JP7450431B2

JP7450431B2 - 自律飛行体及び飛行制御方法

Info

Publication number: JP7450431B2
Application number: JP2020056971A
Authority: JP
Inventors: 美次青山; 明佐藤; 一徳佐藤; 弘宜三井
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2024-03-15
Anticipated expiration: 2040-03-27
Also published as: JP2021157493A

Description

本開示は、自律飛行体及び飛行制御方法に関する。

自律飛行を行うドローン等の自律飛行体は、測域センサ、電子コンパス、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System：全地球航法衛星システム）受信器などの各種センサが検出した情報に基づく飛行制御をすることにより、自律飛行を実現している。特に、電子コンパスが地磁気を検出して自律飛行体自身の機首方向を特定し、ＧＮＳＳ受信機が測位衛星からの電波信号を受信して自律飛行体自身の地球上における位置を特定することにより、精度の高い自律飛行が実現される。

例えば特許文献１には、電子コンパスとＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）受信器と備え、自律飛行が可能なマルチコプターが開示されている。

特許第６６６１１３６号公報

上記の自律飛行体は、地下トンネルなど、測位衛星からの電波を正常に受信できない環境下、電子コンパスが正常に地磁気を検出できない環境下において、正常に自律飛行ができないという問題がある。

例えば、送電線を収容する地下トンネルに撮像装置を搭載した自律飛行体を送り込んで、人員を輸送することなく送電線の状態を確認したい、といった要求がある。しかし、地下トンネルでは測位衛星からの電波を受信できない可能性が高く、かつ、送電線から生じる磁気により電子コンパスも正常に地磁気を検出できない可能性が高い。そのため、このような地下トンネルにおいては、上記の自律飛行体は正常に自律飛行できない可能性が高い。

このため、送電線を収容する地下トンネルのような環境下での自律飛行を実現するには、測位衛星、地磁気に頼らずに自律飛行を行う技術が必要となる。一方、地下トンネルのような環境下では、壁面が存在するため、壁面への衝突を回避するための技術も必要となる。したがって、壁面の存在する環境下においては、壁面への衝突を回避するための技術が必要とされている。

本開示の目的は、上記の事情に鑑み、壁面の存在する環境下において自律飛行を可能とする自立飛行体等を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本開示の第１の観点に係る自律飛行体は、
自律飛行体であって、
前記自律飛行体の周囲の障害物を検出する測域センサと、
前記測域センサによる検出結果に基づいて環境地図を作成する地図作成手段と、
前記環境地図上における前記自律飛行体の飛行方向を、前記環境地図上における前記自律飛行体の位置の変化に基づいて推定する推定手段と、
前記飛行方向に対して左右９０度となる方向に前記自律飛行体との距離が予め定められた障害距離以内となる障害物が存在するかを判定する障害物判定手段と、
前記障害物判定手段が、前記自律飛行体との距離が前記障害距離以内となる障害物が存在すると判定した場合、前記障害物判定手段により障害物が存在すると判定した地点を障害物存続開始点とし、前記飛行方向に近づくように継続的に前記測域センサによる障害物の検出を行い、前記自律飛行体との距離が予め定められた障害距離以内かつ前記測域センサによる検出の検出方向が前記飛行方向に近づくほど前記自律飛行体との距離が漸増するかを判定し、前記自律飛行体との距離が前記障害距離以内かつ検出方向が前記飛行方向に近づくほど前記自律飛行体との距離が漸増すると判定したとき、前記自律飛行体との距離が前記障害距離となる地点を障害物存続終了点として、前記障害物存続開始点から前記障害物存続終了点までを連続した壁面として検出する壁面検出手段と、
前記壁面検出手段により前記壁面を検出したとき、前記左右９０度となる方向のうち前記壁面が検出されなかった方向にある前記自律飛行体までの距離が前記障害距離となる地点と前記障害物存続終了点とを結び前記自律飛行体を中心とする円弧を二分する方向を、前記自律飛行体の新たな飛行方向として決定する飛行方向決定手段と、
前記飛行方向決定手段により決定された前記新たな飛行方向に基づいて前記自律飛行体の飛行を制御する飛行制御手段と、
を備える。

前記推定手段はさらに、前記環境地図上における前記自律飛行体の位置を推定し、
前記推定手段が推定した前記位置を擬似的な緯度と経度と高度とにより表した擬似測位情報を求める擬似測位手段と、
予め定められた前記自律飛行体の飛行計画を、前記擬似測位情報と、前記新たな飛行方向とに基づいて修正する飛行計画修正手段と、
をさらに備え、
前記飛行制御手段は、前記飛行計画修正手段により修正された前記飛行計画に基づいて決定された、前記自律飛行体が飛行移動すべき位置へ飛行するよう前記自律飛行体の飛行を制御する、
ものであってもよい。

