JP7325863B1

JP7325863B1 - 無線装置、地上局装置

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Publication number: JP7325863B1
Application number: JP2022048580A
Authority: JP
Inventors: 伸之黒柳
Original assignee: 株式会社光電製作所
Priority date: 2022-03-24
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2023-08-15
Anticipated expiration: 2042-03-24
Also published as: JP2023143902A; JP2023141967A

Abstract

【課題】情報を収集して地上局装置に情報を送信する機能と地上との距離を計測する機能とを両方搭載した上で、全体的に小型軽量化を図る。【解決手段】本発明の無線装置は、無人飛行体に搭載する。無線装置は、アンテナ部、指向性変更部、通信部、計測部を備える。アンテナ部は、アンテナとアンテナを制御するアンテナ制御回路とを有する。指向性変更部は、アンテナの指向性を水平方向から下方向まで変更できる。通信部は、アンテナを用いて地上局装置と通信を行う。計測部は、アンテナを用いて物体との距離を計測する。無線装置は、指向性変更部がアンテナの指向性を下方向にした状態で、計測部が地上に存在する物体との距離を計測する。【選択図】図１

Description

本発明は無人飛行体に搭載する無線装置、およびその無線装置と通信する地上局装置に関する。

ドローンのような無人飛行体に搭載されるとともに、カメラなどの情報を収集する装置と接続され、収集した情報を地上局装置に送信する無線装置は多数存在する。無人飛行体を用いて周囲の情報を取得する場合、地上に存在する物体との距離を一定に保ちたい場合がある。例えば、航空映像を撮影する場合、地上の起伏に合わせて高度を調整したい。また、山岳部の遭難者捜索においては、山の尾根と谷間でドローンの飛行高度を自動で一定に保つことで、地形の起伏に左右されず捜索しやすい。また、谷間で高度を低くしすぎると森林などに接触するリスクが生じる。

無人飛行体を目視できる場合は、目視により高度を調整できる。また、無人飛行体が目視できない場合でも、全地球測位システム（ＧＰＳ：Global Positioning System, Global Positioning Satellite）を用いて高さに関する情報を得ることはできる。しかし、非特許文献１に示されているとおり、ＧＰＳで得られる高さの情報には誤差が含まれている。非特許文献１には、次のように説明されている。『ジオイドの高さが必要になるのは、主にGPS/GNSSや「みちびき」などの準天頂衛星などで高さを測量した場合だ。人工衛星による測量で求められる高さは、地球をおおまかな楕円体としたモデルを基準にしており、重力の影響が加味されていない幾何学的な形状（これを楕円体高と呼ぶ）しか把握できない。スマホアプリによるGPS高度の数値と、地図に載っている標高の値に大きな違いがある経験をしたことがある人もいると思うが、（GPS/GNSSの誤差のほかに）GPSの高さのデータに対してジオイド高による補正を行なわないと正しい標高にならないためなのである。』

航空機と地表面との距離測定には、電波式高度計が使われている。４．２～４．４ＧＨｚの２００ＭＨｚ帯域でＦＭ－ＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)方式により、タイプは色々あるが離着陸の０～２５００フィート（７６２ｍ）の計測監視をしている。ＦＭ－ＣＷ方式レーダの構成は特許文献１にあるように処理回路はパルスレーダに比べて比較的容易である。

特開２００８－２９２３４３号公報

トラベルwatch（編集部：多和田新也）、"GPSで「標高」を測位可能に。国土地理院、日本初の航空機による重力測量スタート"，2019年7月22日，［令和４年２月２３日検索］、インターネット<https://travel.watch.impress.co.jp/docs/news/1197439.html>.

