JP7004369B1 - 飛行装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サブロータにより姿勢制御を正確に行うことができる飛行装置を提供する。【解決手段】飛行装置１０は、機体１９と、エンジン３０と、モータ２１と、メインロータ１４と、サブロータ１５と、を具備する。エンジン３０は、メインロータ１４を回転させる。モータ２１は、サブロータ１５を回転させる。メインロータ１４は、サブロータ１５よりも下方に配置される。飛行装置１０によれば、メインロータ１４が、サブロータ１５よりも下方に配置されることにより、メインロータ１４が回転することにより発生する風流の影響を、サブロータ１５が受けることがない。よって、サブロータ１５が回転により設計通りの推力を得ることができ、機体１９の位置姿勢の調整を正確に行うことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、飛行装置に関し、特に、エンジンにより駆動的にメインロータを駆動し、モータによりサブロータを回転させる所謂パラレルハイブリット型の飛行装置に関する。

従来から、無人で空中を飛行することが可能な飛行装置が知られている。このような飛行装置は、垂直軸回りに回転するロータの推力で、空中を飛行することを可能としている。

かかる飛行装置の適用分野としては、例えば、輸送分野、測量分野および撮影分野等が考えられる。このような分野に飛行装置を適用する場合は、測量機器や撮影機器を飛行装置に備え付ける。飛行装置をかかる分野に適用させることで、人が立ち入れない地域に飛行装置を飛行させ、そのような地域の輸送、撮影および測量を行うことができる。かかる飛行装置に関する発明は、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されている。

一般的な飛行装置では、飛行装置に搭載された蓄電池から供給される電力で上記したロータは回転する。しかしながら、蓄電池による電力の供給ではエネルギの供給量が必ずしも十分ではないため、長時間に渡る連続飛行を実現するために、エンジンを搭載した飛行装置も出現している。このような飛行装置では、エンジンの駆動力で発電機を回転させ、かかる発電機で発電された電力でロータを回転駆動している。かかる構成の飛行装置は、動力源からロータにエネルギが供給される経路に、エンジンと発電機とが直列的に接続されることから、シリーズ型ドローンとも称される。このような飛行装置を用いて撮影や測量を行うことで、広範囲な撮影や測量を行うことができる。エンジンが搭載された飛行装置は、例えば特許文献３に記載されている。

特開２０１２－５１５４５号公報 特開２０１４－２４０２４２号公報 特開２０１１－２５１６７８号公報

しかしながら、前述した従前の飛行装置においては、駆動系の機構において改善の余地があった。

具体的には、前述したように、パラレル型ハイブリッドドローンでは、メインロータが回転することで発生する揚力により機体を空中に浮遊させ、サブロータが回転することにより発生する揚力により機体の位置姿勢を制御している。

この際、メインロータが回転することで、メインロータの下方には大きなダウンウォッシュが発生している。よって、サブロータがメインロータの下方に配置された場合、サブロータがダウンウォッシュの影響を受けてしまい、サブロータの回転による機体の姿勢制御を正確に行うことができない課題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、サブロータにより姿勢制御を正確に行うことができる飛行装置を提供することにある。

本発明の飛行装置は、機体と、エンジンと、モータと、メインロータと、サブロータと、を具備し、前記エンジンは、前記メインロータを回転させ、前記モータは、前記サブロータを回転させ、前記サブロータよりも回転直径が大きい前記メインロータは、前記サブロータよりも下方に配置されることを特徴とする。

また、本発明の飛行装置では、前記メインロータは、前記機体の下面よりも、上方側に配置されることを特徴とする。

また、本発明の飛行装置では、前記サブロータの回転中心と、前記機体の中心とが離間する距離は、前記メインロータの回転中心と、前記機体の中心とが離間する距離よりも長いことを特徴とする。