前記壁面検出手段は、前記自律飛行体が飛行する地下トンネルの地図を示す情報に基づいて、前記障害距離を可変に設定する、
ものであってもよい。

上記の目的を達成するため、本開示の第２の観点に係る飛行制御方法は、
自律飛行体の飛行を制御する飛行制御方法であって、
前記自律飛行体の周囲の障害物を検出して環境地図を作成し、
前記環境地図上における前記自律飛行体の飛行方向を、前記環境地図上における前記自律飛行体の位置の変化に基づいて推定し、
前記飛行方向に対して左右９０度となる方向に前記自律飛行体との距離が予め定められた障害距離以内となる障害物が存在するかを判定し、
前記自律飛行体との距離が前記障害距離以内となる障害物が存在すると判定した場合、障害物が存在すると判定した地点を障害物存続開始点とし、前記飛行方向に近づくように継続的に障害物の検出を行い、前記自律飛行体との距離が予め定められた障害距離以内かつ検出方向が前記飛行方向に近づくほど前記自律飛行体との距離が漸増するかを判定し、前記自律飛行体との距離が前記障害距離以内かつ検出方向が前記飛行方向に近づくほど前記自律飛行体との距離が漸増すると判定したとき、前記自律飛行体との距離が前記障害距離となる地点を障害物存続終了点として、前記障害物存続開始点から前記障害物存続終了点までを連続した壁面として検出し、
前記壁面を検出したとき、前記左右９０度となる方向のうち前記壁面が検出されなかった方向にある前記自律飛行体までの距離が前記障害距離となる地点と前記障害物存続終了点とを結び前記自律飛行体を中心とする円弧を二分する方向を、前記自律飛行体の新たな飛行方向として決定し、
決定された前記新たな飛行方向に基づいて前記自律飛行体の飛行を制御する。

本開示によれば、壁面の存在する環境下において自律飛行体による自律飛行が可能となる。

本開示の実施の形態に係るドローンの構成を示す図本開示の実施の形態に係る飛行予定地図の一例を示す図本開示の実施の形態に係るコンパニオンコンピュータの機能的構成を示す図本開示の実施の形態に係るドローンによる壁面判定の一例を説明する図本開示の実施の形態に係るフライトコントローラの機能的構成を示す図本開示の実施の形態に係るドローンによる飛行制御の動作の一例を示すフローチャート図６における、本開示の実施の形態に係るドローンが備えるコンパニオンコンピュータの壁面検出部による壁面検出の動作の一例を示すフローチャート図６における、本開示の実施の形態に係るドローンが備えるフライトコントローラによる飛行制御の動作の一例を示すフローチャート本開示の実施の形態の変形例１に係るコンパニオンコンピュータの機能的構成を示す図

以下、図面を参照しながら、本開示に係る自律飛行体をドローンに適用した実施の形態を説明する。各図面においては、同一又は同等の部分に同一の符号を付す。

（実施の形態）
図１を参照しながら、実施の形態に係るドローン１を説明する。後述するように、ドローン１は、送電線を収容する地下トンネルのような、壁面が存在し、かつ測位衛星からの電波を正常に受信できず電子コンパスが正常に地磁気を検出できない環境下において自律飛行が可能な自律飛行体である。詳細は後述するが、ドローン１は、地下トンネル内の壁面を検出し、検出した壁面と、擬似的な磁束密度及び擬似的な測位情報とに基づいて自律飛行を行う。送電線を収容する地下トンネルでは、測位衛星から正常に電波を受信することも、地磁気を正常に検出することもできないことが想定されるので、ドローン１は、衛星測位及び地磁気検出に依らずに自律飛行を行う。

ドローン１は、コンパニオンコンピュータ２とフライトコントローラ３と測域センサ４と駆動部７とを備える。コンパニオンコンピュータ２は、測域センサ４及びフライトコントローラ３に通信可能に接続されている。フライトコントローラ３は、コンパニオンコンピュータ２及び駆動部７に通信可能に接続されている。ドローン１は、本開示に係る自律飛行体の一例である。

なお、ドローン１は、上記のほか、ジャイロセンサ、加速度センサ、気圧センサなどの各種センサを備えてもよい。

コンパニオンコンピュータ２は、例えばドローン１に内蔵可能な一般的なマイクロコントローラである。コンパニオンコンピュータ２は、バスＢ２を介して互いに接続された、プロセッサ２０１と、メモリ２０２と、インタフェース２０３と、二次記憶装置２０４と、を備える。

プロセッサ２０１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）である。プロセッサ２０１が、二次記憶装置２０４に記憶された動作プログラムをメモリ２０２に読み込んで実行することにより、後述する各機能部の機能が実現される。

メモリ２０２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）により構成される主記憶装置である。メモリ２０２は、プロセッサ２０１が二次記憶装置２０４から読み込んだ動作プログラムを記憶する。また、メモリ２０２は、プロセッサ２０１が動作プログラムを実行する際のワークメモリとして機能する。

インタフェース２０３は、例えばＧＰＩＯ（General-purpose input/output）、シリアルポート、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ポート、ネットワークインタフェースなどのI/O（input/output）インタフェースである。インタフェース２０３に測域センサ４及びフライトコントローラ３が接続されることにより、コンパニオンコンピュータ２は測域センサ４及びフライトコントローラ３に通信可能に接続される。

二次記憶装置２０４は、例えばフラッシュメモリである。二次記憶装置２０４は、プロセッサ２０１が実行する動作プログラムを記憶する。また、二次記憶装置２０４は、後述の飛行計画データも記憶する。例えば、ドローン１のユーザが予めパーソナルコンピュータ上で飛行計画データを作成し、インタフェース２０３に当該パーソナルコンピュータを接続して飛行計画データをコンパニオンコンピュータ２に転送することにより、飛行計画データが二次記憶装置２０４に保存される。

