JP2023512146A - テザー管理システム及び方法 - Google Patents

Abstract

テザー管理システムを開示する。テザー管理システムは、スプールと、張力センサと、コントローラと、可動プーリとを含む。該スプールは、テザーを巻き取り及び巻き出すために回転可能である。該張力センサは、該テザーの張力を測定する。該コントローラは、該テザーの所望の張力を受信し、該張力センサからの測定張力と該テザーの所望の張力との間の差に基づいて、該テザーを巻き取り及び巻き出しする、該スプールの回転を制御する。該可動プーリーは、該スプールと該張力センサとの間でテザーと係合するように配置される。該可動プーリーは、該テザーの張力が該所望の張力から逸脱したときに、該テザーの張力を調整するために、直線経路に沿って付勢され、移動可能である。また、テザーを管理する方法も開示されている。【選択図】図１

Description

この発明は、テザー管理システムおよび方法に関する。より詳細には、本発明は、無人航空機で使用するためのテザー管理システムおよび方法に関する。

本発明の背景に関する以下の議論は、本発明の理解を促進することのみを意図している。この議論は、言及された資料のいずれかが、公開されていたこと、知られていたこと、又は本発明の優先日時点で、任意の法域における当業者の一般知識の一部であることを、確認又は承認しているわけではないことを理解されたい。

無人航空機（Unmanned Aerial Vehicle、ＵＡＶ）は、空撮、ビデオ撮影、検査などの用途のために、空中のある位置でホバリングすることができる。これらのＵＡＶが空中で動作可能な状態を維持する時間を延長するために、ＵＡＶは、そこに電力を供給することができるようにテザー（tether）でつながれている。テザーにつながれたＵＡＶは、テザー管理システムにテザーを介して結合される。前述したように、テザーには電力線が通っている。テザーはまた、ＵＡＶとテザー管理システムとの間の通信を可能にするために通信回線が通っている。テザー管理システムは、必要に応じてテザーをリールインまたはリールアウトする。操作中に、ＵＡＶは、上昇、下降、移動、および様々な風の条件で動作できることが必要である。緩和（mitigation）されないと、ＵＡＶのそのような動きは、テザーのたるみの量が変化する原因となる。例えば、ＵＡＶがテザー管理システムから離れて操縦されるとき、テザーのたるみの量が減少し、ＵＡＶにホイップラッシュ効果（a whiplash effect）をもたらすかもしれない。逆に、ＵＡＶは、テザー管理システムに向かう方向に操縦されるとき、それはテザーの弛みの量の増加をもたらす可能性がある。さらなる例として、ＵＡＶが固定位置でホバリングしている場合、風速が増加し、テザーの空気抵抗が増加する可能性がある。空気抵抗の増加は、テザーの張力の増加をもたらすと思われる。逆に、風速が減少し、テザーの空気抵抗が減少する可能性がある。空気抵抗の減少は、テザーの張力の減少をもたらす可能性がある。このようなテザーの張力の変化は、ＵＡＶのギクシャクした動きを引き起こす傾向があり、写真やビデオ撮影などの品質に影響を与える。このようなギクシャクした動きを防ぐためには、テザーの荷重変化を最小限に抑えることが必要である。言い換えれば、様々な条件下でテザーの張力を適度に一定に保つことが必要である。

この問題を軽減するために、様々な解決策が提案されている。そのような解決策の１つは、「光ファイバマイクロケーブル引出し及び解放ウインチ」と題する中国特許ＣＮ１０２１３５６５１Ｂに開示されている。ＣＮ１０２１３５６５１Ｂは、第１端に枢動可能に取り付けられ、捩じりバネで付勢された（a torsion spring biased）ロッカーアームを開示している。第２端に取り付けられているのはプーリーである。したがって、このウインチでは、プーリーはアーチ形の経路で移動する。水中ロボットが接続された光ファイバーはプーリーを通している。捩じりバネは、光ファイバーの張力を一定範囲内に保つようにロッカーアームを付勢し、ウインチが光ファイバーの余分な弛みを取ることができるようにする。ロッカーアームは大きなスペースを必要とする。ロッカーアームの回転角度が小さいため、ロッカーアームが巻き取ることができる光ファイバーの長さに制限がある。光ファイバーの張力のわずかな変化にのみ対応するように、光ファイバーの巻き取り、巻き出しができる設計となっている。

別の解決策は、「Spooler for Unmanned Aerial Vehicle System」と題する米国特許第９，２９０，２６９号（Walker等）に開示されている。ウォーカーは、フィーダ／張力センサ（a feeder/tension sensor）を含むスプール装置を開示している。このフィーダ／テンションセンサは、中国特許ＣＮ１０２１３５６５１Ｂのロッカーアームと同様な方法で機能する枢軸で回動可能なダンサー（dancer）を含んでいる。したがって、このダンサーもスペースを消費することになる。繰り返しになるが、このダンサーは、単に線条（filament）の弛みを緩和するために機能するだけであり、それ自体で線条の張力を制御するわけではない。

