JP6871792B2

JP6871792B2 - 無人飛行体の飛行システム

Info

Publication number: JP6871792B2
Application number: JP2017073991A
Authority: JP
Inventors: 三昭小林; 畠山　忠; 忠畠山; 智代子松本; 研一渋谷
Original assignee: Ｊｒ東日本コンサルタンツ株式会社; 朝日航洋株式会社
Priority date: 2017-04-03
Filing date: 2017-04-03
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2037-04-03
Also published as: JP2018179534A

Description

本発明は、線路に沿って無人飛行体を飛行させることができる無人飛行体の飛行システムに関する。

近年、いわゆるドローンと呼ばれる小型の無人飛行体に撮像装置を搭載し、上空からの画像撮影を行っている。無人飛行体の飛行にあっては、操縦者による遠隔操作の他、予め設定した飛行スケジュールに従った自律飛行が採用されている（特許文献１参照）。

ところで、鉄道用の線路にあっては、作業員が徒歩によって巡回し、線路に異常がないか検査して安全確認を行っている。かかる安全確認は、災害、事故等の緊急時や山間部等の地域によっては、作業員による巡回が困難な場合がある。このような場合には、撮像装置を搭載した無人飛行体によって線路を撮像して巡視する方法が考えられ、無人飛行体の近くで操縦者が無線操作する制約をなくすべく、自律飛行タイプを利用することが望まれる。

特開２０１５−３７９３７号公報

無人飛行体を自律飛行して線路を撮像する場合、ＧＮＳＳを利用して無人飛行体の位置を測位し、線路に沿った飛行ルートに制御する方法が考えられる。ところが、ＧＮＳＳ信号による制御では、ＧＮＳＳ信号に基づいて求めた無人飛行体の機体位置と実際の機体位置との間にメートル単位の誤差が生じる。線路の軌間は路線によって異なるものの１〜１．５ｍ程度となるため、かかる誤差があると無人飛行体が線路上からはみ出してしまう、という問題がある。また、ＧＮＳＳ信号では高さ方向の位置が求められないので、飛行高さを簡単に制御できるようにすることが望まれている。

本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、線路上の所定範囲内で無人飛行体を自律飛行させることができる無人飛行体の飛行システムを提供することを目的とする。

本発明の無人飛行体の飛行システムは、鉄道の線路上を自律飛行する無人飛行体の飛行システムであって、前記無人飛行体の飛行を制御する制御部と、前記線路の複数地点の位置情報を記憶する記憶部と、前記無人飛行体に設けられてＧＮＳＳ信号を受信するＧＮＳＳ信号受信部と、前記無人飛行体に設けられて前記線路の幅方向の飛行位置を検出するための幅方向検出部と、前記無人飛行体に設けられて前記線路に対する高さ方向の飛行位置を検出するための高さ方向検出部と、を備え、前記制御部は、前記記憶部に記憶された前記位置情報と前記ＧＮＳＳ信号受信部で受信したＧＮＳＳ信号とに基づき、前記線路の敷設方向に沿った飛行ルートの飛行を制御する方向制御部と、前記幅方向検出部の検出結果に基づき、前記方向制御部による飛行ルートを補正する方向補正部と、前記高さ方向検出部の検出結果に基づき、前記線路上の所定高さでの飛行を制御する高さ制御部と、を備えていることを特徴とすることを特徴とする。

この構成によれば、ＧＮＳＳ信号に基づいて飛行ルートを設定しつつ、線路の幅方向の位置を検出して飛行ルートを補正するので、線路上から大きくはみ出さない所定範囲内で無人飛行体を自律飛行させることができる。また、高さ方向検出部で線路に対する飛行高さを検出するので、線路上の所定高さを維持した飛行の制御について簡略化を図ることができる。

本発明によれば、線路上の所定範囲内で無人飛行体を自律飛行させることができる。

実施の形態に係る無人飛行体の飛行状態を示す概略図である。実施の形態に係る無人飛行体の飛行システムの構成を示すブロック図である。実施の形態における記憶部のデータ構成図である。実施の形態における無人飛行体が飛行する路線の一例を示す説明用平面図である。制御部の機能ブロック図である。方向補正部での処理の一例を説明するための概略図である。通常飛行範囲を説明するための概略図である。高さ方向検出部による線路の検出を説明するための概略図である。高さ方向検出部による架線の検出を説明するための概略図である。通常飛行範囲での飛行制御の流れを示すフロー図である。退避飛行の制御の流れを示すフロー図である。退避部での処理の一例を説明するための概念図である。退避部での処理の一例を説明するための概念図である。復帰飛行の制御の流れを示すフロー図である。復帰部での処理の一例を説明するための概念図である。復帰部での処理の一例を説明するための概念図である。無人飛行体を自律飛行するための制御部での制御の流れを示すフロー図である。図１７のフロー図の続きを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。

図１は、実施の形態に係る無人飛行体の飛行状態を示す概略図である。図１に示すように、本実施の形態における無人飛行体の飛行システムは、鉄道の線路Ｒ上に無人飛行体１０を自律飛行させ、線路Ｒの保線、検査、安全点検等のために不図示の撮像装置を無人飛行体１０に搭載して線路Ｒを撮像するために利用される。本実施の形態の飛行システムにおいては、無人飛行体１０で線路Ｒを撮像する場合、線路Ｒの施設方向に沿った飛行ルートでの飛行を制御し、主として、線路Ｒと、線路Ｒ上に位置する架線Ｌとの間の筒状空間となる通常飛行範囲Ｆ１にて無人飛行体１０が飛行するよう制御する。

図２は、実施の形態に係る無人飛行体の飛行システムの構成を示すブロック図である。図２に示すように、無人飛行体１０は、制御部１１、記憶部１２、ＧＮＳＳ（ＧｌｏｂａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ：全地球測位システム）信号受信部１３、幅方向検出部１４、高さ方向検出部１５及び障害物検出部１６を備えている。

