WO2022034681A1

WO2022034681A1 - 水上離発着可能な無人飛行体

Info

Publication number: WO2022034681A1
Application number: PCT/JP2020/030859
Authority: WO
Inventors: ピョートルミラソワフザルチンスキ
Original assignee: イームズロボティクス株式会社
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2022-02-17
Also published as: JPWO2022034681A1; JP7466952B2

Abstract

上下方向の高さを抑止しつつ、水上離発着が可能な無人飛行体を提供することを目的とする。無人飛行体１は、複数のモーター５０にそれぞれ接続されるプロペラ６０の回転によって推力を得て飛行し、下方に向かって凸の球面状に構成され、平面視において、すべてのプロペラ６０の回転面よりも大きな面積において形成された浮遊部材１０を有し、浮遊部材１０は、複数のモーター５０の数と同数の上下方向に貫通する貫通孔ＳＨを有し、プロペラ６０は貫通孔ＳＨ内に配置される。

Description

水上離発着可能な無人飛行体

　本発明は、水上離発着可能な無人飛行体に関する。

　従来、水上離発着可能な無人飛行体（「ドローン」、「無人機」とも呼ばれる。）の利用が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１８－０２４４３１号公報

　上述の技術において、無人機１００は、その底部に板状の底板５４１を要素とする浮遊部材５４を備え、水面に着陸することができる。しかし、無人機１００は、少なくともプロペラと底板５４１の間の高さを要するから、水上における安定性が不十分である。

　本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、上下方向の高さを抑止しつつ、水上離発着が可能な無人飛行体を提供することを目的とする。

　第一の発明は、複数のモーターにそれぞれ接続されるプロペラの回転によって推力を得て飛行する無人飛行体であって、下方に向かって凸の球面状に構成され、平面視において、すべての前記プロペラの回転面よりも大きな面積において形成された浮遊部材を有し、前記浮遊部材は、前記複数のモーターの数と同数の上下方向に貫通する貫通孔を有し、前記プロペラは前記貫通孔内に配置される、無人飛行体である。

　第一の発明の構成によれば、無人飛行体は、浮遊部材を有するから、水上離発着可能であり、プロペラは浮遊部材の貫通孔内に配置されるから、プロペラだけのために高さは必要がない。このため、上下方向の高さが抑止される。また、プロペラが貫通孔内に配置されるから、浮遊部材は、プロペラを配置するためのフレームとして機能し、また、ダクテッドファンのダクトとしても機能し、さらに、プロペラが外部と接触することを防止するためのプロペラガードとしても機能する。そして、浮遊部材は下方に向かって球面状に形成されているから、離陸の際の水の表面張力は平準化され、円滑に離陸することができる。

　第二の発明は、第一の発明の構成において、前記モーターは扁平な円形状の外形に構成されており、前記無人飛行体において、前記モーターの回転軸は下方に位置するように配置される、無人飛行体である。

　第二の発明の構成によれば、モーターは扁平な円形状であり、回転軸は下方に位置するように配置されるから、無人飛行体全体の高さに対するモーターの高さの影響は低減される。

　第三の発明は、第一の発明または第二の発明の構成において、前記モーターに電力を供給する電池は、平面視において、前記浮遊部材の中心部を含む領域に形成された陥没部に配置される、無人飛行体である。

　第三の発明の構成によれば、無人飛行体の部品のうち最も重量が大きい部品である電池が、平面視において、浮遊部材の中心部に形成された陥没部に位置するから、水上における無人飛行体の安定度が大きい。この場合、浮遊部材は、電池を含む部品の格納部としても機能する。

　第四の発明は、第三の発明の構成において、前記陥没部の周縁部と液密に係合する蓋部を有し、前記無人飛行体の制御装置は、前記陥没部と前記蓋部で構成される筐体に格納される、無人飛行体である。

