特開 2024-74362 無人飛行体の着陸システム

(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】P2024074362

(43)【公開日】2024-05-31

(54)【発明の名称】無人飛行体の着陸システム

(51)【国際特許分類】

   B64D 45/08 20060101AFI20240524BHJP

   B64C 27/04 20060101ALI20240524BHJP

   B64C 39/02 20060101ALI20240524BHJP

   B64D 47/08 20060101ALI20240524BHJP

   B64F 1/12 20060101ALI20240524BHJP

【ＦＩ】

B64D45/08

B64C27/04

B64C39/02

B64D47/08

B64F1/12

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022185465

(22)【出願日】2022-11-21

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】上田 紘司

(72)【発明者】

【氏名】笹川 憲二

(72)【発明者】

【氏名】川端 俊一

(72)【発明者】

【氏名】菅沼 直孝

(72)【発明者】

【氏名】松崎 謙司

(57)【要約】

【課題】着陸用のマーカを一時的に認識できなくなっても、無人飛行体の着陸動作を継続できる。
【解決手段】カメラ１４が搭載されたドローンを、マーカが設置された充電ポートに着陸させるドローン着陸システムであって、カメラが撮影したマーカを認識して、ドローン座標系における充電ポート位置情報を算出するマーカ認識部２１と、基準座標系におけるドローン位置情報を算出する自己位置推定部２２と、基準座標系におけるドローン位置情報とドローン座標系における充電ポート位置情報とを用いて、基準座標系における充電ポート位置情報を算出し、ドローンを充電ポートへ降下させるための指令速度を生成する指令速度生成部２３とを有し、指令速度生成部は、マーカ認識部によりマーカが認識されなかった場合に、マーカが直前に認識された際に算出した基準座標系における充電ポート位置情報に基づき、ドローンを充電ポートへ降下させるための指令速度を生成する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

着陸地点に設置されたマーカを無人飛行体に搭載されたカメラが撮影し、前記マーカの認識により前記無人飛行体を前記着陸地点に着陸させる無人飛行体の着陸システムであって、
前記カメラが撮影した前記マーカを認識して、無人飛行体座標系における着陸地点位置情報を算出するマーカ認識部と、
基準座標における無人飛行体位置情報を算出する自己位置推定部と、
前記基準座標系における無人飛行体位置情報と前記無人飛行体座標系における着陸地点位置情報とを用いて、基準座標系における着陸地点位置座標を算出して、前記無人飛行体を前記着陸地点へ降下させるための指令速度を生成する指令速度生成部と、を有し、
前記指令速度生成部は、前記マーカ認識部により前記マーカが認識されなかった場合に、前記マーカが直前に認識された際に算出した前記基準座標系における着陸地点位置座標を用いて、前記無人飛行体を前記着陸地点へ降下させるための指令速度を生成するよう構成されたことを特徴とする無人飛行体の着陸システム。

【請求項2】

無人飛行体に設置されたマーカを着陸地点に設置されたカメラが撮影し、前記マーカの認識により前記無人飛行体を前記着陸地点に着陸させる無人飛行体の着陸システムであって、
前記カメラが撮影した前記マーカを認識して、着陸地点座標系における無人飛行体位置情報を算出するマーカ認識部と、
基準座標における無人飛行体位置情報を算出する自己位置推定部と、
前記基準座標系における無人飛行体位置情報と前記着陸地点座標系における無人飛行体位置情報とを用いて、基準座標系における着陸地点位置座標を算出して、前記無人飛行体を前記着陸地点へ降下させるための指令速度を生成する指令速度生成部と、を有し、
前記指令速度生成部は、前記マーカ認識部により前記マーカが認識されなかった場合に、前記マーカが直前に認識された際に算出した前記基準座標系における着陸地点位置座標を用いて、前記無人飛行体を前記着陸地点へ降下させるための指令速度を生成するよう構成されたことを特徴とする無人飛行体の着陸システム。

