JP2019040309A

JP2019040309A - 飛行体及び複数の飛行体による編隊飛行制御方法

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Publication number: JP2019040309A
Application number: JP2017160413A
Authority: JP
Inventors: 菊池　功; Isao Kikuchi; 功菊池
Original assignee: Kikuchi Seisakusho Co Ltd
Current assignee: Kikuchi Seisakusho Co Ltd
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2037-08-23
Also published as: JP7019240B2

Abstract

【課題】屋外のライブイベント等において複数の飛行体による空間演出を実現すること。【解決手段】飛行制御方法は、第１の飛行体であるコマンダ機１と、複数の第２の飛行体であるプレイヤ機２とにより１個の編隊を構成し、コマンダ機１を遠隔操縦し、コマンダ機１からの指令信号に従ってプレイヤ機２を自律飛行させる。各プレイヤ機２が、コマンダ機１に対する自機の相対位置が、メモリに記憶された隊形情報１６８が示すパート位置となるように自機を飛行制御することで、隊形情報１６８に基づく飛行隊形で編隊全体を統率して飛行させることができる。また、コマンダ機１の指令に従いながらプレイヤ機２が自律飛行することで、複数の飛行体を様々な態様で動作させる空間演出を行うことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、無人で飛行する飛行体、及び複数の無人飛行体を編隊飛行させるための飛行制御方法に関する。

無人航空機の一種であるマルチコプタは、垂直軸回りに回転駆動される複数の回転翼を備え、それぞれの回転翼の回転数の制御により、垂直飛行や水平飛行などを行う。また、マルチコプタは、ホバリング飛行能力を有しており、地震、津波、火山などの自然災害や、化学工場爆発、海難事故など、人が容易には近づけない災害現場における空撮など、被災状況の詳細な調査に期待がよせられている。

また、このようなマルチコプタの他の利用形態として、例えば屋外でのライブイベントなどで観客の目を楽しませるために、大空に多数のマルチコプタを編隊飛行させることによる空間演出が考えられる。しかし、複数のマルチコプタを個々に遠隔操縦して、統率された編隊飛行を行うには技術的にも限界があり、また複数チャネルによる電波干渉の課題も残されている。

このような無人航空機の編隊飛行に関するものとして、例えば特許文献１には、飛行制御部により、編隊における自律飛行体の配置を定めた隊形情報に基づいて、編隊が避難誘導する隊形となるように自律飛行体のそれぞれを制御する自律飛行制御システムが提案されている。この自律飛行制御システムでは、マスタードローンがサーバからの避難方向を示す隊形情報を受信すると、スレーブドローンに対して移動する指示情報を生成し、各スレーブドローンの飛行制御部がマスタードローンと同様に隊形情報を参照し、自装置の座標位置（マスタードローンとの相対的な位置）に移動して隊形を構成する。これにより、編隊を構成する複数の自律飛行体の制御が可能となっている。

特開２０１７−０５６８９９号公報

しかし、このような自律飛行制御システムを、例えば上述したライブイベントにおける疑似花火や提灯風船などのような空間演出に適用した場合、それぞれのドローンが隊形情報を元に様々な方向に移動することになる。その結果、場合によっては２機のドローンが交差することもあり得、姿勢が大きく乱れ、制御不能となるおそれがある。また、ドローンの回転翼同士が僅かでも接触すると墜落の危険性が極めて高くなる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、屋外でのライブイベント等において複数の飛行体による空間演出を実現するために、複数の飛行体の飛行を統率して編隊飛行を可能にする等の飛行制御技術を提供することを目的とする。

本発明は、複数の飛行体を編隊飛行させるための飛行制御方法であって、第１の飛行体であるコマンダ機と、複数の第２の飛行体であるプレイヤ機とにより１個の編隊を構成し、前記コマンダ機を遠隔操縦することと、前記コマンダ機からの指令信号に従って前記プレイヤ機を自律飛行させることを含む飛行制御方法である。

