JP6752481B2

JP6752481B2 - ドローン、その制御方法、および、プログラム

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Publication number: JP6752481B2
Application number: JP2020503577A
Authority: JP
Inventors: 千大和氣; 洋柳下
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Current assignee: Nileworks Inc
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2020-09-09
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Description

本願発明は、圃場に対して農薬などの薬剤散布等を行なう農業用無人飛行体（ドローン）、特に、安全性を高めたドローン、その制御方法、および、プログラムに関する。

一般にドローンと呼ばれる小型無人ヘリコプター（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。

特許公開公報特開２００１−１２０１５１特許公開公報特開２０１７−１６３２６５

自律飛行時であっても、高い安全性を維持できる農業用ドローン（無人飛行体）を提供する。

本願発明は、高度測定手段と高度調整手段を備えたドローンであって、前記高度測定手段が測定した機体高度が所定の限界高度を超えないよう、前記高度調整手段が前記機体高度を調整するドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記高度測定手段は、ソナーと、気圧センサーと、加速度センサーと、レーザーと、GPSとから選択した二種以上の方式であり、または、一種以上の方式であって多重化されている段落０００７に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記高度測定手段は、離陸時にはGPSを使用して機体高度を測定し、圃場上空を移動中にはソナーを使用して機体高度を測定する段落０００７、または、段落０００８に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記高度測定手段がGPSを使用して機体高度を測定している時には、前記高度調整手段が前記所定の限界高度よりも低い第二の限界高度を超えないよう、前記機体高度を調整する段落０００９に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記高度測定手段が、さらに機体の上昇速度を測定し、前記高度調整手段が、前記上昇速度が所定の限界上昇速度を超えないよう、前記機体高度を調整する段落０００７、段落０００８、段落０００９、または、段落００１０に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、さらに、重量測定手段を含み、前記高度調整手段が、前記重量測定手段が測定した機体重量に応じて前記所定の限界高度を調整する段落０００７、段落０００８、段落０００９、段落００１０、または、段落００１１に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、速度測定手段と速度調整手段を備えたドローンであって、前記速度測定手段が測定した機体速度が所定の限界速度を超えないよう、前記速度調整手段が機体速度を調整するドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記速度測定手段は、加速度センサー、GPSドップラー、または、GPSとから選択した二種以上の方式であり、かつ、多重化されている段落００１３に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、さらに、重量測定手段を含み、前記重量測定手段が測定した機体重量に応じて前記所定の限界速度を調整する段落００１３、または、段落００１４に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記重量測定手段は、モーターに指令した目的回転数と加速度センサーにより測定された加速度との関係と、モーターに指令した目的回転数とGPS座標により測定された加速度との関係と、回転翼の回転数と加速度センサーにより測定された加速度との関係と、回転翼の回転数とGPS座標により測定された加速度との関係と、等速水平飛行の際の機体前傾角度と、搭載した薬剤の液量とのいずれか一つ以上の情報に基づいて前記機体重量を測定する段落００１２、または、段落００１５に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、さらに、機体制御手段を含み、所定時間以上にわたりGPSを利用できないときに、前記機体制御手段が、機体をホバリング状態に維持するか、または、機体を着陸させる段落０００７、段落０００８、段落０００９、段落００１０、段落００１１、段落００１２、段落００１３、段落００１４、段落００１５、または、段落００１６に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、複数のGPS受信機を備え、前記複数のGPS受信機のそれぞれが、異なるGPS衛星を使用するよう制御される段落０００７、段落０００８、段落０００９、段落００１０、段落００１１、段落００１２、段落００１３、段落００１４、段落００１５、段落００１６、または、段落００１７に記載のドローンを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、機体高度を測定する高度測定ステップと、前記測定された機体高度が、所定の限界高度を超えないよう機体高度を調整する高度調整ステップとを含むドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記高度測定ステップでは、ソナーと、気圧センサーと、レーザーと、加速度センサーと、GPSとから選択した二種以上の方式を使用して機体高度が測定される段落００１９に記載のドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記高度測定ステップでは、離陸時にはGPSを使用して機体高度が測定され、圃場上空を移動中にはソナーを使用して機体高度が測定される段落００１９、または、段落００２０に記載のドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記高度測定ステップで前記高度測定手段がGPSを使用して機体高度が測定されている時には、前記高度調整ステップでは、前記所定の限界高度よりも低い第二の限界高度を超えないよう前記機体高度が調整される段落００２１に記載のドