JP6592677B1

JP6592677B1 - 無人航空機

Info

Publication number: JP6592677B1
Application number: JP2018082255A
Authority: JP
Inventors: 明彦山口
Original assignee: Prodrone Co Ltd
Current assignee: Prodrone Co Ltd
Priority date: 2018-04-23
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2019-10-23
Anticipated expiration: 2038-04-23
Also published as: JP2019188946A

Abstract

【課題】パラシュート降下後の無人航空機がパラシュートに引きずられることを防止可能なパラシュート装置、およびこれを備える無人航空機を提供する。【解決手段】無人航空機用のパラシュート装置であって、傘部および複数の紐部を有するパラシュートと、着地後の機体が前記パラシュートに引きずられることを防ぐパラシュート無力化手段と、を備え、前記パラシュート無力化手段は前記複数の紐部の一部を残して他の前記紐部を切断することを特徴とするパラシュート装置、およびこれを備える無人航空機により解決する。【選択図】図３

Description

本発明は、無人航空機の安全技術に関する。

下記特許文献１には小型無人航空機用のパラシュート装置が開示されている。

国際公開第２０１５／０５９７０３号パンフレット

近年、安全装備の一つとしてパラシュートが搭載された小型無人航空機が登場してきている。機体の重量や飛行高度に応じた適切なパラシュート装置が正常に作動することにより、飛行中に回復不能なトラブルが生じた場合でも墜落による被害を軽減することができる。一方、小型無人航空機の重量は数キロから数十キロと軽量であることが多く、パラシュート降下後の機体が突風を受けたパラシュートに引きずられることがある。この問題はパラシュートの減速効果が高いほど生じやすくなる。突風に飛ばされたパラシュートや機体はその流れ着いた先で二次災害を引き起こすおそれがある。

上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、パラシュート降下後の無人航空機がパラシュートに引きずられることを防止可能なパラシュート装置、およびこれを備える無人航空機を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の無人航空機用パラシュート装置は、傘部および複数の紐部を有するパラシュートと、着地後の機体が前記パラシュートに引きずられることを防ぐパラシュート無力化手段と、を備え、前記パラシュート無力化手段は前記複数の紐部の一部を残して他の前記紐部を切断することを特徴とする。

パラシュート降下した無人航空機の着地後に、パラシュートの傘部を機体から切り離すか、または複数の紐部の一部を切断して傘部内に空気が溜まらないようにすることで、パラシュートの機能を無力化することができる。そして、パラシュートの複数の紐部のうち、例えば一本だけを機体につないだまま残りの紐部を切断することにより、パラシュートの機能を無力化しつつ、パラシュートが風に吹かれて飛んでいくことが防止される。これにより、パラシュートによる二次災害をより確実に防止することができる。このとき、パラシュートの紐部は一本を残して切断されており、傘部は空気を溜める機能を喪失している。そのため、パラシュートが突風に吹かれてもパラシュートには無人航空機の機体を引きずるほどの牽引力は生じない。

また、本発明のパラシュート装置は、前記無人航空機の着地を検知可能な着地検知手段と、電力源と、をさらに備え、前記パラシュート無力化手段は前記無人航空機の着地後、自動的に作動することが好ましい。

パラシュート装置が着地検知手段および電力源を独自に備えることにより、飛行中のトラブルで無人航空機側の制御機能や電力源が完全に沈黙した場合でも、単独で機体の着地を検知してパラシュートを無力化することが可能となる。

また、本発明のパラシュート装置は、飛行動作の異常を検知する異常検知手段と、前記異常検知手段が異常を検知したときに自動的に前記パラシュートを展開するパラシュート自動展開手段と、をさらに備えることが好ましい。

飛行中に回復不能なトラブルが生じてから機体が地上に衝突するまでの時間はせいぜい数秒から十数秒である。パラシュート装置が飛行動作の異常を独自に検知して自動的にパラシュートを展開することにより、パラシュートによる軟着陸の成功率を高めることができる。

本発明の無人航空機は、本発明のパラシュート装置を備えることを特徴とする。

また、本発明の無人航空機は、一又は複数の回転翼を備え、前記パラシュート自動展開手段が前記回転翼を強制的に停止可能な構成としてもよい。

パラシュートを展開したときに回転翼が駆動していると、傘部や紐部が回転翼に巻き込まれ、パラシュートが正常に展開されないおそれがある。パラシュート装置が回転翼を強制的に停止可能であることにより、このようなトラブルを未然に回避することができる。

