JP6167273B1 - 係留気球システム - Google Patents

Abstract

【課題】気球の係留位置を制御可能な係留気球システムを提供する。【解決手段】気球本体と係留装置が係留索を介して接続された係留気球システムであって、前記気球本体は、メインエンベロープと、前記メインエンベロープに取り付けられた第１のサイドエンベロープおよび第２のサイドエンベロープを有し、前記係留装置は、前記係留索の張力を制御する張力制御装置を有し、前記操縦索の張力を制御することによって、前記メインエンベロープと前記第１のサイドエンベローブと前記第２のサイドエンベロープの相対的な位置を変更可能であることを特徴とする。前記係留装置は、風速が弱いほど前記気球本体が水平に近いようになり、風速が強いほど前記気球本体の前方が上向きになるように、前記係留索の張力を制御することが好ましい。前記メインエンベロープ、前記第１および第２のサイドエンベロープはいずれも円筒形状とすることができる。【選択図】図７

Description

本発明は、係留気球システムに関し、特に気球の移動を抑制可能な係留気球システムに関する。

観察・広告・無線通信の中継局などを目的として係留気球が使用されている。従来の係留気球は、気球を地上からのロープ（係留索）でつなぎ止めた構成を有し、したがって、係留範囲（気球の浮遊範囲）はロープの範囲に限定される。しかしながら、風の影響により気球が流されて建物に衝突したりするなど事故の原因となることから、強風時には運用が困難であった。

特許文献１は、スクープ（気球の姿勢安定のために気球本体下部に取り付けられる幕状部材）を透過率が高い部分と低い部分とから構成することにより、機首を風上に向けるように姿勢の安定化（風見安定）を図っている。

特開２０１６−７８９９号公報

都市部のような建築物が密集している場所で使う場合や、極狭い範囲の空撮を目的とする場合などは、気球の浮遊範囲をロープによって規定される範囲よりも狭い範囲に限定することが必要となる。特許文献１では気球の風見安定が実現できるとしても、風の影響により気球が流されることは防止できない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、気球の係留位置を制御可能な係留気球システムを提供することを目的とする。

本発明にかかる係留気球システムは、以下の構成を有することによって、気球本体の係留位置を制御可能とする。本発明にかかる係留気球システムは、気球本体と係留装置が係留索を介して接続された係留気球システムである。

気球本体は、メインエンベロープと、前記メインエンベロープに取り付けられた第１のサイドエンベロープおよび第２のサイドエンベロープと前記メインエンベロープ、前記第１および第２のサイドエンベロープの少なくともいずれかに接続された操縦索とを有する。エンベロープは、球皮とも称され、内部にヘリウムや水素などの軽量の気体を密封する。気球本体は、機首が風上を向くように風見安定な構造を有することが好ましい。

前記操縦索の張力を制御することによって、前記メインエンベロープと前記第１のサイドエンベロープと前記第２のサイドエンベロープの相対的な位置を変更可能である。

すなわち、本発明にかかる係留気球システムでは、操縦索の張力制御によって、気球本体の形状を変化させられる。気球の形状変化によって、風が気球本体に与える力を変化させることができる。したがって、風による力および係留索の張力によって気球本体に加えられる力を調整することで、気球本体が移動しないように制御したり、あるいは気球本体
を所望の位置に移動させたりすることが可能である。

本発明において、操縦索の張力制御は、機械によって行われてもよいし、人手によって行われてもよい。張力制御を機械によって行う場合には、操縦索の張力を制御する張力制御装置を係留装置が備えることができる。操縦索に実際に張力を印加する装置（モータ等）は、気球側（空中）にあってもよいし係留装置側（地上）にあってもよい。

例えば、本発明における係留気球システムは、前記操縦索に接続されたモータを有するように構成できる。この場合、モータが前記張力制御装置からの指示に従って前記操縦索の張力を調整することによって、前記メインエンベロープと前記第１のサイドエンベロープと前記第２のサイドエンベロープの相対的な位置を変更可能である。なお、操縦索およびモータは、係留索に接続されていてもよいし接続されていなくてもよい。例えば、係留索の端部と気球本体の複数の異なる位置を接続する複数の操縦索を有し、それぞれの操縦索の張力をモータにより制御することで、気球の形状を変化させられる。あるいは、両端が気球本体に接続された操縦索の張力をモータにより制御することでも、気球の形状を変化させられる。

また、本発明における係留気球システムは、前記操縦索が前記係留索を兼ねており、前記操縦索が前記係留装置と接続されるように構成できる。この場合、係留装置が前記張力制御装置からの指示に従って前記操縦索の張力を調整することによって、前記メインエンベロープと前記第１のサイドエンベロープと前記第２のサイドエンベロープの相対的な位置を変更可能である。

