(57)【要約】無人航空機（ＵＡＶ）は、ＵＡＶに電力を供給するために第１のバッテリを解放可能に保持するように構成されたバッテリ保持部を備える。このバッテリ保持部は、ＵＡＶの移動方向に対する所定の位置に第１のバッテリを保持するように構成され、ＵＡＶがＵＡＶの移動経路上に配置された第２のバッテリに対面すると、第１のバッテリが第２のバッテリから機械的衝撃を受け、第１のバッテリがバッテリ保持部から解放され、第２のバッテリが第１のバッテリに取って代わってバッテリ保持部によって保持されてＵＡＶに電力を供給する。【選択図】図２
2021519497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
UAV（無人航空機）に電力を供給するために第1のバッテリを解放可能に保持するように構成されたバッテリ保持部を具備する前記UAVであって、
前記バッテリ保持部は、前記UAVの移動方向に対する所定の位置に前記第1のバッテリを保持するように構成され、
前記UAVが前記UAVの移動経路上に配置された第2のバッテリに対面すると、前記第1のバッテリが前記第2のバッテリから機械的衝撃を受け、前記第1のバッテリが前記バッテリ保持部から解放され、前記第2のバッテリが前記第1のバッテリに取って代わって前記バッテリ保持部によって保持されて前記UAVに電力を供給するように構成される
UAV。
【請求項２】
請求項１に記載のUAVであって、
前記第1および第2のバッテリのうちの一方はテーパ状突起部を備え、前記第1および第2のバッテリのうちの他方は、前記テーパ状突起部に対応した形状のテーパ状キャビティ部を備え、
前記UAVが前記UAVの移動経路上に配置された前記第2のバッテリに対面すると、前記第1のバッテリが前記第2のバッテリから機械的衝撃を受けるように、前記第1および第2のバッテリの前記テーパ状突起部および前記テーパ状キャビティ部は、係合するように構成される
UAV。
【請求項３】
請求項１に記載のUAVであって、
前記第1および第2のバッテリは各々、摩擦嵌合を介して前記バッテリ保持部によって解放可能に保持されるように構成される
UAV。
【請求項４】
請求項１に記載のUAVであって、
前記第1および第2のバッテリは各々、１つ以上の格納式突起部を介して前記バッテリ保持部によって保持されるように構成される
UAV。
【請求項５】
請求項１に記載のUAVであって、
前記第1および第2のバッテリは各々、磁気嵌合を介して前記バッテリ保持部によって保持されるように構成される
UAV。
【請求項６】
請求項１に記載のUAVであって、
前記第1のバッテリが前記機械的衝撃を受けるとき、前記前記UAVの移動経路は、地面に対して水平である
UAV。
【請求項７】
請求項１に記載のUAVであって、
前記第1のバッテリが前記機械的衝撃を受けるとき、前記前記UAVの移動経路は、地面に対して垂直である
UAV。
【請求項８】
請求項１に記載のUAVであって、
前記UAVの移動経路上に前記第2のバッテリを配置するように構成されたバッテリ交換装置に信号を無線送信するように構成された通信回路を備え、
この信号は、前記第2のバッテリの特性を示し、前記第2のバッテリは、この信号を用いて前記バッテリ交換装置によって複数のバッテリから選択可能である
UAV。
【請求項９】
請求項１に記載のUAV（無人航空機）のバッテリ保持部によって解放可能に保持されたバッテリの交換を提供するためのバッテリ交換装置であって、
前記バッテリ交換装置は、前記UAVの前記バッテリ保持部によって解放可能に保持された第1のバッテリを交換するための、第2のバッテリを解放可能に保持するための交換用バッテリ保持部を具備し、
前記交換用バッテリ保持部は、前記UAVの移動経路上の所定の位置に前記第2のバッテリを保持するように構成され、
前記UAVが前記第2のバッテリに対面すると、前記第2のバッテリが前記第1のバッテリに機械的衝撃を与え、前記第1のバッテリが前記バッテリ保持部から解放され、前記第2のバッテリが前記第1のバッテリに取って代わって前記UAVの前記バッテリ保持部によって保持されるように構成される
バッテリ交換装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のバッテリ交換装置であって、
前記第1および第2のバッテリのうちの一方はテーパ状突起部を備え、前記第1および第2のバッテリのうちの他方は、前記テーパ状突起部に対応した形状のテーパ状キャビティ部を備え、
前記UAVが前記UAVの移動経路上に配置された前記第2のバッテリに対面すると、前記第2のバッテリが前記第1のバッテリに機械的衝撃を与えるように、前記第1および第2のバッテリの前記テーパ状突起部および前記テーパ状キャビティ部は、係合するように構成される
バッテリ交換装置。
【請求項１１】
請求項９に記載のバッテリ交換装置と、
前記第2のバッテリが、前記UAVの移動経路上の所定の位置に配置される前記交換用バッテリ保持部によって保持される前に、前記第2のバッテリを充電する充電器と
を具備する
システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムであって、
前記UAVの前記バッテリ保持部から取り外された前記第1のバッテリを受け取り、充電用の前記充電器に前記第1のバッテリを移送するように構成された運搬装置を備える
システム。
【請求項１３】
請求項１１に記載のシステムであって、
前記UAVからの信号を無線受信するように構成された通信回路と、
この信号を用いて複数のバッテリから前記第2のバッテリを選択することを制御するように構成されたセレクタと
を備え、
この信号は、前記第2のバッテリの特性を示している
システム。
【請求項１４】
UAV（無人航空機）に電力を供給するための、請求項１に記載の前記UAVのバッテリ保持部によって解放可能に保持されるバッテリであって、
前記バッテリは、一端部にテーパ状突起部と、反対側の一端部に前記テーパ状突起部に対応した形状のテーパ状キャビティ部とを具備し、
前記テーパ状突起部または前記テーパ状キャビティ部は、前記UAVの移動経路上に配置された他のバッテリのテーパ状キャビティ部またはテーパ状突起部と係合するように構成され、
前記UAVが前記他のバッテリに対面すると、前記バッテリに前記他のバッテリから機械的衝撃を与えられ、前記バッテリが前記UAVの前記バッテリ保持部から解放されるように構成される
バッテリ。
【請求項１５】
請求項１に記載のUAV（無人航空機）と、
請求項９に記載のバッテリ交換装置と
を具備する
システム。
【請求項１６】
UAV（無人航空機）を制御する方法であって、
前記UAVは、前記UAVに電力を供給するために第1のバッテリを解放可能に保持するように構成されたバッテリ保持部を具備し、
前記バッテリ保持部は、前記UAVの移動方向に対する所定の位置に前記第1のバッテリを保持し、
前記UAVが前記UAVの移動経路上に配置された第2のバッテリに対面すると、前記第1のバッテリが前記第2のバッテリから機械的衝撃を受け、前記第1のバッテリが前記バッテリ保持部から解放され、前記第2のバッテリが前記第1のバッテリに取って代わって前記バッテリ保持部によって保持されて前記UAVに電力を供給し、
前記方法は、前記UAVが前記第2のバッテリに対面するように、前記第2のバッテリが配置される経路に沿って移動するように、前記UAVを制御することを含む
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、無人航空機(UAV)に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書で提供される「背景技術」の説明は、本開示の背景を大まかに提示するためのものである。ここで指名されている発明者の研究開発は、出願時に従来技術とみなされない本開示における態様の説明と同様に、この背景セクションで説明される範囲で、本開示に対する従来技術として明示的にも黙示的にも認められない。
【０００３】
無人航空機(UAV)が、航空写真、荷物配達などを含む多くの用途で人気が高まっている。UAVは、空中を移動し、無人である(すなわち、UAVに搭載して移動する人間のユーザによって制御されない)車両である。UAVは、(例えば、電気モータによって動力供給されるプロペラによって)電気的に推進されてもよく、または、他の手段によって(例えば、灯油のような可燃性燃料を燃焼させることによって)推進されてもよい。
しかしながら、非電気的に推進されるUAVでさえ、しばしば、搭載された電気システム(例えば、ナビゲーションシステム、通信システム等)用の電力を必要とする。UAVは、多くの場合、UAVの推進および/または基板システムに電力を供給するためのバッテリを組み込む。
【０００４】
問題は、バッテリには有限の電力が含まれているため、定期的に再充電する必要があることである。これは、UAVがそのバッテリを再充電することができる所定の位置に戻ることを可能にするために、UAVの動作を定期的に中断することを必要とする。その後、UAVはバッテリが十分に再充電されるまで待機してから、動作に戻る必要がある。この結果、UAVを使用することができない、かなりのUAV停止時間が生じてしまう。
