WO2017038809A1 - 滞空位置制御装置 - Google Patents

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WO2017038809A1
WO2017038809A1 PCT/JP2016/075305 JP2016075305W WO2017038809A1 WO 2017038809 A1 WO2017038809 A1 WO 2017038809A1 JP 2016075305 W JP2016075305 W JP 2016075305W WO 2017038809 A1 WO2017038809 A1 WO 2017038809A1
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control device
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winding
small unmanned
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PCT/JP2016/075305
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和雄 市原
紀代一 菅木
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株式会社プロドローン
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Definitions

  • the present invention relates to a stagnant position control device, and more particularly to a technique for stably hovering a small unmanned airplane having a plurality of rotor blades at a desired position in space.
  • a multicopter is a type of helicopter equipped with a plurality of rotors, and is a rotary wing aircraft that flies while balancing the fuselage by controlling the rotational speed of each rotor. Since a multi-copter can use a propeller having a simpler structure than that of a helicopter, the multi-copter is excellent in maintainability and can be configured at a relatively low cost.
  • the multicopter's airframe controls are automated, in order to fly the multicopter as intended by the pilot, appropriate maneuvering technology, maintenance technology, and airframe performance are required. If these are not sufficient, the multicopter may fly out of the viewing range or out of the communication range due to external factors such as mishandling, poor maintenance of the aircraft, or strong winds. This is the same when the multicopter is autonomously flying in the program.
  • a multicopter equipped with a photographing device or measuring device is stagnated at a predetermined position in the space, and shooting or measuring from that position for a long time, the multicopter is quickly moved to the predetermined position, and hovering flight It is necessary to keep the aircraft in the same position for a long time. It is not easy to perform such a flight stably.
  • the problem to be solved by the present invention is to quickly move a small unmanned airplane equipped with a plurality of rotor blades to a predetermined position in the space, and to make the airframe fly stably at that position.
  • the present invention is to provide a hovering position control device.
  • the airborne position control device of the present invention connects a small unmanned airplane having a plurality of rotor blades, a fixed surface on which the small unmanned airplane takes off and landing, and the small unmanned airplane and the fixed surface.
  • a plurality of string-like members, and the plurality of string-like members have a length that is all in tension when the small unmanned airplane reaches a designated position that is a predetermined position in the space. It is characterized by.
  • the small unmanned airplane is connected to the fixed surface with a plurality of string-like members, and the length of these string-like members is adjusted so that all are in a tension state when the small unmanned airplane reaches the specified position, By simply raising the small unmanned airplane vertically from the fixed surface, the aircraft is guided to a designated position by these string-like members. In addition, since these string-like members are in tension at the designated position, the small unmanned airplane further generates upward thrust at the designated position, thereby pulling the small unmanned airplane and the fixed surface in opposite directions. The small unmanned airplane is prevented from easily deviating from the designated position. That is, a small unmanned airplane can be stably hovered at a specified position.
  • the small unmanned airplane of the present invention since the small unmanned airplane of the present invention is connected to the fixed surface with a string-like member, the small unmanned airplane may fly out of the viewing range or out of the communication range due to misoperation, malfunction of the fuselage, strong wind, etc. There is no end.
  • the plurality of string-like members have at least three string-like members.
  • ⁇ A small unmanned airplane can be moored with at least three string-like members, so that one point in the space can be designated.
  • the plurality of string-like members include a power line that supplies power to the small unmanned airplane or a signal line that transmits and receives signals to and from the small unmanned airplane.
  • the winding control device further includes a control device and a relaxation detection device that detects the relaxation of the plurality of string-like members, and the relaxation detection device detects the relaxation of any of the plurality of string-like members. It is preferable that all the winding devices perform a winding operation until the relaxed string-like member is in a tension state.
  • Each string-like member is connected to a fixed surface via a winding device, and when any of the string-like members is detected to be relaxed, all the string-like members are wound up until the string-like member is in a tensioned state. By doing so, it is possible to correct the deviation of the flight position of the small unmanned airplane in the horizontal direction. Furthermore, it is possible to prevent the small unmanned airplane from crashing outside the take-off and landing area, which is an area defined by an annular virtual line connecting each winding device and the winding device adjacent to the winding device.
  • the winding control device increases the winding speed of all the winding devices when the string-like member is not in tension even when the relaxed string-like member is wound by a predetermined length. Is preferred.
  • connection portion to which the plurality of string-like members are connected is provided at the bottom of the small unmanned airplane, the connection portion is a part of the relaxation detecting device, and the connection portion is the plurality of string-like members. It is preferable to be able to tilt in the direction pulled by the member.
  • the winding control device and the relaxation detecting device are provided in the small unmanned airplane, and the small unmanned airplane and the plurality of winding devices are connected to each other by the signal lines so as to communicate with each other. preferable.
  • the small unmanned airplane and each winding device are connected by a signal line, when the slack of any of the string-like members is detected, the small unmanned airplane instructs each winding device to cancel the relaxation. It becomes possible to put out directly.
  • the small unmanned airplane having a plurality of rotor blades can be quickly moved to a predetermined position in the space, and the aircraft can be stably hovered at that position. Is possible.
  • the airborne position control device of this embodiment is a monitoring device that raises a small unmanned aerial vehicle to a predetermined altitude and monitors the surrounding situation from the position using a camera or a measuring instrument.
  • the hovering position control device may be automatically executed based on a predetermined cycle, or may be executed irregularly at any timing of the operator.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an appearance of a hovering position control apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • the airspace position control device 90 includes a multicopter 100 (small unmanned airplane) having a plurality of rotor blades, a fixed surface 20 on which the multicopter 100 takes off and landing, and three wires 30 that connect the multicopter 100 and the fixed surface 20. (String member) and a transceiver 810 that wirelessly controls the multicopter 100.
