JP6445207B1 - 情報収集装置及びこれを搭載した無人航空機 - Google Patents

Abstract

【課題】位置と姿勢を高精度に推定するための観測データを得ることができるとともに、製造コストが安い情報収集装置を提供する。【解決手段】情報収集装置１０は、ドローン２４に取り付けられた状態で上空を飛行しながら、位置と姿勢に関する情報を収集する。情報収集装置１０は、複数の衛星７から放送される測位用の信号をそれぞれ受信する６つの受信機１８と、６つの受信機１８のアンテナ１９が固定されたフレーム１１とを有する。６つの受信機１８において測位用の信号を受信する６つのアンテナ１９が、等しい間隔で環状に配置されている。３以上の受信機１８において衛星７から放送される測位用の信号がそれぞれ受信されるため、ＩＭＵを用いずとも、これらの受信機１８で受信された信号を用いることにより、位置と姿勢を高精度に推定することが可能となる。【選択図】図６

Description

本開示は、情報収集装置及びこれを搭載した無人航空機に係り、例えば、測量に使用される情報収集装置に関するものである。

一般に航空測量では、航空機に搭載したカメラやラインセンサによって地上を撮影し、その画像から地図が作成される（例えば、下記の特許文献１を参照）。また、近年では、ドローンなどのＵＡＶ（unmanned aerial vehicle：無人航空機）を使用した航空測量も実用化されている。

特開平１０−１５３４２６号公報

ＵＡＶを使用して地上を撮影した画像から正確な地図を作成するためには、一般に、ＧＣＰ（ground control point）と呼ばれるマーカを予め地上に設置しておき、画像に含まれるＧＣＰの位置情報を利用して地図を補正する必要がある。そのため、ＧＣＰの設置に手間がかかるという問題や、ＧＣＰを設置できない環境には対応できないという問題がある。

他方、近年では、ＵＡＶにレーザースキャナを搭載し、ＵＡＶから地上までの距離を測定する方法が実用化されている。この方法では、ＧＣＰを設置しなくても測量を行うことが可能である一方で、ＵＡＶの位置と姿勢を高い精度で推定することが要求される。高精度のＧＮＳＳ（global navigation satellite system：全地球測位システム）受信機やＩＭＵ（Inertial measurement unit：慣性計測装置）を用いることにより、位置と姿勢の推定精度を高めることは可能である。しかしながら、そのような高精度の機器を用いた場合、製造コストが高くなるという問題がある。また、ＧＮＳＳ受信機とＩＭＵをそれぞれＵＡＶに搭載して測定を行う場合、これらの装置では測定原理が異なり、所望の性能を発揮するために配慮すべき点が異なることから、様々な測定環境において両者の性能要求を満たすことが難しいという問題がある。しかも、ＧＮＳＳ受信機とＩＭＵとでは測定データの性質が異なることから、データ処理が複雑になるという問題もある。

そこで、本開示は、位置と姿勢を高精度に推定するための観測データを得ることができるとともに、製造コストが安い情報収集装置と、そのような情報収集装置を備えた無人航空機を提供することを目的とする。

本開示の第１の態様は、位置と姿勢に関する情報を収集する情報収集装置に関する。この情報収集装置は、複数の衛星から放送される測位用の信号をそれぞれ受信するＮ個（Ｎは３以上の整数を示す。）の受信機と、Ｎ個の受信機のアンテナが固定されたフレームとを有する。Ｎ個の受信機において測位用の信号を受信するＮ個のアンテナが、等しい間隔で環状に配置されている。フレームは、本体部と、本体部を通る仮想中心線からそれぞれ離れる方向に伸びたＮ個の腕部とを含む。アンテナは、本体部から離れた腕部の一端に固定されている。本体部は、Ｎ個の腕部の一端を支持する本体フレームと、仮想中心線上に位置する移動体と着脱可能に連結される移動体連結部と、本体フレームと移動体連結部とに固定され、移動体連結部から本体フレームへの振動の伝搬を抑制する防振部とを含む。Ｎ個のアンテナは、仮想中心線に対して垂直な共通の仮想平面上に位置しており、仮想平面は、移動体連結部に連結された状態の移動体に対して離間している。仮想中心線が鉛直方向と平行になるとともに、仮想平面が移動体よりも上空側に位置する場合、本体フレームは防振部及び移動体連結部を介して移動体に吊り下げられた状態となる。

上記情報収集装置によれば、３以上の受信機において衛星から放送される測位用の信号がそれぞれ受信されるため、ＩＭＵを用いずとも、これらの受信機で受信された信号を用いることにより、情報収集装置の位置と姿勢を高精度に推定することが可能となる。また、測位用の信号を受信するＮ個のアンテナが、等しい間隔で環状に配置されていることにより、位置が大きく離れたアンテナのペアの数が多くなるため、姿勢の推定精度が向上する。しかも、位置が大きく離れたアンテナのペアの配列方向が、環状の配置において特定の方向に偏っていないため、姿勢の回転方向（ロール、ピッチ、ヨー）に応じた姿勢の推定精度のばらつきが抑制され易くなる。

上記情報収集装置において、フレームは、本体部と、本体部を通る仮想中心線からそれぞれ離れる方向に伸びたＮ個の腕部とを含み、アンテナは、本体部から離れた腕部の一端に固定されている。
この構成によれば、本体部を通る仮想中心線からそれぞれ離れる方向に伸びたＮ個の腕部の一端にＮ個のアンテナが固定されているため、軽量で簡易な構造のフレームによって、Ｎ個のアンテナを環状に配置させることが可能となる。

上記情報収集装置において、本体部は、仮想中心線上に位置する移動体と着脱可能に連結される移動体連結部を含む。
この構成によれば、仮想中心線上に位置する移動体が本体部に連結されるため、移動体と本体部とが連結された状態で移動体が移動しても、本体部の重量や移動体の重量はＮ個の腕部にほとんど作用しない。そのため、本体部や移動体の重量による腕部のたわみや歪みが回避され易くなる。また、情報収集装置の重心は仮想中心線が通る本体部に概ね位置することから、情報収集装置の重心の近くに移動体が連結されることにより、情報収集装置の姿勢が安定に保たれ易くなる。更に、本体部と移動体とが着脱可能に連結されるため、情報収集装置の収納や持ち運びが容易になる。