【０００５】
一つの提案は、UAVに搭載されたままの状態で、消耗したバッテリを充電する代わりに、UAVの消耗したバッテリを新しい充電されたバッテリに交換することである。これにより、バッテリが再充電されるまでUAVが待機する必要がなくなるため、UAVのダウンタイムを短縮することができる。むしろ、バッテリ交換動作が完了するまで待つのみである。
しかしながら、UAVバッテリの交換をいかに効率的に行うかが課題である。
【発明の概要】
【０００６】
本開示は、特許請求の範囲によって定義される。
前述の段落は一般的な導入により提供されており、以下の特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。説明される本実施形態は、さらなる利点とともに、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本開示が、以下の添付図面に関連して考慮される場合、以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるように、本開示のより完全な理解とそれに付随する多くの利点とが、容易に得られるであろう。
【０００８】
【図１】AおよびBは、例示的なUAVを示す概略図である。
【図２】固定翼UAV用のUAVバッテリ交換システムの一実施例を示す概略図である。
【図３】AおよびBは、UAVバッテリの一例を示す概略図である。
【図４】AおよびBは、固定翼UAV用のUAVバッテリ保持部の一例を示す概略図である。
【図５】AおよびBは、バッテリステーション交換バッテリ保持部の一例を示す概略図である。
【図６】A〜Cは、UAVバッテリ交換動作の一例を示す概略図である。
【図７】回転翼UAV用の回転翼UAVバッテリ交換システムの一例を示す概略図である。
【図８】回転翼UAV用のUAVバッテリ保持部の一例を示す概略図である。
【図９】AおよびBは、UAV及びUAVバッテリ交換システムの例示的な電子部品を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
ここで図面を参照すると、いくつかの図を通して、同様の参照番号は、同一または対応する部分を示す。
【００１０】
図1Aおよび図1Bは、例示的な型のUAVを示す。図1Aは固定翼型UAV 100Aを示し、図1Bは回転型UAV 100Bを示す。本開示は、これらのようなUAVが飛行中にそれらのバッテリを迅速に交換することを可能にすることに関する。特に、本開示は、第1のバッテリと接触する第2のバッテリによって、第1のバッテリを押し出してUAVのバッテリベイ内の第1のバッテリの位置をとることによって、第1のバッテリを第2のバッテリに置き換えることを可能にする。これは、飛行するUAVの推進力の下で起こる。
【００１１】
バッテリベイは、UAVに(少なくとも部分的に)電力を供給するバッテリを保持するための区画（コンパートメント）であると考えることができ、必ずしも完全に包囲されている必要はない。バッテリベイは、例えばステッピングモータまたは油圧機構を使用して、飛行中は本体部に退避されてもよい。
バッテリベイは、UAVの構造に、例えば、本体部または翼の下に固定されてもよい。バッテリベイの外側は、抗力を減少させるために空力特性を有するような形状とすることができる。バッテリベイの外側は、バッテリ交換のためにUAVが着地するときに抗力を増加させ、UAVを遅くするように構成される。UAVには、2つ以上のバッテリベイがあってもよい。
【００１２】
図2は、固定翼型UAV 100A用の例示的なバッテリ交換システム228を示す。UAV 100Aは、図2において露出して示され、第1のバッテリ202Aを備えるバッテリベイ201を有する。このバッテリベイ201は、バッテリベイ内のバッテリ202Aが図2において見えるように、断面図で示されている。実際にはUAV 100Aが図2に示す斜視図から見られると、バッテリベイ内のバッテリ202Aは見えない。
バッテリベイは、後述するシェル404およびカラム402を含む。UAV 100Aは、バッテリステーション200に近づいている。バッテリステーション200は、スタンド203に取り外し可能に取り付けられた第2のバッテリ202Bを含む。スタンド203は、バッテリ保持部207と支持軸206とを備える。スタンド203は、支持部209に取り付けられている。支持部209は、矢印208の方向に回転可能であり、レール211に沿って矢印210の方向に摺動可能である。
支持軸206は、ピボット（旋回軸）205を介して支持部209に取り付けられており、このピボットは、スタンド203(したがって、バッテリ202B)が矢印204によって示される方向にピボット205周りに移動することを可能にする。これにより、バッテリ202Aをバッテリベイ201から押し出し、バッテリ202Aの代わりにバッテリベイ201にバッテリ202B自体を配置するために、UAV 100Aの飛行時にUAV 100Aのバッテリベイ201内に保持されるバッテリ202Aとの接触に備えて、バッテリ202Bの位置を最適化するように、バッテリ202Bの位置を調整することができる。
バッテリ202Bは、バッテリベイ201内に正確に配置されると、スタンド203のバッテリ保持部207から解放され、それ故にバッテリが交換されて、UAV 100Aは飛び立つことができる。この交換は、UAV 100Aがバッテリステーション200を飛行通過するときに、バッテリ202Aと202Bとの間の衝撃力が少なくとも寄与して行われることに留意されたい。
バッテリ202Aおよび202Bは、それぞれ、テーパ状突起部212と、テーパ状突起212の形状を補完する形状を有するテーパ状キャビティ部213とを備えている。バッテリ202Aおよび202Bが接触すると、バッテリ202Aの突出部212は、バッテリ202Bのキャビティ部213に入る。これにより、接触時にバッテリ202A及び202Bが整列され、バッテリ交換が円滑に行われることが可能になる。
【００１３】
本実施形態では、突起部212は、それぞれ相補的なキャビティ213を有するピラミッド形、円錐形、または円錐台形として少なくとも部分的に成形されてもよい。突出部212の形状は、幾何学的に不規則であってもよい。本明細書で言及するバッテリは、パッケージ内に複数のセルを含むことができる。このようなセルは例えば、LiイオンまたはLiポリマーセルであってもよい。
したがって、本開示の実施形態は、バッテリステーション200へのUAVの進入または接近に完全な精度を必要とせず、バッテリの位置合わせは、例えば、較正誤差、若しくは、風または気象条件などの他の要因によって引き起こされる不正確な進入または接近を補償することを提供する。突出部212のキャビティ部213への係合は、UAVをバッテリステーション200内に最終的に誘導することができる。
【００１４】
バッテリベイ201からバッテリ202Aが排出されると、バッテリ202Aは、矢印215の方向に移動している第1のベルトコンベア214A(運搬装置の一例)上に着地する。次いで、バッテリ202Aは、テーパ状チャネリング壁216によって長さ方向に整列される。このテーパ状チャネリング壁216は、バッテリ202Aが移動するチャネル（経路）を形成する壁である。バッテリ202Aがその進行方向に沿った長さ方向に整列されるように、壁間の距離が、ベルトコンベア214Aに沿ったバッテリ202Aの進行方向に沿って徐々に減少している。
【００１５】
バッテリ202Aは、整列され、第1のコンベアベルト214Aの端部に到達した後、分析装置217及びターンテーブル218に到達する。分析装置217は、支柱219と、支柱219に摺動可能に取り付けられたアーム220とを備える。電気モータ(図示せず)によって、アーム220は、矢印221の方向に支柱219に対して上下に移動する。アーム220は、バッテリ202Aの正負の端子と接触するように構成された2つの電極222を備える(アーム220は、電極222がそれぞれ正/負のバッテリ端子のそれぞれの1つと接触するまで、下方向に移動可能である)。
電極222とバッテリ端子との間の接触は、分析装置217の適切な回路(図示せず)によって、バッテリによって出力された電圧を測定することを可能にする。これにより、バッテリの残容量を判定することができる。さらに、測定された電圧の極性(電極222のそれぞれが正/負の端子のいずれと接触するか、したがってバッテリの方向に応じた、正または負のいずれか)に応じて、ターンテーブル218は、バッテリが所定の方向にあることを確保するために、バッテリ202Aを180度回転させるように構成される。
