JP6169300B2 - 無人回転翼機およびその周辺物測距方法 - Google Patents

Description

本発明は、無人回転翼機およびその周辺物測距方法に関する。

従来、産業用無人ヘリコプターに代表される小型の無人航空機は、機体が高価で入手困難なうえ、安定して飛行させるためには操作に熟練が必要とされるものであった。しかし近年、無人航空機の姿勢制御や自律飛行に用いられるセンサ類およびソフトウェアの改良が大きく進んだことで、無人航空機の操作性が著しく向上し、また、高性能な機体を安価に入手できるようになった。こうした背景から現在、特に小型のマルチコプターについては、趣味目的だけでなく、広範な分野における種々のミッションへの応用が試行されている。

特許第５６８８７００号公報 特開２０１４−１４９６２２号公報 特開２０１５−０２４７０５号公報

高性能なマルチコプターが容易に入手できるようになったことで、十分な操縦技術や知識のないユーザにまでその普及の裾野が広がりつつある。機体の基本的な制御が自動化されているとはいえ、ユーザが無謀な操作を行った場合には、これが直ちに衝突事故や墜落事故につながるおそれがある。このような事故を未然に防止すべく、安全のための様々な仕組みが検討されているが、これをハードウェア的に実現しようとする場合、センサ数の増加や、より高性能なセンサの採用、または独自の安全機構の実装など、機体コストの増加を抑えることが難しいという問題がある。

上記特許文献１には、超音波センサと赤外線センサを用いて周辺物の検知や自律飛行を行うマルチコプターが開示されている。特許文献１のマルチコプターは、サーボモータにより赤外線センサの向きを変化させる独自の機構を備えており、これにより着陸場所のエッジを検出して、マルチコプターを安全な場所に着陸させる。上記特許文献３に開示されたマルチコプターには、角度サンプル間隔が０．２５°、検出角度範囲が３６０°、センサ検出範囲が３０ｍの２Ｄレーザースキャンシステムが機体に搭載されており、これにより周囲の障害物との距離を検知する。このようなレーザースキャンシステムは、マルチコプターに搭載される一般的な距離センサに比べ著しく高価な装置である。また、上記特許文献２には、超音波センサとカルマンフィルタを用いて着陸時における対地高度を計測する小型電動ヘリコプターが開示されている。ただし、特許文献２では着陸地点に凹凸があるケースは想定されていない。

上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、機体コストの増加を抑えつつ、飛行時における機体と周辺物との衝突を防止し、また、着陸時における機体の転倒を防止することができる無人回転翼機およびその周辺物測距方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の無人回転翼機は、機体とその周辺物との距離を計測する距離センサを備え、前記距離センサおよびその検知方向は前記機体に固定されており、前記無人回転翼機は、所定の条件のもと前記機体をヨー方向に自動的に回転させ、前記距離センサを複数の異なる方位または位置に向ける自動回転手段をさらに備えることを特徴とする。

検知方向が機体の向きに対して相対的に固定された一般的な距離センサを用い、機体自体を回転させて複数の異なる方位または位置を測距することにより、機体コストの増加を抑えつつ、機体とその周辺物との位置関係をより広範に検知することが可能となる。

また、前記自動回転手段は、前記機体を、前記距離センサの検知角に応じた所定の角度ずつ断続的に回転させる構成としてもよい。

また、前記自動回転手段は、前記機体を連続的に回転させる構成としてもよい。

距離センサの方式や性能に応じた最適な回転動作を選択することにより、周辺物のより正確な測距が可能となる。

また、前記自動回転手段は、前記機体の水平飛行時において、前記距離センサを該機体の進行方向に向け、さらに、所定の周期および角度で該距離センサを該機体の進行方向とは異なる方向に向けるように該機体を回転させる構成としてもよい。

機体が水平飛行しているときには、その進行方向を中心として、他の方向も定期的に測距する構成とすることにより、周辺物との衝突の危険性がもっとも高い進行方向側を主に監視しつつ、他の方向からの接近物も併せて警戒することが可能となる。

また、前記距離センサが周辺物を検知したときに、該周辺物を警戒周辺物としてその位置を記憶する周辺物記憶手段と、検知した周辺物が前記警戒周辺物として記憶されていないときには、前記機体の飛行速度および該周辺物の位置に基づいて該周辺物との衝突予測時間を算出し、検知した周辺物が前記警戒周辺物として記憶されているときには、前記機体と該周辺物との相対接近速度および該周辺物の位置に基づいて該周辺物との衝突予測時間を算出する衝突予測手段と、をさらに備える構成としてもよい。

