JP7008079B2

JP7008079B2 - 無人移動体制御装置、無人移動体制御方法、及び無人移動体システム

Info

Publication number: JP7008079B2
Application number: JP2019545408A
Authority: JP
Inventors: 敦松本
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2037-09-26
Also published as: JPWO2019064329A1; WO2019064329A1

Description

本発明は、同時に活動する複数の無人移動体（例えばドローン）を適切に制御する無人移動体制御装置、無人移動体制御方法、及び無人移動体システムに関する。

無人の飛行体であるドローンが、近年、空中撮影、農薬散布等の農業上の利用、物流分野、災害時の監視用等に広く用いられており、更に、これら以外でも様々な分野での使用も進んでいる。ドローンの飛行の制御には、ユーザの直接的な遠隔操縦（無線操縦）によるものと、ユーザによる直接的な制御を不要とした自律的な制御が行われるのものがある。また、特定の目的のために複数のドローンを同時に飛行させることも行われ、特許文献１には、災害時において複数のドローンの制御を避難誘導のために最適に制御するシステムが記載されている。

また、一般にはドローンは電動の動力で飛行し、その動力源としてはバッテリ（蓄電池）が用いられる。このため、電池残量が少なくなった場合には、ドローンを充電設備のある場所に着地させ、この着地地点で充電を行う作業が必要となる。

特開２０１７－５６８９９号公報

充電を行わせるためには、所定の場所に正確にドローンを着地させることが必要となる。この際、電力の無駄な消費を低減するためには、着地に要するまでの時間を極力短くすることが必要となる。更に、複数のドローンが同時に飛行している場合には、この動作の際に互いの衝突を防止することも要求される。こうした動作を自律的に行わせることができることが求められた。

本発明は、このような状況に鑑みなされたもので、上記課題を解決することを目的とする。

本発明は、予め定められた目的で予め定められた目的地に着地するように自律制御された無人移動体が複数用いられる際に、当該無人移動体が、前記目的地に達するまでの間において予め定められた着地地点に誘導するように遠隔操作する無人移動体制御装置であって、前記無人移動体は蓄電池を動力源とし、前記着地地点には前記蓄電池の充電を行うための設備が設けられ、複数の前記無人移動体の各々における識別情報、前記目的、前記目的地、前記蓄電池の電池残量、及び位置情報を含む無人移動体情報を記憶するデータ記憶手段と、前記無人移動体情報を参照することによって、各前記無人移動体を、互いの衝突が抑制されるように前記着地地点に誘導する制御を行う制御手段と、を具備し、前記制御手段は、前記着地地点において充電中の第１の前記無人移動体の前記電池残量及び前記目的地と、当該着地地点に誘導される第２の前記無人移動体の前記電池残量及び前記目的地に基づき、前記第１の前記無人移動体の前記目的及び前記目的地と、前記第２の前記無人移動体の前記目的及び前記目的地とを入れ替える指示を出す。
また、前記制御手段は、鉛直方向、水平方向の少なくともどちらか一方において、前記無人移動体の飛行を禁止する領域を前記無人移動体に指示する。
また、複数の前記着地地点が設定され、前記制御手段は、前記無人移動体の各々が誘導される前記着地地点を定める。
また、前記無人移動体は配送のために用いられる。
また、本発明の無人移動体制御方法は、前記無人移動体制御装置が用いられ、前記制御手段は、前記無人移動体の各々と、前記着地地点の各々との間の距離に応じて、前記無人移動体の各々が誘導される前記着地地点を定める。
また、前記制御手段は、前記無人移動体における前記電池残量に応じて、前記無人移動体の各々が誘導される前記着地地点を定める。
また、本発明の無人移動体システムにおいては、前記無人移動体制御装置を複数具備し、前記無人移動体情報が全ての前記無人移動体制御装置間で共有される。
また、前記無人移動体制御装置が前記着地地点毎に設けられ、前記無人移動体情報が全ての前記無人移動体制御装置間で共有される。
また、前記無人移動体制御装置は、前記着地地点における地上と、前記着地地点の上空の２カ所にそれぞれ設けられる。