さらに別の解決策は、「Constant tension Tether Management System for a Tethered Aircraft」と題する米国特許公開番号２０１８／０２５１２１６Ａ１、Whitakerに開示されている。Whitakerは、固定プーリーとＵＡＶとの間のテザーの移動経路に沿って地上局内に回転可能に取り付けられる可動プーリーを開示している。可動プーリーは、線形トラック（a linear track）に沿った移動で動作する。テザーは、ＵＡＶに向かう方向に、地上局に配置された出口を通って地上局から出る。このように、可動プーリーは、第１の位置と第２の位置との間で地面に対して垂直方向に自由に移動するため、テザーの張力が変化すると、可動プーリーは、線形トラックに沿って移動することになる。可動プーリーに結合され、別の端部で地上局に固定された定力引張ばねは、第１の位置に向かって可動プーリーを付勢する。センサは、地上局内に配置され、可動プーリーの位置を監視し、線状トラックに沿ってその動きを検出する。定力引張ばねは、先に説明した設計と同様に、スペースを消費するものである。さらに、上方に延びる線形トラックは、実装するために多くのスペースを必要とする。

したがって、前述の問題の１つ以上に、少なくとも部分的に対処するテザー管理システムが必要とされている。

本開示の一態様によれば、テザー管理システムが提供される。テザー管理システムは、スプールと、張力センサと、コントローラと、可動プーリーとを含む。スプールは、テザーを巻き取り及び巻き出しするために回転可能である。張力センサは、テザーの張力を測定する。コントローラは、テザーの所望の張力を受信し、張力センサからの測定張力とテザーの所望の張力との間の差に基づいて、テザーを巻き取り及び巻き出しするためにスプールの回転を制御する。可動プーリーは、スプールと張力センサとの間でテザーと係合するように配置される。可動プーリーは、テザーの張力が所望の張力から逸脱したときにテザーの張力を調整するために、直線経路に沿って付勢されて移動可能となっている。

いくつかの実施形態において、テザー管理システムは、直線経路に沿って可動プーリーを付勢するために、細長い圧縮ばねをさらに含む。

いくつかの実施形態において、テザー管理システムは、細長い圧縮ばねをスリーブ（sleeved）する第１のロッドをさらに含む。

いくつかの実施形態では、テザー管理システムは、第１のロッドに少なくとも実質的に平行な第２のロッドと、可動プーリーを支持するためのプーリー支持体とをさらに含む。プーリー支持体は、プーリー支持体がその上で摺動可能であることを可能にするために、第１のロッド及び第２のロッドが貫通する２つのブッシング（bushings）を含む。

いくつかの実施形態では、テザー管理システムは、第１のロッド及び第２のロッドの第１の端部にある第１の端部ブロックと、第１のロッド及び第２のロッドの第２の端部にある第２の端部ブロックとを更に含んでいる。細長い圧縮ばねは、第１のロッドの長さに実質的に等しい自由長（a free length）を有する。

いくつかの実施形態では、細長い圧縮ばねは、付勢されたとき、テザーの動作張力の範囲にわたって、テザーの張力の約２倍の力を有する。

いくつかの実施形態において、テザー管理システムは、第１の端部ブロックと第２の端部ブロックとの間の中間位置に隣接して限界停止部材を配置し、第２の端部ブロックと該限界停止部材との間で第１のロッド及び第２のロッドに沿うプーリー支持体の移動を制限する、限界停止部材をさらに含む。

いくつかの実施形態では、スプールの厚さは、テザーの厚さの１～１０倍の範囲にある。

いくつかの実施形態では、テザー管理システムは、ベースと、ベースと反対側のルーフと、ベースとルーフの間の側壁とを有するハウジングをさらに含む。スプールは、そのラジアル平面がハウジングのベースに少なくとも実質的に平行であるように配置される。

いくつかの実施形態では、テザー管理システムは、可動プーリーと張力センサの間でテザーを係合するように配置された固定プーリーと、ハウジングのルーフを通って延びるテザーの経路の出口セクションに沿ってテザーをガイドするための張力プーリーとをさらに含む。張力センサは、テザーの張力を測定するために張力プーリに結合される。

いくつかの実施形態では、出口セクションは、可動プーリーの直線経路に対して横向きである。

いくつかの実施形態では、テザー管理システムは、張力プーリー及び張力センサが取り付けられるブラケットと、テザーがハウジングを出るブラケットに取り付けられるフェアリードとをさらに含む。フェアリードは、張力プーリーに対してテザーを付勢することができる少なくとも１つのローラを含む。

いくつかの実施形態では、コントローラは、テザーの測定された張力と所望の張力との間の差に基づいて、スプールを回転させるための速度を決定するように適合されている。

いくつかの実施形態では、コントローラは、さらに、テザーの所定長さ未満がスプール上に残っているとき、スプール上に残っているテザーの長さに対応するキャップ値（a cap value）に、スプールを回転する速度を制限するように適合されている。

いくつかの実施形態では、テザー管理システムは、スプールの端が近いかどうかを決定するためのセンサをさらに含む。コントローラは、センサがスプールの端が近いことを示すとき、速度をゼロに設定するように適合されている。

いくつかの実施形態では、テザー管理システムは、テザーの滑りを防止するためにスプールに隣接して配置されたガード部材をさらに含む。

本開示の別の態様によれば、スプール上のテザーを管理するための方法が提供される。本方法は、展開されたテザーの所望の張力を受信することと、展開されたテザーの張力を測定することとを含む。本方法はまた、測定された張力と所望の張力との間の差に基づいて、テザーを巻き取り、巻き出しするためにスプールを回転させることを含む。本方法は、テザーを可動プーリーと係合させ、テザーの張力が所望の張力から逸脱したときにテザーの張力を調整するために、可動プーリーを直線経路に沿って移動可能なように付勢することをさらに含む。

