JP6642486B2 - 飛行装置、飛行装置の制御方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、飛行装置、飛行装置の制御方法、及びプログラムに関する。

モータで駆動されるロータブレードによる駆動推進装置を例えば４基搭載した、いわゆる「ドローン」と総称される小型無人飛行装置にデジタルカメラを取り付け、この飛行装置及びデジタルカメラをタイマ撮影や無線などによってリモート操作をすることで、手の届かない、より高い位置からの撮影を行える撮影装置が普及し始めている（例えば、特許文献１、２参照）。

一方、駆動推進装置を持たない球状物体に複数のカメラを搭載し、その球状物体を手で投げ上げることにより、当該複数のカメラによって例えば地表方向をパノラマ撮影したり、投げ上げたユーザを認識して撮影したりする撮影装置も提案されている（例えば、特許文献３、４参照）。

特許第５４３２２７７号 特開２０１３−１２９３０１号公報 ＵＳ８２３７７８７号公報 ２０１３−０６６０８６号公報

しかし、駆動推進装置を備えた飛行装置をベースとする撮影装置の場合、駆動推進装置が例えば４基搭載された状態の一定の大きさを有しているため、手に持った状態から空中に投げ上げるときには駆動推進装置のロータブレードを回転始動させてから投げ上げを行う必要があり、回転するロータブレード等が手に当たって怪我をする危険があった。

一方、球状物体をベースとする撮影装置の場合、駆動推進装置を持たないため、怪我をする可能性は少ないが、飛行範囲が不安定で情報収集をしにくい。

そこで、本発明は、簡単かつ安全に投げ上げることができ、その後は飛行しながら空中撮影等の情報収集を行うことができるようにすることを目的とする。

態様の一例では、
駆動推進部を備えた飛行装置であって、
前記駆動推進部を第１の形状と第２の形状に保持可能な支持部と、
前記飛行装置の最外部に形成され、人の手から離れたことを検知する検知部と、
前記検知部が人の手から離れたことを検知すると、前記支持部が前記駆動推進部を前記第１の形状に保持した状態から、前記支持部を動かして前記支持部に前記駆動推進部を前記第２の形状に保持させ、前記駆動推進部により飛行を行わせるコントローラ部と、を備え、
前記第１の形状は投げ上げに適した格納形状であり、前記第２の形状は飛行に適した飛行形状であることを特徴とする飛行装置を提供するものである。

本発明によれば、簡単かつ安全に投げ上げることができ、その後は飛行しながら空中撮影等の情報収集を行うことが可能となる。

本実施形態による撮影装置のモータフレームの構造例を示す図ある。 本実施形態による撮影装置のフィンガーガードの構造例を示す図である。 フィンガーガード上のタッチセンサの構造例を示す図である。 本実施形態による撮影装置のシステム構成例を示す図である。 モータフレームの動作説明図である。 本実施形態による撮影装置の制御処理例を示すフローチャートである。 加速度出力の変化例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態による情報収集装置の一例としての撮影装置１００のモータフレームの構造例を示す図ある。

メインフレーム１０１に４つのモータフレーム１０２（支持部）がそれぞれヒンジ１０３で取り付けられている。モータフレーム１０２は、モータ１０５を支持できるようになっていて、モータ１０５のモータ軸にはロータブレード１０４が固定されている。４組のモータ１０５とロータブレード１０４は、駆動推進部を構成している。

メインフレーム１０１の下部には、情報取得センサ部の一例として、撮像装置であるカメラ１０６が取り付けられている。メインフレーム１０１の内部には、図４で後述する各種制御機器が収められている。

モータフレーム１０２とメインフレーム１０１を接合しているヒンジ１０３は、図１（ａ）の飛行に適した「開いた状態」（第２の形状、例えば飛行形状）あるいは投げ上げに適した「閉じた状態」（第１の形状、例えば格納形状）に変形できるよう、角度９０度の範囲で回転自在になっている。

図２は、本実施形態による撮影装置１００のフィンガーガードの構造例を示す図である。図１では説明をわかりやすくするために省略してあるが、図２に示されるように、モータフレーム１０２を覆うように配置され、投げ上げを行う手の指を含む身体がモータフレーム１０２が支持するロータブレード１０４の部分に接触しないように保護するフィンガーガード２０１が取り付けられている。