本発明によると、無人移動体を定められた場所に正確かつ効率的に着地させることができる。

実施形態に係る無人移動体システムにおける、地上側着地装置（無人移動体制御装置）の構成を示すブロック図である。実施形態に係る無人移動体システムにおける、上空側着地装置（無人移動体制御装置）の構成を示すブロック図である。２機のドローンが同一の着地地点に着地しようとしている際の飛行ルートを鉛直方向において示す図である。２機のドローンが同一の着地地点に着地しようとしている際の飛行ルートを水平方向において示す図である。地上と上空に無人移動体制御装置を配した際に２機のドローンが同一の着地地点に着地しようとしている際の状況を鉛直方向において示す図である。１機のドローンに対して２つの着地地点が存在する場合の状況を鉛直方向において示す図である。２機のドローンに対して２つの着地地点が存在する場合の状況を水平方向において示す図である。

次に、本発明を実施するための形態を、図面を参照して具体的に説明する。ここでは、無人移動体として、無人飛行体であるドローンが荷物の配送のために複数同時に用いられるものとする。各ドローンには、それぞれの目的のために目的地が設定されて飛行するが、使用される蓄電池の電池残量に応じ、ある定まった地点（着地地点）に着地して蓄電池に対して充電が行われるものとする。ここで、本発明の実施の形態に係る無人移動体システムは、着地地点（地上）側に設けられた地上側着地装置と、上空（飛行体）に設けられた上空側着地装置とで構成される。また、このような着地地点は、地上における異なる箇所に複数設けられていてもよく、この場合にはこれに応じて地上側着地装置も複数設けられる。

また、ここで制御の対象となるドローンは、自律的な制御によって飛行する。このため、このドローンは、ＧＰＳ信号を受信する、あるいは各種のセンサを具備することによって自己の位置を認識し、設定された航路に沿って目的地まで飛行することができるものとする。この際、地上側着地装置、上空側着地装置は、共にドローンと通信することによってドローンの現在の位置を認識することができる。こうしたドローンの構成は、例えば特許文献１に記載されたものと同様である。

図１は、本発明の実施の形態に係る無人移動体システムにおける、地上側着地装置（無人移動体制御装置）１０の構成を示すブロック図である。この地上側着地装置１０は、後述する上空側着地装置２０や各ドローンと相互通信を行う。このため、地上側着地装置１０においては、データの送信機能を具備する送信部１１、データの受信機能を具備する受信部１２、送受信アンテナ１３が設けられる。また、後述する各種のデータを記憶するデータ記憶部（データ記憶手段）１４、地上側着地装置１０全体の制御を行いデータの送受信を行わせるＣＰＵである制御部（制御手段）１５が用いられる。着地地点が離間した箇所に複数設定される場合には、その各々に地上側着地装置１０が設けられる。

図２は、上空側着地装置（無人移動体制御装置）２０の構成を示すブロック図である。上空側着地装置２０においても、データの送信機能を具備する送信部２１、データの受信機能を具備する受信部２２、送受信アンテナ２３が設けられる。また、データを記憶するデータ記憶部（データ記憶手段）２４、上空側着地装置２０全体の制御を行いデータの送受信を行わせるＣＰＵである制御部（制御手段）２５が用いられる。上空側着地装置２０は、地上側着地装置１０の上空、例えばドローンの飛行高度よりも高い領域に設けられる。この際、前記の地上側着地装置１０が離間した箇所に複数設けられる場合には、各々の上空に上空側着地装置２０も設けられる。

また、制御部１５、制御部２５は、ドローンの飛行に関する指示、例えば飛行が禁止される領域の指示をドローンに送信することができる。各ドローンは、自律的な制御によって通常は目的地までの最短距離をほぼ直線的に飛行するが、制御部１５、２５からこの情報を受け取った場合には、飛行が禁止される領域を避けた上での最短距離で飛行するように制御される。

地上のデータ記憶部１４に記憶され、ドローンの制御に利用される情報について説明する。この情報は、地上側着地装置１０が設置された着地地点に関する情報である基地情報と、現在この着地地点に着地しているドローンに関する情報である着地中ドローン情報（無人移動体情報）とに大別される。

