JP2022046458A

JP2022046458A - 飛行体、吊り荷制御装置、方法

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Publication number: JP2022046458A
Application number: JP2021148213A
Authority: JP
Inventors: 望月玲於奈; Reona Mochizuki
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-09-10
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2022-03-23

Abstract

【課題】飛行体の姿勢の変化による吊り荷の姿勢の変化を抑えるシステムを提供する。【解決手段】飛行体と吊り荷を、複数の接続手段で接続し、そのうちの少なくとも1つの接続手段を、接続端間の距離を変化させることを可能とした接続手段とする吊り荷制御装置によって、飛行体に対する吊り荷の姿勢または位置またはその両方を変化させ、飛行体の姿勢変化による吊り荷の姿勢変化を低減する。【選択図】図１

Description

吊り荷の位置、姿勢の制御、および飛行体の制御に関する。

近年ドローンと呼ばれる、飛行体を用いた配送を実現するための開発が進められている。
ドローンの多くは、機体の中心部付近に、制御用のコンピュータやバッテリ、センサなどを備える構成である。重量のある構成物を機体の中心付近に置いたほうが、慣性モーメントが少なくなり、機体の運動に有利である。

特開2019-059480

飛行体で配送を行う際の問題点や懸念事項は次のとおりである。配送する吊り荷を飛行体に取り付けることで、重心が変化し、飛行体の飛行性能に悪影響を及ぼす。飛行体が姿勢を変化させることで、飛行隊に接続した吊り荷の姿勢も変化してしまう。吊り荷の重さや形状は、運ぶものに応じて異なるため、専用の重心設計をした飛行体を用いるのは非効率である。そのため、前記吊り荷の姿勢変化を打ち消すための機構が必要である。

ドローンにジンバル機構を備え、ドローンと吊り荷をジンバル機構で接続することで、ドローンの姿勢変化による吊り荷の姿勢変化を打つ消す方法がある。しかし、ジンバル機構の回転中心が、ドローンの姿勢変化の回転中心と一致しない場合には、吊り荷の自重によってドローンを回転させる力が生じてしまい、ドローンはその力を打ち消すための姿勢変化をさせる力を発生させる必要が生じる。

一般的に、ドローンの回転中心は機体の内部に位置していることが多いため、上記の問題を解消するためには、機体の中心に空間を有し、ジンバル機構を備えることができるような特殊な機体が必要である。(特許文献1)

そこで、本願発明では、飛行体に積載する荷物の飛行体の位置と姿勢に対する位置と姿勢を制御する機構を備えることで、重心位置の変化と荷物の姿勢変化を抑え、飛行効率、安定性を向上する。

飛行体と吊り荷を、複数の接続手段で接続し、そのうちの少なくとも1つの接続手段を、接続端間の距離を変化させることを可能とした接続手段とする。

飛行体側の接続端と、吊り荷側の接続端との距離を複数組について変化させることで、飛行体に対する吊り荷の姿勢または位置またはその両方を変化させる。姿勢および位置については、特定の方向のみについて変化させるようにしてもよい。

複数の接続手段の接続端間の長さを制御することで、吊り荷の所定の点と飛行体の所定の点との位置関係が、所定の条件を満たすように制御する。

吊り荷の所定の点、例えば吊り荷の重心が、飛行体の回転中心から重力方向の線上、またはその近くに位置するように接続手段の長さを制御する。このように制御することによって、飛行体の姿勢が変化したときに、吊り荷の自重による飛行体を回転させる力を抑えることができる。

飛行体に所定の構造物への接続手段を備える。例えば、飛行体の上部にフックを備え、水平方向に延びる棒状の構造物に飛行体を吊るすことができるようにする。フックの形状の一例は、かぎ状であり、飛行体は下降しながら、前記構造物にフックをひっかけることで、飛行体を前記構造物にぶら下がることが可能となる。また、飛行体は構造物にぶら下がった状態から上昇することで、フックと前記構造物との接続を解除し、飛行状態に移行することが可能である。

