JP2017193208A - 小型無人航空機 - Google Patents

Abstract

【課題】外来風を受けても空撮用カメラ、バッテリー等は任意姿勢（鉛直姿勢）を維持できるようにする。外部の構造物や機器への衝突を回避できるようにする。
【解決手段】飛行制御装置を搭載した小型無人航空機であって、計測機器に代表される搭載物を搭載した機体１と、飛行に必要な機器が装備された駆動部２を備え、機体は接続機構（姿勢安定補助機構）に連結固定され、駆動部は機体の外周に配置され、前記姿勢安定補助機構に平面内二軸周り（ロール軸周り及びピッチ軸周り）で傾き可能に取り付けられて、駆動部が前記ロール軸周り及びピッチ軸周りに傾いても、機体は任意姿勢に維持されて、機体に搭載された前記搭載物は傾かないようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、飛行中に、ローターが傾いても機体は姿勢を垂直（鉛直）に維持できる飛行姿勢安定式の小型無人航空機に関するものである。

近年、自律飛行制御装置を搭載した小型無人航空機の開発、実用化が進められている。小型無人航空機はドローン、マルチローターヘリコプター等とも呼ばれており、特にドローンの呼称で広く知られている。これら小型無人航空機（以下「マルチコプター」という。）は、ホビー用から産業用、軍事用と様々な分野で実用化が進められている（特許文献1〜４参照）。

特開２００６−３１２３４４号公報 特開２００７−３３１４２６号公報 特開２０１３−７９０３４号公報 特開２０１６−１５６２８号公報

既存のマルチコプターは機体と駆動部を備えている。機体にはフライトコントローラ（ＦＣＳ）、スピードコントローラ（ＥＳＣ：Electronic Speed Controller）、受信器、バッテリー、空撮用カメラ等の必要機器が搭載されている。駆動部は機体に取り付けられた複数本のアームにプロペラ、モータ等の飛行に必要な機器を装備している。

既存のマルチコプターでは、機体と駆動部が一体になっているため、駆動部がスロットル（上昇／下降）、ピッチ（前進／後退）、ロール（右移動、左移動）、ラダー（右旋回、左旋回）等の操作により傾くと機体も傾く。このため、機体に搭載されているＦＣＳ、ＥＳＣ、空撮用カメラ等の搭載品も傾き、空撮した画像も傾いたものとなる。

マルチコプターはトンネル、橋梁、構造物等（以下これらをまとめて「構造物」という。）のひび割れ、塗装剥離等の点検にも使用されている。これら点検を行う場合は、マルチコプターを構造物内の限られた空間内で飛行させることになる。トンネル内や橋梁の下では外来風が強く、２０ｍ／ｓｅｃもの突風が吹くこともある。このため、飛行中のマルチコプターが外来風で揺れたり、傾いたりして、撮影画像がぶれて不鮮明になるとか、撮影困難になるといったことがある。これら問題は前記場所以外での飛行時にも生じる。また、構造物内での飛行時には構造物の内壁面や躯体等への衝突を回避する必要もある。このため、マルチコプター自身の飛行位置の確認、飛行姿勢の安定化も要求される。

本発明の解決課題は、駆動部が傾いても、機体の飛行姿勢は任意姿勢、例えば鉛直に維持され、機体に搭載された空撮用カメラをはじめとする各種搭載機器が任意姿勢に維持されるマルチコプターを開発することにある。

本発明のマルチコプターの特徴は、機体と駆動部を備え、機体を接続機構、例えば姿勢安定補助機構に固定し、駆動部を機体の平面内二軸周り、例えばロール軸周り或いはピッチ軸周りに傾き可能に前記姿勢安定補助機構に取り付けて、駆動部が前記平面内二軸周りに傾いても、機体は任意姿勢に維持されて、機体に搭載された計測機器に代表される搭載物は傾かない搭載物直立安定構造としたことにある。

前記機体は上部ユニットと下部ユニットに分けて脱着可能とした分離型でも、両ユニットが脱着できない一体型のものであってもよい。分離型の場合は上部ユニットを接続機構の上部に、下部ユニットを接続機構の下部に固定して両ユニットを同一軸線上に連結し、駆動部を上部ユニットと下部ユニットの連結部の外周に配置して、前記接続機構に取り付けることもできる。この場合も、駆動部は機体の平面内二軸周りに傾き可能に取り付けて、駆動部が平面内二軸周りに傾いても、機体は任意姿勢に維持されて、計測機器に代表される搭載物は傾かないようにする。

