JP7236931B2 - ドローンシステム - Google Patents

Description

本発明は、建築物のメンテナンスなどに使用することができるドローンシステムに関する。

空中または水中あるいはその両方の領域を移動する無人移動体として定義されるドローンは、撮影、サンプルリターン、インパクトハンマリング、計測などの様々な用途に用いられている。このようなドローンは、建物、橋梁、ダム等の構造物のメンテナンスにも利用される。

ドローンは、あらかじめ設定された目的によって自律的に運動するか、無線（電波、可視光、あらゆる波長帯のレーザー光、音波、超音波のいずれか、あるいはこれらの複合）を用いて人間である操縦者によって操縦されるか、無線を通じた外部の制御装置（コンピュータを含む）によって制御される。

特開２０１８－７５８６９号公報

空中を移動するドローンを使用して建築物の撮影を行う場合、ドローンに搭載された電池容量等によって飛行時間が制限されるため、一度の飛行で大きな建築物の全体の撮影を行うことは難しい。

そこで、従来から、ドローンを長時間飛行させるために、有線ケーブルでドローンに電力を供給することが提案されている。しかしながら、ケーブルが建築物の一部に絡まることでドローンの正常な動作が妨げられることや、ケーブルの重量によってドローンの飛行範囲が制限される等の問題があり、大きな建築物の周囲全体を飛行できるようケーブルを引き回すことは現実的ではない。

そこで、本発明は、広大な範囲を自由に移動することができるドローンシステムを提供することを目的とする。

一態様では、複数の給電ケーブルによって直列に連結された複数のドローンと、可動式の給電装置とを備え、前記複数のドローンのそれぞれは、ジンバル機構を備え、前記ジンバル機構は、ドローン本体に接続された第１軸を中心に回転可能に構成された内側回転体と、前記内側回転体に接続された第２軸を中心に回転可能に構成された外側回転体とを備え、前記第１軸と、前記第２軸とは互いに直交しており、前記複数の給電ケーブルのそれぞれは、前記外側回転体に接続されており、前記複数の給電ケーブルは、前記給電装置に連結されており、前記給電装置は、電動機と、前記電動機に連結された滑車と、前記滑車に掛けられた搬送ケーブルと、前記搬送ケーブルに固定された可動本体とを備え、前記可動本体は、前記搬送ケーブルを介して前記滑車の回転に従って移動可能に構成されている、ドローンシステムが提供される。

一態様では、前記給電装置は、前記給電装置の外側に設置された線路に接触し、かつ前記線路に沿って移動可能に構成されている。
一態様では、前記給電装置は、前記給電装置を移動可能とする車輪を備え、前記車輪は、前記線路に転がり接触するように構成されている。
一態様では、前記給電装置は、前記線路に電気的に接続されており、かつ前記線路から電力が供給されるように構成されている。
一態様では、前記給電装置は、前記給電装置の外側に設置された架線に接触し、かつ前記架線に沿って移動可能な集電装置をさらに備えている。
一態様では、前記ドローンシステムは、前記複数の給電ケーブルがそれぞれ挿入された複数の保護管をさらに備えている。
一態様では、前記ドローンシステムは、前記複数の給電ケーブルのそれぞれの端部に取り付けられた複数の角度検出器をさらに備えている。

本発明によれば、複数のドローンのそれぞれは、ジンバル機構を介して給電ケーブルに接続されているため、各ドローンは、給電ケーブルの接続位置によって飛行範囲が制限されることなく、広範囲を飛行することができる。さらに、給電ケーブルは可動式の給電装置に接続されているため、各ドローンは、給電ケーブルの長さにかかわらず広大な範囲を飛行することができる。

ドローンシステムの一実施形態を示す模式図である。 複数のドローンの一実施形態を示す模式図である。 ドローンシステムの適用例を示す模式図である。 ドローンシステムの適用例を示す模式図である。 ドローンシステムの他の実施形態を示す模式図である。 ドローンシステムのさらに他の実施形態を示す模式図である。 図５および図６を参照して説明したドローンシステムの適用例を示す模式図である。 ドローンシステムのさらに他の実施形態を示す模式図である。 ドローンシステムのさらに他の実施形態を示す模式図である。 集電装置の他の実施形態を示す模式図である。 ドローンシステムのさらに他の実施形態を示す模式図である。 ドローンシステムのさらに他の実施形態を示す模式図である。 ドローンシステムのさらに他の実施形態を示す模式図である。 ドローンシステムのさらに他の実施形態を示す模式図である。 ドローンシステムのさらに他の実施形態を示す模式図である。 角度検出器の一実施形態を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、ドローンシステムの一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、ドローンシステム１は、建築物の撮影や計測などを行う複数のドローン１０と、複数のドローン１０に電力を供給する複数の給電ケーブル３と、可動式の給電装置３０とを備えている。本実施形態のドローン１０は、空中を移動するドローンであり、複数のドローン１０は、複数の給電ケーブル３によって直列に接続されている。

