JP6519522B2 - 飛行軌跡取得装置、飛行体 - Google Patents

Description

この発明は、飛行体の飛行軌跡を、地物の３次元点群と共に簡易に取得可能な飛行軌跡取得装置に関する。

地震や火災等の災害が発生した場合に、災害地での情報収集を目的として、無人飛行機を災害地へ出動させる運用がある（例えば、特許文献１参照）。
ここで無人飛行機がカメラの他、レーザスキャナを搭載する場合、災害地の災害状況をレーザスキャナによる３次元点群により取得することができる。なお、３次元点群による周辺の物体の画像（以下、３次元点群画像という）については、例えば特許文献２等に記載がある。

特開２００９−２２３４０７号公報 特開２０１３−２２５３３６号公報

災害現場で運用する無人飛行機の飛行軌跡を、無人飛行機が搭載するレーザスキャナで取得した３次元点群画像に同時に表示させることができれば、３次元点群画像を見ながら無人飛行機を所望の災害場所により接近させるなどの操作が可能となり、被害状況をより詳細に取得可能となる等の効果がある。また、無人飛行機の飛行経路の補正を行うことが容易になるという効果がある。

無人飛行機の飛行軌跡は、無人飛行機に搭載されるＧＰＳ受信機が出力する位置情報（緯度、経度、高度）により取得可能であるが、災害地に同時に表示させるためには位置情報に基づく飛行軌跡を３次元点群画像中に同時に表示させる画像処理が必要となる。
しかしながら、災害地等での情報収集システムが、ＧＰＳで取得した位置情報を３次元点群画像中に表示させる画像処理ユニットを備えているとは限らず、この場合、無人飛行機の飛行軌跡を３次元点群画像に同時に表示させることができないという課題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、レーザスキャナを搭載した飛行機の飛行軌跡を、レーザスキャナで取得した３次元点群と共に簡単にかつ同時に取得可能な飛行軌跡取得装置を提供することを目的とする。

この発明に係る飛行軌跡取得装置は、飛行体に搭載され、レーザ光をスキャンしながら照射し反射光を受信することにより、この飛行体の周囲にある物体の反射点からなる３次元点群を取得するレーザスキャナを備え、このレーザスキャナは、レーザ光が前記飛行体の回転翼を照射する位置に設けられ、このレーザ光が前記回転翼を照射した点の点群を、前記飛行体の飛行軌跡とする。

この発明に係る飛行軌跡取得装置によれば、レーザスキャナを搭載した飛行機の飛行軌跡を、レーザスキャナで取得した３次元点群と共に、簡単にかつ同時に取得することができる。

実施の形態１に係る飛行軌跡取得装置を搭載した飛行機の全体構造（側面）を示す図である。 実施の形態１に係る飛行軌跡取得装置３００を搭載した飛行体５００の全体構造（前面）を示す図である。 実施の形態１に係る飛行軌跡取得装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る飛行軌跡取得装置が取得した飛行軌跡を示す一例である。 実施の形態１に係る飛行軌跡取得装置が取得した飛行軌跡を１本の線で結んだ飛行軌跡の一例である。 実施の形態１に係る飛行軌跡取得装置が取得した飛行軌跡を示す一例である。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る飛行軌跡取得装置３００を搭載した無人飛行機５００を側面からみた全体構造を示す図である。ここで、無人飛行機５００は空中を飛行する飛行体の一例であり、飛行体が有人、無人に関わらず本発明は効果を奏する。

図１において、無人飛行機５００は、飛行機本体１００と、飛行機本体の上部に搭載される２枚のプロペラ２００（羽根２００ともいう）と、プロペラ２００が回転する際の回転軸であるプロペラシャフト２１０と、飛行機本体１００の後方に搭載されるＧＰＳユニット２０と、飛行機本体１００の側面に搭載されるレーザスキャナ１０と、着陸脚７０と、センサボックス４０を備える。ここでプロペラは回転翼の一例である。なお、レーザスキャナ（Laser Scanner） は、ＬＲＦ（laser Range Finder）、レーザレンジスキャナー（Laser Range Scanner）と呼ばれることもある。
無人飛行機５００は飛行機本体１００に搭載されるバッテリー８０を電源として、プロペラ２００を回転させ、また、レーザスキャナ１０やＧＰＳユニット２０等を動作させる。プロペラ２００はバッテリー駆動でなくガソリンを燃料とするものでもよい。
センサボックス４０の中には、後述する処理部５０、記憶装置６０を備える。
ＧＰＳユニットはＧＰＳ受信機やＧＰＳアンテナを備え、測位信号から測位計算を行い測位結果を出力する測位ユニットの一例である。無人飛行機５００には無人での飛行を可能とする各種機器が搭載されるが、ここでは発明に関するものについて主に記載する。