また、飛行制御方法は、前記プレイヤ機が前記コマンダ機の方向を判定することを更に含むことが好ましい。そして、前記コマンダ機が電波を放射し、前記プレイヤ機が、複数のアンテナで受信する前記電波の受信強度に基づいて前記コマンダ機の方向を判定することが好ましい。

また、飛行制御方法は、前記各プレイヤ機が、前記コマンダ機に対する自機の相対位置が、隊形情報が示すパート位置となるように自機を飛行制御することで、前記隊形情報に基づく飛行隊形が編成されることが好ましい。

また、本発明は、前記飛行制御方法に用いられる飛行体であって、マルチコプタと、該マルチコプタの全体を球状に覆う網状の外枠体とを備える飛行体である。

本発明によれば、１機のコマンダ機を遠隔操縦するだけで、それに従う複数のプレイヤ機の編隊飛行を実現することができる。また、コマンダ機からの指令に応じてプレイヤ機に様々な態様の空間演出動作を行うこともできる。

複数機の飛行体により構成される編隊を説明するための図である。一実施形態による飛行体の斜視図である。一実施形態によるマルチコプタの斜視図である。図３のマルチコプタに備えられる制御ユニットのブロック図である。図２の飛行体の構造を説明するための正面図である。図２の飛行体における受信アンテナの配置を説明するための図である。コマンダ機の方向を判定する方法を説明するための図である。複数の飛行体による飛行隊形の一実施形態を示す図である。複数の飛行体による空間演出飛行の一実施形態を示す図である。複数の飛行体による空間演出動作の一実施形態を示す図である。

以下、本発明に係る好適な一実施形態を説明する。本実施形態では、図１に示すように、１機のリーダ格の無人飛行体（これを「コマンダ機１」と称する。）と、それに従う複数機の無人飛行体（これらを「プレイヤ機２」と称する。）により１個の編隊が組まれる。本実施形態による飛行体は、図２に示すように、マルチコプタ１０と、マルチコプタ１０の全体を球状に覆う外枠体２０とを備えている。

先ず、図３を参照し、マルチコプタ１０の基本的な構成について説明する。マルチコプタ１０は、本体１１と、上昇用の４つのロータユニット１２Ａ〜１２Ｄとを備えている。それぞれのロータユニット１２Ａ〜１２Ｄは、例えばサーボモータである回転モータ１３と、回転モータ１３の回転シャフトに固定された回転翼１４とを備えている。そして、各回転モータ１３が本体１１から延びるアーム１５の先端部に連結され、これにより、本体１１の右前方、左前方、右後方及び左後方にロータユニット１２Ａ〜１２Ｄが配置されている。

ここで、隣接するロータユニット１２Ａ、１２Ｂの回転翼１４、１４は、互いに逆方向に回転して揚力得る。同じく隣接するロータユニット１２Ｃ、１２Ｄの回転翼１４、１４も、互いに逆方向に回転して揚力を得る。本体１１の重心に対し対称の位置関係にある例えばロータユニット１２Ａ、１２Ｄの回転翼１４、１４は、同じ方向に回転して揚力を得る。

本実施形態では、例えばロータユニット１２Ａ、１２Ｄの回転翼１４、１４が時計回り方向（ＣＷ：ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ）に回転し、ロータユニット１２Ｂ、１２Ｃの回転翼１４、１４が反時計回り方向（ＣＣＷ：ｃｏｕｎｔｅｒｃｌｏｃｋｗｉｓｅ）に回転するように駆動される。
なお、ここでの説明では、時計回り方向（ＣＷ）への回転を正転とし、反時計回り方向（ＣＣＷ）への回転を逆転としている。また、本実施形態では、４つのロータユニット（回転翼）を備えるマルチコプタを例に説明するが、例えば回転翼が６つ以上あるマルチコプタを本発明に適用してもよい。

マルチコプタ１０の本体１１内には制御ユニット１６が設けられている。ここで、図４は、制御ユニット１６の概略構成を示すブロック図である。マルチコプタ１０においては、この制御ユニット１６による回転翼１４の回転数制御により、上昇、下降は勿論のこと、ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸のそれぞれの軸周りでの姿勢が補正される。

