JP5432277B2 - 無人機を操縦する装置 - Google Patents

Description

本発明は、無人機、特に回転翼無人機を操縦する装置に関する。

本発明の特に有利な用途は、特に、例えば家屋又はマンション内の一室のような屋内環境おいて、子どもが使用することができる無線操縦玩具の分野にある。

無人機は、操作装置によって遠隔操縦される飛行マシン（flying machine）である。幾つかの特定の無人機は、あらゆるタイプのスケールモデルの既知のヘリコプターを含めた、回転翼無人機であると言える。

特許文献１（Parrot）は、遠隔操縦玩具、特に遠隔操縦無人機を用いるゲームシステムを記載している。このゲームは、その場、例えば仮想サーキット付近で、無人機のカメラが取り込んだ実際の画像上にサーキットの画像を重ね合わせて無人機を操縦することによって行われる。無人機が通過しなければならない仮想通過点が画定され、例えば空中に浮遊する仮想円の形態で表示される。

理解されることができるように、そのようなゲームでは、無人機を非常に正確に操縦できることが必要である。１人のプレーヤーが操縦している無人機が、静止している又は動いているターゲット、例えば別のプレーヤーが操縦している無人機を撃墜することを目的とする追撃ゲームにも同じことが当てはまる。

これまで、無人機は以下の２つの可動レバー：
第１のレバーであって、第１の軸が無人機のピッチを（前進させる一方向又は後進させる逆方向において）制御し、第２の軸が無人機の旋回を制御する（左旋回させる一方向及び右旋回させる逆方向にレバーを傾ける）、第１のレバー、及び
第２のレバーであって、第１の軸が無人機の駆動力を（該駆動力を増大させる一方向及び該駆動力を低減させる逆方向において）制御し、第２の軸がロールを（一方側にカニのように横に動く一方向及び逆側にカニのように横に動く他方向において）制御する、第２のレバー、を有する無線操作ユニットにより操縦されていた。

具体的には、それらの操作を使いこなすようになるには長い時間がかかり、多くの練習を必要とし、一方で、習得段階中に無人機を損傷させるという危険を冒す。

これらのレバーの代わりとして、又はそれらと組み合わせて、無人機を操縦するボタンを利用することも知られている。

特許文献２は、そのような無人機、具体的には操縦可能な小型バルーンのための、携帯電話タイプの操作装置を用いた操作装置を記載している。携帯電話のキー押下が検出され、操縦可能な小型バルーンを操縦するコマンド、すなわち、その駆動の加速若しくは減速、そのラダーの旋回等のコマンドに変換される。同時に、操縦可能な小型バルーンの搭載カメラが画像を取り込み、その画像が携帯電話に送信されてその画面に表示される。

国際公開第２００８／０５６０５１号 米国特許出願公開第２００５／００４８９１８号

本発明は、上述の操作装置がいずれも、無人機の飛行を単純に、特に直感的に操作することはできないという観察によるものである。

したがって、本発明の目的の１つは、子ども等、操縦に不慣れな者が、あまりに多くの数のレバー及び／又はボタンを操作する必要なく、無人機を操縦することを可能にする装置を提供することである。

このため、本発明は第一に、特定のタイプの無人機、すなわち、いかなるユーザーコマンドも無い状態でホバリング飛行中の無人機を安定化させる自律式スタビライザーシステムが備わっている無人機の使用を提供する。

このタイプの無人機は、例えば国際公開第２００９／１０９７１１号（Parrot）に記載されている。

このタイプの無人機は特に、実質的に同時にかつ相互依存的にスロットル、ロール、ピッチ及びヨーを操作する従来のレバー操作を用いる回転翼無人機を、安定化させることが困難であると感じる不慣れな者に適している。これらの困難は多くの場合、無線操縦スケールモデルを飛ばす場合にさらに悪化するが、その理由は、ユーザーが力帰還を得られず、したがって、そのマシンを見て、三次元空間でのその位置を判断することで間に合わせねばならず、それには、位置を解釈できるように、かつ、平衡点に到達するにはどのような動作をとる必要があるのかを理解できるようにするために、飛行の物理学の非常に十分な知識を必要とするからである。

