JP7384337B2 - 静謐性を向上した無人飛行体 - Google Patents

Description

本発明は、静謐性を向上した無人飛行体に関する。

従来、小型無人飛行体（「ドローン」とも呼ばれる）の利用が提案されている。このようなドローンを利用して、農薬等を散布する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１７－２４４８８号公報

ドローンは、複数のプロペラをモーターで回転させることによって、飛行のための推力を得る。ドローンは、プロペラの回転を制御することによって、飛行速度及び方向を制御して飛行する。ところが、プロペラの回転による気流によって、騒音が生じる。図１１は、従来のドローンの一例を示す。図１１のドローン１００は、筐体２に対して放射状に配置された６台のモーター１０のそれぞれに接続されたプロペラ１２の回転によって推力を得て飛行する。図１２は、隣り合う２つのプロペラ１２によって発生する気流Ｓ１００を側面から視た概念図である。気流Ｓ１００の中心軸の方向Ｚ１は、プロペラ１２の回転面と垂直な方向である。気流Ｓ１００において、プロペラ１２との距離に応じて、例えば、領域Ｅ１乃至Ｅ４を規定する。２つの気流Ｓ１００は、領域Ｅ２乃至Ｅ４において重複し、重複領域Ｓ１０２を形成する。重複領域Ｓ１０２において、複数の乱流Ｓ１０３が生じ、騒音の原因となる。

本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、静粛性を向上した無人飛行体を提供することを目的とする。

第一の発明は、中心部材から放射状に外側へ延在する偶数の腕部と、前記腕部の自由端側の端部に配置されるモーターと、前記モーターに接続されるプロペラと、を有する無人飛行体であって、前記プロペラは、前記腕部の下方に位置するように配置されており、鉛直方向において、前記腕部から所定の距離を有する位置である第一位置と、前記所定の距離よりも長い距離を有する位置である第二位置を規定するとき、隣り合う前記プロペラの回転面の中心位置は、一方が前記第一位置に位置し、他方が前記第二位置に位置するように配置されている、無人飛行体である。

本発明の発明者は、２つの気流が重複するときに、同様の強さの部分が重複する場合よりも、異なる強さの部分が重複する場合の方が、騒音が低減することを見出した。騒音が低減するメカニズムは、異なる強さの部分が重複する場合の方が、同様の強さの部分が重複する場合よりも、乱流が低減することによると考えられる。また、本発明の発明者は、プロペラの回転によって生じる気流が腕部に当たる場合よりも、腕部に当たらない場合の方が、騒音が低減することを見出した。騒音が低減するメカニズムは、気流が腕部に当たらないことによって、気流の乱れが低減することによると考えられる。この点、第一の発明の構成によれば、隣り合うプロペラの回転面の中心位置について、一方が第一位置に位置し、他方が第二位置に位置するように構成されている。このため、隣り合うプロペラの回転によって生じる気流が重複する領域において、回転面の中心位置が第二位置に位置するプロペラによる気流の方が、回転面の中心位置が第一位置に位置するプロペラによる気流よりも強い。すなわち、隣り合うプロペラによって生じる気流は、同様の強さの部分において重複するのではなく、異なる強さの部分において重複する。また、プロペラが腕部の下方に位置するから、気流が腕部に当たることはない。これにより、乱流を低減し、静粛性を向上することができる。

第二の発明は、第一の発明の構成において、前記モーターは、取付部材を介して前記腕部に接続されており、前記回転面の前記中心位置の鉛直方向における位置は、前記取付部材によって調整される、無人飛行体である。

第二の発明の構成によれば、取付部材によって、回転面の中心位置の上下方向における位置を調整することができる。

第三の発明は、第一の発明または第二の発明の構成において、前記プロペラの回転軸は、前記腕部の下方において、前記中心部材から乖離する方向における所定の傾斜を有するように構成されている、無人飛行体である。

乱流は、隣り合うプロペラの回転によって生じる気流の重複領域において生じる。この点、第三の発明の構成によれば、プロペラの回転によって生じる気流の中心軸の方向は、鉛直ではなく、腕部の下方において、中心部材とは反対方向へ傾斜するから、隣り合うプロペラの回転によって生じる気流の重複領域は小さくなる。これにより、静粛性を一層向上することができる。

