JP7337444B2 - 測位方法および測位システム - Google Patents

Description

本発明は、無人移動体の測位方法および測位システムに関し、特に、ドローン等の無人航空機の測位システムに関する。

例えば鉄塔に架設された送電線の表面などの点検は、作業者が双眼鏡を使って送電線の表面を直接目視するなどして行っている。このような高所の構造物の点検に空撮機能を備えたドローンを接近させ、カメラで点検箇所を撮影し、作業者が点検箇所を目視するのと変わらない映像を得ることができれば、点検に要するコストを大幅に削減することが可能となる。また、決められた飛行ルートを決められた速度で飛行して離陸地点まで自動で戻り着陸するように機体を制御する自律制御技術の開発が進められ、実用化されつつある。

ドローンの飛行を正確に制御するためには、ドローンの現在位置を高精度に測位する必要がある。例えば、特許文献１、２は、ドローンに３つ以上の受信機を搭載してドローンの高精度の測位を可能にし、かつ慣性計測装置（ＩＭＵ）の搭載を不要にしている。

特許第６４４５２０６号公報 特許第６４４５２０７号公報

無人移動体でのリアルタイムな高精度測位に利用できる技術には、ＲＴＫ（Real Time Kinematic）やＰＰＰ（Precise Point Positioning）が挙げられる。ＲＴＫは、基準となるＧＮＳＳ受信機（基準局）で補正情報を生成し、これを周辺の移動体で利用することにより、移動体においてセンチメータ級の誤差精度の測位が可能になる。

ＲＴＫにおいて、基準局が自身の設置位置を取得する手法は２通りある。１つは、従来のＧＰＳ電波受信（１周波）と、携帯電話回線を介して外部から取得した補正情報により基準局の設置位置を測位する方法である（１周波ＲＴＫ）。もう１つは、従来のＧＰＳ電波と、もう１種類のＧＰＳ電波を受信し、外部通信を伴わずに基準局の設置位置を測位する方法である（２周波ＲＴＫ）。

一方、ＰＰＰは、周波数の異なる２つのＧＰＳ電波（２周波）を受信することで、受信機単体でセンチメータ級の高精度の測位を可能にするシステムである。ＲＴＫとの相違点は、基準局を必要としないことである。

高架電線の点検や測量のために山間部を飛行するドローンにＲＴＫやＰＰＰの高精度測位技術を適用する場合、次のような課題が生じる。図１に示すように、ドローン１０は、鉄塔Ｔの高架電線Ｗなどを撮影するために山間部を飛行することがある。ドローン１０が１周波ＲＴＫによる測位を行う場合、ドローン１０は、基準局２０から携帯電話回線を介して補正情報Ｅを受信し、受信した補正情報Ｅに基づきＧＰＳ衛星３０から受信したＧＰＳ電波の誤差を補正し、ドローン１０の現在位置を算出する。しかしながら、山間部には基地局による携帯電話回線の電波が及ばないエリアがあり、ドローン１０がこのような電波圏外のエリアを飛行すると、基準局２０から補正情報Ｅを受信することができなくなる。また、基準局２０が１周波ＲＴＫにより配信局２２から配信される補正情報Ｅ１を利用して自身の設置位置を測位する場合にも、上記と同様に、基準局２０において携帯電話回線が圏外になったり、あるいは受信強度が劣化すると、基準局２０は、配信局２２から補正情報Ｅ１をリアルタイムで受信することができなくなる。その結果、ドローン１０は、現在位置を高精度に測位することができず、ドローン１０の飛行が不安定になり、高架電線Ｗを正確に撮影することが難しくなる。

一方、特許文献１、２に示すように、ドローンに複数のＧＮＳＳ受信機および複数のアンテナを搭載したり、あるいはＰＰＰによる測位を行うために２周波対応の受信機およびアンテナを搭載した場合、アンテナが大型になりかつ重量が重くなり、ドローンの飛行時間が減少してしまう。また、小型のドローンには、そのような受信機やアンテナを搭載することができない。

