JP6413057B2 - 無人航空機および移動体捕捉システム - Google Patents

Description

本発明は無人航空機および移動体捕捉システムに関する。

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み、これにより無人航空機の操作性が著しく向上するとともに、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。

特開２０１４−１１９８２７号公報 再公表特許ＷＯ２００７／０４６１９４号公報 特開２０１３−１８６８１６号公報

一方、マルチコプターが容易に利用可能となったことにより、例えば壁やフェンスなどの遮蔽物を上空から迂回させて私有地や立ち入り禁止区域の中にマルチコプターを侵入させたり、また、マルチコプターを使って上空から盗撮を行うなど、マルチコプターの悪用に対する対策が急務とされている。

例えば上記特許文献１の警備システムでは、施設の警備にマルチコプターが利用されている。しかし、かかるマルチコプターは、あくまで事後的な捜査の用に供すべく、屋外において侵入者の自動車の特徴を柔軟に撮影することを目的としたものである。特許文献１の警備システムでは、侵入主体がマルチコプターのような飛行体であることは想定されておらず、当然、侵入してきたマルチコプターをその場で無力化するための手段は備えていない。

進入禁止区域に入ってきたマルチコプターをその逃避前に拘束すべく、上記特許文献３のような拘束網発射装置を用いる場合、マルチコプターの飛行位置まで拘束網が届かない可能性がある。上方への飛距離が最も長くなる真上に向かって拘束網を発射すると、捕捉されたマルチコプターが自身の頭上に落下してくるため危険であり、また、落ちてきた拘束網が自身に絡みつくおそれもある。このことから、上方に向かって拘束網を発射するときには斜め上方に向かって発射する必要があり、マルチコプターは多少飛行高度を上げるだけで拘束網による捕捉を免れることができる。

上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、所定の空域内に進入した不審物を速やかに無力化することができる無人飛行機、および移動体捕捉システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の無人航空機は、複数の回転翼と、拘束網を射出および展開する拘束網発射装置と、前記拘束網発射装置を保持し、該拘束網発射装置の射出方向を前記無人航空機の機体の向きとは独立して制御可能な射出方向制御装置と、を備えることを特徴とする。

無人航空機に拘束網発射装置を搭載し、空中から拘束網を射出可能とすることにより、例えばマルチコプターのように地上からでは拘束が難しい拘束対象物を捕捉することが可能となる。しかし、拘束網の射出方向を無人航空機の機首方向や高度を変化させることで調節していたのでは、空中を縦横無尽に移動する拘束対象物を捕えることは困難である。本発明の無人航空機は、その機体の向きとは独立して動作可能な射出方向制御装置を備え、主にこの射出方向制御装置で拘束網発射装置の向きを調節することにより、拘束網の射出方向を拘束対象物の動作に柔軟に追従させることが可能とされている。

また、複数の回転翼を備え、これら各回転翼の回転数を調節することで機体の姿勢や飛行動作を制御する無人航空機は、機体を傾斜させることで水平方向への移動やその速度の調節を行うという特徴がある。本発明の無人航空機は、射出方向制御装置を備えていることにより、機体を傾斜させたときでも、拘束網発射装置の向きを所望の方向に保つことができる。

また、本発明の無人航空機によれば、拘束対象物が人や動物である場合、拘束網発射装置を備えた無人航空機を遠隔から操縦することにより、自身は安全な場所にいながら拘束対象物を無力化することができる。

また、前記射出方向制御装置は、複数の前記拘束網発射装置を保持しており、前記複数の拘束網発射装置は、該複数の拘束網発射装置から同時に前記拘束網が射出されたときに、展開された前記各拘束網が互いに接触せず、かつ、これら展開された各拘束網同士に隙間が生じない程度の射出角度で、前記射出方向制御装置に保持されていることが好ましい。

一基の拘束網発射装置だけでは拘束対象物を捕えることが難しい場合でも、複数基の拘束網発射装置を並べて配置し、さらに、これら拘束網発射装置から射出された拘束網による捕捉可能範囲を最大化することにより、拘束対象物をより確実に捕えることが可能となる。この場合、各拘束網は同時に、またはほぼ同時に射出されることが望ましい。

また、前記複数の拘束網発射装置は、拘束対象物の移動特性に基づく予測移動範囲を網羅するために好適な配列および射出角度とされていることが好ましい。

拘束対象物の移動手段、移動速度、移動可能方向、方向転換の敏捷性、または移動上の制約など、その拘束対象物の移動特性に基づき、拘束網の射出時において予測される移動範囲を広くカバーできるように拘束網発射装置を配置することにより、拘束対象物の捕捉成功率を高めることができる。

また、前記複数の拘束網発射装置は、一の前記拘束網発射装置を中心として、その水平方向両側方および鉛直上方に他の前記拘束網発射装置が配置されていることが好ましい。

例えば空中を飛行するマルチコプターが拘束対象物である場合、マルチコプターはその性質上、急に後退したり下降したりすることが難しい。そこで、拘束対象物であるマルチコプターの直進方向、直進方向に対する左右方向、および上昇方向に対して拘束網を展開することにより、マルチコプターの捕捉成功率を高めることができる。

また、前記拘束網は、射出後に展開されることで拘束対象物に絡みつく展開部と、該展開部と前記拘束網発射装置とをつなぐ紐状部と、を有しており、前記拘束網発射装置は、前記紐状部の繰り出しおよび巻き取りが可能な巻き揚げ装置を備えている構成としてもよい。

例えばマルチコプターのように、空中を飛行する物体が拘束対象物である場合、拘束対象物は拘束網で捕捉されることにより地面に墜落する。その墜落地点に構造物や歩行者があった場合、拘束対象物の墜落が事故につながるおそれがある。拘束網の展開部を紐状部で拘束網発射装置につなぎ、拘束対象物の捕捉後には、その捕捉した拘束対象物を機体に吊るすことにより、このような事故を未然に防止することができる。一方、捕捉した拘束対象物を機体に吊るすためには、捕捉した拘束対象物が地面に到達しない程度の長さに紐状部を調節する必要があり、紐状部が拘束網発射装置の有効射程を制限することとなる。本構成の無人航空機は、拘束網発射装置が巻き揚げ装置を備え、展開部が拘束対象物に到達したときに紐状部を巻き取ることにより、拘束網発射装置の有効射程の確保と、捕捉した拘束対象物の吊り下げ機能との両立を図ることができる。