基地情報としては、この着地地点の識別情報（個別ＩＤ）、位置情報（座標）等がある。これらの情報は、この着地地点に応じて定められ、以降の説明においては書き換えられることはない状態でデータ記憶部１４に記憶されている。着地地点及び地上側着地装置１０が複数設定される場合には、互いに異なる識別情報、位置情報が設定される。

また、各ドローンには、識別情報（個別ＩＤ）が設定されており、着地中ドローン情報は、現在この着地地点に着地中のドローンの識別情報、及びそのドローンにおける現時点での蓄電池の充電状況を示す充電ステータス（電池残量）等がある。また、着地中のドローンが例えば配送のために用いられる場合には、現時点から配送までに要求される時間（移動要求時間）、目的、目的地も、この着地中ドローン情報に含まれる。

上空のデータ記憶部２４においても、上記の基地情報が記憶される。また、データ記憶部２４は、現在飛行中のドローンに関する情報である周辺ドローン情報（無人移動体情報）も記憶される。周辺ドローン情報は、制御部２５が周辺のドローンと通信することによって入手された現在飛行中のドローンに関する情報であり、その中には、上記の着地中ドローン情報と同様に、現在飛行中の各ドローンにおける識別情報、充電ステータス（電池残量）、移動要求時間、目的、目的地等が含まれる。

地上の制御部１５と上空の制御部２５とは常時通信が可能であるため、実際には、地上の制御部１５が上空のデータ記憶部２４内の情報を、上空の制御部２５が地上のデータ記憶部１４内の情報を、それぞれアクセスすることがで、上記の各種情報は、全ての地上側着地装置１０、上空側着地装置２０間で共有することができる。

これらの情報を用いたドローンの制御の例について説明する。ここで、以降に説明する制御においては、複数の制御部１５、制御部２５が用いられるが、上記の情報はどの制御部１５、制御部２５も共用されるため、共通の着地中ドローン情報、周辺ドローン情報を用いて、実際にはどの制御部１５、制御部２５を用いても同様の制御を行うことができる。このため、実際には、以下に説明するような、ドローンに対する直接的な制御はこれらのうちで一つの制御部１５又は制御部２５が行うものとし、他の制御部１５、制御部２５は、これ以外の制御のみを行う設定としてもよい。

図３は、２機のドローンＤ１、Ｄ２が地上側着地装置１０が設置された着地地点Ａに充電のために着地しようとしている状況を鉛直面に沿って模式的に示す図である。ここでは、便宜上着地地点Ａよりも地上側着地装置１０が大きく記載されているが、実際には着地地点Ａは一定の面積をもつ領域であり、地上側着地装置１０はその中に設置されている。以降の図においても同様である。前記の通り、ドローンＤ１、Ｄ２は共に自律的に飛行するために、共に着地地点Ａに向けて飛行をすることができる。ここでは、着地地点Ａにおける地上側着地装置１０における制御部１５は、直接あるいはその上空の上空側着地装置２０を介してドローンＤ１、Ｄ２の現在の位置を認識することができ、かつ、共に目的地が着地地点Ａであることを認識することができる。

このため、制御部１５は、ドローンＤ１とドローンＤ２とが同時に着地地点Ａに向かっていることを認識することができる。ここで、例えばドローンＤ１を優先させる場合には、図３において、飛行可能ゾーンＶ１と、衝突回避ゾーンＶ２を設定することができる。制御部１５は、この旨をドローンＤ１とドローンＤ２に送信することができる。ドローンＤ１、ドローンＤ２は、それぞれこの情報と自己の位置情報に基づいて飛行をすることができる。

図３より、衝突回避ゾーンＶ２は、優先されるドローンＤ１の飛行には無関係であり、ドローンＤ２の飛行のみに影響を及ぼす。このため、ドローンＤ１は、飛行可能ゾーンＶ１内をほぼ最短距離で直線的に着地地点Ａに向けて飛行することができる。一方、ドローンＤ２は、進行方向において衝突回避ゾーンＶ２が設けられたために、最短距離で直線的に着地地点Ａに向けて飛行することが禁止され、飛行可能ゾーンＶ１内で、衝突回避ゾーンＶ２の上を水平飛行した後に着地地点Ａに向けて降下するように制御される。制御部１５又は制御部２５は、ドローンＤ１、Ｄ２の飛行速度やこれらの軌道の位置精度等に応じて、衝突回避ゾーンＶ２の大きさ（高さ）を設定することができる。特に、上記のような衝突を回避するための制御を、衝突回避ゾーンＶ２を設定することのみによって行うことができる。

