JP7213394B2 - 無人飛行体制御支援システム及び無人飛行体制御支援方法 - Google Patents

無人飛行体制御支援システム及び無人飛行体制御支援方法 Download PDF

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Description

本発明は、無人飛行体制御支援システム及び無人飛行体制御支援方法の技術に関する。
風力発電に用いる風車等を点検するためにドローン(無人飛行体)の活用が進んでいる。このような場合、ドローンが風車を撮像し、その画像を基に点検者が保守の要否等を判定している。このような用途でドローンを使用する際、高解像度な画像を撮像する必要があることから、安定した飛行・滞空が必要となる。
しかし、ドローンは小型軽量であるので、風の影響を受けやすく、特に突風等の風況変化の影響を受けやすいという課題がある。
このような課題に対し、特許文献1が開示されている。
特許文献1には、「人による操縦を必要とせず、かつ、風の影響を考慮してドローンを飛行させる。無人航空機飛行管理システム1に、地上物が存在せず無人航空機6が飛行可能な水平方向および高さ方向の3次元の地図データを記憶する3次元地図データ記憶部172と、現在位置を取得する現在位置取得部175と、目的地を取得する搬送指示取得部166と、現在位置から目的地までの前記地図データにおける飛行可能な経路を算出する経路算出部167と、風況データを取得するライダーデータ取得部121と、前記風況データから飛行を避けた方が良い警戒領域を算出する危険風況領域判定部123と、前記経路算出部167により算出した経路が前記危険風況領域判定部123により算出した警戒領域を通過する経路であった場合に、前記警戒領域を避けて経路を再算出する経路再算出部164を備えた」飛行経路算出システム、飛行経路算出プログラム、および無人航空機経路制御方法が開示されている。
国際公開第2020/013153号
しかしながら、特許文献1には、実測した風況データから近未来の風況を予測することが記載されているものの、予測の具体的な手法が記載されていない。
このような背景に鑑みて本発明がなされたのであり、本発明は、無人飛行体を安定的に飛行させることを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明は、複数の仮想風況情報それぞれに対して、無人飛行体が飛行する地点における空気の流れのシミュレーションを実行し、前記シミュレーションの結果であるシミュレーション結果を出力するシミュレーション処理部と、実測された風況の情報である実測風況情報を基に、前記実測風況情報に対応する前記仮想風況情報の前記シミュレーション結果を取得するシミュレーション結果取得部と、取得した前記シミュレーション結果を出力する出力部と、を有することを特徴とする。
その他の解決手段は実施形態中において記載する。
本発明によれば、無人飛行体を安定的に飛行させることができる。
ドローン制御支援システムの構成例を示す図である。 本実施形態におけるシミュレーション装置の機能ブロック図である。 本実施形態における風況推定装置の機能ブロック図である。 本実施形態におけるシミュレーション装置が行う処理の手順を示すフローチャートである。 本実施形態における風況推定装置が行う処理の手順を示すフローチャートである。 過去気象データの一例を示す図(その1)である。 過去気象データの一例を示す図(その2)である。 仮想風況データ、及び、風況シミュレーションの結果を示す図である。 流れ場特徴量解析処理の結果を示す図である。 本実施形態のドローン制御支援システムによる実行例を示す図(その1)である。 本実施形態のドローン制御支援システムによる実行例を示す図(その2)である。 本実施形態のドローン制御支援システムによる実行例を示す図(その3)である。 本実施形態に係るドローン制御支援システムにおける別の適用例を示す図である。
次に、本発明を実施するための形態(「実施形態」という)について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
<システム>
図1は、ドローン制御支援システム1の構成例を示す図である。
ドローン制御支援システム1は、シミュレーション装置100及び風況推定装置300を有する。なお、ドローン制御支援システム1に解析結果DB200が含まれていてもよい。