また、前記無人航空機は、拘束対象物の位置、または拘束対象物の位置および速度を取得し、その位置、または位置および速度を基準とした所定の相対位置へ前記無人航空機を自律飛行させる自動追跡手段を備えていることが好ましい。

無人飛行機が自動追跡手段を備え、拘束対象物を捕えやすい位置まで自動的に飛行することにより、無人飛行機のオペレータは、射出方向制御装置の操作と拘束網の発射操作のみに専念することができる。

また、前記無人航空機は、拘束対象物の位置を取得し、前記拘束網発射装置の射出方向を自動的に該拘束対象物の方へ向ける標的捕捉手段を備えていることが好ましい。

無人飛行機が標的捕捉手段を備え、拘束網発射装置を自動的に拘束対象物の方へ向けることにより、無人飛行機のオペレータは、機体の操作と拘束網の発射操作のみに専念することができる。また、無人飛行機がさらに自動追跡手段を備えている場合、オペレータは、拘束網の発射操作のみに専念することができる。

また、前記無人航空機は、前記拘束対象物が前記拘束網発射装置の射程圏内に入った時に、前記拘束網を自動的に射出する自動発射手段を備えていることが好ましい。

無人航空機が拘束対象物の自動追跡手段と拘束網の自動発射手段とを備えることにより、拘束対象物を特定した後の機体操作を全て自動化することができる。これにより、手動では不可能なレベルの瞬間的な判断や動作が可能となり、拘束対象物をより確実に捕えることが可能となる。

また、前記自動発射手段は、前記拘束網の射出から該拘束網の前記拘束対象物への到達までの時間差を踏まえて、前記拘束網の到達時における該拘束対象物の位置を予測し、その予測された位置に基づいて前記拘束網の射出方向を調節することが好ましい。

例えばマルチコプターのように、空中を高速に移動する物体が拘束対象物である場合、拘束網の射出から到達に至るまでのタイムラグにより、拘束対象物が拘束網をすり抜けてしまうおそれがある。このことは、無人航空機と拘束対象物との距離を十分に詰めることが難しいときに特に顕著となる。このような場合には、例えば、拘束網の射出時における拘束対象物の移動方向と移動速度に基づいて、拘束網の到達時における拘束対象物の位置を予測し、その予測された位置に対して拘束網を射出することにより、拘束対象物の捕捉成功率を高めることができる。本構成の無人航空機は、このような方法により、拘束網の射出から到達に至るまでのタイムラグを踏まえて拘束網の射出方向を決定することにより、拘束対象物をより確実に捕えることが可能とされている。

また、前記射出方向制御装置は、複数の前記拘束網発射装置を保持しており、前記自動発射手段は、前記各拘束網発射装置から、順次、前記拘束網を射出することが好ましい。

例えば拘束対象物の移動予測が外れ、拘束対象物に拘束網をすり抜けられた場合でも、予測と射出を複数回繰り返すことにより、予測通りの位置に拘束対象物がくる可能性を高めることができる。

また、前記拘束網は、射出後に展開されることで拘束対象物に絡みつく展開部と、該展開部と前記拘束網発射装置とをつなぐ紐状部と、を有しており、前記無人航空機は、前記拘束対象物を前記拘束網で捕えた後、予め定められた投棄位置まで該拘束対象物を吊るした状態で運び、該拘束対象物をその投棄位置に投棄して帰投するか、または前記投棄位置に着陸する自動投棄手段を備えていることが好ましい。

例えばマルチコプターのように、空中を飛行する物体が拘束対象物である場合、拘束対象物は拘束網で捕捉されることにより地面に墜落する。その墜落地点に構造物や歩行者があった場合、拘束対象物の墜落が事故へとつながるおそれがある。拘束網の展開部を紐状部で拘束網発射装置につなぎ、拘束対象物の捕捉後には、その捕捉した拘束対象物を安全な場所まで機体に吊るして運搬することにより、このような事故を未然に防止することができる。

また、上記課題を解決するため、本発明の移動体捕捉システムは、所定の空間を監視する監視装置と、本発明の無人航空機と、前記監視装置および前記無人航空機と通信可能な中間処理装置と、を備え、前記監視装置は、その監視空間の状態を示す情報である監視情報を取得する監視手段を有しており、前記中間処理装置は、前記監視情報に基づいて、前記監視空間に進入した前記拘束対象物を検知し、該監視空間における前記拘束対象物の位置を特定する位置特定手段を有しており、前記無人航空機は、前記中間処理装置により特定された前記拘束対象物の位置を取得することを特徴とする。

監視情報を取得する監視装置と、監視情報から拘束対象物の位置を特定する中間処理装置と、中間処理装置が特定した位置情報に基づいて拘束対象物を捕える無人航空機とで、拘束対象物の捕捉に必要な機能を分担することにより、拘束対象物である移動体をより確実に、かつ効率的に無力化することが可能となる。

以上のように、本発明にかかる無人航空機、および移動体捕捉システムによれば、所定の空域内に進入した不審物を速やかに無力化することが可能となる。

第１実施形態にかかるマルチコプターの外観を示す斜視図である。 ネットランチャーの配置方法を示す部分拡大図である。 ネットランチャーから射出された拘束網の構造を示す模式図である。 第１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。 第２実施形態にかかるマルチコプターの外観を示す斜視図である。 第２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。 マルチコプターが拘束対象物を捕捉する工程を示す模式図である。 マルチコプターが拘束対象物を投棄して帰投する様子を示す模式図である。 移動体捕捉システムの機能構成を示すブロック図である。 移動体捕捉システムの概要を示す模式図である。 ウインチを備えるネットランチャーを示す模式図である。 ネットランチャーの他の配置方法を示す部分拡大図である。 マルチコプターがネットランチャーを発射した様子を示す模式図である。 複数機のマルチコプターを用いた移動体捕捉システムの概要を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。以下の各実施形態は、本発明の無人航空機または移動体捕捉システムにより、立ち入り禁止区域に進入してきた拘束対象物を捕捉する例である。以下の各実施形態における拘束対象物Ｔは、無人航空機である小型のマルチコプターである。また、立ち入り禁止区域とは、例えば、民間企業の実験施設や住宅地などの私有地、または、官邸や領事館など要人が滞在する国公有地の敷地内など、許可を得ない者の立ち入りが厳に禁止されている区域を意味している。

