WO2020090671A1 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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WO2020090671A1
WO2020090671A1 PCT/JP2019/041969 JP2019041969W WO2020090671A1 WO 2020090671 A1 WO2020090671 A1 WO 2020090671A1 JP 2019041969 W JP2019041969 W JP 2019041969W WO 2020090671 A1 WO2020090671 A1 WO 2020090671A1
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WO
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drone
weight
control
unit
flight
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PCT/JP2019/041969
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千大 和氣
洋 柳下
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株式会社ナイルワークス
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C13/00—Control systems or transmitting systems for actuating flying-control surfaces, lift-increasing flaps, air brakes, or spoilers
    • B64C13/02—Initiating means
    • B64C13/16—Initiating means actuated automatically, e.g. responsive to gust detectors
    • B64C13/18—Initiating means actuated automatically, e.g. responsive to gust detectors using automatic pilot
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D1/00—Dropping, ejecting, releasing, or receiving articles, liquids, or the like, in flight
    • B64D1/16—Dropping or releasing powdered, liquid, or gaseous matter, e.g. for fire-fighting
    • B64D1/18—Dropping or releasing powdered, liquid, or gaseous matter, e.g. for fire-fighting by spraying, e.g. insecticides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U10/00—Type of UAV
    • B64U10/10—Rotorcrafts
    • B64U10/13—Flying platforms
    • B64U10/14—Flying platforms with four distinct rotor axes, e.g. quadcopters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U30/00—Means for producing lift; Empennages; Arrangements thereof
    • B64U30/20—Rotors; Rotor supports
    • B64U30/24—Coaxial rotors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U30/00—Means for producing lift; Empennages; Arrangements thereof
    • B64U30/20—Rotors; Rotor supports
    • B64U30/29—Constructional aspects of rotors or rotor supports; Arrangements thereof
    • B64U30/299—Rotor guards
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00—Propulsion; Power supply
    • B64U50/10—Propulsion
    • B64U50/19—Propulsion using electrically powered motors

