JP6085520B2 - 遠隔操縦式無人飛行体 - Google Patents

Description

本発明は、遠隔操縦式無人飛行体に関し、特に通信用のケーブルを繰り出しながら飛行する遠隔操縦式無人飛行体に関する。

従来より、農薬を上空から散布したり、カメラを搭載して人が立ち入れないエリアを空撮して情報を得たりするための飛行体として、遠隔操縦式無人飛行体が知られている。かかる遠隔操縦式無人飛行体には、無線通信を使って飛行体を遠隔操縦するものと、通信用のケーブルを使って飛行体を遠隔操縦するものとがある。
さらに、遠隔操縦式無人飛行体は、充分に経験を積まないと正確な操縦が困難であり、誤操縦や通信不良で操縦不能領域へ飛んでしまうおそれがある。そこで、かかる不具合を回避するため、テンションワイヤやロープで飛行範囲を規制するようにしているものもある。

例えば、特許文献１には、無線通信で遠隔操縦する農薬散布用の無人ヘリコプターであって、テンションワイヤで飛行範囲を規制するようにした発明が開示されている。
また、特許文献２には、通信用ケーブルによる有線通信で遠隔操縦する農薬散布用の無人ヘリコプターであって、テンションロープで通信用ケーブルをガイドするようにした発明が記載されている。
特許文献３には、人が立ち入れない領域の状況を察知するためにカメラやセンサなどの検知機器を機体に搭載し、制御装置と機体側のモータとを有線で接続して目標値を設定するようにした飛翔ロボットに関する技術が記載されている。

特開平０２−０７７３９５号公報 特開平０２−２９９９９８号公報 特開２００５−１９３７２７号公報

特許文献１に記載されている発明のように、無線通信を使って飛行体を遠隔操縦する無人飛行体にあっては、山や谷が多い山岳地や、高い建物が多い市街地等においては、通信が不良となることがあるため安全に飛行させることが困難である。また、設備が崩壊した建物の内部や裏側を観察したり探索したりする場合にも、建物の内部や裏側は通信が不良となることがあるため、無人飛行体を壁や支柱等に衝突させることなく安全に飛行させることが困難であるという課題がある。

また、特許文献１や特許文献２に記載されている発明のように、飛行体（無人ヘリコプター）の飛行範囲を規制するテンションワイヤやロープを設けたものにあっては、ワイヤやロープが障害物に引っ掛かると飛行範囲が狭くなってしまうおそれがある。また、かかる不具合を回避するため、特許文献１や特許文献２に記載されているように、ワイヤやロープを巻き取る巻き取り装置を別途設ける必要があるという課題がある。

さらに、制御装置と機体側のモータとを例えば接続線で接続しても良いことを開示している特許文献３には、接続線の長さは任意であることが記載されているが、接続線をどのように扱うのか具体的な内容については何ら記載されていない。
なお、巻き取り装置を設けないでテンションワイヤや通信用ケーブルを地上側から送り出しながら飛行させる構成も考えられるが、そのようにすると飛行中にワイヤやケーブルを引きずって移動することとなり、途中で障害物に引っ掛かり易くなる。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたもので、無線通信環境が劣悪で通信不良を起こし易い山岳地や市街地、建物内部等においても障害物に邪魔されずに安全に飛行可能な遠隔操縦式無人飛行体を提供することを目的とする。加えて、ＡＢＣ兵器による汚染環境下にある建屋内部等での環境測定や建屋内部等に潜むテロ、ゲリラの監視、偵察を無線通信に比べより確実にできることも提供する。

上記目的を達成するため、本発明は、回転することによって揚力を発生するローターと、該ローターを回転させる駆動源と、前記駆動源を制御する制御手段とを搭載した遠隔操縦式無人飛行体であって、
前記ローターの周囲には、少なくとも前記制御手段との通信を可能にするケーブルを捲回するための保持枠が設けられ、
前記保持枠にケーブルが円筒もしくは円錐状に捲回され、前記ローターの周囲にケーブルからなるダクトが形成された状態で浮上し、前記ケーブルを繰り出しながら飛行を行うように構成した。

上記構成によれば、通信可能なケーブルを搭載しこれを繰り出しながら飛行するため、無線通信環境が悪く通信不良を起こし易い山岳地や市街地、建物内部等においても障害物に邪魔されずに安全に飛行可能な遠隔操縦式無人飛行体を実現することができる。また、ローターの周囲にケーブルからなるダクトが形成されるため、ローターを回転駆動させる駆動源の性能を高めることなく推力を高めることができ、ケーブルを搭載させることに伴うペイロード（可搬重量）の減少を回避することができる。

