JPWO2006104158A1 - 無人ヘリコプタ - Google Patents

Abstract

機体（４）の位置を検出するＧＰＳ装置（ＧＰＳ受信機３７〜３９、ＧＰＳアンテナ２３〜２５）を備える。地上と通信するデータ通信機（３５）および制御プログラムを組み込んだ制御基板（３６）とを含む自律制御部（自律制御ボックス１７）を備える。機体の姿勢や速度、エンジン回転数やスロットル開度などの機体データ、機体の位置や方位などの飛行データに基づいて飛行する無人ヘリコプタである。前記自律制御部は、複数の異なる種別のＧＰＳ装置を備えている。

Description

本発明は、自律制御によるプログラムフライトを行なう無人ヘリコプタに関し、特に無人ヘリコプタの位置を検出するＧＰＳセンサの使用方法及び搭載方法に関する。

従来、ヘリコプタにムービーカメラやスチールカメラを搭載して、上空からの様子を撮影することが行われている。特に近年ではラジコン等により地上からの遠隔操作や、予めプログラムされた経路を飛行（プログラムフライト）する無人ヘリコプタ（例えば特開２００２−１６６８９３号公報）にこれらカメラを搭載して、有人ヘリコプタが近づけない場所の航空写真撮影などが行われている。

無人ヘリコプタは、その性質上、風の影響などにより機体の姿勢が乱れやすく、構造上、方向転換など飛行時の姿勢変化が大きい。無人ヘリコプタの姿勢は、主に、機体に搭載されている各種のサーボモータによりメインロータの軸線の傾斜角や、メインロータおよびテールロータのブレードの傾斜角を変化させることによって制御されている。また、この種の無人ヘリコプタにおいては、例えば強い横風を受けたりすると現在の飛行経路が目標の飛行経路から大きく外れてしまい、自律制御では飛行経路の修正に多大な時間がかかるような場合がある。

このような機体状況、飛行状況を地上で把握するとともに適切な制御を行うために、ヘリコプタの機体と地上局との間で互いにデータを送受信するための通信手段が設けられる。上述した機体状況とは、機体の姿勢を制御するサーボモータの動作状況や、エンジンの動作状況や、機体の姿勢角やエンジンの回転数などを検出する各種のセンサの動作状況や、機体に搭載されているバッテリーの使用状況などのことをいう。また、飛行状況とは、無人ヘリコプタが飛行している方位、高度、位置などの飛行経路に関する現在の状況や、ＧＰＳ装置が正しく動作しているか否かを示すＧＰＳ装置の動作状況などをいう。そして、これらの機体状況や飛行状況などのデータは、機体から地上局へ送信され、地上局に設けたパソコンのモニタ画面に表示される。

自律制御によるプログラムフライトを行なう上でもっとも重要なセンサの一つとしてＧＰＳが挙げられる。これは、無人ヘリコプタが設定された経路に沿って正確に飛行するためには、自機の現在位置を正確に検出することが重要だからである。

ＧＰＳ(Global Positioning System)は、近年のカーナビゲーションの普及により身近なものとなってきている。このＧＰＳとは、地球の周回軌道（上空約２万ｋｍ）を回る２４個のＧＰＳ衛星（６軌道に４個ずつ配置されている）から発信される情報を利用して、利用者の現在地（緯度、経度、高度）、速度、時刻を得るためのものである。

このＧＰＳで使用される電波は高周波（１．５ＧＨｚ）であるため、ほとんど光に近い性質がある。このため、無人ヘリコプタに装備されているＧＰＳアンテナから衛星までの空間に金属、建物、山、機器類、人間、鳥などがあると、位置精度が悪化したり、又は電波が受信できないことがある。また、ＧＰＳ衛星は米国国防総省が運営しているため、有事の時には利用が制限されることがある。

ＧＰＳを使用して位置を検出する測位システムとしては、図９に示すように、２つの種類がある。第１の測位システムは、ＧＰＳ衛星からの信号のみを利用した単独測位１００によるシングルＧＰＳ１０１である。第２の測位システムは、陸上でＧＰＳ衛星を受信し、その情報を無線で送る基点局と、車、船舶、航空機など移動体とによって行われる相対測位１１０である。この移動体は、ＧＰＳ衛星からの信号を受信するとともに、前記基点局からの無線データを受信し、演算によって測位精度を向上させる構成が採られている。

この相対測位の方法としては、さらに、安価で比較的精度が高く、かつ、基点局から遠く離れていても使用可能なディファレンシャルＧＰＳ（Differential GPS、以下ＤＧＰＳと記す）１１１と、より高精度なリアルタイムキネマテックＧＰＳ（Real Time Kinematic GPS、以下ＲＴＫ−ＧＰＳと記す）１１２とがある。