シミュレーション装置100は、気象センタB1から過去気象データ601を取得し、地理センタB2から地形データ602を取得する。そして、シミュレーション装置100は、これらのデータに基づいて風況推定地域における風況のシミュレーション(風況シミュレーション)を行う。ここで、風況とは風速及び風向のことである。また、風況推定地域とは、ドローン500を飛行させるために風況を推定する地域のことである。換言すれば風況推定地域とはドローン500を飛行させる地域のことである。
さらに、シミュレーション装置100は、風況シミュレーションの結果得られた、風況推定地域における風況に対して流れ場特徴量解析を行う。流れ場特徴量解析については後記する。ここでは、流れ場特徴量解析の結果、解析結果の組750が生成されるものとする。解析結果の組750については後記する。そして、シミュレーション装置100は、生成された解析結果(ここでは解析結果の組750)を解析結果DB200に格納する。
風況推定装置300は、気象予報データ603、実測風況データ604を基に、解析結果DB200から取得する。そして、風況推定装置300は、取得した解析結果(ここでは、解析結果の組750)を基に、現在から所定時間後の風況推定地域における風況を推定する。なお、気象予報データ603は気象センタB1等から取得される。また、実測風況データ604は風車WMに備えられている図示しない風速センサ等から取得される。
そして、風況推定装置300は、推定された風況のデータ(推定風況データ605)をドローン制御装置400へ出力する。
ドローン制御装置400に出力された推定風況データ605を基に、操縦者P1はドローン制御装置400を操作することによって、ドローン500の制御を行う。ドローン制御装置400に出力された推定風況データ605は、例えば、ドローン制御装置400の図示しない表示装置に表示される。操縦者P1は、図示しない表示装置に表示されている推定風況を基にドローン500の制御(操縦)を行う。
(シミュレーション装置100)
図2は、本実施形態におけるシミュレーション装置100の機能ブロック図である。適宜、図1を参照する。
シミュレーション装置100は、少なくともメモリ110、CPU(Central Processing Unit)121、送受信装置122を備える。
送受信装置122は、気象センタB1から過去気象データ601を受信したり、地理センタB2から地形データ602を受信したりする。また、送受信装置122は、解析結果の組750等を解析結果DB200に送信する。
また、図示しない記憶装置に格納されているプログラムがメモリ110にロードされ、ロードされたプログラムがCPU121によって実行される。これによって、データ取得部111、シミュレーション処理部112、解析処理部113、格納処理部114が具現化する。
データ取得部111は、送受信装置122を介して、気象センタB1から過去気象データ601を取得したり、地理センタB2から地形データ602を取得したりする。
シミュレーション処理部112は、取得した過去気象データ601、地形データ602を基に、時刻tにおける仮想風況データ741(図8参照)を算出する。また、シミュレーション処理部112は、算出した仮想風況データ741を基に、時刻t+1における風況推定地域における風況のシミュレーション(風況シミュレーション)を行う。仮想風況データ741については後記するが、風況シミュレーションにおける入力データである。ここで、時刻t+1とは、時刻tより所定時間後という意味である。
解析処理部113は、シミュレーション処理部112によるシミュレーション結果に対して主成分分析(固有値直行分解)等の流れ場特徴量解析処理を行う。
格納処理部114は、送受信装置122を介して、解析処理部113による結果を仮想風況データ741、過去気象データ601における気象条件等と対応付けて解析結果DB200に格納する。
(風況推定装置300)
図3は、本実施形態における風況推定装置300の機能ブロック図である。適宜、図1を参照する。
風況推定装置300は、少なくともメモリ310、CPU321、送受信装置322を備える。
送受信装置322は、気象センタB1から気象予報データ603を受信したり、実測された風況のデータである実測風況データ604を受信したりする。また、送受信装置322は、解析結果DB200から解析結果の組750を取得したり、推定した風況推定地域の風況データ(推定風況データ605)をドローン制御装置400へ出力したりする。
そして、図示しない記憶装置に格納されているプログラムがメモリ310にロードされ、ロードされたプログラムがCPU321によって実行される。これによって、データ取得部311、解析結果取得部312、風況推定部313、出力処理部314が具現化する。
データ取得部311は、送受信装置322を介して、気象センタB1から気象予報データ603を取得したり、風車WMに備えられている風速センサ(不図示)等から実測風況データ604を取得したりする。
