JP7198500B2 - 吊り荷の姿勢安定化装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁誘導現象を利用した地下電磁探査装置等、ドローン、ヘリコプター等の飛行体に吊り下げられた状態で搬送する吊り荷の姿勢安定化装置に関する。

飛行体で長尺の荷物などを搬送する際、飛行体の底部に繋げたロープにより吊り下げた状態で飛行を行う、吊り下げ搬送が広く行われている。
例えば、電磁誘導現象を利用した地下電磁探査装置では、ヘリコプター型などのドローンに棒状の電磁探査センサを吊り下げ、探査エリアを一定間隔でスキャンするように飛行させ、ドローンの位置と電磁探査センサの検出値を対応させることで、このエリアの電磁探査を行っている。

しかし、こうした吊り荷には、飛行に伴う空気抵抗やドローンの回転翼からの下降流に加え、予期し得ない風向きの突風などの作用により、吊り荷がヨー方向に回転するなど、姿勢が大きく変動し、吊り荷が障害物に衝突したり、飛行体の飛行そのものが不安定化するといった事態を招く可能性がある。
特に、棒状の電磁探査センサにより、特定区域の電磁探査を行う場合、電磁探査センサの姿勢が変動すると、計測結果に影響を及ぼし、精度低下を招く可能性がある。
このような、吊り荷の姿勢変動を防止するため、特許文献１には、抵抗板と垂直安定板を備えた枠体により航空機等を吊り下げることで、吊り下げ搬送時の姿勢変動を防止することが示されている。

特許文献１ 特開昭６１－１６１９７号公報

しかし、特許文献１に示された枠体は、それ自体重量を有し、特に積載重量に限度のある小型ドローンなどには採用することができない。
また、枠体の四方に小型推進器を設けて姿勢制御を行うことや、ステーなどで吊り荷を固定することも考えられるが、やはり、吊り下げ重量の増大やコストアップを招く。さらに、新たに発生する空気抵抗が飛行体の姿勢変動を招く要因ともなることから、飛行体自体の設計見直しを余儀なくされる場合がある。
吊り荷の長手方向後尾に尾翼を設け、飛行方向に対する安定性を高めることが考えられるが、この尾翼に、飛行方向に対し交差する方向に突風が作用すると、ヨー方向回転を助長する可能性がある。

特に、電磁探査センサの場合、飛行体の機体や推進器を構成する金属材料から５ｍ以上離隔しないと計測データに影響を及ぼすため、高さ５m以上もの枠体を非金属材料で作成することが必要となり、現実的なものではない。
そこで、本発明の目的は、ドローン、ヘリコプター等の飛行体で吊り荷を搬送する際、吊り下げ重量の増大やコストアップを招くことなく、飛行体の姿勢に及ぼす影響を低減し、飛行体の安定飛行を実現することにある。

上記の課題を解決するため、本発明による吊り荷の姿勢安定化装置は、少なくとも吊り荷の両端を保持する複数の吊り荷保持部と、上端が飛行体の底面に回転自在に接続される中央ワイヤと、中央部が中央ワイヤの下端に連結されるとともに、端部が吊り荷保持部に連結された吊り下げワイヤと、吊り荷保持部の一方の底部に取り付けられ、自重あるいは下端部に取り付けたウエイトにより、飛行体の上昇に応じて垂下する方向に展開する折りたたみ式翼型スタビライザとから構成されている。

本発明によれば、飛行体の上昇に応じて、吊り荷保持部の底部から折りたたみ式翼型スタビライザが垂直方向に展開し、尾翼として飛行針路を安定化させるとともに、飛行方向に対し交差する方向に突風などが発生した場合は、翼型スタビライザが撓むことで飛行針路に及ぼす影響を効果的に吸収し、低減することが可能となる。

図１は、実施例１の概要を示す図である。 図２は、ノーズキャップ５とテールキャップ６の構造を示す図である。 図３は、ノーズキャップ５に形成したワイヤ連結部５ｂの構造を示す図である。 図４は、ノーズキャップ５とテールキャップ６による棒状吊り荷２の保持を模式的に示したものである。 図５は、スタビライザ７の構造を示したものである。 図６は、突風発生時のスタビライザ７の様子を示したものである。 図７は、実施例２の側面図である。 図８は、実施例２を下方から見た図である。

［実施例１］
図１に、実施例１の概要を示す。
この実施例は、本発明を、ドローン１から電磁探査センサ等の棒状吊り荷２をロープ３で吊り下げて、対象区域をスキャン飛行させるものに適用したものである。
ワイヤ３は、その先端がドローン１の底面におけるロータ間の中点（１ロータの場合は、そのロータ中心の直下）に、回転ジョイント４を介してその一端が連結された中央ワイヤ３ａと、この中央ワイヤ３ａの下端に一端が連結された、ほぼ同じ長さの２本の吊り下げワイヤ３ｂ、３ｃから構成されている。

