JP2020055496A - 飛行体及びその構造 - Google Patents

Abstract

【課題】風等の外力による影響を抑制すること、すなわち天候の影響による不安定性を抑制することができる飛行体を提供する。【解決手段】機体本体、機体本体を飛行させるための複数の推進機構、複数の推進機構をそれぞれ機体本体に結合している複数のアーム、及び推進機構を駆動させるための１つ又は複数の化学電池、を有し、化学電池のうちの少なくとも１つが、前記複数のアームのうちの少なくとも１つに搭載されている、飛行体。【選択図】図１

Description

本開示は、飛行体及びその構造に関する。

現在、航空撮影、監視、調査、救助、科学研究、資源開発、遠隔探査等の種々の分野において、無人飛行体（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ；「ＵＡＶ」）が広く使用されている。

このような飛行体は、一般的に、機体本体、機体本体を飛行させるための複数の推進機構、及び複数の推進機構をそれぞれ機体本体に結合している複数のアームを有し、それによって上昇・下降飛行、前進・後退飛行（直線飛行）のみならず、旋回飛行やホバリング飛行等を実現させるべく、様々な姿勢をとることができる。このような飛行体は、現在は無人飛行体として用いられているのが一般的だが、将来的には、無人飛行体のみでなく、有人飛行体への広がりが期待されている。

このような飛行体は、小型のものではモーターによる電池駆動、又は農薬散布用のノズル付きタンク等などの中型のものではガソリンエンジンによる駆動もあるが、各種制御系回路のために、電池の搭載は不可欠である。

従来、このような飛行体では、電池は機体本体に搭載されていることが一般的である。

ただし、電池を機体本体以外に搭載しているものも報告されている。例えば、特許文献１では、機体本体の収納空間を有効利用するために、飛行体の脚部に電池が搭載されているものが開示されている。また、特許文献２では、充電操作を容易にするために、飛行体の脚部に電池が搭載されているものが開示されている。

特開２０１７−０４８０２号公報 特開２０１７−１７８０１８号公報

上記のような飛行体は、風等の外力によって影響を受けやすく、したがって、天候の影響による不安定性が課題となっている。

したがって、本開示は、上記事情を鑑みてなされたものであり、風等の外力による影響を抑制できる飛行体を提供し、したがって天候の影響による不安定性を抑制できる飛行体を提供することを目的とする。

本開示の本発明者は、以下の手段により、上記課題を解決できることを見出した。

〈態様１〉
機体本体、
前記機体本体を飛行させるための複数の推進機構、
前記複数の推進機構をそれぞれ前記機体本体に結合している複数のアーム、及び
前記推進機構を駆動させるための１つ又は複数の化学電池、
を有し、
前記化学電池のうちの少なくとも１つが、前記複数のアームのうちの少なくとも１つに搭載されている、
飛行体。
〈態様２〉
前記化学電池の全てが、前記複数のアームのうちの少なくとも１つ又は全てに搭載されている、態様１に記載の飛行体。
〈態様３〉
前記複数のアームを合わせた重心が、前記機体本体の重心軸上に位置している、態様１又は２に記載の飛行体。
〈態様４〉
前記化学電池のうちの少なくとも１つが、少なくとも１つの前記複数のアームの内部に搭載されており、かつ
前記化学電池がその内部に搭載されている前記複数のアームを、前記機体本体から取り外すことによって、前記化学電池を交換可能である、
態様１〜３のいずれか一項に記載の飛行体。
〈態様５〉
前記アームが、繊維強化プラスチック製である、態様１〜４のいずれか一項に記載の飛行体。

本開示の飛行体によれば、風等の外力による影響を抑制し、すなわち天候の影響による不安定性を抑制することができる。

図１は、本開示の飛行体の形態の例を示す平面概略図である。 図２は、実施例の飛行体のシミュレーション用モデルを示す概略図である。 図３は、比較例の飛行体のシミュレーション用モデルを示す概略図である。

以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、説明の便宜上、各図において、同一又は相当する部分には同一の参照符号を付し、重複説明は省略する。実施の形態の各構成要素は、全てが必須のものであるとは限らず、一部の構成要素を省略可能な場合もある。ただし、以下の図に示される形態は本開示の例示であり、本開示を限定するものではない。