〔第１実施形態〕
［全体構成］
図１は、本実施形態にかかるマルチコプター１０１の外観を示す斜視図である。マルチコプター１０１は、機体の周方向等間隔に６基のローターＲが搭載された無人航空機である。マルチコプター１０１は、その機体の下部にネットランチャー駆動装置３００が連結されており、ネットランチャー駆動装置３００には４基のネットランチャーからなるネットランチャー２００が並べて配置されている。ネットランチャー２００は、拘束網を発射して拘束対象物Ｔを捕捉する拘束網発射装置である。ネットランチャー駆動装置３００は、ネットランチャー２００の射出方向を、マルチコプター１０１の機体の向きとは独立して図１視上下方向および周方向に制御可能な射出方向制御装置である。

本実施形態のマルチコプター１０１のように、複数の回転翼を備え、これら各回転翼の回転数を調節することで機体の姿勢や飛行動作を制御する無人航空機は、飛行中の機体を傾斜させることで水平方向への移動やその速度の調節を行うという特徴がある。マルチコプター１０１はネットランチャー駆動装置３００を備えていることにより、機体が傾斜したときでも、ネットランチャー２００の向きを所望の方向に保つことができる。

［ネットランチャーの構成］
図２は、ネットランチャー２００を構成する各ネットランチャーの配置方法を示す部分拡大図である。図２に示すように、ネットランチャー２００は、略同一方向に向けられてネットランチャー駆動装置３００に固定された、ネットランチャー２１０，２２０，２３０，２４０により構成されている。

ここで、ネットランチャー２１０を例として、拘束網の構造について説明する。図３は、ネットランチャー２１０から射出された拘束網２１１の構造を示す模式図である。図３に示すように、拘束網２１１は、射出後に展開されることで拘束対象物Ｔに絡みつく展開部２１１ｗと、この展開部２１１ｗとネットランチャー２１０とをつなぐ紐状部２１１ｓと、により構成されている。ネットランチャー２１０，２２０，２３０，２４０はいずれも同じ装置であり、これらが発射する拘束網２１１，２２１，２３１，２４１の構造もすべて同じである。以下、これら拘束網２１１，２２１，２３１，２４１を総称して「拘束網２０１」ともいい、これら拘束網２０１の展開部を総称して「展開部２０１ｗ」、紐状部を総称して「紐状部２０１ｓ」ともいう。

例えば図３の例のように、拘束対象物Ｔが空中を飛行するマルチコプターである場合、拘束対象物Ｔは拘束網などで捕捉されることにより飛行不能となり、地面に墜落する。その墜落地点に構造物や歩行者があった場合、拘束対象物Ｔの墜落が事故につながるおそれがある。本実施形態のマルチコプター１０１では、拘束網２０１の展開部２０１ｗが紐状部２０１ｓでネットランチャー２００につながれており、拘束対象物Ｔの捕捉後には、その捕捉した拘束対象物Ｔが機体に吊るされた状態となることにより、このような事故を未然に防止している。なお、マルチコプターである拘束対象物Ｔは、複数のローターを回転させながら飛行しているため、展開部２０１ｗが拘束対象物Ｔに接触すると、展開部２０１ｗはこれらローターに巻き込まれることとなる。これにより展開部２０１ｗは、拘束対象物Ｔに強固に絡みつき、拘束対象物Ｔを離脱不能に保持する。

なお、本発明の拘束網の構造は本実施形態のものには限られず、例えば拘束対象物が飛行体ではない場合や、捕捉後の拘束対象物が墜落しても特に問題がない場合には、紐状部は不要である。

本実施形態では、捕捉した拘束対象物Ｔを機体に吊るすため、空中で捕捉した拘束対象物Ｔが地面に到達しない程度に紐状部２０１ｓの長さが調節されている。これは、紐状部２０１ｓがネットランチャー２００の有効射程を制限しているということでもある。また、紐状部２０１ｓの長さが一定である場合、拘束対象物Ｔの地面への墜落を防ぐためには、紐状部２０１ｓの長さよりも高い高度から拘束網２０１を発射する必要もある。そこで、図１１においてネットランチャー２１０を例として示すように、ネットランチャー２１０が、紐状部２１１ｓの繰り出しおよび巻き取りが可能な巻き揚げ装置であるウインチ２０２を備え、拘束網２１１の射出時には、その展開部２１１ｗが拘束対象物Ｔに到達するまで紐状部２１１ｓを繰り出し、拘束対象物Ｔの捕捉後に紐状部２１１ｓを巻き取る構成としてもよい。これにより、ネットランチャー２００の有効射程の確保と、捕捉した拘束対象物Ｔの吊り下げ機能との両立を図ることができる。なお、図１１ではネットランチャー２１０のみを例として挙げているが、他のネットランチャー２２０，２３０，２４０についても、それぞれにウインチを設けるか、または、一つのウインチ２０２でネットランチャー２００のすべての紐状部２０１ｓを制御する必要がある。

図２に示すように、各ネットランチャー２１０，２２０，２３０，２４０は、これらから同時に拘束網２０１が射出され、展開されたときに、その展開部２０１ｗが互いに接触せず、かつ、これら展開部２０１ｗ同士に隙間が生じない程度の射出角度で配置されている。つまり、拘束網２０１の有効面積（展開部２０１ｗの面積）が最大化されている。そのため、一基のネットランチャーだけでは拘束対象物Ｔを捕えることが難しい場合でも、高い捕捉成功率でこれを捕えることが可能とされている。また、ネットランチャー２００を構成するネットランチャーの数を４基よりも多く配置することで、捕捉成功率をさらに高めることも可能である。なお、本実施形態のネットランチャー２００は、同じタイミングで一斉に拘束網２０１を射出する。

