JP2020100171A

JP2020100171A - 無人飛行装置

Info

Publication number: JP2020100171A
Application number: JP2018237722A
Authority: JP
Inventors: 名雪　琢弥; Takuya Nayuki; 琢弥名雪; 健一所; Kenichi Tokoro
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2038-12-19
Also published as: JP7222692B2

Abstract

【課題】送電線から給電を行い、バッテリを大型化することなく、飛行のための電力を確保する。【解決手段】バッテリ６の電力により駆動力を得て無人で飛行するドローン５と、ドローン５に取り付けられ、送電線２に装着される環状の本体部４と、本体部４に設けられ、活線状態の送電線２からの電力によりバッテリの充電を行う給電手段７とを備えた。【選択図】図２

Description

本発明は、送電線から給電を行って飛行する無人飛行装置に関する。

マルチコプター（ドローン）を飛ばして、空撮等を行ったり、迷子や徘徊者等の行方を追跡したりする技術が従来から知られている（例えば、特許文献１）。ドローンは搭載されたバッテリの電力により駆動力を得て任意の場所を飛行するため、定期的にバッテリの充電が必要になっている。大容量のバッテリを搭載することができれば、飛行時間を長くすることができる一方で、ドローン自体の重量が重くなり、飛行時間を長くすることには限界があるのが現状であった。

近年、ドローンは、空撮や追跡に留まらず、物等の長距離の移送等の要望も出現してきているのが実情であり、バッテリを大型化することなく長距離の飛行に対しても電力が確保できるドローンの設備の出現が望まれているのが実情である。

特開２０１８−１３９７６号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、送電線から給電を行うことで、バッテリを大型化することなく、飛行のための電力を確保することができる無人飛行装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の無人飛行装置は、少なくともバッテリの電力により駆動力を得て無人で飛行する飛行体と、前記飛行体に取り付けられ、送電線に装着される環状の本体部と、前記本体部に設けられ、活線状態の前記送電線からの電力により前記バッテリの充電を行う給電手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、活線状態の送電線に本体部を装着し、給電手段によりバッテリの充電を行う。このため、送電線から給電を行うことができ、バッテリを大型化することなく、飛行のための電力を確保することができる。また、大規模な設備を必要とせずに、飛行のための電力を確保することができる。

従って、送電線に沿って飛行体を移動させることで、飛行のための電力を確保することができ、広範囲に張り巡らされた送電線網を基幹経路として飛行体の長距離の移動が可能になる。例えば、出発地から最寄りの送電線網の送電線まではバッテリの電力により飛行体の駆動源を賄って飛行を行い、送電線網ではバッテリの充電を行いながら送電線からの電力により飛行体の駆動源を賄って目的地の近傍まで移動し、目的地に近い送電線網の位置から目的地まではバッテリの電力により飛行体の駆動源を賄って飛行を行う。これにより、出発地から目的地が遠距離であっても、小さなバッテリの充電電力により飛行体を移動させることができ、小型であっても長距離の移動が可能な無人飛行装置とすることができる。

そして、請求項２に係る本発明の無人飛行装置は、請求項１に記載の無人飛行装置において、前記本体部は、固定環部、及び、前記固定環部に対して開閉自在に支持された開閉環部からなり、前記給電手段は、前記本体部の前記固定環部、及び、前記開閉環部に巻回されたコイル部材からなることを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、開閉環部を開いた状態で固定環部を活線状態の送電線に配置し、開閉環部を閉じて環状の本体部とする。開閉環部が閉じられることで、ゼロであった結合係数（カップリング）が確保できるようになり、固定環部、及び、開閉環部に巻回されたコイル部材により効果的に電力を取り出してバッテリに充電を行うことができる。

また、請求項３に係る本発明の無人飛行装置は、請求項２に記載の無人飛行装置において、前記固定環部は、前記送電線に接触して転動するローラ部材を有することを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、ローラ部材を送電線で転動させることで、飛行体を送電線に沿って容易に移動させることができる。即ち、装置全体（搬送物等を含めて）の重量をローラ部材で機械的に支えることができ、装置全体を浮遊させるための電力が不要でペイロードを稼ぐことができ（エネルギーを節約することができ）、小型のバッテリを適用することができる。