吊り下げワイヤ３ｂ、３ｃの他端には、棒状吊り荷２の前端部が挿入されるノーズキャップ５と、棒状吊り荷２の後端部が挿入されるテールキャップ６がそれぞれ連結されている。このノーズキャップ５と挿入されるテールキャップ６が吊り荷保持部を構成している。図２に示すように、ノーズキャップ５、テールキャップ６は、空力特性を考慮して水平方向に幅広で、先端部に向けて先細形状をしており、棒状吊り荷２の前端部が挿入される他端側の開口５ａ、６ａと、吊り下げワイヤ３ｂ、３ｃを結びつけるためのワイヤ連結部５ｂ、６ｂを備えている。

この実施例では、図３に示すように、ワイヤ連結部５ｂは、吊り下げワイヤ３ｂが直接結びつけられる中央ワイヤ連結部５ｂ（１）と、吊り下げワイヤ３ｂの中途から左右に分岐する分岐ワイヤ３ｂ（１）、３ｂ（２）が結びつけられる左右ワイヤ連結部５ｂ（２）、ワイヤ連結部５ｂ（３）を備えている。この構造は、ワイヤ連結部６ｂについても同様で、これにより、ノーズキャップ５、テールキャップ６がそれぞれ中央、左右の３点で連結され、棒状吊り荷２の姿勢をより安定化することができる。特に、分岐ワイヤ３ｂ（１）、３ｂ（２）に弾力性を与えると、さらに、ロール軸周りの揺動を低減することができる。

図４に模式的に示すように、ドローン１が上昇すると、中央ワイヤ３ａの張力が、吊り下げワイヤ３ｂ、３ｃに作用し、この張力がノーズキャップ５とテールキャップ６に対し、それぞれ、棒状吊り荷２の中心方向に向かわせる分力を発生する。これにより、棒状吊り荷２の前後端をノーズキャップ５、テールキャップ６に差し込むだけで、棒状吊り荷２が確実に保持され、飛行中の落下を防止することができる。
もちろん、棒状吊り荷２の前後端をノーズキャップ５、テールキャップ６にワイヤなどで連結するようにしてもよい。

なお、棒状吊り荷２として、棒状の電磁探査センサを吊り下げた実験では、中央ワイヤ３ａの長さを３ｍ、ノーズキャップ５、テールキャップ６から中央ワイヤ３ａの下端までの高さを２ｍとすると、ピッチ方向の揺れを小さくできることが確認されている。
また、中央ワイヤ３ａを使用せず、吊り下げワイヤ３ｂ、３ｃの上端を直接回転ジョイント４に接続してもよいが、ドローン１の離陸時、脚部などに絡まる可能性があり、中央ワイヤ３ａにより、離陸時、吊り下げワイヤ３ｂ、３ｃの分岐部をドローン１の脚部から離隔するようにセットできるようにすることが好ましい。

図１に示すように、テールキャップ６の底部には折りたたみ式のスタビライザ７が装着されている。
また、図５に示すように、スタビライザ７は、テールキャップ６の底部に一体形成され、その幅方向中心部において軸方向に延びるプレート連結部７ａと、その下端から、ひもやヒンジなどの揺動連結部により順次揺動可能に連結されたプレート７ｂ～７ｅから構成されている。
なお、最下端のプレート７ｅの下端には、所定の重量を有するウエイト７ｆが装着されている。
棒状吊り荷２が電磁探査センサの場合、ウエイト７ｆを含め、プレート連結部７ａ、プレート７ｂ～７ｅなどは、すべて磁気に影響を与えない非金属素材で形成する。
また、前述のようにテールキャップ６は、水平方向に幅広に構成されており、ドローン１の回転翼からの下降気流を外方に分散させることにより、スタビライザ７への干渉を最小限に抑制する機能も有している。

ドローン１が着陸している状態では、プレート７ｂ～７ｅは、ドローン１の着陸脚の間、あるいは、中央ワイヤ３ａ及び吊り下げワイヤ３ｂ、３ｃにより決定される距離内に接地させたテールキャップ６の下方あるいは側方に配置される。なお、着陸脚の間に配置する際は、プレート７ｂ～７ｅを相互に折りたたんだ状態とするのが好ましい。
ドローン１が離陸する際は、中央ワイヤ３ａ及び吊り下げワイヤ３ｂ、３ｃが徐々に上昇して張り出し、スタビライザ７上端側のプレート７ｂから順に上昇させ、上側プレートとの連結部を中心に、自身に作用する重力で垂直方向に開いた状態にする。ドローン１が所定の高度以上に到達したときは、ウエイト７ｆも作用して、図５に示すように、全プレートがほぼ垂下した状態に展開する。
この状態で、ドローン１が水平方向の飛行を開始すると、飛行方向と反対方向に空気抵抗を受け、回転ジョイント４により、空気抵抗がスタビライザの左右面でバランスし、空気抵抗が最小となる、飛行方向と平行な向きに追随するよう回転する。これにより、通常飛行時は、飛行方向を安定させる尾翼の役割を果たす。

