JPWO2019186713A1 - 無人航空機 - Google Patents

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Abstract

無人航空機を使用して、目標位置を迅速かつ正確に特定し、その目標位置で所定の機能を有する特定機構を動作させる。無人航空機１００は、目標位置に対して所定の相対位置関係に配置される目標位置マーカー１６１の外観を表わす目標位置マーカーパターン１２０ｄ３を参照し、無人航空機１００の下方の画像を取得するカメラ１０６で取得された画像の中から目標位置マーカー１６１に対応する画像部分を検出し、それに基づいて目標位置の直上に誘導され、そこで特定機構を動作させる。

Description

本発明は、無人航空機に関し、より詳しくは、所定の機能を有する特定機構が所定の箇所に取り付けられたコードを有する無人航空機に関する。本発明は、さらにより詳しくは、配送物をテザーの先端で保持して目標位置まで配送するための無人航空機に関する。
無人航空機で配送物を所定の目標位置に確実に配送することが可能になれば、極めて利便性の高い配送システムを構築することができる。そのため、そのような配送システムについてのいくつかの提案がなされて来た。
従来の技術として、ドローンの到達範囲の限界を克服して、ドローンによる宅配を実用化して宅配業務の効率化を行うために、配送車１００に配達すべき荷物と共にドローン２１０を搭載して宅配し、ここで、この配送車には天井に離着陸スペースと荷物出庫口を有し、且つこの荷物出庫口への荷物供給手段を有し、荷物を受け取ったドローンが宅配邸まで飛行して宅配を行い、一定地区でこのドローンによる宅配を終えると、配送車がドローンと共に他の地区に移動し、更なる宅配を行う配送システムが存在している（特許文献１）。しかしこの配送システムは、宅配先に正確に到達するための特段の手段を有しておらず、正確な配送が可能かどうかは不明である。
さらに従来の技術として、配達目的地に商品のパッケージを配達するドローンを保護するために、ドローンが商品のパッケージの購入に関連する購入コードを受信することができ、ドローンは、購入コードが認証される時に、配達目的地の着陸ゾーン内に着陸することができるシステムが存在している（特許文献２）。このシステムは、ＧＮＳＳ位置決定および検出されたワイヤレスアクセスポイントの既知の位置、カメラベースの認識、無線ビーコンなどで着陸サイトにセットアップすることができる（段落００１９）。しかしこのシステムは、配送物を正確に目標位置に下降させるための特段の手段を有しておらず、正確な目標位置への配送が可能かどうかは不明である。
特開２０１６−１５３３３７号公報 特表２０１７−５３４１０１号公報
上述のように、従来の技術では、無人航空機を使用して目標位置を迅速かつ正確に特定して、その目標位置に正確に配送物を配送することは困難であった。それは、まず、ＧＰＳのような飛行位置を感知する位置センサは誤差が非常に大きく、目標位置を正確に特定することは極めて困難であったからである。また、カメラで無人航空機の外部をモニターし、目標位置をカメラから取得した画像に基づいて特定することも考えられるが、画像から目標位置を確実かつ正確に特定することも困難であったからである。
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、以下のような特徴を有するものである。すなわち、本発明は、所定の機能を有する特定機構が所定の箇所に取り付けられたコードを有する無人航空機において、目標位置に対して所定の相対位置関係に配置される目標位置マーカーの外観を表わす目標位置マーカーパターンを参照し、無人航空機の下方の画像を取得するカメラで取得された画像の中から目標位置マーカーに対応する画像部分を検出し、それに基づいて無人航空機を目標位置の直上に誘導させることを特徴とする。
本発明は、コードを伸縮機構を有するテザーとすることもできる。本発明は、無人航空機の位置が目標位置の直上になったときに、特定機構に特定の動作をさせる動作位置までテザーを伸長させる、ように構成することもできる。本発明は、カメラで取得された画像に基づいてテザーを動作位置まで伸長させる、ように構成することもできる。
本発明は、特定機構としての配送物を保持する機能を有する着脱機構が動作することにより、配送物の配送先の位置である目標位置において、動作位置である解放高度で配送物を着脱機構から解放する、ように構成できる。本発明は、配送物の上面に付される配送物マーカーの外観を表わす配送物マーカーパターンをさらに記憶しており、テザーを伸長させている間に、配送物マーカーパターンを参照し、カメラで取得した画像に含まれる配送物マーカーの画像部分に基づいて目標位置に配送物が下降させられるように無人航空機を誘導させる、ように構成することもできる。
本発明は、配送物マーカーがコードパターンであり、カメラで取得された画像の中の配送物マーカーの画像部分の位置及び大きさに基づいて、配送物の三次元的な位置を特定する、ように構成することもできる。本発明は、解放高度が配送物が接地する対地高度であり、着脱機構は、配送物が接地すると、保持していた配送物を解放する自動解放機構を含む、ように構成することもできる。本発明は、無人航空機を一定の対地高度に保つための揚力の減少を感知することにより、配送物が着脱機構から解放されたと判断する、ように構成することもできる。
本発明は、解放高度が配送物が接地する対地高度であり、配送物が接地したことを感知すると着脱機構を解放させる、ように構成することもできる。本発明は、配送物が接地したことを、無人航空機を一定の対地高度に保つための揚力の減少により感知する、ように構成することもできる。本発明は、カメラで取得した画像に含まれる配送物マーカーの画像部分の大きさに基づいて、無人航空機と配送物マーカーとの間の距離を検知する、ように構成できる。本発明は、検知された無人航空機と配送物マーカーとの間の距離、及び無人航空機の対地高度に基づき、配送物が解放高度まで下降させられたときに着脱機構を解放させる、ように構成することもできる。本発明は、解放高度を配送物が接地する対地高度とすることもできる。本発明は、目標位置マーカーが二次元コードパターンであり、カメラで取得された画像の中の目標位置マーカーの画像部分の位置及び大きさに基づいて、目標位置との間の三次元的な相対位置を特定する、ように構成することもできる。
本発明は、上述の特徴を有する無人航空機でもよく、その無人航空機に実行される方法でもよく、コンピュータに実行されたときに無人航空機を実現するコンピュータプログラムやそれを記憶した記録媒体でもよい。
本発明は、目標位置に対して所定の相対位置関係に配置される目標位置マーカーの外観を表わす目標位置マーカーパターンを参照し、無人航空機の下方の画像を取得するカメラで取得された画像の中から目標位置マーカーに対応する画像部分を検出し、それに基づいて無人航空機を目標位置の直上に誘導させる構成を有するため、無人航空機を使用して目標位置を迅速かつ正確に特定して、その目標位置で所定の機能を有する特定機構を動作させることができる、という効果を有する。
本発明は、コードは伸縮機構を有するテザーとした場合、特定機構を任意の吊り下げ長で動作させることができるという効果を有する。本発明は、無人航空機の位置が目標位置の直上になったときに、特定機構に特定の動作をさせる動作位置までテザーを伸長させる場合、目標位置の直上で特定機構を動作させることができるという効果を有する。本発明は、カメラで取得された画像に基づいてテザーを動作位置まで伸長させる場合、目標位置への誘導に使用されるカメラを使用してテザーの伸長の制御もできる、という効果を有する。
本発明は、特定機構としての配送物を保持する機能を有する着脱機構が動作することにより、配送物の配送先の位置である目標位置において、動作位置である解放高度で配送物を着脱機構から解放する場合、配送物を配送先に移動させ、任意の解放高度で配送物を解放することができる、という効果を有する。本発明は、配送物の上面に付される配送物マーカーの外観を表わす配送物マーカーパターンをさらに記憶しており、テザーを伸長させている間に、配送物マーカーパターンを参照し、カメラで取得した画像に含まれる配送物マーカーの画像部分に基づいて目標位置に配送物が下降させられるように無人航空機を誘導させる場合、テザーを伸長させている間において無人航空機が目標位置の直上から位置がずれないようにすることで、目標位置に配送物を正確に下降させることができる、という効果を有する。
