JP6721281B1 - 無人飛行体用給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の無人飛行体が連続して運搬作業を行うことができ、しかも、効率的に給電可能な無人飛行体用給電システムを提供する。【解決手段】無人飛行体用給電システムは、複数の無人飛行体１と、無人飛行体１に追従しながら無線送電する無人給電車３と、を備える。無人飛行体１は、飛行を制御する飛行制御部と、荷Ｗを保持する荷保持部と、無線送電された電力を受電する受電部１８と、受電された電力を蓄電する蓄電池と、を有する。無人給電車３は、複数の無人飛行体１に無線送電する複数の送電部３５と、無人飛行体１機に対して少なくとも１つの送電部３５を割当てる割当部３２と、無人飛行体１に追従するための走行装置３６と、を有する。【選択図】図１

Description

運搬作業を行う無人飛行体に給電する無人飛行体用給電システムに関する。

従来、屋外または屋内において運搬作業を行う無人飛行体が開発されてきた（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の無人飛行体は、ホバリング可能であるとともに自律飛行可能である。この無人飛行体は、把持装置を装着し、装着した把持装置によって荷を吸着し、荷とともに移動して運搬作業を行う。この無人飛行体は、空中を飛行するので運搬車よりも移動速度が速く、運搬作業を行うのに適している。

ところで、無人飛行体は、蓄電容量が少なく、運搬作業を長時間連続して行うことができない。そこで、例えば、特許文献２に記載のピッキングシステムには、複数の無人飛行体が運搬作業に向けて待機する出発部に無人飛行体を給電する蓄電手段が設けられている。複数の無人飛行体は、この出発部において運搬作業の合間に給電されることにより、運搬作業を行う際に電力不足になることを防止している。

しかしながら、給電される間、無人飛行体が運搬作業を行えないことは、稼働率の観点から好ましくないので問題であった。また、給電時における給電効率は、給電完了を早めるために重要である。

特開２０１８−１１４８２２号公報 特開２０１８−０１６４３５号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、複数の無人飛行体が連続して運搬作業を行うことができ、しかも、効率的に給電可能な無人飛行体用給電システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る無人飛行体用給電システムは、
運搬作業を行う複数の無人飛行体と、前記無人飛行体に追従しながら無線送電することにより給電する無人給電車と、を備え、
前記複数の無人飛行体は、
自機の飛行を制御する飛行制御部と、
前記運搬作業に係る荷を保持する荷保持部と、
無線送電された電力を受電する受電部と、
前記受電部によって受電された電力を蓄電する蓄電池と、
前記無人給電車が前記自機に追従可能な所定の飛行経路を記憶している記憶部と、を有し、
前記無人給電車は、
前記複数の無人飛行体それぞれに対して無線送電する複数の送電部と、
前記無人飛行体１機に対して少なくとも１つの前記送電部を割当てる割当部と、
前記送電部を割当てられた前記無人飛行体のうちのいずれか１機に追従するための走行装置と、を有し、
前記飛行制御部は、前記無人飛行体が前記無人給電車によって無線送電されながら飛行するとき、前記無人飛行体を前記所定の飛行経路に沿って飛行させることを特徴とする。

上記給電システムは、好ましくは、
前記無人給電車が、
前記複数の無人飛行体の位置を検出する飛行体検出部をさらに有し、
前記割当部は、前記複数の送電部の位置と前記複数の無人飛行体との位置に基づいて、前記送電部を前記無人飛行体に割当てる。

上記給電システムは、好ましくは、
前記無人飛行体が、
前記自機の位置を検出する自機位置検出部と、
前記自機の位置を前記無人給電車に送信する位置情報送信部と、をさらに有し、
前記割当部が、前記複数の送電部の位置と受信した前記複数の無人飛行体との位置に基づいて、前記送電部を前記無人飛行体に割当てる。

