JP6659778B2 - 鳥の飛行ルートを使用する、無人航空機の飛行経路の計画方法 - Google Patents

Description

本発明は、飛行経路の計画方法に関し、より詳細には、記録機器を身につけて飛行するレース用鳩を使用し、獲得した飛行経路に関連するデータを使用して、計算によって最適飛行経路を計画し、最適飛行経路に従って無人航空機（ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｅｒｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ、ＵＡＶ）が飛行するように、最適飛行経路をＵＡＶに入力する方法に関する。

最近、ＵＡＶがますます普及してきた。ＵＡＶの高い移動性は、ＵＡＶを広く受け入れ可能にする重要な点である。
一例として空中写真測量であれば、カメラまたはビデオレコーダを装備するＵＡＶは、十分に正確な情報を獲得するために、地震、火山噴火、洪水、もしくは地すべりなどの自然災害を監視するために近づきがたい場所へ、または交通量、道路構造物点検、および公共施設の構造物概観を常に把握するために市街地へ、飛行できる。その上、広範囲に及ぶ手法で地域の航空写真を撮ることは、政策決定に有効な、地域の変化傾向を認識する手助けになる。

別の例では、ＵＡＶを使用して、商品を出荷できる。商品を配送するために使用するＵＡＶは、交通混雑を伴う通りを避けて、交通信号および停止信号により停止することなく配送するために、指定された目的地に直接飛行でき、その結果、特に長距離配送で商品を配送するための、時間を節約する手段を提供する。

ＵＡＶのための既存の飛行経路計画は、好ましくは、ＵＡＶの飛行経路内に障害物が立っていることがまれな開けた空域で行われ、その結果、飛行中に障害物と衝突する問題を防止できる。しかしながら、高層建築物に満ちた大都市圏でＵＡＶを使用するとき、障害物を回避すること、および高層建築物に及ぼす風の影響は、ＵＡＶにとって問題となる。
開けた空域内で、交通混雑および交通信号が原因で停止することがないにもかかわらず、ＵＡＶは、高圧タワー、電線およびケーブル、電柱、看板などのような他の障害物に依然として遭遇する場合がある。
障害物のいずれかと衝突する場合、ＵＡＶは故障し、墜落する場合があり、落下する部品または破片が、地上の通行人または他の対象物に命中し、人の生命または所有物を損傷する危険をもたらす場合がある。

飛行中に障害物を避けるために、一般に、ユーザはＵＡＶを手動で操縦する。ＵＡＶが障害物に遭遇するとき、ユーザは、ロッカースティック（ｒｏｃｋｅｒ ｓｔｉｃｋ）などのコントローラを操作することにより、対象物を避けるために、ＵＡＶを制御して方向転換できる。そのような制御手段の制約条件は、ＵＡＶとコントローラの間の接続性に関して距離が限られていることにある。ＵＡＶは、制限距離を超えた位置にあるとき、それ以上連続して飛行できない、または障害物を認識できないために障害物に衝突する。
ＵＡＶを連続して制御することを考慮すると、ユーザは、ＵＡＶとの最大接続範囲内に位置しなければならない。換言すれば、ユーザにとって不都合な、ＵＡＶの動きに基づきユーザが動き続けるための基準を満たさなければならない。一方では、ユーザとＵＡＶの間の見通し線を満たさなければならない。ＵＡＶとユーザの間の見通し線が維持されると仮定すると、ＵＡＶが制御可能な範囲内に位置する場合でさえ、ユーザは、ＵＡＶの飛行方向を依然として決定できない。

障害物を回避する第２の方法は、ＵＡＶが出発した後に高層建築物の上方の空間まで直接飛行することであり、その結果、ＵＡＶは、直線に沿って目的地の上方の空間まで飛行し、次いで、垂直に下降して、建築物の間に位置する障害物を効果的に回避できる。
しかしながら、建築物の平均的高さが高い場合、ＵＡＶが垂直に上昇する高さも同様に増大するのは当然であり、目的地まで飛行するために、より多くのエネルギーを要するたけではなく、より多くの時間もかかる。一方では、高高度の環境で不安定な空気の流れに遭遇するＵＡＶは、墜落しやすい。

