JPWO2017150433A1 - 無人航空機、無人航空機制御システム、飛行制御方法およびコンピュータプログラム - Google Patents

無人航空機、無人航空機制御システム、飛行制御方法およびコンピュータプログラム Download PDF

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Abstract

無人航空機の飛行制御の操作性および作業効率を高めることができる技術を提供する。撮影部８１は、光を出力する指向性投光器により出力される光を投影する投影対象物を撮影する。位置算出部８２は、撮影部８１による撮影画像を用いて、自機体位置と指向性投光器により投影対象物に投影された指示光点との相対距離を算出し、算出した相対距離に基づいて指示光点の位置を算出する。飛行制御部８３は、算出された指示光点位置に応じて作成される飛行経路に基づいて自機体の飛行を制御する。

Description

本発明は、無人航空機の飛行を制御する技術に関する。
小型の無人航空機は、主にエンターテイメントや災害状況把握、施設点検等を目的とした空撮を行うために使用されている。その中でも近年、プラントや建築物等の施設点検への無人航空機の適用が検討されている。
一般的に無人航空機を運用する方法には２種類の方法がある。１つは、無線遠隔操縦装置を用いた手動操縦による運用方法である。もう１つは、事前に作成した飛行計画経路に基づいて運用する方法である。
事前に作成した飛行計画経路に基づいて運用する方法の例として、例えば、特許文献１には、無人小型飛行体の飛行制御を行う方法が記載されている。特許文献１に記載された方法では、地上から撮影する複数のカメラ装置で、無人小型飛行体に付されたマーカの撮影画像を取得し、そのマーカの撮影画像の属性情報を抽出する。そして、その属性情報に基づき、カメラ装置を基準にした無人小型飛行体の位置の情報および姿勢の情報を算定する。さらに、算定された位置の情報と予め定めた飛行経路との差異、および、算定された姿勢の情報と基準情報との差異を特定し、それら差異を解消する制御データを生成し、生成された制御データを無人小型飛行体に送信する。
特開２００６−５１８６４号公報
一般に、無人航空機の手動操縦スキルを習得するためには時間をかけて訓練を行う必要がある。さらに、建築物周辺で飛行を行う場合には、急な突風や磁場変化に起因して無人航空機が建築物に接触や衝突することを回避するために高度な操縦スキルが求められる。そのため、無線遠隔操縦装置を用いて無人航空機を手動操縦する場合には、高度な操縦スキルが必要になるという問題点がある。
また、特許文献１に記載されているような無人小型飛行体の飛行制御では、飛行する前にミッションに適した飛行計画経路ファイルを必ず作成する必要があるため、無人小型飛行体の効率的な運用が難しいという問題がある。例えば、現場作業の変更や、事前に確認出来ていなかった障害物があった場合、その都度飛行計画経路ファイルを作成し直す必要があり、手間が掛かる。
そのため、無人航空機の飛行制御をする際には、これらの問題点を回避できるように、操作性および作業効率を向上させられることが好ましい。
そこで、本発明は、無人航空機の飛行制御の操作性および作業効率を高めることができる技術を提供することを主な目的とする。
本発明による無人航空機は、
光を出力する指向性投光器により出力される光を投影する投影対象物を撮影する撮影手段と、
撮影手段による撮影画像を用いて、自機体位置と指向性投光器により投影対象物に投影された指示光点との相対距離を算出し、算出した相対距離に基づいて指示光点の位置を算出する位置算出手段と、
算出された指示光点の位置に応じて作成される飛行経路に基づいて自機体の飛行を制御する飛行制御手段と
を備える。
本発明による無人航空機制御システムは、
無人航空機と、
光を出力する指向性投光器と、
管制装置と
を備え、
無人航空機は、
指向性投光器が出力する光を投影する投影対象物を撮影する撮影手段を含み、
管制装置は、
撮影手段による撮影画像を用いて、無人航空機の位置と指向性投光器により投影対象物に投影された指示光点との相対距離を算出し、算出した相対距離に基づいて指示光点位置を算出する位置算出手段と、
算出された指示光点の位置に応じて作成される飛行経路に基づいて無人航空機の飛行を制御する飛行制御手段と
を含む。
本発明による飛行制御方法は、
光を出力する指向性投光器により出力される光を投影する投影対象物を撮影し、
撮影画像を用いて、無人航空機と指向性投光器により前記投影対象物に投影された指示光点との相対距離を算出し、
算出した相対距離に基づいて指示光点の位置を算出し、
算出された指示光点の位置に応じて作成される飛行経路に基づいて無人航空機の飛行を制御する。
本発明によるプログラム記憶媒体は、
コンピュータに、
光を出力する指向性投光器により出力される光を投影する投影対象物が撮影された撮影画像を用いて、無人航空機と指向性投光器により投影対象物に投影された指示光点との相対距離を算出し、算出した相対距離に基づいて指示光点位置を算出する処理、および、
算出された指示光点の位置に応じて作成される飛行経路に基づいて無人航空機の飛行を制御する処理
を実行させるコンピュータプログラムが記憶されている。
本発明によれば、無人航空機の飛行制御の操作性および作業効率を高めることができる。
