(57)【要約】【課題】無人航空機を、より安全に飛行させることができるようにするための風観測システム、ドローン用飛行管制システムを提供すること。【解決手段】風向及び風速を観測する気象観測システムであって、ドローンをほぼ真上垂直方向に飛行させ、前記飛行中の前記ドローンの制御情報から風向及び風速を計測する気象観測システム。上記した本発明の気象観測システムを、予め定められたルートに沿ってドローンを飛行させるドローン用飛行管制システムに応用することができる。この場合、第一のドローンを飛行させることにより飛行ルートに関連する風向及び風速の情報を取得し、前記風向及び風速の情報を参考にして第二のドローンの飛行ルートを選定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風向及び風速を観測する気象観測システムであって、ドローンをほぼ真上垂直方向又は真下垂直方向に飛行させ、前記飛行中の前記ドローンの制御情報から風向及び風速を計測することを特徴とする気象観測システム。
【請求項２】
前記ドローンの制御情報は、前記ドローンの垂直方向に対する傾きの情報を含むことを特徴とする請求項１に記載の気象観測システム。
【請求項３】
前記ドローンの標準着陸地点と非常着陸地点を予め定めておき、気象条件によって着陸地点を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の気象観測システム。
【請求項４】
前記ドローンはワイヤの巻き上げ装置を備え、所定高度に達するまでは前記ワイヤにより地上と接続しておき、所定高度に達した後は前記ワイヤを巻き上げて地上との接続を切り離した状態で風向及び風速の計測を行うことを特徴とする請求項１に記載の気象観測システム。
【請求項５】
予め定められたルートに沿ってドローンを飛行させるドローン用飛行管制システムであって、第一のドローンを飛行させることにより飛行ルートに関連する風向及び風速の情報を取得し、前記風向及び風速の情報を参考にして第二のドローンの飛行ルートを選定することを特徴とするドローン用飛行管制システム。
【請求項６】
前記第一のドローンをほぼ真上垂直方向又は真下垂直方向に飛行させ、前記飛行中の前記第一のドローンの制御情報から前記飛行ルートに関連する風向及び風速の情報を取得することを特徴とする請求項５に記載のドローン用飛行管制システム。
【請求項７】
前記第一のドローンとして、前記第二のドローンよりも軽量なドローンを用いることを特徴とする請求項４に記載のドローン用飛行管制システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドローン（DRONE）やＵＡＶ（Unmanned aerial vehicle）などと呼ばれる無人航空機を、より安全に飛行させることができるようにするための気象観測システム及びドローン用飛行管制システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の無人航空機（以下、ドローンと記載する）が様々な分野で利用されている。本明細書において例示する山岳遭難救助においては、山岳事故発生時に地元警察などからの要請を受けて、自律航行により丘や尾根を越えた遠方までドローンを飛行させることが必要となる。しかしこのような場合において、ドローンが墜落したり、行方不明になったりする可能性があり、遭難救助の為に飛ばしたドローンが、２次災害を引き起こすことが想定される。  そこで、このような２次災害を防ぐために、ドローンを安全に飛行させる技術が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−１６５９３１号公報
【特許文献２】特開２０１４−１８１０３４号公報
【特許文献３】特許第５８９３８３６号明細書
【特許文献４】特許第６１８２６９３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、管制装置がドローンの識別情報と現在位置を含む状態情報を受信し、管制指示を与えることによってドローンの安全を確保するドローン用管制装置が開示されている。  しかし、このようなドローン用管制装置を用いても、例えばすでに飛行を始めているドローンに強風があたり、ドローンがその飛行性能を超えてしまった場合には墜落や行方不明事故を防ぐことはできない。
【０００５】
特許文献２には、緊急事態が指示されたときにドローンの軌道修正を行うように構成された無人航空機の飛行方法が開示されている。  しかし、このような飛行方法を採用したとしても、ドローンが飛行性能を超えるような気象条件に遭遇した場合には、ドローンは制御プログラム通りに動かないことから、墜落や行方不明事故を防ぐことはできない。
