JP6696658B1 - Unmanned aerial vehicle - Google Patents
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Abstract
【課題】動力伝達機構の複雑化を抑えつつ、一の駆動源で無人航空機を飛行させる。【解決手段】駆動源であるエンジンおよびモータと、複数の水平回転翼と、前記駆動源の動力を前記複数の水平回転翼に伝達する動力伝達機構と、前記各水平回転翼のピッチ角を変化させるピッチ変更機構と、を備え、前記動力伝達機構は、軸線が鉛直となる向きに配置された歯車部材である親歯車と、前記親歯車に接続される複数の歯車部材である子歯車と、を有し、前記親歯車および前記子歯車は軸線が非平行となる向きに配置され、前記エンジンおよび前記モータはいずれも前記親歯車を駆動可能であり、前記複数の子歯車はそれぞれ異なる前記水平回転翼に動力を伝達することを特徴とする無人航空機により解決する。【選択図】図4PROBLEM TO BE SOLVED: To fly an unmanned aerial vehicle with one drive source while suppressing the complication of a power transmission mechanism. An engine and a motor that are drive sources, a plurality of horizontal rotors, a power transmission mechanism that transmits the power of the drive source to the plurality of horizontal rotors, and a pitch angle of each of the horizontal rotors are changed. And a pitch changing mechanism, wherein the power transmission mechanism is a parent gear that is a gear member arranged in a direction in which the axis is vertical, and a child gear that is a plurality of gear members connected to the parent gear, And the parent gear and the child gear are arranged such that their axes are non-parallel, the engine and the motor are both capable of driving the parent gear, and the plurality of child gears are different from each other in the horizontal direction. It is solved by an unmanned aerial vehicle characterized by transmitting power to a rotor. [Selection diagram] Figure 4
Description
本発明は無人航空機技術に関する。 The present invention relates to unmanned aerial vehicle technology.
下記特許文献1には、エンジンで飛行するマルチコプターが開示されている。 The following Patent Document 1 discloses a multi-copter that flies with an engine.
近年、様々な事業分野への無人航空機の応用が検討されている。現在このような無人航空機の主流となっている小型のマルチコプターは、各ロータがDCモータとこれに装着された固定ピッチプロペラとを有しており、制御部であるフライトコントローラが個々のロータの回転数を調整することで機体の姿勢制御および操舵を行う。このようなマルチコプターはその機能の多くがソフトウェアで実現されており、機械的要素が少なく、機体設計の自由度やメンテナンス性に優れている。 In recent years, application of unmanned aerial vehicles to various business fields has been studied. Small multicopters, which are currently the mainstream of such unmanned aerial vehicles, each rotor has a DC motor and a fixed pitch propeller attached thereto, and a flight controller, which is a control unit, controls each rotor. The attitude control and steering of the airframe are performed by adjusting the rotation speed. Most of the functions of such a multicopter are realized by software, the number of mechanical elements is small, and the flexibility and maintainability of the airframe design are excellent.
当然ではあるがDCモータを駆動するためには電力が必要である。マルチコプターのロータが消費する電力は大きく、一般的なマルチコプターの一回の航続時間は20分前後である。また、バッテリーはマルチコプターの構成要素の中でも特に重量が大きく、蓄電容量に応じてそのサイズも大きくなるため、安易に大容量のバッテリーを採用することはできない。また、一般にバッテリーの充電には数時間を要する。このような性質がマルチコプターを実用化する上での課題となっている。 As a matter of course, electric power is required to drive the DC motor. The electric power consumed by the rotor of the multicopter is large, and the one cruising time of a general multicopter is around 20 minutes. In addition, the battery is particularly heavy among the constituent elements of the multicopter, and its size increases in accordance with the storage capacity, so it is not possible to easily adopt a large capacity battery. In addition, it generally takes several hours to charge a battery. Such a property is a problem in putting the multicopter to practical use.
一方、マルチコプターの航続時間を延ばすべく、一基のエンジンや、一基の大型のDCモータをその効率が最適となる一定の速度で回転させてマルチコプターを飛行させる場合、エンジンやDCモータの駆動力を各ロータに伝達するための機構が別途必要になり、機体構造が複雑化する。 On the other hand, in order to extend the flight time of the multicopter, if one engine or one large DC motor is rotated at a constant speed to optimize its efficiency and the multicopter is flown, A separate mechanism for transmitting the driving force to each rotor is required, which complicates the body structure.
このような問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、動力伝達機構の複雑化を抑えつつ、一の駆動源で無人航空機を飛行させることにある。 In view of such a problem, the problem to be solved by the present invention is to fly an unmanned aerial vehicle with one drive source while suppressing the complication of the power transmission mechanism.
上記課題を解決するため、本発明の無人航空機は、駆動源であるエンジンおよびモータと、複数の水平回転翼と、前記駆動源の動力を前記複数の水平回転翼に伝達する動力伝達機構と、前記各水平回転翼のピッチ角を変化させるピッチ変更機構と、を備え、前記動力伝達機構は、軸線が鉛直となる向きに配置された歯車部材である親歯車と、前記親歯車に接続される複数の歯車部材である子歯車と、を有し、前記親歯車および前記子歯車は軸線が非平行となる向きに配置され、前記エンジンおよび前記モータはいずれも前記親歯車を駆動可能であり、前記複数の子歯車はそれぞれ異なる前記水平回転翼に動力を伝達することを要旨とする。 In order to solve the above problems, the unmanned aerial vehicle of the present invention includes an engine and a motor that are drive sources, a plurality of horizontal rotors, and a power transmission mechanism that transmits the power of the drive source to the plurality of horizontal rotors. A pitch changing mechanism that changes the pitch angle of each of the horizontal rotors, and the power transmission mechanism is connected to the parent gear, which is a parent gear that is a gear member that is arranged in a direction in which the axis is vertical. And a child gear that is a plurality of gear members, the parent gear and the child gear are arranged in a direction in which the axes are non-parallel, the engine and the motor are both capable of driving the parent gear, The gist of the plurality of slave gears is to transmit power to different horizontal rotors.
軸線が鉛直となるように配置された親歯車に対して、軸線の向きがこれと非平行になるように複数の子歯車を接続することにより、これら子歯車を同一水平面上に配置しつつ、親歯車の動力方向を各水平回転翼への伝達に適した向きに変換することが可能となる。これにより、動力の分岐構造が親歯車および子歯車に集約され、動力伝達機構の構造を全体として簡潔にすることが可能となる。また、駆動源としてエンジンを用いることにより、モータのみを駆動源とする場合よりも長い航続時間を実現することができる。また、エンジンの燃料の補給はバッテリーの充電に比べて格段に短い時間で完了する。これにより無人航空機の連続的な運用がより容易となる。さらに、駆動源が冗長化されることにより、例えばエンジンが故障した際にモータを使って機体を軟着陸させることなどが可能となる。 With respect to the parent gear arranged so that the axis is vertical, by connecting a plurality of child gears so that the direction of the axis is non-parallel to this, while arranging these child gears on the same horizontal plane, It is possible to convert the power direction of the master gear into a direction suitable for transmission to each horizontal rotor. As a result, the branch structure of power is integrated in the master gear and the slave gear, and the structure of the power transmission mechanism can be simplified as a whole. Further, by using the engine as the drive source, a longer cruising time can be realized as compared with the case where only the motor is used as the drive source. Also, refueling of the engine is completed in a significantly shorter time than charging the battery. This makes continuous operation of unmanned aerial vehicles easier. Further, by making the drive sources redundant, it becomes possible to use a motor to softly land the airframe when the engine fails, for example.
