JP6524116B2 - Flight robot equipment - Google Patents
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Description
本発明は、飛行ロボット装置に関し、さらに言えば、外部から有線で給電しながら連続飛行することができると共に、空中から農薬散布、空撮、放射線計測等の種々の作業を無人で行うことができる、産業用の飛行ロボット装置に関する。 The present invention relates to a flight robot apparatus, and further, while being able to continuously fly while feeding power from the outside by wire, it is possible to perform various operations such as pesticide dispersion, aerial photography and radiation measurement from the air unmannedly , And an industrial flight robot apparatus.
空中で所定の作業を行うための飛行ロボットとしては、従来、電動ヘリコプタや電動飛行機のような形態が知られているが、これらはいずれも、電動モータと、それを駆動するバッテリー(例えばリチウムイオン・バッテリー)とを搭載していて、そのバッテリーの容量範囲内で自律飛行しながら作業をするように構成されている。このため、飛行時間は15〜30分程度の短時間に限られるのが一般的である。 Conventionally, as a flying robot for performing a predetermined work in the air, a form such as an electric helicopter or an electric airplane is known, but any of these is an electric motor and a battery for driving it (for example, lithium ion -It is equipped with a battery, and it is comprised so that it may work, carrying out an autonomous flight within the capacity range of the battery. For this reason, the flight time is generally limited to a short time of about 15 to 30 minutes.
そのうえに、作業に応じて飛行ロボットのペイロード(積載物の重量)が増加すると、さらに飛行に必要な電力消費量が増加するため、飛行時間がいっそう制約されることになる。例えば、ペイロードが15kg以上になると、飛行時間が5分以下になってしまい、事実上、作業に使用できなくなる。他方、同じペイロードを搭載しながら飛行時間を延ばそうとすると、飛行ロボットに搭載するバッテリーの重量が増加するため、その増加した重量分だけ実質的なペイロードが減少してしまう。そこで、この種飛行ロボットによる空中での無人作業を実用化するためには、何らかの方策によって、このような難点(トレードオフ)を解消することが必要である。 In addition, as the payload (weight of the load) of the flying robot increases according to work, the power consumption required for flight further increases, which further limits flight time. For example, if the payload is 15 kg or more, the flight time will be 5 minutes or less, making it practically unusable for work. On the other hand, if it is attempted to extend the flight time while loading the same payload, the weight of the battery mounted on the flying robot will increase, so the substantial payload will decrease by the increased weight. Therefore, in order to put the unmanned operation in the air by this type of flight robot into practical use, it is necessary to solve such a problem (trade-off) by some measures.
本発明に関連する従来技術としては、例えば、特許文献1(特表平11−509758号公報)に開示された、室内等の閉塞領域内で遠隔操作により飛行可能な玩具飛行機が開示されている。この玩具飛行機は、模型飛行機と、当該模型飛行機に可撓性ケーブルを介して接続された遠隔制御装置とを備えている。前記模型飛行機上の電気モータへの電力供給は、前記遠隔制御装置に内蔵された電源(バッテリー)から前記ケーブルを介して
行われる。前記ケーブルは、前記模型飛行機の下部においてその重心近傍に接続されている。前記模型飛行機の浮遊重量は1.5g/dm2以下と非常に小さく、産業用途ではなく、玩具であるからであり、また、前記電源が前記遠隔制御装置に内蔵されており、前記模型飛行機に搭載されていないからである。さらに、前記模型飛行機は固定昇降舵を有していて、その上昇及び下降は前記電気モータへ供給される電気エネルギーを変化させることによって行われる。前記模型飛行機の方向舵の駆動(すなわち高度の調整)は、インダクションコイルに印加される直流(DC)電圧を変化させることによって駆動される(要約、請求項1〜4と発明の詳細な説明の対応箇所、図1〜4を参照)。As a prior art related to the present invention, there is disclosed, for example, a toy airplane which can be fly by remote control in an enclosed area such as a room disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Publication No. 11-509758). . The toy plane includes a model plane and a remote control device connected to the model plane via a flexible cable. The power supply to the electric motor on the model aircraft is performed through the cable from a power source (battery) built in the remote control device. The cable is connected near its center of gravity at the lower part of the model plane. The floating weight of the model aircraft is very small at 1.5 g / dm 2 or less, and it is because it is a toy, not an industrial application, and the power supply is built in the remote control device. It is because it is not mounted. Furthermore, the model aircraft has a fixed elevator, whose raising and lowering is performed by changing the electrical energy supplied to the electric motor. The drive (i.e. adjustment of the altitude) of the rudder of the model aircraft is driven by changing the direct current (DC) voltage applied to the induction coil (abstract, claims 1-4 and correspondence of the detailed description of the invention) Location, see FIGS.
本発明に関連する他の従来技術としては、特許文献2(特開平2−299998号公報)に開示された遠隔操縦式ヘリコプタの操縦機構がある。この遠隔操縦式ヘリコプタの操縦機構は、発信器からの信号を機体に装備された受信器に受けて遠隔操縦される遠隔操縦式ヘリコプタの操縦機構であって、ヘリコプタの機体に取り付けられたテンションロープを巻き取るリールAと、前記発信器と前記受信器を結ぶ信号伝達ケーブルを巻き取るリールBとを備え、これら両リールA、BをリールBの送り出し量及び巻き取り量がリールAのそれよりも常に大きくなるように相連動せしめるとともに、前記信号伝達ケーブルは前記テンションロープにガイドされてその送り出し及び巻き取りがなされるように構成されている。この操縦機構によれば、ヘリコプタのペイロードの低下を最小限に抑えて有線コントロールを可能とし、当該ヘリコプタの操縦操作の容易化及び現実化を図ることができる(特許請求の範囲と発明の詳細な説明の対応箇所、第1図〜第3図を参照)。 As another prior art related to the present invention, there is a control mechanism of a remote control type helicopter disclosed in Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-299998). The control mechanism of this remote-control helicopter is a control mechanism of a remote-control helicopter which is controlled by receiving a signal from a transmitter to a receiver mounted on the airframe, and a tension rope attached to the airframe of the helicopter. The reel A, and the reel B for winding the signal transmission cable connecting the transmitter and the receiver. In addition, the signal transmission cable is configured to be guided by the tension rope to be fed out and wound up. According to this steering mechanism, it is possible to minimize the lowering of the payload of the helicopter to enable wired control, and to facilitate and actualize the steering operation of the helicopter (claims and detailed description of the invention) Corresponding part of the description, see FIGS. 1 to 3).