また、望ましくは、前記保持枠にはケーブルが、下方へ向かって広がる円錐状に捲回されるように構成する。
かかる構成によれば、保持枠に捲回されたケーブルによって、ローターの周囲に下方へ向かって広がる円錐状のダクトが形成されることとなるため、円筒状のものに比べて推力が増大する。また、ダクトの形状が円筒であると、ケーブルが自重で抜け落ちてしまうおそれがあるが、円錐状であると保持枠との摩擦力がおおきくなり、ケーブルが自重で抜け落ちたり、ばらけたりしてしまうのを回避することができる。

また、望ましくは、前記保持枠にはケーブルが、下端側から順次繰り出されるように捲回しておく。
かかる構成によれば、ケーブルが下端側から順次繰り出されるので、上端側から順次繰り出されるものに比べて、飛行中にダクト効果が減少しにくくすることができる。

さらに、望ましくは、機体の中心部下端に、前記ケーブルの繰り出し端が挿通されるガイド部材が設けられ、前記ケーブルは機体の中心部から繰り出されるように構成する。
かかる構成によれば、ケーブルが機体の中心部下端から順次繰り出されるので、ケーブルの張力が機体を傾ける方向に作用しにくくなり、機体の姿勢安定性が向上する。

また、望ましくは、前記ローターおよび前記保持枠はそれぞれ複数個設けられ、前記複数個のローターは隣接するもの同士が互いに逆方向に回転されるように制御され、前記複数個の保持枠には、隣接するローターの保持枠に順繰りに前記ケーブルが捲回されるように構成する。
かかる構成により、複数個の保持枠の周囲に捲回されているケーブルが均等に繰り出されるようになるため、ケーブルの繰り出しに伴う推力や重量のバランスの崩れが少なくなる。また、ローターの反トルクが不均衡になるのを防止して、反トルクによる機体の回転を抑制することができる。

さらに、望ましくは、前記ローターの周囲には該ローターを保護する円環状のガード部材が設けられ、前記ケーブルが捲回される前記保持枠は前記ガード部材に対して着脱可能に装着されるように構成する。
かかる構成によれば、ケーブルが捲回される保持枠がガード部材に対して着脱可能であるため、ケーブルを搭載しない状態での飛行が可能となり、飛行体の利便性が向上する。

本発明によれば、無線通信環境が悪く通信不良を起こし易い山岳地や市街地、建物内部等においても障害物に邪魔されずに安全に飛行可能な遠隔操縦式無人飛行体を実現することができるという効果がある。また、前記の効果を活用することで、ＡＢＣ兵器による汚染環境下にある建屋内部等での環境測定や建屋内部等に潜むテロ、ゲリラの監視、偵察を無線通信に比べより確実に実施できるため、操縦者が通信範囲を確保するための手段や通信を維持するために飛行体との通信範囲内に存在する必要はなく、前記の汚染環境下やテロ、ゲリラ等が潜む危険地域に操縦者が近づくことなく、環境測定及び監視、偵察を実施できるため、操縦者の安全確保に寄与する効果もある。
さらに、本発明に係る遠隔操縦式無人飛行体は、通信ケーブルを背負って指令を受けながら移動して行くため、設備が崩壊した建物の内部を外部から観察したり探索したりする場合にも、壁や支柱等に衝突することなく安全に飛行することができる。さらに、通信ケーブルを背負わせたとしても、ローターの推力を高めることなくペイロードを向上させることができ、通信ケーブルを背負って飛行することができるという効果がある。

図１は本発明の実施形態に係る遠隔操縦飛行体としてのマルチコプターの概略を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。 図２は実施形態に係るマルチコプターを構成するローターの推力と搭載するケーブル重量との関係を示す特性図である。 図３は実施形態に係るマルチコプターのケーブルの捲回の仕方の一例を示す図である。 図４は実施形態に係るマルチコプターの変形例を示すもので、（Ａ）は分解図、（Ｂ）は組み立て図である。

以下、図面を参照しながら、この発明の一実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る遠隔操縦飛行体（以下、マルチコプターと称する）の概略を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
図１（Ｂ）に示すように、本実施形態のマルチコプター１０は、演算制御装置やバッテリー、ジャイロスコープのような姿勢センサ、カメラなどを収納した筒状の胴体部１１と、該胴体部１１の上部に固定されたフレーム１２とを有する。

