JP6751935B2

JP6751935B2 - 安全性を向上した農業用ドローン

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Publication number: JP6751935B2
Application number: JP2020503600A
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Inventors: 千大和氣; 洋柳下
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Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2020-09-09
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Description

本願発明は、飛行体（ドローン）、特に、安全性を高めたドローン、並びに、その制御方法および制御プログラムに関する。

一般にドローンと呼ばれる小型ヘリコプター（マルチコプター）の応用が進んでいる。その重要な応用分野の一つとして農地（圃場）への農薬や液肥などの薬剤散布が挙げられる（たとえば、特許文献１）。欧米と比較して農地が狭い日本においては、有人の飛行機やヘリコプターではなくドローンの使用が適しているケースが多い。

準天頂衛星システムやRTK-GPS（Real Time Kinematic - Global Positioning System）などの技術によりドローンが飛行中に自機の絶対位置をセンチメートル単位で正確に知ることができるようになったことで、日本において典型的な狭く複雑な地形の農地でも、人手による操縦を最小限として自律的に飛行し、効率的かつ正確に薬剤散布を行なえるようになっている。

その一方で、農業用の薬剤散布向け自律飛行型ドローンについては安全性に対する考慮が十分とは言いがたいケースがあった。薬剤を搭載したドローンの重量は数10キログラムになるため、人の上に落下する等の事故が起きた場合に重大な結果を招きかねない。また、通常、ドローンの操作者は専門家ではないためフールプルーフの仕組みが必要であるが、これに対する考慮も不十分であった。今までに、人間による操縦を前提としたドローンの安全性技術は存在していたが（たとえば、特許文献２）、特に農業用の薬剤散布向けの自律飛行型ドローンに特有の安全性課題に対応するための技術は存在していなかった。

