JP2024053323A - 無人航空機の制御システム、及び無人航空機の制御プログラム - Google Patents

無人航空機の制御システム、及び無人航空機の制御プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】無人航空機と対象物との接触リスクを考慮しつつＣＰＵへの負荷の低減が図られた無人航空機の制御システム、及び無人航空機の制御プログラムを提供する。【解決手段】無人航空機の制御システム１００は、無人航空機１の第１位置情報と、第１移動速度情報と、第１移動方向情報と、無人航空機１とは異なる対象物２の第２位置情報と、第２移動速度情報と、第２移動方向情報と、を時系列的に順次取得する情報取得手段と、情報取得手段で取得された第１位置情報と第２位置情報とから得られる相対距離が、予め設定された下限相対距離以下であることを順次判定する相対距離判定手段と、相対距離判定手段による、相対距離が下限相対距離以下である判定結果に応じて、情報取得手段で取得された第１移動速度情報と第１移動方向情報と第２移動速度情報と第２移動方向情報とに基づいて、無人航空機１の移動を制御する移動制御手段と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

この発明は、無人航空機の制御システム、及び無人航空機の制御プログラムに関する。
現在、無人航空機（例えばドローン等）の飛行ルートに関する研究開発が注目されている。無人航空機の飛行ルート生成法の一つとして、無人航空機の各個体が独立して自主的に飛行ルートを算出するネガティブ飛行ルート生成法が定義されている。
ネガティブ飛行ルート生成法は、分散型飛行制御方法に基づいており、「未知」の無人航空機が引き起こす無人航空機間の接触問題の解決に焦点を当てている。この方法では、各無人航空機にとって、他の無人航空機は全て未知の無人航空機として存在しており、集中型飛行制御方法（集中制御局）のような事前に飛行ルート設計と計算プロセスの有無に関わらず、各無人航空機が飛行環境をセンシングしながら独立で自主的に飛行ルートを算出し、飛行ルートをアダプティブに調整しながら、目的地まで飛行ミッションを実行する。ネガティブ飛行ルート生成法が用いられるアルゴリズムとして、非特許文献１には「Force Field」が、非特許文献２には「Sense and Avoid」が、それぞれ開示されている。
また、特許文献１には、無人航空機が未知の航空機等の対象物を、視覚的に、または音響的に検出した場合に、これらを回避するように飛行経路を変更する技術が開示されている。
C. Y. Kim, Y. H. Kim, and W.-S. Ra, "Modified 1D virtual force field approach to moving obstacle avoidance for autonomous ground vehicles," J. Electr. Eng. Technol., vol. 14, no. 3, pp. 1367-1374, May 2019, doi: 10.1007/s42835-019-00127-8. Y. Zeng, Y. Hu, S. Liu, J. Ye, Y. Han, X. Li, and N. Sun, "RT3D: Real-time 3-D vehicle detection in LiDAR point cloud for autonomous driving," IEEE Robot. Autom. Lett., vol. 3, no. 4, pp. 3434-3440, Oct. 2018.
特開２０１０－９５２４６号公報
非特許文献１に開示されたForce Field アルゴリズムによれば、無人航空機の制御システムが、各無人航空機を１つの正電荷と想定して、各無人航空機間に疑似的な斥力が働くように無人航空機の移動を制御することで、無人航空機間の接触を発生させない。また、各無人航空機の飛行目的地を１つの負電荷と想定して、その飛行目的地に対応する無人航空機のみに対して疑似的な引力が働くように無人航空機の移動を制御することで、無人航空機を目的地に到着させる。このアルゴリズムによって生成された飛行ルートの下で、各無人航空機は斥力と引力の同時作用の下で、他の無人航空機との接触をスムーズに避けながら目的地に接近することが可能となる。また、他の無人航空機の出現が予想外であっても、予想通りであっても、同じ法則に従う。
しかし、同じエリアに無人航空機が数多く存在する場合、上記の斥力と引力を正確に計算するために、無人航空機は周辺の別の無人航空機（センシング可能な範囲での全ての無人航空機）の飛行パラメータ入手、斥力と引力の計算、及び飛行データの更新により、無人航空機に搭載したＣＰＵへの計算負荷が増え、無人航空機のバッテリー消費量が増加する懸念がある。
非特許文献２に開示されたSense and Avoid アルゴリズムによれば、各無人航空機が多種類のセンサを装備することで、他の無人航空機や障害物との接触を回避できる飛行ルートを、その時の状況に応じてアダプティブに生成することができる。ただし、大量のセンサを装備する場合、無人航空機の重量増加や大量のセンシングデータの計算処理に伴う電力消費量増加により、無人航空機のバッテリー消費量が増加する懸念がある。
特許文献１に開示された無人航空機の制御システムによれば、無人航空機間の接触回避を改善するためのナビゲーション（航行）について開示されているが、無人航空機のバッテリー消費量の低減については記載も示唆もされていない。
無人航空機は重量に制約があることから、バッテリー容量も自ずと限定されるため、無人航空機のバッテリー消費量の低減は、配送システムのような無人航空機の自動運転技術を活用したシステムを運用する上で、連続飛行時間や最高移動距離といった重要な課題の解決に資するものである。
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、無人航空機と対象物との接触リスクを考慮しつつＣＰＵへの負荷を低減することで、バッテリー消費量の低減が図られた無人航空機の制御システム、及び無人航空機の制御プログラムを提供することにある。
第１発明における無人航空機の制御システムによれば、無人航空機の移動を制御するための無人航空機の制御システムにおいて、前記無人航空機の位置を示す第１位置情報と、前記無人航空機の移動速度を示す第１移動速度情報と、前記無人航空機の移動方向を示す第１移動方向情報と、前記無人航空機とは異なる対象物の位置を示す第２位置情報と、前記対象物の移動速度を示す第２移動速度情報と、前記対象物の移動方向を示す第２移動方向情報と、を時系列的に順次取得する情報取得手段と、前記情報取得手段で取得された前記第１位置情報と前記第２位置情報とから得られる相対距離が、予め設定された下限相対距離以下であることを順次判定する相対距離判定手段と、前記相対距離判定手段による、前記相対距離が前記下限相対距離以下である判定結果に応じて、前記情報取得手段で取得された前記第１移動速度情報と、前記第１移動方向情報と、前記第２移動速度情報と、前記第２移動方向情報と、に基づいて、前記無人航空機の移動を制御する移動制御手段と、を備えることを特徴とする。
第２発明における無人航空機の制御システムによれば、第１発明において、前記下限相対距離は、予め設定された、少なくとも前記情報取得手段で取得された前記第１移動速度情報に基づく算出方法により算出される変数であることを特徴とする。
第３発明における無人航空機の制御システムによれば、第１発明又は第２発明において、前記対象物は、他の無人航空機であり、前記情報取得手段は、前記他の無人航空機から発信される、前記第２位置情報と、前記第２移動速度情報と、前記第２移動方向情報と、を時系列的に順次取得することを特徴とする。
第４発明における無人航空機の制御システムによれば、第３発明において、前記情報取得手段は、前記無人航空機の移動を、前記他の無人航空機の移動に優先させるかどうかを相対的に示す第１優先度情報と、前記他の無人航空機から発信され、前記他の無人航空機の移動を、前記他の無人航空機以外の無人航空機の移動に優先させるかどうかを相対的に示す第２優先度情報と、さらに時系列的に順次取得し、前記移動制御手段は、前記情報取得手段で取得された情報に基づいて算出される変更速度を用いて、前記無人航空機の移動を制御することを特徴とする。
第５発明における無人航空機の制御システムによれば、第１発明又は第２発明において、前記相対距離判定手段は、前記情報取得手段で取得された、前記第１位置情報と前記第２位置情報とから得られる相対距離が、前記下限相対距離よりも大きい予め設定された予防相対距離以下であることを順次判定し、前記移動制御手段は、前記相対距離判定手段による、前記相対距離が前記予防相対距離以下である判定結果に応じて、前記情報取得手段で取得された前記第１位置情報と前記第２位置情報と、に基づいて、前記無人航空機の移動を制御することを特徴とする。
第６発明における無人航空機の制御プログラムによれば、無人航空機の移動を制御するための無人航空機の制御プログラムにおいて、前記無人航空機の位置を示す第１位置情報と、前記無人航空機の移動速度を示す第１移動速度情報と、前記無人航空機の移動方向を示す第１移動方向情報と、前記無人航空機とは異なる対象物の位置を示す第２位置情報と、前記対象物の移動速度を示す第２移動速度情報と、前記対象物の移動方向を示す第２移動方向情報と、を時系列的に順次取得する情報取得ステップと、前記情報取得ステップで取得された前記第１位置情報と前記第２位置情報とから得られる相対距離が、予め設定された下限相対距離以下であることを順次判定する相対距離判定ステップと、前記相対距離判定ステップによる、前記相対距離が前記下限相対距離以下である判定結果に応じて、前記情報取得ステップで取得された前記第１移動速度情報と、前記第１移動方向情報と、前記第２移動速度情報と、前記第２移動方向情報と、に基づいて、前記無人航空機の移動を制御する移動制御ステップと、をコンピュータに実行させることを特徴とする。
第１発明～第５発明によれば、無人航空機と対象物との相対距離が下限相対距離以下であることを順次判定する相対距離判定手段と、相対距離判定手段による、相対距離が下限相対距離以下である判定結果に応じて、無人航空機の移動を制御する移動制御手段と、を備える。このため、相対距離の判定を行わずに常に移動制御のための計算を行う必要のある従来技術に比べて、無人航空機において移動の制御に必要な計算を行わない時間を確保することができる。これにより、無人航空機と対象物との接触リスクを考慮しつつ、無人航空機のＣＰＵへの負荷を低減することで、無人航空機のバッテリー消費量の低減を図ることができる。
特に、第２発明によれば、下限相対距離は、少なくとも情報取得手段で取得された第１移動速度情報に基づいて算出される。このため、無人航空機の移動速度に応じた下限相対距離を確保することができる。これにより、無人航空機の接触リスクの低減を図ることができる。
特に、第３発明によれば、対象物は、他の無人航空機であり、情報取得手段は、他の無人航空機から発信される、第２位置情報と、第２移動速度情報と、第２移動方向情報と、を時系列的に順次取得する。このため、対象物が無人航空機の制御システムに制御されない未知の無人航空機であっても、無人航空機の移動を制御することができる。これにより、無人航空機の接触リスクの低減を図ることができる。
特に、第４発明によれば、情報取得手段は、第１優先度情報と、他の無人航空機から発信される第２優先度情報と、をさらに時系列的に順次取得し、移動制御手段は、情報取得手段で取得された情報に基づいて算出される変更速度を用いて、無人航空機の移動を制御する。このため、緊急性の高い無人航空機や、到着が予定より遅れる見込みの無人航空機を、他の無人航空機に優先させやすい。これにより、無人航空機が所定時間内に目的地に到着できないリスクの低減を図ることができる。
