(57)【要約】【課題】飛行体の移動速度を低速度でも高精度に計測する。【解決手段】計測装置２０の計算機２３は、ドローン１０が空中で移動しているときに、ＩＭＵ２１の加速度センサより得られた計測値を積分してドローン１０の移動速度を算出する。計算機２３は、ドローン１０が空中で移動しているときに、ＩＭＵ２１の加速度センサの計測誤差の推定値が閾値を超えた場合、ドローン１０を空中で静止させる。計算機２３は、回転数センサ２２より得られた計測値に基づいてＩＭＵ２１の加速度センサの計測誤差を補正した後、ドローン１０の移動を再開させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローターを回転させて飛行する飛行体に搭載して使用される計測装置であって、
前記飛行体の加速度を計測する加速度センサと、
前記ローターの回転数を計測する回転数センサと、
前記飛行体が空中で移動しているときに、前記加速度センサより得られた計測値を積分して前記飛行体の移動速度を算出し、前記飛行体が空中で静止しているときに、前記回転数センサより得られた計測値に基づいて前記加速度センサの計測誤差を補正する計算機と
を備える計測装置。
【請求項２】
衛星からの信号を受信するアンテナをさらに備え、
前記計算機は、前記飛行体が空中で移動しているときに、前記衛星が前記アンテナの可視圏内にあれば、前記衛星からの信号による測位結果に基づいて前記飛行体の移動速度を算出し、前記衛星が前記アンテナの可視圏外にあれば、前記加速度センサより得られた計測値を積分して前記飛行体の移動速度を算出する請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記計算機は、前記飛行体が空中で移動しているときに、前記衛星が前記アンテナの可視圏内にあれば、前記衛星からの信号による測位結果に基づいて前記加速度センサの計測誤差を補正する請求項２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記計算機は、前記加速度センサの計測誤差を推定し、前記飛行体が空中で移動しているときに、前記加速度センサの計測誤差の推定値が閾値を超えた場合、前記飛行体を空中で静止させ、前記加速度センサの計測誤差を補正した後、前記飛行体の移動を再開させる請求項１から３のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記計算機は、前記飛行体が空中で静止しているときに、前記回転数センサより得られた計測値から浮力を算出し、算出した浮力から前記飛行体の垂直方向の加速度を計算し、前記加速度センサより得られた垂直方向の加速度の計測値を前記飛行体の垂直方向の加速度の計算値に補正することで、前記加速度センサの計測誤差を補正する請求項１から４のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項６】
地上にある物体までの距離を計測するレーザセンサをさらに備え、
前記計算機は、算出した移動速度と前記レーザセンサにより計測された距離とから前記物体の３次元座標を算出する請求項１から５のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の計測装置が搭載された飛行体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置および飛行体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ＭＭＳを用いて白線以外の道路上および道路脇の地物の位置を計測する技術が記載されている。「ＭＭＳ」は、Ｍｏｂｉｌｅ  Ｍａｐｐｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍの略語である。
【０００３】
非特許文献１では、ＩＭＵを用いて人間の移動量を計測する際のセンサ誤差軽減方法が提案されている。「ＩＭＵ」は、Ｉｎｅｒｔｉａｌ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｕｎｉｔ（慣性計測装置）の略語である。非特許文献１に記載のセンサ誤差軽減方法では、ＩＭＵを足に取り付け、足が接地しているときの加速度を０とし、足が地面から離れているときの加速度の誤差を補正している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００８／０９９９１５号
