JP6234679B2 - 外乱を引き起こす動きを最小化しながら搭載型カメラによる撮影を行うための回転翼無人機の操縦方法 - Google Patents

Description

本発明は、クアッドリコプター（quadricopter：４翼ヘリコプター）等のような回転翼無人機に関する。

そのような無人機には、それぞれのモーターによって駆動される複数のローターが設けられており、それぞれのモーターは、無人機を姿勢及び速度に関して操縦するために、別々に制御可能である。

こうした無人機の代表的な一例は、フランス、パリ所在のParrot SA製のＡＲ．Ｄｒｏｎｅであり、それは、一連のセンサー（加速度計、３軸ジャイロ及び高度計）と、その無人機の向かっている方向の景色の画像を捕捉する前面に取り付けられたカメラと、上を飛行している地形の画像を撮像する垂直方向カメラとを装備したクアッドリコプターである。

無人機は、ユーザーによって無線リンクを介して無人機に接続された、以下では「装置」と呼ばれる、別個の遠隔制御装置により操縦される。特許文献１及び特許文献２（Parrot SA）は、こうした無人機を記載するとともに、それを、タッチスクリーン及び組込み加速度計を有する携帯マルチメディアプレイヤー又は電話機、例えば、ｉＰｈｏｎｅ（米国のApple Inc.による登録商標）型の携帯電話機、又はｉＰｏｄ Ｔｏｕｃｈ（米国のApple Inc.による登録商標）若しくはｉＰａｄ（米国のApple Inc.による登録商標）型の携帯機器若しくはマルチメディアタブレットを介して操縦する原理を記載している。これらの装置は、操縦コマンドを検出し、ＷｉＦｉ（ＩＥＥＥ８０２．１１）又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）ローカルエリアネットワーク型の無線リンクを介して無人機とデータを双方向でやり取りするために必要な様々な制御部材を含む。装置には更に、無人機の前面に取り付けられたカメラにより捕捉され、或る特定の数のシンボルが上に重ねられた画像を表示するタッチスクリーンが設けられており、シンボルは、ユーザーによるこのタッチスクリーン上への指接触だけでコマンドを起動できるようする。

より具体的には、無人機は、装置の傾斜の検出器によって送信される信号を用いてユーザーによって操縦され、その傾斜は無人機によって再現されることになる。例えば、無人機を前方に移動させるために、ユーザーは自分の装置をピッチ軸に対して傾け、無人機を右又は左にオフセットするために、ユーザーはこの装置をロール軸に対して傾斜させる。このようにして、無人機が下方に傾斜する、又は「急降下する」ように制御される場合には（ピッチ角に対する傾斜）、無人機は傾斜が大きくなるほど速度が増すようにして前方に移動することになり、逆に、反対方向に「急上昇する」ように制御される場合には、その速度は徐々に低下し、その後、後方に移動し始めることによって逆進することになる。同様に、ロール軸に対する傾斜コマンドの場合、無人機は右又は左に傾くことになり、右又は左への直線的な水平方向への並進を引き起こす。

ユーザーはタッチスクリーン上に表示された他のコマンド、特に、「上昇／降下」（スロットル制御）及び「右旋回／左旋回」（無人機をそのヨー軸を中心にして旋回させる）も有する。

無人機は定点停留コマンドも与えられる：ユーザーが自分の遠隔制御装置の全てのコマンドを解除するとき、無人機は定点において動きを止めて、完全に自動的に安定する。

無人機のビデオカメラは、「没入モード」（すなわち、ユーザー自身が無人機に搭乗しているかのようにして搭載型カメラからの画像を使用するモード）において操縦するためだけでなく、無人機が向けられたシーンの一連の画像を取り込むためにも用いることができる。それゆえ、ユーザーはカメラ又はカムコーダーと同じようにして無人機のカメラを使用することができ、それらのカメラ又はカムコーダーは、手持ちされるのではなく、無人機によって支持されることになる。

しかしながら、無人機は、その飛行中に、軌道を逸脱させるような（stray）数多くの動きにさらされ、それにより、カメラによって取り込まれた画像において望ましくない揺れ及び飛びが引き起こされることになる。

詳細には、カメラが無人機の主方向（ロール軸に対応する方向）に向いている場合、ピッチ軸（カメラの軸に対して直角な軸）を中心とした任意の動きは、画像において垂直方向の揺れを引き起こすことになり、取り込まれた画像の視認性及び品質を著しく劣化させる。ここで、上記で説明されたように、無人機の変位は、無人機がユーザーによって制御されるか、又は自動操縦によってサーボ制御されるかにかかわらず、主にピッチ軸を中心とした傾ける動き（前後への変位）及びロール軸を中心とした傾ける動き（左右への変位）から生じ、それらの動きは、まさにクアッドリコプタータイプの無人機の動作原理に内在するものである。

当然、数多くの画像安定化技法が既知であるが、残念なことに、これらの技法は以下に記述される特定の事例には適用することができない。
−無人機は支持体に接続されない飛行物体であるので、アーム及び釣り合いおもりが自在継手の高さにおいてカメラの重心をシフトする機械的な安定化システム（ステディカム技術）は使用することができない。
−組み込み型の小型部品であるカメラを選択する場合を考えると、重量及びかさの理由から、写真において一般的に適用される技法である、焦点面においてレンズ又はセンサーの光学素子をリアルタイムに変位させることによる安定化も考えることはできない。
−最後に、飛行中に収集されるジャイロデータの使用の有無にかかわらず、ビデオ画像の後処理は、無人機に搭載されるマイクロコンピュータの能力に合わないほど相対的に大きな計算リソースを必要とすることになり、わずかとは言えない待ち時間が生じ、無人機をリアルタイムに効率的に制御するのを妨げることになる。