【請求項3】

前記指令速度生成部は、基準座標系における着陸地点位置座標を算出する際に、基準座標系の垂直軸と、カメラ光軸の方向と一致する着陸地点座標系の垂直軸とのそれぞれの方向が一致していると仮定して、基準座標系における無人飛行体位置情報と着陸地点座標系における無人飛行体位置情報とから、着陸地点に設置されたカメラの光軸と直交する軸回りの無人飛行体の姿勢情報を破棄することを特徴とする請求項２に記載の無人飛行体の着陸システム。

【請求項4】

前記マーカは、無人飛行体に搭載されて姿勢を調整するためのジンバル機構に設置されたことを特徴とする請求項２または３に記載の無人飛行体の着陸システム。

【請求項5】

前記指令速度生成部は、無人飛行体を着陸地点の上方から降下させ、前記着陸地点の上方に設定された位置決め完了ゾーン内に前記無人飛行体が一定時間滞在すれば位置決めが完了したとして前記無人飛行体を前記着陸地点に着陸させ、
前記無人飛行体が前記位置決め完了ゾーンの一定高度まで降下しても位置決めが完了していない場合に、前記無人飛行体を前記一定高度以上の所定高度まで上昇させた後、再度降下させるよう構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の無人飛行体の着陸システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、無人飛行体を着陸地点に着陸させる無人飛行体の着陸システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、山間部や洋上などの人のアクセスが容易ではない場所に建設された発電・送電設備において、点検作業を省力化するために、人に代って定期的に巡回して点検するドローンを配備する取り組みが行われている。ドローンがこのような巡視点検を繰り返し行えるように、充電機能を持つ充電ポートも併せて配置する。このようなドローンは、充電ポートに精度よく自動的に着陸する必要がある。

【0003】

従来、目標とする地点に精度よく着陸させるため、着陸地点に目標標識（マーカ）を配置し、ドローンに搭載したカメラでそのマーカの位置を認識し、その位置を目指して降下する手法が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－１７２３１８号公報

【特許文献2】特開２０２１－６２７１９号公報

【特許文献3】特開平５－２４５８９号公報

【特許文献4】特開２０１９－５１７４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

例えば特許文献１には、着陸地点にサイズの異なるマーカを配置し、降下開始時には距離があっても認識しやすい大きなマーカを用いて着陸地点近くまで降下していき、大きなマーカがカメラ画角内に収まらなくなると、小さなマーカを使って更に降下する手法が提案されている。

【0006】

この特許文献１は、カメラとマーカとの距離の変化によって、マーカを認識できなくなる課題に対応したものである。この他にも、突風などでドローンが水平方向に流されてマーカがカメラの画角から外れたり、マーカがカメラの画角内に収まっていてもドローンの振動などにより映像がブレてしまったり、太陽光や照明などの明るさに変化が生じ、あるいは反射したりした際などに、マーカを一時的に認識できなくなり着陸地点を見失う場合がある。

【0007】

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、着陸のために用いられるマーカを一時的に認識できなくなった場合でも、無人飛行体の着陸動作を継続させることができる無人飛行体の着陸システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の実施形態における無人飛行体の着陸システムは、着陸地点に設置されたマーカを無人飛行体に搭載されたカメラが撮影し、前記マーカの認識により前記無人飛行体を前記着陸地点に着陸させる無人飛行体の着陸システムであって、前記カメラが撮影した前記マーカを認識して、無人飛行体座標系における着陸地点位置情報を算出するマーカ認識部と、基準座標における無人飛行体位置情報を算出する自己位置推定部と、前記基準座標系における無人飛行体位置情報と前記無人飛行体座標系における着陸地点位置情報とを用いて、基準座標系における着陸地点位置座標を算出して、前記無人飛行体を前記着陸地点へ降下させるための指令速度を生成する指令速度生成部と、を有し、前記指令速度生成部は、前記マーカ認識部により前記マーカが認識されなかった場合に、前記マーカが直前に認識された際に算出した前記基準座標系における着陸地点位置座標を用いて、前記無人飛行体を前記着陸地点へ降下させるための指令速度を生成するよう構成されたことを特徴とするものである。

