JP7137257B2 - 飛行体 - Google Patents

Description

本開示は、飛行体に関する。

近年、ドローン（Ｄｒｏｎｅ）又は無人航空機（ＵＡＶ：Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの飛行体（以下、「飛行体」と総称する）が普及している。例えば、複数の回転翼を有するマルチコプタタイプが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３－１２９３０１号公報

特許文献１の飛行体においては、前進方向への飛行時において、機体を傾斜させることで水平方向の推力を得る。しかしながら機体が傾斜することで移動方向における水平成分の抵抗が大きくなり、速度性能及び燃費の低下を招く要因となっている。

そこで、本開示は、速度性能及び燃費を効率的に向上することのできる飛行体を提供することを一つの目的とする。

本開示による飛行体は、
前進飛行およびホバリングが可能な飛行体であって、
揚力発生部と、
前記揚力発生部を保持するフレームと、
前記フレームに設けられ、且つ搭載対象物を収納する搭載部とを備え、
前進飛行時における前記フレームおよび前記搭載部の前面投影面積が、ホバリング時における前記フレームおよび前記搭載部の前面投影面積よりも小さい。

本開示によれば、速度性能及び燃費を効率的に向上することのできる飛行体を提供し得る。

一実施の形態による飛行体の平面視図である。 同実施の形態による飛行体の正面視図である。 同実施の形態による飛行体の側面視図である。 同実施の形態による飛行体の変形例を示す側面視図である。 同実施の形態による飛行体のホバリング状態を示す側面視図である。 前進飛行時における機体の前面の投影領域を示す図である。 ホバリング時における機体の前面の投影領域を示す図である。 飛行体の例示的な機能ブロック図である。

本開示の一実施形態の内容を列記して説明する。本開示の一実施の形態による飛行体は、例えば以下のような構成を備える。
[項目１]
前進飛行およびホバリングが可能な飛行体であって、
揚力発生部と、
前記揚力発生部を保持するフレームと、
前記フレームに設けられ、且つ搭載対象物を収納する搭載部とを備え、
前進飛行時における前記フレームおよび前記搭載部の前面投影面積が、ホバリング時における前記フレームおよび前記搭載部の前面投影面積よりも小さい、
飛行体。
[項目２]
項目１に記載の飛行体であって、
前記揚力発生部は回転翼を含み、
前記フレームの端部において前記回転翼を支持する支持部をさらに備え、
前記支持部は前記回転翼を回動不能に固定する、飛行体。
[項目３]
項目２に記載の飛行体であって、
前記支持部は、前記回転翼の回転軸を、前記飛行体の前進方向でかつ、前記フレームに対して傾斜する方向となるように、前記回転翼を固定する、飛行体。
［項目４］
項目１～３のいずれか１項に記載の飛行体であって、
前記飛行体の前記ホバリング時において、前記飛行体は、水平方向に対して後傾した姿勢をとる、飛行体。
［項目５］
項目１～４のいずれか１項に記載の飛行体であって、
前記飛行体の前記前進飛行時において、
前記揚力発生部は、前方および上方に対して揚力を発生させ、
前記飛行体は、前記フレームが水平となる姿勢をとる、飛行体。
［項目６］
項目１～５のいずれか１項に記載の飛行体であって、
前記搭載部は、前記フレームと、前記フレームに対して少なくとも前後方向に回動可能に接続する接続部を有する、飛行体。
［項目７］
項目６に記載の飛行体であって、
前記接続部は、前記搭載部の姿勢を制御する姿勢制御機構を有する、飛行体。

＜実施の形態の詳細＞
以下、本開示の一実施の形態による飛行体について、図面を参照しながら説明する。

＜本開示の一実施の形態の詳細＞
図１は、一実施の形態による飛行体１の平面視図である。また、図２は、本実施の形態による飛行体１の正面視図である。図３は、本実施の形態による飛行体１の側面視図である。図１～図３に示されるように、本実施の形態による飛行体１は、例えば、前進方向への飛行又はホバリング可能な飛行体である。飛行体１は、例えば、回転翼２（揚力発生部）と、回転翼２を回転させるためのモータ３と、回転翼２を保持するとともにモータ３が取り付けられているフレーム４とを備えている。本実施形態では、飛行体１の前後方向をＹ軸方向、左右方向（または水平方向）をＸ軸方向、上下方向（または鉛直方向）をＺ軸方向とする。ここで、飛行体１は＋Ｙ方向を前進方向としている。

