WO2023162953A1 - 飛行体の制御システム - Google Patents

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calculation
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flying object
marker
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知寛 石川
述幸 藤谷
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株式会社Spiral
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    • B64C13/16—Initiating means actuated automatically, e.g. responsive to gust detectors
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential

Definitions

  • the present disclosure relates to an aircraft control system.
  • Patent Document 1 Conventionally, a control system using position PID control and speed PID control is known to control a flying object (see Patent Document 1, for example).
  • Patent Document 1 discloses a flying object control system that changes the weighting of position PID control and speed PID control according to the distance between the target position and the flying object. Patent Document 1 discloses that calculation is performed based on the difference between the target position and the position of the aircraft regardless of whether the position PID control or the speed PID control is executed.
  • An object of the present disclosure is to provide a new flying object control system suitable for flying objects used indoors.
  • a control system for a flying object includes a speed sensor that detects the flight speed of the flying object, a distance sensor that acquires a first distance that is the distance between the flying object and the structure, and controls the flying object. and a control unit.
  • the control unit performs a first calculation for calculating a target speed of the flying object based on the difference between the target distance and the first distance, and a target speed of the flying object based on the difference between the flight speed and the target speed.
  • a second calculation for calculating acceleration and a third calculation for changing weighting between the first calculation and the second calculation based on the target distance or the first distance are executed.
  • the control device accelerates the flying object until it reaches the target acceleration, and feedback-controls the flying object until the first distance reaches the target distance.
  • the second calculation uses the target velocity calculated by the first calculation.
  • the influence of the reflected wind on the behavior of the flying object can be reduced.
  • the control system of the flying object changes the weighting of the first calculation and the second calculation according to the distance to the structure or marker. As a result, it is possible to perform calculations that consider the degree of influence of the reflected wind according to the distance to the structure.
  • the flying object control system it is possible to provide a new control system suitable for flying objects used indoors.
  • FIG. 1 is a system diagram of an air vehicle control system according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 1 is a system diagram of an air vehicle according to one embodiment of the present disclosure
  • FIG. FIG. 4 is a block diagram showing a computation loop for PID control according to an embodiment of the present disclosure
  • the figure which shows an example of the target position and vector which are displayed on a user terminal. 4 is a flowchart showing processing executed by a control device according to an embodiment of the present disclosure;
  • a control system 1 for an aircraft 2 includes a control device 3 for the aircraft 2, a user terminal 4, a server 6, a relay device 8, a plurality of ID markers 10, and an initial marker 12. , a temporary landing marker 14 , a return marker 16 , a takeoff port 18 , a permanent landing port 20 and a temporary landing port 22 .
  • the flying object 2 includes at least a camera 24, an exposure device 26, a laser device (an example of a distance sensor) 28, a speed sensor 29, a battery 30, a plurality of motors 32, and a flight controller. a portion 34;
  • the flying object 2 may also have a plurality of sensors such as a gyro and an acceleration sensor for detecting the attitude and speed of the flying object.
  • the flying object 2 is an unmanned multicopter on which four motors 32 are mounted.
  • the flying object 2 may be any known multicopter.
  • the laser device 28 is a device that detects the distance (an example of the first distance) Dr to each marker or structure. However, the distance Dr may be detected by the camera 24 as well.
  • the control system 1 of the flying object 2 of this embodiment is a system that inspects the structure X using the flying object 2 without using GPS in an environment where GPS (Global Positioning System) cannot be used.
  • the structure X is, for example, the wall of a tunnel or the wall of a building such as a building.
  • the control system 1 of the flying object 2 displays the flight path displayed on the initial marker 12, the ID marker 10, the temporary landing marker 14, and the return marker 16 (hereinafter referred to as each marker in the specification) placed on the structure X. It is a system that reads information and controls the aircraft 2 .
  • the flight control unit 34 is a device for obtaining instructions from the control device 3 and controlling the aircraft 2 .
  • the flight control unit 34 is actually composed of a microcomputer including a CPU, memory, I/O interface, and motor driver, and wireless communication devices such as Wi-Fi (registered trademark) and Bluetooth (registered trademark).
  • the flight control section 34 controls each section of the aircraft 2 using programs stored in the memory.
  • the program included in the flight control unit 34 is at least a process of acquiring instructions from the control device 3, and controlling the plurality of motors 32 according to the acquired instructions to control the flying object 2 to a desired attitude and speed. a process of performing imaging by the camera 24, a process of measuring the distance Dr by the camera 24 or the laser device 28, a process of operating the exposure device 26, a process of acquiring the remaining battery level of the battery 30, including.
  • the control device 3 is a device that reads the flight route information displayed on each marker and sends a desired signal to the flight control unit 34. As shown in FIG. 3 , the control device 3 executes the first calculation and the second calculation to determine the target acceleration ⁇ to instruct the flight control section 34 .
  • the first calculation is a calculation process for calculating the target velocity Vt of the flying object 2 based on the difference between the target distance Dt and the distance Dr.
  • the second calculation is a calculation process for calculating the target acceleration ⁇ of the flying object 2 based on the difference between the target speed Vt calculated by the first calculation and the speed Vr detected by the speed sensor 29 .