国際公開第２０１０／０６１０９９号 欧州特許出願公開第２３６４７５７号

本発明の課題は、画像に反映される望ましくない動きをできる限り小さくして一連のビデオ画像を生成できるようにする別の安定化技法を見つけることである。

本発明の基本的な着想は、カメラを逸脱させるような動き（stray movement）を最小化するように、無人機のモーターの制御を適応させることにある。このために、ユーザーは特定の撮影モード（トラッキング、パノラマ等）を選択し、そのモードは、無人機に対して予め選択された対応する軌道を自動的に規定し、選択された撮影モードに応じて無人機のサーボ制御に適切な変更を加えて、逸脱させるような揺れを最小化するように適応されている。その後、無人機は、空間内でその動きを制御する安定化された操縦モードに切り替わる。その後、ビデオカメラによる撮影を開始することができ、自動操縦の制御は、安定化されるビデオについての制約に自然に適応される。

より詳細には、本発明の主題は、遠隔制御装置によって、それぞれのモーターによって駆動される複数のローターを有する回転翼無人機を操縦するための方法であって、該モーターは姿勢及び速度に関して該無人機を操縦するために別々に制御することができる、方法である。前記無人機は、該無人機から見える目標物の一連の画像を取り込み、この一連の画像を前記装置に送信するのに適している搭載型ビデオカメラを備える。特徴的には、本方法は、
ユーザーによって、前記無人機に送信されることになる軌道を表す１組のパラメーターによって規定される所定の撮影モードが選択されるステップであって、これらのパラメーターは、固定点における撮影モード又は変位中における撮影モードと；変位、並進又は回転のタイプと；変位の速度と；変位の方向又は軸と；変位の進行方向と；変位の持続時間と；撮影高度とを含むグループに属する、選択されるステップと、
前記１組のパラメーターから設定点値を生成し、これらの設定点を前記無人機の前記モーターを制御する処理サブシステムに適用するステップと、
前記パラメーターに一致する軌道上で前記無人機が安定すると、前記ビデオカメラによって前記撮影が開始されるステップとを含む。

第１の取り得る撮影モードは固定点モードである。この場合、前記１組のパラメーターは、回転及び並進の変位速度が０である軌道を表すのに適している。

第２の取り得る撮影モードは前方トラッキングモード又は側方トラッキングモードである。

この場合、前記１組のパラメーターは、水平方向に沿った一定の変位速度での並進軌道を表すのに適しており、この水平方向は前方トラッキングの場合には前記カメラの軸に対して平行であり、側方トラッキングの場合には前記カメラの軸に対して直角を成し、前記軌道は前方トラッキングの場合には前又は後に向けられ、側方トラッキングの場合には左又は右に向けられる。

特に、前記設定点値は、前方トラッキングの場合には前記無人機のピッチ角に対する角度設定値の形で、又は側方トラッキングの場合には前記無人機のロール角に対する角度設定点の形で生成することができ、これらの角度設定点は、
並進段階中に、前記無人機が前記パラメーター化された変位速度に達することができるようにするのに適した水平速度サーボ制御閉ループ内に構成される前記処理サブシステムに適用され、
前記変位速度に達すると、前記サーボ制御閉ループを停止して、水平速度制御開ループ内に構成される前記処理サブシステムに適用される。

有利には、前記設定点を生成することは、前記無人機の前記変位方向における風の成分を補償する水平速度を表す付加的な設定点を生成することを含む。

これらの付加的な設定点は、前記水平速度サーボ制御の誤差が所定のしきい値未満となるときに一定の値に固定することができる。

第３の取り得る撮影モードはパノラマモードである。

この場合、前記１組のパラメーターは、前記カメラの撮影軸に対して直角を成す垂直軸を中心としたいずれかの進行方向における回転軌道を表すのに適している。

単純なビデオパノラマ効果に適した第１の実施態様において、前記垂直軸は前記無人機のヨー軸であり、前記設定点値は０のピッチ角設定点及びロール角設定点を含む。

特に、前記生成された設定点値は、前記垂直軸を中心とした連続回転を特に生成し、角度サーボ制御閉ループ内に構成される前記処理サブシステムに適用される一定のヨー設定点を含み、前記ピッチ角設定点及び前記ロール角設定点は、水平速度サーボ制御閉ループが停止された前記処理サブシステムに適用される。

連続した固定画像を組み合わせることによって生成されるパノラマを生成するのに適した第２の実施態様において、前記垂直軸は前記カメラの入力開口部を通過する垂直軸であり、前記設定点値は、水平面内に延在し、前記カメラの前記入力開口部を中心にした円形軌道に沿った動きを特に生成するためのピッチ角設定点及びロール角設定点を含む。

特に、前記生成された設定点値は、各撮影後に増分される機首方位基準値によって規定される角度的にオフセットされた固定点間の、前記垂直軸を中心とした一連の段階的な回転を特に生成し、角度サーボ制御閉ループ内に構成された前記処理サブシステムに適用されるヨー設定点を含む。

第４の取り得る撮影モードはブーム（boom）面モードである。

この場合、前記１組のパラメーターは、水平面と或る角度を成す方向に沿った、いずれかの進行方向における一定の速度での並進軌道を表すのに適している。

前記設定点値は、
並進段階中に、前記無人機が前記変位速度に達することができるように、及び前記無人機のピッチ角及びロール角に対する角度設定点を生成することによって前記変位方向に追従できるようにするのに適している、速度サーボ制御閉ループ内に構成される前記処理サブシステムに適用され、
前記変位速度及び前記変位方向に達すると、前記サーボ制御閉ループを停止して、速度制御開ループ内に構成される前記処理サブシステムに適用することができる。

有利には、全ての前記撮影モードにおいて、前記方法は、前記ユーザーによって、前記１組のパラメーターから生成された前記設定点値に重ね合わせられる軌道補正コマンドが適用されることを更に含むことができる。

