JP2018027742A - 移動体、移動体の制御方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】搭載物等に起因して移動体が傾く状況下においても移動体の傾きを抑制する。【解決手段】機体１０と、機体１０に取り付けられた複数のアーム２０と、複数のアーム２０のそれぞれに設けられ、プロペラ３０ａを含むロータ３０（推進機構）と、を備える移動体１であって、機体１０に搭載物Ｃが搭載されることにより生じた移動体１の傾きに応じて、複数のアーム２０の少なくとも一つを移動させることにより、機体１０からプロペラ３０ａの回転軸３０ｂまでの距離を変化させる。【選択図】図２

Description

本発明は、移動体、移動体の制御方法、及びプログラムに関する。

現在、航空撮影、監視、調査、救助、科学研究、資源開発、遠隔探査等の種々の分野において、無人航空機(以下、「ＵＡＶ」（Unmanned Aerial Vehicle）と称することがある)のような移動体が広く使用されている（例えば、特許文献１参照）。ＵＡＶは、ヘリコプタ、クワドコプタ、ヘキサコプタ、オクトコプタ等の複数のロータを有するものを含み、上昇・下降飛行、前進・後退飛行（直線飛行）のみならず、旋回飛行やホバリング飛行等を実現させるべく、様々な姿勢をとることができる。

ＵＡＶには、航空撮影用のカメラや農薬散布用のノズル付きタンク等の各種搭載物が搭載されることがある。このような搭載物の形状、重量、搭載位置等が変化すると、それに伴ってＵＡＶの重心位置が変化し、ＵＡＶが傾く場合がある。従来は、このようにＵＡＶの重心位置が変化した場合に、複数のロータにそれぞれ設けられたプロペラの回転速度を制御することによりＵＡＶの姿勢を維持していた。具体的には、ＵＡＶが傾いた方向に最も近いプロペラの回転数（回転速度）を上昇させて、そのプロペラにより発生する揚力を増大させることにより、ＵＡＶの傾きを抑制していた。

特表２０１６−５０５４３５号公報

しかしながら、プロペラの回転数（回転速度）には上限があるため、プロペラの制御のみでは、ＵＡＶの傾きを抑制して姿勢を維持することが困難な場合があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、搭載物等に起因して移動体が傾く状況下においても移動体の傾きを抑制することを目的とする。

一態様において、移動体（例えば無人航空機）は、機体と、機体に取り付けられた複数のアームと、複数のアームのそれぞれに設けられ、プロペラを含む推進機構と、を備え、機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離が変化可能である。

例えば機体に搭載物が搭載されることにより移動体が傾いた場合においても、機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させることにより、移動体の傾きを抑制することができる。例えば、ある方向に移動体が傾いた場合には、その傾きに伴って鉛直方向に所定の角度で傾いた少なくとも一つのアームを機体から遠ざかる方向に移動させて、機体からそのアームのプロペラの回転軸までの距離を長くする。これにより、そのプロペラの回転速度及びそれに伴って発生する揚力が一定であっても、機体に作用させるモーメントを大きくすることができ、機体の傾きを抑制することができる。

本態様の移動体において、移動体の傾きを検出する検出部を備え、この検出部で検出された移動体の傾きに応じて機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させることができる。

本態様の移動体において、移動体が飛行しているときに、機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させることができる。この際、機体から、回転速度が上限値に到達したプロペラまでの距離を上限値に到達する前の長さよりも長くすることができる。

本態様の移動体において、移動体の傾きを推定する推定部を備え、この推定部で推定された移動体の傾きに応じて機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させることができる。この際、移動体が飛行していないときに、機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させてもよい。ここで、推定部は、機体に搭載される搭載物の重量、形状及び搭載位置の少なくとも何れか一つに基づいて移動体の傾きを推定することができる。

本態様の移動体において、複数のアームの少なくとも一つを機体に対して移動させることにより、機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させることができる。かかる場合において、移動体の傾きの方向に応じて、複数のアームのうち移動させるアームを選択したり、移動体の傾きの量に応じて、複数のアームのうち移動させるアームの移動量を設定したりすることができる。

本態様の移動体において、複数のアームのうち、移動体の傾きに伴って鉛直方向に所定の角度で傾いた少なくとも一つのアームを、機体から遠ざかる方向に移動させることができる。

本態様の移動体において、複数のアームの少なくとも一つの長さを変化させることにより、機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させることもできる。

一態様の移動体の制御方法は、機体と、機体に取り付けられた複数のアームと、複数のアームのそれぞれに設けられ、プロペラを含む推進機構と、を備える制御方法であって、移動体の傾きに応じて機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させるステップを含むものである。

かかる方法を採用すると、例えば機体に搭載物を搭載することにより移動体が傾いた場合に、機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させることにより、移動体の傾きを抑制することができる。

本態様の制御方法では、機体に搭載物が搭載されることにより生じた移動体の傾き（例えば検出部で検出された移動体の傾き）に応じて機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させることができる。

本態様の制御方法では、移動体が飛行しているときに、機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させることができる。この際、機体から、回転速度が上限値に到達したプロペラまでの距離を上限値に到達する前の長さよりも長くすることができる。

本態様の制御方法では、機体に搭載物が搭載されることにより生じる移動体の傾き（例えば推定部で推定された移動体の傾き）に応じて機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させることができる。この際、移動体が飛行していないときに、機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させてもよい。ここで、推定部は、機体に搭載される搭載物の重量、形状及び搭載位置の少なくとも何れか一つに基づいて移動体の傾きを推定することができる。

