JP2012051545A - プリント回路基板を用いた無人飛行体 - Google Patents

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Abstract

【課題】構造を単純化して小型化させ、組立性を向上させて軽量化すること、飛行体の歪みを防ぎ、着陸時に外部衝撃を吸収して安定的な着陸を可能にすること、飛行時の安定性を確保すること、のいずれか1つまたは複数を実現すること。
【解決手段】電源供給および飛行動作を制御するメインボードと、電気エネルギーを機械エネルギーに変換させてプロペラを回転させるモータと、遠隔操縦機から出る信号をモータ制御が可能な信号に変換させてメインボードとモータを連結するPCBフレームと、モータによって回転して推力を出すプロペラと、遠隔操縦機の制御信号を受信する受信機と、クォードロータのモータ回転速度および方向転換を制御する遠隔操縦機とを含むPCBを用いた無人飛行体を実現することにより、無人飛行体構造を単純化して小型化し、組立性を向上させて軽量化することができる。
【選択図】図2

Description

本発明は、プリント回路基板を用いた無人飛行体に関する。
最近、人間が作業することが困難な環境における無人飛行体の必要性が増加している。無人飛行体は接近が困難である災難/災害地域の空中映像の取得および電力線検査、さらには戦場状況において敵の隠匿情報を提供したり無人機による偵察任務や監視任務を実行するなど、その活用度も極めて広がっている。
従来の無人飛行体構造は、飛行体の骨格を構成する本体と羽を単純な複合材や木などを用いて実現することにより、飛行のための電子装置を制御する電気および電子的な構造物とは独立的に実現する。このような無人飛行体構造は、飛行体の重量を増加させて飛行効率を減少させ、重量増加によるメインボード、バッテリ、およびプロペラの大型化によって飛行体の構造を複雑にして組み立てを困難にする上に、飛行体の生産費用を増加させるという短所がある。
図1は従来技術の無人飛行体構造を示す図である。図1の無人飛行体は、電源供給および飛行動作を制御するメインボード10と、電気エネルギーを機械エネルギーに変換させてプロペラを回転させるモータ20と、遠隔操縦機から送信される信号をモータ制御が可能な信号に変換させる変速機30と、モータによって回転して推力を出すプロペラ40と、無人飛行体中央のメインボードと外郭のモータを連結して支持するフレーム50と、遠隔操縦機の制御信号を受信する受信機60と、バッテリ70などを含む。
図1の無人飛行体は、メインボード10、受信機60、バッテリ70を中心として4方向にフレーム50によって連結されたそれぞれ4つのモータ20を設置し、モータ20上にプロペラ40を載置してプロペラを回転させることによって得られる推力を用いて飛行運動をする。
図1の無人飛行体は、中央のメインボード10にすべての電子モジュールが集積されている。このため、メインボード10の大きさ自体が大きくなり、回路の構成が複雑になる。これにより、無人飛行体が全体的に大型化すると共にその重量も重くなって無人飛行体の駆動に過度な電力が用いられ、一定の大きさ以上のパワーを要求するために採択可能なモータの種類に限界が生じる。また、このような制約は無人飛行体の製作単価を高める要因として作用する。さらに、複雑な回路構成によってメインボード10の発熱量が多くなれば、頻繁な故障と誤作動の発生に繋がる。
一方、図1に示すように、通常は変速機30がフレーム50上に設置されるため、変速機30の制御のためにメインボード10と変速機30が有線ケーブルによって連結されなければならないが、これは飛行体の重量を増加させる上に構造が複雑になるという結果を招来する。
本発明は、このような背景の下に行われたものであって、構造を単純化して小型化させ、組立性を向上させて軽量化すること、飛行体の歪みを防ぎ、着陸時に外部衝撃を吸収して安定的な着陸を可能にすること、飛行時の安定性を確保すること、のいずれか1つまたは複数を実現できるプリント回路基板を用いた無人飛行体を提供することを目的とする。
本発明のプリント回路基板を用いた無人飛行体は、本体部と、本体部に一終端が結着して無人飛行体の全体的な形状を構成する複数のフレーム部と、複数のフレーム部の他の一終端に装着して飛行のための推力を発生させる駆動部と、を含んで構成され、フレーム部はプリント回路基板からなるものである。