ドローンの飛行高度は日本国内ではドローンと地表面や水面との高度差が１５０ｍ以下と規定されている。地表面からの高度測定を小型に実現することは簡単ではない。ドローンアプリの高度表示は離陸ポイントからの高度差を表示、ＧＰＳは高度に対する精度が低く、ジオイド（海面）からの高度となる。そのため飛行高度はドローン操縦者の注意作業となっているが、遠方にあるドローンの高度を目視で確認することは容易ではない。つまり、無人飛行体を目視できない状況ではＧＰＳを利用せざるを得ないが、ＧＰＳから得られる情報だけでは高さに関しては誤差が大きい。一方、映像などの情報を収集する装置の他にレーダ用の機材を追加すると無人飛行体に搭載する装置が重くなってしまう。

そこで、本発明は、映像などの情報を収集して地上局装置に情報を送信する機能と地上との距離を計測する機能とを両方搭載した上で、全体的に小型軽量化を図ることを目的とする。

本発明の無線装置は、無人飛行体に搭載する。無線装置は、アンテナ部、指向性変更部、通信部、計測部を備える。アンテナ部は、アンテナとアンテナを制御するアンテナ制御回路とを有する。指向性変更部は、アンテナの指向性を水平方向から下方向まで変更できる。通信部は、アンテナを用いて地上局装置と通信を行う。計測部は、アンテナを用いて物体との距離を計測する。無線装置は、指向性変更部がアンテナの指向性を下方向にした状態で、計測部が地上に存在する物体との距離を計測する。

本発明の無線装置によれば、通信と距離計測で同じアンテナを用いる。したがって、情報を収集して地上局装置に情報を送信する機能と地上との距離を計測する機能とを両方搭載した上で、全体的に小型軽量化できる。

実施例１の無線装置を含む構成例を示す図。計測モードでの処理フローを示す図。情報収集モードでの処理フローを示す図。変形例１の無線装置を含む構成例を示す図。変形例２の無線装置を含む構成例を示す図。変形例３の無線装置を含む構成例を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

図１に実施例１の無線装置を含む構成例を示す。図２は計測モードでの処理フロー、図３は情報収集モードでの処理フローである。無線装置１００は、無人飛行体２００に搭載する。無線装置１００は、アンテナ部１１０、指向性変更部１２０、通信部１３０、計測部１４０を備える。また、無線装置１００は、位置情報取得部１５０、補正値算出部１６０、補正後高度算出部１７０も備えればよい。

無人飛行体２００は、制御用通信部２１０、制御部２２０を備え、無人で飛行できる機能を備えている。無人飛行体２００には、例えば、ドローンを用いればよい。地上局装置３００は、無線装置１００および無人飛行体２００と通信する。地上局装置３００は、情報用通信部３１０、情報処理部３２０、制御用通信部４１０、操作部４２０を備える。

日本では、無人飛行体２００用に、５．７ＧＨｚ帯（５，１０，２０ＭＨｚ幅チャネル、１０５ＭＨｚ帯域）が認可されており、操縦用、画像伝送用、データ伝送用に運用できる。この内の１チャネルを無線装置１００のアンテナ部１１０から地上局装置３００の情報用通信部３１０への情報伝送（例えば、映像伝送）、別の１チャネルを地上局装置３００の情報用通信部３１０から無線装置１００のアンテナ部１１０への制御データ伝送とし、地上局装置３００から無人飛行体２００に搭載した情報収集用の装置（図１には図示していないが、例えば、映像機器など）を遠隔制御する（例えば、映像カメラのアングル、ズームなどの制御）。情報処理部３２０は、受信した情報を適宜処理すればよい。また、情報収集用の装置を制御する信号を生成すればよい。

アンテナ部は１１０、アンテナ１１１，１１２と、アンテナ１１１，１１２を制御するアンテナ制御回路１１５とを有する。アンテナ１１１は送信用であり、アンテナ１１２は受信用である。アンテナ制御回路１１５は、後述する通信部１３０もしくは計測部１４０からの信号を搬送波の周波数（例えば、５．７ＧＨｚ帯）で変調しアンテナ１１１に送る。また、アンテナ制御回路１１５は、アンテナ１１２で受信した信号を復調し、通信部１３０もしくは計測部１４０へ送る。

指向性変更部１２０は、アンテナ１１１，１１２の指向性を、少なくとも水平方向から下方向まで変更できる。指向性を変更する方法は、機械的にアンテナ１１１，１１２の向きを変えればよい。

通信部１３０は、アンテナ１１１，１１２を用いて地上局装置３００の情報用通信部３１０と通信を行う。上述のように、通信部１３０が、収集した情報（例えば、映像情報）を地上局装置３００に送り、地上局装置３００からの情報収集用の装置を制御する情報を受信する。