本発明によれば、静粛性を向上した無人飛行体を提供することができる。

本発明の第一の実施形態に係る無人飛行体を示す概略斜視図である。 モーターを示す概略図である。 プロペラの取付構造を示す概略拡大図である。 筐体、アーム及びプロペラを示す概略平面図である。 プロペラの回転面、及び、気流を示す概略平面図である。 プロペラの回転面、及び、気流を示す概略側面図である。 本発明の第二の実施形態に係る無人飛行体を示す概略斜視図である。 プロペラの取付構造を示す概略拡大図である。 筐体、アーム及びプロペラを示す概略平面図である。 プロペラの回転面、及び、気流を示す概略平面図である。 従来の無人飛行体を示す概略斜視図である。 従来のプロペラの回転面、及び、気流を示す概略側面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態）について詳細に説明する。以下の説明においては、同様の構成には同じ符号を付し、その説明を省略又は簡略する。なお、当業者が適宜実施できる構成については説明を省略し、本発明の基本的な構成についてのみ説明する。

＜第一の実施形態＞
図１に示すように、本実施形態の無人飛行体１（以下、「無人機１」という。）は、筐体２を有し、筐体２には上部カバー４（以下、「キャノピー４」という。）が配置されている。無人機１は無人飛行体の一例であり、筐体２は中心部材の一例である。本実施形態において、矢印Ｚ１に示す方向を「下方」と呼び、矢印Ｚ２に示す方向を「上方」と呼ぶ。下方及び上方を総称して「上下方向」と呼ぶ。無人機１が水平状態を維持する状態において、上下方向は、鉛直方向でもある。

筐体２は、無人機の機能に必要な各種部品を配置するための部材であり、部品配置用の部材である。筐体２には、自律飛行装置、モーター駆動回路、無線通信装置、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）などの航法衛星からの測位用電波を利用する測位装置の演算部、測位装置用のアンテナ、無線通信用のアンテナ、バッテリー等が配置されている。自律飛行装置は、慣性センサー、気圧センサー等の電子部品を含む。

図１に示すように、筐体２には、偶数のアーム根本部６が接続されており、各アーム根本部６に丸棒状のアーム８が筐体２から放射状に外側へ延在する態様において接続されている。アーム８は、腕部の一例であり、アーム根本部６と同数の偶数において配置されている。

各アーム８の自由端側の端部には、モーター１０を固定するための取付部材１６Ａ等が接続されている。

各取付部材１６Ａ等にはモーター１０Ａ等が接続されており、各モーター１０Ａ等にはプロペラ１２Ａ等が接続されている。以下、モーター１０Ａ等を総称して「モーター１０」とも呼び、プロペラ１２Ａ等を総称して「プロペラ１２」とも呼ぶ。モーター１０はモーターの一例であり、プロペラ１２はプロペラの一例である。

プロペラ１２は、アーム８の下方に位置するように配置されている。これにより、プロペラ１２の回転によって生じる下方への気流がアーム８に当たることを回避している。さらに、プロペラ１２の回転によって生じる下方への気流は、無人機１のいずれの構成部分にも当たらないように構成されている。なお、無人機１は、プロペラ１２を回転することによって、下方へ向かう気流を発生する。

アーム８は、中空の筒状に構成されており、中空の空間がモーター１０に電力を送信するためのケーブルの通路となる。

各アーム根本部６には、脚部１４が配置されている。脚部１４は、アーム根本部６から下方に延在している。脚部１４は、無人機１が着陸するための構成である。脚部１４が、筐体２の近傍に配置されることによって、プロペラ１２との接触を回避することができる。

キャノピー４は、樹脂で形成されている。アーム８、脚部１４及びプロペラ１２は、例えば、炭素繊維強化プラスチックで形成されており、強度を保ちつつ、軽量に構成されている。

無人機１が水平状態を維持している場合において、キャノピー４が存在する方向が上述の上方であり、脚部１４が存在する方向が上述の下方である。本実施形態においては、無人機１は水平状態を維持するものとして、説明する。

