JP4532318B2 - 無人ヘリコプタ - Google Patents

Description

本発明は、ムービーカメラやスチールカメラを搭載して、上空からの様子を撮影するヘリコプタに関し、特にこれらカメラの撮影方向の制御に関する。

ヘリコプタにムービーカメラやスチールカメラを搭載して、上空からの様子を撮影することが行われている。特に近年ではラジコン等により地上からの遠隔操作や、予めプログラムされた経路を飛行（プログラムフライト）する無人ヘリコプタ（例えば特許文献１）にこれらカメラを搭載して、有人ヘリコプタが近づけない場所の航空写真撮影などが行われている。

このとき、ヘリコプタによる航空撮影や監視撮影の主な目的としては、次のような事が挙げられる。
（１）物体の探索。
（２）物体の判別。
（３）機体周辺状況の伝達。
なお、ここでいう物体とは、人や動植物などの生物、車輌や建物などの構造物、地形や自然状態等などである。

このように従来の無人ヘリコプタによる航空撮影や監視撮影では、前述の（１）〜（３）を主な目的としているために、地上からの遠隔操作等によりカメラを操作しない限り、カメラを撮影目標に設定するとその角度は撮影目標の方向に（地球座標に基づく絶対位置方向）保持されるのが通常であった（ノーマルモードに相当）。

しかしながら、このように機体の向きに関係なくカメラが常に撮影目標の方向に保持されるだけでは、無人ヘリコプタが前述のプログラムに沿って撮影地点に向かって飛行（プログラムフライト）しているときに、モニタ画面上で機体の進行方向や機体の動きに追従した画像（例えば、機体の前進に伴い撮影物が後方に流れていく画像）を得ることができず、飛行状態が認識しにくかった。

また、このような無人ヘリコプタを利用した航空撮影や監視撮影が行なわれる場所は、その性格上、自然条件やロケーション的に厳しいところが多いため、無人ヘリコプタと地上に設けた基地局との間でのデータ通信の通信状態が良好に保てなくなることが起こりえる。このように通信常態が悪くなると、無人ヘリコプタから送信されてくる画像データ等は、ノイズが入りつつも確認することが可能であるが、地上局から無人ヘリコプタへの送信データ（カメラ等の操作信号）が届かなくなる場合や、送信データが良好に伝わらなくなる場合があり、カメラを意図通りに操作することができなくなってしまう。

こうして、地上からのデータ送信が不良になったり途絶えたりした場合には、カメラの方向を制御することが不可能なために、データ送信が途絶える直前の状態にカメラの方向が固定されてしまうという問題があった。
なお、無人ヘリコプタはこのように地上局からの送信データの受信状態が悪くなると、自動的に地上局（もしくは予め決められた安全な着陸地点等）に向かって正面を向いて自動的に帰還するように自動帰還プログラムが搭載されている。

特開２００２−１６６８９３号公報

本発明は、上記従来技術を考慮したものであって、撮影目標に向けての移動中に機体の進行方向や機体の動きに追従した画像得ることができ、さらに、データ通信が途絶えた場合でも、機体の状況や周囲の状況を把握することのできる無人ヘリコプタを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１の発明は、機体の下部に搭載したカメラを地上から遠隔操作し、上空から撮影を行なう無人ヘリコプタにおいて、前記カメラをパン（水平）方向およびチルト（垂直）方向に駆動するモータと、これらモータを制御する制御部とを備えるとともに、前記制御部は、地上からの操作信号が届くときに地上からの操作により変更可能なノーマルモード、ニュートラルモードおよびパン追随モードと、地上からの操作信号が届かなくなったときの緊急モードとからなる４つのモードを備え、前記ノーマルモードにおいては、パン（水平）方向およびチルト（垂直）方向が共に地上からの遠隔操作により任意に設定された撮影目標に保持され、前記ニュートラルモードにおいては、パン（水平）方向が機首方向に保持され、チルト（垂直）方向は斜め下方の所定角度に保持され、前記パン追随モードにおいては、パン（水平）方向が機首方向に対して任意の一定角度に保持され、チルト（垂直）方向は遠隔操作により任意に操作可能であり、前記緊急モードにおいては、パン（水平）方向が機首方向に保持され、チルト（垂直）方向は斜め下方の所定角度に保持されることを特徴としている。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記制御部は、前記ノーマルモード、ニュートラルモード、パン追随モードの3モードの場合、前記カメラのズームを地上からの遠隔操作で任意に変更可能としたことを特徴としている。

さらに、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記制御部は、前記緊急モードではズームを広角（ワイド）側に保持することを特徴としている。

