(57)【要約】      （修正有）【課題】外力に対抗して、位置及び姿勢を維持することができる無人飛行体、無人飛行方法及び無人飛行プログラムを提供する。【解決手段】プロペラ８の回転によって推力を得る無人飛行体１は、上方に延在し、自由端側に自由回転可能な回転部材２２が配置されている棒状部材２０と、無人飛行体１の外部上方に位置する天井面２００に、回転部材２２が接したか否かを判断する接触判断手段３と、回転部材２２が天井面に接したと判断した場合に、無人飛行体１の上方への推力を空中停止に必要な推力に対して所定の比率だけ大きくする上方押圧手段と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロペラの回転によって推力を得る無人飛行体であって、
上方に延在し、自由端側に自由回転可能な回転部材が配置されている棒状部材と、
前記無人飛行体の外部上方に位置する天井面に、前記回転部材が接したか否かを判断する接触判断手段と、
前記回転部材が前記天井面に接したと判断した場合に、前記無人飛行体が空中停止するために必要な推力を確認するホバリング推力確認手段と、
前記無人飛行体の上方への推力を前記ホバリング推力に対して所定の比率だけ大きくする上方押圧手段と、
を有する無人飛行体。
【請求項２】
前記回転部材は、軸部を中心に回転する円板状部材である、
請求項１に記載の無人飛行体。
【請求項３】
前記接触判断手段は、前記無人飛行体が所定の推力で上昇中に、上昇が停止したことを慣性センサーからの出力によって判断するように構成されている、
請求項１または請求項２に記載の無人飛行体。
【請求項４】
外部の風速を判断する風速判断手段を有し、
前記上方押圧手段は、前記風速に応じて前記上方への推力を調整するように構成されている、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の無人飛行体。
【請求項５】
プロペラの回転によって推力を得、上方に延在し、自由端側に自由回転可能な回転部材が配置されている棒状部材を有する無人飛行体が、
前記無人飛行体の外部上方に位置する天井面に、前記回転部材が接したか否かを判断する接触判断ステップと、
前記回転部材が前記天井面に接したと判断した場合に、前記無人飛行体が空中停止するために必要な推力を確認するホバリング推力確認ステップと、
前記無人飛行体の上方への推力を前記ホバリング推力に対して所定の比率だけ大きくする上方押圧ステップと、
を有する無人飛行方法。
【請求項６】
プロペラの回転によって推力を得、上方に延在し、自由端側に自由回転可能な回転部材が配置されている棒状部材を有する無人飛行体を制御するコンピュータを、
前記無人飛行体の外部上方に位置する天井面に、前記回転部材が接したか否かを判断する接触判断手段、
前記回転部材が前記天井面に接したと判断した場合に、前記無人飛行体が空中停止するために必要な推力を確認するホバリング推力確認手段、
前記無人飛行体の上方への推力を前記ホバリング推力に対して所定の比率だけ大きくする上方押圧手段、
として機能させるための無人飛行プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無人飛行体、無人飛行方法及び無人飛行プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、小型無人飛行体（「ドローン」とも呼ばれる）の利用が提案されている。このようなドローンは、空中で停止（ホバリング）して、様々な作業を行うことができるのが特徴の一つである。所望の位置において所望の姿勢で静止するために、超音波距離センサー（以下、「距離センサー」という。）を使用する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２１７７８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、距離センサーで計測した高度にドローンを維持する制御は複雑であり、しかも、風などの外力によってドローンの姿勢は容易に変動する。
【０００５】
本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、外力に対抗して、位置及び姿勢を維持することができる無人飛行体、無人飛行方法及び無人飛行プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第一の発明は、プロペラの回転によって推力を得る無人飛行体であって、上方に延在し、自由端側に自由回転可能な回転部材が配置されている棒状部材と、前記無人飛行体の外部上方に位置する天井面に、前記回転部材が接したか否かを判断する接触判断手段と、前記回転部材が前記天井面に接したと判断した場合に、前記無人飛行体が空中停止するために必要な推力を確認するホバリング推力確認手段と、前記無人飛行体の上方への推力を前記ホバリング推力に対して所定の比率だけ大きくする上方押圧手段と、を有する無人飛行体である。
