JP2022087981A - 無人機の給電システム - Google Patents

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彰 遠藤
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Abstract

【課題】地上に設置するステーションを用いた無人機の給電システムでは、無人機の飛行領域が狭く限られるうえに、充電に要する時間が長いという問題点があった。【解決手段】垂直に離着陸可能な第1及び第2の無人機A1,A2において、第1無人機A1から第2無人機A2に電力を供給するシステムであって、第1無人機A1が、供給電力を蓄えた蓄電器9と、蓄電器9の電力を出力するための出力部10と、第2無人機A2を降着させる降着台11とを備え、第2無人機A2が、降着台11に降着した状態で出力部10からの電力を充電する二次電池25を備えた構成とし、無人機の飛行領域の拡大と、充電に要する時間の短縮を実現する。【選択図】図1

Description

本発明は、垂直に離着陸可能な第1及び第2の無人機において、第1無人機から第2無人機に空中給電を行うのに用いられる無人機の給電システムに関するものである。
従来において、無人機の給電システムとしては、例えば、特許文献1に記載されたものがある。引用文献1に記載の給電システムは、受電装置を搭載したマルチコプターと、送電装置を備えたステーションとから成る。マルチコプターは、垂直に離着陸可能な無人機であり、例えばGPSを搭載している。ステーションは、地上に設置する。
上記の給電システムにおけるマルチコプターは、電池容量が減少して充電が必要な状態であることを検出すると、GPSで検出した自己位置と予め入力したステーションの位置とに基づいて、ステーションへの方向及び距離を算出することにより、ステーションの上空まで飛行する。その後、給電システムは、マルチコプターをステーションに降着させ、ステーションの送電装置とマルチコプターの給電装置とにより無線給電を行う。
特開2017-135880号公報
しかしながら、上記の無人機の給電システムでは、マルチコプターの飛行領域が、地上に設置したステーションを中心とする範囲に限られる。また、マルチコプターは、ミッションを一旦中断してステーションまで飛行し、充電後に元の位置まで飛行してミッションに復帰することになる。このため、従来の無人機の給電システムにあっては、無人機の飛行領域が狭く限られるうえに、充電に要する時間(飛行時間+充電時間)が長いという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、無人機の飛行領域の拡大と、充電に要する時間の短縮を実現することができる無人機の給電システムを提供することを目的としている。
本発明に係わる無人機の給電システムは、垂直に離着陸可能な第1及び第2の無人機において、第1無人機から第2無人機に電力を供給するシステムである。この無人機の給電システムは、第1無人機が、供給電力を蓄えた蓄電器と、蓄電器の電力を出力するための出力部と、第2無人機を降着させる降着台とを備えている。そして、無人機の給電システムは、第2無人機が、第1無人機の降着台に降着した状態で出力部からの電力を充電する二次電池を備えたことを特徴としている。
上記構成において、第1無人機は、いわゆる母機に相当するもので、第2無人機よりも長時間の飛行が可能である。第2無人機は、いわゆる子機に相当するもので、例えば、荷物の運搬や撮影等の様々なミッションを実行する。第1及び第2の無人機は、夫々の数が限定されるものではないが、例えば、1機の第1無人機と複数機の第2無人機とを組み合わせた構成を採用することができる。
上記の給電システムは、第1及び第2の無人機を目的の飛行領域で飛行させる。この給電システムは、第2無人機に充電が必要になった際、第1及び第2無人機が接近するように、少なくとも一方の無人機を飛行させる。そして、上記の給電システムは、第1無人機の降着台に第2無人機を降着させた状態にし、第1無人機の蓄電器の電力を出力部から第2無人機の充電器に充電する。つまり、上記の給電システムでは、第1無人機及び第2無人機の両方を飛行させるので、地上にステーションを設置した場合に比べて、第1及び第2の無人機の飛行領域が狭く限られることがなく、充電の際には、第1及び第2の無人機を最短時間で接近させて充電を行うことができる。よって、第2無人機は、充電に要する時間やミッションの中断時間も短くなる。
このようにして、本発明に係わる無人機の給電システムは、無人機の飛行領域の拡大と、充電に要する時間(飛行時間+充電時間)の短縮を実現することができる。
