WO2017203552A1 - 無人航空機 - Google Patents

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Definitions

  • the battery 14 is a battery for supplying electric power necessary for driving the control unit 15 and the rotor motor 12.
  • the battery 14 may be detachable and may be charged.
  • the tilt direction and tilt angle of the unmanned aircraft 1 can be detected from the gyro sensor, the acceleration sensor, and the angular velocity sensor. Further, it is possible to detect in real time the wind direction and wind speed of the wind blown on the spot when the unmanned aircraft 1 is flying from the anemometer. It becomes possible to detect the flight altitude of the unmanned aircraft 1 in real time from the altimeter.
  • the flight control sensor group 55 transmits each detected data to the control unit 57.
  • the unmanned aerial vehicle 1 accepts input of map information.
  • FIG. 3A shows an example of map information that has received an input.
  • map information there are forests, mountains, seas, etc., where there is almost no traffic, and there are areas where people actually travel, such as roads and private houses.
  • This map information is basically acquired as electronic data.
  • the CPU 111 performs control for causing the unmanned aircraft 1 to fly based on this flight path to the PWM controller 113.
  • the PWM controller 113 controls the rotational speed, rotational speed, rotational direction, and the like of the rotor motor 12 via the ESC 54 under the control of the CPU 111 to fly on the flight path shown in FIG.

Abstract

飛行中の故障等に伴う墜落による被害を極力低く抑えることが可能な無人航空機を提供するために、落下回避領域を含む地図情報上において飛行経路を設定し、設定した飛行経路上を飛行するように制御し、飛行経路の飛行時における各位置情報を地図情報との関係においてリアルタイムで取得することで、落下回避領域に接近しているか否かを判別し、落下回避領域に接近していることが判別された場合には、飛行速度を上昇させるように制御する。

Description

無人航空機
　本発明は、小型でかつ無人飛行が可能なドローン（マルチコプター）や無人ヘリコプター等からなる無人航空機において、特にこれが墜落することによる被害を抑えることが可能な無人航空機に関するものである。
　近年において、小型でかつ無人飛行が可能なドローン（マルチコプター）や無人ヘリコプター等からなる無人航空機が普及しつつある。この無人航空機は、測量、災害救助、自然環境の研究、スポーツの中継、配達、農薬散布等を始め、各種産業において活用されつつある。この無人航空機の技術が今後とも進展するにつれて、更にその使用用途の拡大が期待される。
　ところで、無人航空機の普及は、その安全性が十分に確保されてこそ実現することができるものといえる。無人航空機の安全面で最も考慮すべき点は、飛行中の故障等に伴う墜落である。この墜落時には無人航空機はほぼ制御不能になっている場合が多いため、墜落を開始した機体については、その落下を食い止めるのは困難である。特に墜落時に落下した箇所が、仮に民家や道路、線路等である場合には、甚大な被害が及ぶ場合もある。このため飛行中の故障等に伴い、制御不能状態で墜落してしまう場合において、その被害を極力軽減することができる技術が望まれていた。
　従来において、この無人航空機の墜落を防止する技術が提案されている（例えば特許文献１参照。）。この特許文献１の開示技術によれば、予期せぬ時に機体を操縦する送信機が切り替えられ、かつ、オペレータが切り替えたことに気付かない場合であっても、自動操縦手段を働かせることで機体の墜落を防止するものである。
特開２００４－３５９０７１号公報
