JP2019127155A - 移動装置、移動方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリーの電力を有効活用し、長時間飛行可能な移動装置、移動方法及びプログラムを提供すること。【解決手段】外部の情報を取得する移動装置１は、推力を得るためのプロペラ等と、浮力を得るためのカイト部３０と、移動装置１の位置が目標高度に達したか否かを判断する高度判断手段と、移動装置１が目標高度に達した場合に、カイト部３０を展開する展開動作実施手段と、カイト部３０の展開が完了したことを検知するカイト展開検知手段と、カイト部３０の展開が完了したことを検知した場合に、プロペラ等の回転を停止または減速するプロペラ停止手段と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、移動装置、移動方法及びプログラムに関する。

従来、小型無人飛行体（「ドローン」とも呼ばれる）の利用が提案されている。このようなドローンを利用して、映像情報を取得する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００６−２７３３１号公報

ところで、ドローンは、複数のモーターに接続されたプロペラの回転によって推力を得るのであるが、モーターを駆動させるための電力はドローンに搭載したバッテリーから得る。バッテリーによって供給可能な電力は、モーターが駆動することによって消費されるから、ドローンが飛行可能な時間は限定されている。

本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、バッテリーの電力を有効活用し、長時間飛行可能な移動装置及び移動装置、移動方法及びプログラムを提供することを目的とする。

第一の発明は、外部の情報を取得する移動装置であって、推力を得るためのプロペラと、浮力を得るためのカイト部と、前記移動装置の位置が目標高度に達したか否かを判断する高度判断手段と、前記移動装置が前記目標高度に達した場合に、前記カイト部を展開する展開動作実施手段と、前記カイト部の展開が完了したことを検知するカイト展開検知手段と、前記カイト部の展開が完了したことを検知した場合に、前記プロペラの回転を停止または減速するプロペラ停止手段と、を有する移動装置である。

第一の発明の構成によれば、移動装置が目標高度に達した場合に、カイト部を展開し、カイト部の展開が完了すると、プロペラの回転を停止または減速する。これにより、カイト部の展開後は、カイト部による浮力によって、空中での滞在を維持することができる。これにより、バッテリーの電力を有効活用し、長時間飛行可能となる。

第二の発明は、第一の発明の構成において、前記移動装置が所定の地理的範囲である座標許容範囲から所定時間内に離脱するか否かを判断する離脱予測手段と、前記離脱予測手段によって、前記移動装置が所定の地理的範囲である座標許容範囲から所定時間内に離脱すると判断した場合に、前記プロペラを回転させ、前記カイト部による浮力によって前記座標許容範囲に最も長時間滞在することが可能な位置に移動する位置調整手段と、を有する、移動装置である。

第三の発明は、第一の発明または第二の発明のいずれかの構成において、風向を判断する風向判断手段と、前記カイト部が前記風向に正対するように前記移動装置の姿勢を制御する姿勢制御手段と、を有する、移動装置である。

第四の発明は、推力を得るためのプロペラと浮力を得るためのカイト部とを有し、外部の情報を取得する移動装置が、前記移動装置の位置が目標高度に達したか否かを判断する高度判断ステップと、前記移動装置が前記目標高度に達した場合に、前記カイト部を展開する展開動作実施ステップと、前記カイト部の展開が完了したことを検知するカイト展開検知ステップと、前記カイト部の展開が完了したことを検知した場合に、前記プロペラの回転を停止または減速するプロペラ停止ステップと、を実施する移動方法である。

第五の発明は、推力を得るためのプロペラと浮力を得るためのカイト部とを有し、外部の情報を取得する移動装置を制御するコンピュータを、前記移動装置の位置が目標高度に達したか否かを判断する高度判断手段、前記移動装置が前記目標高度に達した場合に、前記カイト部を展開する展開動作実施手段、前記カイト部の展開が完了したことを検知するカイト展開検知手段、及び、前記カイト部の展開が完了したことを検知した場合に、前記プロペラの回転を停止または減速するプロペラ停止手段、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、バッテリーの電力を有効活用し、長時間飛行可能な移動装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る移動装置の使用状態を示す概略図である。 移動装置の構成を示す概略図である。 カイト部の展開した状態を示す概略図である。 カイト部の折りたたんだ状態を示す概略図である。 センターロッド及びトップロッドの構成を示す概略図である。 トップロッドが展開する様子を示す概略図である。 センターロッド及び接続部材を示す概略図である。 カイト部の展開時におけるセンターロッド及び接続部材の動きを示す概略図である。 カイト部の展開の様子を示す概略図である。 カイト部の展開の様子を示す概略図である。 移動装置の機能ブロックを示す図である。 移動装置の動作を示す概略フローチャートである。

