JP6838656B2 - 着陸装置、着陸制御方法、着陸制御プログラム - Google Patents

着陸装置、着陸制御方法、着陸制御プログラム Download PDF

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Description

本発明は、着陸装置、着陸制御方法、着陸制御プログラムに関する。
現在、飛行型無人機を活用した配送システムや監視システムが開発され、これらの用途に用いられる飛行型無人機管制システム等が開発されている。これらのシステムでは飛行型無人機が通常の飛行を行うことが前提とされているが、実際の運用時は無人機が制御不可能となる場合がある。このため、制御不可能になった場合の対処方法が検討されている。
例えば特許文献1には、無人の飛行体がパラシュートまたはエアバッグを備え、飛行体が飛行不能となった場合に、パラシュートまたはエアバッグを展開する技術が開示されている。これにより、飛行体および搭載された精密機器を墜落の衝撃から守ることができる。
また特許文献2には、無人型のヘリコプターが制御不可能となった場合に、エアバッグおよびパラシュートを使用し、不時着を行う技術が開示されている。不時着に当たっては、ヘリコプターの高度に応じて両者を使い分ける。例えば、ヘリコプターの高度が所定高度より高い場合には、パラシュートとエアバッグの両方を展開し、所定高度より低い場合にはエアバッグのみを展開する。以上のような構成とすることにより、高度に応じた適切な軟着陸を行うことができる。
また特許文献3には、パラシュートに、パラシュート用吊下制御索を設け、これを伸縮させて、降下中のパラシュートの移動制御を行う技術が開示されている。この技術では、まず、降下軌道センサやGPS(Global Positioning System)等によって現在値を検出し、風向、落下速度等に基づいて降下軌道を計算する。そして、パラシュート用吊下制御索を伸縮制御することで、空気力学的にパラシュートの移動を制御し、パラシュートを目標の軌道に沿って移動させ、目的地に誘導することができる。
国際公開第2016/098146号 特開2016−88111号公報 特開平08−156893号公報
しかしながら、特許文献1および特許文献2の技術では、着陸地点がどこになるか不定となるため、高層ビル等の障害物や歩行者や自動車等への衝突が避けられないという問題があった。
また特許文献3の技術は、予め定めた目標地点にパラシュートを誘導する技術であり、この技術では予期されていない危険物を回避することができなった。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、飛行型無人機を、障害物等を避けるように誘導し、危険性の低い地点に着陸させる着陸装置を提供することを目的としている。
上記の課題を解決するため、本発明の着陸装置は、危険物位置検出装置と、移動目標地点算出装置と、パラシュート制御装置とを有している。危険物位置検出装置は、パラシュートを用いて着陸しようとする飛行型無人機の周囲に存在する危険物の位置を検出する。移動目標地点算出装置は、危険物位置検出装置が取得した危険物の位置に基づいて、危険物との衝突および危険な場所への着地を回避するために、その時々に飛行型無人機が移動するべき移動目標地点を算出する。パラシュート制御装置は、移動目標地点算出装置が算出した移動目標地点に飛行型無人機が移動するようにパラシュートを制御する。
本発明の効果は、飛行型無人機を、障害物等を避けるように誘導し、危険性の低い地点に着陸させる着陸装置を提供できることである。
第1の実施形態の着陸装置を示すブロック図である。 第2の実施形態の着陸装置を示すブロック図である。 第3の実施形態の着陸装置を示す斜視模式図である。 第3の実施形態の着陸装置を示すブロック図である。 第3の実施形態のパラシュート制御装置を示すブロック図である。 第3の実施形態の全体制御を示すシーケンス図である。 第3の実施形態の落下検出とパラシュート展開の動作を示すフローチャートである。 第3の実施形態のパラシュート制御モデル構築処理を示すフローチャートである。 第3の実施形態の降下着陸制御と制御パラメータ調整の処理の流れを示すブロック図である。 第3の実施形態の下方危険度判定処理結果の一例を示す模式図である。 第3の実施形態の側方危険度判定処理結果の一例を示す模式図である。 第3の実施形態の注目地点までの経路計算の一例を示す模式図である。 第3の実施形態の制御危険度算出方法を示すグラフである。 第3の実施形態の制御パラメータ空間での注目地点の制御危険度のプロット例を示すグラフである。 第3の実施形態の制御パラメータ空間での制御パラメータの決定方法を示すグラフである。 第4の実施形態の着陸装置を示すブロック図である。 第5の実施形態の着陸装置を示すブロック図である。
以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の着陸装置を示すブロック図である。着陸装置は、危険物位置検出装置1と、移動目標地点算出装置2と、パラシュート制御装置3とを有している。
危険物位置検出装置1は、パラシュートを用いて着陸しようとする飛行型無人機の周囲に存在する危険物の位置を検出する。
移動目標地点算出装置2は、危険物位置検出装置1が取得した危険物の位置に基づいて、危険物との衝突および危険な場所への着地を回避するために、その時々に飛行型無人機が移動するべき移動目標地点を算出する。
パラシュート制御装置3は、移動目標地点算出装置が算出した移動目標地点に飛行型無人機が移動するようにパラシュートを制御する。
以上説明したように、本実施形態によれば、飛行型無人機を、危険物を避けるように誘導し、危険性の低い地点に着陸させる着陸装置を提供することができる。
(第2の実施形態)
図2は、第2の実施形態の着陸装置を示すブロック図である。第1の実施形態の構成に加えて、飛行型無人機の落下を検出する落下検出装置4と、飛行型無人機の落下を抑制するパラシュートを展開するパラシュート展開装置5とを有している。
