JP2012245831A - 小型無人飛行機の組立構造 - Google Patents

Abstract

【課題】手投げ発進等に好適で分解して個人携行が可能な小型軽量化を実現すると共に、十分な操舵再現性を有する小型無人飛行機の組立構造を提供することにある。
【解決手段】無尾翼型の空力面を有する全翼機型の主翼と、前記主翼の後縁部左右両側に配設された操舵翼と、少なくとも一の推進手段と、を具える小型無人飛行機において、前記主翼が、中央翼と、その中央翼の両端部にそれぞれ着脱可能に固定された二枚の外翼とを具え、前記操舵翼が、前記中央翼の後縁部の左右両端部のみに配設されていることを特徴とする、小型無人飛行機の組立構造である。
【選択図】図１

Description

この発明は、携行型の小型無人飛行機に関するものであり、特には機体を分解して運搬し、飛行を行う現場にて組み立てて離着陸運用を行う組立式の小型無人飛行機の組立構造に関するものである。

小型の無人飛行機（ＵＡＶ）は一般に、場所を選ばず離着陸できることを特徴としている。特に、携行型の小型無人飛行機においては、機体を分解して運搬し、現場で組み立てて発進をさせるという方法を採るのが通常である。

ところで、飛行機を操舵するための操舵翼としては、主翼に取り付けられるエルロンやフラップ、そして尾翼に取り付けられるエレベータやラダーがある。また飛行機には大別して、尾翼を有する形態と無尾翼の形態との２種類が存在する。

細かい飛行制御を必要としない尾翼式航空機では、エレベータとラダーのみの操舵翼で機体を制御する。小型の尾翼式航空機ではこの形式で既に実用化がなされている。

一方、無尾翼式航空機では、主翼に取り付けられた左右１式のエレボンがエルロンとエレベータの役割を兼ねる場合と、複数の操舵翼を主翼に配置してエルロン、エレベータ、さらにはフラップの機能を別個に持たせる場合とがある。

このように、制御性の必要な尾翼式航空機や無尾翼機では主翼に操舵翼を搭載する必要がある。

無尾翼式小型無人機の従来の製品としては「（製品名）ドラゴンアイ」（Ｄｒａｇｏｎ Ｅｙｅ：ＡｅｒｏＶｉｒｏｎｍｅｎｔ社製）が知られている。この無人飛行機は、プロペラを設けられた中央翼を持つ胴体、左右外翼、垂直安定板およびセンサ部の４つの部位から構成されており、使用時にこれらの部位を組み合わせることで機体を組み立てて飛行させる方式となっている（非特許文献１参照）。

機体の姿勢を制御するための操舵翼は、外翼に取り付けられており、組立時に、中央翼を持つ胴体に配置してあるコントロールサーボに機械的に接続して駆動力を伝達する。ちなみに、ここでの垂直安定板は垂直尾翼と似ているが、操舵翼を持たないので尾翼でなく安定板に分類される。

なお、このほかに、外翼にコントロールサーボを搭載し、組立時に中央翼を持つ胴体に電気的に接続して操舵翼を操舵する方式も考えられる。

ＡｅｒｏＶｉｒｏｎｍｅｎｔ社ホームページ ２０１１年５月２４日ダウンロード、ドラゴンアイ紹介サイトhttp://www.avinc.com/uas/small_uas/dragon_eye/、http://heron.nrl.navy.mil/contracts/closed/01ms01/presentation.pps

しかしながら、先に述べたように主翼に操舵翼を配置した組立式の飛行機の場合、その操舵翼を外翼に取り付けているため以下のような問題が生ずる。
１）組立時にコントロールサーボと操舵翼とを着脱可能に連結するための連結機構が必要になり、重量が増加する。
２）繰り返し運用での分解組立により操舵の再現性が低下する可能性がある。
３）着地の際に、操舵翼周りの重量で外翼が地面と接触する機会が多く発生する。
４）着地の際に、操舵翼周りの重量で外翼への衝撃モーメント荷重も大きくなる。
５）これらの原因によって外翼が変形して操舵の再現性が低下する可能性がある。
６）上記問題を避けるために外翼の操舵翼周りをより強固な構造にすると、重量増加になり、このことは、携行型の小型無人航空機の軽量化にとって支障となる。