また、本発明において、前記親歯車および前記子歯車は、軸線が直交する向きに配置されることが好ましい。複数の水平回転翼で飛行する無人航空機では、通常、これらの水平回転翼は同一水平面上に配置される。親歯車の軸線に対して子歯車の軸線を直交させることにより、つまり、子歯車の軸線を水平方向に向けることにより、例えば子歯車に回転軸を接続し、その回転軸の長さを適宜調節することで、同水平方向における任意の位置へ動力を伝達することが可能となる。 Further, in the present invention, it is preferable that the master gear and the slave gear are arranged so that their axes are orthogonal to each other. In unmanned aerial vehicles that fly with multiple horizontal rotors, these horizontal rotors are typically located on the same horizontal plane. By making the axis of the slave gear orthogonal to the axis of the master gear, that is, by orienting the axis of the slave gear in the horizontal direction, for example, the rotary shaft is connected to the slave gear and the length of the rotary shaft is adjusted appropriately. By doing so, it becomes possible to transmit power to an arbitrary position in the same horizontal direction.
また、本発明においては、前記親歯車および前記子歯車が傘歯車であり、これらが直接噛合していることが好ましい。これにより簡易な構造で親歯車および子歯車による動力の分岐および動力方向の変換を実現することができる。 Further, in the present invention, it is preferable that the master gear and the slave gear are bevel gears and are directly meshed with each other. This makes it possible to realize branching of power and conversion of power direction by the master gear and the slave gear with a simple structure.
また、本発明においては、前記親歯車は前記複数の子歯車をすべて同じ速度で回転させることが好ましい。これによりすべての水平回転翼を特別な調節なく同じ速度で駆動することが可能となり、ピッチ変更機構による機体の姿勢制御および操舵が容易となる。 Further, in the present invention, it is preferable that the master gear rotates all of the plurality of slave gears at the same speed. This makes it possible to drive all the horizontal rotors at the same speed without any special adjustment, which facilitates the attitude control and steering of the airframe by the pitch changing mechanism.
また、本発明の無人航空機は、複数の回転軸であるドライブシャフトを有し、前記各ドライブシャフトの軸線方向における一端には前記子歯車のいずれかが接続され、他端には傘歯車である出力歯車が設けられ、前記各水平回転翼の回転軸であるロータシャフトには、前記出力歯車に噛合する傘歯車であるロータ歯車が設けられ、前記ロータ歯車は、歯部を下方に向けて前記出力歯車に噛合し前記水平回転翼を一方に回転させる第1ロータ歯車と、歯部を上方に向けて前記出力歯車に噛合し前記水平回転翼を他方に回転させる第2ロータ歯車と、を有することが好ましい。複数の水平回転翼で飛行する無人航空機は、機体のヨー制御を水平回転翼の反トルクを利用して行うことから、CW方向に回転する水平回転翼とCCW方向に回転する水平回転翼とを同数備えることが一般的である。親歯車から出力歯車までの構造を各水平回転翼について共通化し、出力歯車に対するロータ歯車の噛合方向によって各水平回転翼の回転方向を決定することにより、一部品(ロータ歯車)の配置を変えるだけでCW方向に回転する水平回転翼とCCW方向に回転する水平回転翼の両方を設けることができる。これにより動力伝達機構の構造がより簡潔なものとなる。また、回転軸による動力の伝達は、ベルトを用いる場合に比べてスペース効率が高く、また、プーリーからのベルトの脱落や遠心張力による速度制限を考慮する必要がない。 Further, the unmanned aerial vehicle of the present invention has drive shafts that are a plurality of rotating shafts, one of the slave gears is connected to one end of each drive shaft in the axial direction, and the other end is a bevel gear. An output gear is provided, and a rotor gear that is a bevel gear that meshes with the output gear is provided on a rotor shaft that is a rotation axis of each of the horizontal rotary blades. A first rotor gear that meshes with the output gear and rotates the horizontal rotor to one side; and a second rotor gear that meshes with the output gear with its teeth facing upward and rotates the horizontal rotor to the other side Preferably. An unmanned aerial vehicle that flies with a plurality of horizontal rotors controls the yaw of the airframe by utilizing the anti-torque of the horizontal rotors. Therefore, a horizontal rotor that rotates in the CW direction and a horizontal rotor that rotates in the CCW direction are used. It is common to have the same number. The structure from the parent gear to the output gear is made common to each horizontal rotor, and the direction of rotation of each horizontal rotor is determined by the meshing direction of the rotor gear with respect to the output gear. It is possible to provide both a horizontal rotor rotating in the CW direction and a horizontal rotor rotating in the CCW direction. This makes the structure of the power transmission mechanism simpler. Further, the transmission of power by the rotating shaft is more space efficient than the case where a belt is used, and it is not necessary to consider the dropping of the belt from the pulley and the speed limitation due to centrifugal tension.
また、本発明の無人航空機は、機体の中心から平面視放射状に延びる複数本の筒状体であるアームを備え、前記ドライブシャフトは前記各アームの内部に配置されることが好ましい。ドライブシャフトは筒状のアームとの親和性が高い。例えば、子歯車の動力をベルトで水平回転翼に伝達する構成に比べて、アームの直径を小さく抑えられ、また、アーム内のドライブシャフトはベアリングで好適に支持可能であることから、長いアームを採用する場合でも安定して動力を伝達することができる。 Further, it is preferable that the unmanned aerial vehicle of the present invention includes arms that are a plurality of tubular bodies that extend radially from a center of the body in a plan view, and the drive shaft is disposed inside each of the arms. The drive shaft has a high affinity with the cylindrical arm. For example, compared to a configuration in which the power of the child gear is transmitted to the horizontal rotor by a belt, the diameter of the arm can be kept small, and the drive shaft in the arm can be favorably supported by bearings. Power can be transmitted stably even when adopted.
また、本発明においては、前記ドライブシャフトと前記子歯車とが継手部材を介して接続されており、前記継手部材は、前記ドライブシャフトの所定量の傾きを吸収しつつ前記子歯車の回転を前記ドライブシャフトに伝達可能であることが好ましい。ドライブシャフトと子歯車とを接続する継手部材がドライブシャフトの傾きを吸収することにより、親歯車と子歯車との噛み合いを安定させることができる。 Further, in the present invention, the drive shaft and the child gear are connected via a joint member, and the joint member absorbs a predetermined amount of inclination of the drive shaft while rotating the child gear. It is preferably transmissible to the drive shaft. Since the joint member that connects the drive shaft and the slave gear absorbs the inclination of the drive shaft, the engagement between the master gear and the slave gear can be stabilized.
また、本発明の無人航空機は、前記親歯車を駆動する駆動源を前記エンジンおよび前記モータの間で切り替える駆動源切替部をさらに備え、前記駆動源切替部は、予め定められた条件に基づいて前記親歯車を駆動する駆動源を自動的に切り替えることが好ましい。エンジンおよびモータの切替を自動的に行うことにより、例えばエンジンが故障したときに操縦者の判断を介さず速やかに駆動源を切り替えることで墜落を防止したり、騒音が規制されている区域に入ったときに自動的にエンジンを止めてモータで飛行させたりすることが可能になる。 The unmanned aerial vehicle of the present invention further includes a drive source switching unit that switches a drive source that drives the parent gear between the engine and the motor, and the drive source switching unit is based on a predetermined condition. It is preferable to automatically switch the drive source that drives the parent gear. By automatically switching between the engine and the motor, for example, when the engine fails, the drive source can be switched promptly without the operator's judgment to prevent a crash or enter an area where noise is regulated. It will be possible to automatically stop the engine and fly with a motor when you hit.