回転翼２は、モータ３からの出力を受けて回転する。回転翼２が回転することによって、飛行体１に推進力が発生する。回転翼２は、揚力発生部の一例である。例えばマルチコプタ方式であれば、複数の回転翼のそれぞれが、時計回り方向もしくは反時計回り方向に回転するように、または停止するよう制御されることにより、飛行体１の上下方向および水平方向の移動、並びに旋回およびヨー軸方向の回転が可能である。

本開示の回転翼２の羽根（回転子）の数は、任意（例えば、１、２、３、４、またはそれ以上の羽根）でよい。また、羽根の形状は、平らな形状、曲がった形状、よじれた形状、テーパ形状、またはそれらの組み合わせ等の任意の形状が可能である。なお、羽根の形状は固定でもよいし、変化可能であってもよい。（例えば、伸縮、折りたたみ、折り曲げ等）。羽根は、対称的または非対称的（異なる形状の上部及び下部表面を有する）であってもよい。ここで対称的とは、羽根の翼弦線を基準として上下の表面形状が対称であることを意味する。非対称的とは、上記の対称的ではないことを意味する。このように羽根はエアホイル、ウイング、または羽根が空中を移動される時に動的空気力（例えば、揚力、推力）を生成するために好適な幾何学形状に形成可能である。羽根の幾何学形状は、揚力及び推力を増加させ、抗力を削減する等の、羽根の動的空気特性を最適化するために適宜選択可能である。また、回転翼２は、推進式（プッシュ式）としてもよいし、牽引式（プル式）としてもよいし、その組み合わせでもよい。

モータ３は、回転翼２の回転を生じさせるものである。すなわち、モータ３は駆動ユニットの一例である。例えば、回転翼２の駆動ユニットは、モータの他にエンジン等であってもよい。羽根は、モータによって駆動可能であり、例えば、時計方向に及び／または反時計方向に、モータの回転軸（例えば、モータの長軸）の周りに回転する。または、羽根を構成するプロペラ（回転翼２）は、モータの動力軸からプーリ等を介して出力が伝達される駆動軸を有し、羽根は該駆動軸の周りに回転してもよい。

羽根は、それぞれ独立して回転が制御されることも可能である。例えばマルチコプタ方式の飛行体にあっては、羽根のいくつかは一方の方向に回転し、他の羽根は他方方向に回転する。羽根は、同一回転数ですべて回転することも可能であり、夫々異なる回転数で回転することも可能である。回転数は移動体の寸法（例えば、大きさ、重さ）又は制御状態（速さ、移動方向等）に基づいて自動又は手動により定めることができる。

フレーム４は、それぞれ対応するモータ３及び回転翼２を支持している部材である。フレーム４には、回転翼機の飛行状態、飛行方向等を示すためにＬＥＤ等の発色体を設けることとしてもよい。本実施の形態によるフレーム４は、カーボン、炭素繊維樹脂、ガラス繊維樹脂、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、もしくはマグネシウム合金等またはこれらの組み合わせから適宜選択される素材で形成することが可能である。

フレーム４は、図１及び図２に示すように、第１フレーム４０と、第２フレーム４１とを備える。図１に示す例では、第２フレーム４１、４１は、略平行に並んで設けられる第１フレーム４０、４０間に並んで横架される。第１フレーム４０と第２フレーム４１とは、例えば継手やカシメ等の公知の方法で接続される。

図１に示すように、第１フレーム４０、４０は、Ｙ方向を長手方向として、Ｘ方向に沿って所定の間隔をおいて並んでいる。第１フレーム４０，４０の両端部には、モータ３を介して回転翼２が取り付けられている。

