚１７の上端部には第１センタリング部材２１、前記対角部材１９の中心部には第２センタリング部材２２が設けられている。

前記第１センタリング部材２１と前記第２センタリング部材２２とは、同一軸心２３上に配置され、該軸心２３の下方延長は前記着地台１３の設置点Ｐを示している。尚、前記着地台１３が水平に設置され状態では、前記軸心２３は鉛直となる。

又、前記着地台１３の形状、構造は上記したものに限定されることはなく、安定に自立し、且つ前記第１センタリング部材２１、前記第２センタリング部材２２を同一鉛直線上に保持する形状、構造であればよい。

図３（Ａ）により、前記第１センタリング部材２１、前記第２センタリング部材２２を説明する。

前記第１センタリング部材２１は第一孔が穿設された、概略筒形状であり、第一孔は上部の大径孔２１ａと下部の小径孔２１ｂから成っている。

前記大径孔２１ａは、上方に向って拡径するテーパ孔となっており、テーパ孔上端の直径は前記着陸棒７の直径より大きく、テーパ孔の頂角は前記着陸棒７下端の円錐形の頂角と等しいかそれより大きく形成されている。

前記小径孔２１ｂは前記大径孔２１ａの下端に連通する平行孔であり、該小径孔２１ｂの直径は前記着陸棒７の直径より僅かに大きくなっている。

前記小径孔２１ｂの内周面にはリング２４が嵌込まれ、該リング２４の内径は、前記着陸棒７外径と一致するか僅かに小さく設定されている。又、前記リング２４の材質は、前記ガイド球１５との摩擦抵抗が小さく、該ガイド球１５が容易に嵌合、或は通過可能となっている。又、前記着陸棒７が保持された状態では軸受として機能する。前記リング２４の材質としては、例えば、前記リング２４の材質としては、フッ素樹脂等が採用される。

前記第２センタリング部材２２の上面には円錐状の第二孔２２ａが形成されている。該第二孔２２ａの頂角は前記着陸棒７下端の円錐形の頂角より大きくなっている。尚、前記第二孔２２ａの頂点と前記設置点Ｐとの距離は既知となっている。

前記大径孔２１ａ、前記小径孔２１ｂ及び前記第二孔２２ａは同一軸心上にあり、該軸心は前記軸心２３と合致している。

次に、図２、図３を参照して、前記ＵＡＶ２の着地作動について説明する。

上記した様に、前記着地台１３は予め前記ＵＡＶ２を着地させたい位置（設置点Ｐ）に設置される。

前記遠隔操縦機４による遠隔操縦により、前記ＵＡＶ２が前記着地台１３の上方に飛行される。前記ガイド球１５が前記第１センタリング部材２１に嵌入される様、前記ＵＡＶ２が降下される。

前記ＵＡＶ２の着地移行状態では、前記遠隔操縦機４により水平、或は略水平姿勢に調整される。従って、前記着陸棒７は、図３（Ａ）に示される様に鉛直状態、或は略鉛直状態で降下する。

更に、前記ＵＡＶ２が降下する過程で、前記軸心１６と前記軸心２３がずれていた場合には、前記着陸棒７の尖端は前記大径孔２１ａのテーパ面に接触する。前記ＵＡＶ２の更なる下降で、前記着陸棒７は前記テーパ面に案内され、前記小径孔２１ｂに挿入される。前記ＵＡＶ２の下降により、前記着陸棒７は前記小径孔２１ｂに案内されつつ下降し、前記着陸棒７の尖端が前記第二孔２２ａに契合する。前記着陸棒７の尖端と前記第二孔２２ａとの契合時に芯ずれがあった場合、前記第二孔２２ａのテーパ面によって、最終的には前記着陸棒７尖端は前記第二孔２２ａの中心に合致する（図３（Ｂ）、図３（Ｃ）参照）。

