JP2017217942A - 無人機システム、無人機、係留装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無人機と係留装置が係留索を介して接続された無人機システムにおいて安定性を高める。【解決手段】無人機と係留装置が係留索を介して接続された無人機システムであって、前記無人機は、飛行指令に基づいて機体の飛行位置を制御する飛行制御手段を有し、前記係留装置は、モータを用いて前記係留索を巻き取る巻取手段と、前記モータを駆動することで前記係留索の繰り出し量を制御する係留索制御手段を有し、前記係留索制御手段が、前記飛行制御手段から機体の飛行状態に関する情報を取得し、当該情報を用いて前記係留索の繰り出し量を制御する、または、前記飛行制御手段が、前記係留索制御手段から前記係留索の繰り出し量に関する情報を取得し、当該情報を用いて機体の飛行位置を制御することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、無人機と係留装置が係留索で接続された無人機システムに関する。

近年、人命救助（救急・消防・防災）、防犯、物流、農業、漁業、医療、建設土木、ロボット制御、監視、通信の中継などを目的として小型の無人機が使用されている。このような無人機は、ドローンとも呼ばれる。
従来のドローンは、バッテリで駆動するものが大半であるため、飛行時間が数十分程度と短く、また、無線通信で操縦を行うため、その飛行範囲は、無線制御が可能な見通し距離にとどまるという特徴を持っている。また、無線通信の障害などに起因して、墜落、事故、紛失などが発生しやすいという特徴がある。

これに対応するため、ケーブルやワイヤーで無人機の飛行範囲を規制するという方法がある。例えば、特許文献１には、制御装置と機体とを有線接続した飛翔ロボットが開示されている。しかし、特許文献１に記載の飛翔ロボットには、ケーブルを巻き取る装置が備わっていないため、余ったケーブルが引きずられ、障害物に引っかかりやすくなるという問題が発生する。
一方、特許文献２に記載の無人飛行体は、ケーブルを捲回するための保持枠を有しており、ケーブルを繰り出しながら飛行を行うことができる。

特開２００５−１９３７２７号公報 特開２０１４−２２７０１６号公報

しかし、特許文献２に記載の発明は、繰り出したケーブルを回収することが考慮されていない。すなわち、目的地に達してから帰還する際に、ケーブルが障害物に引っかかり、帰還できなくなるおそれがある。
このように、従来技術においては、ケーブルによって地上と無人機を接続した場合に、無人機の飛行安定性が損なわれるという課題があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、無人機と係留装置が係留索を介して接続された無人機システムにおいて、安定性を高めることを目的とする。

本発明に係る無人機システムは、無人機と係留装置が係留索を介して接続された無人機システムである。
具体的には、前記無人機は、飛行指令に基づいて機体の飛行位置を制御する飛行制御手段を有し、前記係留装置は、モータを用いて前記係留索を巻き取る巻取手段と、前記モータを駆動することで前記係留索の繰り出し量を制御する係留索制御手段を有し、前記係留索制御手段が、前記飛行制御手段から機体の飛行状態に関する情報を取得し、当該情報を用いて前記係留索の繰り出し量を制御する、または、前記飛行制御手段が、前記係留索制御手段から前記係留索の繰り出し量に関する情報を取得し、当該情報を用いて機体の飛行位置を制御することを特徴とする。

無人機は、飛行指令に基づいて飛行位置（空間内における位置）を制御するものであれば、どのような種類のものであってもよい。例えば、回転翼機であってもよいし、気球などであってもよい。また、飛行指令は、無線通信や有線通信によって地上から伝送されてもよいし、予め記憶されたプログラムに基づいて機上で生成してもよい。
なお、飛行指令とは、無人機の挙動を定義するものであれば、どのようなものであってもよい。例えば、上昇、下降、水平移動などを指令するものであってもよいし、これらを総合した飛行計画（飛行経路情報や移動ロジック）であってもよい。

係留装置は、係留索を介して無人機と接続されている。係留索は、典型的にはワイヤーケーブルであるが、無人機を係留できる強度を有するものであればこれに限られない。係留索は、一端が無人機に、もう一端が巻取手段に接続されており、モータを用いて繰り出し量を制御可能に構成されている。
なお、本明細書では、係留とは、無人機が所定の範囲外に出ないよう繋ぎ止めることを意味する。言い換えると、所定の範囲内であれば、無人機は自由に飛行することができる。また、繰り出し量とは、係留装置から繰り出されている（すなわち、係留装置と無人機との間にある）係留索の量を意味する。