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記高度測定ステップでは、さらに機体の上昇速度が測定され、前記高度調整ステップでは、さらに前記上昇速度が所定の限界上昇速度を超えないよう前記機体高度が調整される段落００１９、段落００２０、段落００２１、または、段落００２２に記載のドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、さらに、機体の重量を測定する重量測定ステップを含み、前記高度調整ステップでは、前記重力測定ステップで測定された機体重量に応じて前記所定の限界高度が調整される段落００１９、段落００２０、段落００２１、段落００２２、または、段落００２３に記載のドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、機体速度を測定する速度測定ステップと、前記測定された機体速度が所定の限界速度を超えないよう機体速度を調整する速度調整ステップとを含むドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記速度測定ステップでは、加速度センサー、GPSドップラー、または、GPSとから選択した二種以上の方式を使用して機体速度が測定される段落００２５に記載のドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、さらに、重量測定ステップを含み、前記速度調整ステップでは、測定された機体重量に応じて前記所定の限界速度が調整される段落００２５、または、段落００２６に記載のドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記重量測定ステップでは、モーターに指令した目的回転数と加速度センサーにより測定された加速度との関係と、モーターに指令した目的回転数とGPS座標により測定された加速度との関係と、回転翼の回転数と加速度センサーにより測定された加速度との関係と、回転翼の回転数とGPS座標により測定された加速度との関係と、等速水平飛行の際の機体前傾角度と、搭載した薬剤の液量とのいずれか一つ以上の情報に基づいて前記機体重量が測定される段落００２４、または、段落００２７に記載のドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、さらに、所定時間以上にわたりGPSを利用できないときに、機体をホバリング状態に維持するか、または、機体を着陸させるステップを含む段落００１９、段落００２０、段落００２１、段落００２２、段落００２３、段落００２４、段落００２５、段落００２６、段落００２７、または、段落００２８に記載のドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、複数のGPS受信機のそれぞれが異なるGPS衛星を使用するよう制御するステップをさらに含む、段落００１９、段落００２０、段落００２１、段落００２２、段落００２３、段落００２４、段落００２５、段落００２６、段落００２７、段落００２８、または、段落００２９に記載のドローン制御方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、機体高度を測定する高度測定命令と、前記測定された機体高度が所定の限界高度を超えないよう機体高度を調整する高度調整命令とをコンピューターに実行させるドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記高度測定命令は、ソナーと、気圧センサーと、レーザーと、加速度センサーと、GPSとから選択した二種以上の方式を使用して機体高度を測定する命令を含む段落００３１に記載のドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記高度測定命令は、離陸時にはGPSを使用して機体高度を測定し、圃場上空を移動中にはソナーを使用して機体高度を測定する命令を含む段落００３１、または、段落００３２に記載のドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記高度測定命令は、GPSを使用して機体高度が測定されている時には、前記所定の限界高度よりも低い第二の限界高度を超えないよう前記機体高度を調整する命令を含む段落００３３に記載のドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記高度測定命令は、さらに機体の上昇速度を測定する命令を含み、前記高度調整命令では、さらに前記上昇速度が所定の限界上昇速度を超えないよう前記機体高度を調整する命令を含む段落００３１、段落００３２、段落００３３、または、段落００３４に記載のドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、さらに、機体重量を測定する重力測定命令をコンピューターに実行させ、前記高度調整命令は、前記測定された機体重量に応じて前記所定の限界高度を調整する命令を含む段落００３１、段落００３２、段落００３３、段落００３４、または、段落００３５に記載のドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、機体速度を測定する速度測定命令と、前記測定された機体速度が所定の限界速度を超えないよう機体速度を調整する速度調整命令とをコンピューターに実行させるドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記速度測定命令は、加速度センサー、GPSドップラー、または、GPSとから選択した二種以上の方式を使用して機体速度を測定する段落００３７に記載のドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、さらに、機体重量を測定する重量測定命令をコンピューターに実行させ、前記速度調整命令は、前記測定された機体重量に応じて前記所定の限界速度を調整する命令を含む段落００３７、または、段落００３８に記載のドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記重量測定命令は、モーターに指令した目的回転数と加速度センサーにより測定された加速度との関係と、モーターに指令した目的回転数とGPS座標により測定された加速度との関係と、回転翼の回転数と加速度センサーにより測定された加速度との関係と、回転翼の回転数とGPS座標により測定された加速度との関係と、等速水平飛行の際の機体前傾角度と、搭載した薬剤の液量とのいずれか一つ以上の情報に基づいて前記機体重量を測定する段落００３６、または、段落００３９に記載のドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。なお、上記ドローン、ドローン制御方法、ドローン制御プログラムにおいてGPS電波を所定時間以上を超えて受信できない場合には、機体をホバリング状態に置くことが望ましい。

