WO2020022264A1 - 飛行体 - Google Patents

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WO2020022264A1
WO2020022264A1 PCT/JP2019/028651 JP2019028651W WO2020022264A1 WO 2020022264 A1 WO2020022264 A1 WO 2020022264A1 JP 2019028651 W JP2019028651 W JP 2019028651W WO 2020022264 A1 WO2020022264 A1 WO 2020022264A1
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WO
WIPO (PCT)
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sensor
drone
flying object
frame
aircraft
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/028651
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
千大 和氣
洋 柳下
Original Assignee
株式会社ナイルワークス
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社ナイルワークス filed Critical 株式会社ナイルワークス
Priority to JP2020511553A priority Critical patent/JP6979729B2/ja
Publication of WO2020022264A1 publication Critical patent/WO2020022264A1/ja

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/24—Aircraft characterised by the type or position of power plants using steam or spring force
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U20/00—Constructional aspects of UAVs
    • B64U20/90—Cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U30/00—Means for producing lift; Empennages; Arrangements thereof
    • B64U30/20—Rotors; Rotor supports
    • B64U30/24—Coaxial rotors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U30/00—Means for producing lift; Empennages; Arrangements thereof
    • B64U30/20—Rotors; Rotor supports
    • B64U30/29—Constructional aspects of rotors or rotor supports; Arrangements thereof
    • B64U30/299—Rotor guards
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00—Propulsion; Power supply
    • B64U50/10—Propulsion
    • B64U50/11—Propulsion using internal combustion piston engines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U2101/00—UAVs specially adapted for particular uses or applications
    • B64U2101/30—UAVs specially adapted for particular uses or applications for imaging, photography or videography
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U2101/00—UAVs specially adapted for particular uses or applications
    • B64U2101/45—UAVs specially adapted for particular uses or applications for releasing liquids or powders in-flight, e.g. crop-dusting

Definitions

  • the present invention relates to an air vehicle represented by a drone.
  • drones are used in the industrial field.
  • Agricultural drones that spray chemicals such as pesticides and liquid fertilizers on fields are one of the applied fields.
  • “drone” refers to a flying object.
  • Aircraft such as industrial drones, such as agricultural drones, have various sensors to perform various controls such as automatic driving control, attitude control, speed control, flight height control, etc., to fly according to a predetermined route. It is installed.
  • An industrial drone is a large drone having a relatively large-diameter propeller so that it can generate a thrust that can withstand the load of the load, for loading a load such as a drug, as seen in an agricultural drone, for example. Is used.
  • a drone having a large-diameter propeller has a large body vibration caused by the rotation of the propeller.
  • a GPS sensor for the drone itself to detect its own position.
  • a GPS sensor using, for example, an RTK antenna and an RTK-GPS (Real Time Kinematic Global Positioning System) module is often configured.
  • RTK-GPS Radio waves in a short wavelength band are used to increase the resolution. Therefore, when the RTK antenna vibrates together with the airframe, the position detection accuracy is significantly reduced.
  • RTK-GPS is one of high-accuracy position detectors. In this specification, it is assumed that the RTK-GPS is used as an example of the high-accuracy position detector.
  • a 6-axis gyro sensor is used for controlling the attitude and flight direction of the drone.
  • the six-axis gyro sensor is used to measure the acceleration of the drone in three orthogonal directions, and to calculate the velocity by integrating the acceleration. Further, the six-axis gyro sensor is also used for measuring the angular velocity around the three axes. When the six-axis gyro sensor vibrates together with the airframe, the measurement accuracy of acceleration and angular velocity decreases, and the accuracy of attitude control and flight direction control decreases.
  • Some drones have a modified body structure so that the body is less likely to vibrate (for example, see Patent Document 1). Further, in a drone equipped with a measuring device such as a surveying device, the body structure is devised so that the vibration of the body does not affect the measuring device (for example, see Patent Document 2).
  • Patent Literature 1 discloses a roof frame that covers a drone from above, a wall frame that is connected to the roof frame and surrounds the entire drone from a lateral direction, It is equipped with a plurality of cross beams that are connected in a bridge shape on the way. It is said that each of these members is made of fiber reinforced plastic tubing, so that a lightweight and high-strength flight safety frame for drones can be obtained.
  • Patent Literature 2 has a pair of support frames that support a laser scanner of a surveying unit as a measuring device, and a pair of connection frames that connect the pair of support frames and that are detachably attached to the body. .
  • a first plate made of fiber reinforced resin is interposed between the laser scanner and the support frame, and a second plate made of fiber reinforced resin having a different rigidity from the first plate is provided between the support frame and the connection frame. It is interposed. According to this configuration, it is possible to reduce the vibration from the airframe in flight to the measurement device.
  • Patent Document 1 describes that a high-strength frame can be obtained by devising a drone frame structure.
  • the frame structure described in Patent Literature 1 is complicated, and in industrial applications such as agricultural drones, consideration is not given to ease of use such as ease of loading luggage.
  • the drone can be considered as a system consisting of a propeller, a motor that drives and rotates the propeller, various sensors that detect the position and flight attitude, a battery that is a driving power source, a control unit, and the like.
  • the invention described in Patent Literature 1 has no idea of improving the stability of the flying attitude by devising the layout of each component constituting the drone.
  • Patent Literature 2 describes that vibration of an aircraft during flight which affects a measuring device mounted on a drone can be reduced.
  • the invention described in Patent Document 2 does not have an idea of improving the stability of the flying attitude by devising the layout of each component constituting the drone.
  • the object of the present invention is to enhance the stability of the flight attitude by devising the layout of each component constituting a flying object represented by a drone.
  • a flying object comprising: a plurality of propellers; a plurality of propeller drive motors for individually rotating and driving the plurality of propellers; and a frame formed by coupling a plurality of support arms for supporting the plurality of propeller drive motors, , Having a sensor for controlling the flight of the flying object, In the area surrounded by the plurality of propellers, there is a rotation center of the body during attitude control at a position farthest from each of the propeller drive motors, The most main feature is that the sensor is arranged near the rotation center.
  • the position farthest from each propeller drive motor is the position where the vibration generated by the rotation of the propeller is the smallest.
  • FIG. 4 is a bottom view of the embodiment.
  • FIG. 3 is a plan view showing the embodiment with a propeller removed.
  • FIG. 2 is a front view showing the embodiment with a propeller removed.
  • FIG. 4 is a right side view showing the embodiment with a propeller removed.
  • It is a perspective view which expands and shows the principal part of the said Example. It is a mimetic diagram showing roughly the example in the case of using the flying object concerning the present invention for agriculture.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of a control system of the flying object according to the present invention.
  • a drone refers to an entire flying object having a plurality of rotating wings or flying means regardless of a power system or a steering system.
  • the power method there are a method using electric power and a method using a prime mover such as an internal combustion engine.
  • a control method there are a wireless or wired control method, an autonomous flight type, and a manual control type.
  • the drone includes four upper and lower propellers 101-1a, 101-1b, 101-2a, 101-2b, 101-3a, 101-3b, 101-4a, 101-a. 4b.
  • These propellers are components for flying the drone.
  • four sets of two-stage propellers are provided, for a total of eight aircraft.
  • the rotation centers of the four sets of propellers are located at corners of the rectangle in plan view.
  • the propellers 101-2a, 101-2b, 101-4a, and 101-4b are on the front side in the traveling direction of the drone.
  • Each of the above propellers is a propeller driving motor (hereinafter sometimes simply referred to as “motor”) 102-1a, 102-1b, 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 102-4a, 102-4b.
  • motor a propeller driving motor
  • a pair of upper and lower propellers for example, 101-1a and 101-1b, have their axes co-linear for flight stability of the drone, etc., and are in opposite directions by motors 102-1a and 102-1b.
  • the upper and lower propellers of each set are driven to rotate in opposite directions, and both the upper and lower propellers generate a downward flow, thereby generating a thrust for raising the drone.
  • Other sets of upper and lower propellers are similarly configured and similarly generate thrust.
  • the illustrated embodiment is an agricultural drone provided with four medicine nozzles 103-1, 103-2, 103-3, 103-4 for spraying medicine downward.
  • agents generally refer to liquids or powders that are sprayed on the field, such as pesticides, herbicides, liquid manures, pesticides, seeds, and water.
  • the drone has a medicine tank 104 for containing the medicine to be sprayed.
  • the medicine tank 104 is provided at a position close to and lower than the center of gravity of the drone from the viewpoint of weight balance.
  • a pump 106 is mounted below the medicine tank 104, and the pump 106 is connected to a medicine hose 105.
  • the drug hose 105 extends linearly over substantially the entire width of the drone at the front lower portion in the traveling direction of the drone.
  • the medicine hose 105 is provided with four medicine nozzles 103-1, 103-2, 103-3 and 103-4 at regular intervals in the longitudinal direction.
  • the “fuselage” is a portion on which a control component for controlling the operation of the drone, a battery or a sensor serving as a driving power source, and the like are mounted, and corresponds to a fuselage of a helicopter or an airplane.
  • the entire drone, including the fuselage, frame, propeller, and propeller drive motor, is referred to herein as an "airframe.”
  • the drone has a frame serving as a skeleton thereof, and the frame is composed of a plurality of support arms integrally connected to each other and supporting the plurality of propeller drive motors.
  • a frame composed of a plurality of support arms is vertically paired, and the upper and lower frames are integrally connected at a predetermined interval.
  • the plurality of support arms that constitute the upper frame include one first support arm 10 that supports a propeller drive motor at each end, and two second support arms 11 and 12 that extend from the first support arm 10. Having.
  • the second support arms 11 and 12 extend obliquely symmetrically from the middle of the first support arm 10 in the longitudinal direction, and extend in a direction in which the front ends, that is, the ends located on the rear side of the drone, expand.
  • the second support arms 11 and 12 are connected by a reinforcing beam 13 in the middle of the length direction.
  • the reinforcing beam 13 is parallel to the first supporting arm 10, and is formed in a trapezoidal shape in plan view by the first supporting arm 10, the second supporting arms 11, 12, and the reinforcing beam 13, and is close to a so-called truss structure. It has a structure. Since the frame has a structure close to the truss structure, the mechanical strength of the frame can be increased with a relatively simple configuration.
  • the first support arm 10, the second support arms 11, 12 and the reinforcing beam 13 are connected via an appropriate connection member so as to be located on the same plane.
  • Motors 102-2a and 102-4a are supported at both ends of the first support arm 10, respectively.
  • Propellers 101-2a and 101-4a are attached to the rotation output shafts of the motors 102-2a and 102-4a, respectively, and the propellers are individually rotated by the motors.
  • Motors 102-1a and 102-3a different from the above-mentioned motors are supported at the respective distal ends of the second support arms 11 and 12.
  • Propellers 101-1a and 101-3a are attached to the rotation output shafts of the motors 102-1a and 103-3a, respectively, and the propellers are individually rotated by the motors.
  • the lower frame has almost the same structure as the upper frame.
  • the lower frame has one first support arm 20 that supports propeller drive motors 102-2b and 102-4b at both ends, and two second support arms 21 and 22 extending from the first support arm 20.
  • the second support arms 21 and 22 extend obliquely symmetrically from the middle of the first support arm 20 in the longitudinal direction, and extend in a direction in which the front ends, that is, the ends located on the rear side of the drone, expand.
  • the first support arm 20 and the second support arms 21 and 22 are connected via an appropriate connection member so as to be located on the same plane.