図１２は、各ネットランチャー２１０，２２０，２３０，２４０の他の配置方法を示す部分拡大図である。図１２のネットランチャー２００´は、ネットランチャー２１０を中心として、その水平方向両側方にネットランチャー２２０，２３０が、鉛直上方にネットランチャー２４０が配置されている。なお、ネットランチャー２００´についても、これらの展開部２０１ｗが互いに接触せず、かつ、隙間が生じない程度の射出角度で配置されている。

図１３は、マルチコプター１０１がネットランチャー２００´を発射した様子を示す模式図である。本実施形態の拘束対象物Ｔは空中を飛行するマルチコプターである。マルチコプターは、急に後退したり下降したりすることが難しいという性質を有している。そこで、拘束対象物Ｔであるマルチコプターの直進方向ｆｓ、直進方向に沿った左右方向ｆｌ，ｆｒ、および上昇方向ｆｕに対して拘束網２１１，２１２，２１３，２１４を展開し、拘束対象物Ｔの想定される進路を塞ぐことにより、拘束対象物Ｔの捕捉成功率を高めることができる。

［機能構成］
図４はマルチコプター１０１の機能構成を示すブロック図である。マルチコプター１０１は、主に、フライトコントローラＦＣ、６基のローターＲ、これらローターＲの回転を制御するＥＳＣ１４１（Electric Speed Controller）、ネットランチャー２００、ネットランチャー駆動装置３００、および、これらに電力を供給するバッテリー１９０により構成されている。

各ローターＲは、モータ１４２と、その出力軸に連結されたブレード１４３とにより構成されている。ＥＳＣ１４１は、ローターＲのモータ１４２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１４２を回転させる。マルチコプター１０１のローター数は特に限定されず、求められる飛行安定性や許容されるコスト等に応じて、ローターＲが３基のトライコプターから、ローターＲが８基のオクタコプター、さらには８基よりも多くのローターを備えるものまで適宜変更可能である。

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１２０を備えている。制御装置１２０は、中央処理装置であるＣＰＵ１２１、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶装置であるメモリ１２２、および、ＥＳＣ１４１を介して各モータ１４２の回転数を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コントローラ１２３を有している。

フライトコントローラＦＣはさらに、飛行制御センサ群１３１およびＧＰＳ受信器１３２（以下、これらを総称して「センサ等」ともいう。）を備えており、これらは制御装置１２０に接続されている。本実施形態におけるマルチコプター１０１の飛行制御センサ群１３１には、３軸加速度センサ、３軸角速度センサ、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１２０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、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１２０のメモリ１２２には、マルチコプター１０１の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御する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（送信器１５１）からの指示に従い、センサ等から取得した情報を基に、個々のローター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１０１を飛行させる。

このように、本実施形態におけるマルチコプター１０１は高度な飛行制御機能を備えている。ただし、本発明における無人航空機は、複数のローターＲを備え、これら各ローターＲの回転数を調節することにより機体の姿勢や飛行動作を制御する機体であればよく、例えばセンサ等から一部のセンサが省略された機体であってもよい。

ネットランチャー駆動装置３００は制御装置１２０に接続されており、オペレータからの指示に従ってネットランチャー２００の射出方向を制御し、同じくオペレータからの指示により拘束網２０１を一斉に発射する。尚、本実施形態では、一つの送信器１５１でマルチコプター１０１の操縦とネットランチャー駆動装置３００の操作とを行っているが、これらを別々の送信器を用いて行い、複数人で作業を分担してもよい。また、本実施形態では、マルチコプター１０１および拘束対象物Ｔを目視で確認しながらこれを捕捉することを想定しているが、例えばネットランチャー駆動装置３００に、ネットランチャー２００の射出方向に向けられたカメラを搭載し、そのカメラで撮影した映像を手元で見ながらネットランチャー駆動装置３００を操作する構成なども考えられる。

［拘束対象物の捕捉手順］
以下、本実施形態のマルチコプター１０１を用いた拘束対象物Ｔの捕捉方法について説明する。

（１）まず、監視者が立ち入り禁止区域への拘束対象物Ｔの進入を発見する。（２）監視者はその旨をマルチコプター１０１のオペレータに通知する。監視者自身がマルチコプター１０１のオペレータであってもよい。（３）オペレータはマルチコプター１０１を手動で操縦し、マルチコプター１０１を拘束対象物Ｔに接近させる。（４）拘束対象物Ｔがネットランチャー２００の射程圏内に入ったら、オペレータはネットランチャー駆動装置３００を操作して、拘束対象物Ｔに向けて拘束網２０１を一斉に発射する。（５）拘束対象物Ｔの捕捉後、オペレータは、マルチコプター１０１の機体から拘束対象物Ｔを吊り下げた状態で、拘束対象物Ｔを予め定められた安全な投棄場まで運ぶ。

本実施形態の拘束対象物Ｔのように、地上からでは捕えることが難しい対象であっても、マルチコプター１０１がネットランチャー２００を備え、空中から拘束網２０１を発射して拘束対象物Ｔを捕捉することにより、拘束対象物Ｔを速やかに無力化することができる。また、空中を縦横無尽に移動する拘束対象物Ｔを捕えるときに、拘束網２０１の射出方向をマルチコプター１０１の機首方向や高度を変化させることで調節していたのでは、拘束対象物Ｔの機敏な動作に追従することは困難である。マルチコプター１０１は、その機体の向きとは独立して動作可能なネットランチャー駆動装置３００を備えており、主にこのネットランチャー駆動装置３００でネットランチャー２００の向きを制御することにより、拘束網２０１の射出方向を拘束対象物Ｔの移動に柔軟に追従させることが可能とされている。

なお、本実施形態のネットランチャー駆動装置３００は、ネットランチャー２００の射出方向を上下方向および周方向に制御可能であるが、ネットランチャー２００の周方向への制御はマルチコプター１０１の機体の回転により行い、ネットランチャー２００の上下方向の制御のみをネットランチャー駆動装置３００で行わせる構成としてもよい。

