JP7011475B2

JP7011475B2 - 飛行装置および飛行体

Info

Publication number: JP7011475B2
Application number: JP2018008696A
Authority: JP
Inventors: 研巽
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 2018-01-23
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2022-01-26
Anticipated expiration: 2038-01-23
Also published as: JP2019127090A

Description

本発明は、飛行装置および飛行体に関する。

近年、ドローンと称される飛行体が種々提供されている。
従来、この種の飛行体は、複数のプロペラと、各プロペラを駆動する複数のモータと、モータに電力を供給するバッテリとを備え、各モータの回転数を個別に制御することで飛行装置の移動方向、移動速度、姿勢などを制御するように構成されている。

特開２０１７－１３２３７８号公報

上記従来技術では、バッテリの容量によって飛行体の滞空時間が制約され、例えば、滞空時間は２０分～３０分程度である。
また、滞空時間を長く確保するために大容量のバッテリを飛行体に搭載することが考えられるが、バッテリはその容量が大きくなるほどバッテリの重量が重くなるため、飛行装置の可搬重量が低下し、飛行装置に搭載するカメラなどの機器が制約される不利がある。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、滞空時間および可搬重量を確保する上で有利な飛行装置および飛行体を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明は、飛行装置であって、複数のプロペラと前記各プロペラに対応して設けられ前記プロペラを回転駆動する回転駆動部とを有し、前記回転駆動部は圧縮空気が供給されることで前記プロペラを回転駆動する飛行体と、地上に配置された前記回転駆動部に圧縮空気供給用ホースを介して圧縮空気を供給するコンプレッサとを備え、前記圧縮空気供給用ホースは、スパイラル状に巻き癖が付けられ、前記圧縮空気供給用ホースに張力が加わっていない状態で、前記圧縮空気供給用ホースはその弾性により螺旋状に積み重ねられ、全長が最も短かい収納状態となることを特徴とする。
また、本発明は、前記飛行体は、前記プロペラおよび前記回転駆動部を支持する機体を有し、前記機体に前記各回転駆動部に接続された分岐管が設けられ、前記圧縮空気供給用ホースは、前記コンプレッサと前記分岐管とを接続していることを特徴とする。
また、本発明は、前記分岐管毎に圧縮空気供給弁が設けられ、前記各圧縮空気供給弁の開度を制御する弁制御部とが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、飛行装置および飛行体は、圧縮空気が供給されることでプロペラ３０を回転駆動するように構成されている。
したがって、従来のようにモータに電力を供給する重量が重いバッテリを省略できるため、飛行体の軽量化を図れ、飛行体の滞空時間および可搬重量を確保する上で有利となる。
また、本発明によれば、飛行装置は、回転駆動部への圧縮空気の供給を連続して行なうことができるため、飛行体を用いたカメラによる撮影など、飛行体を用いた各種作業を長時間にわたって効率よく行なう上で有利となる。
また、本発明によれば、各回転駆動部に確実に圧縮空気を供給でき、飛行体の姿勢制御、移動制御を確実に行なう上で有利となる。
また、本発明によれば、飛行体の構成を簡素化でき、飛行体の軽量化を図る上でより有利となり、飛行体の滞空時間および可搬重量を確保する上でより有利となる。

実施の形態に係る飛行装置の全体構成を示す説明図である。飛行体の平面図である。飛行体の側面図である。飛行体の側面図であり、制御用通信ケーブル、カメラ用通信ケーブル、電力供給用ケーブルが巻回された圧縮空気供給用ホースが伸長している状態を示す。制御用通信ケーブル、カメラ用通信ケーブル、電力供給用ケーブルが巻回された圧縮空気供給用ホースの拡大図である。回転駆動部の構成を示す説明図である。実施の形態に係る飛行装置の全体構成を示すブロック図である。操作制御部の構成を示すブロック図である。

以下、本発明に係る飛行装置および飛行体の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１に示すように、飛行装置１０は、飛行体１２と、圧縮空気供給用ホース１４と、制御用通信ケーブル１６と、カメラ用通信ケーブル１８と、電力供給用ケーブル２０と、電源装置２２と、コンプレッサ２４と、操作制御部２６などを含んで構成されている。

