JP2023069872A - 飛行装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】サブロータにより姿勢制御を正確に行うことができる飛行装置を提供する。【解決手段】飛行装置10は、機体19と、エンジン30と、モータ21と、メインロータ14と、サブロータ15と、を具備する。エンジン30は、メインロータ14を回転させる。モータ21は、サブロータ15を回転させる。メインロータ14は、サブロータ15よりも下方に配置される。飛行装置10によれば、メインロータ14が、サブロータ15よりも下方に配置されることにより、メインロータ14が回転することにより発生する風流の影響を、サブロータ15が受けることがない。よって、サブロータ15が回転により設計通りの推力を得ることができ、機体19の位置姿勢の調整を正確に行うことができる。【選択図】図1

Description

本発明は、飛行装置に関し、特に、エンジンにより駆動的にメインロータを駆動し、モータによりサブロータを回転させる所謂パラレルハイブリット型の飛行装置に関する。
従来から、無人で空中を飛行することが可能な飛行装置が知られている。このような飛行装置は、垂直軸回りに回転するロータの推力で、空中を飛行することを可能としている。
かかる飛行装置の適用分野としては、例えば、輸送分野、測量分野および撮影分野等が考えられる。このような分野に飛行装置を適用する場合は、測量機器や撮影機器を飛行装置に備え付ける。飛行装置をかかる分野に適用させることで、人が立ち入れない地域に飛行装置を飛行させ、そのような地域の輸送、撮影および測量を行うことができる。かかる飛行装置に関する発明は、例えば、特許文献1や特許文献2に記載されている。
一般的な飛行装置では、飛行装置に搭載された蓄電池から供給される電力で上記したロータは回転する。しかしながら、蓄電池による電力の供給ではエネルギの供給量が必ずしも十分ではないため、長時間に渡る連続飛行を実現するために、エンジンを搭載した飛行装置も出現している。このような飛行装置では、エンジンの駆動力で発電機を回転させ、かかる発電機で発電された電力でロータを回転駆動している。かかる構成の飛行装置は、動力源からロータにエネルギが供給される経路に、エンジンと発電機とが直列的に接続されることから、シリーズ型ドローンとも称される。このような飛行装置を用いて撮影や測量を行うことで、広範囲な撮影や測量を行うことができる。エンジンが搭載された飛行装置は、例えば特許文献3に記載されている。
特開2012-51545号公報 特開2014-240242号公報 特開2011-251678号公報
しかしながら、前述した従前の飛行装置においては、駆動系の機構において改善の余地があった。
具体的には、前述したように、パラレル型ハイブリッドドローンでは、メインロータが回転することで発生する揚力により機体を空中に浮遊させ、サブロータが回転することにより発生する揚力により機体の位置姿勢を制御している。
この際、メインロータが回転することで、メインロータの下方には大きなダウンウォッシュが発生している。よって、サブロータがメインロータの下方に配置された場合、サブロータがダウンウォッシュの影響を受けてしまい、サブロータの回転による機体の姿勢制御を正確に行うことができない課題があった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、サブロータにより姿勢制御を正確に行うことができる飛行装置を提供することにある。
本発明の飛行装置は、機体と、エンジンと、モータと、メインロータと、サブロータと、を具備し、前記エンジンは、前記メインロータを回転させ、前記モータは、前記サブロータを回転させ、前記メインロータは、前記サブロータよりも下方に配置されることを特徴とする。
また、本発明の飛行装置では、前記メインロータは、前記機体の下面よりも、上方側に配置されることを特徴とする。
また、本発明の飛行装置では、前記サブロータの回転中心と、前記機体の中心とが離間する距離は、前記メインロータの回転中心と、前記機体の中心とが離間する距離よりも長いことを特徴とする。
また、本発明の飛行装置では、前記メインロータは、第1メインロータおよび第2メインロータを有し、前記サブロータは、第1サブロータ、第2サブロータ、第3サブロータおよび第4サブロータを有し、前記第1メインロータは、前記機体の左方側に配置され、前記第2メインロータは、前記機体の右方側に配置され、前記第1サブロータは、前記機体の前方左方側に配置され、前記第2サブロータは、前記機体の後方左方側に配置され、前記第3サブロータは、前記機体の前方右方側に配置され、前記第4サブロータは、前記機体の後方右方側に配置されることを特徴とする。
