JP2018043601A - 飛行装置、飛行装置制御プログラム及び飛行装置制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単に壁や天井に沿ってマルチコプタを操作することを可能にする。
【解決手段】接触状態推定部が、接触センサからの信号（接触のＯＮ／ＯＦＦ信号）に基づいて、マルチコプタが壁や天井に接触しているか否かを判断し（Ｓ１８）、飛行制御部８２が、壁や天井に接触していると判断した場合（Ｓ１８：肯定）に、壁や天井とマルチコプタとの接触を維持するように推力を発生させた状態で、コントローラ装置から送信された操作コマンドに対応する方向にマルチコプタ１００を移動させる（Ｓ２２）。
【選択図】図５

Description

本発明は、飛行装置、飛行装置制御プログラム及び飛行装置制御方法に関する。

過去に架橋された橋梁などの建造物を管理する自治体等では、建造物の点検を行う作業員が不足しがちである。このため、近年においては、無人で飛行しながら、カメラで建造物の写真を撮影したり、映像を録画したりするなどの作業を行う飛行装置が利用され始めている（例えば、特許文献１〜５等参照）。

国際公開第２０１４／０６８９８２号 特開２０１４−１３７６９４号公報 特開２０１５−２２３９９５号公報 特開２００８−２９０７０４号公報 特開２００７−３３１４２６号公報

しかしながら、飛行装置をコントローラ装置を用いて遠隔から操作する場合、飛行装置と建造物との距離感をつかむことが難しい。このため、飛行装置の誤操作により、飛行装置が墜落等するおそれがある。

１つの側面では、本発明は、操作しやすい飛行装置を提供することを目的とする。また、本発明は、飛行装置の操作を簡易にすることが可能な飛行装置制御プログラム及び飛行装置制御方法を提供することを目的とする。

一つの態様では、飛行装置は、ユーザが操作するコントローラ装置と通信する飛行装置であって、接触検知部からの信号に基づいて、前記飛行装置が対象物に接触しているか否かを判定する判定部と、前記判定部が前記対象物に接触していると判定した場合に、前記対象物と前記飛行装置との接触を維持するように推力を発生させた状態で、前記コントローラ装置から送信された操作コマンドに対応する方向に前記飛行装置を移動させる推力制御部と、を備えている。

操作しやすい飛行装置を提供することができる。

第１の実施形態に係るマルチコプタの構成を示す斜視図である。 図２（ａ）は、接触センサ保持部材と車輪及びマルチコプタ本体との位置関係を模式的に示す図であり、図２（ｂ）、図２（ｃ）は、接触センサを拡大して示す模式図である。 第１の実施形態に係るマルチコプタの制御系、及びコントローラ装置の制御系を示すブロック図である。 図３のマルチコプタの制御部の機能ブロック図である。 第１の実施形態に係るマルチコプタの動作を示すフローチャートである。 図５のステップＳ２２について説明するための図である。 図７（ａ）、図７（ｂ）は、接触センサの配置に関する変形例を示す図である。 マルチコプタにおいて、複数の接触センサを連結する連結部材を設けた例を示す図である。 図９（ａ）、図９（ｂ）は、図８の例において、推定接触角を算出する方法について説明するための図である。 接触センサに弾性部材を設ける例について示す図である。 接触センサが接触力を検知できる場合における、推定接触力と推定接触角の算出方法について説明するための図である。 第２の実施形態に係るマルチコプタの制御系、及びコントローラ装置の制御系を示すブロック図である。 図１２のマルチコプタの制御部の機能ブロック図である。 図１４（ａ）、図１４（ｂ）は、第２の実施形態に係る第１の推定方法（ルールベース）について説明するための図である。 第２の実施形態に係る第２の推定方法（モデルベース）について説明するための図である。 図１６（ａ）、図１６（ｂ）は、第２の実施形態に係る第３の推定方法（学習ベース）について説明するための図である。 第２の実施形態において、外乱による影響を抑制するための方法について説明するための図である。 図１８（ａ）、図１８（ｂ）は、第３の実施形態に係る第１の推定方法（ルールベース）について説明するための図である。 図１９（ａ）、図１９（ｂ）は、第３の実施形態に係る第２の推定方法（学習ベース）について説明するための図である。 図２０（ａ）、図２０（ｂ）は、第３の実施形態における離れた角度の推定方法について説明するための図である。

≪第１の実施形態≫
以下、飛行装置の第１の実施形態について、図１〜図６に基づいて詳細に説明する。図１には、飛行装置の第１の実施形態であるマルチコプタ１００が斜視図にて示されている。本第１の実施形態では、マルチコプタ１００は、対象物としての建造物（橋梁等）を点検するための装置であり、建造物近傍を飛行して撮影する装置である。マルチコプタ１００は、図１に示すように、飛行装置本体としてのマルチコプタ本体２０と、フレーム構造体３０と、を備える。

マルチコプタ本体２０は、複数（図１では４個）の回転翼２２を有する。複数の回転翼２２は、いずれも水平に配置されており、モータ等の回転力によって回転される。マルチコプタ本体２０の中央部からは複数（図１では４本）のアーム２６が水平方向に沿ってＸ字状に延びており、複数の回転翼２２は、複数のアーム２６の先端部にそれぞれ設けられている。また、マルチコプタ本体２０は、一対のカメラ２８を有している。

フレーム構造体３０は、フレーム３２と、一対の車輪３４と、４本の弾性支持部材３６と、を有する。フレーム３２は、概略円筒かご型の形状を有しており、フレーム３２によってマルチコプタ本体２０の全体が囲われている。フレーム３２は、一対の固定棒３８、４０と、保護棒４２と、一対の円環状の連結部材４４とを有する。固定棒３８、４０は、４本の弾性支持部材３６を介してマルチコプタ本体２０に支持されている。固定棒３８及び保護棒４２の一端部及び他端部には、円環状の連結部材４４が固定されている。フレーム３２の軸方向の両端部には、一対の車輪３４が設けられている。一対の車輪３４は、フレーム３２の連結部材４４に対して回転可能となっている。例えば、マルチコプタ１００が建造物の壁や天井に接近し、車輪３４が壁や天井に接触した状態でマルチコプタ１００が移動する場合には、車輪３４が回転することにより、マルチコプタ１００を壁や天井に沿ってガイドするようになっている。

