JP2017105222A - 制限範囲内飛行装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無人航空機の飛行範囲を制限しながら、所定の空間を安全に飛行させることができる制限範囲内飛行装置を提供すること。【解決手段】基準面Ｃに固定された軌道２０と、軌道２０に沿って基準面Ｃの上を移動可能な移動部材３０と、複数の回転翼９１１を有する無人航空機９１と、可撓性および伸縮性の少なくとも一方を有する長尺状の部材よりなり、移動部材３０と無人航空機９１との間を連結するワイヤ部材４０と、を有する制限範囲内飛行装置１とする。ワイヤ部材に４０、給電線が重畳して設けられ、軌道２０から移動部材３０および給電線を介して無人航空機９１に電源が供給されるとよい。【選択図】図１

Description

本発明は、制限範囲内飛行装置に関し、さらに詳しくは、複数の回転翼を備える無人航空機を所定の制限領域内で飛行させる制限範囲内飛行装置に関するものである。

近年、産業用無人ヘリコプターに代表される小型の無人飛行機（ＵＡＶ）、特に小型のマルチコプターが、急速に普及し、広範な分野への導入が試行されている。マルチコプターは複数のロータが搭載された飛行装置であり、これら各ロータの回転数を調節することにより機体のバランスをとりながら飛行する。マルチコプターの飛行制御、つまり飛行中の姿勢や位置の制御は、遠隔操作または自律制御によって行うことができる。

こうした無人航空機の応用の一例として、カメラを搭載し、監視カメラとして用いられる場合がある。特許文献１においては、空中移動機を利用した監視カメラにおいて、監視対象を追跡しながら、監視対象の移動に合わせてカメラの撮影条件を調整することが記載されている。監視カメラの移動に対しては、無線通信手段の電界強度が既定値より低下する領域等として、侵入禁止領域が設けられており、監視カメラが通信可能なエリアの外に移動してしまう等の事態を回避することが図られている。

特開２０１５−２５２２号公報

例えばカメラを搭載した無人航空機で監視すべき空間が建物の中のみである場合等、無人航空機を飛行させる必要がある空間が限られている場合がある。無人航空機の利点の１つは、高い自由度で空間を移動できる点にあるが、飛行する必要がある空間が限られている場合に、無人航空機が制限なく飛行できる必要はなく、逆に、無人航空機が自由に飛行できることで、意図しない領域にまで飛行したり、周辺の物品と接触したりという事態が生じる可能性がある。特許文献１で侵入禁止領域を定めているように、無人航空機が飛行できる範囲を制御面から制限することも考えられるが、無人航空機の機体や通信系統、制御系統に問題が生じた場合等において、飛行範囲を制限するための制御自体が有効に機能しない事態も発生する。すると、制御不能となった無人飛行機が、意図しない領域にまで飛行してしまうことになり、飛行の安全性が十分ではなくなってしまう。

本発明が解決しようとする課題は、無人航空機の飛行範囲を制限しながら、所定の空間を安全に飛行させることができる制限範囲内飛行装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の制限範囲内飛行装置は、基準面に設けられた軌道と、前記軌道に沿って前記基準面上を移動可能な移動部材と、複数の回転翼を有する無人航空機と、可撓性および伸縮性の少なくとも一方を有する長尺状の部材よりなり、前記移動部材と前記無人航空機との間を連結するワイヤ部材と、を有するものである。

ここで、前記ワイヤ部材には、給電線が重畳して設けられており、前記軌道から前記移動部材および前記給電線を介して前記無人航空機に電源が供給されるとよい。

この場合に、前記無人航空機は、電池をさらに備えるとよい。

また、前記無人航空機が前記ワイヤ部材を介して前記移動部材を牽引しながら飛行することで、前記移動部材が前記軌道に沿って移動されるとよい。

この場合に、前記軌道は、第一の部位と、前記第一の部位と異なる方向に延び、折れ曲がり部において前記第一の部位と連続した第二の部位と、を有し、前記移動部材が前記第一の部位を前記折れ曲がり部に向かって移動している状態において、前記無人航空機は、前記移動部材を前記折れ曲がり部に到達させてから前記第二の部位に移動させるように飛行するとよい。

あるいは、前記無人航空機は、前記軌道に沿った前記移動部材の移動に追随して飛行するものであるとよい。

この場合に、前記無人航空機は、撮影部と、画像認識を行う画像認識部と、を有し、前記撮影部で撮影した画像に対して前記画像認識部で画像認識を行うことで、前記移動部材の移動を認識し、前記移動部材に追随して移動するとよい。

あるいは、前記ワイヤ部材は伸縮性を有さず、前記無人航空機は、前記基準面までの距離を計測できる測距部を有し、前記測距部で計測される前記基準面までの距離が短くなることで、前記移動部材の移動を認識するとよい。

前記制限範囲内飛行装置は、前記ワイヤ部材に対して、前記移動部材と前記無人航空機の間をつなぐ緊張可能な延出部の長さを調整することができる調整部材をさらに有するとよい。

