(57)【要約】【課題】特殊な自律飛行動作を効率的に実現可能な飛行制御装置およびこれを備える無人航空機を提供する。【解決手段】無人航空機に搭載される飛行制御装置であって、前記無人航空機の飛行動作を制御する主制御部と、操縦者からの操縦信号を受信する受信器が出力する信号と同方式の信号である疑似信号を生成し、該疑似信号を前記主制御部に入力可能な副制御部と、を備えることを特徴とする飛行制御装置、およびこれを備える無人航空機により解決する。【選択図】図２
2019014317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無人航空機に搭載される飛行制御装置であって、
前記無人航空機の飛行動作を制御する主制御部と、
操縦者からの操縦信号を受信する受信器が出力する信号と同方式の信号である疑似信号を生成し、該疑似信号を前記主制御部に入力可能な副制御部と、
を備えることを特徴とする飛行制御装置。
【請求項２】
前記副制御部は記憶部を有し、
前記記憶部には、前記疑似信号の経時的な生成パターンである疑似信号ルーチンが登録されていることを特徴とする請求項１に記載の飛行制御装置。
【請求項３】
前記機体の姿勢および／または飛行位置を検出する複数のセンサである飛行制御センサ群をさらに備え、
前記副制御部は、前記飛行制御センサ群の検出値に基づいて、前記疑似信号の生成内容を動的に変更可能であることを特徴とする請求項１に記載の飛行制御装置。
【請求項４】
前記主制御部および前記副制御部は、それぞれ別々の前記飛行制御センサ群を有していることを特徴とする請求項３に記載の飛行制御装置。
【請求項５】
操縦者からの操縦信号を受信する受信器をさらに備え、
前記受信器は前記副制御部に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の飛行制御装置。
【請求項６】
操縦者からの操縦信号を受信する受信器をさらに備え、
前記副制御部は、前記受信器が出力する信号を記録するマクロ記録手段を有することを特徴とする請求項２に記載の飛行制御装置。
【請求項７】
請求項１に記載の飛行制御装置を備える無人航空機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無人航空機技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、無人航空機の飛行動作を制御する主制御装置の処理に割り込み可能な副制御装置を備える飛行制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１７／０２６３３７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
マルチコプターに代表される小型の無人航空機は、機体の飛行動作を制御するフライトコントローラとよばれる制御装置を備えている。市場に流通するフライトコントローラ製品の中には、オートパイロット機能を備えているものがある。オートパイロット機能とは、操縦者が作成した飛行計画に沿って自律的に機体を飛行させる機能である。一般的なオートパイロットの飛行計画には、機体の離着陸地点や飛行ルートの経緯度、飛行中の高度、速度、機首の方位角などを指定することができる。その他、空撮に特化した一部のフライトコントローラでは、カメラによる撮影の開始・終了、ＰＴＺ操作などを指定可能なものもある。
【０００５】
しかし、これらのオートパイロット機能は、あくまで汎用的な操作の組み合わせを順次実行しているにすぎない。オートパイロットの飛行計画には、そのフライトコントローラの周辺装置ではないセンサ（例えば別途搭載された側方に向けられたレーザ測距センサなど）を用いることはできない。また、飛行時の状況に応じて実行する飛行動作を動的に変更させることもできない（フェールセーフ機能は除く）。すなわち、従来のオートパイロット機能では、一般的でない特殊な用途のための飛行動作を柔軟かつ正確に行わせることは困難である。
【０００６】
そして、既存のフライトコントローラ製品のオートパイロット機能を拡張することには多くの障壁がある。例えばそのファームウェアのソースコードが非公開の場合、製造元が提供するＡＰＩで許容されている範囲内でしか機能を拡張することができない。一方、オープンソースの場合には、ソースコードの解析、改修、基本機能を含めてのテスト、および全機能の保守を自らが行う必要があり、膨大な工数が発生する。特に、無人航空機の用途や機体ごとに使用するフライトコントローラが異なる場合もあり、同一の拡張機能をフライトコントローラに合わせて様々な態様で実装することは非効率である。
