Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP6758271B2 - Flight controls, methods, and programs - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP6758271B2 - Flight controls, methods, and programs - Google Patents

Flight controls, methods, and programs Download PDF

Info

Publication number
JP6758271B2
JP6758271B2 JP2017184716A JP2017184716A JP6758271B2 JP 6758271 B2 JP6758271 B2 JP 6758271B2 JP 2017184716 A JP2017184716 A JP 2017184716A JP 2017184716 A JP2017184716 A JP 2017184716A JP 6758271 B2 JP6758271 B2 JP 6758271B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
uav
markers
dimensional coordinates
calculated
axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017184716A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2019059314A (en
Inventor
宮川 勲
勲 宮川
杵渕 哲也
哲也 杵渕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Inc
NTT Inc USA
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
NTT Inc USA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp, NTT Inc USA filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2017184716A priority Critical patent/JP6758271B2/en
Publication of JP2019059314A publication Critical patent/JP2019059314A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6758271B2 publication Critical patent/JP6758271B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Description

本発明は、飛行制御装置、方法、及びプログラムに係り、特に、無人飛行機を制御する飛行制御装置、方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to flight control devices, methods and programs, and in particular to flight control devices, methods and programs for controlling unmanned aerial vehicles.

クアッドロータ型UAV(Unmanned Aerial Vehicle)は4つのプロペラを持ち、それぞれのプロペラに与える揚力を制御することにより飛行操縦する無人飛行機である。ドローンと呼ばれる無人飛行機の多くは、クアッドロータ型UAVの一種である。以降で扱う無人飛行機をUAVと略称する。 A quad-rotor type UAV (Unmanned Aerial Vehicle) is an unmanned aerial vehicle that has four propellers and controls the lift applied to each propeller. Many unmanned aerial vehicles called drones are a type of quad-rotor type UAV. The unmanned aerial vehicle handled below is abbreviated as UAV.

一般的に、UAVの姿勢を計測するために、図14に示すように機体にローカル座標系が設定される。UAVの前進方向をX軸、X軸と垂直な方向をY軸、重力とは逆方向をZ軸とする。 Generally, in order to measure the attitude of the UAV, a local coordinate system is set on the aircraft as shown in FIG. The forward direction of the UAV is the X-axis, the direction perpendicular to the X-axis is the Y-axis, and the direction opposite to gravity is the Z-axis.

また、UAVの三次元位置を計測するため、図15に示すように、ある基準となるグローバル座標系を設定する。GPSでは世界座標系とした三次元座標となり、モーションキャプチャシステムではその計測座標系がグローバル座標系となる。UAVの重心すなわちUAVの位置(ローカル座標系の原点)はグローバル座標系の点P=(X,Y,Z)として表現する。また、UAVの姿勢はグローバル座標系に対するローカル座標系の回転角で表現し、X軸周りの回転はロール回転(回転角φ)、Y軸周りの回転はピッチ回転(回転角ω)、Z軸周りの回転はヨー回転(回転角θ)と呼ばれる。UAVの飛行運動は、4つのプロペラに与える揚力を変化させることにより、X軸周りの回転、Y軸周りの回転、Z軸周りの回転を発生させる。Y軸周りの回転はX軸方向の並進運動を生み出し、X軸周りの回転はY軸方向の並進運動を生み出す。Z軸周りの回転は方位の回転を生み出し、同じ揚力が同時に4つのプロペラに与えられたとき、その強弱によってZ軸方向の並進運動(高度の昇降)を生み出す。 Further, in order to measure the three-dimensional position of the UAV, as shown in FIG. 15, a certain reference global coordinate system is set. In GPS, the three-dimensional coordinates are used as the world coordinate system, and in the motion capture system, the measured coordinate system is the global coordinate system. The center of gravity of the UAV, that is, the position of the UAV (origin of the local coordinate system) is expressed as a point P = (X, Y, Z) in the global coordinate system. The posture of UAV is expressed by the rotation angle of the local coordinate system with respect to the global coordinate system. The rotation around the X axis is the roll rotation (rotation angle φ), the rotation around the Y axis is the pitch rotation (rotation angle ω), and the Z axis. The rotation around is called yaw rotation (rotation angle θ). The UAV's flight motion causes rotation around the X-axis, rotation around the Y-axis, and rotation around the Z-axis by changing the lift applied to the four propellers. Rotation around the Y-axis produces translational motion in the X-axis direction, and rotation around the X-axis produces translational motion in the Y-axis direction. Rotation around the Z-axis produces azimuth rotation, and when the same lift is applied to the four propellers at the same time, its strength produces translational motion (elevation of altitude) in the Z-axis direction.

グローバル座標系において所定の座標値(X,Y,Z)と方位θが与えられたとき、UAVの現在位置P=(X,Y,Z)と現在方位φから、その所定の座標値の位置へ飛行して所定方位に機体を向けるためには、UAVの姿勢と高度を制御する必要がある。非特許文献1には、UAVの運動方程式と角運動方程式に基づいたバックステッピング制御が公開されている。非特許文献2では、AR Drone 2.0(市販の低価格なUAV)に関する飛行運動制御法が公開されている。従来技術の多くは、グローバル座標系における飛行の軌跡として離散的な所定位置と所定方位が与えられ、UAVが各点と各方位を追跡するようにその運動が制御される。 Given the predetermined coordinate values (X d , Y d , Z d ) and azimuth θ d in the global coordinate system, the predetermined position P = (X, Y, Z) of the UAV and the current azimuth φ In order to fly to the position of the coordinate values and aim the aircraft in a predetermined direction, it is necessary to control the attitude and altitude of the UAV. Non-Patent Document 1 discloses backstepping control based on the UAV equation of motion and the angular equation of motion. Non-Patent Document 2 discloses a flight motion control method for AR Drone 2.0 (commercially available low-priced UAV). In many prior arts, discrete predetermined positions and bearings are given as flight trajectories in the global coordinate system, and their motion is controlled so that the UAV tracks each point and bearing.

一方、UAVには空間中を自由自在に飛行する能力があるため、人の代わりとなるロボットとして活躍することができる。非特許文献3では、UAVは人と協調作業するための道具として使われており、非特許文献4には、複数のUAVを使って空間中に網を張り、人とUAVがボールをやり取りする動作として複数のUAVの運動を制御する方法が公開されている。 On the other hand, since UAVs have the ability to fly freely in space, they can play an active role as robots that can replace humans. In Non-Patent Document 3, the UAV is used as a tool for collaborative work with humans, and in Non-Patent Document 4, a plurality of UAVs are used to form a net in the space, and the human and the UAV exchange balls. A method of controlling the movement of a plurality of UAVs as an operation has been published.

T. Madani and A. Benallegue: "Backstepping Control for a Quadrotor Helicopter", IEEE Conference on Intelligent Robots and Systems, 2006.T. Madani and A. Benallegue: "Backstepping Control for a Quadrotor Helicopter", IEEE Conference on Intelligent Robots and Systems, 2006. L. V. Santana, A. S. Brandao, M. S-Filho, and R. Carelli: "A Trajectory Tracking and 3D Positioning Controller for the AR.Drone Quadrotor", International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS) May 27-30, 2014.L. V. Santana, A. S. Brandao, M. S-Filho, and R. Carelli: "A Trajectory Tracking and 3D Positioning Controller for the AR. Drone Quadrotor", International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS) May 27-30, 2014. W. S. Ng and E. Sharlin: "Collocated Interaction with Flying Robots", IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication, 2011.W. S. Ng and E. Sharlin: "Collocated Interaction with Flying Robots", IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication, 2011. R. Ritz, M. W. Muller, M. Hehn, and R. D'Andrea: "Cooperative Quadrocopter Ball Throwing and Catching", IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2012.R. Ritz, M. W. Muller, M. Hehn, and R. D'Andrea: "Cooperative Quadrocopter Ball Throwing and Catching", IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2012.

UAVの飛行を自由自在に制御する課題は、大まかに3つに大別でき、ホバリング(hovering)、軌跡追跡(trajectory tracking)、パスフォロー(path following)と呼ばれる。ホバリングは、与えられた位置と方位に留まるよう飛行を維持する。軌跡追跡では、与えられた経路(空間中の離散的な三次元位置と方位)に沿ってリアルタイムに追跡するよう制御する。これに対して、パスフォローは、リアルタイム性は問わないが、与えられた空間中の三次元位置と方位において、何らかの空間中の拘束条件を与えて飛行を制御する。非特許文献1と非特許文献2によれば、軌跡追跡の課題に対して、所定の経路に従って飛行するように、UAVの飛行運動を適切に制御することができる。しかしながら、これらの技術は所定の経路に沿ってUAVが飛行するように制御することが目的であるため、障害物、人あるいは他のUAVとの衝突を回避することは容易ではない。 The tasks of freely controlling the flight of a UAV can be roughly divided into three types, which are called hovering, trajectory tracking, and path following. Hovering maintains flight to stay in a given position and bearing. Trajectory tracking controls to track in real time along a given path (discrete three-dimensional position and bearing in space). On the other hand, the path follow controls the flight by giving some kind of constraint condition in the space at the three-dimensional position and the azimuth in the given space, regardless of the real-time property. According to Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, the flight motion of the UAV can be appropriately controlled so as to fly according to a predetermined route for the task of trajectory tracking. However, since these techniques aim to control the UAV to fly along a predetermined path, it is not easy to avoid collisions with obstacles, people or other UAVs.

これに対して、パスフォローは障害物あるいは人との衝突を避けるため、特定の場所を飛行しないように空間中に拘束条件を設定することができる。また、飛行運動中のトラブルを回避するため、UAVには多様なセンサやカメラが取り付けられている場合がある。例えば、超音波センサは地面あるいは床からの高度を計測し、ジャイロセンサと加速度センサによって機体の速度と姿勢を計測することができる。また、カメラを使えば、移動物体を検出し、空間中の飛行を安定化することに利用できる。これらの機体から計測した空間情報や画像情報を使うことも考えられるが、大半のUAVに内蔵されているセンサの精度はミリ単位での正確な精度で計測できることを保証しておらず、障害物との衝突を避けるためには、別の手段を使って機体の正確な位置と方位を計測する必要がある。 On the other hand, in order to avoid collision with obstacles or people, path follow can set restraint conditions in space so as not to fly in a specific place. Further, in order to avoid troubles during flight movement, various sensors and cameras may be attached to the UAV. For example, an ultrasonic sensor can measure altitude from the ground or floor, and a gyro sensor and an acceleration sensor can measure the speed and attitude of the aircraft. Cameras can also be used to detect moving objects and stabilize flight in space. It is possible to use spatial information and image information measured from these aircraft, but the accuracy of the sensors built into most UAVs does not guarantee that they can be measured with accurate accuracy in millimeters, and obstacles. In order to avoid collision with, it is necessary to measure the accurate position and bearing of the aircraft by another means.