それゆえこの発明は、手投げ発進等に好適で分解して個人携行が可能な小型軽量化を実現すると共に、十分な操舵再現性を有する小型無人飛行機の組立構造を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するこの発明の小型無人飛行機の組立構造は、無尾翼型の空力面を有する全翼機型の主翼と、前記主翼の後縁部左右両側に配設された操舵翼と、少なくとも一の推進手段と、を具える小型無人飛行機において、前記主翼が、中央翼と、その中央翼の両端部にそれぞれ着脱可能に固定された二枚の外翼とを具え、前記操舵翼が、前記中央翼の後縁部の左右両端部のみに配設されていることを特徴とするものである。

かかるこの発明の小型無人飛行機の組立構造を持つ小型無人飛行機にあっては、例えば手投げやランチャーでの発進等によって離陸し、少なくとも一の推進手段によって推力を得るとともに、主翼の後縁部左右両側に配設された操舵翼の作動や推進手段の推力の調節によって上昇、下降、旋回等を行い、胴体着陸などによって着陸あるいは着水する。

従って、この発明の小型無人飛行機の組立構造を持つ小型無人飛行機によれば、自在な飛行が可能であり、しかも、全翼機型の主翼を持つことから、全長が短くなるとともに全幅も抑えられるので、手投げ発進等に好適で個人携行が可能な小型軽量化を実現することができる。

さらに、この発明の小型無人飛行機の組立構造によれば、主翼が、中央翼と、その中央翼の両端部にそれぞれ着脱可能に固定された二枚の外翼とを具え、操舵翼が、その中央翼の後縁部の左右両端部のみに配設されているので、機体の組立時に操舵用サーボモータと操舵翼とを着脱可能に連結するための連結機構が不要になって、主翼を軽量化できるとともに、繰り返し運用での外翼の分解組立で操舵の再現性が低下することがなくなり、しかも着地の際に外翼が地面と接触する機会が減少するとともに外翼への衝撃モーメント荷重も小さくなるため、外翼が変形して操舵の再現性が低下する可能性が減少するので、その組立構造を持つ小型無人飛行機について、手投げ発進等に好適で分解して個人携行が可能な小型軽量化を実現することができると共に、十分な操舵再現性を有することができる。

なお、この発明の小型無人飛行機の組立構造においては、前記外翼は前記中央翼に、それら外翼と中央翼とに突設された掛合部に巻き掛けられたゴムバンドで固定されていても良い。かかる小型無人飛行機の組立構造によれば、中央翼への外翼の分離可能な固定を、軽量かつ安価で容易に分離可能な構造で行うことができる。

一方、この発明の小型無人飛行機の組立構造においては、前記外翼は前記中央翼に、それら外翼と中央翼との何れか一方に設けられた雌ネジ部と他方に設けられた雄ネジ部との螺合によって固定されていても良い。かかる小型無人飛行機の組立構造によれば、中央翼への外翼の分離可能な固定を、軽量かつ強固な構造で行うことができる。

さらに、この発明の小型無人飛行機の組立構造においては、前記推進手段は、前記中央翼の前縁部の左右両端部に配設されたプロペラを有していても良い。かかる小型無人飛行機の組立構造によれば、推進手段のプロペラの後流が操舵翼に流れて左右の操舵翼で制御されるので、左右の操舵翼の制御と左右のプロペラの推力制御とを組み合わせることで、高度な機動性を持ち、高い飛行性能あるいは操縦性を有する無人飛行機を実現することができ、しかも機体の組立時に制御手段と推進手段とを着脱可能に接続するためのコネクタが不要になるので、この点でも主翼を軽量化することができる。

（ａ），（ｂ），（ｃ）は、この発明の小型無人飛行機の組立構造の一実施例を示す平面図、正面図および側面図である。 上記実施例の組立構造を持つ小型無人飛行機を斜め前方かつ上方から見た状態で示す斜視図である。 上記実施例の小型無人飛行機の組立構造を示す分解斜視図である。 上記実施例の組立構造を持つ小型無人飛行機の制御系を示す説明図である。 上記実施例の小型無人飛行機の組立構造の主要部を一部切り欠いて示す分解平面図である。 上記実施例の組立構造を持つ小型無人飛行機の着地の際の外翼の分離状態を示す正面図である。 この発明の小型無人飛行機の組立構造の他の一実施例の主要部を一部切り欠いて示す分解平面図である。

以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、この発明の小型無人飛行機の組立構造の一実施例を示す平面図、正面図および側面図、図２は、上記実施例の組立構造を持つ小型無人飛行機を斜め前方かつ上方から見た状態で示す斜視図、図３は、上記実施例の小型無人飛行機の組立構造を示す分解斜視図、図４は、上記実施例の組立構造を持つ小型無人飛行機の制御系を示す説明図である。