フレーム１２は、図１（Ａ）に示すように、機体の中心から放射状に伸び互いに直角をなすように配設された４本のアーム１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを備えている。なお、機体は、その重心が上記アーム１２ａ〜１２ｄの中心を通る鉛直線上に来るように、各構成部品の形状、配置等が設計される。フレーム１２は、航空機の分野では一般的な、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）やチタン合金、アルミ合金のような軽量で強度の高い材料で構成するのが望ましい。

また、特に限定されるものではないが、本実施形態のマルチコプター１０は、アーム１２ａ〜１２ｄの先端部にそれぞれ装着された４個のローターユニット２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄを備えている。各ローターユニット２０Ａ〜２０Ｄは、それぞれローター２１と、ローター２１の周囲に設けられローターを保護するガードリング２２、該ガードリング２２の下部に装着され通信用ケーブルを捲回保持する保持枠２３などから構成されている。
保持枠２３は円錐体であってもよいが、本実施例では、中心から下方に向かって広がるように傾斜された複数本（例えば５本）の脚部２３Ａを備え、これらの脚部２３Ａの周囲にケーブル２５が捲回されることで円錐状をなすようになっている。

なお、図示しないが、ローターユニット２０Ａ〜２０Ｄには、ローター２１を回転駆動するモータのような駆動源がそれぞれ設けられており、ローター２１が回転されることで揚力を発生する。
本実施例では、対角線上に位置するユニット２０Ａと２０Ｃのローター２１が時計回り方向に回転され、ユニット２０Ｂと２０Ｄのローター２１が反時計回り方向に回転されることで、反トルクが打ち消し合って機体が回転しないようにされている。また、移動のための推力は、左右または前後のローターの回転数をアンバランスにして機体を傾けるように制御することにより得るようになっている。

さらに、本実施例では、上記各ローターユニット２０Ａ〜２０Ｄの上記保持枠２３の外周には、それぞれ通信用ケーブル２５が捲回され、捲回後のケーブル集合体が円錐形状をなし推力をもたらす空気に対しダクトとして機能するように構成されている。
また、保持枠２３の外周に捲回される通信用ケーブル２５は１本のケーブルからなり、ローターユニット２０Ａ〜２０Ｄの各保持枠２３の周囲に順次捲回されている。そして、捲回された通信用ケーブル２５は、繰り出し端が例えば胴体部１１の下面中央に設けたリング１３に挿通されることで、ケーブルの繰り出しは、機体の中心より行われるようになっている。これにより、ケーブルの繰り出しの際に張力が働いて、機体が傾いてしまうのを回避することができる。

ここで、上記のように通信用ケーブル２５が円錐形状をなすように捲回されてダクトとして機能するように構成された保持枠２３の作用について説明する。
本発明者が検討したところによると、ローター２１の周囲から下方にかけて末広がりのダクトが設けられていると、同一の回転数であってもローターの推力が、ダクトがない場合に比べて１０〜４０％向上する。つまり、もともとのローターの推力が１．１〜１．４倍に増加することが分かった。推力の増加率は、ローター２１の径とダクトの径との比や、ダクトの傾斜角度に依存するので、使用するローター２１の径に応じて適宜決定すると良い。

ところで、通信用ケーブル２５を円錐状に捲回することにより形成されるダクトにあっては、機体の移動に伴うケーブルの繰り出しによって次第にダクト長が短くなり、推力増加効果も薄れていくことになる。しかも、ダクトによる推力増加効果は、ダクトの長さがおよそ半分程度まで短くなるとほとんど消失することが分かった。
一方、ケーブルが繰り出されることによって、機体の総重量は次第に減少して行く。そこで、ダクトによる推力増加効果を考慮して、予めダクトがない場合の４基のローターの推力（基本推力）の合計値に、推力増加分を加えた力に見合う重量のケーブルを搭載する。また、ケーブルが半分になった時のケーブル重量を支えられるように、ローターの基本推力を設定することとした。

上記ローターの推力と搭載するケーブル重量との関係を、図２を用いて説明する。図２おいて、Ｗｂは機体の基本重量すなわち通信用ケーブル２５を全く搭載していない状態での機体全体の重量、Ｗｔは通信用ケーブルを搭載した状態での機体総重量であり、横軸に飛行距離をとって重量と推力の変化を示した。飛行するとケーブルが順次繰り出されるため、飛行距離が長くなると機体総重量は次第に減少する。つまり、図２において、ハッチングが付されている部分がケーブルの重量に相当する。
本実施例のマルチコプターでは、搭載しているケーブルが半減つまり離陸から着陸までの中間地点に達した時点でダクト効果がなくなると仮定し、そのときの機体総重量（機体基本重量Ｗｂ＋総ケーブル重量の半分）を、４基のローターの推力で支えられるように、基本推力Ｌを決定した。