  • Propeller drive motors 102-1b and 102-3b are supported at the respective distal ends of the second support arms 21 and 22.
  • the upper and lower frames are connected under an appropriate number of columns so as to be parallel to each other.
  • the upper and lower pairs of the second support arms 11 and 21 and another pair of the second support arms 12 and 22 are connected to each other by pillars 30 at an intermediate portion in the longitudinal direction.
  • a pair of upper and lower first support arms 10 and 20 are respectively provided near pillars 31 near the joint with upper second support arms 11 and 21 and near the joint with lower second support arms 12 and 22. , 31.
  • Each of the support arms and each of the columns are connected by an appropriate connecting member.
  • the pair of columns 30, 30 is connected via the reinforcing beam 23 at a position below the vertical direction.
  • the reinforcing beam 23 is a reinforcing beam for the lower frame composed of the first support arm 20 and the second support arms 21 and 22, and also functions as a reinforcing beam for the entire upper and lower frames.
  • the reinforcing beam 13 is parallel to the first supporting arm 10, and is formed in a trapezoidal shape in plan view by the first supporting arm 10, the second supporting arms 11, 12, and the reinforcing beam 13, and is close to a so-called truss structure. It has a structure.
  • the first support arms 10, 20, the second support arms 11, 12, 21, 22, the reinforcing beams 13, 23, and the columns 30, 31, which connect the upper and lower frames, which form the upper and lower frames, are pipe-shaped members. is there.
  • the above-mentioned members constituting the frame, at least the first support arm, the second support arm, and the material of the reinforcing beam are made of a heat conductive material, for example, an aluminum alloy or a carbon fiber composite material.
  • the carbon fiber composite include carbon fiber reinforced plastic (CFRP) and carbon fiber reinforced carbon composite. Since the material of the members constituting the frame is made of an aluminum alloy or a carbon fiber composite material and is a pipe-shaped member, the weight of the frame can be reduced while providing the necessary strength to the frame. Further, as will be described in detail later, the heat radiation effect can be enhanced.
  • the propellers 101-1a and 101-1b supported at the distal ends of the pair of upper and lower second support arms 11 and 21 are surrounded by the propeller guard 41 and rotate in the propeller guard 41.
  • the propeller guard 41 includes a pair of upper and lower annular frames, a columnar interposition member that connects these frames in parallel at a fixed interval, a hub at the center of the upper and lower frames, and upper and lower frames. And a plurality of spokes for coupling with the hub.
  • the upper and lower hubs are coupled to the distal ends of the second support arms 11 and 21 with their centers aligned with the rotation centers of the propellers 101-1a and 101-1b.
  • the propellers 101-2a and 101-2b supported at the right ends when viewed from the front of the pair of upper and lower first support arms 10 and 20 are surrounded by the propeller guard 42 and rotate within the propeller guard 42.
  • the propellers 101-4a and 101-4b supported at the left ends when viewed from the front of the pair of upper and lower first support arms 10 and 20 are surrounded by the propeller guard 44 and rotate in the propeller guard 44.
  • each of the propeller guards 42, 43, and 44 is configured similarly to the propeller guard 41. That is, each of the propeller guards 42, 43, and 44 includes a pair of upper and lower annular frames, a plurality of columnar interposed members that connect these frames in parallel, a hub at the center of the upper and lower frames, And a plurality of spokes for connecting the frame and the hub.
  • the upper and lower hubs of the propeller guard 42 are connected to the right end when viewed from the front of the first support arms 10 and 20.
  • the upper and lower hubs of the propeller guard 43 are connected to the distal ends of the second support arms 12 and 22.
  • the upper and lower hubs of the propeller guard 44 are connected to the left end when viewed from the front of the first support arms 10 and 20.
  • the distance between the propellers 101-1a and 101-1b located on the right rear of the drone and the propellers 101-2a and 101-2b located on the right front is small, and an annular frame forming these propeller guards 41 and 42 is formed. In contact.
  • the distance between the propellers 101-3a and 101-3b located on the left rear of the drone and the propellers 101-4a and 101-4b located on the left front is also small, and an annular frame forming these propeller guards 43 and 44 is formed. In contact.
  • each propeller guard 41, 42, 43, 44 is a heat conductive material. It is desirable that at least the spokes arranged in a grid on the upper and lower surfaces of the propeller guards 41, 42, 43, 44 are made of a heat conductive material.
  • the distance between the propellers located on the left and right is wider than the distance between the propellers located before and after the drone. That is, the distance between the propellers 101-4a and 101-4b and the propellers 101-2a and 101-2b and the distance between the propellers 101-3a and 101-3b and the propellers 101-1a and 101-1b are located on the left and right sides of the drone. It is getting wider.
  • These propeller guards 44 and 42 and 43, 41 are spaced apart from each other.
  • the lines connecting the centers of rotation of the four sets of propellers 101-1a, 101-1b, 101-2a, 101-2b, 101-3a, 101-3b and 101-4a, 101-4b are horizontally long. It is a rectangle.
  • a three-dimensional space is defined by the upper support arms 10, 11, 12 and the lower support arms 20, 21, 22.
  • the three-dimensional space is a trapezoidal three-dimensional space formed by a pair of upper and lower frames integrally connected at a predetermined interval.
  • This three-dimensional space is a vibration damping area that is far from the rotation area of each propeller and hardly transmits vibrations caused by the rotation of each propeller.
  • a body 50 having a power supply battery, a control unit, a motor drive circuit, a flight control sensor, and the like is arranged.
  • the body 50 has a flat dish-shaped bottom plate 51 and a cover 52 put on the bottom plate 51.
  • the bottom plate 51 and the cover 52 are made of a heat conductor such as an aluminum alloy or a carbon fiber composite material.
  • the internal space surrounded by the bottom plate 51 and the cover 52 serves as a component mounting part for incorporating built-in components such as a power supply battery, a motor drive circuit, a control circuit, and a flight control sensor.
  • the body 50 is long in the front-rear direction, and has a semicircular planar shape at the front end in the traveling direction.
  • the body 50 is disposed in the space formed between the left and right propellers and the right and left propeller guards 41, 42 and 43, 44 and between the upper and lower reinforcing beams 13, 23.
  • the bottom plate 51 of the body 50 is coupled to the lower reinforcing beam 23 via a coupling member at the bottom surface.
  • the coupling member is a plate-shaped member made of a material having good heat conductivity, and holds the reinforcing beam 23 over substantially half a circumference, and is fastened in a state where both side edges are in surface contact with the bottom surface of the bottom plate 51.
  • the cover 52 constituting the body 50 is connected to the upper reinforcing beam 13 via a connecting member 59.
  • the coupling member 59 is also a plate-shaped member made of a material having good heat conductivity, and is wound around the reinforcing beam 13 over substantially half a circumference, and is fastened in a state where both side edges are in surface contact with the upper surface of the cover 52.
  • FIG. 9 shows an outline of the component arrangement in the component mounting section in the body 50.
  • About half space 56 on the rear side (obliquely lower right side in FIG. 9) in the body 50 is close to the upper and lower reinforcing beams 13 and 23 and has a high cooling effect.
  • the space 56 is vertically divided into layers, and a battery mounting space 153 is provided in an upper layer portion.
  • the battery mounting space 153 includes a battery receiving member 152 and two battery fasteners 154 so that two secondary batteries, that is, two rechargeable batteries 55 can be arranged in parallel.
  • two batteries 55 are loaded in the battery mounting space 153.
  • One battery is the main battery and is used during normal operation, and the other battery is a spare battery. If the storage capacity of the main battery is low while the main battery is in use, or if the main battery malfunctions, switch to the spare battery to continue flight, and evacuate as described later. To take. In this way, by attaching the two batteries 55, the power supply system is provided with so-called redundancy, and appropriate processing is performed in the event of a power supply trouble, thereby avoiding a fatal trouble. I do.
  • FIG. 9 shows a state in which only one battery 55 is loaded.
  • the battery 55 is also one of the heat-generating components, and is designed so that the battery 55 is loaded in the space 56 having a high cooling effect and the temperature of the battery 55 is suppressed from rising.
  • the battery 55 itself is a component having high mechanical strength and rigidity, and functions as a reinforcing component that increases the strength and rigidity of the body 50 by firmly mounting the battery 55 with the battery fastener 154. Since the battery 55 is a heavy component and has vibration damping properties, the battery 55 is mounted on the body 50 so that the battery 55 functions as a vibration damping component.
  • the mechanical strength and rigidity of the components constituting the battery receiving member 152, the battery fastener 154, and the battery mounting space 153 are also increased. Therefore, not only the battery 55 but also the components of the battery receiving member 152, the battery fastener 154, and the battery mounting space 153 function as a reinforcing component and a vibration damping component of the body 50.
  • the body 50 is attached to the above-mentioned vibration damping area, and is originally arranged at a position where it is hardly affected by vibration due to the rotation of each propeller.
  • the vibration damping effect of the body 50 is further enhanced.
  • a lid that can be opened and closed so that the battery 55 can be attached to and detached from the battery mounting space 153.
  • the reinforcing beam 13 of the upper frame is provided at a position shifted forward from the reinforcing beam 23 of the lower frame in order to allow the lid to be opened and closed.
  • a mounting board for a heat-generating component is arranged in a layer below the battery mounting space 153 in surface contact with the bottom plate 51.
  • a rotational speed control component (ESC: Electronic Speed Control) of the motor and a step-down power distribution device are mounted on the mounting board.
  • the step-down distribution machine steps down the DC power supplied from the battery 55 to a voltage suitable for the drive voltage of the motor and the drive voltage of the control circuit, and distributes the step-down power.
  • the ESC and the step-down electric generator generate high heat.
  • circuit boards 58 are arranged on the bottom plate 51 of the body 50 in front of the space 56.
  • a control circuit such as a flight controller, a circuit for processing signals from various sensors, a control unit for a drone including a communication circuit, and the like are mounted on these circuit boards 58.
  • a six-axis gyro sensor which is a means for measuring the acceleration of the drone and calculating the speed by integrating the acceleration, is arranged on the back surface, that is, the lower surface side of the battery receiving member 152 constituting the battery mounting space 153.
  • the six-axis gyro sensor has an acceleration sensor that detects accelerations in three directions orthogonal to each other, and an angular velocity sensor that detects rotations around the three axes, for example, angular velocities of pitching, rolling, and yawing, respectively. ing.
  • the 6-axis gyro sensor detects the attitude of the drone's fuselage, and controls the attitude of the drone's fuselage based on this detection signal, and is one of flight control sensors.
  • the six-axis gyro sensor can detect the moving distance by integrating the detection output of the acceleration sensor. Therefore, the six-axis gyro sensor can be used as a sensor for detecting the position of the body.
  • the body 50 is disposed in the vibration damping area as described above, and the battery receiving member 152, the battery fastener 154, and the like function as vibration damping parts, so that the body 50 is hardly affected by vibration due to rotation of the propeller. It has become. Therefore, a flight control sensor such as a six-axis gyro sensor disposed on the fuselage 50 is hardly affected by vibration due to the rotation of the propeller, and the detection accuracy of the sensor can be maintained high. Due to the high detection accuracy of the sensor, the accuracy of flight control can be maintained high.
  • the center of gravity of the drone when the two batteries 55 are loaded in the battery mounting space 153 is between the two batteries 55 when viewed from the plane, that is, when the drone is viewed from above.
