(57)【要約】【課題】衝突時の衝撃力を緩和する。【解決手段】飛行体１は、本体２と、空中を飛行するための推力を発生する推力発生部１０と、本体２と推力発生部１０とを接続すると共に、本体２に対する推力発生部１０の相対位置を可変とする可変部１５と、を備え、可変部１５は、当該相対位置を維持する第１態様から、当該相対位置の変化を許容する第２態様に変形可能に構成されている。【選択図】図３
2020157971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体と、
空中を飛行するための推力を発生する推力発生部と、
前記本体と前記推力発生部とを接続すると共に、前記本体に対する前記推力発生部の相対位置を可変とする可変部と、
を備え、
前記可変部は、前記相対位置を維持する第１態様から、前記相対位置の変化を許容する第２態様に変形可能に構成されている、飛行体。
【請求項２】
前記推力発生部は、前記推力を発生するロータと、先端に前記ロータが接続されたフレームとを含み、
前記可変部は、前記本体と前記フレームの基端とを接続している、請求項１に記載の飛行体。
【請求項３】
前記可変部を含むフレームを更に備え、
前記推力発生部は、前記推力を発生するロータを含み、
前記フレームの基端は前記本体に接続され、
前記フレームの先端は前記ロータに接続されている、請求項１に記載の飛行体。
【請求項４】
前記本体及び前記推力発生部の少なくとも一方が衝突時の衝撃力を受け、時間と共に増加する前記衝撃力が閾値を超えたときに、前記可変部は、前記第１態様から前記第２態様に変形する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の飛行体。
【請求項５】
飛行状態の異常を検知する異常検知部を更に備え、
飛行中において、前記異常検知部が前記異常を検知したときに、前記可変部は、前記第１態様から前記第２態様に変形する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の飛行体。
【請求項６】
前記推力発生部に接続されるケーブルを更に備え、
前記推力発生部は、前記推力を発生するロータと、先端に前記ロータが取り付けられたフレームとを含み、
前記ケーブルの一端は、前記本体に接続され、
前記ケーブルの他端は、前記ロータに接続され、
前記ケーブルの長さは、前記フレームの長さよりも長い、請求項１〜５のいずれか一項に記載の飛行体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、飛行体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のロータを備えた飛行体として、マルチコプター型の無人航空機（ＵＡＶ：Unmanned  Aerial  Vehicle）が知られている。かかるＵＡＶは、例えば、空中において突風及び構造物への衝突等の外乱の影響によって落下することがある。飛行体の落下によって他の物体に衝突すると、衝突時の衝撃力によって飛行体の故障又は物体への被害を招き得る。かかる衝撃力を緩和するための技術として、特許文献１及び特許文献２が開示されている。
【０００３】
特許文献１は、落下回収される航空機を開示している。この航空機の胴体は、主翼が固定された前方胴部と、垂直尾翼等が固定された後方胴部とを含む。この胴部は、落下時に所定閾値を超える曲げ荷重が加えられた場合に、前方胴部と後方胴部との連結部分で局所的に折曲するように構成されている。特許文献２は、墜落時に膨張展開するエアバックが取り付けられた小型飛行体を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３１２４０８号公報
【特許文献２】特開２０１８−３４７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、特許文献１に記載の航空機では、胴体の折曲により落下時の衝撃力が前方胴部と後方胴部とに分散されている。しかし、この航空機では、各胴部が同一物体に衝突した場合、当該物体が各胴部からそれぞれ受ける衝撃力の総和は、胴体が折曲しない場合と変わらない場合がある。
【０００６】
本開示は、衝突時の衝撃力を緩和できる飛行体を説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一形態に係る飛行体は、本体と、空中を飛行するための推力を発生する推力発生部と、本体と推力発生部とを接続すると共に、本体に対する推力発生部の相対位置を可変とする可変部と、を備え、可変部は、相対位置を維持する第１態様から、相対位置の変化を許容する第２態様に変形可能に構成されている。
【０００８】
