JP7348619B2

JP7348619B2 - 航空機

Info

Publication number: JP7348619B2
Application number: JP2018234136A
Authority: JP
Inventors: 邦男齊藤
Original assignee: サイトテック株式会社
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2023-09-21
Anticipated expiration: 2038-12-14
Also published as: JP2019112050A

Description

本発明は、航空機に関する。

動力源としてエンジンとモータの両方を備える航空機が提案されている。例えば、特許文献１には、電動駆動部に駆動されて回転するプロペラによって垂直離着陸を行い、内燃機関により駆動されて回転するプロペラによって上空で水平飛行を行う航空機が提案されている。また、特許文献２には、エンジンにより発電機を駆動し、発電機が発電した電力をバッテリに蓄電し、バッテリから電力の供給を受けて運転する電動モータによって飛行するマルチコプタが提案されている。

特開２０１６－７８８１０号公報特開２０１６－８８１１０号公報

近年、ドローンと通称される自律飛行が可能な無人航空機が物資の輸送等の商標目的に活用され始めている。典型的なドローンは４枚以上のプロペラを鉛直方向の軸周りに等角度で配置したマルチコプタの形態をとる。

マルチコプタは、複数枚のプロペラの各々の回転数を制御することによって空中での姿勢の維持、鉛直方向の移動、水平方向の移動を行う。従って、マルチコプタの制御の観点からは、プロペラを駆動する原動機としては、エンジンよりも回転数を迅速に変化させることが可能なモータの方が有利である。

しかしながら、同じ出力のモータとエンジンを比較した場合、一般的にモータの方がエンジンよりも重量が大きい。また、モータのエネルギー源であるバッテリとエンジンのエネルギー源である燃料を比較した場合、バッテリの方が燃料よりもエネルギー密度が小さい。従って、同じ重量のモータ駆動のマルチコプタとエンジン駆動のマルチコプタを比較した場合、モータ駆動のマルチコプタの方が一般的に最大積載重量が小さく、連続飛行距離が短い。

上記の事情に鑑み、本発明は、従来技術に係るマルチコプタと比較し、飛行制御性能を犠牲にすることなく、最大積載重量、連続飛行距離の観点から優れたマルチコプタを提供することを目的とする。

上記の課題に鑑み、本発明は、４個以上の装置群と、制御装置とを備え、前記４個以上の装置群の各々は、モータと、前記モータにより回転駆動されるプロペラと、前記モータに供給される電力を保持する電力保持装置と、エンジンと、前記エンジンにより回転駆動されるプロペラと、前記エンジンに供給される燃料を収容する燃料タンクとを含み、前記制御装置は、前記４個以上の装置群の各々に関し、当該装置群に含まれる前記モータと前記エンジンの各々に対し、所定の数式又は所定の対応表により特定される関係を有する異なる値の制御パラメータを出力することによって、前記モータと前記エンジンの動作を制御するマルチコプタを第１の態様として提供する。

第１の態様に係るマルチコプタは、飛行制御性能の観点から優れた原動機であるモータにより回転駆動されるプロペラと、最大積載重量及び連続飛行距離の観点から優れた原動機であるエンジンにより駆動されるプロペラの両方で飛行するため、上述した課題が解決される。

第１の態様に係るマルチコプタにおいて、前記４個以上の装置群の各々に関し、当該装置群に含まれる前記モータにより回転駆動されるプロペラと当該装置群に含まれる前記エンジンにより回転駆動されるプロペラは、同一の軸周りに回転する、という構成が第２の態様として採用されてもよい。

第２の態様に係るマルチコプタによれば、各駆動系において、モータにより回転駆動されるプロペラのみでは不足する揚力が、エンジンにより回転駆動されるプロペラにより補われ、エンジンにより回転駆動されるプロペラのみでは遅延する飛行制御が、モータにより回転駆動されるプロペラにより遅延しない。