特に、第５発明によれば、相対距離判定手段は、無人航空機と対象物との相対距離が、下限相対距離よりも大きい予防相対距離以下であることを順次判定し、移動制御手段は、相対距離判定手段による、相対距離が予防相対距離以下である判定結果に応じて、無人航空機の移動を制御する。すなわち、相対距離が下限相対距離以下となる前に、無人航空機の移動が制御される。このため、下限相対距離以下である判定結果に応じた移動の制御よりも、無人航空機の移動方向の変化を抑えやすい。これにより、無人航空機が所定時間内に目的地に到着できないリスクの低減を図ることができる。また、第５発明によれば、無人航空機が対象物との接触を回避するために余分に移動する距離を低減しやすい。これにより、無人航空機のバッテリー消費量のさらなる低減を図ることができる。
第６発明によれば、無人航空機と対象物との相対距離が下限相対距離以下であることを順次判定する相対距離判定ステップと、相対距離判定ステップによる、相対距離が下限相対距離以下である判定結果に応じて、無人航空機の移動を制御する移動制御ステップと、をコンピュータに実行させる。このため、相対距離の判定を行わずに常に移動制御のための計算を行う必要のある従来技術に比べて、無人航空機において移動の制御に必要な計算を行わない時間を確保することができる。これにより、無人航空機と対象物との接触リスクを考慮しつつ、無人航空機のＣＰＵへの負荷を低減することで、無人航空機のバッテリー消費量の低減が図られた制御システムを提供することができる。
図１は、第１実施形態における無人航空機の制御システムの一例を示す模式図である。 図２は、第１実施形態における無人航空機の制御システムの変形例を示す模式図である。 図３は、第１実施形態における無人航空機の構成の一例を示す模式図である。 図４は、第１実施形態における無人航空機の詳細な構成の一例を示す模式図である。 図５は、第１実施形態における無人航空機の制御システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図６は、第１実施形態における無人航空機及び対象物の一例を示す模式図である。 図７（ａ）は、第１実施形態における無人航空機の情報の一例を示す模式図であり、図７（ｂ）は、第１実施形態における対象物の情報の一例を示す模式図である。 図８（ａ）～図８（ｄ）は、第１実施形態における無人航空機の制御方法の一例を示す模式図である。 図９は、第１実施形態における無人航空機の制御システムの動作の変形例を示すフローチャートである。 図１０（ａ）～図１０（ｂ）は、第１実施形態における無人航空機の制御方法の変形例を示す模式図である。 図１１は、第１実施形態における他の対象物の情報の一例を示す模式図である。 図１２は、第２実施形態における無人航空機及び他の無人航空機の一例を示す模式図である。 図１３は、第２実施形態における他の無人航空機の情報の一例を示す模式図である。 図１４（ａ）～図１４（ｄ）は、第２実施形態における無人航空機の制御方法の一例を示す模式図である。 図１５は、第３実施形態における無人航空機及び対象物の一例を示す模式図である。 図１６（ａ）～図１６（ｄ）は、第３実施形態における無人航空機の制御方法の一例を示す模式図である。 図１７（ａ）～図１７（ｂ）は、第３実施形態における無人航空機の制御方法の変形例を示す模式図である。
以下、本発明の実施形態としての無人航空機の制御システムの一例について、図面を参照しながら詳細に説明をする。なお、各図において、高さ方向Ｚとし、高さ方向Ｚと交差、例えば直交する１つの方向を前後方向Ｘとし、高さ方向Ｚ及び前後方向Ｘのそれぞれと交差、例えば直交する方向を左右方向Ｙとする。各図における構成は、説明のため模式的に記載されており、例えば各構成の大きさや、構成毎における大きさの対比等については、図とは異なってもよい。
（第１実施形態：無人航空機の制御システム１００）
図１～図４を参照して、本実施形態における無人航空機の制御システム１００の一例を説明する。図１は、本実施形態における無人航空機の制御システム１００の一例を示す模式図である。図２は、本実施形態における無人航空機の制御システム１００の変形例を示す模式図である。図３は、本実施形態における無人航空機１の構成の一例を示す模式図である。図４は、本実施形態における無人航空機１の詳細な構成の一例を示す模式図である。
無人航空機の制御システム１００は、例えば図１に示すように、無人航空機１と、対象物２と、を備える。無線航空機の制御システム１００は、例えば図２に示すように、無人航空機１や対象物２の情報を記憶するサーバ３と、無線通信網４と、を備えてもよい。無線航空機の制御システム１００は、例えば対象物２の位置と、移動速度と、移動方向と、を示す情報が、無線航空機１に予め設定されてもよい。また、対象物２の移動速度が０より大きい値を示す場合、対象物２の位置と、移動速度と、移動方向と、を示す情報を、その情報を取得した時刻と紐づけられて、無線航空機１に予め設定されることが好ましい。この場合、無線航空機の制御システム１００は、無線航空機１が無線通信網４を介して対象物２やサーバ３と接続されなくとも、また、接続できない環境においても、対象物２との接触リスクを考慮して無線航空機１の移動を制御することができる。
＜無人航空機１＞
無人航空機１は、いわゆる小型でかつ無人飛行が可能なドローン（マルチコプター）や無人ヘリコプターである。なお、無人航空機１は、航空法が定める重量２００ｇ以上の無人航空機を含むほか、同法が定める重量２００ｇ未満のいわゆる小型無人機を含んでもよい。
無人航空機１は、例えば図１に示すように、ローター１１と、ローター用モーター１２と、アーム１３と、制御ユニット１４と、バッテリー１５と、を含む。アーム１３は、ローター用モーター１２が取り付けられた一方の先端が、ローター用モーター１２を介して、ローター１１に接続される。アーム１３は、例えばローター用モーター１２が取り付けられていない他方の先端が、制御ユニット１４と接続される。制御ユニット１４は、バッテリー１５が接続される。制御ユニット１４の下部には、例えば無人航空機１が運搬する貨物を収容する積載部が取り付けられる。
ローター１１は、ローター用モーター１２の回転に基づき回転するとともに、無人航空機１に対して浮力を与えることができるものである。本実施形態においては、図１に示すように、４基のローター１１を有するクアッドコプターを例にとり説明をするが、これに限定されるものではなく、要求される飛行性能や、故障に対する信頼性、許容されるコスト等に応じて、ローター１１を１基で構成したヘリコプター、ローター１１を３基で構成したトリコプター、ローター１１を６基で構成したヘキサコプター、ローター１１を８基で構成したオクトコプターとして具現化されるものであってもよい。
ローター用モーター１２は、ローター１１それぞれに対して設けられており、制御ユニット１４に接続されるバッテリー１５から、アーム１３を介して供給されてくる電力に基づいて回転動作可能とされている。ローター用モーター１２は、上記の機能を有する限りにおいて限定されず、いかなる市販のものを適用することができる。ローター用モーター１２を回転させることによりローター１１を回転させることができ、無人航空機１を即座に垂直方向に向けて上昇させ又は下降させることができ、あるいはその場で静止させることも可能となる。また、無人航空機１を前後左右に移動させる場合は、進行方向のローター用モーター１２の回転数を下げ、進行方向とは反対側のローター用モーター１２の回転数を上げる。これにより、無人航空機１は進行方向に対して前かがみの姿勢となり、進行方向に移動することが可能となる。また、ローター用モーター１２の回転方向による出力の調整を行うことで、無人航空機１自体を回転させることも可能となる。これらローター用モーター１２の回転数の制御は、制御ユニット１４を介して行われる。
アーム１３は、例えば制御ユニット１４から互いに異なる方向に向けて延長されている。特に４基のローター１１を有するクアッドコプターで構成する場合、これらをそれぞれ支持するアーム１３は、平面視で互いに約９０°間隔となるように延長されている。このアーム１３は、例えば金属製又は樹脂製、カーボン製、又はその他の材料からなる管体で構成されていてもよい。かかる場合には、このアーム１３の管体内に、制御ユニット１４に接続されるバッテリー１５からの電力供給のためのケーブルを挿通させることができる。
制御ユニット１４は、各種制御に必要な集積回路やデバイスを収容するための筐体で構成されている。筐体は、例えば金属製又は樹脂製等であって、例えば箱型形状で構成されている。筐体には、例えばアーム１３や、無人航空機１が着陸する際に接地するための脚部等を含む部材を取り付ける上で、必要な図示しないネジ孔等が予め設けられている。制御ユニット１４に収容される各種部材、または制御ユニット１４に接続される各種部材は、制御ユニット１４の筐体に設けられたネジ孔に、ネジを介して固定される。
制御ユニット１４に接続されるバッテリー１５は、制御ユニット１４や、ローター１１に接続されたローター用モーター１２を駆動させるために必要な電力を供給するための電池である。このバッテリー１５は、着脱自在に構成され、充電が可能な仕様とされていてもよい。
＜対象物２＞
対象物２は、例えば無人航空機１の進路上または進路近傍に存在する有体物である。対象物２の例としては、例えば建物、鉄塔、立木等の定着物、鳥類等の生物、車両、船舶、飛行機等の移動体が挙げられる。本実施形態では、対象物２が移動せず静止した状態を例にとり説明する。
対象物２は、情報通信が可能である場合、例えば無線通信網４を介して無人航空機１と接続され、無人航空機１と任意のデータを互いに送受信してもよい。この場合、対象物２は、無人航空機１の要求に応じて、対象物２の位置、移動速度、及び移動方向を示す情報を無人航空機１に対して送信してもよい。また、対象物２が静止している場合においては、移動速度、移動方向共に静止した状態を示す情報を対象物２から受信して取得してもよく、移動速度及び移動方向を対象物２から受信せずに無人航空機１内の処理において静止した状態を示す情報を生成して取得してもよい。
＜サーバ３＞
サーバ３は、例えば無人航空機１の移動の制御に必要な情報が記憶される。サーバ３は、例えば無線通信網４を介して無人航空機１と接続され、無人航空機１と任意のデータを互いに送受信してもよい。サーバ３は、例えば対象物２の位置、移動速度、及び移動方向を示す情報が予め記憶され、無人航空機１の要求に応じて、記憶された対象物２の情報を無人航空機１に対して送信してもよい。
＜無線通信網４＞
無線通信網４は、例えば無人航空機１と、情報通信が可能な対象物２と、サーバ３と、が通信回路を介して接続されるインターネット網等である。無線通信網４は、ＬＴＥ（Long term evolution）を含む無線通信網等の公知の通信技術で実現してもよい。
次に制御ユニット１４の構成について説明する。
制御ユニット１４は、例えば図３に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１４１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１４２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１４３と、を有する。制御ユニット１４は、無人航空機１の制御プログラム以外のデータを記憶するための保存部１４４を有してもよい。制御ユニット１４は、無線通信網４と接続するためのＩ／Ｆ１４５を有してもよい。各構成１４１～１４５は、内部バス１４６により接続される。制御ユニット１４には、例えばマイクロコントローラーが搭載され、マイクロコントローラーに集積されたＣＰＵ１４１、ＲＯＭ１４２、ＲＡＭ１４３が用いられる。