また、請求項４に係る本発明の無人飛行装置は、請求項３に記載の無人飛行装置において、前記ローラ部材には、駆動手段が備えられ、前記駆動手段は、前記バッテリの電力で駆動されることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、バッテリの電力でローラ部材を駆動させることで、無人飛行装置の飛行を停止させた状態で送電線に沿って移動させることができる。また、移動しながら充電を行うことができる。

また、請求項５に係る本発明の無人飛行装置は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無人飛行装置において、前記飛行体の上側に前記本体部が取り付けられ、前記本体部が前記送電線に装着された状態で、前記飛行体が前記送電線に吊架されることを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、本体部が送電線に装着された状態で、飛行体が送電線に吊架されるため、突風などで装置が飛ばされることがなく、送電線に沿った飛行体の移動を確実に行うことができる。

また、請求項６に係る本発明の無人飛行装置は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の無人飛行装置において、前記飛行体は、複数の回転翼を有し、前記送電線に沿った方向を含む任意の方向に飛行するマルチコプターであることを特徴とする。

請求項６に係る本発明では、マルチコプター（ドローン）を飛ばして、本体部を送電線に装着し、ドローンを送電線に沿って移動させながらバッテリの充電を行うことができる。尚、飛行体として、バッテリを搭載した電動の無人ヘリコプターや無人飛行機を適用することも可能である。

また、請求項７に係る本発明の無人飛行装置は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の無人飛行装置において、前記飛行体、もしくは、前記本体部の少なくともいずれかに設けられ、前記送電線の外観状態を把握する点検把握手段を備えたことを特徴とする。

請求項７に係る本発明では、送電線に沿って飛行体を移動させながらバッテリの充電を行う際に、点検把握手段により送電線の外観状態を把握して不具合の有無を確認することができる。即ち、送電線の点検のための飛行体のバッテリの充電を、点検中の送電線から電力を得て行うことができる。

請求項７に係る本発明の無人飛行装置は、搭載されたバッテリの電力により飛行体を飛行させながら、飛行体に備えられた給電手段により活線状態の送電線からの電力でバッテリの充電を行い、充電中に前記送電線の外観状態を把握する送電線の点検を実施することができる。

因みに、特開２０１７−２２５３２６号公報には、活線状態の送電線に自走式の点検装置を取り付けて送電線の点検を行う技術が開示され、マルチコプターを用いて装置に揚力を発生させて装着の運用を安全に行う技術が開示されている。送電線の点検を行う装置とマルチコプター（ドローン）を組み合わせる点（構成要素）は近似した技術であるが、特開２０１７−２２５３２６号公報に開示された技術は、活線状態の送電線からバッテリに給電を行う本願発明の技術とは、全く異なる技術である。

本発明の無人飛行装置は、送電線から給電を行うことで、バッテリを大型化することなく、飛行のための電力を確保することが可能になる。

特に、本発明の無人飛行装置は、搭載されたバッテリの電力により飛行体を飛行させながら、飛行体に備えられた給電手段により活線状態の送電線からの電力でバッテリの充電を行い、充電中に前記送電線の外観状態を把握して送電線の点検を実施することが可能になる。

本発明の一実施例に係る無人飛行装置の状況を説明する全体の概略図である。本発明の一実施例に係る無人飛行装置の具体的な状態を説明する外観図である。環状の本体部の外観図である。環状の本体部の外観図である。給電手段の概念図である。コイルの巻数と得られる電力の関係を表すグラフである。ドローンの回転翼の回転中心軸を傾ける機構の概念図である。

図１に基づいて無人飛行装置の全体の構成を説明する。
図１には本発明の一実施例に係る無人飛行装置により充電を行っている状態の全体の状況を表す概略を示してある。

図に示すように、鉄塔１に張られた送電線２には、無人飛行装置３の四角枠状態の環状の本体部４が装着されている。即ち、環状の本体部４の内側に送電線２が配された状態になっている。無人飛行装置３は、飛行体（マルチコプター：ドローン）５が備えられ、ドローン５には動力源となるバッテリ６が備えられ、ドローン５はバッテリ６の電力により飛行する。そして、ドローン５に本体部４が取り付けられている。

