(57)【要約】【課題】機体を自己制御して計画した空路を自律的に飛行しながら、例えば航空写真の撮影や地形測定，森林・海洋の監視等を行う自律飛行飛翔体において、自律飛行制御に求められる飛翔体の飛行位置及び姿勢を精度良く計測できる装置を提供する。【解決手段】飛翔体Ａに機体１のヨー・ピッチ・ロールの角度と角速度を検出計算して位置と姿勢を計測する３軸のジャイロ装置３を設け、飛翔体Ａに機体１の位置を計測するＧＰＳ装置２を設け、ジャイロ装置３で計測した姿勢情報をＧＰＳ装置２で計測した位置情報で定期的又は不定期的に補正する位置補正手段を飛翔体Ａに設け、同姿勢補正手段で補正した位置姿勢情報を出力するようにした。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛翔体に機体のヨー・ピッチ・ロールの角度と角速度を検出計算して姿勢を計測する３軸のジャイロ装置を設け、飛翔体に機体の位置を計測するＧＰＳ装置を設け、ジャイロ装置で計測した姿勢情報をＧＰＳ装置で計測した位置情報で定期的又は不定期的に補正する姿勢補正手段を飛翔体に設け、同姿勢補正手段で補正した位置姿勢情報を出力するようにした飛翔体の位置姿勢計測装置。
【請求項２】
飛翔体に地平を検出して機体の姿勢を計測する放射温度式傾斜センサを設け、ジャイロ装置で計測した姿勢情報を放射温度式傾斜センサで計測した姿勢情報で定期的又は不定期的に補正する姿勢補正手段を飛翔体に設け、同姿勢補正手段で補正した姿勢情報を出力するようにした請求項１記載の飛翔体の位置姿勢計測装置。
【請求項３】
飛翔体に気圧差を検出して高度を計測する気圧センサを設け、同気圧センサで計測した高度情報をＧＰＳ装置で計測した高度情報で定期的又は不定期的に補正する高度補正手段を飛翔体に設け、同高度補正手段で補正した高度情報を出力するようにした請求項１又は２記載の飛翔体の位置姿勢計測装置。
【請求項４】
飛翔体に地磁気を検出して方位を計測する地磁気センサを設け、ジャイロ装置で計測した方位情報を地磁気センサで計測した方位情報で定期的又は不定期的に補正する方位補正手段を飛翔体に設け、同方位補正手段で補正した方位情報を出力するようにした請求項１〜３いずれか記載の飛翔体の位置姿勢計測装置。
【請求項５】
飛翔体に機体のヨーの角度と角速度を検出計算して位置を計測するジャイロ装置を設け、飛翔体に地平を検出して機体の姿勢を計測する放射温度式傾斜センサを設け、飛翔体に機体の位置を計測するＧＰＳ装置を設け、飛翔体に気圧差を検出して高度を検出する気圧センサを設け、ジャイロ装置で計測した姿勢情報をＧＰＳ装置で計測した位置情報で定期的又は不定期的に補正する姿勢補正手段を設け、同姿勢補正手段で補正した位置姿勢情報を出力するようにした飛翔体の位置姿勢計測装置。
【請求項６】
飛翔体に天空方向と地面方向の各放射温度を計測する放射温度計を設け、放射温度式傾斜センサで検出した放射温度情報を放射温度計で計測した放射温度情報で定期的又は不定期的に補正する放射温度補正手段を飛翔体に設け、天候の変動による姿勢の誤測定を防止できるようにした請求項５記載の飛翔体の位置姿勢計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機体を自己制御して計画した空路を自律的に飛行しながら、例えば航空写真の撮影や地形測定，森林・海洋の監視等を行う自律飛行飛翔体において、自律飛行制御に求められる飛翔体の飛行位置及び姿勢を精度良く計測する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境計測や各種のＧＩＳ（地理情報システム）構築のための測量など、写真測量とリモートセンシングの応用分野の成長が目覚ましく、環境計測や災害地監視など空中撮影に対するニーズが高まっている。従来ではこのような計測を行うために、人工衛星のデータを用いたり、人が操縦する航空機を利用するなどの方法がとられている。
【０００３】
