JP2011511736A - 自動ホバリング飛行安定化を備えた回転翼無人機を操縦する方法 - Google Patents

Abstract

本発明の方法は、特に無線制御の玩具を操縦するのに部分的に使用され得、以下の操作を含む。すなわち、無人機にテレメータおよびビデオカメラを設けること、テレメータを使用して地面に対する無人機の高度を取得すること、無人機の水平速度を取得すること、ならびにテレメータにより取得した高度を安定化するために無人機の垂直推進力を制御することによって、および水平速度を取り消すように無人機の水平推進力を制御することによって、ホバリング飛行中の無人機を自動的に安定化すること。ビデオカメラが無人機の正面の方を向いている正面視覚カメラであり、無人機の水平速度は、前記正面視覚カメラにより捕捉される複数のビデオ画像から取得される。

Description

本発明は、回転翼無人機のホバリング飛行を自動的に安定化する方法に関する。本発明は、無人機を操縦する方法にも適用する。

本発明の特に有利な用途は、特に、たとえば室内、家屋内、またはアパート内のような屋内環境で、子供によって使用されるのに適した無線制御の玩具の分野にある。

用語「回転翼無人機」は、本明細書では、任意の知られているヘリコプタ方式、すなわち反トルク・テールローターを備えた従来型のシングルローター方式、バナナ型ツインローター・タンデム方式、同軸反転ローターを有する「カモフ」方式、ならびに４つの固定ピッチローターを有する４ローター・ヘリコプタ方式などを含むのに使用される。

無人機は、搭載コンピュータと、ジャイロ（レートジャイロまたはフリージャイロ）、加速度計、高度計、ピトー・チューブ、全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機など、多数のセンサを内蔵した慣性ユニットとを有する。

回転翼機を操縦するのに必要なことを想像することから始めることが適切である。例として、離陸、着陸、ホバリング飛行、および並進飛行の段階を引用する。

離陸の場合は、メインローターにより追いやられた空気柱はもはや自由に流れ去ることはできず、地面によって偏向されるので、地面効果は飛行反作用を著しく変更する。したがって、ローターの性能はヘリコプタの高度に応じて異なる。加圧状態にある空気のクッションは地面の近くに作り出されるので、航空機は容易に離陸する傾向があり、地面の近くでホバリング飛行を維持するためには異なるスロットル設定を必要とする。地面とローターにより生成されるさまざまな旋風との間に存在する振動効果もある。

ホバリング飛行にはヘリコプタを安定化することも含まれる。航空機の重心は可変であるので、飛行制御装置が中立位置にあるとき、飛行制御装置が航空機を上方または下方へ移動させないことを確実にするために、補正調整が飛行機にも必要であるように（その調整は以下一般用語「トリム操作」と呼ばれる）、パイロットは離陸後に補正調整を実行する必要がある。

着陸時、スロットルは、地面効果および地面近くでのローター効率の大きい変動を補正する必要がある。したがって、スロットルは、穏やかな着陸を保証するために注意して操縦されなければならない。

ホバリング飛行は獲得するのが困難である。一定である高度を保つようにローターの出力をサーボ制御し、メインローターからのトルクを補正し、左または右に転換されるのを回避するためにサイクリックピッチを中立に保つことを同時に行う必要がある。

制御のすべてを協調させることに加えて、安定しているまたは突風であり得る風などの外的効果を補正することも必要である。

良好なホバリング飛行を維持することは、初心者のヘリコプタ・パイロットにとっては非常に困難である。平衡点に到達した場合に、それは決して完璧ではなく、したがって、継続的にわずかな程度にヘリコプタのトリム（バランス）をとる、すなわち、任意の軸に沿って並進移動の小さい変動を修正することで固定点に戻り続ける必要もある。

最後に、並進の飛行力学は、論議中の飛行のその他の段階の力学とは異なっている。前方に移動するとき、自転車または飛行機におけるように、航空機を傾けることで、旋回による遠心力は補正される必要がある。

従来型のヘリコプタにとっては、ローターの前進翼は後進翼が生成するより大きい揚力を生成するという事実に関連する別の問題が生じる。これは、航空機のサイクリックピッチによって補正される必要がある。

したがって、ヘリコプタを操縦することは多くの困難を提示することが理解され得る。これらの困難は、ヘリコプタが、オペレータが力帰還を受け取らない無線制御のスケールモデルであるときにさらに悪くなる。オペレータは航空機を見て、３次元のその位置にアクセスすることに満足しなければならない。これは、３次元の位置を解釈でき、平衡点に到達するためにどのような行動が実行される必要があるかを理解できるためには、飛行の物理学の非常に十分な知識を有することが必要であることを意味する。

したがって、スロットル、ロール、ピッチ、およびヨーで作動するレバーに基づく従来型のコマンドを使用して、訓練されていない人が回転翼無人機を安定化することは非常に困難である。

さらに、シミュレータでの訓練は数時間を要し、それは、大半の人間がこのような航空機を操縦する機会を有さないことを意味する。さらに、シミュレータによって訓練された、または定期的にこのような無線制御の航空機を飛行させる人間にとってさえ、無人機が制限された環境で移動しているときは、事故の危険性が存在する。

困難は、熟練した手動制御または特別なサーボ制御を欠く場合に、このタイプの航空機は不安定であるという事実から生じる。関連した力、すなわち風からの推力および重力の間で正確かつ継続した均衡を達成することは困難である。さらに、飛行力学において、外力に加えて加速が航空機の線形速度および角速度ならびにその翼からの推力と関連づけられるので、飛行力学は複雑である。

