JP2020059387A - 無人飛行体 - Google Patents

Abstract

【課題】速い飛行速度と長い航続距離とを両立可能な無人飛行体を提供する。【解決手段】無人飛行体１００は、機体本体１０と、機体本体１０の左右方向の両側に、機体本体１０の前後方向の中心軸に対して対称に設けられたフロントアーム１１Ａ、１１Ｂと、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂの途中から中心軸に対して対称に分岐したリアアーム１２Ａ、１２Ｂと、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂのそれぞれに設けられた浮上用ロータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄとを備えている。フロントアーム１１Ａ、１１Ｂにおけるリアアーム１２Ａ、１２Ｂの分岐箇所よりも後方で且つリアアーム１２Ａ、１２Ｂよりも機体本体１０の近くに、水平成分の推力を生じる推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂが設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、無人飛行体に関するものである。

近年、複数のロータを備えることにより垂直離着陸可能な無人飛行体が様々な分野で利用されるようになってきている（例えば特許文献1参照）。このような無人飛行体は、マルチコプターやドローンと呼ばれており、例えば、カメラを搭載して遠隔操縦可能とすることによって、人が立ち入れない場所を空撮して情報を得ることに利用できる。

特開２０１４−２４０２４２号公報

無人飛行体の利用が進むにつれ、より速い飛行速度やより長い航続距離に対する要望が強くなってきている。

しかし、無人飛行体の動力源に一般的に用いられている電池の性能が制約となって、無人飛行体において速い飛行速度と長い航続距離とを両立することは困難である。

本発明の主な目的は、速い飛行速度と長い航続距離とを両立可能な無人飛行体を提供することである。

前記の目的を達成するために、本発明に係る無人飛行体は、機体本体と、機体本体の左右方向の両側に、機体本体の前後方向の中心軸に対して対称に設けられた一対のフロントアームと、一対のフロントアームから中心軸に対して対称に分岐した一対のリアアームと、一対のフロントアーム及び一対のリアアームのそれぞれに設けられた浮上用ロータと、一対のフロントアームにおける一対のリアアームの分岐箇所よりも後方で且つ一対のリアアームよりも機体本体の近くに設けられ、水平成分の推力を生じる推進用ロータと、を備えている。

本発明に係る無人飛行体によると、リアアームをフロントアームから分岐させ、当該分岐箇所よりも後方で且つリアアームよりも機体本体の近くに、水平成分の推力を生じる推進用ロータが設けられている。このため、推進用ロータをリアアーム又はリアアームに設けられた浮上用ロータに対し離間させることができるので、推進用ロータによる空気加速がリアアーム又はリアアームに設けられた浮上用ロータによって阻害されにくくなる。従って、水平方向の推力を効率的に生成することができるので、速い飛行速度と長い航続距離とを両立することが可能となる。

本発明に係る無人飛行体において、一対のフロントアーム及び一対のリアアームの各断面は、流線型であってもよい。

このようにすると、推進用ロータによって水平方向の速度成分を得た場合に、フロントアーム及びリアアームに揚力を生じさせることができる。従って、浮上用ロータによるエネルギー消費を低減することができるので、より長い航続距離を実現することができる。

本発明に係る無人飛行体において、一対のフロントアーム及び一対のリアアームは、機体本体から離れるに従って細くなっていてもよい。

このようにすると、フロントアームにおける機体本体への取付部分、及び、リアアームにおけるフロントアームへの取付部分の強度を維持しつつ、フロントアーム及びリアアームを軽量化して、より速い飛行速度とより長い航続距離とを実現することができる。

本発明によると、速い飛行速度と長い航続距離とを両立可能な無人飛行体を提供することことができる。

一実施形態に係る無人飛行体を前方から見た斜視図である。 一実施形態に係る無人飛行体を後方から見た斜視図である。 一実施形態に係る無人飛行体を上方から見た平面図である。 一実施形態に係る無人飛行体のフロントアームの断面形状を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る無人飛行体について説明する。尚、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせる場合がある。

また、以下の説明においては、「水平」は、地面（あるいは海面）に対して実質的に平行な方向を意味し、「垂直」は、地面（あるいは海面）に対して実質的に垂直な方向を意味する。