本発明に関連するさらに他の従来技術としては、特許文献3(特開2009−178592号公報)に開示された浮遊体がある。この浮遊体は、胴部と、前記胴部の両側に取り付けられた一対の主翼と、前記一対の主翼の間に設けられ、それら主翼の羽ばたく方向に延在する巻き取り軸と、前記一対の主翼と一端がそれぞれ接続され、他端が前記巻き取り軸にそれぞれ接続された一対の糸と、前記胴部に取り付けられ、前記糸を巻き取る軸を回転させる主翼動力装置とを備えている。この浮遊体は、自励的な羽ばたき運動をするものであり、部屋の中や屋外にて浮遊させる玩具であり、空中に浮かび泳ぐ物体を意味しており、ヘリコプタや飛行機は含まない。また、この浮遊体は、重力に逆らって歩行速度(3m/秒)以下の低速度で飛び、全体の重量に対する翼面荷重が3ニュートン/平方メートル以下とされている。前記主翼動力装置は、好ましくは、直流モータと、当該直流モータに交流を供給する交流電源とを備える。この場合、直流モータが動作する周波数の低い交流信号を前記直流モータに供給することにより、主翼をなめらかに羽ばたかせることが可能となる。(要約、請求項1、8、段落0001、0006〜0007、0012〜0014、0049〜0050、0067〜0071、図1〜5、図21〜22、図33を参照)。
As another prior art relevant to this invention, there exists a floating body disclosed by patent document 3 (Unexamined-Japanese-Patent No. 2009-178592). The floating body is provided between the body, a pair of main wings attached on both sides of the body, and a winding shaft extending between the pair of main wings and extending in the flapping direction of the main wings, and the pair of main wings A main wing and one end are respectively connected, and the other end is provided with a pair of yarns respectively connected to the winding shaft, and a main wing power device attached to the body and rotating a shaft for winding the yarn. This floating body is a self-excited fluttering motion, is a toy that floats in a room or outdoors, and means an object that floats and floats in the air, and does not include helicopters and planes. In addition, this floating body flies at a low speed equal to or less than the walking speed (3 m / sec) against the gravity, and the wing load on the entire weight is set to 3 Newtons / square meter or less. The main wing power unit preferably includes a direct current motor and an alternating current power supply that supplies alternating current to the direct current motor. In this case, the main wing can be smoothly flapped by supplying an alternating current signal with a low frequency at which the direct current motor operates to the direct current motor. (Summary, see
本発明に関連するさらに他の従来技術としては、特許文献4(特開2004−256020号公報)に開示された小型無人ヘリコプタの自律制御装置がある。この自律制御装置は、小型無人ヘリコプタの現在位置、姿勢角、対地高度、及び機首絶対方位を検知するセンサと、地上局から設定される位置または速度の目標値とセンサで検知される小型無人ヘリコプタの現在位置及び姿勢角とからヘリコプタ機体の5つの舵を動かす夫々のサーボモータを駆動させるための最適な制御指令値を演算する主演算部と、センサからのデータの収集や、主演算部が出力する数値としての演算結果からサーボモータが受け付けることのできるパルス信号への変換を行う副演算部とを備えている。この自律制御装置によれば、設定する位置や速度の目標値に向けてホビー用のラジコンヘリコプタほどの大きさ及び重量の小型無人ヘリコプタを自律制御させることができる(要約、請求項1、段落005〜0061、図1を参照)。
As another prior art related to the present invention, there is an autonomous control device of a small unmanned helicopter disclosed in Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-256020). This autonomous control system is a small unmanned helicopter detected by the sensor that detects the current position, attitude angle, ground altitude, and absolute heading of the small unmanned helicopter, and the target position or speed set from the ground station and the sensor From the current position and attitude angle of the helicopter to the main operation unit that calculates the optimal control command value for driving the servomotors that drive the five rudder of the helicopter, collection of data from sensors, and the main operation unit And a sub-operation unit for converting the operation result as a numerical value output by the control unit into a pulse signal that can be received by the servomotor. According to this autonomous control device, it is possible to autonomously control a small unmanned helicopter of the size and weight of a radio control helicopter for a hobby toward the target value of the position and speed to be set (Summary,
上述した従来の飛行ロボットが持つ難点、すなわち、ペイロード(積載物の重量)を増加させようとすると、電力消費量が増加して飛行時間がいっそう制約され、逆に、飛行時間を延ばそうとすると、搭載するバッテリーの重量が増加してペイロードがさらに減少する、という難点は、上述した特許文献1の「玩具飛行機」のように、飛行ロボット上の電動モータへの電力供給を、地上側の電源(バッテリー)から可撓性ケーブルを介して行うと、解消することが可能である。しかし、この場合、送電出力が100Wにも満たず、産業用途としては不十分である。また、ケーブルの全長が数m〜数十mとかなり長くなるから、このような長尺のケーブルを介して飛行ロボット上の電動モータに電力供給する構成にすると、別の問題が生じる。
The problems with the conventional flight robot mentioned above, namely, when trying to increase the payload (weight of the load), the power consumption increases and the flight time is further constrained, and conversely, when trying to extend the flight time, The drawback is that the weight of the battery to be mounted increases and the payload decreases further, as in the case of the “toy plane” of
第一の問題は、長尺のケーブルを介して数KW以上の電力供給をすることによって電圧降下が生じるため、電動モータへの印加電圧が地上側の電源電圧(供給電圧)よりもかなり低下してしまうことである。しかも、その電圧降下量は、ケーブルの長さの変動に伴って変化する。このように不安定な電圧を電動モータに印加すると、飛行ロボットの飛行状況に大きな影響を与える恐れがある。 The first problem is that a voltage drop is caused by supplying power of several KW or more via a long cable, so the voltage applied to the electric motor is considerably lower than the power supply voltage (supply voltage) on the ground side. It is Moreover, the amount of voltage drop changes with the change of the cable length. When such an unstable voltage is applied to the electric motor, the flight status of the flying robot may be greatly affected.
第二の問題は、ケーブルによる負荷(荷重)の変動に伴って電動モータの出力を調整する必要があることである。飛行中には、ケーブルの一部が飛行ロボットから垂れ下がる形になるため、ケーブルの重量の一部(ケーブル重量による負荷)が飛行ロボットに作用する。しかも、その負荷は、飛行ロボットの高度や水平位置の変化に伴って変動する。さらに、強風や突風などに起因してケーブルに引っ張り力が作用すると、その負荷が一時的に増加する。このため、ケーブル重量による負荷の変動に伴って電動モータの出力をリアルタイムに調整する必要がある。 The second problem is that it is necessary to adjust the output of the electric motor according to the variation of the load by the cable. During the flight, a part of the cable hangs from the flight robot, so a part of the weight of the cable (load due to the cable weight) acts on the flight robot. Moreover, the load fluctuates with changes in the altitude and horizontal position of the flying robot. Furthermore, when a pulling force acts on the cable due to strong wind or gust, the load temporarily increases. For this reason, it is necessary to adjust the output of the electric motor in real time according to the fluctuation of the load due to the cable weight.
第三の問題は、飛行ロボットから垂れ下がったケーブルが長くなると、飛行ロボットの高度または水平位置の急激な変化や突風などによって、ケーブルが絡みついてしまい、その後の飛行ロボットの飛行に支障が生じる恐れがあることである。したがって、このようなケーブルの絡みつきについても対策が必要になる。 The third problem is that if the cable hanging down from the flight robot is long, the cable may be entangled by a sudden change in the altitude or horizontal position of the flight robot or a gust of wind, and the flight robot's subsequent flight may be interrupted. It is a certain thing. Therefore, measures must be taken against such cable entanglement.
しかし、上述した特許文献1には、ケーブルを介して模型飛行機上の電動モータに電力供給する構成が開示されているだけであり、上述した第一〜第三の問題は認識されていないし、それらに対する対処法についてもなんら開示・示唆されていない。
However,
上述した特許文献2の「遠隔操縦式ヘリコプタの操縦機構」には、ケーブルの絡みつきという上記第三の問題を回避する方策の一案が開示されている。しかし、この操縦機構では、テンションロープでヘリコプタの飛行範囲を制限しながら、発信器と受信器を結ぶ信号伝達ケーブルで制御信号を伝達するようにしているため、リールA及びリールBが必要になると共に、リールAによるテンションロープの送り出しと巻き取りに応じて、リールBによる信号伝達ケーブルの送り出し及び巻き取りを制御する必要があるため、ケーブル絡みつき防止機構の構成及び制御が複雑になってしまう、という難点がある。なお、特許文献2では、上記第一及び第二の問題については認識されていないし、それらに対する対処法についてもなんら開示・示唆されていない。 The above-mentioned "steering mechanism of a remote control type helicopter" of Patent Document 2 mentioned above discloses one proposal of a measure for avoiding the above-mentioned third problem of cable entanglement. However, in this steering mechanism, the control signal is transmitted by the signal transmission cable connecting the transmitter and the receiver while the flight rope of the helicopter is limited by the tension rope, so the reel A and the reel B are required. In addition, since it is necessary to control the delivery and winding of the signal transmission cable by the reel B in accordance with the delivery and winding of the tension rope by the reel A, the configuration and control of the cable anti-tangle mechanism become complicated. There is a drawback of that. Patent Document 2 does not recognize the first and second problems described above, and does not disclose or suggest any measures for dealing with the problems.
上述した特許文献3の「浮遊体」には、直流モータと、当該直流モータに交流を供給する交流電源とを備えた主翼動力装置が使用した例が含まれており、これは、直流モータが動作する周波数の低い交流信号を前記直流モータに供給することによって、主翼をなめらかに羽ばたかせるようにするものである。主翼の羽ばたきが必要なのは、この浮遊体が、一対の主翼に自励的な羽ばたき運動をさせることによって、部屋の中や屋外にて浮遊させる玩具であるからである。したがって、上述した第一〜第三の問題を回避する方策には使えないことが明らかである。なお、特許文献3では、そもそも、上述した第一〜第三の問題は認識されていない。 The "floating body" of Patent Document 3 described above includes an example in which a main wing power unit provided with a direct current motor and an alternating current power supply for supplying alternating current to the direct current motor is used. By supplying an alternating current signal with a low operating frequency to the direct current motor, the main wing smoothly flaps. The wing flapping is necessary because the floating body is a toy that floats in a room or outdoors by causing a pair of wing wings to perform a self-excited flapping motion. Therefore, it is clear that it can not be used as a measure to avoid the first to third problems described above. In Patent Document 3, the first to third problems described above are not recognized in the first place.
上記特許文献4の小型無人ヘリコプタの制御装置は、小型無人ヘリコプタの自律制御を実現しているが、それに止まり、上述した第一〜第三の問題は認識されていないし、それらに対する対処法についてもなんら開示・示唆されていない。 Although the control device of the small unmanned helicopter described in Patent Document 4 realizes the autonomous control of the small unmanned helicopter, the control of the small unmanned helicopter is limited to that, and the first to third problems described above are not recognized. Nothing has been disclosed or suggested.
本発明は、以上述べたような事情を考慮してなされたものであり、その主たる目的は、飛行ロボットに搭載されるバッテリーの容量に起因して飛行時間やペイロードが制限されることなく、安定して飛行ロボットを連続飛行させることができると共に、飛行ロボットに空中から農薬散布、空撮、放射線計測等の種々の作業を行わせることができる、産業用の飛行ロボット装置を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and its main object is to stabilize the flight robot without limiting the flight time or payload due to the capacity of the battery mounted on the flight robot. To provide an industrial flight robot apparatus capable of causing the flight robot to continuously fly and performing various operations such as spraying of pesticides, aerial photography, radiation measurement, etc. to the flight robot from the air .
本発明の他の目的は、飛行ロボットと地上側電源装置を接続するケーブルに起因する電圧降下や飛行ロボットの荷重変動を、簡単な構成で抑制することができる、産業用の飛行ロボット装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide an industrial flight robot apparatus capable of suppressing voltage drop due to a cable connecting a flight robot and a ground side power supply and load fluctuation of the flight robot with a simple configuration. It is to do.