飛行体１２は、遠隔制御によって空中を飛行するものである。
図２、図３、図４、図６、図７に示すように、飛行体１２は、機体２８と、４つのプロペラ３０（回転翼）と、回転駆動部３２と、飛行制御部３４と、圧縮空気供給部３６と、カメラ３８と、カメラ制御部４０とを含んで構成されている。
なお、本実施の形態では、飛行体１２が４つのプロペラ３０を備える場合について説明するが、プロペラ３０の数は、機体２８が安定して飛行するために、３つ以上であればよい。
図２に示すように、機体２８は、平面視した状態で、中央に位置するフレーム２８０２と、アーム２８０４とを含んで構成されている。
フレーム２８０２の外周部には、フレーム２８０２の周方向に９０度の間隔をおいて突出する４つの突出部２８０６が設けられ、アーム２８０４は隣り合う突出部２８０６の間に位置するフレーム２８０２の箇所から突設され、したがって、アーム２８０４は４つ設けられている。

図２、図３、図６に示すように、プロペラ３０のシャフト３００２は、４つのアーム２８０４の先端のプロペラケース３００４でそれぞれ回転可能に支持されている。図６において符号３００６はシャフト３００２の軸受部を示す。
図６に示すように、回転駆動部３２は各プロペラ３０に対応して設けられ、プロペラ３０を回転駆動するものである。
回転駆動部３２は、タービン４２と、動力伝達機構４４とを含んで構成されている。
タービン４２は、タービンケース４２０２と、羽根車４２０４を含んで構成されている。
タービンケース４２０２は、アーム２８０４の先部で支持され、タービンケース４２０２の一端には、後述する分岐管４６、圧縮空気供給弁４８が連結され、タービンケース４２０２の他端は下方に向けられている。
羽根車４２０４は、２つの軸受部４２０６、４２０８を介してタービンケース４２０２の内部に回転可能に支持された出力軸４２１０と、出力軸４２１０の周方向に間隔をおいて設けられた複数の羽根体４２１２とを備え、タービンケース４２０２内を流れる圧縮空気により高速回転する。
動力伝達機構４４は、タービンケース４２０２から突出する出力軸４２１０に取着された第１傘歯車４４０２、プロペラ３０のシャフト３００２の下端に取着された第２傘歯車４４０４、それら第１、第２傘歯車４４０２、４４０４を連結する歯車機構４４０６とを含んで構成され、高速回転する出力軸４２１０の回転力が動力伝達機構４４を介してシャフト３００２に伝達され、プロペラ３０が高速回転する。
なお、圧縮空気流の中心に羽根車４２０４の軸心を配置して羽根車４２０４を回転させる方式のものや、圧縮空気流を羽根車４２０４の個々の羽根体４２１２に衝突させて羽根車４２０４を回転させる方式のものなど、回転駆動部３２には流体エネルギーを回転力に変換する従来公知の様々な構造が採用可能である。

図２、図３、図４に示すように、カメラ３８は、飛行装置１０の周辺を撮像して画像情報（静止画、動画）を生成するものであり、本実施の形態では、カメラ３８は４つの突出部２８０６のうちの１つの突出部２８０６の下面に取着されている。
カメラ３８は、パン、チルト、ズーム機能を備えており、カメラ制御部４０の制御によって撮像する方向や倍率（画角）が制御される。
なお、カメラ３８の数やカメラ３８の配置位置は限定されるものではない。
例えば、複数のカメラ３８をそれらの撮影方向が異なるように設けることで、同時に異なる方向の撮影を行なうようにしてもよい。また、複数のカメラ３８を設けると、一部のカメラ３８が故障しても飛行装置１０の周囲の状況を確実に撮像できるため有利である。