フックにロック機能を備え、外力などによって意図せず構造物との接続が解除されないようにしてもよい。

接続手段の長さを制御することによって、吊り荷の位置と姿勢を制御できるので、飛行体の飛行による吊り荷の揺れを抑える制御が可能となる。飛行体の回転中心と吊り荷の重心が重力方向の直線で結ばれるように制御可能なので飛行体の回転運動時の負荷を軽減できる。

飛行体に対する吊り荷の姿勢の回転中心を、飛行体の内部を含む任意の点に設計することが可能となる。

接続手段の長さを変化させることができるので、飛行体を下降させずに吊り荷を地上に降ろすことができるため、飛行体の上昇と下降によるエネルギーの損失を抑えることができる。

例えば、ウインチで吊り荷を降ろす場合は、ワイヤーの繰り出しに必要な力は少なく、さらに、吊り荷を外した後は、吊り荷を上げる必要がなくなるため、ウインチの巻き上げに必要な力は少なくて済む。

飛行体と吊り荷部分がワイヤーやロープなどで接続されているため、作業者は吊り荷部分を機体と分けて扱うことができる。吊り荷と飛行体の接続時に、飛行体を持ち上げたり、飛行させる必要がない。作業者の作業が容易で安全となる。

飛行体に備えた、所定の構造物への接続手段を備えることで、飛行体の位置を高所にとどめることが可能となるため、上昇や下降に必要なエネルギーを減らすことが可能となる。このとき、ホバリングの必要がなくなるため、吊り荷の受取人を高所で長時間待機することが可能となる。吊り荷や飛行体を高所にとどめることにより、盗難などを抑制することが可能となる。また、前記構造物に接続した状態で、ワイヤーで吊り荷を下すことができるので、入り組んだ場所など、飛行体の下降が困難な場所に吊り荷を安全に降下させることが可能となる。また、複数の接続手段を備えることで、飛行体に対する吊り荷の位置を制御可能であるため、特定の範囲で、吊り荷の着地地点を制御可能である。

ドローンへの適用例と動作例 3つの接続手段を用いた接続端の位置の例ウインチを搭載した場合の例アームによるワイヤー繰り出し量制御ガイドを用いた吊り荷の回転中心の設定ねじれ防止方法の例飛行体停留所の利用例

マルチコプター型のドローンを飛行体として、ドローンに備える、吊り荷装置の例について説明する。

本実施例では、長さを変化させることが可能な接続手段103として、ウインチ201を採用するものとして説明する。図3に接続手段103としてウインチを採用する場合の例を示す。ドローン101や吊り荷102に、ロープやワイヤーを巻き取るウインチの巻取り装置204を設置し、ウインチの繰り出し点202から繰り出し、巻き取られるロープを吊り荷102やドローン101の接続点203に接続する。接続点203、繰り出し点が202、前記の接続端104に相当する。ウインチ201でロープを巻き取ることで、繰り出し点202と接続点203との距離を変化させる。繰り出し点202と接続点203を複数備えることで、ドローン101に対する吊り荷102の姿勢や位置を制御するとこができる。例えば、パラレルリンクロボットのように繰り出し点202と接続点203を設置することで、吊り荷の姿勢と位置を制御することができる。

図1に吊り荷の姿勢と位置を制御の一例を示す。図1の例では、吊り荷側の接続端104の位置が飛行体101の回転中心111から重力方向の線上に位置するように、飛行体101の姿勢変化に応じて、接続手段103の長さを変化させる。

繰り出し点202と接続点203を吊り荷102やドローン101の姿勢や位置を制御できるような位置に設計すれば、ウインチの巻取り装置204の位置は、吊り荷の位置、姿勢の制御に影響しない。そのため、ウインチ用のアクチュエーターなど重量物の位置や向きを自由に設計できるため、重心の位置が飛行性能に影響を与えるような、飛行体の重心位置の設計が容易である。