前記接続機構は、例えば、アクチュエータを備えたジンバル機構とすることができる。アクチュエータは姿勢安定維持の面から機体のピッチ軸、ロール軸の夫々の軸線上に二個ずつ対向配置するのが望ましい。上部ユニットと下部ユニットと駆動部の三者は脱着可能である。この場合、前記三者の電気接続も脱着可能とする。

本発明のマルチコプターは次の効果がある。
（１）駆動部が傾いても、機体は任意姿勢に姿勢維持されるので安定飛行ができる。カメラが振動したり傾いたりしにくくなって安定撮影もでき、鮮明な空撮画像が得られる。
（２）アクチュエータをピッチ軸、ロール軸の夫々の軸上に二個ずつ対向配置した場合は、飛行姿勢・高度が安定し、ハンチングを防止することもできる。
（３）上部ユニットと下部ユニットと駆動部が脱着可能であるため、運搬や保管に便利である。

本発明のマルチコプターの一例を示す概要図。 （ａ）は本発明のマルチコプターの水平状態の説明図、（ｂ）は右傾状態の説明図。 本発明のマルチコプターにおける駆動部の説明図。 本発明のマルチコプターにおける接続機構（姿勢安定補助機構）の説明図。 本発明における上部ユニットと下部ユニットの連結説明図。 本発明における姿勢安定補助機構の組み立て説明図。 本発明における姿勢安定補助機構におけるアクチュエータと縦長枠の説明図。 本発明における姿勢安定補助機構におけるアクチュエータと横長枠の説明図。 本発明における姿勢安定補助機構への下部ユニットの取り付け説明図。 本発明における姿勢安定補助機構への上部ユニットの取り付け説明図。 本発明における姿勢安定補助機構への駆動部の取り付け説明図。 本発明のマルチコプターの正面概要図。 （ａ）（ｂ）は本発明における駆動部のロール軸周りの傾動説明図。 （ａ）（ｂ）は本発明における駆動部のピッチ軸周りの傾動説明図。

（実施形態１）
本発明のマルチコプターの実施形態の一例を以下に説明する。この実施形態では、ローターが四本であるクアッドコプターであって、カメラや計測機器に代表される搭載物を備えた空撮用のクアッドコプターを一例として説明する。

図１、図２（ａ）（ｂ）に示すマルチコプターは機体１と駆動部２を備える。機体１には撮影用カメラや他の機器を搭載してある。搭載する機器はマルチコプターの用途に合わせて選定する。図１の機体１は、上ケースに各種機器を搭載した上部ユニット３と、下ケースに各種機器を搭載した下部ユニット４を着脱可能とした分離型である。本発明における機体１は分離型に限らず、分離できない一つのケースに各種機器が搭載された一体型であってもよい。

［上部ユニットと下部ユニット］
上部ユニット３と下部ユニット４は同一軸線（ｚ−ｚ線：図２（ａ））上に連結固定してある。下部ユニット４にはバッテリーケース５（図１）が取り付けられており、そのバッテリーケース５内にバッテリーを収納、取り出し可能としてある。上部ユニット３と下部ユニット４にはマルチコプターの飛行制御や写真撮影等に必要なカメラや計測機器に代表される各種搭載物を分散して搭載してある。

［駆動部］
駆動部２は二枚のリング状の固定具６（図１、図３）の外周に、四本のアーム７が均等間隔で突設されている。夫々のアーム７にプロペラ８とそれを回転させるモータＭが取り付けられている。アーム７には他の駆動用機器を装備することもできる。駆動部２はアーム７とそれに装備する機器をまとめて図３のようにユニット化する（駆動ユニットとする）こともできる。

［接続機構：姿勢安定補助機構］
上部ユニット３と下部ユニット４は接続機構１０（図４）に、図５のように取り付ける。この実施形態では接続機構１０を姿勢安定補助機構としてある（以下の説明では「接続機構」を「姿勢安定補助機構」と記す）。一例として図４、図６に示す姿勢安定補助機構１０はリング状の支持具１１に四つのアクチュエータ１２ａ〜１２ｄを取り付けたジンバル構造である。この実施形態ではアクチュエータとしてサーボモータを使用してある。（以下の説明では「アクチュエータ」を「サーボモータ」と記す）。