いくつかの実施形態において、本方法は、測定された張力と所望の張力との間の差に基づいてスプールを回転させるための速度を決定することをさらに含み、スプールを回転させることは、決定された速度でスプールを回転させることを含む。

いくつかの実施形態では、本方法は、テザーの所定長さ未満がスプールに残っているとき、スプールに残っているテザーの長さに対応するキャップ値に、スプールを回転する速度を制限することをさらに含む。

いくつかの実施形態では、本方法は、スプールの端が近いことが検出されたときに、速度をゼロに設定することをさらに含む。

いくつかの実施形態では、可動プーリーを付勢することは、テザーの所望の動作張力の範囲にわたってテザーの張力の約２倍の力を有する細長い圧縮ばねで可動プーリーを付勢することを含む。

本発明の他の態様および利点は、本発明の原理を例示的に示す添付の図面と共に、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明は、図面を参照することによってより良く理解されるであろう。その中で、
本発明の一実施形態によるテザー管理システムの概略図である。 図１におけるテザー管理システムの等角図である。 図１及び図２のテザー管理システムの張力アセンブリの拡大等角図である。 図１及び図２のテザー管理システムにおける、テザーの張力を制御するためのステップのシーケンスを示すフローチャートである。 本発明の別の実施形態によるテザー管理システムの概略図である。 本発明のさらに別の実施形態によるテザー管理システムの概略図である。

本書を通じて、特に反対の指示がない限り、「含む（comprising）」、「からなる（consisting of）」、「有する（having）」などの用語は、非網羅的、言い換えれば、「含むが、それに限定されない」という意味として解釈されるものとする。

さらに、本明細書を通じて、文脈上他に必要とされない限り、単語「含む（include）」または「含む（includes、including）」等の変形は、記載された完全体または完全体の群を含むが、他の完全体または完全体の群を排除しないことを意味するものと理解されるものとする。

本明細書を通じて、用語「コントローラ」及びその複数形は、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路チップ（ＡＳＩＣ）などのプログラマブル集積回路チップ、コンピュータサーバ、電子デバイス、及び／又は、１つ又は複数の入力電子信号を処理し、１つ又は複数の出力電子信号を生成することができるそれらの組合せを含むことが理解されよう。コントローラは、電子信号を処理するための１つ以上の入力モジュールと１つ以上の出力モジュールとを含む。

他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術的及び科学的用語は、本明細書の主題が属する当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。

例示の目的で図面に示すように、本発明は、新規かつコンパクトなテザー管理システムで具体的に表現することができる。既存のテザー管理システムは、かさ張る傾向がある。図１～図３を参照すると、本発明を具体化したテザー管理システムは、一般に、スプール、張力センサ、コントローラ、および可動プーリーを含む。スプールは、テザーをリールインおよびリールアウトするために回転可能である。張力センサは、テザーの張力を測定するために、テザーの経路に沿って配置されている。コントローラは、ユーザからテザーの所望の張力を受信し、テザーの測定張力と所望の張力との差に基づいて、テザーをリールインおよびリールアウトするためにスプールの回転を制御する。可動プーリーは、スプールと張力センサーの間のテザーの経路に沿って配置される。可動プーリーは、テザーの張力が所望の張力から逸脱したときにテザーの張力を調整するために、付勢され、直線経路に沿って移動可能である。

具体的には、図１～３は、無人航空機（ＵＡＶ）６（図２）に接続されたテザー４を巻き取りおよび巻き出しするための上記テザー管理システム２である。テザー管理システム２は、円筒形ドラム１０を有するスプール８を備え、該ドラム１０に固定的に取り付けられたそれぞれのフランジ部材１２、１４によって両端を挟まれた円筒形ドラム１０である。フランジ部材１２、１４は、スプール８上にテザー４を保持する。フランジ部材１２、１４は、スプール８が例えば７０ｍの長さのテザー４を保持することができる直径であってよい。各フランジ部材１２，１４は、リム１６と、その中心部分からリム１６に向かって放射状に延びるスポーク１８とを有する。リム１６及びスポーク１８は、フランジ部材１２、１４の開口部２０を画定する。使用中、テザー４は、特に、ＵＡＶ６に電力を供給する電力線を搬送する。テザー４は、したがって、特に長時間の使用の後に、かなりの量の熱を発生する可能性があり、フランジ部材１２、１４の開口部２０は、発生したこの熱の放散を容易にする。１つまたは複数のファン（図示せず）を用いて、テザー４に直接空気を吹き付け、さらにそれを冷却するのを助けることができる。スプール８のこのような形状は、単純でありながら信頼性が高い。円筒形ドラム１０の厚さは、ドラム１０に巻かれるテザー４の厚さの１～１０倍、好ましくは５倍の範囲であってよい。ドラム１０のこの厚さにより、レベルワインディング機構（a level winding mechanism）を必要とせずに、テザー４をきれいに巻き取ることができる。ドラム１０のこの厚さは、冷却能力、テザー４の所定の長さを保持するために必要なスプール８の直径、およびテザーの絡まりを防止する必要性などの要因を考慮して最適化されることが分かっている。