また、フレーム３２（固定棒３８、４０及び保護棒４２）の略中央部には、円環状の接触センサ保持部材５０が設けられている。接触センサ保持部材５０は、リング状部材の一例である。図２（ａ）は、接触センサ保持部材５０と車輪３４及びマルチコプタ本体２０との位置関係を模式的に示す図である。接触センサ保持部材５０は、図１では不図示であるが、図２（ａ）に示すように、複数（図２（ａ）では８個）の接触センサＣＳ１〜ＣＳ８を保持する。本第１の実施形態においては、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８は、等角度間隔で配置されている。なお、接触センサＣＳ１の位置を０°の位置、接触センサＣＳ２の位置を４５°の位置、接触センサＣＳ３の位置を９０°の位置、…、接触センサＣＳ８の位置を３１５°の位置とする。

図２（ｂ）は、接触センサＣＳ１を拡大して示す模式図である。図２（ｂ）に示すように、接触センサＣＳ１は、接触スイッチ５２と、押下部材５４と、ローラ５６と、を有する。ローラ５６が建造物の壁や天井に接触すると、ローラ５６と押下部材５４は、図２（ｃ）において矢印で示すように遷移する。これにより、押下部材５４が接触スイッチ５２を押すため、接触センサＣＳ１では、ローラ５６に外力が加わったこと、すなわち接触のＯＮ／ＯＦＦを検知し、ＯＮ／ＯＦＦ信号を出力することができる。なお、接触センサＣＳ２〜ＣＳ８についても同様の構成となっている。

ここで、接触センサ保持部材５０は、図２（ａ）に示すように車輪３４よりも径が小さいが、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８のローラ５６は、車輪３４よりもわずかに外側に位置している。このため、一対の車輪３４が壁や天井に接触した状態で、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８のいずれかのローラ５６が押されることで、壁や天井との接触を検知できるようになっている。

また、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８が壁や天井との接触を検知している状態では、ローラ５６が壁や天井と接触する。このため、マルチコプタ１００が壁や天井に沿って移動したとしても、ローラ５６が回転することにより、ローラ５６と壁や天井との間の摩擦が軽減されている。したがって、マルチコプタ１００は、壁や天井と接触した状態を維持しつつスムーズに移動することが可能となっている。

図３には、本第１の実施形態に係るマルチコプタ１００の制御系、及びマルチコプタ１００と通信し、マルチコプタ１００を遠隔操作するためのコントローラ装置２００の制御系がブロック図にて示されている。図３に示すように、マルチコプタ１００の制御系には、通信部７２と、駆動部７４と、慣性センサ７６と、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８と、表示部７８と、カメラ２８と、制御部７０と、が含まれる。

通信部７２は、コントローラ装置２００との間で無線通信を行う。通信部７２は、コントローラ装置２００においてユーザが操作した情報（操作コマンド）を受信し、制御部７０に送信する。また、通信部７２は、制御部７０の制御の下、コントローラ装置２００の制御部１７０に対して、表示指示を送信する。

駆動部７４は、前述した複数の回転翼２２を駆動するモータ等が含まれる。駆動部７４は、コントローラ装置２００におけるユーザの操作に応じて、制御部７０により制御される。慣性センサ７６は、加速度及び角速度を検出し、制御部７０に出力する。表示部７８は、ＬＥＤ等を含み、制御部７０の制御の下、後述する自動張り付き制御がＯＮであるかＯＦＦであるかや、壁に接触した状態を維持しているか、天井に接触した状態を維持しているかなどを、ＬＥＤの点灯色や点滅の種類により表示する。カメラ２８は、コントローラ装置２００におけるユーザの操作に応じて、又は制御部７０の制御の下、建造物を撮影する。カメラ２８が撮影した画像は、不図示の記憶部に記憶される。

制御部７０は、コントローラ装置２００におけるユーザの操作に応じて各部を制御する。制御部７０はＣＰＵやＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えており、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、図４に示す操作コマンド受付部８０、推力制御部としての飛行制御部８２、判定部としての接触状態推定部８４、表示制御部８６として機能する。

操作コマンド受付部８０は、コントローラ装置２００においてユーザが操作した情報（操作コマンド）を受け付け、飛行制御部８２に送信する。接触状態推定部８４は、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８の検出結果（接触ＯＮ／ＯＦＦの信号）に基づいて、マルチコプタ１００の壁や天井との接触状態を推定する。

飛行制御部８２は、操作コマンド受付部８０から受信した操作コマンドと、慣性センサ７６の検出値と、接触状態推定部８４による推定結果とに基づいて、駆動部７４を制御する。ここで、ユーザは、マルチコプタ１００を壁や天井に沿って移動させる制御である「自動張り付き制御」のＯＮ、ＯＦＦをコントローラ装置２００において切り替えることができる。飛行制御部８２は、自動張り付き制御がＯＮであることを操作コマンド受付部８０を介して受信すると、マルチコプタ１００と建造物の壁や天井との接触状態を維持するように駆動部７４を制御しつつ、コントローラ装置２００におけるユーザの操作通りにマルチコプタ１００が移動するように駆動部７４を制御する。すなわち、例えばユーザがマルチコプタ１００を壁に沿って上方に移動させるときに、ユーザは、壁に向かう方向の成分と上方へ向かう方向の成分を含む斜め方向の操作コマンドの入力を行わなくても、上方向へ移動するように操作コマンドの入力を行うことで、簡易に、壁に沿ってマルチコプタ１００を移動させることが可能となる。

表示制御部８６は、自動張り付き制御がＯＮであるかＯＦＦであるかを示す表示や、壁及び天井のいずれに沿った移動を実施しているかを示す表示を、表示部７８に表示させる。ユーザは、マルチコプタ１００を見ることで、現在の自動張り付き制御の状況を把握することができる。また、表示制御部８６は、通信部７２を介して、コントローラ装置２００の表示部１７８に同様の表示を行わせるための表示指示をコントローラ装置２００の制御部１７０に送信する。