飛行体101側の接続端104のなす面の近くに、飛行体101の重心、または回転中心が位置するようにするとよい。このようにすることで、飛行体101の姿勢変化に対する吊り荷102の自重による、飛行体101を回転させる力が生じにくくなるように制御することが可能となる。

繰り出し点202と接続点203の位置について、ドローン側にウインチを備え、ドローン側に繰り出し点202を設け、吊り荷側に接続点203を備える場合について説明していくが、吊り荷側にウインチを備える場合には、繰り出し点202と接続点203は逆になる。ドローン側、吊り荷側双方にウインチ201を備えるようにしてもよい。例えば、ドローン側の姿勢を制御するためのウインチはドローン側に備え、吊り荷の姿勢を制御するウインチは吊り荷側に備えるようにしてもよい。

ウインチの巻取り装置204と繰り出し点202を吊り荷側に備える構成について説明する。本構成の場合では、ドローン側に接続点203を備えることとなる。ドローン側の繰り出し点202を接続点203に帰るものとしてよい。ドローンとワイヤーをつないだ点が接続点203となる。ドローンとワイヤーの接続は、例えばフックなどの取り付けや取り外しが容易な構成とすることができる。ドローン101に、フックを接続する部材や、穴をあけることで、本願吊り荷装置の適用が可能となる。前記部材の取り付けや穴をあけるといった加工は比較的容易に実施可能であり、本願吊り荷装置の主要部品となるウインチは吊り荷側に備えるため、ドローンへの部品取り付けが少なく済み、既存のドローンへの適用が容易となる。また、前記接続部材の取り付けや穴をあけたドローンであれば、他のドローンへの付け替えが容易となる。例えば、運ぶ吊り荷の規模に応じてドローンを取り換えることが可能である。

ドローンに対する吊り荷の位置、あるいは姿勢を制御するためには、少なくとも3つの接続手段を備えればよい。また、姿勢、位置の制御可能範囲を制限することを許容すれば3つの接続手段のうち1つの接続手段は繰り出し点202と接続点203との距離を変化させなくてもよい。本願の図面については、図の簡単化のために2つの接続手段のみを描くものがあるが、接続手段の数を制限するものではない。図示されている接続手段のうちのいずれかに、3つ目の接続手段が隠れているととらえて考えてもよい。

図2に接続一例を示す。ドローン側の異なる位置に繰り出し点202を備え、吊り荷側の同じ点に接続点203を備える。繰り出し点202と、接続点203を図2のように構成することによって、繰り出し点202側に対する、接続点203の位置を、ワイヤー205の長さを変化させることによって制御可能となる。また、ドローンの姿勢が変化したとき、ドローンの重心、回転中心111と、接続点203または、吊り荷の重心点が、同じ垂線で結べるように接続点203の位置を制御することで、ドローンの姿勢変化に対する、吊り荷の位置の変化を抑えることが可能となる。

吊り荷制御システムは、接続手段の長さを取得する手段を備える。一例は、ウインチ201に回転量を検出する手段を備え、繰り出しているワイヤー205の長さを算出する。

接続手段の長さを算出する際は、接続手段の自重によるたわみや、かかる張力による伸びや縮みを考慮することで、より正確な接続端104同士の間の距離を算出することができる。

別の例は、ワイヤーなどの接続手段にワイヤーの繰り出し量を検出するためのマーカーやバーコードを備える。システムは、ワイヤーに備えるマーカーやバーコードを読み取ることで、現在の繰り出し量を算出することができる。マーカーの他に、ワイヤーの一端からの長さに応じて色を変化させるものとし、繰り出し点で検出したワイヤーの色から繰り出し量を算出してもよい。また、目盛を備えてよい。

飛行体101に対する吊り荷102の位置、接続端104の位置を検出する手段を備え、吊り荷102や接続端104の位置や姿勢から、接続手段の長さを算出させてもよい。吊り荷や接続端をカメラで認識するものとしてもよい。吊り荷側にカメラを備え、飛行体の位置や姿勢を認識するものとしてもよい。