解析結果取得部312は、取得した気象予報データ603や、実測風況データ604を基に、解析結果DB200から解析結果の組750を取得する。
風況推定部313は、取得した解析結果の組750を基に、風況推定地域における風況を推定する。
出力処理部314は、推定した風況のデータ(推定風況データ605)をドローン制御装置400へ出力する。
<フローチャート>
(シミュレーション装置100の処理)
図4は、本実施形態におけるシミュレーション装置100が行う処理の手順を示すフローチャートである。ステップS101~S105における、それぞれの処理の詳細は後記する。また、適宜、図1~図3を参照する。
まず、データ取得部111は、送受信装置122を介して、気象センタB1から過去気象データ601を取得し、地理センタB2から地形データ602を取得する(S101)。
続いて、シミュレーション処理部112は、ある地点での仮想風況データ741(図8参照)を算出する(S102)。仮想風況データ741については後記する。
そして、シミュレーション処理部112が入力された仮想風況データ741、過去気象データ601、地形データ602を基に、風況推定地域における風況のシミュレーション(風況シミュレーション)を行う(S103)。
次に、解析処理部113が、ステップS103の処理結果に対して流れ場特徴量解析処理を行う(S104)。流れ場特徴量解析処理に用いられる手法は、前記したようにsy成分分析(固有値直行分解)や、フーリエ解析等である。
そして、格納処理部114は、流れ場特徴量解析処理の結果(解析結果;本実施形態では解析結果の組750)を解析結果DB200に格納する(S105)。
シミュレーション装置100は、様々な仮想風況データ741について、ステップS101~S105の処理を行う。そして、シミュレーション装置100は、それぞれの仮想風況データ741と、仮想風況データ741の算出に用いられた気象条件と対応付けて解析結果(解析結果の組750)を解析結果DB200に格納する。
(風況推定装置300の処理)
図5は、本実施形態における風況推定装置300が行う処理の手順を示すフローチャートである。ステップS201~S204における、それぞれの処理の詳細は後記する。また、適宜、図1~図3を参照する。
データ取得部311は、送受信装置322を介して、気象予報データ603及び実測風況データ604を取得する(S201)。前記したように、気象予報データ603は気象センタB1から取得され、実測風況データ604は、例えば、風車WMに備えられている風速センサ(不図示)等から取得される。
次に、解析結果取得部312が、取得された実測風況データ604や、気象予報データ603の気象条件に合う解析結果の組750を取得する(S202)。
そして、風況推定部313は、取得された解析結果の組750を基に、現在から所定時間後における風況推定地域の風況を推定する(S203)。現在を時刻tとすると、ここでの所定時間後とは、時刻t+1に相当する時刻を意味する。
その後、出力処理部314は、推定した風況推定地域の風況データ(推定風況データ605)を出力する(S204)。
<処理の具体例>
次に、図6~図9を参照して、図4及び図5における各処理の具体例を説明する。
まず、図4のステップS101~S105の処理の具体例について図6等を参照して説明する。
(S101)
図6は、図4のステップS101で取得される過去気象データ601の一例を示す図である。
図6では、日本近辺の過去気象データ601が示されている。
図6では、過去気象データ601のうち、風況が示されている。つまり、符号711は風向を示す矢印であり、濃淡は風速を示している。つまり、濃淡が濃いほど風速は早く、薄いほど風速が遅いことを示している。ここで、風況の推定対象となっている風車WMが設置されている符号713に示す地域の過去気象データ601が後記する図7に示される。
図7は、図6における符号713が示す地域の過去気象データ601である。
図7において、符号721は、地形の輪郭を示しており、符号722は風向を示す矢印を示している。また、図7において、濃淡は風速を示している。つまり、濃淡が濃いほど風速は早く、薄いほど風速が遅いことを示している。
また、符号723は風況推定地域の範囲を示している。
(S102,S103)
図8は、図4のステップS102で算出される仮想風況データ741、及び、ステップS103で行われる風況推定地域の風況シミュレーションの結果を示す図である。
図8において、仮想風況データ741は図4のステップS102で算出されるものである。仮想風況データ741は、図6や、図7に示すような過去気象データ601や、地形データ602、過去気象データ601のおける気温、湿度等のデータ、過去における風況等を基にシミュレーション処理部112が算出するものである。