第１又は第２の態様に係るマルチコプタにおいて、前記４個以上の装置群の各々は、同じ装置群に含まれる前記エンジンを動力源として発電する発電装置を備え、前記４個以上の装置群の各々に含まれる前記モータは同じ装置群に含まれる前記発電装置が発電した電力により運転する、という構成が第３の態様として採用されてもよい。

第３の態様に係るマルチコプタによれば、大容量のバッテリを搭載する必要がない。

本願発明に係るマルチコプタによれば、従来技術に係るマルチコプタと比較し、飛行制御性能を犠牲にすることなく、より大きな最大積載重量と連続飛行距離が実現される。

一実施形態に係るマルチコプタを斜め上方から見た図。一実施形態に係るマルチコプタの駆動系の構成を模式的に示した図。一変形例に係るマルチコプタの駆動系の構成を模式的に示した図。一変形例に係るプロペラの配置を示した図。一変形例に係るマルチコプタを斜め上方から見た図。法面工法活用ドローンの構成を示した図。ドローンの開発要領を示した図。ハイブリッド・マルチ運用ドローンの外観、仕様及びペイロードを示した図。ハイブリッド・マルチ運用ドローンの機体設計図。ハイブリッド・マルチ運用ドローンに関連する特許案件を示した図。ドローン・ハイブリッド（エンジンとモーターのハイブリッド）の仕様を示した図。ハイブリッド・マルチ運用ドローン（試作１号機）の概要図。ハイブリッド・マルチ運用ドローン（試作２号機）の概要図。ハイブリッド・マルチ運用ドローン（試作３号機）の概要図。コンクリートテスター搭載ドローンの測定の基本原理を示す図。法面検査パターンを例示した図。コンクリートテスター搭載ドローンの機体設計図。コンクリートテスター搭載ドローンの電源供給システムの構成図。コンクリートテスター搭載ドローン（試作１号機）の仕様を示した図。コンクリートテスター搭載ドローン（試作２号機）の仕様を示した図。コンクリートテスター搭載ドローン（試作３号機）の仕様を示した図。地上基地局トレーラーの仕様を示した図。コンクリートテスター搭載ドローンに関連する特許案件を示した図。コンクリートテスター搭載ドローン（試作１号機）の概要図。

以下に本発明の一実施形態に係るマルチコプタ１を説明する。図１は、マルチコプタ１を斜め上方から見た図である。マルチコプタ１は、外から見える構成部として、本体１１と、本体１１から半径方向に延伸する複数本のアーム１２と、アーム１２の先端部付近の上側に配置され図１における鉛直方向の軸周りに回転するプロペラ１３と、アーム１２の先端部付近の下側に配置され同じアームに配置されているプロペラ１３と同じ軸周りに回転するプロペラ１４を備える。

図１には、マルチコプタ１が備えるアーム１２、プロペラ１３、プロペラ１４の組が４つである例を示しているが、マルチコプタ１が備えるそれらの組の数は４つに限られず、例えば、６組、８組等であってもよい。

互いに隣接する２本のアーム１２の間の角度は一定である。例えば、アーム１２が４本の場合、互いに隣接する２本のアーム１２の間の角度は９０度である。

図２は、マルチコプタ１の駆動系の構成を模式的に示した図である。マルチコプタ１が備える駆動系は、複数のアーム１２の各々に応じて設けられた複数の装置の集まりである装置群Ｄと、それらの複数の装置群Ｄに属さない装置の集まりである装置群Ｅにより構成される。装置群Ｄには、プロペラ１３を回転駆動するモータ１５と、プロペラ１４を回転駆動するエンジン１６と、エンジン１６を動力源として発電する発電装置１７が含まれる。装置群Ｅには、発電装置１７により発電された電力を一時的に保持する電力保持装置１８と、エンジン１６に供給される燃料を収容する燃料タンク１９と、モータ１５及びエンジン１６の動作を制御する制御装置１０が含まれる。

