JP7077013B2 - 三次元情報処理部、三次元情報処理部を備える装置、無人航空機、報知装置、三次元情報処理部を用いた移動体制御方法および移動体制御処理用プログラム - Google Patents

三次元情報処理部、三次元情報処理部を備える装置、無人航空機、報知装置、三次元情報処理部を用いた移動体制御方法および移動体制御処理用プログラム Download PDF

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Description

本発明は、対象の位置および点群データを用いた移動体の制御技術に関する。
測量装置として、測距光を用いて特定の点の位置を精密に測定する自動視準追尾（モータドライブ）ＴＳ（トータルステーション）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。また、対象物（ターゲット）の点群データを得る装置として、レーザースキャナが知られている（例えば、特許文献２を参照）。そして、ＴＳで飛行するＵＡＶ（Unmanned Aerial Vehicle）を追尾し、ＴＳが備えるレーザー測距機能を用いてＵＡＶの位置を特定する方法がある（例えば、特許文献３を参照）。
特開２００９－２２９１９２号公報 特開２０１０－１５１６８２号公報 ＵＳ２０１４／０２１０６６３号公報
ＵＡＶ、ドローンおよびクアッドコプター等の無人航空機は、カメラ等の撮影機材を備えることで、画像および動画撮影のみに留まらず、撮影された画像データおよび動画データを用いた橋梁やトンネル等の構造物の点検にも利用される。
無人航空機による構造物の点検は、撮影の解像度を一定に保つため、点検対象である構造物から一定の距離を保って無人航空機を飛行させる場合が多い。この場合、無人航空機を構造物の側面から一定の距離を飛行させる制御技術が求められる。通常、この無人航空機の飛行制御には、航法衛星からの航法信号から得られる位置情報を用いた飛行制御技術が用いられている。
しかし、橋梁の下側やトンネル内部では航法信号の受信ができない場合がある。そこで本発明は、航法信号を用いずとも無人航空機の飛行制御が可能な技術として、三次元座標情報を有する点群データを用いた無人航空機の飛行制御技術の提供を目的とする。
本発明は、レーザー光を用いて測位を行う機能を有するトータルステーションと鉛直面に沿ったレーザースキャンを行うレーザースキャナを複合化した測量装置を用いた無人航空機の飛行制御方法であって、前記レーザー光を用いた測位を行う機能における前記レーザー光の光軸は前記鉛直面に含まれ、ターゲットを搭載した前記無人航空機の前記ターゲットを前記トータルステーションにより測位すると同時に、前記レーザースキャナにより前記鉛直面に沿ったレーザースキャンを行うステップと、前記レーザースキャンによって得た点群データに基づき、前記無人航空機の上方向および下方向に存在する物体を検出するステップと、前記無人航空機の前記上方向および前記下方向に存在する前記物体に基づき、鉛直方向における前記無人航空機の移動可能な区間を算出するステップとを有する無人航空機の飛行制御方法である。
本発明は、レーザー光を用いて測位を行う機能を有するトータルステーションと鉛直面に沿ったレーザースキャンを行うレーザースキャナを複合化した測量装置を用いた無人航空機の飛行制御用プログラムであって、前記レーザー光を用いた測位を行う機能における前記レーザー光の光軸は前記鉛直面に含まれ、コンピュータにターゲットを搭載した前記無人航空機の前記ターゲットを前記トータルステーションにより測位すると同時に、前記レーザースキャナにより前記鉛直面に沿ったレーザースキャンを行うステップと、前記レーザースキャンによって得た点群データに基づき、前記無人航空機の上方向および下方向に存在する物体を検出するステップと、前記無人航空機の前記上方向および前記下方向に存在する前記物体に基づき、鉛直方向における前記無人航空機の移動可能な区間を算出するステップとを実行させる無人航空機の飛行制御用プログラムである。
本発明によれば、レーザースキャナを備えるＴＳによって得られる三次元座標情報を有する点群データにより、航法衛星からの航法信号が受信できない場所であっても、無人航空機を飛行制御できる技術が得られる。例えば、航法衛星からの航法信号が受信できず、かつ地面から天井までの高さが一定でないトンネル内部において無人航空機を飛行させる場合であっても、天井または地面から一定の距離を保ったまま、無人航空機を飛行させることが可能となる。
実施形態の概念図である。 ＴＳの斜視図である。 ＴＳの正面図である。 ＴＳのブロック図である。 ＴＳに備えられる三次元情報処理部のブロック図である。 処理の一例を示すフローチャートである。 イメージセンサを利用した実施形態の一例を示す概念図である。 ＴＳに備えられるレーザースキャナのスキャン範囲を示す概念図である。 イメージセンサを利用した実施形態の一例を示す概念図である。
（概要）
本発明は、飛行する無人航空機（ＵＡＶ、ドローンおよびクアッドコプター等）を測位することによって得られる位置データおよびスキャン（走査）することによって得られる点群データを用いて、無人航空機の飛行制御を行うものである。本実施形態は、制御する対象をＵＡＶとし、制御対象のＵＡＶがレーザースキャナ（または、レーザースキャナ機能）を備えたＴＳにより、測位（測距および測角）およびスキャンされることによって、飛行の制御が行われるものである。
図１は、本実施形態の概念図である。図１には、レーザースキャナ機能を有するＴＳ１００、構造物の下を飛行するＵＡＶ２００が示されている。ＵＡＶ２００は、ＴＳ１００により適時測位およびスキャンされることで制御される。