計測部１４０は、アンテナ１１１，１１２を用いて物体との距離を計測する。計測には、ＦＭ－ＣＷ方式レーダを用いればよい。ただし、この方式のレーダに限る必要はなく、アンテナ部１１０を、通信部１３０と共用できる方式であれば、別の方式でもよい。

無線装置１００は、指向性変更部１２０がアンテナ１１１，１１２の指向性を下方向にした状態で、計測部１４０が地上に存在する物体との距離を計測する。したがって、地上に存在する物体（例えば、地表、ビルなどの建物、樹木、水面など）との距離を計測できる。よって、無線装置１００によれば、情報を収集して地上局装置３００に情報を送信する機能と地上との距離を計測する機能とを両方搭載した上で、全体的に小型軽量化できる。

無線装置１００は、高さを含む位置情報を取得する位置情報取得部１５０も備えればよい。図示していないが、一般的には無人飛行体２００は、ＧＰＳを備えている。位置情報取得部１５０は、無人飛行体２００が備えるＧＰＳから高さを含む位置情報を取得すればよい。また、無人飛行体２００がＧＰＳを備えていない場合は、位置情報取得部１５０がＧＰＳを備えればよい。ただし、上述のように、位置情報取得部１５０が取得する高さの情報は、地上に存在する物体との距離ではない。

無線装置１００は、位置情報取得部１５０で取得した高さの情報と、計測部１４０が計測した地上に存在する物体との距離の差に関する値を補正値として算出する補正値算出部１６０も備えればよい。計測部１４０で計測した地上に存在する物体との距離をＨ_０、計測部１４０で計測した位置で位置情報取得部１５０が取得した高さの情報をＨ_ＧＰＳ０とすると、その差分（Ｈ_ＧＰＳ０－Ｈ_０）を補正値とすればよい。なお、地図情報から得られる計測部１４０で計測した位置（緯度、経度）での標高Ｈ_ｍａｐ０を用いて、補正値を（Ｈ_ｍａｐ０－Ｈ_０）としてもよい。「位置情報取得部１５０で取得した高さの情報と、計測部１４０が計測した地上に存在する物体との距離の差に関する値」とは、位置情報取得部１５０で取得した高さの情報と、計測部１４０が計測した地上に存在する物体との距離の差自体でもよいし、標高のような他の値も考慮した値でもよい。

無線装置１００は、さらに補正後高度算出部１７０も備えればよい。無線装置１００は、計測部１４０で計測を行っていない間は、補正後高度算出部１７０が、位置情報取得部１５０が取得した高さの情報を補正値と標高の情報を含む地図情報を用いて補正した補正後高度を算出する。計測部１４０で計測した地上に存在する物体との距離をＨ_０、計測部１４０で計測した位置で位置情報取得部１５０が取得した高さの情報をＨ_ＧＰＳ０、地図情報が有する計測部１４０で計測した位置（緯度、経度）での標高をＨ_ｍａｐ０、現在の無線装置１００の位置情報取得部１５０が取得した高さの情報をＨ_ＧＰＳ、現在の無線装置１００の位置（緯度、経度）での地図情報が有する標高をＨ_ｍａｐとする。例えば、現在の無線装置１００と地上に存在する物体との距離Ｈ（補正後高度）を、以下のように差分を補正する処理を行って、求めればよい。
Ｈ＝Ｈ_ＧＰＳ－（Ｈ_ＧＰＳ０－Ｈ_０）－（Ｈ_ｍａｐ－Ｈ_ｍａｐ０）
＝Ｈ_０＋（Ｈ_ＧＰＳ－Ｈ_ＧＰＳ０）－（Ｈ_ｍａｐ－Ｈ_ｍａｐ０）

地上局装置３００の操作部４２０は無人飛行体２００の位置、速度、向きなどを操作する。操作部４２０の場合、高さについては、地上に存在する物体との距離を指示し、無人飛行体２００の制御部２２０に地上に存在する物体との距離を自動で制御させればよい。制御用通信部４１０と制御用通信部２１０は、図示していないアンテナを用いて操作の情報および無人飛行体２００の状態（位置、速度、向きなど）を送受信する。この制御用の通信は、無線装置１００との通信よりも低周波の電波で行われる。

