WO2018139622A1 - 薬剤撒布用ドローン - Google Patents

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株式会社ナイルワークス
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Definitions

  • the present invention relates to an unmanned aerial vehicle (drone) for spraying chemicals such as agricultural chemicals, and more particularly to an unmanned aerial vehicle capable of minimizing the scattering of a drug to the outside of a field even in a narrow field having a complicated shape.
  • drone unmanned aerial vehicle
  • Drug spraying by drone has the advantage of being able to spray the drug efficiently and accurately even on farmland with narrow and complex terrain typical in Japan. Technologies such as the Quasi-Zenith Satellite System and RTK-GPS make it possible for the drone to know the absolute position of the aircraft accurately in centimeters while flying, and in addition, the exact shape of the field can be known. If so, accurate spraying is possible.
  • a drug distribution drone unmanned flying vehicle that minimizes the spread of medicines outside the field.
  • the invention of the present application is an unmanned flying object for drug distribution comprising a plurality of medicine spray nozzles and a plurality of rotor blades, and among the plurality of rotor blades, a set of rotor blades which are positioned vertically and rotate in opposite directions to each other Providing the unmanned air vehicle for drug distribution in which the first counter rotating blade is configured and at least one of the plurality of drug spray nozzles is disposed below the first counter rotating blade.
  • this invention is located in the up-down direction adjacent to said 1st counter rotating blade among the said several rotary blades, and the chemical
  • the present invention also relates to the unmanned aerial vehicle for drug distribution according to Paragraph 0008, wherein the second contra-rotating wing is adjacent to the first counter-rotating wing rearward in the traveling direction of the aircraft.
  • the present invention provides the unmanned air vehicle for drug distribution according to Paragraph 0007, Paragraph 0008, or Paragraph 0009, wherein the first contra-rotating wing is in the forefront with respect to the traveling direction of the aircraft. This solves the above problem.
  • the medicine spray nozzle below the first contra-rotating wing has a predetermined distance (backward or forward) from the center of the first counter-rotating wing toward the traveling direction of the aircraft.
  • the offset distance is described in paragraph 0007, paragraph 0008, paragraph 0009, or paragraph 0010, which is located below the circular region centered on the offset position and having a radius less than the radius of the first counter-rotating blade.
  • the medicine spray nozzle below the first counter-rotating wing is offset by an offset distance backward or forward from the center of the first counter-rotating wing toward the traveling direction of the airframe.
  • a second circle having a radius of 90% or less of the radius of the first counter-rotating wing and a first circle having a radius of 50% or more of the radius of the first counter-rotating wing.
  • the present invention provides an unmanned air vehicle for drug distribution according to paragraph 0011 or paragraph 0012, comprising means for controlling the offset distance so as to change depending on the flight speed of the aircraft or the drug discharge speed.
  • paragraph 0011 provided with means for controlling the center of the circular area to be offset more forward as the aircraft flight speed is higher, or to be further forward offset as the medicine discharge speed is higher.
  • Paragraph 0012 or Paragraph 0013 provides an unmanned aerial vehicle for drug distribution to solve the above problem.
  • the center of the circular region when the center of the circular region is located behind the rotor center, the higher the aircraft flight speed, the more the offset to the rotor center side, or the higher the medicine discharge speed.
  • the above-described problem is solved by providing the unmanned flying object for drug distribution described in Paragraph 0011, Paragraph 0012, or Paragraph 0013 that is offset to the center side of the rotor blade.
  • the center of the circular region is provided with means for adjusting according to the flight speed of the aircraft when spraying or the medicine discharge speed.
  • Paragraph 0011, Paragraph 0012, Paragraph 0013, Paragraph The above-described problem is solved by providing an unmanned air vehicle for drug distribution according to 0014 or paragraph 0015.
  • paragraphs 0007, 0008, 0009, and 0010 have a vertical distance between the first counter-rotating blade and the medicine spray nozzle located below the first counter-rotating blade radius.
  • Paragraph 0012, Paragraph 0012, Paragraph 0013, Paragraph 0014, Paragraph 0015, or Paragraph 0016 provides the unmanned air vehicle for drug distribution.
  • the offset distance is set such that a depression angle from a horizontal line in which the position of the drug nozzle is directed in a direction opposite to a traveling direction of the unmanned flying object for drug distribution is approximately 60 degrees.
  • Paragraph 0012, Paragraph 0013, Paragraph 0014, Paragraph 0015, Paragraph 0016, or Paragraph 0017 provides an unmanned air vehicle for drug distribution to solve the above problem.
  • the present invention is described in paragraph 0018, wherein the depression angle is adjusted to a smaller angle as the flying speed of the drone at the time of spraying is larger, or is adjusted to a smaller angle as the medicine discharge speed is larger.
  • the present invention provides the unmanned flight for drug distribution according to Paragraph 0018 or Paragraph 0019, which includes means for adjusting the depression angle according to a flying speed of a drone when performing spraying or a drug discharge speed.
  • the problem is solved by providing a body.
  • the present invention relates to the paragraphs 0007, 0008, 0009, 0010, 0011, 0012, paragraphs in which the plurality of medicine spray nozzles are positioned at substantially equal intervals in the horizontal direction when viewed from the aircraft traveling direction.