この場合に、前記無人航空機の飛行状態に異常が発生すると、前記調整部材によって、前記延出部の長さを、前記無人航空機が正常な飛行状態にある際の長さ以下に保持するとともに、前記無人航空機の飛行および可動部の運動を停止するとよい。

建物の天井を前記基準面として、前記軌道が配置されているとよい。

上記発明にかかる制限範囲内飛行装置においては、移動可能な範囲を軌道によって規定された移動部材に対して、ワイヤ部材を介して無人航空機が連結されている。したがって、無人航空機が飛行可能な空間範囲が、軌道が敷設された範囲とワイヤ部材の長さによって制限される。無人航空機が飛行可能な範囲の制限が、軌道とワイヤ部材によって物理的に行われることで、制御面から飛行可能な範囲が規定される場合とは異なり、無人航空機の機体や通信装置、制御装置の故障等の要因により、無人航空機が制御不能となった場合でも、飛行可能範囲の制限を継続し、飛行可能範囲の限定による安全性を確保することができる。ワイヤ部材の一端が基準面の一点に固定されているのではなく、軌道によって基準面上を移動可能であるため、無人航空機の飛行可能範囲を複雑な形状に設定することもできる。

ここで、ワイヤ部材に、給電線が重畳して設けられており、軌道から移動部材および給電線を介して無人航空機に電源が供給される場合には、無人航空機に電源供給のための電池を搭載する必要がなくなり、次に述べるように予備的に電池を搭載する場合にも、小型のもので済むことになる。よって、無人航空機の重量を小さく抑えることが可能となる。

この場合に、無人航空機が、電池をさらに備えれば、電池を予備電源として利用することができ、無人航空機がワイヤ部材を介して移動部材を大きな力で牽引した際などに、一時的に移動部材が軌道から浮き上がり、軌道から無人航空機への給電が途絶えるようなことがあっても、電池によって無人航空機に電源を供給することができるので、飛行を安定に継続することができる。

また、無人航空機がワイヤ部材を介して移動部材を牽引しながら飛行することで、移動部材が軌道に沿って移動される場合には、移動部材に能動機構を設けない簡素な構成によって、移動部材を軌道上で移動させ、軌道とワイヤ部材によって規定される範囲の中で無人航空機を飛行させることができる。

この場合に、軌道が、第一の部位と、第一の部位と異なる方向に延び、折れ曲がり部において第一の部位と連続した第二の部位と、を有し、移動部材が第一の部位を折れ曲がり部に向かって移動している状態において、無人航空機が、移動部材を折れ曲がり部に到達させてから第二の部位に移動させるように飛行する構成によれば、移動部材が軌道の第一の部位に残っている状態で、無人航空機が第二の部位に沿った方向に移動してしまうことで、移動部材が軌道の折れ曲がり部を越えて第二の部位に移動することができなくなってしまう事態を回避することができる。これにより、第一の部位と第二の部位によって規定される無人航空機の飛行可能範囲の全域を有効に利用して、無人航空機を飛行させることができる。

あるいは、無人航空機が、軌道に沿った移動部材の移動に追随して飛行するものである場合には、無人航空機の飛行可能範囲を、軌道によって特に厳しく制限することができる。

この場合に、無人航空機が、撮影部と、画像認識を行う画像認識部と、を有し、撮影部で撮影した画像に対して画像認識部で画像認識を行うことで、移動部材の移動を認識し、移動部材に追随して移動する構成によれば、簡素な構成で無人航空機に移動部材の移動を追随させることができる。軌道が複雑なパターンで敷設されている場合にも、移動部材の位置を正確に認識しやすい。特に、移動部材に発光部を設けておけば、画像認識部において移動部材の移動を認識しやすいので、無人航空機による移動部材の追跡を高精度に行うことができる。

あるいは、ワイヤ部材が伸縮性を有さず、無人航空機が、基準面までの距離を計測できる測距部を有し、測距部で計測される基準面までの距離が短くなることで、移動部材の移動を認識する場合には、移動部材の移動によって無人航空機がワイヤ部材を介して基準面に引き寄せられ、基準面に近づくことをもって、移動部材の移動を認識し、移動部材への追随に利用することができる。

制限範囲内飛行装置が、ワイヤ部材に対して、移動部材と無人航空機の間をつなぐ緊張可能な延出部の長さを調整することができる調整部材をさらに有する場合には、延出部の長さを調整することで、移動部材を中心とした無人航空機の飛行可能範囲を変更し、多様な飛行可能範囲を設定することが可能となる。

この場合に、無人航空機の飛行状態に異常が発生すると、調整部材によって、延出部の長さを、無人航空機が正常な飛行状態にある際の長さ以下に保持するとともに、無人航空機の飛行および可動部の運動を停止する構成によれば、正常に飛行できなくなった無人航空機が、基準面に近い位置で停止した状態で保持されることになるので、機体の墜落や、機体あるいは回転翼等の可動部の周囲の物体との接触を避けることができる。

