JP2019048634A - Electric aircraft - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、2以上の回転翼を有する回転翼機(マルチコプター)であって、特に、電動式航空機に関する。 The present disclosure relates to a rotary wing aircraft (multicopter) having two or more rotary wings, and in particular to a motorized aircraft.
この種類の電動式航空機の一つである無人航空機は、ドローン等と称されており、二次電池および電池制御回路を含むバッテリモジュールによってモータを回転させ、モータによって回転翼を回転させるものであった。例えば特許文献1には、回転翼を有する無人航空機が記載されている。従来の無人航空機は、玩具等の比較的軽いものであった。近年では、重い荷物等を運ぶ需要が増えてきている。
An unmanned aerial vehicle, which is one of the electric powered aircrafts of this type, is called a drone or the like, and rotates a motor by a battery module including a secondary battery and a battery control circuit, and rotates a rotor by a motor. The For example,
重い荷物を運ぶ際に、電力不足と飛行中のバランスが問題とされてきた。電力不足によって、飛行時間や運ぶ荷物の重さが制限され、商用の無人航空機が普及しない問題があった。電力不足を補うためには、バッテリモジュールとして大出力のものが使用される。例えば円筒型リチウムイオン二次電池を100本以上のように多数使用して大電力化が図られている。さらに、空中でのバランス維持が非常に難しく、風などの影響でバランスを崩し落下してしまうことも荷物を運ぶ用途の無人航空機が普及しない理由でもある。 When carrying heavy loads, power shortages and in-flight balance have been a problem. The lack of power limits the flight time and the weight of cargo carried, and there is a problem that commercial unmanned aerial vehicles are not popularized. In order to compensate for the power shortage, a battery module having a large output is used. For example, a large number of cylindrical lithium ion secondary batteries such as 100 or more are used to achieve high power. Furthermore, it is very difficult to maintain the balance in the air, and the fact that the balance is broken and dropped due to the influence of wind and the like is also a reason for the widespread use of unmanned aerial vehicles for carrying luggage.
運搬物が重くなればなるほど、駆動モータやプロペラも大きくなり、重くなる。そして、それに対応するバッテリモジュール側も大電流用の電気的構成とする必要がある。さらに、落下、振動等に対応する機体を構成するために、重量が重くなる問題があった。 The heavier the load, the larger and heavier the drive motor and propeller. And the battery module side corresponding to it is also necessary to set it as the electric configuration for large currents. Furthermore, there is a problem that the weight becomes heavy in order to configure an airframe corresponding to dropping, vibration and the like.
したがって、本開示の目的は、飛行中のバランスを保つことが容易で、しかも、機体の制御が容易とされた電動式航空機を提供することにある。 Therefore, an object of the present disclosure is to provide a motorized aircraft that is easy to maintain balance in flight and that is easy to control the airframe.
本開示は、複数の回転翼と、
回転翼をそれぞれ回転させるモータと、
回転翼およびモータをそれぞれ支持する支持軸と、
モータの回転を制御するモータ制御部と、
モータの対毎に電力を供給する複数の電力供給ラインと、
支持軸の位置より下方の位置に取り付けられ、電力供給ライン毎に接続される複数のバッテリモジュールとを備え、
支持軸の中心から回転翼の中心位置までの長さをaとするときに、支持軸の位置とバッテリモジュールの位置との差が(a/4)から(a/2)の範囲に設定されるようにした電動式航空機である。
The present disclosure provides a plurality of rotors,
A motor for rotating the rotary wings respectively;
A support shaft supporting the rotor and the motor respectively;
A motor control unit that controls the rotation of the motor;
A plurality of power supply lines for supplying power to each pair of motors;
And a plurality of battery modules attached below the position of the support shaft and connected to each of the power supply lines,
When the length from the center of the support shaft to the center position of the rotor is a, the difference between the position of the support shaft and the position of the battery module is set in the range of (a / 4) to (a / 2) Electric powered aircraft.
少なくとも一つの実施形態によれば、上述した位置関係とすることによって、バッテリ部の質量により復元力を得ることができる。すなわち、バッテリ部の質量にかかる重力により、支点を中心に支持軸が水平を保つ方向に力が加わるためである。これと共に、機体を傾けるように制御する場合の必要なモータ出力が大きくなりすぎることを防止することができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、この発明中に記載されたいずれの効果であってもよい。また、以下の説明における例示された効果によりこの発明の内容が限定して解釈されるものではない。 According to at least one embodiment, it is possible to obtain a restoring force by the mass of the battery unit by the above-described positional relationship. That is, gravity is applied to the mass of the battery unit, so that a force is applied in a direction to keep the support shaft horizontal about the fulcrum. At the same time, it is possible to prevent the required motor output in the case of control to tilt the machine from becoming too large. In addition, the effect described here is not necessarily limited, and may be any effect described in the present invention. Further, the contents of the present invention are not interpreted as being limited by the effects illustrated in the following description.
