JP7016081B2 - 無人航空機の飛行計画経路を修正するためのシステム、方法、プログラム及びプログラムを記憶した記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、無人航空機の飛行計画経路を修正するためのシステム、方法、プログラム及びプログラムを記憶した記憶媒体に関する。

無人航空機の飛行においては、バッテリの消費電力を抑制することが求められる。下記特許文献１は、過去の気象条件に基づいて、出発時刻を補正する等することによって、無人航空機のバッテリの消費電力を抑制した飛行計画を作成する技術が提案されている。

特開２０１９－１２１４０５号公報

しかしながら、無人航空機のエネルギー消費を抑制する飛行計画を作成するための更なる手法が依然として求められている。

そこで、本発明は、無人航空機のエネルギー消費を抑制する飛行計画を作成するための更なるシステム及び方法を提供することを目的の１つとする。

本発明の１つの態様は、無人航空機の通過可能領域が定められた地図を参照して、前記無人航空機の飛行計画経路を修正する飛行計画経路修正システムであって、前記飛行計画経路は、始点Ｐｓ、ウェイポイントＰ１，Ｐ２，・・・，Ｐｊ（ｊは自然数）、終点Ｐｅが順に直線で結ばれた経路であり、前記飛行計画経路の各ウェイポイントについて、各ウェイポイントから所定の距離だけ離れた少なくとも１つの候補点であって、前記候補点が複数の場合は互いに異なる候補点を生成する候補点生成部と、始点Ｐｓと、前記ウェイポイントＰ１又は前記ウェイポイントＰ１についての候補点、前記ウェイポイントＰ２又は前記ウェイポイントＰ２についての候補点、・・・、前記ウェイポイントＰｊ又は前記ウェイポイントＰｊについての候補点の一部又は全部と、終点Ｐｅとが順に直線で結ばれた経路であって、前記通過可能領域を通過可能な、前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路を探索する飛行計画経路探索部と、探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路が１つであった場合、探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路を新たな飛行計画経路とし、探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路が複数であった場合、探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路のうちの１つを選択し、新たな飛行計画経路とする飛行計画経路設定部とを備えるシステムを提供するものである。

前記候補点はランダムに生成されるものとすることができる。

前記候補点は、その座標が、前記ウェイポイントの座標を(ｘ，ｙ)としたとき、(ｘ＋Δｘｃｏｓ(２πｒ)，ｙ＋Δｙｓｉｎ(２πｒ))(ｒは０～１の間の乱数)であるものとすることができる。

探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路が複数であった場合に選択される前記探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路のうちの１つは、始点Ｐｓから終点Ｐｅまでの経路の距離が最小となる経路であるものとすることができる。

前記飛行計画経路探索部は、深度ｋの探索において、前記飛行計画経路の前記ウェイポイントＰ１又は前記ウェイポイントＰ１についての候補点、前記ウェイポイントＰ２又は前記ウェイポイントＰ２についての候補点、・・・、前記ウェイポイントＰｊ又は前記ウェイポイントＰｊについての候補点のうちのｋ個の点を通過しない（ｊ＋１－ｋ）個の経路パターンの各々について、前記通過可能領域を通過可能な、生成された前記候補点に対応する候補経路を探索することによって、前記通過可能領域を通過可能な、前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路を探索するものとすることができる。

前記始点Ｐｓは、前記無人航空機の現在の飛行地点であり、前記終点Ｐｅは、前記無人航空機の目的地点であるものとすることができる。

本発明の１つの態様は、前記システムを搭載した無人航空機を提供するものである。

本発明の１つの態様は、無人航空機の通過可能領域が定められた地図を参照して、前記無人航空機の飛行計画経路を修正する、コンピュータによって実行される方法であって、前記飛行計画経路は、始点Ｐｓ、ウェイポイントＰ１，Ｐ２，・・・，Ｐｊ（ｊは自然数）、終点Ｐｅが順に直線で結ばれた経路であり、前記飛行計画経路の各ウェイポイントについて、各ウェイポイントから所定の距離だけ離れた少なくとも１つの候補点であって、前記候補点が複数の場合は互いに異なる候補点を生成するステップと、始点Ｐｓと、前記ウェイポイントＰ１又は前記ウェイポイントＰ１についての候補点、前記ウェイポイントＰ２又は前記ウェイポイントＰ２についての候補点、・・・、前記ウェイポイントＰｊ又は前記ウェイポイントＰｊについての候補点の一部又は全部と、終点Ｐｅとが順に直線で結ばれた経路であって、前記通過可能領域を通過可能な、前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路を探索するステップと、探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路が１つであった場合、探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路を新たな飛行計画経路とし、探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路が複数であった場合、探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路のうちの１つを選択し、新たな飛行計画経路とするステップとを含む方法を提供するものである。