本発明は、上記問題点を解決するために成されたものであり、無人飛行機を自由自在に制御できる飛行制御装置、方法、及びプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a flight control device, a method, and a program capable of freely controlling an unmanned aerial vehicle.

上記目的を達成するために、本発明に係る飛行制御装置は、UAV(Unmanned Aerial Vehicle)の飛行を制御するための参照物体に付与され、かつ、マーカ間の距離が既知の複数のマーカと、前記UAVに付与され、かつ、マーカ間の距離が既知の複数のマーカとの各々の三次元座標を計測する位置計測センサと、前記位置計測センサによって計測された前記マーカの各々の三次元座標に基づいて、グローバル座標系における基準方向に対する前記参照物体の方位角を算出する方位検出部と、前記参照物体の前記複数のマーカの各々の三次元座標と、前記算出された方位角と、予め定められた前記参照物体の前記複数のマーカの各々の三次元座標及び前記UAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標の相対位置関係とに基づいて、前記UAVの前記複数のマーカの各々の目標となる三次元座標を算出し、算出された前記目標となる三次元座標と前記UAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標との差分を算出し、前記UAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標に前記差分を加算して得られる三次元座標と、前記UAVの前記複数のマーカの各々の前記目標となる三次元座標とに基づいて回転角を算出する位置姿勢算出部と、算出された前記差分と、前記回転角とに基づいて、前記UAVにおける、X軸周りの回転角、Y軸周りの回転角、Z軸に沿った速度、及びZ軸周りの回転速度を飛行指令データとして算出し、算出した前記飛行指令データに基づいて前記UAVの運動を制御する運動制御部と、を含んで構成されている。 In order to achieve the above object, the flight control device according to the present invention is attached to a reference object for controlling the flight of a UAV (Unmanned Aerial Vehicle), and a plurality of markers whose distances between the markers are known, and a plurality of markers. The position measurement sensor that measures the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers assigned to the UAV and the distance between the markers is known, and the three-dimensional coordinates of each of the markers measured by the position measurement sensor. Based on this, the orientation detection unit that calculates the orientation angle of the reference object with respect to the reference direction in the global coordinate system, the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the reference object, and the calculated orientation angle are predetermined. Each target of the plurality of markers of the UAV is based on the relative positional relationship between the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the reference object and the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the UAV. The three-dimensional coordinates of the UAV are calculated, the difference between the calculated three-dimensional coordinates of the target and the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the UAV is calculated, and each of the plurality of markers of the UAV is calculated. A position / orientation calculation unit that calculates a rotation angle based on the three-dimensional coordinates obtained by adding the difference to the three-dimensional coordinates and the target three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the UAV. Based on the difference and the rotation angle, the flight command data of the rotation angle around the X axis, the rotation angle around the Y axis, the speed along the Z axis, and the rotation speed around the Z axis in the UAV. It is configured to include a motion control unit that controls the motion of the UAV based on the calculated flight command data.

また、本発明に係る飛行制御方法は、位置計測センサが、UAV(Unmanned Aerial Vehicle)の飛行を制御するための参照物体に付与され、かつ、マーカ間の距離が既知の複数のマーカと、前記UAVに付与され、かつ、マーカ間の距離が既知の複数のマーカとの各々の三次元座標を計測するステップと、方位検出部が、前記位置計測センサによって計測された前記マーカの各々の三次元座標に基づいて、グローバル座標系における基準方向に対する前記参照物体の方位角を算出するステップと、位置姿勢算出部が、前記参照物体の前記複数のマーカの各々の三次元座標と、前記算出された方位角と、予め定められた前記参照物体の前記複数のマーカの各々の三次元座標及び前記UAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標の相対位置関係とに基づいて、前記UAVの前記複数のマーカの各々の目標となる三次元座標を算出し、算出された前記目標となる三次元座標と前記UAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標との差分を算出し、前記UAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標に前記差分を加算して得られる三次元座標と、前記UAVの前記複数のマーカの各々の前記目標となる三次元座標とに基づいて回転角を算出するステップと、運動制御部が、算出された前記差分と、前記回転角とに基づいて、前記UAVにおける、X軸周りの回転角、Y軸周りの回転角、Z軸に沿った速度、及びZ軸周りの回転速度を飛行指令データとして算出し、算出した前記飛行指令データに基づいて前記UAVの運動を制御するステップと、を含んで実行することを特徴とする。 Further, in the flight control method according to the present invention, a position measurement sensor is attached to a reference object for controlling the flight of a UAV (Unmanned Aerial Vehicle), and a plurality of markers whose distances between the markers are known, and the above. The step of measuring the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers assigned to the UAV and the distance between the markers is known, and the orientation detection unit is the three-dimensional of each of the markers measured by the position measurement sensor. The step of calculating the azimuth angle of the reference object with respect to the reference direction in the global coordinate system based on the coordinates, and the position / orientation calculation unit calculated the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the reference object. The plurality of UAVs based on the azimuth angle and the relative positional relationship between the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the reference object and the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the UAV. The target three-dimensional coordinates of each of the markers of the above are calculated, and the difference between the calculated three-dimensional coordinates of the target and the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the UAV is calculated. A step of calculating the rotation angle based on the three-dimensional coordinates obtained by adding the difference to the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers and the target three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the UAV. Based on the calculated difference and the rotation angle, the motion control unit determines the rotation angle around the X axis, the rotation angle around the Y axis, the speed along the Z axis, and the Z axis in the UAV. It is characterized in that the rotation speed around the object is calculated as flight command data, and the step of controlling the movement of the UAV based on the calculated flight command data is included and executed.

本発明に係るプログラムは、コンピュータを、本発明に係る飛行制御装置の各部として機能させるためのプログラムである。 The program according to the present invention is a program for causing a computer to function as each part of the flight control device according to the present invention.

本発明の飛行制御装置、方法、及びプログラムによれば、参照物体の方位角を算出し、参照物体の三次元座標と、算出された方位角と、参照物体及びUAVのマーカの三次元座標の相対位置関係とに基づいて、目標となる三次元座標とUAVの三次元座標との差分を算出し、UAVの三次元座標に差分を加算して得られる三次元座標と、UAVの目標となる三次元座標とに基づいて回転角を算出し、算出された差分と、回転角とに基づいて、UAVにおける、X軸周りの回転角、Y軸周りの回転角、Z軸に沿った速度、及びZ軸周りの回転速度を飛行指令データとして算出し、算出した飛行指令データに基づいてUAVの運動を制御することにより、無人飛行機を自由自在に制御できる、という効果が得られる。 According to the flight control device, method, and program of the present invention, the azimuth angle of the reference object is calculated, and the three-dimensional coordinates of the reference object, the calculated azimuth angle, and the three-dimensional coordinates of the reference object and the UAV marker. Based on the relative positional relationship, the difference between the target 3D coordinate and the UAV 3D coordinate is calculated, and the 3D coordinate obtained by adding the difference to the UAV 3D coordinate and the UAV target are obtained. The rotation angle is calculated based on the three-dimensional coordinates, and based on the calculated difference and the rotation angle, the rotation angle around the X axis, the rotation angle around the Y axis, and the speed along the Z axis in UAV, And by calculating the rotation speed around the Z axis as flight command data and controlling the movement of the UAV based on the calculated flight command data, it is possible to freely control the unmanned airplane.

本発明の実施の形態に係る飛行制御装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the flight control apparatus which concerns on embodiment of this invention. 参照物体を使ってUAVの飛行を制御する状況の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the situation which controls the flight of a UAV using a reference object. 本発明の実施の形態に係る飛行制御装置における飛行制御処理ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flight control processing routine in the flight control apparatus which concerns on embodiment of this invention. 飛行制御装置における方向検出部の処理のフローチャートである。It is a flowchart of the process of the direction detection part in a flight control device. グローバル座標系において計測された4点の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of 4 points measured in a global coordinate system. グローバル座標系において点Aを原点に平行移動した空間中の各点の配置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the arrangement of each point in the space which moved the point A parallel to the origin in a global coordinate system. 飛行制御装置における位置姿勢算出部の処理のフローチャートである。It is a flowchart of the process of the position and attitude calculation part in a flight control device. 点Aと点Bと正方形を形成する点Cと点Dの空間配置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the spatial arrangement of a point C t and a point D t which form a square with a point A s and a point B s . 中点Gを中点Gへ平行移動した空間配置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the spatial arrangement which moved the midpoint G s parallel to the midpoint G t . 飛行制御装置における運動制御部の処理のフローチャートである。It is a flowchart of the process of the motion control unit in a flight control device. グローバル座標系において計測された4点の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of 4 points measured in a global coordinate system. 点Aと点Bと等脚台形を形成する点Cと点Dの空間配置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the spatial arrangement of the point C t and the point D t which form an isosceles trapezoid with the point A s and the point B s . 複数のUAVの空間配置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the spatial arrangement of a plurality of UAVs. UAVの概観とUAV固定のローカル座標系の一例を示す図である。It is a figure which shows the overview of the UAV and an example of the local coordinate system fixed to the UAV. グローバル座標系とUAV固定のローカル座標系の関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship between the global coordinate system and the local coordinate system fixed to UAV.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明の実施の形態に係る手法は、ユーザが参照物体を移動させることによってUAVの飛行を自由自在に操作し、かつ、対象とする物体との衝突を回避する、という課題を解決しようとするものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The method according to the embodiment of the present invention is to solve the problem that the user can freely operate the flight of the UAV by moving the reference object and avoid the collision with the target object. It is a thing.

<本発明の第1の実施形態に係る飛行制御装置の構成> <Structure of Flight Control Device According to First Embodiment of the Present Invention>

本発明の第1の実施形態に係るクアッドロータ型UAVの飛行制御装置の構成について説明する。本実施形態は1台のUAVの飛行を参照物体で操縦する形態である。図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る飛行制御装置100は、CPUと、RAMと、後述する飛行制御処理ルーチンを実行するためのプログラムや各種データを記憶したROMと、を含むコンピュータで構成することが出来る。この飛行制御装置100は、機能的には図1に示すように位置計測センサ10と、演算部20と、通信部50とを備えている。この構成において、位置計測センサ10は必ずしも構成要素として接続している必要はなく、処理に必要なデータを取得すればよく、演算部20における方位検出部30、位置姿勢算出部32、及び運動制御部34からそれぞれの矢印へのデータの流れは、ハードディスク、RAID装置、CD−ROMなどの記録媒体を利用する、または、ネットワークを介してリモートなデータ資源を利用する形態でもどちらでも構わない。 The configuration of the flight control device of the quad rotor type UAV according to the first embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a mode in which the flight of one UAV is steered by a reference object. As shown in FIG. 1, the flight control device 100 according to the first embodiment of the present invention includes a CPU, a RAM, a ROM that stores a program for executing a flight control processing routine described later, and various data. It can be configured with a computer that includes. The flight control device 100 functionally includes a position measurement sensor 10, a calculation unit 20, and a communication unit 50 as shown in FIG. In this configuration, the position measurement sensor 10 does not necessarily have to be connected as a component, and data necessary for processing may be acquired, and the orientation detection unit 30, the position / orientation calculation unit 32, and the motion control in the calculation unit 20 The flow of data from the unit 34 to each arrow may be in the form of using a recording medium such as a hard disk, a RAID device, or a CD-ROM, or using a remote data resource via a network.