以下に説明する実施の形態は、本開示の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されている。しかしながら、本開示の範囲は、以下の説明において、特に本開示を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。
なお、本開示の説明は、下記の順序にしたがってなされる。
<1.第1の実施の形態>
<2.第2の実施の形態>
<3.変形例>
The embodiments described below are preferred embodiments of the present disclosure, and have various technically preferable limitations. However, the scope of the present disclosure is not limited to these embodiments unless specifically described in the following description to the effect that the present disclosure is limited.
The description of the present disclosure will be made in the following order.
<1. First embodiment>
<2. Second embodiment>
<3. Modified example>
<1.第1の実施の形態>
図1は、第1の実施の形態の無人航空機の平面図であり、図2は、第1の実施の形態の無人航空機の正面図である。中心部としての円筒状または角筒状の胴体部1と、胴体部1の上部に固定された支持軸2a〜2fとから機体が構成される。一例として、胴体部1が6角筒状とされ、胴体部1の中心から6本の支持軸2a〜2fが等角間隔で放射状に延びるようになされている。胴体部1および支持軸2a〜2fは、軽量で強度の高い材料から構成されている。
<1. First embodiment>
FIG. 1 is a plan view of the unmanned aerial vehicle according to the first embodiment, and FIG. 2 is a front view of the unmanned aerial vehicle according to the first embodiment. An airframe is constituted by a cylindrical or rectangular
さらに、胴体部1および支持軸2a〜2fからなる機体は、その重心が支持軸2a〜2fの中心を通る鉛直線上にくるように、各構成部品の形状、配置等が設計される。さらに、この鉛直線上に重心がくるように、回路ユニット5およびバッテリ部6が取り付けられる。
Furthermore, the shape, arrangement, and the like of each component are designed such that the center of gravity of the airframe including the
第1の実施の形態では、回転翼およびモータの数が6個とされている。しかしながら、4個の回転翼およびモータを有する構成、或いは8個以上の回転翼およびモータを有する構成でもよい。 In the first embodiment, the number of rotors and motors is six. However, the configuration may have four rotors and a motor, or may have eight or more rotors and a motor.
支持軸2a〜2fの先端部には、回転翼の駆動源としてのモータ3a〜3fがそれぞれ取り付けられている。モータ3a〜3fの回転軸に回転翼4a〜4fが取り付けられている。各モータを制御するためのモータ制御回路を含む回路ユニット5が支持軸2a〜2fが交わる中心部に取り付けられている。
さらに、胴体部1の下側の位置に動力源としてのバッテリ部6が配置されている。バッテリ部6は、後述するように、180度の対向間隔を有するモータおよび回転翼の対に対して電力を供給するように3個のバッテリモジュールを有している。各バッテリモジュールは、例えばリチウムイオン二次電池と充放電を制御するバッテリ制御回路とを有する。すなわち、モータ3aおよび回転翼4aと、モータ3dおよび回転翼4dとが対を構成する。同様に、(モータ3b,回転翼4b)と(モータ3e,回転翼4e)とが対を構成し、(モータ3c,回転翼4c)と(モータ3f,回転翼4f)とが対を構成する。これらの対とバッテリモジュールとが等しい数とされている。
Furthermore, a
バッテリ部6は、胴体部1の例えば内部に着脱自在に取り付けられていける。バッテリ部6は、図3に示すように、機体の重心位置である中心に対して対称の形状を有すると共に、中心開口7を有するような配置、外形を有する。図3Aは、平面形状が中心開口7の周囲に正六角形となるような中空状のケース8を設け、ケース8内にバッテリモジュールを収納する例である。図3Bに示すように、分離したケース8aおよび8b内にバッテリモジュールを収納してもよい。
The
バッテリ部6の重心と機体の重心とを一致させることによって、重心の安定性が増加する。さらに、中心開口7を有するので、飛行時に中心開口7を風が通り抜けることで、風などの影響を軽減することが可能となる。その結果、姿勢制御が容易となり、飛行時間を長くすることができ、さらにバッテリの温度上昇も抑制することができる。
By matching the center of gravity of the
バッテリ部6は、図2に示すように、支持軸2a〜2fの水平位置に対して低い位置に配置される。水平位置に対してバッテリ部6の位置がa/4〜a/2の距離低くされる。ここで、aは、機体の中心位置b(支持軸2a〜2fの交点)から回転翼4a〜4fの回転中心までの距離である。このような位置関係とすることによって、バッテリ部6の質量により復元力を得ることができる。すなわち、バッテリ部6の質量にかかる重力により、支点bを中心に支持軸が水平を保つ方向に力が加わるためである。これと共に、機体を傾けるように制御する場合の必要なモータ出力が大きくなりすぎることを防止することができる。
The
