(57)【要約】  本開示の移動体は、無線信号を受信するアンテナ装置と、アンテナ装置で受信した無線信号の到来方向を測定する測定装置と、測定装置によって測定された無線信号の到来方向から発信器の位置を推定する演算回路と、自身の位置を推定して位置情報を出力する自己位置推定装置とを有する。自己位置推定装置は、少なくとも演算回路が発信器の位置を推定したときに移動体の位置情報を出力する。
2018021300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発信器から出力される無線信号を少なくとも１台の移動体で検出して前記発信器を探索する探索システムであって、
前記移動体は、
前記無線信号を受信するアンテナ装置と、
前記アンテナ装置で受信した前記無線信号の到来方向を測定する測定装置と、
前記測定装置によって測定された前記無線信号の到来方向から前記発信器の位置を推定する演算回路と、
自身の位置を推定して位置情報を出力する自己位置推定装置と
を備え、
前記自己位置推定装置は、少なくとも前記演算回路が前記発信器の位置を推定したときに前記移動体の位置情報を出力する、探索システム。
【請求項２】
発信器から出力される無線信号を少なくとも１台の移動体で検出して前記発信器を探索する探索システムであって、
前記移動体、前記発信器および処理装置を備え、
前記移動体は、
前記無線信号を受信するアンテナ装置と、
自身の位置を推定して位置情報を出力する自己位置推定装置と、
前記アンテナ装置によって受信された前記無線信号から得られる処理信号および前記位置情報を送信する通信回路と
を備え、
前記処理装置は、
前記処理信号および前記位置情報を受信する通信回路と、
前記処理信号に基づいて前記無線信号の到来方向を測定し、さらに前記無線信号の到来方向および前記位置情報から前記発信器の位置を推定する演算回路と
を備えた、探索システム。
【請求項３】
前記発信器は、
一次電池と、
前記一次電池で動作して前記無線信号を生成するＩＣ回路と、
前記無線信号を出力するアンテナ素子と
を有する、請求項１または２に記載の探索システム。
【請求項４】
前記一次電池は、液体が注入されることにより発電を開始する空気マグネシウム電池であり、
前記発信器は、要探索時に前記一次電池に前記液体が自動的にまたは人為的に注入されることによって発電を開始し、前記無線信号の出力を開始する、請求項１から３のいずれかに記載の探索システム。
【請求項５】
前記移動体は、複数の回転翼、および、複数の回転翼を回転させる複数のモータまたはエンジンをさらに備え、空中を飛行する、請求項１から４のいずれかに記載の探索システム。
【請求項６】
前記移動体は、前記自己位置推定装置によって測定された前記位置情報に基づいて前記複数のモータまたはエンジンの回転を制御する自律飛行ユニットをさらに備えた、請求項５に記載の探索システム。
【請求項７】
前記移動体のアンテナ装置が前記無線信号を受信したとき、
前記自律飛行ユニットは前記無線信号を受信した空間で前記移動体を停止または移動させ、前記アンテナ装置は継続的に前記無線信号を受信し、
前記演算回路は継続的に前記発信器の位置を推定する、請求項６に記載の探索システム。
【請求項８】
前記少なくとも１台の移動体は、第１移動体および第２移動体を含む複数の移動体であり、
前記第１移動体および前記第２移動体は、所定の間隔を空けて飛行する、請求項７に記載の探索システム。
【請求項９】
前記少なくとも１台の移動体は、第１移動体および第２移動体を含む複数の移動体であり、
前記第１移動体のアンテナ装置が前記無線信号を受信したとき、前記第２移動体は前記第１移動体の位置情報を取得して、前記第１移動体の位置の近傍に移動する、請求項７または８に記載の探索システム。
【請求項１０】
前記移動体は、外部からの飛行指令に基づいて飛行する、請求項５に記載の探索システム。
【請求項１１】
受信した信号に基づいて、人への視角的、聴覚的および／または触覚的な刺激を出力して要探索状況であることを示す出力装置と、
前記移動体の位置情報を受信する通信回路と、
前記位置情報の受信に応答して、前記出力装置を動作させる信号を生成して前記出力装置に送信する演算回路と
をさらに備えた、請求項１に記載の探索システム。
【請求項１２】
前記処理装置は、受信した信号に基づいて、人への視角的、聴覚的および／または触覚的な刺激を出力して要探索状況であることを示す出力装置をさらに備え、
前記通信回路は、前記移動体の位置情報を受信し、
前記演算回路は、前記位置情報の受信に応答して、前記出力装置を動作させる信号を生成して前記出力装置に送信する、請求項２に記載の探索システム。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれかに記載の探索システムで用いられる発信器であって、
一次電池と、
前記一次電池で動作して前記無線信号を生成するＩＣ回路と、
前記無線信号を出力するアンテナ素子と
を有する、発信器。
【請求項１４】
前記一次電池は、液体が注入されることにより発電を開始する空気マグネシウム電池であり、
前記発信器は、要探索時に前記一次電池に前記液体が自動的にまたは人為的に注入されることによって発電を開始し、前記無線信号の出力を開始する、請求項１３に記載の発信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、探索システム、および、当該探索システムに用いられる発信器に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、探索対象が備える信号発生装置から発信される電気信号を受信して探索対象の位置を推定する探索対象発見ユニットを開示する。探索対象発見ユニットはＧＰＳ装置を搭載する。信号発生装置から発信される電気信号を受信した探索対象発見ユニットは、ＧＰＳ装置を利用して取得した自らの位置情報を他の探索対象発見ユニットまたは位置計測装置に送信する。位置計測装置は、探索対象発見ユニットから送信される複数の位置情報を受信して探索対象の存在位置を、三点計測を行って分析する。【０００３】