本発明の１つの態様は、前記方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを提供するものである。

本発明の１つの態様は、前記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供するものである。

上記構成による本発明によれば、無人航空機のエネルギー消費を抑制する飛行計画を作成するための更なるシステム及び方法を提供することができる。

本発明の１つの実施形態に係る無人航空機の外観図である。 本発明の１つの実施形態に係る無人航空機の全体構成を示す図である。 本発明の１つの実施形態に係る飛行計画経路修正システムの機能構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る飛行計画経路修正システムのハードウエア構成を示す図である。 飛行計画経路修正システムの表示部に表示される飛行計画経路設定画面の一例を示す図である。 本発明の１つの実施形態に係る飛行計画経路修正システムの飛行計画経路修正処理の例のフローチャートである。 通過可能領域を通過可能なウェイポイント／ウェイポイントについての候補点の数が最小となる経路を探索する方法の概念を説明する図である。 深度１の探索におけるウェイポイントＰ１を通過しないパターンの探索を説明する図である。 深度１の探索におけるウェイポイントＰ２を通過しないパターンの探索を説明する図である。 深度１の探索におけるウェイポイントＰ３を通過しないパターンの探索を説明する図である。 深度１の探索におけるウェイポイントＰ４を通過しないパターンの探索を説明する図である。 深度２の探索におけるウェイポイントＰ２，Ｐ１を通過しないパターンの探索を説明する図である。 深度２の探索におけるウェイポイントＰ２，Ｐ３を通過しないパターンの探索を説明する図である。 深度２の探索におけるウェイポイントＰ２，Ｐ４を通過しないパターンの探索を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。ただし、本発明は以下に説明する具体的態様に限定されるわけではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の態様を取り得る。例えば、本発明の無人航空機は、図１に示すマルチコプタに限らず、回転翼機、固定翼機等、任意の無人航空機であってよいし、また自律飛行型の無人航空機である必要もない。また、無人航空機１のシステム構成も、図に示されるものに限らず同様の動作が可能であれば任意の構成を取ることができる。例えば通信回路の機能を情報処理ユニットに統合する等、複数の構成要素が実行する動作を単独の構成要素により実行してもよいし、あるいは主演算部の機能を複数の演算部に分散する等、単独の構成要素が実行する動作を複数の構成要素により実行してもよい。また、無人航空機１のメモリ内に記憶される各種データは、それとは別の場所に記憶されていてもよいし、各種メモリに記録される情報も、１種類の情報を複数の種類に分散して記憶してもよいし、複数の種類の情報を１種類にまとめて記憶してもよい。

図１は、本実施形態に係る無人航空機（マルチコプタ）１の一例であるマルチコプタの外観図である。無人航空機１は、外観に関しては、制御ユニット１０１と、制御ユニット１０１からの制御信号により駆動される６つのモータ１０２と、各々のモータ１０２の駆動により回転して揚力を発生させる６つのロータ（回転翼）１０３と、制御ユニット１０１と各々のモータ１０２とを接続する６つのアーム１０４と、着陸時に無人航空機を支える着陸脚１０５とを備える。モータ１０２、ロータ１０３、及びアーム１０４の数は、それぞれ、３、４などのような３以上の数とすることもできる。制御ユニット１０１からの制御信号により６つのモータ１０２が回転させられ、それにより６つのロータ１０３の各々の回転数を制御することにより、上昇、下降、前後左右への飛行、旋回等、無人航空機１の飛行が制御される。また、無人航空機１には、その本体の下部、側部、上部などの適切な場所にカメラ１０６が取り付けられている。また、無人航空機１は、飛行位置センサ１０７、アンテナ１０８も有している。

図２は、図１に示す無人航空機１の全体構成を示す図である。無人航空機１は、大きく、制御ユニット１０１、制御ユニット１０１に電気的に接続されたモータ１０２、モータ１０２に機械的に接続されたロータ１０３、カメラ１０６、飛行位置センサ１０７、姿勢センサ１０９、方位センサ１１１、高度センサ１１３、距離センサ１１５、アンテナ１１７から構成される。

制御ユニット１０１は、無人航空機１の飛行制御を行うための情報処理や、そのための電気信号の制御を行うための構成であり、典型的には基板上に各種の電子部品を配置して配線することによってそのような機能の実現に必要な回路を構成したユニットである。制御ユニット１０１は、さらに、情報処理ユニット１２０、通信回路１２１、制御信号生成部１２２、スピードコントローラ１２３、インターフェイス１２５から構成される。

情報処理ユニット１２０は、ＣＰＵ１２０ａ、ＲＡＭ１２０ｂ、ＲＯＭ１２０ｃ、外部メモリ１２０ｄを含む。ＲＡＭ１２０ｂ、ＲＯＭ１２０ｃ、外部メモリ１２０ｄ、通信回路１２１、制御信号生成部１２２、インターフェイス１２５は、システムバス１２０ｈを介して、ＣＰＵ１２０ａに接続されている。

制御ユニット１０１は、操作者からの操縦信号（非自律飛行時）や外部メモリ１２０ｄ飛行計画経路データ（自律飛行時）などに基づいて無人航空機１の飛行を適切に制御する。具体的には、後述の飛行制御用の各種センサから得られる情報により無人航空機１の姿勢、速度等を判断し、後述の飛行位置センサ１０７から得られる情報により無人航空機１の現在の飛行位置などを判断し、操縦信号、飛行計画経路、速度制限、高度制限等の目標値と比較することによりＣＰＵ１２０ａで各ロータ１０３に対する制御指令値を演算し、制御指令値を示すデータを制御信号生成部１２２に出力する。制御信号生成部１２２は、その制御指令値を電圧を表わすパルス信号に変換して各スピードコントローラ１２３に送信する。各スピードコントローラ１２３は、そのパルス信号を駆動電圧へと変換して各モータ１０２に印加し、これにより各モータ１０２の駆動を制御して各ロータ１０３の回転数を制御することにより無人航空機１の飛行が制御される。