【0009】

また、本発明の実施形態における無人飛行体の着陸システムは、無人飛行体に設置されたマーカを着陸地点に設置されたカメラが撮影し、前記マーカの認識により前記無人飛行体を前記着陸地点に着陸させる無人飛行体の着陸システムであって、前記カメラが撮影した前記マーカを認識して、着陸地点座標系における無人飛行体位置情報を算出するマーカ認識部と、基準座標における無人飛行体位置情報を算出する自己位置推定部と、前記基準座標系における無人飛行体位置情報と前記着陸地点座標系における無人飛行体位置情報とを用いて、基準座標系における着陸地点位置座標を算出して、前記無人飛行体を前記着陸地点へ降下させるための指令速度を生成する指令速度生成部と、を有し、前記指令速度生成部は、前記マーカ認識部により前記マーカが認識されなかった場合に、前記マーカが直前に認識された際に算出した前記基準座標系における着陸地点位置座標を用いて、前記無人飛行体を前記着陸地点へ降下させるための指令速度を生成するよう構成されたことを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明の実施形態によれば、着陸のために用いられるマーカを一時的に認識できなくなった場合でも、無人飛行体の着陸動作を継続させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態に係る無人飛行体の着陸システムが適用されたドローン着陸システムの構成を概略して示す斜視図。

【図2】図１のドローン着陸システムにおける各座標系とドローンの着陸動作を説明する斜視図。

【図3】図１のドローン着陸システムにおける制御系を示すブロック図。

【図4】図１のドローン着陸システムの着陸動作を説明するフローチャート。

【図5】第２実施形態に係る無人飛行体の着陸システムが適用されたドローン着陸システムの構成を概略して示す斜視図。

【図6】図５のドローン着陸システムにおける各座標系とドローンの着陸動作を説明する斜視図。

【図7】図５のドローン着陸システムにおける制御系を示すブロック図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１～図４）
図１は、第１実施形態に係る無人飛行体の着陸システムが適用されたドローン着陸システムの構成を概略して示す斜視図である。また、図２は、図１のドローン着陸システムにおける各座標系とドローンの着陸動作を説明する斜視図である。図１に示す無人飛行体の着陸システムとしてのドローン着陸システム１０は、着陸地点としての充電ポート１１に設置されたマーカ１２を、無人飛行体としてのドローン１３に搭載されたカメラ１４が撮影し、マーカ１２の認識によりドローン１３と充電ポート１１との相対位置を把握して、ドローン１３を充電ポート１１に着陸させるシステムである。

【0013】

充電ポート１１は地上に設置されて、着陸したドローン１３の電源部（不図示）に接触または非接触で充電を行なう。この充電ポート１１におけるドローン１３の着陸面は平坦面でもよいが、着陸時にドローン１３のガイドとなるような錐台形状に形成されてもよい。また、マーカ１２は、充電ポート１１自体または充電ポート１１の周囲に１または複数設置される。このマーカ１２は、例えばＡＲマーカのように位置及び姿勢を認識可能なマーカであってもよい。

【0014】

ドローン１３は、搭載された複数の駆動モータ１５のそれぞれに取り付けられたプロペラ１６の回転により推力を得て、空中を鉛直（上下）方向、水平（前後及び左右）方向に移動し、旋回し、空中で停止（ホバリング）する。各駆動モータ１５は、後述の制御装置２０における駆動制御部２５によりその回転動作が制御される。

【0015】

ドローン１３には、図１及び図３に示すように、前記カメラ１４、衛星測位部１７、慣性センサ１８及び制御装置２０が搭載される。制御装置２０は、マーカ認識部２１、自己位置推定部２２、指令速度生成部２３、記憶部２４及び駆動制御部２５を有して構成される。このうち、制御装置２０は、その全ての構成要素が１つのハードウェア内でドローン１３に設けられる必要はなく、一部（例えば指令速度生成部２３）が地上に設置され、ネットワークを介して他の構成要素と接続されてもよい。

【0016】

カメラ１４は、充電ポート１１のマーカ１２を撮影するものであり、ドローン１３のフレームに鉛直下方を向けて直接取り付けられる。あるいは、カメラ１４は、ドローン１３のフレームに設置されて姿勢を調整するジンバル機構（不図示）に取り付けられて、ドローン１３の着陸時に鉛直下方を向くように調整されてもよい。