探索対象発見ユニットを自動車、飛行体等の移動体に設置し、かつ、信号発生装置を登山者等に携行させることにより、当該登山者が遭難した場合には、探索対象発見ユニットを用いて遭難者の存在を把握することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５８９０９４２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１によれば、三点計測を行うため、少なくとも３台の探索対象発見ユニットを３台の移動体に載置する必要がある。【０００６】
本願の、限定的ではない例示的なある実施形態は、発信器から出力される無線信号を少なくとも１台の移動体で検出して発信器を探索する探索システムおよび当該探索システムに用いられる発信器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の探索システムは、例示的な実施形態において、発信器から出力される無線信号を少なくとも１台の移動体で検出して前記発信器を探索する探索システムであって、前記移動体は、前記無線信号を受信するアンテナ装置と、前記アンテナ装置で受信した前記無線信号の到来方向を測定する測定装置と、前記測定装置によって測定された前記無線信号の到来方向から前記発信器の位置を推定する演算回路と、自身の位置を推定して位置情報を出力する自己位置推定装置とを備え、前記自己位置推定装置は、少なくとも前記演算回路が前記発信器の位置を推定したときに前記移動体の位置情報を出力する。【０００８】
本開示の探索システムは、他の例示的な実施形態において、発信器から出力される無線信号を少なくとも１台の移動体で検出して前記発信器を探索する探索システムであって、前記移動体、前記発信器および処理装置を備え、前記移動体は、前記無線信号を受信するアンテナ装置と、自身の位置を推定して位置情報を出力する自己位置推定装置と、前記アンテナ装置によって受信された前記無線信号から得られる処理信号および前記位置情報を送信する通信回路とを備え、前記処理装置は、前記処理信号および前記位置情報を受信する通信回路と、前記処理信号に基づいて前記無線信号の到来方向を測定し、さらに前記無線信号の到来方向および前記位置情報から前記発信器の位置を推定する演算回路とを備えている。【０００９】
本開示の発信器は、例示的な実施形態において、上述のいずれかの探索システムで用いられる発信器であって、一次電池と、前記一次電池で動作して前記無線信号を生成するＩＣ回路と、前記無線信号を出力するアンテナ素子とを有する。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の例示的な実施形態によれば、発信器から送信された無線信号を受信した少なくとも１台の移動体は、無線信号の到来方向を測定することができる。当該移動体は、自身の位置を推定して位置情報を出力する。これにより、発信器の位置を推定することができる。【００１１】
本開示の例示的な他の実施形態によれば、少なくとも１台の移動体は発信器から送信された無線信号を受信し、当該無線信号から得られる処理信号を処理装置に送信する。処理装置は、無線信号の到来方向を測定し、発信器の位置を推定することができる。【００１２】
少なくとも１台の移動体があれば発信器の位置を推定できるため、常時３台以上の移動体が必要な場合と比較すると探索システムを導入するコストが低減される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、探索システム１００の構成を示す図である。
【図２】図２は、本開示による例示的なマルチコプター１の外観斜視図である。
【図３】図３は、マルチコプター１の側面図である。
【図４】図４は、マルチコプター１のハードウェアの構成を模式的に示す図である。
【図５】図５は、主としてフライトコントローラ１１の内部ハードウェアの構成を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、直線状に配置されたＭ個のアンテナ素子を有するアンテナ装置１５と、複数の到来波ｋ（ｋ：１〜Ｋの整数。以下同じ。Ｋの意味は後述する。）との関係を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、ｋ番目の到来波を受信するアンテナ装置１５を示す図である。
【図７】図７は、演算回路１０が行う無線信号の到来方向を測定する幾何学的な関係を示す図である。
【図８】図８は、処理装置４０のハードウェアの構成を示す図である。
【図９】図９は、発信器５０の内部構成を示す図である。
【図１０】図１０は、非発電時の空気マグネシウム電池５６の構成を示す図である。
【図１１】図１１は、スライドした封止蓋５９を示す図である。
【図１２】図１２は、海または河川での活動時に着用されるライフジャケット７０の外観図である。
【図１３】図１３は、マルチコプター１による発信器５０の位置推定処理の手順を示す図である。
【図１４】図１４は、第２の態様にかかるマルチコプター１および処理装置４０の処理の手順を示す図である。
【図１５】図１５は、３台のマルチコプター１ａ、１ｂ、１ｃを利用して発信器５０から送信された無線信号を検出する方法を示す図である。
【図１６】図１６は、発信器５０からの無線信号をマルチコプター１ａが検出したときの動作例を示す図である。
【図１７】図１７は、マルチコプター１ａの近傍に飛来したマルチコプター１ｂおよび１ｃを示す図である。
【図１８】図１８は、１台のマルチコプター１を用いて、発信器５０の位置をより高い精度で推定する飛行方法の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付の図面を参照しながら、本開示による探索システム、および、当該探索システムで用いられる発信器の構成例を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。たとえば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明においては、同一または類似する構成要素には、同一の参照符号を付している。
