(57)【要約】【課題】移動体の位置測定精度を向上させ、位置制御精度を向上させることができる移動体の位置制御システムを提供する。【解決手段】複数の発光体１７，１８，１９，２０を備える移動体２と地上に設置された地上体とを備え、地上体は、複数の発光体１７，１８，１９，２０を撮像する受光部２１と、受光部２１で撮像した二次元の撮像画像上の複数の発光体の二次元座標を求め、求めた複数の発光体の二次元座標に基づいて移動体２の三次元座標を求める処理部２２と、処理部２２で求めた三次元座標が予め設定された目標の三次元座標に一致するように移動体２を移動制御する制御部２３と、を備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠隔操縦可能又は自動操縦可能で、かつ、異なる波長の光を発する複数の発光体を備える移動体と地上に設置された地上体とを備え、該地上体は、前記複数の発光体を撮像する受光部と、該受光部で撮像した二次元の撮像画像上の複数の発光体の二次元座標を求め、該求めた複数の発光体の二次元座標に基づいて前記移動体の三次元座標を求める処理部と、該処理部で求めた三次元座標が予め設定された目標の三次元座標に一致するように前記移動体を移動制御する制御部と、を備えていることを特徴とする移動体の位置制御システム。
【請求項２】
前記移動体が飛行体である請求項１に記載の移動体の位置制御システム。
【請求項３】
前記複数の発光体が、多角形状を構成する複数の辺に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の移動体の位置制御システム。
【請求項４】
前記移動体が、流体を噴射する流体噴射ノズルを備えていることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の移動体の位置制御システム。
【請求項５】
前記流体噴射ノズルから噴射される流体によって前記移動体が受ける反力を検出する検出手段を該移動体に備え、前記検出手段からの検出結果に基づいて前記移動体の移動を制御する移動制御手段を備えていることを特徴とする請求項４に記載の移動体の位置制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体の位置を制御する移動体の位置制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年において、移動体として無人航空機（ＵＡＶ、又はドローンとも呼ばれる）を飛ばして、航空写真の撮影や人が踏み込むことが危険な場所での各種作業を行わせている。その際に、無人航空機の位置（三次元座標）を測定して無人航空機の飛行を制御したい場合がある。そこで、無人航空機に再帰反射体を備え、再帰反射体に光を照射し、再帰反射体から反射してきた光を測定して無人航空機の位置を検出する測量機と、測量機からの測定結果に基づいて無人航空機の飛行を制御する地上基地と、を備えているシステムが存在する（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５８８２９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記システムでは、測量機から照射した光が再帰反射体に届くまでの往路の距離に応じて減衰するとともに、再帰反射体に反射した光が測量機に届くまでの復路の距離に応じて減衰する。このため、往路と復路の２倍の距離で光が減衰することになる。よって、測量機で検出した無人航空機（移動体）の位置精度を向上させることができないという不都合があった。
【０００５】
本発明は前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、移動体の位置測定精度を向上させ、位置制御精度を向上させることができる移動体の位置制御システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の移動体の位置制御システムは、遠隔操縦可能又は自動操縦可能で、かつ、異なる波長の光を発する複数の発光体を備える移動体と地上に設置された地上体とを備え、該地上体は、前記複数の発光体を撮像する受光部と、該受光部で撮像した二次元の撮像画像上の複数の発光体の二次元座標を求め、該求めた複数の発光体の二次元座標に基づいて前記移動体の三次元座標を求める処理部と、該処理部で求めた三次元座標が予め設定された目標の三次元座標に一致するように前記移動体を移動制御する制御部と、を備えていることを特徴としている。