図２に示す例を参照しながら、飛行計画データについて説明する。飛行計画データは、例えばドローン１のユーザが、地図上にて始点と１以上の経由点と終点とを指定して飛行ルートを設定することにより作成される。図２に示す例は、地下トンネルを示す地図上において、始点と１つの経由点と終点とを指定することにより、ドローン１が地下トンネル内をどのような飛行ルートにて飛行すべきかを指定する例である。図２に示す例では、始点、経由点及び終点は、緯度、経度及び高度の組により示されている。フライトコントローラ３は、飛行制御において緯度、経度及び高度にて表された情報を利用するため、飛行計画データにおける各点も緯度、経度及び高度にて表現されている。

再び図１を参照する。フライトコントローラ３は、例えばマイクロコントローラにより構成されるフライトコントローラである。フライトコントローラ３として、例えば市販のフライトコントローラを採用することができる。フライトコントローラ３は、コンパニオンコンピュータ２と同様に、バスＢ３を介して互いに接続された、プロセッサ３０１と、メモリ３０２と、インタフェース３０３と、二次記憶装置３０４と、を備える。また、二次記憶装置３０４は、フライトコントローラ３の動作プログラムとして、ドライバプログラムＰ３１と飛行プログラムＰ３２とを備える。

プロセッサ３０１は、例えばＣＰＵである。プロセッサ３０１が、二次記憶装置３０４に記憶されたドライバプログラムＰ３１及び飛行プログラムＰ３２をメモリ３０２に読み込んで実行することにより、後述する各機能部の機能が実現される。

メモリ３０２は、例えば、ＲＡＭにより構成される主記憶装置である。メモリ３０２は、プロセッサ３０１が二次記憶装置３０４から読み込んだ動作プログラムを記憶する。また、メモリ３０２は、プロセッサ３０１がドライバプログラムＰ３１及び飛行プログラムＰ３２を実行する際のワークメモリとして機能する。

インタフェース３０３は、例えばＧＰＩＯ、シリアルポート、ＵＳＢポート、ネットワークインタフェースなどのＩ／Ｏインタフェースである。インタフェース３０３にコンパニオンコンピュータ２及び駆動部７が接続されることにより、フライトコントローラ３はコンパニオンコンピュータ２及び駆動部７に通信可能に接続される。

二次記憶装置３０４は、例えばフラッシュメモリである。前述のとおり、二次記憶装置３０４は、プロセッサ３０１が実行する動作プログラムとしてドライバプログラムＰ３１及び飛行プログラムＰ３２を記憶する。ドローン１の製造者は、ドライバプログラムＰ３１を作成して二次記憶装置２０４に保存することができる。つまり、ドローン１の製造者は、自身がドライバプログラムＰ３１を作成して保存することにより、後述する各機能部のうち一部の機能部の機能を実現できる。詳細は後述するが、コンパニオンコンピュータ２の各機能と、ドローン１の製造者が作成したドライバプログラムＰ３１とにより、地下トンネルにおいてドローン１の自律飛行を実現できる。

測域センサ４は、ドローン１の周囲の障害物を検出し、検出した障害物の相対位置（ドローン１の現在位置を基準とした距離及び方向）を示す情報をコンパニオンコンピュータ２に出力する。測域センサ４は、例えば水平方向の周囲３６０度にある障害物を検知可能なＬｉＤＡＲ（Light Detection and RangingもしくはLaser Imaging Detection and Ranging）である。測域センサ４は、本開示に係る測域センサの一例である。

駆動部７は、フライトコントローラ３による制御に基づいて揚力を発生させ、ドローン１を飛行させる。駆動部７は、例えばＥＳＣ（Electric Speed Controller）とモータとプロペラとを備える。例えば、ドローン１が４つのプロペラを備えるマルチコプターであるとき、駆動部７はＥＳＣとモータとプロペラとの組を４組備える。

次に、図３を参照しながら、コンパニオンコンピュータ２のプロセッサ２０１が動作プログラムを実行したときにおける、コンパニオンコンピュータ２の機能的構成を説明する。コンパニオンコンピュータ２は、機能的構成として、地図作成部２１と推定部２２と機首方向出力部２３と擬似測位部２４と壁面検出部２６と飛行方向決定部２７と飛行計画修正部２８と飛行指令部２５とを備える。

地図作成部２１は、測域センサ４が検出した障害物の相対位置に基づいて環境地図を作成する。地図作成部２１は、後述の推定部２２とともに、ＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping）を行う。地図作成部２１は、例えば、初めに環境地図を作成する際には、任意の方向を暫定的に「北」と定めて環境地図を作成する。地図作成部２１は、作成した環境地図と、飛行計画データが示す地図とを対比して、暫定的に「北」と定めた方向を適宜修正する。地図作成部２１は、本開示に係る地図作成手段の一例である。

