JP6913980B2 - Aircraft and frame of air vehicle - Google Patents
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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および飛行体のフレームに関するもので、特にフレームを利用した冷却構造に関するものである。 The present invention relates to a flying object represented by what is generally called a drone and a frame of the flying object, and particularly to a cooling structure using the frame.
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。 Aircraft with multiple propellers called drones, especially unmanned aerial vehicles, are being applied in the industrial field. Agricultural drones that spray pesticides and chemicals such as liquid fertilizer on fields are one of the fields of application.
産業用ドローンは、様々な環境条件の下で使用されることを想定して、プロペラの回転駆動用モーター、その駆動および制御回路、駆動電源であるバッテリーその他の構成部品が、防水、防塵のために閉鎖された空間に配置される。したがって、モーターをはじめとする構成部品から発せられる熱が閉鎖空間にこもって温度が上昇し、前記構成部品が過熱しやすい構造になっている。 Assuming that industrial drones will be used under various environmental conditions, the propeller's rotary drive motor, its drive and control circuits, the battery that is the drive power source, and other components are waterproof and dustproof. It is placed in a closed space. Therefore, the heat generated from the components such as the motor is trapped in the closed space and the temperature rises, so that the components are easily overheated.
農業用ドローンなどの産業用ドローンは、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型のドローンが用いられ、これに荷物の荷重が加わるため、重量が重くなる。重量の重いドローンは、安全性の観点から速度が制限され、低速で飛行する。低速で飛行するドローンは空冷効果が乏しく、前記産業用ドローンのように構成部品の温度が上昇しやすい構造になっていると、冷却のための工夫が求められる。 Industrial drones such as agricultural drones carry luggage such as chemicals, so relatively large drones are used so that they can generate thrust that can withstand the load of the luggage, and the load of the luggage is added to this. Therefore, the weight becomes heavy. Heavy drones are speed limited for safety reasons and fly at low speeds. A drone that flies at a low speed has a poor air-cooling effect, and if it has a structure in which the temperature of components tends to rise like the industrial drone, it is necessary to devise a cooling method.
特許文献1に飛行体の冷却システムが記載されている。この冷却システムは、熱制御対象の放熱面にヒートシンクを設けて、熱の放散を促進するもので、ドローンを想定したものではない。 Patent Document 1 describes a cooling system for an air vehicle. In this cooling system, a heat sink is provided on the heat radiating surface to be heat-controlled to promote heat dissipation, and it is not intended for a drone.
ドローンにおいても、冷却のためにヒートシンクやフィンを設け、その他、排熱ダクト、ディフーザーなどを用いることが考えられる。しかし、冷却のために上に記したような部品を付加すると、その分、ドローンの重量が増えることになり、構造も複雑になる。ドローン本来の構造自体が放熱を促進するのに適した構造になっていることが望ましい。 In the drone, it is conceivable to provide a heat sink and fins for cooling, and to use a heat exhaust duct, a diffuser, and the like. However, if the above-mentioned parts are added for cooling, the weight of the drone will increase and the structure will become complicated. It is desirable that the original structure of the drone itself has a structure suitable for promoting heat dissipation.
また、ドローンのフレーム構造に放熱性、さらには制振性があり、軽量化と強度確保を両立させ、さらには飛行時の姿勢を安定化させることができれば理想的である。 In addition, it would be ideal if the frame structure of the drone has heat dissipation and vibration damping properties, and it is possible to achieve both weight reduction and strength assurance, and to stabilize the attitude during flight.
本願発明の解決課題に関連し、あるいは、本願発明の構成に関連のある技術を開示する文献として、特許文献2、特許文献3がある。 Patent Document 2 and Patent Document 3 are documents that disclose techniques related to the problem to be solved by the present invention or related to the constitution of the present invention.
特許文献2記載の発明は、ドローン用飛行安全フレームに関するもので、壁枠、クロスビーム並びに支持脚がすべて繊維強化プラスチックの管材からなっている。前記安全フレームは、ドローン自体およびドローンが接触した場合の対象物の安全を確保するために、ドローンの機体に付加されるものである。したがって、前記安全フレームとは別にドローンの機体がある。 The invention described in Patent Document 2 relates to a flight safety frame for a drone, and the wall frame, the cross beam, and the support legs are all made of fiber reinforced plastic pipe material. The safety frame is added to the drone's airframe to ensure the safety of the drone itself and the object in the event of contact with the drone. Therefore, there is a drone aircraft in addition to the safety frame.
