JP6651160B1

JP6651160B1 - 回転翼機

Info

Publication number: JP6651160B1
Application number: JP2019184743A
Authority: JP
Inventors: 永次高橋
Original assignee: Liberaware Co Ltd
Current assignee: Liberaware Co Ltd
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2019-10-07
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2039-10-07
Also published as: JP2021059232A

Abstract

【課題】小型化された回転翼機の高度の推定精度を維持または向上させることが可能な回転翼機を提供すること。【解決手段】本開示に係る回転翼機は、前記回転翼機の機体を構成する本体部と、前記本体部に支持される回転翼と、前記本体部の一部に支持され、大気導入孔を備える気圧センサと、長尺状の中空部材であって、一端の開口部が前記大気導入孔と接続され、他端の開口部が開放された中空部材と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、回転翼機に関する。

複数の回転翼を有する回転翼機が各種の分野で使われている。このようなマルチコプターやドローンとも呼ばれる回転翼機は、高度に係る情報を例えば気圧センサで取得することで、緻密な飛行制御を可能としている。例えば、特許文献１には、気圧センサ、姿勢測定センサおよび相対風速センサを用いてドローンの高度測定値を調整する手段を備える技術が開示されている。

特開２０１７−１７８３０１号公報

しかしながら、回転翼機の機体が小型化するにつれて、回転翼による気流の影響を気圧センサが受けやすくなる。そうすると、気圧センサによる回転翼機の高度の推定精度に影響が出やすくなり、回転翼機の制御が難しくなる。

本発明は、このような背景を鑑みてなされたものであり、小型化された回転翼機の高度の推定精度を維持または向上させることができる、回転翼機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の主たる発明は、回転翼機であって、前記回転翼機の機体を構成する本体部と、前記本体部に支持される回転翼と、前記本体部の一部に支持され、大気導入孔を備える気圧センサと、長尺状の中空部材であって、一端の開口部が前記大気導入孔と接続され、他端の開口部が開放された中空部材と、を備える。

その他本願が開示する課題やその解決方法については、発明の実施形態の欄及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、小型化された回転翼機の高度の推定精度を維持または向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る回転翼機１の構成を示す斜視図である。同実施形態に係る中空部材６およびその周囲の構成を示す模式図である。。同実施形態に係る中空部材６による作用の一例を説明するための図である。同実施形態に係る中空部材６による作用の一例を説明するための図である。同実施形態の一変形例に係る中空部材６’の構成を示す図である。本発明の一実施形態に係る実施例および比較例に係る、飛行時間に対する測定された高度の推移を示すグラフである。

本発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明の実施の形態による飛行体は、以下のような構成を備える。

［項目１］
回転翼機であって、
前記回転翼機の機体を構成する本体部と、
前記本体部に支持される回転翼と、
前記本体部の一部に支持され、大気導入孔を備える気圧センサと、
長尺状の中空部材であって、一端の開口部が前記大気導入孔と接続され、他端の開口部が開放された中空部材と、
を備える回転翼機。
［項目２］
項目１に記載の回転翼機であって、
前記本体部は、
前記回転翼機の飛行を制御するフライトコントローラおよび／またはバッテリを支持する支持フレームと、
前記支持フレームに接続され、前記回転翼を支持するアームを含む補助フレームと、
により構成され、
前記気圧センサは、前記補助フレームに支持される、回転翼機。
［項目３］
項目１または２に記載の回転翼機であって、
前記他端の開口部は、前記本体部を水平に載置した際に、上方を向いている、回転翼機。
［項目４］
項目１〜３のいずれかに記載の回転翼機であって、
前記中空部材の長手方向において、前記中空部材の内径が前記一端の開口部における内径よりも大きい箇所が少なくとも一箇所存在する、回転翼機。

＜実施の形態の詳細＞
以下、本発明の一実施形態に係る回転翼機１について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る回転翼機１の構成を示す斜視図である。本明細書において、図１に示すＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、それぞれ回転翼機１の前後方向、幅方向および高さ方向を意味する。

図１に示すように、本実施形態に係る回転翼機１は、本体部２と回転翼３とを備える。なお、図１に示す回転翼機１の構成は一例であり、図１に示す本体部２および回転翼３とは異なる構造、形状およびサイズを有する回転翼機であっても、以下に説明する本体部２および回転翼３に対応する構成を有する回転翼機であれば、本発明の範疇に含まれうる。