推定部２２は、地図作成部２１が作成した環境地図に基づいて、環境地図上におけるドローン１の位置、飛行方向及び機首方向を推定する。環境地図上におけるドローン１の位置は、例えば飛行開始時におけるドローン１の位置を原点としたときの相対座標にて表現される。環境地図上における飛行方向及び機首方向は、例えば環境地図上における位置の変化に基づいて推定される。推定部２２は、前述の地図作成部２１とともにＳＬＡＭを行う。推定部２２は、本開示に係る推定手段の一例である。

機首方向出力部２３は、推定部２２が推定した環境地図上における機首方向を示す機首方向情報を、フライトコントローラ３に出力する。機首方向情報は、後述するフライトコントローラ３の擬似コンパス部３１により処理されるため、図３では機首方向出力部２３から擬似コンパス部３１に出力されるように図示している。

擬似測位部２４は、推定部２２が推定した環境地図上におけるドローン１の位置を擬似的な緯度と経度と高度とにより表した擬似測位情報を求め、求めた擬似測位情報をフライトコントローラ３に出力する。フライトコントローラ３は、緯度、経度及び高度にて表された測位情報に基づいてドローン１の飛行制御を行うので、擬似測位部２４はそれに合わせて、擬似的な測位情報を出力する。つまり、擬似測位部２４は、擬似的な衛星測位モジュールとして機能する。擬似測位情報は、後述するフライトコントローラ３の出力部３３により処理されるため、図３では擬似測位部２４から出力部３３に出力されるように図示している。擬似測位部２４は、本開示に係る擬似測位手段の一例である。

上述したように、二次記憶装置２０４に保存された飛行計画データにおいては、始点、経由点及び終点の各点が緯度、経度及び高度にて表されている。また、上述したように、環境地図上においては、例えば飛行開始時におけるドローン１の位置が原点となっている。したがって、飛行計画データにおける始点の緯度及び経度と、環境地図上における原点とが対応する。そのため、擬似測位部２４は、環境地図上におけるドローン１の位置を、緯度及び経度にて擬似的に表すことができる。ただし、一般的には、ドローン１が移動するにつれて、擬似的に表した緯度及び経度と、現実の緯度及び経度とにズレが生じる。後述するように、後述の壁面検出部２６による検出結果に基づいて飛行方向を修正し、修正した飛行方向に基づいて飛行計画を修正することにより、このズレに対応する。なお、高度については、擬似測位部２４は、例えば飛行計画データにおける各点の高度により表してもよいし、図示しない気圧センサが検出した気圧に基づいて高度を求めてもよい。

壁面検出部２６は、測域センサ４を制御して、ドローン１の飛行方向に対して左右９０度となる方向にドローン１との距離が予め定められた障害距離以内となる障害物が存在するかを判定する。壁面検出部２６は、ドローン１との距離が障害距離以内となる障害物が存在すると判定した場合、障害物が存在すると判定した地点を障害物存続開始点とし、飛行方向に近づくように継続的に測域センサ４による障害物の検出を行う。壁面検出部２６は、ドローン１との距離が予め定められた障害距離以内かつ測域センサ４による検出の検出方向が飛行方向に近づくほどドローン１との距離が漸増するかを判定する。壁面検出部２６は、ドローン１との距離が障害距離となる地点を障害物存続終了点として、障害物存続開始点から障害物存続終了点までを、連続した壁面として検出する。壁面検出部２６は、本開示に係る障害物判定手段及び壁面検出手段の一例である。以下、図４を参照しながら具体的に説明する。

図４に示す例では、図面上における上方向（図４における「飛行方向（修正前）」）が現在のドローン１の飛行方向である。また、図４に示す例では、ドローン１の飛行方向に対して右９０度となる方向には連続する壁面が存在し、左９０度となる方向には壁面が存在しない。

壁面検出部２６は、まず、測域センサ４を制御して、飛行方向に対して左右９０度となる方向に障害物の検出を行う。壁面検出部２６は、検出した障害物が障害距離以内に存在するか否かを判定する。障害距離は、例えば１．５メートルである。なお、地下トンネルの幅は、例えば５メートル程度が想定されており、左右９０度方向ともに障害距離以内に壁面が存在することはないものとする。図４に示す例では、飛行方向に対して右９０度となる方向については障害距離以内に障害物が存在し、飛行方向に対して左９０度となる方向については障害距離以内には障害物が存在しない。壁面検出部２６は、飛行方向に対して右９０度となる方向に存在する障害物が存在する地点を、障害物存続開始点とする。

次に、壁面検出部２６は、検出方向を、障害距離以内に障害物が存在する方向である右９０度となる方向から少し飛行方向（図面上における上方向）に近づけ、再び測域センサ４による障害物の検出を試みる。図４に示す例において、測域センサ４は、再び障害距離以内に存在する障害物を検出する。ただし、ドローン１から検出した障害物までの距離は、先ほど検出したときの距離よりも増加している。つまり、ドローン１から検出した障害物までの距離が漸増している。壁面検出部２６は、このような動作を、障害物との距離が障害距離を超えるか、漸増しなくなるまで繰り返す。

図４に示す例では、飛行方向に対して右９０度となる方向から右４５度となる方向までが、障害物との距離が障害距離以内かつ障害物との距離が漸増する範囲である。図４に示す例では、飛行方向に対して右４５度となる方向に存在する障害物との距離がちょうど障害距離となる地点であり、壁面検出部２６は、この地点を障害物存続終了点とする。壁面検出部２６は、障害物存続開始点から障害物存続終了点までに存在する障害物を、連続した壁面として検出する。