（ＴＳの構成）
図２には、図１に示すＴＳ１００の斜視図が示され、図３には、正面図が示されている。ＴＳ１００は、ターゲット（または、ターゲットに備えられる反射プリズム）を探索する探索用レーザースキャン機能、および探索したターゲット（ターゲットに備えられる反射プリズム）を自動視準するための機構を備える。
この自動視準のための機構は、追尾光の送受信部を構成する追尾光受光部１０４、追尾光受光部１０５、追尾光を用いた視準を行うためのモータ駆動機構を構成する水平回転駆動部１０８と鉛直回転駆動部１０９、自動追尾の制御を行う自動視準制御部３０１（本実施形態では、ＴＳ１００の演算制御部１１３が備える三次元情報処理部３００に含まれる。）を有する。なお、ＴＳ１００が自動視準機能を有することで、オペレータがターゲットを視準する作業を大幅に削減できる。
また、ＴＳ１００は、測距用レーザー光を用いてターゲット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（水平角と鉛直角（仰角または俯角））を計測する機能、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（座標）を算出する機能（測位機能）、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。上記の測位機能は、ＴＳ本来のターゲットの位置を精密に測定する機能（ＴＳ機能）である。
図２に示すようにＴＳ１００は、ＴＳ本体２０とレーザースキャナ部１０１を結合（複合化）した構造を有している。ＴＳ１００は、本体部１１を有している。本体部１１は、台座１２に水平回転が可能な状態で保持されている。台座１２は図示しない三脚の上部に固定される。本体部１１は、Ｙ軸の方向から見て上方に向かって延在する２つの延在部を有する略コの字形状を有し、この２つの延在部の間に可動部１３が鉛直角（仰角および俯角）の制御が可能な状態で保持されている。
本体部１１は、台座１２に対して電動で回転する。すなわち、本体部１１は、モータにより台座１２に対する水平回転角の角度制御が行われる。また、可動部１３は、モータにより鉛直角の角度制御が行なわれる。この水平回転角と鉛直角の角度制御のための駆動は、本体部１１に内蔵された水平回転駆動部１０８および鉛直回転駆動部１０９（図４のブロック図を参照）により行われる。なお、水平回転駆動部１０８および鉛直回転駆動部１０９についての説明は後述する。
本体部１１には、水平回転角制御ダイヤル１４ａと鉛直角制御ダイヤル１４ｂが配置されている。水平回転角制御ダイヤル１４ａを操作することで、本体部１１（可動部１３）の水平回転角の調整が行なわれ、鉛直角制御ダイヤル１４ｂを操作することで、可動部１３の鉛直角の調整が行なわれる。
可動部１３の上部には、大凡の照準を付ける角筒状の照準器１５ａが配置されている。また、可動部１３には、照準器１５ａよりも視野が狭い光学式の照準器１５ｂと、より精密な視準が可能な望遠鏡１６が配置されている。
照準器１５ｂと望遠鏡１６が捉えた像は、接眼部１７を覗くことで視認できる。望遠鏡１６は、測距用のレーザー光と測距対象（例えばターゲットとなる専用の反射プリズム）を追尾および捕捉するための追尾光の光学系を兼ねている。測距光と追尾光の光軸は、望遠鏡１６の光軸と一致するように光学系の設計が行なわれている。この部分の構造は、市販されているＴＳと同じである。
本体部１１には、ディスプレイ１８と１９が取り付けられている。ディスプレイ１８は、後述する操作部１１１と一体化されている。ディスプレイ１８と１９には、ＴＳ１００の操作に必要な各種の情報や測量データ等が表示される。前後に２つディスプレイがあるのは、本体部１１を回転させなくても前後のいずれの側からでもディスプレイを視認できるようにするためである。なお、説明したＴＳの詳細な構造については、例えば特開２００９－２２９１９２号公報、特開２０１２―２０２８２１号公報に記載されている。
本体部１１の上部には、レーザースキャナ部１０１が固定されている。レーザースキャナ部１０１は、第１の塔部２１と第２の塔部２２を有している。第１の塔部２１と第２の塔部２２は、結合部２３で結合され、結合部の上方の空間（第１の塔部２１と第２の塔部２２の間の空間）は、スキャンレーザー光を透過する部材で構成された保護ケース２４で覆われている。保護ケース２４の内側には、第１の塔部２１からＸ軸方向に突出した回転部２５が配置されている。回転部２５の先端は、斜めに切り落とされた形状を有し、その先端部には、斜めミラー２６が固定されている。
回転部２５は、第１の塔部２１に納められたモータにより駆動され、Ｘ軸を回転軸として回転する。第１の塔部２１には、上記のモータに加え、このモータを駆動する駆動回路と、その制御回路が納められている。なお、回転部２５は、第１の塔部２１からＹ軸方向に突出させる構造とすれば、Ｙ軸を回転軸として回転させることもできる。
第２の塔部２２の内部には、レーザースキャン光（レーザースキャン用のパルスレーザー光）を発光するための発光部、対象物から反射してきたスキャン光を受光する受光部、発光部と受光部に関係する光学系が納められている。レーザースキャン光は、第２の塔部２２の内部から斜めミラー２６に向けて照射され、そこで反射され、透明なケース２４を介して外部に照射される。また、対象物から反射したスキャン光は、照射光と逆の経路を辿り、第１の塔部２２内部の受光部で受光される。
スキャン光の発光タイミングと受光タイミング、さらにその際の回転部２５の角度位置と本体部１１の水平回転角により、スキャン点（スキャン光の反射点）の測位が行なわれる。