上述したように、ロータユニット１２Ａ、１２Ｄの回転翼１４が正転し、ロータユニット１２Ｂ、１２Ｃの回転翼１４が逆転するように駆動される。このように、隣り合う回転翼１４同士が逆方向に回転することで、回転モーメントによる作用、反作用が打ち消され、マルチコプタ１０の姿勢を安定させることができる。また、全ての回転翼１４が同時に回転することで、ジャイロ効果により、上昇姿勢なども安定する。

マルチコプタ１０が上昇制御を行う場合、ロータユニット１２Ａ〜１２Ｄの全ての回転翼１４の回転数が予め決められた値（例えばプログラムの指令値）となるように制御される。このとき、本体１１には回転翼１４による揚力が発生し、その揚力が機体の重力を超えると、マルチコプタ１０が上昇する。揚力と機体の重力とをバランスさせることで、ホバリング制御を行うことができる。

次に、マルチコプタ１０を前進させる場合には、後方側のロータユニット１２Ｃ、１２Ｄの回転数が、前方側のロータユニット１２Ａ、１２Ｂの回転数より高くなるように制御される。これにより、機体が前方に傾き、マルチコプタ１０を前進させることができる。

また、マルチコプタ１０の向きを変える場合、ロータユニット１２Ａ〜１２Ｄの回転翼１４の回転数が変えられる。例えば、正転するロータユニット１２Ａ、１２Ｄの回転数が、逆転するロータユニット１２Ｃ、１２Ｂの回転数より高くなるように制御すると、機体の向きを右に旋回させることができる。

このようなマルチコプタ１０の飛行制御は、制御ユニット１６のＣＰＵ１７による演算処理部である飛行制御部１７１及び姿勢制御部１７２が制御指令信号をモータ制御部１７３に出力し、モータ制御部１７３がその指令に従いモータ駆動部１６１を制御してロータユニット１２Ａ〜１２Ｄの回転を制御することで実現される。

位置姿勢判定部１７４は、ＧＰＳユニット１８からの位置情報に、対気速度センサ３１、高度センサ（気圧センサ）３２、ジャイロセンサ３３からの検出信号を考慮し、マルチコプタ１０の飛行位置（本明細書で飛行体又はマルチコプタの「位置」とは、緯度経度の他に高度も含む三次元の位置を意味する。）、飛行速度、飛行方向、機体姿勢等を判定する。そして、判定した現在の位置及び姿勢情報がナビゲータ１７０に随時入力される。ナビゲータ１７０がメモリに記憶されている飛行計画情報１６７と、位置姿勢判定部１７４から得た位置姿勢情報とに基づいて飛行制御部１７１及び姿勢制御部１７２を指令制御することで、マルチコプタ１０の自律的飛行が可能となる。

また、マルチコプタ１０がラジオコントロール（「ＲＣ」と略称する。）モード、すなわち遠隔操縦によって飛行するときは、ＲＣ解析部１７５が、ＲＣ受信部１９から受信した遠隔操作信号を解析し、その結果がナビゲータ１７０に入力される。そして、ナビゲータ１７０が、解析された遠隔操作情報に基づいて飛行制御部１７１及び姿勢制御部１７２を指令制御することで、マルチコプタ１０の遠隔操縦飛行が行われる。

また、ナビゲータ１７０は、メモリに記憶された隊形情報１６８に基づいて、コマンダ機１と自機との相対位置をその隊形に従わせる編隊飛行制御を行うことができる。更に、ナビゲータ１７０は、メモリに記憶された空間演出動作情報１６９に基づいて飛行制御部１７１及び姿勢制御部１７２を指令制御することで、空中で飛行体を様々な態様で動作させる空間演出動作も行うことができる。ここで、制御ユニット１６のメモリには、複数の異なる隊形を示す隊形情報１６８と、複数の異なる空間演出動作を示す空間演出動作情報１６９とが予め記憶されている。これら編隊飛行及び空間演出動作の制御方法については後述する。

