(57)【要約】  飛行中に機体が障害物と衝突したときに、墜落後の回転翼による事故被害の拡大を防止することができる無人航空機を提供する。  複数の回転翼と、該複数の回転翼による飛行を制御する制御部と、を備える無人航空機であって、前記制御部は、自機と障害物との衝突を検知して前記複数の回転翼を自動的に停止させる緊急停止手段を有することを特徴とする無人航空機により解決する。また、かかる無人航空機はパラシュートの射出機構をさらに備え、前記緊急停止手段は、自機と障害物との衝突を検知したときに、前記複数の回転翼を停止させるとともに前記パラシュートを展開することが好ましい。
2017086234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の回転翼と、該複数の回転翼による飛行を制御する制御部と、を備える無人航空機であって、
前記制御部は、自機と障害物との衝突を検知して前記複数の回転翼を自動的に停止させる緊急停止手段を有することを特徴とする無人航空機。
【請求項２】
パラシュートの射出機構をさらに備え、
前記緊急停止手段は、自機と障害物との衝突を検知したときに、前記複数の回転翼を自動的に停止させるとともに前記パラシュートを展開す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】
前記各回転翼を障害物との接触から保護するローターガード部をさらに備え、
前記緊急停止手段は、前記ローターガード部に加えられた外力を監視することにより、自機と障害物との衝突を検知することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無人航空機。
【請求項４】
前記各回転翼はモータおよびブレードにより構成され、
前記緊急停止手段は、前記各モータの消費電流を監視することにより、自機と障害物との衝突を検知することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無人航空機。
【請求項５】
前記制御部は加速度センサを有しており、
前記制御部は、操縦者またはプログラムからの飛行指示と、前記加速度センサの出力値との整合性を監視し、これらの不整合を検知したときに、前記緊急停止手段により前記複数の回転翼を自動的に停止させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無人航空機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数の回転翼を備える無人航空機に関し、さらに詳しくは、無人航空機の回転翼による事故被害の拡大を防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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（ＵＡＶ）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縦に熟練が必要とされるものであった。しかし近年、加速度センサや角速度センサなどの機体部品の高性能化および低価格化が進み、また、機体の制御操作の多くが自動化されたことによりその操作性も飛躍的に向上した。こうした背景から現在、特に小型のマルチコプターについては、趣味目的だけでなく、広範な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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１４９６２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
マルチコプターの飛行制御技術の一例として、測距センサなどにより機体の周囲にある障害物をスキャンし、自動的に障害物と一定の距離を保つことにより、障害物との衝突を回避する技術が知られている。しかし、このような制御技術は発展途上にあり、障害物との衝突を完全に回避しうるものではない。【０００５】
また、マルチコプターの回転翼は鋭利であり、マルチコプターが障害物に衝突した場合、回転翼がこれを損傷させることがある。その後、回転翼が駆動したままマルチコプターが墜落した場合、墜落地点にある構造物を回転翼が損傷させるおそれがあるとともに、万が一通行人がある場合にはその事故被害が甚大なものになるおそれがある。【０００６】