特許文献3記載の発明は、無人飛行体において、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を解決課題とするものである。具体的には、計測ユニットを構成するレーザースキャナを支持する一対の支持フレームと、一対の支持フレーム同士を連結して飛行ユニットに取り付ける一対の連結フレームを有する。レーザースキャナと支持フレームとの間、支持フレームと連結フレームとの間には、それぞれ剛性の異なる繊維強化樹脂製のプレートが介在している。 The invention described in Patent Document 3 has an object to be solved in an unmanned airframe, to reduce the vibration from the airframe in flight toward the measuring device. Specifically, it has a pair of support frames that support the laser scanner that constitutes the measurement unit, and a pair of connecting frames that connect the pair of support frames to each other and attach them to the flight unit. A plate made of fiber reinforced resin having different rigidity is interposed between the laser scanner and the support frame, and between the support frame and the connecting frame.
特許文献1に記載されている冷却システムは、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を有するドローンのような飛行体を想定しておらず、ドローンの冷却システムに適用することはできない。 The cooling system described in Patent Document 1 does not assume an air vehicle such as a drone having a plurality of propeller drive motors for individually rotating and driving a plurality of propellers, and is not applicable to a drone cooling system. Can not.
特許文献2および特許文献3には、飛行体の発熱部品から発せられる熱を放散するための構造に関しては記載されていない。 Patent Document 2 and Patent Document 3 do not describe a structure for dissipating heat generated from a heat generating component of an air vehicle.
本発明は、飛行体自体の構造を放熱に適した構造にすることにより、放熱のための付加部品を不要にした飛行体および飛行体のフレームを得ることを目的とする。 An object of the present invention is to obtain an air vehicle and a frame of the air vehicle that do not require additional parts for heat radiation by making the structure of the air vehicle itself suitable for heat dissipation.
本発明は、
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を有する飛行体であって、
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、
熱伝導体からなり発熱部品を含む内蔵部品を支持し前記フレームに結合されている内蔵部品支持体と、
を有することを最も主要な特徴とする。The present invention
An air vehicle having a plurality of propeller drive motors for individually rotating and driving a plurality of propellers.
A frame formed by combining a plurality of support arms that support the plurality of propeller drive motors,
A built-in component support that is composed of a thermal conductor and supports internal components including heat-generating components and is coupled to the frame.
The most important feature is to have.
本発明によれば、発熱部品が発する熱は、熱伝導体からなる内蔵部品支持体に伝わって放熱され、さらにフレームに伝わって放熱されるため、放熱効果が高く、内蔵部品を高熱から保護することができる。 According to the present invention, the heat generated by the heat-generating component is transmitted to the built-in component support made of a heat conductor to dissipate heat, and further transmitted to the frame to dissipate heat, so that the heat dissipation effect is high and the built-in component is protected from high heat. be able to.
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る。なお、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。 Hereinafter, embodiments of an air vehicle (hereinafter referred to as “drone”) according to the present invention will be described with reference to the drawings. All figures are illustrations. In addition, in this specification, a drone refers to a general vehicle body having a plurality of rotor blades or flight means regardless of a power system or a maneuvering system. As the power system, there are those using electric power and those using a prime mover such as an internal combustion engine. The maneuvering method includes wireless or wired, and autonomous flight type or manual maneuvering type.
[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手段であり、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、101−4a側がドローンの進行方向前側になっている。[Overall drone configuration]
In FIGS. 1 to 5, the drone has four propellers 101-1a, 101-1b, 101-2a, 101-2b, 101-3a, 101-3b, 101-4a, 101-, which are also called rotors above and below. Has 4b. These propellers are a means for flying a drone, and are equipped with four sets of two-stage propellers, for a total of eight, in consideration of the balance between flight stability, aircraft size, and battery consumption. .. The centers of rotation of the four sets of propellers are located at the corners of the rectangle in plan view. The propellers 101-2a and 101-4a are on the front side in the direction of travel of the drone.
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ることにより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。 Each of the above propellers is a propeller drive motor (hereinafter, may be simply referred to as a "motor") 102-1a, 102-1b, 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 102-4a, 102-4b. It is driven to rotate individually. A set of upper and lower propellers, for example, 101-1a and 101-1b, have axes on the same straight line for the sake of drone flight stability, etc., and are in opposite directions by motors 102-1a and 102-1b. Is rotated to. The upper and lower propellers of each set are rotationally driven in opposite directions to generate a downward flow, and generate a thrust in the direction of raising the drone. The upper and lower propellers of the other sets are similarly configured and generate thrust in the same way.
