(57)【要約】【課題】  複数の無人航空機を用いて通信を中継するシステムにおける通信品質の悪化を抑制する。【解決手段】  本発明の一実施形態に係る通信システム１は、３つの無人航空機５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ）によって構成されており、先頭を飛行するリーダー機５Ａと、無線局５０とリーダー機５Ａとの間の通信を中継する２つの中継機５Ｂ、５Ｃとによって構成されている。中継機５Ｂ、５Ｃは、無線通信の品質に関する測定値が所定の閾値未満となった場合に、先行する無人航空機との間の距離が近づくように自機の飛行を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先頭を飛行するリーダー機と、先行する無人航空機を追随して飛行すると共に第１の無線局と前記リーダー機との間の通信を中継する１又は複数の中継機と、を含む複数の無人航空機を有する通信システムであって、
前記中継機が、無線通信を行う通信部と、前記通信部における無線通信の品質に関する測定値を得る通信品質測定部と、自機の飛行を制御する制御部と、を備え、
前記制御部が、前記通信品質測定部によって得られる前記測定値が所定の閾値未満となった場合に、先行する無人航空機との間の距離が近づくように自機の飛行を制御する、
通信システム。
【請求項２】
前記中継機の前記制御部が、先行する無人航空機に対する相対的な位置であって所定の相対位置を追随するように自機の飛行を制御し、前記測定値が所定の閾値未満となった場合に、先行する無人航空機との間の距離が近づくように前記所定の相対位置を調整する請求項１の通信システム。
【請求項３】
前記中継機の前記制御部が、前記測定値が前記所定の閾値以上である間は、先行する無人航空機との間の距離が所定の標準距離以下となるように自機の飛行を制御し、前記測定値が前記所定の閾値未満となった場合に、先行する無人航空機との間の距離が前記所定の標準距離より小さい所定の安全距離以下となるように自機の飛行を制御する請求項１又は２の通信システム。
【請求項４】
最も前記第１の無線局側に位置する最後尾の中継機の前記制御部が、前記最後尾の中継機と前記第１の無線局との間の距離が前記所定の安全距離を超える場合に、所定の指令を前記リーダー機に送信する請求項３の通信システム。
【請求項５】
前記第１の無線局と前記リーダー機との間の通信を、前記１又は複数の中継機が中継することに加えて、第２の無線局と１の無人航空機との間の通信を、前記１の無人航空機を除く他の無人航空機が中継する請求項１ないし４何れかの通信システム。
【請求項６】
前記第１の無線局及び前記複数の無人航空機が、ライン型、メッシュ型、又は、ツリー型のネットワークトポロジーを有する通信ネットワークを形成する請求項１ないし５何れかの通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の無人航空機を有する通信システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の無人航空機を用いて通信を中継するシステムが提案されている。例えば、下記特許文献１は、情報収集飛行体が収集した情報が、中継用飛行体を介して地上局に送信される情報収集システムを開示している。また、下記特許文献２は、制御デバイスからの制御メッセージが第１の無人機から第２の無人機に中継されるシステムを開示している。こうしたシステムは、電波が届かない場所における通信を可能とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１０７４９６号公報
【特許文献２】特開２０１３−１２８２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したような従来のシステムは、環境の変化が十分に考慮されていないことに起因する様々な課題を生じ得る。例えば、無人航空機が飛行するエリアの地理的条件、及び、飛行時の天候等によって電波状況は変化すると考えられるが、従来のシステムは、こうした電波状況の変化が考慮されていない。この結果、十分な通信品質を実現できないおそれがある。