建物の天井を基準面として、軌道が配置されている場合には、建物内の監視等の目的に無人航空機を有効に利用することができる。無人航空機が飛行可能な範囲が制限されていることで、壁面等、建物内の設備に無人航空機が接触するのを防止することができる。

本発明の第一の実施形態にかかる制限範囲内飛行装置の概略を示す外観斜視図である。 上記制限範囲内飛行装置の制御系統の概略を示すブロック図である。 天井を下から見た状態について、マルチコプターの飛行における制限領域を示す説明図である。 天井を下から見た状態について、折れ曲がり部近傍における飛行方法を説明する図である。 ワイヤ部材を天井の一点に固定した場合について、マルチコプターの飛行における制限領域を示す側面図である。 本発明の第二の実施形態にかかる制限範囲内飛行装置の制御系統の概略を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態にかかる制限範囲内飛行装置について、図面を用いて詳細に説明する。本発明の実施形態にかかる制限範囲内飛行装置は、基準面に対して規定された制限領域の中を無人航空機が飛行するものである。基準面の種類や配置方向（上方、下方、横方向等）、形状（平面または曲面）は特に指定されないが、以下では、建物内の平面状の天井を基準面として説明を行う。

［第一の実施形態：無人航空機が移動部材を牽引する形態］
（１）制限範囲内飛行装置の構成
図１は本発明の第一の実施形態にかかる制限範囲内飛行装置１の外観を示す斜視図である。制限範囲内飛行装置１は、基準面としての天井Ｃに固定された軌道２０と、軌道２０に沿って天井Ｃの面上を移動可能な移動部材３０と、無人航空機であるマルチコプター９１と、を有している。移動部材３０とマルチコプター９１の間は、ワイヤ部材４０によって連結されている。さらに、マルチコプター９１に、ワイヤ部材４０の長さを調整することができる調整部材４５が固定されている。

軌道２０は、天井Ｃの面に沿って固定された長尺状のレールよりなっている。軌道２０は、マルチコプター９１を飛行させたい領域に応じて、天井Ｃの面上に任意のパターンで敷設すればよいが、ここでは、略コの字状に敷設されている。

移動部材３０は、図１中に矢印で示すように、軌道２０に対して、長手方向に摺動自在に係合している。移動部材３０は、能動機構を有さず、マルチコプター９１によって、ワイヤ部材４０を介して軌道２０の長手方向に沿う方向に牽引する力を印加されることで、軌道２０上を摺動し、移動することができる。軌道２０に対する移動部材３０の係合における固着力は、ワイヤ部材４０を介してマルチコプター９１によって天井Ｃの面から離れる方向の力が移動部材３０に印加されても、移動部材３０が軌道２０から脱出しない程度に大きく設定さている。

ワイヤ部材４０は、長尺状の可撓性部材（紐状部材）よりなっている。ワイヤ部材４０の一端は移動部材３０に固定され、他端はマルチコプター９１に固定されている。ワイヤ部材４０には、マルチコプター９１に電源を供給するための給電線が重畳されている。ここで、軌道２０は、移動部材３０を介して給電線に電流を流し、マルチコプター９１に電源を供給することができるように構成されている。

マルチコプター９１は、複数（ここでは４つ）の回転翼９１１を備える無人航空機であり、図２にブロック図で示したような機能構成を有している。マルチコプター９１は、主に、空中におけるマルチコプター９１の姿勢や飛行動作を制御するフライトコントローラ８３、回転することによりマルチコプター９１に揚力を発生させる複数の回転翼９１１、操縦者（送受信器８１）との無線通信を行う送受信器８２、およびこれらに電力を供給する電源入力部８４により構成される。電源入力部８４を介して各構成部材に供給される電力は、正常時は、軌道２０から移動部材３０および給電線を介して供給される外部電源８４ｂによって賄われるが、外部電源８４ｂの供給が何らかの理由で途絶えた際には、マルチコプター９１に内蔵されているバッテリー（電池）８４ａによって賄われる。

フライトコントローラ８３は、マイクロコントローラである制御部８３１を備えている。制御部８３１は、中央処理装置であるＣＰＵ、記憶装置であるＲＡＭ／ＲＯＭ、および、ＤＣモータ８６の回転を制御するＰＷＭコントローラを備えている。ＤＣモータ８６は、各回転翼９１１に結合されており、ＰＷＭコントローラからの指示により、ＥＳＣ（Electric Speed Controller）８５を介して、各ＤＣモータ８６の回転数（回転速度）が制御される。４つの回転翼９１１の回転数のバランスにより、マルチコプター９１の姿勢や位置が制御される。

フライトコントローラ８３はセンサ群８３２およびＧＰＳ受信器８３３を備えており、これらは制御部８３１に接続されている。マルチコプター９１のセンサ群８３２には、加速度センサ、ジャイロセンサ（角速度センサ）、気圧センサ、地磁気センサ（電子コンパス）などが含まれている。

