JPWO2018070103A1 - 着脱式ユニットおよびこれを用いたセンサ較正方法 - Google Patents

Abstract

無人航空機が備えるセンサ類の較正作業を効率化することができ、また、無人航空機の制御機能をユニット化することができる着脱式ユニット、およびこれを用いたセンサ較正方法を提供する。無人航空機の機体に着脱自在なケース体またはボード体であるベース部を備え、前記ベース部には、電子コンパスを構成する磁気センサが取り付けられていることを特徴とする着脱式ユニット、および、前記無人航空機から取り外された状態の前記着脱式ユニットを、手動で回転させ、または手動で所定の姿勢に保つことにより、前記電子コンパスおよび／または前記慣性計測装置を較正する手順を含むことを特徴とするセンサ較正方法により解決する。

Description

本発明は、無人航空機技術に関する。

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、低価格化が進み、これにより無人航空機の操作性が飛躍的に向上した。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ロータ構造が簡単であり、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、広範な産業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。

下記特許文献１には、携帯電話機に搭載された地磁気センサで方位を検出する際の課題、および、地磁気センサのキャリブレーション方法が開示されている。

特開２００６−４７２９９号公報

ホビー用のマルチコプターでは、電子コンパスなどのセンサ類を較正するため、飛行前に機体を手で持ち上げて較正作業を行うことが一般的である。このような較正作業では、通常、マルチコプターの機体を水平面上に載置して、これをマルチコプターの基本姿勢と認識させたり、マルチコプターを所定の姿勢で一定時間保持したり、マルチコプターをその基本姿勢の状態で水平回転させたり、マルチコプターの機首方向を鉛直に立てた状態で機体を水平方向に回転させたり、マルチコプターの機首方向を水平に向けた状態で機体を鉛直方向に回転させたりして、センサ類を較正する。無人航空機のサイズや重量が一人で持ち上げられる程度のものであればこの方法でも問題はないが、例えば産業用の大型の無人航空機に対してこの方法で較正を行う場合、数人がかりで機体を持ち上げる必要があり、較正作業が大掛かりとなる。

また、従来の無人航空機は、制御部を構成する制御装置やセンサ類がフレームに対して個々に取り付けられている。そのため、一の機体の制御部を他の機体に付け替えたり、制御部のみを持ち運んでチューニングしたりすることが困難であった。

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センサ類の較正作業を効率化することができ、また、無人航空機の制御機能をユニット化することができる着脱式ユニット、および、これを用いたセンサ較正方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の着脱式ユニットは、無人航空機の機体に着脱自在なケース体またはボード体であるベース部を備え、前記ベース部には、電子コンパスを構成する磁気センサが取り付けられていることを特徴とする。

無人飛行機を飛行させる前に、磁気センサなどのセンサ類の較正を行う理由は、これらセンサ類の出力値が示す機体の向きや姿勢を特定するためである。すなわち、実際には、較正のために無人飛行機の機体全体を動かす必要はなく、例えば電子コンパスの方位を較正するときには、電子コンパスの構成要素のみを動かせば足りる。本発明では、電子コンパスを構成する磁気センサを無人航空機の機体に着脱可能な構成とすることにより、例えば大型の無人航空機の電子コンパスを較正する場合でも、必要最小限の部品のみでこれを行うことができる。これにより、電子コンパスの較正作業を効率化することができる。

また、前記ベース部にはさらに、加速度センサおよび／または角速度センサが取り付けられていることが好ましい。

電子コンパスとともに加速度センサや角速度センサがベース部に取り付けられていることにより、電子コンパスと同様に、これら加速度センサや角速度センサの較正作業を効率化することができる。また、電子コンパスの較正作業時にこれら加速度センサ・角速度センサの出力値を利用することが可能となり、電子コンパスの較正精度が高められる。なお、これら加速度センサおよび／または角速度センサは、慣性計測装置の一部を構成するものであってもよい。

また、前記ベース部には、前記電子コンパスの較正に要するすべての周辺装置が取り付けられていることが好ましい。

電子コンパスに加え、電子コンパスの信号処理部や周辺ハードウェア・ソフトウェアなど、電子コンパスの較正に必要となる構成の全体がベース部に配置されていることにより、着脱式ユニット単体で電子コンパスの較正作業を完結させることが可能となる。

また、前記ベース部には、前記無人航空機のフライトコントローラを構成する制御装置、前記慣性計測装置、および前記電子コンパスが取り付けられている構成としてもよい。

無人航空機の飛行制御システムの必須構成がベース部に配置されていることにより、無人航空機の制御機能をユニット化することができる。これにより、一の機体の制御機能を他の機体に付け替えたり、着脱式ユニットのみを持ち運んでチューニングすることが可能となる。