無人機と、無人機を遠隔操作するために用いることができる関連付けられた遠隔制御装置とを示す全体図である。 前方トラッキングモードにおいて撮影を生成するために無人機に送信されることになる動きを概略的に表す図である。 側方トラッキングモードにおいて撮影を生成するために無人機に送信されることになる動きを概略的に表す図である。 パノラマモードにおいて撮影を生成するために無人機に送信されることになる動きを概略的に表す図である。 ブーム面モードにおいて撮影を生成するために無人機に送信されることになる動きを概略的に表す図である。 撮影デバイスの画面上でユーザーに対して提示される、トラッキングモードにおける撮影のためのコマンドの一例を示す図である。 撮影デバイスの画面上でユーザーに対して提示される、パノラマモードにおける撮影のためのコマンドの一例を示す図である。 撮影デバイスの画面上でユーザーに対して提示される、ブーム面モードにおける撮影のためのコマンドの一例を示す図である。 従来のサーボ制御操縦構成における無人機の種々の制御部材、サーボ制御部材及び支援操縦部材のブロック図である。 トラッキングモードでの自動操縦構成用に変更された、図９のブロック図に対応する図である。 パノラマモードでの自動操縦構成用に変更された、図９のブロック図に対応する図である。 ブーム面モードでの自動操縦構成用に変更された、図９のブロック図に対応する図である。

以下、添付図面を参照して本発明のデバイスの例示的な実施態様を説明し、添付図面では、同一であるか又は機能的に類似している要素を示すために図面間で同じ参照符号を用いる。

本発明の例示的な実施態様の説明が続く。

図１では、参照符号１０は全体的に無人機を示し、無人機は、例えば、上述した特許文献１及び特許文献２並びに国際公開第２００９／１０９７１１号（高度計及び前方視認カメラによって供給される情報に基づいて動作する自動安定化システムの一例を記載している）及び仏国特許出願公開第２９１５５６９号（特に、無人機によって使用されるジャイロメーター及び加速度計の制御システムを記載している）に特に記載されているような、フランス、パリ所在のParrot SA製のモデルＡＲ．Ｄｒｏｎｅ等のクアッドリコプターとすることができる。

無人機１０は、組み込まれた航法姿勢制御システムによって独立して操縦されるモーターによって駆動される、４つの同一平面上のローター１２を有する。無人機１０には、その無人機の向かっている方向の景色の画像を取得することを可能にする、前方を視認する第１のカメラ１４、例えばＣＭＯＳセンサーを備える広角カメラが設けられる。

無人機は、上を飛行している地形の連続画像を捕捉するのに適し、特に地面に対する無人機の速度を評価するために使用される下方を視認する第２のカメラ（図示せず）も備える。慣性センサー（加速度計及びジャイロメーター）は、無人機の角速度及び姿勢角、すなわち、無人機の傾斜を表すオイラー角を或る特定の精度で測定することを可能にする。

一般に、「傾斜」という用語は、無人機の、固定の地球座標系の水平面に対する傾斜を意味するために用いられ、水平速度の縦方向成分及び横方向成分の２つの成分が、ピッチ軸及びロール軸の２つのそれぞれの軸に沿った傾斜角に密接に関連付けられることが理解される。

無人機の下に配置された超音波距離計が、地面に対する高度の測定値を更に提供する。

無人機の線形並進速度については、加速度計データと組み合わせて、無人機の垂直方向カメラによって与えられる画像を解析することによって評価され、その解析は、カメラによって捕捉された景色の画像毎の動きを推定するソフトウェアによりなされ、この推定される動きには、測定された高度の関数であるスケール係数が適用される。

無人機１０は遠隔制御装置１６によって操縦され、遠隔制御装置１６には、前面に取り付けられたカメラ１４によって取り込まれた画像を、重ね合わせられた或る特定の数のシンボルとともに表示するタッチスクリーン１８が設けられており、それらのシンボルは、タッチスクリーン１８上をユーザーの指２０が触るだけで操縦コマンドを起動できるようにする。装置１６は、特に、カメラ１４によって取り込まれた画像を無人機１０から装置１６に送信するために、かつ操縦コマンドを装置１６から無人機１０に送信するために、データを装置１６から無人機１０に双方向にやり取りするための無人機との無線リンク手段が設けられる。このリンクは、例えば、ＷｉＦｉ（ＩＥＥＥ８０２．１１）又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）ローカルエリアネットワークタイプを含むことができる。

また、装置１６には、ロール軸及びピッチ軸に対する対応する傾斜を無人機に送ることによって無人機の姿勢を制御できるようにする傾斜センサーも設けられる（システムのこれらの態様に関する更なる詳細に関しては、上記の特許文献１を参照することができる）。

序文において示したように、遠隔制御装置１６は、有利には、タッチスクリーン及び組み込み型の加速度計を有する電話機又はポータブルメディアデバイス、例えば、ｉＰｈｏｎｅ（登録商標）型の携帯電話機、ｉＰｏｄ Ｔｏｕｃｈ（登録商標）型の携帯機器、又はｉＰａｄ（登録商標）型のマルチメディアタブレットで構成され、これらは、操縦コマンドの表示及び検出、前面に取り付けられたカメラにより捕捉された画像の閲覧、並びにＷｉＦｉ接続又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）接続による無人機との双方向のデータのやり取りに必要な様々な制御部材を組み込んだ装置である。

無人機１０を操縦することは、
ａ）無人機を前方若しくは後方に移動するためにピッチ軸２２を中心として旋回させること、及び／又は
ｂ）無人機を左へ若しくは右へシフトするためにロール軸２４を中心として旋回させること、及び／又は
ｃ）無人機の主軸を、ひいては、前面に取り付けられたカメラ１４が指す方向を、右若しくは左に旋回させるために、ヨー軸２６を中心として回転させること、及び／又は
ｄ）無人機の高度をそれぞれ下げるか若しくは上げるように、スロットル速度を変更することにより、下向き２８に若しくは上向き３０に並進させること、
により、無人機を動かすことからなる。

これらの操縦コマンドが、ユーザーによって遠隔制御装置１６を介して与えられる場合、装置１６の縦軸３２及びその横軸３４を中心としたそれぞれの傾斜により、ピッチ軸２２及びロール軸２４を中心として旋回するコマンドａ）及びｂ）が得られ、例えば、無人機を前方に移動させるためには、軸３２を中心として装置を傾けることにより装置を前方に傾斜させることで十分であり、無人機を右へシフトさせるためには、軸３４を中心として装置を右に傾けることにより装置を傾斜させることで十分である、などである。