貫通ビーム型光電センサ（図示せず）は、７０ｍのテザーのうち約５ｍだけがスプール８に残っていること、すなわちスプール８の終端が近いことを検出するために使用される。この光電センサは、スプール８の一方の側に配置される発光素子と、スプール８の他方の側に配置される受光素子とを有する。スプールに巻かれたテザー４の長さが５ｍ以上の場合、発光素子が発した光はテザー４によって遮られ、受光素子に到達することができない。しかし、テザー４が巻き取られ、スプールに５ｍ程度しか残っていないときには、発光素子からの光が受光素子に到達して、その状態を表示することができる。当業者であれば、スプール８の終端を検出するために、他の種類のセンサも使用できることを認識するであろう。これらのセンサには、再帰反射型光電センサ、拡散型光電センサ、およびリミットスイッチが含まれるが、これらに限定されるものではない。

スプール８は、スプール８を時計回り及び反時計回りの両方向に回転させるように作動するモータのシャフトに接続されている。モータは円筒形ハウジング２２内に取り付けられ、その近位端がスプール８に隣接している。円筒形ハウジング２２の遠位端に接続されているのは、ハウジング２８の第１の側壁２６および第２の側壁（図示せず）に対して互いに反対方向に延びる第１の片持ちビーム２４および第２の片持ちビーム２５である。このようにして、スプール８は、ハウジング２８のベース３０に対して水平に吊り下げられている。言い換えれば、スプール８は、そのラジアル平面が、多かれ少なかれ、ハウジング２８のベース３０と平行になるように配置される。任意で、テザーの滑りを防止するために、スプール８の周方向部分を覆うようにガード部材３２が設けられてもよい。例えば、ガード部材３２は、テザー４をスプール８からリールインおよびリールアウトするために覆われていない小さい部分を残し、スプール８の周方向部分の約７５％をカバーすることができる。ガード部材３２は、円筒形ハウジング２２によって所定の位置に支持されてもよいし、ベース３０またはハウジング２８の側壁に取り付けられてもよい。

テザー管理システム２は、ハウジング２８の内壁（図示せず）に取り付けられた張力アセンブリ４０をさらに含む。図３に示されるこの張力アセンブリ４０は、内壁に取り付けられるブラケット４２を含む。ブラケット４２は、第１ガイドプーリー４４と、張力プーリー４６と、フェアリード４８とを支持している。フェアリード４８は、互いに横方向に配置された２対のローラ５０を含む。これらのローラ５０のうちの１つは、張力プーリー４６に対してテザー４を付勢する。張力プーリー４６に接続されているのは、テザー４の張力を測定するための張力センサ５２である。テザー４が張力プーリー４６に及ぼす力は、張力センサ５２によって検出され、測定されることになる。ハウジング２８のルーフ（図示せず）は、フェアリード４８が露出される開口部を含む。

テザー管理システム２はまた、スプール８と張力アセンブリ４０との間でテザー４と係合する補償システム（a compensator system）６０を含む。補償システム６０は、スプール８から巻き出されるテザー４が通される可動プーリー６２を含む。可動プーリー６２は、使用中にテザー４の張力を調整するために、両頭矢印Ｘで示される方向に、直線経路に沿って付勢されて移動可能とすることができる。可動プーリー６２は、プーリブロック６４に支持されている。このプーリーブロック６４は、その中にボールベアリング（図示せず）を有する２つのブッシング６６を含む。少なくとも実質的に互いに平行な２つの細長いガイドロッド（elongated guide rods）６８、７０が、プーリーブロック６４の２つのブッシング６６を通して挿入され、プーリーブロック６４がそれらに沿ってスライドすることができるようになっている。２つのガイドロッド６８、７０の端部には、２つの端部ブロック７２、７４が接続されている。一方の端部ブロック７２は、スプール８に近接したハウジング２８の側壁２６に配置されている。他方の端部ブロック７４は、スプール８から遠位のハウジング２８の支柱（pillar）７５上に配置されている。両方のガイドロッド６８、７０は、ハウジング２８のベース３０からほぼ同じ高さに配置され、プーリーブロック６４、それに従って可動プーリー６２が沿ってスライドできる直線経路を画定している。２つのロッド６８、７０の内側ロッド６８上にスリーブされているのは、内側ロッド６８の長さに近いか同じ自由長を有する細長い螺旋状圧縮ばね８０である。ばね８０の長さがその自由長である、この圧縮ばね８０の非圧縮状態において、プーリーブロック６４、およびそれとともに可動プーリー６２は、スプール８から遠位にある第２の端部ブロック７４に向かって押されている。可動プーリー６２のこの位置は、図１において位置（position）１として示されている。圧縮ばね８０は、一体型設計であってもよいし、任意のコネクタまたはアダプタを介して接合された２つ以上のセクションを含んでもよいし、単に互いに隣接するロッドの上にスリーブされていてもよい。

補償システム６０は、外側ロッド７０の上にスリーブされ、側壁２６に取り付けられた限界停止部材８２をさらに含む。限界停止部材８２は、第１端部ブロック７２と第２端部ブロック７４との間の中間位置に隣接して配置され、第２端部ブロック７４と限界停止部材８２との間で第１ロッド６８及び第２ロッド７０に沿ったプーリー支持体６４の移動を制限するようになっている。典型的には、螺旋状圧縮ばね８０は、その自由長の約２５％～７５％の作動長さを有する。テザー４の動作張力の選択範囲については、ばね力が非圧縮状態で０ｇであり、限界停止部材８２まで圧縮されたときに約４００ｇ（最大動作荷重）であるように、ばねの長さが選択される。従って、作動長さは、圧縮ばね８０の最大長さの約４０％である。