また、請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの発明において、前記制御部は、機体のヨー方向およびピッチング方向の揺れを検出するジャイロセンサと、各ジャイロセンサの検出結果に基づいて前記モータを制御して前記カメラ の姿勢を調整する振動キャンセル機構を備えたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、無人ヘリコプタの制御部は、地上からの操作信号が届くときに地上からの操作により変更可能なノーマルモード、ニュートラルモードおよびパン追随モードと、地上からの操作信号が届かなくなったときの緊急モードとからなる４つのモードを備え、前記ノーマルモードにおいては、パン（水平）方向およびチルト（垂直）方向が共に地上からの遠隔操作により任意に設定された撮影目標に保持され、前記ニュートラルモードにおいては、パン（水平）方向が機首方向に保持され、チルト（垂直）方向は斜め下方の所定角度に保持され、前記パン追随モードにおいては、パン（水平）方向が機首方向に対して任意の一定角度に保持され、チルト（垂直）方向は遠隔操作により任意に操作可能であり、前記緊急モードにおいては、パン（水平）方向が機首方向に保持され、チルト（垂直）方向は斜め下方の所定角度に保持されるため、ノーマルモードによって撮影目標を的確に撮影できるとともに、パン追随モードでは、進行方向の障害物などを確認可能であると共に、機体が動いていることが地上から画面を介して確認することができ、ニュートラルモードでは、予めプログラムされた経路を飛行するプログラムフライトにより目標に向かっている移動中に機体の動きに追従した動きを画面上で確認することができ、さらに、地上からの操作信号が届かなくなったときには緊急モードに移行することで無人ヘリコプタの自動帰還プログラムが作動したこと及び回帰中の進行方向等を確認することができる。

請求項２の発明によれば、請求項1の効果に加えて、前記制御部は、前記ノーマルモード、ニュートラルモード、パン追随モードの3モードの場合、前記カメラのズームを地上からの遠隔操作で任意に変更可能としているため、地上からズームを任意に変更して適切な情報を得ることができる。

請求項３の発明によれば、請求項1または請求項２の効果に加えて、前記制御部は、前記緊急モードではズームを広角（ワイド）側に保持するため、直前のモードにおけるズームの状態によらず、広角側とすることでより多くの情報を撮影して地上に送信することができ、地上側で確認することができる。

請求項４の発明によれば、請求項１〜３の効果に加えて、前記制御部は、機体のヨー方向（パン回転方向）およびピッチング方向（チルト回転方向）の揺れを検出するジャイロセンサと、各ジャイロセンサの検出結果に基づいてモータを制御して前記カメラ の姿勢を調整する振動キャンセル機構を備えているため、前述の各モード時における画像のブレを防止し、鮮明な画像を地上に送信することができる。

本発明が適用されるヘリコプタについて、以下、図面と共に詳細に説明する。
図１〜３はそれぞれ、本発明に係る無人ヘリコプタの側面図、上面図及び正面図である。
無人ヘリコプタ１はメインボディ2とテールボディ３からなる機体４を備える。メインボディ２の上部にメインロータ5が備わり、テールボディ３の後部にテールロータ６が備わる。メインボディ２の前部にラジエータ７が備わり、その後にエンジン、吸気系、メインロータ軸、燃料タンクの順にメインボディ２内に収容される。燃料タンクは、外部サブ燃料タンクを不要とすべく大容量のものが機体中央付近に収容される。機体４のほぼ中央部のメインボディ２の左右下部に支持脚８を介してスキッド９が備わる。スキッド９の前端部上方の機体下部には、機体内のエンジン（不図示）に接続された排気管６０に備わるマフラー６１が配設される。

メインボディ２の後部上側にコントロールパネル１０が備わり、下側に表示灯１１が備わる。コントロールパネル１０は、飛行前のチェックポイントやセルフチェック結果等を表示する。コントロールパネル１０の表示は地上局でも確認できる。表示灯１１は、GPS制御の状態や機体の異常警告等の表示を行なう。

メインボディ２の前部下側には、赤外線カメラ（もしくはＣＣＤカメラ）を収容したカメラ装置１２がカメラ雲台１３を介して取付けられる。カメラ装置１２は、カメラ雲台１３に対し、パン軸（垂直軸）廻りに回転するとともに、内部のカメラ（不図示）がチルト軸（水平軸）廻りに回転可能である。これにより、カメラが前側の窓１４を通して上空から地上の全方位を撮影できる。

メインボディ２の左側に自律制御ボックス１５が搭載される。自律制御ボックス１５内には、自律制御に必要なＧＰＳ制御装置、地上と通信するデータ通信機や画像通信機、及び制御プログラムを組み込んだ制御基板などが収容される。自律制御は、機体の位置や速度などの飛行データ、機体の姿勢や方位などの機体データ、エンジン回転数やスロットル開度などの運転状態データ等に基づいて、予め定められた運転モードや制御プログラムを自動的に、あるいは地上局からの命令によって選択し、運転状態に応じて最適な操縦制御を行なう。

この無人ヘリコプタ１は、このような自律制御で飛行できると共に、飛行状態を目で確認しながら、この飛行状態や機体から送信された各種運転状態データに基づいて、リモコン操縦機によりマニュアル操作が可能である。

