JP5690539B2 - 自動離着陸システム - Google Patents

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Description

本発明は飛行体が、自動で離着陸できる様にした自動離着陸システムに関するものである。
上空からの写真撮影、測量では、地上からの写真撮影、地上での測量では得られない情報が得られ、或は人の立入れない場所、写真撮影、測量が困難な場所の情報が得られる。又、近年、リモートコントロールされる小型飛行機、小型ヘリコプタ等の飛行体の性能の向上、遠隔操作技術の向上、更に撮像装置の性能の向上、小型化促進等により、小型飛行体に撮像装置を搭載し、リモートコントロールにより上空からの写真撮影が無人で行える様になっている。
例えば、小型飛行体を所定の位置（発着甲板）からリモートコントロールにより或は小型飛行体に内蔵されたプログラムにより自動で離陸させ、予定の範囲を飛行させ写真撮影を行い、写真撮影の完了後、発着甲板の設置位置に帰還させ、更に自動で発着甲板に着陸させる。
小型飛行体を自動で離陸、飛行、着陸させる場合に、制御が難しいのは、離陸、着陸であり、特に所定の位置に小型飛行体を着陸させる制御が難しい。従って、小型飛行体を自律飛行させる為に、簡便な制御で安全、確実に自動離着陸させる技術の確立が求められる。
尚、特許文献１には所定の位置に小型飛行体を着陸させる為の着陸支援システムが示され、特許文献２には画像認識に基づき目標地点にヘリコプタを着陸させる為の航法装置が示され、特許文献３には複数の画像センサを用いて垂直離着陸の誘導を行う自動着陸誘導方法が示され、特許文献４には小型飛行体を離発着させる為の移動式離着陸施設が示されている。
特開２０００−８５６９４号公報 特許第４２５３２３９号公報 特許第２６６２１１１号公報 特開平９−３０２６２８号公報
本発明は斯かる実情に鑑み、飛行体を自律飛行させる場合の、離陸、着陸を確実、安全に行える自動離着陸システムを提供するものである。
本発明は、飛行体と離着陸ターゲットとを有する自動離着陸システムであり、前記飛行体は、下方を撮像する撮像装置と、航行手段と、前記撮像装置で取得した画像を処理し、前記航行手段を制御する制御部とを有し、該制御部は、前記撮像装置で取得した前記離着陸ターゲットの像に基づき、該離着陸ターゲットと前記飛行体との位置関係を演算し、演算結果に基づき前記飛行体の離着陸を制御する様にした自動離着陸システムに係るものである。
又本発明は、前記離着陸ターゲットがターゲットマークを有し、前記制御部は、前記撮像装置で撮像したターゲットマークの画像処理により該ターゲットマークの基準位置を求め、該ターゲットマークの基準位置と飛行体の基準位置との関係に基づき飛行体の離着陸を誘導する様にした自動離着陸システムに係るものである。
又本発明は、前記離着陸ターゲットがターゲットマークを有し、前記制御部がターゲットマーク画像を認識するための認識パターンを有し、前記制御部は前記撮像装置で撮像した画像から前記認識パターンに基づきターゲットマーク画像を認識し、画像上でターゲットマーク画像の中心が画像中心となる様に前記飛行体を誘導する自動離着陸システムに係るものである。
又本発明は、認識した前記ターゲットマーク画像の大きさにより、前記飛行体の高度を測定する自動離着陸システムに係るものである。
又本発明は、前記飛行体にＧＰＳ装置が設けられ、前記離着陸ターゲットは既知の位置に設けられ、前記制御部は、前記ＧＰＳ装置が取得する飛行体の位置と前記既知の位置に基づき飛行体の位置と離着陸ターゲットとの位置関係を求め飛行の制御を行う様にした自動離着陸システムに係るものである。
又本発明は、前記飛行体に第１のＧＰＳ装置が設けられ、前記離着陸ターゲット側に第２のＧＰＳ装置が設けられ、前記制御部は、前記第１のＧＰＳ装置が取得する飛行体の位置と前記第２のＧＰＳ装置が取得する位置に基づき飛行体の位置と離着陸ターゲットとの位置関係を求め飛行の制御を行う様にした自動離着陸システムに係るものである。
又本発明は、前記飛行体にＧＰＳ装置が設けられ、前記離着陸ターゲットは既知の位置に設けられ、前記制御部は、前記ＧＰＳ装置が取得する飛行体の位置と前記既知の位置に基づき飛行体の位置と離着陸ターゲットとの位置関係を求め飛行の制御を行い、前記制御部は、前記撮像装置で撮像したターゲットマークの画像処理により該ターゲットマークの基準位置を求め、該ターゲットマークの基準位置と飛行体の基準位置との関係に基づき飛行体の着陸を制御する様にした自動離着陸システムに係るものである。