ここで、飛行計画経路データは、無人航空機１の三次元（緯度、経度、高度）の飛行計画経路を表すデータであり、典型的には、飛行計画経路上に存在する一連の複数のウェイポイントの集合のデータである。飛行計画経路は、典型的には、それらの複数のウェイポイントを順番に結んだ直線の集合であるが、ウェイポイントの所定範囲内においては所定の曲率の曲線とすることもできる。好適には、飛行計画経路の特定のウェイポイントの近傍に目標位置が存在すると良い。そのウェイポイントには、それを通過後に目標位置に向かう旨の情報が付加される。そのウェイポイントは、飛行計画経路の終点（折り返し点）とすることもできる。なお、あるウェイポイントを目標位置とすることもできる。この場合、そのウェイポイントのデータには、それが目標位置である旨の情報が付加される。飛行計画経路データは、複数のウェイポイントにおける飛行速度を定めるデータを含んでいてもよい。飛行計画経路データは、典型的には自律飛行において飛行計画経路を定めるために使用されるが、非自律飛行において飛行時のガイド用として使用することもできる。

飛行計画経路データは、典型的には、飛行前に無人航空機１に入力されて記憶される。すなわち、無人航空機１の飛行前の事前準備として、適切な飛行計画経路が作成され、飛行計画経路上に存在する一連の複数のウェイポイントの集合を飛行計画経路データとして外部メモリ１２０ｄに記憶される。飛行計画経路データは、それぞれのウェイポイントにおける高度あるいは対地高度の情報を含むこともできる。飛行計画経路データを外部メモリ１２０ｄに記憶させる際には、それらを無線信号で無人航空機１に送信し、アンテナ１０８及び通信回路１２１を経由して情報処理ユニット１２０に読み込ませると好適である。無人航空機１が他の適当なインターフェイスを有している場合、そのインターフェイスを経由して無人航空機１の情報処理ユニット１２０に読み込ませてもよい。

カメラ１０６は、無人航空機１の下部、側部、上部などの適切な位置に取り付けられた映像を撮影するためのカメラである。カメラ１０６は、無人航空機１の飛行中、それの撮影範囲の画像のデータを取得し、取得された画像は、外部メモリ１２０ｄに記憶される。画像は、典型的には一連の静止画像からなる動画の画像である。

飛行位置センサ１０７は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）センサのような無人航空機１の飛行位置の座標を感知するナビゲーションのためのセンサである。飛行位置センサ１０７は、好適には、三次元的な座標を感知する。飛行位置センサ１０７は、主として、無人航空機１が飛行計画経路に沿って飛行する時の位置を制御するために使用される。

姿勢センサ１０９は、例えば６軸ジャイロ（加速度／角速度センサ）のような、無人航空機１の移動と傾きなどを検出するためのセンサであり、無人航空機１の飛行時の姿勢を制御するために使用される。

方位センサ１１１は、例えば磁気センサのような、飛行方向を制御するためのセンサである。

高度センサ１１３は、例えば気圧センサのような、無人航空機１の高度を検出するセンサであり、無人航空機１の飛行高度を制御するために使用される。

無人航空機１は、超音波センサのような距離センサを備えていてもよい。距離センサ１１５は、例えば超音波センサのような、障害物や地面との間の距離を測定し、障害物との衝突を避けたり、対地高度を精密に測定するためのセンサである。

アンテナ１１７は、無人航空機１を操縦したり制御するための情報や各種データを含む無線信号を受信したり、テレメトリ信号を含む無線信号を無人航空機１から送信するための空中線である。

通信回路１２１は、アンテナ１１７を通じて受信した無線信号から、無人航空機１のための操縦信号、制御信号や各種データなどを復調してＣＰＵ１２０ａに入力したり、無人航空機１から出力されるテレメトリ信号などを搬送する無線信号を生成するための電子回路であり、典型的には無線信号処理ＩＣである。なお、例えば、操縦信号の通信と、制御信号、各種データの通信とを別の周波数帯の異なる通信回路で実行するようにしてもよい。例えば、手動での操縦を行うためのコントローラ（プロポ）の送信器と９５０ＭＨｚ帯の周波数で通信し、データ通信を２ＧＨｚ帯／１．７ＧＨｚ帯／１．５ＧＨｚ帯／８００ＭＨｚ帯の周波数で通信するような構成を採ることも可能である。

制御信号生成部１２２は、ＣＰＵ１２０ａによって演算により得られた制御指令値データを、電圧を表わすパルス信号（ＰＷＭ信号など）に変換する構成であり、典型的には、発振回路とスイッチング回路を含むＩＣである。スピードコントローラ１２３は、制御信号生成部１２２からのパルス信号を、モータ１０２を駆動する駆動電圧に変換する構成であり、典型的には、平滑回路とアナログ増幅器である。図示していないが、無人航空機１は、リチウムポリマーバッテリやリチウムイオンバッテリ等のバッテリデバイスや各要素への配電系を含む電源系を備えている。

インターフェイス１２５は、ＣＰＵ１２０ａ、飛行位置センサ１０７、姿勢センサ１０９、方位センサ１１１、高度センサ１１３、距離センサ１１５などの機能要素との間で信号の送受信ができるように信号の形態を変換することにより、それらを電気的に接続する構成である。なお、説明の都合上、図面においてインターフェイスは１つの構成として記載しているが、接続対象の機能要素の種類によって別のインターフェイスを使用することが通常である。また、接続対象の機能要素が入出力する信号の種類によってはインターフェイス１２５が不要な場合もある。また、図２において、インターフェイス１２５が媒介せずに接続されている情報処理ユニット１２０であっても、接続対象の機能要素が入出力する信号の種類によってはインターフェイスが必要となる場合もある。

図３は、本発明の１つの実施形態に係る飛行計画経路修正システムの機能構成を示す図である。飛行計画経路修正システム２は、飛行計画経路設定部２０１、候補点生成部２０３、飛行計画経路探索部２０５、送受信部２０７、表示部２０９、記憶部２１１を備える。