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、水などの圃場に散布される液体または粉体を一般的に指す。 The illustrated embodiment is an agricultural drone, which is provided with four drug nozzles 103-1, 103-2, 103-3, 103-4 for spraying the drug downward. As used herein, an agent generally refers to a liquid or powder applied to a field such as pesticides, herbicides, liquid fertilizers, pesticides, seeds, and water.
ドローンは、散布され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。
The drone has a
[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、実施形態に係るドローンのフレーム構成および内蔵部品支持体50の構成を詳細に説明する。ドローンの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、上下に所定の間隔をおいて一体に結合された一対のフレームからなる。[Frame composition]
Next, the structure of the drone frame and the structure of the built-in
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、先端部が互いに広がる方向に伸びている。
The plurality of support arms constituting the upper frame include one
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。フレームは、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、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。
The
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。
Motors 102-2a and 102-4a are supported at both ends of the
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。
The lower frame has almost the same structure as the upper frame. The lower frame includes one
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。上下一対の第2支持アーム11,21および別の一対の第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によって適宜の結合部材を介して結合されている。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によって適宜の結合部材を介して結合されている。
The upper and lower frames are joined under the interposition of an appropriate number of columns so as to be parallel to each other. The pair of upper and lower
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によって結合されている。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。
The pair of
上下のフレームを構成する前記第1支持アーム、第2支持アーム、補強梁、上下のフレームを結合する柱は、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。 The first support arm, the second support arm, the reinforcing beam, and the column connecting the upper and lower frames constituting the upper and lower frames are pipe-shaped members. Further, the above-mentioned members constituting the frame, at least the material of the first support arm, the second support arm and the reinforcing beam are made of a heat conductive material, for example, an aluminum alloy or a carbon fiber composite material. Examples of the carbon fiber composite material include carbon fiber reinforced plastic (CFRP) and carbon fiber reinforced carbon composite material. Since the material of the member constituting the frame is made of an aluminum alloy, a carbon fiber composite material, or the like and is a pipe-shaped member, the weight of the frame can be reduced while giving the frame the necessary strength. Further, as will be described in detail later, the heat dissipation effect can be enhanced.
[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。[Propeller guard]
The propellers 101-1a and 101-1b supported by the tips of the pair of upper and lower
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。
The propellers 101-2a and 101-2b supported by the right end of the pair of upper and lower
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。
The propellers 101-3a and 101-3b supported by the tips of the pair of upper and lower
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。
The propellers 101-4a and 101-4b supported by the left end of the pair of upper and lower
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。
Each of the propeller guards 42, 43, 44 is configured in the same manner as the
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。
The distance between the propellers 101-1a and 101-1b located on the right rear side of the drone and the propellers 101-2a and 101-2b located on the right front side is narrow, and the annular frame constituting these
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は熱伝導素材からなっていることが望ましい。少なくともプロペラガード41,42,43,44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。
It is desirable that the frames, hubs and spokes constituting each
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。 The distance between the propellers located on the left and right is wider than the distance between the propellers located before and after the drone. That is, the distance between the propellers 101-4a and 101-4b located on the left and right sides of the drone and the propellers 101-2a and 101-2b and the distance between the propellers 101-3a and 101-3b and the propellers 101-1a and 101-1b are It's getting wider. These propeller guards 44 and 42 and 43, 41 are separated from each other.
