(57)【要約】【課題】他の無人航空機である子機を指定地まで運搬し、指定地において子機を直接離着陸させることができる無人航空機を提供する。【解決手段】複数の水平回転翼を備える無人航空機であって、前記無人航空機を親機としたときに、他の無人航空機である子機が離着陸可能な離着陸部と、内燃機関を有する発電装置、燃料電池、複数の蓄電池、または、前記子機の蓄電池よりも大容量の蓄電池と、を備えることを特徴とする無人航空機により解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の水平回転翼を備える無人航空機であって、
前記無人航空機を親機としたときに、他の無人航空機である子機が離着陸可能な離着陸部と、
内燃機関を有する発電装置、燃料電池、複数の蓄電池、または、前記子機の蓄電池よりも大容量の蓄電池と、を備えることを特徴とする無人航空機。
【請求項２】
前記発電装置と、出力可能な最大電力が前記発電装置よりも大きな前記蓄電池と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【請求項３】
前記各水平回転翼は、鉛直方向において、前記離着陸部の上面位置よりも下方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【請求項４】
前記離着陸部の上面と前記各水平回転翼との鉛直方向における離間距離は、これら水平回転翼のロータ直径の長さ以上であることを特徴とする請求項３に記載の無人航空機。
【請求項５】
前記各水平回転翼は、前記離着陸部の底面位置よりも下方に配置されており、
前記各水平回転翼は、回転面の面積の少なくとも一部が前記離着陸部と水平方向に重ねられていることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【請求項６】
前記各水平回転翼は、回転面の面積の略全体が前記離着陸部と水平方向に重ねられていることを特徴とする請求項５に記載の無人航空機。
【請求項７】
前記離着陸部には、複数の前記子機が離着陸可能であることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【請求項８】
前記離着陸部の上面には、前記子機の脚部が嵌入する多数の凹部または貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【請求項９】
前記離着陸部は上方に開口したカップ形状の容器部を有しており、
前記子機には前記容器部の内面形状と相補的な形状をなす嵌合部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【請求項１０】
前記各水平回転翼は、前記離着陸部の底面位置よりも下方に配置されており、
前記各水平回転翼の回転中心と前記離着陸部とは、互いに水平方向に重ならない位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【請求項１１】
前記各水平回転翼は、円筒形状のダクト内にブレードが配置されたダクテッドファンであり、
前記各水平回転翼のダクトは、下側開口部の開口面積よりも上側開口部の開口面積の方が大きいことを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【請求項１２】
前記離着陸部に着陸した前記子機を充電可能であることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【請求項１３】
前記子機は前記親機との無線通信により該親機の空間中の飛行位置を取得可能であり、
前記子機は前記親機との無線通信または画像認識により前記離着陸部上の着陸位置を特定可能であることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【請求項１４】
移動体通信網を介してオペレータ端末との通信が可能であることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無人航空機技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用無人ヘリコプターに代表される小型の無人航空機は、機体が高価で入手困難なうえ、安定して飛行させるためには操作に熟練が必要とされるものであった。しかし近年、無人航空機の姿勢制御や自律飛行に用いられるセンサ類およびソフトウェアの改良、低価格化が進み、これにより無人航空機の操作性が飛躍的に向上した。特に小型のマルチコプターについては、ヘリコプターに比べてローター構造が簡単であり、設計およびメンテナンスが容易であることから、趣味目的だけでなく、広範な産業分野における種々のミッションへの応用が試行されている。
【０００３】
下記特許文献１には、無人航空機を専用車両で作業現場に運搬する中継システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２２５９８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
人の立ち入りや接近が困難な場所で無人航空機による作業を行うときに、その無人航空機を遠方から飛行させて作業現場に向かわせた場合、現場では、無人航空機の往復に要する電力を差し引いた量の作業しか行うことができない。特に、バッテリーで飛行する無人航空機の飛行可能時間には厳しい制約があり、一般的な小型機では２０分前後でバッテリーが枯渇する。例えばこのような小型機に撮影装置を搭載して現場を撮影する場合、往復の飛行時間を除くと撮影に充てられる時間は僅かである。
【０００６】
