JP6744615B2 - 飛行体 - Google Patents

Description

本発明は、一般にドローンと称されているものに代表される飛行体に関する。

ドローンと呼ばれる複数のプロペラを有する飛行体、特に無人の飛行体の産業分野での応用が進んでいる。圃場への農薬や液肥などの薬剤散布などを行う農業用ドローンは応用分野の一つである。以下の説明において、「ドローン」とは飛行体のことである。

産業用ドローン、例えば農業用ドローンなどの機体には、定められたルートに従って飛行させるための自動運転制御、姿勢制御、速度制御、飛行高さ制御など様々な制御を行うために、様々なセンサーが搭載されている。産業用ドローンは、例えば農業用ドローンに見られるように、薬剤などの荷物を積載するため、荷物の荷重に耐えうる推力を発生することができるように比較的大径のプロペラを有する大型のドローンが用いられる。大径のプロペラを有するドローンは、プロペラの回転によって生じる機体の振動が大きい。

プロペラの回転によってドローンの機体が振動すると、前記センサーも機体とともに振動し、各センサーによるそれぞれの検出データの精度が低下して、前記様々な制御の精度が低下する。

センサーの一つとして、ドローン自身が自己の位置を検出するためのＧＰＳセンサーがある。産業用ドローンでは、より高精度に位置を検出するために、例えばＲＴＫアンテナおよびＲＴＫ−ＧＰＳ（Real Time Kinematic - Global Positioning System）モジュールによるＧＰＳセンサーが構成されることが多い。ＲＴＫ−ＧＰＳは、分解能を高めるために波長の短い帯域の電波が用いられるため、機体とともにＲＴＫアンテナが振動すると、位置検出精度の低下が著しい。ＲＴＫ−ＧＰＳは高精度位置検知機の一つである。本明細書では、高精度位置検知機の例としてＲＴＫ−ＧＰＳを使用しているものとして説明している。

ドローンの姿勢制御や飛行方向制御のために６軸ジャイロセンサーが用いられる。６軸ジャイロセンサーは、ドローンの加速度を互いに直交する３軸方向において測定し、さらに、加速度を積分することによって速度を計算するために用いられる。また、６軸ジャイロセンサーは、上記３軸を中心とした角速度の測定にも用いられる。機体とともに６軸ジャイロセンサーが振動すると、加速度および角速度の測定精度が低下し、姿勢制御や飛行方向制御の精度が低下する。

ドローンには、機体が振動しにくいように機体構造を工夫したものがある（例えば、特許文献１参照）。また、測量などの計測装置を搭載したドローンでは、機体の振動が計測装置に影響を及ぼさないように機体構造が工夫されている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献１記載の発明は、ドローンを上方から覆う屋根枠、この屋根枠に連結されドローン全体を横方向から包囲する壁枠、機体の放射方向に張り出すアームの先端部と接近し壁枠の途中へ橋渡し状に連結された複数本のクロスビームを備えている。これらの各部材は繊維強化プラスチックの管材からなっていて、軽量で強度の高いドローン用飛行安全フレームを得ることができる、とされている。

特許文献２記載の発明は、計測装置としての測量ユニットのレーザースキャナを支持する一対の支持フレームと、この一対の支持フレーム同士を連結するとともに機体に着脱可能に取り付けられる一対の連結フレームとを有する。レーザースキャナと支持フレームとの間には繊維強化樹脂製の第１プレートを介在させ、支持フレームと連結フレームとの間には、第１プレートとは剛性の異なる繊維強化樹脂製の第２プレートを介在させている。かかる構成によって、飛行中の機体から計測装置に向かう振動を低減させることができる、とされている。

特許第６２４５５６６号公報 特開２０１７−１９３２５１号公報

特許文献１には、ドローンのフレーム構造を工夫することにより高強度のフレームを得ることができる旨の記載がある。しかし、特許文献１に記載されているフレーム構造は複雑であり、農業用ドローンのような産業用途において、荷物搭載のしやすさなど、使い勝手の良さについては考慮されていない。

ドローンは、プロペラやその駆動モーター、その駆動電源、飛行制御のための各種センサー、制御部などからなる一つのシステムを構成している。しかし、特許文献１記載の発明は、上記システムのレイアウトを工夫することによって姿勢を安定させるという着想はない。

特許文献２には、ドローンに搭載した計測装置に向かう飛行中の機体の振動を低減することができる旨の記載がある。しかし、特許文献２記載の発明にも、システムのレイアウトを工夫することによって姿勢を安定させるという着想はない。

本発明は、必要なシステムのレイアウトを工夫することによって姿勢を安定させることができる飛行体を得ることを目的とする。

本発明は、
複数のプロペラと、前記複数のプロペラを個別に回転駆動する複数のプロペラ駆動モーターと、前記複数のプロペラ駆動モーターを支持する複数の支持アームが結合されてなるフレームと、を有する飛行体であって、
前記飛行体の姿勢制御のためのセンサーを有し、
前記複数のプロペラで囲まれたエリア内において前記各プロペラ駆動モーターから最も遠い位置に姿勢制御時の機体の回転中心部があり、
前記センサーが、前記回転中心部に配置されていることを最も主要な特徴とする。

複数のプロペラで囲まれる空間の内側のエリアはプロペラの回転によって生じる振動の影響を受けにくいエリアであり、このエリアに、フレームを構成する上下の支持アームによって画された立体空間が形成されている。この立体空間に、制御部を搭載した胴体が取り付けられており、胴体はプロペラの回転によって生じる振動の影響を受けにくい配置関係になっている。したがって、胴体内に、各種センサー類を配置すると、センサーはプロペラの回転による振動の影響を受けにくく、センサーの検出信号の精度を高めることができる。

本願発明に係る飛行体の実施例を示す斜視図である。 前記実施例の平面図である。 前記実施例の正面図である。 前記実施例の右側面図である。 前記実施例の底面図である。 前記実施例を、プロペラを除去した状態で示す平面図である。 前記実施例を、プロペラを除去した状態で示す正面図である。 前記実施例を、プロペラを除去した状態で示す右側面図である。 前記実施例の主要部分を拡大して示す斜視図である。 本発明に係る飛行体を農業に使用する場合の例を概略的に示す模式図である。 本発明に係る飛行体の制御系統の例を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る飛行体（以下「ドローン」という）の実施形態について説明する。図はすべて例示であって、本発明に係る飛行体の構成が実施例の構成に限定されるものではない。本明細書において、ドローンとは、動力方式や操縦方式を問わず、複数の回転翼または飛行手段を有する飛行体全般を指すこととする。動力方式としては、電力によるもの、内燃機関などの原動機によるものなどがある。操縦方式としては、無線または有線によるもの、および、自律飛行型あるいは手動操縦型などがある。