上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、飛行中に機体が障害物と衝突したときに、墜落後の回転翼による事故被害の拡大を防止す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、複数の回転翼と、該複数の回転翼による飛行を制御する制御部と、を備える無人航空機であって、前記制御部は、自機と障害物との衝突を検知して前記複数の回転翼を停止させる緊急停止手段を有することを特徴とする。【０００８】
飛行中に機体が障害物と衝突したときに、緊急停止手段がそれを検知して回転翼を停止させることにより、墜落後の回転翼による事故被害の拡大を未然に防止することができる。【０００９】
また、パラシュートの射出機構をさらに備え、前記緊急停止手段は、自機と障害物との衝突を検知したときに、前記複数の回転翼を停止させるとともに前記パラシュートを展開することが好ましい。【００１０】
無人航空機の墜落は、落下した機体が墜落地点の構造部を損傷させたり、通行人を負傷させたりするおそれがある。緊急停止手段が回転翼を停止すると無人航空機は墜落を免れないが、緊急停止手段が回転翼の停止に加えて自動的にパラシュートを展開する構成とすることにより、機体の墜落地点における被害を軽減することが可能となる。【００１１】
また、前記各回転翼を障害物との接触から保護するローターガード部をさらに備え、前記緊急停止手段は、前記ローターガード部に加えられた外力を監視することにより、自機と障害物との衝突を検知する構成としてもよい。【００１２】
各回転翼にローターガード部が設けられることにより、少なくともローターガード部で覆われた部分については回転翼が周辺物を損傷することを防止することができる。無人飛行機の回転翼は通常、機体の上部に配置され、機体の水平方向における最も外側まで張り出している。つまり、無人航空機が障害物と衝突するときには、多くの場合、最初に回転翼が障害物に接触することとなる。そのため、回転翼を保護するローターガード部に対する外力を監視することにより、無人航空機と障害物との衝突を高い精度で検知することが可能となる。【００１３】
また、前記各回転翼はモータおよびブレードにより構成され、前記緊急停止手段は、前記各モータの消費電流を監視することにより、自機と障害物との衝突を検知する構成としてもよい。【００１４】
無人飛行機の回転翼は通常、機体の上部に配置され、機体の水平方向における最も外側まで張り出している。つまり、無人航空機が障害物と衝突するときには、多くの場合、最初に回転翼が障害物に接触することとなる。また、モータはその負荷に応じて電流量が増減するという特徴がある。回転翼が障害物に接触すると、モータの電流量は突発的に変化し、通常飛行時とは異なる値を示すことになる。各モータの消費電流の異常な変化およびその継続を監視することにより、無人航空機と障害物との衝突を検知することができる。【００１５】
また、前記制御部は加速度センサを有しており、前記制御部は、操縦者またはプログラムからの飛行指示と、前記加速度センサの出力値との整合性を監視し、これらの不整合を検知したときに、前記緊急停止手段により前記複数の回転翼を自動的に停止させる構成としてもよい。【００１６】
無人航空機に与えられた飛行指示と機体の実際の動作とが整合していない場合、機体が何らかの外乱または内部要因により制御不能に陥っていることが疑われる。無人航空機に対する飛行指示と加速度センサの出力値とを比較してこのような状態を検知し、回転翼を自動的に停止させることにより、回転翼による事故被害の拡大をより確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明にかかる無人航空機によれば、飛行中に機体が障害物と衝突したときに、墜落後の回転翼による事故被害の拡大を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態にかかるマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。
【図２】第２実施形態にかかるマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明にかかる無人航空機の実施形態について図面を用いて説明する。
【００２０】
＜第１実施形態＞
［構成概要］
図１は本実施形態にかかるマルチコプターＭＣ１（無人航空機）の機能構成を示すブロック図である。マルチコプターＭＣ１は、フライトコントローラＦＣ１（制御部）、複数のローター１５０（回転翼）、ローター１５０ごとに配置されたＥＳＣ１５３（Electric Speed Controller）、衝撃センサ３１０を有するローターガード３００（ローターガード部）、パラシュート射出装置（パラシュートの射出機構）、操縦者の操縦端末６００と無線通信を行う無線送受信器１７０、および電力供給源であるバッテリー１８０が筐体１９０に配設されることにより構成されている。