本発明のさらに他の目的は、飛行ロボットの高度または水平位置の急激な変化や風などによって、飛行ロボットと地上側電源装置を接続するケーブルが絡みついてしまい、飛行ロボットの飛行に支障が生じる恐れを、簡単な構成で解消することができる、産業用の飛行ロボット装置を提供することにある。 Still another object of the present invention is that the cable connecting the flight robot and the ground side power supply device may be entangled by sudden changes in the altitude or horizontal position of the flight robot or wind, etc., and the flight robot may be impeded in flight. It is an object of the present invention to provide an industrial flight robot device that can be solved with a simple configuration.
ここに明記しない本発明のさらに他の目的は、以下の説明及び添付図面から明らかである。 Further objects of the present invention which are not specified herein will be apparent from the following description and the accompanying drawings.
(1) 本発明の飛行ロボット装置は、
飛行ロボットと、
前記飛行ロボットに可撓性送電ケーブルを介して電力を供給する地上側電源装置と、
地上側で前記送電ケーブルの余剰分を巻き取るケーブル巻取機とを備え、
前記飛行ロボットは、
推進手段と、
前記推進手段を駆動する電動モータと、
前記飛行ロボットに作用する前記送電ケーブルの荷重に応じて前記電動モータの出力を制御する第1制御部と、
前記地上側電源装置から前記送電ケーブルを介して供給される高電圧を低電圧に変換して前記電動モータに供給する高圧/低圧変換部とを備えており、
前記地上側電源装置は、
前記送電ケーブルを介して前記高電圧を前記飛行ロボットに送電する高圧送電部と、
前記飛行ロボットと前記地上側電源装置の間の距離に応じて、前記高圧送電部が送電する前記高電圧の値を制御する第2制御部とを備えており、
前記ケーブル巻取機による前記送電ケーブルの送り出し及び巻き取りは、前記飛行ロボットと前記地上側電源装置の間の距離に応じて自動的に調整される
ことを特徴とするものである。(1) The flight robot device of the present invention is
With a flying robot,
A ground side power supply unit for supplying power to the flight robot via a flexible power transmission cable;
And a cable winder for winding the surplus of the transmission cable on the ground side,
The flight robot is
Promotion means,
An electric motor for driving the propulsion means;
A first control unit configured to control an output of the electric motor according to a load of the power transmission cable acting on the flight robot;
And a high voltage / low voltage conversion unit which converts a high voltage supplied from the ground side power supply device through the power transmission cable into a low voltage and supplies the low voltage to the electric motor.
The ground side power supply device
A high voltage power transmission unit for transmitting the high voltage to the flight robot via the power transmission cable;
And a second control unit that controls the value of the high voltage transmitted by the high-voltage power transmission unit according to the distance between the flight robot and the ground-side power supply device.
The feeding and winding of the power transmission cable by the cable winder may be automatically adjusted in accordance with the distance between the flight robot and the ground side power supply device.
本発明の飛行ロボット装置では、上述したように、前記地上側電源装置から前記飛行ロボットに前記可撓性送電ケーブルを介して前記高電圧が供給される。また、前記地上側電源装置の前記第2制御部によって、前記飛行ロボットと前記地上側電源装置の間の距離に応じて、前記高圧送電部による前記高電圧の値が制御されると共に、前記ケーブル巻取機によって、前記飛行ロボットと前記地上側電源装置の間の距離に応じて、前記送電ケーブルの長さが自動的に調整される。さらに、前記飛行ロボットの前記第1制御部により、前記飛行ロボットに作用する前記送電ケーブルの荷重に応じて前記電動モータの出力が制御される。このため、飛行中に前記飛行ロボットが受ける、前記送電ケーブルに起因する電圧降下や前記送電ケーブルの重量や絡みつきによる影響が、確実に抑制される。よって、前記飛行ロボットに搭載されるバッテリーの容量に起因して飛行時間やペイロードが制限されることなく、安定して前記飛行ロボットを連続飛行させることができると共に、前記飛行ロボットに空中から農薬散布、空撮、放射線計測等の種々の作業を行わせることができる。 In the flight robot device of the present invention, as described above, the high voltage is supplied from the ground side power supply device to the flight robot via the flexible power transmission cable. Further, the second control unit of the ground side power supply device controls the value of the high voltage by the high voltage power transmission unit according to the distance between the flight robot and the ground side power supply device, and the cable The take-up machine automatically adjusts the length of the power transmission cable according to the distance between the flight robot and the ground side power supply device. Furthermore, the output of the electric motor is controlled by the first control unit of the flight robot according to the load of the power transmission cable acting on the flight robot. For this reason, the influence of the voltage drop due to the power transmission cable and the weight and entanglement of the power transmission cable, which the flight robot receives during flight, is reliably suppressed. Therefore, the flying robot can be stably made to fly continuously without limitation of flight time or payload due to the capacity of the battery mounted on the flying robot, and pesticide spraying from the air to the flying robot is possible. , Various operations such as aerial imaging and radiation measurement can be performed.
また、前記第1制御部により、前記飛行ロボットに作用する前記送電ケーブルの荷重に応じて前記電動モータの出力が制御され、それと同時に、前記第2制御部により、前記飛行ロボットと前記地上側電源装置の間の距離に応じて、前記高圧送電部が送電する前記高電圧の値が制御され、さらに、前記ケーブル巻取機により、前記飛行ロボットと前記地上側電源装置の間の距離に応じて、前記送電ケーブルの長さが自動的に調整される。このため、前記飛行ロボットと前記地上側電源装置を接続する前記送電ケーブルに起因する電圧降下や前記飛行ロボットの荷重変動を、簡単な構成で抑制することができる。 Further, the first control unit controls the output of the electric motor according to the load of the power transmission cable acting on the flight robot, and at the same time, the second control unit controls the flight robot and the ground power supply. The value of the high voltage transmitted by the high-voltage power transmission unit is controlled according to the distance between the devices, and the cable winder further controls the distance between the flight robot and the ground-side power supply device. The length of the power transmission cable is automatically adjusted. For this reason, it is possible to suppress the voltage drop due to the power transmission cable connecting the flight robot and the ground side power supply device and the load fluctuation of the flight robot with a simple configuration.
さらに、前記ケーブル巻取機による前記送電ケーブルの送り出し及び巻き取りは、前記飛行ロボットと前記地上側電源装置の間の距離に応じて自動的に調整されるので、前記飛行ロボットの高度または水平位置の急激な変化や風などによって、前記飛行ロボットと前記地上側電源装置を接続する前記送電ケーブルが絡みついてしまい、前記飛行ロボットの飛行に支障が生じる恐れを、簡単な構成で解消することができる。 Furthermore, the delivery and take-up of the power transmission cable by the cable winder is automatically adjusted according to the distance between the flight robot and the ground power supply device, so that the altitude or horizontal position of the flight robot The power transmission cable connecting the flight robot and the ground side power supply device may be entangled by a sudden change in the air flow or the like, and the risk of causing trouble in the flight of the flight robot can be eliminated with a simple configuration. .
以上述べたように、本発明によれば、産業用としてただちに実用に供することができる飛行ロボット装置を実現することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to realize a flight robot apparatus that can be put to practical use immediately for industrial use.
(2) 本発明の飛行ロボット装置の好ましい例では、前記地上側電源装置の前記高圧送電部が送電する前記高電圧が、直流電圧とされる。この例では、前記送電ケーブルを介して前記高電圧が送電される際に生じる電圧降下が、交流電圧とした場合よりも抑制されるという利点がある。また、交流電圧の電圧変換回路より直流電圧の電圧回路の方が小さくできる利点もある。 (2) In a preferable example of the flight robot device according to the present invention, the high voltage transmitted by the high voltage power transmission unit of the ground side power supply device is a DC voltage. In this example, there is an advantage that the voltage drop that occurs when the high voltage is transmitted via the power transmission cable is suppressed as compared to the case of using an alternating voltage. There is also an advantage that the voltage circuit of DC voltage can be made smaller than the voltage conversion circuit of AC voltage.
(3) 本発明の飛行ロボット装置の他の好ましい例では、前記飛行ロボットの前記高圧/低圧変換部が出力可変のDC−DCコンバータとされる。この例では、DC−DCコンバータの出力が可変であるため、前記飛行ロボット上の回路構成が簡単になるという利点が得られる。 (3) In another preferred embodiment of the flight robot apparatus according to the present invention, the high-voltage / low-voltage converter of the flight robot is a DC-DC converter with variable output. In this example, since the output of the DC-DC converter is variable, an advantage is obtained that the circuit configuration on the flight robot is simplified.
(4) 本発明の飛行ロボット装置のさらに他の好ましい例では、前記地上側電源装置の前記高圧送電部がAC−DCコンバータとされ、前記飛行ロボットの前記高圧/低圧変換部がDC−DCコンバータとされる。この例では、前記地上側電源装置の前記高圧送電部が送電する前記高電圧を、商用電源を用いて生成することができるという利点が得られる。 (4) In still another preferable example of the flight robot device according to the present invention, the high voltage power transmission unit of the ground side power supply device is an AC-DC converter, and the high voltage / low voltage converter of the flight robot is a DC-DC converter It is assumed. In this example, an advantage is obtained that the high voltage transmitted by the high-voltage power transmission unit of the ground-side power supply can be generated using a commercial power supply.