　ところで上述した特許文献１の開示技術は、無人航空機において故障が発生していなく、制御可能な状態である場合を前提としている。このため、仮に無人航空機自体が故障してしまい、自動操縦が不可能な状態に陥った場合において、墜落の被害を軽減させるための特段の技術は開示されていない。
　そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、飛行中の故障等に伴う墜落による被害を極力低く抑えることが可能な無人航空機を提供することにある。
　本発明者らは上述した課題を解決するために、落下回避領域に接近していることを判別した場合には、飛行速度を上昇させるように制御することで、仮に故障により墜落する場合において落下回避領域よりも先に落下させることで、落下回避領域への落下を極力回避可能な無人航空機を発明した。
　第１発明に係る無人航空機は、落下回避領域を含む地図情報上において飛行経路を設定する飛行経路設定手段と、上記飛行経路設定手段により設定された飛行経路上を飛行するように制御する飛行制御手段と、上記飛行経路の飛行時における各位置情報を上記地図情報との関係においてリアルタイムで取得することで、上記落下回避領域に接近しているか否かを判別する位置情報取得手段とを備え、上記飛行制御手段は、上記位置情報取得手段により上記落下回避領域に接近していることが判別された場合には、飛行速度を上昇させるように制御し、その飛行速度を上昇させるための加速開始位置並びに加速度は、上記位置情報取得手段により取得された各位置情報と上記落下回避領域との位置関係、飛行高度並びに飛行速度に基づいて決定することを特徴とする。
　第２発明に係る無人航空機は、落下回避領域を含む地図情報上において飛行経路を設定する飛行経路設定手段と、上記飛行経路設定手段により設定された飛行経路上を飛行するように制御する飛行制御手段と、上記飛行経路の飛行時における各位置情報を上記地図情報との関係においてリアルタイムで取得することで、上記落下回避領域に接近しているか否かを判別する位置情報取得手段とを備え、上記飛行制御手段は、上記位置情報取得手段により上記落下回避領域に接近していることが判別された場合には、飛行速度を上昇させるように制御し、上記飛行経路の飛行時における飛行高度を検出する飛行高度検出手段と、上記飛行制御手段により上昇させた飛行速度を検出する飛行速度検出手段とを更に備え、上記飛行制御手段は、上記飛行高度検出手段により検出された飛行高度に基づいて落下時間を算出し、算出した落下時間と上記上昇させた飛行速度とから求められる推定落下位置が上記落下回避領域の終端上に位置する臨界飛行終点を特定し、少なくともこの特定した臨界飛行終点を超える位置まで上記上昇させた飛行速度以上で飛行することを特徴とする。
　第３発明に係る無人航空機は、第２発明において、上記飛行制御手段は、上記飛行高度検出手段により検出された飛行高度に基づいて落下時間を算出し、算出した落下時間と上記上昇させた飛行速度とから求められる推定落下位置が上記落下回避領域の終端上に位置する臨界飛行終点を特定し、上記臨界飛行終点に基づいて飛行速度の減速を開始する減速点を決定することを特徴とする。
　第４発明に係る無人航空機は、落下回避領域を含む地図情報上において飛行経路を設定する飛行経路設定手段と、上記飛行経路設定手段により設定された飛行経路上を飛行するように制御する飛行制御手段と、上記飛行経路の飛行時における各位置情報を上記地図情報との関係においてリアルタイムで取得することで、上記落下回避領域に接近しているか否かを判別する位置情報取得手段とを備え、上記飛行制御手段は、上記位置情報取得手段により上記落下回避領域に接近していることが判別された場合には、飛行速度を上昇させるように制御し、上記飛行経路の飛行時における飛行高度を検出する飛行高度検出手段と、上記飛行制御手段により上昇させた飛行速度を検出する飛行速度検出手段とを更に備え、上記飛行制御手段は、上記飛行高度検出手段により検出された飛行高度に基づいて落下時間を算出し、算出した落下時間と上記上昇させた飛行速度とから求められる推定落下位置が上記落下回避領域の始端上に位置する臨界飛行始点を特定し、上記位置情報取得手段により取得された現在位置が上記臨界飛行始点よりも前側である場合には減速させ、上記現在位置が上記臨界飛行始点よりも後側である場合には、加速させるように制御することを特徴とする。
　第５発明に係る無人航空機は、落下回避領域を含む地図情報上において飛行経路を設定する飛行経路設定手段と、上記飛行経路設定手段により設定された飛行経路上を飛行するように制御する飛行制御手段と、上記飛行経路の飛行時における各位置情報を上記地図情報との関係においてリアルタイムで取得することで、上記落下回避領域に接近しているか否かを判別する位置情報取得手段とを備え、上記飛行制御手段は、上記位置情報取得手段により上記落下回避領域に接近していることが判別された場合には、飛行速度を上昇させるように制御し、上記飛行経路の飛行時における飛行高度を検出する飛行高度検出手段と、上記飛行制御手段により上昇させた飛行速度を検出する飛行速度検出手段とを更に備え、上記飛行制御手段は、上記飛行高度検出手段により検出された飛行高度に基づいて落下時間を算出し、算出した落下時間と上記上昇させた飛行速度とから求められる推定落下位置が上記落下回避領域の始端上に位置する臨界飛行始点を特定し、上記位置情報取得手段により取得された現在位置が上記臨界飛行始点よりも前側である場合には飛行高度を下降させ、上記現在位置が上記臨界飛行始点よりも後側である場合には、飛行高度を上昇させることを特徴とする。
　第６発明に係る無人航空機は、第３発明において、上記飛行制御手段は、上記飛行速度を上昇させる前の飛行速度よりも低速度まで減速させることを特徴とする。
