JP2020006953A - マイクロハイブリッド発電機システムドローン - Google Patents
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Abstract
【課題】マイクロハイブリッド発電機システムドローンを提供すること。【解決手段】マイクロハイブリッド発電機システムは、電力を少なくとも1つのロータモータに提供するように構成される、再充電可能バッテリと、機械的動力を生成するように構成される、小型エンジンと、小型エンジンに結合され、小型エンジンによって生成される機械的動力を使用してAC電力を生成するように構成される、発電機モータと、発電機モータによって生成されるAC電力をDC電力に変換し、DC電力を再充電可能バッテリおよび少なくとも1つのロータモータの一方または両方に提供するように構成される、ブリッジ整流器と、少なくとも1つの負荷の電力要求に少なくとも部分的に基づいて小型エンジンのスロットルを制御するように構成される、電子制御ユニットとを備え、少なくとも1つの負荷は、少なくとも1つのロータモータを含む。【選択図】図13
Description
(発明の分野)
本発明は、マイクロハイブリッド発電機システムドローンに関する。
本発明は、マイクロハイブリッド発電機システムドローンに関する。
(発明の背景)
本出願は、35USC§120下で、2015年11月16日に出願された米国特許出願第14/942,600号に対して優先権を主張する。上記文献の内容は、その全体として参照することによって援用される。
本出願は、35USC§120下で、2015年11月16日に出願された米国特許出願第14/942,600号に対して優先権を主張する。上記文献の内容は、その全体として参照することによって援用される。
典型的な従来のマルチロータUAVは、ヘリコプタまたは類似するタイプの航空機等の典型的な従来の単一ロータ航空機よりも、有意に複雑ではなく、動作させることが容易であり、より安価であり、保守することが容易である。例えば、従来のマルチロータUAVは、4つ以上のロータモータと、それに結合される4つ以上のプロペラと、4つ以上の電子速度コントローラと、飛行制御システム(オートパイロット)と、RC無線制御と、フレームと、リチウムポリマー(LiPo)または類似するタイプの再充電可能バッテリ等の再充電可能バッテリとを含み得る。対照的に、ヘリコプタ等の単一ロータ航空機は、数千の部品を有し得る。加えて、単一ロータ航空機はまた、動作させることが困難であり、問題を診断することが困難であり、保守することが高価であることで有名である。
マルチロータUAVは、垂直離着陸(VTOL)を実施することができ、単一ロータ航空機と同様の操縦性を伴う空中制御が可能である。マルチロータUAVは、組み立てることが比較的に容易であり、標準構成、例えば、クワッドロータ、ヘックスロータ、オクトロータ、および同等物に容易に適合可能である、オートパイロット飛行コントローラを含む、民生(COTS)ハードウェアを使用し得る。
典型的な従来のマルチロータUAVは、電力を提供し、プロペラに結合されるロータモータを駆動し、飛行を提供するために、再充電可能バッテリまたは複数のバッテリのみに依拠する。典型的な従来のマルチロータUAVは、約150〜210Wh/kgを提供し得る、リチウムポリマー(LiPo)バッテリを含む。これは、約15分の典型的な装填飛行時間および約32〜45分の非装填飛行時間を提供し得る。高度なリチウム硫黄バッテリもまた、使用され得、これは、約400Wh/kgの電力を提供する。本場合では、飛行時間は、装填構成において約30分である。
動作時、バッテリは、従来のマルチロータUAVの飛行全体のために使用される。したがって、バッテリが枯渇すると、UAVは、動作を停止するであろう。UAVが飛行中である場合、これは、UAVの破滅的墜落をもたらし得る。加えて、物体から迅速に逸れること、または潜在的脅威を回避するために迅速に移動すること等、積極的な操縦が飛行中に必要とされる場合、そのような操縦は、バッテリを急速に枯渇させ、飛行時間を有意に低減させ得る、瞬間ピーク電力を要求する。
したがって、従来のバッテリ給電式マルチロータUAVは、限定された耐久性および有効荷重を有し、バッテリ供給が枯渇した場合にいかなるバックアップ電力も提供しない。加えて、従来の商業的UAVは、非常に高価であり、今日では大規模に商業的に成長可能ではない。
従来のポータブル発電機は、重く、所望の場所に輸送することが困難であり得る。加えて、電気グリッド電力バックアップのために使用されるマイクログリッド電力システムまたは電力バックアップのために携帯電話基地局において使用される超マイクロ電力システムは、必要とされるバックアップ電力を提供するために、バッテリにのみ依拠する。
したがって、そのような用途において電力を提供し得る、小型、軽量、かつポータブルの発電機システムの必要性がある。加えて、改良された動作特性を伴うUAVの必要性がある。例えば、より長い持続時間にわたって動作することが可能なUAVの必要性がある。
(要約)
以下の実装およびその側面は、例示的かつ例証的であることを意味し、必ずしも、範囲を限定しない、システム、ツール、および方法と併せて説明ならびに例証される。種々の実装では、上記に説明される問題の1つ以上が、対処されている一方、他の実装は、他の改良を対象とする。
以下の実装およびその側面は、例示的かつ例証的であることを意味し、必ずしも、範囲を限定しない、システム、ツール、および方法と併せて説明ならびに例証される。種々の実装では、上記に説明される問題の1つ以上が、対処されている一方、他の実装は、他の改良を対象とする。
種々の実施形態では、無人航空機は、少なくとも1つのプロペラを回転するように駆動するように構成される、少なくとも1つのロータモータを備え、少なくとも1つのプロペラの回転は、推力を生成し、無人航空機を飛行させる。種々の実施形態では、無人航空機は、少なくとも1つのロータモータに提供される電力の量を制御するように構成される、電子速度制御を備える。さらに、種々の実施形態では、無人航空機は、少なくとも1つのロータモータに電力を提供するように構成される、マイクロハイブリッド発電機システムを備える。種々の実施形態では、無人航空機は、電力を少なくとも1つのロータモータに提供するように構成される、再充電可能バッテリを備える。さらに、種々の実施形態では、無人航空機は、機械的動力を生成するように構成される、小型エンジンを備える。加えて、種々の実施形態では、無人航空機は、小型エンジンに結合され、小型エンジンによって生成される機械的動力を使用してAC電力を生成するように構成される、発電機モータを備える。さらに、種々の実施形態では、無人航空機は、発電機モータによって生成されるAC電力をDC電力に変換し、DC電力を再充電可能バッテリおよび少なくとも1つのロータモータの一方または両方に提供するように構成される、ブリッジ整流器を備える。種々の実施形態では、無人航空機は、少なくとも1つの負荷の電力要求に少なくとも部分的に基づいて、小型エンジンのスロットルを制御するように構成される、電子制御ユニットを備え、少なくとも1つの負荷は、少なくとも1つのロータモータを含む。
これらおよび他の利点が、以下の説明の熟読および図面のいくつかの実施例の研究に応じて、当業者に明白となるであろう。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
無人航空機であって、
前記無人航空機のプロペラの回転を駆動するように構成されたロータモータと、
電気エネルギーを前記ロータモータに提供するように構成されたハイブリッドエネルギー生成システムであって、前記ハイブリッドエネルギー生成システムは、
電気エネルギーを前記ロータモータに提供するように構成された再充電可能バッテリと、
機械的エネルギーを生成するように構成されたエンジンと、
前記エンジンによって生成される前記機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成された発電機と、
前記ロータモータと前記再充電可能バッテリとの間で電気エネルギーの分配を制御するように構成されたエネルギー分配器と
を備える、ハイブリッドエネルギー生成システムと
を備える、無人航空機。
(項目2)
前記ハイブリッドエネルギー生成システムは、前記ロータモータの電気エネルギー要求に基づいて、前記エンジンのスロットルを制御するように構成された制御ユニットを備える、項目1に記載の無人航空機。
(項目3)
前記制御ユニットは、前記ロータモータの前記電気エネルギー要求を判定するように構成されている、項目2に記載の無人航空機。
(項目4)
前記発電機および前記再充電可能バッテリのうちの1つ以上から電気エネルギーを受け取るように構成された通信機器を備える、項目1に記載の無人航空機。
(項目5)
前記発電機および前記再充電可能バッテリのうちの1つ以上から電気エネルギーを受け取るように構成されたデータ記憶機器を備える、項目1に記載の無人航空機。
(項目6)
前記発電機は、前記エンジンによって生成される前記機械的エネルギーを交流電流に変換するように構成されている、項目1に記載の無人航空機。
(項目7)
前記ハイブリッドエネルギー生成システムは、前記発電機によって生成される前記交流電流を直流電流に変換するように構成された整流器を備える、項目6に記載の無人航空機。
(項目8)
エネルギー分配器整流器は、前記再充電可能バッテリと前記ロータモータとの間で直流電流の分配を制御するように構成されている、項目7に記載の無人航空機。
(項目9)
前記ロータモータに提供される電気エネルギーの量を制御するように構成されている、速度制御を備える、項目1に記載の無人航空機。
(項目10)
前記エンジンは、ポリウレタン結合具を通して前記発電機に結合されている、項目1に記載の無人航空機。