ＵＡＶの飛行経路計画の第３の方法は、赤外線（ｉｎｆｒａｒｅｄ ＩＲ）センサ、超音波センサ、ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ、光検出と測距）、および／またはカメラレンズなどの、すべての種類の環境センサをＵＡＶ上に設置し、障害物回避アルゴリズムを遂行することである。しかしながら、そのような方法は、巡航半径および飛行経路計画に関する限り効率が低い。

本発明の目的は、複数のレース用鳩にそれぞれ設置された複数の記録機器を採用して、２つの場所の間でレース用鳩の飛行軌道を記録し、解析機器を利用して最も効果的で障害物のない飛行経路を識別し、２つの場所の間を効果的で安全に無人航空機（ＵＡＶ）が飛行するように、ＵＡＶに飛行経路を入力する、鳥の飛行ルートを使用する、ＵＡＶの飛行経路の計画方法を提供することである。

前述の目的を達成するために、鳥の飛行ルートを使用する、ＵＡＶの飛行経路計画の方法は、複数の飛行データを記録するステップであって、複数の記録機器を使用して、第１の指定された地点から第２の指定された地点まで鳥が飛行するとき、複数の飛行データを記録し、複数の記録機器は、鳥にそれぞれ設置されるステップと、最適飛行経路を生成するステップであって、解析機器は、複数の飛行データを収集し、最適飛行経路を計算するステップと、ＵＡＶに入力された最適飛行経路に従って飛行するように、ＵＡＶを制御するステップと、を含む。

本発明は、飛行中に障害物を自動的に回避して、２つの場所の間で複数の飛行軌道を生み出す、レース用鳩の動物的本能を採用し、ＵＡＶの飛行経路として１つの最も適合した飛行軌道を選択する。最も適合した飛行軌道であるためには、飛行距離または飛行時間が最小であるべきである。したがって、ＵＡＶは、障害物に衝突する心配なしに飛行できるだけではなく、目的地に迅速に到達して、時間、および消費するエネルギーのコストを節約するという目標も達成できる。

本発明の他の目的、利点、および新規な特徴は、添付の図面と併せて解釈することで、以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。

本発明による、鳥の飛行ルートを使用する、ＵＡＶの飛行経路計画の方法の流れ図である。 図１の方法を遂行する装置の機能構成図である。 本発明による、飛行軌道の概略図である。 図３の飛行軌道に関連する第１の飛行データの表である。 残りの第１の飛行データの表である。 飛行軌道を有する、図３の部分的に拡大した概略図である。 図４Ａおよび図４Ｂの第１の飛行データのトレンド図である。 本発明による、互いに重ね合わせた、第１の飛行経路、第２の飛行経路、および第３の飛行経路を示す概略図である。 図７Ａの、部分的に拡大した概略図である。 本発明による第４の飛行経路の概略図である。 図８の、部分的に拡大した概略図である。 図８および図９の第４の飛行経路に関連する第２の飛行データの表である。 図１０の第２の飛行データのトレンド図である。

図１を参照する。本発明による、鳥の飛行ルートを使用する、無人航空機の飛行経路計画の方法は、以下のステップを含む。

ステップＳ１０１：複数の飛行データを記録する。
同時に図２を参照する。まず第一に、レース用鳩であってもよい複数の鳥に、複数の記録機器１０をそれぞれ設置する。一例としてレース用鳩であれば、第１の指定された地点から複数のレース用鳩を解放し、目的地として第２の指定された地点を事前に規定する。一実施形態では、各記録機器１０が、電子式足輪であり、２秒もしくは５秒であってもよく、またはユーザの要求に基づき調節可能な固定時間周期を、あらかじめ中に構成してもよい。
レース用鳩の飛行中、記録機器は、複数の飛行データの生成に関しては、固定時間周期ごとに一度、１つの飛行データを記録し、これらの飛行データは、現在位置でレース用鳩の緯度、経度、高度、ＵＴＣ（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｔｉｍｅ、協定世界時）、飛行方向、および飛行速度を記録する。

ステップＳ１０２：最適飛行経路を生成する。
最適飛行経路を以下のように生成する。

ステップＳ２１１：複数の飛行軌道を生成する。
一例としてレース用鳩の１羽であれば、レース用鳩は、１つの記録機器１０を身につけて、第１の指定された地点から第２の指定された地点まで飛行する。レース用鳩の飛行中、記録機器１０は、データ記録地点で固定時間周期ごとに１つの飛行データを記録し、解析機器２０にその飛行データを出力する。
解析機器２０は、すべてのデータ記録地点を接続し、すべての飛行データをグループ化して、飛行軌道を生成する。複数のレース用鳩がそれぞれの記録機器１０を身につける場合、解析機器２０は、それぞれの飛行データから少なくとも１つの飛行軌道を生成できる。