　上述した構成からなる本発明によれば、落下回避領域に接近していることを判別した場合には、飛行速度を上昇させるように制御する。これにより、仮に飛行中の無人航空機が急な故障により制御不能に陥り、墜落する場合においても落下回避領域に落下することを極力回避することが可能となる。
本発明を適用した無人航空機並びにこれを操縦するための操縦端末の外観構成を示す図である。 制御ユニットの詳細なブロック構成を示す図である。 （ａ）は、入力を受け付けた地図情報の例を示す図であり、（ｂ）は、地図情報から判別した落下回避領域を示す図である。 無人航空機における飛行経路の各地点並びに落下回避領域の関係を示す平面図である。 飛行経路上の各地点における飛行速度と落下軌道の関係を示す図である。 （ａ）は無人航空機が一律速度ｖ1で飛行する場合の例を示す図であり、（ｂ）は、飛行速度を上昇させる制御を行う場合の例である。 飛行経路上の各地点における飛行速度の他の例について説明するための図である。 無人航空機の現在位置が臨界飛行始点Ａ1よりも手前側であるか否かに基づいて加速又は減速させる例について説明するための図である。 速度ｖ2から速度ｖ1まで減速させた後、更に速度をｖ1よりも低いｖ0まで減速させる例について示す図である。
　以下、本発明を適用した無人航空機を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明をする。
　図１は、本発明を適用した無人航空機１並びにこれを操縦するための操縦端末２の外観構成を示している。
　無人航空機１は、いわゆる小型でかつ無人飛行が可能な航空機であり、代表的なものとしてはドローン（マルチコプター）であるが、これに限定されるものでは無く、無人ヘリコプター等で具現化されるものであってもよい。であり、ローター１１と、ローター１１を駆動するローター用モーター１２と、先端にローター用モーター１２が取り付けられたモーターステイ１３と、モーターステイ１３の根本に取り付けられた据付器具２０と、据付器具２０を上下から挟持する第１中央プレート１６及び第２中央プレート１７と、この第２中央プレート１７上に設けられた制御ユニット１５と、第２中央プレート１７に対して上側に離間させて平行に設けられた第３中央プレート１８と、この第３中央プレート１８上に設けられたバッテリー１４とを備えている。
　またこの無人航空機１は、第１中央プレート１６から下方に向けて延長する複数本の脚部２６と、この脚部２６の下端にそれぞれ設けられた２本のスキッド２８と、この２本のスキッド２８に架設されている載置用アーム２７とを備えている。
　ローター１１は、ローター用モーター１２の回転に基づき回転するとともに、無人航空機１に対して浮力を与えることができるものである。本実施の形態においては、４基のローター１１を有するクアッドコプターを例にとり説明をするが、これに限定されるものではなく、要求される飛行性能や、故障に対する信頼性、許容されるコスト等に応じて、ローター１１を１基で構成したヘリコプター、ローター１１を３基で構成したトリコプター、ローター１１を６基で構成したヘキサコプター、ローター１１を８基で構成したオクトコプターとして具現化されるものであってもよい。
　ローター用モーター１２は、ローター１１それぞれに対して設けられており、バッテリー１４からモーターステイ１３を介して供給されてくる電力に基づいて回転動作可能とされている。ローター用モーター１２は、上記の機能を有する限りにおいて限定されず、いかなる市販のものを適用することができる。ローター用モーター１２を回転させることによりローター１１を回転させることができ、無人航空機１を即座に垂直方向に向けて上昇させ又は下降させることができ、或いはその場で静止させることも可能となる。また、無人航空機１を前後左右に移動させる場合は、進行方向のローター用モーター１２の回転数を下げ、進行方向とは反対側のローター用モーター１２の回転数を上げる。これにより、無人航空機１は進行方向に対して前かがみの姿勢となり、進行方向に移動することが可能となる。また、ローター用モーター１２の回転方向による出力の調整を行うことで、無人航空機１自体を回転させることも可能となる。これらローター用モーター１２の回転数の制御は、制御ユニット１５を介して行われる。
　モーターステイ１３は、第１中央プレート１６及び第２中央プレート１７から互いに異なる方向に向けて延長されている。特に４基のローター１１を有するクアッドコプターで構成する場合、これらをそれぞれ支持するモーターステイ１３は、平面視で互いに約９０°間隔となるように延長されている。このモーターステイ１３は、例えば金属製又は樹脂製、カーボン製、又はその他の材料からなる管体で構成されていてもよい。かかる場合には、このモーターステイ１３の管体内にバッテリー１４からの電力供給のためのケーブルを挿通させることができる。
　第１中央プレート１６及び第２中央プレート１７は、互いに金属製又は樹脂製等の板状体で構成されている。この第１中央プレート１６及び第２中央プレート１７は、挟持させる据付器具２０を介して互いに略平行となるように設けられる。第１中央プレート１６には脚部２６を取り付ける上で必要な図示しないネジ孔等が予め設けられている。第２中央プレート１７についても同様に制御ユニット１５を取り付ける上で必要なネジ孔が予め設けられている。
　制御ユニット１５は、各種制御に必要な集積回路やデバイスを収容するための筐体で構成されている。この制御ユニット１５は、第２中央プレート１７上に設けられたネジ孔にネジを介して固定される。この制御ユニット１５のブロック構成の詳細は後述する。
　第３中央プレート１８は、金属製又は樹脂製等の板状体で構成されている。第３中央プレート１８は、第２中央プレート１７の表面に立設された長ネジ１８ａを介して固定されることで、当該第２中央プレート１７に対して離間させつつ平行となるように設けられる。