  • the above problem is solved by providing the unmanned air vehicle for drug distribution described in 0013, Paragraph 0014, Paragraph 0015, Paragraph 0016, Paragraph 0017, Paragraph 0018, Paragraph 0019, or Paragraph 0020.
  • paragraph 0007, paragraph 0008, paragraph 0009, paragraph 010 provided with means for controlling the aircraft direction so that the first double rotor blade is always in front of the traveling direction at the time of turning.
  • Paragraph 0011, Paragraph 0012, Paragraph 0013, Paragraph 0014, Paragraph 0015, Paragraph 0016, Paragraph 0017, Paragraph 0018, Paragraph 0019, Paragraph 0020, or Paragraph 0021 Solve the problem.
  • FIG. 1 is a plan view of an embodiment of a drug spraying drone according to the present invention
  • FIG. 2 is a front view thereof (viewed from the advancing direction side)
  • FIG. 3 is a right side view thereof.
  • drone refers to power means (electric power, prime mover, etc.) and control method (whether wireless or wired, autonomous flight type or manual control type).
  • the term refers to general unmanned air vehicles having a plurality of rotor blades.
  • the rotor blades (101-1a, 101-1b, 101-2a, 101-2b, 101-3a, 101-3b, 101-4a, 101-4b) (also called rotors) are means for flying the drone. Yes, considering the balance of flight stability, airframe size, and battery consumption, it is desirable to have 8 aircraft (4 sets of 2-stage rotor blades). The upper and lower rotor blades in the above are sometimes referred to as a “set”).
  • Motors (102-1a, 102-1b, 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 102-4a, 102-4b) are means for rotating the rotor blades (typically electric motors but are activated) It is desirable that one machine is provided for each rotor blade.
  • the upper and lower rotor blades (eg, 101-1a and 101-1b) and the corresponding motors (eg, 102-1a and 102-1b) in one set can be used for drone flight stability and In order to maximize the effect of preventing scattering to the outside of the field, it is desirable that the shafts are on the same straight line and rotate in opposite directions. ”).
  • some of the rotor blades (101-3b) and the motor (102-3b) are not shown in the drawing, their positions are self-explanatory and are in the positions shown if there is a left side view.
  • the drug nozzles (103-1, 103-2, 103-3, 103-4) are means for spraying the drug downward and are desirably provided in four units.
  • medical agent shall point out the liquid or powder disperse
  • rotor blade set (the set consisting of 101-2a and 101-2b and the set consisting of 101-4a and 101-4b) on the front side in the traveling direction. It is desirable. This is to minimize the scattering of the drug by utilizing the wind force below the rotor blades. Also, in the conventional drone, in order to minimize the influence of the rotation of the rotor blade on the spraying of the medicine, a certain distance between the rotor blade and the drug nozzle (typically approximately the diameter of the rotor blade). It was normal to keep them apart (equal distance).
  • the distance between the rotor blade and the chemical nozzle is made closer than before (desirably about 30% of the diameter of the rotor blade). It is clear from experiments by the inventor that it is desirable that Details of the position of the medicine nozzle will be described later.
  • the medicine tank (104) is a tank for storing the medicine to be sprayed, and is preferably provided at a position close to the center of gravity of the entire drone from the viewpoint of weight balance.
  • the drug hose (105-1, 105-2, 105-3, 105-4) connects the drug tank, (103), and each drug nozzle (103-1, 103-2, 103-3, 103-4). It is a means to do it, consists of a hard material, and may serve also as the support of the said chemical
  • the pump (106) is a means for discharging the medicine from the nozzle.
  • the drone according to the present invention may be provided with computer equipment for controlling flight, wireless communication means for remote control, a GPS device for position detection, a battery, and the like. Although desirable, not shown.
  • the drone according to the present invention preferably includes means for accurately measuring the position of the own device such as RTK-GPS. This is because the purpose of the present invention of minimizing the scattering of the medicine to other than directly below the aircraft body has a greater meaning by being able to fly accurately around the field.
  • components necessary for general drones such as legs necessary for landing, a frame for maintaining the motor, and a safety frame for preventing the hands from touching the rotor blades are illustrated. However, since it is obvious, it will not be described in particular.
  • FIG. 4-a As shown in FIG. 4-a, according to the inventor's experiment, under the rotor blade of the two-stage rotor configuration, approximately 90% from the position at a distance of approximately 50% of the radius from the center of the rotor blade when viewed from above. It has become clear that there is a cylindrical region where the velocity of the airflow is particularly high before reaching the position.
  • FIG. 4-b is a schematic diagram of FIG. 4-a, and a rotary blade (401) is a schematic representation of the rotary blade described in FIGS. 1, 2, and 3.
  • FIG. 400 As a typical design value, when the rotor diameter is 70 centimeters and the rotational speed is 2,000 revolutions per minute (airframe weight is 20 kilograms), the wind speed in this cylindrical area (402) is more than 10 meters per second.
  • FIG. 4-c shows a similar experimental result (reference diagram) with a drone having a single-stage rotor configuration, but the cylindrical region where the air velocity is fast is not clear as compared with the case of the two-stage rotor configuration.
  • experiments by the inventor have shown that in the case of a one-stage rotor configuration, undesired scattering of the drug outside the field is increased by the influence of the swirling flow of the rotor.