  • the length of each wire 30 is adjusted so that when the multicopter 100 reaches a designated position D, which is a predetermined position in the space, all are in a tension state.
  • the fixed surface 20 refers to a fixed surface that cannot be easily moved even when an external force is applied, such as the ground surface or the rooftop of a building.
  • the fixed surface 20 does not necessarily need to be a horizontal surface, and by adjusting the length of each wire 30, it can be used as the fixed surface 20 even if it is a surface provided with unevenness and inclination.
  • the fixed surface 20 is provided with three winding devices 400 for feeding and winding the wires 30, and the end of each wire 30 on the fixed surface 20 side is connected to the winding device 400.
  • the winding device 400 is a small winch that has an auto tension function and always pulls the wire 30 in the winding direction with a constant tension. Naturally, the tension of the wire 30 is adjusted to be smaller than the lift force that the multicopter 100 can output. Further, the winding device 400 is not an essential configuration, and each wire 30 may be directly connected to the fixed surface 20.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration of the hovering position control device 90.
  • the multicopter 100 mainly includes a flight controller 120 that controls the attitude and flight operation of the multicopter 100 in the air, a plurality of rotor blades 170 that generate lift by rotating the multicopter 100, and a situation around the multicopter 100.
  • a camera module 130 for photographing, a transmitter / receiver 110 that performs wireless communication with a pilot (transmitter / receiver 810), and a battery 180 that supplies electric power to these units are configured.
  • the flight controller 120 includes a control device 121 that is a microcontroller.
  • the control device 121 includes a CPU 122 that is a central processing unit, a RAM / ROM 123 that is a storage device, and a PWM controller 126 that transmits a control signal of the DC motor 160 to an ESC (Electric Speed Controller) 150.
  • the DC motors 160 are a plurality (four in this embodiment) of outer rotor type DC brushless motors, and a rotor blade 170 is attached to the output shaft of each DC motor 160.
  • the ESC 150 is disposed for each DC motor 160 and rotates each DC motor 160 at a speed instructed by the PWM controller 126.
  • the flight controller 120 includes a sensor group 124 and a GPS receiver 125, which are connected to the control device 121.
  • the sensor group 124 of the multicopter 100 includes an acceleration sensor, a gyro sensor (angular velocity sensor), an atmospheric pressure sensor, a geomagnetic sensor (electronic compass), and the like.
  • the control device 121 can acquire the current position including the latitude, longitude, and altitude of the multicopter 100 by using the sensor group 124 and the GPS receiver 125.
  • the RAM / ROM 123 of the control device 121 stores a flight control program 123a in which a flight control algorithm during the flight of the multicopter 100 is implemented.
  • the control device 121 controls the attitude of the multicopter 100 to be constant by using the program 123a and information acquired from the sensor group 124.
  • the maneuvering position control device 90 may be operated manually by the operator, or may be automatically performed by separately registering an autonomous flight program in the RAM / ROM 123 of the control device 121.
  • the hovering position control device of the present invention can guide the small unmanned airplane to the designated position by the string-like member, it is considered that the sensor group 124 and the GPS receiver 125 can be omitted.
  • the multicopter 100 includes a camera module 130 that captures the situation around the multicopter 100.
  • the camera module 130 receives a command from the operator (transmitter / receiver 810), changes the circumferential direction and the vertical direction of the camera unit 133 according to the command from the camera control unit 131, and the camera unit 133.
  • the camera posture control unit 132 that corrects the camera shake and the camera unit 133 that captures the situation in the direction directed to the camera posture control unit 132.
  • the operation of the camera module 130 may be performed manually by the operator, or may be automatically performed by an autonomous photographing program registered in the camera control unit 131 using a microcontroller in the camera control unit 131.
  • the hovering position control apparatus in this embodiment is used as a monitoring apparatus
  • the camera module 130 (the measuring instrument module 140 in the third embodiment) is mounted.
  • the camera module 130 and the measuring instrument module 140 are indispensable configurations. is not.
  • a speaker is mounted and used for a public address (Public Address), or a light source is mounted and used as a light wave sign such as a lighthouse.
  • the multicopter 100 is connected to the fixed surface 20 by three wires 30 and the length is adjusted so that all of the wires 30 are in tension when the multicopter 100 reaches the designated position D.
  • the multicopter 100 is swept by the wind while rising and its horizontal position deviates from the specified position D, only some of the wires 30 are in advance and in tension.
  • the movable range of the multicopter 100 is limited to an arc drawn by the tip of the wire 30 in the tension state (the end of the wire 30 on the multicopter 100 side).
  • the designated position D is an intersection of arcs drawn by the tips of the wires 30 in a tension state, and the intersection is the highest position in the movable range of the multicopter 100. Therefore, when the multicopter 100 continues to rise, the multicopter 100 follows one of the arcs and is guided to the designated position D.
  • all these wires 30 are in tension. Therefore, when the multicopter 100 generates a further upward thrust at the designated position D, the multicopter 100 and the fixed surface 20 can be pulled in opposite directions. Thereby, it is possible to prevent the multicopter 100 from easily deviating from the designated position D. That is, the multicopter 100 can be stably hovered at the designated position D.
  • the multicopter 100 since the multicopter 100 is connected to the fixed surface 20 by the wire 30, the multicopter 100 may fly out of the viewing range or out of the communication range due to a steering mistake, a malfunction of the fuselage, or a strong wind. Is prevented.
  • the designated position D is specified as one point in the space by connecting the multicopter 100 with three wires 30, but the number of the wires 30 is not limited to three. If the designated position D is allowed to be a linear range in the space, the number may be two, or conversely, four or more.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the appearance of the hovering position control device 91 according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a block diagram showing the functional configuration of the hovering position control device 91.
