JP2023153653A

JP2023153653A - 無人飛行体及び飛行方法

Info

Publication number: JP2023153653A
Application number: JP2022063046A
Authority: JP
Inventors: 龍平長野; Ryuhei Nagano; 篤史武田; Atsushi Takeda; 亜紀元村; Aki Motomura; 孝文山中; Takafumi Yamanaka
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2022-04-05
Filing date: 2022-04-05
Publication date: 2023-10-18

Abstract

【課題】ロープで荷物を接続した状態で安全に離着陸を実行できる無人飛行体及び飛行方法を提供する。【解決手段】複数の回転翼を備え、荷物２をロープ３によって吊り下げで搬送する無人飛行体１であって、現在位置を検出する座標検出部と、現在高度を検出する高度検出部と、前記座標検出部及び前記高度検出部による検出結果に基づいて飛行動作を制御するフライトコントローラと、を備える。無人飛行体１は、離着陸高度Ｈまで上昇すると共に、設定された離間方向Ａに、設定された離隔距離Ｗだけ移動して上昇する離陸動作を、フライトコントローラの制御によってロープ３がたるんだ状態で実行する。【選択図】図２

Description

本発明は、複数回転翼を備える無人飛行体及び飛行方法に関する。

複数の回転翼を備えた無人飛行体は、ドローンやマルチコプターと称され、荷物の運搬等の様々な分野での利用が計画・実践されている。無人飛行体による荷物の搬送として、荷物をロープで吊り下げて運搬する形態が知られている（例えば、特許文献１参照）。この搬送方法は、荷物のサイズが無人飛行体の足（スキッド）の内側に収まらない大きさである場合に特に有効である。

特開２０２０－２００１２３号公報

しかしながら、スキッド内に荷物が収まらない場合、ロープを伸ばした状態で荷物とドローンを固定する必要があった。離陸した後、ドローンの位置によってはロープが伸び、ドローンに対し鉛直方向以外の力がかかり、飛行が不安定になるリスクがあった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上述の課題を解消し、ロープで荷物を接続した状態で安全に離着陸を実行できる無人飛行体及び飛行方法を提供することにある。