  • the center of gravity of the drone in the vertical direction is at a relatively lower position by mounting the heavy battery 55.
  • the rotation center P of the aircraft at the time of controlling the attitude of the drone by the rotation control of the four sets of motors is, as viewed from the plane, the intersection of the lines connecting the centers of the motors at diagonal positions as shown in FIG. In the up-down direction, as shown in FIG.
  • the horizontal line of the lift generated by the rotation of the four sets of motors is above or at the same height as the center of gravity of the drone.
  • the center of gravity of the drone is located below the rotation center P or at the same height as the rotation center P.
  • the stability of the posture of the drone and the energy saving required for the posture control can be achieved.
  • a medicine tank 104 is disposed below the body 50 with a space 70 between the medicine tank 104 and the lower surface of the body 50.
  • the medicine tank 104 stores the medicine to be sprayed, and the medicine is sprayed while flying over the field, so that the medicine tank 104 is a variable weight material.
  • the drug tank 104 which is a variable weight object, is disposed further below the position of the center of gravity of the drone, and is designed to reduce the influence of weight fluctuation on the attitude control of the drone.
  • GPS sensor GPS sensors 60, 60 are attached to the two second support arms 11, 12 constituting the upper frame, facing upward.
  • the GPS sensors 60, 60 are composed of, for example, a high-accuracy position detector antenna and a high-accuracy position detector module.
  • the GPS sensors 60, 60 measure the absolute position of the drone, determine whether or not the measured position is, for example, a position according to a program. Control.
  • the GPS sensors 60, 60 including a high-precision position detector module for detecting the position of the aircraft with high accuracy are one of the flight control sensors alongside the 6-axis gyro sensor for the attitude control.
  • the GPS sensors 60, 60 vibrate, the accuracy of the drone's absolute position measurement is reduced, and the accuracy of the position control is also reduced. Therefore, in the illustrated embodiment, the GPS sensors 60, 60 are not susceptible to the vibration of the drive motors, which are the vibration sources, so that the second support arms 11, 12 at positions away from the respective drive motors. It is installed almost at the center in the length direction.
  • the GPS sensors 60, 60 are located between the propeller guards 41, 42 in front and rear, and between the propeller guards 43, 44, respectively, when viewed from the plane. Further, the GPS sensors 60, 60 are located near the columns 30, 30, which connect the upper and lower frames, and are located at positions where the second support arms 11, 12 are less likely to vibrate. Therefore, the GPS sensors 60, 60 are hardly affected by the vibrations of the drive motors, and can measure the position of the drone with high accuracy.
  • Parts including heat-generating parts such as a motor rotation control part and a distribution machine are mounted on the body 50.
  • the bottom plate 51 and the cover 52 constituting the body 50 are made of a heat conductive material, and the heat generated from the heat-generating components is transmitted to the body 50 and dissipated. Therefore, the body 50 is a main part for dissipating the heat generated by the heat-generating components.
  • the bottom plate 51 of the body 50 is connected to the reinforcing beams 23 of the lower frame made of a heat conductive material, and the reinforcing beams 23 are further connected to the second support arms 21 and 22.
  • the cover 52 of the body 50 is also connected to the reinforcing beam 13 of the upper frame made of a heat conductive material, and the reinforcing beam 13 is connected to the second support arms 11 and 12.
  • the body 50 is surrounded by a pair of front and rear propellers located on the left and right sides.
  • a downward flow of air is generated along the left and right sides of the body 50.
  • the downward flow of the air flows at a relatively high speed in a substantially triangular space viewed from the plane direction defined by the left and right side surfaces of the body 50 and the front and rear propeller guards.
  • four propellers each have a two-stage configuration in the upper and lower portions, and it is known that the downflow is more concentrated and a stronger downflow occurs than in the single-stage propeller.
  • both side surfaces of the body 50 and a part of the frame are located in the flow path of the descending flow generated at high speed by the two-stage propeller intensively. More specifically, a downward flow flows along both side surfaces of the body 50, and both ends of the first support arms 10 and 20, substantially the entirety of the second support arms 11, 12, 21 and 22, and the reinforcing beams 13 and 23. Are traversing the downflow channel. Therefore, the heat transmitted to the body 50 and the frame from the body 50 is effectively dissipated, and a rise in the temperature of the mounted components is suppressed.
  • FIG. 10 schematically shows an example of the entire system in the case where the drone 100 according to the present invention is used as an agricultural drone for spraying medicine.
  • the pilot 401 can transmit a command to the drone 100 by an operation of the user 402 and can display information received from the drone 100, for example, information such as a position, a medicine amount, a battery remaining amount, and a camera image.
  • the pilot 401 may be realized by a portable information device such as a general tablet terminal that runs a computer program.
  • the drone 100 according to the present embodiment is controlled so as to perform autonomous flight. However, it is preferable that the drone 100 can be manually operated at the time of basic operations such as takeoff and return, and in an emergency.
  • an emergency operating device having a function dedicated to emergency stop may be used. It is desirable that the emergency operating device is a dedicated device provided with a large emergency stop button or the like so that an emergency operation can be quickly performed. It is desirable that the pilot 401 and the drone 100 perform wireless communication by Wi-Fi or the like.
  • the field 403 is a field or a field to which the drone 100 sprays the medicine.
  • the terrain of the field 403 is complicated, and there is a case where a topographic map cannot be obtained in advance, or a case where the topographic map differs from the situation of the site.
  • the field 403 is adjacent to houses, hospitals, schools, other crop fields, roads, railways, and the like.
  • an obstacle such as a building or an electric wire may exist in the field 403.
  • the base station 404 is a device that provides a master device function or the like of Wi-Fi communication, and also functions as an RTK-GPS base station, and desirably provides an accurate position of the drone 100.
  • the master unit function of Wi-Fi communication and the high-accuracy position detector base station may be independent devices.
  • the farming cloud 405 is typically a group of computers and related software operated on a cloud service, and is desirably wirelessly connected to the controller 401 via a mobile phone line or the like.
  • the farming cloud 405 may analyze the image of the field 403 captured by the drone 100, grasp the growing condition of the crop, and perform a process for determining a flight route.
  • the farming cloud 405 can provide the stored topographical information of the field 403 to the drone 100, and in addition, accumulates the history of the flying and photographed images of the drone 100 and may perform various analysis processes. .
  • the drone 100 takes off from the departure / departure point 406 outside the field 403 and returns to the departure / departure point 406 after spraying the medicine on the field 403 or when it becomes necessary to replenish or charge the medicine.
  • the flight route also referred to as an intrusion route
  • the flight route from the departure / arrival point 406 to the target field 403 may be stored in advance in the farming cloud 405 or the like, or may be input by the user 402 before the start of takeoff. .
  • FIG. 11 is a block diagram showing a control function of the embodiment of the medicine spraying drone according to the present invention.
  • the flight controller 501 is a component that controls the entire drone, and may specifically be an embedded computer including a CPU, a memory, related software, and the like.
  • the flight controller 501 controls the motors 102-1a and 102-1b via control means such as ESC (Electronic Speed Control) based on input information received from the pilot 401 and input information obtained from various sensors described below. , 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 102-4a, 102-4b to control the rotation speed of the drone 100.
  • ESC Electronic Speed Control
  • the actual number of rotations of each motor is fed back to the flight controller 501 so that it can be monitored whether normal rotation is being performed.
  • An optical sensor or the like may be provided on the propeller so that the rotation speed of the propeller is fed back to the flight controller 501.
  • the software used by the flight controller 501 is desirably rewritable through a storage medium or the like for function expansion / change or problem correction, or through communication means such as Wi-Fi communication or USB. It is desirable to perform protection by encryption, checksum, digital signature, virus check software, etc. so that rewriting by unauthorized software is not performed.
  • Part of the calculation processing used by the flight controller 501 for control may be executed by the control device 401, the farming cloud 405, or another computer existing in another place.
  • the flight controller 501 is a highly important part that forms the core of the drone, and it is desirable that some or all of its components be duplicated.
  • the battery 55 is a power source for the flight controller 501 and other components of the drone, and is preferably rechargeable.
  • the battery 55 is connected to the flight controller 501 via a power supply unit including a fuse or a circuit breaker.
  • the battery 55 is desirably a smart battery having a function of transmitting the internal state, that is, the amount of stored power, the accumulated use time, and the like to the flight controller 501 in addition to the power supply function.
  • the flight controller 501 communicates with the pilot 401 via the Wi-Fi slave unit function 503 and further via the base station 404, receives necessary commands from the pilot 401, and receives necessary information from the pilot 401. Can be sent to It is preferable that the communication be encrypted so as to prevent eavesdropping, impersonation, hijacking of equipment, and other illegal acts.
  • the base station 404 preferably has a function of an RTK-GPS, that is, a base station of a high-accuracy position detector.
  • RTK-GPS a base station of a high-accuracy position detector.
  • the GPS module 504 can measure the absolute position of the drone 100 with an accuracy of about several centimeters. Since the GPS module 504 is highly important, it is desirable to duplicate and multiplex the GPS module 504. Further, in order to cope with a failure of a specific GPS satellite, it is desirable that each redundant GPS module 504 is controlled to use another satellite.
  • the six-axis gyro sensor 505 is a means for measuring the acceleration of the drone body in three orthogonal directions, a means for calculating the velocity by integrating the acceleration, and a means for detecting the angular velocity of rotation about the three axes. .
  • the geomagnetic sensor 506 is means for measuring the direction of the drone body by measuring geomagnetism.
  • the air pressure sensor 507 is a means for measuring the air pressure, and can also indirectly measure the altitude of the drone.
  • the laser sensor 508 is a means for measuring the distance between the drone body and the ground surface by using the reflection of laser light, and desirably uses an infrared (IR) laser.
  • the sonar 509 is a means for measuring the distance between the drone body and the surface of the earth using reflection of sound waves such as ultrasonic waves.
  • the flow rate sensor 510 is a means for measuring the flow rate of the medicine, and is desirably provided at a plurality of locations on the path from the medicine tank 104 to the medicine nozzle 103.
  • the liquid shortage sensor 511 is a sensor that detects that the amount of the medicine has become equal to or less than a predetermined amount.
  • the multispectral camera 512 is a unit that captures an image of the field 403 and acquires data for image analysis.
  • the obstacle detection camera 513 is a camera for detecting a drone obstacle, and is mounted separately from the multispectral camera 512 because the image characteristics and the lens direction are different from those of the multispectral camera 512.
  • the switch 514 is a means for the user 402 of the drone 100 to make various settings.
  • the obstacle contact sensor 515 is a sensor for detecting that the drone 100, particularly its rotor or propeller guard portion, has come into contact with an obstacle such as an electric wire, a building, a human body, a tree, a bird, or another drone.
  • the cover sensor 516 is a sensor that detects that the operation panel of the drone 100 and a cover for internal maintenance are open.
  • the drug inlet sensor 517 is a sensor that detects that the inlet of the drug tank 104 is open.
  • the relaxation sensor 530 is a sensor for detecting looseness and rattling of a structural component of a body mainly composed of a frame having the first support arms 10 and 20 and the second support arms 11, 12, 21 and 22. is there.
  • a microphone can be used as the relaxation sensor 530. If the structural parts of the fuselage are loose or rattling, the microphone detects abnormal noise generated when the propeller is rotating and detects that the fuselage has loosened or rattled. to decide.
  • an acceleration sensor may be used as the relaxation sensor 530.
