JPWO2017030034A1 - 発電装置およびこれを備える無人航空機 - Google Patents

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Abstract

無人航空機が備える蓄電池を、その飛行時において効率的かつ安全に充電可能な発電装置、およびこれを備える無人航空機を提供する。無人航空機に搭載される発電装置であって、燃料を蓄える容器体である燃料タンクと、前記燃料タンクが接続された発電ユニットと、前記燃料タンクの傾きを測定可能な傾斜測定手段と、前記発電ユニットによる発電動作を制御する発電制御手段と、を備え、前記発電ユニットは前記無人航空機が備える蓄電池を、該無人航空機の飛行中に充電可能であり、前記発電制御手段は、前記傾斜測定手段が示す前記燃料タンクの傾斜角度が、所定の閾値角度である安全角度以下であるときに、前記発電ユニットを駆動させることを特徴とする発電装置、およびこれを備える無人航空機により解決する。

Description

本発明は、発電装置およびこれを備える無人航空機に関する。
従来、産業用無人ヘリコプターに代表される小型の無人航空機は、機体が高価で入手困難なうえ、安定して飛行させるためには操作に熟練が必要とされるものであった。しかし近年、無人航空機の姿勢制御や自律飛行に用いられるセンサ類およびソフトウェアの改良が大きく進み、これにより無人航空機の操作性が著しく向上するとともに、高性能な機体を安価に入手できるようになった。特に小型のマルチコプターについては、ヘリコプターに比べてそのローター構造が簡易であり、設計およびメンテナンスが容易であることから、趣味目的だけでなく、広範な分野における種々のミッションへの応用が試行されている。
特開2002−154341号公報 特開2001−27128号公報 特開平11−206024号公報 特開平2−237468号公報 特開昭61−241435号公報
無人航空機であるマルチコプターは、蓄電池であるバッテリーを動力源として飛行するものが一般的である。このようなマルチコプターの連続飛行時間や飛行距離を延ばす手段として、例えば、燃料で発電可能な発電機を機体に搭載し、マルチコプターの飛行中にバッテリーを充電することなどが考えられる。
マルチコプターに発電機を搭載する場合、その特殊な使用環境において効率的かつ安全にバッテリーを充電可能な構成とする必要がある。より具体的には、例えば、空中を飛行するという航空機としての性質や、機体を傾斜させて水平飛行するというマルコプター特有の性質を考慮した燃料の供給構造や、燃料による事故被害の拡大を防止する仕組みを検討する必要がある。また、産業用途における無人航空機の運航数の増大や、飛行エリアの拡大も考慮し、発電機の動作音による騒音問題に対しても予め対策を講じておく必要がある。
上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、無人航空機が備える蓄電池を、その飛行時において効率的かつ安全に充電可能な発電装置、およびこれを備える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、無人航空機に搭載される本発明の発電装置は、燃料を蓄える容器体である燃料タンクと、前記燃料タンクが接続された発電ユニットと、前記燃料タンクの傾きを測定可能な傾斜測定手段と、前記発電ユニットによる発電動作を制御する発電制御手段と、を備え、前記発電ユニットは前記無人航空機が備える蓄電池を、該無人航空機の飛行中に充電可能であり、前記発電制御手段は、前記傾斜測定手段が示す前記燃料タンクの傾斜角度が、所定の閾値角度である安全角度以下であるときに、前記発電ユニットを駆動させることを特徴とする。
無人航空機が、その動力源である蓄電池を飛行中に充電可能な発電ユニットを備えていることにより、蓄電池の蓄電容量を超えた連続飛行時間および飛行距離を実現することができる。そして、燃料タンクが安全角度よりも傾いたときには、発電ユニットの発電動作を停止することにより、例えば必要以上に多くの空気を含んだ燃料が発電ユニットに供給されることなどを未然に防止することができる。これにより発電ユニットの異常動作が回避され、蓄電池を安全に充電することが可能となる。
また、本発明の発電装置は、前記燃料タンクに蓄えられた燃料の残量を測定可能な残燃料測定手段をさらに備え、前記発電制御手段は、前記残燃料測定手段が示す燃料残量に基づいて、前記安全角度を調節することが好ましい。