この飛行体は、本体と推力発生部とを接続する可変部を備えており、可変部は、第１態様から第２態様に変形可能に構成されている。可変部が第１態様であるとき、本体に対する推力発生部の相対位置は維持されるので、可変部の剛性は高い。よって、可変部の第１態様は、飛行体の通常の飛行の維持を可能にすることができる。一方、可変部が第２態様であるとき、当該相対位置の変化が許容されるので、可変部の剛性は第１態様よりも低下する。このように可変部の剛性が低下することによって、衝撃力に対する飛行体全体の衝撃応答時間が長くなる。衝撃力に起因するエネルギは、力と時間との積であるとすれば、衝撃応答時間が長くなることにより、力の最大値は低下する。つまり、物体への衝突時に飛行体が物体に与える衝撃力のピークを下げることができる。したがって、可変部を剛性の低い第２態様に変形させることによって、衝突時の衝撃力を緩和できる。
【０００９】
いくつかの態様において、推力発生部は、推力を発生するロータと、先端にロータが接続されたフレームとを含み、可変部は、本体とフレームの基端とを接続していてもよい。本体とフレームの基端との接続部分である可変部には、例えば衝突時の衝撃力による応力が集中し易い。しかし、上述した構成によれば、可変部を第２態様に変形させることによって可変部の剛性を低下することができるので、可変部への応力の集中を抑制することができる。
【００１０】
いくつかの態様において、飛行体は、可変部を含むフレームを更に備え、推力発生部は、推力を発生するロータを含み、フレームの基端は本体に接続され、フレームの先端はロータに接続されていてもよい。このように、可変部がフレームに含まれることによって、衝突時の衝撃力をさらに良好に緩和できる。
【００１１】
いくつかの態様において、本体及び推力発生部の少なくとも一方が衝突時の衝撃力を受け、時間と共に増加する衝撃力が閾値を超えたときに、可変部は、第１態様から第２態様に変形してもよい。この場合、可変部は、衝突時の衝撃力をトリガーとして第１態様から第２態様に変形する。このように物理的な衝撃力をトリガーとすることができるので、可変部を変形させるための制御信号をトリガーとして生成する場合と比べて、飛行体の制御系の構成を簡易にすることができる。
【００１２】
いくつかの態様において、飛行体は、飛行状態の異常を検知する異常検知部を更に備え、飛行中において、異常検知部が異常を検知したときに、可変部は、第１態様から第２態様に変形してもよい。この場合、可変部は、異常検知部が異常を検知したときの信号をトリガーとして第１態様から第２態様に変形する。これにより、飛行体の物体への衝突時よりも前に可変部を第２態様に変形させることができるので、衝突時の衝撃力をより確実に緩和できる。
【００１３】
いくつかの態様において、飛行体は、推力発生部に接続されるケーブルを更に備え、推力発生部は、推力を発生するロータと、先端にロータが取り付けられたフレームとを含み、ケーブルの一端は、本体に接続され、ケーブルの他端は、ロータに接続され、ケーブルの長さは、フレームの長さよりも長くてもよい。この場合、可変部においてケーブルの余長を確保することができる。これにより、可変部が第１態様から第２態様に変形するときに、可変部の変形に起因してケーブルが損傷することを抑制できる。
【発明の効果】
【００１４】
本開示のいくつかの態様によれば、衝突時の衝撃力を緩和できる飛行体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、第１実施形態に係る飛行体の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す飛行体の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、図１に示す飛行体の可変部の第１態様を示す側面図である。
【図４】図４は、図１に示す飛行体の可変部の第２態様を示す側面図である。
【図５】図５は、図１に示す飛行体の作用・効果を説明するための概念図である。
【図６】図６は、図１に示す飛行体の作用・効果を説明するためのグラフである。
【図７】図７は、第２実施形態に係る飛行体の概略構成を示す上面図である。
【図８】図８は、図７に示す飛行体の電気的構成を示すブロック図である。
【図９】図９は、図７に示す飛行体の可変部の第１態様を示す断面図である。
【図１０】図１０は、図７に示す飛行体の可変部の第２態様を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。以下の説明では、本発明が、無人航空機（以下、ＵＡＶ（Unmanned  Aerial  Vehicle）という）に適用される場合について説明する。また、以下の説明において、「上」及び「下」との語は、後述する本体２を通る基準軸線Ｎ（図１参照）が鉛直方向に沿った状態を基準として用いられる。「上」との語は、基準軸線Ｎが鉛直方向に沿った状態において、鉛直方向における地面とは反対側を示しており、「下」との語は、基準軸線Ｎが鉛直方向に沿った状態において、鉛直方向における地面側を示している。
