JP2013241177A - 無人機の動作を延長するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無人機の動作を延長するための方法および装置を提供する。
【解決手段】（ａ）無人機１００に搭載されたエネルギー蓄積装置１１０がしきい値レベル未満に消耗したことを検出するステップと、（ｂ）基地局２００に着陸するように無人機を操作するステップと、（ｃ）基地局の交換メカニズム２２０に、無人機に搭載されたエネルギー蓄積装置を無人機から除去させ、かつ、これを他のエネルギー蓄積装置１２０と交換させるようにする基地局の操作を少なくとも開始するステップがある。他のステップも開示される。さらに、前記方法に含まれるステップを実行するよう配備された無人機１００、基地局２００、およびコマンド制御装置４００が開示される。
【選択図】図１

Description

本発明は、無人機（ＵＡＶ）の動作を延長する方法に関する。他の態様では、本発明は無人機、無人機の基地局、および無人機のコマンド制御装置に関する。

無人機の民間用途における使用が増加している。警察業務および消防業務等、多くの業務では現在、機密情報収集業務のために無人機を使用し、直接赴くのが難しいまたは危険な場所に関し、リアルタイムのビデオ画像を提供している。無人機は一般に、その種の画像を迅速かつタイムリーに低費用で提供できる。この種の用途に使用される無人機は、たとえば軍事攻撃活動で使用される無人機に比べ比較的小さい。これらの小型無人機は通常、電池式である。このことは複雑さと費用を低減する利点がある。このような無人機の一例として、Ｐａｒｒｏｔ社のＡＲ．Ｄｒｏｎｅが挙げられる。

このような小型の無人機には、動作時間が電池で制限されるという問題がある。このような無人機は電池がなくなるまでの間、１５分〜２０分程度しか飛行できないのが通常である。これが、この種の装置の使用における大きな制限である。

電池の性能を改善してこの問題に対処しようという試みがなされている。たとえば、電池寿命を改善し、充電時間を短縮し、無人機のエネルギー消費量も低減された。このような改善にも関わらず、持続時間の制限という問題が依然存在する。

よって、この問題に対処するニーズは依然存在する。

本発明に係る実施形態は、従来のものとは異なるアプローチを採る。電池や充電時間、無人機のエネルギー消費量の改善といった観点からではなく、本発明では、迅速な電池交換のための配置、すなわち他のエネルギー蓄積装置を無人機に提供し、有効な動作時間を延長できるようにするアプローチを採る。

本発明の第一の態様によると、無人機（ＵＡＶ）の動作を延長する方法がもたらされる。前記方法は
‐無人機に搭載されたエネルギー蓄積装置がしきい値レベル未満に消耗したことを検出するステップと、
‐基地局に着陸するように無人機を操作するステップと、
‐基地局の交換メカニズムに、無人機に搭載されたエネルギー蓄積装置を無人機から除去させ、かつ、これを他の蓄積装置と交換させるようにする基地局の操作を少なくとも開始するステップとを含む。

前記方法にはさらに、無人機の着陸時に基地局に対する無人機の位置を検出するよう基地局を操作するステップを含んでもよい。これには、無人機の位置を検知する基地局のセンサーを操作することを含んでよい。無人機の位置を検知することは、無人機の向きを検知することを含んでよい。無人機の位置を検知することは、基地局の着陸面内及び／又は着陸面上に配置された圧力センサーを操作すること並びに／又は基地局の着陸面内及び／又は着陸面上及び／又は着陸面周囲に配置された光センサーを操作することを含んでよい。着陸面は発射および回収台でよい。無人機の位置を検知することは、無人機の位置及び／又は向きを示す情報を生成することを含んでよい。

基地局の操作は他の蓄積装置を蓄積装置のストア（貯蔵場所）から取るように動作する交換メカニズムを含んでよい。基地局の操作は、交換メカニズムの交換構造を無人機に移動させ、無人機から蓄積装置を除去するよう、検出された無人機の位置及び／又は向きを使用し交換メカニズムを動作させることを含んでよい。基地局の操作は、交換メカニズムの交換構造を無人機に移動させ、他の蓄積装置を無人機に結合させるよう、検知された無人機の位置及び／又は向きを示す情報を使用し交換メカニズムを動作させることを含んでよい。これらのステップは本明細書に記載された順番で行ってもよいし、他の順番で行ってもよい。

