JP2019034682A

JP2019034682A - 回転翼機

Info

Publication number: JP2019034682A
Application number: JP2017158523A
Authority: JP
Inventors: 憲昭鰐渕; Noriaki Wanibuchi
Original assignee: Kumagai Gumi Co Ltd
Current assignee: Kumagai Gumi Co Ltd
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2037-08-21
Also published as: JP6890066B2

Abstract

【課題】風の影響を最小限に抑制し得る回転翼機を提供すること。【解決手段】回転翼機１０は複数のロータ１６を有する機体１２と、機体に支持機構２０を介して支持され機体の重心Ｇを通るヨー軸Ａ、ロール軸Ｂ及びピッチ軸周りにそれぞれ回転可能である風防１４とを備える。風防は、機体が水平に置かれた状態でみて機体のヨー軸上又はこれと平行な軸上を上下方向へ伸びる軸線Ｌを有し、また、機体の周囲を軸線の周りに取り囲む流線形状の外形と、前記機体の上方及び下方においてそれぞれ外部に開放する２つの開口２４を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、遠隔操作や自律制御により無人飛行するドローンの1つである回転翼機（マルチコプター）に関する。

近年、回転翼機を用いて荷物の配達や物資の輸送を行うことが提案されている。しかし、空中を移動する回転翼機には、風の影響を受けてその飛行安定性が損なわれやすいという問題がある。これは、特に、比較的強い風が吹くことが多い湾岸エリアや、いわゆるビル風と称される突風が発生しやすい都市部において顕著である。

特開２０１２−２２８９４４号公報

本発明の目的は、風の影響を最小限に抑制し得る回転翼機を提供することにある。

本発明に係る回転翼機は複数のロータを有する機体と、前記機体に支持機構を介して支持され前記機体の重心を通るヨー軸、ロール軸及びピッチ軸の周りにそれぞれ回転可能である風防とを備える。前記風防は、前記機体が水平に置かれた状態で見て、前記機体のヨー軸上又はこれと平行な軸上を上下方向へ伸びる軸線を有し、また、前記機体の周囲を前記軸線の周りに取り囲む流線形状の外形と、前記機体の上方及び下方においてそれぞれ外部に開放する２つの開口とを有する。前記風防は、例えば、筒体、楕円体又は球体からなる。本発明において「流線形状」とは、空気に対する抵抗の低減に寄与する形状をいう。

本発明によれば、回転翼機の飛行時、複数のロータを有する機体の周囲を取り囲む風防が前記機体に対する風の直撃及びこれに伴う前記機体の飛行姿勢の急変を防止する。また、前記風防はその周囲の環境に比べて気流の速度や向きの変動が小さい静謐な環境にある空間を規定する。これにより前記機体に対する風の影響が最小限に抑えられる。他方、前記機体に代わって風の直撃を受ける風防は流線形状の外形を有することから、前記風防の風に対する抵抗は比較的小さく、また、風を受ける前記風防は前記機体のヨー軸、ロール軸又はピッチ軸の周りに回転し、風を受ける面積である風の見つけ面積が最小となる方向を向く。このため、前記風防に対する風の影響が最小限に抑えられる。その結果、前記機体及び前記風防を含む回転翼機に対する風の影響が最小限に抑えられ、前記回転翼機について比較的良好な飛行安定性を有するものとすることができる。

前記風防はその軸線の伸長方向へ互いに間隔をおいて設けられ前記軸線の周りに伸びる複数の細長い開口を有し、各開口が、前記風防の断面で見て、前記軸線の伸長方向上方に向けて山形に折れ曲がって伸びるものとすることができる。

これによれば、各開口は風の通過を許し、飛行中における前記回転翼機に対する風の抵抗を低減する働きをなす。また、各開口は前記風防の軸線の伸長方向上方に山形に折れ曲がって伸びることから、風が各開口を通過するとき、前記風防に対して揚力を及ぼす。これは、前記回転翼機の揚力又は推力を得るために必要な前記ロータの出力（回転数）の増大を抑え、また、消費電力を低減し、前記回転翼機の飛行可能な時間を増大させることに寄与する。さらに、風は各開口を通過するときの摩擦抵抗のためにその速度が低減された状態で前記空間に流入する。これにより、前記風防が取り囲む前記空間の静謐性が維持される。

