JP7007137B2 - 情報処理装置、情報処理方法および情報処理用プログラム - Google Patents

Description

本発明は、航空機の対地高度に係る処理を行う技術に関する。

無人航空機（ＵＡＶ(Unmanned Aerial Vehicle)）を航空写真測量に用いる技術が知られている。この技術では、ＵＡＶの対地高度（地表面からの高度）の精度が重要となる。ＵＡＶの三次元位置を特定する技術として、飛行するＵＡＶをＴＳ（トータルステーション）で追尾する方法がある（例えば、特許文献１を参照）。この方法では、ＴＳが備えたターゲットの追尾機能を用いてＵＡＶが追跡され、ＴＳが備えるレーザー測距機能を用いて飛行するＵＡＶの位置の特定が行われる。

ＵＳ２０１４／０２１０６６３号公報

ＧＮＳＳを用いる場合、相対測位であれば、精度の高い平均海面からの高度が取得できる。しかしながら、そもそも測量の対象となる土地は、その細かい標高のデータが不十分であり、精度の高い対地高度の取得は期待できない。これは、ＴＳを用いる場合も同様であり、ＴＳによりＵＡＶの三次元位置を特定しても、ＵＡＶ直下の地表面の標高が正確に分からなければ対地高度の精度は得られない。また、土木工事現場等では、工事により地形が変化し、地表面の標高が正確に分からない場合もある。この場合も正確な対地高度の取得は困難となる。

このような背景において、本発明は、航空機の対地高度を精度よく取得する技術を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、レーザースキャナを備えたトータルステーションにより測位された飛行する航空機の三次元位置Ｐ_１を取得する航空機位置取得部と、前記Ｐ_１に対応する地表に対する前記レーザースキャナによるレーザースキャンにより得たレーザースキャンデータに基づき、前記飛行する航空機の位置に対応する地表位置Ｐ_２のデータを取得する地表位置取得部と、前記Ｐ_１と前記Ｐ_２の差に基づき前記航空機の対地高度を算出する対地高度算出部とを備える無人航空機に係る情報処理装置である。

請求項２に記載の発明は、飛行する航空機の三次元位置Ｐ _１ を取得する航空機位置取得部と、前記Ｐ _１ に対応する地表に対するレーザースキャンデータに基づき、前記飛行する航空機の位置に対応する地表位置Ｐ _２ のデータを取得する地表位置取得部と、前記Ｐ _１ と前記Ｐ _２ の差に基づき前記航空機の対地高度を算出する対地高度算出部と、前記航空機の飛行計画および／または前記航空機の飛行軌跡に基づき前記航空機の未来位置を予想する未来位置予想部と、前記未来位置に基づき、前記レーザースキャンデータを取得するためのスキャン範囲の設定を行うスキャン範囲設定部とを備える情報処理装置である。

請求項３に記載の発明は、飛行する航空機の三次元位置Ｐ _１ を取得する航空機位置取得部と、前記Ｐ _１ に対応する地表に対するレーザースキャンデータに基づき、前記飛行する航空機の位置に対応する地表位置Ｐ _２ のデータを取得する地表位置取得部と、前記Ｐ _１ と前記Ｐ _２ の差に基づき前記航空機の対地高度を算出する対地高度算出部と、前記対地高度算出部が算出した対地高度と予め定められた対地高度との差を減少させるための飛行制御を行うための制御信号を生成する制御信号生成部とを備える情報処理装置である。

請求項４に記載の発明は、飛行する航空機の三次元位置Ｐ _１ を取得する航空機位置取得部と、前記Ｐ _１ に対応する地表に対するレーザースキャンデータに基づき、前記飛行する航空機の位置に対応する地表位置Ｐ _２ のデータを取得する地表位置取得部と、前記Ｐ _１ と前記Ｐ _２ の差に基づき前記航空機の対地高度を算出する対地高度算出部とを備え、前記地表位置取得部は、前記レーザースキャンデータにおける前記Ｐ_２の位置を囲む複数の点の座標に基づき前記対地高度の算出を行う情報処理装置である。

請求項５に記載の発明は、飛行する航空機の三次元位置Ｐ _１ を取得する航空機位置取得部と、前記Ｐ _１ に対応する地表に対するレーザースキャンデータに基づき、前記飛行する航空機の位置に対応する地表位置Ｐ _２ のデータを取得する地表位置取得部と、前記Ｐ _１ と前記Ｐ _２ の差に基づき前記航空機の対地高度を算出する対地高度算出部とを備え、前記Ｐ_１の位置は、飛行予定の位置であり、前記対地高度は、前記飛行予定の位置における値である情報処理装置である。

請求項６に記載の発明は、レーザースキャナを備えたトータルステーションにより測位された飛行する航空機の三次元位置Ｐ_１を取得する航空機位置取得ステップと、前記Ｐ_１に対応する地表に対する前記レーザースキャナによるレーザースキャンにより得たレーザースキャンデータに基づき、前記飛行する航空機の位置に対応する地表位置Ｐ_２のデータを取得する地表位置取得ステップと、前記Ｐ_１と前記Ｐ_２の差に基づき前記航空機の対地高度を算出する対地高度算出ステップとを備える無人航空機に係る情報処理方法である。

請求項７に記載の発明は、コンピュータに読み取らせて実行させるプログラムであって、コンピュータをレーザースキャナを備えたトータルステーションにより測位された飛行する航空機の三次元位置Ｐ_１を取得する航空機位置取得部と、前記Ｐ_１に対応する地表に対する前記レーザースキャナによるレーザースキャンにより得たレーザースキャンデータに基づき、前記飛行する航空機の位置に対応する地表位置Ｐ_２のデータを取得する地表位置取得部と、前記Ｐ_１と前記Ｐ_２の差に基づき前記航空機の対地高度を算出する対地高度算出部として機能させる情報処理用プログラムである。

