JP2010173401A - 無人航空機の回収方法及びその設備 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の無人航空機の回収方法は、適当な場所で容易に地上設備を展開でき、狭い飛行範囲で回収が可能であり、かつ機体の制御力を保持したまま着陸降下を行うので、横風に対して安全かつ確実に、指定位置に回収することを可能とするものである。
【解決手段】本発明の無人航空機の回収方法は、地上に水平に張ったネットを備え、無人航空機を前記ネット上で旋回させるステップと、風下方向から高迎角で機体を降下させ、前記ネット上に着陸させるステップを踏むものとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、無人航空機を滑走場所を必要としないで、狭い領域で、安全にかつ確実に回収できる方法及びこれに適した無人航空機とその地上設備に関する。

小型の無人航空機はカメラを搭載して災害時の状況把握や救助用や一般観測用にその利用の要望が高くなっている。地上からでは分からない状況や地上ではあっても人の立ち入ることが困難な場所の状況を、小型の無人航空機を用いることにより所望領域の低空からの撮像画像を容易にモニターすることができるためである。しかし、固定翼型無人航空機の発進・回収には、基本的に有人航空機と同様に滑走場所とその前後に広い飛行空間が必要であるが、我が国では一般的にそのような条件を満たす施設は少なく、無人航空機であっても自由に飛行させることができない。特に出動要請があった現場近くにそのような条件の整った場所があるとは限らない。これが小型の無人航空機を利用する際の大きな障害となっている。発進の場合は、ある程度小型の機体では、手投げやカタパルト発進といった手段が用いられるのでさほど広い場所を要しないが、回収には相当程度広い場所の確保が必要となる。一般的な滑走及び胴体着陸では広い場所が必要であるため、狭い場所での回収方法として、パラシュート降下、垂直に張られたネットによる回収、機体をわざと失速させ落下させるディープストールによる方法が用いられている。

垂直に張られたネットによる回収方法を提示したものとして特許文献１がある。この発明は航空機を回収するネットを空中に容易に設置することができ、かつ回収された航空機がネットから外れて落下してしまうことを防止することができる航空機回収方法を提供することを目的としたもので、その課題解決手段としては、無人航空機を着陸予定地点において回収するための方法であって、前記着陸予定地点には、図４に示すように浮遊体（気球）ａと、前記浮遊体ａと基準面とを接続するための少なくともふたつの支持体（ポール）ｂと、前記支持体ｂのうちの少なくともふたつの間に張り渡された回収ネットｃとを備えた航空機回収装置を備えておき、前記回収ネットｃの網目は、網目の内周長に網糸の破断伸度割合を乗じた数値が、前記無人航空機の翼の付け根部分の胴体周長又は最大胴体周長よりも小さくなるように構成し、前記無人航空機には、少なくとも胴体側面部又は両翼前端部にフックを取り付けておき、前記無人航空機を前記着陸予定地点に備えられた前記回収ネットｃに突入させ、その際に前記フックが前記回収ネットの網糸を捕らえることにより、機体の回収ネットからの落下を防止することを特徴とする航空機回収方法を提示したものである。しかし、上記の回収方法によれば航空機はネットに向かって横方向から水平飛行して衝突させるためにネット前空間が相当程度確保できる場所でなければならない。また、機体がネットｃに激突することとなるため、ネットｃを張るポール２は堅固に設置しなければならず出動要請があった出先で急遽設置することは容易ではない。また現場の状況からネットを張る方向を風に対応して設置できるとは限らず、横風を受ける方向から進入せざるを得ない場合が多い。

特許文献２が提示する発明は、上述した従来の無人飛行機回収方法のうち、パラシュートで回収する方法については、エンジンが停止しパラシュートを全開傘した状態では、機体の運動が制御できないから、機体の動きは風の方向に支配され、強風の場合は予め定められた回収地点から機体の落下位置が大きくはずれてしまうという欠点が有ったこと、また機体をネットに当てて回収する方法については、回収時に機体が高速でネットに衝突するから機体の損傷が大きいという欠点が有ったことを踏まえ、回収位置の正確さ及び機体の損傷の軽減を図る無人飛行機回収方法を提示することを目的としたものである。前述の課題を解決するためにこの発明は、遠隔操縦により飛行させている無人飛行機を予め定めた地上の地点に回収する方法において、前記無人飛行機ｐの機体に一端を固定し、他端にフックｑを取りつけたワイヤーｒを該機体に装備しておき、前記地点には地上から所定の高さにほぼ水平にロープｊを張り渡しておき、飛行中の前記無人飛行機ｐの機体から前記ワイヤーｒを曳航させ、前記ワイヤーｒが前記ロープｊに接触する距離にまで該ロープｊに近設させて前記ワイヤー曳航無人飛行機ｐを該ロープｊの上側に飛来するように誘導し、前記フックｑを前記ロープｊに掛けさせることにより、前記無人飛行機を前記地点に回収することを特徴とする無人飛行機の回収方法を提示している。