コマンドｃ）及びｄ）については、これらのコマンドは、ユーザーの指２０（一般に右指）がタッチスクリーン１８の特定の対応する領域に接触することによって与えられる動作により行われる。

無人機は、静止飛行を安定化させる自動かつスタンドアローンのシステムも保有し、当該システムは、特に、ユーザーが指を装置のタッチスクリーンから離した直後に、又は離陸段階の終了時に自動的に、又は装置と無人機との無線接続が中断した場合にも起動する。その後、無人機はリフト（lift）状態になり、リフト状態では、無人機は静止し、ユーザーによるいかなる介入もなく、この静止位置において自動的に安定化される。

ここで、次に、取り込まれた画像に干渉する可能性がある外乱を引き起こす動きを最小化しながら、前面に取り付けられたカメラ１４によって撮影を行うことができるようにするために、無人機のモーターのための操縦設定点がいかにして生成されるかが説明される。

３つの代表的な撮影モードの例が説明される。当該３つの撮影モードの例は、すなわち、
−図２、図３、図６及び図１０においてより詳細に参照されるトラッキングモード（「固定面モード」は、変位速度が０である場合のトラッキングモードの特殊な事例とみなすことができる）；
−図４、図７及び図１１においてより詳細に参照されるパノラマモード；
−図５、図８及び図１２においてより詳細に参照されるブーム面モード、である。

図２及び図３は、トラッキングモードにおいて撮影を行うために無人機に送信されることになる動きを、前方トラッキング及び側方トラッキングそれぞれの場合に概略的に示す。

当該トラッキングは、一定の水平速度で地面に対して平行にカメラを動かすことによって特徴付けられる。

この速度が０であるとき、そのトラッキングは、固定面モードにおける撮影に単純化される。その際、ユーザーはこの「固定面」モードを選択し、そして場合によっては、固定面の持続時間、カメラの高度及び方向を選択すれば十分である。その後、自動操縦によって風（以下を参照）が推定され、風に逆らって飛行するための平均角が計算され、撮影が開始されたときに、自動操縦によってこの角度が無人機の設定点に適用される。

前方トラッキングにおいて、その目的が、取り込まれたシーンの目標物、例えば人に近づくように、又はその目標物から遠ざかるように移動するという印象を与えることである場合、カメラの主軸Δに従って、すなわち、この場合にはロール軸２４に沿って水平変位が行われる。矢印３６の動きによって示される前方トラッキングの場合における、この状況が図２に示される（後方トラッキングによる動きの場合、その変位は同じラインに沿って行われるが、カメラの視界内に位置する人から離れるように移動する効果をもたらすために、反対の進行方向において行われる）。

側方トラッキングの場合、その動きはカメラの軸Δに対して直角を成す水平軸に沿って、すなわち、この場合には無人機のピッチ軸２２に沿って適用される。これは、例えば、歩き続けている人、又は走り続けている人を横から見て画像のフレーム内に維持しながら追跡することに関する。

矢印３８の動きによって示される右への側方トラッキングの場合における、この状況が図３に示される（左への側方トラッキングの場合、その動きは同じラインに沿って行われるが、反対の進行方向において行われる）。

図４には、第２の取り得る撮影モード、パノラマモードが示される。

この撮影モードは、垂直軸、この場合には無人機のヨー軸２６を中心とした動きによって特徴付けられる（又は一変形形態では、垂直軸はカメラの入力開口部を通過するので、無人機のヨー軸から外れている）。矢印４０によって概略的に表されるこの動きは、制御された操縦段階において無人機を移動させるために一般的に用いられる旋回速度に比べて相対的に低い速度において、いずれかの進行方向に一定の回転速度で実行される。この回転は、無人機が水平な状態で実行されなければならないこと、すなわち、カメラの軸Δ（無人機のロール軸２４に対応する）が地面に対して平行な水平面を走査しなければならない、すなわち、無人機が一定の高度になければならないことにも留意されたい。具体的に言うと、ユーザーは、無人機の現在の高度においてパノラマ撮影を開始できるか、又はパノラマ撮影を開始する前に無人機が達していなければならない設定点高度を設定することができる。

ユーザーに提供される第３の取り得る撮影モードは、いわゆる「ブーム面」モードである。これは、カメラがブーム（boom）の端部に取り付けられているような錯覚を与え、空間の３つの軸に基づいて目標物から離れるような動きを与えることに関する。図５に示される対応する動き４２は、離れるように移動する方向を規定するベクトル４４の３つの座標Ｘ、Ｙ、Ｚ、及びこの離れるように移動する（一定）速度によって規定される。

図６〜図８は、ユーザーが利用可能である種々の撮影モードをパラメーター化するために遠隔制御デバイス１６の画面１８上でユーザーに対して提示されるコマンドの例を示す。

これらのコマンドは、それ自体が既知である、ボタン、カーソル又は類似のタイプのタッチコマンドとすることができる。

図６は、トラッキングモードをパラメーター化するための画面を示す。ボタン４６は、トラッキングタイプ：前方、後方、右側方、左側方を選択できるようにし、カーソル４８はこのトラッキングの一定の速度を規定できるようにする（この速度は０とすることもでき、その際、トラッキングが固定面モードにおける撮影に単純化される）。ボタン５０及び５２はそれぞれ、トラッキングモードにおける撮影を開始及び停止できるようにし、窓５４及び５６は、撮影中に進行した距離、及び撮影の開始から経過した時間を示す。

図７は、パノラマモードをパラメーター化するための画面を示す。ボタン５８が、回転の進行方向、すなわち、時計回り又は反時計回りを規定できるようにし、カーソル６０、６２及び６４がそれぞれ、パノラマ撮影を実行するための設定点高度、撮影の回転数又は回転の割合、及び回転の角速度を規定できるようにする。ボタン５０及び５２は、先行する事例と同様に、撮影を開始又は停止するために用いられるのに対して、窓５４及び５６はそれぞれ無人機の現在の高度、及び撮影の開始から経過した時間を表示する。

