JP6631900B1 - 飛行体 - Google Patents

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Abstract

【課題】精度良く自己の位置を推定することができるようにする。【解決手段】飛行体は、焦点距離の異なる2台のカメラと、2台のカメラのうち少なくとも焦点距離の短いカメラを搭載するスタビライザと、2台のカメラが撮影した画像に基づいて飛行体の移動速度を算出するフライトコントローラと、を備える。【選択図】図2

Description

本発明は、飛行体に関する。
飛行体の飛行位置をGPSに依らずに推測する技術が知られている。たとえば、特許文献1には、超音波高度計とカメラとを用いて無人機の水平並進速度を求める手法として、多重解像度の手法を用いるオプティカルフロー法、特徴点検出器アルゴリズム、およびこれらを組み合わせた手法が開示されている。
特許第5854655号明細書
しかしながら、特許文献1に記載の手法では、高度が高くなると画像の解像度が下がり精度が落ちてしまう。
本発明はこのような背景を鑑みてなされたものであり、精度良く自己の位置を推定することのできる技術を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明の主たる発明は、飛行体であって、焦点距離の異なる2台のカメラと、前記2台のカメラのうち少なくとも前記焦点距離の短い前記カメラを搭載するスタビライザと、前記2台のカメラが撮影した画像に基づいて前記飛行体の移動速度を算出するフライトコントローラと、を備えることとする。
その他本願が開示する課題やその解決方法については、発明の実施形態の欄及び図面により明らかにされる。
本発明によれば、精度良く自己の位置を推定することができる。
本発明の一実施形態に係る飛行体1の構成例を示す図である。 本実施形態に係る飛行体1の概要を説明する図である。 焦点距離の異なる2台のカメラ3および6を搭載した飛行体1の一例を示す図である。 焦点距離の異なる2台のカメラ3および6を搭載した飛行体1の第2の例を示す図である。 焦点距離の異なる2台のカメラ3および6を搭載した飛行体1の第3の例を示す図である。 カメラ3および6ならびに距離計4を水平方向に向けて搭載した飛行体1の一例を示す図である。 スタビライザ5に代えて積載部7を安定させる姿勢制御装置51を設けた飛行体1の一例を示す図である。 カメラ3および6ならびに距離計4を搭載した積載部7を複数設けた飛行体1の例を示す図である。
本発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明の実施の形態による飛行体は、以下のような構成を備える。
[項目1]
焦点距離の異なる2台のカメラと、
前記2台のカメラのうち少なくとも前記焦点距離の短い前記カメラを搭載するスタビライザと、
前記2台のカメラが撮影した画像に基づいて前記飛行体の移動速度を算出するフライトコントローラと、
を備えることを特徴とする飛行体。
[項目2]
項目1に記載の飛行体であって、
前記2台のカメラのそれぞれが撮像した2つの撮像画像に基づいて、撮像された地点からの距離を算出する距離算出部を備えること、
を特徴とする飛行体。
[項目3]
項目1に記載の飛行体であって、
距離計をさらに備え、
前記スタビライザは前記焦点距離の短い前記カメラと前記距離計とを搭載すること、
を特徴とする飛行体。
図1は、本発明の一実施形態に係る飛行体1の構成例を示す図である。
フライトコントローラ11は、プログラマブルプロセッサ(例えば、中央演算処理装置(CPU))などの1つ以上のプロセッサを有することができる。
フライトコントローラ11はメモリ102を有しており、当該メモリ102にアクセス可能である。メモリ102は、1つ以上のステップを行うためにフライトコントローラ11が実行可能であるロジック、コード、および/またはプログラム命令を記憶している。
メモリ102は、例えば、SDカードやランダムアクセスメモリ(RAM)などの分離可能な媒体または外部の記憶装置を含んでいてもよい。カメラ3や距離計4、センサ類103から取得したデータは、メモリ102に直接に伝達されかつ記憶されてもよい。例えば、カメラ3で撮影した静止画・動画データが内蔵メモリ又は外部メモリに記録される。距離計4は対象物との間の距離を測定し、測定した距離をメモリ102に記憶することができる。距離計4は、たとえば、地面からの距離(高度)を測定し、あるいは天井までの距離を測定することができる。カメラ3および距離計4は、飛行体1にスタビライザ5を介して設置される。スタビライザ5は、ジンバル軸の交点が飛行体1の重心に位置するように配することが好適である。