より具体的には、本体部２は、支持フレーム２１と、補助フレーム２２とからなる。補助フレーム２２は、支持フレーム２１に接続される。具体的には、補助フレーム２２は、支持フレーム２１の前後方向のそれぞれから伸びるように接続される。かかる補助フレーム２２は、アーム２３を含む。図１に示すように、回転翼３はアーム２３に支持される。なお、本実施形態に係るアーム２３は、支持フレーム２１とも接続している。本体部２を構成する素材は特に限定されず、例えば、炭素繊維樹脂、ガラス繊維樹脂、マグネシウム、マグネシウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄鋼、チタンその他の材料であり得る。

支持フレーム２１は、図示しない回路基板、フライトコントローラまたはバッテリ等、回転翼機１の飛行の制御および動力に係る部品を積載して支持する。例えば、支持フレーム２１には、フライトコントローラを含む制御回路が実装されてもよい。かかるバッテリから後述するモータ２０およびセンサ類に電力が供給され、フライトコントローラによりモータ２４の回転数等の制御が行われる。

補助フレーム２２は、回転翼機１の機体を構成し、支持フレーム２１に接続され、回転翼３を支持する。図１に示す例では、補助フレーム２２は、支持フレーム２１の前後方向端部から前後方向に伸び、途中から幅方向において左右に延伸する構成を有している。補助フレーム２２は、回転翼３のプロペラガードとしての機能を発揮しうる。例えば、飛行体の衝突時に、補助フレーム２２は、モータ４に取り付けられる回転翼３とモータ４とを保護し得る。

アーム２３の、補助フレーム２２の端部と支持フレーム２１との間に、回転翼３が設けられる。図１に示す例では、アーム２３にはモータマウント２３１が設けられ、モータマウント２３１に回転翼３に動力を与えるモータ４が設けられ、回転翼３はモータ４に取り付けられる。

なお、アーム２３および回転翼３は、本実施形態においては、前後左右の４箇所に設けられているが、本発明はかかる例に限定されない。回転翼機１の構造、形状、装備およびサイズ等に応じて、アーム２３および回転翼３の設けられる数は適宜変更されうる。

また、回転翼機１の前方側の支持フレーム２１と補助フレーム２２との接続部分において、支持フレーム２１に、一人称視点（ＦｉｒｓｔＰｅｒｓｏｎＶｉｅｗ：ＦＰＶ）で撮像するためのカメラ３０が設けられてもよい。カメラ３０は、図１に示す位置の他に、支持フレーム２１の任意の箇所に設けることができる。

また、図１に示すように、本実施形態に係る回転翼機１は、補助フレーム２２に気圧センサ５が設けられる。かかる気圧センサ５は、回転翼機１の高度を推定するために設けられる。気圧センサ５により得られた気圧に関するデータは不図示フライトコントローラに送信され、かかる気圧に関するデータに基づいて高度が推定される。気圧センサ５の種類は特に限定されないが、例えば、ピエゾ抵抗方式の気圧センサを用いることができる。

かかる気圧センサ５には、大気を導入するための大気導入孔５１が備えられている。大気導入孔５１を介して気圧センサ５の内部と外部との間で大気が流入または流出する。気圧センサ５は、大気からの圧力（すなわち気圧）に係る信号を検出し、かかる気圧に関するデータを生成して、フライトコントローラにかかる情報が送られる。

そして、図１に示すように、本実施形態に係る回転翼機１においては、気圧センサ５の上部に中空部材６が設けられる。中空部材６は長尺状であり、長手方向の両端が開放している。

図２は、本実施形態に係る中空部材６およびその周囲の構成を示す模式図である。図２に示すように、補助フレーム２２には気圧センサ５が設けられており、気圧センサ５の上部に中空部材６が設けられている。中空部材６は、気圧センサ５の大気導入孔５１と、中空部材６の気圧センサ５が設けられている側の開口部６１とが接続するように設けられている。また、中空部材６の開口部６１とは反対側の開口部６２は上方に向いている。

図３および図４は、本実施形態に係る中空部材６による作用の一例を説明するための図である。図３に示す例は、補助フレーム２２に支持された気圧センサ５に中空部材６が設けられている例である。図４に示す例は、補助フレーム２２に支持された気圧センサ５に中空部材６が設けられていない例である。

