(57)【要約】      （修正有）【課題】機体を傾斜させることなく水平移動が可能な無人飛行体を提供すること。【解決手段】無人飛行装置１Ａは、鉛直上方への推力を発生させるための複数のプロペラ８で構成される鉛直推力発生手段と、水平方向への推力を発生させるための水平推力発生手段と、を有する。また、筐体２には、固定装置１２を介して、カメラ１０が配置されている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直上方への推力を発生させるための複数のプロペラで構成される鉛直推力発生手段と、
水平方向への推力を発生させるための水平推力発生手段と、
を有する無人飛行装置。
【請求項２】
前記鉛直推力発生手段によって、前記無人飛行装置を水平に維持しつつ、前記水平推力発生手段によって水平方向へ移動するように構成されている、
請求項１に記載の無人飛行装置。
【請求項３】
前記水平推力発生手段は、発生する推力の方向が異なる複数の気流発生手段で構成される、請求項２に記載の無人飛行装置。
【請求項４】
前記無人飛行装置が所定の水平方向へ移動するため、複数の前記気流発生手段のそれぞれによって発生する推力を算出する推力算出手段を有する、
請求項３に記載の無人飛行装置。
【請求項５】
前記水平推力発生手段は、発生する推力の方向を変更することができる単一の気流発生手段で構成される、請求項２に記載の無人飛行装置。
【請求項６】
前記単一の気流発生手段は、水平方向に回動することによって発生する推力の方向を変更するように構成されており、
前記単一の気流発生手段が回動することによって生じる反作用を相殺するために、前記鉛直推力発生手段の複数の前記プロペラのそれぞれに発生させる推力を算出する第一反作用相殺手段を有する、請求項５に記載の無人飛行装置。
【請求項７】
前記水平推力発生手段の前記推力は第二プロペラの回転によって発生し、前記第二プロペラが回転することによって生じる反作用を相殺するために、前記鉛直推力発生手段の複数の前記プロペラのそれぞれに発生させる推力を算出する第二反作用相殺手段を有する、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の無人飛行装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無人飛行装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のプロペラの回転によって推力を得る無人飛行体（ドローン）が利用されている（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２０１４−１２２０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ドローンは、水平移動するときには、進行方向とは反対側のプロペラの回転数を上げ、機体全体を傾斜させる必要がある。機体を傾斜させると、進行方向の前方から視た気体の面積が増大するため、空気抵抗が増大する。また、プロペラの回転によって生じる推力が水平方向の成分を有する結果、鉛直上方の成分が減少するから、水平方向への移動のためだけではなく、高度を維持するために、プロペラの回転数を上げる必要がある。
【０００５】
本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、機体を傾斜させることなく水平移動が可能な無人飛行体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、鉛直上方への推力を発生させるための複数のプロペラで構成される鉛直推力発生手段と、水平方向への推力を発生させるための水平推力発生手段と、を有する無人飛行装置である。
【０００７】
第一の発明の構成によれば、無人飛行装置は、鉛直推力発生手段によって高度を維持しつつ、水平推力発生手段によって水平方向への推力を発生させることができるから、機体を傾斜させることなく、水平方向へ移動することができる。
【０００８】
第二の発明は、第一の発明の構成において、前記鉛直推力発生手段によって、前記無人飛行装置を水平に維持しつつ、前記水平推力発生手段によって水平方向へ移動するように構成されている、無人飛行装置である。
【０００９】
第三の発明は、第二の発明の構成において、前記水平推力発生手段は、発生する推力の方向が異なる複数の気流発生手段で構成される、無人飛行装置である。
【００１０】
第四の発明は、第三の発明の構成において、前記無人飛行装置が所定の水平方向へ移動するため、複数の前記気流発生手段のそれぞれによって発生する推力を算出する推力算出手段を有する、無人飛行装置である。
【００１１】
第五の発明は、前記水平推力発生手段は、発生する推力の方向を変更することができる単一の気流発生手段で構成される、無人飛行装置である。
【００１２】
第六の発明は、第五の発明の構成において、前記単一の気流発生手段は、水平方向に回動することによって発生する推力の方向を変更するように構成されており、前記単一の気流発生手段が回動することによって生じる反作用を相殺するために、前記鉛直推力発生手段の複数の前記プロペラのそれぞれに発生させる推力を算出する第一反作用相殺手段を有する、無人飛行装置である。