落下検出装置4は、例えば降下速度が所定値以上となった等の条件が満たされたときに、飛行型無人機の落下と判定して、この落下を検出する。
パラシュート展開装置5は、落下検出装置4が落下を検出した場合に、パラシュートを展開する。
危険物位置検出装置1、移動目標地点算出装置2、パラシュート制御装置3の構成と動作は第1の実施形態と同様である。
以上の構成とすると、飛行型無人機が制御不能となり落下を開始した場合に、パラシュートを展開し、飛行型無人機を、危険物を避けるように誘導し、危険性の低い地点に緊急着陸させることができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、制御不能に陥った飛行型無人機を、安全に緊急着陸させる着陸装置を構成することができる。
(第3の実施形態)
図3は、第3の実施形態の着陸装置100の概要を示す斜視模式図である。着陸装置100は、飛行型無人機200に搭載されている。図3では、図示しない落下検出装置が飛行型無人機200の落下を検出し、これを契機としてパラシュート111を展開した状態を示している。なお、図3では、飛行型無人機200が複数のローター210を用いて飛行するマルチコプターを例示しているが、本実施形態の着陸装置100は他の構成の飛行型無人機に対しても適用することが可能である。
着陸装置100は、パラシュート展開装置(図示せず)によって展開されたパラシュート111と、パラシュート制御装置120と、システム制御装置130と、カメラ140とを有する。なお図3では、パラシュート111がスクエア型の例を示している。パラシュート111は、ワイヤ112によってパラシュート制御装置120に連結されている。またパラシュート111の左右端は一対の制御ワイヤ113によってパラシュート制御装置120に接続されている。ここでは、左右それぞれの制御ワイヤを、制御ワイヤL_113L、制御ワイヤR_113Rと表記している。パラシュート制御装置120は、制御ワイヤL_113L、制御ワイヤR_113Rの長さおよび繰り出し位置を個々に調整することによって、パラシュート111の姿勢と向きを制御する。この制御により、パラシュート111の姿勢と進行方向を制御することができる。
カメラ140は、飛行型無人機200の下方および側方の画像を取得する。カメラ140は、例えば、下方向、および側面方向の全方位の画像データを取得する装置であり、例えば、一つの魚眼カメラや、複数のカメラの組み合わせによって構成することができる。カメラ140が撮影した下方および側方の画像から、危険物位置の存在する位置を検出することができる。前述したように、危険物の例としては、高層ビル等の障害物や歩行者や自動車等が挙げられる。
システム制御装置130は、カメラ140が取得した画像を解析し、飛行型無人機200が危険物を避け、安全に着陸するための移動目標地点をリアルタイムで算出する。そして、各時点における移動目標地点に飛行型無人機が移動するようにパラシュートを制御するための制御信号をパラシュート制御装置120に出力する。パラシュート制御装置120は、この制御信号に従って、制御ワイヤL_113L、制御ワイヤR_113Rを制御し、パラシュート111の姿勢と移動方向を制御する。この制御により、パラシュート111は、目標地点に向かって移動する。
図4は、着陸装置100の詳細を示すブロック図である。落下検出装置150は、用着陸装置100が取り付けられた飛行型無人機200の落下を検出する。そのために、3軸加速度計151を有する。なお、ここでは、落下検出装置150を動作させる電力はバッテリー152が供給する構成としている。落下検出装置150は、3軸加速度計151の出力する下方向の加速度や、これに基づいて計算される下方向の速度が所定の条件を満たした時に落下と判定することで、飛行型無人機200の落下を検出する。落下の判定条件は、例えば地面方向の加速度が所定値以上となることや、加速度から算出される単位時間当たりの下方向への移動距離(落下速度)が所定値以上となることとして設定できる。この落下検出装置150は常に動作している。そして落下検出装置150は、落下を通知する信号をパラシュート展開装置110に出力する。パラシュート展開装置110は、落下の通知を受け取ると、パラシュート111を展開する。なお、図4では、落下検出装置150をシステム制御装置130と分離した構成としているが、システム制御装置130の一部として構成されていても良い。
システム制御装置130は、降下着陸制御装置131を有している。降下着陸装置131は、例えばコンピュータやプロセッサに実装される。降下着陸制御装置131には、3軸加速度計132、3軸角速度計133、対地高度計134、カメラ140からの情報が入力される。また、降下着陸制御装置131にはバッテリー135から電力が供給されている。降下着陸制御装置131は、カメラ140および上記の計測器からの入力値から、周囲の障害物の情報と移動目標となる地点を決定する。また、パラシュート111を移動目標地点に近付けるためのパラシュート制御パラメータを算出する。そして、制御パラメータをパラシュート制御装置120に送信する。この降下着陸制御装置131は、例えば、落下検出装置150にて落下が検出された際にのみ動作するものである。なお、落下検出装置150は常に動作するものであるため、降下着陸制御装置131と落下検出装置150を駆動するバッテリーとを別々にしておくと、それぞれの用途に適したバッテリーを選択することが可能である。