(5) 本発明の飛行ロボット装置のさらに他の好ましい例では、前記飛行ロボットが、飛行中の前記飛行ロボットの位置を検出する位置検出センサと、前記位置検出センサの出力信号を無線で前記地上側電源装置に送信する送受信部とを備えており、前記地上側電源装置の前記第2制御部は、前記高圧送電部が送電する前記高電圧の値と前記ケーブル巻取機による前記送電ケーブルの送り出し及び巻き取りの制御を、前記出力信号を受信して行うように構成される。この例では、飛行中の前記飛行ロボットの位置を簡単かつ確実に検出することができると共に、その検出結果に基づいて前記第2制御部を的確に制御することができるという利点がある。 (5) In still another preferred embodiment of the flight robot apparatus according to the present invention, the flight robot comprises a position detection sensor for detecting the position of the flight robot in flight, and an output signal of the position detection sensor wirelessly from the ground. And a second control unit of the ground-side power supply device, the value of the high voltage transmitted by the high-voltage power transmission unit and the power transmission cable by the cable winder. The control of delivery and winding is configured to receive the output signal. In this example, the position of the flight robot in flight can be detected simply and reliably, and the second control unit can be accurately controlled based on the detection result.
(6) 本発明の飛行ロボット装置のさらに他の好ましい例では、前記飛行ロボットに接続された通信ケーブル(制御信号の送受信やデータ通信に使用され、例えば光ファイバから構成される)をさらに備えており、前記通信ケーブルは前記送電ケーブルに一体化(内蔵または付加)される。この例では、前記通信ケーブルの設置による悪影響を排除しながら、飛行中の前記飛行ロボットとの通信が確実に行うことができるという利点がある。 (6) In still another preferable example of the flight robot device according to the present invention, further comprising a communication cable connected to the flight robot (used for transmission and reception of control signals and data communication, for example, composed of an optical fiber) The communication cable is integrated (built-in or attached) to the power transmission cable. In this example, there is an advantage that communication with the flying robot in flight can be reliably performed while eliminating the adverse effect of the installation of the communication cable.
(7) 本発明の飛行ロボット装置のさらに他の好ましい例では、前記ケーブル巻取機が、前記送電ケーブルの送り出し及び巻き取りを行うケーブル巻取用モータを備えており、前記ケーブル巻取用モータによる前記送電ケーブルの送り出し及び巻き取りは、前記飛行ロボットと前記地上側電源装置の間の距離に応じて、前記第2制御部によって制御される。この例では、前記ケーブル巻取機の構造が少し複雑になるが、前記飛行ロボットと前記地上側電源装置の間の距離に応じた前記送電ケーブルの送り出し及び巻き取りの制御が、より正確に行われるという利点がある。 (7) In still another preferable example of the flight robot device according to the present invention, the cable winding machine includes a cable winding motor for feeding and winding the power transmission cable, and the cable winding motor The delivery and winding of the power transmission cable according to the present invention are controlled by the second control unit according to the distance between the flight robot and the ground side power supply device. In this example, although the structure of the cable winder is slightly complicated, the control of feeding and winding of the power transmission cable according to the distance between the flight robot and the ground side power supply system is more accurately performed. It has the advantage of being
(8) 本発明の飛行ロボット装置のさらに他の好ましい例では、前記ケーブル巻取機が、前記送電ケーブルをその巻き取り方向に付勢する付勢部材(例えばバネ)を備えており、前記送電ケーブルの送り出しは、前記付勢部材の巻き取り力に抗して前記送電ケーブルを引き出すことによって行われ、前記送電ケーブルの巻き取りは、前記付勢部材の巻き取り力によって行われるように構成される。この例では、前記飛行ロボットと前記地上側電源装置の間の距離に応じた前記送電ケーブルの送り出し及び巻き取りの制御が、簡単な構成で実現されるという利点がある。 (8) In still another preferable example of the flight robot device of the present invention, the cable winder includes a biasing member (for example, a spring) for biasing the power transmission cable in its winding direction, and the power transmission The delivery of the cable is performed by pulling out the power transmission cable against the winding force of the biasing member, and the winding of the power transmission cable is configured to be performed by the winding force of the biasing member. Ru. In this example, there is an advantage that the control of sending and winding of the power transmission cable according to the distance between the flight robot and the ground side power supply device is realized with a simple configuration.
(9) 本発明の飛行ロボット装置のさらに他の好ましい例では、前記飛行ロボットの前記第1制御部と前記地上側電源装置の前記第2制御部の少なくとも一方で、PID制御方式が使用される。この例では、前記第1制御部または前記第2制御部の実現が容易であるという利点がある。しかし、PID制御方式以外の方式を用いてもよいことは言うまでもない。 (9) In still another preferable example of the flight robot device of the present invention, a PID control method is used in at least one of the first control unit of the flight robot and the second control unit of the ground-side power supply device. . In this example, there is an advantage that the implementation of the first control unit or the second control unit is easy. However, it goes without saying that a method other than the PID control method may be used.
(10) 本発明の飛行ロボット装置のさらに他の好ましい例では、地上側に設置された、前記ケーブルの絡みつきを防止する絡みつき防止部材をさらに備える。この例では、簡単な構成で前記ケーブルの絡みつき防止をいっそう容易に行えるという利点がある。 (10) In still another preferred embodiment of the flight robot device according to the present invention, the device further comprises an anti-entanglement member installed on the ground side for preventing the entanglement of the cable. In this example, there is an advantage that the entanglement of the cable can be prevented more easily with a simple configuration.
(11) 本発明の飛行ロボット装置のさらに他の好ましい例では、前記飛行ロボットが、電動ヘリコプタの構成を持つ。この例では、本発明の利点を最大限に活かせるという利点がある。 (11) In still another preferred embodiment of the flight robot apparatus of the present invention, the flight robot has a configuration of an electric helicopter. This example has the advantage of taking full advantage of the advantages of the present invention.
本発明の飛行ロボット装置によれば、(a)飛行ロボットに搭載されるバッテリーの容量に起因して飛行時間やペイロードが制限されることなく、安定して飛行ロボットを連続飛行させることができると共に、飛行ロボットに空中から農薬散布、空撮、放射線計測等の種々の作業を行わせることができる、(b)飛行ロボットと地上側電源装置を接続するケーブルに起因する電圧降下や飛行ロボットの荷重変動を、簡単な構成で抑制することができる、(c)飛行ロボットの高度または水平位置の急激な変化や風などによって、飛行ロボットと地上側電源装置を接続するケーブルが絡みついてしまい、飛行ロボットの飛行に支障が生じる恐れを、簡単な構成で解消することができる、(d)産業用としてただちに実用に供することができる、という効果が得られる。 According to the flying robot device of the present invention, (a) the flying robot can be stably made to fly continuously without limitation of the flight time or payload due to the capacity of the battery mounted on the flying robot. The flight robot can perform various operations such as pesticide spraying, aerial photography, radiation measurement, etc. from the air. (B) Voltage drop due to the cable connecting the flight robot and the ground side power supply and the load of the flight robot Fluctuations can be suppressed with a simple configuration. (C) A sudden change in the altitude or horizontal position of the flight robot or wind may cause the cable connecting the flight robot and the ground-side power supply to be entangled, and the flight robot Can be eliminated with a simple configuration, and (d) it can be put to practical use immediately for industrial use, It says the effect can be obtained.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に係る飛行ロボット装置1の全体構成を図1に示す。同図より明らかなように、飛行ロボット装置1は、飛行ロボット10と、飛行ロボット10に可撓性送電ケーブル30を介して電力を供給する地上側電源装置50と、飛行ロボット10の高度や位置の変化に応じて送電ケーブル30の引き出し及び巻き取りを行うケーブル巻取機40と、飛行中に送電ケーブル30が絡みついて飛行ロボット10の飛行に支障が生じるのを防止するための絡みつき防止部材45とを備えている。地上側電源装置50とケーブル巻取機40と絡みつき防止部材45は、地上に設けられている。飛行ロボット10は、送電ケーブル30を介して地上側電源装置50から供給される電力により自律飛行可能である。First Embodiment