テザー管理システム２は、可動プーリー６２と同じ水平面上にあるように側壁２６に取り付けられた第２のガイドプーリー８４をさらに含む。テザー管理システム２は、第２のガイドプーリー８４及び可動プーリー６２と同じ水平面上にあるように、柱状構造体８８に取り付けられた固定プーリ８６をさらに含む。柱状構造体８８は、ハウジング２８のベース３０から延びている。上述した内壁（図示せず）は、この柱状構造体８８によって支持されている。

使用中、テザー４は、スプール８から、水平面上の経路に沿った、第２ガイドプーリー８４、可動プーリー６２及び固定プーリー８６を通って、通される。テザー４は、さらに、張力アセンブリ４０の第１ガイドプーリー４４および張力プーリー４６を通って、垂直面内に変換する経路を有する。テザー４は、さらに、ＵＡＶ６に接続するために、ハウジング２８の外に延びるようにフェアリード４８に通される。言い換えれば、テザー４の経路の出口部は、可動プーリー６２の直線経路に対して横方向である。

テザー管理システムは、ブルートゥース接続を介して、タッチスクリーン入力及び／又は携帯電話（両方とも図示せず）に接続されるコントローラ１００をさらに含む。これらの装置のいずれかの適切なインターフェースを介して、コントローラ１００は、ユーザから、テザー４を操作するための所望の張力を受信し、張力センサ５２によって与えられる測定張力と所望の張力との間の差に基づいて、テザー４を巻き取り、巻き出すために、スプール８の回転を制御することが可能である。コントローラ１００は、さらに、光電センサからスプール終了信号を受信することができる。

次に、テザー４の張力が所望の張力から逸脱した場合に、スプールの回転を制御してテザー４の張力を調整する方法について説明する。図４は、その方法１１０を示すフローチャートである。方法１１０は、コントローラ１００への電力を投入する、「電源オン（POWER ON）」ステップ１１２で開始される。次に、方法１１０は、「展開されたテザーの長さを読む（READ DEPLOYED TETHER LENGTH）」ステップ１１４に進み、コントローラ１００は、不揮発性メモリ（図示せず）、例えば、ＳＤカードから展開されたテザー４の長さに関連するデータを読み出す。方法１１０は、次に、「所望の張力を受信（RECEIVE DESIRED TENSION）」ステップ１１６に進み、コントローラ１００は、タッチスクリーンまたは携帯電話のいずれかを介してユーザから、展開されたテザー４が維持されるべき所望の張力値を受け取ることができるようにされる。方法１１０は、次に、「測定張力＞所望の張力？（MEASURED TENSION > DESIRED TENSION?）」決定ステップ１１８に進み、コントローラ１００は、張力センサ５２によって捕捉された測定張力が、ユーザによって設定された所望の張力よりも大きいか否かを決定する。ＵＡＶが高さを増しているとき、または風速の増加があるときなど、この決定ステップ１１８で決定されるように、測定張力が所望の張力よりも大きいとなり、方法１１０は、「モータ方向をリールアウト方向にセット（SET MOTOR DIRECTION TO REEL-OUT DIRECTION）」ステップ１２０に進み、モータを操作する方向が巻き出し方向へセットされる。しかしながら、決定ステップ１１８において、測定張力が所望の張力より大きくなく、所望の張力より低いかまたは等しいと決定された場合、方法１１０は、「測定張力＜所望の張力？（MEASURED TENSION < DESIRED TENSION?）」決定ステップ１１９に進み、コントローラ１００は、測定張力が所望の張力より低いか否かを決定する。ＵＡＶが高さを下げているとき、または風速の減少があるときなど、この決定ステップ１１９で決定されるように、測定張力が所望の張力より低いとなり、方法１１０は、「モータ方向をリールイン方向にセット（SET MOTOR DIRECTION TO REEL-IN DIRECTION）」ステップ１２２に進み、モータを操作する方向が巻き出し方向と反対である巻き取り方向へと設定される。しかしながら、判断ステップ１１９において、測定張力が所望の張力より低くなく、所望の張力に等しいと判断された場合、方法１１０は、「モータ方向をゼロにセット（SET MOTOR DIRECTION TO NIL）」ステップ１２３に進み、モータを動作させる方向を、モータを回転させる必要がないことを示すために、ゼロにセットされる。「モータ方向のセット（SET MOTOR DIRECTION）」ステップ１２０、１２２、１２３の後、方法１１０は、「モータ速度値をセット（SET MOTOR SPEED VALUE）」ステップ１２４に進み、コントローラ１１０は、測定張力と所望の張力との差に基づいてＰＩＤ制御を用いてモータを駆動するための速度値を決定する。決定された速度値は、例えば、０～２５５の範囲であってよい。