制御部８３１のＲＡＭ／ＲＯＭには、マルチコプター９１の飛行時における飛行制御アルゴリズムが実装された飛行制御プログラムが記憶されている。制御部８３１はセンサ群８３２から取得した情報を用いて飛行制御プログラムによりマルチコプター９１の姿勢および位置を制御することができる。本実施形態においては、マルチコプター９１の飛行操作を、操縦者が送受信器８１を介して手動で行うことができる。あるいは、ＧＰＳ座標や高度、飛行ルートなどの飛行計画がパラメータ化された自律飛行プログラムを別途実装し、自律的に飛行させるように構成してもよい。

なお、図２では、マルチコプター９１が送受信器８２を備え、無線通信によって制御される形態を示しているが、給電線に加え、制御信号をマルチコプター９１に送信する信号線がワイヤ部材４０に重畳して設けられ、信号線を介した有線通信によってマルチコプター９１の飛行を制御するようにしてもよい。

さらに、マルチコプター９１には、調整部材４５が取り付けられている。調整部材４５は、軸回転可能な棒状の巻き取り部４５ａを有しており、ワイヤ部材４０の基端が巻き取り部４５ａに固定されている。調整部材４５は、電源入力部８４から駆動電源を供給されるとともに、制御部８３１によって巻き取り部４５ａの軸回転を制御されている。巻き取り部４５ａが一方向に軸回転することで、ワイヤ部材４０が巻き取られ、移動部材３０とマルチコプター９１の間をつなぐ緊張可能な部分である延出部の長さが短縮される。巻き取り部４５ａが他方向に軸回転することで、ワイヤ部材４０が繰り出され、延出部が延長される。

（２）飛行時の状態
上記のような構成を有する制限範囲内飛行装置１においては、軌道２０から移動部材３０および給電線を介して外部電源８４ｂを供給しながら、操縦者が送受信器８１を介して操縦を行うことで、マルチコプター９１を飛行させることができる。マルチコプター９１と移動部材３０の間のワイヤ部材４０の延出部が緊張した状態で、マルチコプター９１が移動すると、その移動に伴う力がワイヤ部材４０を介して移動部材３０に伝達され、軌道２０に沿った力の成分によって、移動部材３０が軌道２０に沿った方向に牽引される。その結果、移動部材３０が、軌道２０に沿ったマルチコプター９１の運動に追随するように、軌道２０上を摺動する。

マルチコプター９１の飛行位置は、送受信器８１から操縦者が発信した指令によって規定されるが、マルチコプター９１はワイヤ部材４０および移動部材３０を介して軌道２０に束縛されているため、マルチコプター９１が飛行可能な範囲は、軌道２０が敷設された範囲とワイヤ部材４０の延出部の長さによって制限される。図１に示したようなパターンで軌道２０が敷設されている場合には、マルチコプター９１が飛行可能な制限領域Ｒの外縁は、図３中に斜線で示したように、天井Ｃの面に沿って、軌道２０が敷設された位置を中心に、ワイヤ部材４０の延出部の長さｒだけ各方向に拡張した領域として規定される。天井Ｃの面に垂直な方向には、ワイヤ部材４０の延出部の長さｒを半径とする半円状に制限領域Ｒが広がっている。なお、図３では、ワイヤ部材４０の延出部の長さｒが、軌道２０に沿った全領域で同じになっているが、飛行の途中で、操縦者からの指令に基づき、あるいはマルチコプター９１の位置等に応じて、延出部の長さｒを変更してもよい。この変更は、制御部８３１によって調整部材４５を駆動して行うことができる。

（３）折れ曲がり部における飛行
本実施形態のように、マルチコプター９１が牽引することで移動部材３０が軌道２０に沿って移動する場合に、移動部材３０が軌道２０の方向が変化する折れ曲がり部を適切に通過できることを担保する観点から、折れ曲がり部におけるマルチコプター９１の飛行形態を規定しておくことが好ましい。ここで、図４に示したように、軌道２０が、第一の部位２０ａと第二の部位２０ｂを有している場合を考える。第二の部位２０ｂは、第一の部位２０ａと異なる方向（ここでは９０°の方向）に延びて天井Ｃに敷設されており、折れ曲がり部２０ｃにおいて、第一の部位２０ａと連続している。

まず、移動部材３０が位置ａのように軌道２０の第一の部位２０ａに位置している場合を考える。マルチコプター９１は位置ａから離れた位置Ａに存在しており、第一の部位２０ａに沿って、折れ曲がり部２０ｃに近づく方向（図の右方）に向かって飛行している。ワイヤ部材４０は緊張状態にあり、マルチコプター９１が移動部材３０を折れ曲がり部２０ｃに向かって牽引している。ここで、移動部材３０がマルチコプター９１によって牽引されるので、移動部材３０の位置ａは、常にマルチコプター９１の位置Ａよりも後方（図の左方）に存在している。