図３に戻り、コントローラ装置２００は、ユーザがマルチコプタ１００を遠隔操作するための装置であり、コントローラ装置２００の制御系には、通信部１７２と、操作部１７４と、表示部１７８と、制御部１７０と、が含まれる。

通信部１７２は、マルチコプタ１００の通信部７２との間で情報のやり取りを行う。操作部１７４は、ユーザによる操作コマンドの入力を受け付け、制御部１７０に送信する。操作コマンドには、ヨー角速度、ロール角度、ピッチ角度、スロットル量が含まれる。なお、制御部１７０は、受信した操作コマンドを通信部１７２を介してマルチコプタ１００に送信する。

表示部１７８は、ＬＥＤ等を有し、制御部１７０が、通信部１７２を介して、マルチコプタ１００から表示指示を受信した場合に、制御部１７０の指示の下、表示を行う。表示指示は、例えば、自動張り付き制御がＯＮであるかＯＦＦであるかを示す表示や、壁及び天井のいずれに沿った移動を実施しているかを示す表示の指示である。ユーザは、コントローラ装置２００を見ることで、現在の自動張り付き制御の状況を把握することができる。制御部１７０は、コントローラ装置２００の各部を統括的に制御する。

（マルチコプタ１００の動作）
次に、マルチコプタ１００の動作について、図５のフローチャートに沿って、その他図面を適宜参照しつつ詳細に説明する。なお、本処理では、マルチコプタ１００を用いて、橋梁の壁や天井部分の点検を行う場合について説明する。

ステップＳ１０では、飛行制御部８２は、コントローラ装置２００から自動張り付き制御ＯＮ情報を受信したか否かを判断する。自動張り付き制御は、簡単な操作で、橋の壁や天井に沿ってマルチコプタ１００を移動させる制御である。ユーザがコントローラ装置２００において自動張り付き制御をＯＮに設定した場合には、ステップＳ１０の判断が肯定され、ＯＮに設定していない場合には、ステップＳ１０の判断は否定される。

ステップＳ１０の判断が否定された場合、ステップＳ３２に移行し、飛行制御部８２は、通常制御を実行する。この場合、飛行制御部８２は、ユーザにより入力された操作コマンドと、慣性センサ７６の検出値とに基づいて、駆動部７４の動作を制御し、マルチコプタ１００を飛行させる。なお、通常制御を実行している間に、ユーザからの入力に応じて、又は所定時間間隔で、カメラ２８が撮影を行うこととしてもよい。これにより、橋梁の壁や天井の点検用の画像を撮影することができる。ステップＳ３２の後は、ステップＳ１０に戻る。

一方、ステップＳ１０の判断が肯定され、ステップＳ１２に移行すると、飛行制御部８２は、自動張り付き制御をＯＮにする。なお、表示制御部８６は、自動張り付き制御がＯＮになったことを操作コマンド受付部８０から受信した場合に、表示部７８に自動張り付き制御がＯＮであることを表示する。また、表示制御部８６は、同様の表示をコントローラ装置２００の表示部１７８に行わせるための表示指示を、通信部７２を介して制御部１７０に送信する。

次いで、ステップＳ１４では、飛行制御部８２は、ユーザが入力した操作コマンドに合わせて、駆動部７４を制御し、マルチコプタ１００を壁に向かって飛行させる。

次いで、ステップＳ１６では、接触状態推定部８４は、接触状態を推定する。この場合、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８のいずれかにおいて接触がＯＮであることを検知しているか否かにより、接触状態を推定する。

次いで、ステップＳ１８では、接触状態推定部８４は、壁に接触したか否かを判断する。例えば、接触状態推定部８４は、図２（ａ）の接触センサＣＳ１の接触がＯＮである場合には、左側の壁（左壁）に接触していると判断する。また、接触状態推定部８４は、図２（ａ）の接触センサＣＳ３の接触がＯＮである場合には、上側の壁（すなわち天井）に接触していると判断する。ステップＳ１８の判断が否定された場合には、ステップＳ１４に戻るが、肯定された場合には、ステップＳ２０に移行する。

ステップＳ２０に移行すると、表示制御部８６は、接触状態を通知する。具体的には、表示制御部８６は、壁に接触した状態か天井に接触した状態かを、表示部７８により表示する。また、表示制御部８６は、壁に接触した状態か天井に接触した状態かを表示する指示（表示指示）をコントローラ装置２００の制御部１７０に送信する。制御部１７０は、表示指示に基づいて表示部１７８を用いた表示を行う。

次いで、ステップＳ２２では、飛行制御部８２は、駆動部７４を介して接触を維持する制御を実行する。この場合、図６に示すようにマルチコプタ１００が左壁に接触している場合には、左壁への接触を維持するためにピッチ角θを維持した状態（すなわち、図６のＸ軸方向への推力を発生させた状態）で、操作コマンドに応じた駆動を行う。例えば、ユーザが図６のＺ軸方向（上方向）へ移動する操作コマンドの入力を行った場合には、マルチコプタ１００がピッチ角θを維持しながら、Ｚ軸方向へ移動するように、駆動部７４（回転翼２２）を制御する。また、マルチコプタ１００が天井に接触している状態で、ユーザがＸ軸方向（例えば右方向）へ移動する操作コマンドの入力を行った場合には、飛行制御部８２は、マルチコプタ１００が天井に接触した状態を維持するように上方への推力を発生させつつ、ピッチ角を調整して右方向へ移動するように制御する。

なお、ステップＳ２２において、接触を維持する制御を実行している間に、ユーザからの入力に応じて、又は所定時間間隔で、カメラ２８が撮影を行うこととしてもよい。これにより、橋梁の壁や天井の点検用の画像を撮影することができる。

次いで、ステップＳ２４では、接触状態推定部８４は、前述したステップＳ１６と同様にして、接触状態を推定する。

次いで、ステップＳ２６では、接触状態推定部８４は、接触状態に変化があったか否かを判断する。例えば、接触状態推定部８４は、左壁に接触した状態から、左壁及び天井に接触した状態に変化したか否かを判断する。ステップＳ２６の判断が肯定された場合には、ステップＳ２０に戻る。ステップＳ２０に戻ると、変化した接触状態に合わせて、ステップＳ２０〜Ｓ２６の処理を実行する。例えば、マルチコプタ１００が左壁に接触した状態から、左壁及び天井に接触した状態に変化した場合には、ステップＳ２０において、天井に接触したことを通知し、ステップＳ２２において、天井に接触した状態を維持する制御を行うようにする。