フライトコントローラ11は、飛行体1の状態を制御するように構成された制御モジュールを含んでいる。例えば、制御モジュールは、6自由度(並進運動x、y及びz、並びに回転運動θx、θy及びθz)を有する飛行体の空間的配置、速度、および/または加速度を調整するために、ESC105を経由して飛行体1の推進機構(モータ106等)を制御する。モータ106によりプロペラ107が回転することで飛行体1の揚力を生じさせる。制御モジュールは、センサ類103の状態のうちの1つ以上を制御することができる。
フライトコントローラ11は、1つ以上の外部のデバイス(例えば、送受信機(プロポ)、端末、表示装置、または他の遠隔の制御器)からのデータを送信および/または受け取るように構成された送受信部104と通信可能である。送受信機は、有線通信または無線通信などの任意の適当な通信手段を使用することができる。
例えば、送受信部104は、ローカルエリアネットワーク(LAN)、ワイドエリアネットワーク(WAN)、赤外線、無線、WiFi、ポイントツーポイント(P2P)ネットワーク、電気通信ネットワーク、クラウド通信などのうちの1つ以上を利用することができる。
送受信部104は、センサ類103で取得したデータ、フライトコントローラ11が生成した処理結果、所定の制御データ、端末または遠隔の制御器からのユーザコマンドなどのうちの1つ以上を送信および/または受け取ることができる。
本実施の形態によるセンサ類103は、慣性センサ(加速度センサ、ジャイロセンサ)、GPSセンサ、近接センサ(例えば、ライダー)、またはビジョン/イメージセンサ(例えば、カメラ)を含み得る。
図2は、本実施形態に係る飛行体1の概要を説明する図である。上述したように、飛行体1は、カメラ3および距離計4をスタビライザ5を介して本体2に搭載している。スタビライザ5を設けることにより、図1(b)に示すように、飛行体1の本体2が傾斜したとしてもカメラ3および距離計4は略水平に保たれる。
距離計4はたとえば地面までの距離(高度)を測定することができる。距離計4は、たとえば、超音波の反射時間を測定することにより距離を求めることができる。なお、距離計4は、超音波に限らず、光学や赤外線、レーザなどを用いてもよく、任意の方式の距離計を採用することができる。
フライトコントローラ11は、距離計4により測定した距離と、カメラ3が撮影した連続画像とに基づいて、飛行体1の水平方向の移動速度を計算することができる。たとえば、フライトコントローラ11は、距離計4が測定した高度とカメラ3の画角とに基づいて1画素あたりの距離を計算し、単位時間当たりの移動距離から速度を算出することができる。なお、カメラ3が撮影した複数の画像に基づいて飛行体1の水平移動速度を計算する手法には、公知の手法を用いることができる。
図3は、焦点距離の異なる2台のカメラ3および6を搭載した飛行体1の一例を示す図である。図3(a)に示すように、スタビライザ5には焦点距離の長い(望遠)カメラ3と距離計4とを搭載し、焦点距離の短い(広角)カメラ6はスタビライザ5を介さずに本体2に搭載する。フライトコントローラ11は、2つのカメラ3および6が撮影した解像度の異なる2つの画像に基づいて、飛行体1の水平移動速度を計算することができる。図3(b)に示すように、望遠のカメラ3をスタビライザ5に搭載することにより、高高度であってもカメラ3を安定させて高精細な画像を撮影することができる。また、距離計4を安定させて距離(高度)の測定も精度よく行うことができる。したがって、フライトコントローラ11は水平移動速度を精度良く推定することが可能となる。
広角のカメラ6もスタビライザ5に搭載するようにしてもよい。図4は、焦点距離の異なる2台のカメラ3および6を搭載した飛行体1の第2の例を示す図である。図4(a)に示すように、焦点距離の異なる2台のカメラ3および6をスタビライザ5を介して本体2に搭載している。図4(b)に示すように、飛行体1が傾いた場合であっても、スタビライザ5によりカメラ3および6ならびに距離計4は鉛直方向下方を向く。これにより、カメラ3および6を安定させて、解像度の異なる画像を高精細に撮影することができる。距離計4を安定させて距離(高度)の測定も精度よく行うことができる。したがって、フライトコントローラ11は水平移動速度を精度良く推定することができる。