  • the use of the two-stage rotor configuration can reduce the turbulence of the air flow and maintain the wind speed, so that a secondary effect that the medicine can be effectively sprayed on the crop stocks in the field is also obtained.
  • the airflow reaching the crop is about 7 centimeters per second (typically about 75 cm from the top of the crop in the field). Meters) is preferred.
  • FIG. 5 shows the principle that the scattering of the medicine can be minimized by the position of the medicine nozzle of the drone according to the present invention, which is clarified by the experiment by the inventors.
  • FIG. 5 schematically shows the drone shown in FIGS. 1, 2, and 3 (a cross-sectional view taken along a plane passing through the central axis of the rotor blade).
  • the area of the cylindrical airflow shown in FIG. 4 tilts backward in the traveling direction.
  • the medicine nozzle (502) in the inclined cylindrical area and on the front side when viewed from the traveling direction. By doing so, the medicine is efficiently sprayed (while minimizing undesirable scattering) in the downward direction of the drone on the first air flow (503-1) downward in the drone.
  • the third air flow (503-3) and the fourth air flow (503-4) can also be used to spray the medicine directly under the drone while minimizing undesirable scattering of the medicine. .
  • FIG. 6 shows in detail the preferred positions of the drug nozzles (103-1, 103-2, 103-3, and 103-4) of the drone according to the present invention based on the experimental results shown in FIGS. 6A is a plan view, FIG. 6B is a right plan view, and FIG. 6C is a front view.
  • Reference numerals 601-1, 602-2, 601-3, and 604-4 schematically show the rotation ranges of the four rotor blade sets (in FIG. 1, 101-1a and 101-, respectively). 1b, 101-2a and 101-2b, 101-3a and 101-3b, and 101-4a and 101-4b.
  • the strong downdraft produced by the double rotor type rotor blade is a cylindrical region located at a position corresponding to 50% to 90% of the radius from the center.
  • the region where the downdraft is strong is inclined backward in the traveling direction as the drone flies.
  • the intervals (w1, w2, and w3) of the respective drug nozzles are as equal as possible when viewed from the front of the drone in the traveling direction. This is for uniform distribution of the medicine.
  • FIG. 7 shows another example of the position of the drug spray nozzle (103) of the drone according to the present invention.
  • FIG. 7-a) is an example in the case where two drug spray nozzles (103-1, 103-2) are employed, and the drug spray is placed near the central axis of the rotor blade on the front side in the traveling direction (from this) May also be a position offset backward).
  • FIG. 7B shows an example in which six medicine spraying nozzles (103-1, 103-2, 103-3, 103-4, 103-5, 103-6) are employed.
  • the downdraft generated by the rotor blades can be positively utilized to efficiently disperse the medicine with the least undesirable scattering. Even when the number of medicine spraying nozzles (103) is larger and when the number of rotor blade sets is large, the position of the medicine spraying nozzle (103) can be determined in the same way.
  • a structure in which the user can manually adjust the position of the medicine nozzle in accordance with the flying speed of the drone, the wind direction, and the ejection speed of the medicine may be used.
  • the position of the medicine nozzle may be adjusted by remote control by means such as a stepping motor, and the user may be able to adjust by means of wireless control or the like.
  • the drone may be provided with a speedometer (or speed measuring means using GPS or the like) so that the position of the medicine nozzle can be automatically adjusted according to the flight speed. That is, when the flight speed is high, an adjustment may be made to increase the angle corresponding to ⁇ in FIG. Further, the position of the medicine nozzle may be automatically adjusted according to the medicine ejection speed.
  • an adjustment may be made to increase the angle corresponding to ⁇ in FIG.
  • an adjustment that takes into account the rotation speed of the rotor blades may be performed.
  • an anemometer may be provided in the drone so that the position of the drug nozzle can be automatically adjusted according to the wind direction and wind force (for example, the drug nozzle is forward in the case of headwind and the drug nozzle is in the case of tailwind).
  • the position of the medicine nozzle may be automatically adjusted according to the amount of medicine sprayed from the medicine spray nozzle (operating rate of the pump) (for example, the position of the medicine nozzle when the amount of medicine is large). Make precise adjustments).
  • Drug nozzles are installed directly under all the rotor blade sets of the drone, and the drug is sprayed from the drug nozzles directly under the rotor blade set that is always in front of the traveling direction. Control that stops spraying from the nozzle may be performed by a computer or the like.
  • Control of direction change as shown in FIG. 8 may be performed.
  • a general drone as shown in FIG. 8A, when the direction of the drone (801) is changed, only the flight direction is changed while maintaining the orientation of the aircraft (the drone (801) shown in FIG. 8).
  • 1 schematically shows the drone described in FIGS. 1, 2 and 3 so that the orientation of the aircraft can be easily understood).
  • the position of the medicine nozzle may be readjusted in accordance with the change in the flight direction.
  • FIG. 8A when the direction of the drone (801) is changed, only the flight direction is changed while maintaining the orientation of the aircraft (the drone (801) shown in FIG. 8).
  • 1 schematically shows the drone described in FIGS. 1, 2 and 3 so that the orientation of the aircraft can be easily understood).
  • the position of the medicine nozzle may be readjusted in accordance with the change in the flight direction.