このとき、前記駆動源切替部は、前記エンジンの駆動中に前記親歯車の回転速度が所定の閾値範囲を超えたときに、自動的に前記エンジンを停止して前記モータを駆動することが好ましい。エンジンの異常は親歯車の回転速度の異常として表れる。また、各ロータの回転速度は親歯車の回転速度により決定される。よって親歯車の回転を監視することにより、エンジンに異常が生じた場合でも、機体が墜落する前に速やかに駆動源を切り替えることが可能となる。 At this time, it is preferable that the drive source switching unit automatically stops the engine and drives the motor when the rotation speed of the parent gear exceeds a predetermined threshold range while the engine is being driven. .. The engine abnormality appears as an abnormality in the rotation speed of the parent gear. The rotation speed of each rotor is determined by the rotation speed of the parent gear. Therefore, by monitoring the rotation of the parent gear, even if an abnormality occurs in the engine, it becomes possible to quickly switch the drive source before the aircraft crashes.
また、本発明の無人航空機は、前記モータの動力源であるバッテリーをさらに備え、前記バッテリーは機体に搭載された他の電気・電子機器の動力源を兼ねていることが好ましい。他の電気・電子機器でも使用されるバッテリーでモータを駆動することにより、部品点数や機体重量の増加を抑えつつ、駆動源を冗長化することができる。 In addition, it is preferable that the unmanned aerial vehicle of the present invention further includes a battery that is a power source of the motor, and the battery also serves as a power source of other electric / electronic devices mounted on the airframe. By driving the motor with the battery used in other electric / electronic devices, it is possible to make the drive sources redundant while suppressing an increase in the number of parts and the weight of the machine body.
このとき、前記モータは前記親歯車に従動して回転することで発電し、前記バッテリーは、前記エンジンの駆動中、前記モータが発生させた電力により充電されることが好ましい。エンジンを無人航空機の主な駆動源とする場合、親歯車を介したモータの従動を利用してバッテリーを充電することにより、バッテリーを他の電気・電子機器と共有する場合でもモータを駆動する際の電力を確保することができる。また、バッテリー残量が航続時間のボトルネックになることを避けることができる。 At this time, it is preferable that the motor be driven by the parent gear to rotate to generate electric power, and the battery be charged by electric power generated by the motor while the engine is being driven. When the engine is used as the main drive source of an unmanned aerial vehicle, the motor is driven by a parent gear to charge the battery, thereby driving the motor even when the battery is shared with other electric / electronic devices. It is possible to secure the electric power of. In addition, it is possible to prevent the remaining battery power from becoming a bottleneck in the cruising time.
このように、本発明の無人航空機によれば、動力伝達機構の複雑化を抑えつつ、一の駆動源でこれを飛行させることが可能となる。 As described above, according to the unmanned aerial vehicle of the present invention, it is possible to fly the power transmission mechanism with one drive source while suppressing the complication of the power transmission mechanism.
以下、図面を参照しながら本発明にかかる無人航空機の実施形態について説明する。以下に説明するマルチコプターMは、複数の水平回転翼で飛行する無人回転翼航空機の例である。なお、本発明でいう「水平回転翼」とは、回転軸の軸線方向が鉛直に延び、回転面が水平面となる回転翼をいう。回転軸や回転面を多少傾けたものであっても、その揚力が主に上方への成分で構成されるものであれば本発明の「水平回転翼」に含まれる。 Embodiments of an unmanned aerial vehicle according to the present invention will be described below with reference to the drawings. The multicopter M described below is an example of an unmanned rotorcraft that flies with multiple horizontal rotors. The "horizontal rotor" referred to in the present invention means a rotor whose axis of rotation extends vertically and whose plane of rotation is a horizontal plane. Even if the rotary shaft or the rotary surface is slightly tilted, the lift is mainly included in the upward component and is included in the “horizontal rotary blade” of the present invention.
以下の説明における「上下」とは、各図に描かれた座標軸のZ軸に平行な方向を意味しており、Z1側を「上」、Z2側を「下」とする。「前後」とは、同座標軸のX軸に平行な方向を意味しており、X1側を「前」、X2側を「後ろ」とする。同様に、「左右」とは、同座標軸のY軸に平行な方向を意味しており、Y1側を「右」、Y2側を「左」とする。また、「水平」とは、同座標軸に示されるXY平面方向を意味している。 “Upper and lower” in the following description means a direction parallel to the Z axis of the coordinate axes drawn in each drawing, and the Z1 side is “upper” and the Z2 side is “lower”. "Front-back" means a direction parallel to the X-axis of the same coordinate axis, and the X1 side is "front" and the X2 side is "rear". Similarly, “left and right” means a direction parallel to the Y axis of the same coordinate axis, and the Y1 side is “right” and the Y2 side is “left”. In addition, “horizontal” means the XY plane directions indicated by the same coordinate axes.
(構成概要)
図1は、本実施形態にかかるマルチコプターMの外観を示す斜視図である。図2は、図1のマルチコプターMを矢印A方向から見た正面図である。図3は、図1のマルチコプターMを矢印B方向から見た側面図である。
(Structure overview)
FIG. 1 is a perspective view showing the outer appearance of a multicopter M according to this embodiment. FIG. 2 is a front view of the multicopter M of FIG. 1 viewed from the direction of arrow A. FIG. 3 is a side view of the multicopter M of FIG. 1 viewed from the arrow B direction.
本形態のマルチコプターMはいわゆるクアッドコプタであり、機体の中心部であるボディフレーム10から4本のアーム71が平面視X形状に延び、各アーム71の先端に水平回転翼であるロータ50が配置されている。マルチコプターMはその駆動源として一基のエンジン30、およびDCモータ90(図4および図5を参照)(以下、単に「モータ90」という。)を搭載している。詳しくは後述するが、マルチコプターMは主としてエンジン30で飛行し、必要に応じてその駆動源をモータ90に切り替えることができる。エンジン30の駆動力は後述する動力伝達機構40により各ロータ50に伝達され、これらロータ50はエンジン30の駆動力により全て同じ速度で回転する。