図１、図７に示すように、圧縮空気供給用ホース１４は、その基端がコンプレッサ２４の吐出口２４０２に連結され、先端が後述する分岐管４６に接続されている。
図１に示すように、圧縮空気供給用ホース１４は、弾性を有しスパイラル状に巻き癖が付けられており、圧縮空気供給用ホース１４に張力が加わっていない状態では、圧縮空気供給用ホース１４の弾性により螺旋状に積み重ねられ、全長が最も短かい収納状態に復帰するように構成されている。
したがって、図４に示すように、圧縮空気供給用ホース１４は、飛行体１２の上昇によって張力が加わることで伸長し、図１に示すように、飛行体１２が下降することにより張力が減ることで収縮する。そのため、圧縮空気供給用ホース１４は、飛行体１２の昇降に応じて伸縮することでたるみが生じにくく、圧縮空気供給用ホース１４が絡むことが防止されるように図られている。

図７に示すように、飛行制御部３４は、後述する操作制御部２６から制御用通信ケーブル１６を介して供給される制御情報と、電力供給用ケーブル２０を介して供給される電力とに基づいて圧縮空気供給部３６を制御することにより、飛行体１２を飛行させるものであり、飛行体１２の姿勢制御、飛行体１２の移動制御などを行わせるものである。
飛行制御部３４による飛行体１２の制御は、ＧＰＳ測位装置やジャイロセンサなどの従来公知の様々なセンサを用いて行なわれ、飛行制御部３４として従来公知の様々な構成が使用可能である。

圧縮空気供給部３６は、後述する操作制御部２６から制御用通信ケーブル１６を介して供給される制御情報に基づいて回転駆動部３２に圧縮空気を供給するものである。
本実施の形態では、圧縮空気供給部３６は、コンプレッサ２４と、分岐管４６と、圧縮空気供給用ホース１４と、圧縮空気供給弁４８と、弁制御部５０とを含んで構成されている。

分岐管４６は、機体２８で支持され各回転駆動部３２に接続され、具体的には圧縮空気供給弁４８を介してタービンケース４２０２に接続されている。
圧縮空気供給用ホース１４は、コンプレッサ２４と分岐管４６とを接続している。
圧縮空気供給弁４８は電磁弁で構成され、各分岐管４６に設けられ、開度が制御されることで回転駆動部３２（タービンケース４２０２）への圧縮空気の供給量を制御するものである。

弁制御部５０は、飛行制御部３４から供給される弁制御信号に基づいて各圧縮空気供給弁４８の開度制御を行なうものである。
したがって、弁制御部５０によって、回転駆動部３２（タービンケース４２０２）に供給される圧縮空気の噴射量が個別に制御される。
すなわち、飛行制御部３４から弁制御部５０を介して各回転駆動部３２に供給される圧縮空気の噴射量が個別に制御されることで、各タービン４２の回転量、すなわち、各プロペラ３０の回転量が個別に制御され、これにより、飛行体１２の姿勢制御、飛行体１２の移動制御などが行われる。

カメラ制御部４０は、後述する操作制御部２６からカメラ用通信ケーブル１８を介して供給される制御情報に基づいてカメラ３８のオンオフ制御、パン制御、チルト制御、ズーム制御などを行なうと共に、カメラ３８で撮像された画像情報を通信ケーブルを介して操作制御部２６へ供給するものである。

制御用通信ケーブル１６は、後述する操作制御部２６と、飛行制御部３４とを接続するものであり、飛行制御部３４に供給すべき制御情報の通信を行なう。
カメラ用通信ケーブル１８は、後述する操作制御部２６と、カメラ制御部４０とを接続するものであり、カメラ制御部４０に供給すべき制御情報の通信を行ない、また、操作制御部２６に供給すべきカメラ３８の画像情報の通信を行なう。