無人機には、無人機に適合するように加速度計およびジャイロのような慣性センサが設けられ、慣性センサは確かに、ある程度の精度を伴って航空機の角速度および姿勢角を測定する役目をする。したがって、慣性センサは、航空機からの推力が重力方向と反対方向にあるように、航空機からの推力の方向をサーボ制御するのに、有利に動的に使用されることができる。それにもかかわらず、困難は、このような測定がセンサの座標軸内で実行されることで生じ、測定をアクチュエータの座標軸に置き換えるために、角度修正を実行することが一般的に必要であり続ける。さらに、実際の重心は理論上の重心からずれている場合がある。残念ながら、航空機に適用する力の均衡を保つのに必要であるのは、重心にある。理論と実際の間のこれらの差異は、いわゆる「トリム」角を使用して修正されることができる。このようなトリミングすなわち安定化は、そのとき航空機がトリム誤差に関連する方向に系統的に加速するので、ゼロ水平速度のサーボ制御により実行されてよい。

したがって、トリミングの段階中に、またはホバリング飛行を確立するために、問題は、航空機のアクチュエータの適正なサーボ制御により、航空機の線形速度をゼロに減少することにある。

この目的のために、水平移動の方向および速度の大きさの少なくとも１つの指示を有することが必要である。残念ながら、安価な加速度計は可変である偏向を大まかに提示し、それにより、十分な精度で航空機の線形速度を推定することを不可能にする。

ＷＯ０１／８７４４６Ａ１ 米国特許出願公開第２００５／０１６５５１７号

本発明の第１の目的は、無人機がホバリング飛行の水平面に自動的に安定化されることを可能にするように、無人機の水平速度を取得する有効かつ安価な手段を提案することにより、その困難を是正することである。

本質的に、本発明は、連続画像間で検出され追跡されるような形状の移動に基づいて航空機の線形速度の方向および大きさを推定するために、（視認で操縦するために、および無人機の前の現場を認識するために）無人機に既に設けられているビデオカメラを使用することを提案する。

視覚カメラはたとえばＷＯ０１／８７４４６Ａ１に記載されており、それは、特に高くに位置され、アクセスし難い部品または工作物を遠隔検査するために、遠隔のパイロットに伝達され、現場の画像を形成するために独占的に使用される画像を提供する「マイクロカメラ」を設けた無人機を開示している。そのマイクロカメラは画像を表示する以外の目的を有さず、画像が他の目的のために、なおさら無人機を安定化する機能のために使用されるべきであるという示唆はなく、そこでは、そのような安定化は無人機に搭載されたフライホイールを使用してジャイロスコープ効果により実行される。

本発明の出発点は、航空機の正面の方向に向き、航空機が進む方向の現場の画像を伝達する、既存の視覚カメラ、典型的には広角カメラの使用である。当初遠隔のパイロットが視認で操縦できるように意図した、この画像が、カメラにより捕捉された現場の画像の連続変換を基にした航空機の水平速度についての情報を再構成するのに使用される。

安定化目的のためにカメラを使用する無人機は、たとえば米国特許出願公開第２００５／０１６５５１７号に記載のように、既に存在する。その文献は、とりわけ、カメラまたはカメラ１組を使用する航空機を操縦し、安定化するシステムを開示している。しかし、それらのカメラは特殊カメラであり、さらに地面を向いている。航空機の姿勢の変化は、さまざまな軸周りに航空機を安定化するために評価され、移動は光学コンピュータマウスに使用される技術に匹敵する技術により測定される。

対照的に、本発明の目的の１つは特殊カメラに頼ることを回避することであり、無人機の方向および線形速度の大きさは、連続画像間で検出され追跡される形状の移動から推定される。

この異なる手法は、文献米国特許出願公開第２００５／０１６５５１７号によって記載された技術に必要であるよりもかなり大きい解像度（画素数における）を実際に必要とするが、カメラが別の機能のために既に存在する限りにおいて、この状態は欠点ではない。

したがって、本発明の１つの目的は、航空機のトリムをとり、既存のビデオカメラと共に加速度計、ジャイロ、および超音波テレメータなどの、安価な従来型センサを使用してホバリング飛行を達成し、家屋またはアパート内の部屋のような屋内環境でさえ、完全に自己完結である方法でホバリング飛行を達成することを可能にすることである。

本発明の別の目的は、操縦未経験の人間、特に子供が、それにもかかわらず、レバーでの従来型制御を使用してスロットル出力のような飛行パラメータに直接作用することを必要とせずに回転翼無人機を操縦し、代わりに水平および垂直移動に関して直観的方法で操縦を実行することができるようになる方法を提案することである。

本発明によると、上記目的はホバリングの自動安定化を備えた回転翼無人機を操縦する方法により達成され、その方法は、無人機にテレメータおよびビデオカメラを設けるステップと、テレメータにより地面に対する無人機の高度を取得するステップと、無人機の水平速度を取得するステップと、テレメータにより取得された高度を安定化するように無人機の垂直推進力をサーボ制御すること、およびゼロ水平速度を獲得するように、無人機の水平推進力をサーボ制御することで、ホバリング中の無人機を自動的に安定化するステップと、を含む。

本発明に特有の方法において、ビデオカメラは無人機の正面の方を向いている正面視覚カメラであり、無人機の水平速度は、前記正面視覚カメラにより捕捉される複数のビデオ画像から取得される。

有利に、本発明の方法には、各基本操縦機能が、前記基本操縦機能を実行するように、前記無人機の１組のアクチュエータにより遂行されるべき飛行パラメータを確定するのに適している、基本操縦機能を定義する操作と、ユーザーに前記基本操縦機能を始動させるための始動手段を提供する操作と、どの機能も始動していないときはいつでも、無人機は安定化したホバリング飛行に自動的に位置され、ユーザーが基本操縦機能を始動させるための前記始動手段を作動させることにより無人機を操縦する操作と、がさらに含まれる。