たとえば本体部は、飛行制御のための制御器モジュールと外部の通信装置とデータを授受するための通信モジュールのうちの少なくとも1つが実装されるプリント回路基板形態のメインボードを含むことができる。
また、本体部は、本体部、フレーム部、および駆動部に電源を供給するためのバッテリをさらに含むことができる。このとき本体部は複数のメインボードを含み、複数のメインボードは複数の支持軸によって所定の間隔をおいて支持され、所定の間隔部位にバッテリが配置されるようにすることができる。あるいはフレーム部の一面には、本体部、フレーム部、および駆動部に電源を供給するためのバッテリが装着されるようにすることができる。
また、フレーム部は、駆動部の変速のための変速機モジュールを含み、変速機モジュールとメインボードの制御器モジュールはプリントされた回路線によって連結されることができる。
また、フレーム部は、無人飛行体が地面から一定の高さで離隔して着地するように飛行体を支持する着地手段をさらに含むことができる。たとえば着地手段は、着地衝撃を緩和させるためのスポンジ材質、スチロール材質、メモリフォーム材質のうちの1つで構成される。
また、フレーム部の下部面には、無人飛行体のフレーム部の曲がりおよび歪みを防ぐ支持手段がさらに装着されることができる。たとえば、支持手段は、PC(Polycarbonate)またはFR4(Frame Retardant 4)のうちの1つの材質で構成される。
また、フレーム部において、駆動部が装着された方向の一側には、所定の大きさ以上の発熱量を有する電子素子が配置されることができる。
また、本体部とフレーム部のうちの少なくとも1つは、FR4材質のプリント回路基板からなるようにできる。
また、本体部とフレーム部は、単一のプリント回路基板で一体化して実現されることができる。
本発明によれば、構造を単純化して小型化させ、組立性を向上させて軽量化すること、飛行体の歪みを防ぎ、着陸時に外部衝撃を吸収して安定的な着陸を可能にすること、飛行時の安定性を確保すること、のいずれか1つまたは複数を実現できる。
従来技術の無人飛行体構造を示す図である。 本発明の一実施形態に係る無人飛行体の構造を示す図である。 本発明の他の一実施形態に係る無人飛行体の構造を示す図である。 無人飛行体に着地手段を追加した構造の一例を示す図である。 無人飛行体に着地手段を追加した構造の他の一例を示す図である。 無人飛行体に支持手段を追加した構造の一例を示す図である。 支持手段の他の一例を示す図である。 支持手段の他の一例を示す図である。 無人飛行体にプロペラ安全カバーを追加した構造の一例を示す図である。 無人飛行体にプロペラ安全カバーを追加した構造の他の一例を示図である。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。
明細書全体において「無人飛行体」とは、人間が飛行体に搭乗して操縦しなくても遠隔で操縦が可能な飛行体を示し、具体的な例としては、3つのプロペラを有するトライロータ、4つのプロペラを有するクォードロータ、5つのプロペラを有するペンタロータ、6つのプロペラを有するヘキサロータ、8つのプロペラを有するオクトロータなどをすべて含む概念である。したがって、以下では説明の便宜上、クォードロータを一例として説明するが、本発明の権利範囲がこれに限定されるものではなく、プロペラの個数および構成に応じて多様な形態の無人飛行体で実現することができる。
図2は本発明の一実施形態に係る無人飛行体の構造を示す図である。図2に示す無人飛行体は、1つの本体部100と、4つのフレーム部200と、4つの駆動部300とを含んで構成され、各フレーム部200の一終端には駆動部300が装着され、各フレーム部200の他の終端は中央の本体部100に結着する構造で実現される。本体部100は、第1メインボード11、第2メインボード12、支持軸13、およびバッテリ14を有する。駆動部300は、モータ31およびプロペラ32を有する。
フレーム部200と本体部100はボルトとナットによって結着されてもよいが、その他にも2つの構成100、200を固定して連結するために、いかなる締結手段が用いられてもよい。また、フレーム部200に実装される各種モジュールに電源および制御信号を伝達するために、フレーム部200と本体部100は前記締結手段によって物理的に連結する他に、所定の接続点を介して電気的にも連結する。
