JP2018197045A - 飛行装置、飛行方法及び飛行プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】モーターの状況を監視することによって、早期に不具合を検知できる飛行装置、飛行方法及び飛行プログラムを提供すること。【解決手段】自律飛行が可能な飛行装置１は、推力を得るためのプロペラ８に接続された複数のモーター６を有し、モーター６は、ベクトル制御によって制御されるブラシレスＤＣモーター（ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｔｏｒ）であり、ベクトル制御のプロセスにおいて取得される各モーター６の回転子の角速度と、各モーター６へ供給する電圧とを含むモーター情報を取得するモーター情報取得手段と、モーター情報に基づいて、各モーター６の状態を判断するモーター状態判断手段と、を有する。【選択図】図５

Description

本発明は、飛行装置、飛行方法及び飛行プログラムに関する。

従来、小型無人飛行体（「ドローン」とも呼ばれる）の利用が提案されている。このようなドローンを利用して、映像情報を収取する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００６−２７３３１号公報

ところで、ドローンを駆動させるモーターが、故障等の理由で不調であると、墜落する危険がある。また、モーター自体に不具合がなくても、モーターに接続したプロペラが破損していたり、ドローンの重心がずれていると、やはり、墜落の危険がある。そして、モーターが停止したり、プロペラが完全に破損してしまったり、重心が大きくずれてしまうと、墜落の可能性が高くなるから、モーターの不調やプロペラの破損や重心のずれなどの不具合は早期に検知する必要がある。

本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、モーターの状況を監視することによって、早期に不具合を検知できる飛行装置、飛行方法及び飛行プログラムを提供することを目的とする。

第一の発明は、自律飛行が可能な飛行装置であって、推力を得るためのプロペラに接続された複数のモーターを有し、前記モーターは、ベクトル制御によって制御されるブラシレスＤＣモーター（ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｔｏｒ）であり、前記ベクトル制御のプロセスにおいて取得される各前記モーターの回転子の角速度と、各前記モーターへ供給する電圧とを含むモーター情報を取得するモーター情報取得手段と、前記モーター情報に基づいて、各前記モーターの状態を判断するモーター状態判断手段と、を有する飛行装置である。

第一の発明の構成によれば、飛行装置は、モーター状態判断手段によって、各モーターの状態を判断することができる。そして、モーター状態判断手段は、回転子の角速度に基づいてモーターの状態を判断するから、モーターが故障して停止するなど、致命的な状態になる前の段階で、モーターの異常を判断することができる。すなわち、モーターの状況を監視することによって、早期に不具合を検知できる。

第二の発明は、第一の発明の構成において、前記モーター状態判断手段は、前記電圧に対する前記角速度が許容範囲内ではない場合に、前記モーターに不具合が生じていると判断するように構成されている、飛行装置である。

第三の発明は、第一の発明または第二の発明の構成において、前記モーター状態判断手段によって、前記モーターに不具合が生じていないと判断した場合に、各前記モーターによって発生する推力が許容範囲内か否かを判断する推力判断手段を有する、飛行装置である。

第四の発明は、ベクトル制御によって制御されるブラシレスＤＣモーター（ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｔｏｒ）によって推力を得、自律飛行が可能な飛行装置が実施する飛行方法であって、前記ベクトル制御のプロセスにおいて取得される各前記モーターの回転子の角速度と、前記各モーターへ供給する電圧とを含むモーター情報を取得するモーター情報取得ステップと、前記モーター情報に基づいて、各前記モーターの状態を判断するモーター状態判断ステップと、を含む飛行方法である。

第五の発明は、ベクトル制御によって制御されるブラシレスＤＣモーター（ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｔｏｒ）によって推力を得、自律飛行が可能な飛行装置を制御するコンピュータを、前記ベクトル制御のプロセスにおいて取得される各前記モーターの回転子の角速度と、前記各モーターへ供給する電圧とを含むモーター情報を取得するモーター情報取得手段、及び、前記モーター情報に基づいて、各前記モーターの状態を判断するモーター状態判断手段、として機能させるための飛行プログラムである。

本発明によれば、モーターの状況を監視することによって、早期に不具合を検知できる。

本発明の実施形態に係る飛行装置及び基地局を示す概略図である。 飛行装置の機能ブロックを示す概略図である。 モーターの構成を示す概略図である。 モーターの構成等を示す概略図である。 飛行装置の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態）について詳細に説明する。以下の説明においては、同様の構成には同じ符号を付し、その説明を省略又は簡略する。なお、当業者が適宜実施できる構成については説明を省略し、本発明の基本的な構成についてのみ説明する。