本発明の無人飛行体は、複数の回転翼を備え、荷物をロープによって吊り下げで搬送する無人飛行体であって、現在位置を検出する座標検出部と、現在高度を検出する高度検出部と、前記座標検出部及び前記高度検出部による検出結果に基づいて飛行動作を制御するフライトコントローラと、を備え、前記荷物が接地された状態で維持される離着陸高度まで上昇すると共に、設定された離間方向に、設定された離隔距離だけ移動して上昇する離陸動作を、前記フライトコントローラの制御によって前記ロープがたるんだ状態で実行する。
また、本発明の無人飛行体は、複数の回転翼を備え、荷物をロープによって吊り下げで搬送する無人飛行体であって、現在位置を検出する座標検出部と、現在高度を検出する高度検出部と、前記座標検出部及び前記高度検出部による検出結果に基づいて飛行動作を制御するフライトコントローラと、を備え、前記荷物が接地する離着陸高度まで下降した後、設定された離間方向に、設定された離隔距離だけ移動して着陸する着陸動作を、前記フライトコントローラの制御によって前記ロープがたるんだ状態で実行する。
さらに、本発明の無人飛行体において、前記離着陸高度は、前記ロープのロープ長をＬ、前記離隔距離をＷ、水平方向の誤差をＥ_ｈ、鉛直方向の誤差をＥ_ｖとそれぞれした場合、｛Ｌ^２－（Ｗ＋Ｅ_ｈ）^２｝＾^{（１/２）}－Ｅ_ｖよりも低い値に設定される。
また、本発明の飛行方法は、複数の回転翼を備え、荷物をロープによって吊り下げで搬送する無人飛行体の飛行方法であって、現在位置、現在高度及び飛行方向の検出結果に基づいて飛行動作を制御するフライトコントローラの制御によって、前記無人飛行体は、前記荷物が接地された状態で維持される離着陸高度まで上昇すると共に、設定された離間方向に、設定された離隔距離だけ移動して上昇する離陸動作を前記ロープがたるんだ状態で実行する。
また、本発明の飛行方法は、複数の回転翼を備え、荷物をロープによって吊り下げで搬送する無人飛行体の飛行方法であって、現在位置、現在高度及び飛行方向の検出結果に基づいて飛行動作を制御するフライトコントローラの制御によって、前記無人飛行体は、前記荷物が接地する離着陸高度まで下降した後、設定された離間方向に、設定された離隔距離だけ移動して着陸する着陸動作を前記ロープがたるんだ状態で実行する。
また、本発明の操縦方法は、複数の回転翼を備え、荷物をロープによって吊り下げで搬送する無人飛行体の操縦方法であって、前記ロープのロープ長をＬ、設定された離隔距離をＷ、前記無人飛行体による水平方向の検出誤差をＥ_ｈ、前記無人飛行体による鉛直方向の検出誤差をＥ_ｖとそれぞれした場合、｛Ｌ^２－（Ｗ＋Ｅ_ｈ）^２｝＾^{（１/２）}－Ｅ_ｖよりも低い値に設定された離着陸高度まで前記無人飛行体を下降させた後、設定された離間方向に前記離隔距離だけ移動させて着陸させる。
また、本発明の操縦方法は、複数の回転翼を備え、荷物をロープによって吊り下げで搬送する無人飛行体の操縦方法であって、前記ロープのロープ長をＬ、設定された離隔距離をＷ、前記無人飛行体による水平方向の検出誤差をＥ_ｈ、前記無人飛行体による鉛直方向の検出誤差をＥ_ｖとそれぞれした場合、｛Ｌ^２－（Ｗ＋Ｅ_ｈ）^２｝＾^{（１/２）}－Ｅ_ｖよりも低い値に設定された離着陸高度まで前記無人飛行体を上昇させた後、設定された離間方向に前記離隔距離だけ移動させて上昇させる。

本発明によると、離陸動作時にロープが伸びきり、伸びきったロープから無人飛行体に対して鉛直方向以外の強い力が作用することを防止できるため、ロープで荷物を接続した状態で安全に離陸動作を実行できるという効果を奏する。

本発明に係る無人飛行体の離着陸動作を説明する説明図である。本発明に係る無人飛行体の離着陸動作を説明する説明図である。本発明に係る無人飛行体の離着陸動作を説明する説明図である。本発明に係る無人飛行体の構成を示すブロック図である。図４に示す操縦端末に設けられた表示部の表示例を示す図である。

次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。

本実施形態の無人飛行体１は、図１乃至図３を参照すると、離着陸時に荷物２を吊り下げるロープ３のロープ長Ｌに基づいて設定された離着陸高度Ｈで離隔距離Ｗだけ水平移動を行う。図１乃至図３において、（ａ）は無人飛行体１の離着陸を側方から見た図であり、（ｂ）は無人飛行体１の離着陸を上空から見た図である。本実施形態は、荷物２を吊り下げる繊維ロープ、ワイヤーロープ、チェーン、テープ等の荷物２と無人飛行体１を繋ぐ役割をもつ物をロープ３と総称する。なお、ロープ３は、弛んだ際にも無人飛行体１の回転翼と接触しないように剛性・密度を選定することが好ましい。

（離陸動作）
図１に示すように、着陸している状態の無人飛行体１に対して、荷物２は、設定された離間方向Ａに、設定された離隔距離Ｗ（ｍ）だけ離れた地面に配置し、ロープ３によって無人飛行体１と荷物２とを接続する。離間方向Ａは、無人飛行体１の運営を管理する管理者によって設定される方向であり、図１では無人飛行体１に対して西方向が設定されている。離隔距離Ｗは、無人飛行体１の運営を管理する管理者によって設定される無人飛行体１と荷物２との間隔であり、予め設定された最低離隔Ｗ_０（ｍ）以上でロープ３のロープ長Ｌよりも短い値に設定される。

