(57)【要約】【課題】距離センサーを使用せずに、高度を制御することができる無人飛行装置を提供すること。【解決手段】無人飛行装置１は、無人飛行装置１の飛行を制御する飛行制御手段と、無人飛行装置１の本体部に一端が接続され、他端を含む部分が基準位置に配置されている紐状部材２０と、無人飛行装置１が飛行のために消費する駆動電力を確認する電力確認手段と、基準位置から本体部までの紐状部材２０の長さ及び／または重さと、無人飛行装置１の飛行に必要な駆動電力である必要電力との関係を示す必要電力情報と、駆動電力と必要電力情報に基づいて、無人飛行装置１の高度を制御する高度制御手段と、を有する。【選択図】図４
2019156236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無人飛行装置であって、
前記無人飛行装置の飛行を制御する飛行制御手段と、
前記無人飛行装置の本体部に一端が接続され、他端を含む部分が基準位置に配置されている紐状部材と、
前記無人飛行装置が飛行のためにモーターに供給する駆動電力を確認する電力確認手段と、
前記基準位置から前記本体部までの前記紐状部材の長さ及び／または重さと、前記無人飛行装置の飛行に必要な前記駆動電力である必要電力との関係を示す必要電力情報と、
前記モーターに供給する前記駆動電力と前記必要電力情報に基づいて、前記無人飛行装置の高度を制御する高度制御手段と、
を有する、無人飛行装置。
【請求項２】
前記必要電力は、前記無人飛行装置が空中停止するための電力である、請求項１に記載の無人飛行装置。
【請求項３】
無人飛行装置が、
前記無人飛行装置の飛行を制御する飛行制御ステップと、
前記無人飛行装置が飛行のためにモーターに供給する駆動電力を確認する電力確認ステップと、
前記無人飛行装置の本体部に一端が接続され、他端を含む部分が基準位置に配置されている紐状部材の前記基準位置から前記本体部までの長さ及び／または重さと、前記無人飛行装置の飛行に必要な前記駆動電力である必要電力との関係を示す必要電力情報と、前記モーターに供給する前記駆動電力に基づいて、前記無人飛行装置の高度を制御する高度制御ステップと、
を有する、無人作業方法。
【請求項４】
無人飛行装置を制御するコンピュータを、
前記無人飛行装置の飛行を制御する飛行制御手段、
前記無人飛行装置が飛行のために消費する駆動電力を確認する電力確認手段、
前記無人飛行装置の本体部に一端が接続され、他端を含む部分が基準位置に配置されている紐状部材の前記基準位置から前記本体部までの長さ及び／または重さと、前記無人飛行装置の飛行に必要な前記駆動電力である必要電力との関係を示す必要電力情報を記憶する必要電力情報記憶手段、
前記モーターに供給する前記駆動電力と前記必要電力情報に基づいて、前記無人飛行装置の高度を制御する高度制御手段、
として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無人飛行装置、その方法及び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。高度を計測するために、気圧センサーを利用することができるが、精度が劣る。これに対して、超音波距離センサー（以下、「距離センサー」という。）を使用して高度を計測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、外部要因によってドローンの高度は容易に変動する。
【０００５】
本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、距離センサーを使用せずに、高度を制御することができる無人飛行装置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、無人飛行装置であって、前記無人飛行装置の飛行を制御する飛行制御手段と、前記無人飛行装置の本体部に一端が接続され、他端を含む部分が基準位置に配置されている紐状部材と、前記無人飛行装置が飛行のためにモーターに供給する駆動電力を確認する電力確認手段と、前記基準位置から前記本体部までの前記紐状部材の長さ及び／または重さと、前記無人飛行装置の飛行に必要な前記駆動電力である必要電力との関係を示す必要電力情報と、前記モーターに供給する前記駆動電力と前記必要電力情報に基づいて、前記無人飛行装置の高度を制御する高度制御手段と、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、紐状部材の基準位置からの長さ及び／または重さに対応する必要電力を示す必要電力情報と、モーターに供給する駆動電力に基づいて、高度を制御することができる。本体部から基準位置までの紐状部材が長くなるほど紐状部材の重さが重くなるから、必要電力は増加する。ここで、紐状部材の一端は本体部に接続されているから、紐状部材の長さは基準位置を基準とする無人飛行装置の高度であると見做すことができる。このため、モーターに供給する駆動電力を確認し、必要電力と照会することによって、紐状部材の長さ及び／または重さ、すなわち、無人飛行装置の高度を認識することができる。これにより、距離センサーを使用せずに、高度を制御することができる。
