JP3224172U - 無人航空機 - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲に画像を撮影できる無人航空機（ＵＡＶ）を提供する。【解決手段】ＵＡＶは、ＵＡＶ用本体ハウジング制御回路１３および無線通信回路１４と、再充電可能電源１６とを備える。ＵＡＶは、本体１２を囲み、本体から外側に、好ましくは本体の上方に離間するように支持された複数のプロペラを有する。ジンバル２６は、カメラ２８を支持するために本体の前方部下方に取り付けられている。ジンバルは、カメラの前方垂直視野角が、少なくとも１つのプロペラの前方先端部に対して画定される前方垂直クリアランス視野角より小さくなるように、本体の前方部下方に配置される。またジンバルは、その上で支持されたカメラのレンズが実質的にＵＡＶ本体の前縁と一直線上にあるように配置される。【選択図】図２

Description

本考案は、無人航空機（ＵＡＶ）などのドローンの構成に関し、特に、排他的にではないが、マルチコプタなどのＵＡＶの構成に関する。

無人機分野、特にマルチコプタドローンなどの無人航空機（ＵＡＶ）技術では、開発が急速に進んでいる。従来のＵＡＶは、１または複数のコントローラおよび／またはセンサを有する飛行制御コンピュータにより制御される１または複数のプロペラを備え得る。

ドローンまたはマルチコプタは、通常は２つより多くのロータを有する回転翼機である。マルチロータ航空機の利点は、飛行制御に必要とされるロータ機構がより単純なことである。ブレードが回転する時のピッチが飛行の安定性および制御を目的として異なる複雑な可変ピッチロータを典型的には用いるシングルロータヘリコプタおよびダブルロータヘリコプタとは異なり、マルチロータは、固定ピッチブレードを用いている。結果的に、各ロータの相対速度を変えて、各ロータにより生成される推力およびトルクを変えることにより、機体の動きの制御が実現される。

ＵＡＶは、プロフェッショナル品質の動画の撮影にますます用いられるようになっている。通常、ＵＡＶ上で支持されたカメラは、動作シーン等を撮るために、ＵＡＶ本体に対して回転、ピッチおよびヨーが制御可能である。そのようなカメラの動きは、手動で制御され得るか、または予めプログラムされ得る。ほとんどの従来のＵＡＶにおいて、カメラは概して、ＵＡＶ本体の中心の下方に支持されている。なぜなら、これが通常、ＵＡＶの重心を有しているからである。しかしながら、これにより、撮像画像が損なわれるのをＵＡＶ構造の部分の画像を撮ることで回避することを望む場合、カメラの動きの程度または範囲が著しく限定される。

本考案の目的は、マルチコプタまたはドローンなどの新規の無人航空機を提供することである。

本考案の別の目的は、既知の無人航空機に関連する１または複数の問題をある程度軽減または回避すること、または少なくとも有用な代替手段を提供することである。

上記目的は、独立請求項の特徴の組み合わせにより達成され、従属請求項は、本考案のさらなる有利な実施形態を開示する。

当業者であれば、以下の説明から本考案の他の目的を導き出すであろう。従って、目的についての上記記述は、包括的なものではなく、本考案の多くの目的のうちのいくつかを示す役割を果たすに過ぎない。

第１の主な態様において、本考案は、無人航空機（ＵＡＶ）を提供する。ＵＡＶは、ＵＡＶ用本体ハウジング制御および無線通信回路と、再充電可能電源とを備える。ＵＡＶは、本体を囲み、本体から外側に、かつ、好ましくは本体の上方に離間するように支持された複数のプロペラを有する。ジンバルは、カメラを支持するために本体の前方部の下方に取り付けられている。ジンバルは、カメラの前方垂直視野角が、プロペラのうちの少なくとも１つの前方先端部に対して画定される前方垂直クリアランス視野角より小さくなるように、本体の前方部の下方に配置されている。ジンバルはカメラの前方水平視野角が、実質的に、足部のうちの少なくとも１つの前方先端部に対して画定される前方水平クリアランス視野角より実質的に小さくなるようにも配置されることが好ましい。

