特開 2024-4036 航空機制御装置、航空機制御システム、航空機制御方法、及び航空機制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024004036

(43)【公開日】2024-01-16

(54)【発明の名称】航空機制御装置、航空機制御システム、航空機制御方法、及び航空機制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   B64F 1/36 20240101AFI20240109BHJP

   B64D 27/24 20240101ALI20240109BHJP

   B64C 27/04 20060101ALI20240109BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20240109BHJP

   H02J 7/02 20160101ALI20240109BHJP

【ＦＩ】

B64F1/36

B64D27/24

B64C27/04

H02J7/00 P

H02J7/02 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022103471

(22)【出願日】2022-06-28

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100129230

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 理恵

(72)【発明者】

【氏名】伊丹 豪

(72)【発明者】

【氏名】久田 正樹

(72)【発明者】

【氏名】松原 浩史

(72)【発明者】

【氏名】飯塚 達哉

(72)【発明者】

【氏名】成末 義哲

(72)【発明者】

【氏名】小渕 大輔

(72)【発明者】

【氏名】森川 博之

【テーマコード（参考）】

5G503

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503BA02

5G503BB01

5G503CB16

5G503DA04

5G503FA06

5G503GC04

5G503GD02

5G503GD03

5G503GD05

(57)【要約】

【課題】複数の航空機を効率よく稼働することが可能な航空機制御装置、航空機制御システム、航空機制御方法、及び航空機制御プログラムを提供する。
【解決手段】航空機１と通信する通信部２３と、航空機１のバッテリ１４に給電する給電装置２４と、複数の航空機１の充電電力、及び消費電力を取得する取得部２１０と、各航空機１ごとに、充電電力と消費電力が一致するように、各航空機１の給電スケジュールを設定するスケジュール設定部２１３を備える。通信部２３は、給電スケジュールを航空機１に送信する。給電スケジュールに基づいて航空機１に給電するように、給電装置２４を制御する給電制御部２１４を備える。
【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

航空機と通信する通信部と、
前記航空機のバッテリに給電する給電装置と、
複数の航空機の充電電力、及び消費電力を取得する取得部と、
各航空機ごとに、充電電力と消費電力が一致するように、各航空機の給電スケジュールを設定するスケジュール設定部と、
を備え、
前記通信部は、前記給電スケジュールを前記航空機に送信し、
前記給電スケジュールに基づいて前記航空機に給電するように、前記給電装置を制御する給電制御部、
を備えた航空機制御装置。

【請求項2】

前記取得部は、各航空機の飛行時間、及び前記給電装置による充電時間を取得し、
前記スケジュール設定部は、各航空機の飛行時間と充電時間が一致するように、前記給電スケジュールを設定する
請求項１に記載の航空機制御装置。

【請求項3】

複数の航空機及び前記航空機を制御する制御装置を含む航空機制御システムであって、
前記航空機は、前記制御装置及び他の航空機との間で通信を行う通信機と、
航空機を駆動する電力を蓄積するバッテリと、
を備え、
前記制御装置は、
各航空機と通信する通信部と、
前記航空機のバッテリに給電する給電装置と、
各航空機の充電電力、及び消費電力を取得する取得部と、
各航空機ごとに、の充電電力と消費電力が一致するように、各航空機の給電スケジュールを設定するスケジュール設定部と、
を備え、
前記通信部は、前記給電スケジュールを前記航空機に送信し、
前記給電スケジュールに基づいて前記航空機に給電するように、前記給電装置を制御する給電制御部、
を備えた航空機制御システム。

【請求項4】

各航空機の通信機は、それぞれの通信機どうしでの端末間通信が可能とされており、
一の航空機の通信機は、他の航空機の通信機を中継して、前記制御装置の通信部と通信する
請求項３に記載の航空機制御システム。

【請求項5】

前記端末間通信は、
周波数ホッピング、フレーム制御、及び端末空間密度制御のうちの少なくとも一つの通信方式を用いて伝送データの通信を行い、
前記航空機の数、通信状況、及び通信目的のうちの少なくとも一つに基づいて前記伝送データの通信効率が高まるように前記通信方式による制御を実行する
請求項４に記載の航空機制御システム。

【請求項6】

前記端末間通信は、
送信側の通信機にて、伝送データを構成するデータ列に含まれる情報単位の出現頻度、母集団、分布、周期性、ランダム性のうちの少なくとも一つの特徴量に基づいて、データ列を簡素化して送信し、
受信側の通信機にて、受信したデータ列を前記特徴量に基づいて復元する通信方式とする
請求項４に記載の航空機制御システム。

【請求項7】

航空機との通信により、複数の航空機の充電電力及び消費電力を取得するステップと、
各航空機ごとに、前記充電電力と消費電力が一致するように、各航空機の給電スケジュールを設定するステップと、
前記給電スケジュールを各航空機に送信するステップと、
前記給電スケジュールに基づいて各航空機に給電するように、給電装置を制御するステップと、
を備えた航空機制御方法。

【請求項8】

請求項１または２に記載の航空機制御装置としてコンピュータを機能させる航空機制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、航空機制御装置、航空機制御システム、航空機制御方法、及び航空機制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

地上における環境をモニタリングするために、大気汚染の状況、人流、ＣＯ2濃度、温度、湿度等を定期的に観測することが行われている。また、ドローンなどの航空機を所望の観測地点まで飛行させ、各種のデータを収集することにより、人手による労力を軽減している。

【0003】

航空機を長時間に亘って自律的に稼働させるためには、航空機に搭載されるバッテリに対して自動で給電する仕組みが必要である。非特許文献１には、航空機を非接触給電する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】濱田浩，“ドローン給電のためのWPTシステム”， 電子情報通信学会誌，Vol. 103，No.10，pp.1037-1042，October 2020.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、非特許文献１には、複数の航空機を効率良く稼働させるための給電スケジュールを設定することについて言及されていない。このため、複数の航空機を効率よく目的地まで飛行させて観測データを取得することができないという問題があった。