The overall configuration of a
飛行ロボット10は、図2に詳細に示すように、電動モータ14で個別に駆動される6個のロータ13を持つ電動マルチロータ型ヘリコプタの構成を持っている。より詳細に言うと、飛行ロボット10は、略円筒形の本体11と、本体11の略円筒形の外周部に等間隔で配設されると共に、その外周部から放射状に延在する6本のアーム12と、それらアーム12の先端部にそれぞれ回転可能に設置された計6個のロータ13と、それらロータ13を個別に回転駆動する計6個の電動モータ14とを備えている。全ロータ13は、対応する電動モータ14の回転軸にそれぞれ直接固定されており、対応する電動モータ14の回転によって回転駆動せしめられるようになっている。全ロータ13は、同一面内に配置されている。
The
本明細書では、6個のアーム12を区別するときは、図2に示すように、符合12a、12b、12c、12d、12e及び12fを使用する。同様に、6個のロータ13を区別するときは、符合13a、13b、13c、13d、13e及び13fを使用し、6個の電動モータ14を区別するときは、符合14a、14b、14c、14d、14e及び14fを使用する。
In the present specification, when the six
農薬散布、空撮、放射線計測等の種々の作業に必要な機材(作業用機材)は、適切な部材を使用して飛行ロボット10の本体11に搭載される。作業用機材は、飛行ロボット10を飛行させることによって所望の位置及び高度まで送られ、その場所でホバリングしながら、あるいは、所望の高度で飛行しながら、所望の作業を行うことになる。
The equipment (working equipment) required for various operations such as agrochemical spraying, aerial photography, radiation measurement, etc. is mounted on the
飛行ロボット10の飛行に必要な電力、換言すれば、全ロータ13を駆動する6個の電動モータ14を回転させるのに必要な電力は、飛行ロボット10に搭載されたバッテリーからではなく、地上側電源装置50から送電ケーブル30を介して連続的に供給される。このため、飛行ロボット10へのバッテリーの搭載を省略することができる。ただし、地上側電源装置50の故障や送電ケーブル30の切断、飛行ロボット10上の機器の故障等による電力供給の遮断といった非常事態に備えて、本体11には非常用バッテリー(図示せず)を搭載するのが好ましい。飛行ロボット10の墜落事故を防止することができるからである。
The power needed to fly the flying
飛行ロボット10の本体11の内部には、図3に示すような内部構成を持つロボット側制御装置20が搭載されている。ロボット側制御装置20には、送電ケーブル30の先端が機械的及び電気的に接続されている。ケーブル30の基端は、地上側電源装置50に機械的及び電気的に接続されている。ケーブル30の基端側の部分は、地上側電源装置50の近傍で、地上側電源装置50の近傍に設けられたケーブル巻取機40のドラム42(図6参照)に複数回巻き付けられてから、地上側電源装置50に接続されている。また、ケーブル30の基端は、ケーブル巻取機40の少し手前において、絡みつき防止部材45のケーブル挿入リング45aに挿入・係合されていて、その後方でドラム42に巻き付けられている。ドラム42からのケーブル30の引き出し長さは、飛行ロボット10との距離に応じて、ケーブル巻取用モータ41によってドラム42を回転駆動することによって調整される。
Inside the
本体11の内部には、飛行ロボット10の自律飛行を制御するロボット側自律制御装置(図示せず)が搭載されている。ロボット側自律制御装置としては、例えば、上述した特許文献4に開示されているものを使用することができる。
Inside the
具体的に言えば、ロボット側自律制御装置は、(イ)飛行ロボット10の現在位置及び姿勢角を検知するセンサと、(ロ)飛行ロボット10の6個の電動モータ14をそれぞれ駆動する6個のモータドライバと、(ハ)前記センサから得られる飛行ロボット10の現在の飛行状態と、地上側自律制御装置(後述)から設定される目標値とから、所定の自律制御アルゴリズムを用いて個々の電動モータ14が最適な回転数となるように制御指令値を独立に演算するCPUと、(ニ)地上側自律制御装置との通信を行う無線モデムと、(ホ)手動操縦送信機からの手動操縦信号を受信する手動操縦受信機とを備えて構成される。前記CPUは、上記のような演算を行う主演算部の他に、前記センサから得られるセンサ情報を地上側自律制御装置で監視したり、地上側自律制御装置で設定される目標値を入力したりするために、前記無線モデムとの間で信号を入出力制御させる副演算部も備えている。前記センサとしては、飛行ロボット10の位置を検知するGPSセンサや、飛行ロボット10の姿勢を3軸で検知する3軸姿勢センサ、飛行ロボット10の高度を計測する対地高度計、そして、飛行ロボット10の方位を計測する磁気方位計が用いられる。しかし、ロボット側自律制御装置の構成及び機能は、これに限定されるものではない。
Specifically, the robot-side autonomous control device comprises (a) a sensor for detecting the current position and attitude angle of the
ロボット側自律制御装置は、パワー、ヨー、ロール、ピッチという4つの操縦指令値を地上側自律制御装置から受け取り、それに基づいて6個のモータドライバを個別に制御することで、6個の電動モータ14a、14b、14c、14d、14e及び14fの回転数を制御する。これによって、次のようにして、飛行ロボット10の飛行状態を任意に制御することができる。
The robot-side autonomous control device receives four maneuvering command values such as power, yaw, roll, and pitch from the ground-side autonomous control device, and individually controls six motor drivers based on the four maneuvering command values. Control the number of rotations of 14a, 14b, 14c, 14d, 14e and 14f. Thus, the flight state of the flying
すなわち、各々のモータドライバにより、電動モータ14a、14c及び14eは時計回りに回転せしめられ、残りの電動モータ14b、14d及び14fは反時計回りに回転せしめられる。パワーについては、6個の電動モータ14a、14b、14c、14d、14e及び14fの回転数を同時に増加すれば、飛行ロボット10は自身に垂直な方向に上昇し、同時に減少すれば自身に垂直な方向に下降する。電動モータ14bと14cの回転数と電動モータ14eと14fの回転数に差を付けると、ロール角が変わる。回転方向を同じにして、電動モータ14a、14b及び14fの回転数と電動モータ14c、14d及び14eの回転数に差を付けると、ピッチ角が変わる。電動モータ14a、14c及び14eの回転数と、電動モータ14b、14d及び14fの回転数に差を付けると、ヨー角が変わる。このようにして、6個の電動モータ14a、14b、14c、14d、14e及び14fの回転数を制御するだけで、任意の飛行状態を得ることができる。
That is, each of the motor drivers causes the
地上側には、ロボット側自律制御装置と対になる地上側自律制御装置(図示せず)が用意されている。地上側自律制御装置は、飛行ロボット10の自律制御の状態の監視や目標値の入力等を行うものであり、ロボット側自律制御装置の無線モデムとの通信を行う無線モデムと、ロボット側自律制御装置の手動操縦受信機に手動操縦信号を送信する手動操縦送信機とを備えている。何らかのトラブルにより、ロボット側自律制御装置が故障して自律制御ができなくなった場合には、自動的に手動操縦モードに切り替えられ、その後は手動操縦送信機で操縦できるようになっている。このため、飛行ロボット10の墜落を未然に防ぐことができる。ただし、地上側自律制御装置の構成及び機能も、これに限定されるものではない。
On the ground side, a ground side autonomous control device (not shown) paired with the robot side autonomous control device is prepared. The ground-side autonomous control device monitors the state of autonomous control of the flying
次に、ケーブル巻取機40について説明する。
Next, the
ケーブル巻取機40は、地上側電源装置50に隣接して地上側に設けられており、送電ケーブル30の余剰分を巻き取ってケーブル30の絡みつきを防止する機能と、ケーブル30の不足分を送り出して、ケーブル30の引っ張り力によって飛行ロボット10に無用な荷重が作用するのを防止する機能を持つ。ケーブル巻取機40によるケーブル30の送り出し・巻き取り動作は、地上側電源装置50によって制御されるようになっている。
The
ケーブル巻取機40は、図6に示すような構成を有しておりケーブル巻取用モータ41と、ケーブル30が巻き付けられるドラム42と、ケーブル巻取用モータ41を支持するスタンド43と、スタンド43を用いてケーブル巻取用モータ41及びドラム42が設置されるベース44とを備えている。ドラム42は、ケーブル巻取用モータ41の回転軸41aに固定されており、モータ41の回転に伴って回転する。ケーブル30は、モータ41の正回転により回転数に応じてドラム42に巻き取られ、モータ41の逆回転により回転数に応じてドラム42から送り出される。
The
ケーブル巻取機40には、ケーブル30の絡みつきを防止するための絡みつき防止部材45が設けられている。絡みつき防止部材45は、L字形に屈曲形成された剛性材(例えば金属製または合成樹脂製の棒材)からなり、その基端部がケーブル巻取機40のベース44に固定されている。絡みつき防止部材45の先端部には、ケーブル挿入リング45aが形成されている。ケーブル挿入リング45aは、ドラム42より高い位置にあり、ケーブル30をスライド可能な状態で保持するようになっている。これは、ケーブル30が常に、ほぼ同じ状態でドラム42に巻き取られ、あるいはドラム42から引き出されるようにして、ケーブル30の巻取・引出作業に支障が生じないようにするためである。したがって、他の方策によってケーブル30の巻取・引出作業に支障が生じないようになっているのであれば、絡みつき防止部材45は省略することが可能である。
The
ケーブル30の基端側の部分は、絡みつき防止部材45の先端部のケーブル挿入リング45aを通過してから、少し弛みを持たせた状態で、ドラム42に複数回巻き付けられている。ケーブル30の基端は、地上側電源装置50まで延在されていて、地上側電源装置50に機械的及び電気的に接続されている。ケーブル30のドラム42に巻き付けられた部分より先端側の部分は、飛行ロボット10に向かって延在しており、その先端は飛行ロボット10に機械的及び電気的に接続されている。ドラム42からのケーブル30の引き出し長さは、飛行ロボット10の飛行中は、ケーブル巻取用モータ41によってドラム42を回転駆動することにより、飛行ロボット10との距離に応じて調整される。ケーブル巻取用モータ41の回転は、後述する地上側電源装置50によって制御される。
The portion on the proximal end side of the
次に、地上側電源装置50について説明する。
Next, the ground side
地上側電源装置50は、直流(DC)の高電圧VHを生成し、送電ケーブル30を介して飛行ロボット10に送電する機能を持つ。また、飛行ロボット10と地上側電源装置50の間の距離(電圧降下)に応じて、送電するDC高電圧VHの値を調整すると共に、ケーブル30の送り出し量及び巻き取り量を調整する機能をも持っている。The ground side
地上側電源装置50は、図3に示すような構成を有しており、出力制御部51、制御演算部52、送受信部53、発電部54、高圧送電部55、そしてアンテナ56を備えている。
The ground side
送受信部53は、ロボット側制御装置20の送受信部25から無線送信されてくる位置・高度信号を、アンテナ56を介して受信する。こうして受信した位置・高度信号は、制御演算部52に送られる。
The transmitting / receiving
制御演算部52は、位置・高度信号に基づいて、PID制御方式に従って所定の演算を行い、飛行ロボット10の現在位置及び現在高度における送電ケーブル30の必要長さを算出する。そして、ケーブル30の現在長さとの比較から、ケーブル30の長さの不足分または過剰分を算出する。こうして算出されたケーブル30の長さの不足・過剰分情報は、制御信号によって出力制御部51に送られる。なお、本発明は、PID制御方式に限定されず、他の制御方式も使用可能であることは言うまでもない。
The
PID制御方式とは、
操作量=P部分(比例項)+I部分(積分項)+D部分(微分項)
として、操作量を決定する方式である。ここでは、
P部分(比例項)=飛行ロボットの重量変化速度(kg/s)?飛行ロボットの上昇・下降時間(s)?送電ケーブル単位重量(kg/m)?出力係数Kp
I部分(積分項)=飛行ロボットの重量変化速度(kg/s)の積分値?出力係数Ki
D部分(微分項)=飛行ロボットの重量変化速度(kg/s)の微分値?出力係数Kd
とする。With PID control system,
Operation amount = P part (proportional term) + I part (integral term) + D part (differential term)
As a method of determining the amount of operation. here,
P part (proportional term) = weight change rate of flight robot (kg / s)? Rise and fall time of flight robot (s)? Transmission cable unit weight (kg / m)? Power factor Kp
I part (integral term) = integrated value of weight change rate (kg / s) of flying robot? Output coefficient Ki
D part (differential term) = derivative value of weight change rate (kg / s) of flying robot? Output coefficient Kd
I assume.