第２の主な態様において、考案は、本体と、本体を囲む複数のプロペラとを備え、本体と、カメラを支持するために本体の前方部の下方に取り付けられたジンバルとから外側に離間するように支持された無人航空機（ＵＡＶ）を提供する。ジンバルは、ジンバル上で支持されたカメラのレンズがＵＡＶ本体の前縁と実質的に一直線上にあるように配置されている。

本考案の概要は、本考案を定義するために必須である特徴の全てを必ずしも開示してはいない。本考案は、開示される特徴を部分的に組み合わせても成立し得る。

本考案の上記特徴およびさらなる特徴は、好ましい実施形態についての以下の説明から明らかになるであろう。当該実施形態は、添付図面に関連して、例としてのみ提供されている。
本考案の実施形態による、プロペラを含まないＵＡＶの側面図である。 プロペラを含む図１のＵＡＶの側断面図である。 図１のＵＡＶの下方からの平面図である。 プロペラを含む図１のＵＡＶの下方からの平面図である。 プロペラを含まない図１のＵＡＶの上方からの斜視図である。 プロペラを含まない図１のＵＡＶの下方からの斜視図である。

以下の説明は、好ましい実施形態を例としてのみ説明するものであり、本考案を実行に移すために必要な特徴の組み合わせに限定するわけではない。

本明細書において、「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「ある実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」への言及は、当該実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造または特性が、本考案の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書の様々な箇所に現れる「一実施形態において（ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」という表現は、必ずしも全てが同じ実施形態を指しているわけではなく、他の実施形態と相互排他的な別個の実施形態または代替的な実施形態であるわけでもない。さらに、いくつかの実施形態では示され得るが、他の実施形態では示されないことがある様々な特徴を説明する。同様に、いくつかの実施形態についての要件ではあるが、他の実施形態の要件ではないこともある様々な要件を説明する。

以下の説明では、無人航空機（ＵＡＶ）、特に、約４０ｋｇまでの重量を有する小型ＵＡＶの例として、ドローンまたはマルチコプタの実施形態を説明するが、これは重量サイズを限定するものではない。

図面を参照すると、ＵＡＶ１０用に少なくとも制御回路１３と、無線通信回路１４と、再充電可能電源１６（図２）とを収容する本体１２を有するＵＡＶ１０が提供される。ＵＡＶ１０の動作は、地上局（不図示）から無線で制御され得るか、または、ＵＡＶ１０は、その制御回路１３にアップロードされた予めプログラミングされた制御命令に従って自動的に動作し得る。本体１２の主要部分は全体的に卵形状であることが好ましいが、ＵＡＶ本体の形状は任意の適切な形であり得ることが理解されよう。本体１２が卵形状であることの利点は、ＵＡＶ１０の内部コンポーネント１３、１４、１６を収容するのに十分な体積を提供しながらも、全体的に空気力学上効率的である、ということである。さらに、卵形状であることにより、ＵＡＶのプロペラ用のアーム１８を支持するための強固な構造プラットフォームが提供される。

図面から分かるように、ＵＡＶ１０は、本体１２から外側に延在する複数のアーム１８を有する。アーム１８も本体１２に対して上方に傾いていることが好ましい。アーム１８は、好ましくは２０度から３０度の範囲で、より好ましくは２５度で、水平方向に対して上方に傾いている。示される実施形態には４つのアーム１８があるが、アームの数は、本考案による他の実施形態では異なり得る。各アームの端には、プロペラ２４が取り付けられたロータ２２を有するモータ２０が設けられている。アーム１８は、プロペラ２４が横切る領域Ａ（図４）の大部分が、ＵＡＶ本体１２の本体の主要部分により実質的に妨げられないように、すなわち、プロペラ２４の下方への空気流が卵形状の本体１２などのＵＡＶ１０の他の構造的部分により著しく妨げられないように、本体１２から外側におよび上方に延在していることが好ましい。アーム１８は、本体１２を囲むように、かつ、プロペラ２４が横切る領域Ａが互いに近接するように、本体１２の周りに配置されている。アーム１８は、本体１２と一体的に形成されることが好ましい。