電圧測定回路は、電気モータ(図示せず)を制御して、測定された電圧極性に応じてターンテーブルを回転させる。バッテリは、突起部212を有する端部がバッテリの進行方向の前方に位置するように方向付けられるべきである。バッテリの端子は、バッテリの向きが正しいときに電圧の極性が正(または負)になるように配置されている。したがって、電極222によるバッテリ電圧の測定が正(または負)である場合、バッテリの向きは変更されない(つまり、ターンテーブル218はバッテリを回さない)。
その一方で、電極222によるバッテリ電圧の測定が負(または正)である場合、バッテリの向きが変更される(すなわち、ターンテーブル218がバッテリを回す)。バッテリにおいてNear Field Communications、NFC装置を読み取るNFCセンサのような他のセンサが存在してもよい。NFC装置は、センサに転送するバッテリに関する真正性情報を含むことができる。NFC装置は、UAVによって行われた飛行距離に関する情報のような、UAVによってNFC装置に書き込まれる情報を含んでもよい。そのような情報は、センサに転送されてもよい。
本実施形態では、突出部212およびキャビティ部213内にNFC読み書き装置が搭載された状態で、バッテリ交換の時点で、バッテリからバッテリに情報を転送することができる。これは、例えば、監査証跡、ロギング情報を提供することができ、またはバッテリからの情報が取り出されたときに何らかの統計的分析を可能にする。
【００１６】
次いで、バッテリ202Aは、矢印215Bの方向に移動している第2のベルトコンベア214B(運搬装置の一例)に渡される。(現在、正しい向きにされている)バッテリ202Aは、充電カルーセル（回転式コンベア）223(充電器の一例)に到達するまで、第2のベルトコンベア214Bに沿って移動する。充電カルーセル223は複数の充電キャビティを備え、それらの各々は、バッテリを受け入れかつ収容するように成形されている。
バッテリが第2のベルトコンベア214Bの端部に近づくと、空の充電キャビティ224が第2のベルトコンベアの端部に位置するように、充電カルーセル223が回転される。バッテリ202Aが第2のベルトコンベア214Bの端部に到達すると、重力下で空の充電キャビティ内に落下する。バッテリ202Aはその突出部212が進行方向の前方に配置されるように、前もって方向付けされているため、バッテリは、突出部を先に空の充電キャビティ224内に落下させる。
空の充電キャビティ224以外の充電キャビティは、各々、この実施例においてバッテリを含む。各々の充電キャビティ224は、電源(図示せず)に接続され、バッテリを電気的に充電するために充電キャビティ内に配置された、バッテリの端子と電気的に接触する一対の充電接点227Aおよび227Bを備える。各バッテリは、バッテリが充電キャビティ内に保持されたときに、それぞれ充電接点227Aおよび227Bと電気的に接触する、一対のバッテリ端子部303Aおよび303Bを含む。
【００１７】
各充電キャビティは、充電キャビティ内に保持されたバッテリの表面が露出されるように、ノッチ226を備える。これにより、スタンド203のバッテリ保持部207が、露出したバッテリの表面と係合することができる。本実施形態において、露出したバッテリ表面は、バッテリ保持部207に磁気的に引き付けられる。
したがって、スタンド203は、(矢印204、208、210の方向への、種々のバッテリステーションの部品の回転によって)バッテリを充電カルーセル223からピックアップすることができ、そして、バッテリ交換のために飛行する次のUAV 100Aが、バッテリを交換することを可能にするように、そのバッテリを適切な位置に配置することができる。
【００１８】
図3Aおよび3Bは、(バッテリ202Aおよび202Bの例となる)バッテリ202の一例の斜視図を示す。図3Aは(テーパ状突起部212を示す)正面斜視図を示し、図3Bは、(テーパ状キャビティ213を示す)背面斜視図を示す。バッテリ202は、実質的に立方形状である。一端部には、平坦面300Aがあり、その上にテーパ状突起部212が形成されている。
テーパ状突出部212の断面積は平坦面300Aの断面積よりも小さく、テーパ状突出部212は平坦面300A上の中央に位置決めされ、それによって、テーパ状突出部212を縁取る平坦面300Aの一部301は露出したままの状態になる。同様に、他端には、内部にテーパ状キャビティ213が形成された平坦面300Bがある。テーパ状キャビティ213の断面積は平坦面300Bの断面積よりも小さく、テーパ状キャビティは平坦面300A上の中央に位置決めされ、それによって、テーパ状キャビティ213を縁取る平坦面300Bの一部302が露出したままの状態になる。
平坦面300Aおよび300Bの露出部分301および302は、バッテリがUAVのバッテリベイ201内の所定の位置にバッテリを保持するための、1つ以上の格納式ラグ（突起部）と係合することを可能にする。
【００１９】
(305Bおよび305Aが図3Aで見え、305Bおよび305Cが図3Bで見える)平坦面300Aおよび300Bを接続する4つの表面305A〜Dはそれぞれ、平坦面300Aおよび300Bによって形成される端部のいずれかから見たときに、バッテリ202Aが一定の断面積を有するように、同一かつ凹状の形状である。表面305A〜Dの各々は、一対のバッテリ端子部303A及び303B(それぞれ正および負、またはその逆)を含む。
本実施形態において、表面305A〜Dの正極バッテリ端子部は、全てバッテリ202の同じ正極に接続される導電体である。同様に、表面305A〜Dの負極バッテリ端子部は、全てバッテリ202の同じ負極に接続される導電体である。したがって、バッテリ202は、表面305A〜Dのいずれか1つのバッテリ端子部303A及び303Bにそれぞれ充電電極または放電電極を接続することによって、充電または放電することができる。
したがって、バッテリが第1のカルーセルに着地するときの、バッテリ表面305A-Dの向きは何ら問題ではない。何故ならば、表面305A-Dの向きがどうであれ、1組のバッテリ端子部303Aおよび303Bは、充電キャビティの充電接点227Aおよび227Bと係合する(バッテリを充電することを可能にする)からである。また、バッテリがバッテリベイ201内に配置されると、1組のバッテリ端子部303Aおよび303Bがそれぞれ、バッテリベイ201の電極408Aおよび408Bと係合し、したがって、バッテリによってUAV 100Aに電力が供給されることが可能になる。
バッテリ端子部303A及び303Bの各々は、バッテリの一端部から他端部までのバッテリの全長に沿って延びる導電性材料のストリップ（鋼帯）を備える(バッテリの各端部は、平坦面300A及び300Bのいずれか一方によって形成されている)。
【００２０】
図4Aおよび4Bは、バッテリベイ201をより詳細に示している。バッテリベイ201は、シェル404とカラム402とを含む。カラム402は、シェル404をUAV 100Aの本体部に取り付ける。シェルは、バッテリ202を受け入れるための内部空間405を形成する。
図4Aは、移動するときのUAV 100Aの正面から見たバッテリベイ201の斜視図を示している。図4Bは、シェル404によって形成された内部空間405がより明確に見えるように、180度回転されたバッテリベイ201の斜視図を示す。本実施形態では、カラム402およびベイ201は、少なくとも部分的にUAVの機体内部に格納されてもよい。
【００２１】
内部空間405は、バッテリが開口部400を介して内部空間405に入り、内部空間405内の所定の位置に固定されるように寸法決めされている。バッテリ交換動作中に、交換バッテリと接触すると、次いで、バッテリは、出口401を介して内部空間405を出ることができる。UAV 100Aが飛行している間、バッテリは、それぞれ、表面305A〜Dのうちの2つの面の間に形成されたそれぞれのエッジと係合する複数のリブ406によって、かつ、格納式ラグ403Aおよび403Bによって内部空間405内の所定の位置に保持される。
これらの複数のリブ406は、距離w1だけ、シェル404の全長に沿って分離されている。シェル404は、2つの平面側壁407Aおよび407Bと、凸状上壁407Cとを備える。これらの壁は中実である必要はなく、材料および重量を節約しながら硬度または剛性を提供するために、開口を有するフレームを備えてもよい。
頂壁407Cの凸形状は、バッテリの表面305A〜Dの凹形状を補完する。このようにして、バッテリは、ラグ403A及び403B、リブ406、側壁407A及び407B、並びに上壁407Cによって、内部空間405内の所定の位置に固定され、バッテリとシェルとの間の相対的な動きが妨げられるようになっている。
【００２２】
上壁407Aは、一対の電極408Aおよび408Bを含む。バッテリが内部空間405内に保持されると、上壁407Aの凸面は、バッテリ表面305A-Dのうちの1つ (バッテリが内部空間405に入ったときのバッテリの向きに応じた、バッテリ表面305A-Dのうちの1つ) の凹面と係合する。
これにより、電極408A及び408Bは、それぞれ、そのバッテリ表面上のバッテリ端子部303A及び303Bと電気的に接触する。電極408Aおよび408Bは、UAV 100Aの電気部品(図示せず)に電気的に接続され、それによって、UAVの電気部品がバッテリによって電力供給されることを可能にする。