本発明は、上記従来の課題を解決し、無人移動体の高精度測位を可能にする測位方法および測位システムを提供することを目的とする。

本発明に係る無人移動体の測位方法は、基準局において、複数の測位衛星から発せられる２周波の測距信号を受信し、受信した測距信号に基づき基準局の設置位置を測位し、基準局において、前記測位された設置位置と測位衛星から受信した測距信号とに基づきＲＴＫ測位演算用の補正情報を生成し、基準局から前記補正信号を前記無人移動体に送信し、無人移動体において、測位衛星から受信した測距信号と前記補正情報とに基づき無人移動体の位置をリアルタイムで測位する。

ある実施態様では、前記基準局と前記無人移動体とは、ネットワークを介さずに無線通信により直接接続され、前記補正情報は、当該無線通信により送信される。ある実施態様では、無人移動体は、１周波ＲＴＫによる測位を行う。

本発明に係る基準局を利用した無人移動体の測位システムは、前記基準局は、複数の測位衛星から２周波の測距信号を受信し、受信した測距信号に基づき基準局の設置位置を測位する第１の測位手段と、前記第１の測位手段により測位された設置位置と測位衛星から受信した測距信号とに基づきＲＴＫ測位演算用の補正情報を生成する生成手段と、前記無人移動体に前記補正情報を送信する送信手段と有し、前記無人移動体は、測位衛星から測距信号を受信する受信手段と、前記補正情報および前記受信手段で受信した測距信号に基づき無人移動体の位置をリアルタイムで測位する第２の測位手段とを有する。

ある実施態様では、前記第１の測位手段は、ＰＰＰ対応受信機と２周波対応ＧＮＳＳアンテナを含む。ある実施態様では、前記受信手段は、１周波対応ＧＮＳＳアンテナと受信機とを含む。ある実施態様では、前記基準局と前記無人移動体とは、ネットワークを介さずに無線通信により直接接続され、前記補正情報は、当該無線通信により送信される。ある実施態様では、無人移動体は、ドローンである。

本発明によれば、ＰＰＰを無人移動体における測位結果として直接利用するのではなく、基準局からの１周波ＲＴＫ測位用の補正情報として利用することで、無人移動体に搭載するシステムを小型化でき、無人移動体の持続時間を延長させることができる。また、基準局でのＰＰＰと無人移動体でのＲＴＫ測位との組み合わせにより、山間部における無人移動体のリアルタイム測位を高精度化し、無人移動体のリアルタイムな位置制御を行うことが可能にある。さらに無人移動体の高精度位置を利用した観測データの取得が可能になる。

１周波ＲＴＫをドローンに適用したときの課題を説明する図である。 本発明の実施例に係る測位システムの全体構成を示す図である。 本発明の実施例に係る基準局の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例に係る無人飛行機の測位に関する構成を示すブロック図である。 本発明の実施例に係る無人飛行機を点検対象物の撮影に用いたときの構成を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について説明する。本発明の無人移動体は、例えば、ドローン、ヘリコプター、飛行船のような無人飛行機、あるいは車輪によって移動するローバーである。無人飛行機は、人間が目視により点検することが難しい、鉄塔に架設された送電線等の点検や土砂崩れなどの自然災害現場の点検や測量などに用いられる。

以下の実施例では、無人移動体として無人飛行機（ドローン）を例に説明する。図２は、本実施例に係る測位システムの全体構成を示す図である。本実施例の測位システム１００は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）における高精度な位置測定を可能にする。ＧＮＳＳによる測位は、測位衛星から放送されるＧＰＳ電波（測距信号）を受信機で受信し、測位衛星と受信機間の距離を計測し、複数の測位衛星による連立方程式を解くことで受信機の３次元座標を算出する。

