JP2009255700A - 浮上走行装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操作が容易で、かつ積載量も大であり、しかも背の高い農作物や障害物にも対応することができ、さらに傾斜地などにも適用できる浮上走行装置を提供する。
【解決手段】機体ユニット１００に形成された３個のダクト１０，１０，１０には、プロペラ２０，２０，２０が配置されて、その風力がダクト１０の下方に取り付けられたスカート３０，３０，３０を通って地面あるいは水面に噴射され、機体が浮上する。そして、それぞれのプロペラの回転数および／またはピッチ角を調整して、所望の方向に走行する。機体ユニット１００には中空タンク４０が設けられ、ノズル５０，５０，５０からダクト１０およびスカート３０を介して浮上空気とともに下方に噴射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、低空浮上して走行する浮上走行装置に係り、特に、たとえば農薬等を散布する際に用いて好適な浮上走行装置に関するものである。

たとえば水田等に農薬を散布する場合に、有人ヘリコプタ、無線操作可能な無人ヘリコプタなどを用いたものが知られている。特に、無人ヘリコプタの場合、２００４年度には２０００を超える機体が稼動している。しかしながら、無人ヘリコプタは、操作が難しく人身事故につながる危険性があった。また、無人ヘリコプタでは、農薬積載能力が小であるため、濃度の高い農薬を使用することから、健康被害につながる危険性があった。特に、農薬飛散、いわゆるドリフト防止対策を充分実施しないと、残留基準や一律基準越えにより農作物が出荷規制を受けるおそれがあった。

そこで、たとえば、特許文献１、特許文献２には、操作が比較的簡単で、かつ農薬積載能力が大である農薬散布用のラジコンホバークラフトが提案されている。たとえば、特許文献１に記載のホバークラフトは、船艇前方の映像をラジコンのコントローラに写すためのＣＣＤカメラと、畦道や土手等の障害物に対する設定距離以上の接近を感知してコントローラのスピーカに警告音を発生させる超音波センサとを推進用のファンダクト上部に設けたものであった。

このような構成により、遠隔操作者は、ＣＣＤカメラからの映像を確認しつつコントローラの操作を行い、ホバークラフトが畦道などに接近した場合、警告音によりその状態を知りホバークラフトの停止または反転等の操作を行うものであった。

一方、特許文献２に記載のホバークラフトは、本体の輪郭主要部、たとえば前端部および後端部を含む四隅等に異なる色の光源を設け、また、浮上用空気流のバランスにより走行制御するようにしたものであった。このような構成により、遠隔操作者は、光源の位置を確認しつつコントローラの操作を行い、ホバークラフトが畦道などに接近した場合には浮上用空気流のバランスを調整して方向転換等の操作を行うものであった。
特開平９−２３３９８５号公報 特開２００７−１５１４８１号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、ホバークラフト本体がわずかに浮上するものの、そのスカート部位がほとんど地上または水面に接しながら走行するため、たとえば、５０ｃｍ程度に生育した稲などに農薬散布する場合に、稲をなぎ倒してしまうおそれがあった。また、傾斜地などでは走行が困難であり、その使用が平坦な水田に限られるため、傾斜地にある芝地や畑などに適用できないという問題があった。

本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、操作が容易で、かつ積載量も大であり、しかも背の高い農作物や障害物にも対応することができ、さらに傾斜地などにも適用することができる浮上走行装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、低空にて浮上して任意の方向に走行する浮上走行装置であって、複数の短円筒状のダクト（１０，１０，１０）が設けられた機体ユニット（１００）と、機体ユニットのダクト内にそれぞれ設けられた複数のプロペラ（２０，２０，２０）と、プロペラからの風圧を地上に向かって案内するスカート（３０，３０，３０）であって、機体ユニットのダクトに沿ってそれぞれ設けられた複数のスカートと、プロペラをそれぞれ駆動する駆動手段（８０，８０，８０）と、駆動手段を制御する制御手段（２００）とを含む浮上走行装置から構成される。

浮上走行装置は、それぞれのプロペラが、同軸上に２組のプロペラを備え、それぞれ反対方向に回転する二重反転プロペラ（２０ａ，２０ｂ）であると良く、これにより高速回転によるカウンタトルクの減少を図っている。