また、本発明に係る無人機システムでは、係留索制御手段が、機体の飛行状態に関する情報に基づいて係留索の繰り出し量を制御するか、または、飛行制御手段が、係留索の繰り出し量に関する情報に基づいて飛行位置を制御する。このように、無人機と係留装置がそれぞれ情報を送信し、相手側から送信された情報に基づいて制御を行うことで、係留索を適切な状態に保つことができる。例えば、互いの動きが背反しないように制御を行うことで、係留索が必要以上に撓んだり張ったりすることがなくなり、安定性を高めることができる。

また、前記係留索制御手段および前記飛行制御手段は、前記係留索の張力が所定の範囲を逸脱しないよう、前記機体の飛行位置および前記係留索の繰り出し量をそれぞれ制御することを特徴としてもよい。

例えば、無人機が空間内で移動する（上昇、下降、水平移動など）場合、係留索制御手段が、それに見合った速度で係留索の繰り出しや巻き取りを行うようモータを制御する。また、係留索の繰り出しや巻き取りが必要な場合、それに見合った位置に無人機が移動する。このように、係留索制御手段と飛行制御手段が連携することで、係留索の張力を適正な範囲に保つことができる。すなわち、無人機の安定した運用が可能になる。

また、前記機体の飛行状態に関する情報は、前記無人機と前記係留装置との相対距離に関する情報であることを特徴としてもよい。
相対距離に関する情報とは、例えば、現在の相対距離であってもよいし、予測される相対距離であってもよい。また、相対速度などであってもよい。距離に関する情報を用いることで、係留索の張力を容易に演算することができる。

また、前記無人機は、気象条件をセンシングするセンサをさらに有し、前記係留索制御手段は、前記センサから得られた情報をさらに用いて、前記係留索の繰り出し量を制御することを特徴としてもよい。また、前記気象条件は風速を含むことを特徴としてもよい。

無人機の飛行に影響を与える気象条件をセンシングし、これに基づいて係留索の繰り出し量を制御することで、係留索にかかる負荷を軽減することができる。例えば、風速や風向に関する情報を取得し、風の状態にあわせて係留索を繰り出すことで、係留索にかかる張力が過大になることを防ぐことができる。また、風がやんだ場合に、繰り出した係留索を巻き取る動作を行ってもよい。どのような気象条件の場合に、係留索の繰り出し量をど
のように制御すればよいかは、あらかじめ定められた規則に従って判断すればよい。この規則は、力学的な計算に基づいて策定してもよいし、実機またはシミュレーションを用いた機械学習によって策定してもよい。

また、前記無人機が、所定の飛行条件を逸脱した場合に、前記係留索制御手段は、前記係留索の巻き取りを行い、前記無人機を帰還させることを特徴としてもよい。

所定の飛行条件を逸脱とは、例えば、所定の飛行範囲や飛行高度を逸脱した場合、本来の飛行計画から経路が外れた場合、飛行指令に従わない場合など、無人機が本来想定されていない状態に陥ることを指す。かかる場合、強制的に係留索を巻き取り、無人機を帰還させることが好ましい。この場合であっても、係留装置と無人機が協調を行うため、無人機を安全に地上に帰還させることができる。

また、前記無人機と前記係留装置が操縦索を介してさらに接続されており、前記飛行指令は、前記操縦索を介して前記係留装置から前記飛行制御手段に伝送されることを特徴としてもよい。

操縦索は、例えば物理的な力によって無人機に対して飛行指令を与えるものであってもよいし、電気信号を伝送することで無人機に対して飛行指令を与えるものであってもよい。有線接続によって飛行指令を伝送することで、信頼度を向上させることができる。なお、操縦索は、係留索と一体化していてもよい。例えば、係留索と操縦索が共に被覆されていてもよい。

また、前記係留索は電源ケーブルを兼ねており、前記無人機は、前記係留索を介して給電されることを特徴としてもよい。

係留索を電源ケーブルとして用いることで、無人機に対する給電が可能になり、無人機を半永久的に飛行させることが可能になる。

また、本発明に係る無人機システムは、前記無人機が飛行する範囲の地上に配置される複数のビーコンをさらに有し、前記飛行制御手段は、前記ビーコンから受信した信号に基づいて飛行位置を制御することを特徴としてもよい。

ＧＰＳなどの手段を用いて無人機を制御する場合、測定誤差が発生するおそれがあるが、地上に配置されたビーコンを用いることで、無人機が、係留装置に対する正確な位置を取得できるようになる。

なお、本発明は、上記手段の少なくとも一部を含む無人機システムとして特定することができる。また、上記無人機システムを構成する無人機、または、係留装置として特定することもできる。上記構成および処理の各々は技術的な矛盾が生じない限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。