　バッテリー１４は、制御ユニット１５やローター用モーター１２を駆動させるために必要な電力を供給するための電池である。このバッテリー１４は、着脱自在に構成され、充電が可能な仕様とされていてもよい。
　脚部２６の下端に設けられているスキッド２８は、無人航空機１が地面に着陸した場合において接地させるために設けられている。
　次に制御ユニット１５の詳細な構成について説明をする。制御ユニット１５は、図２に示すようにフライトコントローラ５０を中心とし、これに対してそれぞれ接続されている無線通信部５１、電動ジンバル５２、カメラ５３、ＥＳＣ（Electronic Speed Controller）５４とを備えている。なお、この電動ジンバル５２、カメラ５３の構成は必須ではなく、省略するようにしてもよい。
　無線通信部５１は、操縦端末２との間で無線通信を行う上で必要な周波数変換やその他各種変換処理を行い、電気信号を電波に変換し、或いは電波を電気信号に変換するアンテナも含まれる。この無線通信部５１は、操縦端末２から送信されてきた電波に重畳されてきた操縦情報を電気信号に変換した上でフライトコントローラ５０へ出力する。その結果、操縦端末２からの操縦情報に基づいたフライトコントローラ５０の制御が実現されることとなる。またこの無線通信部５１は、フライトコントローラ５０から送られてきたデータを電波に変換して操縦端末２に送信する。なお、可能であれば、これらデータをインターネット網等を始めとした公衆通信網へ送信するようにしてもよい。なお、この無線通信部５１は、公衆通信網から各種情報を無線通信を通じて取得し、これをフライトコントローラ５０へ送信するようにしてもよい。
　フライトコントローラ５０は、制御部５７と、この制御部５７に接続されている飛行制御センサ群５５及びＧＮＳＳ（Global Navigation Satelite System）受信部５６とを備えている。
　制御部５７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１１と、このＣＰＵ１１１に対してそれぞれ接続されているメモリ１１２、ＰＷＭコントローラ１１３とを有している。
　メモリ１１２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ(Random Access Memory)として具現化される記憶手段である。ＲＯＭは、制御ユニット１５全体のハードウェア資源を制御するためのプログラムが格納されている。またＲＡＭは、データの蓄積や展開等に使用する作業領域として使用され、制御ユニット１５全体のハードウェア資源を制御するときの各種命令を一時的に記憶する。
　ＣＰＵ１１１は、全ての構成要素を制御するためのいわゆる中央演算ユニットである。このＣＰＵ１１１は、メモリ１１２に記憶されているプログラムを読み出して各種動作を行うための命令を各構成要素に対して通知する。例えばメモリ１１２に記憶されているプログラムが無人航空機１の飛行経路の決定方法や飛行方法に関するものであれば、これに基づいて飛行するための各種命令を静止して各構成要素に送信する。また、メモリ１１２に記憶されているプログラムが無人航空機１による薬液の散布方法に関するものであれば、これに基づいて薬液を散布するための各種命令を生成して各構成要素に送信する。
　またＣＰＵ１１１は、無線通信部５１から送られてきた操縦情報やその他の情報に基づいて各種命令を生成して各構成要素に送信する。またＣＰＵ１１１は、飛行制御センサ群５５から送られてきたデータやＧＮＳＳ受信部５６から送られてきた無人航空機１の現在位置情報に基づいて各構成要素を制御する。さらにＣＰＵ１１１は、電動ジンバル５２、カメラ５３をそれぞれ制御するとともに、ＰＷＭコントローラ１１３に対しても必要な命令を送信する。
　ＰＷＭコントローラ１１３は、ＣＰＵ１１１による制御の下、ＥＳＣ５４を介してローター用モーター１２の回転数、回転速度等を制御する。
　飛行制御センサ群５５は、少なくとも加速度センサ、角速度センサ、気圧センサ（高度センサ）、地磁気センサ（方位センサ）に加え、飛行高度を検出するための高度計、風速や風向を検出するための風向風速計、機体の傾斜角度や傾斜方向を検出するための加速度センサ、ジャイロセンサ等を始めとした各種センサで構成されている。ちなみに飛行制御センサ群５５は、これらのセンサが全て実装されている場合に限定されるものではない。例えば加速度センサ、角速度センサから無人航空機１の飛行速度を検知することができる。またジャイロセンサや加速度センサ、角速度センサから無人航空機１の傾き方向や傾き角度を検知することができる。また風向風速計から無人航空機１の飛行時においてその場において吹く風の風向、風速をリアルタイムに検知することが可能となる。高度計から無人航空機１の飛行高度をリアルタイムに検知することが可能となる。飛行制御センサ群５５は、検知した各データを制御部５７へ送信する。
　ＧＮＳＳ受信部５６は、人工衛星から送られてくる衛星測位信号に基づいて無人航空機１の飛行時における現時点の位置情報をリアルタイムに取得する。ＧＮＳＳ受信部５６は、取得した位置情報を制御部５７へ送信する。
　電動ジンバル５２は、カメラ５３が載置される回転台である。この電動ジンバル５２は、制御部５７におけるＣＰＵ１１１による制御の下で回転自在に構成されている。この電動ジンバル５２を回転させることによりカメラ５３の撮影方向を変化させることができる。電動ジンバル５２は、無人航空機１からの揺動がカメラ５３に伝達しないようにするための振動吸収機構が設けられていてもよい。