上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、他の無人航空機である子機を指定地まで運搬し、指定地において子機を直接離着陸させることができる無人航空機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の無人航空機は、複数の水平回転翼を備え、前記無人航空機を親機としたときに、他の無人航空機である子機が離着陸可能な離着陸部と、内燃機関を有する発電装置、燃料電池、複数の蓄電池、または、前記子機の蓄電池よりも大容量の蓄電池と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
他の無人航空機である子機が離着陸可能な離着陸部を備え、子機よりも長時間の飛行が可能な無人航空機で子機を作業現場まで運ぶことにより、子機は現場においてより長時間の作業を行うことができる。そして、親機が離着陸部を備えていることにより、子機は現場への到着後に人手を介すことなく親機から離陸して作業を開始することができる。現場で作業を行う子機は、作業後に親機の待機位置まで戻る余力を残しておけばよく、これにより子機の飛行可能時間の大半を、本来の目的とする作業に費やすことが可能となる。
【０００９】
また、本発明の無人航空機は、前記発電装置と、出力可能な最大電力が前記発電装置よりも大きな前記蓄電池と、を備えている構成としてもよい。
【００１０】
無人航空機の消費電力は一定ではなく瞬間的に大きく増減する。また、一般的な小型発電装置の最大電力は無人航空機用の蓄電池よりも小さい。そのため、大きな電力が必要となった瞬間には発電装置だけでなく蓄電池を補助電力源として利用することにより、長時間のホバリングや定速移動と、大電力を必要とする瞬発的な動作との両方に対応することができる。
【００１１】
また、前記各水平回転翼は、鉛直方向において、前記離着陸部の上面位置よりも下方に配置されていることが好ましい。
【００１２】
例えば親機を着陸させる場所が現場にない場合など、親機を飛行させながら子機の離着陸を行うときには、親機の水平回転翼（以下、単に「回転翼」ともいう。）の吸気により生じる気流の影響を考慮する必要がある。回転翼の近傍は特に流速が速く、子機がその気流に巻き込まれた場合には、子機とともに親機も墜落するおそれがある。このような危険を回避すべく、親機の回転翼を支持するアームを水平方向外側に延長して離着陸部と回転翼とを引き離した場合、親機の機体が著しく大型化してしまい、その運用や管理が煩雑となる。一方、本構成の無人航空機（親機）では、水平回転翼の位置を下げて離着陸部と回転翼との距離を確保することにより、機体の大型化を抑えつつ、回転翼の吸気による子機への影響を軽減させることができる。
【００１３】
また、このとき、前記離着陸部の上面と前記各水平回転翼との鉛直方向における離間距離は、これら水平回転翼のロータ直径の長さ以上であることが好ましい。
【００１４】
回転翼の吸気により生じる負圧や気流は、回転翼との距離が近づくにつれ増大する。回転翼が実際に生じさせる負圧の大きさや、気流の流速・流量、距離に応じたこれらの増減率は、回転翼のブレード形状や材料、ロータ径、回転数、ダクトの有無・形状、飛行環境などの複雑な条件に左右される。目安を挙げるとすれば、産業用無人航空機に採用される一般的な回転翼の場合、回転翼からそのロータ直径の２倍ほど離れた位置では、吸気の気流はその影響を無視できる程度まで減衰する。ここで、回転翼が生じさせる負圧や気流は、回転翼との距離が近づくにつれて指数関数的に増大する。つまり、回転翼に近い位置では、僅かな距離の変化であっても負圧や気流が大きく増減する。本構成の無人航空機（親機）では、回転翼の位置を離着陸部上面から回転翼のロータ直径以上離すことにより、機体の大型化を抑えつつ、回転翼の吸気による子機への影響を効果的に抑えることが可能となる。
【００１５】
また、前記各水平回転翼は、前記離着陸部の底面位置よりも下方に配置されており、前記各水平回転翼は、回転面の面積の少なくとも一部が前記離着陸部と水平方向に重ねられていることが好ましい。
【００１６】
回転面の少なくとも一部が離着陸部に覆われていることにより、その覆われている部分については、回転翼の鉛直上方の吸気が離着陸部に遮断される。これにより、親機の飛行中における子機の離着陸をより安全に行うことが可能となる。
【００１７】
また、このとき、前記各水平回転翼は、回転面の面積の略全体が前記離着陸部と水平方向に重ねられていることが好ましい。
【００１８】
回転面の略全体が離着陸部に覆われていることにより、回転翼の吸気による鉛直上方への影響を離着陸部で遮断することができる。これにより、親機の飛行中における子機の離着陸をさらに安全に行うことが可能となる。
【００１９】
また、前記離着陸部には、複数の前記子機が離着陸可能であることが好ましい。
【００２０】
離着陸部に複数の子機が離着陸可能であることにより、親機は一度により多くの子機を運搬することができる。これにより、作業時間や現場との往復に要する電力などのリソースをより効率的に用いることが可能となる。
【００２１】
また、前記離着陸部の上面には、前記子機の脚部が嵌入する多数の凹部または貫通孔が設けられていることが好ましい。
【００２２】
離着陸部の上面に凹部または貫通孔が形成され、子機の脚部がこれに嵌入することにより、同面上における子機の位置が固定され、子機の着陸時や運搬時における子機の滑落を防止することができる。また、これら凹部または貫通孔が同面上に多数配置されていることにより、同面上における子機の着陸可能範囲や機体の向きなどの条件が緩和され、子機の離着陸部への着陸操作が容易となる。