また、本願発明は、さらに、所定時間以上にわたりGPSを利用できないときに、機体をホバリング状態に維持するか、または、機体を着陸させる命令をコンピューターに実行させる段落００３１、段落００３２、段落００３３、段落００３４、段落００３５、段落００３６、段落００３７、段落００３８、段落００３９、または、段落００４０に記載のドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、複数のGPS受信機のそれぞれが異なるGPS衛星を使用するよう制御するステップをさらに含む、段落００３１、段落００３２、段落００３３、段落００３４、段落００３５、段落００３６、段落００３７、段落００３８、段落００３９、段落００４０、または、段落００４１に記載のドローン制御プログラムを提供することで上記課題を解決する。
なお、コンピュータプログラムは、インターネット等のネットワークを介したダウンロードによって提供したり、ＣＤ−ＲＯＭなどのコンピュータ読取可能な各種の記録媒体に記録して提供したりすることができる。

自律飛行時であっても、高い安全性を維持できる農業用ドローン（無人飛行体）が提供される。

本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の平面図である。本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の正面図である。本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の右側面図である。本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例を使用した薬剤散布システムの全体概念図の例である。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模式図である。

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。

図１に本願発明に係るドローン（100）の実施例の平面図を、図２にその（進行方向側から見た）正面図を、図３にその右側面図を示す。なお、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、複数の回転翼または飛行手段を有する飛行体全般を指すこととする。

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）備えられていることが望ましい。

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機設けられていることが望ましい。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ことが望ましい。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ことが望ましい。衝突時に当該部材がローター側に座屈変形することを防ぎ、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機備えられていることが望ましい。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ことが望ましい。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４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。操縦器（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ことが望ましいが、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ることが望ましい。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ることが望ましい）。操縦器（401）とドローン（100）はWi-Fi等による無線通信を行なうことが望ましい。

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することが望ましい（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ー群と関連ソフトウェアであり、操縦器（401）と携帯電話回線等で無線接続されていることが望ましい。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なってよい。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なってもよい。

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５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模式図を示す。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ーであってよい。フライトコントローラー（501）は、操縦器（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、102-4a、102-4b）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、102-4a、102-4b）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ことが望ましい。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とが望ましい。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を行なうことが望ましい。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、操縦器（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ー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、充電式であることが望ましい。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）に接続されていることが望ましい。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ることが望ましい。

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）を介して操縦器（401）とやり取りを行ない、必要な指令を操縦器（401）から受信すると共に、必要な情報を操縦器（401）に送信できることが望ましい。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くことが望ましい。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ことが望ましい。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・多重化しておくことが望ましく、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することが望ましい。

加速度センサー（505）はドローン機体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）であり、6軸センサーであることが望ましい。加速度センサー（505）に代えて、または、加えて6軸ジャイロセンサー、3軸角度センサー、または、その両方を使用してもよい。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）レーザーを使用することが望ましい。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ることが望ましい。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ことが望ましい。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ことが望ましい。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）、操縦器（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ことが望ましい。