  • the control device 3 also executes a third calculation that changes the weighting of the first calculation and the second calculation based on the target distance Dt or the distance Dr.
  • the third calculation of the present embodiment is calculation processing for setting each gain in the first calculation and each gain in the second calculation based on the target distance Dt or the distance Dr.
  • the control device 3 After calculating the target acceleration ⁇ by executing the first calculation, the second calculation, and the third calculation, the control device 3 generates a signal of the target acceleration ⁇ and transmits it to the flight control section 34 .
  • the flight control unit 34 accelerates or decelerates the flying object 2 so as to reach the target acceleration ⁇ .
  • the control device 3 uses PID control using proportional control (P control), integral control (I control), and differential control (D control) to obtain the target speed Vt , and target acceleration (manipulated amount) ⁇ .
  • P control proportional control
  • I control integral control
  • D control differential control
  • a term with S is I control
  • a term with 1/S is D control.
  • the details of the PID control are omitted because they are general ones.
  • the control device 3 calculates the target speed Vt from the speed control deviation calculated by multiplying the difference between the target distance Dt and the distance Dr into speed in the first calculation.
  • the control device 3 calculates the target acceleration ⁇ from the acceleration control deviation calculated by multiplying the difference between the target speed Vt and the speed Vr calculated in the first calculation by a coefficient for converting the difference into acceleration. In this manner, the control device 3 repeats such a calculation loop at predetermined time intervals, and performs feedback control using the target acceleration ⁇ as the manipulated variable.
  • the speed is disclosed as the manipulated variable. It differs in that a loop is incorporated and the target acceleration ⁇ is the manipulated variable.
  • the control device 3 of this embodiment stores a table 50.
  • the table 50 shows I control gain POS_Kp, D control gain POS_Kd, I control gain POS_Ki in the first calculation, and An I control gain VEL_Kp, a D control gain VEL_Kd, and an I control gain VEL_Ki are stored. In the following specification, these gains are referred to as each gain.
  • Each gain is set such that the smaller the target distance Dt or the distance Dr, the greater the influence of the deviation (control deviation) due to the second calculation. In other words, the controller 3 weights the second calculation more heavily as the target distance Dt or the distance Dr is shorter. Also, the longer the target distance Dt or the distance Dr, the more the influence of the deviation due to the second calculation may be reduced to zero.
  • the target acceleration ⁇ may be calculated by multiplying the target speed Vr by a coefficient for converting the target acceleration ⁇ in the second calculation.
  • the control device 3 always calculates the control amount according to the deviation of the first calculation.
  • the control device 3 may not calculate the control amount according to the deviation of the second calculation.
  • the control device 3 After obtaining the target distance Dt or the distance Dr, the control device 3 obtains each gain from the table 50 in the third calculation and uses it for the first and second calculations.
  • the control device 3 of the present embodiment stores gains corresponding to the target distance Dt or the distance Dr in the table 50, the present disclosure is not limited to this.
  • the table 50 may store coefficients by which each gain corresponding to the target distance Dt or the distance Dr is multiplied.
  • the distance Dr in this embodiment is a filtered distance Drf obtained by performing complementary filtering on the distance acquired by the laser device 28 .
  • Complementary filtering is a process for smoothing values by mixing current values and past values at a certain ratio.
  • D1 n is the distance Dr obtained when processing the current arithmetic loop.
  • D1 n-1 is the distance Dr used in the previous computational loop.
  • C is the filter constant.
  • the filter constant may be stored in the table 50 in association with the target distance Dt or the distance Dr.
  • the first to third calculations are processes for calculating the target acceleration ⁇ in the direction facing the structure X or each marker (the X direction in FIG. 5). For this reason, the control device 3 performs a process of calculating the travel direction (the Y direction in FIG. 5) and the altitude separately from this.
  • control device 3 records the flight history such as the direction, altitude, and distance that the aircraft 2 moved from the takeoff port 18.
  • the control device 3 actually includes a microcomputer including an arithmetic unit 36, a storage unit 38, and an I/O interface, and wireless communication devices such as Wi-Fi (registered trademark) and Bluetooth (registered trademark) (communication 40).
  • the control device 3 uses a program stored in the storage unit 38 to generate an instruction signal to be transmitted to the flight control unit 34 and transmits the command signal to the flight control unit 34 .
  • the control device 3 is provided separately from the flight control unit 34, is fixed at a desired location on the aircraft 2, and is electrically connected to the flight control unit 34 wirelessly or by wire. . This allows the aircraft 2 to be controlled using programs included in existing multicopters.
  • the control device 3 may be provided integrally with the flight control section 34 .
  • the user terminal 4 is a personal computer for the user to create and record a flight plan combining each marker.
  • the user terminal 4 may be a device such as a smart phone or a tablet terminal.
  • the flight plan is information for controlling the aircraft 2 while the controller 3 reads each marker placed on the flight path.
  • the flight plan includes at least information on the distance to the structure X or the target distance Dt to the marker.
  • the flight plan includes identification information displayed on the ID marker 10 and flight route information corresponding to the identification information.