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。

図１に示すように、本実施形態の無人飛行体１（以下、「無人機１」という。）は、カイト（凧）部３０を備え、プロペラの回転による推力によって、地上Ｅから、例えば、経路Ｒ１を通過して、目標高度に位置する位置Ｐ１に到達する。無風状態、あるいは、風向きが矢印Ｘ１に示す方向だとすれば、無人機１は、カイト部３０のノーズ３１を矢印Ｘ１に示す方向とは反対の方向（矢印Ｘ２に示す方向）に飛行することによって、カイト部３０を展開する。カイト部３０が展開すると、無人機１はプロペラに接続されたモーターの回転を停止し、プロペラの回転を停止する。移動が許容される地理的範囲（座標許容範囲）として範囲Ｓ１が与えられている場合、所定時間内に境界部Ｓ１ａに到達すると予測される場合には、プロペラを回転させ、矢印Ｘ１とは反対向きの矢印Ｘ２に示す方向の推力を発生させ、反対側の境界部Ｓ１ｂまで移動する。境界部Ｓ１ｂに移動すると、プロペラの回転を停止する。そうすると、カイト部３０による浮力によって、範囲Ｓ１の空中に滞在することができる。あるいは、プロペラの回転を完全に停止するのではなく、回転速度を減速してもよい。これにより、安定した飛行を実現することができる。プロペラの回転を停止または減速すると、無人機１の重量によって、無人機１は、経路Ｒ２に示すように、徐々に下降するのであるが、カイト部３０によって得る浮力を利用できるから、バッテリーを有効に活用しつつ、範囲Ｓ１における撮影や測定等、あるいは、範囲Ｓ１からの撮影及び測定等を長時間実施することができる。無人機１は、外部の情報を取得する移動装置の一例である。

次に、図２を参照して、無人機１の構成を説明する。図２（ａ）に示すように、無人機１は、筐体２を有する。筐体２の内部には、無人機１の各部を制御するコンピュータ、自律飛行装置、モーター駆動回路、無線通信装置、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）などの航法衛星を利用した測位装置、慣性センサー、気圧センサー等の電子部品が配置されている。

筐体２には、４本の棒状のアーム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８Ａ乃至８Ｄが接続されている。無人機１は、プロペラ８Ａ等の回転によって、移動するための推力を得る。アーム４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の下部には、ジンバル１０が接続され、ジンバル１０にカメラ１２が接続されている。ジンバル１０は、カメラ１２による撮影画像のぶれを最小化し、かつ、カメラ１２の光軸を任意の方向に制御することができる３軸の固定装置である。なお、無人機１は、カメラ１２のほかに、レーザースキャナーや、大気成分等の測定装置等を備えてもよい。

筐体２には、切欠き部２ａが形成されている。切欠き部２ａには、棒状の接続部材２０が矢印Ａ１方向に回動可能な状態で接続されている。図２（ｂ）は、筐体２及び接続部材２０の概略平面図である。切欠き部２ａの内側に、接続部材２０の端部近傍が配置され、切欠き部２ａの内側近傍部と接続部材２０の端部近傍を回転軸部２ｂが貫通し、接続部材２０は切欠き部２ａに対して回動可能に構成されている。なお、本実施形態とは異なり、さらに、回転軸部２ｂをサーボモーターの軸部に接続し、回転軸部２ｂが能動的に回動するように構成してもよい。

次に、図３及び図４を参照して、カイト部３０の構成を説明する。カイト部３０は、センターロッド３２にトップロッド（横骨）３６Ａ及び３６Ｂが回動可能に接続され、トップロッド３６Ａにリーディングロッド３４Ａが接続され、トップロッド３６Ｂにリーディングロッド３４Ｂが接続されている。センターロッド３２、リーディングロッド３４Ａ及び３４Ｂには、セイル３８が接続されている。センターロッド３２の先端部３１はノーズとなっている。

上述のように、センターロッド３２に対してトップロッド（横骨）３６Ａ及び３６Ｂは回動可能に接続されており、トップロッド（横骨）３６Ａ及び３６Ｂがセンターロッド３２に対して回動することにより、図３に示す展開状態と図４に示す折りたたみ状態の間の移行を実施することができる。