モータ１５の回転力は直接、プロペラ１３に伝達されてもよいし、ギアや駆動ベルト等の動力伝達系を介してプロペラ１３に伝達されてもよい。また、エンジン１６の回転力は直接、プロペラ１４に伝達されてもよいし、ギアや駆動ベルト等の動力伝達系を介してプロペラ１４に伝達されてもよい。

複数のアーム１２の各々に配置されているプロペラ１３の回転方向は、互いに隣接する他のプロペラ１３と逆方向である。すなわち、マルチコプタ１を平面視した場合に、或るプロペラ１３の回転方向が時計回りであるならば、そのプロペラ１３の両隣のプロペラ１３の回転方向は反時計回りである。

また、複数のアーム１２の各々に配置されているプロペラ１４の回転方向は、互いに隣接する他のプロペラ１４と逆方向である。すなわち、マルチコプタ１を平面視した場合に、或るプロペラ１４の回転方向が時計回りであるならば、そのプロペラ１４の両隣のプロペラ１３の回転方向は反時計回りである。

上記のように、互いに隣接するプロペラ１３又はプロペラ１４の回転方向を反対とすることで、各プロペラの軸周りに発生するトルクが打ち消される。

なお、同じアーム１２に配置されているプロペラ１３とプロペラ１４の回転方向は同一であっても反対であってもよい。ただし、同じアーム１２に配置されているプロペラ１３とプロペラ１４の回転方向が反対であれば、各アーム１２において２枚のプロペラの回転により発生するトルクの一部が打ち消されるため、より望ましい。

電力保持装置１８は、例えば、キャパシタを備える電子回路、リチウムイオン電池等の繰り返し充放電が可能な二次電池等のいずれであってもよい。

制御装置１０は、同じアームに配置されたプロペラ１３とプロペラ１４を回転駆動する対をなすモータ１５とエンジン１６に対し、同一の制御を行う。ここで同一の制御とは、制御装置１０からモータ１５に出力される制御パラメータの値と、制御装置１０から当該モータ１５と対をなすエンジン１６に出力される制御パラメータの値とが、同一又は１対１の関係を有することを意味する。すなわち、モータ１５に出力される制御パラメータの値とエンジン１６に出力される制御パラメータの値は必ずしも同一でなくてよく、例えば、一方の値が他方の値に所定の乗数を乗じた値である等、それらの２つの値が所定の数式で特定される関係や対応表により特定される関係を有していればよい。

上述したマルチコプタ１は、モータ１５により回転駆動されるプロペラ１３により、従来技術に係るモータ駆動のマルチコプタと同様の高い飛行制御性能を有する。また、上述したマルチコプタ１は、エンジン１６により回転駆動されるプロペラ１４により、従来技術に係るモータ駆動のマルチコプタよりも大きな最大積載重量と連続飛行距離を有する。

［変形例］
上述した実施形態は様々に変形されてよい。以下にそれらの変形の例を示す。

（１）上述した実施形態において、マルチコプタ１が備える電力保持装置１８、燃料タンク１９の各々の数は１つであるものとしている（図２参照）。マルチコプタ１が備えるそれらの数は１つに限られない。例えば、図３に示すように、マルチコプタ１が複数のアーム１２の各々に応じた電力保持装置１８、燃料タンク１９を備えてもよい。すなわち、アーム１２に応じて設けられる装置軍Ｄに、モータ１５、エンジン１６、発電装置１７に加え、電力保持装置１８、燃料タンク１９が含まれてもよい。この場合、モータ１５は、自装置が回転駆動するプロペラ１３と同じアーム１２に配置された対をなすプロペラ１４を回転駆動するエンジン１６を動力源として発電する発電装置１７により発電された電力により運転する。この変形例においては、モータ１５、エンジン１６、発電装置１７、電力保持装置１８、燃料タンク１９の各々が冗長化されているため、それらのいずれかに故障が生じ、プロペラ１３又はプロペラ１４のいずれかの回転が停止した場合であっても、他のプロペラ１３又はプロペラ１４は運転を継続できるため、マルチコプタ１は飛行を続行することができる。