而して、前記着陸棒７は前記第１センタリング部材２１、前記第２センタリング部材２２によって鉛直に支持され、且つ回転自在に支持される。

又、前記設置点Ｐと前記先端部材１４ａの先端間との距離は既知となり、従って、前記設置点Ｐと前記飛行体５の基準点間の距離も既知となる。

前記着陸棒７が前記着地装置３により鉛直に支持されることで、図２に示される様に、前記ＵＡＶ２は水平の状態で、前記着地台１３を介して着地し、更に水平の姿勢で回転自在に保持される。即ち、前記ＵＡＶ２は前記着地装置３に完全に着地した状態では、水平方向にのみ回転可能となる。

前記ＵＡＶ２が前記着地台１３から離反する場合は、前記着陸棒７と前記着地装置３間には前記着陸棒７の上昇を拘束する要因はないので、前記ＵＡＶ２は抵抗なく上昇することができる。

次に、前記ＵＡＶ２について図４を参照して更に説明する。

前記飛行体５は、制御装置２７を内蔵している。該制御装置２７は、主に演算制御部２８、記憶部２９、撮像制御部３１、飛行制御部３２、プロペラユニットドライバ部３３、スキャナ制御部３４、センサ制御部３５、前記飛行体通信部１０とを具備している。

尚、本実施例では、前記スキャナ制御部３４が前記制御装置２７に含まれているが、別構成としてもよい。例えば、前記レーザスキャナ６内に前記スキャナ制御部３４を設け、前記飛行体通信部１０を介して前記飛行体５を前記レーザスキャナ６との間で制御信号の授受を行ってもよい。

前記飛行体カメラ８の撮影は、前記撮像制御部３１によって制御される。前記飛行体カメラ８によって撮影された画像は、画像データとして前記撮像制御部３１に入力される。

前記飛行体カメラ８としてはデジタルカメラが設けられ、静止画像が撮影できると共に、動画像、又は連続する画像を構成するフレーム画像を取得可能となっている。又、撮像素子として、画素の集合体であるＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ等が設けられ、各画素は撮像素子内での位置が特定できる様になっている。例えば、前記飛行体カメラ８の光軸が撮像素子を通過する点を原点とする直交座標によって、各画素の位置が特定される。各画素は、受光信号と共に画素座標を前記撮像制御部３１に出力する。

前記記憶部２９には、プログラム格納部とデータ格納部とが形成される。前記プログラム格納部には、前記飛行体カメラ８の撮影を制御する為の撮影プログラム、前記プロペラユニット１２ａ～１２ｄを駆動制御する為の飛行制御プログラム、前記レーザスキャナ６による測距作動を制御する測距プログラム、取得したデータを前記遠隔操縦機４に送信し、又該遠隔操縦機４からの飛行指令や撮像指令を受信する為の通信プログラム等のプログラムが格納されている。

前記データ格納部には、前記飛行体カメラ８で取得した静止画像データや動画像データ、前記レーザスキャナ６で取得された点群データ等のデータ類が格納される。

前記撮像制御部３１は、前記演算制御部２８から発せられる制御信号に基づき、前記飛行体カメラ８の撮像に関する制御を行う。即ち、撮影タイミング、焦点合せ、撮像倍率の変更等の制御を行う。

前記スキャナ制御部３４は、前記レーザスキャナ６の駆動を制御する。即ち、前記スキャナ制御部３４は、測距光の発光間隔、走査鏡３７の回転速度等を制御し、該走査鏡３７を介して前記測距光を回転照射する。即ち、前記スキャナ制御部３４は、前記レーザスキャナ６から照射される測距光の照射点間隔、点群密度を制御する。又、反射測距光の受光結果は前記走査鏡３７の回転角と関連づけられて前記演算制御部２８に入力され、測距及び測角が実行される。

前記センサ制御部３５は、前記回転角検出器９の角度検出を制御するものである。

該回転角検出器９は、前記飛行体５が前記着地装置３に保持された状態（図２参照）での、該着地台１３に対する回転変位を検出するものである。

又、図５に示される様に、前記第１センタリング部材２１の上面には角度検出パターン３８が設けられ、該角度検出パターン３８は所定ピッチ間隔で形成された角度目盛を有している。該角度検出パターン３８は基準位置３８ａ（前記角度検出パターン３８上での０゜の位置）を有しており、前記着地台１３を設置する場合は、基準位置３８ａが既知の方向、例えば真北に向く様に、前記着地台１３の向きが設定される。従って、前記基準位置３８ａは、基準方向も示し、該基準位置３８ａからの回転角を検出することで方位を検出することができる。尚、既知の方向としては３次元グローバル座標が既知の点（物体）としてもよい。