制御部１１は、中央処理装置（ＣＰＵ）等からなり、記憶部１２などに記憶されたプログラムや各部からの入力信号に基づき、無人飛行体１０の各部を制御する。制御部１１は、無人飛行体１０の後述する速度調整等の飛行制御に加え、記憶制御、通信制御、撮像制御、その他入出力制御などを行う手段として機能するが、必ずしも１つのハードウェアで構成される必要はない。例えば、複数のハードウェアが処理を分担してもよいし、複数のハードウェアが協業して１つの手段として機能してもよい。

記憶部１２は、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）やＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、不揮発性メモリ等を備えている。ＲＯＭでは、制御部１１が各種の演算、制御を行うためのプログラムや、アプリケーションとして機能するためのプログラム、データ等が記憶される。ＲＡＭは、制御部１１の作業領域として用いられたり、各検出部１４〜１６の検出結果情報が制御部１１を介して記憶されたりする。ＲＡＭでは、ＲＯＭから読み出されたプログラムやデータ、通信部１８から入力されたデータ、制御部１１が各種プログラムに従って実行した演算結果等が一時的に記憶され、例えば、後述する図３に示した線路Ｒに関する情報が記憶される。不揮発性メモリでは、制御部１１の演算によって生成されたデータのうち、長期的な保存が必要なデータが記憶される。

通信部１８は、通信インターフェースとしてセンタ等の外部装置から有線又は無線通信によってデータを取得するようにしたり、データを内蔵するメモリーカード等の記憶媒体を接続可能なスロット等のインターフェースとしたりてもよい。

ＧＮＳＳ信号受信部１３は、ＧＮＳＳ衛星１９から発せられるＧＮＳＳ電波を受信するとともに、受信した信号を処理し、リアルタイムでの無人飛行体１０の位置情報（経緯度座標）を測位する。

幅方向検出部１４は、線路Ｒの画像を撮影可能であれば方式は限定されないが、光学レンズ、ＣＭＯＳセンサ、デジタル画像処理部等を備えて画像データを取得する撮像装置を例示することができる。幅方向検出部１４は、取得した画像データを所定処理し、飛行する無人飛行体１０における線路Ｒの幅方向の位置を検出するために用いられる。なお、幅方向検出部１４で用いる撮像装置は、線路Ｒの巡視のために用いる撮像装置と兼用してもよいし、それぞれ別の撮像装置を用いてもよい。

高さ方向検出部１５は、例えば、所定角度毎に回転するレーザ送受信センサを内蔵したレーザ計測装置により構成される。高さ方向検出部１５は、垂直方向にて３６０°全方位にパルス状に発光するレーザを照射して散乱光を検出し、その反射時間から飛行する無人飛行体１０と線路Ｒ及び線路Ｒ上に位置する架線Ｌ（図１参照）との離隔距離を検出することができる。また、高さ方向検出部１５は、所定角度毎の角度分解能を備えており、線路Ｒ及び架線Ｌからの角度を検出することができる。

高さ方向検出部１５は、線路離隔距離検出部１５Ａ及び架線離隔距離検出部１５Ｂを備えている。線路離隔距離検出部１５Ａは、高さ方向検出部１５からレーザを照射して得られるデータを抽出し、線路Ｒと無人飛行体１０との距離及び角度を検出するための機能を発揮するものである。架線離隔距離検出部１５Ｂは、高さ方向検出部１５からレーザを照射して得られるデータを抽出し、架線Ｌと無人飛行体１０との距離及び角度を検出するための機能を発揮するものである。

障害物検出部１６は、複数のレーザ送受信センサを内蔵したレーザ計測装置やミリ波センサ等により構成される。障害物検出部１６は、線路Ｒの施設方向となる前後方向にて３６０°全方位にパルス状に発光するレーザを照射して散乱光を検出し、その反射時間から飛行する無人飛行体１０と線路Ｒ上の障害物との離隔距離を検出することができる。障害物がない場合には、反射する散乱光を非検出となり、障害物検出部１６にて障害物の有無を検出することができる。

図３は、実施の形態における記憶部のデータ構成図である。記憶部においては、図３に示すように、線路Ｒの複数地点での位置情報と、当該位置情報に関連付けて設定される設定情報及び次動作情報とが記憶され、位置情報が設定された地点を設定点として管理する。位置情報は、経緯度座標とされ、線路Ｒ上にて無人飛行体１０が飛行して経由すべき位置に設定される。従って、複数の設定点の位置情報は、線路Ｒの敷設方向の順番に記憶、管理され、複数地点の位置情報を順に結ぶことによって線路Ｒの敷設方向に沿った飛行ルートとなる。

ここで、隣り合う設定点の間隔は、同一としてもよいが、異なるように設定することが好ましい。具体的には、線路Ｒが直線方向に延びる部分での隣り合う設定点の間隔は、相対的に長く設定しても、それらを結ぶ飛行ルートが線路Ｒに重なるようになる。一方、線路Ｒが湾曲方向に延びる場合には、隣り合う設定点の間隔を同様に長くすると飛行ルートが線路上から離れてしまうので、設定点を結ぶ飛行ルートが線路Ｒ上の所定範囲内に収まるように間隔を相対的に短く設定する。なお、図３では位置情報等をマトリクスで表したが、図面データや地図データからプログラムの実行等によって位置情報となる経緯度座標を求めるようにしてもよい。

図４は、実施の形態における無人飛行体が飛行する路線の一例を示す説明用平面図である。設定点の設定情報としては、図４にも示すように、始点Ｐ１、終点Ｐ７、離陸点Ｐｓ、着陸点Ｐｅ、入出点Ｐ２、減速点Ｐ３、増速点Ｐ４、分岐点Ｐ５、経由点Ｐ６がある。

