JP2018090095A - 無人飛行装置、荷物運搬方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】飛行姿勢が変わっても、貨物を吊り下げた鉛直線の延長線と重心の不一致が生じない無人飛行装置を提供すること。【解決手段】自律飛行可能な無人飛行装置は、無人飛行装置１の本体部に貨物を吊り下げる紐状部材２０と、紐状部材２０を本体部の所定位置に固定する固定装置３０，４０と、を有し、固定装置３０，４０は、貨物を吊り下げた紐状部材２０の鉛直線の延長線上に本体部の重心が位置するように、本体部の姿勢に応じて、紐状部材２０の固定態様を調整する調整手段を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、無人飛行装置、荷物運搬方法及びプログラムに関する。

従来、小型無人ヘリコプター（ドローンとも呼ばれる）の利用が提案されている。

特開２００４−２５６０２０号公報

近年、小型無人ヘリコプターによる荷物の運搬の利用が検討されている。荷物の運搬に際して、小型無人ヘリコプター特有の問題がある。例えば、図９（ａ）に示すように、小型無人ヘコプター２００は、仮想平面２０２内に、プロぺラ２０６，２０８，２１０及び２１２を有する。小型無人ヘリコプター２００は、仮想平面２０２の中心に重心ＣＧを有するように構成されている。図９（ｂ）及び（ｃ）は、便宜上、仮想平面２０２を立体的に示している。小型無人ヘリコプター２００は、プロペラ２０６等の回転を制御することで、前後左右への移動や方向転換を行う。例えば、図９（ｂ）に示すように、小型無人ヘリコプター２００が空中停止しているときに、小型無人ヘリコプター２００から荷物２１６を吊り下げたロープ２１４の鉛直線の延長線上に重心ＣＧが位置するとする。小型無人ヘリコプター２００が、矢印Ｘ１方向に進むためには、プロぺラ２１０及び２１２の回転数を上げる。そうすると、小型無人ヘリコプター２００の機体は図９（ｃ）に示す様に傾いて、矢印Ｘ１方向へ進行する。ところで、機体が傾くと、ロープ２１４の鉛直線の延長線上に重心ＣＧが位置しなくなる。ロープ２１４の鉛直線の延長線と重心ＣＧの不一致は、矢印Ｚ１に示す様に、小型無人ヘリコプター２００の進行を妨げる力となる。このため、小型無人ヘリコプター２００が進行するために、余分なモーター出力を要する。また、ロープ２１４の鉛直線の延長線と重心ＣＧの不一致の程度は、小型無人ヘリコプター２００の進行速度によって異なり、一様ではないから、制御が複雑である。

本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、飛行姿勢が変わっても、貨物を吊り下げた鉛直線の延長線と重心の不一致が生じない無人飛行装置を提供することを目的とする。

自律飛行可能な無人飛行装置であって、前記無人飛行装置の本体部に貨物を吊り下げる紐状部材と、前記紐状部材を前記本体部の所定位置に固定する固定装置と、を有し、前記固定装置は、前記貨物を吊り下げた前記紐状部材の鉛直線の延長線上に前記本体部の重心が位置するように、前記本体部の姿勢に応じて、前記紐状部材の固定態様を調整するように構成されている、無人飛行装置である。

第一の発明の構成によれば、固定装置が、貨物を吊り下げた紐状部材の鉛直線の延長線上に本体部の重心が位置するように、本体部の姿勢に応じて、紐状部材の固定態様を調整するから、飛行姿勢が変わっても、貨物を吊り下げた紐状部材の鉛直線の延長線と重心の不一致が生じない。

第二の発明は、第一の発明の構成において、前記固定装置は、回転可能部分を有し、前記貨物の質量によって、前記貨物を吊り下げた前記紐状部材の鉛直線の延長線上に前記本体部の重心が位置するように回転するように構成されている、無人飛行装置である。

第三の発明は、第一の発明の構成において、前記無人飛行体装置の飛行姿勢を算出する飛行姿勢算出手段と、前記飛行姿勢に応じて、前記固定装置の回転可能部分を制御する固定装置制御手段と、を有する無人飛行装置である。

第四の発明は、本体部に貨物を吊り下げる紐状部材と、前記紐状部材を前記本体部の所定位置に固定する固定装置とを有し、自律飛行可能な無人飛行装置による貨物運搬方法であって、前記無人飛行体装置の飛行姿勢を算出する飛行姿勢算出ステップと、前記飛行姿勢に応じて、前記固定装置を制御する固定装置制御ステップと、を有する貨物運搬方法である。