  • FIG. 8A when the drone is provided with the function of adjusting the position of the medicine nozzle, the position of the medicine nozzle may be readjust
  • the function of adjusting the position of the drug nozzle as described above or the function of switching between multiple drug nozzles can be provided to the drone. Even if it is not provided, the object of the present invention can be achieved.

Abstract

【課題】追加機器や複雑な制御なしに、単純な構造によって圃場外への薬剤飛散を最小化した薬剤撒布用ドローン（無人飛行体）を提供する。 【解決策】薬剤散布ノズルとローター（望ましくは二段ローター）を備え、薬剤散布ノズルがローターの下側であって、ローター回転軸の進行方向に対して後方に所定の距離オフセットした点を中心とし、ローターの半径の90%を半径とする円領域の下方であって、かつ、ローターの回転軸を通る水平線から、進行方向後方への俯角およそ60度の直線上に位置させることで、ローターの気流を積極的に散布に活用する薬剤撒布用ドローンを提供する。薬剤散布ノズルの位置を動的に制御可能にしてもよい。

Description

薬剤撒布用ドローン
本願発明は、農薬などの薬剤散布を行なう無人飛行体（ドローン）、特に、複雑な形状の狭い圃場でも圃場外への薬剤の飛散を最小化できる無人飛行体に関する。
一般にドローンと呼ばれる遠隔操縦型小型無人ヘリコプターの応用が進んでいる。その応用分野のひとつとして農地への農薬や液肥などの薬剤散布が挙げられる（たとえば、特許文献１）。欧米と比較して農地が広くない日本においては、有人の飛行機やヘリコプターではなく、ドローンの使用が適しているケースが多い。
ドローンによる薬剤散布は、日本において典型的な狭く複雑な地形の農地でも効率的かつ正確に薬剤散布を行なえるという長所がある。準天頂衛星システムやＲＴＫ－ＧＰＳなどの技術により、ドローンが飛行中に自機の絶対位置をセンチメートル単位で正確に知ることが可能になっており、加えて、圃場の正確な形状が知り得れば、正確な散布が可能となる。
しかし、仮にドローンが正確に圃場上を飛行できたとしても、風の影響等により、薬剤が圃場外に飛散するという問題は残る。特に、農薬が圃場外にある無農薬栽培の作物に飛散するケース、あるいは、圃場外にある畦畔等に散布する除草剤が圃場内の栽培用植物に飛散するケース等を避ける必要があるが、従来型のドローンはこの問題に適切に対応できていなかった。ヘリコプターに風力・風向センサーを設けて、風向と風力に応じて航路を微調整する技術は公知（たとえば、特許文献２）であったが、狭い圃場に適用するには制御の精度および機構の複雑性の点で課題があった。
特許公開公報　特開２００１－１２０１５１ 特許公開公報　特開２００６－１７６０７３
圃場外への薬剤飛散を最小化した薬剤撒布用ドローン（無人飛行体）を提供する。
本願発明は、複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼とを備える薬剤撒布用無人飛行体であって、前記複数の回転翼のうち、上下に位置し、互いに反対方向に回転する回転翼のセットが第一の二重反転翼を構成し、前記複数の薬剤散布ノズルの少なくともひとつが前記第一の二重反転翼の下方に配置されている薬剤撒布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、前記複数の回転翼のうち、前記第一の二重反転翼に隣接し、かつ、下方に薬剤散布ノズルが配置されていない、上下に位置し、互いに反対方向に回転する回転翼のセットが第二の二重反転翼を構成する段落０００７に記載の薬剤撒布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、前記第二の二重反転翼は、前記第一の二重反転翼に対して、機体の進行方向に対して後方に隣接する段落０００８に記載の薬剤撒布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、前記第一の二重反転翼は、前記機体の進行方向に対して最前方にある段落０００７、段落０００８、または、段落０００９に記載の薬剤撒布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、前記第一の二重反転翼の下方にある薬剤散布ノズルが、前記機体の進行方向に向かって前記第一の二重反転翼の中心から後方もしくは前方に所定の距離（以下、オフセット距離）オフセットした位置を中心とし、前記第一の二重反転翼の半径未満の半径である円形の領域の下方に位置する段落０００７、段落０００８、段落０００９、または、段落００１０に記載の薬剤撒布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、前記第一の二重反転翼の下方にある薬剤散布ノズルが、前記機体の進行方向に向かって前記第一の二重反転翼の中心から後方もしくは前方にオフセット距離だけオフセットした位置を中心とし、前記第一の二重反転翼の半径の５０％以上の半径を有する第一の円と、第一の二重反転翼の半径の９０％以下の半径を有する第二の円とで囲まれた領域の下に位置する段落０００７、段落０００８、段落０００９、段落００１０、または、段落００１１に記載の薬剤撒布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、前記オフセット距