Definitions

  • the present invention relates to a drone, a drone control method, and a drone control program.
  • Patent Document 3 has a capture net for capturing other objects in the air, and a weight capture determination unit for detecting that the capture net has captured an object. When the capture is detected, the manual operation is automatically performed.
  • An unmanned air vehicle that switches to flight is disclosed.
  • Patent publication gazette JP 2017-163265 Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2017-218141
  • a drone is a drone that has a flight control unit capable of controlling thrust to be exerted, and is capable of flying a loaded object, and the drone is at least A weight estimation unit capable of estimating a weight including a loaded weight of the load, and a control mode setting unit configured to set a control mode in which the flight control unit controls the exerted thrust based on the estimated weight.
  • a control change necessity determination unit that determines whether or not to change the control mode based on the estimated weight may be further provided.
  • the control change necessity determination unit may be configured to determine whether to change the control mode based on the change in the weight.
  • a weight estimation propriety determination unit that determines whether or not the state of the drone is a state in which the weight can be estimated may be further provided.
  • the weight estimation propriety determination unit when the drone is flying at a constant altitude, when the drone is hovering, when it is turned, and immediately after takeoff, at least one of the states, It may be configured to determine that the weight can be estimated.
  • the weight estimation unit may be able to estimate the weight of the drug tank by obtaining the drug discharge amount based on the discharge flow rate of the drug from the drug tank included in the drone.
  • the control mode setting unit may be configured to set a control coefficient used by the flight control unit to control the exerted thrust.
  • the control mode setting unit may be configured to set a control coefficient such that when the weight is large, the amount of change in the generated thrust is larger by one feedback process than when the weight is small. ..
  • the flight control unit further includes a control mode storage unit that stores the control coefficient used for controlling the exerted thrust and the weight in association with each other, and the control mode setting unit associates with the estimated weight.
  • the control coefficient may be set as the control coefficient used by the flight control unit.
  • the control mode storage unit may be configured such that the weight is divided in stages and control coefficients associated with each division are stored.
  • the flight control unit may control the exerted thrust by PID control, and the control mode setting unit may be configured to set a control coefficient of PID control.
  • Propulsors are arranged in front of and in the rear of the traveling direction of the drone, and the flight control unit is configured to adjust the attitude angle of the drone with respect to the traveling direction by controlling the respective thrusts of the propulsion units. May be.
  • a drone control method is a drone control method that includes a flight control unit capable of controlling a thrust to be exerted, and is capable of flying a load.
  • a drone control program is a drone control program that has a flight control unit capable of controlling a thrust and is capable of flying a load. Causing the computer to execute an instruction to estimate a weight including at least the loaded weight of the load, and an instruction to set a control mode for the flight control unit to control the exerted thrust based on the estimated weight. ..
  • FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of a drone according to the present invention. It is a front view of the said drone. It is a right view of the said drone. It is a rear view of the drone. It is a perspective view of the drone. It is the whole conceptual diagram of the medicine spraying system which the drone has. It is a schematic diagram showing the control function of the said drone.
  • FIG. 3 is a functional block diagram of a configuration of the drone for controlling a posture according to the weight of the drone.
  • 6 is an example of a table showing a relationship between a weight of a load loaded by the drone and a control coefficient for controlling the attitude of the drone, which is stored in a control mode storage unit included in the drone. It is a flow chart which shows the process of controlling the posture according to the weight of the drone.
  • the drone regardless of power means (electric power, prime mover, etc.), control method (whether wireless or wired, and whether it is an autonomous flight type or a manual control type), It refers to all aircraft with multiple rotors.
  • the drone is an example of a mobile device, and can appropriately receive information on a driving route generated by the driving route generation device according to the present invention and fly along the driving route.
  • the rotor blades 101-1a, 101-1b, 101-2a, 101-2b, 101-3a, 101-3b, 101-4a, 101-4b are It is a means to fly the drone 100, and in consideration of the stability of flight, the size of the aircraft, and the balance of battery consumption, eight aircraft (four sets of two-stage rotary blades) are provided.
  • the motors 102-1a, 102-1b, 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 102-4a, 102-4b are rotor blades 101-1a, 101-1b, 101-2a, 101-. 2b, 101-3a, 101-3b, 101-4a, 101-4b is a means for rotating (typically an electric motor, but may be an engine, etc.), one for each rotor Has been.
  • the motor 102 is an example of a propulsion device.
  • the upper and lower rotor blades (eg 101-1a and 101-1b) and their corresponding motors (eg 102-1a and 102-1b) in one set are for drone flight stability etc.
  • the axes are collinear and rotate in opposite directions.
  • the radial member for supporting the propeller guard which is provided so that the rotor does not interfere with foreign matter, is not horizontal but has a tower-like structure. This is to promote the buckling of the member to the outside of the rotor blade at the time of collision and prevent the member from interfering with the rotor.
  • the drug nozzles 103-1, 103-2, 103-3, 103-4 are means for spraying the drug downward, and are equipped with four machines.
  • the term "chemicals” generally refers to pesticides, herbicides, liquid fertilizers, insecticides, seeds, and liquids or powders applied to fields such as water.
  • the drug tank 104 is a tank for storing the sprayed drug, and is provided at a position close to the center of gravity of the drone 100 and lower than the center of gravity from the viewpoint of weight balance.
  • the drug hoses 105-1, 105-2, 105-3, 105-4 are means for connecting the drug tank 104 and the drug nozzles 103-1, 103-2, 103-3, 103-4, and are rigid. And may also serve to support the chemical nozzle.
  • the pump 106 is a means for discharging the medicine from the nozzle.
  • FIG. 6 shows an overall conceptual diagram of a system using an example of drug spraying application of the drone 100 according to the present invention.
  • the operation unit 401 is a means for transmitting a command to the drone 100 by the operation of the user 402 and displaying information received from the drone 100 (for example, position, drug amount, battery level, camera image, etc.). Yes, and may be realized by a portable information device such as a general tablet terminal that runs a computer program.
  • the drone 100 according to the present invention is controlled to perform autonomous flight, it may be configured so that it can be manually operated during basic operations such as takeoff and return, and during emergencies.
  • an emergency operating device (not shown) that has a function dedicated to emergency stop (a large emergency stop button, etc. is provided so that the emergency operating device can respond quickly in an emergency). It may be a dedicated device with).
  • the operation unit 401 and the drone 100 perform wireless communication by Wi-Fi or the like.
  • the field 403 is a rice field, a field, etc. to which the drug is sprayed by the drone 100.
  • the topography of the farm field 403 is complicated, and there are cases where the topographic map cannot be obtained in advance, or the topographic map and the situation at the site are inconsistent.
  • the farm field 403 is adjacent to a house, a hospital, a school, another crop farm field, a road, a railroad, and the like.
  • the base station 404 is a device that provides a master device function of Wi-Fi communication, etc., and may also function as an RTK-GPS base station to provide an accurate position of the drone 100 (Wi- The base unit function of Fi communication and RTK-GPS base station may be independent devices).
  • the farm cloud 405 is typically a group of computers operated on a cloud service and related software, and may be wirelessly connected to the operation unit 401 via a mobile phone line or the like.
  • the farming cloud 405 may analyze the image of the field 403 captured by the drone 100, grasp the growing condition of the crop, and perform a process for determining a flight route. Further, the drone 100 may be provided with the stored topographical information of the field 403 and the like. In addition, the history of the flight of the drone 100 and captured images may be accumulated and various analysis processes may be performed.
  • the drone 100 will take off from the landing point 406 outside the field 403 and return to the landing point 406 after spraying the drug on the field 403 or when it becomes necessary to replenish or charge the drug.
  • the flight route (entry route) from the landing point 406 to the target field 403 may be stored in advance in the farm cloud 405 or the like, or may be input by the user 402 before the start of takeoff.
  • FIG. 7 shows a block diagram showing the control function of the embodiment of the drug spraying drone according to the present invention.
  • the flight controller 501 is a component that controls the entire drone, and specifically may be an embedded computer including a CPU, a memory, related software, and the like.
  • the flight controller 501 based on the input information received from the operation unit 401 and the input information obtained from various sensors described later, via the control means such as ESC (Electronic Speed Control), the motor 102-1a, 102-1b , 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 104-a, 104-b are controlled to control the flight of the drone 100.
  • ESC Electronic Speed Control
  • the actual rotation speed of the motors 102-1a, 102-1b, 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 104-a, 104-b is fed back to the flight controller 501 to perform normal rotation. It is configured so that it can be monitored.