検知した周辺物の位置を記憶しておく周辺物記憶手段を備えることにより、その周辺物を再度検知したときに、同情報から機体との相対的な接近速度を算出することが可能となる。また、周辺物を初めて検知したときには、その周辺物の位置（検知方向と距離）および機体の飛行速度に基づいて衝突予測時間を算出することにより、周辺物との相対速度に基づく正確な危険性の判断と、不確実かつ差し迫った危険に対する安全の確保との両立を図ることができる。

また、前記機体の着陸時に該機体を支持する複数の脚部をさらに備え、前記距離センサは、前記複数の脚部の一部における少なくとも一つの前記脚部とその着地点との距離を計測可能な位置および向きに配置されており、前記自動回転手段は、前記機体を着陸地点付近で回転させ、すべての前記脚部について、その着地点までの距離を計測する構成としてもよい。

機体を回転させて各脚部とその着地点との距離を計測することにより、着陸地点にある凹凸を事前に検知し、着陸時における機体の転倒を防止することができる。

また、前記自動回転手段で計測した前記各脚部から着地点までの距離の差が所定の値よりも大きいときに、前記機体の位置を水平方向へずらす着陸地点変更手段をさらに備えることが好ましい。

いずれか脚部の着地点に許容範囲を超える高低差があった場合に、機体の着陸位置を水平方向にずらすことで、より高低差の少ない場所を選んで機体を着陸させることができる。これにより着陸時における機体の転倒をより確実に防止することができる。

上記課題を解決するため、本発明の無人回転翼機の周辺物測距方法は、前記無人回転翼機が、機体とその周辺物との距離を計測する距離センサを備えており、前記距離センサおよびその検知方向は前記機体に固定されており、所定の条件のもと、前記機体をそのヨー方向における全周にわたって自動的に回転させることで、該機体の全方位における周辺物を検知する接近物監視手順を含むことを特徴とする。

検知方向が機体の向きに対して相対的に固定された一般的な距離センサを用い、機体自体をそのヨー方向における全周にわたって回転させることにより、機体コストの増加を抑えつつ、機体の全方位における周辺物を警戒対象とすることができる。

上記課題を解決するため、本発明の無人回転翼機の周辺物測距方法は、前記無人回転翼機は、機体とその周辺物との距離を計測する距離センサを備えており、前記距離センサおよびその検知方向は前記機体に固定されており、前記機体の水平飛行時において、前記距離センサを該機体の進行方向に向け、さらに、所定の周期および角度で前記距離センサを該機体の進行方向とは異なる方向に向けるように該機体を回転させる障害物監視手順を含むことを特徴とする。

機体が水平飛行しているときには、その進行方向を中心として、他の方向も定期的に測距する構成とすることにより、周辺物との衝突の危険性がもっとも高い進行方向側を主に監視しつつ、他の方向からの接近物も併せて警戒することが可能となる。

上記課題を解決するため、本発明の無人回転翼機の周辺物測距方法は、前記無人回転翼機は、機体とその周辺物との距離を計測する距離センサと、前記機体の着陸時に該機体を支持する複数の脚部と、を備えており、前記距離センサは、前記複数の脚部の一部における少なくとも一つの前記脚部とその着地点との距離を計測可能な位置および向きに配置されており、前記機体を着陸地点付近で回転させ、すべての前記脚部について、その着地点までの距離を計測する高低差検出手順を含むことを特徴とする。

機体を回転させて各脚部とその着地点との距離を計測することにより、着陸地点にある凹凸を事前に検知し、着陸時における機体の転倒を防止することができる。

以上のように、本発明にかかる無人回転翼機およびその周辺物測距方法によれば、機体コストの増加を抑えつつ、飛行時における機体と周辺物との衝突を防止し、また、着陸時における機体の転倒を防止することが可能となる。

実施形態にかかるマルチコプターの外観斜視図である。 実施形態にかかるマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。 実施形態にかかるマルチコプターの離陸から着陸までの流れを示すフローチャートである。 実施形態にかかるマルチコプターによる周辺物の監視処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態にかかるマルチコプターによる周辺物の警戒処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態にかかるマルチコプターによる着陸処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態にかかるマルチコプターの着陸時における降下態様の一例を説明する側面図である。 実施形態にかかるマルチコプターの高低差検出動作を説明する平面図である。 実施形態にかかるマルチコプターの高低差検出動作の変形例を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の実施形態にかかる無人回転翼機およびその周辺物測距方法は、４基のローター（回転翼）が搭載されたマルチコプターの例である。尚、本実施形態におけるマルチコプターは、回転翼を備えた無人航空機であればよく、求められる飛行性能や許容されるコスト等に応じて、ローターが２基のヘリコプター（テールローターを除外するとローターが１基）からローターが８基のオクトコプター、さらにそれ以上のローター数を備えるものまで適宜変更可能である。