上記情報収集装置において、本体部は、Ｎ個の腕部の一端を支持する本体フレームと、本体フレームと移動体連結部とに固定され、移動体連結部から本体フレームへの振動の伝搬を抑制する防振部とを含む。
この構成によれば、Ｎ個の腕部の一端を支持する本体フレームと移動連結部とが防振部に固定されており、移動体連結部から本体フレームへの振動の伝搬が防振部によって抑制されるため、移動体において発生した振動がアンテナや受信機に伝わり難くなる。これにより、アンテナや受信機へ振動が伝わることによる受信信号への影響が低減される。

上記情報収集装置において、Ｎ個のアンテナは、仮想中心線に対して垂直な共通の仮想平面上に位置しており、仮想平面は、移動体連結部に連結された状態の移動体に対して離間している。
この構成によれば、仮想中心線が概ね鉛直方向と平行になり、仮想平面が移動体よりも上空側に位置するよう情報収集装置の姿勢を設定した場合に、Ｎ個のアンテナにおける衛星からの信号の受信が移動体によって妨げられ難くなる。

好適に、腕部は、本体部により一端を支持されており、仮想平面に対して平行に伸びた第１棒状部材と、アンテナが一端に固定されており、仮想平面に対して垂直に伸びた第２棒状部材と、第１棒状部材と第２棒状部材とをＬ字状に連結する棒状部材連結部とを含んでよい。
この構成によれば、本体部が移動体によって吊り下げられる場合、第１棒状部材と第２棒状部材とをＬ字状に連結する軽量で簡易な構造により、Ｎ個のアンテナを移動体よりも上空側に配置させることが可能となる。

好適に、棒状部材連結部は、第１棒状部材と第２棒状部材とを分離可能に連結してよい。
この構成によれば、第１棒状部材と第２棒状部材とを分離することが可能となるため、情報収集装置の収納や持ち運びが容易になる。

好適に、本体フレームは、対向して配置された第１板部材及び第２板部材と、第１板部材及び第２板部材の間に配置され、腕部の一端を支持するＮ個の腕部支持機構とを含んでよい。移動体連結部は、前記第１板部材と対向して配置された第３板部材を含んでよい。防振部は、第３板部材から第１板部材への振動の伝搬を抑制してよい。
この構成によれば、腕部の一端を支持するＮ個の腕部支持機構が第１板部材及び第２板部材の間に配置されるため、軽量で簡易な構造によりＮ個の腕部が支持される。また、移動体連結部の第３板部材と第１板部材とが対向し、これら間における振動の伝搬が防振部によって抑制されることから、第３板部材と第１板部材とが対向する広面積の領域に防振構造を設けることが可能になり、良好な防振性能が得られ易くなる。

好適に、防振部は、本体フレームと移動体連結部とをつなぐ複数のワイヤを含んでよい。
この構成によれば、簡易な構成で本体フレームへの振動の伝搬を抑制することが可能となる。また、複数のワイヤを介して本体フレームと移動体連結部とがつながれるため、本体フレームと移動体連結部とが十分な強度で結合される。

好適に、本体部は、それぞれ腕部の一端を支持するＮ個の腕部支持機構を含んでよい。腕部支持機構は、仮想中心線に対する腕部の角度が変更可能となるように、腕部の一端を回動可能に支持してよい。
この構成によれば、本体部の腕部支持機構において腕部の一端が回動可能に支持されており、仮想中心線に対する腕部の角度が変更可能となっている。そのため、Ｎ個の腕部がそれぞれ仮想中心線に近づくように各腕部の角度を変更することにより、フレームが全体的に小さくまとまった状態となり、情報収集装置の収納や持ち運びが容易になる。

好適に、腕部支持機構は、仮想中心線に対する腕部の角度が所定の角度になると腕部の回動を止めるロック状態になるとともに、ロック状態を解除可能であってよい。Ｎ個の腕部支持機構がロック状態の場合、Ｎ個のアンテナが環状に配置された状態となってよい。
この構成によれば、Ｎ個の腕部支持機構がロック状態の場合、Ｎ個のアンテナが環状に配置された状態となるため、仮想中心線に対する腕部の角度が変化することによる位置推定や姿勢推定の誤差が抑制される。

好適に、上記情報収集装置は、Ｎ個の受信機による測位用の信号の受信と同期して対象物までの距離を測定する測距装置を有してよい。
この構成によれば、移動体の位置及び姿勢を推定した結果と、測距装置における距離の測定結果とに基づいて、対象物の精密な３次元データを得ることが可能となる。

本開示の第２の態様は、上記第１の態様に係る情報収集装置を搭載した無人航空機に関する。

本開示によれば、位置と姿勢を高精度に推定するための観測データを得ることができるとともに、製造コストが安い情報収集装置と、そのような情報収集装置を備えた無人航空機を提供できる。

図１は、本実施形態に係るシステムの構成の一例を示す図である。 図２Ａ〜図２Ｂは、情報収集装置が搭載されたＵＡＶの一例を示す図である。 図３は、情報収集装置の構成の一例を示す図である。 図４は、情報処理装置の構成の一例を示す図である。 図５は、ＵＡＶに搭載した情報収集装置により情報を収集して３次元地図を作成する動作を説明するためのフローチャートである。 図６は、本実施形態に係るＵＡＶの一例を示す斜視図である。 図７は、図６に示すＵＡＶに搭載された情報収集装置を示す斜視図である。 図８は、情報収集装置における本体部を上側から見た拡大斜視図である。 図９は、情報収集装置における本体部を下側から見た拡大斜視図である。 図１０は、１つの腕部が折り畳まれた状態を示す斜視図である。 図１１は、本体部の防振部及び移動体連結部の拡大斜視図である。 図１２は、腕部における棒状部材連結部付近の拡大斜視図であり、第１棒状部材と第２棒状部材とが棒状部材連結部によって連結された状態を示す。 図１３は、腕部における棒状部材連結部付近の拡大斜視図であり、第１棒状部材と第２棒状部材とが分離された状態を示す。 図１４は、情報収集装置の各腕部が折り畳まれた状態を示す図である。