本発明は、配送物マーカーがコードパターンであり、カメラで取得された画像の中の配送物マーカーの画像部分の位置及び大きさに基づいて、配送物の三次元的な位置を特定する場合、配送物マーカーのコード形状に基づき、迅速かつ正確に配送物の三次元的な位置を特定することができる、という効果を有する。本発明は、解放高度が配送物が接地する対地高度であり、着脱機構は、配送物が接地すると、保持していた配送物を解放する自動解放機構を含む場合、配送物に着地ショックを与えずに解放できる。本発明は、無人航空機を一定の対地高度に保つための揚力の減少を感知することにより、配送物が着脱機構から解放されたと判断する場合、特別な機構を追加しなくても配送物の解放を検知できる、という効果を有する。
本発明は、カメラで取得した画像に含まれる配送物マーカーの画像部分の大きさに基づいて、無人航空機と配送物マーカーとの間の距離を検知する場合、目標位置への誘導に使用されるカメラを使用して、配送物マーカーのコード形状に基づき、迅速かつ正確に配送物との間の距離を検知することができる、という効果を有する。本発明は、検知された無人航空機と配送物マーカーとの間の距離、及び無人航空機の対地高度に基づき、配送物が解放高度まで下降させられたときに着脱機構を解放させる場合、検知した対地高度に基づいて正確な解放高度で配送物を解放することができる、という効果を有する。本発明は、目標位置マーカーが二次元コードパターンであり、カメラで取得された画像の中の目標位置マーカーの画像部分の位置及び大きさに基づいて、目標位置との間の三次元的な相対位置を特定する場合、目標位置マーカーのコード形状に基づき、迅速かつ正確に配送物の三次元的な位置を特定することができる、という効果を有する。
本発明の実施形態に係る無人航空機の一例であるマルチコプタの外観図である。 本発明の実施形態に係る無人航空機の一例であるマルチコプタの外観図であって、テザー及びその周辺部を拡大した図である。 本発明の実施形態に係る無人航空機の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る無人航空機の機能的な構成を示す機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係る無人航空機による配送物配送処理の動作フロー図である。 本発明の実施形態に係る無人航空機による飛行位置修正処理の動作フロー図である。 本発明の実施形態に係る無人航空機による配送物解放処理（自動解放型）の動作フロー図である。 本発明の実施形態に係る無人航空機による配送物解放処理（接地検出型）の動作フロー図である。 本発明の実施形態に係る無人航空機による配送物解放処理（高度検出型）の動作フロー図である。 本発明の実施形態に係る無人航空機による配送物解放処理（高度検出型）におけるテザー伸長時に目標位置の上方に吊り下げられた状態で下降させられている配送物のカメラから撮影したイメージである。 本発明の実施形態に係る無人航空機による配送物解放処理（高度検出型）におけるテザー伸長時に目標位置の上方に吊り下げられた状態で下降させられている配送物のカメラから撮影したイメージである。 本発明の実施形態に係る無人航空機による配送物解放処理（高度検出型）におけるテザー伸長時に目標位置の上方に吊り下げられた状態で下降させられている配送物のカメラから撮影したイメージである。
以下、本発明の一実施形態である無人航空機１００を、図面を参照しながら説明する。ただし本発明は以下に説明する具体的態様に限定されるわけではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の態様を取り得る。例えば、本発明の無人航空機は、図１に示すマルチコプタに限らず、回転翼機、固定翼機等、任意の無人航空機であってよいし、また自律飛行型の無人航空機である必要もない。また、無人航空機１００のシステム構成も、図に示されるものに限らず同様の動作が可能であれば任意の構成を取ることができる。例えば通信回路の機能を飛行制御部に統合する等、複数の構成要素が実行する動作を単独の構成要素により実行してもよいし、あるいは主演算部の機能を複数の演算部に分散する等、単独の構成要素が実行する動作を複数の構成要素により実行してもよい。また、無人航空機１００のメモリ内に記憶される各種データは、それとは別の場所に記憶されていてもよいし、各種メモリに記録される情報も、１種類の情報を複数の種類に分散して記憶してもよいし、複数の種類の情報を１種類にまとめて記憶してもよい。
用語の説明
「高さ」とは垂直方向の長さである。「高度」はある測定点の高さを意味し、通常、海面からの高さ（海抜）を表わす。「対地高度」は、地表面からの高さである。「飛行高度」は、飛行する高さであるが、対地高度で表される。「解放高度」は配送物等を着脱機構から解放する対地高度である。
無人航空機の外観構成
図１は、本発明に係る無人航空機（マルチコプタ）１００の一例であるマルチコプタの外観図である。無人航空機１００は、外観に関しては、制御ユニット１０１と、制御ユニット１０１からの制御信号により駆動される６つのモータ１０２と、各々のモータ１０２の駆動により回転して揚力を発生させる６つのロータ（回転翼）１０３と、制御ユニット１０１と各々のモータ１０２とを接続する６つのアーム１０４と、着陸時に無人航空機を支える着陸脚１０５とを備える。モータ１０２、ロータ１０３、及びアーム１０４の数は、それぞれ、３、４などのような３以上の数とすることもできる。制御ユニット１０１からの制御信号により６つのモータ１０２が回転させられ、それにより６つのロータ１０３の各々の回転数を制御することにより、上昇、下降、前後左右への飛行、旋回等、無人航空機１００の飛行が制御される。また、無人航空機１００は、その本体下部などの適切な場所に、無人航空機１００の下方の画像を取得するカメラ１０６や、テザー１１２の下垂部分の長さが所定の長さとなるように巻き取ることができる正逆方向に回転可能なウインチを含むテザー伸縮機構１１１、が取り付けられている。また、無人航空機１００は、飛行位置センサ１０７、アンテナ１０８も有している。テザー１１２の先端などの所定の箇所には、保持対象物を保持するための着脱機構１１３が取り付けられている。テザー１１２には、着脱機構１１３に限らず、所定の機能を有する特定機構を所定の箇所に取り付けることができる。好適には、特定機構は、無人航空機１００が目標位置の直上に来た時、好適にはさらに特定機構が特定の動作位置に下降させられたときに特定の動作を行う。特定機構としては、各種の動作を行う機構を使用することができる。例えば、特定機構としては、各種センサ、カメラ、各種ツールなどを使用することができる。特定機構は、それが目標位置の直上に来たことをそれ自身が感知して特定動作を行うように構成することもできるし、無人航空機１００や特定機構の位置を感知した制御ユニット１０１からの制御信号により特定動作を行うように構成することもできる。なお、伸縮可能なテザー１１２に代えて固定長のコードのような部材を使用し、そのコードの所定の箇所に特定機構を取り付けることもできる。
図１及び図２には、無人航空機１００の構成物ではないが、フックレセプタクル１５１が上面に取り付けられた配送物１５０が着脱機構１１３に保持されている状態が示されている。図では、テザー１１２の先端に取り付けられた着脱機構１１３がフックレセプタクル１５１を挟んで保持している。フックレセプタクル１５１は、フックによって引っ掛けることができる構造物であり、例えば環状の構造物である。着脱機構１１３は、テザー１１２の先端ではない箇所に取り付けてもよい。着脱機構１１３は、配送物１５０のような保持対象物を解放可能に把持する機構であり、典型的には、対象物を挟んで引っ掛けたり解放したりすることができるフック機構である。フック機構は、それが保持する配送物１５０が接地するなどして荷重が抜けた場合に自動解放するような、受動的な自動解放機構を備えていてもよい。図２に着脱機構１１３の具体例として示したフック機構は、２つの対向する引っ掛け部材を軸により相互に回転可能に固定して、その上部に引っ掛け部材を解放する方向にゴムのような弾性部材で張力をかける構成からなる自動解放機構を有している。それぞれの引っ掛け部材の先端には上方に向いた突起からなるロック機構が備えられている。引っ掛け部材が交差して配送物１５０のフックレセプタクル１５１の環状部分を通貫することによって挟んだときに、フックレセプタクル１５１がその突起の移動を阻害して、引っ掛け部材が解放方向に動くことを防止することにより、着脱機構１１３が配送物１５０を保持した状態でロックされる。配送物１５０が接地するなどして荷重が抜けると、フックレセプタクル１５１が上方に移動して突起が移動できるようになり、引っ掛け部材が解放方向に移動して配送物１５０を解放する。代替的に、着脱機構１１３は、ソレノイドなどで駆動される能動的なロック機構を有しており、着脱機構１１３が配送物１５０を保持した状態で解除可能にロックされていてもよい。この場合、着脱機構１１３のソレノイドは無人航空機１００と導線によって接続されている。その導線を通じてソレノイドを駆動する電気信号が制御ユニット１０１から伝達されると、配送物１５０を保持している着脱機構１１３のロック機構が解除され、配送物１５０が解放される。