図5は、パラシュート制御装置120の詳細構成図である。パラシュート制御装置120は、ワイヤ制御装置121と、左右の制御ワイヤ、制御ワイヤL_113L、制御ワイヤR_113Rを制御する2系統の制御系を有する。制御ワイヤL_113Lは、ワイヤガイドL_122Lを介して、ワイヤリールL_123Lに卷回されている。そして、ワイヤリールL_123Lが回転することにより、制御ワイヤL_113Lの長さが制御される。また、ワイヤガイドL_122Lは、ワイヤガイド位置調整機L_124Lによって位置を制御できるようになっており、この制御により、制御ワイヤL_113Lの繰り出し位置を調整することができる。上記の構成により、制御ワイヤL_113Lの長さと繰り出し位置を制御することができる。同様に、ワイヤリールR_123R、ワイヤガイドR_122R、ワイヤガイド位置調整機R_124Rによって、制御ワイヤR_113Rの長さと繰り出し位置を制御することができる。上記の構成によれば、パラシュート制御装置120は、左右の制御ワイヤの長さを、それぞれ調整することで、右旋回、左旋回、および降下率を制御することができる。また、ワイヤ繰り出し位置の制御により、パラシュート111から吊下げられた飛行型無人機200のバランス調整が可能である。以上説明したように、パラシュート制御装置120は、上記の構成と、降下着陸制御装置131からの制御信号によって、パラシュート111の姿勢および移動方向を制御する。なお、上記の説明では制御ワイヤを左右一対と仮定したが、別の本数、例えば二対や三対などであっても良い。またワイヤ112の、長さや、パラシュート制御装置120への取り付け位置を調整できるようにしても良い。
図6は、着陸装置100が緊急着陸制御を行う時の全体制御シーケンス図である。図5中のAは飛行型無人機の降下軌道、Gは地面を表している。落下検出S1は落下検出を行っている区間であり、パラシュート展開S2は、落下の検出が実施され、パラシュートが展開している区間である。これらの区間では降下の制御は実施されていない。
制御モデル構築S3は、パラシュートの制御モデル特性値を算出する区間である。なお以降の説明では、パラシュート制御モデルを制御モデル、パラシュート制御モデル特性値を制御モデル特性値と称する場合がある。
制御モデル特性値は、制御とパラシュートの挙動との関係をモデル化する時の特性値である。具体的には、パラシュートを制御する制御ワイヤの繰り出し量(長さ)および制御ワイヤの繰り出し位置と、パラシュートの旋回率および降下率の関係を推定するモデル式として記述される。
以下に具体的なモデル化の一例を示す。ここでは、降下率をy、左ワイヤの繰り出し量をx1L、繰り出し位置をx2L、右ワイヤの繰り出し量をx1R、繰り出し位置をx2R、パラシュートの水平方向移動速度をv、風速をwとする。そして、パラシュート左側の空気抵抗がR(x1L、x2L、v、w)、右側の空気抵抗がR(x1R、x2R、v、w)、左側の揚力がL(x1L、x2L、v、w)、右側の揚力がL(x1R、x2R、v、w)の関数で記述できるものとする。この時、例えば、降下率yが次式で表されるものとして、モデル化することができる。なお次式の各関数の表記では変数の表記を省略している。また簡単のため、パラシュートとペイロード(飛行型無人機)の質量の和を1としている。
y=(aR+bR+cL+dL)Δt (式1)
ただし、a、b、c、d、は係数、Δtは単位時間
上記の係数a、b、c、d、は、現状の飛行型無人機への取り付け状態、および周囲の環境条件によって変化するものであり、これらを制御モデル特性値と呼ぶものとする。それぞれの制御モデル特性値には、パラシュートの構造に基づいて定まる初期値を設定することができる。
同様にして旋回率zを次式でモデル化できるものとする。なお、簡単のため、パラシュートとペイロードの慣性モーメントの和を1としている。
z=(hR+iR+jL+kL)Δt (式2)
上記のh、i、j、kも、制御モデル特性値であり、それぞれに、パラシュートの構造に基づいた初期値が設定される。
制御モデル構築S3の区間において、降下着陸制御装置は、能動的にパラシュートによる旋回率、および降下率の増減を実施する。そして、現状の飛行型無人機への取り付け状態、および周囲の環境条件に基づいて、旋回率および降下率の調整のために必要な制御モデル特性値を算出する。こうして制御モデル特性値を決定することによって、制御モデル構築が実現される。なお、制御モデル特性値は、飛行型無人機の状態や周囲の環境条件に依存して大きく変動する。このため、制御モデル特性値は、実際に着陸装置が動作した際の値として算出する必要がある。制御モデル特性値の調整は、例えば、次のようにして行うことができる。まず、降下率の制御モデルを表す(式1)で、制御モデル特性値のa、b、c、dのそれぞれを、現在の値から所定範囲、所定刻みで増減させた複数の式を作成する。例えば、それぞれで、プラス側に2つ、マイナス側に2つの値を設定すると、1つの特性値について4つの値が設定でき、特性値の種類が4つなので、4=256個の式ができる。そして、この全ての式に、現在の制御値を代入して降下率を計算し、実際の降下率に一番近い組み合わせを採用する。この時、計算値が実際の降下率と完全に一致しなくても、差分が閾値以内に収まっていれば良いものとする。閾値内に収まる組み合わせが無ければ、刻みの大きさを増減させて再計算するといった手順を採用しても良い。いずれにしても、計算結果が発散しないことを実験的に検証した計算方法を採用する必要がある。同様に(式2)を用いて旋回率の特性値調整を行う。制御モデル特性値のh、i、j、kを、所定範囲、所定刻みで変化させた複数の式を作成し、全ての式で旋回率を計算し、その中で、実際の旋回率に一番近い組み合わせを採用する。この時、計算値が実際の旋回率と完全に一致しなくても、差分が閾値以内に収まっていれば良いものとする。上記の説明では、具体的な計算方法の一例を示したが、この計算方法に限らず、制御モデルの計算結果を、実際の降下率、旋回率に近付ける方法であれば、他の計算方法を採用しても良い。
降下着陸制御S4は、着陸装置が、自身の周囲の情報を得ながら降下および着陸の制御を行う区間である。この区間では、第2の実施形態で述べたように、危険物の位置を検出し、危険物を回避するような移動目標地点を算出し、その移動目標地点に移動するようにパラシュートを制御する。