【0017】

衛星測位部１７は、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ；全球測位衛星システム）からの測位情報（測位用電波）を受信する。また、慣性センサ１８は、加速度センサと角速度センサが統合されたＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ；慣性計測装置）であり、ドローン１３の慣性情報を検出する。

【0018】

マーカ認識部２１は、図２及び図３に示すように、カメラ１４が撮影したマーカ１２を認識して、ドローン１３に固定された座標系（Σdrone）から充電ポート１１に固定された座標系（Σport）への座標変換を行い、無人飛行体座標系としてのドローン座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔdrone_portを算出する。

【0019】

自己位置推定部２２は、ドローン１３の現在位置を推定するものであり、本第１実施形態では、衛星測位部１７によるＧＮＳＳからのドローン１３の測位情報と、慣性センサ１８であるＩＭＵからのドローン１３の慣性情報とを組み合わせて、地球上の基準座標系（Σworld）におけるドローン１３の位置情報（緯度、経度、高度、方位）を推定する。具体的には、自己位置推定部２２は、基準座標系（Σworld）からドローン１３に固定された座標系（Σdrone）への座標変換を行って、基準座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔworld_droneを算出する。

【0020】

なお、ドローン１３が屋内を飛行する場合には、自己位置推定部２２は、図示しない単眼カメラやステレオカメラなどを用いたＶＳＬＡＭ（Ｖｉｓｕａｌ Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ）技術や、３Ｄ Ｌｉｄａｒ（３次元レーダ）によるＳＬＡＭ技術によって、事前に定義にした基準座標系におけるドローン１３の位置情報と周辺環境の位置情報を推定してもよい。

【0021】

指令速度生成部２３は、目標位置（充電ポート１１の位置）と自己位置推定部２２により推定されたドローン１３の位置とを比較して、ドローン１３が目標位置に近づくような指令速度Ｖを生成し、この指令速度Ｖを駆動制御部２５へ出力するものである。

【0022】

具体的には、指令速度生成部２３は、まず、以下の第１の機能を有する。つまり、指令速度生成部２３は、マーカ認識部２１が算出したドローン座標系における充電ポート１１の位置座標Ｔdrone_portと、自己位置推定部２２が算出した基準座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔworld_droneとを用いて、基準座標系における充電ポート１１の位置情報（充電ポート１１の位置及び姿勢）Ｔworld_portを、次式（１）により算出する。
Ｔworld_port＝Ｔworld_droneＴdrone_port………（１）

【0023】

そして、指令速度生成部２３は、この基準座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔworld_portから得られる充電ポート１１の３次元位置ｘ、ｙ、ｚ及び方位を表すヨー角と、自己位置推定部２２にて得られたドローン１３の位置及び姿勢（基準座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔworld_drone）とを用いて、ドローン１３の水平方向位置を充電ポート１１の直上位置とし且つドローン１３が所定のヨー角を保持しつつ充電ポート１１へ向かって降下するように指令速度Ｖを生成し、この指令速度Ｖを駆動制御部２５へ出力する。

【0024】

また、指令速度生成部２３は、マーカ認識部２１にてマーカ１２が認識されて算出されたドローン座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔdrone_port等に基づき、式（１）によって、基準座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔworld_portを算出した場合には、この算出した充電ポート１１の位置情報を記憶部２４に更新して記憶させる。

【0025】

また、指令速度生成部２３は、以下の第２の機能を有する。つまり、指令速度生成部２３は、マーカ認識部２１にてマーカ１２が認識されなかった場合には、マーカ１２がマーカ認識部２１により直前（最後）に認識された際に算出した基準座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔworld_portから得られる充電ポート１１の３次元位置ｘ、ｙ、ｚ及び方位を表すヨー角と、自己位置推定部２２により継続して推定されている基準座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔworld_droneとを用いて、ドローン１３の水平方向位置を充電ポート１１の直上位置とし且つドローン１３が所定のヨー角を保持しつつ充電ポート１１へ向かって降下するように指令速度Ｖを生成し、この指令速度Ｖを駆動制御部２５へ出力する。