[内蔵部品支持体]
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り、この空間に、電源電池、制御回路、モーター駆動回路などの内蔵部品を支持する内蔵部品支持体50が配置されている。[Built-in component support]
In a plan view, the lines connecting the rotation centers of the four sets of propellers 101-1a, 101-1b, 101-2a, 101-2b, 101-3a, 101-3b, 101-4a, and 101-4b are horizontally long. It is a rectangle. There is a space between the propeller guards 43 and 44 on the left side that are lined up in the front and rear and the propeller guards 41 and 42 on the right side that are lined up in the front and back. The built-in
内蔵部品支持体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、電源電池、モーター駆動回路、制御回路などの内蔵部品を組み込む空間になっている。内蔵部品支持体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。
The built-in
内蔵部品支持体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。内蔵部品支持体50を構成する底板51は下側の補強梁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。
The built-in
内蔵部品支持体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。
The
図9は、内蔵部品支持体50の内部空間における部品配置の概要を示す。内蔵部品支持体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、上層部分には電池装着空間53が設けられている。電池装着空間53には、二次電池すなわち充電可能な電池55を2個平行に並べて配置できるように、電池受け板と、適宜の締め具を備えている。
FIG. 9 shows an outline of component arrangement in the internal space of the built-in
図9は1個の電池55のみが装填されている状態を示す。電池55も発熱部品の一つであり、冷却効果の高い上記空間56に電池55を装填して、電池55の温度上昇を抑制するように工夫されている。電池55自体が機械的強度および剛性の高い部品であり、電池55を締め具によって強固に締め付けて装填することにより、内蔵部品支持体50の強度および剛性を高めることができる。電池55、電池装着空間53および上記締め具は、フレームの強度確保部材としても貢献している。
FIG. 9 shows a state in which only one
前記カバー52の後ろ側の約半分は、電池装着空間53に電池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。
About half of the rear side of the
前記空間56には、電池装着空間53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、電池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。
In the
内蔵部品支持体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、通信回路などが実装されている。
An appropriate number of
電池装着空間53を構成する前記電池受け板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軸センサーが配置されている。6軸センサーは、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。
A 6-axis sensor, which is a means for measuring the acceleration of the drone and calculating the speed by integrating the acceleration, is arranged on the back surface, that is, the lower surface side of the battery receiving plate constituting the
電池装着空間53に2個の電池55を装填した状態でのドローンの重心位置は、2個の電池55の間にある。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、すなわち、4組のモーターの回転により生じる揚力の水平線は、重心位置よりも上側にある。換言すれば、揚力発生の水平線よりも下に固定重量物である電池55を配置する構成になっている。
The position of the center of gravity of the drone when the two
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。 By setting the positional relationship between the position of the center of gravity and the horizontal line where lift is generated as described above, it is possible to stabilize the attitude of the drone and save energy required for attitude control.
内蔵部品支持体50の下方には、内蔵部品支持体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。
Below the built-in
[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RTKアンテナおよびRTK−GPS(Real Time Kinematic - Global Positioning System)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。[GPS sensor]
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、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間部にGPSセンサー60,60を設置している。
When the
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。
The
[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。[Frame cooling effect]
According to the configuration of the flying object and its frame described above, the following cooling effects can be obtained.
内蔵部品支持体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内蔵部品が実装されている。内蔵部品支持体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内蔵部品支持体50に伝達されて放散される。したがって、内蔵部品支持体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。
The built-in
さらに、内蔵部品支持体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。内蔵部品支持体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、内蔵部品支持体50からフレームに伝達されやすい構造になっていて、内蔵部品支持体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。
Further, the
内蔵部品支持体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、内蔵部品支持体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、内蔵部品支持体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。
The built-in
本実施例は、4か所のプロペラが上下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。図9a)に示すように、二段構成のプロペラの下では、上から見てプロペラの中心から半径のおよそ50%の距離にある位置からおよそ90%の位置に至るまでの間に特に気流の速度が速い円筒状の領域が存在する。 In this embodiment, the four propellers have a two-stage upper and lower configuration, and it is known that the downward flow is more concentrated and stronger than the one-stage propeller. As shown in FIG. 9a), under the two-stage propeller, the airflow is particularly high from the position at a distance of about 50% of the radius to the position of about 90% from the center of the propeller when viewed from above. There is a fast cylindrical region.
図9b)は図9a)を模式化した図であり、符号401は、前記実施例におけるプロペラを模式化したものである。典型的な設計数値として、プロペラの直径が70センチメートル、回転速度が毎分2,000回転、機体重量が20キログラムの場合に、この円筒状の領域402での風速は毎秒10メートル以上である。この円筒状の領域に薬剤ノズルを置いて薬剤を散布することにより、この円筒状の領域がいわば保護壁となって、その外部への好ましくない薬剤飛散を最小化できることが発明者の実験により明らかになっている。 9b) is a schematic diagram of FIG. 9a), and reference numeral 401 is a schematic representation of the propeller in the above embodiment. As a typical design value, when the propeller diameter is 70 cm, the rotation speed is 2,000 rpm, and the airframe weight is 20 kg, the wind speed in this cylindrical region 402 is 10 m or more per second. .. It has been clarified by the inventor's experiment that by placing the drug nozzle in this cylindrical area and spraying the drug, this cylindrical area becomes a so-called protective wall and the undesired scattering of the drug to the outside can be minimized. It has become.