【００１７】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る飛行体１の概略構成を示す斜視図である。飛行体１は、例えばマルチロータ機（回転翼機）であり、飛行指令に従って無人で飛行する。図１に示すように、飛行体１は、本体２と、空中を飛行するための推力を発生する推力発生部１０と、本体２と推力発生部１０とを接続する可変部１５と、を備えている。
【００１８】
本体２は、飛行体１の制御機器等を内部に収容している。本体２は、例えば、直方体状を呈しており、飛行体１の中央を通る基準軸線Ｎ上に配置されている。本体２は、基準軸線Ｎの延在方向において互いに対面する上面２ａ及び下面２ｂと、上面２ａ及び下面２ｂを繋ぐ４枚の側面２ｃと、を有する。基準軸線Ｎは、例えば、その延在方向から見て本体２の中央を通り且つ上面２ａ及び下面２ｂと直交するように配置されている。
【００１９】
推力発生部１０は、複数のロータ１１と、複数のロータ１１と本体２とを接続する複数のフレーム１２と、を有している。複数のロータ１１は、基準軸線Ｎの周囲にそれぞれ配置されている。図１に示す例では、６個のロータ１１が、基準軸線Ｎの周囲に等間隔で配置されており、飛行体１は、ヘキサコプタ型の飛行体１となっている。６個のロータ１１の回転中心１１ａは、例えば、同一平面上に位置しており、基準軸線Ｎの延在方向から見た場合に、正六角形の頂点（すなわち角位置）上にそれぞれ配置されている。
【００２０】
６個のロータ１１は、必ずしも正六角形の頂点上に配置される必要は無く、互いに対向する一対の辺が他の辺よりも長い六角形の頂点上に配置されてもよい。また、６個のロータ１１は、必ずしも同一平面上に配置されなくてもよく、基準軸線Ｎの延在方向において互いにずれた位置に配置されてもよい。基準軸線Ｎと直交する方向に関して６個のロータ１１が対称性を有するように配置されると、飛行体１の制御系を簡易化でき、飛行体１の設計及び実装が容易となる。
【００２１】
各ロータ１１の回転軸線は、例えば基準軸線Ｎに沿っている。このように基準軸線Ｎに沿った回転軸線を有する各ロータ１１が回転することで、各ロータ１１は、基準軸線Ｎの延在方向への推力（揚力）を発生する。なお、ロータ１１の回転軸線は、基準軸線Ｎに対して傾斜した方向に沿っていてもよい。また、図１に示す例では、ロータ１１は、３枚の羽根を有しているが、これに限られない。ロータ１１は、例えば２枚又は３枚以上の羽根を有してもよい。また、図１に示す例では、６個のロータ１１を備えた飛行体１を示しているが、ロータ１１の設置数は６個未満であってもよく、６個よりも多くてもよい。
【００２２】
各フレーム１２は、例えば、各ロータ１１と本体２とを接続する棒状の部材であり、本体２を中心として放射状に延びている。基準軸線Ｎが鉛直方向に沿った状態において、各フレーム１２は水平方向に沿っている。フレーム１２の基端１２ａは、本体２の側面２ｃに接続されている。フレーム１２の先端１２ｂには、モータ３１を介してロータ１１が接続されている。なお、図１に示す例では、６本のフレーム１２を示しているが、フレーム１２の本数は６本未満であってもよく、６本よりも多くてもよい。
【００２３】
可変部１５は、本体２に対する推力発生部１０の相対位置を可変とする部位であり、本体２の側面２ｃと、推力発生部１０のフレーム１２の基端１２ａとを接続している。「本体２に対する推力発生部１０の相対位置」とは、本体２の位置を基準としたときの推力発生部１０の位置を意味する。本体２の位置の基準は特に限定されず、予め決められた本体２の中心位置を基準としてもよく、本体２の重心位置を基準としてもよい。同様に、推力発生部１０の位置の基準も特に限定されず、フレーム１２の位置（例えば先端１２ｂ）を基準としてもよく、ロータ１１の位置（例えば回転中心１１ａ）を基準としてもよい。
【００２４】
可変部１５は、例えば、フレーム１２の数に対応するように設けられている。図１に示す例では、６個の可変部１５が、６本のフレーム１２のそれぞれに対して１個ずつ設けられている。しかし、可変部１５は、例えば、フレーム１２の数に対応するように設けられている必要は無い。可変部１５は、複数のフレーム１２のうち一部（数本）のフレーム１２のみに設けられていてもよい。可変部１５の具体的な構成については後述する。
【００２５】