図２おいて、直線Ｔは、４基のローターの基本推力にケーブルのダクトによる推力増加分（１０〜４０％）を加味した実推力の変化を示す。実推力は、離陸時に最も大きく、その後は飛行距離と共に減少し、中間地点に達した時点でほぼ基本推力Ｌになる。このとき、搭載しているケーブルの重量は半分に減少するので、上記のように中間点の機体総重量（機体基本重量Ｗｂ＋総ケーブル重量の半分）を４基のローターの推力で支えられるように基本推力Ｌを決定することで、最も効率よく飛行させることができる。
例えば、基本重量Ｗｂが２ｋｇの機体では、推力増加効果を２５％、搭載ケーブル重量を１ｋｇと仮定した場合、基本推力Ｌを２．５ｋｇに設定すると、離陸時の機体総重量３ｋｇに対して離陸時の実推力Ｔは３．１２５ｋｇとなる。従って、ローターの性能を高めることなく、通信用ケーブルを搭載して飛行することができる。

また、使用するローターの直径を９インチ、ダクトの長さをローターの径の半分（４．５インチ）とすると、ローターの円周の長さは７１８ｍｍ、ダクトの長さは１１４ｍｍである。従って、径が１ｍｍのケーブルを使用した場合、１段巻きで１基当たり１１４巻き、長さ８１．９ｍとなる。よって、４基では約３２７ｍとなり、３段巻きにすれば９８１ｍとなる。
つまり、重量が１ｋｍ当たり１ｋｇの光ファイバを通信用ケーブルとするのであれば、１段巻きでケーブル総重量が０．３３ｋｇ程度で済むので充分に搭載可能であり、約３３０ｍの飛行距離を達成できる。また、飛行距離が３３０ｍでよければ、１ｋｍ当たり３ｋｇまでの通信用ケーブルを使用することができる。さらに、１ｋｍ当たり１ｋｇの光ファイバ（径１ｍｍ）を使用し、３段巻きにした場合には、長さ９８１ｍ、重量０．９８ｋｇであるので、飛行距離として約１ｋｍを達成することができる。また、ケーブルの巻き数を複数段にすることによって、ダクト形状が保持される時間を長くすることができ、推力増加の効果時間を延長することもできる。

次に、上記実施形態に係るマルチコプターの変形例を、図３および図４を用いて説明する。
第１の変形例は、ローターユニット２０Ａ〜２０Ｄの保持枠２３に保持される通信用ケーブルの捲回の仕方を工夫することによって、飛行中に通信用ケーブルを繰り出し易くしたものである。具体的には、図３に示すように、例えばケーブル２５を、ローターユニット２０Ａ−２０Ｄ−２０Ｃ−２０Ｂ−２０Ａ−２０Ｄ−２０Ｃ−２０Ｂ−２０Ａ……のように、順番に捲回し、繰り出し端は図１に示すように、胴体部１１の下面中央に設けたリング１３に挿通される。

なお、図３のものとは逆に、ケーブル２５を、ローターユニット２０Ａ−２０Ｂ−２０Ｃ−２０Ｄ−２０Ａ−２０Ｂ−２０Ｃ−２０Ｄ−２０Ａ……のように、捲回して行くようにしても良い。
上記のような捲回方法により、ケーブルを１つのユニットにおいて所定巻き数まで捲回してから他のユニットの移るのではなく、各ユニットに均等に捲回されていくので、ケーブルの繰り出しが偏ることがなく、機体の重量バランスも崩れることがない。また、前述したように、ケーブルの繰り出しが、機体の中心付近で行われるため、ケーブルの繰り出しの際に張力が働いて、機体が傾いてしまうのを回避することができる。

さらに、回転方向が異なるユニットへ順次捲回されて行くことになるので、反トルクのバランスも崩れにくいという利点がある。つまり、ケーブル２５を、例えばローターユニット２０Ａ−２０Ｃ−２０Ｂ−２０Ｄ−２０Ａ−２０Ｃ−２０Ｂ−２０Ｄ……のように、対角状に捲回して行く方法も考えられる。しかし、図１の実施例において、そのような順序でケーブルを捲回させると、同一方向に回転するユニットが続けてケーブルが繰り出されることがあり、反トルクの打ち消しが円滑に行えなくなる。また、中央のケーブルが交差する部分だけ高さ方向の長さが長くなってしまうという不具合もある。
従って、上述したように、ケーブル２５を、隣り合うローターユニットの順序に従って捲回して行くのが良い。