ここで、マルチコプター９１が位置Ｂ、移動部材３０が位置ｂに達した状態から、軌道２０の第二の部位２０ｂに沿った方向、つまり図の下方に、マルチコプター９１を移動させることを操縦者が意図したとする。この時、調整部材４５を駆動してワイヤ部材４０の延出部の長さを長くし、マルチコプター９１を図の下方の目標位置Ｃまで飛行させるとすれば、移動部材３０は、軌道２０の第一の部位２０ａに沿って、位置Ｃの左右方向に対応する位置ｃまでは移動することができるが、それよりも第一の部位２０ａの右側に移動することができない。よって、移動部材３０は、折れ曲がり部２０ｃに到達し、折れ曲がり部２０ｃを越えて第二の部位２０ｂに移動することができない。これでは、制限領域Ｒのうち第二の部位２０ｂに沿った部位を有効に利用してマルチコプター９１が飛行できないことになる。

そこで、マルチコプター９１を位置Ｂから直接位置Ｃに移動させるのではなく、移動部材３０を折れ曲がり部２０ｃの位置ｃ’に到達させることができる位置Ｃまで飛行して、移動部材３０を牽引させることが好ましい。マルチコプター９１は、次いで、位置Ｄのように、軌道２０の第二の部位２０ｂに沿った方向に飛行し、移動部材３０を第二の部位２０ｂの位置ｄまで牽引して移動させるようにすればよい。このように、マルチコプター９１で移動部材３０を確実に軌道２０の折れ曲がり部２０ｃまで牽引してから飛行方向を転換することで、軌道２０に沿って設けられた制限領域Ｒ全体をマルチコプター９１の飛行に有効に利用することができる。このように、移動部材３０を折れ曲がり部２０ｃに到達させずに位置Ｂ→Ｃのようにマルチコプター９１の飛行方向を転換させるような飛行形態を制限するための方法としては、例えば、制御部８３１において飛行制御プログラムにそのような制限を記憶させておき、操縦者からの指令に優先してその制限を実行させる形態が考えられる。具体的な制御方法としては、マルチコプター９１に周囲の軌道２０を撮影できるカメラを設置しておき、マルチコプター９１が位置Ｂから位置Ｃに移動する際に、軌道２０を横切ったことをカメラの撮影像で確認してから、一定距離だけ飛行させ、その後に飛行方向を転換させるようにすればよい。あるいは、進行方向に沿ってマルチコプター９１の側方（図では右側）に軌道２０が存在しなくなったことをカメラの撮影像で確認してから、一定距離だけ飛行させ、その後に飛行方向を転換させるようにしてもよい。この目的のためのカメラとしては、監視カメラ等の用途にマルチコプター９１に搭載するものを兼用することができる。なお、移動部材３０が円滑に軌道２０の第一の部位２０ａから第二の部位２０ｂへと方向転換できるようにする観点からは、折れ曲がり部２０ｃの曲率半径は大きい方が好ましいが、大きくしすぎると、軌道２０によって規定される制限領域Ｒの設定に影響を与えてしまう。折れ曲がり部２０ｃの曲率半径は、これらの要因を考慮して適切な大きさに設定しておくことが好ましく、例えば、位置Ｃと位置Ｄの間の距離の半分程度に設定する形態を好適な例として挙げることができる。

（４）制限範囲内飛行装置の特性
本実施形態にかかる制限範囲内飛行装置１においては、マルチコプター９１が軌道２０とワイヤ部材４０に束縛された状態で飛行するので、束縛を受けずに飛行する場合と異なり、マルチコプター９１が飛行可能な範囲が物理的に制限領域Ｒの内側に制限される。これにより、万一、操縦者による操縦の失敗や、マルチコプター９１の構成部材の故障や無線通信の不具合等が発生することがあっても、マルチコプター９１が意図しない遠方へ飛行してしまうことや、建物の壁Ｗ等、制限領域Ｒの外に存在する物体に接触することが避けられる。

マルチコプター９１の飛行可能範囲を制限するだけであれば、軌道２０や移動部材３０を用いなくても、図５に示すように、ワイヤ部材４０を用いて天井Ｃの定点Ｐにマルチコプター９１を連結する形態とすることも考えられる。しかし、この場合は、マルチコプター９１が飛行可能な制限領域Ｒ’は、定点Ｐを中心とした半球殻形状に限られる。これに対し、本実施形態のように、ワイヤ部材４０の一端を天井Ｃに敷設した軌道２０に沿って移動可能な移動部材３０に固定することで、図３に示すように、軌道２０のパターンに応じた制限領域Ｒを設定することができる。軌道２０のパターンを様々に設定することで、建物の形状等に応じて、制限領域Ｒを多様に設定することができる。さらに、本実施形態のように、調整部材４５を設けてワイヤ部材４０の延出部の長さを飛行中でも変更できるようにすることで、一層多様な三次元形状に、制限領域Ｒを設定することができる。例えば、移動部材３０が軌道２０上の予め定めておいた範囲にある状態において、ワイヤ部材４０の延出部の長さを変化させれば、制限領域Ｒの幅（軌道２０に交差する長さ）を局所的に増減させることができる。ワイヤ部材４０の延出部の長さを調整する機構は、上記のようにマルチコプター９１に固定された調整部材４５の形態に限られず、ワイヤ部材４０自体や移動部材３０に設けてもよい。なお、本実施形態においては、軌道２０を天井Ｃに固定されたものとしているが、天井Ｃの面内で可動とすることもできる。また、ワイヤ部材は、可撓性の代わりに、あるいは可撓性に加えて、伸縮性を有するものとしてもよい。

