JP6458231B2

JP6458231B2 - 無人航空機

Info

Publication number: JP6458231B2
Application number: JP2018536630A
Authority: JP
Inventors: 紀代一菅木
Original assignee: Prodrone Co Ltd
Current assignee: Prodrone Co Ltd
Priority date: 2016-09-02
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2036-09-02
Also published as: JPWO2018042610A1; WO2018042610A1; US20190176974A1

Description

本発明は、無人航空機の離着水技術に関する。

従来、産業用無人ヘリコプターに代表される小型の無人航空機は、機体が高価で入手困難なうえ、安定して飛行させるためには操作に熟練が必要とされるものであった。しかし近年、無人航空機の姿勢制御や自律飛行に用いられるセンサ類およびソフトウェアの改良が大きく進み、これにより無人航空機の操作性が著しく向上するとともに、高性能な機体を安価に入手できるようになった。こうした背景から現在、特に小型のマルチコプターについては、ヘリコプターに比べてそのローター構造が簡易であり、その設計およびメンテナンスが容易であることから、趣味目的だけでなく、広範な分野における種々のミッションへの応用が試行されている。そして、このようなマルチコプターの応用範囲をさらに広げるべく、離着水可能な構造を備えるマルチコプターの登場が望まれている。

特開平１１−３３４６９８号公報

離着水可能なマルチコプターを実現するためには、機体自体の防水性能を高めることは当然であるが、例えば着水後に機体が傾いてローターの一部が水中に沈んでしまった場合、その後の離水が困難となる。そのため、マルチコプターの着水後に人手を介さずに離水するためには、水面に着水した機体の水平を維持する必要がある。

また、例えば特許文献１のような機体では、機体底面に取付けた浮力体が水面に張り付くため、スムーズに離水することが難しいという問題がある。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解消しようとするものであり、水面上に機体を水平に維持することができ、また、スムーズな離着水が可能な無人航空機を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の無人航空機は、複数の回転翼を有し、その機体中央部から複数のアームが放射状に延びており、前記各アームは、該アームから下方に延出した浮き部を有しており、前記各浮き部の内部には、中空の密閉空間である空気室が設けられていることを特徴とする。

また、前記各浮き部は、該浮き部の下端に向かって外径寸法が次第に小さくなる先細形状とされていることが好ましい。

また、前記各浮き部は縦長形状に形成されており、前記各浮き部は、その上下方向における下側が前記先細形状に形成されている構成としても良い。

また、前記各浮き部は、該浮き部を有する前記アームの先端部に配置されており、前記各浮き部の上部には前記回転翼がそれぞれ配置されていることが好ましい。

また、前記各浮き部の前記空気室には空気弁が設けられており、前記空気弁は、前記空気室内の圧力が所定の閾値を超えて上昇したときには該空気室内の空気を逃がし、前記空気室内の圧力が所定の閾値を超えて降下したときには該空気室内に空気を取り込むことにより、前記空気室内の圧力を一定の範囲内に維持することが好ましい。

また、前記各浮き部にはさらに、その径方向中心に沿って上下方向に延びる空間である脚部収容室が形成されており、前記脚部収容室は前記空気室と隔てられ、前記浮き部を下方に貫通しており、前記脚部収容室には、弾性部材と、該弾性部材により下方に付勢された棒状部材と、が収容されており、前記棒状部材は、その下端部が前記脚部収容室から下方に露出している構成としても良い。

また、前記複数のアームは、前記機体中央部を中心として周方向等間隔に３本以上配置されていることが好ましい。

本発明の無人航空機によれば、水面上に機体を水平に維持することができ、また、スムーズな離着水を行うことが可能となる。

本実施形態にかかるマルチコプターの外観を示す斜視図である。フロートの拡大図である。図２のＢ−Ｂ断面図である。マルチコプターの機能構成を示すブロック図である。フロートの変形例を示す側面視断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。以下の実施形態は、複数の回転翼を備える無人航空機の一種であるマルチコプターについての例である。なお、以下の説明、および本発明でいう「上」および「下」とは、図１に示される上下方向をいう。

〔構成概要〕
図１は本実施形態にかかるマルチコプター１００の外観を示す斜視図である。図１に示すように、マルチコプター１００は、その機体中央部１０から水平に延びる６本のアーム２１〜２６（以下、これらを総称して「アーム２０」という。）を有している。これらアーム２０は、機体中央部１０を中心として周方向等間隔に配置されており、機体中央部１０から放射状に延出している。

これらアーム２０の先端部には、アーム２０から下方に延びた浮き部であるフロート４１〜４６（以下、これらを総称して「フロート４０」という。）が設けられている。そして、これらフロート４０の上部には回転翼であるローター３１〜３６（以下、これらを総称して「ローター３０」という。）がそれぞれ配置されている。