本発明に係る第１実施形態の無人航空機の一実施形態を示すブロック図である。 無人航空機が使用される状況の例を示す図である。 自機体位置と指示光点位置との相対距離を示す図である。 飛行エリアの例を示す図である。 禁止エリアの例を示す図である。 トレースモードで飛行する場合の例を示す図である。 最短モードで飛行する場合の例を示す図である。 無人航空機の動作例を示すフローチャートである。 本発明に係る第２実施形態の無人航空機制御システムの一実施形態を示すブロック図である。 無人航空機制御システムが使用される状況の例を示す図である。 無人航空機制御システムの動作例を示す図である。 本発明に係る第３実施形態の無人航空機を示すブロック図である。 本発明に係る第４実施形態の無人航空機制御システムを示すブロック図である。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明に係る第１実施形態の無人航空機の構成を示すブロック図である。第１実施形態の無人航空機２は、カメラ３と、距離センサ４と、光点位置算出器５と、飛行エリア検知器６と、禁止エリア検知器７と、トレース経路作成器８と、最短経路作成器９と、飛行制御器１０とを備えている。具体的には、無人航空機２には、カメラ３および距離センサ４が取り付けられる。無人航空機２の内部に、光点位置算出器５、飛行エリア検知器６、禁止エリア検知器７、トレース経路作成器８、最短経路作成器９および飛行制御器１０を備える。
図２は、第１実施形態の無人航空機２が使用される状況の例を示す図である。図２に示す無人航空機２は、例えば、ドローン、マルチローターヘリである。第１実施形態の無人航空機２は、操縦者１００が指向性投光器１を用いることによって、操作される。具体的には、操縦者１００が指向性投光器１の光を用いて、無人航空機２を移動させたい目標地点Ｐを指し示す。
指向性投光器１は、無人航空機２の飛行方向を指示するために用いられる。指向性投光器１は、例えば、指向性を有するＬＥＤ（Light Emitting Diode）投光器、レーザーポインタなどにより実現される。指向性投光器１は、無人航空機２の操縦者１００によって扱われ、指向性投光器１の光を確認可能な投影対象物に向けて投光される。以下の説明では、指向性投光器１により投影対象物に投影された光のことを、指示光点Ｐ（または、単に指示光点）と記す。この指示光点が、無人航空機２の移動目標地点になる。なお、無人航空機２が投影対象物に衝突することを避けるべく、無人航空機２の飛行制御には、当該無人航空機２の大きさ等に基づいて設定される投影対象物からの進入禁止領域を表す離隔距離が考慮される。
投影対象物は、指向性投光器１の光を投影可能なものであればよく、限定されるものではない。例えば、図２では、投影対象物は壁面である。しかし、投影対象物は壁面に限られず、例えば、パイプや林であってもよい。
カメラ３は、投影対象物を撮影し、指向性投光器１により投影対象物に投影された指示光点Ｐを撮影する撮影装置である。具体的には、カメラ３は、予め定められた投光態様の指示光点を検出し、検出した指示光点を含む静止画または動画を撮影する。
距離センサ４は、投影対象物までの距離情報を取得する。距離センサ４は、例えば、レーザーレンジファインダにより実現される。
ところで、カメラ３のレンズが投影対象物（例えば壁面）に正対していない場合、カメラ３による撮影画像の投影対象物は歪んでしまう。そこで、カメラ３は、距離センサ４から得られる距離情報等を用いて、投影対象物に対するカメラ３の傾きを算出し、当該傾きに起因した撮影画像における投影対象物の歪みを補正してもよい。
なお、第１実施形態では、投影対象物までの距離情報を距離センサ４を用いて取得する場合について説明する。ただし、距離情報は、距離センサ４以外の装置によって、取得されてもよい。距離情報を取得可能な装置を、以下、距離取得装置と記すこともある。
例えば、距離取得装置は、カメラ３によるステレオ視を用いて距離情報を取得してもよい。また、距離取得装置は、ビジョンＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping ）を利用して距離情報を取得してもよい。
光点位置算出器５は、指向性投光器１により投影対象物に投影された指示光点Ｐの位置を算出する機能を備える。例えば、光点位置算出器５は、撮影画像を用いて自機体位置（無人航空機２の位置）と指示光点Ｐの位置との相対距離を算出する。そして、光点位置算出器５は、算出した相対距離に基づいて指示光点Ｐの位置を算出する。
具体的には、光点位置算出器５は、無人航空機２の位置（自機体位置）を、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）により検出する。この場合、光点位置算出器５は、ＧＰＳを利用して検出した自機体位置と、相対距離とを利用して、指示光点Ｐの位置を算出する。
図３は、自機体位置と指示光点Ｐの位置との相対距離を説明する図である。ここでは、自機体位置と指示光点Ｐの位置との相対距離とは、図３に示すような、投影対象物（壁面）に投影された自機体位置Ｑを基準にしたX軸方向の相対距離X成分とY軸方向の相対距離Y成分を利用して表される。光点位置算出器５は、カメラ画角、投影対象物（壁面）と自機体との距離および撮影画像内における指示光点Ｐのピクセル位置の情報を用いて、相対距離Ｘ成分と相対距離Ｙ成分を算出する。