LED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。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（519）は操縦器（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。

自律飛行により薬剤等の散布を行なう農業用ドローンにおいては、ドローンの高度、および、速度の上限を維持することが安全性維持のためにきわめて重要である。使用者（402）が操縦器（401）に常に貼り付いてドローン（100）を操縦しているわけではないからである。ドローン（100）の高度が所定の高度を超えると万一の落下時の地上衝突時の衝撃が安全規制を超える可能性がある（万一、人に衝突した時に深刻な被害を与える可能性がある）。加えて、目的とする圃場外への薬剤の飛散（ドリフト）を最小化するためにも高度を制限することが望ましい。同様に、ドローン（100）の速度が所定の速度を超えると安全面で大きな問題となり得る。落下時に加えて、障害物（特に人間）に衝突した際の衝撃が安全基準を超える可能性がある。

安全基準を遵守するために、本願発明に係るドローン（100）は、フライトコントローラー（501）の入力とするための高度測定手段、速度測定手段、または、その両方を備えることが望ましい。加えて、重量測定手段を備えていてもよい。フライトコントローラー（501）は、これらの測定された情報を入力とし、ドローン（100）が所定の制限高度、所定の制限速度、または、その両方を超えないようモーター（102）を制御することが望ましい。

（高度測定）
本願発明に係るドローン（100）は複数のセンサーを使用して機体高度を測定することが望ましい。高度の測定には、GPS（504）、加速度センサー（505）、気圧センサー（507）、ソナー（509）、レーザーセンサー（508）の組み合わせを使用してよい。また、マルチスペクトルカメラ（512）、または、障害物検知用カメラ（513）にパッシブ方式のオートフォーカス機能を備えることで対地距離を測定してもよい。この場合に、測定器やセンサーは故障に備えて二重化または多重化することが望ましい。二重化・多重化は同種のセンサーを複数使用することで行なってもよく、複数方式のセンサーを併用することで行なってもよく、その両方によって行なってもよい。

たとえば、ソナー（509）は圃場（403）が地面である場合には正確な測定が可能だが、圃場（403）が水面である場合には正確な測定が難しい（この場合には、レーザーセンサー（508）が適切である）等、測定方式により得手不得手があるため、複数方式のセンサーを併用することが望ましい。また、GPSの電波の外乱や基地局の異常等が発生した場合には仮にGPS（504）を多重化していたとしても全体障害となってしまうため、GPS以外の高度測定手段も備えることが望ましい。

特に、離陸時の初期高度測定にはGPS（504）を使用し、飛行中はソナー（509）を使用することが望ましい。GPS（504）は最も正確な測定を行なえるが絶対高度しか測定できないため、用水路など凹凸のある圃場（403）では正確な対地高度を測定できないのに対して、ソナー（509）は地面に対する距離を測定するため対地高度を測定できるからである。水平飛行中にGPS（504）とソナー（509）の両方による測定を行なって結果を比較し、その差が所定の閾値（たとえば10センチメートル）以内であるときにはGPS（504）の測定値を高度測定に使用し、所定の閾値を超えたときには圃場（403）の凹凸が大きいと判断して、ソナー（509）の測定値を高度測定に使用するようにしてもよい。

なお、GPS（504）は、ドローンの飛行位置の把握のためにいずれにせよ不可欠な機能となるため、離陸時にGPS（504）が故障や外乱等により機能しない場合にはドローンの離陸を禁止する制御（インターロック）を行なうことが望ましい。また、飛行中にGPS衛星からの電波がさえぎられて一時的な受信不能となる、通信妨害が発生し受信不能となる、基地局（404）の異常が発生する等によりGPSが機能しなくなった場合には、ドローン（100）をその場で上空停止（ホバリング）させる制御を行なうことが望ましい。所定時間経過後もGPSが機能しない場合には、ホバリングを停止し、その場でドローン（100）をその場で軟着陸、または、発着地（406）等に帰還させる制御を行なってもよい。この際に、送受器（401）にエラー・メッセージを表示し、操作者（402）の指示を仰いでもよい。