特に、本発明は以下の行動を含む前記基本操縦機能を提供する。すなわち、上方へ移動、下方へ移動、右旋回、左旋回、前進、後進、水平並進で左に移動、水平並進で右に移動。

始動手段は、操縦箱のキーによって、または操縦箱のタッチセンサ表面にスタイラスペンで描かれるトレースによって構成されてよい。

したがって、本発明の操縦方法は、操縦制御および操作を完全に再定義することに依存する。すなわち、従来技術では、操縦操作は、コレクティブピッチ、サイクリックピッチ、反トルク・テールローターのピッチおよびエンジン出力などの特定の飛行パラメータを変更するために、オペレータがレバー制御で実行する必要があるさまざまな行動により構成されており、一方ここでは、それらは、オペレータにとって完全に直観的である総合的な基本機能により置換される。これらの機能は、対応する飛行パラメータをそれに応じて自動的に変更するように、無人機の適正なアクチュエータを制御するためにオペレータの代わりをする搭載コンピュータにより遂行される。

たとえば、「上方へ移動」機能を実行するために、ユーザーは実際にエンジン出力を制御せず、ユーザーは操縦箱の対応するキーを押すことでこの機能を始動させるだけで十分である。それを自動的に行い、またコレクティブピッチを変更し、テールローターを調整して安定性を修正するのは、搭載コンピュータである。

通常使用されているレバーでの操縦制御は排除され、特に子供にとっては、ずっと親しみのある機能始動手段、すなわちビデオゲーム機器に既に存在するものに類似したキー、またはタッチセンサ表面にスタイラスペンで描かれるトレースによって置換される。

本発明の重要な特徴は、無人機が、安定化されたホバリングである基本的な基本機能に基づいて操縦され、この機能が一切特別な始動手段、キー、またはトレースを必要とせず、非常に簡単に達成されることである。キーまたはトレースの始動を一切除外して、無人機は安定したホバリング飛行を自動的に開始する。より正確には、ユーザーが制御のすべてを解除するとき、搭載コンピュータは、制御が解除されたときに無人機がそれ自体の置かれている状態からホバリング飛行段階へ移行するために、並進移動を体系化する。いったんホバリング飛行が達成され、ユーザーが操縦箱で使用できる基本機能のいずれも始動しない限り、無人機はホバリング飛行のままである。

要約すると、長い訓練を要する、操縦の各段階で均衡点を探査する代わりに、子供は無人機を均衡点から均衡点へ操縦する。

特定の基本機能は、企図する操縦モードに依存して若干異なる効果を有する場合があることに、留意されたい。

したがって、「左旋回」機能は、無人機をホバリング・モードにあるときの主軸周りに旋回させてよい。対照的に、並進モードであるとき、「前進」または「後進」キーを同時に作動させながら獲得されるように、「左旋回」機能は、航空機を旋回の内側に向けて傾けさせ、航空機を旋回軸周りに徐々に旋回させる効果を有する。

有利に、始動手段は、関連した基本操縦機能を動かし、設定し、および停止するのに適するマルチ活動手段である。

たとえば、「上方へ移動」基本機能が検討される場合、制御箱の対応するキーを押す事実は、無人機を一定速度で垂直並進へ移動するモードに移動させる。もしオペレータがキーを解除し、次に即座に同じキーを再び押すと、垂直速度は１単位だけ増加される。最後に、もしキーが完全に解除されると、垂直並進の速度はゼロに減少される。

本発明は、自動連続動作を始動する手段を含むために、前記始動手段も提供する。特に、前記自動連続動作は無人機離着陸を含む。

これに関連して、連続動作は特別な状況の下で自動的に開始されてもよいことに留意されたい。たとえば、無線接続の消失は、ホバリング飛行に変更を生じさせることがあり、続いて、逆方向の軌道をたどるために、ＧＰＳ座標を使用して出発点に戻る。

上記から、安定化されたホバリング飛行が、本発明の操縦方法のまさに基礎を構成していることが、理解され得る。したがって、操縦することが非常に簡単である航空機を獲得するためには、ユーザーがスロットル出力、ロール、およびピッチによって構成される飛行パラメータに直接作用することは必要としないで、ホバリング飛行において無人機を自動的に安定化することが可能であることが適正であり、これが、水平速度を取得し、安定化するシステムが、無人機の正面の方向を向く正面視覚ビデオカメラを利用することを特に可能にする。

本発明は、上記の方法を実施することができる回転翼無人機も提供し、この無人機は、テレメータおよびビデオカメラと、テレメータによって地面に対する無人機の高度を取得する手段と、無人機の水平速度を取得する手段と、ホバリングを自動的に安定化するシステムであって、テレメータによって取得された高度を安定化するように無人機の垂直推進力をサーボ制御するサーボ制御手段、および、ゼロ水平速度を獲得するように無人機の水平推進力をサーボ制御するサーボ制御手段を含むシステムと、を含むタイプである。

この無人機は、ビデオカメラが無人機の正面の方向を向いている正面視覚ビデオカメラであることと、無人機の水平速度を取得する手段が、前記正面視覚カメラにより捕捉された複数のビデオ画像から前記速度を取得する手段であることで、卓越している。

本発明は、回転翼無人機を操縦するためのアセンブリも提供し、この操縦アセンブリが基本操縦機能を始動する手段を含む操縦箱と組み合わせて上記したような無人機を含み、各基本操縦機能が、前記基本操縦機能を実施するように、前記無人機の１組のアクチュエータにより遂行されるべき飛行パラメータを確定するのに適しており、どの機能も始動していないときはいつでも、無人機は、無人機のホバリング飛行を自動的に安定化するシステムにより、安定化したホバリング飛行に自動的に位置される。

最後に、本発明は、それゆえに、上記したような操縦制御箱も提供する。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の装置の実施形態の説明が続く。

