(57)【要約】      （修正有）【課題】ドローン等の飛行物体の３次元位置を、地上から直接、高精度に位置決め制御することを可能とするための方法および装置を提供する。【解決手段】地上にパン角とチルト角の制御が可能な２軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータを設置してその上にレーザ距離計測器を搭載し、レーザ光を飛行物体に照射した際のパン角、チルト角、飛行物体までの距離を同時に計測することで、前記パンチルトアクチュエータによってレーザ光の照射方向を移動させつつ、前記飛行物体内蔵の移動手段を用いてレーザ光のスポット位置が前記レシーバ装置の中心に位置する状態を保持させながら、飛行物体を誘導目標３次元位置座標に誘導する。【選択図】図１
2018013337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータと、該パンチルトアクチュエータ上に搭載されて飛行物体との相対距離を測定するレーザ距離計測器と、前記飛行物体の下部に取り付けられた、前記レーザ距離計測器から照射されたレーザ光のスポット位置が測定可能なレシーバ装置と、前記パンチルトアクチュエータのパン角とチルト角と、前記レーザ距離計測器での測定値から、前記パンチルトアクチュエータの設置位置を基準として前記飛行物体の３次元位置座標値を求める飛行物体３次元位置演算部と、該飛行物体３次元位置演算部で得られた前記飛行物体の３次元座標値と別途設定された飛行物体の誘導目標３次元位置座標値とから前記飛行物体の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として算出する飛行物体移動量演算部と、該飛行物体移動量演算部での演算結果を受けて、前記鉛直線方向移動量を飛行物体内蔵の飛行物体操作部に送出すると同時に前記パンチルトアクチュエータのパン角およびチルト角を制御する制御部からなることを特徴とする、飛行物体の誘導位置決め制御装置。
【請求項２】
前記レシーバ装置は、前記レーザ距離計測器から照射されたレーザ光のスポットを投影するためのスクリーンと、該スクリーンの後方に設置されて該スクリーン上の前記レーザ光のスポット位置を撮像するカメラとで構成されることを特徴とする、請求項１記載の飛行物体の誘導位置決め制御装置。
【請求項３】
前記パンチルトアクチュエータ上に、前記レーザ距離計測器と並行に、ズーミング可能な飛行物体撮像用カメラを設置したことを特徴とする、請求項１記載の飛行物体の誘導位置決め制御装置
【請求項４】
地上の所定位置に２軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータと、該パンチルトアクチュエータ上に搭載されたレーザ距離計測器を設置し、前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角を制御して空中に停止した飛行物体の下部に搭載したレシーバ装置に前記レーザ距離計測器からレーザ光を照射して該レーザ距離計測器での測定値とその時の前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角とから、前記パンチルトアクチュエータの設置位置を基準として前記飛行物体の３次元位置座標値を求め、該３次元位置座標値と予め設定されている前記飛行物体の誘導目標３次元位置座標値とから前記飛行物体の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として算出して前記パンチルトアクチュエータのパン角およびチルト角を操作し、同時に、前記鉛直線方向移動量を飛行物体内蔵の飛行物体操作部に送出して、前記鉛直線方向移動量だけ前記飛行物体を移動させることを特徴とする、飛行物体の誘導位置決め制御方法。
【請求項５】
前記レーザ光を前記レシーバ装置に照射した状態で、前記レシーバ装置に照射されたレーザ光のスポット位置が前記スクリーンの中心部に位置するように前記飛行物体内蔵の飛行物体操作部によって前記飛行物体の水平面内２自由度の移動量をフィードバック制御すると同時に、飛行物体移動量演算部が指示する鉛直線方向移動量をフィードバック制御することを特徴とする、請求項４に記載の飛行物体の誘導位置決め制御方法。
【請求項６】
前記制御部は、前記レシーバ装置からの前記レーザ光のスポットが前記レシーバ装置のスクリーン上に存在するか否かの信号を受けて、レーザ光のスポットがスクリーン上に存在する場合は飛行物体の誘導位置決め制御を継続し、レーザ光のスポットがスクリーン上に存在しないときは飛行物体の誘導位置決め制御を停止してその場に留まるよう制御することを特徴とする、請求項４に記載の飛行物体の誘導位置決め制御方法。
【請求項７】