シングルＧＰＳ１０１は、１つのＧＰＳ受信機とアンテナとによって構成されている。
ＧＰＳ受信機は、衛星からの電波（搬送波）に載せられたコードの伝搬時間を測定して、位置を算出するものであり、安価でかつ構造が単純なものである。また、このＧＰＳ受信機は、制御を実施するために高速で演算を行うことができるというメリットがある。しかし、このＧＰＳ受信機の測位精度は、衛星からの電波の受信精度に依存するために、１５ｍ〜１００ｍ程度の誤差を含んでいる。

ＤＧＰＳ１１１は、陸上の位置が正確に計られている地点に設置した基点局と、自動車、船舶、航空機など移動体に設置した移動局とから構成されている。基点局は、衛星からの電波（搬送波）に乗せられたコードの伝搬時間を測定して、それ自体の位置を演算する。これとともに、基点局は、既値の位置データと演算によって求めた位置データとを比較して、ＧＰＳ信号のエラー率等の補正データを求める。

そして、基点局は、この補正データを無線電波に乗せて移動局に送信する。この無線電波としては、一般的なカーナビ等ではＦＭ放送波が用いられるが、様々な電波の周波数及び形式がある。移動局は、衛星から受信した信号によって単独で測ったデータを前記補正データを用いて補正演算し、現在の位置を求める。このＤＧＰＳ１１１によれば、比較的安価かつ単純な構成でシングルＧＰＳよりも高い精度で移動体の位置を検出することができる。

ＲＴＫ−ＧＰＳ１１２は、前述のシングルＧＰＳ１０１やＤＧＰＳ１１１のように搬送波に載せられたコードの伝搬時間の測定によるものではなく、電波（搬送波）の位相を測定することにより cm レベルの高い精度で測ることを可能とした技術である。

ＲＴＫ−ＧＰＳ１１２は、ＤＧＰＳ１１１の構成にさらに基準局を設けたものである。基準局は、基点局からのデータを受信すると同時に衛星からの電波（搬送波）を連続的に観測して搬送波位相積算値を計測し、移動局に位相データを送信する。移動局では、衛星からの電波（搬送波）を連続的に観測して位相データを算出するとともに、基準局から送信されたデータを基にして二重位相差を求める。移動局は、このように二重移送差を求めることにより、三次元的に分布する一波長ごとの格子点群の中から、誤差要因を除去したうえで正しい移動局の位置を特定する。

これとともに、移動局は、衛星までの絶対距離を検出するために、波長（１９ｃｍ）ごとに初期化（整数値バイアスの確定）を行なう。初期化には常に５個以上の衛星を受信することが必要で、一瞬たりとも信号を逃すと、再度初期化をする必要がある。また、一度初期化が終了すれば、得られた位置精度は、常に４個以上のＧＰＳ衛星を受信している限り維持され、一部の衛星の電波が瞬時的にも遮られて不連続になった場合は、再度初期化をし直すことにより再び維持されるようになる。なお、基点局からのデータは、時々受信できない程度であれば問題はない。

しかしながら、ＧＰＳを用いた測位システム（以下、単にＧＰＳ装置という）は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信しながら行うものであるため、常に動作を保障できるものではなく、遮蔽物による衛星電波の遮断等、環境や状況によって動作できない場合がある。
特に前記ＲＴＫ−ＧＰＳなどの高い精度を有するＧＰＳ装置では、常に４〜５個以上のＧＰＳ衛星と基準局とからの位相データを受信する必要があり、電波を受信可能なＧＰＳ衛星の数が足りなくなったり、基準局からのデータが受信できなくなると動作しなくなってしまうという問題があった。

無人ヘリコプタはこのように地上局からの送信データの受信状態が悪くなると、自動的に地上局（もしくは予め決められた安全な着陸地点等）に向かって自動的に帰還するように自動帰還プログラムが搭載されている。しかし、このように自動帰還プログラムを装備した無人ヘリコプタにおいては、ＧＰＳ衛星からの電波を受信できない場合に問題が発生する。すなわち、測位システムとしてＲＴＫ−ＧＰＳを装備しているだけでは、自律制御を行ううえで必要になる現在の位置を検出することができなくなってしまい、自動帰還プログラムが機能しなくなってしまうからである。