  • the acceleration sensor may be mounted as a dedicated device for detecting the relaxation of the body, or the six-axis gyro sensor 505 may be used as the relaxation sensor 530.
  • the six-axis gyro sensor 505 is also used as the relaxation sensor 530, not only the acceleration sensor of the six-axis gyro sensor 505 but also the angular velocity sensor can be used as the relaxation sensor 530.
  • the 6-axis gyro sensor 505 also serves as the relaxation sensor 530
  • the 6-axis gyro sensor 505 is disposed in the body 50 as described above.
  • a component mounting portion for mounting components including vibration suppressing components such as the battery 55, the battery receiving member 152, and the battery fastener 154 is arranged.
  • the component mounting portion is vertically layered, and the six-axis sensor is arranged in a layer below the layer on which the vibration suppressing component is mounted. Therefore, when the six-axis gyro sensor 505 also functions as the relaxation sensor, the relaxation sensor is mounted in the body 50 and below the mounting portion of the vibration suppression component.
  • sensors may be selected according to the drone's cost goals and performance requirements. Further, a gyro sensor (angular velocity sensor) for measuring the inclination of the airframe, a wind sensor for measuring wind power, and the like may be added. Further, it is desirable that these sensors are duplicated or multiplexed. When there are a plurality of sensors for the same purpose, the flight controller 501 may use only one of them, and may switch to an alternative sensor when it fails. Alternatively, a plurality of sensors may be used at the same time, and if the respective measurement results do not match, it may be determined that a failure has occurred.
  • a sensor may be provided at the external base station 404, the pilot 401, or another place, and the read information may be transmitted to the drone.
  • a wind sensor may be provided in the base station 404 to transmit information about the wind and wind direction to the drone 100 via Wi-Fi communication.
  • the flight controller 501 transmits a control signal to the pump 106 to adjust the amount of medicine to be ejected and stop the ejection of medicine. It is desirable that the current state of the pump 106, for example, the number of revolutions, be fed back to the flight controller 501.
  • the LED 107 is a display unit for notifying the drone operator of the status of the drone.
  • a display means such as a liquid crystal display may be used instead of or in addition to the LED.
  • the buzzer 518 is an output unit for notifying a drone state, particularly an error state, by an audio signal.
  • the Wi-Fi child device function 519 is an optional component for communicating with an external computer or the like for transferring software, for example, separately from the controller 401.
  • the speaker 520 is an output unit that notifies a drone state, particularly an error state, by using a recorded human voice or synthesized voice. Depending on the weather conditions, the visual display of the drone 100 in flight may be difficult to see, and in such a case, voice-based status transmission is effective.
  • the warning light 521 is a display means such as a strobe light for notifying a drone state, particularly an error state.
  • the rotation center P of the airframe during the attitude control shown in FIGS. 2 and 3 is the intersection of the diagonal lines of the rectangles connecting the rotation centers of the four propellers in plan view, and the center of the upper and lower propeller intervals. It is located in. Therefore, the rotation center P of the body at the time of attitude control is located farthest from the drive motors of the propellers, and is located at a position that is least susceptible to vibrations caused by the rotations of the drive motors and the propellers.
  • a sensor for controlling the flight of the flying object is arranged near the rotation center P. More specifically, a six-axis gyro sensor 505 is arranged near the rotation center P as a sensor for controlling the flight of the flying object.
  • the six-axis gyro sensor 505 is an indispensable sensor for flight control for detecting the attitude, flight speed, flight direction, and the like of the flying object.
  • the six-axis gyro sensor 505 is in the vicinity of the rotation center P, which is the farthest position from each propeller drive motor, and can output a detection signal with high accuracy, and improves the accuracy of flight control based on this detection signal. be able to.
  • the positional relationship of the battery 55 and the like in the fuselage 50 is determined so that the center of gravity of the flying object is located below the rotation center P or at the same height as the rotation center P.
  • the center of gravity By positioning the center of gravity below the rotation center P or at the same height as the rotation center P, the attitude of the flying object during flight is stabilized. Further, at the time of attitude control of the flying object, since the rotation center P is above the center of gravity or at the same height as the position of the center of gravity, the attitude of the flying body changes with a small amount of attitude control energy, and the energy required for attitude control is reduced. There is also an advantage that labor can be saved.
  • the sensor arranged near the rotation center P of the aircraft during the attitude control is a 6-axis gyro sensor 505, and if it is a sensor for controlling the flight of the flying body, it should be arranged near the rotation center P.
  • the desired effect can be obtained.
  • it may be a GPS sensor that detects the position of the body, or a high-precision position detector that detects the position of the body with high accuracy.