方法１１０はさらに、「モータ速度値を調整（ADJUST MOTOR SPEED VALUE）」ステップ１２６に進み、コントローラ１００は、「モータ速度値をセット」ステップ１２４で得られた速度値を、展開されたテザー４の長さに基づいて調整する。例えば、上述したように、スプール８は、７０ｍのテザーを保持することができる。展開されたテザー４の長さが６０ｍ以下、すなわち約１０ｍ以上のテザーがスプール８に残されている場合、モータ速度値の調整は不要である。しかし、展開されたテザーの長さが６０ｍを超えると、長さの増加に伴って減少するキャップ値でキャップ（上限を課す）されるように、モータ速度値を下方に調整する。例えば、展開テザー４の長さが６２．５ｍの場合はキャップ値を１２７に対応させて下げ、展開テザー４の長さが６５ｍの場合は０に対応させて下げてもよい。一例として、「モータ速度値をセット」ステップ１２４において、モータ速度値が１９９であると決定してもよい。しかし、展開されたテザーの長さが６２．５ｍであると「モータ速度値を調整」ステップ１２６で決定されると、モーター速度値は１９９から下げられ、６２．５ｍのマークに対応するキャップ値１２７でキャップされる。さらなる例として、「モータ速度値をセット」ステップ１２４において、モータ速度値が７６である決定されることがある。しかし、展開されたテザーの長さが６５ｍであると「モータ速度値を調整」ステップ１２６で決定されると、モーター速度値は７６から下げられ、６５ｍのマークに対応する０というキャップ値でキャップされる。テザー４の残りの５ｍは、バッファとして使用される。

次に、方法１１０は、「スプールの終わりに達したか？（END OF SPOOL REACHED?）」判断ステップ１２８に進み、コントローラ１００は、光電センサを読み取ることによって、スプール終了条件、例えばテザー４の６５ｍがスプール８上に残っているテザー４の約５ｍだけを残して展開されたか否かを判断する。この判断ステップ１２８でスプールの終わりに達したと判断された場合、方法１１０は、「モータ速度をゼロにセット（SET MOTOR SPEED VALUE TO ZERO）」ステップ１３０に進み、コントローラ１００は、ステップ１２４、１２６で判断されたその値にかかわらず、モータ速度値をゼロに設定する。このステップ１３０でスプール終端に到達していないと判断された場合、先に決定されたモータ速度値には何の変更も行われない。これは、コントローラ１００が、６５ｍに達したときに、展開されたテザー長がまだ６５ｍ未満であると判断した場合に備えてのフェールセーフ設計である。方法１１０は、「モータを駆動（OPERATE MOTOR）」ステップ１３２に進み、コントローラ１００は、設定された方向及びモータ速度に従ってモータを動作させて、テザー４の張力をユーザが設定した所望の張力に近づけるために、テザー４を巻き取るか又は巻き出す。方法１１０はさらに、「展開されたテザーの長さを更新（UPDATE DEPLOYED TETHER LENGTH）」ステップ１３４に進み、コントローラ１００は、モータ・エンコーダ（図示せず）を介してモータが行った回転数を読み取り、テザー４の巻き取り量または巻き出し量を計算し、不揮発メモリに展開されたテザー４の長さを更新する。モータの各回転は、どのくらいのテザーがスプール８に残っているかに応じて、異なるテザーの長さに対応する。スプール８に残されたテザー４の任意の長さのために、展開されたテザーの長さを得るためには、０ｍと６０ｍの２つの既知の展開された長さの間に３次の最良適合曲線に対応する式が使用される。このような式は非常に正確ではありませんが、ユーザがテザーの正確な長さを知る必要がないため、式を使用して得られたテザーの長さは許容される。また、展開されたテザーの長さは、液晶画面（ＬＣＤ）（図示せず）やユーザーの携帯電話に表示されるので、ユーザーはスプール８で利用できるテザー４の量を認識し、ユーザーがそれに応じてＵＡＶ６を操作することができる。例えば、スプール８に残っているテザー４の量の情報があれば、ユーザは、ＵＡＶ６をより高く、より遠く、またはその両方で飛行させることを選択することができる。この情報がなければ、ユーザはテザー４が尽きる可能性に気付かず、テザー４が尽きたときの突然のジャム（誤動作）によって、ＵＡＶ６を用いた撮影や写真撮影が影響を受ける可能性がある。

方法１１０は、ステップ１１６～１３４をループして、スプール８の閉ループ制御を提供する。このような制御ループにより、コントローラ１００は、テザー４の張力が所望の張力に近いか又は所望の張力になるように、テザー４を巻き取り、巻き出すことができる。しかしながら、このような制御には待ち時間がある。テザー４の張力のいかなる変化も、直ちに修正されない場合、ＵＡＶ６のぎくしゃくした動きをもたらす可能性がある。補償装置システム６０は、この問題を少なくともある程度まで軽減することができる。テザー４の張力が所望の張力レベルにあるとき、コントローラ１００は、モータを静止させる。この張力レベルでは、圧縮ばね８０は、ばね８０の力がテザー４によって経験される張力の２倍となるように圧縮される。可動プーリー６２の位置は、図１の位置（position）２である。

テザー４の張力が所望の張力レベルより大きく、コントローラ１００が上記のようにテザー４を巻き出すことができる前では、可動プーリー６２には、ロッド６８、７０に沿って第１の端部ブロック７２の方向にスライドして、図１に示すように位置（position）３に移動するよう力が加わる。可動プーリー６２のこの位置では、圧縮ばね８０は、ばね８０における力が、テザー４における新たな増加した張力の約２倍となるように、圧縮される。スプール８に近い可動プーリー６２のこの動きは、スプール８と張力プーリー４６の間のテザー４の長さを減少させる。余分なテザー４は、張力プーリー４６を越えて引かれ、張力プーリー４６とＵＡＶ６との間のテザー長を増加させる。このようにして、テザー４の張力は、コントローラ１００が応答できる前に迅速に減少される。コントローラ１００が最終的にモータを操作してテザー４をさらに巻き出すと、テザー４の張力が減少し、圧縮ばね８０が可動プーリ６２を図１に示すように定常状態の位置２に向かって押し戻すことになる。