レーザースキャン用のパルスレーザー光は、回転部２５の回転軸の延在方向に出射され、斜めミラー２６で直角に反射される。斜めミラー２６で反射されたパルスレーザー光は、透明な保護ケース２４から外部に向かって間欠的に出射される。この際、回転部２５が回転することで、図２のＹ－Ｚ面に沿った鉛直面をスキャン面としたレーザースキャンが行われる。また、上記のスキャン面に望遠鏡１６から出射される測距光（ＴＳ本体２０の測距光）の光軸が含まれるように全体の構造が決められている。ここで、本体部１１を水平回転（Ｚ軸回りの回転）させながら上記のパルスレーザー光の出射を行うことで、周囲全体（あるいは必要とする範囲）のレーザースキャンが行なわれる。なお、複数条のパルスレーザー光を同時に出射する形態も可能である。
本体部１１を水平回転（Ｚ軸回りの回転）させることは、上述の本体部１１を台座１２に対して電動で回転させる機構を利用して行う。レーザースキャンのみが目的ならば、本体部１１の回転機構とは別にレーザースキャナ部１０１のみを回転させる専用の機構を備えることで行ってもよい。
なお、レーザースキャナに係る技術については、特開２０１０－１５１６８２号公報、特開２００８－２６８００４号公報、米国特許第８７６７１９０号公報等に記載されている。また、レーザースキャナとして、米国公開公報ＵＳ２０１５／０２９３２２４号公報に記載されているような、スキャンを電子式に行う形態ものも採用可能である。
図４は、ＴＳ１００のブロック図である。ＴＳ１００は、レーザースキャナ部１０１、記憶部１０２、測距部１０３、追尾光発光部１０４、追尾光受光部１０５、水平角検出部１０６、鉛直角検出部１０７、水平回転駆動部１０８、鉛直回転駆動部１０９、表示部１１０、操作部１１１、通信部１１２、演算制御部１１３を備えている。
レーザースキャナ部１０１は、パルスレーザー光を測定対象物に対してスキャン（走査）し、その反射光を検出することで、測定対象物の概形を三次元座標を有する点群データとして得る。すなわち、レーザースキャナ部１０１は、市販されている三次元レーザースキャナと同様の機能を備える。なお、点群データに付与される三次元座標の座標系は、後述する測距部１０３、水平角検出部１０６および鉛直角検出部１０７によって得られる座標を扱う座標系と同じものが用いられる。記憶部１０２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。
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計測を行う。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、測距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。
追尾光発光部１０４および追尾光受光部１０５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反射プリズムの探索を行う。反射プリズムは、探索対象（視準目標）に備えられ、反射プリズムが探索およびレーザー照射対象となることで、探索対象（視準目標）の自動視準が行われる。すなわち、追尾光発光部１０４が発光した探索用レーザー光を反射プリズムに照射し、その反射光を追尾光受光部１０５の受光素子の中心に位置するよう制御することで、視準目標を追尾する。この制御は、三次元情報処理部３００に含まれる自動視準制御部３０１で行なわれる。
水平角検出部１０６および鉛直角検出部１０７は、測距部１０３が測距したターゲットの水平方向角と鉛直方向角（仰角および俯角）を計測する。測距部１０３、追尾光発光部１０４および追尾光受光部１０５の光学系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、水平方向角と鉛直方向角は、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角検出部１０６および鉛直角検出部１０７で検出され、水平方向角と鉛直方向角（仰角および俯角）の計測が行われる。
水平回転駆動部１０８および鉛直回転駆動部１０９は、測距部１０３、追尾光発光部１０４および追尾光受光部１０５の光学系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含む。なお、この筐体部分と一緒にレーザースキャナ部１０１も水平回転する構造とされている。
表示部１１０は、ＴＳ１００を扱うオペレータ等に対して、その処理結果等を視覚的に認識できる状態、例えば、ＧＵＩ（Graphical User Interface）等の技術により、情報の提供または表示を行う。なお、前述のディスプレイ１８と１９はこれに該当する。操作部１１１は、テンキーや十字操作ボタン等が配され、ＴＳ１００に係る各種の操作やデータの入力が行なわれる。また、表示部１１０および操作部１１１は、オペレータが情報表示画面をタッチすることで動作するタッチパネル方式を採用することによって、一体化可能である。
通信部１１２は、ＵＡＶ２００の操作情報や各種データの送受信を行う。そして、通信部１１２は、無線通信機能を備え、この機能により、ＵＡＶ２００やＵＡＶ２００の操作端末（地上でＵＡＶ２００の操作を行う者が操作するコントローラ）との間でＵＡＶ２００の制御信号の送受信を行う。さらに、レーザースキャナ部１０１によって得られた点群データやその点群データから作成されたデータの情報を他の機器（例えば、ＴＳ１００とは別個のコンピュータなどの外部情報処理装置）へ送受信も可能である。
