(57)【要約】      （修正有）【課題】従来法における地上からの誘導によって、飛行物体の３次元位置決めを高精度かつ安定に実施することができる装置および方法を提供する。【解決手段】地上に設置したパンチルトアクチュエータ上に載置した投光器によって飛行物体にビーム状の光を照射し、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て投光器の光照射方向を移動し、飛行物体に投光器から照射されるビーム光を追尾させることで、飛行物体を所定の３次元位置に誘導位置決めする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛行物体にビーム光を照射する光強度可変型投光器と、前記飛行物体に取り付けられた、前記光強度可変型投光器から照射されたビーム光を受光するレシーバ装置からなることを特徴とする、飛行物体の誘導位置決め装置。
【請求項２】
前記光強度可変型投光器が地上の所定位置に設置された２軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータ上に載置されていることを特徴とする、請求項１に記載の飛行物体の誘導位置決め装置。
【請求項３】
前記レシーバ装置は、前記光強度可変型投光器から照射されたビーム光を受光するための、円形、多角形等の輪郭線形状を有する架台上に複数個の受光素子を載置した受光部と、前記光強度可変型投光器からのビーム光を受光した複数個の活性受光素子の受光強度の測定が可能な受光強度測定部と、前記活性受光素子の重心位置を求める活性受光素子重心位置演算部とで構成されることを特徴とする、請求項１あるいは請求項２に記載の飛行物体の誘導位置決め装置。
【請求項４】
前記パンチルトアクチュエータ上に、前記光強度可変型投光器と並行に、ズーミング可能な飛行物体撮像用カメラを載置したことを特徴とする、請求項２に記載の飛行物体の誘導位置決め装置。
【請求項５】
光強度可変型投光器からのビーム光を飛行物体に取り付けられたレシーバ装置に照射し、該レシーバ装置の受光部に載置された複数個の受光素子によって光強度可変型投光器からのビーム光を受光し、受光強度測定部によって前記ビーム光を受光した活性受光素子の受光強度を測定し、活性受光素子重心位置演算部によって活性受光素子の重心位置を演算し、前記受光強度に応じて前記飛行物体の鉛直方向移動量を決定し、前記重心位置から前記飛行物体の水平方向移動量を決定し、前記飛行物体に内蔵された推進装置を用いて、前記鉛直方向移動量及び前記水平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方法。
【請求項６】
前期光強度可変型投光器を地上の所定位置に設置した２軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータ上に載置し、該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て前記光強度可変型投光器からのビーム光を前記飛行物体に取り付けられた前記レシーバ装置に照射することを特徴とする、請求項５に記載の飛行物体の誘導位置決め方法。
【請求項７】
前記活性受光素子重心位置演算部での演算結果から前記光強度可変型投光器からのビーム光が前記レシーバ装置の受光部で受光されているか否かの判定を行い、受光されている場合は前記飛行物体の誘導位置決め動作を継続し、受光されていない場合は前記飛行物体の誘導位置決め動作を停止して前記飛行物体がその場に留まるように、飛行物体の移動を制御することを特徴とする、請求項５あるいは請求項６に記載の飛行物体の誘導位置決め方法。
【請求項８】
前記パンチルトアクチュエータは、該パンチルトアクチュエータ上に載置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、そ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６に記載の飛行物体の誘導位置決め方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドローン等の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および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載置した投光器によって飛行物体にビーム状の光（以下、ビーム光と略記することがある。）を照射し、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て投光器の光照射方向を移動し、飛行物体に投光器から照射されるビーム光を追尾させることで、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位置決め方法としてＧＰＳが幅広く利用されているが、位置決め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、特許文献１に、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で飛行物体の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。