又本発明は、前記ターゲットマークは、相似の図形が同心多重に配置され、前記飛行体が前記離着陸ターゲットに着陸する過程で、前記撮像装置で取得した画像から少なくとも１つの図形が認識可能である自動離着陸システムに係るものである。
又本発明は、前記離着陸ターゲットは、発光手段を有する自動離着陸システムに係るものである。
又本発明は、前記離着陸ターゲットが移動体に設けられた自動離着陸システムに係るものである。
又本発明は、前記離着陸ターゲットが移動体に設けられ、前記制御部は、前記撮像装置で撮像したターゲットマークの画像処理により該ターゲットマークの基準位置をリアルタイムで求め、該ターゲットマークの基準位置と飛行体の基準位置との関係に基づき飛行体の飛行を制御し、該飛行体が前記移動体を追尾する様にした自動離着陸システムに係るものである。
又本発明は、前記離着陸ターゲットが移動体に設けられ、前記飛行体が第１の通信部を有し、前記移動体が第２の通信部を有し、該第２の通信部は前記第２のＧＰＳ装置が取得した位置情報を前記第１の通信部を介して前記制御部に送信可能であり、該制御部は前記第１のＧＰＳ装置が取得する位置と前記第２のＧＰＳ装置の取得する位置に基づき飛行体の飛行を制御し、該飛行体が前記移動体を追尾する様にした自動離着陸システムに係るものである。
本発明によれば、飛行体と離着陸ターゲットとを有する自動離着陸システムであり、前記飛行体は、下方を撮像する撮像装置と、航行手段と、前記撮像装置で取得した画像を処理し、前記航行手段を制御する制御部とを有し、該制御部は、前記撮像装置で取得した前記離着陸ターゲットの像に基づき、該離着陸ターゲットと前記飛行体との位置関係を演算し、演算結果に基づき前記飛行体の離着陸を制御する様にしたので、着陸を自動で行う為の特別の検出装置等を必要とせず、確実に飛行体をターゲットマークに導き着陸させることが可能で、簡便で安価な自動離着陸システムを提供することができる。
又本発明によれば、前記離着陸ターゲットがターゲットマークを有し、前記制御部は、前記撮像装置で撮像したターゲットマークの画像処理により該ターゲットマークの基準位置を求め、該ターゲットマークの基準位置と飛行体の基準位置との関係に基づき飛行体の離着陸を誘導する様にしたので、着陸の誘導を高精度に行うことができる。
又本発明によれば、前記飛行体にＧＰＳ装置が設けられ、前記離着陸ターゲットは既知の位置に設けられ、前記制御部は、前記ＧＰＳ装置が取得する飛行体の位置と前記既知の位置に基づき飛行体の位置と離着陸ターゲットとの位置関係を求め飛行の制御を行う様にしたので、簡単な構成で飛行体の自律飛行が実現できる。
又本発明によれば、前記飛行体に第１のＧＰＳ装置が設けられ、前記離着陸ターゲット側に第２のＧＰＳ装置が設けられ、前記制御部は、前記第１のＧＰＳ装置が取得する飛行体の位置と前記第２のＧＰＳ装置が取得する位置に基づき飛行体の位置と離着陸ターゲットとの位置関係を求め飛行の制御を行う様にしたので、簡単な構成で飛行体の自律飛行が実現できる。
又本発明によれば、前記飛行体にＧＰＳ装置が設けられ、前記離着陸ターゲットは既知の位置に設けられ、前記制御部は、前記ＧＰＳ装置が取得する飛行体の位置と前記既知の位置に基づき飛行体の位置と離着陸ターゲットとの位置関係を求め飛行の制御を行い、前記制御部は、前記撮像装置で撮像したターゲットマークの画像処理により該ターゲットマークの基準位置を求め、該ターゲットマークの基準位置と飛行体の基準位置との関係に基づき飛行体の着陸を制御する様にしたので、柔軟な自律飛行と、高精度な着陸の誘導を行うことができる。
又本発明によれば、前記ターゲットマークは、相似の図形が同心多重に配置され、前記飛行体が前記離着陸ターゲットに着陸する過程で、前記撮像装置で取得した画像から少なくとも１つの図形が認識可能であるので、前記飛行体の高度、前記撮像装置の画角に係わらず、確実にターゲットマークによる着陸の誘導を行うことができる。
又本発明によれば、前記離着陸ターゲットは、発光手段を有するので、光量が不足し、前記離着陸ターゲットの認識が困難な場合、或は夜間でも確実に着陸の誘導を行うことができる。
又本発明によれば、前記離着陸ターゲットが移動体に設けられたので、任意の位置での飛行体の離着陸が可能である。
又本発明によれば、前記離着陸ターゲットが移動体に設けられ、前記制御部は、前記撮像装置で撮像したターゲットマークの画像処理により該ターゲットマークの基準位置をリアルタイムで求め、該ターゲットマークの基準位置と飛行体の基準位置との関係に基づき飛行体の飛行を制御し、該飛行体が前記移動体を追尾する様にしたので、より広範囲での飛行体の自律飛行が可能である。
