(57)【要約】  レーダを搭載したマルチコプターを提供する。マルチコプターは、３以上の回転翼の各々を回転させる複数のモータと、信号波の送受信を行い、信号波を利用して物標を検出するレーダシステムとを備える。レーダシステムの物体検知装置は、信号波を送受信して物標の検出処理を行う。アンテナ素子は、回転翼によって反射された送信波（回転翼由来の反射波）を受信する位置に配置される。当該アンテナ素子で受信した信号波は、物標で反射した物標由来の反射波と、回転翼由来の反射波とを含む。物体検知装置は、アンテナ素子で受信した信号波の周波数スペクトルに、周波数のピークを識別するために予め定められた条件を満たす周波数帯域が含まれているか否かを判定し、条件を満たす周波数帯域のピークを、物標由来の反射波の周波数として特定する。
2019505806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央筐体と、
前記中央筐体の周囲に配置された３つ以上の回転翼と、
前記３つ以上の回転翼をそれぞれ回転させる複数のモータと、
信号波の送受信を行い、前記信号波を利用して物標を検出するレーダシステムと
を備えたマルチコプターであって、
前記レーダシステムは、
少なくとも１つのアンテナ素子と、
前記信号波を送信し、前記少なくとも１つのアンテナ素子で受信した前記信号波を利用して物標の検出処理を行う物体検知装置と
を有しており、
前記少なくとも１つのアンテナ素子に含まれる第１のアンテナ素子は、前記マルチコプターの飛行時に送信された前記信号波が前記３つ以上の回転翼の１つである第１回転翼によって反射された、回転翼由来の反射波を受信する位置に配置されており、
前記少なくとも１つのアンテナ素子で受信した前記信号波は、
物標で反射した物標由来の反射波と、
前記マルチコプターの飛行時に送信された前記信号波が前記３つ以上の回転翼の１つである第１回転翼によって反射された、回転翼由来の反射波と
を含んでおり、
前記物体検知装置は、前記少なくとも１つのアンテナ素子で受信した前記信号波の周波数スペクトルに、周波数のピークを識別するために予め定められた条件を満たす周波数帯域が含まれているか否かを判定し、前記予め定められた条件を満たす前記周波数帯域のピークを、前記物標由来の反射波の周波数として特定する、マルチコプター。
【請求項２】
前記物体検知装置は、前記予め定められた条件として、前記信号波の周波数スペクトルに、一定の周波数幅以内で、かつ一定以上の強さを有する、という条件を満たす周波数帯域が含まれているか否かを判定する、請求項１に記載のマルチコプター。
【請求項３】
前記回転翼由来の反射波の周波数の最高値は、前記第１回転翼の回転に同期して増減し、
前記物体検知装置は、前記回転翼由来の反射波の周波数の最高値が実質的に最も小さくなったときの前記信号波を用いて、前記信号波の周波数が、周波数のピークを識別するために予め定められた前記条件を満たしているか否かを判定する、請求項１または２に記載のマルチコプター。
【請求項４】
中央筐体と、
前記中央筐体の周囲に配置された３つ以上の回転翼と、
前記３つ以上の回転翼をそれぞれ回転させる複数のモータと、
信号波の送受信を行い、前記信号波を利用して物標を検出するレーダシステムと
を備えたマルチコプターであって、
前記レーダシステムは、
少なくとも１つのアンテナ素子と、
前記信号波を送信し、前記少なくとも１つのアンテナ素子で受信した前記信号波を利用して物標の検出処理を行う物体検知装置と
を有しており、
前記少なくとも１つのアンテナ素子に含まれる第１のアンテナ素子は、前記マルチコプターの飛行時に送信された前記信号波が前記３つ以上の回転翼の１つである第１回転翼によって反射された、回転翼由来の反射波を受信する位置に配置されており、
前記物体検知装置は、所定の間隔を開けて複数の信号波を送信し、前記複数の信号波が前記第１回転翼によってそれぞれ反射された、回転翼由来の複数の反射波を受信し、前記複数の反射波を利用して、前記少なくとも１つのアンテナ素子から前記第１回転翼を見たときの角度または立体角が予め定められた値以下になったタイミングを特定し、かつ前記角度または前記立体角が予め定められた値以下になる次あるいは次以降のタイミングを推定する、マルチコプター。
【請求項５】
前記物体検知装置は、
前記複数の信号波を生成し、前記複数の信号波と前記複数の受信波とを用いて複数のビート信号を生成し、各ビート信号は最高周波数を含む変動する周波数を取る、送受信回路と、
前記複数のビート信号の最高周波数が最も小さくなったタイミングを、前記角度または前記立体角が予め定められた値以下になったタイミングであると特定する信号処理回路とを備える、請求項４に記載のマルチコプター。
【請求項６】
前記送受信回路は周波数の掃引速度が異なる２種類以上の信号波を生成し、前記２種類以上の信号波の内の少なくとも１種類の信号波を用いて、前記複数のビート信号を生成し、
前記少なくとも１種類の信号波の周波数の掃引速度はゼロ、または他の信号波の掃引速度よりも小さい、請求項５に記載のマルチコプター。
【請求項７】
前記信号処理回路は、前記複数のビート信号の最大周波数が最も小さくなったタイミングと複数のビート信号の最大周波数が最も大きくなったタイミングとの時間間隔に基づいて特定される前記第１回転翼の回転数と、前記角度または前記立体角が予め定められた値以下になったタイミングとを利用して、前記角度または前記立体角が予め定められた値以下になる次あるいは次以降のタイミングを推定する、請求項５に記載のマルチコプター。
【請求項８】
前記信号処理回路は、前記複数のビート信号の周波数成分のうちから、前記回転翼由来の反射波の周波数成分を特定し、特定した前記周波数成分を、前記角度または前記立体角が予め定められた値以下になったタイミングを特定するときに用いる、請求項５または７に記載のマルチコプター。
【請求項９】
前記複数のモータの回転を制御する複数の制御ユニットと、
前記複数の制御ユニットの各々と通信するフライトコントローラとをさらに備え、
前記フライトコントローラは、前記第１回転翼のモータの回転を制御する第１制御ユニットから、前記モータの回転数の情報を取得し、
前記信号処理回路は、前記第１回転翼の回転数と、前記角度または前記立体角が予め定められた値以下になったタイミングとを利用して、前記角度または前記立体角が予め定められた値以下になる次あるいは次以降のタイミングを推定する、請求項５に記載のマルチコプター。
【請求項１０】
前記送受信回路は、連続波（ＣＷ）または周波数が変調された連続波（ＦＭＣＷ）を生成する、請求項５から９のいずれかに記載のマルチコプター。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのアンテナ素子は、二次元アレイで構成された複数のアンテナ素子であり、
前記物体検知装置は、前記複数の反射波を利用して、前記少なくとも１つのアンテナ素子から前記第１回転翼を見たときの前記角度または前記立体角が予め定められた値以下になったタイミングを特定し、かつ前記角度または前記立体角が予め定められた値以下になる次あるいは次以降のタイミングを推定する、請求項４から１０のいずれかに記載のマルチコプター。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのアンテナ素子は、一次元アレイで構成された複数のアンテナ素子であり、
前記物体検知装置は、前記複数の反射波を利用して、前記少なくとも１つのアンテナ素子から前記第１回転翼を見たときの前記角度または前記立体角が予め定められた値以下になったタイミングを特定し、かつ前記角度または前記立体角が予め定められた値以下になる次あるいは次以降のタイミングを推定する、請求項４から１０のいずれかに記載のマルチコプター。
【請求項１３】
中央筐体と、
前記中央筐体の周囲に配置された３つ以上の回転翼と、
前記３つ以上の回転翼を回転させる複数のモータと、
ＦＭＣＷ方式で物標を検出するレーダシステムと
を備えたマルチコプターであって、
前記レーダシステムは、
少なくとも１つのアンテナ素子と、
信号波を変調しながら送信し、前記少なくとも１つのアンテナ素子で前記信号波を受信して、ビート信号を利用して物標の検出処理を行う物体検知装置と
を有しており、
前記少なくとも１つのアンテナ素子は、前記マルチコプターの飛行時に送信された前記信号波が前記３つ以上の回転翼の１つである第１回転翼によって反射された、回転翼由来の反射波を受信する位置に配置されており、
前記少なくとも１つのアンテナ素子で受信した前記信号波は、
物標で反射した物標由来の反射波と、
前記マルチコプターの飛行時に送信された前記信号波が前記３つ以上の回転翼の１つである第１回転翼によって反射された、回転翼由来の反射波と、
を含んでおり、
前記物体検知装置は、
前記信号波が前記第１回転翼との間を往復することで発生するビート周波数Δｆｐ、および、前記信号波が前記レーダシステムの設計上の最小検知距離に位置する物標との間を往復することで発生するビート周波数Δｆｔの情報を保持するメモリと、
送信した前記信号波と受信した前記信号波とから生成されたビート信号を用いて、前記ビート信号の周波数分布を求める演算回路とを有しており、
前記演算回路は、前記ビート信号の周波数成分のうち、前記ビート周波数Δｆｐよりも大きくかつ前記ビート周波数Δｆｔよりも小さい周波数成分、または、前記ビート周波数Δｆｔより大きい周波数成分を、前記物標由来の反射波の周波数成分として特定する、マルチコプター。
【請求項１４】
前記第１回転翼を回転させる前記モータは、前記少なくとも１つのアンテナ素子の監視野において、前記少なくとも１つのアンテナ素子に接近する方向に前記第１回転翼を回転させる、請求項１３に記載のマルチコプター。
【請求項１５】
前記演算回路は、
アップビート区間に送信された前記信号波と受信された前記信号波とから生成されたアップビート信号を用いて、
前記アップビート信号の周波数成分のうち、前記ビート周波数Δfｐよりも大きくかつ前記ビート周波数Δfｔよりも小さい周波数成分を、前記物標由来の反射波の周波数成分として特定する、請求項１３に記載のマルチコプター。
【請求項１６】
前記演算回路は、
ダウンビート区間に送信された前記信号波と受信された前記信号波とから生成されたダウンビート信号を用いて、
前記ダウンビート信号の周波数成分のうち、前記ビート周波数Δfｔより大きい周波数成分を、前記物標由来の反射波の周波数成分として特定する、請求項１３または１５に記載のマルチコプター。
【請求項１７】
前記３つ以上の回転翼は、さらに、前記第１回転翼と隣り合い、かつ前記第１回転翼とは逆方向に回転する第２回転翼を有しており、
前記少なくとも１つのアンテナ素子は、前記第１回転翼および前記第２回転翼によってそれぞれ反射された、回転翼由来の各反射波を受信する位置に配置されている、請求項１４から１６のいずれかに記載のマルチコプター。
【請求項１８】
中央筐体と、
前記中央筐体の周囲に配置された３つ以上の回転翼と、
前記３つ以上の回転翼を回転させる複数のモータと、
信号波の送受信を行い、前記信号波を利用して物標を検出するレーダシステムと
を備えたマルチコプターであって、
前記レーダシステムは、
少なくとも１つのアンテナ素子と、
前記信号波を送信し、前記少なくとも１つのアンテナ素子で受信した前記信号波を利用して物標の検出処理を行う物体検知装置と
を有しており、
前記少なくとも１つのアンテナ素子に含まれる第１のアンテナ素子は、前記マルチコプターの飛行時に送信された前記信号波が前記３つ以上の回転翼の１つである第１回転翼によって反射された、回転翼由来の反射波を受信する位置に配置されており、
前記物体検知装置は、
少なくとも１つの周波数の信号波を送信し、前記信号波が前記第１回転翼によって反射された、回転翼由来の第１反射波と、前記信号波が物標で反射された、物標由来の第２反射波とを受信し、
送信された前記信号波、前記第１反射波および前記第２反射波から得られるビート信号のうち、予め定められた周波数以下で、かつ予め定められた振幅値以上の振幅値を有するピークの周波数を、ビート信号の周波数として特定し、
前記ビート信号の周波数に基づいて、前記レーダシステムと前記物標との相対速度を算出する、マルチコプター。
【請求項１９】
中央筐体と、
前記中央筐体の周囲に配置された複数の回転翼と、
前記回転翼を回転させる複数のモータと、
信号波の送受信を行い、前記信号波を利用して物標を検出するレーダシステムと
を備えたマルチコプターであって、
前記レーダシステムは、
少なくとも１つのアンテナ素子と、
前記信号波を送信し、前記少なくとも１つのアンテナ素子で受信した前記信号波を利用して物標の検出処理を行う物体検知装置と
を有しており、
前記少なくとも１つのアンテナ素子に含まれる第１のアンテナ素子は、前記マルチコプターの飛行時に送信された前記信号波が前記３つ以上の回転翼の１つである第１回転翼によって反射された、回転翼由来の反射波を受信する位置に配置されており、
前記物体検知装置は、
周波数を増大あるいは減少させる周波数変調を行いつつ一定時間継続する信号波を送信し、
前記信号波と前記信号波の反射波とから得られるビート信号の周波数を、予め定められた周波数以上の周波数を持つピークの周波数によって特定し、
前記ビート信号の周波数に基づいて前記レーダシステムと前記物標との距離を算出し、
前記一定時間をＴｍ、前記レーダシステムの検知距離の下限をＲ、前記周波数変調の変調幅をＷｍ、光速をＣとするとき、
前記予め定められた周波数はＲＷｍ／（ＣＴｍ）よりも大きく、
前記下限Ｒは、前記少なくとも一つのアンテナ素子から前記第１回転翼までの距離よりも大きく、前記マルチコプターの差し渡し寸法の１０倍以下である、
マルチコプター。
【請求項２０】
前記信号波の送信は複数回行われ、
前記物体検知装置は、
前記複数回の送信によって得られる複数のビート信号の各々の周波数を特定し、
互いの周波数の差が所定の値よりも小さいビート信号の組を選択し、
選択された前記ビート信号の組に含まれる前記ビート信号相互の位相差を利用して、前記レーダシステムと前記物標との相対速度を算出する、
請求項１９に記載のマルチコプター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーダシステムを搭載したマルチコプターに関する。
【背景技術】
【０００２】
３つ以上の回転翼を搭載した無人マルチコプターの利用が広がりつつある。無人マルチコプターは、たとえば空中からの写真撮影、農薬散布、災害調査に利用されており、近年は物品の配送手段としても期待されている。無人マルチコプターのような無人航空機は、ＵＡＶ（Unmanned Aerial Vehicle）とも呼ばれる。
【０００３】
無人マルチコプターの中には、グローバル・ポジショニング・システム（以下、本明細書では「ＧＰＳ」（Global Positioning System）と記述する。）を利用して目的地まで自動操縦により飛行するものが存在する。しかしながら、ＧＰＳを利用しても、たとえば電柱、鉄塔、橋脚などの障害物を避けて飛行することまではできない。そこで近年、カメラを備えたマルチコプターが開発されている。このような無人マルチコプターは、カメラで撮影した映像に含まれる障害物を画像処理によって識別しながら、障害物を避けて飛行する。または、操作者は、カメラで撮影された映像を視認しながら無人マルチコプターを遠隔操作する。特許文献１を参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許公開第２０１４／０１８０９１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
カメラの映像を利用してマルチコプターを飛行させたとしても、依然として障害物への衝突事故は発生し得る。特に、夜間は光量が少ないため、樹木などの自らは光を発しない物体や構造物を、カメラの映像を利用して識別することは困難である。
【０００６】
本開示は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、レーダシステムを搭載したマルチコプターを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様に係るマルチコプターは、中央筐体と、前記中央筐体の周囲に配置された３つ以上の回転翼と、前記３つ以上の回転翼をそれぞれ回転させる複数のモータと、信号波の送受信を行い、前記信号波を利用して物標を検出するレーダシステムとを備えており、前記レーダシステムは、少なくとも１つのアンテナ素子と、前記信号波を送信し、前記少なくとも１つのアンテナ素子で受信した前記信号波を利用して物標の検出処理を行う物体検知装置とを有しており、前記少なくとも１つのアンテナ素子に含まれる第１のアンテナ素子は、前記マルチコプターの飛行時に送信された前記信号波が前記３つ以上の回転翼の１つである第１回転翼によって反射された、回転翼由来の反射波を受信する位置に配置されており、前記少なくとも１つのアンテナ素子で受信した前記信号波は、物標で反射した物標由来の反射波と、前記マルチコプターの飛行時に送信された前記信号波が前記３つ以上の回転翼の１つである第１回転翼によって反射された、回転翼由来の反射波とを含み、前記物体検知装置は、前記少なくとも１つのアンテナ素子で受信した前記信号波の周波数スペクトルに、周波数のピークを識別するために予め定められた条件を満たす周波数帯域が含まれているか否かを判定し、前記条件を満たす周波数帯域のピークを、前記物標由来の反射波の周波数として特定する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の例示的な実施形態によれば、マルチコプターはレーダを搭載し、かつ回転翼で反射する信号波の影響を考慮して信号の送受信または信号処理を行うため、より正確な物標の検出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示による例示的な無人マルチコプター１の外観斜視図である。
【図２】図２は、無人マルチコプター１の側面図である。
【図３】図３は、無人マルチコプター１のハードウェアの構成を模式的に示す図である。
【図４】図４は、無人マルチコプター１の内部ハードウェアの構成を示す図である。
【図５】図５は、本開示による無人マルチコプター１の、主としてレーダシステム１０の基本構成の例を示すブロック図である。
【図６】図６は、２４個のスロット１１２が６行４列に配列されたスロットアレイアンテナＴＡ／ＲＡの上面図である。
【図７】図７は、図６の１本のリッジ導波路１２２に沿った部分拡大斜視図である。
【図８】図８は、わかりやすさのため、第１の導電部材１１０と第２の導電部材１２０との間隔を極端に離した状態にあるスロットアレイアンテナＴＡ／ＲＡを模式的に示す斜視図である。
【図９】図９は、リッジ導波路１２２の延伸方向と平行な方向の法線を有する平面によるスロットアレイアンテナＴＡ／ＲＡの断面図である。
【図１０】図１０は、スロットアレイアンテナＴＡ／ＲＡを構成する各部材の寸法、配置関係の例を示す図である。
【図１１】図１１は、ホーンアンテナＴＡ／ＲＡの例を示す斜視図である。
