JP6746137B2 - 無人航空機 - Google Patents

Description

本発明は、無人航空機を用いた測量技術に関する。

下記特許文献１には、レーザスキャナで地表形状を測量する航空機が開示されている。

特開２００７-６４８１１号公報

小型の無人航空機にレーザスキャナを搭載し、空中から地形を測量する試みが進められている。このような方法により例えば都心部や渓谷、峡谷などを測量する場合、無人航空機の仕様や法令上の制約より、無人航空機の飛行可能高度が、機体の周囲に存在する地物よりも低くなることがある。このような条件下で機体周囲の完全な地形を測量するためには、無人航空機の飛行位置よりも上方へレーザ光を照射する必要がある。

例えばレーザスキャナが機体の下部に配置されている場合、レーザスキャナから上方または斜め上方に照射されたレーザ光が無人航空機の機体に遮られ、レーザスキャナにより走査可能な角度範囲が制限されるという問題がある。一方、レーザスキャナを機体の上部に配置した場合には、機体下方の走査範囲が制限される。無人航空機の機体の上下にレーザスキャナをそれぞれ配置することで機体の全周を走査することが可能となるが、この場合、機体のコストや重量の問題が生じる。その他、レーザスキャナを機体の下部に配置して測量を行い、その後機体の上部に配置し直して再度測量を行う方法では、作業時間や工数の問題が生じることとなる。

上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、機体の飛行位置よりも上方に存在する地物を含む広範な地形を、レーザスキャナを用いて効率的に測量可能な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は、複数の回転翼と、所定の角度範囲を走査可能なレーザスキャナと、を備える無人航空機であって、前記無人航空機の胴体には、該胴体の幅が他の部分よりも細く形成されたくびれ部が設けられており、前記くびれ部により、前記レーザスキャナの照射光と前記胴体との接触が回避または低減されていることを特徴とする。

無人航空機の胴体にくびれ部を設けることにより、レーザスキャナは、くびれ部により確保された隙間を通してレーザ光を照射することができる。これにより、一台のレーザスキャナで機体の斜め上方を含む広範な地形を走査することが可能となる。

また、前記レーザスキャナは、前記無人航空機の側方にある地物を上下または斜めに走査可能な向きに配置されていることが好ましい。

無人航空機の胴体によりレーザ光が遮られる問題は、レーザスキャナの走査方向が鉛直であるとき、より正確には、レーザスキャナの走査方向が水平ではないときに生じる。すなわち、レーザスキャナが、無人航空機の側方にある地物を上下または斜めに走査可能な向きに配置されているときに、本発明のくびれ部はその効果を特に発揮することができる。

また、前記レーザスキャナは１８０度を超える角度範囲を走査可能であることが好ましい。

レーザスキャナが１８０度を超える角度範囲を走査可能であり、また、無人航空機の側方にある地物を上下または斜めに走査可能な向きに配置されている場合。レーザスキャナの走査範囲には、必然的に無人航空機の飛行位置よりも上方の空間が含まれるため、レーザ光が無人航空機の胴体に遮られる可能性が高くなる。本発明の無人航空機によれば、くびれ部により確保された隙間を通してレーザ光を照射可能であることから、１８０度を超える角度範囲を走査する場合でもレーザ光と機体の接触を回避または低減することができる。

また、前記くびれ部には、略角筒形状に構成され、該くびれ部と一体化された補強部が設けられており、前記補強部は、その筒軸方向が水平となる向きに配置され、前記胴体の幅方向と直交する方向に延びていることが好ましい。

くびれ部の胴体の幅は他の部分よりも細く形成されている。そのため、くびれ部が機体の強度上のボトルネットとなるおそれがある。略角筒形状に形成された補強部によりくびれ部の曲げ剛性を高めることにより、レーザスキャナの走査可能範囲の拡張と機体強度との両立を図ることが可能となる。

また、前記補強部の筒内には、該補強部の内面を支持し、該補強部の変形を抑制する補強板が配置されていることが好ましい。このとき、前記補強板は、前記補強部の筒軸方向に沿って複数枚配置されていることが好ましい。

