(57)【要約】【課題】ドローン等の制御体が受ける風の影響を低減して迅速かつ安全に目標位置に到達できる飛行制御システムを提供する。【解決手段】飛行制御システムにおける監視空間を飛行する自律飛行ロボット６は、監視空間にある障害物の位置を参照し、監視空間における風速が所定値以下の場合、障害物を回避して現在位置から目標位置に至る最短経路を算出し、風速が所定値を超える場合、障害物の高さにマージンを加えて水平飛行高度を設定し、現在位置、現在位置上方の水平飛行高度の位置、目標位置上方の水平飛行高度の位置、および目標位置を線分で結ぶ、現在位置から目標位置に至る直線主体経路を算出することで飛行計画を設定する飛行計画算出手段６４２と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御体の飛行範囲となる空間において当該制御体を当該制御体の現在位置から目標位置まで飛行させる飛行制御システムであって、
少なくとも前記空間の風速を含んだ風情報を取得する風情報取得手段と、
前記空間に存在する障害物の位置を記憶している空間情報記憶手段と、
前記障害物を回避して前記現在位置から前記目標位置に至る最短経路を算出する最短経路算出手段と、
前記現在位置、前記現在位置の上方の位置または前記現在位置の下方の位置と、前記目標位置、前記目標位置の上方の位置または前記目標位置の下方の位置と、を結ぶ線分であって少なくとも前記現在位置と前記目標位置との間の前記障害物の上空を通る線分を含み、前記現在位置から前記目標位置に至る直線主体経路を算出する直線主体経路算出手段と、
前記風速が所定値以下の場合は前記制御体を前記最短経路で追従飛行させ、前記風速が前記所定値を超える場合は前記制御体を前記直線主体経路で追従飛行させる飛行計画を設定する飛行計画設定手段と、
を備えたことを特徴とする飛行制御システム。 
【請求項２】
前記直線主体経路算出手段は、前記空間において最も高い障害物の高さである最高障害物高度よりも高い水平飛行高度を設定し、前記現在位置の上方の前記水平飛行高度の位置と前記目標位置の上方の前記水平飛行高度の位置とを結ぶ前記線分を含む前記直線主体経路を算出する、
請求項１に記載の飛行制御システム。
【請求項３】
前記直線主体経路算出手段は、前記制御体の加速度を制限するために予め定められた制限値を前記風速が高いほど低く補正し、
前記飛行計画設定手段は、前記制御体を前記補正された制限値以下の加速度にて前記直線主体経路を追従飛行させる飛行計画を設定する、
請求項１または２に記載の飛行制御システム。
【請求項４】
前記風情報取得手段は、前記空間の風向を含んだ前記風情報を取得し、
前記直線主体経路算出手段は、前記風情報から前記目標位置に向かう直線の方向に対する向かい風成分を算出し、前記制御体の加速度を制限するために予め定められた制限値を、前記向かい風成分が高いほど低く補正し、
前記飛行計画設定手段は、前記制御体を前記補正された制限値以下の加速度にて前記直線主体経路を追従飛行させる飛行計画を設定する、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の飛行制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドローン等の制御体を目標位置まで飛行させる飛行制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、風にあおられたドローンが障害物に衝突することなく飛行できるよう、風が強いほど建物等の障害物から離れた位置に経路を設定するという条件を課して、現在位置から目標位置までの最短経路を設定していた。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の自律飛行ロボットにおいて、自律飛行ロボットの自己位置から移動目標位置に至る移動経路を算出する経路探索手段は、移動空間における風速が大きいほど飛行禁止エリアからより遠くに離れた位置に移動経路を生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−０３３２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、現在位置と目標位置の間に障害物が存在すれば、最短経路は水平方向の方向変更を伴う経路、すなわちカーブを含む経路となるが、ドローンはカーブで機体を傾けるために風の影響を受けやすくなるという問題があった。
【０００６】
すなわち、カーブを含む最短経路では、ドローンがカーブで風にあおられて経路から外れてしまう場合が発生しうる。経路から外れると経路に戻るための無駄な飛行が生じ、目標到達が遅れがちとなる。この傾向は強風時に顕著となる。
【０００７】
また、カーブを含み得る最短経路を設定する限り、最大限に機体が傾いた状態を想定して障害物から遠めに離さざるを得ない。そのため、建物が隣接した監視空間などでは、強風時に極端な迂回を強いられ、または強風時に経路設定不能となる場合もある。
【０００８】
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、ドローン等の制御体が受ける風の影響を低減して迅速かつ安全に目標位置に到達できる飛行制御システムを提供することを目的とする 。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る飛行制御システムは、制御体の飛行範囲となる空間において当該制御体を当該制御体の現在位置から目標位置まで飛行させる飛行制御システムであって、少なくとも前記空間の風速を含んだ風情報を取得する風情報取得手段と、前記空間に存在する障害物の位置を記憶している空間情報記憶手段と、前記障害物を回避して前記現在位置から前記目標位置に至る最短経路を算出する最短経路算出手段と、前記現在位置、前記現在位置の上方の位置または前記現在位置の下方の位置と、前記目標位置、前記目標位置の上方の位置または前記目標位置の下方の位置と、を結ぶ線分であって少なくとも前記現在位置と前記目標位置との間の前記障害物の上空を通る線分を含み、前記現在位置から前記目標位置に至る直線主体経路を算出する直線主体経路算出手段と、前記風速が所定値以下の場合は前記制御体を前記最短経路で追従飛行させ、前記風速が前記所定値を超える場合は前記制御体を前記直線主体経路で追従飛行させる飛行計画を設定する飛行計画設定手段と、を備えたことを特徴とする。 