［ドローン全体の構成］
図１乃至図５において、ドローンは、４か所の上下にローターとも呼ばれるプロペラ１０１−１ａ、１０１−１ｂ、１０１−２ａ、１０１−２ｂ、１０１−３ａ、１０１−３ｂ、１０１−４ａ、１０１−４ｂを有する。これらのプロペラは、ドローンを飛行させるための部品であり、飛行の安定性、機体サイズ、および、バッテリー消費量のバランスを考慮し、２段構成のプロペラが４組、合計８機備えられている。４組のプロペラの回転中心は平面視において長方形の角に位置している。プロペラ１０１−２ａ、１０１−２ｂ、１０１−４ａ、１０１−４ｂ側がドローンの進行方向前側になっている。

上記各プロペラは、プロペラ駆動モーター（以下単に「モーター」という場合もある）１０２−１ａ、１０２−１ｂ、１０２−２ａ、１０２−２ｂ、１０２−３ａ、１０２−３ｂ、１０２−４ａ、１０２−４ｂによって個別に回転駆動される。１組の上下のプロペラ、例えば１０１−１ａと１０１−１ｂは、ドローンの飛行の安定性等のために軸が同一直線上にあり、かつ、モーター１０２−１ａと１０２−１ｂにより、互いに反対方向に回転駆動される。各組の上下のプロペラは互いに反対方向に回転駆動されて、上下のプロペラがともに下降流を発生させ、ドローンを上昇させる向きの推力を発生させる。他の組の上下のプロペラも同様に構成され、同様に推力を発生させる。

図示の実施形態は農業用のドローンであり、薬剤を下方に向けて散布するための４つの薬剤ノズル１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４が備えられている。本明細書において、薬剤とは、農薬、除草剤、液肥、殺虫剤、種および水など、圃場に散布される液体または粉体を一般的に指す。

ドローンは、散布する薬剤を収容するための薬剤タンク１０４を有している。薬剤タンク１０４は、重量バランスの観点からドローンの重心に近い位置でかつ重心より低い位置に設けられている。薬剤タンク１０４の下側にはポンプ１０６が取り付けられ、ポンプ１０６は薬剤ホース１０５につながっている。薬剤ホース１０５は、ドローンの進行方向前側下部に、ドローンのほぼ幅方向全体にまたがって直線状に伸びている。薬剤ホース１０５にはその長さ方向に一定間隔で４個の薬剤ノズル１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４が配置されている。ポンプ１０６が作動することにより、薬剤タンク１０４内の薬剤が各薬剤ノズルから吐出され、圃場に散布される。

［フレームの構成］
次に、図６乃至図９も併せて参照しながら、本実施形態に係るドローンのフレーム構成および胴体５０の構成を詳細に説明する。本明細書において、「胴体」とは、ドローンの動作を制御する制御部品や駆動電源となるバッテリーやセンサー類などを搭載する部分で、ヘリコプターや飛行機の胴体に相当する。胴体やフレーム、プロペラ、プロペラ駆動モーターを含むドローン全体を本明細書では「機体」という。ドローンは、その骨格となるフレームを有し、フレームは、互いに一体に結合され、かつ、前記複数のプロペラ駆動モーターを支持する複数の支持アームで構成されている。複数の支持アームで構成されるフレームは、上下に対をなしていて、上下のフレームが所定の間隔をおいて一体に結合されている。

上側のフレームを構成する前記複数の支持アームは、両端部においてそれぞれプロペラ駆動モーターを支持する一つの第１支持アーム１０と、第１支持アーム１０から延びた二つの第２支持アーム１１，１２とを有してなる。第２支持アーム１１，１２は、第１支持アーム１０の長さ方向の途中から斜めに対称形に、かつ、先端部すなわちドローンの後ろ側に位置する端部が互いに広がる方向に伸びている。

第２支持アーム１１，１２は、長さ方向の途中において補強梁１３によって結合されている。補強梁１３は第１支持アーム１０と平行になっていて、第１支持アーム１０と第２支持アーム１１，１２と補強梁１３とで、平面視で台形状に形成され、いわゆるトラス構造に近い構造になっている。フレームがトラス構造に近い構造になっていることにより、比較的簡単な構成でありながら、フレームの機械的強度を高めることができる。第１支持アーム１０、第２支持アーム１１，１２および補強梁１３は、同一平面内に位置するように、適宜の結合部材を介して結合されている。

第１支持アーム１０の両端部においてそれぞれモーター１０２−２ａ、１０２−４ａが支持されている。モーター１０２−２ａ、１０２−４ａの回転出力軸にはそれぞれプロペラ１０１−２ａ、１０１−４ａが取り付けられていて、各プロペラが上記各モーターによって個別に回転駆動される。第２支持アーム１１，１２の各先端部で上記モーターとは別のモーター１０２−１ａ、１０２−３ａが支持されている。モーター１０２−１ａ、１０３−３ａの回転出力軸にはそれぞれプロペラ１０１−１ａ、１０１−３ａが取り付けられていて、各プロペラが上記各モーターによって個別に回転駆動される。

下側のフレームも上側のフレームとほぼ同様の構造になっている。下側のフレームは、両端部においてそれぞれプロペラ駆動モーターモーター１０２−２ｂ、１０２−４ｂを支持する一つの第１支持アーム２０と、第１支持アーム２０から延びた二つの第２支持アーム２１，２２とを有してなる。第２支持アーム２１，２２は、第１支持アーム２０の長さ方向の途中から斜めに対称形に、かつ、先端部すなわちドローンの後ろ側に位置する端部が互いに広がる方向に伸びている。第１支持アーム２０および第２支持アーム２１，２２は同一平面内に位置するように、適宜の結合部材を介して結合されている。第２支持アーム２１，２２の各先端部においてプロペラ駆動モーターモーター１０２−１ｂ、１０２−３ｂが支持されている。