  • the control device 3 can acquire flight route information such as the position of the next ID marker 10 .
  • the control device 3 accesses the flight plan storage location of the server 6 via the relay device 8 and downloads the flight plan.
  • the control device 3 displays at least the position of each marker or the position of the structure X on the display 4a of the user terminal 4, and sets the target acceleration ⁇ or target velocity Vr to the direction and magnitude of the arrow ( vector) may be executed.
  • the position of the flying object 2, the ID marker 10, the target acceleration ⁇ in the X direction and the target acceleration ⁇ 2 in the Y direction of the flying object 2, and the distance Dr are displayed.
  • the server 6 is connected to the user terminal 4 via the Internet and stores flight plans created and recorded on the user terminal 4.
  • the server 6 is, for example, cloud storage, which is a storage device located on the Internet.
  • the relay device 8 is a device that is connected to the control device 3 by wireless communication, is connected to the server 6 by the Internet, and relays between the control device 3 and the server 6 .
  • the relay device 8 is arranged at a construction site where the aircraft 2 is used.
  • a plurality of ID markers 10 are placed in structure X.
  • a constant landing port 20 is arranged under some of the ID markers 10 .
  • the ID marker 10 displays an image obtained by converting a number, which is identification information, into an AR marker.
  • the ID marker 10 also displays text or image information related to the identification information.
  • An initial marker 12 is placed at the starting point of the flight path.
  • the initial marker 12 is provided for the control device 3 to acquire the flight plan. In this embodiment, the initial marker 12 is arranged near the takeoff port 18 .
  • the temporary landing marker 14 displays that it is possible to land if an abnormality occurs in the aircraft 2.
  • the return marker 16 is affixed at an arbitrary position on the flight path by the user when returning the aircraft 2 to the takeoff position.
  • Take-off port 18 is placed in the take-off position as described above.
  • the permanent landing port 20 is arranged under some ID markers 10 among the plurality of ID markers 10 .
  • a temporary landing port 22 is placed under the temporary landing marker 14
  • step S1 the control device 3 reads the initial marker 12. After reading the initial marker 12, the control device 3 acquires a flight plan that matches the information of the read initial marker 12 (step S2). After acquiring the flight plan, the control device 3 acquires the target distance Dt, which is the distance to the structure X or each marker, from the flight plan information (step S3), and proceeds to step S4.
  • step S4 the control device 3 sets the weighting of the first calculation and the second calculation. Specifically, the control device 3 acquires each gain from the table 50 and substitutes it into the program for executing the first calculation and the second calculation. After setting the weighting, the control device 3 causes the aircraft 2 to take off (step S5), and advances the process to step S6.
  • step S6 the control device 3 reads the first ID marker 10 (an example of the first marker).
  • the control device 3 identifies the flight path based on the flight path information displayed on the ID marker 10, flies toward the next ID marker (an example of the second marker) 10 (step S7), and proceeds to step S8. proceed.
  • step S8 the control device 3 acquires the distance Dr to the structure X.
  • the distance to the structure X may be the distance to the ID marker 10 when the first ID marker 10 (first marker) is read.
  • the control device 3 executes complementary filtering on the obtained distance Dr (step S9), substitutes it into the calculation loop, and advances the process to step S10.
  • the control device 3 calculates the target acceleration ⁇ using the above calculation loop, and proceeds to step S11.
  • the control device 3 gives an instruction to the flight control unit 34 using the target acceleration ⁇ as an operation amount, moves the flying object 2 (step S11), and proceeds to step S12.
  • step S12 the control device 3 determines whether or not the ID marker (second marker) has been read.
  • the process returns to step S6 to read the ID marker (an example of the third marker) next to the second marker. Proceed to control. Therefore, in the second process from step S6 to step S12, the control device 3 replaces the first marker with the second marker, the second marker with the third marker, and repeats the process.
  • control device 3 determines that the ID marker (second marker) has not been read (step S12 NO), it repeats the calculation of the above calculation loop at predetermined time intervals, and the target distance Dt approaches the distance Dr.
  • the body 2 is feedback-controlled.
  • control system 1 of the flying object 2 of the present disclosure also executes processing for reading markers other than the ID marker 10 among the markers, but controls the flying object 2 so that the distance Dr becomes the target distance Dt. Since the processing to be performed is the same, the description is omitted.
  • the second calculation uses the target velocity Vr calculated by the first calculation.
  • the influence of the reflected wind on the behavior of the flying object 2 can be reduced.
  • the shorter the distance between the flying object 2 and the structure X the greater the influence of the reflected wind. Therefore, the closer the flying object 2 is to the structure X, the more the flying object 2 is pushed away from the structure X by the reflected wind. Therefore, when only the first calculation is performed based on the target distance Dt and the distance Dr to calculate the target acceleration ⁇ , the flying object 2 repeatedly approaches and leaves the structure X due to the influence of the reflected wind. wake up However, by using the deviation between the target velocity Vr and the flying object 2 obtained by the second calculation, this hunting operation tends to converge.
  • control system 1 of the flying object 2 changes the weighting of the first calculation and the second calculation according to the target distance Dt or the distance Dr from the structure X or each marker.
