JP2021129418A - 移動体充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】移動体の受電部と充電装置の送電部とを正確に位置合わせすることが可能な移動体充電システムを提供する。【解決手段】飛行体１の蓄電池１９３に対して充電装置２から充電を行う移動体充電システム１００において、飛行体１は、充電装置２から受電を行う受電部１９１を有し、受電部１９１により受電した電力を蓄電池１９３に蓄電し、充電装置２は、受電部１９１に結合される送電部２１と、受電部１９１を送電部２１に結合される位置に移動させることが可能な移動部２３とを有し、移動部２３は、受電部１９１に作用する磁力によって受電部１９１を移動させる。【選択図】図２

Description

本発明は、蓄電池に蓄電された電力により移動する移動体に対して充電装置から充電を行う移動体充電システムに関する。

従来、所謂ドローン等の自律飛行体に充電を行うための装置として、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載の飛行体給電装置は、ドローンが着陸する着陸台と、着陸台の中央部の下方に設けられた送電ユニットとを有している。ドローンの下部には受電コイルが設けられており、この受電コイルが送電ユニットの送電コイルと対向して電磁結合することで、電磁誘導によるドローンへの給電がなされる。着陸台は、周辺部に対して中央部が低く設定された扁平な逆四角錐台形状の傾斜部を有しており、ドローンが傾斜部に着陸した場合には、傾斜部の傾斜によってドローンが中央部に導かれる。そして、受電コイルと送電コイルとが正確に対向する状態となって高い効率で給電が可能となるとされている。

また、自律飛行体を目標地点に自動で着陸させるための自動着陸システムとして、特許文献２に記載のものが知られている。この自動着陸システムでは、飛行体が機体の下面に設けられた撮像装置を備えており、撮像装置で取得した着陸ターゲットの画像に基づいて着陸ターゲットと飛行体との位置関係を演算し、この演算結果によって飛行体の着陸を制御する。

特開２０１７−１２４７５８号公報 特開２０１２−０７１６４５号公報

例えば特許文献２に記載されたもののように撮像装置で撮像した着陸位置の画像に基づいて飛行体の着陸を制御しても、例えば風等の外乱によっては、着陸位置が目標位置から外れてしまう場合がある。また、特許文献１に記載されたもののように着陸台に傾斜を設ければ、飛行体を着陸台の中央部に導くことができるようにも思われるが、飛行体を確実に着陸台の中央部に導くためには傾斜部の傾斜を大きくしなければならず、傾斜部の傾斜を大きくすれば、ドローンが中央部を通り過ぎた位置で停止してしまうおそれがあると考えられる。

そこで、本発明は、移動体の受電部と充電装置の送電部とを正確に位置合わせすることが可能な移動体充電システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、蓄電池に蓄電された電力により移動する移動体の前記蓄電池に対して充電装置から充電を行う移動体充電システムであって、前記移動体は、前記充電装置から受電を行う受電部を有し、前記受電部により受電した電力を前記蓄電池に蓄電し、前記充電装置は、前記受電部に結合される送電部と、前記受電部を前記送電部に結合される位置に移動させることが可能な移動部とを有し、前記移動部は、前記受電部に作用する磁力によって前記受電部を移動させる、移動体充電システムを提供する。

本発明に係る移動体充電システムによれば、移動体の受電部と充電装置の送電部とを正確に位置合わせすることが可能となる。

（ａ）は、飛行体が充電装置の着陸台に着陸した状態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 飛行体及び充電装置ならびに操作端末の構成例を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｃ）は、着陸台を上方から見た俯瞰図である。

［実施の形態］
本発明の実施の形態に係る移動体充電システムついて、図１乃至図３を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。なお、以下の説明において「上」及び「下」とは、鉛直方向の上・下をいうものとする。