複数の給電ケーブル３は、給電装置３０に連結されている。より具体的には、複数の給電ケーブル３のうちの１つが給電装置３０に接続されており、その他の給電ケーブル３は、複数のドローン１０のうちの少なくとも１つおよび複数の給電ケーブル３のうちの少なくとも１つを介して給電装置３０に連結されている。これにより、給電装置３０は、複数の給電ケーブル３を介して複数のドローン１０に電力を供給することができる。複数の給電ケーブル３のうちの１つは可動式の給電装置３０に接続されているため、各ドローン１０は、給電ケーブル３の長さにかかわらず広大な範囲を飛行することができる。

給電装置３０は、給電装置３０の外側に設置された線路５に接触し、かつ線路５に沿って移動可能に構成されている。より具体的には、給電装置３０は、可動本体３１と、可動本体３１に取り付けられた複数の車輪３２とを備えている。複数の車輪３２は、線路５上に置かれ、線路５に転がり接触するように構成されている。給電装置３０が線路５に沿って移動するとき、複数の車輪３２は線路５に転がり接触する。線路５は、真っ直ぐに延びていてもよく、曲がっていてもよい。

線路５は、２つの導電性のレール５ａを備えており、レール５ａは、商用電源などの図示しない電力供給源に接続されている。本実施形態の車輪３２および可動本体３１は、導電性材料を含んでおり、互いに電気的に接続されている。複数の給電ケーブル３のうちの１つは、可動本体３１に接続されている。車輪３２がレール５ａに接触しているとき、給電装置３０は、線路５に電気的に接続され、図１の矢印の方向に電流が流れる。このようにして、線路５から給電装置３０に電力が供給され、可動本体３１から複数の給電ケーブル３を通じて複数のドローン１０に電力が供給される。

一実施形態では、給電装置３０は、複数の給電ケーブル３を通じて複数のドローン１０に電力を供給するバッテリー等の電池を備えていてもよい。この場合、線路５から給電装置３０に電力を供給する必要はないため、レール５ａおよび車輪３２は導電性材料を含んでいなくてもよい。さらに一実施形態では、給電装置３０は、発電機を備えていてもよい。

本実施形態の給電装置３０は、車輪３２に連結された原動機（図示せず）を備えている。この原動機が車輪３２を回転させると、給電装置３０は線路５上を移動する。給電装置３０は、給電装置３０に搭乗している操作者によって直接操作されてもよく、操作者が給電装置３０の外部から無線通信または有線通信によって給電装置３０を操作してもよい。一実施形態では、給電装置３０は、自動走行車であってもよい。さらに一実施形態では、給電装置３０は、原動機を備えておらず、複数のドローン１０が牽引することにより給電装置３０を移動させてもよい。さらに一実施形態では、給電装置３０は、車輪３２の回転を停止するブレーキを備えていてもよい。ブレーキは、ドローン１０に引っ張られて給電装置３０が動くことを防止し、ドローン１０の飛行範囲を制限することができる。

図２は、複数のドローン１０の一実施形態を示す模式図である。図２に示すように、各ドローン１０は、ジンバル機構２０を備えている。ジンバル機構２０は、ドローン本体１２に接続された一対の第１軸２１，２１と、第１軸２１，２１を中心に回転可能に構成された内側回転体２２と、内側回転体２２に接続された一対の第２軸２５，２５と、第２軸２５，２５を中心に回転可能に構成された外側回転体２６とを備えている。

一対の第１軸２１，２１は同一直線上にあり、ドローン本体１２を挟むように配置されている。同様に、一対の第２軸２５，２５は同一直線上にあり、内側回転体２２を挟むように配置されている。第１軸２１，２１と、第２軸２５，２５とは互いに直交している。このような構成により、ドローン１０は、ドローン本体１２の姿勢を維持したまま外側回転体２６をいずれの方向にも３６０°回転させることができる。

図２に示すように、複数の給電ケーブル３のそれぞれは、複数のドローン１０の外側回転体２６のそれぞれに接続されており、各外側回転体２６および各内側回転体２２を介して各ドローン本体１２に電力が供給される。外側回転体２６は、いずれの方向にも３６０°回転可能であるため、ドローン１０は、給電ケーブル３の接続位置によって飛行範囲が制限されることなく、広範囲を飛行することができる。