【００２１】
各ローター１５０は、ＤＣモータであるモータ１５１、および、その出力軸に取り付けられたブレード１５２により構成されている。ＥＳＣ１５３はローター１５０のモータ１５１に接続されており、フライトコントローラＦＣ１から指示された速度でモータ１５１を回転させる装置である。
【００２２】
本実施形態におけるローターガード３００は、各ローター１５０のブレード１５２先端部の外側を、ブレード１５２の回転軌跡に沿って円弧状または環状に覆う枠体である。ローターガード３００は、ブレード１５２が障害物等に直接接触することを防止する保護部材であり、各ローター１５０が吸入および排出する空気の流路を確保する機能を持つこともある。
【００２３】
フライトコントローラＦＣ１は、マイクロコントローラである制御装置ＣＵ１を備えている。制御装置ＣＵ１は、中央処理装置であるＣＰＵ１１１、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶装置であるメモリＳＴ１、および、ＥＳＣ１５３を介して各モータ１５１の回転数および回転速度を制御するＰＷＭコントローラ１１３を備えている。
【００２４】
フライトコントローラＦＣ１はさらに、飛行制御センサ群１３０およびＧＰＳ受信器１４０（以下、「センサ等」ともいう。）を備えており、これらは制御装置ＣＵ１に接続されている。本実施形態におけるマルチコプターＭＣ１の飛行制御センサ群１３０には、加速度センサ、角速度センサ、気圧センサ（高度センサ）、地磁気センサ（方位センサ）が含まれている。制御装置ＣＵ１は、これらセンサ等により、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（以下、「現在位置」ともいう。）を取得可能とされている。
【００２５】
制御装置ＣＵ１のメモリＳＴ１には、マルチコプターＭＣ１の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御する飛行制御アルゴリズムが実装されたプログラムである飛行制御プログラム１１２が記憶されている。飛行制御プログラム１１２は、操縦者（操縦端末６００）の指示に従い、センサ等から取得した現在位置を基に各ローター１５０の回転数および回転速度を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながらマルチコプターＭＣ１を飛行させる。マルチコプターＭＣ１の操縦は、操縦者が操縦端末６００を用いて手動で行ってもよく、または、緯度経度、高度、飛行ルートなどのパラメータを飛行制御プログラム１１２に予め登録しておき、目的地へ自律的に飛行させてもよい（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。）。
【００２６】
尚、本実施形態におけるマルチコプターＭＣ１は、その現在位置取得手段としてセンサ等を用いているが、本発明の現在位置取得手段はこれらには限定されない。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大規模な施設内に所定間隔で配置するとともに、施設内の空間形状を区画するマップ情報を予めメモリＳＴ１に登録しておき、これらビーコンとの相対的な距離を計測することで、施設内におけるマルチコプターＭＣ１の現在位置を特定しても良い。また、本実施形態におけるマルチコプターＭＣ１は、その飛行高度を気圧センサにより取得することを想定しているが、気圧センサ以外にも、例えば赤外線、超音波、またはレーザーなど種々の方式を用いた測距センサを地表に向けることで高度を取得することも可能である。さらには、このような測距センサで自機の周囲をスキャンすることで地理的特徴を検出し（または、カメラにより撮影した自機周囲の映像から画像認識により地理的特徴を検出し）、予め登録しておいた飛行ルート上の地理的特徴の情報に照合して、自機の大まかな現在位置を推定してもよい。
【００２７】
［衝突検知機構］
制御装置ＣＵ１のメモリＳＴ１にはさらに、自機と障害物との衝突を検知したときに、全てのローター１５０を自動的に停止させるとともに、パラシュート射出装置４００からパラシュートを展開するプログラムである緊急停止プログラムＥＳ１（緊急停止手段）が記憶されている。
【００２８】