図１に示すように、本実施形態の飛行システムは、飛行装置１（以下、「無人機１」という。）と、無人機１と通信可能な基地局１００を有する。基地局１００は、パーソナルコンピュータであり、無人機１の充電装置（図示せず）も備えている。

無人機１は、基地局１００からの指示で飛行を開始し、また、基地局１００において充電等を行うようになっている。

無人機１は、筐体２を有する。筐体２には、無人機１の各部を制御するコンピュータ、自律飛行装置、無線通信装置、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用した測位装置、慣性センサー、気圧センサー、バッテリー等が配置されている。また、筐体２には、固定装置１２を介して、カメラ１４が配置されている。カメラ１４は、可視光カメラ、または、近赤外線カメラであるが、切り替え可能なハイブリッドカメラであってもよい。固定装置１２は、カメラ１４による撮影画像のぶれを最小化し、かつ、カメラ１４の光軸を任意の方向に制御することができる３軸の固定装置（いわゆる、ジンバル）である。

筐体２には、丸棒状のアーム４が接続されている。各アーム４にはモーター６が接続されており、各モーター６にはプロペラ８が接続されている。モーター６は、アウターローター型のブラシレスＤＣモーター（無整流子電動機、ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｔｏｒ）である。無人機１のブラシレスＤＣモーターは、ローター（回転子）に永久磁石が配置され、ステーター（固定子）に巻線（コイル）が配置される構成である。

無人機１は、ステーターの巻線へ供給する電流の向きを制御する（「転流」と呼ばれる。）ことで、磁束の向きを順次切り替える。磁束の向きを順次切り替えることによって、回転磁界を形成する。これにより、ローターに配置された永久磁石とステーターとが吸引及び反発を繰り返し、ローターが回転するように構成されている。転流を行うタイミングは、ベクトル制御によって制御される。ベクトル制御については、後述する。

アーム４には保護枠１０が接続され、プロペラ８が外部の物体に直接接触することを防止している。アーム４及び保護枠１０は、例えば、炭素繊維強化プラスチックで形成されており、強度を保ちつつ、軽量に構成されている。

図２は、無人機１の機能構成を示す図である。無人機１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）５０、記憶部５２、無線通信部５４、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）部５６、慣性センサー部５８、モーター制御部６０、画像処理部６４、及び、電源部７０を有する。

無人機１は、無線通信部５４によって、基地局１００と通信可能になっている。無人機１は、無線通信部５４によって、基地局１００から、発進等の指示を受信する。

無人機１は、ＧＰＳ部５６と慣性センサー部５８によって、無人機１自体の位置を測定することができる。ＧＰＳ部５６は、基本的に、３つ以上のＧＰＳ衛星からの電波を受信して無人機１の位置を計測する。慣性センサー部５８は、例えば、加速度センサー及びジャイロセンサーによって、出発点からの無人機１の移動を積算して、無人機１の位置を計測する。

モーター制御部６０によって、無人機１は各プロペラ８に接続された各モーター６の回転を制御する。

画像処理部６４によって、無人機１はカメラ１４を作動させて外部の画像を取得することができる。

電源部７０は、例えば、交換可能な可充電電池であり、無人機１の各部に電力を供給するようになっている。

図３及び図４は、各モーター６の構成を示す図である。モーター６は、モーター制御部６０とモーター本体部６２で構成される。モーター本体部６２は、多相の電力が供給される複数のステーター（固定子）と、これらステーターから磁気的な作用を受けて回転するローター（回転子）とを備える。モーター制御部６０には、例えば、モーター本体部６２の起動及び停止に関する情報やモーター本体部６２の回転数に関する情報が入力されている。モーター制御部６０は、ＣＰＵ（図示せず）の制御の下にスイッチングするトランジスタ群から構成され、モーター本体部６２のステーターに通電して、モーター本体部６２を駆動する。

図４（ｂ）は、ベクトル制御を説明するための概念図である。図４（ｂ）において、３つのステーターＵ，Ｖ及びＷが１２０度の等間隔で配置されている。３つのステーターの中心には、ＮＳの２極の永久磁石が配置されている。永久磁石の磁束方向をｄ軸とし、それに垂直な方向をｑ軸とする。ベクトル制御において、ｄ軸電流とｑ軸方向を個別に制御する。実際の制御では、３相の電流値から直接ｄ軸電流及びｑ軸電流を求めるのではなく、まず、Ｕ相と同一のα軸とそれに垂直なβ軸に相変換し、その後、ｄ軸電流及びｑ軸電流を算出する。なお、本実施形態のモーター６は、図４（ｂ）の概念図とは異なり、アウターローター型であり、突極数（ステーターの数）は、例えば、１２であり、三相（つまり、４つの突極で１つの相を構成する）である。