【０００７】
第一の発明の構成によれば、無人飛行体は、回転部材が天井面に接したことを判断すると、ホバリング推力を確認し、無人飛行体の上方への推力をホバリング推力に対して所定の比率だけ大きくする。すなわち、回転部材を天井面に押し付けつつ、ホバリングすることができるから、外力に対抗して、位置及び姿勢を維持することができる。
【０００８】
第二の発明は、第一の発明の構成において、前記回転部材は、軸部を中心に回転する円板状部材である、無人飛行体である。
【０００９】
第三の発明は、第一の発明または第二の発明の構成において、前記接触判断手段は、前記無人飛行体が所定の推力で上昇中に、上昇が停止したことを慣性センサーからの出力によって判断するように構成されている、無人飛行体である。
【００１０】
第四の発明は、第一の発明乃至第三の発明のいずれかの構成において、外部の風速を判断する風速判断手段を有し、前記上方押圧手段は、前記風速に応じて前記上方への推力を調整するように構成されている、無人飛行体である。
【００１１】
第五の発明は、プロペラの回転によって推力を得、上方に延在し、自由端側に自由回転可能な回転部材が配置されている棒状部材を有する無人飛行体が、前記無人飛行体の外部上方に位置する天井面に、前記回転部材が接したか否かを判断する接触判断ステップと、前記回転部材が前記天井面に接したと判断した場合に、前記無人飛行体が空中停止するために必要な推力を確認するホバリング推力確認ステップと、前記無人飛行体の上方への推力を前記ホバリング推力に対して所定の比率だけ大きくする上方押圧ステップと、を有する無人飛行方法である。
【００１２】
第六の発明は、プロペラの回転によって推力を得、上方に延在し、自由端側に自由回転可能な回転部材が配置されている棒状部材を有する無人飛行体を制御するコンピュータを、前記無人飛行体の外部上方に位置する天井面に、前記回転部材が接したか否かを判断する接触判断手段、前記回転部材が前記天井面に接したと判断した場合に、前記無人飛行体が空中停止するために必要な推力を確認するホバリング推力確認手段、前記無人飛行体の上方への推力を前記ホバリング推力に対して所定の比率だけ大きくする上方押圧手段、として機能させるための無人飛行プログラムである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、外力に対抗して、位置及び姿勢を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る無人飛行体を示す概略図である。
【図２】無人飛行体の機能構成を示す概略図である。
【図３】無人飛行体の動作を示す概略図である。
【図４】無人飛行体の動作を示す概略図である。
【図５】無人飛行体の動作を示す概略図である。
【図６】無人飛行体の動作を示す概略図である。
【図７】無人飛行体の動作を示す概略図である。
【図８】無人飛行体の動きを示すフローチャートである。
【図９】無人飛行体の動きを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態）について詳細に説明する。以下の説明においては、同様の構成には同じ符号を付し、その説明を省略又は簡略する。なお、当業者が適宜実施できる構成については説明を省略し、本発明の基本的な構成についてのみ説明する。
【００１６】
図１に示す無人機１は、プロペラの回転によって推力を得て、所定の経路を自律飛行し、所定の作業を実施する無人飛行体の一例である。無人機１は空中を飛行する無人飛行体である。無人機１は、無人機１を管理する基地局５０（図２参照）からの指示でトンネル内の検査などの作業を開始し、また、基地局５０において充電等を行うようになっている。
【００１７】
無人機１は、筐体２を有する。筐体２には、無人機１の各部を制御するコンピュータ、自律飛行装置、無線通信装置、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）などの航法衛星システムからの測位用電波を利用する測位装置、慣性センサー３、気圧センサー、バッテリー等が配置されている。また、筐体２には、固定装置１２を介して、カメラ１４が配置されている。カメラ１４は、可視光カメラ、または、近赤外線カメラであるが、切り替え可能なハイブリッドカメラであってもよい。カメラ１４は、情報収集手段の一例である。固定装置１２は、カメラ１４による撮影画像のぶれを最小化し、かつ、カメラ１４の光軸を任意の方向に制御することができる３軸の固定装置（いわゆる、ジンバル）である。慣性センサー３は、加速度センサー及びジャイロセンサーによって構成されており、無人機１の上昇、下降などの動きや姿勢を検出する。