特許公開公報特開２００１−１２０１５１特許公開公報特開２０１７−１６３２６５

自律飛行時であっても、高い安全性を維持できるドローン（飛行体）を提供する。

本願発明は、加速度測定手段と接触検知手段と飛行制御手段とを備えたドローンであって、前記加速度測定手段が測定した機体の加速度の絶対値が所定値を超え、かつ、前記接触検知手段が、第一の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に前記飛行制御手段が前記機体に所定の退避行動を取らせるドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、加速度測定手段と接触検知手段と飛行制御手段とを備えたドローンであって、前記加速度測定手段が測定した前記機体の加速度の絶対値が所定値を超えなくとも、前記接触検知手段が、第二の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に前記飛行制御手段が機体に所定の退避行動を取らせるドローンを提供することで上記課題を解決する。前記接触検知手段は、圧力センサー、または、マイクロスイッチのいずれかであってよい。また、本願発明は、さらに速度測定手段を備え、前記加速度測定手段が、所定の時間間隔内に所定の値以上の機体の加速度の上昇または変動を検知した後に、前記速度測定手段が、前記機体の速度が所定の値以下になったことを検知した場合に、前記機体が障害物に接触したとみなす、段落０００７、または、段落０００８の前半に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記所定の退避行動はホバリングである段落０００７または段落０００８に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。また、本願発明は、前記所定の退避行動は、薬剤散布の停止、音声による警告、または、警告灯による警告のずれか一つ以上を含む、段落０００７、段落０００８、または、段落０００９の前半に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、ホバリング後に前記接触検知手段が、第三の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に、前記飛行制御手段が前記機体を進行方向の後方に飛行させる段落０００９に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、複数の回転翼と前記複数の回転翼の回転数測定手段と飛行制御手段とを備えたドローンであって、前記回転数測定手段が測定した前記複数の回転翼のうちの少なくとも一つの回転数が、該モーターの目的回転数よりも第一の所定の回転数以上下回る場合には、前記飛行制御手段が所定の退避行動を取るドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記所定の退避行動は前記複数のモーターのすべての回転を停止させることである段落００１１に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記所定の退避行動は、前記目的回転数を第二の所定の回転数分低く設定し、前記回転数測定手段が測定した回転数が新たな目的回転数を維持できる場合には飛行を継続させることである段落００１１に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、第一の部分と第二の部分と第三の部分から成るプロペラガードを備えたドローンであって、前記第一の部分は指が入らない粗さの格子構造を有し、前記第二の部分は幼児の頭が入らない粗さの格子構造を有し、前記第三の部分は格子構造を有さないドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、複数の放射状部材と周辺部とから成るプロペラガードを備えたドローンであって、前記複数の放射状部材の少なくともひとつがプロペラ側に切り欠き部を有するドローンを提供することで上記課題を解決する。また、本願発明は、複数の放射状部材と周辺部とから成るプロペラガードを備えたドローンであって、前記複数の放射状部材のうち回転翼より上方にあるものは、周辺部と接続する端が機体本体と接続する端より低い位置にあり、前記複数の放射状部材のうち回転翼より下方にあるものは、周辺部と接続する端が機体本体と接続する端より高い位置にあるドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、機体の加速度を測定する加速度測定ステップと、前記機体の障害物への接触を検知する接触検知ステップと、前記測定された機体の加速度の絶対値が所定値を超え、かつ、第一の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に前記機体に所定の退避行動を取らせる退避行動ステップとを含むドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。前記接触検知ステップでは、圧力センサー、または、マイクロスイッチを使用して接触を検知してよい。また、本願発明は、さらに、速度測定ステップを含み、前記加速度測定ステップにおいて、所定の時間間隔内に所定の値以上の機体の加速度の上昇または変動を検知した後に、前記速度測定ステップにおいて、前記機体の速度が所定の値以下になったことを検知した場合に、前記機体が障害物に接触したとみなす、段落００１５に記載のドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、機体の加速度を測定する加速度測定ステップと、前記機体の障害物への接触を検知する接触検知ステップと、前記測定された機体の加速度の絶対値が所定値を超えなくても、第二の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に前記機体に所定の退避行動を取らせる退避行動ステップとを含むドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記退避行動ステップにおける前記所定の退避行動はホバリングである段落００１６または段落００１７に記載のドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。また、本願発明は、前記退避行動ステップにおける前記所定の退避行動は、薬剤散布の停止、音声による警告、または、警告灯による警告のいずれか一つ以上を含む、段落００１６、段落００１７、または、段落００１８前半に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記退避行動ステップでは、ホバリング開始後に、第三の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に、前記機体を進行方向後方に飛行させる段落００１８の前半に記載のドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、回転翼の回転数を測定する回転数測定ステップと、前記測定された回転数が、第一の所定の回転数を下回る場合には、機体に所定の退避行動を取らせる退避行動ステップとを含むドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記退避行動はモーターの回転を停止させることである段落００２０に記載のドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記退避行動ステップでは、モーターが前記第一の所定の回転数より低い第二の所定の回転数を維持できる場合には飛行を継続させる段落００２０に記載のドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、機体の加速度を測定する加速度測定命令と、前記機体の障害物への接触を検知する接触検知命令と、前記測定された機体の加速度の絶対値が所定値を超え、かつ、第一の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に前記機体に所定の退避行動を取らせる退避行動命令とをコンピューターに実行させるドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、機体の加速度を測定する加速度測定命令と、前記機体の障害物への接触を検知する接触検知命令と、前記測定された機体の加速度の絶対値が所定値を超えなくても、第二の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に前記機体に所定の退避行動を取らせる退避行動命令とをコンピューターに実行させるドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。前記接触検知命令では、圧力センサー、または、マイクロスイッチを使用して接触を検知してよい。また、本願発明は、さらに、速度測定命令をコンピューターに実行させ、前記加速度測定命令の実行において、所定の時間間隔内に所定の値以上の機体の加速度の上昇または変動を検知した後に、前記速度測定命令の実行において、前記機体の速度が所定の値以下になったことを検知した場合に、前記機体が障害物に接触したとみなす、段落００２３、または、段落００２４の前半に記載のドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記所定の退避行動はホバリングである段落００２３または段落００２４に記載のドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。また、本願発明は、前記所定の退避行動は、薬剤散布の停止、音声による警告、または、警告灯による警告のいずれか一つ以上を含む、段落００２３、段落００２４、または、段落００２５の前半に記載のドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記退避行動ステップ命令は、さらに、ホバリング開始後に、第三の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に、前記機体を進行方向の後方に飛行させる命令を含む段落００２４に記載のドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、回転翼の回転数を測定する回転数測定命令と、前記測定された回転数が、第一の所定の回転数を下回る場合には、機体に所定の退避行動を取らせる退避行動命令とをコンピューターに実行させるドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記退避行動は前記モーターの回転を停止させることである段落００２７に記載のドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記退避行動命令は、モーターが前記第一の所定の回転数より低い第二の所定の回転数を維持できる場合には飛行を継続させる命令を含む請求項段落００２７記載のドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。
なお、コンピュータプログラムは、インターネット等のネットワークを介したダウンロードによって提供したり、ＣＤ−ＲＯＭなどのコンピュータ読取可能な各種の記録媒体に記録して提供したりすることができる。

自律飛行時であっても、高い安全性を維持できるドローン（飛行体）が提供される。

本願発明に係る農業用ドローンの実施例の平面図である。本願発明に係る農業用ドローンの実施例の正面図である。本願発明に係る農業用ドローンの実施例の右側面図である。本願発明に係る農業用ドローンの実施例を使用した薬剤散布システムの全体概念図の例である。本願発明に係る農業用ドローンの実施例の制御機能を表した模式図である。本願発明に係るドローンの実施例の接触検知時の処理を表したフローチャートである。本願発明に係るドローンの実施例の巻き込み検知時の処理を表したフローチャートである。本願発明に係るドローンのプロペラガードの構造の例を表した模式図である。本願発明に係るドローンのプロペラガードの支持部の構造の第一の実施例を表した模式図である。本願発明に係るドローンのプロペラガードの支持部の構造の第二の実施例を表した模式図である。

以下、図を参照しながら、本願発明を実施するための形態について説明する。図はすべて例示である。

図１に本願発明に係るドローン（100）の実施例の平面図を、図２にその（進行方向側から見た）正面図を、図３にその右側面図を示す。なお、本願明細書において、ドローンとは、動力手段（電力、原動機等）、操縦方式（無線であるか有線であるか、および、自律飛行型であるか手動操縦型であるか等）を問わず、複数の回転翼または飛行手段を有する飛行体全般を指すこととする。