ＣＰＵ１４１は、制御ユニット１４が搭載される無人航空機１全体を制御する。ＲＯＭ１４２は、制御ユニット１４全体のハードウェア資源を制御するためのプログラムや、無人航空機１の移動を制御するための無人航空機１や対象物２の情報等が格納されている。ＲＡＭ１４３は、データの蓄積や展開等に使用する作業領域として使用され、制御ユニット１４全体のハードウェア資源を制御するときの各種命令を一時的に記憶する。保存部１４４は、ＲＯＭ１４２に記憶される情報のバックアップや、それらの情報が統合されたデータベース等の各種情報が記憶される。保存部１４４として、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）のほか、ＳＳＤ（Solid State Drive）等のデータ保存装置が用いられる。制御ユニット１４は、例えば図示しないＧＰＵ（Graphics Processing Unit）を有してもよい。
ＣＰＵ１４１は、全ての構成要素を制御するためのいわゆる中央演算ユニットである。このＣＰＵ１４１は、ＲＯＭ１４２に記憶されているプログラムを読み出して各種動作を行うための命令を各構成要素に対して通知する。例えばＲＯＭ１４２に記憶されているプログラムが無人航空機１の飛行経路の決定方法や飛行方法に関するものであれば、これに基づいて飛行するための各種命令を生成して各構成要素に送信する。また、ＲＯＭ１４２に記憶されているプログラムが、無人航空機１に設定された距離よりも対象物に近づいたことを判定し、その判定結果に応じて対象物を回避する制御方法に関するものであれば、これに基づいて無人航空機１が対象物を回避するための各種命令を生成して、各構成要素に送信する。
またＣＰＵ１４１は、無線通信網４を介して送られてきた操縦情報やその他の情報に基づいて各種命令を生成して各構成要素に送信する。またＣＰＵ１４１は、無人航空機１を制御するためのセンサ群から送られてきたデータや、後述のＧＮＳＳ受信部から送られてきた無人航空機１の位置情報に基づいて、各構成要素を制御する。
次に制御ユニット１４の詳細な構成について説明をする。制御ユニット１４は、例えば図４に示すように、フライトコントローラ５０と、無線通信部５４と、ＥＳＣ（Electronic Speed Controller）５５と、を備える。フライトコントローラ５０とＥＳＣ５５とは、何れもバッテリー１５に接続されており、電力が供給される。
＜フライトコントローラ５０＞
フライトコントローラ５０は、無人航空機１の機体の姿勢や、自律飛行等の移動を制御するための装置である。フライトコントローラ５０は、ＥＳＣ５５を介してローター用モーター１２を制御し、無人航空機１の機体の移動を制御する。フライトコントローラ５０は、例えば無線通信網４を介して無線通信部５４が受信した情報に基づいて、無人航空機１の移動を制御してもよい。
フライトコントローラ５０は、情報取得部５１と、相対距離判定部５２と、移動制御部５３と、を含む。なお、フライトコントローラ５０に含まれる各部は、ＣＰＵ１４１が、ＲＡＭ１４３を作業領域として、ＲＯＭ１４２等に記憶されたプログラムを実行することにより実現される。
＜情報取得部５１＞
情報取得部５１は、無人航空機１の移動を制御するための情報を、時系列的に順次取得する。情報取得部５１は、例えば飛行制御センサ群５１１と、ＧＮＳＳ受信部５１２と、を含む。
＜飛行制御センサ群５１１＞
飛行制御センサ群５１１は、例えば加速度センサ、角速度センサ、気圧センサ（高度センサ）、地磁気センサ（方位センサ）に加え、飛行高度を検出するための高度計、風速や風向を検出するための風向風速計、機体の傾斜角度や傾斜方向を検出するための加速度センサ、ジャイロセンサ等を始めとした各種センサで構成され得る。
飛行制御センサ群５１１は、例えば無人航空機１の移動速度を示す情報を、前後方向Ｘの成分と、左右方向Ｙの成分と、高さ方向Ｚの成分と、を含む三次元的な情報としてそれぞれ取得する。飛行制御センサ群５１１は、例えば無人航空機１の移動方向を示す情報を取得する。
＜ＧＮＳＳ受信部５１２＞
ＧＮＳＳ受信部５１２は、人工衛星から送られてくる衛星測位信号に基づき、無人航空機１の移動時において、無人航空機１の位置を示す位置情報をリアルタイムに取得する。
＜相対距離判定部５２＞
相対距離判定部５２は、情報取得部５１が時系列的に順次取得した情報を、順次判定する。相対距離判定部５２は、例えば情報取得部５１が取得した無人航空機１の位置情報と他の無人航空機の位置情報と、から得られる相対距離と、予め設定されたパラメータ（例えば後述の下限相対距離、予防相対距離等）とを比較し、その判定結果を出力する。
＜移動制御部５３＞
移動制御部５３は、相対距離判定部５２の判定結果に応じて、無人航空機１の移動を制御する。移動制御部５３は、例えばＰＷＭ（（Pulse Width Modulation））コントローラである。移動制御部５３は、ＣＰＵ１４１による制御の下、ＥＳＣ５５を介してローター用モーター１２の回転数、及び回転速度等を制御する。
＜無線通信部５４＞
無線通信部５４は、無線通信網４を介して、対象物２及びサーバ３との間で無線通信を行う上で必要な周波数変換やその他各種変換処理を行い、電気信号を電波に変換し、あるいは電波を電気信号に変換するアンテナも含まれる。この無線通信部５４は、例えば無線航空機１の操縦端末から送信されてきた電波に重畳されてきた操縦情報を電気信号に変換した上で、フライトコントローラ５０へ出力する。その結果、操縦端末からの操縦情報に基づいたフライトコントローラ５０の制御が実現されることとなる。
また、この無線通信部５４は、フライトコントローラ５０から送られてきたデータを電波に変換して操縦端末に送信してもよく、これらのデータを、インターネット網等を始めとした公衆通信網へ送信するようにしてもよい。この無線通信部５４は、公衆通信網からの各種情報を、無線通信を通じて取得し、これをフライトコントローラ５０へ送信するようにしてもよい。ただし、本実施形態においては、外部から受信した操縦情報に基づく無人航空機１の移動の制御を要しない。そのため、無線航空機１は、操縦端末と無線接続されなくてもよい。
＜ＥＳＣ５５＞
ＥＳＣ５５は、移動制御部５３による制御の下、ローター用モーター１２の回転数、回転速度等を制御する。ＥＳＣ５５は、ローター用モーター１２を制御することで、無人航空機１の移動速度及び移動方向を制御することができる。
（第１実施形態：無人航空機の制御システム１００の動作の一例）
次に、図５～図８を参照して、本実施形態における無人航空機の制御システム１００の動作の一例を説明する。図５は、本実施形態における無人航空機の制御システム１００の動作の一例を示すフローチャートである。図６は、本実施形態における無人航空機１及び対象物２の一例を示す模式図である。図７（ａ）は、本実施形態における無人航空機１の情報の一例を示す模式図であり、図７（ｂ）は、本実施形態における対象物２の情報の一例を示す模式図である。図８（ａ）～図８（ｄ）は、本実施形態における無人航空機１の制御方法の一例を示す模式図である。
無人航空機の制御システム１００は、例えば無人航空機１内にインストールされた無人航空機の制御プログラムを介して実行する。
無人航空機の制御システム１００の動作は、例えば図５に示すように、情報取得ステップＳ１１と、相対距離判定ステップＳ１２と、移動制御ステップＳ１３と、を含む。
無人航空機の制御システム１００は、例えば図６に示すように、無人航空機１の位置１６を示す情報と、対象物２の位置２６を示す情報と、を時系列的に順次取得し、相対距離Ｌを算出する。無人航空機の制御システム１００の動作に際し、例えば無人航空機１及び対象物２には、下限相対距離Ｒが予め設定される。無人航空機１には、予め下限相対距離Ｒ1が設定される。対象物２は、予め下限相対距離Ｒ2が設定されてもよく、設定されなくてもよく、任意である。
＜相対距離Ｌ＞
相対距離Ｌは、例えば無人航空機１の位置１６と、対象物２の位置２６と、から得られる距離である。無人航空機の制御システム１００は、時系列的に順次取得した位置１６，２６を示す各情報に基づいて、順次相対距離Ｌを算出する。
＜下限相対距離Ｒ＞
下限相対距離Ｒは、無人航空機１の下限相対距離Ｒ1と、対象物２の下限相対距離Ｒ2とを含む。下限相対距離Ｒ1は、無人航空機１が対象物２と接触することを回避するために、無人航空機１の移動を制御するか否かを判定するための指標である。無人航空機の制御システム１００は、相対距離Ｌが下限相対距離Ｒ1以下であることを判定した場合、無人航空機１が対象物２と接触することを回避するために、無人航空機１の移動を制御する。
下限相対距離Ｒ1は、例えば予め無人航空機１に設定される定数でもよく、予め設定された、情報取得部５１が取得する無人航空機１の移動速度に基づく算出方法により算出される変数でもよい。下限相対距離Ｒ1は、例えば情報取得部５１が取得する後述の第１移動速度情報Ｄ１２に基づいて算出されてもよい。下限相対距離Ｒ1は、例えば第１移動速度情報Ｄ１２に示される、無人航空機１の移動速度に基づいて算出されてもよい。この場合、下限相対距離Ｒ1は、例えば無人航空機１の移動速度を独立変数とする関数に基づく従属変数として算出されてもよく、以下の式（１）で算出される下限相対距離Ｒ1が用いられてもよい。
Figure 2024053323000002
ここで、ｖ1は、第１移動速度情報Ｄ１２に含まれる無人航空機１の移動速度を示し、Ｔ（＞０）は、無人航空機１が移動速度ｖ1で移動する時間を示し、Ｃ（≧０）は、移動速度ｖ1に依らず最低限確保される相対距離を示す。なお、Ｔ、Ｃはいずれも任意の定数であり、無人航空機１に予め設定されてもよい。Ｔ及びＣを調整することで、例えば下限相対距離Ｒ1が調整され、無人航空機１と対象物２との接触リスクの低減を図ることができる。
下限相対距離Ｒ1は、例えば情報取得部５１が取得する、第１移動速度情報Ｄ１２に示される無人航空機１の移動速度と、後述の第２移動速度情報Ｄ２２に示される対象物２の移動速度と、に基づいて算出されてもよい。この場合、下限相対距離Ｒ1は、例えば無人航空機１の移動速度と、対象物２の移動速度と、を独立変数とする関数に基づく従属変数として算出されてもよく、以下の式（２）で算出される下限相対距離Ｒ1が用いられてもよい。
Figure 2024053323000003
ここで、ｖ1は、第１移動速度情報Ｄ１２に含まれる無人航空機１の移動速度を示し、ｖ2は、第２移動速度情報Ｄ２２に含まれる対象物２の移動速度を示し、Ｔ（＞０）は、無人航空機１と対象物２とが各移動速度ｖ1、ｖ2で移動する時間を示し、Ｃ（≧０）は、各移動速度ｖ1、ｖ2に依らず最低限確保される相対距離を示す。なお、Ｔ、Ｃはいずれも任意の定数であり、無人航空機１に予め設定されてもよい。
なお、本実施形態においては簡単のため、下限相対距離Ｒ1を、例えば無人航空機１の位置１６を中心とした半径Ｒ1の正円１７と示して説明する。この場合、正円１７内に対象物２の位置２６がある場合、相対距離Ｌが下限相対距離Ｒ以下であると判定してもよい。なお、下限相対距離Ｒ1は、例えば位置１６を中心とした半径Ｒ1の球体で示されてもよい。この場合、当該球体内に対象物２の位置２６がある場合、相対距離Ｌが下限相対距離Ｒ以下であると判定してもよい。