これらの高度測定手段により測定された高度情報をドローン（100）の飛行制御手段の入力とすることで、人間の目視による操縦がなくとも、ドローン（100）を法規制や安全基準等により定められた制限高度内で飛行させることが可能となる。

GPS（504）によって高度を測定している場合には、ソナー（509）により測定を行なっている場合と比較して、制限高度を低く設定することが望ましい。GPSはドローン（100）の高度の絶対値を測定しているのに対して、ソナー（509）はドローン（100）と地表との距離を測定しているため、地形の高低を考慮して制限高度に余裕を持たせることが望ましいからである。たとえば、ソナー（509）を使用した測定時の制限高度が2メートルである場合には、GPS（504）を使用した測定時の制限高度を1.5メートルとしてよい。

ドローン（100）の絶対的な高度の制限に加えて、上昇速度（高度の時間あたりの変化）を制限してもよい。上昇速度を制限しないとセンサーの測定の遅延、および、フライトコントローラー（501）の処理の遅延等により、ドローン（100）が制限高度を一時的に超えてしまうリスクがあるからである。この場合において、GPS（504）によって高度を測定している場合には、ソナー（509）等の他の方法によって高度を測定している場合と比較して上昇速度の上限値を低く設定してもよい。GPS（504）は、電波の外乱や測位衛星の状況により一時的に測定ができないことがあるため、ドローンが制限高度を一時的に超えるリスクが高くなるからである。

（速度制限）
本願発明に係るドローン（100）は、複数のセンサーを使用して機体速度を測定してよい。速度の測定には、加速度センサー（505）（加速度の積分により速度が得られる）、GPSドップラー（504-3）（複数のGPS基地局からの電波の位相差をソフトウェアで処理することで機体速度を測定できる）、または、GPS（504）が測定した絶対座標の変化等を使用してよい。この場合に、測定器やセンサーは故障に備えて、二重化または多重化することが望ましい。二重化または多重化は同一方式内で行なうと共に、異なる方式間で行なうことが好ましい。たとえば、GPSが電波外乱や測位衛星の障害により利用できない場合には、GPSのみを二重化していた場合に全体障害となってしまうからである。

これらの高度測定手段により測定された速度情報をフライトコントローラー（501）の入力とすることで、人間の目視による操縦がなくとも、ドローン（100）を法規制や安全基準等により定められた制限速度内（たとえば、時速20Km）で飛行させることが可能となる。

（重量測定）
典型的なドローン（100）による農薬散布のケースでは、薬剤の重量は10キログラム以上となる。機体部分のみの重量は典型的には25キログラム程度であるため、散布開始時と散布終了間近の時では全体重量には大きな差が生じる。全体重量の変化に応じて、ドローン（100）の高度および速度を調整してもよい。たとえば、安全基準により、ドローン（100）の自然落下時の地表での衝撃力が規定されているのであれば、衝撃力は高度と速度と重量により決まる（速度の二乗に比例し、高度と重量に比例する）ため、機体重量が軽い時には制限高度を高くしてもよい。同様に、機体重量が軽い時には制限速度を速くしてもよい。また、飛行速度が速い時には制限高度を低く設定し、飛行高度が高い時には制限速度を遅く設定してもよい。

機体重量は加速度センサー（505）によって測定された加速度、または、GPSドップラー（504-3）やGPS（504）等の手段によって測定された速度の微分値としての加速度を使用して推定してよい。上昇時であれば、モーター（102）の推力をＴ、重力加速度をｇ、測定された機体の加速度をαとすれば、機体全体の重量Mは、M=T/（α＋g）として求められる。モーター（102）の推力Ｔはモーターの回転数によって決まり、フライトコントローラー（501）はモーター回転数を測定できることから、機体の重量を推定可能である。また、モーター回転数を直接的に測定できない場合には、フライトコントローラー（501）がモーター（102）に指令した目的回転数をモーター回転数とみなし、そこから推力を推定してもよい。

