JP7084892B2 - 無人飛行体 - Google Patents

Description

本発明は、無人飛行体に関する。本発明は、より具体的には、駆動源からの駆動力によってワイヤの巻き取りを行うウインチを備えた無人飛行体に関する。

電動モータ等の駆動源からの駆動力を利用してワイヤの巻き取りを行うウインチを備えた無人飛行体が知られている。この種の無人飛行体は、貨物を運搬するために用いられることがある。貨物の運搬時には、ワイヤをウインチに巻き取ることにより当該ワイヤの先端に取り付けられた貨物を飛行に支障のない高さまで引き上げた後に、無人飛行体を目的地上空まで飛行させる。そして、目的地上空で無人飛行体をホバリングさせながらワイヤを繰り出すことにより、当該ワイヤに取り付けられた貨物を目的地に降下させる。

特開２０１７－８７８９８号公報及び国際公開第２０１７／０７８１１８号に、貨物を運搬することができる無人飛行体が開示されている。この無人飛行体には、ワイヤの繰り出し及び巻き取りを行うウインチが設けられている。このウインチの巻き取り及び繰り出しの制御は、操縦者が送受信器を介して行うか、または、自律飛行プログラムの一機能としてプログラムに従って自動的に行うとされている。

特開２０１７－０８７８９８号公報 国際公開第２０１７／０７８１１８号

貨物を吊り下げるワイヤが弛んでいるときにウインチで巻き取りが行われると、ワイヤがウインチのスプール以外の部分や無人飛行体の機体に絡まってしまうおそれがある。ワイヤの巻き取りが操縦者の操作に応じて行われる場合には、操縦者がワイヤの弛みの有無を確認してから巻き取り操作を行うことでワイヤの絡まりを防ぐことが考えられる。しかしながら、ワイヤの巻き取りは、無人飛行体が操縦者から十分に視認できない位置で行われることがある。このため、操縦者の操作に依拠したのでは、ワイヤの絡まりを防止する対策としては不十分である。

本発明の目的の一つは、ウインチによる巻き取り時におけるワイヤの絡まりを防止又は抑制することができる無人飛行体を提供することである。本発明の上記以外の目的は、本明細書全体を参照することにより明らかとなる。

本発明の一実施形態による無人飛行体は、機体と、前記機体に設けられている複数の回転翼と、前記機体から物体を吊り下げるためのワイヤと、前記ワイヤが巻かれたスプールを回転可能に支持し、前記スプールを正転方向に回転させることにより前記ワイヤを巻き取るウインチと、前記ワイヤに作用する張力を検出するセンサと、前記張力が所定値以下のときに、前記スプールの前記正転方向への回転を制限するとともに、前記機体を上昇させるコントローラと、を備える。

本発明の一実施形態において、前記コントローラは、前記張力が前記閾値よりも大きくなるまで前記機体を上昇させる。

本発明の一実施形態において、前記コントローラは、前記張力が所定値以下のときに、前記機体に対する揚力が増加するように前記複数の回転翼を制御する。

本発明の一実施形態において、前記コントローラは、前記機体の加速度の鉛直方向上方の成分が所定値以上のときに、前記スプールの前記正転方向への回転を制限する。

本発明の実施形態による無人飛行体によって、ウインチによる巻き取り時にワイヤの絡まりを防止又は抑制することができる。

本発明の一実施形態による無人飛行体を模式的に示す斜視図である。 図１の無人飛行体の機能を説明するためのブロック図である。 図１の無人飛行体からのワイヤの繰り出し及び巻き取りを説明するための図である。図３においては、ワイヤが弛んでいる。 図１の無人飛行体からのワイヤの繰り出し及び巻き取りを説明するための図である。図４においては、ワイヤが弛んでいない。

以下、適宜図面を参照し、本発明の様々な実施形態を説明する。なお、各図面において共通する構成要素に対しては同一の参照符号が付されている。各図面は、説明の便宜上、必ずしも正確な縮尺で記載されているとは限らない点に留意されたい。

図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態による無人飛行体１について説明する。図１は、本発明の一実施形態による無人飛行体１を模式的に示す斜視図であり、図２は、無人飛行体１の機能を説明するためのブロック図である。