上記説明では、自機体位置（飛行位置）の検出にはＧＰＳが用いられているが、ＧＰＳに限定されず、例えば、３次元測量器、電波強度などが自機体位置の検出に用いられてもよい。
飛行エリア検知器６は、無人航空機２が飛行可能な領域（以下、飛行エリアと記す）を特定する機能を備えている。具体的には、操縦者が指向性投光器１を用いて予め定められた手順に従って飛行エリアを表す閉じられた範囲を指示光点の動きにより表し、カメラ３がその指示光点の動きを撮影する。撮影された指示光点が所定の態様である場合、飛行エリア検知器６は、その指示光点の動きが飛行エリアを示すものであると判断し、撮影された指示光点に基づいて、飛行エリアを特定する。
図４は、飛行エリアの例を示す説明図である。図４に示す例では、破線Ａで囲まれた無人航空機２を含む範囲が、飛行エリアとして設定される。後述する飛行制御器１０は、飛行エリアが設定されている場合、飛行エリアから無人航空機２が外れないように飛行を制御する。
飛行エリアを表す場合の指示光点の態様（つまり、移動目標地点を表す指示光点と異ならせる態様）には、様々な態様が挙げられる。例えば、移動目標地点を表す指示光点と異ならせるために、指向性投光器１が出力する光線の色や、指示光点の動き、指示光点の形が利用される。なお、指示光点の態様ではなく、操縦者が音声を利用して、指示光点が移動目標地点ではなく飛行エリアを表すことを認識させる構成が無人航空機２の飛行エリア検知器６に備えられてもよい。指示光点が飛行エリアを表すことを飛行エリア検知器６に認識させる手法は、予め定めておけばよく、限定されない。
禁止エリア検知器７は、無人航空機２の飛行を禁止する領域（以下、禁止エリアと記す）を特定する。領域の特定方法は、飛行エリアを特定する方法と同様である。例えば、操縦者が指向性投光器１による指示光点の動きを用いて閉じられた範囲を表し、カメラ３がその指示光点の動きを撮影する。撮影された指示光点が所定の態様である場合、禁止エリア検知器７は、その指示光点の動きが禁止エリアを示すものであると判断し、撮影された指示光点に基づいて、禁止エリアを特定する。
例えば、照明等の障害物が予め明確な場合、操縦者は、予め定められた手順に基づいて、その障害物を囲む禁止エリアとして指定する領域の端縁に沿って指向性投光器１の光を動かす。禁止エリア検知器７は、その指示光点の動きが禁止エリアを示すものであると判断すると、撮影された指示光点に基づいて、禁止エリアを特定する。禁止エリアを表す場合の指示光点の態様は、飛行エリアを表す場合の指示光点の態様とは異なる予め定められた適宜な態様である。
図５は、禁止エリアの例を示す説明図である。図５に示す例では、障害物３０を囲む破線Ｂで囲まれた範囲が、禁止エリアとして設定される。後述する飛行制御器１０は、禁止エリアが設定されている場合、その禁止エリアに無人航空機２が侵入しないように無人航空機２の飛行を制御する。
このように、飛行エリア検知器６と禁止エリア検知器７の少なくとも一方が、カメラ３により撮影された指示光点に基づいて、飛行エリアおよび禁止エリアの少なくとも一方を検知する。
第１実施形態では、無人航空機２の飛行モードとして、トレースモードと最短モードのいずれかが用いられる。具体的には、操縦者が、いずれかのモードを選択し、選択されたモードが無人航空機２に設定される。飛行モードは、操縦者の指示に応じて随時変更されてもよい。飛行モードを選択指示する方法は適宜な方法が採用される。例えば、飛行モードを選択指示する方法として、指向性投光器１の光線の色、指向性投光器１の指示光点の動き、指示光点の形、音声などを利用する方法がある。
図６は、トレースモードで飛行する場合の例を示す図である。また、図７は、最短モードで飛行する場合の例を示す図である。トレースモードは、図６に示すように、操縦者による指示光点の移動軌跡Ｍを、無人航空機２がトレースしながら移動するモードである。最短モードは、図７に示すように、操縦者による指示光点の移動経路Ｍによらず、指示光点Ｐの位置に向かって無人航空機２が最短経路Ｒで移動するモードである。
トレース経路作成器８は、トレースモードが設定されている場合に、指示光点の移動軌跡Ｍをそのまま飛行経路として作成する。
最短経路作成器９は、最短モードが設定されている場合に、指示光点Ｐの位置と自機体位置とを最短で結ぶ飛行経路を最短経路Ｒとして作成する。このように、トレース経路作成器８または最短経路作成器９は、指定された飛行モードに応じて、指示光点Ｐの位置に向かって自機体の飛行経路を作成する。
なお、飛行経路を作成する際に禁止エリアを通過する可能性がある場合には、トレース経路作成器８および最短経路作成器９は、いずれも、その禁止エリアを回避する最短の迂回路（回避経路）を含む飛行経路を作成する。
また、無人航空機２が移動中に飛行エリアから外れそうになった場合、または、禁止エリア内に侵入しそうになった場合、トレース経路作成器８および最短経路作成器９は、飛行エリアから外れないように、あるいは、禁止エリア内に進入しないように、リアルタイムに回避経路を算出し、当該回避経路を考慮して飛行経路を修正する。飛行エリアから外れそうな飛行状態または禁止エリア内に侵入しそうな飛行状態は、例えば、自機体位置と飛行エリアとの位置関係に基づいて検知される。