上下のフレームは、互いに平行をなすように適宜数の柱の介在の下に結合されている。上下に対をなす第２支持アーム１１，２１および別の対をなす第２支持アーム１２，２２は、長さ方向の中間部でそれぞれ柱３０，３０によって結合されている。また、上下一対の第１支持アーム１０，２０は、上側の第２支持アーム１１，２１との結合部付近と、下側の第２支持アーム１２，２２との結合部付近において、それぞれ柱３１，３１によって結合されている。上記各支持アームと各柱は、適宜の結合部材を介在させることによって結合されている。

一対の柱３０，３０は、上下方向下寄りの位置において補強梁２３を介して結合されている。補強梁２３は、第１支持アーム２０と第２支持アーム２１，２２からなる下側のフレームの補強梁でもあり、上下のフレーム全体の補強梁としても機能する。補強梁１３は第１支持アーム１０と平行になっていて、第１支持アーム１０と第２支持アーム１１，１２と補強梁１３とで、平面視で台形状に形成され、いわゆるトラス構造に近い構造になっている。

上下のフレームを構成する前記第１支持アーム１０，２０、第２支持アーム１１，１２，２１，２２、補強梁１３，２３、上下のフレームを結合する柱３０，３１は、パイプ状の部材である。また、フレームを構成する上記の部材、少なくとも第１支持アーム、第２支持アームおよび補強梁の素材は、熱伝導素材、例えばアルミニウム合金または炭素繊維複合材からなる。炭素繊維複合材としては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、炭素繊維強化炭素複合材料などがある。フレームを構成する部材の素材がアルミニウム合金または炭素繊維複合材などからなり、かつ、パイプ状の部材であることによって、フレームに必要な強度を持たせながらフレームの軽量化を図ることができる。また、後で詳細に説明するように、放熱効果を高めることができる。

［プロペラガード］
上下一対の第２支持アーム１１，２１の先端部で支持されているプロペラ１０１−１ａ、１０１−１ｂは、プロペラガード４１によって囲まれ、プロペラガード４１内で回転する。プロペラガード４１は、上下一対の円環状の枠と、これらの枠を一定の間隔をおいて平行に結合する柱状の介在部材と、上下の枠の中心位置にあるハブと、上下それぞれの枠とハブとを結合する複数のスポークと、を有してなる。上下のハブは、その中心をプロペラ１０１−１ａ、１０１−１ｂの回転中心に一致させて第２支持アーム１１，２１の先端部に結合されている。

上下一対の第１支持アーム１０，２０の正面から見て右側の端部で支持されているプロペラ１０１−２ａ、１０１−２ｂは、プロペラガード４２によって囲まれ、プロペラガード４２内で回転する。

上下一対の第２支持アーム１２，２２の先端部で支持されているプロペラ１０１−３ａ、１０１−３ｂは、プロペラガード４３によって囲まれ、プロペラガード４３内で回転する。

上下一対の第１支持アーム１０，２０の正面から見て左側の端部で支持されているプロペラ１０１−４ａ、１０１−４ｂは、プロペラガード４４によって囲まれ、プロペラガード４４内で回転する。

各プロペラガード４２，４３，４４は、プロペラガード４１と同様に構成されている。すなわち、各プロペラガード４２，４３，４４は、上下一対の円環状の枠と、これらの枠を平行に結合する複数の柱状の介在部材と、上下の枠の中心位置にあるハブと、上下それぞれの枠とハブとを結合する複数のスポークと、を有してなる。プロペラガード４２は、その上下のハブが第１支持アーム１０，２０の正面から見て右側の端部に結合されている。プロペラガード４３は、その上下のハブが第２支持アーム１２，２２の先端部に結合されている。プロペラガード４４は、その上下のハブが第１支持アーム１０，２０の正面から見て左側の端部に結合されている。

ドローンの右後ろに位置するプロペラ１０１−１ａ、１０１−１ｂと、右前に位置するプロペラ１０１−２ａ、１０１−２ｂとの間隔は狭く、これらのプロペラガード４１，４２を構成する円環状の枠が接触している。ドローンの左後ろに位置するプロペラ１０１−３ａ、１０１−３ｂと、左前に位置するプロペラ１０１−４ａ、１０１−４ｂとの間隔も狭く、これらのプロペラガード４３，４４を構成する円環状の枠が接触している。

各プロペラガード４１，４２，４３，４４を構成する前記枠、ハブおよびスポークの素材は熱伝導素材であることが望ましい。少なくともプロペラガード４１，４２，４３，４４の上下の面に格子状に配置されているスポークは熱伝導素材からなっていることが望ましい。

ドローンの前後に位置するプロペラ相互の間隔に対して左右に位置するプロペラ相互の間隔は広くなっている。すなわち、ドローンの左右に位置するプロペラ１０１−４ａ、１０１−４ｂとプロペラ１０１−２ａ、１０１−２ｂとの間隔およびプロペラ１０１−３ａ、１０１−３ｂとプロペラ１０１−１ａ、１０１−１ｂとの間隔は広くなっている。これらのプロペラガード４４と４２および４３，４１は互いに離間している。

［胴体］
平面視において、４組の各プロペラ１０１−１ａ、１０１−１ｂと、１０１−２ａ、１０１−２ｂと、１０１−３ａ、１０１−３ｂおよび１０１−４ａ、１０１−４ｂの回転中心を結ぶ線は横長の長方形になっている。前後に並ぶ左側のプロペラガード４３，４４と、前後に並ぶ右側のプロペラガード４１，４２との間には空間がある。すなわち上記空間は複数の上記プロペラ１０１−１ａ〜１０１−４ｂで囲まれる空間である。上記空間の内側に、上側の支持アーム１０，１１，１２および下側の支持アーム２０，２１，２２とで立体空間が画されている。

上側の支持アーム１０，１１，１２を有してなる上側のフレームおよび下側の支持アーム２０，２１，２２を有してなる下側のフレームは前述の通り平面視で台形状に形成されている。したがって、前記立体空間は、所定の間隔をおいて一体に結合された上下一対のフレームによって台形状の立体空間になっている。この立体空間は前記各プロペラの回転領域から離れていて各プロペラの回転による振動が伝わりにくい制振エリアである。制振アリアである上記台形状の立体空間に、電源バッテリー、制御部、モーター駆動回路、飛行制御用センサーなどを搭載した胴体５０が配置されている。