本発明の飛行装置は、機体と、エンジンと、モータと、メインロータと、サブロータと、を具備し、前記エンジンは、前記メインロータを回転させ、前記モータは、前記サブロータを回転させ、前記メインロータは、前記サブロータよりも下方に配置されることを特徴とする。従って、本発明の飛行装置によれば、メインロータが、サブロータよりも下方に配置されることにより、メインロータが回転することにより発生する風流の影響を、サブロータが受けることがない。よって、サブロータが回転により設計通りの推力を得ることができ、機体の位置姿勢の調整を正確に行うことができる。
また、本発明の飛行装置では、前記メインロータは、前記機体の下面よりも、上方側に配置されることを特徴とする。従って、本発明の飛行装置によれば、メインロータが、機体の下面よりも、上方側に配置されることにより、メインロータが回転することにより発生する推力により、機体を安定して浮遊させることができる。
また、本発明の飛行装置では、前記サブロータの回転中心と、前記機体の中心とが離間する距離は、前記メインロータの回転中心と、前記機体の中心とが離間する距離よりも長いことを特徴とする。従って、本発明の飛行装置によれば、サブロータの回転中心と、機体の中心とが離間する距離を長く確保することにより、サブロータが回転することにより発生する推力を用いて、機体の位置姿勢を正確に制御することができる。
また、本発明の飛行装置では、前記メインロータは、第1メインロータおよび第2メインロータを有し、前記サブロータは、第1サブロータ、第2サブロータ、第3サブロータおよび第4サブロータを有し、前記第1メインロータは、前記機体の左方側に配置され、前記第2メインロータは、前記機体の右方側に配置され、前記第1サブロータは、前記機体の前方左方側に配置され、前記第2サブロータは、前記機体の後方左方側に配置され、前記第3サブロータは、前記機体の前方右方側に配置され、前記第4サブロータは、前記機体の後方右方側に配置されることを特徴とする。従って、本発明の飛行装置によれば、第1メインロータと第2メインロータを、機体を挟む位置に配置することで、機体をより安定的に浮遊させることができる。また、第1サブロータないし第4サブロータを、前後左右の各隅部に配置することで、機体の位置姿勢をより正確に制御することができる。
本発明の実施形態に係る飛行装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る飛行装置を示す後面図である。 本発明の実施形態に係る飛行装置を示す図であり、各部位の接続構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る飛行装置のエンジンの構成および配置を示す図である。
以下、図を参照して本形態の飛行装置の構成を説明する。以下の説明では、同一の構成を有する部位には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。尚、以下の説明では上下前後左右の各方向を用いるが、これらの各方向は説明の便宜のためである。また、飛行装置10は、ドローンとも称される。
図1は、飛行装置10を示す斜視図である。
飛行装置10は、機体19と、メインロータ14と、エンジン30と、を具備する。エンジン30は、機体19に内蔵されることから、図示されていない。飛行装置10は、電気的駆動系と、機械的駆動系との並列した2つの駆動系を有するパラレル型ハイブリッドドローンである。電気的駆動系は、後述するモータ21およびサブロータ15を回転させる駆動系である。機械的駆動系は、メインロータ14を回転させる駆動系である。
機体19は、飛行装置10を構成する各機器を支える本体であり、合成樹脂、金属またはこれらの複合材から成る。ここでは図示しないが、機体19の内部には、エンジン30、発電機16およびバッテリ18等が配置されている。
メインロータ14は、回転することにより、機体19が浮遊するための駆動力を発生させる。メインロータ14は、メインロータ141と、メインロータ142とを有する。ここで、例えば、メインロータ141が第1メインロータであり、メインロータ142が第2メインロータである。
メインロータ141は、機体19の左方側に配置される。メインロータ141は、メインフレーム121を介して、機体19と接続されている。