メインボディ２の下面側にアンテナ支持枠１６が取付けられる。このアンテナ支持枠１６に、傾斜したステー１７が取付けられる。このステー１７に前述の自律制御に必要な運転状態データや飛行指令データ等の操縦データ（デジタルデータ）を地上局との間で送受信するために操縦データアンテナ１８が取付けられる。ステー１７にはさらに、前述のカメラ装置１２で撮影した画像データ（アナログデータ）を地上局に送信するための画像データアンテナ１９が取付けられる。

テールボディ３下面側に地磁気等に基づく方位角センサ２０が備わる。方位角センサ２０により機体の向き（東西南北）が検出される。メインボディ２内にはさらに、ジャイロ装置からなる姿勢角センサ（不図示）が備わる。
テールボディ３の上面側にメインＧＰＳアンテナ２１およびサブＧＰＳアンテナ２２が備わる。テールボディ３の後端部に、リモコン操縦機からの指令信号を受信するリモコン受信アンテナ２３が備わる。

図４は本発明に係る無人ヘリコプタのブロック構成図である。
カメラ装置１２はカメラ雲台１３に搭載された赤外線カメラ（又はＣＣＤカメラ）２４を備える。カメラ雲台１３は、水平面内で回転可能な、すなわち、垂直軸（パン軸）廻りに回転可能なパン雲台１３Ａと、垂直面内で回転可能な、すなわち、水平軸（チルト軸）廻りに回転可能なチルト雲台１３Ｂとからなっており、各々にその傾きを検出するパンジャイロ２５Ａおよびチルトジャイロ２５Ｂが備わる。さらに、これらパンジャイロ２５Ａおよびチルトジャイロ２５Ｂのデータからローパスフィルタ２６Ａ，２６Ｂを介して高周波成分が除去された低周波成分のみを受信するカメラ制御部２７を備え、カメラ制御部２７の信号に基づいてパン雲台１３Ａおよびチルト雲台１３Ｂを駆動するパンモータ２８およびチルトモータ２９が備わる。

前記カメラ制御部２７は、後述するように、そのときの飛行状態や地上局からの操作により変更可能な、ノーマルモード、ニュートラルモード、パン追随モード、緊急モードの４つの撮影モードを備えている。
これらカメラ制御部２７とパンジャイロ２５Ａとチルトジャイロ２５Ｂとパンモータ２８およびチルトモータ２９によってカメラ２４の姿勢補正部が構成される。無人ヘリコプタ１のヨー方向（パン軸廻り）およびピッチング方向（チルト軸廻り）の揺れ（傾き）を検出すると傾いた方向と逆方向にモータを駆動して傾き（振動）をキャンセルする。

自律制御ボックス１５内には、前記姿勢補正部によって振動の低周波成分が除去されたカメラ２４からの映像データを受信して高周波成分を除去する画像制御装置３０と、画像データを地上局に送る画像通信機３１と、自律制御に必要なデータを地上局との間で送受信するためのデータ通信機３２と、自律制御部プログラムが格納されたマイコン等からなる制御基板３３と、メインＧＰＳアンテナ２１に接続されたメインＧＰＳ受信機３４と、サブＧＰＳアンテナ２２に接続されたサブＧＰＳ受信機３５が収納される。

機体４には、自律制御ボックス１５内の画像通信機３１およびデータ通信機３２からそれぞれ、アナログ画像データを地上局に送る画像データアンテナ１９およびデジタル送受データを地上局との間で送受信する操縦データアンテナ１８が前述のようにメインボディ２（図１）の下面側に備わる。方位角センサ２０は自律ボックス１５内の制御基板３３に接続される。機体４内には、ジャイロ装置等から成る姿勢角センサ３６が備わり、コントロールボックス３７に接続される。コントロールボックス３７は、自律制御ボックス１５内の制御基板３３とデータ通信して５台のサーボモータ３８を駆動する。３台のサーボモータ３８がメインロータ５を制御してエンジンコントロール用のサーボモータ３８と共に、機体４の前後、左右、上下方向の移動を制御し、テールロータ制御用のサーボモータ３８が機体４の回転を制御する。

図５は、地上局のブロック構成図である。
無人ヘリコプタ１と通信する地上局５８には、ＧＰＳ衛生からの信号を受信するＧＰＳアンテナ３９と無人ヘリコプタ１とデータ通信を行なうための通信アンテナ４０と無人ヘリコプタ１から画像データを受信するための画像受信アンテナ４１の３本のアンテナが地上に設置される。

地上局５８は、データ処理部４２と、監視操作部４３と、電源部４４とにより構成される。
データ処理部４２は、ＧＰＳ受信機４５と、データ通信機４６と、画像通信機４７と、これらの通信機４５，４６，４７に接続された通信基板４８とにより構成されている。

監視操作部４３は、手動用コントローラ（リモコン操縦機）４９と、カメラ装置１２の操作や機体４の操縦調整等を行なうベースコントローラ５０と、バックアップ電源５１と、ベースコントローラ５０に接続されたパソコン５２と、パソコン用のモニタ５３と、ベースコントローラ５０に接続され画像データを表示する画像モニタ５４とにより構成される。