燃料タンクの安全角度、つまり燃料タンクの傾斜が許容される閾値角度は、燃料タンクに蓄えられた燃料の残量によっても変化する。そのため、燃料残量に応じて安全角度を調節可能とすることにより、効率よく蓄電池を充電することが可能となる。なお、安全角度の調節方法としては、燃料残量が多いときには安全角度を大きくし、燃料残量が少ないときには安全角度を小さくすることが考えられる。
また、本発明の発電装置は、大気圧を測定する気圧測定手段をさらに備え、前記発電制御手段は、前記気圧検知手段が示す気圧値に基づいて前記発電ユニットの空燃比を調節することが好ましい。
無人航空機は空中を飛行するというその性質から、陸上を移動する手段と比較して大気圧の変化の影響をうけやすい。そのため、大気圧を測定する手段を備え、その測定値に応じて発電ユニットの空燃比を調節することにより、より安定して蓄電池の充電を行うことが可能となる。
また、本発明の発電装置は、前記蓄電池の電池残量を測定する残電力測定手段をさらに備え、前記発電制御手段は、前記残電力測定手段が示す電池残量が所定の閾値以下になったときに、前記蓄電池の充電を開始することが好ましい。
電池残量が所定の閾値以下になったときに充電動作を開始させることで、発電ユニットの不必要な発電動作を防止することができ、より必要性に即した充電動作を実現することができる。
また、本発明の発電装置は、前記無人航空機の落下を検知する墜落検知手段をさらに備え、前記発電制御手段は、前記墜落検知手段が前記無人航空機の落下を検知したときには、前記発電ユニットの駆動を停止することが好ましい。
無人航空機の墜落時に発電ユニットを停止することにより、墜落後の事故被害の拡大を抑えることができる。
また、本発明の発電装置は、地理上または施設内における所定の区域である騒音規制区域が登録される記憶手段と、前記地理上または施設内における前記無人航空機の飛行位置を特定する現在地特定手段と、をさらに備え、前記発電制御手段は、前記飛行位置が前記騒音規制区域内にあるときには、前記発電ユニットの駆動を停止することが好ましい。
騒音に注意を払うべき区域を予め登録しておき、その区域内では発電ユニットを停止させることにより、例えば産業用途における無人航空機の運航数の増大や飛行エリアの拡大があった場合でも、発電ユニットの動作音による騒音問題を抑えることができる。
また、上記課題を解決するため、本発明の無人航空機は、本発明の発電装置を備えることを特徴とする。また、本発明の無人航空機は、複数の回転翼を備える回転翼機であることが好ましい。
例えば無人航空機であるマルチコプターなどの回転翼機には、機体を傾斜させて水平飛行するという特有の性質がある。本発明の発電装置は、燃料タンクの傾斜角度が安全角度以下であるときに発電ユニットを駆動させるという特徴を有しており、このような回転翼機に特に好適に用いることができる。
また、本発明の無人航空機は、姿勢安定化装置をさらに備え、前記姿勢安定化装置は前記燃料タンクを保持していることが好ましい。
燃料タンクが姿勢安定化装置に保持されていることにより、無人航空機の飛行時における燃料タンクの傾きを低減することができ、蓄電池を充電する時間をより長く確保することが可能となる。
また、前記発電ユニットは、前記蓄電池以外の前記無人航空機の電子・電気機器へも電力を供給可能であり、前記発電ユニットは、その発電した電力のうち、前記電子・電気機器に供給した電力の余剰分を前記無人航空機の前記蓄電池に充電し、前記電子・電気機器の消費電力が前記発電ユニットの発電量を超過したときには、その不足分の電力は、前記無人航空機の前記蓄電池により補われることが好ましい。
発電ユニットが、その発電した電力を、無人航空機の蓄電池だけでなく無人航空機が備える電子・電気機器に対しても給電可能であることにより、充電時における蓄電池の放電を抑え、蓄電池を効率的に充電することが可能となる。このとき、発電ユニットは、無人航空機の通常の飛行状態や、空中での停止状態において消費とされる電力よりも大きな電力を供給可能である必要である。本構成の発電ユニットは、発電した電力の余剰分を蓄電池に充電するためである。また、無人航空機の電力消費量は常に一定ではなく、無人航空機の上昇や高速な移動、風などの影響により突発的に上昇することがある。無人航空機のこのような性質を考慮し、無人航空機の消費電力が発電ユニットの発電量を上回る場合には、蓄電池によりその不足分の電力を補う構成とすることにより、無人航空機を安定して飛行させることが可能となる。さらに、本構成では、蓄電池の状態は、状況の変化に応じて充電中または放電中のいずれかに確実に切り替えられる。そのため、蓄電池の同時充放電を可能にするための複雑な回路を備える必要がなく、また、同時充放電が難しい蓄電池であっても利用することができる。