【００１８】
筐体２には、丸棒状のアーム４が接続されている。各アーム４にはモーター６が接続されており、各モーター６にはプロペラ８が接続されている。各モーター６は、直流モーター（ブラシレスＤＣモーター）である。各モーター６は、筐体２内の自律飛行装置によってそれぞれ独立して制御され、無人機１を上下水平方向の移動や空中での停止（ホバリング）及び姿勢制御を自在に行うことができるようになっている。
【００１９】
自律飛行装置が各モーター６へ供給する電力が増加すると、各モーター６の回転数が増加し、各モーター６の出力が増加し、各モーター６に接続されたプロペラ８による推力（以下、単に「推力」という）も増加する。ここで、推力とは、無人機１を移動させる力を意味する。本明細書において、単に「モーター６」というときは、４つのモーター６を意味し、「モーター６の推力」というときは、４つのモーター６による推力を意味するものとする。
【００２０】
アーム４には保護枠１０が接続され、プロペラ８が外部の物体に直接接触することを防止している。アーム４及び保護枠１０は、例えば、炭素繊維強化プラスチックで形成されており、強度を保ちつつ、軽量に構成されている。以上の筐体２等が、無人機１の本体部を構成する。
【００２１】
筐体２の上部には、棒状部材２０が接続されている。棒状部材２０は、無人機１の上方に延在している。棒状部材２０は、例えば、炭素繊維製の中空部材である。棒状部材２０の自由端近側には回転軸支持部２０aが形成されており、回転軸２０ｂを支持している。回転軸２０ｂには、円板状部材２２が自由回転可能な状態で配置されている。円板状部材２２の外周面２２aは、平面として形成されている。円板状部材２２は、回転部材の一例である。
【００２２】
無人機１は、上昇し、円板状部材２２の外周面２２aが天井面２００に接したと判断すると、推力を減少させて下降し、その後、推力を徐々に増加し、空中停止（ホバリング）したときの推力Ｆ０（以下「ホバリング推力Ｆ０」という。）を確認する。そして、無人機１は、鉛直上方への推力Ｆｘをホバリング推力Ｆ０に対して所定の比率だけ大きくするように構成されている。Ｆｘ＝Ｆ０×（１＋α／１００）である。αは正の数であり、例えば、α＝３である。これにより、無人機１は、円板状部材２２を天井面２００に押し付けつつ、天井面２００に接した状態を維持する。無人機１は、円板状部材２２が天井面２００に接した状態で、円板状部材２２の回転面の方向（図１の矢印Ｙ１及びＹ２方向）への水平移動を実施するようになっている。無人機１は、矢印Ｙ１方向及びＹ２方向以外（例えば、矢印Ｘ１方向及びＸ２方向）へ移動する場合には、矢印Ｒ１及びＲ２に示すように機首転回（ヨー）を実施し、円板状部材２２の回転面の方向と移動方向を一致させるようになっている。本明細書において、推力はベクトルで示す。
【００２３】
図２は、無人機１の機能構成を示す図である。図２に示すように、無人機１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）１００、記憶部１０２、無線通信部１０４、衛星測位部１０６、慣性センサー部１０８、駆動制御部１１０、画像処理部１１２、及び、電源部１１４を有する。
【００２４】
無人機１は、無線通信部１０４によって、基地局５０と通信可能になっている。無人機１は、無線通信部１０４によって、基地局５０から、発進等の指示を受信する。基地局５０は、コンピュータで構成されている。
【００２５】
無人機１は、衛星測位部１０６と慣性センサー部１０８によって、無人機１自体の位置を測定することができる。衛星測位部１０６は、基本的に、４つ以上の航法衛星からの測位用電波を受信して無人機１の位置を計測する。慣性センサー部１０８は、慣性センサー３からの出力を受信する。慣性センサー部１０８は、無人機１の上昇、下降や姿勢を示す情報を受信し、出発点からの無人機１の移動を積算して、無人機１の位置を計測する。無人機１自体の位置情報は、無人機１の移動経路の決定及び自律移動のために使用するほか、画像処理部１１２によって撮影した画像データと座標（位置）とを紐づけするために使用する。
【００２６】
画像処理部１１２によって、無人機１はカメラ１４（図１参照）を作動させて外部の画像を取得することができる。