図４（ａ）を参照して、ベクトル制御の基本フローの概略を説明する。まず、ＡＤコンバータにより、シャント抵抗の電圧を測定し、３相の電流値（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）に変換する。次に、３相の電流値を２相の電流値、すなわち、ｄ軸電流値（Ｉｄ）、ｑ軸電流値（Ｉｑ）に変換する。次に、ｄ軸誘起電圧Ｅｄを使用して、ローターの角速度ωとローターの電気角θを算出する。次に、目標速度ωｒｅｆと実速度ωからＰＩ制御（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）によって、電流指令値（Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆ）を算出する。次に、電流指令値（Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆ）と実電流値（Ｉｄ，Ｉｑ）から、ＰＩ制御によって、出力電圧（Ｖｄ，Ｖｑ）を算出する。そして、出力電圧（Ｖｄ，Ｖｑ）を３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）電圧（ＰＷＭパルス幅）に変換する。この３相電圧によって、ローターの角速度ωが制御される。ここで、負荷トルクＴが一定であれば、ローターの角速度ωは、出力電圧（及び３相電圧）に比例する。ただし、ローターにプロペラが接続されている場合、プロペラの回転数が増加すると、負荷トルクＴは増加する。

上述の基本フローにおいて、ｄ軸誘起電圧Ｅｄは、式１：Ｅｄ＝Ｖｄ−Ｒ×Ｉｄ＋ωｅｓｔ×Ｌｑ×Ｉｑによって算出する（Ｅｄ：ｄ軸誘起電圧、Ｖｄ：ｄ軸印加電圧、Ｒ：ロータ・コイル抵抗、Ｉｄ：ｄ軸電流、Ｉｑ：ｑ軸電流、ωｅｓｔ：推定速度、Ｌｑ：ｑ軸ロータ・コイル・インダクタンス）。式１により、前回測定したωｅｓｔ０と現在のＶｄ、Ｉｄ、Ｉｑから、Ｅｄを算出する。算出したＥｄと目標値（Ｅｄ＝０）の偏差を使って、ＰＩ制御より、ωの操作量（Ｒ＿Ｅｄ＿Ｐｉ）を求める。ωの操作量（Ｒ＿Ｅｄ＿Ｐｉ）から、新しい推定速度は式２：ωｅｓｔ＝ωｃｏｍ＋（Ｒ＿Ｅｄ＿Ｐｉ）、新しい推定位置は式３：θ_ｎ＝θ_ｎ−１＋Ｔｓ×ωｅｓｔ、によって算出する（ωｅｓｔ：推定速度、ωｃｏｍ：目標速度、Ｒ＿Ｅｄ＿Ｐｉ：ωの操作量、Ｔｓ：制御周期、θ：ローターの電気角）。

本実施形態において、上述のベクトル制御の過程で算出したローターの角速度ωに基づいて、まず、モーター６自体の状態を判断し、続いて、プロペラ８の破損の可能性等を含む環境の異常の有無を判断するようになっている。

図２に戻り、無人機１の記憶部５２には、出発点から目的位置まで自律移動するための移動計画を示すデータ等の自律移動に必要な各種データ及びプログラム、作業予定領域の地形、形状や構造物の位置を示す情報のほか、以下の各プログラムが格納されている。

記憶部５２には、飛行制御プログラム、駆動制御プログラム、モーター情報取得プログラム、モーター状態判断プログラム、推力判断プログラム、及び、対応プログラムが格納されている。ＣＰＵ５０と飛行制御プログラムは、飛行制御手段の一例である。ＣＰＵ５０と駆動制御プログラムは、駆動制御手段の一例である。ＣＰＵ５０とモーター情報取得プログラムは、モーター情報取得手段の一例である。ＣＰＵ５０とモーター状態判断プログラムは、モーター状態判断手段の一例である。ＣＰＵ５０と推力判断プログラムは、推力判断手段の一例である。ＣＰＵ５０と対応プログラムは、対応手段の一例である。

無人機１は、飛行制御プログラムによって、無人機１の自律飛行を制御する。具体的には、無人機１は、予定した飛行経路を外れたり、飛行姿勢が乱れた場合には、各モーター６の出力を調整し、予め規定された飛行経路及び高度を維持するようになっている。飛行経路は、基地局１００から受信する。無人機１は、飛行制御プログラムによって、モーター６の駆動の制御も行う。

