JPWO2018066043A1 - 配達用回転翼機 - Google Patents

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Abstract

高層ビル等において発生する上昇気流の影響を受けることなく、安定して目的地に着陸できる配達用回転翼機を提供する。複数の回転翼と回転翼を支持する複数のアーム部が接続された中心部と、荷物を積載するための第1搭載部と前記中心部から見て第1搭載部とは反対側に位置する第2搭載部と、第1搭載部と前記中心部とを連結するための第1支持部材と、中心部と前記第1支持部材との間に接続部と、を備えた回転翼機であって、複数の回転翼が回転することによって前記回転翼機に発生する揚力の中心点と回転翼機の重力の中心点が前記接続部の中心点と一致するように制御され、第1支持部材が当該第1支持部材の長さを鉛直下向きに伸長させるための調節機構を備えていることを特徴とする。

Description

本発明は、配達用回転翼機に関する。更に詳しくは、高層ビル等において発生する上昇気流の影響を受けることなく、安定して目的地に着陸することができる配達用回転翼機に関する。
いわゆるドローン又はマルチコプターと呼ばれる回転翼機は、セキュリティ、農業、インフラ監視等の様々な分野で使用されている。回転翼機を活用することにより、災害現場や未開拓地等の人間が近づくことができない場所で発生している現象を観測し、観測したビックデータを解析することも可能となっている。回転翼機の中でも、特に小型で軽量の回転翼機は、主として空撮用回転翼機として好適に使用されている。
このような回転翼機を用いることによって、タワーマンション等の高層ビル建築現場を高解像度にて撮影することができる、「パノラマ空撮」が可能となっている。
近年、小型で軽量の回転翼機は、宅配等の荷物配達用のツールとして、その応用が検討されている。特許文献1には、回転翼機による配達システムが開示されている(例えば、特許文献1)。上記配達システムは、回転翼機(ドローン)が自律して、宅配する荷物を宅配先に配達するための出荷目録を形成している。なお、本件特許出願人は、本件発明に関連する文献公知発明として、以下の特許文献を提示する。
米国特許公開公報2015−0120094 A1
しかしながら、特許文献1に記載された配達システムに用いられる回転翼機は、高層ビル等において発生する上昇気流に対応することができる回転翼機となっていない。現在、宅配用回転翼機と称される回転翼機は、空撮用回転翼機等に用いられる一般的な回転翼機を宅配用回転翼機として、そのまま転用した回転翼機である。一般的な回転翼機を宅配用回転翼機に転用した場合には、以下のような技術的な問題点が発生する。
一般的な回転翼機は風によって、斜めに傾いてしまう。一般的な回転翼機を配達用回転翼機に転用する場合には、配達直前における荷物の位置をそのまま保持しながら、出発地から目的地まで荷物を迅速に配達しなければならない。なぜなら、回転翼機が傾くことに伴って、回転翼機が配達している荷物も必然的に傾くことになるからである。
一般的な回転翼機は、風によって、容易に傾き易い。また、前進を行うには傾斜する必要がある。当該回転翼機が配達している荷物がたとえ一瞬でも傾いた場合には、当該荷物の商品価値は無くなってしまう。特に、当該回転翼機が配達している荷物が宅配ピザ、宅配すし、洋菓子、飲料等の液体を含む食べ物である場合には、回転翼機が傾くことによるビジネス上の損失は大きい。回転翼機が日用品を宅配するでも同様である。
また、一般的な回転翼機が目的地に着陸する寸前のタイミングにおいて、当該回転翼機が高層ビル等において発生する気流によって傾くことがある。気流によって傾いた一般的な回転翼機は、最初に当該回転翼機の片側の脚を目的地に接触させる。その後、回転翼機は、他の一方の片側の脚を目的地に接触させなければならない。当該回転翼機の片側の脚が接触してから、他の一方の片側の脚が目的地に接触するまでの間は気流に適切に対抗する機体の傾きを保持することが出来ない。結果として風下に機体が流されたり、バランスを崩し、転倒しまう場合もある。すなわち、目的地において発生する気流によって、回転翼機は、目的地に着陸する直前に転倒してしまうという問題点を有する。特に、一般的な回転翼機が下部に搭載するペイロードに対応するために、そのゲインを高く設定している場合には、転倒の可能性が高い。
また、回転翼機によって配達される荷物は、顧客ニーズにより、商品によっては数分〜数10分の間に配達先から目的地まで配達しなければならない。迅速に商品が配達されなければ、商品価値がなくなってしまうからである。
しかしながら、一般的な回転翼機の飛行速度は、迅速に商品を配達するという観点からすると十分ではない。
回転翼機は、荷物を配達先から目的地まで正確に配達しなければならない。回転翼機の操縦者は、配送先から目的地までの道のりをGPS装置等によって、現在位置を正確に把握して、当該回転翼機を操縦する必要がある。しかしながら、回転翼機が傾いた場合には、回転翼機に備えられているGPSアンテナも傾く。結果として、回転翼機のGPS受信感度が下がるという問題点がある。さらに、回転翼機から荷物を配達した直後にバランスを崩し、転倒、墜落するという問題点がある。
そこで、本発明の目的は、一般的な回転翼機を配達用に転用した場合に発生する可能性のある技術上の諸問題を解決することができ、特に上昇気流の影響を受けることなく、安定して目的地に着陸することができ、荷物を配達した後も安定して飛行を継続することができる配達用回転翼機を提供することにある。
本件発明者等は、鋭意検討を行った結果、上昇気流に対して、回転翼機の重心を下方に制御することによって、上昇気流の影響を受けることなく、安定して目的地に着陸でき、さらに、荷物を回転翼機から分離した後であってもバランスを崩すことがないことを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には本発明は以下の技術的事項から構成される。
(1) 複数の回転翼と、
前記回転翼を支持する複数のアーム部が接続された中心部と、
荷物を積載するための第1搭載部と、
前記中心部から見て前記第1搭載部とは反対側に位置する第2搭載部と、
前記第1搭載部と前記中心部とを連結するための第1支持部材と、
前記中心部と前記第1支持部材との間に接続部と、を備えた回転翼機であって、