本発明は、上記従来技術を考慮したものであって、自律制御によるプログラムフライトを行う上で最も重要なセンサの一つであるＧＰＳの使用上の不確定な部分を補うことを目的とする。すなわち、本発明は、電波を受信可能なＧＰＳ衛星の数が足りなかったりデータ通信が途絶えた場合でも、無人ヘリコプタの現在の位置を検出でき自律制御によるプログラムフライトを可能とした無人ヘリコプタを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る無人ヘリコプタは、機体の位置を検出するＧＰＳ装置と、地上と通信するデータ通信機および制御プログラムが組み込まれた制御基板とを含む自律制御部を備え、機体の姿勢や速度、エンジン回転数やスロットル開度などの機体データ、機体の位置や方位などの飛行データに基づいて飛行する無人ヘリコプタであって、前記自律制御部に、複数の異なる種別のＧＰＳ装置を装備したものである。

本発明によれば、自律制御部は、複数の異なる種別のＧＰＳ装置を備えており、現在使用しているＧＰＳ装置の他に常に別のＧＰＳ装置を待機させておくことができる。電波を受信可能なＧＰＳ衛星の数が足りなかったりデータ通信が途絶えたことにより、現在使用中のメインのＧＰＳ装置が使用不可能となった場合、異なる種別のＧＰＳ装置を用いることによって、機体の現在の位置を検出でき、自律制御によるプログラムフライトを継続して行うことができる。

請求項２記載の発明に係る無人ヘリコプタの自律制御部は、複数の異なる種別のＧＰＳ装置として、位置を検出する手法の異なるＧＰＳ装置を備え、請求項３記載の発明に係る無人ヘリコプタの自律制御部は、複数の異なる種別のＧＰＳ装置として製造元の異なるＧＰＳ装置を備えている。このため、この無人ヘリコプタにおいては、主として使用するＧＰＳ装置が使用不可能となるような異常発生状態で、異なる種別のＧＰＳ装置を用いて現在の位置を検出する。この異なる種別のＧＰＳ装置は、主として使用するＧＰＳ装置とは異なる種別であるため、同じ異常が発生することはほとんどない。したがって、この発明に係る無人ヘリコプタによれば、上述した異常発生時に異なる種別のＧＰＳ装置により機体の現在の位置を検出することができ、自律制御によるプログラムフライトを行なうことができる。

種別が異なるＧＰＳ装置の例として、例えば位置を検出する方法、いわゆる測位制御方法が異なるＧＰＳ装置としては、受信するＧＰＳ衛星の必要個数が異なるものや、基準局等からのデータ等が必要なものと必要でないもの等がある。また測位制御方法が同じであっても、製造元が異なればその内部ソフトウエアや各センサの受信感度等が異なる。このように種別が異なることにより、それぞれの状況に応じて使用可否が異なるため、主として使用するＧＰＳ装置では現在位置を検出できない場合でも他のＧＰＳ装置によって現在の位置を検出することができる。

さらに、請求項４記載の発明によれば、自律制御部は、複数のＧＰＳ装置の機能および精度に応じて各々優先度を設定し、複数のＧＰＳ装置を優先度の高い順に受信状況等によって切換えて用いる。このため、この発明によれば、主に使用するＧＰＳ装置として高い機能を有するものとし、一方、他のＧＰＳ装置は測位可能範囲が広いものとすることにより、いかなる状況においても確実に現在位置を検出できるようにすることができる。

請求項５記載の発明によれば、メインボディに備えられているメインロータのメインシャフトやローター支持部等の金属部から離間する位置に、優先度が高いＧＰＳ装置のＧＰＳアンテナを配置することができる。このため、この発明によれば、優先度の高いＧＰＳ装置のＧＰＳアンテナが受信する衛星からの電波がメインシャフトやローター支持部等によって遮断されるのを防ぐことができる。

請求項６記載の発明によれば、テールボディの上面側に複数配置されたＧＰＳアンテナは、各々の間隔をＧＰＳ電波の一波長と二波長との間の長さに設定してあるため、隣接するＧＰＳアンテナどうしによって反射した反射波の影響を低減することができる。

図１は、本発明に係る無人ヘリコプタの側面図である。 図２は、図１の無人ヘリコプタの上面図である。 図３は、図１の無人ヘリコプタの正面図である。 図４は、本発明に係る無人ヘリコプタのブロック構成図である。 図５は、地上局のブロック構成図である。 図６は、本発明に係るＧＰＳアンテナの配置説明図である。 図７は、ＧＰＳの優先順位を示す表図である。 図８は、ＧＰＳの切換制御を示すフローチャートである。 図９は、ＧＰＳの種類を示す説明図である。

本発明が適用されるヘリコプタについて、以下、図面とともに詳細に説明する。図１〜３はそれぞれ、本発明に係る無人ヘリコプタの側面図、上面図および正面図である。
無人ヘリコプタ１は、メインボディ２とテールボディ３とからなる機体４を備えている。