電源部４４は、発電機５５と、バッテリブースタ５６を介して発電機５５に接続されたバックアップバッテリ５７とにより構成される。バックアップバッテリ５７は、飛行前のチェック時などの発電機５５が動作していないときに機体４側に接続して１２Ｖの電圧を供給する。飛行中は、発電機５７からデータ処理部４２および監視操作部４３に１００Ｖの電圧を供給する。

地上局５８の画像モニタ５４に写る画像データは、ＤＶレコーダ１６０を介して遠隔監視室５９に送信される。
遠隔監視室５９には、画像データを受信して変調する変調機１６１と、変調した画像データを複数のモニタ（図中では３台のモニタ）６２に分割して表示する分割機６３（図中では３分割機）を備え、受信した画像を遠隔監視室５９で見ることができる。

以下、カメラ装置１２の構成に関してより詳細に説明する。
図６〜図８は本発明に係る無人ヘリコプタのカメラ装置の概略図であり、図６は正面図、図７は側面図である。図８はカメラ装置の一部破断側面図である。

本発明に係る無人ヘリコプタのカメラ装置１２は、カメラ雲台１３とこれに取付けられる赤外線カメラ１０３（図８）及びカメラカバー１０４で構成される。赤外線カメラ１０３は不透明の樹脂製のカメラカバー１０４で覆われる。カメラカバー１０４は後述（図９、図１０）のように、赤外線カメラ１０３とともに雲台１３に対しパン軸（垂直軸）Ｐ廻りに回転可能である。カメラカバー１０４内の赤外線カメラ１０３はチルト軸（水平軸）Ｑ廻りに回転可能である。赤外線カメラ１０３がチルト軸Ｑ廻りに回転したときにその回転視野角をカバーして撮影を可能とするため、カメラカバー１０４の正面には開口部１２８（図８）が形成され、複数枚（図では３枚）の不透明な矩形の平板１０５からなる赤外線用窓材１０６により窓１４が形成される。窓１４は、後述のように窓材１０６を窓枠１０８に組込んで形成される。この窓材１０６は、赤外線カメラ１０３がチルト軸廻りに回転したときにカメラレンズ１０７の前方に位置するように３枚の矩形の平板１０５をカメラカバー１０４の湾曲部分に沿うように隣合う平板１０５接合部分において屈曲して形成される。すなわち、隣接して接合される平板１０５の接合辺がチルト軸Ｑと平行で複数の平板でチルト軸Ｑを囲むように、平板同士が屈曲してチルト軸周りに並べて配置される。このような構成とすることにより、赤外線カメラ１０３に用いる赤外線用窓材として曲げ加工等が困難で曲面で構成するためには大きな素材から削り出すしかないゲルマニウムやＺｎＳ等の無機物又は無機化合物を用いる場合においても、カメラカバー１０４の湾曲部分に沿って赤外線カメラ１０３の回転視野角をカバーすることができ、構造が簡単となって製造が容易となる。

３枚の平板１０５からなる窓材１０６は金属製の窓枠１０８に取付けられる。窓枠１０８は支持材１０９及び縁材１１０からなる。３枚の平板１０５を支持材１０９の屈曲した搭載面１０９ａと同じく屈曲した縁材１１０間に挟みネジ１１１ａで固定する。このとき支持材１０９の搭載面１０９ａと縁材１１０の間及び隣接する平板１０５間の接合辺部分にシール材（不図示）を塗布しておく。縁材１１０は３枚の平板１０５の外周部を覆うとともに、平板間の接合辺部分を覆う。このように、支持材１０９と縁材１１０で平板１０５を挟持して一体ユニット化した窓１４は、支持材１０９の湾曲した取付面１０９ｂを介してネジ１１１ｂでカメラカバー１０４に固定される。なお、平板１０５の屈曲した接合部分はカメラレンズ１０７に非常に近い位置でかつ幅が狭くほとんど線状であるため縁材で覆われても撮影の妨げになることはない。

図９及び図１０はそれぞれ、カメラカバー内のカメラの支持構造を示す正面図及び側面図である。
カメラ雲台１３はエンジン振動等を吸収するためのスプリング１２０を介して機体ブラケット１１２に取付けられる。カメラ雲台１３の下側にこれと一体的に中央シャフト１１３が固定される。すなわち、中央シャフト１１３は雲台１３とともに固定された状態（回転しない状態）で機体の下側に取付けられる。この中央シャフトの外周側にベアリング１２１を介して円板状の回転板１１４の中央円筒部１２４が取付けられる。中央円筒部１２４は回転板１１４と一体的である。回転板１１４の外周縁は雲台１３の側壁１３ａに対しラビリンスシール構造１２２を介して防塵した状態で回転可能に装着される。中央シャフト１１３の軸心がパン軸Ｐである。したがって、回転板１１４はパン軸Ｐ廻りに回転する。この回転板１１４に後述するチルトアーム１１６が固定される。このチルトアーム１１６にパン駆動モータ１１５が取付けられる。