〔フロートの構造〕
フロート４０はその内部に、中空の密閉空間である空気室５１（後述）を有している。フロート４０はこの空気室５１を備えていることにより、マルチコプター１００を水面に浮かせるための浮き部材として作用する。フロート４０は、ローター３０を支持するアーム２０に配置されており、これにより、マルチコプター１００が着水したときに、アーム２０上のローター３０が水中に沈むことが防止されている。

図２はフロート４０の拡大図であり、図３は図２のＢ−Ｂ断面図である。図１から図３に示すように、フロート４０は縦長形状に形成されている。フロート４０は、その上下方向における中程から上側は略円筒形状に形成されており、中程から下側が、その下端に向かって外径寸法が次第に小さくなる先細形状に形成されている。先細形状に形成されたフロート４０は、水面に対して垂直に着水するときの抵抗が小さく、また、離水時にも水面が張り付きにくい。

本実施形態の機体中央部１０は略円盤形状に形成されている。フロート４０は、機体中央部１０の底面よりも下方に突き出している。これによりフロート４０は、マルチコプター１００のスキッド（脚部）の役割も兼ねている。フロート４０がスキッドを兼ねていることにより、マルチコプター１００の機体構造が単純化されている。

マルチコプター１００の着水時には、機体中央部１０の底面は水面に接触しないことが望ましい。これは、機体中央部１０に水面が張り付くことを防ぎ、マルチコプター１００の離水時における抵抗を抑えるためである。フロート４０は、機体中央部１０の底面よりも下方に突き出していることから、その浮力や設置数、長さ等を適宜調節することにより、機体中央部１０が水面に接触することを防ぐことができる。本実施形態のフロート４０は、機体中央部１０を着水させない構成とされており、マルチコプター１００のスムーズな離着水が可能とされている。

上でも述べたように、本実施形態のアーム２０は、機体中央部１０を中心として周方向等間隔に配置されており、フロート４０はこれらアーム２０の先端部に配置されている。すなわち、本実施形態のフロート４０は、機体中央部１０から最も遠い位置に配置されており、さらに、機体中央部１０の重量を均等に分散可能な位置に配置されている。これによりマルチコプター１００は、水面上で安定して機体を水平に維持することが可能とされている。

また、フロート４０は、ローター３０の下方に延出している。通常、ローター３０は空中において機体のバランスを維持しやすい位置に配置されている。フロート４０が、ローター３０と同じ位置に配置されていることにより、マルチコプター１００は、空中のみならず水面上においても機体の水平を好適に保つことが可能とされている。

図３に示すように、フロート４０の内部には中空の密閉空間である空気室５１が設けられている。さらに、フロート４０の空気室５１には空気弁５２が設けられている。本実施形態の空気弁５２は、空気室５１の取付孔５３に嵌めこまれたパッキン５４と、パッキンの貫通孔５５に差し込んで装着されるピン５６とにより構成されている。なお、パッキン５４およびピン５６は、ゴム材料やプラスチック材料により形成されている。通常時の空気弁５２は、パッキン５４とピン５６により封止されているため、マルチコプター１００の着水により空気弁５２から空気室５１内に水が入り込むことはない。

空気弁５２は、空気室５１内の空気の膨張や収縮により、フロート４０が破損することを防止する機構である。より具体的には、空気室５１内の圧力が所定の閾値を超えて上昇したときには空気室５１内の空気を逃がし、空気室５１内の圧力が所定の閾値を超えて降下したときには空気室５１内に空気を取り込むことにより、空気室５１内の圧力を一定の範囲内に維持する。なお、上記各閾値は、パッキン５４の材質やピン５６の大きさ・形状等により変化する。これらを適宜変更することにより実施形態に即した最適な閾値に調節することができる。

〔フロートの変形例〕
図５はフロート４０の変形例であるフロート４０´の構造を示す側面視断面図である。フロート４０´は、フロート４０のスキッドとしての機能を拡張した構成である。なお、以下の説明では、フロート４０と同一または同様の機能を有する構成については、フロート４０と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

フロート４０´は、その径方向中心に沿って上下方向に延びる空間である脚部収容室６１を有している。脚部収容室６１は空気室５１と隔てられており、フローと４０´を上下方向に貫通している。脚部収容室６１には、弾性部材であるコイルバネ６２と、コイルバネ６２により下方に付勢された棒状部材である脚部６３と、が収容されている。脚部６３は、その下端部およびその近傍部が脚部収容室６１から下方に露出している。脚部６３はコイルバネ６２の弾性力で支持されていることにより、脚部６３の露出部は矢示Ｓの範囲内で出没可能とされている。

マルチコプター１００がフロート４０で直接地面に着地した場合、機体の重量や降下速度、地面の硬さによっては、フロート４０が破損するおそれがある。本変形例では、コイルバネ６２によりクッション性が付与された脚部６３で着地することにより、着地によるフロート４０´への衝撃が緩和され、フロート４０´の破損を防ぐことが可能とされている。