出力制御部51は、制御演算部52から送られてくる制御信号によって、送電ケーブル30の長さの不足・過剰分情報を受け取り、それに基づいて、ケーブル巻取用電動モータ41を駆動し、ドラム42を前方(ケーブル30を引き出す方向)または後方(ケーブル30を巻き取る方向)に回転させる。こうすることで、飛行ロボット10の現在位置及び直前高度におけるケーブル30の長さに対する現在位置及び現在高度におけるケーブル30の長さの不足分または余剰分を調整する。
The
発電部54は、出力制御部51から送られてくるケーブル30の長さの不足・過剰分情報に基づいて、発電するAC高電圧VHの値を増加または減少させる。そして、こうして調整したDC高電圧VHを高圧送電部55に供給する。こうすることで、ケーブル30の長さの不足分または余剰分に起因する電圧降下の増減に対処する。The
発電部54としては、ここでは、構成を簡単にするために、交流(AC)100Vの商用電圧を生成する商用電源が使用されている。しかし、商用電源が使えない場所もあることを考慮して、AC100V(あるいはそれ以外の電圧)を発生する公知の発電機を使用してもよい。
Here, as the
高圧送電部55は、発電部54から供給される元電圧(例えばAC100?200V)を昇圧すると共にDCに変換して、DC高電圧VH(例えば250〜1000V)を生成する。そして、こうして生成したDC高電圧VHを、送電ケーブル30を介してロボット側制御装置20に送電する。The high voltage
高圧送電部55は、ここでは、AC−DCコンバータとされている。このため、高圧送電部55が送電するDC高電圧VHを商用電源から生成することができる。現在では、AC−DCコンバータには、商用電源電圧(AC100?200V)から直接、300Vを越えるDC電圧(例えば380V)を生成することができるものがあるから、これを使用するのが好ましい。Here, the high voltage
地上側電源装置50では、商用電源電圧(AC100?200V)から高圧送電部55で生成したDC高電圧VH(例えば250〜1000V)を、送電ケーブル30を介してロボット側制御装置20に送電するので、AC電圧を送電するのに比べて、送電ロスを大幅に抑制することができる。特に、DC高電圧VHを300Vを越える値にすることで、送電ロスを最小限にすることが可能である。近年、サーバー用の高電圧給電としてDC380Vが標準になってきているので、サーバー用高電圧給電に使用する公知の電源装置をそのまま、高圧送電部55として使用することも可能である。In the ground side
飛行ロボット10の移動によって送電ケーブル30の長さが変化すると、それに比例してケーブル30による電圧降下の値が変動するので、ケーブル30を通ってロボット側制御装置20の高圧/低圧変換部21に到達したときの電圧値(高圧/低圧変換部21の入力電圧値)も、ケーブル30の長さに応じて変動する。そこで、これを解消するために、地上側電源装置50において送電する電圧の値を調整してから送電するようにしたものである。これにより、ケーブル30の長さが変動しても、高圧/低圧変換部21に到達したときの電圧値は一定に保持される。
When the length of the
次に、飛行ロボット10に搭載されているロボット側制御装置20について説明する。
Next, the robot-
ロボット側制御装置20は、飛行ロボット10へ供給されたDC高電圧VHによって動作するもので、飛行ロボット10に作用する送電ケーブル30の荷重に応じて6個の電動モータ14の出力を個別に制御して、ケーブル30の荷重が飛行に与える影響を抑制(解消)する機能を持つ。The robot-
ロボット側制御装置20は、図3に示すような構成を有しており、高圧/低圧変換部21、出力制御部22、制御演算部23、位置検出部24、送受信部25、そしてアンテナ26を備えている。
The robot-
高圧/低圧変換部21は、送電ケーブル30を介して地上側電源装置50に機械的・電気的に接続されており、地上側電源装置50から供給されるDC高電圧VH(高圧/低圧変換部21の入力電圧で、例えばDC250〜300V)をDC低電圧VL(例えばDC40〜70V)に変換する。こうして生成されたDC低電圧VLは、出力制御部22、制御演算部23、位置検出部24、送受信部25及びアンテナ26に供給され、これらの回路の駆動電圧として使用される。高圧/低圧変換部21自体も、こうして生成されたDC低電圧VLを駆動電圧として動作する。同様に、ロボット側自律制御装置も、DC低電圧VLの供給を受けてそれを駆動電圧として動作する。したがって、飛行ロボット10へのバッテリーの搭載がなくても、飛行ロボット10は連続飛行が可能である。The high voltage / low
高圧/低圧変換部21としては、出力が可変電圧制御であるDC−DCコンバータから構成するのが好ましい。この場合、ロータ駆動用モータ14がDCモータであるため、DC−DCコンバータから出力されるDC低電圧VLを直接、ロータ駆動用モータ14に供給することが可能となり、飛行ロボット10上の回路構成が簡単になるという利点がある。The high-voltage / low-
位置検出部24は、飛行ロボット10に搭載された位置・高度センサ(図示せず)から構成され、飛行ロボット10の現在位置及び現在高度を検出する。この位置・高度センサとしては、例えば、自律飛行のために飛行ロボット10に搭載されている、飛行ロボット10の位置を検知するGPSセンサと飛行ロボット10の高度を計測する対地高度計が使用可能である。位置検出部24によって生成された位置・高度信号は、送受信部25と制御演算部23に出力される。
The
送受信部25は、位置検出部24から送られてくる位置・高度信号を、アンテナ26を介して地上側電源装置50に向けて無線送信する。この位置・高度信号は、地上側電源装置50において、ケーブル巻取機40のケーブル巻取用モータ41の制御に使用されると共に、飛行ロボット10の現在位置及び現在高度に対応する送電ケーブル30の長さに応じて、地上側電源装置50から送電されるDC高電圧VHの値を増加または減少させるのにも使用される。The transmission /
制御演算部23は、地上側電源装置50の制御演算部52と同じPID制御方式に従って、位置検出部24から送られてくる位置・高度信号を受けて所定の演算を行い、飛行ロボット10の現在位置及び現在高度に対応する送電ケーブル30の長さを算出し、それにケーブル30の単位重量を積算してケーブル30の重量を算出する。また、単位時間当たりのケーブル30の重量の変化量(変化率)も算出する。こうして算出されたモータ制御信号は、出力制御部22に送られる。
The
出力制御部22は、制御演算部23から送られてくる制御信号に基づいて、補正が必要なロータ駆動用電動モータ14の駆動力を増加または減少させる。こうすることで、飛行ロボット10の現在位置及び現在高度における送電ケーブル30の重量による影響を補正し、ケーブル30が接続されていない場合と同様に、上昇及び下降と前後及び左右への飛行が可能となる。例えば、定位置でホバリングしながら作業を行う場合、飛行ロボット10の上昇や風による引っ張り力の印加に起因して、ケーブル30によって引っ張られ、所定位置からずれてしまうことがある。しかし、本実施形態では、ロボット側制御装置20が直ちにこれを検知して補正が必要なモータ14の駆動力を調整するので、飛行ロボット10は定位置を保持することが可能である。
The
出力制御部22は、例えば、パルス幅変調(Pulse Width Modulation、PWM)や可変電圧制御を使用するのが好ましい。これは、ロータ駆動用電動モータ14はDCモータだからである。しかし、本発明はこれらに限定されるわけではない。
The
ペイロードが20kgで、計6個の電動モータ14が必要とする最大ピーク電力が6kWと仮定すると、DC高電圧VHを300Vに設定し、電線規格AWG16の電線をケーブル30として用い、送電距離すなわち送電ケーブル30の全長を50mとすると、ケーブル30を流れるDC電流(高圧/低圧変換部21の出力電流)は20Aとなるから、送電による電圧降下は10Vで済むことになる。つまり、ロボット側制御装置20の高圧/低圧変換部21が受け取るDC高電圧VHの値(受電端での電圧値)は、290Vに保たれるのである。送電による電圧降下がもう少し多くても許容できる場合は、電線規格AWG16の電線よりも細い電線をケーブル30として用いることができるので、ケーブル30のコストと単位重量をいっそう減らせる利点がある。Assuming that the payload is 20 kg and the maximum peak power required by a total of 6
また、送電ケーブル30を介する送電による電圧降下を補償するように、高圧/低圧変換部21の出力電圧を制御すれば、すなわち、高圧/低圧変換部21の出力電流(ケーブル30を流れるDC電流)とケーブル30の単位長さ当たりの電気抵抗値の積で表される電圧降下値を算出して、常時、高圧/低圧変換部21の入力電圧(DC高電圧VH)に加算するようにすれば、送電による電圧降下は補償され、電圧降下による影響をなくすことができる。Further, if the output voltage of high voltage /
次に、以上の構成を持つ、本発明の第1実施形態に係る飛行ロボット装置1の動作を説明する。
Next, the operation of the flying
飛行ロボット装置1(作業に必要な作業用機材は搭載済み)を地上から離陸させる場合は、まず、地上側電源装置50から飛行ロボット10に所定のDC高電圧VHの送電を開始する。次に、手動操縦装置(図示せず)から所望の位置及び所望の高さを指定して、所望の作業をしたい空中の箇所を特定してから、そのデータを飛行ロボット10の自律制御装置に送信する。そして、飛行ロボット10を自律飛行モードに設定してからロータ駆動用モータ14を駆動し、飛行ロボット10を離陸させる。すると、飛行ロボット10は自立飛行して所定箇所まで飛行し、その位置でホバリングする。その後、ホバリングを継続しながら、所望の作業を開始させる。In order to take off the flying robot device 1 (working equipment necessary for work is already loaded) from the ground, first, power transmission of a predetermined DC high voltage V H from the ground side