本発明によれば、無人機と係留装置が係留索を介して接続された無人機システムにおいて、安定性を高めることができる。

第一の実施形態に係る無人機システムの構成を示す図である。 巻取装置の正面図である。 巻取装置の側面図である。 無人機の移動時における制御を説明する図である。 強風発生時における制御を説明する図である。 緊急巻き取り時における制御を説明する図である。 第二の実施形態における制御を説明する図である。 第三の実施形態に係る無人機システムの構成を示す図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、例示的に詳しく説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（第一の実施形態）
＜システム概要＞
第一の実施形態に係る無人機システムは、無人機を用いた監視システムである。図１は、第一の実施形態に係る無人機システムの概要構成を示す。当該無人機システムは、無人機１００と、無人機１００を係留する係留装置２００と、サーバ３００から構成される。無人機１００を、例えばプラントなどの施設上空に配置し、無人機１００がカメラ１０１を用いて施設の各所を巡回して定期的に撮影する。撮影された画像は、係留装置２００を介してサーバ３００に送信される。

一方、無人機１００は、係留索１５０を介して係留装置２００が有する巻取装置２０１と接続されている。
巻取装置２０１は、係留索を巻き取るドラムを有しており、モータによってドラムを回転させることで、係留索の繰り出しおよび巻き取りを行うことができる。巻取装置２０１が有するモータは、制御部２０２によって制御される。すなわち、制御部２０２によって、係留索の繰り出し量が決定される。
本実施形態に係る無人機システムでは、無人機１００と係留装置２００が情報を交換することで、係留索の張力が所定の範囲を逸脱しないような制御を行う。

＜無人機１００＞
無人機１００は、予め記憶されたプログラムに従って飛行し、カメラを用いて画像を撮影して送信する機能を有する、無人回転翼機である。
無人機１００は、回転翼である複数のロータ１０２を有しており、制御部１０５がロータ１０２の回転数を制御することで、姿勢および移動方向を制御することができる。

無人機１００の飛行位置は、記憶部１０３に記憶されたプログラムによって制御される。制御部１０５が、当該プログラムに従ってロータを制御することで、所定の経路を自律的に飛行することができる。プログラムは、例えば、離陸から着陸までの飛行経路を時間とともに定義するものであってもよいし、飛行中に経由する地点を三次元座標で定義するものであってもよい。また、移動ロジックを定義するものであってもよい。

位置取得部１０４は、無人機１００の飛行位置を取得する手段である。飛行位置とは、空間中における座標であり、例えば、緯度、経度、高度によって表されるが、これに限られない。例えば、飛行エリアを基準とした局地座標系によって表されてもよい。
位置取得部１０４によって取得した飛行位置は、制御部１０５へ送信され、機体の制御に用いられる。位置取得部１０４は、無人機１００の飛行位置を取得することができれば、既知のどのような技術を用いてもよい。例えば、ＧＰＳ装置から位置情報を取得してもよいし、無人機１００が飛行するエリアの地上に複数の無線ビーコンを配置し、受信した無線信号に基づいて位置を演算してもよい。

また、制御部１０５は、係留装置２００の位置情報（座標）を記憶しており、自律飛行を行う際に、位置取得部１０４から取得した位置情報と、係留装置２００の位置情報に基づいて、無人機１００と係留装置２００との相対距離を算出し、係留装置２００に周期的に通報する機能を有している。また、制御部１０５は、係留装置２００から、係留索１５０の繰り出し量に関する情報を取得し、当該情報に基づいてロータを制御して、飛行位置を調整する機能を有している。
それぞれの詳しい処理については後述する。

また、無人機１００は、地上を撮影するためのカメラ１０１を備えている。カメラ１０１は、可視光像を取得するカメラであり、スタビライザー（３軸ジンバル）によって姿勢が維持される。
本実施形態では、制御部１０５が、記憶部１０３に記憶されたプログラムに従ってカメラ１０１を制御し、画像の取得を行う。カメラ１０１によって撮影された画像は、記憶部１０３に一時的に記憶され、後述する係留索１５０を介して係留装置２００へ送信される。

次に、図２Ａおよび図２Ｂを参照して、係留索１５０について説明する。係留索１５０の端部は、無人機１００の機体が有する接続部に接続される。また、係留索１５０のもう一方の端部は、係留装置２００の巻取装置２０１に接続される。本実施形態では、巻取装置２０１が係留索１５０を繰り出したり巻き取ったりすることで、係留装置２００と無人機１００との距離（ないし係留索１５０の張力）を調整する。