【００１５】
１．探索システムの構成および概要
まず、図１を参照しながら、本開示による、移動体を含む探索システムを用いて行われる処理の概要を説明する。移動体は、典型的にはマルチコプターなどの飛行体であり、無人であるか有人であるかは問わない。以下では、マルチコプターを例示して説明する。
【００１６】
図１は、探索システム１００の構成を示す。探索システム１００は、マルチコプター１と、探索救助センター施設３０内の位置推定処理装置４０と、発信器５０とを含む。以下では、位置推定処理装置４０を「処理装置４０」と略記する。
【００１７】
本開示による探索システム１００では、大きく分けて２つの利用態様が考えられ得る。発信器５０の位置を推定する処理を、マルチコプター１が行う第１の態様と、外部に設けられた処理装置４０が行う第２の態様である。２つの態様の具体的な内容は以下のとおりである。
【００１８】
第１の態様では、マルチコプター１は、発信器５０から出力される無線信号を、アンテナ装置を用いて検出し、マルチコプター１に搭載した測定装置を用いて無線信号の到来方向を測定する。さらに、マルチコプター１の演算回路は、無線信号の到来方向から発信器５０を探索する処理を行う。発信器５０の位置が推定されたとき、マルチコプター１は、発信器５０の位置の情報と共に、グローバル・ポジショニング・システム（以下、「ＧＰＳ」（Global Positioning System）と記述する。）等を用いて自身の位置を推定して得られた位置情報を、探索救助センター施設３０の処理装置４０に送信する。なお、マルチコプター１は２台以上使用されてもよい。
【００１９】
第２の態様では、マルチコプター１は、発信器５０から出力される無線信号を検出し、所定の処理を加えた処理信号として外部に設けられた処理装置４０に送信する。このとき、マルチコプター１は、ＧＰＳユニット等を用いて自身の位置を推定して得られた位置情報も、処理装置４０に送信する。処理装置４０は、マルチコプター１から得られた処理信号を用いて無線信号の到来方向を測定し、測定された到来方向およびマルチコプター１の位置情報から発信器５０を探索する処理を行う。
【００２０】
いずれの態様においても、少なくとも１台のマルチコプター１に、アレー状に配置された複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置を搭載し、当該アンテナ装置で、発信器から送信された無線信号を受信する。そして、マルチコプター１において、または処理装置４０において当該無線信号の到来方向を測定する。複数台のマルチコプター１は必須ではないため、特許文献１のように、常時３台以上のマルチコプター１が必要な場合と比較すると探索システム１００を導入するコストが低減される。
【００２１】
また本開示では、いずれの態様の探索システム１００でも好適に用いられる発信器５０を説明する。
【００２２】
たとえば特許文献１に記載された信号発生装置を人に携行させる場合、不意の滑落、雪崩等に対応するために通常は信号発生装置に常時通電しておく必要がある。その結果、遭難時には信号発生装置のバッテリの残存容量が既に低下しており、救助活動に支障をきたす可能性がある。また、全ての信号発生装置から常時電気信号が送信されている状況では、多数の電気信号の中から、遭難者の信号発生装置が発信する電気信号を識別する必要がある。
【００２３】
そこで本開示では、たとえば遭難時に初めて無線信号の発信を開始する発信器５０を説明する。当該発信器５０は、電解液を含む液体が注入されることにより発電を開始する空気マグネシウム電池を搭載している。山岳での遭難事故の場合、発信器５０の所有者は、携行する水、沢または雪から得られた水を当該電池に注入する。または、海川での水難事故の場合、発信器５０の所有者は救命ベストに発信器５０を装着しておくことにより、海または川の水を自動的に当該電池に注入することができる。
【００２４】
たとえば探索救助センター施設３０に設置された処理装置４０は、発信器５０に電力が供給されて無線信号の発信が開始されたことを検出すると、要探索状況（たとえば災害、遭難）が発生したことを示す音声、画面表示、またはランプを点灯させ、システム１００運営者に報知する。上述のとおり、第１の態様または第２の態様のいずれであっても、探索システム１００によって発信器５０の位置が推定されている。これにより、システム運営者は探索隊の編成、派遣等の救助活動を迅速に開始することができる。発信器５０の電池は、要探索状況発生前には使用されていないため十分な電力を有しており、救助活動中も安定して動作を継続することができる。
【００２５】
続いて、マルチコプター１、処理装置４０および発信器５０を詳細に説明する。以下の説明は、上述した第１の態様に即した構成を説明する。
【００２６】
２．マルチコプターの構成
図２は、本開示による例示的なマルチコプター１の外観斜視図である。また、図３は、マルチコプター１の側面図である。
【００２７】
マルチコプター１は、たとえば山岳地帯、海または河川の上空を飛行し、発信器５０から出力される無線信号を検出する。マルチコプター１は、ＧＰＳを利用して、予め定められた空域を自律飛行する。後述のように、マルチコプター１は、発信器５０から送信された無線信号を検出すると、発信器５０の位置を探索する探索モードで動作する。
【００２８】
マルチコプター１は、中央筐体２と、中央筐体２の周囲に伸びる複数のアーム（たとえばアーム３）と、中央筐体２の下方に伸びる複数の脚６とを備えている。以下、アーム３に関連する構成を例示して説明する。他のアームの構成もアーム３と同じである。
【００２９】