図３においては、ドローンＤ１、Ｄ２の飛行状況が鉛直面に沿って示されていたが、水平方向においても同様である。図４においては、下降中のドローンＤ１、Ｄ２に対する、飛行可能な領域である飛行可能ゾーンＨ１、飛行が禁止された領域である衝突回避ゾーンＨ２を設定した一例である。ここでは、飛行可能ゾーンＨ１、衝突回避ゾーンＨ２は、着地地点Ａを中心とした周囲を分割して形成されている。この場合には、ドローンＤ１が飛行する飛行可能ゾーンＨ１（図中上側）とドローンＤ２が飛行する飛行可能ゾーンＨ１（図中下側）とを、衝突回避ゾーンＨ２によって分断することができる。このため、上記と同様に、衝突回避ゾーンＨ２を設けることによって、ドローンＤ１、Ｄ２の飛行中の衝突を防止することができる。

上記の例では、ドローンＤ１、Ｄ２は、着地地点Ａにある地上側着地装置１０（制御部１５）から衝突回避ゾーンに関する指示を受けることができる。しかしながら、実際には、地上側着地装置１０は地上に設置されるため、特にドローンＤ１、Ｄ２と着地地点Ａとの間の距離が遠い場合には、ドローンＤ１、Ｄ２と地上側着地装置１０との間の通信に対して、建造物等が障害となる場合も多い。こうした場合においては、図５にその鉛直面に沿った構成を示すように、高高度にある上空側着地装置２０（制御部２５）を上記の地上側着地装置１０（制御部１５）の代わりに用いて、同様の操作を行うことができる。ここで、上記のようなドローンＤ１、Ｄ２と地上側着地装置１０との間の位置関係とは異なり、上空側着地装置２０を地上側着地装置１０の直上とすれば、上空側着地装置２０と地上側着地装置１０との間の通信の障害を少なくすることができるため、地上側着地装置１０におけるデータ記憶部１４内の情報を利用して上空側着地装置２０がドローンＤ１、Ｄ２に指示を出すことに対する障害は少ない。

次に、着地地点が複数ある場合における制御について説明する。図６は、２つの着地地点Ａ１、Ａ２が設定され、１機のドローンＤ１がその周囲を飛行する状況を鉛直面に沿って示す図である。ドローンＤ１の電池残量が少なく、充電の必要性が高まった場合には、着地地点Ａ１における地上側着地装置１０、着地地点Ａ２における地上側着地装置１０は、直接あるいはそれぞれに対応した上空側着地装置２０を介して、共にこれを認識することができ、着地地点Ａ１とドローンＤ１との間の距離、着地地点Ａ２とドローンＤ２との間の距離も認識することができる。このため、制御部１５あるいは制御部２５は、着地地点Ａ１、Ａ２のうちドローンＤ１との間の距離が近い方を、それぞれ目的地とするようにドローンＤ１に指示をすることができる。

ただし、例えば着地地点Ａ２の方がこの距離が短いが、各々の着地地点における地上側着地装置１０において制御部１５が着地中ドローン情報を参照し、着地地点Ａ２においては多くのドローンが既に着地しており充電設備に空きがなく着地地点Ａ１においては空きがあると認識された場合には、より距離が遠くともドローンＤ１を着地地点Ａ１に誘導することが好ましい。この場合には、いずれかの箇所にある制御部１５あるいは制御部２５は、着地地点Ａ１、Ａ２における着地中ドローン情報に基づいて、こうした指示をドローンＤ１に対して行うことができる。

