JP7440550B2 - ドローン及びドローンの制御方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ドローン及びドローンの制御方法に関する。

近年、無人飛行機、すなわちドローンの活用が急速に広まっており、空撮、測量、農業分野、物資運搬等、幅広い分野での利用が始まっている。特に、ドローンを物資運搬に利用することで、配達員の不足を解消することができるため、その利用が期待されている。

しかし、市街地での物資運搬にドローンを利用する場合、人の上空をドローンが行き交うことになり、仮に飛行中のドローンに異常が発生して落下等した場合には大きな被害が発生するおそれがある。

従来では、ドローンの飛行時において異常が発生した場合に、ドローン本体に設けられたパラシュートを用いて着陸する方法が開示されている。

特開２０１８－１５４２４９号公報

飛行中のドローンに異常が発生した際に、パラシュート等の緊急用装備を用いることで、ドローンを着陸させることができるものの、着陸地点を予測できない場合もあり、市街地でドローンを利用する場合には、異常が発生した場合であっても飛行を維持することができ、安全に着陸できる必要がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、異常時に飛行制御を維持することができ、安全に着陸できるドローン及びドローンの制御方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態にかかるドローンは、本体に設けられたロータと、前記ロータとは別に前記本体に着脱可能に設けられて、少なくとも４つが配置される障害用ロータと、前記ロータを用いた飛行時に異常を検知する異常検知部と、前記異常が検知されたときに、前記ロータから前記障害用ロータに切り替えるロータ切替部と前記障害用ロータを用いて飛行を制御する異常発生時制御部と、前記本体に設けられた地上を撮像するカメラと、を備えて、前記異常発生時制御部は、異常検知後に、現在の位置情報に基づき受信した緊急避難用の安全領域に着陸させるように制御し、前記カメラにより撮像された地上の画像に基づいて障害物の有無を検知して、障害物が一定時間検知されない領域に着陸させ、前記障害用ロータは、それぞれが個別に駆動制御可能であり、異常が検知されたときに、前記ロータの回転制御が可能な場合には、前記ロータが回転している状態で前記障害用ロータの回転制御を開始して、一時的に前記ロータ及び前記障害用ロータを併用する、ことを特徴とする。

本発明の実施形態により、異常時に飛行制御を維持することができ、安全に着陸できるドローン、及びドローンの制御方法が提供される。

本実施形態にかかるドローンの全体構成の一例を示す上面図。 ドローンのハードウェア構成を示す構成図。 ドローンの制御ユニットの構成を示す構成図。 ドローンの飛行時に異常が発生した際の、障害用ロータへの切り替えを説明する説明図。 ドローンの飛行時に異常が発生した際に、障害用ロータでの着陸を説明する説明図。 ドローンの飛行時に異常が発生した際の制御方法を示すフローチャート。

（本実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態にかかるドローン１０の全体構成の一例を示す上面図である。

実施形態にかかるドローン１０は、ロータ１４とは別に障害用ロータ１７を本体３０に設けて、ロータ１４を用いた飛行時に異常を検知したときに、ロータ１４から障害用ロータ１７に切り替えて飛行を制御する。

ロータ１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ）は、本体３０から突設したアームを介して本体３０に接続されており、通常時に回転制御されることでドローン１０を飛行させるものである。

障害用ロータ１７（１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ）は、本体３０から突設したアームを介して本体３０に接続されており、ロータ１４による通常の飛行時は停止しており、飛行に異常が発生した場合に回転制御されて、ドローン１０を飛行させるものである。障害用ロータ１７は、ロータ１４と干渉しない位置に独立して配置されており、少なくとも４つが配置される。また、障害用ロータ１７のそれぞれは、本体３０から着脱可能に設けられてもよい。

図２は、ドローン１０のハードウェア構成を示す構成図である。
ドローン１０は、制御ユニット１１と、モータ制御部１２と、モータ１３と、ロータ１４と、障害用モータ制御部１５と、障害用モータ１６と、障害用ロータ１７と、無線通信機１８と、センサ１９、カメラ２０と、ＧＰＳ受信機２１と、バッテリ２２と、を有している。

制御ユニット１１は、本体３０に設けられて、外部の制御コントローラ（図示省略）等から送信された制御指令を受け付けて、センサ１９等から受信される情報等の飛行にかかる情報を処理してドローン１０を制御するものである。制御ユニット１１は、記憶素子を有しており、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等で構成され、記憶素子には制御プログラムや飛行の航路データ等、種々のデータが記憶されている。なお、異常発生時に障害用ロータ１７を回転制御するための制御ユニットを別に独立して設けてもよい。

モータ制御部１２は、本体３０に設けられて、制御ユニット１１からの指令に基づいてモータ１３の回転数を制御してロータ１４を回転させる。モータ制御部１２は、４つ設けられており、４つのロータ１４を個別に回転駆動させるために、４つのモータ１３を個別に駆動制御する。