  • components having the same or the same functions as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the previous embodiment, and detailed description thereof is omitted.
  • the staying position control device 91 includes a winding detection device 501 that detects the relaxation of the wire 30 in the winding device 401 that feeds and winds each wire 30, and further performs the operation of the winding device 401.
  • a winding control device 601 for centralized management is provided.
  • the configuration of the multicopter 100 is the same as that of the stagnant position control device 90 of the first embodiment.
  • the winding device 401 is a small winch that has an auto-tension function and always pulls the wire 30 in the winding direction with a constant tension.
  • tensile_strength of the wire 30 is the same as the winding apparatus 400 of 1st Embodiment that the multicopter 100 is adjusted so that it may become smaller than the lift which can be output.
  • the winding device 401 is an electric winch, and can perform a winding operation at an arbitrary timing and speed according to an instruction from the winding control device 601.
  • a slack detection device 501 is incorporated in each winding device 401.
  • the looseness detection device 501 is a device that detects the feeding operation or the winding operation of the winding device 401 using, for example, a rotary encoder, and notifies the winding control device 601 of it. That is, the looseness detection of the wire 30 in the stay position control device 91 is realized by the cooperation of the relaxation detection device 501 and the winding control device 601.
  • “relaxation of the string-like member” in the present invention does not simply indicate a state in which the string-like member is slack, but prevents in advance the occurrence of sagging in the wire 30 as in the winding device 401, for example.
  • the length in which a part of the wires 30 is drawn out is not enough for the expected length compared to the length in which the other wires 30 are drawn out (part thereof) The wire 30 is not pulled sufficiently, i.e., relaxed).
  • the winding control device 601 is a microcontroller including a CPU 61 and a RAM / ROM 62.
  • the RAM / ROM 62 stores a winding control program 62a in which a flight position correction algorithm of the multicopter 100 described below is mounted.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing a flight position correction procedure of the multicopter 100 by the winding control device 601 (winding control program 62a).
  • the winding control device 601 does all the winding until the relaxed wire 30 is in a tension state.
  • the winding device 401 is caused to perform a winding operation (FIG. 9B).
  • the deviation of the flight position of the multicopter 100 in the horizontal direction can be corrected by winding all the wires 30 to the length where the wire 30 is in a tension state. it can. Furthermore, in addition to the take-off and landing area A (see FIG. 3), which is an area defined by an annular virtual line connecting each winding device 401 and the winding device 401 adjacent to the winding device 401, the multicopter 100. Can be prevented from falling.
  • the winding control device 601 increases the winding speed of all the winding devices 401 when the relaxed wire 30 is not in tension even after winding the relaxed wire 30 by a predetermined length (for example, 2 to 3 m).
  • the multicopter 100 is likely to fail or crash. Therefore, by increasing the winding speed of all the winding devices 401 and quickly pulling back the multicopter 100 into the take-off and landing area A, it is possible to minimize the damage caused by such problems.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the appearance of the hovering position control device 92 according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a block diagram showing the functional configuration of the hovering position control device 92.
  • components having the same or the same functions as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the previous embodiment, and detailed description thereof is omitted.
  • the basic configuration of the remaining position control device 92 is the same as that of the remaining position control device 91 of the second embodiment.
  • the stay position control apparatus 92 includes a measuring instrument module 140 instead of the camera module 130 (see FIG. 2).
  • the measuring instrument used in the measuring instrument module 140 for example, an atmospheric component analyzer, an infrared camera, a radio wave measuring instrument, and the like are conceivable, but not limited thereto.
  • the measuring instrument module 140 is a measuring instrument controller 141 that receives an instruction from the operator (transceiver 811), and a measuring instrument that changes the circumferential direction and the vertical direction of the measuring instrument unit 143 according to the instruction of the measuring instrument controller 141.
  • the posture control unit 142 and a measuring device unit 143 that performs a side in a direction directed to the measuring device posture control unit 142 are configured.
  • the operation of the measuring instrument module 140 may be performed manually by the operator, or may be automatically performed by an autonomous measurement program registered in the measuring instrument control section 141 using a microcontroller for the measuring instrument control section 141. .
  • the wire 30 ′ connecting the multicopter 101 and the fixed surface 20 is connected to the power line 32 that supplies power to the multicopter 101, and the operator (transmitter / receiver 811) is connected to the multicopter 101.
  • a signal line 31 for transmitting and receiving signals is included.
  • the multicopter 101 can be stably hovered and flying at the designated position D, and the limitation on the flight time due to the battery capacity is eliminated.
  • the influence of noise in communication between the (transmitter / receiver 811) and the multicopter 101 (transmitter / receiver 110 ′) is suppressed.
  • the power line 32 and the signal line 31 may be connected to the multicopter 101 alone instead of the wire 30. However, if there is a concern about the strength of the power line 32 and the signal line 31, the power line 32 and the signal line 31 may be connected separately from the wire 30. Good. That is, as in the previous embodiment, the multicopter 101 and the fixed surface 20 are connected by the three wires 30, and the signal line 31 is connected to one of them and the power line 32 is connected to the other to form the multicopter 101. It is good also as a structure to connect.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an appearance of the hovering position control device 93 according to the fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a block diagram showing a functional configuration of the hovering position control device 93.
  • components having the same or the same functions as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the previous embodiment, and detailed description thereof is omitted.
  • a winding control device 602 and a relaxation detection device 502 having functions equivalent to those of the winding control device 601 and the relaxation detection device 501 in the previous embodiment are provided inside the body of the multicopter 102. ing.
  • the multicopter 102 and each winding device 401 are connected to each other via a signal line 31 so as to communicate with each other.
  • the signal line 31 may be connected to the multicopter 102 alone instead of the wire 30, and the signal line 31 may be connected to the wire 30 in the same manner as in the previous embodiment.