(項目11)
前記ポリウレタン結合具は、20MPa〜62MPaの引張強度を有する、項目1に記載の無人航空機。
(項目12)
前記エンジンは、フライホイールを含む、項目1に記載の無人航空機。
(項目13)
前記フライホイールの急回転速度を測定するように構成されたセンサを備える、項目12に記載の無人航空機。
(項目14)
前記再充電可能バッテリは、前記エンジンおよび前記発電機が非アクティブであるとき、電気エネルギーを前記ロータモータに提供するように構成されている、項目1に記載の無人航空機。
(項目15)
機械的エネルギー吸収コネクタを備え、前記ハイブリッド電力生成システムは、前記エネルギー吸収コネクタを通して前記無人航空機に接続されている、項目1に記載の無人航空機。
(項目16)
機械的エネルギー吸収コネクタは、ゴムダンパを備える、項目15に記載の無人航空機。
(項目17)
前記ハイブリッドエネルギー生成システムを冷却するように構成された冷却システムを備える、項目1に記載の無人航空機。
(項目18)
前記冷却システムは、前記ハイブリッドエネルギー生成システムからの熱を放散するように構成された1つ以上のフィンを備える、項目17に記載の無人航空機。
(項目19)
前記冷却システムは、空気流を前記ハイブリッドエネルギー生成システムに送達するように位置付けられたファンを備える、項目17に記載の無人航空機。
(項目20)
前記無人航空機を前記無人航空機の外部のデバイスに接続するように構成されたテザーを備える、項目1に記載の無人航空機。
(項目21)
方法であって、
無人航空機のプロペラの回転を駆動するように構成されたロータモータに電気エネルギーを提供するように、ハイブリッドエネルギー生成システムを動作させることを含み、前記動作させることは、
前記ハイブリッド電気エネルギー生成システムのエンジンにおいて、機械的エネルギーを生成することと、
前記ハイブリッドエネルギー生成システムの発電機において、前記機械的エネルギーを電気エネルギーに変換することと、
前記ロータモータと前記ハイブリッドエネルギー生成システムの再充電可能バッテリとの間で生産された電気エネルギーの分配を制御することと
を含む、方法。
(項目22)
前記ハイブリッドエネルギー生成システムを動作させることは、前記ロータモータの電気エネルギー要求に基づいて、前記エンジンのスロットルを制御することを含む、項目21に記載の方法。
(項目23)
前記ロータモータの前記電気エネルギー要求を判定することを含む、項目22に記載の方法。
(項目24)
前記機械的エネルギーを電力に変換することは、前記機械的エネルギーを交流電流に変換することを含む、項目21に記載の方法。
(項目25)
前記ハイブリッドエネルギー生成システムの整流器によって、前記交流電流を直流電流に変換することを含む、項目24に記載の方法。
(項目26)
前記発電機によって生産された電気エネルギーの少なくとも一部を再充電可能バッテリに提供することは、前記直流電流の少なくとも一部を前記再充電可能バッテリに提供することを含む、項目25に記載の方法。
(項目27)
前記発電機によって生産された電気エネルギーの少なくとも一部を前記ロータモータに提供することは、前記直流電流の少なくとも一部を前記ロータモータに提供することを含む、項目25に記載の方法。
(項目28)
前記エンジンに結合されたフライホイールの急回転速度に基づいて、前記エンジンのスロットルを制御することを含む、項目21に記載の方法。
(項目29)
前記ロータモータに提供されるエネルギーの量を制御することを含む、項目21に記載の方法。
(項目30)
前記エンジンおよび前記発電機が非アクティブであるとき、前記再充電可能バッテリから前記ロータモータに電気エネルギーを提供することを含む、項目21に記載の方法。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
無人航空機であって、
前記無人航空機のプロペラの回転を駆動するように構成されたロータモータと、
電気エネルギーを前記ロータモータに提供するように構成されたハイブリッドエネルギー生成システムであって、前記ハイブリッドエネルギー生成システムは、
電気エネルギーを前記ロータモータに提供するように構成された再充電可能バッテリと、
機械的エネルギーを生成するように構成されたエンジンと、
前記エンジンによって生成される前記機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成された発電機と、
前記ロータモータと前記再充電可能バッテリとの間で電気エネルギーの分配を制御するように構成されたエネルギー分配器と
を備える、ハイブリッドエネルギー生成システムと
を備える、無人航空機。
(項目2)
前記ハイブリッドエネルギー生成システムは、前記ロータモータの電気エネルギー要求に基づいて、前記エンジンのスロットルを制御するように構成された制御ユニットを備える、項目1に記載の無人航空機。
(項目3)
前記制御ユニットは、前記ロータモータの前記電気エネルギー要求を判定するように構成されている、項目2に記載の無人航空機。
(項目4)
前記発電機および前記再充電可能バッテリのうちの1つ以上から電気エネルギーを受け取るように構成された通信機器を備える、項目1に記載の無人航空機。
(項目5)
前記発電機および前記再充電可能バッテリのうちの1つ以上から電気エネルギーを受け取るように構成されたデータ記憶機器を備える、項目1に記載の無人航空機。
(項目6)
前記発電機は、前記エンジンによって生成される前記機械的エネルギーを交流電流に変換するように構成されている、項目1に記載の無人航空機。
(項目7)
前記ハイブリッドエネルギー生成システムは、前記発電機によって生成される前記交流電流を直流電流に変換するように構成された整流器を備える、項目6に記載の無人航空機。
(項目8)
エネルギー分配器整流器は、前記再充電可能バッテリと前記ロータモータとの間で直流電流の分配を制御するように構成されている、項目7に記載の無人航空機。
(項目9)
前記ロータモータに提供される電気エネルギーの量を制御するように構成されている、速度制御を備える、項目1に記載の無人航空機。
(項目10)
前記エンジンは、ポリウレタン結合具を通して前記発電機に結合されている、項目1に記載の無人航空機。
(項目11)
前記ポリウレタン結合具は、20MPa〜62MPaの引張強度を有する、項目1に記載の無人航空機。
(項目12)
前記エンジンは、フライホイールを含む、項目1に記載の無人航空機。
(項目13)
前記フライホイールの急回転速度を測定するように構成されたセンサを備える、項目12に記載の無人航空機。
(項目14)
前記再充電可能バッテリは、前記エンジンおよび前記発電機が非アクティブであるとき、電気エネルギーを前記ロータモータに提供するように構成されている、項目1に記載の無人航空機。
(項目15)
機械的エネルギー吸収コネクタを備え、前記ハイブリッド電力生成システムは、前記エネルギー吸収コネクタを通して前記無人航空機に接続されている、項目1に記載の無人航空機。
(項目16)
機械的エネルギー吸収コネクタは、ゴムダンパを備える、項目15に記載の無人航空機。
(項目17)
前記ハイブリッドエネルギー生成システムを冷却するように構成された冷却システムを備える、項目1に記載の無人航空機。
(項目18)
前記冷却システムは、前記ハイブリッドエネルギー生成システムからの熱を放散するように構成された1つ以上のフィンを備える、項目17に記載の無人航空機。
(項目19)
前記冷却システムは、空気流を前記ハイブリッドエネルギー生成システムに送達するように位置付けられたファンを備える、項目17に記載の無人航空機。
(項目20)
前記無人航空機を前記無人航空機の外部のデバイスに接続するように構成されたテザーを備える、項目1に記載の無人航空機。
(項目21)
方法であって、
無人航空機のプロペラの回転を駆動するように構成されたロータモータに電気エネルギーを提供するように、ハイブリッドエネルギー生成システムを動作させることを含み、前記動作させることは、
前記ハイブリッド電気エネルギー生成システムのエンジンにおいて、機械的エネルギーを生成することと、
前記ハイブリッドエネルギー生成システムの発電機において、前記機械的エネルギーを電気エネルギーに変換することと、
前記ロータモータと前記ハイブリッドエネルギー生成システムの再充電可能バッテリとの間で生産された電気エネルギーの分配を制御することと
を含む、方法。
(項目22)
前記ハイブリッドエネルギー生成システムを動作させることは、前記ロータモータの電気エネルギー要求に基づいて、前記エンジンのスロットルを制御することを含む、項目21に記載の方法。
(項目23)
前記ロータモータの前記電気エネルギー要求を判定することを含む、項目22に記載の方法。
(項目24)
前記機械的エネルギーを電力に変換することは、前記機械的エネルギーを交流電流に変換することを含む、項目21に記載の方法。
(項目25)
前記ハイブリッドエネルギー生成システムの整流器によって、前記交流電流を直流電流に変換することを含む、項目24に記載の方法。
(項目26)
前記発電機によって生産された電気エネルギーの少なくとも一部を再充電可能バッテリに提供することは、前記直流電流の少なくとも一部を前記再充電可能バッテリに提供することを含む、項目25に記載の方法。
(項目27)
前記発電機によって生産された電気エネルギーの少なくとも一部を前記ロータモータに提供することは、前記直流電流の少なくとも一部を前記ロータモータに提供することを含む、項目25に記載の方法。
(項目28)
前記エンジンに結合されたフライホイールの急回転速度に基づいて、前記エンジンのスロットルを制御することを含む、項目21に記載の方法。
(項目29)
前記ロータモータに提供されるエネルギーの量を制御することを含む、項目21に記載の方法。