また、図１に示すように、第２フレーム４１，４１は、Ｘ方向を長手方向として、Ｙ方向に沿って所定の間隔をおいて並んでいる。

本実施形態では、２つの第１フレーム４０，４０と、２つの第２フレーム４１，４１との接続点をＶ１～Ｖ４と定義している。フレーム４は、第１フレーム４０上の頂点Ｖ１と頂点Ｖ２の間を始点として第１フレーム４０からＸ方向に延びる第３フレーム４２と、第１フレーム４０上の頂点Ｖ３と頂点Ｖ４の間を始点として第３フレーム４２とは反対に第１フレーム４０からＸ方向に延びる第４フレーム４３とを備える。第３フレーム４２の端部には、モータ３を介して回転翼２が取り付けられている。第４フレーム４３の端部には、モータ３を介して回転翼２が取り付けられている。

また、図３に示すように、フレーム４の各端部には、回転翼２およびモータ３と支持するモータマウント３１が設けられる。モータマウント３１は支持部の一例である。回転翼２の回転軸ＲＡが、飛行体１の前方かつフレーム４に対して傾斜するように、モータマウント３１が設けられている。例えば、モータマウント３は、フレーム４の端部からフレーム４の長手方向に向かって細くなるテーパ状の形状を有していてもよい。また、本実施形態に係るモータマウント３１は、フレーム４の端部において固定されている。つまり、モータマウント３１は、回転翼２をフレーム４に対して回動不能に固定する。つまり、回転翼２そのものはフレーム４に対して回動しない。

搭載部５は、例えば、荷物（搭載対象物）５１を搭載・保持するための機構である。搭載部５には、バッテリー５０が積載されていてもよい。搭載部５は、フレーム４に設けられ、且つ荷物５１を収納する。バッテリー５０は、荷物５１を挟んでＸ方向に並んで配置されている。積載されるバッテリー５０の数は特に限定されない。搭載部５は、平面視において、Ｖ１～Ｖ４を頂点とする方形部分のみならず、この方形部分から－Ｙ方向にはみ出した方形部分も有していてもよい。

搭載部５は、フレーム４に回動不能に固定されていてもよい。また、搭載部５は、フレーム４に対して回動可能な機構を有していてもよい。

より具体的には、搭載部５は、図４に示すように、搭載部５の筐体とフレーム４とを接続するヒンジ（接続部）５２を有している。当該ヒンジ５２を支点として、搭載部５がフレーム４に対してピッチ方向に回動可能に構成されている。なお、搭載部５がヒンジ５２を介してフレーム４に対して回転する角度の限度は、特に限定されない。

かかるヒンジ５２を設けることで、例えば、図４に示されるように、飛行体１が後傾姿勢で地上Ｇｒからホバリングを行った場合であっても荷物５１が傾かないように搭載部５の向きを水平に保つことができる。これにより、荷物５１は、飛行中でも安定した状態で保持されて目的地まで配達することが可能となる。なお、本実施の形態によるヒンジ５２は、進行方向と同じ方向である前後方向（すなわちピッチ方向）のみに搭載部５を回動させるものである。しかしながら、さらに左右方向（ロール方向および／またはヨー方向）に搭載部５を回動させるものであってもよい。

ここで、ヒンジ５２は、例えばジンバルのように、モータ等によってアクティブに搭載部５の姿勢を制御する機構を有していてもよい。これにより、飛行時に搭載部５の姿勢を制御することが可能となる。そうすると、搭載部５のふらつき（自然振動等）がより軽減され、より安定的に荷物５１を配達することができる。なお、ヒンジ５２は、搭載部５ではなく、荷物５１に接続されるような構成であってもよい。

搭載部５の形状および／または機構は、荷物５１を収納したり保持したりすることができれば特に限定されるものではない。また、搭載部５に搭載される荷物５１の位置や傾きを保持する機構は、例えば、荷物５１を傾斜移動させるチルト機構等であってもよい。また、上述したように、搭載部５は必ずしもフレーム４に対して回動可能な構造を有していなくてもよい。