【0026】

更に、指令速度生成部２３は、以下の第３の機能を有する。つまり、指令速度生成部２３は、図３に示す位置決め完了判断部２６を有する。この位置決め完了判断部２６は、図２に示すように、充電ポート１１の上方に仮想的な円柱形状の位置決め完了ゾーン２７を設定し、充電ポート１１の上方から降下したドローン１３が位置決め完了ゾーン２７内に一定時間滞在すれば、ドローン１３の充電ポート１１に対する位置決めが完了したと判断する。指令速度生成部２３は、ドローン１３の位置決めが完了した際に、プロペラ１６を駆動する駆動モータ１５(図１)の回転数を低下させる指令速度Ｖを駆動制御部２５へ出力して、ドローン１３を充電ポート１１に着陸させる。

【0027】

位置決め完了判断部２６は、ドローン１３が位置決め完了ゾーン２７の一定高度（例えば底面２８と同一の高度）まで降下しても、ドローン１３が位置決め完了ゾーン２７内に一定時間滞在していない場合には、ドローン１３の充電ポート１１に対する位置決めが完了していないと判断する。この場合、指令速度生成部２３は、ドローン１３を上記一定高度以上の所定高度まで上昇させた後に再度降下させるような指令速度Ｖを生成する。上述のようにドローン１３を上昇させる際の指令速度Ｖは、ドローン１３の水平方向位置を充電ポート１１の直上とし且つドローン１３が設定のヨー角を保持した状態で、ドローン１３を上昇させるものである。

【0028】

次に、上述のように構成されたドローン着陸システム１０の着陸動作を、主に図４のフローチャートを用いて説明する。
指令速度生成部２３は、充電ポート１１の大凡の位置を事前に把握していることから、自己位置推定部２２にて推定された基準座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔworld_droneを用いて指令速度Ｖを生成し、ドローン１３を充電ポート１１の上空まで移動させる（Ｓ１）。

【0029】

次に、マーカ認識部２１が、カメラ１４にて撮影されたマーカ１２を認識して、ドローン座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔdrone_portを算出し、自己位置推定部２２が、基準座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔworld_droneを算出する。指令速度生成部２３は、これらの位置情報（Ｔdrone_port、Ｔworld_drone）を用いて、基準座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔworld_portを算出する（Ｓ２）。

【0030】

指令速度生成部２３は、マーカ認識部２１によるマーカ１２の認識があったか否かを判断し（Ｓ３）、認識があった場合には、基準座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔworld_portを、ステップＳ２で算出した位置情報に更新して記憶部２４に記憶させる（Ｓ４）。と同時に、指令速度生成部２３は、ステップＳ２で算出した充電ポート１１の位置情報Ｔworld_portと、自己位置推定部２２にて算出された基準座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔworld_droneとを用いて指令速度Ｖを生成し、ドローン１３の水平方向位置が充電ポート１１の直上で充電ポート１１に近づくように、ドローン１３を降下させる（Ｓ５）。

【0031】

ステップＳ３において、マーカ認識部２１がマーカ１２を認識していないと指令速度生成部２３が判断したときには、指令速度生成部２３は、マーカ認識部２１がマーカ１２を直前（最後）に認識した際に算出した基準座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔworld_portを用いる（Ｓ６）。指令速度生成部２３は、ステップＳ６による基準座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔworld_portと、自己位置推定部２２にて推定された基準座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔworld_droneとを用いて指令速度Ｖを生成し、ドローン１３の水平方向位置が充電ポート１１の直上で充電ポート１１に近づくように、ドローン１３を降下させる（Ｓ５）。

【0032】

ドローン１３が充電ポート１１付近まで降下した状態で、位置決め完了判断部２６は、ドローン１３が位置決め完了ゾーン２７内に一定時間滞在して、ドローン１３の充電ポート１１に対する位置決めが完了したか否かを判断する（Ｓ７）。ドローン１３の位置決めが完了したと判断されたとき(Ｓ７のｙｅｓ)には、指令速度生成部２３は、ドローン１３のプロペラ１６(図１)の回転数を低下させる指令速度Ｖを生成して、ドローン１３を充電ポート１１に着陸させる（Ｓ８）。