　カメラ５３は、電動ジンバル５２の回転に基づいて定められた撮影方向の被写体を撮像する。カメラ５３の撮像タイミングは、ＣＰＵ１１１により制御されることとなる。カメラ５３は撮影した画像を制御部５７へ送信する。この制御部５７へ送信された画像は、ＣＰＵ１１１による制御の下でメモリ１１２に記憶される他、必要に応じて無線通信部５１を介して公衆通信網へと送られる場合もある。
　なお上述した構成要素のうち、フライトコントローラ５０、電動ジンバル５２、カメラ５３、ＥＳＣ５４は何れもバッテリー１４に接続されており、電力が供給される。
　操縦端末２は、例えばＰＣ（パーソナルコンピューター）、携帯端末、スマートフォン、タブレット型端末、ウェアラブル端末等の無線通信可能な端末装置で構成されているが、これに限定されるものではなく、専用のコントローラーにより具現化されるものであってもよい。操縦端末２は、ユーザが実際に所望の操作を行うためのユーザＩ／Ｆ６と、このユーザＩ／Ｆ６に接続された無線通信部７とを備えている。
　ユーザＩ／Ｆ６は、無人航空機１を操縦するための操縦情報を入力するためのタッチパネル、ボタン、レバー等で構成されている。またこのユーザＩ／Ｆ６は、ユーザに対して各種情報を表示するための液晶パネル等も含まれる。ユーザＩ／Ｆ６は、入力された操縦情報を無線通信部７へ送信する。またユーザＩ／Ｆ６は、無線通信部７が受信した各種情報が送信された場合には、必要に応じてこれを液晶パネル等を介してユーザに表示する。
　無線通信部７は、無人航空機１との間で無線通信を行う上で必要な周波数変換やその他各種変換処理を行い、電気信号を電波に変換し、或いは電波を電気信号に変換するアンテナも含まれる。この無線通信部７は、無人航空機１から送信されてきた情報や、公衆通信網から送られてきた情報をユーザＩ／Ｆ６へ出力する。また無線通信部７はユーザＩ／Ｆ６から送られてきた操縦情報を電波に変換し、無人航空機１へ送信する。
　次に上述した構成からなる無人航空機１の動作について説明をする。
　先ず無人航空機１は地図情報の入力を受け付ける。図３（ａ）は、入力を受け付けた地図情報の例を示している。地図情報には、人通りの殆ど無い森林、山、海等もあれば道路や民家等のような実際に人が往来する領域もある。この地図情報は基本的には電子データとして取得する。
　このような地図情報は、操縦端末２におけるユーザＩ／Ｆ６を介して取得され、無線通信部７を介して無人航空機１における無線通信部５１に送信される。フライトコントローラ５０における制御部５７は、この地図情報を取得し、必要に応じてこれをメモリ１１２に格納する。ちなみに、この地図情報は、無人航空機１が公衆通信網から直接取得するようにしてもよい。
　次にＣＰＵ１１１は、この散布対象領域に基づく地図情報に対して、実際に飛行計画を策定する。この飛行計画の策定については、メモリ１１２に記憶された飛行計画策定プログラムを読み出して実行する。なお、飛行計画の策定は、メモリ１１２からの読み出しに基づく場合に限定されるものではなく、ユーザＩ／Ｆ６からの入力情報に基づくものであってもよい。かかる場合には、ユーザＩ／Ｆ６から飛行計画に関する入力情報を受け付ける都度、この無人航空機１の制御部５７へ送信するようにしてもよい。
　ＣＰＵ１１１は、取得した地図情報に対して、所望の飛行目的を達成するべく飛行経路を策定していくこととなるが、例えば図３（ａ）中実線矢印で示される飛行経路を設定したものとする。この飛行経路上では、民家や道路等を通過するため、このような民家や道路に対して無人航空機１が墜落してしまうことを回避する必要がある。このような民家や道路等のような無人航空機１による落下を回避しなければならない領域を、以下、落下回避領域という。ＣＰＵ１１１は、この落下回避領域を予め地図情報から判別するように制御する。
　図３（ｂ）は、地図情報から判別した落下回避領域を示している。図３（ｂ）中の斜線で示される領域が、この判別した落下回避領域である。落下回避領域の判別方法は、予め地図情報内において落下回避領域として指定されていてもよいし、画像データを分析することで、道路や民家の画像領域を特定してこれを落下回避領域として割り当てるようにしてもよい。制御部５７は、策定した飛行経路が、上述の如く判別した落下回避領域を通過していくことを識別することができる。その上で、この飛行経路を飛行する上で、落下回避領域への落下を回避するため、以下の制御を行う。
　先ずＣＰＵ１１１は、このような飛行経路を設定した後、これに基づいて無人航空機１を飛行させるための制御をＰＷＭコントローラ１１３に対して行う。ＰＷＭコントローラ１１３は、このＣＰＵ１１１による制御の下でＥＳＣ５４を介してローター用モーター１２の回転数、回転速度、回転方向等を制御することにより、図３に示す飛行経路上を飛行させる。
　この飛行経路を飛行する間において、無人航空機１が現時点において飛行経路上のどの位置を飛行しているかをリアルタイムに検知する。この位置情報の検知は、ＧＮＳＳ受信部５６を介して行う。検知した位置情報はＧＮＳＳ受信部５６から制御部５７へ送られる。制御部５７は、無人航空機１による現在位置を地図情報との関係において把握することが可能となる。
　このような無人航空機１による飛行と、位置情報のリアルタイムな検知を繰り返し行っていく過程で上記特定した落下回避領域に接近しているか否かを判別する。この落下回避領域については、上述したように地図情報との関係において既知となっており、また現在位置も地図情報との関係においてリアルタイムに把握できている状態となっている。このため、制御部５７は、地図情報上においてリアルタイムに把握した現在位置と、落下回避領域との位置関係を取得できている状態となっている。従って制御部５７は、かかる現在位置と、落下回避領域との位置関係が接近していることを把握することができれば、無人航空機１が落下回避領域に接近していることを判別することができる。ちなみに無人航空機１が落下回避領域へ接近しているか否かは、この両者間の距離が所定の閾値内に入っているか否かに基づいて判断を行うようにしてもよい。