本明細書において、「無人飛行体」とは、人が飛行体に搭乗して操縦することなく遠隔的に操縦可能な又は自立的に飛行可能な飛行体のことである。無人飛行体１は、例えば、複数の回転翼を有するマルチコプターである。

図１に示されているように、本発明の一実施形態に係る無人飛行体１は、本体１０と、本体１０から外側に延びる６本のアーム１１と、この６本のアームの各々の外端に設けられた６つの支持体１２と、この支持体１２の各々に設けられた６つの回転翼１３と、を備える。回転翼１３は、アーム１１及び支持体１２を介して本体１０に設けられている。無人飛行体１は、ウインチ１５と、フック１６と、ワイヤ２０と、をさらに備えることができる。無人飛行体１の機体は、本体１０、アーム１１、及び支持体１２を含む。

支持体１２は、回転翼１３を回転可能に支持する。支持体１２は、回転翼１３に回転駆動力を与える駆動源を収容する。この駆動源は、例えば後述するモータ１２ａである。回転翼１３は、回転時に無人飛行体１の機体に揚力や推力を与えるように構成及び配置される。

図示の実施形態において、無人飛行体１は、ワイヤ２０により物体Ｍを吊り下げている。無人飛行体１から吊り下げられる物体Ｍは、無人飛行体１が吊り下げ可能な任意の物体である。物体Ｍは、例えば、カメラ、照明装置、スピーカー、マイク、センサー、消火装置、貨物、及びこれら以外の物体である。

ワイヤ２０は、その一端がウインチ１５に取り付けられ、その他端がフック１６に取り付けられる。ワイヤ２０は、ウインチ１５の下面に設けられたガイド部材を介してウインチ１５からフック１６へ案内される。

ワイヤ２０は、金属材料、合成樹脂材料、又はこれら以外の材料から成る。ワイヤ２０は、単線であってもよいし、撚線であってもよい。ワイヤ２０は、吊り下げる物体Ｍの重量、使用環境、又はこれら以外の要素に応じて適したものが選択される。ワイヤ２０は、ウインチ１５からガイド部材を介してフック１６まで引き回すことができる程度の可撓性を有していることが望ましい。

ウインチ１５は、一対の板状のフランジ１５ａと、この一対のフランジ１５ａの間に設けられたスプール１５ｂと、を有する。ワイヤ２０は、ウインチ１５のスプール１５ｂの外周面上に巻かれている。スプール１５ｂは、回転軸の周りで回転可能に一対のフランジ１５ａに支持される。ウインチ１５が駆動されると、スプール１５ｂが回転軸の周りに正転又は逆転する。スプール１５ｂが正転方向に回転するとワイヤがスプール１５ｂに巻き取られる。これとは逆に、スプール１５ｂが逆転方向に回転するとワイヤがスプール１５ｂから繰り出される。ウインチ１５を駆動するための駆動電力は、本体１０に収容されているバッテリから供給されてもよい。ウインチ１５の繰り出し及び巻き取りは、所定のアルゴリズムに従って行われてもよく、遠隔にいる操縦者からの指令に基づいて行われてもよい。

フック１６は、物体Ｍを保持可能に構成される。フック１６は、フック本体１６ａと、軸１６ｃの周りでフック本体１６ａに対して回転可能な可動部材１６ｂと、を備えることができる。可動部材１６ｂは、軸１６ｃ周りで回転することにより、可動部材１６ｂの軸１６ｃと反対側の端部がフック本体１６ａに接することでフック本体１６ａと可動部材１６ｂとにより閉ループが画定される閉姿勢、及び、可動部材１６の軸１６ｃと反対側の端部がフック本体１６ａから離間している開姿勢のいずれかの姿勢を取ることができる。可動部材１６ｂは、フック１６が貨物Ｍを保持する際には閉姿勢をとり、フック１６から貨物Ｍを取り外すときには開姿勢をとるように制御されてもよい。一実施形態においては、可動部材１６ｂは、図１に示されているように貨物Ｍがフック１６に保持されており可動部材１６ｂに対して一定以上の荷重が作用するときに閉姿勢を保持し、可動部材１６ｂに作用する荷重が所定値よりも小さくなったとき又は可動部材１６ｂにかかる荷重がなくなったときに自動的に閉姿勢から開姿勢に切り替えられてもよい。荷重が一定値よりも小さくなったことが検知された場合に可動部材を開姿勢に切り替えて貨物を開放するように構成された自動解除フックは公知である。自動解除フックは、無負荷釈放型フック又は自動荷役フックとも呼ばれる。かかる自動解除フックは、特開昭６１－２５７８８９号公報、特開２０００－３３５８７０号公報、及び特開２００２－１２８４５５号公報に開示されている。フック１６として、これらの自動解除フックを用いることができる。フック１６として、自動解除フックではなく、貨物Ｍの保持時には貨物が外れないようにロックされ、荷下ろし時に手動で当該ロックを解除するフックを用いることもできる。手動でロックを解除するタイプのフックとしては、例えば、カラビナフックが用いられ得る。