また、等速水平飛行中のドローン（100）の機体の傾きを測定することで機体重量を推定してよい。機体の傾きはジャイロセンサーを備えることで直接測定してもよいし、角速度センサーの測定値を積分することで推定してもよい。等速水平飛行中には機体の空気抵抗力、重力、回転翼による推力が釣り合っている。空気抵抗力は機体の飛行速度の関数であり、回転翼による推力はモーターの回転数の関数であり、重力は機体重量の関数であることから、重量は機体の傾き、モーターの回転数、機体の飛行速度が既知であれば推定することができる。なお、風力センサーを設けて、風力と風向によって空気抵抗係数を補正してもよい。

また、飛行中に重量が変化する最大の要因は薬剤の量であることから、薬剤タンク中のレベルセンサーで薬剤の液面の高さを測定することで薬剤の残量を測定し、そこから機体全体の重量を推定してもよい。この場合には、薬剤タンク中に水圧センサーを備え、薬剤タンク中の薬剤の重量を推定することで、機体全体の重量を推定してもよい。

薬剤散布を目的とするドローンの実施例を説明してきたが、本願発明は薬剤散布を行なわず、たとえば、カメラによる生育監視を行なう農業用ドローン、および、一般的なドローンにも適用可能である。

（本願発明による技術的に顕著な効果）
本願発明により、自律飛行型の農業用薬剤散布ドローンの高度、速度、または、その両方を所定の範囲内に維持することで安全性を向上できる。特に、人間が常に注目せず自律飛行させている状態であっても同様に安全性向上の目的を達成できる。多重化構成により特定のセンサー（たとえば、GPS）が一時的に使用できない場合でも使用を継続できる。薬剤消費に伴う機体重量の変化に応じて、制限高度と制限速度を調整できるため、効率的な薬剤散布が可能になる。