上述の文献は、ホバリング飛行中の無人機を安定化させると共に、特に、平衡点に到達すると、「トリムをとる」ことにより、すなわち、空気の動き及びセンサーのドリフト等の外部影響に起因する移動の変動の数多くの小さな修正を行うことにより、上記の固定点を維持するのに必要とされる修正を与える働きをする自動手段が備わっている無人機を記載している。

したがって、ホバリング飛行中に自律式に自動的に安定化する場合、そのような無人機は、従来の飛行操作に直接従って動作する必要なく、代わりに水平及び垂直の動きに基づいた直感的な操縦を利用して回転翼無人機を操縦できるにもかかわらず、不慣れな者、特に子どもが操縦できる。したがって、無人機の動的な動きは、上昇、下降、左ターン又は右ターン、前進又は後進等の単純なコマンドであって、それぞれが遠隔操作筐体の特定のボタンに関連しているコマンドによって、連続的な平衡点間の動きに変わる。ユーザーがボタンの全てを解除すると、無人機は、到達した新たな位置でホバリング飛行に自動的に戻る。

本発明の出発点は、そのタイプの無人機の操縦を、傾きセンサーを有する遠隔コントローラの使用に適応させることにある。

傾きセンサーを有する数多くの装置、特に携帯電話が知られている。国際公開第２００５／０２７５５０号（Nokia Corporation）は、水平に対する携帯電話の傾きが２本の直交軸回りに検出されることを可能にする手段が備わったそのような携帯電話を記載している。

国際公開第０１／４３４７３号（Telbird Ltd.）は、様々な動作、例えば画面上に表示されるテキストを通ったカーソルの移動の遠隔操縦のために電話を使用する方法を記載している。

本発明は、不慣れなユーザーのために操縦を大幅に単純化するとしても、一つの平衡点から別の平衡点まで移動することにある移動モードが必ずしも最も効果的な移動モードであるとは限らないという観察に基づいている。このことは特に、急速な移動が必要とされる場合、例えば、追撃ゲームにおいて回避移動を行う場合、動いているターゲットを狙おうとするときに無人機の姿勢を急に変更させる場合等に起こる。

これらの理由から、無人機を状況に応じて操縦することができるようにより大幅に融通性を有することが非常に望ましいであろう。その場合、ユーザーが無人機に対してより直接的な操作を行う必要がある特定の状況でより応答性がある操縦モードを有することが可能である。

このため、本発明は、上記のタイプの無人機を操縦する装置であって、該装置の筐体の傾きを検出する傾き検出器と、複数のタッチゾーンを表示するタッチパッドと、筐体の傾き検出器及びタッチゾーンの双方によって発せされた信号を検出する手段と、操縦コマンドを無人機に送信するために検出した信号を操縦コマンドに変換する手段とを備える装置を提供する。

本発明の特徴的なやり方で、装置は、ｉ）無人機の自律式スタビライザーシステムを作動させる作動モードであって、無人機に送信された該操縦コマンドはタッチゾーンによって送られた信号の変換によって生じる、作動モードと、ｉｉ）無人機の自律式スタビライザーシステムを作動停止させる作動停止モードであって、無人機に送信された該操縦コマンドは筐体の傾き検出器によって発せられた信号の変換によって生じる、作動停止モードと、の間で無人機操縦モードを交互に切り換えさせる作動／作動停止ボタンを形成する、複数のタッチゾーンのうちの１つによって操作される手段をさらに備える。

かかる装置は、操作操縦及び操縦コマンドのための人間／機械のインターフェースの完全な再定義に依存している。

操作者が従来技術のレバー又はボタンのコマンド上でとる種々の動作を必要とする幾つかの操縦操作は、ここでは操作者により単に本発明の装置を傾けることによって直感的な方法で行うことができる。例えば、「前方」移動するように回転翼無人機を操作するためには、ユーザーは対応するピッチ軸の回りに加速計装置を傾けるだけでよい。

この操縦モードは非常に応答性があるとはいっても、無人機の平衡に関して比較的高いレベルの不安定性が生じるため、必要がある場合、例えば追撃する状況で高速移動を行う場合等にだけ使用するべきである。