図８は、ブーム面モードをパラメーター化するための画面の一例である。その画面は、離れるように移動する方向を規定するベクトルの座標Ｘ、Ｙ、Ｚ、又は到達されるべき目標点の座標を規定する３つのカーソル６６、６８、７０を含む。別のカーソル７２は、離れるように移動する速度を規定する。ボタン５０及び５２は先行する事例と同様に、撮影を開始及び停止するために用いられるのに対して、窓５４及び５６はそれぞれ無人機の現在の高度、及び撮影の開始から経過した時間を表示する。

説明されたばかりのコマンドに種々の他のコマンド、例えば、撮影の持続時間、ひいては、制御された変位の持続時間を事前に設定するコマンドを追加することができる。

無人機の速度及び高度の制御
ここで、次に、本発明のシステムによって、これらの軌道がいかに達成されるかが説明される。

図９は、従来の操縦を可能にする構成における無人機の種々の制御部材及びサーボ制御部材の機能ブロック図である。

図１０〜図１２は、それぞれトラッキングモード、パノラマ撮影モード及びブーム面モードの場合の、本発明による安定化モードにおける撮影を動作させるために、この従来の図に加えられた変更を示す。

この図面は相互接続される回路の形で提示されるが、種々の機能の実施態様は基本的にはソフトウェアであるので、この表現は例示に過ぎないことに留意されたい。

通常、図９に示されるように、操縦システムは、高度の変更を自動で又はユーザーからのコマンドに応じて制御することに加えて、無人機の水平速度、角速度及び姿勢の制御のための、複数の入れ子にされた（nested）ループを含む。

最も内側のループは、角速度を制御するループ１００であり、一方ではジャイロメーター１０２によって提供される信号と、他方では角速度設定点１０４によって構成される基準値とを利用する。これらの種々の情報項目は、角速度補正ステージ１０６に入力として与えられる。このステージ自体がステージ１０８を操縦し、ステージ１０８では、モーターによって駆動されるローターの結合された動作により無人機の角速度を補正するために、これらの異なるモーターの速度を別々に制御するようにモーター１１０が制御される。

角速度制御ループ１００は姿勢制御ループ１１２内に入れられ、姿勢制御ループ１１２は、ジャイロメーター１０２によって、加速度計１１４によって、及び地球の地理座標系における無人機の絶対方位を与える磁力計１１６によって供給される指標に基づいて機能する。これらの異なるセンサーから得られたデータは、ＰＩ（比例積分）タイプの姿勢推定ステージ１１８に適用される。ステージ１１８は無人機の実際の姿勢の推定値を生成し、その推定値は姿勢補正ステージ１２０に適用され、ステージ１２０は実際の姿勢を、ユーザー１２４によって直接適用されるコマンドから、及び／又は水平速度補正回路１２６を介して無人機の自動操縦によって内部で生成されるデータから回路１２２によって設定される設定点と比較する。場合によっては補正され、回路１２０に適用されて無人機の実際の姿勢と比較される設定点は、モーターを適切に制御するために、回路１２０によって回路１０４に送られる。

要約すると、設定点（ユーザーによって適用され、及び／又は内部で生成される）と角度の測定値（姿勢推定回路１１８によって与えられる）との間の誤差から、姿勢制御ループ１１２は、回路１２０のＰＩ補正器を用いて、角速度設定点を計算する。その後、角速度制御ループ１００は、先述の角速度設定点と、ジャイロメーター１０２によって実際に測定された角速度との間の差を計算する。当該ループはこの情報を用いて、種々の回転速度設定点（ひいては、揚力設定点）を計算し、その設定点は、ユーザーによって要求され、及び／又は無人機の自動操縦によってスケジューリングされた操作をもたらすために、モーター１１０に送られれる。

角度設定点を計算するための回路１２２は、風推定回路１２８からの補正値も受信する。安定化された撮影を実行する場合の当該補正値の役割は以下に説明されることになる。

また、水平速度制御ループ１３０は、垂直ビデオカメラ１３２と、高度計としての役割を果たす測距センサー１３４と備える。回路１３６は、加速度計１１４からの信号及び姿勢推定回路１１８からの信号と組み合わせて、垂直カメラ１３２によって生成される画像の処理を操作し、回路１３８によって無人機のピッチ軸及びロール軸の２つの軸に基づいた水平速度の推定値を得ることができるようにするデータを生成する。推定された水平速度は、回路１４０によって与えられた垂直速度推定値、及び測距センサー１３４からの情報から回路１４２によって与えられた高度値の推定値によって補正される。無人機の垂直変位に関しては、ユーザー１２４は高度設定点を計算するための回路１４４にコマンドを適用し、その設定点は、回路１４２によって与えられる推定された高度値を受け取る高度補正回路１４８を介して、上昇速度設定点Ｖ_ｚを計算するための回路１４６に適用される。計算された上昇速度Ｖ_ｚは、回路１５０に適用され、回路１５０は、この設定点速度を回路１４０によって推定された対応する速度と比較し、それに応じて、設定点上昇速度と測定された上昇速度との間の差を最小化するために、全てのモーターに関する回転速度を同時に増減させるように、モーターのための制御データを変更する（回路１０８）。

ここで、次に、これらの回路によって、無人機の制御設定点がいかに生成されるかが説明される。

無人機速度データは、無人機の本体に関連する座標系、すなわち、図１に示される座標系｛ｕ，ｖ、ｗ｝内で考慮されることになる。

以下の表記が用いられる。
−ｕは、無人機の主軸のラインにおける（ロール軸２４に沿った）並進の水平速度の成分である。
−ｖは、横断方向のラインにおける（ピッチ軸２２に沿った）並進の水平速度の成分である。
−ｗは、並進の垂直速度である。
これら全ては無人機に関連する座標系内にあり、それゆえ、地球の座標系に対する無人機の傾斜から独立している。