回転翼機１を飛行させる場合、回転翼３が回転して回転翼機１の上方から下降に気流が生じる。そうすると、回転翼３の周囲において空気の流れ（図中の矢印）が生じる。図４に示した例では、回転翼３により生じる気流が大気導入孔５１の直上を通過したり、該気流が大気導入孔５１に流れ込むことによって、気圧の変動が大きく生じる。特に、気流の発生により大気導入孔５１から空気が引っ張られて外部に流れやすくなる。そのため、飛行時の実際の高度に対応する気圧とは異なる気圧が推定されたり、気圧の変動が大きくなり高度を一意に推定することが難しくなる。

一方、図３に示す例は、大気導入孔５１が中空部材６の開口部６１と接続しており、中空部材６の開口部６２を介して空気が出入りする構造となっている。この場合、気圧センサ５は、実質的に開口部６２を出入りする空気の出入りによる圧力の変化を検出することとなる。そうすると、回転翼３により生じる気流の影響は、大気導入孔５１には直接与えられない。そのため、気圧の変動が起きにくく、実際の気圧をより精度高く検出することができる。よって、飛行中の回転翼機１の高度をより精度高く推定することが可能となる。

なお、中空部材６の開口部６１が設けられている側の端部６１ａは、気圧センサ５または気圧センサ５を支持する補助フレーム２２と密着していることが好ましい。例えば、端部６１ａと、気圧センサ５または補助フレーム２２とは、接着剤やシール部材等により密着されてもよい。

また、気圧センサ５は、本体部２のいずれに設置されてもよい。本実施形態においては、支持フレーム２１には、フライトコントローラおよび／またはバッテリ等の発熱体が設けられる。これらの発熱体による気圧センサ５への熱の影響を低減するため、気圧センサ５は、支持フレーム２１ではなく、補助フレーム２２に設けられることが好ましい。また、気圧センサ５は、必ずしも本体部２の上面側に設けられなくてもよく、下面側や、側面側等に設けられていても良い。

また、補助フレーム２２が、アーム２３とそれ以外の部分により構成される場合、気圧センサ５は、アーム２３以外の部分に設けられることが好ましい。アーム２３には回転翼３が設けられるため、アーム２３に気圧センサ５がさらに設けられると、気圧センサ５は回転翼３の回転により生じる気流の影響を受けやすくなる。そのため、気圧センサ５は、回転翼３から離れた部分（すなわちアーム２３以外の部分）に設けられることが好ましい。

また、中空部材６の素材は特に限定されない。例えば、中空部材６は、ゴム、プラスチック、樹脂、金属、セラミクス等であってもよい。回転翼機１の飛行制御の観点から、比較的軽量の素材を用いることが好ましい。また、中空部材６の肉厚は特に限定されない。回転翼機１の飛行制御の観点から、該肉厚は比較的薄肉であることが好ましい。

また、中空部材６の長手方向の長さは特に限定されない。該長さは、例えば、回転翼３により生じる気流の影響、および飛行時の回転翼機１の制御性等に応じて適宜設定されうる。

なお、中空部材６は、上述したように、可撓性の部材であってもよい。この場合、中空部材６は必ずしも一方向に沿って伸びる形状ではなく、曲がった形状であってもよい。例えば、中空部材６は、Ｌ型、Ｕ型、Ｓ型など、中心軸が任意の一曲線に沿った形状となる部材であってもよい。

また、中空部材６の開口部６２の向く方向は特に限定されないが、本実施形態に係る開口部６２のように、開口部６２は本体部２を水平に載置した際に上方を向いていることが好ましい。低空飛行時は、回転翼３から下方に流れる空気が地面に衝突して吹き返しが生じやすい。その際に、例えば開口部６２が下方を向いている場合、吹き返された空気が中空部材６に流れ込みやすいため、気圧センサ５が検出する気圧の変動が生じやすい。そのため、開口部６２は上方を向いていることが好ましい。ここでいう上方とは、開口部６２における中心軸の向きを構成するＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各成分のうち、Ｚ方向成分が上向きに正となっている状態を意味する。

また、中空部材６の長手方向に直交する断面の大きさや形状は特に限定されない。中空部材６の開口部６１の開口面積が気圧センサ５の大気導入孔５１の開口面積以上であれば十分である。

また、中空部材６の断面形状は特に限定されない。本実施形態に係る中空部材６の断面形状は円（すなわち中空部材６は円筒部材である）としたが、角筒断面であってもよい。また、中空部材６の断面形状は、中空部材６の長手方向において変化する形状であってもよい。例えば、中空部材６は、その長手方向において、中空部材６の内径が開口部６１における内径よりも大きい箇所が少なくとも一箇所存在するものであってもよい。