また、浮上走行装置は、機体の傾き及び方向を検出する加速度センサ（９０）を含むとよく、これによって走行制御および姿勢制御の安定性を図っている。

さらに浮上走行装置は、制御手段が、プロペラのそれぞれ回転数を異ならせて走行方向を定めるようにするとよい。

また、その際、制御手段が、プロペラのそれぞれピッチ角度を調整して走行方向を制御するとなおよい。

また、浮上走行装置には、機体ユニットに、粉体または液体が搭載される中空部（４０）と、中空部からスカート内に内容物を供給する供給手段（５０，５０，５０）を設けるとよく、それによって農薬等の散布に好適に適用される。

本発明の浮上走行装置によれば、低空にて浮上して任意の方向に走行する浮上走行装置であって、複数の短円筒状のダクトが設けられた機体ユニットと、機体ユニットのダクト内にそれぞれ設けられた複数のプロペラと、プロペラからの風圧を地上に向かって案内するスカートであって、前記機体ユニットのダクトに沿ってそれぞれ設けられた複数のスカートと、プロペラをそれぞれ駆動する駆動手段と、駆動手段を制御する制御手段とを含むので、複数の空気柱状の支持によりホバークラフトと比較して高い浮遊力を有しているため、背の高い稲が生育する水田あるいは傾斜地などでも走行することができる。また、無人ヘリコプタと比較して操作が容易であるなどの効果を奏することができる。

また、本発明の浮上走行装置によれば、それぞれのプロペラが、同軸上に２組のプロペラを備え、それぞれ反対方向に回転する二重反転プロペラであるので、カウンタトルクを抑えることができ、走行制御および姿勢制御を有効に行うことができる。

また、本発明の浮上走行装置によれば、機体の傾き及び方向を検出する加速度センサを含むので、走行制御および姿勢制御を的確に実行することができる。

さらに、本発明の浮上走行装置によれば、制御手段が、プロペラのそれぞれ回転数を異ならせて制御することにより、その走行方向を有効に定めることができる。

また、本発明の浮上走行装置によれば、制御手段が、プロペラのそれぞれピッチ角度を調整することにより、走行方向を自在に制御することができる。

また、本発明の浮上走行装置によれば、機体ユニットは、粉体または液体が搭載される中空部と、中空部からスカート内に内容物を供給する供給手段が設けられているので、農薬等を搭載して浮上走行しつつ有効にそれらを散布することができる。

次に、添付図面を参照して本発明に係る浮上走行装置の実施の形態を詳細に説明する。本実施形態に係る浮上走行装置は、図１に示すように、３個のダクト１０，１０，１０が形成された機体ユニット１００に、３機のプロペラ２０，２０，２０が回転自在に取り付けられて、その空気圧をダクト下方に案内するスカート３０，３０，３０が設けられた本願特有の形態が主な特徴点である。

各部の詳細を説明すると、機体ユニット１００は、平面視略三角形状に形成されており、その三方の隅部に所定の径のダクト１０，１０，１０が形成されている。３個のダクトはその空気流れ中心が正三角形を形成するような等距離離隔位置に配置されている。なお、正三角形を形成する離隔位置に限らず、少なくとも２つのダクト中心間距離が等しい三角形であってもよい。三角形状機体ユニットの３個のダクト以外の残りの部位は、機体板が立体に組み付けられて内部が中空に形成されており、農薬タンク４０として用いられる。農薬タンク４０には、管状の散布ノズル５０，５０，５０が一端を農薬タンク４０に連通するように取り付けられており、他端が折曲されてそれぞれダクト１０，１０，１０に臨むように形成されそれぞれ地上側に農薬が放出される。

ダクト１０，１０，１０は、それぞれ略円筒状に形成され、特に本実施形態では上部がやや広がったベルマウス状に形成されている。これらダクト１０，１０，１０内にそれぞれプロペラ２０，２０，２０が配置されている。プロペラ２０，２０，２０は、本実施形態では、それぞれ上下２組のプロペラ２０ａ，２０ｂが反対方向に回転する二重反転プロペラが有利に適用されている。２重反転プロペラの駆動シャフト６０，６０，６０は、それぞれダクトの壁面に支持された支持部材７０，７０，７０により支持されている。本実施形態では、支持部材７０，７０，７０は中空に形成されて、その内部に駆動ユニット８０，８０，８０からの駆動シャフトが配置されて内部で連結されている。

駆動ユニット８０，８０，８０は、プロペラ２０，２０，２０の回転およびピッチ角を駆動するモータが内蔵されたサーボ機構を形成している。また、本実施形態では、サーボ機構に近接して機体ユニット１００の中央付近に、その傾きおよび進行方向を検出するジャイロセンサ９０が取り付けられている。ジャイロセンサは、３次元加速度センサが有利に適用されて、その結果が同様の部位に取り付けられた制御回路２００（図４参照）に供給される。制御回路２００は、たとえばプログラム自在な回路、いわゆるＦＰＧＡ（Field programmable gate array）が有利に適用されており、その結果は送受信機を介して遠隔操作のためのコントローラと無線接続されている。