ステップＳ２１２；最適飛行経路として複数の飛行軌道のうち最適な１つを選択する。
本実施形態では、解析機器２０は、最適飛行経路として、最短飛行時間を伴う、レース用鳩の飛行軌道の１つを選択する。あるいは、解析機器２０は、最適飛行経路として、最短飛行距離を伴う、レース用鳩の飛行軌道の１つを選択する。

少なくとも１つの最適飛行経路を確立する別の方法を以下に示す。

ステップＳ２２１：複数の最適飛行データを獲得する。
解析機器２０は、第１の指定された地点と第２の指定された地点の間にある複数のデータ記録地点で前記記録機器により記録された前記複数の飛行データから、最短距離の飛行データを最適飛行データとして選択する。

ステップＳ２２２：最適飛行経路を獲得する。
複数の最適飛行データをグループ化して、最適飛行経路を形成する。

ステップＳ１０３：最適飛行経路に従ってＵＡＶ３０を制御する。
ステップＳ１０２から最適飛行経路を獲得し、最適飛行経路に従って第１の指定された地点と第２の指定された地点の間をＵＡＶ３０が飛行するように、ＵＡＶ３０の中に最適飛行経路を入力する。

図３には、飛行距離が広範囲にわたる状況の下で、レース用鳩が第１の指定された地点ＳＰから第２の指定された地点ＦＰまで飛行する実際の飛行軌道が示されている。レース用鳩が出発する前に、固定時間周期を１５秒に事前に設定する。
図４Ａを参照する。飛行データに示すように、記録機器１０を身につけているレース用鳩が第１のデータ記録地点ＤＰ１まで飛行するとき、記録機器１０は、第１のデータ記録地点ＤＰ１で第１の飛行データＤＡＴＡ１を記録し、第１の飛行データＤＡＴＡ１の記録時間および高度は、それぞれ６’５９”０９および９メートルである。１５秒後、レース用鳩は、第２のデータ記録地点ＤＰ２まで飛行する。記録機器１０は、第２のデータ記録地点ＤＰ２で第２の飛行データＤＡＴＡ２を記録し、第２の飛行データＤＡＴＡ２の記録時間および高度は、それぞれ６’５９”２４および８メートルである。第１の記録データＤＡＴＡ１および第２の記録データＤＡＴＡ２が示すように、レース用鳩は、飛行していない状態にある。

図４Ｂおよび図５を参照する。レース用鳩が第２９のデータ記録地点ＤＰ２９まで飛行するとき、記録機器１０はまた、第２９のデータ記録地点ＤＰ２９で第２９の飛行データを記録する。第２９のデータ記録地点ＤＰ２９に関連する記録時間、出発地点からの距離、高度、および速度は、それぞれ４２’２６、１８．９７キロメートル、４２メートル、および７３４．４１メートル／分である。
レース用鳩が第３０のデータ記録地点ＤＰ３０まで飛行するとき、記録機器１０はまた、第３０のデータ記録地点ＤＰ３０で第３０の飛行データを記録する。第３０のデータ記録地点ＤＰ３０に関連する記録時間、出発地点からの距離、高度、および速度は、それぞれ４５’２６、２３．２３キロメートル、５３メートル、および１４１９．６２メートル／分である。すでに述べたように、第１の指定された地点ＳＰからすべてのデータ記録地点を記録するために、解析機器２０は、すべてのデータ記録地点に関連するデータをグループ化して、第１の飛行軌道ＴＲＡＣＫ１を構成できる。

図６を参照する。第１の飛行軌道ＴＲＡＣＫ１ですべてのデータ記録地点に関連するすべての飛行データを解析した後、解析機器２０は、第１の飛行速度曲線３１および第１の飛行高度曲線３２を出力し、複数の高水準データを計算する。各高水準データは、平均飛行速度、１時間あたりの最大飛行速度、平均飛行高度などを含む。

