(57)【要約】  航空機（１０）は、少なくともひとつのセンサ（５８、６０）と、高度アクチュエータ（２２）と、メモリ装置（４２）と、電子的コントローラ（３４）とを含む。少なくともひとつのセンサ（５８、６０）は、航空機（１０）の高度と航空機（１０）の現在位置と航空機（１０）の速度とを検出する。高度アクチュエータ（２２）は、航空機（１０）の高度を変更する。メモリ装置（４２）は、区域の所定の地形データを保存する。電子的コントローラ（３４）は、航空機（１０）の検出された現在位置と航空機（１０）の検出された速度とに基づいて、航空機（１０）の将来位置を推定する。電子的コントローラ（３４）は、将来位置と航空機（１０）の検出された高度と所定の地形データとに基づいて高度アクチュエータ（２２）を制御する。
2019058505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機の高度と前記航空機の現在位置と前記航空機の速度とを検出するように構成された少なくともひとつのセンサと、
前記航空機の高度を変更するように構成された高度アクチュエータと、
区域の所定の地形データを保存するように構成されたメモリ装置と、
前記航空機の検出された現在位置と前記航空機の検出された速度とに基づいて、前記航空機の将来位置を推定するように構成された電子的コントローラと、
を備え、
前記電子的コントローラは、前記将来位置と前記航空機の検出された高度と前記所定の地形データとに基づいて、前記高度アクチュエータを制御するように構成される、
航空機。
【請求項２】
前記少なくともひとつのセンサは、ＧＰＳセンサを含む、
請求項１に記載の航空機。
【請求項３】
前記電子的コントローラは、さらに前記航空機の方向に基づいて、前記将来位置を推定するようにさらに構成される、
請求項１又は２に記載の航空機。
【請求項４】
前記電子的コントローラは、前記将来位置における前記所定の地形データを決定するようにさらに構成される、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の航空機。
【請求項５】
前記電子的コントローラは、前記検出された高度と前記将来位置における前記所定の地形データとの差分に基づいて、前記高度アクチュエータを制御するようにさらに構成される、
請求項４に記載の航空機。
【請求項６】
前記電子的コントローラは、前記区域の起伏がある地形に対する目標高度を維持するようにさらに構成される、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の航空機。
【請求項７】
手動制御コマンド信号を受信するように構成された無線通信装置をさらに備える、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の航空機。
【請求項８】
レーダーとライダーとの少なくともひとつを用いて、前記航空機の前記高度を検出するように構成された対地高度検出器をさらに備える、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の航空機。
【請求項９】
少なくともひとつの農薬散布タンクをさらに備える、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の航空機。
【請求項１０】
前記電子的コントローラは、前記区域の作物上の各パスに対して始点と終点とを有する前記航空機の飛行経路に沿って飛行するために前記高度アクチュエータを制御するように構成されており、前記始点と前記終点との間にウェイポイントを有さない、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の航空機。
【請求項１１】
前記所定の地形データは、数値標高モデルを含む、
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の航空機。
【請求項１２】
前記航空機は、ヘリコプタである、
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の航空機。
【請求項１３】
前記航空機は、無人航空機である、
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の航空機。
【請求項１４】
航空機の高度と前記航空機の現在位置と前記航空機の速度とを検出し、
前記航空機の検出された現在位置と前記航空機の検出された速度とに基づいて、前記航空機の将来位置を推定し、
前記将来位置と前記航空機の検出された高度と区域の所定の地形データとに基づいて、前記航空機の前記高度を制御する、
航空機高度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機の分野に関するものである。より具体的には、本発明は、地形追従機能を有する航空機の分野に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、無人航空機技術の急速な開発により、無人航空機は、液剤散布、種まきなどを含む農業用途などの産業用途に幅広く用いられるようになっている。【０００３】
農業用途において、無人航空機は、地面（作物）に対する目標高度を維持しつつ地面（作物）に対して飛行する必要がある。例えば、液剤散布の場合、無人航空機は、地面から３〜５メートル（又は作物から２〜３メートル）の上空を飛行することが好ましい。従来の航空機の自律飛行制御は、特開平１１−２３１０４９号公報に開示されている。このような自律飛行制御では、航空機は、所定の飛行経路に追従するように制御される。加えて、無人航空機は、対地高度計を用いて対地高度を検出することにより地面に対する目標高度を維持するように制御されることもある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような無人航空機がブドウ畑などの起伏がある地面に対して所定の飛行経路に沿って飛行する場合、無人航空機が地面に対する目標高度を維持するためには、起伏がある地面に沿って多くのウェイポイントをそれらのウェイポイントにおける目標高度とともに準備する必要がある、ということが見いだされた。【０００５】
一方、対地高度計が用いられる場合には、対地高度計の距離データから、作物や地面の突起などの検出に起因する距離データの高周波成分のノイズを取り除くために、距離データを処理する必要がある。この処理は、無人航空機の高度を検出する際の遅延を引き起こす。そのため、対地高度計の距離データに基づいて無人航空機の高度を遅延なく制御することは難しく、その結果、適切に無人飛行機を航行させるためには無人航空機の目標高度に十分な余裕が必要となる。そのため、対地高度計の距離データに基づいて無人航空機を制御し、起伏がある地面に対して様々な用途のために所望される目標高度で飛行させることは難しい。これらの理由により、対地高度計を用いた地形追従制御は、無人航空機が水田のようにほとんど起伏のない地面や緩やかな起伏の地面に対して飛行する場合や、無人航空機が地面から１０メートル以上、例えば３０メートル、の上空を飛行する場合にのみ用いられる。【０００６】