胴体５０は、扁平な皿状の底板５１と、底板５１の上に被せられたカバー５２を有してなる。底板５１およびカバー５２は、アルミニウム合金または炭素繊維複合材などの熱伝導体からなる。底板５１とカバー５２で囲まれた内部空間が、電源バッテリー、モーター駆動回路、制御回路、飛行制御用センサーなどの内蔵部品を組み込む部品搭載部になっている。胴体５０は、前後方向に長く、進行方向前端の平面形状は半円形である。

胴体５０は、左右の前記プロペラおよび左右のプロペラガード４１，４２と４３，４４との間に生じている空間に、かつ、上下の補強梁１３，２３の間に配置されている。胴体５０を構成する底板５１は、その底面が、下側の補強梁２３に結合部材を介して結合されている。上記結合部材は熱伝導性の良好な素材からなる板状の部材で、補強梁２３をほぼ半周にわたって抱え込むとともに、両側縁部が底板５１の底面に面接触した状態で締結されている。

胴体５０を構成するカバー５２は上側の補強梁１３に結合部材５９を介して結合されている。結合部材５９も熱伝導性の良好な素材からなる板状の部材で、補強梁１３をほぼ半周にわたって巻き込むとともに、両側縁部がカバー５２の上面に面接触した状態で締結されている。

図９は、胴体５０内の部品搭載部における部品配置の概要を示す。胴体５０内の後ろ側（図９において斜め右下側）の約半分の空間５６は、上下の補強梁１３，２３に近く、冷却効果の高い空間になっている。この空間５６は上下に層状に区分されていて、上層部分にはバッテリー装着空間１５３が設けられている。バッテリー装着空間１５３には、二次バッテリーすなわち充電可能なバッテリー５５を２個平行に並べて配置できるように、バッテリー受け部材１５２と、２個のバッテリー締め具１５４を備えている。

飛行体の運用時は、バッテリー装着空間１５３に２個のバッテリー５５が装填される。一方のバッテリーがメインのバッテリーであって通常の稼働時に使用され、他方のバッテリーは予備のバッテリーである。メインのバッテリーの使用中に、メインのバッテリーの蓄電容量が少なくなった場合、あるいはメインのバッテリーに不具合が生じた場合は、予備のバッテリーに切り替えて飛行を継続させるとともに、後で説明する退避行動をとらせる。このように、２個のバッテリー５５を装着することにより、電源系統にいわゆる冗長性を持たせ、電源のトラブルが発生した場合に適切な処理を行って、致命的なトラブルに発展することを回避する。

図９は１個のバッテリー５５のみが装填されている状態を示す。バッテリー５５も発熱部品の一つであり、冷却効果の高い上記空間５６にバッテリー５５を装填して、バッテリー５５の温度上昇を抑制するように工夫されている。

バッテリー５５自体が機械的強度および剛性の高い部品であり、バッテリー５５をバッテリー締め具１５４によって強固に締め付けて装着することにより、胴体５０の強度および剛性を高める補強部品として機能させている。また、バッテリー５５は、重量の重い部品であって制振性があるため、バッテリー５５を胴体５０に装着することにより、バッテリー５５を制振部品として機能させている。

バッテリー５５を胴体５０の補強部品および制振部品として機能させるために、バッテリー受け部材１５２、バッテリー締め具１５４およびバッテリー装着空間１５３を構成する部品の機械的強度および剛性も高められている。よって、バッテリー５５のみでなく、バッテリー受け部材１５２、バッテリー締め具１５４およびバッテリー装着空間１５３の構成部品も、胴体５０の補強部品および制振部品として機能している。

胴体５０は、前述の制振エリアに取り付けられていて、もともと各プロペラの回転による振動の影響を受けにくい位置に配置されている。これに加えて、バッテリー受け部材１５２、バッテリー締め具１５４およびバッテリー装着空間１５３の構成部品を、胴体５０の制振部品として機能させることにより、胴体５０の制振効果をさらに高めることができる。

前記カバー５２の後ろ側の約半分は、バッテリー装着空間１５３にバッテリー５５を着脱することができるように、開閉可能な蓋になっている。上側のフレームの補強梁１３は、上記蓋の開閉を可能にするために、下側のフレームの補強梁２３よりも前側に位置をずらして設けられている。

前記空間５６には、バッテリー装着空間１５３の下側の層に、発熱部品の実装基板が前記底板５１に面接触させて配置されている。前記実装基板には、前記モーターの回転速度制御部品（ＥＳＣ：Electronic Speed Control）や、降圧分電機が実装される。降圧分電機は、バッテリー５５から供給される直流電源を、前記モーターの駆動電圧や制御回路の駆動電圧に適した電圧に降圧して分配する。上記ＥＳＣや降圧分電機は高熱を発する。

胴体５０の底板５１には、前記空間５６よりも前側において適宜数の回路基板５８が配置されている。これらの回路基板５８には、フライトコントローラーなどの制御回路、各種センサー類からの信号の処理回路、通信回路などからなるドローンの制御部が実装されている。

バッテリー装着空間１５３を構成する前記バッテリー受け部材１５２の裏面すなわち下面側には、ドローンの加速度を測定し、さらに、加速度の積分により速度を計算する手段である６軸ジャイロセンサーが配置されている。６軸ジャイロセンサーは、互いに直交する３つの軸方向における加速度をそれぞれ検出する加速度センサーと、上記３つの軸を中心とする回転、例えばピッチング、ローリングおよびヨーイングの角速度をそれぞれ検出する角速度センサーを有している。

６軸ジャイロセンサーは、ドローンの機体の姿勢を検出し、この検出信号によってドローンの機体の姿勢を制御するもので、飛行制御用センサーの一つである。

胴体５０は前述のように制振エリアに配置されるとともに、バッテリー受け部材１５２、バッテリー締め具１５４などを制振部品として機能させることにより、胴体５０がプロペラの回転による振動の影響を受けにくい構造になっている。したがって、胴体５０に配置した６軸ジャイロセンサーなどの飛行制御用センサーはプロペラの回転による振動の影響を受けにくく、上記センサーの検出精度を高く維持することができる。上記センサーの検出精度が高いことにより飛行制御の精度を高く維持することができる。