《飛行体》
本開示の飛行体は、
機体本体、
機体本体を飛行させるための複数の推進機構、
複数の推進機構をそれぞれ機体本体に結合している複数のアーム、及び
推進機構を駆動させるための１つ又は複数の化学電池、
を有し、
化学電池のうちの少なくとも１つが、複数のアームのうちの少なくとも１つに搭載されている。

例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）はそれぞれ、本開示の飛行体の一形態を示す平面概略図である。

図１（ａ）に示されているように、本開示の飛行体１００は、機体本体１、機体本体１を飛行させるための複数の推進機構２ａ〜２ｆ、複数の推進機構２ａ〜２ｆをそれぞれ機体本体１に結合している複数のアーム３ａ〜３ｆ、及び推進機構２ａ〜２ｆを駆動させるための１又は複数の化学電池（図示せず）を有していてよい。ここでは、化学電池のうちの少なくとも１つは、複数のアームのうちの少なくとも１つに搭載されている。ただし、化学電池は、アーム以外に、例えば機体本体に配置されていてもよい。

図１（ｂ）に示されているように、本開示の飛行体２００は、機体本体５、機体本体５を飛行させるための複数の推進機構６ａ〜６ｄ、複数の推進機構６ａ〜６ｄをそれぞれ機体本体５に結合している複数のアーム７ａ〜７ｄ、及び推進機構６ａ〜６ｄを駆動させるための１又は複数の化学電池（図示せず）を有していてよい。ここでは、化学電池のうちの少なくとも１つは、複数のアームのうちの少なくとも１つに搭載されている。ただし、化学電池は、アーム以外に、例えば機体本体に配置されていてもよい。

本開示の飛行体は、対称構造を有してもよく、非対称構造を有してもよい。

対称構造の飛行体は、水平方向において、例えば図１（ａ）に示されている飛行体１００のような点対称の構造であってもよく、又は例えば図１（ｂ）に示されている飛行体２００のような左右対称の構造であってもよい。

本開示の本発明者は、風等の外力による影響を抑制するために、飛行体の慣性モーメントを増加させることに着目した。

このような着目点に基づく本開示の本発明者の鋭意研究により、１又は複数の化学電池のうちの少なくとも１つを複数のアームのうちの少なくとも１つに搭載させることによって、アームに全く搭載していない飛行体に比べて、慣性モーメントを増加できることが見出された。

言い換えれば、本開示の飛行体では、この慣性モーメントを増加させる一つの手段として、１又は複数の化学電池のうちの少なくとも１つを複数のアームのうちの少なくとも１つに搭載させている。これによって、上述した課題の解決に至った。

すなわち、飛行体の安定性を高める上では、できるだけ本体の重心位置から離れた箇所に対して回転対称となるように飛行体の重量を分散させること、または重量を置くことが重要となり、特に、重心から離れた位置に設置する上では、プロペラ（推進機構）と機体本体とをつなぐアームに対して化学電池などの重量を分散させることが有効な手段として考えられる。

これに対して、従来の技術では、電池の積載量を増やすことに関する従来技術であり、飛行体の全体重量を変えずに、飛行体の安定性を高める技術に関する内容は記載されていない。また、飛行体の本体に設置されている化学電池以外で、飛行体の安定性を高めるとともに、電池の積載量を増やす技術に関する記載は示されていない。

〈機体本体〉
機体本体は、飛行体の各種機器又は部品を収納するための空間をその内部に有する中空の筐体である。

また、機体本体は、上部本体部材及び下部本体部材を組み合わせることによって、中心空洞が形成されている構造であってよい。上部機体部材及び下部機体部材は、溶接や他の手法により、後に取外しを行わない前提で接続されることができる。一方、上部機体部材及び下部機体部材を取り外し可能に連結してもよい。例えば、ネジ、ボルト、バックル、クランプ、クラスプ、ラッチ、フック、爪、ピン、ストラップ、ケーブル等の留め具によって上部機体部材及び下部機体部材を取り外し可能に連結することができる。このようにすると、上部機体部材を下部機体部材から取り外し、機体本体の内部の機器又は部品の直接的な観察又は保守を実現させることができる。