【０００５】
本発明の実施形態は、複数の無人航空機を用いて通信を中継するシステムにおける通信品質の悪化を抑制することを目的の一つとする。本発明の実施形態の他の目的は、本明細書全体を参照することにより明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態に係る通信システムは、先頭を飛行するリーダー機と、先行する無人航空機を追随して飛行すると共に第１の無線局と前記リーダー機との間の通信を中継する１又は複数の中継機と、を含む複数の無人航空機を有する通信システムであって、前記中継機が、無線通信を行う通信部と、前記通信部における無線通信の品質に関する測定値を得る通信品質測定部と、自機の飛行を制御する制御部と、を備え、前記制御部が、前記通信品質測定部によって得られる前記測定値が所定の閾値未満となった場合に、先行する無人航空機との間の距離が近づくように自機の飛行を制御する。こうした構成は、無線通信の品質が悪化する場合に無人航空機間の距離が近づくから、通信品質の悪化が抑制される。
【０００７】
ここで、通信品質測定部によって得られる測定値は、受信信号強度、ＳＮ比、及び、エラー率等が含まれ得るが、これらに限定されない。
【０００８】
上述した通信システムは、前記中継機の前記制御部が、先行する無人航空機に対する相対的な位置であって所定の相対位置を追随するように自機の飛行を制御し、前記測定値が所定の閾値未満となった場合に、先行する無人航空機との間の距離が近づくように前記所定の相対位置を調整する、ように構成され得る。
【０００９】
また、上述した通信システムは、前記中継機の前記制御部が、前記測定値が前記所定の閾値以上である間は、先行する無人航空機との間の距離が所定の標準距離以下となるように自機の飛行を制御し、前記測定値が前記所定の閾値未満となった場合に、先行する無人航空機との間の距離が前記所定の標準距離より小さい所定の安全距離以下となるように自機の飛行を制御する、ように構成され得る。
【００１０】
また、上述した通信システムは、最も前記第１の無線局側に位置する最後尾の中継機の前記制御部が、前記最後尾の中継機と前記第１の無線局との間の距離が前記所定の安全距離を超える場合に、所定の指令を前記リーダー機に送信する、ように構成され得る。こうした構成は、第１の無線局との間の距離が大きいことを、リーダー機に知らせることができる。
【００１１】
また、上述した通信システムは、前記第１の無線局と前記リーダー機との間の通信を、前記１又は複数の中継機が中継することに加えて、第２の無線局と１の無人航空機との間の通信を、前記１の無人航空機を除く他の無人航空機が中継する、ように構成され得る。こうした構成は、無線局の異なる２つの通信経路を確立することにより、通信の冗長性を高めることができる。
【００１２】
また、上述した通信システムは、前記第１の無線局及び前記複数の無人航空機が、ライン型、メッシュ型、又は、ツリー型のネットワークトポロジーを有する通信ネットワークを形成する、ように構成され得る。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の様々な実施形態は、複数の無人航空機を用いて通信を中継するシステムにおける通信品質の悪化を抑制する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る通信システム１の構成を概略的に示す図。
【図２】無人航空機５の外観図。
【図３】無人航空機５の構成を概略的に示すブロック図。
【図４】通信システム１の動作例を説明するための図。
【図５】通信システム１の動作例を説明するための図。
【図６】通信システム１の動作例を説明するための図。
【図７】中継機５Ｂ及び５Ｃの制御部２０によって繰り返し実行される処理を例示するフローチャート。
【図８】通信システム１の動作例を説明するための図。