始点Ｐ１は、線路Ｒ上での無人飛行体１０の飛行開始地点であり、終点Ｐ７は、線路Ｒ上での無人飛行体１０の飛行終了地点である。離陸点Ｐｓは、始点Ｐ１の近傍であって無人飛行体１０が離陸する線路Ｒ外の地点であり、着陸点Ｐｅは、終点Ｐ７まで達した後の無人飛行体１０が着陸する線路Ｒ外の地点である。

入出点Ｐ２は、線路Ｒと架線Ｌとの間の通常飛行空間Ｆ１（図７参照）で飛行する無人飛行体１０が架線Ｌの上方の退避移動空間Ｆ２（図７参照）に移動する地点であり、また、退避移動空間Ｆ２を飛行する無人飛行体１０が通常飛行空間Ｆ１に移動する地点である。具体例としては、踏切Ｃの手前に所定距離離れた位置と、踏切Ｃを通過して所定距離通り過ぎた位置となる。なお、入出点Ｐ２は、通常飛行空間Ｆ１と退避飛行空間Ｆ２との間で無人飛行体１０が飛行する際、障害物となる建物や架線柱、盛土等で飛行不能にならない場所が選択される。

減速点Ｐ３は、線路Ｒの施設方向に沿って飛行する無人飛行体１０の飛行速度を低下させる地点であり、具体例としては、踏切Ｃに達する直前位置となる。増速点Ｐ４は、無人飛行体１０の飛行速度を上昇させる地点であり、具体例としては、踏切Ｃを通過した直後位置となる。

分岐点Ｐ５は、線路Ｒが二方向に分岐する地点である。分岐点Ｐ５には、次動作情報（図３参照）として、二方向に分岐した線路Ｒのうち無人飛行体１０を飛行させるべく選択された何れか一方の線路Ｒの選択情報（例えば、「左」「右」）が関連付けられる。

経由点Ｐ６は、線路Ｒ上の位置情報が記憶されて無人飛行体１０が経由する地点であって、上述した始点Ｐ１、入出点Ｐ２、減速点Ｐ３、増速点Ｐ４、分岐点Ｐ５、終点Ｐ７を除く地点となる。図４では、経由点Ｐ６を一箇所だけを図示して他の箇所の図示を省略したが、飛行ルートに応じ、始点Ｐ１から終点Ｐ７の間の複数地点に設定される。

図５は、制御部の機能ブロック図である。図５に示すように、本実施の形態に係る制御部１１は、方向制御部１１ａ、方向補正部１１ｂ、高さ制御部１１ｃ、方向補正補助部１１ｄ、判定部１１ｅ、退避部１１ｆ、復帰部１１ｇ及び退行部１１ｈとして機能する。これらの機能ブロックは、記憶部１２に記憶された飛行制御のためのプログラムが制御部１１によって実行されることによって実現される。なお、図５に示す制御部１１の機能ブロックは、本発明に関連する構成のみを示しており、無人飛行体１０の姿勢制御等、それ以外の構成については省略している。

方向制御部１１ａは、無人飛行体１０の飛行中、リアルタイムでの機体位置（経緯度座標）としてＧＮＳＳ信号受信部１３が受信したＧＮＳＳ信号を取得する。そして、取得したＧＮＳＳ信号の位置情報から、飛行方向にて直近に通過した設定点の次の設定点の経緯度座標を記憶部１２から取得し、飛行の目標点として設定する。かかる処理を飛行中に少なくとも設定点を通過する毎に実施することで、線路Ｒの敷設方向に沿った飛行ルートを設定する。設定した飛行ルートに従い、無人飛行体１０の駆動系統を制御して無人飛行体１０を飛行させる。

方向補正部１１ｂは、方向制御部１１ａで設定した飛行ルートで無人飛行体１０が飛行している間において、幅方向検出部１４の検出結果となる線路Ｒの画像データを取得する。そして、取得した画像データから輝度分布等によって線路Ｒの幅方向中心を求め、当該中心と無人飛行体１０の機体位置との幅方向の離隔距離を演算する。

方向補正部１１ｂでの演算の具体例について、図６を参照して説明する。図６は、方向補正部での処理の一例を説明するための概念図である。方向補正部１１ｂでは、例えば、幅方向検出部１４における図６Ａに示す画像範囲１４ｂにて線路Ｒの画像を幅方向検出部１４から取得した場合、画像内にて、飛行方向と概略平行となる縦方向に延びる線状構造物Ｒ１を抽出する。抽出方法としては、図６Ａの点線で示すように、線状構造物Ｒ１の施設方向に所定間隔毎に設定した横方向のラインＬＮで輝度を抽出する。

また、方向補正部１１ｂにて取得する画像の横方向の中心位置と、無人飛行体１０の機体の横方向中心位置（機体中心位置）とを予め位置合わせしておき、図６Ａの一点鎖線１４ｃで示すように画像に表れるようにしておく。

各ラインＬＮで輝度を抽出すると、図６Ｂに示すように、線状構造物Ｒ１上では、他の地面Ｒ２や枕木Ｒ３との対比で輝度の変化が大きくなり、かかる輝度変化が大きな箇所（図６Ｂの円で囲まれた箇所）の横方向の位置を抽出する。かかる抽出した位置を縦方向に並べる。次いで、図６Ｃに示すように、各ラインＬＮにて輝度変化が大きくなる２箇所位置であって、その間隔が一定となる直線部分Ｒ１ａを線状構造物として抽出する。２本の直線部分Ｒ１ａの横方向中心位置が線路Ｒの中心位置Ｒｃとなり、当該中心位置Ｒｃと機体中心位置１４ｃとの横方向の距離を算出する。