【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、非特許文献１に、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。
【０００５】
他に、非特許文献２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。
【０００６】
また、特許文献２に、飛行物体に搭載した受光部に対して地上から光を略逆円錐状に照射し、飛行物体の姿勢角と受光した光強度とに基づいて、飛行物体に内蔵された推進装置によって飛行物体の二次元的な位置や速度を制御する方式に関する報告があるが、地上から照射された略逆円錐状光の中心部分では光強度の変化が小さく、当該箇所での飛行物体の制御が安定せず、ドリフトが発生するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−１３２９３５
【特許文献２】特開２０１７−２４６１６
【非特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
本発明の目的は、従来法における「高精度で安定した３次元位置決めが困難」という課題を解決し、地上からの誘導によって、飛行物体の３次元位置決めを簡便に、高精度かつ安定に実施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】
【００１０】
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、
前記飛行物体にビーム光を照射する光強度可変型投光器（以下、投光器と略記することがある。）と、前記飛行物体に取り付けられた、前記投光器から照射されたビーム光を受光するレシーバ装置からなることを特徴とする。
【００１１】
また、前記投光器は、地上の所定位置に設置された２軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータ上に載置されていることを特徴とする。
【００１２】
また、前記レシーバ装置は、前記投光器から照射されたビーム光を受光するための、円形、多角形等の輪郭線形状を有する架台上に複数個の受光素子を載置した受光部と、前記投光器からのビーム光を受光した複数個の受光素子（以下、活性受光素子と略記することがある。）の受光強度の測定が可能な受光強度測定部と、前記活性受光素子の重心位置を求める活性受光素子重心位置演算部とで構成されることを特徴とする。
【００１３】
さらに、前記パンチルトアクチュエータ上に、前記投光器と並行に、ズーミング可能な飛行物体撮像用カメラを載置したことを特徴とする。
【００１４】
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、
投光器からのビーム光を前記飛行物体に取り付けられたレシーバ装置に照射し、該レシーバ装置の受光部に載置された複数個の受光素子によって前記投光器からのビーム光を受光し、受光強度測定部によって活性受光素子の受光強度を測定し、活性受光素子重心位置演算部によって活性受光素子の重心位置を演算し、前記受光強度に応じて前記飛行物体の鉛直方向移動量を決定し、前記重心位置から前記飛行物体の水平方向移動量を決定し、前記飛行物体に内蔵された推進装置を用いて、前記鉛直方向移動量及び前記水平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。
【００１５】
また、前記投光器は、地上の所定位置に設置された２軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータ上に載置され、該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て前記投光器からのビーム光を前記レシーバ装置に照射することを特徴とする。
【００１６】
また、前記活性受光素子重心位置演算部での演算結果から前記投光器からのビーム光が前記レシーバ装置の受光部で受光されているか否かの判定を行い、受光されている場合は前記飛行物体の誘導位置決め動作を継続し、受光されていない場合は前記飛行物体の誘導位置決め動作を停止して前記飛行物体がその場に留まるように、飛行物体の移動を制御することを特徴とする。
【００１７】