【０００７】
本発明によれば、受光部は、移動体に備える複数の発光体を撮像する。処理部は、撮像した二次元の撮像画像上の複数の発光体の二次元座標を求め、その求めた複数の発光体の二次元座標に基づいて移動体の三次元座標を求める。制御部は、処理部で求めた三次元座標が予め設定された目標の三次元座標に一致するように移動体を移動制御する。前記のように、複数の発光体から照射された光が受光部まで届くまでの距離に応じて減衰するので、往路と復路の２倍の距離で光が減衰するものに比べて、減衰量を飛躍的に抑えることができ、その分移動体の位置精度を向上させることができる。
【０００８】
又、本発明の移動体の位置制御システムは、前記移動体が飛行体であってもよい。
【０００９】
上記のように、移動体が三次元的に移動する飛行体であっても、三次元座標に基づいて飛行体の移動を精度よく制御することができる。
【００１０】
又、本発明の移動体の位置制御システムは、前記複数の発光体が、多角形状を構成する複数の辺に位置するように配置されていてもよい。
【００１１】
上記のように、複数の発光体が、多角形状を構成する複数の辺に位置するように配置されることによって、直線を検出して移動体の位置を把握するので、制御構成をシンプルで安価なもので済ませることができる。また、従来のように発光部を地上に受光部を移動体に備える形式のものに比べ、移動体の重量が軽くなり、移動体のスムーズな位置移動が可能となる。
【００１２】
又、本発明の移動体の位置制御システムは、前記移動体が、流体を噴射する流体噴射ノズルを備えていてもよい。
【００１３】
上記のように、移動体が、流体を噴射する流体噴射ノズルを備えていれば、例えばコンクリート構造物や家屋等の建造物の解体を建設機械で行う場合、解体作業で発生する粉塵（対象物）に近付けた移動体の流体噴射ノズルで流体（水）をかけることによって、粉塵の飛散の防止を安全に行うことができる。
【００１４】
又、本発明の移動体の位置制御システムは、前記流体噴射ノズルから噴射される流体によって前記移動体が受ける反力を検出する検出手段を該移動体に備え、前記検出手段からの検出結果に基づいて前記移動体の移動を制御する移動制御手段を備えていてもよい。
【００１５】
上記のように、検出手段からの検出結果に基づいて移動体の移動を制御する移動制御手段を備えることによって、移動体が受ける反力で移動体が目標とする位置から大きく外れることがなく、移動体を目標位置に容易に追従させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、移動体に備える複数の発光体を撮像する受光部を設けることによって、移動体の位置測定精度を向上させ、位置制御精度を向上させることができる移動体の位置制御システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】解体重機で解体している建物に無人航空機から水を噴射している状態を示す図である。
【図２】無人航空機の位置制御システムを示す図である。
【図３】無人航空機を構成する六角形の枠フレームに発光体を取り付けた平面図である。
【図４】無人航空機を構成する八角形の枠フレームに発光体を取り付けた平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１に、解体重機１で解体している建物に移動体である無人航空機（ＵＡＶ、又はドローンとも呼ばれる）２から対象物である建物に水を噴射している状態を示している。
【００２０】
解体重機１は、油圧ショベルとも呼ばれ、操縦室を備える車体３から延びるブーム４と、ブーム４の先端に取り付けられるアーム５と、アーム５の先端に取り付けられるアタッチメントとしての破砕機６と、を備え、ブーム４及びアーム５を起伏動作や旋回動作させながら破砕機６で建物を破砕する。