The multicopter M of the present embodiment is a so-called quadcopter, in which four
本形態のロータ50はブレード51のピッチ角を動的に変更可能な可変ピッチロータである。そしてマルチコプターMは、各ロータ50のピッチ角を制御するピッチ変更機構60を備えている。本形態のマルチコプターMは、ピッチ変更機構60でロータ50のピッチ角を個々に調節することにより機体の姿勢制御および操舵を行う。
The
本形態のマルチコプターMは、その駆動源としてエンジン30を採用することにより、個々のロータ50をそれぞれのDCモータで駆動する従来の構成に比べ、格段に長い航続時間を実現している。また、エンジン30の燃料の補給は、バッテリーの充電とは異なり短時間で完了する。これによりマルチコプターMの連続的な飛行も可能となる。さらに、機体の姿勢制御および操舵をロータ50の回転数(回転速度と同義。以下同じ。)ではなくピッチ角の調節により行うことにより、エンジン30の動力伝達機構40を簡潔なものとしている。
The multicopter M of the present embodiment, by adopting the
(ボディフレーム)
マルチコプターMは、機体の中心部であり、エンジン30や後述するフライトコントローラFC等の電気・電子機器を保持するボディフレーム10を有している。本形態のボディフレーム10は、CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)製の平板材をアルミ製の固定部材で組み立てたフレームである。本形態のボディフレーム10は、主に、メインフレーム11、トッププレート12、およびエンジンフレーム13により構成されている。なお、以下にボディフレーム10の各部の構造を詳細に説明するが、本形態のボディフレーム10は一例であり、エンジン30やその他必要な機器を取り付け可能であればその構造は用途に応じて適宜変更可能である。
(Body frame)
The multicopter M is a central portion of the machine body and has a
メインフレーム11は、板面を上下に向けて上下に平行に配置された2枚のプレートである。メインフレーム11を構成する2枚のプレートの内側(以下、「メインフレーム11の内部」という。)には、アーム71の基端部を固定するパイプクランプであるアームホルダ111が配置されている。アームホルダ111は2つを一組としてアーム71ごとに用意されている。アーム71はアームホルダ111にその基端部が固定され、メインフレーム11から水平方向に延出している。また、本形態のアームホルダ111の各組には、ピッチ変更機構60の駆動源であるサーボ61を保持するプレートであるサーボホルダ14が接合されている。
The
トッププレート12は、板面を上下に向けてメインフレーム11の上方に配置されたプレートである。トッププレート12は、メインフレーム11の上面に垂直に立てられ複数の柱状部であるプレートポスト121に支持されている。本形態では、トッププレート12とメインフレーム11との間にエンジン30の燃料タンク31が配置されている。トッププレート12の用途は特に定められていない。
The
エンジンフレーム13はエンジン30を保持する2枚のプレートである。エンジンフレーム13は、板面を左右に向けて左右に平行に配置され、その上端がメインフレーム11の下面に接合されている。エンジンフレーム13の2枚のプレートの間には、柱状の補強材である2本の補強ポスト131が水平に渡されている。補強ポスト131がエンジンフレーム13のたわみを制限することでエンジンフレーム13の剛性が高められている。
The
(アーム)
本形態のアーム71はCFRP製のパイプ材により構成されている。上でも述べたように、各アーム71の基端部はメインフレーム11のアームホルダ111に固定されており、その先端にはロータ50が配置されている。各アーム71の長手方向における中ほどには、同じくCFRP製のパイプ材である降着スタンド72が継手部材721により接合されている。降着スタンド72は各アーム71から下方に延び、着陸時のマルチコプターMの機体を支持する。
(arm)
The
(動力伝達機構)
以下、マルチコプターMの動力伝達機構40について説明する。図4は、エンジン出力およびモータ出力の減速・分岐構造を示す部分拡大斜視図である。図5は、エンジン出力およびモータ出力の減速・分岐構造を示す部分拡大平面図である。図6は、アーム71内の動力伝達構造を示す側面視断面図である。図7は、子歯車45とドライブシャフト47とを結合する継手部材46の構造を示す分解斜視図である。
(Power transmission mechanism)
The power transmission mechanism 40 of the multicopter M will be described below. FIG. 4 is a partially enlarged perspective view showing a deceleration / branching structure of engine output and motor output. FIG. 5 is a partially enlarged plan view showing a deceleration / branching structure of engine output and motor output. FIG. 6 is a cross-sectional side view showing the power transmission structure in the
動力伝達機構40は、エンジン30の出力部351の回転を各ロータ50に伝達する機構であり、主に、歯付ベルト41、従動輪42、入力歯車43、親歯車44、子歯車45、ドライブシャフト47、および出力歯車49により構成されている。
The power transmission mechanism 40 is a mechanism that transmits the rotation of the
図4に示すように、本形態のエンジン30の出力部351は歯付ベルト41を回転させるプーリー(駆動輪)である。歯付ベルト41が掛けられたもう一方のプーリーである従動輪42は、出力部351よりも大径のプーリーである。本形態の出力部351は正面視CCW方向に回転する。そのため、本形態の歯付ベルト41は、出力部351に引き込まれるY1側のベルトが張り側となり、出力部351から送り出されるY2側のベルトが緩み側となる。本形態では、エンジンフレーム13に取り付けられたテンショナー411により緩み側のベルトを押さえ付け、緩み側のベルトの歯飛びを防止している。従動輪42は、メインフレーム11の内部に設けられた軸受113にその軸部421が回転可能に支持されている。従動輪42は、メインフレーム11の上下のプレートに設けられた逃がし穴112からその上下の端部が外部に露出している。エンジン30が駆動すると、その出力部351の回転は歯付ベルト41を経て従動輪42に伝達され、減速される。
As shown in FIG. 4, the
図5に示すように、メインフレーム11の内部には、軸線が鉛直となるように歯部441を上方に向けて配置された傘歯車部材である親歯車44が配置されている。親歯車44はメインフレーム11の下側のプレートに回転可能に支持されている。従動輪42の軸部421は、メインフレーム11内で合計3つの軸受113に支持されている。従動輪42の軸部421には、親歯車44の歯部441に噛合する傘歯車部材である入力歯車43が装着されている。親歯車44の直径は入力歯車43の直径よりも大きい。従動輪42の回転は入力歯車43から親歯車44に伝達され、親歯車44によりさらに減速される。
As shown in FIG. 5, a
また、親歯車44の歯部441には、モータ90の出力軸91に装着された傘歯車部材である入力歯車93が噛合している。モータ90は、メインフレーム11内にその出力軸91が水平に延びる向きに配置されている。モータ90は、メインフレーム11内に設けられたモータマウント115にその出力軸91側の端面が固定されており、メインフレーム11内に設けられた軸受114に出力軸91が支持されている。
An
親歯車44の歯部441には、入力歯車43,93の他にも、各アーム71の基端部の開口からメインフレーム11内に突き出した4つの傘歯車部材である子歯車45が噛合している。親歯車44と子歯車45とは互いに軸線が直交する向きに配置されており、これら子歯車45はそれぞれ異なるロータ50に動力を伝達する。本形態の子歯車45はすべて同じ直径であり、これらは同じ速度で回転する。子歯車45の直径は親歯車44の直径よりも小さく、親歯車44の回転は子歯車45に伝達されることで加速される。本形態の入力歯車43と子歯車45の直径は同じであり、結果的にこれらは同じ速度で回転する。なお、子歯車45の回転数は、従動輪42や入力歯車43、親歯車44、子歯車45の直径を適宜変更することにより柔軟に調節することができる。
In addition to the input gears 43 and 93, four tooth gears 45, which are four bevel gear members that protrude into the
図6に示すように、アーム71内には回転軸であるドライブシャフト47が挿入されている。ドライブシャフト47の長手方向における一端は子歯車45に接続されており、他端には傘歯車部材である出力歯車49が装着されている。出力歯車49はアーム71の先端側の開口から外部に突き出している。子歯車45の回転はドライブシャフト47を経て出力歯車49に伝達され、出力歯車49を回転させる。これによりエンジン30およびモータ90の駆動力は各ロータ50に伝達される。
As shown in FIG. 6, a
なお、図7に示すように、本形態の子歯車45とドライブシャフト47とは、これらの軸線のずれを吸収する継手部材46を介して接続されている。継手部材46は円筒形状の固定部材である。継手部材46の一方の開口には子歯車45の軸部452が止めねじ461で固定され、他方の開口には、ドライブシャフト47の端部にねじ固定された軸体であるアダプタ部材471が嵌合される。継手部材46は、子歯車45の軸部452には強固にねじ固定される一方、ドライブシャフト47のアダプタ部材471との間にはクリアランスが設けられており、ドライブシャフト47の多少の傾きであれば吸収することができる。アダプタ部材471はその短手方向断面が十字形状に形成されており、継手部材46側の開口もこれに対応した形状とされている。これらが周方向に係合することにより、ドライブシャフト47が傾いた場合でも子歯車45の回転はドライブシャフト47に伝達される。継手部材46がドライブシャフト47の傾きを吸収し、かかる傾きが子歯車45に伝達されることを防ぐことにより、親歯車44と子歯車45との噛み合いが安定する。なお、本形態では、ドライブシャフト47と出力歯車49も継手部材46を用いた同様の構造で接続されている。