〔第２実施形態〕
以下に、本発明の第２実施形態について図面を用いて説明する。以下の説明では、先の実施形態と同一または同様の機能を有する構成については、先の実施形態と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

［全体構成］
図５は、本実施形態にかかるマルチコプター１０２の外観を示す斜視図である。マルチコプター１０２は、機体の周方向等間隔に６基のローターＲが搭載された無人航空機である。マルチコプター１０２は、その機体の下部にネットランチャー駆動装置３００が連結されており、ネットランチャー駆動装置３００には４基のネットランチャーからなるネットランチャー２００が並べて配置されている。なお、ローターＲの数が６基でなくてもよいことは第１実施形態のマルチコプター１０１と同様である。

また、マルチコプター１０２の機体の下部には、ステレオカメラ４１０を保持するカメラ駆動装置４２０が連結されている。カメラ駆動装置４２０は、ステレオカメラ４１０の撮影方向を、マルチコプター１０１の機体の向きとは独立して上下方向および周方向に制御可能な装置である。カメラ駆動装置４２０は、オペレータが手動で遠隔操作できるほか、後述する画像解析プログラムＩＡＰにより自動で制御することもできる。

ここで、ステレオカメラ４１０は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を有する１組のカメラで構成されている。これらのカメラは、互いの光軸が平行となるように所定の基線長（光軸間隔）で固定されており、対象の物体を異なる視点から撮像する。ステレオカメラ４１０の、第１のカメラで取得した物体画像と、第２のカメラで取得した物体画像との視差から、距離を含むその物体との相対位置を三角測量の原理により取得することができる。

［ネットランチャーの構成］
ネットランチャー駆動装置３００、および、ネットランチャー２００の構成は第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。ネットランチャー２１０，２２０，２３０，２４０の配置方法がこれに限られないことは第１実施形態のマルチコプター１０１と同様である。

［機能構成概要］
図６は、マルチコプター１０２の機能構成を示すブロック図である。マルチコプター１０２は、第１実施形態のマルチコプター１０１の機能に加え、マルチコプター１０２の機体操作を自動化する種々の機能を備えている。また、マルチコプター１０２は、そのステレオカメラ４１０で撮影した動画像をリアルタイムでオペレータ端末１５２に転送することができ、オペレータは、オペレータ端末１５２に表示されたその動画像から拘束対象物Ｔを特定し、その領域をテンプレートとしてマルチコプター１０２に通知することができる。

［自動追跡機能］
マルチコプター１０２は、拘束対象物Ｔの位置を取得し、その位置を基準とした所定の相対位置へマルチコプター１０２を自律飛行させる自動追跡手段を備えている。本実施形態の自動追跡手段は、ステレオカメラ４１０およびカメラ駆動装置４２０、ステレオカメラ４１０で撮影した拘束対象物Ｔの動画像を処理し、マルチコプター１０２と拘束対象物Ｔとの距離を含む相対的な位置関係を取得する画像解析プログラムＩＡＰ、および、画像解析プログラムＩＡＰが特定した拘束対象物Ｔの位置を基準として、拘束網２０１の発射に好適な位置まで機体を自律的に飛行させる自動追跡プログラムＡＴＰにより構成されている。

本実施形態では、オペレータ端末１５２に表示されたステレオカメラ４１０の動画像から、オペレータが手動で拘束対象物Ｔを特定し、その領域をテンプレートとしてマルチコプター１０２に通知することで、マルチコプター１０２に追跡対象を設定する。この操作を行うため、本実施形態のマルチコプター１０２では、拘束対象物Ｔの位置を特定する手段としてステレオカメラ４１０が採用されている。

拘束対象物Ｔの位置特定手段はステレオカメラ４１０には限られず、マルチコプター１０２と拘束対象物Ｔとの相対的な位置関係を算出可能であることを条件として、他の手段を採用することもできる。例えば、いわゆる３Ｄ ＬＩＤＡＲなどの３次元レーザースキャナや、拘束対象物Ｔの位置の特定可能な解像度を有するレーダーをマルチコプター１０２に搭載し、地上から上空を常時計測することで拘束対象物Ｔを自動的に検知させ、追跡させる方法や、オペレータがマルチコプター１０２を操縦しながら、ステレオカメラ４１０などの監視方向において最も近くにある移動体を拘束対象物Ｔと認識させる方法などが考えられる。

画像解析プログラムＩＡＰは、拘束対象物Ｔの認識後、常にステレオカメラ４１０の視野の中央に拘束対象物Ｔが配置されるように、カメラ駆動装置４２０の撮影方向を自動制御する。

自動追跡プログラムＡＴＰは、マルチコプター１０２を単に拘束対象物Ｔの現在位置に向かわせるだけではなく、拘束対象物Ｔの現在位置を基準として拘束網２０１の発射に好適な位置（本実施形態の場合は、拘束対象物Ｔの斜め上方）に向かってマルチコプター１０２を飛行させる。拘束網２０１の発射に好適な位置は、機体やネットランチャーの構成や性能、拘束対象物の性質などにより異なるため、条件に応じて調節する必要がある。なお、本実施形態の自動追跡プログラムＡＴＰは拘束対象物Ｔの現在位置のみを基準として飛行先を決定しているが、拘束対象物Ｔの移動速度も加味して拘束網２０１の発射に好適な位置を決定する構成としてもよい。

このように、本実施形態では、マルチコプター１０２が拘束対象物Ｔを自動的に追跡可能であることにより、マルチコプター１０２のオペレータは、後述する自動発射機能を備えない場合であっても、ネットランチャー駆動装置３００の操作のみに専念することができる。これにより拘束対象物Ｔの捕捉成功率を高められている。