離を、機体の飛行速度、または、薬剤吐出速度によって変化するよう制御する手段を備えた段落００１１または段落００１２に記載の薬剤撒布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、前記円形の領域の中心は、機体飛行速度が大きいほどより前方へオフセットされる、または、薬剤吐出速度が大きいほどより前方へオフセットされるよう制御する手段を備えた段落００１１、段落００１２、または、段落００１３に記載の薬剤撒布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、前記円形の領域の中心は、回転翼中心より後方に位置する場合に、機体飛行速度が大きいほど、より回転翼中心側へオフセットされる、または、薬剤吐出速度が大きいほどより回転翼中心側へオフセットされる段落００１１、段落００１２、または、段落００１３に記載の薬剤撒布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、前記円形の領域の中心は、散布を実施する際の機体の飛行速度、または、薬剤吐出速度に応じて調整される手段を備えた段落００１１、段落００１２、段落００１３、段落００１４、または、段落００１５に記載の薬剤撒布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、前記第一の二重反転翼とその下にある薬剤散布ノズルとの垂直距離が前記第一の二重反転翼半径以下である段落０００７、段落０００８、段落０００９、段落００１０、段落００１１、段落００１２、段落００１３、段落００１４、段落００１５、または段落００１６に記載の薬剤撒布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、前記オフセット距離は、前記薬剤ノズルの位置が前記薬剤撒布用無人飛行体の進行方向の逆方向に向かった水平線からの俯角が略６０度となるように設定された段落００１１、段落００１２、段落００１３、段落００１４、段落００１５、段落００１６、または、段落００１７に記載の薬剤撒布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、前記俯角は、散布を実施する際のドローンの飛行速度が大きいほどより小さい角度に調整される、または、薬剤吐出速度が大きいほどより小さい角度に調整される段落００１８に記載の薬剤撒布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、前記俯角を、散布を実施する際のドローンの飛行速度、または、薬剤吐出速度に応じて調整する手段を備えた段落００１８、または、段落００１９に記載の薬剤撒布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、前記複数の薬剤散布ノズルが、機体進行方向から見た時に、水平方向に略等間隔で位置する段落０００７、段落０００８、段落０００９、段落００１０、段落００１１、段落００１２、段落００１３、段落００１４、段落００１５、段落００１６、段落００１７、段落００１８、段落００１９、または、段落００２０に記載の薬剤撒布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、方向転換の際に、前記第一の二重回転翼が常に進行方向の前方にあるよう機体方向を制御する手段を備えた段落０００７、段落０００８、段落０００９、段落０１０、段落００１１、段落００１２、段落００１３、段落００１４、段落００１５、段落００１６、段落００１７、段落００１８、段落００１９、段落００２０、または、段落００２１に記載された薬剤撒布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
日本において典型的な複雑な形状の圃場においても、圃場外への飛散を最小化した正確な薬剤散布を実現可能になる。
本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の平面図である。 本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の正面図である。 本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の右側面図である。 ドローンの回転翼下方の気流の強さを示す実験結果とその説明図である。 本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の飛行時における最適な薬剤ノズルの位置を説明する図である。 本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の最適な薬剤ノズルの位置を表わす図である。 本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の最適な薬剤ノズルの位置のその他の例を表わす図である。 本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の飛行時における最適な薬剤ノズルの位置を表わす図である。
以下、図を参照しながら、本願発明を実施するための形態について説明する。図はすべて例示である。
図１に本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の平面図を、図２にその（進行方向側から見た）正面図を、図３にその右側面図を示す。なお、本願明細書において、ドローンとは、動力手段（電力、原動機等）、操縦方式（無線であるか有線であるか、および、自律飛行型であるか手動操縦型であるか等）を問わず、複数の回転翼を有する無人飛行体全般を指すこととする。