本発明の利点は、具体的には、このモードを選択的に、すなわち、ユーザーがそのように所望する場合にだけ作動できることにあり、デフォルト操縦モードが無人機の自動的な自律式安定化による操縦モードであり、その場合、無人機の動きは単に三次元のその安定化した平衡点を移動することを目的とするコマンドによって支配される。この動作モードは、飛行の低速段階、追撃ゲームの偵察又はアプローチの時間等に十分適合する。

一方のモードから他方のモードに移るためには、プレーヤーがタッチパッドの作動／作動停止ボタンを押すだけでよく、これは、無人機のカメラによって取り込まれて装置の画面に表示された場面の画像から目を離す必要なく完全に直感的に行うことができる。

有利である種々の付随する実施の形態では、
装置は、該装置の基準フレームを再初期化する手段を含み、該手段は該作動停止モードへの切換えがあるたびに作動し、
装置は、携帯電話及び／又はマルチメディアプレーヤータイプのポータブルマルチメディア機器であり、
該タッチパッドは、基本的な操縦機能を操作するための少なくとも４つのタッチゾーンを含み、該機能は、タッチゾーンと接触することによって作動し、該機能は、離陸、着陸、上昇、下降、右旋回、左旋回、前進、後進、右シフト及び左シフトを含む群からなる機能であり、
装置は、該操縦用装置を逆さに向けると自動的な緊急着陸を行わせる手段を含み、
装置は、該無人機の搭載カメラが撮影した画像を該タッチパッドに表示する手段を含む。

本発明はまた、いかなるユーザーコマンドも無い状態でホバリング飛行中の無人機を安定化させる自律式スタビライザーシステムが備わった該無人機の操縦方法であって、該方法は上記の装置を使用し、
該タッチゾーンによって発せられる信号及び該筐体の該傾き検出器によって発せられる信号を検出するステップと、
該無人機の該自律式スタビライザーシステムを作動させる作動モードにおいて、該タッチゾーンによって発せられた信号を操縦コマンドに変換するステップと、
代替的に、該無人機の該自律式スタビライザーシステムを作動停止させる作動停止モードにおいて、該筐体の該傾き検出器によって発せられた信号を操縦コマンドに変換するステップと、
該操縦コマンドを該無人機に送信するステップと、
該作動モードにおいて、該装置からのいかなる操縦コマンドも無い状態でホバリング飛行中の該無人機を安定化させるステップ、及び該操縦コマンドが該無人機に送信される場合に該操縦コマンドに応じて該無人機を一つの平衡点から別の平衡点に移動させるステップと、
代替的に、該作動停止モードにおいて、該無人機に送信された該操縦コマンドによって該無人機の動きを操作するステップであって、これらのコマンドは、該タッチゾーンとの接触によって作動する基本的な操縦コマンドに対応する、ステップと、を含む、操縦方法を提供する。

該基本的な操縦機能は、特に、離陸、着陸、上昇、下降、右旋回、左旋回、前進、後進、右シフト及び左シフトを含む群からの機能とすることができる。

本発明の一実施形態の記載を唯一の添付図面を参照しながら以下に示す。

操縦装置、及び、本発明による該操縦装置を傾けることによって操作するのに適した無人機の概略図である。

上述したように、無人機は通常、場合により反トルクローターを備えたシングルローターを有するスケールモデルヘリコプター、又は、タンデムのツインローターを備えた「フライングバナナ」ヘリコプター、又は、同軸反転ローターを有する「カモフ」ヘリコプター、又は、以下で「クアッドリコプター」８（図１）とも称される実際には４ローター機等の、小寸法の飛行マシンである。

本発明によれば、１つ又は複数のエンジン、フラップ等のようなアクチュエーターによって、無人機が行う飛行動作を操作するための基本的な操縦機能が予め規定される。

この例では、これらの機能は、ピッチ、ロール、ヨー及び高度変化を含む。なお、これらの機能は、直交する基準フレームを画定する軸１８、２１及び２４を参照しながら以下で説明する：
ピッチは、クアッドリコプター８の平面内にある第１の軸１８に対して無人機を傾けることである。前方ピッチ１９により無人機が前進することが可能となる一方、後方ピッチ２０により無人機が後進する；
ロールは、クアッドリコプター８の平面内にある第２の軸２１を中心に、かつ、第１の軸１８に対して垂直に無人機を傾けることである。左ロール２２により無人機８がその左に移動する一方、右ロール２３により無人機８がその右に移動する；
ヨーは、無人機８をその垂直軸２４を中心に旋回させることであり、左旋回２５により無人機８が左にターンし、右旋回２６により無人機８が右にターンする；
高度変化は、飛行開始又は飛行停止、すなわち離陸又は着陸するために、飛行中、すなわち上昇若しくは下降中であるか、又はその他の間であるかに関わらず、軸２４に沿った任意の垂直移動を含む。