第五の発明は、本体部に貨物を吊り下げる紐状部材と、前記紐状部材を前記本体部の所定位置に固定する固定装置とを有し、自律飛行可能な無人飛行装置を制御するコンピュータを、前記無人飛行体装置の飛行姿勢を算出する飛行姿勢算出手段、前記飛行姿勢に応じて、前記固定装置を制御する固定装置制御手段、として機能させるためのプログラムである。

本発明によれば、飛行姿勢が変わっても、貨物を吊り下げた鉛直線の延長線と重心の不一致が生じない無人飛行装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る無人飛行装置を示す概略図である。 無人飛行装置の作用を示す概略図である。 無人飛行装置の要部を示す概略図である。 無人飛行装置の要部を示す概略図である。 無人飛行装置の要部の作用を示す概略図である。 本発明の第二実施形態に係る無人飛行装置の要部を示す概略図である。 無人飛行装置の機能構成を示す図である。 無人飛行装置の動きを示すフローチャートである。 従来例を示す概略図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態）について詳細に説明する。以下の説明においては、同様の構成には同じ符号を付し、その説明を省略又は簡略する。なお、当業者が適宜実施できる構成については説明を省略し、本発明の基本的な構成についてのみ説明する。

＜第一の実施形態＞
図１は、本発明の実施形態に係る無人飛行装置１（以下、「無人機１」と呼ぶ。）を示す概略図である。図１に示す無人機１は、所定の経路を自律飛行して、荷物の運搬など、所定の作業を実施する無人飛行装置の一例である。無人機１は、無人機１を管理する基地局（図示せず）と通信し、基地局からの指示で作業を開始し、また、基地局において充電等を行うようになっている。

無人機１は、筐体２を有する。筐体２には、無人機１の各部を制御するコンピュータ、無線通信装置、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用した測位装置、慣性センサー、バッテリー等が配置されている。また、筐体２には、カメラ固定装置（「ジンバル」とも呼ぶ。）１２を介してカメラ１４が配置されている。カメラ１４は、可視光カメラ、または、近赤外線カメラであるが、切り替え可能なハイブリッドカメラであってもよい。

筐体２には、丸棒状のアーム４が接続されている。各アーム４にはモーター６が接続されており、各モーター６にはプロペラ８が接続されている。各モーター６は、筐体２内のコンピュータによってそれぞれ独立して制御され、無人機１を上下水平方向の移動や空中での停止（ホバリング）及び姿勢制御を自在に行うことができるようになっている。アーム４には保護枠１０が接続され、プロペラ８が外部の物体に直接接触することを防止している。アーム４及び保護枠１０は、例えば、炭素繊維強化プラスチックで形成されており、強度を保ちつつ、軽量に構成されている。

筐体２には、紐状部材２０を固定する固定装置３０が配置されている。筐体２、アーム４、モーター６、プロペラ８及び保護枠１０が、無人機１の本体部である。筐体２及び固定装置３０の概略拡大図に示す様に、固定装置３０の略上半分は、筐体２内部に格納されて、筐体２に固定されている。紐状部材２０の端部には、荷物２２が吊り下げられるようになっている。固定装置３０によって、荷物２２を吊り下げた紐状部材２０の鉛直線の延長線上に、無人機１の重心が位置するように構成されている。固定装置３０は、固定手段の一例である。無人機１の本体部は、固定装置３０、紐状部材２０及び貨物２２以外の構成である。無人機１の本体部の重心は、平面視において、その中央部に位置するように構成されている。

図２に示すように、無人機１が矢印Ｘ１方向に進行するときには、無人機１が傾き、４つのプロペラ８で構成される仮想平面は、図１の水平状態と比べて、例えば、角度θの傾きを有する。無人機１の姿勢がこのように傾いても、回転可能な部分を有する固定装置３０によって、依然として、荷物２２を吊り下げた紐状部材２０の鉛直線の延長線上に、無人機１の重心が位置する。本明細書において、荷物２２を吊り下げた紐状部材２０の鉛直線の延長線上に、無人機１の重心が位置する状態を「重心一致状態」と呼ぶ。無人機１の固定装置３０は、重心一致状態を維持するように、無人機１の本体部の姿勢に応じて、紐状部材２０の固定態様を調整するように構成されている。