上記給電システムは、好ましくは、
前記割当部が、前記無人飛行体もしくは前記無人給電車またはその両方の位置の変更に応じて、前記送電部の割当てを更新する。

上記給電システムは、好ましくは、
前記無人飛行体が、前記無人給電車によって追従および無線送電されながら飛行するとき、前記自機の飛行高度と、給電時における所定の飛行高度とを比較する高度比較部をさらに有し、
前記飛行制御部が、前記無人飛行体が前記無人給電車によって無線送電されながら飛行するとき、前記高度比較部が比較した結果に基づいて、前記無人飛行体の飛行高度が前記所定の飛行高度になるように前記無人飛行体の飛行高度を制御する。

上記給電システムは、好ましくは、
前記無人飛行体が、前記無人給電車によって無線送電されながら飛行するとき、前記自機の飛行速度と、給電時における所定の飛行速度とを比較する速度比較部をさらに有し、
前記飛行制御部が、前記無人飛行体が前記無人給電車によって無線送電されながら飛行するとき、前記速度比較部が比較した結果に基づいて、前記無人飛行体の飛行速度が前記所定の飛行速度になるように前記無人飛行体の飛行速度を制御する。

本発明に係る給電システムは、複数の無人飛行体に連続して運搬作業を行わせることができる。しかも、本発明に係る給電システムは、複数の無人飛行体に対して効率的に給電することができる。

一実施形態に係る給電システムを示す概略側面図である。 ＡおよびＢは無人飛行体を示し、Ａは上から見た斜視図であり、Ｂは下から見た斜視図であり、Ｃは受電部を示す下面図である。 図１の給電システムを示すブロック図である。 複数の無人飛行体に対する複数の送電部それぞれの無線送電を示す概略上面図である。 倉庫内における図１の無人飛行体の動作を示す概略上面図である。 給電時の無人飛行体および無人給電車の動作を示す概略上面図である。

以下、図を参照しつつ、本発明に係る無人飛行体用給電システムの一実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る給電システムを示す概略側面図である。複数の無人飛行体１は、屋内において荷Ｗを運搬する（参照符号１は、複数の無人飛行体１のうちの任意の１機または複数機を示す参照符号として用いられる）。無人給電車３は、複数の無人飛行体１に無線送電するとともに、複数の無人飛行体１のいずれか１機に追従しながら無線送電することにより給電する。

＜無人飛行体＞
図２ＡおよびＢに示すように、無人飛行体１は、円板状の本体１０と、本体１０の側面から水平に延在する４本のアーム１２と、４本のアーム１２の先端側それぞれに設けられたモータ１３と、モータ１３に設けられた回転翼１４と、本体１０の上面に設けられた略八角柱状の上部ユニット１５と、本体１０の下面に設けられた２つのスキッド１６と、２つのスキッド１６の間に設けられた荷保持部１７と、荷保持部１７の下面に設けられた受電部１８と、を有する。

上部ユニット１５には、無人飛行体１の位置を検出するためのカメラ１５ａおよび照明部１５ｂが設けられている。天井Ｃ全体には、無人飛行体１の位置を認識するためのマーカ（図示略）が複数設けられている。照明部１５ｂが無人飛行体１の上方を照射し、カメラ１５ａが照明部１５ｂによって照らされたマーカを含む天井Ｃを撮像して上方画像を生成する。

荷保持部１７は、運搬作業に係る荷Ｗを保持する。荷保持部１７は、荷Ｗが載置される載置面を有するが単なる一例であって、荷Ｗを保持することができれば、その構成は、特に限定されない。

図２Ｃに示すように、受電部１８は、複数のレクテナ１８ａによって構成されている。レクテナ１８ａは、無人給電車３から送信されたマイクロ波を受信して直流電流に変換する。

図３に示すように、無人飛行体１は、蓄電池２０と、制御装置２１と、高度センサ（図示略）と、速度センサ（図示略）と、通信手段（図示略）と、をさらに有する。

蓄電池２０は、受電部１８に電気的に接続されている。蓄電池２０は、レクテナ１８ａによって変換された直流電流を蓄電するとともに、モータ１３に電力を供給する。蓄電池２０は、鉛蓄電池またはアルカリ蓄電池でもよい。