他の蓄積装置はしきい値未満に消耗しない可能性がある。ストアは蓄積装置がエネルギー補充される充電所とすることができ、その結果、蓄積装置のエネルギーストアはしきい値を超え、かつ、蓄積装置のエネルギーストアは実質的に最大化される。各蓄積装置は電池、超コンデンサ、及び／又は燃料ボトルであってよい。

前記方法は無人機上のプロセッサ及び／又は基地局にあるプロセッサ及び／又はリモートのコマンド制御装置にあるプロセッサが実行する命令の結果として実行されてよい。

本発明の第二の態様によると、第一の態様に係る方法に含まれるステップを１つ、複数、またはすべて実行する無人機がもたらされる。

本発明の第三の態様によると、第一の態様に係る方法に含まれるステップを１つ、複数、またはすべて実行するコマンド制御装置がもたらされる。コマンド制御装置はコンピュータによる処理手段を含んでよい。たとえば、コマンド制御装置はポータブルコンピュータ等のコンピュータを備えてよい。ポータブルコンピュータの例としてはラップトップ、タブレットＰＣ、およびスマートフォンが挙げられるが、これらに限定されない。

本発明の第四の態様によると、第一の態様に係る方法に含まれるステップを１つ、複数、またはすべて実行する基地局がもたらされる。基地局は上記に定義したように配備されてよい。

基地局は、無人機に搭載された蓄積装置を無人機から除去させ、かつ、これを他の蓄積装置と交換させるための交換メカニズムを基地局に備えてよい。基地局は、無人機の位置を検知するセンサーを備えてよい。交換メカニズムは、無人機から蓄積装置を除去するための交換構造を備えてよい。交換メカニズムは、無人機に及び／又は無人機から蓄積装置を取り付ける及び又は除去するよう配備されたロボットアームを供えてよい。基地局はエネルギー蓄積装置のストアを備えてよい。基地局は着陸面を備えてよい。

第一の態様の特徴は、他の態様の特徴ともなり得る。

無人機の動作は無人機上のプロセッサ及び／又はリモートのコマンド制御装置上のプロセッサが実行する命令の結果として制御できる。基地局の操作は基地局にあるプロセッサ及び／又は無人機にあるプロセッサ及び／又はリモートのコマンド制御装置にあるプロセッサにより制御できる。

無人機に搭載されたエネルギー蓄積装置がしきい値レベル未満に消耗したことが検出されると、１つ、複数、またはすべてのステップが自動的に実行される。

本発明の第五の態様によると、プロセッサに第一の態様に係る方法を実行させるプロセッサで実行可能な命令を備える記録担体がもたらされる。

記録担体はたとえば、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、及び／又はＥＥＰＲＯＭ等の固体記憶手段を備えてよい。記録担体はＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の光学式記憶手段及び／又は磁気記憶手段、及び又は磁気記憶ディスクを備えてよい。記憶担体は、電気信号、光信号、及び／又は無線信号等の信号を備えてよい。

図１は、無人機、基地局、およびコマンド制御局を示す概略図である。 図２は、図１に示すコマンド制御局の操作方法を示すフローチャートである。 図３は、図１に示す基地局の操作方法を示すフローチャートである。

図１は、無人機１００、充電所３００を含む基地局２００、およびコマンド制御（Ｃ２）局４００の概要を示す概略図である。

この実施形態では、無人機１００はＰａｒｒｏｔ社のＡＲ．Ｄｒｏｎｅ等の既存の無人機である。無人機１００は電池式で４つのローターを持ち、Ｃ２局４００と無線通信できる。無線通信によって無人機は、無人機１００の動作を制御するコマンドをＣ２局４００から受信でき、かつ、無人機１００の動作に関する情報をＣ２局４００に送信できるようになっている。無人機１００は取り外し可能で、再充電可能な電池１１０形式のエネルギー蓄積装置を有する。

本実施形態では、Ｃ２局４００は無線機を使用し、無人機１００と無線通信するラップトップである。Ｃ２局４００はＷｉＦｉを使用し通信する。他の実施形態では、他の形式の無線通信が想定される。