通信部１１２は、無線通信機能の他に有線通信機能や光通信機能を備えることもできる。例えば、有線通信機能や光通信機能を用いて、レーザースキャナ部１０１によって得られた点群データやその点群データから作成されたデータの情報の通信を行う。
演算制御部１１３は、後述する三次元情報処理部３００を備えていることに加えて、ＴＳ１００の各種動作制御に係わる演算処理および記憶部１０２に記憶するデータの管理の制御を行う。演算制御部１１３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）に代表されるＰＬＤ（Programmable Logic Device）などの電子回路により構成される。また、一部の機能を専用のハードウェアで構成し、他の一部を汎用のマイコンにより構成することも可能である。
演算制御部１１３の各機能部を専用のハードウェアで構成するのか、ＣＰＵにおけるプログラムの実行によりソフトウェア的に構成するのかは、要求される演算速度、コスト、消費電力等を勘案して決定される。なお、機能部を専用のハードウェアで構成することとソフトウェア的に構成することは、特定の機能を実現するという観点からは、等価である。当然のごとく、各機能部を装置として実現することも等価である。
なお、本発明の利用においてＴＳ１００は、測量機能とレーザースキャナ機能を有しているものならば、ＴＳ等をはじめとする測量装置にも限定されず、他の装置へ代用可能である。例えば、上述の二つの機能を有するカメラや携帯端末等での代用が可能である。
（ＵＡＶの構成）
ＵＡＶ２００は、空中を飛行する無人航空機であって、ＴＳ１００によって自動視準および自動追尾されるために反射プリズム２０１を備える。さらに、ＵＡＶ２００は飛行制御信号受信のため、通信機能を備える。この通信機能によって、ＵＡＶ２００は、外部から送信される操作指令を制御信号として受信し、飛行制御される。なお、ＵＡＶ２００が備える通信機能は、ＴＳ１００や他の通信装置との間の信号や情報の送受信も可能としてもよい。
（三次元情報処理部の構成）
図５は、三次元情報処理部３００のブロック図である。三次元情報処理部３００は、本発明における処理を司る部分であって、自動視準制御部３０１、測位部３０２、スキャン制御部３０３、区間算出部３０４、制御対象位置算出部３０５、制御動作決定部３０６、制御信号生成部３０７を備える。
自動視準制御部３０１は、各機能部または各装置を機能または動作させることにより、対象を追尾する。例えば、ＴＳ１００の追尾光発光部１０４および追尾光受光部１０５を機能させ、ＵＡＶ２００を追尾する。
測位部３０２は、各機能部または各装置を機能または動作させることにより、対象の三次元座標を得る。例えば、自動視準制御部３０１の制御によって追尾されているＵＡＶ２００に対して、ＴＳ１００の測距部１０３、水平角検出部１０６および鉛直角検出部１０７を機能させ、ＴＳ１００を基準としたＵＡＶ２００の三次元座標を得る。
スキャン制御部３０３は、レーザースキャン機能部またはレーザースキャナ装置を機能または動作させることにより、対象の点群データを得る。なお、得られた点群データには、測位部３０２で得られる三次元座標データが付与される。例えば、ＴＳ１００のレーザースキャナ部１０１を機能させ、三次元座標情報を有する点群データを得る。
区間算出部３０４は、スキャン制御部３０３によって得られた三次元座標情報を有する点群データから制御対象のスキャン（走査）方向に存在する物体間の距離を算出する。物体間の距離は、制御対象が移動可能な区間となる。制御対象が移動可能な区間の算出は、点群データの中で、制御対象（制御対象に備えられる反射プリズム）のスキャン方向線上（鉛直線上および水平線上等）を横切る前後の２点の点群データ（もしくは、その近傍点の集まりの座標平均地点）を制御対象のスキャン方向線上に存在する物体として抽出し、その２点のスキャン方向の座標差から計算できる。
区間算出部３０４は、スキャンを行った範囲で抽出できた点群データが無かった場合は、スキャンを行った範囲に障害となる物体はないと判定し、スキャンを行った全範囲を制御対象が移動可能な区間と仮定して処理する。例えば、図２のＹ－Ｚ面に沿った鉛直面をスキャン面としたレーザースキャンを０～Ｌの範囲で行う場合、すなわち、Ｙをパラメータとして、Ｙ＝０～Ｌの範囲でレーザースキャンを行う場合、障害物と推定される点群データが抽出されなかったときは、Ｙ＝０～Ｌの範囲を制御対象が移動可能な区間とする。
制御対象位置算出部３０５は、区間算出部３０４によって算出された制御対象の移動可能な区間における制御対象（制御対象に備えられる反射プリズム）の位置を算出する。算出される制御対象の位置は、区間算出部３０４によって算出された区間に対して、絶対値として算出してもよいし、相対値として算出してもよい。
制御動作決定部３０６は、制御対象位置算出部３０５によって算出された空間における位置情報と設定された制御方法に基づき、制御対象に行わせる動作を決定する。ここで、設定される制御方法としては、例えば、空間内の中央に制御対象を位置させる方法や空間の端から一定の距離を確保できる地点に制御対象を位置させる方法がある。設定される制御方法は、本発明実施時の状況等によって、任意に制御内容を設定変更可能である。
制御動作決定部３０６で行う処理の一例としては、構造物Ａと構造物Ｂの間の１０ｍの空間をＵＡＶ２００が飛行しており、ＵＡＶ２００の位置が構造物Ａから１ｍかつ構造物Ｂから９ｍの位置であって、設定された制御方法が空間の中央に制御対象を位置させるものであるならば、構造物Ｂ方向へ４ｍ移動させることを決定する処理となる。
制御信号生成部３０７は、制御動作決定部３０６において決定された動作を制御対象に行わせるため、制御信号を生成する。本実施形態ならば、生成された制御信号は、ＴＳ１００の通信部１１２によって送信されることで、ＵＡＶ２００の制御に利用される。