前記複数の回転翼が回転することによって前記回転翼機に発生する揚力の中心点と前記回転翼機の重力の中心点が前記接続部の中心点と一致するように制御され、
前記第1支持部材が当該第1支持部材の長さを鉛直下向きに伸長させるための調節機構を備えていることを特徴とする配達用回転翼機。
(2) 前記第1支持部材は、外筒支持部材と内筒支持部材から構成され、
前記内筒支持部材が前記外筒支持部材に収納されており、
前記内筒支持部材が下方向にスライドすることによって、前記第1支持部材の長さを鉛直下向きに伸長させることを特徴とする(1)に記載の配達用回転翼機。
(3) 前記第2搭載部は、前記回転翼機が着陸する際の加速度又は前記複数の回転翼の回転数を計測し、
前記回転翼機にかかる鉛直上向きの上昇気流に対抗して、前記複数の回転翼の回転数を変化させる制御手段を備えていることを特徴とする(1)又は(2)に記載の配達用回転翼機。
(4) 前記第1支持部材が前記接続部と前記第1搭載部との間に関節部を備えていることを特徴とする(1)〜(3)のいずれか1に記載の配達用回転翼機。
(5) 前記回転翼機が水平方向に移動する場合には、前記関節部を支点として前記第1支持部材を進行方向に折り曲げることによって前記第1支持部材を水平に位置させることを特徴とする(4)に記載の配達用回転翼機。
本発明によれば、上昇気流の影響を受けることなく、安定して目的地に着陸することができる配達用回転翼機が提供される。さらに、本発明によれば回転翼機に積載された荷物により回転翼機のペイロードが増加した場合において、当該荷物が当該回転翼機から分離された後であっても、バランスを崩すことなく、安定して飛行することができる配達用回転翼機が提供される。また、本発明によれば、飛行する際の最高速度を向上させ、燃費を向上させた配達用回転翼機が提供される。
本発明の一実施形態に係る配達用回転翼機の構成を示した斜視図である。 配達用回転翼機の側面図である。 配達用回転翼機のアーム部が傾いた態様を示したモデル図である。 配達用回転翼機の重力の中心点を示した図である。 配達用回転翼機が出発地を離陸し水平移動態勢を完了するまでの飛行態様を示した図である。 配達用回転翼機が水平移動して目的地上空に到着後、着陸態勢に入るまでを示した図である。 配達用回転翼機の第1支持部材が伸長する前の状態(a)と、第1支持部材が伸長した後の状態(b)を示した図である。 配達用回転翼機が目的地に着陸し、荷物の配達を完了するまでを示した図である。 荷物を分離した配達用回転翼機が目的地から出発地まで移動するまでの飛行態様を示した図である。
[実施形態1]
<配達用回転翼機>
図1は、本発明の配達用回転翼機1の概要を示した斜視図である。図1に示されるように配達用回転翼機1は、複数の回転翼12、回転翼12を支持する複数のアーム部16が接続された中心部20と、複数のアーム部16の外周方向、端部に設けられた複数の回転翼部10を備えている。中心部20には、制御装置等が搭載される。さらに、配達用回転翼機1は、中心部20の下部に荷物Lを積載するための第1搭載部30と、中心部20の上部にバッテリー、GPSアンテナ等を搭載するための第2搭載部40を備えている。
図1に示された配達用回転翼機1は、アーム部を4本備えているがアーム部の本数は、これに限定されない。例えば、配達用回転翼機1のアーム部を6本、8本、12本等のアーム部を設けてもよい。本発明の配達用回転翼機1が安定して飛行して、かつ重量が大きい荷物を配達する場合には、アーム部の数は、6本以上であることが好ましい。実施形態1では、最も簡易な回転翼機である4本のアーム部を備えている配達用回転翼機1を説明する。
配達用回転翼機1の中心部20は、当該配達用回転翼機1を真上から見た場合にアーム部16の先端部を結んで形成される円環内の中心に位置している。中心部20は、平板から構成された平面形状が円盤形状をしている。中心部20の側面からアーム部16の先端部を結んで形成される円環の外周方向に向けて4本のアーム部16A〜16Dが延伸している。4本のアーム部16A〜16Dは、上記円環において等間隔となるように4方向に設けられている。4本のアーム部16A〜16Dは、隣接するアーム部の間隔が、90°となるように設けられている。なお、アーム部16は、直線形状を有していても、設計上の観点から直線形状を基調として、折れ曲がった形状を有していてもよい。
アーム部16A〜16Dは、それぞれ対応する回転翼部10A〜10Dを支持している部材である。アーム部16A〜16Dを安定とするために、中心部20の側面からアーム部16の端部を結んで形成される円環の外周を円環形状の部材等のプロペラガード(図示せず)を用いて繋いでもよい。上記円環形状の側面には、回転翼機の飛行状態を示すためにLED等の発色体を設置してもよい。
アーム部16A〜16Dは、同一の構造を備えているので、主として、アーム部16Aの構造を説明する。中心部20からみて外周方向となるアーム部16Aの先端部には、回転翼部10Aが設けられている。回転翼部10Aは、回転翼12Aと動力部14Aとを備えている。回転翼12Aは、動力部14Aからの出力を受けて回転する。回転翼12Aが回転することによって、配達用回転翼機1を出発地から離陸させ、水平移動させ、目的地に着陸させるための推進力が発生する。なお、回転翼12Aは、右方向への回転、停止及び左方向への回転が可能である。
動力部14Aは、回転翼12Aを回転させるための駆動装置である。動力部14Aとしては、回転翼12Aを駆動させることができる手段であれば、特に制限されるものではない。例えば、内燃エンジン、電気モータ等であってもよい。動力部14A〜14Dは、回転翼12A〜12Dにそれぞれ対応している。
図1に示されるように回転翼12Aは、回転翼12Cと対角線上に向かい合っており、同じ回転方向で回転している。回転翼12Bは、回転翼12Dと対角線上に向かい合っており、同じ回転方向で回転している。回転翼12Aと回転翼12Bの回転方向は異なっている。例えば、回転翼12Aを駆動する動力部14Aを右回転用電機モータとし、回転翼12Bを駆動する動力部14Bを左回転用電機モータとしてもよい。