図４には、制御回路（ＳＨ２）２００を含む制御接続が示されている。すなわち、ジャイロセンサ９０からの機体情報は、制御回路２００に供給される。制御回路２００は、無線ＬＡＮ２１０を介してコントローラ（ＰＣ）３００と無線接続されている。コントローラ３００からは、方向および速度などのスロットル量が供給される。特に本実施形態では、制御回路２００の制御方法として、比例制御（Ｐ），積分制御（Ｉ），微分制御（Ｄ）とを組み合わせたフィードバック制御の一つであるＰＩＤ制御が有利に適用されており、さらに、本実施形態では、ＰＩＤ制御に加え、図５に示すように、複数のゲイン１，２，３を切り替えてハンチングを防止するゲインスケジュリーングが適用されている。図６には、ゲインスケジューリングのシュミレーション結果が示されている。

図１に戻って、機体ユニット１００のダクト部位の下部には、プロペラからの風圧を下方に案内するスカート３０，３０，３０が取り付けられている。スカート３０，３０，３０は、上部がダクト下部に取り付けられた小径に形成され、下方が広がった形状の大径に形成された合成樹脂または合成ゴムなどにより形成されている。本実施形態では、ダクトとの取り付け部位にアルファゲルなどの緩衝材が充填され、また、３個のスカート周囲を取り囲むベルト４００が取り付けられている。

以上のような構成において、本実施形態の浮上走行装置を水田あるいは畑などの所望の箇所に運搬して、機体ユニット１００のタンク４０に農薬等を投入する。次に、水田あるいは畑の所望の出発点に置き、コントローラのスイッチをオンとすると、制御回路２００からの信号がサーボ機構に供給されて、モータが回転する。これにより、プロペラ２０，２０，２０が回転を開始し、ダクト１０，１０，１０の上方から空気が取り込まれてスカート３０，３０，３０に供給される。スカート３０，３０，３０内で圧縮された空気が下方に噴出して、機体が浮上する。たとえば、シュミレーションの結果、１０ｃｍ以上浮上することができる。このとき、略正三角形の隅部の各々等距離の離隔３点位置に中心を設定されて３つのダクトから吹き出される圧縮空気があたかも３点支持の空気柱の機能を果たすため、浮上支持のための制御が簡単であり姿勢制御を安定して行える。したがって、斜面などの走行でも機体ユニット自体は水平姿勢を維持しながら走行できる。次に、コントローラのスロットを所望の方向に倒すと、その操作量に応じた信号が制御回路２００に供給される。これにより、制御回路２００は、プロペラの回転数あるいはプロペラのピッチ角を調整する信号をサーボモータに供給する。この結果、たとえば進行方向と対角（ダクトが機体の進行方向と交差方向あるいは直交方向に向いた）のダクト１０のプロペラ２０の回転数を高くして、その部位の風圧が高くなることにより、やや持ち上がった状態で対角方向に走行する。また、ピッチ角によっても同様な状態で走行する。その状態は、随時ジャイロセンサ９０により検出され、検出結果が制御回路２００に供給される。検出結果を受けた制御回路２００は、所定の姿勢を保持するように目標値を算出して、ゲインコントロールをする。この結果、所望の方向および適正な姿勢を保持しつつ走行する。一方、農薬散布の開始を指示するスイッチがコントローラにてオンとされるとその信号が制御回路２００に供給されて、ノズルを開とすると、タンク４０からの農薬がダクト１０を介してスカート３０に供給され、スカート３０下方に噴出される。この状態にてさらに、コントローラを操作して、その方向を変えた場合には、操作したスロット量が無線により制御回路２００に供給されて、その変化に対応した制御信号を駆動ユニット８０に供給する。これにより、プロペラ２０，２０，２０の回転および／またはピッチ角が調整されて走行方向が変化する。以下、上記と同様に、ジャイロセンサ９０の検出結果、スロット量が制御回路２００に供給されて、その方向および姿勢が制御されて、所望の範囲を走行する。次に、農薬散布を終了する場合は、散布開始ボタンをオフにして、ノズルからの供給を停止し、さらにコントローラの主スイッチをオフとすると、プロペラの回転が停止して農薬散布を終了する。