補強部の形状を維持するための補強板が補強部の筒内に配置されていることにより、補強部自体の変形を抑制することができる。

また、前記補強板には、該補強板の厚み方向に貫通された穴部が形成されており、前記穴部には、円柱形状または円筒形状の補強軸が挿通されており、前記補強軸および前記補強板は一体化されていることが好ましい。

補強板に設けられた穴部に補強軸が挿通され、これら補強板および補強軸が一体化されていることにより、くびれ部のねじり剛性が高められ、くびれ部の変形をより安定的に抑制することが可能となる。

また、本発明の無人航空機は、前記各回転翼を支持する複数のアームを備え、前記各アームは、その基端部を中心として水平方向に回動可能である構成としてもよい。

一般に、複数の回転翼を備える無人航空機は、胴体から複数のアームが放射状に延びており、その各先端に回転翼が配置されている。そして、無人航空機を用いて測量を行う場合には、その機体を測量地に運び込む必要がある。例えばその測量地に車両で乗り入れることが可能であるときは、無人航空機の運搬上の問題は特に生じないものと思われる。しかし、それが例えば渓谷や峡谷など、舗装が施されていない場所であるときは、測量地には最終的に徒歩で向かうことになる。このときに無人航空機のアームが固定されていると、アームや回転翼がかさばり、作業員が機体を持ち運ぶときの妨げとなりうる。本構成のように、これらアームを折り畳み可能とすることにより、作業員が運搬しやすい形に機体を変形させることが可能となる。

また、本発明の無人航空機は、前記各回転翼を支持する複数のアームを備え、前記各アームは、前記胴体から取り外し可能である構成としてもよい。

上で述べたように、無人航空機のアームが固定されていると、作業員が無人航空機を徒歩で持ち運ぶときの妨げとなりうる。本構成のように、これらアームを胴体から取り外し可能とすることにより、機体をさらにコンパクトにまとめて運搬することが可能となる。

以上のように、本発明の無人航空機によれば、機体の飛行位置よりも上方に存在する地物を含む広範な地形を、レーザスキャナを用いて効率的に測量することができる。

マルチコプターの外観を示す斜視図である。 マルチコプターの平面図である。 図２のＡ−Ａ方向断面図である。 くびれ部の補強構造を示す透過斜視図である。 マルチコプターの機能構成を示すブロック図である。 マルチコプターのアームを折り畳んだ状態を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。以下に説明する実施形態は、複数の回転翼を備える無人航空機の一種であるマルチコプターにレーザスキャナを搭載した例である。なお、以下の説明における「上」および「下」とは図１における上下方向をいい、図１に示される座標軸表示のＺ軸方向に平行な方向をいう。また、「水平」とは、同座標軸表示で示されるＸＹ平面方向をいう。「前」および「後ろ」とは、同座標軸表示のＸ軸方向に平行な方向をいい、Ｘ_１側を「前」、Ｘ_２側を「後ろ」とする。また、マルチコプターの機体について「幅」とは、同座標軸表示のＹ軸方向における機体の長さをいう。

〔全体構成〕
図１はマルチコプター１００の外観を示す斜視図である。図２はマルチコプター１００の平面図である。マルチコプター１００の機体は、本体部である胴体１０１、胴体１０１から放射状に延びた４本のアーム１０２、および各アーム１０２の先端に配置されたロータＲにより構成されている。本実施形態の胴体１０１はＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）製の板材により組み立てられており、各アーム１０２にもＣＦＲＰ製のパイプ材が用いられている。これによりマルチコプター１００の軽量化と機体強度の確保との両立が図られている。

マルチコプター１００の胴体１０１の下部にはレーザスキャナ３００が取り付けられている。レーザスキャナ３００は測量用の一般的なレーザスキャナであり、照射したレーザ光の反射波から地物との距離を測定し、地形の三次元点群データを取得する。本実施形態のレーザスキャナ３００は、３６０度の角度範囲を走査可能な照射部３１０を備えており、マルチコプター１００の側方にある地物を鉛直方向に走査可能な向きに配置されている。