次に、無人飛行体１は、離陸指示を受け付けると、図２に示すように、荷物２が接地された状態で維持される離着陸高度Ｈまで鉛直上方に上昇する。離着陸高度Ｈは、ロープ３のロープ長Ｌと、離隔距離Ｗと、水平方向の誤差Ｅ_ｈ（ｍ）と、鉛直方向の誤差Ｅ_ｖ（ｍ）と基づいて算出される。水平方向の誤差Ｅ_ｈは、無人飛行体１による座標の検出誤差や制御誤差である。鉛直方向の誤差Ｅ_ｖは、無人飛行体１による高度の検出誤差や制御誤差である。

離着陸高度Ｈは、｛Ｌ^２－（Ｗ＋Ｅ_ｈ）^２｝＾^{（１/２）}－Ｅ_ｖを基準高度Ｈ_０として算出し、例えば、予め設定された値を減算したり、予め設定された１未満の係数を乗算したりすることで、基準高度Ｈ_０よりも低い値に算出される。これにより、無人飛行体１が離着陸高度Ｈまで上昇しても、ロープ３は、たるんだ状態が維持されることになる。

次に、無人飛行体１は、離間方向Ａに、離着陸高度Ｈを維持した状態で離隔距離Ｗだけ水平移動する。この水平移動でも、ロープ３は、たるんだ状態が維持され、無人飛行体１は、図３に示すように、ロープ３がたるんだ状態で荷物２の鉛直上方に位置することになる。その後、無人飛行体１は、鉛直上方に上昇して、設定された目的地の座標まで飛行する。

以上のように、無人飛行体１の離陸時の一連の動作は、ロープ３は、たるんだ状態で行われる。従って、ロープ３で荷物２を接続した状態でも、ロープ３から鉛直方向以外の力が作用することなく、無人飛行体１は、安全に離陸を行うことができる。

なお、無人飛行体１は、図１に示す状態から、図２に示す状態を経由することなく、図３に示す状態まで、離着陸高度Ｈを超えて上昇させることなく、斜めに上昇させても良い。この場合でも、無人飛行体１の離陸時の一連の動作は、ロープ３は、たるんだ状態で行われる。

（着陸動作）
目的地の座標まで到着すると、無人飛行体１は、図３に示すように、荷物２が接地する離着陸高度Ｈまで高度を下げる。離着陸高度Ｈまで高度を下げることで、ロープ３は、たるんだ状態となる。

次に、無人飛行体１は、図２に示すように、離間方向Ｂ（本実施形態では、東方向）に、離着陸高度Ｈを維持した状態で離隔距離Ｗだけ水平移動する。この水平移動でも、ロープ３は、たるんだ状態が維持される。

次に、無人飛行体１は、下降し、図１に示すように、荷物２に対して、離間方向Ｂに、設定された離隔距離Ｗ（ｍ）だけ離れた地面に着陸する。これにより、無人飛行体１は、荷物２から予め設定された最低離隔Ｗ_０（ｍ）以上離れて着陸されることになる。

以上のように、無人飛行体１の着陸時の一連の動作は、ロープ３は、たるんだ状態で行われる。従って、ロープ３で荷物２を接続した状態でも、ロープ３から鉛直方向以外の力が作用することなく、無人飛行体１は、安全に着陸を行うことができる。

なお、無人飛行体１は、図３に示す状態から、図２に示す状態を経由することなく、図１に示す状態まで、離着陸高度Ｈを超えて上昇させることなく、斜めに下降させても良い。この場合でも、無人飛行体１の着陸時の一連の動作は、ロープ３は、たるんだ状態で行われる。

無人飛行体１は、図４を参照すると、複数のロータユニット４と、送受信部５と、座標検出部６と、高度検出部７と、方位検出部８と、電子スピードコントローラ（以下、ＥＳＣと称す）９と、フライトコントローラ（以下、ＦＣと称す）１０と、を備える。また、無人飛行体１は、これらの構成に電源を供給する図示しないバッテリを搭載している。