本態様の制御方法では、複数のアームの少なくとも一つを機体に対して移動させることにより、機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させることができる。かかる場合において、移動体の傾きの方向に応じて、複数のアームのうち移動させるアームを選択したり、移動体の傾きの量に応じて、複数のアームのうち移動させるアームの移動量を設定したりすることができる。

本態様の制御方法では、複数のアームのうち、移動体の傾きに伴って鉛直方向に所定の角度で傾いた少なくとも一つのアームを、機体から遠ざかる方向に移動させることができる。

本態様の制御方法では、複数のアームの少なくとも一つの長さを変化させることにより、機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させることもできる。

一態様のプログラムは、機体と、機体に取り付けられた複数のアームと、複数のアームのそれぞれに設けられ、プロペラを含む推進機構と、を備える移動体に搭載されたコンピュータに、移動体の傾きに応じて機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させるステップを実行させるものである。

かかるプログラムを採用すると、例えば機体に搭載物を搭載することにより移動体が傾いた場合においても、機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させることにより、移動体の傾きを抑制することができる。

本態様のプログラムは、機体に搭載物が搭載されることにより生じた移動体の傾き（例えば検出部で検出された移動体の傾き）に応じて機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させるステップを実行させることができる。

本態様のプログラムは、移動体が飛行しているときに、機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させるステップを実行させることができる。この際、機体から、回転速度が上限値に到達したプロペラまでの距離を上限値に到達する前の長さよりも長くすることができる。

本態様のプログラムは、機体に搭載物が搭載されることにより生じる移動体の傾き（例えば推定部で推定された移動体の傾き）に応じて機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させるステップを実行させることができる。この際、移動体が飛行していないときに、機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させてもよい。ここで、推定部は、機体に搭載される搭載物の重量、形状及び搭載位置の少なくとも何れか一つに基づいて移動体の傾きを推定することができる。

本態様のプログラムは、複数のアームの少なくとも一つを機体に対して移動させることにより、機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させるステップを実行することができる。かかる場合において、移動体の傾きの方向に応じて、複数のアームのうち移動させるアームを選択したり、移動体の傾きの量に応じて、複数のアームのうち移動させるアームの移動量を設定したりすることができる。

本態様のプログラムは、複数のアームのうち、移動体の傾きに伴って鉛直方向に所定の角度で傾いた少なくとも一つのアームを、機体から遠ざかる方向に移動させることができる。

本態様のプログラムは、複数のアームの少なくとも一つの長さを変化させることにより、機体から少なくとも一つのプロペラの回転軸までの距離を変化させるステップを実行させることもできる。

本発明によれば、搭載物等に起因して移動体が傾く状況下においても移動体の傾きを抑制することが可能となる。

本発明の実施形態に係るＵＡＶの全体構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るＵＡＶのアームが移動した状態を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るＵＡＶの機能的構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るＵＡＶに清掃具を搭載した状態を示す図である。 本発明の実施形態に係るＵＡＶにネットを搭載した状態を示す図である。 本発明の実施形態に係るＵＡＶに伸縮式把持具を搭載した状態を示す図である。 本発明の実施形態に係るＵＡＶに切断具を搭載した状態を示す図である。 本発明の実施形態に係るＵＡＶの第一の制御方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施形態に係るＵＡＶの第二の制御方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施形態の姿勢制御の原理を説明するための説明図である。 本発明の実施形態の姿勢制御の原理を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施形態の姿勢制御の例を表す概念図であり、（Ａ）は初期状態を示すもの、（Ｂ）及び（Ｃ）は初期状態からＵＡＶの重心位置が変化した状態を示すものである。 本発明の実施形態に係るＵＡＶに搭載した清掃具の支持棒の長さを飛行中に変化させた状態を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るＵＡＶ１（移動体）について説明する。なお、以下の実施形態はあくまでも好適な適用例であって、本発明の適用範囲がこれに限定されるものではない。特許請求の範囲、明細書、図面、及び要約書には、著作権による保護の対象となる事項が含まれる。著作権者は、これらの書類の何人による複製に対しても、特許庁のファイル又はレコードに表示される通りであれば異議を唱えない。ただし、それ以外の場合、一切の著作権を留保する。

まず、図１〜図７を用いて、本発明の実施形態に係るＵＡＶ１の構成について説明する。

本実施形態に係るＵＡＶ１は、機体１０と、機体１０に取り付けられた複数のアーム２０と、複数のアーム２０のそれぞれに設けられ、プロペラ３０ａを含むロータ３０（推進機構）と、各種機器を制御する制御装置４０と、を備えている。本実施形態に係るＵＡＶ１は、所定の条件に応じて複数のアーム２０の少なくとも一つを機体１０に対して移動させることにより、機体１０から少なくとも一つのプロペラ３０ａの回転軸３０ｂまでの距離を変化させるものである。例えば、機体１０に搭載物（例えば図２に示す清掃具Ｃ）を搭載したことにより、ある方向にＵＡＶ１が傾いた場合には、その傾きに伴って鉛直方向に所定の角度で傾いた少なくとも一つのアーム２０を機体１０から遠ざかる方向へ移動させて機体１０からそのアーム２０のプロペラ３０ａまでの距離を長くする。これにより、そのプロペラ３０ａの回転速度及びそれに伴って発生する揚力が一定であっても、機体１０に作用させるモーメントを大きくすることができ、機体１０の傾きを抑制することができる。