制御装置２１は、飛行制御部２１０と、記憶部２１１と、自機位置検出部２１２と、位置情報送信部２１３と、高度比較部２１５と、速度比較部２１６と、を有する。

飛行制御部２１０は、各モータ１３の回転数を制御することにより、無人飛行体１のホバリングを可能にするとともに、無人飛行体１の飛行方向、飛行高度および飛行速度を制御する。

記憶部２１１は、マーカを含む天井Ｃ全体の画像（以下、単に「天井画像」という）を位置情報とともに予め記憶している。

自機位置検出部２１２は、カメラ１５ａが撮像した上方画像と、天井画像とを照合し、天井画像中のいずれの位置に上方画像が存在するのかを探索するテンプレートマッチングを行う。自機位置検出部２１２は、テンプレートマッチングの結果に基づいて無人飛行体１の水平方向の位置を検出する。さらに、自機位置検出部２１２は、高度センサによって無人飛行体１の高度を検出する。

位置情報送信部２１３は、無人飛行体１の位置情報を通信手段によって無人給電車３に継続的に送信する。

記憶部２１１は、さらに被追従時における無人飛行体１の所定の飛行高度および所定の飛行速度を記憶している。マイクロ波による給電効率は、送電側と受電側との距離に依存する。そこで、無人飛行体１と当該無人飛行体１に追従する無人給電車３との距離を一定範囲内に保ちマイクロ波による給電効率を高く保持することができるように、被追従時における無人飛行体１の飛行高度および飛行速度が予め定められている。したがって、所定の飛行高度は、後述する送電部３５よりもやや高い高度に定められている。また、所定の飛行速度は、無人給電車３の走行速度と同じか、やや遅く定められている。

高度比較部２１５は、高度センサによって検出された無人飛行体１の高度と、所定の飛行高度とを比較し、その比較結果を飛行制御部２１０に出力する。

速度比較部２１６は、速度センサによって検出された無人飛行体１の飛行速度と所定の飛行速度とを比較し、その比較結果を飛行制御部２１０に出力する。

飛行制御部２１０は、高度比較部２１５および速度比較部２１６による比較結果に基づいて、被追従時における無人飛行体１の飛行高度および飛行速度を所定の飛行高度および所定の飛行速度になるよう制御する。

記憶部２１１は、さらに運搬情報を記憶する。運搬情報には、荷取位置および荷置位置が含まれている。また、記憶部２１１は、さらに無人飛行体１の被追従時の所定の飛行経路（以下、「被追従用飛行経路」という）を記憶している。被追従用飛行経路は、無人給電車３が無人飛行体１を追従することができるよう倉庫内のレイアウトと無人給電車３の走行特性とに基づいて、予め定められている。

飛行制御部２１０は、被追従時における無人飛行体１が被追従用飛行経路を飛行するよう無人飛行体１の飛行方向を制御する。

＜無人給電車＞
図１および図３に示すように、無人給電車３は、本体３０と、自車位置検出部３１と、割当部３２と、蓄電池３４と、複数（本実施形態では４つ）の送電部３５ａ〜３５ｄと、走行装置３６と、通信手段（図示略）と、を備える。なお、参照符号３５は、複数の送電部３５のうちの１つまたは複数を示す参照符号として用いられる。

自車位置検出部３１は、公知のレーザ誘導方式によって無人給電車３の位置を検出するが単なる一例であって、無人給電車３の位置を検出する方式を特に限定されない。自車位置検出部３１は、レーザスキャナ３１１および解析部（図示略）を有する。レーザスキャナ３１１は、本体３０の上部に設けられている。レーザスキャナ３１１は、水平方向に３６０度回転しながらレーザを送信し、屋内の所定箇所に複数配置された反射板によって反射されたレーザを受信する。解析部は、レーザスキャナ３１１の送受信の方向を解析することにより複数の反射板と無人給電車３との位置関係を特定し、この位置関係に基づいて無人給電車３の現在位置を検出する。

割当部３２は、通信手段によって受信した無人飛行体１の位置と送電部３５の位置とに基づいて、複数の無人飛行体１のうちの１機に対して少なくとも１つの送電部３５を割当てる。具体的には、割当部３２は、各送電部３５と各無人飛行体１との相対的な位置関係に基づいて、各無人飛行体１との距離が短くなるように各送電部３５を各無人飛行体１に割当てる。