位置計測センサ10は、UAV14の飛行を制御するための参照物体12に付与され、かつ、マーカ間の距離が既知の複数のマーカ(点A、及び点Bとする)と、UAV14に付与され、かつ、マーカ間の距離が既知の複数のマーカ(点C、及び点Dとする)との各々の三次元座標を計測データとして計測する。本実施形態では、図2に示す状況において、参照物体12を使ってUAV14の飛行を制御する。参照物体12は、障害物との衝突を回避できる移動が可能な物体であればよく、本実施形態では持ち運び可能なT字棒を例に説明する。一般的に、モーションキャプチャ装置は、所定のマーカの三次元座標をリアルタイムで高精度に計測することが知られている。本実施形態では、位置計測センサ10の例として、モーションキャプチャ装置を利用する。図2に示すように、参照物体12には点Aと点Bの位置にマーカが取り付けられており、UAV14には点Cと点Dの位置にマーカが取り付けられている。位置計測センサ10はグローバル座標系において三次元座標を計測するようにセットアップされており、各マーカはその座標系の三次元座標としてある一定間隔で逐次計測される。なお、本実施形態では、点Aと点B間の距離はLであり、点Cと点D間の距離はLとする。 The position measurement sensor 10 is attached to the reference object 12 for controlling the flight of the UAV 14, and a plurality of markers (referred to as points A and B) having known distances between the markers, and the position measurement sensor 10 is attached to the UAV 14. In addition, the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers (points C and D) whose distances between the markers are known are measured as measurement data. In the present embodiment, the flight of the UAV 14 is controlled by using the reference object 12 in the situation shown in FIG. The reference object 12 may be any movable object that can avoid collision with an obstacle, and in the present embodiment, a portable T-shaped rod will be described as an example. In general, it is known that a motion capture device measures three-dimensional coordinates of a predetermined marker with high accuracy in real time. In this embodiment, a motion capture device is used as an example of the position measurement sensor 10. As shown in FIG. 2, the reference object 12 has markers attached at the positions of points A and B, and the UAV 14 has markers attached at the positions of points C and D. The position measurement sensor 10 is set up to measure three-dimensional coordinates in the global coordinate system, and each marker is sequentially measured at regular intervals as the three-dimensional coordinates of the coordinate system. In the present embodiment, the distance between the points A and B is L, and the distance between the points C and D is L.

本実施形態は、参照物体12の点Aと点Bの三次元位置に応じて、点A、点B、点C、及び点Dが正方形を形成する相対位置関係となるようにUAV14の飛行運動を制御するものであるが、長方形などの他の幾何形状にも同様に応用することができる。なお、本実施形態では、マーカの数は2つとしたが、これに限定されるものではなく、3つ以上として、物体間の相対的な位置関係を求めるようにしてもよい。 In the present embodiment, the flight motion of the UAV 14 is such that the points A, B, C, and D have a relative positional relationship forming a square according to the three-dimensional positions of the points A and B of the reference object 12. However, it can be applied to other geometric shapes such as rectangles as well. In the present embodiment, the number of markers is two, but the number is not limited to this, and the relative positional relationship between the objects may be obtained by setting the number to three or more.

演算部20は、位置計測センサ10で計測した三次元座標から方位を算出する方位検出部30と、グローバル座標系におけるUAV14の位置及び姿勢を算出する位置姿勢算出部32と、位置と姿勢を用いて、所定の位置と方位を満たすようにUAV14の飛行を制御するための飛行指令データを算出する運動制御部34と、UAV14に飛行指令データを送信する通信部50とを含んで構成される。なお、方位検出部30、位置姿勢算出部32、及び運動制御部34の具体的な処理内容は後述の作用の説明において説明する。 The calculation unit 20 uses the orientation detection unit 30 that calculates the orientation from the three-dimensional coordinates measured by the position measurement sensor 10, the position / orientation calculation unit 32 that calculates the position and orientation of the UAV 14 in the global coordinate system, and the position and orientation. A motion control unit 34 that calculates flight command data for controlling the flight of the UAV 14 so as to satisfy a predetermined position and attitude, and a communication unit 50 that transmits the flight command data to the UAV 14 are included. The specific processing contents of the orientation detection unit 30, the position / orientation calculation unit 32, and the motion control unit 34 will be described later in the description of the operation.

方位検出部30は、位置計測センサ10によって計測されたマーカの各々の三次元座標に基づいて、グローバル座標系における基準方向に対する参照物体12の方位角Φを算出する。 The azimuth detection unit 30 calculates the azimuth angle Φ of the reference object 12 with respect to the reference direction in the global coordinate system based on the three-dimensional coordinates of each of the markers measured by the position measurement sensor 10.

位置姿勢算出部32は、参照物体12のマーカの貼付位置である点A、及び点Bの三次元座標と、算出された方位角Φと、予め定められた参照物体12のマーカ点A、及び点Bの三次元座標及びUAV14のマーカ点C、及び点Dの三次元座標の相対位置関係(例えば、正方形を形成する相対位置関係)とに基づいて、UAV14のマーカ点C、及び点Dの目標となる三次元座標を算出し、算出された目標となる三次元座標とUAV14のマーカ点C、及び点Dの三次元座標との差分Tを算出する。また、位置姿勢算出部32は、UAV14のマーカ点C、及び点Dの三次元座標に差分を加算して得られる三次元座標と、UAV14のマーカ点C、及び点Dの目標となる三次元座標とに基づいて回転角θを算出する。 The position / orientation calculation unit 32 includes the three-dimensional coordinates of the points A and B, which are the positions where the markers of the reference object 12 are attached, the calculated azimuth angle Φ, the marker points A of the reference object 12, and the predetermined marker points A. Based on the relative positional relationship between the three-dimensional coordinates of point B, the marker point C of UAV14, and the three-dimensional coordinates of point D (for example, the relative positional relationship forming a square), the marker points C and D of UAV14 The target three-dimensional coordinates are calculated, and the difference T between the calculated target three-dimensional coordinates and the marker point C of the UAV 14 and the three-dimensional coordinates of the point D is calculated. Further, the position / orientation calculation unit 32 has three-dimensional coordinates obtained by adding a difference to the three-dimensional coordinates of the marker points C and D of the UAV 14, and three-dimensional targets of the marker points C and D of the UAV 14. The rotation angle θ is calculated based on the coordinates.

運動制御部34は、算出された差分Tと、回転角θとに基づいて、UAV14における、X軸周りの回転角φ、Y軸周りの回転角ω、Z軸に沿った速度V、及びZ軸周りの回転速度Vθを飛行指令データとして算出し、算出した飛行指令データを通信部50を介してUAV14に送信することで、飛行指令データに基づいてUAV14の運動を制御する。 Based on the calculated difference T and the rotation angle θ, the motion control unit 34 has a rotation angle φ around the X axis, a rotation angle ω around the Y axis, a speed V z along the Z axis, and a rotation angle V z in the UAV 14. The rotation speed V θ around the Z axis is calculated as flight command data, and the calculated flight command data is transmitted to the UAV 14 via the communication unit 50 to control the motion of the UAV 14 based on the flight command data.

<本発明の第1の実施の形態に係る飛行制御装置の作用> <Operation of the flight control device according to the first embodiment of the present invention>

次に、本発明の第1の実施の形態に係る飛行制御装置100の作用について説明する。位置計測センサ10によりUAV14の飛行を制御するための参照物体12に付与され、かつ、マーカ間の距離が既知のマーカ点A、及び点Bと、UAV14に付与され、かつ、マーカ間の距離が既知のマーカ点C、及び点Dとの各々の三次元座標の計測を開始し、操作者が参照物体12を持ってUAV14の制御を開始すると、飛行制御装置100は、図3に示す飛行制御処理ルーチンを実行する。 Next, the operation of the flight control device 100 according to the first embodiment of the present invention will be described. Marker points A and B, which are assigned to the reference object 12 for controlling the flight of the UAV 14 by the position measurement sensor 10 and whose distances between the markers are known, and points B, which are assigned to the UAV 14, and the distances between the markers are When the measurement of the three-dimensional coordinates of the known marker points C and D is started and the operator starts controlling the UAV 14 with the reference object 12, the flight control device 100 starts the flight control shown in FIG. Execute the processing routine.

まず、ステップS100では、方位検出部30が、位置計測センサ10によって計測されたマーカの各々の三次元座標に基づいて、グローバル座標系における基準方向に対する参照物体12の方位角Φを算出する。 First, in step S100, the azimuth detection unit 30 calculates the azimuth angle Φ of the reference object 12 with respect to the reference direction in the global coordinate system based on the three-dimensional coordinates of each of the markers measured by the position measurement sensor 10.

次に、ステップS102では、位置姿勢算出部32が、参照物体12のマーカの点A、及び点Bの三次元座標と、算出された方位角Φと、予め定められた参照物体12のマーカの点A、及び点Bの三次元座標及びUAV14のマーカ点C、及び点Dの三次元座標の相対位置関係とに基づいて、UAV14のマーカ点C、及び点Dの目標となる三次元座標を算出し、算出された目標となる三次元座標とUAV14のマーカ点C、及び点Dの三次元座標との差分Tを算出する。また、UAV14のマーカ点C、及び点Dの三次元座標に差分を加算して得られる三次元座標と、UAV14のマーカ点C、及び点Dの目標となる三次元座標とに基づいて回転角θを算出する。 Next, in step S102, the position / orientation calculation unit 32 determines the three-dimensional coordinates of the markers A and B of the reference object 12, the calculated azimuth angle Φ, and the markers of the reference object 12 predetermined. Based on the relative positional relationship between the three-dimensional coordinates of points A and B, the marker point C of UAV14, and the three-dimensional coordinates of point D, the target three-dimensional coordinates of marker points C and D of UAV14 are set. The difference T between the calculated target three-dimensional coordinates and the three-dimensional coordinates of the marker points C and D of the UAV 14 is calculated. Further, the rotation angle is based on the three-dimensional coordinates obtained by adding the difference to the three-dimensional coordinates of the marker points C and D of the UAV14 and the three-dimensional coordinates of the marker points C and D of the UAV14. Calculate θ.