In addition, as shown in FIG. 7, the
このように、本形態のマルチコプターMでは、軸線が鉛直となるように配置された親歯車44に対して、軸線の向きを親歯車44の軸線と直交させるように子歯車45を噛合させることにより、これら子歯車45を同一水平面上に配置しつつ、親歯車44の動力方向をドライブシャフト47による動力の伝達に適した向きに変換している。これにより動力の分岐構造が親歯車44および子歯車45のみに集約され、動力伝達機構40の構造が簡潔になっている。
As described above, in the multicopter M of the present embodiment, the
また、ドライブシャフト47は筒状のアーム71との親和性が高い。ドライブシャフト47による動力の伝達は、例えばベルトや歯車輪列を用いる場合に比べてスペース効率が高く、また、プーリーからのベルトの脱落や、ベルトの遠心張力による速度制限等を考慮する必要がない。また、アーム71内のドライブシャフト47はベアリング472で支持されており、長いアーム71を採用する場合でも安定して動力を伝達することができる。なお、ドライブシャフト47に代えてベルトを採用した場合の不利益が許容できるのであればベルトを使用してもよい。
Further, the
また、親歯車44と子歯車45との噛合角度はこれらの軸線が直交する角度には限られず、親歯車44とロータ50との位置関係に応じて、これらの軸線が非平行となる角度で噛合させればよい。また、親歯車44および子歯車45の形態は傘歯車には限られず、例えばクラウンギヤやハイポイド(登録商標)、ねじ歯車、ウォームを使うことによってもこれらの軸線を非平行にすることができる。また、親歯車44と子歯車45とは常に直接噛合されている必要はなく、必要であれば親歯車44と子歯車45との間に別の歯車を挟んでもよい。
Further, the meshing angle of the
さらに、本形態のマルチコプターMは4基のロータ50を備えるクアッドコプタであるが、子歯車45の数を増やすことで、例えばヘキサコプタ、オクタコプタとすることも可能である。
Further, the multicopter M of the present embodiment is a quadcopter including four
(ロータ)
図8はロータ50の基本構造、およびロータ50の回転方向の切替構造を示す側面図である。
(Rotor)
FIG. 8 is a side view showing the basic structure of the
本形態のロータ50は、主に、ブレード51、ロータハブ52、ロータシャフト53、ロータ歯車531、およびロータベース54により構成されている。
The
上でも述べたように、本形態のロータ50は可変ピッチプロペラであり、後述するピッチ変更機構60により飛行中にブレード51のピッチ角を動的に変更することができる。一般的なマルチコプターのロータには、捩り下げが施されたいわゆる飛行機用のプロペラが用いられるが、本形態のロータ50には、捩り下げのない、いわゆるヘリコプター用の平坦な翼型のブレード51が採用されている。各ロータ50のブレード51は後述するフェザリングヒンジ67を介してロータハブ52に接続されている。ロータハブ52は、ロータ50の回転軸であるロータシャフト53の頂部に固定されており、ロータシャフト53と一体的に回転する。ロータシャフト53の下端部には傘歯車であるロータ歯車531が装着されており、ロータ歯車531は出力歯車49に噛合している。
As described above, the
ロータベース54は、ロータシャフト53を回転可能に支持する軸受部材であり、アーム71の先端に装着されている。本形態のロータベース54は、ソケット部541、軸受プレート542、および補強ポスト543により構成されている。ソケット部541はアーム71の先端にねじ固定された円筒形状の接続部である。軸受プレート542はソケット部541から水平に延びる2枚のプレートであり、これらは上下に平行に配置されている。補強ポスト543は円柱形状の補強材であり、軸受プレート542の間に垂直に立てられ、軸受プレート542のたわみを制限する。
The
本形態のロータ歯車531は、歯部を下方に向けて出力歯車49に噛合する第1ロータ歯車531a、または、歯部を上方に向けて出力歯車49に噛合する第2ロータ歯車531bのいずれかである。第1ロータ歯車531aおよび第2ロータ歯車531bはロータシャフト53を互いに逆方向に回転させる。本形態では、隣接するロータ50の回転方向が逆になるように第1ロータ歯車531aと第2ロータ歯車531bとが使い分けられている。
The
複数のロータ50で飛行するマルチコプターMは、機体のヨー制御をロータ50の反トルクを利用して行う。そのため、CW方向に回転するロータ50とCCW方向に回転するロータ50とを同数備えることが望ましい。本形態のマルチコプターMは、各ロータ50について動力伝達機構40を共通化し、出力歯車49に対するロータ歯車531の噛合方向のみによって各ロータ50の回転方向を決定することにより、一部品(ロータ歯車531)の向きを変えるだけでCW方向に回転するロータ50とCCW方向に回転するロータ50の両方を設けることが可能とされている。これにより動力伝達機構40の構造がより簡潔なものとされている。これに加え、各ロータ50について動力伝達機構40が共通化されていることによって、すべてのロータ50を特別な調節なく同じ速度で駆動することが可能とされており、後述するピッチ変更機構60による機体の姿勢制御および操舵がより容易化されている。
The multicopter M flying with the plurality of
(ピッチ変更機構)
図9はマルチコプターMが備えるピッチ変更機構60の構造を示す部分拡大斜視図である。
(Pitch change mechanism)
FIG. 9 is a partially enlarged perspective view showing the structure of the
マルチコプターMのピッチ変更機構60は、主に、サーボ61(図1および図2参照)、コントロールロッド62、ピッチレバー63、スライダーリング64、ピッチコントロールプレート65、ピッチリンク651、およびフェザリングヒンジ67により構成されている。なお、ピッチ変更機構60はロータ50ごとに用意されている。
The
サーボ61はピッチ変更機構60の駆動源である。サーボ61の出力部であるサーボホーンの配置角度は後述するフライトコントローラFCにより制御される。
The
コントロールロッド62は、アーム71に沿って延びる細長い棒状のリンク部材である。コントロールロッド62は、その一端がサーボ61に接続され、他端はピッチレバーリンク621に接続されている。ピッチレバーリンク621は、コントロールロッド62の位置の変化をピッチレバー63に伝えるリンク部材である。
The
ピッチレバー63はフォーク形状のレバーであり、ロータベース54に固定された台座部631とともにヒンジ機構を形成している。サーボ61がコントロールロッド62をアーム71に沿って進退させるとピッチレバーリンク621が揺動する。ピッチレバー63はピッチレバーリンク621の揺動に連動して上下に旋回し、これに連結されたスライダーリング64をロータシャフト53に沿って昇降させる。
The
スライダーリング64は円筒形状の昇降部材である。スライダーリング64の外周面には、一対のフランジ部が形成されており、これらフランジ部の間の部分である溝部641には、ピッチレバー63の自由端に設けられた一対のボスが嵌合されている。これによりスライダーリング64はピッチレバー63の上下動に連動して昇降する。
The
そして、スライダーリング64は、ロータシャフト53に装着されロータシャフト53に沿って昇降可能な円筒形状のスリーブ部材であるスライダースリーブ66に装着されている。スライダースリーブ66は、フランジ状の頭部を有する半ねじ部材であり、頭部を下に、ねじ部を上にして配置されている。スライダースリーブ66のねじ部にはピッチコントロールプレート65が螺合されており、スライダーリング64は、スライダースリーブ66の頭部とピッチコントロールプレート65との間に挟まれている。これによりピッチコントロールプレート65は、スライダーリング64(スライダースリーブ66)と一体的に昇降する。
The
ピッチコントロールプレート65は、これに接続された2本のリンク部材であるピッチリンク651を昇降させる連結部材である。ピッチリンク651は、その下端がピッチコントロールプレート65に接続され、上端はフェザリングヒンジ67に接続されている。ピッチコントロールプレート65がピッチリンク651を昇降させることによりフェザリングヒンジ67の配置角度が変化する。
The
フェザリングヒンジ67は、ブレード51の基端部に固定されたリンク部材である。フェザリングヒンジ67はピッチリンク651の昇降に連動してブレード51のピッチ方向に回転し、ブレード51のピッチ角を変更する。
The feathering
このように、本形態のマルチコプターMは、機体の姿勢制御や操舵を各ロータ50の回転数の調節によらず各ロータ50のピッチ角を調節することにより行うことで、エンジン30の動力伝達機構40をより簡潔なものにすることが可能とされている。
As described above, the multicopter M according to the present embodiment performs the power transmission of the
(振動軽減構造)
図10は、エンジンフレーム13によるエンジン30の支持構造を示す透視側面図である。図10は図3と同じ方向からマルチコプターMを見た図である。以下、図2、図4、および図10を参照してマルチコプターMのエンジン構造および防振構造について説明する。
(Vibration reduction structure)
FIG. 10 is a perspective side view showing the support structure of the
本形態のエンジン30は一般的な2ストローク単気筒エンジンである。図2および図10に示すように、エンジン30は、エアクリーナー321を通した空気と燃料タンク31の燃料(混合ガソリン)とを機体の右側(Y1側)に設けられたキャブレター32で混合し、これをシリンダー33で燃焼させてクランクシャフトおよび出力部351を回転させる。そして、エンジン30の左側(Y2側)に設けられたマフラー36から排気ガスを放出する。
The