また、無人航空機２が移動中に、移動の妨げや接触の危険性がある障害物を検知した場合も、トレース経路作成器８および最短経路作成器９は、リアルタイムに回避経路を算出し、当該回避経路を考慮して飛行経路を修正する。障害物を検知する方法は適宜な方法が採用される。障害物を検知する方法として、例えば、カメラ３により撮影された画像に基づく方法、レーザーレンジファインダなどの距離センサ４による方法などがある。なお、障害物を検知するこれらの方法は広く知られており、詳細な説明は省略する。
飛行制御器１０は、作成された最短経路またはトレース経路に従って自機体の移動量を算出し、モーター等を制御する。それにより、無人航空機２は、それぞれの飛行経路で目標地点まで移動する。なお、それぞれの飛行経路は、算出された指示光点の位置に応じて作成される経路であることから、飛行制御器１０は、算出された指示光点の位置に応じて作成される飛行経路で、自機体の飛行を制御していると言える。
なお、カメラ３の向きによっては、カメラ３の画角内に指示光点が見つからない場合がある。このとき、飛行制御器１０は、自機体を上昇、降下または旋回させることにより、指示光点がカメラ３の画角内にはいるようにしてもよい。
指示光点位置算出器５と、飛行エリア検知器６と、禁止エリア検知器７と、トレース経路作成器８と、最短経路作成器９と、飛行制御器１０とは、コンピュータプログラム（プログラム）に従って動作するコンピュータのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）によって実現される。また、カメラ３の撮影の制御も、コンピュータプログラムに従って動作するコンピュータのＣＰＵによって実現される。
例えば、プログラムは、無人航空機２の記憶部（図示せず）に記憶される。ＣＰＵは、そのプログラムを記憶部から読み出し当該プログラムを実行することにより、光点位置算出器５、飛行エリア検知器６、禁止エリア検知器７、トレース経路作成器８、最短経路作成器９および飛行制御器１０として動作する。
なお、光点位置算出器５と、飛行エリア検知器６と、禁止エリア検知器７と、トレース経路作成器８と、最短経路作成器９と、飛行制御器１０とは、それぞれが専用のハードウェアで実現されてもよい。
次に、第１実施形態の無人航空機２の動作を説明する。図８は、第１実施形態の無人航空機２の動作例を示すフローチャートである。
まず、操縦者が指向性投光器１を用いて、壁面等の投影対象物における無人航空機２の飛行目的位置を表す箇所に指示光点を投影する。無人航空機２に搭載されたカメラ３がその指示光点の画像を取得すると（ステップＳ１１）、光点位置算出器５が、指示光点の位置を算出する（ステップＳ１２）。
飛行エリア検知器６が飛行エリアを検知しているか、または、禁止エリア検知器７が禁止エリアを検知しているかを判断する(ステップＳ１３)。飛行エリアと禁止エリアのいずれも検知していない場合（ステップＳ１３におけるＮｏ）、操縦者に向けて飛行エリアあるいは禁止エリアの情報を要求するメッセージが無人航空機２から発せられる。そして、飛行エリアの情報が指向性投光器１の光を用いて与えられると、飛行エリア検知器６が飛行エリアを検知する。または、禁止エリアの情報が指向性投光器１の光を用いて与えられると、禁止エリア検知器７が禁止エリアを検知する（ステップＳ１４）。その後、ステップＳ１５以降の処理が行われる。
一方、飛行エリアまたは禁止エリアを検知している場合（ステップＳ１３におけるＹｅｓ）、飛行モードの判定が行われる（ステップＳ１５）。飛行モードが「最短モード」の場合（ステップＳ１５における「最短モード」）、最短経路作成器９が、最短経路を作成する（ステップＳ１６）。一方、飛行モードが「トレースモード」の場合（ステップＳ１５における「トレースモード」）、トレース経路作成器８は、トレース飛行経路を作成する（ステップＳ１７）。
作成された飛行経路に障害物があることが検知された場合には、トレース経路作成器８または最短経路作成器９が、飛行モードに応じた飛行経路を修正する障害物の回避経路を作成する（ステップＳ１８）。
また、飛行経路が飛行エリアから外れる場合にも、飛行モードに応じて、トレース経路作成器８または最短経路作成器９が飛行エリアから外れないような回避経路を作成する。そして、回避経路が作成された場合には、トレース経路作成器８または最短経路作成器９は飛行経路を修正する（ステップＳ１９）。
また、飛行経路が禁止エリアに侵入する場合にも、トレース経路作成器８または最短経路作成器９が禁止エリアに侵入しないような回避経路を作成し、飛行経路を修正する。
飛行制御器１０は、作成された最短経路またはトレース経路に従って自機体の移動量を算出する（ステップＳ２０）。そして、飛行制御器１０は、モーター等を制御することにより、無人航空機２の飛行を制御する（ステップＳ２1）。その後、ステップＳ１１以降の処理が繰り返される。
以上のように、第１実施形態の無人航空機２では、カメラ３が、投影対象物を撮影する。また、光点位置算出器５が、カメラ３による撮影画像を用いて自機体位置と指向性投光器１により投影対象物に投光された指示光点との相対距離を算出し、算出した相対距離に基づいて指示光点の位置を算出する。そして、飛行制御器１０が、算出された指示光点の位置に応じて作成される飛行経路に基づいて自機体の飛行を制御する。よって、第１実施形態の無人航空機２は、飛行制御の操作性および作業効率を高めることができる。
例えば、手動で無人航空機を自在に操作するためには、操縦者がトレーニングを積んで手動操縦スキルを習得する必要がある。これに対し、第１実施形態では、操縦者が壁面等の投影対象物に指向性投光器１の光を用いて移動先を指し示すことにより、無人航空機を操作することが可能になる。すなわち、無人航空機２の操作性が向上する。