ロータユニット４は、モータ４１と、ロータ４２と、を備える。回転翼であるロータ４２は、モータ４１の回転軸に取り付けられ、モータ４１の回転駆動に伴って回転する。ロータ４２の回転によって揚力が発生し、無人飛行体１は、飛行可能となる。

送受信部５は、パソコン等の情報処理装置からなる管理端末２０から送信される飛行ルート・離着陸時の条件設定等の各種飛行情報や、プロポ等のラジコンの操縦端末３０からの各種操縦情報を受信する機能を有している。送受信部５の通信方法は、特に制限はない。

座標検出部６は、無人飛行体１の現在位置（緯度・経度）を検出する。高度検出部７は、無人飛行体１の現在高度を検出する。方位検出部８は、無人飛行体１の機体方向を検出する。座標検出部６、高度検出部７、方位検出部８はとしては、ＧＰＳ信号を使用するＧＰＳセンサ、レーザーあるいはミリ波を使用する距離センサ、気圧センサ、イメージセンサ、方位磁石等の各種センサを単体もしくは組み合わせで用いることができる。

ＥＳＣ９は、の制御によって、モータ４１の回転速度（回転数）を制御するコントローラである。

ＦＣ１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ（flash memory）等を備えたマイクロコンピュータ等の情報処理部である。ＲＯＭには無人飛行体１の飛行を制御するための制御プログラムが記憶されている。ＥＳＣ９は、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムを読み出し、制御プログラムをＲＡＭに展開させることで、無人飛行体１の飛行制御を行い、上述の離着陸動作を実行する。

ＦＣ１０は、各種の飛行情報を記憶する飛行情報記憶部１１、離着陸高度Ｈを算出する離着陸高度算出部１２として機能する。

飛行情報記憶部１１は、例えば、電源が切れても情報が保持されるラッシュメモリで構成される。飛行情報記憶部１１は、飛行ルートと、離着陸情報と、を含む飛行情報が記憶される。

飛行ルートは、出発地及び目的地の座標と、飛行経路及び指定高度と、を含む情報である。飛行ルートは、送受信部５によって管理端末２０や操縦端末３０から受信されたものが飛行情報記憶部１１に記憶される。

離着陸情報は、離隔距離Ｗと、離間方向Ａ、Ｂと、ロープ３のロープ長Ｌと、を含む。離隔距離Ｗ、離間方向Ａ、Ｂ、ロープ３のロープ長Ｌは、送受信部５によって管理端末２０や操縦端末３０から受信されたものが飛行情報記憶部１１に記憶される。なお、離隔距離Ｗは、離陸動作と着陸動作とで異なる距離に設定しても良い。また、離陸動作の離間方向Ａ、Ｂと、着陸動作時の離間方向Ｂとは、同じ方向に設定しても、異なる方向に設定しても良い。

また、離着陸情報は、離着陸高度Ｈを含む。離着陸高度Ｈは、離着陸高度算出部１２によって算出されたものが飛行情報記憶部１１に記憶される。

離着陸高度算出部１２は、ロープ３のロープ長Ｌと、離隔距離Ｗと、水平方向の誤差Ｅ_ｈと、鉛直方向の誤差Ｅ_ｖと基づいて離着陸高度Ｈを算出する。水平方向の誤差Ｅ_ｈは、座標検出部６における検出誤差及びＦＣ１０による水平方向の制御誤差である。鉛直方向の誤差Ｅ_ｖは、高度検出部７における検出誤差及びＦＣ１０による鉛直方向の制御誤差である。荷物２の大きさや形状によってロープ３の取り付け位置が異なるため、ロープ長Ｌにも誤差が生じるが、この誤差も水平方向の誤差Ｅ_ｈや鉛直方向の誤差Ｅ_ｖに含めると良い。

離着陸高度算出部１２は、｛Ｌ^２－（Ｗ＋Ｅ_ｈ）^２｝＾^{（１/２）}－Ｅ_ｖを基準高度Ｈ_０として算出し、基準高度Ｈ_０から予め設定された値を減算、もしくは予め設定された１未満の係数を乗算することで、を基準高度Ｈ_０よりも低い値の離着陸高度Ｈを算出する。