図4は、バッテリ部6の位置を横軸とした場合の復元力および前傾に必要なモータ出力(縦軸)を示すものである。グラフを見やすいものとするために、復元力を線形軸で示し、傾けるためのモータ出力を対数軸で示している。例えばバッテリ部6がa/8の位置に設置されていた場合と比べて、a/4の位置に設置されている場合は、てこの原理により2倍の復元力を得られるので、姿勢の安定性を確保するためには、支点bに対して電池パックを離した構成にすることが好ましい。
FIG. 4 shows the restoring force and the motor output (vertical axis) required for forward inclination when the position of the
一方、無人航空機が前進するためには、機体を前傾姿勢とする必要が有るので、例えばaの位置にバッテリ部6を設置すると、a/2に設置した場合と比較して2倍の復元力に対抗して前傾させる力が必要となる。このため、モータの出力が上昇し、そのモータに電力を供給するバッテリモジュールが大きくなる問題が有る。このような関係から、バッテリ部6による復元力と機体を前傾姿勢とするためのモータ出力とのバランスを良くするためには、バッテリ部6の設置位置が(a/4〜a/2)である。
On the other hand, in order for the unmanned aerial vehicle to move forward, the airframe needs to be in a forward-tilted position, so for example, when the
一般的にドローンと呼ばれるような無人航空機は、モータ制御回路によってモータの出力を制御して所望の航行を可能としている。例えば、空中に静止しているホバーリングの状態では、機体に搭載されたジャイロ装置を用いて傾きを検知し、機体が下がった側のモータ出力を増加させ、上がった側のモータ出力を低下させることによって、機体を水平に保つようにしている。さらに、前進の際には、進行方向のモータ出力を低下、逆方向のモータ出力を増加させることによって、前傾姿勢を取らせ、進行方向への推進力を発生させるようにしている。このような無人航空機の姿勢制御および推進制御において、上述したようなバッテリ部6の設置位置は、機体の安定性と制御の容易性とのバランスをとることができる。
In an unmanned aerial vehicle generally called a drone, the motor control circuit controls the output of the motor to enable desired navigation. For example, in the hovering state where it is stationary in the air, the inclination is detected using a gyro device mounted on the airframe, and the motor output on the lower side of the airframe is increased and the motor output on the higher side is decreased. By doing so, the aircraft is kept horizontal. Further, at the time of forward movement, the motor output in the forward direction is reduced and the motor output in the reverse direction is increased, so that the forward lean posture is taken and propulsive force in the forward direction is generated. In such attitude control and propulsion control of an unmanned aerial vehicle, the installation position of the
さらに、これらの制御において、180度の対向位置に存在するモータおよび回転翼の対において、一方の回転数と他方の回転数とが逆の方向に制御される関係が多い。この点を考慮して、本開示では、対毎に電力を供給するバッテリモジュールを設けている。 Furthermore, in these controls, in the pair of motor and rotor located at the opposing position of 180 degrees, there is a large relation that one rotation speed and the other rotation speed are controlled in opposite directions. In view of this point, the present disclosure provides a battery module that supplies power pair by pair.
図5は、本開示の第1の実施の形態のシステムの構成例を示す。バッテリ部6は、3個のバッテリモジュール11ad、11be、11cfとを有する。これらのバッテリモジュール11ad、11be、11cfは、バッテリ部6を構成する。上述したように、バッテリモジュール11ad、11be、11cfは、中心開口7を有する形状とされている。
FIG. 5 shows a configuration example of a system according to the first embodiment of this disclosure. The
バッテリモジュール11adの出力電力がモータ制御回路12adに供給される。モータ制御回路12adに対してモータ3a、3dが接続される。モータ3a、3dが回転翼4a、4dを回転させる。バッテリモジュール11beの出力電力がモータ制御回路12beに供給される。モータ制御回路12beに対してモータ3b、3eが接続される。モータ3b、3eが回転翼4b、4eを回転させる。バッテリモジュール11cfの出力電力がモータ制御回路12cfに供給される。モータ制御回路12cfに対してモータ3c、3fが接続される。モータ3c、3fが回転翼4c、4fを回転させる。
The output power of the battery module 11ad is supplied to the motor control circuit 12ad.