このように、本発明のパラシュート装置および無人航空機によれば、パラシュート降下後の無人航空機がパラシュートに引きずられることを防止することができる。

実施形態にかかる無人航空機の機能構成を示すブロック図である。パラシュート無効化手段の第１の態様を示す模式図である。パラシュート無効化手段の第２の態様を示す模式図である。パラシュート装置の制御方法の一変形例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態は複数基の水平回転翼を有する無人航空機であるマルチコプター１０についての例である。なお、本発明でいう「無人航空機」の「無人」とは、「操縦者が搭乗していない」という程度の意味であり、ペイロードとして旅客が搭乗するいわゆるパッセンジャードローン（Passenger Drone）も本発明の「無人航空機」には含まれる。

＜基本構成＞
図１はマルチコプター１０の機能構成を示すブロック図である。マルチコプター１０の飛行機能は、制御部であるフライトコントローラＦＣ、複数のロータＲ、ロータＲを構成するブラシレスモータ８１の駆動回路であるＥＳＣ２７（Electric Speed Controller）、操縦者（送信機４１）からの操縦信号を受信する受信器４２、および、これらに電力を供給するバッテリー２９により構成されている。本例のマルチコプター１０はこれに加え、パラシュート５１を展開するパラシュート装置５０を備えている。

フライトコントローラＦＣはマイクロコントローラである制御装置２０を有している。制御装置２０は、中央処理装置であるＣＰＵ２１と、ＲＡＭやＲＯＭ・フラッシュメモリなどの記憶装置からなるメモリ２２とを有している。

フライトコントローラＦＣはさらに、ＩＭＵ２３（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）、ＧＰＳ受信器２４、高度センサ２５、および電子コンパス２６を含む飛行制御センサ群Ｓを有しており、これらは制御装置２０に接続されている。

ＩＭＵ２３はマルチコプター１０の機体の傾きを検出するセンサであり、主に３軸加速度センサおよび３軸角速度センサにより構成されている。本例の高度センサ２５には気圧センサが用いられている。高度センサ２５は、検出した気圧高度からマルチコプター１０の海抜高度（標高）を算出する。高度センサ２５の態様としてはこの他にも、例えばレーザや赤外線、超音波などを利用した測距センサを地表に向けて、対地高度を得る方法がある。本例の電子コンパス２６には３軸地磁気センサが用いられている。電子コンパス２６はマルチコプター１０の機首の方位角を検出する。ＧＰＳ受信器２４は、正確には航法衛星システム（ＮＳＳ：Navigation Satellite System）の受信器である。ＧＰＳ受信器２４は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ:Global Navigation Satellite System）または地域航法衛星システム（ＲＮＳＳ:Regional Navigational Satellite System）から現在の経緯度値を取得する。

フライトコンローラＦＣは、これら飛行制御センサ群Ｓにより、機体の傾きや回転のほか、飛行中の経緯度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得することが可能とされている。

制御装置２０は、マルチコプター１０の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御するプログラムである飛行制御プログラムＦＳを有している。飛行制御プログラムＦＳは、飛行制御センサ群Ｓから取得した情報を基に個々のロータＲの回転数を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながらマルチコプター１０を飛行させる。

制御装置２０はさらに、マルチコプター１０を自律飛行させるプログラムである自律飛行プログラムＡＰを有している。そして、制御装置２０のメモリ２２には、マルチコプター１０の目的地や経由地の経緯度、飛行中の高度や速度などが指定されたパラメータである飛行計画ＦＰが登録されている。自律飛行プログラムＡＰは、送信機４１からの指示や所定の時刻などを開始条件として、飛行計画ＦＰに従ってマルチコプター１０を自律的に飛行させることができる。

このように、本例のマルチコプター１０は高度な飛行制御機能を備えた無人航空機である。ただし、本発明の無人航空機はマルチコプター１０の形態には限定されず、例えば飛行制御センサ群Ｓから一部のセンサが省略された機体や、自律飛行機能を備えず手動操縦のみにより飛行可能な機体を用いることもできる。

＜パラシュート装置＞
本例のパラシュート装置５０は、キャノピー（傘部）および複数の吊索（紐部）を有するパラシュート５１、パラシュート５１を展開する展開機構５３、吊索の全部または一部をマルチコプター１０の機体から切り離す切断機構５４、展開機構５３および切断機構５４を作動させるサーボ５５、サーボ５５の動作を制御するマイクロコントローラである制御装置５２、制御装置５２に接続されたＩＭＵ５２１、および、これらに電力を供給するパラシュート装置５０専用の電力源であるバッテリー５９により構成されている。

以下に説明するように、本例のパラシュート装置５０では、切断機構５４が、パラシュート降下後の機体がパラシュート５１に引きずられることを防止するパラシュート無力化手段である。また、ＩＭＵ５２１は、フライトコントローラＦＣのＩＭＵ２３と同様に、主に３軸加速度センサおよび３軸角速度センサにより構成される慣性計測装置である。本例のＩＭＵ５２１は、マルチコプター１０の着地を検知する着地検知手段と、マルチコプター１０の飛行動作の異常を検知する異常検知手段と、を兼ねている。そして、展開機構５３および制御装置５２は、飛行動作に異常が生じたときにパラシュート５１を自動的に展開するパラシュート自動展開手段である。