また、本発明の飛行装置では、前記メインロータは、第１メインロータおよび第２メインロータを有し、前記サブロータは、第１サブロータ、第２サブロータ、第３サブロータおよび第４サブロータを有し、前記第１メインロータは、前記機体の左方側に配置され、前記第２メインロータは、前記機体の右方側に配置され、前記第１サブロータは、前記機体の前方左方側に配置され、前記第２サブロータは、前記機体の後方左方側に配置され、前記第３サブロータは、前記機体の前方右方側に配置され、前記第４サブロータは、前記機体の後方右方側に配置されることを特徴とする。
また、本発明の飛行装置では、前記メインロータと前記サブロータとは、重畳しない位置に配置されることを特徴とする。

本発明の飛行装置は、機体と、エンジンと、モータと、メインロータと、サブロータと、を具備し、前記エンジンは、前記メインロータを回転させ、前記モータは、前記サブロータを回転させ、前記サブロータよりも回転直径が大きい前記メインロータは、前記サブロータよりも下方に配置されることを特徴とする。従って、本発明の飛行装置によれば、メインロータが、サブロータよりも下方に配置されることにより、メインロータが回転することにより発生する風流の影響を、サブロータが受けることがない。よって、サブロータが回転により設計通りの推力を得ることができ、機体の位置姿勢の調整を正確に行うことができる。

また、本発明の飛行装置では、前記メインロータは、前記機体の下面よりも、上方側に配置されることを特徴とする。従って、本発明の飛行装置によれば、メインロータが、機体の下面よりも、上方側に配置されることにより、メインロータが回転することにより発生する推力により、機体を安定して浮遊させることができる。

また、本発明の飛行装置では、前記サブロータの回転中心と、前記機体の中心とが離間する距離は、前記メインロータの回転中心と、前記機体の中心とが離間する距離よりも長いことを特徴とする。従って、本発明の飛行装置によれば、サブロータの回転中心と、機体の中心とが離間する距離を長く確保することにより、サブロータが回転することにより発生する推力を用いて、機体の位置姿勢を正確に制御することができる。

また、本発明の飛行装置では、前記メインロータは、第１メインロータおよび第２メインロータを有し、前記サブロータは、第１サブロータ、第２サブロータ、第３サブロータおよび第４サブロータを有し、前記第１メインロータは、前記機体の左方側に配置され、前記第２メインロータは、前記機体の右方側に配置され、前記第１サブロータは、前記機体の前方左方側に配置され、前記第２サブロータは、前記機体の後方左方側に配置され、前記第３サブロータは、前記機体の前方右方側に配置され、前記第４サブロータは、前記機体の後方右方側に配置されることを特徴とする。従って、本発明の飛行装置によれば、第１メインロータと第２メインロータを、機体を挟む位置に配置することで、機体をより安定的に浮遊させることができる。また、第１サブロータないし第４サブロータを、前後左右の各隅部に配置することで、機体の位置姿勢をより正確に制御することができる。

本発明の実施形態に係る飛行装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る飛行装置を示す後面図である。 本発明の実施形態に係る飛行装置を示す図であり、各部位の接続構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る飛行装置のエンジンの構成および配置を示す図である。

以下、図を参照して本形態の飛行装置の構成を説明する。以下の説明では、同一の構成を有する部位には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。尚、以下の説明では上下前後左右の各方向を用いるが、これらの各方向は説明の便宜のためである。また、飛行装置１０は、ドローンとも称される。

図１は、飛行装置１０を示す斜視図である。

飛行装置１０は、機体１９と、メインロータ１４と、エンジン３０と、を具備する。エンジン３０は、機体１９に内蔵されることから、図示されていない。飛行装置１０は、電気的駆動系と、機械的駆動系との並列した２つの駆動系を有するパラレル型ハイブリッドドローンである。電気的駆動系は、後述するモータ２１およびサブロータ１５を回転させる駆動系である。機械的駆動系は、メインロータ１４を回転させる駆動系である。

機体１９は、飛行装置１０を構成する各機器を支える本体であり、合成樹脂、金属またはこれらの複合材から成る。ここでは図示しないが、機体１９の内部には、エンジン３０、発電機１６およびバッテリ１８等が配置されている。

メインロータ１４は、回転することにより、機体１９が浮遊するための駆動力を発生させる。メインロータ１４は、メインロータ１４１と、メインロータ１４２とを有する。ここで、例えば、メインロータ１４１が第１メインロータであり、メインロータ１４２が第２メインロータである。