前記回転角検出器９、前記センサ制御部３５、前記角度検出パターン３８によって飛行体の角度検出装置３６が構成される。

前記回転角検出器９は、パルス光である検出光を前記角度検出パターン３８に照射し、該角度検出パターン３８からの反射光を検出し、検出結果を前記センサ制御部３５に入力する。

前記センサ制御部３５は、前記回転角検出器９の反射光検出信号に基づき前記角度検出パターン３８を読取り、前記ＵＡＶ２と前記着地台１３間の回転角を検出する。

尚、回転角の検出については、前記角度検出パターン３８の変化に基づき検出する、或は、パルス光毎の反射光検出信号間の偏差に基づき検出する等、である。

更に、反射光検出信号に基づき、前記基準位置からの角度（水平角）を検出する様になっている。尚、前記角度検出パターン３８の微細なパターンを読取れる様、検出光としてはレーザ光線が使用されるのが好ましい。

尚、前記角度検出パターン３８の基準位置３８ａを検出する為、前記ＵＡＶ２が前記着陸棒７を中心に１回転してもよい。

又、前記回転角検出器９が検出する角度と、測距光の照射方向とは既知の関係となっている。即ち、測距光が回転照射される平面の方向と前記回転角検出器９が検出する方向（水平角）とが一致する様に設定されている。

検出パターンとしては、角度を検出可能なパターンであれば前記角度検出装置３６に適用可能である。例えば、図５に示した様な、円周方向に所定角度ピッチで角度目盛を形成したパターン、或は図６に示される様なモアレ縞を生成するパターン等である。

尚、図６（Ａ）で示されるパターンは同心多重円を形成した一対のパターン３９を重ね合せ、一方を横方向にずらした場合に発生するモアレ縞３９ａを示しており、図６（Ｂ）で示されるパターンは多数の平行線を形成したパターン４０を重ね合せ、一方を回転させた場合に発生するモアレ縞４０ａを示しており、いずれもモアレ縞３９ａ，４０ａを読取ることで横方向の変位、回転変位を検出することができる。

本実施例に、モアレ縞を適用する場合は、一方のパターンを角度検出パターン３８として、前記第１センタリング部材２１の表面に形成し、他方のパターンは前記回転角検出器９に内蔵させ、角度検出パターン３８からの反射光（即ち像）を内蔵したパターンに重合させことでモアレ縞を発生させることができる。

尚、前記回転角検出器９は上記検出方法に限らず種々の検出方法が採用可能である。例えば、前記第１センタリング部材２１の上面に角度検出パターンを設けず、前記第１センタリング部材２１の表面の微細性状の画像を所定時間間隔で取得し、画像間の微細性状のずれに基づき回転角を検出する。

或は、パターンは前記第１センタリング部材２１の上面ではなく、該第１センタリング部材２１の外周に円板を設け、該円板の上面にパターンを設けてもよい。又、前記第１センタリング部材２１の外周に微細な凹凸の性状を有する円板を設けてもよい。

要は、前記着地装置３が前記軸心２３を中心とする円状の面を有し、前記回転角検出器９から円状の面に検出光を照射し、微細なパターン、性状を検出できる様に成っていればよい。

本実施例の角度検出装置では、回転部分に回転角検出器９を設け、該回転角検出器９から、固定部分、即ち前記第１センタリング部材２１（前記円板を含む）の表面に、所定時間間隔で検出光（パルス光）を照射し、パルス光毎に、前記第１センタリング部材２１の表面の画像を取得し、画像間づれに基づき、固定部分に対する回転部分の回転角を検出するものである。

前記飛行体通信部１０は、前記飛行体５が前記遠隔操縦機４で遠隔操作される場合に、前記遠隔操縦機４からの操縦信号を受信し、該操縦信号を前記演算制御部２８に入力する。或は、前記飛行体カメラ８で撮影した画像データを前記遠隔操縦機４に送信する等の機能を有する。