以上のように、本発明の発電装置およびこれを備える無人航空機によれば、無人航空機が備える蓄電池を、その飛行時において効率的かつ安全に充電することが可能となる。
実施形態にかかるマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。 実施形態にかかるマルチコプターの外観を示す模式図である。
以下、本発明の発電装置およびこれを備える無人航空機について図面を用いて説明する。
〔機体構成概要〕
図1は本実施形態にかかる無人航空機であるマルチコプター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は、フライトコントローラFC、複数の回転翼であるローターR、ローターRごとに備えられたESC131(Electric Speed Controller)、これらに電力を供給するバッテリー190、および発電装置200により構成されている。
各ローターRは、モータ132と、その出力軸に連結されたブレード133とにより構成されている。ESC131は、ローターRのモータ132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132を回転させる。マルチコプター100のローター数は特に限定されず、求められる飛行安定性や許容されるコスト等に応じて、ローターRが2基のヘリコプターから、ローターRが8基のオクタコプター、さらには8基よりも多くのローターを備えるものまで適宜変更可能である。
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110を備えている。制御装置110は、中央処理装置であるCPU111、ROMやRAMなどの記憶装置であるメモリ112、および、ESC131を介して各モータ132の回転数を制御するPWM(Pulse Width Modulation)コントローラ113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121およびGPS受信器122(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110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121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110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110のメモリ112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アルゴリズムが実装された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151)からの指示に従い、センサ等から取得した情報を基に、個々のローター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151から行うほか、例えば、飛行経路や速度、高度などのパラメータを飛行計画FPとして予め登録しておき、目的地に向けて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マルチコプター100の形態には限定されず、発電装置200を備えていることを条件として、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を用いることもできる。さらに、本発明における無人航空機は回転翼機にも限定されず、発電装置200を備える固定翼機であってもよい。
〔発電装置概要〕