メインロータ１４１は、機体１９の左方側に配置される。メインロータ１４１は、メインフレーム１２１を介して、機体１９と接続されている。

メインロータ１４２は、機体１９の右方側に配置される。メインロータ１４２は、メインフレーム１２２を介して、機体１９と接続されている。

メインロータ１４１とメインロータ１４２とは、回転方向は逆であり、等しい回転速度で回転する。また、メインロータ１４１およびメインロータ１４２は、機体１９に内蔵されたエンジン３０と機械的に接続されている。例えば、メインロータ１４１およびメインロータ１４２は、ベルト、動力伝達棒またはギア等を介して、機体１９に内蔵されたエンジン３０と機械的に接続されている。

飛行装置１０は、サブロータ１５を有する。サブロータ１５は、サブロータ１５１ないしサブロータ１５４を有する。ここで、第１サブロータはサブロータ１５１であり、第２サブロータはサブロータ１５２であり、第３サブロータはサブロータ１５３であり、第４サブロータはサブロータ１５４である。

サブロータ１５１は、機体１９の左側前方に配置され、サブフレーム１３１を経由して機体１９に接続されており、ここでは図示しないモータ２１１により回転する。

サブロータ１５２は、機体１９の左側後方に配置され、サブフレーム１３２を経由して機体１９に接続されており、ここでは図示しないモータ２１２により回転する。

サブロータ１５３は、機体１９の右側前方に配置され、サブフレーム１３３を経由して機体１９に接続されており、ここでは図示しないモータ２１３により回転する。

サブロータ１５４は、機体１９の右側後方に配置され、サブフレーム１３４を経由して機体１９に接続されており、ここでは図示しないモータ２１４により回転する。

ここで、サブフレーム１３１ないしサブフレーム１３４は、メインフレーム１２１およびメインフレーム１２２よりも長く形成されている。これによりサブロータ１５１ないしサブロータ１５４の回転中心は、メインロータ１４１およびメインロータ１４２の回転中心よりも、機体１９の中心部から離間している。このようにすることで、サブロータ１５１ないしサブロータ１５４により、飛行装置１０の位置姿勢をより正確に制御することができる。

設地部２５は、飛行装置１０が着地した際に、着地面に接する部位である。設地部２５は、メインフレーム１２１等と同様に、複数のフレームを組み合わせて成る。

図２は、飛行装置１０を後方から見た後面図である。図２を参照して、メインロータ１４は、サブロータ１５よりも下方に配置される。ここでは、メインロータ１４１およびメインロータ１４２は、サブロータ１５２およびサブロータ１５４よりも下方に配置されている。

メインロータ１４がサブロータ１５よりも下方に配置されることにより、サブロータ１５による飛行装置１０の位置姿勢の制御をより正確に行うことができる。具体的には、メインロータ１４は飛行装置１０全体を空中に浮遊させるべく、高速で回転する。メインロータ１４が高速で回転すると、メインロータ１４の下方にはダウンウォッシュが発生する。特に、メインロータ１４の直径は、サブロータ１５よりも大きいことから、大きなダウンウォッシュが発生する。ここで、ダウンウォッシュとは、飛行装置１０が飛行する際のメインロータ１４の回転により、空気がメインロータ１４の上方向から吸い込まれて下方向に吹き降ろされることにより生じる風であり、下方に向かって扇状の形で広がっていく。

本実施形態では、メインロータ１４がサブロータ１５の下方に配置されているため、メインロータ１４が回転することで発生するダウンウォッシュは、サブロータ１５に対して大きな影響を与えない。よって、各サブロータ１５が所定の回転速度で回転することで、飛行装置１０の空中に於ける位置姿勢を所定のものにすることができる。よって、ここでは図示しない操縦者は、飛行装置１０を安定的に操作することが出来る。

また、メインロータ１４は、機体１９の下面よりも、上方側に配置される。このようにすることで、サブロータ１５の下方側において、メインロータ１４の位置を、できうる限り上方に配置することができ、メインロータ１４が回転することで発生する推力により、機体１９を安定的に空中に浮遊させることができる。