ところで、人工衛星のデータは希望する日時・場所のデータが撮影されていない場合が多く、航空機は運用費用が高いため、比較的安価に空中から画像等のデータを取得する手法の開発が望まれていた。このような要望から、模型用ラジオコントロール飛行機にカメラ類を搭載して空中撮影を行う手法が注目されているが、使用可能な範囲が電波が届く数百メートルの範囲に限定される問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、従来のこれらの問題点を解消し、飛翔体の飛行位置や姿勢を高精度に計測し、計画した所定の空路を自律的に飛行しながら航空写真の撮影や地形測定，森林・海洋監視を低コストで実施できるようにする飛翔体の位置姿勢計測装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決した本発明の構成は、
１）  飛翔体に機体のヨー・ピッチ・ロールの角度と角速度を検出計算して姿勢を計測する３軸のジャイロ装置を設け、飛翔体に機体の位置を計測するＧＰＳ装置を設け、ジャイロ装置で計測した姿勢情報をＧＰＳ装置で計測した位置情報で定期的又は不定期的に補正する姿勢補正手段を飛翔体に設け、同姿勢補正手段で補正した位置姿勢情報を出力するようにした飛翔体の位置姿勢計測装置
２）  飛翔体に地平を検出して機体の姿勢を計測する放射温度式傾斜センサを設け、ジャイロ装置で計測した姿勢情報を放射温度式傾斜センサで計測した姿勢情報で定期的又は不定期的に補正する姿勢補正手段を飛翔体に設け、同姿勢補正手段で補正した姿勢情報を出力するようにした前記１）記載の飛翔体の位置姿勢計測装置
３）  飛翔体に気圧差を検出して高度を計測する気圧センサを設け、同気圧センサで計測した高度情報をＧＰＳ装置で計測した高度情報で定期的又は不定期的に補正する高度補正手段を飛翔体に設け、同高度補正手段で補正した高度情報を出力するようにした前記１）又は２）記載の飛翔体の位置姿勢計測装置
４）  飛翔体に地磁気を検出して方位を計測する地磁気センサを設け、ジャイロ装置で計測した方位情報を地磁気センサで計測した方位情報で定期的又は不定期的に補正する方位補正手段を飛翔体に設け、同方位補正手段で補正した方位情報を出力するようにした前記１）〜３）いずれか記載の飛翔体の位置姿勢計測装置
５）  飛翔体に機体のヨーの角度と角速度を検出計算して位置を計測するジャイロ装置を設け、飛翔体に地平を検出して機体の姿勢を計測する放射温度式傾斜センサを設け、飛翔体に機体の位置を計測するＧＰＳ装置を設け、飛翔体に気圧差を検出して高度を検出する気圧センサを設け、ジャイロ装置で計測した姿勢情報をＧＰＳ装置で計測した位置情報で定期的又は不定期的に補正する姿勢補正手段を設け、同姿勢補正手段で補正した位置姿勢情報を出力するようにした飛翔体の位置姿勢計測装置
６）  飛翔体に天空方向と地面方向の各放射温度を計測する放射温度計を設け、放射温度式傾斜センサで検出した放射温度情報を放射温度計で計測した放射温度情報で定期的又は不定期的に補正する放射温度補正手段を飛翔体に設け、天候の変動による姿勢の誤測定を防止できるようにした前記５）記載の飛翔体の位置姿勢計測装置
にある。
【０００６】
【作用】
ジャイロ装置は出発地から連続的に計測できるが、長時間計測を継続するとドリフトで計測値が徐々にずれる問題がある。一方、ＧＰＳ装置は正確な絶対位置を計測できるが、連続的に計測できないため、高速で飛行する場合は計測が遅れる問題がある。本発明では、ジャイロ装置とＧＰＳ装置を併用し、ジャイロ装置で連続的に計測しながら定期的又は不定期的にＧＰＳ装置で絶対位置を計測してジャイロ装置の計測ずれを補正することで、風等の影響を受けずに高速度域でも連続的に正確な計測ができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明では、より高精度な計測を行えるようにするため、地平を検出して機体の姿勢を計測する放射温度式傾斜センサとジャイロ装置で計測した姿勢情報を放射温度式傾斜センサで計測した姿勢情報で定期的又は不定期的に補正する姿勢補正手段を設けたり、気圧差を検出して高度を計測する気圧センサで計測した高度情報をＧＰＳ装置で計測した高度情報で定期的又は不定期的に補正する高度補正手段を設けたり、地磁気を検出して方位を計測する地磁気センサとジャイロ装置で計測した方位情報を地磁気センサで計測した方位情報で定期的又は不定期的に補正する方位補正手段を設けてもよい。
【０００８】