バッテリー装着空間１５３に２個のバッテリー５５を装填した状態でのドローンの重心位置は、平面方向から見てすなわちドローンを上方から見て２個のバッテリー５５の間にある。また、ドローンの上下方向における重心位置は、重量の重いバッテリー５５を装着することによって、比較的下の位置にある。一方、４組のモーターの回転制御によるドローンの姿勢制御の回転中心Ｐは、平面方向から見て、図２に示すように対角位置にあるモーターの中心を結ぶ線の交差位置、上下方向では、図３に示すように上下のモーターの離間距離の中央位置にある。

４組のモーターの回転により生じる揚力の水平線すなわち姿勢制御の回転中心Ｐを含む水平線は、ドローンの重心位置よりも上側または重心位置と同じ高さにある。換言すれば、固定重量物であるバッテリー５５を配置することによって、ドローンの重心が上記回転中心Ｐよりも下または回転中心Ｐと同じ高さに位置する構成になっている。

ドローンの重心位置と揚力発生の水平線の位置関係を上記のように設定することにより、ドローンの姿勢の安定性と、姿勢制御に必要なエネルギーの省力化を図ることができる。

胴体５０の下方には、胴体５０の下面との間に空間７０をおいて薬剤タンク１０４が配置されている。薬剤タンク１０４は散布する薬剤を収容するものであり、薬剤は圃場の上を飛行しながら散布されるものであるから、薬剤タンク１０４は変動重量物である。変動重量物である薬剤タンク１０４は、ドローンの重心位置よりもさらに下方に配置されていて、重量の変動がドローンの姿勢制御に与える影響が少なくなるように考慮されている。

［ＧＰＳセンサー］
前記上側のフレームを構成する二つの第２支持アーム１１，１２には、ＧＰＳセンサー６０，６０が上向きに取り付けられている。ＧＰＳセンサー６０，６０は、例えば高精度位置検知機アンテナおよび高精度位置検知機モジュールにより構成されている。ＧＰＳセンサー６０，６０は、ドローンの絶対位置を計測し、計測した位置が例えばプログラム通りの位置であるかどうかを判定し、位置がずれていれば正しい位置になるように前記各駆動モーターの回転を制御する。

機体の位置を高精度で検出する高精度位置検知機モジュールなどを含むＧＰＳセンサー６０，６０は、前記姿勢制御のための６軸ジャイロセンサーと並ぶ、飛行制御用センサーの一つである。

ＧＰＳセンサー６０，６０が振動すると、ドローンの絶対位置計測精度が低下し、位置制御の制度も低下する。そこで図示の実施例では、ＧＰＳセンサー６０，６０が、振動源である前記各駆動モーターの振動の影響を受けないように、前記各駆動モーターから最大限離れた位置である前記第２支持アーム１１，１２の長さ方向のほぼ中央部に設置されている。

上記ＧＰＳセンサー６０，６０の設置位置は、平面方向から見てそれぞれ前後のプロペラガード４１，４２の間と、プロペラガード４３，４４の間にある。また、ＧＰＳセンサー６０，６０は上下のフレームを結合する柱３０，３０の近傍にあって、第２支持アーム１１，１２が振動しにくい位置にある。よって、ＧＰＳセンサー６０，６０は前記各駆動モーターの振動の影響を受けにくく、ドローンの位置を高い精度で計測することができる。

［フレームの冷却効果］
以上説明した飛行体およびそのフレームの構成によれば、以下のような冷却効果を得ることができる。

胴体５０には、モーターの回転制御部品や分電機といった発熱部品を含む部品が搭載されている。胴体５０を構成する底板５１、カバー５２は熱伝導素材からなり、前記発熱部品から発せられる熱は胴体５０に伝達されて放散される。したがって、胴体５０は、発熱部品で生じた熱を放散する主要な部分になっている。

さらに、胴体５０の底板５１は熱伝導素材からなる下側のフレームの補強梁２３に結合され、補強梁２３はさらに第２支持アーム２１，２２に結合されている。胴体５０のカバー５２も、熱伝導素材からなる上側のフレームの補強梁１３に結合され、補強梁１３は第２支持アーム１１，１２に結合されている。このように、内蔵部品で生じる熱が、胴体５０からフレームに伝達されやすい構造になっていて、胴体５０による熱放散が不足しているとしても、フレームが熱放散を補う構造になっている。

胴体５０は、その左右に位置している前後一対のプロペラによって囲まれている。各プロペラが回転駆動されると、胴体５０の左右両側面に沿って空気の下降流が生じる。空気の下降流は、胴体５０の左右両側面と前後のプロペラガードで画される平面方向から見たほぼ三角形状の空間を比較的高速で流れる。本実施例は、４か所のプロペラがそれぞれ上下２段構成になっており、一段構成のプロペラよりも、下降流が集中的にかつ強い下降流が生じることがわかっている。

以上説明したように、本実施例において二段構成のプロペラによって集中的に、かつ、高速度で生じる下降流の流路に、胴体５０の両側面およびフレームの一部が位置している。より具体的には、胴体５０の両側面に沿って下降流が流れ、第１支持アーム１０，２０の両端部、第２支持アーム１１，１２，２１，２２のほぼ全体、補強梁１３，２３の両端部が下降流の流路を横切っている。そのため、胴体５０自体および胴体５０からフレームに伝達される熱が効果的に放散され、搭載部品の温度上昇が抑制される。

［ドローンの使用例］
図１０に本願発明に係るドローン１００の薬剤散布用途の実施例を使用したシステムの全体概念図を模式的に示す。操縦器４０１は、使用者４０２の操作によりドローン１００に指令を送信し、また、ドローン１００から受信した情報、例えば、位置、薬剤量、バッテリー残量、カメラ映像等の情報を表示することができる。操縦器４０１は、コンピューター・プログラムを稼働する一般的なタブレット端末等の携帯情報機器によって実現されてよい。

本実施例に係るドローン１００は、自律飛行を行なうように制御されるものであるが、離陸や帰還などの基本操作時、および、緊急時にはマニュアル操作が行なえるようになっていることが望ましい。携帯情報機器に加えて、緊急停止専用の機能を有する非常用操作機を使用してもよい。非常用操作機は緊急時に迅速に対応が取れるように、大型の緊急停止ボタン等を備えた専用機器であることが望ましい。操縦器４０１とドローン１００はＷｉ−Ｆｉ等による無線通信を行なうことが望ましい。