次に、図２を参照して、無人飛行体１の機能についてより詳細に説明する。図示のとおり、無人飛行体１は、コントローラ５０と、回転翼１３に回転駆動力を出力するモータ１２ａと、ウインチ１５に回転駆動力を出力するモータ１２ｂと、センサ１４と、ウインチ１５と、を備えている。

コントローラ５０は、コンピュータプロセッサ５１と、メモリ５２と、ストレージ５３と、を有する。コンピュータプロセッサ５１は、ストレージ５３又はそれ以外のストレージから飛行制御アルゴリズムを規定する飛行制御プログラムをメモリ５２にロードし、ロードした飛行制御プログラムに含まれる命令を実行する演算装置である。コンピュータプロセッサ５１は、飛行制御プログラム以外にも無人飛行体１の機能の実現に関連する様々なプログラムを実行することが可能である。コントローラ５０は、ＰＷＭ信号をモータ１２ａ及びモータ１２ｂに出力することによりモータ１２ａ及びモータ１２ｂの回転数を制御するように構成されてもよい。

一実施形態において、センサ１４は、ワイヤ２０に作用する張力を検出する張力センサである。センサ１４として、例えば歪みゲージが用いられ得る。無人飛行体１は、機体の加速度を検出する加速度センサを備えても良い。無人飛行体１は、センサ１４及び加速度センサ以外にも、ジャイロセンサ、地磁気センサ、気圧センサ、及びこれら以外の各種センサを備えてもよい。これらのセンサは、必要に応じてコントローラ５０と接続される。

コントローラ５０、モータ１２ｂ、センサ１４、通信装置、及びバッテリは、本体１０に収容されてもよい。無人飛行体１は、図示されている構成要素以外にも、通信装置、バッテリ、及びこれら以外の無人飛行体１の運用に必要となる様々な装置を備え得る。これらの構成要素は、必要に応じてコントローラ５０と接続される。

コントローラ５０は、無人飛行体１に備えられている各種センサの検出情報に基づき、飛行制御アルゴリズムに従って回転翼１３の回転数を制御することにより、無人飛行体１の姿勢や位置をコントロールするように構成されてもよい。

ストレージ５３には、スプール１５ｂの回転を制限するための閾値が記憶されてもよい。ストレージ５３には、例えば、スプール１５ｂの正転方向における回転を制限するための閾値Ｓ１が記憶されてもよい。一実施形態において、閾値Ｓ１として、フック１６に作用する重力ｍ１と運搬する貨物Ｍに作用する重力ｍ２とを合計した合計の重力（ｍ１＋ｍ２）よりもやや小さな値が設定される。つまり、Ｓ１＜（ｍ１＋ｍ２）とされる。Ｓ１は、（ｍ１＋ｍ２）の０．５倍～０．９５倍の範囲にある値、０．６倍～０．９倍の範囲にある値、又は０．７倍～０．８倍の範囲にある値とすることができる。閾値Ｓ１は、無人飛行体１の操縦者やそれ以外の貨物Ｍの運搬に関与する作業者により変更されてもよい。例えば、フック１６に代えてワイヤ２０に別のフックを取り付ける場合には、当該新しいフックの重量に応じて閾値Ｓ１の値を変更してもよい。また、運搬する貨物Ｍの重量に応じて閾値Ｓ１を変更してもよい。

