JPWO2019168044A1

JPWO2019168044A1 - ドローン、ドローンの制御方法、および、ドローン制御プログラム

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Publication number: JPWO2019168044A1
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Inventors: 千大和氣; 洋柳下
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Abstract

【課題】安全性が高いドローンを提供する。【解決策】飛行手段101-1ａ、101-1ｂ、101-2ａ、101-2ｂ、101-3ａ、101-3ｂ、101-4ａ、101-4bと、飛行手段を稼働させる飛行制御部23と、飛行手段の稼働状態が過剰であるか否かを判定する稼働状態検知部24と、を備えるドローン100であって、飛行制御部23は、稼働状態検知部24により飛行手段の稼働状態が過剰であると判定されると、前記飛行手段の稼働の停止、前記飛行手段への稼働の程度を指定する指令値を減少させる予備退避行動、および前記飛行手段の稼働の一部を停止させる一部停止行動のうち少なくとも１の行動を取らせる。【選択図】図６

Description

本願発明は、飛行体（ドローン）、特に、安全性を高めたドローン、並びに、その制御方法および制御プログラムに関する。

一般にドローンと呼ばれる小型ヘリコプター（マルチコプター）の応用が進んでいる。その重要な応用分野の一つとして農地（圃場）への農薬や液肥などの薬剤散布が挙げられる（たとえば、特許文献１）。欧米と比較して農地が狭い日本においては、有人の飛行機やヘリコプターではなくドローンの使用が適しているケースが多い。

準天頂衛星システムやRTK-GPS（Real Time Kinematic - Global Positioning System）などの技術によりドローンが飛行中に自機の絶対位置をセンチメートル単位で正確に知ることができるようになったことで、日本において典型的な狭く複雑な地形の農地でも、人手による操縦を最小限として自律的に飛行し、効率的かつ正確に薬剤散布を行なえるようになっている。

その一方で、農業用の薬剤散布向け自律飛行型ドローンについては安全性に対する考慮が十分とは言いがたいケースがあった。薬剤を搭載したドローンの重量は数10キログラムになるため、人の上に落下する等の事故が起きた場合に重大な結果を招きかねない。また、通常、ドローンの操作者は専門家ではないためフールプルーフの仕組みが必要であるが、これに対する考慮も不十分であった。今までに、人間による操縦を前提としたドローンの安全性技術は存在していたが（たとえば、特許文献２）、特に農業用の薬剤散布向けの自律飛行型ドローンに特有の安全性課題に対応するための技術は存在していなかった。

特許公開公報特開２００１−１２０１５１特許公開公報特開２０１７−１６３２６５

自律飛行時であっても、高い安全性を維持できるドローン（飛行体）を提供する。

上記目的を達成するため、本発明の一の観点に係るドローンは、飛行手段と、前記飛行手段を稼働させる飛行制御部と、前記飛行手段の稼働状態を判定する稼働状態検知部と、を備えるドローンであって、前記飛行制御部は、前記稼働状態検知部が前記飛行手段の稼働状態が過剰であると判定すると、前記飛行手段の稼働の停止、前記飛行手段への稼働の程度を指定する指令値を減少させる予備退避行動、および前記飛行手段の稼働の一部を停止させる一部停止行動のうち少なくとも１の行動を取らせる。

前記飛行手段は、回転翼および前記回転翼を回転させるモーターであり、前記稼働状態検知部は前記回転翼が過回転しているか否かを検知するものとしてもよい。

前記飛行制御部は、前記稼働状態検知部が前記回転翼の過回転を検知すると、前記モーターへの回転数の指令値を減少させるものとしてもよい。

前記飛行制御部は、前記稼働状態検知部が前記回転翼の過回転を検知すると、前記モーターの回転を停止させるものとしてもよい。

前記稼働状態検知部が前記回転翼の過回転を検知したことに基づいて、前記飛行制御部が前記モーターへの回転数の指令値を減少させた後、依然として前記回転翼が過回転である場合、前記飛行制御部は、前記モーターの回転を停止させるものとしてもよい。

前記飛行制御部は、前記稼働状態検知部が前記回転翼の過回転を検知すると、前記回転翼を回転させて下向きの揚力を発生させるものとしてもよい。

前記飛行手段は、互いにセットになっている複数の回転翼と、前記複数の回転翼の回転数をそれぞれ制御する複数のモーターを有し、前記稼働状態検知部は、過回転する回転翼を制御するモーターを特定し、前記飛行制御部は、前記過回転する回転翼とセットになっている回転翼に対応するモーターを、過回転により発生する揚力と逆向きの揚力が発生するように回転させるものとしてもよい。

前記飛行手段は、上下２段構成で互いにセットになっている複数の回転翼と、前記複数の回転翼の回転数をそれぞれ制御する複数のモーターを有し、前記稼働状態検知部は、過回転する回転翼を特定し、前記過回転する回転翼、および、互いにセットになっている前記複数の回転翼のうちそれぞれ一方を停止させるものとしてもよい。

前記ドローンから外部に薬剤を吐出するか否かを制御する薬剤制御部をさらに備え、前記薬剤制御部は、前記稼働状態検知部が前記飛行手段の稼働状態が過剰であると判定すると前記薬剤の吐出を停止するものとしてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の別の観点に係るドローンの制御方法は、飛行手段を稼働させる飛行制御ステップと、前記飛行手段の稼働状態を判定する稼働状態検知ステップと、前記飛行手段の稼働状態が過剰であるとの判定に基づいて、前記飛行手段の稼働を停止するステップ、前記飛行手段への稼働の程度を指定する指令値を減少させる予備退避行動を行うステップ、および前記飛行手段の稼働の一部を停止させる一部停止行動を行うステップのうち少なくとも１のステップと、を含む。