メインボディ２の上部には、エンジン（不図示）からの回転力を受けて回転するメインシャフト５が設けられている。このメインシャフト５には、メインロータ６がローター支持部７を介して接続されている。テールボディ３の後部にはテールロータ８が備えられている。メインボディ２の前部にはラジエータ９が設けられている。機体４のほぼ中央部であってメインボディ２の左右下部には、支持脚１０を介してスキッド１１が備えられている。

メインボディ２の後部上側にはコントロールパネル１２が備えられ、下側には表示灯１３が備えられている。コントロールパネル１２は、飛行前のチェックポイントやセルフチェック結果等を表示する。コントロールパネル１２の表示は後述する地上局でも確認できる。表示灯１３は、ＧＰＳ制御の状態（たとえば現在使用しているＧＰＳ装置の種類）や機体４の異常警告等の表示を行なう。

メインボディ２の前部下側には、赤外線カメラ（もしくはＣＣＤカメラ）を収容したカメラ装置１４がカメラ雲台１５を介して取付けられている。カメラ雲台１５に取付けられたカメラ２７（図４参照）は、パン軸（垂直軸）廻りに回転するとともに、チルト軸（水平軸）廻りに回転可能となるように構成されている。この構成を採ることにより、このカメラ装置１４においては、カメラ２７によって前側の窓１６を通して上空から地上の全方位を撮影することができる。

メインボディ２の左側には自律制御ボックス１７が搭載されている。自律制御ボックス１７内には、自律制御に必要なＧＰＳ装置、地上と通信するデータ通信機や画像通信機、および制御プログラムを組み込んだ制御基板などが収容されている。自律制御では、後述する各種のデータに基づいて、予め定められた運転モードや制御プログラムを自動的に、あるいは地上局からの命令によって選択し、機体状況および飛行状況に応じた最適な操縦制御が行われる。ここでいう各種のデータとは、機体状況を示す機体の姿勢や速度、エンジン回転数やスロットル開度などの機体データと、飛行状況を示す機体の位置や方位などの飛行データなどである。

この無人ヘリコプタ１は、このような自律制御により飛行することができる。また、ヘリコプタ１は、上述した自律制御によって飛行する他に、オペレータによるマニュアル操作によっても飛行させることができる。このマニュアル操作による飛行は、オペレータがヘリコプタ１の姿勢、速度、高度および方位などを目で確認しながら、機体から送信された各種データに基づいて、遠隔操作機またはリモートコントローラを操作することによって行なわれる。

メインボディ２の下面側にはアンテナ支持枠１８が取付けられている。このアンテナ支持枠１８には、傾斜したステー１９が取付けられている。このステー１９には、前述の自律制御に必要な機体データや飛行データ等の操縦データ（デジタルデータ）を地上局との間で送受信するために操縦データアンテナ２０が取付けられている。ステー１９にはさらに、前述のカメラ装置１４によって撮影した画像データをアナログ式の画像通信によって地上局に送信するための画像データアンテナ２１が取り付けられている。この画像通信は、アナログ式の他にデジタル式を採用することができる。

テールボディ３の下面側には地磁気等に基づく方位角センサ２２が備えられている。この方位角センサ２２により機体の指向する方位（東西南北）が検出される。メインボディ２内にはさらに、ジャイロ装置からなる姿勢角センサ４０（図４参照）が備えられている。

テールボディ３の上面側には、メインＧＰＳアンテナ２３およびサブＧＰＳアンテナ２４が備えられている。なお、この実施形態ではＧＰＳアンテナを２つ設けた例を示しているが、後述するようにこれに限らず、３つ、４つと複数設けるようにしてもよい（例えば、図中仮想線で示す予備ＧＰＳアンテナ２５）。
テールボディ３の後端部には、リモートコントローラからの指令信号を受信するリモコン受信アンテナ２６が備えられている。

図４は本発明に係る無人ヘリコプタのブロック構成図である。
カメラ装置１４は、カメラ雲台１５に搭載された赤外線カメラ（又はＣＣＤカメラ）２７を備えている。カメラ雲台１５は、水平面内で回転可能な、すなわち、垂直軸（パン軸）廻りに回転可能なパン雲台１５Ａと、垂直面内で回転可能な、すなわち、水平軸（チルト軸）廻りに回転可能なチルト雲台１５Ｂとから構成されている。このカメラ雲台１５には、各々にその傾きを検出するパンジャイロ２８Ａおよびチルトジャイロ２８Ｂが備えられている。さらに、カメラ装置１４は、これらパンジャイロ２８Ａおよびチルトジャイロ２８Ｂのデータからローパスフィルタ２９Ａ，２９Ｂを介して高周波成分が除去された低周波成分のみを受信するカメラ制御部３０を備えている。カメラ装置１４には、カメラ制御部３０の信号に基づいてパン雲台１５Ａおよびチルト雲台１５Ｂを駆動するパンモータ３１およびチルトモータ３２が備えられている。