カメラ3および6ならびに距離計4は、鉛直方向上方に向けてもよい。図5は、焦点距離の異なる2台のカメラ3および6を搭載した飛行体1の第3の例を示す図である。図5(a)に示すように、カメラ3および6ならびに距離計4は本体2の上面に配される。これにより、カメラ3および6は鉛直方向上方の画像を撮影し、距離計4は鉛直方向上方に向けた距離を測定する。たとえば、大規模展示場などにおいて、床面がコンクリートやタイルで特徴点の抽出が困難な状況の場合であっても、天井を撮影してグリップさせ、天井までの距離を測定し、これらに基づいて水平移動距離を計算することができる。
カメラ3および6ならびに距離計4は、水平方向に向けてもよい。図6はカメラ3および6ならびに距離計4を水平方向に向けて搭載した飛行体1の一例を示す図である。図6の例では、スタビライザ5の各側面にカメラ3および6ならびに距離計4を搭載している。フライトコントローラ11は、各側面について、2つのカメラ3および6が撮影した画像と、距離計4が測定した水平方向に存在する物体までの距離とに応じて、当該側面に平行する平面上における移動速度を推定することができる。これにより、たとえば屋内プールの水面上であっても、横の壁に向けたカメラ3および6ならびに距離計4により、飛行体1の水平方向の移動速度を推測することが可能となり、水面上を自律飛行することができるようになる。
スタビライザ5は、積載している物(たとえばカメラ3および距離計4)の姿勢を安定させる機構であればよい。図7は、スタビライザ5に代えて積載部7を安定させる姿勢制御機構51を設けた飛行体1の一例を示す図である。姿勢制御機構51は、飛行体1の本体2上面に配される支持部材511と、支持部材511に接続されるアーム512とを備える。アーム512の先端部には積載部7が設けられる。アーム512と支持部材511とはヒンジ513により回動可能に接続される。ヒンジ513は飛行体1の重心に設けられる。また、ヒンジ513は、直交する軸に対して回動可能に構成される。これにより、アーム512を飛行体1の重心を中心に360度回動させることができる。したがって、飛行体1の本体2が傾いても、図7(b)に示すように、アーム512は鉛直方向に安定し、積載部7に搭載されたカメラ3および6ならびに距離計4は、鉛直方向下方を向いたままとなる。よって、カメラ3および6は高精細な画像を撮影することが可能となり、距離計4は安定的な距離(高度)を測定することが可能となる。
カメラ3および6を搭載した積載部7を複数設けてもよい。図8は、カメラ3および6ならびに距離計4を搭載した積載部7を複数設けた飛行体1の例を示す図である。図8の例では、矢印Fが飛行体1の進行方向前方を示し、上下が鉛直方向であるものとする。図8に示すように、支持部材511には、上下に2本のアーム512Uおよび512Dが回動可能に接続される。アーム512Uおよび512Dの先端には、カメラ3および6ならびに距離計4を搭載した面(以下搭載面という。)を上下に向ける積載部7Uおよび7Dが設けられる。また、アーム512Uおよび512Dには、飛行体1の左側に搭載面を向ける積載部7LUおよび7LDが設けられ、積載部7LUおよび7LDの逆側にも、それぞれ飛行体1の右側に搭載面を向ける積載部(不図示)が設けられる。これにより、飛行体1の上下左右のそれぞれについて、カメラ3および6が解像度の異なる画像を撮影し、距離計4が飛行体1の周辺物に対する距離を測定することができる。したがって、フラ一途コントローラ11は、上下左右のいずれかの画像および距離を用いることで、飛行体1の上下左右前後方向の移動速度を推定することができる。
さらに図8に示すように、アーム512に対して傾斜したアーム514を接続し、アーム514の先端に積載部7を設け、鉛直方向に対して角度をつけた斜め方向の画像および距離を測定するようにしてもよい。図8の例では、アーム512の前後に45度の傾斜を付けたアーム514が接続されている。飛行体1上側のアーム512Uには、飛行体1の前側上方45度に搭載面を向ける積載部7FUを設けたアーム514FUと、飛行体1の後側上方45度に搭載面を向ける積載部7BUを設けたアーム514BUとが接続される。また、飛行体1下側のアーム512Dには、飛行体1の前側下方45度に搭載面を向ける積載部7FDを設けたアーム514FDと、飛行体1の後側下方45度に搭載面を向ける積載部7BDを設けたアーム514BDとが接続される。このようにして、図8の例では、飛行体1の略360度の画像を撮影することができる。これにより、フライトコントローラ11は、上下左右前後方向の移動速度を推定することができる。