前記飛行手段は、回転翼および前記回転翼を回転させるモーターであり、前記稼働状態検知ステップは前記回転翼が過回転しているか否かを検知するものとしてもよい。

前記回転翼の過回転を検知するとき、前記モーターへの回転数の指令値を減少させるステップをさらに含むものとしてもよい。

前記稼働状態検知ステップにおいて前記回転翼の過回転を検知すると、前記モーターの回転を停止させるものとしてもよい。

前記稼働状態検知ステップにおいて前記回転翼の過回転を検知したことに基づいて、前記モーターへの回転数の指令値を減少するステップの後、依然として前記回転翼が過回転である場合、前記モーターの回転を停止させるステップを行うものとしてもよい。

前記稼働状態検知ステップにおいて前記モーターの過回転を検知すると、前記回転翼を回転させて下向きの揚力を発生させるステップを行うものとしてもよい。

前記飛行手段は、互いにセットになっている複数の回転翼と、前記複数の回転翼の回転数をそれぞれ制御する複数のモーターを有し、前記稼働状態検知ステップは、過回転する回転翼を制御するモーターを特定し、前記飛行制御ステップは、前記過回転する回転翼とセットになっている回転翼に対応するモーターを、過回転により発生する揚力と逆向きの揚力が発生するように回転させるものとしてもよい。

前記飛行手段は、上下２段構成で互いにセットになっている複数の回転翼と、前記複数の回転翼の回転数をそれぞれ制御する複数のモーターを有し、過回転する回転翼を特定するステップと、前記過回転する回転翼、および、互いにセットになっている前記複数の回転翼のうちそれぞれ一方を停止させるステップと、をさらに含むものとしてもよい。

前記ドローンから外部に薬剤を吐出するか否かを制御する薬剤制御ステップをさらに備え、前記薬剤制御ステップは、前記飛行手段の稼働状態が過剰であることを検知すると前記薬剤の吐出を停止するものとしてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の別の観点に係るドローン制御プログラムは、飛行手段を稼働させる飛行制御命令と、前記飛行手段の稼働状態を判定する稼働状態検知命令と、
前記飛行手段の稼働状態が過剰であるとの判定に基づいて、前記飛行手段の稼働を停止する命令、前記飛行手段への稼働の程度を指定する指令値を減少させる予備退避行動を行う命令、および前記飛行手段の稼働の一部を停止させる一部停止行動を行う命令のうち少なくとも１の命令と、をコンピューターに実行させる。

前記飛行手段は、回転翼および前記回転翼を回転させるモーターであり、前記稼働状態検知命令は前記モーターの過回転を検知する命令を含むものとしてもよい。

前記稼働状態検知命令において前記回転翼の過回転を検知すると、前記モーターへの回転数の指令値を減少させる命令をコンピューターに実行させるものとしてもよい。

前記稼働状態検知命令において前記回転翼の過回転を検知するとき、前記モーターの回転を停止させる命令を含むものとしてもよい。

前記稼働状態検知命令において前記回転翼の過回転を検知したことに基づいて、前記モーターへの回転数の指令値を減少する命令をコンピューターに実行させ、依然として前記回転翼が過回転である場合、前記モーターの回転を停止させる命令をコンピューターに実行させるものとしてもよい。

前記稼働状態検知命令において前記モーターの過回転を検知すると、前記回転翼を回転させて下向きの揚力を発生させる命令をさらにコンピューターに実行させるものとしてもよい。

前記飛行手段は、互いにセットになっている複数の回転翼と、前記複数の回転翼の回転数をそれぞれ制御する複数のモーターを有し、前記稼働状態検知命令は、過回転する回転翼を制御するモーターを特定する命令を含み、前記飛行制御命令は、前記過回転する回転翼とセットになっている回転翼に対応するモーターを、過回転により発生する揚力と逆向きの揚力が発生するように回転させる命令をさらにコンピューターに実行させるものとしてもよい。

前記飛行手段は、上下２段構成で互いにセットになっている複数の回転翼と、前記複数の回転翼の回転数をそれぞれ制御する複数のモーターを有し、過回転する回転翼を特定する命令と、前記過回転する回転翼、および、互いにセットになっている前記複数の回転翼のうちそれぞれ一方を停止させる命令と、をさらにコンピューターに実行させるものとしてもよい。

さらに、前記ドローンから外部に薬剤を吐出するか否かを制御する薬剤制御命令をコンピューターに実行させ、前記薬剤制御命令は、前記稼働状態検知命令において前記飛行手段の稼働状態が過剰であると判定すると前記薬剤の吐出を停止する命令をさらにコンピューターに実行させるものとしてもよい。
なお、コンピュータプログラムは、インターネット等のネットワークを介したダウンロードによって提供したり、ＣＤ−ＲＯＭなどのコンピュータ読取可能な各種の記録媒体に記録して提供したりすることができる。

本願発明に係るドローンの実施例の平面図である。本願発明に係るドローンの実施例の正面図である。本願発明に係るドローンの実施例の右側面図である。本願発明に係るドローンの実施例を使用した薬剤散布システムの全体概念図の例である。本願発明に係るドローンの実施例の制御機能を表した模式図である。上記ドローンが有する飛行手段の稼働状態を検知して退避行動を行う機能に関する機能ブロック図である。上記ドローンが上記飛行手段の稼働状態を判定して退避行動を行うフローチャートである。本願発明に係るドローンの別の実施の形態において、上記ドローンが上記飛行手段の稼働状態を判定して退避行動を行う場合のフローチャートである。