自動トリム手順を示す略図である。 タイマの助けで始動可能な自動トリム計算回路の略図である。 継続的自動トリム計算の略図である。 高度サーボ制御のための比例導関数修正機の略図である。 サーボ制御トリム角のための回路の略図である。 ４ローター・ヘリコプタのアクチュエータの略平面図である。 機首方位サーボ制御回路を示す図である。 前進かつ旋回する図６の４ローター・ヘリコプタを示す略図である。 自動トリムおよびホバリング飛行のための視覚データを抽出する方法においてポイント・オブ・インタレストの初期化を表す略図である。 ポイント・オブ・インタレストを検出し、追跡する手順を表す略図である。 ポイント・オブ・インタレストの追跡へのマルチ解像度手法を表す略図である。 無人機の速度を計算するための略図である。

上記のように、本発明による方法の個々の操縦機能は、ビデオゲーム機器に従来見られるキーに類似したキーにより始動されてよい。

これらのキーには、
・上（Ｄｈ）、下（Ｄｂ）、左（Ｄｇ）、および右（Ｄｄ）方向用の方向制御キーと、
・上（Ａｈ）、下（Ａｂ）、左（Ａｇ）、および右（Ａｄ）方向用の行動制御キーと、
・制御装置の左（Ｌ）側および右（Ｒ）側に位置する、トリガとしても知られるキーと、
・「開始」および「選択」ボタンと、が含まれる。

したがって、次の対応表は始動キーと個々の機能の間で確立され得る。
Ｄｈ 前方に移動
Ｄｂ 後進
Ｌ 左軸旋回
Ｒ 右軸旋回
Ｄｇ 左にシフト
Ｄｄ 右にシフト
Ｄｇ＋Ｄｈ 反時計回り２環式旋回
Ｄｄ＋Ｄｈ 時計回り２環式旋回
Ａｈ 上方へ移動
Ａｂ 下方へ移動

これらの個々の機能は、たとえば、「開始」キーを使用して獲得される離着陸のための自動連続動作に関連している。

「左旋回」機能は「左軸旋回」および「反時計回り２環式旋回」として再現され、「右旋回」機能は「右軸旋回」および「時計回り２環式旋回」として再現され、「軸旋回」機能はホバリング飛行に適用し、「２環式旋回」機能は並進移動中に適用することに留意されたい。

当然、任意の他の対応する関係が、本発明の範囲を超えないで設定されてもよい。

目安として、以下は個々の機能とタッチセンサ表面にスタイラスペンで描かれるトレースの間の可能な対応表である。
中心から上向きのトレース 前方に移動
中心から下向きのトレース 後進
中心から左向きのトレース 左にシフト
中心から右向きのトレース 右にシフト
反時計回りの円形トレース 左軸旋回
時計回りの円形トレース 右軸旋回
中心から左上角へのトレース 反時計回り２環式旋回
中心から右上角へのトレース 時計回り２環式旋回
上向きトレース 上方へ移動／離陸
下向きトレース 下方へ移動
下向きトレースの後、水平トレース 着陸

理論的には、静止空気塊中を飛行する航空機、特に回転翼無人機は、ホバリング飛行で、すなわち水平トリムで線形移動を伴わないでとどまるためにはゼロ姿勢コマンドを必要とする。実際は、航空機の重心はそのセンサの位置に対してずれている場合もある。しかし、重心を十分認識することが、航空機に加わる力の均衡をとるのに不可欠である。さらに、センサが位置する面は、アクチュエータの推力面と異なる場合がある。最後に、機械的分散は、エンジンまたはモーターは等しくない推力を伝達することを意味する。それらの不完全性を改善するためには、平面トリムを維持する役目をする航空機の姿勢測定または設定点にバイアスをかける必要がある。

これは、トリム安定化機能で実施される。

自動トリムの原理は、ビデオカメラの視界からの測定、慣性測定、および遠隔測定を使用してホバリング中のトリム角を調整することにある。

トリム手順は、無人機をサーボ制御することにあり、ビデオカメラにより提供される測定の助けによりＸおよびＹ方向のゼロ水平線形速度、およびテレメータ、たとえば超音波テレメータにより提供される測定の助けによりＺ方向のゼロ垂直速度を有する。航空機に可能な唯一の行動は、並進移動に対抗するために、その傾斜角である。慣性測定で実施された第１レベルのサーボ制御は、航空機を水平に対して０°トリム角に位置する役目をする。そのとき残る任意の移動は、トリム誤差によるものであり、その誤差は、図１の略図に示されるように、視覚的に推測される。

第１に、測定が視覚的に実行されるとき、特に追跡されたポイント・オブ・インタレストの範囲を推測する問題のために、定量化した並進データを有することは困難である。さらに、視覚環境からのデータは、不連続である結果を生じさせる場合がある。実際には、視覚は、線形速度がある閾値Ｓ（たとえば、毎秒約１０ｃｍ（ｃｍ／ｓ））より大きいことを検出することで任意の移動があるか否かに関する情報を先ず提供し、次に閾値を超えているときのみ、視覚はその移動の方向を提供する。この方向はπ／４以内に丸められてよい。低域通過フィルタリングは、データを平滑化し、追跡の一時的喪失に関する問題から逃れる役目をする。

図２は、線形速度の航空機のためのサーボ制御回路の略図である。実施された制御関係は、２つの構成部品、すなわち航空機の移動が対抗されるのを可能にする動的構成部品、すなわち比例部分と、航空機の平均移動方向を記憶する役目をし、この移動に対向するのに必要な制御を提供する統合構成部品とを有する。適正トリムを計算する統合構成部品それ自体は、その応答時間が長過ぎるので、停止移動にとっては十分でない。したがって、移動に対立する振動を与える比例制御を実行することが必要である。