制御信号生成部３０７が生成する制御信号は、制御動作決定部３０６が制御対象に行わせる制御動作を特になしと決定した場合、制御が必要ないため信号自体を生成しないとしてもよいが、制御対象位置算出部３０５の処理結果のみを付与した信号としてもよい。
さらに、制御信号生成部３０７が生成する制御信号は、制御対象を直接制御する信号に限られず、区間算出部３０４、制御対象位置算出部３０５および制御動作決定部３０６において算出された値または算出された値から導かれる情報を制御対象となる無人航空機の操作装置に表示または発音させることで、オペレータ等を介して、間接的に制御を行ってもよい。
間接的な制御の例としては、制御対象となる無人航空機の操作装置に、制御対象から障害物となりうる物体までの距離を表示または発音させたり、障害物となりうる物体との距離が近づいてきた場合は警告文や警報音を出力させたりすることが挙げられる。したがって、本実施形態に用いるＵＡＶ２００は、予め定めた飛行ルートを自律飛行するものであってもよいし、オペレータの操縦による飛行制御であってもよい。
スキャン制御部３０３において得られた点群データや、制御動作決定部３０６において用いられる制御方法の設定データは、三次元情報処理部３００内に備えられる記憶部（図示省略）に記憶してもよいし、三次元情報処理部３００が備えられる装置の記憶部（本実施形態ならば、ＴＳ１００の記憶部１０２）や三次元情報処理部３００と通信可能な装置の記憶部に記憶させてもよい。
（処理の一例）
本実施形態における処理の一例を図６に示す。ここで示す処理では、ＴＳ１００のレーザースキャナ部１０１は、ＵＡＶ２００に対して鉛直方向にスキャン（図２のＹ－Ｚ面内でのスキャン）を行うものとして説明する。
まず、ＵＡＶ２００に備えられる反射プリズムに対して、ＴＳ１００により自動視準を行い、ＵＡＶ２００の飛行に合わせてＴＳ１００が自動追尾を行えるようにする。ＴＳ１００がＵＡＶ２００を自動追尾できていることで、次のステップで行う測位が可能となる（ステップＳ１０１）。
次に、制御対象であるＵＡＶ２００を自動追尾しながら測位を行い、ＵＡＶ２００の三次元座標データを得る（ステップＳ１０２）。そして、制御対象であるＵＡＶ２００の鉛直方向について、スキャンを行うことで、スキャン範囲の点群データを得る（ステップＳ１０３）。
ステップＳ１０３の処理で得た点群データから、スキャン方向上に存在する物体に該当するデータをＵＡＶ２００の鉛直上方向と鉛直下方向で１点ずつ抽出し、この２点のスキャン方向の座標差からＵＡＶ２００の移動可能区間を算出する（ステップＳ１０４）。次に、ステップＳ１０２とステップＳ１０４の結果を用いて、ステップＳ１０４で算出されたＵＡＶ２００の移動可能区間におけるＵＡＶ２００の位置を算出する（ステップＳ１０５）。
ステップＳ１０５で算出された移動可能区間におけるＵＡＶ２００の位置と予め設定されたＵＡＶ２００の制御方法とを照合することで、ＵＡＶ２００に対する制御内容（動作内容）を決定する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６において決定した制御内容をＵＡＶ２００に行わせる制御信号を生成する（ステップＳ１０７）。なお、ステップＳ１０６において、ＵＡＶ２００に対して、特に制御が必要なしと判断される場合は、制御信号の生成を行わなくてもよいし、動作の制限がない旨の信号を送信してもよい。
ステップＳ１０２～ステップＳ１０７までの処理は、ＵＡＶ２００の飛行終了まで繰り返し行われる。ステップＳ１０２～ステップＳ１０７までの処理は数秒ごとに行い、ＵＡＶ２００の飛行を随時制御する（ステップＳ１０８）。そして、処理はＵＡＶ２００の飛行終了に伴い終了となる。
ステップＳ１０８におけるＵＡＶ２００の飛行終了の判断は、ＵＡＶ２００を操作するオペレータによるものでもよいし、ステップＳ１０２におけるＵＡＶ２００の三次元座標データの変化が一定時間なかったことをもって判断する機能部（例えば、三次元情報処理部３００に備えられる、図示しない処理終了判定部）によって行ってもよい。処理終了判定部は、オペレータの判断を受け付ける機能部を備えることで、自己の判断に加え、オペレータの判断も利用し、制御対象であるＵＡＶ２００の飛行終了を判定できる。
本実施形態の処理として上述したステップＳ１０８のように、三次元情報処理部３００は数秒以下のオーダーで、ステップＳ１０２～ステップＳ１０７までの処理を繰り返す。この際、点群データの処理による演算量の増加が懸念される。この対応としては、予めＵＡＶ２００が飛行する範囲について、事前に点群データを取得しておくことが考えられる。
この場合は、ステップＳ１０３において得られた点群データは優先的にステップＳ１０６の決定に利用するものとし、事前に取得したデータはステップＳ１０３において得られた点群データの補完データとして利用することで、三次元情報処理部３００がステップＳ１０２～ステップＳ１０７までの処理を繰り返す頻度を下げることができる。また、更なる効果として、ＵＡＶ２００の追尾と同時に取得できない範囲の障害物の点群データをＵＡＶ２００の制御に用いることができる。
上述の処理ステップＳ１０３およびステップＳ１０４においては、Ｙ―Ｚ面内のみにスキャンを行い、Ｙ―Ｚ面内に存在する物体を検出している。ＴＳ１００から見た鉛直面（Ｙ－Ｚ面）のみを対象として物体を検知する方法は制御対象の安全面には劣るが、点群データの処理のための演算量を抑えられる利点がある。つまり、制御対象の安全と点群データの処理量はトレードオフの関係がある。安全面を重視するかは、本発明の利用者ごとの要求（ニーズ）によるため、点群データの収集範囲を可変とすることで、本発明の汎用性が増す。そこで、後述する変形例においては、点群データの収集量を増やすことで、制御対象の安全面を向上させる方法を示す。