前記パンチルトアクチュエータ上に搭載した前記飛行物体撮像用カメラで撮像した前記飛行物体の画面内位置情報から、前記飛行物体が前記飛行物体撮像用カメラの画面中央位置となるように前記パンチルトアクチュエータのパン角とチルト角を制御することを特徴とする、請求項４に記載の飛行物体の誘導位置決め制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飛行物体の誘導位置決め装置および方法に関し、より詳細には、地上に設置したパン角、チルト角の制御が可能なパンチルトアクチュエータ上に搭載したレーザ距離計測器によって飛行物体までの距離を測定し、その時のパン角とチルト角とから、パンチルトアクチュエータの設置位置を基準として飛行物体の現在の３次元位置座標値を求め、別途設定された飛行物体の誘導目標３次元位置座標値と現在位置とから飛行物体の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として求め、パンチルトアクチュエータのパン角およびチルト角を操作し、同時に、飛行物体の鉛直線方向移動量を飛行物体内蔵の飛行物体操作部に送出して、レーザ距離計測器から飛行物体に照射されるレーザ光の照射方向を移動させながら、このレーザ光を飛行物体に追尾させることで飛行物体を所定の３次元位置に誘導位置決めするための装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ドローン等の飛行物体の３次元位置を地上から正確に制御するためには、まず、物体代表点の３次元空間座標を正確に計測する必要がある。従来の３次元位置計測法としてＧＰＳが幅広く利用されているが、計測精度は高々数メートル程度であり、高精度な位置決め装置には適用できない。
【０００３】
飛行物体の３次元位置を高精度に測定することを目的とした従来技術として、飛行物体を画像追尾してその方向角を計測すると共に、飛行物体までの距離をレーザ距離計測器で計測することにより飛行物体の３次元位置を計測する装置に関する報告があるが、飛行物体の３次元位置を誘導制御するための機能は備えていない。（特許文献１）
【０００４】
飛行物体の誘導位置決め装置に関する従来技術として、加速度センサとＧＰＳを用いた複合航法システムを搭載した小型無人ヘリコプタの誘導制御装置に関する報告があるが、その３次元位置決め精度は数メートル程度にとどまっている。（非特許文献１）
【０００５】
他に、飛行物体にカメラを搭載し、搭載したカメラから得られる視覚情報を基に飛行物体の３次元位置決めをする誘導制御装置に関する報告があるが、その３次元位置決め精度も数メートル程度にとどまっている。（非特許文献２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１３２９３５
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】鈴木智, 中澤大輔, 田原誠, 野波健蔵, “安価ＧＰＳを用いた小型電動ヘリコプタの誘導制御”, 第11回「運動と振動の制御」シンポジウム講演論文集，pp.175-180 (2009)
【非特許文献２】飯村健, 大竹博, 田中一男, 跡治保尭, “搭載カメラのみを用いた屋内用小型ヘリコプタの自己位置・姿勢推定と飛行制御”, ロボティクス・メカトロニクス講演会講演概要集 2009 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、従来法における「高精度な３次元位置決めが困難」という課題を解決し、地上からの誘導制御によって、飛行物体の３次元位置を高精度に制御することができる装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
係る目的を達成するため、本発明の飛行物体の誘導位置決め装置は、
２軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータと、該パンチルトアクチュエータ上に搭載されて飛行物体との相対距離を測定するレーザ距離計測器と、前記飛行物体の下部に取り付けられた、前記レーザ距離計測器から照射されたレーザ光のスポット位置が測定可能なレシーバ装置と、前記パンチルトアクチュエータのパン角とチルト角と、前記レーザ距離計測器での測定値から、前記パンチルトアクチュエータの設置位置を基準として前記飛行物体の３次元位置座標値を求める飛行物体３次元位置演算部と、該飛行物体３次元位置演算部で得られた前記飛行物体の３次元座標値と別途設定された飛行物体の誘導目標３次元位置座標値とから前記飛行物体の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として算出する飛行物体移動量演算部と、該飛行物体移動量演算部での演算結果を受けて、前記鉛直線方向移動量を飛行物体内蔵の飛行物体操作部に送出すると同時に前記パンチルトアクチュエータのパン角およびチルト角を制御する制御部からなることを特徴とする。
【００１０】
また、前記レシーバ装置は、前期レーザ距離計測器から照射されたレーザ光のスポットを投影するためのスクリーンと、該スクリーンの後方に設置されて該スクリーン上の前記レーザ光のスポット位置を撮像するカメラとで構成されることを特徴とする。
【００１１】
さらに、前記パンチルトアクチュエータ上に、前記レーザ距離計測器と並行に、ズーミング可能な飛行物体撮像用カメラを設置したことを特徴とする。