また、フィンガーガード２０１には、手でフィンガーガード２０１の部分が保持されていることを検知可能なタッチセンサ３０１の電極が取り付けられている。図４は、フィンガーガード２０１上のタッチセンサ３０１の構造例を示す図である。タッチセンサ３０１は、フィンガーガード２０１の最外部に位置する部分に、極めて薄い電極として形成されている。表面は絶縁処理がされているが、手３０２が近づくと静電容量３０３が増加することで、フィンガーガード２０１が手３０２で保持されているか否かを検知することができる。タッチセンサ３０１がフィンガーガード２０１の最外部に位置する部分に形成されているため、投げ上げのための手の動作と、実際に手から離れて自由落下状態とを確実に判別することができる。なお、タッチセンサ３０１は、電極ではなく、なんらかのスイッ
チ機能をもつ機構で実現されてもよい。

図４は、図１乃至図３に示される構造を有する本実施形態による撮影装置１００のシステム構成例を示す図である。コントローラ４０１には、カメラ１０６（図１参照）を含むカメラシステム４０２、例えば加速度センサ、ジャイロ、ＧＰＳ（全地球測位システム）センサなどから構成されるフライトセンサ４０３、図３のタッチセンサ３０１、それぞれ＃１から＃４の各モータ１０５（図１参照）を駆動する＃１から＃４のモータドライバ４０４、バッテリ４０６の電圧をモニタしながら各モータドライバ４０４に電力を供給するパワーセンサ４０５が接続される。なお、特には図示しないが、バッテリ４０６の電力は、４０１〜４０５及び３０１の各制御ユニットにも供給される。コントローラ４０１は、フライトセンサ４０３から、撮影装置１００の機体の姿勢に関する情報をリアルタイムで
取得する。また、コントローラ４０１は、パワーセンサ４０５を介して、バッテリ４０６の電圧をモニタしながら、＃１から＃４の各モータドライバ４０４に、それぞれパルス幅変調に基づくデューティ比による電力指示信号を送信する。これにより、＃１から＃４のモータドライバ４０４はそれぞれ、＃１から＃４のモータ１０５の回転速度を制御する。また、コントローラ４０１は、カメラシステム４０２を制御して、カメラ１０６（図１）による撮影動作を制御する。

図４のコントローラ４０１、カメラシステム４０２、フライトセンサ４０３、モータドライバ４０４、パワーセンサ４０５、及びバッテリ４０６は、図１のメインフレーム１０１内の１０７の部分に搭載される。

以上の構成を有する本実施形態による撮影装置１００の動作につき、以下に説明する。本実施形態では、モータフレーム１０２が、モータ１０５及びロータブレード１０４から構成される駆動推進部を、投げ上げに適した図１（ｂ）又は図２（ｂ）に示される「閉じた状態」（第１の形状、例えば格納形状）と、飛行に適した図１（ａ）又は図２（ａ）に示される「開いた状態」（第２の形状、例えば飛行形状）の２つの形状に保持することが可能である。そして、ユーザは、上記「閉じた状態」で撮影装置１００の機体をボールのように空中に投げ上げることができ、その後、図４のコントローラ４０１の制御により、落下状態に移るときに撮影装置１００の機体が上記「開いた状態」に変化し、例えばホバリングによる飛行状態になってカメラ１０６による撮影を行うことができる。これにより
、ユーザは、フィンガーガード２０１により、ロータブレード１０４に接触する危険がなく、撮影装置１００の機体をボールのようにかつ安全に投げ上げることができ、かつ、駆動推進部による高度な飛行及び撮影動作を実行することができる。

図５は、モータフレーム１０２の動作説明図である。モータ１０５（図１）が回転していない時には、撮影装置１００は、図５（ａ）に示され「閉じた状態」を保持している。その状態から、ユーザが撮影装置１００を空中に投げ上げると、後述するように、図４のコントローラ４０１が、落下状態に移行する時点を検知し、＃１から＃４のモータドライバ４０４を介して、＃１から＃４のモータ１０５の回転を開始させる。この結果、＃１から＃４のロータブレード１０４が図５（ｂ）の５０１に示されるように回転を開始することにより、空気がエアフローの矢印５０２の方向に押し出される。その時の反力（揚力）により、ヒンジ１０３によりメインフレーム１０１に対して回転自在に取り付けられたモータフレーム１０２、フレーム回転方向の矢印５０３の向きに回転し、撮影装置１００は
、図５（ｂ）から（ｃ）の「開いた状態」に変化する。このとき、モータ１０５の最大回転数に対して十分に低い回転数で上記「開いた状態」が維持されるようにすることで、モータフレーム１０２が９０度回転した位置でヒンジ１０３の規制により、図５（ｃ）の「開いた状態」が保持される。なお、ヒンジ１０３には、「開いた状態」を保持するためのロック機構として機能する板バネを組み込んでよく、これによりロータブレード１０４の回転速度が変化しても「開いた状態」が確実に保持されるようにすることができる。「開いた状態」においては、エアフローの矢印５０２の方向は、図５（ｃ）に示される方向となり、４つのロータブレード１０４の回転により安定した飛行が可能となる。