前記演算制御部２８は、前記記憶部２９に格納された各種プログラムに基づき、測定対象物を測距光で走査（測定）する為の各種制御を実行する。又、前記演算制御部２８は、前記撮像制御部３１、前記飛行制御部３２、前記スキャナ制御部３４に制御信号を発し、これら制御部の統合制御を実行する。

前記飛行制御部３２は、前記演算制御部２８からの飛行に関する制御信号に基づき前記プロペラユニットドライバ部３３を介して前記プロペラユニット１２ａ～１２ｄ制御し、前記ＵＡＶ２を所要の状態で飛行させる。例えば、前記飛行制御部３２は、前記プロペラユニット１２ａ～１２ｄを制御し、上昇／下降、前進／後退、ホバリング、ホバリングした状態で水平方向に回転させる等の飛行を実行する。

図７を参照して、前記遠隔操縦機４について説明する。

前記遠隔操縦機４は、例えばスマートフォンやタブレット等の携帯端末、或は該携帯端末に入力装置が接続又は一体化された装置となっている。前記遠隔操縦機４は、演算機能を有する端末演算処理部４１、データ、プログラムを格納する端末記憶部４２、端末通信部４３、操作部４４、表示部４５を有している。

前記遠隔操縦機４は、前記端末通信部４３と前記飛行体通信部１０との間で無線通信、光通信が可能となっている。前記遠隔操縦機４は、前記ＵＡＶ２の飛行を遠隔操作し、前記レーザスキャナ６による測距作動も遠隔操作可能となっている。

前記端末演算処理部４１は、前記操作部４４から入力された指令に基づき制御用のコマンドを作成し、前記端末通信部４３を介して前記ＵＡＶ２に送信する。又、前記ＵＡＶ２から送信された画像データ、測定データ等を前記端末記憶部４２に格納し、或は前記表示部４５に表示させる。

該端末記憶部４２には、前記ＵＡＶ２との通信を行う為の通信プログラム、前記飛行体カメラ８で取得された画像等を表示する為の表示プログラム、タッチパネル等を介して指示を入力する為の操作プログラム、制御用のコマンドを作成する為プログラム、等のプログラムが格納される。

前記端末通信部４３は、前記ＵＡＶ２の飛行体通信部１０との間で通信を行う。又、前記操作部４４は前記表示部４５と一体に設けられたコントローラのボタン等を介して各種指示を入力し、前記飛行体５の操作を行う。

前記表示部４５は、前記飛行体カメラ８で取得された画像、前記レーザスキャナ６で取得された測定結果等が表示される。

尚、前記表示部４５の全てをタッチパネルとしてもよい。該表示部４５が全てタッチパネルである場合には、前記操作部４４を省略してもよい。この場合、前記表示部４５には前記飛行体５を操作する為の操作パネルが設けられる。

上記測量システムによる測定作動について説明する。

測定データを取得したい領域（以下、測定領域）内の既知の設置点（地心座標系（グローバル座標系）で３次元座標が既知の点）に前記着地台１３を設置する。又、測定領域が広範囲の場合、或は死角部分が存在する様な測定領域では、前記着地台１３を複数の既知点に設置する。

前記遠隔操縦機４からの遠隔操縦で前記ＵＡＶ２を、前記着地台１３の上方迄飛行させ、前記ガイド球１５が前記第１センタリング部材２１に挿入される様降下させる。

尚、前記着陸棒７の前記第１センタリング部材２１への挿入作用で、目視による操作が困難な場合は、前記飛行体カメラ８で取得される下方画像を前記遠隔操縦機４の表示部４５に表示させ、該表示部４５の表示に基づき遠隔操作をしてもよい。

尚、前記遠隔操縦機４からの操作で、前記下方画像は、前記着地台１３に対して前記ＵＡＶ２の高度が高い場合は低倍率とし、又前記ガイド球１５が前記第１センタリング部材２１に接近した状態では高倍率に切替えてもよい。

前記ＵＡＶ２の降下に伴い、前記着陸棒７が前記大径孔２１ａに挿入され、更に前記着陸棒７の下端が前記第二孔２２ａに嵌合すると、前記ＵＡＶ２の前記着地台１３への着地が完了する。着地が完了した状態では、前記ＵＡＶ２は水平姿勢で、水平方向に回転自在となっている。