【００２１】
無人航空機２は、図１及び図２に示すように、建物に流体（ここでは水）を噴射する流体噴射ノズル７を機体８に備え、遠隔操縦機（図示せず）により遠隔操縦可能（又は自動操縦可能でもよい）に構成されている。そして、遠隔操縦機を操作することによって、後述する４つの回転翼１６（図１では省略し、図２に示している）の回転方向及び回転速度を制御することで、機体８を左右に回転させる、又は前後に移動させる、あるいは上昇又は下降させる、更には空中の所定位置に維持させるホバリングができるようになっている。このホバリングにより、噴射する水が、できるだけ粉塵発生箇所である破砕点に集中して当たるように操作して、粉塵の発生を抑えることができる。
【００２２】
図１では、無人航空機２の前後方向と解体重機１の前後方向とが略平行な状態で無人航空機２を空中に略水平状態でホバリングした状態を示しているが、例えば解体重機１の左側や右側あるいは解体重機１の前側や上側に無人航空機２を位置させた状態でホバリングさせてもよいし、また、無人航空機２の向きを水平方向だけでなく、後述する流体噴射ノズル７が下向きに傾いた下向き傾斜状態に無人航空機２の姿勢を維持してもよい。要するに、破砕箇所の位置や風の向き、つまり解体時に発生する粉塵の飛散方向等に合わせて、無人航空機２の向き、高さ、塵埃からの距離が最適となるように無人航空機２の位置を調節することができる。場合によっては、無人航空機２を移動させながら建物に水を噴射させるようにしてもよい。また、風が強く地表から粉塵が舞い上がるときは、無人航空機２を地表近くに移動させ、地表に向かって水を噴射することもできる。
【００２３】
具体的には、無人航空機２は、図２に示すように、４つの枠フレーム９，１０，１１，１２にて平面視において４角形に形成された機体８と、機体８の中心部に前後方向に沿って配置された上部フレーム１３と、枠フレーム９，１０，１１，１２の４つの角部のそれぞれから下方へ垂設した脚部１４と、枠フレーム９，１０，１１，１２の４つの角部のそれぞれから上方に突設した上側フレーム１５と、上部フレーム１３にブラケット（図示せず）を介して取り付けられた電動モータ（図示せず）と、電動モータの駆動軸（図示せず）に取り付けられた回転翼１６と、前記４つの枠フレーム９，１０，１１，１２のうちの前側に位置する枠フレーム９の左右方向中央部の上端に取り付けられた流体噴射ノズル７と、を備えている。尚、図２の左側に位置する枠フレーム９を前側とし、その反対側を後側とし、無人航空機２を正面（前側）から見た状態で左側を左側とし、無人航空機２を正面から見た状態で右側を右側とする。
【００２４】
流体噴射ノズル７には、図示していないホースの一端が接続され、ホースの他端が地上に設けられているポンプ装置を含む水供給装置に接続され、ポンプ装置を駆動することによって、ホースを介して流体噴射ノズル７に水を供給する。この供給により、流体噴射ノズル７から前方へ水を噴射するようになっている。また、流体噴射ノズル７を、上下軸心回りで回動自在に設けて、左右方向で角度変更できるように構成してもよい。これら角度変更は、ネジを人為的に操作することにより行うようにしてもよいし、アクチュエータの動力を用いて行うようにしてもよい。
【００２５】
また、４つの電動モータの駆動を制御する制御装置を内蔵した制御ボックス（図示せず）が無人航空機２に備えられている。尚、制御ボックスへの電力供給は、地上に備えている電源部と制御ボックスとが配線により接続されることにより供給されているが、解体重機１から制御ボックスへ電力供給してもよい。また、無線給電により制御ボックスへ電力供給することもできる。
【００２６】