図６は、本実施形態による撮影装置１００の制御処理例を示すフローチャートである。この処理は、図４のコントローラ４０１において、それが内蔵するＣＰＵ（中央演算処理装置）が、同じく内蔵する特には図示しないメモリに記憶された制御プログラムを実行する処理として実現することができる。

コントローラ４０１はまず、図２のフィンガーガード２０１上に形成されているタッチセンサ３０１の電圧変化を監視することにより、フィンガーガード２０１がユーザの手から離れた（投げられた）か否かを監視する（ステップＳ６０１の判定がＮＯの繰返し）。

ステップＳ６０１の判定がＹＥＳになると、コントローラ４０１は、フライトセンサ４０３が出力するｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の３次元方向の各加速度値の変化を監視することにより、撮影装置１００の機体が上昇状態から落下状態に転じたか否かを監視する（ステップＳ６０２の判定がＮＯの繰返し）。図７は、フライトセンサ４０３の加速度出力の変化例を示す図である。縦軸は加速度値、横軸は時間であり、フライトセンサ４０３は、上述のようにｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の３次元方向の各加速度値を出力する。フライトセンサ４０３は、図１のメインフレーム１０１内の筐体内１０７の部分に搭載されているので、静止状態であれば重力加速度が鉛直方向に検出される。投げる動作をすると、手の振りに応じてｘ、ｙ、ｚの各軸に加速度が検出される。速度が遅く、空気抵抗が非常に小さな割合
となっている場合、手から離れた瞬間より、外力はかからないと考えられる。従って、方向に関係なく、落下状態になり、落下物である撮影装置１００の機体に取り付けたフライトセンサ４０３が出力する加速度は０近傍を示すようになる。コントローラ４０１は、この時刻ｔ１を、手から離れたことを検知するポイントとして検知する。更に、コントローラ４０１は、誤動作を防ぐため、加速度０近傍が一定時間続いた時刻ｔ２が経過した時点を、カメラが空中で落下し始める時点と判定する。なお、実際には、わずかながら空気抵抗があり、加速度は完全に０とはならない。そのため、例えば±０．１ｇの０近傍の範囲を判定範囲とする。なお、この近傍値は一例である。実際の近傍値は、撮影装置１００の機体の作りに左右されるので、調整の上適切な値に設定する。

ステップＳ６０２の判定がＹＥＳになると、コントローラ４０１は、＃１から＃４のモータドライバ４０４を介して＃１から＃４のモータ１０５をＯＮする。この結果、モータフレーム１０２の状態が、図５（ａ）の「閉じた状態」から、図５（ｂ）の過渡状態を経由して図５（ｂ）の「開いた状態」に変形される（以上、ステップＳ６０３）。

その後、コントローラ４０１は、フライトセンサ４０３の出力に基づいて、飛行できる姿勢になったと判定するまで、飛行可能なようにする姿勢制御の動作を繰り返し実行する（ステップＳ６０４→Ｓ６０５の判定がＮＯ→Ｓ６０４の繰返し）。

ステップＳ６０５の判定がＹＥＳになると、コントローラ４０１は、＃１から＃４のモータドライバ４０４を制御して、撮影装置１００の機体をホバリング状態に維持する（ステップＳ６０６）。

次に、コントローラ４０１は、撮影対象を探索する（ステップＳ６０７）。探索方法としては、既存の技術を採用することができる。例えばコントローラ４０１は、投げ上げを行ったユーザが保持する通信機器が撮影装置１００に送信するＧＰＳデータ（緯度、経度データ）と、フライトセンサ４０３が出力する機体のＧＰＳデータとを比較することにより、機体とユーザとの位置関係を算出して、カメラシステム４０２を介してカメラ１０６をユーザの方向に向ける。又は、コントローラ４０１は、カメラシステム４０２を介してカメラ１０６により地表方向を撮影しながら、人物を検出し、その方向にカメラ１０６をロックする。更にあるいは、コントローラ４０１は、カメラシステム４０２を介してカメラ１０６を、地表方向のランダムな方向に向ける等である。