前記遠隔操縦機４からの操作で、前記レーザスキャナ６を起動させ、測距光を鉛直方向に回転照射し、更に前記回転角検出器９による回転角検出を可能とする。更に、前記遠隔操縦機４からの操作で前記ＵＡＶ２を前記着陸棒７を中心に水平回転させる。

前記レーザスキャナ６によるパルス測距光の鉛直方向の回転照射と前記ＵＡＶ２の水平方向の回転との協働で、前記着陸棒７を中心とする水平、鉛直の全方向の点群データが取得できる。点群データは、前記記憶部２９に一時格納され、逐次、前記飛行体通信部１０を介して前記遠隔操縦機４に送信され、前記端末記憶部４２に格納される。

点群データの各測定点の鉛直角は前記レーザスキャナ６が具備する回転角検出器により検出され、又基準方向（例えば、真北）から水平角は前記角度検出装置３６により検出される。従って、各パルス測距光毎の各測定点の測定データは測距値、鉛直角、水平角を有する３次元データ（前記基準点を原点とした３次元座標）となっている。又、前記レーザスキャナ６の基準点は、前記設置点Ｐを通過する鉛直線上にあり、又、前記設置点Ｐと前記基準点間の距離も既知である。

前記端末演算処理部４１は、前記点群データを測定データの３次元座標、前記設置点Ｐと前記基準点間の距離及び前記設置点Ｐのグローバル座標に基づき点群データの３次元座標をグローバル座標系に座標変換することができる。座標変換後のデータは前記端末記憶部４２に保存する。

尚、座標変換の演算処理は、前記演算制御部２８で行ってもよく、該演算制御部２８で座標変換したデータを前記遠隔操縦機４に送信してもよい。

前記着地台１３が複数の既知点に設置されている場合、第１の着地台１３での点群データの取得が完了すると、前記遠隔操縦機４により前記ＵＡＶ２を第２の着地台１３迄飛行させ、該着地台１３に着地させる。第２の着地台１３に於いて、同様に点群データを取得する。

更に前記着地台１３が設置されている場合は、第３の着地台１３、第４の着地台１３と順次、飛行し、着地し、それぞれの着地台１３に於いて点群データを取得する。

各着地台１３で取得した、点群データは各着地台１３の設置点のグローバル座標に基づきそれぞれグローバルに変換される。

各着地台１３で取得された点群データをグローバル座標系に座標変換することで、全ての点群データをグローバル座標系で容易に統合することができる。

尚、上記実施例に於いて、着地台１３を既知点に設置したが、任意の点に設置し、設置後既知化してもよい。例えば、第１センタリング部材２１の全周面に反射シートを貼付け、前記第１センタリング部材２１をターゲットとして他の光波測量機、例えばトータルステーションにより前記着地台１３の設置点の座標を測定してもよい。或は、前記ＵＡＶ２にＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）装置を取付け、前記ＵＡＶ２が前記着地台１３に着地した時の、グローバル座標をＧＮＳＳ装置から取得してもよい。尚、前記着地装置３の所定部分について充分な反射測距光が得られれば、前記反射シートは省略してもよい。

尚、所定位置からの点群データの取得する場合、例えば構造物の外形形状を測定する場合等では、グローバル３次元座標は必要ないので、前記着地装置３は水平姿勢で所定位置に設置し、該所定位置を基準とする３次元データが取得されればよい。

尚、前記遠隔操縦機４をデータコレクタとして使用し、取得したデータの座標変換、統合処理等のデータ処理については、別途ＰＣ等の演算処理装置で実行してもよい。

上記した様に、本実施例では、ＵＡＶ２が方向検出器を具備しなくても、ＵＡＶ２が測定した方向を確実に検出でき、更に、ＵＡＶ２が１次元のレーザスキャンを搭載した場合でも、全周、全方向の３次元点群データを取得することができる。