回転翼（１０１－１ａ、１０１－１ｂ、１０１－２ａ、１０１－２ｂ、１０１－３ａ、１０１－３ｂ、１０１－４ａ、１０１－４ｂ）（ローターとも呼ばれる）は、ドローンを飛行させるための手段であり、飛行の安定性、機体サイズ、および、バッテリー消費量のバランスを考慮し、８機（２段構成の回転翼が４セット）備えられていることが望ましい（以降では、軸が同一直線上にある上下の回転翼を合わせて「セット」と呼ぶことがある）。
モーター（１０２－１ａ、１０２－１ｂ、１０２－２ａ、１０２－２ｂ、１０２－３ａ、１０２－３ｂ、１０２－４ａ、１０２－４ｂ）は、回転翼を回転させる手段（典型的には電動機だが発動機等であってもよい）であり、ひとつの回転翼について１機設けられていることが望ましい。１セット内の上下の回転翼（たとえば、１０１－1ａと１０１－1ｂ）およびそれに対応するモーター（たとえば、１０２－1ａと１０２－1ｂ）は、ドローンの飛行の安定性、および、後述の薬剤の圃場外への飛散防止効果を最大化するために、軸が同一直線上にあり、かつ、互いに反対方向に回転することが望ましい（以降ではこのような構成の回転翼セットを「二重反転翼」と呼ぶことがある）。なお、一部の回転翼（１０１－３ｂ）、および、モーター（１０２－３ｂ）が図示されていないが、その位置は自明であり、もし左側面図があったならば示される位置にある。
薬剤ノズル（１０３－１、１０３－２、１０３－３、１０３－４）は、薬剤を下方に向けて散布するための手段であり４機備えられていることが望ましい。なお、本願明細書において、薬剤とは、農薬、除草剤、液肥、殺虫剤、および、水などの圃場に散布される液体または粉体を指すこととする。従来型ドローンにおいては、回転翼が作る旋回流の影響を避ける位置に薬剤ノズルを置くことが通常であったが、本願発明に係るドローンにおいては、すべての薬剤ノズル（１０３－１、１０３－２、１０３－３、１０３－４）が、進行方向の前側にある回転翼セット（１０１－２ａと１０１－２ｂから成るセット、および、１０１－４ａと１０１－4ｂから成るセット）の直下に位置することが望ましい。回転翼の下方への風力を利用して、薬剤の飛散を最小化するためである。また、従来型ドローンにおいては、回転翼の回転による薬剤散布への影響を最小化するために、回転翼と薬剤ノズルの間にはある程度の距離を（典型的には、回転翼の直径にほぼ等しい距離）離しておくことが通常であった。これに対して、本願発明に係るドローンでは、回転翼の気流を積極的に利用するために、回転翼と薬剤ノズルの間の距離を従来よりも近く（望ましくは回転翼の直径のおよそ３０パーセントの距離）することが望ましいことが発明者による実験により明らかになっている。薬剤ノズルの位置についての詳細は後述する。
薬剤タンク（１０４）は散布される薬剤を保管するためのタンクであり、重量バランスの観点からドローンの全体の重心に近い位置に備えられていることが望ましい。薬剤ホース（１０５－1、１０５－２、１０５－３、１０５－４）は、薬剤タンクと（１０３）と各薬剤ノズル（１０３－１、１０３－２、１０３－３、１０３－４）を接続する手段であり、硬質の素材から成り、当該薬剤ノズルを支持する役割を兼ねていてもよい。ポンプ（１０６）は、薬剤をノズルから放出させるための手段である。上記以外に、本願発明に係るドローンには、飛行の制御を行なうためのコンピューター機器、遠隔操縦のための無線通信手段、位置検出のためのＧＰＳ装置、および、バッテリー等が備えられていることが望ましいが、図示していない。なお、本願発明に係るドローンは、ＲＴＫ－ＧＰＳ等の自機の位置を正確に測定できる手段を備えていることが望ましい。圃場の周辺部を正確に飛行できることで、機体の直下部以外への薬剤の飛散を最小化するという本願発明の目的がより大きな意味を持つことになるためである。また、着陸の際に必要な脚部、モーターを維持するためのフレーム、および、回転翼に手が触れることを防ぐための安全フレーム等、一般的なドローンに必要な構成要素は図示しているが、自明であるため特に説明しない。
図４－ａに示すように、発明者の実験によれば、二段ローター構成の回転翼下では、上から見て回転翼の中心から半径のおよそ50%の距離にある位置からおよそ90%の位置に至るまでの間に特に気流の速度が速い円筒状の領域が存在することが明らかになっている。図４－ｂは図４－ａを模式化した図であり、回転翼（４０１）は、図１、図２、および、図３に記載した回転翼を模式化したものである。典型的な設計数値として、ローターの直径が70センチメートル、回転速度が毎分2,000回転（機体重量が20キログラム）の場合に、この円筒状の領域（４０２）での風速は毎秒10メートル以上である。この円筒状の領域に薬剤ノズルを置いて薬剤を散布することにより、この円筒状の領域がいわば保護壁となって、その外部への好ましくない薬剤飛散を最小化できることが発明者の実験により明らかになっている。なお、図４－ｃは、一段ローター構成のドローンによる同様の実験結果（参考図）であるが、気流の速度が速い円筒状の領域は二段ローター構成の場合と比較して明確ではない。また、発明者による実験では、一段ローター構成の場合には、ローターの旋回流の影響によりかえって薬剤の圃場外への好ましくない飛散が増すことが明らかになっている。したがって、本願発明の効果を最大化するためには、二段ローター構成のドローンを使用することが望ましい。さらに、二段ローター構成を使用することで、気流の乱れを削減し、風速を維持できるため、圃場の作物の株元にも薬剤を効果的に散布できるという副次的効果も得られる。なお、本願に係るドローンの回転翼が作る気流を積極的に利用するためには、作物に到達する気流が秒速7メートル程度となるような低空（典型的には圃場の作物上部から約75センチメートル）を飛行させることが好ましい。