障害用モータ制御部１５は、本体３０に設けられて、制御ユニット１１からの指令に基づいて障害用モータ１６の回転数を制御して障害用ロータ１７を回転させる。障害用モータ制御部１５は、モータ制御部１２とは独立して４つ設けられており、４つの障害用ロータ１７を個別に回転駆動させるために、４つの障害用モータ１６を個別に駆動制御する。

無線通信機１８は、本体３０に設けられて、外部の制御コントローラ等と無線通信するためのものである。無線通信機１８は、外部の制御コントローラからの制御指令を受信して、ドローン１０の位置情報、高度等、飛行制御にかかる各種の情報を制御コントローラに送信する。

センサ１９は、本体３０に設けられて、ドローン１０の飛行制御にかかる情報を取得するものであり、加速度計、ジャイロセンサ、高度計、回転数計が例示される。センサ１９は、本体３０に接続されているロータ１４または障害用ロータ１７に設けられてもよい。

カメラ２０は、本体３０の外面に設けられて、ドローン１０の周囲を静止画あるいは動画により撮像するものである。カメラ２０は、ロータ１４または障害用ロータ１７に外面に配置されてもよい。カメラ２０により撮影された画像は、制御ユニット１１や外部の制御コントローラ等に送信される。

ＧＰＳ受信機２１は、ドローン１０の現在の位置情報を受信するものである。ＧＰＳ受信機２１により取得された位置情報は、制御ユニット１１や外部の制御コントローラ等に送信される。

バッテリ２２は、本体３０に設けられて、制御ユニット、モータ制御部１２、モータ１３、障害用モータ制御部１５、障害用モータ１６等に電力を供給するものである。なお、障害用モータ制御部１５や障害用モータ１６に電力を供給するためのバッテリを別に独立して設けてもよい。

図３は、ドローン１０の制御ユニット１１の構成を示す構成図である。
制御ユニット１１は、データ処理部２３と、飛行制御部２４と、異常検知部２５と、ロータ切替部２６と、異常発生時制御部２７と、を備えている。

データ処理部２３は、外部の制御コントローラから送信された制御指令、センサ１９、ＧＰＳ受信機２１等で取得された情報などを飛行制御用のデータに計算して飛行制御部２４に送る。

飛行制御部２４は、データ処理部２３により計算された飛行制御用のデータに基づきモータ制御部１２に制御指令を送信して、モータ１３を介してロータ１４のそれぞれの回転数を変化させてドローン１０の飛行を制御する。

異常検知部２５は、データ処理部２３により計算された飛行制御用のデータに基づきドローン１０の飛行時の異常を検知する。異常を検知する方法として、具体的には、センサ１９により取得された加速度や角速度が、所定の制御範囲を超える場合や所定の制御範囲を超える状態が一定時間継続する等の場合に、制御ユニット１１によるロータ１４の回転制御が不調になったものとして飛行の異常を検知する。また。ロータ１４に設けた回転数計から取得した回転数が、制御ユニット１１からの指令値に基づく回転数と比較して、許容される範囲を超えて異なる場合に、飛行の異常を検知する。また、外部の制御コントローラから指令された高度、飛行ルートに対して、センサ１９、ＧＰＳ受信機２１により取得された現在の高度、位置情報が、許容される範囲を超えて異なる場合に、飛行の異常を検知する。

ロータ切替部２６は、異常検知部２５により飛行の異常が検知されたときに、ロータ１４から停止していた障害用ロータ１７に切り替える。ロータ切替部２６は、異常が検知されたときに、障害用モータ制御部１５に制御指令を送信して、障害用モータ１６を介して障害用ロータ１７を回転させる。異常が検知されたときに、ロータ１４の回転制御が可能な場合には、ロータ１４が回転している状態で障害用ロータ１７の回転制御を開始して一時的に２つのロータを併用し、その後にロータ１４を停止させてもよい。また、異常が検知されたときに、障害用ロータ１７を回転させるための制御指令は、所定の高度（例えば地上１００ｍ）でホバリングするための回転数が初期値として指令されてもよい。

異常発生時制御部２７は、ロータ１４から切り替えられた障害用ロータ１７を用いて飛行を制御するものである。異常発生時制御部２７は、異常が検知されたドローン１０が安全な領域に着陸するまで障害用ロータ１７の回転数を制御して飛行を制御する。

異常発生時制御部２７は、異常が検知されてロータ１４から障害用ロータ１７に切り替えた場合に、カメラ２０を用いて地上を撮像して、取得した画像に基づいて人や移動体（例えば車や電車）等の障害物を検知する。そして、人や車等の障害物が検知されない領域を安全領域に設定して、この安全領域内を着陸地点として障害用ロータ１７によりドローン１０を着陸させる。なお、この場合、異常発生時制御部２７は、安全な領域が検知できるまで飛行位置を一定の距離ずつ移動して探索してもよく、人や車等の障害物が、一定時間検知されない領域を安全領域に設定してもよい。

また、異常発生時制御部２７は、ドローン１０の飛行ルート上において、人や移動体の存在が想定されない位置範囲を予め緊急避難用の安全領域として設定しておき、現在の位置情報に基づきこの安全領域に着陸させてもよい。異常発生時制御部２７は、異常検知後に、外部の制御コントローラ等を介して緊急避難用の安全領域を受信して、現在の位置情報に基づき受信した安全領域に着陸させてもよい。