　第四の発明の構成によれば、制御装置は、陥没部と液密に係合する蓋部で構成される筐体に格納されるから、水の影響を受けにくい。このため、制御の信頼性が高い。

　第五の発明は、第一の発明乃至第四の発明のいずれかの構成において、前記浮遊部材は中空構造である、無人飛行体である。

　第五の発明の構成によれば、浮遊部材は中空構造内に、例えば、農薬などの薬剤を格納するタンクとしても機能し、薬剤を散布することができる。

　本発明によれば、上下方向の高さを抑止しつつ、水上離発着が可能な無人飛行体を提供することができる。

本発明の第一の実施形態に係る無人飛行体を示す概略斜視図である。無人飛行体を示す概略平面図である。無人飛行体を示す概略底面図である。無人飛行体を示す概略側面図である。蓋部を外した状態の無人飛行体を示す概略平面図である。図２のＡＡ線概略端面図である。陥没部にバッテリー及び制御装置を配置した状態を示す概略図である。無人飛行体のダクトを示す概念図である。ダクトの効果を示すグラフである。フロートによる表面張力の平準化を示す概念図である。フロートによる表面張力の平準化を示す概念図である。フロートによる表面張力の平準化を示す概念図である。比較例として、底面が平面のフロートの表面張力を示す概念図である。比較例として、底面が平面のフロートの表面張力を示す概念図である。比較例として、底面が平面のフロートの表面張力を示す概念図である。第二の実施形態に係る無人飛行体の概略端面図である。

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

＜第一の実施形態＞
　図１乃至図４に示すように、本実施形態の無人飛行体１（以下、「無人機１」という。）は、フロート１０、枠部２０、蓋部４０、モーター５０、プロペラ６０及びアンテナ７０を有する。本明細書において、フロート１０が位置する方向を下方とし、蓋部４０が位置する方向を上方とする。

　無人機１は、モーター５０を複数備え、それぞれのモーター５０の回転軸にプロペラ６０が接続されている。無人機１は、プロペラ６０の回転によって推力を得て飛行するように構成されている。本実施形態の無人機１は、モーター５０を６個有する。

　モーター５０は、平面視において円形であり、扁平な形状の外形に構成されている。すなわち、直径に対して高さが小さい円柱形状に構成されている。無人機１において、モーター５０の回転軸は下方に突出するように配置される。したがって、プロペラ６０はモーター５０の下方に位置する。

　図１及び図４に示すように、フロート１０の全体形状は、下方に向かって凸の球面状に構成されており、上面は平面として構成されている。また、図１及び図２に示すように、フロート１０の平面視における全体形状は円状であり、すべてのプロペラ６０の回転面よりも大きな面積において形成されている。具体的には、６枚のプロペラ６０の回転面の面積の合計の面積よりも、フロート１０の平面視における面積が大きい。図４に示すように、フロート１０の側面視における全体的な概略形状は、楕円の長軸において切断した形状である。フロート１０は浮遊部材の一例である。フロート１０は、固形浮力体で形成されている。固形浮力体は、プラスチック樹脂を発泡させた材料であり、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン、スチロール等を発泡させたものである。

　図１乃至図４に示すように、フロート１０には、モーター５０の数と同数の上下に貫通するダクトＳＨが形成されている。ダクトＳＨは、周壁１２によって画される。ダクトＳＨは貫通孔の一例である。なお、図４においては、中央の周壁１２に対応するダクトＳＨのみを点線で示しているが、実際には左右の周壁１２に対応するダクトＳＨも存在する。プロペラ６０は、ダクトＳＨ内に配置される。すなわち、無人機１の推力は、ダクテッドファンによって生じる。ここで、ダクテッドファンは、円筒形のダクトやナセルの中にプロペラ状のファンを据え、それを回転させることによって推力を生み出す推進器である。ダクテッドファンの利点として、プロペラ先端部から発生する気流を全て進行方向側に整流することができ、エネルギー効率が上がると同時に衝撃波の発生を抑えて騒音を減らすこともできることが知られている。また、円筒状のダクトの空気取入れ口を排出口に比べて広い断面形状にすることによって、ダクト自体が推力を生み出すことができる。すなわち、フロート１０は、浮力材としての機能とダクテッドファンのダクトとしての機能を有する。なお、モーター５０の全体または一部はダクトＳＨ内に配置される。モーター５０の全体がダクトＳＨ内に配置される場合、モーター５０の高さによって、無人機１全体の高さが増加することはない。モーター５０の一部がダクトＳＨ内に配置される場合、モーター５０の高さが無人機１全体の高さへ与える影響は低減される。