なお、図9c)は、プロペラが一段構成のドローンによる同様の実験結果を参考図として付加したものである。一段のプロペラ構成では、気流の速度が速い円筒状の領域が二段のプロペラ構成の場合と比較して明確ではなく、下降流の集中度および下降流の強さが劣る。また、発明者による実験では、一段のプロペラ構成の場合には、プロペラの旋回流の影響によりかえって薬剤の圃場外への好ましくない飛散が増すことが明らかになっている。 Note that FIG. 9c) is a reference diagram in which the same experimental results using a drone with a one-stage propeller are added. In the one-stage propeller configuration, the cylindrical region where the airflow velocity is high is not clear as in the case of the two-stage propeller configuration, and the concentration of the downward flow and the strength of the downward flow are inferior. Further, in the experiment by the inventor, it has been clarified that in the case of the one-stage propeller configuration, the unfavorable scattering of the drug to the outside of the field is rather increased due to the influence of the swirling flow of the propeller.
したがって、本願発明の効果を最大化するためには、二段のプロペラ構成のドローンを使用することが望ましい。さらに、二段のプロペラ構成を使用することで、気流の乱れを削減し、風速を維持できるため、圃場の作物の株元にも薬剤を効果的に散布できるという副次的効果も得られる。前記実施例に係るドローンのプロペラが作る気流を積極的に利用するためには、作物に到達する気流が秒速7メートル程度となるような低空、典型的には圃場の作物上部から約75センチメートルを飛行させるとよい。 Therefore, in order to maximize the effect of the present invention, it is desirable to use a drone having a two-stage propeller configuration. Furthermore, by using the two-stage propeller configuration, the turbulence of the air flow can be reduced and the wind speed can be maintained, so that a secondary effect that the chemical can be effectively sprayed to the root of the crop in the field can be obtained. In order to positively utilize the airflow created by the drone propeller according to the above embodiment, the airflow reaching the crop is at a low altitude of about 7 meters per second, typically about 75 cm from the top of the crop in the field. It is good to fly.
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、内蔵部品支持体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、内蔵部品支持体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、内蔵部品支持体50自体および内蔵部品支持体50からフレームに伝達される熱が効果的に放散され、内蔵部品の温度上昇が抑制される。
As described above, in the present embodiment, both side surfaces of the built-in
ドローンが所定の速度で飛行中は、ドローンの風切りによってドローン全体が冷却される。しかし、ドローンの動作モードでは、低速飛行モードやホバリングモードなどがあり、これらの動作モードでは、風切による冷却効果を期待することはできない。しかし、本発明の実施例によれば、上に述べたように冷却を促進するための工夫が施されており、低速飛行モードやホバリングモードでも温度の上昇を抑制することができる。 While the drone is flying at a given speed, the windbreak of the drone cools the entire drone. However, the drone operating modes include a low-speed flight mode and a hovering mode, and in these operating modes, the cooling effect due to windbreak cannot be expected. However, according to the embodiment of the present invention, as described above, a device for promoting cooling is provided, and the temperature rise can be suppressed even in the low speed flight mode and the hovering mode.
また、図4、図8などからわかるように、内蔵部品支持体50の底板51の下面と薬剤タンク104の上面との間には一定間隔の間隙70が形成されている。この間隙70は空気の流路となっていて、薬剤タンク104が内蔵部品支持体50の冷却の妨げにならないように工夫されている。このような工夫も相まって、ドローンの温度上昇を効果的に防止することができる。
Further, as can be seen from FIGS. 4 and 8,
[他の実施例]
プロペラの回転駆動による前記下降流の流路に位置するフレームの部分には、冷却を促進するためのフィンを設けるとよい。[Other Examples]
Fins for promoting cooling may be provided in the portion of the frame located in the flow path of the downward flow driven by the rotation of the propeller.
