JP2020083209A - 無人飛行体 - Google Patents

Abstract

【課題】吊り下げられる物体の姿勢を安定させることが可能な無人飛行体を提供する。【解決手段】無人飛行体１は、本体１０と、本体から外側に延びる複数のアーム１１と、複数のアームに設けられた複数の支持体１２と、複数の支持体に設けられた回転翼１３と、一端が本体に取り付けられ他端が物体Ａを支持する物体支持具１６に取り付けられた複数の吊り糸２０と、を備える。複数の支持体の各々に設けられ、複数の吊り糸を物体支持具に案内する複数のガイド部材１４をさらに備える。複数の吊り糸の各々を巻き取るための少なくとも一つのウインチ１５をさらに備える。【選択図】図１

Description

本発明は、無人飛行体に関する。本発明は、より具体的には、物体を吊り下げることができる無人飛行体に関する。

特開２０１７−８７８９８号公報に、貨物を運搬することができる無人飛行体が開示されている。同公報に記載の無人飛行体からはワイヤが垂下されており、このワイヤの自由端に運搬対象の貨物が吊り下げられる。無人飛行体には、ワイヤの繰り出し及び巻き取りを行うウインチが設けられている。運搬時には、貨物は、無人飛行体から吊り下げられている。

特開２０１７−８７８９８号公報

無人飛行体に吊り下げられた物体は、その姿勢が安定しないという問題がある。例えば、無人飛行体の移動や風の影響により物体が振り子運動を行ったり、無人飛行体に推力を与える回転翼が発生させる気流により物体が回転したりする。

無人飛行体から吊り下げられる物体は貨物には限られない。用途によっては、無人飛行体から吊り下げられる物体の姿勢に高い安定性が求められる。例えば、無人飛行体からカメラを吊り下げ、そのカメラによって火山、橋梁、及びそれ他の観察対象の観察を行う場合には、そのカメラの姿勢には高い安定性が求められる。

本発明の目的の一つは、吊り下げられる物体の姿勢を安定させることが可能な無人飛行体を提供することである。本発明の上記以外の目的は、本明細書全体を参照することにより明らかとなる。

本発明の一実施形態による無人飛行体は、本体と、前記本体から外側に延びる複数のアームと、前記複数のアームに設けられた複数の支持体と、前記複数の支持体に設けられた複数の回転翼と、一端が前記本体に取り付けられ他端が物体を支持する物体支持具に取り付けられた複数の吊り糸と、を備える。

本発明の一実施形態による無人飛行体は、前記複数の支持体の各々に設けられ、前記複数の吊り糸を前記物体支持具に案内する複数のガイド部材をさらに備える。

本発明の一実施形態において、前記複数のガイド部材は、前記複数の回転翼の回転軸上に設けられる。

本発明の一実施形態において、前記ガイド部材は、前記回転翼の回転軌道の外側まで延びている。

本発明の一実施形態において、前記複数の吊り糸の各々を巻き取るための少なくとも一つのウインチをさらに備える。

本発明の一実施形態において、前記少なくとも一つのウインチは、単一のウインチであり、前記単一のウインチは前記本体に設けられる。

本発明の一実施形態において、前記少なくとも一つのウインチは、前記複数の吊り糸と同じ数の複数のウインチである。前記複数のウインチの各々は、前記複数の支持体に設けられる。

本発明の一実施形態による無人飛行体は、本体と、前記本体から外側に延びる複数のアームと、前記複数のアームに設けられた複数の支持体と、前記複数の支持体に設けられた複数の回転翼と、前記複数の支持体の各々に設けられ、複数の吊り糸を支持する物体支持具に案内する複数のガイド部材と、を備える。