また、無人航空機２の位置を制御する無人航空機（移動体）２の位置制御システムを備えており、図２に基づいて説明する。異なる波長の光を発する複数の発光体、具体的には、異なる色彩として４色（例えば、赤、緑、青、紫）に光る発光体１７，１８，１９，２０を備える無人航空機２と、４個の発光体１７，１８，１９，２０を撮像する受光部２１と、受光部２１で撮像した二次元の撮像画像上の複数の発光体１７，１８，１９，２０の二次元座標を求め、求めた４個の発光体１７，１８，１９，２０の二次元座標に基づいて無人航空機２の三次元座標を求める処理部２２と、処理部２２で求めた三次元座標が予め設定された目標の三次元座標に一致するように無人航空機２を移動制御する制御部２３と、を備えている。これら受光部２１と、処理部２２と、制御部２３とが、地上に設置されて地上体を構成している。なお、地上とは、ビルの壁面やビルの屋上等の地表以外も含む。また、各発光体１７，１８，１９，２０は、基板に複数のＬＥＤ素子を配置した帯状で直線状のラインＬＥＤから構成され、４つの枠フレーム９，１０，１１，１２の下面に取り付けられている。
【００２７】
受光部２１は、カメラ装置から構成され、解体重機１に設置する、あるいは地上の決められた場所に設置する。カメラ装置２１は、４個の発光体１７，１８，１９，２０を含む無人航空機２全体を撮像する撮像部２４を備える撮像本体２５と、撮像本体２５を載置している回転台２６と、を備えている。また、回転台２６を回動させる電動モータ（図示せず）を回転台２６に備えるとともに、電動モータの駆動を制御する回転台コントローラ２７が電動モータに接続されている。回転台コントローラ２７からの出力信号により電動モータを駆動することによって、撮像本体２５を水平方向に回動させることができる。また、撮像本体２５は、脚部２８に水平軸芯回りで回動可能に取り付けられ、図示していない電動モータの駆動により撮像本体２５を垂直方向（矢印の方向）に回動させることができる。前記回転台コントローラ２７は、表示部２９Ａを備えるパーソナルコンピュータ（ＰＣ、以下においてパソコンと称する）２９に接続されており、パソコン２９からの指令信号が回転台コントローラ２７へ出力される。また、撮像本体２５は、パソコン２９に接続されており、撮像本体２５からの無人航空機２の撮像画像がパソコン２９に入力される。このように、撮像部２４が４個の発光体１７，１８，１９，２０を常時撮像することができるように、撮像本体２５を垂直方向及び水平方向に回動させる制御を行っている。
【００２８】
パソコン２９には、前述した処理部２２及び制御部２３を備えており、撮像本体２５からパソコン２９に入力された撮像画像を処理部２２で処理した処理結果に基づいて制御部２３が無人航空機２の制御部（図示せず）に指令信号を出力して、無人航空機２の位置制御を行うことになる。
【００２９】
具体的には、処理部２２は、受光部２１で撮像した二次元の撮像画像上の４個の発光体１７，１８，１９，２０の二次元座標を求め、求めた４個の発光体１７，１８，１９，２０の二次元座標及び撮像本体２５の水平方向及び垂直方向の角度に基づいて無人航空機２の三次元座標を求める。また、制御部２３は、処理部２２で求めた三次元座標が予め設定された目標の三次元座標に一致するように無人航空機２を移動制御する。この制御は、ＧＰＳ電波等の外的要素を用いる必要がないので、安定性が高い。鉄筋鉄骨等が多い前述の解体現場などでは、ＧＰＳ電波が正確には届きにくいので、特に適している。
【００３０】
上記のように構成された位置制御システムを用いて無人航空機２の位置を制御する方法について説明する。まず、遠隔操縦機を用いて（又は予め設定された自動操縦プログラムに基づいて）無人航空機２を所定の位置（散水する位置）まで移動させる。尚、自動操縦で無人航空機２を移動させる際には、撮像部２４で発光体１７，１８，１９，２０を含む無人航空機２を撮像し、無人航空機２の飛行位置を検出し、飛行経路が予め設定されている飛行経路から外れていないかどうかを確認し、外れている場合には、無人航空機２の飛行位置を修正しながら飛行を続行する。無人航空機２が所定の位置（散水する位置）に到着すると、ホバリング状態に移行し、前記同様に、撮像部２４で発光体１７，１８，１９，２０を撮像し、無人航空機２の位置を検出し、予め設定した目標位置から外れている場合には、無人航空機２の位置を修正しつつ、解体作業で発生する粉塵（対象物）に向けて放水を行う。また、放水の反動で無人航空機2が適正位置から外れても、前述のように位置修正しながら放水を続けることができる。
【００３１】
