JP2020093724A

JP2020093724A - 航空機

Info

Publication number: JP2020093724A
Application number: JP2018234137A
Authority: JP
Inventors: 邦男齊藤; Kunio Saito
Original assignee: SAITOTEC CO Ltd
Current assignee: SAITOTEC CO Ltd
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2020-06-18

Abstract

【課題】バッテリ等のエネルギー供給機構に不具合が生じた場合であっても、墜落を回避可能なマルチコプタを提供する。【解決手段】マルチコプタ１は、例えば４本のアームの各々に応じた揚力発生系統２４（１）〜２４（４）と、揚力発生系統２４（１）〜２４（４）に各アームのプロペラの回転数を指示する制御信号を出力することによりマルチコプタ１の飛行を制御するＦＣＵ２１と、ＦＣＵ２１に電力を供給するバッテリ２３と、バッテリ２３からＦＣＵ２１に供給される電力を管理するＰＭＵ２２を備える。揚力発生系統２４（１）〜２４（４）の各々はバッテリ２４５を備える。そのため、４本のアームの各々に応じて設けられたいずれかのバッテリ２４５からの電力供給に不具合が生じても、他のバッテリ２４５からの電力供給に不具合が生じないため、マルチコプタ１は不具合の生じていない揚力発生系統２４により飛行を継続することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、航空機に関する。

近年、ドローンと通称される自律飛行が可能な無人航空機が物資の輸送等の商標目的に活用され始めている。ドローンが何らかの不具合により墜落すると、ドローン本体が破損等するのみでなく、ドローンが衝突した地上の物体も損傷を受ける危険性がある。特に、ドローンが人の居住区の上空を飛行している際に墜落すると、人にドローンが衝突し、場合によっては人命を奪う事故を招く危険性がある。

上記の問題を解消するための技術が提案されている。それらの技術の一つとして、例えば特許文献１に記載の技術がある。特許文献１には、ドローンが墜落する前にパラシュートを開いてドローンが地上の建築物や人物等に衝突する際の衝撃を緩和する技術が記載されている。なお、特許文献１において提案されている発明は、パラシュートに結露が生じることを防止するためにヒータを設ける点に特徴がある。

特開２０１８−００１８１４号公報

典型的なドローンは４枚以上のプロペラを鉛直方向の軸周りに等角度で配置したマルチコプタの形態をとる。マルチコプタ型のドローン（以下、本願において「マルチコプタ」という）は、複数のプロペラの各々に応じて、当該プロペラに揚力を発生させるための機構（以下、本願において「揚力発生系統」という）を備えている。

マルチコプタにおいて、複数の揚力発生系統のうちのいずれか１つにおいて、プロペラが破損した場合やモータ等の動力発生装置が故障した場合、それらの不具合の生じた揚力発生系統が発生する揚力が減少する。ただし、不具合が生じていない複数の揚力発生系統が発生する揚力の総量がマルチコプタの自重（マルチコプタに搭載されている物の重さを含む）より大きければ、マルチコプタは墜落することなく飛行を継続することができる。

ところで、一般的に、マルチコプタは、複数のプロペラの各々に応じて備えるモータ等の動力発生装置に電力等のエネルギーを供給するバッテリ等のエネルギー供給機構を１つのみ備えている。従って、エネルギー供給機構に故障等の不具合が生じた場合、複数の揚力発生系統の全てにおいて揚力が減少又は喪失する。その場合、マルチコプタは墜落を免れることができない。