本実施例では、基準局２００は、ＰＰＰ（高精度単独測位）により設置位置を測位する。ＰＰＰは、受信可能な全測位衛星の精密軌道歴とクロックデータ等を測位衛星から補強情報として受信し、受信機と測位衛星間を搬送波で直接測定するものである。受信機は、測距信号に重畳された補強信号を利用して測距誤差を補正し、高精度な自己位置を算出する。他方、無人飛行機３００は、１周波ＲＴＫにより基準局２００から送信された補正情報を利用して自己位置を算出する。

図２に示すように、本実施例の測位システム１００は、測位衛星ＳＴが放送する測距信号を受信し、ＰＰＰにより設置位置を測位し、かつＰＰＰにより測位された設置位置に基づきＲＴＫ用の補正情報を生成する基準局２００と、基準局２００から送信される補正信号と測位衛星ＳＴから放送される測距信号を受信し、１周波ＲＴＫにより自身の現在位置を測位する無人飛行機３００とを有する。基準局２００と無人飛行機３００との間は、携帯電話回線網やインターネット等を利用しない無線通信４００で直接接続され、基準局２００で生成された補正情報は、無線通信４００を介して無人飛行機３００にリアルタイムで送信される。

図３に、本実施例の基準局２００の内部構成を示す。本実施例の基準局２００は、ＰＰＰ対応受信機２１０、位置算出部２２０、ＧＰＳ受信機２３０、補正情報生成部２４０および補正情報送信２５０を含んで構成される。

ＰＰＰ対応受信機２１０は、基準局２００の３次元座標を測位するため、複数の測位可能な衛星ＳＴから２周波の測距信号を受信することで受信機の位置を測位する。測位衛星ＳＴは、少なくとも周波数ｆ１、ｆ２の２種類の測距信号を放送しており、ＰＰＰ対応受信機２１０は、周波数ｆ１、ｆ２の測距信号を受信するための２つのアンテナを備えている。ＰＰＰ対応受信機２１０は、測位可能な測位衛星ＳＴから受信した２周波の測距信号を処理し（例えば、増幅、中間周波にダウンコンバート、Ａ／Ｄ変換など）、処理した測距信号を位置算出部２２０に出力する。

位置算出部２２０は、周波数の異なる２つの測距信号を用いることで、測距信号に含まれる電波遅延などによる測定誤差を補正し、測定誤差が補正された測距信号を用いて基準局２００の設置位置を高精度で算出する。位置算出部２２０で算出された基準局２００の設置位置は、補正情報生成部２４０に提供される。

基準局２００はさらに、１周波のＧＰＳ受信機２３０を有する。ＧＰＳ受信機２３０は、測位可能な衛星ＳＴから放送される測距信号を受信し、受信した測距信号を補正情報生成部２４０に提供する。なお、ＰＰＰ対応受信機２１０で受信された２周波の測距信号からＧＰＳ受信機２３０で受信された測距信号と等価な測距信号を分離できる場合には、破線で示すようにＰＰＰ対応受信機２１０から１つの測距信号を補正情報生成部２４０に出力させるようにしてもよい。この場合、ＧＰＳ受信機２３０は必ずしも必須ではない。

補正情報生成部２４０は、ＧＰＳ受信機２３０で受信された測距信号と位置算出部２２０で算出された基準局２００の設置位置とに基づき、ＲＴＫ測位演算用の補正情報を生成する。補正情報は、無人飛行機３００で受信された測距信号の測定誤差を補正するために用いられる。補正情報は、ＧＰＳ受信機２３０により測距信号が受信されるタイミングに同期して生成され、例えば、１周波ＲＴＫ用のフォーマットに従い生成される。