図５は、本実施形態の一変形例に係る中空部材６’の構成を示す図である。図５に示すように、中空部材６’は、開口部６１よりも外側に膨出している膨出部６３を有している。膨出部６３における中空部材６’の内径は、開口部６１における中空部材６’の内径よりも大きい。その他の部分の構成は、図２に示した中空部材６の構成と同様である。

図５に示す中空部材６’においては、膨出部６３において中空部材６’の内側の空間が大きくなる。かかる空間において中区部材６’の内側を流通する空気の流れの変動を抑えることができる。これにより、大気導入孔５１を流通する空気の量の変動が小さくなるので、気圧センサ５により検出される気圧の変動が小さくなる。よって、気圧センサ５に基づく回転翼機１の高度の推定におけるノイズが低減し、高度の推定精度が向上する。

次に、本実施形態に係る回転翼機１についての一実施例について説明する。

図１および図２に示した上記実施形態に係る中空部材６が設けられた回転翼機１（実施例）と、図４に示したような中空部材６が設けられていない回転翼機（比較例）とを用い、それぞれを離陸させてから所定の高度にてホバリングするまでの時間に対する気圧センサに基づいて測定された高度について測定した。精度の比較のために、回転翼機を用いずに気圧センサで測定した高度を真値として用いた。中空部材６の長さは、回転翼３の直径と略同等とした。

図６は、本実施例および比較例に係る、飛行時間に対する測定された高度の推移を示すグラフである。図６に示すグラフにおいて、各回転翼機は、０〜ｔ１においては離陸前であり、ｔ１において回転翼を回転させて飛行を開始し、その後所定の高さまで上昇し、ｔ２において所定の高さに到達し、ｔ２以降において所定の高さでホバリングしている。

図６のグラフに示すように、実施例に係る回転翼機１は、離陸直後は吹き返しの影響で高度の測定値が下降しているものの、飛行開始以降は真値に近い値を示している。一方で、比較例に係る回転翼機は、吹き返しによる高度の測定値の下降幅が大きく、飛行開始以降も真値よりも大幅に低い値を示している。

以上の結果から、大気導入孔５１を覆うように中空部材６を設けることにより、回転翼により生じる気流の影響を気圧センサ５が受けにくくなっていることがわかる。したがって、より実際の高度に近い値を気圧センサ５により得られることが示された。このことから、より高い精度で高度を推定できるので、回転翼機１の飛行制御をより正確に行うことができる。

このように、本発明の一実施形態に係る回転翼機１においては、気圧センサ５の大気導入孔５１と接続する開口部６１を有する長尺状の中空部材６を設けることで、気圧センサ５により検出される気圧の変動を小さくし、より高い精度で高度を測定することが可能である。閉所や狭所において撮影、点検等を行うような小型の回転翼機１の飛行制御において、本実施形態に係る構成は、より効果を奏するものである。かかる回転翼機１は、プロポによる操縦や自律飛行において、より的確な飛行を実現するものである。

以上、本実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

１回転翼機
２本体部
３回転翼
４モータ
５気圧センサ
６中空部材
２１支持フレーム
２２補助フレーム
２３アーム
５１大気導入孔
６１、６２開口部

Claims

回転翼機であって、
前記回転翼機の機体を構成する本体部と、
前記本体部に支持される回転翼と、
前記本体部の一部に支持され、大気導入孔を備える気圧センサと、
長尺状の中空部材であって、一端の開口部が前記大気導入孔と接続され、他端の開口部が開放された中空部材と、
を備え、
前記本体部は、
中央部分において、前記回転翼機の飛行を制御するフライトコントローラおよび／またはバッテリを支持する支持フレームと、
前記支持フレームの周囲において前記支持フレームに接続され、前記回転翼を支持するアームを含む補助フレームと、
により構成され、
前記中空部材の前記他端の開口部は、平面視において前記支持フレームから見て前記回転翼よりも外側の位置に設けられる回転翼機。
請求項１に記載の回転翼機であって、
前記他端の開口部は、前記本体部を水平に載置した際に、上方を向いている、回転翼機。
請求項１または２に記載の回転翼機であって、
前記中空部材の長手方向において、前記中空部材の内径が前記一端の開口部における内径よりも大きい箇所が少なくとも一箇所存在する、回転翼機。