基地局２００は無人機１００が着陸および離陸できる、発射および回収台２１０の形を取る。発射および回収台２１０は、無人機１００が発射および回収台２１０上に存在するときの、無人機１００の位置および向きを検知するためのセンサー（図示せず）と共に配備される。本実施形態では、これは発射および回収台２１０に内蔵された圧力センサーを設けることで行われ、圧力センサーは無人機１００の重量に反応し、発射および回収台上の無人機１００の位置を示す信号を生成する。発射および回収台２１０上および発射および回収台２１０周囲に光センサーも設け、発射および回収台２１０上の無人機１００の位置および向きを示す信号を生成する。これらのセンサーが生成する信号は、基地局２００の制御ユニット（図示せず）に入力される。制御ユニットにはマイクロプロセッサおよびマイクロプロセッサで実行可能なソフトウェアの記録が含まれ、ソフトウェアは本明細書に記載されるように基地局２００を操作する。制御ユニットはこれらのセンサーから生成された信号を基に発射および回収台２１０上の無人機１００の位置および向きを解明できるよう動作可能である。

ロボットアーム２２０も基地局２００を形成する一部である。ロボットアーム２２０は無人機１００が発射および回収台２１０上のどこに位置しようとも、無人機１００にアクセスできるよう配備される。本実施形態では、これは制御ユニットの制御下でロボットアームを発射および回収台２１０の上で移動できるようにする車輪２３０を有するロボットアーム２２０で達成される。アーム２２０の部分がアーム２２０の他の部分に対し枢動可能であるようにロボットアームを関節接合することで、さらにロボットアーム２２０の動きがもたらされる。そのような旋回軸の１つが２２２に示されている。アーム２２０の電池交換部２２３は２つの電池係合部２２４を備えている。各電池係合部は選択的に動作可能な電磁接触器を備えており、電磁接触器は電池に隣接する位置にきたとき、電池に解放可能に係合するよう動作可能であり、その結果、電池は係合部２２４につかまれて、持ち上げられ、移動され、続けて解放される。他の実施形態では、ペンチ式などの係合方式が想定される。電池交換部２２３はロボットアーム２２０の残部にその中心位置近傍で枢着され、２つの係合部２２４の各々の相対位置は電池交換部２２３をその旋回軸を中心に１８０度回転させることで入れ替えることができる。この目的は後ほど明らかになる。

繰り返しになるが、電池交換部２２３と係合部２２４を含むロボットアーム２２０の操作は基地局２００の制御ユニットの制御下にある。

充電所３００は基地局２００を形成する一部である。充電所３００の目的は、充電するため電池を保持し、消耗した電池をロボットアーム２２０から受け取り、かつロボットアーム２２０に再充電した電池を供給することである。従って、充電所３００は複数の電池を保持し（本実施形態では５個を想定）、それぞれの電池を充電して消耗状態から最大に充電した状態にする。充電所はロボットアーム２２０の届く範囲内に配置され、その結果、ロボットアーム２２０が無人機１００から除去された消耗した電池を充電するために充電所３００に置くことができ、かつ、充電所３００から再充電した電池を無人機１００に取り付けるために収集できる。充電所３００も基地局２００の制御ユニットの制御下で動作する。

基地局２００の制御ユニットもＣ２局４００と無線通信を行うための無線通信ユニットを有し、繰り返しになるが本実施形態においてはＷｉＦｉが使用される。

本実施形態において、Ｃ２局４００はラップトップコンピュータの形式を取る。このコンピュータは前述した通り、基地局２００および無人機１００の各制御ユニットと無線通信できる。Ｃ２局４００は無人機１００と基地局２００の両方の操作を制御するソフトウェアを実行する。しかしながら他の実施形態では、基地局２００は、基地局２００上で実行されるソフトウェアに応答して、および無人機１００からの信号及び／又は無人機１００が発射および回収台２１０に着陸したことを検出する信号に応答して、自身の操作を制御できることが想定される。

図２のフローチャートを参照しつつ、各種コンポーネントの操作を説明する。

図２はＣ２局４００の操作５００の方法を示す。この方法５００は無人機１００のＣ２局４００の制御下における通常動作中に、Ｃ２局が第１ステップ５１０で、無人機の電池１１０がしきい値未満に放電されたことを検出し、電池１１０が交換されるべきであると判定されると、実行されるサブルーチンである。