図２は、飛行体１の電気的構成を示すブロック図である。図２において、実線は電源系統を示し、破線は通信系統（制御系統）を示している。図２に示すように、飛行体１の本体２は、飛行体１の各部を制御する制御部２０と、飛行体１の各部を駆動する電源であるバッテリ２１と、飛行体１の各部に電力を供給する電源基板２２とを有している。更に、本体２は、センサ類２３と、通信部２８と、複数のモータアンプ３０とを有している。センサ類２３は、飛行体１の位置及び姿勢等を推定するための機器である。センサ類２３は、例えば、ジャイロセンサ２４、ＧＰＳ（Global  Positioning  System）センサ２５、気圧センサ２６、及び加速度センサ２７を含んでいる。
【００２６】
センサ類２３は、これらのセンサによる検出結果を示すデータを制御部２０に出力する。制御部２０は、センサ類２３から出力されたデータに基づき、例えば推定アルゴリズム等を用いて、飛行体１の現在の位置及び姿勢を推定する。通信部２８は、送信機（図示せず）から飛行指令の信号を受信し、その飛行指令の信号を制御部２０に入力する。制御部２０は、通信部２８により受信した飛行指令に基づいてモータアンプ３０を介してモータ３１を駆動させ、ロータ１１の回転を制御する。
【００２７】
次に、図３及び図４を参照して、可変部１５の構成について具体的に説明する。可変部１５は、互いに異なる第１態様及び第２態様を有しており、第１態様から第２態様に変形可能に構成されている。図３は、可変部１５の第１態様を示す側面図であり、図３は、可変部１５の第２態様を示す側面図である。なお、図３は、図１に示す可変部１５の付近を拡大して示している。したがって、図１は、図３と同様、可変部の第１態様を示している。
【００２８】
まず、図３に示す可変部１５の第１態様について説明する。可変部１５の第１態様は、落下等によって飛行体１が他の物体に衝突する衝突時よりも前の態様であって、飛行体１の通常の飛行を維持可能にする態様である。可変部１５の第１態様は、本体２に対する推力発生部１０の相対位置を維持している。なお、「本体２に対する推力発生部１０の相対位置を維持している」とは、本体２の位置を基準としたときの推力発生部１０の位置が厳密に固定された状態のほか、その推力発生部１０の位置の変化が許容範囲内である状態も含む。
【００２９】
図３に示すように、可変部１５は、本体２と推力発生部１０とを回動可能に連結する回動部１６と、本体２と推力発生部１０とを直線状に繋ぐと共に回動部１６による推力発生部１０の回動を規制する接続部１７と、を有している。回動部１６は、例えばヒンジであり、本体２及び推力発生部１０の接続部分の上側に設けられている。換言すると、回動部１６は、フレーム１２において推力発生部１０が取り付けられる上面１２ｃに設けられている。具体的には、回動部１６は、本体２の上面２ａとフレーム１２の上面１２ｃとを連結するように設けられている。回動部１６は、フレーム１２の延在方向と交差（一例では直交）する方向に沿って延びる回転軸１６ａと、当該延在方向において回転軸１６ａを挟んで両側に設けられる一対の固定部１６ｂとを含んでいる。回転軸１６ａは、本体２とフレーム１２との境界の上部に位置しており、一対の固定部１６ｂは、本体２の上面２ａ及びフレーム１２の上面１２ｃにそれぞれ固定されている。
【００３０】
推力発生部１０は、回動部１６によって、本体２に対して回転軸１６ａ周りに回動することが可能である。具体的には、推力発生部１０は、回転軸１６ａ周りの方向のうち、フレーム１２の上面１２ｃが本体２の上面２ａに向かう方向Ｄ１において、本体２に当接するまで回動する。一方、方向Ｄ１とは反対側の方向Ｄ２において、推力発生部１０のフレーム１２の基端１２ａは、本体２の側面２ｃに当接する。この当接によって、方向Ｄ２における推力発生部１０の回動は規制される。
【００３１】
このように、本体２及び推力発生部１０の接続部分上に設けられる回動部１６によって、方向Ｄ１における推力発生部１０の回動が許容される一方で、方向Ｄ２における推力発生部１０の回動は規制される。また、回動部１６は、バネ等の弾性部材（不図示）を更に含んでおり、この弾性部材は、フレーム１２が水平方向に沿った状態を基準として推力発生部１０が回動すると、直線状に復帰しようとする弾性力を発生する。この弾性力によって、推力発生部１０は、回転軸１６ａ周りにおいて元の状態（すなわち、フレーム１２が水平方向に沿った状態）に戻るように付勢される。
【００３２】
上記の弾性部材による付勢力（すなわち、推力発生部１０を元の状態に戻す力）は、通常の飛行時に飛行体１に作用する外力による推力発生部１０の方向Ｄ１への回動力よりも大きく、且つ、飛行体１の物体への衝突時に生じる衝撃力による推力発生部１０の方向Ｄ１への回動力よりも小さい。したがって、飛行体１の物体への衝突時よりも前の態様である第１態様において、弾性部材による付勢力により、本体２に対する推力発生部１０の方向Ｄ１への回動は規制される。つまり、本体２に対する推力発生部１０の相対位置が維持される。