【０００７】
上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、特殊な自律飛行動作を効率的に実現可能な飛行制御装置およびこれを備える無人航空機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の飛行制御装置は、無人航空機に搭載され、前記無人航空機の飛行動作を制御する主制御部と、操縦者からの操縦信号を受信する受信器が出力する信号と同方式の信号である疑似信号を生成し、該疑似信号を前記主制御部に入力可能な副制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
飛行制御装置が副制御部を備えることにより、例えば、主制御部として市販のフライトコントローラ製品を利用し、そのフライトコンローラが有するオートパイロット機能では実現不能な飛行動作のみを疑似信号で実現することが可能となる。一般に、受信器の出力信号は規格化されたものがほとんどである。そのため、様々なフライトコントローラ製品に対して同一の疑似信号を同じ意味内容の指示として入力することができる。また受信器を接続不能なフライトコントローラ製品、つまり疑似信号を入力不能なフライトコントローラ製品は、もし存在したとしても極めて少数の例外的な製品のみと考えられる。すなわち、既に完成された製品としての実績がある主制御部をベースとして、そのオートパイロット機能との差分機能のみを別途用意し、これを受信器からの信号を装って主制御部に入力することにより、特殊な自律飛行動作を効率的に実現することができる。
【００１０】
また、前記副制御部は記憶部を有し、前記記憶部には、前記疑似信号の経時的な生成パターンである疑似信号ルーチンが登録されていることが好ましい。
【００１１】
副制御部の記憶部に疑似信号ルーチンを予め登録しておくことにより、操縦者は、任意のタイミングで疑似信号ルーチンを呼び出すことで、簡便に無人航空機に所望の自律飛行動作を行わせることができる。
【００１２】
また、本発明の飛行制御装置は、前記機体の姿勢および／または飛行位置を検出する複数のセンサである飛行制御センサ群をさらに備え、前記副制御部は、前記飛行制御センサ群の検出値に基づいて、前記疑似信号の生成内容を動的に変更可能であることが好ましい。
【００１３】
副制御部が、無人航空機に指示する飛行動作を飛行制御センサ群の検出値に基づいて動的に変更可能であることにより、副制御部で実現可能な自律飛行動作の幅が広がるとともに、各動作の正確性を高めることができる。
【００１４】
このとき、前記主制御部および前記副制御部は、それぞれ別々の前記飛行制御センサ群を有していることが好ましい。
【００１５】
副制御部が主制御部とは別に飛行制御センサ群を有していることにより、機体に備えられた飛行制御センサ群の種類やその搭載方法（主制御部に内蔵または外付け）、主制御部の仕様（センサ検出値の転送可否など）により副制御部の機能が制限されることが避けられ、様々な機体で副制御部の本来の機能を発揮することが可能となる。
【００１６】
また、本発明の飛行制御装置は、操縦者からの操縦信号を受信する受信器をさらに備え、前記受信器は前記副制御部に接続されている構成としてもよい。
【００１７】
受信器が副制御部に接続されていることにより、操縦者による手動操縦と、疑似信号による機体の制御とを容易に切り替えることが可能となる。なお、操縦者が手動操縦を行うときには、副制御部に入力された受信器の信号をそのまま主制御部に転送すればよい。
【００１８】
また、本発明の飛行制御装置は、操縦者からの操縦信号を受信する受信器をさらに備え、前記副制御部は、前記受信器が出力する信号を記録するマクロ記録手段を有する構成としてもよい。
【００１９】
例えば疑似信号ルーチンを新規に作成するときに、実際に機体を操縦してそのときの受信器の出力信号を記録し、これをベースに疑似信号ルーチンを作成することにより、疑似信号ルーチンを効率的に作成することができる。
【００２０】