なお、いずれの場合も、操縦索を一本ずつ個別に張力制御できる必要はなく、適宜の単位で複数本の操縦索の張力をまとめて制御するように構成してもよい。

本発明における係留装置は、気球が受ける風の風速や風向と操縦索あるいは係留索の張力とに基づいて、操縦索の張力を制御することが好ましい。気球が受ける風の風速や風向は、気球本体に備えられた風速センサや風向センサによって取得すればよい。どのような風および張力のときに、どのように操縦索の張力を制御すればよいかは、あらかじめ定められた規則に従って判断すればよい。この規則は、力学的な計算に基づいて策定することもできるし、実機またはシミュレーションを用いた機械学習によって策定することもできる。

係留装置による操縦索の張力制御は、上記のパラメータ以外に、例えば、気球本体の係留装置に対する相対的な位置、風向きまたは風に対する気球本体の向き、上空（気球本体付近）での気温・気圧、気球本体内の軽量気体の量や浮力、係留装置に対する気球本体の相対的な位置などに基づいて行うことも好ましい。これらの情報は、気球に備えられたセンサから取得したり、あるいは係留装置によって備えられたセンサから取得したりすることができる。

本発明における係留装置は、風速が弱いほど前記メインエンベロープと前記第１および第２のサイドエンベロープの水平高さが近い位置になり、風速が強いほど前記第１および第２のサイドエンベロープが前記メインエンベロープよりも低い位置になるように、前記操縦索の張力を制御する、ことが好ましい。また、本発明における係留装置は、風速が弱いほど前記気球本体が水平に近いようになり、風速が強いほど前記気球本体の前方が上向きになるように、前記操縦索の張力を制御する、ことも好ましい。

風が弱いときに水平な形状とすることで、安定的な浮遊が可能になり、かつ横風に対する影響を抑制できる。また、強風のときに、機首を上げたり、サイドエンベロープを狭め
て風を抱えるようにしたりすることで、気球本体に対する浮力が増す。この浮力と風の抵抗により気球本体は前進方向に押し出され、さらに係留索を緊張する（または操縦索全体を均等に緊張する）ことでバランスが保たれることから、気球本体の移動を抑制できる。

また、本発明において、メインエンベロープが１対の尾翼を有しており、尾翼が操縦索によって前記係留装置と接続されており、張力制御装置が、前記操縦索の張力を制御することによって前記尾翼も操作する、ことも好ましい。尾翼の操作することで、気球本体に係る力をさらに制御することができる。

なお、係留装置による操縦索の張力制御によって、気球本体の移動を抑制するだけでなく、気球本体の位置を移動させることができる。さらに、係留装置の直上以外の任意の位置で気球本体の移動を抑制させることができる。

本発明において、前記メインエンベロープ、前記第１および第２のサイドエンベロープはいずれも円筒形状とすることができる。さらに、前記第１および第２のサイドエンベロープは、前記メインエンベロープよりも長手方向の長さが短く、前記第１および第２のサイドエンベロープの重心位置は、前記メインエンベロープの重心位置よりも前方に位置する、ようにすることが好ましい。このようにすると、気球本体の前方の浮力が後方の浮力より大きくなり、機首を持ち上げた姿勢を取りやすく、前方からの風に対して空力コントロール性能が向上する。

また、本発明において、前記第１および第２のサイドエンベロープは、内部の気体を維持した状態で、前記メインエンベロープから着脱可能である、ことが好ましい。エンベロープ内に導入する軽量気体の投入に時間がかかることや、軽量気体が高価であることから、軽量気体をエンベロープから抜かずに輸送できることが好ましい。気球本体の全体として大きくても、分解して小さくすることで輸送が容易になる。また、輸送後にサイドエンベロープをメインエンベロープに取り付けるだけで、運用開始できる。

また、本発明において、係留装置が車両に搭載されており、当該車両は、前記第１および第２のサイドエンベロープの内部の気体を維持した状態で前記気球本体を固定可能な支持部を備えることが好ましい。この支持部には、サイドエンベロープを取り付けられた状態の気球本体も、サイドエンベロープが取り外されたメインエンベロープも、あるいはメインエンベロープから取り外されたサイドエンベロープも固定可能であることが好ましい。車両の支持部に気球あるいはエンベロープを固定することにより、クレーンで機体を持ち上げる必要がなくなり、少人数（数人程度）で気球内のヘリウムガスの補充やメンテナンス、サイドエンベロープの分解結合が容易に行える。

また、本発明における係留気球システムは、前記係留装置と、前記気球本体に設けられたセンサから得られるセンサデータを取得し無線通信によりデータ送信装置と、を搭載した車両をさらに有する、ことが好ましい。このようにすれば、気球本体を車両で輸送し、任意の場所での運用が可能となる。気球本体に設けられるセンサは任意のセンサであってよく、例えば、可視光カメラ、サーマルカメラ、温度センサ、気圧センサ、風速センサなどを例示することができる。データ送信装置からセンサデータを無線送信することで、遠隔にある装置で、センサデータの確認が行える。また、遠隔地からの指示により、カメラの撮影方向を変更するなどの、センサの制御を行うことも好ましい。

また、本発明は、上記手段の少なくとも一部を含む係留気球システムとして捉えることができる。上記構成および処理の各々は技術的な矛盾が生じない限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。