無人機１は、モーター情報取得プログラムによって、各モーター６から、出力電圧（Ｖｄ，Ｖｑ）及びローターの角速度ωを取得する。なお、出力電圧（Ｖｄ，Ｖｑ）に代えて、３相電圧を取得するようにして、以下の処理に使用してもよい。出力電圧（Ｖｄ，Ｖｑ）及び３相電圧は、モーターへ供給する電圧の一例である。

無人機１は、モーター状態判断プログラムによって、各モーター６の状態、すなわち、各モーター６が正常に作動しているか否かを判断する。具体的には、無人機１は、出力電圧に対する角速度ωが許容範囲内であるか否かを判断し、許容範囲内ではない場合に、該当するモーター６に不具合が生じていると判断する。モーター６にはプロペラ８が接続されているから、角速度ωは、出力電圧と、プロペラ８の回転数によって変動する負荷トルクＴによって規定される。そして、プロペラ８の回転数は、角速度ωによって規定されるから、変数は、角速度ωと出力電圧である。

無人機１の記憶部５２には、モーター６が正常に作動している場合における角速度ωと出力電圧の関係を示すデータが格納されている。許容範囲（誤差範囲）を±５％とすれば、出力電圧に対して決まっている角速度ω１に対して、モーター情報に示される角速度ωが±５％以上乖離している場合に、無人機１は、モーター６に不具合が生じていると判断する。本明細書において、許容範囲内のモーター６の角速度を「正常速度」（不具合が生じていない状態）、許容範囲外のモーター６の角速度を「異常速度」（不具合が生じている状態）と呼ぶ。無人機１は、各モーター６について、正常速度か異常速度かを判断する。

無人機１は、いずれのモーター６の状態も正常速度である場合、モーター６自体には不具合は生じていないと判断するが、モーター６以外の部分に不具合が生じている場合もある。例えば、プロペラ８が破損している場合や無人機１の重心位置が当初の設定からずれているなど、モーター６以外の部分において、不具合がある状態（以下、「環境に異常がある状態」ともいう。）である。環境に異常がある状態においては、モーター６自体に不具合が生じていなくても、推力が不足する。無人機１は、環境に異常がある状態を埋め合わせるために、飛行制御プログラムによって、対象となるモーター６の回転数を上げる。

無人機１は、いずれのモーター６の状態も正常速度であると判断した場合に、推力に異常があるか否かを判断する。具体的には、無人機１は、推力判断プログラムによって、各モーター６の回転数（角速度）が、他のモーター６の回転数（角速度）に対して、許容範囲内か否かを判断する。上述のように、環境に異常がある状態においては、モーター６の本来の推力が発揮されないという関係があるから、推力に異常があるか否かを判断することは、環境に異常がある状態であるか否かを判断することと同義である。

上述のように、各モーター６が、正常速度の状態であっても、環境に異常があった場合には、本来の推力は発生しないから、無人機１は、飛行制御プログラムによって、所望の推力を得るために、回転数を多くする（角速度を早くする）。言い換えると、環境の異常の影響を受けているモーター６の回転数（角速度）を環境の異常の影響を受けていないモーター６と同一の回転数（角速度）にすると、推力が不足するため、無人機１は回転数（角速度）を上げるようになっている。

そして、無人機１は、推力判断プログラムによって、各モーター６の回転数（角速度）と他のモーター６の回転数（角速度）とを対比して、相違が許容範囲内か否かを判断する。

以下、推力判断プログラムによる判断の例を示す。無人機１が前進するときには、前方の２つのモーター６の推力よりも後方の２つのモーター６の推力の方が大きい。そして、前方の２つのモーター６の推力は等しく、後方の２つのモーター６の推力は等しい。前方（あるいは、後方）の２つのモーター６のうち、例えば、一方のモーター６に接続されたプロペラ８が破損していて、他方のモーター６に接続されたプロペラ８が破損していない場合、無人機１は、飛行制御プログラムによって、破損したプロペラ８に接続されたモーター６の回転数を、他方のモーター６の回転数よりも多くすることによって、前方（あるいは、後方）の２つのモーター６の推力を等しくする。そして、無人機１は、推力判断プログラムによって、前方（あるいは、後方）の２つのモーター６の回転数（角速度）を対比し、その相違が許容範囲内（誤差範囲内）か否かを判断する。許容範囲内の回転数（角速度）は、例えば、５％以内である。無人機１は、一方のモーター６の回転数（角速度）が他方のモーター６の回転数（角速度）よりも５％以上多い場合に、推力が異常であると判断する。