吊り荷制御システムは、飛行体101または、吊り荷102の姿勢を取得する手段を備える。少なくとも、飛行体101の姿勢を取得する手段を備えることで、吊り荷102の姿勢は、飛行体101の姿勢と接続手段103の長さから算出することが可能である。吊り荷側に姿勢を取得する手段を備え、吊り荷の姿勢から飛行体の姿勢を算出してもよい。飛行体101の姿勢を取得する手段は、飛行体101の飛行制御に用いられる各種センサの情報を用いてもよい。その場合、飛行体101の飛行制御システムから吊り荷制御システムに、情報を送付する手段を備える。吊り荷制御システムに別途姿勢取得手段を備えてもよい。姿勢取得手段と吊り荷制御システムとは無線または有線で接続させてもよい。

接続手段の形態について説明する。

本願における実施例では、ウインチを用いる方法について説明する。ドローンもしくは、吊り荷に接続されたワイヤーをウインチで巻き取る、もしくは繰り出すことで、接続点とワイヤーの繰り出し点間の距離を制御する。ここで、ワイヤーの代わりに糸やロープ、ひも、鎖のような代替可能なものを用いてもよい。
繰り出し点202は、ワイヤーを繰り出し、巻き取る際のガイドの役割を担い、繰り出し点の位置を所望の位置に設計すれば、ウインチの巻取り装置204の位置は、本願の吊り荷の位置、姿勢の制御に影響しない。また、ワイヤーについて、軽量のものを用いることで、ドローンの飛行への影響を抑えることができる。例えば、接続手段にロボットアームのような重量の大きいものを用いる場合よりも飛行への影響を抑えることができる。

本願システムに備える複数の接続手段103の長さを変える際、アーム601でワイヤー205を引っ張る、もしくは押し出すことで、ワイヤー205の繰り出し長を変化させてもよい。図4のようにアーム601でワイヤー205を押すことで、押した分だけワイヤー205の繰り出し長が短くなる。ウインチ201による繰り出し、巻き取りと併用することも可能である。例えば、吊り荷の位置、姿勢を制御するための繰り出し量の制御をアームで行い、吊り荷の上下方向への昇降はウインチを用いるようにしてもよい。その際、1つの巻取り装置204で複数のワイヤー205の巻取りをしてもよい。複数の巻取り装置204を1つのアクチュエーターで駆動するようにしてもよい。

吊り荷の水平面上の向きについては、飛行体の向きを変化させることによって変化させるようにしてよい。もしくは、吊り荷部分にアクチュエーターを備え、吊り荷を回転させてもよい。例えば、図3のように、吊り荷部102にアクチュエーターで回転させることができる回転部分105を設け、吊り荷を回転部分105に接続することによって、吊り荷の向きが制御可能となる。接続手段103の長さを変化させるだけでは制御が難しい方向への吊り荷の向きの変更が可能となる。

吊り荷102と接続手段103は直接接続してもよいし、荷物と接続する手段を介して接続してもよい。例えば、図1の吊り荷102を、荷物を接続する部品としてもよい。

制御について説明する。

吊り荷制御システムは、ドローンの姿勢や移動速度に応じて、接続手段の長さを変化させることによって、ドローンに対する吊り荷の位置、姿勢を制御することによって吊り荷の揺れを抑える。

各接続手段の長さは、現在の飛行体の姿勢に対する、目標とする吊り荷の位置、姿勢から算出することが可能である。飛行体の姿勢から飛行体側の接続端の位置が算出できる。飛行体に対する吊り荷の位置、姿勢から、吊り荷側の接続端の位置を決める。飛行体側と吊り荷側の対応する接続端間の距離となるように、接続手段の長さを変化させる。

吊り荷制御システムは、飛行体の飛行制御システムから飛行体の姿勢を変化させる制御量の情報を取得して、飛行体の姿勢を算出してもよい。制御量の情報を用いることで、飛行体の姿勢変化が予測可能となるため、吊り荷の制振性能を向上させることが可能となる。