この実施例の組立構造を持つ小型無人飛行機は、図１乃至図３に示すように、主翼１と、操舵翼としての左右二枚のエレボン２と、左右二枚の垂直安定板３と、胴体４と、センサ部５と、推進手段としての左右二つのプロペラ６とを具えるとともに、図４に示すように、左右二つの駆動用モータ７と、左右二つの操舵用サーボモータ８と、自動操縦用の中央処理ユニット（ＣＰＵ）ボード９と、バッテリ１０と、センサ１１とを具えている。

主翼１は、全翼機型のもので、下面がほぼ平らになるキャンバー翼型をなすとともに翼端に向けてテーパ状に細くなっていて、翼前縁が後退角を持つ、低縦横比で無尾翼型の空力面を有するもの（例えばＮＡＣＡ２４０８修正型のもの）であって、中央翼１２と、その中央翼１２の両端部にそれぞれ着脱可能に固定された二枚の外翼１３とを具えており、この実施例の組立構造では、左右二枚のエレボン２は、その中央翼１２の後縁部の左右両端部にそれぞれそのエレボン２の前端部を図示しないヒンジで支持されて上下方向へ揺動可能に配設され、左右二枚の垂直安定板３は、二枚の外翼１３の翼端にそれぞれ立設固定されている。

胴体４は、緩衝材としての発泡スチロールで全体を形成されるとともに、中央翼１２の中央部下面に着脱可能に固定されており、胴体４の底部４ａは、前部と後部とが上がって概略そり状に形成されている。センサ部５はその胴体４の前端に着脱可能に装着されており、センサ部５内には飛行目的に応じたセンサ１１が搭載されている。

左右二つのプロペラ６は、各々基部で弾性的に折り曲げ可能なフォールディングタイプとされ、中央翼１２の前縁部の左右両端部にそれぞれ配置されて、中央翼１２内に搭載された左右二つの駆動用モータ７により、例えば互いに逆方向に回転駆動される。中央翼１２内には、左右二つの操舵用サーボモータ８も搭載されており、左右二枚のエレボン２は、それらの操舵用サーボモータ８により揺動駆動される。左右二つの駆動用モータ７はそれぞれ、モータドライバ１４およびコネクタ１５を介して中央処理ユニット（ＣＰＵ）ボード９に接続され、左右二つの操舵用サーボモータ８もコネクタ１５を介してＣＰＵボード９に接続されている。

ＣＰＵボード９とバッテリ１０とは、胴体４内に搭載されており、ＣＰＵボード９はＣＰＵの他、メモリやインターフェース等を搭載していて、バッテリ１０から給電されて作動し、あらかじめメモリ内に記憶したプログラムに基づき、モータドライバ１４を介して左右の駆動用モータ７をそれぞれ作動させて左右のプロペラ６を例えば互いに逆回転させることにより機体に推力を与えるとともに、操舵用サーボモータ８を作動させて左右のエレボン２をそれぞれ上下方向へ揺動させることにより機体を昇降制御および操舵して、当該小型無人飛行機をあらかじめ任意に設定された航路に沿って自動操縦で飛行させ、さらに、その飛行中にセンサ１１が取得した周囲の状況等の情報をそのセンサ１１からコネクタ１６を介して取り込んでメモリ内に記憶する。

従って、この小型無人飛行機によれば、例えば手投げやランチャーでの発進等によって離陸し、左右のプロペラ６によって推力を得るとともに垂直安定板３で方向を安定させ、左右のエレボン２の作動やプロペラ６の推力の調節によって上昇、下降、旋回等を行い、あらかじめ任意に設定された航路に沿って自動操縦で飛行して周囲の状況等の情報を記憶した後、胴体着陸などによって着陸あるいは着水することができる。

しかも、この小型無人飛行機によれば、低縦横比の全翼機型の主翼１を持つことから、全長が短くなるとともに全幅も抑えられるので、手投げ発進等に好適で個人携行が可能な小型軽量化を実現することができ、また、主翼１の前方に配設されたプロペラ６からの後流が主翼１の表面に沿う気流を早めるので、大きな揚力を得ることができ、その後流をエレボン２が受けて後方斜め上方へ向けるので、推力増加時の頭下げモーメントを後下げモーメントで釣り合わせて機体の飛行安定性を高めることができる。