【００１０】
また、前記直線主体経路算出手段は、前記空間において最も高い障害物の高さである最高障害物高度よりも高い水平飛行高度を設定し、前記現在位置の上方の前記水平飛行高度の位置と前記目標位置の上方の前記水平飛行高度の位置とを結ぶ前記線分を含む前記直線主体経路を算出する。
【００１１】
また、前記直線主体経路算出手段は、前記制御体の加速度を制限するために予め定められた制限値を前記風速が高いほど低く補正し、前記飛行計画設定手段は、前記制御体を前記補正された制限値以下の加速度にて前記直線主体経路を追従飛行させる飛行計画を設定する。
【００１２】
また、前記風情報取得手段は、前記空間の風向を含んだ前記風情報を取得し、前記直線主体経路算出手段は、前記風情報から前記目標位置に向かう直線の方向に対する向かい風成分を算出し、前記制御体の加速度を制限するために予め定められた制限値を、前記向かい風成分が高いほど低く補正し、前記飛行計画設定手段は、前記制御体を前記補正された制限値以下の加速度にて前記直線主体経路を追従飛行させる飛行計画を設定する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、風の影響を低減した経路を設定することによって、制御体の経路追従性が風によって大きく悪化することを防止でき、制御体を迅速かつ安全に目標位置に到達させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る飛行制御システムの一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】本実施の形態における自律飛行ロボットの概略構成図である。
【図３Ａ】本実施の形態における最短経路を示す概念図である。
【図３Ｂ】本実施の形態における直線主体経路を示す概念図である。
【図４】本実施の形態における飛行計画算出手段で実行される処理を示すフローチャートである。
【図５】本実施の形態における直線主体経路の他の算出例を示す概念図である。
【図６】本実施の形態における直線主体経路の他の算出例を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面に基づいて、本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る飛行制御システムの一実施の形態を示す概略構成図である。本実施の形態における飛行制御システム１は、自律飛行ロボット６の飛行範囲となる空間において自律飛行ロボット６を自律飛行ロボット６の現在位置から目標位置まで飛行させる制御を行うシステムである。自律飛行ロボット６の飛行範囲となる空間は、建物や植林等のある所定の敷地等の監視空間である。本実施の形態においては、監視空間に侵入物（人間や車両等）が侵入したことを検出した場合、カメラを搭載した自律飛行ロボット６を侵入物（人間や車両等）の位置（目標位置）まで飛行させて侵入物を撮影させる監視システムに飛行制御システム１を適用する場合を想定して説明する。
【００１７】
飛行制御システム１は、侵入物センサ２、風力計３、監視センタ装置４、管理装置５および自律飛行ロボット６を有している。本実施の形態の説明に用いない構成については省略する。侵入物センサ２と管理装置５の間、風力計３と管理装置５の間はそれぞれ所定の閉域網を介して通信可能であり、侵入物センサ２、風力計３および管理装置５はそれぞれ当該各閉域網に有線接続または無線接続される。管理装置５と自律飛行ロボット６の間は所定の閉域網を介して通信可能であり、管理装置５および自律飛行ロボット６はそれぞれ当該各閉域網に無線接続される。上記各閉域網のプロトコルは、全て共通でも、一部共通でも、それぞれ異なっていてもよい。
【００１８】
監視センタ装置４と管理装置５の間は所定の広域網を介して通信可能であり、監視センタ装置４および管理装置５はそれぞれ当該広域網に有線接続または無線接続される。広域網はインターネット、携帯電話網等である。
【００１９】
侵入物センサ２は、自律飛行ロボット６を飛行させて監視する範囲として予め定めた監視空間内の１または複数の所定位置に設置されて、監視空間に現れた侵入物を検出する。侵入物センサ２は、侵入物を検出すると、その侵入物の位置（侵入物位置）を侵入物センサ２の識別符号とともに管理装置５に送信する。侵入物センサ２は、侵入物を検出するための不図示のセンサ部と、管理装置５と通信するための不図示の通信部を備える。センサ部には、例えばレーザセンサ、マイクロ波センサ、赤外線センサ、超音波センサなどを用いることができる。
【００２０】
風力計３は監視空間内の１または複数の所定位置に設置されて、風速および風向を計測する計測器である。風力計３は、風速値（以下、風速）、風向ベクトル（以下、風向）および計測位置を風情報として管理装置５に送信する。風力計３は、風速および風向を計測するための不図示の計測部と、管理装置５と通信するための不図示の通信部を備える。風力計３は、例えばプロペラ等の回転子を利用し、プロペラの回転数により風速を換算する機械式の計測部を備えてもよい。また、これに限らず、超音波方式やレーザードップラー方式などを利用した電気式の風力計３を用いてもよい。また、風力計３を自律飛行ロボット６に搭載してもよい。この場合、自らの移動速度などの移動制御に係る情報を考慮して風力計３の出力を補正し、実際の風速に近い値を求めることが好適である。また、自律飛行ロボット６がドローンの場合、風力計３を備えずに、自律飛行ロボット６の無風時におけるモータ（ドローンの各ロータを回転させるモータ）の制御指令値とこの場合における移動距離・移動速度の値とを予め測定しておき、現時点のモータの制御指令値と実際の移動距離・移動速度の値とを求め、両者を比較することにより、現時点の風速を推測してもよい。