本発明の実施例によれば冷却効果が高まるとはいえ、前記低速飛行モードやホバリングモードでは、ある程度の温度上昇は避けられない。低速飛行モードやホバリングモードにおいて温度が所定の温度以上に上昇したときは、緊急冷却要求を発する。緊急冷却要求があった場合、飛行速度を上げる。飛行速度を上げるにはプロペラの回転速度を上げる必要があり、回転速度を上げることにより前記下降流を増加させ、冷却効果を高めることができる。飛行速度を上げることにより、内蔵部品支持体50の風切による冷却効果も得ることができる。
Although the cooling effect is enhanced according to the embodiment of the present invention, a certain temperature rise is unavoidable in the low speed flight mode and the hovering mode. When the temperature rises above the specified temperature in the low speed flight mode or hovering mode, an emergency cooling request is issued. Increase flight speed if there is an emergency cooling request. In order to increase the flight speed, it is necessary to increase the rotation speed of the propeller, and by increasing the rotation speed, the downward flow can be increased and the cooling effect can be enhanced. By increasing the flight speed, it is possible to obtain a cooling effect due to the windbreak of the built-in
上記緊急冷却要求があった場合、ヨー回転運動を行わせて前記下降流を増加させてもよい。ヨー回転運動はドローンの向きを変える運動であり、この運動によって内蔵部品支持体50に接する空気の量を増加させることもできるため、低速飛行モードやホバリングモードにおいても、温度上昇を抑制することができる。
When the emergency cooling request is made, the yaw rotation motion may be performed to increase the downward flow. The yaw rotation motion is a motion to change the direction of the drone, and since this motion can increase the amount of air in contact with the built-in
ドローンの速度制御、方向制御、姿勢制御などの各種制御を精度よく行うためには、個々のプロペラ駆動モーターの加速および減速を迅速に行う必要がある。プロペラ駆動モーターの減速を迅速に行うために、プロペラ駆動モーターからの回生電力を消費するディスチャージ抵抗が用いられる。ディスチャージ抵抗は発熱することによって回生電力を消費し、プロペラ駆動モーターを迅速に減速する。ディスチャージ抵抗が発する熱を効率よく放散させるために、ディスチャージ抵抗は前記熱伝導体からなる内蔵部品支持体50に接触させて配置するとよい。
In order to accurately perform various controls such as drone speed control, direction control, and attitude control, it is necessary to quickly accelerate and decelerate individual propeller drive motors. In order to quickly decelerate the propeller drive motor, a discharge resistor that consumes the regenerative power from the propeller drive motor is used. The discharge resistor consumes regenerative power by generating heat and rapidly decelerates the propeller drive motor. In order to efficiently dissipate the heat generated by the discharge resistor, the discharge resistor may be arranged in contact with the built-in
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。 As described above, as an example of this description, an agricultural chemical spraying drone has been described as an example, but the technical idea of the present invention is not limited to this, and can be applied to all drones.
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
30 柱
31 柱
41〜44 プロペラガード
50 内蔵部品支持体
51 底板
52 カバー
53 電池装着空間
53 添え部材
60 GPSセンサー
10
Claims (14)
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、
熱伝導体からなり発熱部品を含む内蔵部品を支持し前記フレームに結合されている内蔵 部品支持体と、を有し、
前記熱伝導体に結合されている前記フレームの一部は、前記プロペラの回転駆動によっ て生じる下降流の通路に位置し、
緊急冷却要求があった場合、前記飛行隊の飛行速度を上げる飛行体。 An air vehicle having multiple propeller drive motors that rotate and drive multiple propellers individually.
A frame formed by combining a plurality of support arms that support the plurality of propeller drive motors, and
A built-in part support that is coupled to the frame supporting the internal components including the heat-generating component consists thermal conductor, was closed,
A part of the frame coupled to the heat conductor is located in the passage of the downward flow generated by the rotational drive of the propeller.
An air vehicle that increases the flight speed of the squadron when an emergency cooling request is made.
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、
熱伝導体からなり発熱部品を含む内蔵部品を支持し前記フレームに結合されている内蔵 部品支持体と、を有し、
前記熱伝導体に結合されている前記フレームの一部は、前記プロペラの回転駆動によっ て生じる下降流の通路に位置し、
緊急冷却要求があった場合、ヨー回転運動を行わせて前記下降流を増加させる飛行体。
An air vehicle having multiple propeller drive motors that rotate and drive multiple propellers individually.
A frame formed by combining a plurality of support arms that support the plurality of propeller drive motors, and
A built-in part support that is coupled to the frame supporting the internal components including the heat-generating component consists thermal conductor, was closed,
A part of the frame coupled to the heat conductor is located in the passage of the downward flow generated by the rotational drive of the propeller.
An air vehicle that increases the downward flow by performing a yaw rotation motion when an emergency cooling request is made.
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