JP2020040511A - マルチコプターおよび消音装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ドローンの騒音を低減する技術を提供する。【解決手段】ドローン１には、それぞれの回転翼２０に、それを中心にして周囲を覆うような形状の消音ユニット５０が、所定のアタッチメント構造で取りつけられている。消音ユニット５０は、環状のフレーム５１と、フレーム５１に周方向に等間隔に形成された貫通穴の取付開口部５５と、それぞれの取付開口部５５の外周側に設けられた共鳴器５３とを備える。共鳴器５３は、ヘルツホルム型共鳴器であって、回転翼２０が発する音を消音する。【選択図】図１

Description

本発明は、マルチコプターおよび消音装置に関する。

ドローンと称されるＵＡＶ（unmanned aerial vehicle；マルチコプター）の利用が進んでいる。物流分野等では、ＣＯ_２削減、渋滞緩和等の手段としてドローンの活躍が期待されている。実際に市場に投入に際には、各種の対策技術が必要となる。求められている対策技術の一つに騒音対策がある。騒音に関しては環境省の基準が目指すべき基準となる。

既存のＵＡＶ騒音対策技術では、ＡＮＣ（active noise control）やプロペラガードの形状による指向性改善、ガードに吸音材を入れる等の技術が主に提案されている。また、集音した音と逆位相の音を発してドローンのノイズを打ち消す技術についても提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１８−１７９９７号公報

特許文献１に開示の技術では、騒音を打ち消す音を発するが、室内とは異なる開かれた外部空間で、さらに移動先でも打ち消す効果を持続することが難しい。また、ドローンのようなマルチコプターの騒音対策技術は、市場拡大に伴いさらに必要になると考えられる。国内にドローンの普及し本格的に物流分野等の産業分野で運用を目指す場合、小型機種より高い消音効果、広い範囲の周波数に対応できる事等前提とした消音技術が必要である。事実上、環境省の基準をクリア出来る騒音対策技術が必要とされることになり、単一の技術だけでなく、様々な技術を集約して騒音対策がなされることも想定されており、新たな技術が求められていた。

本発明は、以上のような状況に鑑みなされたものであって、マルチコプターの騒音を低減する技術を提供することを目的とする。

本発明のマルチコプターは、回転翼と、前記回転翼の近傍に取りつけられ、前記回転翼が発する音を消音するヘルツホルム共鳴器型消音ユニットと、を備える。
また、ヘルツホルム共鳴器型消音ユニットは、前記回転翼の外周を囲うように配置された複数のヘルツホルム型共鳴器を備えてもよい。
また、前記ヘルツホルム型共鳴器の開口部の面積を可変とする絞りと、前絞りの開度を制御する制御部と、を備えてもよい。
また、前記ヘルツホルム型共鳴器の体積を可変とする体積可変機構と、前記体積可変機構による前記体積の変更を制御する制御部と、を備えてもよい。
また、前記回転翼が発する音を集音するマイクを備え、前記制御部は、前記マイクが集音した前記音をもとに、前記ヘルツホルム共鳴型消音ユニットの消音特性を制御してもよい。
また、前記ヘルツホルム共鳴器型消音ユニットは、異なる吸音特性を有する複数のヘルツホルム型共鳴器を備えてもよい。
本発明のヘルツホルム共鳴器型消音ユニットは、マルチコプターの回転翼を囲うように配置される環状のフレームと、前記フレームに取り付けられたヘルツホルム型共鳴器と、を備える。
また、前記ヘルツホルム型共鳴器の開口部の面積を可変とする絞りを備えてもよい。
また、前記ヘルツホルム型共鳴器の体積を可変とする体積可変機構を備えてもよい。
また、異なる吸音特性を有する複数のヘルツホルム型共鳴器を備えてもよい。

本発明によると、マルチコプターの騒音を低減する技術を提供できる。

実施形態１に係る、消音ユニットを備えたドローンの斜視図である。 実施形態１に係る、消音ユニットの斜視図である。 実施形態１に係る、３種類の吸音材構造の吸音効果の公知の研究結果例を示した図である。 実施形態１に係る、共鳴器型吸音技術を説明した図である。 実施形態１に係る、ヘルムホルツ共鳴の消音効果の検証実験結果を示した図である。 実施形態１に係る、消音ユニットの具体的な構造を模式的に示した図である。 実施形態２に係る、消音ユニットを備えたドローンの斜視図である。 実施形態２に係る、消音ユニットの斜視図である。 実施形態３に係る、消音ユニットの具体的な構造を模式的に示した図である。 実施形態４に係る、消音ユニットの具体的な構造を模式的に示した図である。 実施形態５に係る、消音ユニットの具体的な構造を模式的に示した図である。 実施形態５に係る、消音ユニットの制御ブロックの例を示した図である。