これらカメラ制御部３０と、パンジャイロ２８Ａと、チルトジャイロ２８Ｂと、パンモータ３１およびチルトモータ３２とによってカメラ２７の姿勢補正部が構成されている。このカメラ装置１４においては、無人ヘリコプタ１のヨー方向（パン軸廻り）およびピッチング方向（チルト軸廻り）の揺れ（傾き）を検出すると傾いた方向と逆方向にモータを駆動して傾き（振動）をキャンセルする。

自律制御ボックス１７内には、前記姿勢補正部によって振動の低周波成分が除去されたカメラ２７からの画像データを受信して高周波成分を除去する画像制御装置３３と、画像データを地上局に送る画像通信機３４と、自律制御に必要なデータを地上局との間で送受信するためのデータ通信機３５と、自律制御プログラムが格納されたマイコン等からなる制御基板３６と、メインＧＰＳアンテナ２３に接続されたメインＧＰＳ受信機３７と、サブＧＰＳアンテナ２４に接続されたサブＧＰＳ受信機３８とが収納されている。

上述した予備ＧＰＳアンテナ２５が設定される場合は、前記同様に予備ＧＰＳ受信機３９が自律制御ボックス１７内に収納される。この実施の形態においては、メインＧＰＳ受信機３７とメインＧＰＳアンテナ２３とによってメインＧＰＳ装置が構成され、サブＧＰＳ受信機３８とサブＧＰＳアンテナ２４とによってサブＧＰＳ装置が構成されている。また、予備ＧＰＳ受信機３９と予備ＧＰＳアンテナ２５とを装備する場合は、これらによって予備ＧＰＳ装置が構成される。

機体４におけるメインボディ２（図１）の下面側には、自律制御ボックス１７内の画像通信機３４からアナログ画像データを地上局に送る画像データアンテナ２１と、データ通信機３５と地上局との間でデジタル操縦データを送受信する操縦データアンテナ２０とが前述のように備えられている。方位角センサ２２は自律ボックス１７内の制御基板３６に接続されている。機体４内には、ジャイロ装置等から成る姿勢角センサ４０が備えられている。この姿勢角センサ４０は、コントロールボックス４１に接続されている。コントロールボックス４１は、自律制御ボックス１７内の制御基板３６とデータ通信して５台のサーボモータ４２を駆動する。３台のサーボモータ４２がメインロータ５を制御してエンジンコントロール用のサーボモータ４２とともに、機体４の前後、左右、上下方向の移動を制御し、テールロータ制御用のサーボモータ４２が機体４の回転を制御する。

図５は、地上局のブロック構成図である。
無人ヘリコプタ１と通信する地上局（基準局）４３には、ＧＰＳ衛星からの信号を受信するＧＰＳアンテナ４４と、無人ヘリコプタ１とデータ通信を行なうための通信アンテナ４５と、無人ヘリコプタ１から画像データを受信するための画像受信アンテナ４６とが設けられている。これらの３本のアンテナは地上に設置されている。

地上局（基準局）４３は、データ処理部４７と、監視操作部４８と、電源部４９とによって構成されている。
データ処理部４７は、ＧＰＳ受信機５０と、データ通信機５１と、画像通信機５２と、これらの通信機５０，５１，５２に接続された通信基板５３とによって構成されている。

監視操作部４８は、手動用コントローラ（リモートコントローラ）５４と、カメラ装置１４の操作や機体４の操縦調整等を行なうベースコントローラ５５と、バックアップ電源５６と、ベースコントローラ５５に接続されたパソコン５７と、パソコン用のモニタ５８と、ベースコントローラ５５に接続され画像データを表示する画像モニタ５９とによって構成されている。

電源部４９は、発電機６０と、バッテリブースタ６１を介して発電機６０に接続されたバックアップバッテリ６２とによって構成されている。バックアップバッテリ６２は、飛行前のチェック時などの発電機６０が動作していないときに機体４側に接続して１２Ｖの電力を供給する。また、電源部６０は、ヘリコプタ１の飛行中には、発電機６０からデータ処理部４７および監視操作部４８に１００Ｖの電力を供給する。

