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ドローンおよびドローン群 UPDATE 新技術説明会

国内特許コード P160012963
整理番号 S2015-2038-N0
掲載日 2016年4月27日
出願番号 特願2015-177680
公開番号 特開2017-052389
出願日 平成27年9月9日(2015.9.9)
公開日 平成29年3月16日(2017.3.16)
発明者
  • 岡 嶐一
出願人
  • 公立大学法人会津大学
発明の名称 ドローンおよびドローン群 UPDATE 新技術説明会
発明の概要 【課題】複数のドローンにより構成されるドローン群に対して、給電ケーブルを用いて複数のドローンに電力の供給を行うこと。
【解決手段】ドローン群1は、モータ手段を駆動制御することにより飛行姿勢制御を行うことが可能な複数のドローン10と、複数のドローン10の隣接するドローン10同士を接続して、複数のドローン10をネットワーク状に接続する有線ケーブル12と、複数のドローン10の少なくとも1つのドローンに一端が接続される給電ケーブル13と、給電ケーブル13の他端側に接続され、地上に配置される電力供給手段14とを有する。ドローン群1では、電力供給手段14から給電ケーブル13および有線ケーブル12を通じて、複数のドローン10を駆動するための電力が、電力供給手段14から各ドローン10へと供給される。
【選択図】 図1
従来技術、競合技術の概要


従来より、無線技術等を用いた遠隔操作によって、上空を移動したりあるいは所定の位置および高度で飛行姿勢を維持したり(この維持状態をホバリングと称する)する無人の飛翔体が知られている。このような無人の飛翔体は、一般的にドローンと呼ばれている。一般的なドローンには、プロペラを回転駆動させるためのモータが複数設けられており、遠隔操作に応じてプロペラの回転数を制御することによって、ドローンを上下・左右・前後に移動させたり、その場で方向転換をさせたりすることが可能になっている。



また、一般的なドローンには、自動姿勢制御機能が設けられている。例えば、ドローンには、3軸ジャイロセンサと3軸加速度センサが設けられており、3軸ジャイロセンサおよび3軸加速度センサで、ドローンの姿勢変化が検出された場合に、各モータを制御することによりプロペラの回転数を変更させて、飛行姿勢が安定する制御が行われる(例えば、特許文献1、特許文献2等参照)。



一般的なドローンは、飛行姿勢の安定制御を行いながら単体で飛行することによって、上空からの映像を撮影したり、又は、軽量物の運搬を行ったりすることに利用されている。

産業上の利用分野


本発明は、ドローンおよびドローン群に関し、より詳細には、他のドローンに対して有線ケーブルが吊り渡されたドローンにおいて、安定した飛行制御を行うことが可能なドローンおよびドローン群に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
モータ手段を駆動制御することにより飛行姿勢制御を行う制御手段を備えたドローンであって、
前記ドローンが現実に飛行する3次元の飛行空間において予め規定される各座標軸と、前記ドローンから他のドローンへと吊り渡された有線ケーブルとのなす角を検出する角度検出手段を有し、
前記制御手段は、
前記ドローンから前記他のドローンまでの既設の距離および既設の方角に基づいて予め算出された、前記ドローンの飛行姿勢が安定した場合に前記有線ケーブルの吊り渡しにより前記ドローンに対して生じ得る理論上の外力Ffixedと、
前記角度検出手段により検出された前記なす角に基づいて算出される、前記有線ケーブルの吊り渡しにより前記ドローンに対して生じる現実の外力c(t)と
の誤差e(t)に基づいて、PID制御により制御量u(t)を算出し、
算出された前記制御量u(t)に基づいて、前記モータ手段を駆動制御すること
を特徴とするドローン。

【請求項2】
前記理論上の外力Ffixedの算出に関して、
前記ドローンから既設の距離dだけ離れたx軸方向の位置に他のドローンが位置するものとし、前記ドローンの質量をM、前記有線ケーブルの質量をm、重力加速度をg、前記有線ケーブルの長さをlとして、前記ドローンにおけるx軸と前記有線ケーブルとのなす角をθとすると、
cosθは、
【数1】


sinθは、
【数2】


により算出され
前記理論上の外力Ffixedは、x軸方向の理論上の外力Fと、前記x軸に垂直なz軸方向の理論上の外力Fとにより算出されて、
前記x軸方向の理論上の外力Fは、
【数3】