図２は、本実施の形態に係る飛行軌跡取得装置３００を搭載した無人飛行機５００を前面からみた全体構造を示す図である。
飛行機本体１００の側面には、レーザスキャナ１０が設定されており、無人飛行機５００の前方進行方向を機体軸５１０として、機体軸５１０に対し垂直方向に、機体軸５１０の全周に向けてスキャンしながらレーザ光Ｌを出射する。レーザスキャナ１０の動作については、後述する。

図３は、本実施の形態に係る飛行軌跡取得装置３００の構成を示す構成図である。
飛行軌跡取得装置３００は、レーザスキャナ１０と、ＧＰＳユニット２０と、３次元点群の各点の位置などを演算する演算処理を実行する処理部５０と、取得した３次元点群の情報を記憶する記憶装置６０を備える。処理部５０は、レーザスキャナ１０とＧＰＳユニット２０からデータを入力し、処理結果を記憶装置に出力すると共に、図示しない地上局に通信で送信する。地上局では、レーザスキャナ１０、ＧＰＳユニット２０、ＩＭＵの結果を受信し、リアルタイムで画像化等の処理を行うことができる。また、記憶装置に記憶した結果を後処理で詳細に画像化する等のことを行える。

ここで、レーザスキャナ１０は、レーザ光Ｌを照射して反射光を受信することにより、無人飛行機５００の周囲にある物体の３次元座標と、色情報と、反射強度といった情報を検出する装置である。
実施の形態１ではレーザスキャナ１０は無人飛行機５００の機体前方側面に、無人飛行機５００の進行方向である機体軸５１０に対して垂直方向に、機体軸５１０を中心に全周（３６０°）方向に向けてレーザ光１０を出射可能なように設置されている。
本実施の形態に係るレーザスキャナ１０は、レーザスキャナ１０から全周に向けて、スキャンしながら出射したレーザ光Ｌの一部のレーザ光Ｌがプロペラ２００の面に照射される位置に設置されている。

処理部５０は、反射点選別部５５と通信処理部５６を備える。
反射点選別部５５は物体の反射点（３次元点群）のうち、プロペラ２００での反射点（飛行軌跡）を選別処理する。
通信処理部５６は、地上の基地局との間で通信処理を行う。

記憶装置６０は記憶部６５を備え、無人飛行機５００の周囲にある物体での反射点である３次元点群の３次元座標や、反射点選別部５５で選別したプロペラ２００の反射点の３次元座標等を記憶する。

全方位カメラ３０は、無人飛行機５００の下方に設置され、３６０°全方位の画像を取得する。
センサボックス４０は内部にＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）を備え、ＧＰＳ受信機で受信した測位信号と共に用いて高精度測位を実現する。

次に、実施の形態１に係る飛行軌跡取得装置３００の動作を説明する。
無人飛行機５００は既に、地面から離陸し上空を飛行している状態にあり、レーザスキャナ１０は全周３６０°方向にレーザ光Ｌを照射し、その反射点から物体の３次元点群を取得する状況にある。

ここで、レーザスキャナ１０は、前述の通り、レーザスキャナ１０から出射したレーザ光Ｌの一部がプロペラ２００の面に照射される位置に設置されている。
これにより、レーザスキャナ１０は、プロペラ２００を物体とし、プロペラ２００に当たった点を反射点をして、プロペラ２００に当たった（照射された）反射点の３次元座標と、色情報と、反射強度といった情報を検出する。
全方位（３６０°）にレーザ光を出射するレーザスキャナ１０のスキャン周期は一般に数十ＫＨｚ〜数百ＫＨｚであり、また、飛行中の無人飛行機５００のプロペラの回転周期は数百回転程度である。このことから、レーザスキャナ１０から出射したレーザ光Ｌの一部はプロペラ２００に当たらずプロペラ２００を通過するものもあるが、一部はプロペラ２００に照射され、照射されたプロペラの照射点を反射点として３次元座標と、色情報と、反射強度といった情報を検出することが可能である。

上記の動作を図１、図２を用いて説明する。
図１において、レーザスキャナ１０は機体軸５１０に対して垂直方向の向きで、全周囲（３６０°）に向けてレーザ光Ｌを出射する。レーザ光Ｌが直下の地面を照射している場合を、レーザ光Ｌ２で表す。このときの地面の反射点がＰ２である。
一方、レーザ光Ｌの照射の向きが時系列に回転をし、プロペラ２００の方向を向いた場合をレーザ光Ｌ１で表す。このときのプロペラ２００における反射点をＰ１で表している。