【0006】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の航空機を効率よく稼働することが可能な航空機制御装置、航空機制御システム、航空機制御方法、及び航空機制御プログラムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様の航空機制御装置は、航空機と通信する通信部と、前記航空機のバッテリに給電する給電装置と、複数の航空機の充電電力、及び消費電力を取得する取得部と、各航空機ごとに、充電電力と消費電力が一致するように、各航空機の給電スケジュールを設定するスケジュール設定部と、を備え、前記通信部は、前記給電スケジュールを前記航空機に送信し、前記給電スケジュールに基づいて前記航空機に給電するように、前記給電装置を制御する給電制御部を備える。

【0008】

本発明の一態様の航空機制御システムは、複数の航空機及び前記航空機を制御する制御装置を含む航空機制御システムであって、前記航空機は、前記制御装置及び他の航空機との間で通信を行う通信機と、航空機を駆動する電力を蓄積するバッテリと、を備え、前記制御装置は、各航空機と通信する通信部と、前記航空機のバッテリに給電する給電装置と、各航空機の充電電力、及び消費電力を取得する取得部と、各航空機ごとに、の充電電力と消費電力が一致するように、各航空機の給電スケジュールを設定するスケジュール設定部と、を備え、前記通信部は、前記給電スケジュールを前記航空機に送信し、前記給電スケジュールに基づいて前記航空機に給電するように、前記給電装置を制御する給電制御部、を備える。

【0009】

本発明の一態様の航空機制御方法は、航空機との通信により、複数の航空機の充電電力及び消費電力を取得するステップと、各航空機ごとに、前記充電電力と消費電力が一致するように、各航空機の給電スケジュールを設定するステップと、前記給電スケジュールを各航空機に送信するステップと、前記給電スケジュールに基づいて各航空機に給電するように、給電装置を制御するステップと、を備える。

【0010】

本発明の一態様は、上記航空機制御装置としてコンピュータを機能させるための航空機制御プログラムである。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、複数の航空機を高効率で給電することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、実施形態に係る航空機制御システムの構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、航空機の構成を示すブロック図である。

【図3】図３は、制御装置（航空機制御装置）の構成を示すブロック図である。

【図4】図４は、スケジュール設定部にて設定された各航空機の給電スケジューを示す説明図である。

【図5】図５は、航空機の飛行速度に対する消費電力の変化を示すグラフである。

【図6A】図６Ａは、充電電力Ｐp、及び消費電力ＰfとＮＨとの関係を示すグラフである。

【図6B】図６Ｂは、消費電力ＰfとＮＨの微分値との関係を示すグラフである。

【図6C】図６Ｃは、充電電力ＰpとＮＨの微分値との関係を示すグラフである。

【図7】図７は、第１実施形態に係る航空機制御システムの処理手順を示すフローチャートである。

【図8】図８は、航空機が給電ポートから離陸してから帰還するまでの様子を示す説明図である。

【図9】図９は、航空機１-1から送信された送信データを、航空機１-2にて中継して制御装置に送信する例を示す説明図である。

【図10】図１０は、給電スケジュールの変更を示す説明図である。

【図11A】図１１Ａは、特徴を利用して信号列を分類する例を示す説明図である。

【図11B】図１１Ｂは、伝送データを簡素化して送信する例を示す説明図である。

【図12】図１２は、本実施形態のハードウェア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】

【0013】

［第１実施形態の説明］
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、第１実施形態に航空機制御システム１００の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る航空機制御システム１００は、複数の航空機１-1、１-2、・・、１-Xと、各航空機を制御する制御装置２（航空機制御装置）と、プラットホーム３を備えている。「Ｘ」は航空機１の台数を示す。

【0014】

なお、以下では、複数の航空機１-1、１-2、・・、１-Xを特定して示す場合には、「航空機１-1」のようにサフィックスを付して記載し、特定しない場合及び総称して示す場合には、サフィックスを省略して「航空機１」と記載することにする。また、本実施形態では、航空機の一例としてドローンなどの無人で飛行する航空機を例に挙げて説明する。なお、本発明は、無人の航空機に限定されるものではなく、操作者が搭乗して飛行する有人の航空機についても採用することができる。

【0015】

プラットホーム３は、例えば海洋に浮かべられており、各航空機１が待機するスペースを有する。プラットホーム３は、航空機１に対して非接触で電力を給電する給電ポート４を備えている。給電ポート４は、例えば太陽光発電により発電した電力を一旦蓄積し、各航空機１のバッテリ１４に給電する。また、太陽光発電は各バッテリ１４が消費する電力よりも十分大きな電力を発電できることを前提としている。

【0016】

航空機１は、プラットホーム３を拠点として待機し、制御装置２の制御下で、プラットホーム３から離陸して目的地まで飛行する。目的地は、例えば気象情報の観測地点である。航空機１は、目的地において所望する観測データを取得し、その後プラットホーム３に帰還する。

【0017】

図２は、航空機１の構成を示すブロック図である。図２に示すように航空機１は、航空機制御部１１と、ＧＰＳ受信機１２と、センサ１３と、バッテリ１４と、通信機１５を備えている。

【0018】

ＧＰＳ受信機１２は、ＧＰＳ衛星から送信される位置情報を受信する。

【0019】

センサ１３は、IoTセンサを含む。IoTセンサは、温度センサ、湿度センサ、風速センサ、加速度センサ、ジャイロセンサ、光センサ、画像センサ、圧力センサのうちの少なくとも一つを含んでもよい。センサ１３は、目的地における環境温度、湿度、風速などを測定する。