一方、ステップＳ２６の判断が否定された場合、すなわち、接触状態に変化がなかった場合には、ステップＳ２８に移行する。ステップＳ２８に移行すると、飛行制御部８２は、操作コマンド受付部８０が、接触している壁から離す操作コマンドを受け付けたか否かを判断する。このステップＳ２８の判断が否定された場合には、ステップＳ２２に戻るが、肯定された場合には、ステップＳ３０に移行する。なお、接触している壁から離す操作コマンドとは、例えば、マルチコプタ１００が左壁に接触している状態で、ユーザがマルチコプタ１００を右方向に移動させる操作コマンドを意味する。

ステップＳ３０に移行すると、飛行制御部８２は、自動張り付き制御をＯＦＦにし、ステップＳ１０に戻る。なお、自動張り付き制御をＯＦＦにした場合、表示制御部８６は、自動張り付き制御がＯＦＦになったことを表示部７８に表示する。また、表示制御部８６は、同様の表示をコントローラ装置２００の表示部１７８に行わせるための表示指示を、通信部７２を介して制御部１７０に送信する。

以上、詳細に説明したように、本第１の実施形態によると、接触状態推定部８４が、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８からの信号（接触のＯＮ／ＯＦＦ信号）に基づいて、マルチコプタ１００が壁や天井に接触しているか否かを判断し（Ｓ１８）、壁や天井に接触していると判断した場合（Ｓ１８：肯定）に、飛行制御部８２は、壁や天井とマルチコプタ１００との接触を維持するように推力を発生させた状態で、コントローラ装置２００から送信された操作コマンドに対応する方向にマルチコプタ１００を移動させる。これにより、ユーザは、壁や天井との接触を維持することを考慮した操作を行わなくても、簡単に壁や天井に沿ってマルチコプタ１００を移動させることが可能となる。したがって、マルチコプタ１００が壁や天井近傍で不安定な飛行を行うのを抑制することができるので、マルチコプタ１００の墜落等の発生を低減することができる。

また、本第１の実施形態では、壁の傾きが変化するような場合（例えば、橋梁の橋脚のように、下半分が鉛直方向に平行な面であり、上半分が鉛直方向及び水平方向に交差する方向に広がる面である場合）であっても、ユーザは簡易な操作によりマルチコプタ１００を壁に沿って移動させることが可能である。

また、本第１の実施形態によると、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８は、壁や天井との接触により受ける外力を検知するセンサであるので、簡易な構成により、壁や天井との接触を検知することができる。

また、本第１の実施形態によると、マルチコプタ本体２０が回転翼２２を有し、マルチコプタ本体２０に固定されたフレーム３２に車輪３４が回転可能に支持され、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８は、フレーム３２の２つの車輪３４の間に設けられた接触センサ保持部材５０に設けられ、２つの車輪３４が壁や天井に接触したタイミングで、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８の少なくとも１つが接触を検知する。これにより、車輪３４が壁や天井に接触した状態を、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８の少なくとも１つにより検出することが可能となっている。

なお、上記第１の実施形態では、接触センサが８つ設けられた場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、接触センサの数を８つよりも多く、又は少なくしてもよい。

なお、上記第１の実施形態では、接触センサ保持部材５０を１つ設け、接触センサ保持部材５０に接触センサＣＳ１〜ＣＳ８を設ける場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、図７（ａ）に模式的に示すように、接触センサ保持部材５０を２つ設け、各接触センサ保持部材５０に複数の接触センサＣＳを設けることとしてもよい。なお、接触センサＣＳの数は８個以外であってもよい。この場合、図７（ｂ）に示すように、２つの接触センサ保持部材５０に設ける接触センサＣＳの位置（角度位相）をずらしてもよい。

なお、上記第１の実施形態では、図８に示すように、各接触センサＣＳ１〜ＣＳ８のローラ５６近傍をリング状の連結部材１０２で接続してもよい。なお、図８においては、図示の便宜上、車輪３４の図示を省略している。図８のように、各接触センサＣＳ１〜ＣＳ８を連結部材１０２で連結することで、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８の配置間隔が大きい場合でも、全周囲の接触を検知することが可能となる。例えば、図９（ａ）に示すように、接触センサＣＳ４、ＣＳ５において、接触がＯＮの信号出力があったとする。この場合、図９（ａ）において破線で示すように、接触センサＣＳ４、ＣＳ５の間において壁に接触している（図９（ｂ）の状態となっている）と推定することができる。この場合、推定接触角は、次式（１）より求めることができる。なお、次式（１）では、接触を検知した角度のうち大きいほうの角度をφ１、小さいほうの角度をφ２としている。
推定接触角＝（φ１−φ２）／２＋φ２ …（１）

なお、連結部材１０２を設けた場合の連結部材１０２の自重の影響や、風などの外乱による影響によって接触センサＣＳ１〜ＣＳ８が誤検出するのを防ぐため、図１０に示すように、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８の接触スイッチ５２と押下部材５４との間に弾性部材（バネ等）５８を設けてもよい。この場合、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８それぞれに設ける弾性部材５８の弾性係数を異ならせることで、各接触センサＣＳ１〜ＣＳ８の感度を調整することができる。これにより、連結部材１０２の自重の影響や、風などの外乱による影響による誤検出を抑制することができる。

なお、上記第１の実施形態では、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８が、接触のＯＮ／ＯＦＦを検知するセンサ（スイッチ）である場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、接触スイッチ５２に代えて力センサを用いることとしてもよい。このようにすることで、マルチコプタ１００と壁や天井との接触方向、及び壁や天井との接触力を検知することが可能となる。例えば、図８の例において力センサを用いることで、図１１に示すように、接触角のみならず、接触力を検知することができる。この場合、マルチコプタ１００に作用する接触力（推定接触力）と推定接触力が作用する角度（推定接触角）を次式（２）、（３）より求めることができる。なお、次式（２）、（３）では、接触を検知した角度のうち大きいほうの角度をφ１、角度φ１における接触力をＦ１、小さいほうの角度をφ２、角度φ２における接触力をＦ２としている。
推定接触力＝Ｆ１＋Ｆ２ …（２）
推定接触角＝（Ｆ１／推定接触力）×（φ１−φ２）＋φ２ …（３）