本発明によれば、航空機の対地高度を精度よく取得する技術が得られる。

実施形態の概念図である。 実施形態のブロック図である。 実施形態の処理の手順の一例を示すフローチャートである。 実施形態の概念図である。 実施形態のブロック図である。 実施形態の概念図である。 実施形態のブロック図である。

１．第１の実施形態
（構成）
図１には、実施形態の概念図が示されている。図１には、飛行するＵＡＶ２００と地上に設置されたＴＳ（トータルステーション）１００が示されている。ＵＡＶ２００は、カメラ２０１を備え、飛行しながら航空写真測量のための撮影を行う。

ＴＳ１００は、飛行するＵＡＶ２００を追跡しながら測距光を用いたＵＡＶ２００の三次元位置の測定を行う。ＵＡＶ２００の追跡は、探索光を用いてＵＡＶ２００が備えた反射プリズム２０２を探索することで行われ、ＵＡＶ２００の位置の測定は、測距光を反射プリズム２０２に照射し、その反射光を検出することで行われる。また、ＴＳ１００は、飛行するＵＡＶ２００の対地高度の算出、および飛行するＵＡＶ２００の対地高度を規定の値とするための制御を行う。

ＵＡＶ２００の飛行は、飛行計画に従う自律飛行の形態と、操縦者の遠隔操作により操縦される形態とがある。航空写真測量の場合、効率よくまた漏れがないように撮影を行うために予め定めた飛行計画に従った飛行を行う場合が多いが、マニュアル操作による飛行も可能である。

ＵＡＶ２００は市販されている機種であり、特別なものではない。ＵＡＶ２００は、飛行のための制御系、ＧＮＳＳ位置測定装置、無線通信装置、飛行計画や飛行ログを記憶する記憶装置、高度計を備えている。

ＵＡＶ２００の下部には、ＴＳ１００による測量のターゲットとなる反射プリズム２０２が取り付けられている。また、ＵＡＶ２００はカメラ２０１を搭載しており、空中から地表の撮影を行う。

ＴＳ１００は、ＧＮＳＳを用いた自身の位置測定装置、測量対象（ＵＡＶ２００）の画像を取得するカメラ、ターゲット（ＵＡＶ２００の反射プリズム２０２）を探索する探索用レーザースキャン機能、測距用レーザー光を用いてターゲット（反射プリズム２０２）までの距離を測距するレーザー測距機能、レーザー測距されたターゲットの方向（水平角と垂直角（仰角または俯角））を測定する機能、ターゲットまでの距離と方向からターゲットの三次元位置を算出する機能、外部の機器との間で通信を行う機能、点群データを得るためのレーザースキャン機能を有する。

ターゲットまでの距離と方向を測定することで、ＴＳ１００に対するターゲットの位置を測定できる。ここで、ＴＳ１００の位置が判っていれば、ターゲット（この場合はＵＡＶ２００）の地図座標系における位置（緯度・経度・高度もしくは直交座標系上のＸＹＺ座標）を知ることができる。この機能は、市販のＴＳが持っている機能であり、特別なものではない。ＴＳに関する技術としては、例えば、特開2009-229192号公報や特開2012-202821号公報等に記載されている。なお、地図座標系というのは、地図情報を扱う座標系（例えば、緯度，経度，高度（標高））であり、例えばＧＮＳＳで得られる位置情報は通常地図座標系で記述される。

以下、本実施形態で利用するＴＳ１００の一例を説明する。図２には、ＴＳ１００のブロック図が示されている。ＴＳ１００は、カメラ１０１、ターゲット探索部１０２、測距部１０３、水平・垂直方向検出部１０４、水平・垂直方向駆動部１０５、データ記憶部１０６、位置測定部１０７、通信装置１０８、ターゲット位置算出部（ＵＡＶ位置算出部）１０９、ＵＡＶ追跡制御部１１１、レーザースキャナ１１２、制御用マイコン１１３、ＵＡＶ位置データ取得部１１４、レーザースキャンデータ取得部１１５、ＵＡＶ対応地表位置取得部１１６、ＵＡＶ対地高度算出部１１７、ＵＡＶ未来位置予想部１１８、レーザースキャン範囲設定部１１９、飛行制御信号生成部１２０を備えている。

図２に示す各機能部は、専用のハードウェアで構成してもよいし、マイコンによりソフトウェア的に構成できるものはソフトウェア的に構成してもよい。図２の構成を実現するために利用するハードウェアとしては、各種の電子デバイス(例えば、カメラ１０１を構成するカメラモジュールや通信装置１０８を構成する無線モジュール等)、モータ等を利用した各種の駆動機構、センサユニット、光学部品、各種の電子回路、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等が挙げられる。以上のハードウェアの構成に関しては、ＵＡＶ２００についても同じである。

カメラ１０１は、ＵＡＶ２００やターゲット等の測量対象の動画像または静止画像を撮影する。カメラ１０１は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサを用いたカメラモジュールを利用して構成され、望遠鏡を介して測位対象（例えばＵＡＶ２００）の撮影を行い、その画像データを得る。通常、カメラ１０１が望遠鏡を介して撮影した画像を利用して測量対象となるターゲットの概略の視準が操作者により行われ、その後自動追尾機能による自律動作によりターゲットの精密な視準が行われる。