しかし、この方法も曳航するフックｑをロープｊに掛けさせるためには機体を急降下形態で行うことは難しくロープ前方において空間が相当程度確保できる場所でなければならないことと、ロープｊを張るポールｋは堅固に設置しなければならず出動要請があった出先で急遽設置することは容易ではないという先のもの同様の問題を抱えている。更に、無人飛行機をロープの上側に飛来するように誘導し、ワイヤーを介して曳航するフックをロープに掛けさせること自体、熟練技術を要するものであり、フックが他の障害物にひっかってしまう事故も生じやすく、安全着実な回収方法として余り現実的とは言えない。

無人航空機の回収方法の内、滑走場所が得られない場合に用いられるパラシュートやディープストールによる方法では、降下中は機体自らの制御力を有していない状態であるため、横風の影響を受けた場合降下経路の修正が効かず、指定位置への確実な着陸は不可能となり、また安全上問題が残ること、また垂直に張られたネットによる回収は、回収時にネットに機体を引っかけるため機体の破損が生じやすく、またネットを高い位置に垂直に張る施設が必要なため回収場所が固定的になること、無人飛行機を該ロープの上側に飛来するように誘導し、前記フックを前記ロープに掛けさせる方法も安全着実な回収方法として余り現実的とは言えないことに鑑み、本発明の無人航空機の回収方法は、適当な場所で容易に地上設備を展開でき、狭い飛行範囲で回収が可能であり、かつ機体の制御力を保持したまま着陸降下を行うので、横風に対して安全かつ確実に、指定位置に回収することを可能とするものである。

本発明の無人航空機の回収方法は、地上に水平に張ったネットを備え、無人航空機を前記ネット上で旋回させるステップと、風下方向から高迎角で機体を降下させ、前記ネット上に着陸させるステップを踏むものとした。
本発明の無人航空機の回収方法に用いられる地上設備は、無人航空機の機体寸法の３倍以上の幅を有する環状又は多角形状の枠体と該枠体に張られたネットとからなるものとした。
本発明の無人航空機の回収方法に用いられる無人航空機は、機体重心の後部にプロペラを配置したものであって、プロペラ後流が水平及び垂直尾翼の周囲を流れる形態とした。そして、機体の下面後方部にはネットと契合するフックが取り付けられる形態とした。
本発明の無人航空機回収方法を実行させる制御システムは、ＧＰＳ及び高度計を無人航空機に搭載し、これらの検出値から機体位置を測定する装置と、その位置情報を基に機体を着陸目標に誘導する制御装置を備えたものとした。

本発明の無人航空機の回収方法は、地上に水平に張ったネットを備え、無人航空機を前記ネット上で旋回させるステップと、風下方向から高迎角で機体を降下させ、前記ネット上に着陸させるステップを踏むものとしたものであるから、機体が横風を受けることなく機首を上げた高迎角状態で急角度で降下させ、水平に張られたネット面上に安定して着地させることができる。水平飛行での着陸でないのでネットが設置される領域としてさほど広いスペースを必要とせず、適当な広場などで随時回収が可能となる。
本発明の無人航空機の回収方法に用いられる地上設備は、無人航空機の機体寸法の３倍以上の幅を有する環状又は多角形状の枠体と該枠体に張られたネットとからなるものであるから、着陸方向に異方性が無く、風向きが変わっても常に風下からの進入着地が可能となる。また、この設備の設置は現地でポールを立てるなどの工事を要せず、平坦地に枠体を置くだけでよい。
本発明の無人航空機の回収方法に用いられる無人航空機は、機体重心の後部にプロペラを配置したものであって、プロペラ後流が水平及び垂直尾翼の周囲を流れる形態としたので、着陸降下時の機体制御力を保持したものとなる。そして、機体の下面後方部にはネットと契合するフックが取り付けられる形態とすることにより、ネット上でリバウンドすることが無く、安定した着地ができる。また着陸降下時も機体制御力を保持しているため、横風があっても着陸地点への自律誘導が可能であり、このことより特別な操縦技術を必要とせずに、安全にかつ確実な無人航空機の回収を実現できる。
本発明の無人航空機回収方法を実行させる制御システムは、ＧＰＳ及び高度計を無人航空機に搭載し、これらの検出値から機体位置を測定する装置を備えるものであるから、時々刻々変化する機体の位置情報を正確に把握できる。そして、その位置情報を基に機体を着陸目標に誘導する制御装置を備えているので、地上からの目視操縦に比べ航空機の誘導制御を格段に正確なものとすることができる。