【図１２】図１２は、送信アンテナＴＡの信号波の放射範囲を示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、指向性が異なる２種類の送信アンテナ素子を有する送信アンテナＴＡの信号波の放射範囲を示す図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１３Ａに示す２種類の送信アンテナ素子による信号波のＹＺ平面上の放射範囲を示す図である。
【図１４】図１４は、主として物体検知装置４０の詳細な構成を示す図である。
【図１５】図１５は、三角波／ＣＷ波生成回路２２１が生成した三角波信号に基づいて変調された送信信号の周波数変化を示す図である。
【図１６】図１６は、「上り」の期間におけるビート周波数ｆｕ、および「下り」の期間におけるビート周波数ｆｄを示す図である。
【図１７】図１７は、物体検知装置４０の処理の手順を示すフローチャートである。
【図１８】図１８は、アンテナＴＡ／ＲＡと回転翼５との位置関係を示す図である。
【図１９】図１９は、回転翼５由来の反射波を模式的に示す図である。
【図２０】図２０は、指向性が異なる２種類の送信アンテナ素子を有する送信アンテナＴＡを用いたときの、回転翼５由来の反射波を模式的に示す図である。
【図２１】図２１は、ＦＭＣＷ方式で動作するレーダシステム１０による、回転翼５からの反射波および物標からの反射波にそれぞれ対応する各ビート信号の関係を周波数スペクトルで示す図である。
【図２２】図２２は、実施形態１による、信号処理回路４４の受信強度算出部２３２の処理の手順を示すフローチャートである。
【図２３】図２３は、連続波ＣＷと回転翼５由来の３つの反射波とからそれぞれ得られた、３つのビート信号ＢCW1〜ＢCW3の周波数スペクトルの例を示す図である。
【図２４】図２４は、図１９に対応する構成において、回転翼５の立体角が最小になったタイミングとそのときの回転翼５の位置を模式的に示す図である。
【図２５】図２５は、図２０に対応する構成において、回転翼５の立体角が最小になったタイミングとそのときの回転翼５の位置を模式的に示す図である。
【図２６Ａ】図２６Ａは、ビート信号のエッジＥCWの周波数の遷移を示す図である。
【図２６Ｂ】図２６Ｂは、ビート信号のエッジＥCWの周波数の遷移を示す図である。
【図２７】図２７は、連続波ＣＷを用いた信号波の送信タイミングを決定する処理の手順を示すフローチャートである。
【図２８Ａ】図２８Ａは、変調連続波ＦＭＣＷを送信したときのビート信号の波形例を示す図である。
【図２８Ｂ】図２８Ｂは、ある時刻から１ミリ秒後に再度変調連続波ＦＭＣＷを放射して得られた周波数スペクトルの例を示す図である。
【図２８Ｃ】図２８Ｃは、図２８Ａの周波数スペクトルと図２８Ｂの周波数スペクトルの差の演算結果Ｑ２を示す図である。
【図２９Ａ】図２９Ａは、アンテナＴＡ／ＲＡの監視野内の回転翼５が、アンテナＴＡ／ＲＡに接近する方向に回転するよう配置されたときの種々のビート信号の周波数スペクトルを示す図である。
【図２９Ｂ】図２９Ｂは、アンテナＴＡ／ＲＡの監視野内の回転翼５が、アンテナＴＡ／ＲＡから遠ざかる方向に回転するよう配置されたときの種々のビート信号の周波数スペクトルを示す図である。
【図３０】図３０は、実施形態３による回転翼５由来の反射波と物標由来の反射波とを分離する処理の手順を示すフローチャートである。
【図３１】図３１は、連続波ＣＷと回転翼５由来の３つの反射波とからそれぞれ得られた、３つのビート信号ＢCW1〜ＢCW3の周波数スペクトル、および、連続波ＣＷと物標由来の反射波とから得られたビート信号ＢTGの周波数スペクトルを示す図である。
【図３２】図３２は、３つの周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の関係を示す図である。
【図３３】図３３は、複素平面上の合成スペクトルＦ１〜Ｆ３の関係を示す図である。
【図３４】図３４は、実施形態４による、回転翼５由来の反射波と物標由来の反射波とを分離して相対速度および距離を求める処理の手順を示すフローチャートである。
【図３５】図３５は、本開示の応用例にかかる無人マルチコプター５０１の外観斜視図である。
【図３６】図３６は、本応用例にかかる物体検知装置４１の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本願発明者らは、たとえば物品の配達に利用される無人マルチコプターにレーダシステムを搭載することを検討した。レーダシステムを搭載して飛行時の周囲の物体（以下、「物標」と呼ぶ。）を検知することにより、無人マルチコプターと物標との衝突を回避することが可能になるからである。
【００１１】
無人マルチコプターの回転翼はレーダシステムの物標検出処理に大きな影響を及ぼす。より具体的には、無人マルチコプターの回転翼がレーダシステムの監視野に入ってくると物標検知の障害になる（本願発明者らによる分析の結果は後に詳述する）。
【００１２】
このような課題を解決する手段としては、回転翼の影響が及ばない位置にレーダシステムを設置することが考えられる。しかしながら、レーダシステムを設置可能な位置は、レーダシステムのサイズ、配送する物品を搭載する位置等によって制約を受ける。
【００１３】
本願発明者らは、レーダシステムの配置を調整する以外の方法について検討を重ねた。その結果、回転翼の反射の影響が少ないタイミングで信号の送受信を行い、または、回転翼の反射の影響を受信波から除去して、物標（周囲の物体）の検出処理を行う無人マルチコプターをなすに至った。
【００１４】
以下、添付の図面を参照しながら、本開示による無人マルチコプターの実施形態を説明する。本欄は以下の内容および順序で説明する。
【００１５】
１．無人マルチコプターの外観の構成
２．無人マルチコプターの内部ハードウェアの構成と基本動作
３．回転翼による信号波の反射
４．レーダシステムの処理（実施形態１〜４）
５．応用例
【００１６】
「４．レーダシステムの処理」では、本開示による無人マルチコプターの種々の処理を実施形態として説明する。無人マルチコプターの外観、内部ハードウェアおよび基本動作、変形例は、各実施形態に共通して適用される。なお、本願明細書では、無人であることは必須ではない。無人であるか有人であるかを問わず、レーダシステムを搭載したマルチコプターであれば、本明細書に開示された技術を適用することが可能である。
【００１７】
１．無人マルチコプターの外観の構成
図１は、本開示による例示的な無人マルチコプター１の外観斜視図である。また、図２は、無人マルチコプター１の側面図である。
【００１８】
無人マルチコプター１は、たとえば配送業者が委託された荷物を空路で配送するために利用される。無人マルチコプター１は、レーダシステム１０と、グローバル・ポジショニング・システム（以下、「ＧＰＳ」（Global Positioning System）と記述する。）とを利用して、配送先まで自律飛行する。後述のように、無人マルチコプター１は物標を検出して衝突を回避する機能を備えている。
【００１９】
無人マルチコプター１は、中央筐体２と、中央筐体２の周囲に伸びる複数のアーム（たとえばアーム３）と、中央筐体２の下方に伸びる、荷物固定用の複数の脚（たとえば脚６）とを備えている。以下、アーム３に関連する構成を例示して説明する。他のアームの構成も説明するアーム３と同じである。
【００２０】
アーム３の先端側（中央筐体２と反対側）には、モータ４が設けられている。モータ４の回転軸には回転翼５が設けられている。モータ４が回転することによって回転翼５も回転し、無人マルチコプター１に揚力を与える。本明細書では、１台の無人マルチコプター１に設けられる回転翼５は３以上であればよい。
【００２１】
１つのモータ４に取り付けられる回転翼５は、回転軸から伸びる複数のブレード５ａおよび５ｂを有している。本実施形態ではブレードは２枚であることが好適である。ブレードが２枚であれば、レーダシステム１０の視野を遮る時間がより短いからである。ただし、ブレードは３枚以上であってもよい。また、回転翼５は、強度、重量等の観点で炭素繊維強化プラスチック（carbon-fiber-reinforced plastic；ＣＦＲＰ）で製造されていることが好適である。ただし、ＣＦＲＰはミリ波帯の電波を反射しやすい性質を有している。そのため、後述するように、本開示では、受信アンテナ素子で受信された信号波から、回転翼５で反射された信号波を峻別する処理を行う。
【００２２】
中央筐体２にはレーダシステム１０が設けられている。本実施形態によるレーダシステム１０は、複数の組の送信アンテナおよび受信アンテナを含む。図１では送信アンテナおよび受信アンテナの組はたとえば６つ存在し得る。各組は、１つの送信アンテナ素子、および４つの受信アンテナ素子を有する。各受信アンテナの４つの受信アンテナ素子は、主ローブを水平方向の同一方向に向けた状態で並んで受信アンテナアレイを構成する。受信アンテナアレイの隣には送信アンテナ素子が配置される。送信アンテナ素子の主ローブは、受信アンテナ素子の主ローブと同じ方向を向く。ただし上述の構成は一例である。受信アンテナアレイを構成する受信アンテナ素子の数は４つに限られない。３つでも良いし、５つ以上でも良い。受信アンテナ素子は、同時に検知しなければならない物標の数に応じて適宜選択される。また、１つのアンテナ素子で信号波の送信および受信を行ってもよい。
【００２３】
送信アンテナに複数の送信アンテナ素子が存在する場合、その各々は、後に説明するように、同じ指向性を有していてもよいし、異なる指向性を有していてもよい。
【００２４】
図２に示されるようにＸ軸およびＺ軸をとり、紙面に垂直な方向にＹ軸をとる。送信アンテナＴＡと回転翼５とは、Ｚ方向に関して相対的に近く配置されている。より具体的には、本開示では、回転翼５はレーダシステム１０の監視野内に存在しているとする。レーダシステム１０の監視野は、たとえば、Ｙ軸を中心軸に有する、断面が楕円形の円錐形、または断面が方形の角錐形に広がっているが、ここでいう円錐形および角錐形は厳密な形状ではない。
【００２５】
上述のレーダシステムを利用すれば、無人マルチコプター１は障害物等を避けながら任意の方向に飛行できる。特定の方向に飛行する場合には、無人マルチコプター１は、送信アンテナ素子および受信アンテナ素子の主ローブが、進行方向、すなわち飛行方向、を向くように姿勢を制御する。飛行中、レーダシステム１０は、定期的に、または任意のタイミングで信号波の送受信を行い、物標を検出する。
【００２６】
レーダシステム１０は、後述する処理により、回転翼で反射する信号波の影響を考慮して信号の送受信または信号処理を行う。本明細書では、主として３種類の処理を説明する。
【００２７】
第１の処理では、レーダシステム１０は、受信波に、物標由来の反射波が含まれているか否か（物標由来の反射波のピークを検出できるか否か）を判定する。物標由来の反射波のピークを検出できた場合には、レーダシステム１０は、物標由来の反射波のピークを利用して物標を検出するための信号処理を行う。なお、「物標由来の反射波」とは、物標で反射され、受信された信号波をいう。また、回転翼５によって反射され、受信された信号波は、「回転翼５由来の反射波」という。いずれも、送信された信号波の反射波である。
【００２８】
第２の処理では、レーダシステム１０は、送信アンテナＴＡのアンテナ素子から回転翼５を見たときの角度または立体角が予め定められた値以下になるタイミングで信号波を送信する。一例として、「角度」は図２のＸＹ平面上の角度をいい、「立体角」は図２のＸＹＺ空間に定められる角度を言う。「予め定められた値以下」は、典型的には最小値である。たとえば「角度」の場合にはπ／４以下または０．７８ラジアン以下の角度、「立体角」の場合には５分の１ステラジアン以下などと決めることも可能である。
【００２９】
第３の処理では、レーダシステム１０は、回転翼５由来の反射波と物標由来の反射波とを分離し、物標由来の反射波を利用して、物標を検出するための信号処理を行う。
【００３０】
上述のいずれかの処理により、レーダシステム１０は、物標の検出、およびその物標までの距離および無人マルチコプター１と物標との相対速度の情報を出力することができる。
【００３１】
図では、中央筐体は、半球形であるが、これは一例である。他に、球形、円柱形、立方体、角錐形、または直方体形状を基本とする形状を採用してもよい。また、アーム３に代えて、複数のモータ４および回転翼５が取り付けられた１つまたは複数の輪、枠又は梁が設けられてもよい。いずれの態様であっても、アーム３、輪、枠、梁は、中央筐体２に固定されていればよい。
【００３２】
２．無人マルチコプターの内部ハードウェア構成と基本動作
図３は、無人マルチコプター１のハードウェアの構成を模式的に示す。
【００３３】
無人マルチコプター１は、レーダシステム１０と、フライトコントローラ１１と、ＧＰＳモジュール１２と、受信モジュール１３と、電子制御ユニット１４（ＥＣＵ１４）とを備えている。このうち、フライトコントローラ１１が無人マルチコプター１の動作を制御する。フライトコントローラ１１は、レーダシステム１０、ＧＰＳモジュール１２および受信モジュール１３から情報および／または操作信号を受け、飛行のための所定の処理を行って、各ＥＣＵ１４に制御信号を出力する。
【００３４】
各ＥＣＵ１４は、制御信号に基づいてモータ４の回転を制御する。全てのモータ４の回転を制御することにより、フライトコントローラ１１は、無人マルチコプター１を前進させ、後退させ、旋回させ、空中で静止させ、さらに上下方向へ移動させることができる。無人マルチコプター１の前進および後退に際し、無人マルチコプター１の姿勢を前傾または後傾させることも可能である。なお、モータ４の回転を制御する態様として、たとえばPMW(Pulse Width Modulation)を利用できる。この場合、各ＥＣＵ１４は、ＰＷＭのデューティ比を変更することで、モータ４に電力に供給される電力を制御する。
【００３５】
以下では、まずフライトコントローラ１１を説明し、その後レーダシステム１０を説明する。他の構成要素はフライトコントローラ１１およびレーダシステム１０と共に説明する。
【００３６】
２．１．フライトコントローラ
図４は、無人マルチコプター１の内部ハードウェアの構成を示す。
【００３７】
フライトコントローラ１１は、マイクロコントローラ２０と、ＲＯＭ２１と、ＲＡＭ２２と、センサ群とを有しており、これらが内部バス２４で相互に通信可能に接続されている。また、フライトコントローラ１１は、図示されない通信インタフェースを介して、レーダシステム１０、ＧＰＳモジュール１２、受信モジュール１３、および複数のＥＣＵ１４と接続されている。通信インタフェースを介して入力されたデータ信号は、内部バス２４を介してフライトコントローラ１１の内部を伝送され、マイクロコントローラ２０によって取得される。以下、より具体的に説明する。なお、マイクロコントローラ２０の処理は、ＲＯＭ２１に格納され、ＲＡＭ２２に展開されたコンピュータプログラムがマイクロコントローラ２０によって実行されることにより、実現される。
【００３８】
マイクロコントローラ２０は、センサ群が検出した信号を取得する。センサ群は、たとえば３軸ジャイロセンサ２３ａ、３軸加速度センサ２３ｂ、気圧センサ２３ｃ、磁気センサ２３ｄ、超音波センサ２３ｅである。
【００３９】
３軸ジャイロセンサ２３ａは、前後の傾きと左右の傾き、回転の角速度を検出し、機体の姿勢と動きを把握する。３軸加速度センサ２３ｂは、前後方向、左右方向、上下方向の加速度を検出する。なお、３軸ジャイロセンサと３軸加速度センサをひとつのモジュールで実現することも可能である。そのようなモジュールは、「６軸ジャイロセンサ」と呼ばれることもある。気圧センサ２３ｃは、気圧の違いから機体の高度を把握する。磁気センサ２３ｄは方位を検出する。超音波センサ２３ｅは、直下に超音波を発信して反射信号を検出することで、対地距離を把握する。なお超音波センサ２３ｅは、予め定められた、地上に近い高度で使用される。
【００４０】
マイクロコントローラ２０は、レーダシステム１０から、検出した物標までの距離および無人マルチコプター１と物標との相対速度の情報を取得する。
【００４１】
さらにマイクロコントローラ２０は、ＧＰＳモジュール１２から無人マルチコプター１の現在位置を示す情報を取得する。ＧＰＳモジュール１２は、複数の人工衛星（ＧＰＳ衛星）からの電波を受信して自機と各ＧＰＳ衛星との距離を演算することにより、現在位置を示す情報を出力する。ＧＰＳモジュール１２は、少なくとも４つの人工衛星を利用することにより、地球上の無人マルチコプター１の緯度、経度および高度を特定する情報を出力することができる。
【００４２】
マイクロコントローラ２０は、受信モジュール１３から操作信号を取得する。操作信号は、操作者が操作する地上の送信機から無線で送られる。操作信号は、たとえば無人マルチコプター１の前進、着陸を指示する信号である。
【００４３】
センサ群から取得した信号、および外部から取得した信号に基づき、マイクロコントローラ２０はＥＣＵ１４に適切な制御信号を出力する。ＥＣＵ１４は制御信号を受け取り、モータ４を駆動する。具体的には、ＥＣＵ１４は、モータ４の回転速度、またはモータ４を回転させるために出力する制御信号を変更する。
【００４４】
２．２．レーダシステム
本明細書では、レーダシステム１０はミリ波帯の電波を用いるとする。より具体的には、７６ギガヘルツ（ＧＨｚ）帯または７９ＧＨｚ帯の電波を利用することが好適である。
【００４５】
図５は、本開示による無人マルチコプター１の、主としてレーダシステム１０の基本構成の例を示すブロック図である。
【００４６】
図５に示すレーダシステム１０は、送信アンテナＴＡおよび受信アンテナＲＡを含むレーダアンテナ３０と、物体検知装置４０とを有している。送信アンテナＴＡは、例えばミリ波であり得る信号波を放射する少なくとも１つのアンテナ素子を備えている。受信アンテナＲＡは、例えばミリ波であり得る信号波を受信する少なくとも１つのアンテナ素子を備えている。
【００４７】
物体検知装置４０は、レーダアンテナ３０に接続された送受信回路４２と、信号処理回路４４と含んでいる。
【００４８】
送受信回路４２は、放射される信号波（送信信号）を生成して、送信信号を送信アンテナＴＡに送る。また送受信回路４２は、受信アンテナＲＡで受けた信号波（受信信号）の「前処理」を行うように構成されている。前処理の一部または全部は、信号処理回路４４によって実行されても良い。送受信回路２０が行う前処理の典型的な例は、送信信号と受信信号とからビート信号を生成すること、および、アナログ形式のビート信号をデジタル形式に変換することを含み得る。
【００４９】
信号処理回路４４は、大きく分けて２つの処理を行う。１つは、物標由来の反射波を抽出するために、回転翼５由来の反射波の影響を低減または除去、あるいは回転翼５由来の反射波の影響が小さくなるタイミングで信号波を送受信する処理である。この処理は、信号処理回路４４の反射波分析ユニット４６によって行われる。他の１つは、物標由来の反射波の到来方向を推定し、物標までの距離および無人マルチコプター１と物標との相対速度を求める処理である。この処理は、到来方向推定ユニット４８によって行われる。