蓄電池３４は、送電部３５に電力を供給する。蓄電池３４は、鉛蓄電池またはアルカリ蓄電池でもよい。

送電部３５は、無人給電車３の上部に複数設けられている。送電部３５は、受信した無人飛行体１の位置に基づいて、割当部３２によって割当てられた無人飛行体１にマイクロ波を送信することにより、無人飛行体１に無線送電する。送電部３５は、フェーズドアレイアンテナによって構成されていてもよいが、単なる一例であってこれに限定されない。

走行装置３６は、動力部（図示略）と、車輪３６０と、操舵部３６１と、を有する。無人給電車３は、動力部の動力によって車輪３６０を回転させて走行する。操舵部３６１は、自車位置検出部３１によって検出された無人給電車３の位置と受信した無人飛行体１の位置とに基づいて、無人給電車３が無人飛行体１を追従することができるように車輪３６０を操舵する。動力部は、例えば、蓄電池３４によって担われてもよいし、別の蓄電池で構成されていてもよい。無人給電車３は、送電部３５を割当てられた無人飛行体１のいずれか１機に走行装置３６によって追従しながら送電部３５によって無線送電する。

図４を参照して、無人給電車３の周辺に複数の無人飛行体１ａ〜１ｅが飛行しているときの割当部３２の割当て方法について詳細に説明する。

図４Ａは、複数の無人飛行体１ａ〜１ｅに対する複数の送電部３５ａ〜３５ｄそれぞれの無線送電を示す概略上面図である。矢印は、各無人飛行体１の移動方向を示している。割当部３２は、無人給電車３に最も近い無人飛行体１から順に送電部３５を割当てていく。図４Ａにおいて、無人飛行体１は、無人給電車３に近い順に１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅとなっている。

（１）まず、割当部３２は、４つの送電部３５ａ〜３５ｄのうち、無人飛行体１ａに最も近い送電部３５ａを無人飛行体１ａに割当てる。（２）次に、割当部３２は、３つの送電部３５ｂ〜３５ｄのうち、無人飛行体１ｂに最も近い送電部３５ｂを無人飛行体１ｂに割当てる。（３）次に、割当部３２は、２つの送電部３５ｃおよび３５ｄから無人飛行体１ｃにより近い送電部３５ｃを無人飛行体１ｃに割当てる。（４）次に、割当部３２は、残っている送電部３５ｄを無人飛行体１ｄに割当てる。

割当部３２は、このように、各送電部３５と各無人飛行体１との相対的な位置関係に基づいて、対になる送電部３５と無人飛行体１との距離が短くなるように各送電部３５を各無人飛行体１に順々に割当てる。これにより、給電システムの給電効率を高めることができる。

次に、図４Ｂを参照して、割当部３２が無人飛行体１の移動に応じて、無人飛行体１に対する送電部３５の割当てを更新する方法を説明する。図４Ｂに示すように、無人飛行体１は、それぞれ移動したことにより、無人給電車３に近い順に１ｅ、１ｄ、１ａ、１ｃとなっている。

割当部３２は、上記割当方法と同様の手法で、無人給電車３に最も近い無人飛行体１から順に送電部３５を割当てていくことにより、複数の無人飛行体１に対する送電部３５の割当てを更新する。（１）まず、割当部３２は、４つの送電部３５ａ〜３５ｄのうち、無人飛行体１ｅに最も近い送電部３５ｂを無人飛行体１ｅに割当てる。（２）次に、割当部３２は、３つの送電部３５ａ、３５ｃおよび３５ｄのうち、無人飛行体１ｄに最も近い送電部３５ｃを無人飛行体１ｄに割当てる。（３）次に、割当部３２は、２台の送電部３５ａおよび３５ｄから無人飛行体１ａにより近い送電部３５ａを無人飛行体１ａに割当てる。（４）次に、割当部３２は、残っている送電部３５ｄを無人飛行体１ｃに割当てる。