  • the control system 1 of the flying object 2 changes the weighting of the first calculation and the second calculation according to the target distance Dt or the distance Dr from the structure X or each marker.
  • the target distance Dt or the distance Dr is large (long), there is no effect of reflected wind.
  • the control amount due to the deviation of the second calculation is included, the hunting operation occurs as the distance Dr approaches the target distance Dt. Therefore, it is preferable to eliminate the influence of the second calculation as the target distance Dt or the distance Dr increases.
  • the control system 1 of the flying object 2 makes the weighting of the second calculation approach zero according to the target distance Dt or the distance Dr from the structure X or each marker. In other words, the control system 1 of the flying object 2 weights the second calculation more heavily as the target distance Dt or the distance Dr to the structure X or each marker is closer.
  • the flying object control system 1 As described above, according to the flying object control system 1 according to the present disclosure, it is possible to provide a novel flying object 2 control system 1 suitable for indoor use.
  • a plurality of ID markers 10, initial markers 12, temporary landing markers 14, return markers 16, take-off ports 18, permanent landing ports 20, and temporary landing ports 22 are used.
  • the present disclosure is not limited to this. Any control system may be used as long as it is the control system 1 that controls the aircraft 2 .
  • Control system 2 Aircraft 3 : Control device 4 : User terminal 6 : Server 8 : Relay device 10 : ID marker 24 : Camera 26 : Exposure device 28 : Laser device (an example of a distance sensor) 29: speed sensor 30: battery 32: motor 34: flight control unit 36: calculation unit 38: storage unit 40: communication unit 50: table

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Abstract

飛行体の制御システムは、飛行体の飛行速度を検知する速度センサと、前記飛行体と前記構造物との距離である第１距離を取得する距離センサと、前記飛行体を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、目標距離と前記第１距離との差に基づいて前記飛行体の目標速度を演算する第１演算と、前記飛行速度と前記目標速度との差に基づいて前記飛行体の目標加速度を演算する第２演算と、前記目標距離または前記第１距離に基づいて前記第１演算と前記第２演算との重みづけを変更する第３演算と、を実行する。前記制御装置は、前記目標加速度となるまで前記飛行体を加速させ、前記第１距離が前記目標距離となるまで前記飛行体をフィードバック制御する。

Description

飛行体の制御システム
　本開示は、飛行体の制御システムに関する。
　従来、飛行体を制御するために、位置ＰＩＤ制御と、速度ＰＩＤ制御とを用いる制御システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１９－１１３９９２号公報