また、方向補正部１１ｂでは、線路Ｒの上方の飛行範囲として、通常飛行範囲Ｆ１（図７参照）における線路Ｒの幅方向（横方向）の限界位置を設定する。かかる設定では、幅方向検出部１４の画像範囲内に常に線路Ｒが入り、且つ、線路Ｒ周りの架線柱等の障害物に飛行する無人飛行体１０が接触しないように通常飛行範囲Ｆ１の幅方向の限界位置が決定される。方向補正部１１ｂは、線路Ｒの中心位置と機体の中心位置との距離から通常飛行範囲Ｆ１の内外いずれを飛行しているかを判定する。そして、通常飛行範囲Ｆ１外であれば、機体の中心位置と線路Ｒの中心位置とが一致するよう無人飛行体１０の駆動系統を制御し、通常飛行範囲Ｆ１に収まって飛行するように飛行ルートを補正する制御が行われる。

高さ制御部１１ｃは、高さ方向検出部１５の線路離隔距離検出部１５Ａが検出した線路Ｒと無人飛行体１０との距離及び角度を取得する。一例を挙げると、高さ制御部１１ｃでは、図８に示すように、高さ方向検出部１５で検出した３６０°方向の距離データのうち、機体より下部分（例えば９０°範囲）を測定した図中円マークで示す計測点での測距データを抽出する。次いで、これら測距データのうち、図８の二点鎖線で示すように、接続して直線に近似する近似直線Ｒ４（直線近似をして相関の高い部分）を抽出する。そして、抽出した近似直線Ｒ４から高さ方向検出部１５までの最短距離Ｄ１を算出し、線路Ｒと無人飛行体１０との距離として取得する。

また、高さ制御部１１ｃは、高さ方向検出部１５の架線離隔距離検出部１５Ｂが検出した架線Ｌと無人飛行体１０との距離及び角度を取得する。一例を挙げると、高さ制御部１１ｃでは、図９に示すように、高さ方向検出部１５で検出した３６０°方向の距離データのうち、機体より上部分（例えば４５°範囲）を測定した測距データを抽出する。次いで、これら測距データのうち、高さ方向検出部１５から最も近い測距データＤ２を抽出し、架線Ｌと無人飛行体１０との距離として取得する。なお、測距データは、データ抜けも考え、過去数回分のデータから外挿して使用する。

更に、高さ制御部１１ｃにおいては、安全性等を考慮し、線路Ｒからの離隔距離として許容できる上限値及び下限値が設定された飛行範囲と、架線Ｌからの離隔距離として許容できる上限値及び下限値が設定された飛行範囲とが重なる通常飛行範囲Ｆ１（図７参照）を求める。求めた通常飛行範囲Ｆ１と取得した線路Ｒ及び架線Ｌとの距離とを比較し、通常飛行範囲Ｆ１外であれば、飛行高度を補正するよう無人飛行体１０の駆動系統を制御して無人飛行体１０を線路Ｒ上で飛行させる。

なお、高さ制御部１１ｃは、架線離隔距離検出部１５Ｂから取得した距離及び角度に応じ、架線Ｌより所定距離上方に離れた退避飛行範囲Ｆ２（図７参照）を求め、求めた退避飛行範囲Ｆ２の飛行高度に応じて無人飛行体１０の飛行高度を制御する機能も備える。

ここで、通常飛行範囲での方向補正部１１ｂ及び高さ制御部１１ｃの制御フローについて、図１０のフロー図を参照して説明する。図１０は、通常飛行範囲での飛行制御の流れを示すフロー図である。無人飛行体１０の飛行中、次の目標点に飛行するにあたり、方向補正部１１ｂ及び高さ制御部１１ｃにて通常飛行範囲Ｆ１を設定する（ステップ（以下、「Ｓ」という）１０１）。また、飛行中においては、幅方向検出部１４で線路Ｒを撮像し（Ｓ１０２）、撮像した画像データから、線路Ｒの幅方向における線路Ｒの中心位置を求め、線路Ｒの中心位置から無人飛行体１０の機体中心位置との距離を取得する（Ｓ１０３）。

続いて、高さ方向検出部１５が線路Ｒを検出し（Ｓ１０４）、検出した距離データから高さ制御部１１ｃにて線路Ｒと無人飛行体１０との距離を取得する（Ｓ１０５）。更に、高さ方向検出部１５が架線Ｌを検出し（Ｓ１０６）、検出した距離データから高さ制御部１１ｃにて架線Ｌと無人飛行体１０との距離を取得する（Ｓ１０７）。

ステップＳ１０３、Ｓ１０５、Ｓ１０７で取得した距離と通常飛行範囲Ｆ１とを比較し（Ｓ１０８）、通常飛行範囲Ｆ１内であれば（Ｓ１０８：ＹＥＳ）、飛行位置及び高度の補正を行わずに飛行を継続する。通常飛行範囲Ｆ１外であれば（Ｓ１０８：ＮＯ）、幅方向における飛行位置や飛行高度を補正する（Ｓ１０９）。

方向補正補助部１１ｄは、無人飛行体１０が線路Ｒの分岐点Ｐ５（図４参照）を通過した後、方向補正部１１ｂでの飛行ルートの補正を補助する。具体的には、方向補正部１１ｂにて取得した幅方向検出部１４からの画像データにて、分岐点Ｐ５の通過後は二方向の線路Ｒが検出されるが、方向補正補助部１１ｄでは、分岐点Ｐ５に関連付けられた線路Ｒの選択情報（次動作情報）を記憶部１２から取得し、一方の線路Ｒだけについて方向補正部１１ｂでの処理を行うようにする。つまり、選択情報にて、分岐した線路Ｒのうち無人飛行体１０を飛行させるべく選択された線路Ｒ以外の線路を方向補正部１１ｂで認識しないように処理する。これにより、線路Ｒの分岐点を通過した後、選択情報で選択された線路Ｒ上に無人飛行体１０が飛行するよう制御される。