次に、外枠体２０は、細線２１を網状かつ球状に組み上げて形成される。外枠体２０（細線２１）は、可撓性（クッション性）を有する比較的軽量な樹脂で形成される。例えば、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリアセタール、ポリカーボネート、エポキシ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、フェノール樹脂及びこれらを主成分とした樹脂を用いることができる。また、これらの樹脂を２種以上用いた合成樹脂であってもよい。

本体１１の前後左右には、図５に示すように４本の連結部材２２が設けられている。これらの連結部材２２の端部を外枠体２０の内側に固定することで、外枠体２０内にマルチコプタ１０を固定配置することができる。この場合、マルチコプタ１０の重心と、外枠体２０の重心とを一致させて、マルチコプタ１０の飛行中の姿勢を安定させることができる。

なお、これら連結部材２２に、ある飛行体（コマンダ機１）が他の飛行体（コマンダ機２）に電波信号（例えば２．４ＧＨｚ又は５ＧＨｚ等のマイクロ波）を送信するための、無指向性の送信アンテナ２４を取り付けることができる。

また、連結部材２２の素材としては、合成アルミ等の金属や樹脂を採用することができるが、外枠体２０と同様に可撓性のある軽量樹脂を採用することが好ましい。

外枠体２０内でのマルチコプタ１０の固定配置については、４本の連結部材２２によるものに限定されない。例えば、本体１１の前後の２本の連結部材２２により、外枠体２０内にマルチコプタ１０を固定してもよいし、本体１１の左右の２本の連結部材２２により、外枠体２０内にマルチコプタ１０を固定してもよい。

このように、本実施形態の飛行体（コマンダ機１、プレイヤ機２）においては、外枠体２０を網状体としたことで、内部に配置されるマルチコプタ１０と外気とが遮断されない。そのため、マルチコプタ１０の回転翼制御による、上昇、下降、進行、旋回及びホバリングなどの通常の飛行が可能となっている。また、外枠体２０を可撓性のある球状体としたことで、飛行体が接触する場面が生じても、外枠体２０同士の接触面積を小さくでき、かつ、マルチコプタ１０の回転翼同士の接触を防ぐことができる。また万が一、飛行体が墜落した場合でも、可撓性のある外枠体２０が地面との衝撃を和らげるため、マルチコプタ１０の本体１１や回転翼１４の破壊を防ぐことができる。

また、外枠体２０には、図２に示したように、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）などの発光素子２３が複数配置されている。発光素子２３を、例えば細線２１の交点に取り付けてもよいし、細線２１の線上に取り付けてもよい。発光素子２３の配置態様やその個数は、任意に設定することができる。また、発光素子２３は、青、緑、赤のいずれかの単色のものであってもよいし、青、緑、赤の全てをパッケージ化した多色のものであってもよい。多色の発光素子２３を採用した場合、それぞれの発光輝度を制御することで、様々な発光色を放つことができる。

更に図６に示すように、外枠体２０には、他の飛行体（例えばコマンダ機１）が発信するマイクロ波を受信するための受信アンテナ２５が取り付けられている。受信アンテナ２５は、例えば図６の破線で示す仮想正四面体の頂点に対応する位置に４個設けられることが好ましい。ただし、受信アンテナ２５は、４個に限られるものではなく、３個又は５個以上取り付けられてもよい。

それぞれの受信アンテナ２５ａ〜２５ｄは、小型パラボラ又は誘電体レンズ等による指向性を有し、電波の受信感度ピークが、外枠体２０の球状面に対し直交する方向となるように設置されている。これにより、少なくとも３個の受信アンテナが受信する電波強度を比較することで、マイクロ波の発信源である飛行体（コマンダ機１）の方向を判定できる。