環状の本体部４には送電線２から電力を得て、バッテリ６の充電を行う給電手段７が備えられている。給電手段７は、本体部４に所定の巻数で巻回されたコイル部材としてのコイル８（図２参照）を有している。具体的には後述するが、活線状態の送電線２からコイル８を介して電力を得て、得られた電力がバッテリ６に給電される。

活線状態の送電線２に本体部４を装着し、給電手段７（図２参照）によりバッテリ６の充電を行うため、送電線２から給電を行うことができ、バッテリ６を大型化することなく、ドローン５を飛行させるための電力を確保することができる。

従って、送電線２に沿ってドローン５を移動させることで、飛行のための電力を確保することができ、広範囲に張り巡らされた送電線網を基幹経路として、ドローン５の長距離の移動が可能になる。例えば、送電線２から所定の距離の目的地まではバッテリ６の電力で無人飛行装置３を飛行させて所望の作業（配達や撮影等）を行い、充電を行いながら送電線２に沿って所望の場所まで移動し、再び、バッテリ６の電力で無人飛行装置３を飛行させて所望の作業（配達や撮影等）を行うことができる。

図２から図４に基づいて無人飛行装置を具体的に説明する。

図２には本発明の一実施例に係る無人飛行装置の具体的な構成を説明する外観を示してある。また、図３には開閉環部が閉じている状態の環状の本体部の外観を示してあり、図３（ａ）は正面視、図３（ｂ）は側面視である。また、図４には開閉環部が開いている状態の環状の本体部の正面視を示してある。

図に示すように、本体部４は、下側が開口するコ字状の固定環部１１を有し、固定環部１１の下側の開口部位には開閉自在に支持された開閉環部１２を有している。開閉環部１２には、例えば、エアシリンダ等の駆動により開閉するスライド機構の枠材１３が備えられている。

固定環部１１には、ローラ部材１５の端部が軸受け１７を介して回動自在に支持され、ローラ部材１５は軸方向の中央部位に向けて漸次小径とされ、送電線２に接触して転動するようになっている。ローラ部材１５を送電線２で転動させることで、送電線２の張架状態に関わらず、送電線２に沿った方向のみにドローン５を確実に移動させることができる。

尚、ローラ部材１５に駆動手段（例えば、バッテリ６からの電力で駆動する電動モータ）を接続し、ローラ部材１５を駆動ローラとすることも可能である。

本体部４の固定環部１１、及び、開閉環部１２には、コイル８が所定の巻数（例えば、３９巻）で巻回され、二次側として非接触で電力が取り出されるようになっている。

一つのドローン５に対して本体部４が３つ備えられ、本体部４は接続アーム部材１６によりドローン５の上側に取り付けられている。接続アーム部材１６を介在させることにより、送電線２とドローン５の間に、電磁界ノイズを受けない一定の間隔を維持することができる。

ドローン５の上側に本体部４が３つ取り付けられ、３つの本体部４が送電線２に装着された状態で、ドローン５が送電線２に吊架されるようになっている。ドローン５が送電線２に吊架されるため、送電線２に沿った方向（前後）のみのドローン５の移動を行うことができる。そして、突風などが生じても装置が飛ばされることがない。

ドローン５には、送電線２の外観状態を把握する点検把握手段としての検査カメラ１８が設けられている。また、ドローン５には、二次側の交流電流を整流するＡＣ／ＤＣコンバータ２１と、全体としての負荷抵抗を最適化するＤＣ／ＤＣコンバータ２２が設けられている。

送電線２に沿ってドローン５を移動させながらバッテリ６の充電を行う際に、検査カメラ１８により送電線２の外観を撮影して（把握して）不具合の有無を確認することができる。即ち、送電線２の点検のためのドローン５のバッテリ６の充電を、点検中の送電線２から電力を得て行うことができる。

上述した無人飛行装置３は、搭載されたバッテリ６の電力によりドローン５を飛行させながら、給電手段７により活線状態の送電線２からの電力でバッテリ６の充電を行い、充電中に送電線２の外観状態を把握する送電線２の点検を実施することができる。