次に、図８～図１１を参照して、着地装置３の変更例を説明する。尚、図８～図１１中、図１、図２で示したものと同等のものには同符号を付しその説明を省略する。

前記着地装置３は、前記着陸棒７と着地台１３とを含む。

前記着陸棒７は、シャフト１４と該シャフト１４の下端に設けられたガイド球１５とを有し、前記シャフト１４の軸心１６が前記基準点を通過する様に設けられている。尚、前記シャフト１４は軽量化の為、中空構造が好ましい。

図１０（Ａ）に示される様に、前記シャフト１４の下端には倒立円錐形状の先端部材１４ａが前記シャフト１４の軸心を中心に回転自在に設けられている。

前記ガイド球１５は前記シャフト１４に対して摺動自在、且つ回転自在に設けられており、前記ガイド球１５は自重により前記シャフト１４の下端に位置する様になっている。又、前記ガイド球１５の中心は前記シャフト１４の軸心１６上に位置し、前記ガイド球１５が下端に位置する状態で、前記ガイド球１５の中心と前記基準点との距離は既知となっている。又、前記先端部材１４ａの先端と前記基準点との距離も既知となっている。

前記ガイド球１５の下面から前記シャフト１４の軸心１６と同心の凹部１５ａが形成され、前記ガイド球１５が下端に位置する状態では、前記先端部材１４ａが前記凹部１５ａに収納される様になっている。

図１～図３を参照して前記着地台１３について説明する。

該着地台１３は、所定の設置点Ｐに水平に設置される。該設置点Ｐは既知であり、或は設置後既知化される。

該着地台１３は、４本の傾斜脚１７と、該傾斜脚１７，１７の下部間に掛渡される４本の辺部材１８と、前記傾斜脚１７，１７の下部間に設けられる２本の対角部材１９とより四角錐状に構成され、前記傾斜脚１７の上端部には第１センタリング部材２１、前記対角部材１９の中心部には第２センタリング部材２２が設けられている。

前記第１センタリング部材２１と前記第２センタリング部材２２とは、同一軸心２３上に配置され、合致しており、該軸心２３の下方延長は前記着地台１３の設置点Ｐを示している。尚、前記着地台１３が水平に設置され状態では、前記軸心２３は鉛直となる。

又、前記着地台１３の形状、構造は上記したものに限定されることはなく、安定に自立し、且つ前記第１センタリング部材２１、前記第２センタリング部材２２を同一鉛直線上に保持する形状、構造であればよい。

図３（Ａ）により、前記第１センタリング部材２１、前記第２センタリング部材２２を説明する。

前記第１センタリング部材２１は第一孔が穿設された、円筒形状であり、第一孔の上部の大径孔２１ａの直径は前記ガイド球１５の直径より大きく、深さは前記ガイド球１５の半径より大きくなっている。又、下部の小径孔２１ｂの直径は前記大径孔２１ａの直径より小さく、前記凹部１５ａの直径より大きくなっている。

前記大径孔２１ａの内周面にはリング２４が嵌込まれ、該リング２４の内径は、前記ガイド球１５の外径と一致するか僅かに小さく設定されている。又、前記リング２４の材質は、前記ガイド球１５との摩擦抵抗が小さく、該ガイド球１５が容易に嵌合、或は通過可能となっている。例えば、前記リング２４の材質としては、フッ素樹脂等が採用される。

前記第２センタリング部材２２は第二孔が穿設された、円筒形状であり、第二孔は上方に向って拡大するテーパ孔２２ａと該テーパ孔２２ａの下端に連通する細径孔２２ｂから形成されている。

前記テーパ孔２２ａのテーパ形状は、前記先端部材１４ａのテーパ形状と同一であり、前記テーパ孔２２ａの上端の直径は前記先端部材１４ａの最大径よりも充分大きく、例えば１．５倍となっている。又、前記細径孔２２ｂの直径は、前記先端部材１４ａの最大径よりも小さく設定されている。

次に、図８、図９を参照して、前記ＵＡＶ２の着地作動について説明する。

上記した様に、前記着地台１３は予め前記ＵＡＶ２を着地させたい位置（設置点Ｐ）に設置される。

前記遠隔操縦機４による遠隔操縦により、前記ＵＡＶ２が前記着地台１３の上方に飛行される。前記ガイド球１５が前記第１センタリング部材２１に嵌入される様、前記ＵＡＶ２が降下される。