図３は、ドローンシステム１の適用例を示す模式図である。図３に示す実施形態では、各ドローン１０は、図示しないカメラを有しており、ドローンシステム１を用いて、建築物７を撮影する例を示す。本実施形態では、線路５は、建築物７の一部に設置されており、給電装置３０は、この線路５に沿って移動する。一実施形態では、図４に示すように、線路５を建築物７の屋上に設置してもよい。ドローンシステム１は、給電装置３０の移動範囲と、給電ケーブル３の長さによって制限される各ドローン１０の飛行範囲を考慮して、建築物７の全体を撮影するために必要な数の複数のドローン１０を備えている。

図３に示すように、操作者８は、各ドローン１０をドローン操作器４で操作することによって、各ドローン１０を、撮影のための適切な位置に移動させる。ドローン操作器４と、各ドローン１０との間の通信は無線通信または有線通信によって行われる。操作者８は、各ドローン１０をそれぞれ独立して操作することができる。操作者８は、各ドローン１０間の間隔が所定の間隔を維持し、かつ各ドローン１０と建築物７との間隔がそれぞれ撮影に適した間隔を維持するように各ドローン１０を制御する。

給電装置３０は、各ドローン１０の動きに従って、各ドローン１０との適切な距離を保つように移動する。給電装置３０は、各ドローン１０の動きに従って自動的に走行する自動走行車であってもよく、複数のドローン１０に牽引されることによって移動してもよい。一実施形態では、給電装置３０は、無線通信または有線通信によって操作されてもよい。

給電装置３０は、線路５に沿って予め定められた軌道上を移動するため、操作者８は、給電装置３０の位置を容易に把握することができる。操縦者８は、給電装置３０の位置に基づいて各ドローン１０の位置決めを行うことができる。また、給電装置３０の移動範囲内であれば、操作者８が追跡できない場所にも各ドローン１０を配置することができるため、本実施形態の構成によれば、各ドローン１０は、より広範囲の飛行が可能となる。

操作者８は、ドローン操作器４から各ドローン１０に対して指令を出すことによって、各ドローン１０に建築物７の撮影を実施させる。操作者８は、各ドローン１０の位置を、各ドローン１０が撮影した画像または映像によって、把握することができる。

一実施形態では、ドローンシステム１は、各ドローン１０が互いの位置を相互に監視するように構成されていてもよい。このような構成によれば、障害物等に遮られて操作者８が目視できない位置にドローン１０が配置されている場合でも、操作者８は、目視可能なドローン１０の位置に基づいて、目視できないドローン１０の位置を把握することができる。

上述した構成によれば、ドローンシステム１は、建築物が巨大な場合であっても、建築物の全体の周囲を飛行することができる。図１を参照して説明したドローンシステム１は、図３および図４に示すように、線路５を設置可能な建築物の撮影、計測、サンプルリターン、インパクトハンマリングなどの様々な用途に好適に利用できる。線路５は、建築物の一部に設置してもよく、一実施形態では、線路５を建築物の近傍に設置してもよい。

図５は、ドローンシステム１の他の実施形態を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の詳細は、図１乃至図４を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態の線路５は、２本の導電性のケーブル５ｂから構成されており、２本のケーブル５ｂは、商用電源などの図示しない電力供給源に接続されている。複数の車輪３２は、２本のケーブル５ｂ上に転がり接触するように構成されている。

複数の車輪３２は、複数の導電性の連結軸３４の一端にそれぞれ回転可能に支持されており、連結軸３４の他端は、可動本体３１に固定されている。可動本体３１は、複数の連結軸３４によって空中に吊り下げられている。可動本体３１は、複数の連結軸３４を介して複数の車輪３２に電気的に接続されている。複数の車輪３２が２本のケーブル５ｂに接触しているとき、給電装置３０は、線路５に電気的に接続され、図５の矢印の方向に電流が流れる。このようにして、線路５から給電装置３０に電力が供給され、可動本体３１から複数の給電ケーブル３を通じて複数のドローン１０に電力が供給される。一実施形態では、図６に示すように、可動本体３１は、線路５の上方に配置され、連結軸３４を介して車輪３２に接続されていてもよい。