無人航空機の制御システム１００の動作に際し、対象物２には、予め下限相対距離Ｒ2が設定されてもよい。この場合、下限相対距離Ｒは、下限相対距離Ｒ1と下限相対距離Ｒ2との和で示される。下限相対距離Ｒ2は、例えば下限相対距離Ｒ1と同様の数値が設定される。無人航空機の制御システム１００は、相対距離Ｌが下限相対距離Ｒ1と下限相対距離Ｒ2との和以下である場合、相対距離Ｌが下限相対距離Ｒ以下であると判定してもよい。なお、対象物２に下限相対距離Ｒ2が設定されていない場合、下限相対距離Ｒ2は、例えば０とみなされる。すなわち、下限相対距離Ｒは、下限相対距離Ｒ1で示されてもよい。
なお、各下限相対距離Ｒ1、Ｒ2を、それぞれ正円１７，２７と示して説明する場合、各正円１７，２７の円周が接するとき、または交差するとき、相対距離Ｌが下限相対距離Ｒ以下であると判定してもよい。また、各下限相対距離Ｒ1、Ｒ2を、それぞれ球体と示して説明する場合、各球体の球面が接するとき、または交差するとき、相対距離Ｌが下限相対距離Ｒ以下であると判定してもよい。なお、各下限相対距離Ｒ1、Ｒ2を示す各正円及び各球体は、例えばジオフェンスにより設定される。
＜情報取得ステップＳ１１＞
情報取得ステップＳ１１において、情報取得部５１は、例えば図７（ａ）～図７（ｂ）に示すように、無人航空機１の情報Ｄ１と、対象物２の情報Ｄ２と、を取得する。情報取得部５１は、例えば無人航空機１の情報Ｄ１と、対象物２の情報Ｄ２と、を同時に取得する。ここで、同時とは、無人航空機１と対象物２との接触リスクを考慮する上で支障のない範囲で、現実的に生じ得るタイミングのずれを含んでもよい。現実的に生じ得るタイミングのずれとは、例えば各情報Ｄ１、Ｄ２に対応する各センサでの情報の生成に必要な所要時間や、各センサから情報取得部５１へ情報が送受信される際の所要時間等に起因する。無人航空機１と対象物２との接触リスクを考慮する上で必要な相対距離を算出するために、情報取得部５１が各情報Ｄ１、Ｄ２を取得するタイミングのずれは、例えば誤差が約１秒以内であることが好ましく、この誤差が少ないほど、正確な相対距離が得られる。
情報取得ステップＳ１１において、情報取得部５１は、例えば無人航空機１の位置を示す第１位置情報Ｄ１１と、無人航空機１の移動速度を示す第１移動速度情報Ｄ１２と、無人航空機１の移動方向を示す第１移動方向情報Ｄ１３と、無人航空機１とは異なる対象物２の位置を示す第２位置情報Ｄ２１と、対象物２の移動速度を示す第２移動速度情報Ｄ２２と、対象物２の移動方向を示す第２移動方向情報Ｄ２３と、を時系列的に順次取得する。
＜＜第１位置情報Ｄ１１＞＞
第１位置情報Ｄ１１は、無人航空機１の位置１６を示す。第１位置情報Ｄ１１は、例えば無人航空機１の位置１６を、二次元の座標で示し、例えば緯度と経度の組み合わせで示す。第１位置情報Ｄ１１は、例えば無人航空機１の位置１６を、三次元の座標で示し、例えば緯度と経度と高度との組み合わせで示す。
＜＜第１移動速度情報Ｄ１２＞＞
第１移動速度情報Ｄ１２は、無人航空機１の移動速度を示す。第１移動速度情報Ｄ１２は、情報取得部５１が取得した、無人航空機１の速度を示す情報を用いてもよく、情報取得部５１が取得した、無人航空機１の加速度に基づいて算出された、無人航空機１の速度を示す情報を用いてもよい。第１移動速度情報Ｄ１２は、例えば無人航空機１のローター用モーター１２の回転数等から推計される、移動方向を含まない速さのみを示す情報を取得してもよく、３軸加速度センサ等で取得される、移動方向を含む情報を取得してもよい。
＜＜第１移動方向情報Ｄ１３＞＞
第１移動方向情報Ｄ１３は、無人航空機１の移動方向を示す。第１移動方向情報Ｄ１３は、無人航空機１の移動方向を、前後方向Ｘ成分及び左右方向Ｙ成分を含む２次元ベクトルで示す。第１移動方向情報Ｄ１３は、無人航空機１の移動方向を、前後方向Ｘ成分、左右方向Ｙ成分、及び高さ方向Ｚ成分を含む３次元ベクトルで示す。第１移動方向情報Ｄ１３は、例えば第１移動速度情報Ｄ１２とは独立して取得される。第１移動方向情報Ｄ１３は、移動方向を含む第１移動速度情報Ｄ１２が取得される場合、第１移動速度情報Ｄ１２が取得された時点で、取得されたものとみなしてもよい。
＜＜第２位置情報Ｄ２１＞＞
第２位置情報Ｄ２１は、対象物２の位置１７を示す。第２位置情報Ｄ２１は、例えば対象物２の位置１７を、二次元の座標で示し、例えば緯度と経度の組み合わせで示す。第１位置情報Ｄ１１は、例えば対象物２の位置１７を、三次元の座標で示し、例えば緯度と経度と高度との組み合わせで示す。
＜＜第２移動速度情報Ｄ２２＞＞
第２移動速度情報Ｄ２２は、対象物２の移動速度を示す。第２移動速度情報Ｄ２２は、情報取得部５１が取得した、対象物２の速度を示す情報を用いてもよく、情報取得部５１が取得した対象物２の加速度に基づいて算出された、対象粒２の速度を示す情報を用いてもよい。第２移動速度情報Ｄ２２は、例えばモーターの回転数等から推計される、移動方向を含まない速さのみを示す情報を取得してもよく、３軸加速度センサ等で取得される、移動方向を含む情報を取得してもよい。
＜＜第２移動方向情報Ｄ２３＞＞
第２移動方向情報Ｄ２３は、対象物２の移動方向を示す。第２移動方向情報Ｄ２３は、対象物２の移動方向を、前後方向Ｘ成分及び左右方向Ｙ成分を含む２次元ベクトルで示す。第２移動方向情報Ｄ２３は、対象物２の移動方向を、前後方向Ｘ成分、左右方向Ｙ成分、及び高さ方向Ｚ成分を含む３次元ベクトルで示す。第２移動方向情報Ｄ２３は、第２移動速度情報Ｄ２２とは独立して取得されてもよい、第２移動方向情報Ｄ２３は、移動方向を含む第２移動速度情報Ｄ２２が取得される場合、第２移動速度情報Ｄ２２が取得された時点で、取得されたものとみなしてもよい。
＜相対距離判定ステップＳ１２＞
相対距離判定ステップＳ１２において、相対距離判定部５２は、情報取得部５１で取得された第１位置情報Ｄ１１と第２位置情報Ｄ２１とから得られる相対距離Ｌが、予め設定された下限相対距離Ｒ以下であることを順次判定する。また、相対距離判定部５２は、情報取得ステップＳ１１において情報取得部５１により取得された第１移動速度情報Ｄ１２に基づいて算出された、下限相対距離Ｒを用いて順次判定してもよい。
例えば図８（ａ）～図８（ｄ）のように、移動方向ｐ0を含む移動速度ｖ0で移動する無人航空機１と、静止した状態の対象物２と、を含む無人航空機の制御システム１００の場合を説明する。図８（ａ）の例では、移動方向ｐ0は、前後方向Ｘに沿った方向を示している。なお、位置１６ａ～１６ｄは無人航空機１の位置の時系列的な変化を示し、相対距離Ｌa～Ｌdは相対距離Ｌの時系列的な変化を示す。
相対距離判定ステップＳ１２において、相対距離判定部５２は、例えば図８（ａ）に示すように、相対距離Ｌaが、無人航空機１の下限相対距離Ｒ1と対象物２の下限相対距離Ｒ2との和よりも大きい場合、相対距離Ｌ（相対距離Ｌa）が下限相対距離Ｒよりも大きいと判定する。すなわち、相対距離Ｌaが、無人航空機１と対象物２とが接触するリスクが十分考慮された相対距離であることを示している。この場合、無人航空機１は、移動方向ｐ0を含む移動速度ｖ0で移動し続ける。
相対距離判定ステップＳ１２において、相対距離判定部５２は、例えば図８（ｂ）に示すように、無人航空機１が位置１６ａから位置１６ｂに移動したことにより、相対距離Ｌbが、無人航空機１の下限相対距離Ｒ1と対象物２の下限相対距離Ｒ2との和以下となった場合、相対距離Ｌ（相対距離Ｌb）が下限相対距離Ｒ以下であると判定する。すなわち、相対距離Ｌbが、無人航空機１と対象物２とが接触するリスクが十分考慮されていない相対距離であることを示している。この場合、無人航空機の制御システム１００の動作は、後述の移動制御ステップＳ１３に移行する。
＜移動制御ステップＳ１３＞
移動制御ステップＳ１３において、移動制御部５３は、相対距離判定ステップＳ１２において相対距離判定部５２による、相対距離Ｌが下限相対距離Ｒ以下である判定結果に応じて、情報取得ステップＳ１１において情報取得部５１で取得された第１移動速度情報Ｄ１２と、第１移動方向情報Ｄ１３と、第２移動速度情報Ｄ２２と、第２移動方向情報Ｄ２３と、に基づいて、無人航空機１の移動を制御する。この場合、相対距離Ｌの判定を行わずに常に移動制御のための計算を行う必要のある従来技術に比べて、無人航空機１において移動の制御に必要な計算を行わない時間を確保することができる。これにより、無人航空機１と対象物２との接触リスクを考慮しつつ、無人航空機１のＣＰＵへの負荷を低減することで、無人航空機１のバッテリー消費量の低減を図ることができる。また、移動制御部５３は、相対距離判定ステップＳ１２において相対距離判定部５２による相対距離Ｌが、情報取得ステップＳ１１において情報取得部５１により取得された第１移動速度情報Ｄ１２に基づいて算出された、下限相対距離Ｒ以下である判定結果に応じて、上記と同様に無人航空機１の移動を制御してもよい。この場合、無人航空機１の移動速度に応じた下限相対距離Ｒを確保でき、無人航空機１が対象物に接触する前に、より確実に減速及び停止等を実行することができる。これにより、無人航空機１の接触リスクの低減を図ることができる。
移動制御ステップＳ１３において、移動制御部５３は、例えば図８（ｂ）に示すように、相対距離判定ステップＳ１２における、相対距離判定部５２による、相対距離Ｌbが下限相対距離Ｒ以下である判定結果に応じて、無人航空機１の、移動方向ｐ0を含む移動速度ｖ0を、移動方向ｐ0とは異なる移動方向ｐ’aを含む変更速度ｖ’aとなるように、無人航空機１の移動を制御する。
無人航空機の制御システム１００は、例えば以下の式（３）に示す変更速度ｖ’を用いて、無人航空機１の移動を制御する。変更速度ｖ’aとして、式（３）で算出される変更速度ｖ’が用いられる。
Figure 2024053323000004
ここで、ｖ1は、第１移動速度情報Ｄ１２に含まれる無人航空機１の移動速度を示し、ｐ1は、第１移動方向情報Ｄ１３に含まれる無人航空機１の移動方向を示し、ｖ2は、第２移動速度情報Ｄ２２に含まれる対象物２の移動速度を示し、ｐ2は、第２移動方向情報Ｄ２３に含まれる対象物２の移動方向を示す。
移動制御ステップＳ１３において、移動制御部５３は、例えば図８（ｃ）に示すように、相対距離Ｌbが、下限相対距離Ｒよりも大きい相対距離、すなわち、下限相対距離Ｒ1と下限相対距離Ｒ2との和よりも大きい相対距離Ｌc以上となるまで、変更速度ｖ’aを用いて無人航空機１の移動を制御する。この制御により、無人航空機１は、位置１６ｂから位置１６ｃへ移動する。ここで、図８（ｃ）に示す相対距離Ｌcとは、無人航空機１と対象物２とが接触するリスクが十分考慮された相対距離である。相対距離Ｌcは、例えば下限相対距離Ｒ1と下限相対距離Ｒ2との和に対して、差が過小の場合に対象物２と再度接触するリスクが高まり、差が過大の場合に無人航空機１が所定時間内に目的地へ到着できないリスクが高まることを考慮すると、好ましくは、例えば相対距離Ｌbの２～３倍程度の距離を目安としてもよい。
相対距離Ｌcは、予め設定される下限相対距離Ｒ1に、任意の数を乗じた値として、予め無人航空機１に設定されてもよい。相対距離Ｌcは、予め設定される下限相対距離Ｒ1と、情報取得部５１で取得される下限相対距離Ｒ2とに基づいて算出されるように、予め無人航空機１に設定されてもよい。相対距離Ｌcは、算出される変更速度ｖa'と、予め設定された変更速度ｖa'の適用時間とに基づいて算出されるように、予め無人航空機１に設定されてもよい。また、無人航空機１には相対距離Ｌcが設定されず、予め設定された変更速度ｖa'の適用時間だけ無人航空機１の移動を制御することで、結果的に相対距離Ｌcだけ移動させてもよい。
移動制御ステップＳ１３において、移動制御部５３は、例えば図８（ｄ）に示すように、相対距離Ｌbが相対距離Ｌcとなる位置１６ｃに到達した後、無人航空機１を、移動方向ｐ0'を含む移動速度ｖ0'で制御する。この制御により、無人航空機１は、位置１６ｃから位置１６ｄを通過し、目的地へ向かう。ここで、移動方向ｐ0'は、無人航空機１が位置１６ｃから目的地へ向かうための移動方向であり、無人航空機１が位置１６ａから目的地へ向かうための移動方向ｐ0、すなわち移動制御部５３により移動を制御される前の無人航空機１の移動速度ｖ0に含まれる移動方向ｐ0とは異なってもよい。