アーム３の先端側（中央筐体２と反対側）には、モータ４が設けられている。モータ４の回転軸には回転翼５が設けられている。モータ４が回転することによって回転翼５も回転し、マルチコプター１に揚力を与える。本明細書では、後述する飛行を行うことができる限り、１台のマルチコプター１に設けられる回転翼５の数は任意である。
【００３０】
１つのモータ４に取り付けられる回転翼５は、回転軸から伸びる複数のブレード５ａおよび５ｂを有している。ただし、ブレードは３枚以上であってもよい。また、回転翼５は、強度、重量等の観点で炭素繊維強化プラスチック（carbon-fiber-reinforced plastic；ＣＦＲＰ）で製造されていることが好適である。
【００３１】
マルチコプター１は、発信器５０からの無線信号を受信するアンテナ装置１５と、アンテナ装置１５で受信した無線信号の到来方向を測定する測定装置９と、測定装置９によって測定された無線信号の到来方向から、発信器５０の位置を推定する演算回路１０とを有する。測定装置９および演算回路１０の処理の詳細は後述する。
【００３２】
図４は、マルチコプター１のハードウェアの構成を模式的に示す。
【００３３】
マルチコプター１は、測定装置９と、演算回路１０と、フライトコントローラ１１と、ＧＰＳモジュール１２と、通信回路１３と、電子制御ユニット１４（ＥＣＵ１４）と、アンテナ装置１５とを備えている。このうち、フライトコントローラ１１がマルチコプター１の動作を制御する。
【００３４】
フライトコントローラ１１は、ＧＰＳモジュール１２および通信回路１３から情報および／または操作信号を受け、飛行のための所定の処理を行って、各ＥＣＵ１４に制御信号を出力する。またフライトコントローラ１１は、アンテナ装置１５を介して、発信器５０から送信された無線信号を受信すると、測定装置９に無線信号の到来方向を測定させる。さらにフライトコントローラ１１は、演算回路１０に、測定装置９によって測定された無線信号の到来方向から、発信器５０の位置を推定させる。ただし、測定装置９および演算回路１０は、フライトコントローラ１１から制御されなくてもよい。たとえば測定装置９は、アンテナ装置１５から所定の入力があると、予め定められた、無線信号の到来方向を測定する処理を行ってもよい。また演算回路１０は、測定装置から、無線信号の到来方向を示す情報を受け取ると、予め定められた、発信器５０の位置を推定する動作を行ってもよい。
【００３５】
各ＥＣＵ１４は、制御信号に基づいてモータ４の回転を制御する。全てのモータ４の回転を制御することにより、フライトコントローラ１１は、マルチコプター１を前進させ、後退させ、旋回させ、空中で静止させ、さらに上下方向へ移動させることができる。マルチコプター１の前進および後退に際し、マルチコプター１の姿勢を前傾または後傾させることも可能である。なお、モータ４の回転を制御する態様として、たとえばＰＷＭ(Pulse Width Modulation)を利用できる。この場合、各ＥＣＵ１４は、ＰＷＭのデューティ比を変更することで、モータ４に電力に供給される電力を制御する。
【００３６】
なお、モータ４に代えて、液体燃料を燃焼させて回転するエンジンを採用してもよい。
【００３７】
図５は、主としてフライトコントローラ１１の内部ハードウェアの構成を示す。
【００３８】
フライトコントローラ１１は、マイクロコントローラ２０と、ＲＯＭ２１と、ＲＡＭ２２と、センサ群とを有しており、これらが内部バス２４で相互に通信可能に接続されている。また、フライトコントローラ１１は、図示されない通信インタフェースを介して、ＧＰＳモジュール１２、通信回路１３、および複数のＥＣＵ１４と接続されている。通信インタフェースを介して入力されたデータ信号は、内部バス２４を介してフライトコントローラ１１の内部を伝送され、マイクロコントローラ２０によって取得される。以下、より具体的に説明する。なお、マイクロコントローラ２０の処理は、ＲＯＭ２１に格納され、ＲＡＭ２２に展開されたコンピュータプログラムがマイクロコントローラ２０によって実行されることにより、実現される。
【００３９】
マイクロコントローラ２０は、センサ群が検出した信号を取得する。センサ群は、たとえば３軸ジャイロセンサ２３ａ、３軸加速度センサ２３ｂ、気圧センサ２３ｃ、磁気センサ２３ｄ、超音波センサ２３ｅである。
【００４０】
３軸ジャイロセンサ２３ａは、前後の傾きと左右の傾き、回転の角速度を検出し、機体の姿勢と動きを把握する。３軸加速度センサ２３ｂは、前後方向、左右方向、上下方向の加速度を検出する。なお、３軸ジャイロセンサと３軸加速度センサをひとつのモジュールで実現することも可能である。そのようなモジュールは、「６軸ジャイロセンサ」と呼ばれることもある。気圧センサ２３ｃは、気圧の違いから機体の高度を把握する。磁気センサ２３ｄは方位を検出する。超音波センサ２３ｅは、直下に超音波を発信して反射信号を検出することで、対地距離を把握する。なお超音波センサ２３ｅは、予め定められた、地上に近い高度で使用される。
【００４１】
さらにマイクロコントローラ２０は、ＧＰＳモジュール１２からマルチコプター１の現在位置を示す情報を取得する。「現在位置」は、地球上の緯度、経度および高度の情報を含む。ＧＰＳモジュール１２は、複数の人工衛星（ＧＰＳ衛星）からの電波を受信して自機と各ＧＰＳ衛星との距離を演算することにより、現在位置を示す情報を出力する。ＧＰＳモジュール１２は、少なくとも４つの人工衛星を利用することにより、地球上のマルチコプター１の緯度、経度および高度を示す情報を出力することができる。
【００４２】
マイクロコントローラ２０は、通信回路１３から操作信号を取得する。操作信号は、たとえば探索救助センター施設３０からアンテナ装置３２を介して送信される。操作信号は、たとえばマルチコプター１の飛行開始、または帰還を指示する信号である。本明細書では、マルチコプター１が飛行する空域は予め定められており、マルチコプター１は、飛行開始の指示を受けると当該空域を自律飛行する。マルチコプター１は、帰還を指示する操作信号を受信したとき、またはバッテリ（図示せず）の残量が所定以下になったとき、探索救助センター施設３０に帰還する。