【００５０】
なお、本明細書においては、レーダシステム１０は、レーダアンテナ３０と物体検知装置４０とが一体化された装置を想定している。しかしながらこれは一例である。レーダアンテナ３０と物体検知装置４０とは別体であってもよいし、フライトコントローラ１１のマイクロコントローラ２０が、物体検知装置４０の信号処理回路４４として動作してもよい。
【００５１】
以下、レーダシステム１０の構成を詳細に説明する。
【００５２】
２．２．１．アンテナ
本開示による無人マルチコプター１には、任意のアンテナ素子を利用することができる。本開示では、一例として、リッジ導波路を有するスロットアレイアンテナを例に挙げて説明する。給電部もリッジ導波路を利用して構成され得るが、給電部の図示および説明は省略する。なお、以下では記載の簡略化のため、送信アンテナＴＡおよび受信アンテナＲＡを、「アンテナＴＡ／ＲＡ」または「スロットアレイアンテナＴＡ／ＲＡ」と記述する。また、「受信アンテナＲＡ」を「受信アンテナアレイＲＡ」と呼ぶこともある。
【００５３】
図６は、２４個のスロット１１２が６行４列に配列されたスロットアレイアンテナＴＡ／ＲＡの上面図である。たとえば、図６に示されるスロットアレイアンテナが、送信アンテナＴＡおよび受信アンテナＲＡとしてそれぞれ設けられている。
【００５４】
各スロット１１２の下方には、破線で示される導波部材（リッジ導波路）１２２が形成されている。各リッジ導波路１２２が１つのアンテナ素子に対応する。つまり図７に示すアンテナは、４つのアンテナ素子が並列して配置された一次元のアレイを構成していると言える。各アンテナ素子は６つのスロットアンテナを有する縦長の形状を持っている。
【００５５】
図７は、図６の１本のリッジ導波路１２２に沿った部分拡大斜視図である。図示されるスロットアレイアンテナＴＡ／ＲＡは、第１の導電部材１１０と、これに対向する第２の導電部材１２０とを備えている。図８は、わかりやすさのため、第１の導電部材１１０と第２の導電部材１２０との間隔を極端に離した状態にあるスロットアレイアンテナＴＡ／ＲＡを模式的に示す斜視図である。
【００５６】
第１の導電部材１１０の表面は導電性の材料で構成される。第１の導電部材１１０は、放射エレメントとして、複数のスロット１１２を有している。第２の導電部材１２０の上には、複数のスロット１１２からなるスロット列に対向する導電性の導波面１２２ａを有するリッジ導波路１２２と、複数の導電性ロッド１２４とが設けられている。複数の導電性ロッド１２４は、リッジ導波路１２２の両側に配置され、第１の導電部材１１０の導電性表面とともに人工磁気導体を形成する。電磁波である信号波は人工磁気導体中を伝搬できないため、信号波は、導波面１２２ａと第１の導電部材１１０の導電性表面との間に形成される導波路を伝搬しながら、各スロット１１２を励振する。これにより、各スロット１１２から信号波が放射される。図６の構成が受信アンテナＲＡとして利用される場合には、信号波が複数のスロット１１２に入射し、逆の経路で伝搬されることにより、受信される。
【００５７】
図９は、リッジ導波路１２２の延伸方向と平行な方向の法線を有する平面によるスロットアレイアンテナＴＡ／ＲＡの断面図である。この図は、１つのスロット１１２の中心を通る位置の断面を示している。
【００５８】
図９に示されるように、第１の導電部材１１０は、第２の導電部材１２０に対向する側に導電性表面１１０ａを有している。導電性表面１１０ａは、導電性ロッド１２４の軸方向に直交する平面に沿って二次元的に拡がっている。この例における導電性表面１１０ａは平滑な平面であるが、必ずしも平滑な平面である必要はなく、湾曲していたり、微細な凹凸を有したりしていてもよい。
【００５９】
図１０は、スロットアレイアンテナＴＡ／ＲＡを構成する各部材の寸法、配置関係の例を示す。図示される寸法は一例である。
【００６０】
図１０に示される「λ0」は、第１の導電部材１１０の導電性表面１１０ａとリッジ導波路１２２の導波面１２２ａとの間の導波路を伝搬する信号波の自由空間における波長（動作周波数帯域に広がりがある場合は中心周波数に対応する中心波長）である。
【００６１】
リッジ導波路１２２の導波面１２２ａと導電性表面１１０ａとの間の距離Ｌ１は、λｏ／２未満に設定される。当該距離がλｏ／２以上の場合、導波面１２２ａと導電性表面１１０ａとの間で共振が起こり、導波路として機能しなくなるからである。ある例では、当該距離はλｏ／４以下である。製造の容易さを確保するために、ミリ波帯の信号波を伝搬させる場合には、距離Ｌ１は例えばλｏ／１６以上であることが好ましい。
【００６２】
導電性ロッド１２４の先端部１２４ａから導電性表面１１０ａまでの距離Ｌ２は、λｏ／２未満に設定される。当該距離がλｏ／２以上の場合、導電性ロッド１２４の先端部１２４ａと導電性表面１１０ａとの間を往復する伝搬モードが生じ、信号波を閉じ込められなくなるからである。
【００６３】
上述したスロットアレイアンテナＴＡ／ＲＡは一例である。送信アンテナＴＡおよび／または受信アンテナアレイＲＡとして、たとえばホーンアンテナ、パッチアンテナ、スロットアンテナなどを採用できる。
【００６４】
図１１は、ホーンアンテナＴＡ／ＲＡの例を示す斜視図である。所望のホーン１１４を設けることにより、放射される信号波の指向性を制御することができる。なお、図１１にはそれぞれ２つのスロット１１２およびホーン１１４が示されているが、これは記載の便宜のためである。ホーン１１４が設けられている以外は当該構成は図７等と同じである。
【００６５】
ホーンアンテナおよびスロットアンテナの放射器、及び給電部は、たとえば樹脂成型品に導体をメッキすることによって製造することができる。これにより、放射器等を軽量化できる。
【００６６】
また、上述の例ではスロット数は２４であったが、これは一例に過ぎない。他の例として、図６には４本のリッジ導波路１２２の各々に１つだけスロットを設け、さらにそれらのスロットが、４本のリッジ導波路１２２と直交する方向に沿って一列に配列されていてもよい。
【００６７】
なお、リッジ導波路を有するアンテナ素子として、日本特許出願である特願２０１５−２１７６５７の内容をここに援用する。
【００６８】
図１２は、送信アンテナＴＡの信号波の放射範囲を示す。図では、ＸＹ平面上の放射角度αを示す。放射角度αは、たとえば９０度であってもよいし、６０度であってもよい。なお、図７に示す例では、複数のリッジ導波路１１２が記載されていたが、図１２の例による送信アンテナＴＡには１本のリッジ導波路を有するスロットアレイアンテナを採用してもよい。この場合、アンテナＴＡの利得や指向性を調節するために、複数のスロット１１２の間隔等を設計してもよい。なお、図１２はまた、受信アンテナＲＡの信号波の受信範囲も示す。
【００６９】
図１３Ａは、指向性が異なる２種類の送信アンテナ素子を有する送信アンテナＴＡの信号波の放射範囲を示す。このような放射範囲は、たとえば２本のリッジ導波路のスロットアレイにホーンを配したホーンアンテナを採用し、各ホーンの位置および指向性を調整することによって設計可能である。図１３Ａの構成では、２種類の送信アンテナ素子のいずれも、概ね同等のＸＹ平面上の放射角度αを有する。しかしながら、放射方向は互いにずれており、一部において重複する。これにより、広角の指向性を有する送信アンテナＴＡを得ることができる。図１３Ａの例でも、放射角度αは、たとえば９０度であってもよいし、６０度であってもよい。
【００７０】
図１３Ｂは、図１３Ａに示す２種類の送信アンテナ素子による信号波のＹＺ平面上の放射範囲を示す。２種類の送信アンテナ素子の一方は、水平から角度β上方までの範囲に電波を放射し、他方は水平から角度β下方までの範囲に電波を放射する。角度βは、たとえば２０度である。このようにＹＺ平面上に角度２・βで信号波を放射することができるため、無人マルチコプター１が姿勢を傾けた状態で飛行する場合であっても障害物を検知できる。
【００７１】
なお図１３Ｂでは、２つの記号で２種類の送信アンテナ素子を表現しているが、これは記載の便宜のためである。図６に示すスロットアレイアンテナを利用する場合には、２種類の送信アンテナ素子の各々は、１本のリッジ導波路に設けられた複数のスロットから構成され得る。一方のリッジ導波路に対向する複数のスロットは、Ｙ軸を中心にして＋Ｚ軸方向に放射角度βの指向性を有し、他方のリッジ導波路に対向する複数のスロットは、Ｙ軸を中心にして−Ｚ軸方向に放射角度βの指向性を有するよう、設計されればよい。
【００７２】
なお、図１３Ｂのような２種類の送信アンテナ素子を用いることは必須ではない。水平を基準にして上方および下方にそれぞれ角度βで信号波を放射できる１つのアンテナ素子を利用してもよい。
【００７３】
図１の例では、１つの送信アンテナＴＡおよび１つの受信アンテナＲＡを一組として、中央筐体２の側面に四組設けることができる。図６に示すように、各受信アンテナＲＡは、並列して配列される独立な４本のリッジ導波路を含み、各リッジ導波路に６個、全体で２４個のスロットを有している。これにより、受信アンテナＲＡは４つのアンテナ素子からなるアレイアンテナとして機能し得る。各受信アンテナ素子は、水平方向で９０度幅の範囲からの入射電波に対して感度を有する。または各受信アンテナ素子は、水平方向の下方２０度から上方２０までの範囲からの入射電波に対して感度を有していればよい。
【００７４】
２．２．２．物体検知装置
図１４は、主として物体検知装置４０の詳細な構成を示す。以下、物体検知装置４０の送受信回路４２および信号処理回路４４を詳細に説明する。なお、受信アンテナＲＡとして、Ｍ種類のアンテナ素子１１1、１１2、・・・、１１Mを示している。各アンテナ素子は異なるリッジ導波路１１２および対向する１以上のスロット１１２を利用して構成される。
【００７５】
送受信回路４２は、三角波／ＣＷ波生成回路２２１、ＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｌｌｅｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：電圧制御可変発振器）２２２、分配器２２３、ミキサ２２４、フィルタ２２５、スイッチ２２６、Ａ／Ｄコンバータ２２７、制御器２２８を備える。本実施形態におけるレーダシステムは、ＣＷ波またはＦＭＣＷ方式でミリ波の送受信を行うように構成されているが、これは一例である。他の方式を採用することもできる。送受信回路４２は、受信アンテナＲＡからの受信信号と送信アンテナＴＡのための送信信号とに基づいて、ビート信号を生成し、そのデジタル信号を出力するように構成されている。
【００７６】
信号処理回路４４は、送受信回路４２から出力された信号を受け取って処理し、回転翼５由来の反射波の分析処理を行い、その後は、検出された物標までの距離、物標の相対速度、物標の方位を示す信号をそれぞれ出力するように構成されている。
【００７７】
まず、送受信回路４２の構成および動作を詳細に説明する。
【００７８】
三角波／ＣＷ波生成回路２２１は三角波信号またはＣＷ信号を生成し、ＶＣＯ２２２に与える。ＶＣＯ２２２は、三角波信号に基づいて変調された周波数を有する送信信号を出力する。またはＶＣＯ２２２は、ＣＷ信号に基づいて一定の周波数を有する送信信号を出力する。なお、ＣＷ信号は、周波数が一定の信号である。
【００７９】
図１５は、三角波／ＣＷ波生成回路２２１が生成した三角波信号に基づいて変調された送信信号の周波数変化を示している。この波形の変調幅はΔｆ、中心周波数はｆ０である。このようにして周波数が変調された送信信号は分配器２２３に与えられる。分配器２２３は、ＶＣＯ２２２から得た送信信号を、各ミキサ２２４および送信アンテナＴＡに分配する。こうして、送信アンテナＴＡは、図１５に示されるように三角波状に変調された周波数を有するミリ波を放射する。
【００８０】
図１５には、送信信号に加えて、単一の物標で反射された到来波による受信信号の例が記載されている。受信信号は、送信信号に比べて遅延している。この遅延は、無人マルチコプター１と物標との距離に比例している。また、受信信号の周波数は、ドップラ効果により、無人マルチコプター１と物標との相対速度に応じて増減する。
【００８１】
受信信号と送信信号とを混合すると、周波数の差異に基づいてビート信号が生成される。このビート信号の周波数（ビート周波数）は、送信信号の周波数が増加する期間（上り）と、送信信号の周波数が減少する期間（下り）とで異なる。各期間におけるビート周波数が求められると、それらのビート周波数に基づいて、物標までの距離と、物標の相対速度が算出される。
【００８２】
図１６は、「上り」の期間におけるビート周波数ｆｕ、および「下り」の期間におけるビート周波数ｆｄの例を示している。図１６のグラフにおいて、横軸が周波数、縦軸が信号強度である。このようなグラフは、ビート信号の時間−周波数変換を行うことによって得られる。ビート周波数ｆｕ、ｆｄが得られると、公知の式に基づいて、物標までの距離と、物標の相対速度が算出される。本実施形態では、送信アンテナＴＡから送信された信号波および受信アンテナ素子ＲＡで受信された信号波を利用してビート周波数を求め、それに基づいて物標の位置情報を推定することが可能になる。
【００８３】
図１４に示される例において、受信アンテナＲＡからの受信信号は、それぞれ、増幅器によって増幅され、ミキサ２２４に入力される。各ミキサ２２４は、増幅された受信信号に送信信号を混合する。この混合により、受信信号と送信信号との間にある周波数差に対応したビート信号が生成される。生成されたビート信号は、フィルタ２２５に与えられる。フィルタ２２５は、ビート信号の帯域制限を行い、帯域制限されたビート信号をＡ／Ｄコンバータ２２７に与える。Ａ／Ｄコンバータ２２７は、サンプリング信号に同期して入力されるアナログのビート信号を、サンプリング信号に同期してデジタル信号に変換する。
【００８４】
制御器２２８は、例えばマイクロコンピュータによって構成され得る。制御器２２８は、ＲＯＭなどのメモリに格納されたコンピュータプログラムに基づいて、送受信回路４２の全体を制御する。制御器２２８は、送受信回路４２の内部に設けられている必要は無く、信号処理回路４４の内部に設けられていても良い。つまり、送受信回路４２は信号処理回路４４からの制御信号にしたがって動作してもよい。または、送受信回路４２および信号処理回路４４の全体を制御する中央演算ユニットなどによって、制御器２２８の機能の一部または全部が実現されていても良い。
【００８５】
以下、送受信回路４２の構成および動作を詳細に説明する。本開示では、ＦＭＣＷ方式によって、物標までの距離および物標の相対速度を推定する。本開示のレーダシステムは、以下に説明するＦＭＣＷ方式に限定されず、２周波ＣＷ方式またはスペクトル拡散方式などの他の方式を用いても実施可能である。
【００８６】
図１４に示される例において、信号処理回路４４は、メモリ２３１、受信強度算出部２３２、距離検出部２３３、速度検出部２３４、ＤＢＦ（デジタルビームフォーミング）処理部２３５、方位検出部２３６、物標引継ぎ処理部２３７を備えている。
【００８７】
信号処理回路４４内のメモリ２３１は、Ａ／Ｄコンバータ２２７から出力されるデジタル信号をチャンネルＣｈ1〜ＣｈMごとに格納する。メモリ２３１は、例えば、半導体メモリ、ハードディスクおよび／または光ディスクなどの一般的な記憶媒体によって構成され得る。
【００８８】
受信強度算出部２３２は、メモリ２３１に格納されたチャンネルＣｈ1〜ＣｈMごとのビート信号（図１５の下図）に対してフーリエ変換を行う。本明細書では、フーリエ変換後の複素数データの振幅を「信号強度」と称する。受信強度算出部２３２は、複数のアンテナ素子のいずれかの受信信号の複素数データを周波数スペクトルに変換する。こうして得られたスペクトルの各ピーク値に対応するビート周波数、すなわち距離に依存した物標の存在を検出することができる。
【００８９】
物標が１個の場合、フーリエ変換の結果、図１６に示されるように、周波数が増加する期間（「上り」の期間）および減少する期間（「下り」の期間）に、それぞれ、１個のピーク値を有するスペクトルが得られる。「上り」の期間におけるピーク値のビート周波数を「ｆｕ」、「下り」の期間におけるピーク値のビート周波数を「ｆｄ」をする。
【００９０】
受信強度算出部２３２は、ビート周波数毎の信号強度から、予め設定された数値（閾値）を超える信号強度を検出することによって、物標が存在していることを判定する。受信強度算出部２３２は、信号強度のピークを検出した場合、ピーク値のビート周波数（ｆｕ、ｆｄ）を対象物周波数として距離検出部２３３、速度検出部２３４へ出力する。受信強度算出部２３２は、周波数変調幅Δｆを示す情報を距離検出部２３３へ出力し、中心周波数ｆ０を示す情報を速度検出部２３４へ出力する。
【００９１】
受信強度算出部２３２は、複数の物標に対応する信号強度のピークが検出された場合には、上りのピーク値と下りのピーク値とを予め定められた条件によって対応づける。同一の物標からの信号と判断されたピークに同一の番号を付与し、距離検出部２３３および速度検出部２３４に与える。
【００９２】
複数の物標が存在する場合、フーリエ変換後、ビート信号の上り部分とビート信号の下り部分のそれぞれに物標の数と同じ数のピークが表れる。レーダと物標の距離に比例して、受信信号が遅延し、図１５における受信信号は右方向にシフトするので、レーダと物標との距離が離れるほど、ビート信号の周波数は、大きくなる。
【００９３】
距離検出部２３３は、受信強度算出部２３２から入力されるビート周波数ｆｕ、ｆｄに基づいて、下記の式により距離Ｒを算出し、物標引継ぎ処理部２３７へ与える。
Ｒ＝｛Ｃ・Ｔ／（２・Δｆ）｝・｛（ｆｕ＋ｆｄ）／２｝
【００９４】
また、速度検出部２３４は、受信強度算出部２３２から入力されるビート周波数ｆｕ、ｆｄに基づいて、下記の式によって相対速度Ｖを算出し、物標引継ぎ処理部２３７へ与える。
Ｖ＝｛Ｃ／（２・ｆ０）｝・｛（ｆｕ−ｆｄ）／２｝
【００９５】
距離Ｒ及び相対速度Ｖを算出する式において、Ｃは光速度、Ｔは変調周期である。
【００９６】
なお、距離Ｒの分解能下限値は、Ｃ／（２Δｆ）で表される。したがって、Δｆが大きくなるほど、距離Ｒの分解能が高まる。周波数ｆ０が約７６ＧＨｚ帯の場合において、Δｆを６００メガヘルツ（ＭＨｚ）程度に設定するとき、距離Ｒの分解能は例えば０．７メートル（ｍ）程度である。このため、２つの物標が併走しているとき、ＦＭＣＷ方式では物標が１つなのか２つなのかを識別することは困難である場合がある。このような場合、角度分解能が極めて高い到来方向推定アルゴリズムを実行すれば、２つの物標の方位を分離して検出することが可能である。
【００９７】
ＤＢＦ処理部２３５は、アンテナ素子１１1、１１2、・・・、１１Mにおける信号の位相差を利用して、入力される各アンテナに対応した時間軸でフーリエ変換された複素データを、アンテナ素子の配列方向にフーリエ変換する。そして、ＤＢＦ処理部２３５は、角度分解能に対応した角度チャネル毎のスペクトルの強度を示す空間複素数データを算出し、ビート周波数毎に方位検出部２３６に出力する。