ステップ５１０で電池１１０が交換されるべきであると判定されると、方法５００はステップ５２０に進む。ステップ５２０では、Ｃ２局４００が基地局２００に、ロボットアーム２２０は充電所３００からフル充電された電池１２０を取得すべきであるという信号を送信する。Ｃ２局に実行される方法５００は次にステップ５３０に進む。ステップ５３０では、Ｃ２局４００が無人機１００を基地局２００の発射および回収台２１０に着陸させるため無人機１００を制御する。

Ｃ２局４００に実行される方法５００は次にステップ５４０で、無人機１００に新しい電池１２０が取り付けられ、離陸準備ができたことを示す基地局２００からの信号を待機する。

その間に、方法６００が基地局２００上で実行される。方法６００は基地局２００の制御ユニットで実行されるソフトウェアの形式で、図３に示される。ロボットアーム２２０は充電所３００からフル充電された電池１２０を取得すべきであるという信号を基地局２００がＣ２局４００から受信すると、方法６００が第１ステップであるステップ６１０で起動される。

この信号を受信すると、基地局２００で実行中の方法６００はステップ６２０に進む。ステップ６２０では基地局２００の制御ユニットがロボットアームを制御し、充電所３００に移動させる。ロボットアームが充電所３００に位置するとき、現在ロボットアーム２２０の端部に位置する係合部２２４の電磁接触器は、フル充電された電池１２０を取得するよう動作される。次にロボットアーム２２０は電池交換部２２３をその旋回軸を中心に１８０度回転させるよう動作され、その結果他方の空の係合部２２４がアーム２２０の端部に位置するようになる。

次に基地局６００の方法はステップ６３０に進み、ステップ６３０では基地局が無人機１００が発射および回収台２１０に着陸したかどうかを検出する。これは発射および回収台２１０内の圧力センサーからの信号および発射および回収台２１０内の光センサーおよび発射および回収台２１０周囲の光センサーからの信号を検知することで行われる。無人機１００が発射および回収台に着陸したと検出されると、ステップ６４０でこれらのセンサーからの信号を使用し、発射および回収台２１０上の無人機１００の位置および向きが判定される。

これがなされると、ステップ６５０でロボットアーム２２０を無人機１００の判定位置に移動させ、かつ、ロボットアームがアーム２２０の端部に位置する現在空の係合部２２４を操作し、電磁接触器を活性化させ、無人機から放電された電池１１０を取得させるよう動作される。次にロボットアーム２２０の電池交換部２２３はその旋回軸を中心に１８０度回転され、放電された電池１１０とフル充電された電池１２０の位置を入れ替える。こうすることで、フル充電された電池１２０が現在無人機１００の近傍に位置する。次に対応する電池係合部２２４の電磁接触器を非活性化することで、フル充電された電池１２０が無人機１００に落とされて、無人機１００に入れられる。

次に方法はステップ６６０に進む。ステップ６６０ではロボットアームが発射および回収台２１０から離れ、その外側に突き出る位置に移動され、無人機１００の離陸を妨害しないようにする。これがなされると、ステップ６７０で基地局２００はＣ２局４００に対し、電池１１０と１２０が入れ替えられ、無人機１００の動作を再開できる状態になっているという信号を送信する。

次にステップ６８０で、基地局２００上で実行される方法６００は、各種センサーによって無人機が発射および回収台２１０から離陸したということが検出されるまで待機する。無人機が発射および回収台２１０から離陸したと判定されると、ロボットアーム２２０は放電された電池１１０を再充電するために充電所３００に置くよう動作される。次に方法６００はステップ６１０に戻り、別のフル充電された電池を取得するべきであるという別の信号を待機する。

ここでＣ２局上で実行される方法５００に説明を戻すと、方法５００はステップ５４０で無人機の放電された電池１１０がフル充電された電池１２０と入れ替えられ、動作を再開できる状態になっているという信号を待機している。上述したように、基地局２００上で実行中の方法に係るステップ６７０で、この信号は基地局２００から送信される。この信号を受信すると、Ｃ２局４００はステップ５５０に進む。ステップ５５０ではＣ２局４００が無人機１００の動作を再開するため離陸するよう無人機１００を制御する。次にサブルーチンは第１ステップ５１０に戻り、新しい電池１２０が放電状態になるのを待機し、方法を再実行する。