以下、図を参照しながら、本願発明を実施するための形態について説明する。図はすべて例示である。

図１に本願発明に係る薬剤散布用ドローン100の実施例の平面図を、図２にその（進行方向側から見た）正面図を、図３にその右側面図を示す。なお、本願明細書において、ドローンとは、動力手段（電力、原動機等）、操縦方式（無線であるか有線であるか、および、自律飛行型であるか手動操縦型であるか等）を問わず、複数の回転翼を有する飛行体全般を指すこととする。

回転翼101-1a、101-1b、101-2a、101-2b、101-3a、101-3b、101-4a、101-4b（ローターとも呼ばれる）は、ドローン100を飛行させるための手段であり、飛行の安定性、機体サイズ、および、バッテリー消費量のバランスを考慮し、8機（2段構成の回転翼が4セット）備えられていることが望ましい。

モーター102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、102-4ａ、102-4bは、回転翼101-1a、101-1b、101-2a、101-2b、101-3a、101-3b、101-4a、101-4bを回転させる手段（典型的には電動機だが発動機等であってもよい）であり、一つの回転翼に対して1機設けられていることが望ましい。１セット内の上下の回転翼（たとえば、101-1aと101-1b）、および、それらに対応するモーター（たとえば、102-1aと102-1b）は、ドローンの飛行の安定性等のために軸が同一直線上にあり、かつ、互いに反対方向に回転することが望ましい。なお、一部の回転翼101-3b、および、モーター102-3bが図示されていないが、その位置は自明であり、もし左側面図があったならば示される位置にある。図２、および、図３に示されるように、ローターが異物と干渉しないよう設けられたプロペラガードを支えるための放射状の部材は水平ではなくやぐら上の構造であることが望ましい。衝突時に当該部材が回転翼の外側に座屈することを促し、ローターと干渉することを防ぐためである。

薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4は、薬剤を下方に向けて散布するための手段であり4機備えられていることが望ましい。なお、本願明細書において、薬剤とは、農薬、除草剤、液肥、殺虫剤、種、および、水などの圃場に散布される液体または粉体を一般的に指すこととする。

薬剤タンク104は散布される薬剤を保管するためのタンクであり、重量バランスの観点からドローン100の重心に近い位置でかつ重心より低い位置に設けられていることが望ましい。薬剤ホース105-1、105-2、105-3、105-4は、薬剤タンク104と各薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4とを接続する手段であり、硬質の素材から成り、当該薬剤ノズルを支持する役割を兼ねていてもよい。ポンプ106は、薬剤をノズルから吐出するための手段である。

図４に本願発明に係るドローン100の薬剤散布用途の実施例を使用したシステムの全体概念図を示す。本図は模式図であって、縮尺は正確ではない。操縦器401は、使用者402の操作によりドローン100に指令を送信し、また、ドローン100から受信した情報（たとえば、位置、薬剤量、電池残量、カメラ映像等）を表示するための手段であり、コンピューター・プログラムを稼働する一般的なタブレット端末等の携帯情報機器によって実現されてよい。本願発明に係るドローン100は自律飛行を行なうよう制御されることが望ましいが、離陸や帰還などの基本操作時、および、緊急時にはマニュアル操作が行なえるようになっていることが望ましい。携帯情報機器に加えて、緊急停止専用の機能を有する非常用操作機（図示していない）を使用してもよい（非常用操作機は緊急時に迅速に対応が取れるよう大型の緊急停止ボタン等を備えた専用機器であることが望ましい）。操縦器401とドローン100はWi-Fi等による無線通信を行なうことが望ましい。

圃場403は、ドローン100による薬剤散布の対象となる田圃や畑等である。実際には、圃場403の地形は複雑であり、事前に地形図が入手できない場合、あるいは、地形図と現場の状況が食い違っている場合がある。通常、圃場403は家屋、病院、学校、他作物圃場、道路、鉄道等と隣接している。また、圃場403内に、建築物や電線等の障害物が存在する場合もある。

基地局404は、Wi-Fi通信の親機機能等を提供する装置であり、RTK-GPS基地局としても機能し、ドローン100の正確な位置を提供できるようにすることが望ましい（Wi-Fi通信の親機機能とRTK-GPS基地局が独立した装置であってもよい）。営農クラウド405は、典型的にはクラウドサービス上で運営されているコンピューター群と関連ソフトウェアであり、操縦器401と携帯電話回線等で無線接続されていることが望ましい。営農クラウド405は、ドローン100が撮影した圃場403の画像を分析し、作物の生育状況を把握して、飛行ルートを決定するための処理を行なってよい。また、保存していた圃場403の地形情報等をドローン100に提供してよい。加えて、ドローン100の飛行および撮影映像の履歴を蓄積し、様々な分析処理を行なってもよい。

通常、ドローン100は圃場403の外部にある発着地点406から離陸し、圃場403に薬剤を散布した後に、あるいは、薬剤補充や充電等が必要になった時に発着地点406に帰還する。発着地点406から目的の圃場403に至るまでの飛行経路（侵入経路）は、営農クラウド405等で事前に保存されていてもよいし、使用者402が離陸開始前に入力してもよい。

図５に本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の制御機能を表した模式図を示す。フライトコントローラー501は、ドローン全体の制御を司る構成要素であり、具体的にはCPU、メモリー、関連ソフトウェア等を含む組み込み型コンピューターであってよい。フライトコントローラー501は、操縦器401から受信した入力情報、および、後述の各種センサーから得た入力情報に基づき、ESC（Electronic Speed Control）等の制御手段を介して、モーター102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、104-a、104-bの回転数を制御することで、ドローン100の飛行を制御する。モーター102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、104-a、104-bの実際の回転数はフライトコントローラー501にフィードバックされ、正常な回転が行なわれているかを監視できる構成になっていることが望ましい。あるいは、回転翼101に光学センサー等を設けて回転翼101の回転がフライトコントローラー501にフィードバックされる構成でもよい。