撮影対象が見つかると、コントローラ４０１は、カメラシステム４０２を介してカメラ１０６を制御して、撮影を実行する（ステップＳ６０８）。コントローラ４０１は、撮影された画像データを、コントローラ４０１内のメモリに記憶する。あるいは、コントローラ４０１は、画像データを、無線通信により投げ上げを行ったユーザの端末装置に送信する。

一定時間又は一定回数、あるいはユーザからの指示により撮影が終了すると、コントローラ４０１は、投げ上げを行ったユーザ（所有者）の位置を探索する（ステップＳ６０９）。この探索方法は、ステップＳ６０７の場合と同様に、既存の技術を採用できる。

所有者の位置が見つかると、コントローラ４０１は、ＧＰＳデータ等により所有者との距離が一定距離以下になったと判定するまで、＃１から＃４のモータドライバ４０４を制御することにより、所有者の方向への飛行を行う（ステップＳ６１０→Ｓ６１１の判定がＮＯ→Ｓ６１０の繰返し）。

ステップＳ６１１の判定がＹＥＳになると、コントローラ４０１は、＃１から＃４のモータドライバ４０４を制御することにより、その場でのホバリング動作又は着陸動作を実行し、着陸動作時には＃１から＃４のモータを停止させて、制御動作を終了する（ステップＳ６１２）。

以上の説明では、情報収集装置の一例として、情報取得センサ部がカメラ１０６である撮影装置１００の実施形態について説明を行ったが、本発明はこれに限られるものではなく、情報取得センサ部が例えば温度分布や大気成分の分布を収集するセンサによって構成される情報収集装置として実施されてもよい。

また、上述の説明では、駆動推進部がモータ１０５とロータブレード１０４を含む例について説明したが、空気圧やエンジン出力により推進される機構により駆動推進部が実現されてもよい。

更に、上述の説明では、支持部は、第１の形状として立方体又は直方体状の格納形状を有するモータフレーム１０２として実現されたが、第１の形状はこれに限られるものではない。また、第２の形状である例えば飛行形状も、図１（ａ）又は図２（ａ）のような「開いた状態」に限定されるものではない。

上述の説明で構成した図２のフィンガーガード２０１は、本発明に必須のものではない。

以上の実施形態に関して、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
情報取得を行う情報取得センサ部と、空中を飛行するための駆動推進部とを備えた情報収集装置であって、
前記駆動推進部を、第１の形状と第２の形状の２つの形状に保持可能な支持部と、
前記支持部が前記駆動推進部を前記第１の形状に保持した状態で投げ上げが行われた後に、前記支持部を動かして前記支持部に前記駆動推進部を前記第２の形状に保持させ、前記駆動推進部を駆動推進させて飛行を行い前記情報取得センサ部に情報取得を行わせるコントローラ部と、
を備えることを特徴とする情報収集装置。
（付記２）
前記第１の形状は投げ上げに適した格納形状であり、前記第２の形状は飛行に適した飛行形状であることを特徴とする付記１記載の情報収集装置。
（付記３）
飛行を制御するフライトセンサ部を更に備え、
前記コントローラ部は、前記フライトセンサ部の出力に基づいて前記駆動推進部の姿勢制御を行いながら当該駆動推進部を駆動推進させることを特徴とする付記１又は２記載の情報収集装置。
（付記４）
タッチセンサ部を更に備え、
前記コントローラ部は、前記タッチセンサ部の出力に基づいて、投げ上げを行う手の指が前記タッチセンサ部から離れて前記投げ上げが行われたことを検知することを特徴とする付記１乃至３の何れかに記載の情報収集装置。
（付記５）
前記タッチセンサ部は、当該情報収集装置の最外部に形成されていることを特徴とする付記４記載の情報収集装置。
（付記６）
前記タッチセンサ部は、前記支持部が前記駆動推進部を前記第１の形状に保持した状態と、前記駆動推進部を前記第２の形状に保持した状態の、いずれの状態であっても最外部に位置するように形成されていることを特徴とする付記５記載の情報収集装置。
（付記７）
前記支持部を覆うように配置され、投げ上げを行う手の指を含む身体が前記支持部が支持する前記駆動推進部の駆動部分に接触しないように保護するフィンガーガード部と、
当該フィンガーガード部の前記指が接触する部分に配設されるタッチセンサ部と、
を更に備え、
前記コントローラ部は、前記タッチセンサ部の出力に基づいて、前記指が前記タッチセンサ部から離れて前記投げ上げが行われたことを検知する、
ことを特徴とする付記１乃至３の何れかに記載の情報収集装置。
（付記８）
前記コントローラ部は、前記投げ上げが行われたことを検知した後、前記フライトセンサ部が加速度が０近傍になったことを検知したときに、前記支持部を動かして前記支持部に前記駆動推進部を前記飛行形状に保持させる、ことを特徴とする付記３乃至７の何れかに記載の情報収集装置。
（付記９）
前記コントローラ部は、前記投げ上げが行われた後に、前記駆動推進部を駆動推進させることにより、当該駆動推進の力によって前記支持部を動かして前記支持部に前記駆動推進部を前記飛行形状に保持させる、ことを特徴とする付記２乃至８の何れかに記載の情報収集装置。
（付記１０）
前記支持部は、前記駆動推進部を前記飛行形状に保持させた後に、当該飛行形状を固定させるロック部を備える、ことを特徴とする付記２乃至９の何れかに記載の情報収集装置。
（付記１１）
前記情報取得センサ部はデジタルカメラユニットを含む、ことを特徴とする付記１乃至１０の何れかに記載の情報収集装置。
（付記１２）
前記駆動推進部は、モータと当該モータによって回転駆動されるロータブレードとからなるユニットを複数ユニット備える、ことを特徴とする付記１乃至１１の何れかに記載の情報収集装置。