【００２１】
監視センタ装置４は監視空間から離れた遠隔地の監視センタに設置され、遠隔地から監視空間を監視する。監視センタ装置４は、サーバコンピュータおよび監視員端末を有しており、サーバコンピュータと監視員端末はＬＡＮ等の閉域網で接続される。監視センタ装置４は自律飛行ロボット６等に対する監視員の指示を管理装置５に送信し、また自律飛行ロボット６が生成した情報等を管理装置５から受信して表示することにより監視員に伝達する。自律飛行ロボット６は、通常、所定の場所（待機所）で待機しているが、上記指示は、例えば待機所から目標位置まで飛行した後の待機所までの帰還指示である。サーバコンピュータは管理装置５および監視員端末と通信するための不図示の通信部を備える。監視員端末は、サーバコンピュータと通信するための不図示の通信部、監視員から指示を受け付けるためのキーボードやマウス等である不図示の入力部、情報を表示するための液晶ディスプレイ等である不図示の表示部を備える。
【００２２】
管理装置５は、監視空間内の所定位置に設置され、制御装置（コントローラ）として機能する。例えば、管理装置５は、侵入物センサ２から侵入物位置を受信するとともに風力計３から風情報を受信して、受信した各情報を自律飛行ロボット６に送信する。また、監視センタ装置４から指示を受信して当該指示を自律飛行ロボット６に送信するとともに、自律飛行ロボット６から受信した情報を監視センタ装置４に送信する。管理装置５は、侵入物センサ２、風力計３、監視センタ装置４および自律飛行ロボット６と通信するための不図示の通信部を備える。
【００２３】
管理装置５は、受信する侵入物位置が侵入物センサ２のローカル座標系の値である場合は当該値を監視空間のグローバル座標系の値に変換する座標変換手段を備えてもよい。その場合の座標変換手段は、グローバル座標系における各侵入物センサ２の設置条件を予め記憶する不図示の記憶部と、変換を行う不図示の演算部によって実現される。
【００２４】
同様に、管理装置５は、受信する風情報に含まれる計測位置が風力計３のローカル座標系の値である場合は、計測位置をグローバル座標系の値に変換する座標変換手段を備えてもよい。その場合の座標変換手段も、同様に、グローバル座標系における各風力計３の設置条件を予め記憶する記憶部と、変換を行う演算部により実現される。
【００２５】
また、管理装置５は、侵入物センサ２から侵入物位置が受信されなくなった場合に自律飛行ロボット６に対する帰還指示を生成する指示生成手段を備えてもよい。その場合の指示生成手段は受信履歴を記憶する記憶部と帰還指示の生成を行う演算部によって実現される。
【００２６】
なお、前述したローカル座標系というのは、侵入物センサ２や風力計３、また自律飛行ロボット６等の各構成が個々に侵入物等の物体の位置を特定するための座標系である。これに対し、グローバル座標系というのは、飛行制御システム１において侵入物等の物体の位置を特定するための座標系である。例えば、自律飛行ロボット６からしてみれば侵入物が正面にいると認識しても、自律飛行ロボット６の向きによって正面が示す方向が特定できない。上記座標変換手段は、自律飛行ロボット６のローカル座標系における座標値を、この座標値および検出されている自律飛行ロボット６の向きを考慮してグローバル座標系における座標値に変換する。
【００２７】
自律飛行ロボット６は、鉛直方向の上昇および下降を含んだ飛行が可能なロボットであり、本発明における制御体に相当する。例えば、クワッドローターを有するドローンである。自律飛行ロボット６は、侵入物位置や帰還指示を受信すると適宜目標位置を定めて、障害物を回避しながら目標位置まで飛行する。平時は監視空間内に設置された待機所にて待機し、侵入物センサ２が侵入物を検出すると侵入物位置の近傍まで自律飛行して撮影を行う。また、飛行中に監視センタ装置４または管理装置５からの帰還指示を受信すると、待機所まで自律飛行して待機状態に戻る。
【００２８】
「自律飛行」というのは、目標位置が定まると、その後は管理装置５等外部からの指示や制御を受けなくても目標位置まで自律的に飛行制御を行って飛行することをいう。また、「追従飛行」というのは、計画された経路に沿って飛行し、経路に沿って飛行している途中で、例えば風の影響を受けて経路から外れた場合には経路まで戻って飛行を継続するよう飛行制御を行いながら飛行することをいう。
【００２９】
図２は、本実施の形態における自律飛行ロボット６の概略構成図である。本実施の形態における自律飛行ロボット６は、通信部６０、ロボット位置・姿勢センサ６１、障害物センサ６２、カメラ６３、記憶部６５、モータ６６等が制御線にて制御部６４に接続されるとともに、モータ６６とロータ６７とが制御線にて接続されて構成される。
【００３０】
通信部６０は、管理装置５との間で通信するための通信モジュールであり、侵入物センサ２が検出した侵入物位置を受信するとともに、風力計３が計測した風情報を受信して制御部６４に出力する。また、監視センタ装置４または管理装置５からの指示を受信して制御部６４に出力する。また、ロボット位置・姿勢センサ６１によって取得した情報、カメラ６３によって撮影した画像等の情報を制御部６４から入力され、管理装置５に送信する。
【００３１】