図７Ａを参照する。解析機器２０は、異なるレース用鳩がそれぞれ身につけた記録機器１０が記録した複数の飛行データをグループ化して、それぞれ複数の飛行軌道を生成する。本実施形態では、３つの飛行軌道が、すなわち、第１の飛行軌道ＴＲＡＣＫ１、第２の飛行軌道ＴＲＡＣＫ２、および第３の飛行軌道ＴＲＡＣＫ３が存在する。
図７Ｂを参照する。第１の飛行軌道ＴＲＡＣＫ１の後、第２の飛行軌道ＴＲＡＣＫ２および第３の飛行軌道ＴＲＡＣＫ３が互いに重ね合わされるので、すべての飛行軌道ＴＲＡＣＫ１、ＴＲＡＣＫ２、ＴＲＡＣＫ３は、一定範囲、異なることを確認できる。最短飛行距離を伴う飛行軌道を、最適飛行経路と解釈する。したがって、本実施形態では、第１の飛行軌道ＴＲＡＣＫ１が最短飛行距離を有するので、最適飛行経路に従ってＵＡＶが飛行するように、第１の飛行軌道ＴＲＡＣＫ１に関連するすべての飛行データをＵＡＶに入力する。

飛行距離が短い範囲に及ぶ場合、図８および図９を参照する。記録機器１０を身につけている各レース用鳩は、市街地内で第１の指定された地点ＳＰから第２の指定された地点ＦＰまで飛行し、記録機器１０は、各データ記録地点で飛行データを、たとえば、第５５のデータ記録地点ＤＰ５５で第５５の飛行データＤＡＴＡ５５を記録する。
図１０および図１１を参照する。各データ記録地点で飛行データを解析し、収集した後、解析機器２０は、トレンド図に複数の第２の飛行データを出力する。トレンド図は、複数の第２の飛行データに関連する第２の飛行高度曲線４１および第２の飛行速度曲線４２を含む。

レース用鳩が飛行中に障害物を自動的に回避する特徴により、記録機器１０を身につけている多数のレース用鳩は、最適飛行経路を獲得するために、第１の指定された地点ＳＰから第２の指定された地点ＦＰまで飛行できるようになる。その結果、最適飛行経路に従ってＵＡＶが飛行するように、ＵＡＶに最適飛行経路を入力することができ、飛行中に障害物に衝突する可能性を著しく低減するだけではなく、飛行時間および飛行距離が短くなるので、時間、およびエネルギー消費のコストの節約になる。
コンクリートジャングルの中で飛行することを考慮すると、ＵＡＶが、ある市街地で建築物の２階から、ほんの３ブロック離れた、別の建築物の１１階まで飛行する必要があると仮定すると、飛行中に障害物を回避する能力は、非常に重要になり、障害物に満ちた市街地で、本発明による、鳥の飛行ルートを使用する、ＵＡＶの飛行経路計画の方法を適用することは、有益である。

さらに、それぞれの記録機器１０を身につけている多くのレース用鳩は、地域内の２つの異なる地点間を飛行できる。レース用鳩は通常、安全で障害物のない空域を飛行するので、記録機器１０により記録されたこれらのデータ記録地点はまた、ＵＡＶが飛行できる位置であり、これらのデータ記録地点をグループ化して、すべてのレース用鳩が安全に到達可能なすべてのデータ記録地点を含む、地域内の障害物のない空域を生成できる。
ＵＡＶが、第１の指定された地点ＳＰから第２の指定された地点ＦＰまで飛行する必要があるとき、解析機器２０を使用して、第１の指定された地点ＳＰと第２の指定された地点ＦＰの間の最短経路を形成するすべてのデータ記録地点を入念に選び、次いで、第１の指定された地点ＳＰから第２の指定された地点ＦＰまでＵＡＶが安全かつ迅速に飛行するように、ＵＡＶにこれらのデータ記録地点を入力し、ＵＡＶが、飛行中に障害物に衝突することにより損傷しないことを確実にする。

さらに、鳥の飛行経路に関連するデータを収集する際の高い効率および低コストを考慮して、飛行経路計画および安全な空域を適時に更新することを、季節および環境の変化に基づき遂行して、ＵＡＶの飛行安全性および性能を確保でき、かつ経済的エネルギーという効果を達成できることを確実にできる。