（２）上述した実施形態において、モータ１５により回転駆動されるプロペラ１３はアーム１２の上側に配置され、エンジン１６により回転駆動されるプロペラ１４はアーム１２の下側に配置されるものとしている。これらのプロペラの配置は逆であってもよい。すなわち、プロペラ１３がアーム１２の下側に配置され、プロペラ１４がアーム１２の上側に配置されてもよい。

（３）上述した実施形態において、同じアーム１２に配置されているプロペラ１３とプロペラ１４は同じ軸周りに回転する。プロペラ１３とプロペラ１４の回転軸は必ずしも同一でなく、ずれていてもよい。

（４）上述した実施形態においては、プロペラ１３とプロペラ１４は本体１１から半径方向に延伸するアーム１２の先端付近に配置されている。プロペラ１３とプロペラ１４の位置はアーム１２の先端付近に限られず、例えば図４に示すように、マルチコプタ１がアーム１２を備えず、平面視において本体１１の内部領域にプロペラ１３及びプロペラ１４が配置されてもよい。

（５）上述した実施形態において、制御装置１０は対をなすモータ１５とエンジン１６に対し同一の制御を行うものとしている。これに代えて、制御装置１０が対をなすモータ１５とエンジン１６の各々に対し異なる制御を個別に行ってもよい。

（６）上述した実施形態においては、プロペラ１３とプロペラ１４は同数であるものとしている。プロペラ１３とプロペラ１４は同数に限られない。例えば、図５に示すように、マルチコプタ１が、アーム１２の先端付近に配置された合計４枚のプロペラ１３と、本体１１に配置された２枚のプロペラ１４を備えてもよい。なお、２枚のプロペラ１４はトルクを打ち消すために、反対方向に回転する。この場合、制御装置１０はモータ１５とエンジン１６を個別に制御することになる。なお、マルチコプタ１がプロペラ１４を１枚のみ備える場合、マルチコプタ１はプロペラ１４の回転により生じるトルクを打ち消すために、テールロータを備えればよい。

［補足資料］
図６乃至図１４に、本願発明の一実施例に係るハイブリッド・マルチ運用ドローンの仕様等を示す。また、図１５乃至図２４に、当該ハイブリッド・マルチ運用ドローンと同時期に本願発明者により開発されたコンクリートテスター搭載ドローンの仕様等を示す。

１…マルチコプタ、１０…制御装置、１１…本体、１２…アーム、１３…プロペラ、１４…プロペラ、１５…モータ、１６…エンジン、１７…発電装置、１８…電力保持装置、１９…燃料タンク。

Claims

４個以上の装置群と、
制御装置と
を備え、
前記４個以上の装置群の各々は、モータと、前記モータにより回転駆動されるプロペラと、前記モータに供給される電力を保持する電力保持装置と、エンジンと、前記エンジンにより回転駆動されるプロペラと、前記エンジンに供給される燃料を収容する燃料タンクとを含み、
前記制御装置は、前記４個以上の装置群の各々に関し、当該装置群に含まれる前記モータと前記エンジンの各々に対し、所定の数式又は所定の対応表により特定される関係を有する異なる値の制御パラメータを出力することによって、前記モータと前記エンジンの動作を制御する
マルチコプタ。
前記４個以上の装置群の各々に関し、当該装置群に含まれる前記モータにより回転駆動されるプロペラと当該装置群に含まれる前記エンジンにより回転駆動されるプロペラは、同一の軸周りに回転する
請求項１に記載のマルチコプタ。
前記４個以上の装置群の各々は、同じ装置群に含まれる前記エンジンを動力源として発電する発電装置
を備え、
前記４個以上の装置群の各々に含まれる前記モータは同じ装置群に含まれる前記発電装置が発電した電力により運転する
請求項１又は２に記載のマルチコプタ。