発電装置200は、マルチコプター100の飛行中に、マルチコプター100のバッテリー190を充電可能な装置である。発電装置200は、バッテリー190に充電する電力を生成する発電ユニット250、および、発電ユニット250が用いる燃料が蓄えられた容器体である燃料タンク260を有している。本実施形態の発電ユニット250は、発電用の一般的なエンジン251および発電機252により構成されている。マルチコプター100のバッテリー190は、発電装置200が備える充電器280に接続されており、発電ユニット250は、充電器280を介してその発電した電力をバッテリー190に充電する。なお、発電ユニット250は、発電装置200が備えるバッテリー290により始動される。発電ユニット250の始動後、ポンプ262により燃料タンク260の燃料が発電ユニット250に供給される。
発電ユニット250が始動され、バッテリー190の充電が開始されると、発電ユニット250は、その発電した電力により、マルチコプター100が備えるローターRや制御装置110などの電子・電気装置への給電も行う。発電ユニット250は、マルチコプター100の電子・電気機器に供給した電力の余剰分をバッテリー190の充電に充てる。これにより、充電時におけるバッテリー190の放電が抑えられ、バッテリー190を効率的に充電することが可能とされている。ここで、例えばローターRなどの消費電力は常に一定ではなく、マルチコプター100の上昇や高速な移動、風などの影響により突発的に上昇することがある。本実施形態では、マルチコプター100の消費電力が発電ユニット250の発電量を超過する場合には、その不足分の電力はバッテリー190により補われる。これにより、バッテリー190の充電中であっても、マルチコプター100を安定して飛行させることが可能とされている。さらに、本実施形態では、バッテリー190の状態は、状況の変化に応じて充電中または放電中のいずれかに適宜切り替えられる。そのため、バッテリー190の同時充放電を可能にするための複雑な回路を備える必要がなく、また、同時充放電が難しいバッテリー190であっても利用することが可能とされている。
発電装置200はさらに、マイクロコントローラである制御装置210を備えている。制御装置210は、中央処理装置であるCPU211、および、ROMやRAMなどの記憶手段であるメモリ212を有している。制御装置210のメモリ212には、発電ユニット250による発電動作を制御する発電制御手段である発電制御プログラムGCPが登録されている。
このように、本実施形態のマルチコプター100は、動力源であるバッテリー190をその飛行中に充電可能な発電装置200を備えていることにより、バッテリー190の蓄電容量を超えた連続飛行時間および飛行距離を実現することが可能とされている。
〔傾き監視機能〕
発電装置200の制御装置210には、燃料タンク260の傾斜角度を測定可能なIMU(Inertial Measurement Unit)221が接続されている。IMU221は一般的な慣性計測装置であり、主に3軸加速度センサと3軸角速度センサとにより構成されている。
図2は、マルチコプター100の外観を示す模式図である。図2(a)は、マルチコプター100がホバリングしている様子を示す模式図であり、図2(b)は、マルチコプター100が機体を傾けて水平飛行している様子を示す模式図である。以下、図2を参照して発電装置200の傾き監視機能について説明する。
図2に示すように、本実施形態では、マルチコプター100の上部に発電ユニット250が固定されており、マルチコプター100の下部に燃料タンク260が固定されている。燃料タンク260の燃料は、ポンプ262により吸い上げられ、燃料タンク260の底部からチューブ261を通って発電ユニット250に供給される。また、制御装置210はマルチコプター100の筐体内に収容されている。なお、発電装置200の各構成の配置はマルチコプター100の形態には限定されず、適宜変更可能である。
図2の実線Hは、空中における水平面Hを表している。図2の破線Cは、燃料タンク260、すなわち燃料タンク260が固定されたマルチコプター100の、水平面Hに対する傾斜角度φcを表している。図2の一点鎖線Sは、同様に、燃料タンク260の傾斜が許容される閾値角度である安全角度φsを表している。
発電制御プログラムGCPは、IMU221の出力値を監視し、IMU221が示す燃料タンク260の傾斜角度が、安全角度φs以下であるときに、発電ユニット250を駆動させる。そして、燃料タンク260が安全角度φsを超えて傾いたときには、発電ユニット250の発電動作を停止させる。これにより、例えば必要以上に多くの空気を含んだ燃料が発電ユニット250に供給されることなどを未然に防ぐことができ、発電ユニット250の異常動作が回避され、バッテリー190を安全に充電することが可能とされている。