このようにすると、無人機の放電された電池はタイミングよく、迅速かつ反復的にフル充電された電池と入れ替えられ、その結果無人機１００の有効な動作時間を通常の動作時間の何倍も延長できる。

１００ 無人機
１１０ 放電された電池
１２０ フル充電された電池
２００ 基地局
２１０ 発射および回収台
２２０ ロボットアーム
２２２ 旋回軸
２２３ 電池交換部
２２４ 電池係合部
３００ 充電所
４００ Ｃ２局
５００ 方法
６００ 方法

Claims (11)

1. 無人機（ＵＡＶ）（１００）の動作を延長する方法であって、
   （ａ）無人機に搭載されたエネルギー蓄積装置（１１０）がしきい値レベル未満に消耗したことを検出するステップと、
   （ｂ）基地局（２００）に着陸するように無人機を操作するステップと、
   （ｃ）基地局の交換メカニズム（２２０）に、無人機に搭載されたエネルギー蓄積装置を無人機から除去させ、かつ、これを他のエネルギー蓄積装置（１２０）と交換させるようにする基地局の操作を少なくとも開始するステップとを含む方法。
2. 基地局（２００）の操作は無人機の着陸時に基地局に対する無人機（１００）の位置および向きを検出する基地局を備える請求項１に記載の方法。
3. 無人機（１００）の位置および向きを検出することは、無人機の位置を検知する基地局（２００）のセンサーを操作することを含み、かつ、オプションとして無人機の位置を検知する基地局（２００）のセンサーを操作することは、基地局の着陸面（２１０）内もしくは着陸面上に配置された圧力センサーを操作することまたは基地局の着陸面内、着陸面上、もしくは着陸面周囲に配置された光センサーを操作することを含む請求項２に記載の方法。
4. 基地局（２００）の操作は他のエネルギー蓄積装置（１２０）をエネルギー蓄積装置のストア（３００）から取るように動作する交換メカニズム（２２０）を備える請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 基地局（２００）の操作は交換メカニズム（２２０）の交換構造（２２４）を無人機（１００）に移動させ、無人機からエネルギー蓄積装置（１１０）を除去するよう、検出された無人機の位置および向きを使用し交換メカニズム（２２０）を動作させることを含む請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 基地局（２００）の操作は交換メカニズム（２２０）の交換構造（２２４）を無人機（１００）に移動させ、他のエネルギー蓄積装置（１２０）を無人機に結合させるよう、検知された無人機の位置および向きを示す情報を使用し交換メカニズムを動作させることを含む請求項２〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 基地局（２００）の操作は交換構造（２２０）を無人機（１００）に移動させることを含み、交換構造は２つのエネルギー蓄積装置係合部（２２４）を有しており、第一のエネルギー蓄積装置係合部は他のエネルギー蓄積装置（１２０）に係合し、かつ、第二のエネルギー蓄積装置係合部は空であり、次に基地局の操作は第二のエネルギー蓄積装置係合部を無人機のエネルギー蓄積装置（１１０）に係合するよう動作させることを含み、その後基地局の操作は交換構造が他のエネルギー蓄積装置と無人機のエネルギー蓄積装置の相対位置を入れ替えるよう動作させることを含み、その後第一のエネルギー蓄積装置係合部は他のエネルギー蓄積装置を無人機に取り付けるため他のエネルギー蓄積装置を解放する請求項２〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 交換構造（２２４）が前記相対位置を入れ替えるため旋回軸（２２２）を中心に回転されることを含む請求項７に記載の方法。
9. 基地局（２００）の操作は交換メカニズム（２２０）が無人機（１００）から除去されたエネルギー蓄積装置（１１０）をエネルギー蓄積装置のエネルギーストアを再充電するためにストア（３００）に置くよう動作させることを含む請求項５〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法に含まれる１つ、複数、またはすべてのステップを実行するよう配備された無人機（１００）、基地局（２００）、またはコマンド制御装置のうち少なくとも１つ。
11. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法をプロセッサに実行させるためのプロセッサで実行可能な命令を備える記録担体。

Images