　特許文献１は、目標位置と飛行体との距離に応じて、位置ＰＩＤ制御と、速度ＰＩＤ制御との重みづけを変更する飛行体の制御システムを開示する。特許文献１は、位置ＰＩＤ制御および速度ＰＩＤ制御のいずれの制御を実行する場合であっても、目標位置と飛行体の位置の差を基準に演算する点を開示する。
　しかし、屋内で使用する飛行体は、飛行体が発生させる風が構造物に反射し発生する、反射風の影響を考慮する必要がある。したがって、特許文献１の位置ＰＩＤ制御、および速度ＰＩＤ制御を実行した場合、反射風によって飛行体の挙動が乱れるおそれがある。
　本開示の課題は、屋内に使用する飛行体に適した新規の飛行体の制御システムを提供することにある。
　本開示に係る飛行体の制御システムは、飛行体の飛行速度を検知する速度センサと、前記飛行体と前記構造物との距離である第１距離を取得する距離センサと、前記飛行体を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、目標距離と前記第１距離との差に基づいて前記飛行体の目標速度を演算する第１演算と、前記飛行速度と前記目標速度との差に基づいて前記飛行体の目標加速度を演算する第２演算と、前記目標距離または前記第１距離に基づいて前記第１演算と前記第２演算との重みづけを変更する第３演算と、を実行する。前記制御装置は、前記目標加速度となるまで前記飛行体を加速させ、前記第１距離が前記目標距離となるまで前記飛行体をフィードバック制御する。
　この飛行体の制御システムによれば、第２演算は、第１演算によって算出された目標速度を利用する。これによって、反射風によって発生する飛行体の挙動への影響を少なくできる。さらに、飛行体の制御システムは、構造物またはマーカーとの距離に応じて、第１演算と、第２演算との重みづけを変更する。これによって、構造物との距離に応じて反射風の影響度合いを考慮した演算ができる。
　本開示に係る飛行体の制御システムによれば、屋内に使用する飛行体に適した新規の制御システムを提供できる。
本開示の一実施形態による飛行体の制御システムのシステム図。 本開示の一実施形態による飛行体のシステム図。 本開示の一実施形態によるＰＩＤ制御の演算ループを示すブロック図。 第３演算に用いるデータテーブルの一例を示す図。 ユーザ端末に表示させる目標位置とベクトルの一例を示す図。 本開示の一実施形態による制御装置が実行する処理を示すフローチャート。
　以下、本開示の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
　図１に示すように、飛行体２の制御システム１は、飛行体２の制御装置３と、ユーザ端末４と、サーバ６と、中継装置８と、複数のＩＤマーカー１０と、イニシャルマーカー１２と、臨時着陸マーカー１４と、リターンマーカー１６と、離陸ポート１８と、常時着陸ポート２０と、臨時着陸ポート２２と、を備える。
　飛行体２は、図２に示すように、少なくともカメラ２４と、露光装置２６と、レーザ装置（距離センサの一例）２８と、速度センサ２９と、電池３０と、複数のモータ３２と、飛行制御部３４と、を有する。飛行体２は、この他、飛行体の姿勢や速度を検知するためのジャイロおよび加速度センサなど、複数のセンサを有してもよい。本実施形態では、飛行体２は、モータ３２が４つ搭載された無人マルチコプターである。しかし、飛行体２は、既知のマルチコプターであればよい。レーザ装置２８は、各マーカーまたは構造物との距離（第１距離の一例）Ｄｒを検知する装置である。しかし、距離Ｄｒはカメラ２４によって検知してもよい。
　本実施形態の飛行体２の制御システム１は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）が使用できない環境において、ＧＰＳを使用することなく飛行体２を用いて構造物Ｘの点検を行うシステムである。構造物Ｘは、例えばトンネルの壁面や、ビルなどの建築物の壁面である。飛行体２の制御システム１は、構造物Ｘに配置された、イニシャルマーカー１２、ＩＤマーカー１０、臨時着陸マーカー１４、およびリターンマーカー１６（以下明細書において各マーカーと記す）に表示される飛行経路情報を読み取り、飛行体２を制御するシステムである。
　飛行制御部３４は、制御装置３からの指示を取得し、飛行体２を制御するための装置である。飛行制御部３４は、実際にはＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏインターフェース、モータドライバを含むマイクロコンピュータと、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）およびＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線通信デバイス、によって構成される。飛行制御部３４は、メモリに記憶されるプログラムを用いて、飛行体２の各部の制御を実行する。飛行制御部３４に含まれるプログラムは、少なくとも制御装置３から指示を取得する処理と、取得した指示に従って、複数のモータ３２を制御することで飛行体２を所望の姿勢や速度となるように制御する処理と、カメラ２４による撮像を実行する処理と、カメラ２４またはレーザ装置２８による距離Ｄｒを測定する処理と、露光装置２６を作動させる処理と、電池３０の電池残量の取得する処理と、を含む。