無人航空機２の位置を検出する方法について説明すれば、撮像部２４で撮像した画像をパソコン２９に入力する。画像が入力されると、処理部２２により次の第１から第５の処理を行う。第１では、入力された画像上で４個の発光体１７，１８，１９，２０の各色を持つ画素を、予め処理部２２に入力されている色彩のパラメータにより、抜き出す。第２では、抜き出した画素を例えばハフ変換を用いて画像中の各辺に相当する直線を求める。第３では、求めた４本の直線から形成される４角形（ここでは、正方形）の４つの頂点の二次元座標を求める。さらに、撮像本体２５の水平方向及び垂直方向の回転角度や撮像本体２５内部のパラメータから４つの頂点の重心の三次元座標を求める。第４では、処理部２２で求めた三次元座標が予め設定された目標の三次元座標に一致するように、制御部２３から無人航空機２へ飛行指示を送信する。第５では、撮像部２４が無人航空機２を見失わないように、処理部２２が、無人航空機２に対する撮像部２４の水平方向および垂直方向の角度を求め、撮像本体２５が求めた角度になるように撮像本体２５を垂直方向及び水平方向に回動させる信号を制御部２３から撮像本体２５および回転台コントロール２７へ出力する。なお、これら第１から第５までの処理を繰り返し行うことになる。
【００３２】
ところで、天候や時間帯によって太陽光の照射量や照射方向が変化するため、それに伴い、撮像部２４で撮像される４個の発光体１７，１８，１９，２０の色の見え方も変化する。そのため、それら４個の発光体１７，１８，１９，２０の見え方の異なる大量の画像データをパソコンに記憶させておき、撮像部２４で撮像される４個の発光体１７，１８，１９，２０の色を大量の画像データの中から探し出すことによって、４個の発光体１７，１８，１９，２０の色の判別を正確に行うことができる。
【００３３】
又、前記位置制御システムには、流体噴射ノズル７から噴射される流体によって移動体である無人航空機２が受ける反力を検出する検出手段（図示せず、）を無人航空機２に備えており、この検出手段からの検出結果（反力の大きさ）に基づいて無人航空機２の移動を制御する移動制御手段（図示せず）を無人航空機２に取り付けている制御部に備えている。ここでは、流体噴射ノズル７から前方に流体を噴射しているので、その反力分を加えた前進力によって前方へ移動させることによって、該反力を相殺することができる。このように、検出手段からの検出結果に基づいて移動体の移動を制御する移動制御手段を備えることによって、移動体が受ける反力で移動体が目標とする位置から大きく外れることがなく、移動体を目標位置に容易に追従させることができる。なお、検出手段としては、流体噴射ノズル７が取り付けられたフレーム（図示せず）の変形を検出する歪ゲージでもよいし、圧力センサやロードセル等であってもよい。
【００３４】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３５】
前記実施形態では、４つの枠フレーム９，１０，１１，１２にて平面視において４角形に形成したが、３角形以上の多角形に形成する方が好ましい。また、２辺が直交する十字形に形成してもよい。例えば図３に示すように、６つの枠フレーム３０〜３５にて平面視において６角形に形成してもよい。この場合、全ての枠フレーム３０〜３５に色が異なる６色に光る発光体を備えてもよいし、図３に示すように一つ置きの枠フレーム３０，３２，３４に異なる色の発光体を備えて全部で３個の発光体３６，３７，３８を備えてもよい。この場合、前述同様に、３個の発光体３６，３７，３８の各色を持つ画素を抜き出し、抜き出した画素を例えばハフ変換を用いて画像中の各辺に相当する直線を求める。求めた３本の直線の両端をそれぞれ延ばすことで交わる交点を仮想三角形状の３つの頂点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３とし、それら３つの頂点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の二次元座標を求める。さらに、撮像本体２５の水平方向及び垂直方向の回転角度や撮像本体２５内部のパラメータから３つの頂点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の重心の三次元座標を求めることになる。