なお、本実施の形態における飛行体１は、軽量化を図るために着陸脚を有していない。従って、本実施の形態において、飛行体１の着陸時には、搭載部５が着陸脚の機能を発揮することとなる。なお、他の実施形態においては、フレーム４や搭載部５等に、適宜着陸脚が設けられていてもよい。

図５は、本実施の形態による飛行体１のホバリング時の飛行状態を示す側視図である。なお、図３は、本実施の形態による飛行体１の水平飛行時の飛行状態を示す側視図でもある。図５に示すように、飛行体１のホバリング時においては、回転翼２により得られる揚力が上方となるように、飛行体１は、後傾する姿勢をとる。

一方、図３に示すように、飛行体１の水平飛行時においては、フレーム４が水平になり、回転翼２の回転軸ＲＡはＹ軸方向かつ斜め上方に向く。このとき、回転翼２から得られる揚力は前方成分および上方成分からなる。これにより、例えば、飛行体１は空中において、搭載部５の姿勢を水平にしたまま、水平方向に移動することが可能である。

図６及び図７は、前進飛行時における機体の前面投影面積とホバリング時における機体の前面投影面積を比較するための図である。ここで、前面投影面積とは、飛行体１を水平方向において前方から見た（すなわちＹ軸方向に見た）ときの、フレーム４および搭載部５の投影領域の面積を意味する。かかる前面投影面積は、水平飛行時およびホバリング時の飛行体１の前面を水平方向から撮像し、その撮像画像においてフレーム４および搭載部５が占める部分の面積を、実際の飛行体１の大きさに基づいて算出することにより得られる。図６中の太い破線に囲まれる領域は、前進飛行時における機体の投影領域Ｓ１を示している。図７中の太い破線に囲まれる領域は、ホバリング時における機体の投影領域Ｓ２を示している。フレーム４および搭載部５は、飛行体１の構成要素として大部分を占めており、飛行中における空気抵抗の大きな要因となる。

図６及び図７に示すように、本実施形態における飛行体１では、前進飛行時における投影領域Ｓ１は、ホバリング時における投影領域Ｓ２よりも狭い。すなわち、本実施形態における飛行体１では、前進飛行時における前面投影面積は、ホバリング時における前面投影面積よりも小さい。

従来の飛行体においては、回転翼がフレームに固定されている場合、フレームが水平になると回転翼は上方に向く状態となる。そうすると、前進飛行する際には、飛行体はピッチ方向に前傾する。飛行体が前傾すると、飛行体の搭載部やフレームが前方からの投影領域が大きくなる。つまり、従来の飛行体においては投影領域が、ホバリング時より前進飛行時のほうが大きくなる。この場合、飛行体が前方から受ける空気抵抗は大きくなりやすい。

一方で、本実施形態に係る飛行体１は、前進飛行する際にホバリング時よりも前方からの投影領域が小さくなる。すると、飛行体１の機体の前方から受ける空気抵抗が低減される。つまり、本実施形態に係る飛行体１の構成により、前進飛行時における速度性能及び燃費を効率的に向上させることができる。

上述した飛行体１は、例えば、図８に示される機能ブロックを有している。なお、図８の機能ブロックは最低限の参考構成であり、本実施形態に係る飛行体１の有する機能ブロックはかかる例に限定されない。フライトコントローラは、所謂処理ユニットである。処理ユニットは、プログラマブルプロセッサ（例えば、中央処理ユニット（ＣＰＵ））などの１つ以上のプロセッサを有することができる。処理ユニットは、図示しないメモリを有しており、当該メモリにアクセス可能である。メモリは、１つ以上のステップを行うために処理ユニットが実行可能であるロジック、コード、および／またはプログラム命令を記憶している。メモリは、例えば、ＳＤカード又はランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの分離可能な媒体または外部の記憶装置を含んでいてもよい。カメラ又はセンサ類から取得したデータは、メモリに直接に伝達されかつ記憶されてもよい。例えば、カメラ等で撮影した静止画・動画データが内蔵メモリ又は外部メモリに記録される。