再び図３を参照する。飛行方向決定部２７は、左右９０度となる方向のうち壁面が検出されなかった方向にあるドローン１までの距離が障害距離となる地点と障害物存続終了点とを結びドローン１を中心とする円弧を二分する方向を、ドローン１の新たな飛行方向として決定する。飛行方向決定部２７は、本開示に係る飛行方向決定手段の一例である。

新たな飛行方向の決定についても、図４を参照しながら具体的に説明する。上述のとおり、図４においては、飛行方向に対して右４５度となる方向に障害物存続終了点が存在する。飛行方向決定部２７は、障害物存続終了点と、飛行方向に対して左９０度となる方向にあるドローン１までの距離が障害距離となる地点とを結びドローン１を中心とする円弧を二分する方向である、飛行方向に対して左２２．５度となる方向を、新たな飛行方向（図４における「飛行方向（修正後）」）として決定する。飛行方向決定部２７は、このように新たな飛行方向を決定することで、飛行方向を極端に変化させることなくドローン１が壁面からさらに離れることができる。

再び図３を参照する。飛行計画修正部２８は、飛行計画データが示す飛行ルートと、擬似測位部２４が求めた擬似測位情報と、飛行方向決定部２７が決定した新たな飛行方向とに基づいて飛行計画を修正する。飛行計画修正部２８は、上述の二次記憶装置２０４に保存された飛行計画データを変更することにより、飛行計画を修正する。飛行計画修正部２８は、まず、飛行計画データにおける既存の飛行ルートを、擬似測位情報にて用いられている擬似的な緯度、経度及び高度に対応する座標系にて表すように変更する。次に、飛行計画修正部２８は、擬似的な緯度、経度及び高度にて表した飛行ルートにおける現在位置を特定する。飛行計画修正部２８は、特定した現在位置においてそのまま飛行ルートに従った飛行を行った場合の飛行方向を現在の飛行方向として特定する。そして飛行計画修正部２８は、特定した現在の飛行方向から、飛行方向決定部２７により決定された新たな飛行方向へと飛行方向が修正されるように飛行ルートを変更する。飛行計画修正部２８は、本開示に係る飛行計画修正手段の一例である。

飛行指令部２５は、飛行計画修正部２８により修正された飛行計画に基づいて、ドローン１が飛行移動すべき位置を決定し、決定した位置への飛行をフライトコントローラ３に指令する。飛行指令部２５によるフライトコントローラ３への指令は、後述するフライトコントローラ３の飛行制御部３４により処理されるため、図３では飛行指令部２５から飛行制御部３４に出力されるように図示している。

次に、図５を参照しながら、フライトコントローラ３のプロセッサ３０１がドライバプログラムＰ３１及び飛行プログラムＰ３２を実行したときにおける、フライトコントローラ３の機能的構成を説明する。フライトコントローラ３は、機能的構成として、擬似コンパス部３１と出力部３３と飛行制御部３４とを備える。これらの機能部のうち、擬似コンパス部３１及び出力部３３の機能は、プロセッサ３０１がドライバプログラムＰ３１を実行することにより実現され、飛行制御部３４の機能は、プロセッサ３０１が飛行プログラムＰ３２を実行することにより実現される。

擬似コンパス部３１は、コンパニオンコンピュータ２の機首方向出力部２３が出力した、環境地図上におけるドローン１の機首方向を示す機首方向情報に基づいて擬似的な磁束密度である擬似磁束密度を求める。具体的には、擬似コンパス部３１は、現実において機首方向情報が示す方向にドローン１の機首が向いていると仮定したときの、ドローン１を通過する磁気を示す磁束密度を擬似磁束密度として求める。例えば、機首方向情報が示す方向が「北」であるとき、ドローン１の機首が現実に「北」を向いているときにドローン１を通過する磁気の磁束密度を、擬似磁束密度として求める。つまり、擬似コンパス部３１は、環境地図上における機首方向に基づいて磁気を検出する擬似的な電子コンパスモジュールとして機能する。擬似コンパス部３１は、本開示に係る擬似コンパス手段の一例である。

出力部３３は、擬似コンパス部３１が求めた擬似磁束密度と擬似測位部２４が求めた測位情報とを飛行制御部３４に出力する。上述のとおり、擬似コンパス部３１及び出力部３３の機能は、フライトコントローラ３のプロセッサ３０１がドライバプログラムＰ３１を実行することにより実現される。プロセッサ３０１がドライバプログラムＰ３１を実行することにより、最終的には出力部３３の機能によって擬似磁束密度と擬似測位情報とが飛行制御部３４に出力される。そのため、飛行制御部３４からは、あたかも仮想的な電子コンパスモジュール及び仮想的な衛星測位モジュールから、磁束密度及び測位情報が出力されているように見える。