図２、図３を用いて、処理フローを説明する。計測モード（図２）では、指向性変更部１２０が、アンテナ１１１，１１２の指向性を下側に向ける（Ｓ１２１）。計測部１４０は、アンテナ１１１，１１２を用いて物体（地上に存在する物体）との距離を計測する（Ｓ１４０）。位置情報取得部１５０は、高さを含む位置情報を取得する（Ｓ１５０）。補正値算出部１６０は、計測部１４０が計測した地上に存在する物体との距離の差に関する値を補正値として算出する（Ｓ１６０）。

情報収集モード（図３）では、指向性変更部１２０はアンテナ１１１，１１２の指向性を、地上局装置３００の方向に制御する。その状態で、処理はスタートする。通信部１３０は、アンテナ１１１，１１２を用いて地上局装置３００の情報用通信部３１０と通信を行う（Ｓ１３０）。通信部１３０と情報用通信部３１０との通信と並行して、地上局装置３００からの操作の情報にしたがって、無人飛行体２００は操作される（Ｓ４２０）。位置情報取得部１５０は、高さを含む位置情報を取得する（Ｓ１５０）。補正後高度算出部１７０は、位置情報取得部１５０が取得した高さの情報を補正値と標高の情報を含む地図情報を用いて補正した補正後高度を算出する（Ｓ１７０）。無人飛行体２００の制御部２２０は、補正後高度に基づいて無人飛行体２００を制御する（Ｓ２２０）。例えば、補正後高度が指示された高度となるように無人飛行体２００を制御すればよい。

上述のように処理することで、例えば、起伏がある場所で、無人飛行体２００を目視できないときでも、無人飛行体２００と地上に存在する物体との距離を一定に保つことができる。
［変形例１］

図４に、変形例１の無線装置を含む構成例を示す。計測モードでの処理フローは図２と同じであり、情報収集モードでの処理フローは図３と同じである。無線装置１０１は、無人飛行体２０１に搭載する。無線装置１０１は、アンテナ部１１０、指向性変更部１２０、通信部１３０、計測部１４０、位置情報取得部１５０を備える。無人飛行体２０１は、制御用通信部２１１、制御部２２１を備え、無人で飛行できる機能を備えている。無人飛行体２０１には、例えば、ドローンを用いればよい。地上局装置３０１は、無線装置１０１および無人飛行体２０１と通信する。地上局装置３０１は、情報用通信部３１１、情報処理部３２１、補正値算出部３６０、補正後高度算出部３７０、制御用通信部４１１、操作部４２１を備える。

アンテナ部１１０、指向性変更部１２０、通信部１３０、計測部１４０、位置情報取得部１５０は、実施例１と同じである。無線装置１０１は、計測部１４０が計測した地上に存在する物体との距離と、位置情報取得部１５０で取得した高さの情報を地上局装置３０１に送信する。地上局装置３０１の補正値算出部３６０は、位置情報取得部１５０で取得した高さの情報と、計測部１４０が計測した地上に存在する物体との距離の差に関する値を補正値として算出する。補正値算出部３６０の処理は、実質的に補正値算出部１６０と同じである。

無線装置１０１が計測部１４０で計測を行っていない間は、補正後高度算出部３７０が、位置情報取得部１５０が取得した高さの情報を補正値と標高の情報を含む地図情報を用いて補正した補正後高度を算出する（Ｓ１７０）。情報用通信部３１１は、無線装置１０１との情報の送受を行う。情報処理部３２１は、受信した情報を適宜処理すればよい。また、情報収集用の装置を制御する信号を生成すればよい。補正後高度は、地上局装置３０１で得られる情報なので、操作部４２１が補正後高度にしたがって操作情報を制御用通信部４１１に送る。制御用通信部４１１は、無線装置１０１に操作情報を送る。制御用通信部２１１は、操作情報を受信し、制御部２２１に指示を出す。

上述のように処理することで、例えば、起伏がある場所で、無人飛行体２０１を目視できないときでも、無人飛行体２０１と地上に存在する物体との距離を一定に保つことができる。
［変形例２］