電力供給用ケーブル２０は、電源装置２２からの電力を、飛行制御部３４、弁制御部５０、カメラ制御部４０に供給するものであり、弁制御部５０に供給された電力は各圧縮空気供給弁４８に供給され、カメラ制御部４０に供給された電力はカメラ３８に供給される。
制御用通信ケーブル１６、カメラ用通信ケーブル１８、電力供給用ケーブル２０は、それらの径が、圧縮空気供給用ホース１４に比較して小さい寸法で形成され、また、柔軟性を有している。
図５に示すように、制御用通信ケーブル１６、カメラ用通信ケーブル１８、電力供給用ケーブル２０はあたかも１本のケーブルの如き束ねられている。この束ねる構造には従来公知の様々な構造が採用可能であり、例えば、制御用通信ケーブル１６、カメラ用通信ケーブル１８、電力供給用ケーブル２０を撚り合わせてもよく、あるいは、所定の寸法毎に束線バンドにより束ねるなど任意である。
本実施の形態では、圧縮空気供給用ホース１４の外周に、束ねられた制御用通信ケーブル１６、カメラ用通信ケーブル１８および電力供給用ケーブル２０がスパイラル状に巻回されている。
したがって、飛行体１２の飛行に伴い圧縮空気供給用ホース１４が伸縮した場合に、これらのケーブル２０，１６，１８が絡むことが防止される。

電源装置２２は、前述したように、飛行制御部３４に電力を供給し、また、弁制御部５０を介して各圧縮空気供給弁４８に電力を供給し、また、カメラ制御部４０を介してカメラ３８に電力を供給するものであり、例えば、地上に設置された発電装置で構成され、あるいは、商用電源で構成される。

コンプレッサ２４は、圧縮空気を圧縮空気供給用ホース１４を介して各回転駆動部３２に供給するものである。

操作制御部２６は、制御用通信ケーブル１６、カメラ用通信ケーブル１８を介して飛行制御部３４、カメラ制御部４０と制御情報の授受や画像情報の受信を行なうものである。
図８に示すように、本実施の形態では、操作制御部２６は、コンピュータ５２によって構成されている。
コンピュータ５２は、ＣＰＵ５２０２と、不図示のインターフェース回路およびバスラインを介して接続されたＲＯＭ５２０４、ＲＡＭ５２０６、ハードディスク装置５２０８、キーボード５２１０、マウス５２１２、ジョイスティック５２１４、ディスプレイ５２１６、インターフェース５２１８などを有している。
ＲＯＭ５２０４は制御プログラムなどを格納し、ＲＡＭ５２０６はワーキングエリアを提供するものである。
ハードディスク装置５２０８は、飛行制御部３４、カメラ制御部４０と制御情報の授受や画像情報の受信を行なうための制御プログラムなどを格納している。
キーボード５２１０、マウス５２１２、ジョイスティック５２１４は、操作者による操作入力を受け付けるものである。
本実施の形態では、キーボード５２１０、マウス５２１２、ジョイスティック５２１４の何れかを操作することで、あるいは、それらの操作を組み合わせることにより飛行制御部３４を介して飛行体１２の飛行が遠隔制御され、また、カメラ３８のパン、チルト、ズームが遠隔制御される。
ディスプレイ５２１６はデータを表示出力するものである。
本実施の形態では、飛行体１２のカメラ３８の画像情報に基づいた飛行体１２周囲の状況を撮像した映像がディスプレイに表示される。
インターフェース５２１８は、外部機器とデータ、信号の授受を行うためのものであり、本実施の形態では、インターフェース５２１８は、制御用通信ケーブル１６、カメラ用通信ケーブル１８を介して飛行制御部３４、カメラ制御部４０と接続されている。

ＣＰＵ５２０２が、ハードディスク装置５２０８に格納されている制御プログラムを実行することによりコンピュータ５２によって、飛行制御部３４、カメラ制御部４０との間での制御情報の授受や画像情報の受信がなされる。

次に、飛行装置１０の使用方法について説明する。
以下では、飛行体１２が空中を飛行しながらカメラ３８で地上の様子や空中の様子の撮影を行なう場合について説明する。
まず、図１に示すように、地面に、コンプレッサ２４、電源装置２２、操作制御部２６、飛行体１２を設置する。
飛行体１２とコンプレッサ２４とを圧縮空気供給用ホース１４で接続し、飛行体１２と電源装置２２を電力供給用ケーブル２０で接続し、飛行体１２と操作制御部２６とを制御用通信ケーブル１６、カメラ用制御ケーブル１８で接続する。
飛行体１２はまだ地上に設置されているため、圧縮空気供給用ホース１４は、圧縮空気供給用ホース１４の外周に電力供給用ケーブル２０、制御用通信ケーブル１６、カメラ用制御ケーブル１８が巻回された状態で収縮状態となっている。