配達用回転翼機1は、第1搭載部30を備えている。第1搭載部30は、中心部20からみて、下方に位置している。第1搭載部30は、荷物Lを積載することができる。第1搭載部30は、積載された荷物Lの位置及び当該荷物Lの状態を維持することができるように、常に鉛直下向きにその形態を保持する。第1搭載部30は荷物Lを収納できれば、特に制限されるものではない。第1搭載部30に積載される荷物Lは、傾いたり、積載された位置が変更になったりすると好ましくない荷物である。このため、第1搭載部30は常に安定した位置を保持していなければならない。
なお、第1搭載部30は、サポートモータ(図示せず)を備えていてもよい。サポートモータを設けることによって、より安定して第1搭載部30に積載された荷物Lの状態を保持することができる。
第1搭載部30は、取り外し可能な収納ボックス30aと収納ボックス30aを取り付けるための取付部30bとを備えていてもよい。収納ボックス30aを配達先にて引き渡し可能である場合には、荷物Lの配達が完了した後、第1搭載部30の取付部30bから収納ボックス30aを取り外して、第1搭載部30を取付部30bのみとしてもよい。また、収納ボックス30aに換えて、ネット等の簡易な荷物保持手段(図示せず)を採用してもよい。
収納ボックス30aは、当該ボックス内の温度を維持するために、保温又は保冷することができる構造を採用していてもよい。収納ボックス30aは、当該ボックスの側面に収納ボックス用蓋を備えていてもよい。例えば、収納ボックス用蓋は、収納ボックス30aに設けられた溝部(図示せず)に嵌合し、スライドさせることができるタイプの蓋であってもよい。
配達用回転翼機1は、第2搭載部40を備えている。第2搭載部40は、中心部20からみて、反対側となる上方に位置している。第2搭載部40は、主として配達用回転翼機1を駆動、制御させるために必要な部材、装置を搭載する。必要な部材、装置としては、例えば、駆動バッテリー、操縦者が操作する送信機からの信号を受信するための受信機、制御装置、赤外線センサ、測位用の信号を受信するGPSアンテナ等が挙げられる。
制御装置には、回転翼機の位置及び向きを計測するためのセンサ、回転翼機の速度、加速度を計測するためのセンサ、回転翼の回転方向及び回転数を計測するための測定器、回転翼機の重量、荷物積載時の負荷(ペイロード)を計測するための測定器、中央演算処理装置(CPU)等が含まれる。
配達用回転翼機1は、中心部20を中心として、下方に第1搭載部30、上方に第2搭載部40を備えている。中心部20と第1搭載部30とは、第1支持部材24を介して連結されている。中心部20と第2搭載部40とは、第2支持部材26を介して連結されている。中心部20の直下には、中心部20の下面に接触するようにして接続部22が設けられている。接続部22は、中心部20の下面と第1支持部材24との間に設けられている。
例えば、接続部22は、二軸ジンバル構造を備えた中空部材であってもよい。また、接続部22は、金属球に丸棒を付けたボールスタッドと当該ボールスタッドに球面接触するソケット22aから構成されているボールジョイント等の部材であってもよい。接続部22は、二軸ジンバル構造を備えているので任意の方向に揺動する。接続部22は、球面に沿って、任意の方向に揺動する。接続部22が任意の方向に揺動することに伴って中心部20が任意に揺動する。中心部20に取り付けられたアーム部16A〜16Dによって形成される平面は、一定の角度をもって傾く。
図2は、配達用回転翼機1の側面図である。図2は、図1に示された配達用回転翼機1をX方向から見た側面図である。図3は、図2に示された配達用回転翼機1のアーム部16が傾いた態様を示したモデル図である。
図3は、アーム部16A〜16Dによって形成される平面が傾いている態様を示すモデル図である。配達用回転翼機1は、接続部22をアーム部16A〜16Dによって形成される平面を傾けるようにすることができる。図3に示された配達用回転翼機1は、接続部22が左方向に傾くことによって、アーム部16Aを下方に位置させ、アーム部16Bを上方に位置させることができる。なお、配達用回転翼機1の接続部22が左方向に傾く場合には、回転翼12A及び12Dの回転数を回転翼12B及び12Cの回転数よりも小さくなるように設定してもよい。
配達用回転翼機1は、複数の回転翼が回転することによって発生する揚力の中心点Cfと当該回転翼機の重力の中心点Cgが接続部22の中心点Cと一致するように制御されている。接続部22は、中心点Cを有している。接続部22の中心点Cは、荷物を搭載した場合の配達用回転翼機1の重力の中心点Cgである。図4は、配達用回転翼機1の重力の中心点Cgを示したモデル図である。
図4に示されるように上記中心点Cgは、第1支持部材24と第2支持部材26によって形成される支持部材上に設定される。図4において、上記中心点Cgは、右側に存在する第1搭載部30、第1搭載部30に積載された荷物L、第1支持部材24等による発生する重量と、左側に存在する第2搭載部40、第2搭載部40に搭載された部材、第2支持部材26等により発生する重量のバランスを考慮して決定される。なお、図4は、シーソのバランスをイメージしたモデル図である。
上記重量のバランスを考慮して、第1支持部材24と第2支持部材26からなる支持部材上の支持ポイントが中心点Cgとなる。中心点Cgは、第2搭載部40に搭載された重量センサにより右側と左側の重量を測定し、第2搭載部40に搭載された中央演算装置(CPU)により、支持ポイントを決定し、当該支持ポイントを中心点Cgとする。
同時に、接続部22の中心点Cは、回転翼12A〜12Dが回転することによって配達用回転翼機1に発生する揚力の中心点Cfでもある。上記中心点Cfは、第2搭載部40に搭載された回転翼測定センサにより回転翼の回転数、回転方向等を測定し、第2搭載部40に搭載された中央演算装置(CPU)により決定される。
配達用回転翼機1は、重力の中心点Cgと揚力の中心点Cfを一致させるように接続部22の中心点Cを制御している。すなわち、配達用回転翼機1は、重力の中心点Cgと揚力の中心点Cfを中心点Cにおいて一致させている。このため、揚力の中心点Cfの周りには、第1支持部材24、第1搭載部30、第1搭載部30に積載された荷物L等による重力に起因する回転モーメントは発生しない。配達用回転翼機1は、当該回転翼機にかかる重力と揚力に着目し、重力に起因する回転モーメントを抑制することによって、回転翼12A〜12Dの回転数を同じ回転数に保持することができる。