【0020】

バッテリ１４は、航空機１を駆動する電力を蓄積し、航空機１に搭載される各機器に電力を供給する。バッテリ１４は、プラットホーム３に設置された給電ポート４において、非接触による電力の充電が可能とされている。

【0021】

航空機制御部１１は、飛行制御部１１１と、通信制御部１１２と、電力測定部１１３を備えている。

【0022】

飛行制御部１１１は、制御装置２により設定された目的地の位置情報（例えば、三次元位置情報）、ＧＰＳ受信機１２で受信される位置情報、高度測定器（図示省略）で測定される飛行高度の情報に基づいて、航空機１が目的地に到達するように航空機１の飛行を制御する。詳細な制御方法は、周知の技術であるため説明を省略する。

【0023】

通信制御部１１２は、通信機１５による通信を制御する。

【0024】

電力測定部１１３は、バッテリ１４の残量を測定する。電力測定部１１３は、バッテリ１４の残量に基づいて航空機１の航続距離を算出してもよい。

【0025】

通信機１５は、制御装置２との間で無線通信を行う。通信機１５は、他の航空機に搭載される通信機との間での無線通信を行う。例えば、航空機１-1は、他の航空機１-2～１-Xのうちの少なくとも一つとの間で無線通信を行う。

【0026】

通信機１５は、センサ１３で測定された各種の情報、ＧＰＳ受信機１２で受信された航空機１の位置情報、及び電力測定部１１３で測定されたバッテリ１４の残量の情報を、制御装置２に送信する。

【0027】

通信機１５は、制御装置２から送信される目的地の情報を受信し、飛行制御部１１１に出力する。通信機１５は、他の航空機の通信機１５から送信された情報を受信して、制御装置２に送信する中継器としての機能を有する。通信機１５により送信される情報には、航空機１の航続距離に関する情報が含まれていてもよい。

【0028】

図３は、制御装置２（航空機制御装置）の構成を示すブロック図である。図３に示すように制御装置２は、主制御部２１と、入力部２２と、通信部２３と、給電装置２４と、記憶部２５と、提示部２６を備えている。

【0029】

入力部２２は、飛行可能な航空機１の台数、各航空機１の消費電力、飛行速度などの、個別情報の入力を受け付ける。即ち、操作者は入力部２２を操作することにより、上記した各種の情報を入力することができる。

【0030】

通信部２３は、各航空機１との間で伝送データの通信を行う。具体的に通信部２３は、各航空機１から送信された観測データ、位置データ、バッテリ１４の残量データを受信する。通信部２３は、後述するスケジュール設定部２１３で設定された給電スケジュールに基づき、各航空機１に対して給電スケジュールを送信する。

【0031】

給電装置２４は、給電ポート４（図１参照）に着陸した航空機１のバッテリ１４に対して非接触で電力を給電する。具体的には、給電ポート４の床面に送電コイルが設置または埋設されており、航空機１が給電ポート４に着陸したときに、該航空機１の底面に搭載された受電コイルと対向する。この状態で送電コイルに電力を供給することにより、非接触で受電コイルに電力が伝達され、バッテリ１４を充電することができる。

【0032】

主制御部２１は、取得部２１０と、データ収集部２１１と、状態管理部２１２と、スケジュール設定部２１３と、給電制御部２１４を備えている。

【0033】

取得部２１０は、各航空機１の飛行に関する情報を取得する。具体的に取得部２１０は、各航空機１との通信により、飛行時間Ｔf、消費電力Ｐf、飛行距離Ｈ、飛行速度ｖを含む各種のデータを取得する。

【0034】

データ収集部２１１は、各航空機１より送信される気温、湿度、風速などの観測データを取得する。データ収集部２１１は、取得した観測データを記憶部２５に記憶する。

【0035】

状態管理部２１２は、入力部２２にて入力される各種のデータを管理する。入力部２２にて入力されるデータは、各航空機１の測定頻度Ｎ、航空機１の台数Ｘ、各航空機１に搭載されるバッテリ１４の電池容量Ｗ、充電電力Ｐp、各航空機１のバッテリ１４を充電する際の充電時間Ｔp、２台の航空機１が飛行する際の重複時間ＴOLを含む。

【0036】

状態管理部２１２は、各航空機１の識別ＩＤ、位置情報、充電電力Ｐp、通信に用いる周波数、物理的な状態を管理する。物理的な状態とは、破損、塩害、摩擦、劣化などの質に関する状態を指す。状態管理部２１２は、各航空機１の充電電力Ｐpに基づき、各航空機１の航続距離を管理する。状態管理部２１２は、各航空機１に搭載されるバッテリ１４の電池容量Ｗを取得し、各航空機１のバッテリ１４が満充電であるときの航続距離（最大の航続距離）を算出する。

【0037】

スケジュール設定部２１３は、複数の航空機１の給電スケジュールを設定する。例えば、観測対象となる目的地までの距離、目的地の高度、飛行する空路の風向、風速、測定対象などの情報に基づいて、各航空機１に搭載されたバッテリ１４への給電が効率良く行われるように給電スケジュールを設定する。

【0038】

スケジュール設定部２１３は、各航空機１ごとに、充電電力Ｐpと消費電力Ｐfが一致するように、各航空機１の給電スケジュールを設定する。また、スケジュール設定部２１３は、各航空機１の飛行時間Ｔfと充電時間Ｔpが一致するように、給電スケジュールを設定する。給電スケジュールの設定方法については後述する。

【0039】

給電制御部２１４は、スケジュール設定部２１３で設定された給電スケジュールに基づいて、各航空機１のバッテリ１４への給電を制御する。即ち、給電制御部２１４は、給電スケジュールに基づいて航空機１に給電するように、給電装置２４を制御する。