本発明に係わる無人機の給電システムの第1実施形態を説明する斜視図である。 図1に示す第2無人機と第1無人機の降着台を示す説明図である。 図2に続いて第2無人機の降着過程を示す説明図(A)、及び降着後の状態を示す説明図(B)である。 本発明に係わる無人機の給電システムの第2実施形態において、第2無人機と第1無人機の降着台を示す説明図である。 図4に続いて第2無人機の降着過程を示す説明図(A)、及び降着後の状態を示す説明図(B)である。 本発明に係わる無人機の給電システムの第3実施形態において、第2無人機と第1無人機の降着台を示す説明図である。 図6に続いて第2無人機の降着過程を示す説明図(A)、及び降着後の状態を示す説明図(B)である。 本発明に係わる無人機の給電システムの第4実施形態を説明する斜視図(A)、及び第2無人機の降着後の状態を示す説明図(B)である。
〈第1実施形態〉
図1に示す無人機の給電システム(以下、「給電システム」と略記する。)は、垂直に離着陸可能な第1及び第2の無人機A1,A2において、第1無人機A1から第2無人機A2に電力を供給するシステムである。
図示の第1無人機A1は、機体1に、四方へ延出する4本のアーム2を備えると共に、各アーム2の先端に、モータ3及び回転翼4等により構成した回転翼ユニット5を備えている。また、第1無人機A1は、機体1に、エンジン6、燃料タンク7、エンジン6により駆動される発電機8、発電機8が発電した電力を蓄える蓄電器9、蓄電器9の電力を出力するための出力部(図2中の符号10)、及び第2無人機A2を降着させる降着台11を備えている。
エンジン6は、例えば、ガソリンエンジンである。発電機8は、蓄電器9に蓄える電力を発生する一方で、回転翼ユニット5の電源としても用いられる。蓄電器9は、供給電力を蓄えると共に、発電機8からの電力を整流/整圧するための電力制御部12を備えている。蓄電器9に蓄えた供給電力とは、主として第2無人機A2に供給する電力であるが、第1無人機A1の消費電力を賄うことも可能である。降着台11は、例えば矩形板状を成し、ビーム13を介して機体1に連結してある。
上記の第1無人機A1は、いわゆる母機に相当するもので、第2無人機A2よりも長時間の飛行が可能であり、第2無人機A2を降着させる降着台11を備えた構造から明らかなように、第2無人機A2に比べて大型である。
上記の第1無人機A1は、各回転翼ユニット5により垂直に離陸し、各回転翼ユニット5の出力調整により、姿勢や飛行方向を制御することができると共に、垂直に着陸することが可能である。なお、図示例の無人機A1のようにエンジン6を搭載した場合には、例えば、エンジン6により駆動されるダクテッドファンを主推力機関として備えると共に、回転翼ユニット5を姿勢制御に用いるようにしても良い。
図示の第2無人機A2は、機体21に、四方へ延出する4本のアーム22を備えると共に、各アーム22の先端に、モータや回転翼により構成した回転翼ユニット23を備えており、機体21の下部には、降着用の4本の支持脚24を備えている。また、第2無人機A2は、第1無人機A1の降着台11に降着した状態で出力部(10)からの電力を充電する二次電池25を備えている。二次電池25は、各回転翼ユニット23の電源である。
上記の第2無人機A2は、いわゆる子機に相当するもので、例えば、荷物の運搬や撮影等の様々なミッションを実行する。よって、第2無人機A2は、荷物を把持するための機構や撮影用のカメラなどを搭載することができる。また、第2無人機A2は、その数が限定されるものではないが、1機の第1無人機A1に対して複数機を組み合わせることが可能である。
上記の第2無人機A2は、第1無人機A1と同様に、各回転翼ユニット23により垂直に離陸し、各回転翼ユニット23の出力調整により、姿勢や飛行方向を制御することができると共に、垂直に着陸することが可能である。
ここで、上記の給電システムは、より好ましい実施形態として、第1無人機A1の降着台11及び第2無人機A2の機体21のうちのいずれか一方に、開口部を大径側とし且つ中心部を小径側とするテーパ状のガイド面を有するガイド体を備え、相手側となる他方に、ガイド体のガイド面に先端部が接触するガイドロッドを備えた構成を採用し得る。
この実施形態の給電システムは、図2に示すように、第2無人機A2の機体21の下面中央に、開口部を大径側とし且つ中心部を小径側とするテーパ状のガイド面26Aを有するガイド体26を備えている。また、給電システムは、相手側である第1無人機A1の降着台11の上面中央に、ガイド体26のガイド面26Aに先端部が接触するガイドロッド14を備えている。なお、図示例のガイド体26は、平面視で円形状を成している。