回転翼（101-1a、101-1b、101-2a、101-2b、101-3a、101-3b、101-4a、101-4b）（ローターとも呼ばれる）は、ドローン（100）を飛行させるための手段であり、飛行の安定性、機体サイズ、および、バッテリー消費量のバランスを考慮し、8機（2段構成の回転翼が4セット）備えられていることが望ましい。

モーター（102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、102-4ａ、102-4b）は、回転翼（101-1a、101-1b、101-2a、101-2b、101-3a、101-3b、101-4a、101-4b）を回転させる手段（典型的には電動機だが発動機等であってもよい）であり、一つの回転翼に対して1機設けられていることが望ましい。１セット内の上下の回転翼（たとえば、101-1aと101-1b）、および、それらに対応するモーター（たとえば、102-1aと102-1b）は、ドローンの飛行の安定性等のために軸が同一直線上にあり、かつ、互いに反対方向に回転することが望ましい。なお、一部の回転翼（101-3b）、および、モーター（102-3b）が図示されていないが、その位置は自明であり、もし左側面図があったならば示される位置にある。図２、および、図３に示されるように、回転翼（102）が異物と干渉しないよう設けられたプロペラガードを支えるための放射状の部材は水平ではなくやぐら上の構造であることが望ましい。衝突時に当該部材が回転翼（102）外側に座屈することを促し、回転翼（102）と干渉することを防ぐためである。

薬剤ノズル（103-1、103-2、103-3、103-4）は、薬剤を下方に向けて散布するための手段であり4機備えられていることが望ましい。なお、本願明細書において、薬剤とは、農薬、除草剤、液肥、殺虫剤、種、および、水などの圃場に散布される液体または粉体を一般的に指すこととする。

薬剤タンク（104）は散布される薬剤を保管するためのタンクであり、重量バランスの観点からドローン（100）の重心に近い位置でかつ重心より低い位置に設けられていることが望ましい。薬剤ホース（105-1、105-2、105-3、105-4）は、薬剤タンク（104）と各薬剤ノズル（103-1、103-2、103-3、103-4）とを接続する手段であり、硬質の素材から成り、当該薬剤ノズルを支持する役割を兼ねていてもよい。ポンプ（106）は、薬剤をノズルから吐出するための手段である。

図４に本願発明に係るドローン（100）の薬剤散布用途の実施例を使用したシステムの全体概念図を示す。本図は模式図であって、縮尺は正確ではない。操縦器（401）は、使用者（402）の操作によりドローン（100）に指令を送信し、また、ドローン（100）から受信した情報（たとえば、位置、薬剤量、電池残量、カメラ映像等）を表示するための手段であり、コンピューター・プログラムを稼働する一般的なタブレット端末等の携帯情報機器によって実現されてよい。本願発明に係るドローン（100）は自律飛行を行なうよう制御されることが望ましいが、離陸や帰還などの基本操作時、および、緊急時にはマニュアル操作が行なえるようになっていることが望ましい。携帯情報機器に加えて、緊急停止専用の機能を有する非常用操作機（図示していない）を使用してもよい（非常用操作機は緊急時に迅速に対応が取れるよう大型の緊急停止ボタン等を備えた専用機器であることが望ましい）。操縦器（401）とドローン（100）はWi-Fi等による無線通信を行なうことが望ましい。

圃場（403）は、ドローン（100）による薬剤散布の対象となる田圃や畑等である。実際には、圃場（403）の地形は複雑であり、事前に地形図が入手できない場合、あるいは、地形図と現場の状況が食い違っている場合がある。通常、圃場（403）は家屋、病院、学校、他作物圃場、道路、鉄道等と隣接している。また、圃場（403）内に、建築物や電線等の障害物が存在する場合もある。

基地局（404）は、Wi-Fi通信の親機機能等を提供する装置であり、RTK-GPS基地局としても機能し、ドローン（100）の正確な位置を提供できるようにすることが望ましい（Wi-Fi通信の親機機能とRTK-GPS基地局が独立した装置であってもよい）。営農クラウド（405）は、典型的にはクラウドサービス上で運営されているコンピューター群と関連ソフトウェアであり、操縦器（401）と携帯電話回線等で無線接続されていることが望ましい。営農クラウド（405）は、ドローン（100）が撮影した圃場（403）の画像を分析し、作物の生育状況を把握して、飛行ルートを決定するための処理を行なってよい。また、保存していた圃場（403）の地形情報等をドローン（100）に提供してよい。加えて、ドローン（100）の飛行および撮影映像の履歴を蓄積し、様々な分析処理を行なってもよい。

通常、ドローン（100）は圃場（403）の外部にある発着地点（406）から離陸し、圃場（403）に薬剤を散布した後に、あるいは、薬剤補充や充電等が必要になった時に発着地点（406）に帰還する。発着地点（406）から目的の圃場（403）に至るまでの飛行経路（侵入経路）は、営農クラウド（405）等で事前に保存されていてもよいし、使用者（402）が離陸開始前に入力してもよい。