補正情報送信部２５０は、補正情報生成部２４０で生成された補正情報を無線通信４００を介して無人飛行機３００にリアルタイムで送信する。

図４に、無人飛行機３００の測位機能に関する構成を示す。無人飛行機３００は、ＧＰＳ受信機３１０、補正情報受信部３２０および位置算出部３３０を含む。ＧＰＳ受信機３１０は、１周波の測距信号を受信するためのアンテナを１つ含み、当該アンテナを介して測位可能な測位衛星ＳＴから測距信号を受信する。ＧＰＳ受信機３１０は、受信した測距信号を処理し（例えば、増幅、中間周波にダウンコンバート、Ａ／Ｄ変換など）、処理した測距信号を位置算出部３３０へ提供する。

補正情報受信部３２０は、基準局２００で生成された補正情報を無線通信４００を介してリアルタイムで逐次受信する。補正情報受信部３２０で受信された補正情報は、リアルタイムで位置算出部３３０へ提供される。

位置算出部３３０は、ＧＰＳ受信機３１０で受信した複数の測距信号に基づき無人飛行機３００の３次元座標を算出するが、この際、位置算出部３３０は、リアルタイムで受信した補正情報と同期してＧＰＳ受信機３１０で受信した測距信号の測定誤差を補正する。これにより、無人飛行機３００の高精度の測位が可能になる。位置算出部３３０で算出された位置情報は、無人飛行機３００の飛行制御に利用される。

このように本実施例によれば、基準局の設置位置をＰＰＰにより高精度に測位することで、基準局を設置する位置を容易に選択することができる。仮に、基準局を山間部に設置する場合、基準局の緯度、経度を知るためには測量が必要になるが、これと比較してＰＰＰによる測位は容易である。また、無人飛行機は、基準局により生成された補正情報を利用した１周波ＲＴＫにより現在位置を測位するため、無人飛行機に搭載するアンテナは１つで済む。これにより、受信機の軽量、小型化を図ることができ、無人飛行機の飛行時間を延長させ、かつ小型の無人飛行機の利用も可能になる。さらに、補正情報の通信に携帯電話回線によるネットワークを利用しないため、携帯電話回線の基地局による電波受信可能エリアに無関係に無人飛行機を飛行させることができる。

次に、本実施例の無人飛行機を山間部の高架電線等の撮影に利用するときの構成例を図５に示す。本実施例に係る無人飛行機３００は、測位部５１０、物体検出部５２０、撮影カメラ５３０、ロータ駆動部５４０、記憶部５５０、通信部５６０および制御部５７０を含んで構成される。

測位部５１０は、上記したように１周波ＲＴＫにより無人飛行機３００の現在位置を測位し、これを制御部５７０へ提供する。物体検出部５２０は、例えば、ＬｉＤＡＲ（Laser Imaging Detection and Ranging）により点検対象物までの相対的距離および角度を検出し、これを制御部５７０へ提供する。撮影カメラ５３０は、機体本体の下部にジンバルを介して取り付けられ、点検対象物である高架電線Ｗの動画を真上から撮像する。撮影した映像データは記憶部５５０に格納される。ロータ駆動部５４０は、制御部５７０からの駆動信号に基づきプロペラ等に接続されたロータを回転させる。記憶部５５０は、無人飛行機３００を動作させるために必要な種々の情報を記憶する。記憶部５５０は、例えば、予め用意された飛行情報を記憶したり、制御部５７０が実行するためのプログラムやソフトウエアを記憶したり、撮影カメラ５３０で撮像された点検対象物の映像データを記憶する。通信部５６０は、無人飛行機３００と基準局２００とを無線通信４００で接続し、基準局２００からリアルタイムで送信される補正情報を受信し、これを測位部５１０や制御部５７０へ提供する。

制御部５７０は、無人飛行機３００の各部を制御し、ある実施態様では、制御部５７０は、ＲＯＭ／ＲＡＭを含むマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ等を含み、記憶部５５０あるいはＲＯＭ／ＲＡＭに格納されたプログラムやソフトウエアを実行することで無人飛行機３００の自律飛行や点検対象物の撮影を制御する。