また、マルチコプターＭＣ１はローター１５０を障害物との接触から保護するローターガード３００（ローターガード部）を備えており、ローターガード３００には、ローターガード３００に突発的な外力が加えられたことを検出する衝撃センサ３１０が配置されている。衝撃センサ３１０は制御装置ＣＵ１に接続されており、緊急停止プログラムＥＳ１によりその出力が監視されている。衝撃センサ３１０としては、例えば圧力センサを用いることができる。かかる圧力センサは、障害物との衝突によるローターガード３００のたわみを電気的に検出可能なセンサであるとよい。また、衝撃センサ３１０として別途圧力センサを備えることなく、飛行制御センサ群１３０の加速度センサを応用することもできる。飛行制御センサ群１３０の加速度センサは、マルチコプターＭＣ１の傾きなど位置の変化を常時検出しており、その変化パターンから比較的容易に衝突を検知することができる。
【００２９】
本実施形態のマルチコプターＭＣ１は、各ローター１５０にローターガード３００が設けられていることにより、少なくともローターガード３００で覆われた部分については、ローター１５０が周辺物を損傷することがない。無人飛行機の回転翼は、通常、機体の上部に配置され、機体の水平方向における最も外側まで張り出している。マルチコプターＭＣ１の筐体１９０もこれに倣う構造とされている（不図示）。そのため、飛行中のマルチコプターＭＣ１が障害物と衝突するときには、最初にローターガード３００が障害物に接触することが想定される。本実施形態のマルチコプターＭＣ１は、ローターガード３００に衝撃センサ３１０を設け、その出力を緊急停止プログラムＥＳ１で監視することにより、マルチコプターＭＣ１と障害物との衝突を高い精度で検知することが可能とされている。
【００３０】
［緊急停止動作］
マルチコプターＭＣ１の手動操縦時、またはオートパイロットによる自律飛行時に、マルチコプターＭＣ１が障害物に衝突すると、ローターガード３００に配置された衝撃センサ３１０は衝突の発生を示す信号を出力する。マルチコプターＭＣ１の緊急停止プログラムＥＳ１はかかる出力を検知すると、ただちにすべてのローター１５０の回転を強制的に停止するとともに、パラシュート射出装置４００からパラシュートを展開する。
【００３１】
ローター１５０を停止させる方法は特に限定されず、ローター１５０を通常の制御方法により電子的に停止させるほか、例えばバッテリー１８０からＥＳＣ１５３へ電力を供給する給電線を、パラシュート射出装置４００を作動させることで機械的に切断する構成としてもよい。
【００３２】
無人航空機の墜落は、落下した機体が墜落地点の構造部を損傷させたり、通行人を負傷させたりするおそれがある。本実施形態におけるマルチコプターＭＣ１は、緊急停止プログラムＥＳ１によりローター１５０の回転を停止するとともに、自動的にパラシュートを展開する構成とされていることにより、機体の墜落地点における被害を低減することが可能とされている。マルチコプターＭＣ１はパラシュート射出装置４００を備えていることが望ましいが、パラシュート射出装置４００は必須の構成ではない。また、本実施形態におけるマルチコプターＭＣ１は、操縦者（操縦端末６００）による手動操縦時においても緊急停止プログラムＥＳ１を動作させているが、オートパイロットによる自律飛行を行う場合にのみ緊急停止プログラムＥＳ１を動作させる構成としてもよい。
【００３３】
＜第２実施形態＞
以下に、本発明にかかる無人航空機の第２実施形態について図面を用いて説明する。図２は第２実施形態にかかるマルチコプターＭＣ２（無人航空機）の機能構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、先の実施形態と同一の機能を有する構成については、先の実施形態と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。また、先の実施形態と基本的な機能が共通する構成については、先の実施形態の符号の末尾のみを変更し、その基本的な機能についての説明を省略する。
【００３４】
［構成概要］
本実施形態にかかるマルチコプターＭＣ２の構成は、先の実施形態にかかるマルチコプターＭＣ１からローターガード３００（および衝撃センサ３１０）を取り除き、各ＥＳＣ１５３とモータ１５１との間に新たに電流センサ５００を配置した構成とされている。電流センサ５００は、これらＥＳＣ１５３からモータ１５１へ送られる電流量を測定し、それを信号として出力するセンサである。フライトコントローラＦＣ２が備える制御装置ＣＵ２のメモリＳＴ２には、飛行制御プログラム１１２のほか、自機と障害物との衝突を検知したときに、全てのローター１５０を自動的に停止させるとともに、パラシュート射出装置４００からパラシュートを展開するプログラムである緊急停止プログラムＥＳ２（緊急停止手段）が記憶されている。電流センサ５００は制御装置ＣＵ２に接続されており、緊急停止プログラムＥＳ２によりその出力が監視されている。