ロボット位置・姿勢センサ６１は、自律飛行ロボット６の現在位置および姿勢を取得するためのセンサである。例えば、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）等の航法衛星（人工衛星）から送信される電波（航法信号）を受信する受信機、方位を計測する電子コンパスおよび角速度を計測するジャイロセンサを備える。受信機は、複数の航法衛星から送信される航法信号を受信して制御部６４に出力するとともに、電子コンパスおよびジャイロセンサによる計測信号を制御部６４に出力する。なお、現在位置を取得するために受信機に代えてレーザスキャナおよび気圧センサを用いるなど、他の既知のセンサを用いて既知の技術を利用することにより現在位置および姿勢を得るための情報を取得するものとしてもよい。
【００３２】
障害物センサ６２は、自律飛行ロボット６の周囲の有効距離内に存在する障害物を検出するためのセンサである。例えば、マイクロ波センサ、レーザセンサ、超音波センサなどで実現することができる。マイクロ波センサで実現する場合、障害物センサ６２は、自律飛行ロボット６の周囲にマイクロ波を送信して障害物からの反射波を受信し、反射波信号を制御部６４に出力する。有効距離はセンサの性能に合わせて予め設定される。
【００３３】
カメラ６３は、自律飛行ロボット６の周囲を撮影して画像を制御部６４に出力する。
【００３４】
制御部６４は、ＣＰＵ等を備えたコンピュータにより実現される。制御部６４は、記憶部６５からプログラムやデータを読み出し、プログラムに従って、目標位置設定手段６４０、ロボット位置・姿勢算出手段６４１、飛行計画算出手段６４２、障害物領域算出手段６４３および飛行制御手段６４４等として機能する。飛行計画算出手段６４２には、最短経路算出手段６４２ａおよび直線主体経路算出手段６４２ｂが含まれる。
【００３５】
記憶部６５は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の情報記憶装置により実現される。記憶部６５は、各種プログラムや各種データを記憶し、制御部６４との間でこれらの情報を入出力する。記憶部６５は、空間情報記憶手段６５０、位置情報記憶手段６５１、風情報記憶手段６５２および飛行計画記憶手段６５３等として機能する。
【００３６】
更に、自律飛行ロボット６には、４つのロータ６７と、その回転軸がそれぞれ対応するロータ６７に連結された４つのモータ６６からなる４つのユニットが搭載される。各モータ６６は、制御部６４に接続されて制御部６４から回転数が指示される。４つのロータ６７が独立して回転することにより自律飛行ロボット６に任意方向の加速度を発生させる。
【００３７】
空間情報記憶手段６５０は、監視空間の３次元構造等を表した空間情報を記憶する。空間情報は、飛行制御システム１の管理者等によって予め設定され、少なくとも監視空間において自律飛行ロボット６の飛行の障害となり得る障害物の位置を含む。障害物は、例えば建物や樹木等である。空間情報に含まれる「障害物の位置」という情報には、当該障害物が監視空間内において占める領域（障害物領域）の情報が含まれる。具体的には、監視空間を例えば自律飛行ロボット６よりも小さく予め定められた立方体である複数のボクセルに区分し、各ボクセルを、監視空間のグローバル座標系における当該ボクセルの位置（三次元座標）と当該ボクセルが表す領域に障害物が含まれるか否かを区別するための符号からなるデータ（ボクセル属性）とを含むボクセル情報により管理する。障害物が含まれることを示す符号が付与されたボクセルが障害物領域を表す。また、空間情報記憶手段６５０は、緯度・経度・高度を監視空間のグローバル座標系の位置に変換する変換規則、方位をグローバル座標系の方向に変換する変換規則を記憶する。例えば、グローバル座標系の原点の緯度・経度・高度、グローバル座標系のＸ軸・Ｙ軸に対応する方位、グローバル座標系の単位長さに対応する緯度・経度・高度の変位量を記憶する。
【００３８】
位置情報記憶手段６５１は、侵入物位置、自律飛行ロボット６の目標位置を記憶する。また、自律飛行ロボット６の現在位置および姿勢の検出結果を予め定められた回数だけロボット状態履歴として循環記憶する。なお、本実施の形態では、ロボット状態履歴内の最新の位置を特に「現在位置」と称し、それ以外の位置を「過去位置」と称する。同様に、ロボット状態履歴内の最新の姿勢を特に「現在姿勢」と称し、それ以外の姿勢を「過去姿勢」と称する。また、自律飛行ロボット６の待機所内に定められた位置（待機位置）を予め記憶する。
【００３９】
風情報記憶手段６５２は、管理装置５から出力される風情報を記憶する。
【００４０】
飛行計画記憶手段６５３は、監視空間において自律飛行ロボット６が飛行する予定である経路を飛行計画の情報として記憶する。また、該手段６５３は、上記経路を飛行するときの加速度制限値を飛行計画に含めて記憶してもよい。
【００４１】
目標位置設定手段６４０は、侵入物位置を受信してから帰還指示が受信されるまでの間、侵入物位置の近傍に目標位置を設定する。また、該手段６４０は、帰還指示が受信されると、待機所の位置を読み出し、待機所を目標位置に設定する。そして、該手段６４０は、侵入物位置および目標位置を位置情報記憶手段６５１に記憶させる。
【００４２】
以上のように、目標位置設定手段６４０は、制御体の働きかけの対象となる侵入物や待機所の位置である対象位置が与えられると、当該対象位置の近傍（侵入物位置の近傍）または当該対象位置そのもの（待機位置）を目標位置に設定して、目標位置を記憶部６５に記憶させる。
【００４３】
ロボット位置・姿勢算出手段６４１は、ロボット位置・姿勢センサ６１の出力から監視空間における自律飛行ロボット６の現在位置および姿勢を算出し、位置情報記憶手段６５１のロボット状態履歴に追記する。例えば、ロボット位置・姿勢センサ６１が航法信号を出力する場合、該手段６４１は、航法信号を解析して当該航法信号から緯度・経度・高度を抽出し、空間情報記憶手段６５０に記憶されている変換規則を用いて緯度・経度・高度を監視空間のグローバル座標系の位置に変換する。また、例えばロボット位置・姿勢センサ６１が電子コンパスおよびジャイロセンサの計測信号を出力する場合、該手段６４１は、計測信号を解析して当該計測信号から方位およびロボット位置・姿勢センサ６１のローカル座標系における姿勢変化量を抽出するとともに、位置情報記憶手段６５１からグローバル座標系での値である現在姿勢（この時点では一時点過去の姿勢）を読み出す。そして、該手段６４１は、予め設定された自律飛行ロボット６の主軸方向に対するロボット位置・姿勢センサ６１の主軸方向の相対方向を用いて姿勢変化量を自律飛行ロボット６のローカル座標系に変換し、変換した姿勢変化量を加えて現在姿勢を更新する。