  • the rotary blade 101 may be provided with an optical sensor or the like so that the rotation of the rotary blade 101 is fed back to the flight controller 501.
  • the software used by the flight controller 501 can be rewritten through storage media or the like for function expansion / change, problem correction, etc., or through communication means such as Wi-Fi communication or USB.
  • encryption, checksum, electronic signature, virus check software, etc. are used to protect the software from being rewritten by unauthorized software.
  • a part of the calculation process used by the flight controller 501 for control may be executed by another computer existing on the operation unit 401, the farm cloud 405, or another place. Since the flight controller 501 is highly important, some or all of its constituent elements may be duplicated.
  • the battery 502 is a means for supplying electric power to the flight controller 501 and other components of the drone, and may be rechargeable.
  • the battery 502 is connected to the flight controller 501 via a power supply unit including a fuse or a circuit breaker.
  • the battery 502 may be a smart battery having a function of transmitting its internal state (amount of stored electricity, accumulated use time, etc.) to the flight controller 501 in addition to the power supply function.
  • the flight controller 501 exchanges with the operation unit 401 via the Wi-Fi slave unit function 503 and further via the base station 404, receives a necessary command from the operation unit 401, and outputs necessary information to the operation unit. Can be sent to 401.
  • the communication may be encrypted so as to prevent illegal acts such as interception, spoofing, and hijacking of equipment.
  • the base station 404 has a function of an RTK-GPS base station in addition to a communication function by Wi-Fi.
  • the GPS module 504 can measure the absolute position of the drone 100 with an accuracy of about several centimeters. Since the GPS module 504 is highly important, it may be duplicated / multiplexed, and each redundant GPS module 504 should use a different satellite to cope with the failure of a specific GPS satellite. It may be controlled.
  • the 6-axis gyro sensor 505 is a means for measuring accelerations of the drone aircraft in three directions orthogonal to each other (further, a means for calculating speed by integrating accelerations).
  • the 6-axis gyro sensor 505 is a means for measuring the change in the attitude angle of the drone body in the three directions described above, that is, the angular velocity.
  • the geomagnetic sensor 506 is a means for measuring the direction of the drone body by measuring the geomagnetism.
  • the atmospheric pressure sensor 507 is a means for measuring the atmospheric pressure, and can indirectly measure the altitude of the drone.
  • the laser sensor 508 is a means for measuring the distance between the drone body and the ground surface by utilizing the reflection of laser light, and may be an IR (infrared) laser.
  • the sonar 509 is a means for measuring the distance between the drone body and the ground surface by using the reflection of sound waves such as ultrasonic waves.
  • These sensors may be selected depending on the drone's cost goals and performance requirements. Further, a gyro sensor (angular velocity sensor) for measuring the tilt of the machine body, a wind force sensor for measuring wind force, and the like may be added. Further, these sensors may be duplicated or multiplexed. If there are multiple sensors for the same purpose, the flight controller 501 may use only one of them, and if it fails, it may switch to another sensor for use. Alternatively, a plurality of sensors may be used at the same time, and if the measurement results do not match, it may be considered that a failure has occurred.
  • the flow rate sensor 510 is a means for measuring the flow rate of the medicine, and is provided at a plurality of places on the path from the medicine tank 104 to the medicine nozzle 103.
  • the liquid shortage sensor 511 is a sensor that detects that the amount of the medicine has become equal to or less than a predetermined amount.
  • the multi-spectral camera 512 is a means for photographing the field 403 and acquiring data for image analysis.
  • the obstacle detection camera 513 is a camera for detecting a drone obstacle and is a device different from the multispectral camera 512 because the image characteristics and the lens orientation are different from those of the multispectral camera 512.
  • the switch 514 is a means for the user 402 of the drone 100 to make various settings.
  • the obstacle contact sensor 515 is a sensor for detecting that the drone 100, in particular, its rotor or propeller guard portion has come into contact with an obstacle such as an electric wire, a building, a human body, a tree, a bird, or another drone. ..
  • the cover sensor 516 is a sensor that detects that the operation panel of the drone 100 and the cover for internal maintenance are open.
  • the drug injection port sensor 517 is a sensor that detects that the injection port of the drug tank 104 is open. These sensors may be selected according to the drone's cost targets and performance requirements, and may be duplicated or multiplexed.
  • a sensor may be provided at the base station 404 outside the drone 100, the operation device 401, or at another place, and the read information may be transmitted to the drone.
  • a wind sensor may be provided in the base station 404, and information regarding wind force / wind direction may be transmitted to the drone 100 via Wi-Fi communication.
  • the flight controller 501 sends a control signal to the pump 106 to adjust the drug discharge amount and stop the drug discharge.
  • the current status of the pump 106 (for example, the number of rotations) is fed back to the flight controller 501.
  • the LED107 is a display means for notifying the drone operator of the status of the drone.
  • a display means such as a liquid crystal display may be used instead of the LED or in addition to the LED.
  • the buzzer 518 is an output means for notifying a drone state (especially an error state) by a voice signal.
  • the Wi-Fi slave device function 503 is an optional component for communicating with an external computer or the like, for example, for software transfer, in addition to the operation unit 401.
  • other wireless communication means such as infrared communication, Bluetooth (registered trademark), ZigBee (registered trademark), NFC, or wired communication means such as USB connection May be used.
  • the speaker 520 is an output means for notifying the drone state (particularly an error state) by the recorded human voice, synthesized voice or the like. Depending on the weather conditions, it may be difficult to see the visual display of the drone 100 in flight, and in such a case, it is effective to communicate the situation by voice.
  • the warning light 521 is a display means such as a strobe light for notifying the state of the drone (in particular, an error state). These input / output means may be selected according to the cost target and performance requirements of the drone, or may be duplicated / multiplexed.
  • Drone 100 is capable of carrying loaded cargo and flying.
  • the load includes a load carried by the drug tank 104 or the drone 100.
  • the load has a configuration in which the load weight can change especially during autonomous flight.
  • the weight of the medicine tank 104 varies depending on the amount of medicine to be injected. Further, by spraying the stored medicine, the loaded weight may change during autonomous flight.
  • the luggage carried by the drone 100 has a different load weight depending on whether the drone 100 holds the luggage. Further, depending on the size and type of the held luggage, it is possible to carry and carry luggage having different loading weights. That is, the loaded weight of the luggage can be changed by gripping the luggage or letting the luggage out during autonomous flight.
  • the load may also be another air vehicle that is captured or collected during flight.
  • the drone 100 includes a control change necessity determination unit 21 and a thrust adjustment unit 22 as a configuration for controlling the attitude angle of the drone 100 according to the weight of the drone 100.
  • the control change necessity determination unit 21 is a functional unit that determines whether or not to change the control mode in which the flight control unit 223 controls the exerted thrust, based on the weight of the drone 100 including the loaded object.
  • the control change necessity determination unit 21 includes a weight estimation unit 211, a weight estimation propriety determination unit 212, a weight storage unit 213, and a weight determination unit 214.
  • the thrust adjustment unit 22 is a functional unit that sets a thrust control mode based on the weight of the drone 100 including the load.
  • the thrust adjusting unit 22 includes a control mode storage unit 221, a control mode setting unit 222, and a flight control unit 223.
  • the flight control unit 223 is a functional unit that controls the thrust generated in the drone 100 by adjusting the operation of the propulsion device of the drone 100, and is realized by, for example, the flight controller 501.
  • the propulsion device of the drone 100 is, for example, the rotor 101 and the motor 102.
  • the flight control unit 223 controls the thrust generated by each rotor 101 by adjusting the rotation speed of each motor 102.
  • the weight estimation unit 211 is a functional unit that estimates the weight including at least the loaded weight of the load. That is, the weight estimation unit 211 may estimate the total weight of the drone 100 including the loaded weight of the loaded object, or may estimate only the loaded weight of the loaded object. The weight estimation unit 211 estimates the load weight of a load that can change and then adds the weights of the configuration in which the weight does not change, for example, the flight controller 501 of the drone 100, the rotor blades 101, the motor 102, and other auxiliary equipment. , The total weight of the drone 100, including the load, may be estimated.
  • the weight estimation unit 211 estimates the total weight of the drone 100, including the loaded weight of the load, based on the thrust in the height direction exerted by the propulsion device when the altitude of the drone 100 does not change. This is because the thrust in the height direction exerted by the propulsion device of the drone 100 is in balance with the gravitational acceleration that the drone 100 receives when the altitude of the drone 100 does not change.
  • the weight estimation unit 211 obtains the drug discharge amount by integrating the discharge flow rates from the drug tank 104 measured by the flow rate sensor 510, and subtracts the drug discharge amount from the initially loaded drug amount, thereby Weight may be estimated. According to this configuration, the weight of the drug tank 104 can be estimated regardless of the flight state of the drone 100. In addition, the weight estimation unit 211 may have a function of estimating the liquid level height in the medicine tank 104, for example. The weight estimation unit 211 may estimate the weight using a liquid level gauge, a water pressure sensor, or the like arranged in the medicine tank 104.