図１は、本実施形態に係るシステムの構成の一例を示す図である。本実施形態に係るシステムは、移動体としてのＵＡＶ（unmanned aerial vehicle）１において、複数の衛星７から放送される測位用の信号を周期的に受信し、ＵＡＶ１の位置及び姿勢を推定するとともに、信号の受信タイミングに同期して、ＵＡＶ１から地表９までの距離を測定する。このシステムは、ＵＡＶ１の位置と姿勢の推定結果、並びに、ＵＡＶ１から地表９までの距離と方向の測定結果を収集することにより、地表９の３次元の地図を作成する。

図１の例に示すシステムは、情報処理装置５を有する。情報処理装置５は、上空を飛行するＵＡＶ１において取得される観測データ及び測距データと、地上に設置された地上基準局３において取得される観測データとを入力し、これらのデータを処理することによって、地表９の３次元の地図を作成する。

ＵＡＶ１及び地上基準局３において取得される観測データは、複数の衛星７から放送される測位用の信号に基づいて生成されるデータであり、複数の衛星７からの距離（衛星７からアンテナまでの距離）に関する情報を含む。後述するように、ＵＡＶ１は複数の受信機を有するため、ＵＡＶ１では複数の受信機の観測データが取得される。また、ＵＡＶ１において取得される測距データは、ＵＡＶ１から地表９までの距離の測定値と、その距離を測定する際のＵＡＶ１から見た測定方向の情報を含む。測距データは、例えば図１に示すように地表９に向けて照射されたレーザー光の反射光に基づいて得られる距離の測定値と、レーザー光の照射方向に関する情報を含む。ＵＡＶ１及び地上基準局３において取得される観測データと、ＵＡＶ１において取得される測距データは、それぞれ所定の周期（例えば１秒の周期）でほぼ同じ時刻に取得される。

図２Ａ〜図２Ｂは、ＵＡＶ１の一例を示す図であり、図２Ａは平面図、図２Ｂは正面図を示す。図２Ａ〜図２Ｂに示すＵＡＶ１は、プロペラ型のドローン２４と、ドローン２４に連結された情報収集装置１０とを有する。ドローン２４は、本体部２５と、本体部２５を通る仮想中心線ＶＬからそれぞれ離れる方向に伸びた６つの腕部２７−１〜２７−６（以下、区別せずに「腕部２７」と記す場合がある。）と、腕部２７−１〜２７−６の一端に設けられた６つのプロペラ２６−１〜２６−６（以下、区別せずに「プロペラ２６」と記す場合がある。）とを有する。図２Ａに示すように仮想中心線ＶＬと平行な方向から見た場合、６つのプロペラ２６は、仮想中心線ＶＬを中心として環状に等間隔に配置されている。

情報収集装置１０は、それぞれ衛星７からの測位用の信号を受信する６つのアンテナ１９−１〜１９−６（以下、区別せずに「アンテナ１９」と記す場合がある。）と、６つのアンテナ１９が固定されたフレーム１１とを有する。図２Ａに示すように仮想中心線ＶＬと平行な方向から見た場合、６つのアンテナ１９は、仮想中心線ＶＬを中心として環状に等間隔に配置されている。

フレーム１１は、本体部１２と、本体部１２に支持された６つの腕部１７−１〜１７−６（以下、区別せずに「腕部１７」と記す場合がある。）を有する。仮想中心線ＶＬは本体部１２を通っており、６つの腕部１７は仮想中心線ＶＬからそれぞれ離れる方向に伸びている。アンテナ１９は、本体部１２から離れた腕部１７の一端に固定されている。図２Ｂの例において、腕部１７は本体部１２から水平方向に伸び、途中で水平方向から上方へＬ字状に折れ曲がり、上側へ伸びた腕部１７の末端に円盤状のアンテナ１９が固定されている。６つのアンテナは、仮想中心線ＶＬに対して垂直な共通の仮想平面ＶＰ上に位置する。

図２Ａに示すように仮想中心線ＶＬと平行な方向から見た場合、腕部１７は、隣接する２つの腕部２７がなす角をほぼ２等分する方向に伸びている。腕部１７の一端に固定された６つのアンテナ１９は、ドローン２４のプロペラ２６よりも仮想中心線ＶＬから離れており、かつ、プロペラ２６よりも上側に位置する。情報収集装置１０の本体部１２は、ドローン２４の本体部２５の下面に連結されている。情報収集装置１０は、ドローン２４により吊り下げられた状態でドローン２４とともに飛行する。情報収集装置１０の本体部１２の下面には、測距装置２０が取り付けられており、測距装置２０から地表９に向かって測距用のレーザー光が照射される。

図３は、ＵＡＶ１に搭載された情報収集装置１０の構成の一例を示す図である。図３に示す情報収集装置１０は、位置と姿勢の推定に用いられる６つの受信機１８−１〜１８−３（以下、区別せずに「受信機１８」と記す場合がある。）と、測距装置２０と、測距装置２０の測定タイミングの設定に用いられる受信機１８Ａと、制御装置２１とを有する。

受信機１８は、衛星７から放送される信号をアンテナ１９において受信する。受信機１８は、複数の衛星７において放送される測位用の信号を受信し、その受信した信号に基づいて、複数の衛星７とアンテナ１９において測位用の信号が受信される受信位置との距離に関する情報を含んだ観測データを生成する。例えば観測データは、複数の衛星７の各々から放送された信号の搬送波位相に関する情報を含む。受信機１８は、衛星７において精密に管理されるシステム時計に同期したタイミングで、衛星７からの信号を周期的に（例えば１秒の周期で）受信し、観測データを生成する。