第1の技術的特徴として、配達用回転翼機1は、当該回転翼機にかかる鉛直上向きの上昇気流に対抗することができる。すなわち、配達用回転翼機1は、目的地上空に到着後、高層ビル等による上昇気流を受けても当該回転翼機自体が不安定になることがなく、安定して目的地に着陸することができる。
配達用回転翼機1は、目的地上空に到着後、高層ビル等による上昇気流に対抗するために当該回転翼機の重心を下方に移動させる。配達用回転翼機1の重心を下方に移動させることによって、上昇気流に対抗することができる。配達用回転翼機1の重心を下方に移動させるためには、第1支持部材24を下方方向に伸長するように第1支持部材24の長さを変化させる。第1支持部材24の長さは、配達用回転翼機1が備えている調節機構242によって伸長される。併せて、第2搭載部40を中心部20の方向に移動させ、第2支持部材26と中心部20との距を短く設定する。
調節機構242としては、第1支持部材24の長さを変化させることができる構造を有していれば、特に制限されるものではない。例えば、調節機構242は、伸縮性を備えた筒体構造を備えていてもよい。第1支持部材24は、第1支持部材24aと第1支持部材24bとから構成される。第1支持部材24aを外筒とし、第1支持部材24bを内筒として、第1支持部材24aの内部に第1支持部材24bを収納する。第1支持部材24bは、第1支持部材24aに対して、下方向にスライドすることができ、第1支持部材24a内部の所定の位置において固定される。
また、調節機構242としては、以下のような構造を採用してもよい。第1支持部材24aに対して、第1支持部材24bを下方向にスライドさせるために第1支持部材24bを第1支持部材24aの側面外壁から第1支持部材24bの内壁に向けて、内壁まで貫通するピンによってピン留めを行ってもよい。
第1支持部材24bを下方にスライドさせ、第1支持部材24を伸長するときは、上記ピンを引き抜くことによって、第1支持部材24aの内部においてピン留めされている第1支持部材24bを下方にスライドすることができる。その結果、第1支持部材24の長さを伸長させることができる。この結果、配達用回転翼機1の重心を下方に移動させることができる。なお、上記調製手段242は、外筒と内筒からなる2つの支持部材から構成されているが、さらに当該内筒の内部に内筒を設け、3つ以上の支持部材から構成されていてもよい。
伸長した後の第1支持部材24の長さは、適宜設定することができる。伸長した後の第1支持部材24の長さは、回転翼機1の重量、第1搭載部30に積載される荷物(ペイロード)等を勘案して決定される。例えば、所定の荷物を積載している(ペイロード)回転翼機が上昇気流を受けた場合に行う下向方向への重心移動を行うために必要となる伸長した後の第1支持部材24の長さを設定する。
第1支持部材24は、配達用回転翼機1の重量、第1搭載部30に積載される荷物(ペイロード)等を勘案して適宜選択される。配達用回転翼機1が上昇気流を受けた場合に必要となる伸長した後の第1支持部材24の長さ、その構造を設定することができる。
さらに、調節機構242としては、例えば、光学機器等におけるピント合わせに用いられるラック・アンド・ピニオン、ステアリング・ギア機構を採用してもよい。
配達用回転翼機1は、当該回転翼機の重心を下方に移動させることに加えて、回転翼の回転数を変化させてもよい。ここで、「回転数を変化させる」とは、一定の方向にて回転している回転翼の回転数を小さくすること、回転翼の回転を停止すること、回転方向を逆回転とすることが含まれる。このように回転翼の回転数を変化させることによって、配達用回転翼機1の重力を発生させ、上昇気流に対抗することができる。
第2の技術的特徴として、配達用回転翼機1は、当該回転翼機から荷物を分離した後であっても、バランスを崩すことない。その結果、配達用回転翼機1は、転倒、墜落することがない。その理由は、配達用回転翼機1が当該回転翼機から荷物を分離する前に既に当該回転翼機の重心を下方向に移動させているからである。
一般的な回転翼機が荷物を積載している場合、当該荷物が当該回転翼機から分離されることによって、当該回転翼機の重心は、大きく上方に移動する。その結果、一般的な回転翼機は、バランスを大きく崩して、転倒、墜落してしまう。
しかしながら、本発明の配達用回転翼機1は、当該回転翼機1から荷物が分離されることによって、当該回転翼機の重心が上方向に移動する場合であっても、既に第1支持部材24の長さを下方向に伸長しているので、当該回転翼機の重心は移動しない。配達用回転翼機1は、当該回転翼機1から荷物が分離されることによって発生する上方向への重心の移動を下方向への重心の移動により打ち消している。
すなわち、本発明の配達用回転翼機1は、第1支持部材24を下方向に伸長することにより、その重心を下方に移動して上昇気流に対抗することができるのみならず、当該回転翼機から荷物を分離した直後の上方への重心の移動を打ち消すことができる。
配達用回転翼機1の第1支持部材24は、当該第1支持部材24上であって、第1搭載部30の取付部30bの上方から第1支持部材24の下方に位置する間に関節部28を備えている。関節部28は、当該関節部28を支点として、第1支持部材24が配達用回転翼機1の進行方向に対して、折れ曲がるように回転することができる。関節部28が折れ曲がる角度は、特に限定されない。配達用回転翼機1が飛行する際の条件によって適宜設定することができる。例えば、第1支持部材24が進行方向へ90°折れ曲がった状態となっても、第1搭載部30は、常に鉛直方向下向きに懸垂された保持される。第1搭載部30に積載された荷物Lは、出発地点における位置、状態を保持しながら、目的地まで配達される。
関節部28は、中心部20に搭載された制御御装置からの信号によって駆動する。関節部28は、制御装置からの信号を受信し、関節部28に備えられた駆動モータ(図示せず)により、関節部28を支点として、第1支持部材24を折り曲げる。さらに、関節部28は、ロック機構を備えている。第1支持部材24は、配達用回転翼機1が飛行する際の条件によって適宜設定された角度(例えば、90°)を保持し、折れ曲がった位置にてロック機構で固定される。
また、関節部28は、例えば、第1支持部材24が進行方向へ90°折れ曲がった位置にてロック機構により固定された後、進行方向と逆方向に90°に回転して、最初の状態に戻ることができる。関節部28が最初の状態に戻った場合には、第1支持部材24は、鉛直上向き方向となり、第1支持部材24と第2支持部材26は、直線上に存在する配置となる。