第２の変形例は、図４に示すように、各ローターユニット２０Ａ〜２０Ｄのガードリング２２に対して、ケーブル２５を捲回する保持枠２３を着脱可能に構成したものである。このような構成することによって、例えば見通しの良い場所で飛行体を飛行させるような場合に、ケーブル２５を捲回する保持枠２３をガードリング２２から外した状態で飛行させるような利用の仕方が可能になる。
また、図４に示す変形例にあっては、保持枠２３の脚部２３Ａを、ケーブルが捲回される内側部材２３ａと、捲回されたケーブルを抑える外側部材２３ｂとによって構成するようになっている。これにより、飛行中に、保持枠２３の脚部２３Ａに捲回されたケーブルがばらばらにほどけて落下してしまうような不具合が発生するのを回避することができるという利点がある。
なお、外側部材２３ｂは、上端に設けた支軸２３ｃによって回動可能に結合され、外側部材２３ｂを持ち上げた状態で内側部材２３ａの周囲にケーブルを捲回した後、外側部材２３ｂを図４に示す状態へ戻してケーブルを押えるように構成しても良い。

なお、上記実施形態では、ガードリング２２がローター２１と同一高さ位置に配設されているものを示したが、ローター２１がガードリング２２よりも低い位置に配設された構成であってもよい。
また、実施形態では、ローターとして２枚のブレードを有するものを図示したが、３枚のブレードあるいは４枚以上のブレードを有するものであってもよい。

さらに、実施形態においては、４個のローターユニットを設けたものを示したが、ローターユニットの数は４個に限定されず、２個あるいは６個以上であってもよい。ただし、反トルクによる機体の回転を防止する観点から、偶数個とするのが望ましい。ローターが２個の場合、上下にローターを並べて配置し、逆方向へ回転させる構成が望ましく、該２重ローターの周りにケーブルを円錐状、円筒状あるいはラッパ状に捲回したものを設けるのが良い。

また、実施形態においては、モータに電力を供給するバッテリーを搭載したマルチコプターについて説明したが、通信用ケーブルとは別個の電力供給用のケーブルあるいは導電材からなり通信と電力供給を兼用したケーブルを使用するようにしても良い。
さらに、実施形態においては、本発明を、撮影機能を備えたマルチコプターに適用した場合について説明したが、本発明は、農薬や肥料の散布、交通インフラが破壊された被災地への物資運搬用等、他の用途のマルチコプターにも利用することができる。

１０ マルチコプター（垂直離着陸飛行体）
１１ 胴体部
１２ フレーム
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ アーム
２０Ａ〜２０Ｄ ローターユニット
２１ ローター
２２ カードリング
２３ 保持枠
２５ 通信用ケーブル

Claims (6)

1. 回転することによって揚力を発生するローターと、該ローターを回転させる駆動源と、前記駆動源を制御する制御手段とを搭載した遠隔操縦式無人飛行体であって、
   前記ローターの周囲には、少なくとも前記制御手段との通信を可能にするケーブルを捲回するための保持枠が設けられ、
   前記保持枠にケーブルが円筒もしくは円錐状に捲回され、前記ローターの周囲にケーブルからなるダクトが形成された状態で浮上し、前記ケーブルを繰り出しながら飛行を行うように構成されていることを特徴とする遠隔操縦式無人飛行体。
2. 前記保持枠にはケーブルが、下方へ向かって広がる円錐状に捲回されていることを特徴とする請求項１に記載の遠隔操縦式無人飛行体。
3. 前記保持枠にはケーブルが、下端側から順次繰り出されるように捲回されていることを特徴とする請求項１または２に記載の遠隔操縦式無人飛行体。
4. 機体の中心部下端に、前記ケーブルの繰り出し端が挿通されるガイド部材が設けられ、前記ケーブルは機体の中心部から繰り出されるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の遠隔操縦式無人飛行体。
5. 前記ローターおよび前記保持枠はそれぞれ複数個設けられ、前記複数個のローターは隣接するもの同士が互いに逆方向に回転されるように制御され、前記複数個の保持枠には、隣接する保持枠に順繰りに前記ケーブルが捲回されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の遠隔操縦式無人飛行体。
6. 前記ローターの周囲には該ローターを保護する円環状のガード部材が設けられ、前記ケーブルが捲回される前記保持枠は前記ガード部材に対して着脱可能に装着されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の遠隔操縦式無人飛行体。

Images