図７に示すように、図５および図６を参照して説明したドローンシステム１は、橋梁９の撮影などに好適に利用できる。図７に示すように、線路５のそれぞれの端部を２つの橋脚９ａのそれぞれに接続してもよい。図８に示すように、ドローン１０が給電装置３０の下方のみを飛行する場合は、ドローン１０は１つでもよい。この場合、ドローン１０は、ジンバル機構２０を備えていなくてもよい。

図９は、ドローンシステム１のさらに他の実施形態を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の詳細は、図１乃至図４を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態の給電装置３０は、給電装置３０の外側に設置された複数の架線５０に接触可能な集電装置３６をさらに備えている。具体的には、架線５０は、給電装置３０の上方に張り渡されており、集電装置３６は、可動本体３１の上面に固定されている。給電装置３０が線路５に沿って移動することに伴って、集電装置３６は、架線５０に接触しながら架線５０に沿って移動する。

架線５０は、商用電源などの図示しない電力供給源に接続されている。複数の給電ケーブル３のうちの１つは、集電装置３６に接続されている。集電装置３６が架線５０に接触しているとき、給電装置３０は、架線５０に電気的に接続され、図９の矢印の方向に電流が流れる。このようにして、架線５０から集電装置３６に電力が供給され、集電装置３６から複数の給電ケーブル３を通じて複数のドローン１０に電力が供給される。

一実施形態では、集電装置３６と、可動本体３１とは電気的に接続されており、かつ複数の給電ケーブル３のうちの１つは、可動本体３１に接続されていてもよい。さらに一実施形態では、架線５０、集電装置３６、可動本体３１、車輪３２、および線路５によって電流の経路を構成してもよい。さらに一実施形態では、図１０に示すように、集電装置３６は、２つの電極板３６ａによって、複数の架線５０を挟むように構成されていてもよい。

図１１は、ドローンシステム１のさらに他の実施形態を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の詳細は、図１乃至図４を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態の給電装置３０は、電動機５２と、電動機５２に連結された第１の滑車５４と、第２の滑車５５と、滑車５４，５５に掛けられた搬送ケーブル６１と、搬送ケーブル６１に固定された可動本体３１とを備えている。本実施形態の可動本体３１は、複数の給電ケーブル３を通じて複数のドローン１０に電力を供給するバッテリー等の電池（図示せず）を備えている。

第１の滑車５４は、電動機５２によって回転されるように構成されている。搬送ケーブル６１には、所定のテンションが掛けられている。第１の滑車５４の回転に伴って搬送ケーブル６１が移動し、搬送ケーブル６１の移動に伴って第２の滑車５５が回転する。可動本体３１は、搬送ケーブル６１を介して、滑車５４，５５の回転に従って移動する。ドローンシステム１は、給電装置制御部６３をさらに備え、電動機５２は、給電装置制御部６３に連結されている。電動機５２の動作は、給電装置制御部６３によって制御される。一実施形態では、操作者が給電装置３０の外部から無線通信または有線通信によって電動機５２の動作を制御してもよい。

図１２は、ドローンシステム１のさらに他の実施形態を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の詳細は、図１１を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態の給電装置３０は、搬送ケーブル６１に接続された重り６５をさらに備えている。本実施形態の搬送ケーブル６１の一部は、第１の滑車５４に巻き付けられて固定されており、滑車５４，５５に掛けられている。搬送ケーブル６１の一端は、第１の滑車５４に接続されており、搬送ケーブル６１の他端は重り６５に接続されている。第１の滑車５４の回転に伴って搬送ケーブル６１が移動し、重り６５が上下動する。可動本体３１は、搬送ケーブル６１を介して、滑車５４，５５の回転に従って移動する。第２の滑車５５は省略してもよい。

図１３は、ドローンシステム１のさらに他の実施形態を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の詳細は、図１乃至図４を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態のドローンシステム１は、複数の保護管７０をさらに備えている。本実施形態の複数の給電ケーブル３のそれぞれは、複数の保護管７０のそれぞれに挿入されている。本実施形態では、保護管７０は、給電ケーブル３の動きを制限し、給電装置３０とドローン１０との距離、および各ドローン１０間の距離を一定に保つことができる。保護管７０は軽量であることが望ましい。

本実施形態は、図５乃至図１２を参照して説明した各実施形態にも適用することができる。一実施形態では、図１４に示すように、ばね７１を介してジンバル機構２０と保護管７０を接続し、各ジンバル機構２０と各保護管７０との間に遊びを与えてもよい。

図１５は、ドローンシステム１のさらに他の実施形態を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の詳細は、図１３を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態のドローンシステム１は、複数の給電ケーブル３のそれぞれの端部に取り付けられた複数の角度検出器８０をさらに備えている。