前記z軸方向の理論上の外力Fは、
【数4】


により算出されること
を特徴とする請求項1に記載のドローン。

【請求項3】
地上に配置される電力供給手段より延設される給電ケーブルが前記ドローンに接続されて、前記電力供給手段より供給される電力により前記モータ手段の駆動動作が行われると共に、
前記給電ケーブルを介して供給された電力は、前記有線ケーブルを介して前記他のドローンに供給されること
を特徴とする請求項1に記載のドローン。

【請求項4】
前記理論上の外力Ffixedの算出に関して、
前記ドローンから既設の距離dだけ離れたx軸方向の位置に他のドローンが位置するものとし、前記ドローンの高さをh、前記ドローンの質量をM、前記有線ケーブルの質量をm、前記給電ケーブルの質量をm、重力加速度をg、前記有線ケーブルの長さをl、前記給電ケーブルの長さをLとして、前記ドローンにおいてx軸と前記有線ケーブルとのなす角をθとすると、
cosθは、
【数5】


sinθは、
【数6】


により算出され
前記x軸に垂直なz軸と前記給電ケーブルとのなす角をθとすると、
cosθは、
【数7】


sinθは、
【数8】


により算出され、
前記理論上の外力Ffixedは、前記x軸方向の理論上の外力F(θ)と、前記z軸方向の理論上の外力F(θ)とにより算出されて、
前記x軸方向の理論上の外力F(θ)は、
【数9】


前記z軸方向の理論上の外力F(θ)は、
【数10】


により算出されること
を特徴とする請求項3に記載のドローン。

【請求項5】
前記理論上の外力Ffixedの算出に関して、
前記ドローンをドローンiとし、前記他のドローンが|N(i)|台存在してドローンj(但しj∈N(i))で示されるものとして、前記ドローンiの質量をM、前記ドローンiから前記ドローンjへ接続される有線ケーブルの質量をmi,j、重力加速度をgとし、3次元の座標空間において前記ドローンiに接続された有線ケーブルとx軸、y軸およびz軸とのなす角をθi,j, θi,j, θi,jとすると、
ドローンiに課される前記理論上の外力Ffixedは、x軸方向の理論上の外力Fx,totalと、y軸方向の理論上の外力Fy,totalと、z軸方向の理論上の外力Fz,totalとにより算出されて、
前記x軸方向の理論上の外力Fx,totalは、
【数11】


前記y軸方向の理論上の外力Fy,totalは、
【数12】


前記z軸方向の理論上の外力Fz,totalは、
【数13】


により算出されること
を特徴とする請求項1に記載のドローン。

【請求項6】
前記現実の外力c(t)の算出に関して、
前記ドローンをドローンiとし、前記他のドローンが|N(i)|台存在してドローンj(但しj∈N(i))で示されるものとし、前記ドローンiの質量をM、前記ドローンiから前記ドローンjへ接続される有線ケーブルの質量をmi,j、重力加速度をgとし、前記角度検出手段により検出される、x軸、y軸およびz軸と前記ドローンiに接続された前記有線ケーブルとのなす角をφi,j, φi,j, φi,jとすると、
ドローンiに対して生じる前記現実の外力c(t)は、x軸方向の現実の外力Fi2x,totalと、y軸方向の理論上の外力Fi2y,totalと、z軸方向の理論上の外力Fi2z,totalとにより算出され、
前記x軸方向の現実の外力Fi2x,totalは、
【数14】