飛行制御部３４は、出力部３３から出力された、擬似磁束密度及び擬似測位情報と、コンパニオンコンピュータ２の飛行指令部２５からの飛行指令とに基づいて駆動部７を制御して、ドローン１の飛行を制御する。上述のとおり、飛行指令部２５からの飛行指令は、新たな飛行方向として決定された飛行方向に基づくものであるため、飛行制御部３４は、新たな飛行方向に基づいてドローン１の飛行を制御するものである。飛行制御部３４自身は、擬似磁束密度及び擬似測位情報と、現実の磁束密度及び測位情報とを区別することもなく、単に出力部３３から出力された磁束密度及び測位情報に基づいて駆動部７を制御する。飛行制御部３４は、本開示に係る飛行制御手段の一例である。

上述のとおり、飛行制御部３４の機能は、フライトコントローラ３のプロセッサ３０１が飛行プログラムＰ３２を実行することにより実現される。飛行プログラムＰ３２は、例えばフライトコントローラ３の製造者により作成されたプログラムである。飛行プログラムＰ３２は、地磁気と地球上における位置とが正常に検出されることを前提として作成されているので、飛行制御の際に何らかのドライバプログラムから磁束密度及び測位情報が出力されることを必須としている。したがって、飛行プログラムＰ３２（により機能する飛行制御部３４）は、擬似磁束密度及び擬似測位情報と、現実の磁束密度及び測位情報とを区別することがない。

したがって、ドローン１のユーザは、フライトコントローラ３として市販のフライトコントローラを採用する場合において、フライトコントローラ３のハードウェア構成を変更することも、飛行プログラムＰ３２を変更することもなく、ドライバプログラムＰ３１を作成することにより、フライトコントローラ３の各機能を実現できる。

次に、図６を参照しながら、ドローン１による飛行制御の動作の一例を説明する。図６に示す動作の開始時においては、すでに飛行計画データが二次記憶装置２０４に保存されており、かつ飛行が開始されているものとする。

ドローン１の測域センサ４は、ドローン１の周囲の障害物を検出し、検出した障害物の相対位置を示す情報をコンパニオンコンピュータ２に出力する（ステップＳ１）。

ドローン１のコンパニオンコンピュータ２の地図作成部２１は、ステップＳ１にて検出した障害物の相対位置に基づいて環境地図を作成する（ステップＳ２）。

コンパニオンコンピュータ２の推定部２２は、ステップＳ２にて作成した環境地図上におけるドローン１の位置と飛行方向と機首方向とを推定する（ステップＳ３）。

コンパニオンコンピュータ２の機首方向出力部２３は、ステップＳ３にて推定された機首方向を示す機首方向情報をフライトコントローラ３に出力する（ステップＳ４）。

コンパニオンコンピュータ２の擬似測位部２４は、ステップＳ３にて推定された位置を擬似的な緯度、経度及び高度によりに表した擬似測位情報を求めてフライトコントローラ３に出力する（ステップＳ５）。

コンパニオンコンピュータ２の壁面検出部２６は、図７に示す動作を実行して壁面検出を行う（ステップＳ６）。以下、図７に示す動作を説明する。

壁面検出部２６は、飛行方向の左右９０度方向に、測域センサ４による障害物検出の方向を設定する（ステップＳ６１）。

壁面検出部２６は、測域センサ４を制御して、設定した検出方向について障害物の検出を行い、障害距離以内に障害物が存在するか否かを判定する（ステップＳ６２）。

障害距離以内に障害物が存在しないと判定したとき（ステップＳ６２：Ｎｏ）、壁面検出部２６は、壁面が検出できなかったものとして壁面検出の動作を終了し、ドローン１は図６のステップＳ７からの動作を引き続き実行する。

障害距離以内に障害物が存在すると判定したとき（ステップＳ６２：Ｙｅｓ）、壁面検出部２６は、検出した地点を障害物存続開始点とする（ステップＳ６３）。

壁面検出部２６は、飛行方向へ近づくように測域センサ４による障害物検出の方向を設定する（ステップＳ６４）。

壁面検出部２６は、測域センサ４を制御して、設定した検出方向について障害物の検出を行い、障害距離以内に障害物が存在するか否かを判定する（ステップＳ６５）。

障害距離以内に障害物が存在しないと判定したとき（ステップＳ６５：Ｎｏ）、壁面検出部２６は、壁面が検出できなかったものとして壁面検出の動作を終了し、ドローン１は図６のステップＳ７からの動作を引き続き実行する。

障害距離以内に障害物が存在すると判定したとき（ステップＳ６５：Ｙｅｓ）、壁面検出部２６は、ドローン１から検出した障害物までの距離が漸増しているか否かを判定する（ステップＳ６６）。

障害物までの距離が漸増していないと判定したとき（ステップＳ６６：Ｎｏ）、壁面検出部２６は、壁面が検出できなかったものとして壁面検出の動作を終了し、ドローン１は図６のステップＳ７からの動作を引き続き実行する。

障害物までの距離が漸増していると判定したとき（ステップＳ６６：Ｙｅｓ）、壁面検出部２６は、ドローン１から検出した障害物までの距離が障害距離であるか否かを判定する（ステップＳ６７）。なお、完全に障害距離と一致する必要まではなく、例えば検出した距離と障害距離との差が予め定めた誤差範囲内（１０センチメートル、１５センチメートルなど）であれば、ドローン１から検出した障害物までの距離が障害距離であると判定してよい。