図2は4つの「I」字型フレーム部200を含む無人飛行体を示しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、「L」字型フレーム部を2つ備えた無人飛行体を構成してもよい。後者の場合、「L」字型フレーム部はそれぞれの頂点を基準として互いに対称するように本体部100に装着する。
<本体部100の構成>
一実施形態に係る本体部100は、無人飛行体の飛行動作を制御する主制御モジュール(図示せず)と、遠隔調整器から制御信号を受信したり遠隔管制所とデータを授受するための通信モジュール(図示せず)と、位置情報/イメージ情報/温度情報/風向き情報/照度情報のうちの1つ以上を収集するためのセンサーモジュール(図示せず)のうちの少なくとも1つを実装するメインボード11,12と、駆動部300に電源を供給するバッテリ14とを含んで構成される。
本体部100は無人飛行体の種類に応じてその形状が異なってもよい。すなわち、トライロータの場合には本体部100は正三角板で形成されてもよく、クォードロータの場合には正方形板で形成されてもよい。ただし、これは1つの例に過ぎないために多様な変形が可能であり、汎用ロータを備えて円形板で形成されてもよい。
図2において、本体部100のメインボードは第1メインボード11と第2メインボード12が別途で構成され、第1メインボード11と第2メインボード12は4つの支持軸13で支持され、第1メインボード11と第2メインボード12の間の空間にはバッテリ14が位置する構成によって実現される例が示されている。
ここで、前記主制御モジュール、通信モジュール、およびセンサーモジュールは、第1メインボード11および第2メインボード12のうちのいずれか1つにすべてが配置されてもよく、2つのボード11,12に分散して配置されてもよい。また、図2は本体部100に対する1つの実施形態に過ぎないため、本体部100を構成するメインボード11,12およびバッテリ14は、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば多様な構造に変形して実現することができる。
他の一実施形態に係る本体部100は、前記主制御モジュール、通信モジュール、およびセンサーモジュールのうちの少なくとも1つを実装するメインボードのみで構成されてもよい。この場合、バッテリ14はフレーム部200に含まれてもよい。
図3は本発明の他の実施形態に係る無人飛行体の構造を示す図である。図3に示すように、本体部100は単一のメインボード11で構成されており、バッテリ14はフレーム部200の下段面に装着して無人飛行体の着地手段(またはランディングギヤ)の役割まで兼ねるように実現されてもよい。この場合、バッテリ14は無人飛行体の重量重心を中央部に近づくように設計するため、フレーム部200の下段面においてメインボード側に近づくように配置することが好ましい。
<フレーム部200の構成>
フレーム部200は、無人飛行体を動作させるために必要な各種モジュールのうちで前記制御器モジュール、通信モジュール、およびセンサーモジュールを除いた残りのモジュール(例えば、変速機モジュールなど)を実装するプリント回路基板(printed circuit board、以下「PCB」とする)で実現される。
図2に示すように、フレーム部200は全体的に「I」字型(または長方形状)のPCBで実現されてもよく、好ましくは駆動部300が装着する一終端と本体部100に固定する他の一終端を区分するために、駆動部300が装着する一終端を特に円形で形成してもよい。
フレーム部200は、バルサ材、ウッドロック(または発泡スチロール)、炭素繊維強化プラスチック、アルミニウム、PVC(Polyvinyl Chloride)材質で構成されてもよく、FR4(Frame Retardant 4)材質のPCB(以下「FR4 PCB」とする)で構成されてもよい。
バルサ材とウッドロックは重量が軽くて振動を多少吸収するという長所があり、炭素繊維強化プラスチックは耐久性と柔軟性に優れているという長所がある。また、アルミニウムは耐久性に優れていて衝撃に強い。
FR4材質のPCBはガラスとエポキシの混合材質で構成され、柔軟性に優れており、単面PCBおよび両面PCBとして活用が可能であり、価格が低廉で耐久性が高い。その他にも、絶縁粘着層の厚さを減少して熱抵抗を減らすことによって熱伝達力が優れ、金属層の両面特殊コーティングによって絶縁効果および放熱効果が優れている。