離着陸高度算出部１２は、管理端末２０に設けても良い。この場合、離着陸高度Ｈは、送受信部５によって管理端末２０から受信されたものが飛行情報記憶部１１に記憶される。

ＦＣ１０は、飛行情報記憶部１１に記憶された各種の飛行情報に基づいて、無人飛行体１の飛行を制御する。これにより、無人飛行体１は、設定された飛行ルートでの飛行や、上述した離着陸動作を自律的に実行することができる。

無人飛行体１の飛行動作の一部もしくは全部は、操縦端末３０による操縦に切り換えることができる。上述した離着陸動作を操縦端末３０による操縦に切り換えた場合、無人飛行体１は、離隔距離Ｗ、離間方向Ａ、Ｂ及び離着陸高度Ｈと、離着陸時の実動作情報とを操縦端末３０に送信し、操縦端末３０による操縦をアシストする。

離着陸時の実動作情報は、高度検出部７によって検出された現在高度を含む。また、離着陸時の実動作情報は、現在高度が離着陸高度Ｈに到達（離陸時は上昇によって、着陸動作時は下降によって）した後に、座標検出部６によって検出された移動距離及び移動方向である。

図５は、操縦端末３０に設けられた表示部３１の一例である。表示部３１は、離隔距離Ｗ、離間方向Ａ、Ｂ及び離着陸高度Ｈと、離着陸時の実動作情報とを並べて表示するアシスト表示欄を備える。これにより、操縦端末３０を操作する操作者は、離隔距離Ｗ、離間方向Ａ、Ｂ及び離着陸高度Ｈに基づいて、無人飛行体１を操縦し、離着陸動作を安全に実行することができる。

以上説明したように、本実施形態は、複数の回転翼（ロータ４２）を備え、荷物２をロープ３によって吊り下げで搬送する無人飛行体１であって、現在位置を検出する座標検出部６と、現在高度を検出する高度検出部７と、座標検出部６及び高度検出部７による検出結果に基づいて飛行動作を制御するフライトコントローラ（ＦＣ）１０と、を備える。無人飛行体１は、離着陸高度Ｈまで上昇すると共に、設定された離間方向Ａに、設定された離隔距離Ｗだけ移動して上昇する離陸動作を、ＦＣ１０の制御によってロープ３がたるんだ状態で実行する。
この構成により、離陸動作時にロープ３から無人飛行体１に対して鉛直方向以外の強い力が作用することを防止できるため、ロープ３で荷物２を接続した状態で安全に離陸動作を実行できる。

また、本実施形態において、無人飛行体１は、離着陸高度Ｈまで下降した後、設定された離間方向Ｂに、設定された離隔距離Ｗだけ移動して着陸する着陸動作を、ＦＣ１０の制御によってロープ３がたるんだ状態で実行する。
この構成により、着陸動作時にロープ３が伸びきり、伸びきったロープ３から無人飛行体１に対して鉛直方向以外の強い力が作用することを防止できるため、ロープ３で荷物２を接続した状態で安全に着陸動作を実行できる。

さらに、本実施形態において、離着陸高度Ｈは、ロープ３のロープ長Ｌ、離隔距離Ｗ、水平方向の誤差Ｅ_ｈ、鉛直方向の誤差Ｅ_ｖを用いて、式｛Ｌ^２－（Ｗ＋Ｅ_ｈ）^２｝＾^{（１/２）}－Ｅ_ｖで算出した基準高度Ｈ_０よりも低い値に設定される。
この構成により、ロープ３がたるんだ状態で離着陸動作を実行できる。

以上、実施形態をもとに本発明を説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１無人飛行体
２荷物
３ロープ
４ロータユニット
５送受信部
６座標検出部
７高度検出部
８方位検出部
９電子スピードコントローラ（ＥＳＣ）
１０フライトコントローラ（ＦＣ）
１１飛行情報記憶部
１２離着陸高度算出部
２０管理端末
３０操縦端末
３１表示部
４１モータ
４２ロータ