＜マルチコプターの構成＞
図１は、本実施形態にかかるマルチコプター１０の外観を示す斜視図である。図２は、マルチコプター１０の機能構成を示すブロック図である。

マルチコプター１０のフレーム１１には、フライトコントローラＦＣ、４基のローターＲ（ローターＲ１〜Ｒ４）およびこれらローターＲの回転を制御するＥＳＣ４３（Electric Speed Controller）、オペレータの操縦端末９１と無線通信を行う無線送受信器３３、および、電力供給源であるバッテリー５１が搭載されている。

各ローターＲは、ＤＣモータであるモータ４１、およびその出力軸に取り付けられたブレード４２により構成されている。ＥＳＣ４３はローターＲのモータ４１に接続されており、フライトコントローラＦＣから指示された速度でモータ４１を回転させる装置である。

フライトコントローラＦＣは、マイクロコントローラである制御装置２０を備えている。制御装置２０は、中央処理装置であるＣＰＵ２１、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶装置であるメモリ２２、および、ＥＳＣ４３を介して各モータ４１の回転数および回転速度（以下、これらを総称して単に「回転数」という。）を制御するＰＷＭコントローラ２３を備えている。

フライトコントローラＦＣはさらに、飛行制御センサ群３１およびＧＰＳ受信器３２（以下、「センサ等」ともいう。）を備えており、これらは制御装置２０に接続されている。本実施形態におけるマルチコプター１０の飛行制御センサ群３１には、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）などが含まれている。制御装置２０は、これらセンサ等により、機体の傾きや回転のほか、飛行中の緯度経度、飛行高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得可能とされている。

制御装置２０のメモリ２２には、マルチコプター１０の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御する飛行制御アルゴリズムが実装されたプログラムである飛行制御プログラムＦＣＰが記憶されている。飛行制御プログラムＦＣＰは、オペレータ（操縦端末９１）からの指示に従い、センサ等から取得した現在位置を基に各ローターＲの回転数を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながらマルチコプター１０を飛行させる。また、例えば、緯度経度、飛行高度、飛行ルートなどのパラメータを飛行制御プログラムＦＣＰに予め登録しておき、目的地へ自律的に飛行させることも可能である（以下、このような自律飛行のことを「オートパイロット」という。）。尚、本実施形態では、主にオートパイロットによりマルチコプター１０を飛行させる例について説明する。

＜周辺物の検知構成＞
本実施形態のマルチコプター１０は、さらに、機体とその周辺物との距離を計測する距離センサ（水平距離センサ３１１，鉛直距離センサ３１２）を備えている。図１に示されるように、水平距離センサ３１１は、フレーム１１が有する４本のアーム１２１，１２２，１２３，１２４（以下、これら４本のアームを総称して「アーム１２」という。）の一つであるアーム１２１の先端部に取り付けられており、その検知方向は機体から水平方向に固定されている。各アーム１２の下面からは、スキッド１３１，１３２，１３３，１３４（脚部）（以下、これら４つのスキッドを総称して「スキッド１３」という。）が下方に延出している。鉛直距離センサ３１２は、アーム１２１から延出したスキッド１３１に取り付けられており、その検知方向は機体から鉛直下方に固定されている。これら距離センサ３１１，３１２の取り付け位置は本実施形態の位置には限定されず、水平距離センサ３１１は、その検知方向が機体から水平方向に向けられていれば、アーム１２以外の部位に取り付けられてもよい。同様に鉛直距離センサ３１２についても、いずれかのスキッド１３と、その着地点との距離が測定可能であれば、スキッド１３以外の部位に取り付けられてもよい。また、スキッド１３の配置位置や数も本実施形態の態様には限られず、適宜変更可能である。

本実施形態の水平距離センサ３１１および鉛直距離センサ３１２には、マルチコプター１０の用途や使用環境に応じて、例えばレーザーや赤外線、超音波を用いた距離センサ、または、別途画像解析エンジンを備え、画像認識により周辺物との距離を特定する画像センサシステムなどを用いることができる。また、距離センサは常に単一種類のみで用いられる必要はなく、例えばこれらセンサの組み合わせや、これらセンサと人感センサや金属センサなどを組み合わせて用いてもよい。また、水平距離センサおよび鉛直距離センサの搭載数は１つには限定されず、それぞれ複数個の距離センサを備える構成としてもよい。尚、水平距離センサおよび鉛直距離センサは、いずれか一方のみが搭載されていてもよい。本発明の距離センサは、周辺物との相対的な距離の測定が可能であり、機体を回転させることで、その距離センサが測距する方向や位置、検知角を拡張できるものであれば、その方式や種類、性能は特に限定されない。