ＵＡＶ６の高さの減少または風速の減少のいずれかにより、テザー４の張力の急激な減少があると、張力センサ５２はテザー４の張力の減少を感知することになる。上述したように、コントローラ１００は、モータを動作させてテザー４を巻き取ることになる。しかし、方法１１０の待ち時間のために、テザー４の巻き取りには遅れが生じる。モータがテザー４を巻き取ることができるようになる前に、補償システム６０の可動プーリー６２は、圧縮ばね８０の力がテザー４の新しい減少した張力の約２倍となるように、図１に示すように位置１に向かう方向に移動して、圧縮ばね８０を減圧させる。可動プーリー６２のこの動きは、スプール８と張力プーリー４６との間のテザー４の長さを増加させるために、より多くのテザー４を引き込む。張力プーリー４６とＵＡＶ６との間のテザー４の長さは減少し、したがって、弛みが減少し、テザー４の張力が増加する。コントローラ１００が最終的にモータを操作してテザー４を巻き取るとき、テザーの張力は増加し、可動プーリ６２は再びテザー４によって押されて定常状態の位置２へ戻るように移動する。

有利には、上記のような直線経路に沿って移動可能な可動プーリ６２を有するテザー管理システム２は、コンパクトに構築することができる。テザー管理システム２の補償システム６０は、張力センサ５２及びモータ・フィードバック・ループにおける待ち時間を補償して、許容範囲内にテザー４の張力を維持することができる。より多くのテザー４が必要とされるとき、補償システム６０は、このようにテザー４が突然大きな張力を経験することを防止するために、テザー４を瞬時に巻き出すことができる。補償システム６０はまた、ＵＡＶ６の下方にあまりにも多くのテザーの弛みがあるとき、テザー４を瞬時に巻き取ることができ、それによってＵＡＶの近くの物体にテザーが絡まる危険性を低下させ、テザー４が張力の急激な喪失を経験するのを防ぐことができる。テザー４の張力の変化の振幅を小さくする一方で、テザー４の張力の変化を完全に除去することはできない。また、変化の極性（polarity）も保持する。言い換えれば、補償システム２は、テザー４の張力の変化をスケールダウンさせるが、それを除去することはない。これは、コントローラ１００が上述のようにモータの方向および速度を変更できるように、張力センサ５２が張力の変化を感知し続けられるようにするために重要である。これにより、テザー管理システム２は、テザー４を許容張力範囲内に維持するその機能を応答性よく実行することができる。

本発明は、上述した実施形態において実施されるものとして説明されているが、そのように限定して解釈されるものではない。例えば、テザー管理システム２は、ＵＡＶ６と共に使用するために記載されているが、当業者は、このようなシステム２が、例えば水中ロボットなどの他のロボットのテザー（これに限定されない）を含む他の用途で使用できること、また、２つの移動体間のケーブルを管理するための用途で使用できることを理解されたい。

別の例として、補償システム２は、上記のように１つのみの圧縮ばね８０の代わりに、２つの圧縮ばねを含んでもよい。第２の圧縮ばね（図示せず）は、例えば、第２のロッド７０の上にスリーブされてもよい。このような実施形態では、それに応じて、限界停止部材８２を別の場所に移動させなければならない。さらに別の例として、圧縮ばね８０の代わりに、図５に示されるような、ねじりばね１５０を用いてもよい。ねじりばね１５０の一端は側壁１５１に取り付けられ、他端はプーリーブロック６４に取り付けられる。

さらに別の例として、補償システム６０は、図６に示すように、可動プーリー６２及びその対応するロッド６８、７０と並んで配置された、第２の対の可動ロッド１５４に沿って移動可能な第２の可動プーリー１５２を含んでもよい。直列の２つ以上の可動プーリーを有するこのような設計は、より大きなバッファを提供することができ、リールイン及びリールアウト速度も２倍にすることができる。

別の例として、上述した実施形態における二重ロッド６８、７０は、プーリーブロック６４が摺動可能な線形トラックに置き換えてもよい。あるいは、単一のロッドを用いてもよい。そのような場合、プーリーブロック６４は、プーリーブロック６４が単一ロッドを中心に回転するのを防止するために、側壁に寄り掛かるローラを備えてもよい。

さらに別の例として、上述のロッド設計にスリーブされた圧縮ばね８０は、管状構造の中に配置された圧縮ばねに置き換えてもよい。この管状構造は、長手方向に沿った溝を有し、プーリーブロック６４が圧縮ばねの端部に結合され、その溝上で摺動可能であることを可能にする。

さらに別の例として、特にスペースが許す場合には、固定プーリー８４、８６を省略することができる。スプール８、可動プーリ６２及び張力アセンブリ４０は、お互い又はハウジング２８の壁との干渉を避けるために、互いに適切に間隔を空けて配置されてもよい。

相互に排他的でない上記の修正または改良の１つまたは複数をさらに組み合わせて、本発明のさらに別の実施形態を形成してもよいことは、当業者によってさらに理解されるべきである。

Claims (21)