　図１、図２及び図４に示すように、枠部２０は、円環状の板の形状に形成されており、円環状の形状の内側に突出する突出部２０ｃを有する。突出部２０ｃには貫通孔（図示せず）が形成されている。図１及び図２に示すように、ネジ３０が突出部２０ｃを貫通してフロート１０に固定されることによって、枠部２０とフロート１０は固定される。なお、フロート１０において、ネジ３０が固定される部分は、非発泡性の樹脂によって強化されている。

　図１、図２、図３及び図５に示すように、枠部２０は円環状の内側に延在する枝部２０ｂを有する。枝部２０ｂは、モーター５０の数と同数形成されている。モーター５０は、枝部２０ｂの下面に固定される。

　図２、図５及び図６に示すように、フロート１０には、陥没部１４が形成されている。陥没部１４は、図５に示すように、無人機１の平面視において、フロート１０の中心を含む領域に形成されている。また、陥没部１４は、複数のダクトＳＨに対して、中心に近い位置に形成されている。陥没部１４は、平面視において円形の空間を形成している。陥没部１４は、非発泡性の樹脂によって強化されている。

　蓋部４０は、陥没部１４の周縁部と液密に係合する。図６に示すように、蓋部４０と陥没部１４の周縁部１０ａの間に枠部２０の内環部２０ｄ（図５参照）を挟んだ状態において、蓋部４０と陥没部１４が係合することによって、液密な構造を形成している。

　図７に示すように、モーター５０に電力を供給するバッテリー１６は、陥没部１４によって形成される空間Ｓ１の内部に配置される。バッテリー１６は電池の一例である。無人機１の制御装置１８は、陥没部１４と蓋部４０によって形成される筐体に格納される。バッテリー１６の最下部の位置は、無人機１において、フロート１０以外の他の部品の位置よりも低い。すなわち、バッテリー１６は、フロート１０において、無人機１のすべての部品のなかで最も低い位置に配置される。バッテリー１６は、無人機１において相対的に最も重量が大きい部品であるから、フロート１０内における下方に配置することによって、無人機１の水上及び空中における姿勢の安定性を向上させることができる。すなわち、バッテリー１６は、無人機１の姿勢安定手段として機能する。

　図８に示すように、ダクトＳＨは、円筒状であり、空気取入れ口の直径ｄ１は、排出口の直径ｄ２よりも大きい。これにより、プロペラ６０の回転によって生じる推力ＴＨ１に加えて、ダクトＳＨ自体が推力ＴＨ２を生み出すことができる。

　図９は、一つのモーター５０に接続したプロペラ６０の推力と消費電力の関係を示すグラフであり、プロペラ６０をダクトＳＨ内に配置した場合（ｗｉｔｈ　ＤＵＣＴ）と、ダクトＳＨ内に配置しない場合（ｗｉｔｈｏｕｔ　ＤＵＣＴ）との対比を示す。いずれの推力においても、プロペラ６０をダクトＳＨ内に配置した場合（ｗｉｔｈ　ＤＵＣＴ）の方が、ダクトＳＨ内に配置しない場合（ｗｉｔｈｏｕｔ　ＤＵＣＴ）よりも、消費電力が小さい。逆に言うと、いずれの消費電力においても、プロペラ６０をダクトＳＨ内に配置した場合（ｗｉｔｈ　ＤＵＣＴ）の方が、ダクトＳＨ内に配置しない場合（ｗｉｔｈｏｕｔ　ＤＵＣＴ）よりも、推力が大きい。すなわち、プロペラ６０をダクトＳＨ内に配置した本実施形態の無人機１のプロペラ６０の配置は、エネルギー効率に優れている。