接続手段103に、接続手段103にかかる張力を検出する手段を備えてもよい。システムは、飛行体101と吊り荷102をつなぐ複数の接続手段103にかかる張力が同じとなるように制御することによって、吊り荷の重さが飛行体の姿勢によらず各接続端104に均等にかかることとなるため、飛行体の飛行への影響を抑えることが可能となる。飛行体を回転させる張力を打ち消すように接続手段の長さを制御してもよい。

張力は巻取り装置204や図4におけるアーム601を駆動するアクチュエーターにかかる抵抗をもとに算出してもよいし、張力センサを備えてもよい。

吊り荷側101の接続端104が同じ点である場合、吊り荷制御システムは、吊り荷の重心を質点として、支点を吊り荷側の接続端104とする振り子として考えて吊り荷の揺れを制御してもよい。吊り荷側101の接続端104の位置は、接続手段103の長さを制御することで、三次元空間を移動させることができるため、吊り荷制御システムは振り子の運動方程式や、公知の振り子の揺れを抑える制御手法を適用することができる。

接続手段103にワイヤーのような柔軟な素材を採用することで、上下方向への吊り荷の可動範囲を大きくすることが可能となる。加えて、作業者が地上での飛行体への吊り荷の接続など、吊り荷に対する作業をする際には、飛行体に荷を固定する場合よりも、飛行体などの位置によらず、自由度の高い作業が可能となる。

一方で、飛行体と吊り荷が柔軟な素材で接続されるので、風などにより揺れが生じる恐れがある。

飛行体は、飛行中において、飛行体側の接続端と吊り荷側の接続端の位置が固定されるようにしてもよい。固定する方法の一例は、接続手段103の長さが外力によって変化しないようにする。例えば、接続手段の長さを最も短い状態にすることで、吊り荷側の接続端と飛行体側の接続端の距離が変化しないようにする。または、吊り荷と飛行体を接触させることで、吊り荷を飛行体に固定する。

飛行体101に、曲面を有するガイド501を備えるようにしてもよい。吊り荷部102を曲面に押し付けるように接続手段103の長さを制御することによって、吊り荷部102の飛行体101に対する姿勢は、ガイド501の曲面に沿った姿勢とすることができる。接続手段103の長さを制御することで、曲面と吊り荷部102が接触する位置を制御することができるため、飛行体101の姿勢に対する、吊り荷部102の位置と姿勢を制御することができる。また、このとき吊り荷部は飛行体に押し付けられるように接触しているため、前述したような風などの外乱による吊り荷部の揺れを抑えることができる。

図5のようにガイド501の曲面を球面とすることによって、吊り荷部102を、飛行体101を基準とした球面をなす球の中心503を中心に回転させることが可能となる。球面の中心503の位置は球面の形状により任意に決めることができる。すなわち、吊り荷部の回転中心を任意に決めることができる。球面の中心を飛行体の回転中心となるようにすることで、吊り荷部を飛行体の回転中心を中心にして回転させることができる。球面は、その一部を用いるのみでもよい。

2つの回転軸をアクチュエーターで駆動するような、飛行ドローンのカメラに用いられるような一般的なジンバルと比較して、吊り荷の回転中心を自由に設計できる利点がある。

吊り荷部側に、前記曲面上を移動させるためのガイド502を設けてもよい。ガイド502を備えることで、吊り荷部102を飛行体101に接触させたときの吊り荷部102の姿勢を安定させることができる。飛行体101の回転に対して、吊り荷部102が回転、移動しないように制御する場合には、吊り荷102の向きが球面の半径方向になるようにすることが望ましい。

ガイド502として、飛行体側の曲面と3点で接触させるような部材を備えるようにしてよい。また、飛行体側のガイド501と接触する点にキャスターや滑りやすい部材などを備え、接触点がガイド501の面上を移動しやすくしてもよい。飛行体側のガイド501の曲面を滑りやすい部材で構成してもよい。