前記四つのサーボモータ１２ａ〜１２ｄは、図４のように支持具１１の周方向四箇所に均等間隔（９０度間隔）で配置さている。このうち、二つのサーボモータ１２ａ、１２ｂは支持具１１の内側であって二つのピッチ軸Ｐを結ぶ軸線（ｘ−ｘ線：図４）上に対向配置してあり、他の二つのサーボモータ１２ｃ、１２ｄは支持具１１の外側であって二つのロール軸Ｒを結ぶ軸線（ｙ−ｙ線：図４）上に対向配置してある。

二つのサーボモータ１２ａ、１２ｂは縦長治具１３ａ、１３ｂ（図７）に固定して支持具１１の内側に縦向きに対向配置（図４、図６）し、他の二つのサーボモータ１２ｃ、１２ｄは横長治具１４ｃ、１４ｄ（図８）に固定して支持具１１の外側に横向きに対向配置（図４、図６）する。それらサーボモータ１２ａ〜１２ｄのロール軸Ｒ、ピッチ軸Ｐを上下二枚の支持具１１で挟み、二枚の支持具１１を互いに連結固定することにより、四つのサーボモータ１２ａ〜１２ｄを支持具１１に取り付けてある。サーボモータ１２ａ〜１２ｄを図４、図６のように取り付けることにより、ジンバル構造がサーボモータ１２ａ、１２ｂのピッチ軸Ｐと、サーボモータ１２ｃ、１２ｄのロール軸Ｒの夫々の軸周りに傾くことのできる二軸構造となっている。ピッチ軸Ｐとロール軸Ｒの夫々の軸周りに傾くということは平面内二軸周りに傾くということである。また、ここでいう平面内二軸周りは、同一平面内での二軸周りであってもよく、異なる平面内での二軸周りであってもよい。各軸が対向したサーボ構成となることにより、ハンチング防止および駆動面姿勢角の検出に使用することができる。

［姿勢安定補助機構への上部ユニットと下部ユニットの取り付け］
上部ユニット３と下部ユニット４は図５のように上部ユニット３を上にし、下部ユニット４を下にして軸線（ｚ−ｚ線：図５）上に配置してある。この場合、図９のように下部ユニット４の上部４ａを姿勢安定補助機構１０のサーボモータ１２ａ、１２ｂの下部に取り付け、図１０のように上部ユニット３の下部３ａをサーボモータ１２ａ、１２ｂの上部に取り付けることにより、両ユニット３、４を軸線（ｚ−ｚ線）上に配置固定してある。

［姿勢安定補助機構への駆動部の取り付け］
駆動部２（図３）は図１１のように、上部ユニット３と下部ユニット４の連結部１５（図１）の外周に配置して姿勢安定補助機構１０に取り付けてある。この場合、図１２のように駆動部２の上下二枚のリング状の固定具６を上部ユニット３と下部ユニット４の連結部１５の外周に配置し、上下二枚の固定具６で横長治具１４ｃ、１４ｄ（図１２）を上下から挟んで、当該横長治具１４ｃ、１４ｄに固定する。固定はネジ止めとか他の固定手段で行う。この横長治具１４ｃ、１４ｄへの連結により、二枚の固定具６が図１３（ａ）（ｂ）のようにサーボモータ１２ａ、１２ｂのピッチ軸Ｐの軸周り（図１３（ａ）の左下方と同（ｂ）の右下方）に傾き、図１４（ａ）（ｂ）のようにサーボモータ１２ｃ、１２ｄのロール軸Ｒの軸周り（図１４（ａ）の手前下方と同（ｂ）の後方下方）にも傾くようにしてある。

［搭載物直立安定構造］
上部ユニット３と下部ユニット４を前記のように垂直に連結固定し、駆動部２を前記のようにロール軸Ｒの軸周り及びピッチ軸Ｐの軸周りに傾動可能とすることにより、駆動部２が傾いても、上部ユニット３および下部ユニット４は傾くことなく任意姿勢、例えば鉛直方向（以下の説明では「任意姿勢」を「鉛直」と記す。）に直立姿勢を維持できる構造（搭載物直立安定構造）となる。

［傾き角度］
前記ロール軸Ｒの軸周りの場合も、ピッチ軸Ｐの軸周りの場合も、傾き角度は±２０度程度が適するが、機構部の変更により、それ以下又は以上とすることもできる。