このように、第１実施形態では、操縦者が、プロポーショナルシステムを用いた手動操縦ではなく、指向性投光器の光を用いて移動させたい箇所を指し示すことにより、無人航空機を操作できる。このため、高度な操縦スキルを習得しなくても、だれでも簡便に無人航空機を自在に操作することが可能になる。その結果として、第１実施形態の無人航空機２は、運用コストや導入障壁を下げられるという効果も得られる。
また、手動操縦ではなく無人航空機を運用するために飛行計画経路を事前に作成する方法が存在する。しかし、この方法では、飛行の都度、飛行計画経路を作成する必要がある。これに対し、第１実施形態の無人航空機２では、操縦者が指向性投光器の光によって移動先を指し示すという簡便な操作で無人航空機を移動先に飛行させることが可能である。このため、第１実施形態の無人航空機２は、当該無人航空機を用いたミッションの作業効率を向上させることできる。
このように、第１実施形態の無人航空機２では、飛行ごとに飛行計画経路を作成する必要がなく、操縦者が指向性投光器によって簡便に飛行を操作することができる。そのため、無人航空機を効率的に運用できる。
次に、第１実施形態の無人航空機の変形例を説明する。第１実施形態では、飛行制御器１０は、飛行モードに応じて飛行経路を作成する機能を備えている。変形例では、飛行制御器１０は、安全性をも考慮した飛行経路を作成する。
例えば、安全性を示す値として安全率を想定する。安全率とは、障害物または禁止エリアまでの距離と、自機体の３次元方向それぞれ移動速度および予め定められた基準面に対する自機体の傾きなどの機体情報を用いて算出される数値である。具体的には、飛行制御器１０は、禁止エリアから遠くなるほど安全率を高く算出し、また、移動速度および傾きが小さいほど安全率を高く算出する。
飛行制御器１０は、算出された安全率が予め定めた基準安全率を超えるように自機体の飛行を制御する。この基準安全率は、作業環境や作業時間等に応じて適宜に設定可能である。
＜第２実施形態＞
次に、本発明に係る第２実施形態を説明する。第２実施形態では、無人航空機制御システムの一実施形態を示す。図９は、本発明に係る第２実施形態の無人航空機制御システムの構成を示すブロック図である。第２実施形態の無人航空機制御システムは、指向性投光器１と、無人航空機２ａと、地上管制装置１１とを備えている。また、図１０は、第２実施形態の無人航空機制御システムが使用される状況の例を示す説明図である。
図９および図１０に示すように、第２実施形態では、無人航空機２ａは、カメラ３と、距離センサ４とを含む。また、地上管制装置１１は、光点位置算出器５と、飛行エリア検知器６と、禁止エリア検知器７と、トレース経路作成器８と、最短経路作成器９と、飛行制御器１０とを含む。
すなわち、第２実施形態が第１実施形態と異なることは、無人航空機２ａが、カメラ３および距離センサ４を含み、地上管制装置１１が残りの構成を含んでいることである。つまり、地上管制装置１１は、光点位置算出器５と、飛行エリア検知器６と、禁止エリア検知器７と、トレース経路作成器８と、最短経路作成器９と、飛行制御器１０を含んでいる。
指向性投光器１、カメラ３および距離センサ４の機能は、第１実施形態で説明した指向性投光器１、カメラ３および距離センサ４の機能と同様である。また、光点位置算出器５、飛行エリア検知器６、禁止エリア検知器７、トレース飛行経路作成器８、最短飛行経路作成器９および飛行制御器１０の機能は、無線通信で無人航空機２ａと通信を行うことを除いては、第１実施形態で説明した各機能と同様である。
図１１は、第２実施形態の無人航空機制御システムの動作例を説明する図である。ここで、投影対象物として壁面を想定する。まず、操縦者が指向性投光器１を用いて壁面に指示光点を投影する。カメラ３がその指示光点を撮影すると、カメラ３は、指示光点の像を含む撮影画像を地上管制装置１１（より具体的には、光点位置算出器５）に送信する。また、距離センサ４は、自機体（無人航空機２ａ）から壁面までの距離を検知し、当該検知した距離を地上管制装置１１（より具体的には、光点位置算出器５）に送信する。また、無人航空機２ａの制御部（図示せず）は、例えば、ＧＰＳを利用して自機体の位置を検知し、検知した自機体の位置の情報を地上管制装置１１に送信する。
光点位置算出器５は、受信した画像と距離の情報を利用して指示光点と無人航空機２ａとの相対距離を算出し、当該相対距離の情報と無人航空機２ａの位置の情報を利用して、指示光点の位置を算出する。また、第１実施形態と同様に、飛行エリア検知器６は、飛行エリアを特定し、禁止エリア検知器７は、禁止エリアを特定する。そして、選択された飛行モードに応じて、トレース経路作成器８または最短経路作成器９が飛行経路を作成する。飛行制御器１０は、作成された飛行経路に基づく制御情報を作成し、無人航空機２ａに送信する。
以上のように、第２実施形態では、無人航空機２ａの飛行を制御する機能を地上管制装置１１が備えているため、無人航空機２ａに搭載する機能が削減され、無人航空機２ａの制御構成の簡素化を図ることができる。