基本的に本願は、地形追従機能を有する航空機の様々な特徴に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願のひとつの態様としての航空機は、少なくともひとつのセンサと、高度アクチュエータと、メモリ装置と、電子的コントローラとを含む。少なくともひとつのセンサは、航空機の高度と航空機の現在位置と航空機の速度とを検出する。高度アクチュエータは、航空機の高度を変更する。メモリ装置は、区域の所定の地形データを保存する。電子的コントローラは、航空機の検出された現在位置と航空機の検出された速度とに基づいて、航空機の将来位置を推定する。電子的コントローラは、将来位置と航空機の検出された高度と所定の地形データとに基づいて、高度アクチュエータを制御する。【０００８】
本願の航空機の他の特徴、態様及び利点は、様々な特徴を有する航空機についての実施形態及び添付の図面の記載によって、航空機製造に関わる分野の当業者に明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
出願当初の開示の一部を構成する添付の図面は、以下のものである。【００１０】
図１は、一実施形態に係る無人ヘリコプタの斜視図であり、地形追従制御の下でブドウ畑を飛行する無人ヘリコプタを示す。【００１１】
図２は、図１に示す無人ヘリコプタの斜視図を示す。【００１２】
図３は、図１に示す無人ヘリコプタの飛行制御システムのブロック図を示す。【００１３】
図４は、無人ヘリコプタの飛行区域の上面図であり、所定の飛行区域に設定された無人ヘリコプタの所定の飛行経路を示す。【００１４】
図５は、無人ヘリコプタの所定の飛行区域の拡大斜視図であり、起伏した地面上に写像された所定の飛行経路を示す。【００１５】
図６は、無人ヘリコプタの飛行制御システムにより実行される地形追従制御のフローチャートであり、地形追従制御の全体の処理を示す。【００１６】
図７は、無人ヘリコプタの飛行制御システムにより実行される地形追従制御のフローチャートであり、無人ヘリコプタの将来位置の計算処理を示す。【００１７】
図８は、地上局の表示部に表示された、無人ヘリコプタの飛行状態（将来位置）を表示する表示画像である。【００１８】
図９は、所定の飛行区域のＤＥＭデータの一例を示し、所定の飛行区域の２次元等高線グラフを示す。【００１９】
図１０は、無人ヘリコプタの飛行制御システムにより実行される地形追従制御を示す概略図である。【００２０】
図１１は、図１に示す無人ヘリコプタの飛行制御システムにより実行される地形追従制御を示す論理回路図であり、無人ヘリコプタの目標上下速度の計算処理を示す。【００２１】
図１２は、一実施形態に係る地形追従制御の制御結果を示すグラフである。【００２２】
図１３は、比較例に係る地形追従制御の制御結果を示すグラフである。【００２３】
図１４は、変形例に係る無人ヘリコプタの飛行制御システムの部分ブロック図である。【００２４】
これらの図面は、実施形態で用いられる方法、構造及び／又は材料の一般的な特徴を例示し、以下の記載を補足するように意図されているものである。しかしながら、これらの図面は、正確な縮尺ではなく、所与の実施形態の性能特性や正確な構造を正確に反映していないこともあるが、実施形態に包含される特性や値の範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。それぞれの図面では、同じ又は同様の符号を用いることにより、同じ又は同様の要素や特徴を有することを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図面を用いて選択された実施形態を説明する。この開示により当業者には明らかなように、以下の実施形態の記載は、単なる例示であって、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって定められる本発明を限定するものではない。図面において同様の符号は、同様の又は同じ要素又は特徴を示すので、後段の実施形態においては、同様の又は同じ要素又は特徴の説明は省略する。
【００２６】
まず図１を参照して、一実施形態に係る無人ヘリコプタ１０（航空機の一例）について説明する。図１に示すように、無人ヘリコプタ１０は、所定の飛行区域ＦＡ内を地面ＧＤに対して飛行し、化学薬品、肥料及び種などの農業材料を作物に対して散布する。特に、無人ヘリコプタ１０は、地面ＧＤの表面に対する無人ヘリコプタ１０の高度を所定の目標高度Ｓｚ（目標高度の一例）に維持する地形追従制御（後述）を実行する地形追従機能を有する。本実施形態では、例えば、所定の目標高度Ｓｚは、３メートルに設定される。しかしながら、所定の設定高度Ｓｚは、必要及び／又は要望に応じて異なる値に設定されてもよい。本実施形態では、無人ヘリコプタ１０は、農業用途に用いられる。しかしながら、無人ヘリコプタ１０は、農業用途以外の産業用途に幅広く用いられてもよい。また本実施形態では、無人ヘリコプタ１０は、航空機又は無人航空機（ＵＡＶ）の一例である。しかしながら、もちろん本願の地形追従機能は、飛行機に設けられていてもよい。無人ヘリコプタ１０は、基本的には、コックピットや窓がない点及びその寸法を除いては、有人ヘリコプタと類似した物理的構成を有する。また、無人ヘリコプタ１０は、有人ヘリコプタとは異なる制御システムを有する。
【００２７】
図２に示すように、無人ヘリコプタ１０は、メインボディ１２とテールボディ１４とを有する。テールボディ１４は、メインボディ１２の後端に連結されている。また、無人ヘリコプタ１０は、メインボディ１２の上部に回転可能に設けられたメインロータ１６と、テールボディ１４の後部に回転可能に設けられたテールロータ１８とを有する。本実施形態では、無人ヘリコプタ１０は、単一のメインロータを有する回転翼機である。しかしながら、無人ヘリコプタ１０は、２つ以上のメインロータを有する回転翼機であってもよい。
【００２８】
また、無人ヘリコプタ１０は、従来の物理的構成を有する。特に、無人ヘリコプタ１０は、内燃エンジン２０（以下、エンジン２０）、吸気システム、排気システム及び燃料タンクをメインボディ１２内に有する。また、無人ヘリコプタ２０は、複数（本実施形態では５つ）のサーボ２２（図３参照）を有し、そのうちの３つ（すなわち、エルロンサーボ、エレベータサーボ及びピッチサーボ）は、メインロータ１６のメインブレードのピッチ（角度）を変更するためにリンク機構を介してスウォッシュプレート（図示せず）に接続され、そのうちの１つ（すなわち、ラダーサーボ）は、テールロータ１８のテールブレードのピッチ（角度）を変更するためにリンク機構を介してテールロータ１８のテールブレードに接続され、そのうちの１つ（すなわち、スロットルサーボ）は、エンジン２０のスロットルを制御するためにリンク機構を介してエンジン２０に接続される。さらに、無人ヘリコプタ１０は、メインボディ１２の左右側部に支持脚を介して一対のスキッド２４を有する。また、本実施形態では、無人ヘリコプタ１０は、一対のカセット型液体タンク２６（少なくともひとつの農薬散布タンクの一例）と、液体タンク２６に流体接続された一対の散布ノズル２８とを有する。液体タンク２６は、化学薬品や肥料などの、作物のための農業材料を保持する。散布ノズル２８は、農業材料を散布する。もちろん、液体タンク２６や散布ノズル２８の代わりに、無人ヘリコプタ１９は、種まきのための粒剤散布装置など農業用途の他の装置を有していてもよいし、様々なセンサや検出器などの産業用途の他の装置を有していてもよい。また、本実施形態では、無人ヘリコプタ１０は、エンジン２０を有する。もちろん、エンジン２０の代わりに、無人ヘリコプタ１０は、電気モータなどの他の種類の原動機を有していてもよい。また、無人ヘリコプタ１０は、様々な従来部品を有していてもよい。無人ヘリコプタ１０のこれらの物理的構成は比較的従来から知られたものであるので、説明の簡略化のため詳細な説明は行わない。以上のように、本実施形態では、無人ヘリコプタ１０は、無人ヘリコプタ１０の高度を変更するように構成されるサーボ２２（例えば、エルロンサーボ、エレベータサーボ、ピッチサーボ及びスロットルサーボ）を有する。