【００４４】
以上のように、ロボット位置・姿勢センサ６１と通信部６０とロボット位置・姿勢算出手段６４１（制御部６４）とが協働して制御体位置検出手段および制御体姿勢検出手段をなし、制御体位置検出手段は、制御体である自律飛行ロボット６の現在位置を検出して現在位置を記憶部６５に記憶させる。制御体姿勢検出手段は、制御体である自律飛行ロボット６の現在姿勢を検出して現在姿勢を記憶部６５に記憶させる。
【００４５】
飛行計画算出手段６４２は、本発明の飛行計画設定手段として設けられており、空間情報記憶手段６５０から空間情報を読み出すとともに、位置情報記憶手段６５１から現在位置および目標位置を読み出し、自律飛行ロボット６の現在位置から目標位置までの、障害物領域を経由しない経路を算出して、算出した経路を含めた飛行計画を飛行計画記憶手段６５３に記憶させる。その際、該手段６４２は、風情報記憶手段６５２が記憶している風情報を参照して、風速を予め定めた風速閾値と比較し、風速が風速閾値以下である場合は最短経路算出手段６４２ａが経路を算出し、風速が風速閾値を超える場合は直線主体経路算出手段６４２ｂが経路を算出する。飛行計画算出手段６４２は、計測位置が現在位置から最も近い風力計３によって取得した風情報、および計測位置が目標位置から最も近い風力計３によって取得した風情報のうちの風速が高い方の風情報を参照する。
【００４６】
最短経路算出手段６４２ａは、障害物を回避して、すなわち前述した障害物領域を通過せずに現在位置から目標位置に至る経路のうちの、飛行距離が最短と推定される最短経路を算出する。具体的には、該手段６４２ａは、空間情報において障害物を含まないことを示す符号が付与されたボクセルからなる空間に、例えばＡ＊経路探索法を適用して最短経路を算出する。
【００４７】
Ａ＊経路探索法では、各ボクセルの中心位置をノードと称すると、移動目標位置に対応するボクセルのノード（以下「スタートノード」という）から自己位置に対応するボクセルのノード（以下「ゴールノード」という）に至る総コスト値が最も小さくなる経路を最短経路として探索する。より具体的に説明すると、Ａ＊経路探索法では、まずスタートノードを注目ノードとして設定し、その注目ノードに隣接する１または複数のノードであってこれまで評価ノードとして設定されていないノード（隣接ノード）を評価ノードとして設定する。評価ノードを設定する際、ボクセル情報のボクセル属性を参照し、障害物が含まれているボクセル（以下「占有ボクセル」という）に対応するノード（および占有ボクセルに隣接するボクセル）を除外し、経路が生成されないようにする。そして、各評価ノードにおける総コスト値を求め、その中から最小の総コスト値となる評価ノードを注目ノードとして選出する。以上の処理をゴールノードが注目ノードとして選出されるまで繰り返し行う。
【００４８】
なお、経路の探索方法は、Ａ＊経路探索法に限定されるものでなく、ダイクストラ法等の他の経路探索方法を適用してもよい。
【００４９】
直線主体経路算出手段６４２ｂは、現在位置から目標位置に至る直線主体経路を算出する。「直線主体経路」というのは、１または複数の直線（線分）のみで形成される経路である。直線主体経路算出手段６４２ｂは、自律飛行ロボット６の現在位置または現在位置の上方の位置と、目標位置または目標位置の上方の位置と、を結ぶ線分であって障害物を回避する線分を含み、現在位置から目標位置に至る直線主体経路を算出する。本実施の形態の場合、障害物が含まれることを示す符号が付与されたボクセルによって障害物領域、すなわち障害物の位置が特定できるが、「障害物を回避する線分」というのは、障害物領域を貫通しない線分を意味する。すなわち、自律飛行ロボット６が当該線分に沿って追従飛行しても障害物領域を飛行することはない。本実施の形態においては、直線主体経路算出手段６４２ｂは、自律飛行ロボット６の現在位置の鉛直方向に上方の障害物よりも高い位置と、自律飛行ロボット６の目標位置の鉛直方向に上方の障害物よりも高い位置と、を結ぶ線分を含み、現在位置から目標位置に至る経路を算出する。例えば、次のようにして上記線分が水平となる経路を含む直線主体経路を算出する。
【００５０】
例えば、直線主体経路算出手段６４２ｂは、監視空間において最も高い障害物の高さ（「最高障害物高度」と称する）を空間情報から抽出し、最高障害物高度に予め定めたマージンを加えて、水平飛行部分の高度（「水平飛行高度」と称する）を設定することで上記線分が水平になる経路を算出する。そして、該手段６４２ｂは、現在位置、現在位置の鉛直上方における高さが水平飛行高度である自律飛行ロボット６の上方位置、目標位置の鉛直上方における高さが水平飛行高度である目標上方位置、目標位置の４点を線分にて順に結んで直線主体経路を生成する。
【００５１】
ここで、最短経路および直線主体経路について図３Ａ及び図３Ｂを用いて具体的に説明する。
【００５２】
図３Ａ及び図３Ｂには、同じグローバル座標系ＸＹＺにおける監視空間１１が示されている。図３Ａはその監視空間１１を上方から見た場合の図であり、図３Ｂはその監視空間１１を側方から見た場合の図である。監視空間１１には、３本の樹木１２が障害物領域を形成している。図３Ａに示すように、最短経路算出手段６４２ａは、最短経路１３として、樹木１２の間を縫って現在位置ＰＳと目標位置ＰＧとを結ぶ曲線ＰＳ−ＰＧを算出する。
【００５３】