本発明によれば、気球本体の係留位置を制御可能であり、例えば、気球本体の係留位置を任意の位置から移動するのを抑制できる。

図１は、係留気球システムを用いた地上監視システムの概要構成を示す図である。 図２（Ａ）〜図２（Ｄ）は、気球本体の外観形状を説明する図である。 図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、気球本体に接続される操縦索を説明する図である。 図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、気球本体に接続される操縦索を説明する図である。 図５は、張力制御装置による係留索および操縦索の制御を説明する図である。 図６（Ａ）、図６（Ｂ）は弱風時において気球本体を定点に固定する制御を説明する図である。 図７（Ａ）、図７（Ｂ）は強風時において気球本体を定点に固定する制御を説明する図である。 図８（Ａ）〜図８（Ｄ）は気球本体を旋回させる制御を説明する図である。 図９（Ａ）、９（Ｂ）は気球本体を後退または前進させる制御を説明する図である。 図１０（Ａ）〜図１０（Ｄ）は、車両に搭載される支持部を説明する図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜システム概要＞
本発明の第1の実施形態は、係留気球システムを用いた地上監視システムである。図１
は、本実施形態に係る地上監視システムの概要構成を示す。地上監視システムは、気球本体１００、係留巻取装置２０１および張力制御装置２０２を含む車両２００、本部３００から構成される。気球本体１００を例えば都市部の交差点上空に配置し、気球本体１００がカメラ１２０を用いて地上を撮影する。気球本体１００によって撮影された画像は、車両２００の伝送装置２４０から本部３００の伝送装置３１０に送信され、本部３００において気球設置位置付近の監視が行える。

ここで、都市部の上空に気球本体１００を配置する場合、風などの影響により気球本体１００が大きく移動すると、気球本体１００が周囲の建物にぶつかったりして危険である。そこで、本実施形態においては、気球本体１００の形状を係留巻取装置２０１からの張力制御によって可変とし、気球本体１００にかかる力を調整することで、気球本体１００が流されないように制御する。

＜気球本体１００＞
図２（Ａ）〜図２（Ｄ）は、気球本体１００の構造を示す図である。図２（Ａ）は気球本体１００の正面図、図２（Ｂ）は気球本体１００の上面図、図２（Ｃ）は気球本体１００の背面図、図２（Ｄ）は気球本体１００の側面図である。これらの図では、気球本体１００のエンベロープ（球皮）の形状を説明することを目的とするため、気球本体１００に
接続される操縦索や操縦索固定用のフック、あるいは気球本体１００が備えるセンサなどは省略している。

図に示すように、気球本体１００は、メインエンベロープ１１０の両脇にサイドエンベロープ１２０ａ，１２０ｂを備える。それぞれのエンベロープは略円筒形状をしており、気球本体１００は円筒が３つ並んだ３連構造を有する。各エンベロープには、ヘリウムガスなどの軽量気体が充填される。

メインエンベロープ１１０の後方下側には、１対の尾翼１１２ａ，１１２ｂが設けられている。尾翼１１２（以下、尾翼１１２ａおよび１１２ｂを総称して、尾翼１１２と称する）は、気球本体１００の姿勢安定のために、車両２００（張力制御装置２０２）からの張力制御によって、開いたり閉じたりする制御が可能である。

サイドエンベロープ１２０（以下、サイドエンベロープ１２０ａおよび１２０ｂを総称して、サイドエンベロープ１２０と称する）は、メインエンベロープ１１０よりも長手方向の長さが短く、かつその重心位置がメインエンベロープ１１０の重心位置よりも前側に配置される。したがって、気球本体１００は機首前側の方がヘリウムガスの容積が多く浮力が大きいので、機首前方が上向く姿勢（ピッチアップ姿勢）をとる。ピッチアップ姿勢を取ることで、前方からの風に対する空力コントロール性能が向上する。

気球本体１００は、正面以外から風を受ける場合に回転モーメントが発生する風見安定の構造を有するので、風を受けた場合に自動的に風上を向く。

サイドエンベロープ１２０ａ，１２０ｂはそれぞれ、接続布（不図示）を介してメインエンベロープ１１０と接続される。サイドエンベロープ１２０は、接続布よって規制される範囲内で、メインエンベロープ１１０に対して移動可能である。典型的には、サイドエンベロープ１２０はメインエンベロープ１１０に対して開いたり閉じたりするように相対的に位置を変え、メインエンベロープ１１０とサイドエンベロープ１２０がほぼ水平な形状および、サイドエンベロープ１２０がメインエンベロープ１１０よりも下方に位置し風を抱え込むような形状をとることができる。

メインエンベロープ１１０とサイドエンベロープ１２０は、内部にヘリウムガスを充填した状態のままで、互いに脱着可能に構成される。メインエンベロープ１１０とサイドエンベロープ１２０の締結構造は特に限定されないが、飛行運用時に耐えられるだけの十分な強度が必要である。３つのエンベロープを分割可能とすることで地上での輸送が容易となる。