なお、第２実施形態では、地上管制装置１１が、光点位置算出器５と、飛行エリア検知器６と、禁止エリア検知器７と、トレース経路作成器８と、最短経路作成器９と、飛行制御器１０とを含んでいる。これに代えて、光点位置算出器５、飛行エリア検知器６、禁止エリア検知器７、トレース経路作成器８、最短経路作成器９および飛行制御器１０の一部が無人航空機２ａに含まれていてもよい。
＜第３実施形態＞
以下に、本発明に係る第３実施形態を説明する。
図１２は、第３実施形態の無人航空機の概要を示すブロック図である。第３実施形態の無人航空機８０は、撮影部８１と、位置算出部８２と、飛行制御部８３とを備えている。撮影部８１は、例えばカメラであり、投影対象物（例えば、壁面）を撮影する機能を備えている。位置算出部８２は、撮影部８１による撮影画像を用いて、自機体（無人航空機８０）の位置と指向性投光器により投影対象物に投影された指示光点との相対距離を算出する機能を備えている。さらに、位置算出部８２は、算出した相対距離に基づいて、指向性投光器による指示光点の位置を算出する機能を備えている。飛行制御部８３は、算出された指示光点の位置に応じて作成される飛行経路に基づいて自機体（無人航空機８０）の飛行を制御する機能を備えている。
そのような構成により、無人航空機８０は、飛行制御の操作性および作業効率を高めることができる。
なお、撮影部８１は、予め定められた指向性投光器による投光態様を撮影する機能を備えていてもよい。また、位置算出部８２は、撮影された投光態様に応じて、飛行エリアおよび禁止エリアの少なくとも一方を算出してもよい。そして、飛行制御部８３は、禁止エリアを回避して飛行エリアを飛行する飛行経路に基づいて自機体の飛行を制御してもよい。
そのような構成によれば、無人航空機８０は、操縦者が指向性投光器を利用して指定した飛行可能なエリア内での飛行に制限された状態で飛行することになる。
また、飛行制御部８３は、指定された飛行モード（例えば、トレースモードと最短モード）に応じた飛行経路を作成し、作成した飛行経路で自機体の飛行を制御してもよい。
また、飛行制御部８３は、撮影部８１の画角内に指示光点が存在しない場合、自機体を上昇、降下または旋回する制御を行うことによって、撮影部８１が指示光点を撮影できるようにしてもよい。
また、位置算出部８２は、自機体の位置を例えばＧＰＳ等を利用して検出し、検出した自機体の位置と、自機体の位置と指示光点との相対距離とに基づいて、指示光点の位置を算出してもよい。
また、飛行制御部８３は、自機体（無人航空機８０）から禁止エリアまでの距離、自機体の移動速度および予め設定された基準面に対する自機体の傾きに基づいて、飛行の安全性を示す安全率を算出する。そして、飛行制御部８３は、算出した安全率が予め定めた基準安全率を超えるように自機体の飛行を制御してもよい。
また、無人航空機８０は、投影対象物までの距離情報を取得する距離取得装置を備えていてもよい。そして、撮影部８１は、距離取得装置から得られる距離情報を用いて、投影対象物に対する撮影部８１の光軸の傾きに起因する撮影画像の歪みを補正してもよい。
＜第４実施形態＞
以下に、本発明に係る第４実施形態を説明する。
図１３は、第４実施形態の無人航空機制御システムの概要を示すブロック図である。第４実施形態の無人航空機制御システムは、無人航空機５０と、無人航空機５０を外部から操縦する操縦者によって使用される指向性投光器６０と、管制装置７０とを備えている。
無人航空機５０は、投影対象物を撮影する撮影部５１（例えば、カメラ）を含む。管制装置７０は、位置算出部７１と、飛行制御部７２とを備えている。位置算出部７１は、撮影部５１による撮影画像を用いて無人航空機５０と指向性投光器６０により投影対象物に投影された指示光点との相対距離を算出し、算出した相対距離を利用して指示光点位置を算出する機能を備えている。飛行制御部７２は、算出された指示光点の位置に応じて作成される飛行経路で無人航空機５０の飛行を制御する機能を備えている。
第４実施形態の無人航空機制御システムは、上記のような構成を備えることによって、第１〜第３の実施形態と同様に、無人航空機５０の飛行制御の操作性および作業効率を高めることができる。
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
投影対象物を撮影する撮影部と、
撮影画像を用いて自機体位置と指向性投光器により前記投影対象物に投光された指示光点との相対距離を算出し、算出した相対距離に基づいて指示光点位置を算出する位置算出部と、
算出された指示光点位置に応じて作成される飛行経路で自機体の飛行を制御する飛行制御部と
を備える無人航空機。
（付記２）
撮影部は、予め定められた指向性投光器による投光態様を撮影し、
位置算出部は、撮影された投光態様に応じて、飛行エリアおよび禁止エリアの少なくとも一方を算出し、
飛行制御部は、前記禁止エリアを回避し、前記飛行エリアを飛行する飛行経路に基づいて自機体の飛行を制御する
付記１記載の無人航空機。
（付記３）
飛行制御部は、指定された飛行モードに応じて、指示光点の移動軌跡をトレースしながら移動するように自機体の飛行を制御する飛行経路、または、現在の指示光点位置に向かって自機体の飛行を制御する飛行経路のいずれかを選択して作成し、作成した飛行経路で自機体の飛行を制御する
付記１または付記２記載の無人航空機。
（付記４）
飛行制御部は、撮影部の画角内に指示光点が存在しない場合、自機体を上昇、降下または旋回させて、指示光点を撮影部に検出させる
付記１から付記３のうちのいずれか１項に記載の無人航空機。
（付記５）