また、天空方向と地面方向の各放射温度を計測する放射温度計を設け、放射温度式傾斜センサで検出した放射温度情報を放射温度計で計測した放射温度情報に定期的又は不定期的に補正する放射温度補正手段を設け、天候の変動による姿勢の誤測定を防止できるようにしてもよい。本発明でいう飛翔体は、航空機，ヘリコプター，飛行船等、空中を飛行する全てのものを含む。以下、本発明の実施例を図面に基づいて具体的に説明する。
【０００９】
【実施例】
図１〜５に示す実施例は、３軸のジャイロ装置とＧＰＳ装置と２軸の放射温度式傾斜センサと気圧センサと３軸の地磁気センサを設けた飛翔体の位置姿勢計測装置の例である。図１は実施例の位置姿勢計測装置の配置図、図２は実施例の位置姿勢計測装置のブロック図、図３は実施例の飛行方向の計測を示す説明図、図４は実施例の飛行姿勢の計測を示す説明図、図５は実施例の位置姿勢計測のフローである。図中、１は機体、２はＧＰＳ装置、３はジャイロ装置、４は放射温度式傾斜センサ、５は気圧センサ、６は地磁気センサ、７は補正装置、８は空路情報部、９は航行制御装置、Ａは飛翔体である。
【００１０】
実施例の飛翔体Ａは、図１に示すように機体１の前上部にＧＰＳ装置２を設け、機体１の重心位置にヨー・ピッチ・ロールの角度と角速度をそれぞれ検出して機体１の姿勢を連続的に計測する３軸のジャイロ装置３を設け、機体１の重心位置上方に放射温度分布から地平を検出して機体１のピッチ・ロールの姿勢角をそれぞれ計測する２軸の放射温度式傾斜センサ４を設け、機体１の後部に地上からの気圧差を検出して飛行高度を計測する気圧センサ５を設け、ジャイロ装置３の各軸方向部に地磁気を検出して各方位をそれぞれ計測する３軸の地磁気センサ６を設けている。
【００１１】
図２に示すように、ジャイロ装置３のずれた計測値をＧＰＳ装置２・放射温度式傾斜センサ４・気圧センサ５・地磁気センサ６の各計測値に補正する補正装置７を機体１に設け、予め定めた計画空路の情報が記録された空路情報部８を機体１に設け、同空路情報部８の空路情報と補正装置７で計測した飛行路を対比しながら計画空路に沿って飛行するように機体１の姿勢・向き・速度を制御する航行制御装置９を機体１に設けている。
【００１２】
図３において、ｐ０は出発点の座標、ｐｉは現在点の計測座標、ｐｉ−１は前回あるいは数回前の計測座標、ｐｇは目標点の座標を示している。飛翔体Ａの方向制御は、ジャイロ装置３でヨー・ピッチ・ロールの角度でもって、出発点ｐ０から現在位置ｐｉ（Ｘｉ，Ｙｉ）までの飛行で発生する姿勢角変化により方向角θｉを算出し、同計算値と空路情報部８の計画空路とを対比しながら航行制御装置９で飛行制御が成される。ＧＰＳ装置２では数秒おきに絶対位置ｐｉ（Ｘｉ，Ｙｉ）を計測し、前回あるいは数回前の計測値ｐｉ−１（Ｘｉ−１，Ｙｉ−１）とを用いて機体の進行方向角ξｉを算出する。補正装置７はジャイロ装置３で算出した方向角θｉとＧＰＳ装置２で算出した方向角ξｉとを対比してずれ値を算出し、風などによる影響を考慮した後ジャイロ装置３の計測値を補正する。ジャイロ装置３は、その補正された計測値から計測を再開するとともに、航行制御装置９はＧＰＳ装置２の計測位置ｐｉ（Ｘｉ，Ｙｉ）が計画空路からずれている場合はそのズレを補正するように機体１の方向を修正制御する。
【００１３】
飛翔体Ａの姿勢制御は、ジャイロ装置３でピッチとロールの角度を連続的に計測し、予め定めた計画空路に沿って飛行できるように所要の姿勢角に航空制御装置９で成される。図４（ａ），（ｂ）に示すように放射温度式傾斜センサ４では定期的又は不定期的に機体１の前方及び側方の各放射温度分布から地平を検出して仮想水平線を設定し、同仮想水平線からのずれ角で機体１のピッチｘとロールｙの角度を計測し、補正装置７がジャイロ装置３の計測角度と放射温度式傾斜センサ４の計測角度とのずれ値を算出してジャイロ装置３の計測値を補正する。補正装置７はその補正された計測値から計測を再開するとともに、航空制御装置９は計画空路に沿って飛行できるように機体１を所要の姿勢角に修正制御する。
【００１４】