フレーム部200の材質としてFR4材質のPCBを用いて従来の無人飛行体で別途に実現された変速機(図1において30)とフレーム(図1において50)をフレーム部200に一体化させた場合、従来の無人飛行体と次のような重量比較の結果を得ることができる。
1つの実験条件の例において、無人飛行体のフレーム部200は厚さが2mm以下である両面FR4材質のPCBを用いるが、変速機とフレームを一体化させた構造で実現される。この場合、表1に示すように、従来の無人飛行体において約56(g)で実現された変速機+フレームの重量を約28(g)まで減少させることにより、変速機+フレームの重量を約50%も節減できることを確認することができる。
Figure 2012051545
一方、フレーム部200は、無人飛行体を地面に着地させるとき、安定的な姿勢を維持して着地衝撃を緩和するための着地手段21をさらに含んでもよい。すなわち、フレーム部200はPCBで実現されるため、通常は厚さが薄くて柔軟性が高いという特徴がある。これにより、次のような有用な特性を得ることができる。
すなわち、PCB材質のフレーム部200は、その特有の柔軟性により、小さい衝撃でもフレーム(図1の50)が折れるという短所を解決することができ、プロペラ回転時に発生するモータの振動をフレーム部200が自主的に吸収するため、メインボードに伝達する振動を減殺してセンサのエラーを最小化することができる。さらに、無人飛行体にカメラを装着して活用する場合、モータによる振動がフレーム部200を通過する間に減殺されてカメラに伝達する振動を最小化するため、高画質の映像および写真を得ることができる。
図4および図5は着地手段を追加した無人飛行体の実施形態をそれぞれ示す図である。図4に示すように、着地手段21は垂直の円筒形状で実現されてもよい。このとき、円筒形の着地手段21はフレーム部200の下段面に装着されるが、無人飛行体の重量を効果的に分散させるために、フレーム部200の長さ方向の中間地点に配置されることが好ましい。
さらに、図5に示すように、着地手段21は「U」字型または「U」字型の中間地点に支持台が備えられたフレーム形状で実現されてもよい。もちろん、必ずしもフレーム形状で実現される必要はなく、「U」形状の板で実現されてもよい。図5の着地手段21もフレーム部200の下段面に装着されるが、無人飛行体の重量を効果的に分散させるために、フレーム部200の長さ方向の中間地点に配置されることが好ましい。
図4および図5には示されていないが、着地手段21は多様な形態で実現されてもよい。すなわち、着地手段21を「コ」字型で実現し、図4に示す円筒形の着地手段21よりも床に接する面積を増加させることにより、フレーム部200を支持する役割だけではなく、無人飛行体の着陸時に外部衝撃を吸収して円滑に着陸できるようにするランディングギヤの役割も期待することができる。
また、着地手段21の材質としては、支持力と衝撃吸収力を同時に満たすように、スチロール、メモリーフォーム、または硬化スポンジを用いてもよく、このような材質は特に図4の着地手段21に適合する。さらに、図5の着地手段21に対しては、軽くて強度が高いPC(Polycarbonate、ポリカーボネート)またはFR4 PCBを用いて実現してもよい。
一方、フレーム部200は、一終端に装着した駆動部300の重量によってフレーム部200が曲がったり、風または気体の振動によってフレーム部200が歪む現象を防ぐための支持手段22をさらに含んでもよい。
図6は無人飛行体に支持手段を追加した構造の一例を示す図である。図6に示すように、支持手段22は「▽」形状または「V」字型で実現されてもよい。このとき、「▽」形状または「V」字型の支持手段22はフレーム部200の下段面に装着されるが、フレーム部200に最大限の支持力を提供するために、支持手段22の下段頂点がフレーム部200の長さ方向の中間地点に位置するように配置されることが好ましい。
図7および図8は支持手段22の他の一例を示す図である。支持手段22は図7の「I」字型および図8の「コ」字型の支持手段22で実現されてもよい。図7の支持手段22もフレーム部200の下段面に装着されるが、フレーム部200に最大限の支持力を提供するために、フレーム部200の長さ方向の中間地点に配置されることが好ましく、図8の支持手段22もフレーム部200の下段面に装着されるが、開放した両端部がフレーム部200の幅方向の両端部に位置するように配置されることが好ましい。