また、図３Ｂに示すように、樹木１２の最高障害物高度をＨＭＡＸ、マージンをΔＨ（＞０）、水平飛行高度をＨで表すと、Ｈ＝ＨＭＡＸ＋ΔＨとなる。また、現在位置ＰＳの座標値を（ＸＳ，ＹＳ，ＺＳ）、目標位置ＰＧの座標値を（ＸＧ，ＹＧ，ＺＧ）と表すと、現在位置ＰＳの鉛直方向に上方のロボット上方位置はＱＳ（ＸＳ，ＹＳ，Ｈ）、目標位置ＰＧの鉛直方向に上方の目標上方位置はＱＧ（ＸＧ，ＹＧ，Ｈ）と表すことができる。直線主体経路算出手段６４２ｂは、直線主体経路１４として、３線分ＰＳ−ＱＳ，ＱＳ−ＱＧ，ＱＧ−ＰＧからなるコの字型の線ＰＳ−ＱＳ−ＱＧ−ＰＧを算出する。
【００５４】
以上のように、飛行計画算出手段６４２は、障害物を回避して現在位置から目標位置に至る最短経路を算出する最短経路算出手段６４２ａと、現在位置から障害物よりも高い現在位置の上方の位置までの間の位置と、目標位置から障害物よりも高い目標位置の上方の位置までの間の位置と、を結ぶ線分（図３ＢにおけるＱＳ−ＱＧ）を含み、現在位置ＰＳから目標位置ＰＧに至る直線主体経路を算出する直線主体経路算出手段６４２ｂと、を備え、風速が所定値以下である場合は最短経路算出手段６４２ａによって最短経路を算出し、風速が上記所定値を超える場合は直線主体経路算出手段６４２ｂによって直線主体経路を算出することで飛行計画を設定し、飛行計画記憶手段６５３に記憶させる。これによって風速が所定値を超える強い風が吹いていても、風の影響を受けにくく経路追従性能を高めた飛行計画を設定できる。
【００５５】
ところで、自律飛行ロボット６の一形態であるドローンは、飛行中に姿勢を変えると風の影響を受けやすい。ドローンは、加速・減速するとき、また飛行方向を変更するときに姿勢を変える。つまり機体を傾ける。機体が傾くと進行方向から風を受ける面積が大きくなり、この結果風の影響を受けやすくなる。このような理由から、風の影響を受けにくくするためには、飛行方向を変更させずに直線で飛行するのが好適である。
【００５６】
前述した曲線部分を多く含む最短経路１３は、自律飛行ロボット６が機体を傾ける機会が多く、それ故に風の影響を受けやすい。これに対し、直線主体経路１４は、上昇、水平飛行、下降のみで飛行可能であるため、加速・減速以外で機体を傾ける必要が無く、風の影響を受ける機会が少ない。
【００５７】
また、自律飛行ロボット６が上昇後に水平飛行に移る際には加速する必要があるため機体が傾くことになるが、飛行計画算出手段６４２は、強い風が吹いているときは低めの加速度制限値を設定することによって風の影響を受けにくくする。つまり、風速に応じて機体の傾きを制限するようにする。ちなみに、強い風が吹いていないとき、該手段６４２は、機体性能等を基に予め定められた一定の加速度制限値（以下「初期値」という）を設定する。具体的には、該手段６４２は、風速が上記所定値を超える場合に、風速の高さに応じた減算値を初期値から減じることによって加速度制限値を低く補正し、補正した加速度制限値を飛行計画記憶手段６５３に記憶させる。
【００５８】
また、風向を考慮し、飛行計画算出手段６４２は、向かい風である場合は追い風である場合よりも低めの加速度制限値を設定することによって、さらに風の影響を受けにくくする。具体的には、該手段６４２は、現在位置から目標位置に向かう単位ベクトル（ロボット上方位置から目標上方位置に向かう単位ベクトルと等価）と、風向が示す方向の単位ベクトルの内積を算出して、内積が負である場合に、内積の絶対値の高さに応じた値を上記減算値に加える。要するに、該手段６４２は、自律飛行ロボット６が受ける風のうち自律飛行ロボット６の進行方向に対する向かい風成分が高いほど加速度制限値を低く補正する。なお、向かい風成分のみから減算値を定めてもよく、その場合、該手段６４２は、現在位置から目標位置に向かう単位ベクトルと、風向が示す方向の風速が示す大きさのベクトルの内積を算出して、内積が負であり、且つ内積の絶対値が上記所定値を超える場合に、内積の絶対値の高さに応じた減算値を初期値から減じることによって加速度制限値を低く補正する。
【００５９】
以上のように、飛行計画算出手段６４２は、監視空間の風速が所定値を超える場合に、風速の高さに応じて低めた加速度制限値を設定して飛行計画記憶手段６５３に記憶させる。また、飛行計画算出手段６４２は、監視空間の風速が所定値を超え、且つ監視空間の風向が現在位置から目標位置に向かう進行方向に対して向かい風である場合に、向かい風成分の高さに応じてさらに低めた加速度制限値を設定して飛行計画記憶手段６５３に記憶させる。或いは、飛行計画算出手段６４２は、風速及び風向を参照し、現在位置から目標位置に向かう進行方向に対する風速の向かい風成分が所定値を超える場合に、向かい風成分の高さに応じて低めた加速度制限値を設定して飛行計画記憶手段６５３に記憶させる。これにより、経路追従時に自律飛行ロボット６の機体を水平面から傾ける角度を小さくできるため、機体が風を受ける面積が小さくなる。よって風の影響を受けにくくすることができる
【００６０】
障害物領域算出手段６４３は、障害物センサ６２の出力から、自律飛行ロボット６の周囲の障害物領域を算出し、飛行制御手段６４４に出力する。例えば、障害物センサ６２が反射波信号を出力する場合、該手段６４３は、反射波信号を解析して障害物センサ６２から障害物までの距離（障害物距離）および障害物センサ６２の主軸方向に対する障害物の存在方向（障害物方向）を算出するとともに、位置情報記憶手段６５１からグローバル座標系での値である現在位置および現在姿勢を読み出す。そして、該手段６４３は、現在位置、現在姿勢、およびローカル座標系の値として予め設定された、自律飛行ロボット６の主軸方向に対する障害物センサ６２の主軸方向の相対方向を用いて、障害物センサ６２のローカル座標系での値である障害物距離および障害物方向を、グローバル座標系における障害物領域の情報に変換する。
【００６１】
以上のように、障害物センサ６２と障害物領域算出手段６４３（制御部６４）とが協働して障害物領域検出手段をなし、障害物領域検出手段は制御体である自律飛行ロボット６の周囲の障害物領域を検出する。
【００６２】