(項目30)
前記エンジンおよび前記発電機が非アクティブであるとき、前記再充電可能バッテリから前記ロータモータに電気エネルギーを提供することを含む、項目21に記載の方法。
(発明の詳細な説明)
以下に開示される好ましい実施形態または複数の実施形態の他に、本発明は、他の実施形態が可能であり、種々の方法で実践または実行されることが可能である。したがって、本発明は、以下の説明に記載される、または図面に図示される、構造の詳細および構成要素の配列へのその適用に限定されないことを理解されたい。1つのみの実施形態が本明細書に説明される場合、本仮特許出願に基づくいずれの請求項も、その実施形態に限定されるべきではない。さらに、いずれのそのような請求項も、ある除外、制限、または放棄を示す明白かつ確かな証拠が存在しない限り、制限的に読み取られるべきではない。
以下に開示される好ましい実施形態または複数の実施形態の他に、本発明は、他の実施形態が可能であり、種々の方法で実践または実行されることが可能である。したがって、本発明は、以下の説明に記載される、または図面に図示される、構造の詳細および構成要素の配列へのその適用に限定されないことを理解されたい。1つのみの実施形態が本明細書に説明される場合、本仮特許出願に基づくいずれの請求項も、その実施形態に限定されるべきではない。さらに、いずれのそのような請求項も、ある除外、制限、または放棄を示す明白かつ確かな証拠が存在しない限り、制限的に読み取られるべきではない。
マイクロハイブリッド発電機システムの1つ以上の実施形態は、エネルギー変換効率を伴う小型ポータブルマイクロハイブリッド発電機電源を提供する。UAV用途では、1つ以上の実施形態のマイクロハイブリッド発電機システムは、UAV用途において拡張された耐久性および有効荷重能力を提供するために必要な機体、マイクロハイブリッド発電機駆動装置、および燃料の重量を克服するために使用されることができる。他の用途では、マイクロハイブリッド発電機デバイスシステムは、住宅および商業用途のための小型、軽量、かつポータブルな発電機として、またはマイクログリッド発電機もしくは超マイクログリッド発電機、および同等物として使用されることができる。
1つ以上の実施形態のマイクロハイブリッド発電機システムは、2つの別個の電力システムを備えることができる。マイクロハイブリッド発電機システムの一部として含まれる第1の電力システムは、発電機モータに結合される小型かつ効率的なガソリン動力エンジンであり得る。種々の実施形態では、第1の電力システムは、マイクロハイブリッド発電機システムの一次電源としての役割を果たす。マイクロハイブリッド発電機システムの一部として含まれる第2の電力システムは、高エネルギー密度再充電可能バッテリであり得る。ともに、第1の電力システムおよび第2の電力システムは、組み合わされ、UAVが積極的操縦を実施するときを含め、UAVのために高エネルギー連続電源および高ピーク電力可用性を形成する。さらに、第1の電力システムおよび第2の電力システムのうちの1つは、第1の電力システムまたは第2の電力システムのうちの対応する1つが故障する場合、マイクロハイブリッド発電機システムのバックアップ電源としての役割を果たすことができる。種々の実施形態では、マイクロハイブリッド発電機システムは、住宅および商業用途において電力を提供するためのポータブル、軽量発電機として、またはマイクログリッドもしくは超マイクログリッド発電機としての役割を果たすことができる。
図1は、例示的マイクロハイブリッド発電機システム10の図を描写する。マイクロハイブリッド発電機システム10は、燃料源12、例えば、ガソリン、ガソリンおよび油混合物の混合物、または類似するタイプの燃料もしくは混合物を貯蔵するための容器を含む。燃料源12は、燃料を第1の電力システムの小型エンジン14に提供する。小型エンジン14は、燃料源12によって提供される燃料を使用し、機械的エネルギーを生成することができる。一実施例では、小型エンジン14は、UAV内への統合を可能にするために、約12インチ×11インチ×6インチの寸法および約3.5ポンドの重量を有することができる。一実施例では、小型エンジン14は、Zenoah(1−9 Minamidai Kawagoe,Saitama 350−1165,Japan)から利用可能なHWC/Zenoah G29 RCE 3D Extremeであり得る。マイクロハイブリッド発電機システム10はまた、小型エンジン14に結合される発電機モータ16を含む。発電機モータ16は、小型エンジン14によって生成される機械的動力を使用して、AC出力電力を生成するように機能する。種々の実施形態では、小型エンジン14のシャフトは、小型エンジン14から離れるように熱を放散するファンを含む。種々の実施形態では、発電機モータ16は、ポリウレタン結合具を通して小型エンジン14に結合される。
一実施形態では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、1.8kWの電力を提供することができる。さらに、本実施形態では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、約3馬力を提供し、約1.5kgの重量である小型エンジン14、例えば、Zenoah(登録商標)G29RC Extremeエンジンを含むことができる。本実施形態では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、Scorpion Precision Industry(登録商標)から利用可能である、ブラシレスモータ(380Kv、8mmシャフト、部品番号5035−380)である、発電機モータ16を含む。別の実施形態では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、10kWの電力を提供することができる。さらに、本別の実施形態では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、約15〜16.5馬力を提供し、約7ポンドの重量である小型エンジン14、例えば、Desert Aircraft(登録商標)DA−150を含むことができる。本別の実施形態では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、Joby Motors(登録商標)JM1モータである発電機モータ16を含む。
マイクロハイブリッド発電機システム10は、ブリッジ整流器18と、再充電可能バッテリ20とを含む。ブリッジ整流器18は、発電機モータ16と再充電可能バッテリ20との間に結合され、発電機モータ16のAC出力をDC電力に変換し、再充電可能バッテリ20を充電する、またはDC電力をライン82によって負荷78に提供する、または電力をライン86によってDC/ACインバータ84に提供してAC電力を負荷90に提供する。再充電可能バッテリ20は、DC電力をライン94によって負荷92に提供する、またはライン98によってDC/ACインバータ96に提供し、AC電力を負荷100に提供し得る。一実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム10のブリッジ整流器18および/または再充電可能バッテリ20の出力は、ライン102によって、UAVの一部として1つ以上のロータモータ25内に統合される1つ以上の電子速度制御デバイス(ESC)24に提供される。ESC24は、発電機モータ16によって提供される1つ以上のロータモータにブリッジ整流器18および/または再充電可能バッテリ20によって提供されるDC電力を制御することができる。一実施例では、ESC24は、SimonKを伴うT−Motor(登録商標)ESC 45A(2−6S)であり得る。一実施例では、ブリッジ整流器18は、Microsemi Power Products Group(登録商標)から利用可能なモデル番号MSDI00−08のダイオードブリッジ800V IOOA SM3であり得る。
種々の実施形態では、ESC24は、オペレータから受信される入力に応答して、1つ以上のロータモータ25に提供される電力量を制御することができる。例えば、オペレータが、UAVを右に移動させる入力を提供する場合、ESC24は、UAVの右側のロータモータ25により少ない電力を提供し、ロータモータに、UAVの左側のプロペラよりもUAVの右側のプロペラを遅く急回転させることができる。電力が可変レベルにおいて1つ以上のロータモータ25に提供されるため、負荷、例えば、1つ以上のロータモータ25に提供される電力量は、オペレータから受信される入力に応答して変化することができる。
一実施形態では、再充電可能バッテリ20は、Pulse Ultra Lipo(登録商標)(China)から利用可能であり、3000mAh、22.2V 65Cを提供する、LiPoバッテリ(Model PLU65−30006)であり得る。他の設計では、再充電可能バッテリ20は、リチウム硫黄(LiSu)再充電可能バッテリまたは類似するタイプの再充電可能バッテリであり得る。
マイクロハイブリッド発電機システム10は、電子制御ユニット(ECU)22を含む。ECU22および本書において説明される他の適用可能なシステムは、コンピュータシステム、複数のコンピュータシステム、またはコンピュータシステムもしくは複数のコンピュータシステムの一部として実装されることができる。概して、コンピュータシステムは、プロセッサ、メモリ、不揮発性記憶装置、およびインターフェースを含むであろう。典型的なコンピュータシステムは、通常、少なくともプロセッサ、メモリ、およびメモリをプロセッサに結合するデバイス(例えば、バス)を含むであろう。プロセッサは、例えば、マイクロプロセッサ等の汎用中央処理ユニット(CPU)またはマイクロコントローラ等の専用プロセッサであり得る。