尚、点検把握手段を備えず、送電線２の点検方法を実施しない状態で、活線状態の送電線２から給電を行ってバッテリ６の充電を実施する装置とすることも可能である。

本体部４を送電線２に装着する場合、図４に示したように、例えば、エアシリンダ等の駆動によりスライド機構の枠材１３を移動させて開閉環部１２を開いた状態にする。ドローン５の移動により、送電線２を開いた部位から通し、枠材１３を移動させて開閉環部１２を閉じた状態にする。

本体部４を送電線２に装着した後、ドローン５の水平移動により、ローラ部材１５を送電線２に転動させながら本体部４を送電線２に沿って移動させる。移動させながら、給電手段７によりバッテリ６の充電を行う。ドローン５を停止させた状態で本体部４を移動させずに、給電手段７によりバッテリ６の充電を行うことも可能である。

図５、図６に基づいて給電手段７の一例を説明する。
図５には給電手段をブロック構成の状態で表した概念、図６にはコイルの巻数と得られる電力の関係を示してある。

本体部４に相当する部位のコイル８が巻かれた部位により取り出される電力Ｐ（負荷抵抗Ｒで消費される電力Ｐ）を求める場合、一次側自己インダクタンスＬ０、二次側自己インダクタンスＬ１、結合係数ｋ、送電線２を流れる電流の大きさＩ０と周波数ｆに基づいて次式で演算される。
Ｐ＝Ｒ・（ω・Ｍ・Ｉ０）^２／{Ｒ^２＋（ω・Ｌ１）^２}
ここで、ω＝２πｆ
Ｍ＝（Ｌ０・Ｌ１）^１/２
である。

図５に示すように、送電線２に装着される本体部４には、ＡＣ／ＤＣコンバータ２１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を介してバッテリ６が接続されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ２１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を介して、取り出される電力が最大となるように負荷抵抗が調整されると共に、交流電流が適切な充電電流に整流されてバッテリ６に供給される。

図６に示すように、巻数毎に、負荷抵抗に応じて得られる電力が確認されている。例えば、６９巻の場合、３Ωで約９Ｗの電力が得られることが確認されている。また、２４巻、３２巻の場合、２Ｗから３Ｗの電力が得られることが確認されている。

送電線２の電流が１０００Ａ、周波数５０Ｈｚの場合に取り出せる最大電力Ｐｍａｘは、負荷抵抗３Ωを接続した時に得られ（６９巻のコイルで得られ）、９Ｗとされることが確認されている。本体部４を３つ並べているため、取り出すことができる電力は２７Ｗになる。

例えば、バッテリ６として３.７Ｖ、７００ｍＡｈのバッテリ６を搭載した場合、ドローン５の飛行時間を７分とすると、飛行に必要な出力Ｐｆは、
Ｐｆ×（７分／６０分）＝３.７Ｖ×０.７Ａｈ
Ｐｆ＝２２Ｗ
となる。
飛行中にバッテリ６が満充電になる時間Δｔは、
（３Ｐｍａｘ−Ｐｆ）×（Δｔ／６０分）＝３.７Ｖ×０.７Ａｈ
Δｔ＝３０分
となる。

上述したように、送電線２の電流が（５００Ａから１０００Ａ／回線）であることを考えると、ドローン５を飛行させながらであっても、短時間でバッテリ６の充電を行うことが可能になることがわかる。

上述した無人飛行装置３は、送電線２から給電を行うことで、バッテリ６を大型化することなく、ドローン５の飛行のための電力を確保することが可能になる。

ローラ部材１５を送電線２で転動させて送電線２に沿った方向のみにドローン５（無人飛行装置３）を移動させる際に、ドローン５の回転翼の回転中心軸を傾けることで、送電線２に沿った方向の移動を容易に行うことができる。ドローン５の回転翼の回転中心軸を傾ける構成としては、図７に示した構成が考えられる。