図３に示す様に、固定装置３０は、第一部材３２、第二部材３６及び中間部材３４から構成される。第一部材３２及び第二部材３６は、略円柱状の形状に構成され、内部には、それぞれ、開口部を有する略球形の球状空間３２ｃ，３６ｃが形成されている。第一部材３２の下面３２ｂには球状空間３２ｃの開口部が形成されており、第二部材３６の上面３６ａには球状空間３６ｃの開口部が形成されている。第一部材３２は、筐体２の内部に固定される。第二部材３６の下面３６ｂ近傍には、紐状部材２０が固定される。

図３及び図４に示す様に、中間部材３４は、両端が略球状に拡径した略円柱状の部材であり、胴体部３４ｂの両端に球状部３４ａ及び３４ｃが形成されている。球状部３４ａ及び３４ｃの直径は、球状空間３２ｃ及び３６ｃの直径よりも小さく、球状空間３２ｃ及び３６ｃの開口部の直径よりも大きい。このため、中間部材３４の球状部３４ａ及び３４ｃが、球状空間３２ｃ及び３６ｃにそれぞれ配置されることで、第一部材３２、第二部材３６及び中間部材３４は、相対的に回転可能な状態で接続される。

中間部材３４と第一部材３２は、第一部材３２の円周方向に相対的に３６０度回転可能であり、円周方向と直交する方向には、下面３２ｂが胴体部３４ｂと接するまで、いずれの方向にも略９０度回転可能である。中間部材３４と第二部材３６は、第二部材３６の円周方向に相対的に３６０度回転可能であり、円周方向と直交する方向には、上面３６ａが胴体部３４ｂと接するまで、いずれの方向にも略９０度回転可能である。このため、図５に示す様に、例えば、無人機１が傾き、その結果として、筐体２の内部に固定された第一部材３２が傾いた場合であっても、荷物２２の質量によって、中間部材３４は第一部材３２に対して回転し、重心一致状態を維持する。また、風によって、紐状部材２０が傾いた場合には、主に、中間部材３４と第二部材３６との相対的な回転によって、やはり、重心一致状態を維持する。

なお、固定装置３０の構成は、本実施形態に限定されず、重心一致状態を維持するように自由回転可能なものであればよい。例えば、第二の実施形態の固定装置４０の構成からサーボモーターを除外し、各軸が自由に回転できるような構成を採用してもよい。

＜第二の実施形態＞
第二の実施形態について、第一の実施形態と異なる部分について、説明する。

図６に示すように、第二の実施形態の固定装置４０は、第一部材４２及び第二部材４４を有する。固定装置４０は、固定手段の一例である。固定装置４０は、それぞれ直交する３軸で回転するようになっている。

第一部材４２の上部４２ａは、サーボモーター５２の軸５４に接続されている。サーボモーター５２は、筐体２に固定されている。サーボモーター５２によって、第一部材４２は、筐体２に対して、矢印Ｃ１方向及び矢印Ｃ２方向に回転する。

第一部材４２にはサーボモーター４６が配置されている。サーボモーター４６の軸（図示せず）には、第二部材４４が固定されている。サーボモーター４６によって、第一部材４２と第二部材４４は、矢印Ａ１方向及びＡ２方向に相対的に回転する。

第二部材４４は、腕部４４ａ及び４４ｂを有し、腕部４４ｂにはサーボモーター４８が配置され、その軸４８ａの一方の端部は、腕部４４ａに配置された軸受（図示せず）に保持されている。軸４８ａには、円柱状部材５０が接続されている。円柱状部材５０には、紐状部材２０が固定されている。サーボモーター４８によって、円柱状部材５０及び紐状部材２０は、矢印Ｂ１方向（紙面手前から後ろ側）及び矢印Ｂ２方向（紙面後ろ側から手前方向）に回転可能になっている。無人機１の固定装置４０は、重心一致状態を維持するように、無人機１の本体部の姿勢に応じて、紐状部材２０の固定態様を調整するように構成されている。

図７は、無人機１の機能構成を示す図である。図７に示すように、無人機１は、ＣＰＵ１００、記憶部１０２、無線通信部１０４、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）部１０６、慣性センサー部１０８、駆動制御部１１０、画像処理部１１２、固定装置制御部１１４、及び、電源部１１６を有する。

無人機１は、無線通信部１０４によって、基地局（図示せず）と通信可能になっている。無人機１は、無線通信部１０４によって、基地局から、発進指示等の指示を受信する。基地局は、コンピュータで構成されている。

無人機１は、ＧＰＳ部１０６と慣性センサー部１０８によって、無人機１自体の位置を測定することができる。ＧＰＳ部１０６は、基本的に、３つ以上のＧＰＳ衛星からの電波を受信して無人機１の位置を計測する。慣性センサー部１０８は、例えば、加速度センサー及びジャイロセンサーによって、出発点からの無人機１の移動を積算して、無人機１の位置を計測する。無人機１自体の位置情報は、無人機１の移動経路の決定及び自律移動のために使用する。