また、図４に８つの枠フレーム３９〜４６にて平面視において８角形に形成してもよい。この場合、全ての枠フレーム３９〜４６に色が異なる８色に光る発光体を備えてもよいし、図４に示すように一つ置きの枠フレーム４０，４２，４４，４６に発光体を備えて全部で４個の発光体４７，４８，４９，５０を備えてもよい。この場合、前述同様に、４個の発光体４７，４８，４９，５０の各色を持つ画素を抜き出し、抜き出した画素を例えばハフ変換を用いて画像中の各辺に相当する直線を求める。求めた４本の直線の両端をそれぞれ延ばすことで交わる交点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を４角形上の４つの頂点とし、それら４つの頂点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の二次元座標を求める。さらに、撮像本体２５の水平方向及び垂直方向の回転角度や撮像本体２５内部のパラメータから４つの頂点の重心の三次元座標を求めることになる。なお、図３及び図４では、枠フレームと発光体のみを図示し、その他のものは省略している。また、前記直線を組み合わせた多角形状に構成する他、円弧を組み合わせた円形や楕円形等の曲線状に構成してもよい。また、重心位置の座標を求めるようにする他、任意の位置の座標を求めてもよい。また、発光体としては、３色及び４色を用いたが、２色以上であればよい。この場合、頂点座標を求める場合に、頂点を挟んで隣り合う辺に別の色の発光体を配置するのが、望ましい。また、発光体は、直線状のものに限らず、点状のものを並べてもよい。この点状の発光体を頂点に配置して直接的に頂点座標を検出できるようにしてもよい。
【００３６】
また、前記実施形態では、本発明の無人航空機を解体現場で水を噴射する場合に使用したが、トンネルや建物の壁面に塗料を噴射して壁面を塗装する場合に使用してもよいし、高層階の建物の火災時の消火に使用してもよく、本発明は、人が作業し難い不安定な高い場所での流体の噴射に使用する際に特に有効である。これら噴射対象の流体としては、水、空気等の気体、塗料、液状の樹脂、消火剤等の粉末等、種々のものを用いることができる。また、複数の建設機械を使用する現場では、建設機械自体に散水ノズルを取り付けた場合に比べ、１機の無人航空機でそれぞれの建設機械の作動位置に移動させて使用できるので効率的であり、建設機械に散水ノズルや送水用配管を取り付ける改造も不要となる。
【００３７】
また、前記実施形態では、発光体としてＬＥＤ（発光ダイオード）を用いたが、レーザーダイオード（ＬＤ）であってもよい。
【００３８】
また、前記実施形態では、移動体として三次元的に移動する無人航空機を用いたが、二次元的に移動する無人走行車又は無人船舶であってもよい。また、無人航空機としては、ＵＡＶ（ドローンともいう）の他に、メインロータ及びテールロータを備えるヘリコプターを用いてもよいし、飛行船型の無人航空機を用いることもできる。また、ジェットエンジン又は流体噴射装置あるいは電磁力を利用した推力発生装置等から構成した無人航空機であってもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１…解体重機、２…無人航空機（移動体）、３…車体、４…ブーム、５…アーム、６…破砕機、７…流体噴射ノズル、８…機体、９，１０，１１，１２…枠フレーム、１３…上部フレーム、１４…脚部、１５…上側フレーム、１６…回転翼、１７，１８，１９，２０…発光体、２１…受光部（カメラ装置）、２２…処理部、２３…制御部、２４…撮像部、２５…撮像本体、２６…回転台、２７…回転台コントローラ、２８…脚部、２９…パソコン、２９Ａ…表示部、３０〜３５…枠フレーム、３６，３７，３８…発光体、３９〜４６…枠フレーム、４７，４８，４９，５０…発光体、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４…頂点（交点）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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