フライトコントローラー501が使用するソフトウェアは、機能拡張・変更、問題修正等のために記憶媒体等を通じて、または、Wi-Fi通信やUSB等の通信手段を通じて書き換え可能になっていることが望ましい。この場合において、不正なソフトウェアによる書き換えが行なわれないように、暗号化、チェックサム、電子署名、ウィルスチェックソフト等による保護を行なうことが望ましい。また、フライトコントローラー501が制御に使用する計算処理の一部が、操縦器401上、または、営農クラウド405上や他の場所に存在する別のコンピューターによって実行されてもよい。フライトコントローラー501は重要性が高いため、その構成要素の一部または全部が二重化されていてもよい。

バッテリー502は、フライトコントローラー501、および、ドローンのその他の構成要素に電力を供給する手段であり、充電式であることが望ましい。バッテリー502はヒューズ、または、サーキットブレーカー等を含む電源ユニットを介してフライトコントローラー501に接続されていることが望ましい。バッテリー502は電力供給機能に加えて、その内部状態（蓄電量、積算使用時間等）をフライトコントローラー501に伝達する機能を有するスマートバッテリーであることが望ましい。

フライトコントローラー501は、Wi-Fi子機機能503を介して、さらに、基地局404を介して操縦器401とやり取りを行ない、必要な指令を操縦器401から受信すると共に、必要な情報を操縦器401に送信できることが望ましい。この場合に、通信には暗号化を施し、傍受、成り済まし、機器の乗っ取り等の不正行為を防止できるようにしておくことが望ましい。基地局404は、Wi-Fiによる通信機能に加えて、RTK-GPS基地局の機能も備えていることが望ましい。RTK基地局の信号とGPS測位衛星からの信号を組み合わせることで、GPSモジュール504により、ドローン100の絶対位置を数センチメートル程度の精度で測定可能となる。GPSモジュール504は重要性が高いため、二重化・多重化しておくことが望ましく、また、特定のGPS衛星の障害に対応するため、冗長化されたそれぞれのGPSモジュール504は別の衛星を使用するよう制御することが望ましい。

６軸ジャイロセンサー505はドローン機体の加速度を測定する手段（さらに、加速度の積分により速度を計算する手段）である。地磁気センサー506は、地磁気の測定によりドローン機体の方向を測定する手段である。気圧センサー507は、気圧を測定する手段であり、間接的にドローンの高度も測定することもできる。レーザーセンサー508は、レーザー光の反射を利用してドローン機体と地表との距離を測定する手段であり、IR（赤外線）レーザーを使用することが望ましい。ソナー509は、超音波等の音波の反射を利用してドローン機体と地表との距離を測定する手段である。これらのセンサー類は、ドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよい。また、機体の傾きを測定するためのジャイロセンサー（角速度センサー）、風力を測定するための風力センサーなどが追加されていてもよい。また、これらのセンサー類は、二重化または多重化されていることが望ましい。同一目的複数のセンサーが存在する場合には、フライトコントローラー501はそのうちの一つのみを使用し、それが障害を起こした際には、代替のセンサーに切り替えて使用するようにしてもよい。あるいは、複数のセンサーを同時に使用し、それぞれの測定結果が一致しない場合には障害が発生したと見なすようにしてもよい。

流量センサー510は薬剤の流量を測定するための手段であり、薬剤タンク104から薬剤ノズル103に至る経路の複数の場所に設けられていることが望ましい。液切れセンサー511は薬剤の量が所定の量以下になったことを検知するセンサーである。マルチスペクトルカメラ512は圃場403を撮影し、画像分析のためのデータを取得する手段である。障害物検知カメラ513はドローン障害物を検知するためのカメラであり、画像特性とレンズの向きがマルチスペクトルカメラ512とは異なるため、マルチスペクトルカメラ512とは別の機器であることが望ましい。スイッチ514はドローン100の使用者402が様々な設定を行なうための手段である。障害物接触センサー515はドローン100、特に、そのローターやプロペラガード部分が電線、建築物、人体、立木、鳥、または、他のドローン等の障害物に接触したことを検知するためのセンサーである。カバーセンサー516は、ドローン100の操作パネルや内部保守用のカバーが開放状態であることを検知するセンサーである。薬剤注入口センサー517は薬剤タンク104の注入口が開放状態であることを検知するセンサーである。これらのセンサー類はドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよく、二重化・多重化してもよい。また、ドローン100外部の基地局404、操縦器401、または、その他の場所にセンサーを設けて、読み取った情報をドローンに送信してもよい。たとえば、基地局404に風力センサーを設け、風力・風向に関する情報をWi-Fi通信経由でドローン100に送信するようにしてもよい。

フライトコントローラー501はポンプ106に対して制御信号を送信し、薬剤吐出量の調整や薬剤吐出の停止を行なう。ポンプ106の現時点の状況（たとえば、回転数等）は、フライトコントローラー501にフィードバックされる構成となっていることが望ましい。

LED107は、ドローンの操作者に対して、ドローンの状態を知らせるための表示手段である。LEDに替えて、または、それに加えて液晶ディスプレイ等の表示手段を使用してもよい。ブザー518は、音声信号によりドローンの状態（特にエラー状態）を知らせるための出力手段である。Wi-Fi子機機能519は操縦器401とは別に、たとえば、ソフトウェアの転送などのために外部のコンピューター等と通信するためのオプショナルな構成要素である。Wi-Fi子機機能に替えて、または、それに加えて、赤外線通信、Bluetooth（登録商標）、ZigBee（登録商標）、NFC等の他の無線通信手段、または、USB接続などの有線通信手段を使用してもよい。スピーカー520は、録音した人声や合成音声等により、ドローンの状態（特にエラー状態）を知らせる出力手段である。天候状態によっては飛行中のドローン100の視覚的表示が見にくいことがあるため、そのような場合には音声による状況伝達が有効である。警告灯521はドローンの状態（特にエラー状態）を知らせるストロボライト等の表示手段である。これらの入出力手段は、ドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよく、二重化・多重化してもよい。