上記の事情に鑑み、本発明は、バッテリ等のエネルギー供給機構に不具合が生じた場合であっても、墜落を回避可能なマルチコプタを提供することを目的とする。

上記の課題に鑑み、本発明は、各々が動力発生装置に対し当該動力発生装置の運転に要するエネルギーを供給する４個以上のエネルギー供給機構と、前記４個以上のエネルギー供給機構の各々に関し、当該エネルギー供給機構からエネルギーの供給を受けて運転する１以上の動力発生装置と、前記４個以上のエネルギー供給機構の各々に関し１以上設けられた動力発生装置の各々に関し、当該動力発生装置により駆動されるプロペラと、前記４個以上のエネルギー供給機構の各々に関し１以上設けられた動力発生装置の各々に関し、当該動力発生装置の運転を制御する制御装置とを備えるマルチコプタを第１の態様として提供する。

第１の態様に係るマルチコプタは、複数のエネルギー供給機構のいずれかに不具合が生じても飛行を継続できる。

第１の態様に係るマルチコプタにおいて、１つのエネルギー供給機構と、当該エネルギー供給機構からエネルギーの供給を受けて運転する１以上の動力発生装置と、当該１以上の動力発生装置の各々により駆動されるプロペラとを１つの揚力発生系統とするとき、前記制御装置は、４個以上の揚力発生系統のいずれかにおける不具合を検知し、不具合の検知の前後において異なる制御を行う、という構成が第２の態様として採用されてもよい。

第２の態様に係るマルチコプタは、複数の揚力発生系統のいずれかに不具合が生じた場合に、崩れる姿勢を速やかに立て直すことができる。

本願発明に係るマルチコプタによれば、バッテリ等のエネルギー供給機構に不具合が生じた場合であっても、墜落が回避される。

一実施形態に係るマルチコプタを斜め上方から見た図。一実施形態に係るマルチコプタが備える構成を示した図。一変形例に係るマルチコプタが備える構成を示した図。

以下に本発明の一実施形態に係るマルチコプタ１を説明する。図１は、マルチコプタ１を斜め上方から見た図である。マルチコプタ１は、外から見える構成部として、本体１１と、本体１１から半径方向に延伸する複数本のアーム１２と、アーム１２の先端部付近の上側に配置され図１における鉛直方向の軸周りに回転するプロペラ１３と、アーム１２の先端部付近の下側に配置され同じアームに配置されているプロペラ１３と同じ軸周りに回転するプロペラ１４を備える。

図１には、マルチコプタ１が備えるアーム１２、プロペラ１３、プロペラ１４の組が４つである例を示しているが、マルチコプタ１が備えるそれらの組の数は４つに限られず、例えば、６組、８組等であってもよい。

互いに隣接する２本のアーム１２の間の角度は一定である。例えば、アーム１２が４本の場合、互いに隣接する２本のアーム１２の間の角度は９０度である。

図２は、マルチコプタ１が備える構成のうち、揚力の発生とその制御に関する構成を示した図である。マルチコプタ１は、図２に示される構成の他、例えば、自装置の姿勢を計測するジャイロセンサ、自装置の位置を計測するＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）の受信装置、自装置が向いている方位を計測するコンパス、ユーザがマルチコプタ１を遠隔操作する際に用いるリモートコントローラ（通称、「プロポ」）との間で無線通信を行う無線通信装置等を備える。

マルチコプタ１は、マルチコプタ１の飛行の制御を行う装置であるＦＣＵ（Flight Control Unit）２１と、ＦＣＵ２１に対し供給される電力を管理するＰＭＵ（Power Management Unit）２２と、ＰＭＵ２２を介してＦＣＵ２１に電力を供給するバッテリ２３と、４本のアーム１２の各々に応じて設けられた揚力発生系統２４（１）〜２４（４）を備える。以下、揚力発生系統２４（１）〜２４（４）の各々を区別する必要がない場合、それらを単に揚力発生系統２４という。

４つの揚力発生系統２４の各々は、まず、プロペラ１３と、プロペラ１３を駆動するモータ２４１と、モータ２４１の回転速度を制御するＥＳＣ（Electronic Speed Controller）２４２を備える。４つの揚力発生系統２４の各々は、また、プロペラ１４と、プロペラ１４を駆動するモータ２４３と、モータ２４３の回転速度を制御するＥＳＣ２４４を備える。４つの揚力発生系統２４の各々は、さらに、ＥＳＣ２４２を介してモータ２４１に電力を供給するバッテリ２４５を備える。ＥＳＣ２４２とＥＳＣ２４４はバッテリ２４５に並列に、プラスとマイナスの２本の電力線で接続されている。