本発明の実施形態によって、吊り下げられる物体の姿勢を安定させることが可能な無人飛行体を提供することができる。

本発明の一実施形態による無人飛行体を模式的に示す斜視図である。 図１の無人飛行体の正面図である。 図１の無人飛行体の底面図である。 本発明の別の実施形態による無人飛行体を模式的に示す斜視図である。 図４の無人飛行体の正面図である。 図４の無人飛行体の底面図である。 本発明の別の実施形態による無人飛行体を模式的に示す斜視図である。 本発明の別の実施形態による無人飛行体を模式的に示す斜視図である。

以下、適宜図面を参照し、本発明の様々な実施形態を説明する。なお、各図面において共通する構成要素に対しては同一の参照符号が付されている。各図面は、説明の便宜上、必ずしも正確な縮尺で記載されているとは限らない点に留意されたい。

図１から図３を参照して、本発明の一実施形態による無人飛行体１について説明する。図１は、本発明の一実施形態による無人飛行体１を模式的に示す斜視図であり、図２は、無人飛行体１の正面図であり、図３は、無人飛行体１の底面図である。

本明細書において、「無人飛行体」とは、人が飛行体に搭乗して操縦することなく遠隔的に操縦可能な飛行体のことである。無人飛行体１は、例えば、複数の回転翼を有するマルチコプターである。

図示のように、本発明の一実施形態に係る無人飛行体１は、本体１０と、本体１０から外側に延びる６本のアーム１１と、この６本のアームの各々の外端に設けられた６つの支持体１２と、この支持体１２の各々に設けられた６つの回転翼１３と、支持体１２に設けられたガイド部材１４と、ウインチ１５と、物体支持具１６と、吊り糸２０と、を備える。

図３に示されているように、回転翼１３の回転軸は、円弧上に配置されてもよい。回転翼１３の回転軸が配置される円の中心は、平面視又は底面視において本体１０と重複する位置にあってもよい。本体１０は、円筒形状に形成されてもよい。本体１０は、その中心軸が回転翼１３の回転軸が配置される円の中心を通るように構成及び配置されてもよい。

無人飛行体１は、不図示のフライトコントローラ、センサ、通信装置、バッテリ、及びこれら以外の無人飛行体１の運用に必要となる装置を備えてもよく、これらのは、本体１０に収容されてもよい。フライトコントローラは、センサの検出情報に基づき、飛行制御アルゴリズムに従って回転翼１３の回転数を制御することにより、無人飛行体１の姿勢や位置をコントロールするように構成されてもよい。無人飛行体１に備えられるセンサは、例えば、ジャイロセンサ、加速度センサ、地磁気センサ、気圧センサ、及びこれら以外の各種センサである。

支持体１２は、回転翼１３を回転可能に支持する。支持体１２は、回転翼１３に回転駆動力を与える駆動源を収容する。この駆動源は、例えばモータである。回転翼１３は、回転時に無人飛行体１に推力を与えるように構成及び配置される。このモータの回転するは、フライトコントローラから出力されるＰＷＭ信号に基づいて制御されてもよい。

６つの支持体１２のうちの３つの下面には、ガイド部材１４が設けられている。図示の実施形態においては、６つの支持体１２のうち３つにガイド部材１４が設けられており、残りの３つにはガイド部材が設けられていない。ガイド部材１４が設けられている支持体１２とガイド部材１４が設けられていない支持体１２とは、本体１０の周りの周方向において互い違いに配置される。

ガイド部材１４は、フレーム１４ａと、定滑車１４ｂと、を有する。フレーム１４ａは、その一端を介して支持体１２の下面に取り付けられる。定滑車１４ｂは、フレーム１４ａの支持体１２に取り付けられる一端とは反対側の他端に取り付けられる。一実施形態において、フレーム１４ａは、支持体１２の下面から鉛直方向下向きに延びている。フレーム１４ａは、鉛直方向に延びる軸線に沿って配置されてもよい。フレーム１４ａは、回転翼１３の回転軸上に設けられてもよい。つまり、フレーム１４ａは、その軸線が回転翼１３の回転軸と一致するように設けられてもよい。

