JP2017190091A - トレイ型マルチコプター - Google Patents

Abstract

【課題】トレイを上下逆さまにした形状の固定翼を有するマルチコプターを提供する。
【解決手段】４つ以上のローターを有し、それぞれのローターの回転速度をフライトコントローラーにより制御するマルチコプターを利用する。マルチコプターの本体の中央部分に、トレイを上下逆さまにした様な形状の固定翼１を取り付ける。固定翼は、鉛直方向への空気抵抗が大きく、機体を浮揚させるのに要するエネルギー消費を減らす効果があるが、空中での姿勢が不安定になり易いので、フライトコントローラーにより、機体の姿勢制御を行う。姿勢制御用ローター２とは別に、１つ以上の推進用ローター７を有し、推進用ローターと推力と固定翼の揚力を利用して上昇を行う。これは、プロペラ型固定翼機と類似した飛行方法である為、プロペラ型固定翼機と同等の高い輸送能力を持つことが期待できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、トレイを上下逆さまにした形状の固定翼を有するマルチコプターに関する。

近年、ドローンと呼ばれる、自律動作、もしくは遠隔操作によって飛行を行う、無人航空機が普及している。特に、カメラを搭載し、無線制御で遠隔操作を行うマルチコプター型の小型ドローンは、玩具やホビー用品として、安価で販売されており、誰でも簡単に入手可能である。マルチコプターは、ヘリコプターの一種であり、複数のローターと呼ばれる回転翼によって飛行する。玩具やホビー用ドローンの多くは、ローターが４つのクアッドコプターと呼ばれるタイプのマルチコプターであり、特に、ローターが本体に対してX型に取り付けられているクアッドエックス型のクアッドコプターが最も普及している。

マルチコプターの多くは、飛行の制御に、サイクリックピッチ機構のような、回転中のプロペラの角度を変える機構を使用しない。全てのローターの回転数を適度に増減させることにより、機体の上昇、もしくは下降を行う。機体の前後左右への横移動、回転等の飛行動作を行う場合は、それぞれのローターの回転数に、適度の差を付けて行う。クアッドコプターの多くは、固定ピッチのローターを利用し、左右、もしくは前後に隣り合うローターの回転方向が逆方向になるように回転させ、回転の反作用を打ち消しあっている。

近年、MEMSと呼ばれる集積化技術を用いた、ジャイロスコープ、および加速度センサーがスマートフォン向けに普及しており、マルチコプターの機体の制御にも利用されている。通常、MEMSを利用したジャイロスコープや加速度センサーは、フライトコントローラーと呼ばれる飛行制御システムに組み込まれる。フライトコントローラーは、中央処理装置〈CPU）を内蔵し、センサーが検出した現在の機体の姿勢を元にして、新しい姿勢へ向かうためにローターの回転数等の計算を行い、４つのローターの回転数を適度に変化させることにより、機体の姿勢の制御を行う。

特許公開２００９−１４３５１３号における公開特許公報において、 円盤状飛行機が開示されている。

特許公開２００９−５０４５０９号における公表特許公報において、円盤状飛行回転翼機装置が開示されている。

特許公開２００９−１４３５１３号公報 特許公開２００９−５０４５０９号公報

小型のマルチコプターの殆どは、リチウムイオンポリマーバッテリーを起電力にして、ローターに接続された電動モーターを回転させる。しかし、マルチコプターの電動モーターは、機体を浮揚させるために高速回転させる必要があるため、消費電力が大きい。その為、小型のマルチコプターの殆どは、飛行時間が数分程度である。

貨物や人を運搬する様な大型のマルチコプターの場合、動力に電動モーターを利用する様な機種は、殆ど実用化されていない。マルチコプターの場合、ローターの推力を使って上昇する必要が有る為、翼の揚力を利用して上昇する固定翼機と比べて輸送能力が低い。そのため、大型のマルチコプターには、動力に内燃機構（エンジン）を利用している機種が殆どである。

本発明では、４つ以上のローターを備えるマルチコプターを利用する。そして、上記マルチコプターの本体の中央部分に、トレイを上下逆さまにした形状の固定翼を取り付ける。

上記固定翼の外周よりも外側には、上記４つのローターを、上記本体の中心から放射状に配置する。本発明においては、上記ローターは、主に姿勢制御に利用する為、これ以降、姿勢制御用ローターと定義する。上記姿勢制御用ローターは、従来のマルチコプターのローターと同様に、上記本体の上下方向に対して垂直に回転する様に設置する。