【００２３】
図5Aおよび5Bは、スタンド203をより詳細に示している。図5Aに示すように、スタンド203は、バッテリ保持部207が取り付けられた支持軸206を備える。バッテリ保持部207は、支持層501と、いくつかの実施形態において永久磁石層500とを備える。支持軸206および支持層501は、単一ピースの剛性材料から形成されてもよい。永久磁石層500は、鉄、ニッケルおよびコバルトなどの強磁性体が引きつけられる永久磁性体を含む。バッテリ端子部303A及び303Bは、磁石層500に吸着される強磁性体を含む。
代替としてまたは加えて、バッテリ端子部303A及び303B以外のバッテリの表面305A-Dの各々の一部は、磁石層500に吸着される強磁性体を含んでもよい。磁石層500は、バッテリ表面305A〜Dの凹形状と相補して係合する凸形状を有する。したがって、充電カルーセル223の充電キャビティ224内に位置するバッテリ202は、充電キャビティ224のノッチ226によって露出されたバッテリ表面がバッテリ保持部207の永久磁石層500に引き付けられ、磁石層500と係合することによって、充電キャビティ224から引き抜かれる。
次いで、支持軸206がピボット205を中心として回転されると、バッテリは、充電キャビティ224から取り出され、バッテリ表面(この場合、バッテリ表面305D)と永久磁石層500との間の磁力によって、バッテリ保持部207上に取り外し可能に取り付けられる。これを図5Bに示す。次いで、UAV 100Aがバッテリステーション200に向かって飛行すると、バッテリは、UAV 100Aのバッテリベイ201内のバッテリを交換する準備が整うように、図2に例示するように配置される。
バッテリ表面の相補的な凹面形状および磁石層500の凸形状は、バッテリ保持部207に対するバッテリの回転運動を緩和するのに役立ち、それによって、UAVバッテリ交換のためにバッテリが正しく配置されることを確実にするのに役立つ。本実施形態では磁石層500の使用に代えて、またはそれに加えて、バッテリは、スタンド203の最上層に取り外し可能に固定されてもよく、この最上層は、着陸時の力の下で行われるバッテリ交換のための十分な抵抗を提供するスロット、ラチェットまたはギヤ機構を形成する。
【００２４】
バッテリ保持部207の幅w2は、バッテリベイ201のシェル404のリブ406間に定義された幅w1よりも小さい。これにより、バッテリは、バッテリ保持部207にまだ取り付けられている間に、シェル404の内部空間405に入ることができる。次いで、バッテリは、内部空間405内で交換されるべき古いバッテリを押し出し、ラグ403Aおよび403Bによってバッテリが内部空間405内に固定されると、UAV 100Aの推進力によってバッテリ保持部207の磁石層500からバッテリが引き離される。
次いで、バッテリ保持部207は、将来のUAVバッテリ交換を円滑に進めるために、別のバッテリを自由にピックアップする。バッテリ表面305A〜Dと永久磁石層500との間の磁力の強さは、交換されるべきUAVのバッテリ202Aが最初にバッテリ202Bに接触するように、バッテリ202Bを所定の位置に確実に保持するのに十分な大きさになるように決定されるが、一旦バッテリ202Bがシェル404内の所定の位置に固定されると、バッテリ202Bがバッテリ保持部207から取り外されるほど十分小さい。
【００２５】
図6A〜図6Cは、UAV 100Aのバッテリベイ201内に保持されている第1のバッテリ202Aが、第2のバッテリ202Bと置き換えられる機構の一例を示している。図6A〜図6Cの各々は、上壁407Cを切り取った空中の視点から示されたバッテリベイ201の図である。
【００２６】
図6Aは、第1のバッテリ202Aがバッテリベイ201内に保持され、UAV 100Aが、(図6Aには見られない)スタンド203によって保持されている第2のバッテリ202Bに接近している第1の時間における状況を示す。第2のバッテリ202Bは、シェル404によって形成されている内部空間405内に固定される。より具体的には、バッテリ202Bは、壁407Aおよび407Bのそれぞれの内面603の間、ならびに、収縮可能な一連のラグ403Aおよび403Bの間に保持される。シェル404の各端部における一連のラグの、頂部の2つのラグが図6Aに示されている。
シェルの一端部における各ラグ403Aは、壁407Aおよび407Bのそれぞれの1つの内部に形成されたチャネルを通って延びる剛体連結部601を介して、シェルの他端において対応するラグ403Bに連結されている。分かりやすくするために、接続部分601は、壁407Bのみの上部の2つのラグ403Aおよび403Bに対して示されている。
しかしながら、他のラグ(特に、壁407Bの底部の2つのラグと、壁407Aの上部および底部の2つのラグ)は、同じ構成で同様に連結部によって連結される。壁407Bの連結部601は、ピボット602および圧縮バネ600(この圧縮バネ600は、機械力を受けて圧縮されたときに弾性を有する部材の一例である)によって、壁407Bのチャネルの内面に接続される。
【００２７】
ラグ403Aの各々は、内面603からシェル404内に形成された内部空間405に向かう方向に先細りする一対の平坦面を備える。各ラグ403Aの平坦面の第1の平面は、バッテリ202Aの露出した平坦部分301と実質的に同一平面であり、したがって、バッテリ202Aをシェル404内の所定の位置に保持する。ラグ403Aの平坦面の第2の平面は、バッテリ交換中に新しいバッテリ202Bの露出された平坦部分302と接触するように露出される。
また、ラグ403Bの各々は、内面603からシェル404内に形成された内部空間405に向かう方向に先細りする一対の平坦面を備える。各ラグ403Bの平坦面の第1の平面は、バッテリ202Aの露出した平坦部分302と実質的に同一平面であり、したがって、バッテリ202Aをシェル404内の所定の位置に保持する。ラグ403Bの平坦面の第2の平面は、露出される。
【００２８】
図6Bに示されるように、バッテリ交換中に、新しいバッテリ202Bの露出された平面部分302は、各ラグ403Aの第2の平面を押しつける。これにより、ラグ403Aおよび連結部601はピボット602を中心として回転し、バネ600を圧縮する。この回転の結果、ラグ403Aが壁407B内のキャビティ内に引き込まれ、ラグ403Bも壁407B内のキャビティ内に引き込まれるように連結部601がラグ403Bを引っ張る。
【００２９】
ラグ403Aの引き込みによって、新しいバッテリ202Bは、古いバッテリ202Aと同一平面上で接触することができる(突出部212およびキャビティ部213が相補的形状であるので、古いバッテリ202Aの突出部212が、新しいバッテリ202Bのキャビティ部213内に入り、これらが同一平面上に位置する)。
ラグ403Bの引き込みにより、古いバッテリ202Aが、内部空間405から滑り出して第1のベルトコンベア214A上に乗り上げることができる。それ故に、UAVの推進力の下で、新しいバッテリ202Bは、内部空間405内の古いバッテリ202Aと接触し、古いバッテリ202Aを押し出し、交換することができる。
【００３０】
古いバッテリ202Aが新しいバッテリ202Bによって内部空間405から押し出されると、バッテリ間の境界604がラグ403Bのテーパ状端部に到達し、古いバッテリ202Aがシェル404から脱落する。次いで、各ラグ403Aおよび403Bは、各ラグ403Aの平坦面の第1の平面が新しいバッテリ202Bの露出された平坦部分301と実質的に同一平面となり、各ラグ403Bの平坦面の第1の平面が新しいバッテリ202Bの露出された平坦部分302と実質的に同一平面となるように、バネ600によって元の位置に戻るように付勢される。
したがって、ラグ403Aおよび403Bは、新しいバッテリ202Bをシェル404内の所定の位置に固定する。この状況は図6Cに示されている。
【００３１】
図7は、UAVが固定翼型UAV 100Aの代わりに回転翼型UAV 100Bである場合の、バッテリ交換システム228の一例を示す。図7に示される構成は、水平ではなく垂直にバッテリステーション200に近づくUAV 100B用のバッテリ交換を可能にするために、新しいバッテリ202Bの位置が調整されていることを除いて、図2に示される構成と同一である。
新しいバッテリ202Bの位置は、新しいバッテリ202Bのキャビティ部213の方向が古いバッテリ202Aの突起部212と係合するように上方を向くように、また、UAVが新しいバッテリ202Bに垂直に接近するにつれて古いバッテリ202Aが新しいバッテリ202Bによって押し出されるように、スタンド203の位置を調整することによって調整されている。スタンド203の位置は、矢印700の方向にレール211に沿って移動する支持部209によって調整されており、支持部209は矢印701の方向に90度回転され、支持軸206は矢印703の方向にピボット205を中心に90度回転されている。