【図９】通信システム１の動作例を説明するための図。
【図１０】通信システム１の動作例を説明するための図。
【図１１】メッシュ型ネットワークを形成する通信システム１を例示する図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る通信システム１の構成を概略的に示す図である。通信システム１は、３つの無人航空機５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ）によって構成されており、具体的には、先頭を飛行するリーダー機５Ａと、無線局５０とリーダー機５Ａとの間の通信を中継する２つの中継機５Ｂ、５Ｃとによって構成されている。本発明の実施形態において、中継機の数は２つに限定されず、１つ、又は、３つ以上の中継機としても良い。無線局５０は、専用の遠隔操作装置（プロポ）、スマートフォン及びタブレット端末等の汎用デバイス、通信衛星、又は、携帯電話の基地局等を含む。
【００１６】
図２は、無人航空機５の外観図であり、図３は、無人航空機５の構成を概略的に示すブロック図である。無人航空機５は、図２に示すように、上から見た輪郭が六角形の箱型の部材である本体部１０と、本体部１０から外側に直線状に延びる６つのアーム１１と、各アーム１１の外側端部に１つずつ設けられた６つのモータ１２と、各モータ１２の上側に１つずつ設けられ当該モータ１２によって駆動される６つのロータ１３と、本体部１０の下側に設けられた脚部１４とを有する。６つのロータ１３は、本体部１０を中心とする仮想的な円上に略等間隔で配置されている。無人航空機５は、これらのロータ１３の回転によって生じる揚力及び推力により飛行（上昇、下降、水平移動、及び、方向転換等）するマルチコプターとして構成されている。
【００１７】
また、図３に示すように、無人航空機５は、制御部２０と、通信部２１と、通信品質測定部２２と、各種センサ２５と、位置検出部２６と、撮影部２７と、情報を記憶する記憶部２８と、無人航空機５の各部に電力を供給する電源３０とを有する。これらの各部の少なくとも一部は、箱型の本体部１０の内部に収容され得る。
【００１８】
制御部２０は、例えば、小型のコンピュータとして構成され、モータ１２を含む無人航空機５の各部を制御する。
【００１９】
通信部２１は、無線局５０及び他の無人航空機５との間で無線通信を行う。例えば、通信部２１は、ＲＣレシーバ、Ｗｉ−Ｆｉモジュール、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）モジュール、衛星通信モジュール、又はＬＴＥモジュールの少なくとも１つを含むように構成される。
【００２０】
通信品質測定部２２は、通信部２１における無線通信の品質に関する測定値を得る。本実施形態において、通信品質測定部２２は、通信部２１における受信信号強度（ＲＳＳＩ値）を測定するように構成されている。本発明の実施形態において、無線通信の品質に関する測定値は受信信号強度に限定されず、例えば、ＳＮ比、又は、エラー率等が含まれる。
【００２１】
各種センサ２５は、無人航空機５の各種の制御に必要な様々なセンサを含む。例えば、各種センサ２５には、高度センサ（気圧センサ）、方位センサ（電子コンパス）、加速度センサ、及び、ジャイロセンサ（角速度センサ）等が含まれる。
【００２２】
位置検出部２６は、無人航空機５の現在位置を検出する。例えば、位置検出部２５は、ＧＰＳ受信機を含む。
【００２３】
撮影部２７は、静止画像及び動画像を撮影可能な一般的なデジタルカメラとして構成されている。撮影部２７を介して撮影された画像は、記憶部２８に記録され得る。
【００２４】
このように構成された無人航空機５は、ユーザによる遠隔操作装置等を用いた遠隔操作、又は、予め設定された飛行計画に基づく自動操縦、或いは、自律制御によって飛行する。具体的には、遠隔操作又は自動操縦或いは自律制御に基づく飛行指令、及び、各種センサ２４から入力される各種の値に基づいて制御部２０がモータ１２を制御すると、当該モータ１２によって回転駆動されるロータ１３に作用する揚力及び推力により、無人航空機５は、上昇、下降、水平移動、及び、方向転換する。なお、６つのロータ１３は、隣接する２つのロータ１３の回転方向が相互に逆方向となり、且つ、本体部１０を介して対向する２つのロータ１３の回転方向が同方向となるように構成されている。