次に、図５を参照して、センターロッド３２、トップロッド（横骨）３６Ａ及び３６Ｂ
の構成を説明する。図５は、カイト部３０が展開した状態のセンターロッド３２、トップロッド（横骨）３６Ａ及び３６Ｂを示す。図５（ａ）に示すように、トップロッド（横骨）３６Ａ及び３６Ｂの間にはワイヤー３９が張られ、トップロッド３６Ａ及び３６Ｂが図５（ａ）の状態を越えて回動することを制限している。

図５（ｂ）に示すように、トップロッド３６Ａ及び３６Ｂは、それぞれ、円筒部３６Ａａ及び３６Ｂｂを有する。センターロッド３２が円筒部３６Ａａ及び３６Ｂｂを貫通することによって、センターロッド３２に対してトップロッド（横骨）３６Ａ及び３６Ｂは回動可能になっている。

次に、図６を参照して、トップロッド３６Ａ及び３６Ｂが展開する様子を説明する。図６（ａ）において、トップロッド３６Ａ及び３６Ｂは閉じており、重複している。図６（ａ）の状態から、回動を開始し、途中状態（図６（ｂ）参照）を経過して、展開状態（図６（ｃ）参照）に至る。ワイヤー３９による制限によって、展開状態を越えてトップロッド３６Ａ及び３６Ｂが回動することはない。

次に、図７を参照して、センターロッド３２及び接続部材２０の構成を説明する。センターロッド３２には一組の突起部３２ａが形成されている。一組の突起部３２ａの間に、接続部材２０の屈折部２０ａの先端近傍部が配置される。屈折部２０ａは、接続部材２０の本体部（屈折部２０ａ以外の部分）に対して、直角に配置されている。回転軸部４０が、一組の突起部３２ａ及び屈折部２０ａの先端近傍部を貫通して固定されることによって、接続部材２０とセンターロッド３２は相対的に回動可能な状態で接続される。

次に、図８を参照して、センターロッド３２及び接続部材２０の動きを説明する。図８において、無人機１及びカイト部３０の記載は省略している。無人機１にカイト部３０が吊り下げられた状態において、図８（ａ）に示すように、接続部材２０（屈折部２０ａ以外の部分）とセンターロッド３２とは平行に配置されている。無人機１が、目標高度において、矢印Ｘ２に示す方向に移動すると、カイト部３０の左右のセイル３８ａ及び３８ｂ（図３参照）の間に空気が入り、接続部材２０は矢印Ａ１方向に回動し、センターロッド３２は矢印Ｂ１方向に回動する（図８（ｂ）参照）。接続部材２０は、さらに回動し、無人機１の上方に直立した形態となる（図８（ｃ）参照）。センターロッド３２も矢印Ｂ１方向へ回動する。センターロッド３２の回動は、接続部材２０の屈折部２０ａによって制限される。これにより、ノーズ３１が下方向に向くことを防止している。

次に、図９及び図１０を参照して、カイト部の展開の様子を説明する。無人機１は、目標高度に到達すると、カイト部３０の左右のセイル３８ａ及び３８ｂ（図３参照）の間に空気が入るように、矢印Ｘ２方向へ飛行する。そうすると、接続部材２０は筐体２に対して矢印Ａ１方向に回動する（図９（ａ）参照）。無人機１が、さらに矢印Ｘ２方向へ移動すると、接続部材２０はさらに回動し、カイト部３０は空気を受けて展開しつつ、接続部材２０に対して回動する（図９（ｂ）参照）。最終的に、接続部材２０は無人機１の上方に直立した状態になり、カイト部３０は完全に展開する（図１０参照）。

図１１は、無人機１の機能構成を示す図である。無人機１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１００、記憶部１０２、無線受信部１０４、衛星測位部１０６、慣性センサー部１０８、駆動制御部１１０、画像処理部１１２、及び、電源部１３０を有する。

無人機１は、無線受信部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、無線受信部１０４によって、基地局から、移動等の指示を受信する。

無人機１は、衛星測位部１０６及び慣性センサー部１０８によって、現在位置を計測する。無人機１は、衛星測位部１０６によって、基本的に、４つ以上の航法衛星からの電波を受信して無人機１の位置を計測する。航法衛星は、例えば、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星や準天頂衛星である。

無人機１は、慣性センサー部１０８によって、無人機１自体の位置を測定し、姿勢を検出することができる。慣性センサー部１０８は、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は、駆動制御部１１０によって、各プロペラ８Ａ等の回転を制御し、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。