図５に、発明者による実験により明らかになった、本願発明に係るドローンの薬剤ノズルの位置により薬剤の飛散が最小化できる原理を示す。図５は図１、図２、および、図３に示したドローンを模式化（回転翼の中心軸を通る平面による断面図）したものである。ドローンが移動する時には、図４に示した円筒状の気流の速度の速い領域は進行方向の後ろに向けて傾く。薬剤ノズル（５０２）をこの傾いた円筒状の領域内部であって、かつ、進行方向から見て前側にある部分に置くことが好ましい。こうすることで、薬剤はドローンの下方向に向かう第一の気流（５０３－１）に乗ってドローンの下方向に向けて効率的に（望ましくない飛散を最小化しつつ）散布される。一部の薬剤は後方に流れるが、再びドローンの下方向に向かう第二の気流（５０３－２）に乗ってドローンの下方向に向けて効率的に散布される。以下同様に、第三の気流（５０３－３）、第四の気流（５０３－４）も利用して、薬剤の好ましくない飛散を最小限に抑えながらドローンの直下に散布することが可能である。
図６に、図４および図５に示した実験結果に基づく、本願発明に係るドローンの薬剤ノズル（１０３－１、１０３－２、１０３－３、および、１０３－４）の好ましい位置を詳細に示す（図６－ａは平面図、図６－ｂは右平面図、図６－ｃは正面図である）。６０１－１、６０２－２、６０１－３、および、６０４－４は４つの回転翼セットの回転範囲を模式的に示したものである（図１で言えば、それぞれ、１０１－１ａと１０１－１ｂ、１０１－２ａと１０１－２ｂ、１０１－３ａと１０１－３ｂ、および、１０１－４ａと１０１－４ｂの回転翼に相当する）。
図４に示したように二重ローター方式の回転翼が作る下降気流が強いのは、中心から半径の50%から90%に相当する位置にある円筒状の領域である。しかし、図５に示すように、この下降気流が強い領域はドローンの飛行に伴い、進行方向の後方に傾く。したがって、回転翼の中心から所定の距離（ｘ）だけ進行方向の後方にシフトした位置を中心にし、回転翼の半径（ｒ）のおよそ90％を半径とする円内の領域（６０２）の下（望ましくは回転翼の半径（ｒ）のおよそ70％に相当する円の円周の下）に薬剤ノズル（１０３－１、１０３－２）を置くことが好ましい（簡略化のため、図示していないが１０３－３と１０３－４についても同様である）。
中心のオフセット距離（ｘ）は、図６－ｂに示した角度αが、ドローンの進行速度をv1、ローターが生じさせる気流の速度をv2としたときに、tan（α）＝v1/v2となるような位置に設定することが好ましい。図５に示した気流が速い領域のドローンの進行の後方向への傾きとほぼ等しい角度にするためである。典型的設計値であるv1＝5ｍ/秒、v2＝10m/秒の場合には、α＝30°（水平方向からの俯角で言えば60°）となる。現実的には、αは20°から40°であってもよい。典型的ケースとして、回転翼と薬剤ノズルの垂直距離を20cmとして、α＝30°とすると、中心のオフセット距離（ｘ）は約10cmとなる。
加えて、図６－ｃに示すように、ドローンの進行方向前方から見た場合の各薬剤ノズルの間隔（ｗ１、ｗ２、および、ｗ３）はできるだけ等しくすることが好ましい。薬剤の均一な散布を行なうためである。
図７に、本願発明に係るドローンの薬剤散布ノズル（１０３）の位置の他の例を示す。図７－ａ）は２つの薬剤散布ノズル（１０３－１、１０３－２）を採用した場合の例であり、進行方向前側の回転翼の中心軸直下近くに薬剤散布を置いている（これよりも後方にオフセットした位置であってもよい）。図７－ｂ）は６つの薬剤散布ノズル（１０３－１、１０３－２、１０３－３、１０３－４、１０３－５、１０３－６）を採用した場合の例である。いずれも前述の原理により、回転翼が生じさせる下降気流を積極的に活用して、好ましくない飛散を最小化した効率的な薬剤の散布を行なうことができる。薬剤散布ノズル（１０３）の数がさらに多い場合、および、回転翼セットの数が多い場合も、同様の考え方で薬剤散布ノズル（１０３）の位置を決定することができる。
ドローンの飛行速度、風向き、および、薬剤の吐出速度に合わせて、利用者が薬剤ノズルの位置を手動で調整可能な構造にしてもよい。ステッピングモーター等の手段により、薬剤ノズルの位置を遠隔操縦で調整できるようにし、利用者が無線操縦等の手段により調整可能としてもよい。ドローンに速度計（または、ＧＰＳ等による速度測定手段）を設け、飛行速度に応じて、薬剤ノズルの位置を自動的に調整できるようにしてもよい。すなわち、飛行速度が速い時には、図６のαに相当する角度を大きくするような調整を行なうようにしてもよい。また、薬剤の噴出速度に応じて薬剤ノズルの位置を自動的に調整できるようにしてもよい。すなわち、噴出速度が速い時には、図６のαに相当する角度を大きくするような調整を行なうようにしてもよい。上記に加えて、回転翼の回転速度を加味した調整（たとえば、回転翼の回転速度が速い時には飛行速度に応じたαの調整を控えめにする等）を行なうようにしてもよい。また、ドローンに風力計を設け、風向と風力に応じて薬剤ノズルの位置を自動的に調整できるようにしてもよい（たとえば、向かい風の場合は薬剤ノズルを前方に、追い風の場合は薬剤ノズルを後方に移動する等）。さらに、薬剤散布ノズルから散布される薬剤の量（ポンプの稼働率）に応じて薬剤ノズルの位置を自動的に調整できるようにしてもよい（たとえば、薬剤の量が多い場合は薬剤ノズルの位置調整を厳密に行なう等）。
ドローンのすべての回転翼セットの直下に薬剤ノズルを設けておき、常に進行方向の前方にある回転翼セットの直下にある薬剤ノズルから薬剤散布を行ない、後方にある回転翼セットの直下にある薬剤ノズルからの散布は停止するような制御をコンピューター等によって行なってもよい。
図８に示すような方向転換の制御を行なってもよい。一般的なドローンでは、図８－ａに示すように、ドローン（８０１）が方向転換した場合には、機体の向きを維持したままで飛行方向のみを変える（図８に示したドローン（８０１）は、図１、図２、および、図３に記載のドローンを機体の向きをわかりやすくなるよう模式的に示したものである）。この場合において、前述のように、ドローンに薬剤ノズルの位置の調整機能が備えられている場合には、飛行方向の変化に合わせて薬剤ノズルの位置を再調整するようにしてもよい。しかし、図８－ｂに示したように、機体の向きごと方向転換するような制御を行なうことで、ドローンに前述したような薬剤ノズルの位置の調整機能、あるいは、複数薬剤ノズルの切り替え機能が備えられていない場合であっても本願発明の目的を達成可能である。