前記y軸方向の理論上の外力Fi2y,totalは、
【数15】


前記z軸方向の理論上の外力Fi2z,totalは、
【数16】


により算出されること
を特徴とする請求項1又は請求項5に記載のドローン。

【請求項7】
モータ手段を駆動制御することにより飛行姿勢制御を行う制御手段を備えたドローンであって、
複数の前記ドローンによってドローン群が構成され、
該ドローン群を構成する前記ドローンのそれぞれには、運搬対象物に一端が接続された有線ケーブルの他端が接続されており、
前記ドローンは、前記ドローンが現実に飛行する3次元の飛行空間において予め規定される各座標軸と、他端が接続された前記有線ケーブルとのなす角を検出する角度検出手段を有し、
前記制御手段は、
前記運搬対象物までの既設の距離および既設の方角に基づいて予め算出された、前記ドローンの飛行姿勢が安定した場合に前記運搬対象物の接続により前記ドローンに対して生じ得る理論上の外力Ffixedと、
前記角度検出手段により検出された前記なす角に基づいて算出される、前記運搬対象物の接続により前記ドローンに対して生じる現実の外力c(t)と
の誤差e(t)に基づいて、PID制御により制御量u(t)を算出し、
算出された前記制御量u(t)に基づいて、前記モータ手段を駆動制御すること
を特徴とするドローン。

【請求項8】
前記理論上の外力Ffixedの算出に関して、
前記運搬対象物に前記有線ケーブルを介して接続される前記ドローンの数をkとし、前記ドローンの質量をM、前記運搬対象の質量をM、前記有線ケーブルの質量をm、重力加速度をgとして、3次元の座標空間において前記ドローンに接続された前記有線ケーブルとx軸、y軸およびz軸とのなす角をθ, θ, θとすると、
前記ドローンに対して生じる前記理論上の外力Ffixedは、x軸方向の理論上の外力F(θ)と、y軸方向の理論上の外力F(θ)と、z軸方向の理論上の外力F(θ)とにより算出されて、
前記x軸方向の理論上の外力F(θ)は、
【数17】


前記y軸方向の理論上の外力F(θ)は、
【数18】


前記z軸方向の理論上の外力F(θ)は、
【数19】


により算出されること
を特徴とする請求項7に記載のドローン。

【請求項9】
前記現実の外力c(t)の算出に関して、
前記運搬対象物に前記有線ケーブルを介して接続される前記ドローンの数をkとし、前記ドローンの質量をM、前記運搬対象の質量をM、前記有線ケーブルの質量をm、重力加速度をgとして、前記角度検出手段により検出される、x軸、y軸およびz軸とのなす角をφ, φ, φとすると、
前記ドローンに対して生じる前記現実の外力c(t)は、x軸方向の現実の外力F(φ)と、y軸方向の現実の外力F(φ)と、z軸方向の現実の外力F(φ)とにより算出されて、
前記x軸方向の現実の外力F(φ)は、
【数20】


前記y軸方向の現実の外力F(φ)は、
【数21】


前記z軸方向の現実の外力F(φ)は、
【数22】


により算出されること
を特徴とする請求項7又は請求項8に記載のドローン。

【請求項10】
前記既設の距離および前記既設の方角により決定される編隊パターンが、前記既設の距離および前記既設の方角を予め複数パターン設定することにより複数用意されると共に、前記理論上の外力Ffixedが、前記編隊パターンに応じて複数算出され、
前記制御手段は、前記編隊パターンの変更に伴って前記理論上の外力Ffixedを変更することにより、変更された前記理論上の外力Ffixedと前記現実の外力c(t)との誤差e(t)に基づいて、PID制御により新たに制御量u(t)を算出し、
算出された前記制御量u(t)に基づいて、前記モータ手段を駆動制御すること
を特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載のドローン。

【請求項11】
モータ手段を駆動制御することにより飛行姿勢制御を行うことが可能な複数のドローンと、
前記複数のドローンの隣接するドローン同士を接続して、前記複数のドローンをネットワーク状に接続する有線ケーブルと、
前記複数のドローンの少なくとも1つのドローンに一端が接続される給電ケーブルと、
前記給電ケーブルの他端側に接続され、地上に配置される電力供給手段と
を有し、
前記電力供給手段から前記給電ケーブルおよび前記有線ケーブルを通じて、前記複数のドローンを駆動するための電力が前記電力供給手段により供給されること
を特徴とするドローン群。

【請求項12】
前記ドローン群は、請求項1乃至請求項6に記載のドローンを複数台用いることにより構成されること
を特徴とする請求項11に記載のドローン群。
国際特許分類(IPC)
Fターム
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