制御装置２０のメモリ２２にはさらに、オペレータの操縦端末９１またはオートパイロット処理からの指示により、マルチコプター１０をヨー方向に自動的に回転させ、距離センサ３１１を複数の異なる方向（方位）に向ける周辺物監視プログラムＯＭＰ（自動回転手段）が記憶されている。また、メモリ２２は、周辺物監視プログラムＯＭＰにより検知された周辺物について、その周辺物を警戒周辺物としてその検知方向および距離を記憶する周辺物記憶領域ＯＢＭ（周辺物記憶手段）を有している。

周辺物監視プログラムＯＭＰはそのサブプログラムとして、検知された周辺物とマルチコプター１０との衝突予測時間を算出する衝突予測プログラムＣＰＰ（衝突予測手段）を有している。衝突予測プログラムＣＰＰは、検知した周辺物が周辺物記憶領域ＯＢＭに警戒周辺物として記憶されていないときには、マルチコプター１０の飛行速度およびその周辺物の位置からその周辺物との衝突予測時間を算出し、検知した周辺物が周辺物記憶領域ＯＢＭに警戒周辺物として記憶されているときには、マルチコプター１０とその周辺物との相対接近速度およびその周辺物の位置からその周辺物との衝突予測時間を算出するプログラムである。

メモリ２２にはさらに、マルチコプター１０の着陸時において、機体を着陸地点付近で回転させ、すべてのスキッド１３について、その着地点までの距離を計測する高低差検出プログラムＲＤＰ（自動回転手段）が記憶されている。メモリ２２にはさらに、高低差検出プログラムＲＤＰが計測した各スキッド１３から着地点までの距離の差が所定の値よりも大きいときに、マルチコプター１０の位置を水平方向へずらす着地点変更プログラムＬＡＰ（着地点変更手段）が登録されている。

＜水平距離センサによる周辺物監視処理＞
以下、図３乃至図５のフローチャートを参照して、距離センサ３１１を用いた周辺物の監視処理について説明する。図３はマルチコプター１０の離陸から着陸までの流れを示しており、図４はマルチコプター１０による周辺物の監視処理Ｍ、図５はマルチコプター１０による周辺物の警戒処理Ｃの流れをそれぞれ示している。

［離陸手順］
図３に示されるように、オペレータの操縦端末９１から離陸指示があったとき、またはオートパイロット処理から離陸指示があったときには、マルチコプター１０は、機体を指定高度まで直ちには上昇させず、まずその位置からわずかに機体を浮上させる（Ｓ１０）。

その後マルチコプター１０は、周辺物測距プログラムＯＭＰにより、その場で機体をヨー方向に回転させながら水平距離センサ３１１で機体の全周を走査し、機体から近い位置にある周辺物の有無を確認する（Ｓ２１）。ここで、本実施形態のマルチコプター１０は、水平距離センサ３１１がセンシング可能な機体の周方向における角度範囲（以下、このような角度範囲のことを「検知角」という。）に応じて、機体を断続的に回転させることで、機体の全周の周辺物を検知する。例えば、水平距離センサ３１１の検知角が左右にそれぞれ３０°である場合、機体を６０°ずつ６回断続的に回転させて測距を行う。尚、機体の回転方法は本実施形態の方法には限定されず、距離センサの測距速度が十分に早く、また、人感センサのように検知方向が固定されることが前提となるセンサを用いていない場合は、機体の回転を所定角度ごとに停止することなく、機体を連続的に回転させながら測距を行ってもよい。また、例えば機体の周方向において対称となる位置にそれぞれ水平距離センサ３１１を設けることにより、機体の全周を走査するのに必要となる回転角度や回転回数を低減することができる。

周辺物測距プログラムＯＭＰは、マルチコプター１０の近傍に周辺物があることを検知すると、都度、その旨をオペレータ（操縦端末９１）に通知し、離陸を続行可否についてオペレータからの指示を待つ。マルチコプター１０の近傍に周辺物がなかった場合、または、検知されたすべての周辺物についてオペレータから強制離陸（離陸処理続行）の指示があった場合には、走査終了後、機体を指定高度まで上昇させる（Ｓ３０）。一方、いずれかの周辺物について強制離陸の指示がなかった場合には、マルチコプター１０は離陸を中断し、機体を着陸させる（Ｓ５０）。