詳細に上記したように、トリムに影響する要因は、主として機械的であり、時間とともにほとんど変動を提示しない。入力をゼロに強いることで、比例部分は、統合部分が一定値を保つ間、ゼロにとどまる。したがって、制御されたトリムの平均値を記憶することが可能である。この値は、短期間の飛行中一定にとどまる。さらに、これは、長い中央処理装置（ＣＰＵ）時間を必要とする視覚を使用することを回避することを可能にする。したがって、自動トリムは離陸手順中に始動し、タイマによって事前に定義された時間の長さの終りに停止する。選択された航空機のシミュレーションで、約２°の角度を有するトリムが５秒で達成され、４°の角度を伴うトリムを達成するには１５秒必要である。

ホバリング飛行手順は、視覚により提供される測定によってＸおよびＹ方向に、ならびにテレメータにより提供される測定によってＺ方向に、航空機の線形速度をゼロであるようにサーボ制御することにある。ホバリング飛行は、継続的に実行される自動トリムの状態まで達する。図２に関して上記したサーボ制御と比較して、タイマによる非活性化だけが除去されている。これは図３に示されている。

以下、如何に垂直移動が本発明による回転翼無人機によって実行されるかの詳細説明が続く。

航空機の垂直制御には、２つの状況が可能である。もしも高度データが得られなければ、操縦支援は作動されず、ユーザーは「Ａｈ」および「Ａｂ」キーにより直接航空機のエンジン出力を制御する。対照的に、高度データが得られれば、ユーザーは「開始」キーを使用して「離陸」、「着陸」タイプの簡単なコマンドを、「Ａｈ」および「Ａｂ」キーを使用して「上昇×センチメートル（ｃｍ）」、「降下×ｃｍ」の簡単なコマンドを利用する。搭載ソフトウェアがこれらのコマンドを解釈し、航空機の高度をサーボ制御する。

自動離陸は、航空機が離陸するまで、所定の勾配でスロットルを徐々に開くことで実行される。いったん測定した高度が閾値より大きくなれば、この方法で到達したスロットル値は記憶される。その後、航空機はこの参考値に関してサーボ制御される。

自動着陸は２段階で行われる。初めに、エンジンスロットル制御が、航空機をゆるやかに下方へ移動させるように、徐々に減少する。いったん最低高度に到達すると、地面効果に対向するためにスロットル制御をより大きく減少する必要がある。スロットルがこのように減少されたあと、航空機を急速に下ろすためにより急勾配の勾配が続く。いったん航空機が着陸すると、スロットルのスイッチが切られる。

適正飛行中、いったん離陸が達成されると、ユーザーは２つの入手可能な垂直制御、すなわち、「上昇×ｃｍ」または「降下×ｃｍ」を有する。搭載ソフトウェアが、前記設定点高度に関して航空機の高度をサーボ制御する。サーボ制御は、図４に示されるように、比例導関数（ＰＤ）修正機の助けで実行される。物理系は概略で対応し、高度の微分を２倍にする。

高速であり、かつほとんど設定点超過を提示しない応答を獲得するために、この方程式を二階微分方程式に変換する必要がある。

それゆえに、ＰＤ修正機が使用され、そこで微分成分が、閉ループ伝達関数にゼロを導入することを回避し、２つの調整パラメータ（減衰、遮断周波数）を有することを回避するように、（方程式を単純化することで）測定に直接適用される。

いったん航空機が傾けられると、推進力はもはや垂直ではなく、地理的垂直に沿って推進力を放出する必要がある。したがって、θおよびφが通常のオイラー角であるとき、エンジン制御をｃｏｓθ．ｃｏｓφで除算する必要がある。

水平移動が今含まれるため、たとえば、回転翼無人機に対して、航空機は水平推進手段を所有せず、垂直推進力Ｆ＿推力のみを所有することに留意することが重要である。航空機を移動させるために、したがって水平面で非ゼロ合力を獲得するように、航空機を傾けることが必要である。推力面が水平面と角度θをなす場合、そのとき水平面の推力の合力はＦ＿推力．ｓｉｎ（θ）である。

直線移動では、ジャイロによって提供される角速度測定ならびに加速度計データと角速度とを合併することで獲得する角測定が利用される。これは航空機のトリム角を測定する役目をする。

後方の推力と比較して正面の推力を減少することで、航空機は傾けられて前進させられる。この原理は後進または横への移動にとっても同じである。

図５に示されるように選択されたサーボ制御は、角速度ωを制御するための内部ループとトリム角を制御するための外部ループとでサーボ制御される。

制御箱の指示クロスの前進／後進キー「Ｄｈ／Ｄｂ」を押すことで、無人機を直線においてより大きいまたはより小さい速度で前進または後進させる。

同様に、制御箱の指示クロスの左側または右側「Ｄｇ／Ｄｄ」をより長い時間またはより短い時間押すことで、無人機を左へまたは右へ直線で横移動させる。

これらのキーを押すことは、タッチセンサ表面にトレースを描くことで全く同様に置換することができる。より長いまたはより短い長さの中心から上向きのトレースは、無人機をより長い時間またはより短い時間の間、前進させる。この同じ原理は４方向すべてに適用できる。

垂直に関する回転の移動について、これは、無人機を軸旋回させ、したがってその機首方位を制御するように、垂直軸周りに無人機を回転させる速度を測定することにより達成される。

たとえば、４つの垂直推進エンジンを所有する図６の４ローター・ヘリコプタについて、推進エンジンのうちの２つ（Ｍ１、Ｍ３）は時計回りに回転し、推進エンジンのうちの２つ（Ｍ２、Ｍ４）は反時計回りに回転し、例として、エンジンＭ１およびＭ３の回転の速度がＭ２およびＭ４の回転の速度に対して減少すると、そのとき無人機は時計回りに軸旋回することが観察できる。そのような環境下では、角速度測定のみが可能である。機首方向での大き過ぎる偏流を回避するために、図７に示されるような比例／統合修正サーボ制御回路が使用される。