【００１３】
第七の発明は、第一の発明乃至第六の発明のいずれかの構成において、前記水平推力発生手段の前記推力は第二プロペラの回転によって発生し、前記第二プロペラが回転することによって生じる反作用を相殺するために、前記鉛直推力発生手段の複数の前記プロペラのそれぞれに発生させる推力を算出する第二反作用相殺手段を有する無人飛行装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、機体を傾斜させることなく水平移動が可能な無人飛行体を提供することを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る無人飛行装置を示す概略図である。
【図２】ファンを示す概略図である。
【図３】複数のファンによる方向制御の方法の説明図である。
【図４】無人飛行装置の機能構成を示す概略図である。
【図５】無人移行装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図６】第二の実施形態に係る無人飛行装置を示す概略図である。
【図７】単一のファンによる方向制御の方法の説明図である。
【図８】無人移行装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図９】第三の実施形態に係る無人飛行装置のファンを示す概略図である。
【図１０】無人移行装置の動作の一例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】
【００１６】
＜第一の実施形態＞
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。
【００１７】
図１に示す無人機１は、無人飛行装置の一例であり、所定の経路を自律飛行して、所定の作業を実施する。無人機１は、無人機１を管理する基地局５０（図４参照）からの指示で作業を開始し、また、基地局５０において充電等を行うようになっている。
【００１８】
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を利用した測位装置、慣性センサー、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１０が配置されている。カメラ１０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１０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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。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。
【００２１】
自律飛行装置は、無人機１を所定の高度に位置させたり、上昇下降させたり、機首回転（ヨー）させるための推力を得るために、各モーター６に供給する電力を制御する。本実施形態において、モーター６及びプロペラ８は、主に鉛直上方への推力発生のために使用される。複数のプロペラ８は、鉛直推力発生手段の一例である。
【００２２】
アーム４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。
【００２３】
筐体２の上部には、ファン２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ及び２０Ｄが配置されている。ファン２０Ａ等は、それぞれ、発生する推力の方向が異なる。ファン２０Ａ等は、全体として、水平方向への推力を発生させるための水平推力発生手段の一例であり、各ファン２０Ａ等は気流発生手段の一例である。
【００２４】
無人機１は、複数のプロペラ８を等速で回転させることによって、図１の矢印Ｚ１に示す鉛直上方の推力を発生させる。無人機１は、図１の矢印Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２に示す方向などの水平方向へ移動するときには、複数のプロペラ８の等速回転を継続し、無人機１の機体の水平状態を維持しつつ、ファン２０Ａ等の少なくとも一つを回転させる。これにより、無人機１は、機体を水平状態に維持しつつ、水平方向へ移動することができる。
【００２５】
図２を参照して、ファン２０Ａの構成の概略を説明する。なお、ファン２０Ｂ、２０Ｃ及び２０Ｄの構成は、ファン２０Ａと同様であるから、説明を省略する。ファン２０Ａは、ファン２０Ａ１及び２０Ａ２から構成される。ファン２０Ａ１の小プロペラ２０Ａ１ａは矢印Ｒ１方向（時計回り）に回転し、ファン２０Ａ２の小プロペラ２０Ａ２ａは矢印Ｒ２方向（反時計回り）に回転する。すなわち、ファン２０Ａは、二重反転プロペラ構造に形成されている。小プロペラ２０Ａ１ａと小プロペラ２０Ａ２ａは互いに反対方向に同じ回転速度で回転し、互いの回転による反作用を相殺する。小プロペラ２０Ａ１ａ及び２０Ａ２ａは第二プロペラの一例である。
【００２６】