機体１０は、ＵＡＶ１の各種機器を収納するための空間をその内部に有する中空の筐体である。機体１０は、中央に位置する中央筐体部１１と、中央筐体部１１から放射状に分岐する複数の分岐筐体部１２と、を有している。中央筐体部１１の内側には中心空洞が形成されており、分岐筐体部１２の内側には分岐空洞が形成されている。中心空洞及び分岐空洞は、一体となって１つの空洞を形成することができる。

分岐筐体部１２は、図１に示すように、中央筐体部１１を中心としてＸ形状をなすように配置されている。中央筐体部１１及び分岐筐体部１２の配置はこれに限られるものではなく、例えば、各空洞に配置される電気部品（バッテリ、モータ、エンジン等）同士間での効率的な電気接続を容易にするように適宜変更することができる。例えば、中央筐体部１１を中心とした星形状や非対称形状をなすように分岐筐体部１２を配置してもよい。

本実施形態のＵＡＶ１は、４ロータ式のクワッドコプタであり、４つのロータ３０に対応する４つの分岐筐体部１２を有している。分岐筐体部１２の数はこれに限られるものではなく、例えば６ロータ式のＵＡＶにおいては、６個のロータ及び６個の対応する分岐筐体部を設けることができ、８ロータ式のＵＡＶにおいては、８個のロータ及び８個の対応する分岐筐体部を設けることができる。分岐筐体部の数を、ＵＡＶのロータの数より多く又は少なくすることもできる。

分岐筐体部１２は、中央筐体部１１に取り外し可能に連結され得る。分岐筐体部１２は、例えばＵＡＶ１の保管や輸送を容易にするために、中央筐体部１１に対して折り畳むことが可能である。

中央筐体部１１は、上部中央筐体部材及び対応する下部中央筐体部材を有し、これらを組み合わせることにより中心空洞が形成されている。分岐筐体部１２の各々は、上部分岐筐体部材及び対応する下部分岐筐体部材を有し、これらを組み合わせることにより分岐空洞が形成されている。上部分岐筐体部材及び上部中央筐体部材は、上部機体部分を形成する。下部分岐筐体部材及び下部中央筐体部材は、下部機体部分を形成する。上部機体部分と下部機体部分とを組み合わせることによって機体１０の筐体が形成される。上部機体部分及び下部機体部分は、溶接や他の手法により、後に取外しを行わない前提で接続されることができる。一方、上部機体部分及び下部機体部分を取り外し可能に連結してもよい。例えば、ネジ、ボルト、バックル、クランプ、クラスプ、ラッチ、フック、爪、ピン、ストラップ、ケーブル等の留め具によって上部機体部分及び下部機体部分を取り外し可能に連結することができる。このようにすると、上部機体部分を下部機体部分から取り外し、機体１０の内部部品の直接的な観察や保守を実現させることができる。

ＵＡＶ１の機体１０を形成する個々の部品又はこれらの組み合わせは、射出成形や３Ｄプリンティング等の適切な技法を用いて製造することができる。例えば、上部中央筐体部材、下部中央筐体部材、上部分岐筐体部材及び下部分岐筐体部材の各々は、個々に製造し、これらを組み合わせて機体１０の筐体を形成することができる。上部分岐筐体部材及び上部中央筐体部材を１つの構造体として一体的に製造して上部機体部分を形成し、下部分岐筐体部材及び下部中央筐体部材を１つの構造体として一体的に製造して下部機体部分を形成することもできる。そして、これら２つの一体形成された部分を溶接や留め具等によって組み合わせて機体１０を形成することができる。上部中央筐体部材及び下部中央筐体部材を１つの構造体として一体的に製造して中央筐体部１１を形成し、上部分岐筐体部材及び下部分岐筐体部材の各々を１つの構造体として一体的に製造して分岐筐体部１２を形成することもできる。そして、中央筐体部１１及び分岐筐体部１２を溶接や留め具等によって組み合わせて機体１０を形成することができる。また、ＵＡＶ１の機体１０全体を、例えば射出形成や３Ｄプリンティング等の技法を用いて一体的に製造することができる。

アーム２０は、所定長さを有する部材である。アーム２０は、機体１０から放射状に設けられており、初期状態では機体１０の各分岐筐体部１２の内部に形成された分岐空洞に収納されている。アーム２０の分岐筐体部１２から突出する部分の長さは、図３に示すアーム可変機構５０によって変化する。アーム可変機構５０は、制御装置４０からの信号に基づいて制御される。アーム可変機構５０としては、アーム２０全体を中央筐体部１１から回転軸３０ｂに向かう方向に移動させることができる各種機構（例えば、アーム２０に固定されたラックと、このラックに噛み合うピニオンと、ピニオンを回転させる駆動部と、を有するラック・アンド・ピニオン機構等）を採用することができる。また、アーム２０を伸縮自在に構成する（例えばテレスコピック構造を採用する）ことにより、アーム２０自体の長さを変化させることもできる。

ロータ３０は、ＵＡＶ１の位置の維持・変更やＵＡＶ１の方向転換を実現させる推進機構である。各ロータ３０は、図１及び図２に示すように、二枚のプロペラ（ブレード）３０ａを有している。プロペラ３０ａは、所定の駆動源（例えば電気モータやエンジン）によって回転軸３０ｂ周りを回転駆動される。プロペラ３０ａの枚数は、これには限られない。ロータ３０は、支持構造等の手段を使用してアーム２０の先端部に取り付けられており、これによりアーム２０の先端部にプロペラ３０ａが接続されている。ロータ３０の数は、実際の環境の要件に従って調整することが可能であるが、動作中のＵＡＶ１の安定性を保証するために３つ以上あることが好ましい。