地上局（基準局）４３の画像モニタ５９に写る画像データは、ＤＶレコーダ６４を介して遠隔監視室６３に送信される。遠隔監視室６３には、画像データを受信して変調する変調機６５と、変調した画像データを複数のモニタ（図中では３台のモニタ）６６に分割して表示する分割機６７（図中では３分割機）とを備えている。すなわち、遠隔監視室６３では、地上局４３が受信した画像を３台のモニタ６６によって見ることができる。

図６は、ＧＰＳアンテナの配置の説明図であり、テールボディ３の後部を拡大したものである。同図に示すように、メインＧＰＳアンテナ２３とサブＧＰＳアンテナ２４（及び予備ＧＰＳアンテナ２５）は、テールボディ３の上面側においてテールボディ３の前後方向に並びかつ互いに前後方向に離間するように位置付けられている。これらのアンテナ２３〜２５を取付ける位置は、後述する優先度に基づいて設定されている。

すなわち、ＧＰＳ受信機３７〜３９のうち優先度が最も高いＧＰＳ受信機３７に接続されているメインＧＰＳアンテナ２３が最も機体後側に位置付けられ、その次に優先度が高いＧＰＳ受信機３８に接続されているサブＧＰＳアンテナ２４がメインＧＰＳアンテナ２３の前方に位置付けられている。

ＧＰＳ受信機３７〜３９のうち最も優先度が低くなるＧＰＳ受信機３９に接続されたＧＰＳアンテナ２５は、最も機体前側に位置付けられている。
言い換えれば、優先度が相対的に高いＧＰＳ装置のＧＰＳアンテナは、優先度の相対的に低いＧＰＳ装置のＧＰＳアンテナより機体後側に位置付けられている。この実施の形態においては、図６に示すように、優先度の高い順に機体４の後方からメインＧＰＳアンテナ２３、サブＧＰＳアンテナ２４（及び予備ＧＰＳアンテナ２５）の順に配置されている。

このようにＧＰＳ装置の優先順位に対応するようにＧＰＳアンテナの位置を決めた理由は、テールボディ３の可及的後側に配設した方がメインシャフト５およびロータ支持部７等の金属部品との間隔が長くなるからである。すなわち、テールボディ３の後端近傍にＧＰＳアンテナが位置することにより、ＧＰＳ衛星からの電波が上述した金属部品によって遮断され難くなるからである。この結果、ＧＰＳアンテナにおいて、ＧＰＳ衛星からの電波を受信することができる範囲が広くなり、この電波を良好に受信できるようになる。具体的には、図１中に線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３によって示すように、テールボディ３の後方に位置するほど遮蔽角度θ１，θ２，θ３が小さくなり、ＧＰＳ衛星を捕捉できる範囲が広くなっている。

上述したＧＰＳ装置の優先順位は、図７の表に示すように、ＧＰＳ装置の性能・機能レベル、ＧＰＳ装置の構造・構成，ＧＰＳアンテナの搭載条件（衛星捕捉範囲）に対応して決定されている。例えば、前述のＲＴＫ−ＧＰＳと、ＤＧＰＳと、シングルＧＰＳとを比較した場合、ＲＴＫ−ＧＰＳ，ＤＧＰＳ，シングルＧＰＳという順序で優先順位が設定されている。すなわち、ＲＴＫ−ＧＰＳの優先順位を最も高くし、その次にＤＧＰＳの優先順位を高くし、シングルＧＰＳの優先順位を最も低くする。

また、各々のアンテナの間隔Ｋ（図６参照）は、各ＧＰＳアンテナによる反射波の影響を抑制するために、ＧＰＳ電波の一波長と二波長との間の長さに設定している。具体的には、ＧＰＳ電波の一波長は約２０ｃｍ（正確にはλ＝１９ｃｍ）であるため、間隔Ｋは、一波長２０ｃｍと二波長４０ｃｍの間となる約３０ｃｍに設定される。

以上のような構成により、本実施の形態による無人ヘリコプタが構成されている。この無人ヘリコプタでは、優先度の高い順にメインＧＰＳ装置として地上局４３を基準局としたＲＴＫ−ＧＰＳを搭載するとともに、サブＧＰＳ装置としてシングルＧＰＳを搭載し、ＧＰＳ衛星からの電波の受信状況等によって切換える。

なお、前述のように、さらに予備ＧＰＳアンテナ２５および予備のＧＰＳ受信機３６からなる予備ＧＰＳ装置を備えてもよい。この場合、予備ＧＰＳ装置をシングルＧＰＳとして、サブＧＰＳ装置をＤＧＰＳにするか、もしくはそれぞれ製造元の異なるＧＰＳ装置を装備する。このように製造元の異なるＧＰＳ装置を用いる理由は、測位を行うためのソフトウエアが製造元毎に異なり、測位精度が僅かに異なる場合があるからである。