位置算出部は、現在の自機体位置を検出し、検出された自機体位置に相対距離を加算して、指示光点位置を算出する
付記１から付記４のうちのいずれか１項に記載の無人航空機。
（付記６）
飛行制御部は、禁止エリアまでの距離、現在の自機体の移動速度および傾きに基づいて、飛行の安全性を示す安全率を算出し、算出した安全率が予め定めた許容安全率を超えるように自機体の飛行を制御する
付記１から付記５のうちのいずれか１項に記載の無人航空機。
（付記７）
投影対象物までの距離情報を取得する距離取得装置を備え、
撮影部は、前記距離取得装置から得られる距離情報を用いて、機体方位のずれにより発生する撮影画像の歪みを補正する
付記１から付記６のうちのいずれか１項に記載の無人航空機。
（付記８）
無人航空機と、前記無人航空機を外部から操縦する操縦者によって使用される指向性投光器と、管制装置とを備え、前記無人航空機は、投影対象物を撮影する撮影部を含み、前記管制装置は、撮影画像を用いて前記無人航空機と前記指向性投光器により前記投影対象物に投光された指示光点との相対距離を算出し、算出した相対距離に基づいて指示光点位置を算出する位置算出部と、算出された指示光点位置に応じて作成される飛行経路で前記無人航空機の飛行を制御する飛行制御部とを含むことを特徴とする無人航空機制御システム。
（付記９）
撮影部は、予め定められた指向性投光器による投光態様を撮影し、位置算出部は、撮影された投光態様に応じて、飛行エリアおよび禁止エリアの少なくとも一方を算出し、飛行制御部は、前記禁止エリアを回避し、前記飛行エリアを飛行する飛行経路に基づいて無人航空機の飛行を制御する付記８記載の無人航空機制御システム。
（付記１０）
無人航空機の飛行を制御する飛行制御方法であって、投影対象物を撮影し、撮影画像を用いて前記無人航空機と指向性投光器により前記投影対象物に投光された指示光点との相対距離を算出し、算出した相対距離に基づいて指示光点位置を算出し、算出された指示光点位置に応じて作成される飛行経路で前記無人航空機の飛行を制御することを特徴とする飛行制御方法。
（付記１１）
予め定められた指向性投光器による投光態様を撮影し、撮影された投光態様に応じて、飛行エリアおよび禁止エリアの少なくとも一方を算出し、前記禁止エリアを回避し、前記飛行エリアを飛行する飛行経路に基づいて無人航空機の飛行を制御する付記１０記載の飛行制御方法。
（付記１２）
無人航空機の飛行を制御するコンピュータに適用される飛行制御プログラムであって、前記コンピュータに、投影対象物を撮影する撮影処理、撮影画像を用いて前記無人航空機と指向性投光器により前記投影対象物に投光された指示光点との相対距離を算出し、算出した相対距離に基づいて指示光点位置を算出する位置算出処理、および、算出された指示光点位置に応じて作成される飛行経路で前記無人航空機の飛行を制御する飛行制御処理を実行させるための飛行制御プログラム。
（付記１３）
コンピュータに、撮影処理で、予め定められた指向性投光器による投光態様を撮影させ、位置算出処理で、撮影された投光態様に応じて、飛行エリアおよび禁止エリアの少なくとも一方を算出させ、飛行制御処理で、前記禁止エリアを回避し、前記飛行エリアを飛行する飛行経路に基づいて無人航空機の飛行を制御させる付記１２記載の飛行制御プログラム。
以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。
この出願は、２０１６年３月２日に出願された日本出願特願２０１６−０３９８４５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
本発明は、遠隔で飛行制御される無人航空機に好適に適用される。例えば、無人航空機を活用したプラント、発電所、ビル等の施設点検をする際に、本発明が適用され得る。一般的な方法では、高度な操縦スキルを持った操縦者が必要であり、また、現場での飛行経路作成等の煩雑な作業が必要であったが、本発明により、誰でも短時間で無人航空機を操縦することが可能になる。
また、本発明をエンターテイメントの分野に利用することも考えられる。本発明の無人航空機は、事前にプログラムされた飛行経路ではなく、直感的に操作できるため、無人航空機を用いたエンターテイメントにおいて柔軟な表現が考えられる。
また、本発明の無人航空機を地上移動体に置き換えることで、飛行体、地上走行体問わず、どんな移動体でも制御することが可能である。例えば、本発明の技術を自動運転車に適用することで、駐車や誘導を容易に行うことが可能になる。
１ 指向性投光器
２ 無人航空機
３ カメラ
４ 距離センサ
５ 光点位置算出器
６ 飛行エリア検知器
７ 禁止エリア検知器
８ トレース経路作成器
９ 最短経路作成器
１０ 飛行制御器
１１ 地上管制装置

Claims (13)

  1. 光を出力する指向性投光器により出力される光を投影する投影対象物を撮影する撮影手段と、
    前記撮影手段による撮影画像を用いて、自機体位置と前記指向性投光器により前記投影対象物に投影された指示光点との相対距離を算出し、算出した相対距離に基づいて前記指示光点の位置を算出する位置算出手段と、
    算出された前記指示光点の位置に応じて作成される飛行経路に基づいて自機体の飛行を制御する飛行制御手段と
    を備える無人航空機。
  2. 前記撮影手段により撮影された前記指示光点に基づいて、飛行が許可される領域である飛行エリアと、飛行が禁止される領域である禁止エリアとのうちの少なくとも一方を検知するエリア検知手段をさらに備え、