受信機１８Ａは、衛星７から放送される信号をアンテナ１９Ａにおいて受信する。受信機１８Ａは、衛星７からの受信信号に基づいて、上述のシステム時計に同期した周期的な受信タイミングを知らせる信号を測距装置２０に出力する。

測距装置２０は、ＵＡＶ１における位置の推定の基準点に位置しており、基準点から対象物までの距離を測定する。測距装置２０は、例えばレーザースキャナであり、地表９の一点に照射したレーザー光に対する反射光の位相や時間差などに基づいて、地表の一点と基準点との距離を計測する。測距装置２０は、レーザー光によって地表９を走査することにより、地表９の多数の位置について距離を計測する。測距装置２０は、受信機１８から出力される受信タイミングの信号に基づき、６個の受信機１８における衛星７からの信号の受信と同期したタイミングで距離の計測を行う。測距装置２０は、距離の測定値と測定方向（レーザー光の照射方向）に関する情報が含まれた測距データを生成する。

制御装置２１は、受信機１８−１〜１８−６において生成される観測データと、測距装置２０において生成される測距データとを記録する。図３の例において、制御装置２１は、処理部２２と記憶部２３を含む。処理部２２は、６つの受信機１８で得られた観測データと測距装置２０で得られた測距データとを、同じ時刻に得られたデータ同士で関連付けて記憶部２３に記録する。これにより、記憶部２３には、同じ時刻に得られた観測データ及び測距データのセットが時刻順に蓄積される。

図４は、情報処理装置５の構成の一例を示す図である。図４に示す情報処理装置５は、インターフェース部５１と、表示部５２と、処理部５３と、記憶部５４を有する。

インターフェース部５１は、ユーザの操作に応じた情報を処理部５３に入力するためのユーザーインターフェース機器（キーボード、マウス、タッチパッド、タッチパネルなど）を含む。またインターフェース部５１は、外部の機器と処理部５３との間で情報をやり取りするための通信インターフェースや、ＵＳＢなどの汎用入出力インターフェース、記録媒体の読み取り装置などを含む。

表示部５２は、処理部５３の制御に従って映像を表示する装置であり、ディスプレイ装置（液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイなど）を含む。

処理部５３は、種々の情報処理を行う装置であり、例えば記憶部５４に記憶されるプログラム５４１の命令コードに従って処理を実行するコンピュータを含む。処理部５３は、少なくとも一部の処理を専用のハードウェアによって実行してもよい。

図４の例において、処理部５３は、姿勢推定部５３１と、位置推定部５３２と、３次元地図作成部５３３とを有する。処理部５３は、情報収集装置１０の記憶部２３（図３）に蓄積されたデータ（観測データ、測距データ）をインターフェース部５１において入力し、これらのユニット（姿勢推定部５３１、位置推定部５３２、３次元地図作成部５３３）での処理に使用する。

姿勢推定部５３１は、ＵＡＶ１に設置された６つ受信機１８の各々において複数の衛星７から受信した信号に基づいて生成された観測データと、複数の衛星７の位置に関する位置データとに基づいて、ＵＡＶ１の姿勢を推定する。位置データは、それぞれ所定の軌道を周回する各衛星７の各時刻での位置に関する情報を含んだデータであり、公開された既知の情報に基づいて取得される。

位置推定部５３２は、上述した観測データと位置データとに基づいて、ＵＡＶ１における基準点の位置を推定する。すなわち位置推定部５３２は、位置データ及び観測データに基づいて、１以上の受信機１８がアンテナ１９において衛星７からの信号を受信する位置を推定した「推定受信位置ＰＥ」を算出する。位置推定部５３２は姿勢推定部５３１において推定されたＵＡＶ１の姿勢と、算出した１以上の推定受信位置ＰＥとに基づいて、ＵＡＶ１における基準点の推定位置ＰＸを算出する。

３次元地図作成部５３３は、姿勢推定部５３１において推定されたＵＡＶ１の姿勢と、位置推定部５３２において推定された基準点の推定位置ＰＸと、測距装置２０における距離の測定値と、測距装置２０におけるレーザー照射方向の情報とを時刻ごとに取得し、取得した時刻ごとのデータに基づいて、地表９の各位置の３次元座標を算出する。

記憶部５４は、処理部５３のコンピュータによって実行されるプログラム５４１や、処理部５３の処理の過程で一時的に保存されるデータ、処理部５３の処理に利用される定数などを記憶する。記憶部５４は、たとえばＲＯＭやＲＡＭ、フラッシュメモリ、ハードディスク、磁気記録媒体など、１以上の任意の記憶装置を含む。

次に、上述した構成を有するシステムの動作の概要について説明する。

図５は、ＵＡＶ１に搭載された情報収集装置１０により情報を収集して３次元地図を作成する動作を説明するためのフローチャートである。
まず、ＵＡＶ１の各受信機１８において衛星７からの信号を受信する受信位置（各アンテナ１９における信号の受信位置）が計測される（ＳＴ１００）。各受信機１８の受信位置は、基準点（測距装置２０のレーザー出射位置）に対する相対的な位置として精密に計測される。各受信機１８の受信位置は、推定姿勢を算出する際の基準として用いられる他、観測データに基づいて算出された推定位置の適否を判定するために用いられる。

次に、ＵＡＶ１の飛行が実施され、ＵＡＶ１に搭載された情報収集装置１０によって情報が収集される（ＳＴ１０５）。すなわち、情報収集装置１０は、６つの受信機１８における信号の受信と測距装置２０における距離の測定とを同じタイミングで周期的に実施する。情報収集装置１０は、同じタイミングで得られた観測データ及び測距データのセットを、時系列のデータとして蓄積する。

また、ＵＡＶ１の情報収集装置１０における情報の収集と並行して、地上基準局３（図１）における衛星７の信号の受信も実施される。地上基準局３は、公共の機関によって設置されたものでもよいし、ユーザが自ら設置したものでもよい。地上基準局３は、予め精密に位置が測定された場所で各衛星７からの信号を受信し、各衛星７までの距離に関する情報を含んだ観測データを生成する。