ところで、前述したように、制御モデル特性値は、飛行型無人機の状態や周囲の環境条件に依存して大きく変動する。このため、降下着陸制御S4の区間においても、制御モデル特性値の再計算を定期的に実行し、現状に適合するように制御モデルを調整する。このプロセスが制御モデル調整S5である。このようにするのは、降下中にも飛行型無人機の体勢や周囲の環境条件が変化し、その度に、制御モデル構築S3で算出した制御モデル特性値を修正する必要があるためである。すなわち、制御モデル特性値は、環境の変化に合わせてリアルタイムに最適化することが望ましい。
図7は、着陸装置100の落下検出処理とパラシュート展開処理の動作を示すフローチャートである。落下検出処理では、まず単位時間毎の落下距離の算出を実施する(S101)。落下検出装置150は、常に落下検出用の3軸加速度計151から加速度信号を取得し、加速度信号を積分して、定期的に単位時間当たりの落下距離、すなわち落下速度を算出する。ここで算出された落下速度が、事前に設定された閾値未満であった場合は(S102_No)、S101に戻り、落下速度の算出を継続する。一方、落下速度が閾値以上だった場合は(S102_Yes)、飛行型無人機200の落下と判定して、落下の通知をパラシュート展開装置110およびシステム制御装置130に送信する。パラシュート展開装置110は、落下の通知を受信すると、パラシュート111を展開する(S103)。また、システム制御装置130は、落下の通知を受信すると、降下着陸制御装置131の電源を投入する(S104)。
図8は、本実施形態の緊急着陸制御におけるパラシュート制御モデル構築処理を示すフローチャートである。制御モデル構築では、まず実際に制御を行った時のパラシュートの挙動(降下率、旋回率)を測定するテストを行う。図8のフローチャートではS201からS203までが、このテスト動作である。
まず、予め定めた所定期間だけ、例えば左の制御ワイヤL_113Lを巻き取って所定量短くして、左旋回動作を行う(S201)。そしてこの時の旋回率を記憶する。次に予め定めた所定期間だけ、例えば右の制御ワイヤR_113Rを巻き取って所定量短くして、右旋回動作を行う(S202)。そしてこの時の旋回率を記憶する。次に、例えば両方の制御ワイヤを所定量巻き取って、降下動作を行う(S203)。そしてこの時の降下率を記憶する。以上の動作により、制御ワイヤ巻き取り量と実際の旋回および降下率の変化の関係を記録する。なお、左旋回、右旋回、降下動作の順序は順不同である。
次に、これらの動作で得られたワイヤ巻き取り量(長さ)と、旋回率および降下率の実測値と、現在の制御モデル特性値から算出した予測値との差分を算出する(S204)。そして、差分が事前に設定した閾値未満であれば(S205_Yes)、パラシュート制御モデルの構築を完了する(S206)。一方、差分が閾値以上であった場合は(S205_No)、パラシュート制御モデル特性値を調整して、パラシュート制御モデルの調整を行う(S207)。そして、再度、左旋回動作S201、右旋回動作S202、降下動作S203を実施して、現在のパラシュート制御モデルが適切であるか検証する。
図9は、本実施形態の降下着陸制御および制御パラメータ調整におけるデータの流れを示すブロック図である。
降下着陸制御/制御パラメータ調整301は、降下着陸制御装置131が実行する処理である。降下着陸制御装置131は、下方側方カメラ画像情報302、加速度情報(降下制御用)303、角速度情報304、対地高度情報305を入力信号とし、パラシュート制御情報317を出力信号とする。
姿勢運動算出処理308は、加速度情報(降下制御用)303、角速度情報304および対地高度情報305から、自身の姿勢および運動情報(移動情報)を定期的に算出する処理である。この処理は慣性航法装置において一般的であるためここでは詳細な説明は省略する。
下方画像解析処理306は、下方側方カメラ画像情報302から入力した下方側方画像情報と、姿勢運動算出処理308から入力した姿勢および運動情報から、上方を除く全周の画像情報と、3次元空間情報とを算出する処理である。ここで用いる画像処理手法は一般的なものであるため、詳細な説明は省略する。ここで得られた情報から下方向の画像情報と3次元空間情報を取り出し、下方画像解析処理306の出力とする。
側方画像解析処理307も同様に、下方側方カメラ画像情報302から入力した下方側方画像情報と、姿勢運動算出処理308から入力した姿勢および運動情報から、側面方向の画像情報と3次元空間情報を出力する処理である。
下方危険度判定処理310は、下方画像解析処理306から入力された画像解析データに基づいて、飛行型無人機の下方向の各位置における危険度を判定する処理である。この処理により、例えば、回避が必要な危険物が存在する位置には高い危険度が設定される。この処理では、下方画像解析処理306で算出された下方向の画像情報と3次元空間情報を入力とし、2次元グリッド状の2次元グリッドGDの下方危険度判定情報を出力とする。図10は、危険度判定の一例である。図の色の濃い部分が高危険度領域Hを表し、色の薄い部分が中危険度領域Mを表している。
上記の下方危険度判定処理310では、飛行型無人機の下方向に存在する回避対象物を検出するための、移動体検出を実施する。移動体検出は、例えば画像情報から得たオプティカルフロー等を利用して行うことができる。移動体としては、例えば、移動中の歩行者や自動車等が想定される。危険度には、例えば画像処理で認識した物体の種類に応じて、適宜重み付けを行うことができる。例えば、上記のような移動体の付近には高い危険度を設定するほか、画像認識により人や車と判定された静止物体に対しても高い危険度を設定することができる。以上のようにして、グリッドの各地点に危険度を設定する。なお、ここでの危険度設定の方法は運用状況により変化するものであるため、パラメータ化するものとし、ここでは詳細はとりあげない。