ロータ３０は、ＵＡＶ１が、水平方向の運動を必要とせずに（例えば滑走路を移動せずに）地面から垂直に離陸したり、地面に垂直に着陸したりすることを可能にする。また、ロータ３０の動作によって所定の位置や方向でＵＡＶ１が空中でホバリング飛行を行うことができるように、ロータ３０を構成してもよい。特定のロータ３０は、他のロータ３０から独立して制御されるようにしてもよい。機体１０が地面に対して平行に（すなわち水平に）設置された状態で、ロータ３０のプロペラ３０ａの回転軸３０ｂは鉛直方向に向けられ、機体１０に推力や揚力を提供することができる。回転軸３０ｂが鉛直方向に向けられた幾つかのロータ３０は、上方からみたときに時計方向に回転することができ、他のロータ３０は、上方からみたときに反時計方向に回転することができる。各ロータ３０の回転速度は、揚力や推力を制御し、それによってＵＡＶ１の位置、速度、加速度を調整するために独立して変更することができる。

制御装置４０は、図３に示すように、検出部４１、推定部４２、アーム選択部４３、アーム長さ決定部４４、アーム制御部４５及び通信部４６を有している。検出部４１は、ＵＡＶ１の飛行中に、ＵＡＶ１の傾き（傾きの方向及び傾きの量）を検出する。検出部４１としては、ジャイロセンサ等を採用することができる。推定部４２は、ＵＡＶ１が飛行していないときに、ＵＡＶ１に搭載物が搭載されることにより生じるＵＡＶ１の傾きを推定する。推定部４２は、例えば搭載物の重量、形状、搭載位置等に応じて、ＵＡＶ１の傾きを推定することができる。アーム選択部４３は、検出部４１で検出した傾きの方向又は推定部４２で推定した傾きの方向に基づいて、複数のアーム２０の中から、移動させるアーム２０を選択する。アーム長さ決定部４４は、検出部４１で検出した傾きの量又は推定部４２で推定した傾きの量に基づいて、移動させるアーム２０の移動量を決定する。アーム制御部４５は、信号を送出してアーム可変機構５０を制御することにより、対象となるアーム２０を移動させる。

制御装置４０は、プログラマブルプロセッサ（例えば、中央処理ユニット（ＣＰＵ））等の１つ又は複数のプロセッサを有するコンピュータとして構成することができる。制御装置４０は、コンピュータ可読媒体（例えば、ＳＤカードやランダムアクセスメモリ等の分離可能な媒体）に記憶されたプログラムを読み出し、プロセッサに実行させることができる。

本実施形態においては、機体１０の傾きに応じて、機体１０から少なくとも一つのプロペラ３０ａの回転軸３０ｂまでの距離を変化させる方法をコンピュータに実行させるプログラムを採用している。

本実施形態のプログラムによって実行される第一の制御方法では、機体１０への搭載物の搭載により実際に生じたＵＡＶ１の傾きを検出部４１で検出し、ＵＡＶ１の飛行中に、検出された傾きに応じて複数のアーム２０の少なくとも一つを移動させる。より詳しくは、ＵＡＶ１の飛行中に、検出部４１がＵＡＶ１の傾きの方向及び量を検出する。アーム選択部４３は、検出された傾きの方向に基づいて、移動させるアーム２０を選択する。アーム長さ決定部４４は、検出された傾きの量に基づいて、移動させるアーム２０の移動量を決定する。アーム制御部４５は、アーム可変機構５０を制御することにより、対象となるアーム２０を移動させる。第一の制御方法では、ＵＡＶ１の飛行中に、回転速度が上限値に到達したプロペラ３０ａを検出し、このプロペラ３０ａが取り付けられているアーム２０を機体１０から遠ざかる方向に移動させることができる。複数のアーム２０のうち、ＵＡＶ１の傾きに伴って鉛直方向に所定の角度で傾いた少なくとも一つのアーム２０を、機体１０から遠ざかる方向に移動させることができる。

本実施形態のプログラムによって実行される第二の制御方法では、機体１０への搭載物の搭載によるＵＡＶ１の傾きを推定部４２で推定し、ＵＡＶ１の飛行前に、推定された傾きに応じて複数のアーム２０の少なくとも一つを移動させる。より詳しくは、ＵＡＶ１の飛行前に、推定部４２が機体１０に搭載される搭載物の重量、形状及び搭載位置の少なくとも何れか一つに基づいてＵＡＶ１の傾きの方向及び量を推定する。アーム選択部４３は、推定された傾きの方向に基づいて、移動させるアーム２０を選択する。アーム長さ決定部４４は、推定された傾きの量に基づいて、移動させるアーム２０の移動量を決定する。アーム制御部４５は、アーム可変機構５０を制御することにより、対象となるアーム２０を移動させる。