ジンバル２６が、カメラ２８を支持するために、本体１２の前方部の下方に取り付けられている。ジンバル２６は、縦軸を中心としてカメラ２８を動かすための、すなわち、ＵＡＶ本体１２に対するカメラ２８のヨー移動を実行するための第１のモータ２６Ａを備える。第１のモータ２６Ａは、ＵＡＶ本体１２に取り付けられている。ジンバル２６は、水平方向ピッチ軸を中心としてカメラを垂直に動かすための、すなわち、カメラ２８自体がＵＡＶ１０の上記前方向を向いている場合にＵＡＶ１０の移動の前方向と垂直な横軸を中心としたカメラ２８の移動を実行するための第２のモータ２６Ｂを含む。ジンバルは、カメラが上記前方向を向いている場合にＵＡＶ１０の移動の前方向と揃った横軸を中心としたカメラ２８の移動を実行するための第３のモータ２６Ｃを有する。結果的に、ジンバル２６は、カメラ２８がＵＡＶ本体１２に対して３自由度で動かされることを可能にする。ＵＡＶ本体１２の前方部または前部は、ＵＡＶ本体１２の前方の２５％を含むことが好ましい。

ジンバル２６は、本体１２の前方部分にある第１のモータ２６Ａに第１の端部において連結し、かつ、上記連結地点から下方および後方に延在するジンバルアーム３０を含む。ジンバルアーム３０の第２の端部は、第２のモータ２６Ｂおよび第３のモータ２６Ｃならびにカメラ２８を取り付けている。結果的に、カメラ２８は、アーム３０の前に取り付けられ、カメラの画像ビューは常に、上記アーム３０により妨げられないようになる。アーム３０は、曲がっていることが好ましい。アーム３０は、カメラ２８と、第２のモータ２６Ｂおよび第３のモータ２６Ｃと、ＵＡＶ本体１２に収容されている内部コンポーネント１３、１４、１６との間の電気接続の保持もし得る。カメラ２８は、ジンバル２６に恒久的に連結されていることが好ましい。そのため、カメラ２８は、特にＵＡＶ１０と整合した動作用に設計されていることが好ましい。これには少なくとも、ＵＡＶ本体内に収容されている内部コンポーネント１３、１４、１６が、通常はＵＡＶの重心を有するであろう、ＵＡＶ１０の中心点の前方へのカメラ２８の変位を平衡させるべく配置され得るようにＵＡＶ１０が設計されている場合、カメラ２８の重量などの特性が既知である、という利点がある。本考案によるＵＡＶのいくつかの実施形態において、カメラの重量が既知であると、ＵＡＶの本体に収容されている内部コンポーネントがカメラの前方配置を平衡させるよう配置されることが可能になるのみでなく、アーム１８などの構造的コンポーネントの位置が、カメラ２８の前方配置のいくらかの平衡を提供するよう配置されることさえ可能になる。ジンバル２６は、カメラのレンズ２８Ａが実質的にＵＡＶ本体１２の前縁と一直線上にあるように配置されることが好ましいが、いくつかの実施形態において、カメラは、レンズ２８ＡがＵＡＶ本体１２の前縁の前になるように配置され得る。

カメラ２８をＵＡＶ本体の中心の前、かつ、ＵＡＶ本体１２の下またはそれより低いところに変位させると、プロペラアーム１８またはさらにプロペラ２４などのＵＡＶの構造的コンポーネントによりカメラの画像ビューが遮られる可能性が著しく低減する。ＵＡＶ本体１２の下方のカメラ２８を前方配置にすると、画像を良好にかつ障害物なしに撮るというカメラの動きの範囲または程度が大幅に増す。