前記ＵＡＶ２が水平姿勢ではなく、傾斜している場合、前記シャフト１４も図１０（Ａ）に示される様に傾斜し、前記ガイド球１５の中心も、前記軸心２３から外れた位置にある。

前記ガイド球１５の中心が、前記大径孔２１ａの上方に位置する様に移動させ、更に降下させる（図１０（Ｂ）参照）。

前記ガイド球１５が前記大径孔２１ａの内縁に当りながら降下すると、前記ガイド球１５は前記大径孔２１ａの中心側に移動され、前記ガイド球１５の中心が前記軸心２３と合致すると、前記ガイド球１５は下方のみ移動し、該ガイド球１５は前記小径孔２１ｂの内縁に当接して、下降が停止する。

該ガイド球１５が前記小径孔２１ｂの内縁に当接した状態では、前記リング２４が前記ガイド球１５の最大径位置に当接する。従って、該ガイド球１５は、前記小径孔２１ｂと前記リング２４によって前記大径孔２１ａ内で中心が前記軸心２３上に位置する様に保持される（図１０（Ｃ）参照）。

更に、前記ＵＡＶ２が降下すると、前記ガイド球１５がガイド部材となって、該ガイド球１５に対して前記シャフト１４が摺動し、下方に移動する。

前記先端部材１４ａが前記テーパ孔２２ａに到達すると、テーパによる案内作用によって、先端部材１４ａは中心に移動され、該先端部材１４ａの先端部分が前記細径孔２２ｂに嵌入する。前記先端部材１４ａのテーパ形状と前記テーパ孔２２ａのテーパ形状が契合した状態で、上下方向の位置決めが行われると共に前記シャフト１４（着陸棒７）の軸心が前記軸心２３と合致する（芯合せされる）（図１０（Ｄ）、図１０（Ｅ）参照）。

この時、前記設置点Ｐと前記先端部材１４ａの先端間の距離は既知となっている。従って、前記設置点Ｐと前記飛行体５の基準点間の距離も既知となる。

而して、前記シャフト１４は前記先端部材１４ａと前記テーパ孔２２ａとの嵌合、前記ガイド球１５の前記大径孔２１ａとの嵌合によって、前記シャフト１４の軸心１６と前記軸心２３とが合致する。従って、前記シャフト１４は鉛直の状態で支持される。

即ち、図９に示される様に、前記ＵＡＶ２は水平の状態で、前記着地台１３を介して着地し、更に水平の姿勢で保持される。

又、前記シャフト１４は前記ガイド球１５に対して回転自在であり、前記シャフト１４と前記先端部材１４ａとは回転自在であるので、前記ＵＡＶ２は前記シャフト１４を中心に水平姿勢を保った状態で、水平方向に回転自在となる。

即ち、前記着地装置３は、前記ＵＡＶ２に着地を案内すると共に該ＵＡＶ２を水平状態に保持し、且つ回転自在に保持する。

前記ＵＡＶ２が前記着地台１３から離反する場合は、前記ＵＡＶ２が上昇すれば、前記先端部材１４ａが前記テーパ孔２２ａから外れ、更に前記先端部材１４ａが前記ガイド球１５に収納され、前記ガイド球１５が前記シャフト１４の下端に保持された状態で上昇する。

図１１は、第１センタリング部材２１の変形を示しており、該第１センタリング部材２１の案内作用を更に強調させたものであり、大径孔２１ａの上端部にテーパ部２１ｃを形成している。該テーパ部２１ｃにより前記ガイド球１５が軸心２３からより離反した状態でも、前記ガイド球１５を前記第１センタリング部材２１の中心に案内することができる。

上記着地装置３の変更例では、該着地装置３の必須の機能である、着地、離陸、飛行体を水平姿勢で回転自在に保持することの他に、前記ＵＡＶ２が水平から傾斜した状態で着地する場合に、傾斜を矯正しつつ着地させる機能が付加されている。

上記した様に、本実施例によれば別途測量機等を使用することなく、更に、飛行体に姿勢検出器、方位検出器等を搭載することなく、飛行体の角度、方位を検出可能とすることができる。