割当部３２は、このように、無人飛行体１もしくは無人給電車３または両方の移動に伴う無人飛行体１と無人給電車３との相対的な位置関係の変更に応じて、その割当てを更新する。これにより、割当部３２は、無人飛行体１に対する送電部３５の割当てを最適に保ち、給電システムの給電効率を高く保つことができる。

＜給電方法＞
次に、図５および図６を参照して、倉庫内における給電システムの給電方法について説明する。図５は、非給電時における無人飛行体１の運搬作業の一例を示す概略上面図である。倉庫には、荷載置部を有する複数の棚５が、それぞれ設置されている。また、倉庫内には、複数（本実施形態では７機）の無人飛行体１ａ〜１ｇが配置されている。複数の無人飛行体１ａ〜１ｇは、それぞれ運搬情報に基づいて運搬作業を行う。

例えば、無人飛行体１ａは、荷取位置Ｐ１において荷Ｗを受取り、荷置位置Ｐ２に移動する。無人飛行体１ａは、給電されていないときには、最短飛行経路である飛行経路Ｄ１を飛行して荷取位置Ｐ１から荷置位置Ｐ２に移動する。具体的には、無人飛行体１ａは、荷Ｗを保持すると、飛行制御部２１０によって荷取位置Ｐ１から棚５の上方まで上昇し、荷取位置Ｐ１の上方から荷置位置Ｐ２の上方まで水平に飛行した後、荷置位置Ｐ２まで下降する。これにより、無人飛行体１ａは、棚５を迂回して飛行するよりも早く移動することができるので、移動時間を短縮することができる。

図６は、給電時における無人飛行体１および無人給電車３の動作の一例を示す上面図である。無人給電車３は、複数の無人飛行体１ａ〜１ｇそれぞれの位置を受信する。無人給電車３は、割当部３２によって複数の送電部３５ａ〜３５ｄを相対的近距離にある無人飛行体１ａ〜１ｄに割当て、送電部３５によって無人飛行体１ａ〜１ｄに無線送電する。また、無人給電車３は、本実施形態では、最も近い無人飛行体１ａに追従しながら計４つの無人飛行体１に無線送電する。また、無人給電車３は、割当部３２によって複数の無人飛行体１に対する各送電部３５ａ〜３５ｄの割当てを更新させる。これにより、無人給電車３は、無線送電する無人飛行体１を次々に入れ替えながら給電効率の高い給電を行う。

無人飛行体１ａは、被追従時には、飛行制御部２１０によって飛行高度および飛行速度を所定の飛行高度および飛行速度に制御しつつ、被追従用飛行経路Ｄ２に沿って棚５を迂回しながら荷取位置Ｐ１から荷置位置Ｐ２まで飛行する。これにより、無人給電車３が、無人飛行体１ａから離されることなく追従することができる。無人給電車３は、好ましくは、無人飛行体１ａの真下に位置するよう無人飛行体１ａに追従する。この位置関係によれば、受電部１８と送電部３５が正対状態となり送信されたマイクロ波が効率よく受電部１８に吸収されるので、給電効率をさらに高めることができる。

このように、本実施形態の給電システムでは、複数の無人飛行体１に連続して運搬作業を行わせることができる。また、本発明に係る給電システムは、割当部３２によって常に近くの無人給電車３に送電部３５を割当てるとともに、複数の無人飛行体１のうちのいずれか１機に対して追従しながら無線送電するので高い給電効率を保持することができる。

以上、本発明に係る給電システムの一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

（１）無人飛行体１が自機位置を検出する方法は、特に限定されない。例えば、ＳＬＡＭ（Simultaneous Localization And Mapping）技術によって、無人飛行体１の位置を検出してもよい。

（２）自機位置検出部２１２がカメラ１５ａの撮像した上方画像からマーカを認識できるのであれば、照明部１５ｂは、無人飛行体１に設けられていなくてもよい。

（３）受電部１８は、無人給電車３によって送信されたマイクロ波を効率的に受電できるのであれば、本体１０に設けられてもよく、設けられる位置を特に限定されない。

（４）無人給電車３は、無人飛行体１およびその位置を検出する飛行体検出部を有していてもよい。この場合、割当部３２は、飛行体検出部が検出した複数の無人飛行体１の位置に基づいて、複数の送電部３５をそれぞれ割当ててもよい。飛行体検出部は、カメラもしくはレーダまたはその両方を有してもよい。