前記支持機構は、例えば、前記機体に取り付けられ前記ヨー軸上を伸びる軸部及び該軸部に連なる球状の先端部を有する第１の軸部材と、前記風防に取り付けられ前記風防の軸線又は該軸線と平行な軸線上を伸びる軸部及び該軸部に連なる球状の先端部を有する第２の軸部材と、前記機体に前記ロール軸の周りに回転可能に取り付けられ、前記機体の周囲を、該機体の重心を中心として上に凸の円弧形を呈して伸びる第１の管部材と、前記風防に取り付けられ互いに交差する第２の管部材及び第３の管部材であって前記機体の重心及び前記風防の軸線を含む立面及び該立面に直交する立面上を、前記機体の下方において、前記機体の重心を中心として下に凸の円弧形を呈してそれぞれ伸びる第２の管部材及び第３の管部材とを備える。ここにおいて、前記第１の管部材は、前記第２の軸部材の軸部が通され前記第１の管部材の伸長方向へ伸びるスリット部と、前記第２の軸部材の先端部が受け入れられた中空部とを有する。前記第２の管部材は、前記第１の軸部材の軸部が通され前記第２の管部材の伸長方向へ伸びるスリット部と、前記第１の軸部材の先端部が受け入れられた中空部とを有する。前記第３の管部材はその伸長方向へ伸び前記第１の軸部材の軸部を受け入れ可能であるスリット部と、前記第１の軸部材の先端部を受け入れ可能である中空部とを有する。前記第２の管部材のスリット部及び前記第３の管部材のスリット部は互いに連なりかつ前記第２の管部材の中空部及び前記第３の管部材の中空部は互いに連通している。

風防を縦断して示す回転翼機の概略図である。回転翼機の概略的な平面図である。機体のスキッドを省略して示す回転翼機の底面図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）は、それぞれ、回転翼機の風防の例を示す概略的な立面図である。複数の細長い開口を有する風防の概略的な立面図である。風防の壁の概略的な部分縦断面図である。

図１〜図３を参照すると、遠隔操作や自律制御により飛行するドローン（無人航空機）の1つである回転翼機（マルチコプター）が全体に符号１０で示されている。

回転翼機１０は、機体１２と、機体１２の周囲を取り囲む風防１４とを備える。

機体１２はその上部に取り付けられた３以上（図示の例においては４つ）のロータ（回転翼）１６を有する。機体１２には、また、その下部に一対のスキッド１８が取り付けられている。

風防１４は、後述する支持機構２０を介して、機体１２に支持されている。機体１２に支持された風防１４は、機体１２の重心Ｇを通るヨー軸Ａ、ロール軸Ｂ及びピッチ軸Ｃの周りにそれぞれ回転可能である。したがって、また、機体１２は、風防１４に対して相対的に、そのヨー軸Ａ、ロール軸Ｂ及びピッチ軸Ｃの周りにそれぞれ回転可能である。風防１４は回転翼機１０の飛行時における風圧に耐えてその外形を維持することが可能である比較的高い機械的強度を有し、また、比較的軽量である例えば硬質のプラスチック材料からなる。

風防１４は軸線Ｌを有する。風防１４は、その軸線Ｌが機体１２が水平に置かれた状態（図１〜図３に示す状態）で見て機体１２のヨー軸Ａと平行な軸上を上下方向へ伸びるように配置されている。この例に代えて、軸線Ｌがヨー軸Ａ上を伸びるように、風防１４を配置することが可能である。

風防１４は機体１２の周囲を軸線Ｌの周りに取り囲む流線形状の外形を有する。図１〜図３に示す例において、風防１４は筒体からなり、該筒体は楕円形の平面形状を有する。換言すると、風防１４は、機体１２及び４つのロータ１６をこれらの側方において取り囲み、かつ、これらの側方を前記楕円形の輪郭に沿って湾曲して伸びる壁２２を有する。風防１４の平面形状は、図示の楕円形に代えて、例えば円形とすることができる。