【００２９】
ここで図３を参照して、無人ヘリコプタ１０の飛行制御システム３０について説明する。具体的に、飛行制御システム３０は、複数のセンサ３２と、アッパープロセッサ３４（電子的コントローラの一例）と、ロウアープロセッサ３６（電子的コントローラの一例）と、無線受信機３８（無線通信装置の一例）と、データ通信機４０と、コンピュータメモリ４２（データ格納装置又はメモリ装置の一例）とを有する。本実施形態では、飛行制御システム３０の各部は、従来法によりメインボディ１２又はテールボディ１４に設けられている。
【００３０】
本実施形態では、無人ヘリコプタ１０は、手動遠隔制御又は自律制御を用いて飛行できる。具体的に、手動遠隔制御では、受信機３８は、オペレータにより操作されるリモコン又は無線送信機（図示せず）からの無線信号（手動制御コマンド信号の一例）を受信し、無線信号に応じてロウアープロセッサ３６を介してサーボ２２に制御信号を出力する。無人ヘリコプタ１０の手動遠隔制御は比較的従来から知られたものであるので、詳細な説明は行わない。自律制御では、アッパープロセッサ３４は、センサ３２からのセンサデータと、地上局（図示せず）と無線通信するデータ通信機４０からの入力データとを取得する。アッパープロセッサ３４は、予め定められた制御プログラムに従ってデータを処理し、ロウアープロセッサ３６を介してサーボ２２に制御信号を出力する。ロウアープロセッサ３６は、リモコン上で行われる手動選択やリモコンと無線受信機３８との間の無線受信状態などに従って、手動遠隔制御と自律制御との間で無人ヘリコプタ１０の制御モードを選択する。
【００３１】
本実施形態では、自律制御において、無人ヘリコプタ１０は、地面ＧＤに対する無人ヘリコプタ１０の高度を所定の目標高度Ｓｚに維持しつつ、所定の飛行経路ＦＰ（図４参照）に沿って地面ＧＤの上空を飛行する（すなわち、地形追従制御）。具体的に、図４は、無人ヘリコプタ１０の所定の飛行区域ＦＡの上面図を示す。無人ヘリコプタ１０の所定の飛行経路ＦＰは、無人ヘリコプタ１０が所定の飛行区域ＦＡ内の作物の上空を全体的に飛行できるように、所定の飛行区域ＦＡに設定される。より具体的に、本実施形態では、図５に示すように、所定の飛行経路ＦＰ（点線及び部分的に実線で示される）は、所定の飛行区域ＦＡ内の作物上の各パスの端部にのみ設定される複数のウェイポイントＷＰを有する。特に本実施形態では、所定の飛行経路ＦＰは、始点ＳＰ１から終点ＥＰ１までの作物上のパスに対して、始点ＳＰ１と終点ＥＰ１とをウェイポイントＷＰとして有し、始点ＳＰ１と終点ＥＰ１との間にはウェイポイントを有さない。無人ヘリコプタ１０が終点ＥＰ１に到着すると、無人ヘリコプタ１０は、自動的に始点ＳＰ２に飛行し、その後、作物上の他のパスに対して、始点ＳＰ２と終点ＥＰ２との間のウェイポイントなしに、終点ＥＰ２に向かって自動的に飛行する。そのため、本実施形態では、アッパープロセッサ３４（電子的コントローラの一例）は、所定の飛行区域ＦＡの起伏した表面（区域の起伏がある地形の一例）に対して所定の目標高度Ｓｚを維持するように構成される。また、本実施形態では、アッパープロセッサ３４（電子的コントローラの一例）は、所定の飛行区域ＦＡの作物上の各パスに対して、始点ＳＰ１（ＳＰ２）と終点ＥＰ１（ＥＰ２）とを有する無人ヘリコプタ１０の飛行を制御するように構成されており、飛行経路ＦＰ（飛行経路の一例）は、始点ＳＰ１（ＳＰ２）と終点ＥＰ１（ＥＰ２）との間にはウェイポイントを有さない。飛行経路ＦＰは、従来法により、地面ＧＤに対して手動又は自動的に設定されてもよい。
【００３２】
図３に示すように、センサ３２は、姿勢センサ５２と、方位センサ５４と、エンジン回転センサ５６と、ＲＴＫ（リアルタイムキネマティック）ＧＰＳセンサ５８と、シングルＧＰＳセンサ６０と、気圧計６２とを有する。姿勢センサ５２は、３軸ジャイロスコープ５２Ａと、３軸加速度計５２Ｂと、姿勢プロセッサ５２Ｃとを有する。ジャイロスコープ５２Ａは、無人ヘリコプタ１０のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸周りの回転（角速度）を検出する。加速度計５２Ｂは、ＸＹＺ軸沿いの加速度を検出する。本実施形態では、無人ヘリコプタ１０のＸ軸は、無人ヘリコプタ１０の前後軸（又はロール軸）であり、無人ヘリコプタ１０の長手方向中心線に沿って延びる。無人ヘリコプタ１０のＹ軸は、無人ヘリコプタ１０の左右軸（又はピッチ軸）であり、Ｘ軸に直交して横方向に延びる。無人ヘリコプタ１０のＺ軸は、無人ヘリコプタの上下軸（又はヨー軸）であり、ＸＹ軸に直交して延びる。姿勢プロセッサ５２Ｃは、ジャイロスコープ５２Ａ及び加速度計５２Ｂからデータを取得し、無人ヘリコプタの姿勢を示す姿勢データを出力するようにデータを処理する。方位センサ５４は、３軸磁力計５４Ａと、方位プロセッサ５４Ｂとを有する。磁力計５４Ａは、ＸＹＺ軸沿いの地磁気を検出する。方位プロセッサ５４Ｂは、磁力計５４Ａ及び姿勢センサ５２からデータを取得し、無人ヘリコプタ１０の方位を示す方位データを出力するようにデータを処理する。ＲＴＫＧＰＳセンサ５８は、衛星からの衛星信号とデータ通信機４０を介して地上局からの補正データとを受信し、無人ヘリコプタ１０の位置（例えば、緯度又は北位置Ｐｎ、経度又は東位置Ｐｅ及び基準楕円体に対する高度Ｐｚ）及び速度（例えば、北方向速度Ｖｎ（北速度Ｖｎ）及び東方向速度Ｖｅ（東速度Ｖｅ））を含むＧＰＳデータを出力する。シングルＧＰＳセンサ６０は、衛星からの衛星信号を受信し、無人ヘリコプタ１０の位置及び速度を含むＧＰＳデータを出力する。気圧計６２は、大気圧及び温度を検出する。センサ３２の構成は比較的従来から知られたものであるため、詳細についての説明は行わない。本実施形態では、センサ３２は、無人ヘリコプタ１０の位置及び速度を検出するためにＲＴＫＧＰＳセンサ５８及びシングルＧＰＳセンサ６０を有する。しかしながら、センサ３２は、無人ヘリコプタ１０の位置及び速度を検出するために他の種類のセンサを有してもよい。例えば、位置データは、ＧＬＯＮＡＳＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ、ＢｅｉＤｏｕなどのようなＧＰＳ以外の衛星測位システム（全地球航法衛星システム：ＧＮＳＳ）より取得されてもよい。そのため、本実施形態では、無人ヘリコプタ１０は、無人ヘリコプタの位置（現在位置及び高度の一例）及び無人ヘリコプタ１０の速度を検出するＲＴＫＧＰＳセンサ５８及びシングルＧＰＳセンサ６０（少なくともひとつのセンサの一例）を有する。ＲＴＫＧＰＳセンサ５８及び／又はシングルＧＰＳセンサ６０は、本願のＧＰＳセンサの一例である。