【特許文献２】特開２０１１−１８５８９９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】佐川貢一、外２名、「加速度積分による３次元歩行移動量の無拘束計測」、計測自動制御学会東北支部  第２０２回研究集会、２００２年７月２日、資料番号２０２−１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＭＭＳは、現在、主に車に適用されているが、今後、空中からの地上計測のためにドローンへ適用されることが考えられる。
【０００７】
ドローンへのＭＭＳ適用において、ＭＭＳの特徴であるＧＰＳジャイロを用いた高精度な角速度計測は適用可能であるが、移動速度計測に関しては、従来ＭＭＳのように車輪にオドメータを取り付けて速度を算出する手法が適用できない。「ＧＰＳ」は、Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍの略語である。
【０００８】
航空機に一般的に用いられるピトー管による速度計測手法は、低速度での信頼性が低い上に、前後左右の速度を計測するには複数のピトー管を搭載する必要があり、ドローンへの適用は現実的ではない。
【０００９】
本発明は、飛行体の移動速度を低速度でも高精度に計測することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係る計測装置は、
ローターを回転させて飛行する飛行体に搭載して使用される計測装置であって、
前記飛行体の加速度を計測する加速度センサと、
前記ローターの回転数を計測する回転数センサと、
前記飛行体が空中で移動しているときに、前記加速度センサより得られた計測値を積分して前記飛行体の移動速度を算出し、前記飛行体が空中で静止しているときに、前記回転数センサより得られた計測値に基づいて前記加速度センサの計測誤差を補正する計算機とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、飛行体が空中で静止しているときに、ローターの回転数の計測値に基づいて加速度センサの計測誤差が補正される。そのため、飛行体の移動再開後、加速度センサより得られた計測値を積分して飛行体の移動速度を算出する際には、加速度センサの計測誤差が軽減されている。よって、飛行体の移動速度を低速度でも高精度に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係るドローンおよびドローンに搭載して使用される計測装置の構成を示すブロック図。
【図２】実施の形態１に係る計測装置の動作を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。各図中、同一または相当する部分には、同一符号を付している。実施の形態の説明において、同一または相当する部分については、説明を適宜省略または簡略化する。なお、本発明は、以下に説明する実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。例えば、以下に説明する実施の形態は、部分的に実施されても構わない。
【００１４】
実施の形態１．
本実施の形態について、図１および図２を用いて説明する。
【００１５】
＊＊＊構成の説明＊＊＊
図１を参照して、本実施の形態に係るドローン１０およびドローン１０に搭載して使用される計測装置２０の構成を説明する。
【００１６】
ドローン１０は、ローター１１を回転させて飛行する飛行体である。図１ではローター１１を１つしか示していないが、ドローン１０は、ローター１１を２つ以上有していることが望ましい。ドローン１０がローター１１を１つしか有していない場合は、ドローン１０が安定して飛行することを可能にするための補助機構をドローン１０に付加する必要がある。
【００１７】