<配達用回転翼機の飛行態様>
以下、本発明の配達用回転翼機1の飛行態様について説明する。以下の説明では、配達用回転翼機1の飛行態様をルートA「出発地から目的地まで」と、ルートB「目的地から出発地まで」との2つのルートに分けて説明する。
(ルートA「出発地から目的地まで」)
ルートAは、荷物Lを積載した配達用回転翼機1が出発地を離陸して目的地に着陸し、目的地において荷物Lを搭載した配達用回転翼機1から荷物Lを積み下ろして、荷物Lの配達(宅配)を完了するまでの飛行ルートである。なお、配達回転翼機1の飛行ルート及びその高度は、第2搭載部40が備えているGPSアンテナ、赤外センサにより常時測定される。
図5は、配達用回転翼機1が出発地を離陸し、空中停止(ホバリング)し、水平移動態勢を完了するまでの飛行態様を示したモデル図である。出発地において、配達用回転翼機1の第1搭載部30に配達される荷物Lが積載される。当該荷物Lは、第1搭載部30となっている収納ボックス30aの内部に収納される。荷物Lは、当該収納ボックス30a内にて移動しないように固定される。荷物Lが第1搭載部30となっている収納ボックス30aに収納された後は、荷物Lが外気と接触しないように収納ボックス30aの側面から蓋によって蓋閉めをしてもよい。
操縦者は、操作部を備えたラジオコントロール用の送信機を操作して、回転翼部10A〜10Dの動力部14A〜14Dの出力を上昇させて、回転翼12A〜12Dの回転数を増加させる。回転翼12A〜12Dが回転することによって、配達用回転翼機1を浮上させるために必要な揚力が鉛直上向きに発生する。当該揚力が配達用回転翼機1に働く重力を超えると配達用回転翼機1は、地面を離れて出発地を離陸する。
(A)空中停止(ホバリング)
配達用回転翼機1は、回転翼12A〜12Dの回転数を増加させることによって、上昇する。その後、配達用回転翼機1は、上昇を続けて、一定の高度に到達する。一定の高度に到達した配達用回転翼機1は、当該高度において、空中停止(ホバリング)を行う。当該高度は、配達用回転翼機1の飛行ルート、高層ビル等の建築物の高さ、配達用回転翼機1に適用される航空法等によって、適宜決定される。操縦者は、種々の条件を勘案して、配達用回転翼機1が空中停止(ホバリング)を行う高度をあらかじめ設定しておいてもよい。
配達用回転翼機1にかかる重量と、回転翼12A〜12Dの回転によって配達用回転翼機1に発生している揚力とが力学的に釣り合っているため、当該回転翼機は、空中停止(ホバリング)することができる。回転翼12A〜12Dの回転数は、一定レベルに維持されている。空中停止(ホバリング)は、配達用回転翼機1が水平移動態勢の準備を開始するために行われる。なお、図5において、配達用回転翼機1が回転空中停止(ホバリング)をしているときの回転翼12A〜12Dの回転数を10段階(レベル(1)〜(10))中、レベル(6)としている。
(B)アーム部傾斜
空中停止(ホバリング)をしている配達用回転翼機1のアーム部16は、水平を保持しており、水平方向に対して傾斜していない。その後、当該アーム部16は、配達用回転翼機1の進行方向に対して、前方の回転翼である回転翼12A、12Dが後方の回転翼である回転翼12B、12Cよりも低い位置となるようにして前下がりに傾斜する。当該アーム部16が前下がりに傾斜する際には、前方の回転翼12A、12Dの回転数を後方の回転翼12B、12Cの回転数よりも小さくして、後方の回転翼12B、12Cの回転数を大きくする。なお、図5において、配達用回転翼機1がアーム部16を傾斜させるときに前方となる回転翼12Aと12Dの回転数をレベル(4)とし、後方となる回転翼12Bと12Cの回転数をレベル(6)としている。
(C)回転翼の回転数調整
次に、配達用回転翼機1は、ホバリング(空中停止)をしたまま、アーム部16を傾斜させた後、回転翼12A〜12Dの回転数を調整する。配達用回転翼機1は、アーム部16が傾斜している場合であっても、すべての回転翼12A〜12Dの回転数を等しくすることができる。
その理由は、本発明の配達用回転翼機1は、当該回転翼機1の重力の作用点が接続部22となっており、当該接続部22が当該配達用回転翼機1の揚力の中心点となるように設計されているからである。すなわち、配達用回転翼機1の重力の中心点は、当該配達用回転翼機1の揚力の中心点となっている接続部22の中心点と物理的に完全に一致しているからである。なお、図5において、配達用回転翼機1が回転翼の回転数を調整した後の回転翼12A〜12Dの回転数をレベル(5)としている。
(D)水平移動態勢への移行
次に、配達用回転翼機1は、関節部28を支点として、第2搭載部40が進行方向に対して、最先端部となるように第2支持部材26及び第1支持部材24を左向きに90°回転させる。関節部28は、第2搭載部40が左向きに、例えば90°回転した位置で停止して、当該位置にて、ロック機構等によって固定される。配達用回転翼機1は、関節部28が支点として回転するだけで、第1搭載部30の向きを常に鉛直下向きに保持している。このため、第1搭載部30に積載されている荷物Lが傾いたりすることがない。
かかる配達用回転翼機1の形態が水平移動態勢である。そして、配達用回転翼機1は、水平移動態勢を保持しつつ、出発地の上空から目的上空までの距離を水平移動する。水平移動態勢は、配達用回転翼機1が飛行中、最も長い時間、採用する飛行態勢である。
(E)水平移動態勢
配達用回転翼機1は、アーム部16を傾斜させることによって、進行方向に対して前下がりの状態で前傾姿勢を保持し、かつ、アーム部16の搭載させている回転翼12A〜12Dの回転数を等しくすることができる。配達用回転翼機1は、進行方向に対して後方の回転翼12B、12Cの回転数を前方の回転翼12A、12Dの回転数よりも多くする必要はない。アーム部16が進行方向に対して前下がりの状態で前傾姿勢を保持していることによって、配達用回転翼機1が水平移動して、目的上空まで到達するまでその空気抵抗を著しく減少させることができる。
本発明の配達用回転翼機1は、回転翼12A〜12Dの回転数を等しくすることができる。すなわち、配達用回転翼機1は、進行方向に対して後方の回転翼12B、12Cの回転数を前方の回転翼12A、12Dの回転数よりも多くする必要はない。