ステップS104では、運動制御部34が、算出された差分Tと、回転角θとに基づいて、UAV14における、X軸周りの回転角φ、Y軸周りの回転角ω、Z軸に沿った速度V、及びZ軸周りの回転速度Vθを飛行指令データとして算出し、算出した飛行指令データをUAV14に送信して、飛行指令データに基づいてUAV14の運動を制御する。ここで、後述する予め定められた条件を満たすまで、ステップS102における差分T及び回転角θの算出、及びステップS104における飛行指令データに基づくUAV14の運動の制御を繰り返す。これにより、操作者が参照物体12を持って移動することにより、UAV14の運動が制御される。 In step S104, the motion control unit 34 determines the rotation speed φ around the X axis, the rotation angle ω around the Y axis, and the speed along the Z axis in the UAV 14 based on the calculated difference T and the rotation angle θ. V z and the rotation speed V θ around the Z axis are calculated as flight command data, the calculated flight command data is transmitted to the UAV 14, and the movement of the UAV 14 is controlled based on the flight command data. Here, the calculation of the difference T and the rotation angle θ in step S102 and the control of the movement of the UAV 14 based on the flight command data in step S104 are repeated until the predetermined conditions described later are satisfied. As a result, the movement of the UAV 14 is controlled by the operator moving with the reference object 12.

ステップS100の方位検出部30の処理の詳細について説明する。 The details of the processing of the azimuth detection unit 30 in step S100 will be described.

図4は方位検出部30の処理のフロー図である。方位検出部30は処理を開始すると、ステップS1000で、位置計測センサ10で取得された参照物体12の点A、及び点Bの三次元座標値と、UAV14の点C、及び点Dの三次元座標値とを取得する。点Aの三次元座標値をA=(X,Y,Z)、点Bの三次元座標値をB=(X,Y,Z)、点Cの三次元座標値をC=(X,Y,Z)、点Dの三次元座標値をD=(X,Y,Z)とする。説明の簡単のため、本実施形態では、4点の高さは同じものとして、Z軸の座標値をZとする。各点の高さが異なる場合については、第2実施形態で説明する。グローバル座標系のX面において、計測された4点を図5に示す。図5では、点Aと点C間の距離はL(≠L)、点Bと点D間の距離はL(≠L)とする。 FIG. 4 is a flow chart of processing of the orientation detection unit 30. When the azimuth detection unit 30 starts the process, in step S1000, the three-dimensional coordinate values of the points A and B of the reference object 12 acquired by the position measurement sensor 10 and the three dimensions of the points C and D of the UAV 14 Get the coordinate values. The three-dimensional coordinate values A = the point A (X a, Y a, Z h), = three-dimensional coordinates of the point B B (X b, Y b , Z h), the 3D coordinates of the point C Let C = (X c , Y c , Z h ) and the three-dimensional coordinate values of the point D be D = (X d , Y d , Z h ). For the sake of simplicity, in this embodiment, the heights of the four points are the same, and the coordinate values on the Z w axis are Z h . The case where the heights of the points are different will be described in the second embodiment. In X w Y w plane in the global coordinate system, showing the four points are measured in FIG. In Figure 5, the distance between point A and point C L a (≠ L), the distance between the points B and D is the L b (≠ L).

ステップS1002では、重心位置の移動が必要かを判定し、必要な場合にはステップS1004へ移行し、必要ない場合にはステップS1008へ移行する。 In step S1002, it is determined whether or not the movement of the center of gravity position is necessary, and if necessary, the process proceeds to step S1004, and if not necessary, the process proceeds to step S1008.

ステップS1004では、座標値を平行移動変換する。方位検出部30での座標値の平行移動変換では、点Aを原点に平行移動させる。平行移動先の三次元座標値として、以下(1)〜(3)式により、点A以外の全ての座標から点Aの三次元座標値A=(X,Y,Z)を差し引いて、B、C、及びDを算出する。 In step S1004, the coordinate values are translated by translation. In the translation of the coordinate values by the orientation detection unit 30, the point A is translated to the origin. As a three-dimensional coordinate values of translation destination, following (1) subtracting to (3), three-dimensional coordinate values A = the point A from all the coordinates other than the point A (X a, Y a, Z h) the Then, B s , C s , and D s are calculated.


・・・(1)

・・・(2)

・・・(3)

... (1)

... (2)

... (3)

点Aを原点に平行移動した空間中の各点の配置を図6に示す。 FIG. 6 shows the arrangement of each point in the space in which the point A is translated in parallel with the origin.

次に、ステップS1006では、参照物体12の点Aと点Bの方位角を算出するため、点Bbsから、以下(4)式の計算により、方位角Φを算出する。 Next, in step S1006, in order to calculate the azimuth angles of the points A and B of the reference object 12, the azimuth angle Φ is calculated from the points B bs by the calculation of the following equation (4).


・・・(4)

... (4)

ステップS1008では、方向検出の処理を停止するかを判定し、処理を停止する場合には方位検出部30の処理を終了し、終了しない場合にはステップS1000に戻って処理を繰り返す。なお、処理を停止する場合とは、ここでは操作者がUAV14の飛行制御を終了する場合とする。 In step S1008, it is determined whether to stop the direction detection process. If the process is stopped, the process of the direction detection unit 30 is ended. If not, the process returns to step S1000 and the process is repeated. The case where the processing is stopped is a case where the operator ends the flight control of the UAV 14.

方位検出部30では、以上の処理により、参照物体12の点Aと点Bの三次元位置に応じて、方位角Φを算出する。 The azimuth detection unit 30 calculates the azimuth angle Φ according to the three-dimensional positions of the points A and B of the reference object 12 by the above processing.

次に、ステップS102の位置姿勢算出部32の処理の詳細について説明する。 Next, the details of the processing of the position / orientation calculation unit 32 in step S102 will be described.

図7は位置姿勢算出部32の処理のフロー図である。ステップS1100では、参照物体12の点Aと点Bの三次元位置に応じて点A、点B、点C、及び点Dが正方形を形成するように、点Cと点Dの目標となる三次元座標である目標座標を算出する。目標座標とは、点Aと点Bを正方形の頂点とした場合の残り2点の頂点座標を指す。方位検出部30にて、点Aは原点Oに、点Bは点Bへ平行移動されているという前提で、点Aと点Bの三次元位置に応じた方位角Φが算出された後、点C、点Dに対応する目標座標を算出する。図8に、点C、点Dに対応する目標座標の点Cと点Dを示す。目標座標の点Cと点Dは、以下(5)式、及び(6)式により算出する。 FIG. 7 is a flow chart of processing of the position / posture calculation unit 32. In step S1100, the target tertiary of the points C and D is such that the points A, B, C, and D form a square according to the three-dimensional positions of the points A and B of the reference object 12. Calculate the target coordinates, which are the original coordinates. The target coordinates refer to the coordinates of the remaining two vertices when the points A and B are the vertices of the square. After the azimuth detection unit 30, the azimuth angle Φ corresponding to the three-dimensional position of the points A and B is calculated on the assumption that the point A is translated to the origin O and the point B is translated to the point B s . , Point C, and the target coordinates corresponding to the point D are calculated. FIG. 8 shows the points C t and D t of the target coordinates corresponding to the points C and D. The points C t and D t of the target coordinates are calculated by the following equations (5) and (6).


・・・(5)

・・・(6)

... (5)

... (6)

次に、ステップS1102では、平行移動した点Cと点Dとの中点の座標G、及び目標座標における点Cと点Dとの中点の座標Gを算出する。先に平行移動した点Cと点Dから以下(7)式により中点の座標Gを算出する。 Next, in step S1102, calculates coordinates G s, and the coordinates G t of the midpoint between the point C t and the point D t in the target coordinates of the midpoint of the C s and the point D s point translated. From the points C s and D s that were translated earlier, the coordinates G s of the midpoint are calculated by the following equation (7).


・・・(7)

... (7)

同様に、目標座標の点Cと点Dからも、以下(8)式により中点の座標Gを算出する。 Similarly, from the points C t and D t of the target coordinates, the coordinates G t of the midpoint are calculated by the following equation (8).


・・・(8)

... (8)

次に、ステップS1104では、位置計測センサ10で得た現在のUAV14の位置と目標座標間の距離の差分Tを算出する。差分Tは、中点の座標GとG間のずれから以下(9)式の計算により検出する。 Next, in step S1104, the difference T between the current position of the UAV 14 obtained by the position measurement sensor 10 and the distance between the target coordinates is calculated. The difference T is detected from the deviation between the coordinates G s and G t of the midpoint by the calculation of the following equation (9).


・・・(9)

... (9)

差分Tの大きさは、以下(10)式で得られる。 The magnitude of the difference T can be obtained by the following equation (10).


・・・(10)

... (10)

ステップS1106では、ΔTの値が許容範囲(例えば、10センチメール)を超えているかを判定する。許容範囲を超えていない場合には、UAV14の現在位置が所定位置であると判断してステップS1110へ移行する。許容範囲を超えている場合には、UAV14の現在位置が所定位置ではないと判断してステップS1108へ移行する。ステップS1108では、先に平行移動した点Cと点Dに加算して、以下(11)式、及び(12)式により目標座標の点Cと点Dを求める。 In step S1106, it is determined whether the value of ΔT exceeds the permissible range (for example, 10 cm mail). If it does not exceed the permissible range, it is determined that the current position of the UAV 14 is a predetermined position, and the process proceeds to step S1110. If it exceeds the permissible range, it is determined that the current position of the UAV 14 is not a predetermined position, and the process proceeds to step S1108. In step S1108, the points C s and D s that have been translated earlier are added, and the points C r and D r of the target coordinates are obtained by the following equations (11) and (12).


・・・(11)

・・・(12)

... (11)

... (12)

このとき、UAV14の方位が参照物体12の点Aと点Bの方位と一致していない場合、点Cと点Dは目標座標の点Cと点Dに一致していない。図9に、点Cと点Dと目標座標の点Cと点Dの配置を示す。それぞれが一致していない場合を想定して、点Cから点DへのベクトルEと、点Cから点DへのベクトルEとを以下(13)式、及び(14)式により求める。 In this case, if the orientation of UAV14 does not match the orientation of the points A and B of the reference object 12, point C r and the point D r does not match the point target coordinates C t and the point D t. FIG. 9 shows the arrangement of the points C r , D r, and the points C t and D t of the target coordinates. On the assumption that each does not match, the vector E r from the point C r to point D r, and a vector E t from the point C t to point D t or less (13), and (14) Obtained by the formula.


・・・(13)

・・・(14)

... (13)

... (14)

ステップS1110では、ベクトルの内積の関係を利用して、回転角θを以下(15)式により算出する。 In step S1110, the rotation angle θ is calculated by the following equation (15) using the relationship of the inner product of the vectors.