風防１４は、さらに、機体１２の上方及び下方においてそれぞれ外部に開放する２つの開口２４を有する。図示の例にあっては、前記筒体のその軸線Ｌの伸長方向における両端部である上部１４ａ及び下部１４ｂがそれぞれ両開口２４を規定する。風防１４の上下２つの開口２４は、回転翼機１０を浮揚させる揚力を発生させるために機体１２の４つのロータ１６を回転駆動させたときに生じる気流を風防１４の内外に通す。なお、機体１２の下部に取り付けられたスキッド１８は、回転翼機１０の離着陸の便のために、その一部が、風防１４の下部１４ｂから風防１４の外部に露出している。

風防１４は、これを前記筒体からなるものとすることに代えて、上下方向へ伸びる軸線Ｌを有する楕円体からなるもの（図４（ａ）、（ｂ））、又は、球体からなるもの（図４（ｃ））とすることができる。図４（ａ）及び図（ｂ）に示す風防１４において、風防１４の上部１４ａ及び下部１４ｂにそれぞれ設けられた２つの開口２４は、それぞれ、例えば軸線Ｌ上に長軸と短軸との交点を有しかつ軸線Ｌに直交する楕円形の平面形状を有する。また、図４（ｃ）に示す風防１４において、風防の上部１４ａ及び下部１４ｂにそれぞれ設けられた２つの開口２４は、それぞれ、例えば軸線Ｌ上に中心を有しかつ軸線Ｌに直交する円形の平面形状を有する。開口２４の大きさは任意に定めることができる。風防１４は、また、軸線Ｌを有する、胴部が張り出す筒体であって円形の平面形状を有する筒体、例えば算盤の珠のような外形を有する筒体からなるもの（図４（ｄ））、太鼓のような外形を有する筒体からなるもの（図４（ｅ））等とすることができる。これらの筒体は、図１〜図３に示す前記筒体と同様、軸線Ｌの伸長方向における上部１４ａ及び下部１４ｂがそれぞれ規定する２つの例えば円形の開口２４を有する。なお、図４（ａ）、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示す風防１４にあっては、回転翼機１０の製造上又は組立上の便宜のために、上下又は左右に分割され互いに接続可能である２つの半割体からなるものとすることができる。

回転翼機１０は、風防１４に取り囲まれた機体１２の４つのロータ１６の出力により生じる揚力（推力）を得て空中を飛行（上昇、下降、ホバリング、前進、後進、左旋回、右旋回、及び回転）する。ここにおいて、回転翼機１０を上昇、下降又はホバリングさせるときは、それぞれ、４つのロータ１６を回転駆動させ、回転翼機１０に働く重力の大きさより大きい揚力、前記重力の大きさより小さい揚力又は前記重力と同じ大きさの揚力を発生させる。また、回転翼機１０を前方、後方、左方又は右方に進行（前進、後進、左旋回又は右旋回）させるときは、進行方向の側に位置する２つのロータ１６の回転数（出力）を下げ、進行方向と反対の側の他の２つのロータ１６の回転数を上げる。これにより、機体１２はピッチ軸Ｃ又はロール軸Ｂの周りに回転し、進行方向へ傾斜する姿勢である前傾姿勢をとり、これに伴って発生する推力により進行方向へ移動する。さらに、回転翼機１０を回転、例えば左回転をさせるときは、左回転をしている２つのロータ１６の回転数を下げ、右回転をしている他の２つのロータ１６の回転数を上げる。その結果、機体１２にそのヨー軸Ａの周りの反力の差が生じ、これに伴って回転翼機１０はヨー軸Ａの周りに左回転をする。

風防１４は、図１に示す水平状態で見て、機体１２に対して、風防１４の平面形状である前記楕円形の長軸の伸長方向が機体１２のロール軸Ｂの伸長方向と一致するように、あるいはロール軸Ｂに対してこれと交差するように配置することができる。ロール軸Ｂの伸長方向と一致するようにするときは、風防１４に対する風の抵抗を最も小さいものとすることができる。