また、本実施形態は、主として垂直成分の推力を生じる浮上用ロータと、主として水平成分の推力を生じる推進用ロータとを有する無人飛行体を対象とし、特に断りのない限り、浮上用ロータによって上昇する方向を「上」、その反対方向を「下」、推進用ロータによって前進する方向を「前」、その反対方向を「後」、機体本体を「前」から見て左手側を「左」、機体本体を「前」から見て右手側を「右」と呼ぶ。

図１は、本実施形態に係る無人飛行体を前方から見た斜視図、図２は、同無人飛行体を後方から見た斜視図、図３は、同無人飛行体を上方から見た平面図である。

図１〜図３に示すように、本実施形態の無人飛行体１００は、機体本体１０と、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂと、リアアーム１２Ａ、１２Ｂとを備えている。機体本体１０の内部は中空構造となっており、当該内部に飛行制御システム、電池、計測機器等が搭載されている。機体本体１０は、搭載機器から生じた熱を放出するために、前部に空気流入口１０ａを有し、後部に空気流出口１０ｂを有している。

フロントアーム１１Ａ、１１Ｂは、機体本体１０の左右方向の両側に、機体本体１０の前後方向の中心軸（以下、機体中心軸という）に対して対称に設けられている。フロントアーム１１Ａ、１１Ｂは、機体中心軸に対し例えば４５°程度の角度をなすように斜め前方に略直線状に延びている。

リアアーム１２Ａ、１２Ｂは、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂの途中から、機体中心軸に対して対称に分岐している。リアアーム１２Ａ、１２Ｂは、機体中心軸に対し例えば２５°程度の角度をなすように斜め後方に略直線状に延びている。すなわち、フロントアーム１１Ａとリアアーム１２Ａ、及び、フロントアーム１１Ｂとリアアーム１２Ｂは、それぞれ例えば１１０°程度の角度をなす。

尚、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂにおける機体本体１０への取付箇所からリアアーム１２Ａ、１２Ｂの分岐箇所までの部分は、十分な強度を確保するために、他の部分と比べて太く形成してもよい。

フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ、リアアーム１２Ａ、１２Ｂの各先端上部には、浮上用ロータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄが浮上用モータ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄと共に設けられている。浮上用ロータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄは、例えば２枚の羽根を有する。浮上用ロータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄの各回転面は、同一の平面内に位置していてもよい。また、当該平面内において、浮上用ロータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ（浮上用モータ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ）の各回転軸は、略正方形の各頂点に配置されていてもよい。

また、図１〜図３に示すように、機体本体１０の左右方向の両側におけるフロントアーム１１Ａ、１１Ｂの取付箇所よりも上側には、機体中心軸に対して対称に短アーム１５Ａ、１５Ｂが設けられている。短アーム１５Ａ、１５Ｂの各先端前部には、推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂが推進用モータ１７Ａ、１７Ｂと共に設けられている。推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂの回転軸は、機体中心軸に対し略平行に設定されている。推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂは、例えば３枚の羽根を有する。推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂは、浮上用ロータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄと比べて、小型のものであってもよい。推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂを作動させることにより、無人飛行体１００は水平方向の速度成分を生じる。

尚、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂの中央付近の下部、及び、機体本体１０の後方下部にはそれぞれ、支持脚１８が取り付けられている。

図１〜図３に示すように、本実施形態においては、リアアーム１２Ａ、１２Ｂはフロントアーム１１Ａ、１１Ｂの途中から分岐して設けられており、推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂは、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂにおけるリアアーム１２Ａ、１２Ｂの分岐箇所よりも後方で且つリアアーム１２Ａ、１２Ｂよりも機体本体１０の近くに設けられている。このため、推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂをリアアーム１２Ａ、１２Ｂ又はリアアーム１２Ａ、１２Ｂに設けられた浮上用ロータ１３Ｃ、１３Ｄに対し離間させることができる。これにより、推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂによる空気加速がリアアーム１２Ａ、１２Ｂ又は浮上用ロータ１３Ｃ、１３Ｄによって阻害されにくくなる。従って、水平方向の推力を効率的に生成することができるので、速い飛行速度と長い航続距離とを両立することが可能となる。