又本発明によれば、前記離着陸ターゲットが移動体に設けられ、前記飛行体が第１の通信部を有し、前記移動体が第２の通信部を有し、該第２の通信部は前記第２のＧＰＳ装置が取得した位置情報を前記第１の通信部を介して前記制御部に送信可能であり、該制御部は前記第１のＧＰＳ装置が取得する位置と前記第２のＧＰＳ装置の取得する位置に基づき飛行体の飛行を制御し、該飛行体が前記移動体を追尾する様にしたので、より広範囲での飛行体の自律飛行が可能であるという優れた効果を発揮する。
本発明の概略を示す説明図である。 本発明に係る実施例の概略構成図である。 該実施例に使用されるターゲットマークの一例を示す図である。 本実施例に於ける着陸時の作動を示すフローチャートである。 本実施例の応用例を示す説明図である。 ターゲットの他の例を示す説明図である。 本発明の他の実施例を示す概略構成図である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
先ず、図１〜図２により本発明に係る自動離着陸システムの概略を説明する。
図１は本発明の第１の実施例に係る自動離着陸システムの基本的な構成を示しており、該自動離着陸システムは、主に飛行体１と基地側に設置された離着陸ターゲット２から構成され、前記飛行体１は、例えば自律飛行する小型飛行体としてのヘリコプタである。又、前記ヘリコプタ１は、遠隔操作可能となっており、図１中、４０は遠隔操作用のリモートコントローラを示している。
前記ヘリコプタ１は、機体３、該機体３に設けられた所要数のプロペラ、例えば前後左右、計４組のプロペラ４，５，６，７を有し、該プロペラ４，５，６，７はそれぞれ個別に第１モータ８、第２モータ９、第３モータ１０、第４モータ１１（後述）に連結され、又後述する様に各第１モータ８、第２モータ９、第３モータ１０、第４モータ１１は独立して駆動が制御される様になっている。尚、前記プロペラ４，５，６，７及び前記第１モータ８、第２モータ９、第３モータ１０、第４モータ１１等は飛行体の航行手段を構成する。
前記ヘリコプタ１の機体３には、制御装置１３が設けられている。図２に示される様に、該制御装置１３は、主に飛行誘導部１４、飛行制御部１５、主演算制御部１６、通信部１７、電源部１８から構成される。
前記飛行誘導部１４は、位置測定装置としてのＧＰＳ装置２０、前記機体３の下面に設けられた撮像装置２１、飛行誘導用ＣＰＵ２２、第１記憶部２３を有し、前記撮像装置２１は、デジタル画像を撮像するデジタルカメラ、或はビデオカメラ等であり、ヘリコプタ１下方の画像を取得する。
前記ＧＰＳ装置２０は、前記ヘリコプタ１の基準位置、例えば機械中心を測定する様に構成され、又、前記ＧＰＳ装置２０の測定値は地心座標（絶対座標）系の座標（位置）を表すので、前記ＧＰＳ装置２０は前記基準位置の地心座標系の座標を測定する。又、前記撮像装置２１は前記基準位置を通過する光軸１９を有し、該光軸１９は、前記ヘリコプタ１が水平姿勢で、鉛直線と合致する。従って、前記撮像装置２１は、前記ヘリコプタ１直下の所要の画角θの範囲の画像を取得可能であり、更に画像の中心は前記基準位置と合致する様に設定されている。
前記第１記憶部２３には、前記撮像装置２１で取得した画像及び画像を取得した位置、時刻が前記画像に関連付けられて格納され、更に、自律飛行する為の飛行計画データ等が格納されている。尚、画像及び画像を取得した位置、時刻は後述する第３記憶部３１に格納されてもよい。又、前記第１記憶部２３には、後述するターゲットマーク３６をパターン認識する為の、認識用パターンが格納されている。尚、認識用パターンは、後述する第３記憶部３１に格納されてもよい。
前記第１記憶部２３には前記撮像装置２１で取得した画像から後述するターゲットマーク３６を抽出する等、画像処理する為の画像処理プログラム、抽出したターゲットマーク３６と前記認識用パターンとの比較で前記ターゲットマーク３６を認識し、又ターゲットマーク３６と前記認識用パターンとの間の向きの相違等を判断するパターン認識プログラム、前記飛行計画データ及び前記ＧＰＳ装置２０で測定した位置情報から飛行誘導データを作成する飛行誘導プログラム、前記撮像装置２１の撮像を制御する撮像制御プログラム等のプログラムが格納されている。