図５は、この実施例の小型無人飛行機の組立構造の主要部を一部切り欠いて示す分解平面図であり、図５に拡大して示すとともに、図３，４にも示すように、中央翼１２と、その中央翼１２の両端部に固定された二枚の外翼１３との少なくとも一方、この実施例では二枚の外翼１３の端面にはそれぞれ接続パイプ１７および位置決めピン１８が、他方である中央翼１２の端面に向けて突設固定されており、中央翼１２の端面には、それらの接続パイプ１７および位置決めピン１８にそれぞれ嵌合する筒状部１９および前後方向に僅かに長円状をなす凹部２０が形成されている。ここで、接続パイプ１７の長手方向中央部の外周面には、図示しない周方向溝が形成されており、これにより接続パイプ１７は、通常の飛行時を大きく越える曲げモーメントが加わると、その周方向溝の位置で応力集中により破断するよう構成されている。

また、図５に拡大して示すとともに、図１〜４にも示すように、中央翼１２と、その中央翼１２の両端部に固定された二枚の外翼１３との少なくとも一方、この実施例では中央翼１２の両端部の上面および下面にはそれぞれ、二本のネジ２１で固定された押さえ金具２２で輪ゴム２３が装着され、また、他方である二枚の外翼１３の基端部の上面および下面にはそれぞれ、中央翼１２の両端部の輪ゴム２３が掛かる位置に二本のネジ２４が立設されていて、輪ゴム２３はそれらのネジ２１，２４に巻き掛けられている。

従って、この実施例の小型無人飛行機の組立構造によれば、主翼１が、中央翼１２と、その中央翼１２の両端部にそれぞれ着脱可能に固定された二枚の外翼１３とを具え、操舵翼としてのエレボン２が、その中央翼１２の後縁部の左右両端部のみに配設されているので、機体の組立時に操舵用サーボモータ８とエレボン２とを着脱可能に連結するための連結機構が不要になって、主翼１を軽量化できるとともに、繰り返し運用での外翼１３の分解組立で操舵の再現性が低下することがなくなり、しかも外翼１３が軽量化することから、着地の際に外翼１３が地面と接触する機会が減少するとともに、例え図６に示すように垂直安定板３が地面Ｇと接触し、あるいは外翼１３が地面Ｇと接触しても、外翼１３への衝撃モーメント荷重が小さくなるため、外翼１３が変形して操舵の再現性が低下する可能性が減少するので、この点からも、手投げ発進等に好適で分解して個人携行が可能な小型軽量化を実現することができると共に、十分な操舵再現性を有することができる。

さらに、この実施例の小型無人飛行機の組立構造によれば、外翼１３は中央翼１２に、それら外翼１３と中央翼１２とに突設された掛合部としてのネジ２１，２４に巻き掛けられたゴムバンドとしての輪ゴム２３で固定されているので、中央翼１２への外翼１３の分離可能な固定を、軽量かつ安価で容易に分離可能な構造で行うことができる。

さらに、この実施例の小型無人飛行機の組立構造によれば、推進手段は中央翼１２の前縁部の左右両端部に配設されたプロペラ６を有していることから、推進手段のプロペラ６の後流がエレボン２に流れて左右のエレボン２で制御されるので、左右のエレボン２の制御と左右のプロペラ６の推力制御とを組み合わせることで、高度な機動性を持ち、高い飛行性能あるいは操縦性を有する無人飛行機を実現することができ、しかも機体の組立時に制御手段としてのＣＰＵボード９と推進手段としての駆動用モータ７とを接続するコネクタ１５を、ＣＰＵボード９と操舵用サーボモータ８とを接続するコネクタと共用し得て、それぞれのモータ専用のコネクタが不要になるので、この点でも主翼を軽量化することができる。

図７は、この発明の小型無人飛行機の組立構造の他の一実施例の主要部を一部切り欠いて示す分解平面図であり、この実施例の組立構造では、先の実施例におけるネジ２１，２４、押さえ金具２２および輪ゴム２３の代わりに、外周面に軸方向に延在する多数の刻みを形成したネジ回し円盤２５を同一軸線上に一体に持つ雄ネジ部としての雄ネジ軸２６を、外翼１３と中央翼１２との何れか一方、図では中央翼１２の端面に回転自在に、かつネジ回し円盤２５の外周部が中央翼１２の上面または下面から僅かに突出するように支持するとともに、外翼１３と中央翼１２との他方、図では外翼１３の端面に、雄ネジ軸２６と螺合する雌ネジ部としての雌ネジ２７を形成している。