気球本体１００は、地上を撮影するためのＰＴＺカメラ１５１およびサーマルカメラ１５３を備える。ＰＴＺカメラ１５１は、本部３００からの指令によってパン・チルト・ズーム制御（ＰＴＺ制御）が可能な可視光像を取得するカメラである。サーマルカメラ１５３は、赤外線画像を取得するカメラである。ＰＴＺカメラ１５１およびサーマルカメラ１５３は、それぞれ３軸シンバル１５２および１５４によってカメラの姿勢が維持される。ＰＴＺカメラ１５１およびサーマルカメラ１５３によって撮影された画像は、車両２００に送られ、車両２００から本部３００に送られる。

気球本体１００は、さらに、ＧＰＳ装置１５５、風向風速センサ１５６、気圧センサ１５７などのセンサを有する。ＧＰＳ装置１５５から得られる位置情報、風向風速センサ１５６から得られる風向風速情報、気圧センサ１５７から得られる気圧情報は、車両２００に送られ、係留巻取装置２０１の張力制御に利用される。

図３（Ａ）〜図３（Ｃ）、および図４（Ａ），４（Ｂ）を参照して、気球本体に接続される操縦索について説明する。図３（Ａ）は気球本体１００の下面図、図３（Ｂ）は気球本体１００の正面図、図３（Ｃ）は気球本体１００の背面図、図４（Ａ）および図４（Ｂ）は気球本体１００の側面図であり、いずれも操縦索と操縦索固定用のフックを省略せずに記載している。

メインエンベロープ１１０には、下面の左右にそれぞれ４個の操縦索固定用のフック１１８ａ，１１８ｂ、および前方および後方に１個ずつのフック１１８ｃ、１１８ｄが取り付けられている。それぞれのフック１１８ａ〜１１８ｄには、操縦索１４１ａ〜１４１ｄが接続される。操縦索１４１ａ〜１４１ｄのもう一方の端部は、サーボモータ１３０に接続される。サーボモータ１３０は、車両２００の張力制御装置２０２からの張力制御指示を受け取って、操縦索１４１ａ〜１４１ｄに印加する張力を調整できる構成となっている。

サイドエンベロープ１２０ａ、１２０ｂの下面外側にはそれぞれ４個の操縦索固定用のフック１２８ａ，１２８ｂが取り付けられている。それぞれのフック１２８ａ，１２８ｂには、操縦索１４２ａ，１４２ｂが接続される。操縦索１４２ａ，１４２ｂも操縦索１４１ａ〜１４１ｄと同様に、もう一方の端部がサーボモータ１３０に接続され、張力が調整可能である。

本実施形態に係る係留気球システムでは、地上から操縦索の張力を制御し、メインエンベロープ１１０の操縦索１４１とサイドエンベロープ１２０の操縦索１４２の張力を変えることで、サイドエンベロープ１２０を開いたり閉じたりすることができる。また、気球本体１００の前方の操縦索１４１ｃと後方の操縦索１４１ｄの張力を変えることで、気球本体１００の機首を上げたり下げたりする制御が可能である。また、操縦索１１６の張力制御により、尾翼１１２を開いたり閉じたりもできる。

サーボモータ１３０は、各操縦索の張力を個別に調整可能であってもよいし、複数の操縦索の張力をまとめて調整可能であってもよい。例えば、サイドエンベロープ１２０ａの４つの操縦索１４２ａの張力をまとめて調整可能なように構成できる。同様に、サイドエンベロープ１２０ａの４つの操縦索１４２ａをまとめて張力制御の対象とし、メインエンベロープの８つの操縦索１４１ａ，１４１ｂをまとめて張力制御の対象とすることができる。サーボモータ１３０は、必要な数だけ設けられる。

サーボモータ１３０の付近で操縦索１４１ａ〜１４１ｄ、１４２ａ，１４２ｂはフックでまとめられ、係留索１４３に接続される。係留索１４３のもう一方の端部は、車両２００の係留巻取装置２０１に接続される。係留巻取装置２０１は係留索１４３を繰り出したり巻き取ったりすることで、気球本体１００の全体の高度（係留巻取装置２０１からの距離）を調整可能である。なお、係留索１４３に沿って、車両２００と気球本体１００の間で電気信号を通信するためのケーブル（ＬＡＮケーブルなど）も存在する。通信用ケーブルと係留索１４３はまとめて被覆することで絡まりなどを避けることができる。

また、メインエンベロープ１１０の後方には、サーボモータ１３１ａ，１３１ｂが取り付けられており、サーボモータ１３１ａ，１３１ｂと尾翼１１２ａ，１１２ｂが操縦索１１６ａ，１１６ｂにより接続される。

＜車両２００＞
車両２００は、係留巻取装置２０１、張力制御装置２０２、記憶装置２０３、伝送装置２０４を備える。係留巻取装置２０１は、気球本体１００に接続される係留索１４３を巻き取ったり繰り出したりする制御を行う。係留巻取装置２０１は、サーボ機構を有し、張
力制御装置２０２から指示される目標張力が係留索１４３に印加されるようにモータを制御する。