  • the weight estimation propriety determination unit 212 is a functional unit that determines whether the drone 100 is in a state capable of estimating weight. Weight estimation can be performed in a state where thrust in the height direction and gravity acceleration are balanced, that is, in a state where the altitude of the drone 100 does not change, so the weight estimation propriety determination unit 212 determines that the altitude of the drone 100 is constant. To determine. Weight estimation propriety determination unit 212 obtains the altitude of drone 100 multiple times from at least one of sonar 509 and atmospheric pressure sensor 507, and determines whether the altitude is constant. Note that the altitude measurement is not limited to the measurement by the sonar 509 or the atmospheric pressure sensor 507, and RTK-GPS may be used, for example.
  • the weight estimation propriety determination unit 212 may determine whether or not the weight can be estimated by acquiring the operation currently performed by the drone 100 based on the information included in the flight controller 501 of the drone 100. Specifically, when the drone 100 is flying at a constant altitude, when the drone 100 is hovering, when it is turning, and / or immediately after takeoff, the weight estimate of the drone 100 is It is possible.
  • a turn is an operation of changing the direction of the drone 100 nose, and may be an operation of turning around the center of the drone 100, or an operation of changing the nose direction of the drone 100 while the drone 100 is moving. Including.
  • the state immediately after takeoff refers to the moment when the foot of the drone 100 leaves the ground.
  • the weight storage unit 213 is a functional unit that stores the weight estimated by the weight estimation unit 211.
  • the weight storage unit 213 stores the weight estimated at least a predetermined time ago.
  • the weight determination unit 214 is a functional unit that determines, based on the weight estimated by the weight estimation unit 211, whether or not the flight control unit 223 of the drone 100 changes the control mode for controlling the exerted thrust.
  • the weight determination unit 214 compares the estimated weight with the weight estimated a predetermined time before the weight is estimated, and when there is a change in weight of a predetermined amount or more, it is possible to change the control mode. decide. Further, the weight determination unit 214 determines whether or not the control mode needs to be changed by comparing the control mode currently used for control with an appropriate control mode determined based on the weight. May be.
  • the weight determination unit 214 obtains the drug discharge amount by integrating the discharge flow rates from the drug tank 104 measured by the flow rate sensor 510, and determines the change of the control mode when the drug discharge amount exceeds a predetermined value. Good.
  • changing the control mode may be changing the type of control theory for making the exerted thrust closer to the target thrust, or changing the value of the control coefficient in a certain specific control.
  • the flight control unit 223 controls the exerted thrust by feedback control, more specifically PID control.
  • the weight determination unit 214 determines to change the value of each control coefficient used for PID control.
  • the weight determination unit 214 changes the control mode by detecting that the estimated weight of the drone 100 has become equal to or less than a predetermined threshold value, instead of determining the amount of change in weight compared with a predetermined time period ago. You may decide to do so. Further, in the transportation drone, it may be determined that the estimated weight of the drone 100 becomes equal to or higher than a predetermined threshold value or equal to or lower than a predetermined threshold value, and the control mode is changed.
  • These thresholds may be pre-stored numerical values, or the weight estimated between the takeoff and the landing, for example, the weight estimated immediately after the takeoff, is set to a fixed value between the takeoff and the landing. It may be a threshold value.
  • the control mode storage unit 221 included in the thrust adjustment unit 22 is a functional unit that stores the control coefficient used by the flight control unit 223 to control the exerted thrust and the loaded weight of the loaded object in association with each other.
  • the control mode storage unit 221 classifies the weight of the load in stages and stores the control coefficients k1, k2, and k3 for each class.
  • the weight of the load is divided into three stages of 0 kg or more and less than 5 kg, 5 kg or more and less than 10 kg, and 10 kg or more, but may be in two stages or four or more stages.
  • the control coefficient corresponding to the weight of the loaded object may be continuously stored.
  • the control mode storage unit 221 stores the total weight of the drone 100, which is the total weight of the drone 100 and the weight of the load, instead of the weight of the load, and a set of control coefficients in association with each other. May be.
  • the number of control coefficients stored in the control mode storage unit 221 may be one or may be a combination of a plurality of control coefficients. Specifically, when the flight control unit 223 performs PID control, the control mode storage unit 221 has a maximum of three control coefficients Kp1, Ki1, and Kd1 as one set, and control coefficients Kp2, Ki2, and Kd2 as one. The set and the control coefficients Kp3, Ki3, and Kd3 are stored as one set for each weight category of the load. Note that any of the control coefficients may be 0. That is, the feedback control performed by the flight control unit 223 may include proportional control, PI control, and PID control.
  • the control mode setting unit 222 is a functional unit that sets a control mode in which the flight control unit 223 controls the generated thrust, based on the estimated weight of the drone 100.
  • the control mode setting unit 222 refers to the combination of the weight and the control coefficient stored in the control mode storage unit 221, and uses the control coefficient associated with the estimated weight as the control coefficient used by the flight control unit 223. Set.
  • the control mode setting unit 222 controls the flight control unit 223 to use the control coefficient associated with the loaded weight estimated by the weight estimation unit 211.
  • Set as a coefficient When the weight stored in the control mode storage unit 221 is the total weight of the drone 100, the control mode setting unit 222 sets the control coefficient associated with the total weight as the control coefficient used by the flight control unit 223.
  • the control mode setting unit 222 sets a control coefficient such that when the total weight of the drone 100 is large, the amount of change in thrust that can be changed by one feedback process is larger than when the total weight is small.
  • the control mode storage unit 221 stores a control coefficient such that the larger the total weight of the drone 100, the larger the amount of change that can be changed in one feedback process.
  • the drone 100 tilts the attitude of the drone 100 forward by increasing the rotational speed of the rotary wings 101-1 and 101-3 at the rear of the traveling direction more than that of the rotary wings 101-2 and 101-4 at the front of the traveling direction. Advance. Also, when accelerating the drone 100, the forward tilt angle is made larger. When decelerating the drone 100, tilt the drone 100 rearward by increasing the rotational speed of the rotor blades 101-2, 101-4 on the front side of the traveling direction more than that of the rotor blades 101-1, 101-3 on the rear side of the traveling direction. Slow down. Rotating blade 101 produces a downward flow downward and generates upward thrust, so that when drone 100 tilts forward, the vector of thrust by rotating blade 101 is decomposed in the traveling direction and in the vertical upward direction.
  • the acceleration generated in the drone 100 is inversely proportional to the weight of the drone 100, in order to generate the same acceleration, it is necessary to generate a larger thrust as the total weight of the drone 100 increases. That is, when the total weight of the drone 100 is large, the desired acceleration can be reached in a shorter time by changing the exerted thrust by the control mode setting unit 222 to a greater extent.
  • the acceleration to be exerted reciprocates with respect to the desired acceleration, and it may be slow to converge to the desired acceleration. It can be difficult. Therefore, when the total weight of the drone 100 is small, the desired acceleration can be reached more quickly and accurately by reducing the amount of change in thrust in the feedback process on the first floor.
  • the weight estimation availability determination unit 212 determines whether or not the weight estimation of the drone 100 is possible. (S11). If the weight cannot be estimated, step S11 is repeated. Step S11 may be periodically repeated until the drone 100 is ready for weight estimation, or step S11 is executed upon receiving a command from another configuration such as the flight controller 501 to perform weight estimation. You may.
  • the weight estimation unit 211 estimates the weight of the drone 100 (S12). At this time, the weight of only the configuration of the drone 100 having a variable weight may be estimated.
  • the weight determination unit 214 determines whether it is necessary to change the control mode based on the total weight of the drone 100 or the weight of the configuration in which the weight changes (S13). When it is not necessary to change the control coefficient, the process returns to step S11.
  • the control mode setting unit 222 sets the control mode based on the total weight of the drone 100 or the weight of the load (S14). More specifically, for example, the control mode setting unit 222 sets a control coefficient in feedback control. At this time, the control mode setting unit 222 refers to the combination of the weight and the control coefficient stored in the control mode storage unit 221, and sets the control coefficient associated with the weight as the control coefficient used for the feedback control.
  • the flight control unit 223 controls the exerted thrust according to the set control mode (S15).
  • the drug spraying drone and the transportation drone have been described as examples, but the technical idea of the present invention is not limited to this, and is applicable to drones performing autonomous flight in general.