ガイド部材１４は、無人飛行体１に着脱可能に取り付けられてもよい。物体Ａを吊り下げる必要がない場合には、ガイド部材１４を無人飛行体１から取り外すことにより、無人飛行体１を軽量化することができる。

図示の実施形態において、無人飛行体１は、３本の吊り糸２０により物体支持具１６を介して物体Ａを吊り下げている。無人飛行体１から吊り下げられる物体Ａは、無人飛行体１が吊り下げ可能な任意の物体である。物体Ａは、例えば、カメラ、照明装置、スピーカー、マイク、センサー、消火装置、魚釣り用リール、物体投擲装置、貨物、及びこれら以外の物体である。物体Ａの用途によっては、無人飛行体１から吊り下げられているときの物体Ａの姿勢の安定性が重要である。例えば、無人飛行体１から吊り下げられたカメラによって撮像を行う場合には、撮像画像にカメラのレンズを安定して向けられるようにするために吊り下げられたカメラの姿勢の安定性が重要となる。照明装置、スピーカー、マイク、センサー、消火装置、及び物体投擲装置についても、安定した姿勢で無人飛行体１から吊り下げられることが望ましい。

３本の吊り糸２０の各々は、その一端がウインチ１５に取り付けられ、その他端が物体支持具１６に取り付けられる。３本の吊り糸２０の各々は、ガイド部材１４を介してウインチ１５から物体支持具１６へ案内される。図示の実施形態では、ウインチ１５は本体１０の下面に取り付けられ、ガイド部材１４は支持部１２の下面に取り付けられているため、各吊り糸２０は、本体１０の下面からアーム１１の下面を通り、支持部１２の下面を経由して物体支持具１６へ案内される。

吊り糸２０は、単線であってもよく撚線であってもよい。吊り糸２０は、金属材料、合成樹脂材料、又はこれら以外の材料から成る。吊り糸２０は、吊り下げる物体Ａの重量、使用環境、又はこれら以外の要素に応じて適したものが選択される。吊り糸２０は、ウインチ１５からガイド部材１４を介して物体支持具１６まで引き回すことができる程度の可撓性を有していることが望ましい。

ウインチ１５は、吊り糸２０の繰り出し及び巻き取りを行うように構成される。図示の実施形態では、無人飛行体１は、一つのウインチ１５を備えており、この一つのウインチが３本の吊り糸２０の繰り出し及び巻き取りを行う。ウインチ１５を駆動するための駆動電力は、本体１０に収容されているバッテリから供給されてもよい。ウインチ１５の繰り出し及び巻き取りは、所定のアルゴリズムに従って行われてもよく、遠隔にいる操縦者からの指令に基づいて行われてもよい。ウインチ１５は、平面視又は底面視において、回転翼１３の回転軸が配置される円弧の中心と重複する位置に配置される。ウインチ１５を回転翼１３の回転軸が配置される円弧の中心と重複する位置に配置し、ガイド部材１４を回転翼１３の回転軸と同軸に配置することで、ウインチ１５から各ガイド部材１４までの距離を互いに等しくすることができる。

物体支持具１６は、物体Ａを支持可能に構成される。図示の実施形態において、物体支持具１６は、リング状の形状を有する。物体Ａは、物体支持具１６の下面に取り付けられている。物体Ａは、物体支持具にネジなどの締結部材で締結されてもよい。物体支持具１６の形状及び構造は、図示の態様に限定されない。物体支持具１６は、物体Ａの吊り下げに適した任意の形状とすることができる。物体支持具１６は、例えば、フック形状であってもよい。物体Ａを物体支持具１６に取り付ける態様も任意である。物体Ａは、支持ベルトによって物体支持具１６に取り付けられてもよい。

３本の吊り糸２０の下端は、物体支持具１６に取り付けられる。図示の実施形態では、３本の吊り糸２０の各々の下端は、異なる３点で物体支持具１６に取り付けられている。吊り糸２０は、物体支持具１６に２点で取り付けられてもよいし、１点で取り付けられてもよい。