本実施の形態に係る移動体充電システムは、充電対象である移動体としての飛行体と、飛行体に対して充電を行う充電装置とによって構成されている。図１（ａ）は、飛行体１が充電装置２の着陸台２０に着陸した状態を示している。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図２は、移動体充電システム１００における飛行体１及び充電装置２、ならびにオペレータが飛行体１を操作するための操作端末３の構成例を示すブロック図である。図３（ａ）〜（ｃ）は、着陸台２０を上方から見た俯瞰図である。

飛行体１は、所謂ドローンであり、機体１１と、機体１１に搭載された第１乃至第４のモータ１２１〜１２４と、第１乃至第４のモータ１２１〜１２４によってそれぞれ回転駆動される第１乃至第４のプロペラ１３１〜１３４と、操作端末３との無線通信を行う第１通信部１４１と、充電装置２との無線通信を行う第２通信部１４２と、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）の人工衛星から発信されるＧＰＳ信号によって機体１１の基準位置（例えば胴部１１０の中心部）の位置を検出する位置検出部１５と、機体１１の下方を撮像する撮像装置１６と、第１乃至第４のモータ１２１〜１２４にモータ電流を出力する電流出力部１７と、電流出力部１７から第１乃至第４のモータ１２１〜１２４に出力されるモータ電流を調整して第１乃至第４のモータ１２１〜１２４を制御する制御部１８と、電源ユニット１９とを備えている。

機体１１は、胴部１１０と、胴部１１０から放射状に延びる４本のアーム部１１１〜１１４と、胴部１１０から下方に延びる複数の脚部１１５と、後述する受電部１９１を保持する保持部１１６とを備えている。第１乃至第４のモータ１２１〜１２４は、４本のアーム部１１１〜１１４のそれぞれに収容され、第１乃至第４のプロペラ１３１〜１３４は、４本のアーム部１１１〜１１４のそれぞれの先端部の上側に配置されている。なお、アーム部、モータ、及びプロペラの数は、４に限らず、５以上であってもよい。

電源ユニット１９は、充電装置２から誘導給電によって受電を行う受電部１９１と、受電部１９１で発生する交流電流を整流する整流回路１９２と、蓄電池１９３と、整流回路１９２によって整流された電圧によって蓄電池１９３を充電する充電回路１９４とを備えている。蓄電池１９３は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池、もしくは大容量のコンデンサであり、受電部１９１により受電した電力を蓄電する。蓄電池１９３に蓄電された電力は、電流出力部１７に供給され、第１乃至第４のモータ１２１〜１２４を駆動するために用いられる。すなわち、飛行体１は、蓄電池１９３に蓄電された電力により移動（飛行）する。

受電部１９１は、軟磁性体からなる芯材１９１ａと、芯材１９１ａの周囲に配置された受電コイル１９１ｂとを有している。芯材１９１ａとしては、透磁率が高い鉄等の金属を好適に用いることができる。受電コイル１９１ｂは、芯材１９１ａの周囲に例えばエナメル線からなる導線を巻き回して形成されている。本実施の形態では、芯材１９１ａが円柱状であり、その軸方向が鉛直方向に沿うように配置されている。受電部１９１は、図１（ｂ）に示すように、機体１１の保持部１１６内に収容されている。保持部１１６は、円筒状の円筒部１１６ａと、円盤状の底部１１６ｂとを有する有底円筒状であり、芯材１９１ａの下端面が底部１１６ｂに対向している。

充電装置２は、飛行体１が着陸する着陸台２０と、着陸台２０の中心部に配置され、飛行体１の受電部１９１に結合される送電部２１と、例えば商用電源を電圧変換及び周波数変換して送電部２１に供給する電圧を生成する送電電源部２２と、受電部１９１を送電部２１に結合される位置に移動させることが可能な移動部２３と、飛行体１との無線通信を行う通信部２４と、飛行体１との無線通信によって得られた情報に基づいて送電電源部２２及び移動部２３を制御する制御部２５とを有している。