自律飛行により飛行するドローンにおいては、回転翼の制御系に起こる異常等により、回転翼の回転数が所定の値を超え、暴走したり、上昇し続けたりする可能性がある。したがって、回転翼が上昇し続ける方向に過回転する場合には、過回転を検知して、ドローンを落下させる退避行動を取らせることで、暴走又は意図しない継続的な上昇を防ぐ機能を有することが望ましい。

（第１実施形態）
図６に示すように、本願発明に係る、第１の実施形態におけるドローン100は、回転翼101-1a、101-1b、101-2a、101-2b、101-3a、101-3b、101-4a、101-4bと、モーター102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、104-a、104-bと、飛行制御部23と、稼働状態検知部24と、薬剤制御部30と、を備える。回転翼は、飛行手段の例である。以下、回転翼およびモーターの参照符号は省略することがある。

飛行制御部23は、モーター102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、104-a、104-bを制御することで各回転翼101-1a、101-1b、101-2a、101-2b、101-3a、101-3b、101-4a、101-4bの回転数および回転方向を制御する機能部である。また、飛行制御部23は、モーターを制御することでドローン100の離陸および着陸の制御を行う。具体的には、飛行制御部23はマイコン等で実装されるCPUである。飛行制御部23および後述する薬剤制御部30は、フライトコントローラーにより実現される。

また、飛行制御部23は、飛行手段の稼働の程度を指定する指令値を減少させる予備退避行動を取ることができる。具体的には、飛行制御部23は、すべてのモーターの回転数を一定割合ずつ小さくすることができる。回転翼の過回転を検知するにあたり、例えば回転数の指令値と実回転数の差が所定以上の場合に過回転と判断されるが、回転数の指令値を下げることにより、回転数の指令値および実回転数の差が所定以内になる場合があるためである。

さらに、飛行制御部23は、モーターを制御することでドローン100の離陸および着陸の制御を行う。

さらにまた、飛行制御部23は、モーターを停止させる機能を有する。すべての回転翼が停止すると、ドローン100はその場から下方に落下する。

さらにまた、飛行制御部23は、飛行手段の稼働の一部を停止させる「一部停止行動」を取ることができる。飛行手段が回転翼およびモーターの場合においては、「一部停止行動」は、上下セットになっている回転翼を制御するモーターのうち、過回転する回転翼を制御するモーター、および、互いにセットになっている前記複数の回転翼のうちそれぞれ一方を制御するモーターを停止させる。本実施の形態においては、回転翼は４セットあることから、過回転する回転翼を含む４枚を停止させ、当該停止させる４枚とそれぞれセットになっている４枚の回転翼は、回転を継続する。セットの回転翼のうち一方の回転翼が停止し、他方の回転翼のみが回転している場合、ドローン100は、８個のモーターで飛行している場合に比べると揚力は落ちるが、自律的に移動することができ、ドローン100は最低限の飛行を継続することができる。なお、停止させる回転翼は、セットになっている回転翼の一方ずつが停止していればよく、すべて上段の４枚が停止していてもよいし、すべて下段の４枚が停止していてもよい。また、あるセットでは上段が停止し、別のセットでは下段が停止していてもよい。

この構成によれば、ドローン100は、一部のモーターが過回転になっている場合にも後述する「緊急帰還」又は「通常帰還」を行うことが可能になり、所定の帰還地点まで帰還することができる。また、さらなる異常発生の恐れは伴うものの、計画された飛行経路で飛行を継続してもよい。下側のモーターの稼働状態が過剰となった場合にも同様である。

なお、飛行制御部23は、ドローン100の正常動作においてドローン100の飛行を制御するために動作してもよいし、正常動作における飛行制御手段とは別に構成されていてもよい。後者の場合、飛行制御部23は、回転翼の過回転時における退避行動を取る場合にのみ動作する。

また、ドローン100は、同様の機能を有する飛行制御部23を複数備え、１個の飛行制御部23の異常により回転翼の過回転が発生した場合、他の飛行制御部23がそれを検知して、ドローン100に退避行動を取らせてもよい。この場合、複数の飛行制御部23からの制御信号を受けてモーターに送信する制御信号を選択する選択手段を有していてもよい。

なお、退避行動とは、落下又は通常の着陸動作を行ってもよいし、ホバリングを例とする空中停止や、最短のルートで直ちに所定の帰還地点まで移動する、「緊急帰還」を行ってもよい。所定の帰還地点とは、あらかじめ飛行制御部23に記憶させた地点であり、例えば離陸した地点である。所定の帰還地点とは、例えば使用者402が機体21に近づくことが可能な陸上の地点であり、使用者402は帰還地点に到達したドローン100を点検したり、手動で別の場所に運んだりすることができる。

また、退避行動は、最適化されたルートで所定の帰還地点まで移動する「通常帰還」であってもよい。最適化されたルートとは、例えば、通常帰還指令を受信する前に薬剤散布したルートを参照して算出されるルートである。例えば、ドローン100は、まだ薬剤を散布していないルートを経由して、薬剤を散布しながら所定の帰還地点まで移動する。

稼働状態検知部24は、飛行手段の稼働状態を検知し、飛行手段が過剰に稼働しているか否かを検知する機能部である。本実施形態においては、稼働状態検知部24は、回転翼が過回転しているかどうかを検知する。また、稼働状態検知部24は、各回転翼又は各モーターの稼働状態を検知し、過回転を起こしているモーターを特定することができる。