  • sensors for controlling the flight of the flying object include a magnetic sensor 506, a pressure sensor 507, a laser sensor 508, an obstacle contact sensor 515, a relaxation sensor 530, and the like. It may be arranged.
  • the sensor arranged near the rotation center P of the body during the attitude control may be only one of the various sensors described above, or may be a plurality of sensors.
  • a sensor for controlling the flight of the flying object is arranged at a position farthest from each propeller drive motor, that is, a position where vibration caused by rotation of the propeller is minimum. Since the sensor is less susceptible to vibration due to the rotation of the propeller, the accuracy of the detection signal of the sensor is increased, and the accuracy of flight control based on the detection signal of the sensor can be increased.
  • the positioning relationship of the mounted components is determined such that the position of the center of gravity of the flying object is located below or at the same height as the rotation center P of the aircraft at the time of attitude control. Posture becomes stable. Further, at the time of attitude control of the flying object, since the rotation center P is above the center of gravity or at the same height as the position of the center of gravity, the attitude of the flying body changes with a small amount of attitude control energy, and the energy required for attitude control is reduced. There is also an advantage that labor can be saved.
  • vibration of the body including the body and the frame can be suppressed.
  • a sensor for controlling the flight of the flying object By mounting a sensor for controlling the flight of the flying object on the fuselage, the vibration of the sensor can be further reduced, and the detection accuracy of the sensor can be further increased.
  • the agricultural chemical spraying drone has been described as an example of the present description, but the technical idea of the present invention is not limited to this, and is applicable to general drones.

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Abstract

【課題】構成部品のレイアウトを工夫して飛行姿勢の安定性を高めた飛行体を得る。 【解決手段】複数のプロペラ１０１－１ａ～１０１－４ｂと、複数のプロペラを個別に回転駆動する複数のプロペラ駆動モーター１０２－１ａ～１０２－４ｂと、複数のプロペラ駆動モーターを支持する複数の支持アーム１０，１１，１２，２０．２１，２２が結合されてなるフレームと、を有する。飛行体の飛行を制御するためのセンサーを有し、複数のプロペラで囲まれたエリア内において前記各プロペラ駆動モーターから最も遠い位置に姿勢制御時の機体の回転中心Ｐがあり、前記センサーが、前記回転中心Ｐの近傍に配置されている。

Description

飛行体
　本発明は、一般にドローンと称されているものに代表される飛行体に関する。
　ドローンと呼ばれる複数のプロペラを有する飛行体、特に無人の飛行体の産業分野での応用が進んでいる。圃場への農薬や液肥などの薬剤散布などを行う農業用ドローンは応用分野の一つである。以下の説明において、「ドローン」とは飛行体のことである。
　産業用ドローン、例えば農業用ドローンなどの機体には、定められたルートに従って飛行させるための自動運転制御、姿勢制御、速度制御、飛行高さ制御など様々な制御を行うために、様々なセンサーが搭載されている。産業用ドローンは、例えば農業用ドローンに見られるように、薬剤などの荷物を積載するため、荷物の荷重に耐えうる推力を発生することができるように比較的大径のプロペラを有する大型のドローンが用いられる。大径のプロペラを有するドローンは、プロペラの回転によって生じる機体の振動が大きい。
　プロペラの回転によってドローンの機体が振動すると、前記センサーも機体とともに振動し、各センサーによるそれぞれの検出データの精度が低下して、前記様々な制御の精度が低下する。
　センサーの一つとして、ドローン自身が自己の位置を検出するためのＧＰＳセンサーがある。産業用ドローンでは、より高精度に位置を検出するために、例えばＲＴＫアンテナおよびＲＴＫ－ＧＰＳ（Real Time Kinematic - Global Positioning System）モジュールによるＧＰＳセンサーが構成されることが多い。ＲＴＫ－ＧＰＳは、分解能を高めるために波長の短い帯域の電波が用いられるため、機体とともにＲＴＫアンテナが振動すると、位置検出精度の低下が著しい。ＲＴＫ－ＧＰＳは高精度位置検知機の一つである。本明細書では、高精度位置検知機の例としてＲＴＫ－ＧＰＳを使用しているものとして説明している。
　ドローンの姿勢制御や飛行方向制御のために６軸ジャイロセンサーが用いられる。６軸ジャイロセンサーは、ドローンの加速度を互いに直交する３軸方向において測定し、さらに、加速度を積分することによって速度を計算するために用いられる。また、６軸ジャイロセンサーは、上記３軸を中心とした角速度の測定にも用いられる。機体とともに６軸ジャイロセンサーが振動すると、加速度および角速度の測定精度が低下し、姿勢制御や飛行方向制御の精度が低下する。
　ドローンには、機体が振動しにくいように機体構造を工夫したものがある（例えば、特許文献１参照）。また、測量などの計測装置を搭載したドローンでは、機体の振動が計測装置に影響を及ぼさないように機体構造が工夫されている（例えば、特許文献２参照）。
　特許文献１記載の発明は、ドローンを上方から覆う屋根枠、この屋根枠に連結されドローン全体を横方向から包囲する壁枠、機体の放射方向に張り出すアームの先端部と接近し壁枠の途中へ橋渡し状に連結された複数本のクロスビームを備えている。これらの各部材は繊維強化プラスチックの管材からなっていて、軽量で強度の高いドローン用飛行安全フレームを得ることができる、とされている。
　特許文献２記載の発明は、計測装置としての測量ユニットのレーザースキャナを支持する一対の支持フレームと、この一対の支持フレーム同士を連結するとともに機体に着脱可能に取り付けられる一対の連結フレームとを有する。レーザースキャナと支持フレームとの間には繊維強化樹脂製の第１プレートを介在させ、支持フレームと連結フレームとの間には、第１プレートとは剛性の異なる繊維強化樹脂製の第２プレートを介在させている。かかる構成によって、飛行中の機体から計測装置に向かう振動を低減させることができる、とされている。
特許第６２４５５６６号公報 特開２０１７－１９３２５１号公報
　特許文献１には、ドローンのフレーム構造を工夫することにより高強度のフレームを得ることができる旨の記載がある。しかし、特許文献１に記載されているフレーム構造は複雑であり、農業用ドローンのような産業用途において、荷物搭載のしやすさなど、使い勝手の良さについては考慮されていない。
　ドローンは、プロペラ、プロペラを回転駆動するモーター、位置や飛行姿勢などを検出する各種センサー、駆動電源であるバッテリー、制御部などからなる一つのシステムと捉えることができる。しかし、特許文献１記載の発明は、ドローンを構成する各部品のレイアウトを工夫することによって飛行姿勢の安定性を高めるという着想はない。
　特許文献２には、ドローンに搭載した計測装置に及ぼす飛行中の機体の振動を低減することができる旨の記載がある。しかし、特許文献２記載の発明も、ドローンを構成する各部品のレイアウトを工夫することによって飛行姿勢の安定性を高めるという着想はない。
　本発明は、ドローンに代表される飛行体を構成する各部品のレイアウトを工夫することによって飛行姿勢の安定性を高めることを目的とする。
　本発明は、
　複数のプロペラと、前記複数のプロペラを個別に回転駆動する複数のプロペラ駆動モーターと、前記複数のプロペラ駆動モーターを支持する複数の支持アームが結合されてなるフレームと、を有する飛行体であって、
　前記飛行体の飛行を制御するためのセンサーを有し、
　前記複数のプロペラで囲まれたエリア内において前記各プロペラ駆動モーターから最も遠い位置に姿勢制御時の機体の回転中心があり、
　前記センサーが、前記回転中心近傍に配置されていることを最も主要な特徴とする。
　各プロペラ駆動モーターから最も遠い位置は、プロペラの回転によって生じる振動が最も小さい位置である。この位置にセンサーを配置すると、センサーはプロペラの回転による振動の影響を受けにくく、センサーの検出信号の精度が高まり、センサーの検出信号に基づく制御の精度を高めることができる。
本願発明に係る飛行体の実施例を示す斜視図である。 前記実施例の平面図である。 前記実施例の正面図である。 前記実施例の右側面図である。 前記実施例の底面図である。 前記実施例を、プロペラを除去した状態で示す平面図である。 前記実施例を、プロペラを除去した状態で示す正面図である。 前記実施例を、プロペラを除去した状態で示す右側面図である。 前記実施例の主要部分を拡大して示す斜視図である。 本発明に係る飛行体を農業に使用する場合の例を概略的に示す模式図である。 本発明に係る飛行体の制御系統の例を示すブロック図である。
　以下、図面を参照しながら、本発明に係る飛行体（以下「ドローン」という）の実施形態について説明する。図はすべて例示であって、本発明に係る飛行体の構成が実施例の構成に限定されるものではない。本明細書において、ドローンとは、動力方式や操縦方式を問わず、複数の回転翼または飛行手段を有する飛行体全般を指すこととする。動力方式としては、電力によるもの、内燃機関などの原動機によるものなどがある。操縦方式としては、無線または有線によるもの、および、自律飛行型あるいは手動操縦型などがある。
　［ドローン全体の構成］
　図１乃至図５において、ドローンは、４か所の上下にローターとも呼ばれるプロペラ１０１－１ａ、１０１－１ｂ、１０１－２ａ、１０１－２ｂ、１０１－３ａ、１０１－３ｂ、１０１－４ａ、１０１－４ｂを有する。これらのプロペラは、ドローンを飛行させるための部品であり、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、２段構成のプロペラが４組、合計８機備えられている。４組のプロペラの回転中心は平面視において長方形の角に位置している。プロペラ１０１－２ａ、１０１－２ｂ、１０１－４ａ、１０１－４ｂ側がドローンの進行方向前側になっている。
　上記各プロペラは、プロペラ駆動モーター（以下単に「モーター」という場合もある）１０２－１ａ、１０２－１ｂ、１０２－２ａ、１０２－２ｂ、１０２－３ａ、１０２－３ｂ、１０２－４ａ、１０２－４ｂによって個別に回転駆動される。１組の上下のプロペラ、例えば１０１－１ａと１０１－１ｂは、ドローンの飛行の安定性等のために軸が同一直線上にあり、かつ、モーター１０２－１ａと１０２－１ｂにより、互いに反対方向に回転駆動される。各組の上下のプロペラは互いに反対方向に回転駆動されて、上下のプロペラがともに下降流を発生させ、ドローンを上昇させる向きの推力を発生させる。他の組の上下のプロペラも同様に構成され、同様に推力を発生させる。
　図示の実施形態は農業用のドローンであり、薬剤を下方に向けて散布するための４つの薬剤ノズル１０３－１、１０３－２、１０３－３、１０３－４が備えられている。本明細書において、薬剤とは、農薬、除草剤、液肥、殺虫剤、種および水など、圃場に散布される液体または粉体を一般的に指す。