これらの従来の基本的な機能に加え、本発明による無人機８は、操縦目的のために、緊急着陸又はターゲットに対する模擬射撃等の特定の基本的な機能を実施することが可能であり、これらの新たな機能は、下記に記載するように実施される。

要約すれば、これらの機能により以下の動作：離陸、着陸、緊急着陸、上昇、下降、右旋回、左旋回、前進、後進、右シフト、左シフト及びターゲットに対する模擬射撃を行うことが可能となる。

これらの機能の少なくとも１つを作動させるには、装置１０は、無人機操作手段１４に接続された傾き検出器１２を使用する。

操作信号を無人機８に送信するために、手段１４は有線技術、又は、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈタイプ（Bluetooth SIG, Inc.により出願された商標）の無線技術を利用することができる。同様に、別の変形形態では、手段１４は、無線によって操作信号を中継する中継送信機１５と通信する。

この実施形態では、操作装置１０を傾けることによって操作される基本的な操縦機能は、ピッチ、ロール、緊急着陸及び模擬射撃を含む。

ピッチ軸１８、ロール軸２１及び垂直移動軸２４は操作装置１０に対して示されているが、その理由は、それらの軸に対する装置１０の任意の傾きが無人機によって再現されるためである。

例として、操作装置１０をそのピッチ軸１８に対して角度α傾けることにより、無人機８が自身のピッチ軸１８に対してそのような角度αで傾く。

そのような状況下で、操作装置１０を傾けることによって無人機を操縦することが可能であるため、実際的に、装置１０を傾けることは仮想の飛行操縦棹を傾けることに等しい。

さらに、特定の基本的な機能は、本発明に固有のやり方で操作される。例えば、無人機による緊急着陸又はターゲットに対する模擬射撃は、それぞれ操作装置１０を逆さに向けるか又は水平に小刻みに（in a jerky manner）動かすことによって操作することができる。

この好ましい実施形態では、装置１０は、ｉＰｈｏｎｅタイプの携帯電話、又はｉＰｏｄ Ｔｏｕｃｈタイプ（アップル社（米国）により出願された商標）のマルチメディアコンテンツプレーヤー等のポータブルマルチメディア機器である。

そのような装置はタッチパッド１６も備えることができ、その場合、このタッチパッド１６は、装置を傾けることによって操縦を作動／作動停止するために、また、仮想ボタンを押すことによって他の基本的な操縦機能を操作するために用いられる。より詳細には、タッチパッド１６は、装置を傾けることによって無人機操作を作動させるために、通常親指による接触を必要とするボタン３０を表示する。

この作動ボタンは特に、無人機が、自律式スタビライザーシステムを備えている場合に安定していることを確実にする機能を果たし、そのため、いかなるユーザーコマンドも無い状態で、回転翼無人機がそれ自体で平衡、すなわちホバリングを保つ。

したがって、他のいかなる操縦コマンドも無い状態で、自動システムにより無人機を安定化させるように、ユーザーは単に親指を上げて作動面３０から離すだけでよい。

換言すれば、上記国際公開第２００９／１０９７１１号に説明されているように、無人機は、加速度計、ジャイロ、その高度を与える超音波テレメーター、及び／又は、その速度を確定することを可能にするビデオカメラ等、無人機の搭載アクチュエーターからの測定値に依存するコマンドを用いることによって空中で静止状態となる。

これにより、操縦コマンドがもはや無人機を安定化させようとするのではなく、一つの平衡点から別の平衡点に移動させるため、操縦の習得がより早くかつより確実となる。

さらに、操作装置を傾けることによって実施される無人機コマンドを作動停止にすることにより、検出器のいかなるドリフト又は誤差も排除することが可能となる。

換言すれば、操作装置を傾けることによって無人機コマンドが作動するたびに、基準操作フレーム２０／２１が再初期化される。

タッチパッドは、ゾーン３２、３４、３６、３８、４０及び４２を、これらのゾーンのそれぞれが画定しているエリアが基本的な操縦機能を操作する働きをするように表示する。

ビデオゲームコンソールに類似の方法で、４つのゾーン３２、３４、３６及び３８は、上昇（ゾーン３２）と下降（ゾーン３４）又は左旋回（ゾーン３６）と右旋回（ゾーン３８）等の２つの相補的なペアで、４つの動作に関連することができる。