（具体例）
例えば、図１において、構造物が橋梁であり、橋梁の下をくぐってＵＡＶ２００を飛行させる場合を考える。この場合、レーザースキャンによって鉛直方向における移動可能距離を求め、その方向での比率が特定の値となる高度でＵＡＶ２００が飛行するように飛行制御が行われる。例えば、鉛直方向におけるＵＡＶ２００の地表からの距離と橋梁までの距離とが１：１となるように飛行制御が行われる。この場合、橋梁の下において、地表と橋梁の中間地点の高度で飛行するようにＵＡＶ２００の飛行制御が行われる。
すなわち、橋梁の三次元構造がレーザースキャナ部１０１で取得され、同時にＵＡＶ２００の三次元位置がＴＳ１００でリアルタイムに測位されるので、橋梁との干渉を避けたＵＡＶ２００の飛行制御が可能となる。
また、構造物内部や建築物内部等の広さが有限な空間においても、本発明の利用は可能である。例えば、トンネルの内部において、ＵＡＶ２００を飛行させる場合に、高低角方向のレーザースキャンを行うことで、トンネルの路面と天井の三次元座標を取得し、且つ、ＴＳ１００によりＵＡＶ２００を捕捉し、その測位を行うことで、トンネルの路面（底面）と天井の間の所定の位置（例えば、路面から４ｍ上で、天井面から２ｍ下の高度）を保ってＵＡＶ２００を飛行させることができる。
また、以上の場合において、ＵＡＶ２００の追尾および測位と同時に高低角方向のレーザースキャンを行いつつ、更に予め取得しておいたレーザースキャン点群のデータを併用することで、ＵＡＶ２００の追尾と同時に取得できない範囲の障害物の位置データを参照し、ＵＡＶ２００の飛行制御ができる。
例えば、上記のトンネルの内部において、ＵＡＶ２００を飛行させる場合ならば、トンネル内の高度の制御は、リアルタイムで取得するレーザースキャンデータを用い、トンネルの側壁との干渉を避ける飛行制御を予め取得しておいたレーザースキャンデータを用いて行う例が挙げられる。
（変形例１）
上述の処理の一例（ステップＳ１０１～ステップＳ１０８）のステップＳ１０３における点群データの取得範囲を回転部２５の回転方向と同一方向に対してではなく、回転部２５の回転方向ではない方向に広げた場合のステップＳ１０６における制御方法を示す。
ここで、鉛直方向のスキャン範囲はＹ０～Ｙｎとし、水平方向のスキャン範囲はＸ０～Ｘｎとする。さらに、回転部２５の回転方向を鉛直方向として、水平方向に広がったスキャン範囲分であるＸ０～Ｘｎの範囲に対して、ｎ条のパルスレーザー光により、Ｙ０～Ｙｎの範囲をスキャンした点群データの集合をｎ個取得したとする。すなわち、Ｘの値が異なる、Ｙ―Ｚ面にスキャンを行った点群データの集合をｎ個取得したこととなる。
この場合の制御は、取得した点群データの集合ｎ個の中で、最も条件が厳しいＵＡＶ２００の移動可能区間を設定するならば、安全面を重視したＵＡＶ２００の飛行制御となり、最も条件が緩いＵＡＶ２００の移動可能区間を設定するならば、飛行の実施を重視したＵＡＶ２００の飛行制御となる。
なお、回転部２５の回転方向ではない方向のスキャン範囲Ｘ０～Ｘｎは、回転部２５の回転方向と同一方向のスキャン範囲Ｙ０～Ｙｎと比較して、小さい値でよい。そのため、回転部２５の回転方向がＵＡＶ２００に対して鉛直ならば、スキャン範囲を水平方向に広げるのは、ＴＳ１００の本体部１１またはレーザースキャナ部１０１をＺ軸を中心として回転させる機構を用いれば足りる。ＴＳ１００がＺ軸を中心とした回転が可能な機構を有すれば、本変形例で示した方法と上述の処理の一例（ステップＳ１０１～ステップＳ１０８）で示した方法を本発明の利用者の要求に応じて、使い分けることができる。
また、鉛直方向と水平方向の二つの方向をスキャンするには、後述する変形例２にて示す、ＵＡＶ２００に対して鉛直方向にスキャンするＴＳ１００とＵＡＶ２００に対して水平方向にスキャンするＴＳ１００を組み合わせる方法で行ってもよい。
（変形例２）
上述の実施形態では、レーザースキャナによるスキャン方向（回転部２５の回転方向）をＵＡＶ２００に対して鉛直方向としたが、ＵＡＶ２００に対して水平方向とすることもできる。水平方向のレーザースキャンは、レーザースキャン部１０１における鉛直面でのレーザースキャンを行いつつ、同時にＴＳ本体２０を往復水平回転（水方向における揺動回転）させることで実現できる。
この例では、高低角方向と同時に水平方向のレーザースキャンが行われる。ここで、ＴＳ１００の左右の往復回転（揺動）により水平方向のスキャンを行う場合、ＵＡＶ２００の反射プリズムのロックが間欠的となる。しかしながら、左右のスキャン範囲を狭めることで、ＵＡＶ２００の追尾を実質的に途切れなく行うことができる。
例えば、ＴＳ１００を左右に往復回転させつつ（揺動させつつ）水平方向のスキャンを行う場合のスキャン範囲として、１秒間に１回以上ＵＡＶ２００の反射プリズムを追尾範囲に捉えることができる条件が挙げられる。この場合、ＵＡＶ２００の追尾を実質的に途切れることなく行える。
なお、ＵＡＶ２００の反射プリズムを捉える頻度（回数／秒）が多い程、追尾精度が高くなるが、ＴＳ１００の機械的な動作速度や追尾および測位に係る演算速度によりその上限が律速される。この処理によれば、ＵＡＶ２００を実質的に追尾しつつ、且つ、ＵＡＶ２００の左右方向における周囲のレーザースキャンデータが取得できる。