≪第２の実施形態≫
次に、第２の実施形態について図１２〜図１６に基づいて説明する。図１２には、本第２の実施形態に係るマルチコプタ１００’及びコントローラ装置２００の制御系がブロック図にて示されており、図１３には、図１２の制御部の機能ブロック図が示されている。本第２の実施形態のマルチコプタ１００’は、図１２と図３とを比較するとわかるように、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８を有していない点が、第１の実施形態と異なる。また、本第２の実施形態のマルチコプタ１００’の制御部７０は、図１３と図４とを比較するとわかるように、接触状態推定部８４が、操作コマンド受付部８０が受け付けた操作コマンドと、慣性センサからの出力とに基づいて、接触状態を推定する点が、第１の実施形態と異なる。

具体的には、本第２の実施形態の接触状態推定部８４は、ユーザによって入力される目標値（操作コマンド）と、その操作によって生じたマルチコプタの動き（マルチコプタに搭載された慣性センサ７６の出力）の対応関係から壁や天井との接触状態を推定する。操作コマンドには、ヨー角速度、ロール角度、ピッチ角度、スロットル値が含まれ、慣性センサの出力には、加速度、角速度が含まれる。以下、接触状態推定部８４による推定方法について、３つの例を挙げて詳細に説明する。

（第１の推定方法（ルールベース））
第１の推定方法としては、予め定めたルールに基づいて、操作コマンド（ピッチ角）と慣性センサ７６の出力（角速度）とから、接触状態を推定する。なお、本説明では、説明の簡素化のため、マルチコプタ１００’が図１４（ａ）に示すように左壁に接触した状態（左接触状態）であるか、天井に接触した状態（上接触状態）であるかを判定するルールについて説明する。

図１４（ｂ）には、予め定めたルールを適用した場合の接触状態推定部８４の処理を示すフローチャートである。図１４（ｂ）に示すように、接触状態推定部８４は、まず、ステップＳ５０において、左接触状態であるか否かを判断する。初期状態では、マルチコプタ１００’は地上に存在するなどして、左接触状態にはないため、ステップＳ５０の判断は否定され、ステップＳ５２に移行する。

ステップＳ５２に移行すると、接触状態推定部８４は、操作コマンドのピッチ角（図１４（ａ）参照）が０よりも大きく、かつ慣性センサ７６の出力がＸ軸方向に減速していることを示しているか否かを判断する。ここでの判断が肯定された場合、すなわち、ユーザがＸ軸方向（図１４（ａ）の左方向）に移動するように操作しているにも関わらず、操作コマンドに応じた推力が発生していない場合には、ステップＳ５４に移行し、左壁に接触している（左接触状態）と判定する。その後は、ステップＳ５０に戻る。

一方、ステップＳ５２の判断が否定された場合、すなわち、ユーザがＸ軸方向に移動するように操作し、操作コマンドに応じた推力が発生されている場合には、どこにも接触していないため、接触判定を行わずに、ステップＳ５０に戻る。

ステップＳ５４を経て、ステップＳ５０に戻ると、ステップＳ５０の判断は肯定される。この場合、ステップＳ５６に移行し、接触状態推定部８４は、スロットルが０よりも大きく、かつ、Ｚ軸方向に減速し、かつ、Ｘ軸角速度が０であるか否かを判断する。すなわち、ユーザがＺ軸方向（図１４（ａ）の上方向）に移動するように操作しているにもかかわらず、操作コマンドに応じた推力が発生しておらず、Ｘ軸回りにも動けなくなっている場合に、ステップＳ５６の判断は肯定され、ステップＳ５８に移行する。

ステップＳ５８では、接触状態推定部８４は、天井に接触している（上接触状態）と判定する。その後は、ステップＳ５０に戻る。一方、ステップＳ５６の判断が否定された場合には、左接触状態が維持されていると判断できるので、ステップＳ５０に戻る。

以上の処理を繰り返すことで、マルチコプタ１００’が左接触状態にあるか、上接触状態にあるかを推定することが可能となっている。

（第２の推定方法（モデルベース））
第２の推定方法としては、動力学モデルに基づいて、接触状態を推定する。具体的には、図１５に示すように、マルチコプタ１００’の質量をｍ、操作コマンド（ピッチ角）をθ、操作コマンド（スロットル量）をｆ、加速度をａ、壁から受ける力（接触力）をＮとし、接触状態推定部８４は、次式（４）より、接触力Ｎを算出する。
Ｎ＝ｆsinθ−ｍａ …（４）

そして、接触状態推定部８４は、接触力Ｎが０よりも大きい場合に、左壁に接触していると推定する。なお、天井や右壁であっても、同様に推定することができる。

（第３の推定方法（学習ベース））
図１６（ａ）、図１６（ｂ）には、第３の推定方法について説明するための図が示されている。第３の推定方法では、図１６（ａ）に示すように、操作コマンド（ピッチ角θ）と、慣性センサ７６の出力（Ｘ軸加速度）と、実際の接触状態を予め与えて、学習させる。そして、接触状態推定部８４は、接触状態を推定する際には、操作コマンド（ピッチ角θ）と慣性センサ７６の出力（Ｘ軸加速度）と、学習結果とから、接触状態を推定する。

以上のように、第１〜第３の推定方法のいずれを用いても、マルチコプタ１００’と壁や天井との接触状態を精度よく推定することができる。

以上、詳細に説明したように、本第２の実施形態によると、接触状態推定部８４は、マルチコプタ１００’に作用する慣性力を検出する慣性センサによる検出結果とコントローラ装置２００から送信された操作コマンドとに基づいて、壁や天井との接触を検知する。これにより、本第２の実施形態では、マルチコプタ１００’の飛行に必要な、予めマルチコプタ１００’が備えている慣性センサを用いて、接触状態を推定できるため、接触状態を推定するために別のセンサを用意する場合よりもマルチコプタの軽量化、構造の簡素化を図ることが可能となる。また、マルチコプタの軽量化や構造の簡素化により、飛行時間の減少や飛行安定性の低下を抑制することができる。