本実施形態において、モータ２４１とモータ２４３は動力発生装置を構成する。本実施形態において、バッテリ２４５と、バッテリ２４５とＥＳＣ２４２及びＥＳＣ２４４とを接続する電力線とは、エネルギー供給機構を構成する。また、本実施形態において、ＦＣＵ２１とＥＳＣ２４２とＥＳＣ２４４は、動力発生装置の運転を制御する制御装置を構成する。

ＦＣＵ２１は、マルチコプタ１が目的地に向かい計画された経路を辿って飛行するように、揚力発生系統２４の各々が備えるＥＳＣ２４２とＥＳＣ２４４の各々に、それらに応じたモータ２４１とモータ２４３の各々の回転速度を指示する制御信号を継続的に出力する。ＥＳＣ２４２とＥＳＣ２４４は、ＦＣＵ２１から継続的に入力される制御信号に従い、自装置に応じたモータ２４１又はモータ２４３に供給する電力を調整することで回転速度を調整する。

マルチコプタ１は、上記のように、４つの揚力発生系統２４の各々が独立したエネルギー供給機構（バッテリ２４５と、バッテリ２４５とＥＳＣ２４２及びＥＳＣ２４４とを接続する電力線）を備える。そのため、４つの揚力発生系統２４の各々が備えるエネルギー供給機構のいずれか１つに不具合が生じて、４本のアーム１２のいずれかのプロペラ１３及びプロペラ１４の回転速度が、ＦＣＵ２１により指示される回転速度より低下したり、それらのプロペラの回転が停止しても、他の３本のアーム１２のプロペラ１３及びプロペラ１４は正常に運転することができる。そのため、マルチコプタ１は飛行を継続することができる。なお、エネルギー供給機構の不具合としては、例えば、バッテリ２４５の故障、電力線の断線等が挙げられる。

［変形例］
上述した実施形態は様々に変形されてよい。以下にそれらの変形の例を示す。

（１）マルチコプタ１が、複数の揚力発生系統２４のいずれかにおける不具合を検知し、不具合の検知の前後においてＦＣＵ２１（制御装置の一例）が異なる制御を行う構成が採用されてもよい。なお、揚力発生系統２４の不具合としては、例えば、エネルギー供給機構の不具合に加え、モータ２４１又はモータ２４３の故障による出力低下、プロペラ１３又はプロペラ１４の破損や損失等が挙げられる。

この変形例において、例えばＦＣＵ２１は、ジャイロセンサから入力されるデータが示すマルチコプタ１の現在の実際の姿勢と、自装置（ＦＣＵ２１）から４本のアーム１２の各々に応じたＥＳＣ２４２及びＥＳＣ２４４に出力している制御信号に応じたマルチコプタ１の現在の望ましい姿勢との差異が所定の閾値を所定の時間以上継続して超えた場合、その差異を生じたアーム１２に応じた揚力発生系統２４に不具合が生じたことを検知する。その場合、ＦＣＵ２１は、不具合を生じている揚力発生系統２４のＥＳＣ２４２とＥＳＣ２４４に、モータ２４１とモータ２４３の運転を停止するように指示する制御信号を出力するとともに、不具合を生じている揚力発生系統２４に隣接する２つの揚力発生系統２４のＥＳＣ２４２とＥＳＣ２４４に、モータ２４１とモータ２４３の回転速度を通常より所定の比率だけ増加するように指示する制御信号を出力する。