制御部５７０は、測位部５１０で測位された現在位置を利用し、予め用意された飛行ルートに沿うようにロータ駆動部５４０を介して飛行を制御し、また、物体検出部５２０の検出結果に基づき、点検対象物である高架電線Ｗと一定の距離および角度を保つように高架電線Ｗを追尾し、撮影カメラ５３０により高架電線Ｗを撮影する。

本実施例によれば、基準局からの補正情報の送受信に携帯電話回線を利用せず、基準局２００と無人飛行機３００とはピアツーピアによる無線通信４００で接続されているため、携帯電話回線の基地局によってカバーされないエリアに無関係に、無人飛行機３００の飛行ルートを設定し、点検対象物の撮影を行うことができる。

なお、無人飛行機１００は、点検対象物の撮影に限らず、災害地などの撮影や地図等の測量などにも利用することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の要旨の範囲において、種々の変形、変更が可能である。

１００：測位システム ２００：基準局
２１０：ＰＰＰ対応受信機 ２２０：位置算出部
２３０：ＧＰＳ受信機 ２４０：補正情報生成部
２５０：補正情報送信部 ３００：無人飛行機
３１０：ＧＰＳ受信機 ３２０：補正情報受信部
３３０：位置算出部

Claims (7)

1. １周波の測距信号を測位衛星から受信するＧＰＳ受信機を搭載した無人移動体の測位方法であって、
   基準局において、複数の測位衛星から発せられる２周波の測距信号を受信し、受信した測距信号に基づき基準局の設置位置を測位し、
   基準局において、前記測位された設置位置と測位衛星から受信した測距信号とに基づきＲＴＫ測位演算用の補正情報を生成し、当該補正情報は、１周波の測距信号を測位衛星から受信するＧＰＳ受信機により測距信号が受信されるタイミングに同期して生成され、
   基準局から前記補正情報を前記無人移動体に送信し、
   無人移動体において、基準局からリアルタイムで受信した補正情報と同期して前記ＧＰＳ受信機で受信した測距信号の測定誤差を前記補正情報に基づき補正し、無人移動体の位置を算出する、測位方法。
2. 前記基準局と前記無人移動体とは、ネットワークを介さずに無線通信により直接接続され、前記補正情報は、当該無線通信により送信される、請求項１に記載の測位方法。
3. 無人移動体は、１周波ＲＴＫによる測位を行う、請求項１に記載の測位方法。
4. 基準局を利用した無人移動体の測位システムであって、
   前記基準局は、複数の測位衛星から２周波の測距信号を受信し、受信した測距信号に基づき基準局の設置位置を測位する第１の測位手段と、
   前記第１の測位手段により測位された設置位置と測位衛星から受信した測距信号とに基づきＲＴＫ測位演算用の補正情報を生成する生成手段と、
   前記無人移動体に前記補正情報を送信する送信手段と有し、
   前記無人移動体は、前記補正情報を受信する受信手段と、１周波の測距信号を測位衛星から受信するＧＰＳ受信機と、前記受信手段を介して前記基準局からリアルタイムで受信した補正情報と同期して前記ＧＰＳ受信機で受信した測距信号の測定誤差を前記補正情報に基づき補正し、無人移動体の位置を測位する第２の測位手段とを有し、
   前記生成手段は、１周波の測距信号を測位衛星から受信するＧＰＳ受信機を含み、当該ＧＰＳ受信機により測距信号が受信されるタイミングに同期して前記補正情報を生成する、測位システム。
5. 前記第１の測位手段は、ＰＰＰ対応受信機と２周波対応ＧＮＳＳアンテナを含む、請求項４に記載の測位システム。
6. 前記基準局と前記無人移動体とは、ネットワークを介さずに無線通信により直接接続され、前記補正情報は、当該無線通信により送信される、請求項４に記載の測位システム。
7. 無人移動体は、ドローンである、請求項４に記載の測位システム。
   

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