稼働状態検知部24は、稼働状態計測部241および判定部242を有する。

稼働状態計測部241は、例えば、モーター自身の内部に配置されている回転測定機能を指す。すなわち、稼働状態検知部24は、モーターの回転数を測定することにより、モーターに制御される回転翼が過回転しているかどうかを検知する。

なお、稼働状態計測部241は、回転翼自身の回転数を測定してもよい。例えば、稼働状態計測部241は、非接触式の回転計であってもよい。この場合、稼働状態計測部241は、回転翼の少なくとも１か所にレーザを照射し、レーザの回転翼からの反射光を計測することで回転翼の回転数を計数する。判定部242は、回転翼の回転数が所定の回数以上であった場合に、過回転であることを飛行制御部23に伝達する。レーザは、例えば赤外線レーザである。

稼働状態計測部241は、モーターに供給される電流を測定して、判定部242は、モーターに供給される電流に基づいて回転翼が過回転しているかどうかを検知してもよい。より具体的には、モーターに供給される実際の電流と、飛行制御部23がモーターに送信する電流の指令値と、を比較して、実際の電流値と指令値との差が所定以上であった場合、判定部242は回転翼が過回転していると判定してもよい。

稼働状態検知部24は、回転翼の回転の方向を検知する構成を有していてもよい。この場合、判定部242は、回転翼の回転方向がドローン100を上昇させる方向であって、所定の回数以上であった場合に、過回転であることを飛行制御部23に伝達する。回転翼の回転方向がドローン100を下降させる方向であった場合、判定部242は、過回転であることを伝達しない。この場合、ドローン100は何らの飛行制御を行わなくても落下するため、退避行動を行なう必要がないからである。

判定部242は、測定されるモーターの実回転数と、飛行制御部23がモーターに送信する回転数の指令値と、を比較して、実回転数と指令値との差が所定以上であった場合、回転翼が過回転していると判定してもよい。この構成によれば、実回転数がモーターの実力に応じた最大値に達する以前に、異常な回転をしていることを検知し、ドローン100を退避させることができる。

判定部242が過回転であると判定する回転数の閾値、および実回転数と指令値との差の閾値は、予め稼働状態検知部24に記憶されている固定された閾値であってもよいし、状況に応じて変更される変動する閾値であってもよい。変動する閾値の場合は、稼働状態検知部24に無線又は有線接続される適宜の構成により自動で変動されてもよいし、使用者により手動で変更可能であってもよい。

判定部242は、計測されるある時点での回転数に基づいて過回転か否かを判定してもよいし、過去複数回の回転数の計測結果に基づいて過回転か否かを判定してもよい。この場合、例えば直近の回転数の計測結果を平均して過回転の判定に使用してもよい。

稼働状態検知部24は、ドローン100が有する適宜の通信手段により、使用者402が監視する操縦器401に、過回転を検知した旨を表示してよい。また、使用者402がドローン100の情報をアイウェア型ウェアラブル端末機により取得する場合には、アイウェアの画面上に表示または投影してもよい。また、使用者402がドローン100の情報をイヤホン型ウェアラブル端末機により取得する場合に、音により通知してもよい。

また、稼働状態検知部24は、ドローン100が有する表示手段、例えばLED107により、ドローン100の過回転を検知した旨が表示されるように構成してもよい。また、ドローン100のスピーカから適宜の音を出してもよい。

薬剤制御部30は、薬剤タンク104から薬液を散布する量又はタイミングを制御する制御部である。薬剤制御部30は、通常飛行中においてはドローン100下方に広がる圃場に薬剤を散布する。薬剤制御部30は、飛行制御部23が回転翼を停止する前に、開閉手段により薬液の放出を遮断してもよい。例えば、薬剤制御部30は、薬剤タンク104から各薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4までの経路のどこかに、薬液経路を開閉する開閉手段を有していてもよい。また、薬剤制御部30は、飛行制御部23が回転翼を停止する前に、ポンプ106を停止していてもよい。ドローン100の落下中または落下後においても薬剤散布を続けていると、薬剤の散布量が過大になる、あるいは、散布すべきでない場所に薬剤を散布するなどの弊害が生じるからである。

図７に示すように、ドローン100が通常飛行中又はホバリング中に（ステップＳ１）、稼働状態計測部241は、モーター又は回転翼の稼働状態を計測する（ステップＳ２）。

判定部242は、稼働状態計測部241により計測される結果に基づいて、回転翼が過回転か否かを判定する（ステップＳ３）。

回転翼が過回転でないと判定される場合、ステップＳ１に戻り、通常の飛行又はホバリングを継続する。

回転翼が過回転していると判定される場合、薬剤制御部30は、薬剤の散布を停止する（ステップＳ４）。

次いで、飛行制御部23は、すべての回転翼の回転数の指令値を一定割合ずつ小さくする予備退避行動を行う（ステップＳ５）。

稼働状態計測部241はモーターの実回転数を再度計測し（ステップＳ６）、判定部242は、回転翼が過回転か否かを判定する（ステップＳ７）。回転翼が過回転でないと判定される場合、飛行制御部23はモーターの回転数の指令値を一定割合ずつ小さくした状態のまま、通常帰還動作を行う（ステップＳ８）。

なお、飛行制御部23は、通常帰還動作に替えて緊急帰還動作を行ってもよい。また、飛行制御部23は、モーターの回転数の指令値を一定割合ずつ小さくした状態のまま、計画された飛行経路に沿って飛行を継続してもよい。この場合、薬剤制御部30も同様に、計画された薬剤散布を継続する。いずれの場合にも、操縦器401にはその旨が表示される。飛行を継続する場合には、操縦器401から送信される指令を制限し、所定以上の回転数の指令値を飛行制御部23に送信できないようにしてもよい。