【００２３】
または、前記離着陸部は上方に開口したカップ形状の容器部を有しており、前記子機には前記容器部の内面形状と相補的な形状をなす嵌合部が設けられている構成としてもよい。
【００２４】
離着陸部としてカップ形状の容器部を使用し、この容器部に嵌合可能な嵌合部を子機に設けることにより、子機を安定して保持することが可能となる。
【００２５】
または、前記各水平回転翼は、前記離着陸部の底面位置よりも下方に配置されており、前記各水平回転翼の回転中心と前記離着陸部とは、互いに水平方向に重ならない位置に配置されている構成としてもよい。
【００２６】
回転翼の回転中心と離着陸部とが水平方向に重ならない位置に配置されていることにより、回転翼が離着陸部に覆われて吸気効率が下がることが防止される。この場合、回転翼の上方を避けて子機を離着陸させることにより、回転翼の吸気による子機の離着陸への影響を回避することができる。
【００２７】
また、前記各水平回転翼は、円筒形状のダクト内にブレードが配置されたダクテッドファンであり、前記各水平回転翼のダクトは、下側開口部の開口面積よりも上側開口部の開口面積の方が大きいことが好ましい。
【００２８】
下側開口部の開口面積よりも上側開口部の開口面積の方が大きいことにより（すなわち、ダクトの内面が、上側開口部から下側開口部に向かって開口面積が次第に小さくなるように傾斜または湾曲していることにより）上側開口部近傍の空気には次のような気流が生じる。まず、上側開口部近傍の空気が、ダクトの内面に沿って加速されながら吸い込まれる。これにより上側開口部近傍の内側には負圧が生じる。この負圧によりダクトの側方からの吸気量が増え、結果的にダクトの上方からの吸気量が減る。上方に対する吸気量、つまり上方の気流に対する影響が低下することにより、親機の飛行中における子機の離着陸をより安全に行うことが可能となる。また、回転翼の上方が離着陸部に覆われている場合でも、その吸気への影響を軽減することができる。
【００２９】
また、前記親機は、前記離着陸部に着陸した前記子機を充電可能であることが好ましい。
【００３０】
親機が子機を充電可能であることにより、現場において子機を用いた作業をより長時間行うことが可能となる。
【００３１】
また、前記子機は前記親機との無線通信により該親機の空間中の飛行位置を取得可能であり、前記子機は前記親機との無線通信または画像認識により前記離着陸部上の着陸位置を特定可能であることが好ましい。
【００３２】
子機が親機の待機位置や離着陸部の位置を特定可能であることにより、子機を自動的に親機上に帰投させることが可能となる。
【００３３】
また、前記親機は、移動体通信網を介してオペレータ端末との通信が可能であることが好ましい。
【００３４】
親機が移動体通信網に接続可能であることにより、移動体通信網のサービスエリア内であれば、どこからでも親機との通信を行うことが可能となる。さらに、親機を中継装置として子機と通信することも可能となる。
【発明の効果】
【００３５】
以上のように、本発明にかかる無人航空機によれば、他の無人航空機である子機を指定地まで運搬し、指定地において子機を直接離着陸させることが可能となり、これにより、子機の飛行可能時間の大半を本来の目的とする作業に充てることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１実施形態にかかる親機の外観を示す図である。
【図２】第１実施形態の容器部に子機が着陸する様子を示す側面図である。
【図３】親機の機能構成を示すブロック図である。
【図４】子機の機能構成を示すブロック図である。
【図５】第２実施形態にかかる親機の外観を示す図である。
【図６】ロータの吸気側における、ロータからの距離と負圧および気流との関係を説明する模式図である。
【図７】第３実施形態にかかる親機の外観を示す図である。
【図８】ダクトの構造を示す模式図である。
【図９】上下の開口面積が同じダクトを使用した場合の気流を説明する模式図である。
【図１０】第１実施形態の変形例にかかる親機および子機の充電構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す各実施形態は、人が接近困難な遠方の地物の様子をカメラで撮影することを想定したものである。現場での撮影にはカメラを備えた小型の無人航空機である「子機」を使用し、その子機を撮影現場に運搬する手段として本発明の無人航空機である「親機」を使用する。
【００３８】
［第１実施形態］
（親機概要）
図１は、第１実施形態にかかる親機１０１の外観を示す図である。図１（ａ）は親機１０１の斜視図、図１（ｂ）は親機１０１の平面図である。なお、本実施形態を含む以下の各実施形態の説明における「鉛直方向」並びに「上」および「下」とは、図１に描かれた座標軸表示のＺ軸で示される上下方向を意味している。同様に、「水平方向」とは同座標軸表示に示されるＸＹ平面方向に平行な方向を意味している。
【００３９】
親機１０１は、主に、後述する制御装置などが収容された本体部であるコントロールボックス１１６、水平回転翼である複数のロータ３００、および、子機が離着陸可能な離着陸部１１０を備えている。なお、本発明でいう「水平回転翼」とは、回転軸の軸線方向が鉛直に延び、回転面の面方向が水平となる回転翼をいう。
【００４０】
各ロータ３００は、モータ３２０と、その出力軸に連結されたブレード３３０とにより構成されている。コントロールボックス１１６の側面からは、パイプ材からなるアーム１１７が水平方向外側に延出しており、ロータ３００はアーム１１７の先端部に固定されている。また、アーム１１７の先端部からは脚部１１８が下方に延出している。アーム１１７およびロータ３００は、コントロールボックス１１６の周方向等間隔に４組配置されている。