飛行制御手段６４４は、飛行計画記憶手段６５３に記憶されている飛行計画の情報、ロボット位置・姿勢算出手段６４１に記憶されている現在位置であって逐次更新される現在位置、および障害物領域算出手段６４３から逐次入力される障害物領域の情報を参照し、自律飛行ロボット６を飛行計画に記された加速度制限値以下の加速度で障害物領域を回避しつつ飛行計画に記された経路に従って追従飛行させる。すなわち、該手段６４４は、風速が所定値以下である場合は自律飛行ロボット６を加速度制限値の初期値以下の加速度で障害物領域を回避しつつ最短経路で追従飛行させ、風速が上記所定値を超える場合は自律飛行ロボット６を風情報に応じて初期値よりも低く補正された加速度制限値以下の加速度で障害物領域を回避しつつ直線主体経路で追従飛行させる。具体的には、例えば、該手段６４４は、現在位置と経路を比較して現在位置よりも目標位置に近く現在位置から所定距離以内である経路上の近傍点を複数設定して、近傍点のうち現在位置から障害物領域を経由せずに飛行可能な近傍点に加速度制限値以下の加速度で飛行するために要する４つのモータ６６の回転数を導出し、各モータ６６に導出した回転数を指示する、という制御を目標位置に到達するまで逐次的に繰り返す。所定距離には障害物センサ６２の有効距離以下の距離が予め設定される。
【００６３】
以上のように、制御体である自律飛行ロボット６は、風速が所定値以下の場合は最短経路を飛行し、風速が所定値を超える場合は直線主体経路を飛行する。これにより、風の影響で経路追従性能が大きく悪化することを防止し、目標位置まで確実に飛行できる。
【００６４】
次に、飛行計画算出手段６４２で実行される処理について図４に示すフローチャートを用いて説明する。
【００６５】
目標位置設定手段６４０によって位置情報記憶手段６５１に記憶されている目標位置が更新されると、図４に示すフローチャートの処理が開始される（ＳＴ１）。
【００６６】
まず、飛行計画算出手段６４２は、ロボット位置・姿勢算出手段６４１が算出して位置情報記憶手段６５１に記憶されている現在位置を取得する（ＳＴ２）とともに、風情報記憶手段６５２に記憶されている風情報を取得する（ＳＴ３）。飛行計画算出手段６４２は、風情報に含まれる風速を風速の閾値（所定値）と比較して風速が当該閾値以下であるか否かを確認する（ＳＴ４）。
【００６７】
風速が風速閾値以下であった場合（ＳＴ４にてＹｅｓ）、飛行計画算出手段６４２は、最短経路算出手段６４２ａに現在位置と目標位置を入力して最短経路を算出させる（ＳＴ５）。最短経路算出手段６４２ａは、前述したように入力値および空間情報記憶手段６５０に記憶されている障害物領域を参照して、障害物を回避し最短距離で到達可能な経路を生成する。
【００６８】
他方、風速が風速閾値より大きい場合（ＳＴ４にてＮｏ）、飛行計画算出手段６４２は、直線主体経路算出手段６４２ｂに現在位置と目標位置を入力して直線主体経路を算出させる。直線主体経路算出手段６４２ｂは、前述したようにまず現在位置上空に中間点のひとつであるロボット上方位置を設定する（ＳＴ６）。すなわち、直線主体経路算出手段６４２ｂは、空間情報記憶手段６５０に記憶されている障害物領域を参照して最高障害物高度を抽出し、現在位置のＺ座標を、最高障害物高度にマージンを加えた値である水平飛行高度に置き換えてロボット上方位置を算出する。
【００６９】
直線主体経路算出手段６４２ｂは、次に目標位置上空に中間点のもうひとつである目標上方位置を設定する（ＳＴ７）。すなわち、直線主体経路算出手段６４２ｂは、目標位置のＺ座標を水平飛行高度に置き換えて目標上方位置を算出する。直線主体経路算出手段６４２ｂは、続いてそれらの２つの中間点を経由するような経路を生成する（ＳＴ８）。さらに、直線主体経路算出手段６４２ｂは、経路追従性能悪化を防ぐため、風速や風向に応じた加速度制限値を設定する（ＳＴ９）。
【００７０】
本実施の形態においては、以上のように風速に応じて最短経路または直線主体経路を含む飛行計画を生成する。なお、風速が風速閾値より大きい場合でも風速が飛行限界風速を超えている場合は飛行させない。その場合、最短経路または直線主体経路を算出しないようにしてもよい。
【００７１】
以下、上記説明した実施の形態の変形例について説明する。
【００７２】
本発明では、１または複数の線分のみの経路にて直線主体経路を設定することを特徴としている。そのために、本実施の形態においては、図３Ｂに示すように、現在位置ＰＳの鉛直方向にロボット上方位置ＱＳと目標位置ＰＧの鉛直方向に目標上方位置ＱＧをそれぞれ設けて自律飛行ロボット６を鉛直方向に上昇および下降させるようにした。そして、ロボット上方位置ＱＳと目標上方位置ＱＧの高度を同一とし、当該高度にて水平飛行させる直線主体経路を算出する例を示した。別の実施の形態において、直線主体経路算出手段６４２ｂは、図５に示すようにロボット上方位置ＱＳ１と目標上方位置ＱＧ１の高度を異ならせた直線経路１７を含む直線主体経路を算出することによって、経路長がより短い直線主体経路を算出してもよい。もちろん、この場合も直線経路１７は、障害物の上空を飛行することになり、障害物にかかることはない。なお、図５では、自律飛行ロボット６を上昇角θにて上昇させる場合（斜め上方向に飛行させる場合）を図示したが、さらに別の実施の形態において、該手段６４２ｂは、障害物の一例である樹木１２の位置に応じて自律飛行ロボット６を下降させる（斜め下方向に飛行させる）直線主体経路を算出してもよい。すなわち、図５では（ＰＳ−ＱＳ１）間距離＜（ＰＧ−ＱＧ１）間距離の場合を例示したが、（ＰＳ−ＱＳ１）間距離＞（ＰＧ−ＱＧ１）間距離としてもよい。
【００７３】