【００２７】
駆動制御部１１０によって、無人機１は各モーター６（図１参照）に接続されたプロペラ８（図１参照）の回転を制御し、上下水平移動や空中停止、傾きなどの姿勢を制御するようになっている。
【００２８】
電源部１１４は、例えば、交換可能な可充電電池であり、無人機１の各部に電力を供給するようになっている。
【００２９】
記憶部１０２には、出発点から目的位置まで自律移動するための移動計画を示すデータ等の自律移動に必要な各種データ及びプログラム、作業予定領域の地形、形状や構造物の位置を示す情報のほか、以下の各プログラムが格納されている。
【００３０】
記憶部１０２には、飛行制御プログラム、接触判断プログラム、ホバリング推力確認プログラム、上方押圧プログラム、及び、風速判断プログラムが格納されている。ＣＰＵ１００と飛行制御プログラムは、飛行制御手段の一例である。ＣＰＵ１００と接触判断プログラムは、接触判断手段の一例である。ＣＰＵ１００とホバリング推力確認プログラムは、ホバリング推力確認手段の一例である。ＣＰＵ１００と上方押圧プログラムは、上方押圧手段の一例である。ＣＰＵ１００と風速判断プログラムは、風速判断手段の一例である。
【００３１】
無人機１は、飛行制御プログラムによって、無人機１の自律飛行を制御する。具体的には、無人機１は、各モーター６に供給する電力を調整し、予め規定された経路及び高度を飛行するようになっている。本実施形態においては、無人機１は、トンネル内など、天井の存在する場所で動作するものとし、所定の座標において、まず、鉛直方向に上昇する。
【００３２】
無人機１は、接触判断プログラムによって、無人機１が上昇中に、外部の上方に位置する天井面２００（図１参照）に円板状部材２２が接したか否かを判断する。具体的には、無人機１は、所定の推力で上昇中に、上昇が停止したことを慣性センサー３からの出力によって判断する。鉛直上方への推力Ｆｘの大きさが重力Ｇ１の大きさよりも大きい場合には、無人機１は上昇する。円板状部材２２が天井面２００に接すると、モーター６の推力Ｆｘを維持しても上昇することはできない。このとき、慣性センサー３を構成する加速度センサーから出力される加速度は、急な減速を示し、次いで、重力加速度のみとなる。本明細書において、この加速度変化を「停止加速度」という。これにより、無人機１は、天井面２００に円板状部材２２が接したと判断する。
【００３３】
例えば、図３に示すように、無人機１が推力Ｆｘ＝Ｆ１において、矢印Ｚ１に示す上方へ上昇中において、円板状部材２２が天井面２００に接すると、推力Ｆｘ＝Ｆ１を維持していても、上昇は停止し、慣性センサー３から上述の停止加速度が出力される。
【００３４】
無人機１は、ホバリング推力確認プログラムによって、無人機１が空中停止するために必要な推力を確認する。無人機１は、円板状部材２２が天井面２００に接すると、図４（ａ）に示すように、モーター６の推力を減少させて、下降する。無人機１が下降していることは、慣性センサー３からの出力によって検出する。無人機１が下降しているときには、推力Ｆｘの大きさは重力Ｇ１の大きさよりも小さい（Ｆｘ＜−Ｇ１）。無人機１は、慣性センサー３によって下降していることを検出すると、無人機１が空中停止するまで推力Ｆｘを徐々に増加する。無人機１が空中停止したことは、慣性センサー３からの出力によって検出する。無人機１が徐々に推力Ｆｘを増加させると、慣性センサー３から出力される加速度は緩やかな減速を示す（下降速度が緩やかに遅くなる）。推力Ｆｘの大きさと重力Ｇ１の大きさが一致すると、無人機１は空中停止し、慣性センサー３からの出力は重力加速度のみとなる。これにより、無人機１は、空中停止したと判断する。無人機１が、空中停止しているときの推力Ｆｘの大きさは重力Ｇ１の大きさと等しい（Ｆｘ＝−Ｇ１）。空中停止しているときの推力がホバリング推力Ｆ０である。
【００３５】
無人機１は、上方押圧プログラムによって、上方への推力Ｆｘをホバリング推力Ｆ０に対して所定の比率だけ大きい推力とする。上述のように、Ｆｘ＝Ｆ０×（１＋α／１００）である。αは正の数であり、例えば、α＝３である。そして、Ｆ０＜Ｆｘ＜Ｆ１である。これにより、無人機１は、円板状部材２２を天井面に押し付けつつ、高度を維持することができる。また、推力Ｆｘは、上昇に要した推力Ｆ１よりも小さいから、電力を効率的に使用しつつ、位置及び姿勢を維持することができる。
【００３６】