［アクティブ制御、パッシブ安定機構］
前記姿勢安定補助機構１０は機体１に搭載される角度検出センサ（ポテンショメータ、エンコーダー等）により、または駆動面フレームに配置されたジャイロセンサ等（姿勢センサ）により得られたマルチコプターの駆動面の傾き、図５の軸線（ｚ−ｚ線）上に搭載された姿勢センサにより得られた姿勢角等のセンサ情報を用いることにより、上部ユニット３と下部ユニット４が常に水平（直立）を保つアクティブ制御を行うことができる。姿勢安定補助機構１０はパッシブでの自然安定機構（自然垂直減衰）であってもよい。ＣＰＵ制御ボード等の装置を経由した指示により、水平（直立）保持のアクティブ制御、パッシブ制御（自然垂直減衰）の切替えが可能である。

［上部ユニットへの搭載機器］
図1の実施例では、上部ユニット３にレーザ距離計（距離センサ）、データ通信用アンテナ、空撮用のカメラ（光学式カメラ）、ＧＰＳ、制御用ＣＰＵボード、センサボード、振動アイソレータ、姿勢センサ等が搭載されている。必要に応じてその他の必要機器を搭載することができる。これら機器は上部ユニットケース２０の内部又は外部に搭載されている。

前記レーザ距離計、データ通信用アンテナ、ＧＰＳ等の機器はマルチコプター自身の飛行位置・速度・高度、空中の接近物体等を検知する飛行環境認識センサ類である。姿勢センサは機体１の姿勢角を検知するものである。

［下部ユニットへの搭載機器］
図１の実施例では、下部ユニット４に電源分配器、超音波センサ、ステレオカメラ、環境認識用センサ（光学センサ等）等が搭載されている。必要に応じて、その他の機器を搭載することができる。これら機器は下部ユニットのケース２１の内外に搭載することができる。

上部ユニット３、下部ユニット４に搭載する機器は必要に応じて適宜変更、増減することができる。取り付け位置も夫々の機器の機能を発揮できる箇所にする。

（搭載機器の説明）
［バッテリー］
バッテリーはマルチコプターに搭載されている各種センサやカメラ、その他の機器等に供給する電源部である。バッテリーには既存のバッテリーを使用することができる。

［電源分配器］
電源分配器はバッテリー電源を、マルチコプターに搭載されている各種センサやカメラ、その他の機器等に分配するものである。電源分配器には既存の電源分配器を使用することができる。

［レーザ距離計］
レーザ距離計は距離センサであり、トンネルの内部空間や橋梁の下空間、あるいは構造物の屋内等（以下これらを「内部空間」という。）を飛行中のマルチコプターと、トンネルの内壁、橋梁の桁、或いは構造物の内壁等（以下これらを「内壁」という。）との距離を計測するためのセンサである。このレーザ距離計には既存のレーザ距離計を使用することができる。レーザ距離計の配置は上向き、マルチコプター一台につき一装置とは限らない。レーザ距離計は構造物との距離を計測するだけでなく、構造物とマルチコプターとの衝突を回避するためのセンサとしても使用可能である。マルチコプターに搭載される構造物との距離を計測できるセンサは、レーザ距離計だけとは限らない。

［データ通信用アンテナ］
データ通信用アンテナは、マルチコプターと地上局（基地局）との間のデータ送受信用アンテナであり、マルチコプターに搭載されている各種センサが取得したセンサデータやマルチコプターに搭載されている中央演算処理装置（ＣＰＵ）のデータ等を、地上局との間で送受信するためのアンテナである。基地局システムはリアルタイムマッピング（点群、画像）、３Ｄ・ＣＡＤに基づく飛行計画等のデータを備えている。

［空撮用カメラ］
カメラは空撮用カメラであり、距離センサを用いたＡＦカメラシステムを使用することができる。空撮用カメラには既存の或いは新規の空撮用カメラを使用することもできる。カメラは機能、撮影方式等の異なる二以上のカメラを搭載することもできる。ＡＦ（オートフォーカス）機能搭載のカメラだけでなく、レーザ距離計等の距離センサから得られた構造物との距離データを用いたフォーカス調整機能が兼ね備わったカメラシステムも含まれる。

［ＧＰＳ］
ＧＰＳは人工衛星からの電波を受けてマルチコプターの位置・速度・高度等を測定できる電子装置である。このモジュールはＧＰＳモジュールだけでなく磁気コンパス等の他センサを合わせて搭載されるモジュールも含まれる。ＧＰＳモジュールは、制御用ＣＰＵボードと直接的に接続または通信バスを経由して伝送される。ＧＰＳモジュールはマルチコプター一台につき一装置とは限らない。