　ドローンは、散布する薬剤を収容するための薬剤タンク１０４を有している。薬剤タンク１０４は、重量バランスの観点からドローンの重心に近い位置でかつ重心より低い位置に設けられている。薬剤タンク１０４の下側にはポンプ１０６が取り付けられ、ポンプ１０６は薬剤ホース１０５につながっている。薬剤ホース１０５は、ドローンの進行方向前側下部に、ドローンのほぼ幅方向全体にまたがって直線状に伸びている。薬剤ホース１０５にはその長さ方向に一定間隔で４個の薬剤ノズル１０３－１、１０３－２、１０３－３、１０３－４が配置されている。ポンプ１０６が作動することにより、薬剤タンク１０４内の薬剤が各薬剤ノズルから吐出され、圃場に散布される。
　［フレームの構成］
　次に、図６乃至図９も併せて参照しながら、本実施形態に係るドローンのフレーム構成および胴体５０の構成を詳細に説明する。本明細書において、「胴体」とは、ドローンの動作を制御する制御部品や駆動電源となるバッテリーやセンサー類などを搭載する部分で、ヘリコプターや飛行機の胴体に相当する。胴体やフレーム、プロペラ、プロペラ駆動モーターを含むドローン全体を本明細書では「機体」という。ドローンは、その骨格となるフレームを有し、フレームは、互いに一体に結合され、かつ、前記複数のプロペラ駆動モーターを支持する複数の支持アームで構成されている。複数の支持アームで構成されるフレームは、上下に対をなしていて、上下のフレームが所定の間隔をおいて一体に結合されている。
　上側のフレームを構成する前記複数の支持アームは、両端部においてそれぞれプロペラ駆動モーターを支持する一つの第１支持アーム１０と、第１支持アーム１０から延びた二つの第２支持アーム１１，１２とを有してなる。第２支持アーム１１，１２は、第１支持アーム１０の長さ方向の途中から斜めに対称形に、かつ、先端部すなわちドローンの後ろ側に位置する端部が互いに広がる方向に伸びている。
　第２支持アーム１１，１２は、長さ方向の途中において補強梁１３によって結合されている。補強梁１３は第１支持アーム１０と平行になっていて、第１支持アーム１０と第２支持アーム１１，１２と補強梁１３とで、平面視で台形状に形成され、いわゆるトラス構造に近い構造になっている。フレームがトラス構造に近い構造になっていることにより、比較的簡単な構成でありながら、フレームの機械的強度を高めることができる。第１支持アーム１０、第２支持アーム１１，１２および補強梁１３は、同一平面内に位置するように、適宜の結合部材を介して結合されている。
　第１支持アーム１０の両端部においてそれぞれモーター１０２－２ａ、１０２－４ａが支持されている。モーター１０２－２ａ、１０２－４ａの回転出力軸にはそれぞれプロペラ１０１－２ａ、１０１－４ａが取り付けられていて、各プロペラが上記各モーターによって個別に回転駆動される。第２支持アーム１１，１２の各先端部で上記モーターとは別のモーター１０２－１ａ、１０２－３ａが支持されている。モーター１０２－１ａ、１０３－３ａの回転出力軸にはそれぞれプロペラ１０１－１ａ、１０１－３ａが取り付けられていて、各プロペラが上記各モーターによって個別に回転駆動される。
　下側のフレームも上側のフレームとほぼ同様の構造になっている。下側のフレームは、両端部においてそれぞれプロペラ駆動モーターモーター１０２－２ｂ、１０２－４ｂを支持する一つの第１支持アーム２０と、第１支持アーム２０から延びた二つの第２支持アーム２１，２２とを有してなる。第２支持アーム２１，２２は、第１支持アーム２０の長さ方向の途中から斜めに対称形に、かつ、先端部すなわちドローンの後ろ側に位置する端部が互いに広がる方向に伸びている。第１支持アーム２０および第２支持アーム２１，２２は同一平面内に位置するように、適宜の結合部材を介して結合されている。第２支持アーム２１，２２の各先端部においてプロペラ駆動モーターモーター１０２－１ｂ、１０２－３ｂが支持されている。
　上下のフレームは、互いに平行をなすように適宜数の柱の介在の下に結合されている。上下に対をなす第２支持アーム１１，２１および別の対をなす第２支持アーム１２，２２は、長さ方向の中間部でそれぞれ柱３０，３０によって結合されている。また、上下一対の第１支持アーム１０，２０は、上側の第２支持アーム１１，２１との結合部付近と、下側の第２支持アーム１２，２２との結合部付近において、それぞれ柱３１，３１によって結合されている。上記各支持アームと各柱は、適宜の結合部材を介在させることによって結合されている。
　一対の柱３０，３０は、上下方向下寄りの位置において補強梁２３を介して結合されている。補強梁２３は、第１支持アーム２０と第２支持アーム２１，２２からなる下側のフレームの補強梁でもあり、上下のフレーム全体の補強梁としても機能する。補強梁１３は第１支持アーム１０と平行になっていて、第１支持アーム１０と第２支持アーム１１，１２と補強梁１３とで、平面視で台形状に形成され、いわゆるトラス構造に近い構造になっている。
　上下のフレームを構成する前記第１支持アーム１０，２０、第２支持アーム１１，１２，２１，２２、補強梁１３，２３、上下のフレームを結合する柱３０，３１は、パイプ状の部材である。また、フレームを構成する上記の部材、少なくとも第１支持アーム、第２支持アームおよび補強梁の素材は、熱伝導素材、例えばアルミニウム合金または炭素繊維複合材からなる。炭素繊維複合材としては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、炭素繊維強化炭素複合材料などがある。フレームを構成する部材の素材がアルミニウム合金または炭素繊維複合材などからなり、かつ、パイプ状の部材であることによって、フレームに必要な強度を持たせながらフレームの軽量化を図ることができる。また、後で詳細に説明するように、放熱効果を高めることができる。
　［プロペラガード］
　上下一対の第２支持アーム１１，２１の先端部で支持されているプロペラ１０１－１ａ、１０１－１ｂは、プロペラガード４１によって囲まれ、プロペラガード４１内で回転する。プロペラガード４１は、上下一対の円環状の枠と、これらの枠を一定の間隔をおいて平行に結合する柱状の介在部材と、上下の枠の中心位置にあるハブと、上下それぞれの枠とハブとを結合する複数のスポークと、を有してなる。上下のハブは、その中心をプロペラ１０１－１ａ、１０１－１ｂの回転中心に一致させて第２支持アーム１１，２１の先端部に結合されている。
　上下一対の第１支持アーム１０，２０の正面から見て右側の端部で支持されているプロペラ１０１－２ａ、１０１－２ｂは、プロペラガード４２によって囲まれ、プロペラガード４２内で回転する。
　上下一対の第２支持アーム１２，２２の先端部で支持されているプロペラ１０１－３ａ、１０１－３ｂは、プロペラガード４３によって囲まれ、プロペラガード４３内で回転する。
　上下一対の第１支持アーム１０，２０の正面から見て左側の端部で支持されているプロペラ１０１－４ａ、１０１－４ｂは、プロペラガード４４によって囲まれ、プロペラガード４４内で回転する。
　各プロペラガード４２，４３，４４は、プロペラガード４１と同様に構成されている。すなわち、各プロペラガード４２，４３，４４は、上下一対の円環状の枠と、これらの枠を平行に結合する複数の柱状の介在部材と、上下の枠の中心位置にあるハブと、上下それぞれの枠とハブとを結合する複数のスポークと、を有してなる。プロペラガード４２は、その上下のハブが第１支持アーム１０，２０の正面から見て右側の端部に結合されている。プロペラガード４３は、その上下のハブが第２支持アーム１２，２２の先端部に結合されている。プロペラガード４４は、その上下のハブが第１支持アーム１０，２０の正面から見て左側の端部に結合されている。
　ドローンの右後ろに位置するプロペラ１０１－１ａ、１０１－１ｂと、右前に位置するプロペラ１０１－２ａ、１０１－２ｂとの間隔は狭く、これらのプロペラガード４１，４２を構成する円環状の枠が接触している。ドローンの左後ろに位置するプロペラ１０１－３ａ、１０１－３ｂと、左前に位置するプロペラ１０１－４ａ、１０１－４ｂとの間隔も狭く、これらのプロペラガード４３，４４を構成する円環状の枠が接触している。
　各プロペラガード４１，４２，４３，４４を構成する前記枠、ハブおよびスポークの素材は熱伝導素材であることが望ましい。少なくともプロペラガード４１，４２，４３，４４の上下の面に格子状に配置されているスポークは熱伝導素材からなっていることが望ましい。
　ドローンの前後に位置するプロペラ相互の間隔に対して左右に位置するプロペラ相互の間隔は広くなっている。すなわち、ドローンの左右に位置するプロペラ１０１－４ａ、１０１－４ｂとプロペラ１０１－２ａ、１０１－２ｂとの間隔およびプロペラ１０１－３ａ、１０１－３ｂとプロペラ１０１－１ａ、１０１－１ｂとの間隔は広くなっている。これらのプロペラガード４４と４２および４３，４１は互いに離間している。
　［胴体］
　平面視において、４組の各プロペラ１０１－１ａ、１０１－１ｂと、１０１－２ａ、１０１－２ｂと、１０１－３ａ、１０１－３ｂおよび１０１－４ａ、１０１－４ｂの回転中心を結ぶ線は横長の長方形になっている。前後に並ぶ左側のプロペラガード４３，４４と、前後に並ぶ右側のプロペラガード４１，４２との間には空間がある。すなわち上記空間は複数の上記プロペラ１０１－１ａ～１０１－４ｂで囲まれる空間である。上記空間の内側に、上側の支持アーム１０，１１，１２および下側の支持アーム２０，２１，２２とで立体空間が画されている。
　上側の支持アーム１０，１１，１２を有してなる上側のフレームおよび下側の支持アーム２０，２１，２２を有してなる下側のフレームは前述の通り平面視で台形状に形成されている。したがって、前記立体空間は、所定の間隔をおいて一体に結合された上下一対のフレームによって台形状の立体空間になっている。この立体空間は前記各プロペラの回転領域から離れていて各プロペラの回転による振動が伝わりにくい制振エリアである。制振アリアである上記台形状の立体空間に、電源バッテリー、制御部、モーター駆動回路、飛行制御用センサーなどを搭載した胴体５０が配置されている。
　胴体５０は、扁平な皿状の底板５１と、底板５１の上に被せられたカバー５２を有してなる。底板５１およびカバー５２は、アルミニウム合金または炭素繊維複合材などの熱伝導体からなる。底板５１とカバー５２で囲まれた内部空間が、電源バッテリー、モーター駆動回路、制御回路、飛行制御用センサーなどの内蔵部品を組み込む部品搭載部になっている。胴体５０は、前後方向に長く、進行方向前端の平面形状は半円形である。
　胴体５０は、左右の前記プロペラおよび左右のプロペラガード４１，４２と４３，４４との間に生じている空間に、かつ、上下の補強梁１３，２３の間に配置されている。胴体５０を構成する底板５１は、その底面が、下側の補強梁２３に結合部材を介して結合されている。上記結合部材は熱伝導性の良好な素材からなる板状の部材で、補強梁２３をほぼ半周にわたって抱え込むとともに、両側縁部が底板５１の底面に面接触した状態で締結されている。
　胴体５０を構成するカバー５２は上側の補強梁１３に結合部材５９を介して結合されている。結合部材５９も熱伝導性の良好な素材からなる板状の部材で、補強梁１３をほぼ半周にわたって巻き込むとともに、両側縁部がカバー５２の上面に面接触した状態で締結されている。
　図９は、胴体５０内の部品搭載部における部品配置の概要を示す。胴体５０内の後ろ側（図９において斜め右下側）の約半分の空間５６は、上下の補強梁１３，２３に近く、冷却効果の高い空間になっている。この空間５６は上下に層状に区分されていて、上層部分にはバッテリー装着空間１５３が設けられている。バッテリー装着空間１５３には、二次バッテリーすなわち充電可能なバッテリー５５を２個平行に並べて配置できるように、バッテリー受け部材１５２と、２個のバッテリー締め具１５４を備えている。
　飛行体の運用時は、バッテリー装着空間１５３に２個のバッテリー５５が装填される。一方のバッテリーがメインのバッテリーであって通常の稼働時に使用され、他方のバッテリーは予備のバッテリーである。メインのバッテリーの使用中に、メインのバッテリーの蓄電容量が少なくなった場合、あるいはメインのバッテリーに不具合が生じた場合は、予備のバッテリーに切り替えて飛行を継続させるとともに、後で説明する退避行動をとらせる。このように、２個のバッテリー５５を装着することにより、電源系統にいわゆる冗長性を持たせ、電源のトラブルが発生した場合に適切な処理を行って、致命的なトラブルに発展することを回避する。
　図９は１個のバッテリー５５のみが装填されている状態を示す。バッテリー５５も発熱部品の一つであり、冷却効果の高い上記空間５６にバッテリー５５を装填して、バッテリー５５の温度上昇を抑制するように工夫されている。
　バッテリー５５自体が機械的強度および剛性の高い部品であり、バッテリー５５をバッテリー締め具１５４によって強固に締め付けて装着することにより、胴体５０の強度および剛性を高める補強部品として機能させている。また、バッテリー５５は、重量の重い部品であって制振性があるため、バッテリー５５を胴体５０に装着することにより、バッテリー５５を制振部品として機能させている。
　バッテリー５５を胴体５０の補強部品および制振部品として機能させるために、バッテリー受け部材１５２、バッテリー締め具１５４およびバッテリー装着空間１５３を構成する部品の機械的強度および剛性も高められている。よって、バッテリー５５のみでなく、バッテリー受け部材１５２、バッテリー締め具１５４およびバッテリー装着空間１５３の構成部品も、胴体５０の補強部品および制振部品として機能している。