また、この実施例の組立構造では、接続パイプ１７は、通常の飛行時を大きく越える曲げモーメントが加わっても容易に破断しないように、外周面中央部に周方向溝を持たない構成とされており、他の点では、先の実施例の組立構造と同様の構成を具えている。

かかる実施例の組立構造によれば、先の実施例と同様の作用効果が得られるのに加えて、外翼１３が中央翼１２に、それら中央翼１２に設けられた雄ネジ軸２６を外翼１３に設けられた雌ネジ２７との螺合によって固定され、しかも接続パイプ１７が容易に破断しないので、中央翼１２への外翼１３の分離可能な固定を、軽量かつ強固な構造で行うことができる。なお、雌ネジ２７に対する雄ネジ軸２６の着脱は、中央翼１２の上面または下面から僅かに突出するネジ回し円盤２５の外周部の刻みに指あるいは爪を掛けてネジ回し円盤２５を回転させることで容易に行うことができる。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上記例に限定されるものでなく、例えば、推進手段は、小型のジェットエンジンやロケットエンジン等としても良く、その場合に、機体の左右方向中央部に一台だけ搭載しても良い。さらにこの発明においては、例えば、胴体底部を耐磨耗性のフィルム等で覆っても良く、このようにすれば、着陸あるいは着水時の機体の損傷をより有効に防止することができる。

そしてこの発明においては、小型無人飛行機が、ＣＵＰボードによる自律飛行でなく、あるいはそれに加えて、無線操縦によって推進手段やエレボンあるいは可動フラップ等を制御することで飛行するようにしても良い。

かくしてこの発明の小型無人飛行機の組立構造を持つ小型無人飛行機によれば、自在な飛行が可能であり、しかも、全翼機型の主翼を持つことから、全長が短くなるとともに全幅も抑えられるので、手投げ発進等に好適で個人携行が可能な小型軽量化を実現することができる。

さらに、この発明の小型無人飛行機の組立構造によれば、機体の組立時に操舵用サーボモータと操舵翼とを着脱可能に連結するための連結機構が不要になって主翼を軽量化できるとともに繰り返し運用での外翼の分解組立で操舵の再現性が低下することがなくなり、しかも外翼を軽量化できることから、着地の際に外翼が変形して操舵の再現性が低下する可能性が減少するので、その組立構造を持つ小型無人飛行機について、手投げ発進等に好適で分解して個人携行が可能な小型軽量化を実現することができると共に、十分な操舵再現性を有することができる。

１ 主翼
２ エレボン
３ 垂直安定板
４ 胴体
４ａ 底部
５ センサ部
６ プロペラ
７ 駆動用モータ
８ 操舵用サーボモータ
９ ＣＰＵボード
１０ バッテリ
１１ センサ
１２ 中央翼
１３ 外翼
１４ モータドライバ
１５，１６ コネクタ
１７ 接続パイプ
１８ 位置決めピン
１９ 筒状部
２０ 凹部
２１，２４ ネジ
２２ 押さえ金具
２３ 輪ゴム
２５ ネジ回し円盤
２６ 雄ネジ軸
２７ 雌ネジ

Claims (4)

1. 無尾翼型の空力面を有する全翼機型の主翼と、
   前記主翼の後縁部左右両側に配設された操舵翼と、
   少なくとも一の推進手段と、
   を具える小型無人飛行機において、
   前記主翼が、中央翼と、その中央翼の両端部にそれぞれ着脱可能に固定された二枚の外翼とを具え、
   前記操舵翼が、前記中央翼の後縁部の左右両端部のみに配設されていることを特徴とする、小型無人飛行機の組立構造。
2. 前記外翼は前記中央翼に、それら外翼と中央翼とに突設された掛合部に巻き掛けられたゴムバンドで固定されていることを特徴とする、請求項１記載の小型無人飛行機の組立構造。
3. 前記外翼は前記中央翼に、それら外翼と中央翼との何れか一方に設けられた雌ネジ部と他方に設けられた雄ネジ部との螺合によって固定されていることを特徴とする、請求項１記載の小型無人飛行機の組立構造。
4. 前記推進手段は、前記中央翼の前縁部の左右両端部に配設されたプロペラを有していることを特徴とする、請求項１または２記載の小型無人飛行機の組立構造。

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