【００３３】
なお、上記の「推力発生部１０の方向Ｄ１への回動力」は、実際には、回動部１６及び接続部１７にそれぞれ分散される。したがって、「推力発生部１０の方向Ｄ１への回動力」は、正確には、その力の成分のうち回動部１６に作用する成分をいう。また、上記の「通常の飛行時に飛行体１に作用する外力」とは、例えば、通常の飛行時に飛行体１が受ける風圧を想定している。一方、上記の「飛行体１の物体への衝突時に生じる衝撃力」とは、例えば、飛行体１が通常の飛行時の高度から落下して地上の物体（例えば地上構造物等）に衝突した時に、当該物体から受ける反力を想定している。
【００３４】
接続部１７は、回動部１６とは反対側（すなわち下側）に設けられている。接続部１７は、例えばワイヤ等の線状の部材であり、本体２の下面２ｂに設けられる突起と、フレーム１２の下面１２ｄに設けられる突起とを直線状に繋いでいる。このため、本体２に対して推力発生部１０が方向Ｄ１に回動しようとすると、接続部１７に張力が働く。この張力によって、方向Ｄ１への推力発生部１０の回動が規制される。
【００３５】
接続部１７は、通常の飛行時に飛行体１に作用する外力に耐え得る強度であって、且つ、飛行体１の物体への衝突時に生じる衝撃力を受けて破断する強度を有している。言い換えると、接続部１７の破断強度は、通常の飛行時に飛行体１に作用する外力による推力発生部１０の方向Ｄ１への回動力よりも大きく、且つ、飛行体１の物体への衝突時に生じる衝撃力による推力発生部１０の方向Ｄ１への回動力よりも小さい。したがって、飛行体１の物体への衝突時よりも前の態様である第１態様において、接続部１７の張力により、本体２に対する推力発生部１０の方向Ｄ１への回動は規制される。つまり、本体２に対する推力発生部１０の相対位置が維持される。接続部１７の材料及び外径は、接続部１７が上述した破断強度を有するように設定される。なお、上述したように、上記の「推力発生部１０の方向Ｄ１への回動力」は、正確には、その力の成分のうち接続部１７に作用する成分をいう。
【００３６】
接続部１７は、上述した強度を有する部材であれば、ワイヤに限らず、他の部材（例えばテープ等）に置き換えられてもよい。また、接続部１７は、１個の可変部１５に対して複数設けられていてもよい。例えば、各接続部１７をフレーム１２の延在方向と交差する方向に並ぶように配置してもよい。この場合、各接続部１７は、互いに異なる強度（又は剛性）を有してもよい。例えば、各接続部１７の強度（又は剛性）を段階的に変えてもよい。
【００３７】
上述した構成を有する可変部１５によれば、第１態様において、回動部１６による推力発生部１０の方向Ｄ１への回動は、回動部１６の弾性部材による付勢力、及び接続部１７の張力によって規制される。一方、回動部１６による推力発生部１０の方向Ｄ２への回動は、フレーム１２の基端１２ａが本体２の側面２ｃに当接することによって規制される。このようにして、可変部１５の第１態様は、本体２に対する推力発生部１０の相対位置を維持している。
【００３８】
また、飛行体１は、本体２とロータ１１とを繋ぐケーブルＣを備えている。ケーブルＣは、ロータ１１を回転させるための電力を本体２の電源基板２２からモータ３１に供給すると共に、モータ３１の回転数を示す制御信号を本体２の制御部２０からモータ３１に供給する。ケーブルＣは、本体２からフレーム１２に沿ってロータ１１に接続されている。ケーブルＣの一端は、本体２のモータアンプ３０に接続されており、ケーブルＣの他端は、モータ３１に接続されている。ケーブルＣの長さは、フレーム１２の長さよりも長く、ケーブルＣは、可変部１５において余長Ｃａを有している。
【００３９】
一方、可変部１５の第２態様は、飛行体１による他の物体への衝突時以降の態様であって、本体２に対する推力発生部１０の相対位置の変化を許容する態様である。本実施形態において、「衝突時」とは、具体的には、飛行体１が物体に衝突を開始した時点から、衝突による衝撃力がピークに達する時点までの期間を意味する。また、上記の「本体２に対する推力発生部１０の相対位置の変化を許容する」とは、当該相対位置を維持する状態から脱した状態、すなわち、本体２の位置を基準として推力発生部１０の位置が、通常の飛行を維持するための許容範囲を超えて変化可能な状態を意味する。
【００４０】