側方危険度判定処理311は、飛行型無人機の側面方向の各位置における危険度を判定する処理である。この処理により、例えば、回避が必要な危険物が存在する位置には高い危険度が設定される。この処理では、側方画像解析処理307で算出された側面方向の画像情報と3次元空間情報を入力とし、例えば、3次元グリッド状の3次元グリッドGTの側方危険度判定情報を出力とする。危険度設定の一例を図10に示す。図の色の濃い部分が高危険度領域Hを表し、色の薄い部分が中危険度領域Mを表している。
飛行型無人機の側面方向に存在する回避対象物は、飛行型無人機との衝突を引き起こす可能性のある高層建築物等である。このため、3次元空間情報により得られた高さのある物体は、全て回避対象とし危険度を設定する。以上のようにして、側方の各地点に危険度を設定する。
行動制御処理313は、入力された下方危険度判定情報(310)、側方危険度判定情報(311)、姿勢運動情報(308)、およびパラシュート制御モデル特性値(316)に基づいて、危険位置回避に適した行動制御を算出する。この行動制御は、目標地点にパラシュートを移動させるための制御であり、例えば、パラシュートの基本制御パラメータである旋回率および降下率によって表される。そして、行動制御処理313では、結果をパラシュート制御情報算出処理315へ出力する。なお上記の行動制御の詳細については後述する。
パラシュート制御情報算出処理315は、行動制御処理313で算出した旋回率および降下率と、パラシュート制御特性値316とを用いた制御モデルとに基づいて、目的の制御を行うための制御情報を算出する、この制御情報は、例えば、左右の制御ワイヤの巻取り/繰り出し量と、繰り出し位置として算出される。ここで算出されたパラシュート制御情報は、パラシュート制御情報317で、リール123およびワイヤガイド122を機械的に駆動するための信号に変換され、パラシュート制御装置120へ送信される。
制御モデル判定処理312は、現在のパラシュート制御モデルに現在の制御値を入力して算出した運動予測情報と、実測された姿勢運動情報との差分に基づいて、現在の制御モデルを調整する必要があるか否かを判定する処理である。運動予測情報および姿勢運動情報は、例えば旋回率と降下率を含むものである。ここで、運動予測情報は、運動予測処理309で算出し、姿勢運動情報は、各センサの出力(303、304、305)に基づいて、姿勢運動算出処理308が算出する。制御モデル判定処理312では、例えば、制御モデルから算出した運動予測情報(旋回率、降下率)と、実際の運動情報との差分が所定の閾値以上であれば、パラシュート制御モデル調整の必要ありと判定し、閾値未満であれば調整の必要なしと判定する。ここで、パラシュート制御モデルの調整が必要と判定された場合は、制御モデル調整処理314によりパラシュート制御モデルを再調整し、パラシュート制御モデル特性値316を更新する。
行動制御処理313にて実行される危険物回避に適した行動の算出方法は以下の通りである。まず、図12に示すように、現在のパラシュート制御特性パラメータと自身の現在の姿勢データから、現在地点Pから注目地点Pへ到達するまでの所要時間t、設定する旋回率T、降下率Fを算出する。言い換えると、図12は、旋回率T、降下率Fの制御を行うと、所要時間tで、危険性Cの注目地点Pに到達すると見込まれるケースを表している。なお、危険性Cは利用者が必要に応じて任意に設定できるものであり、衝突の結果、自身が大きな損傷を受けたり、被衝突物に大きな被害を与えたりするものには、高い数値を設定する。例えば、人や自動車などには高い値を付与し、草むらには低い値を付与するといった運用をすることができる。
図13は、図12のケースで、各時刻における危険性Cを算出する評価関数E(t)の一例を表すグラフである。評価関数は、現在地点Pから注目地点Pに近付く制御を続けると、時間の経過とともに、危険性Cが、注目地点Pに設定した危険性Cに近付く関数として定義する。このような関数は、例えば、E(t)=C(1−exp(−A・t/t))、ただしAは定数、の形式で表すことができる。なお、ここでは現在地点Pにおける危険性を0としている。この評価関数によれば、時間の経過とともに、飛行型無人機がPに接近し、接近にともなって危険性が増大し、到達時に危険性がCとなる。そして、図12のように、危険性Cの注目地点Pに向かう制御を行った場合の、現時点時刻t=0における危険性の度合いを、傾きeで表すことができる。すなわちe1は、旋回率T、降下率Fの制御に関する危険性の度合いを表している。このため、e1を制御危険度と呼称することにする。
次に、図14に示すように、注目地点Pについて算出されたe、F、Tを用い、制御パラメータ空間上へ座標(F、T)を中心として、制御危険度eをパラメータとした分布を持つ値をプロットする。制御パラメータ空間とは、パラシュートの基本制御パラメータである降下率と旋回率の次元を持ち、各座標で示される制御の危険性への影響度を制御危険度の値として有する空間である。この値が高くなっているパラメータで制御をすると危険性が高く、この値が低くなっているパラメータで制御すると比較的危険性が低いという意味を示す。
以上の処理を下方危険度判定情報、側方危険度判定情報のそれぞれのグリッドを注目地点として実施する。その結果、制御パラメータ空間上に図15に一例を示すような、基本制御パラメータに対する総合的な危険性を示す複数の分布が算出される。図15では、制御危険度eの分布が、e−eの各円で表される分布のようになっている。そして、制御パラメータ空間上で、最も制御危険度の低い値を取っている箇所の一点を制御パラメータ決定値1401としている。
ここで、制御危険度計算および制御パラメータ空間へのプロットは、全ての下方危険度判定情報、側方危険度判定情報で算出されたグリッドに対して実施する必要は無い。例えば、危険度の高いグリッドや、自身から近距離に存在するグリッドに対してのみ実施することができる。
また、制御パラメータ空間には事前に分布を持たせることが可能である。例えば、図14に示す例で、旋回率が低く降下率が高い領域に低い制御危険度を設定すると、全く回避対象物が無い場合は、旋回をせずに早く降下するという動作が選択されるようになる。