前記飛行制御部１５は、前記第１モータ８、第２モータ９、第３モータ１０、第４モータ１１及びこれらモータを個別に駆動制御するモータコントローラ２５、該モータコントローラ２５を制御する飛行制御用ＣＰＵ２６、第２記憶部２７、前記ヘリコプタ１の水平に対する姿勢状態を検出して姿勢状態信号を発するジャイロユニット２８を具備する。
前記第２記憶部２７には、前記飛行誘導部１４からの飛行誘導データに基づき、飛行速度、上昇速度、降下速度、飛行方向、飛行高度等の飛行状態を演算する飛行制御プログラム、前記ジャイロユニット２８からの前記姿勢状態信号に基づき姿勢制御用の情報を演算する姿勢制御プログラム等が格納されている。前記飛行制御用ＣＰＵ２６は、前記飛行制御プログラムに基づき飛行制御指令を前記モータコントローラ２５に送出して該モータコントローラ２５を介して前記第１モータ８、第２モータ９、第３モータ１０、第４モータ１１を制御し、所定の飛行を実行し、又前記姿勢制御プログラムに基づき姿勢制御指令を前記モータコントローラ２５に送出して、該モータコントローラ２５を介して前記第１モータ８、第２モータ９、第３モータ１０、第４モータ１１をそれぞれ制御することで、前記ヘリコプタ１の姿勢を所望の状態（例えば水平状態、即ち前記撮像装置２１の光軸が鉛直な状態）に制御する。
前記主演算制御部１６は、主ＣＰＵ３０、第３記憶部３１、スイッチングユニット３２を具備し、該第３記憶部３１には前記飛行誘導部１４、前記飛行制御部１５を統合して制御する統合プログラム、前記撮像装置２１で取得した画像を処理する為の画像処理プログラム、飛行制御プログラム、通信制御プログラム等のプログラムが格納されている。
前記通信部１７は、無線通信部３３、情報通信部３４等からなり、前記無線通信部３３は、地上基地からの遠隔飛行制御指令を受信し、又ヘリコプタ１の飛行状態を地上基地に通信する。又、前記情報通信部３４は、無線ＬＡＮ或はブルートゥース（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ：登録商標）等の通信手段を用いて地上基地とヘリコプタ１間の情報の授受を行うものであり、例えば前記ヘリコプタ１が基地に着陸した状態で、前記飛行計画データが基地から前記ヘリコプタ１に送信され、或は飛行中撮像した画像、位置、時刻情報がヘリコプタ１から基地に送信される。
前記電源部１８は、例えば可充電電池であり、基地に着陸した状態で充電され、飛行中は前記飛行誘導部１４、前記飛行制御部１５、前記主演算制御部１６、前記通信部１７に必要な電力を供給する。
前記離着陸ターゲット２は既知の位置に設置され、図３に示される様に、前記離着陸ターゲット２の前記ヘリコプタ１が着陸する面（以下着陸面２ａと称す）には、ターゲットマーク３６が印されている。
該ターゲットマーク３６は、相似形の図形（例えば円形、矩形、３角形等、図示では円形）が同心多重に配置されたものであり、前記ヘリコプタ１の任意の高度で、認識可能な形状を有している。又、各形状は既知の大きさを有しており、前記ターゲットマーク３６が多重円で構成されていれば、各円の直径が既知の値となっている。又、前記ターゲットマーク３６は基準位置を有し、該基準位置は例えば図形中心である。
即ち、前記ヘリコプタ１が最高高度、或は着陸時の指定高度のいずれかの高度で、前記ターゲットマーク３６が前記撮像装置２１の画角θの範囲にある場合に（好ましくはヘリコプタ１の直下、略直下に位置する場合）、前記撮像装置２１は少なくとも前記ターゲットマーク３６の最も外側の図形を認識可能であり、又、ヘリコプタ１が最高高度、或は指定高度から降下し、前記着陸面２ａに接地する過程のいずれの高度に於いても、前記ターゲットマーク３６を構成する図形の少なくとも１つを完全に認識できる様になっている。
従って、前記撮像装置２１が接地した状態では、少なくとも、最も内側の、即ち最も小さい図形は前記画角θの範囲に含まれ、前記撮像装置２１によって最も内側の図形が認識される。
更に、前記ターゲットマーク３６は、該ターゲットマーク３６の中心位置を示す中心表示、例えば点、又はクロスを有する。尚、形状により、形状の中心が求められる場合は、前記中心表示は省略することができる。又、前記ターゲットマーク３６は方向を示す方向指標部３６ａ、或は方向を示す形状を有している。例えば、図３で示す図形では、各円の図形が同一の半径上に方向指標部３６ａとしての欠切部を有している。
尚、前記機体３に設ける撮像装置２１は、鉛直下方の画像を取得するものだけではなく、複数設けることができ、他の撮像装置２１は鉛直に対して所定の角度を持って設けられ、該他の撮像装置２１により進行方向に対して直角方向にずれた画像を合わせて取得する様にしてもよい。又、ヘリコプタ１に搭載する情報収集装置として、前記撮像装置２１に限らず、距離測定機、赤外線撮像装置等種々考えられる。