カメラ１０１の光軸と後述する測距部１０３の光軸（測距用レーザー光の光軸）とは一致しており、位置の特定を行うターゲットは、カメラ１０１の撮影画像の中心に捉えられる。ＴＳ１００は小型のディスプレイ（例えば、液晶ディスプレイ等）を備えており、カメラ１０１が撮影した画像は、そこに表示可能である。カメラ１０１が撮影した画像のデータは、外部に出力可能であり、適当なディスプレイに表示できる。

カメラ１０１として市販のデジタルカメラを用い、それを外付けでＴＳ１００に装着する形態も可能である。カメラ１０１が撮影した画像のデータは、測距対象に係る測定時刻、測定方向、測定距離、測定対象の位置等のデータと関連付けされて適当な記憶領域に記憶することができる。

ターゲット探索部１０２は、三角錐型または扇形ビームを有した探索用レーザー光を用いたタ－ゲット（ＵＡＶ２００の反射プリズム２０２）の探索を行う。ターゲットの探索は、ＴＳ１００を基準位置として行われる。ターゲットを探索する技術については、例えば日本国特許第５１２４３１９号公報に記載されている。

測距部１０３は、測距用レーザー光を用いたターゲットまでの距離の測定を行う。測距部１０３は、測距用レーザー光の発光素子、照射光学系、受光光学系、受光素子、測距演算部、基準光の光路を備えている。対象物までの距離は、対象物から反射された測距光と基準光の位相差から算出される。距離の算出方法は、通常のレーザー測距と同じである。

水平・垂直方向検出部１０４は、測距部１０３が測距したターゲットの水平方向角と垂直方向角（仰角および俯角）を計測する。ターゲット探索部１０２、測距部１０３の光学系およびカメラ１０１を備えた筐体部分は、水平回転および仰角（俯角）制御が可能であり、水平方向角と垂直方向角は、エンコーダにより計測される。このエンコーダの出力が水平・垂直方向角検出部１０４で検出され、水平方向角と垂直方向角（仰角および俯角）の計測が行われる。

水平・垂直方向駆動部１０５は、ターゲット探索部１０２、測距部１０３の光学系およびカメラ１０１を備えた筐体部分の水平回転および仰角制御（および俯角制御）を行うモータ、該モータの駆動回路、該駆動回路の制御回路を備えている。なお、この筐体部分には後述するレーザースキャナ１１２も配置されている。データ記憶部１０６は、ＴＳ１００の動作に必要な制御プログラム、各種のデータ、測量結果等を記憶する。

位置測定部１０７は、ＧＮＳＳを用いたＴＳ１００の位置の測定を行う。位置測定部１０７は、相対測位と単独測位の両方が可能である。相対測位を行える環境であれば、相対測位を用いたＴＳ１００の位置の測定が好ましいが、相対測位が困難な場合は単独測位によるＴＳ１００の位置の測定が行われる。なお、通常は既知の位置にＴＳ１００が設置去る場合が多く、その場合、位置測定部１０７は不要となる。

通信装置１０８は、外部の機器との間で通信を行う。ＴＳ１００は、外部の端末（専用端末、ＰＣ、タブレット、スマートフォン等）による操作が可能であり、この際の通信が通信装置１０８を用いて行われる。また、通信装置１０８は、ＴＳ１００の動作に必要な各種のデータの受け付け、およびＴＳ１００が取得した各種のデータの外部への出力を行う。例えば、ＴＳ１００からインターネット回線を介して地図情報や地形情報を扱うデータサーバにアクセスし、測量に係る各種の情報をＴＳ１００が取得することができる。また、図２に示す機能の一部を外付けの機器で行う構成も可能であり、その場合、通信装置１０８を介して各種のデータのやり取りが行われる。また、通信装置１０８は、ＵＡＶ２００に飛行制御を行うための制御信号をＵＡＶ２００に向けて送信する。

ターゲット位置算出部１０９は、ターゲット（この場合は、ＵＡＶ２００搭載の反射プリズム２０２）までの距離と方向からＴＳ１００に対するターゲットの位置（座標）を算出する。ここで、ターゲットまでの距離は、測距部１０３で得られ、ターゲットの方向は水平・垂直方向検出部１０４で得られる。基準位置となるＴＳ１００の位置は、位置測定部１０７で特定されるので、ＴＳ１００に対するターゲットの位置を求めることで、ターゲットの地図座標系における位置を求めることができる。

ＵＡＶ追跡制御部１１１は、補足したＵＡＶを追尾する制御を行う。すなわち、ターゲット探索部１０２で検出した追尾光（ＵＡＶ２００から反射した追尾光）の入射方向に対応させてＴＳ１００の光軸方向を制御し、空中を移動するＵＡＶ２００に常にＴＳ１００の光軸が向くようにする動的な制御がＵＡＶ追跡制御部１１１で行われる。具体的には、ターゲット（反射プリズム２０２）から反射した追尾光のＴＳ１００に対する入射方向を検出し、それに基づき反射プリズム２０２の位置にＴＳ１００の光軸（測距部１０３からの測距光の光軸）が常に向くように、水平・垂直方向駆動部１０５に制御信号を出力する処理がＵＡＶ追跡制御部１１１で行われる。