送電部２１は、受電部１９１と同様に、軟磁性体からなる芯材２１ａと、芯材２１ａの周囲に配置された送電コイル２１ｂとを有している。送電部２１の芯材２１ａは、例えば受電部１９１の芯材１９１ａと同径の円柱状である。

移動部２３は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、送電部２１の周囲に配置された複数の電磁石２３０を備えている。それぞれの電磁石２３０は、図１（ｂ）に示すように、軟磁性体からなる芯材２３０ａと、芯材２３０ａの周囲に配置されたコイル２３０ｂとを有している。飛行体１の受電部１９１は、電磁石２３０の磁力が芯材１９１ａに作用することで、電磁石２３０の磁力によって送電部２１側に導かれる。

本実施の形態では、移動部２３が、送電部２１を囲むように配置された複数の電磁石２３０からなる第１環状帯２３ａと、第１環状帯２３ａの外側を囲むように配置された複数の電磁石２３０からなる第２環状帯２３ｂとを有している。図３（ａ）〜（ｃ）では、第１環状帯２３ａ及び第２環状帯２３ｂをそれぞれ破線で囲って示している。以下、複数の電磁石２３０のうち第１環状帯２３ａを構成する複数の電磁石２３０を第１電磁石２３１といい、第２環状帯２３ｂを構成する複数の電磁石２３０を第２電磁石２３２という場合がある。図３（ａ）〜（ｃ）に示す例では、４個の第１電磁石２３１によって第１環状帯２３ａが構成され、８個の第２電磁石２３２により第２環状帯２３ｂが構成されている。

着陸台２０は、表層板２０１と、表層板２０１の下側に配置されるベース板２０２とを有している。着陸台２０には、送電部２１を収容する送電部収容部２０ａ、及び複数の電磁石２３０をそれぞれ収容する複数の電磁石収容部２０ｂが形成されている。送電部収容部２０ａ及び電磁石収容部２０ｂは、表層板２０１を貫通しており、一部がベース板２０２に形成されている。送電部収容部２０ａの深さは、送電部２１の芯材２１ａの上端面の高さが表層板２０１の表面２０１ａと一致する高さである。また、電磁石収容部２０ｂの深さは、電磁石２３０の芯材２３０ａの上端面の高さが表層板２０１の表面２０１ａと一致する高さである。

制御部２５は、飛行体１との無線通信によって飛行体１が着陸台２０上に着陸したことを検知したとき、移動部２３を制御して飛行体１を受電部１９１と送電部２１とが結合する位置に導き、その後に送電電源部２２を制御して高周波電圧を発生させ、飛行体１に給電する。

操作端末３は、オペレータの操作を受け付ける操作部３１と、飛行体１の第１通信部１４１との通信を行う通信部３２と、操作部３１によって受け付けた操作の内容に基づいて飛行体１に送信する指示情報を生成し、通信部３２を制御して飛行体１との通信を行う通信制御部３３とを有している。操作部３１は、飛行体１の飛行方向や飛行速度、空中での停止（ホバリング）、及び着陸台２０への着陸等の指示操作をオペレータから受け付けるためのスイッチや操作レバーを有している。

操作端末３がオペレータから受け付けた操作の内容を示す指示情報は、操作端末３の通信部３２から飛行体１の第１通信部１４１に送信され、飛行体１の制御部１８が指示情報に基づいて第１乃至第４のモータ１２１〜１２４を制御する。また、オペレータによって着陸台２０への着陸が指示されると、飛行体１の制御部１８は、位置検出部１５及び撮像装置１６から得られる情報に基づいて、飛行体１が自律飛行により着陸台２０に着陸するように第１乃至第４のモータ１２１〜１２４を制御する。この着陸の目標位置は、着陸台２０の中心部であり、より詳細には、図１（ｂ）に示すように受電部１９１の芯材１９１ａと送電部２１の芯材２１ａとが同軸線上に並ぶ位置である。