尚、上記離陸手順はあくまでマルチコプター１０の離陸時における安全性を確保するための追加的な方策であって、マルチコプター１０の離陸時において常にこのような手順を踏まなければならないわけではない。例えばオペレータの有視界操縦における離陸時など、離陸地点における安全が予め確認できているような場合には、オペレータの操縦端末９１またはオートパイロット処理からの離陸指示により直ちにマルチコプター１０を上昇させてもよい。

［監視処理］
本実施形態のマルチコプター１０は、上昇（Ｓ３０）が完了すると、自動的に監視処理Ｍを開始する（Ｓ４０）。尚、監視処理Ｍは、上昇（Ｓ３０）後、常に自動開始される必要はなく、オペレータの操縦端末９１またはオートパイロット処理からの開始指示を待って監視処理Ｍを開始してもよい。または、機体の上昇後所定の周期で、もしくは他の条件に基づいて不定期に実行してもよい。

図４に示されるように、監視処理Ｍが開始されると、マルチコプター１０は、周辺物測距プログラムＯＭＰにより機体を回転させつつ周辺物を監視する。ここで、周辺物測距プログラムＯＭＰは、マルチコプター１０がホバリングしている場合と、水平方向へ飛行している場合とで、その監視方法を変化させる。

より具体的には、マルチコプター１０がホバリングしている場合、周辺物測距プログラムＯＭＰは、水平距離センサ３１１の検知角に応じて機体を断続的に回転させ（Ｍ１０）、機体の全周の周辺物を監視する（接近物監視手順）。このように、検知方向が機体の向きに対して相対的に固定された一般的な距離センサを用い、機体自体をそのヨー方向における全周にわたって回転させることにより、機体コストの増加を抑えつつ、機体の全方位における周辺物を警戒対象とすることが可能とされている。尚、上でも述べたように、機体の回転方法は本実施形態の方法には限定されず、機体の回転を所定角度ごとに停止させることなく測距することができる場合には、機体を連続的に回転させながら測距を行ってもよい。

一方、マルチコプター１０が水平方向へ飛行している場合、周辺物測距プログラムＯＭＰは、水平距離センサ３１１を主に機体の進行方向に向けながら（Ｍ３０）、所定の周期（例えば数秒ごと）および角度（例えば進行方向を基準に左右へ交互に６０°ずつ）で水平距離センサ３１１を機体の進行方向とは異なる方向に向けるように機体を回転させる（Ｍ１０）（障害物監視手順）。このように、機体が水平飛行しているときには、その進行方向を中心として、他の方向も定期的に測距する構成とすることにより、周辺物との衝突の危険性がもっとも高い進行方向側を主に監視しつつ、他の方向からの接近物も併せて警戒することが可能とされている。

水平距離センサ３１１が周辺物を検知したときには、周辺物測距プログラムＯＭＰは、警戒処理Ｃを実行する（Ｍ２０，Ｍ４０）。

［警戒処理］
図５に示されるように、水平距離センサ３１１が周辺物を検知すると、周辺物測距プログラムＯＭＰのサブプログラムである衝突予測プログラムＣＰＰは、まず、その周辺物の検知位置の近傍（例えば５ｍ範囲内）において警戒周辺物の登録があるか周辺物記憶領域ＯＢＭを検索する。尚、マルチコプター１０が水平飛行しているときには、検知した周辺物と警戒周辺物とをマッチングするにあたり、前回の走査でその警戒周辺物を検知した後のマルチコプター１０の飛行方向および速度に基づいて、その警戒周辺物の現在における機体との相対位置を算出し、その位置を基準として今回検知した周辺物とのマッチングを行う。

そして、マッチングする警戒周辺物の登録がなかった場合には、衝突予測プログラムＣＰＰは、マルチコプター１０の飛行速度、およびその周辺物の位置から、その周辺物との衝突予測時間を算出する（Ｃ１１）。このとき、検知した周辺物は静止しているものと仮定する。一方、マッチングする警戒周辺物の登録があった場合には、前回走査時に計測したその警戒周辺物の位置と今回の位置、および同警戒周辺物の走査インターバルから、マルチコプター１０とその警戒周辺物との相対接近速度を算出し、この相対接近速度および今回検知した位置から、その警戒周辺物との衝突予測時間を算出する（Ｃ１２）。