本例の制御装置５２は、マルチコプター１０のＩＭＵ２３やバッテリー２９とは別に、独自のＩＭＵ５２１とバッテリー５９とを備えている。これにより制御装置５２は、マルチコプター１０の機能や電力源が完全に沈黙した場合でも、単独で機体の自由落下を検知してパラシュート５１を自動的に展開することが可能とされている。マルチコプター１０の飛行中に回復不能なトラブルが生じてから機体が地上に衝突するまでの時間はせいぜい数秒から数十秒である。パラシュート装置５０が飛行動作の異常を独自に検知して自動的にパラシュート５１を展開することにより、自由落下の開始時、速やかにパラシュート５１を展開することが可能とされており、パラシュート５１による軟着陸の成功率が高められている。

なお、本例のパラシュート装置５０は機体の自由落下を条件としてパラシュート５１を展開する構成とされているが、パラシュート５１を自動展開する条件は任意に設定可能である。また、パラシュート５１を自動展開する条件を検知可能であれば、ＩＭＵ５２１以外の異常検知手段を採用してもよい。

また、本例では、パラシュート装置５０が有する機能や機構のみでパラシュート自動展開手段が構成されているが、パラシュート５１の展開要否の判断や展開指示など、制御装置５２がソフトウェアで実現している機能はマルチコプター１０の機外に設けることも可能である。例えば図４に示すように、マルチコプター１０やパラシュート装置５０からのテレメトリーデータを監視する運行管理システム４１ｂ（ＵＴＭ：UAV Traffic Management）にそれらの機能を持たせ、パラシュート５１の展開指示を運行管理システム４１ｂからパラシュート装置５０に自動的に送信する構成とすることが考えられる。

制御装置５２はさらに、マルチコプター１０のバッテリー２９からＥＳＣ２７への導通をパワーＭＯＳＦＥＴ５２３（以下、単に「ＦＥＴ５２３」という。）で管理している。制御装置５２がパラシュート５１を展開するときには、ＥＳＣ２７への電力供給を停止し、ロータＲを強制的に停止させる。

パラシュート５１を展開したときにロータＲが回転していると、パラシュート５１の一部がロータＲに巻き込まれてパラシュート５１が正常に展開されないおそれがある。本例のマルチコプター１０ではパラシュート装置５０がロータＲを強制停止可能であることにより、このようなトラブルが未然に回避されている。

なお、本例のパラシュート装置５０はＥＳＣ２７への電力供給を停止することでロータＲを強制停止するが、ロータＲを停止させる方法はこれに限られない。例えばフライトコントローラＦＣの制御装置２０への電力供給を停止することでもロータＲを停止することは可能と考えられる。また、電力の導通を制御する手段もＦＥＴ５２３のような電子的な手段には限られず、例えばマルチコプター１０側の電線やリード線を機械的に抜いたり切断したりしてもよい。なお、本例のマルチコプター１０は回転翼航空機であるため、パラシュート装置５０はロータＲの強制停止機能を有することが望ましいが、本発明においてかかる機能は必須ではない。

本例の展開機構５３はスプリング５３１を使ってパラシュート５１を射出する。スプリング５３１は圧縮された状態でパラシュート５１とともに図示しないコンテナに格納されており、コンテナは開放不能にロックされている。制御装置５２がサーボ５２２を一方へ回転させることでこのロックは解錠され、パラシュート５１はスプリング５３１の復元力によりコンテナ外に放出される。

なお、展開機構５３の具体構造は本例のものには限定されず、例えばガスや火薬を使ってパラシュート５１を射出する機構としてもよい。また、本例の展開機構５３ではパラシュート５１を速やかに展開させるためにスプリング５３１を使ってパラシュート５１をコンテナから強制的に排出しているが、例えば、パラシュート５１が格納されたコンテナのロックを自動的に解錠するだけの構成とすることも考えられる（パラシュート５１の放出はパラシュート５１自体の自重や墜落時の空気抵抗、遠心力等で行う）。

本例の切断機構５４はラッチ５４１を有しており、ラッチ５４１は、パラシュート５１の吊索をパラシュート５１のコンテナまたはマルチコプター１０の機体に連結している。制御装置５２がサーボ５２２を他方へ回転させるとラッチ５４１は解錠され、吊索の全部または一部が機体から分離される。

なお、切断機構５４の具体構造は特に限定されず、パラシュート５１のキャノピーをマルチコプター１０の機体から分離可能であるか、または吊索の一部を切断可能であることを条件としてどのような機構を採用することもできる。また、本発明でいう「複数の紐部の一部」とは、紐部の全部ではないという程度の意味である。