また、無人機１が空中停止（ホバリング）しているときには、無人機１の中心に重心がある場合、４つのモーター６の推力は等しい。ただし、例えば、一つのモーター６に接続したプロペラ８が破損している場合、そのモーター６の本来の推力は発生しないから、他のモーター６と同一の推力を得るために、無人機１は、飛行制御プログラムによって、回転数（角速度）を上げる。そして、無人機１は、推力判断プログラムによって、１つのモーター６の回転数（角速度）と、他の１つのモーター６の回転数（角速度）を対比し、その相違が許容範囲内か否かを判断する。許容範囲内の回転数（角速度）は、例えば、５％未満である。無人機１は、１つのモーター６の回転数（角速度）が他の１つのモーター６の回転数（角速度）の平均値よりも５％以上多い場合に、推力が異常であると判断する。あるいは、無人機１は、１つのモーター６の回転数（角速度）と、他の３つのモーター６の回転数（角速度）を対比し、その相違が許容範囲内か否かを判断するようにしてもよい。この場合でも、許容範囲内の回転数（角速度）は、例えば、５％以内である。無人機１は、１つのモーター６の回転数（角速度）が他の３つのモーター６の回転数（角速度）の平均値よりも５％以上多い場合に、推力が異常であると判断する。

無人機１は、対応プログラムによって、いずれかのモーター６に不具合が生じている場合、あるいは、いずれかのモーター６によって発生する推力が許容範囲内ではない場合に、所定の対応を実施する。所定の対応は、例えば、基地局１００への帰還である。

以下、無人機１の動作を、図５のフローチャートを参照して説明する。無人機１は、基地局１００から発進指示を受信すると飛行を開始し（ステップＳＴ１）、継続的に各モーター６へ供給する電圧を示す出力電圧情報及び角速度情報を取得し（ステップＳＴ２）、各モーター６について、角速度が許容範囲内か否かを判断する（ステップＳＴ３）。ステップＳＴ２はモーター情報取得ステップの一例であり、ステップＳＴ３はモーター状態判断ステップの一例である。角速度が許容範囲内ではない場合には、対応するモーター６に不具合が生じていると判断し（ステップＳＴ４）、基地局へ帰還する（ステップＳＴ５）。

ステップＳＴ３において、角速度が許容範囲内であると判断すると、無人機１は、推力が許容範囲内か否かを判断し（ステップＳＴ６）、推力が許容範囲内ではない場合には、プロペラ８等に問題が生じているなど、環境に異常が生じていると判断し（ステップＳＴ７）、基地局へ帰還する（ステップＳＴ５）。ステップＳＴ６は推力判断ステップの一例であり、ステップＳＴ５は対応ステップの一例である。

なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

１ 飛行装置
２ 筐体
６ モーター
８ プロペラ

Claims (5)

1. 自律飛行が可能な飛行装置であって、
   推力を得るためのプロペラに接続された複数のモーターを有し、
   前記モーターは、ベクトル制御によって制御されるブラシレスＤＣモーター（ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｔｏｒ）であり、
   前記ベクトル制御のプロセスにおいて取得される各前記モーターの回転子の角速度と、各前記モーターへ供給する電圧とを含むモーター情報を取得するモーター情報取得手段と、
   前記モーター情報に基づいて、各前記モーターの状態を判断するモーター状態判断手段と、
   を有する飛行装置。
2. 前記モーター状態判断手段は、前記電圧に対する前記角速度が許容範囲内ではない場合に、前記モーターに不具合が生じていると判断するように構成されている、
   請求項１に記載の飛行装置。
3. 前記モーター状態判断手段によって、前記モーターに不具合が生じていないと判断した場合に、各前記モーターによって発生する推力が許容範囲内か否かを判断する推力判断手段を有する、
   請求項１または請求項２のいずれかに記載の飛行装置。
4. ベクトル制御によって制御されるブラシレスＤＣモーター（ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｔｏｒ）によって推力を得、自律飛行が可能な飛行装置が実施する飛行方法であって、
   前記ベクトル制御のプロセスにおいて取得される前記各モーターの回転子の角速度と、各前記モーターへ供給する電圧とを含むモーター情報を取得するモーター情報取得ステップと、
   前記モーター情報に基づいて、各前記モーターの状態を判断するモーター状態判断ステップと、
   を含む飛行方法。
5. ベクトル制御によって制御されるブラシレスＤＣモーター（ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｔｏｒ）によって推力を得、自律飛行が可能な飛行装置を制御するコンピュータを、
   前記ベクトル制御のプロセスにおいて取得される各前記モーターの回転子の角速度と、前記各モーターへ供給する電圧とを含むモーター情報を取得するモーター情報取得手段、及び、
   前記モーター情報に基づいて、各前記モーターの状態を判断するモーター状態判断手段、
   として機能させるための飛行プログラム。