【０００６】
ドローンの飛行安全を実現するためには、ドローンを飛行させることに先立って、飛行場所の風向と風速を充分に把握することが必須である。  地上の風向風速情報であれば、気象庁のアメダスを使うことにより、ある程度の状況を把握することができる。また気象庁設置のウィンドプロファイラにより高度１ｋｍ刻みで情報が公開されている。  しかしウィンドプロファイラのデータは全国３３か所にしか設置がない。  また、ウィンドプロファイラから供給されるのは、限られた地点の、限られた高度（１ｋｍ刻み）の情報しかないのが実状である。  つまりドローンが飛行する高度（おおむね地上から１００ｍ程度）の風向風速を、ドローンが飛行する地点で確実に把握する方法は存在しない。
【０００７】
そこで特許文献３においては、飛行中のドローンにおいて、対地速度センサ、モデル化した加速度情報及び実加速度センサを用いて、モデル化された加速度と実加速度との差分として風速を推定する風速推定システムが提案されている。  この風速推定システムを使うことにより、飛行中のドローンにより風速情報を入手できると考えられる。  しかし水平飛行中であるために飛行速度によって、風による影響も変化し、モデル化は手間がかかる上に不正確になりがちである。  この結果推定結果に誤差が生じてしまい、風向や風速を正確に推定できない可能性がある。
【０００８】
そこで特許文献４においては、ドローンを自由落下させ、落下中に変化する位置情報を用いて風向及び風速を推定する風推定方法が提案されている。  しかし上記の風推定方法においては、自由落下させたドローンは、風によりその位置を変えながら降下していくことになり、同一地点での風向風速を計測することができない。
【０００９】
本発明は、このような背景に鑑みて提案されたものであり、ドローンの飛行安全を実現するために、ドローンが飛行する領域で、ドローンが飛行する高度の風向風速等の気象情報を安全に観測することのできる気象観測システムを提供することを目的とする。また、それによってドローンの安全な飛行を実現するドローン用飛行管制システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の気象観測システムは、風向及び風速を観測する気象観測システムであって、ドローンをほぼ真上垂直方向又は真下垂直方向に飛行させ、前記飛行中の前記ドローンの制御情報から風向及び風速を計測する気象観測システムである。
【００１１】
本発明のドローン用飛行管制システムは、予め定められたルートに沿ってドローンを飛行させるドローン用飛行管制システムであって、第一のドローンを飛行させることにより飛行ルートに関連する風向及び風速の情報を取得し、前記風向及び風速の情報を参考にして第二のドローンの飛行ルートを選定するドローン用飛行管制システムである。
【００１２】
本発明の気象観測システムにおいては、観測用ドローンをほぼ真上垂直方向又は真下垂直方向に沿って飛行させながら、風向風速の観測をおこなう。  即ち対地速度がほぼゼロになるようにドローンを制御して飛行させ、そのときのドローンの制御情報から風向風速の情報を観測する。  また、この観測飛行の最中に万が一墜落した場合、２次被害を少なくするために軽量ドローンを用いる。  さらに非常着陸地点が周囲に確保された状態で観測飛行を行うことにより、ドローンが飛行する場所においてドローンが飛行する高度（地上高１００ｍ程度）の風向風速情報を安全に入手することができる。  
【００１３】
また、本発明のドローン用飛行管制システムにおいては、本来の目的である大型ドローンを飛行させるに先立ち、小型かつ軽量の計測用ドローンを飛行させることにより、飛行ルートにおける風向風速を確実に把握する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、従来は入手することが困難であった地上高１００ｍ程度の気象情報（風向及び風速の情報）を入手することができる。  またドローンの飛行ルートにおける風向風速条件を充分に把握することが可能となり、ドローンによる２次災害を引き起こすことなく、ドローンを飛行させて、例えば山岳遭難救助などの業務を行うドローン用飛行管制システムが実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】山岳地の様子を説明する図である。
【図２】ドローン用飛行管制システム１の全体構成を説明する図である。
【図３】ドローンボックスの構成を説明する図である。