また、上記の給電システムは、より好ましい実施形態として、ガイド体26の中心部及びガイドロッド14の先端部に、蓄電器9の電力を出力するための出力部10と、出力部10に接続して電力を二次電池25に供給するための入力部27とを相対的に備えている。すなわち、この実施形態では、第2無人機A2にガイド体26を備えているので、そのガイド体26の中心部に凹部26Bを設けると共に、凹部26Bの底部に入力部(入力端子)27を配置している。また、この実施形態では、第1無人機A1にガイドロッド14を備えているので、そのガイドロッド14の先端に、出力部(出力端子)10を配置している。
上記の第1及び第2の無人機A1,A2は、基本的に、無線により遠隔操縦されるのであるが、予め入力した経路を飛行したり、互いの位置を認識して半自律的又は自律的に飛行することが可能である。このため、第1及び第2の無人機A1,A2は、運用に応じて装備が異なり、周知の姿勢制御装置のほか、例えば、DGPS(Differential Global Positioning System)又はRTK(Real Time Kinematic)等の位置センサ、相手側を認識するためのレーザ測距装置又はカメラ類、相互にデータ通信を行うための送受信機などを搭載している。
上記構成を備えた給電システムは、第1及び第2の無人機A1,A2を目的の飛行領域で飛行させる。この際、給電システムでは、第1無人機A1に対して複数の第2無人機A2を同時に飛行させる。各第2無人機A2は、夫々のミッションに応じて飛行する。第1無人機A1は、各第2無人機A2の飛行経路や展開状況等に応じて、飛行経路や待機位置などを決定して飛行する。
上記の給電システムは、第2無人機A2のいずれかに充電が必要になった際、その第2無人機A2と第1無人機A1とが接近するように、少なくとも一方の無人機を飛行させ、第1無人機A1の降着台11に第2無人機A2を降着させる。
このとき、給電システムでは、図3(A)に示すように、第1無人機A1の降着台11におけるガイドロッド14の先端部と、第2無人機A2におけるガイド体26のガイド面26Aとが当接することで、第2無人機A2が降下しつつ案内される。そして、最終的には、図3(B)に示すように、ガイドロット14の先端部が、ガイド体26の中心部の凹部26Bに係合すると共に、降着台11に第2無人機A2の支持脚24が接触して降着完了となる。
また、給電システムでは、上記の如く降着を完了すると、ガイドロッド14の先端部に配置した出力部10と、ガイド体26の凹部26Bに配置した入力部27とが互いに接続状態になる。これにより、給電システムは、出力部10及び入力部27を介して、第1無人機A1の蓄電器9の電力を第2無人機A2の二次電池25に充電する。充電を完了した第2無人機A2は、飛行を再開する。
上記の給電システムでは、第1無人機A1及び第2無人機A2の両方を飛行させるので、地上にステーションを設置した場合に比べて、第1及び第2の無人機A1,A2の飛行領域が狭く限られることがなく、充電の際には、第1及び第2の無人機A1,A2を最短時間で接近させて充電を行うことができる。よって、第2無人機A2は、充電に要する時間(飛行時間+充電時間)やミッションの中断時間も短くなる。
また、上記の給電システムは、充電中において、第1無人機A1を定位置でホバリングさせても良いし、第2無人機A2のミッションの中断時間をより短くするために、第1無人機A1を適宜の方向に飛行させても良い。必要であれば、第1無人機A1を地上に降着させることもできる。
さらに、上記の給電システムの第1無人機A1は、発電機8を搭載しているので、第2無人機A2に対して充電を行った後、蓄電器9の電力を速やかに補完することができ、次の第2無人機A2の充電を可能にする。その際、第1無人機A1は、未充電の第2無人機A2の飛行領域に向けて飛行させることもできる。
このようにして、上記の給電システムは、第1及び第2の無人機A1,A2の飛行領域の拡大と、充電に要する時間の短縮を実現することができる。
また、上記の給電システムは、第1無人機A1の降着台11及び第2無人機A2の機体21のうちのいずれか一方に、ガイド体26を備えると共に、相手側となる他方に、ガイドロッド14を備えた構成を採用している。これにより、給電システムは、降着台11の定位置に第2無人機A2を容易に且つ正確に降着させることができる。