また、スキャン方向の変更は、ＴＳ１００が備える回転部２５の構造を変えることで実現することもできる。スキャン方向を変更することで、任意の方向において、ＴＳ１００の本体部１１またはレーザースキャナ部１０１を回転させる等することによって得られる点群データ量以上のデータを取得できるようになり、結果として、任意の方向の物体をより検知しやすくなる。そして、ＵＡＶ２００に対して鉛直方向にスキャンするＴＳ１００とＵＡＶ２００に対して水平方向にスキャンするＴＳ１００を組み合わせることで、鉛直方向と水平方向の両方向からデータを基に、ＵＡＶ２００の制御をすることもできる。
（変形例３）
本発明の技術は、ＴＳの測量対象物（ターゲット）追尾イメージセンサを用いて、実施することもできる。この場合の実施形態を二例示す。
（変形例３‐１）
通常、イメージセンサの撮像画面の中心（ＸＣ, ＹＣ）に制御目標位置Ｐ（ＸＴ, ＹＣ）を固定した上で、センサ上の反射プリズム２０１の位置を測定し、反射プリズム２０１に対応するプリズム像が上記の中心（ＸＣ, ＹＣ）に来るようにフィードバック制御することで、ＵＡＶ２００に備えられる反射プリズム２０１を追尾することができる。
しかし、本変形例は、図２におけるＺ軸を回転軸としたＴＳ１００の揺動回転に対応するため、追尾中に制御目標位置Ｐ（ＸＴ, ＹＣ）を中心（ＸＣ, ＹＣ）に固定せず、制御目標位置Ｐ（ＸＴ, ＹＣ）のＸ成分（水平方向の成分）を時間と共に変化させる。図７は、追尾イメージセンサのＸ方向で左端ＸＬ、右端ＸＲと設定し、追尾の制御目標位置Ｐ（ＸＴ, ＹＣ）のＸ成分を時間と共に動かす場合の追尾イメージセンサ画面を示す図である。
この場合、追尾イメージセンサ画面上のプリズム像は、ＴＳ１００がＺ軸を中心とする左右の振れを振幅Ａとした、時間ｔを変数とする正弦波関数Ａsin(ωｔ)（ω：角速度）に基づく移動をＸＴ＝ＸＬ～ＸＲの間で行う。つまり、時間ｔに依存する振幅Ａの変化が、ＸＬ～ＸＲの間におけるプリズム像の移動として検出される。これによって、プリズム像は、追尾イメージセンサ画面上を左右に動き、ＴＳ１００がＺ軸を中心とした左右の振幅をしていようとも、反射プリズム２０１、ひいては反射プリズム２０１が備えられるＵＡＶ２００の動きを追尾することができる。以上のＴＳ１００の揺動回転の制御に係る演算は、演算制御部１１３で行われ、その駆動は、水平回転駆動部１０８が行う。
また、上記の左右の揺動を行いつつ、レーザースキャナ部１０１による鉛直面内のレーザースキャン（高低角方向におけるレーザースキャン）を行うことで、上記のＸＬ～ＸＲの間に対応する左右の範囲へのレーザースキャンが可能となる。つまり、ＵＡＶ２００を追尾および測位を継続しつつ、左右は限定された範囲であるが、上下左右のレーザースキャンが可能となる。
例えば、ＴＳ１００の本体部２０が少し左に回転し、追尾イメージセンサの撮像画面に設定された右端（ＸＲ，ＹＣ）の位置に反射プリズム２０１のプリズム像がきた場合を考える。この場合、ＴＳ１００から反射プリズム２０１までの距離は、ＴＳ１００の測距機能により計測される。これは、測距光がある程度の広がりを持って照射され、そこから反射された反射光が測距部１０３で検出されるからである。また、スキャン光がＸＬ～ＸＲの間に対応する左右の範囲を揺動する際に、測距光は動作に合わせて揺動し間欠的にプリズムに照射されるが、この場合も測距は可能である。
ところで、上記の際、ＴＳ１００の本体部２０が少し左に回転しているので、水平方向におけるＴＳ１００の光軸は反射プリズム２０１から少しずれている。よって、この場合、水平角検出部１０６の検出値を用いて反射プリズム２０１の位置を計算すると、誤差が生じる。
しかしながら、イメージセンサの撮像画面中におけるプリズム像の画面位置の撮像画像中心からのＸ方向における画素の数を数えることで、ＴＳ１００の光軸に対するＴＳ１００から見た反射プリズム２０１の水平方向における方向を算出できる。
よって、測距部１０３で計測したＴＳ１００から反射プリズム２０１までの距離と、追尾用のイメージセンサの撮像画像に基づく反射プリズム２０１の方向とから、反射プリズム２０１の三次元位置を計算できる。
このように、左右揺動してのレーザースキャンを行うに際して、反射プリズム２０１がＴＳ１００の光軸からずれても、追尾画像中で反射プリズム２０１を追尾している限り、反射プリズム２０１の三次元測位を継続して行える。このため、ＵＡＶ２００の追尾と測位の処理を継続しつつ、ＵＡＶ２００の移動可能な範囲の設定を上下方向に加えて左右方向に拡張することできる。
なお、上述した反射プリズム２０１までの距離と追尾イメージセンサ画像に基づく、反射プリズム２０１の位置の算出に係る処理は、測位部３０２で行われる。
図８は、ＴＳ１００に備えられるレーザースキャナ部１０１によるスキャン範囲を示した図である。図８に示すように、レーザースキャンは、奥行き方向（図８におけるＹ軸方向）にも行われる。そのため、この技術によれば、ＵＡＶ２００の追尾および測位を継続して行いつつ、ＵＡＶ２００を中心とした三次元の範囲における障害物の検出や移動可能範囲の設定が可能となる。この例によれば、ＵＡＶ２００の左右の空間に対するレーザースキャンが行われるので、例えば、ＵＡＶ２００を壁面に沿って飛行させる場合の制御を高い精度で行える。
（変形例３‐２）
図９には、イメージセンサを用いた本変形例の一例を概念図として示す。図９に示すように、上述の処理の一例（ステップＳ１０１～ステップＳ１０８）のステップＳ１０４によって算出されるＵＡＶ２００の鉛直方向の移動可能区間を追尾イメージセンサのＹ軸のスケールと同一とし、ＵＡＶ２００の水平方向の移動可能区間を追尾イメージセンサのＸ軸のスケールと同一とすれば、追尾イメージセンサで表示される画面がＵＡＶ２００の移動可能区間となる。さらに、ステップＳ１０５によって算出される移動可能区間におけるＵＡＶ２００の位置の算出結果を追尾イメージセンサの画面上に照合し、ＵＡＶ２００を追尾および制御することができる。