無人航空機の構成
図３は、図１に示す無人航空機１００の構成を示すブロック図である。無人航空機１００は、大きく、制御ユニット１０１、制御ユニット１０１に電気的に接続されたモータ１０２、モータ１０２に機械的に接続されたロータ１０３、カメラ１０６、飛行位置センサ１０７、アンテナ１０８、テザー伸縮機構１１１から構成される。制御ユニット１０１は、無人航空機１００の飛行や配送物１５０の飛行制御や配送処理を行うための情報処理や、そのための電気信号の制御を行うための構成であり、典型的には基板上に各種の電子部品を配置して配線することによってそのような機能の実現に必要な回路を構成したユニットである。制御ユニット１０１は、さらに、情報処理ユニット１２０、通信回路１２１、制御信号生成部１２２、スピードコントローラ１２３、画像処理ユニット１２４、インターフェイス１２５から構成される。
カメラ１０６は、無人航空機１００の下部の適切な位置に取り付けられた映像を撮影するためのカメラである。カメラ１０６は、それの撮影範囲の画像のデータを取得する。画像は、典型的には一連の静止画像からなる動画の画像である。取得した画像データは、画像処理ユニット１２４によって処理され、画像に写った物体やパターンが認識される。飛行位置センサ１０７は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）センサのような無人航空機１００の飛行位置の座標を感知するナビゲーションのためのセンサである。飛行位置センサ１０７は、好適には、三次元的な座標を感知する。飛行位置センサ１０７は、主として、無人航空機１００が飛行計画経路に沿って飛行する時の位置を制御するために使用される。
なお、図示しないが、無人航空機１００は、６軸ジャイロ（加速度／角速度センサ）のような姿勢センサ、磁気センサのような方位センサ、気圧センサのような高度センサ等の無人航空機１００の飛行を制御するための飛行制御用の各種の基本的センサも有している。姿勢センサは無人航空機１００の移動と傾きなどを検出するためのセンサであり、無人航空機１００の飛行時の姿勢を制御するために使用される。方位センサは、飛行方向を制御するために使用される。高度センサは無人航空機１００の高度を検出するセンサであり、無人航空機１００の飛行高度を制御するために使用される。無人航空機１００は、超音波センサのような距離センサを備えていてもよい。距離センサは、障害物や地面との間の距離を測定し、障害物との衝突を避けたり、対地高度を精密に測定するために使用することができる。アンテナ１０８は、無人航空機１００を操縦したり制御するための情報や各種データを含む無線信号を受信したり、テレメトリ信号を含む無線信号を無人航空機１００から送信するための空中線である。
テザー伸縮機構１１１は、テザー１１２を巻き取るウインチのような構成であって、制御を受けてそれを所定の回転方向に所定の回転量だけ回転させることができる構成である。テザー伸縮機構１１１により、テザー１１２の下垂部分の長さを所定量に調節することができる。テザー伸縮機構１１１は、制御ユニット１０１からの回転のオン・オフ及び回転方向を示す指示信号を受信し、それに基づいてモータなどの動力によりウインチを指示された回転方向に駆動し、テザー１１２を繰り出したり、巻き取ったりすることによりテザー１１２の長さを調節する。
情報処理ユニット１２０は、プロセッサ、一時メモリ等から構成されて各種の演算やフロー制御を行う主演算回路１２０ｃと、メモリ（図示せず）とを含み、メモリには、飛行制御プログラム１２０ｐ１、飛行位置修正プログラム１２０ｐ２、テザー制御プログラム１２０ｐ３のようなプログラム、及び飛行計画経路データ１２０ｄ１、目標位置データ１２０ｄ２、目標位置マーカーパターン１２０ｄ３、配送物マーカーパターン１２０ｄ４のようなデータが記憶される。メモリは、具体的には、フラッシュメモリやバックアップＲＡＭメモリなどの不揮発性メモリとすると好適である。
通信回路１２１は、アンテナ１０８を通じて受信した無線信号から、無人航空機１００のための操縦信号、制御信号や各種データなどを復調して主演算回路１２０ｃに入力したり、無人航空機１００から出力されるテレメトリ信号などを搬送する無線信号を生成するための電子回路であり、典型的には無線信号処理ＩＣである。なお、例えば、操縦信号の通信と、制御信号、各種データの通信とを別の周波数帯の異なる通信回路で実行するようにしてもよい。例えば、手動での操縦を行うためのコントローラ（プロポ）の送信器と９５０ＭＨｚ帯の周波数で通信し、データ通信を２ＧＨｚ帯／１．７ＧＨｚ帯／１．５ＧＨｚ帯／８００ＭＨｚ帯の周波数で通信するような構成を採ることも可能である。
制御信号生成部１２２は、主演算回路１２０ｃによって演算により得られた制御指令値データを、電圧を表わすパルス信号（ＰＷＭ信号など）に変換する構成であり、典型的には、発振回路とスイッチング回路を含むＩＣである。スピードコントローラ１２３は、制御信号生成部１２２からのパルス信号を、モータ１０２を駆動する駆動電圧に変換する構成であり、典型的には、平滑回路とアナログ増幅器である。図示していないが、無人航空機１００は、リチウムポリマーバッテリやリチウムイオンバッテリ等のバッテリデバイスや各要素への配電系を含む電源系を備えている。
画像処理ユニット１２４は、カメラ１０６から取得した画像データに基づき、画像を認識して、画像中の物体の位置決定、種別判別、計測などを行う構成であり、典型的には、プロセッサ、一時メモリ、プログラムを記憶したＲＯＭ等から構成されて画像処理を行うユニットである。画像処理ユニット１２４は、カメラ１０６と組み合わされて、マシンビジョンを構成する。
インターフェイス１２５は、主演算回路１２０ｃと、画像処理ユニット１２４、テザー伸縮機構１１１、飛行位置センサ１０７などの機能要素との間で信号の送受信ができるように信号の形態を変換することにより、それらを電気的に接続する構成である。なお、説明の都合上、図面においてインターフェイスは１つの構成として記載しているが、接続対象の機能要素の種類によって別のインターフェイスを使用することが通常である。また、接続対象の機能要素が入出力する信号の種類によってはインターフェイス１２５が不要な場合もある。また、図３において、インターフェイス１２５が媒介せずに接続されている情報処理ユニット１２０であっても、接続対象の機能要素が入出力する信号の種類によってはインターフェイスが必要となる場合もある。
飛行制御プログラム１２０ｐ１は、ドローンの飛行を制御するフライトコントローラの機能を実現するプログラムであり、操作者からの操縦信号（非自律飛行時）や飛行計画経路（自律飛行時）などに基づいて無人航空機１００の飛行を適切に制御するためのプログラムである。飛行制御プログラム１２０ｐ１は、具体的には、飛行制御用の各種センサから得られる情報により無人航空機１００の姿勢、速度等を判断し、飛行位置センサ１０７から得られる情報により無人航空機１００の現在の飛行位置などを判断し、操縦信号、飛行計画経路、速度制限、高度制限等の目標値と比較することにより主演算回路１２０ｃで各ロータ１０３に対する制御指令値を演算し、制御指令値を示すデータを制御信号生成部１２２に出力する。制御信号生成部１２２は、その制御指令値を電圧を表わすパルス信号に変換して各スピードコントローラ１２３に送信する。各スピードコントローラ１２３は、そのパルス信号を駆動電圧へと変換して各モータ１０２に印加し、これにより各モータ１０２の駆動を制御して各ロータ１０３の回転数を制御することにより無人航空機１００の飛行が制御される。飛行位置修正プログラム１２０ｐ２は、飛行位置センサ１０７から得られる情報に基づく飛行位置データを、カメラ１０６で取得された画像を画像処理ユニット１２４によって認識した画像認識結果に基づいて修正するためのプログラムである。テザー制御プログラム１２０ｐ３は、テザー伸縮機構１１１に対してテザー１１２を伸縮させる制御を行うためのプログラムである。テザー伸縮機構１１１は、典型的には、着脱機構１１３のような特定機構を動作させる位置までテザー１１２を伸長させ、特定機構が動作した後はテザー１１２の伸長を停止させたり、テザー１１２を収容するように動作する。