このように方向補正補助部１１ｄにて、選択情報の線路Ｒだけを方向補正部１１ｂで処理するよう制御するので、分岐によって２本の線路Ｒが幅方向検出部１４で撮像された場合でも、所望の飛行ルートに従った自律飛行を実現することができる。

判定部１１ｅは、無人飛行体１０が線路Ｒの入出点Ｐ２に到達したときに、高さ方向検出部１５の線路離隔距離検出部１５Ａが検出した線路Ｒと無人飛行体１０との距離と、架線離隔距離検出部１５Ｂが検出した架線Ｌと無人飛行体１０との距離とを取得する。そして、判定部１１ｅでは、取得した線路Ｒや架線Ｌとの距離に基づき、無人飛行体１０の飛行している高度が上述の通常飛行範囲Ｆ１か、架線Ｌの上方となる退避飛行範囲Ｆ２かを判定する。

退避部１１ｆは、無人飛行体１０の飛行高度が通常飛行範囲Ｆ１と判定したときに、無人飛行体１０の駆動系統を制御し、通常飛行範囲Ｆ１から架線Ｌの上方となる退避飛行範囲Ｆ２に退避するよう無人飛行体１０を飛行させる。復帰部１１ｇは、無人飛行体１０の飛行高度が退避飛行範囲Ｆ２と判定したときに、無人飛行体１０の駆動系統を制御し、退避飛行範囲Ｆ２から線路Ｒと架線との間となる通常飛行範囲Ｆ１に復帰するよう無人飛行体１０を飛行させる。

続いて、通常飛行範囲Ｆ１から退避飛行範囲Ｆ２に退避飛行する制御フローについて、図１１〜図１３を参照して説明する。図１１は、退避飛行の制御の流れを示すフロー図である。図１２及び図１３は、退避部での処理の一例を説明するための概念図である。退避飛行の前は、図１２Ａに示すように、通常飛行範囲Ｆ１内を無人飛行体１０が飛行しているものとする。また、図１２及び図１３の無人飛行体１０と線路Ｒ及び架線Ｌとの位置関係を示す各図において、点線が幅方向検出部１４の撮像範囲１４ａを示し、二点鎖線が高さ方向検出部１５の検出範囲１５ａを示す。なお、撮像範囲１４ａ及び検出範囲１５ａの図示については、後述する図１５及び図１６も同様である。

先ず、退避部１１ｆでは、方向補正部１１ｂ及び高さ制御部１１ｃにて設定した通常飛行範囲Ｆ１を取得する（Ｓ２０１）。また、飛行中、図１２Ａに示すように、幅方向検出部１４で線路Ｒを撮像し（Ｓ２０２）、撮像した画像データから、線路Ｒの幅方向における線路Ｒの中心位置Ｒｃを求め、線路Ｒの中心位置から無人飛行体１０の機体中心位置１４ｃとの距離を取得する（Ｓ２０３）。

続いて、図１２Ｂに示すように、無人飛行体１０を線路Ｒの幅方向に移動するよう飛行制御（Ｓ２０４）しつつ、高さ方向検出部１５が線路Ｒ及び架線Ｌを検出し（Ｓ２０５）、線路Ｒ及び架線Ｌと無人飛行体１０の機体との距離及び角度を取得する（Ｓ２０６）。線路Ｒの幅方向への移動を続けると、幅方向検出部１４の検出範囲１４ａから線路Ｒがはみ出て画像範囲１４ｂに線路Ｒが収まらなくなる。ステップＳ２０６で取得した距離及び角度が予め設定した閾値を超えたら、幅方向への移動を停止し、図１３Ａに示すように、上昇する方向に移動するよう飛行制御する（Ｓ２０７）。

上昇移動を続けると、幅方向検出部１４の検出範囲１４ａ、画像範囲１４ｂに線路Ｒが入るようになる。上昇移動においても、線路Ｒ及び架線Ｌと無人飛行体１０の機体との距離及び角度を取得し（Ｓ２０８）、それらが予め設定した閾値を超えたら、上昇移動を停止し、線路Ｒの幅方向に移動して架線Ｌに接近するよう飛行制御する（Ｓ２０９）。そして、ステップＳ２０８で取得した距離及び角度が予め設定した閾値を超えたら、幅方向への移動を停止し、図１３Ｂに示すように、無人飛行体１０が架線Ｌの上方位置となる退避飛行空間Ｆ２に到達する（Ｓ２１０）。このとき、幅方向検出部１４の画像範囲１４ｂに線路Ｒが収まり、線路Ｒに架線Ｌが重なって撮像される。なお、図１３Ｂでは、架線Ｌと、線路Ｒの中心位置Ｒｃと、機体中心位置１４ｃとが重なるため、各中心位置Ｒｃ、１４ｃの図示を省略する。後述する１５Ａも同様である。

続いて、退避飛行範囲Ｆ２から通常飛行範囲Ｆ１に復帰飛行する制御フローについて、図１４〜図１６を参照して説明する。図１４は、復帰飛行の制御の流れを示すフロー図である。図１５及び図１６は、復帰部での処理の一例を説明するための概念図である。復帰飛行の前は、図１５Ａに示すように、退避飛行範囲Ｆ２を無人飛行体１０が飛行しているものとする。

先ず、復帰部１１ｇでは、方向補正部１１ｂ及び高さ制御部１１ｃにて設定した通常飛行範囲Ｆ１を取得する（Ｓ３０１）。また、飛行中、図１５Ａに示すように、幅方向検出部１４で線路Ｒ及び架線Ｌを撮像し（Ｓ３０２）、撮像した画像データから、線路Ｒの幅方向における線路Ｒの中心位置（図示省略）を求め、線路Ｒの中心位置から無人飛行体１０の機体中心位置（図示省略）との距離を取得する（Ｓ３０３）。また、高さ方向検出部１５が線路Ｒ及び架線Ｌを検出し（Ｓ３０４）、線路Ｒ及び架線Ｌと無人飛行体１０の機体との距離及び角度を取得する（Ｓ３０５）。