通信部４６は、無線信号を利用して、通信システムを有する外部端末６０との通信を可能にするものである。通信方法としては、データが一方向で（外部端末６０から通信部４６へと）送信される一方向通信を採用したり、通信部４６と外部端末６０との間の双方向でデータが送信される双方向通信を採用したりすることができる。双方向通信の場合、外部端末６０は、通信部４６に制御データを提供し、通信部４６から情報（例えばＵＡＶ１の位置・速度・加速度情報等）を受け取ることができる。外部端末６０からの制御データは、ＵＡＶ１の位置、速度、加速度等に関する制御命令を含み、ＵＡＶ１の位置や方向を変更することができる。ＵＡＶ１からの通信は、ＵＡＶ１に搭載されたセンサ（例えば、ＧＰＳセンサ、運動センサ、慣性センサ、近接センサ等）からの情報を含むことができる。通信部４６は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、赤外線、無線、ＷｉＦｉ、ポイントツーポイント（Ｐ２Ｐ）ネットワーク、電気通信ネットワーク、クラウド通信等のうちの１つ以上を利用することができる。

外部端末６０は、ＵＡＶ１と通信する無線通信デバイスを有している。外部端末６０は、手持ち型又は装着型デバイスであってもよい。例えば、外部端末６０は、スマートフォン、タブレット、ラップトップ、コンピュータ、眼鏡、手袋、ヘルメット、マイクロホン又はそれらの組合せで構成することができる。外部端末６０は、キーボード、マウス、ジョイスティック、タッチスクリーン又はディスプレイ等のユーザインターフェースを含むことができる。外部端末６０は、ＵＡＶ１の情報を見るための表示ユニットを含むことができる。例えば、外部端末６０は、位置、並進速度、並進加速度、方向、角速度、角加速度又はそれらの組合せに関して、ＵＡＶ１の情報を表示することができる。また、外部端末６０は、ＵＡＶ１の通信部４６や外部端末６０から受け取ったデータをウェブサイトやサーバにアップロードできるように、インターネット又は他の電気通信ネットワークに接続されてもよい。

本実施形態に係るＵＡＶ１は、図１及び図２に示すように、機体１０に取り付けられる支持部材７０を備えている。支持部材７０は、ＵＡＶ１が地上に設置されているときに、ＵＡＶ１を支持する。ＵＡＶ１の機体１０には、各種搭載物を取り付けるための棒状の取付部８０が設けられている。取付部８０には、例えば図２及び図４に示すような清掃具Ｃ、図５に示すようなネットＮ、図６に示すような伸縮式把持具Ｈ、図７に示すような切断具Ｓ等を取り付けることができる。これらの他にも、画像を撮影するための伸縮式望遠カメラ、望遠カメラの姿勢を安定させるための安定機構（ジンバル等）、農薬散布用のノズル付きタンク等の各種の搭載物を取り付けることもできる。

次に、図８及び図９のフローチャートを用いて、本実施形態に係るＵＡＶ１の制御方法について説明する。

最初に、図８のフローチャートを用いて、ＵＡＶ１の飛行中に少なくとも一つのアーム２０を移動させる方法（第一の制御方法）について説明する。まず、制御装置４０の検出部４１は、ＵＡＶ１の飛行中に、機体１０への搭載物の搭載により実際に生じたＵＡＶ１の傾きの方向及び量を検出する（ステップＳ１０）。次いで、アーム選択部４３は、ステップＳ１０で検出した傾きの方向に基づいて、移動させるアーム２０を選択し（ステップＳ１１）、アーム長さ決定部４４は、ステップＳ１０で検出した傾きの量に基づいて、移動させるアーム２０の移動量を設定する（ステップＳ１２）。ステップＳ１１とステップＳ１２は、同時に実施されてもよい。続いて、アーム制御部４５は、アーム可変機構５０を制御することにより、対象となるアーム２０を移動させる（ステップＳ１３）。ステップＳ１１では、ＵＡＶ１の傾きに伴って鉛直方向に所定の角度で傾いた少なくとも一つのアーム２０を選択することができる。

続いて、図９のフローチャートを用いて、ＵＡＶ１の飛行前にアーム２１の長さを変化させる方法（第二の制御方法）について説明する。まず、制御装置４０の推定部４２は、ＵＡＶ１の飛行前に、機体１０に搭載された搭載物の重量、形状及び搭載位置の少なくとも何れか一つに基づいてＵＡＶ１の傾きの方向及び量を推定する（ステップＳ２０）。次いで、アーム選択部４３は、ステップＳ２０で推定した傾きの方向に基づいて、移動させるアーム２０を選択する（ステップＳ２１）。アーム長さ決定部４４は、ステップＳ２０で推定した傾きの量に基づいて、移動させるアーム２０の移動量を決定する（ステップＳ２２）。続いて、アーム制御部４５は、アーム可変機構５０を制御することにより、対象となるアーム２０を移動させる（ステップＳ２３）。

ここで、図１０〜図１２を用いて、本実施形態の第一の制御方法においてＵＡＶの姿勢を制御する原理について説明する。

図１０は、４つのアーム及び４つのプロペラを有するＵＡＶに作用する力を示す図である。同図において、Ｆ₁、Ｆ₂、Ｆ₃、Ｆ₄は、各ロータに設けられたプロペラによって発生する揚力を示す。ｌ₁、ｌ₂、ｌ₃、ｌ₄は、ＵＡＶの機体の中心Ｏから４つのプロペラの回転軸までの距離を示す。

ここで、ＵＡＶの各プロペラによって発生する力Ｆ_P（＝Ｆ₁＋Ｆ₂＋Ｆ₃＋Ｆ₄）は、機体座標系において以下の式で表される。以下の式において、ω_i（ｉ＝１、２、３、４）は各プロペラの回転速度であり、ｋ_mは係数である。