したがって、後方の回転翼12B、12Cの動力部14B、14Cの出力を上げる必要もない。その結果、配達用回転翼機1が備えている回転翼12A〜12Dの動力部14A〜14Dがモータである場合には、モータ負荷を分散することができる。このため、特定の回転翼の動力部が発熱等によって故障する可能性が小さくなる。また、配達用回転翼機1は、モータ負荷を分散させることにより、燃費を向上させることができる。モータ負荷を分散させることにより、モータ効率の低いモータが存在しないこととなる。このように配達用回転翼機1は、バッテリーへの負担を軽減することができることから、バッテリーの信頼性を向上させることができる。
さらに、配達用回転翼機1は、水平移動する際には、第2搭載部40が進行方向に対して最先端部となっている。配達用回転翼機1の水平移動態勢は、ほぼ直線ということができる。配達用回転翼機1が水平移動する際の空気抵抗を大幅に減少させることができる。
すなわち、配達用回転翼機1は、第1支持部材24と第2支持部材26を直線上に配置し、かつ、回転翼12が搭載されたアーム部16を傾斜させて、当該回転翼機として前傾姿勢を保持することによって進行方向に対する投射面積を大幅に軽減することができる。
このような配達用回転翼機1の飛行態勢は、当該回転翼機の飛行速度を向上させること及び当該回転翼機の燃費を向上させることに貢献する。
このように配達用回転翼機1は、水平移動速度の飛行速度を向上させることができ、積載可能な荷物(ペイロード)の範囲を拡張することができる。さらに、配達用回転翼機1は、回転翼12A〜12Dの回転数を等しくすることができることから、燃費の向上を図ることができることができる。
(F)支持部材の回転
図6は、配達用回転翼機1が水平移動態勢を採用して水平移動して、目的地上空に到着後、着陸態勢を完了するまでのモデル図である。配達用回転翼機1は、関節部28を支点として、第2搭載部40が鉛直上向きとなるように第2支持部材26及び第1支持部材24を右方向に90°回転させる。関節部28は、第2搭載部40が右方向に90°回転した位置で停止してから、当該位置にてロック機構等により固定される。配達用回転翼機1は、関節部28が支点として第2支持部材26及び第1支持部材24が回転するだけで、第1搭載部30の向きを鉛直下向きに保持している。このため、第1搭載部30に積載されている荷物Lが傾いたりすることがない。
なお、図6において、配達用回転翼機1が支持部材の回転した後の回転翼12A〜12Dの回転数をレベル(5)としている。
(G)アーム部水平
第2搭載部40が鉛直上向きとなった配達用回転翼機1は、アーム部16が進行方向に対して前下がりとなっている。当該アーム部16は前下がりとなっている回転翼12A、12Dの回転数を大きくして、後ろ上がりとなっている回転翼12B、12Cの回転数の回転数を小さくすることによって、アーム部16を水平に保持する。その結果、回転翼の回転数はすべて等しくなる。配達用回転翼機1は、高層ビルの高さに相当する高度Hにおいて目的地への着陸態勢をとる。
なお、図6において、配達用回転翼機1のアーム部16が水平態勢を開始するときの回転翼12A、12Dの回転数をレベル(6)とし、回転翼12B、12Cの回転数をレベル(4)としている。
図7は、配達用回転翼機1が目的地への着陸態勢をとった後、第1支持部材24を伸長する前の状態と第1支持部材24を伸長した後の状態を示したモデル図である。図7(a)において、第1支持部材24は、調節手段242を備えている。調節手段242と関節部28との間に存在する第1支持部材を244とし、その長さをl1とする。既に説明したように、第1支持部材24は、外筒となる第1支持部材24aに対して、内筒となる第1支持部材24bとから構成されている。調節手段242を操作することによって、第1支持部材24aに収納されている第1支持部材24bが下方向に突出し、固定される。
なお、調節手段242がネジ構造である場合には、当該ネジを緩めればよい。調節手段242がピン留め構造である場合には、当該ピンを引き抜けばよい。
図7(b)において、第1支持部材24は、調節手段242と関節部28との間に存在する第1支持部材244を有しており、その長さは、l2となっている。調節手段242を操作すると、第1支持部材24bが下方向に突出し、固定される。その結果、内筒となっている第1支持部材24bの長さ分だけ、第1支持部材24の長さは伸長する。
図8は、配達用回転翼機1が高層ビル等による上昇気流を受けて、目的地に着陸し、荷物Lを積み下ろして、荷物Lの配達を完了するまでのモデル図である。配達用回転翼機1は、高層ビル等において発生する上昇気流の影響を受ける。配達用回転翼機1は、下方から上方に向かって吹き上げる上昇気流を当該回転翼機の下方から受ける。上昇気流は、配達用回転翼機1を構成する第1搭載部30の収納ボックス30aの底面、アーム部16に搭載されている回転翼を直撃する。図8において、目的地は目的地表であってもよいし、高層ビルに設けられた配達用回転翼機1専用の宅配ヘリポートであってもよい。
一般的な回転翼機に上昇気流による上向きの力がかかると、回転翼機はバランスを崩して、墜落する。しかしながら、配達用回転翼機1は、上昇気流による上向きの力がかかる前の段階にて、第1支持部材24を鉛直下向きに伸長する。配達用回転翼機1は、当該回転翼機の重心を下げる。配達用回転翼機1の重心を下げることによって、上昇気流によって、配達用回転翼機1にかかる上向きの力を打ち消すことができる。
配達用回転翼機1は上昇気流によって発生する力に対抗するためにその重心を下げる。当該重心を下げるために必要な第1支持部材24の長さは、上昇気流によって発生する力との関係において定められている。
また、配達用回転翼機1は、上昇気流に対抗するために回転翼12A〜12Dの回転数を下げてもよい。回転翼12A〜12Dの回転数を下げることによって、配達用回転翼機1の自重による重力が発生する。配達用回転翼機1の自重による重力は、上昇気流によって発生する力に対抗することができる。また、配達用回転翼機1は上昇気流によって発生する力に対抗するために回転翼12A〜12Dの回転を停止してもよい。回転翼12A〜12Dの回転を停止することによって、配達用回転翼機1に自重による重力が発生する。かかる鉛直下向きの力は、上昇気流によって発生する力に対抗することができる。