【０００８】
第二の発明は、第一の発明の構成において、前記必要電力は、前記無人飛行装置が空中停止するための電力である、無人飛行装置である。
【０００９】
第三の発明は、無人飛行装置が、前記無人飛行装置の飛行を制御する飛行制御ステップと、前記無人飛行装置が飛行のためにモーターに供給する駆動電力を確認する電力確認ステップと、前記無人飛行装置の本体部に一端が接続され、他端を含む部分が基準位置に配置されている紐状部材の前記基準位置から前記本体部までの長さ及び／または重さと、前記無人飛行装置の飛行に必要な前記駆動電力である必要電力との関係を示す必要電力情報と、前記モーターに供給する前記駆動電力に基づいて、前記無人飛行装置の高度を制御する高度制御ステップと、を有する、無人作業方法である。
【００１０】
第四の発明は、無人飛行装置を制御するコンピュータを、前記無人飛行装置の飛行を制御する飛行制御手段、前記無人飛行装置が飛行のために消費する駆動電力を確認する電力確認手段、前記無人飛行装置の本体部に一端が接続され、他端を含む部分が基準位置に配置されている紐状部材の前記基準位置から前記本体部までの長さ及び／または重さと、前記無人飛行装置の飛行に必要な前記駆動電力である必要電力との関係を示す必要電力情報を記憶する必要電力情報記憶手段、前記モーターに供給する前記駆動電力と前記必要電力情報に基づいて、前記無人飛行装置の高度を制御する高度制御手段、として機能させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、距離センサーを使用せずに、高度を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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】無人飛行装置の筐体、紐状部材及び円筒部材を示す概略側面図である。
【図３】紐状部材及び円筒部材を示す概略平面図である。
【図４】無人飛行装置の動作を示す概略図である。
【図５】無人飛行装置の機能構成を示す概略図である。
【図６】必要電力情報の一例を示す説明図である。
【図７】無人飛行装置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】
【００１３】
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。
【００１４】
図１に示す無人機１は、無人飛行装置の一例である。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５参照）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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。各モーター６へ供給され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。
【００１８】
自律飛行装置は、無人機１を所定の高度に位置させたり、上昇下降させるために必要な推力を達成するために、モーター６に供給する電力を増減させる。これは、各モーター６に供給される電力の増減が、推力の増減を示すことを意味する。なお、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。また、「駆動電力」というときは、４つのモーター６に供給する合計の電力を意味するものとする。自律飛行装置は、無人機１を所定の速度で上昇させているときに、負担する重力が増加すると、上昇の状態を維持するために、モーター６へ供給する電力を増加し、推力（揚力）を増加させる。本実施形態は、自律飛行装置の上記機能を活用するものである。本実施形態においては、上方への推力を利用するから、以下の説明において、「推力」という用語は「揚力」と同義であるとして使用する。
【００１９】
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。
【００２０】
筐体２には、紐状部材２０が接続されている。紐状部材２０は、例えば、ポリアミド（ナイロン）等のプラスチック繊維製のロープである。紐状部材２０の仕様は、例えば、直径８ミリメートル（ｍｍ）、重量が８キログロム（ｋｇ）／２００メートル（ｍ）である。紐状部材２０は、一端部が無人機１の本体部に接続されている。紐状部材２０の他端部を含む部分は地面に配置されている。地面は基準位置の一例である。紐状部材２０において、地面に配置されている部分を接地部分２０ａ、地面と無人機１の本体部の間に位置する部分を空中部分２０ｂと呼ぶ。
【００２１】