そのような状況下では、これらの４つのゾーン３２、３４、３６及び３８は、ビデオゲーム操縦棹に典型的である操作ゾーンを画定するようにタッチパッド上でまとまっている。

さらに、単一ゾーン４０が着陸動作又は離陸動作に関連することができる。したがって、このゾーン４０との接触により、無人機は、接地している場合は離陸するか、又は飛行中である場合は着陸する。

さらに、ゾーン４２は無人機の緊急着陸と関連することができ、この緊急着陸は通常の着陸よりも迅速に行われる。

本発明による装置１０の操作画面には、無人機を操縦する操作ボタンは５つ提示されているが、ビデオゲームコンソールには、そのような操作を行う接触又は操作ボタンは８つ必要とされることに留意されたい。

さらに、５つのボタンは、無人機の操縦を最適化するように位置付けされている。装置を傾けることによって操縦を作動／作動停止するボタンは、右の親指でアクセスすることができる一方で、無人機の旋回及び垂直移動を操作するボタンは左の親指でアクセスすることができ、中央ボタンは左又は右の親指でアクセスすることができる。

要約すれば、上述したように、本発明による方法の基本的な操縦機能は、以下の基本的な操縦機能を操作するボタン：
Ｄｈ 前進
Ｄｂ 後進
Ｌ 左旋回
Ｒ 右旋回
Ｄｇ 左シフト
Ｄｄ 右シフト
Ｄｇ＋Ｄｈ 反時計回りバイシクルターン（anticlockwise bicycle turn）
Ｄｄ＋Ｄｈ 時計回りバイシクルターン（clockwise bicycle turn）
Ａｈ 上昇
Ａｂ 下降
によって作動することができる。

これらの基本的な機能は、離陸及び着陸の自動周波数に関連する。

「左ターン」機能及び「右ターン」機能はそれぞれ、「左旋回」に「反時計回りバイシクルターン」を加えたものとして、また「右旋回」に「時計回りバイシクルターン」を加えたものとして構成することができ、「旋回」機能は、ホバリング中に利用可能であり、「バイシクルターン」機能は並進移動中に利用可能である。

当然のことながら、任意の他の対応関係を本発明の範囲を超えずに規定することができる。

変形実施態様では、特定の基本的な操縦機能は例えば、タッチパッド上を指でなぞることによって操作することもできる：
中心から上方へなぞる 前進
中心から下方へなぞる 後進
中心から左へなぞる 左シフト
中心から右へなぞる 右シフト
反時計回りに円形になぞる 左旋回
時計回りに円形になぞる 右旋回
中心から右上の角へなぞる 反時計回りバイシクルターン
中心から左上の角へなぞる 時計回りバイシクルターン
下から上になぞる 上昇／離陸
上から下になぞる 下降
上から下になぞってから水平になぞる 着陸

本発明は数多くの変形形態を対象とすることができる。例えば、無人機の自動的な緊急着陸は、装置を逆さに向けること、すなわち、軸１８を中心に１８０度旋回させることに関連することができる。

最後に、操作装置を傾けることによってスケールモデルを操縦することは、ヘリコプター又は飛行機のタイプの飛行無人機だけでなく船、潜水艦又は陸上車両のスケールモデルにも実施することができることに留意されたい。

本発明の別の変形形態では、操作装置は、操縦されている無人機の搭載カメラが撮影した画像を表示する機能を果たす。操作目的に使用されるタッチパッドもまた、遠隔送信によって受信した画像を表示することができる。

最後に、別の変形形態では、操作装置はターゲットに対する模擬射撃等の基本的な操縦機能を作動／作動停止する音声認識ソフトウェアを利用することもできる。

Claims (8)