＜無人航空機の制御システム１００の動作の変形例＞
次に、図９～図１１を参照して、本実施形態における無人航空機の制御システム１００の動作の変形例を説明する。図９は、本実施形態における無人航空機の制御システム１００の動作の変形例を示すフローチャートである。図１０（ａ）～図１０（ｂ）は、本実施形態における無人航空機１の制御方法の変形例を示す模式図である。図１１は、本実施形態における他の対象物２’の情報の一例を示す模式図である。
無人航空機の制御システム１００の動作は、例えば図９に示すように、移動制御ステップＳ１３の開始後から完了前の間において、情報取得ステップＳ１１’を実施する。そして、情報取得ステップＳ１１’において、対象物２とは異なる、他の対象物２’の情報を順次取得する。また、情報取得ステップＳ１１’において取得された他の対象物２’の情報から得られる、無人航空機１と他の対象物２’との相対距離Ｌ’が下限相対距離Ｒ以下であることを順次判定する相対距離判定ステップＳ１２’を実施する。相対距離判定ステップＳ１２’における、相対距離Ｌ’が下限相対距離Ｒ以下である判定結果に応じて、実行中の移動制御ステップＳ１３を中断し、移動制御ステップＳ１３’を実行する。なお、各ステップＳ１１’、Ｓ１２’、Ｓ１３’について、各ステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３の内容と同様の構成については、説明を省略する。
＜情報取得ステップＳ１１’＞
情報取得ステップＳ１１’において、情報取得部５１は、例えば図１０（ａ）に示すように、変更速度ｖ’aが用いられて無人航空機１の移動を制御された状態で、他の対象物２’の情報を取得する。情報取得ステップＳ１１’において、情報取得部５１は、無人航空機１の情報Ｄ１と、他の対象物２’の情報Ｄ２’と、を時系列的に順次取得する。情報取得部５１は、例えば無人航空機１の情報Ｄ１と、対象物２’の情報Ｄ２’と、を同時に取得する。
情報取得ステップＳ１１’において、情報取得部５１は、例えば図１１に示すように、第１位置情報Ｄ１１と、第１移動速度情報Ｄ１２と、第１移動方向情報Ｄ１３と、に加えて、他の対象物２’の位置を示す第２位置情報Ｄ２１’と、対象物２’の移動速度を示す第２移動速度情報Ｄ２２’と、対象物２の移動方向を示す第２移動方向情報Ｄ２３’と、を時系列的に順次取得する。なお、各情報Ｄ２’、Ｄ２１’、Ｄ２２’、Ｄ２３’は、各情報Ｄ２、Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ２３と同様の情報である。
＜相対距離判定ステップＳ１２’＞
相対距離判定ステップＳ１２’において、相対距離判定部５２は、相対距離判定ステップＳ１１’において情報取得部５１で取得された第１位置情報Ｄ１１と第２位置情報Ｄ２１’とから得られる相対距離Ｌ’が、予め設定された下限相対距離Ｒ以下であることを順次判定する。
相対距離判定ステップＳ１２’において、相対距離判定部５２は、例えば図１０（ａ）に示すように、無人航空機１が位置１６ｂから位置１６ｃへ向かう途中の位置１６ｃ’に移動した時点で、無人航空機１と他の対象物２’との相対距離Ｌc'が、無人航空機１の下限相対距離Ｒ1と他の対象物２’の下限相対距離Ｒ2'との和以下となった場合、相対距離Ｌ（相対距離Ｌc'）が下限相対距離Ｒ以下であると判定する。すなわち、相対距離Ｌc'が、無人航空機１と他の対象物２’とが接触するリスクが十分考慮されていない相対距離であることを示している。この場合、無人航空機の制御システム１００の動作は、移動制御ステップＳ１３における処理を中断し、後述の移動制御ステップＳ１３’に移行する。
＜移動制御ステップＳ１３’＞
移動制御ステップＳ１３’において、移動制御部５３は、相対距離判定ステップＳ１２’において相対距離判定部５２による、相対距離Ｌ’が下限相対距離Ｒ以下である判定結果に応じて、情報取得ステップＳ１１’において情報取得部５１で取得された第１移動速度情報Ｄ１２と、第１移動方向情報Ｄ１３と、第２移動速度情報Ｄ２２’と、第２移動方向情報Ｄ２３’と、に基づいて、無人航空機１の移動をさらに制御する。
移動制御ステップＳ１３’において、移動制御部５３は、例えば図１０（ｂ）に示すように、相対距離判定ステップＳ１２’における、相対距離判定部５２による、相対距離Ｌc'が下限相対距離Ｒ以下である判定結果に応じて、無人航空機１の、移動方向ｐ’aを含む移動速度ｖ’aを、移動方向ｐ’aとは異なる移動方向ｐ’bを含む変更速度ｖ’bとなるように、無人航空機１の移動を制御する。変更速度ｖ’bとして、上述の式（３）で算出される変更速度ｖ’が用いられる。
なお、移動制御ステップＳ１３’の実施後において、無人航空機１に対して、再度対象物２との接触リスクを考慮した移動の制御が行われ、その結果、無人航空機１が対象物２及び他の対象物２’の間から抜け出せずに目的地へたどり着くことができなくなる、いわゆる「local minima（局所的な最小）」問題に陥る場合が想定される。
この場合、移動制御ステップＳ１３（Ｓ１３’）において、移動制御部５３は、情報取得ステップＳ１１（Ｓ１１’）において情報取得部５１で取得された第１移動方向情報Ｄ１３に含まれる移動方向ｐaの代替として、無人航空機１の移動方向を示す情報であって、第１移動方向情報Ｄ１３に示される移動方向ｐ’a（ｐ’b）とは異なる任意の移動方向を示す情報として生成された第３移動方向情報に基づいて、無人航空機１の移動を制御してもよい。この場合、無人航空機１が、同一の対象物２、２’と複数回接近する際、無人航空機１の移動が同一条件で制御されにくくなり、「local minima」問題に陥るリスクを低減できる。これにより、無人航空機１が目的地に到着できないリスクの低減を図ることができる。例えば、無人航空機１と対象物２とが略同一の高度を飛行する場合において、第３移動方向情報は、特に移動方向ｐ’a（ｐ’b）とは異なる高さ方向Ｚ成分を含む移動方向を示す場合、すなわち無人航空機１を対象部２の高度と異なる高度に移動させる場合、無人航空機１が目的地に到着できないリスクのさらなる低減を図ることができる。
上述した各ステップを実施し、本実施形態における無人航空機の制御システム１００の動作は終了する。なお、無人航空機の制御システム１００では、例えば上述した各ステップを繰り返し実施してもよい。
本実施形態によれば、無人航空機の制御システム１００は、無人航空機１と対象物２との相対距離Ｌが下限相対距離Ｒ以下であることを順次判定する相対距離判定部５２と、相対距離判定部５２による、相対距離Ｌが下限相対距離Ｒ以下である判定結果に応じて、無人航空機１の移動を制御する移動制御部５３と、を備える。このため、相対距離Ｌの判定を行わずに常に移動制御のための計算を行う必要のある従来技術に比べて、無人航空機１において移動の制御に必要な計算を行わない時間を確保することができる。これにより、無人航空機１と対象物２との接触リスクを考慮しつつ、無人航空機１のＣＰＵへの負荷を低減することで、無人航空機１のバッテリー消費量の低減を図ることができる。
本実施形態によれば、下限相対距離Ｒは、少なくとも情報取得部５１で取得された第１移動速度情報Ｄ１２に基づいて算出される。このため、無人航空機１の移動速度に応じた下限相対距離Ｒを確保することができる。これにより、無人航空機１の接触リスクの低減を図ることができる。
本実施形態によれば、無人航空機１の制御プログラムは、無人航空機１と対象物２との相対距離Ｌが下限相対距離Ｒ以下であることを順次判定する相対距離判定ステップＳ１２と、相対距離判定ステップＳ１２による、相対距離Ｌが下限相対距離Ｒ以下である判定結果に応じて、無人航空機１の移動を制御する移動制御ステップＳ１３と、をコンピュータに実行させる。このため、相対距離Ｌの判定を行わずに常に移動制御のための計算を行う必要のある従来技術に比べて、無人航空機１において移動の制御に必要な計算を行わない時間を確保することができる。これにより、無人航空機１と対象物２との接触リスクを考慮しつつ、無人航空機１のＣＰＵへの負荷を低減することで、無人航空機１のバッテリー消費量の低減が図られた制御システムを提供することができる。
（第２実施形態：無人航空機の制御システム１００）
本実施形態は、対象物２が他の無人航空機２０であり、情報取得部５１が、他の無人航空機２０から情報を取得する点で、第１実施形態とは異なる。なお、上述の内容と同様の構成については、説明を省略する。
＜対象物２＞
対象物２は、他の無人航空機２０である。以降、本実施形態の説明において、他の無人航空機２０に関する情報は、上述の対象物２に関する情報のうち「対象物２」を「他の無人航空機２０」と読み替えた内容とし、同様の内容については説明を割愛する。
＜他の無人航空機２０＞
他の無人航空機２０は、無人航空機１とは異なる無人航空機である。他の無人航空機２０は、例えば無人航空機１と同様の機能を備える無人航空機である。他の無人航空機２０は、他の無人航空機２０の情報を発信する。無線航空機１は、他の無人航空機２０から発信される、他の無人航空機２０の情報を、無線通信網４及び無線通信部５４を介して受信することができる。
（第２実施形態：無人航空機の制御システム１００の動作の一例）
図１２～図１４を参照して、本実施形態における無人航空機の制御システム１００の一例を説明する。図１２は、本実施形態における無人航空機１及び他の無人航空機２０の一例を示す模式図である。図１３は、本実施形態における他の無人航空機２０の情報の一例を示す模式図である。図１４（ａ）～図１４（ｄ）は、本実施形態における無人航空機１の制御方法の一例を示す模式図である。
無人航空機の制御システム１００は、例えば図１２に示すように、無人航空機１の位置１６を示す情報と、他の無人航空機２０の位置２６を示す情報と、から得られる相対距離Ｌを、時系列的に順次取得する。
＜情報取得ステップＳ１１＞
情報取得ステップＳ１１において、情報取得部５１は、例えば図１３に示すように、無人航空機１の情報Ｄ１と、他の無人航空機２０から発信される、他の無人航空機２０の情報Ｄ２と、を取得する。情報取得部５１は、例えば無人航空機１の情報Ｄ１と、他の無人航空機２０から発信される、他の無人航空機の情報Ｄ２と、を同時に取得する。
情報取得ステップＳ１１において、情報取得部５１は、例えば他の無人航空機２０から発信される、第２位置情報Ｄ２１と、第２移動速度情報Ｄ２２と、第２移動方向情報Ｄ２３と、を含む他の無人航空機２０の情報Ｄ２を、時系列的に順次取得する。この場合、対象物２である他の無人航空機２０が、無人航空機１を制御する制御システムの制御下にない未知の無人航空機であっても、他の無人航空機２０との接触リスクを考慮して、無人航空機１の移動を制御することができる。これにより、無人航空機１の接触リスクの低減を図ることができる。
情報取得ステップＳ１１において、情報取得部５１は、第１優先度情報Ｄ１４を含む無人航空機１の情報Ｄ１と、第２優先度情報Ｄ２４を含む他の無人航空機２０の情報Ｄ２と、を時系列的に順次取得してもよい。
＜第１優先度情報Ｄ１４＞
第１優先度情報Ｄ１４は、無人航空機１の移動を、他の無人航空機２０の移動に優先させるかどうかを、無人航空機１の優先度として、相対的に示す。第１優先度情報Ｄ１４は、例えば無人航空機１に設定される。第１優先度情報Ｄ１４は、例えば無人航空機１の優先度が数値で示される。第１優先度情報Ｄ１４は、例えば時系列的に順次取得される無人航空機１の情報Ｄ１に毎回含まれ、第１優先度情報Ｄ１４に含まれる数値等に変化がない場合においても、時系列的に順次取得され続ける。