情報収集装置１０において所望の情報が収集されると、情報収集装置１０から収集された情報（観測データ及び測距データ）が回収され、情報処理装置５に入力される。また、地上基準局３で得られた観測データや、各衛星７の各時刻での位置を示す位置データも情報処理装置５に入力される（ＳＴ１２０）。

情報処理装置５の姿勢推定部５３１は、情報収集装置１０から収集された６つの受信機１８の観測データと、各衛星７の位置データとに基づいて、各時刻におけるＵＡＶ１の推定姿勢を算出する（ＳＴ１１５）。

次に、情報処理装置５の位置推定部５３２は、情報収集装置１０から収集された６つの受信機１８の観測データと、各衛星７の位置データと、地上基準局３で得られた観測データと、既に算出されたＵＡＶ１の推定姿勢とに基づいて、ＵＡＶ１における基準点の推定位置ＰＸを算出する（ＳＴ１２０）。

情報処理装置５の３次元地図作成部５３３は、同一の時刻におけるＵＡＶ１の推定姿勢、基準点の推定位置ＰＸ、及び、測距データ（距離の測定値とレーザー光の照射方向）に基づいて、地表９の一点の３次元座標を算出する。各時刻について算出した地表９の３次元座標を集めることにより、地表９の一定の範囲における３次元データ（３次元地図）が得られる（ＳＴ１２５）。

次に、本実施形態に係る情報収集装置１０のより詳細な構造について図６〜図１４を参照して説明する。

図６は、本実施形態に係るＵＡＶ１の一例を示す斜視図である。図７は、図６に示すＵＡＶ１に搭載された情報収集装置１０を示す斜視図である。図８は、情報収集装置１０の本体部１２を上側から見た拡大斜視図である。図９は、本体部１２を下側から見た拡大斜視図である。図１０は、１つの腕部１７が本体部１２において折り畳まれた状態を示す斜視図である。

フレーム１１の本体部１２は、図７〜図９に示すように、６つの腕部１７の一端をそれぞれ支持する本体フレーム１３と、ドローン２４（移動体）に着脱可能に連結される移動体連結部１６と、移動体連結部１６から本体フレーム１３への振動の伝搬を抑制する防振部１５とを有する。

本体フレーム１３は、図８及び図９に示すように、対向して配置された第１板状部材１３１及び第２板状部材１３２と、第１板状部材１３１及び第２板状部材１３２の間に配置された６つの腕部支持機構１４とを含む。

本体フレーム１３の第２板状部材１３２には、図９に示すように、測距装置２０と制御装置ケース２１１が取り付けられている。制御装置ケース２１１には、制御装置２１と受信機１８−１〜１８−６が収納されている。各腕部１７の端に取り付けられたアンテナ１９は、各ケーブル１９１を介して、制御装置ケース２１１内の各受信機１８と接続される。アンテナ１９と本体部１２の間において、ケーブル１９１は腕部１７の筒状部材（後述する第１棒状部材１７１及び第２棒状部材１７２）の内部を通っている。

本体フレーム１３の６つの腕部支持機構１４は、それぞれ１つの腕部１７の一端を支持する。腕部支持機構１４は、図１０に示すように、仮想中心線ＶＬに対する腕部１７の角度が変更可能となるように、腕部１７の一端を回動可能に支持する。腕部支持機構１４は、仮想中心線ＶＬに対する腕部１７の角度が所定の角度（図２Ｂの例では約９０°）になると腕部１７の回動を止めるロック状態になる。このロック状態は、ユーザの操作によって解除された状態（ロック解除状態）にすることもできる。６つの腕部支持機構１４がロック状態の場合、図２Ａに示すように、６つのアンテナ１９が環状に配置された状態になり、また図２Ｂに示すように、６つのアンテナ１９が仮想平面ＶＰに位置した状態となる。

腕部支持機構１４は、図９及び図１０の例において、第１板状部材１３１及び第２板状部材１３２に固定された支持台１４５と、腕部１７の一端（後述する第１棒状部材１７１の一端）を保持する棒保持具１４４と、支持台１４５に対して棒保持具１４４を回動可能に支持する軸１４１とを有する。支持台１４５は、棒保持具１４４を間に挟んで対向する２つの壁部を持ち、この２つの壁部に軸１４１が支えられている。棒保持具１４４は、支持台１４５の２つの壁部によって回動方向が案内されており、軸１４１に対して平行な方向へのがたつきが抑制されている。

腕部支持機構１４は、支持台１４５に対する棒保持具１４４の回動を止めるための係止ピン１４２を有する。係止ピン１４２は、支持台１４５の２つの壁部に渡って配置されている。係止ピン１４２の両端は、壁部に設けられた長孔に沿って移動可能であるとともに、それぞればね（弾性部材）１４３によって長孔の一端に向かって付勢されている。仮想中心線ＶＬに対する腕部１７（第１棒状部材１７１）の角度が所定の角度（約９０°）になると、係止ピン１４２がばね１４３の付勢力によって長孔の一方の端に留まるとともに、この状態で係止ピン１４２が棒保持具１４４の係止溝１４６に嵌まり込み、支持台１４５に対する棒保持具１４４の回動が抑止された状態（ロック状態）となる。ばね１４３の付勢力に逆らって係止ピン１４２を長孔の他方の端に向かって移動させると、係止ピン１４２が棒保持具１４４の係止溝１４６から脱出し、支持台１４５に対する棒保持具１４４の回動が可能な状態（ロック解除状態）となる。

図１１は、本体部１２の防振部１５及び移動体連結部１６の拡大斜視図である。
移動体連結部１６は、仮想中心線ＶＬに位置するドローン２４（図２Ｂ）と着脱可能に連結される構造を持っており、例えば図８、図１０、図１１に示すように、ドローン２４の本体部２５の下面に設けられた２本の棒状部材に連結される２組の連結具１６２Ａ及び１６２Ｂを有する。２つの連結具１６２Ａが一方の棒状部材の２か所に連結され、２つの連結具１６２Ｂが他方の棒状部材の２か所に連結される。