なお、本実施形態では、係留索１５０は一本のケーブルではなく、無人機１００を係留できる強度をもつ第一のケーブル（例えば、アルミニウム製や銅製のワイヤー）と、係留装置２００と無人機１００とが通信するための第二のケーブル（例えば、ツイストペアケーブル）からなる。これらのケーブルは、まとめて被覆することで絡まりなどを避けることができる。第二のケーブルは、無人機側、係留装置側の双方において通信バスに接続されている。

＜係留装置２００＞
係留装置２００は、巻取装置２０１、制御部２０２、記憶部２０３、通信部２０４、電源装置２０５を備える。巻取装置２０１は、無人機１００に接続された係留索１５０の巻き取りを行う装置である。

巻取装置２０１は、図２Ａおよび図２Ｂに示したように、モータによって回転が制御されるドラム機構を有しており、制御部２０２から送信された指示に基づいてモータを制御し、係留索１５０の繰り出し量を制御する。
なお、巻取装置２０１は、係留索１５０をドラムに均等に巻き付けるための手段（シフター、トラバーサ等と呼ばれる）を有していることが好ましい。例えば、モータの駆動量に同期してローラーを矢印方向に動かすことで、係留索の偏りを防止することができる。
また、巻取装置２０１は、係留索１５０にかかっている張力を測定するセンサを有している。測定された張力に関する情報（以下、張力情報）は、制御部２０２へ周期的に送信される。

制御部２０２は、係留装置２００が有する各機能部に対する全体的な制御を行う手段である。具体的には、巻取装置２０１の制御、無人機１００から送信される画像データの取得および転送などを行う。

制御部２０２は、大きく分けて二つの機能を有している。
一つ目の機能は、無人機１００から、当該無人機の移動に関する情報を取得し、当該情報に基づいて係留索１５０の繰り出しおよび巻き取り量を制御する機能である。これにより、係留索１５０が撓みすぎず、張りすぎない状態を維持することができる。すなわち、上空にある無人機１００が移動しても、係留索１５０の張力が所定の範囲内となるように制御する。なお、ここで言う移動とは、自律的な移動のほか、突風などの外的要因による移動も含む。

例えば、無人機１００から、「ホバリング状態から水平移動を開始し、秒速ｎセンチメートルで係留装置２００から離れる」旨のメッセージを受信した場合、制御部２０２は、秒速ｎセンチメートルで係留索１５０の繰り出しを開始するよう、巻取装置２０１に指示を行う。また、「上昇を終了し、ホバリングに移行する」旨のメッセージを受信した場合、制御部２０２は、係留索１５０の繰り出しを停止するよう、巻取装置２０１に指示を行う。

二つ目の機能は、係留索１５０の巻き取りを行い、無人機１００を帰還させる機能である。例えば、無人機が本来の飛行エリアや飛行高度を逸脱した場合、本来の飛行計画から経路がずれた場合、飛行指令に従わない場合、強風が吹いて危険な場合などに、係留索の緊急巻き取りを行い、無人機１００を帰還させる。この際、無人機１００に対して、係留索１５０の巻き取り量を通報する。これにより、係留索１５０の張力が必要以上に上昇する（例えば、無人機が高度を維持しようと出力を上げてしまう）ことを防ぐことができる。

本実施形態では、制御部１０５と制御部２０２が、係留索１５０内の第二のケーブルを介して通信を行うことで、前述した情報を交換する。
制御部１０５および制御部２０２が、どのような状況においてどのように制御を行うかについては、後ほど詳しく説明する。

記憶部２０３は、無人機１００によって撮影された画像データを一時的に記憶する手段である。
通信部２０４は、記憶部２０３に格納された画像データを、サーバ３００へ送信するための通信手段である。通信方式には、無線ＬＡＮや携帯電話通信、衛星通信など任意の方式を利用することができる。なお、係留装置２００とサーバ３００との間の通信は、無線通信であっても有線通信であっても、これらの組み合わせであってもよい。
電源装置２０５は、係留装置２００を動作させる電源である。電源装置２０５は、外部電源を引き込む手段であってもよいし、バッテリや発電機などであってもよい。また、通常時は外部電源によって動作し、非常時には発電機やバッテリなどにより動作するようにしてもよい。

＜サーバ３００＞
サーバ３００は、無人機１００から送信された画像データを収集するサーバ装置である。サーバ３００は、受信した画像データを表示するための表示装置や、無人機１００（およびカメラ１０１）に対する指令を送信するための入力装置を備えていてもよい。

＜巻取装置の制御＞
次に、巻取装置の制御の具体例について説明する。なお、図３〜図５は巻取装置の制御を説明するための図であり、無人機や係留索などの構成を正確に示すものではない点に留意されたい。