本制限範囲内飛行装置１は、規定された制限領域Ｒの内側であればマルチコプター９１が自由に飛行できることを利用して、建物内等、制限された空間内でマルチコプター９１の多様な位置および姿勢変更が求められる用途に好適に使用することができる。このような用途の例として、例えば、マルチコプター９１にカメラを搭載し、屋内用の撮影装置として利用することが考えられる。従来から、レールに沿ってカメラ自体を移動させる形態の監視カメラは存在するが、軌道２０に沿った制限領域Ｒの内側であれば自由に姿勢や位置を変更することができるマルチコプター９１にカメラを搭載することで、屋内の広い範囲を多様な角度から撮影し、情報量の多い画像を提供することができる。

本実施形態のように、ワイヤ部材４０に給電線を重畳し、軌道２０から給電可能とすることで、飛行範囲の制限に利用される軌道２０と移動部材３０、ワイヤ部材４０を、給電に兼用し、簡素な構成で、マルチコプター９１の長時間の飛行を実現することができる。これにより、マルチコプター９１に電池を搭載する必要がなくなり、軽量化を図ることができる。ただし、本実施形態のように、何らかの原因で給電線を介した外部電源８４ｂによる給電が途絶えた時の予備的電源として、小型のバッテリー８４ａは搭載しておいた方がよい。このような事態としては、マルチコプター９１によって強く移動部材３０を牽引した際に、一時的に移動部材３０が軌道２０から浮き上がり、移動部材３０を介した軌道２０から給電線への通電が途絶える場合が想定される。なお、上記のとおり、ワイヤ部材４０に制御信号を伝達するための信号線を重畳することもでき、無線通信によって制御信号を伝達する場合と比較して、他の電波などに妨害されるのを防ぐことができる。

上記のように、本実施形態にかかる制限範囲内飛行装置１においては、物理的に制限領域Ｒが設定されていることで、意図しない遠方にマルチコプター９１が飛行しないという点において飛行の安全が保障されているが、マルチコプター９１がワイヤ部材４０で移動部材３０に結合されていることにより、万一、マルチコプター９１が飛行や浮揚が行えない状態になった時に、ワイヤ部材４０の長さよりも下方に落下することがないという点においても、安全性が得られる。さらに落下防止による安全性を高めるために、飛行制御プログラムに記憶させる制御の形態として、マルチコプター９１の飛行状態に異常が発生した際に、調整部材４５によって、ワイヤ部材４０の延出部の長さを、調整可能範囲の中で最小の長さ等、正常飛行時の長さよりも短くするとともに、電源入力部８４から各部材への電源供給を遮断して、マルチコプター９１の飛行および回転翼９１１等の可動部の運動を停止させるという制御を導入することができる。すると、飛行不能となったマルチコプター９１が天井Ｃの付近で保持されることになるので、機体が落下して周囲の物品や建物の床、壁Ｗ等に衝突することや、制御が効かなくなった回転翼９１１が周囲の物品等に接触することで、マルチコプター９１の機体自体やそれら物品等に損傷を与えることが防止される。

［第二の実施形態：無人航空機が移動部材に追随する形態］
（１）画像認識を利用する形態
上記第一の実施形態においては、移動部材が能動機構を有さず、マルチコプター９１に牽引されて軌道上を従動的に移動したが、移動部材が能動的に軌道上を移動し、その運動にマルチコプターを追随させるように構成することもできる。そのような形態を、第二の実施形態として説明する。第一の実施形態と共通する部分については説明を省略し、差異点を中心に説明を行う。

図６に、本発明の第二の実施形態にかかる制限範囲内飛行装置１’について、機能構成を示す。本制限範囲内飛行装置１’においては、移動部材３０’が、軌道２０を介して外部電源８４ｂを入力されて、軌道２０の上を能動的に移動する構成となっている。移動部材３０’の能動的な運動は、電気的に移動部材３０’の直線運動を駆動する直線運動機構よりなる駆動部３４によって駆動される。さらに、移動部材３０’には、外部制御部３５と、発光部３６が設けられている。外部制御部３５は、ＣＰＵ等を有してなり、駆動部３４による移動部材３０’の軌道２０に沿った移動を制御する。外部制御部３５による移動部材３０’の移動の制御は、外部制御部３５に記憶させた自律移動プログラムによって自律的に行うようにしても、無線通信または有線通信によって操縦者からの指令を受けて行うようにしてもよい。発光部３６は、ＬＥＤ等よりなり、移動部材３０’が移動している間、継続的に発光する。