レーザースキャナ１１２は、測距用レーザー光をスキャン光として用いて点群データを得る。点群データは、対象物を三次元座標が判明した点の集合として捉えたデータである。この例では、ターゲット探索部１０２とレーザースキャナ１１２は別構成であり、レーザースキャナ１１２は、ターゲット探索部１０２とは別に動作する。ここで、レーザースキャナが扱うレーザー光の波長は、ターゲット探索部１０２が用いるレーザー光と干渉しないように、ターゲット探索部１０２が用いるレーザー光とは別の波長が選択されている。点群データを得るレーザースキャナについては、例えば特開２０１０－１５１６８２号公報、特開２００８―２６８００４号公報、米国特許８７６７１９０号公報、米国特許７９６９５５８号公報等に記載されている。

以下、レーザースキャナ１１２について説明する。レーザースキャナ１１２は、測距用レーザー光の照射部、対象物から反射した測距用レーザー光を受光する受光部、測距用レーザー光の飛行時間に基づき対象物までの距離を検出する測距部、測距用レーザー光の照射方向（測距方向）を検出する測距方向検出部を備える。また、レーザースキャナ１１２は、自身の位置、測距距離および測距方向に基づき測距用レーザー光の反射点の三次元位置を算出する測距対象点の位置算出部、測距用レーザー光の照射方向とその反射光の受光方向（測距光の光軸）を制御するスキャン制御部を備える。

測距用レーザー光は、特定の繰り返し周波数でパルス出力され、スキャンされながら特定の範囲に点々と照射される。測距用レーザー光の飛行時間から反射点までの距離が計算される。通常は、装置内に設けられた基準光路を飛翔したリファレンス光と対象物に照射されそこから反射された測距光との位相差から対象物までの距離が算出される。測距された距離、測距用レーザー光の照射方向およびとレーザースキャナ１１２の位置から、反射点のレーザースキャナ１１２の位置を原点とした三次元位置が計算される。この反射点の位置を多数測定することで点群データが得られる。ここで、ＴＳ１００におけるレーザースキャナ１１２の位置と向きは、予め既知の情報として取得されており、レーザースキャナ１１２の地図座標系における位置は、位置測定部１０７の測位データに基づき算出される。よって、スキャンされた各点（反射点）の地図座標系における三次元座標を取得できる。

測距用レーザー光が特定の発振周波数でスキャンして照射されることで対象物における多数の反射点それぞれの三次元座標が取得される。この対象物における多数の反射点の集合が点群データとなる。点群データでは、三次元位置が特定された点の集合として対象物が捉えられる。

レーザースキャナ１１２は、反射点からの反射光の反射強度およびＲＧＢ強度を取得できる。ＲＧＢ強度は、反射光をＲ用フィルタ、Ｇ用フィルタ、Ｂ用フィルタで選別し、各色の光強度を検出することで得られる。よって、得られる点群データ各点のＲＧＢ強度に関するデータも得られる。なお、ＲＧＢに限定されず、一または複数の特定の色情報の強度を取得する形態も可能である。

制御用マイコン１１３は、後述する図３の処理の手順の制御およびＴＳ１００全体の動作の制御を行う。ＵＡＶ位置データ取得部１１４は、ターゲット位置算出部１０９が算出したターゲット（反射プリズム２０２）の位置のデータ（経度、緯度、高度、あるいは適当な座標系における三次元座標値）をＵＡＶ２００の位置として取得する。この段階における高度は、平均海面を基準とした値である。ＵＡＶ位置データ取得部１１４が取得するＵＡＶ２００の位置として、ＵＡＶ２００が搭載するＧＳＮＮ位置特定装置の測位データに基づく値を用いることもできる。この場合、精度を確保するために、ＧＮＳＳを利用した相対測位により、ＵＡＶ２００の測位を行うことが好ましい。

レーザースキャンデータ取得部１１５は、レーザースキャナ１１２が取得した点群データを取得する。点群データの各点の座標は、（経度、緯度、高度、あるいは適当な座標系における三次元座標値）によって特定されている。なお、点群データにおける高度も平均海面を基準とする。レーザースキャナを別に用意し、そこで得られたレーザースキャンデータをレーザースキャンデータ取得部１１５で取得してもよい。

ＵＡＶ対応地表位置取得部１１６は、ＵＡＶ２００の位置に対応する地表面の位置（経度・緯度、あるいは適当な座標系における２次元座標位置）をレーザースキャナ１１２が取得した点群データに基づいて取得する。ＵＡＶ２００の位置に対応する地表面の位置とは、ＵＡＶ２００鉛直下方の地表面の位置である。例えば、位置データ取得部１１４で取得されたある時刻におけるＵＡＶ２００の三次元位置が（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１）であるとする。この場合、レーザースキャナ１１２が取得した点群データの中から（Ｘ_１，Ｙ_１）の座標にある点（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_２）を取得する処理がＵＡＶ対応地表位置取得部１１６で行われる。

ここで、Ｚ_１はＵＡＶ２００の対海面高度であり、Ｚ_２はＵＡＶ２００の鉛直直下の地表面の対海面高度である。そして、後述するがＺ_１－Ｚ_２がＵＡＶ２００の対地高度（地表面からの高度）となる。

ところで、レーザースキャナで得た点群データは、点々と点の三次元位置を取得したデータであり、上記の場合でいうと（Ｘ_１，Ｙ_１）の位置に完全に一致した点が点群データの中から得られない場合も有り得る。そこで、以下の処理を行い点群データの中から（Ｘ_１，Ｙ_１）に対応する点を取得する。

まず、許容できる閾値を設定し、この閾値以下の範囲において点群データの中から（Ｘ_１，Ｙ_１）に対応する点を抽出する。閾値以下の範囲に点群データがない場合、ＵＡＶ２００直下の点として指定された点（座標（Ｘ_１，Ｙ_１）の点）を含む領域を設定し、そこから複数の点を選択する。そして、選択された複数の点のＺ値の平均値を算出し、それをＺ_２の値とする。以上の処理がＵＡＶ対応地表位置取得部１１６で行われる。