【００１２】
係る目的を達成するため、本発明の飛行物体の誘導位置決め方法は、
地上の所定位置に２軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータと、該パンチルトアクチュエータ上に搭載されたレーザ距離計測器を設置し、前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角を制御して空中に停止した前記飛行物体の下部に搭載したレシーバ装置に前記レーザ距離計測器からレーザ光を照射して、飛行物体３次元位置演算部で、前記レーザ距離計測器での測定値とその時の前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角とから、前記パンチルトアクチュエータの設置位置を基準として前記飛行物体の３次元位置座標値を求め、飛行物体移動量演算部で、前記３次元位置座標値と予め設定されている前記飛行物体の誘導目標３次元位置座標値とから前記飛行物体の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として算出し、制御部によって前記パンチルトアクチュエータのパン角およびチルト角を操作し、同時に、前記飛行物体の鉛直線方向の移動量を前記飛行物体に内蔵された飛行物体操作部に送出して、前記移動量だけ前記飛行物体を移動させることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の飛行物体の誘導位置決め方法は、前記レーザ光を前記レシーバ装置に照射した状態で、前記レシーバ装置に照射されたレーザ光のスポット位置が前記レシーバ装置のスクリーンの中心部に位置するように前記飛行物体操作部によって前記飛行物体を水平面内でフィードバック制御すると同時に、前記飛行物体内蔵の飛行物体操作部によって前記飛行物体移動量演算部が指示する鉛直線方向移動量だけ移動させることを特徴とする。
【００１４】
また、前記制御部は、前記レシーバ装置からの前記レーザ光のスポットが前記レシーバ装置のスクリーン上に存在するか否かの信号を受けて、スクリーン上に存在する場合は前記飛行物体の誘導位置決め制御を継続し、レーザ光のスポットがスクリーン上に存在しないときは前記飛行物体の誘導位置決め制御を停止して前記飛行物体がその場に留まるよう制御することを特徴とする。
【００１５】
また、前記制御部は、前記パンチルトアクチュエータ上に搭載した前記飛行物体撮像用カメラで撮像した前記飛行物体の画面内位置情報から、前記飛行物体が前記飛行物体撮像用カメラの画面中央位置となるように前記パンチルトアクチュエータのパン角とチルト角を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の飛行物体の誘導位置決め装置および方法によれば、
地上に２軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータと、該パンチルトアクチュエータ上に搭載されたレーザ距離計測器を設置し、前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角を制御して空中に停止した飛行物体の下部に搭載したレシーバ装置に前記レーザ距離計測器からレーザ光を照射して該レーザ距離計測器での測定値とその時の前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角とから、前記パンチルトアクチュエータの設置位置を基準として前記飛行物体の３次元位置座標値を求め、前記飛行物体の現在の３次元位置座標値と予め設定されている飛行物体の誘導目標３次元位置座標値とから前記飛行物体の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として算出して前記パンチルトアクチュエータのパン角およびチルト角を操作しながら、前記レシーバ装置に照射されたレーザ光のスポット位置が該レシーバ装置のスクリーン上の中心部に位置するように前記飛行物体に内蔵された飛行物体操作部によって前記飛行物体を水平面内でフィードバック制御すると同時に、前記鉛直線方向移動量だけ前記飛行物体を鉛直線方向に移動させることができるため、飛行物体の高精度な３次元誘導位置決め制御が可能になる。
【００１７】
また、前記制御部が、前記レシーバ装置からの、前記レーザ距離計測器から飛行物体に照射されたレーザ光のスポットが該飛行物体の下部に取り付けられたレシーバ装置のスクリーン上に存在するか否かの信号を受けて、スクリーン上に存在する場合は飛行物体の誘導位置決め制御を継続し、レーザ光のスポットがスクリーン上に存在しないときは飛行物体の誘導位置決め制御を停止して飛行物体がその場に留まるよう制御することで、前記レーザ距離計測器が飛行物体を見失ったときも、システムが暴走することなく、飛行物体の誘導位置決め制御装置の安定した動作が可能となる。
【００１８】