本発明では、上記姿勢制御用ローターとは別に、１つ以上の推進用ローターを上記本体に接続する。上記推進用ローターは、上記本体の前後方向に対して垂直に回転する様に設置する。すなわち、上記推進用ローターのローター軸が、上記本体の前後方向と平行になる様に設置する。

本発明では、中央処理装置や姿勢制御に必要なセンサーを備えた、フライトコントローラーを上記本体に組み込む。上記フライトコントローラーは、マルチコプター用として、一般的に普及している製品を利用する。

本発明では、上記固定翼の鉛直方向への空気抵抗が大きい為、一般的なマルチコプターと比べて、高度を維持するのに要するエネルギー消費を小さくする効果が期待できる。また、本発明のマルチコプターを緩やかに降下させる場合、上記固定翼の鉛直空気抵抗が大きい為、一般的なマルチコプターと比べて、降下する際に必要なローターの回転速度を低く抑えることが出来るので、エネルギー消費を小さくする効果が期待できる。

本発明では、上記マルチコプターは、上記推進用ローターの推進力と、上記固定翼の揚力を利用しながら上昇する。これは、一般的なマルチコプターが、ローターの推力で、機体を持ち上げながら移動する点とは異なり、プロペラ型固定翼機と類似した飛行方法である為、プロペラ型固定翼機と同等の高い輸送能力を持つことが期待できる。

本発明では、上記固定翼の下方向への空気抵抗が大きい為、飛行中の姿勢が不安点になり易い。しかし、上記フライトコントローラーが、コンピューター制御により、姿勢を安定させる為、比較的、容易に操縦できる効果が期待できる。

トレイ型マルチコプターの正面図である。 トレイ型マルチコプターの背面図である。 トレイ型マルチコプターの左側面図である。 トレイ型マルチコプターの右側面図である。 トレイ型マルチコプターの平面図である。 トレイ型マルチコプターの底面図である。

本発明の一実施形態のマルチコプターにおいて、図１は正面図を示し、図２は背面図を示し、図３は左側面図を示し、図４は右側面図を示し、図５は平面図を示し、図６は底面図を示すものである。

本実施例では、クアッドコプターと呼ばれる、４つの姿勢制御用ローター２を備えたマルチコプターを利用する。本実施例のマルチコプターは、操縦者が搭乗していないタイプの小型のマルチコプターであり、操縦者は、プロポーショナル式送信機を用いて、2.4ギガヘルツ帯の無線通信により、本実施例のマルチコプターの遠隔操作を行う。本実施例のマルチコプターは、本体５に組み込まれた受信機によって、操縦者の指示を受信すると、本体５に組み込まれたフライトコントローラーの制御により、指示に従った飛行を行う。

４つの姿勢制御用ローター２は、本体５の中心から放射状に、右前方、左前方、右後方、そして左後方の４か所に配置される。姿勢制御用ローター２は、ローター軸により、姿勢制御用ブラシレスモーター３と接続される。姿勢制御用ブラシレスモーター３は、姿勢制御用ローター用アーム１０により、本体５に接続される。

姿勢制御用ローター２の回転方向は、隣接する姿勢制御用ローター２と回転方向が逆になる様に回転させる。これは、姿勢制御用ローター２の回転の反作用によって、回転方向とは逆方向の運動が機体に生じるのを、隣接する姿勢制御用ローター２の回転方向を逆方向に回転させることにより、打ち消すためである。本実施例においては、左前方の右後方の姿勢制御用ローター２の回転方向は、上から見て時計回りであり、右前方の左後方の姿勢制御用ローター２の回転方向は、上から見て反時計回りである。

姿勢制御用ブラシレスモーター３は、姿勢制御用ESC（Electronic Speed Controller）４と電気的に接続される。本体５に組み込まれたフライトコントローラーは、姿勢制御用ESC（Electronic Speed Controller）４の制御を行い、姿勢制御用ブラシレスモーター３の回転速度を変化させる。

姿勢制御用ESC（Electronic Speed Controller）４は、本体５に組み込まれたリチウムイオンポリマーバッテリーから、本体５に組み込まれた配電盤を経由して、電力の供給を受ける。

推進用ブラシレスモーター８は、ローター軸により、推進用ローター７と接続される。推進用ブラシレスモーター８は、推進用ローター用アーム１１により、本体５に接続される。推進用ブラシレスモーター８は、推進用ESC（Electronic Speed Controller）９と電気的に接続される。推進用ブラシレスモーター８は、本体５に組み込まれたフライトコントローラーの指示を受けた、推進用ESC（Electronic Speed Controller）９の制御により、回転速度を変化させる。