〔くびれ部〕
マルチコプター１００の胴体１０１には、胴体１０１の幅が他の部分よりも細く形成されたくびれ部１０１ｃが設けられている。本実施形態のくびれ部１０１ｃは、胴体１０１における各アーム１０２との連結部から、胴体１０１の前後方向中心に向かって胴体１０１の幅が次第に細くなるように形成されている。レーザスキャナ３００の照射部３１０は、くびれ部１０１ｃのうち、胴体１０１の幅が最も細く形成された部分の下方に配置されている。これによりレーザスキャナ３００の走査可能範囲が最大化されている。

図３は、図２のＡ−Ａ方向断面図である。以下、図３を参照して、くびれ部１０１ｃによるレーザスキャナ３００の走査可能範囲の拡張効果について説明する。図３（ａ）は、くびれ部１０１ｃが設けられていないと仮定した場合のマルチコプター１００であるマルチコプター１００′の走査可能範囲を示す断面模式図である。図３（ｂ）は、くびれ部１０１ｃを有する本実施形態のマルチコプター１００の走査可能範囲を示す断面模式図である。

上で述べたように、本実施形態のレーザスキャナ３００は、その走査方向が鉛直となる向きに配置されており、さらにレーザスキャナ３００の照射部３１０は３６０度の視野角（ＦＯＶ：Field Of View）を有している。そのため、レーザスキャナ３００の走査可能範囲の一部は、必然的にマルチコプター１００の胴体１０１により遮られることとなる。なお、同様の問題は照射部３１０の走査方向が鉛直の場合だけでなく、少なくともその走査方向が水平ではない場合に生じうる。

図３（ａ）のマルチコプター１００′のように、胴体１０１にくびれ部１０１ｃが設けられていない場合、機体の飛行位置よりも上方に照射されたレーザ光が胴体１０１により広い角度範囲にわたって遮られ、レーザスキャナ３００の走査可能範囲はＶ_１に制限される。例えば都心部や渓谷、峡谷などの地形を測量する場合、マルチコプター１００の仕様や法令上の制約より、マルチコプター１００の飛行可能高度が、マルチコプター１００の周囲に存在する地物よりも低くなることがある。このような条件下でマルチコプター１００′により周囲の完全な地形を走査するためには、地物の頂部までレーザ光が届くように、マルチコプター１００′とその側方に存在する地物との間に十分な距離を空ける必要がある。そのため、測量地の環境条件によっては測量が困難となることも考えられる。

一方、図３（ｂ）に示すように、本実施形態のマルチコプター１００では、くびれ部１０１ｃにより確保された隙間を通してレーザスキャナ３００のレーザ光を斜め上方へ広く照射することが可能とされている。これにより、レーザ光と胴体１０１との接触が抑えられ、広範な角度範囲の地形を走査することが可能とされている。

なお、本実施形態のレーザスキャナ３００の照射部３１０は３６０度の視野角を有しているが、照射部３１０の視野角がそれ以下であっても、機体の飛行位置よりも上方を走査する場合には、くびれ部１０１ｃにより走査可能範囲の拡張効果を得ることができる。例えば図３（ｃ）に示すように、機体の一方の側方と下方のみを走査するような場合でも、くびれ部１０１ｃにより斜め上方の走査範囲を確保することができる。また、照射部３１０の視野角が３６０度以下であっても、これが１８０度を超えている場合には、レーザスキャナ３００の走査範囲には必然的にマルチコプター１００の飛行位置よりも上方の空間が含まれることになるため、レーザ光が胴体１０１に遮られる可能性が高くなる。本実施形態のマルチコプター１００によれば、くびれ部１０１ｃにより確保された隙間を通してレーザ光を照射可能であることから、１８０度を超える角度範囲を走査する場合でもレーザ光と機体の接触を回避または低減することが可能である。

〔くびれ部の補強構造〕
図４は、くびれ部１０１ｃの補強構造を示す透過斜視図である。くびれ部１０１ｃには略角筒形状に構成された補強部２００が設けられている。補強部２００は、その筒軸方向の軸線Ｂがマルチコプター１００の前後方向に沿って水平に延びる向きに配置されている。本実施形態の補強部２００は、肉抜きが施され、平行に配置された側壁２００ａ，２００ｂと、その上下を覆う胴体１０１の上板１０１ａおよび下板１０１ｂにより構成されている。くびれ部１０１ｃが略角筒形状の補強部２００で支持されていることにより、くびれ部１０１ｃの曲げ剛性が高められている。なお、本実施形態の補強部２００は、胴体１０１の上板１０１ａおよび下板１０１ｂをその一部として利用することで部品点数を削減しているが、予め角筒形状に構成された補強部をねじや接着剤で胴体１０１に接合してもよい。