また、マルチコプター100は、機体を傾斜させて水平飛行するという特有の性質がある。本実施形態の発電装置200は、燃料タンク260の傾斜角度が安全角度φs以下であるときに発電ユニット250を駆動させることから、マルチコプター100のような回転翼機を安全に飛行させるときに特に好適である。なお、安全角度φsは、燃料タンク260の形状や、燃料タンク260と発電ユニット250との位置関係、発電ユニット250への燃料の供給構造などにより最適値が異なるため、具体的な実施形態に応じて設定する必要がある。
また、例えば公知の無人航空機用カメラスタビライザーなどの姿勢安定化装置をマルチコプター100に搭載し、燃料タンク260をその姿勢安定化装置で保持することにより、マルチコプター100の飛行時における燃料タンク260の傾斜角度φcを低減することができ、バッテリー190を充電可能な時間をより長く確保することが可能となる。
〔安全角度調節機能〕
また、発電装置200の制御装置210には、燃料タンク260に蓄えられた燃料の残量を測定可能な残燃料測定手段である液量センサ224が接続されている。そして、本実施形態の発電制御プログラムGCPは、液量センサ224が示す燃料残量に基づいて、安全角度φsを動的に調節する。より具体的には、発電制御プログラムGCPは、燃料タンク260の燃料残量が多いときには安全角度φsを大きく設定し、燃料残量が少ないときには安全角度φsを小さく設定する。なお、液量センサ224には、例えば公知の液面レベルセンサなどを用いることができる。
燃料タンク260の安全角度φs、つまり燃料タンク260の傾斜が許容される閾値角度は、燃料タンク260に蓄えられた燃料の残量によっても変化する。本実施形態の発電装置200は、液量センサ224を備え、燃料タンク260の燃料残量に応じて安全角度φsを調節可能であることにより、発電ユニット250の不必要な停止を抑え、効率よくバッテリー190を充電することが可能とされている。
〔空燃比調節機能〕
また、発電装置200の制御装置210には、大気圧を測定する気圧測定手段である気圧センサ223が接続されている。そして、本実施形態の発電制御プログラムGCPは、気圧センサ223が示す気圧値に基づいて発電ユニット250空燃比を動的に調節する。より具体的には、発電制御プログラムGCPは、気圧値の上昇または低下に応じて空燃比をリッチまたはリーンに調節し、発電ユニット250の熱効率の低下や不完全燃料を防止する。
無人航空機は空中を飛行するというその性質から、陸上を移動する手段と比較して大気圧の変化の影響をうけやすい。本実施形態の発電装置200は、気圧センサ223を備え、その測定値に応じて発電ユニット250の空燃比を調節することにより、より安定してバッテリー190を充電することが可能とされている。
〔電池残量監視機能〕
また、発電装置200の制御装置210には、バッテリー190の電池残量を測定する残電力測定手段である残量計225が接続されている。残量計225は、バッテリー190の電圧値からその電池残量を測定する一般的な残量計である。そして、本実施形態の発電制御プログラムGCPは、残量計225が示す電池残量が所定の閾値以下になったときに、バッテリー190の充電を開始する。バッテリー190の電池残量が所定の閾値以下になったときにバッテリー190の充電動作を開始させることにより、発電ユニット250の不必要な発電動作が防止され、より必要性に即したバッテリー190の充電が可能とされている。なお、バッテリー190の電池残量の閾値は、マルチコプター100の具体的な使用態様に基づいて任意に設定すればよい。
〔墜落検知機能〕
また、本実施形態のIMU221は、マルチコプター100の落下を検知する墜落検知手段を兼ねている。そして、本実施形態の発電制御プログラムGCPは、IMU221がマルチコプター100の落下を検知したときには、発電ユニット250の駆動を自動的に停止する。これにより、マルチコプター100墜落後の事故被害の拡大を抑えることが可能とされている。なお、マルチコプター100の落下を検知する方法としては、例えばIMU221の加速度センサが所定時間以上0Gを示している場合に落下と判断することなどが考えられる。
〔騒音規制機能〕