図8において、符号742は風車WMを示している。
時刻tに仮想風況データ741に相当する風が符号742で示される風車WMに吹くことにより、時刻t+1で風車WMの風下(風況推定地域)において生じる風況743が風況シミュレーションされる。風況743において、濃度の濃淡は風速を示し、濃度が濃いほど風速が速く、濃度が薄いほど風速が遅い。風況743に示されるように、風車WMの風下(風況推定地域)では空気の渦等といった空気の乱れが生じている。ドローン500が、このような空気の乱れ(渦)に巻き込まれると、大きく姿勢を崩し、撮像等が困難となる。
(S104)
図9は、図4のステップS104で行われる流れ場特徴量解析処理の結果を示す図である。
ここでは、流れ場特徴量解析手法として主成分分析(固有値直行分解)が用いられるものとする。そして、図8の風況743として示されるシミュレーション結果に主成分分析が適用された例を図9に示す。
図8に示される風況推定地域の風況743を主成分分析すると第1モード~第nモードの解析結果が得られる。図9において、符号751は第1モードの解析結果を示し、符号752は第nモードの解析結果を示す。ここでは、第1モード及び第nモードの解析結果のみを示しているが、実際には、第1モードの解析結果と、第nモードの解析結果との間には第2モード、第3モード、・・・、第n-1モードの解析結果が存在する。
ここで、符号751に示す第1モードの解析結果は大きな空気の渦を示し、符号752に示す第nモードは細かい流速変化を示している。
同一のシミュレーション結果を基に生成される第1モード(符号751)、第2モード、・・・、第n-1モード、第nモード(符号752)それぞれの解析結果の1組を解析結果の組750と称する。
また、解析処理部113は、解析結果の組750から図8における風況743を再構築するためのシステム行列Aも算出する。なお、システム行列Aの算出は非常に簡単に行うことができる。
(S105)
図4のステップS105において、格納処理部114は図9に示す解析結果の組750を解析結果DB200に格納する。このとき、格納処理部114は、図8における仮想風況データ741、システム行列A、過去気象データ601から得られる温度、湿度等の気象条件を解析結果の組750と対応付けて解析結果DB200に格納する。なお、図9に示すように、解析結果の組750を解析結果DB200に格納することで、解析結果DB200に格納するデータの容量を小さくすることができる。
次に、図5のステップS201~204の処理の具体例を説明する。
(S201)
まず、ステップS201において、気象予報データ603が取得され、実測風況データ604が取得される。実測風況データ604は、図8の仮想風況データ741に相当する実測の風況データである。つまり、実測風況データ604は、風車WMに対して吹く風に関するデータである。
(S202)
そして、ステップS203において、解析結果取得部312は、実測風況データ604、気象予報データ603から得られる温度や、湿度等の気象条件と、同様の仮想風況データ741、気象条件に対応付けられている解析結果の組750、及び、システム行列Aを解析結果DB200から取得する。なお、システム行列Aは、このタイミングで算出されてもよい。
(S203)
次に、ステップS203において、風況推定部313が、取得した解析結果の組750、システム行列Aを基に、低次元モデルによる処理を行うことで、図8の風況743が再構築される。これにより、現在から所定時間後における風況推定地域の風況が推定される。ここでの所定時間後とは、前記したように現在を時刻tとしたとき、時刻t+1に相当する時刻のことである。
(S204)
ステップS204において、出力処理部314は、復元されることで推定される風況推定地域の風況のデータ(推定風況データ605)をドローン制御装置400へ出力する。
<適用例>
図10~図12は、本実施形態のドローン制御支援システム1による実行例を示す図である。
図10は現在におけるドローン500の飛行状態を示し、図11及び図12は現在から所定時間後におけるドローン500の飛行状態を示す。
図10に示すように、風車WMの保守における撮像のため、風車WMの近傍をドローン500が飛行しているものとする。図10では、ドローン500の飛行に影響を与えない程度の風が紙面左側から吹いているものとする(図10の細矢印)。