次に、物体Ａが吊り下げられた無人飛行体１を飛行させる動作について説明する。離陸前の無人飛行体１において、ウインチ１５から引き出された３本の吊り糸２０の自由端を物体支持具１６に取り付ける。次に、物体支持具１６に用途に応じた物体Ａを取り付ける。例えば、建築物の外壁を監視する目的であれば、物体Ａとして光学カメラが用いられる。物体Ａを物体支持具１６に取り付けた後に無人飛行体１を離陸させる。無人飛行体１は、操縦者の操縦により、または、飛行制御アルゴリズムに基づいて自律的に目的地まで飛行する。操作者は、必要に応じて、無人飛行体１に対して飛行ルートに関する指示や、ウインチ１５の操作に関する指示を行うことができる。

無人飛行体１から吊り下げられている物体Ａは、３本の吊り糸によって吊り下げられているため、その並進及び回転の自由度が制限されている。物体Ａが１本の吊り糸で吊り下げられている場合には、物体Ａが振り子運動を行ったり、吊り糸の周りで回転運動をしてしまい、物体Ａの姿勢を安定させることが難しい。これに対して、物体Ａを３本の吊り糸で吊り下げることにより、物体Ａの振り子運動及び吊り糸の周りの回転運動を抑制することができる。

次に、図４から図６を参照して、本発明の他の実施形態による無人飛行体１０１について説明する。図４は、無人飛行体１０１を模式的に示す斜視図であり、図５は、無人飛行体１０１の正面図であり、図６は、無人飛行体１０１の底面図である。無人飛行体１０１は、ガイド部材１４に代えてガイド部材１７を備える点で無人飛行体１と異なる。図４〜図６に示す無人飛行体１０１の構成要素のうち図１〜図３に示す無人飛行体１の構成要素と同一又は類似のものには図１〜図３と同様の参照符号を付し、これらの同一又は類似の構成要素については詳細な説明を省略する。

ガイド部材１７は、フレーム１７ａと定滑車１７ｂとを有する。フレーム１７ａは、その一端を介して支持体１２の下面に取り付けられる。フレーム１７ａは、支持体１２の下面から外側に向かって延びるように構成及び配置される。図６に明瞭に示されているように、フレーム１７ａはその外端が回転翼１３の回転軌道上の最も外側にある位置（回転翼１３の回転軌道の本体１０から最も遠い位置）よりも外側にあるように構成及び配置される。定滑車１４ｂは、フレーム１７ａの外端に設けられる。

ガイド部材１７は、回転翼１３の回転軌道の外側まで延伸しているので、回転翼１３と他の物体と接触を防止することができる。これにより、回転翼１３の破損が防止される。このように、本実施形態におけるガイド部材１７は、吊り糸２０を案内するガイド部材としての機能に加えて、回転翼１３の破損を防止するためのプロテクターとしても機能する。

次に、図７を参照して、本発明のさらに別の実施形態による無人飛行体２０１について説明する。図７は、無人飛行体２０１を模式的に示す斜視図である。無人飛行体２０１は、６本の吊り糸２０で物体支持具１６を吊り下げる点で３本の吊り糸２０で物体支持具１６を吊り下げている無人飛行体１と異なる。図７に示す無人飛行体２０１の構成要素のうち図１〜図３に示す無人飛行体１の構成要素と同一又は類似のものには図１〜図３と同様の参照符号を付し、これらの同一又は類似の構成要素については詳細な説明を省略する。

無人飛行体２０１は、６本の吊り糸２０をウインチ１５から物体支持具１６に案内するために６つのガイド部材１４を有する。６本の吊り糸２０の各々は、対応するガイド部材１４を介して物体支持具１６まで案内され、その端が物体支持具１６に取り付けられる。

無人飛行体２０１は、６本の吊り糸２０で物体支持具１６を吊り下げるので、物体支持具１６の並進及び回転の自由度をより制限することができる。よって、無人飛行体２０１によれば、さらに安定した姿勢で物体Ａを吊り下げることができる。