第１優先度情報Ｄ１４に示される無人航空機１の優先度は、例えば正数で示される。無人航空機１は、無人航空機１の優先度を示す数値が大きいほど、設定された無人航空機１の移動を、他の無人航空機２０の移動に優先させてもよい。第１優先度情報Ｄ１４に示される無人航空機１の優先度は、例えば移動制御ステップＳ１３において移動制御部５３に制御された回数に応じて数値が増加され、予め設定された数値を、増加された数値に更新されてもよい。第１優先度情報Ｄ１４に示される無人航空機１の優先度は、例えば移動制御ステップＳ１３において移動制御部５３に制御される毎に、数値がｎ倍（ｎ＞１）に増加され、増加される前の数値を、増加された後の数値に更新されてもよい。第１優先度情報Ｄ１４は、例えば無人航空機１に貨物が積載される場合、その貨物の緊急性や重要性（例えば医療品、災害時必要物資等）に応じて、移動制御ステップＳ１３において移動制御部５３に制御された回数によらず、大きい数字が設定されてもよい。この場合、重要な目的を持った無人航空機１の移動を、他の無人航空機に優先させることができる。これにより、重要な目的を持った無人航空機が所定時間内に目的地に到着できないリスクの低減を図ることができる。
＜第２優先度情報Ｄ２４＞
第２優先度情報Ｄ２４は、他の無人航空機２０の移動を、他の無人航空機２０以外の無人航空機（無人航空機１を含む）の移動に優先させるかどうかを、他の無人航空機２０の優先度として、相対的に示す。第２優先度情報Ｄ２４は、例えば他の無人航空機２０に設定される。第２優先度情報Ｄ２４は、例えば対象物２の優先度が数値で示され、第１優先度情報Ｄ１４と同様に数値が設定又は更新される。第２優先度情報Ｄ２４は、例えば時系列的に順次取得される他の無人航空機２０の情報Ｄ２に毎回含まれ、第２優先度情報Ｄ２４に含まれる数値に変化がない場合においても、時系列的に順次取得され続ける。
＜相対距離判定ステップＳ１２＞
例えば図１４（ａ）～図１４（ｄ）に示すように、移動方向ｐ0を含む移動速度ｖ0で移動する、第１優先度ｍ0が設定された無人航空機１と、移動方向ｐ1を含む移動速度ｖ1で移動する、第２優先度ｍ1が設定された他の無人航空機２０と、を含む無人航空機の制御システム１００の場合を説明する。図１４（ａ）の例では、移動方向ｐ0及び移動方向ｐ1は、前後方向Ｘに沿った方向を示している。なお、位置１６ａ～１６ｄは無人航空機１の位置の時系列的な変化を示し、位置２６ａ～２６ｄは他の無人航空機２０の位置の時系列的な変化を示し、相対距離Ｌa～Ｌdは相対距離Ｌの時系列的な変化を示す。
相対距離判定ステップＳ１２において、相対距離判定部５２は、例えば図１４（ａ）に示すように、相対距離Ｌaが、無人航空機１の下限相対距離Ｒ1と他の無人航空機２０の下限相対距離Ｒ2との和よりも大きい場合、相対距離Ｌ（相対距離Ｌa）が下限相対距離Ｒよりも大きいと判定する。すなわち、相対距離Ｌaが、無人航空機１と他の無人航空機２０とが接触するリスクが十分考慮された相対距離であることを示している。この場合、無人航空機１は、移動方向ｐ0を含む移動速度ｖ0で移動し続ける。
相対距離判定ステップＳ１２において、相対距離判定部５２は、例えば図１４（ｂ）に示すように、無人航空機１が位置１６ａから位置１６ｂに移動し、他の無人航空機２０が位置２６ａから位置２６ｂに移動したことにより、相対距離Ｌbが、無人航空機１の下限相対距離Ｒ1と他の無人航空機２０の下限相対距離Ｒ2との和以下となった場合、相対距離Ｌ（相対距離Ｌb）が下限相対距離Ｒ以下であると判定する。すなわち、相対距離Ｌbが、無人航空機１と他の無人航空機２０とが接触するリスクが十分考慮されていない相対距離であることを示している。この場合、無人航空機の制御システム１００の動作は、後述の移動制御ステップＳ１３に移行する。
ここで、他の無人航空機２０が無線航空機の制御システム１００の制御下にない場合、無人航空機の制御システム１００は、相対距離判定部５２による、相対距離Ｌbが無人航空機１と他の無人航空機２０とが接触するリスクが十分考慮されていないことを示す情報を、他の無人航空機２０へ送信してもよい。他の無人航空機２０の移動を制御する制御システムは、他の無人航空機２０が無線航空機の制御システム１００から受信した情報に基づき、他の無人航空機２０の移動速度及び移動方向の少なくとも何れかを変更してもよい。
＜移動制御ステップＳ１３＞
移動制御ステップＳ１３において、移動制御部５３は、相対距離判定部５２による、相対距離Ｌが下限相対距離Ｒ以下である判定結果に応じて、情報取得部５１で取得された第１移動速度情報Ｄ１２と、第１移動方向情報Ｄ１３と、第１優先度情報Ｄ１４と、第２移動速度情報Ｄ２２と、第２移動方向情報Ｄ２３と、第２優先度情報Ｄ２４と、に基づいて、無人航空機１の移動を制御する。この場合、緊急性の高い無人航空機１や、到着が予定より遅れる見込みの無人航空機１を、他の無人航空機２０に優先させやすい。これにより、無人航空機１が所定時間内に目的地に到着できないリスクの低減を図ることができる。
移動制御ステップＳ１３において、移動制御部５３は、例えば図１４（ｂ）に示すように、相対距離判定ステップＳ１２における、相対距離判定部５２による、相対距離Ｌbが下限相対距離Ｒ以下である判定結果に応じて、無人航空機１の、移動方向ｐ0を含む移動速度ｖ0を、移動方向ｐ0とは異なる移動方向ｐ’aを含む変更速度ｖ’aとなるように、無人航空機１の移動を制御する。
また、図１４（ｂ）において、無人航空機１の優先度ｍ0が、優先度ｍ0'に更新されている。ここで、優先度ｍ0'と優先度ｍ0は例えば数値であり、優先度ｍ0'が優先度ｍ0よりも大きい数値を示し、すなわち、優先度ｍ0'が優先度ｍ0よりも移動を優先される。なお、優先度ｍ0'から優先度ｍ0へ更新するタイミングは、移動制御部５３による移動の制御の開始時（位置１６ｂ）でもよく、移動の制御の終了時（位置１６ｃ）でもよく、移動の制御中でもよい。他の無人航空機２０の優先度ｍ1が、優先度ｍ1'に更新される例についても、無人航空機１の優先度ｍ0'の場合と同様である。
無人航空機の制御システム１００は、例えば以下の式（４）に示す変更速度ｖ’を用いて、無人航空機１の移動を制御する。変更速度ｖ’aとして、式（４）で算出される変更速度ｖ’が用いられる。
Figure 2024053323000005
ここで、ｖ1は、第１移動速度情報Ｄ１２に含まれる無人航空機１の移動速度を示し、ｐ1は、第１移動方向情報Ｄ１３に含まれる無人航空機１の移動方向を示し、ｍ1は、第１優先度情報Ｄ１４に含まれる無人航空機１の優先度を示し、ｖ2は、第２移動速度情報Ｄ２２に含まれる他の無人航空機２０の移動速度を示し、ｐ2は、第２移動方向情報Ｄ２３に含まれる他の無人航空機２０の移動方向を示し、ｍ2は、第２優先度情報Ｄ２４に含まれる他の無人航空機２０の優先度を示す。
このとき、無人航空機の制御システム１００は、他の無人航空機２０の移動を制御できる場合、移動方向ｐ1を含む移動速度ｖ1を、移動方向ｐ1とは異なる移動方向ｐ’1aを含む変更速度ｖ’1aとなるように、他の無人航空機２０の移動を制御してもよい。
無人航空機の制御システム１００は、例えば以下の式（５）に示す変更速度ｖ’を用いて、他の無人航空機２０の移動を制御してもよい。変更速度ｖ’1aとして、式（５）で算出される変更速度ｖ’が用いられる。なお、式（５）に含まれる各記号は、上述の式（４）の記号と同様に対応する。
Figure 2024053323000006
移動制御ステップＳ１３において、移動制御部５３は、例えば図１４（ｃ）に示すように、相対距離Ｌbが、下限相対距離Ｒよりも大きい相対距離、すなわち、下限相対距離Ｒ1と下限相対距離Ｒ2との和よりも大きい相対距離Ｌcとなるまで、変更速度ｖ’aを用いて無人航空機１の移動を制御する。この制御により、無人航空機１は、位置１６ｂから位置１６ｃへ移動する。このとき、無人航空機の制御システム１００は、相対距離Ｌcとなるまで、変更速度ｖ'1aを用いて他の無人航空機２０の移動を制御してもよい。この制御により、他の無人航空機２０は、位置２６ｂから位置２６ｃへ移動する。ここで、図１４（ｃ）に示す相対距離Ｌcとは、無人航空機１と他の無人航空機２０とが接触するリスクが十分考慮された相対距離である。
移動制御ステップＳ１３において、移動制御部５３は、例えば図１４（ｄ）に示すように、相対距離Ｌbが相対距離Ｌcとなる位置１６ｃに到達した後、無人航空機１を、移動方向ｐ0'を含む移動速度ｖ0'で制御する。この制御により、無人航空機１は、位置１６ｃから位置１６ｄを通過し、目的地へ向かう。このとき、無人航空機１の制御システム１００は、他の無人航空機２０を、移動方向ｐ1'を含む移動速度ｖ1'で制御してもよい。この制御により、他の無人航空機２０は、位置２６ｃから位置２６ｄを通過し、目的地へ向かう。
本実施形態によれば、対象物２は、他の無人航空機２０であり、情報取得部５１は、他の無人航空機２０から発信される、第２位置情報Ｄ２１と、第２移動速度情報Ｄ２２と、第２移動方向情報Ｄ２３と、を時系列的に順次取得する。このため、対象物２が無人航空機の制御システム１００に制御されない未知の無人航空機であっても、無人航空機１の移動を制御することができる。これにより、無人航空機１の接触リスクの低減を図ることができる。
本実施形態によれば、情報取得部５１は、第１優先度情報Ｄ１４と、他の無人航空機２０から発信される第２優先度情報Ｄ２４と、をさらに時系列的に順次取得し、移動制御部５３は、情報取得部５１で取得された情報に基づいて算出される変更速度を用いて、無人航空機１の移動を制御する。このため、緊急性の高い無人航空機１や、到着が予定より遅れる見込みの無人航空機１を、他の無人航空機２０に優先させやすい。これにより、無人航空機１が所定時間内に目的地に到着できないリスクの低減を図ることができる。
（第３実施形態：無人航空機の制御システム１００の動作の一例）
図１５～図１６を参照して、本実施形態における無人航空機の制御システム１００の動作の一例を説明する。図１５は、本実施形態における無人航空機１及び対象物２の一例を示す模式図である。図１６（ａ）～図１６（ｄ）は、本施形態における無人航空機１の制御方法の一例を示す模式図である。本実施形態は、相対距離判定部５２が、下限相対距離Ｒよりも大きい予防相対距離Ｓに基づいて相対距離Ｌを判定する点で、第１実施形態とは異なる。なお、上述の内容と同様の構成については、説明を省略する。
無人航空機の制御システム１００は、例えば図１５に示すように、無人航空機１の位置１６を示す情報と、対象物２の位置２６を示す情報と、を時系列的に順次取得し、相対距離Ｌを算出する。無人航空機の制御システム１００の動作に際し、無人航空機１には、無人航空機１の下限相対距離Ｒ1よりも大きい予防相対距離Ｓ1が、予め設定される。対象物２は、対象物２の下限相対距離Ｒ2よりも大きい予防相対距離Ｓ2が、予め設定されてもよく、設定されなくてもよく、任意である。
＜予防相対距離Ｓ＞
予防相対距離Ｓは、無人航空機１の予防相対距離Ｓ1と、対象物の予防相対距離Ｓ2とを含む。予防相対距離Ｓ1は、無人航空機１が対象物２と接触することを回避するために、無人航空機１の移動を制御するか否かを判定するための指標である。予防相対距離Ｓ1は、下限相対距離Ｒ1よりも大きいため、下限相対距離Ｒ1に基づく判定よりも先に、予防相対距離Ｓ1に基づく判定がなされる。無人航空機の制御システム１００は、相対距離Ｌが予防相対距離Ｓ1以下であることを判定した場合、無人航空機１が対象物２と接触することを回避するために、無人航空機１の移動を制御する。予防相対距離Ｓ1は、予め無人航空機１に設定される定数でもよく、情報取得部５１が取得する情報に含まれる無人航空機１の移動速度に基づいて設定される変数でもよい。