特に図２を参照すると、ジンバル２６は、カメラ２８の前方垂直視野角Ｘが、プロペラ２４のうちの少なくとも１つの前方先端部または最前範囲に対して画定される前方垂直クリアランス視野角Ｚより小さくなるように、本体１２の前方部の下方に配置されていることが分かる。一方の側での前方垂直クリアランス視野角Ｚとカメラの前方垂直視野角Ｘとの間の差を含む逃げ角Ｙは、ＵＡＶ本体または前進運動中のＵＡＶのピッチ角に対して一方の側のカメラのピッチ角以上であることが好ましい。安定した同高度での飛行中、カメラ２８は、画像ビューが、ＵＡＶの前方プロペラ２４のうちの１つによりいずれかの度へと妨げられる前に、逃げ角Ｙほどだけピッチを上げられ得る。示される実施形態において、カメラ２８は、この逃げ角超の角度だけピッチを下げられ得る。なぜなら、ＵＡＶ１０上でのカメラ２８の前方配置は、カメラが全体的に、カメラ２８の正常な視野Ｘより低いＵＡＶ１０のいずれの構造的コンポーネントより前方であるようなものであるからである。一定速度での安定した飛行を得るためにＵＡＶ１０自体がその前方のピッチを下げられるようにＵＡＶ１０が一定速度で前に動かされる場合、前方プロペラによる障害物の問題は、より深刻である。そのような場合、ＵＡＶ１０は、カメラ２８の画像ビューを遮ることなくカメラ２８に対して逃げ角Ｙほどの量だけピッチが下げられたものとみなされ得る（カメラ２８のピッチは、その正常な前方向視野Ｘを維持するために、ピッチが下げられたＵＡＶ１０に対して上げられる）。ＵＡＶ１０の前進運動は、陸に対してではなく、周囲の空気に対するものになることが理解されよう。ＵＡＶ１０の前進運動中に必要とされるピッチの度合いは、周囲の空気に対するＵＡＶ１０の速度に依存することも理解されよう。本明細書において開示されるＵＡＶ１０の新規な構成により、空気に対して予め定められた速度で前進しているＵＡＶ１０が、前進運動のためにピッチを下げられながら、さらに、回転している前方プロペラ２４にカメラ２８の正常な前方垂直画像ビューＸを遮らせることなく、動画を撮ることが可能になる。カメラ２８の前方垂直視野角Ｘについての言及は、カメラの上記前方垂直視野角の最大値についての言及であることも理解されよう。

逃げ角Ｙは、１９度ほどであり得る。カメラ２８の前方垂直視野Ｘは、６４度ほどであり得る。

ＵＡＶは、ＵＡＶ本体１２およびジンバル２６より下に延在する１または複数の足部３２を有することが好ましい。示される実施形態では、ＵＡＶ本体１２のそれぞれの側面から下方および外側に離れて延在する２つのＹ字形状部材３４上に設けられた４つの足部３２が存在する。Ｙ字形状部材３４は、ＵＡＶ本体１２と一体的に形成されていることが好ましい。Ｙ字形状部材３４はそれぞれ、本体１２のそれぞれの側面の中心点でＵＡＶ本体１２に連結していることが好ましい。結果的に、前方の足部３２を除くＹ字形状部材３４の主要構造は、ジンバル２６およびカメラ２８の背後に配置される。Ｙ字形状部材３４の配置は、前進飛行中にＹ字形状部材３４間において全体的に遮られていない後方視野を有する場合にＵＡＶ１０の後部の画像を撮影するようカメラ２８が回転させられ得るようなものである。ＵＡＶ１０の底部平面視からは、２つのＹ字形状部材３４が、ＵＡＶ１０の前部から後部へＨ形状を画定することにより、ＵＡＶ本体１２の下方の空間を障害物がないままにしている。

足部３２の外縁により、虚の平方Ｓ（図３において破線により示される）が定義される。虚の平方Ｓは、非常に安定した着陸時の支持をＵＡＶ１０に提供する。モータロータ２２は、上記虚の平方を超えて配置されていることが好ましい。

特に図４を参照すると、ＵＡＶ１０上でのカメラ２８の前方配置は、カメラの前方水平視野角Ｗが、足部３２のうちの少なくとも１つの前縁または先端部に対して画定される前方水平クリアランス視野角Ｑ（図４）より実質的に小さくなるようなものである。そのため、カメラ２８は、ＵＡＶ１０の構造的コンポーネントまたは他のコンポーネントによりその画像ビューが遮られることなく、水平視野の両側へかなりの程度回転させられ得る。カメラ２８は、ＵＡＶ１０の構造的コンポーネントまたは他のコンポーネントによりその画像ビューが遮られることなく、水平視野の両側へ５７度ほど回転させられ得る。結果的に、前方水平クリアランス視野角Ｑとカメラの前方水平視野角Ｗとの間の差は、ジンバルのモータ２６Ａにより提供されるカメラ２８のヨー角以上となる。少なくとも、カメラ２８のレンズ２８Ａは、ＵＡＶ１０の足部３２の前の前方に配置される。