Claims

高度測定手段と高度調整手段を備えたドローンであって、
前記高度測定手段が測定した機体高度が所定の限界高度を超えないよう、前記高度調整手段が前記機体高度を調整し、
前記高度測定手段は、離陸時にはＧＰＳのみを使用して機体の絶対高度を測定し、
圃場上空を移動中には、対地高度測定手段のみを使用して機体の対地高度を測定する、
ドローン。
前記対地高度測定手段は、ソナーで構成される、
請求項１記載のドローン。
前記高度測定手段がＧＰＳを使用して前記機体の絶対高度を測定している時には、前記高度調整手段が前記所定の限界高度よりも低い第二の限界高度を超えないよう、前記機体高度を調整する、
請求項１又は２記載のドローン。
機体高度を測定する高度測定手段と、
前記高度測定手段が測定した前記機体高度が所定の限界高度を超えないよう、前記機体高度を調整する高度調整手段と、
機体の上昇速度を測定する上昇速度測定手段と、
前記機体高度が前記限界高度を超過しないように設定された限界上昇速度を超えないよう、前記機体の上昇速度を調整する上昇速度調整手段と、
を備える、ドローン。
さらに、重量測定手段を含み、
前記高度調整手段は、前記重量測定手段が測定した機体重量に応じて前記所定の限界高度を調整する、
請求項１乃至４のいずれかに記載のドローン。
高度測定手段と、
高度調整手段と、
重量測定手段と、
を備えたドローンであって、
前記高度測定手段が測定した機体高度が所定の限界高度を超えないよう、前記高度調整手段が前記機体高度を調整し、
前記高度調整手段が、前記重量測定手段が測定した機体重量に応じて前記所定の限界高度を調整し、前記重量測定手段が測定した機体重量が過去の測定時点よりも軽い時には、前記測定時点よりも限界高度を高く変更する、
ドローン。
前記重量測定手段は、
モーターに指令した目的回転数と加速度センサーにより測定された加速度との関係と、
モーターに指令した目的回転数とＧＰＳ座標により測定された加速度との関係と、
回転翼の回転数と加速度センサーにより測定された加速度との関係と、
回転数の回転数とＧＰＳ座標により測定された加速度との関係と、
等速水平飛行の際の機体前傾角度と、
搭載した薬剤の液量とのいずれか一つ以上の情報に基づいて前記機体重量を測定する、
請求項５又は６記載のドローン。
速度測定手段と、
速度調整手段と、
をさらに備え、
前記速度測定手段が測定した機体速度が所定の限界速度を超えないよう、前記速度調整手段が機体速度を調整する、
請求項１乃至７のいずれかに記載のドローン。
前記速度測定手段は、加速度センサー、ＧＰＳドップラー、または、ＧＰＳから選択した二種以上の方式であり、かつ多重化されている、
請求項８記載のドローン。
さらに、機体制御手段を含み、
所定時間以上にわたりＧＰＳを利用できないときに、前記機体制御手段が、機体をホバリング状態に維持するか、または、機体を着陸させる、
請求項１乃至９のいずれかに記載のドローン。
複数のＧＰＳ受信機を備え、前記複数のＧＰＳ受信機のそれぞれが、異なるＧＰＳ衛星を使用するよう制御される、
請求項１乃至１０のいずれかに記載のドローン。
機体高度を測定する高度測定ステップと、
前記測定された機体高度が、所定の限界高度を超えないよう機体高度を調整する高度調整ステップと、
を含み、
前記高度測定ステップでは、離陸時にはＧＰＳのみを使用して機体の絶対高度が測定され、圃場上空を移動中には、対地高度測定手段のみを利用して機体の対地高度が測定される、ドローン制御方法。
前記対地高度測定手段は、ソナーで構成される、請求項１２記載のドローン制御方法。
前記高度測定ステップで、GPSを使用して機体の絶対高度が測定されている時には、前記高度調整ステップでは、前記所定の限界高度よりも低い第二の限界高度を超えないよう前記機体高度が調整される、
請求項１２又は１３に記載のドローン制御方法。
機体高度を測定する高度測定ステップと、
前記測定された機体高度が、所定の限界高度を超えないよう機体高度を調整する高度調整ステップと、
機体の上昇速度を測定する上昇速度測定ステップと、
前記機体高度が前記限界高度を超過しないように設定された限界上昇速度を超えないよう、前記機体の上昇速度を調整する上昇速度調整ステップと、
を含む、
ドローン制御方法。
さらに、機体重量を測定する重量測定ステップを含み、
前記高度調整ステップは、前記重量測定ステップにおいて測定した機体重量に応じて前記所定の限界高度が調整される、
請求項１２乃至１５のいずれかに記載のドローン制御方法。
機体高度を測定する高度測定ステップと、
前記測定された機体高度が、所定の限界高度を超えないよう機体高度を調整する高度調整ステップと、
機体重量を測定する重量測定ステップと、
を含み、
前記高度調整ステップでは、前記重量測定ステップで測定された機体重量に応じて前記所定の限界高度が調整され、前記重量測定ステップにおいて測定された機体重量が過去の測定時点よりも軽い時には、前記測定時点よりも限界高度が高く変更される、