【００２５】
例えば、無人航空機５は、無人航空機５自体に作用する重力と、回転するロータ１３に作用する揚力を含む上向きの力とをバランスさせることによりホバリングし、６つのロータ１３の回転数を増加させて重力よりも上向きの力を大きくすることにより上昇し、ロータ１３の回転数を減少させて重力よりも上向きの力を小さくすることにより下降する。
【００２６】
また、例えば、無人航空機５は、６つのロータ１３の少なくとも一部の回転数を変化させることにより特定の方向に傾斜し、当該傾斜に伴ってロータ１３の回転面が水平に対して傾斜することによって生じる水平方向の推力成分により、当該特定の方向に水平移動する。例えば、無人航空機５は、６つのロータ１３のうち特定の方向側に位置する２つのロータ１３の回転数を、当該特定の方向の反対側に位置する２つのロータ１３の回転数よりも小さくすることにより、当該特定の方向に水平移動することができる。
【００２７】
また、例えば、無人航空機５は、６つのロータ１３のうち特定の方向に回転する３つのロータ１３の回転数を、当該特定の方向の反対方向に回転する３つのロータ１３の回転数よりも小さくすることにより、当該特定の方向に方向転換（水平回転）する。
【００２８】
次に、本実施形態の通信システム１の動作について説明する。上述したように、通信システム１は、リーダー機５Ａ、及び、当該リーダー機５Ａと無線局５０との間の通信を中継する２つの中継機５Ｂ、５Ｃとによって構成されている。中継機５Ｂは、リーダー機５Ａを追随して飛行するように制御され、中継機５Ｃは、中継機５Ｂを追随して飛行するように制御される。つまり、通信システム１における中継機は、先行する１つの無人航空機を追随して飛行するように制御される。なお、通信システム１において用いられる通信プロトコルは、特に限定されないが、例えば、Ｗｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、衛星通信、又はＬＴＥ等が例示される。
【００２９】
先行する無人航空機を追随する飛行は、公知のリーダ・フォロワ制御を適用して実現され得る。例えば、中継機５Ｂ、５Ｃは、先行する無人航空機５（リーダー機５Ａ又は中継機５Ｂ）に対する相対的な位置である目標相対位置を追随するように制御される。目標相対位置は、例えば、先行する無人航空機５の進行方向に対して後方向にＲｐ、及び、横方向にＬｐ離れた位置として設定される。こうした制御方式は、例えば、中澤大輔、鈴木智、酒井悟、及び野波健蔵によって執筆された論文「小型無人ヘリコプタの編隊飛行制御」，日本機械学会論文集（Ｃ編），７４巻７４７号，２００８年１１月、において開示されている。なお、先行する無人航空機を追随する飛行は、撮影部２７を介して撮影される、先行する無人航空機が含まれる画像を解析する手法を用いて行うこともできる。
【００３０】
ここで、通信システム１が、地上からの電波が届かない海上における所定の領域を調査飛行するリーダー機５Ａと地上の無線局５０との間の通信の中継に適用される場合について説明する。図４において、海上の領域ａａが調査飛行の対象領域であり、まず、リーダー機５Ａが、領域ａａに向けて飛行を開始する。リーダー機５Ａは、例えば、予め設定されている飛行計画に従う自動操縦によって飛行する。具体的には、飛行計画に含まれる飛行ルート、及び、位置検出部２６によって検出される自機の現在位置等に基づいて、リーダー機５Ａの飛行の制御が行われる。この段階では、リーダー機５Ａと無線局５０との間の通信は直接に行われる。
【００３１】