【0033】

ステップＳ７においてドローン１３が位置決め完了ゾーン２７内に一定時間滞在せず、且つドローン１３の降下位置が位置決め完了ゾーン２７の一定高度（例えば底面２８）に至っていない場合(Ｓ７のＮｏ、Ｓ９のＮｏ)には、マーカ認識部２１によるマーカ１２の認識等を再度実施するために、ステップＳ２～Ｓ８を実行する。

【0034】

ステップＳ７においてドローン１３が位置決め完了ゾーン２７内に一定時間滞在せず、且つドローン１３が位置決め完了ゾーン２７の一定高度（例えば底面２８）以下の高度まで降下した場合(Ｓ７のＮｏ、Ｓ９のＹｅｓ)には、位置決め完了判断部２６は、ドローン１３の充電ポート１１に対する位置決めが完了していないと判断する。このとき、指令速度生成部２３は、ドローン１３を位置決め完了ゾーン２７の一定高度（例えば底面２８）以上の所定高度まで上昇させる指令速度Ｖを生成して、ドローン１３を上昇させる（Ｓ１０）。指令速度生成部２３は、その後、ドローン１３を再度降下させる指令速度Ｖを生成してドローン１３を降下させ、マーカ認識部２１によるマーカ１２の認識等を実施させる（Ｓ２～Ｓ１０）。なお、ドローン１３の上昇中においても、マーカ認識部２１によりマーカ１２の認識動作を行ってもよい。

【0035】

以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）及び（２）を奏する。
（１）マーカ認識部２１によりマーカ１２が認識されなかった場合に、指令速度生成部２３は、マーカ認識部２１がマーカ１２を直前に認識した際に算出した基準座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔworld_portを用いて、ドローン１３を充電ポート１１へ降下させるための指令速度Ｖを生成するよう構成されている。このため、突風などでドローン１３が水平方向に流されてマーカ１２がカメラ１４の画角から外れてしまったり、マーカ１２がカメラ１４の画角内に収まっていてもドローン１３の振動などによりマーカ１２の映像がブレてしまったり、太陽光や照明などの明るさに変化が生じ、あるいは反射したりした際などのように、マーカ認識部２１がマーカ１２を一時的に認識できなくなった場合でも、ドローン１３の着陸動作を継続させることができる。本手法は、カメラ１４の解像度が高い場合や、マーカ認識部２１の処理能力が低い等のためにマーカ認識処理周期が遅い場合にも有効である。

【0036】

（２）指令速度生成部２３は、ドローン１３が充電ポート１１付近まで降下した状態で、位置決め完了判断部２６によりドローン１３の充電ポート１１に対する位置決めが完了していないと判断されたときに、ドローン１３を位置決め完了ゾーン２７の一定高度（例えば底面２８）以上の所定高度まで上昇させる指令速度Ｖを生成して、ドローン１３を上昇させるよう構成されている。このようにドローン１３を上昇させることで、カメラ１４とマーカ１２との距離が遠くなってマーカ１２の認識が容易になり、カメラ１４の画角内にマーカ１２を収めることが可能になる。この結果、マーカ認識部２１によりマーカ１２を確実に認識させることができ、ドローン１３の充電ポート１１への着陸を確実に実現することができる。

【0037】

［Ｂ］第２実施形態（図５～図７）
図５は、第２実施形態に係る無人飛行体の着陸システムが適用されたドローン着陸システムの構成を概略して示す斜視図である。また、図６は、図５のドローン着陸システムにおける各座標系とドローンの着陸動作を説明する斜視図である。この第２実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0038】

図５に示す無人飛行体の着陸システムとしてのドローン着陸システム３０は、ドローン１３に設置されたマーカ１２を、充電ポート１１に設置されたカメラ１４が撮影し、マーカ１２の認識によりドローン１３と充電ポート１１との相対位置を把握して、ドローン１３を充電ポート１１に着陸させるシステムである。