また、前記パンチルトアクチュエータ上に搭載した前記飛行物体撮像用カメラで撮像した前記飛行物体の画面内位置情報から、前記飛行物体が前記飛行物体撮像用カメラの画面中央位置となるように前記パンチルトアクチュエータのパン角とチルト角を制御することで、前記レーザ距離計測器が飛行物体を見失ったときもその復旧が容易になり、飛行物体の誘導位置決め制御装置の簡便な操作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
「図１」本発明の飛行物体の誘導位置決め制御装置の装置構成とその座標系を示す図である。
「図２」本発明の一実施形態にかかるレーザ光のレシーバ装置の構成とその座標系を示す図である。
「図３」本発明の一実施形態にかかるシステム構成を示す構成図である。
「図４」本発明の一実施形態にかかる操作・測定・データ処理手順の概要を示す図である。
「図５」本発明の一実施形態にかかるレーザ光による飛行物体の誘導制御系の構成を示すブロック図である。
「図６」本発明の一実施形態にかかる、飛行物体撮像用カメラでの飛行物体の探索に係る制御系の構成を示すブロック図である。
「図７」本発明の原理的妥当性を確認するための地上実験の装置構成を示す図である。
「図８（a）」レーザ距離計測器からレシーバ装置に照射されたレーザ光スポットの撮像画面である。
「図８（b）」レーザ距離計測器からレシーバ装置に照射されたレーザ光スポットの撮像画面を２値化処理した画像である。
「図９（a）」地上実験でのパンチルトアクチュエータのパン角の時系列データを示す図である。
「図９（b）」地上実験でのパンチルトアクチュエータのチルト角の時系列データを示す図である。
「図９（c）」地上実験でのレーザ距離計測器の時系列データを示す図である。
「図１０（a）」図９（a）、図９（b）、図９（c）とから計算される、スクリーン上でのレーザ光のスポット位置のX座標を示す図である。
「図１０（b）」図９（a）、図９（b）、図９（c）とから計算される、スクリーン上でのレーザ光のスポット位置のY座標を示す図である。
「図１１」レーザ光に追従して移動した平面移動ロボットの車輪回転数から計算される自己位置推定値
2018013337.tif 000003
の時系列データを示す図である。
「図１２」図１１のデータをXY平面にプロットした、平面移動ロボットの移動軌跡を示す図である。
「図１３」レシーバ装置のスクリーン上でのレーザスポット位置の時系列データを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。各図において、同一の構成要素は同一番号をつけて示し、簡略化のためその説明を省略することがある。
【００２１】
図１は本発明の飛行物体の誘導位置決め制御装置の装置構成を示す図であり、図２は飛行物体の下部に取り付けられたレーザ光のレシーバ装置の構成とその座標系を示す図である。
図１において、１は位置制御の対象となるホバリング動作が可能な飛行物体であり、座標系
2018013337.tif 000004
は飛行物体に固定された座標系である。
２は地上に設置されたパン角、チルト角の２軸自由度を持ったパンチルトアクチュエータであり、パンチルトアクチュエータ２上には飛行物体１との距離を測定するレーザ距離計測器３とズーミング可能な飛行物体撮像用カメラ４が搭載されている。パンチルトアクチュエータ２は、水平面を基準面とし、パンチルト回転位置を中心点とする球面極座標系
2018013337.tif 000005
を有している。
図２において、５は飛行物体１の下部に搭載され、レーザ距離計測器３から飛行物体１に向けて照射されたレーザ光のスポット位置を検出するためのレシーバ装置であり、レシーバ装置５は、レーザ光が照射される半透明のスクリーン６とスクリーン６上のレーザ光のスポット位置を撮影するためのカメラ７とで構成されている。
レシーバ装置５の座標系は前記飛行物体の座標系と一致している。
【００２２】
図３は本発明の一実施形態にかかるシステム構成を示す図である。以下の説明の中で、飛行物体下部に搭載されたレシーバ装置にレーザ光のスポットが照射されている状態を「トラッキングモード」といい、レーザ光のスポットがレシーバ装置から逸脱した状態を「ロストモード」といい、レーザ光のスポットをレシーバ装置に戻す操作状態を「シーキングモード」という。
図３において、８は、トラッキングモードにおいてパンチルトアクチュエータ２のパン角
2018013337.tif 000006
、チルト角
2018013337.tif 000007
と、レーザ距離計測器３での測定値
2018013337.tif 000008
とから、飛行物体１の現在位置を求める飛行物体３次元位置演算部であり、９は飛行物体移動量演算部であり、前記飛行物体３次元位置演算部で求めた飛行物体１の現在の３次元位置座標値と予め設定されている前記飛行物体１の誘導目標３次元位置座標値とから前記飛行物体１の現在位置からの移動量を前記パンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、および、前記飛行物体の鉛直線方向移動量として算出して制御部１０に出力する。制御部１０は前記飛行物体移動量演算部９からの前記移動量を受けて、パンチルトアクチュエータ２のパン角及びチルト角を操作し、同時に、前記鉛直線方向移動量を前記飛行物体１に内蔵された飛行物体操作部に送出して、前記鉛直線方向移動量だけ前記飛行物体１を移動させる。