【００３３】
図３に示すように、アッパープロセッサ３４は、センシングモジュール７０と、航行モジュール７２と、操舵モジュール７４と、制御モジュール７６とを有する。アッパープロセッサ３４は、ＣＰＵ（中央処理装置）などのプロセッサやマイクロコンピュータを含む。アッパープロセッサ３４は、無人ヘリコプタ１０の各部を制御するようにプログラムされている。コンピュータメモリ４２は、無人ヘリコプタ１０の制御を行うプログラムなどの制御プログラムや処理結果を保存する。例えば、コンピュータメモリ４２は、センサ３２から取得したセンサデータや処理結果を保存する。そのため、アッパープロセッサ３４は、コンピュータメモリ４２とつながっており、センサ３２から取得したセンサデータやコンピュータメモリ４２に保存された処理結果を読み出すとともに、コンピュータメモリ４２に処理結果を保存する。本開示から当業者には明らかであるが、アッパープロセッサ３４の詳細な構造やアルゴリズムとしては、本願で述べる機能を実行するハードウェア及びソフトウェアのいずれの組み合わせを用いてもよい。さらに、アッパープロセッサ３４は、アッパープロセッサ３４の各モジュールに対応する複数のプロセッサを有していてもよい。
【００３４】
センシングモジュール７０は、複数（図３では３つ）の状態推定フィルタ７０Ａ、７０Ｂ及び７０Ｃと、環境推定フィルタ７０Ｄとを有する。状態推定フィルタ７０Ａ及び７０Ｂは、それぞれＧＰＳＩＮＳ（慣性航法装置）を有する。状態推定フィルタ７０Ａ及び７０Ｂは、ＲＴＫＧＰＳセンサ５８及びシングルＧＰＳセンサ６０からそれぞれ無人ヘリコプタ１０の位置と速度とを示すＧＰＳデータを取得する。状態推定フィルタ７０Ａ及び７０Ｂは、姿勢センサ５２からの姿勢データ及び／又は方位センサ５４からの方位データを用いて、それぞれＲＴＫＧＰＳセンサ５８及びシングルＧＰＳセンサ６０からのＧＰＳデータにおける遅延及び／又は誤差を補正し、無人ヘリコプタ１０の位置及び速度を出力する。状態推定フィルタ７０Ｃは、姿勢センサ５２からの姿勢データ、気圧計６２からの大気圧及び気温及び／又はデータ通信機４０からの入力データを取得する。状態推定フィルタ７０Ｃは、ＲＴＫＧＰＳセンサ５８やシングルＧＰＳセンサ６０からの無人ヘリコプタ１０の位置や速度を自律制御に用いることができない場合に無人ヘリコプタ１０の操作に必要なデータを出力する。環境推定フィルタ７０Ｄは、制御モジュール７６からの制御偏差（例えば、高度の偏差）と状態推定フィルタ７０Ａ又は７０Ｂからの無人ヘリコプタ１０の速度を取得し、航行モジュール７２における航行目標計算や操舵モジュール７４における偏流制御のための環境推定値として、無人ヘリコプタ１０の対気速度を推定する。センシングモジュール７０の構成は比較的従来から知られたものであるため、説明を簡略にするため詳細な説明は省略する。
【００３５】
航行モジュール７２は、フィルタ選択モジュール７２Ａと、航行目標計算モジュール７２Ｂと、地形追従モジュール７２Ｃと、地形データ処理モジュール７２Ｄとを有する。フィルタ選択モジュール７２Ａは、状態推定フィルタ７０Ａ、７０Ｂ及び７０Ｃのひとつの選択を示すデータ通信機４０からの入力データや、状態推定フィルタ７０Ａ、７０Ｂ及び７０Ｃによる無人ヘリコプタ１０の位置及び速度の精度に応じて、状態推定フィルタ７０Ａ、７０Ｂ及び７０Ｃのひとつを選択する。そして、フィルタ選択モジュール７２Ａは、姿勢センサ５２、方位センサ５４及びエンジン回転センサ５６からそれぞれ得られる姿勢データ、方位データ及びエンジン回転数に加えて、状態推定フィルタ７０Ａ、７０Ｂ及び７０Ｃの選択されたひとつから得られる無人ヘリコプタ１０の位置及び速度を、状態推定値として出力する。航行目標計算モジュール７２Ｂは、データ通信機４０からの入力データに基づいて無人ヘリコプタ１０の航行目標を計算する。具体的に、本実施形態では、データ通信機４０からの入力データは、無人ヘリコプタ１０の所定の飛行経路ＦＰに沿って設定されたウェイポイントＷＰの位置（緯度及び経度）と、地面ＧＤに対する無人ヘリコプタ１０の所定の目標高度Ｓｚとを含む。航行目標計算モジュール７２Ｂは、ウェイポイントＷＰの位置に基づいて無人ヘリコプタ１０の目標位置（緯度又は北位置及び経度又は東位置）と目標速度（北速度及び東速度）とを計算し、目標位置及び目標速度を航行目標として出力する。航行目標計算モジュール７２Ｂによるこの航行目標の計算は、比較的従来から知られたものであるため、詳細な説明は行わない。
【００３６】
地形追従モジュール７２Ｃは、地面ＧＤに対する無人ヘリコプタ１０の高度を所定の目標高度Ｓｚに維持するための目標速度（垂直方向目標速度（目標エレベーション速度又は目標上下速度Ｖｚ））を計算する。具体的に、地形追従モジュール７２Ｃは、地形データ処理モジュール７２Ｄの計算結果に基づいて目標上下速度Ｖｚを計算し、目標上下速度Ｖｚを航行目標として操舵モジュール７４に出力する。地形追従モジュール７２Ｃ及び地形データ処理モジュール７２Ｄの処理（すなわち地形追従制御）については後で詳細に説明する。
【００３７】
操舵モジュール７４は、航行目標計算モジュール７２Ｂと地形追従モジュール７２Ｃとから得られる航行目標と制御モジュール７６から得られる制御偏差と環境推定フィルタ７０Ｄから得られる環境推定値とに基づいて無人ヘリコプタ１０の操舵目標を計算する。具体的に、本実施形態では、操舵モジュール７４は、操舵目標計算モジュール７４Ａと偏流制御モジュール７４Ｂとを有する。操舵目標計算モジュール７４Ａは、無人ヘリコプタ１０が航行目標に滑らかに追従又は追随するように、無人ヘリコプタ１０の目標姿勢、目標速度、目標位置及び目標エンジン回転数を生成する。偏流制御モジュール７４Ｂは、例えば、制御モジュール７６から得られる制御偏差（例えば、高度の偏差）に基づいて、風の影響を補償するように操舵目標を補正する。この操舵モジュール７４による操舵目標の計算は、比較的従来から知られたものであるため、詳細な説明は行わない。
【００３８】
制御モジュール７６は、制御量計算モジュール７６Ａと制御信号生成モジュール７６Ｂとを有する。制御量計算モジュール７６Ａは、航行モジュール７２から得られる状態推定値が操舵モジュール７４から得られる操舵目標に近づくように、サーボ２２の制御量を計算する。特に、本実施形態では、制御量計算モジュール７６Ａは、フィードバック制御を行い、例えばＰＩＤコントローラとして動作する。制御信号生成モジュール７６Ｂは、制御量計算モジュール７６Ａにより計算された制御量に応じて、サーボ２２に与える制御信号を生成する。制御モジュール７６の処理は、比較的従来から知られたものであるため、詳細な説明は行わない。
【００３９】
また、図３に示すように、センシングモジュール７０、航行モジュール７２、操舵モジュール７４及び制御モジュール７６は、地上局が無人ヘリコプタ１０の状態を監視できるように、データ通信機４０に対してそれぞれで計算されたデータを出力する。