なお、上記第２の実施形態では、壁面（例えば左壁）に対して接触している場合（図１５等参照）、マルチコプタ１００’はＺ軸回りに回転することがない。しかしながら、風などの外乱により、図１７に示すようにマルチコプタ１００’がＺ軸回りに回転する場合がある。このため、慣性センサ７６が当該Ｚ軸回りの回転を検出した場合には、飛行制御部８２は、回転角度や回転速度に応じて張り付き力ｆを増加させるように制御してもよい。これにより、風などの外乱により壁面との接触が解除されるのを防止することができる。

なお、上記第１の実施形態の構成を採用し、上記第１の実施形態の接触状態の推定方法と、上記第２の実施形態で説明した接触状態の推定方法のいずれにより推定を行うかを、ユーザが選択できるようにしてもよい。これにより、ユーザは、状況に適した推定方法を選択することが可能となる。

≪第３の実施形態≫
次に、第３の実施形態について、図１８〜図２０に基づいて説明する。本第３の実施形態のマルチコプタ１００”は、第１の実施形態のマルチコプタ１００と同様の構成（ここでは、一例として図８の構成であるとする）を有しているものとする。本第３の実施形態では、慣性センサ７６の出力と、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８の出力の両方を用いて、壁や天井との接触状態を判定する。以下、本第３の実施形態における、接触状態推定部８４による推定方法について、詳細に説明する。

（第１の推定方法（ルールベース））
第１の推定方法としては、予め定めたルールに基づいて、操作コマンド（ピッチ角）と慣性センサの出力（角速度）、及び接触センサＣＳ１〜ＣＳ８の出力から、接触状態を推定する。なお、本説明では、説明の簡素化のため、マルチコプタ１００”が図１８（ａ）に示すように左壁に接触した状態（左接触状態）であるか、天井に接触した状態（上接触状態）であるかを判定するルールについて説明する。

図１８（ｂ）には、予め定めたルールを適用した場合の接触状態推定部８４の処理を示すフローチャートである。図１８（ｂ）に示すように、接触状態推定部８４は、まず、ステップＳ１５０において、左接触状態であるか否かを判断する。初期状態では、マルチコプタ１００”は地上に存在するなどして、左接触状態にはないため、ステップＳ１５０の判断は否定され、ステップＳ１５２に移行する。

ステップＳ１５２に移行すると、接触状態推定部８４は、操作コマンドのピッチ角が０よりも大きく、かつ慣性センサ７６の出力がＸ軸方向に減速していることを示しているか否かを判断する。ここでの判断が肯定された場合、すなわち、ユーザがＸ軸方向（図１８（ａ）の左方向）に移動するように操作しているにも関わらず、操作コマンドに応じた推力が発生していない場合には、ステップＳ１５４に移行し、接触状態推定部８４は、左側の接触センサの接触がＯＮであるか否かを判断する。左側の接触センサとは、例えば、図８の接触センサＣＳ１、ＣＳ２，ＣＳ８の少なくとも１つを意味する。このステップＳ１５４の判断が肯定された場合には、ステップＳ１５６に移行し、接触状態推定部８４は、左壁に接触している（左接触状態）と判定する。その後は、ステップＳ１５０に戻る。

一方、ステップＳ１５２の判断が否定された場合、すなわち、ユーザがＸ軸方向に移動するように操作し、操作コマンドに応じた推力が発生されている場合には、どこにも接触していないため、接触判定を行わずに、ステップＳ１５０に戻る。また、ステップＳ１５４の判断が否定された場合には、接触センサの出力からは左壁に接触していないと推定できるにもかかわらず、慣性センサ７６の出力からは左壁に接触しているのと同様の挙動を示していることになる。この場合、接触状態推定部８４は、ステップＳ１５８に移行して、右方向の風の影響を受けていると判定し、ステップＳ１５０に戻る。

ステップＳ１５６の処理を経た後、ステップＳ１５０に戻ると、ステップＳ１５０の判断は肯定される。この場合、ステップＳ１６０に移行し、接触状態推定部８４は、スロットルが０よりも大きく、かつ、Ｚ軸方向に減速しているか否かを判断する。すなわち、ユーザがＺ軸方向（図１４（ａ）の上方向）に移動するように操作しているにもかかわらず、操作コマンドに応じた推力が発生していない場合にはステップＳ１６０の判断が肯定され、接触状態推定部８４はステップＳ１６２に移行する。

ステップＳ１６２に移行すると、接触状態推定部８４は、上側の接触センサの接触がＯＮであるか否かを判断する。上側の接触センサとは、例えば、図８の接触センサＣＳ２、ＣＳ３，ＣＳ４の少なくとも１つを意味する。このステップＳ１６２の判断が肯定された場合には、ステップＳ１６４に移行し、接触状態推定部８４は、天井に接触している（上接触状態）と判定する。その後は、ステップＳ１５０に戻る。

一方、ステップＳ１６０の判断が否定された場合、すなわち、ユーザがＺ軸方向に移動するように操作し、操作コマンドに応じた推力が発生されている場合には、天井には接触しておらず左接触状態を維持していると推定されるため、接触状態推定部８４はそのままステップＳ１５０に戻る。また、ステップＳ１６２の判断が否定された場合には、接触センサの出力からは天井に接触していないと推定できるにもかかわらず、慣性センサ７６の出力からは天井に接触しているのと同様の挙動を示していることになる。この場合、接触状態推定部８４は、ステップＳ１６６に移行して、左接触状態を維持しつつ、下方向の風の影響を受けていると判定し、ステップＳ１５０に戻る。

以上の処理を繰り返すことで、マルチコプタ１００”が左接触状態にあるか、上接触状態にあるかを、慣性センサ７６及び接触センサＣＳ１〜ＣＳ８の出力に基づいて精度よく推定することが可能となっている。