飛行計画経路修正システム２としては、無人航空機１とは別体の、地上局のコンピュータ、ＰＣ、スマートフォン、タブレット端末等の任意の適切な装置、クラウド・コンピューティングシステム、又はそれらの組み合わせ等として構成することができる。また、無人航空機１の情報処理ユニット１２０を計画経路修正システム２として機能させたり、情報処理ユニット１２０とは別個に計画経路修正システム２を無人航空機１に搭載する等して、無人航空機１に備えられる構成としてもよい。計画経路修正システム２又はその構成要素は、１つの物理的な装置として構成される必要はなく、複数の物理的な装置から構成されてもよい。

飛行計画経路設定部２０１は、始点Ｐｓ、ウェイポイントＰ１，Ｐ２，・・・，Ｐｊ（ｊは自然数）、終点Ｐｅが順に直線で結ばれた飛行計画経路５を設定する。また、後述の飛行計画経路探索部２０５により探索されたウェイポイント／候補点の数が最小となる経路が１つであった場合、探索されたウェイポイント／候補点の数が最小となる経路を新たな飛行計画経路とし、探索されたウェイポイント／候補点の数が最小となる経路が複数であった場合、探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路のうちの１つを選択し、新たな飛行計画経路として設定する。

候補点生成部２０３は、飛行計画経路５の各ウェイポイントについて、各ウェイポイントから所定の距離だけ離れた少なくとも１つの候補点を生成する。生成する候補点が複数の場合は互いに異なる候補点を生成する。

飛行計画経路探索部２０５は、始点Ｐｓと、前記ウェイポイントＰ１又は前記ウェイポイントＰ１についての候補点、前記ウェイポイントＰ２又は前記ウェイポイントＰ２についての候補点、・・・、前記ウェイポイントＰｊ又は前記ウェイポイントＰｊについての候補点の一部又は全部と、終点Ｐｅとが順に直線で結ばれた経路であって、通過可能領域３１を通過可能な、ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路を探索する。

送受信部２０７は、各種データや各種プログラムの送受信を行う。

表示部２０９は、飛行計画経路修正システム２による各種処理の結果を各種ディスプレイ上に表示する。

記憶部２１１は、各種データや各種プログラムを記憶する。

図４は、本発明の１つの実施形態に係る飛行計画経路修正システムのハードウエア構成を示す図である。飛行計画経路修正システム２は、ＣＰＵ２０ａ、ＲＡＭ２０ｂ、ＲＯＭ２０ｃ、外部メモリ２０ｄ、入力部２０ｅ、出力部２０ｆ、通信部２０ｇを含む。ＲＡＭ２０ｂ、ＲＯＭ２０ｃ、外部メモリ２０ｄ、入力部２０ｅ、出力部２０ｆ、通信部２０ｇは、システムバス２０ｈを介して、ＣＰＵ２０ａに接続されている。

ＣＰＵ２０ａは、システムバス２０ｈに接続される各デバイスを統括的に制御する。

ＲＯＭ２０ｃや外部メモリ２０ｄには、ＣＰＵ２０ａの制御プログラムであるＢＩＯＳやＯＳ、コンピュータが実行する機能を実現するために必要な各種プログラムやデータ等が記憶されている。

ＲＡＭ２０ｂは、ＣＰＵの主メモリや作業領域等として機能する。ＣＰＵ２０ａは、処理の実行に際して必要なプログラム等をＲＯＭ２０ｃや外部メモリ２０ｄからＲＡＭ２０ｂにロードして、ロードしたプログラムを実行することで各種動作を実現する。

外部メモリ２０ｄは、例えば、フラッシュメモリ、ハードディスク、ＤＶＤ－ＲＡＭ、ＵＳＢメモリ等から構成される。

入力部２０ｅは、ユーザ等からの操作指示等を受け付ける。入力部２０ｅは、例えば、入力ボタン、キーボード、ポインティングデバイス、ワイヤレスリモコン、マイクロフォン、カメラ等の入力デバイスから構成される。

出力部２０ｆは、ＣＰＵ２０ａで処理されるデータや、ＲＡＭ２０ｂ、ＲＯＭ２０ｃや外部メモリ２０ｄに記憶されるデータを出力する。出力部２０ｆは、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ、有機ＥＬパネル、プリンタ、スピーカ等の出力デバイスから構成される。

通信部２０ｇは、ネットワークを介して又は直接、外部機器と接続・通信するためのインタフェースである。通信部２０ｇは、例えばシリアルインタフェース、ＬＡＮインタフェース等のインタフェースから構成される。

図３に示される飛行計画経路修正システム２の各部は、ＲＯＭや外部メモリに記憶された各種プログラムが、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、外部メモリ、入力部、出力部、通信部等を資源として使用することで実現される。

以上のシステム構成を前提に、本発明の１つの実施形態に係る飛行計画経路修正システムの飛行計画経路修正処理の例を図１～９Ｃを参照して、以下に説明する。図５は、飛行計画経路修正システムの表示部に表示される飛行計画経路設定画面の一例を示す図である。図６は、本発明の１つの実施形態に係る飛行計画経路修正システムの飛行計画経路修正処理の例のフローチャートである。図７は、通過可能領域を通過可能なウェイポイント／ウェイポイントについての候補点の数が最小となる経路を探索する方法の概念を説明する図である。図８Ａは、深度１の探索におけるウェイポイントＰ１を通過しないパターンの探索を説明する図である。図８Ｂは、深度１の探索におけるウェイポイントＰ２を通過しないパターンの探索を説明する図である。図８Ｃは、深度１の探索におけるウェイポイントＰ３を通過しないパターンの探索を説明する図である。図８Ｄは、深度１の探索におけるウェイポイントＰ４を通過しないパターンの探索を説明する図である。図９Ａは、深度２の探索におけるウェイポイントＰ２，Ｐ１を通過しないパターンの探索を説明する図である。図９Ｂは、深度２の探索におけるウェイポイントＰ２，Ｐ３を通過しないパターンの探索を説明する図である。図９Ｃは、深度２の探索におけるウェイポイントＰ２，Ｐ４を通過しないパターンの探索を説明する図である。