圃場４０３は、ドローン１００による薬剤散布の対象となる田圃や畑等である。実際には、圃場４０３の地形は複雑であり、事前に地形図が入手できない場合、あるいは、地形図と現場の状況が食い違っている場合がある。通常、圃場４０３は家屋、病院、学校、他作物圃場、道路、鉄道等と隣接している。また、圃場４０３内に、建築物や電線等の障害物が存在する場合もある。

基地局４０４は、Ｗｉ−Ｆｉ通信の親機機能等を提供する装置であり、高精度位置検知機の基地局としても機能し、ドローン１００の正確な位置を提供できるようにすることが望ましい。Ｗｉ−Ｆｉ通信の親機機能と高精度位置検知機の基地局が独立した装置であってもよい。営農クラウド４０５は、典型的にはクラウドサービス上で運営されているコンピューター群と関連ソフトウェアであり、操縦器４０１と携帯電話回線等で無線接続されていることが望ましい。

営農クラウド４０５は、ドローン１００が撮影した圃場４０３の画像を分析し、作物の生育状況を把握して、飛行ルートを決定するための処理を行なってよい。営農クラウド４０５は、保存していた圃場４０３の地形情報等をドローン１００に提供することができ、加えて、ドローン１００の飛行および撮影映像の履歴を蓄積し、様々な分析処理を行なってもよい。

通常、ドローン１００は圃場４０３の外部にある発着地点４０６から離陸し、圃場４０３に薬剤を散布した後に、あるいは、薬剤補充や充電等が必要になった時に発着地点４０６に帰還する。発着地点４０６から目的の圃場４０３に至るまでの飛行経路（侵入経路ともいえる）は、営農クラウド４０５等で事前に保存されていてもよいし、使用者４０２が離陸開始前に入力してもよい。

［ドローンの制御系統］
図１１は、本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の制御機能を表したブロック図である。フライトコントローラー５０１は、ドローン全体の制御を司る構成要素であり、具体的にはＣＰＵ、メモリー、関連ソフトウェア等を含む組み込み型コンピューターであってよい。フライトコントローラー５０１は、操縦器４０１から受信した入力情報、および、後述の各種センサーから得た入力情報に基づき、ＥＳＣ（Electronic Speed Control）等の制御手段を介して、モーター１０２−１ａ、１０２−１ｂ、１０２−２ａ、１０２−２ｂ、１０２−３ａ、１０２−３ｂ、１０２−４ａ、１０２―４ｂの回転数を制御して、ドローン１００の飛行を制御する。

上記各モーターの実際の回転数はフライトコントローラー５０１にフィードバックされ、正常な回転が行なわれているかを監視できる構成になっている。プロペラに光学センサー等を設けてプロペラの回転数がフライトコントローラー５０１にフィードバックされる構成でもよい。

フライトコントローラー５０１が使用するソフトウェアは、機能拡張・変更、問題修正等のために記憶媒体等を通じて、または、Ｗｉ−Ｆｉ通信やＵＳＢ等の通信手段を通じて書き換え可能になっていることが望ましい。不正なソフトウェアによる書き換えが行なわれないように、暗号化、チェックサム、電子署名、ウィルスチェックソフト等による保護を行なうことが望ましい。

また、フライトコントローラー５０１が制御に使用する計算処理の一部が、操縦器４０１上、または、営農クラウド４０５上や他の場所に存在する別のコンピューターによって実行されてもよい。フライトコントローラー５０１はドローンの中核をなす重要度の高い部分であり、その構成要素の一部または全部が二重化されていることが望ましい。

バッテリー５５は、フライトコントローラー５０１およびドローンのその他の構成要素への電力供給源であり、充電式であることが望ましい。バッテリー５５はヒューズ、または、サーキットブレーカー等を含む電源ユニットを介してフライトコントローラー５０１に接続されている。バッテリー５５は電力供給機能に加えて、その内部状態すなわち蓄電量、積算使用時間等をフライトコントローラー５０１に伝達する機能を有するスマートバッテリーであることが望ましい。

フライトコントローラー５０１は、Ｗｉ−Ｆｉ子機機能５０３を介して、さらに、基地局４０４を介して操縦器４０１とやり取りを行ない、必要な指令を操縦器４０１から受信し、必要な情報を操縦器４０１に送信することができる。通信には暗号化を施し、傍受、成り済まし、機器の乗っ取り等の不正行為を防止できるようにしておくとよい。

基地局４０４は、Ｗｉ−Ｆｉによる通信機能に加えて、ＲＴＫ−ＧＰＳ基地局の機能も備えていることが望ましい。ＲＴＫ基地局の信号とＧＰＳ測位衛星からの信号を組み合わせることで、ＧＰＳモジュール５０４により、ドローン１００の絶対位置を数センチメートル程度の精度で測定可能となる。ＧＰＳモジュール５０４は重要性が高いため、二重化・多重化しておくことが望ましい。また、特定のＧＰＳ衛星の障害に対応するため、冗長化されたそれぞれのＧＰＳモジュール５０４は別の衛星を使用するよう制御することが望ましい。

６軸ジャイロセンサー５０５は、ドローン機体の互いに直交する３軸方向における加速度を測定する手段、加速度の積分により速度を計算する手段、さらに、上記３軸を中心として回転の角速度を検出する手段である。地磁気センサー５０６は、地磁気の測定によりドローン機体の方向を測定する手段である。気圧センサー５０７は、気圧を測定する手段であり、間接的にドローンの高度も測定することもできる。レーザーセンサー５０８は、レーザー光の反射を利用してドローン機体と地表との距離を測定する手段であり、赤外線（ＩＲ）レーザーを使用することが望ましい。ソナー５０９は、超音波等の音波の反射を利用してドローン機体と地表との距離を測定する手段である。

これらのセンサー類は、ドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよい。また、機体の傾きを測定するためのジャイロセンサー（角速度センサー）、風力を測定するための風力センサーなどが追加されていてもよい。また、これらのセンサー類は、二重化または多重化されていることが望ましい。同一目的の複数のセンサーが存在する場合には、フライトコントローラー５０１はそのうちの一つのみを使用し、それが障害を起こした際には、代替のセンサーに切り替えて使用するようにしてもよい。あるいは、複数のセンサーを同時に使用し、それぞれの測定結果が一致しない場合には障害が発生したと見なすようにしてもよい。