【0040】

記憶部２５は、データ収集部２１１で取得された気温、湿度、風速など各種の観測データを記憶する。記憶部２５は、状態管理部２１２で取得された各航空機１の電池容量Ｗ、充電電力Ｐp、航続距離のデータを記憶する。記憶部２５は、スケジュール設定部２１３で設定された各航空機１の給電スケジュールを記憶する。

【0041】

提示部２６は、例えばディスプレイであり、データ収集部２１１で取得された各種の観測データ、各航空機１の電池容量Ｗ、電力の残量充電電力Ｐp、航続距離、給電スケジュールなどを画面表示する。なお、提示部２６は、ディスプレイなどの表示機器に限定されるものではなく、音声により操作者或いはその他のユーザに提示してもよい。

【0042】

本実施形態に係る制御装置２は、航空機１の台数Ｘ、測定頻度Ｎ、各航空機１の電池容量Ｗ、飛行距離Ｈ、飛行速度ｖ、消費電力Ｐf、充電電力Ｐp、飛行時間Ｔf、充電時間Ｔpの、各パラメータに基づいて、各航空機１が効率良く目的地まで飛行して所望の観測データを収集できる給電スケジュールを設定する。

【0043】

なお、上述した測定頻度Ｎは、航空機１が一定期間内に観測を行う回数を示す。電池容量Ｗは、バッテリ１４が満充電時の電力量である。消費電力Ｐfは、航空機１が飛行することにより消費する電力を示し、充電電力Ｐpは、バッテリ１４を充電するときの電力を示す。

【0044】

＜給電スケジュールの設定方法＞
スケジュール設定部２１３において実施される給電スケジュールの設定方法について説明する。電池容量Ｗ、飛行速度ｖ、消費電力ＰfのＸ台の航空機１が順番に充電電力Ｐp、充電時間Ｔpで充電された後に、プラットホーム３から離陸する。各航空機１は、飛行距離Ｈ、飛行時間Ｔfで飛行して目的地において観測を行い、プラットホーム３に帰還する。このように、各航空機１は、プラットホーム３から離陸→観測→帰還を繰り返す動作を行う。

【0045】

この動作で行われる単位時間当たりの測定回数は、測定頻度Ｎである。航空機１が順番に飛行する際に、隣り合う順番のドローンどうしの飛行時間の一部は重複している。その重複時間をＴOL（図４参照）とする。各航空機１が一定の順序で飛行する場合を例に挙げて説明する。「一定の順序」とは、例えば航空機１-1が飛行して帰還し、その後航空機１-2が飛行して帰還し、更に航空機１-3、１-4の順に飛行することを意味する。

【0046】

従って、各航空機１の給電スケジュールは、図４に示すように設定することができる。図４において、斜線で示す時間帯が飛行時間を示し、空白で示す時間帯が充電時間を示している。このような条件下において、前述のように定義したパラメータを用いて、各航空機１と給電ポート４が満たすべき条件は、以下のように整理することができる。

【0047】

航空機１が継続して飛行する場合には、充電電力量Ｔp・Ｐpが消費電力量Ｔf・Ｐfを上回ることから、下記（１）式が得られる。

【0048】

Ｔf・Ｐf≦Ｔp・Ｐp …（１）
各航空機１が一定の順序で飛行することから、測定頻度Ｎは下記（２）式で求められる。

【0049】

Ｎ＝Ｘ／（Ｔf＋Ｔp） …（２）
電池容量Ｗは、消費電力量Ｐf・Ｔfを上回ることから、下記（３）式が得られる。

【0050】

Ｗ≧Ｐf・Ｔf …（３）
飛行距離Ｈは、下記（４）式で得られる。

【0051】

Ｈ＝ｖ・Ｔf …（４）
上述した（１）～（４）式を集約すると、下記（５）、（６）式が得られる。

【0052】

【数1】

【0053】

【数2】

【0054】

例えば、上記（５）、（６）式を用いて、予め設定されている条件を入力すると、求めたいパラメータの解の存在範囲を可視化することができる。従って、実際の状況に即してある条件を入力したときに出力される解の存在範囲の中で、目的に対する最適な条件を抽出することで最適な給電スケジュールを決定することができる。具体的に、各航空機１の状況に応じて目的関数は任意のものを設定することができ、その目的関数が最大、或いは最小となるようなパラメータの条件を探索していくことで、各航空機１の給電スケジュールが最適となる条件を抽出する。

【0055】

探索方法は、例えば局所探索法、ラグランジェ緩和法・双対問題、分枝限定法、焼きなまし法、遺伝アルゴリズムなどを採用することができる。以下では理論的に導出可能なケースを用いて最適な条件を抽出する。目的関数ｆ＝ＮＨとすると、前述した（５）式から、下記（７）式が得られる。

【0056】

【数3】

【0057】

上記（７）式が成立するとき、即ち「Ｔf・Ｐf＝Ｔp・Ｐp」のときにＮＨは最大となる。

【0058】

また、上記（７）式は、充電電力量「Ｔp・Ｐp」と消費電力量「Ｔf・Ｐf」が等しいことを示している。一方で上記（６）式は、電池容量Ｗが消費電力量に対して十分大きくなるように設定することに留意することで満たされると考えることができる。即ち、（６）式に示す条件に気を付けた上で、消費電力量と充電電力量に着目し、上記（７）式に示すＮＨが最大となるときの条件について考える。