本実施形態では、飛行計画経路修正システム２は、無人航空機１とは別体で、無人航空機１は倉庫内を飛行するものであり、予め入手された倉庫内の地図に基づいて、無人航空機１の機体の中心が通過可能な通過可能領域３１と通過不可領域３３が設定された地図３を参照して、所与の飛行計画経路を修正する場合を例として説明する。

図５を参照して、飛行計画経路修正システム２の表示部２０９によって、飛行計画経路設定画面４には、倉庫における、障害物や機体の大きさ等を考慮して設定された無人航空機１の機体の中心が通過可能な通過可能領域３１と通過不可領域３３が表示されている。

ユーザは、飛行計画経路設定画面４を見ながら、飛行計画経路が、この通過可能領域３１内を通るように、すなわち通過不可領域３３に干渉しないように、始点Ｐｓから終点Ｐｅまでの間で通過すべきウェイポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を入力する。このユーザ入力によって、飛行計画経路設定部２０１は、始点Ｐｓ、ウェイポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４、終点Ｐｅが順に直線で結ばれた飛行計画経路５を設定する（Ｓ１０１）。

飛行計画経路探索部２０５は、設定された飛行計画経路５の各ウェイポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４について、その位置をランダムに変動させた候補点をｎ個（ｎは自然数）生成する（Ｓ１０３）。具体的には、まず、ウェイポイントＰ１について、０～１の間の乱数ｒをｎ個生成する。そして、生成したｎ個の乱数の各々について、ウェイポイントＰ１の座標を(ｘ１，ｙ１)としたとき、その座標が、(ｘ１＋Δｘｃｏｓ(２πｒ)，ｙ１＋Δｙｓｉｎ(２πｒ))となるような候補点を生成する。ここで、Δｘ，Δｙは、飛行領域全体の大きさや通過可能領域の幅等に対して微少な任意の適切な所定の値とすることができる。例えば、地図３の実際のｘ方向、ｙ方向の長さが、それぞれ１０ｍ、６．３ｍとすると、１０ｃｍ、６．３ｃｍとすることができる。ウェイポイントＰ２，Ｐ３，Ｐ４についても、同様にして、それぞれｎ個の候補点を生成する。図８Ａ～図９Ｃにおいて、各ウェイポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を囲む破線の円は、この円内の領域に、この生成される候補点が存在する可能性があることを示すものである。各Δｘ，Δｙの値は、飛行計画経路修正処理の結果に応じて、再度飛行計画経路修正処理を行うために変更した値を設定可能に構成してもよい。

また、上記実施形態においては、候補点を、各ウェイポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４について、その位置をランダムに変動させることによって生成したが、その位置を非ランダムに変動させることによって生成してもよい。

飛行計画経路探索部２０５は、始点Ｐｓと、ウェイポイントＰ１又はウェイポイントＰ１についての候補点、ウェイポイントＰ２又はウェイポイントＰ２についての候補点、ウェイポイントＰ３又はウェイポイントＰ３についての候補点、及びウェイポイントＰ４又はウェイポイントＰ４についての候補点の一部又は全部と、終点Ｐｅとが順に直線で結ばれた経路であって、通過可能領域３１を通過可能な、ウェイポイント／ウェイポイントについての候補点の数が最小となる経路を探索する（Ｓ１０５）。

本実施形態における経路の探索方法は、深度ｋの探索において、修正前の飛行計画経路のウェイポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４のうちのｋ個の点を通過しない（５－ｋ）個の経路パターンの各々について、通過不可領域３３と干渉しない、生成された候補点に対応する候補経路を探索するものである。

具体的には、まず、ウェイポイントの１つを通過しない４つの経路パターン、すなわち、ウェイポイントＰ１を通過しないパターン、ウェイポイントＰ２を通過しないパターン、ウェイポイントＰ３を通過しないパターン、ウェイポイントＰ４を通過しないパターンについて探索する（深度１の探索）。

図８Ａを参照して、ウェイポイントＰ１を通過しないパターンの探索は、ウェイポイントＰ２についてのｎ個の候補点のそれぞれについて、始点ＰｓとウェイポイントＰ２についての候補点を結ぶ直線、及びウェイポイントＰ２についての候補点又はとウェイポイントＰ３とを結ぶ直線について、通過不可領域３３と干渉するか否かを判定し、干渉しない経路（候補経路）の始点Ｐｓ、ウェイポイントＰ２についての候補点又はウェイポイントＰ２、ウェイポイントＰ３，Ｐ４、終点Ｐｅを記憶部２１１に記憶する。本パターンにおいては、ウェイポイントＰ２についての候補点又はウェイポイントＰ２と始点Ｐｓとを結ぶ直線はいずれも通過不可領域３３と干渉することが分かるので、本パターンについての更に深い深度の探索は行われない。