【図４】ドローン用飛行管制システムの制御フローチャートである。
【図５】ステップＳＰ５においてドローン３１による気象情報（特に風速情報）を取得する場合の説明図である。
【図６】垂直方向に飛行するドローンから風速を求める原理を示した図である。
【図７】ドローンの標準着陸地点及び複数の非常着陸地点を示す等高線地図である。
【図８】ドローンの飛行範囲を限定するためにドローンにワイヤ巻き取りリールを装着した実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態（以下実施の形態とする）について説明する。
【００１７】
図１は、山岳地の様子を説明する図である。図１において、山岳地６１を登山する登山客は一般に、定められた複数の登山ルートのうちの一つを登山する。  図１において、この登山ルートの一例をルート６として示した。  ルート６の途中には山小屋が複数個所設置されていて、登山客の宿泊場所や食料などを提供している。  また山小屋は、太陽光、風力、流水などの自然エネルギーを使った発電システムと、携帯電話回線などによる無線通信手段を備えている。
【００１８】
山岳地６１には気象センサ５が設置される。  気象センサ５は風向風速の情報だけでなく、温度や日照などの情報を計測し、電波に乗せて山麓に設置された受信ステーション７まで伝送する。受信ステーション７は、受信した電波から気象センサ５の計測データを取り出して、インターネットに伝送する。  
【００１９】
気象センサ５は山中において定期的なメンテナンスが必要とされることから、その設置数は限られている。気象センサ５が高い山の風下側に設置され、高い山が風をブロックするような場合、気象センサ５により計測される風向風速のデータは、本来の風向風速値よりも低めに計測される。  また気象センサ５が計測できる風向風速の情報は、山肌からせいぜい数ｍ程度の高さの風向風速であり、高度１００ｍで飛行するドローンに影響する風速を正しく測ることはできない。
【００２０】
図２は、ドローン用飛行管制システム１の全体構成を説明する図である。図３は、ドローンボックスの構成を説明する図である。
図２に示す本ドローン用飛行管制システム１の構成図では、山小屋に電源と通信手段があることから、山小屋に隣接して、ドローンボックス２０１、２０２及びドローンボックス２１０が設置される。これらのドローンボックスは、図３に示すように、それぞれドローン３０及びドローン３１を格納している。
【００２１】
ドローンボックス２０１及びドローンボックス２０２は、それぞれ撮影用のドローン３０を内蔵する。ここで撮影用ドローン３０は、高精細のイメージセンサに加えて遠方から撮影するため焦点距離の長い望遠レンズのカメラや、カメラを安定させるためのシンバルなどを搭載する。  このような装備により風を受ける面積が増え、また重くなるため、ドローン３０の耐風速性能は低下してしまう。  これに対してドローンボックス２１０が格納するドローン３１は、簡単な位置計測機能だけを搭載しているので軽量に仕上げられている。
【００２２】
図２において、飛行ルート４１は比較的高度の低いドローンの飛行監視ルートである。気流の乱れの少ない平野部と、平野部に接続する登山道を中心にドローン３０を飛行させるルートであり、比較的安全度が高い。  これに対して飛行ルート４２は、山頂付近を中心にした飛行ルートであり、登山遭難が起きる可能性の高い場所を含んでいる。
【００２３】
ドローンボックス２１０が格納するドローン３１は、簡単な位置計測機能だけを搭載して軽量に仕上げられる。  ドローン３１は高性能なカメラを搭載することなく軽量であることから、耐風速も強く、強い横風や乱流を受けた場合でも大きくルートを外れることなく、意図したルートを保って飛行する能力が高い。  また万が一、強い乱気流などによりドローン３１が墜落した場合においては、ドローン３１が軽量であることから、墜落により周囲に与える被害を比較的小さく抑えることができる。
【００２４】
次に、図４においてクラウドコンピュータ１０による航空管制の処理について説明する。図４は、ドローン用飛行管制システムの制御フローチャートである。クラウドコンピュータ１０は（図２参照。）、ステップＳＰ１においてにインターネット上など公開されている気象データ（例えばＧＰＶやＳＣＷ）の情報を入手する。  次に、ステップＳＰ２において、この気象データから飛行可能であるかどうかを判断する。例えば風速５ｍ毎秒を超える風が地上付近で予想されていた場合には、全ての飛行を中止する。
【００２５】