【0039】

マーカ１２は、ドローン１３のフレームに水平方向に直接取り付けられる。または、ドローン１３のフレームに、姿勢を調整するためのシンバル機構（不図示）が設置されている場合には、マーカ１２は、上記シンバル機構の底部に貼付されてもよい。このようにマーカ１２がジンバル機構に貼付されることで、ドローン１３が風等で傾いてもマーカ１２が水平状態に保持されて、マーカ１２がカメラ１４で撮影されたときの映像のブレが防止可能になり、更に、ジンバル機構によって光の反射を防ぐような角度にマーカ１２を傾けることが可能になる。

【0040】

カメラ１４は、充電ポート１１自体に１個設置されるが、死角をなくすために複数個が充電ポート１１自体、または充電ポート１１自体及び充電ポート１１の周囲に設置されてもよい。ここで、カメラ１４が充電ポート１１の周囲に設置される場合には、カメラ１４と充電ポート１１との相対位置関係が事前に把握されている必要がある。

【0041】

本第２実施形態のドローン着陸システム３０では、図７に示すように、充電ポート１１を含む地上（充電ポート１１側）には、上述のようにカメラ１４が設置されると共に、マーカ認識部３１及び無線通信部３２が設置される。また、ドローン１３には衛星測位部１７、慣性センサ１８、自己位置推定部２２、指令速度生成部３３、記憶部２４、駆動制御部２５及び無線通信部３４が搭載される。

【0042】

充電ポート１１側のマーカ認識部３１及び無線通信部３２と、ドローン１３に搭載された自己位置推定部２２、指令速度生成部３３、記憶部２４、駆動制御部２５及び無線通信部３４とを有して、ドローン着陸システム３０の制御装置３５が構成される。ここで、充電ポート１１側の無線通信部３２とドローン１３に搭載された無線通信部３４は通信可能に構成され、マーカ認識部３１にて算出された後述の情報（Ｔport_drone）を、ドローン１３に搭載の指令速度生成部３３へ伝送する。また、ドローン１３に搭載された制御装置３５の構成要素は、一部（例えば指令速度生成部３３）が地上に設置されて、ネットワークを介し他の構成要素と接続されてもよい。

【0043】

ところで、ドローン１３が充電ポート１１の上部まで移動して、充電ポート１１側に設置されたカメラ１４がドローン１３のマーカ１２を撮影したとき、マーカ認識部３１がこのマーカ１２を認識する。更に、マーカ認識部３１は、充電ポート１１に固定された座標系（Σport）からドローン１３に固定された座標系（Σdrone）への座標変換を行って、着陸地点座標系としての充電ポート座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔport_droneを算出する。

【0044】

指令速度生成部３３は、第１実施形態の指令速度生成部２３と同様な、マーカ認識部３１がマーカ１２を認識した場合の第１の機能と、マーカ認識部３１がマーカ１２を認識しない場合の第２の機能と、位置決め完了判断を行なう第３の機能とを有する。このうち、指令速度生成部３３は、第２及び第３の機能については第１実施形態の指令速度生成部２３と同様であるが、第１の機能が指令速度生成部２３と異なる。以下、指令速度生成部３３の第１の機能について述べる。

【0045】

指令速度生成部３３は、自己位置推定部２２が算出した基準座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔworld_droneと、マーカ認識部３１が算出した充電ポート座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔport_droneとを用いて、基準座標系における充電ポート１１の位置情報（充電ポート１１の位置及び姿勢）Ｔworld_portを、次式（２）により算出する。
Ｔworld_port＝Ｔworld_droneＴ^－１port_drone………（２）

【0046】

ここで、上付き文字の「－１」が添加された情報は、逆方向の座標変換操作による情報を意味する。具体的には、Ｔport_droneが充電ポート座標系におけるドローン１３の位置情報であるのに対し、Ｔ^－１port_droneは、ドローン座標系における充電ポート１１の位置情報である。