以上説明したように、本実施形態の飛行体1によれば、飛行体1にカメラ3および距離計4をスタビライザ5を介して搭載しているので、カメラ3および距離計4の撮影および計測を行う方向を安定させることができる。これにより、画像および距離を用いた飛行体1の移動速度の推定精度を向上させることができる。このような本実施形態の飛行体1に係る構成は、ホビー用から産業用途まで、目的を問わず様々な飛行体において利用可能である。また、使用環境は屋外、屋内を問わない。カメラが撮影した画像と距離計が測定した距離とに応じて、飛行体1の移動速度を推定し、移動速度から飛行体1の位置を推定することができるので、橋の下や谷、洞窟などのGPSが機能しない場所ではGPSの代用とすることができる。また、GPS信号の取得あるいはGPSの使用になんらかの障害が起こった場合にバックアップとして機能させることができる。
また、焦点距離の異なる複数のカメラを搭載する場合には、より焦点距離の長いカメラの光軸にズレが生じると1画素あたりの距離から移動距離を求める場合に誤差が大きくなるところ、本実施形態の飛行体1によれば、より焦点距離の長いカメラ3をスタビライザ5により安定させることができる。したがって、移動速度の推測を高精度に行うことが可能となる。
以上、本実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
たとえば、本実施形態では、距離計4が距離を計測することを前提としたが、これに限らず、距離計4を省略し、カメラ3および6による2つの画像を用いて、撮影されている物体からの距離を推定することもできる。これは一般的なステレオ画像の処理を用いることで実現可能である。この場合、カメラ3および6をスタビライザ5で安定させることで移動速度および距離(高度)の推定を精度良く行うことができる。
また、図7の例では、アーム512の先端部に設けた積載部7にカメラ3および6ならびに距離計4が配され、このカメラ3および6が撮影した画像と距離計4が測定した距離とに応じて飛行体1の移動速度を推定するものとしたが、フライトコントローラ11は、アーム12の長さ(ヒンジ513から積載部7の搭載面までの距離)に応じて、移動速度を補正すると好適である。
また、図8の例では、前後方向には斜め上および斜め下に積載部7の搭載面を向けるものとしたが、左右方向と同様に、前後方向を向けるようにしてもよい。
また、本実施形態では、カメラ3と距離計4とはスタビライザ5に固定されているものとしたが、距離計4を可動としてもよい。この場合に、フライトコントローラ11は、カメラ3が撮影した画像中からグリップする点(すなわち、特徴量が抽出された点である。以下、グリップ点という。)を取得し、取得したグリップ点に向けて超音波やレーザを発するように距離計4の指向方向を変化させるべく距離計4を回動させてもよい。これにより、カメラ3からの画像を解析して移動速度を推定するに当たって用いられるグリップ点と、距離計4からの距離を測定する対象となる点とを略一致させることができる。これにより、画像における1画素あたりの距離を計算するにあたって、グリップ点が移動した距離(水平方向の距離)の算出に用いられるグリップ点までの距離を正確に求めることが可能となり、移動速度の推定精度を向上させることができる。
1 飛行体
2 本体
3 カメラ
4 距離計
5 スタビライザ
6 カメラ
7 積載部
51 姿勢制御機構
511 支持部材
512 アーム
513 ヒンジ

Claims (4)

  1. 自律飛行型の飛行体であって、
    焦点距離が異なるとともに、下方に向けた2台のカメラと、
    前記2台のカメラのうち少なくとも前記焦点距離の短い前記カメラを搭載するスタビライザと、
    前記2台のカメラが撮影した画像に基づいて前記飛行体の水平方向の速度を算出するフライトコントローラと、
    を備えることを特徴とする飛行体。
  2. 請求項1に記載の飛行体であって、
    前記2台のカメラのそれぞれが撮像した2つの撮像画像に基づいて、撮像された地点からの距離を算出する距離算出部を備えること、
    を特徴とする飛行体。
  3. 請求項1に記載の飛行体であって、
    距離計をさらに備え、
    前記スタビライザは前記焦点距離の短い前記カメラと前記距離計とを搭載すること、
    を特徴とする飛行体。
  4. 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の飛行体であって、
    前記2台のカメラが、前記スタビライザに搭載されていること、
    を特徴とする飛行体。
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