【００４０】
ここで図３、６及び７を参照して、アッパープロセッサ３４（電子的コントローラの一例）により実行される地形追従制御について詳細に説明する。上述のように、地形追従制御では、無人ヘリコプタ１０は、地面ＧＤに対する無人ヘリコプタ１０の高度を所定の目標高度Ｓｚに維持しつつ、所定の飛行経路ＦＰに沿って地面ＧＤの上空を飛行する。
【００４１】
具体的には、図６を参照すれば、地形追従制御（航空機高度制御方法の一例）では、無人ヘリコプタ１０の高度Ｐｚ、無人ヘリコプタ１０の北位置Ｐｎ及び東位置Ｐｅ（現在位置の一例）及び無人ヘリコプタの北速度Ｖｎ及び東速度Ｖｅ（速度の一例）は、ＲＴＫＧＰＳセンサ５８及び／又はシングルＧＰＳセンサ６０によって検出される（ステップＳ１０）。また、本実施形態では、ステップＳ１０において、無人ヘリコプタ１０の方位及び姿勢（例えば、ヨーレートΩ）も検出される。
【００４２】
さらに、ステップＳ１２では、地形データ処理モジュール７２Ｄは、フィルタ選択モジュール７２Ａから得られる無人ヘリコプタ１０の北位置Ｐｎ及び東位置Ｐｅ（検出された現在位置の一例）と北速度Ｖｎ及び東速度Ｖｅ（検出された速度の一例）とに基づいて、無人ヘリコプタ１０の将来位置を推定する。また、本実施形態では、地形データ処理モジュール７２Ｄは、さらに無人ヘリコプタ１０の方位（方向の一例）に基づいて、無人ヘリコプタ１０の将来位置を推定する。特に、本実施形態では、地形データ処理モジュール７２Ｄは、フィルタ選択モジュール７２Ａから得られる無人ヘリコプタ１０の北位置Ｐｎ、東位置Ｐｅ、北速度Ｖｎ、東速度Ｖｅ及びヨーレートΩに基づいて、１秒後の将来位置、５秒後の将来位置及び１０秒後の将来位置を推定する。本実施形態では、Ｐｎは、無人ヘリコプタ１０の現在北位置（すなわち０秒後の北位置）を表し、Ｐｎ（ｄｔ）は、ｄｔ秒後の将来北位置を表す。同様に、Ｐｅは、無人ヘリコプタ１０の現在東位置（すなわち０秒後の東位置）を表し、Ｐｅ（ｄｔ）は、ｄｔ秒後の将来東位置を表す。
【００４３】
より具体的に、図７に示すように、アッパープロセッサ３４（電子的コントローラの一例）の地形データ処理モジュール７２Ｄは、まず無人ヘリコプタ１０がホバリングしているかどうかを判断する（ステップＳ２０）。具体的に、地形データ処理モジュール７２Ｄは、次の条件（Ｉ）が満たされるかどうかを判断する。
｜Ｖｅ｜＜Ａ  かつ  ｜Ｖｎ｜＜Ａ    （Ｉ）
ここで、Ｖｅ（ｍ／ｓ）は、東速度を表し、Ｖｎ（ｍ／ｓ）は、北速度を表し、Ａ（ｍ／ｓ）は、閾値を示す。本実施形態では、閾値Ａは、例えば、０．０５（ｍ／ｓ）に設定される。言い換えれば、地形データ処理モジュール７２Ｄは、無人ヘリコプタ１０の東速度Ｖｅ及び北速度Ｖｎが閾値Ａにより定義される範囲（正方形）内であるかどうかを判断する。もちろん、上述の条件（Ｉ）を用いる代わりに、無人ヘリコプタ１０のホバリングは、無人ヘリコプタ１０の速度ベクトルの大きさ（すなわち√（Ｖｅ２＋Ｖｎ２））を用いて判断してもよい。具体的に、この場合、速度ベクトルの大きさが所定の閾値より小さいと地形データ処理モジュール７２Ｄが判断した場合に、無人ヘリコプタ１０がホバリングしていると判断できる。
【００４４】
条件（Ｉ）が満たされる場合、地形データ処理モジュール７２Ｄは、無人ヘリコプタ１０がホバリングしていると判断する（ステップＳ２０においてＹＥＳ）。そして、地形データ処理モジュール７２Ｄは、東速度Ｖｅと北速度Ｖｎとがゼロ（Ｖｅ＝０及びＶｎ＝０）であると判断し、ステップＳ２２において、ｄｔ秒後の将来位置（Ｐｎ（ｄｔ）、Ｐｅ（ｄｔ））を次の数式（１）によって計算する。
Ｐｎ（ｄｔ）＝Ｐｎ
Ｐｅ（ｄｔ）＝Ｐｅ    （１）
【００４５】
一方、条件（Ｉ）が満たされない場合、地形データ処理モジュール７２Ｄは、無人ヘリコプタ１０がホバリングしておらず、移動していると判断する（ステップＳ２０においてＮＯ）。そして、地形データ処理モジュール７２Ｄは、さらに、無人ヘリコプタ１０が旋回しているかどうかを判断する（ステップＳ２４）。具体的には、地形データ処理モジュール７２Ｄは、次の条件（ＩＩ）が満たされるかどうかを判断する。
｜Ω｜?Ｂ    （ＩＩ）
ここで、Ω（ｒａｄ／ｓ）は、ヨーレートを表し、Ｂ（ｒａｄ／ｓ）は、閾値を表す。本実施形態では、閾値Ｂは、例えば、π／３６０（ｒａｄ／ｓ）（＝０．５（ｄｅｇ／ｓ））に設定される。
【００４６】
条件（ＩＩ）が満たされる場合、地形データ処理モジュール７２Ｄは、無人ヘリコプタ１０が旋回していると判断する（ステップＳ２４においてＹＥＳ）。そして、地形データ処理モジュール７２Ｄは、ステップＳ２６において、ｄｔ秒後の将来位置（Ｐｎ（ｄｔ）、Ｐｅ（ｄｔ））を次の数式（２）によって計算する。
Ｐｎ（ｄｔ）＝Ｐｎ＋Δｎ
Ｐｅ（ｄｔ）＝Ｐｅ＋Δｅ    （２）
ここで、Δｎは、ｄｔ秒間の北への移動量を表し、Δｅは、ｄｔ秒間の東への移動量を表す。地形データ処理モジュール７２Ｄは、移動量（Δｎ、Δｅ）を次のように計算する。
Δｎ＝Δｘ・ｓｉｎψ＋Δｙ・ｃｏｓψ
Δｅ＝Δｘ・ｃｏｓψ−Δｙ・ｓｉｎψ
ここで、Δｘは、ｄｔ秒間のＸ軸沿いの移動量を表し、Δｙは、ｄｔ秒間のＹ軸沿いの移動量を表し、ψ（ｒａｄ）は、無人ヘリコプタ１０が移動する方向を表す（すなわち、地表に対する針路）。地形データ処理モジュール７２Ｄは、移動量（Δｘ、Δｙ）及び方向ψを次のように計算する。
Δｘ＝Ｒｓｉｎθ
Δｙ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ）×ｓｉｇｎ（ｔｕｒｎ）
ψ＝ｔａｎ−１（Ｖｎ／Ｖｅ）
ここで、Ｒ（ｍ）は、無人ヘリコプタ１０の旋回半径を表し、θ（ｒａｄ）は、ｄｔ秒間の旋回量を表し、ｓｉｇｎ（ｔｕｒｎ）は、旋回方向を表す。地形データ処理モジュール７２Ｄは、旋回半径Ｒ及び旋回量θを次のように計算する。
Ｒ＝Ｖ／｜Ω｜、ここでＶ＝√（Ｖｅ２＋Ｖｎ２）
θ＝Ω・ｄｔ
また、符号関数ｓｉｇｎ（ｔｕｒｎ）は、無人ヘリコプタ１０の旋回方向を表し、パラメータ“ｔｕｒｎ”は、次のように計算される。
ｔｕｒｎ＝ｓｉｇｎ（Ω）
【００４７】
一方、条件（ＩＩ）が満たされない場合、地形データ処理モジュール７２Ｄは、無人ヘリコプタ１０が旋回しておらず、直進していると判断する（ステップＳ２４においてＮＯ）。そして、地形データ処理モジュール７２Ｄは、ステップＳ２８において、ｄｔ秒後の将来位置（Ｐｎ（ｄｔ）、Ｐｅ（ｄｔ））を次の数式（３）によって計算する。
Ｐｎ（ｄｔ）＝Ｐｎ＋Δｎ
Ｐｅ（ｄｔ）＝Ｐｅ＋Δｅ    （３）
ここで、移動量（Δｎ、Δｅ）は、次のように計算される。
Δｎ＝Ｖｎ・ｄｔ
Δｅ＝Ｖｅ・ｄｔ
【００４８】
本実施形態では、地形データ処理モジュール７２Ｄは、例えば、１秒後の将来位置（Ｐｎ（１）、Ｐｅ（１））、５秒後の将来位置（Ｐｎ（５）、Ｐｅ（５））及び１０秒後の将来位置（Ｐｎ（１０）、Ｐｅ（１０））を推定する。推定された将来位置は、地上局が無人ヘリコプタ１０の状態を監視できるように、データ通信機４０に出力される。図８は、地上局の表示部に表示される表示画像を示しており、表示画像では、無人ヘリコプタ１０の推定された将来位置が所定の飛行経路ＦＰに対して示されている。もちろん、地形データ処理モジュール７２Ｄは、必要及び／又は要望に応じて、異なるタイミングにおける異なる将来位置をさらに推定してもよい。また、地形データ処理モジュール７２Ｄは、上述した全ての将来位置を推定しなくてもよい。地形データ処理モジュール７２Ｄは、例えば、１秒後の将来位置（Ｐｎ（１）、Ｐｅ（１））のみを推定してもよい。