処理ユニットは、飛行体の状態を制御するように構成された制御モジュールを含んでいる。例えば、制御モジュールは、６自由度（並進運動ｘ、ｙ及びｚ、並びに回転運動θ_ｘ、θ_ｙ及びθ_ｚ）を有する飛行体の空間的配置、速度、および／または加速度を調整するために飛行体の推進機構（モータ等）を制御する。制御モジュールは、搭載部、センサ類の状態のうちの１つ以上を制御することができる。

処理ユニットは、１つ以上の外部のデバイス（例えば、端末、表示装置、または他の遠隔の制御器）からのデータを送信および／または受け取るように構成された送受信部と通信可能である。送受信機は、有線通信または無線通信などの任意の適当な通信手段を使用することができる。例えば、送受信部は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、赤外線、無線、ＷｉＦｉ、ポイントツーポイント（Ｐ２Ｐ）ネットワーク、電気通信ネットワーク、クラウド通信などのうちの１つ以上を利用することができる。送受信部は、センサ類で取得したデータ、処理ユニットが生成した処理結果、所定の制御データ、端末または遠隔の制御器からのユーザコマンドなどのうちの１つ以上を送信および／または受け取ることができる。

本実施の形態によるセンサ類は、慣性センサ（加速度センサ、ジャイロセンサ）、ＧＰＳセンサ、近接センサ（例えば、ライダー）、またはビジョン／イメージセンサ（例えば、カメラ）を含み得る。

本開示の飛行体は、物流用の飛行体としての利用、及び倉庫、工場内における産業用の飛行体としての利用が期待できる。また、本開示の飛行体は、マルチコプター・ドローン等の飛行機関連産業において利用することができる。さらに、本開示は、カメラ等を搭載した空撮用の飛行体としても好適に使用することができる。また、本技術は、セキュリティ分野、農業、インフラ監視等の様々な産業にも利用することができる。

上述した実施の形態は、本技術の理解を容易にするための例示に過ぎず、本技術を限定して解釈するためのものではない。本技術は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良することができると共に、本技術にはその均等物が含まれることは言うまでもない。

１ 飛行体
２ 回転翼（揚力発生部）
３ モータ
４ フレーム
５ 搭載部
３１ モータマウント（支持部）
５１ 荷物（搭載対象物）
５２ ヒンジ（接続部）
Ｓ１ 前進飛行時における機体の前面の投影領域
Ｓ２ ホバリング時における機体の前面の投影領域

Claims (6)

1. 前進飛行およびホバリングが可能な飛行体であって、
   少なくとも前記飛行体の前後にそれぞれ設けられる揚力発生部と、
   前記揚力発生部を保持するフレームと、
   搭載対象物を収納する搭載部とを備え、
   ホバリング時に前記飛行体において後側揚力発生部よりも前側揚力発生部が高く位置し、
   高く位置した前記前側揚力発生部と共に高く位置する機体部分の上面に視野を有するペイロードを備えておらず、
   前進飛行時における前記フレームおよび前記搭載部の前面投影面積が、ホバリング時における前記フレームおよび前記搭載部の前面投影面積よりも小さい、
   飛行体。
2. 請求項１に記載の飛行体であって、
   前記飛行体の前記ホバリング時において、前記飛行体は、水平方向に対して後傾した姿勢をとる、
   飛行体。
3. 請求項１または２に記載の飛行体であって、
   前記搭載部は、前後方向の形状が非対称である、
   飛行体。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の飛行体であって、
   前記搭載部の後側形状は、前側形状と比較して狭い形状である、
   飛行体。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の飛行体であって、
   前記揚力発生部は回転翼を含み、
   前記フレームの端部において前記回転翼を支持する支持部をさらに備え、
   前記支持部は前記回転翼を回動不能に固定する、飛行体。
6. 請求項５に記載の飛行体であって、
   前記支持部は、前記回転翼の回転軸を、前記飛行体の前進方向でかつ、前記フレームに対して傾斜する方向となるように、前記回転翼を固定する、
   飛行体。
   
   

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