例えば、不具合を生じている揚力発生系統２４の不安定な運転を継続させながら、ジャイロセンサにより計測されるマルチコプタ１の姿勢に応じて４本のアーム１２のモータ２４１とモータ２４３の回転速度を増減させると、マルチコプタ１が移動方向を変更等するために姿勢を変更する毎にマルチコプタ１の姿勢が不安定となる可能性がある。この変形例に係るマルチコプタ１によれば、そのような不都合は生じない。

なお、この変形例において、マルチコプタ１が複数の揚力発生系統２４のいずれかにおける不具合を検知する方法は上述したものに限られない。例えば、マルチコプタ１がモータ２４１及びモータ２４３の回転速度を計測するセンサを備え、そのセンサにより計測されたモータ２４１及びモータ２４３の現在の実際の回転速度と、ＦＣＵ２１から出力される制御信号に応じたモータ２４１及びモータ２４３の現在の望ましい回転速度との差異に基づき、複数の揚力発生系統２４のいずれかにおける不具合を検知する構成が採用されてもよい。

（２）本発明に係るマルチコプタが備える動力発生装置はモータに限られない。例えば、マルチコプタが、動力発生装置としてエンジンを備えてもよい。図３はこの変形例の一例に係るマルチコプタ２が備える揚力の発生とその制御に関する構成を示した図である。

マルチコプタ２においては、モータ２４３に代えてエンジン３４３が、また、ＥＳＣ２４４に代えてＥＣＵ（Engine Control Unit）３４４が採用されている。さらに、マルチコプタ２において、揚力発生系統２４は、ＥＣＵ３４４を介してエンジン３４３にエネルギーである燃料を供給するための燃料タンク３４５を備える。燃料タンク３４５とＥＣＵ３４４及びＥＣＵ３４４とエンジン３４３はフューエルホースで連結されている。マルチコプタ２において、燃料タンク３４５とこれらのフューエルホースが、エンジン３４３に対しエネルギーを供給するエネルギー供給機構を構成する。

ＥＣＵ３４４はＦＣＵ２１から出力される制御信号に従い、エンジン３４３の回転速度を調整する。

マルチコプタ２は、４本のアーム１２の各々に配置されたエンジン３４３の各々に応じた独立したエネルギー供給機構（燃料タンク３４５とフューエルホース）を備えるため、これらの４つのエネルギー供給機構のいずれかに不具合（例えば、燃料タンク３４５の破損等により生じる燃料不足、フューエルホースの詰まり等）が生じても、マルチコプタ１は飛行を継続できる。

（３）マルチコプタ１又はマルチコプタ２が、複数のエネルギー供給機構のいずれかに不具合が生じた場合に、不具合の生じているエネルギー供給機構の役割を、不具合の生じていないエネルギー供給機構の１以上が担う構成を備えてもよい。

例えば、マルチコプタ１が、４つのバッテリ２４５と、４つのＥＳＣ２４２及びＥＳＣ２４４の各々との電気的な接続を自在に切り替えるスイッチング回路を備えるように構成する。また、マルチコプタ１が、４つのＥＳＣ２４２及びＥＳＣ２４４の各々に供給される電力を計測するセンサを備えるように構成する。そして、ＦＣＵ２１が、それらのセンサにより計測される電力を監視し、異常な電力の低下を検知した場合、スイッチング回路に対し、不具合を生じているバッテリ２４５から電力の供給を受けていたＥＳＣ２４２及びＥＳＣ２４４をそのバッテリ２４５から電気的に切り離し、それらのＥＳＣ２４２及びＥＳＣ２４４を、不具合を生じていない３つのバッテリ２４５に接続するように指示する制御信号を出力する。スイッチング回路は、ＦＣＵ２１からの制御信号に従い、バッテリ２４５とＥＳＣ２４２及びＥＳＣ２４４の接続を変更する。