また、上述したソフトウエアのプログラムに誤り（以下、これを単にバグという）があったことが原因でメインＧＰＳ装置が故障した場合、サブまたは予備のＧＰＳ装置として製造元が同じＧＰＳ装置を使っていると、このＧＰＳ装置のソフトウエアも同様なバグを有している可能性があり、このＧＰＳ装置もメインＧＰＳ装置と同様に故障するおそれがある。しかし、製造元の異なるＧＰＳ装置をサブＧＰＳ装置や予備ＧＰＳ装置として使用することにより、これらのＧＰＳ装置を使用して確実に測位を行うことができるようになる。

図８は、ＧＰＳ装置の切換制御方法を示すフローチャートである。このフローチャートに示す動作は、無人ヘリコプタ１の飛行中は所定時間ごとに繰り返し行われる。各ステップの動作は以下の通りである。

ステップＳ１：無人ヘリコプタ１が飛行を開始すると、優先順位が１位のＧＰＳ装置が使用可能であるか否かが判別される。優先順位が１位のＧＰＳ装置が使用可能である場合はステップＳ２に進み、使用不可能である場合はステップＳ３に進む。すなわち、この実施形態ではＲＴＫ−ＧＰＳが適用可能か否か、すなわち、地上局（基準局）４３からのデータ受信が良好か否かと、および４個以上（初期状態では５個以上）のＧＰＳ衛星からの電波を連続して受信可能か否かとが判別される。

ステップＳ２：優先順位が１位のＧＰＳ装置を自律制御において現在の位置を検出するためのセンサーとして使用し、現在使用しているＧＰＳ装置を判別する動作を終了する。

ステップＳ３：次に、優先順位が２位のＧＰＳ装置が使用可能であるか否かが判別される。優先順位が２位のＧＰＳ装置が使用可能である場合はステップＳ４に進み、使用不可能である場合はステップＳ（２Ｎ−１）に進む。この実施の形態では、シングルＧＰＳが使用可能か否か、すなわち、複数個（例えば３個以上）のＧＰＳ衛星からの電波を受信可能か否を判別する。また、例えば優先順位が２位のＧＰＳ装置としてＤＧＰＳを使用している場合は、基地局（基準局）からの補正データの受信が良好か否かおよび複数個（例えば３個以上）のＧＰＳ衛星からの電波を受信可能か否を判別する。

ステップＳ４：優先順位が２位のＧＰＳ装置を自律制御において現在の位置を検出するためのセンサーとして使用し、現在使用しているＧＰＳ装置を判別する動作を終了する。
このようにして繰り返し優先順位の高い方から低い方に向けて順番に判別が行われる。そして、優先度の最も低いＮ位まで上述した判別を行なう。

ステップＳ（２Ｎ−１）：優先順位がＮ位のＧＰＳ装置が使用可能であるか否かが判別される。優先順位がＮ位のＧＰＳ装置が使用可能である場合はステップＳ（２Ｎ）に進み、使用不可能である場合はステップＳ（２Ｎ＋１）に進む。
ステップＳ（２Ｎ）：優先順位がＮ位のＧＰＳ装置を自律制御において現在の位置を検出するためのセンサーとして使用し、現在使用しているＧＰＳ装置を判別する動作を終了する。
ステップＳ（２Ｎ＋１）：全てのＧＰＳ装置が使用不可であるとして、使用しているＧＰＳ装置を判別する動作を終了する。

この場合、すなわち全てのＧＰＳ装置が使用不可である場合、所定時間毎に行われる使用ＧＰＳの判別（現在使用しているＧＰＳ装置を判別する動作）によって、使用可能なＧＰＳ装置が見つかるまで、過去のデータとして保存されている相対位置や方位角センサを使用して自律制御によるフライトを行なう。

以上の実施形態によれば、自律制御部（制御基板３６）は、ＲＴＫ−ＧＰＳとシングルＧＰＳとの二つの異なる種別のＧＰＳ装置を備えている。この実施の形態による無人ヘリコプタ１においては、電波を受信可能なＧＰＳ衛星の数が足りなかったり、地上局４３からのデータ通信が途絶えたことにより、メインＧＰＳ装置（ＧＰＳ受信機３７とＧＰＳアンテナ２３）によるＲＴＫ−ＧＰＳが使用不可能となった場合、サブＧＰＳ装置（ＧＰＳ受信機３８とＧＰＳアンテナ２４）によるシングルＧＰＳを代わりに使用する。