また、気圧センサ５では地上からの気圧差を検出して飛行中の高度を定期的又は不定期的に計測し、補正装置７がＧＰＳ装置２の計測高度と気圧センサ５の計測高度とのずれ値を算出して気圧センサ５の計測値を補正する。補正装置７はその補正された計測値から計測を再開するとともに、航行制御装置９は補正装置７の計測高度が計画空路からずれている場合はそのずれを補正するように機体１を所要の高度に修正制御する。
【００１５】
さらに、地磁気センサ６では地磁気を検出して機体１の向きを定期的又は不定期的に計測し、補正装置７がジャイロ装置３の計測したヨーの角度と地磁気センサ６の計測方位とのずれ値を算出してジャイロ装置３の計測値を補正する。ジャイロ装置３はその補正された計測値から計測を再開するとともに、航行制御装置９は補正装置７の計測方位が目標点ｐｇからずれている場合はそのずれを補正するように機体１の向きを所要の角度に修正制御する。
【００１６】
実施例１はこのように構成したから、ジャイロ装置とＧＰＳ装置を併用することで、ジャイロ装置で連続的に計測しながら定期的又は不定期的にＧＰＳ装置で絶対位置を計測してジャイロ装置の計測ずれが補正され、風等の影響を受けずに高速度域でも連続的に正確な計測ができた。また、放射温度式傾斜センサと気圧センサと地磁気センサで機体の姿勢と飛行中の高度及び方位を計測してジャイロ装置の計測ずれを補正することで、より高精度な位置計測が成され、正確な自律飛行制御が行えるようになった。
【００１７】
図６に示すのは、実施例の飛翔体Ａから地磁気センサを省略した他の例である。図６は実施例の他の例の位置姿勢計測装置の概念図である。この実施例の他の例の飛翔体Ａは、機体１の方位をジャイロ装置３のみで計測するため、比較的速度が遅い場合において低コストで実施される。その他、符号、構成、使用は実施例と同じである。
【００１８】
図７に示すのは、実施例の飛翔体Ａから地磁気センサを省略し、しかもヨー角のみ計測する１軸のジャイロ装置を用いた他の例である。図７は実施例の他の例の位置姿勢計測装置の概念図である。この実施例の他の例の飛翔体Ａは、機体１の向きをジャイロ装置３のみで計測するとともに姿勢角を放射温度式傾斜センサのみで計測するため、比較的安定な機体で飛行する場合においてより低コストで実施される。その他、符号、構成、使用は実施例と同じである。
【００１９】
図８に示すのは、図７に示す実施例の他の例の飛翔体に放射温度計を機体の上下に設けた他の例である。図８は実施例の他の例の位置姿勢計測装置の概念図である。図中、１０は放射温度計である。この実施例の他の例の飛翔体Ａは、図８に示すように機体１の上下に放射温度計１０をそれぞれ設けて天空方向と地面方向の各放射温度を定期的又は不定期的に計測し、その計測値と放射温度式傾斜センサ４で検出した天空方向と地面方向の放射温度差とを対比してずれがある場合に補正し、例えば天候の変動（晴天から曇天など）による機体１の姿勢の誤測定を防止できるようにしている。その他、符号、構成、作用は実施例と同じである。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば飛翔体の飛行位置や姿勢を高精度に計測し、計画した所定の空路を自律的に飛行しながら航空写真の撮影や地形測定，森林・海洋監視を低コストで実施し得る飛翔体の位置姿勢計測装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の位置姿勢計測装置の配置図である。
【図２】実施例の位置姿勢計測装置のブロック図である。
【図３】実施例の飛行方向の計測を示す説明図である。
【図４】実施例の飛行姿勢の計測を示す説明図である。
【図５】実施例の位置姿勢計測のフローである。
【図６】実施例の他の例の位置姿勢計測装置の配置図である。
【図７】実施例の他の例の位置姿勢計測装置の配置図である。
【図８】実施例の他の例の位置姿勢計測装置の配置図である。
【符号の説明】
１  機体
２  ＧＰＳ装置
３  ジャイロ装置
４  放射温度式傾斜センサ
５  気圧センサ
６  地磁気センサ
７  補正装置
８  空路情報部
９  航行制御装置
１０  放射温度計
Ａ  飛翔体
【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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