この変形例の場合において、回転部２５の回転方向ではない方向のスキャン範囲をスキャンするには、ＴＳ１００の本体部１１またはレーザースキャナ部１０１がＺ軸を中心として回転させる機構を用いてもよいし、ＵＡＶ２００に対して鉛直方向にスキャンするＴＳ１００とＵＡＶ２００に対して水平方向にスキャンするＴＳ１００を組み合わせることで行ってもよい。
なお、ＴＳ等の測量機器に用いられるイメージセンサに係る技術については、特開２０１３－１３４２２０号公報に記載されている。
（変形例４）
本変形例では、本発明の実施現場全体を予め測位およびスキャンすることで三次元座標情報を有する点群データを取得しておく場合の実施形態の一例を示す。この場合、ＴＳ１００がＵＡＶ２００を自動追尾しながら、測位することで得られるＵＡＶ２００の三次元位置情報（座標）を予め取得した点群データに照合し、ＵＡＶ２００と障害となる物体との距離を算出することで、ＵＡＶ２００を障害となる物体から一定距離を保ったまま飛行させることができる。
なお、本変形例では、本発明の実施現場全体の点群データが予め得られているため、ＵＡＶ２００と障害となる物体との距離は鉛直方向および水平方向に限定されずに算出が可能である。
（汎用性）
三次元情報処理部３００が行う処理（上述の処理の一例のステップＳ１０１～ステップＳ１０３）は、ＴＳ１００の演算制御部１１３を介してＴＳ１００の各機能を動作させればよいため、演算制御部１１３と三次元情報処理部３００の間で信号の送受信が行えるのならば、三次元情報処理部３００は、図４に示すような演算制御部１１３に備えられることに限定されず、ＴＳ１００等の測量機器に備えられることにも限定されない。つまり、三次元情報処理部３００を別個の装置としてもよい。例えば、三次元情報処理部３００を別個の装置として、市販されている三次元レーザースキャナ装置およびＴＳとを組み合わせて、本発明を実施することが考えられる。
本発明の技術は、無人航空機以外の移動体に対しても利用可能である。例えば、道路を走行する車両に対して利用する場合は、中央分離帯や縁石などの道路上の構造物から一定の距離を保って、走行させる制御が可能である。また、レーザースキャナを用いた車両の制御では、制御対象にレーザースキャナを備えることが一般的ではあるが、本発明ならば、車両に備えられることに限られない。
（優位性）
本発明の優位性は、被制御対象となる移動体の周囲の情報を被制御対象の移動時に点群データとして取得することで、移動体の移動開始前には予測し得なかった障害物を回避することが可能となる。
本発明は、移動体の制御技術に利用可能である。
１１…本体部、１２…台座、１３…可動部、１４a…水平回転角制御ダイヤル、１４b…鉛直回転角制御ダイヤル、１５a…照準器、１５b…照準器、１６…望遠鏡、１７…接眼部、１８…ディスプレイ、１９…ディスプレイ、２０…ＴＳ本体、２１…塔部、２２…塔部、２３…結合部、２４…保護ケース、２５…回転部、２６…斜めミラー、１００…（レーザースキャナ付き）ＴＳ、１０１…レーザースキャナ部、１０２…記憶部、１０３…測距部、１０４…追尾光発光部、１０５…追尾光受光部、１０６…水平角検出部、１０７…鉛直角検出部、１０８…水平回転駆動部、１０９…鉛直回転駆動部、１１０…表示部、１１１…操作部、１１２…通信部、１１３…演算制御部、２００…ＵＡＶ、２０１…反射プリズム、３００…三次元情報処理部、３０１…自動視準制御部、３０２…測位部、３０３…スキャン制御部、３０４…区間算出部、３０５…制御対象位置算出部、３０６…制御動作決定部、３０７…制御信号生成部。

Claims (2)

  1. レーザー光を用いて測位を行う機能を有するトータルステーションと鉛直面に沿ったレーザースキャンを行うレーザースキャナを複合化した測量装置を用いた無人航空機の飛行制御方法であって、
    前記レーザー光を用いた測位を行う機能における前記レーザー光の光軸は前記鉛直面に含まれ、
    ターゲットを搭載した前記無人航空機の前記ターゲットを前記トータルステーションにより測位すると同時に、前記レーザースキャナにより前記鉛直面に沿ったレーザースキャンを行うステップと、
    前記レーザースキャンによって得た点群データに基づき、前記無人航空機の上方向および下方向に存在する物体を検出するステップと、
    前記無人航空機の前記上方向および前記下方向に存在する前記物体に基づき、鉛直方向における前記無人航空機の移動可能な区間を算出するステップと
    を有する無人航空機の飛行制御方法。
  2. レーザー光を用いて測位を行う機能を有するトータルステーションと鉛直面に沿ったレーザースキャンを行うレーザースキャナを複合化した測量装置を用いた無人航空機の飛行制御用プログラムであって、
    前記レーザー光を用いた測位を行う機能における前記レーザー光の光軸は前記鉛直面に含まれ、
    コンピュータに
    ターゲットを搭載した前記無人航空機の前記ターゲットを前記トータルステーションにより測位すると同時に、前記レーザースキャナにより前記鉛直面に沿ったレーザースキャンを行うステップと、
    前記レーザースキャンによって得た点群データに基づき、前記無人航空機の上方向および下方向に存在する物体を検出するステップと、
    前記無人航空機の前記上方向および前記下方向に存在する前記物体に基づき、鉛直方向における前記無人航空機の移動可能な区間を算出するステップと
    を実行させる無人航空機の飛行制御用プログラム。
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