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Abstract

【課題】飛行中に重量が変化し得るドローンにおいて、自律運転時であっても、高い安全性を維持しながら効率よく移動する。 【解決策】　発揮推力を制御可能な飛行制御部223を有し、積載物104を積載して飛行可能なドローンであって、前記ドローンは、少なくとも前記積載物の積載重量を含む重量を推定可能な重量推定部211と、推定される前記重量に基づいて、前記飛行制御部が前記発揮推力を制御する制御態様を設定する制御態様設定部222と、を備える。　

Description

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
　本願発明は、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。
　また、積載物を積載した状態で飛行可能な運搬用ドローンや、薬剤散布用ドローンのような、異なる総重量で飛行し得るドローンにおいては、ドローンの総重量に応じて適切な姿勢を維持して飛行させる方法が必要とされている。特許文献３には、空中にある他の物体を捕獲するための捕獲用網と、捕獲用網が物体を捕獲したことを検知する重量捕獲判定部を有し、捕獲を検知すると手動操縦から自動飛行に切り替える無人飛行体が開示されている。
特許公開公報　特開２００１－１２０１５１ 特許公開公報　特開２０１７－１６３２６５ 特許公開公報　特開２０１７－２１８１４１
　飛行中に重量が変化し得るドローンにおいて、自律運転時であっても、高い安全性を維持しながら効率よく移動するドローンを提供する。
　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、発揮推力を制御可能な飛行制御部を有し、積載物を積載して飛行可能なドローンであって、前記ドローンは、少なくとも前記積載物の積載重量を含む重量を推定可能な重量推定部と、推定される前記重量に基づいて、前記飛行制御部が前記発揮推力を制御する制御態様を設定する制御態様設定部と、を備える。
　推定される前記重量に基づいて、前記制御態様を変更するか否かを判定する制御変更要否判定部をさらに備えていてもよい。
　前記制御変更要否判定部は、前記重量の変化に基づいて、前記制御態様を変更するか否かを判定するように構成されていてもよい。
　前記ドローンの状態が前記重量を推定可能な状態であるか否かを判定する、重量推定可否判定部をさらに備えていてもよい。
　前記重量推定可否判定部は、前記ドローンが一定の高度で飛行しているとき、前記ドローンがホバリングしているとき、ターンしているとき、および離陸直後、の少なくともいずれかの状態であるとき、前記重量を推定可能な状態にあると判定するように構成されていてもよい。
　前記重量推定部は、前記ドローンが備える薬剤タンクからの薬剤の吐出流量に基づいて薬剤吐出量を求めることにより、前記薬剤タンクの重量を推定可能であってもよい。
　前記制御態様設定部は、前記飛行制御部が前記発揮推力の制御に用いる制御係数を設定するように構成されていてもよい。
　前記制御態様設定部は、前記重量が大きい場合、前記重量が小さい場合よりも１回のフィードバック処理で前記発揮推力の変化量が大きくなるような制御係数を設定するように構成されていてもよい。
　前記飛行制御部が前記発揮推力の制御に用いる制御係数と、前記重量と、が関連付けられて記憶されている制御態様記憶部をさらに備え、前記制御態様設定部は、推定される前記重量に関連付けられている前記制御係数を、前記飛行制御部が用いる前記制御係数として設定するように構成されていてもよい。
　前記制御態様記憶部は、前記重量が段階的に区分されていて、区分ごとに関連付けられる制御係数が記憶されているように構成されていてもよい。
　前記飛行制御部は、ＰＩＤ制御により前記発揮推力を制御し、前記制御態様設定部は、ＰＩＤ制御の制御係数を設定するように構成されていてもよい。
　前記ドローンの進行方向前方および後方に推進器が配置され、前記飛行制御部は、前記推進器のそれぞれの発揮推力を制御することで、前記ドローンの進行方向に対する姿勢角を調整するように構成されていてもよい。
　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の制御方法は、発揮推力を制御可能な飛行制御部を有し、積載物を積載して飛行可能なドローンの制御方法であって、少なくとも前記積載物の積載重量を含む重量を推定するステップと、推定される前記重量に基づいて、前記飛行制御部が前記発揮推力を制御する制御態様を設定するステップと、を含む。
　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の制御プログラムは、発揮推力を制御可能な飛行制御部を有し、積載物を積載して飛行可能なドローンの制御プログラムであって、少なくとも前記積載物の積載重量を含む重量を推定する命令と、推定される前記重量に基づいて、前記飛行制御部が前記発揮推力を制御する制御態様を設定する命令と、をコンピュータに実行させる。
　飛行中に重量が変化し得るドローンにおいて、自律運転時であっても、高い安全性を維持しながら効率よく移動することができる。
本願発明に係るドローンの実施形態を示す平面図である。 上記ドローンの正面図である。 上記ドローンの右側面図である。 上記ドローンの背面図である。 上記ドローンの斜視図である。 上記ドローンが有する薬剤散布システムの全体概念図である。 上記ドローン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、上記ドローンの重量に応じて姿勢を制御するための構成に関する機能ブロック図である。 上記ドローンが有する制御態様記憶部に記憶されている、上記ドローンが積載する積載物の重量と、上記ドローンの姿勢を制御する制御係数と、の関係を示すテーブルの例である。 上記ドローンの重量に応じて姿勢を制御する工程を示す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。以下の詳細な説明では、説明のために、開示された実施形態の完全な理解を促すために、ある特定の詳細について述べられている。しかしながら、実施形態は、これらの特定の詳細に限られない。また、図面を単純化するために、周知の構造および装置については概略的に示されている。
　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。ドローンは移動装置の例であり、本願発明に係る運転経路生成装置により生成される運転経路の情報を適宜受信し、当該運転経路に沿って飛行することが可能である。
　図１乃至図５に示すように、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。
　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。モーター102は、推進器の例である。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。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状の構造である。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。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。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6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。操作器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てもよい。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ってもよい）。操作器401とドローン100はWi-Fi等による無線通信を行う。