ドローン１から検出した障害物までの距離が障害距離ではないと判定したとき（ステップＳ６７：Ｎｏ）、壁面検出部２６は、ステップＳ６４からの動作を繰り返す。

ドローン１から検出した障害物までの距離が障害距離であると判定したとき（ステップＳ６７：Ｙｅｓ）、壁面検出部２６は、検出した地点を障害物存続終了点とする（ステップＳ６８）。

壁面検出部２６は、障害物存続開始点から障害物存続終了点までを、連続した壁面として検出する（ステップＳ６９）。そして壁面検出部２６は、壁面が検出できたものとして壁面検出の動作を終了し、ドローン１は図６のステップＳ７からの動作を引き続き実行する。

再び図６を参照する。コンパニオンコンピュータ２の飛行方向決定部２７は、ステップＳ６での壁面検出部２６による検出結果に基づいて、ドローン１の新たな飛行方向を決定する（ステップＳ７）。具体的には、上述のとおり、飛行方向決定部２７は、左右９０度となる方向のうち壁面が検出されなかった方向にあるドローン１までの距離が障害距離となる地点と障害物存続終了点とを結びドローン１を中心とする円弧を二分する方向を、ドローン１の新たな飛行方向として決定する。ただし、壁面検出部２６が壁面を検出できなかった場合、飛行方向決定部２７は、現在の飛行方向をそのまま新たな飛行方向として決定する。

コンパニオンコンピュータ２の飛行計画修正部２８は、飛行計画データが示す飛行ルートと、ステップＳ５にて擬似測位部２４が求めた擬似測位情報と、ステップＳ７にて飛行方向決定部２７が決定した新たな飛行方向に基づいて、飛行計画を修正する（ステップＳ８）。

コンパニオンコンピュータ２の飛行指令部２５は、ステップＳ８にて飛行計画修正部２８が修正した飛行計画に基づいて、ドローン１が飛行移動すべき位置を決定し、決定した位置への飛行をフライトコントローラ３に指令する（ステップＳ９）。

ドローン１のフライトコントローラ３は、図８に示す動作を実行してドローン１の飛行制御を行う（ステップＳ１０）。そしてドローン１は、ステップＳ１からの動作を繰り返す。以下、図８に示す動作を説明する。

フライトコントローラ３の擬似コンパス部３１は、図６のステップＳ４にて出力された機首方向情報に基づいて、擬似的な磁束密度である擬似磁束密度を求める（ステップＳ１０１）。

出力部３３は、ステップＳ１０１にて求められた擬似磁束密度と、図６のステップＳ５にて求められた擬似測位情報とを飛行制御部３４に出力する（ステップＳ１０２）。

フライトコントローラ３の飛行制御部３４は、ステップＳ１０２にて出力部３３から出力された擬似磁束密度及び擬似測位情報と、図６のステップＳ９での飛行指令部２５からの飛行指令とに基づいて駆動部７を制御する（ステップＳ１０３）。飛行制御部３４が駆動部７を制御することにより、飛行指令部２５による飛行指令に従ってドローン１は飛行移動する。そしてドローン１は、図６のステップＳ１からの動作を繰り返す。

以上、実施の形態に係るドローン１を説明した。ドローン１によれば、壁面検出部２６により検出された壁面に基づいて飛行方向決定部２７が新たな飛行方向を決定し、擬似的な磁束密度である擬似磁束密度と、擬似的な測位情報である擬似測位情報と、新たな飛行方向とに基づいてドローン１の飛行制御が行われる。したがって、ドローン１によれば、衛星測位及び地磁気検出に依らずに、壁面の存在する環境下での自律飛行が可能となる。

また、フライトコントローラ３として市販のフライトコントローラを採用する場合、ドローン１のユーザは、フライトコントローラ３のハードウェア構成及び飛行プログラムＰ３２を変更することなく、ドライバプログラムＰ３１を作成することにより、ドローン１を構成することができる。また、コンパニオンコンピュータ２の各機能についても、一般的なマイクロコントローラが動作プログラムを実行することにより実現される。したがって、ドローン１によれば、壁面の存在する環境下での自律飛行を低コストに実現できる。

（変形例１）
実施の形態では、フライトコントローラ３が擬似コンパス部３１を備えるものとしたが、コンパニオンコンピュータ２が擬似コンパス部３１と同様の機能部を備え、フライトコントローラ３は擬似コンパス部３１を備えないものであってもよい。

例えば、図９に示すように、コンパニオンコンピュータ２が擬似コンパス部２９を備え、フライトコントローラ３は擬似コンパス部３１を備えないものであってもよい。擬似コンパス部２９は、推定部２２が推定した環境地図上における機首方向に基づいて、実施の形態の擬似コンパス部３１と同様にして擬似磁束密度を求め、求めた擬似磁束密度をフライトコントローラ３に出力する。擬似磁束密度は、出力部３３により処理されるため、図９では擬似コンパス部２９から出力部３３に出力されるように図示している。

（変形例２）
上記の実施の形態では、障害距離が一定の距離であるものとして説明した。これに代えて、飛行計画データが示す地下トンネルの地図に基づいて障害距離を可変なものとしてもよい。例えば、地下トンネルの一部に幅が狭い箇所があるとする。このような幅が狭い箇所を予め検出し、その箇所の近辺を通過する際には障害距離を通常よりも小さくなるように設定してもよい。つまり、ドローン１が飛行する地下トンネルの地図を示す情報に基づいて障害距離を可変としてもよい。