【００４１】
（離着陸部）
離着陸部１１０はコントロールボックス１１６の上方に配置された平板状の部材である。離着陸部１１０は複数の支柱部１１５によりコントロールボックス１１６の上面に固定されている。図１（ｂ）に示すように、離着陸部１１０は平面視略十字形に形成されている。離着陸部１１０の各腕の先端部には、カップ形状の凹部である容器部１１１〜１１４が形成されている。容器部１１１〜１１４は離着陸部１１０の上面１１０ａから上方に開口しており、その底部は離着陸部１１０の底面１１０ｂから下方に張り出している。
【００４２】
図２は、離着陸部１１０の容器部１１１に子機６００が着陸する様子を示す側面図である。本実施形態の子機６００は、カメラ８５０を備え、複数のロータ８１０で飛行する小型のマルチコプターである。子機６００のカメラ８５０は、容器部１１１の内面形状と相補的な形状に形成されており、容器部１１１に子機６００を固定するための嵌合部６１０としての機能を兼ねている。容器部１１１に子機６００の嵌合部６１０（カメラ８５０）をはめ込むことにより、離着陸部１１０から子機６００が滑落することが防止され、子機６００を安全に運搬することが可能となる。
【００４３】
図１に示すように、離着陸部１１０には４つの容器部１１１〜１１４が設けられている。これにより親機１０１は、最大で４機の子機６００を一度に運搬することができる。離着陸部１１０に複数の子機６００が離着陸可能であることにより、作業時間や現場との往復に要する電力などのリソースをより効率的に用いることが可能とされている。
【００４４】
なお、本実施形態の容器部１１１〜１１４は、嵌合部６１０の外形寸法に対して離着陸部上面１１０ａの開口径が広く設けられている。そして、容器部１１１を例にとって説明すると、容器部１１１の開口の外縁部分は、径方向における外側から内側に向かって緩やかに下方に湾曲した曲面により構成されている。これにより、子機６００の嵌合部６１０が容器部１１１の中心から多少ずれた位置に着地した場合でも、嵌合部６１０は上記曲面を滑って容器部１１１の中心に誘導されながら容器部１１１にはめ込まれる。
【００４５】
図１（ｂ）および図２に示すように、各ロータ３００は、離着陸部１１０の底面１１０ｂよりも下方に配置されており、各ロータ３００は、その回転面３００ａの面積の略全体が離着陸部１１０と水平方向に重ねられている。例えば、子機６００が撮影を行う現場に親機１０１を着陸させておく場所がない場合には、親機１０１をホバリングさせながら子機６００の離着陸を行う必要がある。この場合、親機１０１のロータ３００の吸気により生じる気流の影響を考慮する必要がある。本実施形態の各ロータ３００は、その回転面３００ａの略全体が離着陸部１１０に覆われていることにより、ロータ３００の吸気による鉛直上方への影響が離着陸部１１０により遮断される。これにより、親機１０１の飛行中であっても子機６００の離着陸を安全に行うことができる。なお、ロータ３００は常にその回転面３００ａの略全面が離着陸部１１０に覆われている必要はなく、回転面３００ａの一部でも離着陸部１１０に覆われていれば、その面積に応じた安全性向上効果を得ることができる。
【００４６】
（親機の機能構成概要）
図３は親機１０１の機能構成を示すブロック図である。親機１０１の機能は、主に、フライトコントローラ２００、複数のロータ３００、これらロータ３００の回転を制御するＥＳＣ３１０（Electric Speed Controller）、および、これらに電力を供給する発電装置４００とその補助電力源であるバッテリー４５０により構成されている。
【００４７】
上でも述べたように、各ロータ３００は、モータ３２０と、その出力軸に連結されたブレード３３０とにより構成されている。ＥＳＣ３１０は、ロータ３００のモータに接続されており、フライトコントローラ２００から指示された速度でモータ３２０およびブレード３３０を回転させる。
【００４８】
フライトコントローラ２００は、マイクロコントローラである制御装置２１０を備えている。制御装置２１０は、中央処理装置であるＣＰＵ２１１と、ＲＯＭやＲＡＭ、フラッシュメモリなどの記憶装置からなるメモリ２１２と、ＥＳＣ３１０を介して各ロータ３００の回転数を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コントローラ２１３とを有している。
【００４９】
フライトコントローラ２００はさらに、ＩＭＵ２３１（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）およびＧＰＳアンテナ２３２（以下、これらＩＭＵ２３１およびＧＰＳアンテナ２３２を総称して「ＩＭＵ２３１等」ともいう。）を備えており、これらは制御装置２１０に接続されている。ＩＭＵ２３１は、主に３軸加速度センサおよび３軸角速度センサにより構成されており、これに加えて、気圧センサ（高度センサ）と地磁気センサ（方位センサ）とを含んでいる。ＧＰＳアンテナ２３２は、正確には航法衛星システム（ＮＳＳ）の受信器である。ＧＰＳアンテナ２３２は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）または地域航法衛星システム（ＲＮＳＳ）から現在の経緯度値および時刻情報を取得する。制御装置２１０は、これらＩＭＵ２３１等により、機体の傾きや回転のほか、飛行中の緯度経度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得することができる。
【００５０】