【００４３】
センサ群から取得した信号、および外部から取得した信号に基づき、マイクロコントローラ２０はＥＣＵ１４に適切な制御信号を出力する。ＥＣＵ１４は制御信号を受け取り、モータ４を駆動する。具体的には、ＥＣＵ１４は、モータ４の回転速度、またはモータ４を回転させるために出力する制御信号を変更する。
【００４４】
なお、ＧＰＳモジュール１２は、マルチコプター１の現在位置の情報を取得するための一例である。マルチコプター１の現在位置の情報を取得する他の例として、たとえば通信回路１３が携帯電話の周波数の電波に対応している場合、携帯電話の複数の基地局からの電波強度等を利用して現在位置の情報を取得することができる。また、飛行開始時の位置情報を正確に取得しておき、さらに飛行時に上述したジャイロセンサ２３ａ、３軸加速度センサ２３ｂ、気圧センサ２３ｃ、磁気センサ２３ｄ、超音波センサ２３ｅを用いることにより、飛行中の現在位置の情報を取得することもできる。本明細書では、ＧＰＳモジュール１２、上述の各種センサを含む、位置情報を取得可能な装置を包括して「自己位置推定装置」と称する。
【００４５】
また、フライトコントローラ１１は、当該「自己位置推定装置」を用いて取得された位置情報に基づいて複数のモータ４の各々またはエンジンの各々の回転を制御する。これにより、フライトコントローラ１１は、予め定められた空域、または、処理装置４０等から指示された空域における自律飛行を制御することができる。そのようなフライトコントローラ１１は、「自律飛行ユニット」と呼ばれることがある。
【００４６】
次に、アンテナ装置１５および測定装置９を説明する。たとえば、アンテナ装置１５は、２次元（平面）状に配置されたアレーアンテナであり、測定装置９は以下の処理を行うマイコンである。なお、測定装置９が行う処理は、無線信号の到来方向を「推定する」処理であるが、本明細書では当該処理を「測定する」と記述する。
【００４７】
説明の簡単化のため、２次元状に配置されたアレーアンテナのうちの、直線状に配置された一列のアンテナ素子に着目して、当該一列のアンテナ素子に入射する信号波の到来方向を推定する技術を説明する。
【００４８】
図６Ａは、直線状に配置されたＭ個のアンテナ素子を有するアンテナ装置１５と、複数の到来波ｋ（ｋ：１〜Ｋの整数。以下同じ。Ｋの意味は後述する。）との関係を示している。各到来波は無線信号である。説明の便宜上、無線信号は図面の上方から到来するよう記載されているが、本実施形態の例では、無線信号は地表または水上の発信器５０から送信されている。
【００４９】
アンテナ装置１５は、様々な角度から同時に入射する複数の到来波を受ける。到来波の入射角度（到来方向を示す角度）は、アンテナ装置１５のブロードサイドＢ（アンテナ素子群が並ぶ直線方向に垂直な方向）を基準とする角度を表している。
【００５０】
いま、ｋ番目の到来波に注目する。「ｋ番目の到来波」とは、異なる方位に存在するＫ個の物標からアレーアンテナにＫ個の到来波が入射しているときにおける、入射角θkによって識別される到来波を意味する。
【００５１】
図６Ｂは、ｋ番目の到来波を受信するアンテナ装置１５を示している。アンテナ装置１５が受信した信号は、Ｍ個の要素を持つ「ベクトル」として、数１のように表現できる。
（数１）
Ｓ＝［ｓ1，ｓ2，…，ｓM］T
【００５２】
ここで、ｓm（ｍ：１〜Ｍの整数；以下同じ。）は、ｍ番目のアンテナ素子が受信した信号の値である。上つきのＴは転置を意味する。Ｓは列ベクトルである。列ベクトルＳは、アレーアンテナの構成によって決まる方向ベクトル（ステアリングベクトルまたはモードベクトル）と、波源（信号源）における信号を示す複素ベクトルとの積によって与えられる。波源の個数がＫであるとき、各波源から個々のアンテナ素子に到来する信号の波が線形的に重畳される。このとき、ｓmは数２のように表現できることが知られている。
【数２】
2018021300.tif 000003
【００５３】
数２におけるａk、θkおよびφkは、それぞれ、ｋ番目の到来波の振幅、到来波の入射角度（到来方向を示す角度）、および初期位相である。また、λは到来波の波長、ｊは虚数単位である。
【００５４】
数２から理解されるように、ｓmは、実部（Ｒｅ）と虚部（Ｉｍ）とから構成される複素数として表現されている。
【００５５】
ノイズ（内部雑音または熱雑音）を考慮してさらに一般化すると、アレー受信信号Ｘは数３のように表現できる。
（数３）
Ｘ＝Ｓ＋Ｎ
Ｎはノイズのベクトル表現である。
【００５６】
測定装置９は、数３に示されるアレー受信信号Ｘを用いて到来波の自己相関行列Ｒｘｘ（数４）を求め、さらに自己相関行列Ｒｘｘの各固有値を求める。
【数４】
2018021300.tif 000004
【００５７】
ここで、上付きのＨは複素共役転置（エルミート共役）を表す。
【００５８】
求めた複数の固有値のうち、熱雑音によって定まる所定値以上の値を有する固有値（信号空間固有値）の個数が、到来波の個数に対応する。そして、反射波の到来方向の尤度が最も大きくなる（最尤度となる）角度を算出することにより、物標の数および各物標が存在する角度を特定することができる。この処理は、最尤推定法として公知である。
【００５９】
上述の処理により、測定装置９は、一番大きな値を取る角度θを発信器５０が存在する方位として出力する。なお、到来波の到来方向を示す角度θを推定する方法は、この例に限定されない。種々の到来方向推定アルゴリズムを用いて行うことができる。たとえばＳＡＧＥ（Ｓｐａｃｅ−Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ  Ｅｘｐｅｃｔａｔｉｏｎ−ｍａｘｉｍｉｚａｔｉｏｎ）法などの最尤推定法によれば、到来波数の情報を利用して、相関の高い複数の到来波の方位を検出できる。なお、ＳＡＧＥなどの最尤推定法は既知の技術であるため、詳細な説明は省略する。振幅モノパルス法を用いて電波の到来方位を推定してもよい。