また、リアアームが機体本体に直接取り付けらた、いわゆるＸ型ドローンと比較して、本実施形態のようにリアアーム１２Ａ、１２Ｂをフロントアーム１１Ａ、１１Ｂの途中から分岐して設けると、次のような効果が得られる。すなわち、水平成分の飛行速度を有する場合、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂによってリアアーム１２Ａ、１２Ｂ（特にフロントアーム１１Ａ、１１Ｂ近傍部分）に対する空気抵抗を低減することができる。このため、より速い飛行速度とより長い航続距離とを実現することができる。

また、機体本体の左右方向の両側に機体中心軸に対して垂直に設けた一対のアームをそれぞれ、機体中心軸に平行に前方及び後方に分岐させた、いわゆるＨ型ドローンと比較しても、本実施形態の方が次のような利点を有する。すなわち、Ｈ型ドローンでは、機体中心軸に平行に同一方向に延びるアームの合計長さが大きくなり、機体本体の左右方向から受ける風の影響等に起因して飛行安定性が悪くなる。それに対して、本実施形態では、各アームの延びる方向が異なるため、風の影響等を受けにくく飛行安定性が向上する。

また、本実施形態において、機体本体１０は、図３に示すように、上から見て流線型を有している。すなわち、機体本体１０の前方側の先端は丸く、後方側の後端はとがった形状を有している。これにより、機体本体１０の空気抵抗を低減でき、より速い飛行速度とより長い航続距離とを実現することができる。

また、本実施形態において、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ、リアアーム１２Ａ、１２Ｂの各断面は、流線型である。すなわち、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ、リアアーム１２Ａ、１２Ｂの前方側の先端は丸く、後方側の後端はとがった形状を有している。これにより、推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂによって水平方向の速度成分を得た場合に、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂに揚力を生じさせることができる。従って、浮上用ロータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄによるエネルギー消費を低減することができるので、より長い航続距離を実現することができる。

図４は、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂにおける機体本体１０への取付箇所近傍の断面形状の一例を示す図である。図４に示すように、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂの前方側の先端は丸く、後方側の後端はとがった形状を有している。また、図４に示すように、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂの先端位置が後端位置よりも高くなるように、機体中心軸Ｊ０に対してフロントアーム１１Ａ、１１Ｂの断面中心軸Ｊ１がなす角度θを例えば１０°程度に設定してもよい。このようにすると、例えば水平方向の速度成分が１０ｍ／ｓ程度になるように浮上用ロータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄにも水平成分の推力を発生させるために、機体本体１０の機首を１０°程度下げたとしても、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂに揚力を生じさせることができる。

また、本実施形態において、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂは、機体本体１０から離れるに従って細くなっている。同様に、リアアーム１２Ａ、１２Ｂも、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ（つまり機体本体１０）から離れるに従って細くなっている。これにより、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂにおける機体本体１０への取付部分、及び、リアアーム１２Ａ、１２Ｂにおけるフロントアーム１１Ａ、１１Ｂへの取付部分の強度を維持しつつ、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂを軽量化して、より速い飛行速度とより長い航続距離とを実現することができる。

また、本実施形態において、推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂを作動させることによって、無人飛行体１００が水平方向の速度成分を生じている場合には、浮上用ロータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄの回転速度を低減してもよい。これにより、浮上用ロータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄによるエネルギー消費を低減することができるので、より長い航続距離を実現することができる。

また、本実施形態において、機体本体１０、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ、リアアーム１２Ａ、１２Ｂ、及び無人飛行体１００の他の構成要素は、炭素繊維やアルミニウム等の軽量の材料から形成されていてもよい。

また、本実施形態において、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂは、内部に中空構造を有していてもよい。このようにすると、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂを軽量化して、より速い飛行速度とより長い航続距離とを実現することができる。また、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂの中空内部構造を利用して、機体本体１０の内部に収容されている飛行制御システムや電池と、浮上用モータ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄとを電気的に接続することができる。

また、本実施形態において、機体本体１０、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ、及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂは、例えば炭素繊維を用いて一体的に形成されていてもよい。一方、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂへの浮上用モータ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄの取り付け、機体本体１０への短アーム１５Ａ、１５Ｂの取り付け、短アーム１５Ａ、１５Ｂへの推進用モータ１７Ａ、１７Ｂの取付には、例えばネジ等を用いてもよい。