図４は、可変部１５の第２態様を示す側面図である。飛行体１の物体への衝突時に生じる衝撃力による推力発生部１０の方向Ｄ１への回動力は、飛行体１が物体に衝突を開始した時点から、時間の経過とともに徐々に増加してピークに達する。この回動力は、ピークに達するまでに所定の閾値を超えると、弾性部材による付勢力に打ち勝ち且つ接続部１７を破断する大きさとなる。言い換えると、当該回動力の成分のうち、回動部１６に作用する成分は弾性部材による付勢力よりも大きくなり、且つ、接続部１７に作用する成分は接続部１７の破断強度よりも大きくなる。これにより、推力発生部１０の方向Ｄ１への回動の規制が解除され、本体２に対する推力発生部１０の相対位置の変化が許容される。
【００４１】
このように、可変部１５は、飛行体１が衝突時に生じる衝撃力（具体的には、衝撃力による推力発生部１０の方向Ｄ１への回動力）が所定の閾値を超えたときに、可変部１５は、本体２に対する推力発生部１０の相対位置を維持する第１態様から、本体２に対する推力発生部１０の相対位置の変化を許容する第２態様に変形する。なお、回動力が所定の閾値を超えるタイミングは、飛行体１が物体に衝突を開始した時点から、物体への衝撃力がピークに達する時点までの期間までであれば、適宜変更可能である。例えば、飛行体１が物体に衝突を開始した時点にて回動力が所定の閾値を超えるように設定してもよい。また、本実施形態では、推力発生部１０のフレーム１２が、物体への衝突時に生じる衝撃力を受けた場合を想定しているが、本体２が当該衝撃力を受けてもよく、本体２及び推力発生部１０の双方が当該衝撃力を受けてもよい。
【００４２】
以上に説明した、本実施形態に係る飛行体１によって得られる作用・効果を、図５及び図６を参照しながら説明する。図５は、飛行体１の作用・効果を説明するための概念図であり、図６は、飛行体１の作用・効果を説明するためのグラフである。本実施形態に係る飛行体１では、上述したように、飛行体１の他の物体Ｂへの衝突時に生じる衝撃力が所定の閾値を超えたときに、可変部１５が第１態様から第２態様に変化する。可変部１５が第１態様であるとき、当該相対位置は維持されるので、可変部１５の剛性を、飛行体１の通常の飛行が維持可能な程度に高くすることができる。一方、可変部１５が第２態様であるとき、当該相対位置の変化が許容されるので、可変部１５の第２態様の剛性は、可変部１５の第１態様の剛性よりも低下する。
【００４３】
図５は、可変部１５が第２態様であるときの飛行体１を概念的に示している。図５に示すように、本体２を質量Ｍ１の剛体とし、推力発生部１０を質量Ｍ２の剛体とし、本体２及び推力発生部１０を接続する可変部１５を剛性Ｋの可塑性体とする。この場合、飛行体１の固有振動数ωは、次の式（１）によって表される。
【数１】
2020157971.tif 000003
可変部１５が第２態様であるとき、可変部１５の剛性Ｋは低くなるので、これに応じて、飛行体１の固有振動数ωも低くなる（式（１）参照）。飛行体１の固有振動数ωが低くなると、物体Ｂに衝突したときの衝撃力のピークは小さくなる。この固有振動数ωと衝撃力のピークとの関係について、図６を参照しながら具体的に説明する。
【００４４】
図６は、物体Ｂへの衝突時に生じる衝撃力と時間との関係を示している。図６において、縦軸は、衝撃力を示しており、横軸は、時間を示している。グラフＧ１１は、比較例に係る飛行体が物体Ｂに衝突した場合を示しており、グラフＧ１２は、本実施形態に係る飛行体１が物体Ｂに衝突した場合を示している。比較例に係る飛行体は、可変部１５を備えていない点で、本実施形態に係る飛行体１とは相違する。比較例に係る飛行体では、本体２と推力発生部１０とが剛体で接続されている場合、すなわち本体２と推力発生部１０と接続部分の剛性が高い場合を想定している。比較例に係る飛行体の構成は、可変部１５を除いて、本実施形態に係る飛行体１の構成と同一とする。
【００４５】
図６に示すように、衝撃力によって物体Ｂに与える力の許容限界値をＦＡと設定すると、比較例に係る飛行体の衝突時の衝撃力のピークは、許容限界値ＦＡを超えるＦ１となり、衝撃力に対する飛行体１の全体の衝撃応答時間、すなわち比較例に係る飛行体が物体Ｂに衝突を開始してから衝突を終了するまでの時間はＴ１となる。これに対し、本実施形態に係る飛行体１では、飛行体１の衝突時の衝撃力が所定の閾値ＦＳを超えると、可変部１５が第１態様から第２態様に変形し、上述したように飛行体１の固有振動数ωが低くなる。これにより、衝撃力に対する飛行体１の全体の衝撃応答時間Ｔ２は、衝撃応答時間Ｔ１よりも長くなる。
【００４６】