    前記飛行制御手段は、前記禁止エリアと前記飛行エリアとのうちの検知された一方又は両方を考慮して作成された飛行経路に基づいて自機体の飛行を制御する
    請求項１記載の無人航空機。
  3. 前記飛行制御手段は、前記指示光点の移動軌跡をトレースしながら移動するように自機体の飛行を制御する飛行経路と、前記指示光点に向かって自機体の飛行を制御する飛行経路とのうち、指定された飛行モードに応じた飛行経路に基づいて自機体の飛行を制御する請求項１または請求項２記載の無人航空機。
  4. 前記飛行制御手段は、撮影手段の画角内に前記指示光点が存在しない場合、自機体を上昇、降下または旋回させることにより、前記指示光点を撮影手段により撮影させる請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の無人航空機。
  5. 前記位置算出手段は、自機体の位置を表す情報を取得し、当該情報に基づいて自機体の位置を検知し、検知した自機体の位置および前記相対距離を利用して、前記指示光点の位置を算出する請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の無人航空機。
  6. 前記飛行制御手段は、飛行が禁止される領域である禁止エリアまでの距離、自機体の移動速度、および、予め定められた基準面に対する自機体の進行方向の傾きに基づいて、飛行の安全性を示す安全率を算出し、算出した安全率が予め定めた基準安全率を超えるように自機体の飛行を制御する請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の無人航空機。
  7. 前記投影対象物までの距離情報を取得する距離取得装置をさらに備え、
    前記撮影手段は、前記距離取得装置から得られる距離情報を用いて、前記投影対象物に対する当該撮影手段の光軸の傾きに起因する撮影画像の歪みを補正する
    請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載の無人航空機。
  8. 無人航空機と、
    光を出力する指向性投光器と、
    管制装置と
    を備え、
    前記無人航空機は、
    前記指向性投光器が出力する光を投影する投影対象物を撮影する撮影手段を含み、
    前記管制装置は、
    前記撮影手段による撮影画像を用いて、前記無人航空機の位置と前記指向性投光器により前記投影対象物に投影された指示光点との相対距離を算出し、算出した相対距離に基づいて前記指示光点の位置を算出する位置算出手段と、
    算出された指示光点の位置に応じて作成される飛行経路に基づいて前記無人航空機の飛行を制御する飛行制御手段と
    を含む無人航空機制御システム。
  9. 前記無人航空機は、
    前記撮影手段により撮影された前記指示光点に基づいて、飛行が許可される領域である飛行エリアと、飛行が禁止される領域である禁止エリアとのうちの少なくとも一方を検知するエリア検知手段をさらに備え、
    前記管制装置の前記飛行制御部は、前記禁止エリアと前記飛行エリアとのうちの検知された一方又は両方を考慮して作成された飛行経路に基づいて無人航空機の飛行を制御する
    請求項８記載の無人航空機制御システム。
  10. 光を出力する指向性投光器により出力される光を投影する投影対象物を撮影し、
    撮影画像を用いて、無人航空機と前記指向性投光器により前記投影対象物に投影された指示光点との相対距離を算出し、
    算出した相対距離に基づいて前記指示光点の位置を算出し、
    算出された前記指示光点の位置に応じて作成される飛行経路に基づいて前記無人航空機の飛行を制御する
    飛行制御方法。
  11. 前記撮影画像の前記指示光点に基づいて、飛行が許可される領域である飛行エリアと、飛行が禁止される領域である禁止エリアとのうちの少なくとも一方を検知し、
    前記禁止エリアと前記飛行エリアとのうちの検知された一方又は両方を考慮して作成された飛行経路に基づいて自機体の飛行を制御する
    請求項１０に記載の飛行制御方法。
  12. 光を出力する指向性投光器により出力される光を投影する投影対象物が撮影された撮影画像を用いて、前記無人航空機と前記指向性投光器により前記投影対象物に投影された指示光点との相対距離を算出し、算出した相対距離に基づいて前記指示光点の位置を算出する処理、および、
    算出された前記指示光点の位置に応じて作成される飛行経路に基づいて前記無人航空機の飛行を制御する処理
    をコンピュータに実行させるコンピュータプログラムが記憶されているプログラム記憶媒体。
  13. 前記コンピュータに
    前記撮影画像の前記指示光点に基づいて、飛行が許可される領域である飛行エリアと、飛行が禁止される領域である禁止エリアとのうちの少なくとも一方を検知する処理と、
    前記禁止エリアと前記飛行エリアとのうちの検知された一方又は両方を考慮して作成された飛行経路に基づいて自機体の飛行を制御する処理と
    を実行させるコンピュータプログラムがさらに記憶されている請求項１２記載のプログラム記憶媒体。
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