以上説明したように、本実施形態の着陸装置によれば、飛行不能に陥った飛行型無人機を、障害物との衝突等の危険性が低い地点へ誘導し、危険性が安全に着陸させることができる。
(第4の実施の形態)
第3の実施形態では危険物位置情報を得る手段として光学カメラを用いていたが、光学カメラの代わりに、LIDARやレーダー、超音波測距センサといったアクティブ系の測距センサを用いることも可能である。図17にカメラの代わりに測距センサ160を用いた着陸装置101のブロック図を示す。降下着陸制御装置131は、光学画像の代わりに、測距センサ160が測定した測距データを用いて、物体認識、危険度の算出等を行う。それ以外の構成については、第2の実施形態と同様である。
特に光学カメラの性能が制限される夜間においては、これらのアクティブ系のセンサを用いる事で正確な周囲情報を取得できるようになる。なお上記のLIDARはLight Detection and Rangingの略である。
(第5の実施の形態)
第2、第3の実施形態では、自身の姿勢と運動情報の取得のために、加速度計、角速度計および対地高度計を用いていたが、画像情報を用いたジャイロ処理を行うことで、これらのセンサを省略することが可能である。
図17は、画像ジャイロを利用する着陸装置400の一例を示すブロック図である。着陸装置400は、パラシュート展開装置410、パラシュート制御装置420、システム制御装置430、カメラ440、落下検出装置450を有している。
システム制御装置430は、降下着陸制御装置431と、画像ジャイロ計算装置432と、地図情報記憶装置433と、バッテリー434とを有している。画像ジャイロ計算装置432は、カメラ440から取得した画像情報と、地図情報記憶装置433に記憶された地図情報とに基づいて、自身の位置、対地高度を算出する。また、これらの時間変化から、速度、加速度を算出する。落下検出装置450は、算出された下方加速度や落下速度が所定の閾値を超えたことで、落下を検出しパラシュート展開装置410を動作させてパラシュートを展開する。なお、ここでは、落下検出装置450を、降下着陸制御装置を駆動するバッテリー434と別のバッテリー452で駆動する構成としているが、同じバッテリーで駆動する構成であっても良い。降下着陸制御装置431は、画像ジャイロ計算装置432が算出した、位置、対地高度、速度、加速度等に基づいて、下方および側方の各地点における危険度を算出する。そして、危険度の高い位置を避けてパラシュート411が移動するようにパラシュート制御装置420を制御し、飛行型無人機を安全な地点に誘導する。
以上説明したように、本実施形態によれば、加速度計、角速度計および対地高度計を用いることなく、飛行型無人機を安全な地点に誘導し、着陸させることができる。なお、図17では、落下検出装置450をシステム制御装置430と分離した構成としているが、システム制御装置430の一部として構成されていても良い。
以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。
以上の第1から第4の実施形態の処理をコンピュータに実行させるプログラムおよび該プログラムを格納した記録媒体も本発明の範囲に含む。記録媒体としては、例えば、磁気ディスク、磁気テープ、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ、などを用いることができる。
(付記1)
パラシュートを用いて着陸を行う飛行型無人機の周囲の危険物の位置を検出する危険物位置検出装置と、
前記危険物位置検出装置が検出した前記危険物の位置に基づいて、前記飛行型無人機が前記危険物を避けて移動するための移動目標位置を算出する移動目標位置算出装置と、
前記移動目標位置に前記飛行型無人機が移動するように前記パラシュートを制御するパラシュート制御装置と
を有することを特徴とする着陸装置。
(付記2)
前記飛行型無人機の落下を検出する落下検出手段と、
前記落下検出手段が前記飛行型無人機の落下を検出した場合にパラシュートを展開するパラシュート展開手段と、
を有することを特徴とする付記1に記載の着陸装置。
(付記3)
前記移動目標位置算出装置が、
前記飛行型無人機の下方および側方の座標に対応するグリッドを作成し、前記グリッドの各点に対して、前記危険物の位置に基づいた危険度を設定する
ことを特徴とする付記1または2に記載の着陸装置。
(付記4)
前記パラシュートと前記パラシュート制御装置とを接続する少なくとも一対の制御ワイヤを有し、
前記パラシュート制御装置が、
少なくとも一対の前記制御ワイヤのそれぞれの繰り出し量を制御するリールと、
少なくとも一対の前記制御ワイヤのそれぞれの繰り出し位置を制御するワイヤガイドと
を有することを特徴とする付記3に記載の着陸装置。
(付記5)
前記パラシュート制御装置が、
少なくとも一対の前記制御ワイヤのそれぞれの繰り出し量および繰り出し位置と、実際のパラシュートの挙動との関係に基づいて、
前記パラシュートを制御した時の挙動を予測するパラシュート制御モデルを構築する
ことを特徴とする付記4に記載の着陸装置。
(付記6)
前記パラシュート制御装置が、
前記パラシュートの旋回率および降下率を次元とする制御パラメータ空間を作成し、
前記制御パラメータ空間の各点に対し、前記危険度に対応する制御危険度を算出し、
前記パラシュート制御モデルに基づいて、前記制御危険度の低い前記制御パラメータ空間の点に対応する制御を選択する
ことを特徴とする付記5に記載の着陸装置。
(付記7)
前記移動目標位置算出装置が、
前記危険度の低い前記グリッドを移動目標位置に設定する
ことを特徴とする付記3乃至6のいずれか一項に記載の着陸装置。
(付記8)
前記危険物位置検出装置がカメラであることを特徴とする付記1乃至7のいずれか一項に記載の着陸装置。
(付記9)
前記危険物位置検出装置が測距センサであることを特徴とする付記1乃至7のいずれか一項に記載の着陸装置。
(付記10)