また、前記パンチルトアクチュエータは、該パンチルトアクチュエータ上に載置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、そのパン角とチルト角を制御する機能を備えることとしても良い。
【発明の効果】
【００１８】
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、
投光器から飛行物体に搭載したレシーバ装置の受光部にビーム光を照射し、レシーバ装置内の受光強度測定部と活性受光素子重心位置演算部によって、前記ビーム光の受光強度と活性受光素子の重心位置を求め、該受光強度と該重心位置に応じて前記飛行物体の鉛直方向移動量と水平方向移動量を決定することで、飛行物体が投光器から照射されるビーム光の先端に張り付いた状態を保持しつつ、地上と飛行物体間の信号授受を必要とせず、飛行物体を所望の位置に誘導位置決めすることが可能となる。この時、受光部の複数個の受光素子は円形、多角形等の輪郭線形状を有する小面積の架台上に載置されているため、飛行物体の性能低下を最小限に抑制することができ、さらに、前記円形、多角形等のサイズを大きくして受光可能範囲を拡大することができることから、飛行物体の３次元位置決めを簡便かつ安定に実施することができる。
【００１９】
さらに、前記投光器を地上の所定位置に設置された２軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータ上に載置し、該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て前記投光器からのビーム光を前記レシーバ装置に照射することで、飛行物体の３次元位置決めを高精度かつ安定に実施することができる。
【００２０】
また、前記活性受光素子重心位置演算部が、前記投光器からのビーム光が前記レシーバ装置の受光部で受光されているか否か判定を行い、受光されている場合は前記飛行物体の誘導位置決め動作を継続し、受光されていない場合は前記飛行物体の誘導位置決め動作を停止して前記飛行物体がその場に留まるようにすることで、装置機能が暴走することなく、飛行物体の誘導位置決め装置の安定した動作が可能となる。
【００２１】
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、３次元位置決め操作開始時の投光器から飛行物体へのビーム光の照射や、位置決め操作中に投光器からのビーム光がレシーバ装置から外れた時の復旧が容易になり、飛行物体の誘導位置決め装置の簡便な操作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の基本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、レシーバ装置の受光部の構成とその座標系を示す図である。
【図３】レシーバ装置の受光部での、投光器からの照射光の受光状態を示す図である。（a）は受光部において、多くの受光素子によって照射光が受光されている場合を、（b）は少数の受光素子によって受光されている場合を示し、（c）照射光が受光されてない場合を模式的に示したものである。
【図４】本発明の装置構成を示すブロック線図である。
【図５】装置の操作、測定、データ処理手順の概要を示す図である。
【図６】活性受光素子重心演算部での演算結果に基づく、飛行物体の水平方向移動操作を示す図である。
【図７】本発明の誘導位置決め制御方式を説明するためのブロック線図である。
【図８】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９】地上実験での、投光器のＸＹ平面上での移動量を示す図である。
【図１０】地上実験での、平面移動ロボットのＸＹ平面上での移動軌跡を示す図である。
【図１１】地上実験での、投光器移動量と平面移動ロボット移動量との時系列偏差を示す図である。（a）はＸ軸方向の偏差を、（b）はＹ軸方向の偏差を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
図１は本発明の飛行物体の誘導位置決め装置の基本構成を示す図であり、図２は飛行物体に取り付けられたレシーバ装置にビーム光が照射された状態を模式的に示す図である。
【００２５】
図１において、１は位置決め誘導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
2019121201.tif 000003
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に搭載されたレシーバ装置３にビーム光４を照射する投光器５とズーミング可能な飛行物体撮像用カメラ６が載置されている。
図１ではパンチルトアクチュエータ２上に投光器５が載置された装置構成を示したが、装置の使用環境、使用条件等に応じて、パンチルトアクチュエータ２を省略し、手動で投光器５を操作することも勿論可能である。
