JP5812849B2

JP5812849B2 - 小型無人機

Info

Publication number: JP5812849B2
Application number: JP2011279843A
Authority: JP
Inventors: 研吾小林; 伸也岡本
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: JP2013129301A

Description

本発明は、遠隔操縦により飛行して、空中から地表の監視や調査などを行うのに用いられる小型無人機に関するものである。

この種の小型無人機としては、例えば非特許文献１に記載されているように、前後左右にロータ（回転翼）を配置した構造を有するものがある。この小型無人機は、各ロータにより推力を発生し、遠隔操縦で各ロータの制御を行うことにより、水平方向及び垂直方向に自在に飛行可能であると共に、ホバリングを行うこともできる。

Nathan Michael,「The GRASP Multiple Micro UAV Testbed」GRASP Laboratory,University of Pennsylvania. IEEE Robot.Autom.Mag.,17(3):56-65,Sept.2010

ところが、上記したような従来の小型無人機にあっては、回転翼機特有の優れた飛行性能を有するのであるが、飛行には多くのエネルギー（電力）を必要とする一方で、大型のバッテリーを搭載することができないため、長時間の運用が困難であるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、飛行性能と走行性能の両方を備えたものとすることにより、長時間の運用を実現することができる小型無人機を提供することを目的としている。

本発明の小型無人機は、機体中心から四方の位置に、上向きの推力を発生する駆動部を配置したものであって、各駆動部は、回転駆動される内側のロータと、回転自在に保持された外側のリング体を同軸状に備えると共に、水平面に対してリング体の一部が接触するように回転中心線が傾斜しており、ロータの回転駆動軸とリング体との間に、回転駆動軸からリング体への動力伝達を断続させるためのクラッチ機構を備えている構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の小型無人機は、上記構成を採用したことにより、飛行性能と走行性能の両方を備えたものとなり、長時間の運用を実現することができる。これにより、任務や環境などに応じて、飛行と走行を組み合わせた様々な行動パターンを実行することができ、運用目的の拡大を図ることができる。

本発明に係る小型無人機の一実施形態を説明する平面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）である。図１に示す小型無人機における駆動部の垂直断面図である。図１に示す小型無人機における駆動部の水平断面図である。

以下、図面に基づいて、本発明の小型無人機の一実施形態を説明する。
図１に示す小型無人機Ｖは、機体Ｂの中心から四方の位置に、上向きの推力を発生する駆動部１を配置した構造を有している。図示例の機体Ｂは、軽量な板状の部材から成るものであって、中央部Ｂ１の前後左右（図上では上下左右）に延出部Ｂ２を有しており、各延出部Ｂ２に、前記駆動部１を夫々備えている。なお、当該小型無人機Ｖは、その機体構造に明確な方向性は無いが、便宜上、図面の上方を前方とする。

各駆動部１は、図２及び図３に示すように、回転駆動される内側のロータ（回転翼）２と、回転自在に保持された外側のリング体３を同軸状に備えると共に、水平面に対してリング体３の一部が接触するように回転中心線ＣＬが傾斜している。そして、各駆動部１は、ロータ２の回転駆動軸４とリング体３との間に、回転駆動軸４からリング体３への動力伝達を断続させるためのクラッチ機構５を備えている。

より詳しく説明すると、各駆動部１は、機体Ｂの延出部Ｂ２の上面に、減速機構付のモータ６を備えている。各モータ６は、出力軸である回転駆動軸４を延出部Ｂ２の下面側に貫通させ、その回転駆動軸４に前記ロータ２が装着してある。各モータ６は、回転数や回転方向を個別に制御することが可能である。

前記リング体３は、延長部Ｂ２の下面に、ベアリング７を介して回転自在に装着してある。また、リング体３は、その周方向に所定間隔で複数（図示例では２４個）のキャスター８を備えている。キャスター８は、数や大きさが限定されるものではないが、走行する際に必ず１個若しくはそれ以上が接地する構成にするのが良い。さらに、この実施形態のリング体３は、ロータ２の回転域を包囲するダクトであって、図１（Ａ）及び図３に示すように、上下に大きく開放されたものとなっている。

前記クラッチ機構５は、ロータ２の回転駆動軸４に装着してあって、リング体３との間には、遊星ギア機構９が設けてある。遊星ギア機構９は、クラッチ機構５の外周部に形成した太陽歯車９Ａと、リング体３の内周部に形成した内歯車９Ｂと、太陽歯車９Ａと内歯車９Ｂとの間に配置した４個の遊星歯車９Ｃで構成してある。各遊星歯車９Ｃは、延出部Ｂ２に固定した回転軸９Ｄにより夫々回転自在に保持してある。

これにより、クラッチ機構５を遮断した状態では、モータ６によりロータ２のみが回転駆動され、クラッチ機構５を接続すると、モータ６の動力がクラッチ機構５及び遊星ギア機構９を介してリング体３に伝達され、リング体３がロータ２と逆方向に回転する。

また、各駆動部１は、先述の如く回転中心線ＣＬが傾斜しているのであるが、より具体的には、機体Ｂの中心に対して、夫々の回転中心線ＣＬが外側に倒れる方向に傾斜している。この実施形態では、図１（Ｂ）及び図２に示すように、機体Ｂの各延出部Ｂ２が、その先端を下げる方向に傾斜しており、これにより、同延出部Ｂ２に設けた駆動部１の回転中心線ＣＬを傾斜させている。