メインロータ142は、機体19の右方側に配置される。メインロータ142は、メインフレーム122を介して、機体19と接続されている。
メインロータ141とメインロータ142とは、回転方向は逆であり、等しい回転速度で回転する。また、メインロータ141およびメインロータ142は、機体19に内蔵されたエンジン30と機械的に接続されている。例えば、メインロータ141およびメインロータ142は、ベルト、動力伝達棒またはギア等を介して、機体19に内蔵されたエンジン30と機械的に接続されている。
飛行装置10は、サブロータ15を有する。サブロータ15は、サブロータ151ないしサブロータ154を有する。ここで、第1サブロータはサブロータ151であり、第2サブロータはサブロータ152であり、第3サブロータはサブロータ153であり、第4サブロータはサブロータ154である。
サブロータ151は、機体19の左側前方に配置され、サブフレーム131を経由して機体19に接続されており、ここでは図示しないモータ211により回転する。
サブロータ152は、機体19の左側後方に配置され、サブフレーム132を経由して機体19に接続されており、ここでは図示しないモータ212により回転する。
サブロータ153は、機体19の右側前方に配置され、サブフレーム133を経由して機体19に接続されており、ここでは図示しないモータ213により回転する。
サブロータ154は、機体19の右側後方に配置され、サブフレーム134を経由して機体19に接続されており、ここでは図示しないモータ214により回転する。
ここで、サブフレーム131ないしサブフレーム134は、メインフレーム121およびメインフレーム122よりも長く形成されている。これによりサブロータ151ないしサブロータ154の回転中心は、メインロータ141およびメインロータ142の回転中心よりも、機体19の中心部から離間している。このようにすることで、サブロータ151ないしサブロータ154により、飛行装置10の位置姿勢をより正確に制御することができる。
設地部25は、飛行装置10が着地した際に、着地面に接する部位である。設地部25は、メインフレーム121等と同様に、複数のフレームを組み合わせて成る。
図2は、飛行装置10を後方から見た後面図である。図2を参照して、メインロータ14は、サブロータ15よりも下方に配置される。ここでは、メインロータ141およびメインロータ142は、サブロータ152およびサブロータ154よりも下方に配置されている。
メインロータ14がサブロータ15よりも下方に配置されることにより、サブロータ15による飛行装置10の位置姿勢の制御をより正確に行うことができる。具体的には、メインロータ14は飛行装置10全体を空中に浮遊させるべく、高速で回転する。メインロータ14が高速で回転すると、メインロータ14の下方にはダウンウォッシュが発生する。特に、メインロータ14の直径は、サブロータ15よりも大きいことから、大きなダウンウォッシュが発生する。ここで、ダウンウォッシュとは、飛行装置10が飛行する際のメインロータ14の回転により、空気がメインロータ14の上方向から吸い込まれて下方向に吹き降ろされることにより生じる風であり、下方に向かって扇状の形で広がっていく。
本実施形態では、メインロータ14がサブロータ15の下方に配置されているため、メインロータ14が回転することで発生するダウンウォッシュは、サブロータ15に対して大きな影響を与えない。よって、各サブロータ15が所定の回転速度で回転することで、飛行装置10の空中に於ける位置姿勢を所定のものにすることができる。よって、ここでは図示しない操縦者は、飛行装置10を安定的に操作することが出来る。
また、メインロータ14は、機体19の下面よりも、上方側に配置される。このようにすることで、サブロータ15の下方側において、メインロータ14の位置を、できうる限り上方に配置することができ、メインロータ14が回転することで発生する推力により、機体19を安定的に空中に浮遊させることができる。
図3は、飛行装置10を示す図であり、各部位の接続構成を示すブロック図である。
飛行装置10は、演算制御部31と、エンジン30と、発電機16と、バッテリ18と、電力変換部24と、モータ21と、サブロータ15と、を有する。
演算制御部31は、CPU、ROM、RAM等を有し、ここでは図示しない各種センサやコントローラからの入力に基づいて、飛行装置10を構成する各機器の挙動を制御する。また、演算制御部31は、操作者が操作する遠隔操作装置(プロポコントローラ)および各種センサからの入力に基づいて、各メインロータ14および各サブロータ15の回転数を制御するフライトコントローラでもある。