  • the connecting portion 51 is a member that can be tilted in the direction pulled by these signal lines 31, and the connecting portion 51 constitutes a part of the relaxation detecting device 502.
  • the connecting portion 51 a set of a connecting piece that stands upright in the vertical direction by an elastic force and maintains its position unless an external force of a predetermined magnitude is applied, and a tilt direction and a tendency angle of the connecting piece.
  • a structure having a variable resistor is conceivable.
  • the configuration of JP-A-06-110602 can be referred to.
  • the relaxation detection device 502 notifies only the winding control device 602 of the detected relaxation information, but may be configured to notify the control device 121 of the flight controller 120 of such information. By adopting such a configuration, it becomes possible for the multicopter 102 to autonomously correct the flight position, and it is possible to control the hovering position of the multicopter 102 more flexibly.
  • the multicopter 102 and each winding device 401 are connected by the signal line 31 respectively, when the relaxation of any of the signal lines 31 is detected, the multicopter 102 directly connects to each winding device 401. It is possible to issue an instruction for eliminating the relaxation.

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Abstract

複数の回転翼を備える小型無人飛行機を空間中の所定位置に速やかに移動させ、機体をその位置で安定してホバリング飛行させることを可能とする滞空位置制御装置を提供する。　複数の回転翼を備える小型無人飛行機と、前記小型無人飛行機が離着陸する固定面と、前記小型無人飛行機と前記固定面とを連結する複数の紐状部材と、を備え、前記複数の紐状部材は、前記小型無人飛行機が空間中の所定の位置である指定位置に至ったときに、すべてが緊張状態となる長さであることを特徴とする滞空位置制御装置により解決する。また、前記複数の紐状部材は少なくとも３本の前記紐状部材を有することが好ましい。

Description

滞空位置制御装置
　本発明は滞空位置制御装置に関し、さらに詳しくは、複数の回転翼を備える小型無人飛行機を空間中の所望の位置において安定してホバリング飛行させる技術に関する。
　従来、産業用無人ヘリコプターに代表される小型の無人飛行機（ＵＡＶ）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、高性能かつ取扱いも容易な加速度センサや角速度センサ、マイクロコントローラなどが廉価に入手可能となったことから、機体の価格が下落するとともに、機体の制御操作の多くが自動化されたことで操作性が飛躍的に向上した。こうした背景から現在、特に小型のマルチコプターについては、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。
　マルチコプターは、複数のロータが搭載されたヘリコプターの一種であり、これら各ロータの回転速度を制御することにより機体のバランスをとりながら飛行する回転翼機である。マルチコプターは、ヘリコプターよりも簡易な構造のプロペラが使用可能であることから、整備性に優れ、また、比較的低いコストで機体を構成することが可能である。
特開２０１０‐０５８７７９公報
　マルチコプターの機体制御の多くが自動化されても、操縦者が意図した通りにマルチコプターを飛行させるためには相応の操縦技術や整備技術、機体性能が求められる。これらが十分でない場合、操縦ミスや機体の整備不良、または強風などの外的要因によりマルチコプターが目視範囲外や通信圏外へ飛去してしまうこともある。これはプログラムでマルチコプターを自律飛行させる場合も同様である。
　例えば撮影機器や測定機器を搭載したマルチコプターを空間中の所定位置に滞空させ、その位置から長時間にわたって撮影や測定を行う場合、マルチコプターを所定位置に速やかに移動させ、かつ、ホバリング飛行により機体を同じ位置に長時間留める必要がある。このような飛行を安定して行うことは容易ではない。
　上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、複数の回転翼を備える小型無人飛行機を空間中の所定位置に速やかに移動させ、機体をその位置で安定してホバリング飛行させることを可能とする滞空位置制御装置を提供することにある。