鉛直方向において、アーム８の最下部から所定の距離を有する位置である第一位置と、アーム８の最下部から当該所定の距離よりも長い距離を有する位置である第二位置を規定するとき、隣り合うプロペラ１２の回転面の中心位置は、一方が第一位置に位置し、他方が第二位置に位置するように配置されている。なお、「回転面」とは、各プロペラ１２Ａ等の回転による軌跡として形成される円形の面である。プロペラ１２Ａ等は所定の反りを有するから、円形の面は、反りの大きさに対応する所定の厚さを有する。「回転面の中心位置」は、上述の円形の中心、つまり、円の中心である。また、「回転面の中心位置」は、厚さ方向における中心位置である。プロペラ１２Ｂ，１２Ｄ及び１２Ｆの回転面の中心位置は上述の第一位置に位置し、プロペラ１２Ａ，１２Ｃ及び１２Ｅの回転面の中心位置は上述の第二位置に位置する。以下、隣り合うプロペラ１２の回転面の中心位置の鉛直方向の位置が、上述の意味において異なる配置を「段差配置」と呼ぶ。なお、本明細書において、上下方向と鉛直方向は同義であるとする。

図１に示すように、取付部材１６Ａ，１６Ｃ及び１６Ｅの形状は、それらの最下部が、取付部材１６Ｂ，１６Ｄ及び１６Ｆの最下部よりもア―ム８の最下部からの距離、すなわち、下方への距離が大きい形状に構成されている。取付部材１２Ａ等の上下方向の長さ（あるいは、高さ）によって、プロペラ１２の回転面の中心位置の上下方向の位置が調整され、上述の段差配置を構成している。

図２に示すように、モーター１０は、アウターローター式のブラシレスＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）モーターである。図２（ａ）はモーター１０の外観を示し、図２（ｂ）はモーター１０の内部構造の概略を示す。図２（ｂ）に示すように、ステーター１０ａの中心部１０ａａには、複数の巻線部１０ａｂが放射状に固定されている。ローター１０ｂの内周面には、複数の永久磁石１０ｂｄが固定されている。隣り合う永久磁石１０ｂｄは、互いに極性が異なる。各巻線部１０ａｂに流す電流を制御することによって、回転磁界を生成し、巻線部１０ａｂと永久磁石１０ｂｄとが吸引・反発を繰り返すことによって、ローター１０ｂが回転する。

図２（ａ）に示すように、ローター１０ｂには切欠き部１０ｂｃが形成されており、ステーター１０ａの巻線１０ａｂを空気によって冷却する。また、ローター１０ｂには接続部１０ｂａが形成されており、接続部１０ｂａにプロペラ１２が接続される。

図３を参照して、アーム８に対するプロペラ１２の接続構造を説明する。図３（ａ）は、プロペラ１２Ａ，１２Ｃ及び１２Ｅの取付態様を示す。図３（ｂ）は、アーム８に対するプロペラ１２Ｂ，１２Ｄ及び１２Ｆの接続構造を示す。以下、図３（ａ）を参照して、プロペラ１２Ａの接続構造を説明し、図３（ｂ）を参照して、プロペラ１２Ｂの接続構造を説明する。プロペラ１２Ｃ及び１２Ｅの接続構造はプロペラ１２Ａと同様であり、プロペラ１２Ｄ及び１２Ｆの接続構造はプロペラ１２Ｂと同様である。プロペラ１２Ａとプロペラ１２Ｂは隣り合うプロペラ１２である。同様に、プロペラ１２Ｂとプロペラ１２Ｃ、プロペラ１２Ｃとプロペラ１２Ｄ、プロペラ１２Ｄとプロペラ１２Ｅ、プロペラ１２Ｅとプロペラ１２Ｆは、プロペラ１２Ｆとプロペラ１２Ａは、それぞれ、隣り合うプロペラ１２である。

図３（ａ）に示すように、アーム８の自由端側の端部に取付部材１６Ａが固定されている。そして、取付部材１６Ａの下方の端部にモーター１０Ａが固定され、モーター１０Ａにプロペラ１２Ａが接続される。図３（ｂ）に示すように、アーム８の自由端側の端部に取付部材１６Ｂが固定されている。そして、取付部材１６Ｂの下方の端部にモーター１０Ｂが固定され、モーター１０Ｂにプロペラ１２Ｂが接続される。

アーム８の最下部を基準とする取付部材１６Ａの高さｈ１は、アーム８の最下部を基準とする取付部材１６Ｂの高さｈ２よりも大きい。これにより、アーム８の最下部からプロペラ１２Ａの回転面の中心位置までの乖離距離Ｈ１は、アーム８の最下部からプロペラ１２Ｂの回転面の中心位置までの乖離距離Ｈ２よりも大きくなる。なお、プロペラ１２Ａ及び１２Ｂの回転軸Ｃ１は水平面Ｐ１に対して垂直である。すなわち、回転軸Ｃ１は鉛直方向に延びている。