さらに、図5および以下の図において省略しているが、無人航空機の全体を制御する全体コントローラ、姿勢を検出する姿勢センサ等が設けられており、上昇や降下、前進、後退等を行うことができるようにされている。 Furthermore, although omitted in FIG. 5 and the following figures, an overall controller for controlling the entire unmanned aerial vehicle, an attitude sensor for detecting attitude, and the like are provided, and raising, lowering, advancing, retreating, etc. may be performed. It is made to be able.
例えば図1の無人航空機では、モータの対向する組が3個あるため、バッテリモジュールとモータ制御回路と対向するモータとからなる構成要素が3組備えられている。かかる本開示と異なるシステム構成の参考例を図9に示す。例えば一つのバッテリモジュール15の出力電力がモータ制御回路16に供給され、モータ制御回路16が6個のモータ3a〜3fに対して電力を分配するようになされている。さらに、モータ制御回路16においては、6個のモータ3a〜3fに電力を分配する構成である。バッテリモジュール15が並列接続された3個のバッテリモジュールの構成の場合もある。
For example, in the unmanned aerial vehicle of FIG. 1, since there are three opposing sets of motors, three sets of components are provided, each consisting of a battery module, a motor control circuit, and an opposing motor. A reference example of such a system configuration different from the present disclosure is shown in FIG. For example, the output power of one
図9に示す参考例の構成では、バッテリモジュール15からの電力が6個のモータに供給される。したがって、バッテリモジュール15からモータ制御回路16に供給される電流が大きな値となる。さらに、モータ制御回路16の内部を流れる電流を大きな値となる。大電流に対応できるケーブル、回路部品等は、一般的に大型且つ重いものとなり、無人航空機の重量を増加させる。
In the configuration of the reference example shown in FIG. 9, power from the
本開示の第1の実施の形態では、各バッテリモジュールがモータ制御回路12ad、12be、12cfに供給する電流を参考例の構成の約1/3とすることができる。これにより、電流経路の部材や回路部品について、許容電流値を低く設定することができ、システムを軽量化することができる。その結果、無人航空機を軽量化することができる。 In the first embodiment of the present disclosure, the current supplied from each battery module to the motor control circuits 12ad, 12be, 12cf can be set to about 1⁄3 of the configuration of the reference example. As a result, the allowable current value can be set low for members and circuit components of the current path, and the weight of the system can be reduced. As a result, the weight of the unmanned aerial vehicle can be reduced.
さらに、無人航空機では、上述したように、180度対向の対の回転翼において、一方の回転数を増加させる場合は、他方の回転数を減少させるように、逆の方向に回転翼(モータ)が制御されることが多い。したがって、対のモータに対して共通のバッテリモジュールから電力を供給するようにすれば、複数の対に対応するバッテリモジュールの間で容量の減少を平均化することができる。 Furthermore, in an unmanned aerial vehicle, as described above, in the case of increasing the rotational speed of one of the pair of rotary blades facing each other at 180 degrees, the rotary blades (motors) in the opposite direction so as to decrease the rotational speed of the other. Are often controlled. Therefore, if power is supplied to the pair of motors from the common battery module, the reduction in capacity can be averaged among the battery modules corresponding to the plurality of pairs.