飛行計画経路データ１２０ｄ１は、無人航空機１００の三次元（緯度、経度、高度）の飛行計画経路を表すデータであり、典型的には、飛行計画経路上に存在する一連の複数のウェイポイントの集合のデータである。飛行計画経路は、典型的には、それらの複数のウェイポイントを順番に結んだ直線の集合であるが、ウェイポイントの所定範囲内においては所定の曲率の曲線とすることもできる。好適には、飛行計画経路の特定のウェイポイントの近傍に目標位置が存在すると良い。そのウェイポイントには、それを通過後に目標位置に向かう旨の情報が付加される。そのウェイポイントは、飛行計画経路の終点（折り返し点）とすることもできる。なお、あるウェイポイントを目標位置とすることもできる。この場合、そのウェイポイントのデータには、それが目標位置である旨の情報が付加される。飛行計画経路データ１２０ｄ１は、複数のウェイポイントにおける飛行速度を定めるデータを含んでいてもよい。飛行計画経路データ１２０ｄ１は、典型的には自律飛行において飛行計画経路を定めるために使用されるが、非自律飛行において飛行時のガイド用として使用することもできる。飛行計画経路データ１２０ｄ１は、典型的には、飛行前に無人航空機１００に入力されて記憶される。
目標位置データ１２０ｄ２は、着脱機構１１３のような特定機構を動作させる位置である目標位置の座標情報を表わすデータである。座標として、典型的には、緯度、経度などが使用されるが、他の情報を使用しても良い。また、目標位置データ１２０ｄ２は高度の情報を含んでいると好適である。目標位置データ１２０ｄ２は、典型的には、配送物１５０を配送する先である配送位置の座標データである。目標位置データ１２０ｄ２は、複数の目標位置のデータを含むことも可能である。また、前述のように、目標位置データ１２０ｄ２で定められる目標位置をウェイポイントとして飛行計画経路データ１２０ｄ１に組み込んで記憶させることも可能である。
目標位置マーカーパターン１２０ｄ３は、目標位置に対して所定の相対位置関係に配置される目標位置マーカー１６１の外観を表わすデータである。目標位置マーカー１６１は、目標位置を視覚的に確実に特定することができるようにするためのパターンを有するマーカーであり、それを印刷した紙や布などが目標位置に近傍に配置される。目標位置マーカー１６１のデータは、画像データ（例えば、ＪＰＥＧ形式の画像）とすることもできるし、目標位置マーカー１６１がコードパターンの場合は、コード（例えば、二次元コードを生成することができる数字列）とすることもできる。また、目標位置マーカーパターン１２０ｄ３は、目標位置マーカー１６１の大きさの情報も含んでいる。目標位置マーカー１６１としては、ＱＲコード（登録商標）のような二次元コードが典型的であるが、バーコードのような一次元のコードや、シンボリックな図形などを使用することもできる。目標位置マーカー１６１は、種々の大きさの複数のパターンを組み合わせたものとすると、位置の測定の正確性を向上できる。また、目標位置マーカー１６１は、その全体や、その内部のそれぞれの箇所が特定の色を有していてもよく、目標位置マーカーパターン１２０ｄ３はそのような色の情報を含んでいてもよい。目標位置マーカー１６１は、目標位置に対して所定の相対位置関係（例えば、５００ｍｍ北側かつ２００ｍｍ東側に配置、目標位置の周りを囲むように配置、など）に配置される。その相対位置関係も、目標位置マーカーパターン１２０ｄ３に対応付けて記憶される。目標位置マーカー１６１の位置が特定されると、その相対位置関係の値を使用することにより、目標位置の位置を特定することができる。また、目標位置マーカー１６１は所定の大きさ及び形状（例えば、２２０ｍｍ×２２０ｍｍの正方形）を有するものである。カメラ１０６で取得された画像中に目標位置マーカー１６１の画像部分が存在する場合、その画像部分の大きさを特定することにより、目標位置マーカー１６１までの距離を計算することができる。また、カメラ１０６で取得された画像中の目標位置マーカー１６１の画像部分の位置を特定することにより、目標位置マーカー１６１の方向を特定することもできる。目標位置マーカーパターン１２０ｄ３は、典型的には、主演算回路１２０ｃに読み出されて画像処理ユニット１２４に送られ、画像処理ユニット１２４で画像認識のために使用される。目標位置マーカーパターン１２０ｄ３は、画像処理ユニット１２４内に記憶されていてもよい。
目標位置データ１２０ｄ２は、そこに配置される目標位置マーカー１６１の外観を表わす目標位置マーカーパターン１２０ｄ３と関連付けて記憶されている。目標位置データ１２０ｄ２が複数の目標位置のデータを含む場合は、目標位置マーカーパターン１２０ｄ３は、その複数の目標位置のそれぞれに関連付けられた複数の目標位置マーカー１６１の外観を表わすデータを含んでいる。その場合、目標位置マーカー１６１と目標位置の相対位置関係を、異なる目標位置毎に異なる相対位置関係とすることも可能である。
配送物マーカーパターン１２０ｄ４は、配送物１５０の上面に配置される配送物マーカー１６２の外観を表わすデータである。そのデータは、画像データ（例えば、ＪＰＥＧ形式の画像）とすることもできるし、目標位置マーカー１６１がコードパターンの場合は、コード（例えば、二次元コードを生成することができる数字列）とすることもできる。また、配送物マーカーパターン１２０ｄ４は、配送物マーカー１６２の大きさの情報も含んでいる。配送物マーカー１６２は、配送物１５０の三次元的な位置を視覚的に確実に特定することができるようにするためのパターンを有するマーカーであり、それを印刷した紙などが配送物１５０の上面に貼付される。配送物マーカー１６２としては、ＱＲコード（登録商標）のような二次元コードが典型的であるが、バーコードのような一次元のコードや、シンボリックな図形などを使用することもできる。配送物マーカー１６２は、種々の大きさの複数のパターンを組み合わせたものとすると、位置の測定の正確性を向上できる。また、配送物マーカー１６２は、その全体や、その内部のそれぞれの箇所が特定の色を有していてもよく、配送物マーカーパターン１２０ｄ４はそのような色の情報を含んでいてもよい。配送物マーカー１６２は、典型的には、配送物１５０の上面の中央部に配置されるが、中央部から所定の相対位置に配置することも可能である。配送物マーカー１６２の位置が特定されると、配送物１５０の位置を特定することができる。また、配送物マーカー１６２は所定の大きさ及び形状（例えば、２２０ｍｍ×２２０ｍｍの正方形）を有するものである。カメラ１０６で取得された画像中に配送物マーカー１６２の画像部分が存在する場合、その画像部分の大きさを特定することにより、配送物マーカー１６２までの距離を計算することができる。また、カメラ１０６で取得された画像中の配送物マーカー１６２の画像部分の位置を特定することにより、配送物マーカー１６２の方向を特定することもできる。配送物マーカーパターン１２０ｄ４は、典型的には、主演算回路１２０ｃに読み出されて画像処理ユニット１２４に送られ、画像処理ユニット１２４で画像認識のために使用される。
無人航空機の機能構成