【0059】

ここで（７）式を、消費電力Ｐf、充電電力Ｐpがそれぞれ単独の変数となる関数を考える。また、航空機１の飛行速度ｖは、消費電力Ｐfとの間で、図５のグラフに示す関係があることが知られている。図５は、飛行速度と消費電力との関係を示すグラフであり、曲線ｑ１～ｑ６は、それぞれ異なる航空機１を用いたときのデータを示している。図５のグラフから理解されるように、飛行速度ゼロ（例えば、ホバーリングの状態）から徐々に飛行速度を上昇させると、消費電力は一旦減少し、その後領域Ｑ１において矢印Ｙ１に示すように増加に転じる。この関係を二次関数として近似した場合、以下のように表すことができる。

【0060】

【数4】

【0061】

（８）式において、α’、β、γは係数である。（８）式を、曲線の片側のみを考えても一般性を失わないことに留意して、飛行速度ｖについて整理すると、下記（９）式が得られる。

【0062】

【数5】

【0063】

（９）式において、「α’＝１／α」としている。また、上記の理由を考慮してβ＝０としている。更に、（９）式において関数の挙動に関する本質のみに着目し議論するためγを省略すると、（７）式は、下記（１０）式に書き換えられる。

【0064】

【数6】

【0065】

（１０）式に示すＰf、Ｐpの導関数は、それぞれ（１１）、（１２）式で示すことができる。

【0066】

【数7】

【0067】

【数8】

【0068】

（１０）～（１２）式をグラフ化したものを図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃに示す。図６Ａは（１０）式を示すグラフ、図６Ｂは（１１）式を示すグラフ、図６Ｃは（１２）式を示すグラフである。

【0069】

図６Ａに示すグラフから、ＮＨは、充電電力Ｐpの変化に対して単調増加する傾向を示している。また、消費電力Ｐfの変化に対して、最大値を取ることが理解される。この関数の場合は、Ｐf＝Ｐpである。即ち、最適な消費電力が存在することになる。なお、実際の運用ではβとγの影響を受けた形の関数から導出した最適値となるため、上記の値とは若干異なっていることに留意する必要がある。

【0070】

従って、できるだけ大きな充電電力とした上で、消費電力が充電電力に依存する一定値に近づくように運用することでＮＨが最大になることが理解される。上記により求められた消費電力と充電電力の関係式（例：Ｐf＝Ｐp）とＮＨ＝（ＮＨ）maxとなる条件（Ｔf・Ｐf＝Ｔp・Ｐp）より、充電時間Ｔpと飛行時間Ｔfに関する条件も同時に求まる。即ち、この問題を解くことで航空機１を効率よく稼働させるための充電電力Ｐp、及び充電時間Ｔpを求めることができる。

【0071】

次に、第１実施形態に係る航空機制御システム１００の処理手順を、図７に示すフローチャートを参照して説明する。図７に示す処理は、図３に示した主制御部２１により実行される。

【0072】

初めにステップＳ１１において、主制御部２１は、各航空機１に搭載された通信機１５と制御装置２に搭載された通信部２３との間で通信を行う。取得部２１０は、通信により各航空機１の電池容量Ｗ、飛行時間Ｔf、消費電力Ｐf、飛行距離Ｈ、飛行速度ｖ、を取得する。取得部２１０は、取得した各データを記憶部２５に記憶する。

【0073】

ステップＳ１２において、主制御部２１は、操作者による入力部２２からの操作入力を受け付ける。取得部２１０は、操作者により入力される航空機１の台数Ｘ、各航空機１による測定頻度Ｎ、充電電力Ｐp及び重複時間ＴOLを取得する。重複時間ＴOLは任意の時間を設定することができる。取得部２１０は、取得した各データを記憶部２５に記憶する。

【0074】

ステップＳ１３において、状態管理部２１２は、各航空機１に搭載されているバッテリ１４の残量に基づき、各航空機１の航続距離を算出する。

【0075】

ステップＳ１４において、スケジュール設定部２１３は、各航空機１の飛行情報に基づいて、各航空機１の給電スケジュールを設定する。上述したように、ＮＨ（測定頻度Ｎと飛行距離との積）が最大となるように、各航空機１の充電時間Ｔp、充電開始時刻、飛行時間Ｔfを設定する。その結果、例えば図４に示したように、Ｘ台の各航空機１-1～１-Xに対して、所定の重複時間ＴOLを有する給電スケジュールが設定される。

【0076】

例えば、スケジュール設定部２１３は、観測要件が時間経過に伴って動的に変化するような状況下において、各航空機１の消費電力を予測する。スケジュール設定部２１３は、各航空機１が電力不足にならないように、各航空機１の給電スケジュールを設定する。

【0077】

具体的に、ある目的地において平常時には６０分間隔で気温、風速などを観測しており、その後（例えば、１時間後）に１０分間隔で観測する必要が発生した場合には、この目的地に複数の航空機１を連続して向かわせる必要が生じる。これに対応するため、スケジュール設定部２１３は、全ての航空機１を満充電とて１０分間隔での観測が可能となるように給電スケジュールを設定する。

【0078】

ステップＳ１５において、スケジュール設定部２１３は、各航空機１の給電スケジュールを記憶部２５に記憶する。

【0079】

ステップＳ１６において、スケジュール設定部２１３は、給電スケジュールを提示部２６に提示する。例えば、提示部２６がディスプレイを備えている場合には、図４に示した給電スケジュールをディスプレイに表示する。

【0080】

ステップＳ１７において、データ収集部２１１は、各航空機１で観測された観測データ、即ち、温度、湿度、風速などのデータを各航空機１との間の通信により取得する。取得するデータには、各航空機１の識別ＩＤ、位置情報、充電電力、物理的な状態（破損、塩害、摩耗、劣化などの質に関するステータス）などが含まれもよい。

【0081】

ステップＳ１８において、データ収集部２１１は、観測データを記憶する。

【0082】

図８は、航空機１による自律的な動作の流れを模式的に示す説明図である。本実施形態に係る航空機制御システム１００の各航空機１は、スケジュール設定部２１３にて設定された給電スケジュールに基づいて充電、離陸、観測、帰還を繰り返す。