次に、図８を参照して、本発明のさらに別の実施形態による無人飛行体３０１について説明する。図８は、無人飛行体３０１を模式的に示す斜視図である。無人飛行体３０１は、３つのウインチ１５を備える点で単一のウインチ１５を有する無人飛行体１と異なる。図８に示す無人飛行体３０１の構成要素のうち図１〜図３に示す無人飛行体１の構成要素と同一又は類似のものには図１〜図３と同様の参照符号を付し、これらの同一又は類似の構成要素については詳細な説明を省略する。

無人飛行体３０１は、吊り糸２０と同数のウインチ１５を有する。図示の実施形態では、無人飛行体３０１は、３本の吊り糸２０と、これと同数の３つのウインチ１５を備えている。この３つのウインチ１５の各々には、吊り糸２０の各々の一端が取り付けられる。これにより、３本の吊り糸２０の巻き取り及び繰り出しを互いから独立して行うことができる。これにより、物体支持具１６が傾いたときの姿勢の立て直しを容易に行うことができる。

無人飛行体３０１は、吊り糸２０と同数のウインチ１５を有する場合には、ウインチ１５は、本体１０以外の部位、例えば支持体１２の下面に取り付けられてもよい。ウインチ１５の数、取付位置、及びその形状は、本明細書で明示的に説明されたものには限定されない。

続いて、上記実施形態が奏する作用効果について説明する。上記の一実施形態において、物体Ａを支持する物体支持具１６は、複数の吊り糸２０によって支持されているので吊り下げられている物体の姿勢を安定させることができる。吊り糸２０は、２本以上である。吊り糸２０は、無人飛行体１の平面視において本体１０周りの周方向において均等又はほぼ均等に配置されてもよい。図３に示されている例では、アーム１１が本体１０周りの周方向において６０°間隔で均等に配置され、ガイド部材１４がこのアーム１１に一つおきに設けられている。したがって、ガイド部材１４は、本体１０周りの周方向において１２０°間隔で設けられている。３本の吊り糸２０は、本体１０に設けられているウインチ１５からガイド部材１４を介して物体支持具１６に案内されるので、ガイド部材１４を周方向において均等に配置することにより、吊り糸２０も周方向において均等に配置される。

従来のように物体支持具１６が単一の吊り糸に支持される場合、物体支持具１６がねじり方向の外力を受けると、その外力の方向に自転してしまう。このとき、ねじり方向の外力に対向して物体支持具に作用する復元力は実質的にゼロである。これに対して、上記の実施形態においては、物体支持具１６が複数の吊り糸２０によって支持されているため、物体支持具１６がねじり方向の外力を受けた場合に、物体支持具１６に対して単一の吊糸で支持されている場合に比べてはるかに大きな復元方向のトルクが発生する。この復元力は、吊り糸２０の張力が一定とすると、物体支持具１６における吊り糸２０の取付位置の間隔が大きくなるほど大きくなる。このように、物体支持具１６を複数の吊り糸で支持することにより、物体支持具１６が外力によって自転した場合の復元力が大きくなる。言い換えると、物体支持具１６の異なる位置に複数の吊り糸２０が取り付けられているため、物体支持具１６が単一の吊り糸で支持されている場合と比較して、物体支持具１６のみかけの剛性（幾何剛性）が大きくなる。このため、外力を受けた場合に、物体支持具１６はねじれ方向に移動しにくくなる。よって、物体支持具１６は、複数の吊り糸２０によって吊り下げられることにより、空中で安定した姿勢を取ることができる。

上記の一実施形態においては、ガイド部材１４が回転翼１３の回転軸上に設けられる。このとき、吊り糸２０からガイド部材１４を介して支持体１２に作用する吊り下げ荷重の鉛直下向きの成分が回転翼１３から支持体１２に作用する上向きの推力と等しくなる。よって、物体Ａの吊り下げ時にアーム１１に大きな曲げ応力が作用することを防止できる。よって、アーム１１の細径化や軽量化を図ることが容易となる。