また、上記課題を解決するため、本発明の無人航空機は、本発明の飛行制御装置を備えることを特徴とする。
【００２１】
例えば疑似信号ルーチンを新規に作成するときに、実際に機体を操縦してそのときの受信器の出力信号を記録し、これをベースに疑似信号ルーチンを作成することにより、疑似信号ルーチンを効率的に作成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明の飛行制御装置およびこれを備える無人航空機によれば、特殊な自律飛行動作を効率的に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】各実施形態にかかるマルチコプターの外観を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態のマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。
【図３】疑似信号ルーチンを使った特殊な自律飛行動作の例を示す模式図である。
【図４】第２実施形態にかかるマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。
【図５】第３実施形態にかかるマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について説明する。以下に説明する実施形態はいずれも、小型の無人回転翼航空機であるマルチコプターに本発明の飛行制御装置を搭載した例である。なお、本発明の飛行制御装置を適用可能な機体はマルチコプターには限られない。本発明の飛行制御装置は、無人航空機であることを条件として、ヘリコプターや固定翼機、さらにはＶＴＯＬ機（Vertical Take-Off and Landing：垂直離着陸機）にも適用可能である。
【００２５】
［第１実施形態］
（構成概要）
図１は、本実施形態（以下、「本例」ともいう。）を含む各実施形態にかかるマルチコプター１の外観を示す斜視図である。本例のマルチコプター１は、６基のロータ２６が周方向等間隔に配置されたヘキサコプターである。マルチコプター１は、機体の前方ｄ（ヘディング方向）を撮影するカメラ１５を備えている。カメラ１５は姿勢安定化装置１５１に支持されている。また、姿勢安定化装置１５１には、カメラ１５とともに、機体の前方ｄに存在する周辺物との距離を測定するレーザ測距センサ７０が配置されている。
【００２６】
（機能構成）
図２は本例のマルチコプター１の機能構成を示すブロック図である。マルチコプター１の機能は、主に、主制御部１１および副制御部１２を有する飛行制御装置１０ａ、複数のブラシレスモータであるロータ２６、ロータ２６の駆動回路であるＥＳＣ２５（Electric Speed Controller）、副制御部１２に接続された受信器１４、および、これらに電力を供給するバッテリー１９により構成されている。なお、本例の主制御部１１には、一般的なフライトコントローラ製品が使用されている。
【００２７】
主制御部１１は、マイクロコントローラである主制御装置２０を備えている。主制御装置２０は、中央処理装置であるＣＰＵ２１、ＲＡＭやＲＯＭ・フラッシュメモリなどの記憶装置からなるメモリ２２、および、ＥＳＣ２５を介して各ロータ２６の回転数を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）コントローラ２３を有している。
【００２８】
主制御部１１はさらに、ＩＭＵ３１（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）、ＧＰＳアンテナ３２、気圧センサ３３、および地磁気センサ３４を含む飛行制御センサ群３０を有しており、これらは主制御装置２０に接続されている。
【００２９】
ＩＭＵ３１は、主に加速度センサおよび角速度センサにより構成されている。ＧＰＳアンテナ３２は、正確には航法衛星システム（ＮＳＳ：Navigation Satellite System）の受信器である。ＧＰＳアンテナ３２は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ:Global Navigation Satellite System）または地域航法衛星システム（ＲＮＳＳ:Regional Navigational Satellite System）から現在の経緯度値および時刻情報を取得する。気圧センサ３３は飛行高度を測定する高度センサの一態様である。地磁気センサ３４は機首の方位角（ヘディング方向）を特定する方位センサ（電子コンパス）の一態様である。主制御装置２０は、これら飛行制御センサ群３０により、機体の傾きや回転のほか、飛行中の緯度経度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得することが可能とされている。