推進用ESC（Electronic Speed Controller）９は、本体５に組み込まれたリチウムイオンポリマーバッテリーから、本体５に組み込まれた配電盤を経由して、電力の供給を受ける。電力の供給を受けた、推進用ESC（Electronic Speed Controller）９には、BEC(Battery Eliminator Circuit）と呼ばれる電圧降下回路が付属しており、電圧降下を行うことにより、本体５に組み込まれたフライトコントローラーや受信機に電力を供給する。

固定翼１は、トレイを上下逆さまにした形状の翼であり、本実施例では、フライングディスクと類似した形状である。固定翼１は、フライングディスクの様に回転することはない。その為、固定翼１は、中心点に対して点対称である必要はない。しかし、固定翼１は、鉛直方向への空気抵抗が大きく回転しない為、空中で姿勢を維持するのは困難である。本実施例では、本体５に組み込まれたフライトコントローラーが、４つの姿勢維持用ローターの回転速度を制御することにより、姿勢を維持する。

本実施例の支柱６の形状は、円筒である。支柱６の一端を固定翼１に接続し、他端を本体５に接続することにより、固定翼１を支持する。

本実施例のマルチコプターは、従来のマルチコプターと同様に、ホバリング、上昇、下降、前後左右への横移動、回転等の飛行動作を行うことが可能である。

一般的なマルチコプターが上昇する場合、すべての姿勢制御用ローターの回転速度を上げて、その推力を利用して上昇を行う。しかしながら、本実施例のマルチコプターは、固定翼１の揚力と推進用ローター７の推進力を利用して上昇を行うことも可能である。固定翼１の揚力と推進用ローター７の推進力を利用して上昇する場合、前方にある２つの姿勢制御用ローターの回転速度を、後方にある２つの姿勢制御用ローターの回転速度よりも上げて、固定翼１の前方の位置が後方の位置よりも高くなる様に機体の姿勢を傾け、その状態のまま、推進用ローター７の回転速度を上げる。すると、機体の前進速度が高くなるのに従い、固定翼１の鉛直方向への揚力が大きくなり、機体が上昇する。

本実施例のマルチコプターが高度を維持したまま、もしくは緩やかに下降しながら飛行を行う場合、本体５に組み組まれたフライトコントローラーは、４つの姿勢制御用ローター２の回転速度の制御を行い、固定翼１の鉛直方向への揚力が最大限に働く様に、機体の姿勢を維持したまま、高度維持、もしくは緩やかに下降する。

本発明のマルチコプターは、固定翼１の揚力を利用して上昇することが可能な為、一般的な電動マルチコプターと比べて、消費電力を小さくし、航続距離を長くすることが可能である。本発明のマルチコプターを大型化することにより、人や貨物の運搬に利用することが可能である。

本発明のマルチコプターは、旋回や停止を行うときに、固定翼１の空気抵抗を利用することが可能な為、一般的な電動マルチコプターと比べて、少ない電気消費量で停止や旋回を行うことが可能であり、本発明のマルチコプターを大型化することにより、人や貨物の運搬に利用することが可能である。

本発明のマルチコプターは、鉛直方向への空気抵抗が大きい固定翼１を有する為、万一、事故など原因によりローターが停止した場合においても、急降下する可能性が小さく、本発明のマルチコプターを大型化することにより、比較的安全に人や貨物の運搬が出来る可能性がある。

１ 固定翼
２ 姿勢制御用ローター
３ 姿勢制御用電動ブラシレスモーター
４ 姿勢制御用ESC（Electronic Speed Controller）
５ 本体（フライトコントローラー、リチウムイオンポリマーバッテリー、配電盤、受信機などを含む）
６ 支柱
７ 推進用ローター
８ 推進用電動ブラシレスモーター
９ 推進用ESC（Electronic Speed Controller）
１０ 姿勢制御用ローター用アーム
１１ 推進用ローター用アーム

Claims (2)

1. ４つ以上のローターを有し、前記ローターそれぞれの回転速度を中央処理装置で制御し、空中での機体の姿勢を制御することが可能なマルチコプターにおいて、前記マルチコプターの中央部分に、翼の内部が空洞であり、なおかつ下方向に開口部がある形状、もしくは平板で縁の全てが下がっている形状の固定翼を有し、前記固定翼の外周よりも外側に、前記ローターを配置したマルチコプター。
2. 請求項１のマルチコプターにおいて、請求項１のマルチコプターが有するローターとは別に、本体の前後方向に対して垂直に回転するローターを１つ以上有するマルチコプター。

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