次に、２つの着地地点Ａ１、Ａ２が設定され、２つのドローンＤ１、Ｄ２が用いられる場合の例について説明する。ここで、着地地点Ａ１、Ａ２のどちらにおいても、充電設備には十分空きがある（着地中のドローンの数が少ない）ものとする。この場合には、ドローンＤ１、Ｄ２と着地地点Ａ１、Ａ２までの距離と、ドローンＤ１、Ｄ２における電池残量を考慮して、ドローンＤ１、Ｄ２が着地する目的地を定めることができる。

図７は、こうした状況を示す平面図である。ここで、着地地点Ａ１、Ａ２における地上側着地装置１０は上空側着地装置２０と重複するため、その記載は省略されている。着地地点Ａ２の近傍にいるドローンＤ１の電池残量は９０％（電池残量が大きい状態）であり、着地地点Ａ１よりも着地地点Ａ２に近い。一方、着地地点Ａ２までの距離がドローンＤ１よりも遠いドローンＤ２の電池残量は２０％（電池残量が小さい状態）であるものとする。この場合、制御部１５、制御部２５は、上記の周辺ドローン情報を参照して、ドローンＤ１、Ｄ２の電池残量を認識することができる。また、上記の通り、ドローンＤ１、Ｄ２の位置と着地地点Ａ１、Ａ２の位置を認識することができるため、ドローンＤ１、Ｄ２と着地地点Ａ１、Ａ２との間の現在の距離も認識することができる。

制御部１５、制御部２５は、この電池残量とこの距離とを考慮した上で、ドローンＤ１、Ｄ２の向かうべき着地地点を決定することができる。例えば、電池残量が２０％以下である場合にはこのドローンの充電に対する緊急性が高く、他のドローンの位置に関わらず、電池残量が２０％以下であるドローンを最も近くの着地地点に誘導することを優先的に決定することができる。この場合、他のドローンはこの着地地点以外の着地地点に誘導すればよく、この着地地点とこのドローンとを除外した残りのドローンと残りの着地地点について、例えば距離に応じて着地地点を設定すればよい。こうした制御によって、図７において、ドローンＤ２を着地地点Ａ２に誘導し、ドローンＤ１を着地地点Ａ１に誘導することができる。

また、図７の例において、例えば着地地点Ａ２において、多数のドローンが着地しており充電設備に現在空きがない場合がある。こうした場合においては、制御部１５、制御部２５は、着地中ドローン情報を参照し、現在充電中のドローンの目的地を認識することによって目的地までの飛行距離や移動要求時間を認識する。これらのデータと現在の電池残量を考慮し、現状の電池残量でもこの飛行が十分に可能であると認識されたドローンに対する充電作業を中止して離陸させ、その後にドローンＤ２を着地地点Ａ２に着地させることができる。

また、特に多数のドローンが用いられる場合において、制御部１５、制御部２５は、共通の着地中ドローン情報、周辺ドローン情報によって、各着地地点に着地中のドローン、飛行中のドローンの配送における目的、目的地を認識することができる。このため、配送を効率的に行わせるために、ドローンの目的、目的地を適宜入れ替えることが可能であり、制御部１５、制御部２５は、この制御をする、あるいはこの指示を管理者に対して行わせることもできる。

例えば、図７において、着地地点Ａ２において充電中のドローンは存在しているものの充電設備に空きがあり、上記のようにドローンＤ２を着地地点Ａ２に着地させた場合において、制御部１５、制御部２５は、着地中ドローン情報を参照し、現在充電中のドローンの移動要求時間、新たに着地したドローンＤ２の移動要求時間を認識することができる。ここで、後者の移動要求時間が前者の移動要求時間よりも大幅に短い場合には、現在充電中のドローンの目的、目的地と、新たに着地したドローンＤ２の目的、目的地とを入れ替えることが可能である。すなわち、充電中のドローンに委ねられた配送と、新たに着地したドローンＤ２に委ねられた配送とを入れ替えることによって、配送作業全体を効率化することができる。

この場合には、着地地点Ａ２における制御部１５は、着地地点Ａ２の管理者（人間）に対して、ディスプレイ等を介して、これらのドローンの積荷を入れ替えるように指示することができる。各ドローンにおけるデータとしての目的、目的地の入れ替えは、制御部１５が行っても、制御部１５がこの指示を管理者に対して行う設定としてもよい。