移動体連結部１６は、図１１に示すように、本体フレーム１３の第１板状部材１３１と対向して配置された第３板状部材１６１を有する。上述した２組の連結具１６２Ａ及び１６２Ｂは、第３板状部材１６１の一方の面（第１板状部材１３１と対向する面に対して反対側の面）に固定されている。

移動体連結部１６に連結されたドローン２４は、図２Ｂに示すように、６つのアンテナ１９が位置する仮想平面ＶＰから離間した状態となっている。従って、ドローン２４が仮想平面ＶＰに対して下側に位置した状態で飛行すると、６つのアンテナ１９はドローン２４に対して上空側に位置するため、衛星からアンテナ１９に届く信号はドローン２４のプロペラ２６等によって妨げられない。

防振部１５は、本体フレーム１３の第１板状部材１３１と移動体連結部１６の第３板状部材１６１とに固定されており、第３板状部材１６１から第１板状部材１３１への振動の伝搬を抑制する。防振部１５は、図１１に示すように、本体フレーム１３の第１板状部材１３１と移動体連結部１６の第３板状部材１６１とをつなぐ複数のワイヤ１５１（図１１の例では１６本のワイヤ１５１）を有する。各ワイヤは、ワイヤ留め具１５２によって第１板状部材１３１に固定されるとともに、ワイヤ留め具１５３によって第３板状部材１６１に固定される。複数のワイヤ１５１は、ワイヤ留め具１５２、１５３の内部でつながっていてもよい。

本体フレーム１３に支持された各腕部１７は、図７に示すように、仮想平面ＶＰに対して平行に伸びた第１棒状部材１７１と、仮想平面ＶＰに対して垂直に伸びた第２棒状部材１７２と、第１棒状部材１７１及び第２棒状部材１７２をＬ字状に連結する棒状部材連結部１７３とを有する。第１棒状部材１７１の一端が本体部１２の腕部支持機構１４に支持され、第２棒状部材１７２の一端にアンテナ１９が固定され、第１棒状部材１７１の他端と第２棒状部材１７２の他端とが棒状部材連結部１７３によって連結される。

図１２は、腕部１７における棒状部材連結部１７３付近の拡大斜視図であり、第１棒状部材１７１と第２棒状部材１７２とが棒状部材連結部１７３によって連結された状態を示す。図１３は、腕部１７における棒状部材連結部１７３付近の拡大斜視図であり、第１棒状部材１７１と第２棒状部材１７２とが分離された状態を示す。

第１棒状部材１７１および第２棒状部材１７２は、例えば断面が円形の筒体であり、カーボンファイバーなどの軽量で剛性の高い材料により形成される。

棒状部材連結部１７３は、図１２及び図１３に示すように、第１棒状部材１７１の端部が挿入される挿入孔１７３０と、第２棒状部材１７２が挿入される挿入孔１７３１を有する。挿入孔１７３０と挿入孔１７３１とが直交しているため、これらの孔に挿入された第１棒状部材１７１及び第２棒状部材１７２はＬ字状に連結された状態となる。

棒状部材連結部１７３は、挿入孔１７３０のほぼ中央において縦方向（仮想中心線ＶＬに平行な方向）に割れており、挿入孔１７３０の端部に設けられた留め具１７３２のネジを工具で回すと、挿入孔１７３０の径が拡大又は縮小する。これにより、第１棒状部材１７１を棒状部材連結部１７３に対して分離可能に連結することが可能である。

また、棒状部材連結部１７３における挿入孔１７３０と挿入孔１７３１との中間部分には、挿入孔１７３１に対して垂直な方向に留めネジ１７３４が貫通している。留めネジ１７３４の両端のレバーを回転させると、両端のレバーの間隔が変化し、挿入孔１７３１の径が拡大又は縮小する。従って、図１２及び図１３に示すように、第２棒状部材１７２を棒状部材連結部１７３に対して容易に着脱することが可能である。

図１３の例において、第２棒状部材１７２の端部付近の外面には、取り付け・取り外しが可能な固定具１０１が設けられている。固定具１０１を設けることにより、棒状部材連結部１７３の挿入孔１７３１に対する第２棒状部材１７２の挿入の深さが概ね一定に保たれる。そのため、各アンテナ１９の位置関係を一定に保ち易くなり、位置や姿勢の推定誤差を低減できる。

図１４は、情報収集装置１０の各腕部１７が折り畳まれた状態を示す図である。図１４の状態において、各腕部１７の第１棒状部材１７１が仮想中心線ＶＬに対してほぼ平行な方向に折り畳まれており、また、各腕部１７の第２棒状部材１７２が棒状部材連結部１７３から分離されている。

（まとめ）
本実施形態によれば、次に述べるような効果が得られる。

（１） ６つ受信機１８において衛星７から放送される測位用の信号がそれぞれ受信されるため、ＩＭＵを用いずとも、これらの受信機１８で受信された信号を用いることにより、情報収集装置１０の位置と姿勢を高精度に推定することが可能となる。また、測位用の信号を受信する６つアンテナ１９が、等しい間隔で環状に配置されていることにより、位置が大きく離れたアンテナ１９のペアの数が多くなるため、姿勢の推定精度が向上する。しかも、位置が大きく離れたアンテナ１９のペアの配列方向が、環状の配置において特定の方向に偏っていないため、姿勢の回転方向（ロール、ピッチ、ヨー）に応じた姿勢の推定精度のばらつきが抑制され易くなる。

（２） 本体部１２を通る仮想中心線ＶＬからそれぞれ離れる方向に伸びた６つ腕部１７の一端に６つのアンテナ１９が固定されているため、軽量で簡易な構造のフレーム１１によって６つのアンテナ１９を環状に配置させることが可能となる。