無人機の４枚のプロペラｉ（ｉ＝１，．．．，４）のそれぞれは、モーターの回転速度ω_ｉの二乗に比例するトルクГ_ｉ及び上昇推力Ｆ_ｉを出す。

動力学の基本的な関係が、無人機の移動座標系に投影されて適用され、以下の３つの式が与えられる。

式中、
ｐ、ｑ、及びｒは３つの軸上の角速度であり、
ｇは重力の加速度であり、
φ及びθは、水平線に対する無人機の傾斜を規定する２つの角度（オイラー角）であり、
Ｃ_ｘ及びＣ_ｙは、２つの水平軸における前進に対する抵抗の係数（無人機が受ける摩擦力を表す）であり、
ａは、推力及び上昇速度を回転速度ωに関連付ける係数であり、
ｍは無人機の質量である。

同様に、動的モーメントの定理が、系に対して、依然として移動座標系への投影に適用され、以下の３つの式が与えられる。

式中、
Ｉ_ｘ、Ｉ_ｙ及びＩ_ｚは、３つの軸における無人機の慣性係数を表すパラメーターであり、ｌは、モーターと無人機の重心との間の距離である。

これらの式において、左辺の第１項は、系の動的モーメントに対応し、第２項は、動的モーメントに対するコリオリの力の寄与を表し、右辺は、上昇力Ｆ_ｉによって作用されるモーメントと、ローターそれぞれのプロペラによって生成されるトルクΓ_ｉとに対応する。

最後に、３つのオイラー角φ、θ及びψに関わる以下の関係が導出される。

したがって、系の挙動は、全部で９つの式及び９つの未知数によって記述される。

平衡点の付近では、無人機は水平に浮遊しており（速度及び傾斜が０）、以下の式が当てはまる。

式１〜９は以下のようになる。

それゆえ、平衡点の付近では、以下の式が成り立つ。

ｗ_ｉ＝ω_ｉ−ω_０（ただし、ｉ＝１．．．４）と仮定し、上記の式を平衡点に関して一次に線形化することによって、以下の連立線形方程式が得られる。

トラッキングモードにおける撮影
図１０は、安定化されたトラッキングモード（又は速度設定点が０である場合には安定化された固定面モード）における撮影を実行するために図９の略図に対して加えられる変更を示す。

ユーザーによって回路１５２に適用されるトラッキング速度設定点は、回路１３８によって推定された水平速度値も受信する回路１５４によって、角度設定点に変換される。これらの設定点は、±高速値、並びに（ｕによるか、又はそうでない場合ｖによる）方向及び選択された方向に沿った変位の進行方向を含む。

回路１５４によって計算された角度設定点は、回路１２２のための入力として直接適用される。ユーザーはその実行中にトラッキングの軌道に対して補正を行うことを許されるので、これらの設定点は場合によっては、１５６においてユーザーによって適用されるコマンドに重ね合わせられる。

実際には、無人機は閉ループモードにおいて操縦されるので、無人機は角度に関してはロックされるが、軌道に関して、例えば、風向きが変わる場合には、無人機は軌道を大きく外れる可能性がある。それゆえ、閉ループモード制御による撮影段階全体を通して、
−その軌道を断念し、手動操縦を再開することによって、又は
−閉ループの設定点上に重ね合わせられるわずかな補正を重ね合わせることによって、ユーザーが飛行を管理できることが望ましい。これらのわずかな補正は、画像の揺れを引き起こす場合があるが、撮影の操作者でもあるユーザーは、いつでも自分が好むもの、すなわち、固定された画像及び外れた軌道、又は画像の動き及びより忠実な軌道（それはトラッキングの場合に特に非常に有用である）を選択できることが重要である。

軌道設定点は、開ループモードにおいては回路１２２のための入力として直接適用され、ここでは、図９の水平速度補正回路１２６は、速度サーボ制御の影響下で設定点位置の周りで揺れを生成しないように停止されることに留意されたい。これは、画像内の動きをあまりにも大きくしないようにするために、角度に関する動きを最小化できるようにする（それは通常、クワドリコプターの速度サーボ制御に本来備わっている）。言い換えると、画像を安定化するために、除去しなければカメラによって取り込まれた画像に強く干渉していた、ピッチ軸及び／又はロール軸を中心とした揺れを除去することによって、トラッキングの軌道中の水平変位速度内のわずかな変動は容認されることになる。

より具体的には、トラッキングの動きに関する所望の方向及び進行方向が選択された後に、ユーザーからの設定点速度Ｖｘ_ｒｅｆ＝一定、又はそうでない場合、ＶｙＹ_ｒｅｆ＝一定が取り戻される（recovered）。

無人機の主軸に沿った、すなわち、カメラの軸Δに沿った平面内の動き（前方トラッキングに対応する）の一例を挙げるために、以下の式を適用する。

θ＜３０度となるような角度θの場合、以下の近似された関係を用いることができる。

並進動作の期間中に、Ｖ_{ｘｈｏｒｚ}はその最終値に向かって収束することになる。この並進期間の持続時間は実際には約１秒〜２秒であり、トラッキングモードにおける撮影の通常の持続時間よりもはるかに小さな値である。概ね安定した動作に迅速に達するために、この並進動作期間中に、無人機は閉ループモードにおいて（それゆえ、角度に関する動きを最小化しようとすることなく）動作し、実際の撮影は、設定点速度に達したときにのみ開始されることになる。

連続的な動作（角度の動きを最小化した図１０の構成に対応する）では、その式は以下のようになる。

これは、連続的な動作では、一定の速度において、ピッチ角θが一定になるべきであることを意味する。

したがって、角度制御ループに送られる角度基準値は、取り込まれた画像の品質に有害である揺れの動きを避けるために開ループモードにおいて、上記の関係によって変換された速度基準値である。

閉ループモードサーボ制御が行われないため、外乱（一定の風によってモデル化される）、より具体的には軌道の変位軸への風の速度ベクトルの射影を補償することが好都合な場合がある。この補正は、回路１２８によって適用される。動きの方向における一定の風によってモデル化される外乱は以下の式によって表すことができる。