図２は、無人飛行機５００を前方向から見た模式図であり、レーザスキャナ１０は機体軸５１０に対して垂直方向の向きで、全周囲（３６０°）に向けてレーザ光Ｌを出射している様子を示している。
実際には一般に数十ＫＨｚ〜数百ＫＨｚでレーザ光をスキャンをしているが、ここでは模式的に２０本のレーザ光でスキャンの様子を表している。
図２で、レーザスキャナ１０からのレーザ光Ｌ０はプロペラ２００に当たり、プロペラでの反射点Ｐ０を発生させる。レーザスキャナ１０は、反射点Ｐ０の３次元座標と、色情報と、反射強度の情報を検出する。レーザ光Ｌ０の出射角度は、地面を向いた直下方向をゼロ[°]として、＋１７０[°]程度である。
同様にレーザスキャナ１０からのレーザ光Ｌ１はプロペラ２００に当たり、プロペラでの反射点Ｐ１を発生させる。レーザスキャナ１０は、反射点Ｐ１の３次元座標と、色情報と、反射強度の情報を検出する。レーザ光Ｌ１の出射角度は、地面を向いた直下方向をゼロ[°]として、＋１６０[°]程度である。
次にレーザスキャナ１０は、出射方向を回転させたレーザ光Ｌ２を出射する。レーザ光Ｌ２はプロペラ２００に当たり、プロペラでの反射点Ｐ２を発生させる。レーザスキャナ１０は、反射点Ｐ２の３次元座標と、色情報と、反射強度の情報を検出する。レーザ光Ｌ２の出射角度は、地面を向いた直下方向をゼロ[°]として、＋１５０[°]程度である。
次にレーザスキャナ１０は、出射方向を回転させたレーザ光Ｌ３を出射する。レーザ光Ｌ３はプロペラ２００には当たらず、プロペラでの反射点は発生させない。レーザ光Ｌ３は遠方の物体で反射されると、レーザスキャナ１０はその遠方の反射点の３次元座標と、色情報と、反射強度の情報を検出する。
以上を繰り返し、次に、レーザスキャナ１０は、出射方向を回転させたレーザ光Ｌ１７、Ｌ１８、Ｌ１９を出射する。レーザ光Ｌ１７、Ｌ１８、Ｌ１９はプロペラ２００に当たり、プロペラでの反射点Ｐ１７、Ｐ１８、Ｐ１９を発生させる。レーザスキャナ１０は、反射点Ｐ１７、Ｐ１８、Ｐ１９の３次元座標と、色情報と、反射強度の情報を検出する。レーザ光Ｌ１７、Ｌ１８、Ｌ１９の出射角度は、地面を向いた直下方向をゼロ[°]として、−１５０[°]、−１６０[°] 、−１７０[°]程度である。

このようにレーザスキャナ１０は、地面を向いた下方向から上空を向いた上方向まで全周をレーザ光でスキャンし、スキャンしたレーザ光は、間欠的に、プロペラに照射し、プロペラ２００に照射した点（反射点）の３次元座標と、色情報と、反射強度の情報を検出する。

なお、時刻ｔ１においてレーザ光Ｌ１による反射点Ｐ１が発生している場合における、反射点Ｐ１の３次元座標は、ＧＰＳユニット２０により算出される時刻ｔ１におけるＧＰＳユニット２０の位置座量と、予め求めていたＧＰＳユニット２０とレーザスキャナ１０との相対位置関係と、レーザスキャナ１０により取得される時刻ｔ１におけるレーザスキャナ１０と反射点Ｐ１との相対位置関係から、算出することが可能である。なお、反射点Ｐ１の３次元座標の算出にＩＭＵの結果を用いてもよく、より高精度な座標位置を算出することができる。

このようにしてレーザスキャナ１０は、無人飛行機５００が飛行している間における周囲にある物体の反射点の集合である３次元点群の３次元座標と、色情報と、反射強度の情報を検出すると共に、無人飛行機５００が飛行している間においてプロペラ２００で反射した反射点の集合である３次元点群の３次元座標と、色情報と、反射強度の情報を検出する。
ここで、プロペラ２００は無人飛行機５００と共に移動するものであるから、プロペラ２００の移動経路を表示することは、すなわち、無人飛行機５００の飛行軌跡を取得することに等しい。

図４は、無人飛行機５００が平均高度２０[ｍ]程度の位置から取得した地上の物体の３次元点群からなる画像である。
図４に示すように、地上の物体である建物や駐車場の３次元点群の画像を取得可能である。

ここで図４の右上には、白点が連続して表示されていることがわかる。
この白点は、先述の無人飛行機５００が飛行している間においてプロペラ２００で反射した反射点の集合である３次元点群を表示したものであり、このように、無人飛行機５００の飛行軌跡をレーザスキャナで取得した３次元点群の画像の中に、簡単に表示させることが可能である。