計測装置２０は、ドローン１０に搭載されている。計測装置２０は、任意の方法でドローン１０に取り付けられていてよいが、本実施の形態ではアタッチメント４０によってドローン１０の下側に固定されている。
【００１８】
計測装置２０は、ＩＭＵ２１と、回転数センサ２２と、計算機２３と、アンテナ２４と、ＧＰＳレシーバ２５と、レーザセンサ２６と、全方位カメラ２７とを備えている。
【００１９】
ＩＭＵ２１は、センサボックス２８に収納されている。図示していないが、ＩＭＵ２１は、ドローン１０の角速度を計測するジャイロと、ドローン１０の加速度を計測する加速度センサとを有している。
【００２０】
回転数センサ２２は、ローター１１の回転数を計測するために、ローター１１と電気的に接続されている。
【００２１】
計算機２３は、センサボックス２８に収納されている。計算機２３は、例えば、ＰＣである。「ＰＣ」は、Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒの略語である。図示していないが、計算機２３は、プログラムを実行して各種処理を行うプロセッサと、プロセッサに読み込まれるプログラムを記憶するメモリとを有している。プロセッサは、例えば、ＣＰＵである。「ＣＰＵ」は、Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔの略語である。メモリは、例えば、フラッシュメモリまたはＲＡＭである。「ＲＡＭ」は、Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙの略語である。
【００２２】
アンテナ２４は、衛星からの測位信号を受信してＧＰＳレシーバ２５に入力するために、ＧＰＳレシーバ２５と電気的に接続されている。図１ではアンテナ２４を２つしか示していないが、アンテナ２４は、実際には３つ設置されている。
【００２３】
ＧＰＳレシーバ２５は、センサボックス２８に収納されている。
【００２４】
レーザセンサ２６は、センサボックス２８の前方に設置されている。
【００２５】
全方位カメラ２７は、一部分がセンサボックス２８に収納され、残りの部分がセンサボックス２８から下方に露出している。
【００２６】
計測装置２０には、さらに、計算機２３と外部機器との無線通信のための無線ＬＡＮアンテナ２９が設けられている。「ＬＡＮ」は、Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋの略語である。なお、計算機２３は、ＩＭＵ２１、回転数センサ２２、ＧＰＳレシーバ２５、レーザセンサ２６および全方位カメラ２７と有線通信を行ってもよいし、無線ＬＡＮアンテナ２９を介して無線通信を行ってもよい。
【００２７】
計測装置２０には、さらに、計測装置２０に電力を供給するバッテリー３０が設けられている。
【００２８】
＊＊＊動作の説明＊＊＊
図１および図２を参照して、本実施の形態に係る計測装置２０の動作を説明する。計測装置２０の動作は、本実施の形態に係る計測方法に相当する。
【００２９】
図１に示すように、無風状態のとき、空中静止状態のドローン１０に加わる力は、重力および浮力のみであり、浮力はローター１１の回転数から算出可能である。
【００３０】
空中静止状態におけるＩＭＵ２１の加速度検出結果から浮力による加速度を減算することにより、空中においても地上静止状態と同様にＩＭＵ２１の加速度計測誤差の補正が可能である。
【００３１】
本実施の形態では、ほぼ定期的に空中で静止し、加速度計測誤差を補正することにより、従来ＭＭＳの構成を一部流用しつつ高精度な速度計測が可能である。
【００３２】
計測装置２０の動作の概要を説明する。
【００３３】
本実施の形態では、ドローン１０へＭＭＳを適用する際、オドメータの代わりにローター１１の回転数を計測する回転数センサ２２を計測装置２０に搭載している。
【００３４】
計測装置２０は、ＩＭＵ２１にて加速度を計測する。
【００３５】
計測装置２０は、衛星可視時はＲＴＫ測位結果よりＩＭＵ誤差を補正し、速度を算出する。「ＲＴＫ」は、Ｒｅａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｋｉｎｅｍａｔｉｃの略語である。ＩＭＵ誤差とは、ＩＭＵ２１の加速度センサの計測誤差のことである。
【００３６】