なお、制御部によるパン角およびチルト角の操作速度、鉛直線方向移動量の送出方法は、飛行物体１に内蔵された飛行物体操作部の応答性を考慮して決定する必要があることはもちろんである。
制御部１０はまた、前記飛行物体１の下部に搭載されたレシーバ装置５からのレーザ光の逸脱の有無に関する信号（以下、レーザビームキャプチャフラグと表記することがある。）を受けて、トラッキングモードとロストモードを弁別し、本発明の飛行物体の誘導位置決め装置の全体動作を制御する。
図３では飛行物体３次元位置演算部８、飛行物体移動量演算部９、制御部１０を別々の要素として記したが、これらを一つの演算処理装置内で構成することはもちろん可能である。
【００２３】
上記の説明から、パンチルトアクチュエータ２とレーザ距離計測器３によって測定された飛行物体１の現在位置は球面極座標
2018013337.tif 000009
の形で得られる。予め設定されている前記飛行物体の誘導目標３次元位置座標値が球面極座標系で与えられている場合は対応する座標パラメータの差分として、パンチルトアクチュエータ２のパン角及びチルト角の操作量、前記飛行物体１の鉛直線方向移動量を求めることができるが、誘導目標３次元位置座標値がＸＹＺ直交座標系で与えられている場合は、よく知られた以下の変換式を用いることで、本発明の飛行物体の誘導位置決め装置および方法は、球面極座標系
2018013337.tif 000010
、ＸＹＺ直交座標系
2018013337.tif 000011
のいずれにも対応することができる。
2018013337.tif 000012
2018013337.tif 000013
【００２４】
図２に示したレシーバ装置５では、カメラ７で撮像した画像を適当な閾値によって輝度の高い領域を白、低い領域を黒と２値化処理し、白領域、即ちレーザスポット部分の重心計算処理を施すことによりレーザスポット位置
2018013337.tif 000014
を求めることができる。
【００２５】
同様の方法で、パンチルトアクチュエータ２上に搭載した飛行物体撮像用カメラ４で撮像した画像を適当な閾値によって輝度の高い領域を白、低い領域を黒と２値化処理することによって飛行物体１の本体部分のみが白く変換され、その白領域の重心計算処理を施すことにより飛行物体１の本体位置
2018013337.tif 000015
を求めることができる。
【００２６】
図４を用いて、本発明での操作・測定・データ処理手順の概要を説明する。
ステップ１：
誘導制御の対象となる飛行物体１を、飛行物体１に内蔵された移動手段を用いて、任意の３次元空間位置（もちろん、誘導目標３次元位置座標値近傍が望ましい）に移動させ、ホバリング状態にする。この時はまだロストモードである。
ステップ２：
シーキングモードによって、パンチルトアクチュエータ２に搭載されたズーミング可能な飛行物体撮像用カメラ４を用いて（あるいは、目視等によって）、レーザ距離計測器３からのレーザ光がレシーバ装置５に照射されるように操作し、トラッキングモードにする。
ステップ３：
飛行物体３次元位置演算部８で、トラッキングモードになった時の、パンチルトアクチュエータ２のパン角、チルト角、レーザ距離計測器３の測定値として、飛行物体１の現在３次元位置
2018013337.tif 000016
を測定する。
ステップ４：
飛行物体移動量演算部９で、飛行物体３次元位置演算部８で測定された前記飛行物体１の現在の３次元位置座標値と予め設定されている飛行物体の誘導目標３次元位置座標値とから、パンチルトアクチュエータ２のパン角及びチルト角設定値
2018013337.tif 000017
と前記飛行物体１の鉛直線方向移動量誤差
2018013337.tif 000018
を求める。
ステップ５：
ステップ４で求められたパン角およびチルト角によってパンチルトアクチエータ２を操作しながら、レシーバ装置５に照射されたレーザ光のスポット位置がレシーバ装置５のスクリーン上の中心部に位置するように前記飛行物体１に内蔵された飛行物体操作部によって前記飛行物体１を水平面内でフィードバック制御すると同時に、鉛直線方向移動量だけ前記飛行物体１を鉛直方向に移動させる。
ステップ６：
ステップ５の操作による飛行物体１の移動後の３次元座標位置を、パンチルトアクチュエータ２のパン角、チルト角、レーサ距離計測器３での測定値として確認する。
ステップ７：
飛行物体１が所定の誤差範囲内で誘導目標３次元位置に誘導されたか否かを判定し、誘導完了の場合は、その状態を保持して飛行物体１を目標３次元空間位置にフィックスする。
飛行物体１を目標３次元空間位置にフィックスする方法としては、例えば、パン角、チルト角設定値
2018013337.tif 000019
を固定し、鉛直線方向移動量誤差
2018013337.tif 000020
をゼロとする方法が可能である。