図10に示すように、本形態のエンジン30は、エンジン30をエンジンフレーム13に取り付けるアダプタ部材である第1エンジンマウント381および第2エンジンマウント382(以下、「エンジンマウント381,382」ともいう。)有している。エンジンマウント381,382は、エンジン30が有するクランクケース34の前後の端部に装着されている。エンジンマウント381,382とエンジンフレーム13とは、弾性体を用いた防振部材であるダンパーD1を介して接合されており、エンジン30はエンジンフレーム13に直接的には固定されていない。つまり本形態のエンジン30はボディフレーム10に接触していない。なお、ダンパーD1は図10に描かれたエンジンマウント381,382の裏側における同位置にも設けられている。
As shown in FIG. 10, the
クランクケース34の下には、シリンダー33がそのピストン方向を上下に向けて配置されている。シリンダー33の下面にはスパークプラグ331が取り付けられている。また、本形態のエンジン30は空冷エンジンであり、シリンダー33はクーリングファン37で冷却される。クーリングファン37は、冷却風の流路を定めるケース体と、その内部に配置されたファンとを有している。クーリングファン37はクランクシャフトの回転を利用してケース内のファンを回転させる。クーリングファン37のケース体はエンジン30には触れておらず、その接続部371がエンジンフレーム13にねじ固定されている。
Below the
クランクケース34の前方には、遠心クラッチにより動力の伝達が継断される出力部材であるクラッチベル35が配置されている。クラッチベル35の前端部にはねじ溝が切られており、そこには出力部351が螺合されている。クラッチベル35および出力部351の軸部352は軸受部15に回転可能に支持されている。軸受部15は、エンジンフレーム13にねじ固定された連結部である軸受ベース151にダンパーD2を介して接合されている。また、クランクケース34の後ろにはリコイルスターター341が配置されている。
In front of the
図11はダンパーD1,D2の内部構造を示す断面図である。図11(a)はダンパーD1の内部構造を示しており、図11(b)はダンパーD2の内部構造を示している。 FIG. 11 is a sectional view showing the internal structure of the dampers D1 and D2. 11A shows the internal structure of the damper D1, and FIG. 11B shows the internal structure of the damper D2.
ダンパーD1は、エンジンマウント381,382とエンジンフレーム13とを接合する防振部材である。図11(a)に示すように、本形態のダンパーD1は、主に、円筒形状のラバー部材81と、ラバー部材81をエンジンフレーム13に固定するナット部材84およびボルト83とにより構成されている。
The damper D1 is a vibration isolating member that joins the engine mounts 381 and 382 with the
ラバー部材81は、円筒形状の弾性体であるラバー811と、ラバー811の内外周を保護する硬質のケース体であるラバーケース812とを有している。エンジンマウント381,382には、ラバー部材81の外径寸法に対応した穴が設けられており、ラバー部材81は、その開口を左右(Y軸方向)に向けてエンジンマウント381,382の穴に嵌合されている。
The
ナット部材84は、ラバー部材81の内径よりも大きな直径のフランジ部841と、ラバー部材81の内径に対応した直径の軸部842とを有しており、ラバー部材81の筒内には、ナット部材84の軸部842が挿入されている。ラバー部材81は、その右側の端面がエンジンフレーム13の内面に接触し、左側の端面がナット部材84のフランジ部841に接触している。そして、エンジンフレーム13の外側からナット部材84の軸部842のねじ穴にボルト83が螺合されることで、エンジンマウント381,382は、ダンパーD1を介してエンジンフレーム13に固定される。なお、エンジンフレーム13の外面とボルト83の頭部との間にはワッシャ831が配置されており、エンジン30の振動によるボルト83頭部の沈み込みが防止されている。
The
上でも述べたように、本形態のエンジン30はピストンが上下に往復する。そのため、エンジン30が生じさせる振動は上下方向の成分の比率が大きい。また、エンジン30のような単気筒エンジンは、一般に多気筒エンジンに比べて振動が大きい。本形態のマルチコプターMでは、エンジン30の上下方向の振動がダンパーD1により吸収される。これによりエンジンフレーム13に伝達されるエンジン30の振動が効率的に軽減される。なお、駆動原の大型化が許容できる場合はエンジン30を多気筒エンジンに代えてもよい。そうすることでエンジン30の振動をより抑えることが可能となる。
As described above, in the
ダンパーD2は、エンジン出力部351の軸部352を支持する軸受部15と、エンジンフレーム13に固定された軸受ベース151と、を接合する防振部材である。図11(b)に示すように、本形態のダンパーD2は、主に、円柱形状のラバー86と、ラバー86の上下面を保護する硬質のケース体であるラバーケース87と、ラバー86を軸受部15に固定するボルト88とにより構成されている。
The damper D2 is a vibration isolating member that joins the bearing
ダンパーD2のラバー86はその端面を上下に向けて配置されている。ラバー86の上面を保護するラバーケース87は、その上面の中央から上方に延出したねじ部871を有しており、ねじ部871は、軸受ベース151のねじ穴に螺合されている。そして、ラバー86の下面を保護するラバーケース87は、その中央にねじ穴872を有しており、ねじ穴872には、軸受部15の下からボルト88が螺合される。これによりダンパーD2は軸受ベース151と軸受部15の間に固定され、軸受部15の上下方向の振動を吸収し、軸受ベース151つまりエンジンフレーム13への振動の伝達を軽減する。このように、本形態のマルチコプターMでは、エンジン30の出力部351が軸受部15に支持され、これが別途エンジンフレーム13にダンパーD2で支持されていることにより、エンジン30の振動の影響を抑えつつ、駆動力の伝達精度が高められている。
The
そして、本形態のマルチコプターMでは、エンジン30の出力部351の回転は、メインフレーム11に支持された従動輪42に対して歯付ベルト41で伝達される。本形態のエンジン30は、ボディフレーム10に接触することなくダンパーD1,D2で支持されており、これによりボディフレーム10に伝達されるエンジン30の振動が軽減されている。一方、エンジン30が強固に固定されないことにより、エンジン30自体の振動はより大きなものとなる。かかるエンジン30の駆動力を、従動輪42に対して歯付ベルト41で伝達することにより、エンジン30の振動の吸収、動力の確実な伝達、および騒音の軽減などの効果がバランス良く実現されている。
Then, in the multicopter M of the present embodiment, the rotation of the
なお、本形態ではエンジン30の出力部351と従動輪42とが歯付ベルト41で連結されているが、歯付ベルト41に代えてチェーンを用いても同様の効果を得ることができる。また、本形態のダンパーD1,D2は、エンジン30の振動を弾性体で吸収する構造を採用することによりダンパー構造の単純化が図られているが、エンジン30を支持するダンパーは弾性体を用いたものには限られず、例えばガス、オイル、またはバネを用いたダンパーであってもよい。
In the present embodiment, the
(機能構成)
図12はマルチコプターMの機能構成を示すブロック図である。本形態のマルチコプターMの機能は、制御部であるフライトコントローラFC、ロータ50、親歯車44を介してロータ50を駆動する駆動源であるエンジン30およびモータ90、ピッチ変更機構60、操縦者(オペレータ端末51)と通信を行う通信装置52、および、モータ90やフライトコントローラFC、ピッチ変更機構60、通信装置52等の電気・電子機器に電力を供給するバッテリー29により構成されている。
(Function configuration)
FIG. 12 is a block diagram showing the functional configuration of the multi-copter M. The function of the multicopter M of this embodiment is to control the flight controller FC that is a control unit, the
フライトコントローラFCは制御装置20を有している。制御装置20は、中央処理装置であるCPU21と、RAMやROM・フラッシュメモリなどの記憶装置からなるメモリ22とを有している。
The flight controller FC has a
フライトコントローラFCはさらに、IMU25(Inertial Measurement Unit:慣性計測装置)、GPS受信器26、気圧センサ27、および電子コンパス28を含む飛行制御センサ群Sを有しており、これらは制御装置20に接続されている。
The flight controller FC further includes a flight control sensor group S including an IMU 25 (Inertial Measurement Unit), a
IMU25はマルチコプターMの傾きを検出するセンサであり、主に3軸加速度センサおよび3軸角速度センサにより構成されている。GPS受信器26は、正確には航法衛星システム(NSS:Navigation Satellite System)の受信器である。GPS受信器26は、全地球航法衛星システム(GNSS:Global Navigation Satellite System)または地域航法衛星システム(RNSS:Regional Navigational Satellite System)から現在の経緯度値を取得する。気圧センサ27は、検出した気圧高度からマルチコプターMの海抜高度(標高)を特定する高度センサである。電子コンパス28には3軸地磁気センサが用いられており、電子コンパス28はマルチコプターMの機首の方位角を検出する。
The