予備退避行動後においても回転翼が過回転であると判定される場合、飛行制御部23は、すべての回転翼の回転を停止させる（ステップＳ９）。すると、ドローン100はその場で下方に落下する。

本構成によれば、回転翼が過回転となった場合にも、ドローン100を安全に退避させることができる。

（第２実施形態）
本発明にかかるドローンの第２の実施形態について、上述の形態とは異なる部分を中心に説明する。本実施の形態は、回転翼が過回転を起こした場合、飛行制御部は、制御可能な回転翼を回転させてドローンに下向きの揚力を発生させる。

図８に示すように、ドローン100が通常飛行中又はホバリング中に（ステップＳ１）、稼働状態計測部241は、モーター又は回転翼の稼働状態を計測する（ステップＳ２）。

判定部242は、回転翼が過回転か否かを判定する（ステップＳ３）。また、稼働状態検知部24は、8個の回転翼101-1a、101-1b、101-2a、101-2b、101-3a、101-3b、101-4a、101-4bのうちいずれが過回転しているかを検知し、過回転しているモーターを特定する。

予備退避行動後においても回転翼が過回転であると判定される場合、飛行制御部23は、制御可能な回転翼を回転させてドローン100に下向きの揚力を発生させる（ステップＳ１０）。本構成によれば、ドローン100をより速く地面に到達させることができる。

また、飛行制御部23は、過回転している回転翼とセットになっている回転翼に対応するモーターを特に回転させて、ドローン100に下向きの揚力を発生させてもよい。飛行制御部23は、過回転している回転翼とセットになっている回転翼を、下降方向の揚力が発生するように回転させる。

本構成によれば、過回転している回転翼に対して、セットになっている回転翼が逆向きの揚力を発生させるため、ドローン100の暴走又は意図しない継続的な上昇をより的確に防ぐことができる。

なお、本説明においては、回転翼を有するドローンを例に説明したが、本発明の技術的思想はこれに限られるものではなく、回転翼に代えてジェット噴射により揚力を発生させるドローンにも適用可能である。この場合、稼働状態検知部は、ジェット噴射機構の稼働状態が所定以上であるか否かを検知する。また、判定部は、ジェット噴射機構の稼働状態の計測値と、飛行制御部からの指令値と、の差を比較し、この差が所定以上の場合、ジェット噴射機構が稼働し過ぎていることを検知する。

また、本説明においては、農業用薬剤散布ドローンを例に説明したが、本発明の技術的思想はこれに限られるものではなく、ドローン全般に適用可能である。とくに、自律飛行型のドローンに有用である。

（本願発明による技術的に顕著な効果）
本発明にかかるドローンにおいては、自律飛行時であっても、高い安全性を維持できるドローン（無人飛行体）を提供することができる。