図５に本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の制御機能を表した模式図を示す。フライトコントローラー（501）は、ドローン全体の制御を司る構成要素であり、具体的にはCPU、メモリー、関連ソフトウェア等を含む組み込み型コンピューターであってよい。フライトコントローラー（501）は、操縦器（401）から受信した入力情報、および、後述の各種センサーから得た入力情報に基づき、ESC（Electronic Speed Control）等の制御手段を介して、モーター（102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、104-a、104-b）の回転数を制御することで、ドローン（100）の飛行を制御する。モーター（102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、104-a、104-b）の実際の回転数はフライトコントローラー（501）にフィードバックされ、正常な回転が行なわれているかを監視できる構成になっていることが望ましい。あるいは、回転翼（101）に光学センサー等を設けて回転翼（101）の回転がフライトコントローラー（501）にフィードバックされる構成でもよい。

フライトコントローラー（501）が使用するソフトウェアは、機能拡張・変更、問題修正等のために記憶媒体等を通じて、または、Wi-Fi通信やUSB等の通信手段を通じて書き換え可能になっていることが望ましい。この場合において、不正なソフトウェアによる書き換えが行なわれないように、暗号化、チェックサム、電子署名、ウィルスチェックソフト等による保護を行なうことが望ましい。また、フライトコントローラー（501）が制御に使用する計算処理の一部が、操縦器（401）上、または、営農クラウド（405）上や他の場所に存在する別のコンピューターによって実行されてもよい。フライトコントローラー（501）は重要性が高いため、その構成要素の一部または全部が二重化されていてもよい。

バッテリー（502）は、フライトコントローラー（501）、および、ドローンのその他の構成要素に電力を供給する手段であり、充電式であることが望ましい。バッテリー（502）はヒューズ、または、サーキットブレーカー等を含む電源ユニットを介してフライトコントローラー（501）に接続されていることが望ましい。バッテリー（502）は電力供給機能に加えて、その内部状態（蓄電量、積算使用時間等）をフライトコントローラー（501）に伝達する機能を有するスマートバッテリーであることが望ましい。

フライトコントローラー（501）は、Wi-Fi子機機能（503）を介して、さらに、基地局（404）を介して操縦器（401）とやり取りを行ない、必要な指令を操縦器（401）から受信すると共に、必要な情報を操縦器（401）に送信できることが望ましい。この場合に、通信には暗号化を施し、傍受、成り済まし、機器の乗っ取り等の不正行為を防止できるようにしておくことが望ましい。基地局（404）は、Wi-Fiによる通信機能に加えて、RTK-GPS基地局の機能も備えていることが望ましい。RTK基地局の信号とGPS測位衛星からの信号を組み合わせることで、GPSモジュール（504）により、ドローン（100）の絶対位置を数センチメートル程度の精度で測定可能となる。GPSモジュール（504）は重要性が高いため、二重化・多重化しておくことが望ましく、また、特定のGPS衛星の障害に対応するため、冗長化されたそれぞれのGPSモジュール（504）は別の衛星を使用するよう制御することが望ましい。

加速度センサー（505）はドローン機体の加速度を測定する手段（さらに、加速度の積分により速度を計算する手段）であり、6軸センサーであることが望ましい。加速度センサー（505）に代えて、または、加えて6軸ジャイロセンサー、3軸角度センサー、または、その両方を使用してもよい。地磁気センサー（506）は、地磁気の測定によりドローン機体の方向を測定する手段である。気圧センサー（507）は、気圧を測定する手段であり、間接的にドローンの高度も測定することもできる。レーザーセンサー（508）は、レーザー光の反射を利用してドローン機体と地表との距離を測定する手段であり、IR（赤外線）レーザーを使用することが望ましい。ソナー（509）は、超音波等の音波の反射を利用してドローン機体と地表との距離を測定する手段である。これらのセンサー類は、ドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよい。また、機体の傾きを測定するためのジャイロセンサー（角速度センサー）、風力を測定するための風力センサーなどが追加されていてもよい。また、これらのセンサー類は、二重化または多重化されていることが望ましい。同一目的複数のセンサーが存在する場合には、フライトコントローラー（501）はそのうちの一つのみを使用し、それが障害を起こした際には、代替のセンサーに切り替えて使用するようにしてもよい。あるいは、複数のセンサーを同時に使用し、それぞれの測定結果が一致しない場合には障害が発生したと見なすようにしてもよい。

流量センサー（510）は薬剤の流量を測定するための手段であり、薬剤タンク（104）から薬剤ノズル（103）に至る経路の複数の場所に設けられていることが望ましい。液切れセンサー（511）は薬剤の量が所定の量以下になったことを検知するセンサーである。マルチスペクトルカメラ（512）は圃場(403)を撮影し、画像分析のためのデータを取得する手段である。障害物検知カメラ（513）はドローン障害物を検知するためのカメラであり、画像特性とレンズの向きがマルチスペクトルカメラ（512）とは異なるため、マルチスペクトルカメラ（512）とは別の機器であることが望ましい。スイッチ（514）はドローン（100）の使用者（402）が様々な設定を行なうための手段である。障害物接触センサー（515）はドローン（100）、特に、そのローターやプロペラガード部分が電線、建築物、人体、立木、鳥、または、他のドローン等の障害物に接触したことを検知するためのセンサーである。カバーセンサー（516）は、ドローン（100）の操作パネルや内部保守用のカバーが開放状態であることを検知するセンサーである。薬剤注入口センサー（517）は薬剤タンク（104）の注入口が開放状態であることを検知するセンサーである。これらのセンサー類はドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよく、二重化・多重化してもよい。また、ドローン（100）外部の基地局（404）、操縦器（401）、または、その他の場所にセンサーを設けて、読み取った情報をドローンに送信してもよい。たとえば、基地局（404）に風力センサーを設け、風力・風向に関する情報をWi-Fi通信経由でドローン（100）に送信するようにしてもよい。