ドローン制御方法。
前記重量測定ステップでは、
モーターに指令した目的回転数と加速度センサーにより測定された加速度との関係と、
モーターに指令した目的回転数とＧＰＳ座標により測定された加速度との関係と、
回転翼の回転数と加速度センサーにより測定された加速度との関係と、
回転数の回転数とＧＰＳ座標により測定された加速度との関係と、
等速水平飛行の際の機体前傾角度と、
搭載した薬剤の液量とのいずれか一つ以上の情報に基づいて前記機体重量が測定される、
請求項１６又は１７記載のドローン制御方法。
機体速度を測定する速度測定ステップと、
前記測定された機体速度が所定の限界速度を超えないよう機体速度を調整する速度調整ステップと、
をさらに含む、
請求項１２乃至１８のいずれかに記載のドローン制御方法。
前記速度測定ステップでは、加速度センサー、ＧＰＳドップラー、または、ＧＰＳから選択した二種以上の方式を使用して機体速度が測定される、
請求項１９記載のドローン制御方法。
さらに、所定時間以上にわたりＧＰＳを利用できないときに、機体をホバリング状態に維持するか、または、機体を着陸させるステップを含む、
請求項１２乃至２０のいずれかに記載のドローン制御方法。
複数のＧＰＳ受信機のそれぞれが異なるＧＰＳ衛星を使用するよう制御するステップをさらに含む、
請求項１２乃至２１のいずれかに記載のドローン制御方法。
機体高度を測定する高度測定命令と、
前記測定された機体高度が、所定の限界高度を超えないよう機体高度を調整する高度調整命令と、
をコンピューターに実行させ、
前記高度測定命令は、離陸時にはＧＰＳのみを使用して機体の絶対高度を測定し、圃場上空を移動中には、対地高度測定手段のみを使用して前記機体の対地高度を測定する、命令をコンピューターに実行させる、
ドローン制御プログラム。
前記対地高度測定手段は、ソナーで構成される、請求項２３記載のドローン制御プログラム。
前記高度測定命令は、GPSを使用して前記機体の絶対高度が測定されている時には、前記所定の限界高度よりも低い第二の限界高度を超えないよう前記機体高度を調整する命令をコンピューターに実行させる、
請求項２３又は２４記載のドローン制御プログラム。
機体高度を測定する高度測定命令と、
前記測定された機体高度が、所定の限界高度を超えないよう機体高度を調整する高度調整命令と、
機体の上昇速度を測定する上昇速度測定命令と、
前記機体高度が前記限界高度を超過しないように設定された限界上昇速度を超えないよう、前記機体の上昇速度を調整する上昇速度調整命令と、
をコンピューターに実行させる、
ドローン制御プログラム。
さらに、機体重量を測定する重量測定命令をコンピューターに実行させ、
前記高度調整命令は、前記測定された機体重量に応じて前記所定の限界高度を調整する命令をコンピューターに実行させる、
請求項２３乃至２６のいずれかに記載のドローン制御プログラム。
機体高度を測定する高度測定命令と、
前記測定された機体高度が、所定の限界高度を超えないよう機体高度を調整する高度調整命令と、
機体重量を測定する重量測定命令と、
をコンピューターに実行させ、
前記高度調整命令は、前記測定された機体重量に応じて前記所定の限界高度を調整し、前記測定された機体重量が過去の測定時点よりも軽い時には、前記測定時点よりも限界高度を高く変更する、
ドローン制御プログラム。
前記重量測定命令は、
モーターに指令した目的回転数と加速度センサーにより測定された加速度との関係と、
モーターに指令した目的回転数とＧＰＳ座標により測定された加速度との関係と、
回転翼の回転数と加速度センサーにより測定された加速度との関係と、
回転数の回転数とＧＰＳ座標により測定された加速度との関係と、
等速水平飛行の際の機体前傾角度と、
搭載した薬剤の液量とのいずれか一つ以上の情報に基づいて前記機体重量を測定する、
請求項２７又は２８記載のドローン制御プログラム。
機体速度を測定する速度測定命令と、
前記測定された機体速度が所定の限界速度を超えないよう機体速度を調整する速度調整命令と、
をさらにコンピューターに実行させる、
請求項２３乃至２９のいずれかに記載のドローン制御プログラム。
前記速度測定命令は、加速度センサー、ＧＰＳドップラー、または、ＧＰＳから選択した二種以上の方式を使用して機体速度を測定する命令をコンピューターに実行させる、
請求項３０記載のドローン制御プログラム。
さらに、所定時間以上にわたりＧＰＳを利用できないときに、機体をホバリング状態に維持するか、または、機体を着陸させる命令をコンピューターに実行させる、
請求項２３乃至３１のいずれかに記載のドローン制御プログラム。
複数のＧＰＳ受信機のそれぞれが異なるＧＰＳ衛星を使用するよう制御する命令をさらにコンピューターに実行させる、
請求項２３乃至３２のいずれかに記載のドローン制御プログラム。