制御装置２１０のメモリ２１２には、親機１０１の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御するプログラムである飛行制御プログラム２１２ａが記憶されている。飛行制御プログラム２１２ａは、ＩＭＵ２３１等から取得した情報を基に個々のロータ３００の回転数を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながら親機１０１を飛行させる。また、メモリ２１２には、親機１０１を飛行させる飛行経路や速度、高度などのパラメータである飛行計画２１２ｂが登録されている。飛行制御プログラム２１２ａは、操縦者（オペレータ端末９００）からの実行指示や所定の時刻を開始条件として、飛行計画２１２ｂに従って自律的に飛行する（以下、このような自律飛行のことを「オートパイロット」という。）。
【００５１】
本実施形態の親機１０１は基本的にオートパイロットで飛行させることを想定しているが、操縦者がオペレータ端末９００から逐次手動で操縦することも可能である。
【００５２】
（親機の通信機能）
オペレータ端末９００との通信を行う親機１０１の通信装置２２０は、ＬＴＥ（Long Term Evolution）や３Ｇ／ＨＳＰＡ（High Speed Packet Access）、モバイルＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）などの移動体通信網への接続モジュールを備えている。これにより操縦者（オペレータ端末９００）は、移動体通信網のサービスエリア内であればどこからでも親機１０１との通信を行うことができる。
【００５３】
なお、オペレータ端末９００と親機１０１との通信手段は移動体通信網には限定されない。例えば操縦者と現場との距離が、市販のラジオコントロール送受信器やＦＰＶ（First Person View）装置の通信可能距離の範囲内である場合は、これらでも代用可能である。または衛星通信システムなどの広域無線通信手段を用いることもできる。その他、親機１０１を同現場に定常的に飛行させる場合には、現場への飛行ルート上に中継装置を設置してもよい。さらには、子機６００の作業を含め現場における作業内容を事前に細部まで指定可能であり、安全性の確保や不測の事態に対する検討や準備が十分である場合には、オートパイロットによる自律飛行に委ねて、オペレータ端末９００の通信圏外で作業を行わせることも可能である。
【００５４】
親機１０１はさらに、子機６００との無線通信を行う通信装置５００を備えている。これにより操縦者は、親機１０１を子機６００との通信の中継装置として利用することができる。
【００５５】
（親機の動力源）
発電装置４００は、ＥＳＣ３１０や制御装置２１０に供給する電力を生成する発電ユニット４２０、および、発電ユニット４２０が用いるガソリンやガスなどの燃料が蓄えられた燃料タンク４１０を有している。本実施形態の発電ユニット４２０は、発電用の一般的なエンジン４２１および発電機４２２により構成されている。バッテリーではなく燃料で親機１０１を飛行させることにより、親機１０１は燃料タンク４１０の容量に応じた長時間の連続飛行が可能となる。
【００５６】
このような親機１０１で子機６００を作業現場まで運ぶことにより、子機６００は現場においてより長時間の作業を行うことが可能となる。さらに、親機１０１は離着陸部１１０を備えていることから、子機６００は現場への到着後、人手を介すことなく親機１０１から離陸して作業を開始することができる。現場で作業を行う子機６００は、作業後に親機１０１の待機位置まで戻る余力を残しておけばよく、これにより子機６００の飛行可能時間の大半を、本来の目的とする作業に費やすことができる。
【００５７】
さらに、本実施形態の親機１０１は、発電装置４００の補助電力源として、蓄電池であるバッテリー４５０を備えている。親機１０１の飛行時における消費電力は一定ではなく瞬間的に大きく増減する。また、一般的な小型発電装置の最大電力は無人航空機用の蓄電池よりも小さい。そのため、大きな電力が必要となった瞬間には発電装置４００だけでなくバッテリー４５０を補助電力源として利用することにより、長時間のホバリングや定速移動と、大電力を必要とする瞬発的な動作との両方に対応することができる。また、例えば、バッテリー４５０の不使用時には、発電装置４００が発電した電力でバッテリー４５０を充電する構成としてもよい。
【００５８】
なお、本実施形態の親機１０１にはその動力源として発電装置４００が採用されているが。発電装置４００は、例えば燃料電池、複数のバッテリー、または、子機６００のバッテリーよりも大容量のバッテリーなどで代用することもできる。少なくとも、子機６００を作業現場に運搬し、現場において子機６００の作業の終了を待機し、作業終了後に子機６００を回収して帰投するための動力が得られる動力源を備えていればよい。
【００５９】
（子機の機能構成概要）
図４は子機６００の機能構成を示すブロック図である。子機６００の機能は、主に、フライトコントローラ７００、複数のロータ８１０、これらロータ８１０の回転を制御するＥＳＣ８１１、現場の様子を撮影するカメラ８５０、および、これらに電力を供給するバッテリー８２０により構成されている。子機６００の基本的な飛行制御機能は親機１０１と同様であるため、以下は主に親機１０１との相違点について説明する。
【００６０】