ＵＡＶ本体１２の前部より下に支持されたジンバル２６上でのカメラ２８の前方配置は、カメラ画像ビューがＵＡＶ１０の構造的コンポーネント部品または他のコンポーネント部品により遮られるようになることなくＵＡＶが飛行している場合に、カメラ２８の動きの少なくともピッチ自由度とヨー自由度とを相乗的に組み合わせることを可能にするようなものである。これにより、ＵＡＶカメラ２８は、飛行しながら、かつ、一定速度で進みながら、高品質の動作シーン動画を撮影するよう動作させられることが可能になる。

本考案は概して、無人航空機（ＵＡＶ）に関する。ＵＡＶは、ＵＡＶ用本体ハウジング制御および無線通信回路と、再充電可能電源とを備える。ＵＡＶは、本体を囲み、本体から外側に、かつ、好ましくは本体の上方に離間するように支持された複数のプロペラを有する。ジンバルは、カメラを支持するために本体の前方部の下方に取り付けられている。ジンバルは、ジンバル上で支持されたカメラのレンズがＵＡＶ本体の前縁と実質的に一直線上にあるように、本体の前方部の下方に配置され得る。ジンバルは、カメラの前方垂直視野角が、プロペラのうちの少なくとも１つの前方先端部に対して画定される前方垂直クリアランス視野角より小さくなるように、本体の前方部の下方に配置され得る。ジンバルはカメラの前方水平視野角が、実質的に、足部のうちの少なくとも１つの前方先端部に対して画定される前方水平クリアランス視野角より実質的に小さくなるようにも配置されることが好ましい。

本説明は、本考案の原理を示している。故に、本明細書において明示的に説明または図示されてはいないが、本考案の原理を具現化し、本考案の趣旨および範囲内に含まれる様々な構成を、当業者であれば考案できることが理解されよう。

さらに、本考案の原理、態様および実施形態ならびにそれらの具体例を記載した、本明細書における全ての記述は、それらの構造的均等物および機能的均等物の両方を包含することを意図している。加えて、そのような均等物は、現在知られている均等物と、将来開発される均等物、すなわち、構造にかかわらず同じ機能を実行する、開発されるあらゆる要素との両方を含むことが意図されている。

図面および上記説明において本考案が詳細に示され、説明されたが、これは、例示的なものとみなされるべきであって、特徴を制限するものとみなされるべきではない。例示的な実施形態のみが示され、説明されたのであって、これらはいかなる方式でも本考案の範囲を限定しないことが理解されよう。本明細書において説明される特徴のいずれも、任意の実施形態で用いられてよいことが理解され得る。例示的な実施形態は、互いに排他的なものではなく、本明細書に記載されていない他の実施形態を排除するものでもない。従って、本考案は、上述の例示的な実施形態のうちの１または複数の組み合わせを含む実施形態も提供する。本明細書に記載の本考案の修正および変更は、本考案の趣旨および範囲から逸脱することなく行われ得る。従って、添付の請求項により示されるような限定のみが課されるべきである。

本明細書の請求項において、指定される機能を実行するための手段として表されている要素はいずれも、その機能を実行する任意の態様を包含するよう意図されている。当該請求項により定義される本考案は、様々な記載されている手段により提供される機能が、請求項が求める方式で組み合わされ、結集されているという事実において成立する。故に、これらの機能を提供し得る手段はいずれも、本明細書に示されている手段と均等であるものとみなされる。

以下の請求項、および本考案の前述の説明において、明示的な文言または必要な示唆に起因して文脈上他の意味に解釈すべき場合を除き、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という語または「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」もしくは「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの変形は、包括的な意味で、すなわち、述べられている特徴の存在を規定するために用いられており、本考案の様々な実施形態におけるさらなる特徴の存在または追加を排除するためには用いられていない。