支持手段22の材質としては、フレーム部200を支持することができる支持力を満たしながらも軽いPC(Polycarbonate、ポリカーボネート)またはFR4材質のPCBを用いて実現してもよい。また、支持手段22は本発明の実施形態に限定されるものではなく、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、多様な形態に変形して実現することができる。
<駆動部300の構成>
駆動部300は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するモータ31と、モータ31の駆動力が印加されて無人飛行体に推力を発生させるプロペラ32とを含んで構成される。無人飛行体の推力発生原理および飛行制御原理は、従来の無人飛行体と同じである。
駆動部300はプロペラの安全カバーをさらに含んでもよい。プロペラ安全カバー33は、プロペラ32の動作に影響を与えずに周辺障害物からプロペラ32を保護する一方、周囲の人々をプロペラ32から保護する役割を担当する。
図9はプロペラの安全カバーが装着された無人飛行体の例を示す図である。図9に示すように、プロペラ安全カバー33は、上向が開放した半球のフレーム形状で実現され、モータ31が装着されたフレーム部200周辺に締結されてもよい。このとき、無人飛行体の全体重量に大きい影響を与えないように、最小限の支持フレームのみで実現することが好ましい。
図10はプロペラの安全カバー構造物を無人飛行体の着地手段として活用することを示す図である。すなわち、プロペラ安全カバー33は、必要に応じてフレーム部200から分離して無人飛行体の中央部の下段に図10のような形態で締結することにより、着地手段またはランディングギヤとして活用してもよい。
例えば、室内飛行時には周辺に障害物が多いため、モータが載置しているPCBフレーム周辺に締結してプロペラ安全カバーとして用い、室外飛行時には無人飛行体が離陸または着陸する底面が土や粗いアスファルトであるため、メインボードの背面に締結して着地手段およびランディングギヤとして用いてもよい。
プロペラ安全カバー33は軽くて強度が高いPC、カーボン、PVCなどの材質で実現してもよく、図9の形状の他にも1つの支持フレームを有するリング形態で実現したり、四角柱の形態などとして多様に実現してもよい。
以上、本体部100に主制御モジュール、通信モジュール、およびセンサーモジュールのうちの少なくとも1つが実装され、フレーム部200にこれを除いた残りのモジュール(例えば、副制御モジュール、変速モジュール)が実装される実施形態について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、前記モジュールの実装位置は、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば容易に変更することができる。
特に、電力用FETなどのような発熱素子は、フレーム部200においてプロペラ32に近接した位置に配置することにより、プロペラの回転によって発生する風によって前記発熱素子の熱を冷ますことが好ましい。これにより、発熱によるPCBの故障および飛行制御のエラーなどを防ぐ一方、長期的には無人飛行体の寿命を延ばすことができる。
さらに、以上ではマルチロータの代表的な例としてクォードロータを例示して説明し、本体部100とフレーム部200が個別に提供される実施形態について説明したが、本体部100とフレーム部200が1つのPCBで一体化して提供されてもよい。この場合、クォードロータの例を挙げれば、正方形の十字架の形態で1つの基板からなる本体(図示せず)と駆動部(図示せず)とに区分されるだけである。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、添付する特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。
(効果について)
本発明の実施形態によれば、本体部のメインボードに実装される各種構成モジュール以外の他のモジュールをフレーム部に分散して実装することにより、無人飛行体の構造を単純化して全体的な大きさを小型化することができる。
また、フレーム部をPCBで実現することによってメインボードの各種構成モジュールとフレーム部に分散したモジュールの間に有線の連結ケーブルを除去することができるため、無人飛行体の構造を単純化することができる。