　上記課題を解決するため、本発明の滞空位置制御装置は、複数の回転翼を備える小型無人飛行機と、前記小型無人飛行機が離着陸する固定面と、前記小型無人飛行機と前記固定面とを連結する複数の紐状部材と、を備え、前記複数の紐状部材は、前記小型無人飛行機が空間中の所定の位置である指定位置に至ったときに、すべてが緊張状態となる長さであることを特徴とする。
　小型無人飛行機が複数の紐状部材で固定面に連結され、これら紐状部材の長さが、小型無人飛行機が指定位置に至ったときにすべて緊張状態となるように調節されていることにより、小型無人飛行機を固定面から垂直に上昇させるだけで、機体がこれら紐状部材により指定位置へと誘導される。また、指定位置ではこれら紐状部材は緊張状態にあることから、小型無人飛行機が指定位置において上方への推力をさらに発生させることにより、小型無人飛行機と固定面とを互いが反対方向へ引っ張られ、小型無人飛行機が指定位置から容易に逸脱することが防止される。つまり、小型無人飛行機を指定位置において安定してホバリング飛行させることができる。
　さらに、本発明の小型無人飛行機は紐状部材で固定面に連結されていることから、操縦ミスや機体の故障、または強風などによっては、小型無人飛行機が目視範囲外や通信圏外へ飛去してしまうことがない。
　また、前記複数の紐状部材は少なくとも３本の前記紐状部材を有することが好ましい。
　少なくとも３本の紐状部材で小型無人飛行機を係留することにより、空間中の一点を指定位置とすることができる。
　また、前記複数の紐状部材には、前記小型無人飛行機に電力を供給する電力線または前記小型無人飛行機と信号を送受信する信号線が含まれることが好ましい。
　複数の紐状部材に電力線または信号線を含めることにより、小型無人飛行機を指定位置で安定してホバリング飛行させることができるのみならず、例えばバッテリー容量による飛行時間の制限を解消させたり、小型無人飛行機との無線通信がノイズで阻害されたりすることを防止することができる。
　また、前記紐状部材ごとに前記固定面に設置され、前記各紐状部材の繰り出しおよび巻き取りを行う複数の巻取装置と、前記複数の巻取装置の動作を一元的に管理する巻取制御装置と、前記複数の紐状部材の弛緩を検知する弛緩検知装置と、をさらに有し、前記弛緩検知装置が前記複数の紐状部材のいずれかの弛緩を検知すると、前記巻取制御装置は、弛緩した前記紐状部材が緊張状態となるまで、すべての前記巻取装置に巻取動作を行わせることが好ましい。
　各紐状部材が巻取装置を介して固定面に接続され、いずれかの紐状部材の弛緩が検知されたときには、その紐状部材が緊張状態となるまですべての紐状部材を巻き取る構成とすることにより、水平方向における小型無人飛行機の飛行位置のずれを修正することができる。さらに、各巻取装置とその巻取装置に隣接する巻取装置とを結んだ環状の仮想線で区画される領域である離着陸エリアの外に小型無人飛行機が墜落することを防止することができる。
　また、前記巻取制御装置は、弛緩した前記紐状部材を所定の長さ巻き取っても該紐状部材が緊張状態にならないときは、すべての前記巻取装置の巻取速度を上昇させることが好ましい。
　弛緩した紐状部材を所定の長さ巻き取っても弛緩が解消しない場合には、小型無人飛行機の故障や墜落の蓋然性が高いものと判断し、早急に小型無人飛行機を離着陸エリア内に引き戻すことで、かかる不具合の被害を最小限に抑えることが可能となる。
　また、前記小型無人飛行機の底部には、前記複数の紐状部材が連結される連結部が設けられ、前記連結部は前記弛緩検知装置の一部であり、前記連結部は前記複数の紐状部材に牽引された方向へ傾倒可能であることが好ましい。
　小型無人飛行機の底部に設けられた連結部に各紐状部材が連結されていることにより、小型無人飛行機の飛行位置と指定位置との水平方向の位置にずれが生じると、連結部が紐状部材に不均等に引っ張られることとなる。これにより連結部が小型無人飛行機の復帰すべき方向に傾倒し、小型無人飛行機の水平方向における位置ずれの方向、および、弛緩している紐状部材を特定することが可能となる。
　また、前記巻取制御装置および前記弛緩検知装置は前記小型無人飛行機に備えられ、前記小型無人飛行機と前記複数の巻取装置とは、それぞれ前記信号線により互いに通信可能に接続されていることが好ましい。
　小型無人飛行機と各巻取装置とが信号線で連結されることにより、いずれかの紐状部材の弛緩を検知した場合に、小型無人飛行機から各巻取装置に対して弛緩を解消させるための指示を直接出すことが可能となる。
　以上のように、本発明にかかる滞空位置制御装置によれば、複数の回転翼を備える小型無人飛行機を空間中の所定位置に速やかに移動させ、機体をその位置で安定してホバリング飛行させることが可能となる。
第１実施形態にかかる滞空位置制御装置の外観を示す模式図である。 第１実施形態にかかる滞空位置制御装置の機能構成を示すブロック図である。 第２実施形態にかかる滞空位置制御装置の外観を示す模式図である。 第２実施形態にかかる滞空位置制御装置の機能構成を示すブロック図である。 第３実施形態にかかる滞空位置制御装置の外観を示す模式図である。 第３実施形態にかかる滞空位置制御装置の機能構成を示すブロック図である。 第４実施形態にかかる滞空位置制御装置の外観を示す模式図である。 第４実施形態にかかる滞空位置制御装置の機能構成を示すブロック図である。 巻取制御装置によるマルチコプターの飛行位置修正手順を示す説明図である。
　以下、本発明にかかる滞空位置制御装置の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。本実施形態の滞空位置制御装置は、小型無人飛行機を所定の高度まで上昇させ、その位置からカメラや測定器を使って周囲の状況をモニタする監視装置である。滞空位置制御装置は予め定められた周期に基づいて自動的に実行されてもよく、操縦者の任意のタイミングで不定期に実行されてもよい。
（第１実施形態）
　図１は本発明の第１実施形態にかかる滞空位置制御装置の外観を示す模式図である。滞空位置制御装置９０は、複数の回転翼を備えるマルチコプター１００（小型無人飛行機）と、マルチコプター１００が離着陸する固定面２０と、マルチコプター１００と固定面２０とを連結する３本のワイヤー３０（紐状部材）と、マルチコプター１００を無線操縦する送受信器８１０と、を備えている。また、各ワイヤー３０の長さは、マルチコプター１００が空間中の所定の位置である指定位置Ｄに至ったときに、すべてが緊張状態となる長さに調節されている。