ここで、図11の太矢印に示すような突風が紙面左側から吹いてきたものとする。すると、現在から所定時間後において風車WMの風下には図8の風況743に示すような空気の乱れが生じる。その結果、図11に示すように、ドローン500の飛行姿勢が乱れてしまう。これにより、適切な風車WMの撮像が困難となってしまい、突風がやむのを待ったり、場合によっては、その日の保守を中止したりする等といった事象が生じてしまう。
これに対し、本実施形態によれば図12に示すように、太矢印に示す突風が紙面左側から吹いてきた後、現在から所定時間後において、風車WMの風下に、どのような空気の乱れが生じるのかを、ほとんどリアルタイムに算出することができる。本実施形態では、様々な風況、気象条件と対応付けて解析結果の組750が解析結果DB200に格納されている。そして、風況推定装置300は、現在における風車WMの風上の風況や、気象条件から解析結果の組750を検索する。さらに、風況推定装置300は、検索した解析結果の組750を基に風況推定地域(例えば、風車WMの風下)における風況を再構築することができるためである。再構築のための時間はほとんどかからないので、実質的に、既に風況シミュレーションされている結果を検索して、取得するだけですみ、リアルタイムに突風等といった風況変化による影響を出力することができる。
これにより、操縦者P1は、突風等によって生じる空気の乱れを事前に認識することができ、突風等に応じたドローン500の操縦を行うことができる。この結果、安定的なドローン500の飛行を実現することができ、保守等における安定的な撮像を行うことができる。
[変形例]
図13は、本実施形態に係るドローン制御支援システム1における別の適用例を示す図である。
図13において、図1と異なる点は、ドローン500aが自律制御を行っている点である。
また、図13では、風況推定装置300は、推定風況データ605をドローン500aと、ドローン監視装置400aへ出力している。
ドローン500aは、最適制御演算部501、制御部502、姿勢センサ503を有している。
最適制御演算部501は、姿勢センサ503による現在の姿勢データと、風況推定装置300から入力される推定風況データ605とを基に、現在から所定時間後の制御データを算出する。
ドローン500aの制御部502は、算出された所定時間後の制御データを基にドローン500aの姿勢制御を行う。
また、監視者P2はドローン監視装置400aにおいて、風況推定装置300から取得した推定風況データ605を監視することによって、ドローン500aが適切な自律制御を行っているかを監視する。
本実施形態によれば、突風等の風況変化による影響を、ほぼリアルタイムで出力することができるため、安定したドローン500の飛行及び滞空が可能となる。これにより、保全における撮像等において、安定した画像を得ることができる。
また、突風等の対象が難しいことから、一般にドローン500の操縦は熟練者のみに許されることが多い。本実施形態によれば、操縦者P1は、推定される風況推定地域の風況を事前に認識することができるため、必ずしも熟練者でなくてもドローン500を操縦することができる。
また、流れ場特徴量解析(図4のステップS104)が行われることにより、解析結果のデータ量を圧縮することができる。これにより、解析結果DB200に格納するデータの容量を削減することができる。
さらに、シミュレーション処理部112は、風況推定地域における過去気象データ601や、地形データ602を基に、仮想風況データ741を生成する。そして、シミュレーション処理部112は、生成した仮想風況データ741を基に風況シミュレーションを行う。これにより、実際の風況に近い条件で風況シミュレーションを行うことができ、風況シミュレーションの精度を向上させることができる。
なお、本実施形態では風力発電等に用いる風車WMの周囲におけるドローン500の制御支援を想定しているが、これに限らない。橋梁、プラント等といった構造物の周囲におけるドローン500の制御支援に本実施形態のドローン制御支援システム1が用いられてもよい。
また、本実施形態では実測風況データ604が風車WMに備えられている風速センタ(不図示)から取得されるものとしているが、これに限らない。風車WMの近傍であれば、風速センサが、例えば、地面や、風車WM以外の建造物に設置されていてもよい。
また、解析処理部113は省略可能である。この場合、図4のステップS104は実行されず、解析結果DB740にはシミュレーション結果(図8の風況743)が仮想風況データ471や、気象条件等と対応付けられて格納される。また、解析結果取得部312は、現在の風況や、気象条件を基にシミュレーション結果を取得する。その後、出力処理部314が取得したシミュレーション結果をドローン制御装置400や、ドローン監視装置400a、ドローン400aへ出力する。