マルチココプター９１’は、第一の実施形態におけるマルチコプター９１の構成に加え、撮影部５１を有している。撮影部５１は、移動部材３０’に設けられた発光部３６の発光を撮影できるカメラよりなり、移動部材３０’を撮影できるようにマルチコプター９１’の機体における取付け位置および撮影条件が設定されている。マルチコプター９１’を監視カメラ等として用いる場合には、監視等、別の目的でマルチコプター９１’に取り付けられたカメラを、移動部材３０’の撮影用に兼用してもよい。さらに、制御部８３１には、演算処理の機能の一部として、画像認識部５３が設けられており、撮影部５１で撮影された画像に対して画像認識を行うことで、発光部３６の発光をもとに、移動部材３０’を検知し、移動部材３０’の位置を認識する。

本実施形態においても、第一の実施形態と同様に、操縦者が送受信器８１を介してマルチコプター９１’の飛行を制御することや、制御部８３１で記憶した自律飛行プログラムに基いてマルチコプター９１’が自律的に飛行することも可能であるが、本実施形態に特有の構成として、飛行制御プログラムに移動部材追跡モードが備えられる。移動部材追跡モードにおいては、マルチコプター９１’が、操縦者からの指令や自律飛行プログラムによらずに、移動部材３０’の移動に追随して飛行を行う。

具体的には、移動部材追跡モードにおいては、移動部材３０’が、外部制御部３５に制御され、駆動部３４に駆動されて軌道２０上を能動的に運動する。その間、マルチコプター９１’の撮影部５１で移動部材３０’を含む画像を連続撮影し、その画像に対して画像認識部５３で画像認識を行い、発光部３６の発光を検出して、移動部材３０’の位置およびその移動を認識する。そして、その移動部材３０’の位置に対して、予め定められた所定の相対的位置関係を適用し、マルチコプター９１’を配置すべき目標位置を算出する。その上で、実際にその目標位置にマルチコプター９１’が移動する。このようにして、マルチコプター９１’が、移動部材３０’の運動に追随して移動する。ここで、移動部材３０’の運動に追随するとは、マルチコプター９１’が常に移動部材３０’と一定の位置関係を維持した状態で軌道２０に沿って移動する形態のみならず、移動部材３０’の移動に関連づけられてマルチコプター９１’が移動する全ての形態、つまり、移動部材３０’の位置に基いてマルチコプター９１’の目標位置を設定する全ての形態を含むものとする。移動部材３０’とマルチコプター９１’の間の位置関係は、移動部材３０’の移動の途中に変更されても構わない。この位置関係の変更は、マルチコプター９１’側の制御部８３１あるいは移動部材３０’側の外部制御部３５を介して、操縦者からの指令または記憶した自律飛行／移動プログラムに従って行うことができる。

このように、移動部材３０’の移動に追随させてマルチコプター９１’を移動させることで、ワイヤ部材４０によって軌道２０および移動部材３０’からマルチコプター９１’が所定距離以上に離れないように物理的に束縛することの効果に加え、制御の面からも、マルチコプター９１’の飛行位置を軌道２０および移動部材３０’の近傍に制限する効果が得られ、制限領域Ｒを一層厳格に設定することができる。なお、本実施形態においては、画像認識部５３での認識の利便性から、移動部材３０’に発光部３６を設けているが、必ずしも発光部３６に限らず、画像として認識しやすい目印部材を移動部材３０’に設ければよく、画像認識の精度が十分に担保される場合には、目印部材を設けなくてもよい。本形態のように、画像認識によって移動部材３０’を認識することで、移動部材３０’の位置および移動を二次元画像において直接的に認識することができるので、次に述べる他の形態の認識方法を用いる場合に比べて、移動部材３０’が移動したということだけでなく、移動の方向や移動の速度等、移動に関する情報を正確に得やすい。軌道２０が複雑なパターンで敷設されている場合には、特にこの点は有利である。

本実施形態のように、目印部材が発光部３６である場合、単に移動部材３０’の位置および移動をマルチコプター９１’に認識させるだけでなく、発光パターンによって、さらに豊富な情報を動的にマルチコプター９１’伝達し、飛行制御に利用することができる。そのような情報としては、軌道２０上の範囲に関連付けられた情報、例えば、移動速度や制限高度など、マルチコプター９１の動作に関わる情報が挙げられ、軌道２０上の範囲に応じて、マルチコプター９１’の移動速度や制限高度を変更する制御に利用することができる。発光部３６の発光パターンとしては、個別のＬＥＤ光源の明滅パターンや、複数のＬＥＤ光源を組み合わせる場合の発光の組み合わせパターンを採用することができる。

（２）他の形態
上記では、撮影部５１での画像撮影と画像認識部５３での画像認識によって、移動部材３０’の移動をマルチコプター９１’の制御部８３１で認識したが、この形態に限られず、他の方法を採用して移動部材３０’の移動を認識することもできる。マルチコプター９１’の利用目的等に合わせて、適宜好ましい形態を選択すればよい。