　無人航空機１が落下回避領域へ接近している旨を判別した場合、制御部５７は飛行速度を上昇させるための制御をＰＷＭコントローラ１１３に対して行う。ＰＷＭコントローラ１１３は、ＥＳＣ５４を介してローター用モーター１２の回転数、回転速度を上昇することにより飛行速度を上昇させる。上昇させる速度は、現在の飛行速度を上回るものであればいかなる速度であってもよい。
　このように無人航空機１が落下回避領域への接近時において飛行速度を上昇させる制御を行うことで以下の作用効果を奏することとなる。
　図４は、無人航空機１における飛行経路の各地点並びに落下回避領域の関係を示す平面図であり、図５は、飛行経路上の各地点における飛行速度と落下軌道の関係を示している。
　落下回避領域の周端と飛行経路の交差部をＣ、Ｄとする。このＣは、落下回避領域の飛行経路の進行方向に向けた始端であり、Ｄは、落下回避領域の飛行経路の進行方向に向けた終端である。飛行経路上を飛行する無人航空機１は、墜落時においてこの始端Ｃ～終端Ｄの間に落下してしまうのを回避させ、あくまで始端Ｃよりも進行方向手前側、又は終端Ｄよりも進行方向に向けて先側に落下させる必要がある。
　ここで無人航空機１の飛行高度を地面からｈの高さであるものと仮定した場合、無人航空機１の落下時間は、一律√（２ｈ／ｇ）で表される（ｇは重力加速度である。）。但し、この無人航空機１の落下位置は、現在の飛行速度ｖにこの落下時間√（２ｈ／ｇ）を乗じた値まで進んだ位置でほぼ特定される。
　ここで図６（ａ）に示すように無人航空機１が一律速度ｖ1で飛行する場合を例にとる。速度ｖ1で飛行する無人航空機１がＡ１にて落下開始した場合、その推定落下位置は、Ａ1からｖ1×√（２ｈ／ｇ）だけ進んだ位置となる。ここで推定落下位置がちょうど始端Ｃと一致する飛行軌道上の位置を臨界飛行始点と定義する。Ａ1は、高さｈ、速度ｖ1であるときにその推定落下位置が始端Ｃに一致するため、始端Ｃに対する臨界飛行始点ということができる。
　同様に、ここで速度ｖ1で飛行する無人航空機１がＢ1にて落下開始した場合、その推定落下位置は、Ｂ1からｖ1×√（２ｈ／ｇ）だけ進んだ位置となる。ここで推定落下位置がちょうど終端Ｄと一致する飛行軌道上の位置を臨界飛行終点と定義する。Ｂ1は、高さｈ、速度ｖ1であるときにその推定落下位置が終端Ｄに一致するため、終端Ｄに対する臨界飛行終点ということができる。速度ｖ1にて飛行する無人航空機１この臨界飛行始点Ａ1～臨界飛行終点Ｂ1までの間に落下開始した場合には、この落下回避領域内に落下してしまうこととなる。
　仮に落下回避領域の飛行方向の長さが４ｍであり、ｖ1が４ｍ／ｓであれば、このＡ1～Ｂ1までの距離も４ｍであり、このＡ1～Ｂ1を通過する時間は１秒である。無人航空機１がこの臨界飛行始点Ａ1～臨界飛行終点Ｂ1を通過する１秒間に故障が発生して落下開始した場合には、この落下回避領域内に落下してしまうこととなる。
　ここで落下回避領域への接近時において図６（ｂ）に示すように、飛行速度を上昇させる制御を行うことで以下の作用効果を奏することとなる。この図６（ｂ）の速度パターンでは、推定落下位置の始端Ｃ、終端Ｄを把握した上で、それよりも飛行方向に向かって手前側のＥ点にて加速を開始する。このような加速を開始する点を、以下加速開始位置という。そして、Ａ2に到達するまでに速度をｖ1からｖ2まで上昇させる。その後は一定速度ｖ2にて飛行し、Ｂ2を超えた後に速度を減速して再びｖ1まで戻すパターンである。
　ここでＡ2は、高さｈ、速度ｖ2であるときにその推定落下位置が始端Ｃに一致するため、始端Ｃに対する臨界飛行始点ということができる。同様にＢ2は、高さｈ、速度ｖ2であるときにその推定落下位置が終端Ｄに一致するため、終端Ｄに対する臨界飛行終点ということができる。この臨界飛行始点Ａ2～臨界飛行終点Ｂ2までの間に無人航空機１が落下開始した場合には、この落下回避領域内に落下してしまうこととなる。仮に落下回避領域の飛行方向の長さが４ｍであり、ｖ2が６ｍ／ｓであれば、このＡ2～Ｂ2までの距離も４ｍであるが、このＡ2～Ｂ2を通過する時間は２/３秒である。無人航空機１がこの臨界飛行始点Ａ2～臨界飛行終点Ｂ2を通過する２/３秒間に故障が発生して落下開始した場合には、この落下回避領域内に落下してしまうこととなる。しかしながら、速度ｖ1＝４ｍ／ｓの場合と比較して臨界飛行始点から臨界飛行終点までの通過時間が短くなっている。単位時間あたりの故障率は、ドローンの限界性能に近い速度を除き、速度と明確な相関は見られないため、仮に単位飛行時間中の故障率が同一であると仮定した場合、速度をｖ1からｖ2に上げることで臨界飛行始点から臨界飛行終点までの通過時間が短くなっている分、無人航空機１が落下回避領域へ落下するのを回避できる確率が高くなる。
　このように、本発明によれば、仮に飛行中の無人航空機１が急な故障により制御不能に陥り、墜落する場合においても落下回避領域に落下することを極力回避することが可能となる。
　実際にこのような落下回避領域に落下することを極力回避するために、速度をｖ1からｖ2に加速するが、Ａ2に到達するまでに速度ｖ2に達するものであれば、その加速開始位置Ｅ、並びに加速度はいかなるものであってもよい。例えば、加速開始位置Ｅよりも以前から加速を開始させつつ、加速度を小さく設定することで、図６（ｂ）のＡ２に至るまでの速度の傾きを緩やかにしてもよいし、Ａ2に到達する直前に急激に速度を上昇させることで、図６（ｂ）のＡ2に至るまでの速度の傾きを急峻なものとしてもよい。この加速開始位置並びに加速度は、地図情報上においてリアルタイムに把握した現在位置と、落下回避領域との位置関係に加え、現在の飛行速度等の情報に基づいて決定することとなる。