【００３５】
［衝突検知機構］
無人飛行機の回転翼は通常、機体の上部に配置され、機体の水平方向における最も外側まで張り出している。マルチコプターＭＣ２の筐体１９０もこれに倣う構造とされている（不図示）。そのため、飛行中のマルチコプターＭＣ１が障害物と衝突するときには、最初にローター１５０が障害物に接触することが想定される。また、モータはその負荷に応じて電流量が増減するという特徴がある。本実施形態のマルチコプターＭＣ２は、各ＥＳＣ１５３とモータ１５１との間に電流センサ５００を設け、その出力を緊急停止プログラムＥＳ２で監視することにより、モータ１５１への電流量の通常とは異なる増減からマルチコプターＭＣ２と障害物との衝突を検知することが可能とされている。
【００３６】
［緊急停止動作］
マルチコプターＭＣ２の手動操縦時、またはオートパイロットによる自律飛行時に、マルチコプターＭＣ２のローター１５０が障害物に衝突すると、そのモータ１５１への電流量が突発的に変化し、通常とは異なる値が継続する。マルチコプターＭＣ２の緊急停止プログラムＥＳ２は電流量の異常な変化、および、または、異常値の継続を検知すると、すべてのローター１５０の回転を強制的に停止するとともに、パラシュート射出装置４００からパラシュートを展開する。
【００３７】
［変形例］
本実施形態ではモータ１５１に供給される電流量を監視することでマルチコプターＭＣ２と障害物との衝突を間接的に検知している。障害物との衝突を間接的に検知する方法としては、この他にも、例えば、操縦端末６００や飛行制御プログラム１１２からの飛行指示と、飛行制御センサ群１３０に含まれる加速度センサの出力値との整合性を緊急停止プログラムＥＳ２で監視する方法が考えられる。
【００３８】
マルチコプターＭＣ２に与えられた飛行指示と機体の実際の動作とが整合していない場合、機体が何らかの外乱または内部要因により制御不能に陥っていることが疑われる。マルチコプターＭＣ２に対する飛行指示と上記加速度センサの出力値（つまり機体の実際の移動方向）とを比較してこのような事態を検知し、ローター１５０の回転を強制的に停止させることにより、ローター１５０による事故被害の拡大をより確実に防止することができる。また、この方法によれば、マルチコプターＭＣ２が障害物に衝突した場合のみならず、例えば下降方向へのスロットル操作が行われていないにもかかわらず機体が降下を続けているような状況における事故被害も抑制可能である。なお、マルチコプターＭＣ２への飛行指示と実際の動作との整合・不整合を判断する方法としては、例えば、正常飛行時において生じるこれらの相違量を取得し、これに適宜余裕値を加算した値や、さらにその不整合な動作の継続時間を判断条件として加えたものなどを基準とし、この基準を超えたときに不整合が生じていると判断すればよい。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
【図１】
2017086234.tif 000003
【図２】
2017086234.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成29年9月29日(2017.9.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の回転翼と、該複数の回転翼による飛行を制御する制御部と、を備える無人航空機であって、
前記制御部は、自機と障害物との衝突を検知して前記複数の回転翼を自動的に停止させる緊急停止手段と、
前記各回転翼を障害物との接触から保護するローターガード部と、を備え、
前記緊急停止手段は、前記ローターガード部に加えられた外力を監視することにより、自機と障害物との衝突を検知することを特徴とする無人航空機。
【請求項２】
複数の回転翼と、該複数の回転翼による飛行を制御する制御部と、を備える無人航空機であって、
前記制御部は、自機と障害物との衝突を検知して前記複数の回転翼を自動的に停止させる緊急停止手段を有し、
前記各回転翼はモータおよびブレードにより構成され、
前記緊急停止手段は、前記各モータの消費電流の突発的な増減を監視することにより、自機と障害物との衝突を検知することを特徴とする無人航空機。
【請求項３】
パラシュートの射出機構をさらに備え、
前記緊急停止手段は、自機と障害物との衝突を検知したときに、前記複数の回転翼を自動的に停止させるとともに前記パラシュートを展開することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無人航空機。
【国際調査報告】
2017086234.tif 000005
2017086234.tif 000006