画像処理部１１２によって、無人機１はカメラ１４を作動させて外部の画像を取得することができる。

駆動制御部１１０によって、無人機１はそれぞれモーター６の回転を制御し、上下水平移動や空中停止、傾きなどの姿勢を制御するようになっている。

固定装置制御部１１４は、固定装置４０のサーボモーター４６、４８及び５２の回転を制御して、重心一致状態を維持するようになっている。

電源部１１６は、例えば、交換可能な可充電電池であり、無人機１の各部に電力を供給するようになっている。

記憶部１０２には、出発点から目的位置まで自律移動するための移動計画を示すデータ等の自律移動に必要な各種データ及びプログラム、作業予定領域の地形、形状や構造物の位置を示す情報のほか、以下の各プログラムが格納されている。

記憶部１０２には、飛行姿勢算出プログラム、及び、固定装置制御プログラムが格納されている。記憶部１０２は記憶手段の一例である。ＣＰＵ１００と飛行姿勢算出プログラムは、飛行姿勢算出手段の一例である。ＣＰＵ１００と固定装置制御プログラムは、固定装置制御手段の一例である。

無人機１は、飛行姿勢算出プログラムによって、飛行姿勢を算出する。具体的には、ＣＰＵ１００が、飛行計画と現在位置及び現在の飛行速度及び飛行姿勢に基づいて、進行方向及び進行速度を算出する。そして、進行方向と進行速度の情報に基づいて、各プロペラの回転数を算出し、無人機１が傾く方向及び傾く角度を算出する。

無人機１は、固定装置制御プログラムによって、固定装置制御部１１４を介して、固定装置４０のサーボモーター４６、４８及び５２の回転を制御する。固定装置制御プログラムは、飛行姿勢算出プログラムによって算出した、無人機１が傾く方向及び傾く角度を使用する。これにより、無人機１の姿勢が変わるのと実質的に同時に固定装置４０を駆動し、重心一致状態を維持することができる。

図８に、無人機１の動作を示す。無人機１は、無人機１の移動態様（飛行姿勢）が変更するか否かを判断し（図８のステップＳＴ１）、移動態様が変更する場合には、重心一致状態を維持するために必要な固定装置４０の回転を算出し（ステップＳＴ２）、固定装置４０を回転する（ステップＳＴ３）。

なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

１ 無人機
２０ 紐状部材
２２ 荷物
３０，４０ 固定装置

Claims (5)

1. 自律飛行可能な無人飛行装置であって、
   前記無人飛行装置の本体部に貨物を吊り下げる紐状部材と、
   前記紐状部材を前記本体部の所定位置に固定する固定装置と、
   を有し、
   前記固定装置は、前記貨物を吊り下げた前記紐状部材の鉛直線の延長線上に前記本体部の重心が位置するように、前記本体部の姿勢に応じて、前記紐状部材の固定態様を調整するように構成されている、
   無人飛行装置。
2. 前記固定装置は、回転可能部分を有し、前記貨物の質量によって、前記貨物を吊り下げた前記紐状部材の鉛直線の延長線上に前記本体部の重心が位置するように回転するように構成されている、
   請求項１に記載の無人飛行装置。
3. 前記無人飛行体装置の飛行姿勢を算出する飛行姿勢算出手段と、
   前記飛行姿勢に応じて、前記固定装置の回転可能部分を制御する固定装置制御手段と、
   を有する請求項１に記載の無人飛行装置。
4. 本体部に貨物を吊り下げる紐状部材と、前記紐状部材を前記本体部の所定位置に固定する固定装置とを有し、自律飛行可能な無人飛行装置による貨物運搬方法であって、
   前記無人飛行体装置の飛行姿勢を算出する飛行姿勢算出ステップと、
   前記飛行姿勢に応じて、前記固定装置を制御する固定装置制御ステップと、
   を有する貨物運搬方法。
5. 本体部に貨物を吊り下げる紐状部材と、前記紐状部材を前記本体部の所定位置に固定する固定装置とを有し、自律飛行可能な無人飛行装置を制御するコンピュータを、
   前記無人飛行体装置の飛行姿勢を算出する飛行姿勢算出手段、
   前記飛行姿勢に応じて、前記固定装置を制御する固定装置制御手段、
   として機能させるためのプログラム。