　胴体５０は、前述の制振エリアに取り付けられていて、もともと各プロペラの回転による振動の影響を受けにくい位置に配置されている。これに加えて、バッテリー受け部材１５２、バッテリー締め具１５４およびバッテリー装着空間１５３の構成部品を、胴体５０の制振部品として機能させることにより、胴体５０の制振効果をさらに高めている。
　前記カバー５２の後ろ側の約半分は、バッテリー装着空間１５３にバッテリー５５を着脱することができるように、開閉可能な蓋になっている。上側のフレームの補強梁１３は、上記蓋の開閉を可能にするために、下側のフレームの補強梁２３よりも前側に位置をずらして設けられている。
　前記空間５６には、バッテリー装着空間１５３の下側の層に、発熱部品の実装基板が前記底板５１に面接触させて配置されている。前記実装基板には、前記モーターの回転速度制御部品（ＥＳＣ：Electronic Speed Control）や、降圧分電機が実装される。降圧分電機は、バッテリー５５から供給される直流電源を、前記モーターの駆動電圧や制御回路の駆動電圧に適した電圧に降圧して分配する。上記ＥＳＣや降圧分電機は高熱を発する。
　胴体５０の底板５１には、前記空間５６よりも前側において適宜数の回路基板５８が配置されている。これらの回路基板５８には、フライトコントローラーなどの制御回路、各種センサー類からの信号の処理回路、通信回路などからなるドローンの制御部が実装されている。
　バッテリー装着空間１５３を構成する前記バッテリー受け部材１５２の裏面すなわち下面側には、ドローンの加速度を測定し、さらに、加速度の積分により速度を計算する手段である６軸ジャイロセンサーが配置されている。６軸ジャイロセンサーは、互いに直交する３つの軸方向における加速度をそれぞれ検出する加速度センサーと、上記３つの軸を中心とする回転、例えばピッチング、ローリングおよびヨーイングの角速度をそれぞれ検出する角速度センサーを有している。
　６軸ジャイロセンサーは、ドローンの機体の姿勢を検出し、この検出信号によってドローンの機体の姿勢を制御するもので、飛行制御用センサーの一つである。６軸ジャイロセンサーは、加速度センサーの検出出力を積分することにより移動距離を検出することができる。したがって、６軸ジャイロセンサーは、これを機体の位置を検出するセンサーとして活用することもできる。
　胴体５０は前述のように制振エリアに配置されるとともに、バッテリー受け部材１５２、バッテリー締め具１５４などを制振部品として機能させることにより、胴体５０がプロペラの回転による振動の影響を受けにくい構造になっている。したがって、胴体５０に配置した６軸ジャイロセンサーなどの飛行制御用センサーはプロペラの回転による振動の影響を受けにくく、上記センサーの検出精度を高く維持することができる。上記センサーの検出精度が高いことにより飛行制御の精度を高く維持することができる。
　バッテリー装着空間１５３に２個のバッテリー５５を装填した状態でのドローンの重心位置は、平面方向から見てすなわちドローンを上方から見て２個のバッテリー５５の間にある。また、ドローンの上下方向における重心位置は、重量の重いバッテリー５５を装着することによって、比較的下の位置にある。一方、４組のモーターの回転制御によるドローンの姿勢制御時の機体の回転中心Ｐは、平面方向から見て、図２に示すように対角位置にあるモーターの中心を結ぶ線の交差位置、上下方向では、図３に示すように上下のモーターの離間距離の中央位置にある。
　４組のモーターの回転により生じる揚力の水平線すなわち姿勢制御の回転中心Ｐを含む水平線は、ドローンの重心位置よりも上側または重心位置と同じ高さ位置にある。換言すれば、固定重量物であるバッテリー５５を配置することによって、ドローンの重心が上記回転中心Ｐよりも下または回転中心Ｐと同じ高さに位置する構成になっている。
　ドローンの重心位置と揚力発生の水平線の位置関係を上記のように設定することにより、ドローンの姿勢の安定性と、姿勢制御に必要なエネルギーの省力化を図ることができる。
　胴体５０の下方には、胴体５０の下面との間に空間７０をおいて薬剤タンク１０４が配置されている。薬剤タンク１０４は散布する薬剤を収容するものであり、薬剤は圃場の上を飛行しながら散布されるものであるから、薬剤タンク１０４は変動重量物である。変動重量物である薬剤タンク１０４は、ドローンの重心位置よりもさらに下方に配置されていて、重量の変動がドローンの姿勢制御に与える影響を少なくするように考慮されている。
　［ＧＰＳセンサー］
　前記上側のフレームを構成する二つの第２支持アーム１１，１２には、ＧＰＳセンサー６０，６０が上向きに取り付けられている。ＧＰＳセンサー６０，６０は、例えば高精度位置検出機アンテナおよび高精度位置検出機モジュールにより構成されている。ＧＰＳセンサー６０，６０は、ドローンの絶対位置を計測し、計測した位置が例えばプログラム通りの位置であるかどうかを判定し、位置がずれていれば正しい位置になるように前記各駆動モーターの回転を制御する。
　機体の位置を高精度で検出する高精度位置検出機モジュールなどを含むＧＰＳセンサー６０，６０は、前記姿勢制御のための６軸ジャイロセンサーと並ぶ、飛行制御用センサーの一つである。
　ＧＰＳセンサー６０，６０が振動すると、ドローンの絶対位置計測精度が低下し、位置制御の制度も低下する。そこで図示の実施例では、ＧＰＳセンサー６０，６０が、振動源である前記各駆動モーターの振動の影響を受けないように、前記各駆動モーターから離れた位置である前記第２支持アーム１１，１２の長さ方向のほぼ中央部に設置されている。
　上記ＧＰＳセンサー６０，６０の設置位置は、平面方向から見てそれぞれ前後のプロペラガード４１，４２の間と、プロペラガード４３，４４の間にある。また、ＧＰＳセンサー６０，６０は上下のフレームを結合する柱３０，３０の近傍にあって、第２支持アーム１１，１２が振動しにくい位置にある。よって、ＧＰＳセンサー６０，６０は前記各駆動モーターの振動の影響を受けにくく、ドローンの位置を高い精度で計測することができる。
　［フレームの冷却効果］
　以上説明した飛行体およびそのフレームの構成によれば、以下のような冷却効果を得ることができる。
　胴体５０には、モーターの回転制御部品や分電機といった発熱部品を含む部品が搭載されている。胴体５０を構成する底板５１、カバー５２は熱伝導素材からなり、前記発熱部品から発せられる熱は胴体５０に伝達されて放散される。したがって、胴体５０は、発熱部品で生じた熱を放散する主要な部分になっている。
　さらに、胴体５０の底板５１は熱伝導素材からなる下側のフレームの補強梁２３に結合され、補強梁２３はさらに第２支持アーム２１，２２に結合されている。胴体５０のカバー５２も、熱伝導素材からなる上側のフレームの補強梁１３に結合され、補強梁１３は第２支持アーム１１，１２に結合されている。このように、内蔵部品で生じる熱が、胴体５０からフレームに伝達されやすい構造になっていて、胴体５０による熱放散が不足しているとしても、フレームが熱放散を補う構造になっている。
　胴体５０は、その左右に位置している前後一対のプロペラによって囲まれている。各プロペラが回転駆動されると、胴体５０の左右両側面に沿って空気の下降流が生じる。空気の下降流は、胴体５０の左右両側面と前後のプロペラガードで画される平面方向から見たほぼ三角形状の空間を比較的高速で流れる。本実施例は、４か所のプロペラがそれぞれ上下２段構成になっており、一段構成のプロペラよりも、下降流が集中的にかつ強い下降流が生じることがわかっている。
　以上説明したように、本実施例において二段構成のプロペラによって集中的に、かつ、高速度で生じる下降流の流路に、胴体５０の両側面およびフレームの一部が位置している。より具体的には、胴体５０の両側面に沿って下降流が流れ、第１支持アーム１０，２０の両端部、第２支持アーム１１，１２，２１，２２のほぼ全体、補強梁１３，２３の両端部が下降流の流路を横切っている。そのため、胴体５０自体および胴体５０からフレームに伝達される熱が効果的に放散され、搭載部品の温度上昇が抑制される。
　［ドローンの使用例］
　図１０に、本願発明に係るドローン１００を農業用ドローンとして薬剤散布に使用する場合のシステム全体の例を模式的に示す。操縦器４０１は、使用者４０２の操作によりドローン１００に指令を送信し、また、ドローン１００から受信した情報、例えば、位置、薬剤量、バッテリー残量、カメラ映像等の情報を表示することができる。操縦器４０１は、コンピューター・プログラムを稼働する一般的なタブレット端末等の携帯情報機器によって実現されてよい。
　本実施例に係るドローン１００は、自律飛行を行なうように制御されるものであるが、離陸や帰還などの基本操作時、および、緊急時にはマニュアル操作が行なえるようになっていることが望ましい。携帯情報機器に加えて、緊急停止専用の機能を有する非常用操作機を使用してもよい。非常用操作機は緊急時に迅速に対応が取れるように、大型の緊急停止ボタン等を備えた専用機器であることが望ましい。操縦器４０１とドローン１００はＷｉ－Ｆｉ等による無線通信を行なうことが望ましい。
　圃場４０３は、ドローン１００による薬剤散布の対象となる田圃や畑等である。実際には、圃場４０３の地形は複雑であり、事前に地形図が入手できない場合、あるいは、地形図と現場の状況が食い違っている場合がある。通常、圃場４０３は家屋、病院、学校、他作物圃場、道路、鉄道等と隣接している。また、圃場４０３内に、建築物や電線等の障害物が存在する場合もある。
　基地局４０４は、Ｗｉ－Ｆｉ通信の親機機能等を提供する装置であり、ＲＴＫ－ＧＰＳ基地局としても機能し、ドローン１００の正確な位置を提供できるようにすることが望ましい。Ｗｉ－Ｆｉ通信の親機機能と高精度位置検出機基地局が独立した装置であってもよい。営農クラウド４０５は、典型的にはクラウドサービス上で運営されているコンピューター群と関連ソフトウェアであり、操縦器４０１と携帯電話回線等で無線接続されていることが望ましい。
　営農クラウド４０５は、ドローン１００が撮影した圃場４０３の画像を分析し、作物の生育状況を把握して、飛行ルートを決定するための処理を行なってよい。営農クラウド４０５は、保存していた圃場４０３の地形情報等をドローン１００に提供することができ、加えて、ドローン１００の飛行および撮影映像の履歴を蓄積し、様々な分析処理を行なってもよい。
　通常、ドローン１００は圃場４０３の外部にある発着地点４０６から離陸し、圃場４０３に薬剤を散布した後に、あるいは、薬剤補充や充電等が必要になった時に発着地点４０６に帰還する。発着地点４０６から目的の圃場４０３に至るまでの飛行経路（侵入経路ともいえる）は、営農クラウド４０５等で事前に保存されていてもよいし、使用者４０２が離陸開始前に入力してもよい。
　［ドローンの制御系統］
　図１１は、本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の制御機能を表したブロック図である。フライトコントローラー５０１は、ドローン全体の制御を司る構成要素であり、具体的にはＣＰＵ、メモリー、関連ソフトウェア等を含む組み込み型コンピューターであってよい。フライトコントローラー５０１は、操縦器４０１から受信した入力情報、および、後述の各種センサーから得た入力情報に基づき、ＥＳＣ（Electronic Speed Control）等の制御手段を介して、モーター１０２－１ａ、１０２－１ｂ、１０２－２ａ、１０２－２ｂ、１０２－３ａ、１０２－３ｂ、１０２－４ａ、１０２―４ｂの回転数を制御して、ドローン１００の飛行を制御する。
　上記各モーターの実際の回転数はフライトコントローラー５０１にフィードバックされ、正常な回転が行なわれているかを監視できる構成になっている。プロペラに光学センサー等を設けてプロペラの回転数がフライトコントローラー５０１にフィードバックされる構成でもよい。
　フライトコントローラー５０１が使用するソフトウェアは、機能拡張・変更、問題修正等のために記憶媒体等を通じて、または、Ｗｉ－Ｆｉ通信やＵＳＢ等の通信手段を通じて書き換え可能になっていることが望ましい。不正なソフトウェアによる書き換えが行なわれないように、暗号化、チェックサム、電子署名、ウィルスチェックソフト等による保護を行なうことが望ましい。
　また、フライトコントローラー５０１が制御に使用する計算処理の一部が、操縦器４０１上、または、営農クラウド４０５上や他の場所に存在する別のコンピューターによって実行されてもよい。フライトコントローラー５０１はドローンの中核をなす重要度の高い部分であり、その構成要素の一部または全部が二重化されていることが望ましい。
　バッテリー５５は、フライトコントローラー５０１およびドローンのその他の構成要素への電力供給源であり、充電式であることが望ましい。バッテリー５５はヒューズ、または、サーキットブレーカー等を含む電源ユニットを介してフライトコントローラー５０１に接続されている。バッテリー５５は電力供給機能に加えて、その内部状態すなわち蓄電量、積算使用時間等をフライトコントローラー５０１に伝達する機能を有するスマートバッテリーであることが望ましい。
　フライトコントローラー５０１は、Ｗｉ－Ｆｉ子機機能５０３を介して、さらに、基地局４０４を介して操縦器４０１とやり取りを行ない、必要な指令を操縦器４０１から受信し、必要な情報を操縦器４０１に送信することができる。通信には暗号化を施し、傍受、成り済まし、機器の乗っ取り等の不正行為を防止できるようにしておくとよい。
　基地局４０４は、Ｗｉ－Ｆｉによる通信機能に加えて、ＲＴＫ－ＧＰＳすなわち高精度位置検出機基地局の機能も備えていることが望ましい。高精度位置検出機基地局の信号とＧＰＳ測位衛星からの信号を組み合わせることで、ＧＰＳモジュール５０４により、ドローン１００の絶対位置を数センチメートル程度の精度で測定可能となる。ＧＰＳモジュール５０４は重要性が高いため、二重化・多重化しておくことが望ましい。また、特定のＧＰＳ衛星の障害に対応するため、冗長化されたそれぞれのＧＰＳモジュール５０４は別の衛星を使用するよう制御することが望ましい。