風防１４は、回転翼機１０が空中を飛行するとき、風防１４によって取り囲まれた機体１２に対する風の直撃と、これに伴う機体１２の飛行姿勢の急変を防止する。加えて、風防１４は、また、その周囲の環境に比べて気流の速度や向きの変動が小さい静謐な環境にある空間を規定する。前記静謐な環境のもとでは機体１２の各ロータ１６が発生させる気流が攪乱されにくく、各ロータ１６の出力の散逸が最小限に抑えられる。このため、機体１２に対する風の影響が最小限に抑えられる。

他方、機体１２に代わって風の直撃を受ける風防１４は流線形状の外形を有することから、風に対する風防１４の抵抗は比較的小さい。また、風防１４は風圧を受けて機体１２のヨー軸Ａ、ロール軸Ｂ又はピッチ軸Ｃの周りに回転し、風を受ける面積である風の見つけ面積が最小となる方向を向く。このとき、風防１４は水平な状態におかれる。このため、風防１４に対する風の影響が最小限に抑えられる。その結果、機体１２及び風防１４を含む回転翼機１０に対する風の影響が最小限に抑えられ、回転翼機１０は比較的安定した飛行をすることができる。

図５に示すように、風防１４はその軸線Ｌの伸長方向へ互いに間隔をおいて、好ましくは等間隔をおいて設けられ、軸線Ｌの周りに伸びる複数の細長い開口２６（図５）を有するものとすることができる。各開口２６は、例えば、軸線Ｌの周りに任意の複数個所（例えば二箇所）で断続する複数の部分（同２つの部分）からなるものとすることができる。また、各開口２６の幅寸法は任意に定めることができる。図６に示すように、各開口２６は、風防１４の断面で見て、軸線Ｌの伸長方向上方に山形に折れ曲がって伸びている。換言すると、各開口２６は、風防１４の壁２２をその外周面２２ａからその内周面２２ｂに向けて山形に折れ曲がって伸び、前記山形の尖端が軸線Ｌの伸長方向における上方に向いている。開口２６の折れ曲がりの角度αは、例えば１０〜２０度に設定することができる。

これによれば、各開口２６は風の通過を許し、飛行中における回転翼機１０に対する風の抵抗を低減する。また、各開口２６は風防１４の壁２２を軸線Ｌの伸長方向上方に向けて山形に折れ曲がって伸びていることから、各開口２６を通過する風は、風防１４に対して揚力の作用を及ぼす。この作用は、回転翼機１０の揚力又は推力を得るために必要な各ロータ１６の出力（回転数）の増大を抑え、また、消費電力を低減し、回転翼機１０の飛行可能な時間を増大させることに寄与する。さらに、風は各開口２６を通過するときに方向を変えられ摩擦抵抗を受けるためにその速度が低減され、風防１４が取り囲む前記空間に流入する。これは、前記空間の静謐性の維持に役立つ。

次に、風防１４を機体１２に支持する支持機構２０の一例について、図１〜図３を参照して説明する。

支持機構２０は、第１の軸部材３０及び第２の軸部材３２（図１）と、第１の管部材３４（図１及び図２）と、第２の管部材３６及び第３の管部材３８（図１及び図３）とを備える。

第１の軸部材３０は機体１２に取り付けられている。また、第２の軸部材３２は風防１４に取り付けられている。第２の軸部材３２は、より詳細には、風防１４の上部１４ａに取り付けられ十字に交差する一対の細長いステー４０（図２）を介して、風防１４に取り付けられている。

第１の軸部材３０は機体１２からそのヨー軸Ａ上を下方へ伸びる軸部３０ａと、該軸部に連なる球状の先端部３０ｂとを有する。また、第２の軸部材３２は、風防１４の軸線Ｌと平行な軸線（図示せず。この軸線は、図１に示す状態において、ヨー軸Ａ上を伸びている。）上を両ステー４０の交差部から下方へ伸びる軸部３２ａと、該軸部に連なる球状の先端部３２ｂとを有する。