さらに、配達用回転翼機1は、上昇気流によって発生する力に対抗するためにアーム部16の位置を下方に移動させてもよい。アーム部16の位置を下方に移動させるためには接続部22を下方に移動させる。
このように本発明の配達用回転翼機1は、当該配達用回転翼機1の重心を下げる手段を適宜組み合わせて採択することによっても、高層ビル等において発生する上昇気流によって発生する力に対抗することができる。
一般的な回転翼機は、当該回転翼機に設定されているゲインを調整することによって、回転翼機のバランスを保持している。回転翼機のゲインを高く設定すると、回転翼機にかかる力に対抗して、安定して回転翼機の姿勢を維持することができる。しかしながら、回転翼機はハンチングを発生し易くなり、結果として回転翼機の墜落を招く。一方、回転翼機のゲインを低く設定すると、回転翼機はハンチングを発生しにくくなるけれども、回転翼機にかかる力に対抗して、安定して回転翼機の姿勢を維持することができない。その結果、当該回転翼機は、バランスを崩し、墜落する。
一般的な回転翼機は、その飛行態様に応じて、ゲインを設定しなければならないため操縦者の負担は大きい。しかしながら、本発明の配達用回転翼機1は、第1搭載部30を支持する第1支持部材21の長さを鉛直下向きに伸長することによって重心を下向きに移動させることによって、容易に上昇気流により発生する力に対応することができる。すなわち、配達用回転翼機1は、そのゲインを一度限り、調整すれば十分であり、その後、ゲインを改めて調整する必要はない。
(荷物の分離・切り離し)
配達用回転翼機1は、目的地に着陸して、第1搭載部30に積載されている荷物Lを目的地に下ろす。配達用回転翼機1と荷物Lは、分離される。配達用回転翼機1と荷物Lの分離は、荷物Lが積載されている収納ケース30aを第1搭載部30の取り付け部30bから切り離すことによって、荷物Lを目的地に下すことによって行われる。
通常、配達用回転翼機1から荷物Lが分離された直後は、ペイロードが小さくなり、当該回転翼機1の重心は、上方向に移動することが考えられる。
しかしながら、配達用回転翼機1は、目的上空に到着した後、上昇気流を受ける前の段階にて、第1支持部材24を鉛直下向きに伸長し、配達用回転翼機1は、当該回転翼機の重心を下方向に下げている。配達用回転翼機1から荷物が分離されることによって、当該回転翼機に発生する上方向への重心の移動は、上記回転翼機の下方向への重心の移動によって打ち消される。このように、配達用回転翼機1から荷物が分離された後であっても、当該回転翼機の重心は、移動しない。
第1搭載部30から収納ケース30aが分離した後は、第1搭載部30は、取付部30bのみとなる。そして、配達用回転翼機1は、第1搭載部30に積載されていた荷物Lを下ろした状態で目的地を出発し、離陸する。配達用回転翼機1は、出発地を目的地として移動する。
(ルートB「目的地から出発地まで」)
ルートBは、目的地において荷物Lを分離した(積み下ろした)配達用回転翼機1が目的地を出発地として、出発地まで戻るまでの飛行ルートである。
図9は、荷物を切り離した配達用回転翼機1が目的地から出発地まで移動するまでの飛行態様を示したモデル図である。操縦者は、操縦機を操作して回転翼部10A〜10Dの動力部14A〜14Dの出力を上昇させ、回転翼12A〜12Dの回転数を増加させる。回転翼12A〜12Dが回転することによって、配達用回転翼機1を浮上させるために必要な揚力が発生する。当該揚力が配達用回転翼機1に働く重力を超えると、配達用回転翼機1は、地面を離れて、目的地を離陸する。
(A’)空中停止(ホバリング)
配達用回転翼機1は、ルートAと同じ経路を逆方向に飛行して出発地に戻る。基本的にルートBにおいて、配達用回転翼機1の飛行態様は、ルートAと同様である。ルートBにおいて、第1搭載部30に荷物を搭載していないので配達用回転翼機1の重心Cgは、鉛直上向きに移動している。このため、操縦者は、配達用回転翼機1がルートBを飛行するために、ルートAで用いたゲインと異なる新しいゲインを設定してもよい。
ルートBにおいて、配達用回転翼機1は、上昇し、一定の高度に到達する。ルートBにおいて、ルートAと異なる高度を改めて設定してもよい。当該高度に到達した配達用回転翼機1は、空中停止(ホバリング)を行う。
(B’)アーム部傾斜
空中停止(ホバリング)をしている配達用回転翼機1のアーム部16は、前方の回転翼Aを後方の回転翼Bよりも低い位置にして、前下がりに傾斜する。その後、配達用回転翼機1は、ホバリング(空中停止)をしたままアーム部16を傾斜させた後、回転翼12A〜12Dの回転数を調整する。
(C’)〜(E’)回転数調整、水平移動態勢等
次に、配達用回転翼機1は、関節部28を始点として、第2搭載部40が進行方向に対して、最先端部となるように第2支持部材26及び第1支持部材24を左向きに90°回転する。かかる配達用回転翼機1の飛行態様がルートBにおける水平移動態勢である。配達用回転翼機1は、水平移動態勢を保持しつつ、目的地の上空から出発地上空までの距離を水平移動する。
本発明の配達用回転翼機1は、アーム部16を傾斜させることによって、進行方向に対して前下がりとなっている前傾姿勢を保持し、かつアーム部16の搭載させている回転翼12A〜12Dの回転数を等しくすることができる。配達用回転翼機1は、水平移動する際には、第2搭載部40が進行方向に対して最先端部となっており、第2支持部材26及び第1支持部材24が直線となっている構造を採用している。配達用回転翼機1は、水平移動する際の空気抵抗を大幅に減少させることができる。しかも、ルートBにおいては、第1搭載部30に荷物Lが積載されていないため、配達用回転翼機1の総重量が軽くなっている。このため、配達用回転翼機1の水平移動速度を一層向上させることができる。
配達用回転翼機1は、水平移動をして、出発地上空に到着する。配達用回転翼機1は、出発地上空から出発地に着陸する。出発地においては、通常、上昇気流は発生していないが上昇気流等による何等かの力が配達用回転翼機1にかかった場合には、ルートAで説明したような重心を下げる操作を施してもよい。
このように、本発明の配達用回転翼機1は、アーム部16が接続部22を中心に一定の角度を有している場合であっても、回転翼12A〜12Dの回転数を同じにすることができるので、配達用回転翼機の移動速度を向上させることができる。また、配達用回転翼機1の第1搭載部30により多くの荷物を積載することができ、ペイロードに対応することが可能となる。