エンジン30は、演算制御部31からの入力信号に基づいて動作し、飛行装置10が飛行するためのエネルギを発生させる。エンジン30の具体構成は図3を参照して後述する。
発電機16は、エンジン30の駆動力の一部を用いて電力を発生する装置であり、発電機161および発電機162を有する。発電機161は、後述するエンジン30の第1エンジン部40により駆動される。発電機162は、後述するエンジン30の第2エンジン部41により駆動される。
バッテリ18は、発電機16と電力変換部24との間に介装される。バッテリ18は、発電機16により充電される。バッテリ18から放電された電力は、後述する電力変換部24に供給される。
電力変換部24は、個々のサブロータ15に対応して設けられる。電力変換部24としては、発電機162から供給される交流電力を、一旦直流化した後に所定の周波数の交流電力に変換するコンバータおよびインバータを採用できる。また、電力変換部24としては、バッテリ18から供給される直流電力を所定の周波数に変換するインバータを採用できる。具体的には、電力変換部24は、電力変換部241、電力変換部242、電力変換部243および電力変換部244を有する。
モータ21は、個々のサブロータ15に対応して設けられ、モータ211、モータ212、モータ213およびモータ214を有する。モータ211、モータ212、モータ213およびモータ214は、夫々、電力変換部241、電力変換部242、電力変換部243および電力変換部244から供給される電力により所定の速度で回転する。
サブロータ15は、前述したように、サブロータ151、サブロータ152、サブロータ153およびサブロータ154を有する。サブロータ151、サブロータ152、サブロータ153およびサブロータ154は、夫々、モータ211、モータ212、モータ213およびモータ214により回転する。
ここで、飛行装置10の動作を説明する。飛行装置10は、ホバリング状態、昇降状態または水平移動状態で稼働される。
ホバリング状態では、飛行装置10は、演算制御部31からの指示に基づいて、エンジン30から発生する駆動力によりメインロータ14を回転させ、飛行装置10を空中の所定位置に浮遊させる。この際、演算制御部31からの指示に基づいて、各サブロータ15は回転している。演算制御部31は、飛行装置10が所定の高度および姿勢を維持できるように、各電力変換部24を制御することで、各モータ21および各サブロータ15の回転速度を所定のものにしている。
昇降状態では、エンジン30の回転数を制御することで、メインロータ14を所定速度で回転させ、飛行装置10を上昇または下降させる。この際も、演算制御部31は、飛行装置10が所定の高度および姿勢を維持できるように、各電力変換部24を制御することで、各モータ21およびサブロータ15の回転速度を所定のものにしている。
水平移動状態では、演算制御部31は、各電力変換部24を制御することで、各モータ21およびサブロータ15の回転数を制御することにより、飛行装置10を傾斜状態にする。この際にも、演算制御部31は、エンジン30の駆動状態を制御することで、メインロータ14を所定速度で回転させる。
本実施形態では、図2に示したように、メインロータ14をサブロータ15の下方に配置したので、ホバリング状態、昇降状態および水平移動状態に於いて、各サブロータ15により飛行装置10の位置姿勢を安定的に制御することができる。
図4は、飛行装置10のエンジン30の構成および配置を示す図である。
エンジン30は、第1エンジン部40と、第2エンジン部41と、を有する。第1エンジン部40と第2エンジン部41とは対向配置され、第1エンジン部40は左側に配置され、第2エンジン部41は右側に配置される。
第1エンジン部40は、往復運動する第1ピストン43と、第1ピストン43の往復運動を回転運動に変換する第1クランクシャフト42と、第1ピストン43と第1クランクシャフト42とを回転可能に連結する第1コネクティングロッド44と、を有する。
第2エンジン部41は、往復運動する第2ピストン46と、第2ピストン46の往復運動を回転運動に変換する第2クランクシャフト45と、第2ピストン46と第2クランクシャフト45とを回転可能に連結する第2コネクティングロッド47と、を有する。
第1エンジン部40の第1ピストン43と、第2エンジン部41の第2ピストン46で、燃焼室48を共有する。換言すると、第1ピストン43と第2ピストン46とは、連通する一つのシリンダの内部を往復運動する。よって、第1エンジン部40および第1ピストン43が中心部に向かって同時にストロークすることで、ストローク量を少なくしつつ、燃焼室48における混合ガスの高膨張比をとることができる。