次に、中継機５Ｂが飛行を開始する。中継機５Ｂは、先行するリーダー機５Ａに対する目標相対位置を追随するように制御される。具体的には、目標相対位置、及び、位置検出部２６によって検出される自機の現在位置等に基づいて、中継機５Ｂの飛行の制御が行われる。当該目標相対位置は、リーダー機５Ａと中継機５Ｂとの間の距離Ｄａｂ（図５を参照）が標準距離Ａｓｔ以下となるように設定される。当該標準距離Ａｓｔは、通常の状態で無人航空機５間の通信が確実に行える距離として予め設定されている。この段階では、リーダー機５Ａと無線局５０との間の通信は、中継機５Ｂによる中継を介して行われる。
【００３２】
続いて、中継機５Ｃが飛行を開始する。中継機５Ｃは、先行する中継機５Ｂに対する目標相対位置を追随するように制御される。当該目標相対位置は、中継機５Ｂと中継機５Ｃとの間の距離Ｄｂｃ（図６を参照）が標準距離Ａｓｔ以下となるように設定される。この段階において、リーダー機５Ａが調査飛行の対象領域である領域ａａに到達し、当該リーダー機５Ａと無線局５０との間の通信は、中継機５Ｂ及び５Ｃによる中継を介して行われる。このようにして、通信システム１が備える複数の無人航空機５が配置され、リーダー機５Ａと無線局５０との間の通信が確立される。なお、リーダー機５Ａから中継機５Ｂ及び５Ｃに対して、飛行指令を含む何らかの指令を送信することも可能である。
【００３３】
図７は、本実施形態において、中継機５Ｂ及び５Ｃの制御部２０によって繰り返し実行される処理を例示するフローチャートである。当該処理は、リーダー機５Ａが調査飛行の対象領域に到達するよりも前の期間においても実行され得る。図示するように、中継機５Ｂ及び５Ｃの制御部２０は、通信品質測定部２２における測定値（受信信号強度）を取得し、取得した測定値と閾値Ｔ１とを比較する処理を、当該測定値が閾値Ｔ１以上である間、繰り返し実行する（ステップＳ１００、Ｓ１１０）。つまり、中継機５Ｂ及び５Ｃの制御部２０は、通信部２１における受信信号強度が閾値Ｔ１未満となるのを監視する。
【００３４】
そして、通信部２１における測定値が閾値Ｔ１未満となると（ステップＳ１１０においてＹＥＳ）、中継機５Ｂ及び５Ｃの制御部２０は、先行する無人航空機５に近づくように、目標相対位置を調整する（ステップＳ１２０）。具体的には、制御部２０は、先行する無人航空機５との間の距離が、上述した標準距離Ａｓｔよりも小さい安全距離Ａｓｆ以下となるように、目標相対位置を調整する。当該安全距離Ａｓｆは、電波状況が悪い状態であっても無人航空機５間の通信が一定の品質で行える距離として予め設定されている。
【００３５】
図８は、電波状況の悪化に応じて、中継機５Ｂ及び５Ｃの両方が、先行する無人航空機５に近づいた状態を示している。リーダー機５Ａと中継機５Ｂとの間の距離Ｄａｂ’、及び、中継機５Ｂと中継機５Ｃとの間の距離Ｄｂｃ’は、何れも安全距離Ａｓｆ以下となっている。このように、本実施形態における通信システム１においては、電波状況が悪い場合に、中継機５Ｂ及び５Ｃが、先行する無人航空機５との間の距離が安全距離Ａｓｆ以下となるように先行する無人航空機５に近づくから、通信品質の悪化が抑制される。
【００３６】
ここで、中継機５Ｂ及び５Ｃの数は、無線局５０から領域ａａまでの距離、及び、安全距離Ａｓｆに基づいて予め計画される。例えば、無線局５０から領域ａａまでの距離をＬとすると、［Ｌ／Ａｓｆ］（［  ］はガウス記号）の数の中継機を準備することによって、電波状況が悪い場合であっても一定の品質での通信が実現される。なお、電波状況が良好で機体間の距離を縮めることなくリーダー機が対象領域に到達すると、一部の中継機は使用されない場合がある。
【００３７】
また、電波状況が悪く、無人航空機５間の距離か安全距離Ａｓｆ以下となった結果、最後尾の中継機５Ｃと無線局５０との間の距離が安全距離Ａｓｆを超えてしまう場合に、当該最後尾の中継機５Ｃから所定の指令をリーダー機５Ａに送信するようにしても良い。所定の指令を受信したリーダー機５Ａは、例えば、無線局５０との間の距離がこれ以上大きくならないように自機の飛行を制御する。
【００３８】