以下、本実施例による作動について説明する。
先ず、自律飛行について説明する。
前記主ＣＰＵ３０は、前記スイッチングユニット３２を作動させ、前記飛行誘導部１４からの飛行誘導データが前記飛行制御部１５に入力される様に設定する。
着陸した状態で、前記情報通信部３４を介して飛行計画データが前記制御装置１３に送信され、該飛行計画データは前記主ＣＰＵ３０を介して前記第１記憶部２３に入力される。又、前記離着陸ターゲット２の位置（絶対座標）が入力される。飛行計画データが送信し終ると、該飛行計画データに基づき自律飛行が開始される。
前記飛行誘導部１４は入力された飛行計画データに基づき飛行誘導データを作成し、前記スイッチングユニット３２を介して前記飛行制御部１５に入力する。前記飛行制御用ＣＰＵ２６は入力された飛行誘導データに基づき前記モータコントローラ２５を介して前記第１モータ８、第２モータ９、第３モータ１０、第４モータ１１を駆動制御して飛行を開始する。飛行中、前記ＧＰＳ装置２０よりヘリコプタ１の位置情報が入手され、前記飛行誘導用ＣＰＵ２２は飛行計画データと位置情報に基づき適宜、飛行誘導データを修正し、前記飛行制御部１５に入力する。
又、飛行中、前記飛行制御用ＣＰＵ２６は前記ジャイロユニット２８からの姿勢状態信号に基づき前記モータコントローラ２５を介して前記第１モータ８、第２モータ９、第３モータ１０、第４モータ１１を適宜駆動してヘリコプタ１の姿勢を制御する。
又、前記飛行誘導部１４は、飛行中、飛行計画データに基づき前記撮像装置２１を制御して必要な写真撮影、測量等予定された作業を実行する。
予定された作業が完了すると、前記飛行誘導部１４からは帰還指令が発せられ、前記ヘリコプタ１は基地に帰還し、前記離着陸ターゲット２に着陸する。着陸の作動について、図４を参照して説明する。
前記ＧＰＳ装置２０が取得した位置情報と予め入力された前記離着陸ターゲット２の座標に基づき、前記ヘリコプタ１の前記離着陸ターゲット２に対する位置が判別でき、前記飛行誘導部１４は前記離着陸ターゲット２を基地に導く様、飛行誘導データを前記飛行制御部１５に送出する。
又、前記ヘリコプタ１が前記離着陸ターゲット２の上空に達した時、前記撮像装置２１が撮像した画像に前記離着陸ターゲット２が含まれているかどうかが、画像処理により、探索される（ＳＴＥＰ：０１）。従って、前記ＧＰＳ装置２０の水平方向の測定精度と前記撮像装置２１の画角θとの関係は、前記ＧＰＳ装置２０の測定結果に基づき導かれた位置で、且つ前記ヘリコプタ１が所定の高度（着陸を開始する高度）で前記撮像装置２１が前記離着陸ターゲット２を捉えられる（前記離着陸ターゲット２が前記画角θの範囲に入っている）様になっている。
前記離着陸ターゲット２の認識は、具体的には前記ターゲットマーク３６の認識であり、該ターゲットマーク３６の認識は前記第１記憶部２３に格納された前記ターゲットマーク３６のパターンとの比較に基づくパターン認識より実行される。前記ターゲットマーク３６が認識されると、前記ヘリコプタ１の誘導は前記ターゲットマーク３６の認識に基づいて行われる。
パターン認識により得られた前記ターゲットマーク３６の画像上の位置と画像中心との偏差が求められ、該偏差は前記飛行誘導データに反映され、認識した前記ターゲットマーク３６の中心と画像中心とが合致する様に前記ヘリコプタ１が誘導される。
前記ターゲットマーク３６の中心と画像中心とが合致すると、前記ターゲットマーク３６の大きさより高度が測定される。測定された高度は飛行誘導データに反映され、前記ターゲットマーク３６の中心と画像中心とが合致した状態で、前記ヘリコプタ１が降下され、降下過程で前記ターゲットマーク３６の画像処理により更に高精度の水平方向の位置制御が実行される。
前記ターゲットマーク３６の画像をエッジ処理して、画像上の大きさ、例えば直径が測定される。前記ターゲットマーク３６の実寸法は、既知であり、予め前記第１記憶部２３に格納されているので、格納された寸法との比較で地表と前記ヘリコプタ１との距離、即ち高度が測定される。更に、前記ターゲットマーク３６の直交する直径が等しくない場合は、円が楕円として認識され、長径と短径との比により、前記ターゲットマーク３６の基準位置を通過する鉛直線に対する前記飛行体の角度のずれ及びずれ方向が測定でき、測定された角度のずれ及びずれ方向からヘリコプタ１の位置を修正することができる。尚、前記ターゲットマーク３６の中心を検出し、画像中心とのずれに基づき前記ヘリコプタ１の位置を修正してもよい（ＳＴＥＰ：０２，ＳＴＥＰ：０３）。