図８Ｂを参照して、ウェイポイントＰ２を通過しないパターンの探索は、ウェイポイントＰ１についてのｎ個の候補点のそれぞれとウェイポイントＰ３についてのｎ個の候補点のそれぞれの組のそれぞれについて、ウェイポイントＰ１についての候補点又はウェイポイントＰ１とウェイポイントＰ３についての候補点又はウェイポイントＰ３とを結ぶ直線、ウェイポイントＰ１についての候補点と始点Ｐｓとを結ぶ直線、及び、ウェイポイントＰ３についての候補点とウェイポイントＰ４とを結ぶ直線について、通過不可領域３３と干渉するか否かを判定し、干渉しない経路（候補経路）の始点Ｐｓ、ウェイポイントＰ１についての候補点又はウェイポイントＰ１、ウェイポイントＰ３についての候補点又はウェイポイントＰ３、ウェイポイントＰ４、終点Ｐｅを記憶部２１１に記憶する。本パターンにおいては、通過不可領域３３と干渉しないウェイポイントＰ１についての候補点又はウェイポイントＰ１とウェイポイントＰ３について候補点又はウェイポイントＰ３の組に対応する候補経路が存在することが分かるので、後述の本パターンについての更に深い深度の探索が行われる。

ウェイポイントＰ３を通過しないパターン、ウェイポイントＰ４を通過しないパターンについても、同様にして、通過不可領域３３に干渉しない経路（候補経路）の始点Ｐｓ、ウェイポイントＰ１、ウェイポイントＰ２についての候補点若しくはウェイポイントＰ２、ウェイポイントＰ４についての候補点若しくはウェイポイントＰ４、終点Ｐｅ、又は、始点Ｐｓ、ウェイポイントＰ１、ウェイポイントＰ２、ウェイポイントＰ３についての候補点若しくはウェイポイントＰ３、終点Ｐｅを記憶部２１１に記憶する。本実施形態においては、図８Ｃを参照すると、ウェイポイントＰ３を通過しないパターンについては、通過不可領域３３と干渉しないウェイポイントＰ２についての候補点とウェイポイントＰ４について候補点の組に対応する候補経路が存在することが分かるので、後述の更に深い深度の探索が行われる。また、図８Ｄを参照すると、ウェイポイントＰ４を通過しないパターンについては、ウェイポイントＰ３についての候補点又はウェイポイントＰ３と終点Ｐｅとを結ぶ直線はいずれも通過不可領域３３と干渉することが分かるので、更に深い深度の探索は行われない。

深度１の探索において通過不可領域３３に干渉しない候補経路が見つかった場合、続いて、同様にして、探索された、通過不可領域３３と干渉しない、ウェイポイントの１つを通過しない４つのパターンの各々の候補経路の各々について、更にウェイポイントの１つを通過しない３つのパターンについて探索する（深度２の探索）。すなわち、ウェイポイントの２つを通過しないパターンについて探索する。

本実施形態においては、上述のように、ウェイポイントＰ１を通過しないパターンとウェイポイントＰ４を通過しないパターンについては、候補経路が見つからなかったので、ウェイポイントＰ２を通過しないパターンとウェイポイントＰ３を通過しないパターンについて深度２の探索を行う。

具体的には、通過不可領域３３と干渉しない、ウェイポイントＰ２を通過しないパターンの候補経路の各々について、更に、ウェイポイントＰ１を通過しないパターン、ウェイポイントＰ３を通過しないパターン、ウェイポイントＰ４を通過しないパターンについて探索する。

図９Ａを参照して、ウェイポイントＰ１を通過しないパターンの探索は、候補経路のウェイポイントＰ３についての候補点のそれぞれについて、始点ＰｓとウェイポイントＰ３についての候補点を結ぶ直線、及びウェイポイントＰ３についての候補点とウェイポイントＰ４とを結ぶ直線について、通過不可領域３３と干渉するか否かを判定し、干渉しない経路（候補経路）の始点Ｐｓ、ウェイポイントＰ３についての候補点、ウェイポイントＰ４、終点Ｐｅを記憶部２１１に記憶する。本パターンにおいては、ウェイポイントＰ３についての候補点又はウェイポイントＰ３と始点Ｐｓとを結ぶ直線はいずれも通過不可領域３３と干渉することが分かるので、本パターンについての更に深い深度の探索は行われない。

図９Ｂを参照して、ウェイポイントＰ３を通過しないパターンの探索は、候補経路のウェイポイントＰ１についての候補点及びウェイポイントＰ１のそれぞれとウェイポイントＰ４についてのｎ個の候補点及びウェイポイントＰ４のそれぞれの組のそれぞれについて、ウェイポイントＰ１についての候補点又はウェイポイントＰ１とウェイポイントＰ４についての候補点とを結ぶ直線、及び、ウェイポイントＰ４についての候補点又はウェイポイントＰ４と終点Ｐｅとを結ぶ直線について、通過不可領域３３と干渉するか否かを判定し、干渉しない経路（候補経路）の始点Ｐｓ、ウェイポイントＰ１についての候補点又はウェイポイントＰ１、ウェイポイントＰ４についての候補点又はウェイポイントＰ４、終点Ｐｅの組を記憶部２１１に記憶する。本パターンにおいては通過不可領域３３と干渉しない、ウェイポイントＰ１についての候補点又はウェイポイントＰ１とウェイポイントＰ４について候補点又はウェイポイントＰ４の組に対応する候補経路が存在することが分かるので、後述の本パターンについての更に深い深度の探索が行われる。