【００９８】
相関行列生成部（Ｒｘｘ）２３８は、メモリ２３１に格納されたチャンネルＣｈ1〜ＣｈMごとのビート信号（図１５の下図）を用いて自己相関行列を求める。数１の自己相関行列において、各行列の成分は、ビート信号の実部および虚部によって表現される値である。相関行列生成部２３８は、得られた自己相関行列Ｒｘｘを波数検出部２４０に出力する。
【数１】
2019505806.tif 000003
【００９９】
波数検出部２４０は、自己相関行列Ｒｘｘの固有値λ1〜λKを算出する。ここでｋは、受信アンテナＲＡのリッジ導波路の本数に対応する。固有値λ1〜λKの関係は以下のとおりである。
（数２）
λ1≧λ2≧λ3≧・・・≧λL＞λL+1≧λK＝σ2
ここでσ2は熱雑音に相当する。この結果、熱雑音電力σ2より大きい固有値の数から到来波数Ｌを推定することができる。
【０１００】
方位検出部２３６は、物標の方位を推定するために設けられている。方位検出部２３６は、算出されたビート周波数毎の空間複素数データの値の大きさのうち、一番大きな値を取る角度θを対象物が存在する方位として物標引継ぎ処理部２３７に出力する。なお、到来波の到来方向を示す角度θを推定する方法は、この例に限定されない。前述した種々の到来方向推定アルゴリズムを用いて行うことができる。たとえばＳＡＧＥ（Ｓｐａｃｅ−Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ  Ｅｘｐｅｃｔａｔｉｏｎ−ｍａｘｉｍｉｚａｔｉｏｎ）法などの最尤推定法によれば、到来波数の情報を利用して、相関の高い複数の到来波の方位を検出できる。なお、ＳＡＧＥなどの最尤推定法は既知の技術であるため、詳細な説明は省略する。振幅モノパルス法を用いて電波の到来方位を推定してもよい。
【０１０１】
なお、方位を検出する処理として、信号処理回路４４には、受信強度算出部２３２、ＤＢＦ処理部２３５を経て方位検出部２３６へ至る経路と、相関行列生成部２３８および波数検出部２４０を経て方位検出部２３６へ至る経路とが併存している。信号処理回路４４は、状況に応じて、これらの経路（到来方位の推定方法）を切り替えることができる。それぞれの経路による処理を並列動作させ、その結果が合致した場合に物標の方位の推定結果として出力することより、方向推定の精度をより高めてもよい。または、たとえば１０ミリ秒ごとに信号波の送受信を行うことによって順次取得された複数のデータを、交互に２つの経路に送って推定処理を行わせ、推定結果が合致した割合が予め定めた値以上である場合に物標の方位の実質的な推定結果として出力することより、方向推定の精度をより高めてもよい。なお、２つの経路を設けることは必須ではなく、いずれか一方のみを設けてもよい。
【０１０２】
物標引継ぎ処理部２３７は、今回算出した対象物の距離、相対速度、方位の値と、メモリ２３１から読み出した１サイクル前に算出された対象物の距離、相対速度、方位の値とのそれぞれの差分の絶対値を算出する。そして、差分の絶対値の算出部が、それぞれの値毎に決められた値よりも小さいとき、１サイクル前に検知した物標と今回検知した物標とを同じものと判定する。その場合、物標引継ぎ処理部２３７は、メモリ２３１から読み出したその物標の引継ぎ処理回数を１つだけ増やす。
【０１０３】
物標引継ぎ処理部２３７は、差分の絶対値が決められた値よりも大きな場合には、新しい対象物を検知したと判断する。物標引継ぎ処理部２３７は、今回の対象物の距離、相対速度、方位およびその対象物の物標引継ぎ処理回数を、物標出力処理部２３９を介してメモリ２３１に保存する。
【０１０４】
物標出力処理部２３９は、対象物が構造物である場合に、その対象物の識別番号を物標として出力する。物標出力処理部２３９は、複数の対象物の判定結果を受け取り、そのどちらもが構造物である場合、物標が存在する物体位置情報を出力する。なお、物標出力処理部２３９は、受信強度算出部２３２から物標候補がないという情報が入力された場合には、物標なしとしてゼロを物体位置情報として出力する。
【０１０５】
上述した各構成要素の動作により、信号処理回路４４は、対象物が存在する方位、当該対象物との距離、相対速度を検出する。
【０１０６】
信号処理回路４４の一部または全部がＦＰＧＡによって実現されていてもよく、汎用プロセッサおよびメインメモリ装置の集合によって実現されていてもよい。メモリ２３１、受信強度算出部２３２、ＤＢＦ処理部２３５、距離検出部２３３、速度検出部２３４、方位検出部２３６、および物標引継ぎ処理部２３７は、それぞれ、別個のハードウェアによって実現される個々の部品ではなく、１つの信号処理回路における機能上のブロックであり得る。
【０１０７】
図１７は、物体検知装置４０の処理の手順を示すフローチャートである。より具体的には、図１７は信号処理回路４４の到来方向推定ユニット４８（図５）の処理に対応する。
【０１０８】
到来方向推定ユニット４８は、物標に由来する受信波に基づいてステアリングベクトルを生成し、反射波の到来方向の尤度を算出することにより、最も尤度が大きく（高く）なる到来方向（角度）を物標が存在する方向として算出する。具体的には以下のとおりである。
【０１０９】
ステップＳ１において、相関行列生成部２３８は、メモリ２３１に格納されたチャンネルＣｈ1〜ＣｈMごとのビート信号のデータ（複素数データ）をメモリ２３１から読み込む。次に、ステップＳ２において、相関行列生成部２３８は、数１に従い、複素数データから自己相関行列を生成する。
【０１１０】
波数検出部２４０は、ステップＳ３において、自己相関行列Ｒｘｘの固有値分解を行って固有値λ1〜λKを算出し、さらにステップＳ４において、数２の関係を満たす次数（波数）Ｌを求める。
【０１１１】
ステップＳ５において、方位検出部２３６は、波数Ｌを利用して、尤度が最も大きくなる（最尤度となる）角度を算出する。この処理は、角度をパラメータとする関数の極大値を与えるＬ個の解θを求める処理である。この関数の具体的な説明は省略する。
【０１１２】
そして、ステップＳ６において、方位検出回路３７は、物標の角度を特定する。上述の処理は、たとえばＭＵＳＩＣ法として知られる到来方向推定アルゴリズムである。このようなアルゴリズムを利用して、方位検出回路３７は物標の方位（角度）を推定することができる。マルチビームアンテナＴＡ／ＲＡを用いる場合には、振幅モノパルス法を用いて電波の到来方位を推定することも可能である。
【０１１３】
３．回転翼による信号波の反射
次に、回転翼５による信号波の反射を説明する。
【０１１４】
図１８は、送信アンテナＴＡと回転翼５との位置関係を示す。送信アンテナＴＡから信号波が放射角αで放射され、その角度範囲内に回転翼５が存在するとき、信号波は回転翼５で反射される。なお放射角αは便宜的にＸＹ平面に投影したときの角度で示しているが、上述のようにアンテナＴＡ／ＲＡと回転翼５とはＺ軸方向に若干ずれて配置されていることに留意されたい。
【０１１５】
図１９は、回転翼５由来の反射波を模式的に示している。理解の便宜のため、送信波の周波数と反射波の周波数との差の大きさが矢印の太さによって示されている。
【０１１６】
回転翼５が回転するとき、回転翼５を構成する各微小部分の回転速度は、回転軸からの距離に応じて異なる。回転翼５のレーダに対する相対速度は、回転翼５の先端で最も大きく、そこから中心に向かうにつれて次第に減少してゆき、回転翼の中心でゼロになる。回転翼５の周速の分布は、回転半径の位置に応じた非常に広い範囲を持つといえる。
【０１１７】
送信アンテナＴＡと回転中の回転翼５の各微小部分との間には０でない相対速度が存在する。よって、送信波と、回転翼５で反射された受信波との周波数差は、反射された位置に応じたドップラシフトの影響を受けている。ドップラシフトの影響を最も強く受けるのは、最も高速に動く回転翼５の先端で反射された送信波である。
【０１１８】
図２０は、指向性が異なる２種類の送信アンテナ素子を有する送信アンテナＴＡを用いたときの、回転翼５由来の反射波を模式的に示している。図２０の例では、一方の送信アンテナ素子の信号波のみが、図２０の回転翼５によって反射されるよう、回転翼５の位置と２種類の送信アンテナ素子の位置とが調整されている。
【０１１９】
レーダシステム１０がＦＭＣＷ方式を採用して物標までの距離等を計測する場合、入射波の周波数と反射波の周波数との差に基づいて距離を算出する。無人マルチコプター１と物標との間に相対速度がある場合、周波数差はドップラシフトの影響を受ける。通常はドップラシフトに基づく周波数差Δfdは、物標との間を電波が往復することで生ずる周波数差Δｆｒよりもはるかに小さいため、ΔｆｄとΔｆｒは比較的容易に区別できる。
【０１２０】
しかしながら、無人マルチコプター１の回転翼５の場合、回転翼の先端における周速は１００ｍ／秒以上に達する場合もあり得る。この様な条件では、Δｆｄの範囲がΔｆｒの範囲と重なってしまうという現象が生じ得る。
【０１２１】
本願発明者らは、一般には、そのような条件下ではＦＭＣＷ方式のレーダシステムは使用できないことを見出した。そして、回転翼由来の反射波の影響を考慮して、物標由来の反射波を抽出する処理を検討した。以下、本願発明者らの検討結果として得られたレーダシステムの処理を説明する。
【０１２２】
４．レーダシステムの処理
（実施形態１）
本実施形態において、レーダシステム１０は、回転翼５由来の反射波の影響が小さいタイミングで物標の検出処理を行う。
【０１２３】
図２１は、ＦＭＣＷ方式で動作するレーダシステム１０による、回転翼５からの反射波および物標からの反射波にそれぞれ対応する各ビート信号の関係を周波数スペクトル図である。実際には、周波数スペクトルは、図２１の各波形が足し合わされて得られる。
【０１２４】
回転翼５からの反射波（回転翼５由来の反射波）Ｒｗは、非常に広い周波数スペクトルを持つ。図１９および図２０を参照しながら説明したように、回転の軸からの距離に応じて、回転翼５の周速は大きく異なるからである。つまり、アンテナＴＡ／ＲＡと回転翼５の各微小部分との相対速度が非常に広い範囲で分布するからである。これに対して、物標からの反射波（物標由来の反射波）ＲT1〜ＲT3は、幅の狭い周波数スペクトルを持つ。よって、合成された受信波の周波数スペクトルから、物標由来の反射波ＲT1〜ＲT3のピークを検出できれば、物標のピークのみを見分ける事が可能である。
【０１２５】
図２２は、本実施形態による、信号処理回路４４の受信強度算出部２３２の処理の手順を示すフローチャートである。
【０１２６】
ステップＳ１１において、受信強度算出部２３２は、メモリ２３１から受信信号の複素数データを読み込む。
【０１２７】
ステップＳ１２において、受信強度算出部２３２は、たとえば複素数データに高速フーリエ変換を行って周波数スペクトルを求める。
【０１２８】
ステップＳ１３において、受信強度算出部２３２は、周波数スペクトルに、ピーク条件を満たす周波数帯域が含まれているか否かを判定する。より具体的には、受信強度算出部２３２は、ビート信号の周波数スペクトルに、一定の周波数幅以内で、かつ一定以上の強さを有する、という条件を満たす周波数帯域が含まれているか否かを判定する。一定の周波数幅および一定以上の強さの具体値は、レーダシステム１０の仕様によって設定され得る。上述のピーク条件を満たす場合には、処理はステップＳ１４に進み、満たさない場合には処理はステップＳ１５に進む。
【０１２９】
ステップＳ１４において、受信強度算出部２３２は、ピーク条件を満たす周波数帯域ごとに、その中で最大の強度、つまりピークを与える周波数を特定する。これにより、物標由来の反射波ＲT1〜ＲT3（図２１）の対応するピーク周波数を求めることができる。
【０１３０】
一方、ステップＳ１５において、受信強度算出部２３２は、次の受信信号の複素数データを読み込み、処理はステップＳ１２に戻る。
【０１３１】
ピークを与える周波数を特定できれば、信号処理回路４４は回転翼５からの反射波を除去することなく、物標検出処理を行うことが可能になる。
【０１３２】
上述した処理に加え、回転翼５由来の反射波Ｒｗが最も小さくなったときの受信波のスペクトルを利用して、物標に対応するピークを検出してもよい。図２１に示す反射波の波形は、あるタイミングで受信された反射波に基づく。異なるタイミングでは、回転翼５由来の反射波Ｒｗはさらに大きくなったり、さらに小さくなり得る。反射波Ｒｗが最も小さいということは、ノイズが最も少なく、ピークが最も明確に現れることを意味する。受信強度算出部２３２は、継続的に受信波のスペクトルを求め、回転翼５由来の反射波Ｒｗが最も小さくなったとき、ピークを検出してもよい。
【０１３３】
図２１に示すように、受信波には、少なくとも、物標に由来する反射波ＲT1〜ＲT3と、回転翼５由来の反射波Ｒｗとが含まれている。この中から回転翼５由来の反射波Ｒｗを除去することができれば好適である。そのために、微分フィルタのようなハイパスフィルタを用いることが考えられる。微分フィルタは一般に、高周波成分を抽出するために用いられる。１階微分フィルタ、または２階以上の微分フィルタによれば、図２１に示す回転翼５由来の反射波Ｒｗは除去され、物標に由来する反射波ＲT1〜ＲT3を抽出しやすくなる。なお、回転翼５の形状や位置関係によっては、単純なハイパスフィルタではなく、例えば２階微分フィルタのように働くハイパスフィルタや、ピークの立ち上がりに作用して通過させるフィルタを用いることで、より確実に反射波の中から、物標に由来する反射波ＲT1〜ＲT3を抽出し得る。高次の微分フィルタになればなるほど、急峻なエッジに鋭利に反応し、通過させることができる。
【０１３４】
微分フィルタを用いることは一例に過ぎない。より一般的に言えば、スペクトルの強度の変化率に着目し、その変化率が予め定めた値以上になった場合には、その変化が生じた周波数帯域内のピークを物標由来のピークとみなす、という方法を採ることで、物標由来のピークを検出することができる。
【０１３５】
（実施形態２）
本実施形態では、アンテナＴＡ／ＲＡから回転翼５を見たときの角度または立体角が予め定められた値以下になるタイミングで、物体検知装置４０が信号波を送信する処理を説明する。物体検知装置４０は、受信アンテナＲＡによって受信した信号波に基づいて、角度または立体角が予め定められた値以下になるタイミングを推定し、その推定結果に基づいて送信アンテナＴＡから信号波を送信する。送信アンテナＴＡおよび受信アンテナＲＡが別個のアンテナ素子を用いて構成されているとしても、本実施形態では両者は実質的に同じ位置に存在するものとして取り扱う。
【０１３６】
なお本実施形態の、受信アンテナＲＡは、図６に示すような一次元アレイで構成され、反射波の入射方位を検出できる。ただし、アンテナＴＡ／ＲＡから回転翼５を見たときの角度の広がりや立体角が最小になるタイミングを検出するためには、反射波の入射方位を検出する必要はない。受信波のスペクトルにおけるピークの形状等から、回転翼５に由来する反射波のピークは見分けることが出来る。そして、アンテナＴＡ／ＲＡから回転翼５を見たときの角度の広がりや立体角の大きさに応じて、ピークの高さや周波数が変化するので、この関係から角度の広がりや立体角が最小になるタイミングを検出することが出来る。
【０１３７】
立体角が予め定められた値以下になるタイミングの検出は、レーダシステム１０から送信波を放射し、信号波を受信して行う。本実施形態では、ＣＷ方式およびＦＭＣＷ方式を例示する。以f下では、ＣＷ方式で利用される無変調連続波を単に「連続波ＣＷ」と呼び、ＦＭＣＷ方式で利用される変調連続波を「変調連続波ＦＭＣＷ」と呼ぶ。
【０１３８】
本実施形態では、各送信アンテナＴＡの放射範囲の中には、回転翼が一つしか入らないよう、送信アンテナＴＡの位置および／または放射範囲が調整されているとする。
【０１３９】
本実施形態では、以下のような回転翼５を備えた無人マルチコプター１を例に説明する。
【０１４０】
【表１】
2019505806.tif 000004
【０１４１】
１．連続波ＣＷを用いる例
送信アンテナＴＡが周波数一定の連続波ＣＷを放射すると、受信アンテナＲＡはその連続波ＣＷの反射波を含む信号波を受信する。一般に、送信波と受信波とから得られるビート信号は、放射波の周波数と反射波の周波数との差分に相当する周波数を有する。
【０１４２】
受信アンテナＲＡにおいて受信される信号波には、回転翼５由来の反射波が含まれる。そのため、送信波の周波数と回転翼５で反射された受信波の周波数との差分は、反射された位置に応じたドップラシフトの影響を受けている。その結果、ＣＷ放射時のビート信号の周波数スペクトルは、周波数の高い領域から低い領域までに亘る非常に広い幅を有する。
【０１４３】
図２３は、連続波ＣＷと回転翼５由来の３つの反射波とからそれぞれ得られた、３つのビート信号ＢCW1〜ＢCW3の周波数スペクトルの例を示す。いずれのビート信号にも急峻なピークは存在せず、比較的広い周波数スペクトルを有していると言える。なお、説明の便宜のため、ビート信号ＢCW1およびＢCW3はそれぞれ、検出されるビート信号の波形のうちで最も小さい波形および最も大きい波形であるとする。
【０１４４】
各ビート信号の周波数が最も高い側のエッジＥCW1〜ＥCW3は、その受信波の中でドップラシフトの影響を最も強く受けていたことを意味している。つまり、エッジＥCW1〜ＥCW3は、回転翼５の最も高速な部分である先端で反射された反射波に由来する。
【０１４５】
さらに、エッジＥCW1〜ＥCW3間の関係を検討すると、最も大きいエッジＥCW3は、回転翼５がアンテナＴＡ／ＲＡから見て真横になっている（視線と直交している）ときに相当する。この位置関係にあるとき、回転翼５の先端とアンテナＴＡ／ＲＡとの相対速度の差が最も大きくなるからである。そのため、アンテナＴＡ／ＲＡに対して回転翼５が斜めになるに従って、ビート信号のエッジは低周波数側に移動する。つまり、エッジはＥCW3からＥCW2を経てＥCW1に至る。
【０１４６】
アンテナＴＡ／ＲＡに対して回転翼５が斜めになるに従い、回転翼５由来の反射波は弱くなる。よって振幅も小さくなる。翼の形状の影響も大きくなるため、ビート信号の波形でも凹凸が生じやすい。その結果、たとえばビート信号ＥCW2のように波形が複雑化する。
【０１４７】
アンテナＴＡ／ＲＡに対して回転翼５が最も小さく見えたときは、受信アンテナＲＡの受信波における、回転翼５由来の反射波の影響が最も小さく検出される。これが、アンテナＴＡ／ＲＡに対して回転翼５の立体角が最小になったタイミングである。本実施形態では、これまで得られたビート信号を用いて回転翼５の立体角が最小になったタイミングを特定し、次に回転翼５の立体角が最小になるタイミングを推定する。図２４および図２５は、図１９および図２０に対応する各構成において、回転翼５の立体角が最小になったタイミングとそのときの回転翼５の位置を模式的に示している。
【０１４８】
以下、具体例を挙げながら説明する。
【０１４９】