離陸してから所定箇所まで飛行する間、飛行ロボット10の飛行に応じて、ケーブル巻取機4から送電ケーブル30が徐々に送り出され、また、ケーブル30の送り出し量に応じて、地上側電源装置50から送電されるDC高電圧VHの値が増加せしめられる。作業中に飛行ロボット30の位置や高度が変動しても、その変動は位置検出部24によって直ちに検出され、必要なロータ駆動用モータ14の駆動力が調整されると共に、ケーブル30の長さも調整される。所望の作業が終了すると、手動操縦装置を再び操作し、離陸時とは逆の行程をたどって飛行ロボット10を出発した場所に着陸させる。こうして、飛行ロボット10を使用した高所作業が終了する。During take-off and flying to a predetermined location, the
飛行ロボット装置10では、飛行ロボット10のホバリング中には、ロボット側制御装置20は図4に示すように動作をする。すなわち、ある位置でホバリングしていた機体すなわち飛行ロボット装置10が次にホバリングすべき所定位置に向かって上昇または下降すると(ステップS1)、制御演算部23はそれを感知して直ちに、PID制御方式に従ってロータ駆動用モータ14の出力を演算する(ステップS2)。そして、その出力に応じて、飛行ロボット10のロータ駆動用モータ14の回転数を増加または減少させる(ステップS3)。その後、位置センサの出力を参照しながら(ステップS5)、指定した高さに到達したか否かを判断する(ステップS4)。未だ指定した高さに到達していない場合は、ステップS2に戻り、ステップS2〜S4を繰り返す。指定した高さに到達した場合は、ロータ駆動用モータ14の回転数を維持して、図4の処理を終了する(ステップS6)。
In the flying
その間に、地上側電源装置50は、図5に示すように動作をする。すなわち、機体すなわち飛行ロボット装置10が次にホバリングすべき所定位置から上昇または下降すると(ステップS11)、制御演算部52はそれを感知して直ちに、PID制御方式に従ってロータ駆動用モータ14の出力を演算する(ステップS12)。ここまでは、図4のステップS1〜S2と同じである。そして、その出力に応じて、ケーブル巻取機40のケーブル巻取用モータ41の回転角度(位相)を増加または減少させる(ステップS13)。その後、位置センサの出力を参照しながら(ステップS15)、指定した高さに到達したか否かを判断する(ステップS14)。未だ指定した高さに到達していない場合は、ステップS12に戻り、ステップS12〜S14を繰り返す。指定した高さに到達した場合は、ケーブル巻取用モータ41の回転角度(位相)を維持して、図5の処理を終了する(ステップS16)。
In the meantime, the ground side
以上述べたように、本発明の第1実施形態に係る飛行ロボット装置1では、地上側電源装置50から飛行ロボット10に可撓性送電ケーブル30を介してDC高電圧VHが供給される。また、地上側電源装置50の制御演算部52(第2制御部)によって、飛行ロボット10と地上側電源装置50の間の距離に応じて、高圧送電部55によるDC高電圧VHの値とケーブル巻取機40によるケーブル30の送り出し量及び巻き取り量が制御される。さらに、飛行ロボット10の制御演算部23(第1制御部)により、飛行ロボット10に作用するケーブル30の荷重に応じて電動モータ14の出力が制御される。このため、飛行中に飛行ロボット10が受ける、ケーブル30に起因する電圧降下やケーブル30の重量や絡みつきによる影響が、確実に抑制される。よって、飛行ロボット10に搭載されるバッテリーの容量に起因して飛行時間やペイロードが制限されることなく、安定して飛行ロボット10を連続飛行させることができると共に、飛行ロボット10に空中から農薬散布、空撮、放射線計測等の種々の作業を行わせることができる。
As described above, in the
また、飛行ロボット10の制御演算部23(第1制御部)により、飛行ロボット10に作用する送電ケーブル30の荷重に応じて電動モータ14の出力が制御され、それと同時に、地上側電源装置50の制御演算部52(第2制御部)により、飛行ロボット10と地上側電源装置50の間の距離に応じて、高圧送電部55が送電するDC高電圧VHの値とケーブル巻取機40によるケーブル30の送り出し量及び巻き取り量が制御される。このため、飛行ロボット10と地上側電源装置50を接続するケーブル30に起因する電圧降下や飛行ロボット10の荷重変動を、簡単な構成で抑制することができる。
Further, the output of the
さらに、地上側電源装置50の制御演算部52(第2制御部)により、飛行ロボット10と地上側電源装置50の間の距離に応じて、ケーブル巻取機40による送電ケーブル30の送り出し量及び巻き取り量が制御されるので、飛行ロボット10の高度または水平位置の急激な変化や風などによって、飛行ロボット10と地上側電源装置50を接続するケーブル30が絡みついてしまい、飛行ロボット10の飛行に支障が生じる恐れを、簡単な構成で解消することができる。
Further, according to the distance between the
さらに言えば、本第1実施形態に係る飛行ロボット装置1に使用されている要素技術は、いずれも、個々に見れば既知であるから、飛行ロボット装置1を早期に実用化することが可能である。そうすると、送電ケーブル30を介して飛行ロボット10に電力を連続供給することで、例えば、ペイロードを20kg以上増加させながら、1時間あるいはそれ以上の長時間に及ぶ連続飛行を実現することができるため、ハイビジョンカメラや超音波診断装置を飛行ロボット10に搭載して、トンネルや橋梁の点検、松等の高木への農薬散布をする、といった必要性の高い作業を早期に実践することが可能になる。
Furthermore, since all of the elemental techniques used in the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態に係る飛行ロボット装置1aは、図7に示すようなロボット側制御装置20及び地上側電源装置50aと、図8に示すようなケーブル巻取機40aとを備えている。Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The
ケーブル巻取機40aは、図8に示すように、上述した第1実施形態の飛行ロボット装置1に使用されているケーブル巻取機40から、ケーブル巻取用モータ41を省略し、代わりに巻取バネ46を設けた構成を持っている。巻取バネ46は、一端がドラム42に接続され、他端がスタンド43に固定されていて、ドラム42を常に送電ケーブル30を巻き取る方向に付勢している。このため、送電ケーブル30の送り出しは、巻取バネ46の巻き取り力に抗して送電ケーブル30を引き出すことによって行われ、送電ケーブル30の巻き取りは、巻取バネ46の巻き取り力によって行われる。それ以外の構成と機能はケーブル巻取機40と同じである。
As shown in FIG. 8, the
地上側電源装置50aは、図7に示すように、上述した第1実施形態の飛行ロボット装置1に使用されている地上側電源装置50の出力制御部51から、送電ケーブル30の送り出し及び巻き取りのためのケーブル巻取用モータ41の制御機能を除いたものに相当する。それ以外の構成と機能は、地上側電源装置50と同じである。
As shown in FIG. 7, the ground side
本第2実施形態では、飛行ロボット10と地上側電源装置50aの間に、通信用ケーブルとしての光ファイバ31が架け渡されている。光ファイバ31は、飛行ロボット10(ロボット側制御装置20)と地上側電源装置50aの間で制御信号の送受信やデータ通信を行うために使用される。光ファイバ31は、送電ケーブル30に一体化(内蔵または付加)されているので、飛行ロボット10の飛行にはなんら支障は生じない。
In the second embodiment, an optical fiber 31 as a communication cable is bridged between the
本第2実施形態の飛行ロボット装置1aは、以上述べた点以外は、上述した第1実施形態に係る飛行ロボット装置1と同じ構成と機能を持つから、同一要素には同一符合を付してその説明を省略する。
The
本発明の第2実施形態に係る飛行ロボット装置1aでは、上述した第1実施形態に係る飛行ロボット装置1と同じ効果が得られることは明らかである。
It is obvious that in the
(変形例)
上述した第1及び第2実施形態は、本発明を具体化した例を示すものである。したがって、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を外れることなく種々の変形が可能であることは言うまでもない。(Modification)
The first and second embodiments described above show examples embodying the present invention. Therefore, it goes without saying that the present invention is not limited to this embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、上述した実施形態では、本発明を電動マルチロータ型ヘリコプタに適用した例を示しているが、本発明はこれに限定されない。ヘリコプタ以外の任意の用途、例えば電動飛行機にも適用可能である。 For example, although the example which applied this invention to the electric multi-rotor type | mold helicopter in embodiment mentioned above is shown, this invention is not limited to this. It is also applicable to any application other than a helicopter, for example an electric plane.