メモリは、実施例として、限定ではないが、ダイナミックRAM(DRAM)およびスタティックRAM(SRAM)等のランダムアクセスメモリ(RAM)を含むことができる。メモリは、ローカルである、遠隔である、または分散されることができる。バスはまた、プロセッサを不揮発性記憶装置に結合することができる。不揮発性記憶装置は、多くの場合、磁気フロッピもしくはハードディスク、磁気光学ディスク、光学ディスク、CD−ROM、EPROM、もしくはEEPROM等の読取専用メモリ(ROM)、磁気もしくは光学カード、または大量のデータのための別の形態の記憶装置である。本データの一部は、多くの場合、ダイレクトメモリアクセスプロセスによって、コンピュータシステム上のソフトウェアの実行中にメモリに書き込まれる。不揮発性記憶装置は、ローカルである、遠隔である、または分散されることができる。不揮発性記憶装置は、システムがメモリ内で利用可能な全ての適用可能なデータを用いて作成され得るため、随意である。
ソフトウェアは、典型的には、不揮発性記憶装置内に記憶される。実際には、大きいプログラムに関して、プログラム全体をメモリ内に記憶することは、全く可能ではない場合がある。それにもかかわらず、ソフトウェアが起動するために、必要に応じて、これが、処理のために適切なコンピュータ可読場所に移動され、例証を目的として、その場所は、本書においてメモリと称されることを理解されたい。ソフトウェアが実行のためにメモリに移動されているときであっても、プロセッサは、典型的には、ソフトウェアと関連付けられる値を記憶するためのハードウェアレジスタと、理想的には、実行を高速化する役割を果たすローカルキャッシュとを利用するであろう。本明細書で使用されるように、ソフトウェアプログラムが、「コンピュータ可読記憶媒体内に実装される」と称されるとき、ソフトウェアプログラムは、適用可能な公知の、または便宜的な場所に(不揮発性記憶装置からハードウェアレジスタに)記憶されると仮定される。プログラムと関連付けられる少なくとも1つの値が、プロセッサによって可読であるレジスタ内に記憶されるとき、プロセッサは、「プログラムを実行するように構成される」と見なされる。
動作の一実施例では、コンピュータシステムが、ディスクオペレーティングシステム等のファイル管理システムを含むソフトウェアプログラムである、オペレーティングシステムソフトウェアによって制御されることができる。関連付けられるファイル管理システムソフトウェアを伴うオペレーティングシステムソフトウェアの一実施例は、Microsoft Corporation(Redmond,Washington)からのWindows(登録商標)として公知の一連のオペレーティングシステムおよびその関連付けられるファイル管理システムである。その関連付けられるファイル管理システムソフトウェアを伴うオペレーティングシステムソフトウェアの別の実施例は、Linux(登録商標)オペレーティングシステムおよびその関連付けられるファイル管理システムである。ファイル管理システムは、典型的には、不揮発性記憶装置内に記憶され、プロセッサに、オペレーティングシステムによって要求される種々の行為を実行させ、データを入出力し、不揮発性記憶装置上にファイルを記憶することを含め、データをメモリ内に記憶する。
バスはまた、プロセッサをインターフェースに結合することができる。インターフェースは、1つ以上の入力および/もしくは出力(I/O)デバイスを含むことができる。I/Oデバイスは、実施例として、限定ではないが、キーボード、マウスまたは他のポインティングデバイス、ディスクドライブ、プリンタ、走査装置、およびディスプレイデバイスを含む他のI/Oデバイスを含むことができる。ディスプレイデバイスは、実施例として、限定ではないが、ブラウン管(CRT)、液晶ディスプレイ(LCD)、またはいくつかの他の適用可能な公知の、もしくは便宜的なディスプレイデバイスを含むことができる。インターフェースは、モデムまたはネットワークインターフェースのうちの1つ以上を含むことができる。モデムまたはネットワークインターフェースは、コンピュータシステムの一部であると見なされ得ることを理解されたい。インターフェースは、アナログモデム、isdnモデム、ケーブルモデム、トークンリングインターフェース、イーサネット(登録商標)インターフェース、衛星伝送インターフェース(例えば、「ダイレクトPC」)、またはコンピュータシステムを他のコンピュータシステムに結合するための他のインターフェースを含むことができる。インターフェースは、コンピュータシステムおよび他のデバイスが、ネットワーク内でともに結合されることを可能にする。
コンピュータシステムが、モジュールとして、モジュールの一部として、または複数のモジュールを通して実装されることができる。本書で使用されるように、モジュールは、1つ以上のプロセッサもしくはその一部を含む。1つ以上のプロセッサの一部は、レジスタのサブセット、マルチスレッドプロセッサの1つ以上のスレッドの専用であるプロセッサの一部、その間にプロセッサがモジュールの機能性の一部を実行することに完全に、もしくは部分的に専用であるタイムスライス、または同等物等の任意の所与の1つ以上のプロセッサを備えるハードウェアの全てよりも少ないハードウェアの一部を含むことができる。したがって、第1のモジュールおよび第2のモジュールが、1つ以上の専用プロセッサを有することができる、または第1のモジュールおよび第2のモジュールが、相互に、もしくは他のモジュールと1つ以上のプロセッサを共有することができる。実装特有または他の考慮事項に応じて、モジュールは、集中される、またはその機能性は、分散されることができる。モジュールは、ハードウェア、ファームウェア、またはプロセッサによる実行のためにコンピュータ可読媒体内で具現化されるソフトウェアを含むことができる。プロセッサは、本書の図を参照して説明されるもの等の実装されるデータ構造および方法を使用して、データを新しいデータに変換する。
ECU22は、ブリッジ整流器18および再充電可能バッテリ20に結合される。ECU22は、小型エンジン14の1分あたり回転数(RPM)に正比例する、発電機モータ16の出力のAC電圧を測定するように構成されることができ、これをブリッジ整流器18のDC電力出力と比較する。ECU22は、小型エンジン14のスロットルを制御し、負荷、例えば、1つ以上の電気モータ25の負荷または負荷78、90、92、および100のうちの1つ以上が変化するにつれて、ブリッジ整流器18のDC電力出力を増加または減少させることができる。一実施例では、ECU22は、Arduino(登録商標)MEGA 2560 Board R3であり得る。種々の実施形態では、1つ以上の電気モータ25の負荷は、ESC24が電気モータ25に提供される電力量を変化させるにつれて変化することができる。例えば、ユーザが、電気モータ25に提供される電力を増加させるように入力し、続けて、ESC24に、より多くの電力を電気モータ25に提供させる場合、ECU22は、小型エンジン14のスロットルを増加し、より多くの電力の生産物を電気モータ25に提供させることができる。
ECU22は、感知されたアナログ電圧を読み取り、これらをADCカウントに変換し、カウントを所望の電圧に対応するものと比較し、結果が不感帯外である場合、プログラムされた利得に従って小型エンジン14のスロットルを増加または減少させることによって、負荷の電圧出力を維持するように機能することができる。
一実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、約1,800ワットの連続電力、10,000ワットの瞬間電力(例えば、16,000mAhパルスバッテリで6秒)を提供することができ、1,500Wh/kgのガソリン変換率を有する。一実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、約12インチ×12インチ×12インチの寸法および約8ポンドの重量を有する。
図2は、マイクロハイブリッド発電機システム10の側面斜視図を描写する。図3Aは、マイクロハイブリッド発電機10の側面図を描写する。図3Bは、マイクロハイブリッド発電機10の分解側面図を描写する。マイクロハイブリッド発電機システム10は、発電機モータ16に結合される小型エンジン14を含む。一実施形態では、小型エンジン14は、小型エンジン14のシャフトへの発電機モータ16のシャフトの結合を提供し、また、シンクフィン27を用いて冷却を提供する、結合/冷却デバイス26を含む。例えば、図3Aおよび3Bは、発電機モータ16のシャフト32および小型エンジン14のシャフト34を結合する止めねじ30を伴う結合具/ファン28を含む、結合/冷却デバイス26の一実施形態をさらに詳細に示す。結合/冷却デバイス26はまた、ゴム結合リング36を含み得る。
種々の実施形態では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、マイクロハイブリッド発電機システム10から離れるような熱の伝達を促進するための構成要素を含む、および/または熱を生産する構成要素にわたって空気流を増加させるために、UAV内に統合される。例えば、ハイブリッド発電機システム10は、マイクロハイブリッド発電機システムから離れるように熱を伝達させるために、具体的構成要素、例えば、整流器上に冷却フィンを含むことができる。種々の実装では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、熱がUAVの外部に向かって伝達されるようにするために、構成要素を含み、UAV内に統合される。