サブＧＰＳ装置（ＧＰＳ受信機３８とＧＰＳアンテナ２４）は、メインＧＰＳ装置（ＧＰＳ受信機３７とＧＰＳアンテナ２３）とは測位システムの種別が異なるため、メインＧＰＳ装置が使用不可能となる状況であっても、サブＧＰＳ装置がメインＧＰＳ装置と同様に使用不可能になることはない。
したがって、この無人ヘリコプタ１によれば、電波を受信可能なＧＰＳ衛星の数が足りなかったり、地上局４３からのデータ通信が途絶えたりしても、常に機体４の現在の位置を検出でき、自律制御によるプログラムフライトを行うことができる。

さらに、前記制御基板３６は、ＲＴＫ−ＧＰＳをメインＧＰＳ装置とするとともに、シングルＧＰＳをサブＧＰＳ装置として使用し、ＧＰＳ装置の機能および精度に応じて優先度を設定し、優先度の高い順に受信状況等によってＧＰＳ装置を切換えて使用する構成が採られている。すなわち、この実施の形態による無人ヘリコプタ１においては、通常の飛行時はメインＧＰＳ装置（ＧＰＳ受信機３７とＧＰＳアンテナ２３）によるＲＴＫ−ＧＰＳによって高い精度で現在位置を検出し、正確な自律制御によるプログラムフライトを行えるようにしている。一方、サブＧＰＳ装置（ＧＰＳ受信機３８とＧＰＳアンテナ２４）には、構造が簡単で堅牢かつ単純なシングルＧＰＳを用いることで、確実に現在位置を検出できるようにしている。

また、この実施の形態による無人ヘリコプタ１おいては、ＧＰＳアンテナ２３，２４，２５がＧＰＳ装置の優先度の高い順にテールボディ３の上面側において後方から並べられている。このため、優先度の高いＧＰＳアンテナ２３は、メインロータ６のメインシャフト５やローター支持部７等の金属部から後方に離間した位置に位置するようになる。
したがって、この実施の形態による無人ヘリコプタ１によれば、優先度の高いＧＰＳ装置のＧＰＳアンテナ２３は、メインシャフト５やローター支持部７等によって遮られることなくＧＰＳ衛星からの電波を受信することができる。

さらに、この実施の形態による無人ヘリコプタ１においては、複数のＧＰＳアンテナ２３，２４，２５は、各々の間隔がＧＰＳ電波の一波長（約２０ｃｍ）と二波長（約４０ｃｍ）との間の長さ（約３０ｃｍ）に設定してある。このため、この無人ヘリコプタ１によれば、前記ＧＰＳアンテナ２３，２４，２５が他の隣接するＧＰＳアンテナ２３，２４，２５によって反射した反射波によって受ける影響を低減することができる。

本発明を適用したヘリコプタは、航空写真撮影用の無人ヘリコプタに適用できるほか、農薬散布用の無人ヘリコプタ等、予め設定された経路に沿って自律制御によるプログラムフライトを行なう小型の無人ヘリコプタに利用できる。

Claims (6)

1. 機体の位置を検出するＧＰＳ装置と、地上と通信するデータ通信機および制御プログラムを組み込んだ制御基板とを含む自律制御部を備え、
   機体の姿勢や速度、エンジン回転数やスロットル開度などの機体データ、機体の位置や方位などの飛行データに基づいて飛行する無人ヘリコプタであって、
   前記自律制御部は、複数の異なる種別のＧＰＳ装置を備えていることを特徴とする無人ヘリコプタ。
2. 異なる種別のＧＰＳ装置は、位置を検出する手法が異なるＧＰＳ装置である請求項１に記載の無人ヘリコプタ。
3. （請求項２を２つに分けました）
   異なる種別のＧＰＳ装置は、製造元の異なるＧＰＳ装置である請求項１に記載の無人ヘリコプタ。
4. 自律制御部は、複数のＧＰＳ装置の機能および精度に応じてＧＰＳ装置の優先度を設定し、ＧＰＳ装置を優先度の高い順に用いることを特徴とする請求項１に記載の無人ヘリコプタ。
5. メインボディとテールボディからなる機体を備え、
   複数のＧＰＳ装置はそれぞれＧＰＳアンテナを備え、
   これらのＧＰＳアンテナは、テールボディの上面側に機体の前後方向に並べて配置され、
   優先度が相対的に高いＧＰＳ装置のＧＰＳアンテナが優先度の相対的に低いＧＰＳ装置のＧＰＳアンテナより機体後側に位置付けられていることを特徴とする請求項４に記載の無人ヘリコプタ。
6. ＧＰＳアンテナどうしの間隔は、ＧＰＳ電波の一波長と二波長との間の長さに設定されていることを特徴とする請求項５に記載の無人ヘリコプタ。

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