　制御装置３は、各マーカーに表示される飛行経路情報を読み取り、飛行制御部３４に所望の信号を送信する装置である。図３に示すように、制御装置３は、第１演算と、第２演算と、を実行し、飛行制御部３４に指示する目標加速度αを決定する。第1演算は、目標距離Ｄｔと距離Ｄｒとの差に基づいて飛行体２の目標速度Ｖｔを演算する演算処理である。第２演算は、第１演算によって算出した目標速度Ｖｔと速度センサ２９によって検知した速度Ｖｒとの差に基づいて、飛行体２の目標加速度αを演算する演算処理である。
　また、制御装置３は、目標距離Ｄｔまたは距離Ｄｒに基づいて第１演算と第２演算との重みづけを変更する第３演算と、を実行する。本実施形態の第３演算は、第１演算における各ゲインと、第２演算における各ゲインを、目標距離Ｄｔまたは距離Ｄｒに基づいて設定する演算処理である。制御装置３は、第１演算と、第２演算と、第３演算と、を実行し目標加速度αを算出すると、目標加速度αの信号を生成し、飛行制御部３４に送信する。飛行制御部３４は、目標加速度αとなるように飛行体２を加減速させる。
　より具体的には、第１演算および第２演算において制御装置３は、比例制御（Ｐ制御）、積分制御（Ｉ制御）、微分制御（Ｄ制御）を用いたＰＩＤ制御を用いて目標速度Ｖｔ、および目標加速度（操作量）αを演算する。図３における演算ループにおいて、Ｓとある項がＩ制御、１／Ｓとある項がＤ制御である。ＰＩＤ制御の詳細については一般的なものであればよいため説明を省略する。制御装置３は、第１演算において目標距離Ｄｔと距離Ｄｒとの差を速度に変換する係数をかけ合わせ算出された速度制御偏差から目標速度Ｖｔを演算する。制御装置３は、第２演算において第１演算によって算出された目標速度Ｖｔと速度Ｖｒとの差を加速度に変換する係数をかけ合わせて算出された加速度制御偏差から目標加速度αを演算する。このように、制御装置３は、このような演算ループを所定時間ごとに繰り返し、目標加速度αを操作量としたフィードバック制御を実行する。なお、特許文献１の位置ＰＩＤ制御、速度ＰＩＤ制御においては、速度が操作量として開示されているが、本開示の飛行体２の制御システム１では、位置ＰＩＤ制御のループ内に速度ＰＩＤ制御のループが組み込まれ、目標加速度αが操作量である点が異なる。
　第３演算では、第１演算および第２演算に使用するＰ制御、Ｉ制御、Ｄ制御の各ゲインの組み合わせを、距離Ｄｒ、またはマーカーから取得した飛行情報に含まれる目標距離Ｄｔから決定する。したがって、第３演算は、実際には第１演算および第２演算よりも前に実行される。図４に示すように、本実施形態の制御装置３は、テーブル５０を記憶している。
　テーブル５０は、構造物Ｘまたは各マーカーとの目標距離Ｄｔまたは距離Ｄｒに対応させて、第１演算におけるＩ制御のゲインＰＯＳ＿Ｋｐ、Ｄ制御のゲインＰＯＳ＿Ｋｄ、Ｉ制御のゲインＰＯＳ＿Ｋｉ、および第２演算におけるＩ制御のゲインＶＥＬ＿Ｋｐ、Ｄ制御のゲインＶＥＬ＿Ｋｄ、Ｉ制御のゲインＶＥＬ＿Ｋｉが記憶されている。以下明細書において、これらゲインを各ゲインと記す。各ゲインは、目標距離Ｄｔまたは距離Ｄｒが小さいほど、第２演算による偏差（制御偏差）の影響が大きくなるように設定されている。言い換えると、制御装置３は、目標距離Ｄｔまたは距離Ｄｒが短いほど、第２演算の重み付けを重くする。また、目標距離Ｄｔまたは距離Ｄｒが長くなるほど、第２演算による偏差の影響をゼロにするようにしてもよい。この場合、第２演算において目標速度Ｖｒを目標加速度αに変換する係数をかけて目標加速度αを算出してもよい。言い換えると、制御装置３は、第１演算の偏差に応じた制御量は常に演算する。しかし、目標距離Ｄｔまたは距離Ｄｒが大きい（長い）場合、制御装置３は、第２演算の偏差に応じた制御量を演算しない場合もある。
　制御装置３は、目標距離Ｄｔまたは距離Ｄｒを取得すると、第３演算において、テーブル５０から各ゲインを取得し、第１演算および第２演算に使用する。なお、本実施形態の制御装置３は、テーブル５０に目標距離Ｄｔまたは距離Ｄｒに対応した各ゲインを記憶させているが、本開示はこれに限定されるものではない。例えば、テーブル５０に目標距離Ｄｔまたは距離Ｄｒに対応した各ゲインにかけ合わせる係数を記憶してもよい。
　また、本実施形態における距離Ｄｒは、レーザ装置２８によって取得した距離に対して、相補フィルタ処理を実行したフィルタ処理距離Ｄｒｆものである。相補フィルタ処理とは、現在の値と過去の値をある割合で混ぜることで値の平滑化をはかる処理である。相補フィルタ処理は、下記の通り計算する。

　Ｄ１ｆ＝Ｄ１ｎ×Ｃ＋Ｄ１ｎ－１×（１－Ｃ）・・・式（１）

ここで、Ｄ１ｎは、現在の演算ループを処理する際に取得した距離Ｄｒである。Ｄ１ｎ－１は、１つ前の演算ループに使用した距離Ｄｒである。Ｃは、フィルタ定数である。フィルタ定数は、目標距離Ｄｔまたは距離Ｄｒに対応させてテーブル５０に記憶してもよい。
　なお、第１演算から第３演算は、構造物Ｘまたは各マーカーと正対する方向（図５のＸ方向）の目標加速度αを演算する処理である。このため、制御装置３は、これとは別に進行方向（図５のＹ方向）および高度の演算処理を実行する。
　そのほか、制御装置３は、離陸ポート１８から飛行体２が移動した方向、高度、距離などの飛行履歴を記録する。制御装置３は、実際には演算部３６、記憶部３８、Ｉ／Ｏインターフェース、を含むマイクロコンピュータと、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）およびＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線通信デバイス（図２の通信部４０）、で構成される。制御装置３は、記憶部３８に記憶されたプログラムを用いて、飛行制御部３４へ送信する指示信号を生成し、飛行制御部３４に送信する。なお、本実施形態では、制御装置３は、飛行制御部３４と別体で設けられ、飛行体２の所望の場所に固定されるとともに飛行制御部３４と無線または有線によって電気的に接続される。これによって、既存のマルチコプターに含まれるプログラムを用いて、飛行体２を制御できる。しかし、制御装置３は、飛行制御部３４と一体で設けてもよい。