（３） 本体部１２の腕部支持機構１４において腕部１７の一端が回動可能に支持されており、仮想中心線ＶＬに対する腕部１７の角度が変更可能となっている。そのため、６つ腕部１７がそれぞれ仮想中心線ＶＬに近づくように各腕部１７の角度を変更することにより、フレーム１１が全体的に小さくまとまった状態となり、情報収集装置１０の収納や持ち運びが容易になる。

（４） ６つの腕部支持機構１４がロック状態の場合、６つアンテナ１９が環状に配置された状態となるため、仮想中心線ＶＬに対する腕部１７の角度が変化することによる位置推定や姿勢推定の誤差が抑制される。

（５） 仮想中心線ＶＬ上に位置するドローン２４が本体部１２に連結されるため、ドローン２４と本体部１２とが連結された状態でドローン２４が移動しても、本体部１２の重量や本体部１２の重量は６つの腕部１７にほとんど作用しない。そのため、本体部１２やドローン２４の重量による腕部１７のたわみや歪みが回避され易くなる。また、情報収集装置１０の重心は仮想中心線ＶＬが通る本体部１２に概ね位置することから、情報収集装置１０の重心の近くにドローン２４が連結されることにより、情報収集装置１０の姿勢が安定に保たれ易くなる。更に、本体部１２とドローン２４とが着脱可能に連結されるため、情報収集装置１０の収納や持ち運びが容易になる。

（６） 仮想中心線ＶＬに対して垂直な仮想平面ＶＰ上に６つのアンテナ１９が位置しており、移動体連結部１６に連結された状態のドローン２４に対して仮想平面ＶＰが離間している。そのため、仮想中心線ＶＬが概ね鉛直方向と平行になり、仮想平面ＶＰがドローン２４よりも上空側に位置するように情報収集装置１０を使用した場合、６つのアンテナ１９における衛星７からの信号の受信がドローン２４によって妨げられ難くなる。

（７） 本体部１２がドローン２４によって吊り下げられる場合、第１棒状部材１７１と第２棒状部材１７２とをＬ字状に連結する軽量で簡易な構造により、６つのアンテナ１９をドローン２４より上空側に配置させることができる。

（８） 第１棒状部材１７１と第２棒状部材１７２とを分離することが可能となるため、情報収集装置１０の収納や持ち運びが容易になる。

（９） ６つの腕部１７の一端を支持する本体フレーム１３と移動体連結部１６とが防振部１５に固定されており、移動体連結部１６から本体フレーム１３への振動の伝搬が防振部１５によって抑制されるため、ドローン２４において発生した振動がアンテナ１９や受信機１８に伝わり難くなる。これにより、アンテナ１９や受信機１８へ振動が伝わることによる受信信号への影響を低減できる。

（１０） 本体フレーム１３と移動体連結部１６とを複数のワイヤ１５１でつなぐことにより、簡易な構成で本体フレーム１３への振動の伝搬を抑制できる。また、複数のワイヤ１５１を介して本体フレーム１３と移動体連結部１６とがつながれることにより、本体フレーム１３と移動体連結部１６とを十分な強度で結合できる。

（１１） 腕部１７の一端をそれぞれ支持する６つ腕部支持機構１４が第１板状部材１３１と第２板状部材１３２との間に配置されるため、軽量で簡易な構造により６つの腕部１７を支持できる。また、移動体連結部１６の第３板状部材１６１と第１板状部材１３１とが対向し、これら間における振動の伝搬が防振部１５によって抑制されることから、第３板状部材１６１と第１板状部材１３１とが対向する広面積の領域に防振構造を設けることが可能になり、良好な防振性能を得ることができる。

（１２） 測距装置２０を設けたことにより、６つの受信機１８における測位用の信号の受信と同期して対象物までの距離が測定されるため、ＵＡＶ１の位置及び姿勢を推定した結果と、測距装置２０における距離の測定結果とに基づいて、対象物の精密な３次元データを得ることができる。

以上、本実施形態について説明したが、本開示は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々のバリエーションを含んでいる。

上述した実施形態においてＵＡＶ１（情報収集装置１０）に設置される受信機１８の個数（６個）は一例であり、姿勢の推定が可能となる３以上の個数であればよい。

図１３の例では、棒状部材連結部１７３と第２棒状部材１７２とを分離した状態でもケーブル１９１がつながっているが、本実施形態の他の例では、１９１の途中にコネクタを設けることにより、棒状部材連結部１７３と第２棒状部材１７２とを分離した状態でケーブル１９１も切り離せるようにしてよい。

上述した実施形態では、本体部１２に対して各腕部１７を折り畳むことができる構造を示したが、本実施形態の他の例では、本体部１２から各腕部１７を着脱できるようにしてもよい。この場合も、１９１の途中にコネクタを設けることによってケーブル１９１を切り離せるようにしてよい。

上述した実施形態では、情報収集装置１０がＵＡＶ１に搭載される例を挙げているが、本開示における移動体はＵＡＶに限定されるものではなく、例えば地上を走行する車両や、海上を航行する船舶でもよい。また、移動体は無人機に限定されるものではなく、人を乗せて移動する乗り物でもよい。

上述した実施形態では、上空を飛行するＵＡＶ１がレーザースキャナ等の測距装置２０を備えており、測距装置２０の測定結果と位置及び姿勢の推定結果とを利用して３次元の地図を作成する例を挙げたが、本開示はこの例に限定されない。本開示の他の例では、測距装置２０の代わりに地表を撮影するカメラを搭載してもよい。また、移動体の位置及び姿勢の推定結果は測量以外の種々の測定にも利用可能であり、測定以外の用途（例えば、移動体の位置及び姿勢を自動的に記録して管理する用途、方位を精密に推定する用途など）にも利用可能である。