［標的捕捉機能および自動発射機能］
また、マルチコプター１０２は、ネットランチャー２００の射出方向を自動的に拘束対象物Ｔの方へ向ける標的捕捉手段と、拘束対象物Ｔがネットランチャー２００の射程圏内に入った時に、拘束網２０１を自動的に射出する自動発射手段とを備えている。本実施形態の標的捕捉手段は、ステレオカメラ４１０およびカメラ駆動装置４２０、画像解析プログラムＩＡＰ、画像解析プログラムＩＡＰが特定した拘束対象物Ｔとマルチコプター１０２との相対的な位置関係に基づいて、ネットランチャー駆動装置３００を制御し、ネットランチャー２００の射出方向を自動的に拘束対象物Ｔの方へ向ける標的捕捉プログラムＲＯＰにより構成されている。自動発射手段は、標的捕捉手段と、拘束対象物Ｔが射程圏内に入ったタイミングで拘束網２０１を自動的に射出する自動発射プログラムＡＦＰとにより構成されている。

このように、本実施形態では、マルチコプター１０２が拘束対象物Ｔの自動追跡手段、拘束対象物Ｔの標的捕捉手段、および拘束網２０１の自動発射手段を備えていることにより、拘束対象物Ｔを特定した後の機体操作が全て自動化されている。これにより、手動では不可能なレベルの瞬間的な判断や動作が可能となり、拘束対象物Ｔをより確実に捕えることが可能とされている。

ここで、例えば本実施形態のように、空中を高速に移動する物体が拘束対象物Ｔである場合、拘束網２０１の射出から到達に至るまでの時間差により、拘束対象物Ｔが拘束網２０１をすり抜けてしまうおそれがある。このことは、例えば拘束対象物Ｔの移動速度がマルチコプター１０２よりも速く、マルチコプター１０２と拘束対象物Ｔとの距離を十分に詰めることが難しいときに顕著となる。

このような場合には、拘束網２０１の射出から拘束対象物Ｔへの到達までの時間差を踏まえて、拘束網２０１の到達時における拘束対象物Ｔの位置を予測し、その予測された位置に基づいて拘束網２０１の射出方向を決定することで、拘束対象物Ｔの捕捉成功率を高めることができる。

図７は本実施形態のマルチコプター１０２が拘束対象物Ｔを捕捉する工程を示す模式図である。図７（ａ）は、標的捕捉プログラムＲＯＰが拘束網２０１の射出方向を調節する様子を示す模式図である。図７（ｂ）は、自動発射プログラムＡＦＰが拘束網２０１を射出した様子を示す模式図である。

図７（ａ）において、拘束対象物Ｔは矢印ｖの方向に所定の速度で飛行していたものとする。ここで、マルチコプター１０２の標的捕捉プログラムＲＯＰは、拘束対象物Ｔの現在位置ｃにネットランチャー２００を向けるのではなく、そのときの拘束対象物Ｔの移動方向と移動速度に基づいて、拘束網２０１の到達時における拘束対象物Ｔの位置ｆを予測し、位置ｆにネットランチャー２００を向ける。そして、図７（ｂ）に示すように、マルチコプター１０２の自動発射プログラムＡＦＰは、拘束対象物Ｔがネットランチャー２００の射程圏内に入った時に、位置ｆに向かって拘束網２０１を発射する。

このように、本実施形態のマルチコプター１０２は、拘束網２０１の射出から到達に至るまでの時間差を踏まえて拘束網２０１の射出方向を決定することにより、高速に移動する拘束対象物Ｔをより確実に捕えることが可能とされている。

なお、本実施形態の自動発射プログラムＡＦＰは、ネットランチャー２００を一斉に発射する構成とされているが、ネットランチャー２００は常に一斉に発射する必要はなく、順次発射する構成としてもよい。これにより、例えば拘束対象物Ｔの移動予測が外れ、拘束対象物Ｔに拘束網２１１をすり抜けられた場合でも、予測と射出を複数回繰り返すことにより、予測通りの位置に拘束対象物Ｔがくる可能性を高めることができる。

［自動投棄機能］
また、マルチコプター１０２は、拘束対象物Ｔを拘束網２０１で捕えた後、予め定められた投棄位置まで拘束対象物Ｔを吊るした状態で運び、その投棄位置に拘束対象物Ｔを投棄して帰投する自動投棄手段を備えている。本実施形態の自動投棄手段は、自動投棄プログラムＡＤＰにより構成されている。

図８は、マルチコプター１０２が自動投棄プログラムＡＤＰにより、捕捉された拘束対象物Ｔを投棄場Ｄに投棄し、離着陸場Ｐに帰投する様子を示す模式図である。図８に示すように、マルチコプター１０２は、拘束対象物Ｔの捕捉を検知すると、機体に拘束対象物Ｔを吊るした状態で投棄場Ｄまで自律飛行させ、投棄場Ｄの上空で紐状部２０１ｓを切断したあと、マルチコプター１０２の離着陸場Ｐに自動的に帰投し、着陸する。

ここで、自動投棄プログラムＡＤＰによる、拘束対象物Ｔの捕捉の検知は、例えば拘束網２０１発射前後のホバリング時におけるローターＲの回転数の上昇や消費電流の上昇、つまり自重の変化から捕捉の成否を判断したり、その他、紐状部２０１ｓの引っ張り応力の増加から捕捉の成否を判断したりすることが考えられる。

本実施形態のように、拘束対象物Ｔが空中を飛行する物体である場合、拘束対象物Ｔは拘束網などで捕捉されることにより飛行不能となり、地面に墜落する。その墜落地点に構造物や歩行者があった場合、拘束対象物Ｔの墜落が事故につながるおそれがある。本実施形態のマルチコプター１０２では、拘束網２０１の展開部２０１ｗが紐状部２０１ｓでネットランチャー２００につながれており、拘束対象物Ｔの捕捉後には、その捕捉した拘束対象物Ｔを機体に吊るして投棄場Ｄまで運搬する。これにより、拘束対象物Ｔの墜落による事故が防止されている。

なお、本実施形態の自動投棄プログラムＡＤＰは、拘束対象物Ｔを投棄場Ｄに投棄した後、マルチコプター１０２を離着陸場Ｐに自動的に帰投させる仕組みとなっているが、例えば、拘束対象物Ｔとともにマルチコプター１０２を投棄場Ｄに着陸させる構成としてもよい。