以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は前述の実施形態のみに限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。すなわち、前述の実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

例えば、本実施形態では、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂの各先端に浮上用ロータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄを設けた。しかし、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂは、浮上用ロータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄの取付箇所からさらに延伸していてもよい。これにより、当該延伸部分によって、浮上用ロータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄを保護することが可能となる。

また、本実施形態では、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂの各先端上部に浮上用ロータ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄを１つずつ設けた。しかし、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂの各先端下部にも浮上用ロータを浮上用モータと共に設けてもよい。これにより、無人飛行体１００の垂直方向の推力を増大させることができる。

また、本実施形態では、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂは、流線型断面を有していた。しかし、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂの断面形状を流線型にせず、別途、揚力を生じる翼を機体本体１０に設けてもよい。

また、本実施形態では、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂを機体本体１０から離れるに従って細くした。しかし、アーム材料の強度や密度等に応じて、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂを一定の太さにしたり、部分的に細くしたりすることも可能である。

また、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂ及びリアアーム１２Ａ、１２Ｂがそれぞれ延びる方向（取付角度）や、フロントアーム１１Ａ、１１Ｂにおけるリアアーム１２Ａ、１２Ｂの分岐位置は、本実施形態の例示に限定されず、無人飛行体１００に要求される飛行速度及び航続距離等に応じて任意に設定可能である。

また、本実施形態では、機体本体１０の左右方向の両側に短アーム１５Ａ、１５Ｂを設け、短アーム１５Ａ、１５Ｂの各先端に推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂを設けた。しかし、推進用ロータによる空気加速がリアアーム１２Ａ、１２Ｂ又は浮上用ロータ１３Ｃ、１３Ｄによって阻害されない範囲において、推進用ロータの取付位置及び取付数は特に限定されない。例えば、本実施形態では、短アーム１５Ａ、１５Ｂの各先端前部に、推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂを１つずつ設けたが、短アーム１５Ａ、１５Ｂの各先端後部にも推進用ロータを推進用モータと共に設けてもよい。これにより、無人飛行体１００の水平方向の推力を増大させることができる。

また、本実施形態では、推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂの回転軸を、機体中心軸に対し略平行に設定した。しかし、推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂによる空気加速のリアアーム１２Ａ、１２Ｂ又は浮上用ロータ１３Ｃ、１３Ｄとの干渉をより低減するために、或いは、機体姿勢のバランスの観点で、推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂの回転軸を、機体中心軸に対し水平方向及び／又は垂直方向に傾けてもよい。すなわち、推進用ロータ１６Ａ、１６Ｂが、垂直成分の推力を生じてもよい。

１００ 無人飛行体
１０ 機体本体
１０ａ 空気流入口
１０ｂ 空気流出口
１１Ａ、１１Ｂ フロントアーム
１２Ａ、１２Ｂ リアアーム
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ 浮上用ロータ
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ 浮上用モータ
１５Ａ、１５Ｂ 短アーム
１６Ａ、１６Ｂ 推進用ロータ
１７Ａ、１７Ｂ 推進用モータ
１８ 支持脚

Claims (3)

1. 機体本体と、
   前記機体本体の左右方向の両側に、前記機体本体の前後方向の中心軸に対して対称に設けられた一対のフロントアームと、
   前記一対のフロントアームの途中から前記中心軸に対して対称に分岐した一対のリアアームと、
   前記一対のフロントアーム及び前記一対のリアアームのそれぞれに設けられた浮上用ロータと、
   前記一対のフロントアームにおける前記一対のリアアームの分岐箇所よりも後方で且つ前記一対のリアアームよりも前記機体本体の近くに設けられ、水平成分の推力を生じる推進用ロータと、
   を備えている、
   無人飛行体。
2. 請求項１に記載の無人飛行体において、
   前記一対のフロントアーム及び前記一対のリアアームの各断面は、流線型である、
   無人飛行体。
3. 請求項１又は２に記載の無人飛行体において、
   前記一対のフロントアーム及び前記一対のリアアームは、前記機体本体から離れるに従って細くなる、
   無人飛行体。

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