図４は、無人航空機１００に含まれる情報処理ユニット１２０の機能的な構成を示す機能ブロック図である。図４は、無人航空機１００の制御部においてソフトウェアで実施される機能モジュールの構成を示す。情報処理ユニット１２０は、機能の観点からは、飛行制御モジュール１２０ｍ１、飛行位置修正モジュール１２０ｍ２、テザー制御モジュール１２０ｍ３のようなモジュールが、飛行計画経路データ１２０ｄ１、目標位置データ１２０ｄ２、目標位置マーカーパターン１２０ｄ３、配送物マーカーパターン１２０ｄ４のようなデータにアクセス可能に接続されたものである。飛行制御モジュール１２０ｍ１は、飛行制御プログラム１２０ｐ１が、主演算回路１２０ｃによって、必要に応じ飛行計画経路データ１２０ｄ１を参照しながら実行されることによって機能するモジュールである。飛行位置修正モジュール１２０ｍ２は、飛行位置修正プログラム１２０ｐ２が、主演算回路１２０ｃによって、必要に応じ飛行計画経路データ１２０ｄ１、目標位置マーカーパターン１２０ｄ３を参照しながら実行されることによって機能するモジュールである。テザー制御モジュール１２０ｍ３は、テザー制御ログラム１２０ｐ３が、主演算回路１２０ｃによって、必要に応じ、目標位置マーカーパターン１２０ｄ３、配送物マーカーパターン１２０ｄ４を参照しながら実行されることによって機能するモジュールである。それぞれのモジュールの機能は、動作説明において説明する。
無人航空機１００の配送物配送処理
無人航空機１００の典型的な配送物配送処理は以下の通りである。無人航空機１００は、テザー１１２の着脱機構１１３で配送物１５０を保持した状態で出発位置を出発し、飛行計画経路に沿って自律飛行する。そして、無人航空機１００は、飛行計画経路上に存在する目標位置で停止して一定の対地高度でホバーリングし、テザー１１２を伸長させて配送物１５０を着脱機構１１３の解放位置まで降下させ、配送物１５０をそこで解放することによって、配送物１５０を目標位置に配送する。なお、配送物１５０を配送した後には、無人航空機１００は、テザー１１２を巻き取って収容し、その下垂部分の長さを短縮させると好適である。テザー伸縮機構１１１のウインチは、テザー１１２をその先端付近の着脱機構１１３まで巻き取った場合に押されて動作するプレススイッチを有しており、そのプレススイッチが動作するとテザー１１２の巻き取りを中止する。また、配送物１５０を配送した後には、無人航空機１００を所定の飛行計画経路に沿って出発位置に帰投させるように制御することもできる。以下、配送物配送処理の動作フローについて説明する。
図５は、無人航空機１００による配送物配送処理の動作フロー図である。飛行前の事前準備として、適切な飛行計画経路を作成し、飛行計画経路上に存在する一連の複数のウェイポイントの集合を飛行計画経路データ１２０ｄ１として無人航空機１００内に記憶させておく。飛行計画経路データ１２０ｄ１は、それぞれのウェイポイントにおける高度あるいは対地高度の情報を含むこともできる。また、配送物を配送すべき目標位置の座標データなどを目標位置データ１２０ｄ２として無人航空機１００内に記憶させておく。なお、目標位置をウェイポイントとして扱うこともできる。この場合、飛行計画経路データ１２０ｄ１は、目標位置であるウェイポイント、及び目標位置ではなく通過位置を表わすウェイポイントが混在したものとなる。飛行計画経路データ１２０ｄ１及び目標位置データ１２０ｄ２を無人航空機１００に記憶させる際には、それらを無線信号で無人航空機１００に送信し、アンテナ１０８及び通信回路１２１を経由して情報処理ユニット１２０に読み込ませると好適である。無人航空機１００が他の適当なインターフェイスを有している場合、そのインターフェイスを経由して無人航空機１００の情報処理ユニット１２０に読み込ませてもよい。
飛行前に事前準備が完了すると、飛行制御モジュール１２０ｍ１により飛行計画経路に沿った自律飛行制御機能が実行される。すなわち、飛行制御モジュール１２０ｍ１は、飛行計画経路データ１２０ｄ１を読み出し、それによって定められる飛行計画経路に沿って目標位置に飛行するように無人航空機１００を制御する（ステップＳ１０１）。具体的には、飛行計画経路データ１２０ｄ１で定められるウェイポイントをその順番に経由して飛行するように無人航空機１００の飛行方向及び高度を制御する。飛行計画経路データ１２０ｄ１は好適には目標となる飛行速度のデータを含んでおり、無人航空機１００は、その飛行速度で飛行計画経路に沿って飛行するように制御される。飛行制御モジュール１２０ｍ１は、飛行時に、ユーザからの手動の操作を受け付けて非自律飛行を実行させてもよい。この場合、飛行計画経路はガイド用として使用することになり、例えば、手動の操作が終了したときに無人航空機１００を飛行計画経路上に復帰させることなどができる。
飛行制御モジュール１２０ｍ１は、目標位置データ１２０ｄ２を読み出し、現在の飛行位置が目標位置の近傍に達したかどうかを判断する（ステップＳ１０２）。具体的には、飛行計画経路データ１２０ｄ１で定められるウェイポイントにおいて、通過後に目標位置に向かうべきウェイポイントに到達したとき、あるいはそのウェイポイントの近傍（所定の距離以内）に達したときに飛行位置が目標位置の近傍に達したと判断する。なお、目標位置がウェイポイントに含まれる場合は、当該ウェイポイントの近傍（所定の距離以内）に達した場合に、目標位置の近傍に達したと判断する。次に、現在の飛行位置が目標位置の近傍に達した場合、飛行位置修正モジュール１２０ｍ３が飛行位置修正処理を実行する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０２において現在の飛行位置が目標位置の近傍でない場合は、ステップＳ１０１に戻り、無人航空機１００を飛行計画経路データ１２０ｄ１に基づいて引き続き飛行させる。飛行位置修正処理は、カメラ１０６で取得された画像を画像処理ユニット１２４によって認識した画像認識結果に基づき、典型的にはＧＰＳ受信機である飛行位置センサ１０７から得られる飛行位置データに含まれる誤差（数ｍ程度）を減少させることによって、飛行位置データをより正確な値に修正する処理である。飛行位置データをより正確な値に修正することにより、無人航空機１００は目標位置の直上に正確に誘導されることになる。また、飛行位置データを修正せずに、カメラ１０６で取得された画像を画像処理ユニット１２４によって認識した画像認識結果のみに基づいて、無人航空機１００は目標位置の直上に正確に誘導することも可能である。その場合、目標位置の直上に正確に誘導されたときの飛行位置センサ１０７に基づく飛行位置データは、誤差分だけずれたままである。飛行位置修正処理の詳細な動作については、後述する。飛行位置修正処理により、無人航空機１００は目標位置の直上に誘導されて、そこでホバーリングすることとなる。次に、現在の飛行位置が目標位置に達した場合、配送物解放処理を実行させる（ステップＳ１０４）。配送物解放処理では、典型的には、テザー１１２が伸長させられて配送物１５０が解放高度まで下降させられた後に着脱機構１１３から解放され、目標位置に配送される。配送物解放処理では、テザー１１２の伸長に、無人航空機１００を下降させる処理を組み合わせることもできる。なお、飛行位置修正処理（ステップＳ１０３）は、配送物解放処理の実行が開始されても、引き続き実行されたままであると好適である。このようにすると、配送物解放処理の実行中にも無人航空機１００は目標位置の直上に留まることにより、目標位置に正確に配送物１５０を配送することが可能となる。配送物解放処理の詳細な動作については、後述する。また、好適には、飛行制御モジュール１２０ｍ１は、配送物解放処理が終了すると、飛行計画経路データ１２０ｄ１を読み出し、それによって定められる飛行計画経路に沿って出発位置に飛行するように無人航空機１００を制御する（ステップＳ１０５）。飛行計画経路データ１２０ｄ１は、出発位置から目標位置を経由して出発位置まで戻る一連の経路のデータであってもよい。また、飛行計画経路データ１２０ｄ１は、出発位置から目標位置までの片道の経路のデータであってもよく、この場合、無人航空機１００は、目標位置に達した後、往路を逆にたどって出発位置に戻る。