例えば、図５に示すように、無人機１は、鉛直上方への推力Ｆｘを推力Ｆｘ＝Ｆ２に設定する。推力Ｆ２は、推力Ｆ０よりも３％だけ大きい。すなわち、Ｆ２＝Ｆ０×（１＋０．０３）である。図５の状態において、無人機１は、円板状部材２２によって天井面２００を押し付けた状態で位置及び姿勢を維持する。このため、外力として、風などによる乱流が生じても、それらに対抗して、位置及び姿勢を維持することができる。特に、円板状部材２２の外周面２２aは、平面として形成されているから、円板状部材２２の回転面と水平面で直交する方向の風（横風）に対する耐性が強い。
【００３７】
無人機１は、風速判断プログラムによって、外部の風速を判断する。具体的には、無人機１は、慣性センサー３からの出力によって、モーター６の回転による動きとは別の無人機１の水平方向の動き（外力による水平方向への動き）を判断し、無人機１の水平方向の動きから外部の風速を判断する。なお、風向は、一定とは限らず、乱流であってもよい。無人機１は、例えば、所定時間内（例えば、０．５秒（ｓ））における外力による水平方向の動きを加算して加算値ＷＡを算出し、風速を判断する。
【００３８】
無人機１は、上方押圧プログラムによって、外部の風速に応じて上方への推力を調整する。無人機１は、外部の風速に応じて鉛直上方への推力Ｆｘを決定する。無人機１は、外部の風速が速いほど、鉛直上方への推力Ｆｘを大きくする。例えば、図６に示すように、無人機１の進行方向に対して垂直方向の風、すなわち、横風Ｗ１及びＷ２が吹いている場合について説明する。風速Ｗ１においては推力Ｆｘ＝Ｆ２Ａとし、風速Ｗ２においては推力Ｆｘ＝Ｆ２Ｂとする。Ｗ１＜Ｗ２、Ｆ２Ａ＜Ｆ２Ｂである。これにより、風速が速い場合であっても、無人機１は、姿勢を維持し、鉛直方向の位置を維持することができる。
【００３９】
図７に示すように、無人機１が、例えば、矢印Ｙ１に示す水平方向へ移動（前進）するときには、プロペラ８の回転面及び無人機１は傾斜する。なお、無人機１の機首の方向は円板状部材２２の回転面に一致しており、かつ、進行方向である矢印Ｙ１に示す方向に一致しているものとする。無人機１は、矢印Ｙ１方向の推力ＨＶ１及び鉛直上方の推力Ｆｘ＝ＦＶ１を有するように、推力Ｖ１を決定し、移動する。推力ＦＶ１は、ホバリング推力Ｆ０よりも大きい推力である。推力ＨＶ１は、無人機１の水平方向の移動速度に応じて決定する。これにより、無人機１は、円板状部材２２によって天井面２００を押し付けた状態で水平方向へ移動することができる。また、風などによる乱流が生じても、それらの影響を低減して、位置及び姿勢を維持しつつ、水平方向へ移動することができる。水平方向への移動中は、天井面２００からの距離は棒状部材２０の傾斜角度によって規定される。棒状部材２０の長さをＬ、傾斜角度をθとすれば、棒状部材２０の長さＬの鉛直方向の成分はＬ×ｃｏｓθであり、この鉛直方向の成分によって無人機１の水平方向への移動中における鉛直方向の位置が規定される。
【００４０】
以下、無人機１の動作を、図８及び図９のフローチャートを参照して説明する。無人機１は、推力Ｆ１で上昇し（図８のステップＳＴ１）、慣性センサー３によって加速度の変化を測定する（ステップＳＴ２）。無人機１は、停止加速度を検出したと判断すると（ステップＳＴ３）、推力を低下し、次いで、無人機１が空中停止するまで推力を増加させ、ホバリング推力を確認する（ステップＳＴ４）。続いて、無人機１は、推力を増加し、推力Ｆ２に変更する（ステップＳＴ５）。この状態において、天井面２００を押圧しつつ、空中停止する。
【００４１】
無人機１は、水平方向へ移動するときには、機首転回が必要か否かを判断し（図９のステップＳＴ２１）、機首転回が必要であれば機首転回し（ステップＳＴ２２）、円板状部材２２の回転面を進行方向に合わせる。そして、無人機１は、鉛直上方の推力成分ＦＶ１がＦ２になるように推力Ｖ１を決定し（ステップＳＴ２３）、推力Ｖ１となるようにモーター６を回転する（ステップＳＴ２４）。この状態において、棒状部材２０の傾斜角度によって規定される鉛直方向の位置において、天井面２００を押圧しつつ、水平移動する。
【００４２】
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４３】
１  無人機
２  筐体
６  モーター
２０  棒状部材
２２  円板状部材
【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】
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【図８】
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【図９】
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