フライトコンローラFCは、これら飛行制御センサ群Sにより、機体の傾きや回転のほか、飛行中の経緯度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得することが可能とされている。 With the flight control sensor group S, the flight controller FC can acquire the position information of the aircraft including the longitude and latitude of the aircraft, the altitude, and the azimuth of the nose, in addition to the tilt and rotation of the aircraft. Has been done.
なお、本形態の飛行制御センサ群Sは一例であり、フライトコンローラFCを構成するセンサ類は本形態の組み合わせには限られない。例えば、気圧センサ27に代えて、あるいは気圧センサ27に加えて、測定方向を下方に向けたレーザ測距センサやステレオカメラ等で対地高度を取得することが考えられる。また、GPS受信器26が電波を受信不能な場所では、機体の水平移動をオプティカルフローセンサや画像認識等で検知することが考えられる。その他、レーザや赤外線、超音波などを利用した複数の測距センサで周辺物との距離を測定し、その距離からマルチコプターMの空間位置を特定することも可能である。
The flight control sensor group S of the present embodiment is an example, and the sensors forming the flight controller FC are not limited to the combination of the present embodiment. For example, instead of the
制御装置20は、マルチコプターMの飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御するプログラムである飛行制御プログラムFSを有している。飛行制御プログラムFSは、飛行制御センサ群Sから取得した情報を基にピッチ変更機構60により個々のロータ50のピッチ角を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながらマルチコプターMを飛行させる。
The
制御装置20はさらに、マルチコプターMを自律飛行させるプログラムである自律飛行プログラムAPを有している。そして、制御装置20のメモリ22には、マルチコプターMの目的地や経由地の経緯度、飛行中の高度や速度などが指定されたパラメータである飛行計画FPが登録されている。自律飛行プログラムAPは、オペレータ端末51からの指示や所定の時刻などを開始条件として、飛行計画FPに従ってマルチコプターMを自律的に飛行させる。
The
このように、本形態のマルチコプターMは高度な飛行制御機能を備えた無人航空機である。ただし、本発明の無人航空機はマルチコプターMの形態には限定されず、例えば飛行制御センサ群Sから一部のセンサが省略された機体や、自律飛行機能を備えず手動操縦のみにより飛行可能な機体を用いることもできる。また、エンジン30の空燃比の操作は操縦者が手動でサーボ39を操作して行うが、これを自動化することも可能である。
As described above, the multi-copter M of this embodiment is an unmanned aerial vehicle having a sophisticated flight control function. However, the unmanned aerial vehicle of the present invention is not limited to the form of the multicopter M, and can fly, for example, an aircraft in which some of the sensors are omitted from the flight control sensor group S, or can be fly only by manual control without an autonomous flight function. An airframe can also be used. Further, although the operator manually operates the
また、制御装置20は、親歯車44を駆動する駆動源をエンジン30およびモータ90の間で切り替える駆動源切替プログラムDS(駆動源切替部)を有している。上でも述べたように、本形態のマルチコプターMは主としてエンジン30で飛行する。モータ90はあくまで補助的な駆動源であり、限られた場面において一時的にエンジン30に代わって親歯車44を駆動する。駆動源切替プログラムDSは、オペレータ端末51からの指示を受けて駆動源を切り替えることができるとともに、予め定められた条件に基づいて自動的に駆動源を切り替えることもできる。
Further, the
例えば、駆動源切替プログラムDSは、エンジン30の動作に異常が生じたときに自動的にエンジン30を停止してモータ90を駆動させる。駆動源切替プログラムDSは、親歯車44の回転をエンコーダ449で監視しており、その回転数が正常値の閾値範囲を超えたときに、駆動源を自動的にモータ90に切り替え、マルチコプターMを軟着陸させる。エンジン30の異常は親歯車44の回転数の異常として表れる。また、各ロータ50の回転数は親歯車44の回転数により決定される。マルチコプターMは親歯車44の回転を監視することにより、エンジン30に異常が生じた場合でも機体が墜落する前に速やかに駆動源を切り替えることが可能とされている。なお、エンコーダ449は親歯車44の回転数を計測可能なロータリーエンコーダであればよく、その検出方式は問わない。エンコーダ449には、例えば光電センサや電磁ピックアップ、渦電流変位センサなどを好適に用いることができる。
For example, the drive source switching program DS automatically stops the
また、駆動源切替プログラムDSは、GPS受信機26や気圧センサ27の出力値を監視しており、例えば市街地や低空域など、騒音が規制されている区域をマルチコプターMが通過するときにも駆動源をモータ90に切り替える。なお、駆動源切替プログラムDSが駆動源を切り替える条件は任意であり、マルチコプターMの用途や飛行要件に応じて適宜設定可能である。必要であればその条件を検知するためのセンサ等を別途搭載してもよい。さらには、駆動源切替プログラムDSによる駆動源の自動切替はマルチコプターMの必須の機能ではなく、オペレータ端末51からの指示のみによって駆動源を切り替える構成としてもよい。
Further, the drive source switching program DS monitors the output values of the
上でも述べたように、マルチコプターMでは、モータ90と他の電気・電子機器とがバッテリー29を共有している。これにより、機体の部品点数や機体重量の増加を抑えつつ、エンジン30の故障時にモータ90でこれをバックアップすることが可能とされている。
As described above, in the multicopter M, the
また、本形態のモータ90は、エンジン30が駆動している最中は、親歯車44に従動して回転することで発電を行う。そしてバッテリー29はモータ90が発生させた電力により充電される。マルチコプターMでは、エンジン30の駆動中にモータ90の従動を利用してバッテリー29を充電することにより、バッテリー29を他の電気・電子機器と共有しながらもモータ90を駆動する際の電力が確保される。また、バッテリー29の残量が航続時間のボトルネックとなることもない。
Further, the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることができる。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the scope of the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
M:マルチコプター(無人航空機),10:ボディフレーム,11:メインフレーム,111:アームホルダ,113:軸受,12:トップフレーム,13:エンジンフレーム,14:サーボホルダ,15:軸受部151:軸受ベース,FC:フライトコントローラ,FS:飛行制御プログラム,S:飛行制御センサ群,DS:駆動源切替プログラム(駆動源切替部),29:バッテリー,30:エンジン(駆動源),31:燃料タンク,351:出力部,352:軸部,381:第1エンジンマウント,382:第2エンジンマウント,40:動力伝達機構,41:歯付ベルト,42:従動輪,421:軸部,43:入力歯車,44:親歯車,441:歯部,449:エンコーダ,45:子歯車,451:歯車部,452:結合部,46:継手部材,461:止めねじ,47:ドライブシャフト(回転軸),471:アダプタ部材,472:ベアリング,49:出力歯車,50:ロータ(水平回転翼),51:ブレード,53:ロータシャフト,531:ロータ歯車,531a:第1ロータ歯車,531b:第2ロータ歯車,60:ピッチ変更機構,61:サーボ,62:コントロールロッド,621:ピッチレバーリンク,63:ピッチレバー,64:スライダーリング,65:ピッチコントロールプレート,651:ピッチリンク,67:フェザリングヒンジ,71:アーム,D1,D2:ダンパー,81:ラバー部材,811:ラバー(弾性体),812:ラバーケース,83:ボルト,831:ワッシャ,84:ナット部材,841:フランジ部,842:軸部,86:ラバー(弾性体),87:ラバーケース,871:ボルト部,872:ナット部,88:ボルト,90:モータ,93:入力歯車 M: Multicopter (unmanned aerial vehicle), 10: Body frame, 11: Main frame, 111: Arm holder, 113: Bearing, 12: Top frame, 13: Engine frame, 14: Servo holder, 15: Bearing section 151: Bearing base , FC: Flight controller, FS: Flight control program, S: Flight control sensor group, DS: Drive source switching program (drive source switching unit), 29: Battery, 30: Engine (drive source), 31: Fuel tank, 351 : Output part, 352: shaft part, 381: first engine mount, 382: second engine mount, 40: power transmission