角度検出器８０は、給電ケーブル３の全ての方向における角度情報を取得し、かつ取得した角度情報を図示しない制御装置（一例として図３に示すドローン操作器４）に送信可能に構成されている。送信方法の一例として無線通信が挙げられる。本実施形態では、保護管７０によって各ドローン１０間の距離が一定に保たれるため、角度検出器８０が取得した給電ケーブル３の角度情報と保護管７０の長さから各ドローン１０の位置を算出することができる。これにより、操作者８（図３参照）は、算出された位置情報に基づきドローン１０を操作することが可能となり、ドローン１０の位置決めをより容易に行うことができる。

図１６は、角度検出器８０の一実施形態を示す模式図である。角度検出器８０は、第１検出器８２と、第２検出器８３と、接続部材８５，８６とを備えている。検出器８２，８３は、それぞれ回転軸８２ａ，８３ａを備えており、回転軸８２ａ，８３ａは、それぞれ３６０°回転可能に構成されている。回転軸８２ａと、回転軸８３ａは互いに直交している。

第１検出器８２と第２検出器８３は、接続部材８５によって接続されている。具体的には、接続部材８５の一端は、回転軸８２ａに接続されており、他端は第２検出器本体８３ｂに接続されている。回転軸８３ａには給電ケーブル３が接続されており、第１検出器本体８２ｂは、接続部材８６を介して外側回転体２６に接続されている。図示はしないが、複数の角度検出器８０のうちの１つの接続部材８６は、給電装置３０に接続されている。このような構成により、角度検出器８０は、給電ケーブル３の全ての方向における角度情報を取得可能となる。

図１５および図１６を参照して説明した実施形態は、図１乃至図１２および図１４を参照して説明した各実施形態に適用してもよい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

１ ドローンシステム
３ 給電ケーブル
４ ドローン操作器
５ 線路
５ａ レール
５ｂ ケーブル
７ 建築物
８ 操作者
９ 橋梁
９ａ 橋脚
１０ ドローン
１２ ドローン本体
２０ ジンバル機構
２１ 第１軸
２２ 内側回転体
２５ 第２軸
２６ 外側回転体
３０ 給電装置
３１ 可動本体
３２ 車輪
３４ 連結軸
３６ 集電装置
３６ａ 電極板
５０ 架線
５２ 電動機
５４，５５ 滑車
６１ 搬送ケーブル
６３ 給電装置制御部
６５ 重り
７０ 保護管
７１ ばね
８０ 角度検出器
８２ 第１検出器
８２ａ 回転軸
８３ 第２検出器
８３ａ 回転軸
８５，８６ 接続部材

Claims (7)

1. 複数の給電ケーブルによって直列に連結された複数のドローンと、
   可動式の給電装置とを備え、
   前記複数のドローンのそれぞれは、ジンバル機構を備え、
   前記ジンバル機構は、
   ドローン本体に接続された第１軸を中心に回転可能に構成された内側回転体と、
   前記内側回転体に接続された第２軸を中心に回転可能に構成された外側回転体とを備え、
   前記第１軸と、前記第２軸とは互いに直交しており、
   前記複数の給電ケーブルのそれぞれは、前記外側回転体に接続されており、
   前記複数の給電ケーブルは、前記給電装置に連結されており、
   前記給電装置は、
   電動機と、
   前記電動機に連結された滑車と、
   前記滑車に掛けられた搬送ケーブルと、
   前記搬送ケーブルに固定された可動本体とを備え、
   前記可動本体は、前記搬送ケーブルを介して前記滑車の回転に従って移動可能に構成されている、ドローンシステム。
2. 前記給電装置は、前記給電装置の外側に設置された線路に接触し、かつ前記線路に沿って移動可能に構成されている、請求項１に記載のドローンシステム。
3. 前記給電装置は、前記給電装置を移動可能とする車輪を備え、
   前記車輪は、前記線路に転がり接触するように構成されている、請求項２に記載のドローンシステム。
4. 前記給電装置は、前記線路に電気的に接続されており、かつ前記線路から電力が供給されるように構成されている、請求項２または３に記載のドローンシステム。
5. 前記給電装置は、前記給電装置の外側に設置された架線に接触し、かつ前記架線に沿って移動可能な集電装置をさらに備えている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のドローンシステム。
6. 前記複数の給電ケーブルがそれぞれ挿入された複数の保護管をさらに備えている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のドローンシステム。
7. 前記複数の給電ケーブルのそれぞれの端部に取り付けられた複数の角度検出器をさらに備えている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のドローンシステム。
   

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