また、発電装置200の制御装置210には、マルチコプター100の地理上の飛行位置を特定する現在地特定手段であるGPS受信器222が接続されている。また、制御装置210のメモリ212には、騒音に注意を払うべき区域の経緯度情報である騒音規制区域情報NRAが登録されている。そして、本実施形態の発電制御プログラムGCPは、マルチコプター100の飛行位置が騒音規制区域内にあるときには、発電ユニット250の駆動を停止する。これにより、例えば産業用途におけるマルチコプター100の運航数の増大や飛行エリアの拡大があった場合でも、発電ユニット250の動作音による騒音問題を抑えることが可能とされている。
なお、上記騒音規制機能の適用範囲は屋外には限定されない。例えば大規模な施設の構内情報と、その構内における騒音規制区域の情報とをマルチコプター100のメモリ212に登録し、Bluetooth(登録商標) Low Energyの近接プロファイルに対応したビーコンを同施設内に所定間隔で配置する。そして、マルチコプター100が、これらビーコンとの相対的な距離を測定してその施設内における現在飛行位置を特定し、騒音規制区域で発電ユニット250の駆動を停止させる形態も考えられる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態では発電装置200が独自のIMU221やGPS受信器222、気圧センサ224などを備えているが、マルチコプター100が備えるセンサ等でこれらを代用する構成としてもよい。

Claims (10)

  1. 無人航空機に搭載される発電装置であって、
    燃料を蓄える容器体である燃料タンクと、
    前記燃料タンクが接続された発電ユニットと、
    前記燃料タンクの傾きを測定可能な傾斜測定手段と、
    前記発電ユニットによる発電動作を制御する発電制御手段と、を備え、
    前記発電ユニットは前記無人航空機が備える蓄電池を、該無人航空機の飛行中に充電可能であり、
    前記発電制御手段は、前記傾斜測定手段が示す前記燃料タンクの傾斜角度が、所定の閾値角度である安全角度以下であるときに、前記発電ユニットを駆動させることを特徴とする発電装置。
  2. 前記燃料タンクに蓄えられた燃料の残量を測定可能な残燃料測定手段をさらに備え、
    前記発電制御手段は、前記残燃料測定手段が示す燃料残量に基づいて、前記安全角度を調節することを特徴とする請求項1に記載の発電装置。
  3. 大気圧を測定する気圧測定手段をさらに備え、
    前記発電制御手段は、前記気圧検知手段が示す気圧値に基づいて前記発電ユニットの空燃比を調節することを特徴とする請求項1に記載の発電装置。
  4. 前記蓄電池の電池残量を測定する残電力測定手段をさらに備え、
    前記発電制御手段は、前記残電力測定手段が示す電池残量が所定の閾値以下になったときに、前記蓄電池の充電を開始することを特徴とする請求項1に記載の発電装置。
  5. 前記無人航空機の落下を検知する墜落検知手段をさらに備え、
    前記発電制御手段は、前記墜落検知手段が前記無人航空機の落下を検知したときには、前記発電ユニットの駆動を停止することを特徴とする請求項1に記載の発電装置。
  6. 地理上または施設内における所定の区域である騒音規制区域が登録される記憶手段と、
    前記地理上または施設内における前記無人航空機の飛行位置を特定する現在地特定手段と、をさらに備え、
    前記発電制御手段は、前記飛行位置が前記騒音規制区域内にあるときには、前記発電ユニットの駆動を停止することを特徴とする請求項1に記載の発電装置。
  7. 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の発電装置を備えることを特徴とする無人航空機。
  8. 複数の回転翼を備える回転翼機であることを特徴とする請求項7に記載の無人航空機。
  9. 姿勢安定化装置をさらに備え、
    前記姿勢安定化装置は前記燃料タンクを保持していることを特徴とする請求項8に記載の無人航空機。
  10. 前記発電ユニットは、前記蓄電池以外の前記無人航空機の電子・電気機器へも電力を供給可能であり、
    前記発電ユニットは、その発電した電力のうち、前記電子・電気機器に供給した電力の余剰分を前記無人航空機の前記蓄電池に充電し、
    前記電子・電気機器の消費電力が前記発電ユニットの発電量を超過したときには、その不足分の電力は、前記無人航空機の前記蓄電池により補われることを特徴とする請求項7に記載の無人航空機。


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