第１の管部材３４は、機体１２にそのロール軸Ｂの周りに回転可能に取り付けられている。より詳細には、第１の管部材３４は、機体１２の周囲を、機体１２の重心Ｇを中心として上に凸の円弧形を呈して伸びている。第１の管部材３４は機体１２の重心Ｇと風防１４の軸線Ｌとを含む立面（紙面）上にあって、前記立面上をヨー軸Ａに直交してロール軸Ｂ上を伸びる水平な２つのアーム４２を介して、機体１２に取り付けられている。各アーム４２はその一端部において機体１２に枢着され、また、その他端部において第１の管部材３４の先端に固定されている。

第２の管部材３６及び第３の管部材３８は風防１４に取り付けられている。より詳細には、第２及び第３の両管部材３６、３８は、風防１４の下部１４ｂに取り付けられた十字に交差する一対の細長いステー４４（図３）の交差部に取り付けられており、機体１２の下方にあって両スキッド１８間に位置する。第２の管部材３６及び第３の管部材３８は互いに交差している。第２の管部材３６は、機体１２の重心Ｇ及び風防１４の軸線Ｌを含む前記立面上を、機体１２の重心Ｇを中心として下に凸の円弧形を呈して伸びている。他方、第３の管部材３８は、前記立面に直交する他の立面（図示せず）上を機体１２の重心Ｇを中心として下に凸の円弧形を呈して伸びている。第２の管部材３６及び第３の管部材３８は共に同じ大きさの半径を有し、また、これらの半径は第１の管部材３４の半径より小さい。

第１の管部材３４は、第２の軸部材３２の軸部３２ａが通され第１の管部材３４の伸長方向へ伸びかつ上方に向けて又は放射方向に開放するスリット部３４ａと、第２の軸部材３２の先端部３２ｂが受け入れられた中空部３４ｂとを有する。ここにおいて、第１の管部材３４のスリット部３４ａは、第２の軸部材３２の先端部３２ｂの直径より小さい幅寸法を有する。これにより、先端部３２ｂがスリット部３４ａを経て中空部３４ｂから抜け出さないようにされている。また、第２の軸部材３２の先端部３２ｂは第１の管部材３４の中空部３４ｂを規定する内壁面に滑動可能に接している。

第２の管部材３６は、第１の軸部材３０の軸部３０ａが通され第２の管部材３６の伸長方向へ伸びかつ上方又は機体１２に向けて開放するスリット部３６ａと、第１の軸部材３０の先端部３０ｂが受け入れられた中空部３６ｂとを有する。同様に、第２の管部材３６のスリット部３６ａは、第１の軸部材３０の先端部３０ｂの直径より小さい幅寸法を有する。これにより、先端部３０ｂがスリット部３６ａを経て中空部３６ｂから抜け出さないようにされている。また、第１の軸部材３０の先端部３０ｂは第２の管部材３６の中空部３６ｂを規定する内壁面に滑動可能に接している。

また、第３の管部材３８はその伸長方向へ伸びかつ上方又は機体１２に向けて開放し、第１の軸部材３０の軸部３０ａを受け入れ可能であるスリット部３８ａと、第１の軸部材３０の先端部３０ｂを受け入れ可能である中空部３８ｂとを有する。第２の管部材３６のスリット部３６ａ及び第３の管部材３８のスリット部３８ａは前記交差部において互いに連なりかつ第２の管部材３６の中空部３６ｂ及び第３の管部材３８の中空部３８ｂは前記交差部において互いに連通している。このことから、第１の軸部材３０の軸部３０ａは前記交差部において両スリット部３６ａ、３８ａのいずれかに相対的に移動可能であり、かつ、第１の軸部材３０の先端部３０ｂは前記交差部において両中空部３６ｂ、３８ｂのいずれかに相対的に移動可能である。ここにおいて、同様に、第３の管部材３８のスリット部３８ａは、第１の軸部材３０の先端部３０ｂの直径より小さい幅寸法を有する。これにより、先端部３０ｂがスリット部３８ａを経て中空部３８ｂから抜け出さないようにされている。また、第１の軸部材３０の先端部３０ｂは第３の管部材３８の中空部３８ｂを規定する内壁面に滑動可能に接している。

これによれば、風防１４は、風防１４に取り付けられた第２の軸部材３２と、第２及び第３の両管部材３６、３８とにおいて、機体１２に取り付けられた第１の管部材３４及び第１の軸部材３０を介して、機体１２に支持されている。