・・・(15)

... (15)

ただし、E・EはベクトルEとベクトルEの内積を表し、||E||と||E||はベクトルEとベクトルEのノルム(大きさ)を表す。 However, the E r · E t represents the inner product of the vector E r and the vector E t, || E t || a || E r || represents the norm of the vector E r and the vector E t (size).

位置姿勢算出部32では、以上の処理により、UAV14の位置と方位が所定位置と方位となるための平行移動ベクトルTと回転角θを算出する。 In the position and orientation calculation unit 32, the above processing, the position and orientation of UAV14 calculates the rotation angle theta r a translation vector T for a predetermined position and orientation.

次に、ステップS104の運動制御部34の処理の詳細について説明する。 Next, the details of the processing of the motion control unit 34 in step S104 will be described.

図10は運動制御部34の処理のフロー図である。運動制御部34の処理により、位置姿勢算出部32で得た平行移動ベクトルTと回転角θを使って、UAV14の飛行運動を制御する。使用するUAV14によって、UAV14への制御データは様々なデータ形式が存在する。本実施形態では、市販製品のAR Drone 2.0を例にした場合を示すが、それ以外のUAV14の飛行を制御する場合にも、本実施形態を利用できる。 FIG. 10 is a flow chart of processing of the motion control unit 34. The process of the motion control unit 34, by using the rotation angle theta r and translation vector T obtained by the position and orientation calculation unit 32, controls the flight movement of UAV14. Depending on the UAV14 used, there are various data formats for the control data to the UAV14. In the present embodiment, the case where the commercially available product AR Drone 2.0 is taken as an example is shown, but the present embodiment can also be used when controlling the flight of the UAV 14 other than that.

上記図2では、参照物体12とUAV14が対面の関係にあることを想定している。UAV14への飛行指令データは、機体に設定されたX軸周りの回転角φ、Y軸周りの回転角ω、Z軸に沿った速度V、及びZ軸周りの回転速度Vになる。運動制御部34の処理を開始すると、ステップS1200では、制御データの読み込みにおいて、平行移動ベクトルTと回転角θを取り出す。 In FIG. 2 above, it is assumed that the reference object 12 and the UAV 14 are in a face-to-face relationship. The flight command data to the UAV 14 are the rotation angle φ around the X axis, the rotation angle ω around the Y axis, the speed V z along the Z axis, and the rotation speed V around the Z axis set in the aircraft. When the processing of the motion control unit 34 is started, in step S1200, the parallel movement vector T and the rotation angle θ are taken out in reading the control data.

次に、ステップS1202では、平行移動ベクトルTと回転角θを、UAV14へ送信するための飛行指令データへ変換する。参照物体12とUAV14が対面の関係にあることを考慮すると、現在のUAV14の位置はT’=(Tx’,Ty’,Tz’)=(−Tx,−Ty,Tz)と与えられ、参照物体12に対する回転角はθ′=−θと与えられる。 Next, in step S1202, the rotation angle theta r and translation vector T, converts the flight command data to be transmitted to UAV14. Considering that the reference object 12 and the UAV 14 are in a face-to-face relationship, the current position of the UAV 14 is given as T'= (Tx', Ty', Tz') = (-Tx, -Ty, Tz) and is referred to. The rotation angle with respect to the object 12 is given as θ ′ r = −θ r .

UAV14では、ロール回転φがY軸の並進運動を生み出し、ピッチ回転ωがX軸の並進運動を生み出するため、本処理では、UAV14に与える飛行指令データを以下(16)〜(19)式により変換する。 In the UAV 14, the roll rotation φ produces the translational motion of the Y axis, and the pitch rotation ω produces the translational motion of the X axis. Therefore, in this process, the flight command data given to the UAV 14 is calculated by the following equations (16) to (19). Convert.


・・・(16)

・・・(17)

・・・(18)

・・・(19)

... (16)

... (17)

... (18)

... (19)

係数α、α、α、αはフィードバック制御におけるゲインの役割を担うため、パラメータとしてユーザが決めてよく、例えば、α=α=α=α=0.1と与える。 Since the coefficients α x , α y , α z , and α r play the role of gain in feedback control, they may be determined by the user as parameters. For example, α x = α y = α z = α r = 0.1 is given. ..

ステップS1204では、通信部50を介してWiFi経由で(16)〜(19)式で算出した飛行指令データをUAV14へ送信する。 In step S1204, the flight command data calculated by the equations (16) to (19) is transmitted to the UAV 14 via the WiFi via the communication unit 50.

ゲイン係数α、α、α、αの設定によっては、1回の飛行指令で所定の位置と方位に到達しない場合がある。 Depending on the settings of the gain coefficients α x , α y , α z , and α r , it may not reach the predetermined position and azimuth with one flight command.

そのため、ステップS1206では、飛行指令データの送信後に、予め定められた条件を満たすかを判定する。予め定められた条件は、例えば、上記(10)式で算出される距離ΔTが許容範囲以内であることとする。条件を満たさない場合には、上記図7の位置姿勢算出部32の処理フローのステップS1102の中点の座標の算出に戻り、上記(9)式に従って中点Gと中点Gの差分を得る。ステップS1204でUAV14へ飛行指令データが送られると、飛行指令データに基づいてUAV14が運動し、先の三次元座標とは異なる三次元座標に変化する。このように、上記(10)式で算出される距離の差分Tの大きさΔTが許容範囲以内になるまで、位置姿勢算出部32により平行移動ベクトルTと回転角θを算出し、運動制御部34により(16)〜(19)式で算出した飛行指令データを送信し続ける。条件を満たす場合には、運動制御処理を終了する。 Therefore, in step S1206, after the flight command data is transmitted, it is determined whether or not the predetermined conditions are satisfied. The predetermined condition is that, for example, the distance ΔT calculated by the above equation (10) is within the permissible range. If the condition is not satisfied, the process returns to the calculation of the coordinates of the midpoint in step S1102 of the processing flow of the position / orientation calculation unit 32 in FIG. 7, and the difference between the midpoint G s and the midpoint G t according to the above equation (9). To get. When the flight command data is sent to the UAV 14 in step S1204, the UAV 14 moves based on the flight command data and changes to three-dimensional coordinates different from the previous three-dimensional coordinates. Thus, the up (10) the magnitude ΔT of the difference T of the distance calculated by the equation is within the allowable range, to calculate the rotation angle theta r and translation vector T by the position and orientation calculation unit 32, motion control The flight command data calculated by the equations (16) to (19) is continuously transmitted by the unit 34. If the condition is satisfied, the motion control process is terminated.

以上により、本実施形態は、参照物体12の配置に従いUAV14の位置と方位を算出し、点A、点B、点C、及び点Dが正方形を形成するように、UAV14の飛行運動を制御することができる。また、ユーザが参照物体12を移動させる(点Aと点Bが移動する)たびに、本実施形態は、点C、及び点Dが参照物体12の点A、及び点Bと正方形を形成するようにUAV14の飛行を適宜制御することができる。操作者が参照物体12を連続的に動かすことにより、UAV14の飛行ナビゲーションを実現することができる。 Based on the above, the present embodiment calculates the position and azimuth of the UAV 14 according to the arrangement of the reference object 12, and controls the flight motion of the UAV 14 so that the points A, B, C, and D form a square. be able to. Further, each time the user moves the reference object 12 (point A and point B move), in the present embodiment, the points C and D form a square with the point A and the point B of the reference object 12. As described above, the flight of the UAV 14 can be appropriately controlled. The flight navigation of the UAV 14 can be realized by the operator continuously moving the reference object 12.

以上説明したように、第1の発明の実施形態に係る飛行制御装置によれば、参照物体の方位角を算出し、参照物体の三次元座標と、算出された方位角と、参照物体12及びUAV14のマーカの三次元座標の相対位置関係とに基づいて、目標となる三次元座標とUAV14の三次元座標との差分を算出し、UAVの三次元座標に差分を加算して得られる三次元座標と、UAV14の目標となる三次元座標とに基づいて回転角を算出し、算出された差分と、回転角とに基づいて、UAV14における、X軸周りの回転角、Y軸周りの回転角、Z軸に沿った速度、及びZ軸周りの回転速度を飛行指令データとして算出し、算出した飛行指令データに基づいてUAV14の運動を制御することにより、無人飛行機を自由自在に制御できる。 As described above, according to the flight control device according to the embodiment of the first invention, the azimuth angle of the reference object is calculated, the three-dimensional coordinates of the reference object, the calculated azimuth angle, the reference object 12, and the reference object 12. Based on the relative positional relationship of the 3D coordinates of the UAV14 marker, the difference between the target 3D coordinates and the 3D coordinates of the UAV14 is calculated, and the difference is added to the 3D coordinates of the UAV to obtain the 3D. The rotation angle is calculated based on the coordinates and the target three-dimensional coordinates of the UAV14, and the rotation angle around the X-axis and the rotation angle around the Y-axis in the UAV14 are based on the calculated difference and the rotation angle. , The speed along the Z-axis and the rotation speed around the Z-axis are calculated as flight command data, and the movement of the UAV 14 is controlled based on the calculated flight command data, so that the unmanned airplane can be freely controlled.

<本発明の第2の実施の形態に係る飛行制御装置の構成及び作用> <Structure and operation of the flight control device according to the second embodiment of the present invention>

本発明の第2の実施形態は、上記図2においてUAV14に取り付けた点Cと点D間の距離がM(≠L)の場合の例である。図11に、同じ高さZの4点(点A、点B、点C、及び点D)の配置図を示す。本実施形態では、点Aと点C間の距離はL(≠L)、点Bと点D間の距離はL(≠L)とする。 The second embodiment of the present invention is an example in the case where the distance between the point C and the point D attached to the UAV 14 in FIG. 2 is M (≠ L). FIG. 11 shows a layout diagram of four points (point A, point B, point C, and point D) at the same height Z h . In the present embodiment, the distance L a (≠ L) between the points A and C, the distance between the points B and D is the L b (≠ L).

本実施形態は第1の実施形態と同様の構成及び作用において、図4の方位検出部30の処理フロー、図7の位置姿勢算出部32の処理フロー、及び図10の運動制御部34の処理フローにより、UAV14の飛行運動を制御する。本実施形態は、点Cと点D間の距離が点Aと点B間の距離と異なるため、図12に示すように、点A、点B、点C、及び点Dが等脚台形を形成する。 In the same configuration and operation as in the first embodiment, the processing flow of the orientation detection unit 30 in FIG. 4, the processing flow of the position / orientation calculation unit 32 in FIG. 7, and the processing of the motion control unit 34 in FIG. The flow controls the flight motion of the UAV 14. In this embodiment, since the distance between the points C and D is different from the distance between the points A and B, as shown in FIG. 12, the points A, B, C, and D have an isosceles trapezoid. Form.