コントローラ５０は、センサ１４によって検出されたワイヤ２０に作用する張力Ｔが閾値Ｓ１以下か否かを判定するように構成されてもよい。一実施形態において、コントロール５０は、ワイヤ２０に作用する張力Ｔが閾値Ｓ１以下のときにスプール１５ｂが正転方向に回転しないようにモータ１２ｂの回転を制御する。つまり、ワイヤ２０に作用する張力Ｔが閾値Ｓ１以下のときに、ウインチ１５によるワイヤ２０の巻き取りが禁止され、ワイヤ２０がスプール１５ｂに巻き取られない。一実施形態において、コントローラ５０は、センサ１４によって検出されたワイヤ２０に作用する張力Ｔが閾値Ｓ１以下のときに無人飛行体１の機体が上昇するように回転翼１３の回転数を制御する。言い換えると、コントローラ５０は、センサ１４によって検出されたワイヤ２０に作用する張力Ｔが閾値Ｓ１以下のときに回転翼１３によって生成される揚力が増加するように回転翼１３の回転を制御する。コントローラ５０は、センサ１４により検出されるワイヤ２０に作用する張力Ｔを監視し、この張力Ｔが閾値Ｓ１よりも大きくなるまで無人飛行体１の機体を上昇させてもよい。

一実施形態において、ワイヤ２０に働く張力が閾値Ｓ１よりも大きいときに、コントローラ５０は、スプール１５ｂの正転方向への回転を許容する。言い換えると、コントローラ５０は、ワイヤ２０に働く張力が閾値Ｓ１よりも大きいときにスプール１５ｂの正転方向への回転の制限を解除する。

別の実施形態において、コントローラ５０は、ワイヤ２０に働く張力が閾値Ｓ１よりも大きくても、無人飛行体１の機体の鉛直方向上方への加速度が閾値Ｓ２よりも大きい場合には、スプール１５ｂの正転方向への回転を制限する。つまり、コントローラ５０は、ワイヤ２０に働く張力が閾値Ｓ１よりも大きく、無人飛行体１の機体の鉛直方向上方への加速度が閾値Ｓ２よりも大きい場合に、ウインチ１５によるワイヤ２０の巻き取りを禁止してもよい。

コントローラ５０は、スプール１５ｂの正転方向への回転が許容されているときにウインチ１５に制御信号を出力することにより、スプール１５ｂを正転方向に回転させてワイヤ２０をスプール１５ｂに巻き取ることができる。

続いて、図３及び図４を参照して、貨物Ｍが取り付けられたワイヤ２０の巻き取りについて説明する。図３及び図４においては、ワイヤ２０にフック１６を介して運搬対象の貨物Ｍが取り付けられていることが想定されている。

無人飛行体１により貨物Ｍを運搬するときに、貨物Ｍを吊り下げるためのワイヤ２０が図３に示すように弛むことがある。例えば、貨物Ｍが地表Ｇに接しているときには、貨物Ｍの重量の少なくとも一部が地表Ｇによって支持されるため、ワイヤ２０に作用する張力が小さくなり、その結果ワイヤ２０が弛むことがある。ワイヤ２０が弛んでいるときにウインチ１５が巻き取り動作を行うと、ワイヤ２０が無人飛行体１の回転翼１３や機体の一部に絡まってしまうことがある。このため、ワイヤ２０が弛んでいるときには、ウインチ１５によるワイヤ２０の巻き取りが禁止される。より具体的には、センサ１４によって検出されたワイヤ２０に作用する張力Ｔが閾値Ｓ１以下のときにワイヤ２０が弛んでいると判定され、コントローラ５０の制御により、ウインチ１５の巻き取り動作が禁止される。上述のように、閾値Ｓ１は、Ｓ１＜（ｍ１＋ｍ２）となるように設定されてもよい。