ここで、マルチコプター１０の機体と検知した周辺物との距離をＬｎｏｗ［ｍ］、マルチコプター１０の飛行速度をＶａｂｓ［ｍ／ｓ］、水平距離センサ３１１による同方向の走査インターバルをＴｓｉ［ｓｅｃ］とした場合、上記ステップＣ１１の衝突可能性は以下の式で判断される。

同様に、マルチコプター１０の機体と周辺物との距離をＬｎｏｗ［ｍ］、マルチコプター１０と周辺物との相対接近速度をＶｒｅｌ［ｍ／ｓｅｃ］、水平距離センサ３１１による同方向の走査インターバルをＴｓｉ［ｓｅｃ］とした場合、上記ステップＣ１２の衝突可能性は以下の式で判断される。

上記式の演算結果が真（Ｔｒｕｅ）となる場合には、衝突の可能性が高いものとして、周辺物測距プログラムＯＭＰ、または図示しない他のプログラムにより、マルチコプター１０の衝突回避動作が実行される（Ｃ３０）。衝突回避動作としては、例えばマルチコプター１０の水平飛行の停止、高度の変更、または周辺物から遠ざかる方向への移動、およびこれらと併せてのオペレータへの通知などが考えられる。一方、上記式の演算結果が偽（Ｆａｌｓｅ）となる場合には、衝突の可能性は低いものとして、検知した周辺物を警戒周辺物としてその検知方向および距離を周辺物記憶領域ＯＢＭに登録する。

尚、上記式のオペランドである走査インターバルＴｓｉはこれには限られず、例えば固定の秒数を指定してもよい。また、例えばマルチコプター１０が高速で移動している場合には、右辺の演算値に例えば２を掛けたうえで周辺物との距離Ｌｎｏｗ［ｍ］と比較することにより、高速飛行時における安全性を高めることもできる。尚、本実施形態においては、周辺物を検知しても、その時点での衝突可能性が低い場合には、その周辺物の情報を周辺物記憶領域ＯＢＭに登録して機体の回転を続行するが、例えばホバリング時に周辺物を検知したときには、その方向を一定時間測距し、その周辺物の衝突可能性を見極めたうえで、その周辺物の放置なり衝突回避動作の実行なりを判断する構成としてもよい。

本実施形態の周辺物測距プログラムＯＭＰはこの監視処理Ｍを、オペレータの操縦端末９１またはオートパイロット処理から着陸の指示があるまで繰り返す。

＜鉛直距離センサによる凹凸検知処理＞
図６はマルチコプター１０による着陸処理Ｌの流れを示すフローチャートである。飛行中のマルチコプター１０がオペレータの操縦端末９１またはオートパイロット処理からの着陸指示を受けることにより、図６に示す着陸処理Ｌが開始される。着陸処理Ｌが開始されると、マルチコプター１０は着陸地点の付近まで降下する（Ｌ１０）。

その後、マルチコプター１０は、高低差検出プログラムＲＤＰにより機体を着陸地点付近で回転させ、鉛直距離センサ３１２により、すべてのスキッド１３について、その着地点までの距離を計測する（Ｌ４０）（高低差検出手順）。そして、これら着地点までの距離の差（高低差）が、機体の大きさや形状またはスキッドの配置などに応じて予め設定された規定値（例えば１０ｃｍ）以下であるときは、その位置に機体を着陸させる（Ｌ５０）。このように、マルチコプター１０の機体を回転させることで各スキッド１３とその着地点との距離を計測することにより、着陸地点にある凹凸を事前に検知し、着陸時における機体の転倒を防止することが可能とされている。

以下に、図６と、図７乃至図９を用いて着陸処理Ｌについてより具体的に説明する。オペレータの操縦端末９１またはオートパイロット処理からマルチコプター１０に対して着陸の指示があると、飛行制御プログラムＦＣＰは、鉛直距離センサ３１２の出力値をモニタしながらローターＲの回転数を制御し、機体を所定の速度または指示された速度で降下させる。

図７に示すように、鉛直距離センサ３１２からスキッド１３１の下端部まで距離をＬｓｌ［ｍ］、降下速度をＶｄｏｗｎ［ｍ／ｓｅｃ］、鉛直距離センサ３１２からスキッド１３１の着地点までの距離をＬｓｇ［ｍ］、測定インターバルをＴｓｉ［ｓｅｃ］としたときに、測定の間に降下する距離は、Ｖｄｏｗｎ×Ｔｓｉ［ｍ］となるが、必ずＬｓｇ［ｍ］＞Ｖｄｏｎｗ［ｍ／ｓｅｃ］×Ｔｓｉ［ｓｅｃ］となるような、測定インターバルと降下速度とする必要がある。機体が着陸地点に十分近くなり、かつスキッド１３の下端がその着地点に接触しない状況は、Ｌｓｇ＞Ｌｓｌ、かつ、例えばＬｓｇ＞１から２［ｍ］程度、の状態として表すことができる。