【００２６】
図２において、座標系
2019121201.tif 000004
は地面に固定された基準座標系であり、受光部７は飛行物体１に搭載されて、レシーバ装置３の一部を構成する、その上に複数個の受光素子８が載置された円形、多角形等の輪郭線形状を有する受光部であり、図では円形形状の場合を示している。図は投光器５からビーム光４が飛行物体１に照射される状態を模式的に示しており、レシーバ装置３は、受光部７と、前記投光器５からのビーム光を受光した活性受光素子の受光強度の測定が可能な、図には示さなかった受光強度測定部９と、前記活性受光素子の重心位置を求める、図には示さなかった活性受光素子重心位置演算部１０とで構成されている。
レシーバ装置３の座標系は前記飛行物体１の座標系と一致している。
【００２７】
図３は円形輪郭線形状を有する架台上に複数個の受光素子８を載置した受光部７と、該受光部７に照射されたビーム光４の位置関係を示す図であり、（a）は受光部７において、多くの受光素子８によってビーム光４が受光されている状態を、（b）は少数の受光素子８によって受光されている状態を示し、（c）はビーム光４が受光されてない状態を示したものである。
図３では円形輪郭線形状を有する受光部８に１２個の受光素子を載置した例を示したが、受光部７の形状を、６角形、８角形等とすることも勿論可能であり、載置する受光素子数も１２個に限定する必要はない。
また、図３では受光部７を一つの円形輪郭線形状としたが、その上に載置可能な受光素子８の数を増加させることを狙いとして複数の同心円状等とすることも、勿論可能である。
【００２８】
図４は本発明の装置構成を示すブロック線図であり、図５は装置の操作、測定、データ処理手順を示す図である。
【００２９】
図４を参照しながら、図５によって、本発明の誘導位置決め方法を説明する。
図５のステップ１で、ＧＰＳあるいはマニュアル操作によって飛行物体１をパンチルトアクチュエータ２の近傍上空に移動させ、ホバリング状態とする。
図５のステップ２で、ホバリング状態の飛行物体１に対して、パンチルトアクチュエータ２を操作して、投光器５から飛行物体１に搭載されたレシーバ装置３にビーム光４を照射する。
図５のステップ３で、受光部７に載置された複数個の受光素子８の全てについて、ビーム光４の受光強度を測定し、受光強度測定部９で予め設定されている光強度基準値との偏差（以下、光強度偏差と略記することがある。）を求める。
図５のステップ４で、受光強度が予め設定された値以上となっている活性受光素子８から、後述する方法によって、活性受光素子重心位置演算部１０で活性受光素子の重心位置を演算し、飛行物体１の中心座標との偏差（以下、重心位置偏差と略記することがある。）を求める。
図５のステップ５で、ステップ３及びステップ４で求めた光強度偏差および重心位置偏差を後述する方法で飛行物体１のＺ方向、Ｘ方向、Ｙ方向の移動量に変換し、飛行物体１に内蔵された推進装置に送出する。
図５において、ステップ５を実施した後はステップ３に戻り、ステップ３、ステップ４、ステップ５を継続する。
なお、ステップ３で、複数の受光素子８の全てについてその受光強度が予め設定されている光強度基準値を下回る場合は、ビーム光４が正常にレシーバ装置３で受光されていないと判断し、飛行物体１はその場に停止した状態を保持し、ステップ２に戻ってビーム光４の再照射を行う。
【００３０】
図６は活性受光素子の重心位置と飛行物体１の座標原点との偏差を示したものであり、受光部７に１２個の受光素子８が載置された例を示している。
図において、１２個の受光素子８の中心位置がＣ１であり、飛行物体１の座標原点と一致している。ビーム光４を受光している５個の受光素子の重心位置がＣ２であり、図５のステップ５では、Ｃ１とＣ２が一致するようなＸ方向、Ｙ方向移動量が飛行物体１に内蔵された推進装置に送出される。
【００３１】
図７は本発明の誘導位置決め制御方式を説明するためのブロック線図であり、図７を用いて、図５に示した操作、測定、データ処理手順によって飛行物体の３次元的な誘導位置決めが可能であることを具体的に説明する。
【００３２】
飛行物体の水平方向移動に関しては、図７において、飛行物体の座標原点Ｃ１から活性受光素子重心位置Ｃ２へ向かう偏差ベクトル
2019121201.tif 000005
が、飛行物体水平面移動速度制御系の重心位置偏差となる。
2019121201.tif 000006
は飛行物体の３次元位置、すなわち、基準座標系
2019121201.tif 000007
における飛行物体座標系
2019121201.tif 000008
の原点座標値である。活性受光素子の数をnとし、そのうちi番目の受光素子の飛行物体座標系におけるXY座標値を
2019121201.tif 000009
とすると，偏差ベクトル
2019121201.tif 000010