例えば、図７に示すように、受信アンテナ２５ａ〜２５ｄが正四面体の頂点に位置する場合、各面の法線は正四面体の中心、つまりマルチコプタ１０の機体中心から４方向均等に放射状に延びる。もし、３個の例えば受信アンテナ２５ａ〜２５ｃで受信される電波強度Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃが同じであれば、これらアンテナを頂点とする三角形面の法線Ｎ１の延長先に電波の発信源（コマンダ機１）があると判定できる。３個の受信アンテナ２５ａ〜２５ｃで受信される電波強度Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃに差がある場合には、それぞれのアンテナが受信する電波信号強度の比に応じた角度だけ法線Ｎ１からずれた方向に、電波の発信源（コマンダ機１）があると判定できる。

次に、複数の飛行体を用いて編隊飛行及び空間演出を行う方法を説明する。図１に示したように、本実施形態によれば、遠隔操縦される１機のコマンダ機１と、コマンダ機１からの指令により自律飛行する複数機のプレイヤ機２とにより１個の編隊が構成される。

先ず、地上の制御室からコマンダ機１をラジコンの遠隔操縦により離陸させ、所定の高さまで上昇させる。コマンダ機１及びプレイヤ機２には、予め初期の隊形情報１６８が設定されている。また、コマンダ機１と各プレイヤ機２には、それぞれの隊形情報１６８が示す隊形のパート位置を示すパートＩＤが割り当てられている。

コマンダ機１からは、コマンダ機１の位置情報（緯度、経度、高度情報を含む）が、随時、各プレイヤ機２に送信される。具体的には、コマンダ機１の位置情報は、コマンダ機１の信号変換部１７８によりコマンダ機位置信号に変換される。そして、変調部１６４が、マイクロ波周波数帯（例えば２．４ＧＨｚ又は５ＧＨｚ）のキャリア信号にコマンダ機位置信号を周波数変調して、変調マイクロ波信号をトランスミッタ３４に出力する。コマンダ機１のトランスミッタ３４は、変調マイクロ波信号を増幅し、送信アンテナ２４からマイクロ波を周囲のプレイヤ機２に放射する。

各プレイヤ機２は、コマンダ機１からのマイクロ波を受信アンテナ２５で受信する。プレイヤ機２が受信したマイクロ波信号は、レシーバ３５を経て、電波強度検出部１６２により各受信アンテナ２５ａ〜２５ｄにおける受信電波強度が判定される、そして、コマンダ機方向判定部１７６は、図７を用いて説明した方法で、コマンダ機１の方向を判定する。

また、各プレイヤ機２は、受信したマイクロ波信号を復調部１６３が復調し、信号解析部１７７が復調されたコマンダ機位置信号からコマンダ機１の位置情報を抽出する。抽出されたコマンダ機１の位置情報は、各プレイヤ機２のナビゲータ１７０に出力される。

また、各プレイヤ機２の位置姿勢判定部１７４は、自機の位置を随時判定し、ナビゲータ１７０に出力する。各プレイヤ機２のナビゲータ１７０は、設定されている隊形情報１６８を参照し、コマンダ機１に対する自機の相対位置が、隊形情報１６８において自機に割り当てられたパートＩＤの位置に一致させるようにして自機を飛行制御する。

これにより、遠隔操縦されるコマンダ機１に追従して、他のプレイヤ機２、２、・・・が、隊形情報１６８で示される自己のパートの相対位置を維持しながら自律飛行する。このようにして、隊形情報１６８に基づき、例えば図８に示すＶ字状に整列するような統率された飛行隊形で、複数の飛行体を編隊飛行させることができる。

なお、地上の制御室からコマンド機１に送信するラジコンの遠隔操作信号に、隊形情報１６８の設定情報を含ませることができる。この場合、コマンド機１が隊形情報１６８の設定情報を地上から受信すると、その情報がマイクロ波でコマンド機１から各プレイヤ機２に送信される。これにより、例えば飛行中又は空中でホバリング中の飛行体の隊形を、地上からの遠隔操作で変更することができる。また、コマンド機１がメモリに記憶された飛行計画情報１６７に基づいて各プレイヤ機２に隊形情報１６８の設定情報を送信し、隊形を変更してもよい。