又、高度を連続的に測定し、時間で微分することで降下速度が測定でき、降下速度が飛行計画データと合致しているかどうかが判断され、この判断に基づく飛行誘導データが前記飛行制御部１５に送出され、前記飛行誘導データにより前記飛行制御用ＣＰＵ２６は前記モータコントローラ２５を介して前記第１モータ８、第２モータ９、第３モータ１０、第４モータ１１を駆動制御し、降下速度の制御が行われる（ＳＴＥＰ：０４，ＳＴＥＰ：０５）。
又降下中、継続して画像処理から前記ターゲットマーク３６を認識し、画像上から該ターゲットマーク３６の中心と、前記撮像装置２１の光軸１９とのずれ（即ち画像中心とのずれ）を検出することで、更に高精度に水平方向の前記ターゲットマーク３６と前記機体３の位置関係が測定でき、前記ヘリコプタ１をターゲットマーク３６の中心に正確に着陸させることができる。
尚、着陸過程で、前記撮像装置２１の画角θと、前記ターゲットマーク３６の大きさから前記ヘリコプタ１の高度が低下するに従って、前記ターゲットマーク３６の外側の図形から徐々に撮像範囲から食み出していく。上記した様に、前記ターゲットマーク３６は相似形の図形が同心多重に配置されたものであるので、前記着陸面２ａに接地する過程のいずれの高度に於いても、前記ターゲットマーク３６を構成する図形の少なくとも１つを完全に認識でき、前記ターゲットマーク３６による誘導の連続性が確保できる。
又、前記ターゲットマーク３６の画像処理で、前記方向指標部３６ａを検出でき、前記ターゲットマーク３６に対する機体３の向きを修正することもできる。
而して、自律飛行で精度よく、前記ターゲットマーク３６に着陸させることができる。又、前記ターゲットマーク３６を検出する為の画像を取得する前記撮像装置２１は、前記ヘリコプタ１が航空写真を取得するものと共用できる。又、最終的な位置合せは、撮像したターゲットマーク３６の画像処理で行うので、前記ヘリコプタ１が搭載するＧＰＳ装置２０も高精度のものは必要なく、例えば１０ｍ程度の測定精度を有する安価なものでよい。
従って、本発明に係る自動離着陸システムを実施する為に特別な装置は必要なく、簡単な構成で而も低コストで、高精度の着陸誘導を実現できる。
尚、上記実施例に於いて、飛行誘導部１４に於ける画像処理等、前記飛行誘導用ＣＰＵ２２の負担が大きい場合は、前記主ＣＰＵ３０に処理を分担させる様にしてもよく、データ、プログラムの格納を前記第１記憶部２３と前記第３記憶部３１に分散させてもよい。
又上記説明で、前記ターゲットマーク３６の座標を、飛行計画データの一部として入力したが、基地側にＧＰＳ装置、通信装置を設け、前記ターゲットマーク３６の位置を基地側のＧＰＳ装置で測定し、ターゲットマーク３６の位置情報を通信装置よりヘリコプタ１側の前記通信部１７に送信する様にしてもよい。尚、基地側のＧＰＳ装置は必ずしもターゲットマーク３６の位置を測定するものでなくとも、基地側のＧＰＳ装置が測定する位置（絶対座標）が該ターゲット３６の位置と既知の関係にあればよい。尚、基地側のＧＰＳ装置の測定値に基づき取得した離着陸ターゲット２の位置は、前記ターゲットマーク３６が固定の場合は、ターゲットマーク３６の位置に変化はないので、飛行計画データとして、前記制御装置１３に入力してもよい。この場合、基地側の通信装置は省略してもよい。
前記ヘリコプタ１が離陸する場合は、上記した着陸とは逆の作動が行われる。即ち、前記撮像装置２１により前記ターゲットマーク３６が撮像できる状態では、取得した画像から前記ターゲットマーク３６を認識し、上昇速度、高度が演算され、上昇作動が制御される。又、前記ヘリコプタ１が所定の高度に達した場合は、前記飛行計画データ、前記ＧＰＳ装置２０で取得した位置情報に基づき自律飛行が実行される。
次に、遠隔操作による前記ヘリコプタ１の飛行について説明する。
前記主ＣＰＵ３０を介して前記スイッチングユニット３２を作動させ、前記主演算制御部１６と前記飛行制御部１５とを接続し、前記主演算制御部１６から飛行誘導データが前記飛行制御部１５に送出される様にする。
基地側の前記リモートコントローラ４０から遠隔操作信号が送信され、該遠隔操作信号は前記無線通信部３３を介して受信される。前記主ＣＰＵ３０は、飛行制御プログラムを起動し、前記遠隔操作信号に基づき飛行誘導データを作成し、前記スイッチングユニット３２を介して前記飛行制御部１５に入力する。