また、補強部２００の筒内には、矩形の平板部材である補強板２１０が配置されている。本実施形態の補強板２１０は、補強部２００の筒軸方向に沿って三枚配置されている。補強部２００が補強板２１０に内側から支えられることで、補強部２００自体の変形が抑制されている。

さらに、各補強板２１０には、これら補強板２１０の厚み方向に貫通された穴部２１０ａが形成されている。穴部２１０ａには、円筒形状のパイプ材である補強軸２９０が挿通されている。補強軸２９０の先端部は、胴体１０１に固定された板材である固定板２２０に支持されている。なお、本実施形態の補強部２００を構成する上板１０１ａ、下板１０１ｂ、側壁２００ａ，２００ｂ、補強板２１０、および補強軸２９０は、接着剤で互いに接合され、一体化されている。各補強板２１０が円筒形状の補強軸２９０に固定され、これら補強板２１０により補強部２００が内側から支えられることで、くびれ部１０１ｃのねじり剛性が高められている。また、補強部２００を構成する各部材の接合に接着剤が用いられていることにより、ねじの重量が軽減されるとともに、機体構造の簡略化が図られている。

くびれ部１０１ｃにおける胴体１０１の幅は他の部分よりも細く形成されている。そのため、くびれ部１０１ｃは機体の強度上のボトルネットとなるおそれがある。上述のように、本実施形態のマルチコプター１００では、補強部２００によりくびれ部１０１ｃの曲げ剛性およびねじり剛性が高められていることにより、レーザスキャナ３００の走査可能範囲の拡張と機体強度との両立が図られている。

なお、補強部２００は本発明の必須構成ではなく、胴体１０１に金属材料が用いられている場合や、マルチコプター１００の重量が極めて小さい場合など、くびれ部１０１ｃに起因して胴体１０１が変形するおそれがないときにはこれを省略することもできる。また、補強板２１０の形状も、本実施形態のような平板部材には限られず、補強部２００の内面を支持する筋交を設けてもよい。

〔マルチコプターの機能構成〕
図５はマルチコプター１００の機能構成を示すブロック図である。マルチコプター１００の機能は、主に、フライトコントローラＦＣ、４基のロータＲ、これらロータＲの回転を制御するＥＳＣ１４１（Electric Speed Controller）、レーザスキャナ３００、および、これらに電力を供給するバッテリー１９０により構成されている。

各ロータＲは、モータ１４２と、その出力軸に連結されたブレード１４３とにより構成されている。ＥＳＣ１４１は、ロータＲのモータ１４２に接続されており、フライトコントローラＦＣから指示された速度でモータ１４２を回転させる。

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１２０を備えている。制御装置１２０は、中央処理装置であるＣＰＵ１２１、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶装置であるメモリ１２２、および、ＥＳＣ１４１を介して各モータ１４２の回転数を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コントローラ１２３を有している。

フライトコントローラＦＣはさらに、飛行制御センサ群１３２およびＧＰＳ受信器１３３（以下、これらを総称して「センサ等」ともいう。）を備えており、これらは制御装置１２０に接続されている。本実施形態におけるマルチコプター１００の飛行制御センサ群１３２には、３軸加速度センサ、３軸角速度センサ、気圧センサ（高度センサ）、地磁気センサ（方位センサ）などが含まれている。制御装置１２０は、これらセンサ等により、機体の傾きや回転のほか、飛行中の緯度経度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得可能とされている。

制御装置１２０のメモリ１２２には、マルチコプター１００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ＦＣＰが記憶されている。飛行制御プログラムＦＣＰは、オペレータ（送信器１１０）からの指示に従い、センサ等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１００を飛行させる。