機体本体の形状は、特に限定されず、例えば、三角形、四角形、五角形、六角形、七角形、八角形、九角形、若しくは十角形、円形、楕円形、放射状形、又はこれらの組合せであってよい。

機体本体は、金属製又はプラスチック製であってよい。金属としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、マグネシウム又はこれらの金属を含む合金等が挙げられるが、これらに限定されない。また、プラスチックとしては、例えば、ナイロン、ＡＢＳ樹脂、又はポリカーボネート等が挙げられるが、これらに限定されない。

また、機体本体がプラスチック製である場合は、このプラスチックは、繊維強化プラスチック、特に炭素繊維強化プラスチックであることが好ましい。

なお、機体本体の寸法、色、外観デザイン等は、特に限定されず、目的用途等に合わせて、適宜に設定できる。

〈推進機構〉
推進機構は、飛行体の位置の維持及び変更、又は飛行体の方向転換を実現させる機能を有する。

このため、本開示において、機体本体を飛行させるための推進機構は、飛行体が、地面から斜め又は垂直に離陸したり、地面に垂直に着陸したりすることを実現させ、そして、所定の位置や方向で、飛行体が飛行することを実現させる機能を有する。

本開示の飛行体は、複数の推進機構を有する。本開示において、複数とは、２以上の数を指す。すなわち、本開示の飛行体は、２以上、３以上、４以上、５以上、６以上、７以上、８以上、９以上、又は１０以上であって、また２０以下、１５以下、又は１２以下の推進機構を有してよい。例えば、図１（ａ）に示されている飛行体１００は、６つの推進機構２ａ〜２ｆを有している。また、図１（ｂ）に示されている飛行体２００は、４つの推進機構６ａ〜６ｄを有している。

推進機構は、プロペラを含んでよい。例えば、図１（ａ）に示されている飛行体１００では、推進機構２ａ〜２ｆは、それぞれプロペラ２０ａ〜２０ｆを含んでいる。また、図１（ｂ）に示されている飛行体２００では、推進機構６ａ〜６ｄは、それぞれプロペラ６０ａ〜６０ｄを含んでいる。

また、推進機構は、プロペラを駆動させるための駆動源を含んでよい。駆動源としては、特に限定されず、例えば電気モーターであってよい。

〈アーム〉
本開示の飛行体は、複数のアームを有する。複数のアームは、上述した複数の推進機構をそれぞれ機体本体に結合することができる。したがって、アームの数は、設計する推進機構の数に合わせて決めることができる。

なお、本開示に関して、「アーム」は、機体本体からそれぞれの推進機構に向かって突出している部分を意味し、特に機体本体とは別体として形成されている部分を意味する。

飛行体のバランスを維持させ易い観点から、飛行体に含まれる複数のアームを合わせた重心が、機体本体の重心軸上に位置していることが好ましい。また、同様な観点から、化学電池が搭載されているアームを含めて、これらのアームを合わせた重心が、機体本体の重心軸上に位置していることが好ましい。ここで、機体本体の重心軸とは、垂直方向の機体本体の中心軸を指す。

飛行体の複数のアームの長さ及び大きさは、全て同じであってもよく、異なっていてもよい。長さ又は大きさが異なる場合は、飛行体のバランスを維持する観点から、相異するアームの材料、又はアームに搭載されている化学電池の重さ若しくは搭載位置を調節して、全てのアームを合わせた重心を、機体本体の重心軸上に位置させることが好ましい。

また、アームは、機体本体と一体化して製造されたものであってもよく、又は機体本体とは別体として製造されたものであってもよい。したがって、アームは、機体本体から取り外すことが可能な構造であってよい。飛行体を使用しないときの収納の観点、又は後述するアームの内部に化学電池を搭載する場合の電池交換の観点から、アームは機体本体から取り外すことが可能な構造であることが好ましい。

アームにおける化学電池の搭載位置は、特に限定されず、例えば、アームの表面であってもよく、アームの内部であってもよい。電池の損傷を防ぐ観点から、アームの内部に化学電池を搭載させることが好ましい。

したがって、本開示の飛行体の１つの好適態様では、１又は複数の化学電池のうちの少なくとも１つが、少なくとも１つの複数のアームの内部に搭載されており、かつ化学電池がその内部に搭載されている複数のアームを、機体本体から取り外すことによって、化学電池を交換可能である。