三角波／ＣＷ波生成回路２２１（図１４）は、１ミリ秒持続する連続波ＣＷを、間に１ミリ秒の間隔を空けて１０回生成し、送信アンテナＴＡを介して送信する。つまり、１９ミリ秒で、一連の連続波ＣＷの送信が完了する。なお、ある連続波ＣＷと次の連続波ＣＷとの間の１ミリ秒の期間は、信号波が送信アンテナＴＡから放射され、回転翼５で反射して受信アンテナＲＡに戻ってくるまでの期間よりも十分長い。受信アンテナＲＡの受信波は、刻々と回転する回転翼５の動きを反映していると言える。
【０１５０】
連続波ＣＷは送信波として、送信アンテナＴＡから放射される。受信アンテナＲＡが受信波として、連続波ＣＷの反射波を受信する。ミキサ２２４は、送信波と受信波とを混合してビート信号を生成する。Ａ／Ｄコンバータ２２７はアナログ信号としてのビート信号をデジタル信号に変換する。受信強度算出部２３２は、各ビート信号の最高周波数であるエッジＥCWを検出する。
【０１５１】
いま、回転翼５が３０００ｒｐｍで回転しているとする。ただし回転数の情報は信号処理回路４４にとって未知であるとする。
【０１５２】
連続波ＣＷの放射期間が１９ミリ秒あれば回転翼５は１回転する。よって、図２３に示されるような、最も小さいビート信号ＢCW1と最も大きいビート信号ＢCW3とを特定することが可能である。
【０１５３】
図２６Ａは、ビート信号のエッジＥCWの周波数の遷移を示す。１つの回転翼５にブレードが２枚設けられているため、回転翼５が１回転すると、２枚のブレードが送信アンテナＴＡからみて真横に位置する（視線と直交する）タイミングが２回現れる。具体的には４ミリ秒付近と１５ミリ秒付近である。
【０１５４】
２つのピークの間の周波数が最も低くなったタイミング（８ミリ秒付近）は、回転翼５が、送信アンテナＴＡからみて最も小さく見えていることを表す。このタイミングがすなわち、アンテナＴＡ／ＲＡからみて立体角が最小になっていたタイミングである。
【０１５５】
受信強度算出部２３２は、次に立体角が最小になるタイミングを推定する。たとえば受信強度算出部２３２は、ビート信号の最高周波数が最も小さくなったタイミングと最も大きくなったタイミングとの時間間隔Ｄに基づいて、回転翼５の回転数を計算する。この時間間隔は、４分の１回転に対応するのに要する時間である。その結果、受信強度算出部２３２は、同じ回転数であれば、ビート信号の最高周波数が最も大きくなったタイミングから起算して時刻Ｄ経過時が、次に立体角が最小になるタイミングであると推定できる。
【０１５６】
次に、異なる回転数の例を挙げて説明する。
【０１５７】
いま、回転翼５が１０００ｒｐｍで回転しているとする。回転数の情報は、信号処理回路４４にとって未知であるとする。
【０１５８】
連続波ＣＷの放射期間が１９ミリ秒あれば回転翼５は３分の１回転する。一方、ビート信号の最高周波数が最も小さくなったタイミングと最も大きくなったタイミングとの時間間隔Ｄは４分の１回転に相当する。よって、ビート信号の最高周波数が最も小さくなったタイミングと最も大きくなったタイミングとが最低限１回現れ、それらの時間間隔Ｄも特定することができる。
【０１５９】
図２６Ｂは、ビート信号のエッジＥCWの周波数の遷移を示す。時間間隔Ｄが特定されていることが理解される。
【０１６０】
受信強度算出部２３２は、ビート信号の最高周波数が最も小さくなったタイミングと最も大きくなったタイミングとの時間間隔Ｄに基づいて、回転翼５の回転数を計算する。この時間間隔は、４分の１回転に対応するのに要する時間である。その結果、受信強度算出部２３２は、同じ回転数であれば、ビート信号の最高周波数が最も大きくなったタイミングから起算して時刻Ｄ経過時が、次に立体角が最小になるタイミングであると推定できる。
【０１６１】
なお、時間間隔Ｄに基づく方法以外にも、回転翼５の回転数を計算する方法はあり得る。たとえば、回転翼５の回転数を、ビート信号に基づいて直接計算してもよい。具体的には、まず、ビート信号の最高周波数（たとえば図２６Ａまたは図２６Ｂの最大ピーク）を検出する。ビート信号の最高周波数が最も大きくなったタイミングにおいては、回転翼５の翼先端が進む向きは、アンテナＴＡ／ＲＡの存在する方位（回転翼５がアンテナＴＡ／ＲＡに向かう方向）にほぼ一致している。よって、その際のビート信号から、回転翼５の翼先端とアンテナＴＡ／ＲＡとの相対速度、すなわち回転翼５の周速を算出できる。周速を算出できれば、回転翼５の直径の情報を使って回転数を算出できる。回転翼５の直径は、たとえば受信強度算出部２３２などの演算回路に予め与えておけばよい。
【０１６２】
上述したいずれの例でも、立体角が次に最小になるタイミングを推定したが、立体角は常に最小でなくてもよい。立体角は、たとえば最小値を含む予め定められた範囲内に入っていればよい。さらに、推定するタイミングは「次」に限られず、「次の次」や、さらにその次であってもよい。すなわち、立体角が「次以降」に最小になるタイミングを推定すればよい。
【０１６３】
図２７は、連続波ＣＷを用いた信号波の送信タイミングを決定する処理の手順を示すフローチャートである。
【０１６４】
ステップＳ２１において、三角波／ＣＷ波生成回路２２１は、所定期間に亘って一連の連続波ＣＷを生成する。
【０１６５】
ステップＳ２２において、送信アンテナＴＡおよび受信アンテナＲＡは、生成された一連の連続波ＣＷの送受信を複数回行う。
【０１６６】
ステップＳ２３において、ミキサ２２４は、各送信波と各受信波とを利用してビート信号を生成する。なお、ステップＳ２１の処理、ステップＳ２２の処理およびステップ２３の処理はそれぞれ、三角波／ＣＷ波生成回路２２１、アンテナＴＡ／ＲＡおよびミキサ２２４において並列的に行われる。ステップＳ２１の完了後にステップＳ２２が行われるのではなく、また、ステップ２２の完了後にステップ２３が行われるのでもないことに留意されたい。
【０１６７】
ステップＳ２４において、受信強度算出部２３２は、ビート信号の最高周波数を示すエッジの最大値および最小値を特定し、エッジが最大値を取るタイミングと最小値を取るタイミングとの時間間隔Ｄとを特定する。
【０１６８】
ステップＳ２５において、送信アンテナＴＡおよび受信アンテナＲＡは、連続波ＣＷの送受信を複数回行う。
【０１６９】
ステップＳ２６において、受信強度算出部２３２は、ビート信号の周波数のエッジが最大になるタイミングを特定する。
【０１７０】
ステップＳ２７において、三角波／ＣＷ波生成回路２２１は、特定したタイミングから時間間隔Ｄが経過したタイミングで送信波を放射するよう、送信波を生成する。
【０１７１】
ステップＳ２８において、時間間隔Ｄが経過したタイミングで、送信アンテナＴＡは物標検出のための送信波を出力する。
【０１７２】
送信波の出力タイミングが決定されると、その後は、上述したとおり、信号波の送信処理、反射波の受信処理、送信波および受信波に基づいてビート信号を生成して距離および相対速度を求める処理が実行されればよい。
【０１７３】
２．変調連続波ＦＭＣＷを用いる例  
次に、変調連続波ＦＭＣＷを放射する例を説明する。
【０１７４】
送信波と、回転翼５由来の反射波とから得られたビート信号のピークは、連続波ＣＷの場合と殆ど異ならない。アンテナＴＡ／ＲＡと回転翼５との距離が十分近いために周波数変調によるピークの移動が無視できるからである。本例でも、変調連続波ＦＭＣＷは、１ミリ秒の間に変調されながら放射され、次に、１ミリ秒の間隔を空けて次の変調連続波ＦＭＣＷが放射される。変調幅はたとえば２５０ＭＨｚであるとする。
【０１７５】
図２８Ａは、変調連続波ＦＭＣＷを送信したときのビート信号の波形例を示す。遠方の物標に対応するピークの周波数幅は狭く、回転翼５に由来する幅の広い周波数スペクトルに重畳する。
【０１７６】
図２８Ｂは、ある時刻から１ミリ秒後に再度変調連続波ＦＭＣＷを放射して得られた周波数スペクトルの例を示す。２つの変調連続波ＦＭＣＷの放射時間間隔が１ミリ秒しか空いていないので物標との距離に対応するピークＰの位置および大きさは殆ど変化しない。他方、回転翼５の角度は変化するため、それに応じて回転翼５由来の幅の広い周波数スペクトルＱ１は移動する。
【０１７７】
図２８Ａの周波数スペクトルと図２８Ｂの周波数スペクトルの差を取ると、物標由来のピークは消え、回転翼由来の幅の広いピークについては、移動して変化した部分のみが残る。図２８Ｃは、図２８Ａの周波数スペクトルと図２８Ｂの周波数スペクトルの差の演算結果Ｑ２を示す。
【０１７８】
このスペクトルの差分を求める演算について、受信強度算出部２３２は、図２３で行った演算と同様に最大値を取るエッジの検出処理を行う。最も大きいエッジは、回転翼５がアンテナＴＡ／ＲＡから見て真横になっているときに相当する。信号波の放射を短い時間間隔を空けつつ複数回繰り返せば、連続波ＣＷと同様、受信強度算出部２３２はビート信号の周波数のエッジが最小になるタイミングを特定できる。
【０１７９】
上述の処理は、アンテナＴＡ／ＲＡから回転翼５までの距離が無視できない、大型のマルチコプターにおいても適用可能である。回転翼５までの増加した距離の分だけ、幅の広いピークは周波数の高い側に移動することになるが、回転翼５までの距離は変化しないので、上記と同じ手順でエッジが最大値および最小値を取るタイミングを見つけることができる。回転数を正しく把握したい場合は、回転翼５までの距離を予め計測して既知とし、その距離の分だけ幅の広いピークを周波数の低い側に移動させる調整を行えばよい。
【０１８０】
上記の例ではドップラシフトに起因する影響を含むビート信号を利用してピークのエッジを検出する方法を例示したが、この方法に限られない。回転翼５に起因するドップラシフトのピークは幅が広くなるため、バックグラウンドのノイズとみなすことができる。複数回変調連続波ＦＭＣＷを放射して、バックグラウンドのレベルが最低になるタイミングを探っても良い。
【０１８１】
なお、上述した説明の処理のフローチャートによる説明は省略する。
【０１８２】
マルチコプター１は、回転翼の回転を制御する制御ユニット、たとえば図４に示すマイクロコントローラ２０および／またはＥＣＵ１４を備えている。レーダシステム１０は、当該制御ユニットに検出した物標に関する情報を伝えるために、何らかの方法で制御ユニットと接続されている。そこで、逆に、レーダシステム１０の物体検知装置４０が制御ユニットから、各回転翼の回転制御の情報を受け取ることができるように構成しておく。回転制御情報を利用することで、物体検知装置４０にとっては回転翼５の回転数の推定または特定が容易になり、回転翼が立体角最小の位置を取るタイミングの選択が容易になる。なお、制御ユニットから回転翼の制御情報を受け取る手法は、実施形態１の方法にも適用可能である。
【０１８３】
なお、上述の処理では、ビート信号の周波数のエッジ（ビート信号の最高周波数）が最小になるタイミングを特定する処理を説明した。その説明には、ビート信号の最高周波数は、回転翼５由来の反射波の周波数成分によって与えられるという前提があった。しかしながら、本願発明者は、たとえば物標が高速移動していれば、物標由来の反射波の周波数が回転翼由来の反射波の周波数よりも高くなることがあり得ることに気付いた。このような場合であっても、物体検知装置４０の信号処理回路４４は、回転翼５由来の反射波の周波数成分を特定することにより、特定したその周波数成分を立体角が予め定められた値以下になったタイミングを特定する処理において用いることができる。これにより、信号処理回路４４は、正常に動作して最終的には物標由来の反射波の周波数を取得することが可能である。
【０１８４】
なお、上述したように、周波数変調を行う際の反射波から立体角最小のタイミングを決めることは可能であるが、周波数変調を行わない状態で得られた反射波から、立体角最小のタイミングを決めることも可能である。タイミングを決定する処理は、むしろ周波数変調を行わない状態、または、周波数掃引幅を掃引時間で除算した掃引速度が小さい状態の方が、容易になる。他方、物標間での距離を検知するためには、ある程度以上の掃引速度で周波数変調をかけつつ、反射波を受信する必要がある。よって、物体検知装置４０は、周波数掃引幅を掃引時間で除算した掃引速度を２種類以上利用して処理を行うことが効果的である。
【０１８５】
たとえば、物体検知装置４０の送受信回路４２が、掃引速度Ｖ１およびＶ２（ＭＨｚ／ミリ秒）の２種類の信号波を生成可能であるとする（ここではＶ１＜Ｖ２であるとする）。立体角が最小になるタイミングを特定する際には、送受信回路４２はより低い掃引速度Ｖ１を生成する。タイミングの特定には、Ｖ１が０である、または０に近いほど好適である。立体角が最小になるタイミングを特定できた後は、送受信回路４２は、より速い掃引速度Ｖ２のＦＭＣＷを放射する。これにより、適切なタイミングで物標を特定する処理を行うことができる。
【０１８６】
（実施形態３）
本実施形態において、レーダシステム１０は、回転翼５由来の反射波と物標由来の反射波とを分離し、物標由来の反射波を利用して、物標を検出するための信号処理を行う。本実施形態では主として、回転翼５由来の反射波と物標由来の反射波とを分離する処理を説明する。物標由来の反射波を分離できれば、その後の、物標を検出するための信号処理は上述の通りである。
【０１８７】
実施形態２の変調連続波ＦＭＣＷの１回の周波数変調の（掃引）条件、つまり変調に要する時間幅（掃引時間）は、１ミリ秒であり、変調幅２５０ＭＨｚであった。しかし、掃引時間を１００マイクロ秒程度に短くすることもできる。
【０１８８】
ただし、上述の掃引条件を実現するためには、送信波の放射に関連する構成要素のみならず、当該掃引条件下での受信に関連する構成要素をも高速に動作させる必要が生じる。たとえば、当該掃引条件下で高速に動作するＡ／Ｄコンバータ２２７（図１４）を設ける必要がある。Ａ／Ｄコンバータ２２７のサンプリング周波数は、たとえば１０ＭＨｚである。１０ＭＨｚよりも早くても良い。そのように高速に動作するＡ／Ｄコンバータ２２７の実現は、回路的には一般に容易ではなく、またＳ／Ｎ比が低下しやすい。そのコストも当然に高くなる。このような事情に鑑みると、通常は上述の掃引条件は選択されない。しかしながら、本願発明者はそのような構成要素の採用を前提とした上で検討を重ね、以下のような性能を実現するに至った。
【０１８９】
本願発明者の検討の結果、以下の結論を得た。
【０１９０】
まず、掃引時間Ｔｍ＝１００マイクロ秒（１００×１０-6秒）、ＦＭＣＷの変調幅Ｗｍ＝５００ＭＨｚ（５００×１０6Ｈｚ）、回転翼５先端の最大周速Ｖｐ＝１１９ｍ／ｓとする。なお、最大周速Ｖｐの値は、実施形態２において例示した回転翼５の周速（表１）のうちの最も大きい値を例としている。
【０１９１】
上述の条件下では、１．８ｍ以遠の物標に対しては、ドップラシフトΔｆｄは信号波の往復に伴って生じる周波数差Δｆｒよりも小さい（導出過程は省略する）。よって、アンテナＴＡ／ＲＡに向かってくる方向に回転している回転翼５に対して、アップビートの信号波を放射する場合、１．８ｍ以遠の静止している物標と回転翼とを区別することはできる。
【０１９２】
次に、１．８ｍ以遠の物標が接近しつつある場合を考える。この場合、アップビートの信号波を放射すると、ドップラシフトの影響により、物標からの反射波と、回転翼５からの反射波とを区別できなくなることがありうる。つまり、物標と回転翼５とを区別できなくなることがありうる。
【０１９３】
しかし、物標の接近速度の上限を２８ｍ／ｓ（＝１００ｋｍ／ｈ）と仮定すれば、その場合に生じる追加的なドップラシフトは１４ｋＨｚ程度になる。これは、約５０ｃｍの距離の物標にＦＭＣＷによる信号波を送受信したときのビート周波数に相当する。この値を考慮すると、２．３ｍ（＝１．８ｍ＋０．５ｍ）以遠に存在する物標であれば、物標と回転翼５とを区別できると言える。
【０１９４】
なお、上述の実施形態２では、各送信アンテナＴＡの放射範囲の中には、回転翼が一つしか入らないよう、送信アンテナＴＡの位置および／または放射範囲が調整されている、と説明した。本実施形態においても当該構成を採用することができる。ただし、レーダシステムの監視野に２つの回転翼が入ってもよい。たとえば、回転翼を偶数個（４つ以上）備えるマルチコプターでは、飛行方向に沿った軸に関して対称の位置に２つの回転翼が配置される（以下、これら２つの回転翼を便宜的に「隣り合う回転翼」と呼ぶ）。隣り合う回転翼は常に逆方向に回転している。よって、レーダシステムの監視野を、隣り合う回転翼が含まれるように設けると、レーダシステムから見て、回転翼は常に遠ざかる、もしくは接近する方向に運動する。そのような配置にすると、回転翼からの反射波のドップラシフトは、常に同じ方向になる。換言すると、回転翼に由来するビート信号の周波数スペクトル上のピークが分散しない。よって、物標との区別が容易になる。
【０１９５】
次に、図２９Ａおよび図２９Ｂを参照する。
【０１９６】
まず、以下のように物理量を定義する。
Δｆｐ：信号波が回転翼５との間を往復することで発生するビート周波数（Ｈｚ）。アンテナＴＡ／ＲＡと回転翼５との距離（固定値）に応じて定まる固定値。
Δｆｔ：信号波が、レーダシステム１０の設計上の最小検知距離に位置する物標との間を往復することで発生するビート周波数（Ｈｚ）。
【０１９７】
図２９Ａは、アンテナＴＡ／ＲＡの監視野内の回転翼５が、アンテナＴＡ／ＲＡに接近する方向に回転するよう配置されたときの種々のビート信号の周波数スペクトルを示す。実線の曲線は、周波数が増加するアップビート区間で得られたアップビート信号を示す。破線の曲線は、周波数が減少するダウンビート区間で得られたダウンビート信号を示す。
【０１９８】
Δfpの左側（「低周波側」を意味する。以下同じ。）の実線は、回転翼５由来の反射波を利用して求めたアップビート信号の周波数スペクトルの例を示す。アップビート信号は、回転翼５の回転軸から翼端までの、回転速度が異なる各微小部分からの反射波に基づいて生成されるため、その周波数スペクトルは比較的広い周波数帯域を有している。
【０１９９】
Δｆｔの左側の実線は、物標が無人マルチコプター１に接近するときの、物標由来の反射波を利用して求めたアップビート信号の周波数スペクトルの例を示す。アップビート信号の周波数スペクトルは、Δｆｐよりも大きく、かつΔｆｔよりも小さい周波数帯域に分布しているということができる。なお、当該物標はレーダシステム１０の設計上の最小検知距離よりも遠い位置に存在するとしている。
【０２００】
いずれのアップビート信号も、ΔｆｐおよびΔｆｔの左側に観測されている。
【０２０１】
次に、図２９Ａ中の２つの破線について説明する。
【０２０２】
Δｆｐの右側（「高周波側」を意味する。以下同じ。）の破線は、回転翼５由来の反射波を利用して求めたダウンビート信号の周波数スペクトルの例を示す。またΔfｔの右側の破線は、物標が無人マルチコプター１に接近するときのダウンビート信号の周波数スペクトルの例を示す。いずれも、ΔｆｐおよびΔｆｔの右側に観測されている。
【０２０３】
図２９Ａの例から理解されるとおり、回転翼５由来の反射波を利用して求めたアップビート信号、および物標由来の反射波を利用して求めたアップビート信号のいずれについても、各周波数スペクトルは、ΔｆｐおよびΔｆｔの左側または右側に揃って現れる。つまり、両者の周波数ピークが現れる領域は互いに重ならないため、両者の区別が容易になる。よって、アンテナＴＡ／ＲＡの監視野内の回転翼５が、アンテナＴＡ／ＲＡに接近する方向に回転するよう配置されたときには、処理が容易である。