本発明による無人航空機回収方法を模式的に説明する図である。 本発明の無人航空機回収方法に適した無人航空機の機体形状例を示した図である。 本発明の無人航空機回収方法における手順を示した図である。 従来の無人航空機回収方法を模式的に説明する図である。 従来の他の無人航空機回収方法を模式的に説明する図である。

地震災害が発生した地域での状況把握のため本発明の無人航空機回収方法を実行させる制御システムの出動が要請された場合を想定して以下に説明する。災害現場は道路が寸断され、人が立ち入れない状況とすれば、災害現場に近い平坦で数十メートル四方の空間が確保できる広場に基地を設置することとなる。まず、その基地に搬送してきた部材の設置を行うが、最も大きな設備はネットが張られた環状又は多角形状の枠体である。２ｍ〜３ｍの機体長の無人航空機を使用するものとしてこの枠体の直径はほぼ１０ｍ程度のものとなる。直径１０ｍの枠体をそのまま搬送することは容易ではないので、複数部材に分割され、設置場所にて組立て設置する形態が好ましい。枠体を組立て、その枠体にネットを取り付ける。次に無人航空機を飛行させ、所望場所に誘導する制御装置の設置であるが、これは通常搬送してきた車両内でよいが、必要な場合には基地に設置されるテントなど仮設建造物内に設置内に設置する。無人航空機を飛行させるのであるから、制御装置は当然にリモートコントロールの機能が必要であり、また、搭載されるカメラからの映像をモニターするディスプレイ装置とが備えられている。これだけで、準備作業は完了である。無人航空機と発進用具であるカタパルト（射出機）を運び出し、すぐに無人航空機を発進させることができる。出動要請の内容は人が立ち入れない現場の状況を空から把握するということである。マクロの情報は有人のヘリコプターやセスナ機での観察や撮影から情報は得られるとしても、より近距離から小回りの利く移動で詳細な情報が得られることがこの小型無人航空機に期待される事柄である。

本発明は上記のような任務を担う２ｍ〜３ｍの機体長の無人航空機であっても、従来の方式では着陸の際には相当程度の滑走スペースが必要とされ、滑走場所が得られない場合に用いられるパラシュートやディープストールによる方法では、降下中は機体自らの制御力を有していない状態であるため、横風の影響を受けた場合降下経路の修正が効かず、指定位置への確実な着陸は不可能となり、また安全上問題が残ることの解決が課題であった。そのような無人航空機を地上へ回収する際の問題解決法として本発明では図１に示すように地上に水平に張ったネット装置２を備え、無人航空機１を前記ネット装置２上に高迎角で機体を降下させ、前記ネット装置２上に着陸させる回収方法を提示するものである。
本発明に用いる無人航空機の機体形状として、建物や構造物、或いは立木などの狭間にある広場のような狭い領域に着陸しなければならないことを想定し、無人航空機の着陸進入角度を高くしなければならないことから、高い迎角でも失速せずに降下が可能であり、かつ横風による機体姿勢の影響を少なくする翼形態と、降下時でも機体制御が可能になる機体構造が必要とされる。そのために、一般に有人航空機では高速機に採用されるデルタ翼を基本とした翼形状を採用し、また横風の影響を少なくするために上半角を小さくとり、さらに着陸降下時の機体制御力を持つために、プロペラ後流が水平尾翼の周囲を流れるように推進機を配置する構成を採るものとした。

本発明に用いる無人航空機の実施形態例を図２に示す。Ａは斜視図であり、Ｂは上面図、そしてＣは側面図である。主翼１ａの形状はＡ，Ｂ図から分かるようにダブルデルタ翼とし、Ｃ図から分かるように上半角を小さくとりほぼ水平に取り付けられるものとした。機体の胴部形状は主翼１ａ部分より前方を太く取り後方は段部を介して細くし、当該段部にプロペラ１ｂを配置し、プロペラ１ｂの後流は水平尾翼１ｃの周囲を流れるようになるものとした。胴体の後方下面部にはネットに引っかけて機体を捕捉するためのフック１ｄが取り付けられている。