図３を使用して、ファン２０Ａ等による水平方向への移動（水平方向の推力発生）について説明する。図３（ａ）は、ファン２０Ａ等を図１の矢印Ｚ２方向から視た概略平面図である。図３（ａ）に示すように、ファン２０Ａだけを回転させると、矢印Ｘ１方向の推力が生じる。なお、「ファン２０Ａの回転」は、「ファン２０Ａの小プロペラ２０Ａ１ａ及び２０Ａ２ａの回転」を意味する。ファン２０Ｂだけを回転させると、矢印Ｙ１方向の推力が生じる。ファン２０Ｃだけを回転させると、矢印Ｘ２方向の推力が生じる。ファン２０Ｄだけを回転させると、矢印Ｙ２方向の推力が生じる。
【００２７】
矢印Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２に示す方向以外の推力が必要な場合には、２以上のファン２０Ａ等を所定の回転速度で回転させる。無人機１は、所定の方向への推力を発生させるため、ファン２０Ａ等のそれぞれによって発生する推力を算出するように構成されている。例えば、図３（ｂ）に示すベクトルａ１方向の推力が必要な場合には、ファン２０Ａを回転させてベクトルＸ１ａに示す方向と大きさを有する推力を得、ファン２０Ｂを回転させてベクトルＹ１ａに示す方向と大きさを有する推力を得る。ベクトルＸ１ａとベクトルＹ１ａに示す推力の合力がベクトルａ１に示す推力となる。
【００２８】
図４は、無人機１の機能構成を示す図である。図４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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。ＧＰＳ部１０６は、基本的に、３つ以上のＧＰＳ衛星からの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、例えば、加速度センサー及びジャイロセンサーによって、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。
【００３１】
画像処理部１１２によって、無人機１はカメラ１０（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。
【００３２】
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、機首回転、傾きなどの姿勢を制御するようになっている。
【００３３】
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。
【００３４】
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、推力算出プログラムが格納されている。ＣＰＵ１００と推力算出プログラムは推力算出手段の一例である。
【００３５】
無人機１は、推力算出プログラムによって、所定の水平方向への推力を発生させるため、複数のファン２０Ａ等のそれぞれによって発生する推力を算出する。算出された推力を発生させるための電力は、駆動制御部１１０によって、各ファン２０Ａ等に供給される。
【００３６】
以下、無人機１の動作例を、図５のフローチャートを参照して説明する。無人機１は、基地局５０から発進指示を受信すると、すべてのプロペラ８を回転させて上昇し（図５のステップＳＴ１）、予定高度に達したと判断すると（ステップＳＴ２）、プロペラ８の回転を下げて空中停止（ホバリング）する（ステップＳＴ３）。無人機１は、空中停止しながら、撮影等の作業を実施する。無人機１は、水平移動の指示を受けると（ステップＳＴ４）、移動方向に応じて、各ファン２０Ａ等によって発生すべき推力を算出し（ステップＳＴ５）、各ファン２０Ａ等に必要な電力を供給し、各ファン２０Ａ等を回転する（ステップＳＴ６）。無人機１は、目的位置に到達したと判断すると（ステップＳＴ７）、ファン２０Ａ等の回転を停止する（ステップＳＴ８）。
【００３７】
＜第二の実施形態＞
第二の実施形態について、第一の実施形態と異なる部分について、説明する。図６に示すように、第二の実施形態の無人機１Ａにおいて、筐体２の上部に水平回動装置２２が配置され、水平回動装置２２の上部にファン２０Ａが固定されている。水平回動装置２２が筐体２の上部において水平方向に回動することによって、ファン２０Ａが水平方向に回動し、ファン２０Ａによって発生する推力の方向が調整される。ファン２０Ａは単一の気流発生手段の一例である。以下、ファン２０Ａの回動は、水平回動装置２２の回動と同意義であるとする。
【００３８】
図７に示す状態において、ファン２０Ａが回転すると、矢印Ｙ１に示す方向の推力を発生する。このとき、ファン２０Ａは、推力とは反対方向（矢印Ｙ２に示す方向）の気流を発生する。図７に示す状態において、ファン２０Ａが矢印Ｗ１方向に回動すると、矢印Ｘ１に示す方向の推力が発生可能になり、さらに、矢印Ｗ２方向に回動すると、矢印Ｙ２に示す方向の推力が発生可能になる。さらに、ファン２０Ａが矢印Ｗ３方向に回動すると、矢印Ｘ２に示す方向の推力が発生可能になる。このように、ファン２０Ａが水平方向に回動することによって、３６０度、所望の方向の推力を発生することができる。
【００３９】