また、フレーム部をPCBで実現することによってフレーム部が軽量化し、小さい推力によって飛行が可能になるため、モータの特性に係わらずに多様なモータを適用することができ、軽量の無人飛行体を駆動するために比較的に低価仕様のモータとプロペラを用いることができるために無人飛行体の製作費用を節減することができる。特に、フレームと変速機を別途に実現する方式に比べてPCBに一体化する場合には部品の単価が低くなるため、製作費用を節減することができる。
さらに、フレーム部の軽量化によって無人飛行体の総重量が減少するため、減少した重量だけカメラや照明などの補助機器を追加して装着することにより、人間を代替する装備として多様な分野で活用することができる。
11:第1メインボード、12:第2メインボード、13:支持軸、14:バッテリ、21:着地手段、22:支持手段、31:モータ、32:プロペラ、33:安全カバー、100:本体部、200:フレーム部、300:駆動部

Claims (13)

  1. 本体部と、前記本体部に一終端が結着して無人飛行体の全体的な形状を構成する複数のフレーム部と、複数の前記フレーム部の他の一終端に装着して飛行のための推力を発生させる駆動部と、
    を含んで構成され、
    前記フレーム部はプリント回路基板からなる、
    ことを特徴とする無人飛行体。
  2. 請求項1記載の無人飛行体であって、
    前記本体部は、飛行制御のための制御器モジュールと外部の通信装置とデータを授受するための通信モジュールのうちの少なくとも1つが実装されるプリント回路基板形態のメインボードを含む、
    ことを特徴とする無人飛行体。
  3. 請求項2記載の無人飛行体であって、
    前記本体部は、前記本体部、前記フレーム部、および前記駆動部に電源を供給するためのバッテリをさらに含む、
    ことを特徴とする無人飛行体。
  4. 請求項3記載の無人飛行体であって、
    前記本体部は複数のメインボードを含み、
    前記複数のメインボードは複数の支持軸によって所定の間隔をおいて支持され、前記所定の間隔部位に前記バッテリが配置される、
    ことを特徴とする無人飛行体。
  5. 請求項2記載の無人飛行体であって、
    前記フレーム部の一面には、前記本体部、前記フレーム部、および前記駆動部に電源を供給するためのバッテリが装着される、
    ことを特徴とする無人飛行体。
  6. 請求項1記載の無人飛行体であって、
    前記フレーム部は、前記駆動部の変速のための変速機モジュールを含み、
    前記変速機モジュールと前記メインボードの制御器モジュールはプリントされた回路線によって連結される、
    ことを特徴とする無人飛行体。
  7. 請求項1記載の無人飛行体であって、
    前記フレーム部は、前記無人飛行体が地面から一定の高さで離隔して着地するように前記飛行体を支持する着地手段をさらに含む、
    ことを特徴とする無人飛行体。
  8. 請求項7記載の無人飛行体であって、
    前記着地手段は、着地衝撃を緩和させるためのスポンジ材質、スチロール材質、メモリフォーム材質のうちの1つで構成される、
    ことを特徴とする無人飛行体。
  9. 請求項1記載の無人飛行体であって、
    前記フレーム部の下部面には、前記無人飛行体のフレーム部の曲がりおよび歪みを防ぐ支持手段がさらに装着される、
    ことを特徴とする無人飛行体。
  10. 請求項9記載の無人飛行体であって、
    前記支持手段は、PC(Polycarbonate)またはFR4(Frame Retardant 4)のうちの1つの材質で構成される、
    ことを特徴とする無人飛行体。
  11. 請求項1記載の無人飛行体であって、
    前記フレーム部において、前記駆動部が装着された方向の一側には、所定の大きさ以上の発熱量を有する電子素子が配置される、
    ことを特徴とする無人飛行体。
  12. 請求項1記載の無人飛行体であって、
    前記本体部と前記フレーム部のうちの少なくとも1つは、FR4材質のプリント回路基板からなる、
    ことを特徴とする無人飛行体。
  13. 請求項1記載の無人飛行体であって、
    前記本体部と前記フレーム部は、単一のプリント回路基板で一体化して実現される、
    ことを特徴とする無人飛行体。
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