フライトコントローラー（501）はポンプ（106）に対して制御信号を送信し、薬剤吐出量の調整や薬剤吐出の停止を行なう。ポンプ（106）の現時点の状況（たとえば、回転数等）は、フライトコントローラー（501）にフィードバックされる構成となっていることが望ましい。

LEDは、ドローンの操作者に対して、ドローンの状態を知らせるための表示手段である。LEDに替えて、または、それに加えて液晶ディスプレイ等の表示手段を使用してもよい。ブザー（518）は、音声信号によりドローンの状態（特にエラー状態）を知らせるための出力手段である。Wi-Fi子機機能（519）は操縦器（401）とは別に、たとえば、ソフトウェアの転送などのために外部のコンピューター等と通信するためのオプショナルな構成要素である。Wi-Fi子機機能に替えて、または、それに加えて、赤外線通信、Bluetooth（登録商標）、ZigBee（登録商標）、NFC等の他の無線通信手段、または、USB接続などの有線通信手段を使用してもよい。スピーカー（520）は、録音した人声や合成音声等により、ドローンの状態（特にエラー状態）を知らせる出力手段である。天候状態によっては飛行中のドローン（100）の視覚的表示が見にくいことがあるため、そのような場合には音声による状況伝達が有効である。警告灯（521）はドローンの状態（特にエラー状態）を知らせるストロボライト等の表示手段である。これらの入出力手段は、ドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよく、二重化・多重化してもよい。

（接触検知センサー）
本願発明に係るドローンは障害物接触センサー（515）（以下、「接触検知センサー」とも呼ぶ）を備えることが望ましい。接触検知センサー（515）は、立木、電線、建築物等に対するドローンの「接触」を検知するためのセンサーであり、鳥との「衝突」やドローンどうしの「衝突」を検知するセンサーとは目的を異にする。衝突の場合はモーターの緊急停止等の対応が不可避となるが、接触の場合は、以下に述べるように、ホバリングや進行方向の逆転等による退避行動が可能だからである。

接触検知センサー（515）は、ドローン（100）の再外周部に位置することになるプロペラガード部に設置することが望ましい。接触検知センサー（515）はマイクロスイッチ、または、ピエゾ素子などの圧力検知素子を使用して実現してよい。二重反転ローターの上下のプロペラガード部のそれぞれに接触検知センサー（515）を設けてもよい。プロペラガードの周囲に各方向別の複数の接触検知センサー（515）を備えてもよいが、プロペラガードが機体本体と接続する部分に接触検知センサー（515）を設けることで、ひとつのセンサーが複数の方向への接触を検知するようにしてもよい。各方向の接触検知センサー（514）は二重化または多重化することが好ましい。この場合において、マイクロスイッチとピエゾ素子といったように、異なる方式での二重化・多重化を行なってもよい。

ドローンに備えられた加速度センサー（505）によって接触を検知してもよい。この場合には、加速度の絶対値の大きさにより退避が不可能な衝突と退避が可能な接触とを区別することが望ましい。たとえば、30G以上の絶対値の加速度が発生した時は衝突であり、9Gから30Gの絶対値の加速度が発生した時は、立木、電線、建築物等に対するドローンの接触と判定してよい。

加速度センサー（505）によって接触が検知され、かつ、接触検知センサー（515）によっても所定時間（たとえば3秒間）以上の接触が検知されたことを条件として、ドローン（100）が障害物に接触したと判定し、退避行動を取るようにしてもよい。このようにすることでたとえば一時的な強風を障害物への接触と誤検知すること等を防ぐことができる。加速度センサー（505）によって接触が検知されなくても、接触検知センサー（515）によってより長い所定時間（たとえば、10秒間）以上の接触が検知されたことを条件として、ドローン（100）が障害物に接触したと判定し退避行動を取るようにしてもよい。電線などのように弾力のある障害物にドローン（100）がゆっくりと接触した場合には加速度センサー（505）のみでは正確な接触検知が困難な可能性があるが、そのような場合にも適切に接触を検知するためである。

代替の方法として、加速度センサー（505）によりきわめて短い時間（たとえば、500ミリ秒）の間に加速度のピークまたは所定値以上の変動が発生し、その後、ドローン（100）の速度がほぼゼロになった場合には電線等に接触したと判断してもよい。なお、ドローン（100）の飛行速度はGPSによる位置座標の変化等により測定可能である。