本実施形態では、着陸地点に対する機体の対地高度が数十ｃｍから１ｍ程度になるまで機体を降下させ、その位置で高低差検出プログラムＲＤＰにより着陸地点の高低差を確認する。

図８はマルチコプター１０の平面図である。４本のアーム１２はフレーム１１の本体部から放射状に延びており、これらはフレーム１１の周方向において等間隔に配置されている。また、各アーム１２の下面からは、下方に向かってスキッド１３が延出している。鉛直距離センサ３１２がアーム１２１のスキッド１３１に取り付けられている場合、高低差検出プログラムＲＤＰは、まず、スキッド１３１からその着地点までの距離を鉛直距離センサ３１２で計測する。その後、マルチコプター１０を図８視時計回りに９０°回転させることで、スキッド１３１および鉛直距離センサ３１２をα方向へ移動し、その位置においてスキッド１３１から着地点まで距離を鉛直距離センサ３１２で計測する。同様にβ方向、γ方向へとスキッド１３１および鉛直距離センサ３１２を順次移動させ、スキッド１３１から着地点まで距離を鉛直距離センサ３１２で計測する。最後に、スキッド１３１および鉛直距離センサ３１２をδ方向に移動させ、マルチコプター１０を最初の向きに戻す。

図９はマルチコプター１０の変形例であるマルチコプター１０ａの平面図である。マルチコプター１０ａは３つのスキッド１３１，１３２，１３３を有しており、鉛直距離センサ３１２はスキッド１３１に取り付けられている。高低差検出プログラムＲＤＰは、まず、鉛直距離センサ３１２によりスキッド１３１とその着地点との距離を測定する。その後、マルチコプター１０ａをヨー方向におけるいずれかの方向に１５０°回転させ、その位置におけるスキッド１３１から着地点まで距離を鉛直距離センサ３１２で計測する。次に、マルチコプター１０ａをさきほどと同じ方向に６０°回転させ、その位置におけるスキッド１３１から着地点まで距離を鉛直距離センサ３１２で計測する。最後に、マルチコプター１０ａを再度１５０°回転させ、マルチコプター１０ａを最初の向きに戻す。

尚、マルチコプター１０の機体の回転中心Ｒから各スキッド１３までの距離が一定でない場合、機体を回転させた後でさらに機体を水平方向に移動させる必要がある。よって、本発明の高低差検出手順を有効に活用するためには、機体の回転中心Ｒから各スキッド１３までの距離を一定にすることが望ましい。

高低差検出プログラムＲＤＰで取得した各スキッド１３の着地点の高低差が規定値以下であるときは、その位置にマルチコプター１０を着陸させる（Ｌ５０）。一方、各スキッド１３の着地点の高低差が規定値を超えている場合、高低差検出プログラムＯＭＰのサブプログラムである着地点変更プログラムＬＡＰは、着陸の目的や着陸地点の周辺環境などに応じて予め設定された着陸許容範囲内（例えば本来の着陸地点から１ｍ以内）において、マルチコプター１０の着陸地点を他の場所に移動する（Ｌ３０）。尚、本実施形態においては、このとき、機体の中心から見たいずれかのスキッド１３の方向へ機体を水平移動させる。例えばスキッド１３のうち、一つだけ他のスキッド１３との高低差が大きいスキッド１３がある場合には、そのスキッド１３の反対側にあるスキッド１３の方向へ機体を水平移動させる。

このようにして着陸許容範囲内における全ての着陸位置について着陸を試行する。それでも適当な着陸地点が見つからない場合、着地点変更プログラムＬＡＰは着陸許容範囲を自動拡張する（Ｌ２０）。そして拡張された着陸許容範囲内において、まだ着陸が試行されていない場所にマルチコプター１０を移動させる。このように、本実施形態のマルチコプター１０は、いずれかのスキッド１３の着地点に規定値を超える高低差があった場合に、機体の着陸位置を水平方向にずらすことで、より高低差の少ない場所を選んで機体を着陸させることができる。これにより着陸時におけるマルチコプター１０の転倒をより確実に防止することが可能とされている。