本発明の数多くの特徴および利点が、本発明の構造および機能の詳細と共に前述の説明で示されたとしても、本開示は例示でしかない。添付の特許請求の範囲が表現する用語の、広い一般的な意味により示される最大限の範囲まで、本発明の原理の範囲内で特に部品の形状、サイズ、および配置に関して詳細に変更を行ってもよい。

１０ 記録機器
２０ 解析機器
３０ ＵＡＶ
３１ 第１の飛行速度曲線
３２ 第１の飛行高度曲線
４１ 第２の飛行高度曲線
４２ 第２の飛行速度曲線
ＳＰ 第１の指定された地点
ＦＰ 第２の指定された地点
ＤＰ１ 第１のデータ記録地点
ＤＰ２ 第２のデータ記録地点
ＤＰ２９ 第２９のデータ記録地点
ＤＰ３０ 第３０のデータ記録地点
ＤＰ５５ 第５５のデータ記録地点
ＤＡＴＡ１ 第１の飛行データ
ＤＡＴＡ２ 第２の飛行データ
ＤＡＴＡ５５ 第５５の飛行データ
ＴＲＡＣＫ１ 第１の飛行軌道
ＴＲＡＣＫ２ 第２の飛行軌道
ＴＲＡＣＫ３ 第３の飛行軌道

Claims (6)

1. 鳥の飛行ルートを使用する、ＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ、無人航空機）の飛行経路の計画方法であって、
   （ａ）複数の飛行データを記録するステップであって、複数の記録機器を使用して、第１の指定された地点から第２の指定された地点まで前記鳥が飛行するとき、前記複数の飛行データを記録し、前記複数の記録機器は、前記鳥にそれぞれ設置されるステップと、
   （ｂ）最適飛行経路を生成するステップであって、解析機器は、前記複数の飛行データを収集し、前記最適飛行経路を計算するステップと、
   （ｃ）ＵＡＶに入力された前記最適飛行経路に従って飛行するように、前記ＵＡＶを制御するステップと、を備え、
   前記ステップ（ｂ）は、
   （ｂ１１）複数のデータ記録地点を接続し、前記それぞれのデータ記録地点で前記記録機器により記録された前記複数の飛行データをグループ化して、前記複数の飛行軌道を生成するステップと、
   （ｂ１２）前記複数の飛行軌道のうち、最短飛行距離または最短飛行時間を伴う前記飛行軌道を、前記最適飛行経路として選択するステップと、
   をさらに備えることを特徴とする、
   方法。
2. 鳥の飛行ルートを使用する、ＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ、無人航空機）の飛行経路の計画方法であって、
   （ａ）複数の飛行データを記録するステップであって、複数の記録機器を使用して、第１の指定された地点から第２の指定された地点まで前記鳥が飛行するとき、前記複数の飛行データを記録し、前記複数の記録機器は、前記鳥にそれぞれ設置されるステップと、
   （ｂ）最適飛行経路を生成するステップであって、解析機器は、前記複数の飛行データを収集し、前記最適飛行経路を計算するステップと、
   （ｃ）ＵＡＶに入力された前記最適飛行経路に従って飛行するように、前記ＵＡＶを制御するステップと、を備え、
   前記ステップ（ｂ）は、
   （ｂ２１）複数の最適飛行データを獲得するステップであって、前記解析機器は、前記第１の指定された地点と前記第２の指定された地点の間にある複数のデータ記録地点で前記記録機器により記録された前記複数の飛行データから、最短距離の飛行データを最適飛行データとして選択するステップと、
   （ｂ２２）前記最適飛行経路を獲得するステップであって、前記複数の最適飛行データをグループ化して、前記最適飛行経路を形成するステップと、をさらに備えることを特徴とする、
   方法。
3. 前記ステップ（ａ）で、各前記記録機器は、事前設定された固定時間周期ごとに、対応する鳥の現在の緯度、経度、高度、ＵＴＣ（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｔｉｍｅ、協定世界時）、飛行方向、および飛行速度を記録することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記記録機器は、前記鳥用の電子式足輪であることを特徴とする、請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の方法。
5. 前記ステップ（ａ）は、地域内に障害物のない空域を生成するステップをさらに備え、前記記録機器により記録された前記複数のデータ記録地点は、前記鳥が到達可能な位置であることを特徴とする、請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の方法。
6. 前記鳥はレース用鳩であることを特徴とする、請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の方法。

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