1. テザーを巻き取り及び巻き出しするために回転可能なスプールと、
   該テザーの張力を測定するための張力センサと、
   該テザーの所望の張力を受信し、該張力センサからの測定張力と該テザーの所望の張力との間の差に基づいて、該テザーを巻き取り及び巻き出しするためにスプールの回転を制御するためのコントローラと、
   さらに該スプールと該張力センサーの間で該テザーに係合するように配置された可動プーリーであって、該テザーの張力が該所望の張力から逸脱したときに、該テザーの張力を調整するために、直線経路に沿って付勢され、移動可能である可動プーリーとを備えるテザー管理システム。
2. 該直線経路に沿って可動プーリーを付勢するための細長い圧縮ばねをさらに含む、請求項１に記載のテザー管理システム。
3. 該細長い圧縮スプリングをスリーブする第１のロッドをさらに含む、請求項２に記載のテザー管理システム。
4. 該第１のロッドに少なくとも実質的に平行な第２のロッドと、
   該可動プーリーを支持するためのプーリー支持体であって、プーリー支持体がその上で摺動可能であることを可能にするために、第１のロッドおよび第２のロッドが貫通する２つのブッシングをさらに含む、請求項３に記載のテザー管理システム。
5. 該第１のロッドと該第２のロッドの第１の端部にある第１の端部ブロックと、
   該第１のロッドと該第２のロッドの第２の端部にある第２の端部ブロックとをさらに備え、
   該細長い圧縮ばねは、該第１のロッドの長さに実質的に等しい自由長を有する、請求項４に記載のテザー管理システム。
6. 細長い圧縮ばねは、付勢されたとき、該テザーの動作張力の範囲にわたって、該テザーの張力の約２倍の力を有する、請求項５に記載のテザー管理システム。
7. 第１の端部ブロックと第２の端部ブロックとの間の中間位置に隣接して配置される限界停止部材であって、第２の端部ブロックと該限界停止部材との間で該第１のロッドと該第２のロッドに沿う該プーリー支持体の動きを制限する該限界停止部材をさらに備える、請求項５に記載のテザー管理システム。
8. 該スプールの厚さは、該テザーの厚さの１～１０倍の範囲である、請求項１に記載のテザー管理システム。
9. ベースと、該ベースの反対側のルーフと、該ベースと該ルーフとの間の側壁とを有するハウジングをさらに備え、
   該スプールは、そのラジアル平面が該ハウジングのベースに少なくとも実質的に平行であるように配置される、請求項１に記載のテザー管理システム。
10. 該可動プーリーと該張力センサとの間で該テザーに係合するように配置された固定プーリーと、
    該ハウジングの該屋根を通って延びる該テザーの経路の出口セクションに沿って該テザーを案内するための張力プーリーとをさらに含み、
    該張力センサは、該テザーの張力を測定するために該張力プーリーに結合される、請求項９に記載のテザー管理システム。
11. 該出口セクションが、該可動プーリーの直線経路に対して横向きである、請求項１０に記載のテザー管理システム。
12. 該張力プーリーと該張力センサとが取り付けられるブラケットと、
    該テザーが該ハウジングから出る際に通過する該ブラケットに取り付けられるフェアリードとをさらに含み、
    該フェアリードは、該テザーを張力プーリーに対して付勢することができる少なくとも１つのローラを含む、請求項１０に記載のテザー管理システム。
13. 該コントローラは、該テザーの該測定張力と該所望の張力との間の差に基づいて、該スプールを回転させるための速度を決定するように適合されている、請求項１に記載のテザー管理システム。
14. 該コントローラは、テザーの所定長さ未満が該スプールに残されているとき、該スプールを回転させるための速度を、該スプールに残されたテザーの長さに対応するキャップ値にさらに制限するように適合されている、請求項１３に記載のテザー管理システム。
15. スプールの端が近いかどうかを決定するためのセンサをさらに含み、
    該コントローラは、該センサがそれを示すとき、該速度をゼロに設定するように適合される、請求項１４に記載のテザー管理システム。
16. 該テザーの滑りを防止するために該スプールに隣接して配置されたガード部材をさらに含む、請求項１に記載のテザー管理システム。
17. スプール上のテザーを管理するための方法であって、
    展開されたテザーのための所望の張力を受信し、
    該展開されたテザーの張力を測定し、
    測定された張力と所望の張力との間の差に基づいて、該テザーを巻き取り及び巻き出しするために該スプールを回転させ、
    該テザーに可動プーリーを係合させ、
    該テザーの張力が該所望の張力から逸脱したときに、該テザーの張力を調整するために、該可動プーリーを直線経路に沿って移動可能なように付勢する、方法。
18. 該測定された張力と該所望の張力との間の差に基づいて、該スプールを回転させる速度を決定することをさらに含み、該スプールを回転させることは、決定された速度で該スプールを回転させることである、請求項１７に記載の方法。
19. 該スプール上に所定長さ未満のテザーが残っているとき、該スプールを回転させるための速度を該スプール上に残っているテザーの長さに対応するキャップ値に制限することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. スプールの端が近いことが検出されたとき、該速度をゼロに設定することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
21. 該可動プーリーを付勢することは、該テザーの所望の動作張力の範囲にわたって、該テザーの張力の約２倍である力を有する細長い圧縮ばねで該可動プーリーを付勢することである、請求項１７に記載の方法。

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