種々の実施形態では、マイクロハイブリッド発電機システム10および/またはマイクロハイブリッド発電機システム10を統合するUAVは、マイクロハイブリッド発電機システム10の少なくとも1つの構成要素を横断する1分あたり406立方フィートの空気流を可能にするように構成される。マイクロハイブリッド発電機システム10の小型エンジン14は、動作温度150℃において起動されることができ、マイクロハイブリッド発電機システム10の周囲温度にある場合、小型エンジン14によって生成される熱を除去するために、1分あたり406立方フィートの空気流が、少なくとも小型エンジン16を横断して達成される。さらに、種々の実施形態では、小型エンジン14は、16.5馬力において動作され、49.2kWの廃熱を生成し、例えば、小型エンジンの各ヘッドは、24.6kWの廃熱を生産する。種々の実施形態では、電気ダクテッドファンが、エンジンヘッドにわたって空気流を集中させるために使用される。例えば、1分あたり406立方フィートの空気流が、電気ダクテッドファンを使用して、小型エンジン14のエンジンヘッドにわたって達成されることができる。
種々の実施形態では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、二重振動減衰システムを使用して、UAVの一部として統合される。マイクロハイブリッド発電機システムの小型エンジン14は、エンジンと発電機との間の不整合を適応させるために結合具を利用することができる。圧縮および捩りダンパの両方を使用する二重振動減衰システムは、マイクロハイブリッド発電機システム10と、これが搭載される構造、例えば、ドローンとの間の減衰を提供することができる。一実施例では、小型エンジン14は、10,000RPMで1.68Nmの平均トルクを生産する。
種々の実施形態では、ウレタン結合具が、小型エンジン14を発電機モータ16に結合するために使用される。さらに、一実施例では、ウレタン結合具は、90A〜75Dのデュロメータ値を有することができる。マイクロハイブリッド発電機システム10の少なくとも一部をUAVに固着させるために使用される例示的ウレタン結合具は、L42ウレタン、L100ウレタン、L167ウレタン、およびL315ウレタンを含む。マイクロハイブリッド発電機システム10の少なくとも一部をUAVに固着させるために使用されるウレタン結合具は、20MPa〜62.0MPaの引張強度、270〜800%の破壊時の伸び率、2.8MPa〜32MPaの弾性率、110%〜435%の摩耗指数、および12.2kN/m〜192.2kN/mの引裂き強度を有することができる。
小型エンジン14(図2および3)はまた、機械的雑音および/またはエンジン振動を低減させる、フライホイール38を含む。好ましくは、小型エンジン14は、ホール効果センサ40(図3)と、示されるようなフライホイール38に結合されるホール効果磁石とを含む。一実施例では、ホール効果センサ40は、RCexl Min Tachometer(登録商標)(Zhejiang Province,China)から利用可能であり得る。
小型エンジン14が動作するとき、フライホイール38は、スロットルに基づく速度で急回転する。フライホイール38の急回転速度は、ホール効果センサ40によって測定される。ホール効果センサ40によって生成される電圧は、ECU22に入力される。種々の実施形態では、ECU22は、発電機モータ16による出力を比較し、適切な電圧が維持され、バッテリがある閾値を超えて放電しないことを確実にする。ECU22は、次いで、発電機モータ16および小型エンジン14の一方または両方のスロットルを制御し、必要に応じて電圧を増加または減少させ、電力を負荷78、90、92、および/もしくは100のうちの1つ以上、または1つ以上のロータモータ25に供給することができる。
小型エンジン14はまた、スタータモータ42と、サーボ44と、マフラ46と、振動マウント48とを含み得る。
図4は、マイクロハイブリッド発電機システム10の斜視図である。マイクロハイブリッド発電機システム10は、小型モータ14と、ブリッジ整流器18に結合される発電機モータ16とを含む。
図5は、マイクロハイブリッド発電機システム10と統合されるUAV150の斜視図である。UAV150は、それぞれ、プロペラ60に結合される6つのロータモータ25を含むが、しかしながら、マイクロハイブリッド発電機システム10と統合されるUAVは、より多くの、またはより少ないロータモータおよびプロペラを含み得ることを理解されたい。UAV150は、3 DR Pixhawk(登録商標)の一部として実装されるPx4飛行コントローラ(登録商標)を含むことができる。
一実施形態では、図1−5に示されるような小型エンジン14は、電気スタータ50を使用して始動され得る。図1に示されるような(また、図5に示される)燃料源12が、図3に示されるような発電機モータ16に直接結合されるそのロータシャフトを急回転させるために燃料を小型エンジン14に送達し、力を発電機モータ16に印加する。発電機モータ16の急回転は、電気を生成し、モータ発電機16によって生成される電力は、小型エンジン14のシャフトによって印加される電力に比例する。好ましくは、発電機モータ16の標的回転速度は、発電機モータ16のKV(rpm/V)に基づいて判定される。例えば、25ボルトDCの標的電圧が所望される場合、発電機モータ16の定格は、約400KVであろう。小型エンジン14の回転速度は、以下の方程式によって判定され得る。
RPM=KV(RPMボルト)×標的電圧(VDC) (1)
RPM=400KV×25VDC (2)
RPM=10,000 (3)
RPM=KV(RPMボルト)×標的電圧(VDC) (1)
RPM=400KV×25VDC (2)
RPM=10,000 (3)
本実施例では、25VDC出力を生成するための発電機モータ16に関して、小型エンジン14のシャフトに結合される発電機モータ16のシャフトは、約10,000RPMにおいて急回転する必要がある。
負荷、例えば、1つ以上のモータ25、または負荷78、90、92、および/もしくは100のうちの1つ以上が、発電機モータ16の出力に印加されるにつれて、バッテリの電圧出力は、降下し、これは、ECU22によって感知され、これは、続けて、小型エンジン14のスロットルを増加させることができる。本場合では、ECU22が、小型エンジン14のスロットルを調整し、負荷とともに変動する一貫した出力電圧を維持するように役立てるために使用され、本システムが負荷下で電力を損失しないように防止することができる。ECU22は、ガソリンエンジンのための標準ガバナのように作用することができるが、RPMを調整する代わりに、これは、閉ループフィードバックコントローラに基づいて、ブリッジ整流器および発電機モータ16の一方または両方の標的電圧出力を調整することができる。
発電機モータ16からの電力出力は、ブリッジ整流器18によって整流される必要がある、交流(AC)の形態であり得る。ブリッジ整流器18は、上記に議論されるように、AC電力を直流(DC)電力に変換することができる。種々の実施形態では、マイクロハイブリッド発電機システム10の出力電力は、「直列ハイブリッド」構成において配置されることができ、発電機モータ16によって出力される発電機電力が、再充電可能バッテリ20を充電する、または電力を別の外部負荷に提供するために利用可能であり得る。
動作時、マイクロハイブリッド発電機システム10が機能しているとき、少なくとも2つの利用可能な電源が存在し得る。一次電源は、発電機モータ16から、ブリッジ整流器を直接通してであり得、二次電源は、再充電可能バッテリ20からであり得る。したがって、連続電力可用性および高ピーク電力可用性の組み合わせが、提供され、これは、UAV用途またはポータブル発電機用途に対して特に非常に好適であり得る。一方の一次(発電機モータ16)電源が利用可能ではない場合では、システム10は、依然として、再充電可能バッテリ20からの電力を使用して、短い時間周期にわたって継続して動作し、UAVが緊急着陸等の安全方略を持続することを可能にすることができる。
マイクロハイブリッド発電機システム10がUAVのために使用されるとき、以下の条件が、UAVを効果的かつ効率的に動作させるために満たされることができる。1)合計連続電力(ワット)は、UAV飛行を持続するために要求される電力を上回り得、2)UAV飛行を持続するために要求される電力は、機体の合計重量、ハイブリッドエンジンの合計重量、燃料の合計重量、および有効荷重の合計重量の関数であり、
合計重量(グラム)=機体乾燥重量+小型エンジン14重量+燃料重量+有効荷重 (4)
であり、3)機体構成および空気力学に基づいて、特定のリフトモータが、11の効率定格(グラム/ワット)を有し、
飛行するために要求される合計電力=YJ×重量(グラム) (5)
である。
合計重量(グラム)=機体乾燥重量+小型エンジン14重量+燃料重量+有効荷重 (4)
であり、3)機体構成および空気力学に基づいて、特定のリフトモータが、11の効率定格(グラム/ワット)を有し、
飛行するために要求される合計電力=YJ×重量(グラム) (5)
である。
飛行を持続するために要求される電力が、利用可能な連続電力を上回る場合では、利用可能な電力または合計電力は、好ましくは、再充電可能バッテリ20のサイズおよび構成に基づく。再充電可能バッテリ20の構成は、再充電可能バッテリ20のセル構成、再充電可能バッテリ20のセル定格、および/または再充電可能バッテリ20の合計mAhに基づき得る。一実施例では、6S、16000mAh、25Cのバッテリパックに関して、合計エネルギーは、以下の方程式によって判定される。
合計エネルギー=電圧×mAh=25VDC(6S)×16000mAh=400ワット*時 (6)
ピーク電力可用性=電圧×mAh×C定格=25VDC×16000mAh×25C=10,400ワット (7)
合計ピーク時間=400ワット*時/10,400ワット=138.4秒 (8)