パラシュートを用いて着陸を行う飛行型無人機の周囲の危険物の位置を検出し、
前記危険物の位置に基づいて、前記飛行型無人機が前記危険物を避けて移動するための移動目標位置を算出し、
前記移動目標位置に前記飛行型無人機が移動するように前記パラシュートを制御する
ことを特徴とする着陸制御方法。
(付記11)
前記飛行型無人機の落下を検出し、
前記飛行型無人機の落下を検出した場合にパラシュートを展開する
ことを特徴とする付記10に記載の着陸制御方法。
(付記12)
前記飛行型無人機の下方および側方の座標に対応するグリッドを作成し、前記グリッドの各点に対して、前記危険物の位置に基づいた危険度を設定する
ことを特徴とする付記11に記載の着陸制御方法。
(付記13)
前記飛行型無人機と前記パラシュートとを接続する少なくとも一対の制御ワイヤを設け、
少なくとも一対の前記制御ワイヤのそれぞれの前記飛行型無人機からの繰り出し量を制御し、
少なくとも一対の前記制御ワイヤのそれぞれの前記飛行型無人機からの繰り出し位置を制御する
ことを特徴とする付記12に記載の着陸制御方法。
(付記14)
少なくとも一対の前記制御ワイヤのそれぞれの繰り出し量および繰り出し位置と、実際のパラシュートの挙動との関係に基づいて、
前記パラシュートを制御した時の運動を予測するパラシュート制御モデルを構築する
ことを特徴とする付記13に記載の着陸制御方法。
(付記15)
前記パラシュート制御モデルを
前記パラシュートの降下中に実際に行った前記パラシュートの制御と、前記パラシュートの制御に対応する前記パラシュートの運動との関係に基づいて調整する
ことを特徴とする付記14に記載の着陸制御方法。
(付記16)
前記パラシュートの旋回率および降下率を次元とする制御パラメータ空間を作成し、
前記制御パラメータ空間の各点に対し、前記危険度に対応する制御危険度を算出し、
前記パラシュート制御モデルに基づいて、前記制御危険度の低い前記制御パラメータ空間の点に対応する制御を選択する
ことを特徴とする付記14または15に記載の着陸方制御法。
(付記17)
前記制御パラメータ空間の各点に対する前記制御危険度に予め定めたオフセット値を設定する
ことを特徴とする付記16に記載の着陸制御方法。
(付記18)
前記危険度の低い前記グリッドを移動目標位置に設定する
ことを特徴とする付記12乃至17のいずれか一項に記載の着陸制御方法。
(付記19)
前記危険物の位置検出を撮像データに基づいて行うことを特徴とする付記10乃至18のいずれか一項に記載の着陸制御方法。
(付記20)
前記危険物の位置検出を測距データに基づいて行うことを特徴とする付記10乃至18のいずれか一項に記載の着陸制御方法。
(付記21)
パラシュートを用いて着陸を行う飛行型無人機の周囲の危険物の位置を検出するステップと、
前記危険物の位置に基づいて、前記飛行型無人機が前記危険物を避けて移動するための移動目標位置を算出するステップと、
前記移動目標位置に前記飛行型無人機が移動するように前記パラシュートを制御するステップと
を有することを特徴とする着陸制御プログラムを記録したプログラム記録媒体。
4、150、450 落下検出装置
5、110、410 パラシュート展開装置
1 危険物位置検出装置
2 移動目標地点算出装置
3、120、420 パラシュート制御装置
100、101、400 着陸装置
111、411 パラシュート
112 ワイヤ
113 制御ワイヤ
130、430 システム制御装置
131、431 降下着陸制御装置
132、151 3軸加速度計
133 3軸角速度計
134 対地高度計
135、152、434、452 バッテリー
140、440 カメラ
160 測距センサ
432 画像ジャイロ計算装置
433 地図情報記憶装置

Claims (10)

  1. パラシュートを用いて着陸を行う飛行型無人機の周囲の危険物の位置を検出する危険物位置検出手段と、
    前記危険物位置検出手段が検出した前記危険物の位置に基づいて、前記飛行型無人機が前記危険物を避けて移動するための移動目標位置を算出する移動目標位置算出手段と、
    前記移動目標位置に前記飛行型無人機が移動するように前記パラシュート
    を制御するパラシュート制御手段と、
    前記パラシュートと前記パラシュート制御手段とを接続する少なくとも一対の制御ワイヤと、を有し、
    前記移動目標位置算出手段が、
    前記飛行型無人機の下方および側方の座標に対応するグリッドを作成し、前記グリッドの各点に対して、前記危険物の位置に基づいた危険度を設定し、
    前記パラシュート制御手段が、
    少なくとも一対の前記制御ワイヤのそれぞれの繰り出し量を制御するリールと、
    少なくとも一対の前記制御ワイヤのそれぞれの繰り出し位置を制御するワイヤガイドと
    を有し、
    前記パラシュート制御手段が、
    少なくとも一対の前記制御ワイヤのそれぞれの繰り出し量および繰り出し位置と、実際の前記パラシュートの挙動との関係に基づいて、
    前記パラシュートを制御した時の挙動を予測するパラシュート制御モデルを構築し、
    前記パラシュートの旋回率および降下率を次元とする制御パラメータ空間を作成し、
    前記制御パラメータ空間の各点に対し、前記危険度に対応する制御危険度を算出し、
    前記パラシュート制御モデルに基づいて、前記制御危険度の低い前記制御パラメータ空間の点に対応する制御を選択する
    ことを特徴とする着陸装置。
  2. パラシュートを用いて着陸を行う飛行型無人機の周囲の危険物の位置を検出する危険物位置検出手段と、
    前記危険物位置検出手段が検出した前記危険物の位置に基づいて、前記飛行型無人機が前記危険物を避けて移動するための移動目標位置を算出する移動目標位置算出手段と、
    前記移動目標位置に前記飛行型無人機が移動するように前記パラシュートを制御するパラシュート制御手段とを有し、
    前記移動目標位置算出手段が、