【０２０４】
上述の処理により、物標由来の反射波に関するアップビート信号の周波数スペクトルのみを抽出し、物標に対応するピークを検出し、物標までの距離を求めることができる。なお、相対速度については、本実施形態では先に説明した方法と異なる方法で算出する。その説明は後述する。
【０２０５】
次に、図２９Ｂを参照する。
【０２０６】
図２９Ｂは、アンテナＴＡ／ＲＡの監視野内の回転翼５が、アンテナＴＡ／ＲＡから遠ざかる方向に回転するよう配置されたときの種々のビート信号を示す。実線および破線の曲線は図２９Ａの例と同じである。すなわち実線の曲線は、周波数が増加するアップビート区間で得られたアップビート信号を示す。破線の曲線は、周波数が減少するダウンビート区間で得られたダウンビート信号を示す。
【０２０７】
実線に注目すると、Δｆｐの右側に現れた、回転翼５由来の反射波を利用して求めたアップビート信号の周波数スペクトルと、Δｆｔの左側に現れた、物標由来の反射波を利用して求めたアップビート信号の周波数スペクトルとが重なり合っている。なお、物標は無人マルチコプター１に接近しているとする。アンテナＴＡ／ＲＡの監視野内の回転翼５が、アンテナＴＡ／ＲＡから遠ざかる方向に回転するよう配置されたときには、２つのアップビート信号の周波数スペクトルが重なりやすくなる。
【０２０８】
一方、破線で示す、２つのダウンビート信号の周波数スペクトルは、Δｆｐの左側およびΔｆｔの右側に分離して現れる。したがって、２つのダウンビート信号は分離して特定され得る。
【０２０９】
さらに、分離されたダウンビート信号を用いると、アップビート信号の分離も可能になる。たとえば、回転翼５由来の反射波を利用して求めたアップビート信号およびダウンビート信号は、Δｆｐを中心として概ね対称に現れる。そのため、たとえば、Δｆｐの左側に現れたダウンビート信号の周波数スペクトルを抽出し、その周波数スペクトルを、Δｆｐを中心にして高周波側に折り返す。これにより、Δｆｐの右側に現れた、回転翼５由来の反射波を利用して求めたアップビート信号の周波数スペクトルを取得できる。さらに、取得した周波数スペクトルを、２つのアップビート信号が現に重畳された信号の周波数スペクトル（実線）から差し引く。これにより、Δｆｔの左側に現れた、物標由来の反射波を利用して求めたアップビート信号の周波数スペクトルをも取得することができる。
【０２１０】
上述の処理により、物標由来の反射波に関するアップビート信号の周波数スペクトルのみを抽出し、物標に対応するピークを検出し、物標までの距離を求めることができる。相対速度の算出方法は後述する。
【０２１１】
なお、アップビート信号の周波数スペクトルの各ピークは物標に対応しており、そのピークを求めることが目的である。以下の方法によれば、物標由来の反射波を利用して求めたアップビート信号の周波数スペクトルの中から、ピークのみを取得することも可能である。具体的には、ΔｆｐとΔｆｔとの間に現れた、重なり合った周波数スペクトル（実線）から、ブロードなピークをバックグラウンドノイズとして除去する。「ブロードなピーク」とは、予め定められた強度未満のピークをいう。図２９Ｂでは、予め定められた強度は、実線の周波数スペクトルに含まれるピークと、それ以外のピークとを峻別可能な大きさに設定されればよい。これにより、物標由来の反射波を利用して求めたアップビート信号のピークのみを抽出することができる。
【０２１２】
なお、図２９Ａ、図２９Ｂにおいては、アップビードのレーダ波を放射し始めてからダウンビートのレーダ波を放射し終わるまでの間の、回転に伴う回転翼の位置の変化は、近似的に無視できることを仮定している。
【０２１３】
本願発明者は、回転翼５由来の反射波を利用して求めたビート信号の周波数ピークが現れる周波数領域と、物標由来の反射波を利用して求めたビート信号の周波数ピークが現れる周波数領域とが当初から分離されるための条件を検討した。その結果、以下の結論を得た。
【０２１４】
まず、以下のように物理量を定義する。
Δｆｐ：送受信される信号波が回転翼５との間を往復することで発生するビート周波数（Ｈｚ）
Δｆｐｄ：回転翼５の回転によって生ずるドップラシフトに相当する周波数（Ｈｚ）
Δｆｔ：信号波が物標との間を往復することで発生するビート周波数（Ｈｚ）
Δｆｔｄ：物標が相対速度を持つことによって生ずるドップラシフトに相当する周波数（Ｈｚ）
【０２１５】
なお、以下の説明において、Ｃは、送信波（電磁波）が真空中で伝搬する速さであり、光速に等しい。
【０２１６】
図２９Ａの例に示すような、回転翼５由来の反射波を利用して求めたアップビート信号の周波数ピークが現れる周波数領域と、物標由来の反射波を利用して求めたアップビート信号の周波数ピークが現れる周波数領域とが互いに重ならない条件は以下のとおりである。
【数３】
2019505806.tif 000005
【０２１７】
検知距離の下限において数３の条件が満たされていればよい。「検知距離の下限」とは、レーダシステム１０によって検知可能な物標が無人マルチコプター１に最も接近している状態である。検知距離の下限よりも遠い位置では、上記の数３は自動的に満足される。
【０２１８】
ここで数３をさらに限定する条件を検討する。上述の、物標が無人マルチコプター１に最も接近してきている状態においては、物標と無人マルチコプター１との間の相対速度は非常に小さくなっていると言える。この段階で大きな相対速度で物標が接近してきている場合は、レーダシステム１で検知できても回避が間に合わない。よって、現実的な条件として、Δｆｔｄ＝０を設定する事は合理的である。よって、数３は下記数４のように簡単化できる。
【数４】
2019505806.tif 000006
【０２１９】
ただし、以下のように物理量を定義する。
Ｆ：レーダ波の周波数（Ｈｚ）
Ｗｍ：ＦＭＣＷの変調幅（Ｈｚ）
Ｔｍ：掃引時間 (秒)。変調時間と呼ぶこともある。
Ｒ：レーダシステム１０の設計上の最小検知距離（ｍ）
Ｖ：無人マルチコプター１と物標との相対速度
Ｌ：アンテナＴＡ／ＲＡから回転翼５の中心（回転中心）までの距離（ｍ）
Ｖｐ：回転翼５先端の最大周速（ｍ／ｓｅｃ）
【０２２０】
なお、上記の（Δｆｔ）ｍｉｎおよびΔｆｐは、変調波がアップビートとダウンビートからなる波形を持つ場合の値である。後述するように、変調波の掃引時間Ｔｍを１００マイクロ秒程度の短い時間とする場合は、アップビートとダウンビートの両方を用いて距離と相対速度を計算するのではなく、アップビートまたはダウンビートの内の一方のみを用いて距離と相対速度を計算する方法が選択される。そのような場合ΔｆｔおよびΔｆｐは、次の数５で表される。
【数５】
2019505806.tif 000007
【０２２１】
数４または数５から、下記の数６に示す最小検知距離Ｒが得られる。前者の不等式が数４から得られた最小検知距離であり、後者の不等式が数４および数５から得られた最小検知距離である。
【数６】
2019505806.tif 000008
【０２２２】
最小検知距離Ｒおよび回転翼の最大周速Ｖｐを決定すれば、数６を満足するＦ、Ｔｍ、Ｗｍを選択することができる。これにより、回転翼５由来の反射波を利用して求めたビート信号の周波数ピークが現れる周波数領域と、物標由来の反射波を利用して求めたビート信号の周波数ピークが現れる領域とが分離される。
【０２２３】
なお、最小検知距離Ｒとしては、３ｍ程度であっても実用上問題はない。しかしながら、より近い位置に存在する物標を検知したい場合には、たとえば回転翼の回転範囲を含むマルチコプターの差し渡し寸法Ｓ（ｍ）が妥当な指標となり得る。数６をさらに数７のように変形できる。数７の前者および後者の不等式は数６の例と同じである。
【数７】
2019505806.tif 000009
【０２２４】
他方、図２９Ｂの例に示すように、回転翼５由来の反射波を利用して求めたビート信号の周波数ピークが現れる周波数領域と、物標由来の反射波を利用して求めたビート信号の周波数ピークが現れる周波数領域とが重なり合う条件は、単に下記数８の関係が満たされればよい。
（数８）
Δｆｔ  ＞  Δｆｐ
（数９）
Ｒ  ＞  Ｌ
【０２２５】
なお、数６、７、９には、アンテナＴＡ／ＲＡから回転翼５の中心までの距離Ｌが含まれている。通常は、可能な限り回転翼５の中心がレーダシステム１０の視野内に入らない配置が選択される。しかしながら、数６においてＬを用いている理由は、それが、アンテナＴＡ／ＲＡと回転翼５との距離を示す指標として明瞭であり適切であると判断されるためである。
【０２２６】
なお、数９では、最小検知距離Ｒについて上限が定められていない。その理由は、数９が、回転翼由来の反射波と物標由来の反射波を見分けるために必要な条件のみを示しているからである。その為には設定される最小検知距離Ｒは大きいほど良い。ただし、実用上は、最小検知距離Ｒをある程度小さく設定する。たとえば、最小検知距離Ｒは、マルチコプターの差し渡し寸法Ｓ（ｍ）の１０倍以下とするのが実用的であると考えられる。アンテナＴＡ／ＲＡから回転翼５の中心までの距離Ｌは、マルチコプターの差し渡し寸法Ｓを超えないため、数６の右辺の第２項の（ＦＶｐＴｍ）／Ｗｍまたは（２ＦＶｐＴｍ）／Ｗｍを、Ｓの１０倍以下としておけば最小検知距離Ｒも同程度の値にできる。一例を挙げると、Ｆ＝７６．５（ＧＨｚ）、Ｖｐ＝１２０（ｍ／ｓｅｃ）、Ｔｍ＝１００（μｓｅｃ）、Ｗｍ＝５００（ＭＨｚ）の場合、（ＦＶｐＴｍ）／Ｗｍは１．８４（ｍ）である。この場合、差し渡し寸法Ｓが１ｍのマルチコプターに搭載されるレーダシステムにおいても、３ｍ以下の最小検知距離Ｒを実現できる。
【０２２７】
上述の説明では、回転翼５の周速は１１９ｍ／ｓであるとした。表２に示すように、当該周速は回転翼５が最高速で回転している状態を想定している。回転翼５が最高速で回転している状態とは、無人マルチコプター１が最高速度で飛行している状態であると考えられる。
【０２２８】
【表２】
2019505806.tif 000010
【０２２９】
一方、移動速度が小さい状態などの場合には、回転翼５はより低い回転数で回転していると言える。このような状況下では、上述の変調条件であってもより近い範囲までの物標の距離を計測できる。実施形態２において説明した方法により、回転翼の回転速度が特定されている場合には、その速度に応じて物標を検知する最も近い距離を、動的に変化させてもよい。
【０２３０】
上述のとおり、掃引時間を１００マイクロ秒とし、変調幅を５００ＭＨｚとした変調条件下で、送受信した信号からビート信号をデジタル変換することは、一般に回路的には容易ではなく、Ｓ／Ｎ比は低下しやすい。そこで、例えば１００マイクロ秒の変調を１０回繰り返し、各々について得られたＡＤ変換結果を足し合わせて、Ｓ／Ｎ比の改善を図っても良い。
【０２３１】
次に、図３０を参照しながら、レーダシステム１０の物体検知装置４０の処理の手順を説明する。実装上、処理が簡易化できることが好ましい。よって、ここでは、図２９Ａに相当する関係を有する条件下で、物標が接近しつつある場合、またはマルチコプター１と物標との相対速度が０の場合の処理を説明する。
【０２３２】
図３０は、本実施形態による回転翼５由来の反射波と物標由来の反射波とを分離する処理の手順を示すフローチャートである。
【０２３３】
ステップＳ３１において、三角波／ＣＷ波生成回路２２１は、予め定められた変調条件（掃引時間および変調幅）で、信号波である変調連続波ＦＭＣＷを生成する。
【０２３４】
ステップＳ３２において、送信アンテナＴＡおよび受信アンテナＲＡは、生成された信号波を放射し、反射波を受信する。なお、ステップＳ３１の処理およびステップＳ３２の処理はそれぞれ、三角波／ＣＷ波生成回路２２１およびアンテナＴＡ／ＲＡにおいて並列的に行われる。ステップＳ２１の完了後にステップＳ２２が行われなくてもよい。
【０２３５】
ステップＳ３３において、ミキサ２２４は、各送信波と各受信波とを利用してビート信号を生成する。
【０２３６】
ステップＳ３４において、受信強度算出部２３２は、予め定められた値（変数値）としてのΔｆｐおよびΔｆｔを、内部バッファ（図示せず）またはメモリ２３１読み込む。
【０２３７】
ステップＳ３５において、受信強度算出部２３２は、アップビート信号およびダウンビート信号にフーリエ変換を行い、各周波数スペクトルを求める。
【０２３８】
ステップＳ３６において、受信強度算出部２３２は、アップビート信号について、ΔｆｐおよびΔｆｔの間に分布する周波数スペクトルのピークを求める。
【０２３９】
ステップＳ３７において、受信強度算出部２３２は、ダウンビート信号について、Δfｔよりも高周波側に分布する周波数スペクトルのピークを求める。
【０２４０】
ステップＳ３８において、受信強度算出部２３２は、特定した周波数スペクトルのピークに基づいて物標を検出する。なお、ステップＳ３８の詳細は、上述の「２．２．２．物体検知装置」において説明したため、再度の説明は省略する。
【０２４１】
次に、本実施形態による、マルチコプター１と物標との相対速度の算出方法を説明する。
【０２４２】
これまでの説明では、図１４の速度検出部２３４が、ビート周波数ｆｕ、ｆｄに基づいて下記の式によって相対速度Ｖを算出すると説明した。
Ｖ＝｛Ｃ／（２・ｆ０）｝・｛（ｆｕ−ｆｄ）／２｝
【０２４３】
右辺の（ｆｕ−ｆｄ）／２  の項は、アンテナＴＡ／ＲＡと物標との相対速度によるドップラシフトに基づく周波数成分である。
【０２４４】
本実施形態においては、ドップラシフトに基づく周波数成分を利用することなく、マルチコプター１と物標との相対速度を算出する。本実施形態では、掃引時間Ｔｍ＝１００マイクロ秒であり、非常に短い。検出可能なビート信号の最低周波数は１／Ｔｍである。Ｔｍ＝１００マイクロ秒の場合、検出可能なビート信号の最低周波数は１０ｋＨｚとなる。この周波数は、およそ２０ｍ／秒の相対速度を持つ物標からの反射波のドップラシフトに相当する。即ち、ドップラシフトに頼る限り、２０ｍ／秒以下の相対速度を検出することは出来ない。よって、本願発明者は、ドップラシフトに基づく計算方法とは異なる計算方法を採用することが好適であると判断した。
【０２４５】
本実施形態では、一例として、送信波の周波数が増加するアップビート区間で得られた、送信波と受信波との差の信号（アップビート信号）を利用する処理を説明する。ＦＭＣＷの１回の掃引時間は１００マイクロ秒で、波形は、アップビート部分のみからなる鋸歯形状である。即ち、本実施形態において、三角波／ＣＷ波生成回路２２１が生成する信号波は鋸歯形状を有する。また、周波数の掃引幅は５００ＭＨｚである。ドップラシフトに伴うピークは利用しないので、アップビート信号とダウンビート信号を生成してピークの組合せを探る処理は行わず、何れか一方の信号のみで処理を行う。
【０２４６】
フィルタ２２５は、６０ｋＨｚ以下の周波数成分を除去する。本実施形態において、回転翼の周速は最大で１２０ｍ／秒であり、この際のドップラシフトが６０ｋＨｚである。６０ｋＨｚ以下の成分を除去することで、回転翼に起因するドップラシフトを完全に除去できる。なお、６０ｋＨｚは、物標までの距離が２ｍの場合のビート信号の周波数に相当する。よって、本実施形態のレーダシステム１０では、２ｍより近い位置にある物標は検知できないが、実用上問題にはならない。
【０２４７】
Ａ／Ｄコンバータ２２７（図１４）は、１０ＭＨｚのサンプリング周波数で各アップビート信号をサンプリングして、数百個のデジタルデータ（以下「サンプリングデータ」と呼ぶ。）を出力する。サンプリングデータは、たとえば、受信波が得られる時刻以後で、かつ、送信波の送信が終了した時刻までのアップビート信号に基づいて生成される。なお、一定数のサンプリングデータが得られた時点で処理を終了してもよい。
【０２４８】
本実施形態では、一例として、連続して１２８回アップビート信号の送受信を行い、各々について数百個のサンプリングデータを得る。このアップビート信号の数は１２８個に限られない。２５６個であっても良いし、あるいは８個であっても良い。目的に応じて様々の個数を選択することができる。
【０２４９】
得られたサンプリングデータは、メモリ２３１に格納される。受信強度算出部２３２はサンプリングデータに２次元の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行する。具体的には、まず、１回の掃引で得られたサンプリングデータ毎に、１回目のＦＦＴ処理（周波数解析処理）を実行してパワースペクトルを生成する。次に、速度検出部２３４は、処理結果を、全ての掃引結果に渡って集めて２回目のＦＦＴ処理を実行する。
【０２５０】
同一物標からの反射波により各掃引期間で検出される、パワースペクトルのピーク成分の周波数はいずれも同じである。一方、物標が異なるとピーク成分の周波数は異なる。１回目のＦＦＴ処理によれば、異なる距離に位置する複数の物標を分離することができる。
【０２５１】
一方、マルチコプター１と物標とが、０でない相対速度を持つ場合には、アップビート信号の位相は、掃引毎に少しずつ変化する。つまり、２回目のＦＦＴ処理によれば、上述した位相の変化に応じた周波数成分のデータを要素として有するパワースペクトルが、１回目のＦＦＴ処理の結果毎に求められることになる。
【０２５２】
受信強度算出部２３２は、２回目に得られたパワースペクトルのピーク値を抽出して速度検出部２３４に送る。
【０２５３】
速度検出部２３４は、位相の変化から相対速度を求める。たとえば、連続して得られたアップビート信号の位相が、位相θ［rad］ずつ変化していたとする。送信波の平均波長をλとすると、１回のアップビート信号が得られるごとに距離がλ／（４π／θ）だけ変化したことを意味する。この変化は、アップビート信号の送信間隔Ｔｍ（＝１００マイクロ秒）で生じた。よって、｛λ／（４π／θ）｝／Ｔｍ  により、相対速度が得られる。
【０２５４】
以上の処理によれば、マルチコプター１と物標との相対速度を求めることができる。なお、上述の処理によれば、相対速度を求める過程で、マルチコプター１と物標との距離を求めることも可能である。
【０２５５】
（実施形態４）
本実施形態において、レーダシステム１０は、１つまたは複数の周波数の連続波ＣＷを用いて、回転翼５由来の反射波の影響を無視または除去する。そしてレーダシステム１０は、物標由来の反射波を利用して、物標を検出するための信号処理を行う。以下では、主として、回転翼５由来の反射波と物標由来の反射波とを分離する処理を説明する。物標由来の反射波を分離できれば、その後の、物標を検出するための信号処理は上述の通りである。なお、実施形態２の説明と同様、本実施形態の説明でも、ＣＷ方式で利用される連続波を「連続波ＣＷ」と記述する。上述のとおり、連続波ＣＷの周波数は一定であり、変調されていない。
【０２５６】
ＦＭＣＷ方式とは異なり、ＣＷ方式では、ドップラシフトのみに起因して、送信波と受信波との間に周波数差が生じる。つまり、ビート信号に現れるピークの周波数はドップラシフトのみに依存する。
【０２５７】