　ここで、固定面２０とは、例えば地表やビルの屋上など、外力を加えても容易には移動させることができない固定された面をいう。固定面２０は必ずしも水平面である必要はなく、各ワイヤー３０の長さを調節することにより、凹凸や傾斜が設けられた面であっても固定面２０として用いることができる。
　また、固定面２０には、ワイヤー３０の繰り出しおよび巻き取りを行う３基の巻取装置４００が設置されており、各ワイヤー３０の固定面２０側の端部は巻取装置４００に接続されている。巻取装置４００は、オートテンション機能を備え、ワイヤー３０を常に一定の張力で巻取方向へ引き込む小型のウインチである。ワイヤー３０の張力は、当然、マルチコプター１００が出力可能な揚力よりも小さくなるよう調整されている。また、巻取装置４００は必須の構成ではなく、各ワイヤー３０は固定面２０に直接接続されていてもよい。
　図２は滞空位置制御装置９０の機能構成を示すブロック図である。マルチコプター１００は主に、空中におけるマルチコプター１００の姿勢や飛行動作を制御するフライトコントローラ１２０、回転することによりマルチコプター１００に揚力を発生させる複数の回転翼１７０、マルチコプター１００の周囲の状況を撮影するカメラモジュール１３０、操縦者（送受信器８１０）との無線通信を行う送受信器１１０、およびこれらに電力を供給するバッテリー１８０により構成される。
　フライトコントローラ１２０は、マイクロコントローラである制御装置１２１を備えている。制御装置１２１は、中央処理装置であるＣＰＵ１２２、記憶装置であるＲＡＭ／ＲＯＭ１２３、および、ＥＳＣ（Electric Speed Controller）１５０へＤＣモータ１６０の制御信号を送信するＰＷＭコントローラ１２６を備えている。ＤＣモータ１６０は複数（本実施形態においては４つ）のアウターロータ型ＤＣブラシレスモータであり、各ＤＣモータ１６０の出力軸には回転翼１７０が取り付けられている。ＥＳＣ１５０はＤＣモータ１６０ごとに配置され、ＰＷＭコントローラ１２６から指示された速度で各ＤＣモータ１６０を回転させる。
　また、フライトコントローラ１２０はセンサ群１２４およびＧＰＳ受信器１２５を備えており、これらは制御装置１２１に接続されている。マルチコプター１００のセンサ群１２４には、加速度センサ、ジャイロセンサ（角速度センサ）、気圧センサ、地磁気センサ（電子コンパス）などが含まれている。制御装置１２１は、これらセンサ群１２４およびＧＰＳ受信器１２５により、マルチコプター１００の緯度、経度、および高度からなる現在位置を取得可能である。
　制御装置１２１のＲＡＭ／ＲＯＭ１２３には、マルチコプター１００の飛行時における飛行制御アルゴリズムが実装された飛行制御プログラム１２３ａが記憶されている。制御装置１２１はかかるプログラム１２３ａとセンサ群１２４から取得した情報とを用いてマルチコプター１００の姿勢を一定に制御する。滞空位置制御装置９０の操作は、操縦者が手動で行ってもよく、または、制御装置１２１のＲＡＭ／ＲＯＭ１２３に別途自律飛行プログラムを登録しておくことにより自動的に行ってもよい。尚、本発明の滞空位置制御装置は、紐状部材により小型無人飛行機を指定位置へ誘導可能であることから、これらセンサ群１２４およびＧＰＳ受信器１２５は省略することも可能と考えられる。
　また、マルチコプター１００はマルチコプター１００の周囲の状況を撮影するカメラモジュール１３０を備えている。カメラモジュール１３０は、操縦者（送受信器８１０）からの指示を受け付けるカメラ制御部１３１と、カメラ制御部１３１の指示によりカメラユニット１３３の周方向および上下方向の向きを変更し、また、カメラユニット１３３のブレを補正するカメラ姿勢制御部１３２と、カメラ姿勢制御部１３２に向けられた方向の状況を撮影するカメラユニット１３３と、により構成されている。カメラモジュール１３０の操作は操縦者が手動で行ってもよく、または、カメラ制御部１３１にマイクロコントローラを用いて、カメラ制御部１３１に登録した自律撮影プログラムにより自動的に行ってもよい。
　尚、本実施形態における滞空位置制御装置は監視装置として用いられるためカメラモジュール１３０（第３実施形態では測定器モジュール１４０）が搭載されているが、カメラモジュール１３０や測定器モジュール１４０は必須の構成ではない。本発明のその他の用途としては、例えばスピーカーを搭載してパブリック・アドレス（Public Address）に用いたり、光源を搭載して灯台のような光波標識として用いたり、様々な用途が考えられる。
　マルチコプター１００が３本のワイヤー３０で固定面２０に連結され、マルチコプター１００が指定位置Ｄに至ったときにこれらワイヤー３０のすべてが緊張状態となるようにその長さが調節されていることにより、マルチコプター１００を固定面２０から垂直に上昇させるだけで、マルチコプター１００を指定位置Ｄへと誘導することが可能とされている。例えば、マルチコプター１００が上昇中に風にあおられ、その水平方向の位置が指定位置Ｄからずれた場合、一部のワイヤー３０のみが先行して緊張状態となる。これにより、マルチコプター１００の移動可能範囲は、その緊張状態となったワイヤー３０の先端（ワイヤー３０のマルチコプター１００側の端部）が描く円弧上に制限される。指定位置Ｄは緊張状態にある各ワイヤー３０の先端が描く円弧の交点であり、かかる交点は、マルチコプター１００の移動可能範囲の中で最も高い位置にある。そのため、マルチコプター１００が上昇を続けることにより、マルチコプター１００はいずれかの円弧を辿って指定位置Ｄへと誘導されることとなる。
　また、指定位置Ｄではこれらワイヤー３０はすべて緊張状態にある。そのため、マルチコプター１００が指定位置Ｄにおいてさらに上方への推力を発生させることにより、マルチコプター１００と固定面２０とを互いに反対方向へ引っ張らせることができる。これにより、マルチコプター１００が指定位置Ｄから容易に逸脱することを防止することができる。つまり、マルチコプター１００を指定位置Ｄにおいて安定してホバリング飛行させることができる。
　さらに、マルチコプター１００はワイヤー３０で固定面２０に連結されていることから、操縦ミスや機体の故障、または強風などによって、マルチコプター１００が目視範囲外や通信圏外へ飛去してしまうことが防止される。