１…ＵＡＶ、１０…情報収集装置、１０１…固定具、１１…フレーム、１２…本体部、１３…本体フレーム、１３１…第１板状部材、１３２…第２板状部材、１４…腕部支持機構、１４１…軸、１４２…係止ピン、１４３…ばね、１４４…棒保持具、１４５…支持台、１４６…係止溝、１５…防振部、１５１…ワイヤ、１５２，１５３…ワイヤ留め具、１６…移動体連結部、１６１…第３板状部、１６２Ａ，１６２…連結具、１７−１〜１７−６…腕部、１７１…第１棒状部材、１７２…第２棒状部材、１７３…棒状部材連結部、１８−１〜１８−６，１８Ａ…受信機、１９−１〜１９−６，１９Ａ…アンテナ、２０…測距装置、２１…制御装置、２２…処理部、２３…記憶部、２４…ドローン、２５…本体部、２６−１〜２６−６…プロペラ、２７−１〜２７−６…腕部、３…地上基準局、５…情報処理装置、５１…インターフェース部、５２…表示部、５３…処理部、５３１…姿勢推定部、５３２…位置推定部、５３３…３次元地図作成部、５４…記憶部、５４１…プログラム、７…衛星、９…地表

Claims (10)

1. 位置と姿勢に関する情報を収集する情報収集装置であって、
   複数の衛星から放送される測位用の信号をそれぞれ受信するＮ個（Ｎは３以上の整数を示す。）の受信機と、
   前記Ｎ個の受信機のアンテナが固定されたフレームとを有し、
   前記Ｎ個の受信機において前記測位用の信号を受信するＮ個の前記アンテナが、等しい間隔で環状に配置されており、
   前記フレームは、
   本体部と、
   前記本体部を通る仮想中心線からそれぞれ離れる方向に伸びたＮ個の腕部とを含み、
   前記アンテナは、前記本体部から離れた前記腕部の一端に固定されており、
   前記本体部は、
   前記Ｎ個の腕部の一端を支持する本体フレームと、
   前記仮想中心線上に位置する移動体と着脱可能に連結される移動体連結部と、
   前記本体フレームと前記移動体連結部とに固定され、前記移動体連結部から前記本体フレームへの振動の伝搬を抑制する防振部とを含み、
   前記Ｎ個のアンテナは、前記仮想中心線に対して垂直な共通の仮想平面上に位置しており、
   前記仮想平面は、前記移動体連結部に連結された状態の前記移動体に対して離間しており、
   前記仮想中心線が鉛直方向と平行になるとともに、前記仮想平面が前記移動体よりも上空側に位置する場合、前記本体フレームは前記防振部及び前記移動体連結部を介して前記移動体に吊り下げられた状態となる、
   情報収集装置。
2. 前記腕部は、
   前記本体部により一端を支持されており、前記仮想平面に対して平行に伸びた第１棒状部材と、
   前記アンテナが一端に固定されており、前記仮想平面に対して垂直に伸びた第２棒状部材と、
   前記第１棒状部材と前記第２棒状部材とをＬ字状に連結する棒状部材連結部とを含む、
   請求項１に記載の情報収集装置。
3. 前記棒状部材連結部は、前記第１棒状部材と前記第２棒状部材とを分離可能に連結する、
   請求項２に記載の情報収集装置。
4. 前記本体フレームは、
   対向して配置された第１板部材及び第２板部材と、
   前記第１板部材及び前記第２板部材の間に配置され、それぞれ前記腕部の一端を支持するＮ個の腕部支持機構とを含み、
   前記移動体連結部は、前記第１板部材と対向して配置された第３板部材を含み、
   前記防振部は、前記第３板部材から前記第１板部材への振動の伝搬を抑制する、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の情報収集装置。
5. 位置と姿勢に関する情報を収集する情報収集装置であって、
   複数の衛星から放送される測位用の信号をそれぞれ受信するＮ個（Ｎは３以上の整数を示す。）の受信機と、
   前記Ｎ個の受信機のアンテナが固定されたフレームとを有し、
   前記Ｎ個の受信機において前記測位用の信号を受信するＮ個の前記アンテナが、等しい間隔で環状に配置されており、
   前記フレームは、
   本体部と、
   前記本体部を通る仮想中心線からそれぞれ離れる方向に伸びたＮ個の腕部とを含み、
   前記アンテナは、前記本体部から離れた前記腕部の一端に固定されており、
   前記本体部は、
   前記Ｎ個の腕部の一端を支持する本体フレームと、
   前記仮想中心線上に位置する移動体と着脱可能に連結される移動体連結部と、
   前記本体フレームと前記移動体連結部とに固定され、前記移動体連結部から前記本体フレームへの振動の伝搬を抑制する防振部とを含み、
   前記本体フレームは、
   対向して配置された第１板部材及び第２板部材と、
   前記第１板部材及び前記第２板部材の間に配置され、それぞれ前記腕部の一端を支持するＮ個の腕部支持機構とを含み、
   前記Ｎ個の腕部支持機構は、前記第１板部材及び前記第２板部材に固定された支持台をそれぞれ含み、
   前記移動体連結部は、前記第１板部材と対向して配置された第３板部材を含み、
   前記防振部は、前記第３板部材から前記第１板部材への振動の伝搬を抑制する、
   情報収集装置。
6. 前記防振部は、前記本体フレームと前記移動体連結部とをつなぐ複数のワイヤを含む、
   請求項１〜５の何れか一項に記載の情報収集装置。
7. 前記本体部は、それぞれ前記腕部の一端を支持するＮ個の腕部支持機構を含み、
   前記腕部支持機構は、前記仮想中心線に対する前記腕部の角度が変更可能となるように、前記腕部の一端を回動可能に支持する、
   請求項１〜６の何れか一項に記載の情報収集装置。
8. 前記腕部支持機構は、前記仮想中心線に対する前記腕部の角度が所定の角度になると前記腕部の回動を止めるロック状態になるとともに、前記ロック状態を解除可能であり、
   前記Ｎ個の腕部支持機構が前記ロック状態の場合、前記Ｎ個のアンテナが前記環状に配置された状態となる、
   請求項７に記載の情報収集装置。
9. 前記Ｎ個の受信機による前記測位用の信号の受信と同期して対象物までの距離を測定する測距装置を有する、
   請求項１〜８の何れか一項に記載の情報収集装置。
10. 請求項１〜９の何れか一項に記載の情報収集装置を搭載した無人航空機。

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