＜＜第一のケース＞＞
第一のケースは、係留装置２００が、無人機１００の飛行に追従して係留索１５０の繰
り出しや巻き取りを行うケースである。
図３（Ａ）は、無人機１００が自律飛行によって係留装置２００から離れる向きに移動する場合を説明する図である。
前述したように、無人機の制御部１０５は、位置取得部１０４から取得した位置情報と、予め記憶している係留装置２００の位置情報に基づいて、両者の距離を算出し、第二のケーブルを介して、当該距離に関する情報（以下、距離情報）を周期的に係留装置２００に送信する。

次に、距離情報を取得した係留装置２００の制御部２０２が、無人機１００から取得した距離情報に基づいて、係留索１５０の繰り出し速度を決定する。
例えば、距離情報に基づいて、無人機１００が係留装置２００から離れる相対速度を算出し、同一の速度で係留索１５０を繰り出す。なお、相対速度の算出は無人機１００側で行ってもよい。この場合、送信される距離情報は、相対速度を表す情報となる。

なお、制御部２０２は、距離情報のみを用いて係留索の繰り出しを行ってもよいが、巻取装置２０１から取得した張力情報をさらに用いて係留索の繰り出しを行ってもよい。例えば、係留索１５０にかかっている張力が、所定の範囲を上回っている、あるいは上回ることが予測される場合、算出した相対速度よりも速い速度で係留索１５０を繰り出してもよい。

同様に、係留索１５０にかかっている張力が、所定の値や範囲を下回っている、あるいは下回ることが予測される場合、算出した相対速度よりも遅い速度で係留索１５０を繰り出してもよい。あるいは、張力が正常範囲に戻るまで繰り出しを停止してもよい。

図３（Ｂ）は、無人機１００が自律飛行によって係留装置２００に近づく向きに移動する場合を説明する図である。
この場合も同様に、距離情報を取得した係留装置２００の制御部２０２が、無人機１００から取得した距離情報に基づいて、係留索１５０の巻き取り速度を決定する。
例えば、距離情報に基づいて、無人機１００が係留装置２００に近づく相対速度を算出し、同一の速度で係留索１５０を巻き取る。

繰り出しの場合と同様に、制御部２０２は、巻取装置２０１から取得した張力情報をさらに用いて係留索の巻き取りを行ってもよい。例えば、係留索１５０にかかっている張力が、所定の範囲を上回っている、あるいは上回ることが予測される場合、算出した相対速度よりも遅い速度で係留索１５０を巻き取ってもよい。あるいは、張力が正常範囲に戻るまで巻き取りを停止してもよい。

同様に、係留索１５０にかかっている張力が、所定の値や範囲を下回っている、あるいは下回ることが予測される場合、算出した相対速度よりも速い速度で係留索１５０を巻き取ってもよい。
張力を適切に保つことができれば、係留索１５０の繰り出しおよび巻き取り速度は適宜決定することができる。例えば、力学的な計算に基づいて決定してもよいし、実機またはシミュレーションを用いた機械学習によって決定してもよい。また、天候や飛行条件などに応じて複数のパターンを保持し、適宜選択するようにしてもよい。

図４（Ａ）は、強風発生時に無人機１００が風に流された場合を説明する図である。無人機１００は自律飛行する機能を有しているが、強風や突風が発生した場合、風に流されて本来の飛行位置からずれてしまう場合がある。
この場合においても、無人機の制御部１０５は、距離情報を算出し、係留装置２００に送信する。また、係留装置２００の制御部２０２が、無人機１００から取得した距離情報
に基づいて、係留索１５０の繰り出し速度を決定する。すなわち、無人機が意図せず風に流された場合であっても、係留索１５０の繰り出しを行うことで、係留索の張力が過大とならないよう制御を行うことができる。

図４（Ｂ）は、強風がおさまり、無人機１００が位置を回復する場合を説明する図である。無人機１００は、本来の飛行位置を逸脱した場合、位置を回復するための制御を行う。この場合も同様に、距離情報を取得した係留装置２００の制御部２０２が、無人機１００から取得した距離情報に基づいて、係留索１５０の巻き取り速度を決定する。
このように、強風が吹いた場合、許容される範囲内で無人機１００を泳がせ、風が弱くなった時点で係留索を巻き取る制御を行ってもよい。

なお、ここでは、無人機１００が係留装置２００に対して距離情報を送信するものとするが、係留装置２００が係留索の繰り出しおよび巻き取りを行っている間、繰り出しまたは巻き取り速度に関する情報を、係留装置２００から無人機１００に送信するようにしてもよい。また、無人機１００が、当該情報を参照して更にフィードバック制御を行うようにしてもよい。