また、本発明の着脱式ユニットは、前記ベース部に取り付けられた各電子装置に電力を供給するバッテリーを備えていることが好ましい。

着脱式ユニットが独自にバッテリーを備えていることにより、機体に搭載されたバッテリーから着脱式ユニットに電力を供給することなく、着脱式ユニットのみでセンサ類の較正作業を行うことが可能となる。

また、本発明の着脱式ユニットは、前記ベース部に取り付けられた各電子装置と、前記無人航空機の機体に搭載された機器と、を電気的に接続する端子部を備え、前記端子部は、前記無人航空機側の機器の信号線が接続される一の信号線コネクタと、前記ベース部に取り付けられた各電子装置に電力を供給する電力線が接続される一の電力線コネクタと、を有することが好ましい。

ベース部に固定された各電子装置の信号線と電力線とをそれぞれ一つのコネクタで機体に接続可能とすることにより、着脱式ユニットの着脱作業を効率化することができる。

また、上記課題を解決するため、本発明のセンサ較正方法は、前記無人航空機から取り外された状態の前記着脱式ユニットを、手動で回転させ、または手動で所定の姿勢に保つことにより、前記電子コンパスおよび／または前記慣性計測装置を較正する手順を含むことを特徴とする。

無人航空機への装着前にセンサ類の較正を行うことにより、例えば大型の無人航空機のセンサ類を較正する場合でも、必要最小限の部品のみでこれを行うことができる。これにより、センサ類の較正作業を効率化することができる。

以上のように、本発明にかかる着脱式ユニット、およびこれを用いたセンサ較正方法によれば、無人航空機が備えるセンサ類の較正作業を効率化することが可能となり、また、無人航空機の制御機能のユニット化することが可能となる。

着脱式ユニットが装着されたマルチコプターの外観を示す斜視図である。 着脱式ユニットの外観を示す斜視図である。 マルチコプターの機能構成を示すブロック図である。

〔構成概要〕
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の着脱式ユニット１００が装着されたマルチコプターＭの外観を示す斜視図である。図２は着脱式ユニット１００の外観を示す斜視図である。

マルチコプターＭは、回転翼である６基のロータＲを有する無人航空機である。着脱式ユニット１００は、マルチコプターＭの機体である本体部２００に着脱自在なケース体１０１（ベース部）を備えており、本実施形態では本体部２００の上部に装着されている。着脱式ユニット１００を本体部２００に装着する方法は特に限定されず、着脱式ユニット１００を本体部２００にガタつきなく固定することができ、かつ取り外しが可能であることを条件として、任意の装着手段を用いることができる。また、本体部２００に対する着脱式ユニット１００の装着位置も本体部２００の上部には限定されず、本体部２００の下部や側部など、着脱式ユニット１００を固定可能な部位であれば本体部２００のどこに装着してもよい。

着脱式ユニット１００のケース体１０１には、後述する種々の電子装置が収容されており、これらはケース体１０１の内部に固定されている。また、図２に示すように、ケース体１０１の外部にはこれら電子装置の一部であるＧＮＳＳ受信器１６０が固定されている。なお、本発明でいう「電子装置」とは、電子技術を利用した装置全般を意味している。

ケース体１０１の外部にはさらに、着脱式ユニット１００に収容された各電子装置と、本体部２００に搭載された機器とを電気的に接続する端子部１７０が露出している。端子部１７０は、着脱式ユニット１００の各電子装置の信号線がまとめられたコネクタである一の信号線コネクタ１７１と、これら各電子装置の電力線がまとめられたコネクタである一の電力線コネクタ１７２と、により構成されている。本体部２００側には、これら端子部１７０に対応するコネクタである信号線コネクタ２７１および電力線コネクタ２７２が設けられている。本実施形態の着脱式ユニット１００は、その複数の信号線および電力線をそれぞれ一つのコネクタ１７１，１７２で本体部２００に接続可能であることにより、本体部２００に対する着脱作業が効率化されている。

なお、着脱式ユニット１００に収容された各電子装置を本体部２００側の機器に接続する方法は、本実施形態のコネクタ１７１，１７２を用いた方法には限られない。例えば、着脱式ユニット１００および本体部２００間の信号の送受信に近距離無線通信手段を用いることにより、信号線の接続作業自体を省略することができる。なお、ここでいう「近距離無線通信手段」とは、電波による通信手段のみならず、光による通信手段も含んでいる。なお、信号の送受信に近距離無線通信手段を採用する場合には、通信の遅延により着脱式ユニット１００の各電子装置の機能が損なわれないよう、通信速度とデータの信頼性とのバランスを調節する必要がある。

また、例えば電磁誘導方式や磁気共鳴方式などの非接触電力伝送手段を用いて、本体部２００に搭載された電源から着脱式ユニット１００の各電子装置に電力を供給する構成とすることにより、電力線を接続する作業自体を省略することができる。交流磁界は地磁気への影響が少ないため、後述する電子コンパスＣの動作に対する影響を除去することは容易である。特に、磁気共鳴方式では高い周波数帯が用いられるため、電磁気の遮断はさらに容易である。