図３は、飛行装置１０を示す図であり、各部位の接続構成を示すブロック図である。

飛行装置１０は、演算制御部３１と、エンジン３０と、発電機１６と、バッテリ１８と、電力変換部２４と、モータ２１と、サブロータ１５と、を有する。

演算制御部３１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有し、ここでは図示しない各種センサやコントローラからの入力に基づいて、飛行装置１０を構成する各機器の挙動を制御する。また、演算制御部３１は、操作者が操作する遠隔操作装置（プロポコントローラ）および各種センサからの入力に基づいて、各メインロータ１４および各サブロータ１５の回転数を制御するフライトコントローラでもある。

エンジン３０は、演算制御部３１からの入力信号に基づいて動作し、飛行装置１０が飛行するためのエネルギを発生させる。エンジン３０の具体構成は図３を参照して後述する。

発電機１６は、エンジン３０の駆動力の一部を用いて電力を発生する装置であり、発電機１６１および発電機１６２を有する。発電機１６１は、後述するエンジン３０の第１エンジン部４０により駆動される。発電機１６２は、後述するエンジン３０の第２エンジン部４１により駆動される。

バッテリ１８は、発電機１６と電力変換部２４との間に介装される。バッテリ１８は、発電機１６により充電される。バッテリ１８から放電された電力は、後述する電力変換部２４に供給される。

電力変換部２４は、個々のサブロータ１５に対応して設けられる。電力変換部２４としては、発電機１６２から供給される交流電力を、一旦直流化した後に所定の周波数の交流電力に変換するコンバータおよびインバータを採用できる。また、電力変換部２４としては、バッテリ１８から供給される直流電力を所定の周波数に変換するインバータを採用できる。具体的には、電力変換部２４は、電力変換部２４１、電力変換部２４２、電力変換部２４３および電力変換部２４４を有する。

モータ２１は、個々のサブロータ１５に対応して設けられ、モータ２１１、モータ２１２、モータ２１３およびモータ２１４を有する。モータ２１１、モータ２１２、モータ２１３およびモータ２１４は、夫々、電力変換部２４１、電力変換部２４２、電力変換部２４３および電力変換部２４４から供給される電力により所定の速度で回転する。

サブロータ１５は、前述したように、サブロータ１５１、サブロータ１５２、サブロータ１５３およびサブロータ１５４を有する。サブロータ１５１、サブロータ１５２、サブロータ１５３およびサブロータ１５４は、夫々、モータ２１１、モータ２１２、モータ２１３およびモータ２１４により回転する。

ここで、飛行装置１０の動作を説明する。飛行装置１０は、ホバリング状態、昇降状態または水平移動状態で稼働される。

ホバリング状態では、飛行装置１０は、演算制御部３１からの指示に基づいて、エンジン３０から発生する駆動力によりメインロータ１４を回転させ、飛行装置１０を空中の所定位置に浮遊させる。この際、演算制御部３１からの指示に基づいて、各サブロータ１５は回転している。演算制御部３１は、飛行装置１０が所定の高度および姿勢を維持できるように、各電力変換部２４を制御することで、各モータ２１および各サブロータ１５の回転速度を所定のものにしている。

昇降状態では、エンジン３０の回転数を制御することで、メインロータ１４を所定速度で回転させ、飛行装置１０を上昇または下降させる。この際も、演算制御部３１は、飛行装置１０が所定の高度および姿勢を維持できるように、各電力変換部２４を制御することで、各モータ２１およびサブロータ１５の回転速度を所定のものにしている。

水平移動状態では、演算制御部３１は、各電力変換部２４を制御することで、各モータ２１およびサブロータ１５の回転数を制御することにより、飛行装置１０を傾斜状態にする。この際にも、演算制御部３１は、エンジン３０の駆動状態を制御することで、メインロータ１４を所定速度で回転させる。

本実施形態では、図２に示したように、メインロータ１４をサブロータ１５の下方に配置したので、ホバリング状態、昇降状態および水平移動状態に於いて、各サブロータ１５により飛行装置１０の位置姿勢を安定的に制御することができる。