ここでは図示していないが、エンジン30には、燃焼室48から連通する容積空間が形成されており、この容積空間に点火プラグが配置されている。また、燃焼室48には、ここでは図示しない吸気口および排気口が形成されており、ガソリンなどの燃料を含む混合気が吸気口から燃焼室48に導入され、燃焼後の排気ガスが排気口を経由して燃焼室から外部に排気される。
上記した構成のエンジン30は、次のように動作する。先ず、吸込行程では、第1ピストン43および第2ピストン46がシリンダ49の内部で中央部から外側に向かって移動することで、燃料と空気との混合物である混合気をシリンダ49の内部に導入する。次に、圧縮行程では、回転する第1クランクシャフト42および第2クランクシャフト45の慣性により、第1ピストン43および第2ピストン46が中央部に向かって押し出され、シリンダ49の内部で混合気が圧縮される。次に、燃焼行程では、図示しない点火プラグが燃焼室48で点火することで、シリンダ49の内部で混合気が燃焼し、これにより第1ピストン43および第2ピストン46が下死点である外側の端部まで押し出される。その後、排気行程では、回転する第1クランクシャフト42および第2クランクシャフト45の慣性により第1ピストン43および第2ピストン46が内側に押し出され、シリンダ49の内部に存在する燃焼後のガスは、外部に排出される。
エンジン30では、一つのシリンダ49の内部で往復運動する2つの第1ピストン43および第2ピストン46で、ストロークを分割することができる。よって、通常のガソリンエンジンと比較して、混合ガスの圧縮比を大きくすることができる。また、シリンダ49の内部で第1ピストン43および第2ピストン46が対向するので、一般的なエンジンで必要とされるシリンダヘッドが不要と成り、エンジン30の構成が簡素であり且つ軽量とされている。また、エンジン30を構成している各部材、即ち、第1ピストン43および第2ピストン46、第1クランクシャフト42および第2クランクシャフト45等が対向して配置され、かつ対向するように動作している。このことから、エンジン30の各部材から発生する振動が相殺され、エンジン30全体から外部に発生する振動を少なくすることができる。よって、このような構造のエンジン30を飛行装置10に搭載することで、飛行装置10の小型化、軽量化および低振動化を達成することができる。特に、低振動化により、姿勢制御、モータ出力制御などの演算制御装置やGPSセンサ等の精密機器への悪影響を防止することが出来る。また、飛行装置10が輸送する配送荷物が振動で損傷してしまうことを防止することができる。
ここで、第1クランクシャフト42は図1に示したメインロータ141と駆動的に接続され、第2クランクシャフト45は図1に示したメインロータ142と駆動的に接続される。係る駆動的な接続は、例えば、伝達棒、ベルト、ギアにより成される。
前述した本実施形態により、以下のような主要な効果を奏することができる。
図2を参照して、メインロータ14が、サブロータ15よりも下方に配置されることにより、メインロータ14が回転することより発生する風流の影響を、サブロータ15が受けることがない。よって、サブロータ15が回転により設計通りの推力を得ることができ、機体19の位置姿勢の調整を正確に行うことができる。
図2を参照して、本発明の飛行装置10によれば、メインロータ14が、機体19の下面よりも、上方側に配置されることにより、メインロータ14が回転することにより発生する推力により、機体19を安定して浮遊させることができる。
図1を参照して、本発明の飛行装置10によれば、サブロータ15の回転中心と、機体19の中心とが離間する距離を長く確保することにより、サブロータ15が回転することにより発生する推力を用いて、機体19の位置姿勢を正確に制御することができる。
図1を参照して、メインロータ141とメインロータ142を、機体19を挟む位置に配置することで、機体19をより安定的に浮遊させることができる。また、サブロータ151ないしサブロータ154を、前後左右の各隅部に配置することで、機体19の位置姿勢をより正確に制御することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。また、前述した各形態は相互に組み合わせることが可能である。