無人機１は、画像処理部１１２によって、カメラ１２によって取得した画像を処理する。

電源部１３０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、プロペラ８Ａ等の回転に必要な各種データ及びプログラムのほか、高度判断プログラム、展開動作実施プログラム、カイト展開検知プログラム、プロペラ停止プログラム、風向判断プログラム、姿勢制御プログラム、離脱予測プログラム、及び、位置調整プログラムが格納されている。ＣＰＵ１００と高度判断プログラムは高度判断手段の一例である。ＣＰＵ１００と展開動作実施プログラムは展開動作実施手段の一例である。ＣＰＵ１００とカイト展開検知プログラムはカイト展開検知手段の一例である。ＣＰＵ１００とプロペラ停止プログラムはプロペラ停止手段の一例である。ＣＰＵ１００と風向判断プログラムは風向判断手段の一例である。ＣＰＵ１００と姿勢制御プログラムは姿勢制御手段の一例である。ＣＰＵ１００と離脱予測プログラムは離脱予測手段の一例である。ＣＰＵ１００と位置調整プログラムは位置調整手段の一例である。

無人機１は、高度判断プログラムによって、目標座標及び目標高度に到達したか否かを判断する。

無人機１は、展開動作実施プログラムによって、目標座標及び目標高度に到達した場合、カイト部３０の展開動作を実施する。

無人機１は、カイト展開検知プログラムによって、カイト部３０の展開が完了したか否かを検知する。筐体２に格納されている自律飛行装置は、例えば、無人機１が上昇気流に乗った場合、プロペラ８Ａ等に接続された各モーター６の推力を維持すると、無人機１は上昇し過ぎるから、モーター６の推力を減少させるために、モーター６へ供給する電力を減少させる。本実施形態は、自律飛行装置の上記機能を活用するものである。自律飛行装置は、無人機１がカイト部３０によって浮力を得ると、モーター６の推力を減少させるために、モーター６へ供給する電力を減少させる。カイト部３０の展開過程においては、カイト部３０によって得る浮力は変動するから、モーター６へ供給する電力も変動するのであるが、カイト部３０の展開が完了して浮力が安定すると、モーター６へ供給する電力は、カイト部３０の展開前に比べて低下した状態で安定する。無人機１は、モーター６へ供給する電力は、カイト部３０の展開前に比べて低下した状態で安定したことを検知して、カイト部３０の展開が完了したと判断する。ここで、「安定」とは、モーター６へ供給する電力量が所定時間の間、所定範囲内であることを意味する。所定時間は、例えば、１秒であり、所定範囲内は、例えば、特定の電力量の上下２％以内である。

無人機１は、プロペラ停止プログラムによって、カイト部３０の展開が完了した場合に、モーター６への電力供給を停止し、プロペラ８Ａ等の回転を停止する。

無人機１は、風向判断プログラムによって、風向を判断する。無人機１は、慣性センサー部１０８によって、無人機１自体の動きを検知し、風向は無人機１が動いた方向であると判断する。例えば、無人機１が図１の矢印Ｘ１方向に動いた場合には、風向は矢印Ｘ１方向であると判断する。

無人機１は、姿勢制御プログラムによって、カイト部３０のノーズ３１が風向に対して正対するように、無人機１の姿勢を制御する。なお、無風の場合には、ノーズ３１の方向はいずれでもよい。

無人機１は、離脱予測プログラムによって、座標許容範囲（図１の範囲Ｓ１）から所定時間内に離脱するか否かを判断する。所定時間は、例えば、２秒（ｓ）である。無人機１は、衛星測位部１０６及び慣性センサー部１０８によって、継続的に無人機１自体の位置を測位している。無人機１は、離脱予測プログラムによって、無人機１の移動の方向及び速度を算出し、現状を維持した場合に、範囲Ｓ１を所定時間内に離脱するか否かを判断する。

無人機１は、範囲Ｓ１を所定時間内に離脱すると判断した場合に、位置調整プログラムによって、プロペラ８Ａ等を回転させて、カイト部３０による浮力によって範囲Ｓ１に最も長時間滞在することが可能な位置に移動する。例えば、無人機１が、範囲Ｓ１の一方の端部Ｓ１ａ（図１参照）近傍に位置し、風向が矢印Ｘ１に示す方向である場合、他方の端部Ｓ１ｂの近傍が、カイト部３０による浮力によって、範囲Ｓ１に最も長時間滞在することが可能な位置である。無人機１は、位置調整プログラムによって、現在位置と風向に基づいて、無人機１の位置を移動する。