（接触時退避行動）
接触を検知した場合には、フライトコントローラー（501）はドローンにホバリング（上空での停止）を行なわせるようにモーター（102）を制御することが望ましい。合わせて、操縦器（401）にエラー・メッセージを表示することが望ましい。ドローン（100）が薬剤を散布中の場合には薬剤の散布を停止することが望ましい。ホバリング状態で薬剤散布を継続すると過剰散布となる危険性があるからである。また、操縦器（401）の表示により、遠隔操縦を行なう使用者に対して、次に取るべき行動（モーターの緊急停止、発着所への帰還、手動操縦への切替え等）の指示を求めることが望ましい。加えて、緊急着陸の際に下方にいる人に危険を知らせるために、ドローン本体からブザー（518）等により、警告音を発生してもよい。同様に、ドローンに備えられた警告灯（521）を点灯または点滅してもよい。

ホバリング状態に入ったにもかかわらず、接触検知センサーの接触検知が解除されない場合（たとえば、弾力性がある電線に引っかかったような場合）には、フライトコントローラー（501）は、ドローンの機体を後方（今まで進んできた方向とは逆方向）に飛行させることが望ましい。この場合において、ドローンが移動できない場合（GPS（504）が測定した機体位置が変化しない場合等）、または、依然として接触検知センサーの接触状態が解除されない場合には、改めて操縦器（401）にエラー・メッセージを表示し、操作員に対して、次に取るべき行動（モーターの緊急停止、発着所への帰還、手動操縦への切替え等）の指示を求めることが望ましい。上記の接触検知時の処理の例を図６のフローチャートにまとめた。

（異物巻き込み検知）
本願発明に係るドローンが備えるモーター（102）は回転数を測定でき、フライトコントローラー（501）の入力にできるものであることが望ましい。少なくとも一つのモーター（102）の回転数が入力電圧に対する正常時の目標回転数（たとえば、5,000rpm）に対して所定の回転数（たとえば、1,000rpm）以上下回っていることが検知された場合には、フライトコントローラー（501）は、回転翼に、新聞紙、ロープ、植物、ポリ袋等の異物が巻き込まれていると判断し、ドローンに所定の退避行動を取らせることが望ましい。モーター（102）の回転数を測定する代わりに、回転翼（101）の回転数を光学センサー等により直接測定してもよい。

ここで、異物巻き込みの判断処理は二段階であってよい。すなわち、モーターの実際の回転数が正常時の目標回転数（たとえば、5,000rpm）に対して所定の回転数（たとえば、1,000rpm）以上下回っていることが検知された場合に、目標回転数を下げ、モーターの回転数が新たな目標回転数（たとえば、3,000rpm）を維持できるか再度確認してよい。巻き込んだ異物の特性によっては、モーターは低い回転数（たとえば、3,000rpm）を維持しながら飛行できる可能性がある。たとえば、ポリ袋を巻き込んだ場合などがこれに当たる。この場合には、ドローン（100）を縮退運転させ、発着地点（406）に速やかに帰還させることが好ましい。この場合において、上記の障害物への接触の場合と同様に、操縦器（401）へのメッセージ表示、ブザー（518）からの警告音発生、および、ドローン本体の警告灯（521）の点灯や点滅等を行なうことが望ましい。

一方、目標回転数を下げた後にも、依然としてモーターの回転数が所定の回転数に至らない場合には、縮退運転は好ましくない状況であると判断し、フライトコントローラー（501）は、すべてのモーターを停止して、ドローン（100）を緊急停止させ、地表に落下させてよい。たとえば、ロープ状の物を巻き込んだ場合などがこれに当たる。この場合において、ドローン（100）の暴走を避けるためにすべてのモーターを同時に停止させることが望ましい。この際、上記の障害物への接触の場合と同様に、操縦器（401）へのメッセージ表示、ブザー（518）からの警告音発生、および、ドローン本体の警告灯（521）の点灯や点滅等を行なうことが望ましい。

さらに、モーターの回転数の低下を検知して目的回転数を下げるというプロセスを二回以上繰り返し、それでも縮退運転が不可能な場合のみ、ドローン（100）を緊急停止させるようにしてもよい。

巻き込みの検知において、誤検知を避けるためにモーターの回転数低下が所定の時間以上続いた場合のみに巻き込みが発生したと判断するようにしてもよい。この場合において、ドローンが地上にあることが高度センサー（たとえば、GPS（504））より明らかである場合には、所定の時間を待つことなく即座に巻き込みが発生したと判断し、モーターを即時に停止する制御を行なうことが望ましい。指入れ事故等の可能性が高いからである。上記の巻き込み検知時の処理の例を図７のフローチャートにまとめた。