次に、ステップＳＰ３において、クラウドコンピュータ１０は、気象センサ５により計測された地点の気象データを入手する。  次に、ステップＳＰ４において、気象センサ５による風速の計測値が５ｍ毎秒を超えていた場合、あるいは平均の風速は小さくても、瞬間最大風速値が１０ｍ毎秒を超えていた場合は、全ての飛行を中止する。
【００２６】
次に、ステップＳＰ５においてクラウドコンピュータ１０は、インターネット経由でドローンボックス２１０に指示を出し、ドローンボックス２１０の蓋をあけ、収納されている内蔵するドローン３１を飛行させることにより、山から高度１００ｍまでの風向風速の情報を取得する。  ドローン３１は軽量であるため、万が一、乱気流に巻き込まれて墜落した場合であっても、大きな被害をもたらすことはない。  ドローンボックス２１０は、山頂付近にできるだけ近くて、なおかつネットワークと電源接続が可能な場所に設置される。
【００２７】
次に、ステップＳＰ６において、ドローン３１は高度１００ｍ程度まで、ほぼ真上方向に飛行を行い、その飛行状況から高度１００ｍ程度の気象情報（風向風速データ）を把握する。  ドローン３１により、例えば通常では入手不可能な山間部の風向風速情報を把握することが可能となる。  ドローン３１により得られた気象情報は、インターネットを介してクラウドコンピュータ１０に送られる。  その後ドローン３１はドローンボックス２１０に再格納され、次のフライトのために再充電される。
【００２８】
次に、ステップＳＰ７において、クラウドコンピュータ１０はドローン３１により得られた気象情報を参考にして、ドローン３０の飛行ルートを決定する。  即ち、山頂付近の高度１００ｍにおいても安定した風向風速が計測された期待される場合には、山頂付近を含む飛行ルート４２を選択する。  山頂付近で強風が吹いている状況であることがドローン３１の飛行により判明した場合においては、クラウドコンピュータ１０は飛行ルート４１を選択して、比較的高度の低い山麓部の飛行に切り替えることで安全性を確保する。
【００２９】
次に、ステップＳＰ８において、クラウドコンピュータ１０はドローン３０を飛行させ、山岳遭難者の状況を示す写真などを撮影する。  即ちステップＳＰ７において飛行ルート４２が選択された場合、山頂部に近い場所に設置されているドローンボックス２０２に指示を与えて、ドローン３０を飛行ルート４２に沿って飛行させる。  ドローン３０には高精度のカメラが搭載され、山岳部付近で起きた遭難事故現場の詳細な写真を撮影することができる。  飛行ルート４１が選択されていた場合、クラウドコンピュータ１０は、平野部に設置されたドローンボックス２０１に指示を与えてドローン３０を飛行ルート４１に沿って飛行させ、望遠レンズを用いて山頂部付近の様子をドローン３０に撮影させることで、遭難事故の状況を精一杯把握する。
【００３０】
図５は、ステップＳＰ５においてドローン３１による気象情報（特に風速情報）を取得する場合の説明図である。図５においては、地表面からの高度と風速との関係、及び、地表面からの高度と垂直方向に飛行するドローンの制御速度との関係を例示している。
ドローン３１をほぼ垂直方向に飛行させて、高度による風の変化を取得する。この場合、風速は高度により変化する。  近くに山がある場合、その山により風がブロックされている高さを飛行している間は、実際の風速よりも低い風速が観測される。ブロックしている山よりも高度が高くなると、遮るものがなくなるので一挙に風速が高まる。  図５に示す例では、およそ地表面から８０ｍの高度において山のブロックを抜け出し、そこから風速が一挙に上がっている状況を右側の実線で示している。
【００３１】
ドローン３１は、このような風速の状況において、ＧＰＳ衛星とジャイロスコープの情報を参照しながら、真上に飛行していく。  このときドローン３１内部のフライトコンピュータには、風速を打ち消し、真上に飛行するための速度制御信号があらわれる。  この速度制御信号の極性を反転することにより、その高度における風速情報をドローン３１は計測する。
【００３２】
図６は、垂直方向に飛行するドローンから風速を求める原理を示した図である。図６に示すように左からの風が吹いていた場合、ドローン３１は、内蔵するＧＰＳ受信機、ジャイロ、加速度センサにより、真上の方向に飛び続けるように制御される。  このときドローン３１は、角度θだけ機体を傾け、４つのプロペラから発生する推力Ｐの水平方向成分を使って風に流されないように制御する。ドローン３１が風から受ける抗力Ｄｗはドローン３１の断面積に比例するので、プロペラによる推力ＰにＳｉｎ（θ）を乗じた値となる。  即ち、以下の式（１）が成立する。
Ｐ x sin(θ)＝Ｄｗ＝風速 x Ｆ（θ）  ・・  （１）