Claims

複数の回転翼を備え、荷物をロープによって吊り下げで搬送する無人飛行体であって、
現在位置を検出する座標検出部と、
現在高度を検出する高度検出部と、
前記座標検出部及び前記高度検出部による検出結果に基づいて飛行動作を制御するフライトコントローラと、を備え、
前記荷物が接地された状態で維持される離着陸高度まで上昇すると共に、設定された離間方向に、設定された離隔距離だけ移動して上昇する離陸動作を、前記フライトコントローラの制御によって前記ロープがたるんだ状態で実行することを特徴とする無人飛行体。
複数の回転翼を備え、荷物をロープによって吊り下げで搬送する無人飛行体であって、
現在位置を検出する座標検出部と、
現在高度を検出する高度検出部と、
前記座標検出部及び前記高度検出部による検出結果に基づいて飛行動作を制御するフライトコントローラと、を備え、
前記荷物が接地する離着陸高度まで下降した後、設定された離間方向に、設定された離隔距離だけ移動して着陸する着陸動作を、前記フライトコントローラの制御によって前記ロープがたるんだ状態で実行することを特徴とする無人飛行体。
前記離着陸高度は、前記ロープのロープ長をＬ、前記離隔距離をＷ、水平方向の誤差をＥ_ｈ、鉛直方向の誤差をＥ_ｖとそれぞれした場合、｛Ｌ^２－（Ｗ＋Ｅ_ｈ）^２｝＾^{（１/２）}－Ｅ_ｖよりも低い値に設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の無人飛行体。
複数の回転翼を備え、荷物をロープによって吊り下げで搬送する無人飛行体の飛行方法であって、
現在位置、現在高度及び飛行方向の検出結果に基づいて飛行動作を制御するフライトコントローラの制御によって、前記無人飛行体は、前記荷物が接地された状態で維持される離着陸高度まで上昇すると共に、設定された離間方向に、設定された離隔距離だけ移動して上昇する離陸動作を前記ロープがたるんだ状態で実行することを特徴とする飛行方法。
複数の回転翼を備え、荷物をロープによって吊り下げで搬送する無人飛行体の飛行方法であって、
現在位置、現在高度及び飛行方向の検出結果に基づいて飛行動作を制御するフライトコントローラの制御によって、前記無人飛行体は、前記荷物が接地する離着陸高度まで下降した後、設定された離間方向に、設定された離隔距離だけ移動して着陸する着陸動作を前記ロープがたるんだ状態で実行することを特徴とする飛行方法。
複数の回転翼を備え、荷物をロープによって吊り下げで搬送する無人飛行体の操縦方法であって、
前記ロープのロープ長をＬ、設定された離隔距離をＷ、前記無人飛行体による水平方向の検出誤差をＥ_ｈ、前記無人飛行体による鉛直方向の検出誤差をＥ_ｖとそれぞれした場合、｛Ｌ^２－（Ｗ＋Ｅ_ｈ）^２｝＾^{（１/２）}－Ｅ_ｖよりも低い値に設定された離着陸高度まで前記無人飛行体を下降させた後、設定された離間方向に前記離隔距離だけ移動させて着陸させる操縦方法。
複数の回転翼を備え、荷物をロープによって吊り下げで搬送する無人飛行体の操縦方法であって、
前記ロープのロープ長をＬ、設定された離隔距離をＷ、前記無人飛行体による水平方向の検出誤差をＥ_ｈ、前記無人飛行体による鉛直方向の検出誤差をＥ_ｖとそれぞれした場合、｛Ｌ^２－（Ｗ＋Ｅ_ｈ）^２｝＾^{（１/２）}－Ｅ_ｖよりも低い値に設定された離着陸高度まで前記無人飛行体を上昇させた後、設定された離間方向に前記離隔距離だけ移動させて上昇させる操縦方法。