＜＜第二のケース＞＞
第二のケースは、係留装置２００が強制的に係留索の繰り出しや巻き取りを行い、無人機１００がそれに追従して移動するケースである。
無人機の運用中に、強制的に係留索１５０を巻き取らなければならないケースが発生することがある。
例えば、無人機１００が本来の飛行エリアや飛行高度を逸脱した場合や、本来の飛行条件を守っていない場合など、何らかの異常が発生した場合、そのまま飛行を続けると墜落事故や紛失につながるおそれがある。
そこで、このような事象を検知した場合、制御部２０２は、巻取装置２０１に対して係留索の緊急巻き取りを指示する。
なお、緊急巻き取りを行うか否かは、無人機１００から送信された情報に基づいて決定してもよいし、地上から無人機をセンシングした結果に基づいて決定してもよい。また、ユーザが係留装置２００に対して直接指示してもよい。

図５は、緊急巻き取りを行う場合を説明する図である。
この場合、係留装置の制御部２０２は、緊急巻き取りを行っている旨の情報と、巻き取り速度に関する情報を、第二のケーブルを介して無人機１００が有する制御部１０５に送信する。

また、制御部１０５は、緊急巻き取りを認識した場合に、地上への帰還モードに切り替える。自律飛行を行う無人機は、本来、何らかの原因で高度が低下した場合、高度を維持する動作を行うが、帰還モードにある場合、高度を維持せず、取得した情報に基づいて高度を落とす動作を行う。例えば、係留装置から取得した、巻き取り速度に関する情報に基づいて下降率を決定し、ロータを制御する。

なお、ここでは、係留装置２００が無人機１００に対して巻き取り速度に関する情報を送信するものとするが、係留装置２００が係留索の巻き取りを行っている間、無人機１００から係留装置２００に対して距離情報を送信するようにしてもよい。また、係留装置２００が、当該情報を参照して更にフィードバック制御を行うようにしてもよい。例えば、無人機の帰還が間近であることを認識して巻き取り速度を調節するようにしてもよい。

また、本例では、緊急時に係留装置２００が係留索を巻き取る場合を説明したが、他の何らかの理由により係留索の繰り出しを行う必要があると係留装置２００が判断した場合
、繰り出し速度に関する情報を係留装置２００から無人機１００へ送信し、無人機１００が当該情報に基づいて飛行位置を調整するようにしてもよい。
例えば、風向や風速を観測するセンサを係留装置２００に持たせ、強風を観測した場合に、係留索を繰り出す制御を行うようにしてもよい。

以上の説明では、係留索の張力が所定の範囲となるように、制御部１０５および制御部２０２が制御を行ったが、これらの制御は、係留索の張力、巻取装置２０１と無人機１００の相対位置、無人機１００が受ける風の向きと力、その他の気象条件などに基づいて行うようにしてもよい。例えば、無人機１００に、気象条件（風向や風速など）を観測するセンサを持たせ、センシング結果に基づいて係留装置２００が巻取装置２０１を制御するようにしてもよい。この際の制御モデルは、例えば、シミュレーションや実機を用いた機械学習によって生成することもできる。

＜本実施形態の有利な効果＞
本実施形態によれば、上空の無人機１００（制御部１０５）と地上の係留装置２００（制御部２０２）とが互いに協調し、係留索の張力を所定の条件に維持することができる。これにより、係留索が不必要に張ったり撓んだりする状態を防ぐことができ、無人機システム全体の安定性を高めることができる。また、これにより、障害物が多い都市部などの環境においても、無人機を安全に運用することができるようになる。

なお、背反する判断を無人機１００と係留装置２００が同時に行うことが考えられる。例えば、係留装置２００が地上で強風を観測し、係留索の繰り出しが必要であると判断したが、上空では反対向きに風が吹いていたような場合である。この場合、どちらかを優先させるようにしてもよいし、協議によって決定してもよい。

（第二の実施形態）
第一の実施形態では、地上に固定された係留装置２００を用いた。これに対し、第二の実施形態は、係留装置２００を移動体（例えば車両や船舶）に搭載した実施形態である。図６は、第二の実施形態に係る係留装置と無人機との接続を説明する図である。