マルチコプター１００の操縦は、オペレータが送信器１１０を用いて手動で行うほか、マルチコプター１００の飛行経路や速度、高度などのパラメータである飛行計画ＦＰを自律飛行プログラムＡＰＰに予め登録しておき、マルチコプター１００を目的地へ自律的に飛行させることも可能である（以下、このような自律飛行のことを「オートパイロット」という。）。

このように、本実施形態におけるマルチコプター１００は高度な飛行制御機能を備えている。ただし、本発明における無人航空機は、複数のロータＲを備え、これら各ロータＲの回転数を調節することにより機体の姿勢および飛行動作を制御する機体であればよく、例えばセンサ等から一部のセンサが省略された機体や、オートパイロット機能を備えず手動操縦のみにより飛行可能な機体であってもよい。

〔持ち運び構成〕
本実施形態におけるマルチコプター１００は、胴体１０１から４本のアーム１０２が放射状に延びており、その各先端にロータＲが配置されている。そして、マルチコプター１００を用いて測量を行う場合には、マルチコプター１００を測量地に運び込む必要がある。例えばその測量地に車両で乗り入れることが可能であれば、マルチコプター１００の運搬上の問題は特に生じないものと思われる。しかし、それが例えば渓谷や峡谷など、舗装が施されていない場所であるときは、測量地には最終的に徒歩で向かうことになる。このときにマルチコプター１００のアーム１０２が固定されていると、アーム１０２やロータＲがかさばり、作業員が機体を持ち運ぶときの妨げとなりうる。

図６は、マルチコプター１００のアーム１０２を折り畳んだ状態を示す平面図である。本実施形態におけるマルチコプター１００は、各アーム１０２がその基端部１０２ａから水平方向に回動可能に構成されている。このように、アーム１０２が折り畳み可能とされていることにより、作業員が運搬しやすい形に機体を変形させることが可能とされている。なお、各アーム１０２の先端部に連結されたスキッド１０３（図１参照）もアーム１０２の基端側に折り畳むことができる。また、各アーム１０２ａをその基端部１０２ａから取り外してさらにコンパクトにまとめることも可能である。

１００ マルチコプター（無人航空機）
１０１ 胴体
１０１ａ 上板
１０１ｂ 下板
１０２ アーム
１０２ａ 基端部
Ｒ ロータ（回転翼）
２００ 補強部
２００ａ，ｂ 側板
２１０ 補強板
２１０ａ 穴部
２９０ 補強軸
３００ レーザスキャナ
３１０ 照射部

Claims (8)

1. 複数の回転翼と、
   所定の角度範囲を走査可能なレーザスキャナと、を備える航空レーザ測量用の無人航空機であって、
   前記レーザスキャナは、前記無人航空機の側方にある地物を略上下方向に走査可能な向きに配置され、
   前記無人航空機の胴体には、該胴体の幅が他の部分よりも細く形成されたくびれ部が設けられており、
   前記くびれ部により、前記レーザスキャナの照射光と前記胴体との接触が回避または低減されることを特徴とする無人航空機。
2. 前記レーザスキャナは１８０度を超える角度範囲を走査可能であることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
3. 前記くびれ部には、略角筒形状に構成され、該くびれ部と一体化された補強部が設けられており、
   前記補強部は、その筒軸方向が水平となる向きに配置され、前記胴体の幅方向と直交する方向に延びていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無人航空機。
4. 前記補強部の筒内には、該補強部の内面を支持し、該補強部の変形を抑制する補強板が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の無人航空機。
5. 前記補強板は、前記補強部の筒軸方向に沿って複数枚配置されていることを特徴とする請求項４に記載の無人航空機。
6. 前記補強板には、該補強板の厚み方向に貫通された穴部が形成されており、
   前記穴部には、円柱形状または円筒形状の補強軸が挿通されており、
   前記補強軸および前記補強板は一体化されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の無人航空機。
7. 前記各回転翼を支持する複数のアームを備え、
   前記各アームは、その基端部を中心として水平方向に回動可能であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の無人航空機。
8. 前記各回転翼を支持する複数のアームを備え、
   前記各アームは、前記胴体から取り外し可能であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の無人航空機。

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