    前記飛行型無人機の下方および側方の座標に対応するグリッドを作成し、前記グリッドの各点に対して、前記危険物の位置に基づいた危険度を設定し、
    前記危険度の低い前記グリッドを前記移動目標位置に設定する
    ことを特徴とする着陸装置。
  3. 前記パラシュートと前記パラシュート制御手段とを接続する少なくとも一対の制御ワイヤを有し、
    前記パラシュート制御手段が、
    少なくとも一対の前記制御ワイヤのそれぞれの繰り出し量を制御するリールと、
    少なくとも一対の前記制御ワイヤのそれぞれの繰り出し位置を制御するワイヤガイドと
    を有することを特徴とする請求項に記載の着陸装置。
  4. 前記パラシュート制御手段が、
    少なくとも一対の前記制御ワイヤのそれぞれの繰り出し量および繰り出し位置と、実際の前記パラシュートの挙動との関係に基づいて、
    前記パラシュートを制御した時の挙動を予測するパラシュート制御モデルを構築する
    ことを特徴とする請求項に記載の着陸装置。
  5. 前記パラシュート制御手段が、
    前記パラシュートの旋回率および降下率を次元とする制御パラメータ空間を作成し、
    前記制御パラメータ空間の各点に対し、前記危険度に対応する制御危険度を算出し、
    前記パラシュート制御モデルに基づいて、前記制御危険度の低い前記制御パラメータ空間の点に対応する制御を選択する
    ことを特徴とする請求項に記載の着陸装置。
  6. 前記飛行型無人機の落下を検出する落下検出手段と、
    前記落下検出手段が前記飛行型無人機の落下を検出した場合に前記パラシュートを展開するパラシュート展開手段と、
    を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の着陸装置。
  7. パラシュートを用いて着陸を行う飛行型無人機の周囲の危険物の位置を検出し、
    前記危険物の位置に基づいて、前記飛行型無人機が前記危険物を避けて移動するための移動目標位置を算出し、
    前記飛行型無人機の下方および側方の座標に対応するグリッドを作成し、前記グリッドの各点に対して、前記危険物の位置に基づいた危険度を設定し、
    前記パラシュートとパラシュート制御手段とを接続する少なくとも一対の制御ワイヤのそれぞれの繰り出し量を制御し、
    少なくとも一対の前記制御ワイヤのそれぞれの繰り出し位置を制御し、
    少なくとも一対の前記制御ワイヤのそれぞれの繰り出し量および繰り出し位置と、実際の前記パラシュートの挙動との関係に基づいて、前記パラシュートを制御した時の挙動を予測するパラシュート制御モデルを構築し、
    前記パラシュートの旋回率および降下率を次元とする制御パラメータ空間を作成し、
    前記制御パラメータ空間の各点に対し、前記危険度に対応する制御危険度を算出し、
    前記パラシュート制御モデルに基づいて、前記制御危険度の低い前記制御パラメータ空間の点に対応する制御を選択し、
    前記移動目標位置に前記飛行型無人機が移動するように前記パラシュートを制御する
    ことを特徴とする着陸制御方法。
  8. パラシュートを用いて着陸を行う飛行型無人機の周囲の危険物の位置を検出し、
    検出した前記危険物の位置に基づいて、前記飛行型無人機が前記危険物を避けて移動するための移動目標位置を算出し、
    前記飛行型無人機の下方および側方の座標に対応するグリッドを作成し、前記グリッドの各点に対して、前記危険物の位置に基づいた危険度を設定し、
    前記危険度の低い前記グリッドを前記移動目標位置に設定し、

    前記移動目標位置に前記飛行型無人機が移動するように前記パラシュートを制御する
    ことを特徴とする着陸制御方法。
  9. 着陸装置に
    パラシュートを用いて着陸を行う飛行型無人機の周囲の危険物の位置を検出する処理と、
    前記危険物の位置に基づいて、前記飛行型無人機が前記危険物を避けて移動するための移動目標位置を算出する処理と、
    前記飛行型無人機の下方および側方の座標に対応するグリッドを作成し、前記グリッドの各点に対して、前記危険物の位置に基づいた危険度を設定する処理と、
    前記パラシュートとパラシュート制御手段とを接続する少なくとも一対の制御ワイヤのそれぞれの繰り出し量を制御する処理と、
    少なくとも一対の前記制御ワイヤのそれぞれの繰り出し位置を制御する処理と、
    少なくとも一対の前記制御ワイヤのそれぞれの繰り出し量および繰り出し位置と、実際の前記パラシュートの挙動との関係に基づいて、前記パラシュートを制御した時の挙動を予測するパラシュート制御モデルを構築する処理と、
    前記パラシュートの旋回率および降下率を次元とする制御パラメータ空間を作成する処理と、
    前記制御パラメータ空間の各点に対し、前記危険度に対応する制御危険度を算出する処理と、
    前記パラシュート制御モデルに基づいて、前記制御危険度の低い前記制御パラメータ空間の点に対応する制御を選択する処理と、
    前記移動目標位置に前記飛行型無人機が移動するように前記パラシュートを制御する処理と
    を実行させることを特徴とする着陸制御プログラム。
  10. 着陸装置に
    パラシュートを用いて着陸を行う飛行型無人機の周囲の危険物の位置を検出する処理と、
    検出した前記危険物の位置に基づいて、前記飛行型無人機が前記危険物を避けて移動するための移動目標位置を算出する処理と、
    前記飛行型無人機の下方および側方の座標に対応するグリッドを作成し、前記グリッドの各点に対して、前記危険物の位置に基づいた危険度を設定する処理と、
    前記危険度の低い前記グリッドを前記移動目標位置に設定する処理と、
    前記移動目標位置に前記飛行型無人機が移動するように前記パラシュートを制御する処理と
    を実行させることを特徴とする着陸制御プログラム。
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