さらに、上記の給電システムは、ガイド体26の中心部及びガイドロッド14の先端部に、出力部10と入力部27とを相対的に備えているので、降着台11への第2無人機A2の降着と同時に、第1及び第2の無人機A1,A2が電気的に接続される。これにより、給電システムは、通電専用の接続機構を別途配置する必要がなく、簡単な構造でありながら、降着時の案内機能と通電機能の両方を得ることができる。
なお、上記の給電システムは、第1無人機A1の降着台11に第2無人機A2を降着させる際、第2無人機A2の各回転翼ユニット23の出力制御を行っても良い。例えば、第2無人機A2において、ガイド体26にタッチセンサを設け、このタッチセンサが、降着台11におけるガイドロッド14やその他の部位への接触を検知したところで、第2無人機A2が自律的に且つ円滑に降着するように、各回転翼ユニット23の出力制御を自動的に行うことも可能である。
さらに、給電システムは、上記の如く第2無人機A2を降着させる際、タッチセンサの検知情報や各回転翼ユニット23の出力制御情報を第1無人機A1に送信し、第1無人機A2と第1無人機A1が連動するように、夫々の回転翼ユニット5,23の出力制御を行うことも可能である。
図4~図8は、本発明に係わる無人機の給電システムの第2~第4の実施形態を説明する図である。以下の各実施形態では、第1実施形態と同じ構成部位に同一符号を付して、詳細な説明を省略する。
〈第2実施形態〉
図4及び図5に示す給電システムは、第1実施形態と同様の基本構成を有している。この実施形態の給電システムは、図4に示すように、第2無人機A2における機体21の下面中央に、ガイドロッド14を備えると共に、第1無人機A1における降着台11の上面中央に、ガイド面26A及び凹部26Bを有するガイド体26を備えている。また、上記の給電システムは、ガイド体26の凹部26Bに出力部10を配置すると共に、ガイドロッド14の先端部に入力部27を配置している。
上記の給電システムは、第1無人機A1の降着台11に第2無人機A2が降着する際、図5(A)に示すように、降着台11におけるガイド体26のガイド面26Aに、ガイドロッド14の先端部が当接することで、第2無人機A2が降下しつつ案内される。そして、最終的には、図5(B)に示すように、ガイドロット14の先端部が、ガイド体26の凹部26Bに係合し、第2無人機A2の降着完了と共に、出力部10に入力部27が接続されて充電を開始する。
上記の給電システムにあっても、先の実施形態と同様に、無人機A1,A2の飛行領域の拡大と、充電に要する時間の短縮を実現する。また、給電システムは、出力部10を有するガイド体26と入力部27を有するガイドロッド14との構成により、簡単な構造でありながら降着時の案内機能と通電用の接続機能とを両立させることができる。
〈第3実施形態〉
図6及び図7に示す給電システムは、第1実施形態と同様の基本構成を有している。この実施形態の給電システムは、図6に示すように、第2無人機A2における機体21の下面中央に、ガイドロッド14を備えると共に、ガイドロッド14の先端部に入力部27が配置してある。
他方、第1無人機A1は、降着台11に、伸縮アーム30により支持されたガイド体31を備えている。伸縮アーム30は、伸縮駆動されるロッド30Aを有している。この伸縮アーム30は、降着台11に、第1回転部30Bを介して基端部が連結してあると共に、先端部に、第2回転部30Cを介してガイド体31が連結してある。そして、伸縮アーム30は、ロッド30Aの伸縮動作と第1回転部30Bの回転とにより、ガイド体31の位置を調整すると共に、第2回転部30Cによりガイド体31を水平状態に維持する。
図示例のガイド体31は、基板31A上に、複数のガイドブロック31B,31Bを近接離間可能に備えると共に、両ガイドブロック31B,31Bの中間位置に、出力部10が配置してある。また、両ガイドブロック31B,31Bは、互いの対向面の上部に、テーパ状のガイド面31C,31Cを有している。なお、ガイドブロック31Bは、例えば、円形のガイド体を放射状に分割した構造にしても良い。
上記の給電システムは、第1無人機A1の降着台11に第2無人機A2が降着する際、図7(A)に示すように、伸縮アーム30によりガイド体31を上方に移動させて第2無人機A2を捕獲する。その際、ガイド体31は、各ガイドブロック31Bのガイド面31Cにより第2無人機A2のガイドロッド30Aを中心方向に案内する。次に、ガイド体31は、各ガイドブロック31Bを互いに近接方向に移動させて、第2無人機A2のガイドロッド30Aを把持する。これにより、第1無人機A1の出力部10と第2無人機A2の入力部17とが電気的に接続状態となる。