さらに、各駆動部１は、機体Ｂの中心を挟んだ一対の駆動部同士、すなわち前後の駆動部１，１同士、及び左右の駆動部１，１同士において、ロータ２及びリング体３の回転駆動方向が互いに逆向きになるように制御する。

さらに、小型無人機Ｖは、機体Ｂの中央部Ｂ１の上面に、バッテリー１０、各クラッチ機構５やモータ６を制御するためのコントローラ１１、及びデータ送受信用の通信機１２を備えており、中央部Ｂ１の下面に、地表を撮影するためのカメラ１３を備えている。

上記の構成を備えた小型無人機Ｖは、各ロータ２により上向きの推力を発生し、遠隔操縦により水平方向及び垂直方向へ自在に飛行可能であると共に、ホバリングを行うこともできる。飛行中においてクラッチ機構５は遮断状態である。このとき、小型無人機Ｖは、前後のロータ２を互いに逆方向に回転させると共に、左右のロータ２も互いに逆方向に回転させ、回転翼機と同様にロータ２の回転の反力を打ち消して姿勢を安定させる。

さらに、小型無人機Ｖは、着陸すると、各駆動部１の回転中心線が傾斜しているので、図１（Ｂ）及び図２に示すように、各リング体３の一部（機体外側となる一部）が接地することとなり、この状態でクラッチ機構５を接続すると、走行することができる。このとき、小型無人機Ｖは、左右のリング体３，３を互いに逆方向に回転させることで前進又は後退すると共に、前後のリング体３，４を互いに逆方向に回転させることで左方向又は右方向に移動し、その場で旋回することもできる。このような走行時には、飛行時に比べてモータ６の回転数を大幅に下げるので、その分エネルギー（電力）消費も少なくなる。

このように、上記実施形態の小型無人機Ｖは、飛行性能と走行性能の両方を備えたものとなり、長時間の運用を実現することができる。これにより、任務や環境などに応じて、飛行と走行を組み合わせた様々な行動パターンを実行することができ、運用目的の拡大を図ることができる。

例えば偵察任務の場合、飛行して目標近くで着陸し、その後、静かに走行して目標の情報収集をすることが可能であり、秘匿性の高い運用を実現することができる。この際、走行時には低電力消費モードになるので、長時間の運用が可能である。また、この小型無人機Ｖは、機体Ｂの高さが低いので、構造物の下側の隙間や車両の下側に進入することも可能である。

さらに、小型無人機Ｖは、各駆動部１をその回転中心線ＣＬが外側に倒れる方向に傾斜させると共に、一対の駆動部１同士においてロータ２及びリング体３の回転駆動方向を互いに逆向きにしたので、各モータ６及びクラッチ機構５の簡単な制御により、飛行時の姿勢の安定化や、滑らかな走行を実現することができる。

さらに、小型無人機Ｖは、リング体３に複数のキャスター８を設けたことで、走行性のさらなる向上を実現することができ、また、リング体３をダクトにしたことで、飛行時の推力向上を図ることができる。

本発明の小型無人機は、その構成が上記実施形態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構成の細部を適宜変更することが可能である。上記実施形態では、リング体３にキャスター８を設けて走行性の向上を実現した例を説明したが、例えば、前後又は左右で相対する二つの駆動部１のキャスター８に代えて、リング体３の下部に弾性部材や凹凸などを設けることで、地表に対するグリップ力を高めることも可能である。

また、上記の実施形態では、機体の前後左右に駆動部を配置した例を説明したが、機体中心から四方に駆動部が配置してあれば良く、必ずしも周方向に９０度間隔でなくても構わない。なお、例えば、２つの主駆動部と１つの小型の副駆動部を備えた構成にすることも不可能ではないが、飛行及び走行の両方を安定的に行うには、本発明のように４つの駆動部を備えた構成とするのが望ましい。

Ｂ機体
ＣＬ駆動部の回転中心線
Ｖ小型無人機
１駆動部
２ロータ
３リング体
４回転駆動軸
５クラッチ機構
８キャスター

Claims

機体中心から四方の位置に、上向きの推力を発生する駆動部を配置した小型無人機であって、
各駆動部は、回転駆動される内側のロータと、回転自在に保持された外側のリング体を同軸状に備えると共に、水平面に対してリング体の一部が接触するように回転中心線が傾斜しており、
ロータの回転駆動軸とリング体との間に、回転駆動軸からリング体への動力伝達を断続させるためのクラッチ機構を備えていることを特徴とする小型無人機。
前記各駆動部は、機体中心に対して夫々の回転中心線が外側に倒れる方向に傾斜していると共に、機体中心を挟んだ一対の駆動部同士においてロータ及びリング体の回転駆動方向が互いに逆向きであることを特徴とする請求項１に記載の小型無人機。
前記リング体が、その周方向に所定間隔で複数のキャスターを備えていることを特徴とする請求項１及び２に記載の小型無人機。
前記リング体が、ロータの回転域を包囲するダクトであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の小型無人機。