次に、作業者が操作制御部２６を操作することにより圧縮空気供給部３６を介して各圧縮空気が各回転駆動部３２に供給されることで各プロペラ３０が回転駆動され、飛行体１２が地面から上昇すると、図４、図５に示すように、電力供給用ケーブル２０、制御用通信ケーブル１６、カメラ用制御ケーブル１８が巻回された圧縮空気供給用ホース１４は、飛行体１２の高さに追従して伸長する。
作業者は、操作制御部２６のディスプレイ５２１６に表示されるカメラ３８からの画像情報に基づいて操作制御部２６のキーボード５２１０やジョイスティック５２１４を操作し、カメラ制御部４０を介して各カメラ３８のパン、チルト、ズームを制御しつつ、飛行体１２の位置、姿勢を制御し、カメラ３８による撮影を行なう。
この際、電力供給用ケーブル２０、制御用通信ケーブル１６、カメラ用制御ケーブル１８が巻回された圧縮空気供給用ホース１４は、飛行体１２の高さに追従して伸長あるいは収縮し、たるみが生じない状態を維持する。

カメラ３８による撮影が終了したならば、作業者は、操作制御部２６を操作し、飛行制御部３４によって飛行体１２を降下させ着陸させる。
これにより、圧縮空気供給用ホース１４は、元の収納状態に復帰し、一連の撮影作業が終了する。

なお、本実施の形態では、飛行体１２がカメラ３８を用いて撮影を行なう場合について説明したが、飛行体１２の用途は任意であり、例えば、飛行体１２が液体を散布対象物に散布するものであってもよい。
この場合、機体２８に液体を蓄えるタンク、タンクからの液体をノズルを散布するノズル、ノズルにタンクからの液体を圧送するポンプなどを設ければよい。
また、散布する液体は、塗料、モルタル、農薬剤、殺虫剤、消火剤、水であってもよい。
塗料を散布する場合、散布対象物は、建築物の壁面や屋根である。
モルタルを散布する場合、散布対象物は、構造物の壁部や屋上である。
この場合、モルタルの硬化を促進する凝結剤をモルタルに予め混合しておくことで、モルタルの吹付け、硬化を迅速に行なえ、緊急な対応を必要とする工事現場において有利となる。
農薬剤や殺虫剤を散布する場合、散布対象物は、例えば、農地や有害な虫が存在する建物の箇所である。
消火剤を散布する場合、散布対象物は、火災現場である。
水を散布する場合、散布対象物は、例えば、洗浄を必要とする建物や構造物の壁面や屋上である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、飛行装置１０および飛行体１２は、圧縮空気が供給されることでプロペラ３０を回転駆動するように構成されている。
したがって、従来のようにプロペラ３０を回転駆動するモータと、モータに電力を供給するバッテリとを設ける場合に比較して、重量が重いバッテリを省略できる。
そのため、飛行体１２の軽量化を図れるため、飛行体１２の滞空時間および可搬重量を確保する上で有利となる。
また、バッテリを充電する必要が無いため、バッテリをいちいち充電する手間や充電に要する時間を節約できるため、飛行体１２の取り扱いの向上を図る上で有利となる。
また、プロペラ３０を回転駆動するための電力が不要となるため、省電力化を図る上で有利となる。
また、高価なバッテリを省略できるため、飛行装置１０，飛行体１２の製造コストを低減する上で有利となることは無論のこと、バッテリのように充電回数に応じて劣化するおそれがないため、バッテリの交換が不要となることからランニングコストを低減する上でも有利となる。