図４は、飛行装置１０のエンジン３０の構成および配置を示す図である。

エンジン３０は、第１エンジン部４０と、第２エンジン部４１と、を有する。第１エンジン部４０と第２エンジン部４１とは対向配置され、第１エンジン部４０は左側に配置され、第２エンジン部４１は右側に配置される。

第１エンジン部４０は、往復運動する第１ピストン４３と、第１ピストン４３の往復運動を回転運動に変換する第１クランクシャフト４２と、第１ピストン４３と第１クランクシャフト４２とを回転可能に連結する第１コネクティングロッド４４と、を有する。

第２エンジン部４１は、往復運動する第２ピストン４６と、第２ピストン４６の往復運動を回転運動に変換する第２クランクシャフト４５と、第２ピストン４６と第２クランクシャフト４５とを回転可能に連結する第２コネクティングロッド４７と、を有する。

第１エンジン部４０の第１ピストン４３と、第２エンジン部４１の第２ピストン４６で、燃焼室４８を共有する。換言すると、第１ピストン４３と第２ピストン４６とは、連通する一つのシリンダの内部を往復運動する。よって、第１エンジン部４０および第１ピストン４３が中心部に向かって同時にストロークすることで、ストローク量を少なくしつつ、燃焼室４８における混合ガスの高膨張比をとることができる。

ここでは図示していないが、エンジン３０には、燃焼室４８から連通する容積空間が形成されており、この容積空間に点火プラグが配置されている。また、燃焼室４８には、ここでは図示しない吸気口および排気口が形成されており、ガソリンなどの燃料を含む混合気が吸気口から燃焼室４８に導入され、燃焼後の排気ガスが排気口を経由して燃焼室から外部に排気される。

上記した構成のエンジン３０は、次のように動作する。先ず、吸込行程では、第１ピストン４３および第２ピストン４６がシリンダ４９の内部で中央部から外側に向かって移動することで、燃料と空気との混合物である混合気をシリンダ４９の内部に導入する。次に、圧縮行程では、回転する第１クランクシャフト４２および第２クランクシャフト４５の慣性により、第１ピストン４３および第２ピストン４６が中央部に向かって押し出され、シリンダ４９の内部で混合気が圧縮される。次に、燃焼行程では、図示しない点火プラグが燃焼室４８で点火することで、シリンダ４９の内部で混合気が燃焼し、これにより第１ピストン４３および第２ピストン４６が下死点である外側の端部まで押し出される。その後、排気行程では、回転する第１クランクシャフト４２および第２クランクシャフト４５の慣性により第１ピストン４３および第２ピストン４６が内側に押し出され、シリンダ４９の内部に存在する燃焼後のガスは、外部に排出される。

エンジン３０では、一つのシリンダ４９の内部で往復運動する２つの第１ピストン４３および第２ピストン４６で、ストロークを分割することができる。よって、通常のガソリンエンジンと比較して、混合ガスの圧縮比を大きくすることができる。また、シリンダ４９の内部で第１ピストン４３および第２ピストン４６が対向するので、一般的なエンジンで必要とされるシリンダヘッドが不要と成り、エンジン３０の構成が簡素であり且つ軽量とされている。また、エンジン３０を構成している各部材、即ち、第１ピストン４３および第２ピストン４６、第１クランクシャフト４２および第２クランクシャフト４５等が対向して配置され、かつ対向するように動作している。このことから、エンジン３０の各部材から発生する振動が相殺され、エンジン３０全体から外部に発生する振動を少なくすることができる。よって、このような構造のエンジン３０を飛行装置１０に搭載することで、飛行装置１０の小型化、軽量化および低振動化を達成することができる。特に、低振動化により、姿勢制御、モータ出力制御などの演算制御装置やＧＰＳセンサ等の精密機器への悪影響を防止することが出来る。また、飛行装置１０が輸送する配送荷物が振動で損傷してしまうことを防止することができる。

ここで、第１クランクシャフト４２は図１に示したメインロータ１４１と駆動的に接続され、第２クランクシャフト４５は図１に示したメインロータ１４２と駆動的に接続される。係る駆動的な接続は、例えば、伝達棒、ベルト、ギアにより成される。