すなわち、上記の着地装置を用いることにより、特に複数のドローンを同時に用いて配送を行う際に、充電作業、配送作業を、効率的に行うことができる。ただし、配送以外の目的、例えば地上の監視等の目的においても、同様の制御が可能であることは明らかである。

更に、上記の例では、着地地点で充電が行われるものとしたが、充電に限らず、ある定められた着地地点に複数のドローンを着地させる場合には、図３、４に示した制御が有効であることも明らかである。上記の例における着地中ドローン情報、周辺ドローン情報の内容は、ドローンの目的や着地地点で行われる作業内容等に応じて適宜設定される。

更に、上記の例では、無人移動体がドローンであるものとしたが、複数同時に飛行し、自律的な制御が行われる無人の移動体に対して、同様の制御を行うことが可能である。なお、ここで、「無人」とは、移動体の制御をするための人間が搭乗しないことを意味し、移動体の制御を行わない人間がこの移動体に登場する場合には、「無人」であるものとする。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１０地上側着地装置（無人移動体制御装置）
１１、２１送信部
１２、２２受信部
１３、２３送受信アンテナ
１４、２４データ記憶部（データ記憶手段）
１５、２５制御部（制御手段）
２０上空側着地装置（無人移動体制御装置）
Ａ、Ａ１、Ａ２着地地点
Ｄ１、Ｄ２ドローン（無人移動体）
Ｖ１、Ｈ１飛行可能ゾーン
Ｖ２、Ｈ２衝突回避ゾーン

Claims

予め定められた目的で予め定められた目的地に着地するように自律制御された無人移動体が複数用いられる際に、当該無人移動体が、前記目的地に達するまでの間において予め定められた着地地点に誘導するように遠隔操作する無人移動体制御装置であって、
前記無人移動体は蓄電池を動力源とし、
前記着地地点には前記蓄電池の充電を行うための設備が設けられ、
複数の前記無人移動体の各々における識別情報、前記目的、前記目的地、前記蓄電池の電池残量、及び位置情報を含む無人移動体情報を記憶するデータ記憶手段と、
前記無人移動体情報を参照することによって、各前記無人移動体を、互いの衝突が抑制されるように前記着地地点に誘導する制御を行う制御手段と、
を具備し、
前記制御手段は、
前記着地地点において充電中の第１の前記無人移動体の前記電池残量及び前記目的地と、当該着地地点に誘導される第２の前記無人移動体の前記電池残量及び前記目的地に基づき、前記第１の前記無人移動体の前記目的及び前記目的地と、前記第２の前記無人移動体の前記目的及び前記目的地とを入れ替える指示を出すことを特徴とする無人移動体制御装置。
前記制御手段は、
鉛直方向、水平方向の少なくともどちらか一方において、前記無人移動体の飛行を禁止する領域を前記無人移動体に指示することを特徴とする請求項１に記載の無人移動体制御装置。
複数の前記着地地点が設定され、
前記制御手段は、
前記無人移動体の各々が誘導される前記着地地点を定めることを特徴とする請求項１に記載の無人移動体制御装置。
前記無人移動体は配送のために用いられることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の無人移動体制御装置。
請求項３に記載の無人移動体制御装置が用いられ、
前記制御手段は、
前記無人移動体の各々と、前記着地地点の各々との間の距離に応じて、前記無人移動体の各々が誘導される前記着地地点を定めることを特徴とする無人移動体制御方法。
前記制御手段は、
前記無人移動体における前記電池残量に応じて、前記無人移動体の各々が誘導される前記着地地点を定めることを特徴とする請求項５に記載の無人移動体制御方法。
請求項１に記載の無人移動体制御装置を複数具備し、前記無人移動体情報が全ての前記無人移動体制御装置間で共有されることを特徴とする無人移動体システム。
請求項３に記載の無人移動体制御装置が前記着地地点毎に設けられ、前記無人移動体情報が全ての前記無人移動体制御装置間で共有されることを特徴とする無人移動体システム。
前記無人移動体制御装置は、前記着地地点における地上と、前記着地地点の上空の２カ所にそれぞれ設けられたことを特徴とする請求項８に記載の無人移動体システム。