前記飛行制御用ＣＰＵ２６は、飛行誘導データに基づき前記モータコントローラ２５を介して飛行を制御し、前記ジャイロユニット２８からの姿勢状態信号に基づき前記機体３の姿勢を制御する。
前記ヘリコプタ１の着陸には、自律飛行と同様に、前記撮像装置２１により前記ターゲットマーク３６を撮像し、該ターゲットマーク３６の画像処理により、前記機体３と前記ターゲットマーク３６との位置合せを行う。尚、前記撮像装置２１で撮像したターゲットマーク３６の画像を前記リモートコントローラ４０の表示部（図示せず）に表示させ、画像を基に手動の遠隔操作で着陸を行ってもよい。
図５は、本実施例の応用例を示している。
該応用例では、前記離着陸ターゲット２を移動体、例えば自動車４３の天井に設置し、上記自動離着陸システムを利用した追尾システムが構成されている。
前記飛行計画データを前記ヘリコプタ１が常に前記ターゲットマーク３６の直上に位置する様に設定すれば、前記飛行誘導部１４がターゲットマーク３６を認識し、前記飛行誘導部１４が該ターゲットマーク３６の中心と前記撮像装置２１の光軸１９（画像中心）との偏差を演算し、前記ターゲットマーク３６の中心と前記撮像装置２１の光軸１９とが合致する様な飛行誘導データを作成し、前記飛行制御部１５に送出する。該飛行制御部１５は、前記飛行誘導データに基づき、即ち前記ターゲットマーク３６の画像上での位置認識に基づき前記機体３が前記ターゲットマーク３６の直上にある様、機体３を制御する。
前記自動車４３が移動すれば、前記ターゲットマーク３６の移動に追従して前記ヘリコプタ１も移動する。従って、前記自動車４３で情報が必要な路線を移動すれば、該自動車４３が移動した範囲の画像データ等の情報を取得できる。
尚、応用例に於いて、前記自動車４３にＧＰＳ装置４４を設け、該ＧＰＳ装置４４によって前記自動車４３の位置（即ち離着陸ターゲット２の位置）をリアルタイムで測定し、前記ＧＰＳ装置４４で測定した結果を前記制御装置１３に送信し、該制御装置１３がヘリコプタ１のＧＰＳ装置２０で測定した結果と前記ＧＰＳ装置４４で測定した結果に基づき、ヘリコプタ１の飛行を制御する様にし、更にヘリコプタ１を前記離着陸ターゲット２に着陸させる場合は、前記ターゲットマーク３６を撮像した画像処理に基づく制御を行う様にすれば、前記ヘリコプタ１の撮像装置２１により広範囲の画像の取得、或は他の測定機による広範囲の測定データを取得することができる。
図６は、離着陸ターゲット２の他の例を示している。
該離着陸ターゲット２は、ターゲットマーク３６に加えて発光手段、例えば発光ダイオード４１，４２を具備する。
前記発光ダイオード４１は、中心から所要距離離れた位置に、所要数適宜な配置で設けられている。図示では、２等辺３角形の頂点に配置された例を示している。更に、離着陸ターゲット２の中心に発光ダイオード４２が配置されている。該発光ダイオード４２が配置されることで、該発光ダイオード４２を検出すれば、直ちにターゲットマーク３６の中心が検出できる。従って、前記発光ダイオード４１の配置から演算で中心を求める必要がなくなる。尚、前記発光ダイオード４１自体により前記ターゲットマーク３６を形成する様、多数配設してもよい。
又、前記発光ダイオード４１を設けることで、前記ターゲットマーク３６を識別するには光量が不足している状態、天候が曇り、夕方、夜等でも確実に離着陸ターゲット２を認識できる。
尚、前記発光ダイオード４１，４２を設けた場合、前記ターゲットマーク３６を省略することもできる。
図７は、他の実施例を示している。図７中、図２中で示したものと同等のものには同符号を付してある。
該他の実施例では、上記実施例の飛行誘導用ＣＰＵ２２、飛行制御用ＣＰＵ２６を前記主ＣＰＵ３０に集約させたものであり、前記第１記憶部２３、前記第２記憶部２７を前記第３記憶部３１に集約させたものである。
該他の実施例では、ＣＰＵ、記憶部を集約させたので、構成が簡略化でき、より簡便な自動離着陸システムを実現できる。
尚、本発明は小型飛行体を利用して情報を収集する作業、例えば、農作物調査、土量管理、工事管理、地形調査、建造物調査、送電塔、ダム、橋梁調査、危険地域状況調査、監視等種々適用できることは言う迄もない。
１ ヘリコプタ
２ 離着陸ターゲット
３ 機体
１３ 制御装置
１４ 飛行誘導部
１５ 飛行制御部
１６ 主演算制御部
１７ 通信部
１８ 電源部
１９ 光軸
２０ ＧＰＳ装置
２１ 撮像装置
２２ 飛行誘導用ＣＰＵ
２３ 第１記憶部
２５ モータコントローラ
２６ 飛行制御用ＣＰＵ
２７ 第２記憶部