（飛行位置修正処理）飛行位置修正処理の詳細な処理を以下に説明する。図６は、無人航空機１００による飛行位置修正処理の動作フロー図である。飛行時に、カメラ１０６は下方、好適には直下方向を中心とする撮影範囲の映像を撮影する。画像処理ユニット１２４は、カメラ１０６で取得された画像を認識して画像認識結果を生成し、情報処理ユニット１２０はそれを取得する。また、ＧＰＳ受信機などの飛行位置センサ１０７は、飛行位置などの情報を取得し、それを情報処理ユニット１２０に送る。これによって、情報処理ユニット１２０内の各種のモジュールは画像認識結果や飛行位置データを使用することができる。画像処理ユニット１２４は、目標位置マーカーパターン１２０ｄ３を参照することにより、目標位置マーカー１６１の画像部分を特定することが可能である。まず、画像処理ユニット１２４は、カメラ１０６から画像データを取得する（ステップＳ１１１）。画像処理ユニット１２４は、取得した画像中に、目標位置マーカーパターン１２０ｄ３に対応する画像部分があるかを探して特定する（ステップＳ１１２）。当該画像部分の認識のためには、公知の画像認識技術を使用することができる。飛行位置修正モジュール１２０ｍ２は、画像認識結果に基づき、目標位置との方向及び距離を特定する（ステップＳ１１３）。具体的には、当該目標位置マーカー１６１の画像部分の大きさ及び目標位置マーカー１６１の大きさの情報に基づき無人航空機１００と目標位置マーカー１６１との距離を求め、取得した画像全体の中の当該画像部分の位置に基づいて目標位置マーカー１６１への方向を求める。例えば、カメラ１０６が直下を撮影範囲の中心としている場合、カメラ１０６から取得した画像全体の中で当該画像部分が中心にあれば、目標位置マーカー１６１はカメラ１０６の直下にあることになる。また、現実の目標位置マーカー１６１の大きさが分かっているため、それの外観を、所定の焦点距離のレンズを有し、所定のサイズ及び解像度の撮像素子を有するカメラ１０６により画像データに変換した場合の、目標位置マーカー１６１の画像中の大きさ（あるいは、撮像素子上での像の大きさ）と、目標位置マーカー１６１とカメラ１０６の距離との間の関係を求めることができる。この関係を使用することにより、目標位置マーカー１６１に対応する画像部分の画像中での大きさを特定すれば、目標位置マーカー１６１とカメラ１０６の間の距離を求めることができる。なお、レンズの特性によっては、目標位置マーカー１６１に対応する画像部分の画像中での位置も関係する場合もあるので、その場合には、画像中での位置も考慮することによって、より正確に目標位置マーカー１６１とカメラ１０６の間の距離を求めることができる。
上述の処理により、まず、目標位置マーカー１６１と無人航空機１００との間の三次元的な相対位置を特定する。ここで、カメラ１０６と、無人航空機１００の中心部及び／又はテザー１１２が無人航空機１００から下垂する場所とが、ある方向、ある距離だけずれている場合は、そのずれを考慮して、目標位置マーカー１６１と無人航空機１００との間の三次元的な相対位置を特定すると好適である。そして、目標位置に対して目標位置マーカー１６１は所定の相対位置関係に配置されているので、特定した目標位置マーカー１６１の位置をその相対位置関係だけオフセットさせることにより、無人航空機１００と目標位置との間の相対位置が特定される。なお、高機能な画像処理ユニット１２４の場合、画像処理ユニット１２４がステップＳ１１３の動作の少なくとも一部を実行することも可能である。
次に、飛行位置修正モジュール１２０ｍ２は、無人航空機１００を目標位置の直上に正確に誘導する（ステップＳ１１４）。具体的には、飛行位置修正モジュール１２０ｍ２は、特定した目標位置の直上に無人航空機１００が向かうように、飛行制御モジュール１２０ｍ１に指示を出す。この指示は、飛行位置センサ１０７によって得られた飛行位置データを、目標位置マーカー１６１の画像を使用することによって得られた無人航空機１００と目標位置との相対位置を使用してより正確な値に修正することによって、なすことができる。すなわち、無人航空機１００は目標位置の直上に誘導されているところ、飛行位置データが正確な値に補正されると、無人航空機１００は、正確に目標位置の直上に誘導されることになるからである。
また、飛行位置データを修正せずに、無人航空機１００は目標位置の直上に正確に誘導することも可能である。これは、無人航空機１００と目標位置との相対位置の水平方向のずれを打ち消す位置に移動するように、飛行位置修正モジュール１２０ｍ２が飛行制御モジュール１２０ｍ１に指示を出すことによって、なすことができる。具体的には、飛行位置修正モジュール１２０ｍ２は、ずれの方向の逆方向に対して、ずれの距離だけ移動する指示を飛行制御モジュール１２０ｍ１に出す。この場合、目標位置の直上に正確に誘導されたときの飛行位置センサ１０７に基づく飛行位置データは、誤差分だけずれたままである。
飛行制御モジュール１２０ｍ１は、正確に特定された目標位置の直上まで無人航空機１００が移動するようにロータ１０３の個々の回転数を制御し、無人航空機１００を進行方向に傾斜させて、その方向に移動させる。なお、飛行位置修正モジュール１２０ｍ２は、無人航空機１００が目標位置の直上に来た後も、目標位置とのずれを検知し、無人航空機１００が目標位置の直上の留まり続けるように、飛行制御モジュール１２０ｍ１に指示を出し続けると好適である。また、飛行位置修正モジュール１２０ｍ２は、飛行計画経路に設定された高度又は対地高度を保持するように、飛行制御モジュール１２０ｍ１に指示を出す。これにより、無人航空機１００は目標位置の直上で、飛行計画経路に沿った移動時と同じ高度又は対地高度でホバーリングすることとなる。代替的に、飛行位置修正モジュール１２０ｍ２は、無人航空機１００が目標位置の直上に来た時に、飛行計画経路に沿った移動時とは異なる高度又は対地高度になるように飛行位置修正モジュール１２０ｍ２に指示を出してもよい。好適には、飛行計画経路に沿った移動時より低い高度又は対地高度でホバーリングするように制御する。このようにすると、テザー１１２を伸長すべき長さを短くすることが出来るため、配送物１５０をより早く、正確に目標位置に下降させて解放することが可能となる。
（配送物解放処理）配送物解放処理の詳細な処理を以下に説明する。配送物解放処理について、（１）着脱機構１１３が配送物１５０の接地により自動解放する自動解放型、（２）情報処理ユニット１２０が配送物１５０の接地を検出して着脱機構１１３を解放する接地検出型、（３）情報処理ユニット１２０が配送物１５０の解放高度に来たことを検出して着脱機構１１３を解放する高度検出型、の３種類の実施形態を説明する。なお、配送物１５０が接地又は解放位置で着脱機構１１３から解放される限り、これらの実施形態を組み合わせることも可能である。
（配送物解放処理（自動解放型））
この実施形態においては、着脱機構１１３は前述の自動解放機構を有しており、配送物１５０が接地すると自動的に解放される。図７は、無人航空機１００による配送物解放処理（自動解放型）の動作フロー図である。無人航空機１００が目標位置に到達してホバーリングを開始すると、テザー制御モジュール１２０ｍ３が、テザー伸縮機構１１１に指示を出してテザー１１２を伸長させる（ステップＳ１２１）。具体的には、テザー伸縮機構１１１のウインチをモータなどの動力で回転させ、テザー１１２を繰り出して、配送物１５０を下降させる。なお、無人航空機１００をある程度下降させた後にテザー１１２を伸長させたり、テザー１１２をある程度伸長させた後に無人航空機１００を下降させたり、無人航空機１００を下降させながらテザー１１２を伸長させたり、無人航空機１００のみを下降させることによっても配送物１５０を下降させることも可能である。次に、テザー制御モジュール１２０ｍ３は、飛行制御モジュール１２０ｍ１が一定高度にホバーリング（下降中であれば、一定速度で下降）するための揚力を所定の減少量だけ減少させたかどうかを判断する（ステップＳ１２２）。これにより、配送物１５０が接地して自動解放機構が動作したかどうかが検出できる。テザー制御モジュール１２０ｍ３には、配送物１５０の重量に基づいた揚力の所定の減少量を記憶させておくと好適である。所定の減少量とは配送物１５０の重量に対応する揚力の大きさであり、揚力の減少する絶対値で表わすこともできるが、揚力の減少する割合で表わした方が好ましい。揚力は、ロータ１０３の回転数、そしてモータ１０２へ供給する動作電圧に関係するが、動作電圧の増減の割合を制御することによって、揚力の増減の割合もほぼ同様に制御できるからである。配送物１５０を搭載した無人航空機１００の全体の重量に対する配送物１５０の重量の割合が大きいほど、揚力の減少する割合は大きい。ロータ１０３に接続されたモータ１０２へ供給する動作電圧を規定する制御信号生成部１２２への指示信号が、その揚力の所定の減少量に対応する程度の電圧の減少を指示したことを検出することにより、その揚力の所定の減少量を検出する。すなわち、配送物１５０が接地して自動解放機構が動作すると、配送物１５０の重量だけ無人航空機１００の重量が減少し、無人航空機１００が上昇しようとする。