ＵＡＶ対地高度算出部１１７は、ＵＡＶ２００の対地高度を算出する。具体的には、ＵＡＶ位置データ取得部１１４が取得したＵＡＶ２００の高度（平均海面を基準とした高さ）Ｚ_１と、対応するＵＡＶ２００直下の地表面の高度（平均海面を基準とした高さ）Ｚ_２との差（Ｚ_１－Ｚ_２）を対地高度として計算する。

以下、ＵＡＶ対地高度算出部１１７で行われる具体的な処理の１例について説明する。例えば、位置データ取得部１１４で取得されたある時刻ｔ_１におけるＵＡＶ２００の三次元位置がＰ１（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１）であるとする。この場合、対応する地表面の位置Ｐ２（Ｐ１の鉛直下方の地表面の座標）は（Ｘ_１，Ｙ_１）となる。そして、レーザースキャンデータ取得部１１５が取得した点群データの中から、緯度経度の座標が（Ｘ_１，Ｙ_１）に一致または最も近接する位置を探索し、該当する点のＺ値（Ｚ_２）（位置Ｐ２の平均海面からの高さ（標高））を取得する。次いで、Ｚ_１－Ｚ_２を計算し、ＵＡＶ２００の時刻ｔ_１における対地高度を得る。

ＵＡＶ未来位置予想部１１８は、飛行計画および／または飛行軌跡に基づき未来時刻におけるＵＡＶ２００の位置を予想し、その位置を取得する。まず、飛行計画に基づく未来位置の予想について説明する。この場合、まず予想を行う時点ｔ_０におけるＵＡＶ２００の位置Ｐ_０をターゲット位置算出部１０９の出力から取得する。次いで、Ｐ_０を原点として飛行計画から未来時刻ｔにおけるＵＡＶ２００の位置Ｐｔを算出する。

次に、飛行軌跡に基づき未来時刻におけるＵＡＶ２００の位置を予想する場合を説明する。まず、ターゲット位置算出部１０９の出力からその時点以前におけるＵＡＶ２００の飛行経路（飛行軌跡）のデータを取得する。ついで、取得した飛行経路に従って未来も飛行するものと予想し、予想時刻におけるＵＡＶ２００の位置を算出する。例えば、その時点（予測を行う時点の時刻）でＵＡＶが直線飛行していたなら、そのままの状態で直線飛行を続けると仮定し、未来時刻におけるＵＡＶ２００の位置を予想する。また例えば、その時点でＵＡＶが旋回飛行していたなら、その旋回が以後も続くと仮定し、未来時刻におけるＵＡＶ２００の位置を予想する。なお、飛行軌跡という概念には、その時点における速度（速さと向き：速度ベクトル）も含まれる。

飛行計画と飛行軌跡の両方の情報を用いて未来位置の予測を行ってもよい。この場合、まず過去の飛行軌跡を取得し、それを飛行計画に当てはめて、以後の飛行経路を予測する。そして、この予測した飛行経路に基づき、未来時刻におけるＵＡＶ２００の位置を予想する。

レーザースキャン範囲設定部１１９は、ＵＡＶ未来位置予想部１１８が予想したＵＡＶ２００の未来位置に基づき、レーザースキャナ１１２のスキャン範囲の設定を行う。レーザースキャンによる点群データが必要とされるのは、ＵＡＶ２００の飛行経路の鉛直直下の領域である。そこで、ＵＡＶ２００の飛行が予想される空域の鉛直下方の地表面に対して集中的に密度の高いレーザースキャンを行う設定とする。こうすることで、スキャンデータ（点群データ）の密度を高くし、またスキャンの効率を高める。

具体的な処理の一例を以下に示す。まず、未来時刻ｔ_１におけるＵＡＶ２００の位置Ｐ_１をＵＡＶ未来位置予想部１１８で予想する。次に、位置Ｐ_１の鉛直真下の座標を取得する。例えば、Ｐ_１（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１）である場合、Ｐ’（Ｘ_１，Ｙ_１）が求める地表の座標となる。次に、Ｐ’（Ｘ_１，Ｙ_１）を含む特定の領域をスキャン範囲として設定する。例えば、ＵＡＶ２００の進行方向に沿って特定の長さおよび幅のスキャン範囲を設定するならば、Ｐ’（Ｘ_１，Ｙ_１）が含まれる長さ３０ｍ、幅１０ｍの長方形のスキャン範囲を設定する。この処理を未来時刻ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４・・・ｔ_ｎにおいて行いスキャン範囲を刻々と設定する。

上記のようにレーザースキャンの範囲を設定することで、レーザースキャン密度が高まり、ＵＡＶ２００鉛直下方の位置に一致または極力近接する点を取得できる確率が高まる。よって、ＵＡＶ２００の対地高度の算出精度を高くできる。

飛行制御信号生成部１２０は、ＵＡＶ対地高度算出部１１７で算出されたＵＡＶ２００の対地高度に基づき、ＵＡＶ２００が予め定めた対地高度で飛行するようにする制御信号を生成する。この制御信号がＵＡＶ２００に送られ、ＵＡＶ２００の飛行制御が行われる。