衝撃力に対する飛行体１の全体の衝撃応答時間が長くなると、飛行体１による衝撃力のピークは低下する。これは、比較例に係る飛行体の構成が可変部１５を除いて本実施形態に係る飛行体１の構成と同一であるという前提の下では、比較例に係る飛行体による衝撃力に起因する力積Ｓ１と、本実施形態に係る飛行体１による衝撃力に起因する力積Ｓ２とは、互いに同一になるからである。つまり、力積の時間が短くなると、力積の力のピークが大きくなり、逆に、力積の時間が長くなると、力積の力のピークが小さくなるという関係がある。このため、本実施形態に係る飛行体１の衝突時の衝撃力のピークは、許容限界値ＦＡよりも小さいＦ２となる。このように、本実施形態に係る飛行体１では、力積Ｓ２の時間Ｔ２を短くできる分、力積Ｓ２の力のピークＦ２を小さくすることができるので、物体Ｂへの衝突時の衝撃力を緩和できる。更に、上述した構成によれば、エアバック等の装置を追加する必要もないので、飛行体１の全体重量の増大を抑制できる。
【００４７】
本実施形態に係る飛行体１では、推力発生部１０は、推力を発生するロータ１１と、先端１２ｂにロータ１１が接続されたフレーム１２とを含み、可変部１５は、本体２の側面２ｃとフレーム１２の基端１２ａとを接続している。本体２の側面２ｃとフレーム１２の基端１２ａとの接続部分である可変部１５には、例えば衝突時の衝撃力による応力が集中し易い。しかし、上述した構成によれば、可変部１５は第２態様に変形させることによって可変部１５の剛性を低下することができるので、可変部１５への応力の集中を抑制することができる。
【００４８】
本実施形態に係る飛行体１では、推力発生部１０のフレーム１２が衝突時の衝撃力を受け、時間と共に増加する衝撃力が閾値ＦＳ（図６参照）を超えたときに、可変部１５は、第１態様から第２態様に変形する。すなわち、可変部１５は、衝突時の衝撃力をトリガーとして第１態様から第２態様に変形する。このように物理的な衝撃力をトリガーとすることができるので、可変部１５を変形させるための制御信号をトリガーとして生成する場合と比べて、飛行体１の制御系の構成を簡易にすることができる。
【００４９】
本実施形態に係る飛行体１は、推力発生部１０に接続されるケーブルＣを備え、ケーブルＣの一端は、本体２に接続され、ケーブルＣの他端は、モータ３１を介してロータ１１に接続され、ケーブルＣの長さは、フレーム１２の長さよりも長い。これにより、可変部１５においてケーブルＣの余長Ｃａを確保することができる。これにより、可変部１５が第１態様から第２態様に変形するときに、可変部１５の変形に起因してケーブルＣが損傷することを抑制できる。
【００５０】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る飛行体１Ａについて説明する。第２実施形態の説明において、第１実施形態との相違点を中心に説明し、第１実施形態と重複する説明は適宜省略する。
【００５１】
図７は、本実施形態に係る飛行体１Ａを示す上面図である。図７に示すように、飛行体１Ａは、本体２と、各ロータ１１を含む推力発生部１０Ａと、本体２と推力発生部１０Ａとを接続するフレーム１２Ａとを備えている。本実施形態では、可変部１５Ａがフレーム１２Ａの全体に含まれている。つまり、フレーム１２Ａの全体が可変部１５Ａによって構成されている。しかし、可変部１５Ａがフレーム１２Ａの全体に含まれている必要は無く、可変部１５Ａは、フレーム１２Ａの一部に含まれていてもよい。可変部１５Ａは、第１実施形態の可変部１５とは異なる構成を有している。可変部１５Ａの具体的な構成については後述する。
【００５２】
図８は、飛行体１Ａの電気的構成を示すブロック図である。図８に示すように、本実施形態では、本体２Ａは、飛行体１Ａの飛行状態の異常を検知する異常検知部２９を更に有している。異常検知部２９は、センサ類２３からセンサデータを受け、センサデータに基づいて飛行体１Ａの飛行状態の異常の有無を判断する。例えば、異常検知部２９は、飛行体１Ａの鉛直方向の加速度が重力加速度よりも小さくなったときに、若しくは、推定して得られた飛行体１Ａの落下速度が事前に設定した落下速度を超えたときに、飛行体１Ａが落下していると推定し、飛行体１Ａの飛行状態に異常が発生したと判断してよい。異常検知部２９は、飛行体１Ａに異常が発生したと判断した場合には、当該異常を報知する信号を制御部２０に出力する。
【００５３】
異常検知部２９が異常を報知する信号を制御部２０に出力するタイミングは、物体への飛行体１Ａの衝突時（具体的には、飛行体１Ａが衝突を開始した時点）よりも前であり、例えば、上述したように、飛行体１Ａが落下するときの飛行体１Ａの加速度の急変化が発生した時点である。制御部２０は、異常検知部２９から当該異常を報知する信号を受けると、可変部１５Ａの開閉弁４１（後述する図９及び図１０参照）の開閉を制御する制御信号を開閉弁４１に出力する。
【００５４】