そのような挙動を検知した飛行制御モジュール１２０ｍ１はロータ１０３の回転数を減少させて揚力を減少させる制御をすることにより、一定の高度を保とうとする。テザー制御モジュール１２０ｍ３は、そのような飛行制御モジュール１２０ｍ１による揚力を所定の減少量だけ減少させる制御を検出することにより、配送物１５０が接地して自動解放機構が動作したことを検出することができる。なお、自動解放機構が動作した直後の、無人航空機１００が上昇しようとする上向きの加速度を検出することによっても、配送物１５０が接地して自動解放機構が動作したことを検出することができる。この加速度も配送物１５０の重量に対応する値である。テザー制御モジュール１２０ｍ３は、揚力が所定の大きさだけ減少させられたと判断すると、配送物１５０が接地したことにより自動解放機構が動作して配送物１５０が解放されたと判断して、テザー１１２の伸長を停止させる。無人航空機１００を下降させていた場合は、下降を停止させる。これにより、配送物１５０が目標位置に配送されたことになり、配送物解放処理が完了する。なお、テザー制御モジュール１２０ｍ３は、配送物１５０が着脱機構１１３から解放された後に、テザー伸縮機構１１１のウインチをモータなどの動力で逆方向に回転させ、テザー１１２をその先端付近の着脱機構１１３まで巻き取らせてもよい。テザー制御モジュール１２０ｍ３は、揚力が減少させられていないと判断すると、ステップＳ１２１に戻り、テザー１１２の伸長を継続させる。
なお、この実施形態では、配送物１５０が接地して自動解放機構が動作したことを揚力の変化で検知しているが、他の方法でそれを検知することも可能である。例えば、着脱機構１１３に自動解放機構に連動したスイッチを取り付けておき、自動解放機構が動作したことを電気信号で検知できるにしてもよい。また、着脱機構１１３に自動解放機構が動作したときに視覚的に大きな変化が起きるような構造（目立つ色のフラップなど）を取り付けておき、それをカメラ１０６から取得した画像データを画像処理ユニット１２４で画像認識することによって、自動解放機構が動作したことを検知できるようにしてもよい。
（配送物解放処理（接地検出型））
この実施形態においては、着脱機構１１３はソレノイドなどで駆動されるロック機構を有しており、配送物１５０が接地したことが検出されると、指示により解放される。図８は、無人航空機１００による配送物解放処理（接地検出型）の動作フロー図である。無人航空機１００が目標位置に到達してホバーリングを開始すると、テザー制御モジュール１２０ｍ３が、テザー伸縮機構１１１に指示を出してテザー１１２を伸長させる（ステップＳ１３１）。具体的には、テザー伸縮機構１１１のウインチをモータなどの動力で回転させ、テザー１１２を繰り出して、配送物１５０を下降させる。なお、無人航空機１００をある程度下降させた後にテザー１１２を伸長させたり、テザー１１２をある程度伸長させた後に無人航空機１００を下降させたり、無人航空機１００を下降させながらテザー１１２を伸長させたり、無人航空機１００のみを下降させることによっても配送物１５０を下降させることも可能である。次に、テザー制御モジュール１２０ｍ３は、飛行制御モジュール１２０ｍ１が一定高度にホバーリング（下降中であれば、一定速度で下降）するための揚力を所定の減少量だけ減少させたかどうかを判断する（ステップＳ１３２）。この判断は、前述のステップＳ１２２と同じ処理で実行することが可能である。テザー制御モジュール１２０ｍ３は、揚力が所定の大きさだけ減少させられたと判断すると、配送物１５０が接地したと判断して、テザー１１２の伸長を停止させるとともに、着脱機構１１３のロック機構を解放する指示を出す（ステップＳ１３３）。無人航空機１００を下降させていた場合は、下降を停止させる。これにより、配送物１５０が接地した後に着脱機構１１３から解放され、配送物１５０が目標位置に配送されたことになり、配送物解放処理が完了する。なお、テザー制御モジュール１２０ｍ３は、配送物１５０が着脱機構１１３から解放された後に、テザー伸縮機構１１１のウインチをモータなどの動力で逆方向に回転させ、テザー１１２をその先端付近の着脱機構１１３まで巻き取らせてもよい。テザー制御モジュール１２０ｍ３は、揚力が減少させられていないと判断すると、ステップＳ１３１に戻り、テザー１１２の伸長を継続させる。
（配送物解放処理（高度検出型））
この実施形態においては、配送物１５０の高度を検出しており、配送物１５０が所定の解放高度に達したときに、ソレノイドなどで駆動されるロック機構を有している着脱機構１１３が指示により解放される。図９は、無人航空機１００による配送物解放処理（高度検出型）の動作フロー図である。解放高度は、例えば目標位置の数十ｃｍ上方などの位置とすることができるが、解放高度をゼロとすることにより、配送物１５０が接地したときに着脱機構１１３を解放するようにすることもできる。無人航空機１００が目標位置に到達してホバーリングを開始すると、テザー制御モジュール１２０ｍ３は、直下方向を中心とする撮影範囲を有するカメラ１０６から画像データを取得する（ステップＳ１４１）。画像処理ユニット１２４は、配送物マーカーパターン１２０ｄ４を参照することにより、配送物マーカー１６２の画像部分を特定することが可能である。画像処理ユニット１２４は、取得した画像中に、配送物マーカーパターン１２０ｄ４に対応する画像部分があるかを探して特定する（ステップＳ１４２）。当該画像部分の認識のためには、公知の画像認識技術を使用することができる。テザー制御モジュール１２０ｍ３は、画像認識結果に基づき配送物１５０との距離を特定する（ステップＳ１４３）。具体的には、当該画像部分の大きさ及び配送物マーカー１６２の大きさの情報に基づき無人航空機１００と配送物マーカー１６２との距離を求める。この処理は、前述のステップＳ１１３と同様の処理によって実行することが可能である。これにより、無人航空機１００の下面から配送物１５０が無人航空機１００の下方にテザー１１２によって吊り下げられた箇所までの距離である吊り下げ長を特定することができる。そして、無人航空機１００の対地高度から吊り下げ長を減算することにより、配送物１５０の地面からの高度を特定することができる。配送物１５０の接地を検出する場合は、配送物１５０の地面からの高度がゼロとなったことを検出すればよい。なお、正確には、配送物１５０の全高を考慮し、吊り下げ長に配送物１５０の全高を加えた値を対地高度から減算することにより、配送物１５０の下面の地面からの高度を、配送物１５０の地面からの高度として使用することができる。また、配送物１５０の接地は、配送物マーカー１６２がそれ以上、下降しなくなったことを検出することによっても検出することができる。なお、無人航空機１００の対地高度は、飛行位置修正モジュール１２０ｍ２がカメラ１０６で取得された目標位置マーカー１６１の画像部分の画像処理ユニット１２４による認識結果に基づきを精密に求めることも可能である。
図１０から１２は、無人航空機１００による配送物解放処理（高度検出型）におけるテザー伸長時に目標位置の上方に吊り下げられた状態で下降させられている配送物のカメラ１０６から撮影したイメージである。それらの図は、画像処理ユニット１２４から画像認識結果を重畳して出力された画像イメージであり、特定のパターンとして認識された画像部分にそれを囲む四角形が追加され、また、特定の物体の中心部と判断された位置に＋を○で囲んだマークが追加されている。図１０から１２においては、目標位置を中心として目標位置マーカー１６１を構成する複数の二次元コードがその目標位置の周りに配置されており、その中心からやや近傍に、配送物マーカー１６２が上面に付された配送物１５０が吊り下げられていることが示されている。図１０などに示された目標位置マーカー１６１は、目標位置の周りを覆うように複数の二次元コードを配置したパターンであるが、目標位置の特定の相対位置に１個から数個の二次元コードを配置したパターンを使用することも可能である。図１０などに示された配送物マーカー１６２は、２個の二次元コードを並べて配置したパターンであるが、１個あるいは３個以上の二次元コードを配置したパターンを使用することも可能である。図１０では、配送物１５０は目標位置よりやや高い高度にあり、また、配送物１５０は目標位置より図で上側にずれた位置にある。図１１では、図１０の場合より配送物１５０が低い高度にあり、また、配送物１５０の目標位置からのずれも小さくなっている。図１２では、図１１の場合より配送物１５０がさらに低い高度にあり、また、配送物１５０の目標位置からのずれもほぼ消失している。この後、配送物１５０は接地して解放されることになる。