図6は、本開示の第1の実施の形態の変形例のシステム構成を示す。図5と比較すると、バッテリモジュール11ad、11be、11cfに対して、容量均一化回路13を設けている点が相違している。容量均一化回路13は、バッテリモジュール11ad、11be、11cfのそれぞれの電圧を監視する回路と、電圧の関係に基づいてバッテリモジュール11ad、11be、11cf間で、容量を均一化するためのスイッチング素子とを有する。例えば無人航空機の重心が複数の回転翼の中心位置に設計されていても、搭載物の重心が中心位置にない場合には、姿勢制御のために特定のモータに対する負荷が大きくなり、そのモータを駆動するバッテリモジュールの容量が極端に減少する。この結果、飛行時間が想定されるものより短くなる事態が発生する。容量均一化回路13による容量補正によって、かかる問題を回避することができる。
FIG. 6 shows a system configuration of a modification of the first embodiment of the present disclosure. Compared with FIG. 5, the point which has provided the capacity |
<2.第2の実施の形態>
図7を参照して本開示の第2の実施の形態について説明する。無人航空機の構成は、図1に示すように、6個の回転翼4a〜4fを備えるものである。第1の実施の形態では、モータ制御回路を対毎に分離しているのに対して、第2の実施の形態では、対毎に制御を行うが、構成上は、一つのモータ制御回路12としている。例えばモータ制御回路12では、制御用のマイクロコンピュータを複数の対で共用するようになされる。モータ制御回路12における電力供給系統は、各対で分離されており、各電力供給系統を通じて各バッテリモジュールから対のモータに電力が供給される。
<2. Second embodiment>
A second embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. The configuration of the unmanned aerial vehicle is, as shown in FIG. 1, provided with six
第2の実施の形態は、第1の実施の形態と同様に、対のモータに対して共通のバッテリモジュールから電力を供給するようにするので、複数の対に対応するバッテリモジュールの間で容量の減少を平均化することができる。 In the second embodiment, as in the first embodiment, power is supplied to a pair of motors from a common battery module, so that the capacity between battery modules corresponding to a plurality of pairs is obtained. Can be averaged out.
さらに、バッテリ部6の重心と機体の重心とを一致させることによって、重心の安定性が増加する。さらに、バッテリ部6が中心開口7を有するので、姿勢制御が容易となり、飛行時間を長くすることができる。さらに、バッテリ部6の位置を支持軸2a〜2fの水平位置に対して低い位置(a/4〜a/2の距離)とすることによって、バッテリ部6による復元力と機体を前傾姿勢とするためのモータ出力とのバランスを良くすることができる。
Furthermore, by matching the center of gravity of the
図8は、第2の実施の形態の変形例である。第1の実施の形態と同様に、特定のバッテリモジュールの容量の減少を防止するための容量均一化回路13がモータ制御回路12の内部に構成されている。
FIG. 8 is a modification of the second embodiment. As in the first embodiment, a
<3.変形例>
以上、本開示の実施の形態について具体的に説明したが、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えは本開示は、荷物の運搬用に限らず、撮影機材を搭載する電動式航空機、農薬の散布等の用途の電動式航空機に対しても適用することができる。
<3. Modified example>
As mentioned above, although embodiment of this indication was described concretely, it is not limited to each above-mentioned embodiment, and various modification based on the technical idea of this indication are possible. For example, the present disclosure is applicable not only to the transportation of luggage but also to an electric aircraft equipped with imaging equipment and an electric aircraft for applications such as spraying of pesticides.
また、上述の実施の形態の構成、方法、工程、形状、材料および数値などは、本開示の主旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。 Furthermore, the configurations, methods, processes, shapes, materials, numerical values, and the like of the above-described embodiments can be combined with one another without departing from the spirit of the present disclosure.
1・・・胴体部
2a〜2f・・・支持軸
3a〜3f・・・モータ
4a〜4f・・・回転翼
5・・・回路ユニット
6・・・バッテリ部
7・・・中心開口
11a〜11f・・・バッテリモジュール
12a〜12f・・・モータ制御回路
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記回転翼をそれぞれ回転させるモータと、
前記回転翼およびモータをそれぞれ支持する支持軸と、
前記モータの回転を制御するモータ制御部と、
前記モータの対毎に電力を供給する複数の電力供給ラインと、
前記支持軸の位置より下方の位置に取り付けられ、前記電力供給ライン毎に接続される複数のバッテリモジュールとを備え、
前記支持軸の中心から前記回転翼の中心位置までの長さをaとするときに、前記支持軸の位置と前記バッテリモジュールの位置との差が(a/4)から(a/2)の範囲に設定されるようにした
電動式航空機。 With multiple rotors,
A motor for rotating the rotors respectively;
A support shaft supporting the rotor and the motor respectively;
A motor control unit that controls the rotation of the motor;
A plurality of power supply lines for supplying power to each pair of motors;
And a plurality of battery modules attached below the position of the support shaft and connected to each of the power supply lines,
The difference between the position of the support shaft and the position of the battery module is (a / 4) to (a / 2), where a is the length from the center of the support shaft to the center position of the rotor blade. Motorized aircraft designed to be set in range.
前記回転翼の複数の対と複数の前記バッテリモジュールとが等しい数とされた請求項1に記載の電動式航空機。 Having a plurality of opposing pairs of rotors,
The motorized aircraft according to claim 1, wherein the plurality of pairs of rotors and the plurality of battery modules are equal in number.
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