【００４９】
図６にさらに示すように、ステップＳ１４では、地形データ処理モジュール７２Ｄは、将来位置における標高（所定の地形データの一例）を決定する。具体的に、本実施形態では、コンピュータメモリ４２は、少なくとも所定の飛行区域ＦＡに対して数値標高モデル（ＤＥＭ）データ（所定の地形データの一例）を保存している。ＤＥＭデータは、予めマッピングされた３次元地形データであり、位置に関連付けて地表の標高（基準楕円体に対する高さ情報）を含む。より具体的に、本実施形態では、ＤＥＭデータは、例えば、１／３０秒角（約１メートル）の解像度を有するＨＡＥ（楕円体高）データをそれぞれ有するデータセットを含む。図９は、所定の飛行区域ＦＡのＤＥＭデータの一例を示し、所定の飛行区域ＦＡの２次元等高線グラフを示している。本実施形態では、地形データ処理モジュール７２Ｄは、コンピュータメモリ４２内のＤＥＭデータ（ＤＥＭデータの対応する一部）を参照し、１秒後の将来位置（Ｐｎ（１）、Ｐｅ（１））に対応する標高ＤＥＭ（１）を取得する。また本実施形態では、地形データ処理モジュール７２Ｄは、コンピュータメモリ４２内のＤＥＭデータ（ＤＥＭデータの対応する一部）を参照し、無人ヘリコプタ１０の現在位置（Ｐｎ、Ｐｅ）に対応する標高ＤＥＭ（０）を取得する。本実施形態では、ＤＥＭデータは、本願の所定の地形データの一例である。しかしながら、地形データ処理モジュール７２Ｄは、将来位置に対する標高を決定するために異なる種類の所定の地形データを用いてもよい。
【００５０】
本実施形態では、ＤＥＭデータは、例えば、所定の飛行区域ＦＡを含むスキャン区域の表面を航空機に設けたレーザ距離計などのレーザスキャナでスキャンすることによって事前に生成され、保存されている。本実施形態では、例えば、無人ヘリコプタを用いてスキャン区域の表面をスキャンする。無人ヘリコプタは、例えば、電波高度計を用いてスキャン区域の表面に対する高度を３０メートルに維持しながら、３０メートル間隔で配置されたウェイポイントに沿って移動するように制御される。このスキャン飛行では、無人ヘリコプタは、スキャン区域の表面に対する高度を維持する。そのため、レーザ距離計とスキャン区域の表面との距離を一定に保つことができ、スキャン区域が起伏のある地形であってもスキャン区域全体にわたってスキャン精度を向上させることができる。もちろん、このスキャン飛行に際して、無人ヘリコプタは、スキャン区域の表面に対する高度を３０メートルとは異なる高度に維持してもよい。しかしながら、スキャン区域の表面に対する高度を３０メートルに維持すれば、ヘリコプタのダウンウォッシュによる作物の揺れや砂塵の巻き上げがレーザ距離計によるスキャン区域の表面のスキャンに干渉することを防ぐことができる。さらに、スキャン飛行が完了すると、レーザ距離計から得られる距離データに対する後処理が実行される。具体的に、後処理では、無人ヘリコプタの姿勢や位置データが時系列的に距離データと統合され、ポイントクラウドデータ（地面リターンデータ）が得られる。ユーザは、手動でポイントクラウドデータを編集して、スキャン区域内の車両やヘリコプタのダウンウォッシュによる砂塵に起因する無効データを削除してもよい。ポイントクラウドデータは、さらに処理されＤＥＭデータが生成される。具体的には、スキャン区域は、１メートルのセルサイズを有する複数のセルに分割され、それぞれのセルにポイントクラウドデータが分配される。それぞれのセルは、さらに１６個のサブセル（４行４列）に分割されている。サブセルにおいて最も低いグラウンドポジションを示すポイントがそれぞれ選択され、選択されたポイントの中央値がセルのグラウンドポジション（標高）として計算される。これにより、スキャン区域の作物からのリターンや特異なリターンである可能性のある高いポイントを除去することができる。そして、セルのグラウンドポジション（標高）は、ＤＥＭデータとして保存される。ＤＥＭデータの生成は、比較的従来から知られたものであるため、詳細な説明は行わない。距離データのフィルタリングや解像度の調整によって、必要及び／又は要望に応じてＤＥＭデータの滑らかさを調整することができる。もちろん、公に利用可能なＤＥＭデータを用いて無人ヘリコプタ１０の地形追従制御を行ってもよい。特に、生成したＤＥＭデータには、空白データ領域が発生する場合がある。そのため、生成されたＤＥＭデータと、通常は生成されたＤＥＭデータよりも粗いデータである公に利用可能なＤＥＭデータとを組み合わせてもよい。この処理により、空白データ領域のないＤＥＭデータを生成することができる。また、地面ＧＤの表面の起伏が比較的緩やかな場合には、公に利用可能な測量結果を用いてＤＥＭデータを生成してもよい。
【００５１】
図６にさらに示すように、ステップＳ１６では、地形追従モジュール７２Ｃは、ＤＥＭデータからの標高と無人ヘリコプタ１０の高度Ｐｚとに基づいて、無人ヘリコプタ１０の目標上下速度Ｖｚを計算する。より具体的には、図１０及び１１に示すように、地形追従モジュール７２Ｃは、将来位置（Ｐｎ（１）、Ｐｅ（１））における標高ＤＥＭ（１）（所定の地形データの一例）と高度Ｐｚ（検出された高度の一例）との差分を計算する。具体的には、図１１の論理回路に示すように、地形追従モジュール７２Ｃは、高度Ｐｚから標高ＤＥＭ（１）を減算し、高度値Ｑｚ（例えば、ＤＥＭ高度）を得る（オペレーションＬＣ１）。さらに、地形追従モジュール７２Ｃは、高度値Ｑｚと所定の目標高度Ｓｚとの差分を計算する。具体的には、地形追従モジュール７２Ｃは、高度値Ｑｚから所定の目標高度Ｓｚを減算し、所定の目標高度Ｓｚに対する高度偏差Ｄｚを得る（オペレーションＬＣ２）。地形追従モジュール７２Ｃは、さらに、高度偏差Ｄｚに所定ゲインＫｐを乗じ、目標上下速度Ｖｚを得る（オペレーションＬＣ３）。本実施形態では、図１０に示すように、高度値Ｑｚが所定の目標高度Ｓｚよりも大きい場合、目標上下速度Ｖｚは、無人ヘリコプタ１０を下降させるように負の値を有する。一方、高度値Ｑｚが所定の目標高度Ｓｚよりも小さい場合、目標上下速度Ｖｚは、無人ヘリコプタ１０を上昇させるように正の値を有する。
【００５２】
オプションとして、図１１の論理回路に示すように、本実施形態では、図６のステップＳ１６において、地形追従モジュール７２Ｃは、将来位置（Ｐｎ（１）、Ｐｅ（１））における標高ＤＥＭ（１）と位置（Ｐｎ、Ｐｅ）における標高ＤＥＭ（０）との差分を計算する。具体的に、地形追従モジュール７２Ｃは、標高ＤＥＭ（１）から標高ＤＥＭ（０）を減算し、スロープ値Ｓｖを得る（オペレーションＬＣ４）。地形追従モジュール７２Ｃは、さらに、スロープ値Ｓｖに所定ゲインＫｓを乗じ、目標上下速度Ｖｚを得る（オペレーションＬＣ３）。具体的に、この場合、オペレーションＬＣ３では、地形追従モジュール７２Ｃは、ゲインＫｓが乗じられたスロープ値ＳｖからゲインＫｐが乗じられた高度偏差Ｄｚを減算し、目標上下速度Ｖｚを得る。しかしながら、これらのオペレーションＬＣ４及びＬＣ３は、上述のようにオプションであるため、実行されなくてもよい。一方、これらのオペレーションＬＣ４及びＬＣ３が実行される場合、ゲインＫｓは、例えばゲインＫｐの１／１０など、ゲインＫｐに対して小さく設定してもよい。本実施形態では、１秒後の将来位置（Ｐｎ（１）、Ｐｅ（１））における標高ＤＥＭ（１）を用いて目標上下速度Ｖｚを計算している。しかしながら、必要及び／又は要望に応じて、異なるタイミングの異なる将来位置に対する標高を用いて目標上下速度Ｖｚを計算してもよい。