【0083】

具体的には図８に示すように、航空機１は給電ポート４に着陸してバッテリ１４に充電する。バッテリ１４の充電に要する電力は、例えば太陽光発電、風力発電などの自然エネルギーによる発電機５から供給される。バッテリ１４の充電が終了すると、航空機１は給電ポート４から離陸する。或いは、スケジュールの都合により待機する必要がある場合には、駐機場（図示省略）に一旦移動して所定の離陸時刻まで待機する。

【0084】

離陸した航空機１は目的地まで飛行する。航空機１は目的地に到達した後、気温、湿度、風速などの各種の観測データを取得する。航空機１は、観測データを取得した後、プラットホーム３（図１参照）に帰還し、給電ポート４に着陸してバッテリ１４に充電する。複数の航空機１に対して、スケジュール設定部２１３にて設定された給電スケジュールに基づいて上記の動作を繰り返すことにより、操作者が介在することなく複数の航空機１を自律的に稼働させて、複数の目的地での観測データなどの有益な情報を収集することができる。

【0085】

このように、本実施形態に係るシステムは、航空機１と通信する通信部２３と、航空機１のバッテリ１４に給電する給電装置２４と、複数の航空機１の充電電力Ｐp、及び消費電力Ｐfを取得する取得部２１０と、各航空機１ごとに、充電電力Ｐpと消費電力Ｐfが一致するように、各航空機１の給電スケジュールを設定するスケジュール設定部２１３と、を備え、通信部２３は、給電スケジュールを航空機１に送信し、給電スケジュールに基づいて航空機１に給電するように、給電装置２４を制御する給電制御部２１４を備える。

【0086】

本実施形態では、上述したＮＨ（測定頻度Ｎと飛行距離との積）が最大となるように、各航空機１の給電スケジュールを設定する。このため、各航空機１が効率良く飛行して目的地に到達し、各航空機１による観測を行った後に、各航空機１をプラットホーム３に帰還させることが可能となる。

【0087】

即ち、従来においては、各航空機１が継続して飛行可能な航続距離、飛行する高度、測定頻度（一定時間内に測定可能な回数）を、制御装置２において把握し、総合的に各航空機１の給電を制御することが難しいという問題があった。本実施形態では、制御装置２は、通信部２３にて各航空機１の飛行情報を取得する。制御装置２は、入力部２２にて操作者が入力する各航空機１の情報を取得する。制御装置２は、これらの情報に基づいて、各航空機１が効率良く給電することが可能な給電スケジュールを設定することが可能になる。

【0088】

本実施形態に係る航空機制御システム１００を、航空機１に搭載されるIoTセンサなどのセンサ１３でから送信された情報と衛星データを組み合わせて連動させることで、高付加価値なモニタリング情報を創出することが可能になる。

【0089】

本実施形態では、複数の航空機１を操作者が介在することなく自律的に稼働することができるので、漁業、農業などの一次産業に採用することで、一次産業の従事者の高齢化、人手不足、技術継承に関する問題の解決に寄与する。

【0090】

［第２実施形態の説明］
次に、第２実施形態について説明する。前述した第１実施形態では、各航空機１に搭載されている通信機１５と制御装置２に搭載された通信部２３との間での通信を行う例について説明した。

【0091】

第２実施形態では、各航空機１の通信機１５は、それぞれの通信機１５どうしでの端末間通信が可能とされている。第２実施形態では、一の航空機１の通信機１５は、他の航空機１の通信機１５を中継して、制御装置２の通信部２３と通信する。一の航空機１が制御装置２から遠く離れた目的地に飛行した場合であっても、他の航空機１を中継して通信することにより、リアルタイムでのデータ通信を可能とする。

【0092】

第２実施形態に係る航空機制御システムは、前述した図１～図３と同様であるので、構成説明を省略する。

【0093】

図９は、複数の航空機１どうしで通信を行う様子を模式的に示す説明図である。図９に示すように、航空機１-1（以下、「第１の航空機１-1」という）は、所定の目的地に到着して観測データを取得する。

【0094】

また、第１の航空機１-1とプラットホーム３との間には、プラットホーム３に帰還するために飛行中の航空機１-2（以下、「第２の航空機１-2」という）が飛行している。

【0095】

このような場合において、第１の航空機１-1は第２の航空機１-2を中継して伝送データを制御装置２にリアルタイムで送信する。伝送データは、センサ１３で観測した観測データ、航空機１の識別ＩＤ、三次元位置、バッテリ１４の残量、その他の物理的な情報を含む。第１の航空機１-1と第２の航空機１-2の間の通信方法として、Ｄ２Ｄ通信（device to device）などの端末間通信を用いてもよい。

【0096】

Ｄ２Ｄ通信は、制御装置２による一元的な管理が不要であり、管理方式を予め統一しておけば、各航空機１どうしの通信によって情報伝達を行うことができる。

【0097】

第２実施形態では、Ｄ２Ｄ通信に使用するキャリアを、周波数、時間、空間のうち少なくとも一つのサブキャリアで分割する。具体的にＤ２Ｄ通信（端末間通信）は、端末空間密度制御、周波数ホッピング、フレーム制御のうちの少なくとも一つの通信方式を用いて伝送データの通信を行う。また、Ｄ２Ｄ通信は、航空機１の数、通信状況、及び通信目的のうちの少なくとも一つに基づいて伝送データの通信効率が高まるように上記の通信方式による制御を実行する。これにより、それぞれ機種、状態が異なる複数の航空機１を効率よく管理する。