Claims

飛行手段と、
前記飛行手段を稼働させる飛行制御部と、
前記飛行手段の稼働状態を判定する稼働状態検知部と、
を備えるドローンであって、
前記飛行制御部は、前記稼働状態検知部が前記飛行手段の稼働状態が過剰であると判定すると、前記飛行手段の稼働の停止、前記飛行手段への稼働の程度を指定する指令値を減少させる予備退避行動、および前記飛行手段の稼働の一部を停止させる一部停止行動のうち少なくとも１の行動を取らせる、ドローン。
前記飛行手段は、回転翼および前記回転翼を回転させるモーターであり、前記稼働状態検知部は前記回転翼が過回転しているか否かを検知する、請求項１記載のドローン。
前記飛行制御部は、前記稼働状態検知部が前記回転翼の過回転を検知すると、前記モーターへの回転数の指令値を減少させる、請求項２記載のドローン。
前記飛行制御部は、前記稼働状態検知部が前記回転翼の過回転を検知すると、前記モーターの回転を停止させる、請求項２又は３記載のドローン。
前記稼働状態検知部が前記回転翼の過回転を検知したことに基づいて、前記飛行制御部が前記モーターへの回転数の指令値を減少させた後、依然として前記回転翼が過回転である場合、前記飛行制御部は、前記モーターの回転を停止させる、請求項２乃至４のいずれかに記載のドローン。
前記飛行制御部は、前記稼働状態検知部が前記回転翼の過回転を検知すると、前記回転翼を回転させて下向きの揚力を発生させる。請求項２乃至５のいずれかに記載のドローン。
前記飛行手段は、互いにセットになっている複数の回転翼と、前記複数の回転翼の回転数をそれぞれ制御する複数のモーターを有し、前記稼働状態検知部は、過回転する回転翼を制御するモーターを特定し、前記飛行制御部は、前記過回転する回転翼とセットになっている回転翼に対応するモーターを、過回転により発生する揚力と逆向きの揚力が発生するように回転させる、請求項２乃至６のいずれかに記載のドローン。
前記飛行手段は、上下２段構成で互いにセットになっている複数の回転翼と、前記複数の回転翼の回転数をそれぞれ制御する複数のモーターを有し、前記稼働状態検知部は、過回転する回転翼を特定し、前記過回転する回転翼、および、互いにセットになっている前記複数の回転翼のうちそれぞれ一方を停止させる、請求項２乃至７のいずれかに記載のドローン。
前記ドローンから外部に薬剤を吐出するか否かを制御する薬剤制御部をさらに備え、前記薬剤制御部は、前記稼働状態検知部が前記飛行手段の稼働状態が過剰であると判定すると前記薬剤の吐出を停止する、請求項１乃至８のいずれかに記載のドローン。
飛行手段を稼働させる飛行制御ステップと、
前記飛行手段の稼働状態を判定する稼働状態検知ステップと、
前記飛行手段の稼働状態が過剰であるとの判定に基づいて、前記飛行手段の稼働を停止するステップ、前記飛行手段への稼働の程度を指定する指令値を減少させる予備退避行動を行うステップ、および前記飛行手段の稼働の一部を停止させる一部停止行動を行うステップのうち少なくとも１のステップと、
を含む、ドローンの制御方法。
前記飛行手段は、回転翼および前記回転翼を回転させるモーターであり、前記稼働状態検知ステップは前記回転翼が過回転しているか否かを検知する、請求項１０記載のドローンの制御方法。
前記回転翼の過回転を検知するとき、前記モーターへの回転数の指令値を減少させるステップをさらに含む、請求項１１記載のドローンの制御方法。
前記稼働状態検知ステップにおいて前記回転翼の過回転を検知すると、前記モーターの回転を停止させる、請求項１１又は１２記載のドローンの制御方法。
前記稼働状態検知ステップにおいて前記回転翼の過回転を検知したことに基づいて、前記モーターへの回転数の指令値を減少するステップの後、依然として前記回転翼が過回転である場合、前記モーターの回転を停止させるステップを行う、請求項１１乃至１３のいずれかに記載のドローンの制御方法。
前記稼働状態検知ステップにおいて前記モーターの過回転を検知すると、前記回転翼を回転させて下向きの揚力を発生させるステップを行う、請求項１１乃至１４のいずれかに記載のドローンの制御方法。
前記飛行手段は、互いにセットになっている複数の回転翼と、前記複数の回転翼の回転数をそれぞれ制御する複数のモーターを有し、前記稼働状態検知ステップは、過回転する回転翼を制御するモーターを特定し、前記飛行制御ステップは、前記過回転する回転翼とセットになっている回転翼に対応するモーターを、過回転により発生する揚力と逆向きの揚力が発生するように回転させる、請求項１１乃至１５のいずれかに記載のドローンの制御方法。
前記飛行手段は、上下２段構成で互いにセットになっている複数の回転翼と、前記複数の回転翼の回転数をそれぞれ制御する複数のモーターを有し、過回転する回転翼を特定するステップと、前記過回転する回転翼、および、互いにセットになっている前記複数の回転翼のうちそれぞれ一方を停止させるステップと、をさらに含む、請求項１１乃至１６のいずれかに記載のドローンの制御方法。
前記ドローンから外部に薬剤を吐出するか否かを制御する薬剤制御ステップをさらに備え、前記薬剤制御ステップは、前記飛行手段の稼働状態が過剰であることを検知すると前記薬剤の吐出を停止する、請求項１０乃至１７のいずれかに記載のドローンの制御方法。
飛行手段を稼働させる飛行制御命令と、
前記飛行手段の稼働状態を判定する稼働状態検知命令と、
前記飛行手段の稼働状態が過剰であるとの判定に基づいて、前記飛行手段の稼働を停止する命令、前記飛行手段への稼働の程度を指定する指令値を減少させる予備退避行動を行う命令、および前記飛行手段の稼働の一部を停止させる一部停止行動を行う命令のうち少なくとも１の命令と、
をコンピューターに実行させる、ドローン制御プログラム。
前記飛行手段は、回転翼および前記回転翼を回転させるモーターであり、前記稼働状態検知命令は前記モーターの過回転を検知する命令を含む、請求項１９記載のドローン制御プログラム。
前記稼働状態検知命令において前記回転翼の過回転を検知すると、前記モーターへの回転数の指令値を減少させる命令をコンピューターに実行させる、請求項２０記載のドローン制御プログラム。
前記稼働状態検知命令において前記回転翼の過回転を検知するとき、前記モーターの回転を停止させる命令を含む、請求項２０又は２１記載のドローン制御プログラム。
前記稼働状態検知命令において前記回転翼の過回転を検知したことに基づいて、前記モーターへの回転数の指令値を減少する命令をコンピューターに実行させ、依然として前記回転翼が過回転である場合、前記モーターの回転を停止させる命令をコンピューターに実行させる、請求項２０乃至２２のいずれかに記載のドローン制御プログラム。
前記稼働状態検知命令において前記モーターの過回転を検知すると、前記回転翼を回転させて下向きの揚力を発生させる命令をさらにコンピューターに実行させる、請求項２０乃至２３のいずれかに記載のドローン制御プログラム。
前記飛行手段は、互いにセットになっている複数の回転翼と、前記複数の回転翼の回転数をそれぞれ制御する複数のモーターを有し、前記稼働状態検知命令は、過回転する回転翼を制御するモーターを特定する命令を含み、前記飛行制御命令は、前記過回転する回転翼とセットになっている回転翼に対応するモーターを、過回転により発生する揚力と逆向きの揚力が発生するように回転させる命令をさらにコンピューターに実行させる、請求項２０乃至２４のいずれかに記載のドローン制御プログラム。
前記飛行手段は、上下２段構成で互いにセットになっている複数の回転翼と、前記複数の回転翼の回転数をそれぞれ制御する複数のモーターを有し、過回転する回転翼を特定する命令と、前記過回転する回転翼、および、互いにセットになっている前記複数の回転翼のうちそれぞれ一方を停止させる命令と、をさらにコンピューターに実行させる、請求項２０乃至２５のいずれかに記載のドローン制御プログラム。
さらに、ドローンから外部に薬剤を吐出するか否かを制御する薬剤制御命令をコンピューターに実行させ、前記薬剤制御命令は、前記稼働状態検知命令において前記飛行手段の稼働状態が過剰であると判定すると前記薬剤の吐出を停止する命令をさらにコンピューターに実行させる、請求項１９乃至２６のいずれかに記載のドローン制御プログラム。