この場合、不具合を生じていない３つのバッテリ２４５の各々は、それまで電力を供給していた同じ揚力発生系統２４のＥＳＣ２４２及びＥＳＣ２４４に加え、不具合を生じているバッテリ２４５に接続されていたＥＳＣ２４２及びＥＳＣ２４４に対し、電力を供給することになる。

この変形例によれば、いずれかの揚力発生系統２４においてエネルギー供給機構に不具合が生じているが、動力発生装置やプロペラには不具合が生じていない場合、マルチコプタ１又はマルチコプタ２は、通常の飛行を継続することができる。

（４）マルチコプタ１又はマルチコプタ２が、複数の揚力発生系統２４の各々に応じたＦＣＵ２１を備えてもよい。この変形例において、複数のＦＣＵ２１は互いに連係動作するとともに、例えば、揚力発生系統２４（１）に応じたＦＣＵ２１と揚力発生系統２４（２）に応じたＦＣＵ２１が互いに故障を検知し合い、揚力発生系統２４（３）に応じたＦＣＵ２１と揚力発生系統２４（４）に応じたＦＣＵ２１が互いに故障を検知し合う。そして、いずれかのＦＣＵ２１が相手のＦＣＵ２１の故障を検知した場合、相手のＦＣＵ２１に代わって、相手のＦＣＵ２１に応じた揚力発生系統２４のＥＳＣ２４２及びＥＳＣ２４４（マルチコプタ１の場合）又はＥＣＵ３４４（マルチコプタ２の場合）に制御信号を出力する。

この変形例によれば、いずれかのＦＣＵ２１に故障が生じた場合であっても、マルチコプタ１は通常の飛行を継続することができる。

（５）上述したマルチコプタ１は、１つの揚力発生系統２４がＥＳＣ、モータ及びプロペラが２セット備えるが、１つの揚力発生系統２４がＥＳＣ、モータ及びプロペラを１セットのみ備えてもよい。

（６）上述したマルチコプタ１は、同じ揚力発生系統２４のモータ２４１とモータ２４３に電力を供給するバッテリを１つしか備えないが、これらのモータに個別に電力を供給する２つのバッテリを備えてもよい。この場合、プロペラ１３、モータ２４１、ＥＳＣ２４２及びモータ２４１に電力を供給するバッテリが１つの揚力発生系統２４を構成し、プロペラ１４、モータ２４３、ＥＳＣ２４４及びモータ２４３に電力を供給するバッテリがもう１つの揚力発生系統２４を構成することになる。

１…マルチコプタ、２…マルチコプタ、１１…本体、１２…アーム、１３…プロペラ、１４…プロペラ、２１…ＦＣＵ、２２…ＰＭＵ、２３…バッテリ、２４…揚力発生系統、２４１…モータ、２４２…ＥＳＣ、２４３…モータ、２４４…ＥＳＣ、２４５…バッテリ、３４３…エンジン、３４４…ＥＣＵ、３４５…燃料タンク。

Claims

各々が動力発生装置に対し当該動力発生装置の運転に要するエネルギーを供給する４個以上のエネルギー供給機構と、
前記４個以上のエネルギー供給機構の各々に関し、当該エネルギー供給機構からエネルギーの供給を受けて運転する１以上の動力発生装置と、
前記４個以上のエネルギー供給機構の各々に関し１以上設けられた動力発生装置の各々に関し、当該動力発生装置により駆動されるプロペラと、
前記４個以上のエネルギー供給機構の各々に関し１以上設けられた動力発生装置の各々に関し、当該動力発生装置の運転を制御する制御装置と
を備えるマルチコプタ。
１つのエネルギー供給機構と、当該エネルギー供給機構からエネルギーの供給を受けて運転する１以上の動力発生装置と、当該１以上の動力発生装置の各々により駆動されるプロペラとを１つの揚力発生系統とするとき、
前記制御装置は、４個以上の揚力発生系統のいずれかにおける不具合を検知し、不具合の検知の前後において異なる制御を行う
請求項１に記載のマルチコプタ。