以下、飛行制御信号生成部１２０で行われる処理の詳細について説明する。例えば、時刻ｔにおいて算出された対地高度がＺ_１であるとする。他方で、飛行計画における該当する位置における対地高度がＺ_０であるとする。この場合、Ｚ_１＜Ｚ_０であれば、対地高度がＺ_０になるようにＵＡＶを上昇させる制御信号が生成され、それがＵＡＶ２００に送られる。また、Ｚ_１＞Ｚ_０であれば、対地高度がＺ_０になるようにＵＡＶを下降させる制御信号が生成され、それがＵＡＶ２００に送られる。

以下の処理を飛行制御信号生成部１２０で行ってもよい。まず、飛行を開始した適当な時点でホバリングを行い、その時点におけるＵＡＶ２００の三次元位置をＴＳ１００の機能により取得する。また、この際におけるＵＡＶ２００の鉛直直下の地表面の三次元位置をレーザースキャナ１１２が得た点群データに基づいて取得する。また、飛行計画に基づき以後の予定飛行経路に沿った地表のレーザースキャン（予定飛行経路の鉛直下方の地表のレーザースキャン）を行い、該当する地表の点群データを得る。

そして、ホバリング地点を起点として以後の飛行するＵＡＶ２００の高度をレーザースキャンで得た飛行経路の鉛直下方の地表面の標高の変化に対応させて制御する。この場合、飛行予定の地点の標高（レーザースキャンで求めた標高）に基づき、高度の制御が行われる。つまり、対地高度が予定高度からずれたことを検出し、その差を是正する制御でなく、予定地点の標高をレーザースキャンで予め調べておき、その地点で予定の対地高度となるようにＵＡＶ２００の飛行制御が行われる。もちろん、予定した高度からずれる場合もあり、その場合は、図１の原理により求めた対地高度と予定高度との差に基づく高度の修正が行われる。

（処理の一例）
以下、ＴＳ１００で行われる処理の一例を説明する。図３は、処理の手順の一例を示すフローチャートである。図３の処理を実行するプログラムは、データ記憶部１０６等の適当な記憶領域に記憶され、そこから読み出されて実行される。当該プログラムを適当な記憶媒体やデータサーバ等に記憶させ、そこから読み出して実行する形態も可能である。

以下の処理において、ＴＳ１００の外部標定要素は予め取得されている。処理が開始されると、まずＵＡＶ２００の追跡が開始される（ステップＳ１０１）。この処理では反射プリズム２０２の探索が行われ、更に反射プリズム２０２の追跡が開始される。

反射プリズム２０２の探索は、ターゲット探索部１０２で行われ、反射プリズム２０２の追跡は、ＵＡＶ追跡制御部１１１で行われる。また、図３に図示されていないが、ターゲットである反射プリズム２０２が捕捉できた段階で反射プリズム２０２の測位を位置測定部１０７で行い、ＵＡＶ２００の位置のデータを得る。

次に、レーザースキャナ１１２のスキャン範囲が設定される（ステップＳ１０２）。この処理では、この段階で得られているＵＡＶ２００の位置に基づくスキャン範囲の設定が行われる。この処理は、レーザースキャン範囲設定部１１９で行われる。そして地表に向けてのレーザースキャンが開始され（ステップＳ１０３）、更にレーザースキャンによる地表の点群データを得る（ステップＳ１０４）。

次に、ＵＡＶ２００の測位を行う（ステップＳ１０５）。この処理は、位置測定部１０７で行われる。次に、ＵＡＶ２００の位置に対応した地表面の位置（経度，緯度、標高）、すなわち空中にあるＵＡＶ２００の鉛直真下の地表面の三次元位置をレーザースキャンによって得た点群データに基づいて取得する（ステップＳ１０６）。この処理は、ＵＡＶ対応地表位置取得部１１６で行われる。

次に、ステップＳ１０５で求めたＵＡＶの三次元位置と、ステップＳ１０６で求めたＵＡＶ２００の位置に対応した地表面の三次元位置とを差からＵＡＶ２００の対地高度を算出する（ステップＳ１０７）。この処理は、ＵＡＶ対地高度算出部１１７で行われる。

そして、ステップＳ１０８で算出した対地高度と予め定めた高度（飛行計画における予定対地高度）との差が予め定めた閾値以上であるか否か、が判定される（ステップＳ１０８）。ここで、上記高度の差が閾値以上である場合、算出された高度を予め定めた高度に修正するための制御信号が飛行制御信号生成部１２０で生成される。この制御信号は、ＵＡＶ２００に送られ、飛行高度の修正が行われる。また、上記高度の差が閾値未満である場合、ステップＳ１０２以下の処理を繰り返す。

（優位性）
飛行区域の地表の標高が正確に判っていなくてもレーザースキャンデータを利用して対地高度の正確な値が得られる。また計測した対地高度に予め定めた対地高度からのズレがあってもそれを適時修正することができる。

例えば、図４に示すような法面の写真測量をＵＡＶによって行う場合、法面に沿って特定の対地高度を維持しつつ飛行し、写真測量を行う必要がある。この際、本発明を利用すると法面の正確な測量データが得られていなくても、飛行するＵＡＶの対地高度が常に計測され、またこの計測の結果を受けてＵＡＶの対地高度が適宜修正される。

施工現場では、地形が日々変化している場合もあり、予め正確な標高のデータが用意できない場合がある。このような場合でも本発明を利用することで、ＵＡＶの正確な対地高度が得られ、また対地高度の制御が可能となる。

また、災害現場等において、地形が変化してしまい正確な地表の標高のデータがない場合であっても、飛行するＵＡＶの対地高度を把握でき、またＵＡＶを特定の対地高度で制御しながら飛ばすことができる。