また、本実施形態では、機体操作を自動化する全てのプログラムを１基の制御装置１２０で実行しているが、これが過負荷となる場合には、マルチコプター１０２に複数の制御装置を搭載し、一部のプログラムを他の制御装置で実行してもよい。また、これらのプログラムは常にすべてが実装されている必要はなく、その一部のみが実装されていても相応の効果を得ることができる。例えば、上記機能のうち標的捕捉手段のみを備え、オペレータの任意のタイミングでネットランチャー２００を発射できるように構成した機体は、様々な条件下において、拘束対象物を柔軟に、かつ高い捕捉成功率で捕えることが可能である。

［拘束対象物の捕捉手順］
以下、本実施形態のマルチコプター１０２を用いた拘束対象物Ｔの捕捉方法について説明する。

（１）まず、監視者が立ち入り禁止区域への拘束対象物Ｔの進入を発見する。（２）監視者がその旨をマルチコプター１０２のオペレータに通知する。監視者自身がマルチコプター１０２のオペレータであってもよい。（３）オペレータは、マルチコプター１０２を手動で操縦し、ステレオカメラ４１０で拘束対象物Ｔを撮影するとともに、その動画像中の拘束対象物Ｔをマルチコプター１０２に通知する。（４）マルチコプター１０２は、自動追跡手段により拘束対象物Ｔに自動接近する。（５）マルチコプター１０２は、標的捕捉手段および自動発射手段により、拘束対象物Ｔの進路を予測し、拘束対象物Ｔがネットランチャー２００の射程圏内に入ったときに拘束網２０１を一斉に自動発射する。（６）マルチコプター１０２は、拘束対象物Ｔの捕捉後、自動投棄手段により、機体に拘束対象物Ｔを吊り下げたまま投棄場Ｄまで運び、投棄場Ｄへの投棄後、マルチコプター１０２の離着陸場Ｐまで自動的に帰投する。

なお、例えばマルチコプター１０２が、そのステレオカメラ４１０などで立ち入り禁止区域の上空を地上から常時監視し、拘束対象物Ｔを自動的に検知可能であるきには、上記（１）から（３）の手順は省略することができる。

〔第３実施形態〕
以下に、本発明の第３実施形態について図面を用いて説明する。なお、以下の説明では、先の実施形態と同一または同様の機能を有する構成については、先の実施形態と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

［全体構成］
図９は、移動体捕捉システムＳの機能構成を示すブロック図である。図１０は移動体捕捉システムＳの概要を示す模式図である。移動体捕捉システムＳは、主に、立ち入り禁止区域を監視する監視装置５００、無人航空機であるマルチコプター１０３、および、監視装置５００およびマルチコプター１０３と通信可能な中間処理装置であるサーバ装置６００により構成されている。以下、立ち入り禁止区域のうち、監視装置５００により監視されている空間を「監視空間Ｍ」という。

［監視装置の構成］
監視装置５００は、監視手段である複数台のカメラ５１０により構成されており、監視空間Ｍをこれらカメラ５１０により多方向から撮影することで、監視空間Ｍ内の物体の３次元位置を特定する。

監視装置５００の監視手段は本実施形態のカメラ５１０には限定されない。カメラ５１０以外の監視手段としては、監視空間Ｍへの移動体の進入を検知することができ、また、監視空間Ｍ内におけるその移動体の３次元位置を特定可能な監視情報が得られることを条件として、例えば、いわゆる３Ｄ ＬＩＤＡＲなどの３次元レーザースキャナや、拘束対象物Ｔの位置の特定可能な解像度を有するレーダーのほか、音を入力信号として音源の位置を特定する手段などを用いることもできる。

［サーバ装置の構成］
サーバ装置６００は、中央処理装置であるＣＰＵ６１０と、主記憶装置であるＲＡＭ、補助記憶装置であるＨＤＤなどからなるメモリ６２０と、を備えた一般的なサーバコンピュータである。

サーバ装置６００は、拘束対象物Ｔの位置特定手段である画像解析プログラムＩＡＰを有している。画像解析プログラムＩＡＰは、監視装置５００が撮影した動画像を処理し、監視空間Ｍへの拘束対象物Ｔの進入を検知するとともに、監視空間Ｍ内における拘束対象物Ｔの３次元位置を特定する。

［マルチコプターの構成］
マルチコプター１０３は、第２実施形態のマルチコプター１０２から、拘束対象物Ｔの位置の特定に関する構成（ステレオカメラ４１０，カメラ駆動装置４２０，画像解析プログラムＩＡＰ，オペレータへステレオカメラ４１０の動画像を転送し、拘束対象物Ｔのテンプレートを受信する送受信器１６２）が省略されたものである。他の構成は第２実施形態のマルチコプター１０２と同様であるため、ここでは説明を省略する。マルチコプター１０３は、サーバ装置６００から拘束対象物Ｔの３次元位置を取得して、その位置を基準とした所定の相対位置へ自律飛行し、自動的に拘束対象物Ｔを捕捉、および投棄する。

［拘束対象物の捕捉手順］
以下、本実施形態の移動体捕捉システムＳを用いた拘束対象物Ｔの捕捉方法について説明する。

（１）監視装置５００は、監視情報である監視空間Ｍの動画像を常時サーバ装置６００に転送する。（２）サーバ装置６００が、監視空間Ｍへの拘束対象物Ｔの進入を検知するとともに、その位置の変化を継続的にマルチコプター１０３に通知する。（３）マルチコプター１０３は、自動追跡手段により拘束対象物Ｔに自動接近する。（４）マルチコプター１０３は、標的捕捉手段および自動発射手段により、拘束対象物Ｔの進路を予測し、拘束対象物Ｔがネットランチャー２００の射程圏内に入ったときに拘束網２０１を一斉に自動発射する。（６）マルチコプター１０３は、拘束対象物Ｔの捕捉後、自動投棄手段により、機体に拘束対象物Ｔを吊り下げたまま投棄場Ｄまで運び、投棄場Ｄへの投棄後、マルチコプター１０３の離着陸場Ｐまで自動的に帰投する。