〔機能構成〕
図３はマルチコプターＭの機能構成を示すブロック図である。マルチコプターＭの機能は、主に、フライトコントローラＦＣ、６基のロータＲ、これらロータＲの回転を制御するＥＳＣ２１０（Electric Speed Controller）、および、これらに電力を供給するバッテリー２９０により構成されている。

各ロータＲは、モータ２２０と、その出力軸に連結された固定ピッチのプロペラ２３０とにより構成されている。ＥＳＣ２１０は、ロータＲのモータ２２０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２２０を回転させる。マルチコプターＭのロータ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Ｒが２基のヘリコプター（テールロータをロータＲとして含む）から、ロータ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Ｒ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１２０を備えている。制御装置１２０は、中央処理装置であるＣＰＵ１２１、ＲＡＭやＲＯＭ・フラッシュメモリなどの記憶装置であるメモリ１２２、および、ＥＳＣ２１０を介して各モータ２２０の回転数を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コントローラ１２３を有している。

フライトコントローラＦＣはさらに、慣性計測装置であるＩＭＵ１３０、電子コンパスＣを構成する３軸の地磁気センサである磁気センサ１４０、気圧センサ１５０、およびＧＮＳＳ受信器１６０（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１２０に接続されている。ＩＭＵ１３０は主に３軸の加速度センサ１３１および角速度センサ１３２により構成されている。ＧＮＳＳ受信器１６０は、航法衛星システム（ＮＳＳ：Navigation Satellite System）の受信器である。ＧＮＳＳ受信器１６０は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ:Global Navigation Satellite System）または地域航法衛星システム（ＲＮＳＳ:Regional Navigational Satellite System）から現在の経緯度値および時刻情報を取得する。気圧センサ１５０は飛行高度を測定する高度センサの一態様である。気圧センサ１５０は、検出した気圧値を海抜高度またはマルチコプターＭの離陸地点からの相対高度に変換することでマルチコプターＭの飛行高度を特定する。制御装置１２０は、これらセンサ等により、機体の傾きや回転のほか、飛行中の経緯度、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１２０のメモリ１２２には、マルチコプターＭの飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御する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３００）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Ｍを飛行させる。

マルチコプターＭの操縦は、オペレータが送信器３００を用いて手動で行うほか、マルチコプターＭの飛行経路や速度、高度などのパラメータである飛行計画ＦＰを自律飛行プログラムＡＰＰに予め登録しておき、マルチコプターＭを目的地へ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。）。

本実施形態では、マルチコプターＭの本体部２００には、ロータＲ、ＥＳＣ２１０、およびバッテリー２９０のみが搭載されており、着脱式ユニット１００側に、フライトコントローラＦＣを中心とした飛行制御装置の全体が配置されている。これによりマルチコプターＭの制御機能のユニット化が図られており、一の機体の制御機能（着脱式ユニット１００）を他の機体に付け替えたり、着脱式ユニット１００のみを持ち運んでチューニングや機能改修などを行うことが可能とされている。

なお、上述のように、本実施形態のマルチコプターＭは高度な飛行制御機能を備えているが、本発明の無人航空機は、複数のロータＲと本発明の着脱式ユニットを備える機体であればよく、例えば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であってもよい。

〔着脱式ユニット〕
本例のマルチコプターＭは、電子コンパスＣが示す方位を較正するため、飛行前に電子コンパスＣの較正作業を行う必要がある。マルチコプターＭは比較的大型の機体である。これを本体部２００ごと回転させるためには、数人がかりで機体を持ち上げる必要があり、較正作業が大掛かりとなる。本実施形態では、着脱式ユニット１００に電子コンパスＣを構成する磁気センサ１４０が収容されている。そのため、脱式ユニット１００を本体部２００から取り外して脱式ユニット１００のみで較正作業を行うことができ、較正作業が効率化されている。このことは、ＩＭＵ１３０の較正作業を行う場合も同様である。

また、着脱式ユニット１００には、電子コンパスＣとともにＩＭＵ１３０も収容されている。ＩＭＵ１３０に含まれる加速度センサ１３１および角速度センサ１３２は、電子コンパスＣの較正処理にも利用される。フライトコントローラＦＣを構成するＩＭＵ１３０を電子コンパスＣの較正処理にも利用することにより、較正のための専用の加速度センサや角速度センサを別途設ける必要がなくなり、部品点数を増やすことなく較正処理の精度および効率を向上させることが可能とされている。