次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。

＜実施形態１＞
図１は本実施形態の消音ユニット５０を備えるドローン１の斜視図である。図２は消音ユニット５０の斜視図である。ドローン１は、一般的な構成として、機体本体１０と、機体本体１０から水平方向外側に等間隔で延びる６本のアーム１２と、それぞれのアーム１２の先端に取りつけられた回転翼２０と、機体本体１０の下側に取りつけられたスキッド（脚）１３とを備える。

さらに、本実施形態において特徴的な構成として、それぞれの回転翼２０に、それを中心にして周囲を覆うような形状の消音ユニット５０が、所定のアタッチメント構造で取り付けられている。

消音ユニット５０は、環状のフレーム５１と、フレーム５１に周方向等間隔に形成された貫通穴の取付開口部５５と、それぞれの取付開口部５５のフレーム外周側に設けられた共鳴器５３とを備える。共鳴器５３は、ヘルツホルム型共鳴器であって、回転翼２０が発する音を消音する。

図３〜５を参照して、ヘルツホルム型共鳴器による消音技術の原理について簡単に説明する。図３は３種類の吸音材構造の吸音効果の公知の研究結果例を示している（http://esd.env.kitakyu-u.ac.jp/kuroki/KAANET_kaap/kuroki/text/txt21.html）。ここでは建築材料として用いられる３つの吸音構造について示している。（１）多孔質型吸音構造では、例えば、グラスウール、岩綿やカポックなど鉱物・植物繊維のように毛細管や連続気泡をもつ材料を想定する。このような材料に音が入射すると、一部が熱エネルギーとして消費される。その吸音特性は一般に低音域で小さく高音域で大きい。（２）板（膜）振動型吸音構造では、例えば、薄いベニヤ板やカンバスのような気密な材料を想定する。このような材料に音が当たると、板振動や膜振動によって、音のエネルギーの一部が内部摩擦によって消費される。その吸音特性は低音域の共振周波数で山を作が、吸音率は一般にそれほど大きくない。（３）共鳴器型吸音構造では、内部が空洞であり孔があいた形の共鳴構造となっており、共鳴周波数の近くで孔の部分の空気が激しく振動し、周辺との摩擦熱として消費される。それによって吸音特性は、その共鳴周波数で非常に大きな値になる。本実施形態では、この共鳴器型吸音構造の特徴に着目して、上記の消音ユニット５０を発明した。

図４を参照して共鳴器型吸音技術を簡単に説明する。球状の胴体の体積をＶ、ネック部の断面積をＳ、長さをｌ、音速をｃとする。このとき、ヘルムホルツ共鳴による共鳴周波数ｆは次の数式で表すことができる。
ｆ＝（ｃ／２π）×（Ｓ／Ｖｌ）^１／２
この式から、体積Ｖや断面積Ｓ等を調整することで、共鳴周波数ｆを可変とすることができることが分かる。

図５はヘルムホルツ共鳴の消音効果の検証実験の結果を示した図である。ここでは、小型飲料容器（ヤクルト（登録商標）の容器）を用いて実験を行った。容器１は、体積６７ｃｃ、開口部直径２１、深さ７４ｍｍである。容器２は容器１の開口部にラッパ状構造を追加したものである。容器１では、７７０Ｈｚ近傍で１１ｄＢダウンしている。容器２では６４０Ｈｚ近傍で１２ｄＢダウンしている。このように、ヘルムホルツ共鳴の原理を用いることで所望の周波数の騒音を消音できることが確認できる。

ここで消音ユニット５０の詳細を説明する。図６は消音ユニット５０の具体的な構造を模式的に示す図である。図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ１−Ａ１断面図、図６（ｃ）は図５（ｂ）の一つの共鳴器５３（領域Ａ１１）を拡大して示した図であり、右側が断面図、左側がＢ１矢視である。

図示のように、共鳴器５３は、キャビティ状の胴部５４（胴体）が回転翼２０側の取付開口部５５を回転翼２０側に向けてフレーム５１に固定されている。胴部５４は、全て共通であり、ある特定の周波数を共鳴周波数ｆとして、その共鳴周波数ｆの騒音を消音する。すなわち、回転翼２０の騒音特性に応じて、取付開口部５５の断面積や胴部５４の体積を決定する必要がある。なお、多孔質型吸音構造や板（膜）振動型吸音構造を併用することで、それぞれの吸音特性により相補することで、より効果的な吸音も実現可能となる。