本明細書において任意の先行技術が言及されている場合、そのような先行技術は、当該先行技術が当技術分野における一般常識の一部分を形成することを認めているわけではないことが理解されるべきである。

Claims (14)

1. 本体と、
   前記本体を囲み、前記本体から外側に離間するように支持された複数のプロペラと、
   カメラを支持するために前記本体の前方部の下方に取り付けられたジンバルと
   を備え、
   前記ジンバルは、前記カメラの前方垂直視野角が、前記複数のプロペラのうちの少なくとも１つの前方先端部に対して画定される前方垂直クリアランス視野角より小さくなるように、前記本体の前記前方部の下方に配置されている、
   無人航空機（ＵＡＶ）。
2. 前記前方垂直クリアランス視野角と前記カメラの前記前方垂直視野角との間の差は、前記ＵＡＶの前記本体に対する前記カメラのピッチ角または前進運動中の前記ＵＡＶのピッチ角以上である、
   請求項１に記載のＵＡＶ。
3. 空気に対して予め定められた速度で前記ＵＡＶが前に動くよう、前記前方垂直クリアランス視野角と前記カメラの前記前方垂直視野角との間の差は、前進運動中の前記ＵＡＶのピッチ角以上である、
   請求項１に記載のＵＡＶ。
4. 前記本体を囲む前記複数のプロペラは、前記ＵＡＶの前記本体から外側に、かつ、前記ＵＡＶの前記本体の上方に離間するように支持されている、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のＵＡＶ。
5. 前記ジンバルは、前記ジンバル上に支持されたカメラのレンズが、前記ＵＡＶの前記本体の前縁と実質的に一直線上にあるように配置されている、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のＵＡＶ。
6. 前記本体に収容された、前記ＵＡＶの内部コンポーネントは、前方に取り付けられた前記ジンバルと、前記ジンバルにより支持されたカメラとを平衡させるように配置されている、
   請求項１から５のいずれか一項に記載のＵＡＶ。
7. 前記ジンバルを前記ＵＡＶの前記本体に対して支持するアームが、前記支持するアームの前で前記ジンバル上にカメラが支持されるように、前記本体への連結点から後方および下方に延在している、
   請求項１から６のいずれか一項に記載のＵＡＶ。
8. 前記ＵＡＶは、前記本体および前記ジンバルより下に延在する１または複数の足部を備える、
   請求項１から７のいずれか一項に記載のＵＡＶ。
9. 前記カメラの前方水平視野角は、前記１または複数の足部のうちの少なくとも１つの前方先端部に対して画定される前方水平クリアランス視野角より実質的に小さい、
   請求項８に記載のＵＡＶ。
10. 前記前方水平クリアランス視野角と前記カメラの前記前方水平視野角との間の差が前記カメラのヨー角以上である、
    請求項９に記載のＵＡＶ。
11. 前記カメラは、前記ジンバルに恒久的に連結されている、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載のＵＡＶ。
12. 請求項６に従属する場合、前記ジンバルと組み合わされ、恒久的に連結されている前記カメラは、前記ＵＡＶの前記本体内に配置された前記内部コンポーネントにより平衡させられている、
    請求項１１に記載のＵＡＶ。
13. 無人航空機（ＵＡＶ）であって、
    本体と、
    前記本体を囲み、前記本体から外側に離間するように支持された複数のプロペラと、
    カメラを支持するために前記本体の前方部の下方に取り付けられたジンバルと
    を備え、
    前記ジンバルは、前記ジンバル上に支持されたカメラのレンズが前記ＵＡＶの前記本体の前縁と実質的に一直線上にあるように配置されている、
    ＵＡＶ。
14. 前記ジンバルは、前記カメラの前方垂直視野角が、前記複数のプロペラのうちの少なくとも１つの前方先端部に対して画定される前方垂直クリアランス視野角より小さくなるように、前記本体の前記前方部の下方に配置されている、
    請求項１３に記載のＵＡＶ。