【００５３】
上述のように、地形追従モジュール７２Ｃは、航行目標の一部として、目標上下速度Ｖｚを操舵モジュール７４に出力する。図６にさらに示すように、ステップＳ１８では、操舵モジュール７４は、航行モジュール７２からの航行目標に基づいて、操舵目標を生成し、制御モジュール７６は、航行目標の目標上下速度Ｖｚを達成するようにサーボ２２を制御する。そのため、本実施形態では、無人ヘリコプタ１０の高度は、将来位置（Ｐｎ（１）、Ｐｅ（１））、高度Ｐｚ（検出された高度の一例）及び所定の飛行区域ＦＡのＤＥＭデータ（所定の地形データの一例）に基づいて制御される。また、本実施形態では、制御モジュール７６は、高度Ｐｚ（検出された高度の一例）と将来位置（Ｐｎ（１）、Ｐｅ（１））における標高ＤＥＭ（１）（所定の地形データの一例）との差分に基づいて、サーボ２２（高度アクチュエータの一例）を制御する。
【００５４】
図１２は、所定の飛行区域ＦＡを飛行した場合の本願の地形追従制御の制御結果を示し、図１３は、同じ飛行区域ＦＡを飛行した場合の比較例の地形追従制御の制御結果を示す。比較例では、図１１に示す論理回路図に従って目標上下速度Ｖｚを計算する際に、標高ＤＥＭ（１）に代えて、現在位置（Ｐｎ、Ｐｅ）における標高ＤＥＭ（０）が用いられる。
【００５５】
図１２は、地面ＧＤに対する無人ヘリコプタ１０の高度、高度Ｐｚ及び目標上下速度Ｖｚを示す。図１２に示すように、地面ＧＤに対する無人ヘリコプタ１０の高度は、３．０メートルの所定の目標高度Ｓｚに対して、±０．５メートルの範囲内に維持されている。一方、図１３に示すように、地面ＧＤに対する高度は、３．０メートルの所定の目標高度Ｓｚに対して大きく変動している（±１．５メートルの範囲）。特に、図１３に示すように、地面ＧＤに対する高度は、上昇中には所定の目標高度Ｓｚよりも低くなり、下降中には所定の目標高度Ｓｚよりも高くなる。そのため、比較例では、地面ＧＤに対する高度は、３．０メートルの所定の目標高度Ｓｚに対して常にずれている。
【００５６】
本実施形態では、無人ヘリコプタ１０の将来位置が、無人ヘリコプタ１０のセンシング結果（例えば、位置、速度及び方位）に基づいて計算され、将来位置における標高が、地形追従制御に用いられる。将来位置及び将来位置における標高を用いることにより、無人ヘリコプタ１０の急な制御が必要なくなる。また、無人ヘリコプタ１０は地面ＧＤの地形に十分に追従することができるため、所定の目標高度Ｓｚに追加の余裕を設ける必要がなくなる。また、図７に示すように、旋回中であっても無人ヘリコプタ１０の将来位置を計算することができる。
【００５７】
本実施形態では、地形追従制御のために多くのウェイポイントを準備する必要がない。具体的に、本実施形態では、図５に示すように、各パスに対して、始点ＳＰ１（ＳＰ２）及び終点ＥＰ１（ＥＰ２）を示す一対のウェイポイントＷＰを設けるだけでよい。また、本実施形態では、それぞれのウェイポイントＷＰは、３次元情報を有する必要がなく、２次元情報（すなわち、経度及び緯度）を有するだけでよい。さらに、本実施形態では、始点ＳＰ１（ＳＰ２）と終点ＥＰ１（ＥＰ２）との間に、高度情報を有するウェイポイントを準備する必要がない。
【００５８】
本実施形態では、地形追従制御は、対地高度計や距離計を用いずにアッパープロセッサ３４（電子的コントローラの一例）により行われる。そのため、本実施形態では、地形追従制御は、所定の目標高度Ｓｚが対地高度計や距離計の測定範囲外である場合にも行うことができる。また、対地高度計や距離計が地形追従制御に用いられる場合には、将来位置や将来位置における標高は得られない。また、距離データのノイズ除去を行う必要がある。そのため、対地高度計や距離計を用いた地形追従制御では遅延が大きくなりうる。また、デッドバンドが設定される必要のある場合には、制御結果はさらに悪くなりうる。一方、本実施形態では、地形追従制御は、対地高度計や距離計を用いずに行うことができる。そのため、地形追従制御における制御結果や応答が良くなる。
【００５９】
本実施形態では、図３に示すように、無人ヘリコプタ１０の所定の飛行経路ＦＰは、例えば、データ通信機４０を介して地上局から航行モジュール７２に与えられる。しかしながら、地形追従制御は、所定の飛行経路ＦＰを用いずに行ってもよい。所定の飛行経路ＦＰを用いる代わりに、航行モジュール７２の航行目標計算モジュール７２Ｂは、ユーザのリモコン操作に応じて受信機３８から得られる制御信号に基づいて、航行目標（目標位置（北位置及び東位置）及び目標速度（北速度及び東速度））を生成してもよい。この場合、無人ヘリコプタ１０は、地形追従制御に従って地面ＧＤに対する所定の目標高度を維持しつつ、水平方向にはユーザの操作（例えば、リモコンのコントロールスティックを用いた水平速度制御）に応じて操縦される。
【００６０】
本実施形態では、操舵モジュール７４は、航行目標に滑らかに追従するように、航行目標に基づいて操舵目標を生成する。言い換えれば、無人ヘリコプタ１０の滑らかな挙動を実現するために、操舵モジュール７４は、航行モジュール７２により生成された大まかな上位目標（航行目標）に追従するための滑らかな下位目標（操舵目標）を生成し、制御モジュール７６は、この滑らかな下位目標に追従するようにサーボ２２を制御する。そのため、基本的には、無人ヘリコプタ１０は、上位目標に対して遅れて追従することになる。しかしながら、航行目標は、将来位置と将来位置における高度を用いて生成されているので、この遅れを補償することができる。
【００６１】
本実施形態では、図３に示すように、無人ヘリコプタ１０は、対地高度計を有さない。しかしながら、図１４に示すように、無人ヘリコプタ１０の飛行制御システム３０は、追加的に対地高度計８０（対地高度検出器の一例）を有していてもよい。本実施形態では、対地高度計８０は、レーダー及びライダーの少なくともひとつを用いて、地面ＧＤに対する無人ヘリコプタ１０の高度を検出する。図１４に示すように、対地高度計８０は、検出された高度をセンシングモジュール７０（例えば、状態推定フィルタ７０Ｃ）に出力する。この構成により、ＤＥＭデータ又はＧＰＳデータが利用できなくなった場合にも、無人ヘリコプタ１０は、対地高度計８０を用いて適切に航行できる。例えば、コンピュータメモリ４２に保存されたＤＥＭデータが地面ＧＤの実際の地形と一致しない場合、ＤＥＭデータがコンピュータメモリ４２から読み出せない場合（すなわち、ＤＥＭデータやコンピュータメモリ４２が損傷している場合）、又はＤＥＭデータが準備された区域外を無人ヘリコプタ１０が飛行している場合などに、飛行制御システム３０は、ＤＥＭデータが利用できなくなったと判断する。また、ＲＴＫＧＰＳセンサ５８やシングルＧＰＳセンサ６０からのＧＰＳデータの精度が低くなり、高度値Ｑｚ（ＤＥＭ高度）の精度が確保できない場合、飛行制御システム３０は、ＧＰＳデータが利用できなくなったと判断する。この場合、データ通信機４０は、ダウンリンクを用いて、地上局のオペレータに無人ヘリコプタ１０の状況を通知し、飛行制御システム３０は、以下のように無人ヘリコプタ１０の飛行を制御する。