フライトコントローラ７００は、マイクロコントローラである制御装置７１０を備えている。制御装置７１０は、中央処理装置であるＣＰＵ７１１と、ＲＯＭやＲＡＭ、フラッシュメモリなどの記憶装置からなるメモリ７１２と、ＥＳＣ８１１を介して各ロータ８１０の回転数を制御するＰＷＭコントローラ７１３とを有している。フライトコントローラ７００はさらに、ＩＭＵ７３１およびＧＰＳアンテナ７３２（以下、これらＩＭＵ７３１およびＧＰＳアンテナ７３２を総称して「ＩＭＵ７３１等」ともいう。）を備えており、これらは制御装置７１０に接続されている。制御装置７１０は、これらＩＭＵ７３１等により、機体の傾きや回転のほか、飛行中の緯度経度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得可能とされている。
【００６１】
また、子機６００は、親機１０１との通信を行う通信装置７２０を備えており、カメラ８５０で撮影した静止画や動画を親機１０１に送信し、また、親機１０１からの指示を受信する。
【００６２】
制御装置７１０のメモリ７１２には、子機６００の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御するプログラムである飛行制御プログラム７１２ａが記憶されている。飛行制御プログラム７１２ａは、ＩＭＵ７３１等から取得した情報を基に個々のロータ８１０の回転数を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながら子機６００を飛行させる。また、メモリ７１２には、子機６００を飛行させる飛行経路や速度、高度などのパラメータである飛行計画７１２ｂが登録されている。飛行制御プログラム７１２ａは、親機１０１経由で受信した操縦者（オペレータ端末９００）からの実行指示を開始条件として、飛行計画７１２ｂに従って自律的に飛行することができる。なお、本実施形態の子機６００は、操縦者がカメラ８５０の撮影画像を見ながら手動で飛行計画７１２ｂのパラメータを変更し、半自律的に飛行させることを想定している。
【００６３】
（子機の帰投機能）
飛行制御プログラム７１２ａは、操縦者から親機１０１への帰投指示をうけたとき、または、バッテリー８２０の残量が所定の閾値を下回ったときには、親機１０１の離着陸部１１０に帰投する。子機６００は親機１０１から、親機１０１の緯度経度、高度、および機首の方位角を含む親機１０１の位置情報を取得可能であり、かかる位置情報に基づいて親機１０１の待機位置に接近する。そして離着陸部１１０の容器部１１１〜１１４をカメラ８５０で鮮明に捉えられる距離まで近づいたら、子機６００は画像解析プログラム７１２ｃで容器部１１１〜１１４との相対距離を計測しながら、容器部１１１〜１１４のいずれかに着陸する。これにより子機６００は、操縦者が子機６００を逐次操縦することなく、親機１０１上に自動帰投することができる。
【００６４】
画像解析プログラム７１２ｃによる容器部１１１〜１１４の位置の特定には、図示しないマーカーを用いた公知の画像認識技術を用いることができる。例えば、ＡＲ（Augmented Reality）分野において広く用いられているARToolKitなどのソフトウェアライブラリの利用や、ロボットアーム分野などで用いられている画像認識技術を応用することが考えられる。また、マーカーの表示態様はプリントされた画像には限定されず、例えば赤外線ＬＥＤライトなどの光源を用いて構成することも可能である。さらに、マーカーは必須の要素ではなく、画像解析処理の高度化・複雑化に伴うコスト増や、位置の推定精度の低下が許容される場合には、マーカーレスの画像認識技術を用いることもできる。
【００６５】
さらに、子機６００による容器部１１１〜１１４の位置の特定手段は画像認識を用いた方法には限定されず、例えばBluetooth（登録商標） Low Energyの近接プロファイルに対応したビーコンを離着陸部１０１の上面１０１ａに複数配置し、子機６００とこれらビーコンとの相対的な距離を計測することで容器部１１１〜１１４の位置を特定してもよい。つまり、親機１０１のＧＰＳアンテナ２３２などで取得可能な情報よりも精度が高く、容器部１１１〜１１４の位置を算出可能な情報が得られる手段であれば代用可能である。
【００６６】
（変形例）
以下に第１実施形態の親機１０１および子機６００の変形例について説明する。本変形例は、親機１０１に子機６００の充電構造をもたせることで、現場における子機６００の作業時間の延長を可能とする例である。
た例である。
【００６７】
図１０は本変形例にかかる親機１０１ａおよび子機６００ａの充電構造を示す図である。図１０（ａ）は離着陸部１１０の容器部１１１に子機６００が着陸する様子を示す側面図である。図１０（ｂ）は、親機１０１ａの容器部１１１と子機６００ａの嵌合部６１０に設けられた端子部の対応関係を示す平面図および底面図である。
【００６８】
子機６００ａではカメラ８５０および嵌合部６１０が互いに独立しており、カメラ８５０は子機６００ａの上部に配置されている。嵌合部６１０の下面には帯状のプラス端子６１１とマイナス端子６１２とが同心円状に配置されている。
【００６９】
親機１０１ａの容器部１１１には、嵌合部６１０が容器部１１１に嵌合されたときに、嵌合部６１０のプラス端子６１１およびマイナス端子６１２と接する位置に、点状のプラス端子１５１とマイナス端子１５２とが配置されている。
【００７０】
子機６００ａが容器部１１１に着陸すると、これら端子部が電気的に接続され、子機６００ａを充電可能な状態となる。容器部１１１への通電（子機６００ａの充電開始）は、親機１０１が子機６００ａの容器部１１１への着陸完了を検知してから行うとよい。親機１０１ａおよび子機６００ａの充電端子の形状や、これら充電端子の接続構造、子機６００ａの着陸完了を検知する方法は特に限定されず、種々の公知技術を用いることができる。