さらに、本発明の配達用回転翼機1は、高層ビル等による上昇気流を受けても当該回転翼機自体が傾くことがなく、安定して目的地に着陸することができ、荷物を当該回転翼機から分離した後であっても、バランスを崩すことない。
[実施形態2]
実施形態2の配達用回転翼機1は、回転翼機の基本構造である中心部20とアーム部16にラダーフレームを採用した形態である。実施形態2の配達用回転翼機1は、4本のアルミニウム製の中空角材から構成されるラダーフレームを基本構造としている。
ラダーフレームの中央部には、スペースを形成することができる。当該スペースは、回転翼機の用途に応じて変更することができ、広いスペースを形成することも可能である。ラダーフレームの中央部には、第2搭載部を備え付けることができる。第2搭載部には、種々のアタッチメントを設置することができる。実施形態2の配達用回転翼機1は、ラダーフレームの中央部に用途に応じてアタッチメントを設置することができ、最適化されたフレーム形状を備えているから、マルチロール回転翼機としても活用される。
[実施形態3]
実施形態3は、第2搭載部40の先端部に測位用の信号を受信するGPSアンテナ42が搭載されており、当該GPSアンテナ42が常に鉛直上向きとなるように関節部44を備えている形態である。関節部44は、GPSアンテナ42を構成する第3支持部材に設けられている。配達用回転翼機1は、関節部44によってGPSアンテナを水平に保持することができるので、受信感度を下げることなく、飛行することができる。
すなわち、GPSアンテナの受信感度を地上と上空で一致させることができる。実施形態3の配達用回転翼機1は、地上面からのマルチパス、ジャミング波にも対応することができる。さらに実施形態3の配達用回転翼機1は、チョークリングアンテナを採用することにより、測位の精度を向上させることができる。
実施形態3の配達用回転翼機1は、多くの高層ビルが立地する地域、及び電波障害が多く発生する地域においても、GPSアンテナの良好な受信感度を有する。
実施形態3の配達用回転翼機1は、第2搭載部40の下部にパラシュートを備えていてもよい。配達用回転翼機1が予想することができない場合、操縦者によってコントロール不能となった場合、飛行途中でバッテリーが不足した場合であっても、当該回転翼機は、墜落することがない。配達用回転翼機1は、搭載されているパラシュートを開くことにより、第1搭載部30に積載された荷物を安全に目的地又は地面に到着させることができる。パラシュートは、第2搭載部40に搭載されている発射装置を操作することによって発射される。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上記した実施形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は、全て本発明の適用範囲である。
本発明の配達用回転翼機は、高層ビル等において発生する上昇気流に対応することができる。従って、本発明の配達用回転翼機は、高層ビル等の高層建築物を着陸地とした、宅配業務専用の配達用回転翼機としての利用、及び倉庫、工場内における産業用の荷物配達用回転翼機としての利用が期待できる。また、本発明の配達用回転翼機は、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、さらに、本発明は、カメラ等を搭載した空撮用の回転翼機としても好適に使用することができる他、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。
1 配達用回転翼機
10A〜10D 回転翼部
12A〜12D 回転翼
14A〜14D 動力部
16A〜16D アーム部
20 中心部
22 接続部(ボールジョイント)
22a ソケット
24 第1支持部材(第1搭載部〜接続部)
26 第2支持部材(中心部〜第2搭載部)
242 調節機構
244 第1支持部材(調節機構〜関節部)
26 第2支持部材(中心部〜第2搭載部)
28 関節部
30 第1搭載部
L 荷物(宅配用)
30a 収納ボックス
30b 取付部
40 第2搭載部
42 GPSアンテナ

Claims (5)

  1. 複数の回転翼と、
    前記回転翼を支持する複数のアーム部が接続された中心部と、
    荷物を積載するための第1搭載部と、
    前記中心部から見て前記第1搭載部とは反対側に位置する第2搭載部と、
    前記第1搭載部と前記中心部とを連結するための第1支持部材と、
    前記中心部と前記第1支持部材との間に接続部と、を備えた回転翼機であって、
    前記複数の回転翼が回転することによって前記回転翼機に発生する揚力の中心点と前記回転翼機の重力の中心点が前記接続部の中心点と一致するように制御され、
    前記第1支持部材が当該第1支持部材の長さを鉛直下向きに伸長させるための調節機構を備えていることを特徴とする配達用回転翼機。
  2. 前記第1支持部材は、外筒支持部材と内筒支持部材から構成され、
    前記内筒支持部材が前記外筒支持部材に収納されており、
    前記内筒支持部材が下方向にスライドすることによって、前記第1支持部材の長さを鉛直下向きに伸長させることを特徴とする請求項1に記載の配達用回転翼機。
  3. 前記第2搭載部は、前記回転翼機が着陸する際の加速度又は前記複数の回転翼の回転数を計測し、
    前記回転翼機にかかる鉛直上向きの上昇気流に対抗して、前記複数の回転翼の回転数を変化させる制御手段を備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の配達用回転翼機。
  4. 前記第1支持部材が前記接続部と前記第1搭載部との間に関節部を備えていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の配達用回転翼機。
  5. 前記回転翼機が水平方向に移動する場合には、前記関節部を支点として前記第1支持部材を進行方向に折り曲げることによって前記第1支持部材を水平に位置させることを特徴とする請求項4に記載の配達用回転翼機。
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