また、上記の給電システムは、伸縮アーム30及びガイド体31で第2無人機A2を捕獲した状態で、第2無人機A2の二次電池25に充電を行うことが可能である。但し、この実施形態の給電システムでは、図7(B)に示すように、伸縮アーム30によりガイド体31を下降させて、第2無人機A2を降着台11に降着させるようにし、充電時における第2無人機A2の姿勢を安定させる。
上記の給電システムにあっても、先の実施形態と同様に、第1及び第2の無人機A1,A2の飛行領域の拡大と、充電に要する時間の短縮を実現する。また、給電システムは、出力部10を有するガイド体31と入力部27を有するガイドロッド14との構成により、簡単な構造でありながら降着時の案内機能と通電用の接続機能とを両立させることができる。さらに、上記実施形態の給電システムでは、伸縮アーム30及びガイド体31を用いて第2無人機A2を捕獲するので、降着台11に対する第2無人機A2の降着がより確実に且つ安定的に行われる。
〈第4実施形態〉
図8に示す給電システムは、第1実施形態と同様の基本構成を有している。この実施形態の給電システムは、図8(A)に示すように、第1無人機A1における機体1の上部に降着台11を備えている。そして、給電システムは、図8(B)に示すように、降着台11の上面中央に配置した出力部としての送電装置41と、第2無人機A2における機体21の下面中央に配置した入力部としての受電装置42とを備えている。送電装置41及び受電装置42には、例えば、送電コイル及び受電コイルにより非接触で電力供給を行う電磁誘導方式の装置を採用することができる。
また、この実施形態の給電システムは、降着台11において、第2無人機A2の2本の支持脚24に対応する位置に、ガイド体26が夫々配置してある。つまり、この実施形態の給電システムでは、第2無人機A2の支持脚24が、ガイド体26に対するガイドロッドに相当する。なお、ガイド体26は、少なくとも2つあれば第2無人機A2を安定して案内し得るが、支持脚24の数(4本)に合わせて4カ所に配置しても構わない。
上記の給電システムは、第1無人機A1の降着台11に第2無人機A2が降着する際、降着台11におけるガイド体26のガイド面26Aに、支持脚(ガイドロッド)24の先端部が当接することで、第2無人機A2を降下させつつ案内する。そして、給電システムは、降着台11に第2無人機A2が降着した状態で、送電装置41と受電装置42とが所定の間隔で相対向し、送電装置41から受電装置42へ無線で電力供給を行って第2無人機A2の二次電池25に充電する。
上記の給電システムにあっても、先の実施形態と同様に、無人機A1,A2の飛行領域の拡大と、充電に要する時間の短縮を実現することができ、また、非接触で電力供給を行うので、構造のさらなる簡略化などを図ることができる。
本発明に係わる無人機の給電システムは、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能であり、各実施形態で説明した構成を組み合わせることもできる。
A1 第1無人機
A2 第2無人機
8 発電機
9 蓄電器
10 出力部
11 降着台
14 ガイドロッド
24 支持脚(ガイドロッド)
25 二次電池
26,31 ガイド体
26A ガイド面
27 入力部
41 送電装置(出力部)
42 受電装置(入力部)

Claims (4)

  1. 垂直に離着陸可能な第1及び第2の無人機において、第1無人機から第2無人機に電力を供給するシステムであって、
    第1無人機が、供給電力を蓄えた蓄電器と、前記蓄電器の電力を出力するための出力部と、第2無人機を降着させる降着台とを備えると共に、
    第2無人機が、第1無人機の降着台に降着した状態で前記出力部からの電力を充電する二次電池を備えたことを特徴とする無人機の給電システム。
  2. 第1無人機が、前記蓄電器に蓄える電力を発生する発電機を備えたことを特徴とする請求項1に記載の無人機の給電システム。
  3. 第1無人機の降着台及び第2無人機の機体のうちのいずれか一方に、開口部を大径側とし且つ中心部を小径側とするテーパ状のガイド面を有するガイド体を備え、相手側となる他方に、前記ガイド体のガイド面に先端部が接触するガイドロッドを備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の無人機の給電システム。
  4. 前記ガイド体の中心部及びガイドロッドの先端部に、前記蓄電器の電力を出力するための出力部と、前記出力部に接続して電力を前記二次電池に供給するための入力部とを相対的に備えたことを特徴とする請求項3に記載の無人機の給電システム。
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