パン駆動モータ１１５の回転は、プーリ１２９、ベルト１３０を介して中央シャフト１１３の外周に一体形成されたプーリ１３１に伝達される。したがって、パン駆動モータ１１５の回転により、その出力軸上のプーリ１２９が自転するとともに、ベルト１３０を介してこのプーリ１２９が中央シャフト１１３のプーリ１３１廻りに公転する。すなわち、パン駆動モータ１１５の回転により、回転板１１４がパン軸Ｐ廻りに回転する。回転板１１４の回転位置は、回転角センサ１３５により検出される。この例では、回転板１１４に固定された２本のチルトアーム１１６間に架渡された支持材１３４上に回転角センサ１３５が搭載される。中央シャフト１１３に円板１３６が固定され、静止している円板１３６の周縁を回転角センサ１３５が回転することにより、回転板１１４の回転位置が検出される。

回転板１１４に２本のチルトアーム１１６が固定されている。チルトアーム１１６の下端部に赤外線カメラ１０３を搭載したカメラ支持枠１２５がチルト軸Ｑ廻りに回転可能に取付けられる。カメラ支持枠１２５の上側にブラケット１２６を介してモータ駆動用の制御基板１２７が備わる。カメラ支持枠１２５にチルト駆動モータ１１８が取付けられる。チルト駆動モータ１１８の回転は、その出力軸上のプーリ１３２とベルト１１９を介して、チルトアーム１１６に回転不能に固定されたプーリ１３３に伝達される。これにより、カメラ支持枠１２５がチルト軸Ｑ廻りに回転動作する。
なお、上記回転板１１４は、図４のパン雲台１３Ａに相当する。また、カメラ支持枠１２５は、図４のチルト雲台１３Ｂに相当する。

以下、カメラ装置１２の動作について説明する。
（１）パン動作（ヨー方向）
カメラ制御部２７（図４）の指令により、パンモータ２８（図９の１１５）を駆動すると、その出力軸のプーリ１２９が回転し、ベルト１３０を介してプーリ１３１に回転駆動力が加わる。プーリ１３１は中央シャフト１１３と一体である。一方、前述のように回転板１１４はペアリング１２１を介して中央シャフト１１３の外側に回転可能に支持されている。すなわち、中央シャフト１１３は機体側に固定され回転しない。この中央シャフト１１３に対し回転板１１４が回転する。したがって、パンモータ１１５が駆動（自転）すると、プーリ１２９およびプーリ１３１によって回転駆動力が回転板１１４に伝達され、パンモータ１１５は回転板１１４とともに中央シャフト１１３廻りに公転し、カメラがヨー方向に（パン軸Ｐ廻りに）回転（パン動作）をする。

（２）チルト動作（ピッチング方向）
カメラ制御部２７（図４）の指令により、チルトモータ２９（図９の１１８）を駆動すると、プーリ１３２が回転し、ベルト１１９を介してプーリ１３３に回転駆動力が加わる。プーリ１３３はカメラ支持枠１２５に固定されている。カメラ支持枠１２５はベアリング等を介してチルトアーム１１６の下端部に回転可能に枢着されている。したがって、チルトモータ１１８が駆動（自転）すると、プーリ１３２およびプーリ１３３によって回転駆動力がカメラ支持枠１２５に伝達され、チルトモータ１１８は自転しながらプーリ１３３の軸心（チルト軸Ｑ）の廻りを公転し、これによりカメラ２４がピッチング方向に（チルト軸Ｑ廻りに）回転（チルト動作）をする。

このように、カメラ雲台１３には、パン軸（垂直軸）Ｐ廻りに回転する回転板１１４が取付けられ、この回転板１１４に対しカメラ１０３がチルト軸（水平軸）Ｑ廻りに回転可能である。これにより、カメラ１０３が前側の窓１４を通して上空から地上の全方位を撮影できる。
なお、ここでパン動作（ヨー方向）、チルト動作（ピッチング方向）、ロール動作（ローリング方向）を図１１に示す。図１１はこれら各種動作によるモニタ上の画面の動きを模式的に示したものである。図１１中、（ａ）はパン動作（ヨー方向）、（ｂ）はチルト動作（ピッチング方向）、(ｃ)はロール動作（ローリング方向）を示している。

以下、カメラ制御部２７が制御する4つのモードに関して図１２〜１５と共に詳述する。
（i）ノーマルモード（図１２）
パン（水平）方向およびチルト（垂直）方向が共に地上からの遠隔操作により指定された撮影目標に保持されると共に、ズーム角度は地上からの遠隔操作により任意に変更可能である。
これは、通常の無人ヘリコプタ１による航空撮影や監視撮影の際に用いられるモードである。図１２のように機体の進行方向が変化した場合でも、機体の向きに関係なく一定の方向（絶対角度もしくは位置：図中１２の符号αの方向）を撮影するのに適したモードである。