張力制御装置２０２は、操縦索１４１，１４２の張力と、係留索１４３の張力と、気球本体１００の位置や風向、風速や気圧などとに基づいて、操縦索１４１，１４２の張力と係留索１４３の張力を調整する。本実施形態では、目標張力の決定は張力制御装置２０２が行うが、係留巻取装置２０１内に張力制御装置を組み込んでも構わない。

図５に示すように、係留索１４３の張力制御の指令は、張力制御装置２０２から係留巻取装置２０１に送られる。一方、操縦索１４１，１４２の張力制御の指令は、張力制御装置２０２から通信用ケーブル（係留索１４３とまとめられている）を介して、サーボモータ１３０に送られる。

張力制御によって、気球本体１００の形状を変えたりして気球本体１００に加わる力を調整することで、気球本体１００を定点に留まるようにしたり、あるいは所望の位置に移動させたりする。

張力制御装置２０２は、各操縦索や係留索の現在の張力を張力センサから取得する。操縦索の張力は、サーボモータ１３０に設けられたセンサによって取得され、通信用ケーブルを介して張力制御装置２０２に送られる。また、係留索の張力は係留巻取装置２０１に設けられたセンサによって取得され、張力制御装置２０２に送られる。また、張力制御装置２０２は、気球本体１００の相対位置を、気球本体１００に設けられたＧＰＳ装置１５５から得られる位置情報と車両２００に設けられたＧＰＳ装置（不図示）から得られる位置情報の差分により取得する。また、張力制御装置２０２は、気球本体１００が受ける風の影響や上空における気圧を気球本体１００に設けられた風向風速センサ１５６や気圧センサから取得する。

なお、操縦索や係留索の張力制御は、予測される気球内のヘリウムガスの量や浮力の変化を考慮して行うことが好ましい。したがって、張力制御装置２０２は、気球内のヘリウムガスの量や浮力の変化の予測も行う。

係留巻取装置２０１および張力制御装置２０２が、どのような状況においてどのように張力制御を行うかの詳細は、後ほど詳しく説明する。

係留巻取装置２０１は、係留索を均一に保つためのアームを備えており、係留索のたわみを抑制し巻取ドラムにきれいに巻き取ることを可能にしている。係留巻取装置２０１は、係留索をきれいに巻き取りおよび繰り出すためのケーブル均等装置を備えており、頻繁に係留索を出し入れしても絡まることがないように世決定されている。

係留巻取装置２０１は、車両２００の荷台に設けられた回転台座（不図示）上に設置され、気球本体１００の旋回に合わせて回転する。これにより、気球本体１００が旋回しても係留索が絡まることを防止できる。

制御装置２０２は、車両２００内の各機能部の全体的な制御を行う。具体的には、係留巻取装置２０１の張力制御、気球内のヘリウムガスや不良の変化の推定、気球内のカメラの制御、気球から送られる画像データの取得および送信などを行う。

記憶装置２０３には、気球内のＰＺＴカメラ１５１やサーマルカメラ１５３が撮影した画像データが格納される。伝送装置２０４は、記憶装置２０３に格納された画像データを本部の伝送装置３０１へ送信するための送信機である。通信方式として、無線ＬＡＮや携
帯電話通信、衛星通信など任意の方式を利用可能である。なお、車両２００と本部３００との間の通信は、無線通信であっても有線通信であっても、これらの組み合わせであっても構わない。

車両２００の荷台には、気球本体１００を固定可能な支持部２１０が備えられる。図１０（Ａ）および図１０（Ａ）に支持部２１０の構成を示す。支持部２１０は、本実施形態では、車両２００の荷台に設けられた４本の支持部材２１１〜２１４から構成される。支持部材２１１〜２１４は、車両２００の前後方向に平行であり、中央の２本の支持部材２１１および２１２は、外側の２本の支持部材２１３および２１４よりも高さが低い。支持部材２１１〜２１４は、ヘリウムガスが充填された状態のメインエンベロープ１１０下面の形状とほぼ一致するように構成される。また、支持部材２１１〜２１４全体の高さは、サイドエンベロープ１２０が取り付けられた状態の気球本体を固定したときに、サイドエンベロープが地上に届かず、かつ、地上からの作業に適した位置に気球本体が位置するような高さとする。

図１０（Ｃ）は、サイドエンベロープ１２０が取り付けられた状態の気球本体を支持部２１０に固定したときの様子を示す図である。図１０（Ｄ）は、サイドエンベロープ１２０が取り付けられた状態の気球本体（メインエンベロープ１１０）を支持部２１０に固定したときの様子を示す図である。

サイドエンベロープ１２０が取り付けられた状態の気球本体を支持部２１０に固定できるので、この状態でヘリウムガスの充填、エンベロープの分解および取り付け、その他のメンテナンス作業を行うことができる。従来の気球システムでは、クレーンで気球を持ち上げたりして作業を行っているので、手間や人手が大量に必要であったが、本実施形態によれば数人程度の少人数で各種の作業が可能となる。