図９Ｃを参照して、ウェイポイントＰ４を通過しないパターンの探索は、候補経路のウェイポイントＰ３についての候補点及びウェイポイントＰ３のそれぞれと終点Ｐｅの組のそれぞれについて、ウェイポイントＰ３についての候補点又はウェイポイントＰ３と終点Ｐｅとを結ぶ直線について、通過不可領域３３と干渉するか否かを判定し、干渉しない経路（候補経路）の始点Ｐｓ、ウェイポイントＰ１についての候補点又はウェイポイントＰ１、ウェイポイントＰ３についての候補点又はウェイポイントＰ３、終点Ｐｅの組を記憶部２１１に記憶する。本パターンにおいては、ウェイポイントＰ３についての候補点又はウェイポイントＰ３と終点Ｐｅとを結ぶ直線はいずれも通過不可領域３３と干渉することが分かるので、本パターンについての更に深い深度の探索は行われない。

以下同様にして、深度ｋの探索において通過不可領域３３に干渉しない候補経路が見つかった場合、探索された、通過不可領域３３と干渉しない、ウェイポイントのｋ個を通過しないパターンの各々の候補経路の各々について、更にウェイポイントの１つを通過しないパターンの各々について探索する（深度（ｋ＋１）の探索）。すなわち、ウェイポイントの（ｋ＋１）個を通過しないパターンについて探索する。

通過不可領域３３に干渉しない候補経路がいずれのパターンにおいても見つからない深度で探索を終了する。このとき、この深度の１つ前の深度で見つかった、通過不可領域３３に干渉しない候補経路が、ウェイポイント／ウェイポイントについての候補点の数が最小となる経路となる。

上記の探索に当たっては、適宜枝刈りを行ってもよい。

通過可能領域３１を通過可能な、ウェイポイント／ウェイポイントについての候補点の数が最小となる経路の探索方法は、上記の方法に限定されるものではなく、他の任意の適切な方法を用いることができる。例えば、ウェイポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の各々について生成された候補点に対する、すべての組み合わせに対応する候補経路について、通過不可領域３３と干渉しないものを抽出してもよい。

探索されたウェイポイント／ウェイポイントについての候補点の数が最小となる経路が複数であった場合、飛行計画経路探索部２０５は、探索されたウェイポイント／ウェイポイントについての候補点の数が最小となる経路のうちの１つを選択する（Ｓ１０７）。選択するウェイポイント／ウェイポイントについての候補点の数が最小となる経路のうちの１つは、始点Ｐｓから終点Ｐｅまでの経路の距離が最小となる経路とすることができる。このような経路を選択すれば、到達時間やエネルギー消費量を小さくすることができる。選択するウェイポイント／ウェイポイントについての候補点の数が最小となる経路のうちの１つは、これに限定されるものではなく、他の任意の適切な経路とすることができる。

飛行計画経路設定部２０１は、ステップＳ１０５において探索されたウェイポイント／ウェイポイントについての候補点の数が最小となる経路が１つであった場合、探索されたウェイポイント／ウェイポイントについての候補点の数が最小となる経路を新たな飛行計画経路とし、探索されたウェイポイント／ウェイポイントについての候補点の数が最小となる経路が複数であった場合、ステップ１０７において選択されたウェイポイント／ウェイポイントについての候補点の数が最小となる経路のうちの１つを新たな飛行計画経路として設定し、記憶部２１１に記憶する（Ｓ１０９）。

上記実施形態においては、飛行計画経路修正システム２が参照する地図は、予め通過可能領域と通過不可領域が設定された地図であったが、飛行計画経路修正システム２が参照する地図は、これに限定されるものではなく、他の任意の適切な地図とすることができる。例えば、無人航空機１の情報処理ユニット１２０をＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping）処理システムとして機能させたり、情報処理ユニット１２０とは別個にＳＬＡＭ処理システム２を無人航空機１に搭載する等して、飛行計画経路修正システム２が参照する地図を、飛行中にＳＬＡＭによって推定され逐次生成される地図に基づいて通過可能領域及び／又は通過不可領域が設定される地図としてもよい。

本発明者らは、例えば倉庫等の屋内を飛行する場合等において、飛行経路において方向変換（旋回）が多く必要とされ、方向変換に大きなエネルギーが必要であるために、方向変換に消費されるエネルギーが、飛行に必要なエネルギーにおいて支配的となることを新たに見出し、これに着目して、所与の飛行計画経路の方向変換点であるウェイポイントの数を減らす修正を行うことによって、所与の飛行計画経路を、効率的に、ないしは簡易に、総エネルギー消費量が最小に近いものとなる飛行計画経路に修正することを着想するに至ったものである。したがって、本実施形態によれば、所与の飛行計画経路を、効率的に、ないしは簡易に、総エネルギー消費量が最小に近いものとなる飛行計画経路に修正することができる。

（変形例）
上記実施形態においては、無人航空機１の出発地点から目的地点までの飛行計画経路を修正するものであったが、無人航空機１の情報処理ユニット１２０を計画経路修正システム２として機能させたり、情報処理ユニット１２０とは別個に計画経路修正システム２を無人航空機１に搭載する等して、無人航空機１の現在の飛行地点から目的地までの飛行計画経路を修正してもよい。

すなわち、例えば、無人航空機１の飛行前に設定された飛行計画経路を、無人航空機１の飛行中にバッテリの故障を検知した等の場合に、エネルギー消費を抑えるために、計画経路修正システム２によって、飛行計画経路を修正してもよい。

また、例えば、無人航空機１に対して外部から制御できなくなった場合等のための自動帰還モードに入った場合に、より確実に帰還することができるようにエネルギー消費を抑えるために、計画経路修正システム２によって、飛行計画経路を修正してもよい。この場合、始点Ｐｓが無人航空機１の現在の飛行地点となり、終点Ｐｅが帰還地点となる。帰還地点が出発地点と異なる場合や、ＳＬＡＭによって地図を作成しながら飛行する場合においては、帰還地点が出発地点と同じ場合も含めて、所定のアルゴリズムによって、帰還地点までの飛行計画経路が算出されるが、この算出された飛行計画経路に対して、計画経路修正システム２により修正を行えばよい。