　ユーザ端末４は、ユーザが各マーカーを組み合わせたフライトプランを作成し記録するためのパーソナルコンピュータである。しかし、ユーザ端末４は、スマートフォン、タブレット端末などの装置であってもよい。フライトプランは、飛行経路上に配置された各マーカーを制御装置３が読み取りながら飛行体２を制御するための情報である。フライトプランには、少なくとも構造物Ｘとの距離またはマーカーとの目標距離Ｄｔの情報を含む。具体的には、フライトプランにはＩＤマーカー１０に表示される識別情報と、識別情報に対応した飛行経路情報が含まれる。制御装置３は、ＩＤマーカー１０の識別情報を読み取ると、次のＩＤマーカー１０の位置などの飛行経路情報を取得できる。制御装置３は、イニシャルマーカー１２を読み取ると、中継装置８を介してサーバ６のフライトプランの格納場所にアクセスし、フライトプランをダウンロードする。
　図５に示すように、制御装置３は、ユーザ端末４のディスプレイ４ａに、少なくとも各マーカーの位置または構造物Ｘの位置を表示し、目標加速度αまたは目標速度Ｖｒを矢印の向きと大きさ（ベクトル）で表示する処理を実行してもよい。図５では、例えば飛行体２の位置と、ＩＤマーカー１０と、飛行体２のＸ方向の目標加速度αとＹ方向の目標加速度α２と、距離Ｄｒが表示されている。このような処理を制御装置３が実行することによって、ユーザは飛行体２の移動方向を視覚的に把握しやすい。
　サーバ６は、ユーザ端末４とインターネットによって接続され、ユーザ端末４で作成され記録されたフライトプランを格納する。サーバ６は、例えば、インターネット上に配置された記憶装置であるクラウドストレージである。中継装置８は、制御装置３と無線通信によって接続されるとともに、サーバ６とインターネットによって接続され、制御装置３と、サーバ６との間を中継する装置である。本実施形態では、中継装置８は、飛行体２を用いる建設現場などに配置される。
　ＩＤマーカー１０は、構造物Ｘに複数配置される。一部のＩＤマーカー１０の下には、常時着陸ポート２０が配置される。ＩＤマーカー１０は、識別情報である数字をＡＲマーカーに変換した画像を表示する。ＩＤマーカー１０は、この他、識別情報に関連する情報の文字、または画像の情報を表示する。イニシャルマーカー１２は、飛行経路の始点に配置される。イニシャルマーカー１２は、制御装置３が、フライトプランを取得するために設けられる。本実施形態では、イニシャルマーカー１２は、離陸ポート１８の近辺に配置される。
　臨時着陸マーカー１４は、飛行体２に異常が発生した場合、着陸可能な位置である旨を表示する。リターンマーカー１６は、飛行体２を離陸位置まで戻す場合に、ユーザが飛行経路上の任意の位置に張り付ける。離陸ポート１８は、上記のとおり離陸位置に配置される。常時着陸ポート２０は、複数のＩＤマーカー１０のうち一部のＩＤマーカー１０の下に配置される。臨時着陸ポート２２は、臨時着陸マーカー１４の下に配置される
　次に図６を用いて、制御装置３による飛行体２の制御手順について説明する。なお、本実施形態では、目標距離Ｄｔに基づいて第１演算と第２演算の重みづけを変更する例について説明する。
　ステップＳ１では制御装置３は、イニシャルマーカー１２を読み取る。制御装置３は、イニシャルマーカー１２を読み取ると、読み取ったイニシャルマーカー１２の情報に合ったフライトプランを取得する（ステップＳ２）。フライトプランを取得した制御装置３は、フライトプランの情報から構造物Ｘまたは各マーカーとの距離である目標距離Ｄｔを取得し（ステップＳ３）、ステップＳ４に処理を進める。
　ステップＳ４では制御装置３は、第１演算と第２演算の重みづけを設定する。具体的には、制御装置３は、テーブル５０から各ゲインを取得し、第１演算および第２演算を実行するプログラムに代入する。制御装置３は、重みづけを設定すると、飛行体２を離陸させ（ステップＳ５）、ステップＳ６に処理を進める。
　ステップＳ６では制御装置３は、最初のＩＤマーカー１０（第１マーカーの一例）を読み取る。制御装置３は、ＩＤマーカー１０に表示された飛行経路情報に基づいて飛行経路を特定し、次のＩＤマーカー（第２マーカーの一例）１０に向けて飛行し（ステップＳ７）、ステップＳ８に処理を進める。
　ステップＳ８では制御装置３は、構造物Ｘとの距離Ｄｒを取得する。構造物Ｘとの距離は、最初のＩＤマーカー１０（第１マーカー）を読み取った際の、ＩＤマーカー１０との距離であってもよい。制御装置３は、取得した距離Ｄｒに対して相補フィルタ処理を実行し（ステップＳ９）、演算ループに代入し、ステップＳ１０に処理を進める。
　ステップＳ１０では制御装置３は、上記の演算ループを用いて目標加速度αを演算し、ステップＳ１１に処理を進める。制御装置３は、目標加速度αを操作量として飛行制御部３４に指示を与え、飛行体２を移動させ（ステップＳ１１）、ステップＳ１２に処理を進める。
　ステップＳ１２では制御装置３は、ＩＤマーカー（第２マーカー）を読み取ったか否か判断する。制御装置３は、ＩＤマーカー（第２マーカー）を読み取ったと判断した場合（ステップＳ１２　ＹＥＳ）、ステップＳ６に処理を戻し、第２マーカーの次のＩＤマーカー（第３マーカーの一例）を読み取るための制御に処理を進める。したがって、制御装置３は、２回目のステップＳ６からステップＳ１２までの処理においては、第１マーカーを第２マーカーと読み替え、第２マーカーを第３マーカーとして読み替えて処理を繰り返す。