上記式を用いると、ＵＡＶの絶対座標系における並進の運動方程式は、以下の式（１）で表される。以下の式（１）において、ΦはＵＡＶのロール角（絶対座標系のＸ軸周りの回転角度）であり、ΘはＵＡＶのピッチ角（絶対座標系のＹ軸周りの回転角度）であり、ΨはＵＡＶのヨー角（絶対座標系のＺ軸周りの回転角度）であり、ｍはＵＡＶの質量であり、ｇは重力加速度である。

また、ＵＡＶの絶対座標系における回転の運動方程式は、以下の式（２）で表される。以下の式（２）において、Ｉ_x、Ｉ_y、Ｉ_zは、それぞれ絶対座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸周りのＵＡＶの慣性モーメントであり、ｋ_dは係数である。

通常のＵＡＶ制御では、各種センサ（加速度計、コンパス、ＧＰＳ等）を用いて、ＵＡＶのステイタスパラメータ（角速度、加速度、位置、方向等）を取得する。このステイタスパラメータと目標パラメータとの間の偏差を低減させるための制御パラメータ（例えばロール角、ピッチ角、ヨー角）をＰＩＤ制御により算出し、この制御パラメータを式（１）及び式（２）に入力してＵＡＶの各プロペラの回転速度ω_i（ｉ＝１、２、３、４）を算出する。このようにして得られた回転速度に基づいて、ＵＡＶの姿勢を制御している。すなわち、通常のＵＡＶ制御では、ＵＡＶの各プロペラの回転速度のみを出力している。

これに対し、本実施形態では、ＵＡＶの各プロペラの回転速度ω_i（ｉ＝１、２、３、４）だけではなく、ＵＡＶの４つの距離ｌ_i（ｉ＝１、２、３、４）を出力する。

以下、図１１のフローチャートを用いて、本実施形態の姿勢制御の原理をより具体的に説明する。

まず、ステップＳ１において、各種センサを用いてＵＡＶのステイタスパラメータを取得する。次いで、ステップＳ２において、ステップＳ１で取得したステイタスパラメータと、目標パラメータと、の間の偏差を低減させるための制御パラメータをＰＩＤ制御により算出する。目標パラメータとしては、例えばユーザによって外部から送られた信号に基づいて算出された値を採用したり、ＵＡＶの内部で自動的に算出した値を採用したりすることができる。

ステップＳ３において、ステップＳ２で算出した制御パラメータを式（１）及び式（２）に入力して、ＵＡＶの各プロペラの回転速度ω_i（ｉ＝１、２、３、４）を算出する。次いで、ステップＳ４において、ステップＳ３で算出した各プロペラの回転速度ω_i（ｉ＝１、２、３、４）が所定の上限値ω_t（例えば５００rad/s）を超えるか否かを判定する。各プロペラの回転速度ω_i（ｉ＝１、２、３、４）の何れかが上限値ω_tを超えた場合には、ステップＳ５において、その回転速度（例えばω₁）を上限値ω_tに設定する。

ステップＳ６において、ステップＳ３で算出した回転速度（ステップＳ５で上限値ω_tに置き換えられる回転速度を除く）及びステップＳ５で設定した回転速度（上限値ω_t）と、式（２）と、を用いて、ＵＡＶの４つの距離ｌ_i（ｉ＝１、２、３、４）を算出する。すなわち、ステップＳ６においては、各回転速度を定数とし、各距離ｌ_iを未知数として、式（２）を用いて各距離ｌ_iを算出している。この際、式（２）に含まれる運動方程式の個数（３個）よりも未知数（４個）の方が多くなるため、４つの距離ｌ_iが複数組算出されることとなるが、所定の条件（例えば、機体から、回転速度が上限値に到達したプロペラまでの距離を優先的に長くする等）を参照して、最適な距離ｌ_iの組を決定する。プロペラの回転速度が一定であっても、機体からプロペラの回転軸までの距離を長くすることにより、機体に作用させるモーメントを大きくすることができ、これにより機体の傾きを抑制することができる。

ステップＳ７において、ステップＳ６で算出した値を目標値として、各距離ｌ_iを変化させる。ステップＳ８において、ステップＳ３で算出した回転速度（ステップＳ５で上限値ω_tに置き換えられる回転速度を除く）及びステップＳ５で設定した回転速度（上限値ω_t）を目標値として、各プロペラの回転速度を設定する。

一方、ステップＳ４において、全てのプロペラの回転速度ω_i（ｉ＝１、２、３、４）が上限値ω_t以下であると判定した場合には、ステップＳ５〜Ｓ７を経ることなくステップＳ８に移行する。ステップＳ８においては、ステップＳ３で算出した回転速度を目標値として、各プロペラの回転速度を設定する。

図１２（Ａ）は、ＵＡＶの飛行中に、機体Ｂの中心に重心（ＣＧ）が位置しており、機体Ｂが傾いていない初期状態を示している。このとき、機体Ｂの中心から各プロペラＰの回転軸までの距離Ａは一定である。図１２（Ｂ）は、この初期状態から、搭載物を搭載すること等に起因して機体Ｂの重心が紙面右側２つのプロペラＰ₁、Ｐ₂の間の方向に移動し、同方向に機体Ｂが傾いた状態を示す（符号ＣＧ´は移動後の重心を示す）。このとき、機体Ｂから、機体Ｂの傾きに伴って鉛直下向きに移動した２つのプロペラＰ₁、Ｐ₂の回転軸までの距離Ａ₁、Ａ₂を長くすることができ、機体Ｂの傾きを抑制することができる。