【００３０】
主制御装置２０のメモリ２２には、マルチコプター１の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御するプログラムである飛行制御プログラム２２１が登録されている。飛行制御プログラム２２１は、飛行制御センサ群３０から取得した情報を基に個々のロータ２６の回転数を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながらマルチコプター１の飛行動作を制御する。
【００３１】
また、メモリ２２には、マルチコプター１を飛行させる飛行経路や速度、高度などのパラメータである飛行計画２２３が登録されている。飛行制御プログラム２２１は、操縦者（送信器１３）からの開始指示や所定の時刻を開始条件として、飛行計画２２３に従って自律的に飛行することができる。本例ではこのような自律飛行機能を「オートパイロット」という。本例のマルチコプター１は基本的にオートパイロットで飛行させることを想定しているが、操縦者が送信機１３を使って逐次手動で操縦することも可能である。
【００３２】
このように、本例の主制御部１１は高度な飛行制御機能を備えているが、本発明の主制御部は、常に本例の主制御部１１と同等の機能を備えている必要はない。本発明の主制御部は、空中におけるマルチコプター１の姿勢を水平に維持可能であり、機体のエレベータ、エルロン、ヨー操作が可能であれば、飛行制御センサ群３０から一部のセンサが省略された構成としてもよく、さらにはオートパイロット機能が省略された構成としてもよい。
【００３３】
副制御部１２は、マイクロコントローラである副制御装置５０を備えている。副制御装置５０は、中央処理装置であるＣＰＵ５１、ＲＡＭやＲＯＭ・フラッシュメモリなどの記憶部であるメモリ５２、および、マルチコプター１の前方ｄの周辺物との距離を測定するレーザ測距センサ７０を有している。
【００３４】
そして、副制御装置５０のメモリ５２には、操縦者（送信機１３）からの操縦信号を受信する受信器１４が出力する信号Ｓと同方式の信号である疑似信号ＳＰを生成し、生成した疑似信号ＳＰを疑似信号出力部５３から主制御部１１に入力する疑似信号生成プログラム５２１が登録されている。
【００３５】
なお、「信号Ｓと同方式の信号」とは、例えばＰＷＭ、Ｓ．ＢＵＳ（双葉電子工業株式会社の登録商標）などのシリアルバス方式の信号、ＰＰＭ（Pulse Position Modulation：パルス位置変調）、ＰＣＭ（pulse code modulation：パルス符号変調）などの信号方式をいう。
【００３６】
本例の飛行制御装置１０ａは、副制御部１２を備えていることにより、例えば本例のように市販のフライトコントローラ製品を主制御部１０として利用し、そのフライトコンローラが有するオートパイロット機能では実現不能な飛行動作のみを疑似信号ＳＰで実現することが可能とされている。
【００３７】
受信器の出力信号は規格化されたものがほとんどである。そのため、様々なフライトコントローラ製品（主制御部）に対して同一の疑似信号を同じ意味内容の指示として入力することができる。また受信器を接続不能なフライトコントローラ製品、つまり疑似信号を入力不能なフライトコントローラ製品は、もし存在したとしても極めて少数の例外的な製品のみと考えられる。すなわち、既に完成された製品としての実績がある主制御部をベースとして、そのオートパイロット機能との差分機能のみを別途用意し、これを受信器からの信号を装って主制御部に入力することにより、特殊な自律飛行動作を効率的に実現することが可能とされている。
【００３８】