＜切断機構の動作＞
（第１の態様）
図２は切断機構５４がパラシュート５１の機能を無力化する第１の態様を示す模式図である。

パラシュート装置５０は飛行中にマルチコプター１０の自由落下を検知すると、パラシュート５１を自動的に射出する。射出されたパラシュート５１は空気の力でキャノピー５１１が展開され、機体が吊索５１２に吊るされた状態で地上Ｇに着地する。

ここで、本例のマルチコプター１０は十キロ前後の軽量な機体であり、マルチコプター１０のパラシュート降下後にパラシュート５１が強い横風を受けたときには、機体はパラシュート５１に引きずられて予測不能に飛去するおそれがある。パラシュート５１や機体の流れ着いた先が例えば車道や線路であったり、パラシュート５１が電線に絡まったりした場合には、深刻な二次災害が引き起こされるおそれがある。

制御装置５２はＩＭＵ５２１の出力値から機体の着地を検知し、直ちに吊索５１２全体をマルチコプター１０の機体から切断する。これによりキャノピー５１１を含むパラシュート５１全体が機体から分離され、パラシュート５１が突風を受けても機体がこれに引きずられるおそれがなくなる。

なお、本例では機体の着地検知手段としてＩＭＵ５２１が利用されているが、例えば加速度センサのみでも着地を検知することは可能と考えられる。その他、本発明の着地検知手段には、パラシュート降下した機体が着地したことを検知可能であることを条件として、電子的手段／機械的手段を問わずどのような手段を採用することもできる。

また、制御装置５２は機体の着地を検知して直ちに吊索５１２を切断する必要はなく、例えば着地後の機体がパラシュート５１に引きずられている徴候をＩＭＵ５２１の出力値から検知した場合にのみ吊索５１２を切断してもよい。さらには、切断機構５４は吊索５１２を自動的に切断可能である必要もなく、例えば図４に示すように、マルチコプター１０やパラシュート装置５０からのテレメトリーデータを監視するオペレータの判断に基づいて運行管理システム４１ｂから遠隔操作で吊索５１２を切断してもよい。

（第２の態様）
図３は切断機構５４がパラシュート５１の機能を無力化する第２の態様を示す模式図である。

制御装置５２はＩＭＵ５２１の出力値から機体の着地を検知し、直ちに吊索５１２のうち一本だけを残して他の吊索５１２をすべて機体から切断する。これによりパラシュート５１のキャノピー５１１は空気を溜めることができなくなり、横風に吹かれてもマルチコプター１０を引きずるほどの牽引力は生じなくなる。そして、マルチコプター１０の機体には吊索５１２が一本つながれているため、パラシュート５１だけが風に流されて飛去することが防止される。これにより、パラシュート５１による二次災害がより確実に防止されている。

なお、本例では、機体につながれたまま残される吊索５１２は、マルチコプター１０のパラシュート降下中にも使用される吊索５１２であるが、例えば、吊索５１２とは別の紐部をパラシュート５１に結んでおき、これを機体につないだまま残して、吊索５１２自体は第１の態様と同様に全て機体から切断する態様としてもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、本発明の無人航空機はマルチコプター１０には限られず、無人であることを条件として、ヘリコプターや固定翼機、さらにはＶＴＯＬ機（Vertical Take-Off and Landing：垂直離着陸機）であってもよい。

１０マルチコプター（無人航空機），Ｒロータ（回転翼），５０パラシュート装置，５１パラシュート，１１キャノピー（傘部），５１２吊索（紐部），５２制御装置（パラシュート自動展開手段），５２１ＩＭＵ（着地検知手段，異常検知手段），５３展開機構（パラシュート自動展開手段），５３１スプリング，５４切断機構（パラシュート無力化手段），５４１ラッチ，５２２サーボモータ，５２３ＦＥＴ，５９バッテリー（電力源）

Claims

傘部および複数の紐部を有するパラシュートと、
着地後の機体が前記パラシュートに引きずられることを防ぐパラシュート無力化手段と、を備え、
前記パラシュート無力化手段は前記複数の紐部の一部を残して他の前記紐部を切断することを特徴とする無人航空機。
前記無人航空機の着地を検知可能な着地検知手段と、
電力源と、をさらに備え、
前記パラシュート無力化手段は前記無人航空機の着地後、自動的に作動することを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
飛行動作の異常を検知する異常検知手段と、
前記異常検知手段が異常を検知したときに自動的に前記パラシュートを展開するパラシュート自動展開手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
一又は複数の回転翼を備え、
前記パラシュート自動展開手段は、前記パラシュートの展開時に前記回転翼を強制的に停止可能であることを特徴とする請求項３に記載の無人航空機。