図７に基づいてドローン５の回転翼の回転中心軸を傾ける構成を説明する。図７にはドローン５の回転翼の回転中心軸を傾ける機構の概念状況を示してある。

図７（ａ）に示すように、ドローン５の回転翼（駆動手段を含む）の部分を回転翼の回転中心軸に直交する軸周りで回動自在にすることができる。これにより、ドローン５の姿勢を保った状態で（送電線２とドローン５の間の距離を保った状態で）、回転翼の角度が送電線２に対して傾斜した状態になり、送電線２に沿った方向の推進力が得られやすくなり、送電線２に沿った無人飛行装置３の移動を容易に行うことができる。

図７（ｂ）に示すように、３つの本体部４を支えるそれぞれの軸の長さを異なる長さに設定し、一つのドローン５の全体の角度を変更することができる。これにより、ドローン５が送電線２に対して傾斜した状態になって回転翼の角度が傾斜し、送電線２に沿った方向の推進力が得られやすくなり、送電線２に沿った無人飛行装置３の移動を容易に行うことができる。３つの本体部４を支えるそれぞれの軸を軸方向に伸縮自在にすることで、ドローン５の角度（回転翼の角度）を任意の角度に調整することができる。

図７（ｃ）に示すように、接続アーム部材１６の両端部（もしくは上端部、下端部の少なくとも一方）に自在継ぎ手を設け、自在継ぎ手と本体部４、ドローン５を接続し、接続アーム部材１６を傾斜自在にすることで、一つのドローン５の全体の角度を変更することができる。例えば、本体部４側に対して接続アーム部材１６の上端を傾斜させて接続することができる。これにより、接続アーム部材１６を所望の角度に傾斜させることで、ドローン５が送電線２に対して傾斜した状態になって回転翼の角度が傾斜し、送電線２に沿った方向の推進力が得られやすくなり、送電線２に沿った無人飛行装置３の移動を容易に行うことができる。

尚、図７（ｃ）には、本体部４側に対して接続アーム部材１６の上端を傾斜させている例を示してあるが、ドローン５側に対して接続アーム部材１６の下端を傾斜させて接続することも可能である。また、本体部４側、ドローン５側のそれぞれに対して接続アーム部材１６を傾斜させて接続させることも可能である。

上述した実施例に対し、ドローン５に代えて、本体部４に給電用、データ通信用等のアタッチメント（コンセント部材等）を装備することで、送電線２からの給電された電力を他の電動部材（工具や計測機器等）の電力等として用いることができる。

１鉄塔
２送電線
３無人飛行装置
４本体部
５ドローン
６バッテリ
７給電手段
８コイル
１１固定部材
１２開閉環部
１３枠材
１５ローラ部材
１６接続アーム部材
１７軸受け
１８検査カメラ
２１ＡＣ／ＤＣコンバータ
２２ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims

少なくともバッテリの電力により駆動力を得て無人で飛行する飛行体と、
前記飛行体に取り付けられ、送電線に装着される環状の本体部と、
前記本体部に設けられ、活線状態の前記送電線からの電力により前記バッテリの充電を行う給電手段とを備えた
ことを特徴とする無人飛行装置。
請求項１に記載の無人飛行装置において、
前記本体部は、
固定環部、及び、前記固定環部に対して開閉自在に支持された開閉環部からなり、
前記給電手段は、
前記本体部の前記固定環部、及び、前記開閉環部に巻回されたコイル部材からなる
ことを特徴とする無人飛行装置。
請求項２に記載の無人飛行装置において、
前記固定環部は、
前記送電線に接触して転動するローラ部材を有する
ことを特徴とする無人飛行装置。
請求項３に記載の無人飛行装置において、
前記ローラ部材には、駆動手段が備えられ、
前記駆動手段は、前記バッテリの電力で駆動される
ことを特徴とする無人飛行装置。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無人飛行装置において、
前記飛行体の上側に前記本体部が取り付けられ、
前記本体部が前記送電線に装着された状態で、前記飛行体が前記送電線に吊架される
ことを特徴とする無人飛行装置。
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の無人飛行装置において、
前記飛行体は、
複数の回転翼を有し、前記送電線に沿った方向を含む任意の方向に飛行するマルチコプターである
ことを特徴とする無人飛行装置。
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の無人飛行装置において、
前記飛行体、もしくは、前記本体部の少なくともいずれかに設けられ、前記送電線の外観状態を把握する点検把握手段を備えた
ことを特徴とする無人飛行装置。