そして、制御装置１２０のメモリ１２２には、較正時における電子コンパスＣとＩＭＵ１３０の信号を処理し、電子コンパスＣが示す方位を較正するプログラムであるキャリブレーションプログラムＣＰが記憶されている。さらに、着脱式ユニット１００にはバッテリー１９０も搭載されている。バッテリー１９０は、着脱式ユニット１００に収容された各電子装置に電力を供給可能な電池である。

このように、本実施形態の着脱式ユニット１００には、電子コンパスＣのみならず、電子コンパスＣの較正作業に要する周辺装置であるＩＭＵ１３０、制御装置１２０、およびキャリブレーションプログラムＣＰなどがまとめられており、さらに、これら各電子装置に電力を供給するバッテリー１９０が備えられている。これにより、着脱式ユニット１００を本体部２００から切り離して、着脱式ユニット１００単体で電子コンパスＣの較正作業を完結させることが可能とされている。なお、本発明でいう「電子コンパスＣの較正に要するすべての周辺装置」とは、電子コンパスＣの較正作業に使用されるすべてのハードウェアおよびソフトウェアを意味している。

〔センサ較正方法〕
本例の電子コンパスＣを較正するときには、まず、磁気センサ１４０を水平に保った状態で着脱式ユニット１００を水平回転させ、そして、磁気センサ１００の機首側を鉛直下方に向けた状態で着脱式ユニット１００を水平回転させる。また、ＩＭＵ１３０を較正するときには、ＩＭＵ１３０を水平にした状態で一定時間保持し、そして、ＩＭＵ１３０の機首側を水平に向けた姿勢、および鉛直に向けた姿勢で着脱式ユニット１００を一定時間保持する。なお、電子コンパスＣやＩＭＵ１３０の較正作業の手順は本例のものには限られず、各センサの製品仕様やファームウェアの仕様に応じて異なる手順で行ってもよい。

上でも述べたように、上記各較正作業は着脱式ユニット１００がマルチコプターＭから取り外された状態で行われる。これにより大型のマルチコプターＭを飛行させるときの電子コンパスＣの較正作業や、ＩＭＵ１３０の較正作業を必要最小限の部品のみで行うことができ、これらセンサ類の較正作業が効率化される。

〔変形例〕
上述のように、本実施形態の着脱式ユニット１００には、電子コンパスＣと、その較正作業に要する周辺装置、さらに、マルチコプターＭの飛行制御機能の全体構成がまとめられており、電子コンパスＣの較正作業の効率化と、マルチコプターＭの制御機能のユニット化の両方が実現されている。

一方、電子コンパスＣを構成する磁気センサ１４０のみが着脱式ユニット１００に固定されている場合でも、較正作業の効率化は可能である。また、磁気センサ１４０が固定されるベース部の形態もケース体１０１には限定されず、ベース部は、磁気センサが固定可能であることを条件として、例えば本体部２００に設けられたスロットに抜き差しされる小型のボード体などであってもよい。また、電子コンパスＣを構成する磁気センサ１４０も３軸地磁気センサには限定されず、２軸のものを用いることも考えられる。さらに、本発明の着脱式ユニットは、マルチコプターＭのような無人回転翼航空機のみならず、固定翼を備えた無人航空機や、あるいは、推進用の動力源を備えた無人飛行船などに用いることも可能である。

Claims (8)

1. 無人航空機の機体に着脱自在なケース体またはボード体であるベース部を備え、
   前記ベース部には、電子コンパスを構成する磁気センサが取り付けられていることを特徴とする着脱式ユニット。
2. 前記ベース部にはさらに、加速度センサおよび／または角速度センサが取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の着脱式ユニット。
3. 前記ベース部には、前記加速度センサおよび前記角速度センサを含む慣性計測装置が取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載の着脱式ユニット。
4. 前記ベース部には、前記電子コンパスの較正に要するすべての周辺装置が取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の着脱式ユニット。
5. 前記ベース部には、前記無人航空機のフライトコントローラを構成する制御装置、前記慣性計測装置、および前記電子コンパスが取り付けられていることを特徴とする請求項３に記載の着脱式ユニット。
6. 前記ベース部に取り付けられた各電子装置に電力を供給するバッテリーを備えていることを特徴とする請求項１に記載の着脱式ユニット。
7. 前記ベース部に取り付けられた各電子装置と、前記無人航空機の機体に搭載された機器と、を電気的に接続する端子部を備え、
   前記端子部は、前記無人航空機側の機器の信号線が接続される信号線コネクタと、前記ベース部に取り付けられた各電子装置に電力を供給する電力線が接続される電力線コネクタと、を有することを特徴とする請求項１に記載の着脱式ユニット。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の着脱式ユニットを用いたセンサ較正方法であって、
   前記無人航空機から取り外された状態の前記着脱式ユニットを、手動で回転させ、または手動で所定の姿勢に保つことにより、前記電子コンパスおよび／または前記慣性計測装置を較正する手順を含むことを特徴とするセンサ較正方法。
   
   

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