以上説明したように本実施形態の浮上走行装置によれば、複数の短円筒状のダクト１０，１０，１０が設けられた機体ユニット１００と、機体ユニット１００のダクト内にそれぞれ設けられた複数のプロペラ２０，２０，２０と、プロペラ２０，２０，２０からの風圧を地上に向かって案内するスカート３０，３０，３０であって、機体ユニット１００のダクトに沿ってそれぞれ設けられた複数のスカート３０，３０，３０と、プロペラ２０，２０，２０をそれぞれ駆動する駆動ユニット８０，８０，８０と、駆動ユニットを制御する制御回路２００とを含むので、ホバークラフトと比較して高い浮遊力を有しているため、背の高い稲が生育する水田あるいは傾斜地などでも走行することができる。また、無人ヘリコプタと比較して操作が容易であるなどの効果を奏することができる。

また、本実施形態の浮上走行装置によれば、それぞれのプロペラ２０，２０，２０が、同軸上に２組のプロペラ２０ａ，２０ｂを備え、それぞれ反対方向に回転する二重反転プロペラであるので、カウンタトルクを抑えることができ、走行制御および姿勢制御を有効に行うことができる。

本実施形態の浮上走行装置によれば、機体の傾き及び方向を検出する加速度センサ９０を含むので、走行制御および姿勢制御を的確に実行することができる。

本実施形態の浮上走行装置によれば、制御回路２００においてＰＩＤ制御を含むゲインスケジューリングにより制御して、プロペラのそれぞれ回転数を異ならせて制御することにより、その走行方向を有効に定めることができる。

同様に、制御回路２００の制御により、プロペラのそれぞれピッチ角度を調整して、走行方向を自在に制御することができる。

本実施形態の浮上走行装置によれば、機体ユニット１００は、粉体または液体が搭載される中空タンク４０と、中空タンク４０からスカート内に内容物を供給する供給ノズル５０が設けられているので、農薬等を搭載して浮上走行しつつ有効にそれらを散布することができる。

なお、上記実施形態では、スカート３０を上方から下方に広がった形態を採用したが、本発明においては、リング状あるいは蛇腹状のフレームをスカートに張架させて、その伸縮によりスカート下端の高さ位置を上下させることにより機体ユニットを昇降調整して走行するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、ダクトを３つ設け、プロペラを３基搭載した場合を例に挙げて説明したが、本発明においては、４基以上設けるように構成してもよい。

上記実施形態では、農薬散布等に適用した場合を例に挙げて説明したが、スカート下部に磁気センサ等を取り付けて、地雷探査など危険箇所の探査などに適用してもよい。また、水面監視などにも適用することができる。

本発明に係る浮上走行装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１の実施形態に係る浮上走行装置を示す平面図である。 図１の実施形態に係る浮上走行装置を示す側面図である。 図１の実施形態に係る浮上走行装置の制御方法を説明するためのブロック図である。 図１の実施形態に係る浮上走行装置の制御方法を説明するためのゲインループを示す図である。 図５に示すゲインループのシミュレーション結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ ダクト
２０ プロペラ
３０ スカート
４０ 中空タンク
５０ 散布ノズル
８０ 駆動ユニット
１００ 機体ユニット

Claims (6)

1. 低空にて浮上して任意の方向に走行する浮上走行装置であって、該装置は、
   複数の短円筒状のダクトが設けられた機体ユニットと、
   機体ユニットのダクト内にそれぞれ設けられた複数のプロペラと、
   プロペラからの風圧を地上に向かって案内するスカートであって、機体ユニットのダクトに沿ってそれぞれ設けられた複数のスカートと、
   複数のプロペラをそれぞれ駆動する駆動手段と、
   駆動手段を制御する制御手段と、を含むことを特徴とする浮上走行装置。
2. プロペラは、同軸上に２組のプロペラを備え、それぞれ反対方向に回転する二重反転プロペラであることを特徴とする請求項１記載の浮上走行装置。
3. 機体の傾き及び方向を検出する加速度センサを含むことを特徴とする請求項１または２記載の浮上走行装置。
4. 制御手段は、プロペラのそれぞれ回転数を異ならせて走行方向を定めることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の浮上走行装置。
5. 制御手段は、プロペラのそれぞれピッチ角度を調整して走行方向を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の浮上走行装置。
6. 機体ユニットは、粉体または液体が搭載される中空部と、該中空部からスカート内に内容物を供給する供給手段が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の浮上走行装置。
   

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