<本発明の第3の実施の形態に係る飛行制御装置の構成及び作用> <Structure and operation of the flight control device according to the third embodiment of the present invention>

本発明の第3の実施形態は、上記図2において、高さZをもつ点A、及び点Bと、高さZをもつ点C、及び点Dの場合の例である。点Cと点D間の距離は点Aと点B間の距離Lと同じ、あるいはM(≠L)とする。 A third embodiment of the present invention is an example in the case of points A and B having a height Z h and points C and D having a height Z l in FIG. 2 above. The distance between the points C and D is the same as the distance L between the points A and B, or M (≠ L).

第3の実施形態では、点C、及び点Dの高さをZ+Nに変更して、4点(点A、点B、点C、及び点D)がX面において正方形あるいは等脚台形を形成する場合について説明する。本実施形態は第1の実施形態と同様の構成及び作用において、図7の位置姿勢算出部32の処理フロー、及び図10の運動制御部34の処理フローにより、UAV14の飛行運動を制御する。以下では、第1の実施形態、第2の実施形態と異なる点のみを記載する。 In the third embodiment, the heights of the points C and D are changed to Z h + N, and the four points (point A, point B, point C, and point D) are square or square on the X w Y w plane. The case of forming an isosceles trapezoid will be described. The present embodiment controls the flight motion of the UAV 14 by the processing flow of the position / attitude calculation unit 32 of FIG. 7 and the processing flow of the motion control unit 34 of FIG. 10 in the same configuration and operation as those of the first embodiment. In the following, only the points different from the first embodiment and the second embodiment will be described.

本実施形態の方位検出部30では、位置計測センサ10で取得された点A、点B、点C、及び点Dの三次元座標データを取り出し、平行移動先の三次元座標値として、以下(20)〜(22)式により、点A以外の全ての座標から点A三次元座標値をA=(X,Y,Z)を差し引いて、B、C、及びDを算出する。 The orientation detection unit 30 of the present embodiment extracts the three-dimensional coordinate data of the points A, B, C, and D acquired by the position measurement sensor 10, and sets the following as the three-dimensional coordinate values of the translation destination ( by 20) - (22), all the three-dimensional coordinates point a from the coordinates a = (X a other than point a, Y a, by subtracting the Z h), B s, C s, and D s calculate.


・・・(20)

・・・(21)

・・・(22)

... (20)

... (21)

... (22)

第1の実施形態、及び第2の実施形態と異なる点は、点Cと点DのZ座標がZ≠0となる点である。一方、点Aを原点に平行移動した空間中の点の配置において、参照物体12の点Aと点Bの方位角は、第1の実施形態と同様に(4)式の計算で求められる。 The difference from the first embodiment and the second embodiment is that the Z coordinates of the points C s and D s are Z m ≠ 0. On the other hand, in the arrangement of the points in the space in which the point A is translated with respect to the origin, the azimuth angles of the points A and B of the reference object 12 are obtained by the calculation of the equation (4) as in the first embodiment.

位置姿勢算出部32では、目標座標の点Cと点Dについて、以下(23)式、及び(24)式の計算により算出する。 The position / orientation calculation unit 32 calculates the points C t and D t of the target coordinates by the following equations (23) and (24).


・・・(23)

・・・(24)

... (23)

... (24)

また、平行移動した点Cと点Dとの中点の座標Gを以下(25)式により算出する。 Further, the coordinates G s of the midpoint between the points C s and the point D s that have moved in parallel are calculated by the following equation (25).


・・・(25)

... (25)

同様に、目標座標の点Cと点Dからも、以下(26)式により中点の座標Gを算出する。 Similarly, from the points C t and D t of the target coordinates, the coordinates G t of the midpoint are calculated by the following equation (26).


・・・(26)

... (26)

中点が得られると、上記(9)式により、平行移動ベクトルTを算出する。一方、回転角θはX面において算出するため、上記(13)式、及び(14)式において、ベクトルEとベクトルEの算出には、Z値の成分を0と与える。これにより、回転角θを上記(15)式において算出する。 When the midpoint is obtained, the parallel transport vector T is calculated by the above equation (9). Meanwhile, since the rotation angle theta r is to calculate the X w Y w plane, the (13), and in (14), the calculation of the vector E r and the vector E t, giving a zero component in the Z-value .. Thus, the rotation angle theta r is calculated in the above (15).

運動制御部34では、位置姿勢算出部32で得た平行移動ベクトルTと回転角θを使って、第1の実施形態または第2の実施形態と同様にUAV14の飛行運動を制御する。これにより、点C、及び点Dの高さがZ+N、点A、及びと点Bの高さがZとなり、4点(点A、点B、点C、及び点D)がX面において正方形あるいは等脚台形を形成する。なお、N=0と設定した場合は、第1の実施形態あるいは第2の実施形態になる。 The motion control unit 34, with the translation vector T obtained by the position and orientation calculation unit 32 a rotation angle theta r, controls the flight movement similarly UAV14 the first or second embodiment. As a result, the heights of the points C and D become Z h + N, the heights of the points A and B become Z h , and the four points (point A, point B, point C, and point D) are X. to form a square or isosceles trapezoid in w Y w plane. When N = 0 is set, it becomes the first embodiment or the second embodiment.

<本発明の第4の実施の形態に係る飛行制御装置の構成及び作用> <Structure and operation of the flight control device according to the fourth embodiment of the present invention>

本発明の第4の実施形態は、N台のUAV14の飛行を同時に制御する例である。図13に、UAV14#1を先頭にしてN台のUAV14が編成を組んで飛行する状況を示す。それぞれのUAV14には位置計測センサ10で検出可能な2つのマーカが設置されている。UAV14#1の点Aと点Bが第1の実施形態の点Aと点Bに対応するものとし、UAV14#2の点Aと点Bが第1の実施形態の点Cと点Dに対応するものとする。この割り当てにより、第1の実施形態と同様に、UAV14#1の点Aと点Bの位置と方位に従って、UAV14#2の点Aと点Bが水平面において正方形を形成するようにUAV14#2の飛行運動が制御される。同様にして、UAV14#Nの点Aと点Bを第1の実施形態の点Cと点Dに対応させ、点Aと点Bを1つ前を飛行するUAV14#N−1の点AN−1と点BN−1とすることにより、4つの点AN−1、点BN−1、A、及び点Bが水平面において正方形を形成するように飛行することができる。 A fourth embodiment of the present invention is an example of simultaneously controlling the flight of N UAV14s. FIG. 13 shows a situation in which N UAV14s fly in a formation with UAV14 # 1 at the head. Two markers that can be detected by the position measurement sensor 10 are installed in each UAV 14. It is assumed that points A 1 and B 1 of UAV 14 # 1 correspond to points A and B of the first embodiment, and points A 2 and B 2 of UAV 14 # 2 correspond to points C of the first embodiment. It shall correspond to the point D. With this assignment, as in the first embodiment, points A 2 and B 2 of UAV 14 # 2 form a square in the horizontal plane according to the position and orientation of points A 1 and B 1 of UAV 14 # 1. The flight motion of UAV14 # 2 is controlled. Similarly, UAV14 # points A N and the point B N the N to correspond to C and the point D from that of the first embodiment, UAV14 # point N-1 to fly before one points A and B with a N-1 and the point B N-1, can be four points a N-1, the point B N-1, a N, and the point B N flies to form a square in the horizontal plane ..

このようにN−1台目のUAV14をN台目のUAV14に対する参照物体12として飛行制御を行う。本実施形態は第1の実施形態と同様の構成及び作用において、N台のUAV14を、第1の実施形態と同様に図7の位置姿勢算出部32の処理フロー、及び図10の運動制御部34の処理フローにより、UAV14の飛行運動を制御する。このとき、1台目のUAV14については、第1の実施形態と同様に、操作者が持ち運ぶ参照物体12に追従するように制御し、2台目以降のUAV14については、以下のように、N−1番のUAV14にN番目のUAV14が順番に追従するように制御する。 In this way, flight control is performed using the N-1st UAV14 as the reference object 12 with respect to the Nth UAV14. In the present embodiment, in the same configuration and operation as in the first embodiment, N UAV14s are used, the processing flow of the position / posture calculation unit 32 in FIG. 7 and the motion control unit in FIG. 10 as in the first embodiment. The flight motion of the UAV 14 is controlled by the processing flow of 34. At this time, the first UAV 14 is controlled so as to follow the reference object 12 carried by the operator as in the first embodiment, and the second and subsequent UAV 14s are N as follows. The Nth UAV 14 is controlled to follow the -1st UAV 14 in order.

本実施形態の方位検出部30は、参照物体12について、第1の実施形態と同様に、グローバル座標系における基準方向に対する方位角Φを算出する。 The azimuth detection unit 30 of the present embodiment calculates the azimuth angle Φ with respect to the reference direction in the global coordinate system for the reference object 12 as in the first embodiment.

また、方位検出部30は、2台目以降のN台目のUAV14の各々に対し、当該N台目のUAV14の参照物体12としてのN−1台目のUAV14について、グローバル座標系における基準方向に対する方位角Φを算出する。 Further, the azimuth detection unit 30 refers to each of the second and subsequent Nth UAV14s with respect to the N-1th UAV14 as the reference object 12 of the Nth UAV14 in the reference direction in the global coordinate system. Calculate the azimuth angle Φ with respect to.

位置姿勢算出部32は、第1の実施形態と同様に、参照物体12のマーカの点A、及び点Bの三次元座標と、算出された方位角Φと、相対位置関係とに基づいて、1台目のUAV14のマーカ点C、及び点Dの目標となる三次元座標を算出し、算出された目標となる三次元座標と1台目のUAV14のマーカ点C、及び点Dの三次元座標との差分Tを算出し、回転角θを算出する。 Similar to the first embodiment, the position / orientation calculation unit 32 is based on the three-dimensional coordinates of the markers A and B of the reference object 12, the calculated azimuth angle Φ, and the relative positional relationship. The target three-dimensional coordinates of the first UAV14 marker point C and point D are calculated, and the calculated target three-dimensional coordinates and the first three-dimensional UAV14 marker point C and point D are calculated. The difference T from the coordinates is calculated, and the rotation angle θ is calculated.