Ｖ_{ｇｒｏｕｎｄ}＝Ｖ_ａｉｒ−Ｖ_ｗｉｎｄであるので、結果として、風に関して

になり（撮影持続時間にわたって風が一定であると仮定する）、それゆえ、以下の式が成り立つ。

連続的な動作では、この成分の影響は、以下のように角度基準値を適応させることによって除去される。

ここで、

である。

有利には、その制御に関連する角度に関する動きを制限するために、速度誤差が所定のしきい値未満になると、撮影全体を通して、補償項が一定の値に固定される。別の可能性は、対応する加法項が無人機の動態に対して非常にゆっくりとしか変化しないように、例えば、１０秒以上かけて変化するように、利得Ｋの値を選択することである。

パノラマモードにおける撮影
図１１は、パノラマモードにおける撮影を実行するために図９の略図に対して加えられる変更を示す。

ユーザーによって規定されるパラメーターは、回路１５８によって角速度制御ループの回路１０４に直接適用されるパノラマ撮影の進行のための角速度設定点、及び高度設定点回路１６０に適用される取り得る高度設定値（無人機によって到達されるべき、パノラマ撮影が開始されることになる高度）を含む。

ここで再び、トラッキングモードの場合に説明されたのと同じように、ユーザーは、撮影中に、回路１２２に適用される水平変位コマンドを、及び／又は回路１６０によって供給される設定点上に１６２において重ね合わせられる高度補正コマンドを重ね合わせできることを許されることができる。

回路１６０は、パラメーター化された設定点を、高度設定点を計算するための回路１４４に直接適用する。

ここで再び、ピッチ軸及びロール軸を中心とした揺れの動きを最小化するように、水平速度を補正するための回路１２６（図９において見ることができる）は停止される。

パノラマ撮影を実行するために、無人機は単に以下の設定点を用いて動作する。

言い換えると、速度サーボ制御は切断され、ロール設定点及びピッチ設定点は０であり、ヨー軸を中心とした回転設定点は一定の角速度を有する回転の設定点である。

先行する事例と同様に、一定の風によってモデル化される外乱の連続的な補正を与えることができる。

本発明の別の態様によれば、パノラマモードを用いて、一連の固定撮影を生成することができ、これにより、それらの撮影をつなぎ合わせて、無人機の回りのシーンの３６０度パノラマが与えられる。

この場合、無人機の動きは、もはや垂直軸を中心とした連続回転動作ではなく、各撮影後に増分される機首方位基準値によって規定される、角度的にオフセットされた固定点間の一連の段階的な動きである。この回転間隔は、明白なように、一連の固定された視野が十分に重なり合うのを確実にするように選択される。

このタイプの撮影に特有の制約は、無人機のヨー軸とカメラの入力開口部を通過する垂直軸との間の相対的に大きな差（約１５ｃｍ）を考えて、一連の画像を満足のいくようにつなぎ合わせることができないようにする幾何学的変形を回避するために、もはや無人機のヨー軸を中心としてではなく、カメラの入力開口部を通過する垂直軸を中心として回転が実行され、ということである。

その際、垂直軸を中心とした回転の動きは、水平な線形変位によって完成されなければならない。必要な設定点は、回路１５８によって生成されるヨー角速度設定点から、及び回路１１８によって与えられる姿勢推定値から、回路１６４によって計算される。その結果は、水平線形速度補正回路１６６に供給され、回路１６６は、回路１３８によって与えられる水平速度の推定値も受け取り、必要な設定点を生成し、その設定点は、１６８を介して、ピッチ角度設定点及びロール角度設定点を計算するための回路１２２に適用される。

より具体的には、水平面において、無人機がカメラの入力開口部を中心にした円形の軌道に追従できるようにするコマンドを生成することが好ましく、すなわち、無人機の軸ｖ、すなわち、この軌道に対して接線方向に向けられた軸に沿った速度を無人機に送信することが好ましい。

Ｖｙ_ｒｅｆで表され、速度サーボ制御ループに送られる、円に対する接線方向の前進速度の設定点が、ユーザーによって与えられる垂直軸を中心とした回転の角速度の設定点から直接推定される。固定された中心の回りの均一な回転軌道の場合、以下の式が当てはまる。

式中、
Ｖは接線方向の速度（無人機の軸ｖ上の横方向速度）であり、

は無人機の角速度であり、
Ｒは円の半径、すなわち、ヨー軸（無人機の慣性中心を通過する垂直軸）とカメラの開口部を通過する垂直軸との間のオフセットである。

角速度は以下の式によって与えられる。

そのため、送信されるコマンドは以下の式によって与えられる。

したがって、ユーザーは、前面に取り付けられたカメラの軸を中心とした回転速度を選択し、その回転速度から、無人機の軸ｖに沿った設定点前進速度が推定される。

その際、無人機はユーザーによって望まれる回転速度において、カメラの入力開口部を中心にして円を描く。

ブームモードにおける撮影
図１２は、ブームモードにおける撮影を実行するために図９の略図に対して加えられる変更を示す。

軌道のラインを規定する位置設定点Ｘ、Ｙ、Ｚがユーザーによって回路１７０に、その後、位置補正回路１７２に適用され、回路１７２は、設定点位置を位置推定回路１７４によって生成される測定された実施の位置と比較する。ユーザーが、撮影中に、予めプログラミングされた軌道に対して変更を加えることを許される場合には、回路１７２から得られた設定点は場合によっては、１７６において、ユーザーによって直接適用されるコマンド上に重ね合わせられる。

ここで再び、図９の水平速度補正回路１２６は停止され、その制御は、ロール軸及びピッチ軸を中心とした無人機の揺れの動きを最小化できるように開ループモードにおいて動作することに留意されたい。