また、複数のアームの長さ及び大きさが全て同じである場合、化学電池を各アームへ搭載する際の位置（アームの表面又は内部における位置）は、同じであることが好ましい。これは、飛行体のバランスを維持しやすいからである。

また、化学電池を各アームに搭載する際の位置は、アームの先端側、すなわちアームの推進機構側であることが好ましい。これは、飛行体の慣性モーメントを大きくすることができるからである。

また、アームに搭載される化学電池が１つである場合や、回転対称にならない位置に複数個搭載された場合は、飛行体の重心を調整するため、他のアームに対して化学電池と同等の重量を有するおもりなどの物体、又は化学電池と同等の重量を増加させたアームを設けてもよい。

アームは、金属製又はプラスチック製であってよい。金属として、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、マグネシウム、又はこれらの金属を含む合金等が挙げられるが、これらに限定されない。また、プラスチックとしては、例えば、ナイロン、ＡＢＳ樹脂、又はポリカーボネート等が挙げられるが、これらに限定されない。

また、アームがプラスチック製である場合は、このプラスチックは、繊維強化プラスチック、特に炭素繊維強化プラスチックであることが好ましい。

アームの形状は、特に限定されず、例えば円柱状、長柱状、又は筒状であってよい。上述した化学電池を内部に収納する観点から、アームは、筒状であることが好ましい。

〈化学電池〉
本開示の飛行体は、推進機構を駆動させるための１又は複数の化学電池を有し、かつ化学電池のうちの少なくとも１つが、上述した複数のアームのうちの少なくとも１つに搭載されている。すなわち、本開示の飛行体では、少なくとも１つのアームのそれぞれに、１又は複数の化学電池が搭載されていてよい。

本開示の効果をより発揮させる観点から、化学電池の全てが、上述した複数のアームのうちの少なくとも１つ又は全てに搭載されていることが好ましい。

なお、化学電池は、アーム以外に、例えば機体本体や脚部等に搭載されてよい。

化学電池としては、特に限定されず、例えば一次電池、二次電池、又は燃料電池等が挙げられる。これらの中で、実用性の観点から、二次電池が好ましく用いられる。また、二次電池としては、特に限定されず、例えばリチウムイオン二次電池、リチウムイオンポリマー二次電池、鉛蓄電池、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−金属水素化物蓄電池、ナトリウム二次電池、バナジウムレドックスフロー電池等が挙げられるが、これらに限定されない。

また、化学電池の数は、目的用途に合わせて、適宜に調整することができる。また、複数の化学電池を用いる場合、同じ種類の化学電池であってもよく、異なる種類の化学電池であってもよい。

なお、化学電池は、アームを兼ねていてもよい。

〈その他の部材等〉
本開示の飛行体は、必要に応じて、例えば、脚部、受信機、センサー、カメラ又は記録媒体等のその他の部材を更に有してよい。

また、本開示の飛行体は、上述した化学電池のほかに、例えば機体本体又はアーム等の表面に、太陽電池を搭載してもよい。

なお、本開示の飛行体は、上述した他の部材を更に有する場合では、全ての部材を含めて、飛行体の重心が、機体本体の重心軸上に位置していることが好ましい。

以下に示す実施例を参照して本開示を更に詳しく説明するが、本開示の範囲は、実施例によって限定されるものではない。

〈実施例１〉
飛行体として、市販のドローン飛行体をモデルとして、形状を簡素化してモデルを設計した。設計したモデルのシミュレーションにおいて、化学電池をアームに搭載し、そしてモデルの重心の位置、及び慣性モーメントを算出した。

（モデルの詳細）
市販のドローン「ＡＬＩＧＮ Ｍ６９０Ｌマルチコプター」（ＡＬＩＧＮ社）を簡素化して、実施例１のシミュレーション用モデルとした。このモデルの概略図は、図２に示す。

より具体的には、機体本体は、高さ２ｃｍ、一辺１２ｃｍの６角柱であり、アームの本数は６本であり、それぞれのアームは、機体本体である６角柱の各側面の中心に接続された形態とした。