【００７１】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態は、親機のロータの吸気効率の確保と、親機の飛行中における子機の離着陸の安全性の確保との両立を図る例である。以下の説明においては、先の実施形態と同一または同様の構成については、先の実施形態と同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００７２】
図５は、第２実施形態にかかる親機１０２の外観を示す図である。図５（ａ）は親機１０２の斜視図、図５（ｂ）は親機１０２の平面図である。本実施形態の親機１０２と第１実施形態の親機１０１との相違点はその離着陸部１２０にある。以下、親機１０２の離着陸部１２０の特徴について説明する。なお、親機１０２の機能構成は第１実施形態の親機１０１と同様であるため、その説明を省略する。
【００７３】
（離着陸部）
親機１０２の離着陸部１２０は、上方に開口したカップ形状の容器体である容器部１２１〜１２４により構成されており、これら容器部１２１〜１２４はコントロールボックス１１６の上面から放射状に延びた支柱部１２５に支持されている。本実施形態の離着陸部１２０の構造は、第１実施形態の離着陸部１１０における容器部１１１〜１１４に想到する部分のみを残して他の部分を省略した構造であるといえる。
【００７４】
図５（ｂ）に示すように、各ロータ３００の回転中心ｃと容器部１２１〜１２４（以下、これらを総称して単に「離着陸部１２０」という。）とは、互いに水平方向に重ならない位置に配置されている。これにより、ロータ３００が離着陸部１２０に覆われて吸気効率が下がることが防止されている。また、図５（ａ）からも分かるように、親機１０２のロータ３００は、離着陸部１２０よりも下方に配置されている。離着陸部１２０の上面１２０ａと各ロータ３００との鉛直方向における離間距離は、ロータ３００のロータ直径の長さに等しい。
【００７５】
例えば、子機６００が撮影を行う現場に親機１０２を着陸させておく場所がない場合、ホバリングさせた親機１０２に対して子機６００を離着陸させる必要がある。この場合、子機６００の離着陸に際して親機１０２のロータ３００の吸気により生じる気流の影響を考慮する必要がある。ロータ３００の近傍は特に流速が速く、子機６００がその気流に巻き込まれた場合、子機６００とともに親機１０２も墜落するおそれがある。このような危険を回避すべく、例えば親機１０２のアーム１１７を水平方向外側に延長して離着陸部１２０とロータ３００との距離を引き離した場合、親機１０２の機体が著しく大型化してしまい、親機１０２の運用や管理が煩雑となる。一方、本実施形態の親機１０２では、離着陸部１２０の上面１２０ａの位置に対してロータ３００の位置を低くすることで離着陸部１２０とロータ３００との距離を確保している。これにより、親機１０２の機体の大型化を抑えつつ、ロータ３００の吸気による子機６００への影響を軽減している。
【００７６】
図６は、ロータの吸気側におけるロータからの距離と負圧および気流との関係を説明する模式図である。
【００７７】
ロータの吸気により生じる負圧や気流は、ロータとの距離が近づくにつれて増大する。ロータが実際に生じさせる負圧の大きさや、気流の流速・流量、距離に応じたこれらの増減率は、ロータのブレード形状や材料、ロータ直径ｄ、回転数、ダクトの有無・形状、飛行環境などの複雑な条件に左右される。目安を挙げるとすれば、産業用無人航空機に採用される一般的なロータの場合、ロータの回転面の位置ｓからそのロータ直径ｄの２倍（２ｄ）ほど離れた位置では、吸気の気流はその影響を無視できる程度まで減衰する。ここで、ロータが生じさせる負圧や気流は、ロータとの距離が近づくにつれて指数関数的に増大する（図６左側のグラフ参照）。つまり、ロータに近い位置では、僅かな距離の変化であっても負圧や気流が大きく増減する。
【００７８】
本実施形態の親機１０２では、ロータ３００の位置を離着陸部上面１２０ａからロータ３００のロータ直径ｄだけ離していることにより、親機１０２の機体の大型化を抑えつつ、ロータ３００の吸気による子機６００への影響が効果的に抑えられている。
【００７９】
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態は、子機の汎用性と着陸の容易性を向上させ、さらに離着陸部で覆われたロータの吸気効率の改善を図る例である。以下の説明では、先の実施形態と同一または同様の構成については、先の実施形態と同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。なお、親機１０３および子機６００ｂの機能構成は第１実施形態の親機１０１および子機６００と同様であるため、その説明を省略する。
【００８０】
（構成概要）
図７は、第３実施形態にかかる親機１０３および子機６００ｂの外観を示す斜視図である。図７に示すように、本実施形態の子機６００ｂは他の実施形態の子機６００の嵌合部６１０に代えて、下方に延びた複数の棒状の脚部６５０を有している。そして、親機１０３の離着陸部１３０には、その上面１３０ａに、子機６００ｂの脚部６５０の先端が嵌入する多数の凹部１３１が設けられている。
【００８１】
親機１０３のロータ３００は離着陸部１３０の裏側の四隅に配置されており、その回転面のほぼ全面が離着陸部１３０に覆われている。本実施形態のロータ３００は円筒形状のダクト３５０内に配置されたダクテッドファンである。また、親機１０３のコントロールボックス１１６は離着陸部１３０の側部に配置されている。
【００８２】
（離着陸部）
離着陸部１３０は、平板部である底部１３０ｂと、底部１３０ｂから垂直に起立した仕切板１３２と、仕切板１３２に区画された多数の枡目状の空間である凹部１３１とを有している。各凹部１３１は脚部６５０が遊嵌可能な大きさに形成されている。
【００８３】