【００６０】
直線状に配置された一列のアンテナ素子を用いた場合、アンテナ素子の列に入射する無線信号に位相差が生じる方向（第１方向）については、無線信号の到来方向を推定することはできる。しかしながら、第１方向に垂直な第２方向については、無線信号の到来方向を推定することはできない。第２方向に関する到来方向を推定するためには、２次元（平面）的に配置されたアンテナ素子を用いることが必要である。２次元的に配置されたアンテナ素子を用いて第１方向および第２方向を算出する技術は周知であるため、本明細書での詳細な説明は省略する。
【００６１】
図７は、演算回路１０が行う無線信号の到来方向を測定する幾何学的な関係を示す。図示されるようにＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸をとる。ＸＹ平面は地面または水面である。Ｚ軸は高さ方向を表す。図７では、発信器５０が地面よりも高い位置（たとえば崖の中腹）に存在していることを示している。なお、発信器５０が水面に存在する場合には、発信器５０はＸＹ平面上に位置する。
【００６２】
測定装置９によって、発信器５０から送信される無線信号の到来方向が測定される。到来方向は、アジマス方向の角度αと、エレベーション方向の角度βである。アジマス方向の角度αは、アンテナ装置１５と発信器５０とを結ぶ直線ＡをＸＹ平面に投影した直線Ａ’とＹ軸とがなす角度である。エレベーション方向の角度βは、直線ＡとＺ軸とがなす角度である。演算回路１０は、角度αおよびβと、現在のマルチコプター１の高度の情報とを用いて、発信器５０の位置を推定することができる。
【００６３】
たとえば発信器５０が水面に存在する場合には、演算回路１０は、直線Ａと水面との交点の位置に発信器５０が存在すると推定する。マルチコプター１が地形図の情報を保持している場合には、演算回路１０は、当該地形図の情報を参照して、発信器５０が水面に存在するか否かを認識することができる。または演算回路１０は、処理装置４０からの通知によって発信器５０が水面に存在するか否かを認識してもよい。
【００６４】
発信器５０が陸上に存在する場合であって、たとえばマルチコプター１が地形図の情報を保持している場合には、演算回路１０は、当該地形図の情報を参照して、直線Ａと地面との交点に崖等の地形が存在すると判定できる。その場合には、演算回路１０は、直線Ａと崖との交点の位置（Ｘ0，Ｙ0，Ｚ0）に発信器５０が存在すると推定する。
【００６５】
上述の処理により、マルチコプター１は、発信器５０の位置を推定することができる。
【００６６】
なお、フィンランドのＱＵＵＰＰＡ社は、位置推定技術を利用したロケーティングシステムを提供している。本実施形態では、当該ロケーティングシステムを利用することが可能である。
【００６７】
３．位置推定処理装置の構成
図８は、処理装置４０のハードウェアの構成を示す。
【００６８】
処理装置４０は、中央演算回路（ＣＰＵ）４１と、メモリ４２と、地図情報４３と、画像処理回路４４と、スピーカ４５と、警告ランプ４６と、通信回路４７とを有し、これらが内部バス４８で接続されている。処理装置４０にはモニタ４９が接続されている。処理装置４０は典型的にはＰＣ等のコンピュータシステムである。または、処理装置４０はスマートフォン、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータなどの持ち運び可能な端末であってもよい。
【００６９】
通信回路４７は、探索救助センター施設３０のアンテナ装置３２を介して、マルチコプター１から、推定された発信器の位置および位置情報を示す無線信号を受信し、ＣＰＵ４１に送信する。ＣＰＵ４１は、当該情報の受信に応答して、要探索状況（たとえば災害、遭難）の発生を探索システム１００の運営者に報知する。
【００７０】
たとえばＣＰＵ４１は、推定された発信器の位置およびマルチコプター１の位置情報を利用して地図情報４３を参照する。地図情報４３は、捜索予定地域の地図および地形図のデータが格納されている。ＣＰＵ４１は、予め用意されたメッセージ、および、推定された発信器５０の位置を識別可能に表示した地図画像を生成して画像処理回路４４に処理させ、モニタ４９に表示させる。または、ＣＰＵ４１は、予めメモリ４２に保持されていた音声データをスピーカ４５から出力する。または、ＣＰＵ４１は、予めメモリ４２に保持されていた点滅パターンで警告ランプ４６を明滅させる。これにより、運営者は探索隊の編成、派遣等の救助活動を迅速に開始することができる。なお、画像処理回路４４を設けることは必須ではない。画像処理回路４４に代えてＣＰＵ４１が同じ処理を行ってもよい。
【００７１】
本明細書では、人の注意を喚起する視角的、聴覚的または触覚的な刺激を出力する装置を「出力装置」と呼ぶことがある。上述のモニタ４９、スピーカ４５および警告ランプ４６は、出力装置の範疇である。また、振動により触覚的な刺激を出力するモータもまた、出力装置の範疇である。
【００７２】
４．発信器の構成
図９は、発信器５０の内部構成を示す。発信器５０は、無線回路５１と、空気マグネシウム電池５６とを有する。無線回路５１は、記憶装置５２と、アンテナ素子５４と、ＩＣ回路５５とを有する。記憶装置５２はたとえばフラッシュＲＯＭであり、発信器５０毎に一意の識別情報５３が格納されている。ＩＣ回路５５は、空気マグネシウム電池５６から電力が供給されると、予め定められた周波数の高周波信号を生成し、アンテナ素子５４を介して周期的に送信する。
【００７３】
空気マグネシウム電池５６は一次電池であり、水等の電解液を含む液体が注入されると発電を開始する。空気マグネシウム電池５６は、液体が注入されるまでは長期間、たとえば１０年間以上劣化することなく保存できる。所有者は探索を求める場合に液体を人為的に注入すればよい。
【００７４】