（プロペラガード）
図８に本願発明に係るドローンのプロペラガード部の実施例の構造の模式図を示す。図８は模式図であり縮尺は必ずしも正確ではない。また、スペースの都合上4分の1円のみを示す。なお、図１、図２、および、図３には図８の構造は反映されていない。プロペラガードは指入れ事故を防ぐために格子状の部材が設けられていることが望ましく、外周部（801）、中央部（802）、内周部（803）の３つのエリアに分割されて設計されている（機械構造としては一体だが、エリアごとに異なる設計となっている）ことが望ましい。重量増、および、回転翼の気流に対する空気抵抗増加等の点でプロペラガードは安全性を維持しつつ、できるだけ少ない部材で構成すべきだからである。外周部（801）は、ローター（プロペラ）の線速度が最も速いこと、および、機体運搬時にプロペラガードの周辺部を手で持つことが多いことから、特に指入れ事故の危険性が高いため指が入らない隙間（たとえば、15ミリメートル以下）を持つ格子構造とすることが望ましい。一方、ローターの中心により近い中央部（802）はローターの線速度が比較的低いが、落下時に幼児の頭にはまらないことが望ましいため、およそ15センチメートルの隙間がある格子構造とすることが望ましい。諸安全基準により求められるローターの線速度の制限を遵守できるのであれば、内周部（803）は格子構造のガードがなくてもよい。たとえば、プロペラガード全体の半径が36センチメートルである場合には、外周部（801）の幅は約5センチメートル、中央部（802）の幅は約10センチメートル、内周部（803）の幅は約21センチメートルであってよい。

図９に本願発明に係るドローンのプロペラガードを機体本体に接続する支持部の第一の実施例の断面および上面の模式図を示す（図９−ａ）は断面図、図９−ｂ)は上面図）。図９は模式図であり縮尺は正確ではない。また、スペースの都合上4分の1円のみを示す。なお、なお、図１、図２、図３、および、図８には、図９の構造は反映されていない。プロペラガードは衝突時に座屈変形または破断した場合でもローターの回転空間に侵入しない構造とすることが望ましい。プロペラガード外周部（901）はローター（902）の先端から十分な隙間（たとえば、10センチメートルから15センチメートル）を設けた位置となる構造にすることが望ましい。また、プロペラガード放射部（903）には、衝突した場合の座屈変形が回転翼に対して外側に起こるよう切り欠き（904）を設けることが望ましい。切り欠き（904）に替えて、または、加えて、内側のみを強化するためのリブ等の部材の一体化、放射部部材の半径を内側の方が太くなるようにした構造等により、外側に対する座屈を促すようにしてもよい。

図１０に本願発明に係るドローンのプロペラガードを機体本体に接続する支持部の第二の実施例の断面図を示す。なお、図１、図２、および、図３には、図１０のプロペラガード構造が反映されている。本実施例では、プロペラガード周辺部（1001）と機体本体（1003）（典型的には回転翼（1004）の中心軸と一致する位置に設けられた部材）とをつなぐ放射状の支持部（1002）は水平ではなく、やぐら状に構成されることが望ましい。すなわち、ドローン（100）を水平に置いて見た場合、回転翼の上面にある支持部（1002）の端を中心部では高く、周辺部では低い位置に設け、回転翼の下面にある支持部（1002）の端を中心部では低く、周辺部では高い位置に設けることが望ましい。このような構造を採ることにより、ドローンが衝突した場合の支持部（1002）の座屈変形が回転翼（1004）に対して外側に起こることを促し、回転翼（1004）との干渉を避けることができる。図10の構造の支持部（1002）に対して、図9に示した切り欠き部、または、前述のような外側に対する座屈を促す機構をさらに設けてもよい。

ここまでで、薬剤散布を目的とするドローンの実施例を説明してきたが、本願発明は薬剤散布を行なわず、たとえば、カメラによる生育監視を行なう農業用ドローン、および、一般的なドローンにも広く適用可能である。

（本願発明による技術的に顕著な効果）
本願発明により、特に自律飛行を行なうドローンにおいて安全面の課題となる以下のような危険事象に対して効果的に対応できるようになる。第一に、鳥、立木、電線、建築物等への予期せぬ接触の際に適切な退避行動を取ることができる。第二に、ロープ、ポリ袋、樹木の枝等を回転翼に巻き込んだ際に適切な退避行動を取ることができる。第三に、回転翼に対する指入れ事故を防ぐことができる。第四に、万一の墜落や衝突の際にも、プロペラガートと回転翼が干渉することがないため、二次被害や機器の過剰な損傷を避けることができる。