検出された張力Ｔ及び閾値Ｓ１に基づいてワイヤ２０が弛んでいると判定されたときには、ウインチ１５による巻き取りを行わずに図４に示すようにワイヤ２０の弛みがなくなるまで無人飛行体１の機体を上昇させる。ワイヤ２０の弛みがなくなると、ワイヤ２０に対しては、フック１６に作用する重力と貨物Ｍに作用する重力との合計よりもワイヤ２０の自重だけ大きな張力Ｔが作用する。よって、ワイヤ２０が弛んでいないときには、ワイヤ２０に作用する張力Ｔについて、Ｔ＞（ｍ１＋ｍ２）が成り立つ。閾値Ｓ１をＳ１＜（ｍ１＋ｍ２）となるように設定しておくことにより、ワイヤ２０の弛みがなくなったときに検出される張力Ｔが閾値Ｓ１よりも大きくなる。このため、ワイヤ２０の弛みがなくなったときに、ウインチ１５によるワイヤ２０の巻き取りを行うことができる。

以上のように、ワイヤ２０が弛んでいるときにはウインチ１５による巻き取りではなく機体の上昇によりワイヤ２０の弛みをなくし、ワイヤ２０の弛みがなくなった後にウインチ１５での巻き取りが許容される。

続いて、上記実施形態が奏する作用効果について説明する。上記の一実施形態においては、コントローラ５０の制御により、ワイヤ２０に作用する張力Ｔに基づいてワイヤ２０が弛んでいるか否かが判定され、ワイヤ２０が弛んでいる場合にはスプール１５ｂの正転方向への回転が制限される（つまり、スプール１５ｂの正転方向への回転が禁止される）。これにより、弛んでいるワイヤ２０が無人飛行体１の機体や回転翼１３に絡まることを防止又は抑制できる。

上記の一実施形態において、コントローラ５０は、無人飛行体１の機体の加速度の鉛直方向上方の成分が所定値以上のときに、前記スプールの前記正転方向への回転を制限する。無人飛行体１が鉛直方向上方へ加速しているときにウインチ１５でワイヤ２０を巻き取ると、ワイヤ２０に対して貨物Ｍ及びフック１６の荷重による張力だけでなく、無人飛行体１の加速に起因する張力が作用する。このため、無人飛行体１が鉛直方向上方へ加速しているときにウインチ１５で巻き取りを行うと、巻き取り開始時にワイヤ２０に作用する張力が大きくなって、ワイヤ２０が破断する原因となり得る。そこで、無人飛行体１の機体の鉛直方向上方への加速度が閾値Ｓ２よりも大きい場合にスプール１５ｂの正転方向への回転を制限してワイヤ２０の巻き取りを禁止することにより、無人飛行体１の上方への加速によるワイヤ２０の破断を防止又は抑制することができる。

本明細書で説明された各構成要素の寸法、材料、及び配置は、実施形態中で明示的に説明されたものに限定されず、この各構成要素は、本発明の範囲に含まれうる任意の寸法、材料、及び配置を有するように変形することができる。また、本明細書において明示的に説明していない構成要素を、説明した実施形態に付加することもできるし、各実施形態において説明した構成要素の一部を省略することもできる。

上記の各実施形態は、適宜組み合わされてもよい。複数の実施形態を組み合わせることで実現される態様も、本発明の一実施形態となり得る。

１ 無人飛行体
１０ 本体
１１ アーム
１２ 支持体
１２ａ，１２ｂ モータ
１３ 回転翼
１４ センサ
１５ ウインチ
１６ フック
２０ ワイヤ
５０ コントローラ
Ｍ 貨物

Claims (4)

1. 機体と、
   前記機体に設けられている複数の回転翼と、
   前記機体から物体を吊り下げるためのワイヤと、
   前記ワイヤが巻かれたスプールを回転可能に支持し、前記スプールを正転方向に回転させることにより前記ワイヤを巻き取るウインチと、
   前記ワイヤに作用する張力を検出するセンサと、
   前記張力が所定値以下のときに、前記スプールの前記正転方向への回転を制限するとともに、前記機体を上昇させるコントローラと、
   を備える無人飛行体。
2. 前記コントローラは、前記張力が前記閾値よりも大きくなるまで前記機体を上昇させる、
   請求項１に記載の無人飛行体。
3. 前記コントローラは、前記張力が所定値以下のときに、前記機体に対する揚力が増加するように前記複数の回転翼を制御する、
   請求項１又は請求項２に記載の無人飛行体。
4. 前記コントローラは、前記機体の加速度の鉛直方向上方の成分が所定値以上のときに、前記スプールの前記正転方向への回転を制限する、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無人飛行体。

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