＜実施形態２＞
図７は本実施形態に係る消音ユニット２５０を備えるドローン２０１の斜視図である。図８は消音ユニット２５０の斜視図である。以降の説明では、主に実施形態において特徴的な部分について説明し、他の実施形態と共通する部分については同一符号を付し説明を適宜省略する。

本実施形態において実施形態１の消音ユニット５０と異なる部分は、消音ユニット２５０にある。より具体的には、実施形態１の消音ユニット５０では同一構造の共鳴器５３が取りつけられていたが、本実施形態では、順に体積が増加するように構成された第１〜第５共鳴器２５３ａ〜２５３ｅの５種類が、フレーム２５１に取りつけられている。取付開口部２５５では、それぞれの体積に応じた共鳴周波数の騒音を低減することができる。騒音の周波数帯域が広い場合に有効である。

＜実施形態３＞
図９は本実施形態の消音ユニット３５０の具体的な構造を模式的に示す図である。図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ３−Ａ３断面図、図９（ｃ）は図９（ｂ）の一つの共鳴器３５３（領域Ａ３１）を拡大して示した図であり、右側が断面図、左側がＢ３矢視である。

図示のように、共鳴器３５３では、キャビティ状の胴部３５４（胴体）が取付開口部３５５でフレーム３５１に固定されている。胴部３５４は、全て共通である。実施形態１と異なる点は、取付開口部３５５に絞り３５６が設けられており、コントローラ３５９によって開度が変更可能になっている。例えば、図９（ｃ）に示すように、開度が大（全開）の場合、取付開口部３５５は露出せず、徐々に開度を小さくするに従い絞り３５６による遮蔽領域が広くなる。図４の説明のように、ネック部の断面積Ｓが小さくなるにしたがって共鳴周波数ｆも小さくなる。この関係を利用し、回転翼２０の発する騒音特性に応じて絞り３５６を調整し、最も効果的に消音できる開度（すなわち断面積）に制御することができる。

ドローン１は、フライトコントローラーから出力されるＰＷＭ信号のパルス幅を元に回転翼２０のモーターの電流を可変する仕組みよって、飛行制御を行っている。コントローラ３５９がこのＰＷＭ信号を取得し、その信号に応じた出力で絞り３５６を制御することもできる。また、図示しないマイクで騒音を測定し、コントローラ３５９がその周波数特性に応じて絞り３５６を制御してもよい。

＜実施形態４＞
図１０は本実施形態の消音ユニット４５０の具体的な構造を模式的に示す図である。図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ４−Ａ４断面図、図１０（ｃ）は図１０（ｂ）の一つの共鳴器４５３（領域Ａ４１）を拡大して示した図であり、右側が断面図、左側がＢ４矢視である。

図示のように、共鳴器４５３は、キャビティ状の胴部４５４（胴体）が取付開口部４５５でフレーム４５１に固定されている。胴部４５４は、全て共通である。実施形態１と異なる点は、胴部４５４の体積を可変とする体積可変器４５７が設けられている点にある。体積可変器４５７は、胴部４５４の内部に配置され可変壁４５７ａと、それを駆動させる駆動部４５７ｂとを備える。体積を減少させる場合には可変壁４５７ａを取付開口部４５５に向けて動かし、体積を増加させる場合には取付開口部４５５から遠ざける方に動かす。このように、体積可変器４５７で共鳴器４５３の体積を可変とすることで、回転翼２０の発する騒音特性に応じた消音を実現できる。

なお、本実施形態においても、実施形態３と同様に、コントローラ３５９が回転翼２０を駆動させるためのＰＷＭ信号を取得し、その信号に応じた出力（比例出力等）で体積可変器４５７を制御することもできる。また、図示しないマイクで騒音を測定し、コントローラ４５９がその周波数特性に応じて体積可変器４５７を制御してもよい。

＜実施形態５＞
図１１は本実施形態の消音ユニット５５０の具体的な構造を模式的に示す図である。図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ５−Ａ５断面図、図１１（ｃ）は図１１（ｂ）の一つの共鳴器５５３（領域Ａ５１）を拡大して示した図であり、右側が断面図、左側がＢ５矢視である。

図示のように、共鳴器５５３は、キャビティ状の胴部５５４（胴体）が回転翼２０側の取付開口部５５５でフレーム５５１に固定されている。胴部５５４は、全て共通である。

本実施形態では、上述し実施形態３及び実施形態４を組み合わせた構成となっている。すなわち、取付開口部５５５に絞り５５６が設けられており、コントローラ３５９によって開度が変更可能になっている。また、胴部５５４の体積を可変とする体積可変器５５７が設けられている。体積可変器５５７は、胴部５５４の内部に配置され可変壁５５７ａと、それを駆動させる駆動部５５７ｂとを備える。