1. いかなるユーザーコマンドも無い状態で無人機（８）をホバリングさせる自律式スタビライザーシステムが備わった前記無人機を操縦する装置（１０）であって、
   前記装置の筐体の傾きを検出する傾き検出器（１２）と、
   複数のタッチゾーン（３０、３２、３４、３６、３８、４０、４２）を表示するタッチパッド（１６）と、
   前記筐体の前記傾き検出器（１２）によって発せられる信号、又は前記タッチゾーン（３２、３４、３６、３８、４０、４２）によって発せられる信号を検出する手段と、
   操縦コマンドを前記無人機に送信するために、前記検出した信号を前記操縦コマンドに変換する手段と、を備え、
   前記装置は、前記無人機の前記自律式スタビライザーシステムを作動させる作動モードであって、前記無人機に送信された前記操縦コマンドは前記タッチゾーンによって送られた信号の変換によって生じる、作動モードと、前記無人機の前記自律式スタビライザーシステムを作動停止させる作動停止モードであって、前記無人機に送信された前記操縦コマンドは前記筐体の前記傾き検出器によって発せられた信号の変換によって生じる、作動停止モードと、の間で前記無人機の操縦モードを交互に切り換えさせる作動／作動停止ボタンを形成する、前記複数のタッチゾーンのうちの１つのタッチゾーン（３０）によって操作される手段を含むことを特徴とする、装置。
2. 前記装置（１０）は、前記装置の基準フレームを再初期化する手段であって、前記作動停止モードへの切換えがあるたびに作動する手段を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記装置（１０）は、携帯電話及び／又はマルチメディアプレーヤータイプのポータブルマルチメディア機器である、請求項１に記載の装置。
4. 前記タッチパッドは、基本的な操縦機能を操作するための少なくとも４つのタッチゾーン（３２、３４、３６、３８）を含み、前記機能は、前記タッチゾーン（３２、３４、３６、３８）と接触することによって作動し、前記機能は、離陸、着陸、上昇、下降、右旋回、左旋回、前進、後進、右シフト及び左シフトを含む群からなる機能である、請求項１に記載の装置。
5. 前記装置（１０）は、前記操縦用装置（１０）を逆さに向けると自動的な緊急着陸を行わせる手段を含む、請求項１に記載の装置。
6. 前記装置（１０）は、前記無人機（８）の搭載カメラが撮影した画像を前記タッチパッド（１６）に表示する手段を含む、請求項１に記載の装置。
7. いかなるユーザーコマンドも無い状態でホバリング飛行中の無人機（８）を安定化させる自律式スタビライザーシステムが備わった前記無人機の操縦方法であって、前記方法は請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置を使用し、前記装置は、前記装置の傾きを検出する傾き検出器（１２）と、複数のタッチゾーン（３２、３４、３６、３８、４０、４２）を表示するタッチパッド（１６）と、を備え
   前記タッチゾーンによって発せられる信号及び前記筐体の前記傾き検出器によって発せられる信号を検出するステップと、
   前記無人機の前記自律式スタビライザーシステムを作動させる作動モードにおいて、前記タッチゾーン（３２、３４、３６、３８、４０、４２）によって発せられた信号を操縦コマンドに変換するステップと、
   代替的に、前記無人機の前記自律式スタビライザーシステムを作動停止させる作動停止モードにおいて、前記筐体の前記傾き検出器（１２）によって発せられた信号を操縦コマンドに変換するステップと、
   前記操縦コマンドを前記無人機に送信するステップと、
   前記作動モードにおいて、前記装置からのいかなる操縦コマンドも無い状態でホバリング飛行中の前記無人機を安定化させるステップ、及び前記操縦コマンドが前記無人機に送信される場合に前記操縦コマンドに応じて前記無人機を一つの平衡点から別の平衡点に移動させるステップと、
   代替的に、前記作動停止モードにおいて、前記無人機に送信された前記操縦コマンドによって前記無人機の動きを操作するステップであって、これらのコマンドは、前記タッチゾーン（３２、３４、３６、３８）との接触によって作動する基本的な操縦コマンドに対応する、ステップと、を含むことを特徴とする、操縦方法。
8. 前記基本的な操縦機能は、離陸、着陸、上昇、下降、右旋回、左旋回、前進、後進、右シフト及び左シフトを含む群からなる機能である、請求項７に記載の操縦方法。

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