例として、ユーザーは制御箱の「Ｌ」および「Ｒ」キーによって機首方向を制御することができる。「Ｒ」キーを押すと航空機を時計回りに軸旋回させることになり、「Ｌ」キーを押すと反時計回りに軸旋回させることになる。

タッチセンサ表面で、時計回りに円をトレースすると、航空機を時計回りに軸旋回させることになり、反時計回りに円をトレースすると、航空機を反時計回りに軸旋回させることになる。

航空機が継続的に移動方向に向くことを確実にするためには、無人機が前方へかつ横向きに移動するときに、無人機が軸旋回することが有利である。これは、２環式旋回を伴う前方移動と呼ばれる。前方キー「Ｄｈ」および右キー「Ｄｄ」を同時に押すと、航空機を前方へおよび右へ移動させ、一方で、その機首方向を移動方向で変化もさせる。

このような移動の例は４ローター・ヘリコプタのための図８に示されている。

「Ｄｈ」および「Ｄｄ」キーを同時に押すと、前方移動設定点、右移動設定点、および機首方向の時計回り方向における回転速度を伝達する。

同様に、「Ｄｈ」および「Ｄｇ」キーを押すと、前方移動設定点、左移動設定点、および反時計回り方向における機首方向回転速度を送信する。

タッチセンサ表面で、中心から左上角または右上角へトレースすると、同じ設定点を生じさせる。

使用されるサーボ制御は、図５および７に示されるサーボ制御と同じである。

以下、自動トリムおよびホバリング飛行で使用するための視覚データを抽出する方法の説明が続く。

方法の第１ステップはポイント・オブ・インタレストを検出し、追跡することに関する。

検出の原理は、ポイント・オブ・インタレストを画像内に一様に分布して位置させ、著しい諧調度でそれらを特徴付けることにある。

実際には、各ポイント・オブ・インタレストの周りの固定サイズの角窓で、サーチは閾値より大きい諧調度に対して行われる。

もし諧調度の大きさが閾値より非常に大きければ、この諧調度は、極めて著しい対比を有利にするために、ポイント・オブ・インタレストの特徴のリストにより大きい重みが与えられる。もし閾値より大きい諧調度が十分な数で見つかれば、そのときポイント・オブ・インタレストは活発であるといわれる。これは図９に図式的に示される初期化段階である。

不活発なポイント・オブ・インタレストは、次の画像で初期化するためのポイント・オブ・インタレストであり、それを追跡することは不可能である。次の画像で活発なポイント・オブ・インタレストを追跡することは、同じ諧調度の分布をサーチことにあり、それでもなお、ある割合の損失は認可されている。航空機が２つの捕捉の間でほとんど移動していないと仮定すれば、サーチはポイント・オブ・インタレストの先行する位置からの分布に対して行われ、所望の分布が獲得される（追跡成功）まで、または画像内の移動の最大認可距離に達する（追跡失敗）まで、そこから消え去る。

追跡のあと、適正に追跡した活発なポイント・オブ・インタレストに関連した特徴は、一般的に再計算はされず、それにより計算時間を制限する。特徴は、新しい画像の３つの状況においてのみ初期化される。すなわち、ポイント・オブ・インタレストの追跡が失敗したとき、ポイント・オブ・インタレストが、十分な諧調度を欠いて、先行する初期化で不活発であったとき、または、ポイント・オブ・インタレストが、正確に追跡されたが、その当初の位置から離れ過ぎているとき。次に、ポイント・オブ・インタレストの一様の分布を維持するために、リポジショニングを実行することが必要である。

図１０は、ポイント・オブ・インタレストを検出および追跡する一般的な手順を表す略図である。

しばしば並みとみなされる品質である画像のノイズレベルと、またこの方法の計算時間との両方を制限するために、オリジナルの画像は直接使用されず、むしろ、１／４に縮小されたサイズの画像が使用され、その画像は２×２サイズのブロックを各ブロックのグレーレベルの平均値で置換することで獲得される。これらの画像は、以下カレント画像と呼ばれる。

さらに、計算を加速させるために、ポイント・オブ・インタレストの１つの画像から別の画像への移動を推測するためにマルチ解像度手法が使用される。図１１の略図はこのマルチ解像度手法を図示している。

したがって、処理されているカレント画像は、２×２サイズの平均ブロックにより１／４にもう一度縮小される。ポイント・オブ・インタレストは、位置され、初期化され、次にそれらは、上記の通り、次の縮小した画像で追跡される。粗い種類の画像で作業をする利点は、非常に少量の移動のみが画像に許容され、結果としてポイントが非常に速く追跡されるという事実にある。いったん活発なポイント・オブ・インタレストが粗い画像で追跡されると、結果として生じる移動情報はカレント画像上でポイント・オブ・インタレストの移動を予想するのに使用される。実際、カレント画像の各活発なポイント・オブ・インタレストにとって、サーチは、縮小された画像を現在の縮尺比に戻したあと、縮小された画像で最も近くにある追跡されたポイント・オブ・インタレストのために行われる。活発なポイント・オブ・インタレストの移動の予想は、そこから推定される。次に、追跡は、予想した位置の周りの特徴をサーチすることで精緻化される。もう一度、少量の移動のみが特徴を見つけるために認可される。

提案された追跡の解決策は、以下の制約を充足させる。すなわち、最初に、物体モデルが使用されていないので、この方法は、カメラによって捕えられた任意の環境、すなわち、形状認識に基づく一定の従来型技術により要求されるような、ほとんど物体を有さず、または線、境界などの特異性をほとんど表さない、場合によりほとんど構造を表さない場合もある現場に適応する。現状では、画像が明確な形状を含む必要がなく、画像はノイズレベルより大きいレベルで存在する諧調度を認識できるのに十分である。