図４（ａ）は、図１の無人機１を上方、すなわち、矢印Ｚ１に示す方向から視た概略平面図である。図４（ａ）に示すように、プロペラ１２Ａ等は、アーム８の下方に配置されている。このため、プロペラ１２Ａ等の回転によって生じる気流は、アーム８には当たらない。図４（ｂ）は、図１の無人機１のプロペラ１２Ａ及び１２Ｂを側方、すなわち、矢印Ｚ１に垂直な方向から視た概略側面図である。上述の乖離距離Ｈ１及びＨ２によって、隣り合うプロペラ１２であるプロペラ１２Ａとプロペラ１２Ｂの回転面の中心位置の間には、段差Ｈｄ１が形成される。

図５（ａ）は、プロペラ１２等の回転面を上方、すなわち、図１の矢印Ｚ１に示す方向から視た概念図である。図５（ｂ）は、プロペラ１２等の回転によって生じる気流を上方、すなわち、図１の矢印Ｚ１に示す方向から視た概念図である。図５（ａ）において、プロペラ１２Ａ，１２Ｃ及び１２Ｅの回転面の輪郭を相対的に太い線で示し、プロペラ１２Ｂ，１２Ｄ及び１２Ｆの回転面の輪郭を相対的に細い線で示すことによって、乖離距離Ｈ１と乖離距離Ｈ２との相違を表現している。

プロペラ１２Ａ等が回転すると、下方への気流が生じる。プロペラ１２Ａ乃至１２Ｆから、それぞれ、気流Ｓ１Ａ乃至Ｓ１Ｆが生じる。気流Ｓ１ＡとＳ１Ｂとの間において重複領域Ｍ１が生じ、気流Ｓ１ＢとＳ１Ｃとの間において重複領域Ｍ２が生じ、気流Ｓ１ＣとＳ１Ｄとの間において重複領域Ｍ３が生じ、気流Ｓ１Ｄと気流Ｓ１Ｅとの間において重複領域Ｍ４が生じ、気流Ｓ１Ｅと気流Ｓ１Ｆとの間において重複領域Ｍ５が生じ、気流Ｓ１ＦとＳ１Ａとの間において重複領域Ｍ６が生じる。

図６は、気流Ｓ１ＡとＳ１Ｂ、及び、重複領域Ｍ１を側面から視た概念図である。図６に示すように、気流Ｓ１Ａと気流Ｓ１Ｂの間において重複領域Ｍ１が生じる。気流Ｓ１Ａにおいて重複領域Ｍ１に対応する上下方向の位置は、気流Ｓ１Ｂにおいて重複領域Ｍ１に対応する上下方向の位置とは異なる。例えば、気流Ｓ１Ａにおいては、上下方向の位置として規定する領域Ｅ２及びＥ３が重複領域Ｍ１に対応する。これに対して、気流Ｓ１Ｂにおいては、上下方向の領域Ｅ３及びＥ４が重複領域Ｍ１に対応する。このことは、他の重複領域Ｍ２等においても同様である。なお、本明細書において、図６に示す仮想軸Ｄ１を気流の中心軸と呼ぶ。すなわち、気流の中心軸は、プロペラ１２の回転軸と一致する軸である。

上述の段差構造によって、隣り合うプロペラ１２の回転によって生じる気流の重複領域は、各気流における上下方向における異なる位置と対応する。これにより、乱流が低減し、静謐性が向上する。

無人機１について、残響室において、音響パワーレベルを計測した。その結果、段差Ｈｄ１が４センチメートル（ｃｍ）である場合において、段差Ｈｄ１が存在しない場合、すなわち、段差Ｈｄ１が０センチメートルである場合と比較して、音圧が２．５デシベル（ｄＢ）低下した。このとき、無人機１の飛行の安定性に問題はなかった。

さらに、静謐な屋内において、簡易デシベル計で音圧を測定した。その結果、段差Ｈｄ１が８センチメートル（ｃｍ）である場合において、段差Ｈｄ１が存在しない場合と比較して、音圧は、最大値、平均値とも、４．０デシベル（ｄＢ）低下した。このとき、無人機１の飛行の安定性に問題はなかった。