２．第２の実施形態
ＵＡＶの対地高度に係る処理を独立した装置で行う例も可能である。図５には、ＵＡＶ対地高度情報処理装置２５０のブロック図が示されている。ＵＡＶ対地高度情報処理装置２５０は、通信装置１０８、制御用マイコン１１３、ＵＡＶ位置データ取得部１１４、レーザースキャンデータ取得部１１５、ＵＡＶ対応地表位置取得部１１６、ＵＡＶ対地高度算出部１１７、ＵＡＶ未来位置予想部１１８、レーザースキャン範囲設定部１１９、飛行制御信号生成部１２０を備える。

ＵＡＶ対地高度情報処理装置２５０における図２と同じ機能部の構成は、図２に関連し説明した内容と同じである。なお、制御用マイコン１１３は、ＵＡＶ対地高度情報処理装置２５０で行われる処理を統括して制御する。

ＵＡＶ対地高度情報処理装置２５０は、ＣＰＵおよびその他の演算回路を備えたコンピュータとして動作するハードウェアであり、汎用のコンピュータを利用して構成してもよいし、ＦＰＧＡ等を用いた専用のハードウェア（電子回路）で構成してもよい。

ＵＡＶ対地高度情報処理装置２５０は、第１の実施形態で説明した対地高度に係る処理を行い、ＵＡＶ２００の対地高度の算出およびＵＡＶの対地高度の制御を行う。ＵＡＶ対地高度情報処理装置２５０は、汎用のＴＳと協同して用いられる。この場合、ＵＡＶ２００の追跡と測位は、汎用のＴＳを用いて行われる。また、通信部１２２を用いてＴＳおよびＵＡＶとの間で通信が行われる。

具体的には、ＵＡＶ対地高度情報処理装置２５０は、汎用のＴＳからＵＡＶの位置データとレーザースキャンデータを取得し、更にＴＳにスキャン範囲の指示を行う。また、ＵＡＶに対して対地高度の制御を行う。

３．第３の実施形態
図６には、本発明を利用した他の例のシステムが記載されている。この例では、ＴＳは利用せず、独立したレーザースキャナ５００を用いる。またこの例では、ＵＡＶ対地高度情報処理装置４００を用いる。

図７にＵＡＶ対地高度情報処理装置４００のブロック図を示す。ＵＡＶ対地高度情報処理装置４００は、通信装置１０８、制御用マイコン１１３、ＵＡＶ位置データ取得部１１４、レーザースキャンデータ取得部１１５、ＵＡＶ対応地表位置取得部１１６、ＵＡＶ対地高度算出部１１７、ＵＡＶ未来位置予想部１１８、レーザースキャン範囲設定部１１９、飛行制御信号生成部１２０、ＵＡＶ測位部１２１を備える。

ＵＡＶ対地高度情報処理装置４００における図２と同じ機能部の構成は、図２に関連し説明した内容と同じである。なお、制御用マイコン１１３は、ＵＡＶ対地高度情報処理装置２５０で行われる処理を統括して制御する。

ＵＡＶ対地高度情報処理装置４００は、コンピュータとして動作するハードウェアであり、汎用のコンピュータを利用して構成してもよいし、ＦＰＧＡ等を用いた専用のハードウェア（電子回路）で構成してもよい。

この例では、ＵＡＶ２００とＵＡＶ対地高度情報処理装置４００とは通信が可能となっている。通信は、無線ＬＡＮ規格等の公知の無線通信規格が利用される。ＵＡＶ２００はＧＮＳＳ装置を備え、そこで計測されたＵＡＶ２００の位置データ（経度、緯度、高度）がＵＡＶ位置データ取得部１１４で取得される。

ＵＡＶ測位部１２１は、相対測位によりＵＡＶ２００の測位を行う。この処理は以下のようにして行われる。この例において、レーザースキャナ５００は、既知の位置に設置され、その外部標定要素は予め取得されている。また、その設置位置は、図示しない高精度ＧＮＳＳ装置を用いて継続して測位されている。他方でＵＡＶ２００は、通信装置１０８を介して自身の測位データをＵＡＶ測位部１２１に送る。ＵＡＶ測位部１２１では、上記の高精度ＧＮＳＳ装置の測位データとＵＡＶ２００から送られてきた測位データとを用いてＵＡＶ２００の相対測位を行う。

ＵＡＶ対地高度情報処理装置４００には、ＵＡＶ２００からの測位データとレーザースキャナ５００からの測位データが入力される。そして、この２つの測位データに基づくＵＡＶ２００の相対測位がＵＡＶ測位部１２１で行われる。このＵＡＶ２００に係る相対測位データがＵＡＶ位置データ取得部１１４で取得される。なお、レーザースキャンに係る処理は、第１の実施形態の場合と同じである。

４．その他
ＴＳを複数台用いることもできる。ＴＳとレーザースキャナを別々に用いることもできる。この場合、ＴＳとレーザースキャナの位置が離れていてもよい。ただし、ＴＳとレーザースキャナの外部標定要素は予め取得しておく。

遠隔操作でＵＡＶを操縦する場合に、本発明を利用してＵＡＶの対地高度を常に監視し、その結果をオペレータに報知する形態も可能である。また、規定の対地高度からずれた場合にそれをオペレータに報知する形態も可能である。本発明の対象となるのは、無人航空機が主であるが、有人航空機であってもよい。

対地高度として、地表面に垂直な方向における地表面とＵＡＶ（航空機）との距離を採用することもできる。例えば、傾斜面の写真測量の場合、傾斜面に垂直な方向における地表面とＵＡＶとの距離が問題とされる場合が考えられる。この場合、地表面に垂直な方向で見た方向線上における地表面とＵＡＶとの間の距離を対地高度として採用する。