図4を参照して説明したエンジン30では、第1エンジン部40および第2エンジン部41で燃焼室48を共有していたが、第1エンジン部40と第2エンジン部41とで、個別に燃焼空間を形成することもできる。更に、第1エンジン部40と第2エンジン部41とで、個別に燃焼空間を形成する場合、かかる燃焼空間を、幅方向外側端部に配置することもできる。
10 飛行装置
121 メインフレーム
122 メインフレーム
131 サブフレーム
132 サブフレーム
133 サブフレーム
134 サブフレーム
14 メインロータ
141 メインロータ
142 メインロータ
15 サブロータ
151 サブロータ
152 サブロータ
153 サブロータ
154 サブロータ
16 発電機
161 発電機
162 発電機
18 バッテリ
19 機体
21 モータ
211 モータ
212 モータ
213 モータ
214 モータ
24 電力変換部
241 電力変換部
242 電力変換部
243 電力変換部
244 電力変換部
25 設地部
30 エンジン
31 演算制御部
40 第1エンジン部
41 第2エンジン部
42 第1クランクシャフト
43 第1ピストン
44 第1コネクティングロッド
45 第2クランクシャフト
46 第2ピストン
47 第2コネクティングロッド
48 燃焼室
49 シリンダ


本発明の飛行装置は、機体と、エンジンと、モータと、メインロータと、サブロータと、を具備し、前記エンジンは、前記メインロータを回転させ、前記モータは、前記サブロータを回転させ、前記サブロータよりも回転直径が大きい前記メインロータは、前記サブロータよりも下方に配置されることを特徴とする。
また、本発明の飛行装置では、前記メインロータは、第1メインロータおよび第2メインロータを有し、前記サブロータは、第1サブロータ、第2サブロータ、第3サブロータおよび第4サブロータを有し、前記第1メインロータは、前記機体の左方側に配置され、前記第2メインロータは、前記機体の右方側に配置され、前記第1サブロータは、前記機体の前方左方側に配置され、前記第2サブロータは、前記機体の後方左方側に配置され、前記第3サブロータは、前記機体の前方右方側に配置され、前記第4サブロータは、前記機体の後方右方側に配置されることを特徴とする。
また、本発明の飛行装置では、前記メインロータと前記サブロータとは、重畳しない位置に配置されることを特徴とする。
本発明の飛行装置は、機体と、エンジンと、モータと、メインロータと、サブロータと、を具備し、前記エンジンは、前記メインロータを回転させ、前記モータは、前記サブロータを回転させ、前記サブロータよりも回転直径が大きい前記メインロータは、前記サブロータよりも下方に配置されることを特徴とする。従って、本発明の飛行装置によれば、メインロータが、サブロータよりも下方に配置されることにより、メインロータが回転することにより発生する風流の影響を、サブロータが受けることがない。よって、サブロータが回転により設計通りの推力を得ることができ、機体の位置姿勢の調整を正確に行うことができる。

Claims (4)

  1. 機体と、エンジンと、モータと、メインロータと、サブロータと、を具備し、
    前記エンジンは、前記メインロータを回転させ、
    前記モータは、前記サブロータを回転させ、
    前記メインロータは、前記サブロータよりも下方に配置されることを特徴とする飛行装置。
  2. 前記メインロータは、前記機体の下面よりも、上方側に配置されることを特徴とする請求項1に記載の飛行装置。
  3. 前記サブロータの回転中心と、前記機体の中心とが離間する距離は、
    前記メインロータの回転中心と、前記機体の中心とが離間する距離よりも長いことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の飛行装置。
  4. 前記メインロータは、第1メインロータおよび第2メインロータを有し、
    前記サブロータは、第1サブロータ、第2サブロータ、第3サブロータおよび第4サブロータを有し、
    前記第1メインロータは、前記機体の左方側に配置され、
    前記第2メインロータは、前記機体の右方側に配置され、
    前記第1サブロータは、前記機体の前方左方側に配置され、
    前記第2サブロータは、前記機体の後方左方側に配置され、
    前記第3サブロータは、前記機体の前方右方側に配置され、
    前記第4サブロータは、前記機体の後方右方側に配置されることを特徴とする請求項1から請求項3の何れかに記載の飛行装置。



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