【0047】

ところが、一般に、鉛直上向きの垂直軸ｚと一致する光軸Ｏ（図６）に対して直交する軸（ｘ軸、ｙ軸）周りのマーカ１２の姿勢（ロール、ピッチ）は推定精度が低い。従って、ドローン座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔ^－１port_droneをそのまま算出すると、式（２）により算出される基準座標系における充電ポート１１の位置座標Ｔworld_portに過大な誤差が生じてしまう。

【0048】

そこで、指令速度生成部３３は、基準座標系（Σworld）の垂直軸ｚと充電ポート座標系（Σport）の垂直軸ｚとのそれぞれの方向が一致していると仮定する。この仮定条件に基づいて、指令速度生成部３３は、基準座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔworld_droneと充電ポート座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔport_droneとから、カメラ１４の光軸Ｏに対して直交する軸（ｘ軸、ｙ軸）周りのドローン１３の姿勢情報を破棄した情報（つまり、修正した基準座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔ´world_drone、修正した充電ポート座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔ´port_drone）を算出する。

【0049】

指令速度生成部３３は、これらの修正した情報Ｔ´world_drone及びＴ´port_droneを用いて、次式（３）により、基準座標系における充電ポート１１の位置座標Ｔworld_portを算出する。
Ｔworld_port＝Ｔ´world_droneＴ´^－１port_drone………（３）

【0050】

そして、指令速度生成部３３は、この基準座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔworld_portから得られる充電ポート１１の３次元位置ｘ、ｙ、ｚ及び方位を表すヨー角と、自己位置推定部２２にて得られたドローン１３の位置及び姿勢（基準座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔworld_drone）とを用いて、ドローン１３の水平方向位置を充電ポート１１の直上位置とし且つドローン１３が所定のヨー角を保持しつつ充電ポート１１へ向かって降下するように指令速度Ｖを生成し、この指令速度Ｖを駆動制御部２５へ出力する。

【0051】

また、指令速度生成部３３は、マーカ認識部３１にてマーカ１２が認識されて算出された充電ポート座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔport_drone等に基づき、式（３）によって、基準座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔworld_portを算出した場合には、この算出した充電ポート１１の位置情報を記憶部２４に更新して記憶させる。

【0052】

上述のように構成されたドローン着陸システム３０の着陸動作については、図４のステップＳ２において、マーカ認識部３１がマーカ１２を認識し、指令速度生成部３３が式（３）を用いて基準座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔworld_portを算出する点が第１実施形態と異なる。他のステップＳ１及びＳ３～Ｓ１０については、第２実施形態は第１実施形態と同様である。

【0053】

以上のように構成されたことから、本第２実施形態においても、第１実施形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏するほか、次の効果（３）を奏する。

【0054】

（３）指令速度生成部３３は、基準座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔworld_droneと、充電ポート座標系におけるドローン１３の位置情報Ｔport_droneとから、鉛直上向きの垂直軸ｚと一致するカメラ１４の光軸Ｏに対し直交する軸（ｘ軸、ｙ軸）周りのドローン１３の姿勢情報を破棄して修正した情報（即ち、Ｔ´world_drone及びＴ´port_drone）を用いて、式（３）により、基準座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔworld_portを算出している。このため、ドローン１３に取り付けられたマーカ１２におけるｘ軸及びｙ軸回りの姿勢の推定精度が低い場合でも、基準座標系における充電ポート１１の位置情報Ｔworld_portを精度よく算出することができる。

【0055】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができ、また、それらの置き換えや変更、組み合わせは、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0056】

１０…ドローン着陸システム（無人飛行体の着陸システム）、１１…充電ポート、１２…マーカ、１３…ドローン（無人飛行体）、１４…カメラ、２１…マーカ認識部、２２…自己位置推定部、２３…指令速度生成部、２６…位置決め完了判断部、２７…位置決め完了ゾーン、３０…ドローン着陸システム（無人飛行体の着陸システム）、３１…マーカ認識部、３３…指令速度生成部、Ｖ…指令速度、Ｔdrone_port…ドローン座標系における充電ポートの位置情報、Ｔworld_drone…基準座標系におけるドローンの位置情報、Ｔworld_port…基準座標系における充電ポートの位置情報、Ｔport_drone…充電ポート座標系におけるドローンの位置情報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】