１ドローン、２コンパニオンコンピュータ、３フライトコントローラ、４測域センサ、７駆動部、２１地図作成部、２２推定部、２３機首方向出力部、２４擬似測位部、２５飛行指令部、２６壁面検出部、２７飛行方向決定部、２８飛行計画修正部、２９擬似コンパス部、３１擬似コンパス部、３３出力部、３４飛行制御部、２０１プロセッサ、２０２メモリ、２０３インタフェース、２０４二次記憶装置、３０１プロセッサ、３０２メモリ、３０３インタフェース、３０４二次記憶装置、Ｂ２，Ｂ３バス、Ｐ３１ドライバプログラム、Ｐ３２飛行プログラム

Claims

自律飛行体であって、
前記自律飛行体の周囲の障害物を検出する測域センサと、
前記測域センサによる検出結果に基づいて環境地図を作成する地図作成手段と、
前記環境地図上における前記自律飛行体の飛行方向を、前記環境地図上における前記自律飛行体の位置の変化に基づいて推定する推定手段と、
前記飛行方向に対して左右９０度となる方向に前記自律飛行体との距離が予め定められた障害距離以内となる障害物が存在するかを判定する障害物判定手段と、
前記障害物判定手段が、前記自律飛行体との距離が前記障害距離以内となる障害物が存在すると判定した場合、前記障害物判定手段により障害物が存在すると判定した地点を障害物存続開始点とし、前記飛行方向に近づくように継続的に前記測域センサによる障害物の検出を行い、前記自律飛行体との距離が予め定められた障害距離以内かつ前記測域センサによる検出の検出方向が前記飛行方向に近づくほど前記自律飛行体との距離が漸増するかを判定し、前記自律飛行体との距離が前記障害距離以内かつ検出方向が前記飛行方向に近づくほど前記自律飛行体との距離が漸増すると判定したとき、前記自律飛行体との距離が前記障害距離となる地点を障害物存続終了点として、前記障害物存続開始点から前記障害物存続終了点までを連続した壁面として検出する壁面検出手段と、
前記壁面検出手段により前記壁面を検出したとき、前記左右９０度となる方向のうち前記壁面が検出されなかった方向にある前記自律飛行体までの距離が前記障害距離となる地点と前記障害物存続終了点とを結び前記自律飛行体を中心とする円弧を二分する方向を、前記自律飛行体の新たな飛行方向として決定する飛行方向決定手段と、
前記飛行方向決定手段により決定された前記新たな飛行方向に基づいて前記自律飛行体の飛行を制御する飛行制御手段と、
を備える自律飛行体。
前記推定手段はさらに、前記環境地図上における前記自律飛行体の位置を推定し、
前記推定手段が推定した前記位置を擬似的な緯度と経度と高度とにより表した擬似測位情報を求める擬似測位手段と、
予め定められた前記自律飛行体の飛行計画を、前記擬似測位情報と、前記新たな飛行方向とに基づいて修正する飛行計画修正手段と、
をさらに備え、
前記飛行制御手段は、前記飛行計画修正手段により修正された前記飛行計画に基づいて決定された、前記自律飛行体が飛行移動すべき位置へ飛行するよう前記自律飛行体の飛行を制御する、
請求項１に記載の自律飛行体。
前記壁面検出手段は、前記自律飛行体が飛行する地下トンネルの地図を示す情報に基づいて、前記障害距離を可変に設定する、
請求項１又は２に記載の自律飛行体。
自律飛行体の飛行を制御する飛行制御方法であって、
前記自律飛行体の周囲の障害物を検出して環境地図を作成し、
前記環境地図上における前記自律飛行体の飛行方向を、前記環境地図上における前記自律飛行体の位置の変化に基づいて推定し、
前記飛行方向に対して左右９０度となる方向に前記自律飛行体との距離が予め定められた障害距離以内となる障害物が存在するかを判定し、
前記自律飛行体との距離が前記障害距離以内となる障害物が存在すると判定した場合、障害物が存在すると判定した地点を障害物存続開始点とし、前記飛行方向に近づくように継続的に障害物の検出を行い、前記自律飛行体との距離が予め定められた障害距離以内かつ検出方向が前記飛行方向に近づくほど前記自律飛行体との距離が漸増するかを判定し、前記自律飛行体との距離が前記障害距離以内かつ検出方向が前記飛行方向に近づくほど前記自律飛行体との距離が漸増すると判定したとき、前記自律飛行体との距離が前記障害距離となる地点を障害物存続終了点として、前記障害物存続開始点から前記障害物存続終了点までを連続した壁面として検出し、
前記壁面を検出したとき、前記左右９０度となる方向のうち前記壁面が検出されなかった方向にある前記自律飛行体までの距離が前記障害距離となる地点と前記障害物存続終了点とを結び前記自律飛行体を中心とする円弧を二分する方向を、前記自律飛行体の新たな飛行方向として決定し、
決定された前記新たな飛行方向に基づいて前記自律飛行体の飛行を制御する、
飛行制御方法。