また、自律飛行ロボット６を必ずしも現在位置からいったん上昇させなくてもよい。例えば、該手段６４２ｂは、図６に示すようにロボット上方位置ＱＳを設定せずに現在位置ＰＳと目標上方位置ＱＧ１とを結ぶ線分を含む直線主体経路を算出してもよい。この逆に目標位置に向けて下降させなくてもよい。つまり、該手段６４２ｂは、目標上方位置ＱＧ１を設定せずにロボット上方位置ＱＳ１と目標位置ＰＧとを結ぶ線分を含む直線主体経路を算出してもよい。なお、ここでは、ロボット上方位置ＱＳ１または目標上方位置ＱＧ１を設定しないと説明したが、ＰＳ＝ＱＳ１またはＰＧ＝ＱＧ１に設定すると言ってもよい。なお、図５および図６において、直線経路１７は、ＱＨを通るように算出する必要はなく、ＱＨの上方を通ってもよい。また、障害物としては、通常、建物や樹木等地面から立設している。従って、自律飛行ロボット６は、その障害物の上方を飛行するため現在位置または現在位置の上方から直線飛行を開始することになる。ただ、例えば建物の上層階から空間に向けて物体がはみ出しているなど空中に障害物が存在する場合も否定できない。そのような障害物を回避するために、該手段６４２ｂは、現在位置または現在位置の上方に代えて現在位置の下方を一端とする線分を含む直線主体経路を算出し、或いは目標位置または目標位置の上方に代えて目標位置の下方を一端とする線分を含む直線主体経路を算出するようにしてもよい。
【００７４】
図３Ｂ、図５、図６では、自律飛行ロボット６の上昇・下降方向は、鉛直方向としたが、鉛直方向以外の斜め方向（角度ψ）に上昇または下降させてもよい。例えば、現在位置から目標位置の方向に風が吹いている場合（追い風が吹いている場合）、追い風の風力を利用して斜め上方向に上昇してもよい。なお、上昇・下降する角度ψは、現在位置ＰＳまたは目標位置ＰＧと障害物の位置関係（特に高さ方向の関係）、風向また自律飛行ロボット６の性能に従って適宜決定すればよい。
【００７５】
また、上記説明においては、直線主体経路を算出する際に水平飛行高度を設定したが、このとき監視空間において最も高い障害物の高さ（最高障害物高度）を空間情報から抽出するようにした。ただ、現在位置ＰＳと目標位置ＰＧの位置関係は既知なので、現在位置ＰＳと目標位置ＰＧとを繋ぐ線分近傍、すなわち、直線主体経路算出手段６４２ｂは、自律飛行ロボット６の飛行経路となり得る所定の範囲に位置する障害物（所定の範囲に対応するボクセル）に限定して最高障害物高度を抽出するようにしてもよい。これにより、飛行経路となり得ない位置にある障害物の影響を受けずに済む。つまり、必要以上に上昇させる必要がなくなる。
【００７６】
また、上記説明では、現在位置および目標位置に近い風力計３によって取得した風情報を特定してこれらの中から風速が高い方の風情報を利用する例を示したが、飛行計画算出手段６４２は、特定処理を省略し、全ての風力計３によって取得した風情報のうちの風速が最も高い風情報を利用してもよい。前者は現在位置および目標位置以外の局地的な強風による過剰な制限を抑制できるため広い監視空間、地形または障害物配置が複雑な監視空間に適用するのが好適である。一方、後者は現在位置および目標位置に近い風力計３によって取得した風情報を特定する処理負荷がかからないため監視空間が狭い場合に適用するのが好適である。
【００７７】
また、上記説明では、監視空間内に複数の風力計３を設置する例を示したが、設置する風力計３は１つであってもよく、その風力計３を上記の通り自律飛行ロボット６に搭載してもよい。風力計３を１つとする場合は、当該風力計３によって（移動計画算出処理時点に）計測された風情報を監視空間の各所における風情報とみなして処理すればよい
【００７８】
また、風情報の時系列を記憶して、各風力計３の風情報として、当該風力計３が現在を含む所定期間内に計測した風情報のうちの風速が最も高い風情報を利用してもよい。
【００７９】
また、監視員の入力操作によって監視センタ装置４から目標位置を設定してもよい。
【００８０】
また、自律飛行ロボット６が目標位置設定手段６４０を備える例を示したが、管理装置５が目標位置設定手段６４０を備えてもよい。その場合、侵入物の位置や帰還指示に代えて目標位置が、管理装置５から自律飛行ロボット６に送信される。
【００８１】
また、自律飛行ロボット６が飛行計画算出手段６４２を備える例を示したが、管理装置５が飛行計画算出手段６４２を備えてもよい。その場合、侵入物の位置や帰還指示に代えて経路および加速度制限値が、管理装置５から自律飛行ロボット６に送信される。
【００８２】
また、飛行制御手段６４４が障害物領域算出手段６４３により算出された障害物領域を参照して経路を追従飛行する例を示したが、飛行制御手段６４４が障害物領域算出手段６４３により算出された障害物領域と空間情報記憶手段６５０に空間情報として記憶されている障害物領域の両方を参照して経路を追従飛行してもよい。また、その際、空間情報において侵入物位置を基準とする侵入物の大きさ範囲内のボクセルに一時的に障害物であることを示す符号を付与してもよい。
【００８３】
本実施の形態では、制御体として空中を飛行する自律飛行ロボット６を想定して説明したが、これに限らず、例えば海などの流体中を移動する制御体にも本発明を適用することは可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１  飛行制御システム、２  侵入物センサ、３  風力計、４  監視センタ装置、５  管理装置、６  自律飛行ロボット、６０  通信部、６１  ロボット位置・姿勢センサ、６２  障害物センサ、６３  カメラ、６４  制御部、６５  記憶部、６６  モータ、６７  ロータ、６４０  目標位置設定手段、６４１  ロボット位置・姿勢算出手段、６４２  飛行計画算出手段、６４２ａ  最短経路算出手段、６４２ｂ  直線主体経路算出手段、６４３  障害物領域算出手段、６４４  飛行制御手段、６５０  空間情報記憶手段、６５１  位置情報記憶手段、６５２  風情報記憶手段、６５３  飛行計画記憶手段。
【図１】
2019164415.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
2019164415.tif 000008
【図６】
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