図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）の初期状態から、搭載物を搭載すること等に起因して機体Ｂの重心が紙面左上のプロペラＰ₃の方向に移動し、同方向に機体Ｂが傾いた状態を示す（符号ＣＧ″は移動後の重心を示す）。このとき、機体Ｂから、機体Ｂの傾きに伴って最も鉛直下向きに移動したプロペラＰ₃の回転軸までの距離Ａ₃を長くすることができ、機体Ｂの傾きを抑制することができる。

以上説明した実施形態に係るＵＡＶ１においては、機体１０に搭載物が搭載されることによりＵＡＶ１が傾いた場合に、機体１０からプロペラ３０ａの回転軸３０ｂまでの距離を変化させて、ＵＡＶ１の傾きを抑制することができる。

本実施形態においては、ＵＡＶ１に搭載物が搭載されることにより生じたＵＡＶ１の傾きを、機体１０から少なくとも一つのプロペラ３０ａの回転軸３０ｂまでの距離を変化させることにより抑制した例を示した。同様の手法を用いて、ＵＡＶ１に搭載されていた搭載物の形状が飛行中に変化することにより生じたＵＡＶ１の傾きを抑制することもできる。例えば、図１３に示すように、ＵＡＶ１の飛行中に、ＵＡＶ１に搭載されていた清掃具Ｃの支持棒Ｃ_Sの長さを伸長させることによりＵＡＶ１の重心位置が清掃具Ｃの方向に移動し、同方向にＵＡＶ１が傾いた場合を想定する。このとき、ＵＡＶ１の傾きに伴って鉛直方向に所定の角度で傾いた２つのアーム２０を、機体１０から遠ざかる方向に移動させる。これにより、機体１０から、これらアーム２０に取り付けられたプロペラ３０ａの回転軸３０ｂまでの距離を長くして、機体Ｂの傾きを抑制することができる。

他の実施形態として、アーム２０を移動させたりアーム２０自体の長さを変化させたりする手法に代えて、アーム２０の長さを一定に保持したままプロペラ３０ａの回転軸３０ｂを移動させる手法を採ることもできる。具体的には、例えば、アーム２０の中央筐体部１１から回転軸３０ｂに向かう方向に沿ってプロペラ３０ａの回転軸３０ｂを移動させるスライド機構を採用し、アーム２０の長さを一定に保持したまま、機体１０及びアーム２０に対するプロペラ３０ａの回転軸３０ｂの位置を変化させる。この形態によっても、機体１０からプロペラ３０ａの回転軸３０ｂまでの距離を変化させて、搭載物等に起因したＵＡＶ１の傾きを抑制することができる。

付記
１．機体と、前記機体に取り付けられた複数のアームと、前記複数のアームのそれぞれに設けられ、プロペラを含む推進機構と、を備える移動体に搭載されたコンピュータに、前記移動体の傾きに応じて前記機体から少なくとも一つの前記プロペラの回転軸までの距離を変化させるステップを実行させる、プログラム。
２．前記ステップでは、前記機体に搭載物が搭載されることにより生じた前記移動体の傾きに応じて前記距離を変化させる、条項１に記載のプログラム。
３．前記ステップでは、検出部で検出された前記移動体の傾きに応じて前記距離を変化させる、条項２に記載のプログラム。
４．前記ステップでは、前記移動体が飛行しているときに前記距離を変化させる、条項１から３の何れか一項に記載のプログラム。
５．前記ステップでは、前記機体から、回転速度が上限値に到達した前記プロペラの回転軸までの距離を上限値に到達する前の長さよりも長くする、条項４に記載のプログラム。
６．前記ステップでは、前記機体に搭載物が搭載されることにより生じる前記移動体の傾きに応じて前記距離を変化させる、条項１に記載のプログラム。
７．前記ステップでは、推定部で推定された前記移動体の傾きに応じて前記距離を変化させる、条項６に記載のプログラム。
８．前記ステップでは、前記推定部が、前記機体に搭載される搭載物の重量、形状及び搭載位置の少なくとも何れか一つに基づいて前記移動体の傾きを推定する、条項７に記載のプログラム。
９．前記ステップでは、前記移動体が飛行していないときに前記距離を変化させる、条項６から８の何れか一項に記載のプログラム。
１０．前記ステップでは、前記複数のアームの少なくとも一つを前記機体に対して移動させることにより前記距離を変化させる、条項１から９の何れか一項に記載のプログラム。
１１．前記ステップでは、前記移動体の傾きの方向に応じて、前記複数のアームのうち移動させるアームを選択する、条項１０に記載のプログラム。
１２．前記ステップでは、前記移動体の傾きの量に応じて、前記複数のアームのうち移動させるアームの移動量を設定する、条項１０又は１１に記載のプログラム。
１３．前記ステップでは、前記複数のアームのうち、前記移動体の傾きに伴って鉛直方向に所定の角度で傾いた少なくとも一つのアームを、前記機体から遠ざかる方向に移動させる、条項１０に記載のプログラム。
１４．前記ステップでは、前記複数のアームの少なくとも一つの長さを変化させることにより前記距離を変化させる、条項１から９の何れか一項に記載のプログラム。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、かかる実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、前記実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前記実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１…無人航空機（移動体）
１０…機体
２０…アーム
３０…ロータ（推進機構）
３０ａ…プロペラ
３０ｂ…回転軸
４１…検出部
４２…推定部
Ｃ…清掃具（搭載物）
Ｈ…伸縮式把持具（搭載物）
Ｎ…ネット（搭載物）
Ｓ…切断具（搭載物）