このように、本実施形態の移動体捕捉システムＳは、監視空間Ｍの監視情報を取得する監視装置５００と、監視情報から拘束対象物Ｔの位置を特定するサーバ装置６００と、サーバ装置６００が特定した位置情報に基づいて拘束対象物Ｔを追跡・捕捉するマルチコプター１０３とで、拘束対象物Ｔの捕捉に必要な機能を分担することにより、拘束対象物Ｔをより確実に、かつ効率的に捕えることが可能とされている。

また、移動体捕捉システムＳは、マルチコプター１０３を一機だけでなく複数機備えてもよい。図１４は、複数機のマルチコプター１０３を用いた移動体捕捉システムＳ´の概要を示す模式図である。図１４に示されるように、複数機のマルチコプター１０３を用いる方法としては、例えば、拘束対象物Ｔの位置に対する各機の相対的位置を異ならせたり、その他、監視空間Ｍを複数のエリアに分割し、各機が移動可能なエリアを異ならせたりすることが考えられる。これにより、マルチコプター１０３が一機だけの場合よりも、拘束対象物Ｔの捕捉成功率を高めることが可能となる。

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。例えば、上記各実施形態の拘束対象物Ｔはいずれもマルチコプターであるが、本発明の無人航空機および移動体捕捉システムは、拘束対象物が人や動物である場合にも有効である。この場合、自身は安全な場所にいながら、遠隔から拘束対象物を無力化することができるという利点がある。

Claims (13)

1. 複数の回転翼を備える無人航空機であって、
   拘束網を射出および展開する拘束網発射装置と、
   前記拘束網発射装置を保持し、該拘束網発射装置の射出方向を前記無人航空機の機体の向きとは独立して制御可能な射出方向制御装置と、
   移動体である拘束対象物の位置を、カメラ、レーザスキャナ、レーダー、または音により取得し、その位置を基準とした所定の相対位置へ前記無人航空機を自律飛行させる自動追跡手段と、
   前記拘束網発射装置の射出方向を自動的に該拘束対象物の方へ向ける標的捕捉手段と、
   を備えることを特徴とする無人航空機。
2. 複数の回転翼を備える無人航空機であって、
   拘束網を射出および展開する拘束網発射装置と、
   前記拘束網発射装置を保持し、該拘束網発射装置の射出方向を前記無人航空機の機体の向きとは独立して制御可能な射出方向制御装置と、を備え、
   前記射出方向制御装置は、複数の前記拘束網発射装置を保持しており、
   前記複数の拘束網発射装置は、該複数の拘束網発射装置から同時に前記拘束網が射出されたときに、展開された前記各拘束網が互いに接触せず、かつ、これら展開された各拘束網同士に隙間が生じない程度の射出角度で、前記射出方向制御装置に保持されていることを特徴とする無人航空機。
3. 前記複数の拘束網発射装置は、拘束対象物の移動特性に基づく予測移動範囲を網羅するために好適な配列および射出角度とされていることを特徴とする請求項２に記載の無人航空機。
4. 前記複数の拘束網発射装置は、一の前記拘束網発射装置を中心として、その水平方向両側方および鉛直上方に他の前記拘束網発射装置が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の無人航空機。
5. 複数の回転翼を備える無人航空機であって、
   拘束網を射出および展開する拘束網発射装置を備え、
   前記拘束網は、射出後に展開されることで拘束対象物に絡みつく展開部と、該展開部と前記拘束網発射装置とをつなぐ紐状部と、を有しており、
   前記拘束網発射装置は、前記紐状部の繰り出しおよび巻き取りが可能な巻き揚げ装置を備えていることを特徴とする無人航空機。
6. 前記拘束対象物が前記拘束網発射装置の射程圏内に入った時に、前記拘束網を自動的に射出する自動発射手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
7. 前記自動発射手段は、前記拘束網の射出から該拘束網の前記拘束対象物への到達までの時間差を踏まえて、前記拘束網の到達時における該拘束対象物の位置を予測し、その予測された位置に基づいて前記拘束網の射出方向を調節することを特徴とする請求項６に記載の無人航空機。
8. 前記射出方向制御装置は、複数の前記拘束網発射装置を保持しており、
   前記自動発射手段は、前記各拘束網発射装置から、順次、前記拘束網を射出することを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
9. 前記拘束網は、射出後に展開されることで拘束対象物に絡みつく展開部と、該展開部と前記拘束網発射装置とをつなぐ紐状部と、を有しており、
   前記無人航空機は、前記拘束対象物を前記拘束網で捕えた後、予め定められた投棄位置まで該拘束対象物を吊るした状態で運び、該拘束対象物をその投棄位置に投棄して帰投するか、または前記投棄位置に着陸する自動投棄手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
10. 所定の空間を監視する監視装置と、
    複数の回転翼を備える無人航空機と、
    前記監視装置および前記無人航空機と通信可能な中間処理装置と、を備え、
    前記無人航空機は、拘束網を射出および展開する拘束網発射装置を有しており、
    前記監視装置は、その監視空間の状態を示す情報である監視情報を取得する監視手段を有しており、
    前記中間処理装置は、前記監視情報に基づいて、前記監視空間に進入した前記拘束対象物を検知し、該監視空間における前記拘束対象物の位置を特定する位置特定手段を有しており、
    前記無人航空機は、前記中間処理装置により特定された前記拘束対象物の位置を取得することを特徴とする移動体捕捉システム。
11. 複数の前記無人航空機を備えており、
    前記中間処理装置は、前記複数の無人航空機と通信可能であることを特徴とする請求項１０に記載の移動体捕捉システム。
12. 前記各無人航空機の前記自動追跡手段は、前記中間処理装置により特定された前記拘束対象物の位置を取得し、その位置を基準とした互いに異なる相対位置へ該無人航空機を自律飛行させることを特徴とする請求項１１に記載の移動体捕捉システム。
13. 前記各無人航空機は、前記監視空間内における移動可能範囲が互いに異なることを特徴とする請求項１１に記載の移動体捕捉システム。

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