レール211に沿った支持部209の移動は、UAV 100Aに対して説明したような、UAV 100Bが第1のベルトコンベア214Aに対して実質的に同一の空間位置で新しいバッテリ202Bに対面することを確実にするのに役立ち、それによって、排出された古いバッテリ202Aが、第1のベルトコンベア214Aに着地することを可能にする。
【００３２】
UAV 100Bのバッテリベイ201は、UAV 100Aのバッテリベイ201と同様であるが、図8に示されるように、古いバッテリ202Aの第1のベルトコンベア214Aへの排出を可能にするように、多数の追加の特徴を備えている。バッテリベイ201は、図4Aおよび4Bに示されるバッテリベイ201と同様である。
しかしながら、図8は、(固定翼UAV 100Aのように水平方向ではなく)バッテリ交換を行うために鉛直方向に移動する回転翼型UAV 100Bに装着されるときのバッテリ202の向きであるため、図8のバッテリベイ201は、(ページ内の方向に時計回りに)90度回転して示されている。
【００３３】
図8のバッテリベイ201の場合、シェル404を支持するカラム402は、多数の曲がりを有する支持アーム705に置き換えられている。これにより、UAV 100Bの本体に対して中央の位置にあるUAV 100Bの本体部からバッテリベイ201を吊り下げることができ、これにより、UAV 100Bの重心を実質的に中央の位置に保つのに役立つ。また、シェル404は、偏向板704および傾斜台702を備える。
古いバッテリ202Aがシェル404内に形成された内部空間405から出口401を介して排出されると、偏向板704はバッテリ202Aを傾斜台702の方向に案内する。次いで、バッテリ202Aは重力下で傾斜台702を下り、それによって、第1のベルトコンベア214A上に着地する。したがって、偏向板704および傾斜台702は、古いバッテリ202Aがシェル404から鉛直方向に出たとしても、コンベアベルト214A上に重力下で案内され正確に置かれることを確実にするのに役立つ。これにより、古いバッテリ202Aの回収・再充電がより容易になる。
【００３４】
図7の構成は、2つの支持部707A及び707Bの間に支持され、新しいバッテリ202Bの下に配置された弾性部材706を含む。弾性部材706は、例えば弾性ウェブまたはシートであり、新しいバッテリ202Bのテーパ状突起部212が通る穴を備え、新しいバッテリ202Bの平坦面300Aの露出部分301が、弾性ウェブまたはシートと同一平面になるように広がっている。バッテリ交換動作の間、新しいバッテリ202Bと古いバッテリ202Aとの間の接触、続いて、バッテリベイ201と弾性部材706との間の接触によって、弾性部材706に衝撃が加わる。
この衝撃は弾性部材706を弾性的に変形させ、新しいバッテリ202Bがバッテリベイ201内の所定の位置に配置されると、弾性部材706が元の形態に戻るときに、バッテリベイ201に上方向の弾性力を及ぼす。この上向き弾性力により、バッテリ交換動作を行うための、UAV 100Bの鉛直着陸に続く鉛直離陸が容易になる。
【００３５】
UAV 100Aおよび100Bのバッテリベイ201は通常の飛行中、バッテリベイ201が本体部内に収容されるが、UAVが新しいバッテリ202Bに近づくと、バッテリベイ201が本体部の外側に移動して、図2および図7に示されるような位置を占めるように、格納可能であってもよい(図2および図7に示されるバッテリベイ201は、縮尺通りに描かれていない)。これにより、バッテリが保護され、通常飛行時のUAVの空力特性が向上する。
格納式バッテリベイを実現するために適切な機構が使用される。例えば、カラム402または支持アーム705は、カラム402または支持アーム705が電気モータおよび適切な機構(機構は図示せず)によって移動されてバッテリベイ201を退避および露出させるピボットまたはレール（トラック）によって、UAV 100Aまたは100Bの本体部内の内部キャビティの壁に添えられてもよい。
【００３６】
図6A〜図6Bに例示されている格納式ラグ403Aおよび403Bを使用する以外の、バッテリベイ201内でバッテリ202を解放可能に保持する方法が、使用されてもよい。
【００３７】
本発明の一例では、バッテリ202は、バッテリベイ201内に摩擦嵌合される(すなわち、バッテリ202とシェル404の内面との間の複数の接触点における摩擦によって保持される)。したがって、格納式ラグ403Aおよび403Bは必要とされず、バッテリベイ201の製造をより容易にする。
【００３８】
本発明の他の例では、シェル404の内面は、バッテリ202の表面305A-D上の強磁性体(例えば、バッテリ端子部303Aおよび303B)と係合する永久磁石(図示せず)を含む。したがって、これら永久磁石と強磁性体との間の磁力によって、バッテリ202は、バッテリベイ201内の所定の位置に保持される。
【００３９】
本発明の別の例では、シェル404の内面は、バッテリ202の表面305A-D上の強磁性体(例えば、バッテリ端子部303Aおよび303B)と係合する電磁石(図示せず)を含む。この電磁石は、通常の飛行中、電磁石と強磁性体との間の磁力によってバッテー202がバッテリベイ201内の所定の位置に保持されるように起動される。バッテリ交換中、電磁石は、古いバッテリ202Aがバッテリベイ201から出て、新しいバッテリ202Bがバッテリベイ201に入ることを可能にするように、非アクティブ化される(または、電磁石の磁気強度が低減される)。
新しいバッテリ202Bがバッテリベイ201内に正しく配置されると、新しいバッテリ202Bを所定の位置に保持するように、電磁石が再びアクティブ化される(または、電磁強度が回復される)。UAVの回路(図示せず)は、(例えば、全地球航法衛星システム(GNSS)またはバッテリステーション200とUAVとの間のビーコン信号伝達を使用して) バッテリステーション200に対するUAVの位置を判定することによって、電磁石の動作を制御する。
この回路は、UAVがバッテリステーション200の所定の距離内にあるときに、電磁石を非アクティブ化し(または電磁強度を低減し)、UAVがバッテリステーション200の所定の距離外にあるときに、電磁石を再びアクティブ化する(または電磁強度を回復する)。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態では、バッテリステーション200が、バッテリ交換の直後にUAVに再打ち上げまたは補助の衝撃を与える方法を有してもよい。これは例えば、UAVの構造と係合する(例えば、弾性部材706のような弾性的または機械的)カタパルトである。
カタパルトの係合は、バッテリが交換されているときに行われ、バッテリ交換の直後に解放するように時間的に制御されてもよい。本発明のいくつかの実施形態において、これはトランポリンであってもよい。トランポリンは、バッテリ交換が行われるときに膜を伸ばし、バッテリ交換の直後に解放することができる。
【００４１】
本発明の別の例では、格納式ラグ403Aおよび403Bが使用されるが、例えばステッピングモータのような電気モータ(図示せず)が、ラグ403Aおよび403Bを移動させる。通常の飛行中、ラグ403Aおよび403Bは露出位置にあり、バッテリ202と係合し、それによってバッテリ202をバッテリベイ201の所定の位置に保持する。バッテリ交換中、電気モータは、ラグ403Aおよび403Bを後退させて、古いバッテリ202Aがバッテリベイ201から離れ、新しいバッテリ202Bがバッテリベイ201に入ることを可能にする。
新しいバッテリ202Bがバッテリベイ201内に正しく配置されると、電気モータは、ラグ403Aおよび403Bをそれらの元の位置に戻し、それによって、新しいバッテリ202Bと係合し、新しいバッテリ202Bをバッテリベイ201内の所定の位置に保持する。UAVの回路(図示せず)は、(例えば、全地球航法衛星システム(GNSS)またはバッテリステーション200とUAVとの間のビーコン信号伝達を使用して) バッテリステーション200に対するUAVの位置を判定することによって、電気モータの動作を制御する。
この回路は、UAVがバッテリステーション200の所定の距離内にあるときにラグを後退させ、UAVがバッテリステーション200の所定の距離外にあるときにラグ403Aおよび403Bを非後退位置に復元するように、電気モータを制御する。
【００４２】
本発明の他の実施例では、異なる構成の組み合わせが使用される。例えば、電気モータによって移動を受ける格納式ラグは、シェル404の内面の磁石(例えば、永久磁石または電磁石)と組み合わせて使用される。この組み合わせは、シェル404の内面の磁石と、バッテリ202の表面305A〜D上の強磁性体(例えば、バッテリ端子部303Aおよび303B)との間の磁力がバッテリ交換手順を通して維持され、新しいバッテリ202Bによってバッテリベイ201から押し出されるまで、古いバッテリ202Aをバッテリベイ201内の所定の位置に保持するのを促進することを除いて、前述の段落と同様に機能する。