また、位置姿勢算出部32は、2台目以降のN台目のUAV14の各々に対し、N−1台目のUAV14のマーカの点A、及び点Bの三次元座標と、算出された方位角Φと、予め定められたN−1台目のUAV14のマーカの点A、及び点Bの三次元座標及びN台目のUAV14のマーカ点C、及び点Dの三次元座標の相対位置関係とに基づいて、N台目のUAV14のマーカ点C、及び点Dの目標となる三次元座標を算出し、算出された目標となる三次元座標とN台目のUAV14のマーカ点C、及び点Dの三次元座標との差分Tを算出する。また、位置姿勢算出部32は、N台目のUAV14のマーカ点C、及び点Dの三次元座標に差分を加算して得られる三次元座標と、N台目のUAV14のマーカ点C、及び点Dの目標となる三次元座標とに基づいて回転角θを算出する。 Further, the position / orientation calculation unit 32 sets the three-dimensional coordinates of the markers of the N-1st UAV14 and the three-dimensional coordinates of the points B for each of the second and subsequent Nth UAV14s, and the calculated orientation. Relative positional relationship between the angle Φ and the three-dimensional coordinates of the predetermined N-1th UAV14 marker points A and B and the Nth UAV14 marker points C and D. Based on the above, the marker point C of the Nth UAV14 and the target three-dimensional coordinates of the point D are calculated, and the calculated three-dimensional coordinates of the target and the marker point C of the Nth UAV14 and the marker point C of the Nth unit are calculated. The difference T between the point D and the three-dimensional coordinates is calculated. Further, the position / orientation calculation unit 32 has three-dimensional coordinates obtained by adding a difference to the three-dimensional coordinates of the Nth UAV14, the marker point C, and the point D, and the Nth UAV14 marker point C, and The rotation angle θ is calculated based on the three-dimensional coordinates that are the targets of the point D.

運動制御部34は、1台目のUAV14における、X軸周りの回転角φ、Y軸周りの回転角ω、Z軸に沿った速度V、及びZ軸周りの回転速度Vθを飛行指令データとして算出し、算出した飛行指令データを通信部50を介して1台目のUAV14に送信することで、飛行指令データに基づいて1台目のUAV14の運動を制御する。 The motion control unit 34 gives a flight command to the rotation angle φ around the X axis, the rotation angle ω around the Y axis, the speed V z along the Z axis, and the rotation speed V θ around the Z axis in the first UAV 14. By calculating as data and transmitting the calculated flight command data to the first UAV 14 via the communication unit 50, the motion of the first UAV 14 is controlled based on the flight command data.

また、運動制御部34は、2台目以降のN台目のUAV14の各々に対し、算出された差分Tと、回転角θとに基づいて、N台目のUAV14における、X軸周りの回転角φ、Y軸周りの回転角ω、Z軸に沿った速度V、及びZ軸周りの回転速度Vθを飛行指令データとして算出し、算出した飛行指令データに基づいてN台目のUAV14の運動を制御する。N台目のUAV14の処理が終了したらN=N+1として同様に制御を行う。 Further, the motion control unit 34 rotates about the X axis in the Nth UAV 14 based on the calculated difference T and the rotation angle θ for each of the second and subsequent Nth UAV 14s. The angle φ, the rotation angle ω around the Y axis, the speed V z along the Z axis, and the rotation speed V θ around the Z axis are calculated as flight command data, and the Nth UAV14 is based on the calculated flight command data. Control the movement of. When the processing of the Nth UAV 14 is completed, the same control is performed with N = N + 1.

また、本実施形態において、2点間の距離が異なる場合は第2の実施形態、点の高さが異なる場合は第3の実施形態に従って、複数のUAVの飛行を同時に制御することができる。本実施形態では、UAV#1を先頭にしてN台のUAVの編成飛行を可能とする。 Further, in the present embodiment, the flight of a plurality of UAVs can be controlled at the same time according to the second embodiment when the distance between the two points is different and the third embodiment when the heights of the points are different. In the present embodiment, N UAVs can be organized and flown with UAV # 1 at the head.

以上の各実施形態の手法によれば、ユーザがUAVに対して三次元位置と方位を示す飛行指令を出すことにより、UAVの飛行を自由自在に操作することを可能とする。複数のUAVに対しても、ユーザがUAVに対して三次元位置と方位を示す飛行指令を出すことにより、複数のUAV同士を衝突させることなく、空間中を自由自在に操作することを可能とする。さらに、ユーザの意図でUAVを制御することにより、人を取り巻く実環境において、人の単独行動では実現不可能な作業をUAVが支援する、あるいは協調作業することを可能とする。 According to the methods of each of the above embodiments, the user can freely operate the flight of the UAV by issuing a flight command indicating the three-dimensional position and azimuth to the UAV. Even for multiple UAVs, the user can issue flight commands to the UAV to indicate the three-dimensional position and orientation, allowing the user to freely operate in space without colliding with each other. To do. Further, by controlling the UAV with the intention of the user, it is possible for the UAV to support or collaborate on work that cannot be realized by the individual action of the person in the actual environment surrounding the person.

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and applications are possible without departing from the gist of the present invention.

10 位置計測センサ
12 参照物体
14 UAV
20 演算部
30 方位検出部
32 位置姿勢算出部
34 運動制御部
50 出力部
100 飛行制御装置
10 Position measurement sensor 12 Reference object 14 UAV
20 Calculation unit 30 Azimuth detection unit 32 Position / attitude calculation unit 34 Motion control unit 50 Output unit 100 Flight control device

Claims (7)

UAV(Unmanned Aerial Vehicle)の飛行を制御するための参照物体に付与され、かつ、マーカ間の距離が既知の複数のマーカと、前記UAVに付与され、かつ、マーカ間の距離が既知の複数のマーカとの各々の三次元座標を計測する位置計測センサと、
前記位置計測センサによって計測された前記マーカの各々の三次元座標に基づいて、グローバル座標系における基準方向に対する前記参照物体の方位角を算出する方位検出部と、
前記参照物体の前記複数のマーカの各々の三次元座標と、前記算出された方位角と、予め定められた前記参照物体の前記複数のマーカの各々の三次元座標及び前記UAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標の相対位置関係とに基づいて、前記UAVの前記複数のマーカの各々の目標となる三次元座標を算出し、算出された前記目標となる三次元座標と前記UAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標との差分を算出し、前記UAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標に前記差分を加算して得られる三次元座標と、前記UAVの前記複数のマーカの各々の前記目標となる三次元座標とに基づいて回転角を算出する位置姿勢算出部と、
算出された前記差分と、前記回転角とに基づいて、前記UAVにおける、X軸周りの回転角、Y軸周りの回転角、Z軸に沿った速度、及びZ軸周りの回転速度を飛行指令データとして算出し、算出した前記飛行指令データに基づいて前記UAVの運動を制御する運動制御部と、
を含む飛行制御装置。
A plurality of markers assigned to a reference object for controlling the flight of a UAV (Unmanned Aerial Vehicle) and having a known distance between markers, and a plurality of markers assigned to the UAV and having a known distance between markers. A position measurement sensor that measures each three-dimensional coordinate with the marker,
An azimuth detection unit that calculates the azimuth angle of the reference object with respect to the reference direction in the global coordinate system based on the three-dimensional coordinates of each of the markers measured by the position measurement sensor.
The three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the reference object, the calculated azimuth angle, the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the reference object, and the plurality of markers of the UAV. Based on the relative positional relationship of each of the three-dimensional coordinates of the UAV, the target three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the UAV are calculated, and the calculated three-dimensional coordinates of the target and the UAV are described. The three-dimensional coordinates obtained by calculating the difference between the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers and adding the difference to the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the UAV, and the plurality of markers of the UAV. A position / orientation calculation unit that calculates the rotation angle based on the three-dimensional coordinates that are the targets of each of the above.
Based on the calculated difference and the rotation angle, the flight command is given to the rotation angle around the X axis, the rotation angle around the Y axis, the speed along the Z axis, and the rotation speed around the Z axis in the UAV. A motion control unit that is calculated as data and controls the motion of the UAV based on the calculated flight command data.
Flight control device including.
前記UAVに付与された前記複数のマーカは、2つのマーカであり、
前記位置姿勢算出部で算出する前記差分は、前記UAVの2つのマーカの三次元座標の中点の座標と、算出された前記UAVの2つのマーカの目標となる三次元座標の中点の座標との差分とする請求項1に記載の飛行制御装置。
The plurality of markers assigned to the UAV are two markers.
The difference calculated by the position / orientation calculation unit is the coordinates of the midpoint of the three-dimensional coordinates of the two markers of the UAV and the coordinates of the midpoint of the calculated three-dimensional coordinates of the two markers of the UAV. The flight control device according to claim 1, which is a difference from the above.
前記UAVをN台のUAVとし、N−1台目のUAVをN台目のUAVに対する前記参照物体とし、
前記方位検出部は、前記参照物体としての前記N−1台目のUAVについて、方位角を算出し、
前記位置姿勢算出部は、前記N−1台目のUAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標と、前記算出された方位角と、予め定められた前記N−1台目のUAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標及び前記N台目のUAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標の相対位置関係とに基づいて、前記N台目のUAVの前記複数のマーカの各々の目標となる三次元座標を算出し、算出された前記目標となる三次元座標と前記N台目のUAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標との差分を算出し、前記N台目のUAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標に前記差分を加算して得られる三次元座標と、前記N台目のUAVの前記複数のマーカの各々の前記目標となる三次元座標とに基づいて回転角を算出し、
前記運動制御部は、算出された前記差分と、前記回転角とに基づいて、前記N台目のUAVにおける、X軸周りの回転角、Y軸周りの回転角、Z軸に沿った速度、及びZ軸周りの回転速度を飛行指令データとして算出し、算出した前記飛行指令データに基づいて前記N台目のUAVの運動を制御する請求項1又は請求項2に記載の飛行制御装置。
Let the UAV be the N UAV, and let the N-1st UAV be the reference object for the Nth UAV.
The azimuth detection unit calculates the azimuth angle of the N-1th UAV as the reference object.
The position / orientation calculation unit includes the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the N-1th UAV, the calculated azimuth angle, and the predetermined N-1th UAV. Based on the relative positional relationship between the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers and the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the Nth UAV, each of the plurality of markers of the Nth UAV The target three-dimensional coordinates are calculated, the difference between the calculated target three-dimensional coordinates and the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the Nth UAV is calculated, and the Nth unit is calculated. Based on the three-dimensional coordinates obtained by adding the difference to the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the UAV and the target three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the Nth UAV. To calculate the rotation angle,
Based on the calculated difference and the rotation angle, the motion control unit determines the rotation angle around the X axis, the rotation angle around the Y axis, and the speed along the Z axis in the Nth UAV. The flight control device according to claim 1 or 2, wherein the rotation speed around the Z axis is calculated as flight command data, and the motion of the Nth UAV is controlled based on the calculated flight command data.
位置計測センサが、UAV(Unmanned Aerial Vehicle)の飛行を制御するための参照物体に付与され、かつ、マーカ間の距離が既知の複数のマーカと、前記UAVに付与され、かつ、マーカ間の距離が既知の複数のマーカとの各々の三次元座標を計測するステップと、
方位検出部が、前記位置計測センサによって計測された前記マーカの各々の三次元座標に基づいて、グローバル座標系における基準方向に対する前記参照物体の方位角を算出するステップと、
位置姿勢算出部が、前記参照物体の前記複数のマーカの各々の三次元座標と、前記算出された方位角と、予め定められた前記参照物体の前記複数のマーカの各々の三次元座標及び前記UAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標の相対位置関係とに基づいて、前記UAVの前記複数のマーカの各々の目標となる三次元座標を算出し、算出された前記目標となる三次元座標と前記UAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標との差分を算出し、前記UAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標に前記差分を加算して得られる三次元座標と、前記UAVの前記複数のマーカの各々の前記目標となる三次元座標とに基づいて回転角を算出するステップと、
運動制御部が、算出された前記差分と、前記回転角とに基づいて、前記UAVにおける、X軸周りの回転角、Y軸周りの回転角、Z軸に沿った速度、及びZ軸周りの回転速度を飛行指令データとして算出し、算出した前記飛行指令データに基づいて前記UAVの運動を制御するステップと、
を含む飛行制御方法。
A position measurement sensor is attached to a reference object for controlling the flight of the UAV (Unmanned Aerial Vehicle), and a plurality of markers whose distances between the markers are known, and a distance between the markers attached to the UAV. Steps to measure each three-dimensional coordinate with multiple known markers,
A step in which the azimuth detection unit calculates the azimuth angle of the reference object with respect to the reference direction in the global coordinate system based on the three-dimensional coordinates of each of the markers measured by the position measurement sensor.
The position / orientation calculation unit determines the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the reference object, the calculated azimuth angle, the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the reference object, and the predetermined orientation angle. Based on the relative positional relationship of the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the UAV, the target three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the UAV are calculated, and the calculated three-dimensional target is the target. The three-dimensional coordinates obtained by calculating the difference between the coordinates and the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the UAV and adding the difference to the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the UAV and the said A step of calculating the rotation angle based on the target three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the UAV, and
Based on the calculated difference and the rotation angle, the motion control unit performs the rotation angle around the X axis, the rotation angle around the Y axis, the speed along the Z axis, and the rotation angle around the Z axis in the UAV. A step of calculating the rotation speed as flight command data and controlling the motion of the UAV based on the calculated flight command data.
Flight control methods including.
前記UAVに付与された前記複数のマーカは、2つのマーカであり、
前記位置姿勢算出部が算出するステップにおいて、前記差分は、前記UAVの2つのマーカの三次元座標の中点の座標と、算出された前記UAVの2つのマーカの目標となる三次元座標の中点の座標との差分とする請求項4に記載の飛行制御方法。
The plurality of markers assigned to the UAV are two markers.
In the step calculated by the position / orientation calculation unit, the difference is within the coordinates of the midpoint of the three-dimensional coordinates of the two markers of the UAV and the target three-dimensional coordinates of the calculated two markers of the UAV. The flight control method according to claim 4, wherein the difference from the coordinates of the point is used.
前記UAVをN台のUAVとし、N−1台目のUAVをN台目のUAVに対する前記参照物体とし、
前記方位検出部が算出するステップは、前記参照物体としての前記N−1台目のUAVについて、方位角を算出し、
前記位置姿勢算出部が算出するステップは、前記N−1台目のUAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標と、前記算出された方位角と、予め定められた前記N−1台目のUAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標及び前記N台目のUAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標の相対位置関係とに基づいて、前記N台目のUAVの前記複数のマーカの各々の目標となる三次元座標を算出し、算出された前記目標となる三次元座標と前記N台目のUAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標との差分を算出し、前記N台目のUAVの前記複数のマーカの各々の三次元座標に前記差分を加算して得られる三次元座標と、前記N台目のUAVの前記複数のマーカの各々の前記目標となる三次元座標とに基づいて回転角を算出し、
前記運動制御部が制御するステップは、算出された前記差分と、前記回転角とに基づいて、前記N台目のUAVにおける、X軸周りの回転角、Y軸周りの回転角、Z軸に沿った速度、及びZ軸周りの回転速度を飛行指令データとして算出し、算出した前記飛行指令データに基づいて前記N台目のUAVの運動を制御する請求項4又は請求項5に記載の飛行制御方法。
Let the UAV be the N UAV, and let the N-1st UAV be the reference object for the Nth UAV.
In the step calculated by the azimuth detection unit, the azimuth angle is calculated for the N-1th UAV as the reference object.
The steps calculated by the position / orientation calculation unit include the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the N-1th UAV, the calculated azimuth angle, and the predetermined N-1th unit. Based on the relative positional relationship between the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the UAV and the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the Nth UAV, the plurality of UAVs of the Nth unit. The target three-dimensional coordinates of each marker are calculated, and the difference between the calculated three-dimensional coordinates of the target and the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the Nth UAV is calculated. The three-dimensional coordinates obtained by adding the difference to the three-dimensional coordinates of each of the plurality of markers of the Nth UAV, and the target three-dimensional of each of the plurality of markers of the Nth UAV. Calculate the rotation angle based on the coordinates
The steps controlled by the motion control unit are based on the calculated difference and the rotation angle, and the rotation angle around the X axis, the rotation angle around the Y axis, and the Z axis in the Nth UAV are set. The flight according to claim 4 or 5, wherein the speed along the line and the rotation speed around the Z axis are calculated as flight command data, and the movement of the Nth UAV is controlled based on the calculated flight command data. Control method.
コンピュータを、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の飛行制御装置の各部として機能させるためのプログラム。 A program for causing a computer to function as each part of the flight control device according to any one of claims 1 to 3.
JP2017184716A 2017-09-26 2017-09-26 Flight controls, methods, and programs Active JP6758271B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017184716A JP6758271B2 (en) 2017-09-26 2017-09-26 Flight controls, methods, and programs