【0098】

端末空間密度制御は、単位空間当たりの端末数をカウントし、カウント数によって通信の可否、通信量を制御する方式である。

【0099】

周波数ホッピング（ＦＨＳＳ；Frequency HoppingSpread Spectrum）は、使用する周波数帯を細かく分割し、そのサブキャリアの組み合わせを適宜変更して通信する方式である。例えば、周波数ホッピングにおいて、サブキャリアの組み合わせ方法は、サブキャリアの全体数をＫとした場合に、Ｋが偶数ならＫ／２個、Ｋが奇数なら（Ｋ＋１）／２個のサブキャリアを選択する方式をとると、サブキャリアの組み合わせは最大化される。従って、周波数ホッピングを採用し、且つサブキャリアの組み合わせを適宜設定することにより、大きな通信負荷を必要とせずに航空機１間での観測データの通信を行うことができる。

【0100】

フレーム制御は、時間領域で周期の中で送信データのフレーム分割を行い、時系列ごとに情報を管理する方式である。また、フレーム制御を実施することにより、周波数領域にて資源（リソース）が足りない場合であっても、資源を拡張することができる。資源の拡張方法として、周波数ホッピングと同様の方法を採用することができ、それ以外にも周波数と時間の領域を合算して最適化する方法を採用することができる。

【0101】

また、上述したサブキャリアの割り当て数と分割したフレームの割り当て数の合計数に対して、組み合わせを最大化することにより、データ通信の効率を高めることができる。

【0102】

例えば、サブキャリアの割り当て数を１０個とし、フレームの割り当て数を１０個とした場合には、上述した「サブキャリアの組み合わせ変更」及び「フレーム分割」を個別に適用した場合は、「10Ｃ5×10Ｃ5＝２５２＾2＝６３５０４通り」となる。なお、「10Ｃ5」は１０個から任意の５個を選択するときの組み合わせ数を示す。一方、合計２０個に対して１０個を選択する組み合わせは、「20Ｃ10＝１８４７５６通り」となる。このため、合算して適用する方が組み合わせが大きくなることが確認できる。

【0103】

即ち、複数の航空機１間における通信、及び航空機１と制御装置２との間の通信において、通信に使用する周波数帯域、伝送時間単位周期をそれぞれ複数のサブキャリアに分割し、分割されたサブキャリアの周波数、及び時間領域の資源を、航空機１の個数、必要とする通信速度、要求される情報の精度、伝搬チャネルなどの通信状況と通信目的に応じて最適となるように選択する。

【0104】

このように、第２実施形態に係る航空機制御システムでは、航空機１どうしで端末間通信を行い、更に、周波数、時間、空間の３つのサブキャリアうちの少なくとも一つのサブキャリアの組み合わせを変更する。

【0105】

このため、航空機１と制御装置２との間の通信効率を高めることができ、且つ、リアルタイムで通信することが可能になる。従って、飛行中の航空機１において、例えば気象条件の変動などの不可抗力が発生して観測時間の変更、或いは帰還予定時刻の変更が発生した場合には、これらの変更情報をリアルタイムで制御装置２に送信し、各航空機１による観測が効率よく実施されるように給電スケジュールを変更することができる。例えば、図１０の符号ｙ１に示すように、航空機１の飛行時間を変更することができる。

【0106】

第２実施形態では、第１の航空機１-1と制御装置２との間の通信を、第２の航空機１-2を中継して行う。これにより、第１の航空機１-1が制御装置２から遠く離れた目的地に飛行した場合であっても、第２の航空機１-2を中継することにより、リアルタイムで各種の伝送データの通信が可能になる。また、各航空機１の飛行範囲を広げることが可能になる。

【0107】

端末間通信としてＤ２Ｄ通信を行うことにより、各航空機１のステータスを更新することができる。当初のスケジュール通りに各航空機１を稼働させることが難しいと判断された場合は、リアルタイムでステータス情報を更新し、その都度スケジュールを最適化し修正することが可能になる。

【0108】

［第３実施形態の説明］
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態に係る航空機制御システムは、前述した図１～図３と同様であるので構成説明を省略する。

【0109】

一つのプラットホーム３にて運用する複数の航空機１の機種、スペック、センサ計測データの種類などがそれぞれ異なる場合には、上述したＤ２Ｄ通信などの端末間通信において、通信負荷が増大する。第３実施形態では、伝送データを簡素化することにより、航空機１どうしの通信、及び航空機１と制御装置２との通信における通信負荷を軽減する。以下、詳細に説明する。

【0110】

第３実施形態では、各航空機１から送信される伝送データを、文字列、記号列、数字列の項目に分類することができる。従って、伝送データの種類、形式に関わらず、伝送データを一括して伝送し、この伝送データを受信した後に、各データ毎の特徴を比較、抽出することで、元の情報に復元することにより、データの伝送効率を向上させる。

【0111】

即ち、第３実施形態で使用するＤ２Ｄ通信（端末間通信）は、送信側の通信機１５にて、伝送データを構成するデータ列（文字列、記号列、数字列など）に含まれる情報単位の出現頻度、母集団、分布、周期性、ランダム性のうちの少なくとも一つの特徴量に基づいて、データ列を簡素化して送信する。受信側の通信機１５にて、受信したデータ列を特徴量に基づいて復元する。

【0112】

伝送データを、該伝送データに含まれる文字列、記号列、数字列で分類し、文字列、記号列、数字列に含まれる各情報単位の出現頻度、出現情報の分布、母集団、周期性、ランダム性などの特徴量に応じて、それぞれ符号を割り当てることにより、伝送データのデータ量を削減し、伝送効率を向上させることができる。