　臨界飛行終点Ｂ2の時点で速度がｖ2であれば、このＢ2にて落下した場合にちょうど落下回避領域の終端Ｄに墜落することとなる。一方、臨界飛行終点Ｂ2を超えたところまで速度がｖ2以上であれば、落下回避領域の終端Ｄよりも先の領域に墜落することとなる。従って本発明によれば、臨界飛行終点Ｂ2を超えたところまで速度がｖ2を維持するものであればその後いかなる飛行速度で飛行するようにしてもよい。臨界飛行終点Ｂ2を超えた後に減速して速度ｖ1まで低下させるようにしてもよいし、速度を低下させることなく上昇させ又は同速度を維持するようにしてもよい。速度は急激には低下できないため、臨界飛行終点Ｂ2を超えたところまで速度がｖ2を維持するものであればよいが、安全をみるのであれば、Ｂ1まで速度ｖ2を維持することが望ましい。
　これらの制御を実現するために、本発明では、飛行高度と、上昇させた飛行速度ｖ2とを検知し、検出した飛行高度に基づいて落下時間を算出し、算出した落下時間と飛行速度ｖ2とから求められる推定落下位置が落下回避領域の終端Ｄ上に位置する臨界飛行終点Ｂ2を計算により特定する。そして、この特定した臨界飛行終点Ｂ2を超える位置まで飛行速度ｖ2以上で飛行するように制御する。
　なお、飛行速度ｖ2からｖ1への減速点が臨界飛行終点Ｂ2を超えた位置とされている場合に限定されるものではなく、この臨界飛行終点Ｂ2を超える前であってもよい。かかる場合においても、少なくとも飛行速度ｖ2まで上昇させている分において、落下回避領域に落下する確率を下げることが可能となる。即ち、本発明によれば、臨界飛行終点Ｂ2を特定し、この特定した臨界飛行終点Ｂ2に基づいて飛行速度の減速を開始する減速点を決定するものであればよい。
　なお飛行経路上の各地点における飛行速度は、上述した図６（ｂ）に示すものに限定されるものでは無い。例えば図７（ａ）に示す例では加速開始位置をＡ1近傍に設定している。この例では、Ａ1近傍に到達するまで速度ｖ1で飛行し、Ａ1近傍から加速して速度ｖ2に到達させ、その後Ｂ2を超えた後に減速してｖ1に戻す例である。図５に示すようにＡ1に到達するまでは、速度ｖ2よりも速度ｖ1の方が落下回避領域の始端Ｃよりも手前側に落下する可能性が高くなる。このため、Ａ1に到達するまでには極力速度を低くし、Ａ1近傍に到達した後に加速し、Ｂ2を通過した後で速度を緩めることで、仮にＢ2を超えた直後に故障しても、落下回避領域の終端Ｄを超えた位置に落下させることが可能となる。これにより、落下回避領域への墜落確率を更に下げることが可能となる。
　また図７（ｂ）はこの加速開始位置をＡ1よりも手前において設定した例であるが、かかる場合においても、始端Ｃよりも手前側に落下する可能性を高めることができ、落下回避領域への墜落確率を下げることが可能となる。この図７（ｂ）の例では、速度ｖ2に到達する位置がＡ1を超えた後であるが、Ａ1に到達前に速度Ｖ2に到達させるように設定してもよい。
　但し、上述した飛行速度の設定例は一例であり、少なくとも地図情報上においてリアルタイムに把握した現在位置と、落下回避領域との位置関係に基づいて飛行速度が制御されるものであればいかなるものであってもよい。その飛行速度の制御も、落下回避領域への接近に応じて速度を上昇させる場合に限定されるものではなく、一時的に減速してその後上昇させてもよいし、他のいかなる変速パターンを適用するものであってもよい。
　なお、本発明では図８に示すように、飛行速度ｖ1で飛行する無人航空機１の現在位置が臨界飛行始点Ａ1よりも手前側である場合には減速させ、現在位置が臨界飛行始点Ａ1よりも先側である場合には、加速させるように制御するようにしてもよい。臨界飛行始点Ａ1よりも手前側である場合に速度を下げることにより、無人航空機１が急な故障により墜落する場合において落下回避領域の始端Ｃの手前側に落下させることができる確率を上げることができる。また、現在位置が臨界飛行始点Ａ1よりも後側である場合に速度を上げることで、無人航空機１が急な故障により墜落する場合において落下回避領域の終端Ｄの先に落下させる確率を上げることができる。
　また無人航空機１が臨界飛行始点Ａ1よりも手前側である場合には高度を下げ、現在位置が臨界飛行始点Ａ1よりも先側である場合には、高度を上げるように制御するようにしてもよい。臨界飛行始点Ａ1よりも手前側である場合に高度を下げることにより、無人航空機１が急な故障により墜落する場合において落下回避領域の始端Ｃの手前側に落下させることができる確率を上げることができる。特に臨界飛行始点Ａ1よりもかなり手前側である場合であって、通常よりも高い高度で飛行している場合には、飛行高度を下げることで落下回避領域への墜落確率をより効果的に下げることが可能となる。また、現在位置が臨界飛行始点Ａ1よりも先側である場合に高度を上げることで、無人航空機１が急な故障により墜落する場合において落下回避領域の終端Ｄの先に落下させる確率を上げることができる。但し、飛行高度を極端に高く上昇させることは困難である場合が多いため、かかる制御は必須ではない。
　なお図９に示すように、速度ｖ2から速度ｖ1まで減速させた後、更に速度をｖ1よりも低いｖ0まで減速させるようにしてもよい。これにより、速度ｖ1で一定速度で飛行させる場合よりも、速度ｖ2まで上昇させることで無人航空機１が先に進みすぎていた分を調整することが可能となる。即ち、速度ｖ0まで減速させることで、無人航空機１の速度を遅くさせ、Ｆ地点到達時において速度ｖ1で一定に飛行させる場合と同時に到達するように速度をｖ1まで戻すようにしてもよい。
　なお本発明は、上述した無人航空機１として具現化される場合に限定されるものではなく、これを実行するためのプログラムとして具現化されるものであればよい。
１　無人航空機
２　操縦端末
７　無線通信部
１１　ローター
１２　ローター用モーター
１３　モーターステイ
１４　バッテリー