図１に示す状態で見て、機体１２に支持された風防１４は、第２の軸部材３２（より詳細には、第１の管部材３４の中空部３４ｂ内に受け入れられた第２の軸部材３２の先端部３２ｂ）と、第１の軸部材３０の先端部３０ｂを受け入れる第２の管部材３６又は第３の管部材３８とにおいて、機体１２のヨー軸Ａの周りに回転することができる。

また、風防１４は、第３の管部材３８が機体１２の第１の軸部材３０の軸部３０ａに対してその伸長方向へ移動し、同時に、機体１２に対して第１の管部材３４がロール軸Ｂの周りに回転することにより、機体１２のロール軸Ｂの周りに回転可能である。

さらに、風防１４は、第２の軸部材３２が第１の管部材３４の伸長方向へ移動し、同時に、第２の管部材３６が第１の軸部材３０に対してその伸長方向へ移動することにより、機体１２のピッチ軸Ｃの周りに回転することができる。

したがって、機体１２は支持機構２０を介して、風防１４に対して相対的に、そのヨー軸Ａ、ロール軸Ｂ及びピッチ軸Ｃの周りにそれぞれ回転可能である。

１０回転翼機
１２機体
１４風防
１６ロータ
２０支持機構
２２風防の壁
２４風防の上方及び下方の開口
２６風防の側方の開口
３０第１の軸部材
３２第２の軸部材
３４第１の管部材
３６第２の管部材
３８第３の管部材

Claims

複数のロータを有する機体と、前記機体に支持機構を介して支持され、前記機体の重心を通るヨー軸、ロール軸及びピッチ軸の周りにそれぞれ回転可能である風防とを備え、
前記風防は、前記機体が水平に置かれた状態で見て、前記機体のヨー軸上又はこれと平行な軸上を上下方向へ伸びる軸線を有し、また、前記機体の周囲を前記軸線の周りに取り囲む流線形状の外形と、前記機体の上方及び下方においてそれぞれ外部に開放する２つの開口とを有する、回転翼機。
前記風防は筒体、楕円体又は球体からなる、請求項１に記載の回転翼機。
前記風防はその軸線の伸長方向へ互いに間隔をおいて設けられ前記軸線の周りに伸びる複数の細長い開口を有し、
各開口は、前記風防の断面で見て、前記軸線の伸長方向上方に山形に折れ曲がって伸びている、請求項１又は２に記載の回転翼機。
前記支持機構は、
前記機体に取り付けられ前記ヨー軸上を伸びる軸部及び該軸部に連なる球状の先端部を有する第１の軸部材と、
前記風防に取り付けられ前記風防の軸線又は該軸線と平行な軸線上を伸びる軸部及び該軸部に連なる球状の先端部を有する第２の軸部材と、
前記機体に前記ロール軸の周りに回転可能に取り付けられ、前記機体の周囲を、該機体の重心を中心として上に凸の円弧形を呈して伸びる第１の管部材と、
前記風防に取り付けられ互いに交差する第２の管部材及び第３の管部材であって前記機体の重心及び前記風防の軸線を含む立面及び該立面に直交する立面上を、前記機体の下方において、前記機体の重心を中心として下に凸の円弧形を呈してそれぞれ伸びる第２の管部材及び第３の管部材とを備え、
前記第１の管部材は、前記第２の軸部材の軸部が通され前記第１の管部材の伸長方向へ伸びるスリット部と、前記第２の軸部材の先端部が受け入れられた中空部とを有し、
前記第２の管部材は、前記第１の軸部材の軸部が通され前記第２の管部材の伸長方向へ伸びるスリット部と、前記第１の軸部材の先端部が受け入れられた中空部とを有し、
前記第３の管部材はその伸長方向へ伸び前記第１の軸部材の軸部を受け入れ可能であるスリット部と、前記第１の軸部材の先端部を受け入れ可能である中空部とを有し、前記第２の管部材のスリット部及び前記第３の管部材のスリット部は互いに連なりかつ前記第２の管部材の中空部及び前記第３の管部材の中空部は互いに連通している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転翼機。