【００６２】
無人ヘリコプタ１０が地形追従制御の下で飛行している時（すなわち通常運用中）に、ＤＥＭデータ又はＧＰＳデータが利用できなくなった場合、アッパープロセッサ３４は、対地高度計８０が利用できるかどうかを判断する。対地高度計８０が利用できる場合、飛行制御システム３０は、（ｉ）無人ヘリコプタ１０の制御モードを対地高度計８０を用いた地形追従制御に切り替え、所定の目標高度Ｓｚを所定量（例えば、５メートルの追加的な余裕）だけ増加させるとともに、（ｉｉ）プログラム飛行（すなわち自律制御）を停止する。一方、対地高度計が利用できない場合、飛行制御システム３０は、（ｉ）所定の速度で所定の時間上昇する（例えば、１ｍ／ｓで３秒間上昇する）ように無人ヘリコプタ１０を制御するとともに、（ｉｉ）プログラム飛行（すなわち自律制御）を停止する。
【００６３】
一方、無人ヘリコプタ１０がプログラム飛行を停止できないリンクロス処置中に自動帰還制御の下で飛行している時に、ＤＥＭデータ又はＧＰＳデータが利用できなくなった場合、アッパープロセッサ３４は、対地高度計８０が利用できるかどうかを判断する。対地高度計８０が利用できる場合、飛行制御システム３０は、（ｉ）無人ヘリコプタ１０の制御モードを対地高度計８０を用いた地形追従制御に切り替え、所定の目標高度Ｓｚを所定量（例えば、通常運用中の追加的な余裕よりも大きい自動帰還制御用の追加的な余裕）だけ増加させるとともに、（ｉｉ）自動帰還制御を続行する。一方、対地高度計が利用できない場合、飛行制御システム３０は、（ｉ）所定の速度で所定の時間上昇する（例えば、１ｍ／ｓで３秒間上昇する）ように無人ヘリコプタ１０を制御するとともに、（ｉｉ）自動帰還制御を停止し、（ｉｉｉ）所定の飛行区域ＦＡに応じてオペレータが予め設定した所定の高度まで上昇した後に、自動帰還制御を再始動する。これにより、本実施形態では、リンクロス処置中に自動帰還制御を実行している場合にも地形追従制御を行うことができる。
【００６４】
本実施形態では、所定の目標高度Ｓｚは、予め設定されている。しかしながら、所定の目標高度Ｓｚは、ＧＰＳデータの精度に応じて変更されてもよい。ＤＥＭデータを用いた地形追従制御では、ＧＰＳデータの精度が、地形追従制御における高度値Ｑｚ（ＤＥＭ高度）の精度に大きく影響する。無人ヘリコプタ１０が地形追従制御中に低い高度で飛行している場合、ＧＰＳデータにはより高い精度が要求される。そのため、本実施形態では、ＲＴＫリンクロスが発生しＧＰＳデータ（ＲＴＫＧＰＳセンサ５８からのＧＰＳデータ）の精度が低下した場合、ＤＥＭデータを用いた地形追従制御を停止してもよい。一方、所定の目標高度Ｓｚが高い高度（例えば、対地高度計の測定範囲を超える５０メートル以上など）に設定されている場合には、ＧＰＳデータの精度が低下してもＤＥＭデータを用いた地形追従制御を実行してもよい。このように、ＤＥＭデータを用いた地形追従制御では、所定の目標高度Ｓｚは、ＧＰＳデータの精度に応じて制限又は変更されてもよい。
【００６５】
本発明の範囲の理解において、ここで用いられる用語「備える」及びその派生語は、記載された特徴、エレメント、構成、群、構成要素、及び／又はステップがあることを明記するオープンエンドの用語であり、記載されていない特徴、エレメント、構成、群、構成要素、及び／又はステップがあることを排除するものではない。上記は、用語「有する」、「含む」及びそれらの派生語など同様の意味を持つ語にも当てはまる。また、単数形的に用いられる用語「パート」、「部分」、「部」、「部材」又は「エレメント」は、単一のパート又は複数のパーツの２つの意味を持ちうる。また、別に定義の無い限り、ここで用いられる（技術的及び科学的用語を含む）全ての用語は、発明の実施形態が属する分野の当業者により一般的に理解されるのと同じ意味を有する。また当然ながら、一般的に用いられる辞書に定義される用語を含め、用語は、関連分野の文脈における意味と一貫性のある意味を持つとして解釈され、別途定義しない限り、理想的又は過度に形式的な意味に解釈されるべきではない。
【００６６】
また、当然ながら、エレメントが別のエレメントと「接続」又は「結合」されているという時、それらのエレメントは直接的に接続又は結合されていてもよいし、間に介在するエレメントがあってもよい。一方、エレメントが別のエレメントと「直接接続」又は「直接結合」されているという時には、間に介在するエレメントはない。ここで用いられる用語「及び／又は」は、関連付けて列挙された項目の一つ以上のいずれの組み合わせも含む。さらに、エレメントやレイヤの間の関係を記載するのに用いられる同様の用語も同様に解釈されるべきである（例えば、「〜の間に」と「直接的に〜の間に」、「〜の上方に」と「〜の直接上方に」、「〜の下方に」と「〜の直接下方に」、「〜に隣り合う」と「〜に直接隣り合う」、「〜の上に」と「直接〜の上に」、など）。そのため、お互いに直接的に接続され接触されるように図示された部材も、別途明示しない限り、それらの間に配置される中間構造を有していてもよい。
【００６７】
またここでは、「前方」、「後方」、「上」、「下」、「真下」、「下方」、「垂直」、「水平」及び「横」などの空間的に相対的な用語は、その他の同様の空間的な用語と同様に、上述の実施形態のひとつのエレメント又は特徴と他のエレメント又は特徴との関係を簡便に記載するのに用いられている。これらの用語が本発明を記載するのに用いられる場合には、水平面上の無人ヘリコプタに対する関係を示すものとして理解される。
【００６８】
本発明の説明のためにいくつかの実施形態が選択されたが、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を逸脱することがない範囲で、種々の変更、変形ができる。一つの実施形態の構造や機能は、他の実施形態にも適用可能である。また、全ての利点が同時に特定の実施形態に存在する必要はない。先行技術から区別されるそれぞれの特徴は、それ単独として又は別の特徴と組み合わせて、それらの特徴により実現される構造的及び／又は機能的な思想を含めて、出願人のさらなる発明の別の記載であると考えられる。そのため、上述の本発明の実施形態の記載は、単なる例示のためであり、添付の特許請求の範囲やその均等物によって決まる発明を限定するものではない。
【図１】
2019058505.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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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