JP6838656B2

JP6838656B2 - 着陸装置、着陸制御方法、着陸制御プログラム

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Publication number: JP6838656B2
Application number: JP2019526084A
Authority: JP
Inventors: 真史江村; 小川　雅嗣; 雅嗣小川; 真澄一圓
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2021-03-03
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: JPWO2019003405A1; US20210147075A1; WO2019003405A1

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（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）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ｘ_１Ｌ、繰り出し位置をｘ_２Ｌ、右ワイヤの繰り出し量をｘ_１Ｒ、繰り出し位置をｘ_２Ｒ、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_Ｌ（ｘ_１Ｌ、ｘ_２Ｌ、ｖ、ｗ）、右側の空気抵抗がＲ_Ｒ（ｘ_１R、ｘ_２R、ｖ、ｗ）、左側の揚力がＬ_Ｌ（ｘ_１Ｌ、ｘ_２Ｌ、ｖ、ｗ）、右側の揚力がＬ_Ｒ（ｘ_１R、ｘ_２R、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_Ｌ＋ｂＲ_Ｒ＋ｃＬ_Ｌ＋ｄＬ_Ｒ）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_Ｌ＋ｉＲ_Ｒ＋jＬ_Ｌ＋kＬ_Ｒ）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、４^４＝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_０から注目地点Ｐ_１へ到達するまでの所要時間ｔ_１、設定する旋回率Ｔ_１、降下率Ｆ_１を算出する。言い換えると、図１２は、旋回率Ｔ_１、降下率Ｆ_１の制御を行うと、所要時間ｔ_１で、危険性Ｃ_１の注目地点Ｐ_１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_１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_０から注目地点Ｐ_１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_１に設定した危険性Ｃ_１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_１（ｔ）＝Ｃ_１（１−ｅｘｐ（−Ａ・ｔ／ｔ_１））、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_０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_１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_１となる。そして、図１２のように、危険性Ｃ_１の注目地点Ｐ_１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_１で表すことができる。すなわちｅ₁は、旋回率Ｔ_１、降下率Ｆ_１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_１について算出されたｅ_１、Ｆ_１、Ｔ_１を用い、制御パラメータ空間上へ座標（Ｆ_１、Ｔ_１）を中心として、制御危険度ｅ_１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_２−ｅ_７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ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｉｎｇ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、１５１３軸加速度計
１３３３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

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。
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。
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２に記載の着陸装置。
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３に記載の着陸装置。
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４に記載の着陸装置。
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。
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。
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。
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。
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。