送信波および回転翼５由来の反射波から得られたビート信号の周波数は、送信波および物標由来の反射波から得られたビート信号の周波数よりも、通常は遥かに高い。よって両者は明確に区別することができる。そして、後者のビート信号を用いれば相対速度を特定することができる。すなわち、閾値の周波数よりも低周波数側に現れるビート信号は、物標由来のビート信号ＢTGであると判定できるので、これを用いて、マルチコプターと物標との相対速度を求めることができる。なお「回転翼５の周速」とは、回転翼５の翼端の周速を意味している。
【０２５８】
なお、マルチコプターの最高飛行速度がせいぜい１００ｋｍ／ｈを超える程度であるとすると、その飛行速度は毎秒２７．８メートル程度であり、たとえば表１の１０００ｒｐｍの回転速度よりもさらに低い。よって、ビート信号Ｂcw1〜Ｂcw3の影響を受けることなく、ビート信号ＢTGのみから、マルチコプターと物標との相対速度を求めることができる。なお、マルチコプターが１４０ｋｍ／ｈを超える飛行速度で飛行できる場合も考えられるが、そのような場合には、回転翼の回転速度は４０ｍ／ｓよりも遥かに速くなっていると見込まれるため、ビート信号ＢTGのみから、マルチコプターと物標との相対速度を求めることができる。つまり、物標からのピークを回転翼からのピークと区別するための閾値の周波数は、殆どの用途において固定値を用いても問題は生じないと言える。
【０２５９】
広範な飛行条件においてより確実に動作させるためには、閾値を回転翼の周速に応じて動的に変更することが好ましい。たとえば上述のビート信号の周波数スペクトルの最小値のエッジＥcw1、又はＥcw1よりも所定の周波数だけ低い値を閾値として採用すればよい。マルチコプターが離陸する前の段階では、検出される周波数のピークは回転翼に由来する周波数のピークのみである。離陸前の段階で回転翼に由来する周波数のピークを特定し、以後回転数の変化に応じて回転翼由来のピークを追跡して位置を更新して行くことで、より確実にエッジＥcw1を特定できる。これにより閾値を動的に変更することができる。
【０２６０】
図３１は、連続波ＣＷと回転翼５由来の３つの反射波とからそれぞれ得られた、３つのビート信号ＢCW1〜ＢCW3の周波数スペクトル、および、連続波ＣＷと物標由来の反射波とから得られたビート信号ＢTGの周波数スペクトルを示す。ビート信号ＢCW1〜ＢCW3については、便宜的に、図２３に示す波形例を採用した。つまり、ビート信号ＢCW1およびＢCW3はそれぞれ、検出されるビート信号の波形のうちで最も小さい波形および最も大きい波形であるとする。回転翼５の回転に伴い、ビート信号は、ＢCW1、ＢCW2、ＢCW3、ＢCW2、ＢCW1を１周期として周期的に変化する。変化は連続的である。ビート信号ＢCW2は、ビート信号ＢCW1およびＢCW3の間で変化するビート信号の一例である。
【０２６１】
一方、図３１には、物標に対応するビート信号ＢTGの周波数スペクトルが破線で示されている。連続波ＣＷと物標由来の反射波とから得られたビート信号ＢTGの周波数スペクトルは、連続波ＣＷと回転翼５由来の反射波とから得られたビート信号の周波数スペクトルと重畳して得られる。
【０２６２】
マルチコプター１と各物標との相対速度が概ね一定であれば、ビート信号ＢTGの波形およびピーク周波数も概ね固定的に現れる。たとえば、実施形態１に関連して説明した１階微分フィルタ、または２階以上の微分フィルタを用いることにより、ビート信号ＢTG1〜ＢTG3のピーク周波数を特定しやすくなる。急峻なピークを通過させることが可能であれば、他のフィルタを採用することも可能である。
【０２６３】
または、連続波ＣＷと回転翼５由来の反射波とから得られたビート信号の周波数スペクトルの最小値のエッジＥcw1を閾値として、当該閾値よりも低い周波数のピークであって、予め定められた振幅以上の振幅値を有するピーク周波数のみを抽出してもよい。これにより、ビート信号の周波数を特定することができる。
【０２６４】
上述の処理によれば、各ビート信号ＢTGと、周期的に変動するビート信号ＢCW1〜ＢCW3とを峻別することができる。レーダシステム１０は、ビート信号ＢCW1〜ＢCW3を無視または除去し、ビート信号ＢTGのみを対象として、マルチコプター１と各物標との相対速度を求めることができる。
【０２６５】
具体的には以下のとおりである。
【０２６６】
レーダシステム１０が周波数ｆｐの連続波ＣＷを放射し、物標で反射した周波数ｆｑの反射波を検出したとする。送信周波数ｆｐと受信周波数ｆｑとの差はドップラ周波数と呼ばれ、近似的にｆｐ―ｆｑ＝２・Ｖｒ・ｆｐ／ｃ  と表される。ここでＶｒはレーダシステムと物標との相対速度、ｃは光速である。送信周波数ｆｐ、ドップラ周波数（ｆｐ―ｆｑ）、および光速ｃは既知である。よって、この式から相対速度Ｖｒ＝（ｆｐ―ｆｑ）・ｃ／２ｆｐを求めることができる。
【０２６７】
マルチコプター１と物標との相対速度のみならず、物標までの距離も検出する必要があるときには、２周波ＣＷ方式を採用すればよい。２周波ＣＷ方式では、少しだけ離れた２つの周波数の連続波ＣＷが、それぞれ一定期間ずつ放射され、各々の反射波が取得される。たとえば７６ＧＨｚ帯の周波数を用いる場合には、２つの周波数の差は数百キロヘルツである。なお、後述する様に、２つの周波数の差は、使用するレーダが物標を検知できる限界の距離を考慮して定められることがより好ましい。
【０２６８】
レーダシステム１０が周波数ｆｐ１およびｆｐ２（ｆｐ１＜ｆｐ２）の連続波ＣＷを順次放射し、２種類の連続波ＣＷが１つの物標で反射されることにより、周波数ｆｑ１およびｆｑ２の反射波がレーダシステム１０に受信されたとする。
【０２６９】
周波数ｆｐ１の連続波ＣＷとその反射波（周波数ｆｑ１）とによって、第１のドップラ周波数が得られる。また、周波数ｆｐ２の連続波ＣＷとその反射波（周波数ｆｑ２）とによって、第２のドップラ周波数が得られる。２つのドップラ周波数は実質的に同じ値である。しかしながら、周波数ｆｐ１およびｆｐ２の相違に起因して、受信波の複素信号における位相が異なる。この位相情報を用いることにより、物標までの距離を算出できる。
【０２７０】
具体的には、レーダシステム１０は、距離ＲをＲ＝ｃ・Δφ／４π（ｆｐ２−ｆｐ１）として求めることができる。ここで、Δφは２つのビート信号の位相差を表す。２つのビート信号とは、周波数ｆｐ１の連続波ＣＷとその反射波（周波数ｆｑ１）との差分として得られるビート信号ｆｂ１、および、周波数ｆｐ２の連続波ＣＷとその反射波（周波数ｆｑ２）との差分として得られるビート信号ｆｂ２である。各ビート信号の周波数ｆｂ１およびｆｂ２の特定方法は、上述した単周波数の連続波ＣＷにおけるビート信号の例と同じである。
【０２７１】
なお、２周波ＣＷ方式での相対速度Ｖｒは、以下のとおり求められる。
Ｖｒ＝ｆｂ１・ｃ／２・ｆｐ１  または  Ｖｒ＝ｆｂ２・ｃ／２・ｆｐ２
【０２７２】
また、物標までの距離を一意に特定できる範囲は、Ｒｍａｘ＜ｃ／２（ｆｐ２−ｆｐ１）の範囲に限られる。これよりも遠い物標からの反射波より得られるビート信号は、Δφが２πを超え、より近い位置の物標に起因するビート信号と区別がつかなくなるためである。そこで、２つの連続波ＣＷの周波数の差を調節して、Ｒｍａｘをレーダの検出限界距離よりも大きくすることがより好ましい。検出限界距離が１００ｍであるレーダをマルチコプターが搭載する場合は、ｆｐ２−ｆｐ１を例えば１．０ＭＨｚとする。この場合、Ｒｍａｘ＝１５０ｍとなるため、Ｒｍａｘを超える位置にある物標からの信号は検出されない。また、２５０ｍまで検出できるレーダを搭載する場合は、ｆｐ２−ｆｐ１を例えば５００ｋＨｚとする。この場合は、Ｒｍａｘ＝３００ｍとなるため、やはりＲｍａｘを超える位置にある物標からの信号は検出されない。また、マルチコプターが搭載するレーダが、検出限界距離が１００ｍで水平方向の視野角が１２０度の動作モードと、検出限界距離が２５０ｍで水平方向の視野角が５度の動作モードとの、両方を備えている場合は、各々の動作モードにおいて、ｆｐ２−ｆｐ１の値を、１．０ＭＨｚと５００ｋＨｚとにそれぞれ切り替えて動作させることがより好ましい。飛行中のマルチコプター前方の空間は、しばしば、遠方まで電波を遮る物標が存在しないことがあり、その場合は、Ｒｍａｘを超える位置からの多数の反射波が到来し得る。上述の様にｆｐ２−ｆｐ１の値を選択することは、そのような事態を避けるために特に有効である。
【０２７３】
なお、２周波ＣＷ方式の検出原理によれば、相対速度が同一の複数の物標が異なる位置に存在する場合には、個々の物標までの距離を算出することができない、という制約がある。しかしながら、上空を飛行するマルチコプターの利用態様を考慮すると、マルチコプターと、大地の静止物との相対速度は全て等しい。よって多周波のＣＷは有用である。なお、上述したΔｆｐの値は、上記と同様にレーダの検知距離を考慮して決定され得る。
【０２７４】
Ｎ個（Ｎ：３以上の整数）の異なる周波数で連続波ＣＷを送信し、各々の反射波の位相情報を利用することにより、マルチコプター１と各物標との距離をそれぞれ検出することが可能な検出方式が知られている。当該検出方式によれば、Ｎ−１個までの物標については距離を正しく認識できる。そのための処理として、たとえば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を利用する。いま、Ｎ＝６４、あるいは１２８として、各周波数の送信信号と受信信号との差であるビート信号のサンプリングデータについてＦＦＴを行って周波数スペクトル（相対速度）を得る。その後、同一の周波数のピークに関してＣＷ波の周波数でさらにＦＦＴを行って距離情報を求めることができる。
【０２７５】
以下、より具体的に説明する。
【０２７６】
説明の簡単化のため、まず、３つの周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の信号を時間的に切り換えて送信する例を説明する。ここでは、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３であり、かつ、ｆ１−ｆ２＝ｆ２−ｆ３＝Δｆであるとする。また、各周波数の信号波の送信時間をΔｔとする。図３２は、３つの周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の関係を示す。
【０２７７】
三角波／ＣＷ波生成回路２２１（図１４）は、それぞれが時間Δｔだけ持続する周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の連続波ＣＷを、送信アンテナＴＡを介して送信する。受信アンテナＲＡは、各連続波ＣＷが１または複数の物標で反射された反射波を受信する。
【０２７８】
ミキサ２２４は、送信波と受信波とを混合してビート信号を生成する。Ａ／Ｄコンバータ２２７はアナログ信号としてのビート信号を、たとえばたとえば数百個のデジタルデータ（サンプリングデータ）に変換する。
【０２７９】
受信強度算出部２３２は、サンプリングデータを用いてＦＦＴ演算を行う。ＦＦＴ演算の結果、送信周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の各々について、受信信号の周波数スペクトルの情報が得られる。
【０２８０】
その後受信強度算出部２３２は、受信信号の周波数スペクトルの情報から、ピーク値を分離する。所定以上の大きさを有するピーク値の周波数は、マルチコプター１と物標との相対速度に比例する。受信信号の周波数スペクトルの情報から、ピーク値を分離することは、相対速度の異なる１または複数の物標を分離することを意味する。
【０２８１】
次に、受信強度算出部２３２は、送信周波数ｆ１〜ｆ３の各々について、相対速度が同一または予め定められた範囲内のピーク値のスペクトル情報を計測する。
【０２８２】
いま、２つの物標ＡおよびＢが、同程度の相対速度で、かつ、マルチコプター１からそれぞれが異なる距離に存在する場合を考える。周波数ｆ１の送信信号は物標ＡおよびＢの両方で反射され、受信信号として得られる。物標ＡおよびＢからの各反射波のビート信号の周波数は、概ね同一になる。そのため、受信信号の、相対速度に相当するドップラ周波数でのパワースペクトルは、２つの物標ＡおよびＢの各パワースペクトルを合成した合成スペクトルＦ１として得られる。
【０２８３】
同様に、周波数ｆ２およびｆ３の各々についても、受信信号の、相対速度に相当するドップラ周波数でのパワースペクトルは、２つの物標ＡおよびＢの各パワースペクトルを合成した合成スペクトルＦ２およびＦ３として得られる。
【０２８４】
図３３は、複素平面上の合成スペクトルＦ１〜Ｆ３の関係を示す。合成スペクトルＦ１〜Ｆ３の各々を張る２つのベクトルの方向に向かって、右側のベクトルが物標Ａからの反射波のパワースペクトルに対応する。図３３ではベクトルｆ１Ａ〜ｆ３Ａに対応する。一方、合成スペクトルＦ１〜Ｆ３の各々を張る２つのベクトルの方向に向かって、左側のベクトルが物標Ｂからの反射波のパワースペクトルに対応する。図３３ではベクトルｆ１Ｂ〜ｆ３Ｂに対応する。
【０２８５】
送信周波数の差分Δｆが一定のとき、周波数ｆ１およびｆ２の各送信信号に対応する各受信信号の位相差と、物標までの距離は比例する関係にある。よって、ベクトルｆ１Ａとｆ２Ａの位相差と、ベクトルｆ２Ａとｆ３Ａの位相差とは同じ値θＡになり、位相差θＡが物標Ａまでの距離に比例する。同様に、ベクトルｆ１Ｂとｆ２Ｂの位相差と、ベクトルｆ２Ｂとｆ３Ｂの位相差とは同じ値θＢになり、位相差θＢが物標Ｂまでの距離に比例する。
【０２８６】
周知の方法を用いて、合成スペクトルＦ１〜Ｆ３、および、送信周波数の差分Δｆから、物標ＡおよびＢの各々までの距離を求めることができる。この技術は、たとえば米国特許第６７０３９６７号明細に開示されている。この公報の内容の全体をここに援用する。
【０２８７】
送信する信号の周波数が４以上になった場合も同様の処理を適用することができる。
【０２８８】
なお、Ｎ個の異なる周波数で連続波ＣＷを送信する前に、２周波ＣＷ方式でマルチコプター１と各物標までの距離および相対速度を求める処理を行ってもよい。そして、所定の条件下で、Ｎ個の異なる周波数で連続波ＣＷを送信する処理に切り換えてもよい。たとえば、２つの周波数の各々のビート信号を用いてＦＦＴ演算を行い、各送信周波数のパワースペクトルの時間変化が３０％以上である場合には、処理の切り換えを行ってもよい。各物標からの反射波の振幅はマルチパスの影響等で時間的に大きく変化する。所定の以上の変化が存在する場合には、複数の物標が存在する可能性があると考えられる。
【０２８９】
また、ＣＷ方式では、レーダシステムと物標との相対速度がゼロである場合、すなわちドップラ周波数がゼロの場合には物標を検知できないことが知られている。しかしながら、たとえば以下の方法によって擬似的にドップラ信号を求めると、その周波数を用いて物標を検知することは可能である。
【０２９０】
（方法１）受信用アンテナの出力を一定周波数シフトさせるミキサを追加する。送信信号と、周波数がシフトされた受信信号とを用いることにより、擬似ドップラ信号を得ることができる。
【０２９１】
（方法２）受信用アンテナの出力とミキサとの間に、時間的に連続して位相を変化させる可変位相器を挿入し、受信信号に擬似的に位相差を付加する。送信信号と、位相差が付加された受信信号とを用いることにより、擬似ドップラ信号を得ることができる。
【０２９２】
方法２による、可変位相器を挿入して擬似ドップラ信号を発生させる具体的構成の例および動作の例は、特開２００４−２５７８４８号公報に開示されている。この公報の内容の全体をここに援用する。
【０２９３】
マルチコプター１との相対速度がゼロの物標、または、非常に小さな物標を検知する必要がある場合は、上述の擬似ドップラ信号を発生させる処理を使用してもよいし、または、ＦＭＣＷ方式による物標検出処理への切り換えを行ってもよい。ＦＭＣＷ方式を用いる場合には、上述の実施形態において説明した方法により、回転翼５由来の反射波の影響を排除することができる。低速での飛行時や着陸態勢で高度を下げつつある場面では、回転翼の回転速度は低下させられるため、特別な処理を行わなくとも、ＦＭＣＷ方式で物標を検知することが可能な場合は十分あり得る。
【０２９４】
なお、マルチコプター１と物標の相対速度がゼロである、ということは、マルチコプター１と物標との衝突が生じないことを意味する。よって、相対速度がゼロの物標を検出できないとしても、実用上大きな論点にはならないと考えられる。また、マルチコプター１の飛行環境に鑑みると、飛行中には相対速度がゼロになる物標はほぼ存在しないと想定される。よって、相対速度がゼロの物標を検出しない、という運用を採用したとしても、やはり大きな論点にはならないと考えられる。
【０２９５】
次に、図３４を参照しながら、レーダシステム１０の物体検知装置４０によって行われる処理の手順を説明する。レーダシステム１０を含むマルチコプター１の構成は、たとえば図１から図１４に示される通りである。
【０２９６】
以下では、２個の異なる周波数ｆｐ１およびｆｐ２（ｆｐ１＜ｆｐ２）で連続波ＣＷを送信し、各々の反射波の位相情報を利用することにより、マルチコプター１と物標との距離をそれぞれ検出する例を説明する。
【０２９７】
図３４は、本実施形態による回転翼５由来の反射波と物標由来の反射波とを分離して相対速度および距離を求める処理の手順を示すフローチャートである。
【０２９８】
ステップＳ４１において、三角波／ＣＷ波生成回路２２１は、少しだけ周波数が離れている、２種類の異なる連続波ＣＷを生成する。周波数はｆｐ１およびｆｐ２とする。
【０２９９】
ステップＳ４２において、送信アンテナＴＡおよび受信アンテナＲＡは、生成された一連の連続波ＣＷの送受信を行う。なお、ステップＳ４１の処理およびステップＳ４２の処理はそれぞれ、三角波／ＣＷ波生成回路２２１およびアンテナＴＡ／ＲＡにおいて並列的に行われる。ステップＳ４１の完了後にステップＳ４２が行われるのではないことに留意されたい。
【０３００】
ステップＳ４３において、ミキサ２２４は、各送信波と各受信波とを利用して２つの差分信号を生成する。各受信波は、回転翼由来の受信波と、物標由来の受信波とを含む。そのため、次に、ビート信号として利用する周波数を特定する処理を行う。なお、ステップＳ４１の処理、ステップＳ４２の処理およびステップＳ４３の処理はそれぞれ、三角波／ＣＷ波生成回路２２１、アンテナＴＡ／ＲＡおよびミキサ２２４において並列的に行われる。ステップＳ４１の完了後にステップＳ４２が行われるのではなく、また、ステップＳ４２の完了後にステップＳ４３が行われるのでもないことに留意されたい。
【０３０１】
ステップＳ４４において、物体検知装置４０は、２つの差分信号の各々について、閾値として予め定められた周波数以下で、かつ予め定められた振幅値以上の振幅値を有し、なおかつ互いの周波数の差が所定の値以下であるピークの周波数を、ビート信号の周波数ｆｂ１およびｆｂ２として特定する。２つの差分信号には閾値以上の周波数をもつビート信号も含まれ得るが、これらは回転翼などで反射された反射波に由来するビート信号であるので、以下の処理からは除外される。レーダシステム１０との間での相対速度が異なる複数の物標が、レーダシステムの視野内に存在する場合は、互いの周波数の差が所定の値以下であるピークの対が複数存在する。その場合、以下の処理は、そのビート信号の各々の対について実行され得る。