また、副制御部１２のメモリ５２には、疑似信号ＳＰの経時的な生成パターンである疑似信号ルーチン５２２が登録されている。副制御部１２に疑似信号ルーチン５２２を予め登録しておくことにより、操縦者は、任意のタイミングで疑似信号ルーチン５２２を呼び出し、マルチコプター１に所望の自律飛行動作を行わせることができる。疑似信号ルーチン５２２は、疑似信号生成プログラム５２１のサブプログラムとして実行されてもよく、または、疑似信号生成プログラム５２１に読み込まれるパラメータの集合であってもよい。
【００３９】
さらに、本例の副制御部１２は、主制御部１１の飛行制御センサ群３０の検出値を主制御部１１から取得することができる。本例の疑似信号生成プログラム５２１は、飛行制御センサ群３０の検出値に基づいて、疑似信号ＳＰを動的に変更しながら主制御部１１に入力することが可能とされている。これにより、疑似信号生成プログラム５２１で実現可能な自律飛行動作の幅が広げられるとともに、各動作の正確性が高められている。
【００４０】
また、本例の受信器１４は副制御部１２に接続されている。受信器１４が副制御部１２に接続されていることにより、操縦者（送信機１３）による手動操縦と、疑似信号ＳＰによる機体の制御とを容易に切り替えることができる。なお、操縦者が手動操縦を行うときには、副制御部１２に入力された受信器の信号Ｓをそのまま主制御部１１に転送すればよい。
【００４１】
（疑似信号ルーチンの実行例）
図３は、疑似信号ルーチン５２２を使った特殊な自律飛行動作の例を示す模式図である。図３は、遠隔地にある建造物９０の壁面９０ａをカメラ１５で撮影する作業例である。
【００４２】
マルチコプター１の飛行制御装置１０ａは、まず、主制御部１１のオートパイロット機能により建造物９０近傍まで機体を自律飛行させ、建造物９０の壁面９０ａに機首を向けてホバリングさせる（矢印線ａ）。
【００４３】
そして、副制御部１２は、主制御部１１によるオートパイロットの終了（ここでは機体の静止）を検知すると、矢印線ｂで表される疑似信号ルーチン５２２を実行する。
【００４４】
本例の疑似信号ルーチン５２２は、レーザ測距センサ７０で壁面９０ａとの距離を測定することにより、カメラ１５と壁面９０ａとの距離を一定に保ちつつ、壁面９０ａの全体をカメラ１５で撮影するという動作である。より具体的には、マルチコプター１の静止位置ｐを起点として（静止位置ｐは壁面９０ａ上端の隅と仮定する）、カメラ１５を壁面９０ａ側に向けたまま、壁面９０ａとの距離を一定に保ちつつ（つまりレーザ測距センサ７０の検出値を一定に保ちつつ）、エルロン操作により機体を水平飛行させる。その後、レーザ測距センサ７０の検出値の突発的な変化により壁面９０ａを通り過ぎたことを検知したときは、機体を所定量降下させ、先ほどとは逆方向に機体を水平飛行させる。これを繰り返すことで壁面９０ａを上から下に走査しながら壁面９０ａ全体の撮影を行う。
【００４５】
上でも述べたように、疑似信号ルーチン５２２とは疑似信号ＳＰの経時的な生成パターンである。主制御部１１は、疑似信号ＳＰを受信器１４からの出力信号として認識する。つまり、操縦者が送信機１３を使って手動操縦しているものと錯覚する。
【００４６】
ここで、マルチコプター１の姿勢維持や、経緯度、高度、機首の方位角の維持、および、スロットル、エレベータ、エルロン、ヨー操作に必要となるロータ２６の制御などは主制御部１１により行われる。そのため、疑似信号ルーチン５２２ではこれらを考慮する必要はない。すなわち、疑似信号ルーチン５２２に基づいて疑似信号生成プログラム５２１が生成する疑似信号ＳＰは、いわゆるプロポなどの一般的な操縦端末でも表現可能な単純な指示の組み合わせで足りる。
【００４７】
さらに、疑似信号生成プログラム５２１は、飛行制御センサ群３０の検出値やレーザ測距センサ７０の検出値に基づいて、生成する疑似信号ＳＰの内容を動的に変更することができる。より具体的には、上でも述べたように、例えば、レーザ測距センサ７０の検出値に基づいて壁面９０ａとの距離を一定に保つ疑似信号ＳＰを生成したり、また、疑似信号ルーチン５２２を構造化（順列・分岐・繰り返しによるプログラム化）することで、例えば、レーザ測距センサ７０の突発的な変化を壁面９０ａ範囲の超過と判断し、動作を変更させたりすることができる。
【００４８】
副制御部１２は疑似信号ルーチン５２２の実行を終えると、帰巣のためのオートパイロット動作を主制御部１１に実行させる（矢印線ｃ）。
【００４９】