また、本実施形態における通信システム１は、第１の無線局との間の通信と、第２の無線局との間の通信とを同時に実現するように構成することもできる。図９は、陸地に位置する第１の無線局５０Ａとの間の通信と、離島に位置する第２の無線局５０Ｂとの間の通信とを同時に実現する通信システム１を例示する。図９に例示する無人航空機５の配置は、図４−６を用いて説明した上述の海上の領域ａａにリーダー機５Ａが飛行する場合と同様に、リーダー機５Ａ、中継機５Ｂ、中継機５Ｃの順に飛行を開始することによって実現される。図９における通信システム１は、リーダー機５Ａと第１の無線局５０Ａとの間の通信が、中継機５Ｂ及び５Ｃによって中継され、中継機５Ｃと第２の無線局５０Ｂとの間の通信が、中継機５Ｂ及びリーダー機５Ａによって中継される。このように、無線局の異なる２つの通信経路を確立することにより、通信システム１における通信の冗長性を高めることができる。なお、図９における通信システム１は、図９に例示した状態から、リーダー機５Ａ、中継機５Ｂ、中継機５Ｃの順に、無線局５０Ｂが位置する離島へと着陸するように制御することもできる。この場合、通信システム１は、無人航空機５が、陸地から離陸して図９の状態に至るまでの期間は、陸地側の無線局５０Ａとの間の通信を実行し、図９の状態から離島に着陸するまでの期間は、離島側の無線局５０Ｂとの間の通信を実行するように構成され得る。なお、上述した例では、第１及び第２の無線局が、離陸する陸地側、及び、着陸する離島側に位置しているが、これに限定されない。例えば、図１０に例示するように、無人航空機５が湾や入り江を横断する場合において、第１の無線局５０Ａが離陸する場所に位置する一方、第２の無線局５０Ｂが、飛行経路の途中（例えば、中間地点）に近接する陸地に配置される。図１０の状態では、リーダー機５Ａと無線局５０Ａとの間の通信が、中継機５Ｂ及び５Ｃによって中継され、リーダー機５Ａと無線局５０Ｂとの間の通信が、中継機５Ｂ及び５Ｄによって中継される。その後、リーダー機５Ａが着陸すると、例えば、中継機５Ｃ及び無線局５０Ｂとの間の通信が、中継機５Ｂ及び５Ｄによって中継される。
【００３９】
以上説明した本実施形態の通信システム１は、通信を中継する中継機が、無線通信の品質に関する測定値が所定の閾値未満となった場合に、先行する無人航空機との間の距離が近づくように自機の飛行を制御するから、通信品質の悪化を抑制することができる。
【００４０】
上述した実施形態における通信システム１は、無線局５０及び複数の無人航空機５がライン型（線形）のネットワークトポロジーを有する通信ネットワークを形成するように構成したが、本発明の他の実施形態における通信システムは、ライン型以外のネットワークトポロジーを有する通信ネットワークを形成するように構成することができ、例えば、メッシュ型、又は、ツリー型等のネットワークトポロジーを有する通信ネットワークを形成するように構成することができる。例えば、図１１に示すように、メッシュ型のネットワークトポロジーを有する通信ネットワークを形成することにより、無線局５０とリーダー機５Ａとの間の通信経路が複数確保され、より確実な通信を実現することができる。
【００４１】
本発明の実施形態は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変更が可能である。例えば、上述した実施形態における各部材の形状、数、又は配置等は適宜変更される。例えば、本発明の実施形態における無人航空機が有するロータの数は６つに限定されず、５つ以下又は７つ以上であっても良い。
【符号の説明】
【００４２】
１  通信システム
５  無人航空機
５Ａ  リーダー機
５Ｂ、５Ｃ  中継機
１０  本体部
１２  モータ
１３  ロータ
２０  制御部
２１  通信部
２２  通信品質測定部
２５  各種センサ
２６  位置検出部
２７  撮影部
２８  記憶部
３０  電源
５０  無線局
【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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