及びXY方向速度指令値
2019121201.tif 000011
はそれぞれ式（１）、式（２）のようになる。ここでPID(
2019121201.tif 000012
)はXYそれぞれの偏差に対するPID補償演算を意味する。
なお、式（１）の計算は活性受光素子重心位置演算部１０で実施される。
【数１】
2019121201.tif 000013
【数２】
2019121201.tif 000014
このようなXY方向のフィードバック制御により、飛行物体は常に照射されたビーム光の中心に位置するように移動する。
【００３３】
垂直方向移動に関しては式（３）のようにZ方向目標値の生成を行う。
【数３】
2019121201.tif 000015
2019121201.tif 000016
は飛行物体の現在高度であり、GPSや空気圧による高度センサで得られる。
2019121201.tif 000017
は
2019121201.tif 000018
の目標値，
2019121201.tif 000019
は全ての活性受光素子の受光量の平均値，
2019121201.tif 000020
はビーム光が受光素子に照射されているか否かを判断する光距度基準値，
2019121201.tif 000021
は通常運転時において，全ての受光素子が活性状態となっている時の平均受光量である。
なお、
2019121201.tif 000022
は受光強度測定部９で求められ、
2019121201.tif 000023
は予め設定されている。このようなZ方向のフィードバック制御により、飛行物体は、ビーム光が受光できていない時はその場に留まり、ビーム光を受光している時は受光ビーム光の強弱に応じて、垂直方向に移動する。
【実施例】
【００３４】
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。
【００３５】
図８は実験装置の概要を示す図であり、レシーバ装置３は平面移動ロボット１１上に搭載されており、投光器５からのビーム光４が照射される。
平面移動ロボット１１は、実験室の床面上を移動できる機能を有しており、受光強度測定部および活性受光素子重心位置演算部で得られた光強度偏差および重心位置偏差に基づいて、式１、式３に示した量だけ、Ｘ方向およびＹ方向（ビーム光４に直交する方向）、Ｚ方向（ビーム光４と平行な方向）に移動する。
なお、受光強度測定部９、活性受光素子重心位置演算部１０は図８中には記載しない制御用ＰＣ内で構成した。
また、平面移動ロボット１１およびビーム光４の２次元座標はモーションキャプチャを用いて計測した。
実験に用いた各機器は以下のとおりである。
制御用ＰＣ：Arduino Duemilanove ATmega328
投光器：パナソニックLED海中電灯BF-BS01P-W
受光素子：フォトICダイオードS9648
平面移動ロボット：Nexus robot社 3WD48mmオムニホイールロボット[10019]
モーションキャプチャ：Natural Point-Tracking tools
モーションキャプチャ用のマーカを投光器５と平面移動ロボット１１に取り付け、投光器５を手動で動かした場合の投光器５のＸＹ平面上での移動軌跡を図９に示し、その時の平面移動ロボット１１のＸＹ平面上での移動軌跡を図１０に示す。
図１１は図９と図１０の偏差の時系列データを示したものであり、平面移動ロボットが、119mm〜160mmの精度で投光器４の移動に追随できていることが判る。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明によれば、簡便な装置構成と方法で、ドローン等の飛行物体を高精度かつ安定に、所定の３次元位置に誘導位置決めすることができ、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方式となる。
【符号の説明】
【００３７】
１  飛行物体
２  パンチルトアクチュエータ
３  レシーバ装置
４  ビーム光
５  光強度可変型投光器
６  飛行物体撮像用カメラ
７  受光部
８  受光素子
９  受光強度測定部
１０  活性受光素子重心位置演算部
１１  平面移動ロボット
【図１】
2019121201.tif 000024
【図２】
2019121201.tif 000025
【図３】
2019121201.tif 000026
【図４】
2019121201.tif 000027
【図５】
2019121201.tif 000028
【図６】
2019121201.tif 000029
【図７】
2019121201.tif 000030
【図８】
2019121201.tif 000031
【図９】
2019121201.tif 000032
【図１０】
2019121201.tif 000033
【図１１】
2019121201.tif 000034