本実施形態では、上述したように各プレイヤ機２が、マイクロ波の受信強度に基づいて、コマンド機１の方向を判定するコマンダ機方向判定部１７６を備えている。そのため、例えばコマンド機１が各プレイヤ機２に「拡散」指令をマイクロ波で送信すると、各プレイヤ機２がその指令に従い、例えば図９に示すようにコマンド機１から離れる方向に一斉に拡散又は放射するような空間演出飛行を行うことができる。このとき、各プレイヤ機２の発光制御部１７９が、メモリに記憶された発光演出パターン情報１６５に基づき発光素子駆動部１６６を駆動して、自機の外枠体２０に配置した発光素子２３を点灯若しくは点滅又は発光色を変更することで、例えば疑似花火のような空間演出を行うことができる。

また、コマンド機１が各プレイヤ機２に「集合」指令を送信して、各プレイヤ機２をコマンド機１に向けて飛行させ、隊形を再編成することもできる。

また、本実施形態では、各プレイヤ機２が、地上からの遠隔操縦によらない自律飛行機能を備えている。そのため、例えば図１０に示す各プレイヤ機２が空中に拡散した位置で、メモリに記憶された空間演出動作情報１６９に基づいて、例えば上下移動を繰り返したり、左右に揺れたりするような空間演出動作を行うこともできる。また、各プレイヤ機２が、空間演出動作に伴い、発光演出パターン情報１６５に基づいて、外枠体２０の発光素子２３を点灯若しくは点滅又は発光色を変更してもよい。これにより、提灯風船のような、空中で複数の光る飛行体を様々な態様で動作させる空間演出を行うことができる。

なお、空間演出動作情報１６９及び／又は発光演出パターン情報１６５の選択情報を、地上からコマンダ機１を介して各プレイヤ機２に送信してもよいし、コマンド機１がメモリに記憶された飛行計画情報１６７に基づいて各プレイヤ機２に選択情報を送信することで、編隊全体の空間演出内容を変更してもよい。

１コマンダ機（第１の飛行体）
２プレイヤ機（第２の飛行体）
１０マルチコプタ
１１本体
１２Ａ〜１２Ｄロータユニット
１３回転モータ
１４回転翼
１５アーム
１６制御ユニット
１７ＣＰＵ
２０外枠体
２１細線
２２連結部材
２３発光素子
２４送信アンテナ
２５、２５ａ〜２５ｄ受信アンテナ
１６１モータ駆動部
１６２電波強度検出部
１６３復調部
１６４変調部
１６５発光演出パターン情報
１６６発光素子駆動部
１６７飛行計画情報
１６８隊形情報
１６９空間演出動作情報
１７０ナビゲータ
１７１飛行制御部
１７２姿勢制御部
１７３モータ制御部
１７４位置姿勢判定部
１７５ＲＣ解析部
１７６コマンダ機方向判定部
１７７信号解析部
１７８信号変換部
１７９発光制御部

Claims

複数の飛行体を編隊飛行させるための飛行制御方法であって、
第１の飛行体であるコマンダ機と、複数の第２の飛行体であるプレイヤ機とにより１個の編隊を構成し、
前記コマンダ機を遠隔操縦することと、
前記コマンダ機からの指令信号に従って前記プレイヤ機を自律飛行させること
を含む飛行制御方法。
前記プレイヤ機が前記コマンダ機の方向を判定することを更に含む、請求項１に記載の飛行制御方法。
前記コマンダ機が電波を放射し、前記プレイヤ機が、複数のアンテナで受信する前記電波の受信強度に基づいて前記コマンダ機の方向を判定する、請求項２に記載の飛行制御方法。
前記各プレイヤ機が、前記コマンダ機に対する自機の相対位置が、隊形情報が示すパート位置となるように自機を飛行制御することで、前記隊形情報に基づく飛行隊形が編成される、請求項１〜３の何れか１項に記載の飛行制御方法。
請求項１〜３の何れか１項に記載の飛行制御方法に用いられる飛行体であって、
マルチコプタと、該マルチコプタの全体を球状に覆う網状の外枠体とを備える飛行体。