（第２の推定方法（学習ベース））
図１９（ａ）、図１９（ｂ）には、第２の推定方法について説明するための図が示されている。なお、本第２の推定方法を適用する場合、マルチコプタ１００”としては、図８の構成を用い、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８として力センサを有するもの（接触力を検出できる接触センサ）を用いるものとする。

本第２の推定方法では、図１９（ａ）に示すように、操作コマンド（ピッチ角θ）と、慣性センサ７６の出力（Ｘ軸加速度）と、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８の出力から求まる左側からの接触力（Ｎ）と、実際の接触状態を予め与えて、学習させる。なお、左側からの接触力とは、第１の実施形態の変形例の式（２）から求まる推定接触力（図１１参照）を意味する。

そして、接触状態推定部８４は、接触状態を推定する際には、操作コマンド（ピッチ角θ）と慣性センサ７６の出力（Ｘ軸加速度）と左側からの接触力（Ｎ）と、学習結果とから、接触状態を推定する。

このようにしても、接触状態を精度よく推定することができる。

（離れた角度の推定方法）
本第３の実施形態では、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８と慣性センサ７６の出力を用いることとしているので、図２０（ａ）に示すように、壁面に接触していたマルチコプタ１００”が回転した場合（片側の車輪３４が壁から離れた場合）でも、図２０（ｂ）に示す処理により、離れた角度θを推定することができる。なお、図２０（ｂ）の処理は、マルチコプタ１００”が壁面に接触している状態（接触センサＣＳ１〜ＣＳ８のいずれかがＯＮを出力している状態）から開始される処理である。

図２０（ｂ）の処理では、まず、ステップＳ２００において、接触状態推定部８４は、接触センサＣＳ１〜ＣＳ８がすべてＯＦＦを出力するまで待機する。接触センサＣＳ１〜ＣＳ８がすべてＯＦＦを出力すると、接触状態推定部８４は、ステップＳ２０２に移行し、Ｚ軸回りの推定角度を初期化済みであるか否かを判断する。このステップＳ２０２の判断が否定された場合には、ステップＳ２０４に移行し、接触状態推定部８４は、Ｚ軸回りの推定角度を初期化（＝０）し、ステップＳ２０６に移行する。

一方、ステップＳ２０２の判断が肯定された場合には、ステップＳ２０６に直接移行する。ステップＳ２０６に移行すると、接触状態推定部８４は、Ｚ軸回りの角速度を積分し、これまでにマルチコプタ１００”がＺ軸回りに回転した角度を推定する。その後は、ステップＳ２００に戻る。

図２０（ｂ）の処理においては、ステップＳ２０６が繰り返し実行されることで、マルチコプタ１００”の回転角度を適宜推定することが可能となっている。

以上、詳細に説明したように、本第３の実施形態によると、慣性センサ７６の出力と接触センサＣＳ１〜ＣＳ８の出力とを用いて、マルチコプタ１００”の接触状態を推定するので、風などの外乱による影響を考慮して接触状態を精度よく推定することができる。

なお、上記の処理機能は、コンピュータによって実現することができる。その場合、処理装置が有すべき機能の処理内容を記述したプログラムが提供される。そのプログラムをコンピュータで実行することにより、上記処理機能がコンピュータ上で実現される。処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体（ただし、搬送波は除く）に記録しておくことができる。

プログラムを流通させる場合には、例えば、そのプログラムが記録されたＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）などの可搬型記録媒体の形態で販売される。また、プログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することもできる。

プログラムを実行するコンピュータは、例えば、可搬型記録媒体に記録されたプログラムもしくはサーバコンピュータから転送されたプログラムを、自己の記憶装置に格納する。そして、コンピュータは、自己の記憶装置からプログラムを読み取り、プログラムに従った処理を実行する。なお、コンピュータは、可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、そのプログラムに従った処理を実行することもできる。また、コンピュータは、サーバコンピュータからプログラムが転送されるごとに、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行することもできる。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これ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内において種々変形実施可能である。

なお、以上の第１〜第３の実施形態の説明に関して、更に以下の付記を開示する。
（付記１） ユーザが操作するコントローラ装置と通信する飛行装置であって、
接触検知部からの信号に基づいて、前記飛行装置が対象物に接触しているか否かを判定する判定部と、
前記判定部が前記対象物に接触していると判定した場合に、前記対象物と前記飛行装置との接触を維持するように推力を発生させた状態で、前記コントローラ装置から送信された操作コマンドに対応する方向に前記飛行装置を移動させる推力制御部と、を備える飛行装置。
（付記２） 前記接触検知部は、前記対象物との接触により受ける外力を検知する複数の接触センサを含む、ことを特徴とする付記１に記載の飛行装置。
（付記３） 回転翼を有する飛行装置本体と、
前記飛行装置本体に固定されたフレームに回転可能に支持された複数の車輪と、を備え、
前記複数の接触センサは、前記フレームの前記複数の車輪の間に設けられたリング状部材に設けられ、前記複数の車輪それぞれが前記対象物に接触したタイミングで、前記複数の接触センサの少なくとも１つが前記外力を検知する、ことを特徴とする付記２に記載の飛行装置。
（付記４） 前記フレームの前記複数の車輪の間には、前記リング状部材が複数設けられ、複数の前記リング状部材それぞれに複数の前記接触センサが設けられていることを特徴とする付記３に記載の飛行装置。
（付記５） 前記複数の接触センサを連結するリング状の連結部材を更に備え、
前記判定部は、前記対象物に前記連結部材が接触することにより、前記複数の接触センサのうちの少なくとも２つの接触センサで接触が検知された場合に、前記少なくとも２つの接触センサによる検知結果に基づいて、前記対象物の接触方向を推定することを特徴とする付記３又は４に記載の飛行装置。
（付記６） 前記複数の接触センサは、前記対象物との接触力を検知するセンサであり、
前記判定部は、前記対象物に前記連結部材が接触することにより、前記複数の接触センサのうちの少なくとも２つの接触センサで接触が検知された場合に、前記少なくとも２つの接触センサによる検知結果に基づいて、前記対象物の接触力及び接触方向を推定することを特徴とする付記５に記載の飛行装置。
（付記７） 前記複数の接触センサの前記対象物と接触する部分には、ローラが設けられていることを特徴とする付記２〜６のいずれかに記載の飛行装置。
（付記８） 前記接触検知部は、前記飛行装置に作用する慣性力を検出する慣性センサを含む、ことを特徴とする付記１〜７のいずれかに記載の飛行装置。
（付記９） 前記判定部は、前記コントローラ装置から送信された操作コマンドと、前記慣性センサによる検出結果とに基づいて、前記対象物との接触を判定することを特徴とする付記８に記載の飛行装置。
（付記１０） 前記接触検知部は、前記対象物との接触により受ける外力を検知する複数の接触センサと、前記飛行装置に作用する慣性力を検出する慣性センサを含み、
前記判定部は、前記慣性センサによる検出結果と、前記複数の接触センサによる検出結果とに基づいて、前記対象物との接触を判定するとともに、外乱による前記飛行装置への影響を判定する、ことを特徴とする付記１に記載の飛行装置。
（付記１１） ユーザが操作するコントローラ装置と通信する飛行装置を制御する飛行装置制御プログラムであって、
接触検知部からの信号に基づいて、前記飛行装置が対象物に接触しているか否かを判定し、
前記判定する処理において前記対象物に接触していると判定した場合に、前記対象物と前記飛行装置との接触を維持するように推力を発生させた状態で、前記コントローラ装置から送信された操作コマンドに対応する方向に前記飛行装置を移動させる、
処理をコンピュータに実行させるための飛行装置制御プログラム。
（付記１２）
ユーザが操作するコントローラ装置と通信する飛行装置を制御する飛行装置制御方法であって、
接触検知部からの信号に基づいて、前記飛行装置が対象物に接触しているか否かを判定し、
前記判定する処理において前記対象物に接触していると判定した場合に、前記対象物と前記飛行装置との接触を維持するように推力を発生させた状態で、前記コントローラ装置から送信された操作コマンドに対応する方向に前記飛行装置を移動させる、
処理をコンピュータが実行する飛行装置制御方法。