また、本実施の形態では、飛行装置１０が、飛行体１２と、地上に配置された回転駆動部３２に圧縮空気供給用ホース１４を介して圧縮空気を供給するコンプレッサ２４とを備えているので、回転駆動部３２への圧縮空気の供給を連続して行なうことができるため、従来のようにバッテリの容量による飛行体１２の滞空時間の制約が無い。そのため、飛行体１２を用いたカメラ３８による撮影など、飛行体１２を用いた各種作業を長時間にわたって効率よく行なう上で有利となる。

また、本実施の形態では、飛行体１２は、その機体に各回転駆動部３２に接続された分岐管４６が設けられ、圧縮空気供給用ホース１４は、コンプレッサ２４と分岐管４６とを接続しているので、各回転駆動部３２に確実に圧縮空気を供給でき、飛行体１２の姿勢制御、移動制御を確実に行なう上で有利となる。

また、本実施の形態では、分岐管４６毎に圧縮空気供給弁４８が設けられ、各圧縮空気供給弁４８の開度を制御する弁制御部５０が設けられているので、飛行体１２の構成を簡素化でき、飛行体１２の軽量化を図る上でより有利となり、飛行体１２の滞空時間および可搬重量を確保する上でより有利となる。

なお、実施の形態では、操作制御部２６と飛行制御部３４とを制御用通信ケーブル１６で接続し、操作制御部２６とカメラ３８とをカメラ用通信ケーブル１８で接続し、電源装置２２と飛行制御部３４、弁制御部５０、カメラ制御部４０とを電力供給用ケーブル２０で接続する場合について説明した。
しかしながら、操作制御部２６と飛行制御部３４およびカメラ３８とを無線回線で接続し、また、飛行体１２の機体２８にバッテリを搭載しこのバッテリから飛行制御部３４、弁制御部５０、カメラ制御部４０に電力を供給するようにしてもよい。
この場合、バッテリは、プロペラ３０を駆動するモータへ電力を供給する必要がないため、バッテリは、飛行制御部３４、弁制御部５０、カメラ制御部４０に供給する比較的小さな電力を供給できればよいから、バッテリは小容量で軽い重量のもので足りる。
そのため、第１、第２の実施の形態よりも多少飛行体１２の重量が増えるものの、従来のようにモータを駆動する大容量のバッテリを搭載する場合に比較して飛行体１２の軽量化を図る上で有利となる。
また、操作制御部２６と飛行制御部３４およびカメラ３８とを無線回線で接続すると共に、第１、第２の実施の形態と同様に、飛行体１２と電源装置２２とを電力供給用ケーブル２０で接続し、電力供給用ケーブル２０を介して飛行制御部３４、弁制御部５０、カメラ制御部４０に電力を供給するようにしてもよい。
この場合は、飛行体１２の機体２８からバッテリを省略できるため、飛行体１２の軽量化を図る上でより有利となる。

１０飛行装置
１２飛行体
１４圧縮空気供給用ホース
２４コンプレッサ
２８機体
３０プロペラ
３２回転駆動部
４６分岐管
４８圧縮空気供給弁
５０弁制御部

Claims

複数のプロペラと前記各プロペラに対応して設けられ前記プロペラを回転駆動する回転駆動部とを有し、前記回転駆動部は圧縮空気が供給されることで前記プロペラを回転駆動する飛行体と、
地上に配置された前記回転駆動部に圧縮空気供給用ホースを介して圧縮空気を供給するコンプレッサと、
を備え、
前記圧縮空気供給用ホースは、スパイラル状に巻き癖が付けられ、前記圧縮空気供給用ホースに張力が加わっていない状態で、前記圧縮空気供給用ホースはその弾性により螺旋状に積み重ねられ、全長が最も短かい収納状態となる、
ることを特徴とする飛行装置。
前記飛行体は、前記プロペラおよび前記回転駆動部を支持する機体を有し、
前記機体に前記各回転駆動部に接続された分岐管が設けられ、
前記圧縮空気供給用ホースは、前記コンプレッサと前記分岐管とを接続している、
ことを特徴とする請求項１記載の飛行装置。
前記分岐管毎に圧縮空気供給弁が設けられ、前記各圧縮空気供給弁の開度を制御する弁制御部が設けられている、
ことを特徴とする請求項２記載の飛行装置。