　６軸ジャイロセンサー５０５は、ドローン機体の互いに直交する３軸方向における加速度を測定する手段、加速度の積分により速度を計算する手段、さらに、上記３軸を中心として回転の角速度を検出する手段である。地磁気センサー５０６は、地磁気の測定によりドローン機体の方向を測定する手段である。気圧センサー５０７は、気圧を測定する手段であり、間接的にドローンの高度も測定することもできる。レーザーセンサー５０８は、レーザー光の反射を利用してドローン機体と地表との距離を測定する手段であり、赤外線（ＩＲ）レーザーを使用することが望ましい。ソナー５０９は、超音波等の音波の反射を利用してドローン機体と地表との距離を測定する手段である。
　流量センサー５１０は薬剤の流量を測定するための手段であり、薬剤タンク１０４から薬剤ノズル１０３に至る経路の複数の場所に設けられていることが望ましい。液切れセンサー５１１は薬剤の量が所定の量以下になったことを検知するセンサーである。マルチスペクトルカメラ５１２は圃場４０３を撮影し、画像分析のためのデータを取得する手段である。障害物検知カメラ５１３はドローン障害物を検知するためのカメラであり、画像特性とレンズの向きがマルチスペクトルカメラ５１２とは異なるため、マルチスペクトルカメラ５１２とは別に装着されている。
　スイッチ５１４はドローン１００の使用者４０２が様々な設定を行なうための手段である。障害物接触センサー５１５はドローン１００、特に、そのローターやプロペラガード部分が電線、建築物、人体、立木、鳥、または他のドローン等の障害物に接触したことを検知するためのセンサーである。カバーセンサー５１６は、ドローン１００の操作パネルや内部保守用のカバーが開放状態であることを検知するセンサーである。薬剤注入口センサー５１７は薬剤タンク１０４の注入口が開放状態であることを検知するセンサーである。
　弛緩センサー５３０は、前記第１支持アーム１０，２０、第２支持アーム１１，１２，２１，２２を有してなるフレームを主体とする機体の構造部品の緩みやがたつきを検出するセンサーである。弛緩センサー５３０として、例えば、マイクロホンを利用することができる。機体の構造部品に緩みやがたつきなどが生じている場合、プロペラが回転駆動されているときに発せられる異音をマイクロホンで検出し、機体の緩みやがたつきなどが生じているものと判断する。
　ドローンの機体に弛緩がみられる場合、ドローンに装着されている加速度センサーの出力信号に異常が生じる。そこで、弛緩センサー５３０として、加速度センサーを用いてもよい。加速度センサーは、機体の弛緩検出専用のものとして装着してもよいし、前記６軸ジャイロセンサー５０５を弛緩センサー５３０として兼用させてもよい。６軸ジャイロセンサー５０５を弛緩センサー５３０として兼用させる場合、６軸ジャイロセンサー５０５の加速度センサーはもちろん、角速度センサーも弛緩センサー５３０として兼用させることができる。
　６軸ジャイロセンサー５０５が弛緩センサー５３０を兼用する場合、既に説明したように、胴体５０内に６軸ジャイロセンサー５０５が配置される。胴体５０内には、前記バッテリー５５、バッテリー受け部材１５２、バッテリー締め具１５４などの振動抑制部品を含む部品を搭載する部品搭載部が配置されている。部品搭載部は上下方向に層をなしており、前記振動抑制部品が装着されている層の下の層に前記６軸センサーが配置されている。したがって、６軸ジャイロセンサー５０５が前記弛緩センサーを兼ねている場合、この弛緩センサーは、胴体５０内に、かつ、振動抑制部品の装着部の下側に搭載されている。
　これらのセンサー類は、ドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよい。また、機体の傾きを測定するためのジャイロセンサー（角速度センサー）、風力を測定するための風力センサーなどが追加されていてもよい。また、これらのセンサー類は、二重化または多重化されていることが望ましい。同一目的の複数のセンサーが存在する場合には、フライトコントローラー５０１はそのうちの一つのみを使用し、それが障害を起こした際には、代替のセンサーに切り替えて使用するようにしてもよい。あるいは、複数のセンサーを同時に使用し、それぞれの測定結果が一致しない場合には障害が発生したと見なすようにしてもよい。
　また、外部の基地局４０４、操縦器４０１、またはその他の場所にセンサーを設けて、読み取った情報をドローンに送信してもよい。例えば、基地局４０４に風力センサーを設け、風力・風向に関する情報をＷｉ－Ｆｉ通信経由でドローン１００に送信するようにしてもよい。
　フライトコントローラー５０１はポンプ１０６に対して制御信号を送信し、薬剤吐出量の調整や薬剤吐出の停止を行なう。ポンプ１０６の現時点の状況、例えば、回転数等は、フライトコントローラー５０１にフィードバックされる構成となっていることが望ましい。
　ＬＥＤ１０７は、ドローンの操作者に対して、ドローンの状態を知らせるための表示手段である。ＬＥＤに替えて、または、それに加えて液晶ディスプレイ等の表示手段を使用してもよい。ブザー５１８は、音声信号によりドローンの状態、特にエラー状態を知らせるための出力手段である。Ｗｉ－Ｆｉ子機機能５１９は操縦器４０１とは別に、例えば、ソフトウェアの転送などのために外部のコンピューター等と通信するためのオプショナルな構成要素である。
　Ｗｉ－Ｆｉ子機機能に替えて、または、それに加えて、赤外線通信、Bluetooth（登録商標）、ZigBee（登録商標）、ＮＦＣ等の他の無線通信手段、または、ＵＳＢ接続などの有線通信手段を使用してもよい。スピーカー５２０は、録音した人声や合成音声等により、ドローンの状態、特にエラー状態を知らせる出力手段である。天候状態によっては飛行中のドローン１００の視覚的表示が見にくいことがあるため、そのような場合には音声による状況伝達が有効である。警告灯５２１はドローンの状態、特にエラー状態を知らせるストロボライト等の表示手段である。これらの入出力手段は、ドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよく、二重化・多重化してもよい。
　［姿勢制御時の機体の回転中心と飛行を制御するためのセンサーの位置］
　図２、図３に示す姿勢制御時の機体の回転中心Ｐは、既に説明したとおり、平面視において４組のプロペラの回転中心を結んだ長方形の対角線の交点であり、上下のプロペラ間隔の中心に位置している。したがって、姿勢制御時の機体の回転中心Ｐは、各プロペラの駆動モーターから最も遠い位置にあり、各駆動モーターおよび各プロペラの回転によって生じる振動の影響を最も受けにくい位置にある。
　そこで、本実施例では、上記回転中心Ｐの近傍に、飛行体の飛行を制御するためのセンサーを配置している。より具体的には、上記回転中心Ｐの近傍に、飛行体の飛行を制御するためのセンサーとして６軸ジャイロセンサー５０５を配置している。６軸ジャイロセンサー５０５は、飛行体の姿勢、飛行速度、飛行方向などを検出する飛行制御のために不可欠のセンサーである。６軸ジャイロセンサー５０５は、各プロペラ駆動モーターから最も遠い位置である上記回転中心Ｐの近傍にあって、高い精度で検出信号を出力することができ、この検出信号に基づく飛行制御の精度を高めることができる。
　飛行体の重心位置は、上記回転中心Ｐよりも下側または回転中心Ｐと同じ高さに位置するように、前記胴体５０内における前記バッテリー５５などの配置関係が定められている。重心位置が回転中心Ｐよりも下側または回転中心Ｐと同じ高さに位置することによって、飛行時の飛行体の姿勢が安定する。また、飛行体の姿勢制御時に、上記回転中心Ｐが重心位置よりも上側または重心位置と同じ高さにあることにより、僅かな姿勢制御エネルギーで飛行体の姿勢が変わり、姿勢制御に要するエネルギーを省力化できる利点もある。
　姿勢制御時の機体の回転中心Ｐの近傍に配置するセンサーは、６軸ジャイロセンサー５０５のほか、飛行体の飛行を制御するためのセンサーであれば、これを回転中心Ｐの近傍に配置することにより所期の効果を得ることができる。例えば、機体の位置を検出するＧＰＳセンサーであってもよいし、機体の位置を高精度で検出する高精度位置検出機であってもよい。
　飛行体の飛行を制御するためのセンサーは、ほかに磁気センサー５０６、気圧センサー５０７、レーザーセンサー５０８、障害物接触センサー５１５、弛緩センサー５３０などがあり、これらのセンサーを前記回転中心Ｐの近傍に配置してもよい。
　姿勢制御時の機体の回転中心Ｐの近傍に配置するセンサーは、以上説明した各種センサーのうちの一つのみであってもよいし、複数のセンサーであってもよい。
　以上説明した本発明に係る飛行体の実施例によれば、以下のような効果を得ることができる。
　各プロペラ駆動モーターから最も遠い位置、すなわちプロペラの回転によって生じる振動が最も小さい位置に飛行体の飛行を制御するためのセンサーを配置した。上記センサーはプロペラの回転による振動の影響を受けにくいため、センサーの検出信号の精度が高まり、センサーの検出信号に基づく飛行制御の精度を高めることができる。
　飛行体の重心位置が姿勢制御時の機体の回転中心Ｐよりも下側または回転中心Ｐと同じ高さに位置するように搭載部品の配置関係が定められていることによって、飛行時の飛行体の姿勢が安定する。また、飛行体の姿勢制御時に、上記回転中心Ｐが重心位置よりも上側または重心位置と同じ高さにあることにより、僅かな姿勢制御エネルギーで飛行体の姿勢が変わり、姿勢制御に要するエネルギーを省力化できる利点もある。
　重量がありかつ機械的強度の高い部品、例えばバッテリーを振動抑制部品としてフレームとに一体の胴体に装着することにより、胴体とフレームを含む機体の振動を抑制することができる。上記胴体に、飛行体の飛行を制御するためのセンサーを搭載することにより、上記センサーの振動をさらに低減し、センサーの検出精度をさらに高めることができる。
　以上、本説明の実施例として、農業用薬剤散布ドローンを例に挙げて説明したが、本発明の技術的思想はこれに限られるものではなく、ドローン全般に適用可能である。
　１０　　第１支持アーム
　１１　　第２支持アーム
　１２　　第２支持アーム
　１３　　補強梁
　２０　　第１支持アーム
　２１　　第２支持アーム
　２２　　第２支持アーム
　２３　　補強梁
　５０　　胴体
　５５　　バッテリー
　６０　　ＧＰＳセンサー
　１５２　　バッテリー受け部材
　１５３　　バッテリー装着空間
　５０５　　６軸ジャイロセンサー
　５３０　　弛緩センサー
 

Claims (14)

  1. 　複数のプロペラと、前記複数のプロペラを個別に回転駆動する複数のプロペラ駆動モーターと、前記複数のプロペラ駆動モーターを支持する複数の支持アームが結合されてなるフレームと、を有する飛行体であって、
    　前記飛行体の飛行を制御するためのセンサーを有し、
    　前記複数のプロペラで囲まれたエリア内において前記各プロペラ駆動モーターから最も遠い位置に姿勢制御時の機体の回転中心があり、
    　前記センサーが、前記回転中心近傍に配置されている飛行体。
  2. 　前記センサーは、機体の姿勢を制御するためのセンサーと機体の位置を検出するセンサーを含む請求項１記載の飛行体。
  3. 　前記機体の姿勢を制御するためのセンサーは、６軸ジャイロセンサーである請求項２記載の飛行体。
  4. 　前記６軸ジャイロセンサーは、互いに直交する３軸方向の加速度センサーと前記３軸を中心とした回転の角速度センサーである請求項３記載の飛行体。
  5. 　前記機体の位置を検出するセンサーは、ＧＰＳセンサーである請求項２記載の飛行体。
  6. 　前記機体の位置を検出するセンサーは、機体の位置を高精度で検出する高精度位置検出機である請求項２記載の飛行体。
  7. 　前記飛行体の重心位置は、前記姿勢制御時の機体の回転中心よりも下側または前記回転中心と同じ高さにある請求項１乃至６のいずれかに記載の飛行体。
  8. 　前記フレームに、重量がありかつ機械的強度の高い部品が振動抑制部品として装着され、前記振動抑制部品の周辺に前記センサーが搭載されている請求項１乃至７のいずれかに記載の飛行体。
  9. 　前記振動抑制部品はバッテリである請求項８記載の飛行体。
  10. 　前記フレームと一体に胴体が結合され、前記胴体に前記センサーが搭載されている請求項１乃至９のいずれかに記載の飛行体。
  11. 　前記フレームは、両端部においてそれぞれ前記プロペラ駆動モーターを支持する一つの第１支持アームと、前記第１支持アームの長さ方向の途中から斜めに対称形に伸びる二つの第２支持アームと、前記二つの第２支持アームを長さ方向の途中で連結する補強梁とを有し、
    　前記第２支持アームの各先端部で、前記第１支持アームで支持しているプロペラ駆動モーターとは別のプロペラ駆動モーターを支持している請求項１乃至１０のいずれかに記載の飛行体。
  12. 　前記フレームは上下に対をなし、上下の前記フレームが柱によって結合され、前記フレームを構成する前記複数の支持アームによって前記複数のプロペラ駆動モーターが支持されている請求項１乃至１１のいずれかに記載の飛行体。
  13. 　前記胴体が前記上下のフレームの間で前記上下のフレームに結合されている請求項１２記載の飛行体。
  14. 　前記胴体内の少なくとも一部は上下方向に層をなしており、前記バッテリが装着されている層の下の層に前記６軸センサーが配置されている請求項１０乃至１３のいずれかに記載の飛行体。
     
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