　図１０乃至図１２は、無人機１が水上から離陸するときの表面張力を示す概念図である。無人機１が、水１００から離陸するときには、水１００の表面張力によって、下方への力を受ける。無人機１が上方に移動し、図１０の位置から図１１の位置、図１１の位置から図１２の位置に移動するに連れて、フロート１０と水１００の表面との界面が、界面Ａ１、界面Ａ２、界面Ａ３というように変動する。無人機１のフロート１０は、側面視の概略形状は、楕円形状であるから、水１００の表面と接するフロート１０の外面の接線は、接線Ｌ１（図１０）、接線Ｌ２（図１１）、接線Ｌ３（図１２）というように、無人機１が上昇するに連れて、水平に近くなる。無人機１のフロート１０の最も低い位置が水１００の表面に接した状態（図１２参照）において、表面張力の影響が最も大きいのであるが、無人機１のフロート１０は、側面視の概略形状は楕円形状であるから界面Ａ３と界面Ａ１との大きさの相違は、側面視の形状が矩形である場合に比べて小さい。すなわち、後述の比較例の無人機２００に比べて、無人機１が水上から離陸するときの水１００の表面張力の影響は平準化されるから、無人機１は円滑に離陸することができる。このため、離陸時の制御が容易であり、信頼性が大きい。

　これに対して、図１３乃至図１５に示す比較例の無人機２００においては、フロート２１０の側面視の概略形状は長方向である。無人機２００においては、フロート２１０の側面は垂直であるから、フロート２１０と水１００の表面との界面の状態に急激な変動はなく、図１３及び図１４に示すように、離陸直前までは表面張力の変動の影響は小さい。ところが、図１５に示す離陸直前においては、それまでの状態と比べて、フロート２１０の平面的な底面と水１００の表面との界面Ａ４の状態が大きく変動するから、表面張力の影響を大きく受ける。すなわち、無人機２００においては、離陸寸前に表面張力の影響が急激に大きくなるから、円滑な離陸が妨げられる。

　上述のように、無人機１において、フロート１０は、水上離発着を可能にする浮力材としての機能、プロペラ６０を配置するフレームとしての機能、プロペラガードとしての機能、ダクテッドファンのダクトとしての機能、及び、バッテリーなどの格納部としての機能を有する。また、フロート１０において、平面視における中心部に陥没部１４を形成し、バッテリー１６などの重量物を無人機１において他の部品よりも下方に配置することによって、水上及び空中における安定性を向上することができる。また、フロート１０の陥没部１４と蓋部４０によって液密の筐体を形成し、制御装置１６を格納している。なお、一般的にはドローンにおいては、プロペラガードはドローンの重量を増加する要因になるから、推力の負担を大きくする。これに対して、本実施形態の無人機１においては、プロペラガードとしても機能するフロート１０は、かえって推力の向上に資するという大きな相違がある。

＜第二の実施形態＞
　図１６を参照して、第二の実施形態について説明する。第一の実施形態と共通する事項は説明を省略し、第一の実施形態と異なる事項についてのみ説明する。

　図１６に示すように、第二の実施形態の無人機１Ａのフロート１０Ａは、中空構造に形成されている。フロート１０Ａは、発泡性を有さない樹脂によって形成され、中空構造によって水に対する浮力を得るようになっている。中空構造の空間Ｓ２には、例えば、農薬等の薬剤を格納し、薬剤を散布することも可能である。

　なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

　１，１Ａ　無人飛行体
　１２　周壁
　１４　陥没部
　１０　フロート
　２０　枠部
　４０　蓋部材
　５０　モーター
　６０　プロペラ
　１００　水
　ＳＨ　ダクト

Claims

　複数のモーターにそれぞれ接続されるプロペラの回転によって推力を得て飛行する無人飛行体であって、
　下方に向かって凸の球面状に構成され、平面視において、すべての前記プロペラの回転面よりも大きな面積において形成された浮遊部材を有し、
　前記浮遊部材は、前記複数のモーターの数と同数の上下方向に貫通する貫通孔を有し、
　前記プロペラは前記貫通孔内に配置される、
無人飛行体。
　前記モーターは扁平な円形状の外形に構成されており、前記無人飛行体において、前記モーターの回転軸は下方に位置するように配置される、
請求項１に記載の無人飛行体。
　前記モーターに電力を供給する電池は、平面視において、前記浮遊部材の中心部を含む領域に形成された陥没部に配置される、
請求項１または請求項２に記載の無人飛行体。
　前記陥没部の周縁部と液密に係合する蓋部を有し、
　前記無人飛行体の制御装置は、前記陥没部と前記蓋部で構成される筐体に格納される、
請求項３に記載の無人飛行体。
　前記浮遊部材は中空構造である、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の無人飛行体。