計測装置２０は、衛星不可視時は加速度誤差予測値が一定以上になる度にドローン１０を空中にて静止させる。計測装置２０は、空中静止状態におけるローター１１の回転数から浮力を算出する。計測装置２０は、ドローン１０が水平方向に移動していないことを確認した後、空中静止状態のドローン１０にて計測した垂直方向の加速度から、浮力による垂直方向のゆらぎを除去することにより、地上静止状態のときと同様にＩＭＵ誤差を補正する。計測装置２０は、ＩＭＵ誤差補正の完了後、ドローン１０の移動を再開させ、速度を算出する。
【００３７】
本実施の形態によれば、ＭＭＳの既存構成の多くを流用でき、高コスト化を防止できる。また、衛星不可視時においても、速度計測精度の劣化を低減できる。
【００３８】
図２を参照して、計測装置２０の動作の詳細を説明する。
【００３９】
ドローン１０が空中での移動を開始すると、あるいは、ドローン１０が空中での移動を開始した後、計測装置２０が外部から指令を受けたり、時刻または位置等に関してあらかじめ設定された条件が満たされたことを検知したりすると、図２の動作が開始される。
【００４０】
ステップＳ１において、計算機２３は、衛星がアンテナ２４の可視圏内にあるかどうかを判定する。衛星がアンテナ２４の可視圏内にあれば、計測装置２０は、ステップＳ２の処理を行う。衛星がアンテナ２４の可視圏外にあれば、計測装置２０は、ステップＳ４の処理を行う。
【００４１】
ステップＳ２において、ＧＰＳレシーバ２５は、アンテナ２４から入力された測位信号によりＲＴＫ測位を行い、測位結果を出力する。計算機２３は、ＧＰＳレシーバ２５から出力された測位結果からＩＭＵ誤差を補正する。すなわち、計算機２３は、衛星からの信号による測位結果に基づいてＩＭＵ誤差を補正する。具体的には、計算機２３は、ＧＰＳレシーバ２５が３つのアンテナ２４にて検知した姿勢角および加速度等からＩＭＵ誤差を補正する。計測装置２０は、続けてステップＳ３の処理を行う。
【００４２】
ステップＳ３において、計算機２３は、ＧＰＳレシーバ２５から出力された測位結果からドローン１０の移動速度を算出する。すなわち、計算機２３は、衛星からの信号による測位結果に基づいてドローン１０の移動速度を算出する。その後、計測装置２０は、再びステップＳ１以降の処理を行う。
【００４３】
ステップＳ４において、計算機２３は、ＩＭＵ誤差を推定する。計算機２３は、ＩＭＵ誤差の推定値が閾値を超えているかどうかを判定する。ＩＭＵ誤差の推定値が閾値を超えていない場合、計測装置２０は、ステップＳ５の処理を行う。ＩＭＵ誤差の推定値が閾値を超えている場合、計測装置２０は、ステップＳ６の処理を行う。なお、ＩＭＵ誤差を推定する方法としては、特許文献２に記載の方法等、従来の方法を用いることができる。
【００４４】
ステップＳ５において、計算機２３は、ＩＭＵ２１の加速度センサより得られた計測値を積分してドローン１０の移動速度を算出する。その後、計測装置２０は、再びステップＳ１以降の処理を行う。なお、ステップＳ５の処理が、衛星可視状態から衛星不可視状態に遷移した直後に行われる場合、計算機２３は、ステップＳ２で誤差補正済のＩＭＵ２１にて検出された加速度から速度を算出することになる。
【００４５】
以上のステップＳ１からステップＳ５の処理は、ドローン１０が空中で移動しているときに行われる。
【００４６】
ステップＳ６において、計算機２３は、ドローン１０を空中で静止させる。計測装置２０は、続けてステップＳ７の処理を行う。
【００４７】
ステップＳ７において、計算機２３は、回転数センサ２２より得られた計測値から浮力を算出する。計測装置２０は、続けてステップＳ８の処理を行う。
【００４８】
ステップＳ８において、計算機２３は、ステップＳ７で算出した浮力からドローン１０の垂直方向の加速度を計算する。計算機２３は、ＩＭＵ２１の加速度センサより得られた垂直方向の加速度の計測値をドローン１０の垂直方向の加速度の計算値に補正することで、ＩＭＵ誤差を補正する。具体的には、計算機２３は、無風状態でドローン１０が静止しているとみなし、ＩＭＵ２１が検出した水平方向の加速度を０に補正する。そして、計算機２３は、ＩＭＵ２１が検出した垂直方向の加速度を次式より求めた値に補正する。