＜第二の実施形態＞
図７乃至図１０を参照して、第二の実施形態について説明する。第一の実施形態と共通する事項は説明を省略し、第一の実施形態と異なる事項についてのみ説明する。

図７に示すように、第二の実施形態の無人機１Ａにおいては、プロペラ１２Ａ等の回転軸Ｃ１が、アーム８の下方において、鉛直方向Ｚ１に対して、筐体２から乖離する方向における所定の傾斜θ１を有するように構成されている。図７においては、プロペラ１２Ｅの回転軸についてのみ、傾斜θ１を示しているが、他のプロペラ１２Ａ等の回転軸についても、同様の傾斜θ１を有する。その他の構成は、第一の実施形態の無人機１と同様である。無人機１Ａにおいて、筐体２が位置する方向を「内側」と呼び、内側と反対側の方向を「外側」と呼ぶ。

図８は、プロペラ１２Ａの傾斜構造を示すが、他のプロペラ１２Ｂ等も同様の傾斜構造を有する。図８に示すように、プロペラ１２Ａの回転軸Ｃ１はアーム８の下方において、鉛直方向Ｚ１に対して、筐体２から乖離する方向における所定の傾斜θ１を有するように構成されている。そして、水平面Ｐ１に対して、プロペラ１２Ａの回転面Ｐ２は傾斜θ１を有する。これにより、図９に示すように、プロペラ１２Ａの回転による気流の中心軸の方向は、筐体２とは反対方向、すなわち、矢印Ｆ１Ａ等に示す方向である外側に向かう成分Ｆ１Ａ等を有する。以下、上述の回転軸の傾斜θ１を「回転軸の傾斜」と呼ぶ。

傾斜θ１の角度は、２度乃至５度であり、望ましくは、３度乃至４度である。

図１０（ａ）は、第一の実施形態の無人機１のプロペラ１２Ａ等の回転面と気流Ｓ１Ａ等を示し、上方から視た概念図である。図１０（ｂ）は、第二の実施形態の無人機１Ａのプロペラ１２Ａ等の回転面と気流Ｓ１１Ａ等を示し、上方から視た概念図である。図１０（ａ）に示すように、無人機１の気流Ｓ１Ａ等の中心軸は、プロペラ１２Ａ等の回転軸と一致する。これに対して、図１０（ｂ）に示すように、無人機１Ａの気流Ｓ１１Ａ等の中心軸は、回転軸の傾斜により、外側に傾斜する。これにより、例えば、気流Ｓ１１ＡとＳ１１Ｂとの重複領域Ｍ１１は、第一の実施形態の気流Ｓ１ＡとＳ１Ｂとの重複領域Ｍ１よりも小さくなる。これにより、静謐性が向上する。

なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。また、本願は、ＮＥＤＯ（国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）のロボット・ドローンが活躍する省エネルギー社会の実現プロジェクト／目視外及び第三者上空での飛行に向けた無人航空機の性能評価基準による研究開発の成果である。

１，１Ａ 無人飛行体
２ 筐体
４ 上部カバー（キャノピー）
６ アーム根本部
８ アーム
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ モーター
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ，１２Ｆ プロペラ
１４ 脚部
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１０Ｄ，１６Ｅ，１６Ｆ 取付部材

Claims (3)

1. 中心部材から放射状に外側へ延在する偶数の腕部と、
   前記腕部の自由端側の端部に配置されるモーターと、
   前記モーターに接続されるプロペラと、を有する無人飛行体であって、
   前記プロペラは、前記腕部の下方に位置するように配置されており、
   鉛直方向において、前記腕部から所定の距離を有する位置である第一位置と、前記所定の距離よりも長い距離を有する位置である第二位置を規定するとき、隣り合う前記プロペラの回転面の中心位置は、一方が前記第一位置に位置し、他方が前記第二位置に位置するように配置されており、
   鉛直方向において、隣り合う前記プロペラの回転面は重複しないように構成されている、
   無人飛行体。
2. 前記モーターは、取付部材を介して前記腕部に接続されており、
   前記回転面の前記中心位置の鉛直方向における位置は、前記取付部材によって調整される、請求項１に記載の無人飛行体。
3. 前記プロペラの回転軸は、前記腕部の下方において、前記中心部材から乖離する方向における所定の傾斜を有するように構成されている、請求項１または請求項２に記載の無人飛行体。