図５に、変形例２の無線装置を含む構成例を示す。計測モードでの処理フローは図２と同じであり、情報収集モードでの処理フローは図３と同じである。無線装置１０２は、無人飛行体２０２に搭載する。無線装置１０２は、アンテナ部１１０、指向性変更部１２０、通信部１３０、計測部１４０、位置情報取得部１５０、補正後高度算出部１７２を備える。無人飛行体２０２は、制御用通信部２１０、制御部２２０を備え、無人で飛行できる機能を備えている。無人飛行体２０２には、例えば、ドローンを用いればよい。地上局装置３０２は、無線装置１０２および無人飛行体２０２と通信する。地上局装置３０２は、情報用通信部３１２、情報処理部３２２、補正値算出部３６０、制御用通信部４１０、操作部４２０を備える。

アンテナ部１１０、指向性変更部１２０、通信部１３０、計測部１４０、位置情報取得部１５０は、実施例１と同じである。無線装置１０２は、計測部１４０が計測した地上に存在する物体との距離と、位置情報取得部１５０で取得した高さの情報を地上局装置３０２に送信する。地上局装置３０２の補正値算出部３６０は、位置情報取得部１５０で取得した高さの情報と、計測部１４０が計測した地上に存在する物体との距離の差に関する値を補正値として算出する。補正値算出部３６０の処理は、実質的に補正値算出部１６０と同じである。情報用通信部３１２は、補正値も含めて、無線装置１０２に情報を送信する。

無線装置１０２が計測部１４０で計測を行っていない間は、補正後高度算出部１７２が、位置情報取得部１５０が取得した高さの情報を補正値と標高の情報を含む地図情報を用いて補正した補正後高度を算出する（Ｓ１７０）。無人飛行体２０２の制御部２２０は、補正後高度に基づいて無人飛行体２０２を制御する。例えば、補正後高度が指示された高度となるように無人飛行体２０２を制御すればよい。情報用通信部３１２は、無線装置１０２との情報の送受を行う。情報処理部３２２は、受信した情報を適宜処理すればよい。また、情報収集用の装置を制御する信号を生成すればよい。

上述のように処理することで、例えば、起伏がある場所で、無人飛行体２０２を目視できないときでも、無人飛行体２０２と地上に存在する物体との距離を一定に保つことができる。
［変形例３］

図６に、変形例３の無線装置を含む構成例を示す。計測モードでの処理フローは図２と同じであり、情報収集モードでの処理フローは図３と同じである。無線装置１０３は、無人飛行体２０３に搭載する。無線装置１０３は、アンテナ部１１０、指向性変更部１２０、通信部１３０、計測部１４０、位置情報取得部１５０、補正値算出部１６０を備える。無人飛行体２０３は、制御用通信部２１０、制御部２２０を備え、無人で飛行できる機能を備えている。無人飛行体２０３には、例えば、ドローンを用いればよい。地上局装置３０３は、無線装置１０３および無人飛行体２０３と通信する。地上局装置３０３は、情報用通信部３１２、情報処理部３２２、補正後高度算出部３７３、制御用通信部４１０、操作部４２０を備える。

アンテナ部１１０、指向性変更部１２０、通信部１３０、計測部１４０、位置情報取得部１５０、補正値算出部１６０は、実施例１と同じである。無線装置１０３は、計測部１４０が計測した地上に存在する物体との距離と、位置情報取得部１５０で取得した高さの情報と、補正値算出部１６０が求めた補正値、を地上局装置３０３に送信する。

無線装置１０３が計測部１４０で計測を行っていない間は、補正後高度算出部３７３が、位置情報取得部１５０が取得した高さの情報を補正値と標高の情報を含む地図情報を用いて補正した補正後高度を算出する（Ｓ１７０）。無人飛行体２０３の制御部２２０は、補正後高度に基づいて無人飛行体２０３を制御する。例えば、補正後高度が指示された高度となるように無人飛行体２０３を制御すればよい。情報用通信部３１２は、無線装置１０２との情報の送受を行う。情報処理部３２２は、受信した情報を適宜処理すればよい。また、情報収集用の装置を制御する信号を生成すればよい。

上述のように処理することで、例えば、起伏がある場所で、無人飛行体２０３を目視できないときでも、無人飛行体２０３と地上に存在する物体との距離を一定に保つことができる。