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017184716A JP6758271B2 (en) 2017-09-26 2017-09-26 Flight controls, methods, and programs

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019059314A JP2019059314A (en) 2019-04-18
JP6758271B2 true JP6758271B2 (en) 2020-09-23

Family

ID=66177923

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017184716A Active JP6758271B2 (en) 2017-09-26 2017-09-26 Flight controls, methods, and programs

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6758271B2 (en)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6669790B2 (en) * 2018-02-16 2020-03-18 大豊精機株式会社 Remote control device
JP2019185603A (en) * 2018-04-16 2019-10-24 日本電信電話株式会社 Flight control apparatus, method, and program
US12372974B2 (en) 2020-11-20 2025-07-29 Fanuc Corporation Numerical controller, and storage medium
KR102457691B1 (en) * 2020-11-25 2022-10-21 아이원랩 주식회사 An artificial intelligence drone equipped with a system that detects defects based on real-time sensor data, and method for detecting defects in artificial intelligence drones using a system that detects defects based on real-time sensor data
CN113190040B (en) * 2021-04-29 2021-10-08 集展通航(北京)科技有限公司 Method and system for line inspection based on unmanned aerial vehicle video and railway BIM
CN114236585B (en) * 2021-12-09 2023-04-14 国网思极位置服务有限公司 Target motion monitoring method and storage medium based on Beidou navigation satellite system
CN114234982B (en) * 2021-12-20 2024-04-16 中南大学 Three-dimensional trajectory planning method, system, device and medium based on azimuth positioning
CN115190448B (en) * 2022-06-14 2024-11-05 海南大学 Intelligent reflective surface-assisted cognitive UAV communication network design method
KR102925010B1 (en) * 2023-08-31 2026-02-11 세종대학교 산학협력단 Method and apparatus for backstepping attitude control of quadcopter by using an efficient fixed-time filter
KR20250089721A (en) * 2023-12-12 2025-06-19 포스코홀딩스 주식회사 Drone and Method for controlling Drone
CN119987417B (en) * 2025-04-17 2025-07-22 北京理工大学长三角研究院(嘉兴) Unmanned aerial vehicle anti-wind-disturbance stable control method

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0276009A (en) * 1988-09-12 1990-03-15 Toyota Autom Loom Works Ltd Unmanned vehicle operating system
JPH1139036A (en) * 1997-07-23 1999-02-12 Kubota Corp Work vehicle travel control device
JP2004085369A (en) * 2002-08-27 2004-03-18 Toyota Motor Corp Recognition device for relative positional relationship between two independent moving objects
JP5586967B2 (en) * 2010-01-20 2014-09-10 株式会社日立製作所 Robot and robot system
JP6379575B2 (en) * 2014-03-27 2018-08-29 日本電気株式会社 Unmanned aircraft, unmanned aircraft control method, and control system
JP6525291B2 (en) * 2015-08-03 2019-06-05 Necソリューションイノベータ株式会社 Location management apparatus, location management method, and program
CN106020223B (en) * 2016-07-19 2020-06-09 天津远翥科技有限公司 Flight control method, device and system of aircraft

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019059314A (en) 2019-04-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6758271B2 (en) Flight controls, methods, and programs
Thomas et al. Toward image based visual servoing for aerial grasping and perching
Jung et al. A direct visual servoing‐based framework for the 2016 IROS Autonomous Drone Racing Challenge
Yang et al. A 3D collision avoidance strategy for UAVs in a non-cooperative environment
Araar et al. Visual servoing of a quadrotor uav for autonomous power lines inspection
US20190346562A1 (en) Systems and methods for radar control on unmanned movable platforms
Pestana et al. A general purpose configurable controller for indoors and outdoors gps-denied navigation for multirotor unmanned aerial vehicles
JP2009173263A (en) Method and system for autonomous tracking of a moving target by an unmanned aerial vehicle (UAV)
WO2019203166A1 (en) Flight control device, method, and program
JP2020023283A (en) Flight control device, method, and program
JP6419986B2 (en) Aircraft control method and apparatus
US12292742B2 (en) Information processing method and information processor
Wang et al. Quadrotor autonomous landing on moving platform
Wang et al. Guidance, navigation and control of an unmanned helicopter for automatic cargo transportation
Watanabe et al. Image-based visual PID control of a micro helicopter using a stationary camera
Asadi et al. An integrated aerial and ground vehicle (UAV-UGV) system for automated data collection for indoor construction sites
Liu et al. An autonomous quadrotor avoiding a helicopter in low-altitude flights
Kim et al. Vision-based collaborative lifting using quadrotor UAVs
Naldi et al. Robust control of a miniature ducted-fan aerial robot for blind navigation in unknown populated environments
Pestana et al. A general purpose configurable navigation controller for micro aerial multirotor vehicles
WO2019172335A1 (en) Flight control device, method, program, and storage medium
Razinkova et al. Tracking a moving ground object using quadcopter UAV in a presence of noise
Narváez et al. Vision based autonomous docking of VTOL UAV using a mobile robot manipulator
WO2019194011A1 (en) Flight control device, method and program
Sato et al. A simple autonomous flight control method of quadrotor helicopter using only single Web camera

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190827

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200819

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200825

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200901

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6758271

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350