【０３０２】
ステップＳ４５において、受信強度算出部２３２は、特定した２つのビート信号の周波数のうちの一方に基づいて相対速度を検出する。受信強度算出部２３２は、たとえばＶｒ＝ｆｂ１・ｃ／２・ｆｐ１  により、相対速度を算出する。なお、ビート信号の各周波数を利用して相対速度を算出してもよい。これにより、受信強度算出部２３２は、両者が一致しているか否かの検証し、相対速度の算出精度を高めることができる。
【０３０３】
ステップＳ４６において、受信強度算出部２３２は、２つのビート信号ｆｂ１およびｆｂ２の位相差Δφを求め、物標までの距離Ｒ＝ｃ・Δφ／４π（ｆｐ２−ｆｐ１）を求める。
【０３０４】
以上の処理により、物標までの相対速度および距離を検出することができる。
【０３０５】
なお、３以上のＮ個の異なる周波数で連続波ＣＷを送信し、各々の反射波の位相情報を利用して、相対速度が同一で、かつ異なる位置に存在する複数の物標までの距離を検出してもよい。
【０３０６】
以上、実施形態１〜４を説明した。各実施形態の無人マルチコプター１は、レーダシステム１０に加えて、更に他のレーダシステムを有していてもよい。たとえば無人マルチコプター１は、機体の下方、又は上方に検知範囲を持つレーダシステムを更に備えていてもよい。機体の直下にレーダシステムを有する場合には、当該レーダシステムは着陸時に下方を監視し、地面よりも高い位置に物体を検知した場合は、無人マルチコプター１に空中を移動させて着陸位置を探す機能を備える。中央筐体２の直上にレーダシステムを有する場合には、当該レーダシステムは、離陸時に上方を監視し、障害物が存在しない事を確認した後、離陸する。
【０３０７】
上方および／または下方の監視のためのレーダシステムは、送受信素子を各１つ有しており、それらを利用して、無人マルチコプター１の直上および／または直下に存在する障害物の有無を検知する。当該レーダシステムは、超音波レーダを採用しても良い。但し、回転翼５が発する音の影響を軽減するためには、無人マルチコプター１の中央筐体２の直上および／または直下に取り付けることが好ましい。
【０３０８】
５．応用例
以下、上述の実施形態１〜３の少なくとも１つの処理を行う無人マルチコプターの応用例を説明する。
【０３０９】
５．１．カメラを搭載した無人マルチコプター
図３５は、本開示の応用例にかかる無人マルチコプター５０１の外観斜視図である。無人マルチコプター５０１は、無人マルチコプター１に、カメラ５０２が取り付けて構成されている。カメラ５０２を有する以外は、外観上は無人マルチコプター１と同じである。以下では、無人マルチコプター１の構成要素に対応する無人マルチコプター５０１の構成要素には同じ参照符号を付し、相違する構成および動作を説明する。
【０３１０】
カメラ５０２は、たとえば中央筐体２の下方（レーダシステム１０の真下近辺）に設置される。カメラ５０２の支持には、たとえばジンバル（Gimbal）５０３が利用される。ジンバルとは、１つの軸を中心として物体を回転させる回転台の一種である。軸が直交する複数軸のジンバルを設置してもよい。
【０３１１】
本明細書では、主としてレーダシステム１０が設けられている方向が無人マルチコプターの飛行方向であるとした。ジンバル５０３によってカメラ５０２の向きを調整しながら、カメラ５０２は飛行方向の映像を撮影できる。カメラ５０２は、業務用途であれば、たとえば工事現場、大型構造物などの状況を確認するために用いられる。
【０３１２】
カメラ５０２は、図３に示すフライトコントローラ１１と接続され、フライトコントローラ１１によって制御される。たとえば受信モジュール１３が、撮影を行う指示を操作者から受け取ると、その指示をフライトコントローラ１１に送る。フライトコントローラ１１は指示に従って、カメラ５０２の撮影方向を決定し、撮影のための指示信号をカメラ５０２に出力する。
【０３１３】
業務用途では、事故防止、工期遅れの防止等のため、操作ミスによる衝突事故等を可能な限り防止する必要がある。そのため、レーダシステム１０を用いた障害物（物標）の認識が有効である。レーダシステム１０の検知範囲をより広く取ることにより、より確実に物標を検知できる。たとえば、６つの送信アンテナＴＡおよび／または受信アンテナＲＡを、６０度ずつ等間隔で配置してもよい。各々が７０度程度の監視範囲を有するよう設計すれば、無人マルチコプター５０１の全方位について物標を識別可能になる。図３５では、６つの受信アンテナ素子ＲＡが例示されている。物標の検知は、上述したいずれかの実施形態によって実現できる。
【０３１４】
なお、無人マルチコプターの中には、超音波センサを備えたものが存在する。超音波センサは音波を放出してその音波が返ってくるまでの時間で物標との距離を測定するために利用される。しかしながら、超音波センサは回転翼が起こす風の流れや、風切音の影響を受ける。また、検知可能な距離も、数ｍ以下である。よって、レーダシステム１０を利用することにより、超音波センサを用いた衝突防止機構を搭載したマルチコプターよりも、より確実に物標を検知することができる。
【０３１５】
図３６は、本応用例にかかる物体検知装置４１の構成を示す。図３６に示す無人マルチコプター５０１は、レーダシステム１０と、カメラシステム５００とを備えており、レーダシステム１０による検知結果とカメラシステム５００における映像認識結果とを利用して、無人マルチコプター５０１の飛行を制御する。
【０３１６】
レーダシステム１０の構成は上述の説明と同じである。本応用例では、送信アンテナＴＡおよび受信アンテナＲＡは、中央筐体２の上面、側面、下部であって、カメラ５０２よりも上方に配置されている。
【０３１７】
カメラシステム５００は、カメラ５０２と、カメラ５０によって取得された画像または映像を処理する画像処理回路５０４とを有している。
【０３１８】
本応用例における無人マルチコプター５０１は、判定回路５０６、レーダアンテナシステム１０およびカメラシステム５００を備えた物体検知装置４１と、物体検知装置４１に接続されたフライトコントローラ１１とを備えている。物体検知装置４１の判定回路５０６は、レーダシステム１０によって得た物標の情報と、画像処理回路５０４がカメラ５０２の映像に画像処理を行って識別された映像の情報とを利用して、衝突可能性を判定する。
【０３１９】
たとえば判定回路５０６は、レーダシステム１０によって得られた物標までの距離、物標との相対速度、およびカメラ５０２によって認識された物標の大きさを継続的に監視する。そして、判定回路５０６は、信号処理回路４４によって得られた、無人マルチコプター５０１自身の対地移動速度および方位と、物標に対する相対速度および方位とを比較して、物標が静止物標と移動物標の何れであるかを判定する。
【０３２０】
静止物標については、判定回路５０６は、レーダシステム１０およびカメラ５０２によって得られた情報を元にして三次元座標を算出し、無人マルチコプター５０１自身の三次元座標および移動方向並びに移動速度（以下併せて速度ベクトルと呼ぶ）を参照して衝突可能性を判定する。移動物標については、判定回路５０６は、三次元座標に加えて速度ベクトルを算出し、無人マルチコプター５０１自身の三次元座標および速度ベクトルを用いて、衝突可能性を判定する。
【０３２１】
静止物標および移動物標の何れについても、所定の時間間隔毎に三次元座標および速度ベクトルを更新するが、移動物標については更新の頻度を高めてもよい。衝突可能性の判定に当たっては、判定回路５０６は、物標までの距離が接近しつつあるか否か、相対速度の変化により無人マルチコプター５０１と物標とが近付きつつあるか否か、無人マルチコプター５０１の飛行性能（飛行速度）から、検出された大きさの物標を回避可能か否か等、を総合的に判断し、物標との衝突可能性を判定する。他の処理の例は、次の項目５．２において説明する。
【０３２２】
なお判定回路５０６は、撮影された映像を利用せず、レーダシステム１０によって得られた物標までの距離および物標との相対速度とを用いて衝突可能性を判定してもよい。
【０３２３】
衝突が発生する可能性を示す値が予め定められた基準値を超えた場合には、無人マルチコプター５０１のフライトコントローラ１１は衝突回避処理を行い、基準値以下の場合には、通常飛行処理を継続する。衝突回避処理は、フライトコントローラ１１のマイクロコントローラ２０の処理に割り込みをかけ、最も高い優先度で実行される。衝突回避処理の一例は、たとえば、物標の位置の変化を継続的に監視することにより、物標が到来する位置を予測し、当該位置から最高速度で離脱する処理、あるいは当該位置から十分に離れている時点から徐々に飛行経路を変更する処理である。マイクロコントローラ２０は、飛行時の状況に応じていずれの処理が適切であるかを判断し、当該処理を実行する。
【０３２４】
レーダシステム１０は、さらに、アーム３の下側に設けられ下方を監視する下方監視レーダ、中央筐体上側に設けられ上方を監視する上方監視レーダを搭載してもよい。さらに、各々がＸＹ平面上で１００度程度の範囲を監視可能なアンテナＴＡ／ＲＡを４つ、または各々がＸＹ平面上で１３０度程度の範囲を監視可能なアンテナＴＡ／ＲＡを３つ搭載しても良い。周方向において隣り合う２つのレーダの監視可能な範囲は、周方向において一部分が重複してもよい。
【０３２５】
上述した無人マルチコプター１、５０１は、荷物の配送に利用され得る。複数の脚６を用いて、または脚６とは別にキャリアを設けて、荷物を着脱可能に保持させることができる。
【０３２６】
たとえば、荷物の集配所で荷物を搭載された無人マルチコプター１が飛行し、配達すべき目的地まで、レーダシステム１０および／またはＧＰＳモジュール１２の出力信号を用いて飛行する。目的地付近に到達すると、無人マルチコプター１は目的地上空にてホバリングし、または所定以下の速度まで減速して降下する。その後、受取人が荷物を受領し、または操作者の指示にしたがって、フライトコントローラ１１が荷物の固定具を解除することにより、荷物が外れる。その後は、無人マルチコプター１は、荷物の集配所または次の目的地までレーダシステム１０および／またはＧＰＳモジュール１２の出力信号を利用して飛行する。
【０３２７】
カメラを搭載していない無人マルチコプター１に関しては、住宅街等の個人の住宅が存在する地域での荷物の配送に特に好適である。その理由は、カメラを搭載していないために個人の敷地内の画像を撮影することは決してなく、個人のプライバシーを侵害する可能性が極めて低いからである。
【０３２８】
５．２．自律飛行及び衝突回避
無人マルチコプター１を例に挙げて説明する。
【０３２９】
無人マルチコプター１は、ＧＰＳモジュール１２から出力されるＧＰＳ信号に従って設定された目的地まで自動飛行する機能と、飛行中にレーダシステム１０で障害物を検知した場合は、自動で回避行動をとる機能を備える。これらの機能は、フライトコントローラ１１のマイクロコントローラ２０が、コンピュータプログラムを実行して、各々の機能に対応する処理を実行することにより実現される。
【０３３０】
レーダシステム１０は、水平方向だけでなく、上下方向の角度分解能をも有しているため、自動回避行動に際しては、上下方向において飛行方位を変化させることもできる。たとえば、電線や長大な橋等が前方を横切っている場合、フライトコントローラ１１は、水平方向において回避路を見つけられない場合があり得る。そのような場合は、フライトコントローラ１１はレーダシステム１０に指示して上方および下方の各送信アンテナＴＡから放射した電波の反射信号の強度を比較する。そしてフライトコントローラ１１は、上下方向の分布を推定し、上下方向も含めて回避路が存在するか否かを判定する。
【０３３１】
なお、送信アンテナＴＡが単一の送信アンテナ素子を搭載しているとする。これは、レーダシステム１０が上下方向の分解能を有しないことになり、回避路を見つけられない場合がありうる。
【０３３２】
そこで、無人マルチコプター１の機体を前後に傾ける、或いは高度を変化させるなどしながら送信アンテナ素子から信号波を送信し、信号強度の変化を調べて障害物の上下方向における分布を探って、回避可能な飛行路を見つければよい。なお、この方法は、レーダーが上下方向の分解能を有している場合に適用している場合であっても有用である。
【０３３３】
レーダシステム１０が物標を捉えた際には、その物標と自機との間の相対速度情報を取得することができる。たとえば７６．５ＧＨｚ帯のＦＷＣＭレーダを用いると、およそ２ｍ／秒程度以上の相対速度を検知可能である。相対速度情報と距離情報とを併せて衝突可能性を評価することができる。
【０３３４】
衝突可能性を示す値が予め定められた基準値を超えた場合（無視できない場合）には、レーダシステム１０は、当該物標の方位を検出しつつ、複数回に亘って当該物標のレーダによる検知を試み、物標の移動方位を判定して衝突可能性の評価精度を高める。さらに精度を高めるため、レーダシステム１０は、送信波を所定の時間間隔を空けて２回放射し、２回とも反射波が検出された場合のみ、真の信号として扱ってもよい。そうでない場合は、他のマルチコプターからの送信波が混信したとして取り扱えばよい。２回放射する送信波は、たとえば変調連続波ＦＭＣＷおよび連続波ＣＷである。
【０３３５】
無人マルチコプター１飛行時の障害物になり得る大型の静止建造物については、その位置情報をあらかじめ内部に保持しておき、又は通信手段を用いて取得することができる。これにより、自機の位置、方位の確認、および衝突の回避が可能になる。静止構造物の分布に関する情報（分布情報）をあらかじめ内蔵し、又は通信手段を用いて随時取得することにより、レーダシステム１０は、分布情報に基づいてレーダ監視の必要の有無を判定し、必要な場合にのみ監視を行うことができる。
【０３３６】
無人マルチコプター１には、通常、事前に目的地のおおよその場所およびそこに至る飛行経路が設定される。マルチコプターは、ＧＰＳ等により自分の位置を確認しつつ、この飛行経路を飛行する。その間、フライトコントローラ１１のマイクロコントローラ２０は、レーダシステム１０を休止状態に置き、消費電力を削減する。そして目的地付近に到着した段階で、マイクロコントローラ２０の休止状態を解除させ、レーダにより、詳細な目的地の位置や不測の障害物を確認する。同様の休止状態制御は、無人マルチコプター１に搭載されている、レーダ以外の監視装置、例えばカメラや映像装置等にも適用可能である。またこの様な休止状態制御は、目的地への飛行経路上のみならず、他の状況であって、レーダシステム１０等を使用しないことが明確な期間にも適用可能である。これにより、消費電力を節約できる。
【０３３７】
無人マルチコプター１を利用することで、物品の配送事業を行う事が出来る。その様な目的で用いられる無人マルチコプター１は、物品を保持して目的地まで運ぶためのキャリアを備える。配送業者は、物品の配送の依頼を受けたならば、物品の配送基地において無人マルチコプター１に当該物品を搭載させ、目的地に向かって発進させる。無人マルチコプター１は、上述した自律飛行機能及び衝突回避機能を利用しつつ目的地まで到達し、そこで物品をキャリアから離脱させ、その後出発点であった物品の配送基地、もしくは他の配送基地、またはマルチコプター１の整備基地に向けて飛行する。整備基地は物品の配送基地が兼ねても良い。
【０３３８】
キャリアから物品を離脱させる動作は、目的地に到達した際に自動で行われる。但し、配送業者による遠隔操作や、受け取り手が保有する携帯電子機器を利用した手動操作によって離脱させても良い。無人マルチコプター１は、互いに独立に離脱動作を行わせることのできる複数のキャリアを備えても良い。この場合、物品の配送基地から発進した無人マルチコプター１は、複数の目的地を順に訪れ、各々の目的地においてそれぞれ物品をキャリアから離脱させてそれぞれ配送を終え、そののち、帰還する。本開示に係る無人マルチコプター１は、自律飛行機能および衝突回避機能を備えているため、上述した一連の作業において、事故を引き起こす可能性が低い。都市部の様に、空間を占める構造物の配置が日々変化し得る環境において配送事業を営む為には、本開示に係る無人マルチコプター１は特に好適である。
【０３３９】
以上、本発明の実施形態および種々の応用例を説明した。
【０３４０】
上述の実施形態では、アレイアンテナを用いて信号波を受信し、物標由来の反射波の方位を特定する処理を説明した。しかしながら、方位を別の処理によって特定する場合には、複雑な処理を行う到来方向推定ユニット４８（図５）を設ける必要はなくなり、さらに信号波の受信にアレイアンテナを用いる必要もなくなる。
【０３４１】
方位を特定する処理として、たとえばジャイロセンサ２３ａおよび磁気センサ２３ｄ（図４）を利用することができる。具体的には、磁気センサ２３ｄ（図４）の出力信号を利用すれば、フライトコントローラ１１は、無人マルチコプター１の進行方向（方位）を特定することができる。さらにフライトコントローラ１１は、ジャイロセンサ２３ａの出力信号を利用すれば、無人マルチコプター１の姿勢、つまり受信アンテナＲＡの向きを特定することができる。さらにフライトコントローラ１１は、受信アンテナＲＡが信号を受信した場合には、ＸＹ平面内で左右に無人マルチコプター１を揺動させることにより、信号波を受信する位置と受信しない位置とを特定できる。これにより、フライトコントローラ１１は受信波の到来方向を知ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０３４２】
本開示は、レーダシステムを搭載した無人マルチコプターに利用可能である。また、人が搭乗した状態で飛行可能な、大型（有人）のマルチコプターにも適用可能である。
【符号の説明】
【０３４３】
１  無人マルチコプター
２  中央筐体
３  アーム
５  回転翼
６  脚
１０  レーダシステム
１１  フライトコントローラ１１
１２  ＧＰＳモジュール
１３  受信モジュール
１４  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３０  レーダアンテナ
４０  物体検知装置
４２  送受信回路
４４  信号処理回路
４６  反射波分析ユニット
４８  到来方向推定ユニット
２２１  三角波／ＣＷ波生成回路
２２２  電圧制御可変発振器（ＶＣＯ）
２２３  分配器
２２４  ミキサ
２２５  フィルタ
２２６  スイッチ
２２７  Ａ／Ｄコンバータ
２３１  メモリ
２３２  受信強度算出部
２３３  距離検出部
２３４  速度検出部
２３５  ＤＢＦ（デジタルビームフォーミング）処理部
２３６  方位検出部
２３７  物標引継ぎ処理部
２３８  相関行列生成部（Ｒｘｘ）
２３９  物標出力処理部
２４０ 波数検出部
ＴＡ 送信アンテナ
ＲＡ 受信アンテナ
【図１】
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【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１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【国際調査報告】
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