１００，１０１，１０２，１０３無線装置１１０アンテナ部
１１１，１１２アンテナ１１５アンテナ制御回路
１２０指向性変更部１３０通信部
１４０計測部１５０位置情報取得部
１６０補正値算出部１７０，１７２補正後高度算出部
２００，２０１，２０２，２０３無人飛行体
２１０，２１１制御用通信部２２０，２２１制御部
３００,３０１，３０２，３０３地上局装置
３１０，３１１，３１２情報用通信部３２０，３２１，３２２情報処理部
３６０補正値算出部３７０，３７３補正後高度算出部
４１０，４１１制御用通信部４２０、４２１操作部

Claims

無人飛行体に搭載する無線装置であって、
アンテナと前記アンテナを制御するアンテナ制御回路とを有するアンテナ部と、
前記アンテナの指向性を水平方向から下方向まで変更できる指向性変更部と、
前記アンテナを用いて地上局装置と通信を行う通信部と、
前記アンテナを用いて物体との距離を計測する計測部と、
高さを含む位置情報を取得する位置情報取得部と、
補正値算出部と、
補正後高度算出部と
を備え、
前記指向性変更部が前記アンテナの指向性を下方向にした状態で、前記計測部が地上に存在する物体との距離を計測し、
前記補正値算出部は、前記位置情報取得部で取得した高さの情報と、前記計測部が計測した地上に存在する物体との距離の差に関する値を補正値として算出し、
前記計測部で計測を行っていない間は、
前記補正後高度算出部が、前記位置情報取得部が取得した高さの情報を前記補正値と標高の情報を含む地図情報を用いて前記無線装置と地上に存在する物体との距離を算出する
ことを特徴とする無線装置。
無人飛行体に搭載する無線装置と通信する地上局装置であって、
前記無線装置は、
アンテナと前記アンテナを制御するアンテナ制御回路とを有するアンテナ部と、
前記アンテナの指向性を水平方向から下方向まで変更できる指向性変更部と、
前記アンテナを用いて地上局装置と通信を行う通信部と、
前記アンテナを用いて物体との距離を計測する計測部と、
高さを含む位置情報を取得する位置情報取得部と、
を備え、
前記指向性変更部が前記アンテナの指向性を下方向にした状態で、前記計測部が地上に存在する物体との距離を計測する無線装置であり、
前記位置情報取得部で取得した高さを含む位置情報と、前記計測部が計測した地上に存在する物体との距離の情報を前記無線装置から取得する地上局通信部と
前記位置情報取得部で取得した高さの情報と、前記計測部が計測した地上に存在する物体との距離の差に関する値を補正値として算出する補正値算出部と、
補正後高度算出部と、
を備え、
前記計測部で計測を行っていない間は、
補正後高度算出部が、前記位置情報取得部が取得した高さの情報を前記補正値と標高の情報を含む地図情報を用いて前記無線装置と地上に存在する物体との距離を算出する
ことを特徴とする地上局装置。
無人飛行体に搭載され、地上局通信部と補正値算出部を備える地上局装置と通信する無線装置であって、
アンテナと前記アンテナを制御するアンテナ制御回路とを有するアンテナ部と、
前記アンテナの指向性を水平方向から下方向まで変更できる指向性変更部と、
前記アンテナを用いて地上局装置と通信を行う通信部と、
前記アンテナを用いて物体との距離を計測する計測部と、
高さを含む位置情報を取得する位置情報取得部と、
補正後高度算出部と、
を備え、
前記指向性変更部が前記アンテナの指向性を下方向にした状態で、前記計測部が地上に存在する物体との距離を計測し、
前記地上局通信部は、前記位置情報取得部で取得した高さを含む位置情報と、前記計測部が計測した地上に存在する物体との距離の情報を前記無線装置から取得し、
前記補正値算出部は、前記位置情報取得部で取得した高さの情報と、前記計測部が計測した地上に存在する物体との距離の差に関する値を補正値として算出し、
前記計測部で計測を行っていない間は、
前記補正後高度算出部は、前記位置情報取得部が取得した高さの情報を前記補正値と標高の情報を含む地図情報を用いて前記無線装置と地上に存在する物体との距離を算出する
ことを特徴とする無線装置。