流量センサー５１０は薬剤の流量を測定するための手段であり、薬剤タンク１０４から薬剤ノズル１０３に至る経路の複数の場所に設けられていることが望ましい。液切れセンサー５１１は薬剤の量が所定の量以下になったことを検知するセンサーである。マルチスペクトルカメラ５１２は圃場４０３を撮影し、画像分析のためのデータを取得する手段である。障害物検知カメラ５１３はドローン障害物を検知するためのカメラであり、画像特性とレンズの向きがマルチスペクトルカメラ５１２とは異なるため、マルチスペクトルカメラ５１２とは別に装着されている。

スイッチ５１４はドローン１００の使用者４０２が様々な設定を行なうための手段である。障害物接触センサー５１５はドローン１００、特に、そのローターやプロペラガード部分が電線、建築物、人体、立木、鳥、または他のドローン等の障害物に接触したことを検知するためのセンサーである。カバーセンサー５１６は、ドローン１００の操作パネルや内部保守用のカバーが開放状態であることを検知するセンサーである。薬剤注入口センサー５１７は薬剤タンク１０４の注入口が開放状態であることを検知するセンサーである。

これらのセンサー類は、二重化・多重化してもよい。また、外部の基地局４０４、操縦器４０１、またはその他の場所にセンサーを設けて、読み取った情報をドローンに送信してもよい。例えば、基地局４０４に風力センサーを設け、風力・風向に関する情報をＷｉ−Ｆｉ通信経由でドローン１００に送信するようにしてもよい。

フライトコントローラー５０１はポンプ１０６に対して制御信号を送信し、薬剤吐出量の調整や薬剤吐出の停止を行なう。ポンプ１０６の現時点の状況、例えば、回転数等は、フライトコントローラー５０１にフィードバックされる構成となっていることが望ましい。

ＬＥＤ１０７は、ドローンの操作者に対して、ドローンの状態を知らせるための表示手段である。ＬＥＤに替えて、または、それに加えて液晶ディスプレイ等の表示手段を使用してもよい。ブザー５１８は、音声信号によりドローンの状態、特にエラー状態を知らせるための出力手段である。Ｗｉ−Ｆｉ子機機能５１９は操縦器４０１とは別に、例えば、ソフトウェアの転送などのために外部のコンピューター等と通信するためのオプショナルな構成要素である。

Ｗｉ−Ｆｉ子機機能に替えて、または、それに加えて、赤外線通信、Bluetooth（登録商標）、ZigBee（登録商標）、ＮＦＣ等の他の無線通信手段、または、ＵＳＢ接続などの有線通信手段を使用してもよい。スピーカー５２０は、録音した人声や合成音声等により、ドローンの状態、特にエラー状態を知らせる出力手段である。天候状態によっては飛行中のドローン１００の視覚的表示が見にくいことがあるため、そのような場合には音声による状況伝達が有効である。警告灯５２１はドローンの状態、特にエラー状態を知らせるストロボライト等の表示手段である。これらの入出力手段は、ドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよく、二重化・多重化してもよい。

［弛緩センサー］
図１１に示すように、前述の各種センサーに加えて、弛緩センサー５３０が搭載されていて、弛緩センサー５３０の検出信号がフライトコントローラー５０１に入力されるように構成されている。弛緩センサー５３０は、前記第１支持アーム１０，２０、第２支持アーム１１，１２，２１，２２を有してなるフレームを主体とする機体の構造部品の緩みやがたつきを検出するセンサーである。

弛緩センサー５３０として、例えば、マイクロホンを利用することができる。機体の構造部品に緩みやがたつきなどがない正常な状態と、緩みやがたつきなどが生じている場合とでは、プロペラが回転駆動されているときに発せられる音乃至は騒音に違いが生じる。正常時と異常時の音乃至は騒音の違いは、主として周波数の違いであったり、異常時のみに生じる異音であったりする。そこで、ドローンの騒音を検出するマイクロホンをドローンに装着しておき、マイクロホンで電気音響変換された検出信号を処理して異常を検出する。

マイクロホンの出力信号を周波数帯域ごとにフィルタ処理し、特定の周波数帯域に異常がみられる場合は、機体に緩みやがたつきが生じているものと判断することができる。あるいは正常時の検出信号と対比し、正常時には表れない異常な信号が検出された場合も、機体に緩みやがたつきが生じているものと判断することができる。マイクロホンの出力信号による機体の緩みやがたつきの判断手法は、これらの手法に限らず、他の手法を用いてもよい。

ドローンの機体に弛緩がみられる場合、ドローンに装着されている加速度センサーの出力信号に異常が生じる。そこで、弛緩センサー５３０として、加速度センサーを用いてもよい。加速度センサーは、機体の弛緩検出専用のものとして装着してもよいし、前記６軸ジャイロセンサー５０５を弛緩センサー５３０として兼用させてもよい。６軸ジャイロセンサー５０５を弛緩センサー５３０として兼用させる場合、６軸ジャイロセンサー５０５の加速度センサーはもちろん、角速度センサーも弛緩センサー５３０として兼用させることができる。

弛緩センサー５３０の装着位置は任意であるが、機体の緩みやがたつきなどを効果的に検出することができる位置であることが望ましい。既に説明した実施例に係るドローンの機体は、第１、第２の支持アームを有するフレームが上下に対をなし、上下のフレームが柱によって結合されている。上下に対をなすフレームはそれぞれ補強梁を有することにより台形状の立体空間を構成している。この台形状の立体空間の内側に弛緩センサー５３０が配置されている。より具体的には、上記台形状の立体空間には胴体５０が配置されており、この胴体５０内に弛緩センサー５３０が搭載されている。

６軸ジャイロセンサー５０５が弛緩センサー５３０を兼用する場合、既に説明したように、胴体５０内に６軸ジャイロセンサー５０５が配置される。胴体５０内には、前記バッテリー５５、バッテリー受け部材１５２、バッテリー締め具１５４などの振動抑制部品を含む部品を搭載する部品搭載部が配置されている。部品搭載部は上下方向に層をなしており、前記振動抑制部品が装着されている層の下の層に前記６軸センサーが配置されている。したがって、６軸ジャイロセンサー５０５が前記弛緩センサーを兼ねている場合、この弛緩センサーは、胴体５０内に、かつ、振動抑制部品の装着部の下側に搭載されている。