これは、古いバッテリ202Aが、(望ましくない場所ではなく、第1のベルトコンベア214A上に着地するように) 正しい瞬間にバッテリベイ201から排出されることを確実にするのに役立つ。電磁石が使用される場合には、ラグ403Aおよび403Bがバッテリ202と係合されたときに電磁石が非アクティブ化され、これによりUAVの電力消費が低減される。
【００４３】
シェル404の内面が磁石(永久磁石または電磁石)を含む場合、その磁石は、シェル404の内面に対して位置決めされてもよく、バッテリ202の表面は、シェル404の磁石とバッテリ202の強磁性表面との間の磁力によって、バッテリ202がシェル404内の所望の位置に位置決めされるように、バッテリ202上に位置決めされた(バッテリ端子部305Aおよび305B以外の)強磁性体を含んでもよい。これは、シェル404内でのバッテリ202の正しい位置決めを容易にする。
バッテリ202の正しい位置決めは、バッテリ磁石の北(南)極とシェル磁石の南(北)極との間の磁力によってバッテリ202がシェル404内の所望の位置を占めるように、バッテリ202上に北および南極を配置した磁石を備えるバッテリ202の表面によって更に容易にすることができる。前の段落の実施例では、バッテリベイ201内の新しいバッテリ202Bの正しい位置決めは、ラグ403Aおよび403Bが新しいバッテリ202Bと容易に係合できることを確実にするのに役立つ。
【００４４】
永久磁石層500の使用を介する以外に、バッテリ保持部207上にバッテリを解放可能に保持する方法も使用され得る。例えば、1つ以上の磁石(永久磁石または電磁石)、摩擦または(固定された、若しくは機械的または電気的に格納可能な)ラグを使用する適切な機構を使用して、バッテリベイ201内の古いバッテリ202Aを交換するまで、新しいバッテリ202Bをバッテリ保持部207上の所定の位置に保持することができることが理解される。
【００４５】
バッテリ202およびバッテリベイ201の全長に沿って長さ方向にそれぞれ延びるバッテリ端子部303Aおよび303B、ならびに電極408Aおよび408Bは、古いバッテリ202Aおよび新しいバッテリ202Bのうちの少なくとも1つのバッテリ端子部303Aおよび303Bと、電極408Aおよび408Bとの間の電気的接触が、バッテリ交換動作の前、中、および後において、維持されることを確実にする。これにより、バッテリ交換動作中のUAVへの連続的なバッテリ電力供給が容易になる。
あるいはまたは加えて、UAVは、バッテリ交換動作中にUAVに電力を供給するための第2のバッテリ(図示せず)を備える。UAVの回路(図示せず)は、(例えば、全地球航法衛星システム(GNSS)またはバッテリステーション200とUAVとの間のビーコン信号伝達を使用して)バッテリステーション200に対するUAVの位置を判定することによって、第2のバッテリによって供給される電力を制御する。
この回路は、UAVがバッテリステーション200の所定の距離内にあるときに、バッテリベイ201内に保持されているバッテリの代わりにUAVに電力を供給するように、第2のバッテリを制御し、UAVがバッテリステーション200の所定の距離外にあるときに、第2のバッテリの代わりにUAVに電力を供給するように、バッテリベイ201内に保持されているバッテリを制御する。
【００４６】
図9Aおよび9Bは、それぞれ、UAV 100Aおよびシステム228のさらなる構成要件を例示する。UAV 100Bが、これらの例示した構成要件を含んでもよい。
【００４７】
UAV 100Aは、システム228と無線通信(例えば、ラジオ通信)を行うための通信インターフェース901と、デジタルデータを記憶するための記憶媒体902(例えば、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、テープドライブ等)とを備える。
これらの構成要件の各々は、コントローラ900によって制御される。コントローラ900は、上述のUAV 100Aの他の動作を実行する回路を備える。
【００４８】
システム228は、UAV 100Aとの無線通信(例えばラジオ通信)を行うための通信インターフェース904と、カルーセル223を回転させるための電気カルーセルモータ905(これはカルーセル223に機械的に設置される)と、トラック(レール)211に沿った支持部209の移動、支持部209の回転、および、ピボット205を中心とした支持軸206の回転を制御するための1つ以上の電気バッテリステーションモータ906(これはバッテリステーション200に機械的に設置される)と、ベルトコンベア215Aおよび215Bに沿って移動するバッテリの種類を検出するためのバッテリタイプ検出器907と、デジタルデータを記憶する記憶媒体908(例えば、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、テープドライブ等)とを備える。
これらの各構成要件は、コントローラ903によって制御される。コントローラ903は、適切な回路を使用して実装される。図9Bでは共に示されているが、図9Bに示されている構成要件は、システム228内の異なる空間位置にあり、例えば、適宜筐体(図示せず)内に収容されている。
【００４９】
通信インターフェース901および904は、UAV 100Aとシステム228との間の通信を可能にする。この通信は、バッテリ交換動作を容易にするための、上述のビーコン信号伝達を含んでもよい。
【００５０】
本発明の一例では、システム228を利用するUAVに異なるタイプのバッテリが利用可能である。例えば、異なる容量のバッテリを利用することができる。これらは、UAVの記憶媒体902に記憶されている、次のバッテリ交換の前にUAVがどれだけ移動する必要があるかを示すスケジューリングデータに基づいて選択可能である。UAVがさらなる距離を移動することは、より高い容量(しかしより重い重量)のバッテリを望むかもしれないが、UAVがより短い距離を移動することは、より低い容量(しかしより軽い重量)のバッテリを望むかもしれない。
本発明の別の実施例では、異なるUAVが、異なる物理的形状または異なる電気的特性を有するバッテリを必要とする場合がある。異なる気候条件または動作高度で動作するために、異なるバッテリが必要とされる場合もある。これにより、スケジューリングデータの一部を構成することができる。
【００５１】
UAVがバッテリ交換動作を行うためにバッテリステーション200に近づくと、UAVはUAVが必要とするバッテリのタイプを示す信号をシステム228に送信する。この信号は、UAV用の識別子を伝達してもよい。必要なバッテリのタイプを示すデータは、UAVの記憶媒体902に記憶される。記憶媒体908は、データベースを記憶する。カルーセル223内の各充電キャビティ224は、各充電キャビティ224が含むバッテリのタイプがデータベース内で識別される(または空である場合、充電キャビティ224は、データベース内で空であると識別される)。
受信されたUAV信号に基づいて、コントローラ903は、充電キャビティのどれが所望のバッテリを含むかを識別するために、データベース内のバッテリのタイプを検索する。次いで、コントローラ903は、バッテリステーション200によって識別された充電キャビティからバッテリが取り外し可能であるように配置されるまで、識別された充電キャビティが回転するようにカルーセルモータ205を制御する。
次いで、コントローラ903は、1つ以上のバッテリステーションモータ906を制御して、バッテリステーション200に、識別された充電キャビティからバッテリを取り外させ、バッテリ交換動作の準備ができたバッテリを位置決めさせる。したがって、コントローラ903は、新しいバッテリのセレクタとして機能する。UAVによってシステム228に送信される信号は、UAVのタイプ(例えば、固定翼100Aまたは回転翼100B)も含む。
UAVの記憶媒体902には、UAVのタイプを示すデータが記憶されている。したがって、コントローラ903は、1つ以上のバッテリステーションモータ906を制御して、取り外されたバッテリ(新しいバッテリ202B)を、信号に基づいて適切に位置決めする(例えば、UAVが固定翼100Aであることを信号が示す場合、新しいバッテリ202Bを図2に示すように位置決めし、UAVが回転翼100Bであることを信号が示す場合、新しいバッテリ202Bを図7に示すように位置決めする)。
【００５２】
バッテリ交換動作後、古いバッテリ202Aのタイプが、バッテリタイプ検出器907によって検出される。バッテリタイプ検出器907は例えば、分析装置217と同じ場所に配置される(バッテリタイプの検出およびバッテリの向き補正が同時に行われることを可能にする)。すべてのバッテリは、バッテリのタイプを識別する識別子を含む。本発明の一例において、バッテリタイプ検出器907はイメージセンサを含み、バッテリ識別子は、イメージセンサによって読み取り可能なクイック応答(QR)コードである。