［制御用ＣＰＵボード］
制御用ＣＰＵボードは、マルチコプターに搭載されているＣＰＵの回路基板（ボード）であり、上下に間隔をあけて二枚搭載されている。

［センサボード］
センサボードはマルチコプターに搭載されている各種センサの回路基板（ボード）である。

［振動アイソレータ］
振動アイソレータはマルチコプターのメカ的振動を抑制或いは制振するものであり、汎用の振動アイソレータ、例えば、ゴムダンパーやその他のダンパー、或いは新規の振動アイソレータを使用することができる。

［超音波センサ］
超音波センサは飛行中のマルチコプターの、対地高度の上方を取得するためのセンサである。この超音波センサには既存の超音波センサを使用することができる。

［ステレオカメラ］
ステレオカメラは空撮した画像を処理して、マルチコプターの姿勢や位置を推測するためのものである。ステレオカメラには既存のステレオカメラを使用することができる。ステレオカメラ（stereo camera）は対象物を複数の異なる方向から同時に撮影することにより、その奥行き方向の情報も記録できるものである。ステレオカメラの配置は下向き、マルチコプター一台に付き一装置とは限らない。

前記説明では、機体1への搭載物を計測機器に代表される搭載物としてあるが、それら搭載物は必要なもの一又は二以上の任意数であってもよい。
前記説明では、アクチュエータの一例をサーボモータとしてあるが、アクチュエータはサーボモータ以外のモータであってもよい。

本発明のマルチコプターは空撮用のみならず、物品輸送用、その他の各種分野で各種用途に使用することができる。この場合、マルチコプターの構造、強度等は本発明の原理を維持した上で、用途に合わせて設計変更することができる。

１ 機体
２ 駆動部
３ 上部ユニット
３ａ 上部ユニットの下部
４ 下部ユニット
４ａ 下部ユニットの上部
５ バッテリーケース
６ （リング状の）固定具
７ アーム
８ プロペラ
１０ 接続機構（姿勢安定補助機構）
１１ （リング状の）支持具
１２ａ〜１２ アクチュエータ（サーボモータ）
１３ａ、１３ｂ 縦長治具
１４ｃ、１４ｄ 横長治具
１５ （上部ユニットと下部ユニットの）連結部
２０ 上部ユニットケース
２１ 下部ユニットケース
Ｍ モータ
Ｐ 回転軸（ピッチ軸）
Ｒ 回転軸（ロール軸）

Claims (7)

1. 飛行制御装置を搭載した小型無人航空機において、
   計測機器に代表される搭載物を搭載した機体と、アームにプロペラ、モータ等の飛行に必要な機器を装備した駆動部を備え、
   機体は接続機構に連結固定され、
   駆動部は機体の外周に配置され、前記接続機構に平面内二軸周りで傾き可能に取り付けられて、駆動部が前記平面内二軸周りで傾いても、機体は任意姿勢に維持されて、機体に搭載された機器は傾かないようにした、
   ことを特徴とする小型無人航空機。
2. 請求項１記載の小型無人航空機において、
   接続機構は、駆動部が平面内二軸周りで傾いても機体を任意姿勢に保持できる姿勢安定補助機構である、
   ことを特徴とする小型無人航空機。
3. 請求項１又は請求項２記載の小型無人航空機において、
   機体が接続機構の上に配置される上部ユニットと接続機構の下に配置される下部ユニットに分かれ、両ユニットは接続機構に連結され、
   駆動部は上部ユニットと下部ユニットの連結部の外周に配置され、前記接続機構に平面内二軸周りに傾き可能に取り付けられた、
   ことを特徴とする小型無人航空機。
4. 請求項３記載の小型無人航空機において、
   上部ユニットと下部ユニットが脱着可能である、
   ことを特徴とする小型無人航空機。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の小型無人航空機において、
   接続機構にアクチュエータを用いたジンバル機構である、
   ことを特徴とする小型無人航空機。
6. 請求項５記載の小型無人航空機において、
   対向配置された二対のアクチュエータのうち、一対のアクチュエータの回転軸が機体ロール軸上に配置され、他の対のアクチュエータの回転軸が機体ピッチ軸上に配置された、
   ことを特徴とする小型無人航空機。
7. 請求項５又は請求項６記載の小型無人航空機において、
   ジンバル機構を用いたアクチュエータ制御は、機体の姿勢角を検出する姿勢センサからの信号を用いて機体の任意姿勢を保持する、
   ことを特徴とする小型無人航空機。
   

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