　尚、滞空位置制御装置９０では３本のワイヤー３０でマルチコプター１００を連結することにより、指定位置Ｄを空間中の一点に特定しているが、ワイヤー３０の本数は３本に限られず、例えば指定位置Ｄが空間中の直線範囲となることが許容される場合は２本にしてもよく、逆に４本以上とすることも可能である。
（第２実施形態）
　以下に、本発明の滞空位置制御装置にかかる第２実施形態について説明する。図３は本発明の第２実施形態にかかる滞空位置制御装置９１の外観を示す模式図であり、図４は滞空位置制御装置９１の機能構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、先の実施形態と同様または同一の機能を有する構成については、先の実施形態と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
　滞空位置制御装置９１は、各ワイヤー３０の繰り出しおよび巻き取りを行う巻取装置４０１に、ワイヤー３０の弛緩を検知する弛緩検知装置５０１が組み込まれており、さらに、これら巻取装置４０１の動作を一元的に管理する巻取制御装置６０１を備えている。尚、マルチコプター１００の構成は第１実施形態の滞空位置制御装置９０と同様である。
　巻取装置４０１は、オートテンション機能を備え、ワイヤー３０を常に一定の張力で巻取方向へ引き込む小型のウインチである。ワイヤー３０の張力はマルチコプター１００が出力可能な揚力よりも小さくなるよう調整されている点は第１実施形態の巻取装置４００と同様である。また、巻取装置４０１は電動ウインチであり、巻取制御装置６０１からの指示により任意のタイミングおよび速度で巻取動作を行わせることが可能である。
　滞空位置制御装置９１では、各巻取装置４０１に弛緩検知装置５０１が組み込まれている。弛緩検知装置５０１は、例えばロータリーエンコーダなどにより巻取装置４０１の繰出動作や巻取動作の実行を検知し、巻取制御装置６０１へ通知する装置である。つまり、滞空位置制御装置９１におけるワイヤー３０の弛緩検知は、弛緩検知装置５０１および巻取制御装置６０１の協働により実現される。
　尚、本発明における「紐状部材の弛緩」とは、単に紐状部材がたるんだ状態のみを指すのではなく、例えば巻取装置４０１のように、ワイヤー３０にたるみが生じることを予め防止する構成を備える場合には、他のワイヤー３０が繰り出された長さと比較して、一部のワイヤー３０が繰り出された長さが本来見込まれる長さに足りていない状態も含まれる（その一部のワイヤー３０は十分に引っ張られていない、つまり弛緩しているものとみなす）。
　巻取制御装置６０１は、ＣＰＵ６１およびＲＡＭ／ＲＯＭ６２を備えるマイクロコントローラである。ＲＡＭ／ＲＯＭ６２には、以下に説明するマルチコプター１００の飛行位置修正アルゴリズムが実装された巻取制御プログラム６２ａが記憶されている。
　図９は巻取制御装置６０１（巻取制御プログラム６２ａ）によるマルチコプター１００の飛行位置修正手順を示す説明図である。弛緩検知装置５０１からの通知によりワイヤー３０のいずれかの弛緩が検知されたときは（図９（ａ））、巻取制御装置６０１は、弛緩したワイヤー３０が緊張状態となるまで、すべての巻取装置４０１に対して巻取動作を行わせる（図９（ｂ））。
　ワイヤー３０のいずれかの弛緩が検知されたときに、そのワイヤー３０が緊張状態となる長さまですべてのワイヤー３０を巻き取ることにより、水平方向におけるマルチコプター１００の飛行位置のずれを修正することができる。さらに、各巻取装置４０１と、その巻取装置４０１に隣接する巻取装置４０１とを結んだ環状の仮想線で区画される領域である離着陸エリアＡ（図３参照）の外に、マルチコプター１００が墜落することを防止することができる。
　さらに、巻取制御装置６０１は、弛緩したワイヤー３０を所定の長さ（例えば２～３ｍ）巻き取ってもそのワイヤー３０が緊張状態にならないときには、すべての巻取装置４０１の巻取速度を上昇させる。
　弛緩したワイヤー３０を所定の長さ巻き取っても弛緩が解消しない場合には、マルチコプター１００の故障や墜落の蓋然性が高いと考えられる。そのため、すべての巻取装置４０１の巻取速度を上げて、早急にマルチコプター１００を離着陸エリアＡ内に引き戻すことにより、かかる不具合がもたらす被害を最小限に抑えることができる。
（第３実施形態）
　以下に、本発明の滞空位置制御装置にかかる第３実施形態について説明する。図５は本発明の第３実施形態にかかる滞空位置制御装置９２の外観を示す模式図であり、図６は滞空位置制御装置９２の機能構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、先の実施形態と同様または同一の機能を有する構成については、先の実施形態と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
　滞空位置制御装置９２の基本的な構成は、第２実施形態の滞空位置制御装置９１と同様である。滞空位置制御装置９２は滞空位置制御装置９１とは異なり、カメラモジュール１３０（図２参照）の代わりに測定器モジュール１４０が搭載されている。測定器モジュール１４０で使用される測定器としては、例えば大気成分分析器、赤外線カメラ、電波測定器などが考えられるが、これらには限定されない。
　測定器モジュール１４０は、操縦者（送受信器８１１）からの指示を受け付ける測定器制御部１４１と、測定器制御部１４１の指示により測定器ユニット１４３の周方向および上下方向の向きを変更する測定器姿勢制御部１４２と、測定器姿勢制御部１４２に向けられた方向の側的を行う測定器ユニット１４３と、により構成されている。測定器モジュール１４０の操作は操縦者が手動で行ってもよく、または、測定器制御部１４１にマイクロコントローラを用いて、測定器制御部１４１に登録した自律測定プログラムにより自動的に行ってもよい。
　また、滞空位置制御装置９２において、マルチコプター１０１と固定面２０とを連結するワイヤー３０´には、マルチコプター１０１に電力を供給する電力線３２、および操縦者（送受信器８１１）がマルチコプター１０１と信号を送受信する信号線３１が含まれている。ワイヤー３０に信号線３１および電力線３２を含めることにより、マルチコプター１０１を指定位置Ｄで安定してホバリング飛行させることができることに加えて、バッテリー容量による飛行時間の制限が解消され、また、操縦者（送受信器８１１）とマルチコプター１０１（送受信器１１０´）との通信におけるノイズの影響が抑えられている。