しかしながら、例えば風等の外乱や、飛行体１の脚部１１５が着陸台２０に当たった際の衝撃によって飛行体１がバウンドしてしまうこと等により、飛行体１の着陸位置が着陸台２０の中心部からずれてしまう場合がある。また、オペレータが操作端末３を操作して飛行体１を着陸台２０に着陸させる場合は、オペレータの操作技能の未熟さによっても、飛行体１の着陸位置が着陸台２０の中心部からずれてしまう場合がある。

送電部２１から受電部１９１への送電効率は、受電部１９１の芯材１９１ａと送電部２１の芯材２１ａとが同軸線上に並ぶ場合に最も高く、受電部１９１の位置がこの理想的な位置から外れると、損失が多くなって送電効率が低くなる。また、受電部１９１が送電部２１から大きく外れてしまうと、送電部２１から受電部１９１への送電ができなくなる。このため、飛行体１が理想的な位置から外れた位置に着陸してしまった場合には、受電部１９１の芯材１９１ａの中心位置と送電部２１の芯材２１ａの中心位置とが近づくように、飛行体１を移動させることが望ましい。

本実施の形態では、充電装置２の制御部２５が移動部２３を制御することで、飛行体１の着陸後に、受電部１９１の芯材１９１ａの中心軸線と送電部２１の芯材２１ａの中心軸線とが一致するように飛行体１を移動させる。次に、この移動部２３の動作を、図３（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。

図３（ａ）及び（ｂ）では、複数の電磁石２３０のうち、コイル２３０ｂに通電されている電磁石２３０の芯材２３０ａの上端面にクロスハッチングを付している。また、図３（ｃ）では、送電コイル２１ｂに通電された送電部２１の芯材２１ａの上端面にクロスハッチングを付している。

充電装置２の制御部２５は、通信部２４を介した飛行体１との通信により飛行体１が着陸台２０に着陸したことを検知すると、第２環状帯２３ｂの複数の第２電磁石２３２のコイル２３０ｂに通電する。これにより、受電部１９１が第２環状帯２３ｂの外側に位置する状態で飛行体１が着陸台２０に着陸した場合でも、第２電磁石２３２の磁力によって飛行体１が着陸台２０の中心部に近づくように移動する。なお、この移動の際には、飛行体１の脚部１１５が表層板２０１の表面２０１ａを滑走する。制御部２５は、第２電磁石２３２への電流供給を飛行体１の移動に必要な時間を考慮した所定時間（例えば１秒以上）継続し、その後、第２電磁石２３２への電流供給を停止する。

次に、充電装置２の制御部２５は、第２電磁石２３２への電流供給を遮断した後、第１環状帯２３ａの複数の第１電磁石２３１のコイル２３０ａに通電する。これにより、第１電磁石２３１の磁力によって飛行体１が着陸台２０の中心部に向かってさらに近づくように移動する。また、制御部２５は、第１電磁石２３１への電流供給を所定時間継続し、その後、第１電磁石２３１への電流供給を停止する。

次に、充電装置２の制御部２５は、第１電磁石２３１への電流供給を遮断した後、送電電源部２２を制御して送電部２１の送電コイル２１ｂに電流を所定時間供給する。この電流は、送電部２１に受電部１９１の芯材１９１ａを吸引するための磁力を発生させるための励磁電流であり、その電圧の周波数は、受電部１９１への誘導給電を行う際の高周波に限らず、例えば直流であってもよい。

その後、充電装置２の制御部２５は、送電電源部２２を制御して送電部２１の送電コイル２１ｂに高周波電流を供給し、受電部１９１への誘導給電を行う。これにより、飛行体１の蓄電池１９３が充電される。また、制御部２５は、通信部２４を介した飛行体１との通信により、蓄電池１９３の充電が完了したことを検知すると、送電コイル２１ｂへの高周波電流の供給を停止する。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明した本発明の実施の形態によれば、受電部１９１の芯材１９１ａに作用する磁力によって受電部１９１が送電部２１に近づくように飛行体１を移動させるので、受電部１９１と送電部２１とを正確に位置合わせすることができる。そして、受電部１９１と送電部２１とを位置合わせしてから送電部２１から受電部１９１への誘導給電を開始するので、高い効率で飛行体１への給電を行うことができる。