また、サイドエンベロープ１２０は、メインエンベロープ１１０から取り外し可能であるため、車両２００を３台用意すれば、エンベロープ内のヘリウムガスを抜くことなく、車両での気球の輸送が可能となる。分解が必要となるのは、車両での輸送の際には、気球が車両幅よりも大きくならないようにする必要があるためである。本実施形態に係る気球は、エンベロープごとに分解可能なのでヘリウムガスを充填したままの輸送が可能である。

＜本部３００＞
本部３００は、伝送装置３０１を備え、気球本体１００から送信される画像データを取得する。本部３００は、受信した画像データを表示するための表示装置や、気球本体１００あるいはそのカメラに対する指令を送信するための入力装置も備える。

＜張力制御＞
次に、操縦索および係留索の張力制御と、気球本体１００の形状の変化や気球本体１００に加わる力の変化などとの関係について説明する。なお、図６〜図９は張力制御を説明するための図であり、気球本体や操縦索などの構成を正確に示すものではない点に留意されたい。

図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、弱風時に気球本体１００を定点に固定する制御を説明する図である。なお、「定点に固定」というのは、気球本体１００が完全に静止することを意味するわけではなく、気球本体１００が許容範囲より外に移動しないようにすることを意味する。本実施形態においては、気球本体１００は上下方向にはどれだけ移動してもよいものとし、水平方向には係留巻取装置２０１から５度の範囲での移動を許容する。ただし、上下方向に対しても移動を制限するようにしてもよいし、５度よりも大きい範囲、例え
ば１０度以内や１５度以内の移動を許容するようにしてもよい。

弱風時には、図６（Ａ）に示すように、メインエンベロープ１１０とサイドエンベロープ１２０がほぼ水平な形状（以下、サイドエンベロープ１２０が開いた形状ともいう）を取るように、張力制御装置２０２は操縦索の張力制御を行う。具体的には、操縦索１１８ａと１１８ｂの張力を緩めることでサイドエンベロープ１２０が開くように制御し、操縦索１１８ｃと１１８ｄにほぼ同一の張力を印加することで気球本体１００が水平になるように制御する。張力制御装置２０２は、または、操縦索１１６を緩めて、尾翼１１２が下方向を向くように制御する。

エンベロープの三連構造を水平にすることで、機首から尾翼に風が抜けて安定的な浮遊が可能になる。また、横風を受ける面積が減ることから、横風の影響を少なくできる。また、尾翼を下方向にすることで、気球本体１００をより水平に保てる。

係留巻取装置２０１は、風力に応じた緊張力で係留索１４３を引っ張ることで、気球本体１００に係る浮力と緊張力を合成した力（推進力として示されている）が、風が気球本体１００を後方に押す力と釣り合うようにする。これにより、気球本体１００は、定点に留まる。

図７（Ａ）、図７（Ｂ）は、強風時に気球本体１００を定点に固定する制御を説明する図である。強風時には、図７（Ａ）に示すように、サイドエンベロープ１２０がメインエンベロープ１１０よりも下側に位置する形状（以下、サイドエンベロープ１２０が閉じた形状ともいう）を取るように、張力制御装置２０２は操縦索の張力制御を行う。具体的には、操縦索１４２ａ，１４２ｂの張力が操縦索１４１ａ〜１４１ｄの張力よりも大きくなるように制御する。張力制御装置２０２はまた、操縦索１４１ｃの張力を操縦索１４１ｄの張力よりも大きくして気球本体１００の前方が上向きになるように制御する。張力制御装置２０２はまた、操縦索１１６の張力を大きくして尾翼１１２が弱風時よりも上方向を向くように制御する。

サイドエンベロープ１２０を閉じることで、風を抱え込むようにできる。正面からの風はメインエンベロープ１１０付近に集められ後方に抜ける。これにより気球本体１００の浮力を増すことができる。また、気球本体１００は前方が軽量であることと操縦索１４１ｃ、１４１ｄの張力制御により上向きの姿勢をとり、さらに尾翼１１２を上向きとしていることから気球本体１００は上向きの姿勢でより安定する。なお、操縦索１４１ｃ、１４１ｄの張力制御に頼らずに風の力のみによって気球本体が上向きを取るようにしてもよい。気球本体１００を上向きの姿勢とすることで、気球本体１００にかかる浮力が大きくなり、気球本体１００の高度を変えずにより強い緊張力で係留索全体を引っ張ることができる。したがって、浮力と緊張力を合成した力（推進力として示されている）を大きくすることができ、強風によって気球本体１００が後方に押される大きな力と釣り合いを取ることができる。これにより、気球本体は、強風時にも定点に留まる。

次に、気球本体１００の係留点（定点）を移動させる際の制御について説明する。図8
８（Ａ）、図８（Ｂ）は、気球本体１００を風向きとは異なる方向に向かせるための制御を説明する図である。上述したように、気球本体１００は風見安定により、通常は機首が風上の方向を向く。