（本願発明による技術的に顕著な効果）
本願発明に係るドローンを使用した薬剤散布を行なうことで、日本において典型的な複雑な形状の狭い圃場においても、圃場外への飛散を最小化した正確な薬剤散布が可能になる。従来技術では、薬剤の圃場外への飛散を避けるために、圃場の境界近辺を飛行させないという妥協案を採る必要があった（特に風が強いときには飛行ルートの制限が強かった）が、本願発明に係るドローンでは、そのような妥協は不要である。また、追加機器や複雑な制御なしに、単純な構造によって上記目的を達成できるため、コスト面でも従来技術と比較して有利である。

Claims (16)

  1. 複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼とを備える薬剤撒布用無人飛行体であって、
    前記複数の回転翼のうち、上下に位置し、互いに反対方向に回転する回転翼のセットが第一の二重反転翼を構成し、
    前記複数の薬剤散布ノズルの少なくともひとつが前記第一の二重反転翼の下方に配置されている薬剤撒布用無人飛行体。
  2. 前記複数の回転翼のうち、前記第一の二重反転翼に隣接し、かつ、下方に薬剤散布ノズルが配置されていない、上下に位置し、互いに反対方向に回転する回転翼のセットが第二の二重反転翼を構成する請求項１に記載の薬剤撒布用無人飛行体。
  3. 前記第二の二重反転翼は、前記第一の二重反転翼に対して、機体の進行方向に対して後方に隣接する請求項２に記載の薬剤撒布用無人飛行体。
  4. 前記第一の二重反転翼は、前記機体の進行方向に対して最前方にある請求項１、請求項２、または請求項３に記載の薬剤撒布用無人飛行体。
  5. 前記第一の二重反転翼の下方にある薬剤散布ノズルが、前記機体の進行方向に向かって前記第一の二重反転翼の中心から後方もしくは前方に所定の距離（以下、オフセット距離）オフセットした位置を中心とし、前記第一の二重反転翼の半径未満の半径である円形の領域の下方に位置する請求項１、請求項２、請求項３、または、請求項４に記載の薬剤撒布用無人飛行体。
  6. 前記第一の二重反転翼の下方にある薬剤散布ノズルが、前記機体の進行方向に向かって前記第一の二重反転翼の中心から後方もしくは前方にオフセット距離だけオフセットした位置を中心とし、前記第一の二重反転翼の半径の５０％以上の半径を有する第一の円と、第一の二重反転翼の半径の９０％以下の半径を有する第二の円とで囲まれた領域の下に位置する請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、または、請求項５に記載の薬剤撒布用無人飛行体。
  7. 前記オフセット距離を、機体の飛行速度、または、薬剤吐出速度によって変化するよう制御する手段を備えた請求項５または請求項６に記載の薬剤撒布用無人飛行体。
  8. 前記円形の領域の中心は、機体飛行速度が大きいほどより前方へオフセットされる、または、薬剤吐出速度が大きいほどより前方へオフセットされるよう制御する手段を備えた請求項５、請求項６、または、請求項７に記載の薬剤撒布用無人飛行体。
  9. 前記円形の領域の中心は、回転翼中心より後方に位置する場合に、機体飛行速度が大きいほど、より回転翼中心側へオフセットされる、または、薬剤吐出速度が大きいほどより回転翼中心側へオフセットされる請求項５、請求項６、または、請求項７に記載の薬剤撒布用無人飛行体。
  10. 前記円形の領域の中心は、散布を実施する際の機体の飛行速度、または、薬剤吐出速度に応じて調整される手段を備えた請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、または、請求項９に記載の薬剤撒布用無人飛行体。
  11. 前記第一の二重反転翼とその下にある薬剤散布ノズルとの垂直距離が前記第一の二重反転翼半径以下である請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、または請求項１０に記載の薬剤撒布用無人飛行体。
  12. 前記オフセット距離は、前記薬剤ノズルの位置が前記薬剤撒布用無人飛行体の進行方向の逆方向に向かった水平線からの俯角が略６０度となるように設定された請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、または、請求項１１に記載の薬剤撒布用無人飛行体。
  13. 前記俯角は、散布を実施する際のドローンの飛行速度が大きいほどより小さい角度に調整される、または、薬剤吐出速度が大きいほどより小さい角度に調整される請求項１２に記載の薬剤撒布用無人飛行体。
  14. 前記俯角を、散布を実施する際のドローンの飛行速度、または、薬剤吐出速度に応じて調整する手段を備えた請求項１２、または、請求項１３に記載の薬剤撒布用無人飛行体。
  15. 前記複数の薬剤散布ノズルが、機体進行方向から見た時に、水平方向に略等間隔で位置する請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２、請求項１３、または、請求項１４に記載の薬剤撒布用無人飛行体。
  16. 方向転換の際に、前記第一の二重回転翼が常に進行方向の前方にあるよう機体方向を制御する手段を備えた請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２、請求項１３、請求項１４、または、請求項１５に記載された薬剤撒布用無人飛行体。
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