（ii）ニュートラルモード（図１３）
パン（水平）方向が機首方向に保持され、チルト（垂直）方向は斜め下方の所定角度（基本設定では斜め下方１０度）に保持されると共に、ズーム角度は地上からの遠隔操作により任意に変更可能である。
これは、無人ヘリコプタ１を航空撮影や監視撮影のための目的地まで飛行する際（移動中）に多く用いられるモードである。図１３のように機体の進行方向（図１３中の符号βの方向）が変化した場合、機体の向きに追従して進行方向前方を撮影するのに適したモードである。

（iii）パン追随モード（図１４）
パン（水平）方向が機首方向に対して所定角度θに保持されると共に、チルト（垂直）方向は及びズーム角度は地上からの遠隔操作により任意に操作可能である。設定角度θは任意に設定可能であるが、一旦設定されるとその角度に固定される。
これは、無人ヘリコプタ１を航空撮影や監視撮影のためのひとつの目的地から次の目的地まで飛行する際（移動中）等に多く用いられるモードである。図１４のように機体の進行方向が変化した場合でも、機首方向に対して所定角度θに保持された方向（図１４中の符号γの方向）を撮影するため、機体の向きに追従して進行方向前方近傍の障害物などを認識するために撮影するのに適したモードである。

（iv）緊急モード（図１５）
パン（水平）方向が機首方向に保持され、チルト（垂直）方向は斜め下方の所定角度に保持されると共に、ズーム角度は、広角（ワイド）側に保持する。
これは、無人ヘリコプタ１と地上局５８との通信状態が悪くなると、地上局（もしくは予め決められた安全な着陸地点等）に自動的に帰還する自動帰還プログラム動作中に用いられるモードである。図１５に示すように機体の進行方向（図１５中の符号βの方向）が変化した場合、機体の向きに追従して進行方向前方を撮影する。しかも、このときズーム角度が広角側に保持されるため、機体の向きに追従して機体周辺の障害物など周囲の状況を認識するために撮影するのに適したモードである。

特にこのような無人ヘリコプタ１を利用した航空撮影や監視撮影が行なわれる場所は、その性格上、自然条件やロケーション的に厳しいところが多いため、無人ヘリコプタと地上に設けた基地局との間でのデータ通信の通信状態が良好に保てなくなることが起こりえるが、この緊急モードを適用することにより、カメラ装置１２を操作することができない場合でも、ノイズが入りつつも画像によって機体の周囲の状況を確認することができる。

これらモード設定については、飛行開始の初期状態ではノーマルモードに設定される。ニュートラルモード及びパン追随モードは地上局５８のベースコントローラ５０に備わる手動スイッチの操作又は地上局ＰＣ５２の操作により切換えられる。使用頻度が多いニュートラルモードのみを押釦スイッチ等の手動スイッチとして、パン追随モードはＰＣ入力操作とし、押釦スイッチの押下げによりニュートラルモードとノーマルモードが交互に切換わるようにしてもよい。

また、緊急モードは、通信不良の検出により、自動的に切換えられる。緊急モード飛行中に通信状態が良好になると、緊急モード直前のモードに自動的に戻される。

図１６は、前記カメラ制御部のモード制御方法を示すフローチャートである。このフローチャートは無人ヘリコプタ１の飛行中は所定時間ごとに繰り返し行われる。各ステップの動作は以下の通りである。
ステップＳ１：無人ヘリコプタ１の飛行を開始すると、自動的にノーマルモードに設定され、ノーマルモードで飛行する。ノーマルモードでは、地上局５８の監視操作部４３に備えたベースコントローラ５０に接続された地上局ＰＣ５２からの指令によってカメラ装置１２のパンモータ２８やチルトモータ２９を作動させて任意の方向にカメラ２４を向けることが可能である。

ステップＳ２：無人ヘリコプタ１の自立制御ボックス１５に備えた制御基板３３は、無人ヘリコプタ１と地上局５８と間の通信状態が良好か否かを判別する。通信状態が良好であればステップＳ３に進み、通信状態が良好でなければステップＳ７に進む。前記制御基板３３は飛行状態に入るとスタンバイ状態となり、通信状態を常に監視する。

ステップＳ３：前記制御基板３３は、地上局ＰＣ５２又は手動スイッチによりノーマルモードから他のモード（ニュートラルモードまたはパン追随モード）への変更指令があったかどうかを判別する。地上局ＰＣ５２等からモード指令があった場合は、ステップＳ４に進み、モード指令がなかった場合はノーマルモードを保持し、スタートに戻ってノーマルモードで飛行を続ける。

ステップＳ４：前記制御基板３３は、カメラ装置１２のモードをノーマルモードからステップＳ３で地上局ＰＣ５２等より指令があったモード（ニュートラルモードまたはパン追随モード）に切換え、機体は指令されたモードで飛行する。