図５は、図４では白点で示されていた無人飛行機５００の飛行軌跡について、白点の中間点を結ぶことで実線で表すようにしたものである。
このようにして、無人飛行機５００の飛行軌跡をレーザスキャナで取得した３次元点群の画像の中に、より明確に表示させることができる。

図６は、無人飛行機５００の飛行軌跡を別方向から見た図である。ビューワ（Ｖｉｅｗｅｒ）の詳細は省略するが、物体の３次元点群や飛行経路を表示させるビューワを操作することにより建物と飛行経路との間隔を、簡易に、より視覚的に表示させることが可能である。

実施の形態２．
実施の形態２では、無人飛行機５００の飛行軌跡にあたるプロペラ２００で反射した反射点の集合である３次元点群のみを表示させる方法について、説明する。
レーザスキャナ１０から出射したレーザ光がプロペラ２００で反射する場合、その反射点の３次元座標位置と、ＧＰＳユニット２０により取得したＧＰＳユニットの３次元位置座標との間隔は、長くても数[ｍ]程度である。
これに対し、地上の建物の反射点の３次元座標位置と、ＧＰＳユニット２０により取得したＧＰＳユニットの３次元位置座標との間隔は、数十[ｍ]〜数百[ｍ]となる。
そこで、レーザスキャナ１０により取得した３次元点群の中で、ＧＰＳユニット２０との間隔が数[ｍ]の点は、プロペラ２００で反射した点であると判断する。３次元点群のうち飛行軌跡とする判断条件は、ＧＰＳユニット２０との間隔がＬ１[ｍ]以下とすることができる。
なお、この判断条件については、地形の状況やレーザスキャナの性能等に応じて各種設定することが可能であり、上記判断条件に限られるものではない。

このようにして抽出されたプロペラ２００で反射した点群の中心位置を時系列で処理することにより、白点で表される無人飛行機の飛行軌跡１０００を、実線で表される無人飛行機の飛行軌跡１１００に変換することが可能となる。

なお、実施の形態１、２では、プロペラ２００に照射する例について説明したが、照射の対象はプロペラ２００に限らず、例えば飛行機本体１００のカバーであっても構わない。

１０ レーザスキャナ、２０ ＧＰＳユニット、３０ 全方位カメラ、４０ センサボックス、５０ 処理部、５５ 反射点選別部、５６ 通信処理部、６０ 記憶装置、６５ 記憶部、７０ 着陸脚、８０ バッテリー、１００ 飛行機本体、２００ プロペラ（羽根）、２１０ プロペラシャフト、３００ 飛行軌跡取得装置、５００ 無人飛行機、５１０ 機体軸、６００ 地面、１０００ 無人飛行機の飛行軌跡（白点）、１１００ 無人飛行機の飛行軌跡（実線）、Ｌ レーザ光、Ｐ プロペラの反射点。

Claims (7)

1. 飛行体に搭載され、
   レーザ光をスキャンしながら照射し反射光を受信することにより、前記飛行体の周囲にある物体の反射点からなる３次元点群を取得するレーザスキャナを備え、
   前記レーザスキャナは、前記レーザ光が前記飛行体の回転翼を照射する位置に設けられ、前記レーザ光が前記回転翼を照射した点の点群を、前記飛行体の飛行軌跡とすることを特徴とする飛行軌跡取得装置。
2. 前記レーザスキャナから出射するレーザ光は、間欠的に前記回転翼を照射することを特徴とする請求項１記載の飛行軌跡取得装置。
3. 記憶装置を備え、
   前記記憶装置は前記３次元点群の中から抽出された前記飛行体の飛行軌跡を記憶することを特徴とする請求項１、２いずれか記載の飛行軌跡取得装置。
4. 測位ユニットと、
   前記飛行軌跡を抽出する処理部と、を備え、
   前記処理部は、同じ時刻の、前記測位ユニットが取得する位置座標と、前記３次元点群の位置座標との距離が所定値より小さい３次元点群を前記飛行軌跡として抽出することを特徴とする請求項３記載の飛行軌跡取得装置。
5. 前記飛行体は無人ヘリコプタであり、
   前記回転翼は前記無人ヘリコプタに備えられたプロペラであり、
   前記レーザスキャナが取得した前記３次元点群を記憶する記憶装置を備えることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の飛行軌跡取得装置。
6. 請求項１〜４いずれか記載の飛行軌跡取得装置を搭載した飛行体。
7. 前記飛行体は無人ヘリコプタであることを特徴とする請求項６記載の飛行体。

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