ステップＳ３０４の検出及びステップＳ３０５の距離及び角度の取得を継続しつつ、図１５Ｂに示すように、無人飛行体１０を線路Ｒの幅方向に移動するよう飛行制御する（Ｓ３０６）。ステップＳ３０５で取得した距離及び角度が予め設定した閾値を超えたら、幅方向への移動を停止し、図１６Ａに示すように、下降する方向に移動するよう飛行制御する（Ｓ３０７）。

下降移動においても、線路Ｒ及び架線Ｌと無人飛行体１０の機体との距離及び角度を取得し（Ｓ３０８）、それらが予め設定した閾値を超えたら、下降移動を停止し、線路Ｒの幅方向に移動して線路Ｒに接近するよう飛行制御する（Ｓ３０９）。そして、ステップＳ３０８で取得した距離及び角度が予め設定した閾値を超えたら、幅方向への移動を停止し、図１６Ｂに示すように、無人飛行体１０が通常飛行空間Ｆ１に到達する（Ｓ３１０）。

退行部１１ｈは、無人飛行体１０の飛行中、線路Ｒ上に障害物があるか否かの検出結果を障害物検出部１６より取得する。そして、障害物検出部１６で障害物を検出したときに、無人飛行体１０の駆動系統を制御し、飛行高度を通常飛行範囲に維持したまま直近で通過した入出点まで退行するよう無人飛行体１０を飛行させる。その後、退行部１１ｈでは、退避部１１ｆと同様にして、通常飛行範囲Ｆ１から退避飛行範囲Ｆ２に無人飛行体１０を飛行させる。

次に、無人飛行体１０を自律飛行させるための制御方法について、図１７及び図１８のフロー図を参照して説明する。図１７及び図１８は、無人飛行体を自律飛行するための制御部での制御の流れを示すフロー図である。

線路Ｒ上で無人飛行体１０を飛行させる事前準備として、作業者によって線路Ｒの電子平面図やデータベース、線路Ｒにおける建築限界等の情報を用意する。そして、それら情報に基づき、無人飛行体１０の飛行計画を作成し、安全性を考慮した通常飛行範囲Ｆ１及び退避飛行範囲Ｆ２の線路Ｒ及び架線Ｌからの距離、作業範囲となる図３に示した各情報を含む作業用地図をデータとして作成する。

上記事前準備の後、作成した作業用地図のデータを通信部１９で受信し、記憶部１２に記憶する（Ｓ０１）。また、飛行計画にて設定した離陸点Ｐｓ（図４参照）に無人飛行体１０を運搬し、ＧＮＳＳ信号受信部１３でＧＮＳＳ信号を受信して機体位置情報（経緯度座標）を取得する（Ｓ０２）。そして、最初の目標点を始点Ｐ１とし、記憶部１２に記憶された始点Ｐ１の位置情報とＧＮＳＳ信号による機体位置情報とにより無人飛行体１０の飛行を始点Ｐ１に向かって開始する（Ｓ０３）。

次に、高さ方向検出部１５の検出結果に基づき、飛行高度が線路Ｒと架線Ｌとの間の通常飛行範囲Ｆ１であるか否かを判定する（Ｓ０４）。機体位置が通常飛行範囲Ｆ１である場合（Ｓ０４：ＹＥＳ）、図１０に示した通常飛行範囲Ｆ１での飛行制御を実施し（Ｓ０５）、通常飛行範囲Ｆ１に収まった位置での飛行を維持する。ステップＳ０４にて機体位置が通常飛行範囲Ｆ１でない場合（Ｓ０４：ＮＯ）、飛行高度が架線Ｌ上の退避飛行範囲Ｆ２となる。この場合、高さ方向検出部１５が検出する架線Ｌと機体との距離及び角度に基づき、退避飛行範囲Ｆ２に収まる位置での飛行を維持するよう飛行制御する（Ｓ０６）。

ステップＳ０５又はステップＳ０６の実施後、線路Ｒ上での無人飛行体１０の飛行中、線路Ｒ上に障害物があるか否かの検出結果を障害物検出部１６より取得する（Ｓ０７）。障害物がある場合（Ｓ０８：ＹＥＳ）、飛行方向の後方にて現時点から一番近い入出点Ｐ２まで無人飛行体１０が退行するよう飛行させる（Ｓ０９）。なお、障害物が始点Ｐ１の直ぐ前にある場合、始点Ｐ１を入出点Ｐ２とみなして退行させる。かかる入出点Ｐ２まで退行後、通常飛行範囲Ｆ１から退避飛行範囲Ｆ２に無人飛行体１０を退避するよう飛行させる（Ｓ１０）。そして、退避飛行範囲Ｆ２にて無人飛行体１０が次の目標点に飛行するよう制御し、ステップＳ０４に戻る。このように線路Ｒ上の障害物を検出した場合、入出点Ｐ２まで退行した後、退避飛行範囲Ｆ２に退避飛行するので、無人飛行体１０と障害物との接触防止を図った自律飛行を実現することができる。

ステップＳ０８にて障害物がない場合（Ｓ０８：ＮＯ）、図１７及び図１８の「Ａ１」を経て、ＧＮＳＳ信号による現在の機体位置情報が入出点Ｐ２の位置情報と同位置若しくは該位置から所定範囲内（以下、「略同位置」とする）にあるか否かを判定する（Ｓ１１）。