１ 無人飛行体
１０ 本体
１３ モータ
１５ 上部ユニット
１５ａ カメラ
１５ｂ 照明部
１６ スキッド
１７ 荷保持部
１８ 受電部
１８ａ レクテナ
２０ 蓄電池
２１ 制御装置
２１０ 飛行制御部
２１１ 記憶部
２１２ 自機位置検出部
２１３ 位置情報送信部
２１５ 高度比較部
２１６ 速度比較部
３ 無人給電車
３１ 自車位置検出部
３１１ レーザスキャナ
３２ 割当部
３４ 蓄電池
３５ 送電部
３６ 走行装置
３６０ 車輪
３６１ 操舵部
Ｃ 天井
Ｗ 荷

Claims (6)

1. 無人飛行体用給電システムであって、
   運搬作業を行う複数の無人飛行体と、前記無人飛行体に追従しながら無線送電することにより給電する無人給電車と、を備え、
   前記複数の無人飛行体は、
   自機の飛行を制御する飛行制御部と、
   前記運搬作業に係る荷を保持する荷保持部と、
   無線送電された電力を受電する受電部と、
   前記受電部によって受電された電力を蓄電する蓄電池と、
   前記無人給電車が前記自機に追従可能な所定の飛行経路を記憶している記憶部と、を有し、
   前記無人給電車は、
   前記複数の無人飛行体それぞれに対して無線送電する複数の送電部と、
   前記無人飛行体１機に対して少なくとも１つの前記送電部を割当てる割当部と、
   前記送電部を割当てられた前記無人飛行体のうちのいずれか１機に追従するための走行装置と、を有し、
   前記飛行制御部は、前記無人飛行体が前記無人給電車によって無線送電されながら飛行するとき、前記無人飛行体を前記所定の飛行経路に沿って飛行させる
   ことを特徴とする給電システム。
2. 前記無人給電車は、
   前記複数の無人飛行体の位置を検出する飛行体検出部をさらに有し、
   前記割当部は、前記複数の送電部の位置と前記複数の無人飛行体との位置に基づいて、前記送電部を前記無人飛行体に割当てる
   ことを特徴とする請求項１に記載の給電システム。
3. 前記無人飛行体は、
   前記自機の位置を検出する自機位置検出部と、
   前記自機の位置を前記無人給電車に送信する位置情報送信部と、をさらに有し、
   前記割当部は、前記複数の送電部の位置と受信した前記複数の無人飛行体との位置に基づいて、前記送電部を前記無人飛行体に割当てる
   ことを特徴とする請求項１に記載の給電システム。
4. 前記割当部は、前記無人飛行体もしくは前記無人給電車またはその両方の位置の変更に応じて、前記送電部の割当てを更新する
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の給電システム。
5. 前記無人飛行体は、前記無人給電車によって追従および無線送電されながら飛行するとき、前記自機の飛行高度と、給電時における所定の飛行高度とを比較する高度比較部をさらに有し、
   前記飛行制御部は、前記無人飛行体が前記無人給電車によって無線送電されながら飛行するとき、前記高度比較部が比較した結果に基づいて、前記無人飛行体の飛行高度が前記所定の飛行高度になるように前記無人飛行体の飛行高度を制御する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の給電システム。
6. 前記無人飛行体は、前記無人給電車によって無線送電されながら飛行するとき、前記自機の飛行速度と、給電時における所定の飛行速度とを比較する速度比較部をさらに有し、
   前記飛行制御部は、前記無人飛行体が前記無人給電車によって無線送電されながら飛行するとき、前記速度比較部が比較した結果に基づいて、前記無人飛行体の飛行速度が前記所定の飛行速度になるように前記無人飛行体の飛行速度を制御する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の給電システム。

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