２８ ジャイロユニット
３０ 主ＣＰＵ
３１ 第３記憶部
３２ スイッチングユニット
３３ 無線通信部
３４ 情報通信部
３６ ターゲットマーク
４０ リモートコントローラ
４３ 自動車

Claims (10)

  1. 飛行体と離着陸ターゲットとを有する自動離着陸システムであり、前記飛行体は、前記飛行体が水平姿勢で鉛直下方を撮像する様設けられ、固定倍率を有する撮像装置と、航行手段と、前記撮像装置で取得した画像を処理し、前記航行手段を制御する制御部とを有し、前記離着陸ターゲットは既知の大きさのターゲットマークを有し、
    前記制御部は、前記撮像装置で取得した前記離着陸ターゲットの像に基づき、該離着陸ターゲットと前記飛行体との位置関係を演算し、
    前記制御部は、前記撮像装置で撮像したターゲットマークの画像処理により該ターゲットマークの基準位置を求め、該ターゲットマークの基準位置と前記飛行体の基準位置との関係を求め、
    更に前記制御部は認識したターゲットマーク画像の大きさと、前記ターゲットマークの既知値から、前記飛行体の高度を測定し、
    該ターゲットマークの基準位置と前記飛行体の基準位置との関係及び測定した高度に基づき前記飛行体の離着陸を誘導する様にしたことを特徴とする自動離着陸システム。
  2. 前記離着陸ターゲットがターゲットマークを有し、前記制御部がターゲットマーク画像を認識するための認識パターンを有し、前記制御部は前記撮像装置で撮像した画像から前記認識パターンに基づきターゲットマーク画像を認識し、画像上でターゲットマーク画像の中心が画像中心となる様に前記飛行体を誘導する請求項１の自動離着陸システム。
  3. 前記飛行体にＧＰＳ装置が設けられ、前記離着陸ターゲットは既知の位置に設けられ、前記制御部は、前記ＧＰＳ装置が取得する飛行体の位置と前記既知の位置に基づき飛行体の位置と離着陸ターゲットとの位置関係を求め飛行の制御を行う様にした請求項１の自動離着陸システム。
  4. 前記飛行体に第１のＧＰＳ装置が設けられ、前記離着陸ターゲット側に第２のＧＰＳ装置が設けられ、前記撮像装置は画角θを有し、前記制御部は、前記第１のＧＰＳ装置が取得する飛行体の位置と前記第２のＧＰＳ装置が取得する位置に基づき飛行体の位置と離着陸ターゲットとの位置関係を求め飛行の制御を行い、
    前記離着陸ターゲットが前記画角θの範囲に入った状態で、前記撮像装置で撮像したターゲットマークの画像処理に基づき前記飛行体の離着陸を制御する様にした請求項１の自動離着陸システム。
  5. 前記飛行体にＧＰＳ装置が設けられ、前記離着陸ターゲットは既知の位置に設けられ、前記制御部は、前記ＧＰＳ装置が取得する飛行体の位置と前記既知の位置に基づき飛行体の位置と離着陸ターゲットとの位置関係を求め飛行の制御を行い、
    前記離着陸ターゲットが前記画角θの範囲に入った状態で、前記撮像装置で撮像したターゲットマークの画像処理に基づき前記飛行体の離着陸を制御する様にした請求項１の自動離着陸システム。
  6. 前記ターゲットマークは、相似の図形が同心多重に配置され、前記飛行体が前記離着陸ターゲットに着陸する過程で、
    前記ターゲットマークは前記飛行体が最高高度、或は着陸時指定高度で最も外側の図形が認識可能であり、前記飛行体が接地状態で最も内側の図形が認識可能である請求項１又は請求項５の自動離着陸システム。
  7. 前記離着陸ターゲットは、発光手段を有する請求項１又は請求項５の自動離着陸システム。
  8. 前記離着陸ターゲットが移動体に設けられた請求項１の自動離着陸システム。
  9. 前記離着陸ターゲットが移動体に設けられ、前記制御部は、前記撮像装置で撮像したターゲットマークの画像処理により該ターゲットマークの基準位置をリアルタイムで求め、該ターゲットマークの基準位置と飛行体の基準位置との関係に基づき飛行体の飛行を制御し、該飛行体が前記移動体を追尾する様にした請求項１の自動離着陸システム。
  10. 前記離着陸ターゲットが移動体に設けられ、前記飛行体が第１の通信部を有し、前記移動体が第２の通信部を有し、該第２の通信部は前記第２のＧＰＳ装置が取得した位置情報を前記第１の通信部を介して前記制御部に送信可能であり、該制御部は前記第１のＧＰＳ装置が取得する位置と前記第２のＧＰＳ装置の取得する位置に基づき飛行体の飛行を制御し、該飛行体が前記移動体を追尾する様にした請求項４の自動離着陸システム。
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