本発明の別の実施例では、バッテリタイプ検出器907が、無線周波数識別装置(RFID)検出器を含み、バッテリ識別子はRFIDタグである。その他の識別方法が使用されてもよいことが理解される。次いで、コントローラ903は、記憶媒体908のデータベースを使用して空の充電キャビティ224を識別し、空の充電キャビティが第2のコンベアベルト215Bの端部に到達したときに、充電するために重力下で古いバッテリ202Aが空の充電キャビティ内に落下するように位置決めされるまで回転するようにカルーセルモータ905を制御する。
バッテリ交換動作において取り外されたバッテリが新しいバッテリ202Bとなるために、バッテリステーション200が、充電キャビティからバッテリを取り外すと、充電キャビティは空になる。各充電キャビティは例えば、バッテリが充電キャビティから取り外されると、コントローラ903に信号を送るセンサ(図示せず)を備える。次いで、コントローラ903は、この信号に応答して、記憶媒体908のデータベースにおいてこの充電キャビティを空であると識別する。
【００５３】
コントローラ903は、排出されたバッテリ202Aの測定電圧を示す信号を分析装置217の電極222から受け取ることができる。排出されたバッテリの電圧は、バッテリ残量に関連している。コントローラ903は、バッテリ202Aの測定された電圧と、(バッテリタイプ検出器907から既知の)このバッテリタイプに対する測定された電圧とバッテリ残量との関係を示す記憶媒体908に記憶されたデータと、を比較する。測定された電圧が所定の閾値を下回る場合、バッテリ残量が十分に低く、UAVがバッテリ交換動作を行うのに適切であったことが確認される。
測定された電圧が所定の閾値を上回る場合、バッテリ残量が十分に低くないが、UAVがバッテリ交換動作を行うのに適切であったことが確認される。ここで、事実そうではないにもかかわらず、バッテリ残量が少ないためにバッテリ交換動作を行っているため、UAVに故障が発生している可能性がある。したがって、システム228は、潜在的な故障をUAVに知らせる信号をUAVに送信する。したがって、UAVは必要に応じて、点検および保守/修理のために、保守ステーション(図示せず)を訪問することができる。
【００５４】
低バッテリ以外の理由で、UAVがバッテリを交換する場合がある。例えば、(例えば、UAVが、長距離の移動のための高容量バッテリの代わりに、標準距離の移動のための標準容量バッテリを有する場合に)飛行中、UAVは基地局(図示せず)からスケジューリング信号を受信し、UAVがUAVの現在のバッテリで可能であるよりも長い距離の移動を行うように指示されることがある。
バッテリ交換のためにバッテリステーション200に近づくと、UAVはバッテリ交換の理由(例えば、低電力、より大容量のバッテリが必要か等)を示す信号をバッテリステーション200に送信することができる。この信号は、UAVおよびバッテリを識別する(各バッテリが、バッテリの固有の識別子を有するとともに、バッテリタイプ識別子を有する。この固有のバッテリ識別子は例えば、バッテリタイプ検出器907による検出のために、バッテリタイプ識別子を備えてもよい)。この信号によって示される情報は、(例えば、UAV ID: X、バッテリID: Y、理由:Zの形式で)記憶媒体908内のデータベースに記憶される。
分析装置217がバッテリYの電圧を測定すると、コントローラ903は、データベース内の「バッテリID: Y」を参照し、UAV(「X」)と理由(「Z」)を判定する。理由Zが、バッテリ電力が低かったが、バッテリ電力が低くないことを分析装置217の測定電圧が示す場合、コントローラ903は、UAVに故障があると判定し、通信インターフェース904を制御して、故障を示す信号をUAVに送信する。
その一方で、理由Zがより高い容量のバッテリが必要とされることである場合には、分析装置217の測定電圧が低くなくても、コントローラ903は、バッテリ電力が低いことがバッテリ交換の理由ではないこと、および、UAVに故障がないことを認識している。
【００５５】
UAVは、バッテリ交換のためにバッテリステーション200に近づくにつれて、交換すべきバッテリに関する任意の種類の測定可能なデータを示す信号を送信することができる。次いで、コントローラ903は、分析装置217を使用して同じバッテリのデータを測定し、それを受信データと比較することができる。これは、UAVのバッテリ監視システムが正しく動作していることを確かにするのに役立ち、問題が検出された場合にUAVに警告することを可能にする。
【００５６】
バッテリ202は、図3A及び3Bに示される(各表面305A-Dに1組ずつ設定された)4組とは異なる数の端子部303Aおよび303Bを備えることができる。例えば、1組の端子部のみが使用されてもよい。充電中に1組の端子部303Aおよび303Bと充電接点227Aおよび227Bとの間、ならびに、バッテリがUAV内に設置されたときに端子部303Aおよび303Bと電極408Aおよび408Bとの間の電気的接触を容易にするために、バッテリが第2のベルトコンベア215B上に配置されたときに、端子部303Aおよび303Bがバッテリの頂面になるように、システム228は、バッテリの向きを合わせるための更なるバッテリ向き合わせ装置(図示せず)を備える。
これにより、バッテリが充電キャビティに入ったとき、および、UAVのバッテリベイ201内に配置するためにバッテリ保持部によって充電キャビティから取り外されたときの、1組のバッテリ端子部303Aおよび303Bの正しい向き合わせを容易にする。
【００５７】
ここで記載される実施形態は、本開示がどのように実施されるかの例である。
【００５８】
例えば、本開示はより一般的には、UAVに電力を供給するために第1のバッテリ(例えば、バッテリ202A)を解放可能に保持するように構成されたバッテリ保持部(例えば、バッテリベイ201)を備えた無人航空機(UAV、例えば、UAV 100Aまたは100B)に関する。このバッテリ保持部は、UAVの移動方向に対する所定の位置に第1のバッテリを保持するように構成され、UAVがUAVの移動経路上に配置された第2のバッテリ(例えば、バッテリ202B)に対面すると、第1のバッテリが第2のバッテリから機械的衝撃を受け、第1のバッテリがバッテリ保持部から解放され、第2のバッテリが第1のバッテリに取って代わってバッテリ保持部によって保持されてUAVに電力を供給する。
【００５９】
例えば、本開示はより一般的には、無人航空機(UAV、例えばUAV100Aまたは100B)のバッテリ保持部(例えば、バッテリベイ)によって解放可能に保持されたバッテリの交換を提供するためのバッテリ交換装置(例えば、バッテリステーション200)に関する。このバッテリ交換装置は、UAVのバッテリ保持部によって解放可能に保持された第1のバッテリ(例えば、バッテリ202A)を交換するための、第2のバッテリ(例えば、バッテリ202B)を解放可能に保持するための交換用バッテリ保持部(例えば、バッテリ保持部207)を備える。
この交換用バッテリ保持部は、UAVの移動経路上の所定の位置に第2のバッテリを保持するように構成され、UAVが第2のバッテリに対面すると、第2のバッテリが第1のバッテリに機械的衝撃を与え、第1のバッテリがバッテリ保持部から解放され、第2のバッテリが第1のバッテリに取って代わってUAVのバッテリ保持部によって保持される。
【００６０】
本開示は、バッテリ交換用のサブスクリプション方式充電システムと併せて使用されてもよい。例えば固定料金が、多数の交換に対して課されてもよい。コントローラ903は、交換されたバッテリの真正性を確認することができる。許可されていないバッテリが交換される場合、ペナルティが課されてもよい。固定加入料金(定常料金)およびバッテリ交換当たりの料金があってもよい。加入者は、電子的または視覚的識別子を有するUAVによって、または、交換されるバッテリによって、または、その両方によって識別され得る。
電子的識別子は、無線で送信されてもよい。バッテリ交換システム(例えば、システム228)のコントローラ903は、(通信インターフェース904を使用して)コンピュータネットワークを介してサブスクリプション方式のサーバと通信してもよい。サブスクリプション方式のサーバは、保持されている各サブスクリプションに関する情報を含み、バッテリ交換に対する課金を制御し、交換が許可されるか、すなわち行われるかを制御することができる。
【００６１】
本開示のいくつかの実施形態が、以下の番号付けされた節によって定義される。
（１）UAV（無人航空機）に電力を供給するために第1のバッテリを解放可能に保持するように構成されたバッテリ保持部を具備する前記UAVであって、
前記バッテリ保持部は、前記UAVの移動方向に対する所定の位置に前記第1のバッテリを保持するように構成され、