図１０は、非発電時の空気マグネシウム電池５６の構成を示す。空気マグネシウム電池５６は、炭素で構成された正電極５６ａおよびマグネシウムで構成された負電極５６ｂを有する。空気マグネシウム電池５６には、リング５７と、封止蓋５９と、リング５７と封止蓋５９とを結ぶ紐５８とを有する。
【００７５】
封止蓋５９は液体注入口６０を塞いでいる。所有者がリング５７を引っ張ることにより、封止蓋５９がスライドする。図１１は、スライドした封止蓋５９を示す。これにより、所有者は液体注入口６０から液体を注入することができる。図１１には注入された液体６１が示されている。
【００７６】
無線信号の生成および送信に要する電力は非常に少ないため、発信器５０が名刺程度の大きさであっても、空気マグネシウム電池５６は、１週間程度は無線信号を送信する電力を発電できる。発信器５０は、低消費電力の近距離無線通信規格であるＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）４．０（「ＢＬＥ」と呼ばれることもある。）に沿った、２．４ＧＨｚの周波数を用いた無線信号を送信する。見通しのよい屋外で、周りに他の無線機器が存在しない場合には、無線信号は３００ｍ〜１ｋｍ程度まで到達し得る。なお、マルチコプター１のアンテナ装置１５もまた、発信器５０の通信規格と同じ規格に準拠した仕様で無線信号を受信する。
【００７７】
図１２は、海または河川での活動時に着用されるライフジャケット７０の外観図である。ライフジャケット７０にはポケット７１が用意されており、発信器５０を装着することができる。海または河川での転落時に、転落者がリング５７を引っ張ることにより、周囲の水が空気マグネシウム電池５６に注入され、発電が開始される。以後、無線信号の送信が継続的に行われる。発信器５０の空気マグネシウム電池５６は、要探索状況発生前には使用されていないため十分な電力を有している。よって、マルチコプター１による位置の推定、および、救助隊の到着まで安定して無線信号の送信を継続することができる。
【００７８】
ポケット７１の位置は、人が着用して漂流している間に、空気マグネシウム電池５６に水が注入される位置であって、かつ無線信号の送信が可能な、水没しない位置であることが好ましい。封止蓋５９を設けず、浸水時に空気マグネシウム電池５６に自動的に液体が入るよう構成してもよい。
【００７９】
５．マルチコプター１による位置推定処理
図１３は、マルチコプター１による発信器５０の位置推定処理の手順を示す。
【００８０】
ステップＳ１において、マルチコプター１のフライトコントローラ１１は、探索救助センター施設３０の処理装置４０からの飛行指令に従い飛行する。飛行時には、無線信号を受信できるよう、アンテナ装置１５には電力が継続して供給される。
【００８１】
ステップＳ２において、測定装置９は、発信器５０から出力された無線信号を検出したか否かを判定する。測定装置９は、発信器５０から出力された無線信号を検出するまではステップＳ２の判定を繰り返す。無線信号を検出すると、測定装置９はステップＳ３の処理を実行する。なお、ステップＳ１および２は、無線信号を検出するまでの通常飛行モードであり、ステップＳ３〜Ｓ５は、無線信号を検出したことによる、発信器５０を探索するための探索モードである。
【００８２】
ステップＳ３において、測定装置９は無線信号の到来方向を測定する。続くステップＳ４において、演算回路１０は、無線信号の到来方向を示す情報を利用して発信器５０の位置を推定する。無線信号の到来方向を測定し、発信器５０の位置を推定する処理はすでに説明したとおりである。
【００８３】
ステップＳ５において、フライトコントローラ１１は、たとえばＧＰＳモジュール１２を利用して現在の位置を推定し、通信回路１３を介して探索救助センター施設３０の処理装置４０に位置情報を出力する。このとき、推定した発信器５０の位置情報も併せて送信してもよい。
【００８４】
以上の処理により、マルチコプター１を利用して、発信器５０を所有する要救助者の発見および救助を実現することができる。
【００８５】
６．処理装置による位置推定処理
次に、本実施形態の冒頭で説明した、第２の態様で動作する探索システム１００の動作を説明する。第２の態様に関する限り、マルチコプター１からは測定装置９および演算回路１０を省略できる。
【００８６】
図１４は、第２の態様にかかるマルチコプター１および処理装置４０の処理の手順を示す。まずステップＳ２０において、処理装置４０からはアンテナ３２を介してマルチコプター１に飛行指令が送信される。
【００８７】
その後、マルチコプター１において、上述のステップＳ１およびＳ２の処理が行われる。以後、マルチコプター１および処理装置４０では、探索モードによる動作が行われる。
【００８８】
ステップＳ１０において、マルチコプター１のフライトコントローラ１１は、無線信号に所定の処理を加え処理信号を生成する。「所定の処理」とは、たとえば無線信号のフィルタリング処理、および、デジタル化処理である。ステップＳ１１において、フライトコントローラ１１は、たとえばＧＰＳモジュール１２を利用して現在の位置を推定し、位置情報を生成する。
【００８９】
ステップＳ１２において、生成した処理信号および位置情報を、通信回路１３を介して処理装置４０に送信する。
【００９０】
ステップＳ２１〜Ｓ２４は、処理装置４０のＣＰＵ４１によって行われる処理である。
【００９１】
ステップＳ２１において、ＣＰＵ４１は、通信回路４７を介して処理信号および位置情報を受信する。
【００９２】
ステップＳ２２において、ＣＰＵ４１は、処理信号に基づいて無線信号の到来方向を測定する。
【００９３】
ステップＳ２３において、ＣＰＵ４１は、測定した無線信号の到来方向およびマルチコプター１の位置情報に基づいて発信器５０の位置を推定する。
【００９４】
ステップＳ２４において、ＣＰＵ４１は、要探索状況（たとえば災害、遭難）の発生を探索システム１００の運営者に報知する。具体的には、ＣＰＵ４１は、スピーカ４５に警告音声の出力、モニタ４９への警告メッセージの表示および／または警告ランプ４６に点滅を行わせる。
【００９５】