　電力線３２および信号線３１はワイヤー３０の代わりとしてマルチコプター１０１に単独で接続されてもよいが、これら電力線３２および信号線３１の強度に懸念がある場合は、ワイヤー３０とは別に接続してもよい。つまり、先の実施形態と同じく３本のワイヤー３０でマルチコプター１０１と固定面２０とを連結し、そのうちの一本に信号線３１を、もう一本に電力線３２を這わせてマルチコプター１０１に接続する構成としてもよい。
（第４実施形態）
　以下に、本発明の滞空位置制御装置にかかる第４実施形態について説明する。図７は本発明の第４実施形態にかかる滞空位置制御装置９３の外観を示す模式図であり、図８は滞空位置制御装置９３の機能構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、先の実施形態と同様または同一の機能を有する構成については、先の実施形態と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
　滞空位置制御装置９３においては、先の実施形態における巻取制御装置６０１および弛緩検知装置５０１と同等の機能を有する、巻取制御装置６０２および弛緩検知装置５０２がマルチコプター１０２の機体内部に備えられている。また、マルチコプター１０２と各巻取装置４０１とが、信号線３１で互いに通信可能に接続されている。尚、信号線３１はワイヤー３０の代わりに単独でマルチコプター１０２に接続してもよく、ワイヤー３０に信号線３１を這わせて接続してもよい点は先の実施形態と同様である。
　マルチコプター１０２の底部には、信号線３１が接続される連結部５１が設けられている（図７参照）。連結部５１はこれら信号線３１に引っ張られた方向へ傾倒可能な部材であり、連結部５１は弛緩検知装置５０２の一部を構成している。
　マルチコプター１０２の底部に設けられた連結部５１にこれら信号線３１が連結されていることにより、マルチコプター１０２の飛行位置と指定位置Ｄとの水平方向の位置にずれが生じたときには、連結部５１が信号線３１に不均等に引っ張られることとなる。これにより連結部５１がマルチコプター１０２の復帰すべき方向に傾倒し、マルチコプター１０２の水平方向における位置ずれの方向、および、弛緩している信号線３１を特定することが可能とされている（図９参照）。
　連結部５１としては、弾性力により鉛直方向へ直立し、所定の大きさの外力が加えられない限りその位置を保持する連結片と、かかる連結片の傾倒方向および傾向角度を検知する一組の可変抵抗を備えた構造が考えられる、例えば特開平０６－１１０６０２の構成などを参考とすることができる。尚、本実施形態における弛緩検知装置５０２は、検知した弛緩情報を巻取制御装置６０２のみへ通知しているが、かかる情報をフライトコントローラ１２０の制御装置１２１へも通知する構成としてもよい。そのように構成とすることで、マルチコプター１０２が自律的に飛行位置を修正することが可能となり、マルチコプター１０２の滞空位置をより柔軟に制御することが可能となる。
　また、マルチコプター１０２と各巻取装置４０１とがそれぞれ信号線３１で連結されていることにより、いずれかの信号線３１の弛緩を検知した場合に、マルチコプター１０２から直接各巻取装置４０１に対して弛緩を解消させるための指示を出すことが可能とされている。
　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。
 

 
 

Claims (7)

  1. 　複数の回転翼を備える小型無人飛行機と、
    　前記小型無人飛行機が離着陸する固定面と、
    　前記小型無人飛行機と前記固定面とを連結する複数の紐状部材と、を備え、
    　前記複数の紐状部材は、前記小型無人飛行機が空間中の所定の位置である指定位置に至ったときに、すべてが緊張状態となる長さであることを特徴とする滞空位置制御装置。
  2. 　前記複数の紐状部材は少なくとも３本の前記紐状部材を有することを特徴とする請求項１に記載の滞空位置制御装置。
  3. 　前記複数の紐状部材には、前記小型無人飛行機に電力を供給する電力線または前記小型無人飛行機と信号を送受信する信号線が含まれることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の滞空位置制御装置。
  4. 　前記紐状部材ごとに前記固定面に設置され、前記各紐状部材の繰り出しおよび巻き取りを行う複数の巻取装置と、
    　前記複数の巻取装置の動作を一元的に管理する巻取制御装置と、
    　前記複数の紐状部材の弛緩を検知する弛緩検知装置と、をさらに有し、
    　前記弛緩検知装置が前記複数の紐状部材のいずれかの弛緩を検知すると、前記巻取制御装置は、弛緩した前記紐状部材が緊張状態となるまで、すべての前記巻取装置に巻取動作を行わせることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の滞空位置制御装置。
  5. 　前記巻取制御装置は、弛緩した前記紐状部材を所定の長さ巻き取っても該紐状部材が緊張状態にならないときは、すべての前記巻取装置の巻取速度を上昇させることを特徴とする請求項４に記載の滞空位置制御装置。
  6. 　前記小型無人飛行機の底部には、前記複数の紐状部材が連結される連結部が設けられ、
    　前記連結部は前記弛緩検知装置の一部であり、
    　前記連結部は前記複数の紐状部材に牽引された方向へ傾倒可能であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の滞空位置制御装置。
  7. 　前記巻取制御装置および前記弛緩検知装置は前記小型無人飛行機に備えられ、
    　前記小型無人飛行機と前記複数の巻取装置とは、それぞれ前記信号線により互いに通信可能に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の滞空位置制御装置。
     
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