前記UAVが前記UAVの移動経路上に配置された第2のバッテリに対面すると、前記第1のバッテリが前記第2のバッテリから機械的衝撃を受け、前記第1のバッテリが前記バッテリ保持部から解放され、前記第2のバッテリが前記第1のバッテリに取って代わって前記バッテリ保持部によって保持されて前記UAVに電力を供給するように構成される
UAV。
（２）（１）に記載のUAVであって、
前記第1および第2のバッテリのうちの一方は嵌合部を備え、前記第1および第2のバッテリのうちの他方は、前記嵌合部に対応した受け部を備え、
前記UAVが前記UAVの移動経路上に配置された前記第2のバッテリに対面すると、前記第1のバッテリが前記第2のバッテリから機械的衝撃を受けるように、前記第1および第2のバッテリの前記嵌合部および前記受け部は、係合するように構成される
UAV。
（３）（２）に記載のUAVであって、
前記嵌合部はテーパ状突起部であり、前記受け部は、前記テーパ状突起部に対応した形状のテーパ状キャビティ部であり、
前記UAVが前記UAVの移動経路上に配置された前記第2のバッテリに対面すると、前記第1のバッテリが前記第2のバッテリから機械的衝撃を受けるように、前記第1および第2のバッテリの前記テーパ状突起部および前記テーパ状キャビティ部は、係合するように構成される
UAV。
（４）（１）〜（３）のいずれか１つに記載のUAVであって、
前記第1および第2のバッテリは各々、摩擦嵌合を介して前記バッテリ保持部によって解放可能に保持されるように構成される
UAV。
（５）（１）〜（４）のいずれか１つに記載のUAVであって、
前記第1および第2のバッテリは各々、１つ以上の格納式突起部を介して前記バッテリ保持部によって保持されるように構成される
UAV。
（６）（１）〜（５）のいずれか１つに記載のUAVであって、
前記第1および第2のバッテリは各々、磁気嵌合を介して前記バッテリ保持部によって保持されるように構成される
UAV。
（７）（１）〜（６）のいずれか１つに記載のUAVであって、
前記第1のバッテリが前記機械的衝撃を受けるとき、前記前記UAVの移動経路は、地面に対して水平である
UAV。
（８）（１）〜（７）のいずれか１つに記載のUAVであって、
前記第1のバッテリが前記機械的衝撃を受けるとき、前記前記UAVの移動経路は、地面に対して垂直である
UAV。
（９）（１）〜（８）のいずれか１つに記載のUAVであって、
前記UAVの移動経路上に前記第2のバッテリを配置するように構成されたバッテリ交換装置に信号を無線送信するように構成された通信回路を備え、
この信号は、前記第2のバッテリの特性を示し、前記第2のバッテリは、この信号を用いて前記バッテリ交換装置によって複数のバッテリから選択可能である
UAV。
（１０）（１）に記載のUAV（無人航空機）のバッテリ保持部によって解放可能に保持されたバッテリの交換を提供するためのバッテリ交換装置であって、
前記バッテリ交換装置は、前記UAVの前記バッテリ保持部によって解放可能に保持された第1のバッテリを交換するための、第2のバッテリを解放可能に保持するための交換用バッテリ保持部を具備し、
前記交換用バッテリ保持部は、前記UAVの移動経路上の所定の位置に前記第2のバッテリを保持するように構成され、
前記UAVが前記第2のバッテリに対面すると、前記第2のバッテリが前記第1のバッテリに機械的衝撃を与え、前記第1のバッテリが前記バッテリ保持部から解放され、前記第2のバッテリが前記第1のバッテリに取って代わって前記UAVの前記バッテリ保持部によって保持されるように構成される
バッテリ交換装置。
（１１）（１０）に記載のバッテリ交換装置であって、
前記第1および第2のバッテリのうちの一方はテーパ状突起部を備え、前記第1および第2のバッテリのうちの他方は、前記テーパ状突起部に対応した形状のテーパ状キャビティ部を備え、
前記UAVが前記UAVの移動経路上に配置された前記第2のバッテリに対面すると、前記第2のバッテリが前記第1のバッテリに機械的衝撃を与えるように、前記第1および第2のバッテリの前記テーパ状突起部および前記テーパ状キャビティ部は、係合するように構成される
バッテリ交換装置。
（１２）（１０）または（１１）に記載のバッテリ交換装置と、
前記第2のバッテリが、前記UAVの移動経路上の所定の位置に配置される前記交換用バッテリ保持部によって保持される前に、前記第2のバッテリを充電する充電器と
を具備する
システム。
（１３）（１２）に記載のシステムであって、
前記UAVの前記バッテリ保持部から取り外された前記第1のバッテリを受け取り、充電用の前記充電器に前記第1のバッテリを移送するように構成された運搬装置を備える
システム。
（１４）（１２）または（１３）に記載のシステムであって、
前記UAVからの信号を無線受信するように構成された通信回路と、
この信号を用いて複数のバッテリから前記第2のバッテリを選択することを制御するように構成されたセレクタと
を備え、
この信号は、前記第2のバッテリの特性を示している
システム。
（１５）UAV（無人航空機）に電力を供給するための、（１）に記載の前記UAVのバッテリ保持部によって解放可能に保持されるバッテリであって、
前記バッテリは、一端部にテーパ状突起部と、反対側の一端部に前記テーパ状突起部に対応した形状のテーパ状キャビティ部とを具備し、
前記テーパ状突起部または前記テーパ状キャビティ部は、前記UAVの移動経路上に配置された他のバッテリのテーパ状キャビティ部またはテーパ状突起部と係合するように構成され、
前記UAVが前記他のバッテリに対面すると、前記バッテリに前記他のバッテリから機械的衝撃を与えられ、前記バッテリが前記UAVの前記バッテリ保持部から解放されるように構成される
バッテリ。
（１６）（１）に記載のUAV（無人航空機）と、
（１０）に記載のバッテリ交換装置と
を具備する
システム。
（１７）UAV（無人航空機）を制御する方法であって、
前記UAVは、前記UAVに電力を供給するために第1のバッテリを解放可能に保持するように構成されたバッテリ保持部を具備し、
前記バッテリ保持部は、前記UAVの移動方向に対する所定の位置に前記第1のバッテリを保持し、
前記UAVが前記UAVの移動経路上に配置された第2のバッテリに対面すると、前記第1のバッテリが前記第2のバッテリから機械的衝撃を受け、前記第1のバッテリが前記バッテリ保持部から解放され、前記第2のバッテリが前記第1のバッテリに取って代わって前記バッテリ保持部によって保持されて前記UAVに電力を供給し、
前記方法は、前記UAVが前記第2のバッテリに対面するように、前記第2のバッテリが配置される経路に沿って移動するように、前記UAVを制御することを含む
方法。
【００６２】
上記の教示に照らして、本開示の多数の修正および変形が可能である。したがって、添付の特許請求の範囲内で、本開示は、本明細書で具体的に説明される以外の方法で実施されてもよいことが理解される。
【００６３】
本開示の実施形態が少なくとも部分的に、ソフトウェア制御されたデータ処理装置によって実装されるものとして説明されている限り、光ディスク、磁気ディスク、半導体メモリなど、そのようなソフトウェアを搬送する非一時的な機械可読媒体も、本開示の実施形態を表すと考えられることが理解される。
【００６４】
本発明を明確にするための上記の説明は、異なる機能ユニット、回路、および/またはプロセッサを参照して実施形態を説明したことが理解される。しかしながら、本発明の実施形態から逸脱することなく、異なる機能ユニット、回路、および/またはプロセッサ間の機能における任意の適切な分散が使用されることは明らかである。
【００６５】
本明細書で説明された実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの任意の組み合わせを含む任意の適切な形態で実装される。本明細書で説明された実施形態は、任意選択で、1つ以上のデータプロセッサおよび/またはデジタル信号プロセッサ上で実行されるコンピュータソフトウェアとして、少なくとも部分的に実装される。任意の実施形態における部品および構成要件が、任意の適切な方法で物理的に、機能的に、および論理的に実装される。
実際、この機能は、単一のユニットで、複数のユニットで、または他の機能ユニットの一部として実装されてもよい。したがって、本開示の実施形態は、単一のユニットで実装されてもよく、または、異なるユニット、回路、および/またはプロセッサの間で物理的および機能的に分散されてもよい。
【００６６】
本開示は、いくつかの実施形態に関連して説明されたが、本明細書に記載された特定の形態に限定されることは意図されていない。さらに、特徴は特定の実施形態に関連して説明されているように見えるが、当業者は、説明された実施形態の種々の特徴が本技法を実施するのに適した任意の方法で組み合わされ得ることを認識するであろう。
【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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【国際調査報告】
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