機首を左旋回させる場合には、左側の尾翼１１２ａを下向きにし、右側の尾翼１１２ｂを上向きにすればよい。具体的には、操縦索１１６ａを緩め、操縦索１１６ｂを巻き取るように制御する。こうすることで、正面から風を受けた場合に気球本体１００が左方向の回転モーメントを受けるようにできる。これにより、気球本体１００は左旋回し、斜め（
右前方向）からの風と釣り合う向きに機首を向かせることができる。機首を右旋回させる場合には、同様に、右側の尾翼１１２ｂを下向きにし、左側の尾翼１１２ａを上向きにすればよい。

気球本体１００の機首を所望の方向に向けた状態で、気球本体１００を前または後ろに移動させることで、気球本体１００を所望の位置に移動させることができる。図９（Ａ）は気球本体１００を後退させる場合の制御、図９（Ｂ）は気球本体１００を前進させる場合の制御を示す。基本的には、係留索全体の緊張力を弱めることで、推進力が減り、気球本体１００が後退する。逆に、係留索全体の緊張力を強めることで、推進力が増加し、気球本体１００が前進する。この際、気球本体１００の上下方向の移動を抑制できるように、気球全体の傾斜を制御して浮力を調整するとよい。

定点を所望の位置に移動させた後は、張力制御装置２０２は、気球本体１００が当該定点から移動しないように張力制御を行えば、気球本体１００を新たな定点に固定することができる。すなわち、本実施形態においては、気球本体１００を所望の定点に固定させることができる。

以上の制御は、各操縦索および係留索の張力、係留巻取装置２０１と気球本体１００の相対位置、気球本体１００が受ける風の向きと力、気圧などに基づいて張力制御装置２０２が行うことができる。具体的には、気球本体１００に加わる力が所定の向きと量になるように、予め定められた制御を行えばよい。制御モデルは、例えば、シミュレーションや実機を用いた機械学習によって生成することもできる。

気球本体１００の制御には、浮力の把握も重要である。気球本体１００のヘリウムガスの量や浮力の変化は、ヘリウムガスを充填してからの経過時間と気候の影響を受けて変化する。制御装置２０２は、ヘリウムガスや浮力の変化を、経過時間（滞空時間）と気候状況（気圧や気温）と気球素材の透過率とを入力パラメータとするシミュレーションによって推定する。制御装置２０２は、推定された気球本体１００の浮力も考慮して、張力制御を行うことが好ましい。

係留巻取装置２０１は、また、特に突風時や緊急時には特別な制御を行うことも好ましい。例えば、突風時には、許容される範囲内で気球本体１００を泳がせ、風が弱くなった時点で係留索を巻き取ったり、気球本体１００を移動させたりして、気球本体１００を定点（係留位置）に戻す制御を行ってもよい。また、緊急時（非常時）には、係留巻取装置２０１は、係留索の強制巻取をおこない緊急帰着させることが好ましい。

＜実施形態の有利な効果＞
本実施形態によれば、地上の車両２００（張力制御装置２０２）からの操縦索の張力制御によって、気球本体１００の形状を可変としている。これにより、気球本体１００が風から受ける力を制御することができ、係留索の緊張力の制御と合わせて、気球本体１００を上空の係留位置（定点）に留めることが可能となる。気球本体の浮遊範囲を限定することで、建物などの障害物が多い都市部などの環境においても、気球を運用することができるようになる。

また、サイドエンベロープ１２０をメインエンベロープ１１０よりも前方に配置することで、前方の浮力を大きくし、ピッチアップ姿勢を取るようにしている。これにより、前方からの風に対して空力コントロール性能が向上する。

また、サイドエンベロープ１２０をメインエンベロープ１１０から脱着可能としているので、高価なヘリウムガスを抜くことなく気球本体を分解して、個別に輸送することがで
きる。また、輸送後はヘリウムガスの再充填を行う必要なく、サイドエンベロープ１２０をメインエンベロープ１１０に取り付けるだけで運用を開始できる。

＜変形例＞
上記の実施形態は、本発明の実施するための例示的な一実施例であり、本発明を上記の実施形態に限定するものではない。

操縦索の張力調整は、上記以外の構成によっても達成できる。上記の例では、操縦索と係留索がフックを介して接続されているが、操縦索と係留索は気球本体を介して接続されていてもよい。すなわち、係留索の一端が気球本体に接続され、操縦索は両端が例えばメインエンベロープとサイドエンベロープと接続されてもよい。このような構成によって、操縦索の張力制御によって、サイドエンベロープを閉じたり開いたりできる。

また、操縦索の張力を調整するモータは、気球本体１００付近に設けなくてもよい。例えば、個々の操縦索を車両２００まで延ばして、車両２００に設けられたモータによって操縦索の張力を調整してもよい。この場合、まとめて張力制御の対象とする操縦索については、複数を１つにまとめても構わない。なお、操縦索を車両２００（係留巻取装置２０１）に接続する構成では、操縦索が係留索を兼ねるようにもできる。すなわち、操縦索全体を繰り出したり巻き取ったりすることで、気球本体の高度を調整可能である。