図６（Ａ）は、係留装置２００を車両に搭載した場合の例である。車両は、有人車両であってもよいし、無人車両であってもよい。例えば、トラックの荷台に係留装置２００を搭載してもよいし、戦車や偵察車両などに係留装置２００を搭載してもよい。また、無人車両は、自律的に走行するものであってもよいし、与えられた指令に基づいて走行するものであってもよい。
図６（Ｂ）は、係留装置２００を船舶に搭載した場合の例である。船舶も同様に、有人船舶であってもよいし、無人船舶であってもよい。また、無人船舶は、自律的に航行するものであってもよいし、与えられた指令に基づいて航行するものであってもよい。

なお、車両や船舶が移動中に無人機を運用する場合、車両や船舶の移動速度を加味して係留索の制御を行う必要がある。
例えば、前述した第一のケースでは、係留装置２００が車両や船舶の位置情報（座標など）を取得して周期的に無人機１００に送信し、無人機１００が、当該位置情報を用いて、無人機と係留装置との相対距離を算出するようにしてもよい。
また、前述した第二のケースでは、係留装置２００が無人機１００に対して係留索の巻き取り速度や繰り出し速度に関する情報を送信する際に、車両や船舶の位置情報を周期的に送信し、無人機１００が、当該位置情報を加味して、飛行位置を調整するようにしてもよい。

以上説明したように、第二の実施形態によると、本発明に係る係留装置を移動する車両
や船舶に搭載することが可能になる。

（第三の実施形態）
第三の実施形態は、無人機１００および係留装置２００に安全装置を追加した実施形態である。図７は、第三の実施形態に係る無人機システムの構成図である。

本実施形態では、無人機１００は、補助バッテリ１１１、帰還制御部１１２、機体異常検知部１１３、フライトレコーダ１１４を有している。
補助バッテリ１１１は、何らかの原因で給電が絶たれた場合、帰還の際に使用するバックアップ用のバッテリである。
帰還制御部１１２は、帰還モードにおける機体の制御を行う手段である。帰還制御部１１２は、機体の帰還に特化した飛行制御を行う。これにより、制御部１０５が何らかの原因により正常に動作しなくなっても、機体を帰還させることができる。
機体異常検知部１１３は、飛行中に異常が発生したことを検知し、帰還制御部１１２に対して帰還モードへの切り替えを指示する手段である。例えば、制御部１０５が飛行指令に従っていない状態を検出してもよいし、飛行が許可されていないエリア（または高度）に機体が進入したことを検出してもよい。
フライトレコーダ１１４は、飛行中において位置情報を記録する手段である。

また、本実施形態では、係留装置２００は、電源異常検知部２１１、巻取異常検知部２１２、監視カメラ２１３を有している。
電源異常検知部２１１は、電源の切断、漏電、過電圧などを検知する手段である。このような電源の異常を検知した場合、外部電源をバッテリに切り替える制御を行ってもよいし、モータの駆動が不可能な場合、係留索の巻き取り機能を停止してもよい。またこの場合、無人機１００に対して帰還モードへの切り替えを指示してもよい。
巻取異常検知部２１２は、係留索の巻き取りに異常が発生したことを検知する手段である。例えば、係留索の絡まりや食い込み、乱巻きなどが発生したことを検知する。この場合、係留索の巻き取り機能を停止してもよい。またこの場合、無人機１００に対して帰還モードへの切り替えを指示してもよい。
監視カメラ２１３は、巻取装置２０１および無人機１００の状態を監視するカメラである。制御部２０２は、監視カメラ２１３が取得した画像に基づいて、無人機の異常を検出してもよいし、係留索の巻き取り異常を検出してもよい。

＜変形例＞
上記の実施形態は、本発明の実施するための例示的な一実施例であり、本発明を上記の実施形態に限定するものではない。

例えば、実施形態の説明では、無人機１００から係留装置２００に相対距離に関する情報を送信したが、距離以外の情報を送信してもよい。例えば、移動計画や飛行計画などであってもよい。係留索の張力変化に関する情報であれば、どのような情報を送受信してもよい。また、情報の送信は、必ずしも周期的である必要はない。例えば、無人機１００と係留装置２００との距離が変化する場合にのみ送信を行うようにしてもよいし、相対速度が変化する場合にのみ送信を行うようにしてもよい。

また、実施形態の説明では、無人機１００に予め記憶されたプログラムに基づいて当該無人機を飛行させる例を挙げたが、プログラムは、係留索を介してサーバ３００から無人機１００に転送するようにしてもよい。

また、係留装置２００に、ユーザから飛行指令（例えば、上昇、下降、水平移動の指示や、飛行ルートの指示）を取得する手段を追加し、取得した飛行指令を、係留索を介して
無人機１００に伝送するようにしてもよい。また、飛行指令は、ユーザがリアルタイムで発するものでなくてもよい。例えば、飛行指令をサーバ３００から取得し、無人機１００に転送するようにしてもよい。