紐状部材２０は、接地部分２０ａが十分な長さを有し、無人機１の上昇に応じて、紐状部材２０が送り出され、空中部分２０ｂを長くすることができるようになっている。紐状部材２０の長さは、全体で、例えば、２００メートル（ｍ）である。空中部分２０ｂの長さが１５０メートル（ｍ）であれば、接地部分２０ａの長さは５０メートル（ｍ）である。
【００２２】
紐状部材２０は、重力によって、無人機１の本体部から下方に吊り下がるようになっており、空中部分２０ｂの長さＬは、無人機１の高度Ｌであると見做すことができる。無人機１が上昇して、空中部分２０ｂの長さＬが長くなるほど、長さＬに比例して空中部分２０ｂの重量は大きくなり、無人機１の本体部分と空中部分２０ｂの合計の重量（以下「合計重量」という。）は大きくなり、合計重量にかかる重力（以下「合計重力」という。）は大きくなる。
【００２３】
筐体２には、円筒部材１６が接続されている。図２は、筐体２、円筒部材１６及び紐状部材２０の空中部分２０ｂの概略側面図である。図３は、円筒部材１６及び空中部分２０ｂを図１の矢印Ｙ１方向から見た概略平面図である。図２及び図３に示すように、紐状部材２０は、円筒部材１６の中空部分を通って、筐体２に接続されている。
【００２４】
図４に示すように、無人機１が矢印Ｙ２に示すように上昇するに連れて、紐状部材２０が地面Ｅから送り出され、空中部分２０ｂの長さＬが長くなる。無人機１が、上昇し続けるためには、空中部分２０ｂの長さＬが長くなることによる合計重力の増加に対応して、推力を増加させるため、駆動電力を増加させる必要がある。ここで、予定した高度における空中停止（ホバリング）のために必要な駆動電力をホバリング電力αとする。無人機１は、駆動電力がホバリング電力αに達すると、駆動電力をホバリング電力αに維持する制御を行い、高度を維持するようになっている。紐状部材２０の空中部分２０ｂの長さは、無人機１の高度と見做すことができるから、「長さＬ」を「高度Ｌ」とも呼ぶ。
【００２５】
図４に示す高度Ｌ１において無人機１が空中停止するための推力を推力Ｐ１とし、高度Ｌ２において無人機１が空中停止するための推力を推力Ｐ２とする。高度Ｌ２においては、高度Ｌ１におけるよりも紐状部材２０の空中部分２０ｂの長さ（重さ）が大きくなり、合計重量及び合計重力が大きくなる。このため、高度Ｌ２において空中停止するための推力Ｐ２は、高度Ｌ１において空中停止するため推力Ｐ１よりも大きい。推力Ｐ２を生じさせるための駆動電力をホバリング電力α２とし、推力Ｐ１を生じさせるための駆動電力をホバリング電力α１とすれば、ホバリング電力α２はホバリング電力α１よりも大きい。無人機１が、高度Ｌ１の位置から高度Ｌ２の位置へ矢印Ｙ２に示す方向に上昇するためには、無人機１は、ホバリング電力α１から駆動電力を増加させていき、最終的にホバリング電力α２にする。これに対して、無人機１が、高度Ｌ２の位置から高度Ｌ１の位置へ下降するためには、無人機１は、ホバリング電力α２から駆動電力を減少させていき、最終的にホバリング電力α１にする。
【００２６】
図５は、無人機１の機能構成を示す図である。図５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。
【００２７】
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。
【００２８】
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ＧＰＳ衛星などの航法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、慣性センサーを構成する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。そして、本実施形態においては、衛星測位部１０６による測位ができない場合や、慣性センサー部１０８による測位の精度が期待できない場合であっても、高度を判断し、さらに、所定の高度を維持することができるようになっている。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、以下の情報及び各プログラムが格納されている。
【００３３】
記憶部１０２には、ホバリング電力データ、飛行制御プログラム、電力確認プログラム、及び、高度制御プログラムが格納されている。ホバリング電力データは、必要電力情報の一例である。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と電力確認プログラムは、電力確認手段の一例である。ＣＰＵ１００と高度制御プログラムは、高度制御手段の一例である。
【００３４】