なお、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を有するものに限定されるものではない。
また、前記した各構成、機能、処理部111~114,311~314、解析結果DB200等は、それらの一部又はすべてを、例えば集積回路で設計すること等によりハードウェアで実現してもよい。また、図2及び図3で示すように、前記した各構成、機能等は、CPU121,321等のプロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、HDに格納すること以外に、メモリ110,210や、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、又は、IC(Integrated Circuit)カードや、SD(Secure Digital)カード、DVD(Digital Versatile Disc)等の記録媒体に格納することができる。
また、各実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、ほとんどすべての構成が相互に接続されていると考えてよい。
1 ドローン制御支援システム(無人飛行体制御支援システム)
112 シミュレーション処理部
113 解析処理部(特徴量算出部)
312 解析結果取得部(シミュレーション結果取得部)
313 風況推定部(シミュレーション結果再構築部)
314 出力処理部(出力部)
500 ドローン(無人飛行体)
601 過去気象データ(過去の気象情報)
602 地形データ(地形情報)
603 気象予報データ(気象予報情報)
604 実測風況データ(実測風況情報)
605 推定風況データ(シミュレーション結果)
741 仮想風況データ(仮想風況情報)
743 風況(シミュレーション結果)
750 解析結果の組(シミュレーション結果、流れ場の特徴量)
S103 風況推定地域の風況シミュレーション(シミュレーションステップ)
S202 解析結果の組の取得(シミュレーション結果取得ステップ)
S104 推定風況データの出力(出力ステップ)

Claims (4)

  1. 複数の仮想風況情報それぞれに対して、無人飛行体が飛行する地点における空気の流れのシミュレーションを実行し、前記シミュレーションの結果であるシミュレーション結果を出力するシミュレーション処理部と、
    実測された風況の情報である実測風況情報を基に、前記実測風況情報に対応する前記仮想風況情報の前記シミュレーション結果を取得するシミュレーション結果取得部と、
    取得した前記シミュレーション結果を出力する出力部と、
    を有することを特徴とする無人飛行体制御支援システム。
  2. 前記シミュレーション結果から、前記シミュレーション結果に対する流れ場の特徴量を算出する特徴量算出部と、
    前記流れ場の特徴量を基に、前記シミュレーション結果を再構築するシミュレーション結果再構築部と、
    を有し、
    前記シミュレーション結果取得部は、
    前記実測風況情報に対応する前記流れ場の特徴量を取得し、
    前記シミュレーション結果再構築部は、
    取得した前記流れ場の特徴量を基に、前記シミュレーション結果を再構築する
    ことを特徴とする請求項1に記載の無人飛行体制御支援システム。
  3. 前記シミュレーション処理部は、
    過去の気象情報、及び、前記シミュレーションの対象となる地域の地形情報を基に、前記仮想風況情報を生成し、
    前記仮想風況情報と、前記過去の気象情報による気象条件と、前記シミュレーション結果とを対応付けて出力し、
    前記シミュレーション結果取得部は、
    気象予報情報による気象条件と、前記実測風況情報を基に、前記実測風況情報に対応する前記仮想風況情報の前記シミュレーション結果を取得する
    ことを特徴とする請求項1に記載の無人飛行体制御支援システム。
  4. 複数の仮想風況情報それぞれに対して、無人飛行体が飛行する地点における空気の流れのシミュレーションを実行し、前記シミュレーションの結果であるシミュレーション結果を出力するシミュレーションステップと、
    実測された風況の情報である実測風況情報を基に、前記実測風況情報に対応する前記仮想風況情報の前記シミュレーション結果を取得するシミュレーション結果取得ステップと、
    取得した前記シミュレーション結果を出力する出力ステップと、
    を実行することを特徴とする無人飛行体制御支援方法。
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