離着陸部１３０の凹部１３１に嵌入した脚部６５０は、底部１３０ｂに支持されるだけでなく、仕切板１３２により側方への移動が阻止される。これにより、離着陸部１３０に着陸した子機６００ｂの横滑りが防止され、離着陸部１３０上における子機６００ｂの位置が安定する。
【００８４】
また、離着陸部１３０の上面１３０ａには、その全面にわたって多数の凹部１３１が設けられているため、子機６００ｂが離着陸部１３０上のどの部位に着陸した場合でも、いずれかの凹部１３１で子機６００ｂの脚部６５０を捕えることができる。そのため、子機６００ｂの操縦者（または子機６００ｂの自動帰投機能）は、子機６００ｂを、離着陸部１３０上の自由な位置に、自由な向きで着陸させることができる。これにより、子機６００ｂの着陸操作の容易性が向上し、さらに、親機１０３専用の子機を用意することなく、棒状の脚部を備えた一般的な無人航空機を子機として採用することが可能となる。
【００８５】
なお、本実施形態の離着陸部１３０は底部１３０ｂを備えているが、底部１３０ｂを省略し、凹部１３１を上下に貫通された貫通孔としてもよい。これによりロータ３００の吸気効率を高めることができる。また、子機６００ｂがロータ３００の吸気に巻き込まれたとしても、子機６００ｂは離着陸部１３０に受け止められるため、墜落の危険性は低い。
【００８６】
（ダクト）
図８はダクト３５０の構造を示す模式図である。図８（ａ）は、ダクト３５０の側面視断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）の破線で囲んだ部分の拡大図である。
【００８７】
図８（ａ）に示すように、各ロータ３００のダクト３５０は、下側開口部３５０ｂの開口面積Ａ１よりも上側開口部３５０ａの開口面積Ａ２の方が大きい。そしてダクト３５０の内面３５０ｓは、上側開口部３５０ａから下側開口部３５０ｂに向かって内面３５０ｓの開口面積が次第に小さくなるように湾曲した曲面により構成されている。
【００８８】
以下、本実施形態のダクト３５０が生じさせる気流について説明する。まず、図９を参照して、上下の開口面積が同じダクトを使用した場合の気流を説明する。図９に示すように、ダクトの上下の開口面積が同じである場合、空気はロータの上方からおおむね直線的に吸い込まれる。また、ロータの翼端付近は、翼端渦による乱気流の影響で気圧が高くなっており、上方から流れてきた空気はその一部がダクトの外側に逸れていく。
【００８９】
一方、本実施形態のダクト３５０は、ダクト３５０の下側開口面積Ａ１よりも上側開口面積Ａ２の方が大きいことにより、上側開口部３５０ａ付近の空気は、ダクト３５０の内面３５０ｓに沿って加速されながら吸い込まれる。これにより上側開口部３５０ａ近傍の内側には負圧ｎｐが生じる。この負圧ｎｐによりダクト３５０の側方からの吸気量が増え、結果的にダクト３５０の上方からの吸気量が減る。上方に対する吸気量、つまり上方の気流に対する影響が低下することにより、親機１０３の飛行中における子機６００ｂの離着陸をより安全に行うことが可能となる。また、親機１０３のようにロータ３００の上方が離着陸部１３０に覆われている場合でも、ロータ３００の吸気への影響を軽減することができる。
【００９０】
ダクト３５０は本実施形態の親機１０３だけでなく、第１実施形態の親機１０１や第２実施形態の親機１０２に適用することもできる。第１実施形態の親機１０１はロータ３００の上方が離着陸部１３０に覆われているため、ダクト３５０を用いることで吸気効率への影響を軽減することができる。また、第２実施形態の親機１０２はロータ３００が離着陸部１２０に覆われていないため、ダクト３５０でロータ３００による上方の気流への影響を抑えることにより、飛行中の親機１０２に対してより安全に子機６００を離着陸させることが可能となる。
【００９１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることができる。例えば、子機を用いた作業は撮影には限られず、無人航空機により遂行可能なあらゆる作業を行うことができる。
【符号の説明】
【００９２】
１０１〜１０３  親機（無人航空機）
１１０，１２０，１３０  離着陸部
１１１〜１１４，１２１〜１２４  容器部
１１０ａ，１２０ａ，１３０ａ  離着陸部の上面
１１０ｂ，１２０ｂ  離着陸部の底面
１３１  凹部
１５１，１５２  親機の充電端子
２００  フライトコントローラ
２２０  オペレータ端末との通信装置
２３１  ＩＭＵ
２３２  ＧＰＳアンテナ
３００  ロータ（水平回転翼）
３００ａ  ロータの回転面
ｄ  ロータ直径
ｃ  回転中心
３２０モータ
３３０  ブレード
３５０  ダクト
３５０ａ  上側開口部
Ａ１  上側開口部の開口面積
３５０ｂ  下側開口部
Ａ２  下側開口部の開口面積
３５０ｓ  内面
４００  発電装置
４２１  エンジン（内燃機関）
４５０  バッテリー（蓄電池）
５００  子機との通信装置
６００，６００ａ，６００ｂ  子機（他の無人航空機）
６１０  嵌合部
６１１，６１２  子機の充電端子
６５０  脚部
７００  フライトコントローラ
７１２ｃ  画像解析プログラム
７２０  親機との通信装置
８１０  ロータ
８２０  バッテリー
８５０  カメラ（嵌合部）
９００  オペレータ端末
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018144539.tif 000009
【図８】
2018144539.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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