機体位置が入出点Ｐ２と略同位置である場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、高さ方向検出部１５の検出結果に基づき、飛行高度が線路Ｒと架線Ｌとの間の通常飛行範囲Ｆ１であるか否かを判定する（Ｓ１２）。機体位置が通常飛行範囲Ｆ１である場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、通常飛行範囲Ｆ１から退避飛行範囲Ｆ２に無人飛行体１０を退避するよう飛行させた後、無人飛行体１０の目標点を入出点Ｐ２の次の設定点に更新し、該設定点に向かって無人飛行体１０を飛行させる（Ｓ１３）。

ステップＳ１２にて機体位置が通常飛行範囲Ｆ１でない場合（Ｓ１２：ＮＯ）、飛行高度が架線Ｌ上の退避飛行範囲Ｆ２となる。この場合、退避飛行範囲Ｆ２から通常飛行範囲Ｆ１に無人飛行体１０を復帰飛行するよう飛行制御した後、無人飛行体１０の目標点を入出点Ｐ２の次の設定点に更新し、該設定点に向かって無人飛行体１０を飛行させる（Ｓ１４）。ステップＳ１０、Ｓ１１の実施後、後述するステップＳ２３に進む。

入出点Ｐ２は、上述したように踏切Ｃの前後にそれぞれ配置される（図４参照）。踏切Ｃの手前の入出点Ｐ２で無人飛行体１０が退避飛行範囲Ｆ２に移動するので、踏切Ｃにおいては、退避飛行範囲Ｆ２つまり架線Ｌの上方を通過するようになる。従って、踏切Ｃの遮断機を作動させてなくても、踏切Ｃ内を通行する車両等への衝突が回避される。また、踏切Ｃを通過後は、入出点Ｐ２で無人飛行体１０が通常飛行範囲Ｆ１に復帰移動するので、線路Ｒに近付いた位置で線路Ｒ上を飛行することができる。

ステップＳ１１にて機体位置が入出点Ｐ２と略同位置でない場合（Ｓ１１：ＮＯ）、現在の機体位置情報が減速点Ｐ３の位置情報と略同位置にあるか否かを判定する（Ｓ１５）。機体位置が減速点Ｐ３と略同位置である場合（Ｓ１５：ＹＥＳ）、制御部１１にて無人飛行体１０の駆動系統を制御し、無人飛行体１０の飛行速度を減速させる（Ｓ１６）。また、無人飛行体１０の目標点を減速点Ｐ３の次の設定点に更新し、該設定点に向かって無人飛行体１０を飛行させる（Ｓ１６）。ステップＳ１６の実施後、後述するステップＳ２３に進む。

ステップＳ１５にて機体位置が減速点Ｐ３と略同位置でない場合（Ｓ１５：ＮＯ）、現在の機体位置情報が増速点Ｐ４の位置情報と略同位置にあるか否かを判定する（Ｓ１７）。機体位置が増速点Ｐ４と略同位置である場合（Ｓ１７：ＹＥＳ）、制御部１１にて無人飛行体１０の駆動系統を制御し、無人飛行体１０の飛行速度を増速させる（Ｓ１８）。また、無人飛行体１０の目標点を増速点Ｐ４の次の設定点に更新し、該設定点に向かって無人飛行体１０を飛行させる（Ｓ１８）。ステップＳ１８の実施後、後述するステップＳ２３に進む。

ステップＳ１７にて機体位置が増速点Ｐ４と略同位置でない場合（Ｓ１７：ＮＯ）、現在の機体位置情報が分岐点Ｐ５の位置情報と略同位置にあるか否かを判定する（Ｓ１９）。機体位置が分岐点Ｐ５と略同位置である場合（Ｓ１９：ＹＥＳ）、無人飛行体１０の目標点を分岐点Ｐ５の次の設定点に更新し、該設定点に向かって無人飛行体１０を飛行させる（Ｓ２０）。このとき、上述のように方向補正補助部１１ｄでの処理を行い、線路Ｒの選択情報に応じ、分岐した線路Ｒから一方の線路Ｒだけに基づいて、方向補正部１１ｂにおける飛行方向の補正を補助するようにする（Ｓ２０）。ステップＳ２０の実施後、後述するステップＳ２３に進む。

ステップＳ１９にて機体位置が分岐点Ｐ５と略同位置でない場合（Ｓ１９：ＮＯ）、現在の機体位置情報が終点Ｐ７の位置情報と略同位置にあるか否かを判定する（Ｓ２１）。機体位置が終点Ｐ７と略同位置である場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、無人飛行体１０の目標点を着陸点Ｐｅに更新し、該着陸点Ｐｅに向かって無人飛行体１０を飛行させる（Ｓ２２）。ステップＳ２２の実施後、後述するステップＳ２３に進む。

ステップＳ２１にて機体位置が終点Ｐ７と略同位置でない場合（Ｓ２１：ＮＯ）、及び、ステップＳ１３、Ｓ１４、Ｓ１６、Ｓ１８、Ｓ２０、Ｓ２２の実施後、現在の機体位置情報が着陸点Ｐｅの位置情報と略同位置にあるか否かを判定する（Ｓ２３）。機体位置が着陸点Ｐｅと略同位置である場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、飛行高度を徐々に下げる飛行制御を実施して着陸点Ｐｅに無人飛行体１０を着陸させ（Ｓ２４）、飛行を終了する。

ステップＳ２３にて機体位置が着陸点Ｐｅと略同位置でない場合（Ｓ２３：ＮＯ）、現在の機体位置情報が経由点Ｐ６の位置情報と略同位置にあるか否かを判定する（Ｓ２５）。機体位置が経由点Ｐ６と略同位置である場合（Ｓ２５：ＹＥＳ）、無人飛行体１０の目標点を経由点Ｐ６の次の設定点に更新し、該設定点に向かって無人飛行体１０を飛行させる（Ｓ２６）。ステップＳ２５又はステップＳ２６の実施後、図１８及び図１７の「Ａ２」を経て、ステップＳ０４に戻り、ステップＳ０４からの制御が繰り返される。