図１４の処理によれば、マルチコプター１には測定装置９および演算回路１０を設けなくてもよいため、マルチコプター１のコストを低減させることができる。また、測定装置９および演算回路１０の省略により、電力の消費を抑えることもできる。
【００９６】
７．マルチコプターの飛行方法
次に、図１５〜図１８を参照しながら、マルチコプター１の飛行方法に関する変形例を説明する。
【００９７】
図１５は、３台のマルチコプター１ａ、１ｂ、１ｃを利用して発信器５０から送信された無線信号を検出する方法を示す。各マルチコプター１ａ、１ｂ、１ｃが無線信号を検出可能な範囲が半径約１００ｍであるとすると、マルチコプター１ａ、１ｂ、１ｃは、約２００ｍ未満の間隔Ｌを空けて並列飛行する。つまり、間隔Ｌは、マルチコプターの検出可能範囲に基づいて決定することができる。なお、並列飛行は２台のマルチコプター１を用いて行ってもよいし、４台以上のマルチコプター１を用いて行ってもよい。
【００９８】
図１６は、発信器５０からの無線信号をマルチコプター１ａが検出したときの動作例を示す。無線信号を検出したマルチコプター１ａは、他のマルチコプター１ｂおよび１ｃに、無線信号を検出したことを示す通知とともに、ＧＰＳモジュール１２を用いて推定した位置情報を送信する。
【００９９】
当該通知を受信したマルチコプター１ｂおよび１ｃは、受信したマルチコプター１ａの位置情報に基づいて、マルチコプター１ａの方向に向かう。その目的は、発信器５０の位置を迅速かつより高い精度で推定するためである。
【０１００】
図１７は、マルチコプター１ａの近傍に飛来したマルチコプター１ｂおよび１ｃを示す。マルチコプター１ａの近傍を飛行することにより、マルチコプター１ｂおよび１ｃもまた、発信器５０の無線信号を受信する。この場合、マルチコプター１ａ〜１ｃは、いわゆる三点計測によって発信器５０の位置を推定することもできる。すなわち、各マルチコプター１ａ〜１ｃの検出可能範囲が全て重なっている範囲に発信器５０が存在すると言える。
【０１０１】
各マルチコプター１ａ〜１ｃが発信器５０の位置を推定してもよい。その結果、マルチコプター１ａ〜１ｃのうちの２台または全ての推定位置が同じ位置である場合には、発信器５０が当該位置に存在する可能性は非常に高いと考えられる。これにより、特に山岳など起伏が激しい場所であっても、発信器５０を迅速に発見することが可能である。
【０１０２】
図１８は、１台のマルチコプター１を用いて、発信器５０の位置をより高い精度で推定する飛行方法の例を示す。
【０１０３】
マルチコプター１のアンテナ装置１５が発信器５０の無線信号を受信したとき、フライトコントローラ１１は、無線信号を受信した空間でマルチコプター１を停止させる。アンテナ装置１５は継続的に無線信号を受信するため、演算回路１０は継続的に発信器５０の位置を推定する。発信器５０の位置を推定する処理を、同じ位置で複数回に亘って行うため、位置の推定精度をより高めることができる。
【０１０４】
あるいはマルチコプター１は、マルチコプター１のアンテナ装置１５が発信器５０の無線信号を受信したとき、フライトコントローラ１１は、無線信号を受信した空間でマルチコプター１を旋回飛行させる。旋回中も、アンテナ装置１５は継続的に無線信号を受信する。演算回路１０は、たとえばある飛行位置では、発信器５０の位置がＰの方向に存在すると推定し、他の飛行位置では、発信器５０の位置がＱの方向であると推定されたとする。するとフライトコントローラ１１は、推定方向ＰおよびＱの交点を、発信器５０の位置であると推定する。これによりマルチコプター１は、発信器５０の位置をより高い精度で推定することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本開示の探索システムは、発信器５０携行する人、動物等の探索、または発信器５０が設けられた物の探索に広く利用可能である。
【符号の説明】
【０１０６】
１  マルチコプター
９  測定装置
１０  演算回路
１１  フライトコントローラ（自律飛行ユニット）
１２  ＧＰＳモジュール
１３  通信回路
１４  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
１５  アンテナ装置
３２  アンテナ装置
３０  探索救助センター施設
４０  位置推定処理装置
４１  ＣＰＵ
４２  メモリ
４３  地図情報
４４  画像処理回路
４５  スピーカ
４６  警告ランプ
４７  通信回路
４８  内部バス
４９  モニタ
５０  発信器
５１  無線回路
５２  記憶装置
５３  識別情報
５４  アンテナ素子
５５  ＩＣ回路
５６  空気マグネシウム電池
１００  探索システム
【図１】
2018021300.tif 000005
【図２】
2018021300.tif 000006
【図３】
2018021300.tif 000007
【図４】
2018021300.tif 000008
【図５】
2018021300.tif 000009
【図６Ａ】
2018021300.tif 000010
【図６Ｂ】
2018021300.tif 000011
【図７】
2018021300.tif 000012
【図８】
2018021300.tif 000013
【図９】
2018021300.tif 000014
【図１０】
2018021300.tif 000015
【図１１】
2018021300.tif 000016
【図１２】
2018021300.tif 000017
【図１３】
2018021300.tif 000018
【図１４】
2018021300.tif 000019
【図１５】
2018021300.tif 000020
【図１６】
2018021300.tif 000021
【図１７】
2018021300.tif 000022
【図１８】
2018021300.tif 000023
【国際調査報告】
2018021300.tif 000024
2018021300.tif 000025