垂直方向の加速度［ｍ／ｓ２］＝（重力［Ｎ］−浮力［Ｎ］）／機体重量［ｋｇ］
ここで、機体重量は、計測装置２０が搭載されているドローン１０全体の重量である。なお、計測装置２０は、風力センサ等により無風状態であるかどうかを確認してから、ステップＳ８の処理を行ってもよい。
【００４９】
以上のステップＳ７およびステップＳ８の処理は、ドローン１０が空中で静止しているときに行われる。計測装置２０は、続けてステップＳ９の処理を行う。
【００５０】
ステップＳ９において、計算機２３は、ドローン１０の移動を再開させる。その後、計測装置２０は、再びステップＳ１以降の処理を行う。
【００５１】
図示していないが、図２の動作と並行して、レーザセンサ２６が地上にある物体までの距離を計測する動作と、全方位カメラ２７が地上の画像を撮影する動作とが行われる。計算機２３は、図２の動作が終了した後、または、図２の動作と並行して、ステップＳ３およびステップＳ５で算出した移動速度とレーザセンサ２６により計測された距離とから地上にある物体の３次元座標を算出する。計算機２３は、さらに、算出した３次元座標の点群を全方位カメラ２７により撮影された画像の上に表示する重畳画像を作成する。この重畳画像は、従来のＭＭＳにおいてレーザ点群とカメラ画像とを重ね合わせて作成される画像と同等のものである。
【００５２】
＊＊＊実施の形態の効果の説明＊＊＊
本実施の形態において、計測装置２０の計算機２３は、ドローン１０が空中で移動しているときに、ＩＭＵ２１の加速度センサより得られた計測値を積分してドローン１０の移動速度を算出する。計算機２３は、ドローン１０が空中で静止しているときに、回転数センサ２２より得られた計測値に基づいてＩＭＵ誤差を補正する。
【００５３】
このように、本実施の形態では、ドローン１０が空中で静止しているときに、ローター１１の回転数の計測値に基づいてＩＭＵ誤差が補正される。そのため、ドローン１０の移動再開後、ＩＭＵ２１の加速度センサより得られた計測値を積分してドローン１０の移動速度を算出する際には、ＩＭＵ誤差が軽減されている。よって、ドローン１０の移動速度を低速度でも高精度に計測することができる。
【００５４】
本実施の形態において、計測装置２０の計算機２３は、ドローン１０が空中で移動しているときに、ＩＭＵ誤差の推定値が閾値を超えた場合、ドローン１０を空中で静止させ、ＩＭＵ誤差を補正した後、ドローン１０の移動を再開させる。そのため、ドローン１０の移動速度の計測精度を一定のレベルに維持することができる。
【００５５】
＊＊＊他の構成＊＊＊
本実施の形態では、計測装置２０がドローン１０に搭載されているが、変形例として、計測装置２０がドローン１０以外の飛行体に搭載されてもよい。この飛行体は、ローターを回転させて飛行するものであれば、任意の飛行体でよい。
【００５６】
本実施の形態では、ドローン１０にＭＭＳを適用することを目的としているが、ＭＭＳのような３次元計測を行う必要がなければ、すなわち、計測装置２０がドローン１０の移動速度を計測するだけでよければ、レーザセンサ２６および全方位カメラ２７は省略可能である。
【００５７】
本実施の形態では、衛星がアンテナ２４の可視圏内にあれば、衛星からの信号による測位結果に基づいてドローン１０の移動速度が算出されるが、変形例として、常に、ＩＭＵ２１の加速度センサより得られた計測値を積分してドローン１０の移動速度が算出されてもよい。すなわち、計測装置２０の計算機２３は、ドローン１０が空中で移動しているときに、常に、ＩＭＵ２１の加速度センサより得られた計測値を積分してドローン１０の移動速度を算出してもよい。この変形例では、アンテナ２４およびＧＰＳレシーバ２５は省略可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１０  ドローン、１１  ローター、２０  計測装置、２１  ＩＭＵ、２２  回転数センサ、２３  計算機、２４  アンテナ、２５  ＧＰＳレシーバ、２６  レーザセンサ、２７  全方位カメラ、２８  センサボックス、２９  無線ＬＡＮアンテナ、３０  バッテリー、４０  アタッチメント。
【図１】
2018179579.tif 000003
【図２】
2018179579.tif 000004