実際には、ステップ５、ステップ６は、後述する制御方式によって同時並行的に実施され、飛行物体１は誘導目標３次元位置に誘導される。
また、誘導位置決め制御中に何らかの原因でロストモードになった場合は、ステップ２に戻ってシーキングモードから再実施する。
【００２７】
図５及び図６を用いて、制御方法の詳細を説明する。
制御の目的は、パンチルトアクチュエータ２から見た飛行物体１の３Ｄ現在値
2018013337.tif 000021
を、目標位置
2018013337.tif 000022
に追従させることである。前提として、飛行物体１はホバリング可能、すなわち位置と姿勢は飛行物体１のローカルな位置姿勢制御系により安定化され、飛行物体１のパンチルトアクチュエータ２から見たＸＹＺ方向の位置制御が可能であるとする。このローカルな制御系の操作量が
2018013337.tif 000023
である。またここでは説明の簡略化のため、飛行物体１の姿勢はパンチルトアクチュエータ２の座標系からみて変化が無い、すなわち以下を満たしていることを前提とする。
2018013337.tif 000024
ただし、パンチルトアクチュエータから見た飛行物体１の位置と姿勢を表す同次変換行列は
2018013337.tif 000025
である。
この時、パンチルトアクチュエータ２に内蔵されたエンコーダより
2018013337.tif 000026
が得られ、レーザ距離計測器３によりレーザビーム長
2018013337.tif 000027
が得られるので、
2018013337.tif 000028
と算出される。
一方、飛行物体１の筐体下部には、スクリーン６とカメラ７から構成されるレーザ光のレシーバ装置５が設置され、スクリーン６上のレーザ光スポットを背面からカメラ７で撮像し、画像処理によりその２次元座標値
2018013337.tif 000029
を測定する。ただし、この座標系原点は前記スクリーン６の中心に位置する。
この
2018013337.tif 000030
が常に０となるように、
2018013337.tif 000031
を操作量とするＸＹ方向変位に関するＰＩＤフィードバック制御が構成される。
このようなローカル制御系の存在を前提として、パンチルトアクチュエータ２では、
2018013337.tif 000032
が以下のように球面極座標系に座標変換される。
2018013337.tif 000033
これを目標値として、パンチルト角度
2018013337.tif 000034
，
2018013337.tif 000035
が制御される。一方、Ｚ方向目標値
2018013337.tif 000036
と現在値
2018013337.tif 000037
との誤差
2018013337.tif 000038
に対して、ＰＩＤ補償を施したのち
2018013337.tif 000039
にフィードバックされる。この差分信号誤差
2018013337.tif 000040
は、制御部１０から飛行物体１に内蔵された飛行物体操作部へ無線通信により伝送される。以上のＸＹＺ位置制御系により、飛行物体１は直交座標目標位置
2018013337.tif 000041
に追従する。
【００２８】
以下、トラッキングモード、ロストモード、シーキングモードでの各部の動作について説明する。
まず、レシーバ装置５がレーザ光のスポット位置を計測可能な状態（即ち、トラッキングモード）では、レーザビームキャプチャフラグをON、計測不能な状態（即ち、ロストモード）ではOFFとし、そのフラグ信号を制御部１０へ常に伝送しておく。そして、レーザビームキャプチャフラグがONの時は、指定するパン角
2018013337.tif 000042
、チルト角
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に追従するようにパンチルトアクチュエータ２の制御系は働く。一方、OFFの時には、図６に示すようなシーキングモードへ移行し、例えば、パンチルトアクチュエータ２上に、レーザ距離計測器３と平行に設置された飛行物体撮像用カメラ４及びその処理装置により、以下のような処理が行われる。
飛行物体１側: 
強制的に
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とすることにより、その時点で飛行物体１をホバリング状態とする。
制御部１０およびパンチルトアクチュエータ２側:
飛行物体撮像用カメラ４により,飛行物体１の2次元位置を計測し、カメラ画像中心からの位置誤差が０となるように、制御部１０によって、パン角・チルト角をフィードバック制御する。すなわち、図６における位置誤差
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をそれぞれ,
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なるPID補償を施し、それぞれ