前述した本実施形態により、以下のような主要な効果を奏することができる。

図２を参照して、メインロータ１４が、サブロータ１５よりも下方に配置されることにより、メインロータ１４が回転することより発生する風流の影響を、サブロータ１５が受けることがない。よって、サブロータ１５が回転により設計通りの推力を得ることができ、機体１９の位置姿勢の調整を正確に行うことができる。

図２を参照して、本発明の飛行装置１０によれば、メインロータ１４が、機体１９の下面よりも、上方側に配置されることにより、メインロータ１４が回転することにより発生する推力により、機体１９を安定して浮遊させることができる。

図１を参照して、本発明の飛行装置１０によれば、サブロータ１５の回転中心と、機体１９の中心とが離間する距離を長く確保することにより、サブロータ１５が回転することにより発生する推力を用いて、機体１９の位置姿勢を正確に制御することができる。

図１を参照して、メインロータ１４１とメインロータ１４２を、機体１９を挟む位置に配置することで、機体１９をより安定的に浮遊させることができる。また、サブロータ１５１ないしサブロータ１５４を、前後左右の各隅部に配置することで、機体１９の位置姿勢をより正確に制御することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、これ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変更が可能である。また、前述した各形態は相互に組み合わせることが可能である。

図４を参照して説明したエンジン３０では、第１エンジン部４０および第２エンジン部４１で燃焼室４８を共有していたが、第１エンジン部４０と第２エンジン部４１とで、個別に燃焼空間を形成することもできる。更に、第１エンジン部４０と第２エンジン部４１とで、個別に燃焼空間を形成する場合、かかる燃焼空間を、幅方向外側端部に配置することもできる。

１０ 飛行装置
１２１ メインフレーム
１２２ メインフレーム
１３１ サブフレーム
１３２ サブフレーム
１３３ サブフレーム
１３４ サブフレーム
１４ メインロータ
１４１ メインロータ
１４２ メインロータ
１５ サブロータ
１５１ サブロータ
１５２ サブロータ
１５３ サブロータ
１５４ サブロータ
１６ 発電機
１６１ 発電機
１６２ 発電機
１８ バッテリ
１９ 機体
２１ モータ
２１１ モータ
２１２ モータ
２１３ モータ
２１４ モータ
２４ 電力変換部
２４１ 電力変換部
２４２ 電力変換部
２４３ 電力変換部
２４４ 電力変換部
２５ 設地部
３０ エンジン
３１ 演算制御部
４０ 第１エンジン部
４１ 第２エンジン部
４２ 第１クランクシャフト
４３ 第１ピストン
４４ 第１コネクティングロッド
４５ 第２クランクシャフト
４６ 第２ピストン
４７ 第２コネクティングロッド
４８ 燃焼室
４９ シリンダ

Claims (5)

1. 機体と、エンジンと、モータと、メインロータと、サブロータと、を具備し、
   前記エンジンは、前記メインロータを回転させ、
   前記モータは、前記サブロータを回転させ、
   前記サブロータよりも回転直径が大きい前記メインロータは、前記サブロータよりも下方に配置されることを特徴とする飛行装置。
2. 前記メインロータは、前記機体の下面よりも、上方側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の飛行装置。
3. 前記サブロータの回転中心と、前記機体の中心とが離間する距離は、
   前記メインロータの回転中心と、前記機体の中心とが離間する距離よりも長いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の飛行装置。
4. 前記メインロータは、第１メインロータおよび第２メインロータを有し、
   前記サブロータは、第１サブロータ、第２サブロータ、第３サブロータおよび第４サブロータを有し、
   前記第１メインロータは、前記機体の左方側に配置され、
   前記第２メインロータは、前記機体の右方側に配置され、
   前記第１サブロータは、前記機体の前方左方側に配置され、
   前記第２サブロータは、前記機体の後方左方側に配置され、
   前記第３サブロータは、前記機体の前方右方側に配置され、
   前記第４サブロータは、前記機体の後方右方側に配置されることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の飛行装置。
5. 前記メインロータと前記サブロータとは、重畳しない位置に配置されることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の飛行装置。

Images