例えば、マルチコプター９１’と天井Ｃとの間の距離を指標として、移動部材３０’の移動を認識することができる。この場合には、マルチコプター９１’に、レーザー等を用いた公知の測距センサよりなる測距部を設けておき、天井Ｃとの間の距離を継続的に計測するようにすればよい。ワイヤ部材４０の延出部が一定の長さで緊張している状態において、移動部材３０’が軌道２０に沿って移動すると、移動部材３０’に牽引されてマルチコプター９１’が天井Ｃ側に引き寄せられることになる。この時、測距センサで計測される距離が小さくなるので、この距離の変化を検出することで、移動部材３０’が移動したと検知することができる。そして、制御部８３１において、移動部材３０’に追随するように、マルチコプター９１’の天井Ｃの面に沿った水平方向の位置を変化させるとともに、天井Ｃに垂直な高さ方向の位置を、天井Ｃ側に引き寄せられる前の目標位置に戻すように、自律飛行を行えばよい。

あるいは、マルチコプター９１’にワイヤ部材４０に印加される張力を検出できる張力検出器を設けておき、移動部材３０’の移動によってワイヤ部材４０に印加される張力が増加するのを検出することで、移動部材３０’の移動を認識する方法が考えられる。張力の方向まで検出できる張力検出器を用いれば、移動部材３０’の移動方向も識別できる。

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。なお、本発明の実施形態からは外れるが、上記第二の実施形態のように、マルチコプター９１’に撮影部５１と画像認識部５３を設け、画像認識によって認識した移動部材３０’の移動に追随してマルチコプター９１’を飛行させる場合には、マルチコプター９１’と移動部材３０’の間を連結するワイヤ部材４０を設けなくても、マルチコプター９１’による移動部材３０’の追跡の効果を利用して、画像認識に基づいて追跡を行う機能に不具合が生じない限りにおいては、無人航空機の飛行範囲を制限しながら、所定の空間を安全に飛行させる制限範囲内飛行装置を構築することができる。

１，１’ 制限範囲内飛行装置
２０ 軌道
２０ａ 第一の部位
２０ｂ 第二の部位
２０ｃ 折れ曲がり部
３０，３０’ 移動部材
４０ ワイヤ部材
９１ マルチコプター（無人航空機）
９１１ 回転翼
Ｃ 天井（基準面）
Ｒ 制限領域
ｒ ワイヤ部材の延出部の長さ

Claims (11)

1. 基準面に設けられた軌道と、
   前記軌道に沿って前記基準面上を移動可能な移動部材と、
   複数の回転翼を有する無人航空機と、
   可撓性および伸縮性の少なくとも一方を有する長尺状の部材よりなり、前記移動部材と前記無人航空機との間を連結するワイヤ部材と、を有することを特徴とする制限範囲内飛行装置。
2. 前記ワイヤ部材には、給電線が重畳して設けられており、
   前記軌道から前記移動部材および前記給電線を介して前記無人航空機に電源が供給されることを特徴とする請求項１に記載の制限範囲内飛行装置。
3. 前記無人航空機は、電池をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の制限範囲内飛行装置。
4. 前記無人航空機が前記ワイヤ部材を介して前記移動部材を牽引しながら飛行することで、前記移動部材が前記軌道に沿って移動されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の制限範囲内飛行装置。
5. 前記軌道は、第一の部位と、前記第一の部位と異なる方向に延び、折れ曲がり部において前記第一の部位と連続した第二の部位と、を有し、
   前記移動部材が前記第一の部位を前記折れ曲がり部に向かって移動している状態において、前記無人航空機は、前記移動部材を前記折れ曲がり部に到達させてから前記第二の部位に移動させるように飛行することを特徴とする請求項４に記載の制限範囲内飛行装置。
6. 前記無人航空機は、前記軌道に沿った前記移動部材の移動に追随して飛行することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の制限範囲内飛行装置。
7. 前記無人航空機は、撮影部と、画像認識を行う画像認識部と、を有し、前記撮影部で撮影した画像に対して前記画像認識部で画像認識を行うことで、前記移動部材の移動を認識し、前記移動部材に追随して移動することを特徴とする請求項６に記載の制限範囲内飛行装置。
8. 前記ワイヤ部材は伸縮性を有さず、
   前記無人航空機は、前記基準面までの距離を計測できる測距部を有し、
   前記測距部で計測される前記基準面までの距離が短くなることで、前記移動部材の移動を認識することを特徴とする請求項６に記載の制限範囲内飛行装置。
9. 前記ワイヤ部材に対して、前記移動部材と前記無人航空機の間をつなぐ緊張可能な延出部の長さを調整することができる調整部材をさらに有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の制限範囲内飛行装置。
10. 前記無人航空機の飛行状態に異常が発生すると、前記調整部材によって、前記延出部の長さを、前記無人航空機が正常な飛行状態にある際の長さ以下に保持するとともに、前記無人航空機の飛行および可動部の運動を停止することを特徴とする請求項９に記載の制限範囲内飛行装置。
11. 建物の天井を前記基準面として、前記軌道が配置されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の制限範囲内飛行装置。

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