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として与える。こうすることで、飛行物体１を画面中央に捉えることができ、その状態でレーザ光はスクリーン６中央にスポットされるので、トラッキングモードへ復帰する。
【００２９】
なお、飛行物体撮像用カメラ４のズーム調整器は以下のような働きをする。
即ち、トラッキングモードでは、飛行物体１の全体像が明瞭にキャプチャされるように、レーザ距離計測器３で計測される測定値
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に基づきカメラズームインを行う。また、シーキングモードでは、直近の
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に基づきカメラズームイン状態を継続する
【実施例】
【００３０】
以下、図を用いて、本発明の飛行物体の誘導位置決め装置および方法の原理的妥当性を確認するため、飛行物体に代えて平面移動ロボットを用いた地上での誘導実験とその結果について説明する。
図７は実験装置の概要を示す図であり、レシーバ装置５は平面移動ロボット１１上に搭載されており、レーザ距離計測器３からのレーザ光が投射される。
平面移動ロボット１１は、レシーバ装置５のカメラ７から出力されたデータに基づいて、レーザ光のスポット位置がレシーバ装置５のスクリーン６の中心部に来るように、自らＸＹ２軸方向に移動する機能を有している。
なお、図３に示した飛行物体３次元位置演算部８、飛行物体移動量演算部９、制御部１０は、図７中には記載しない制御用ＰＣ内で構成した。
なお、実験に用いた各機器は以下のとおりである。
制御用ＰＣ：KOUZIRO、FRONTIERDT
パンチルトアクチュエータ：TRACLabs、BiclopsPT
レーザ距離計測器：村上技研産業、LDS-7A
レシーバ装置用カメラ：エレコム、UCAM-DLA200H
レシーバ装置用スクリーン：エイピーピー・ジャパン、ATK901
平面移動ロボット：ADEPT MOBILEROBOTS、Pioneer3-DX
図８（a）は実験においてレーザ距離計測器３からレシーバ装置５に照射されたレーザ光スポットの撮像画面であり、図８（b）はそれを２値化処理した画像である。
パンチルトアクチュエータ２のパン角とチルト角をそれぞれ制御用PCのマウスのXY方向移動に対応させ、マウスを手動操作してパンチルトアクチュエータ２を駆動させた場合の、パン角,チルト角
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の時系列データを、それぞれ、図９（a）、図９（b）に示し、この時のーザ距離計測器３での測定値
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を図９（c）に示す。図９の
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と
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から計算されるレーザスポットのXY座標値
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を、それぞれ図１０（a）、図１０（b）に示す。レーザ光に追従して移動した平面移動ロボット１１の車輪回転数から計算される自己位置推定値
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の時系列データを図１１に示し、図１１のデータをXY平面にプロットした移動軌跡を図１２に、レーザスクリーン座標上でのレーザスポット位置
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の時系列データを図１３に示す。以上の時系列データより、
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のの各要素の最大値はそれぞれ35mm, 20mm程度であり、定常状態の約25秒以降は両者ほぼ０となっており、平面移動ロボット１１上に設置されたレシーバ装置の中心が、手動で操作されたレーザ光のスポット位置に追従したことが確認できる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明によれば、ＧＰＳ電波の届かない場所等においても、ドローン等の飛行物体を高精度に誘導位置決め制御することができ、ドローン等の飛行物体を構造物、建造物等の検査装置として使用する際の有用な装置、方法となる。
【符号の説明】
【００３２】
１  飛行物体
２  パンチルトアクチュエータ
３  レーザ距離計測器
４  飛行物体撮像用カメラ
５  レシーバ装置
６  スクリーン
７  カメラ
８  飛行物体３次元位置演算部
９  飛行物体移動量演算部
１０  制御部
１１  平面移動ロボット
【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１３】
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