２０ マルチコプタ本体（飛行装置本体）
２２ 回転翼
３２ フレーム
３４ 車輪
５０ 接触センサ保持部材（リング状部材）
７６ 慣性センサ（接触検知部）
８２ 飛行制御部（推力制御部）
８４ 接触状態推定部（判定部）
１００ マルチコプタ（飛行装置）
１０２ 連結部材
２００ コントローラ装置
Ｓ１〜Ｓ８ 接触センサ（接触検知部）

Claims (10)

1. ユーザが操作するコントローラ装置と通信する飛行装置であって、
   接触検知部からの信号に基づいて、前記飛行装置が対象物に接触しているか否かを判定する判定部と、
   前記判定部が前記対象物に接触していると判定した場合に、前記対象物と前記飛行装置との接触を維持するように推力を発生させた状態で、前記コントローラ装置から送信された操作コマンドに対応する方向に前記飛行装置を移動させる推力制御部と、を備える飛行装置。
2. 前記接触検知部は、前記対象物との接触により受ける外力を検知する複数の接触センサを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の飛行装置。
3. 回転翼を有する飛行装置本体と、
   前記飛行装置本体に固定されたフレームに回転可能に支持された複数の車輪と、を備え、
   前記複数の接触センサは、前記フレームの前記複数の車輪の間に設けられたリング状部材に設けられ、前記複数の車輪それぞれが前記対象物に接触したタイミングで、前記複数の接触センサの少なくとも１つが前記外力を検知する、ことを特徴とする請求項２に記載の飛行装置。
4. 前記複数の接触センサを連結するリング状の連結部材を更に備え、
   前記判定部は、前記対象物に前記連結部材が接触することにより、前記複数の接触センサのうちの少なくとも２つの接触センサで接触が検知された場合に、前記少なくとも２つの接触センサによる検知結果に基づいて、前記対象物の接触方向を推定することを特徴とする請求項３に記載の飛行装置。
5. 前記複数の接触センサは、前記対象物との接触力を検知するセンサであり、
   前記判定部は、前記対象物に前記連結部材が接触することにより、前記複数の接触センサのうちの少なくとも２つの接触センサで接触が検知された場合に、前記少なくとも２つの接触センサによる検知結果に基づいて、前記対象物の接触力及び接触方向を推定することを特徴とする請求項４に記載の飛行装置。
6. 前記接触検知部は、前記飛行装置に作用する慣性力を検出する慣性センサを含む、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の飛行装置。
7. 前記判定部は、前記コントローラ装置から送信された操作コマンドと、前記慣性センサによる検出結果とに基づいて、前記対象物との接触を判定することを特徴とする請求項６に記載の飛行装置。
8. 前記接触検知部は、前記対象物との接触により受ける外力を検知する複数の接触センサと、前記飛行装置に作用する慣性力を検出する慣性センサを含み、
   前記判定部は、前記慣性センサによる検出結果と、前記複数の接触センサによる検出結果とに基づいて、前記対象物との接触を判定するとともに、外乱による前記飛行装置への影響を判定する、ことを特徴とする請求項１に記載の飛行装置。
9. ユーザが操作するコントローラ装置と通信する飛行装置を制御する飛行装置制御プログラムであって、
   接触検知部からの信号に基づいて、前記飛行装置が対象物に接触しているか否かを判定し、
   前記判定する処理において前記対象物に接触していると判定した場合に、前記対象物と前記飛行装置との接触を維持するように推力を発生させた状態で、前記コントローラ装置から送信された操作コマンドに対応する方向に前記飛行装置を移動させる、
   処理をコンピュータに実行させるための飛行装置制御プログラム。
10. ユーザが操作するコントローラ装置と通信する飛行装置を制御する飛行装置制御方法であって、
    接触検知部からの信号に基づいて、前記飛行装置が対象物に接触しているか否かを判定し、
    前記判定する処理において前記対象物に接触していると判定した場合に、前記対象物と前記飛行装置との接触を維持するように推力を発生させた状態で、前記コントローラ装置から送信された操作コマンドに対応する方向に前記飛行装置を移動させる、
    処理をコンピュータが実行する飛行装置制御方法。

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