本発明は、飛行ロボットへの継続的な電力供給が必要な分野、より具体的には、作業に応じて、飛行ロボットの飛行時間を確保しながら同時にペイロードを増加することが必要な分野に適用可能である。 The present invention is applied to fields requiring continuous power supply to a flying robot, more specifically, fields requiring simultaneously increasing payload while securing flight time of the flying robot according to work. It is possible.
1、1a 飛行ロボット装置
10 飛行ロボット
11 本体
12 アーム
13 ロータ
14、14a、14b、14c、14d、14e、14f ロータ駆動用電動モータ
20 ロボット側制御装置
21 低圧変換部
22 出力制御部
23 制御演算部
24 位置検出部
25 送受信部
26 アンテナ
30 送電ケーブル
31 光ファイバ
40、40a ケーブル巻取機
41 ケーブル巻取用モータ
41a 回転軸
42 ドラム
43 スタンド
44 ベース
45 防止部材
45a ケーブル挿入リング
46 巻取バネ
50 地上側電源装置
51、51a 出力制御部
52 制御演算部
53 送受信部
54 発電部
55 高圧送電部
56 アンテナ1, 1a
55 High Voltage
Claims (11)
前記飛行ロボットに可撓性送電ケーブルを介して電力を供給する地上側電源装置と、
地上側で前記送電ケーブルの余剰分を巻き取るケーブル巻取機とを備え、
前記飛行ロボットは、
推進手段と、
前記推進手段を駆動する電動モータと、
前記飛行ロボットに作用する前記送電ケーブルの荷重に応じて前記電動モータの出力を制御する第1制御部と、
前記地上側電源装置から前記送電ケーブルを介して供給される高電圧を低電圧に変換して前記電動モータに供給する高圧/低圧変換部と、
飛行中の前記飛行ロボットの現在位置及び現在高度を検出して位置・高度信号を出力する位置検出部と、
前記位置検出部から出力される前記位置・高度信号を無線で前記地上側電源装置に送信する第1送受信部とを備えており、
前記地上側電源装置は、
前記送電ケーブルを介して前記高電圧を前記飛行ロボットに送電する高圧送電部と、
前記第1送受信部から無線で送信された前記位置・高度信号を受信する第2送受信部と、
前記第2送受信部で受信される前記位置・高度信号を用いて計測される、前記飛行ロボットと前記地上側電源装置の間の距離に応じて、前記高圧送電部が送電する前記高電圧の値を制御する第2制御部とを備えており、
前記第1制御部は、前記位置検出部から出力される前記位置・高度信号を用いて前記飛行ロボットに作用する前記送電ケーブルの前記荷重を算出し、得られたその荷重を用いて前記電動モータの出力を制御するように構成されており、
前記第2制御部は、前記高電圧の値の制御と併行して、前記第2送受信部で受信される前記位置・高度信号を用いて前記ケーブル巻取機による前記送電ケーブルの送り出し及び巻き取りの制御を行うように構成されており、
前記電動モータの出力と前記高電圧の値と前記送電ケーブルの送り出し及び巻き取りは、前記飛行ロボットと前記地上側電源装置の間の距離に応じて自動的に調整される
ことを特徴とする飛行ロボット装置。 With a flying robot,
A ground side power supply unit for supplying power to the flight robot via a flexible power transmission cable;
And a cable winder for winding the surplus of the transmission cable on the ground side,
The flight robot is
Promotion means,
An electric motor for driving the propulsion means;
A first control unit configured to control an output of the electric motor according to a load of the power transmission cable acting on the flight robot;
A high voltage / low voltage conversion unit which converts a high voltage supplied from the ground side power supply device through the power transmission cable into a low voltage and supplies it to the electric motor ;
A position detection unit that detects a current position and a current altitude of the flying robot in flight and outputs a position / altitude signal;
And a first transmission / reception unit that wirelessly transmits the position / altitude signal output from the position detection unit to the ground-side power supply device .
The ground side power supply device
A high voltage power transmission unit for transmitting the high voltage to the flight robot via the power transmission cable;
A second transmission / reception unit that receives the position / altitude signal wirelessly transmitted from the first transmission / reception unit;
The value of the high voltage transmitted by the high-voltage power transmission unit according to the distance between the flight robot and the ground-side power supply device measured using the position / altitude signal received by the second transmission / reception unit And a second control unit to control the
The first control unit calculates the load of the power transmission cable acting on the flight robot using the position / altitude signal output from the position detection unit, and uses the obtained load to calculate the electric motor Configured to control the output of the
The second control unit sends out and winds up the power transmission cable by the cable winder using the position / altitude signal received by the second transmission / reception unit in parallel with the control of the value of the high voltage. Are configured to control the
The flight characterized in that the output of the electric motor, the value of the high voltage, and the delivery and winding of the power transmission cable are automatically adjusted according to the distance between the flight robot and the ground side power supply device. Robot equipment.
前記ケーブル巻取機において、算出された前記不足分または前記過剰分に応じて前記送電ケーブルの送り出し及び巻き取りが調整される請求項1に記載の飛行ロボット装置。 The second control unit calculates the required length of the power transmission cable at the current position and the current altitude of the flight robot using the position / altitude signal received by the second transmission / reception unit. By comparing the length with the current length of the transmission cable, the shortage or excess of the transmission cable is calculated,
The flight robot device according to claim 1, wherein in the cable winding machine, the delivery and winding of the power transmission cable are adjusted in accordance with the calculated shortfall or the excess .
前記飛行ロボットの前記高圧/低圧変換部がDC−DCコンバータとされている請求項1〜3のいずれかに記載の飛行ロボット装置。 The high voltage power transmission unit of the ground side power supply device is an AC-DC converter,
The flight robot apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the high pressure / low pressure conversion unit of the flight robot is a DC-DC converter .
前記ケーブル巻取用モータによる前記送電ケーブルの送り出し及び巻き取りは、前記飛行ロボットと前記地上側電源装置の間の距離に応じて、前記第2制御部によって制御される請求項1〜6のいずれかに記載の飛行ロボット装置。 The cable winding machine includes a cable winding motor for feeding and winding the power transmission cable,
7. The delivery and winding of the power transmission cable by the cable winding motor is controlled by the second control unit according to the distance between the flight robot and the ground side power supply device. A flying robot device according to any one of the preceding claims.
前記送電ケーブルの送り出しは、前記付勢部材の巻き取り力に抗して前記送電ケーブルを引き出すことによって行われ、前記送電ケーブルの巻き取りは、前記付勢部材の巻き取り力によって行われるように構成されている請求項1〜6のいずれかに記載の飛行ロボット装置。 The cable winding machine includes a biasing member for biasing the power transmission cable in its winding direction;
The delivery of the power transmission cable is performed by pulling out the power transmission cable against the winding force of the biasing member, and the winding of the power transmission cable is performed by the winding force of the biasing member. The flight robot apparatus according to any one of claims 1 to 6, which is configured.
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