　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なっていてもよい（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群と関連ソフトウェアであり、操作器401と携帯電話回線等で無線接続されていてもよい。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（進入経路）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7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ブロック図を示す。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であってよい。フライトコントローラー501は、操作器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。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が行われている。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、操作器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、充電式であってもよい。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。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ってもよい。
　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を介して操作器401とやり取りを行ない、必要な指令を操作器401から受信すると共に、必要な情報を操作器401に送信できる。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いてもよい。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。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・多重化されていてもよく、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されていてもよい。
　６軸ジャイロセンサー505はドローン機体の互いに直交する３方向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。６軸ジャイロセンサー505は、上述の３方向におけるドローン機体の姿勢角の変化、すなわち角速度を測定する手段である。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）レーザーであってもよい。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てもよい。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。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。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、操作器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。
　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。表示手段は、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503は操作器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。
　ドローン100は、積載物を積載して飛行可能である。積載物とは、薬剤タンク104又はドローン100により運搬される荷物を含む。積載物は、特に自律飛行中において積載重量が変化しうる構成である。薬剤タンク104は、薬剤の投入量によって重量が異なる。また、貯留されている薬剤を散布することで、自律飛行中に積載重量が変化しうる。ドローン100により運搬される荷物は、ドローン100が荷物を保持しているか否かにより積載重量が異なる。また、保持される荷物の大きさおよび種類により、異なる積載重量の荷物を保持して飛行しうる。すなわち、自律飛行中に、荷物を把持したり、荷物を手放したりすることにより、荷物の積載重量は変化しうる。また、積載物は、飛行中に捕らえ、又は回収した別の飛行体であってもよい。
　図8に示すように、ドローン100は、ドローン100の重量に応じてドローン100の姿勢角を制御するための構成として、制御変更要否判定部21と、推力調整部22と、を備える。
　制御変更要否判定部21は、積載物を含むドローン100の重量に基づいて、飛行制御部223が発揮推力を制御する制御態様を変更するか否かを判定する機能部である。制御変更要否判定部21は、重量推定部211と、重量推定可否判定部212と、重量記憶部213と、重量判定部214と、を備える。また、推力調整部22は、積載物を含むドローン100の重量に基づいて推力の制御態様を設定する機能部である。推力調整部22は、制御態様記憶部221と、制御態様設定部222と、飛行制御部223と、を備える。
　飛行制御部223は、ドローン100の推進器の動作を調整することによりドローン100に生じる発揮推力を制御する機能部であり、例えばフライトコントローラー501により実現される。ドローン100の推進器とは、例えば回転翼101およびモーター102である。飛行制御部223は、それぞれのモーター102の回転数を調整することで回転翼101がそれぞれ生じる推力を制御する。
　重量推定部211は、少なくとも積載物の積載重量を含む重量を推定する機能部である。すなわち、重量推定部211は、積載物の積載重量を含むドローン100の総重量を推定してもよいし、積載物の積載重量のみを推定してもよい。重量推定部211は、変化し得る積載物の積載重量を推定した上で、重量が変化しない構成、例えばドローン100のフライトコントローラー501、回転翼101、モーター102その他補機の重量を加算することにより、積載物を含むドローン100の総重量を推定してもよい。
　重量推定部211は、ドローン100の高度が変化しない状態において推進器が発揮する高さ方向の推力に基づいて、積載物の積載重量を含むドローン100の総重量を推定する。ドローン100の推進器が発揮する高さ方向の推力は、ドローン100の高度が変化しない状態において、ドローン100が受ける重力加速度と釣り合っているためである。
　重量推定部211は、流量センサー510によって測定される薬剤タンク104からの吐出流量を積算して薬剤吐出量を求め、当初積載された薬剤量から薬剤吐出量を減算することにより、薬剤タンク104の重量を推定してもよい。本構成によれば、ドローン100の飛行状態に関わらず薬剤タンク104の重量を推定することができる。また、重量推定部211は、例えば薬剤タンク104内の液面高さを推定する機能を有していてもよい。重量推定部211は、薬剤タンク104内に配置される液面計又は水圧センサー等を用いて重量を推定してもよい。
　重量推定可否判定部212は、ドローン100が重量を推定可能な状態にあるか否かを判定する機能部である。重量推定は、高さ方向の推力と重力加速度が釣り合っている状態、すなわちドローン100の高度が変化しない状態で実施可能であるので、重量推定可否判定部212は、ドローン100の高度が一定であるかを判定する。重量推定可否判定部212は、ソナー509および気圧センサー507の少なくとも1個から、ドローン100の高度を複数回取得し、高度が一定であるかを判定する。なお、高度測定は、ソナー509や気圧センサー507による測定には限られず、例えばRTK-GPSを利用してもよい。
　また、重量推定可否判定部212は、ドローン100のフライトコントローラー501が有する情報に基づいて、現在ドローン100が行っている動作を取得し、重量推定が可能であるかを判定してもよい。具体的には、ドローン100が一定の高度で飛行しているとき、ドローン100がホバリングしているとき、ターンしているとき、および離陸直後の少なくともいずれかの状態において、ドローン100の重量推定が可能である。ターンとはドローン100の機首の向きを変える動作であり、ドローン100の中心を軸に旋回する動作であってもよいし、ドローン100が移動しながらドローン100の機首の向きを変える動作も含む。また、離陸直後の状態とは、ドローン100の足が地面から離れる瞬間を示す。
　重量記憶部213は、重量推定部211により推定される重量を記憶する機能部である。重量記憶部213は、少なくとも所定時間前に推定された重量を記憶している。