この場合、地表面のレーザースキャンデータにおいて、地表面を９点×９点や１５点×１５点等で構成される多数の局所領域に分割する。そして、各局所領域にフィッティングする平面を求め、この平面の垂線を求める。そしてこの垂線上にＵＡＶが位置する局所領域を探し出し、当該局所領域に垂直な方向における当該局所領域とＵＡＶとの間の距離を対地高度として求める。

地表面の平坦性が良好な場合、上記の局所領域を広域な範囲としてもよい。なお、地表面が水平面であるなら、この場合の対地高度と第１の実施形態における対地高度とは一致する。

レーザースキャナ１１２や５００としてスキャンを電子式に行う電子式レーザースキャナを用いることもできる。電子式レーザースキャナでは、測距光の指向方向の制御を機械式のミラーではなく、電子式（solid state optical phased array方式）で行う。この技術に関しては、例えば米国公開公報ＵＳ２０１５／０２９３２２４号公報に記載されている。

１００…ＴＳ（トータルステーション）、２００…ＵＡＶ、２０１…カメラ、２００…反射プリズム。

Claims (7)

1. レーザースキャナを備えたトータルステーションにより測位された飛行する航空機の三次元位置Ｐ_１を取得する航空機位置取得部と、
   前記Ｐ_１に対応する地表に対する前記レーザースキャナによるレーザースキャンにより得たレーザースキャンデータに基づき、前記飛行する航空機の位置に対応する地表位置Ｐ_２のデータを取得する地表位置取得部と、
   前記Ｐ_１と前記Ｐ_２の差に基づき前記航空機の対地高度を算出する対地高度算出部と
   を備える無人航空機に係る情報処理装置。
2. 飛行する航空機の三次元位置Ｐ _１ を取得する航空機位置取得部と、
   前記Ｐ _１ に対応する地表に対するレーザースキャンデータに基づき、前記飛行する航空機の位置に対応する地表位置Ｐ _２ のデータを取得する地表位置取得部と、
   前記Ｐ _１ と前記Ｐ _２ の差に基づき前記航空機の対地高度を算出する対地高度算出部と、
   前記航空機の飛行計画および／または前記航空機の飛行軌跡に基づき前記航空機の未来位置を予想する未来位置予想部と、
   前記未来位置に基づき、前記レーザースキャンデータを取得するためのスキャン範囲の設定を行うスキャン範囲設定部と
   を備える情報処理装置。
3. 飛行する航空機の三次元位置Ｐ _１ を取得する航空機位置取得部と、
   前記Ｐ _１ に対応する地表に対するレーザースキャンデータに基づき、前記飛行する航空機の位置に対応する地表位置Ｐ _２ のデータを取得する地表位置取得部と、
   前記Ｐ _１ と前記Ｐ _２ の差に基づき前記航空機の対地高度を算出する対地高度算出部と、
   前記対地高度算出部が算出した対地高度と予め定められた対地高度との差を減少させるための飛行制御を行うための制御信号を生成する制御信号生成部と
   を備える情報処理装置。
4. 飛行する航空機の三次元位置Ｐ _１ を取得する航空機位置取得部と、
   前記Ｐ _１ に対応する地表に対するレーザースキャンデータに基づき、前記飛行する航空機の位置に対応する地表位置Ｐ _２ のデータを取得する地表位置取得部と、
   前記Ｐ _１ と前記Ｐ _２ の差に基づき前記航空機の対地高度を算出する対地高度算出部と
   を備え、
   前記地表位置取得部は、前記レーザースキャンデータにおける前記Ｐ_２の位置を囲む複数の点の座標に基づき前記対地高度の算出を行う情報処理装置。
5. 飛行する航空機の三次元位置Ｐ _１ を取得する航空機位置取得部と、
   前記Ｐ _１ に対応する地表に対するレーザースキャンデータに基づき、前記飛行する航空機の位置に対応する地表位置Ｐ _２ のデータを取得する地表位置取得部と、
   前記Ｐ _１ と前記Ｐ _２ の差に基づき前記航空機の対地高度を算出する対地高度算出部と
   を備え、
   前記Ｐ_１の位置は、飛行予定の位置であり、
   前記対地高度は、前記飛行予定の位置における値である情報処理装置。
6. レーザースキャナを備えたトータルステーションにより測位された飛行する航空機の三次元位置Ｐ_１を取得する航空機位置取得ステップと、
   前記Ｐ_１に対応する地表に対する前記レーザースキャナによるレーザースキャンにより得たレーザースキャンデータに基づき、前記飛行する航空機の位置に対応する地表位置Ｐ_２のデータを取得する地表位置取得ステップと、
   前記Ｐ_１と前記Ｐ_２の差に基づき前記航空機の対地高度を算出する対地高度算出ステップと
   を備える無人航空機に係る情報処理方法。
7. コンピュータに読み取らせて実行させるプログラムであって、
   コンピュータを
   レーザースキャナを備えたトータルステーションにより測位された飛行する航空機の三次元位置Ｐ_１を取得する航空機位置取得部と、
   前記Ｐ_１に対応する地表に対する前記レーザースキャナによるレーザースキャンにより得たレーザースキャンデータに基づき、前記飛行する航空機の位置に対応する地表位置Ｐ_２のデータを取得する地表位置取得部と、
   前記Ｐ_１と前記Ｐ_２の差に基づき前記航空機の対地高度を算出する対地高度算出部として機能させる情報処理用プログラム。

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