ファン２０Ａが水平方向に回動すると、無人機１Ａはその反作用として、ファン２０Ａの回動方向とは反対方向の回動しようとする力が働く。この力は、無人機１Ａを機首回転（ヨー）させる力として作用する。無人機１Ａの記憶部１０２（図４参照）には、第一反作用相殺プログラムが格納されている。ＣＰＵ１００と第一反作用相殺プログラムは、第一反作用相殺手段の一例である。無人機１Ａは、例えば、ファン２０Ａの回動方向が図７の矢印Ｗ１方向（反時計回りの回転方向）であれば、反作用は矢印Ｗ１とは反対方向（時計回りの回転方向）であるから、各プロペラ８の回転を制御して、反時計回りに機首回転する力を生成し（「第一反作用相殺動作」と呼ぶ。）、ファン２０Ａの回動による反作用と相殺させる。これにより、ファン２０Ａの回動による機種回転を防止する。これにより、無人機１Ａの機体の水平状態を維持し、機首回転を防止しつつ、単一のファン２０Ａによって、水平方向の移動を実施することができる。
【００４０】
以下、無人機１Ａの動作例を、図８のフローチャートを参照して説明する。無人機１Ａは、基地局５０から発進指示を受信すると、すべてのプロペラ８を回転させて上昇（図８のステップＳＴ１）し、予定高度に達したと判断すると（ステップＳＴ２）、プロペラ８の回転を下げて空中停止（ホバリング）する（ステップＳＴ３）。無人機１Ａは、水平移動の指示を受けると（ステップＳＴ４）、移動方向に応じて、ファン２０Ａの回動角度を算出し（ステップＳＴ５Ａ）、回動による反作用を相殺するための推力である第一反作用相殺推力を算出する（ステップＳＴ５Ｂ）。続いて、無人機１Ａは、ファン２０Ａを所定角度だけ回動させるとともに、回動の間、各プロペラ８の回転を制御して、第一反作用相殺動作を実施する（ステップＳＴ５Ｃ）。無人機１Ａは、ファン２０Ａの回動が完了すると、第一反作用相殺動作を停止し、ファン２０Ａを回転する（ステップＳＴ６）。無人機１Ａは、目的位置に到達したと判断すると（ステップＳＴ７）、ファン２０Ａの回転を停止する（ステップＳＴ８）。
【００４１】
＜第三の実施形態＞
第三の実施形態について、第二の実施形態と異なる部分について、説明する。図９に示すように、第三の実施形態の無人機１Ｂの回動装置２２（図６参照）には、図９に示すファン２０Ａ’が固定されている。ファン２０Ａ’は、ファン２０Ａ１から構成される。すなわち、第一の実施形態及び第二の実施形態とは異なり、二重反転プロペラではない。このため、小プロペラ２０Ａ１ａが矢印Ｒ１方向（時計回り）に回転すると、矢印Ｒ１ｒ方向（反時計回り）の反作用が生じ、無人機１Ｂの機体を傾斜させる力として作用する。
【００４２】
無人機１Ｂの記憶部１０２（図４参照）には、第二反作用相殺プログラムが格納されている。ＣＰＵ１００と第二反作用相殺プログラムは、第二反作用相殺手段の一例である。無人機１Ｂは、ファン２０Ａ’が回転するときの反作用を算出する。例えば、図６に示す状態においてファン２０Ａ’が時計回り（図９の矢印Ｒ１方向）に回転すると、反作用として、機首（カメラ１０が配置されている側）が下がる方向（図９の矢印Ｒ１ｒ方向）の力が作用する。無人機１Ｂは、反作用を相殺して気体の水平状態を維持するために、手前側（カメラ１０側）の２つのプロペラ８の回転数を上げ、手前側が上昇する力を生成し（「第二反作用相殺動作」と呼ぶ。）、ファン２０Ａ’の回転による反作用と相殺させる。これにより、ファン２０Ａ’の回転による機体の傾斜を防止する。
【００４３】
以下、無人機１Ｂの動作例を、図１０のフローチャートを参照して説明する。無人機１Ｂは、基地局５０から発進指示を受信すると、すべてのプロペラ８を回転させて上昇（図１０のステップＳＴ１）し、予定高度に達したと判断すると（ステップＳＴ２）、プロペラ８の回転を下げて空中停止（ホバリング）する（ステップＳＴ３）。無人機１Ｂは、水平移動の指示を受けると（ステップＳＴ４）、移動方向に応じて、ファン２０Ａ’の回動角度を算出し（ステップＳＴ５Ａ）、回動による反作用を相殺するための推力である反作用相殺推力を算出する（ステップＳＴ５Ｂ）。続いて、無人機１Ｂは、ファン２０Ａ’を所定角度だけ回動させるとともに、回動の間、各プロペラ８の回転を制御して、第一反作用相殺動作を実施する（ステップＳＴ５Ｃ）。無人機１Ｂは、ファン２０Ａ’の回動が完了すると、ファン２０Ａ’の回転による反作用を相殺するための反作用相殺推力を算出し（ステップＳＴ６Ａ）、ファン２０Ａ’を回転する（ステップＳＴ６Ｂ）。無人機１Ｂは、ファン２０Ａ’を回転させている間、第二反作用相殺動作を実施する。無人機１Ｂは、目的位置に到達したと判断すると（ステップＳＴ７）、ファン２０Ａ’等の回転を停止する（ステップＳＴ８）。このとき、第二反作用相殺動作も停止する。
【００４４】
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】
【００４５】
１，１Ａ，１Ｂ  無人機
２  筐体
６  モーター
８  プロペラ
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ａ’  ファン
２２  水平回動装置
【図１】
2019156127.tif 000003
【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】
2019156127.tif 000008
【図７】
2019156127.tif 000009
【図８】
2019156127.tif 000010
【図９】
2019156127.tif 000011
【図１０】
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