なお、本実施形態においては簡単のため、予防相対距離Ｓ1を、例えば無人航空機１の位置１６を中心とした半径Ｓ1の正円１８と示して説明する。この場合、正円１８内に対象物２の位置２６を確認した場合、相対距離Ｌが予防相対距離Ｓ以下であると判定してもよい。なお、予防相対距離Ｓ1は、例えば位置１６を中心とした半径Ｓ１の球体で示されてもよい。この場合、当該球体内に対象物２の位置２６を確認した場合、相対距離Ｌが予防相対距離Ｓ以下であると判定してもよい。
無人航空機の制御システム１００の動作に際し、対象物２には、予め予防相対距離Ｓ2が設定されてもよい。この場合、予防相対距離Ｓは、予防相対距離Ｓ1と予防相対距離Ｓ2との和で示される。予防相対距離Ｓ2は、例えば予防相対距離Ｓ1と同様の数値が設定される。無人航空機の制御システム１００は、相対距離Ｌが予防相対距離Ｓ1と予防相対距離Ｓ2との和以下である場合、相対距離Ｌが予防相対距離Ｓ以下であると判定してもよい。なお、対象物２に予防相対距離Ｓ2が設定されていない場合、予防相対距離Ｓ2は、例えば０とみなされる。すなわち、予防相対距離Ｓは、予防相対距離Ｓ1で示されてもよい。また、象物２に予防相対距離Ｓ2が設定されず、下限相対距離Ｒ2のみ設定される場合、予防相対距離Ｓは、予防相対距離Ｓ1と下限相対距離Ｒ2との和で示されてもよい。
なお、予防相対距離Ｓ1、Ｓ2を、それぞれ正円１８，２８と示して説明する場合、各正円１８，２８の円周が接するとき、または交差するとき、相対距離Ｌが予防相対距離Ｓ以下であると判定してもよい。また、各予防相対距離Ｓ1、Ｓ2を、それぞれ球体と示して説明する場合、各球体の球面が接するとき、または交差するとき、相対距離Ｌが予防相対距離Ｓ以下であると判定してもよい。なお、各予防相対距離Ｓ1、Ｓ2を示す各正円及び各球体は、例えばジオフェンスにより設定される。
＜相対距離判定ステップＳ１２＞
相対距離判定ステップＳ１２において、相対距離判定部５２は、情報取得部５１で取得された第１位置情報Ｄ１１と第２位置情報Ｄ２１とから得られる相対距離Ｌが、下限相対距離Ｒよりも大きい予め設定された予防相対距離Ｓ以下であることを順次判定する。
例えば図１６（ａ）～図１６（ｄ）のように、移動方向ｐ0を含む移動速度ｖ0で移動する無人航空機１と、静止した状態の対象物２と、を含む無人航空機の制御システム１００の場合を説明する。なお、位置１６ａ～１６ｄは無人航空機１の位置の時系列的な変化を示し、相対距離Ｌa～Ｌdは相対距離Ｌの時系列的な変化を示す。
相対距離判定ステップＳ１２において、相対距離判定部５２は、例えば図１６（ａ）に示すように、相対距離Ｌaが、無人航空機１の予防相対距離Ｓ1と対象物２の予防相対距離Ｓ2との和よりも大きい場合、相対距離Ｌ（相対距離Ｌa）が予防相対距離Ｓよりも大きいと判定する。すなわち、相対距離Ｌaが、無人航空機１と対象物２とが接触するリスクが十分考慮された相対距離であることを示している。この場合、無人航空機１は、移動方向ｐ0を含む移動速度ｖ0で移動し続ける。
相対距離判定ステップＳ１２において、相対距離判定部５２は、例えば図１６（ｂ）に示すように、無人航空機１が位置１６ａから位置１６ｂに移動したことにより、相対距離Ｌbが、無人航空機１の予防相対距離Ｓ1と対象物２の予防相対距離Ｓ2との和以下となった場合、相対距離Ｌ（相対距離Ｌb）が予防相対距離Ｓ以下であると判定する。すなわち、相対距離Ｌbが、無人航空機１と対象物２とが接触するリスクが十分考慮されていない相対距離であることを示している。この場合、無人航空機の制御システム１００の動作は、後述の移動制御ステップＳ１３に移行する。
＜移動制御ステップＳ１３＞
移動制御ステップＳ１３において、移動制御部５３は、相対距離判定ステップＳ１２において相対距離判定部５２による、相対距離Ｌが予防相対距離Ｓ以下である判定結果に応じて、情報取得ステップＳ１１において情報取得部５１で取得された第１位置情報Ｄ１１と、第２位置情報Ｄ２１と、に基づいて、無人航空機１の移動を制御する。すなわち、相対距離Ｌが下限相対距離Ｒ以下となる前に、無人航空機の移動が制御される。この場合、下限相対距離Ｒ以下である判定結果に応じた移動の制御よりも、無人航空機１の移動方向の変化を抑えやすい。詳しくは、例えば図１６（ｂ）は、図８（ｃ）と比べて、移動方向ｐ’aに含まれる前後方向Ｘ成分の変化が小さい。これにより、無人航空機１が所定時間内に目的地に到着できないリスクの低減を図ることができる。また、この場合、無人航空機１が対象物２との接触を回避するために余分に移動する距離を低減しやすい。これにより、無人航空機１のバッテリー消費量のさらなる低減を図ることができる。
移動制御ステップＳ１３において、移動制御部５３は、例えば図１６（ｂ）に示すように、相対距離判定ステップＳ１２における、相対距離判定部５２による、相対距離Ｌbが予防相対距離Ｓ以下である判定結果に応じて、無人航空機１の、移動方向ｐ0を含む移動速度ｖ0を、前後方向Ｘを基準として、移動方向ｐ0を、予め設定された角度θだけずらした移動方向ｐ’aを含む変更速度ｖ’aとなるように、無人航空機１の移動を制御する。このとき、移動方向ｐ’aは、例えば図１６（ｃ）に示すように、高さ方向Ｚに直交する平面方向においては、移動方向ｐ0を無人航空機１の正面方向として、左方向に角度θだけずらす場合と、右方向に角度θだけずらす場合と、の２通りであるが、これらのうち、より大きな相対距離Ｌcを確保できる方向が選択される（図１６（ｃ）は左方向が選択された例）。この場合、無人航空機１の移動方向の変化をより抑えやすく、無人航空機１が対象物２との接触を回避するために余分に移動する距離を低減しやすい。ここで、角度θは、定数でもよく、情報取得部５１が取得する情報に含まれる無人航空機１の移動速度に基づいて設定される変数でもよい。
また、高さ方向Ｚを含めて三次元的に移動方向ｐ’aを設定する場合、例えば位置１６ｂを始点とし、位置２６とを終点とするベクトルを基準として、左右方向Ｙ成分と、高さ方向Ｚ成分と、の符号を逆転させたベクトルを移動方向ｐ’aとすることで、無人航空機１の移動方向の変化をより抑えやすく、無人航空機１が対象物２との接触を回避するために余分に移動する距離を低減しやすい。
移動制御ステップＳ１３において、移動制御部５３は、例えば図１６（ｃ）に示すように、相対距離Ｌbが、予防相対距離Ｓよりも大きい相対距離、すなわち、予防相対距離Ｓ1と予防相対距離Ｓ2との和よりも大きい相対距離Ｌcとなるまで、変更速度ｖ’aを用いて無人航空機１の移動を制御する。この制御により、無人航空機１は、位置１６ｂから位置１６ｃへ移動する。ここで、図１６（ｃ）に示す相対距離Ｌcとは、無人航空機１と対象物２とが接触するリスクが十分考慮された相対距離である。相対距離Ｌcは、例えば予防相対距離Ｓ1と予防相対距離Ｓ2との和以上であればよい。
移動制御ステップＳ１３において、移動制御部５３は、例えば図１６（ｄ）に示すように、相対距離Ｌbが相対距離Ｌcとなる位置１６ｃに到達した後、無人航空機１を、移動方向ｐ0'を含む移動速度ｖ0'で制御する。この制御により、無人航空機１は、位置１６ｃから位置１６ｄを通過し、目的地へ向かう。
（第３実施形態：無人航空機の制御システム１００の動作の変形例）
図１７を参照して、本実施形態における無人航空機の制御システム１００の動作の変形例を説明する。図１７（ａ）～図１７（ｂ）は、本実施形態における無人航空機の制御方法の変形例を示す模式図である。
無人航空機の制御システム１００の動作は、例えば図９で示した、第２実施形態における無人航空機の制御システム１００の動作の変形例と同様に、移動制御ステップＳ１３の開始後から完了前の間において、情報取得ステップＳ１１’、相対距離判定ステップＳ１２’、及び移動制御ステップＳ１３’を実行する。
＜情報取得ステップＳ１１’＞
情報取得ステップＳ１１において、情報取得部５１は、例えば図１７（ａ）に示すように、変更速度ｖ’aが用いられて無人航空機１の移動を制御された状態で、対象物２の情報を取得する。情報取得ステップＳ１１’において、情報取得部５１は、無人航空機１の情報Ｄ１と、対象物２の情報Ｄ２と、を時系列的に順次取得する。
＜相対距離判定ステップＳ１２’＞
相対距離判定ステップＳ１２’において、相対距離判定部５２は、相対距離判定ステップＳ１１’において情報取得部５１で取得された第１位置情報Ｄ１１と第２位置情報Ｄ２１とから得られる相対距離Ｌが、予め設定された下限相対距離Ｒ以下であることを順次判定する。
相対距離判定ステップＳ１２’において、相対距離判定部５２は、例えば図１７（ａ）に示すように、無人航空機１が位置１６ｂから位置１６ｃに移動した時点で、無人航空機１と対象物２との相対距離Ｌcが、無人航空機１の下限相対距離Ｒ1と対象物２の下限相対距離Ｒ2との和以下となった場合、相対距離Ｌ（相対距離Ｌc）が下限相対距離Ｒ以下であると判定する。すなわち、相対距離Ｌcが、無人航空機１と対象物２とが接触するリスクが十分考慮されていない相対距離であることを示している。この場合、無人航空機の制御システム１００の動作は、移動制御ステップＳ１３における処理を中断し、後述の移動制御ステップＳ１３’に移行する。
＜移動制御ステップＳ１３’＞
移動制御ステップＳ１３’において、移動制御部５３は、相対距離判定部５２による、相対距離Ｌが下限相対距離Ｒ以下である判定結果に応じて、情報取得ステップＳ１１’において情報取得部５１で取得された第１移動速度情報Ｄ１１と、第１移動方向情報Ｄ１２と、移動速度情報Ｄ２２と、移動方向情報Ｄ２３と、に基づいて、無人航空機１の移動をさらに制御する。
移動制御ステップＳ１３’において、移動制御部５３は、例えば図１７（ｂ）に示すように、相対距離判定ステップＳ１２’における、相対距離判定部５２による、相対距離Ｌcが、下限相対距離Ｒ以下である判定結果に応じて、無人航空機１の、移動方向ｐ’aを含む移動速度ｖ’aを、移動方向ｐ’aとは異なる移動方向ｐ’bを含む変更速度ｖ’bとなるように、無人航空機１の移動を制御する。
本実施形態によれば、相対距離判定部５２は、無人航空機１と対象物２との相対距離Ｌが、下限相対距離Ｒよりも大きい予防相対距離Ｓ以下であることを順次判定し、移動制御部５３は、相対距離判定部５２による、相対距離Ｌが予防相対距離Ｓ以下である判定結果に応じて、無人航空機１の移動を制御する。すなわち、相対距離Ｌが下限相対距離Ｒ以下となる前に、無人航空機１の移動が制御される。このため、下限相対距離Ｒ以下である判定結果に応じた移動の制御よりも、無人航空機１の移動方向の変化を抑えやすい。これにより、無人航空機１が所定時間内に目的地に到着できないリスクの低減を図ることができる。また、無人航空機１が対象物２との接触を回避するために余分に移動する距離を低減しやすい。これにより、無人航空機１のバッテリー消費量のさらなる低減を図ることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
また、上述した「部（section、module、unit）」は、「手段」などに読み替えることができる。例えば、情報取得部は、情報取得手段に読み替えることができる。
１００ 無人航空機の制御システム
１ 無人航空機
１１ ローター
１２ ローター用モーター
１３ アーム
１４ 制御ユニット
１４１ ＣＰＵ
１４２ ＲＯＭ
１４３ ＲＡＭ
１４４ 保存部
１４５ Ｉ／Ｆ
１４６ 内部バス
１５ バッテリー
１６ （無人航空機の）位置
１７ （無人航空機の）下限相対距離
１８ （無人航空機の）予防相対距離
２、２’ 対象物
２０ 他の無人航空機
２６ （対象物の）位置
２７ （対象物の）下限相対距離
２８ （対象物の）予防相対距離
３ サーバ
４ 無線通信網
５０ フライトコントローラ
５１ 情報取得部
５２ 相対距離判定部
５３ 移動制御部
５４ 無線通信部
５５ ＥＳＣ
Ｌ 相対距離