さらに、追跡が諧調度に基づいているので、カメラの露出などにおいて、特に照明効果の変動による照明の変化に関わらず画像は強固である。最後に、マルチ解像度手法およびポイント・オブ・インタレストが追跡されるとき特徴を再計算しない原理によって、方法の複雑さは限定されたままである。

追跡されるポイント・オブ・インタレストの数を増加させるために、十分な数のポイント・オブ・インタレストが検出されるように、航空機を旋回、上昇、または降下させることが有利である。これは、カメラ画像から推定した線形速度測定に基づく良好な条件下で自動トリムおよびホバリング飛行を実施することができるために不可欠である。３つの方法が開発されており、
・年齢によって重み付けされたポイント・オブ・インタレストの重心を画像の中心の方へもたらすこと、
・ポイント・オブ・インタレストの検出領域の中心への距離に対する費用関数を最小化すること、および、
・有利であるときはいつでも、離れているポイント・オブ・インタレストを画像の中心に向かって再度中心にくるように合わせ、そうでなければ、ポイント・オブ・インタレストの重心を再度中心にくるように合わせること、を含む。

ポイント・オブ・インタレストがない場合は、２つの方法が可能である。すなわち、
・ごく最近選択された方向で継続すること、および／または、
・少々待って、次に無作為に方向を選択し、継続し、再び選択すること。

追跡されたポイント・オブ・インタレストを基に２つの画像の間で航空機の速度を計算することは次のデータに基づいている。すなわち、
・現場の構造が知られていない、
・２つの画像捕捉の間の航空機の移動が小さく、画像捕捉が毎秒２５画像の頻度で行われる、
・慣性ユニットが航空機の姿勢を３次元で提供する、
・ＣＰＵ時間がほとんど得られない。

２つの画像の間のポイント・オブ・インタレストの移動は、回旋および並進で移動する航空機に、ならびに画像形成面上に投影されるようなポイントの、航続距離と呼ばれる距離にも依存する。画像捕捉の頻度より大きい頻度で、慣性ユニットは航空機の３次元姿勢角を供給する。各画像捕捉で姿勢角を使用することで、慣性ユニットに対するカメラの位置および方向を知ると、カメラが２つの捕捉の間でどれだけ回転したかを推定することが可能である。したがって、共通の座標軸、たとえば２つの画像のうちの一方の座標軸上に、ポイント・オブ・インタレストを投影することで回転の影響を除去することが可能である。したがって、並進移動を推測することのみが必要である。

２つの画像の間でＮ追跡したポイント・オブ・インタレストに関するこの処理をしたあと、２つの画像のそれらの点の座標と、並進移動の３つの構成要素と、移動前のカメラの座標軸に投影されたような端点のそれぞれの範囲とを結合して、２Ｎ方程式が獲得される。並進移動の大きさは非常に小さく、少なくともピクセルのグリッドでの標本抽出の結果として、点の範囲と、貧弱な結果を与える並進移動とを同時に推測する方法で、点の移動はノイズを伴う。同様に、エピポーラ拘束に基づく方法は、満足のいく結果を供給するために大量の移動を必要とする。そのため、追跡方法の具体的な特徴に適応される範囲に関して、仮定が提案されている。この方法は、３次元の正確な点を追跡するよりも、１つの画像から別の画像へ小さい平面区域を追跡することにより関係する。その結果として、撮影した現場は画像面に平行な面の部分を形成し、したがってすべての追跡した点は同じ範囲にあると仮定される。すなわち、移動が非常に小さく、撮影した物体がカメラから遠くにあるとき、この仮定はさらにより有効である。次に２Ｎ方程式は３つの未知構成要素のみを有する。すなわち、現場の範囲に関連する、並進移動の３つの構成要素。

航空機の並進移動を推測するために、画像間で追跡したポイント・オブ・インタレストにより定義された形状の歪みを利用して、カメラの光軸の方向に沿って並進移動について推測が最初に行われる。その後、推測に基づいて、並進移動は最小二乗法により画像の軸の方向に沿って計算される。最後に、カメラの座標軸の推測したベクトルが固定した３次元の座標軸に転換される。カメラの現場の範囲は知られていないので、並進移動はこのようにしてスケール係数内で推測される。並進移動の方向だけでなく、その大きさも推測するのに使用するために、現場とカメラの間の距離に関する情報が欠如している。テレメータはＺ軸に沿って並進の測定を提供できる。すなわち、次に、これは、推測した並進のベクトルの大きさを推定するのに使用することができる。

数量的不安定に供される並進移動の計算を容易にするために、並進移動を追跡し計算する方法が、時間において標本抽出不足である連続動作に適用される。したがって、ポイント・オブ・インタレストは追跡され、対応する速度はオリジナルの連続動作から抽出された複数の部分連続動作について計算される。これはしばしば結果を改善する。

並進移動を計算するために、一定範囲の仮定の代替として別の仮定が考慮されてきた。航空機に搭載されたカメラは地面を観測でき、そのため、範囲についての対応する仮定は想定し得る。すなわち、画像面に投影される点は、平面であると仮定される地面の部分を形成すると仮定される。３次元のカメラの配向、航空機上のカメラの位置、および３次元の航空機の姿勢を所与とすると、点を地面の視野に投影すること、および固定した３次元座標軸で並進移動を直接計算することが可能になる。次にＺ軸に沿った並進移動の知識は計算を大きく促進する。しかし、投影された点がこの仮定を満足させることができるためには、投影された点が画像の最下部に位置される必要があり、それによって既存のコントラストにそれらを配置する機会を制限し、特に画像の最下部はしばしば一様の質感（カーペット、リノリウム、．．．）を表すので、投影された点は追跡するのがより困難である。そのために、平坦な地面の仮定の代替として、追跡のための点が画像全体に亘って配置されるのを可能にする前方の現場の仮定も考慮される。