上記の一実施形態において、ガイド部材１７は、回転翼１３の回転軌道の外側まで延びている。これにより、ガイド部材１７は、吊り糸２０を案内するだけでなく、回転翼１３と他の物体の衝突を防ぐこともできる。

上記の一実施形態において、無人飛行体には単一のウインチ１５が設けられる。複数の吊り糸２０に対する巻き取り及び繰り出しを単一のウインチ１５で行うことにより、無人飛行体の重量を軽量化することができる。

上記の一実施形態における無人飛行体は、吊り糸２０と同数のウインチ１５を備える。これにより、各吊り糸２０の巻き取り及び繰り出しを独立に行うことができる。よって、物体支持具１６が傾いた場合でもその姿勢を立て直すことができる。

本明細書で説明された各構成要素の寸法、材料、及び配置は、実施形態中で明示的に説明されたものに限定されず、この各構成要素は、本発明の範囲に含まれうる任意の寸法、材料、及び配置を有するように変形することができる。また、本明細書において明示的に説明していない構成要素を、説明した実施形態に付加することもできるし、各実施形態において説明した構成要素の一部を省略することもできる。

ガイド部材１４の数は任意である。吊り下げられる物体Ａの重量、用途、要求される姿勢の安定性、及びこれら以外の要素に応じてガイド部材１４の数を適宜変更することができる。上記のように、ガイド部材１４は、着脱可能であってもい。これにより、無人飛行体１には目的に応じて適した数のガイド部材１４を容易に取り付けることができる。

吊り糸２０は、２本以上の任意の数だけ設けられる。例えば、吊り糸２０は、アーム１１の本数と同じ数だけ設けられてもよい。吊り糸２０は、アーム１１の数の１／２、１／３、１／４の数だけ設けられてもよい。

上記の各実施形態は、適宜組み合わされてもよい。複数の実施形態を組み合わせることで実現される態様も、本発明の一実施形態となり得る。

１ 無人飛行体
１０ 本体
１１ アーム
１２ 支持体
１３ 回転翼
１４ ガイド部材
１５ ウインチ
１６ 物体支持具
２０ 吊り糸
Ａ 物体

Claims (9)

1. 本体と、
   前記本体から外側に延びる複数のアームと、
   前記複数のアームに設けられた複数の支持体と、
   前記複数の支持体に設けられた複数の回転翼と、
   物体を支持する物体支持具に取り付けられた複数の吊り糸と、
   を備える無人飛行体。
2. 前記複数の支持体の各々に設けられ、前記複数の吊り糸を前記物体支持具に案内する複数のガイド部材をさらに備える請求項１に記載の無人飛行体。
3. 前記複数のガイド部材は、前記複数の回転翼の回転軸上に設けられる、
   請求項２に記載の無人飛行体。
4. 前記ガイド部材は、前記回転翼の回転軌道の外側まで延びている、
   請求項２に記載の無人飛行体。
5. 前記複数の吊り糸の各々を巻き取るための少なくとも一つのウインチをさらに備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の無人飛行体。
6. 前記少なくとも一つのウインチは、単一のウインチであり、前記単一のウインチは前記本体に設けられる、
   請求項５に記載の無人飛行体。
7. 前記少なくとも一つのウインチは、前記複数の吊り糸と同じ数の複数のウインチである、請求項５に記載の無人飛行体。
8. 前記複数のウインチの各々は、前記複数の支持体に設けられる、
   請求項７に記載の無人飛行体。
9. 本体と、
   前記本体から外側に延びる複数のアームと、
   前記複数のアームに設けられた複数の支持体と、
   前記複数の支持体に設けられた複数の回転翼と、
   前記複数の支持体の各々に設けられ、複数の吊り糸を支持する物体支持具に案内する複数のガイド部材と、
   を備える無人飛行体。

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