一方、飛行中、飛行方向に交差する方向に突風などが作用すると、図６に示されるように、プレート７ｂ～７ｅの各面に作用する突風の垂直方向成分と、プレート７ｂ～７ｅ、ウエイト７ｆに作用する重力が釣り合う状態になるまで、プレート７ｂ～７ｅは、各揺動連結部で揺動し、突風の垂直方向成分が吸収される。
これに伴い、プレート７ｂ～７ｅの各面に作用する突風の水平方向成分も低減されるので、突風による進路変更の影響を最小限にとどめることができ、ドローン１自身の姿勢制御により、短時間のうちに針路をほぼ一定に維持することが可能となる。

なお、プレート７ｂ～７ｅの形状や翼面積は、ドローン１の仕様や棒状吊り荷２の重量、長さ等に応じて最適値を選択するが、一定方向に強風が発生している場合はウエイト７ｆを重めに、乱流の場合はウエイト７ｆを軽めにすると、最適な減衰性能を得ることができる。したがって、形状や翼面積の異なるプレート７ｂ～７ｅのセットやウエイト７ｆを複数用意し、気象条件などに応じて、簡単に取り外したり、交換できるよう、連結構造を設計することが好ましい。

［実施例２］
実施例１では、スタビライザ７最上端のプレート連結部７ａのテールキャップ６の底部に一体形成したが、本実施例では、スタビライザ７にラダー機能を付加した。
すなわち、図７、８に示すように、プレート連結部７ａの上端中央部にインナーレース７ａ（１）、テールキャップ６の底部にアウターレース６ｃを設け、両者をボールベアリングなどで回転自在に連結する。

一方、プレート連結部７ａの側面にはエアシリンダ８の伸縮ロッド８ａの先端が、テールキャップ６の底面にはエアシリンダ８のシリンダ本体が装着されており、無線操縦機あるいは自身の姿勢制御装置により作動制御が行われるサーボ機構により、伸縮ロッド８ａの伸縮量が調整され、テールキャップ６の底部に対し、インナーレース７ａが揺動し、飛行方向に対するスタビライザ７の軸が変更され、ドローン１のラダーとして機能を発揮する。これにより、棒状吊り荷２として電磁探査センサを積載する場合、その方向を操縦者あるいは自動制御によりアクティブに変更することが可能となる。

上記の実施例では、吊り荷として、電磁探査センサ等の棒状吊り荷を前提としたが、様々な吊り荷に適用することが可能である。例えば、救難ヘリコプターから吊り下げられる救助用担架に適用すれば、強風の中でも、担架の回転を最小限にとどめ、遭難者を安全に救助することが可能となる。なお、その際には、ノーズキャップ、テールキャップをそれぞれふたつ一組として、担架四隅のパイプ端部に連結できるようにすればよい。

以上説明したように、本発明によれば、ドローン、ヘリコプター等の飛行体で吊り荷を搬送する際、吊り下げ重量の増大やコストアップを招くことなく、飛行方向に対し交差する方向に突風等による影響を効果的に低減することができるので、飛行体用吊り荷の姿勢安定化装置として広く採用されることが期待できる。

１：ドローン ２：棒状吊り荷 ３：ワイヤ
４：回転ジョイント ５：ノーズキャップ ６：テールキャップ
７：折りたたみ式スタビライザ

Claims (4)

1. 少なくとも吊り荷の両端を保持する複数の吊り荷保持部と、
   上端が飛行体の底面に回転自在に接続される中央ワイヤと、
   中央部が前記中央ワイヤの下端に連結されるとともに、端部が前記吊り荷保持部に連結された吊り下げワイヤと、
   前記吊り荷保持部の一方の底部に取り付けられ、自重あるいは下端部に取り付けたウエイトにより、飛行体の上昇に応じて垂下する方向に展開する折りたたみ式翼型スタビライザとからなる、飛行体に吊り下げられた吊り荷の姿勢安定化装置。
2. 前記吊り荷保持部が、前記吊り荷の両端が挿入されるノーズキャップとテールキャップからなり、前記ノーズキャップとテールキャップは、中央部と左右両側の３点で前記中央ワイヤ及び前記吊り下げワイヤに連結されていることを特徴とする請求項１に記載された吊り荷の姿勢安定化装置。
3. 前記折りたたみ式翼型スタビライザが前記テールキャップの底部に取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載された吊り荷の姿勢安定化装置。
4. 前記折りたたみ式翼型スタビライザが、前記吊り荷保持部に対し、垂直軸周りに回転自在に連結され、無線操縦機あるいは飛行体に搭載された姿勢制御装置により作動制御が行われるサーボ機構によりラダーとして機能するようにしたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載された吊り荷の姿勢安定化装置。
   
   
   

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