さらに、一実施例では、再充電可能バッテリ20は、小型エンジン14からの一次電力故障の場合では、138.4秒にわたって10,400ワットの電力を提供することが可能であろう。加えて、再充電可能バッテリ20は、飛行のために最大10,400ワットの利用可能な電力を提供することが可能であり得る、または有効荷重は、積極的な操縦のために必要とされる短い時間周期にわたって瞬間ピーク電力を必要とする。
合計エネルギー=電圧×mAh=25VDC(6S)×16000mAh=400ワット*時 (6)
ピーク電力可用性=電圧×mAh×C定格=25VDC×16000mAh×25C=10,400ワット (7)
合計ピーク時間=400ワット*時/10,400ワット=138.4秒 (8)
さらに、一実施例では、再充電可能バッテリ20は、小型エンジン14からの一次電力故障の場合では、138.4秒にわたって10,400ワットの電力を提供することが可能であろう。加えて、再充電可能バッテリ20は、飛行のために最大10,400ワットの利用可能な電力を提供することが可能であり得る、または有効荷重は、積極的な操縦のために必要とされる短い時間周期にわたって瞬間ピーク電力を必要とする。
結果として、UAVに結合されているときのマイクロハイブリッド発電機システム10は、従来のマルチロータUAVよりも多い有効荷重とともに、長い時間周期にわたってUAVを飛行させ、操縦するための電力を効率的かつ効果的に提供する。一実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、最大約2時間5分の装填(3ポンドの負荷)飛行時間および約2時間35分の非装填飛行時間を提供することができる。さらに、燃料源が不足する、または小型エンジン14および/もしくは発電機モータ16が誤動作する場合では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、再充電可能バッテリ20を使用し、UAVが安全な着陸を実施することを可能にするために十分な電力を提供することができる。種々の実施形態では、再充電可能バッテリ20は、物体、または脅威、および同等物を回避するための積極的な操縦のために、瞬間ピーク電力をUAVに提供することができる。
種々の実施形態では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、商業用途および住宅用途の両方において使用され得る、信頼性のある、効率的、軽量、ポータブルな発電機システムを提供し、電力グリッドから離れた遠隔場所において電力を提供し、マイクログリッド発電機または超マイクログリッド発電機を提供することができる。
種々の実施形態では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、効率的な高エネルギー密度電源が要求され、燃料源が炭化水素燃料を使用可能な電力に変換するために容易に利用可能である、適用可能な用途、例えば、ロボット工学、ポータブル発電機、マイクログリッド、および超マイクログリッド、ならびに同等物のために使用されることができる。マイクロハイブリッド発電機システム10は、種々の形態の再充電可能バッテリ(リチウムイオン、リチウムポリマー、リチウム硫黄)およびさらには、典型的には、従来のUAVにおいて使用される燃料セル技術よりも有意にエネルギー効率的であることが示されている。
図6は、異なるUAV電源のエネルギー密度を比較するグラフを描写する。種々の実施形態では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、低コストで容易に利用可能である従来のガソリンを使用し、例えば、図6の58に示されるように、UAV用途のために約1,500Wh/kgの電力を提供することができる。完全にバッテリに依拠する従来のUAVは、エネルギー高密度燃料セル技術を使用するとき、60に示される約1,000Wh/kg、リチウム硫黄バッテリを使用するとき、62に示される約400Wh/kg、およびLiPoバッテリを使用するとき、64に示されるわずか約200Wh/kgの最大エネルギー密度を提供することができる。
図7は、UAVの市場潜在性対UAVに結合されたときの1つ以上のマイクロハイブリッド発電機システム10が達成することが可能である例示的2+時間の飛行時間に関する飛行時間と、本発明のUAVのためのマイクロハイブリッド発電機システム10に関する総合的市場潜在性対耐久性の実施例とのグラフを描写する。
種々の実施形態では、マイクロハイブリッド発電機電力システム10は、UAVまたは類似するタイプの航空ロボット機の一部として統合され、UAVの飛行を持続するための電力の一次電源を使用して、ポータブル飛行発電機として機能し、次いで、UAVがその目的地に到達し、飛行中ではないとき、電力の一次電源として作用することができる。例えば、マイクロハイブリッドシステム10を組み込むUAV、例えば、UAV150(図5)が、飛行中ではないとき、マイクロハイブリッドシステムによって生成される利用可能な電力は、外部負荷78、90、92、および/または100のうちの1つ以上に伝達されることができ、したがって、マイクロハイブリッド発電機システム10は、ポータブル発電機として動作する。マイクロハイブリッドシステム発電機10は、連続ピーク電力生成能力を提供し、遠隔かつ多くの場合、到達することが困難な場所において電力を提供することができる。「非飛行ポータブル発電機モード」では、マイクロハイブリッドシステム10は、利用可能な電力生成能力を、負荷78、90、92、および/または100のうちの外部の1つ以上に向かって迂回させることができる。電力要件に応じて、DC/ACインバータ84、96のうちの1つ以上が、DC電圧を標準AC電力(120VACまたは240VAC)に変換するために使用され得る。
動作時、UAV150(図5)等のUAVに結合されるマイクロハイブリッド発電機システム10は、空中飛行を使用して場所から場所に横断し、着陸し、燃料を電力に変換するように発電機のスイッチをオンにすることが可能であろう。
図8は、マイクロハイブリッド発電機システム10を伴うUAVの例示的飛行パターンを示す。図8に示される例示的飛行パターンでは、それに結合されるマイクロハイブリッドシステム10を伴うUAV150は、飛行できる状態の燃料を装填される場所Aにおいて始動する。UAV150は、次いで、場所Aから場所Bに進行し、場所Bに着陸する。UAV150は、次いで、マイクロハイブリッドシステム10を使用し、場所Bにおけるローカル使用のための電力を生成し、それによって、ポータブル飛行発電機として作用する。電力がもはや必要とされないとき、UAV150は、場所Aに戻り、次のタスクに関する命令を待機する。
種々の実施形態では、UAV150は、マイクロハイブリッド発電機システム10によって提供される電力を使用し、初期場所から遠隔場所に進行し、飛行し、着陸し、次いで、遠隔場所において電力を生成する。タスクの完了に応じて、UAV150は、その新しいタスクに関するコマンドを受け取る状態となる。この全ては、手動で、または自律的/自動化プロセスを通して実施されることができる。種々の実施形態では、マイクロハイブリッド発電機システム10を伴うUAV150は、燃料の搬送およびローカル発電機が必要とされる適用可能な用途において使用されることができる。したがって、マイクロハイブリッド発電機システム10を伴うUAV150は、遠隔場所に燃料および発電機の両方を搬送する必要性を排除する。マイクロハイブリッド発電機システム10を伴うUAV150は、飛行中であるときおよび飛行中ではないときの両方において機体に給電することが可能であり、同量の利用可能な電力を外部負荷に提供することができる。これは、電力が現場における軍隊に対して必要とされる状況、発電機および燃料の輸送が厳しい人道もしくは災害救助状況、またはもはや利用可能ではない電力に関する要求が存在する状況において有用であり得る。
図9は、取外可能サブシステムを伴うマイクロハイブリッド発電機システム10に関する別のシステムの図を描写する。図10aは、UAVの一部として統合される取外可能サブシステムを伴うマイクロハイブリッド発電機システム10の図を描写する。図10bは、地上ロボットの一部として統合される取外可能サブシステムを伴うマイクロハイブリッド発電機システム10の図を描写する。種々の実施形態では、テザーライン201が、マイクロハイブリッド制御システム10のブリッジ整流器18のおよび再充電可能バッテリ20のDC出力に結合される。テザーライン201は、DC電力出力をテザーコントローラ202に提供することができる。テザーコントローラ202は、テザーケーブル206と地上または航空ロボット208との間に結合される。動作時、以下にさらに詳細に議論されるように、マイクロハイブリッド発電機システム10は、本書の図のうちの1つ以上とともに上記に議論されるような類似する出力能力を用いて、テザー上の電力を地上または航空ロボット208に提供する。
図9に示されるシステムは、本システムの一部として統合される付加的取外可能コンポーネント250、例えば、データ記憶機器252、通信機器254、外部負荷センサ256、付加的ハードウェア258、およびデータテザー262を介してテザーコントローラ202に結合され得る種々の多角的機器260を含むことができる。