機体搭載装置としては、航空機操縦とカメラ操作をリモートコントロールするための装置の他にＧＰＳ、高度計及び風向風速計を搭載するものとし、両計測器からの計測情報を基に時々刻々変化する無人航空機の位置情報を正確に割り出す機体位置測定装置を備えるものとする。この装置で割り出された位置情報はカメラが撮影した画像に附加されると共に、着陸時にはこの装置から提供される位置情報に基づいて機体を着陸目標地点（ネット中央部）に誘導制御するために用いられる。この機体位置測定装置と誘導制御装置は基地に配備される地上設備であってもよいが、この実施形態例では機体搭載装置とし、地上からのリモートコントロールを離れ、自立航行と回収の自立誘導制御が可能である形態とした。また、風向風速計の搭載は必ずしも必須の構成ではなく、地上で計測した情報を送信する形態としてもよい。

また、本発明に用いる地上設備としては、基地に設置する水平のネットが必要であり、当該ネットは降下してくる機体を安全確実に保持することが可能なネットであることが求められる。図１に示されるネット装置２は環状の枠体２ａにネット２ｂが張られたものである。枠体２ａには脚部が取り付けられ、着陸時に機体が地面と接触することがないようにネット面と地面との間には数十ｃｍの空間ができるようにしてある。ネット２ｂの素材は丈夫でかつ機体を傷つけないものであることが求められ、この実施形態例ではナイロンロープを使用するものとした。枠体の素材はできるだけ軽量で丈夫なものが好ましくこの例ではアルミ素材を採用した。また、環状の枠体２ａは周方向に四分割等、複数に分割可能な構成とし、ボルトで分割部材を結合させるものとした。

本発明による無人機の着陸の手順であるが、次のような要領で行われる。
１） 作業を終了した無人航空機は白律誘導制御モードに切替えられ、基地に帰還する態勢に入り、基地を目ざして航行する。
２） 基地上空（あらかじめ決められた着陸体勢に入る範囲）に到着したならば、高迎角の姿勢をとり旋回しつつ高度を下げ、その間に無人航空機は自ら回収地点の風向を検出して、風上に向かって着陸する方位を決定する。
３） 図３に示すようにネット上の所定高度に到達したら、旋回途中の決定された風下方向からネット中心位置への誘導を行い、経路を修正しつつ降下し、高迎角のままネット上に胴体着陸する。その際、胴体下面後方部に取り付けられているフック１ｄによりネットに引っかけて機体を捕捉し、ネット上でのリバウンドを防止し、安全かつ着実な回収を実現する。
このような高迎角を取ったままの着陸を、地上からの視認によりマニュアル操縦で行うことは不可能ではないが、その操縦は非常に難しく、一般的な無人航空機の運用上の回収手段として採用することは現実的ではない。

本明細書では無人航空機回収方法を実行させる制御システムは地震災害時の現場状況観察用に用いることを想定して説明してきたが、本システムはこれに限られることなく、無人航空機が用いられるあらゆる分野で採用することができるが、とりわけ人が立ち入りにくい領域の観察が求められ、しかもその近辺に無人航空機の離着陸に要するスペースが確保しにくい場合には、極めて有効にその効果を発揮するものである。

１ 無人航空機 １ａ 主翼
１ｂ プロペラ １ｃ 水平尾翼
１ｄ フック ２ ネット装置
２ａ 枠体 ２ｂ ネット

特開２００７−２２３４９１号公報 「航空機回収方法」 平成１９年９月６日公開 特開２００５−３５１６５１号公報 「水素分布計測を可能とする光ファイバ水素センサ及びそれを用いた測定法」 平成１７年１２月２２日公開

Claims (5)

1. 地上に水平に張ったネットを備え、無人航空機を前記ネット上で旋回させるステップと、風下方向から高迎角で機体を降下させ、前記ネット上に着陸させるステップを踏むことを特徴とする無人航空機の回収方法。
2. 無人航空機の機体寸法の３倍以上の幅を有する環状又は多角形状の枠体と該枠体に張られたネットとからなる請求項１に記載の無人航空機の回収方法に用いられる地上設備。
3. 機体重心の後部にプロペラを配置したものであって、プロペラ後流が水平及び垂直尾翼の周囲を流れる形態としたことを特徴とする請求項１に記載の無人航空機の回収方法に用いられる無人航空機。
4. 機体の下面後方部にはネットと契合するフックが取り付けられている請求項３に記載の無人航空機。
5. ＧＰＳ及び高度計を無人航空機に搭載し、これらの検出値から機体位置を測定する装置と、その位置情報を基に機体を着陸目標に誘導する制御装置を備えたものである請求項１に記載の無人航空機回収方法を実行させる制御システム。

Images