１００ 撮影装置
１０１ メインフレーム
１０２ モータフレーム
１０３ ヒンジ
１０４ ロータブレード
１０５ モータ
１０６ カメラ
２０１ フィンガーガード
３０１ タッチセンサ
３０２ 手
３０３ 静電容量
４０１ コントローラ
４０２ カメラシステム
４０３ フライトセンサ
４０４ モータドライバ
４０５ パワーセンサ
４０６ バッテリ
５０１ ロータ回転
５０２ エアフロー方向
５０３ フレーム回転方向

Claims (7)

1. 駆動推進部を備えた飛行装置であって、
   前記駆動推進部を第１の形状と第２の形状に保持可能な支持部と、
   前記飛行装置の最外部に形成され、人の手から離れたことを検知する検知部と、
   前記検知部が人の手から離れたことを検知すると、前記支持部が前記駆動推進部を前記第１の形状に保持した状態から、前記支持部を動かして前記支持部に前記駆動推進部を前記第２の形状に保持させ、前記駆動推進部により飛行を行わせるコントローラ部と、を備え、
   前記第１の形状は投げ上げに適した格納形状であり、前記第２の形状は飛行に適した飛行形状であることを特徴とする飛行装置。
2. 飛行を制御するフライトセンサ部を更に備え、
   前記コントローラ部は、前記フライトセンサ部の出力に基づいて前記駆動推進部の姿勢制御を行いながら当該駆動推進部を駆動推進させることを特徴とする請求項１に記載の飛行装置。
3. 前記検知部は、前記支持部が前記駆動推進部を前記第１の形状に保持した状態と、前記駆動推進部を前記第２の形状に保持した状態の、いずれの状態であっても最外部に位置するように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の飛行装置。
4. 撮像部をさらに備え、前記コントローラ部はユーザを探索し、前記撮像部により前記ユーザを撮影させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の飛行装置。
5. 前記コントローラ部は前記ユーザを探索し、前記ユーザの付近へ帰還させることを特徴とする請求項４に記載の飛行装置。
6. 駆動推進部と前記駆動推進部を格納形状である第１の形状と飛行形状である第２の形状に保持可能な支持部とを備えた飛行装置のコンピュータが実行する制御方法であって、
   前記飛行装置の最外部に形成された検知部により、人の手から離れたことを検知する検知ステップと、
   前記検知ステップで人の手から離れたことを検知すると、前記支持部が前記駆動推進部を前記第１の形状に保持した状態から、前記支持部を動かして前記支持部に前記駆動推進部を前記第２の形状に保持させ、前記駆動推進部を駆動推進させて飛行を行わせる制御ステップと、
   を実行する飛行装置の制御方法。
7. コンピュータに、
   請求項６に記載の飛行装置の制御方法を実行させるプログラム。