吊り荷102にワイヤーなどのねじれを防止する手段を備えてもよい。一例は、図6のように筒形の形状のねじれ防止部品901にワイヤー205を通すようにしてよい。ねじれ防止部品901は、向きが自由に変化できるように、接続端104付近につなげてもよい。例えばひもや鎖などでつなぐ。変形しないねじれ防止部品901によって、ワイヤー205が絡まってしまうのを防ぐことができる。

飛行体101にフック120を装備し、所定の構造物にぶら下がることができるようにしてもよい。図7のようにフック120をひっかける箇所を有する停留所121に飛行体101をぶら下げる。フック120をひっかける場合は、飛行体101と停留所121の接続と接続解除は飛行体101の飛行のみで実現可能である。停留所121との接続後に、意図せず接続解除されないように、飛行体101を停留所121に固定する機構を設けてもよい。固定する機構は、飛行体101に設けてもよいし、停留所121に設けてもよい。

停留所121の形状は、図7に例示したT字型に限るものではない。フック120をひっかける部分は、ワイヤーなどを用いてもよい。停留所121は複雑な機構を備える必要がないため、設置が容易である。

飛行体101は、接続手段103の長さを伸ばすことで、ぶら下がった状態から、吊り荷を地上に卸すことが可能である。飛行体自体を昇降させるよりも必要なエネルギーを抑えることができる。また、複数の接続手段103を備えた飛行体101を用いることで、吊り荷102の着地位置を制御可能である。

停留所121を用いることで、飛行体101はホバリングをせずとも高所で待機することが可能となる。停留所121を吊り荷102の積み下ろし地点に設置することで、作業者や吊り荷の受取人を人が立ち入ることが困難な高所で待機することができるため、吊り荷や機体の盗難防止の一助となる。停留所121に接続した状態で、ワイヤーなどで吊り荷を下すことができるので、入り組んだ場所や狭い場所など、飛行体の下降が困難な場所に吊り荷を安全に降下させることが可能となる。

飛行体を下降させずに吊り荷を地上に降ろすことができるため、飛行体の上昇と下降によるエネルギーの損失を抑えることができる。

各構成要素は、同様の効果や特徴を含む別の構成要素に置き換えてもよい。

例えば、実施例の説明では、長さを変化させることが可能な接続手段としてウインチを採用して説明を行ったが、ウインチに限らず、伸縮可能なアームなど接続端104同士の距離を変化させることができる別の手段を用いてもよい。

本願実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、本願実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、本願実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、本願実施形態の構成の少なくとも一部を、他の本願実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。
なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

本発明は上記の実施形態に限定されることはなく、種々の変形を行うことができる。例えば、
上述した装置の他、当該装置を構成要素とするシステム、当該装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した媒体、制御方法、方法等、種々の形態で本発明を実現することもできる。

また、プログラムはサーバーに設置され、実行する機器がサーバーからダウンロードする、あるいは、処理の一部あるいは全部をサーバー側で実行させるようにしてもよい。

ドローンによる荷物の運搬やカメラによる撮影、センサーなど、積載物の姿勢を水平に保ちたい場合に利用可能である。

101 飛行体,
102 吊り荷,
103 接続手段,
104 接続端,
105 回転部分,
111 飛行体の回転中心,
120 フック
121 飛行体の停留所の例
201 ウインチ,
202 繰り出し点,
203 接続点,
204 巻取り装置,
205 ワイヤー,
501 飛行体側のガイド,
502 吊り荷側のガイド,
503 飛行体側のガイドの球面の球の中心,
601 アーム,
901 ねじれ防止部品

Claims

吊り荷と飛行体とを接続する接続手段を少なくとも2つ備え、
前記接続手段のうち少なくとも1つの接続手段の長さを変化させることを可能とした
吊り荷制御措置。
吊り荷と飛行体とを複数の接続手段で接続し、
前記飛行体と前記接続手段は接続端で接続され、
前記吊り荷と前記接続手段はもう一方の接続端で接続され、
前記接続手段の前記接続端間の距離は変化させることが可能であり、
前記吊り荷の位置が前記飛行体の回転中心を通る鉛直線上に位置するように前記接続手段の接続端間の距離を制御する
吊り荷制御措置。