拡張可能な着陸許容範囲には、予め上限が設定することが可能であり、着地点変更プログラムＬＡＰは、着陸許容範囲の拡張がその上限を超過した場合には、その旨をオペレータへ通知し（Ｌ６０）、その場でホバリングしつつ指示を待つ。ここで、待機中にバッテリー５１の残量がわずかとなった場合には、それまでに計測した着陸地点のうち、もっとも高低差の少なかった場所に強制着陸させる構成としてもよい。また、バッテリー５１の電力に余裕があり、離陸地点まで帰還可能であるときは、離陸地点に帰還させる構成としてもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

Claims (8)

1. 機体とその周辺物との距離を計測する距離センサを備える無人回転翼機であって、
   前記距離センサおよびその検知方向は前記機体に固定されており、
   前記無人回転翼機は、所定の条件のもと前記機体をヨー方向に自動的に回転させ、前記距離センサを複数の異なる方位または位置に向ける自動回転手段と、
   前記距離センサが周辺物を検知したときに、該周辺物を警戒周辺物としてその位置を記憶する周辺物記憶手段と、
   検知した周辺物が前記警戒周辺物として記憶されていないときには、前記機体の飛行速度および該周辺物の位置に基づいて該周辺物との衝突予測時間を算出し、検知した周辺物が前記警戒周辺物として記憶されているときには、前記機体と該周辺物との相対接近速度および該周辺物の位置に基づいて該周辺物との衝突予測時間を算出する衝突予測手段と、をさらに備えることを特徴とする無人回転翼機。
2. 前記自動回転手段は、前記機体を、前記距離センサの検知角に応じた所定の角度ずつ断続的に回転させることを特徴とする請求項１に記載の無人回転翼機。
3. 前記自動回転手段は、前記機体を連続的に回転させることを特徴とする請求項１に記載の無人回転翼機。
4. 複数の回転翼と、
   機体とその周辺物との距離を計測する距離センサと、を備える無人回転翼機であって、
   前記距離センサおよびその検知方向は前記機体に固定されており、
   前記無人回転翼機は、所定の条件のもと前記機体をヨー方向に自動的に回転させ、前記距離センサを複数の異なる方位または位置に向ける自動回転手段をさらに備えており、
   前記自動回転手段は、前記機体の水平飛行時において、前記距離センサを該機体の進行方向に向け、さらに、該機体の進行方向を中心として、そこから所定のヨー方向角度へ反復的に該距離センサを向けるように、所定の周期で該機体を回転させることを特徴とする無人回転翼機。
5. 機体とその周辺物との距離を計測する距離センサを備える無人回転翼機であって、
   前記距離センサおよびその検知方向は前記機体に固定されており、
   前記無人回転翼機は、所定の条件のもと前記機体をヨー方向に自動的に回転させ、前記距離センサを複数の異なる方位または位置に向ける自動回転手段と、
   前記機体の着陸時に該機体を支持する複数の脚部と、をさらに備えており、
   前記距離センサは、前記複数の脚部の一部における少なくとも一つの前記脚部とその着地点との距離を計測可能な位置および向きに配置されており、
   前記自動回転手段は、前記機体を着陸地点付近で回転させ、すべての前記脚部について、その着地点までの距離を計測することを特徴とする無人回転翼機。
6. 前記自動回転手段で計測した前記各脚部から着地点までの距離の差が所定の値よりも大きいときに、前記機体の位置を水平方向へずらす着陸地点変更手段をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の無人回転翼機。
7. 複数の回転翼を備える無人回転翼機の周辺物測距方法であって、
   前記無人回転翼機は、機体とその周辺物との距離を計測する距離センサを備えており、
   前記距離センサおよびその検知方向は前記機体に固定されており、
   前記機体の水平飛行時において、前記距離センサを該機体の進行方向に向け、さらに、該機体の進行方向を中心として、そこから所定のヨー方向角度へ反復的に該距離センサを向けるように、所定の周期で該機体を回転させる障害物監視手順を含むことを特徴とする無人回転翼機の周辺物測距方法。
8. 無人回転翼機の周辺物測距方法であって、
   前記無人回転翼機は、機体とその周辺物との距離を計測する距離センサと、
   前記機体の着陸時に該機体を支持する複数の脚部と、を備えており、
   前記距離センサは、前記複数の脚部の一部における少なくとも一つの前記脚部とその着地点との距離を計測可能な位置および向きに配置されており、
   前記機体を着陸地点付近で回転させ、すべての前記脚部について、その着地点までの距離を計測する高低差検出手順を含むことを特徴とする無人回転翼機の周辺物測距方法。

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