Claims

加速度測定手段と飛行制御手段と速度測定手段を備えたドローンであって、
前記加速度測定手段が、所定の時間間隔内に所定の値以上の機体の加速度の上昇または変動を検知し、かつ、前記速度測定手段が、前記機体の速度が所定の値以下になったことを検知した場合に、前記飛行制御手段が前記機体に所定の退避行動を取らせるドローン。
前記所定の退避行動はホバリングである請求項１記載のドローン。
接触検知手段をさらに備え、
前記加速度測定手段が測定した前記機体の加速度の絶対値が所定値を超えなくとも、前記接触検知手段が、第二の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に前記飛行制御手段が機体に前記所定の退避行動を取らせ、
前記所定の退避行動は、薬剤散布の停止を含む、請求項１又は2記載のドローン。
前記所定の退避行動は、音声による警告、警告灯による警告、または、操作器に表示のいずれか一つ以上を含む、請求項１乃至３のいずれかに記載のドローン。
加速度測定手段と接触検知手段と飛行制御手段とを備えたドローンであって、
前記加速度測定手段が測定した機体の加速度の絶対値が所定値を超え、かつ、前記接触検知手段が、第一の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に前記飛行制御手段が前記機体に所定の退避行動を取らせ、
前記所定の退避行動はホバリングであり、
前記接触検知手段が、ホバリング後に第三の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に、前記飛行制御手段が前記機体を進行方向の後方に飛行させるドローン。
加速度測定手段と接触検知手段と飛行制御手段とを備えたドローンであって、
前記加速度測定手段が測定した機体の加速度の絶対値が所定値を超えなくとも、前記接触検知手段が、第二の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に前記飛行制御手段が機体に所定の退避行動を取らせ、
前記所定の退避行動はホバリングであり、
前記接触検知手段が、ホバリング後に第三の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に、前記飛行制御手段が前記機体を進行方向の後方に飛行させるドローン。
機体の加速度を測定する加速度測定ステップと、
速度測定ステップと、
前記機体に所定の退避行動を取らせる退避行動ステップと、を含み、
前記加速度測定ステップにおいて、所定の時間間隔内に所定の値以上の機体の加速度の上昇または変動を検知し、かつ、前記速度測定ステップにおいて、前記機体の速度が所定の値以下になったことを検知した場合に、前記退避行動ステップにおいて、前記機体に前記所定の退避行動を取らせる、
ドローン制御方法。
前記退避行動ステップにおける前記所定の退避行動はホバリングである請求項７記載のドローン制御方法。
前記機体の障害物への接触を検知する接触検知ステップをさらに含み、
前記退避行動ステップは、前記測定された機体の加速度の絶対値が所定値を超えなくても、第二の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に前記機体に前記所定の退避行動を取らせ、
前記退避行動ステップにおける前記所定の退避行動は、薬剤散布の停止を含む、
請求項７又は８記載のドローン制御方法。
前記所定の退避行動は、音声による警告、警告灯による警告、または、操作器に表示のいずれか１つ以上を含む、請求項７乃至９のいずれかに記載のドローン制御方法。
機体の加速度を測定する加速度測定ステップと、
前記機体の障害物への接触を検知する接触検知ステップと、
前記測定された機体の加速度の絶対値が所定値を超え、かつ、第一の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に前記機体に所定の退避行動を取らせる退避行動ステップと、を含み、
前記所定の退避行動はホバリングであり、
前記退避行動ステップでは、ホバリング開始後に、第三の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に、前記機体を進行方向の後方に飛行させるドローン制御方法。
機体の加速度を測定する加速度測定ステップと、
前記機体の障害物への接触を検知する接触検知ステップと、
前記測定された機体の加速度の絶対値が所定値を超えなくても、第二の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に前記機体に所定の退避行動を取らせる退避行動ステップと、
を含み、
前記所定の退避行動はホバリングであり、
前記退避行動ステップでは、ホバリング開始後に、第三の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に、前記機体を進行方向の後方に飛行させるドローン制御方法。
機体の加速度を測定する加速度測定命令と、
速度測定命令と、
前記機体に所定の退避行動を取らせる退避行動命令と、
をコンピューターに実行させ、
前記加速度測定命令の実行において、所定の時間間隔内に所定の値以上の機体の加速度の上昇または変動を検知し、かつ、前記速度測定命令の実行において、前記機体の速度が所定の値以下になったことを検知した場合に、前記退避行動命令において、前記機体に前記所定の退避行動を取らせる、
ドローン制御プログラム。
前記所定の退避行動はホバリングである請求項１３記載のドローン制御プログラム。
前記機体の障害物への接触を検知する接触検知命令と、をさらにコンピュータに実行させ、
前記退避行動命令は、前記測定された機体の加速度の絶対値が所定値を超えなくても、第二の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に前記機体に前記所定の退避行動を取らせ、
前記所定の退避行動は、薬剤散布の停止を含む、
請求項１３又は１４記載のドローン制御プログラム。
前記所定の退避行動は、音声による警告、警告灯による警告、または、操作器に表示のいずれか一つ以上を含む、請求項１３乃至１５のいずれかに記載のドローン制御プログラム。
機体の加速度を測定する加速度測定命令と、
前記機体の障害物への接触を検知する接触検知命令と、
前記測定された機体の加速度の絶対値が所定値を超え、かつ、第一の所定時間以上にわたり前記機体への接触を検知した場合に前記機体に所定の退避行動を取らせる退避行動命令と、
をコンピューターに実行させ、
前記所定の退避行動はホバリングであり、
前記退避行動命令は、さらに、ホバリング開始後に、第三の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に、前記機体を進行方向の後方に飛行させる命令を含む、
ドローン制御プログラム。
機体の加速度を測定する加速度測定命令と、
前記機体の障害物への接触を検知する接触検知命令と、
前記測定された機体の加速度の絶対値が所定値を超えなくても、第二の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に前記機体に所定の退避行動を取らせる退避行動命令と、
をコンピューターに実行させ、
前記所定の退避行動はホバリングであり、
前記退避行動命令は、さらに、ホバリング開始後に、第三の所定時間以上にわたり前記機体の障害物への接触を検知した場合に、前記機体を進行方向の後方に飛行させる命令を含む、
ドローン制御プログラム。