　重量判定部214は、重量推定部211により推定される重量に基づいて、ドローン100の飛行制御部223が発揮推力を制御する制御態様を変更するか否かを判定する機能部である。重量判定部214は、推定される重量と、当該重量が推定される時点から所定時間前に推定された重量とを比較し、所定以上の重量変化がある場合に、制御態様を変更することを決定する。また、重量判定部214は、現在制御に使用されている制御態様と、重量に基づいて決定される適切な制御態様と、を比較することにより、制御態様の変更が必要か否かを判定してもよい。
　重量判定部214は、流量センサー510によって測定される薬剤タンク104からの吐出流量を積算して薬剤吐出量を求め、薬剤吐出量が所定以上になった場合に制御態様の変更を決定してもよい。
　ここで、制御態様の変更とは、発揮推力を目標推力に近づけるための制御理論の種類を変更することであってもよいし、ある特定の制御における制御係数の値を変更することであってもよい。例えば、飛行制御部223は、フィードバック制御、より詳しくはＰＩＤ制御により発揮推力を制御している。この場合、重量判定部214は、ＰＩＤ制御に用いる各制御係数の値を変更することを決定する。
　薬剤散布用ドローン100においては、薬剤を散布しながら飛行するため、薬剤タンク104の重量は飛行を続けるにつれて小さくなる。そこで、重量判定部214は、所定時間前と比較した重量の変化量を判定することに代えて、推定されるドローン100の重量が所定の閾値以下になったことを検知して制御態様を変更することを決定してもよい。また、運搬用ドローンにおいて、推定されるドローン100の重量が所定の閾値以上又は閾値以下になったことを検知して、制御態様を変更することを決定してもよい。これらの閾値はあらかじめ記憶されている数値であってもよいし、その離陸から着陸までの間に推定される重量、例えば離陸直後に推定される重量を、その離陸から着陸までの間における固定の閾値としてもよい。
　推力調整部22が有する制御態様記憶部221は、飛行制御部223が発揮推力の制御に用いる制御係数と、積載物の積載重量と、を関連付けて記憶する機能部である。
　図9に示すように、制御態様記憶部221は、積載物の重量を段階的に区分し、区分ごとに制御係数k1,k2,およびk3を記憶している。本実施形態においては、積載物の重量を、0kg以上5kg未満、5kg以上10kg未満、および10kg以上の3段階に区分しているが、2段階又は4段階以上であってもよい。また、積載物の重量に応じた制御係数を、連続的に記憶していてもよい。さらに、制御態様記憶部221は、積載物の重量に代えて、積載物の重量にドローン100の重量を合計したドローン100の総重量と、制御係数の組と、が互いに関連づけられて記憶されていてもよい。
　また、制御態様記憶部221に記憶される制御係数は、１個であってもよいし、複数の制御係数の組み合わせであってもよい。具体的には、飛行制御部223がPID制御を行う場合、制御態様記憶部221は、最大で3個の制御係数Kp1,Ki1,およびKd1を1組、制御係数Kp2,Ki2,およびKd2を1組、ならびに制御係数Kp3,Ki3、およびKd3を1組として、積載物の重量の区分ごとに記憶している。なお、各制御係数のいずれかが0であってもよい。すなわち、飛行制御部223が行うフィードバック制御は、比例制御、PI制御およびPID制御を含んでいてもよい。
　制御態様設定部222は、推定されるドローン100の重量に基づいて、飛行制御部223が発揮推力を制御する制御態様を設定する機能部である。制御態様設定部222は、制御態様記憶部221に記憶されている重量と制御係数との組み合わせを参照し、推定される重量に関連付けられている制御係数を、飛行制御部223が用いる制御係数として設定する。制御態様記憶部221に記憶されている重量が積載重量の場合、制御態様設定部222は、重量推定部211により推定される積載重量に関連付けられている制御係数を、飛行制御部223が用いる制御係数として設定する。制御態様記憶部221に記憶されている重量がドローン100の総重量の場合、制御態様設定部222は、総重量に関連付けられている制御係数を、飛行制御部223が用いる制御係数として設定する。
　制御態様設定部222は、ドローン100の総重量が大きい場合、当該総重量が小さい場合よりも1回のフィードバック処理で推力が変化しうる変化量が大きくなるような制御係数を設定する。言い換えれば、制御態様記憶部221には、ドローン100の総重量が大きいほど1回のフィードバック処理で変化しうる変化量が大きくなるような制御係数が記憶されている。
　ドローン100は、進行方向前方の回転翼101-2、101-4よりも進行方向後方の回転翼101-1、101-3の回転数を大きくすることで、ドローン100の姿勢を前傾させて前進する。また、ドローン100の加速時には前傾角度をより大きくする。ドローン100の減速時には、進行方向後方の回転翼101-1、101-3よりも進行方向前方の回転翼101-2、101-4の回転数を大きくすることで、ドローン100を後傾させて減速する。回転翼101はその下方に向かって下降流を生じ、上向きの推力を生じるため、ドローン100が前傾すると、回転翼101による推力のベクトルは、進行方向および鉛直方向上向きに分解される。ドローン100に生じる加速度は、ドローン100の重量に反比例するから、同様の加速度を発生するためには、ドローン100の総重量が大きいほど大きな推力を発生させる必要がある。すなわち、ドローン100の総重量が大きい場合、制御態様設定部222によって発揮推力をより大きく変化させることで、より短時間に所望の加速度に到達することができる。
　ドローン100の総重量が大きい場合に、1回のフィードバック処理で変化しうる推力の変化量が小さいと、応答速度が遅くなり、所望の加速度に到達するまでの時間が長くなる。ドローン100が所定の速度未満の場合、薬剤を意図通りの密度で散布することが困難であるため、薬剤の散布を行わない。したがって、例えばドローン100がホバリング状態から加速するとき、所定の速度に到達する時間が長いと、薬剤散布を行うことができない領域が増大する。これに対し、ドローン100の総重量が大きい場合の推力の変化量を大きくすることにより、効果的な薬剤散布が可能な領域をより大きくすることができる。
　ドローン100の総重量が小さい場合に1回のフィードバック処理で変化しうる変化量が大きいと、発揮される加速度が所望の加速度に対して往復し、所望の加速度に収束するのが遅くなるか、困難になるおそれがある。そこで、ドローン100の総重量が小さい場合は、１階のフィードバック処理における推力の変化量を小さくすることで、より迅速かつ精確に所望の加速度に到達させることができる。
●ドローンの総重量に応じて姿勢を制御する工程を示すフローチャート
　図10に示すように、まず、重量推定可否判定部212は、ドローン100の重量推定が可能な状態であるか否かを判定する（S11）。重量推定が可能な状態でない場合、ステップS11を繰り返す。ステップS11は、ドローン100が重量推定の可能な状態になるまで定期的に繰り返してもよいし、フライトコントローラー501等の別の構成から重量推定を実施する旨の命令を受信してステップS11を実行してもよい。
　ドローン100が重量推定可能な状態であるとき、重量推定部211は、ドローン100の重量を推定する（S12）。なお、このとき、ドローン100が有する、重量が変化する構成のみの重量を推定してもよい。
　重量判定部214は、ドローン100の総重量又は重量が変化する構成の重量に基づいて、制御態様の変更が必要か否かを判定する（S13）。制御係数の変更が必要でないとき、ステップS11に戻る。
　制御係数の変更が必要であると判断されると、制御態様設定部222は、ドローン100の総重量又は積載物の重量に基づいて制御態様を設定する（S14）。より具体的には、例えば、制御態様設定部222は、フィードバック制御における制御係数を設定する。このとき、制御態様設定部222は、制御態様記憶部221に記憶されている重量と制御係数の組み合わせを参照し、重量に紐付けられている制御係数をフィードバック制御に用いる制御係数に設定する。
　飛行制御部223は、設定される制御態様により発揮推力を制御する（S15）。
　本構成によれば、飛行中に重量が変化し得るドローンにおいて、自律運転時であっても、高い安全性を維持しながら効率よく移動することができる。
　なお、本説明においては、薬剤散布用ドローンおよび運搬用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、自律飛行を行うドローン全般に適用可能である。
（本願発明による技術的に顕著な効果）
　本発明に係るドローンにおいては、飛行中に重量が変化し得るドローンにおいて、自律運転時であっても、高い安全性を維持しながら効率よく移動することができる。