［退避行動］
前記フレームを有してなるドローンの機体の構造部品に緩みやがたつきが生じると、機体が異音を発生する。異音は、正常な状態とは異なる周波数帯の音であったり、突発的に、あるいは不規則的に発生する音であったりする。この異音を、前記マイクロホンや加速度センサーなどからなる弛緩センサー５３０（図１１参照）が検出し、異常信号を出力する。フライトコントローラー５０１は、弛緩センサー５３０から異常検出信号が入力されると、前記ＥＳＣを介して前記各プロペラ駆動モーター１０２−１ａ〜１０２−４ｂの回転を制御してドローンに退避行動を行わせる。

退避行動は緊急帰還、緊急着陸または緊急停止のいずれかであり、フライトコントローラー５０１は異音の程度すなわち弛緩センサー５３０の異常検出信号強度に応じて上記いずれかの退避行動を行わせる。異音が比較的軽微であれば緊急帰還、異音が中程度であれば緊急着陸、異音の強度が高い場合は緊急停止させる。緊急帰還とは、例えば離陸した元の位置に戻って着陸することである。緊急着陸とはその場で着陸させることである。緊急停止とは、すべてのプロペラ駆動モーターを停止させ、その場で墜落させることである。ドローンが制御制御不能になるよりも、墜落させる方が安全であるからである。

退避行動の一つとして、一旦ホバリングを行わせ、ホバリング中に弛緩センサー５３０による異常検出信号が消滅した場合は通常の稼働状態に復帰させるようにしてもよい。ホバリング中も弛緩センサー５３０から異常検出信号が出力される場合は、異常検出信号強度に応じて、緊急帰還、緊急着陸または緊急停止のいずれかを行わせる。

退避行動をとらせる場合、フライトコントローラー５０１は、ポンプ１０６を停止させて薬剤の散布を停止させる。また、フライトコントローラー５０１は、ＬＥＤ５１７や警告灯５２１を作動させて、緊急事態を視覚的に表示し、ブザー５１８やスピーカー５２０を作動させて、緊急事態を音響的に表示してもよい。

以上説明したように、本発明に係る飛行体の実施例によれば、飛行体として必要な制御部を内蔵した胴体５０の配置位置を工夫したことにより、胴体５０の振動を低減することができる。胴体５０には飛行制御用センサーが搭載されており、胴体５０の振動を低減することによって飛行制御用センサーの振動を低減し、センサー出力の精度を高めることができる。よって、飛行制御の精度を高めることができる。

以上、本説明の実施例として、農業用薬剤散布ドローンを例に挙げて説明したが、本発明の技術的思想はこれに限られるものではなく、ドローン全般に適用可能である。

１０ 第１支持アーム
１１ 第２支持アーム
１２ 第２支持アーム
１３ 補強梁
２０ 第１支持アーム
２１ 第２支持アーム
２２ 第２支持アーム
２３ 補強梁
５０ 胴体
５１ 底板
６０ ＧＰＳセンサー
１５２ バッテリー受け部材
１５３ バッテリー装着空間
５３０ 弛緩センサー

Claims (16)

1. 複数のプロペラを個別に回転駆動する複数のプロペラ駆動モーターと、前記複数のプロペラ駆動モーターを支持する複数の支持アームが結合されてなるフレームと、を有する飛行体であって、
   前記複数の支持アームは、それぞれの先端部において前記プロペラ駆動モーターを支持するとともに、上側の支持アームと下側の支持アームとを有してなり、
   前記複数のプロペラで囲まれる空間の内側において前記上側の支持アームおよび前記下側の支持アームとで立体空間が画されており、
   前記立体空間に制御部を搭載した胴体が取り付けられている飛行体。
2. 前記上側の支持アームおよび前記下側の支持アームはそれぞれ、両端部において前記プロペラ駆動モーターを支持する一つの第１支持アームと、前記第１支持アームの長さ方向の途中から斜めに対称形に伸びて前記第１支持アームで支持されているプロペラ駆動モーターとは別のプロペラ駆動モーターを先端部で支持する二つの第２支持アームと、前記二つの第２支持アームを長さ方向の途中位置で連結する補強梁とを有し、前記二つの第２支持アームはそれぞれの先端部が広がる方向に前記第１支持アームから延びていて台形状の前記フレームを構成している請求項１記載の飛行体。
3. 前記台形状のフレームが上下に対をなし、上下の前記フレームが所定の間隔をおいて一体に結合され、前記立体空間は台形状の立体空間である請求項２記載の飛行体。
4. 前記胴体内には、重量がありかつ機械的強度の高い部品が制振部品として装着されている請求項１、２または３記載の飛行体。
5. 前記制振部品は、バッテリーである請求項４記載の飛行体。
6. 前記胴体内には、前記バッテリーを装填するバッテリー受け部材が設けられている請求項５記載の飛行体。
7. 前記バッテリー受け部材は、前記バッテリーとともに前記胴体の制振部品となっている請求項６記載の飛行体。
8. 前記バッテリー受け部材は、前記バッテリーとともに前記胴体の補強部品となっている請求項６記載の飛行体。
9. 前記胴体内には、飛行制御用センサーが搭載されている請求項１乃至８のいずれかに記載の飛行体。
10. 前記飛行制御用センサーは、機体の姿勢を制御するための６軸センサーを含む請求項９記載の飛行体。
11. 前記飛行制御用センサーは、機体の位置を高精度で検出する高精度位置検知機を含む請求項９または１０記載の飛行体。
12. 前記バッテリーは、上下方向に層をなす装着部の上層に搭載されている請求項５記載の飛行体。
13. 前記フレームを構成する前記二つの第２支持アームの前記補強梁の近傍に機体の位置を検出する高精度位置検知機が搭載されている請求項２記載の飛行体。
14. 前記複数のプロペラの回転駆動によって生じる揚力の中心よりも下または前記揚力の中心と同じ高さに前記バッテリーが装着される請求項１２記載の飛行体。
15. 固定重量物としての前記バッテリーよりも下に変動重量物を収納する容器が搭載されている請求項１４記載の飛行体。
16. 前記変動重量物は散布に供する薬剤であり、前記容器は薬剤タンクである請求項１５記載の飛行体。
    

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