また、係留索を用いて無人機１００に対する給電を行うようにしてもよい。例えば、第一のケーブルを二本のワイヤーで構成することで給電を行うことができる。この場合、電気抵抗が少なく、かつ、無人機を係留できるだけの強度を持つ材質を用いることが望ましい。このような材質として、例えばアルミニウムや銅が挙げられる。もちろん、第二のケーブルを用いて給電を行ってもよい。

また、第二のケーブルを省略し、第一のケーブルのみで無人機の係留と通信を行うようにしてもよい。

また、実施形態の説明では、無人機１００と係留装置２００とが電気的に通信を行うことで情報の交換を行ったが、情報の交換は必ずしも電気的に行う必要はない。例えば、係留索の張力変化によって情報を伝達してもよい。
例えば、無人機１００側の係留索が接続された箇所に張力センサを設け、係留装置２００が所定のパターンで係留索の張力を変化させることで、緊急巻き取りを開始することを伝達してもよい。

また、無人機システムの用途は、地上の監視に限定されない。例えば、施設や建物の監視にも適用できる。あるいは、広告目的や、無線通信の中継局（基地局）としても利用可能である。無人機システムの用途は特に限定されない。

１００：無人機
１０１：カメラ
１０２：ロータ
１０３，２０３：記憶部
１０４：位置取得部
１０５，２０２：制御部
２００：係留装置
２０１：巻取装置
２０４，３０１：通信部
３００：サーバ

Claims (11)

1. 無人機と係留装置が係留索を介して接続された無人機システムであって、
   前記無人機は、
   飛行指令に基づいて機体の飛行位置を制御する飛行制御手段を有し、
   前記係留装置は、
   モータを用いて前記係留索を巻き取る巻取手段と、
   前記モータを駆動することで前記係留索の繰り出し量を制御する係留索制御手段を有し、
   前記係留索制御手段が、前記飛行制御手段から機体の飛行状態に関する情報を取得し、当該情報を用いて前記係留索の繰り出し量を制御する、
   または、
   前記飛行制御手段が、前記係留索制御手段から前記係留索の繰り出し量に関する情報を取得し、当該情報を用いて機体の飛行位置を制御する
   ことを特徴とする、無人機システム。
2. 前記係留索制御手段および前記飛行制御手段は、前記係留索の張力が所定の範囲を逸脱しないよう、前記機体の飛行位置および前記係留索の繰り出し量をそれぞれ制御する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の無人機システム。
3. 前記機体の飛行状態に関する情報は、前記無人機と前記係留装置との相対距離に関する情報である
   ことを特徴とする、請求項２に記載の無人機システム。
4. 前記無人機は、気象条件をセンシングするセンサをさらに有し、
   前記係留索制御手段は、前記センサから得られた情報をさらに用いて、前記係留索の繰り出し量を制御する
   ことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の無人機システム。
5. 前記気象条件は風速を含む
   ことを特徴とする、請求項４に記載の無人機システム。
6. 前記無人機が、所定の飛行条件を逸脱した場合に、
   前記係留索制御手段は、前記係留索の巻き取りを行い、前記無人機を帰還させる
   ことを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の無人機システム。
7. 前記無人機と前記係留装置が操縦索を介してさらに接続されており、
   前記飛行指令は、前記操縦索を介して前記係留装置から前記飛行制御手段に伝送される
   ことを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の無人機システム。
8. 前記係留索は電源ケーブルを兼ねており、
   前記無人機は、前記係留索を介して給電される
   ことを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の無人機システム。
9. 前記無人機が飛行する範囲の地上に配置される複数のビーコンをさらに有し、
   前記飛行制御手段は、前記ビーコンから受信した信号に基づいて飛行位置を制御する
   ことを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の無人機システム。
10. モータを用いて係留索の繰り出し量を制御する係留装置と、前記係留索を介して接続される無人機であって、
    飛行指令に基づいて機体の飛行位置を制御する飛行制御手段を有し、
    前記飛行制御手段は、前記係留装置から、前記係留索の繰り出し量に関する情報を取得し、当該情報を用いて機体の飛行位置を制御する
    ことを特徴とする、無人機。
11. 無人機と係留索を介して接続される係留装置であって、
    モータを用いて前記係留索を巻き取る巻取手段と、
    前記モータを駆動することで前記係留索の繰り出し量を制御する係留索制御手段を有し、
    前記係留索制御手段は、前記無人機から、機体の飛行状態に関する情報を取得し、当該情報を用いて前記係留索の繰り出し量を制御する
    ことを特徴とする、係留装置。
    

Images