一般的なフライトコントローラである主制御部１１が備えるオートパイロット機能は汎用的な操作の組み合わせを順次実行することしかできず、また、飛行時の状況に応じて動作を動的に変更することもできない。すなわち、従来のオートパイロット機能では、一般的でない特殊な用途のための自律飛行動作を実現することは困難である。一方、本例の飛行制御装置１０ａは、主制御部１１に加え、副制御部１２を備えていることにより、特定の用途に応じた複雑な自律飛行動作を柔軟かつ正確に行わせることが可能とされている。
【００５０】
なお、本例の疑似信号ルーチン５２２は主制御部１１のオートパイロット動作から独立しているが、主制御部１１によるオートパイロット中に手動操縦（疑似信号ＳＰ）による割り込むことが許容されているときは、例えば、主制御部１１のオートパイロット機能で飛行ルートと高度を設定し、飛行中の機首の方位角のみを副制御部１２で制御するという組み合わせも考えられる。
【００５１】
また、本例の副制御部１２は、主制御部１１の周辺装置ではないセンサの一例としてレーザ測距センサ７０を備えているが、これは必須の構成ではない。疑似信号ルーチン５２２の内容によってはレーザ測距センサ７０を省略してもよく、他の装置を別途搭載してもよい。
【００５２】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明においては、先の実施形態と同一または同様の構成については、先の実施形態と同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５３】
図４は、第２実施形態にかかるマルチコプター１の機能構成を示すブロック図である。本例の飛行制御装置１０ｂは、第１実施形態の飛行制御装置１０ａの構成に加えて、副制御部１２が主制御部１１とは別に飛行制御センサ群６０を備えている。飛行制御センサ群６０を構成するセンサ類は飛行制御センサ群３０と同様である。
【００５４】
副制御部１２が主制御部１１とは別に飛行制御センサ群６０を有していることにより、機体に備えられた飛行制御センサ群３０の種類やその搭載方法（主制御部１１に内蔵または外付け）、主制御部１１の仕様（センサ検出値の転送可否など）により副制御部１２の機能が制限されることが避けられ、様々な機体で副制御部１２の本来の機能を発揮することが可能とされている。
【００５５】
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について説明する。以下の説明においては、先の実施形態と同一または同様の構成については、先の実施形態と同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５６】
図５は、第３実施形態にかかるマルチコプター１の機能構成を示すブロック図である。本例の飛行制御装置１０ｃは、第２実施形態の飛行制御装置１０ｂの構成に加え、副制御部１２のメモリ５２に、受信器１４が出力する信号Ｓを記録するマクロ記録手段であるマクロ記録プログラム５２３が登録されている。
【００５７】
これにより、例えば疑似信号ルーチン５２２を新規に作成するときに、実際に機体を操縦してそのときの受信器１４の出力信号Ｓを記録し、これをベースに疑似信号ルーチン５２２を作成することにより、疑似信号ルーチン５２２を効率的に作成することが可能とされている。
【００５８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１  マルチコプター（無人航空機）
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ  飛行制御装置
１３  送信器
１４  受信器
Ｓ  受信器の出力信号
１１  主制御部
２０  主制御装置
２２１  飛行制御プログラム
２２２  自律飛行プログラム
２２３  飛行計画
２６  ロータ
３０  飛行制御センサ群
１２  副制御部
５０  副制御装置
５２  メモリ（記憶部）
５２１  疑似信号生成プログラム
５２２  疑似信号ルーチン
５２３  マクロ記録プログラム（マクロ記録手段）
５３  疑似信号出力部
ＰＳ  疑似信号
６０  飛行制御センサ群
【図１】
2019014317.tif 000003
【図２】
2019014317.tif 000004
【図３】
2019014317.tif 000005
【図４】
2019014317.tif 000006
【図５】
2019014317.tif 000007