ステップＳ５：前記ステップＳ２と同様に無人ヘリコプタ１の通信状態が良好か否かを判別する。良好であればステップＳ６に進み、通信不良であればステップＳ９に進む。

ステップＳ６：前記制御基板３３は、ステップＳ４で切換えられたモード（ニュートラルモードまたはパン追随モード）の指令が解除されたか否かを判別する。指令が解除されたことを認識すると切換えられたモードを解除してノーマルモードに設定を戻し、スタートに戻ってノーマルモードで飛行する。指令モードが解除されなければ、そのモードの指令が解除されるまでそのモードで飛行する。

ステップＳ７：ステップＳ２で通信状態が良好でないと判別されると、前記制御基板３３はカメラ装置１２のモードを緊急モードに設定して緊急モードで飛行する。このとき、制御基板３３は同時にコントロールボックス３７に対して自動帰還プログラムを実行するように指令し、無人ヘリコプタ１は地上局に向かって正面を向いて自動的に帰還する。

ステップＳ８：緊急モードで帰還中に通信不良状態が回復したか否かを判別する。回復していれば、ステップＳ１に戻り、ノーマルモードに切換えてノーマルモードで飛行する。回復していなければ、緊急モードのまま帰還する。

ステップＳ９：ステップＳ５で通信状態が良好でないと判別されると、前記ステップＳ７と同様にカメラ装置１２のモードを緊急モードに設定して緊急モードで飛行する。

ステップＳ１０：前記ステップＳ８と同様に緊急モードで帰還中に通信不良状態が回復したか否かを判別する。回復していれば、ステップＳ４に戻り、直前に指令されたモードに切換えて指令されたモードで飛行する。回復していなければ、緊急モードのまま帰還する。

以上の実施形態によれば、無人ヘリコプタ１の制御部（制御基板３３）は、パン（水平）方向およびチルト（垂直）方向が共に地上局５８からの遠隔操作により任意に設定された撮影目標に保持されるノーマルモードに加えて、パン（水平）方向が機首方向に保持され、チルト（垂直）方向は斜め下方の所定角度に保持されるニュートラルモードと、パン（水平）方向が機首方向に対して所定角度に保持され、チルト（垂直）方向は遠隔操作により任意に操作可能なパン追随モードと、パン（水平）方向が機首方向に保持され、チルト（垂直）方向は斜め下方の所定角度に保持される緊急モードの４つのモードを備えているため、ノーマルモードによって撮影目標を的確に撮影できるとともに、パン追随モードでは、進行方向の障害物などを確認可能であると共に、機体が動いていることが地上局５８から画面（モニタ５３，６２）を介して確認することができ、ニュートラルモードでは、予めプログラムされた経路を飛行するプログラムフライトにより目標に向かっている移動中に機体４の動きに追従した動きを画面（モニタ５３，６２）上で確認することができ、さらに、地上局５８からの操作信号が届かなくなったときには緊急モードに移行することで無人ヘリコプタ４の自動帰還プログラムが作動したこと及び回帰中の進行方向等を確認することができる。

また、前記制御部（制御基板３３）は、前記ノーマルモード、ニュートラルモード、パン追随モードの3モードの場合、前記カメラ装置１２のズームを地上局５８からの遠隔操作で任意に変更可能としているため、適切な情報を得ることができる。

さらに、前記制御部（制御基板３３）は、前記緊急モードではズームを広角（ワイド）側に保持するため、直前のモードにおけるズームの状態によらず、広角側とすることでより多くの情報を撮影して地上に送信することができ、地上局５８のモニタ５３，６２で確認することができる。

しかも、前記制御部（カメラ制御部２７）は、機体４のヨー方向およびピッチング方向の揺れを検出するジャイロセンサ２５Ａ，２５Ｂと、これら各ジャイロセンサ２５Ａ，２５Ｂの検出結果に基づいてモータ２８，２９を制御して前記カメラ装置１２ の姿勢を調整する振動キャンセル機構を備えているため、前述の各モード時における画像のブレを防止し、鮮明な画像を地上局５８に送信することができる。