　制御装置３はＩＤマーカー（第２マーカー）を読み取っていないと判断した場合（ステップＳ１２　ＮＯ）、上記演算ループの演算を所定時間毎に繰り返し実行し、目標距離Ｄｔが距離Ｄｒに近づくように飛行体２をフィードバック制御する。なお、本開示の飛行体２の制御システム１は、このほか各マーカーのうちＩＤマーカー１０以外のマーカーを読み取った処理も実行するが、距離Ｄｒが目標距離Ｄｔとなるように飛行体２を制御する処理は同様であるため説明を省略する。
　以上説明した通り、本開示の飛行体２の制御システム１によれば、第２演算は、第１演算によって算出された目標速度Ｖｒを利用する。これによって、反射風によって発生する飛行体２の挙動への影響を少なくできる。具体的には、飛行体２と構造物Ｘとの距離が近いほど、反射風の影響が大きい。このため、飛行体２は構造物Ｘと近いほど反射風によって構造物Ｘから離れる方向に押し流される。したがって、目標距離Ｄｔと距離Ｄｒに基づいて第１演算のみを実行し目標加速度αを演算した場合、反射風の影響によって飛行体２が構造物Ｘに近づいては離れるといった挙動を繰り返すハンチング動作を起こす。しかし、第２演算による目標速度Ｖｒと飛行体２の偏差を利用することによって、このハンチング動作が収束しやすい。
　さらに、飛行体２の制御システム１は、構造物Ｘまたは各マーカーとの目標距離Ｄｔまたは距離Ｄｒに応じて、第１演算と、第２演算との重みづけを変更する。これによって、構造物Ｘまたは各マーカーとの距離Ｄｒに応じて反射風の影響度合いを考慮した演算ができる。具体的には、目標距離Ｄｔまたは距離Ｄｒが大きい（長い）場合、反射風の影響はない。しかし、発明者らの知見によれば、第２演算の偏差による制御量が含まれると目標距離Ｄｔに距離Ｄｒが近づくにつれて、ハンチング動作を発生させる。したがって、目標距離Ｄｔまたは距離Ｄｒが大きくなるにつれて、第２演算の影響を排除することが好ましい。このような観点から、飛行体２の制御システム１は、構造物Ｘまたは各マーカーとの目標距離Ｄｔまたは距離Ｄｒに応じて、第２演算の重みづけをゼロに近づけるようにしている。言い換えると、飛行体２の制御システム１は、構造物Ｘまたは各マーカーとの目標距離Ｄｔまたは距離Ｄｒが近いほど、第２演算の重みづけを重くしている。
　以上、本開示に係る飛行体の制御システム１によれば、屋内に使用する飛行体に適した新規の飛行体２の制御システム１を提供できる。
　以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の変形例は必要に応じて任意に組合せ可能である。
　例えば、上記実施形態では、複数のＩＤマーカー１０と、イニシャルマーカー１２と、臨時着陸マーカー１４と、リターンマーカー１６と、離陸ポート１８と、常時着陸ポート２０と、臨時着陸ポート２２と、を用いて飛行体２を制御する例を用いて説明したが、本開示はこれに限定されない。飛行体２を制御する制御システム１であれば、いずれの制御システムであってもよい。
１　　　：制御システム
２　　　：飛行体
３　　　：制御装置
４　　　：ユーザ端末
６　　　：サーバ
８　　　：中継装置
１０　　：ＩＤマーカー
２４　　：カメラ
２６　　：露光装置
２８　　：レーザ装置（距離センサの一例）
２９　　：速度センサ
３０　　：電池
３２　　：モータ
３４　　：飛行制御部
３６　　：演算部
３８　　：記憶部
４０　　：通信部
５０　　：テーブル

Claims (5)

  1. 　飛行体の飛行速度を検知する速度センサと、
    　前記飛行体と構造物との距離である第１距離を取得する距離センサと、
    　前記飛行体を制御する制御部と、
    を備え、
    　前記制御部は、
    　目標距離と前記第１距離との差に基づいて前記飛行体の目標速度を演算する第１演算と、
    　前記飛行速度と前記目標速度との差に基づいて前記飛行体の目標加速度を演算する第２演算と、
    　前記目標距離または前記第１距離に基づいて前記第１演算と前記第２演算との重みづけを変更する第３演算と、
    を実行し、
    　前記目標加速度となるまで前記飛行体を加速させ、前記第１距離が前記目標距離となるまで前記飛行体をフィードバック制御する、
    飛行体の制御システム。
  2. 　前記制御部は、前記目標距離または前記第１距離が短いほど、前記第２演算の重み付けを重くする、
    請求項１に記載の飛行体の制御システム。
  3. 　前記制御部は、前記距離センサから取得した距離をなまして前第１距離とする、
    請求項１または２に記載の飛行体の制御システム。
  4. 　少なくとも前記構造物の位置を表示し、前記目標加速度を矢印の向きと大きさで表示するディスプレイとを、
    さらに備える、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の飛行体の制御システム。
  5. 　前記構造物に配置され、前記飛行体の飛行経路情報を含むマーカーをさらに備え、
    　前記距離センサは、前記飛行体と前記構造物または前記マーカーとの距離である前記第１距離を取得し、
    　前記制御部は、前記マーカーを読み取りながら前記飛行体を制御する、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の飛行体の制御システム。
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