また、操縦索の張力制御は必ずしも機械によって行われる必要はなく、人手によって張力の制御が行われてもよい。上記のように操縦索を車両２００まで垂らす構成では、操縦者が操縦索を直接操作して、気球本体の姿勢や位置などを制御することができる。

例えば、係留気球システムの用途は、都市部における地上の監視に限定される分けではない。例えば、農地における農作物の監視にも適用できる。あるいは、広告目的や、無線通信の中継局（基地局）としても利用可能である。係留気球システムの用途は特に限定されない。

また、気球本体として、円筒形状のエンベロープが３個連なった形状を例に説明したが、係留索を用いて気球の形状を変えられる構造であれば、上記の構造に限る必要はない。特に、気球本体が、水平な形状と、風を抱きかかえられるような上側に膨らんだ形状をとることができれば、本発明の目的を達成することができる。気球本体は、例えば、円筒形のエンベロープが４個以上連なった形状としてもよいし、円筒形以外のエンベロープが複数個連なった形状としてもよい。

１００：気球本体
１１０：メインエンベロープ
１１２ａ，１１２ｂ：尾翼
１２０ａ，１２０ｂ：サイドエンベロープ
２０１：係留巻取装置
２０２：張力制御装置

Claims (13)

1. 気球本体と係留装置が係留索を介して接続された係留気球システムであって、
   前記気球本体は、メインエンベロープと、前記メインエンベロープに取り付けられた第１のサイドエンベロープおよび第２のサイドエンベロープと、前記メインエンベロープ、前記第１および第２のサイドエンベロープの少なくともいずれかに接続された操縦索とを有し、
   前記操縦索の張力を制御することによって、前記メインエンベロープと前記第１のサイドエンベロープと前記第２のサイドエンベロープの相対的な位置を変更可能である、
   ことを特徴とする、係留気球システム。
2. 前記係留装置は、前記係留索の張力を制御する張力制御装置を有し、
   前記操縦索に接続されたモータを有し、当該モータが前記張力制御装置からの指示に従って前記操縦索の張力を調整することによって、前記メインエンベロープと前記第１のサイドエンベロープと前記第２のサイドエンベロープの相対的な位置を変更可能である、
   請求項１に記載の係留気球システム。
3. 前記係留装置は、前記係留索の張力を制御する張力制御装置を有し、
   前記操縦索が前記係留索を兼ねており、前記操縦索が前記係留装置と接続されており、
   前記係留装置が前記張力制御装置からの指示に従って前記操縦索の張力を調整することによって、前記メインエンベロープと前記第１のサイドエンベロープと前記第２のサイドエンベロープの相対的な位置を変更可能である、
   請求項１に記載の係留気球システム。
4. 前記気球本体は、風速センサを有し、
   前記係留装置は、前記風速センサから得られる風速と前記操縦索の張力とに基づいて、前記操縦索の張力を制御する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の係留気球システム。
5. 前記係留装置は、風速が弱いほど前記メインエンベロープと前記第１および第２のサイ
   ドエンベロープの水平高さが近い位置になり、風速が強いほど前記第１および第２のサイドエンベロープが前記メインエンベロープよりも低い位置になるように、前記操縦索の張力を制御する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の係留気球システム。
6. 前記係留装置は、風速が弱いほど前記気球本体が水平に近いようになり、風速が強いほど前記気球本体の前方が上向きになるように、前記操縦索の張力を制御する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の係留気球システム。
7. 前記係留装置は、前記係留索の張力を制御する張力制御装置を有し、
   前記メインエンベロープは、１対の尾翼を有しており、
   前記尾翼は、操縦索と接続されており、
   前記張力制御装置は、前記操縦索の張力を制御することによって前記尾翼も操作する、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の係留気球システム。
8. 前記メインエンベロープ、前記第１および第２のサイドエンベロープはいずれも円筒形状である、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の係留気球システム。
9. 前記第１および第２のサイドエンベロープは、前記メインエンベロープよりも長手方向の長さが短く、
   前記第１および第２のサイドエンベロープの重心位置は、前記メインエンベロープの重心位置よりも前方に位置する、
   請求項８に記載の係留気球システム。
10. 前記第１および第２のサイドエンベロープは、内部の気体を維持した状態で、前記メインエンベロープから着脱可能である、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の係留気球システム。
11. 前記係留装置は、車両に搭載されており、
    前記車両には、前記第１および第２のサイドエンベロープの内部の気体を維持した状態で前記気球本体を固定可能な支持部を備える、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の係留気球システム。
12. 前記係留装置と、前記気球本体に設けられたセンサから得られるセンサデータを取得し無線通信によりデータ送信装置と、を搭載した車両をさらに有する、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の係留気球システム。
13. 前記係留装置と、前記気球本体に搭載されたセンサから取得されるセンサ情報を無線通信により送信する伝送装置と、を搭載した車両を備える、
    請求項１から１２のいずれか１項に記載の係留気球システム。

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