自動トリムまたはホバリングを達成するために、航空機の速度の推測を伴うシステムを提供する必要はない。第１に、テレメトリは垂直速度の推測を提供し、高度をサーボ制御するための特殊装置がこの情報を利用する。第２に、航空機の水平面の方向制御は８つ（前方／後方、右／左、８つの組合せを与える）であり、それは、８つの可能性の中から選択した水平面の並進移動の方向の推測を提供するのに十分である。したがって、上記の推測した並進移動（ｔｘ、ｔｙ、ｔｚ）に基づいて、もしも並進移動（ｔｘ、ｔｙ）の規模が大きい、すなわち数ミリメートルの閾値Ｓより大きい場合のみ、水平面の移動の方向として、（ｔｘ、ｔｙ）に最も近い８つの方向の中の方向を選択することが可能になる。

最後に、この方法により引き起こされる異常な測定を除去するために、２つの画像の間で首尾よく追跡されたポイント・オブ・インタレストの数が厳密に２つより多い場合のみ、測定が提供される。さらに、もしも推測した方向が先行する推測した方向と２π／３以上の角度だけ異なっている場合、その測定は考慮には入れない。

図１２は、航空機の速度が計算される方法を要約している略図である。

最後に、上記の方法により並進移動を計算することは、第１に現場の構造を推測する必要がなく、第２に計算が閉論理式に依存する限りにおいて、特に簡単かつ高速である。

Claims (12)

1. ホバリングの自動安定化を備えた回転翼無人機を操縦する方法であって、
   前記無人機にテレメータおよびビデオカメラを設けるステップと、
   テレメータにより地面に対する前記無人機の高度を取得するステップと、
   前記無人機の水平速度を取得するステップと、
   ホバリング中の前記無人機を自動的に安定化するステップであって、
   前記テレメータにより取得された前記高度を安定化するように前記無人機の垂直推進力をサーボ制御すること、および
   ゼロ水平速度を獲得するように、前記無人機の水平推進力をサーボ制御することによって、前記無人機を自動的に安定化するステップと、を含む方法において、
   前記ビデオカメラが前記無人機の正面の方を向いている正面視覚カメラであり、
   前記無人機の前記水平速度が、前記正面視覚カメラにより捕捉される複数のビデオ画像から取得されることを特徴とする、方法。
2. 各基本操縦機能が、前記基本操縦機能を実行するように、前記無人機の１組のアクチュエータにより遂行されるべき飛行パラメータを確定するのに適している、基本操縦機能を定義する操作と、
   前記基本操縦機能を始動するための始動手段をユーザーに提供する操作と、
   どの機能も始動していないときはいつでも、前記無人機が安定化したホバリング飛行に自動的に位置され、前記ユーザーが基本操縦機能を始動させる前記始動手段を作動させることにより前記無人機を操縦する操作と、
   をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の自動安定化を備えた無人機を操縦する方法。
3. 前記基本操縦機能が以下の活動、すなわち、上方へ移動、下方へ移動、右旋回、左旋回、前進、後進を含む、請求項２に記載の自動安定化を備えた無人機を操縦する方法。
4. 前記基本操縦機能がさらに、水平並進で左に移動、水平並進で右に移動を含む、請求項３に記載の自動安定化を備えた無人機を操縦する方法。
5. 前記始動手段が操縦箱のキーによって構成される、請求項２に記載の自動安定化を備えた無人機を操縦する方法。
6. 前記始動手段が、操縦箱のタッチセンサ表面にスタイラスペンで描かれるトレースによって構成される、請求項２に記載の自動安定化を備えた無人機を操縦する方法。
7. 前記始動手段が、関連した基本操縦機能を動かし、設定し、および停止するのに適するマルチ活動手段である、請求項２に記載の自動安定化を備えた無人機を操縦する方法。
8. 前記始動手段が、自動連続動作を始動する手段も含む、請求項２に記載の自動安定化を備えた無人機を操縦する方法。
9. 前記自動連続動作が無人機離着陸を含む、請求項８に記載の自動安定化を備えた無人機を操縦する方法。
10. テレメータおよびビデオカメラと、
    前記テレメータによって地面に対する無人機の高度を取得する手段と、
    前記無人機の水平速度を取得する手段と、
    ホバリングを自動的に安定化するシステムであって、
    前記テレメータによって取得された前記高度を安定化するように前記無人機の垂直推進力をサーボ制御すること、および、
    ゼロ水平速度を獲得するように前記無人機の水平推進力をサーボ制御することを含むシステムと、
    を含む回転翼無人機において、
    前記ビデオカメラが前記無人機の正面の方向を向いている正面視覚ビデオカメラであることと、
    前記無人機の水平速度を取得する手段が、前記正面視覚カメラにより捕捉された複数のビデオ画像から前記速度を取得する手段であることを特徴とする、回転翼無人機。
11. 請求項１０に記載の回転翼無人機と、
    基本操縦機能を始動する手段を含む操縦箱と、を含み、
    各基本操縦機能が、前記基本操縦機能を実施するように、前記無人機の１組のアクチュエータにより遂行されるべき飛行パラメータを確定するのに適し、
    どの機能も始動していないときはいつでも、前記無人機が、前記無人機のホバリング飛行を自動的に安定化するシステムにより、安定化したホバリング飛行に自動的に位置される、
    ことを特徴とする、操縦アセンブリ。
12. 操縦箱が基本操縦機能を始動する手段を含み、
    各基本操縦機能が、前記基本操縦機能を実施するように、前記無人機の１組のアクチュエータにより遂行されるべき飛行パラメータを確定するのに適し、
    どの機能も始動していないときはいつでも、前記無人機が安定化したホバリング飛行に自動的に位置される、ことを特徴とする、
    請求項１０に記載の回転翼無人機のための操縦箱。

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