図9に示されるシステムの動作の一実施例では、本システムは、飛行ロボットもしくはUAV270(図10)等の飛行ロボットもしくはUAVまたは地上ロボット272の一部として構成され得る。ポータブルテザー付きロボットシステム200は、場所Aにおいてミッションを開始する。サブシステムおよび地上、テザーコントローラ、地上/航空ロボット208の全てまたは適用可能な組み合わせが、マイクロハイブリッド発電機システム10によって給電されることができる。ポータブルテザー付きロボットシステム200は、所望の遠隔場所Bに、例えば、マイクロハイブリッド発電機システム10によって給電される地上ロボット272を使用して地上を進行するか、またはマイクロハイブリッド発電機システム10によって給電される飛行ロボットもしくはUAV270を使用して空中を進行するかのいずれかである。場所Bにおいて、飛行ロボット270または地上ロボット272として構成されるポータブルテザー付きロボットシステム200は、274に示されるマイクロハイブリッド発電機システム10および/または取外可能サブシステム250を自律的に結合解除することができ、これは、地上ロボット272または飛行ロボットもしくはUAV270が動作している間、取り外されたままである。280に示されるように、飛行ロボットまたはUAV270が、場所Bにおいて必要とされると、飛行ロボットまたはUAV270は、テザーケーブル206に結合されるマイクロハイブリッド発電機システムによって提供される電力を使用して動作されることができる。飛行ロボットまたはUAV270が、もはやマイクロハイブリッド発電機システム10および/またはそれに取り付けられる付加的コンポーネント250を有していないと、これは、有意により軽く、より長い時間周期にわたって飛行することができる。一実施例では、飛行ロボットまたはUAV270は、マイクロハイブリッド発電機システム10によって提供される電力を使用して、離陸し、長い時間周期にわたってホバリング位置に遠隔に留まることができる。
同様に、290に示されるように、地上ロボット272が、場所Bにおいて必要とされると、これは、テザーライン206に結合されるマイクロハイブリッド発電機システム10によって給電され得、また、マイクロハイブリッド発電機システム10および/またはそれに取り付けられる付加的コンポーネント250を伴わないで有意により軽いであろう。地上ロボット272はまた、マイクロハイブリッド発電機システム10によって提供される電力を使用して、長い時間周期にわたって使用されることができる。
図11は、動作時の取外可能飛行パックを伴う地上ロボット300を示す。取外可能飛行パック302は、マイクロハイブリッド発電機システム10を含む。取外可能飛行パックは、1つ以上の実施形態の地上ロボット300に結合される。マイクロハイブリッド発電機システム10は、地上ロボット300内に埋設される。地上ロボット300は、飛行パック302から取外可能である。そのような設計では、能力の大部分は、地上ロボット300内の深くに埋設され、これは、飛行パック302から100%独立して動作することができる。地上ロボット300が飛行パック302に取り付けられると、飛行パック302は、地上ロボット300内に埋設されるマイクロハイブリッド発電機システム10から給電され、飛行パック302は、飛行を提供する。地上ロボット300のプラットフォームは、脚ホイールまたはねじ山付き基部運動であり得る。
一実施形態では、地上ロボット300は、取外可能飛行パック302と、図11に示されるようにそれに結合されるマイクロハイブリッド発電機システム10とを含み得る。本実施例では、地上ロボット300は、ホイール304によって示されるようなホイールベースのロボットである。本実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム10は、本書の1つ以上の図に関して上記に議論されるように、燃料源12と、小型エンジン14と、発電機モータ16と、ブリッジ整流器18と、再充電可能バッテリ20と、ECU22と、随意のインバータ84および96とを含む。マイクロハイブリッド発電機システム10はまた、好ましくは、データ記憶機器252と、通信機器254と、外部負荷センサ256と、付加的ハードウェア258と、示されるようにデータライン262に結合される多角的通信260とを含む。飛行パック302は、好ましくは、固定翼、単一ロータもしくはマルチロータ、航空デバイス、または類似するタイプの航空デバイス等の航空ロボットプラットフォームである。
一実施形態では、地上ロボット300および航空飛行パック302は、単一ユニットとして構成される。電力が、マイクロハイブリッド発電機システム10から送達され、電力を飛行パック302に提供するために使用され、したがって、地上ロボット300および飛行パック302は、場所Aから場所Bに飛行することができる。場所Bにおいて、地上ロボット304は、310に示されるように飛行パック302から取り外され、飛行パック302から独立して操縦および動作することが可能である。マイクロハイブリッド発電機システム10は、地上ロボット300内に埋設され、したがって、地上ロボット304は、飛行パック302から独立して給電されることが可能である。地上ミッションの完了に応じて、地上ロボット300は、それ自体を飛行パック302に再取り付けし、場所Aに戻ることが可能である。上記の動作の全ては、手動である、半自律的である、または完全に自律的であり得る。
一実施形態では、飛行パック302は、遠隔場所に横断し、地上ロボット300を送達することができる。所望の場所において、飛行パック302のいかなる必要性も存在せず、したがって、これは、地上ロボット300がその有効荷重として飛行パック302を搬送する必要なくそのミッションを完了し得るように、後ろに残されることができる。これは、困難かつ厳しい地形、遠隔場所を横断するために、および地上ロボット300をその場所に輸送することが厳しい状況において有用であり得る。例示的用途は、遠隔地雷目的地、遠隔監視および偵察、ならびに飛行パック302が意図された目的地に近接して着陸し得ない荷物送達サービスを含み得る。これらの実施例では、飛行パックのための指定された安全降下区域が、使用されることができ、ローカル送達が、目的地まで地上ロボット300によって完了される。
種々の実施形態では、次いで、ミッションが、完了し、地上ロボット272または飛行ロボットもしくはUAV270は、マイクロハイブリッド発電機システム10に戻るように自律的に結合されることができる。付加的取外可能コンポーネント250が、マイクロハイブリッド発電機システム10に戻るように自律的に結合されることができる。飛行ロボットもしくはUAV270または地上ロボット272として構成される、マイクロハイブリッド発電機システム10を伴うポータブルテザー付きロボットシステム200は、次いで、マイクロハイブリッド発電機システム10によって提供される電力を使用して、場所Aに戻る。
結果として、マイクロハイブリッド発電機システム10を伴うポータブルテザー付きロボットシステム200は、地上ロボット272または飛行ロボットもしくはUAV270を遠隔場所に効率的に輸送し、地上ロボット272または飛行ロボットもしくはUAV270を自動的に結合解除し、地上ロボット270または飛行ロボットもしくはUAV272の動作時間を最大限にするために有益であり得る、テザー電力を使用して、飛行ロボット270または地上ロボット272を効果的に動作させることが可能である。システム200は、テザー付き地上または航空ロボットの重量を削減し、それによって、その電力要件を有意に低減させる際に効果的であり得る、モジュール式取外可能繋留を提供する。これは、機体コンポーネントが取り付けられ、機体が運動を持続する必要がある元々の能力と比較すると、航空ロボットもしくはUAVまたは地上ロボットが、有意により長い時間周期にわたって動作することを可能にする。システム200は、遠隔場所において発電機、ロボット、およびテザーを組み立てる必要性を排除し、したがって、時間、リソース、および費用を節約する。システム200の有用な用途は、特に、遠隔感知、攻撃または守備的軍事用途および/もしくは通信ネットワーキング、または複数機体協働環境、ならびに同等物を含み得る。
図12は、マイクロハイブリッド発電機システムの制御システムを示す。マイクロハイブリッド発電機システムは、点火モジュール402に結合される電力プラント400を含む。点火モジュール402は、物理的スパークを電力プラント402に提供することによって、電力プラント400を始動するように機能する。点火モジュール402は、点火バッテリエリミネータ回路(IBEC)404に結合される。IBEC404は、点火モジュール402に給電するように機能する。
電力プラント400は、電力を提供するように構成される。電力プラント400は、小型エンジンと、発電機とを含む。電力プラントは、ECU406によって制御される。ECU406は、スロットルサーボを通して電力プラントに結合される。ECU406は、小型エンジンのスロットルを制御するようにスロットルサーボを動作させ、電力プラント400に、生産される電力量を増加させるか、または減少させるかのいずれかであり得る。ECU406は、分圧器408に結合される。分圧器408を通して、ECUは、負荷/機体414が引き込んでいる電力量を判定し、小型エンジンのスロットルを増加させるか、減少させるか、または一定に保つかを判定することができる。
電力プラントは、分電盤410に結合される。分電盤410は、電力プラント400によって生成される電力をバッテリパック412および負荷/機体414の一方または両方に分配することができる。分電盤410は、バッテリエリミネータ回路(BEC)416に結合される。BEC416は、電力をECU406および受信機418に提供する。受信機418は、IBEC404を制御し、IBEC404に点火モジュール402に給電させるように機能する。受信機418はまた、電力プラント400の小型エンジンのスロットルを制御する際に使用されるECU406に情報を送信する。受信機418からECUへの情報は、小型エンジンのスロットルのスロットル位置およびマイクロハイブリッド生成システムが動作しているモードに関連する。