以下、無人機１の動作を、図１２のフローチャートを参照して説明する。無人機１は、基地局（図示せず）から作業開始の信号を受信すると、上昇及び移動を開始し（図１２のステップＳＴ１）、目標高度及び目標座標に到達したか否かを判断する（ステップＳＴ２）。無人機１は、目標高度及び目標座標に到達したと判断すると、カイト部３０の展開動作を実施し（ステップＳＴ３）、カイト部３０の展開が完了したと判断すると（ステップＳＴ４）、風向に正対しているか否かを判断し（ステップＳＴ５）、風向に正対していると判断すると、プロペラ８Ａ等の回転を停止する（ステップＳＴ６）。続いて、無人機１は、無人機１が所定時間内に範囲Ｓ１から離脱するか否かを予測し（ステップＳＴ７）、離脱しないと予測した場合には、地面近傍が否かを判断し（ステップＳＴ８）、地面近傍である場合には、所定の位置に着陸する。

上記のステップＳＴ５において、無人機１は、風向に正対していないと判断すると、プロペラ８Ａ等の回転を制御し、姿勢を調整し、カイト部３０のノーズ３１を風向に正対させる（ステップＳＴ９）。上記のステップＳＴ７において、無人機１は、所定時間内に範囲Ｓ１から離脱すると予測した場合には、プロペラ８Ａ等の回転を制御し、無人機１の位置を調整するために移動する（ステップＳＴ１０）。

なお、本実施形態とは異なり、プロペラ８Ａ等を可変ピッチプロペラとして構成してもよい。すべてのモーター６の回転を停止した後に、プロペラ８Ａ等によってオートローテーション（自由回転飛行）を行い、そのときに、プロペラピッチを変更することによって、オートローテーションを調整する。オートローテーションとカイト部３０による浮力の双方を使用して、より長時間飛行することができる。

なお、本発明は上述の各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 無人飛行体（無人機）
２ 筐体
４ アーム
６ モーター
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ プロペラ
２０ 接続部材
３０ カイト部

Claims (5)

1. 外部の情報を取得する移動装置であって、
   推力を得るためのプロペラと、
   浮力を得るためのカイト部と、
   前記移動装置の位置が目標高度に達したか否かを判断する高度判断手段と、
   前記移動装置が前記目標高度に達した場合に、前記カイト部を展開する展開動作実施手段と、
   前記カイト部の展開が完了したことを検知するカイト展開検知手段と、
   前記カイト部の展開が完了したことを検知した場合に、前記プロペラの回転を停止または減速するプロペラ停止手段と、
   を有する移動装置。
2. 前記移動装置が所定の地理的範囲である座標許容範囲から所定時間内に離脱するか否かを判断する離脱予測手段と、
   前記離脱予測手段によって、前記移動装置が所定の地理的範囲である座標許容範囲から所定時間内に離脱すると判断した場合に、前記プロペラを回転させ、前記カイト部による浮力によって前記座標許容範囲に最も長時間滞在することが可能な位置に移動する位置調整手段と、
   を有する、
   請求項１に記載の移動装置。
3. 風向を判断する風向判断手段と、
   前記カイト部が前記風向に正対するように前記移動装置の姿勢を制御する姿勢制御手段と、
   を有する、
   請求項１または請求項２に記載の移動装置。
4. 推力を得るためのプロペラと浮力を得るためのカイト部とを有し、外部の情報を取得する移動装置が、
   前記移動装置の位置が目標高度に達したか否かを判断する高度判断ステップと、
   前記移動装置が前記目標高度に達した場合に、前記カイト部を展開する展開動作実施ステップと、
   前記カイト部の展開が完了したことを検知するカイト展開検知ステップと、
   前記カイト部の展開が完了したことを検知した場合に、前記プロペラの回転を停止または減速するプロペラ停止ステップと、
   を実施する移動方法。
5. 推力を得るためのプロペラと浮力を得るためのカイト部とを有し、外部の情報を取得する移動装置を制御するコンピュータを、
   前記移動装置の位置が目標高度に達したか否かを判断する高度判断手段、
   前記移動装置が前記目標高度に達した場合に、前記カイト部を展開する展開動作実施手段、
   前記カイト部の展開が完了したことを検知するカイト展開検知手段、及び、
   前記カイト部の展開が完了したことを検知した場合に、前記プロペラの回転を停止または減速するプロペラ停止手段、
   として機能させるためのプログラム。