【００３３】
風洞においてドローン３１の傾き角度θを変えながら風をあて、発生する抗力Ｄｗを求めることにより関数Ｆ（θ）を求めておく。  ドローン３１内部のフライトコンピュータの制御信号から推力Ｐと機体の傾きθの情報を得れば、上式１により風速の推測値を求めることができる。  また傾き角度θの方向成分から、風向の情報を得ることができる。
【００３４】
図７は、ドローンの標準着陸地点及び複数の非常着陸地点を示す等高線地図である。
ところでドローン３１が高度を上げたとき、ドローン３１の飛行性能を超える風に襲われる可能性もある。  このとき、従来のドローンの制御プログラムでは、出発地点に戻るようにプログラムされている場合が多い。  しかし飛行性能を超える風に遭遇した場合には、出発点に戻ることはできなくなる。  そこで、非常着陸地点４０１，４０２，４０３，４０４をあらかじめ準備しておく。  これらの非常着陸地点には民家などは無く、安全に着陸と回収を行うことができる地点である。  
【００３５】
地点４３が計測地点であり、ドローン３１は地点４３を出発して垂直方向に飛行し、風向風速の計測をおこない、通常は地点４３に帰着することを想定している。  しかし高度を上げたときに強い南風に遭遇した場合は、北方向に流されてしまうので、プログラムにより非常着陸地点４０２に非常着陸するように制御を変更する。  同様に強い北風の場合は非常着陸地点４０４、東風の場合は非常着陸地点４０３、西風の場合は非常着陸地点４０１に非常着陸するように着陸地点を変更する制御をおこなう。  
【００３６】
図８は、ドローンの飛行範囲を限定するためにドローンにワイヤ巻き取りリールを装着した実施例を示す図である。  図８（Ａ）においてドローン３１は、ワイヤ３１２によって、ドローンボックス２１０と接続された状態で飛行を開始する。この結果、予期せぬ強風に襲われてドローン３１が墜落した場合においても、ドローン３１の墜落位置は常にワイヤ３１２の半径内に留まる。  ワイヤ３１２を最大に繰り出した長さを半径として、その範囲内に人が立ち入らないように制約することにより、ドローン３１２を常に安全に飛行させることができる。
【００３７】
ここでワイヤ３１２は、ドローン３１に取りつけられた巻き取りリール３１１から、飛行高度に応じて繰り出されるように構成されている。またワイヤ３１２の他端は、接続端子３１３によってドローンボックス２１０に固定されることにより、ドローン３１の飛行範囲を制限して、事故を未然に防ぐことができる。
【００３８】
ドローン３１はワイヤ３１２を繰り出しながら高度を上げ、真上に飛行していく。  このときにワイヤ３１２が風を受けることにより、ドローン３１は通常の飛行よりもさらに強く風の影響を受けることになる。  ドローン３１が所定の高度に達して、風の影響が安全を確保できる程度に充分小さいと判断された場合、ドローン３１はドローンボックスに無線で指示を出す。  この指示を受けたドローンボックス２１０は、接続端子３１３を切り離す作業をおこなう。  次にドローン３１は、巻き取りリール３１１を操作して、ワイヤ３１２を巻き上げ、筐体内にその殆どを収納する（図８（Ｂ）参照。）。  収納が完了したら、ドローン３１はドローンボックスに向けて垂直に降下しながら飛行し、前述したように機体の傾きと推力により、飛行している高度における風向と風速の情報を求める。このときワイヤ３１２は、ドローンの中に格納されているので、風の影響を最低限に抑えることができる。
【００３９】
以上のように、予め定められた領域において小型軽量で飛行性能に優れるドローン３１を飛行させることにより、高度１００ｍ程度の気象データを入手することが可能となり、この気象データを活用して、カメラを搭載したドローンを飛行管制することにより安全なドローンの飛行を実現することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１  ドローン用飛行管制システム、  ５  風向風速センサ、  ６  標準登山ルート、７  無線受信設備、  １０  クラウドコンピュータ、３０  撮影用ドローン（第二のドローン）、３１  軽量ドローン（第一のドローン）、４１，４２、飛行ルート、２０１，２０２，２１０  ドローンボックス、４３  気象情報計測地点、４０１〜４０４  非常着陸地点
【図１】
2020153792.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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