１５　制御ユニット
１６　第１中央プレート
１７　第２中央プレート
１８　第３中央プレート
２０　据付器具
２６　脚部
２７　載置用アーム
２８　スキッド
５０　フライトコントローラ
５１　無線通信部
５２　電動ジンバル
５３　カメラ
５５　飛行制御センサ群
５６　ＧＮＳＳ受信部
５７　制御部
１１１　ＣＰＵ
１１２　メモリ
１１３　コントローラ

Claims (6)

  1. 　落下回避領域を含む地図情報上において飛行経路を設定する飛行経路設定手段と、
    　上記飛行経路設定手段により設定された飛行経路上を飛行するように制御する飛行制御手段と、
    　上記飛行経路の飛行時における各位置情報を上記地図情報との関係においてリアルタイムで取得することで、上記落下回避領域に接近しているか否かを判別する位置情報取得手段とを備え、
    　上記飛行制御手段は、上記位置情報取得手段により上記落下回避領域に接近していることが判別された場合には、飛行速度を上昇させるように制御し、その飛行速度を上昇させるための加速開始位置並びに加速度は、上記位置情報取得手段により取得された各位置情報と上記落下回避領域との位置関係、飛行高度並びに飛行速度に基づいて決定すること
    　を特徴とする無人航空機。
  2. 　落下回避領域を含む地図情報上において飛行経路を設定する飛行経路設定手段と、
    　上記飛行経路設定手段により設定された飛行経路上を飛行するように制御する飛行制御手段と、
    　上記飛行経路の飛行時における各位置情報を上記地図情報との関係においてリアルタイムで取得することで、上記落下回避領域に接近しているか否かを判別する位置情報取得手段とを備え、
    　上記飛行制御手段は、上記位置情報取得手段により上記落下回避領域に接近していることが判別された場合には、飛行速度を上昇させるように制御し、
    　上記飛行経路の飛行時における飛行高度を検出する飛行高度検出手段と、
    　上記飛行制御手段により上昇させた飛行速度を検出する飛行速度検出手段とを更に備え、
    　上記飛行制御手段は、上記飛行高度検出手段により検出された飛行高度に基づいて落下時間を算出し、算出した落下時間と上記上昇させた飛行速度とから求められる推定落下位置が上記落下回避領域の終端上に位置する臨界飛行終点を特定し、少なくともこの特定した臨界飛行終点を超える位置まで上記上昇させた飛行速度以上で飛行すること
    　を特徴とする無人航空機。
  3. 　上記飛行制御手段は、上記飛行高度検出手段により検出された飛行高度に基づいて落下時間を算出し、算出した落下時間と上記上昇させた飛行速度とから求められる推定落下位置が上記落下回避領域の終端上に位置する臨界飛行終点を特定し、上記臨界飛行終点に基づいて飛行速度の減速を開始する減速点を決定すること
    　を特徴とする請求項２項記載の無人航空機。
  4. 　落下回避領域を含む地図情報上において飛行経路を設定する飛行経路設定手段と、
    　上記飛行経路設定手段により設定された飛行経路上を飛行するように制御する飛行制御手段と、
    　上記飛行経路の飛行時における各位置情報を上記地図情報との関係においてリアルタイムで取得することで、上記落下回避領域に接近しているか否かを判別する位置情報取得手段とを備え、
    　上記飛行制御手段は、上記位置情報取得手段により上記落下回避領域に接近していることが判別された場合には、飛行速度を上昇させるように制御し、
    　上記飛行経路の飛行時における飛行高度を検出する飛行高度検出手段と、
    　上記飛行制御手段により上昇させた飛行速度を検出する飛行速度検出手段とを更に備え、
    　上記飛行制御手段は、上記飛行高度検出手段により検出された飛行高度に基づいて落下時間を算出し、算出した落下時間と上記上昇させた飛行速度とから求められる推定落下位置が上記落下回避領域の始端上に位置する臨界飛行始点を特定し、上記位置情報取得手段により取得された現在位置が上記臨界飛行始点よりも前側である場合には減速させ、上記現在位置が上記臨界飛行始点よりも後側である場合には、加速させるように制御すること
    　を特徴とする無人航空機。
  5. 　落下回避領域を含む地図情報上において飛行経路を設定する飛行経路設定手段と、
    　上記飛行経路設定手段により設定された飛行経路上を飛行するように制御する飛行制御手段と、
    　上記飛行経路の飛行時における各位置情報を上記地図情報との関係においてリアルタイムで取得することで、上記落下回避領域に接近しているか否かを判別する位置情報取得手段とを備え、
    　上記飛行制御手段は、上記位置情報取得手段により上記落下回避領域に接近していることが判別された場合には、飛行速度を上昇させるように制御し、
    　上記飛行経路の飛行時における飛行高度を検出する飛行高度検出手段と、
    　上記飛行制御手段により上昇させた飛行速度を検出する飛行速度検出手段とを更に備え、
    　上記飛行制御手段は、上記飛行高度検出手段により検出された飛行高度に基づいて落下時間を算出し、算出した落下時間と上記上昇させた飛行速度とから求められる推定落下位置が上記落下回避領域の始端上に位置する臨界飛行始点を特定し、上記位置情報取得手段により取得された現在位置が上記臨界飛行始点よりも前側である場合には飛行高度を下降させ、上記現在位置が上記臨界飛行始点よりも後側である場合には、飛行高度を上昇させること
    　を特徴とする無人航空機。
  6. 　上記飛行制御手段は、上記飛行速度を上昇させる前の飛行速度よりも低速度まで減速させること
    　を特徴とする請求項３項記載の無人航空機。
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