Ｒ 下限相対距離
Ｓ 予防相対距離
Ｓ１１ 情報取得ステップ
Ｓ１２ 相対距離判定ステップ
Ｓ１３ 移動制御ステップ
Ｄ１ 無人航空機の情報
Ｄ１１ 第１位置情報
Ｄ１２ 第１移動速度情報
Ｄ１３ 第１移動方向情報
Ｄ１３ 第１優先度情報
Ｄ２ 対象物の情報
Ｄ２１ 第２位置情報
Ｄ２２ 第２移動速度情報
Ｄ２３ 第２移動方向情報
Ｄ２４ 第２優先度情報
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、無人航空機と他の無人航空機との接触リスクを考慮しつつＣＰＵへの負荷を低減することで、バッテリー消費量の低減が図られた無人航空機の制御システム、及び無人航空機の制御プログラムを提供することにある。
第１発明に係る無人航空機の制御システムによれば、無人航空機の移動を制御するための無人航空機の制御システムにおいて、前記無人航空機の位置を示す第１位置情報と、前記無人航空機の移動速度を示す第１移動速度情報と、前記無人航空機の移動方向を示す第１移動方向情報と、前記無人航空機とは異なる他の無人航空機から発信される、前記他の無人航空機の位置を示す第２位置情報と、前記他の無人航空機から発信される、前記他の無人航空機の移動速度を示す第２移動速度情報と、前記他の無人航空機から発信される、前記他の無人航空機の移動方向を示す第２移動方向情報と、前記無人航空機の移動を、前記他の無人航空機の移動に優先させるかどうかを相対的に示す第１優先度情報と、前記他の無人航空機から発信され、前記他の無人航空機の移動を、前記他の無人航空機以外の無人航空機の移動に優先させるかどうかを相対的に示す第２優先度情報と、を時系列的に順次取得する情報取得手段と、前記情報取得手段で取得された前記第１位置情報と前記第２位置情報とから得られる相対距離が、予め設定された下限相対距離以下であることを順次判定する相対距離判定手段と、前記相対距離判定手段による、前記相対距離が前記下限相対距離以下である判定結果に応じて、前記情報取得手段で取得された前記第１移動速度情報と、前記第１移動方向情報と、前記第２移動速度情報と、前記第２移動方向情報と、前記第１優先度情報と、前記第２優先度情報と、に基づいて算出される変更速度を用いて、前記無人航空機の移動を制御する移動制御手段と、を備えることを特徴とする。
第３発明における無人航空機の制御システムによれば、第１発明又は第２発明において、前記相対距離判定手段は、前記情報取得手段で取得された、前記第１位置情報と前記第２位置情報とから得られる相対距離が、前記下限相対距離よりも大きい予め設定された予防相対距離以下であることを順次判定し、前記移動制御手段は、前記相対距離判定手段による、前記相対距離が前記予防相対距離以下である判定結果に応じて、前記情報取得手段で取得された前記第１位置情報と前記第２位置情報と、に基づいて、前記無人航空機の移動を制御することを特徴とする。
第４発明における無人航空機の制御プログラムによれば、無人航空機の移動を制御するための無人航空機の制御プログラムにおいて、前記無人航空機の位置を示す第１位置情報と、前記無人航空機の移動速度を示す第１移動速度情報と、前記無人航空機の移動方向を示す第１移動方向情報と、前記無人航空機とは異なる他の無人航空機から発信される、前記他の無人航空機の位置を示す第２位置情報と、前記他の無人航空機から発信される、前記他の無人航空機の移動速度を示す第２移動速度情報と、前記他の無人航空機から発信される、前記他の無人航空機の移動方向を示す第２移動方向情報と、前記無人航空機の移動を、前記他の無人航空機の移動に優先させるかどうかを相対的に示す第１優先度情報と、前記他の無人航空機から発信され、前記他の無人航空機の移動を、前記他の無人航空機以外の無人航空機の移動に優先させるかどうかを相対的に示す第２優先度情報と、を時系列的に順次取得する情報取得ステップと、前記情報取得ステップで取得された前記第１位置情報と前記第２位置情報とから得られる相対距離が、予め設定された下限相対距離以下であることを順次判定する相対距離判定ステップと、前記相対距離判定ステップによる、前記相対距離が前記下限相対距離以下である判定結果に応じて、前記情報取得ステップで取得された前記第１移動速度情報と、前記第１移動方向情報と、前記第２移動速度情報と、前記第２移動方向情報と、前記第１優先度情報と、前記第２優先度情報と、に基づいて算出される変更速度を用いて、前記無人航空機の移動を制御する移動制御ステップと、をコンピュータに実行させることを特徴とする。
第１発明～第３発明によれば、無人航空機と他の無人航空機との相対距離が下限相対距離以下であることを順次判定する相対距離判定手段と、相対距離判定手段による、相対距離が下限相対距離以下である判定結果に応じて、無人航空機の移動を制御する移動制御手段と、を備える。このため、相対距離の判定を行わずに常に移動制御のための計算を行う必要のある従来技術に比べて、無人航空機において移動の制御に必要な計算を行わない時間を確保することができる。これにより、無人航空機と他の無人航空機との接触リスクを考慮しつつ、無人航空機のＣＰＵへの負荷を低減することで、無人航空機のバッテリー消費量の低減を図ることができる。
また、第１発明～第３発明によれば、情報取得手段は、他の無人航空機から発信される、第２位置情報と、第２移動速度情報と、第２移動方向情報と、を時系列的に順次取得する。このため、他の無人航空機が無人航空機の制御システムに制御されない未知の無人航空機であっても、無人航空機の移動を制御することができる。これにより、無人航空機の接触リスクの低減を図ることができる。
また、第１発明～第３発明によれば、情報取得手段は、第１優先度情報と、他の無人航空機から発信される第２優先度情報と、を時系列的に順次取得し、移動制御手段は、情報取得手段で取得された情報に基づいて算出される変更速度を用いて、無人航空機の移動を制御する。このため、緊急性の高い無人航空機や、到着が予定より遅れる見込みの無人航空機を、他の無人航空機に優先させやすい。これにより、無人航空機が所定時間内に目的地に到着できないリスクの低減を図ることができる。
特に、第３発明によれば、相対距離判定手段は、無人航空機と他の無人航空機の相対距離が、下限相対距離よりも大きい予防相対距離以下であることを順次判定し、移動制御手段は、相対距離判定手段による、相対距離が予防相対距離以下である判定結果に応じて、無人航空機の移動を制御する。すなわち、相対距離が下限相対距離以下となる前に、無人航空機の移動が制御される。このため、下限相対距離以下である判定結果に応じた移動の制御よりも、無人航空機の移動方向の変化を抑えやすい。これにより、無人航空機が所定時間内に目的地に到着できないリスクの低減を図ることができる。また、第３発明によれば、無人航空機が他の無人航空機との接触を回避するために余分に移動する距離を低減しやすい。これにより、無人航空機のバッテリー消費量のさらなる低減を図ることができる。
第４発明によれば、無人航空機と他の無人航空機との相対距離が下限相対距離以下であることを順次判定する相対距離判定ステップと、相対距離判定ステップによる、相対距離が下限相対距離以下である判定結果に応じて、無人航空機の移動を制御する移動制御ステップと、をコンピュータに実行させる。このため、相対距離の判定を行わずに常に移動制御のための計算を行う必要のある従来技術に比べて、無人航空機において移動の制御に必要な計算を行わない時間を確保することができる。これにより、無人航空機と他の無人航空機との接触リスクを考慮しつつ、無人航空機のＣＰＵへの負荷を低減することで、無人航空機のバッテリー消費量の低減が図られた制御システムを提供することができる。

Claims (6)

  1. 無人航空機の移動を制御するための無人航空機の制御システムにおいて、
    前記無人航空機の位置を示す第１位置情報と、前記無人航空機の移動速度を示す第１移動速度情報と、前記無人航空機の移動方向を示す第１移動方向情報と、前記無人航空機とは異なる対象物の位置を示す第２位置情報と、前記対象物の移動速度を示す第２移動速度情報と、前記対象物の移動方向を示す第２移動方向情報と、を時系列的に順次取得する情報取得手段と、
    前記情報取得手段で取得された前記第１位置情報と前記第２位置情報とから得られる相対距離が、予め設定された下限相対距離以下であることを順次判定する相対距離判定手段と、
    前記相対距離判定手段による、前記相対距離が前記下限相対距離以下である判定結果に応じて、前記情報取得手段で取得された前記第１移動速度情報と、前記第１移動方向情報と、前記第２移動速度情報と、前記第２移動方向情報と、に基づいて、前記無人航空機の移動を制御する移動制御手段と、を備えること
    を特徴とする無人航空機の制御システム。
  2. 前記下限相対距離は、予め設定された、少なくとも前記情報取得手段で取得された前記第１移動速度情報に基づく算出方法により算出される変数であること
    を特徴とする請求項１に記載の無人航空機の制御システム。
  3. 前記対象物は、他の無人航空機であり、
    前記情報取得手段は、前記他の無人航空機から発信される、前記第２位置情報と、前記第２移動速度情報と、前記第２移動方向情報と、を時系列的に順次取得すること
    を特徴とする請求項１又は２に記載の無人航空機の制御システム。
  4. 前記情報取得手段は、
    前記無人航空機の移動を、前記他の無人航空機の移動に優先させるかどうかを相対的に示す第１優先度情報と、
    前記他の無人航空機から発信され、前記他の無人航空機の移動を、前記他の無人航空機以外の無人航空機の移動に優先させるかどうかを相対的に示す第２優先度情報と、
    をさらに時系列的に順次取得し、
    前記移動制御手段は、前記情報取得手段で取得された情報に基づいて算出される変更速度を用いて、前記無人航空機の移動を制御すること
    を特徴とする請求項３に記載の無人航空機の制御システム。
  5. 前記相対距離判定手段は、前記情報取得手段で取得された、前記第１位置情報と前記第２位置情報とから得られる相対距離が、前記下限相対距離よりも大きい予め設定された予防相対距離以下であることを順次判定し、
    前記移動制御手段は、前記相対距離判定手段による、前記相対距離が前記予防相対距離以下である判定結果に応じて、前記情報取得手段で取得された前記第１位置情報と前記第２位置情報と、に基づいて、前記無人航空機の移動を制御すること
    を特徴とする請求項１又は２に記載の無人航空機の制御システム。
  6. 無人航空機の移動を制御するための無人航空機の制御プログラムにおいて、
    前記無人航空機の位置を示す第１位置情報と、前記無人航空機の移動速度を示す第１移動速度情報と、前記無人航空機の移動方向を示す第１移動方向情報と、前記無人航空機とは異なる対象物の位置を示す第２位置情報と、前記対象物の移動速度を示す第２移動速度情報と、前記対象物の移動方向を示す第２移動方向情報と、を時系列的に順次取得する情報取得ステップと、
    前記情報取得ステップで取得された前記第１位置情報と前記第２位置情報とから得られる相対距離が、予め設定された下限相対距離以下であることを順次判定する相対距離判定ステップと、
    前記相対距離判定ステップによる、前記相対距離が前記下限相対距離以下である判定結果に応じて、前記情報取得ステップで取得された前記第１移動速度情報と、前記第１移動方向情報と、前記第２移動速度情報と、前記第２移動方向情報と、に基づいて、前記無人航空機の移動を制御する移動制御ステップと、をコンピュータに実行させること
    を特徴とする無人航空機の制御プログラム。
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