mechanism, 41: toothed belt, 42: driven wheel, 421: shaft part, 43: input gear, 44: parent gear, 441: tooth portion, 449: encoder, 45: child gear, 451: gear portion, 452: coupling portion, 46: joint member, 461: set screw, 47: drive shaft (rotating shaft), 471: Adapter member, 472: Bearing, 49: Output gear, 50: Rotor (horizontal rotor), 51: Blade, 53: Rotor shaft, 531: Rotor gear, 531a: First rotor gear, 531b: Second rotor gear, 60 : Pitch changing mechanism, 61: Servo, 62: Control rod, 621: Pitch lever link, 63: Pitch lever, 64: Slider ring, 65: Pitch control plate, 651: Pitch link, 67: Feathering hinge, 71: Arm , D1, D2: damper, 81: rubber member, 811: rubber (elastic body), 812: rubber case, 83: bolt, 831: washer, 84: nut member, 841: flange portion, 842: shaft portion, 86: Rubber (elastic body), 87: Rubber case, 871: Bolt part, 872: Nut part, 88: Bolt, 90: Motor, 93: Input gear
Claims (10)
複数の水平回転翼と、
前記駆動源の動力を前記複数の水平回転翼に伝達する動力伝達機構と、
前記各水平回転翼のピッチ角を変化させるピッチ変更機構と、を備え、
前記動力伝達機構は、
軸線が鉛直となる向きに配置された歯車部材である親歯車と、
前記親歯車に接続される複数の歯車部材である子歯車と、を有し、
前記親歯車および前記子歯車は軸線が非平行となる向きに配置され、
前記エンジンおよび前記モータはいずれも前記親歯車を駆動可能であり、
前記複数の子歯車はそれぞれ異なる前記水平回転翼に動力を伝達し、
前記親歯車を駆動する駆動源を前記エンジンおよび前記モータの間で切り替える駆動源切替部をさらに備え、
前記駆動源切替部は、前記エンジンの駆動中に前記動力伝達機構を構成する歯車部材の回転速度が所定の閾値範囲を超えたら、自動的に前記エンジンを停止して前記モータを駆動することを特徴とする無人航空機。 An engine and a motor that are drive sources,
Multiple horizontal rotors,
A power transmission mechanism that transmits the power of the drive source to the plurality of horizontal rotors,
A pitch changing mechanism for changing the pitch angle of each horizontal rotor,
The power transmission mechanism is
A parent gear, which is a gear member arranged in a direction in which the axis is vertical,
And a child gear that is a plurality of gear members connected to the parent gear,
The parent gear and the child gear are arranged so that the axes are non-parallel to each other,
Both the engine and the motor can drive the parent gear,
The plurality of child gears transmits power to the different horizontal rotors ,
Further comprising a drive source switching unit that switches a drive source that drives the parent gear between the engine and the motor,
The drive source switching unit automatically stops the engine and drives the motor when the rotation speed of the gear member that constitutes the power transmission mechanism exceeds a predetermined threshold range while the engine is being driven. Characteristic unmanned aerial vehicle.
前記各ドライブシャフトの軸線方向における一端には前記子歯車のいずれかが接続され、他端には傘歯車である出力歯車が設けられ、
前記各水平回転翼の回転軸であるロータシャフトには、前記出力歯車に噛合する傘歯車であるロータ歯車が設けられ、
前記ロータ歯車は、歯部を下方に向けて前記出力歯車に噛合し前記水平回転翼を一方に回転させる第1ロータ歯車と、歯部を上方に向けて前記出力歯車に噛合し前記水平回転翼を他方に回転させる第2ロータ歯車と、を有することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の無人航空機。 Having a drive shaft that is a plurality of rotating shafts,
One of the child gears is connected to one end in the axial direction of each drive shaft, and an output gear that is a bevel gear is provided at the other end.
The rotor shaft, which is the rotating shaft of each of the horizontal rotors, is provided with a rotor gear that is a bevel gear that meshes with the output gear,
The rotor gear has a first rotor gear that meshes with the output gear with its teeth facing downward and rotates the horizontal rotor to one side, and a horizontal rotor that meshes with the output gear with its teeth facing upward. The second unmanned aerial vehicle according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
前記ドライブシャフトは前記各アームの内部に配置されることを特徴とする請求項5に記載の無人航空機。 An arm that is a plurality of cylindrical bodies that extends radially from the center of the machine body in a plan view is provided.
The unmanned aerial vehicle according to claim 5, wherein the drive shaft is disposed inside each of the arms.
前記継手部材は、前記ドライブシャフトの所定量の傾きを吸収しつつ前記子歯車の回転を前記ドライブシャフトに伝達可能であることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の無人航空機。 The drive shaft and the child gear are connected via a joint member,
The unmanned aerial vehicle according to claim 5 or 6, wherein the joint member is capable of transmitting the rotation of the slave gear to the drive shaft while absorbing a predetermined amount of inclination of the drive shaft.
前記バッテリーは機体に搭載された他の電気・電子機器の動力源を兼ねていることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の無人航空機。 Further comprising a battery that is a power source of the motor,
The unmanned aerial vehicle according to any one of claims 1 to 8 , wherein the battery doubles as a power source for other electric and electronic devices mounted on the airframe.
前記バッテリーは、前記エンジンの駆動中、前記モータが発生させた電力により充電されることを特徴とする請求項9に記載の無人航空機。 The motor generates power by rotating following the parent gear,
The unmanned aerial vehicle according to claim 9 , wherein the battery is charged by electric power generated by the motor while the engine is being driven.
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