Claims (30)

1. 機体と、
   前記機体に取り付けられた複数のアームと、
   前記複数のアームのそれぞれに設けられ、プロペラを含む推進機構と、を備え、
   前記機体から少なくとも一つの前記プロペラの回転軸までの距離が変化可能である、移動体。
2. 前記移動体の傾きに応じて前記距離が変化可能である、請求項１に記載の移動体。
3. 前記機体に搭載物が搭載されることにより生じた前記移動体の傾きに応じて前記距離が変化可能である、請求項２に記載の移動体。
4. 前記移動体の傾きを検出する検出部を備え、
   前記検出部で検出された前記移動体の傾きに応じて前記距離が変化可能である、請求項３に記載の移動体。
5. 前記移動体が飛行しているときに前記距離が変化可能である、請求項１から４の何れか一項に記載の移動体。
6. 前記機体から、回転速度が上限値に到達した前記プロペラの回転軸までの距離が前記上限値に到達する前の長さよりも長くなる、請求項５に記載の移動体。
7. 前記機体に搭載物が搭載されることにより生じる前記移動体の傾きに応じて前記距離が変化可能である、請求項１に記載の移動体。
8. 前記移動体の傾きを推定する推定部を備え、
   前記推定部で推定された前記移動体の傾きに応じて前記距離が変化可能である、請求項７に記載の移動体。
9. 前記推定部は、前記機体に搭載される搭載物の重量、形状及び搭載位置の少なくとも何れか一つに基づいて前記移動体の傾きを推定する、請求項８に記載の移動体。
10. 前記移動体が飛行していないときに前記距離が変化可能である、請求項７から９の何れか一項に記載の移動体。
11. 前記複数のアームの少なくとも一つが前記機体に対して移動することにより前記距離が変化する、請求項１から１０の何れか一項に記載の移動体。
12. 前記移動体の傾きの方向に応じて、前記複数のアームのうち移動するアームが選択される、請求項１１に記載の移動体。
13. 前記移動体の傾きの量に応じて、前記複数のアームのうち移動するアームの移動量が設定される、請求項１１又は１２に記載の移動体。
14. 前記複数のアームのうち、前記移動体の傾きに伴って鉛直方向に所定の角度で傾いた少なくとも一つの前記アームが、前記機体から遠ざかる方向に移動する、請求項１１に記載の移動体。
15. 前記複数のアームの少なくとも一つの長さが変化することにより前記距離が変化する、請求項１から１０の何れか一項に記載の移動体。
16. 無人航空機である、請求項１から１５の何れか一項に記載の移動体。
17. 機体と、前記機体に取り付けられた複数のアームと、前記複数のアームのそれぞれに設けられ、プロペラを含む推進機構と、を備える移動体の制御方法であって、
    前記移動体の傾きに応じて前記機体から少なくとも一つの前記プロペラの回転軸までの距離を変化させるステップを含む、移動体の制御方法。
18. 前記ステップでは、前記機体に搭載物が搭載されることにより生じた前記移動体の傾きに応じて前記距離を変化させる、請求項１７に記載の移動体の制御方法。
19. 前記ステップでは、検出部で検出された前記移動体の傾きに応じて前記距離を変化させる、請求項１８に記載の移動体の制御方法。
20. 前記ステップでは、前記移動体が飛行しているときに前記距離を変化させる、請求項１７から１９の何れか一項に記載の移動体の制御方法。
21. 前記ステップでは、前記機体から、回転速度が上限値に到達した前記プロペラの回転軸までの距離を前記上限値に到達する前の長さよりも長くする、請求項２０に記載の移動体の制御方法。
22. 前記ステップでは、前記機体に搭載物が搭載されることにより生じる前記移動体の傾きに応じて前記距離を変化させる、請求項１７に記載の移動体の制御方法。
23. 前記ステップでは、推定部で推定された前記移動体の傾きに応じて前記距離を変化させる、請求項２２に記載の移動体の制御方法。
24. 前記ステップでは、前記推定部が、前記機体に搭載される搭載物の重量、形状及び搭載位置の少なくとも何れか一つに基づいて前記移動体の傾きを推定する、請求項２３に記載の移動体の制御方法。
25. 前記ステップでは、前記移動体が飛行していないときに前記距離を変化させる、請求項２２から２４の何れか一項に記載の移動体の制御方法。
26. 前記ステップでは、前記複数のアームの少なくとも一つを前記機体に対して移動させることにより前記距離を変化させる、請求項１７から２５の何れか一項に記載の移動体の制御方法。
27. 前記ステップでは、前記移動体の傾きの方向に応じて、前記複数のアームのうち移動させるアームを選択する、請求項２６に記載の移動体の制御方法。
28. 前記ステップでは、前記移動体の傾きの量に応じて、前記複数のアームのうち移動させるアームの移動量を設定する、請求項２６又は２７に記載の移動体の制御方法。
29. 前記ステップでは、前記複数のアームのうち、前記移動体の傾きに伴って鉛直方向に所定の角度で傾いた少なくとも一つの前記アームを、前記機体から遠ざかる方向に移動させる、請求項２６に記載の移動体の制御方法。
30. 前記ステップでは、前記複数のアームの少なくとも一つの長さを変化させることにより前記距離を変化させる、請求項１７から２５の何れか一項に記載の移動体の制御方法。