以上、本発明について、例示のためにいくつかの実施形態に関して説明してきたが、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、形態及び詳細について、様々な変形及び修正を行うことができることは、当業者に明らかであろう。

１ 無人航空機
１０１ 制御ユニット
１０２ モータ
１０３ ロータ
１０４ アーム
１０５ 着陸脚
１０６ カメラ
１０７ 飛行位置センサ
１０９ 姿勢センサ
１１１ 方位センサ
１１３ 高度センサ
１１５ 距離センサ
１１７ アンテナ
１２０ 情報処理ユニット
１２０ａ ＣＰＵ
１２０ｂ ＲＡＭ
１２０ｃ ＲＯＭ
１２０ｄ 外部メモリ
１２０ｈ システムバス
１２１ 通信回路
１２２ 制御信号生成部
１２３ スピードコントローラ
１２５ インターフェイス
２ 飛行計画経路修正システム
２０ａ ＣＰＵ
２０ｂ ＲＡＭ
２０ｃ ＲＯＭ
２０ｄ 外部メモリ
２０ｈ システムバス
２０１ 飛行計画経路設定部
２０３ 候補点生成部
２０５ 飛行計画経路探索部
２０７ 送受信部
２０９ 表示部
２１１ 記憶部
３ 地図
３１ 通過可能領域
３３ 通過不可領域
４ 飛行計画経路設定画面
５ 飛行計画経路

Claims (10)

1. 無人航空機の通過可能領域が定められた地図を参照して、前記無人航空機の飛行計画経路を修正する飛行計画経路修正システムであって、
   前記飛行計画経路は、始点Ｐｓ、ウェイポイントＰ１，Ｐ２，・・・，Ｐｊ（ｊは自然数）、終点Ｐｅが順に直線で結ばれた経路であり、
   前記飛行計画経路の各ウェイポイントについて、各ウェイポイントから所定の距離だけ離れた少なくとも１つの候補点であって、前記候補点が複数の場合は互いに異なる候補点を生成する候補点生成部と、
   始点Ｐｓと、前記ウェイポイントＰ１又は前記ウェイポイントＰ１についての候補点、前記ウェイポイントＰ２又は前記ウェイポイントＰ２についての候補点、・・・、前記ウェイポイントＰｊ又は前記ウェイポイントＰｊについての候補点の一部又は全部と、終点Ｐｅとが順に直線で結ばれた経路であって、前記通過可能領域を通過可能な、前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路を探索する飛行計画経路探索部と、
   探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路が１つであった場合、探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路を新たな飛行計画経路とし、探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路が複数であった場合、探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路のうちの１つを選択し、新たな飛行計画経路とする飛行計画経路設定部と、
   を備えるシステム。
2. 前記候補点はランダムに生成される請求項１に記載のシステム。
3. 前記候補点は、その座標が、前記ウェイポイントの座標を(ｘ，ｙ)としたとき、(ｘ＋Δｘｃｏｓ(２πｒ)，ｙ＋Δｙｓｉｎ(２πｒ))(ｒは０～１の間の乱数)である請求項２に記載のシステム。
4. 探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路が複数であった場合に選択される前記探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路のうちの１つは、始点Ｐｓから終点Ｐｅまでの経路の距離が最小となる経路である請求項１～３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記飛行計画経路探索部は、深度ｋの探索において、前記飛行計画経路の前記ウェイポイントＰ１又は前記ウェイポイントＰ１についての候補点、前記ウェイポイントＰ２又は前記ウェイポイントＰ２についての候補点、・・・、前記ウェイポイントＰｊ又は前記ウェイポイントＰｊについての候補点のうちのｋ個の点を通過しない（ｊ＋１－ｋ）個の経路パターンの各々について、前記通過可能領域を通過可能な、生成された前記候補点に対応する候補経路を探索することによって、前記通過可能領域を通過可能な、前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路を探索する請求項１～４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記始点Ｐｓは、前記無人航空機の現在の飛行地点であり、前記終点Ｐｅは、前記無人航空機の目的地点である請求項１～５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載のシステムを搭載した無人航空機。
8. 無人航空機の通過可能領域が定められた地図を参照して、前記無人航空機の飛行計画経路を修正する、コンピュータによって実行される方法であって、
   前記飛行計画経路は、始点Ｐｓ、ウェイポイントＰ１，Ｐ２，・・・，Ｐｊ（ｊは自然数）、終点Ｐｅが順に直線で結ばれた経路であり、
   前記飛行計画経路の各ウェイポイントについて、各ウェイポイントから所定の距離だけ離れた少なくとも１つの候補点であって、前記候補点が複数の場合は互いに異なる候補点を生成するステップと、
   始点Ｐｓと、前記ウェイポイントＰ１又は前記ウェイポイントＰ１についての候補点、前記ウェイポイントＰ２又は前記ウェイポイントＰ２についての候補点、・・・、前記ウェイポイントＰｊ又は前記ウェイポイントＰｊについての候補点の一部又は全部と、終点Ｐｅとが順に直線で結ばれた経路であって、前記通過可能領域を通過可能な、前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路を探索するステップと、
   探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路が１つであった場合、探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路を新たな飛行計画経路とし、探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路が複数であった場合、探索された前記ウェイポイント／候補点の数が最小となる経路のうちの１つを選択し、新たな飛行計画経路とするステップと、
   を含む方法。
9. 請求項８に記載の方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
10. 請求項９に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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