なお、ドローン１０は、着陸時に、警告音を発報する、あるいは本体３０に設けた回転灯等を発光させることにより、着陸状態であることを報知する構成を備えてもよい。

図４は、ドローン１０の飛行時に異常が発生した際の障害用ロータ１７への切替えを示す説明図である。

図４に示すように、異常検知部２５が、データ処理部２３により計算された飛行制御用のデータに基づきドローン１０の飛行時の異常を検知した場合に、ロータ１４による飛行制御を、障害用ロータ１７による回転制御に切り替えて飛行を制御する。

図５は、ドローン１０の飛行時に異常が発生した際に、障害用ロータ１７での着陸を説明する説明図である。

異常が検知されてロータ１４から障害用ロータ１７に切り替えた場合に、カメラ２０を用いて地上を撮像して、取得した画像に基づいて人や移動体（例えば車や電車）等の障害物を検知する。そして、人や車等の障害物が検知されない領域を安全領域として設定する。そして、この安全領域を着陸地点として障害用ロータ１７によりドローン１０を着陸させる。

続いて、本実施形態にかかるドローン１０の制御方法について説明する。
図６は、本実施形態にかかるドローン１０の制御方法のフローチャートである（適宜、図２、図３参照）。

異常検知部２５は、データ処理部２３により計算された飛行制御用のデータに基づきドローン１０の飛行時の異常を検知する（Ｓ１０）。

ロータ切替部２６は、異常検知部２５により飛行の異常が検知されたときに、ロータ１４から停止していた障害用ロータ１７に切り替える（Ｓ１１）。

異常発生時制御部２７は、カメラ２０を用いて地上を撮像して、取得した画像に基づいて人や移動体等の障害物を検知して、人や車等の障害物が検知されない安全な領域を探索する（Ｓ１２）。

異常発生時制御部２７は、人や車等の障害物が検知されない安全な領域を着陸地点として障害用ロータ１７によりドローン１０を着陸させる（Ｓ１３）。

以上述べた各実施形態のドローンによれば、ロータとは別に障害用ロータを本体に設けて、ロータを用いた飛行時に異常を検知したときに、ロータから障害用ロータに切り替えて飛行を制御することで、異常時に飛行制御を維持することができ、安全に着陸できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…ドローン、１１…制御ユニット、１２…モータ制御部、１３…モータ、１４…ロータ、１５…障害用モータ制御部、１６…障害用モータ、１７…障害用ロータ、１８…無線通信機、１９…センサ、２０…カメラ、２１…ＧＰＳ受信機、２２…バッテリ、２３…データ処理部、２４…飛行制御部、２５…異常検知部、２６…ロータ切替部、２７…異常発生時制御部、３０…本体。

Claims (2)

1. 本体に設けられたロータと、
   前記ロータとは別に前記本体に着脱可能に設けられて、少なくとも４つが配置される障害用ロータと、
   前記ロータを用いた飛行時に異常を検知する異常検知部と、
   前記異常が検知されたときに、前記ロータから前記障害用ロータに切り替えるロータ切替部と
   前記障害用ロータを用いて飛行を制御する異常発生時制御部と、
   前記本体に設けられた、地上を撮像するカメラと、を備えて、
   前記異常発生時制御部は、異常検知後に、現在の位置情報に基づき受信した緊急避難用の安全領域に着陸させるように制御し、
   前記カメラにより撮像された地上の画像に基づいて障害物の有無を検知して、障害物が一定時間検知されない領域に着陸させ、
   前記障害用ロータは、それぞれが個別に駆動制御可能であり、
   異常が検知されたときに、前記ロータの回転制御が可能な場合には、前記ロータが回転している状態で前記障害用ロータの回転制御を開始して、一時的に前記ロータ及び前記障害用ロータを併用する、
   ことを特徴とするドローン。
2. ドローンの本体にロータと、当該ロータとは別に前記本体に着脱可能に設けられて、少なくとも４つが配置される障害用ロータと、前記本体に設けられた地上を撮像するカメラとを設けて、
   前記ロータを用いた飛行時に異常を検知するステップと、
   前記異常が検知されたときに、前記ロータから前記障害用ロータに切り替えるステップと、
   前記障害用ロータを用いて飛行を制御するステップと、
   異常検知後に、現在の位置情報に基づき受信した緊急避難用の安全領域に着陸させるように制御し、前記カメラにより撮像された地上の画像に基づいて障害物の有無を検知して、障害物が一定時間検知されない領域に着陸させるステップと、を含み、
   前記障害用ロータは、それぞれが個別に駆動制御可能であり、
   異常が検知されたときに、前記ロータの回転制御が可能な場合には、前記ロータが回転している状態で前記障害用ロータの回転制御を開始して、一時的に前記ロータ及び前記障害用ロータを併用する、
   ことを特徴とするドローンの制御方法。

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