（付記）
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、この実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、一部の構成を省略し、あるいは構成を追加もしくは置換して、適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記の実施の形態では、充電対象の移動体が飛行体である場合について説明したが、これに限らず、例えば地上や水上を移動する移動体に対して充電を行う場合にも、本発明の移動体充電システムを適用することが可能である。

また、上記の実施の形態では、送電部２１から受電部１９１に対して誘導給電を行う場合について説明したが、これに限らず、例えば接点同士の接触による電気的な結合によって給電を行うようにしてもよい。

また、上記の実施の形態では、第１環状帯２３ａ及び第２環状帯２３ｂが同心の円環状となるように複数の電磁石２３０を配置した場合について説明したが、これに限らず、例えば格子状に配置された複数の電磁石のうち一部の電磁石によって矩形状の第１環状帯を構成し、他の電磁石によって第１環状帯よりも大きい矩形状の第２環状帯を構成してもよい。また、第２環状帯の外側に第３環状帯を追加して設けてもよく、さらにその外側に第４環状帯を設けてもよい。

また、上記の実施の形態では、受電部９１１を機体１１の保持部１１６に保持した場合について説明したが、受電部９１１を機体１１に対して水平方向に相対移動可能にフローティング支持してもよい。この場合、必ずしも飛行体１の全体を着陸台２０上で移動させなくてもよいので、受電部１９１と送電部２１との位置合わせを行いやすくなる。

またさらに、上記の実施の形態では、飛行体１が着陸台２０上を移動する際、脚部１１５が表層板２０１の表面２０１ａを滑走する場合について説明したが、飛行体１を移動しやすくするため、脚部１１５の先端部に転動輪を有するキャスターを取り付けてもよい。

１００…移動体充電システム １…飛行体（移動体）
１９１…受電部 １９１ａ…芯材
１９１ｂ…受電コイル １９３…蓄電池
２…充電装置 ２１…送電部
２１ａ…芯材 ２１ｂ…送電コイル
２３…移動部 ２３ａ…第１環状帯
２３ｂ…第２環状帯 ２３０…電磁石

Claims (5)

1. 蓄電池に蓄電された電力により移動する移動体の前記蓄電池に対して充電装置から充電を行う移動体充電システムであって、
   前記移動体は、前記充電装置から受電を行う受電部を有し、前記受電部により受電した電力を前記蓄電池に蓄電し、
   前記充電装置は、前記受電部に結合される送電部と、前記受電部を前記送電部に結合される位置に移動させることが可能な移動部とを有し、
   前記移動部は、前記受電部に作用する磁力によって前記受電部を移動させる、
   移動体充電システム。
2. 前記受電部及び前記送電部は、軟磁性体からなる芯材と、前記芯材の周囲に配置されたコイルとを有し、
   前記磁力が前記受電部の前記芯材に作用する、
   請求項１に記載の移動体充電システム。
3. 前記移動部は、前記送電部の周囲に配置された複数の電磁石を備え、
   前記複数の電磁石の磁力によって前記受電部が前記送電部側に導かれる、
   請求項２に記載の移動体充電システム。
4. 前記移動部は、前記送電部を囲むように配置された複数の電磁石からなる第１環状帯と、前記第１環状帯の外側を囲むように配置された複数の電磁石からなる第２環状帯とを備え、
   前記第２環状帯の前記複数の電磁石に通電した後、前記第１環状帯の前記複数の電磁石に通電し、その後さらに前記送電部の前記コイルに通電する、
   請求項２に記載の移動体充電システム。
5. 前記移動体は、自律飛行が可能な飛行体である、
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の移動体充電システム。

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