テザー制御モジュール１２０ｍ３が、テザー伸縮機構１１１に指示を出してテザー１１２を伸長させる（ステップＳ１４４）。具体的には、テザー伸縮機構１１１のウインチをモータなどの動力で回転させ、テザー１１２を繰り出して、配送物１５０を下降させる。なお、無人航空機１００をある程度下降させた後にテザー１１２を伸長させたり、テザー１１２をある程度伸長させた後に無人航空機１００を下降させたり、無人航空機１００を下降させながらテザー１１２を伸長させたり、無人航空機１００のみを下降させることによっても配送物１５０を下降させることも可能である。テザー制御モジュール１２０ｍ３は、配送物１５０の地面からの高度が解放高度以下になったかを判断する（ステップＳ１４５）。そして、テザー制御モジュール１２０ｍ３は、配送物１５０の地面からの高度が解放高度以下になったと判断すると、テザー１１２の伸長を停止させるとともに、着脱機構１１３のロック機構を解放する指示を出す（ステップＳ１４６）。無人航空機１００を下降させていた場合は、下降を停止させる。これにより、配送物１５０が目標位置の直上の解放高度で解放されて目標位置に配送されたことになり、配送物解放処理が完了する。なお、テザー制御モジュール１２０ｍ３は、配送物１５０が着脱機構１１３から解放された後に、テザー伸縮機構１１１のウインチをモータなどの動力で逆方向に回転させ、テザー１１２をその先端付近の着脱機構１１３まで巻き取らせてもよい。ステップＳ１４５においてテザー制御モジュール１２０ｍ３は、配送物１５０の地面からの高度が解放高度以下になっていないと判断すると、ステップＳ１４１に戻り、テザー１１２の伸長を継続させつつ、カメラ１０６から取得した画像に基づいて、配送物１５０が解放高度まで下降させられたかどうかを確認するステップを継続する。
本発明に係る無人航空機の実施形態について説明してきたが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、これに種々の変更を加えることができる。上記の実施形態は、配送物１５０を目標位置に配送する場合のものであったが、これは一例であり、本発明がこの特定の具体例に限定されることを意図するものではない。
本発明の無人航空機は、物流、観測などの種々の用途に利用することが可能である。
１００ 無人航空機
１０１ 制御ユニット
１０２ モータ
１０３ ロータ
１０４ アーム
１０５ 着陸脚
１０６ カメラ
１０７ 飛行位置センサ
１０８ アンテナ
１１１ テザー伸縮機構
１１２ テザー
１１３ 着脱機構
１２０ 情報処理ユニット
１２０ｃ 主演算回路
１２０ｄ１ 飛行計画経路データ
１２０ｄ２ 目標位置データ
１２０ｄ３ 目標位置マーカーパターン
１２０ｄ４ 配送物マーカーパターン
１２０ｍ１ 飛行制御モジュール
１２０ｍ２ 飛行位置修正モジュール
１２０ｍ３ テザー制御モジュール
１２０ｐ１ 飛行制御プログラム
１２０ｐ２ 飛行位置修正プログラム
１２０ｐ３ テザー制御プログラム
１２１ 通信回路
１２２ 制御信号生成部
１２３ スピードコントローラ
１２４ 画像処理ユニット
１２５ インターフェイス
１５０ 配送物
１５１ フックレセプタクル
１６１ 目標位置マーカー
１６２ 配送物マーカー

Claims (15)

  1. 所定の機能を有する特定機構が所定の箇所に取り付けられたコードを有する無人航空機であって、
    前記無人航空機の飛行位置を検知する位置センサと、
    前記無人航空機の下方の画像を取得するカメラと、
    前記特定機構を動作させる場所である目標位置の座標情報と、前記目標位置を識別し前記目標位置に対して所定の相対位置関係に配置される目標位置マーカーの外観を表わす目標位置マーカーパターンと、を記憶するメモリと、
    前記位置センサによって検知された前記飛行位置に基づいて、出発位置から前記目標位置に向かって前記無人航空機を飛行させる自動飛行制御部と、
    前記目標位置マーカーパターンを参照し、前記カメラで取得された前記画像の中から前記目標位置マーカーに対応する画像部分を検出し、前記検出された前記目標位置マーカーの画像部分に基づいて前記無人航空機と前記目標位置マーカーとの相対位置を求め、前記相対位置に基づき前記自動飛行制御部に前記無人航空機を前記目標位置の直上に誘導させる飛行位置修正部と、
    を含むことを特徴とする無人航空機。
  2. 前記コードは伸縮機構を有するテザーであり、
    前記伸縮機構を制御することにより前記テザーの長さを調節するテザー制御部をさらに有する、
    請求項１に記載の無人航空機。
  3. 前記テザー制御部は、前記無人航空機の位置が前記目標位置の直上になったときに、前記特定機構に特定の動作をさせる動作位置まで前記テザーを伸長させる、請求項２に記載の無人航空機。
  4. 前記テザー制御部は、前記カメラで取得された前記画像に基づいて前記テザーを前記動作位置まで伸長させる、請求項３に記載の無人航空機。
  5. 前記特定機構は、配送物を保持する機能を有する着脱機構であり、
    前記動作位置は、前記配送物を前記着脱機構から解放する解放高度であり、
    前記着脱機構は、前記特定の動作により前記配送物を解放するものであり、
    前記目標位置は、前記配送物の配送先の位置である、
    請求項３に記載の無人航空機。
  6. 前記配送物には、その上面に前記配送物を識別する配送物マーカーが付されており、
    前記メモリは、前記配送物マーカーの外観を表わす配送物マーカーパターンをさらに記憶しており、
    前記飛行位置修正部は、前記テザー制御部が前記テザーを伸長させている間に、前記配送物マーカーパターンを参照し、前記カメラで取得した画像に含まれる前記配送物マーカーの画像部分に基づいて前記目標位置に前記配送物が下降させられるように前記自動飛行制御部に前記無人航空機を誘導させる、請求項５に記載の無人航空機。
  7. 前記配送物マーカーは、コードパターンであり、
    前記飛行位置修正部は、前記カメラで取得された前記画像の中の前記配送物マーカーの画像部分の位置及び大きさに基づいて、前記配送物の三次元的な位置を特定する、
    請求項６に記載の無人航空機。
  8. 前記解放高度は、前記配送物が接地する対地高度であり、
    前記着脱機構は、前記配送物が接地すると、保持していた前記配送物を解放する自動解放機構を含む、
    請求項５に記載の無人航空機。
  9. 前記テザー制御部は、前記無人航空機を一定の対地高度に保つための揚力の減少を感知することにより、前記配送物が前記着脱機構から解放されたと判断する、
    請求項８に記載の無人航空機。
  10. 前記解放高度は、前記配送物が接地する対地高度であり、
    前記テザー制御部は、前記配送物が接地したことを感知すると前記着脱機構を解放させるものである、
    請求項５に記載の無人航空機。
  11. 前記テザー制御部は、前記配送物が接地したことを、前記無人航空機を一定の対地高度に保つための揚力の減少により感知する、
    請求項１０に記載の無人航空機。
  12. 前記テザー制御部は、前記カメラで取得した画像に含まれる前記配送物マーカーの画像部分の大きさに基づいて、前記無人航空機と前記配送物マーカーとの間の距離を検知する、
    請求項６に記載の無人航空機。
  13. 前記テザー制御部は、検知された前記無人航空機と前記配送物マーカーとの間の距離、及び前記無人航空機の対地高度に基づき、前記配送物が前記解放高度まで下降させられたときに前記着脱機構を解放させるものである、
    請求項１２に記載の無人航空機。
  14. 前記解放高度は、前記配送物が接地する対地高度である、
    請求項１３に記載の無人航空機。
  15. 前記目標位置マーカーは、二次元コードパターンであり、
    前記飛行位置修正部は、前記カメラで取得された前記画像の中の前記目標位置マーカーの画像部分の位置及び大きさに基づいて、前記目標位置との間の三次元的な相対位置を特定する、
    請求項１に記載の無人航空機。
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