〔その他の機体構成〕
フロート４０を除くマルチコプター１００の構成は、公知のマルチコプターと同様である。図４はマルチコプター１００の機能構成を示すブロック図である。マルチコプター１００の機体には、主に、フライトコントローラＦＣ、６基のローター３０、これらローター３０の回転を制御するＥＳＣ１４１（Electric Speed Controller）、及びこれらに電力を供給するバッテリー１９０が搭載されている。

各ローター３０は、モータ１４２と、その出力軸に連結されたブレード１４３とにより構成されている。ＥＳＣ１４１は、ローターＲのモータ１４２に接続されており、フライトコントローラＦＣから指示された速度でモータ１４２を回転させる。

尚、マルチコプター１００のローター数は特に限定されず、求められる飛行安定性や許容されるコスト等に応じて、ローターＲが３基のトライコプターから、ローターＲが８基のオクタコプター、さらには８基よりも多くのローターを備えるものまで適宜変更可能である。

フライトコントローラＦＣは、マイクロコントローラである制御装置１２０を備えている。制御装置１２０は、中央処理装置であるＣＰＵ１２１、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶装置であるメモリ１２２、および、ＥＳＣ１４１を介して各モータ１４２の回転数および回転速度を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コントローラ１２３を有している。

フライトコントローラＦＣはさらに、飛行制御センサ群１３２およびＧＰＳ受信器１３３（以下、これらを総称して「センサ等」ともいう。）を備えており、これらは制御装置１２０に接続されている。本実施形態におけるマルチコプター１００の飛行制御センサ群１３２には、３軸加速度センサ、３軸角速度センサ、気圧センサ（高度センサ）、地磁気センサ（方位センサ）などが含まれている。

制御装置１２０は、これらセンサ等により、機体の傾きや回転のほか、飛行中の緯度経度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得可能とされている。

制御装置１２０のメモリ１２２には、マルチコプター１００の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御するアルゴリズムが実装されたプログラムである飛行制御プログラムＦＣＰが記憶されている。飛行制御プログラムＦＣＰは、オペレータ（送信器１１０）からの指示に従い、センサ等から取得した情報を基に、個々のローターＲの回転数を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながらマルチコプター１００を飛行させる。

マルチコプター１００の操縦は、オペレータが送信器１１０を用いて手動で行うほか、マルチコプター１００の飛行経路や速度、高度などのパラメータである飛行計画ＦＰを自律飛行プログラムＡＰＰに予め登録しておき、マルチコプター１００を目的地へ自律的に飛行させることも可能である（以下、このような自律飛行のことを「オートパイロット」という。）。

このように、本実施形態におけるマルチコプター１００は高度な飛行制御機能を備えている。しかし、本発明における無人航空機は、複数のローターＲを備え、これら各ローターＲの回転数を調節することにより機体の姿勢および飛行動作を制御する機体であればよく、例えばセンサ等から一部のセンサが省略された機体や、オートパイロット機能を備えず手動操縦のみにより飛行可能な機体であってもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は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種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態のフロート４０はアーム２０の先端に配置されているが、本発明の浮き部はアームの先端以外の部分に設けられてもよく、また、ローター３０も、フロート４０の上部に配置されている必要はない。さらに、本発明の浮き部はアームから下方に延びていればよく、常に先細形状である必要もない。

Claims

複数の回転翼を有する無人航空機であって、
前記無人航空機は、前記回転翼を支持する複数のアームがその機体中央部から延びており、
前記各アームは、該アームから下方に延出した縦長形状の浮き部を有しており、
前記各浮き部は、該浮き部の下端に向かって外径寸法が小さくなる先細形状とされており、
前記各浮き部の内部には、中空の密閉空間である空気室が設けられていることを特徴とする無人航空機。
前記各浮き部は、その上下方向における下側が前記先細形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
前記各浮き部は、該浮き部を有する前記アームの先端部に配置されており、
前記各浮き部の上部には前記回転翼がそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
前記各浮き部の前記空気室には空気弁が設けられており、
前記空気弁は、前記空気室内の空気の膨張または収縮に伴う圧力で変形することにより、前記空気室内の圧力が所定の閾値を超えて上昇したときには該空気室内の空気を逃がし、前記空気室内の圧力が所定の閾値を超えて降下したときには該空気室内に空気を取り込み、前記空気室内の圧力を一定の範囲内に維持することを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
前記各浮き部にはさらに、その径方向中心に沿って上下方向に延びる空間である脚部収容室が形成されており、
前記脚部収容室は前記空気室と隔てられ、前記浮き部を下方に貫通しており、
前記脚部収容室には、弾性部材と、該弾性部材により下方に付勢された棒状部材と、が収容されており、
前記棒状部材は、その下端部が前記脚部収容室から下方に露出していることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
前記複数のアームは、前記機体中央部を中心として周方向に３本以上配置されていることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。