生成されたコマンドは、基準位置と現在位置との間の位置の差から、軌道に沿った速度が一定となるように計算される角度コマンドである。

制御の原理はトラッキングモードの原理と同じであり、２つの水平方向において全く同時に、かつ垂直方向においても同時に変位が生じる。
−水平方向の動きに関して、ユーザーによってパラメーター化された一定の速度設定点が、カメラの動きを最小化するために、場合によっては外乱（一定の風）を補償して、角度コマンドに変換される。
−垂直方向の動きに関して、ユーザーによってパラメーター化された点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）にできる限り迅速に到達できるように、水平速度から独立して、ユーザーによって選択された最大速度値から上昇速度又は降下速度が規定される。現在の位置が所望の位置に近いとき、その制御は停止され、その後、所定のラインにおいて一定の速度で、かつ完全に自動的に、ブーム面モードにおける撮影を開始することができる。

Claims (14)

1. 遠隔制御装置（１６）によって、それぞれのモーター（１１０）によって駆動される複数のローター（１２）を有する回転翼無人機（１０）を操縦するための方法であって、該モーターは姿勢及び速度に関して該無人機を操縦するために別々に制御されることができ、
   前記無人機は、該無人機から見える目標物の一連の画像を取り込み、この一連の画像を前記装置に送信するのに適している搭載型ビデオカメラ（１４）を備え、
   該方法は、
   ユーザーによって、前記無人機に送信されることになる軌道を表す１組のパラメーター（４６〜４８；５８〜６４；６６〜７２）によって規定される所定の撮影モードが選択されるステップであって、これらのパラメーターは、固定点における撮影モード又は変位がある撮影モードと、変位、並進又は回転のタイプと、変位の速度と、変位の方向又は軸と、変位の進行方向と、変位の持続時間と、撮影高度とを含むグループに属する、１組のパラメーターによって規定される所定の撮影モードが選択されるステップと、
   前記１組のパラメーターから設定点値を生成し（１５２、１６０、１６４）、これらの設定点を前記無人機の前記モーターを制御するための処理サブシステム（１００〜１５０）に適用するステップと、
   前記パラメーターに一致する軌道上で前記無人機が安定すると、前記ビデオカメラ（１４）によって撮影が開始されるステップとを特徴とする、遠隔制御装置によって、それぞれのモーターによって駆動される複数のローターを有する回転翼無人機を操縦するための方法。
2. 前記撮影モードは固定点モードであり、
   前記１組のパラメーターは、回転及び並進の変位速度が０である軌道を表す、請求項１に記載の方法。
3. 前記撮影モードは前方トラッキングモード又は側方トラッキングモードであり、
   前記１組のパラメーターは、水平方向に沿った一定の変位速度での並進軌道を表し、この水平方向は前方トラッキングの場合には前記カメラの軸（Δ）に対して平行であり、側方トラッキングの場合には前記カメラの軸（Δ）に対して直角を成し、
   前記軌道は前方トラッキングの場合には前又は後に向けられ、側方トラッキングの場合には左又は右に向けられる、請求項１に記載の方法。
4. 前記設定点値は、前方トラッキングの場合には前記無人機のピッチ角に対する角度設定値の形で、又は側方トラッキングの場合には前記無人機のロール角に対する角度設定点の形で生成され、これらの角度設定点は、
   並進段階中に、前記無人機が前記パラメーター化された変位速度に達することができるようにするのに適した水平速度サーボ制御閉ループ内に構成される前記処理サブシステムに適用され、
   前記変位速度に達すると、前記サーボ制御閉ループが停止され、水平速度制御開ループ内に構成される前記処理サブシステムに適用される、請求項３に記載の方法。
5. 前記設定点を生成することは、前記無人機の前記変位方向における風の成分を補償する水平速度を表す付加的な設定点を生成すること（１２８）を含む、請求項３に記載の方法。
6. 前記付加的な設定点は、前記水平速度サーボ制御の誤差が所定のしきい値未満となるときに一定の値に固定される、請求項５に記載の方法。
7. 前記撮影モードはパノラマモードであり、
   前記１組のパラメーターは、前記カメラの撮影軸（Δ）に対して直角を成す垂直軸（２６）を中心としたいずれかの進行方向における回転軌道を表す、請求項１に記載の方法。
8. 前記垂直軸は前記無人機のヨー軸であり、前記設定点値は０のピッチ角設定点及びロール角設定点を含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記生成された設定点値は、前記垂直軸を中心とした連続回転を特に生成し、角度サーボ制御閉ループ内に構成される前記処理サブシステムに適用される一定のヨー設定点を含み、前記ピッチ角設定点及び前記ロール角設定点は、水平速度サーボ制御閉ループが停止された前記処理サブシステムに適用される、請求項８に記載の方法。
10. 前記垂直軸は前記カメラの入力開口部を通過する垂直軸であり、前記設定点値は、水平面内に延在し、前記カメラの該入力開口部を中心にした円形軌道に沿った動きを特に生成するためのピッチ角設定点及びロール角設定点を含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記生成された設定点値は、各撮影後に増分される機首方位基準値によって規定される角度的にオフセットされた固定点間の、前記垂直軸を中心とした一連の段階的な回転を特に生成し、角度サーボ制御閉ループ内に構成された前記処理サブシステムに適用されるヨー設定点を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記撮影モードはブーム面モードであり、
    前記１組のパラメーターは、水平面と或る角度を成す方向に沿った、いずれかの進行方向における一定の速度での並進軌道を表す、請求項１に記載の方法。
13. 前記設定点値は、
    並進段階中に、前記無人機が前記変位速度に達することができるように、及び前記無人機のピッチ角及びロール角に対する角度設定点を生成することによって前記変位方向に追従できるようにするのに適している、速度サーボ制御閉ループ内に構成される前記処理サブシステムに適用され、
    前記変位速度及び前記変位方向に達すると、前記サーボ制御閉ループを停止して、速度制御開ループ内に構成される前記処理サブシステムに適用される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ユーザーによって、前記１組のパラメーターから生成された前記設定点値に重ね合わせられる軌道補正コマンドが適用されることを更に含む、請求項１に記載の方法。

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