１ 測量システム
２ 飛行装置（ＵＡＶ）
３ 着地装置
４ 遠隔操縦機
５ 飛行体
６ レーザスキャナ
７ 着陸棒
８ 飛行体カメラ
１０ 飛行体通信部
１３ 着地台
１４ シャフト
１４ａ 先端部材
１５ ガイド球
１５ａ 凹部
２１ 第１センタリング部材
２２ 第２センタリング部材
２２ａ テーパ孔
２７ 制御装置
２８ 演算制御部
２９ 記憶部
３２ 飛行制御部
３４ スキャナ制御部
３５ センサ制御部
３６ 角度検出装置
４１ 端末演算処理部
４３ 端末通信部
４５ 表示部

Claims (7)

1. 設置点に設けられる着地装置と、該着地装置に着地した飛行体との間の回転角を検出する飛行体の角度検出装置であって、前記飛行体は前記着地装置に水平方向にのみ回転可能に支持され、又前記飛行体は下方にパルス光の検出光を照射する回転角検出器及びセンサ制御部を有し、前記着地装置は前記飛行体の回転軸心を中心とする円状の面を有し、前記回転角検出器は、前記円状の面に前記検出光を照射し、前記円状の面からの反射検出光を受光し、前記センサ制御部は、前記回転角検出器からの反射光検出信号に基づき前記飛行体と前記着地装置間の回転角を検出する様構成された飛行体の角度検出装置。
2. 前記円状の面は基準位置を有し、前記着地装置は前記基準位置が既知の方向に向くよう設置され、前記回転角は既知の方向を基準とする回転角である請求項１に記載の飛行体の角度検出装置。
3. 前記円状の面には、角度検出パターンが設けられた請求項１又は請求項２に記載の飛行体の角度検出装置。
4. 前記円状の面には、モアレ縞を生成する一方のモアレパターンが設けられ、前記回転角検出器には他方のモアレパターンが設けられた請求項１又は請求項２に記載の飛行体の角度検出装置。
5. 前記センサ制御部は、前記反射光検出信号に基づき前記円状の面の性状を検出し、各パルス光間の性状の偏差に基づき角度を検出する様構成された請求項１又は請求項２に記載の飛行体の角度検出装置。
6. 遠隔操縦可能な飛行装置と、請求項１の飛行体の角度検出装置と、前記飛行装置と無線通信可能な遠隔操縦機とを有する測量システムであって、前記飛行装置は、複数で且つ偶数のプロペラフレームに設けられたプロペラユニットと、飛行装置の上面に設けられ、水平軸心を中心に測距光を回転照射して点群データを取得するレーザスキャナと、前記遠隔操縦機と無線通信可能であり、前記プロペラユニットの駆動、前記レーザスキャナの駆動を制御可能な制御装置とを具備し、前記飛行装置が前記着地装置に着地した状態で、前記遠隔操縦機により前記制御装置を介し、前記レーザスキャナを駆動させると共に前記プロペラユニットを駆動させ前記飛行装置を水平回転させ、点群データを取得し、前記制御装置は、取得される点群データと前記回転角検出器が検出する回転角とを関連付けて前記着地装置の設置位置を基準とする３次元データを取得する様構成した測量システム。
7. 前記着地装置は、前記飛行体に設けられ鉛直下方に延出する着陸棒と自立可能な着地台とを含み、前記着地台は、上部に第１センタリング部材を有し、下部に第２センタリング部材を有し、前記第１センタリング部材と前記第２センタリング部材は同一鉛直線上に設けられ、前記第１センタリング部材は、上部の大径孔と下部の小径孔からなる第一孔が設けられ、前記第２センタリング部材は、上方に向って拡大するテーパ孔を有する第二孔が設けられ、前記着陸棒の下降により、該着陸棒が前記第一孔に嵌合し、前記着陸棒の更なる下降で前記着陸棒が前記第一孔より下方に延出し、前記着陸棒の先端が前記第二孔に契合し、前記着陸棒が前記第１センタリング部材と前記第２センタリング部材により位置決めされ、前記着地台により水平回転自在に支持される様構成された請求項６に記載の測量システム。

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