また、各アームを、長さ３６０ｍｍ、直径２０ｍｍ、及び厚み２ｍｍであり、かつ炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ）製であるとした。ここで、ＣＦＲＰの密度は１．７ｇ／ｃｍ^３とした。

アームにおける化学電池の搭載領域を、ドローンのプロペラ（推進機構）と機体本体とをつなぐアーム（直径：１６ｍｍ）の中空部の空間の先端側、すなわち推進機構側とした。各アームの中空部の空間の先端側に寄せて、それぞれ７６ｇの柱状電池（単３型乾電池相当）を搭載して、合計４５６ｇの化学電池を搭載することにした。飛行体の合計重量は、４０９０ｇであるとした。

（シミュレーションソフト）
シミュレーションソフトとしては、ダッソー・システムズ（Ｄａｓｓａｕｌｔ Ｓｙｓｔｅｍｅｓ Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ Ｃｏｒｐ．）社製のＳｏｌｉｄ Ｗｏｒｋｓ ２０１７を用いた。

（結果）
実施例１のモデルに対して、シミュレーションを行った。

それによれば、化学電池が搭載されている複数のアームを合わせた重心は、機体本体の重心軸上に位置していた。また、図２で示すｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸方向の慣性モーメントはそれぞれ、Ｐｘ＝３６．７×１０^３ｋｇ・ｍ^２、Ｐｙ＝３６．７×１０^３ｋｇ・ｍ^２、Ｐｚ＝７３．１×１０^３ｋｇ・ｍ^２であった。

〈比較例１〉
上述した実施例１のモデル設計において、アーム内に化学電池を設けないこと、及び機体本体の上面部に化学電池を設けたこと以外は、実施例１と同様にして、比較例１のシミュレーション用モデルを設計した。このモデルの概略図は、図３に示す。

なお、比較例１のモデルの化学電池としては、市販のドローン「ＡＬＩＧＮ Ｍ６９０Ｌマルチコプター」（ＡＬＩＧＮ社）に採用されているリチウムイオンポリマー二次電池を用いた。この電池のサイズを１５５ｍｍ×４８ｍｍ×５４ｍｍであり、重量を８０９ｇとした。また、この電池は、機体本体の６角柱の中心線を通るように設置した。

（結果）
上述実施例１と同じように、比較例１のモデルに対してシミュレーションを行った。

それによれば、化学電池が搭載されている複数のアームを合わせた重心は、機体本体の重心軸上に位置していた。また、図３で示すｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸方向の慣性モーメントはそれぞれ、Ｐｘ＝１８．１×１０^３ｋｇ・ｍ^２、Ｐｙ＝１９．５×１０^３ｋｇ・ｍ^２、Ｐｚ＝３５．２×１０^３ｋｇ・ｍ^２であった。

（評価）
上述したシミュレーションの結果から明らかであるように、比較例１の電池重量が実施例１の電池重量の合計よりも大きいにも関わらず、比較例１の慣性モーメントは、実施例１の慣性モーメントの半分程度であった。

実施例１の飛行体は、比較例１の飛行体と比較して、風等の外力による影響を抑制すること、すなわち天候の影響による不安定性を抑制することができる。

１、５ 機体本体
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 推進機構
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ アーム
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ プロペラ
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ プロペラ
１００、２００ 飛行体

Claims (5)

1. 機体本体、
   前記機体本体を飛行させるための複数の推進機構、
   前記複数の推進機構をそれぞれ前記機体本体に結合している複数のアーム、及び
   前記推進機構を駆動させるための１つ又は複数の化学電池、
   を有し、
   前記化学電池のうちの少なくとも１つが、前記複数のアームのうちの少なくとも１つに搭載されている、
   飛行体。
2. 前記化学電池の全てが、前記複数のアームのうちの少なくとも１つ又は全てに搭載されている、請求項１に記載の飛行体。
3. 前記複数のアームを合わせた重心が、前記機体本体の重心軸上に位置している、請求項１又は２に記載の飛行体。
4. 前記化学電池のうちの少なくとも１つが、少なくとも１つの前記複数のアームの内部に搭載されており、かつ
   前記化学電池がその内部に搭載されている前記複数のアームを、前記機体本体から取り外することによって、前記化学電池を交換可能である、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の飛行体。
5. 前記アームが、繊維強化プラスチック製である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の飛行体。

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