本発明を適用したヘリコプタは、航空写真撮影用の無人ヘリコプタに適用できるほか、有人の小型航空機にも利用できる。

本発明に係る無人ヘリコプタの側面図である。 図１の無人ヘリコプタの上面図である。 図１の無人ヘリコプタの正面図である。 本発明に係る無人ヘリコプタのブロック構成図である。 地上局のブロック構成図である。 本発明に係るカメラ装置の正面外観図である。 本発明に係るカメラ装置の側面外観図である。 図７のカメラ装置の内部構造を示す一部破断側面図である。 本発明に係るカメラ支持構造を示す正面図である。 本発明に係るカメラ支持構造を示す側面図である。 カメラのモニタ画面上での各種動作を模した説明図である。 ノーマルモードを示す上面図（ａ）及び動作説明表（ｂ）である。 ニュートラルモードを示す上面図（ａ）、側面図（ｂ）及び動作説明表（ｃ）である。 パン追随モードを示す上面図（ａ）及び動作説明表（ｂ）である。 緊急モードを示す上面図（ａ）、側面図（ｂ）及び動作説明表（ｃ）である。 カメラ制御部のモード制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１：無人ヘリコプタ、２：メインボディ、３：テールボディ、４：機体、５：メインロータ、６：テールロータ、７：ラジエータ、８：支持脚、９：スキッド、１０：コントロールパネル、１１：表示灯、１２：カメラ装置、１３：雲台、１３Ａ：パン雲台、１３Ｂ：チルト雲台、１４：窓、１５：自律制御ボックス、１６：アンテナ支持枠、１７：ステー、１８：操縦データアンテナ、１９：画像データアンテナ、２０：方位角センサ、２１：メインＧＰＳアンテナ、２２：サブＧＰＳアンテナ、２３：リモコン受信アンテナ、２４：カメラ、２５：ジャイロセンサ、２５Ａ：パンジャイロ、２５Ｂ：チルトジャイロ、２６Ａ，２６Ｂ：ローパスフィルタ、２７：カメラ制御部、２８：パンモータ、２９：チルトモータ、３０：画像制御装置、３１：画像通信機、３２：データ通信機、３３：制御基板、３４：メインＧＰＳ受信機、３５：サブＧＰＳ受信機、３６：姿勢角センサ、３７：コントロールボックス、３８：サーボモータ、３９：ＧＰＳアンテナ、４０：通信アンテナ、４１：画像受信アンテナ、４２：データ処理部、４３：監視操作部、４４：電源部、４５：ＧＰＳ受信機、４６：データ通信機、４７：画像通信機、４８：通信基板、４９：手動用コントローラ（リモコン操縦機）、５０：ベースコントローラ、５１：バックアップ電源、５２：パソコン、５３：モニタ、５４：画像モニタ、５５：発電機、５６：バッテリブースタ、５７：バックアップバッテリ、５８：地上局、５９：遠隔監視室、６０：排気管、６１：マフラー、６２：モニタ、６３：分割機（３分割機）、１０３：赤外線カメラ、１０４：カメラカバー、１０５：平板、１０６：窓材、１０７：カメラレンズ、１０８：窓枠、１０９：支持材、１０９ａ：搭載面、１０９ｂ：取付面、１１０：縁材、１１１ａ，１１１ｂ：ネジ、１１２：ブラケット、１１３：中央シャフト、１１４：回転板、１１５：パン駆動モータ、１１６：チルトアーム、１１８：チルト駆動モータ、１１９：ベルト、１２０：スプリング、１２１：ベアリング、１２２：ラビリンスシール構造、１２４：中央円筒部、１２５：カメラ支持枠、１２６：ブラケット、１２７：制御基板、１２８：開口部、１２９：プーリ、１３０：ベルト、１３１：プーリ、１３２：プーリ、１３３：プーリ、１３４：支持材、１３５：回転角センサ、１３６：円板、１６０：ＤＶレコーダ、１６１：変調機、Ｐ：パン軸、Ｑ：チルト軸。

Claims (4)

1. 機体の下部に搭載したカメラを地上から遠隔操作し、上空から撮影を行なう無人ヘリコプタにおいて、
   前記カメラをパン（水平）方向およびチルト（垂直）方向に駆動するモータと、これらモータを制御する制御部とを備えるとともに、
   前記制御部は、地上からの操作信号が届くときに地上からの操作により変更可能なノーマルモード、ニュートラルモードおよびパン追随モードと、地上からの操作信号が届かなくなったときの緊急モードとからなる４つのモードを備え、
   前記ノーマルモードにおいては、パン（水平）方向およびチルト（垂直）方向が共に地上からの遠隔操作により任意に設定された撮影目標に保持され、
   前記ニュートラルモードにおいては、パン（水平）方向が機首方向に保持され、チルト（垂直）方向は斜め下方の所定角度に保持され、
   前記パン追随モードにおいては、パン（水平）方向が機首方向に対して任意の一定角度に保持され、チルト（垂直）方向は遠隔操作により任意に操作可能であり、
   前記緊急モードにおいては、パン（水平）方向が機首方向に保持され、チルト（垂直）方向は斜め下方の所定角度に保持されることを特徴とする無人ヘリコプタ。
2. 前記制御部は、前記ノーマルモード、ニュートラルモード、パン追随モードの3モードの場合、前記カメラのズームを地上からの遠隔操作で任意に変更可能としたことを特徴とする請求項1に記載の無人ヘリコプタ。
3. 前記制御部は、前記緊急モードではズームを広角（ワイド）側に保持することを特徴とする請求項1または請求項２に記載の無人ヘリコプタ。
4. 前記制御部は、機体のヨー方向およびピッチング方向の揺れを検出するジャイロセンサと、各ジャイロセンサの検出結果に基づいて前記モータを制御して前記カメラ の姿勢を調整する振動キャンセル機構を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の無人ヘリコプタ。

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