図13は、マイクロハイブリッド発電機システムを通して給電されるドローンの上部部分500の上面斜視図を示す。図13に示されるドローンの上部部分500は、6つのロータ502−1...502−6(以降では、「ロータ502」)を含む。ロータ502は、対応するモータ504−1...504−6(以降では、「モータ504」)によって急回転するようにされる。モータ504は、マイクロハイブリッド発電機システムを通して給電されることができる。ドローンの上部部分500は、上面506を含む。上面506の縁は、空気抗力を低減させ、ドローンの空気力学的性能を改良するように湾曲されることができる。上面は、それを通して空気が流動し、マイクロハイブリッド発電機システムの少なくとも一部から離れるように熱を放散する際に補助し得る、開口部508を含む。種々の実施形態では、空気フィルタの少なくとも一部が、開口部508を通して暴露される。
図14は、マイクロハイブリッド発電機システム10を通して給電されるドローンの底部部分550の上面斜視図を示す。マイクロハイブリッド発電機システム10は、電力をモータ504に提供するために、小型エンジン14と、発電機モータ16とを含む。ロータモータ504および対応するロータ502は、アーム552−1...552−6(以降では、「アーム552」)を通して、ドローンの底部部分550の主要本体から離れるように位置付けられる。ドローンの底部部分550の底部部分の外面および/またはアーム552は、空気抗力を低減させ、ドローンの空気力学的性能を改良するために湾曲される縁を有することができる。
図15は、マイクロハイブリッド発電機システム10を通して給電されるドローンの底部部分550の上面図を示す。ロータモータ504および対応するロータ502は、アーム552を通して、ドローンの底部部分550の主要本体から離れるように位置付けられる。ドローンの底部部分550の底部部分の外面および/またはアーム552は、空気抗力を低減させ、ドローンの空気力学的性能を改良するために湾曲される縁を有することができる。
図16は、マイクロハイブリッド発電機システム10の側面斜視図を示す。図16に示されるマイクロハイブリッド発電機システム10は、1.8kWの電力を提供することが可能である。マイクロハイブリッド発電機システム10は、発電機モータ16に結合される小型エンジン14を含む。小型エンジン14は、約3馬力を提供することができる。発電機モータ16は、小型エンジン14によって生成される機械的動力を使用して、AC出力電力を生成するように機能する。
図17は、マイクロハイブリッド発電機システム10の側面斜視図を示す。図17に示されるマイクロハイブリッド発電機システム10は、10kWの電力を提供することが可能である。マイクロハイブリッド発電機システム10は、発電機モータに結合される小型エンジン14を含む。小型エンジン14は、約15〜16.5馬力を提供することができる。発電機モータは、小型エンジン14によって生成される機械的動力を使用して、AC出力電力を生成するように機能する。
本発明の具体的特徴が、いくつかの図面では示され、その他では示されないが、これは、各特徴が、本発明による他の特徴のいずれかまたは全てと組み合わせられ得るため、便宜上のためだけのものである。本明細書で使用されるような単語「〜を含む」、「〜を備える」、「〜を有する」、および「〜を伴う」は、広義かつ包括的に解釈されるべきであり、いずれかの物理的相互接続に限定されない。さらに、本主題の出願において開示されるいずれの実施形態も、唯一の可能な実施形態として解釈されるべきではない。他の実施形態も、当業者に想起されるであろう。
Claims (24)
- 無人航空機であって、
飛行モジュールであって、前記飛行モジュールは、
プロペラと、
前記プロペラの回転を駆動するように構成されたロータモータと
を備える、飛行モジュールと、
電気エネルギーを生成するように構成されたエネルギーシステムと
を備え、
前記無人航空機は、(1)前記エネルギーシステムが前記飛行モジュールに取り付けられ、かつ前記エネルギーシステムが前記電気エネルギーを前記ロータモータに提供して前記無人航空機の飛行を引き起こす、第1の構成と、(2)前記エネルギーシステムが前記飛行モジュールから取り外され、かつ前記エネルギーシステムが前記電気エネルギーを外部負荷に提供する、第2の構成とを有し、前記外部負荷は、地上機体を備えるロボットデバイスを備える、無人航空機。 - 前記エネルギーシステムは、前記飛行モジュールから取り外され、前記飛行モジュールに再取り付けられるように構成されている、請求項1に記載の無人航空機。
- 前記エネルギーシステムは、前記無人航空機が飛行中である間に前記飛行モジュールから取り外し可能である、請求項1に記載の無人航空機。
- 前記第2の構成において、前記エネルギーシステムは、ケーブルによって前記飛行モジュールに接続されている、請求項1に記載の無人航空機。
- 前記ケーブルは、データ伝送ケーブルを備える、請求項4に記載の無人航空機。
- 前記ケーブルは、電力伝送ケーブルを備える、請求項4に記載の無人航空機。
- 前記第1の構成にある間に第1の場所から第2の場所へ自律的に飛行することと、
前記第2の場所において、前記飛行モジュールから前記エネルギーシステムを自律的に取り外して前記第2の構成に入ることと
を行うために前記無人航空機を制御するように構成された制御システムを備える、請求項1に記載の無人航空機。 - 前記エネルギーシステムは、ハイブリッドエネルギー生成システムを備え、前記ハイブリッドエネルギー生成システムは、
再充電可能バッテリと、
機械的エネルギーを生成するように構成されたエンジンと、
前記エンジンによって生成される前記機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成された発電機と
を備える、請求項1に記載の無人航空機。 - 前記電気エネルギーは、前記発電機から、前記再充電可能バッテリと、(1)前記ロータモータまたは(2)前記外部負荷のいずれかとのうちの1つ以上に提供される、請求項8に記載の無人航空機。
- 前記再充電可能バッテリは、前記無人航空機が前記第1の構成にある場合に、電気エネルギーを前記ロータモータに提供するように構成されている、請求項8に記載の無人航空機。
- 前記無人航空機が前記第2の構成にある場合に、前記発電機および前記再充電可能バッテリの両方は、閾値を超える前記外部負荷からの電力要求に応答して前記外部負荷に電気エネルギーを提供するように構成されている、請求項8に記載の無人航空機。
- 前記再充電可能バッテリは、前記無人航空機が前記第2の構成にある場合に、前記外部負荷に電気エネルギーを提供するように構成されている、請求項8に記載の無人航空機。
- 前記外部負荷は、データ記憶デバイス、通信デバイス、およびセンサのうちの1つ以上を備える、請求項1に記載の無人航空機。
- 方法であって、
電気エネルギーを生成するようにエネルギーシステムを動作させることと、
前記エネルギーシステムが、プロペラの回転を駆動するように構成されたロータモータを備える飛行モジュールに取り付けられている、第1の構成において無人航空機を動作させることであって、前記電気エネルギーを飛行モジュールの前記ロータモータに提供して前記無人航空機の飛行を引き起こすことを含む、ことと、
前記エネルギーシステムを前記飛行モジュールから取り外すことと、
前記エネルギーシステムが前記飛行モジュールから取り外されている第2の構成において前記無人航空機を動作させることであって、前記電気エネルギーを外部負荷に提供することを含み、前記外部負荷は、地上機体を備えるロボットデバイスを備える、ことと
を含む、方法。 - 前記エネルギーシステムを前記飛行モジュールに再取り付けることを含む、請求項14に記載の方法。
- 前記無人航空機が飛行中である間に前記飛行モジュールから前記エネルギーシステムを取り外すことを含む、請求項14に記載の方法。
- 前記第2の構成において、前記エネルギーシステムは、ケーブルによって前記飛行モジュールに接続されている、請求項14に記載の方法。
- 前記第1の構成にある間に第1の場所から第2の場所へ自律的に飛行するように前記無人航空機を制御することと、
前記第2の場所において、前記飛行モジュールから自律的に取り外すように前記エネルギーシステムを制御することと
を含む、請求項14に記載の方法。 - 前記エネルギーシステムは、ハイブリッドエネルギー生成システムを備える、請求項14に記載の方法。
- 電気エネルギーを生成するように前記エネルギーシステムを動作させることは、
前記ハイブリッドエネルギー生成システムのエンジンにおいて機械的エネルギーを生成することと、
前記ハイブリッドエネルギー生成システムの発電機において、前記エンジンによって生成される前記機械的エネルギーを電気エネルギーに変換することと
を含む、請求項19に記載の方法。 - 前記発電機から、再充電可能バッテリと、(1)前記ロータモータまたは(2)前記外部負荷のいずれかとのうちの1つ以上に前記電気エネルギーを提供することを含む、請求項20に記載の方法。
- 前記無人航空機が前記第1の構成にある場合に、前記再充電可能バッテリから前記ロータモータに電気エネルギーを提供することを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記無人航空機が前記第2の構成にある場合に、閾値を超える前記外部負荷からの電力要求に応答して、前記再充電可能バッテリおよび前記発電機の両方から前記外部負荷に電気エネルギーを提供することを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記外部負荷は、データ記憶デバイス、通信デバイス、およびセンサのうちの1つ以上を備える、請求項14に記載の方法。
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