以上のように、本実施の形態に係る無人飛行体１０の飛行システムによれば、幅方向検出部１４による線路Ｒの撮像画像に基づいて、線路Ｒの幅方向における中心位置と、飛行する無人飛行体１０の機体中心位置との距離を飛行中に求めることができる。これにより、ＧＮＳＳ信号による機体位置と実際の機体位置との間で誤差が生じても、線路Ｒ上となる通常飛行範囲Ｆ１及び退避飛行範囲Ｆ２から幅方向にはみ出さないように自律飛行することが可能となる。この結果、無人飛行体１０に線路Ｒを検査するカメラを搭載して巡視する場合、線路Ｒの施設方向で途切れることなく確実に巡視することができる。

しかも、高さ方向検出部１５によって線路Ｒ及び架線Ｌと無人飛行体１０との距離を検出できるので、簡単な制御によって線路Ｒ及び架線Ｌから所定距離離れた飛行空間Ｆ１、Ｆ２を安定した高度で飛行することができる。従って、カメラを搭載した巡視を行う場合には、カメラと線路Ｒとの距離を安定して保った撮像結果を得ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状、方向などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、上記実施の形態では、制御部１１及び記憶部１２を無人飛行体１０に搭載した場合を説明したが、これらを無人飛行体１０に搭載せずに地上の外部装置に搭載或いは外部装置で処理するようにしてもよい。この場合、地上の通信手段と通信部１８とで無線通信して無人飛行体１０の各部を制御する構成が例示できる。

また、図４にて入出点Ｐ２を踏切Ｃの前後に設けた場合を説明したが、入出点Ｐ２の位置は、通常飛行空間Ｆ１と退避飛行空間Ｆ２との間で移動飛行できる限りにおいて、線路Ｒ上の他の位置に設定してもよい。

本発明は、線路に沿う線路上の所定高さの飛行ルートで自律飛行することができる無人飛行体の飛行システムに関する。

１０無人飛行体
１１制御部
１１ａ方向制御部
１１ｂ方向補正部
１１ｃ高さ制御部
１１ｄ方向補正補助部
１１ｅ判定部
１１ｆ退避部
１１ｇ復帰部
１１ｈ退行部
１２記憶部
１３ＧＮＳＳ信号受信部
１４幅方向検出部
１５高さ方向検出部
１５Ａ線路離隔距離検出部
１５Ｂ架線離隔距離検出部
１６障害物検出部
Ｆ１通常飛行空間
Ｆ２退避飛行空間
Ｌ架線
Ｐ２入出点
Ｐ５分岐点
Ｒ線路

Claims

鉄道の線路上を自律飛行する無人飛行体の飛行システムであって、
前記無人飛行体の飛行を制御する制御部と、
前記線路の複数地点の位置情報を記憶する記憶部と、
前記無人飛行体に設けられてＧＮＳＳ信号を受信するＧＮＳＳ信号受信部と、
前記無人飛行体に設けられて前記線路の幅方向の飛行位置を検出するための幅方向検出部と、
前記無人飛行体に設けられて前記線路に対する高さ方向の飛行位置を検出するための高さ方向検出部と、を備え、
前記制御部は、前記記憶部に記憶された前記位置情報と前記ＧＮＳＳ信号受信部で受信したＧＮＳＳ信号とに基づき、前記線路の敷設方向に沿った飛行ルートの飛行を制御する方向制御部と、
前記幅方向検出部の検出結果に基づき、前記方向制御部による飛行ルートを補正する方向補正部と、
前記高さ方向検出部の検出結果に基づき、前記線路上の所定高さでの飛行を制御する高さ制御部と、を備えていることを特徴とする無人飛行体の飛行システム。
前記高さ方向検出部は、前記線路と前記無人飛行体との距離を検出するための線路離隔距離検出部と、
前記線路上に位置する架線と前記無人飛行体との距離を検出するための架線離隔距離検出部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の無人飛行体の飛行システム。
前記記憶部は、前記線路の分岐点の位置情報と、該分岐点で分岐した線路から選択された前記無人飛行体が飛行すべき線路の選択情報とを記憶し、
前記制御部は、前記分岐点上を前記無人飛行体が通過した後、前記選択情報の線路だけを前記方向補正部で処理するよう制御する方向補正補助部を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無人飛行体の飛行システム。
前記記憶部は、前記線路の複数の入出点の位置情報を記憶し、
前記制御部は、前記入出点上に前記無人飛行体が到達したときに、前記高さ方向検出部の検出結果に基づき、前記線路と当該線路上に位置する架線との間の通常飛行範囲、及び、前記架線の上方となる退避飛行範囲の何れを飛行しているか判定する判定部と、
前記判定部が前記通常飛行範囲の飛行と判定したときに、前記通常飛行範囲から前記退避飛行範囲に退避する飛行を制御する退避部と、
前記判定部が前記退避飛行範囲の飛行と判定したときに、前記退避飛行範囲から前記通常飛行範囲に復帰する飛行を制御する復帰部と、を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の無人飛行体の飛行システム。
前記記憶部は、前記線路の複数の入出点の位置情報を記憶し、
前記線路上の障害物を検出するための障害物検出部を更に備え、
前記制御部は、前記障害物検出部で障害物を検出したときに、直近で通過した入出点まで前記無人飛行体を退行した後、前記線路と当該線路上に位置する架線との間から前記架線の上方に退避する飛行を制御する退行部を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の無人飛行体の飛行システム。
前記記憶部は、記憶する前記線路の位置情報について、前記線路が直線方向に延びる部分の方が湾曲方向に延びる部分に比べ、前記線路の施設方向で隣り合う地点間の距離が長く設定されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の無人飛行体の飛行システム。