 

Claims (14)

  1. 　発揮推力を制御可能な飛行制御部を有し、積載物を積載して飛行可能なドローンであって、
    　前記ドローンは、
    　　少なくとも前記積載物の積載重量を含む重量を推定可能な重量推定部と、
    　　推定される前記重量に基づいて、前記飛行制御部が前記発揮推力を制御する制御態様を設定する制御態様設定部と、
    を備える、ドローン。
     
  2. 　推定される前記重量に基づいて、前記制御態様を変更するか否かを判定する制御変更要否判定部をさらに備える、
    請求項１記載のドローン。
     
  3. 　前記制御変更要否判定部は、前記重量の変化に基づいて、前記制御態様を変更するか否かを判定する、
    請求項２記載のドローン。
     
  4. 　前記ドローンの状態が前記重量を推定可能な状態であるか否かを判定する、重量推定可否判定部をさらに備える、
    請求項1乃至３のいずれかに記載のドローン。
     
  5. 　前記重量推定可否判定部は、前記ドローンが一定の高度で飛行しているとき、前記ドローンがホバリングしているとき、ターンしているとき、および離陸直後、の少なくともいずれかの状態であるとき、前記重量を推定可能な状態にあると判定する、
    請求項４記載のドローン。
     
  6. 　前記重量推定部は、前記ドローンが備える薬剤タンクからの薬剤の吐出流量に基づいて薬剤吐出量を求めることにより、前記薬剤タンクの重量を推定可能である、
    請求項１乃至５のいずれかに記載のドローン。
     
  7. 　前記制御態様設定部は、前記飛行制御部が前記発揮推力の制御に用いる制御係数を設定する、
    請求項1乃至６のいずれかに記載のドローン。
     
  8. 　前記制御態様設定部は、前記重量が大きい場合、前記重量が小さい場合よりも１回のフィードバック処理で前記発揮推力の変化量が大きくなるような制御係数を設定する、
    請求項７記載のドローン。
     
  9. 　前記飛行制御部が前記発揮推力の制御に用いる制御係数と、前記重量と、が関連付けられて記憶されている制御態様記憶部をさらに備え、
    　前記制御態様設定部は、推定される前記重量に関連付けられている前記制御係数を、前記飛行制御部が用いる前記制御係数として設定する、
    請求項７又は８記載のドローン。
     
  10. 　前記制御態様記憶部は、前記重量が段階的に区分されていて、区分ごとに関連付けられる制御係数が記憶されている、
    請求項９記載のドローン。
     
  11. 　前記飛行制御部は、ＰＩＤ制御により前記発揮推力を制御し、前記制御態様設定部は、ＰＩＤ制御の制御係数を設定する、
    請求項７乃至１０のいずれかに記載のドローン。
     
  12. 　前記ドローンの進行方向前方および後方に推進器が配置され、前記飛行制御部は、前記推進器のそれぞれの発揮推力を制御することで、前記ドローンの進行方向に対する姿勢角を調整する、
    請求項１乃至１１のいずれかに記載のドローン。
     
  13. 　発揮推力を制御可能な飛行制御部を有し、積載物を積載して飛行可能なドローンの制御方法であって、
    　少なくとも前記積載物の積載重量を含む重量を推定するステップと、
    　推定される前記重量に基づいて、前記飛行制御部が前記発揮推力を制御する制御態様を設定するステップと、
    を含む、ドローンの制御方法。
     
  14. 　発揮推力を制御可能な飛行制御部を有し、積載物を積載して飛行可能なドローンの制御プログラムであって、
    　少なくとも前記積載物の積載重量を含む重量を推定する命令と、
    　推定される前記重量に基づいて、前記飛行制御部が前記発揮推力を制御する制御態様を設定する命令と、
    をコンピュータに実行させる、ドローンの制御プログラム。
     

     
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