【0113】

図１１Ａは、伝送データに含まれる信号列の特徴を示す説明図である。例えば、図１１Ａに示すように識別ＩＤが「Ｄ」から始まる記号列である場合には、伝送データには「Ｄ」が必ず出現することになるので、識別ＩＤに対して最も短い符号を割り当てることで、伝送効率を向上させることができる。

【0114】

位置情報は３次元で示されるため、３つの数字列で表現される。電池残量は分数で示すので、分数表記の数字列で表現される。物理的な状態Ａ～Ｃは、１つの記号列で表現される。上記のように数字列、或いは記号列を表現することにより、伝送データの伝送効率を向上させることができる。

【0115】

また、出現頻度のみならず、伝送データのデータ列における出現情報の分布、母集団のモデルを適用し、ＤＦＴ／ＦＦＴなどの信号解析によって、分布からその母集団を推定することで、特徴量を効率よく抽出することができる。

【0116】

例えば、航空機１に搭載されているバッテリ１４の電池残量は、満充電の状態から、約１回分の飛行に要する電力だけ差し引いた範囲（第１の充電量）で変化する。従って、伝送データに含まれる数字列の出現確率を考えた場合に、第１の充電量から満充電の間の数値、或いは特定の平均値を中心とする正規分布を取ると予想できる。

【0117】

従って、正規分布を設定し、この正規分布に従うものと予想して符号を割り当てることにより、データ量を削減することが可能になる。

【0118】

また、航空機１の位置情報についても給電ポート４の相対的な位置関係により、給電ポート４の位置に対して航空機１の平面方向の位置は、正規分布であると考えられ、更に、分散はそのときの風速から推定することができる。従って、この予測に基づいて符号を割り当てることにより、データ量を削減することが可能になる。

【0119】

また、航空機１を用いて目的地における気象データを収集する場合には、気象データは、周期的な測定を行うという性質に着目し、時間帯、信号列の出現順序、組み合わせを想定することができる。この想定結果に基づいて符号を割り当てることにより、データ量を削減することが可能になる。

【0120】

図１１Ｂは、第３実施形態に係る航空機制御システム１００により、伝送データの信号列を分類する方法を示す説明図である。

【0121】

前述した図１１Ａに示したように伝送データの割り当てを設定することによりデータ量を削減することにより、例えば、図１１Ｂ（ａ）に示す伝送データに含まれる元の情報を、図１１Ｂ（ｂ）に示すようにデータ量を削減した情報に変換する。図１１Ｂ（ｂ）では、物理的な状態Ａ～Ｃについての伝送データを一つのデータ列で表現している。

【0122】

この伝送データの送信先となる航空機１或いは制御装置２において、伝送データを復調することにより、図１１Ｂ（ｃ）に示すように、元のデータを取得することができる。

【0123】

このように、第３実施形態では、伝送データに含まれる特徴量を抽出し、抽出した特徴量に基づいて、データを削減することができる。このため、Ｄ２Ｄ通信などの端末間通信により伝送データを送信する場合に、データ量を削減でき、各航空機１で観測したデータを効率よく制御装置２に送信することができる。或いは、一の航空機１で観測したデータを他の航空機１を中継して、効率よく制御装置２に送信することができる。

【0124】

第１～第３実施形態で示した航空機１の制御システムの技術は、海洋における用途以外にも採用することができる。例えば、地上のＩｏＴソリューションに採用することができ、例えば航空機１を活用した物流の自動化プラットホーム、将来的な空中タクシーサービス等の、自動運転技術にも適用することで、サステイナブルにシステムを強化することができる。また、第２、第３実施形態に示した情報通信技術を用いることで、自動運転や災害検知ネットワークなどの、他のプラットホームとの連携も容易になる。また、航空機１は、ドローンなどの無人の航空機以外にも、有人で飛行する航空機としてもよい。

【0125】

上記説明した本実施形態の制御装置２（航空機制御装置）には、図１２に示すように例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit、プロセッサ）９０１と、メモリ９０２と、ストレージ９０３（HDD：HardDisk Drive、SSD：SolidState Drive）と、通信装置９０４と、入力装置９０５と、出力装置９０６とを備える汎用的なコンピュータシステムを用いることができる。メモリ９０２およびストレージ９０３は、記憶装置である。このコンピュータシステムにおいて、ＣＰＵ９０１がメモリ９０２上にロードされた所定のプログラムを実行することにより、制御装置２の各機能が実現される。

【0126】

なお、制御装置２は、１つのコンピュータで実装されてもよく、あるいは複数のコンピュータで実装されても良い。また、制御装置２は、コンピュータに実装される仮想マシンであっても良い。

【0127】

なお、制御装置２用のプログラムは、ＨＤＤ、ＳＳＤ、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ、ＣＤ (Compact Disc)、ＤＶＤ (Digital Versatile Disc)などのコンピュータ読取り可能な記録媒体に記憶することも、ネットワークを介して配信することもできる。

【0128】

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

【符号の説明】

【0129】

１（１-1～１-X） 航空機
２ 制御装置
３ プラットホーム
４ 給電ポート
５ 発電機
１１ 航空機制御部
１２ ＧＰＳ受信機
１３ センサ
１４ バッテリ
１５ 通信機
２１ 主制御部
２２ 入力部
２３ 通信部
２４ 給電装置
２５ 記憶部
２６ 提示部
１００ 航空機制御システム
１１１ 飛行制御部
１１２ 通信制御部
１１３ 電力測定部
２１０ 取得部
２１１ データ収集部
２１２ 状態管理部
２１３ スケジュール設定部
２１４ 給電制御部
Ｈ 飛行距離
Ｎ 測定頻度
Ｐf 消費電力
Ｐp 充電電力
Ｔf 飛行時間
ＴOL 重複時間
Ｔp 充電時間
ｖ 飛行速度
Ｗ 電池容量
Ｘ 航空機の台数

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図12】