図６は、ホバリング電力データの説明図である。図６に示すホバリング電力は、無人機１が所定の高度でホバリングするために必要な駆動電力である。本実施形態において、無人機１の高度は紐状部材２０の空中部分２０ｂの長さと見做すことができるから、ホバリング電力データは、地面（基準位置）から無人機１の本体部までの紐状部材２０の長さ（空中部分２０ｂの長さ）と、ホバリング電力との関係を示す情報である。ホバリング電力は必要電力の一例である。無人機１の高度が上昇すると、紐状部材２０の空中部分２０ｂの長さが長くなり、無人機１と空中部分２０ｂの合計重量は大きくなり、合計重力も大きくなるから、図６に示すように、無人機１の高度が高くなると、ホバリング電力も大きくなる。
【００３５】
無人機１は、図６に示す情報のうち、高度とホバリング電力をホバリング電力データとして記憶部１０２に記憶している。
【００３６】
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に供給する駆動電力を調整する。例えば、無人機１が上昇場合、必要な推力に応じて、駆動電力を増加させる。
【００３７】
無人機１は、電力確認プログラムによって、無人機１がモーター６に供給する駆動電力を確認する。無人機１が上昇中の場合には、上昇に連れて空中部分２０ｂが長くなり、合計重量が重くなり、合計重力が増加するから、無人機１は、上昇を継続するために、駆動電力を増加する。無人機１は、この駆動電力の増加を確認する。
【００３８】
無人機１は、高度制御プログラムによって、モーター６に供給する駆動電力とホバリング電力データに基づいて、無人機１の高度を制御する。無人機１が上昇して所定の高度で空中停止する場合、無人機１は、駆動電力を増加させていき、駆動電力が所定の高度に対応するホバリング電力αに到達したか否かを判断し、駆動電力がホバリング電力αに到達した場合に、駆動電力をホバリング電力αに固定し、空中停止に移行する。例えば、高度２５メートル（ｍ）まで上昇することを予定している場合、高度２５メートル（ｍ）のホバリング電力αは７９０Ｗｈであるから、無人機１は、駆動電力を増加させていき、駆動電力が７９０Ｗｈ（ホバリング電力α１）に達すると、その駆動電力を維持する。この場合、ホバリング電力α１は、高度２５メートルにおける合計重量が空中停止するために必要な推力を生じさせるものであるから、無人機１の実際の高度が、高度２５メートル（ｍ）未満であれば、無人機１は高度２５メートル（ｍ）まで上昇して空中停止する。これに対して、無人機１の実際の高度が、高度２５メートル（ｍ）よりも高ければ、無人機１は高度２５メートル（ｍ）まで下降して空中停止する。これにより、無人機１は、高度２５メートル（ｍ）を維持することができる。
【００３９】
無人機１が、所定高度（例えば、３０メートル）から所定高度（例えば、２５メートル）まで下降して空中停止する場合には、駆動電力を高度３０メートルと高度２５メートルの間の各高度（例えば、高度２８メートルや高度２６メートル）のホバリング電力αよりもわずかに小さな電力にするように徐々に減少させ、最終的に高度２５メートル（ｍ）におけるホバリング電力α１を供給する。これにより、無人機１は、高度２５メートルよりも下に下降していた場合には、ホバリング電力α１による推力によって、高度２５メートル（ｍ）まで上昇して空中停止し、高度２５メートルよりも上に位置していた場合には、高度２５メートル（ｍ）まで下降して空中停止する。
【００４０】
以下、無人機１の動作例を、図７のフローチャートを参照して説明する。無人機１は、地面から高度２５メートル（ｍ）まで上昇し、高度２５メートル（ｍ）において空中停止するものとする。無人機１は、基地局５０から発進指示を受信すると上昇し（ステップＳＴ１）、モーター６の駆動電力を確認する（ステップＳＴ２）。無人機１は、駆動電力が高度２５メートル（ｍ）に対応するホバリング電力α１に達したか否かを判断し（ステップＳＴ３）、ホバリング電力α１に達したと判断すると、駆動電力をホバリング電力α１にし、高度を維持する（ステップＳＴ４）。
【００４１】
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。例えば、駆動電力（電流×電圧）に関連して変化する値（等価である値）を利用して、高度制御を行うようにしてもよい。例えば、駆動電力が増加すると、モーター６の出力が増加し、回転数が増加し、推力が増加するという関係にあるから、本実施形態とは異なり、駆動電力の確認による高度制御に代えて、回転数、出力、あるいは推力による高度制御を行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１  無人機
２  筐体
６  モーター
２０  紐状部材
２０ａ  地上部分
２０ｂ  空中部分
【図１】
2019156236.tif 000003
【図２】
2019156236.tif 000004
【図３】
2019156236.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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