図１２は消音ユニット５５０（共鳴器５５３）の共鳴周波数制御（等化入力外乱制御方法）のブロック図である。コントローラ５５９は、アーム１２やスキッド（脚）１３等に取りつけられたマイク５５８による騒音の信号や回転翼２０を駆動させるためのＰＷＭ信号を取得し、それらの信号に応じてフィードバック制御を行う。ここでは、マイク５５８による騒音の信号や回転翼２０の駆動用のＰＷＭ信号からドローン１についての状態推定値を算出し、フィードバックゲインを決定してそれを反映したフィードバック制御量で消音ユニット５５０の体積Ｖとネック部の断面積Ｓに関する調整量で絞り５５６や体積可変器５５７を制御する。

なお制御手法として等化入力外乱制御方法に限る趣旨ではなく、他に例えば、ＡＮＮ(Artificial Neural Network）を利用した制御方法がある。この制御方法では、制御対象の周波数の選定において自己組織化写像等結果の観測を基に行う。共鳴周波数ｆの解析結果次第にＡＮＮの学習を行う。各ＰＷＭパルス幅に対して周波数を選んで各制御器にてＳ（絞り５５６）及びＶ（体積可変器５５７）を可変する。ＰＷＭと共鳴周波数ｆとの関係を機械学習（ＡＩ）をもとにマッピングし、マッピング結果でＳ（絞り５５６）及びＶ（体積可変器５５７）を制御する。

このように消音ユニット５５０にアダプティブな特性を持たせ、回転翼２０のプロペラ回転数変動に追尾させることで、大きな消音効果を実現することができる。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１、２０１ ドローン
１０ 機体本体
１２ アーム
１３ スキッド（脚）
２０ 回転翼
５０、２５０、３５０、４５０、５５０ 消音ユニット
５１、２５１、３５１、４５１、５５１ フレーム
５３、３５３、４５３、５５３ 共鳴器
５４、３５４ 胴部
５５、２５５、３５５、４５５、５５５ 取付開口部
２５３ａ〜２５３ｅ 第１〜第５共鳴器
３５６、５５６ 絞り
３５９、４５９、５５９ コントローラ
４５７、５５７ 体積可変器
４５７ａ、５５７ａ 可変壁
４５７ｂ、５５７ｂ 駆動部
５５８ マイク

Claims (10)

1. 回転翼と、
   前記回転翼の近傍に取りつけられ、前記回転翼が発する音を消音するヘルツホルム共鳴器型消音ユニットと、
   を備えることを特徴とするマルチコプター。
2. ヘルツホルム共鳴器型消音ユニットは、
   前記回転翼の外周を囲うように配置された複数のヘルツホルム型共鳴器を備えることを特徴とする請求項１に記載のマルチコプター。
3. 前記ヘルツホルム型共鳴器の開口部の面積を可変とする絞りと、
   前絞りの開度を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項２に記載のマルチコプター。
4. 前記ヘルツホルム型共鳴器の体積を可変とする体積可変機構と、
   前記体積可変機構による前記体積の変更を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項２または３に記載のマルチコプター。
5. 前記回転翼が発する音を集音するマイクを備え、
   前記制御部は、前記マイクが集音した前記音をもとに、前記ヘルツホルム共鳴型消音ユニットの消音特性を制御することを特徴とする請求項３または４に記載のマルチコプター。
6. 前記ヘルツホルム共鳴器型消音ユニットは、異なる吸音特性を有する複数のヘルツホルム型共鳴器を備えることを特徴とする請求項２に記載のマルチコプター。
7. マルチコプターの回転翼を囲うように配置される環状のフレームと、
   前記フレームに取り付けられたヘルツホルム型共鳴器と、
   を備えることを特徴とするヘルツホルム共鳴器型消音ユニット。
8. 前記ヘルツホルム型共鳴器の開口部の面積を可変とする絞りを備えることを特徴とする請求項７に記載のヘルツホルム共鳴器型消音ユニット。
9. 前記ヘルツホルム型共鳴器の体積を可変とする体積可変機構を備えることを特徴とする請求項７または８に記載のヘルツホルム共鳴器型消音ユニット。
10. 異なる吸音特性を有する複数のヘルツホルム型共鳴器を備えることを特徴とする請求項７に記載のヘルツホルム共鳴器型消音ユニット。