飛行体１Ａの飛行状態の異常とは、例えば、飛行中である飛行体１Ａの故障（本体２或いは推力発生部１０の破損、又は制御部２０の異常等）に起因する飛行体１Ａの異常な挙動である。例えば、飛行体１Ａが急落下するときの飛行体１Ａの加速度の急変化を異常な挙動としてよい。或いは、飛行体１Ａが姿勢を揺らしながら徐々に高度が下がるような挙動を異常な挙動としてもよい。この場合、例えば、異常検知部２９は、飛行体１Ａの角加速度が許容範囲の上限値を超えたときに、飛行体１Ａが落下すると推定し、飛行体１Ａに異常が発生したと判断してよい。また、例えば、飛行体１Ａの故障に起因する不自然な急旋回、急停止、及び急加速等を異常な挙動としてもよい。
【００５５】
次に、可変部１５Ａの構成について、図９及び図１０を参照しながら具体的に説明する。可変部１５Ａは、第１実施形態と同様、第１態様及び第２態様を有しており、第１態様から第２態様に変形可能に構成されている。可変部１５Ａの第１態様は、本体２に対する推力発生部１０Ａ（具体的にはロータ１１）の相対位置を維持する。可変部１５Ａの第２態様は、本体２に対する推力発生部１０Ａの相対位置の変化を許容する。図９は、可変部１５Ａの第１態様を示す断面図であり、図１０は、可変部１５Ａの第２態様を示す断面図である。なお、図９及び図１０では、可変部１５Ａのみを断面で示している。
【００５６】
図９及び図１０に示すように、可変部１５Ａは、空気が流出入する開口４０ａを有するチューブ４０と、開口４０ａに取り付けられると共に開口４０ａを流出入する空気の流路を開閉する開閉弁４１とを有している。チューブ４０は、例えば、中空の棒状部材であり、両端が閉塞された円筒状を呈している。図９に示す例では、チューブ４０は、本体２の側面２ｃから水平方向に沿って直線状に延びている。
【００５７】
チューブ４０の基端４０ｂ（すなわち、フレーム１２Ａの基端）は、本体２の側面２ｃに接続されている。チューブ４０の先端４０ｃ（すなわち、フレーム１２Ａの先端）には、モータ３１を介してロータ１１が接続されている。チューブ４０は、例えば、薄膜状の金属材料（例えばアルミニウム）によって構成されている。チューブ４０は、その内部の空気の内圧が周囲の大気圧よりも高められることにより、所定の曲げ剛性が得られる材料によって構成されることが望ましい。しかし、チューブ４０は、これに限らず、ゴム等の弾性体によって構成されてもよく、他の材料によって構成されてもよい。
【００５８】
開口４０ａは、チューブ４０の上側の部分に設けられている。開口４０ａは、チューブ４０の延在方向において基端４０ｂ側に配置されている。開口４０ａを介してチューブ４０の内部に空気が注入される。チューブ４０の内部への空気の流入量を調整することによって、チューブ４０の内圧が調整され、チューブ４０の剛性が調整される。開閉弁４１は、例えば、制御部２０からの制御信号に従って、開閉を切り替える電磁式の電磁弁である。開閉弁４１は、開口４０ａを介してチューブ４０の内部と連通する内部を有する円筒状を呈しており、外部と連通する開口４１ａと、電磁力を発生する電磁部４１ｂと、電磁部４１ｂにより発生する電磁力を受けて開口４１ａを開閉する弁体４１ｃとを含んでいる。
【００５９】
電磁部４１ｂは、制御部２０から送信される制御信号に従って電磁力を発生する。電磁部４１ｂは、開閉弁４１の内面に沿って円環状に設けられており、開閉弁４１の開口４１ａとチューブ４０の開口４０ａとの間の流路上に配置されている。弁体４１ｃは、開閉弁４１の内部において電磁部４１ｂと開口４１ａとの間の流路上に配置されており、開閉弁４１の内面に沿った円柱状を呈している。弁体４１ｃの外径は、例えば、電磁部４１ｂの内面の内径と同一であり、電磁部４１ｂの円環の内径よりも大きい。
【００６０】
電磁部４１ｂが電磁力を発生するとき、弁体４１ｃは、当該電磁力によって電磁部４１ｂに保持され、開口４１ａを気密に閉塞する（図９参照）。つまり、内圧によって弁体４１ｃは、上方向に移動しようとする。電磁部４１ｂは、この内圧に起因する力に対抗して、弁体４１ｃを下側（開口４０ａ側）に引き付ける。一方、電磁部４１ｂが電磁力を発生していない場合、弁体４１ｃは、チューブ４０の内圧を受けて電磁部４１ｂから離れる方向に移動する（図１０参照）。これにより、弁体４１ｃによる開口４１ａの閉塞が解除され、チューブ４０内の空気が開口４１ａから外部に流出する。また、本実施形態では、ケーブルＣは、チューブ４０の外面に沿って本体からロータ１１（具体的にはモータ３１）まで接続されている。このため、ケーブルＣの長さは、チューブ４０の長さ（すなわちフレーム１２Ａの長さ）よりも長くなっている。
【００６１】
図９に示すように、可変部１５Ａが第１態様であるとき、チューブ４０には、予め所定量の空気が注入された後、当該空気は、開閉弁４１によってチューブ４０の内部に気密に保持される。これにより、第１態様では、飛行体１Ａの通常の飛行が維持可能となるようにチューブ４０の剛性が確保され、本体２に対するロータ１１の相対位置の変化が規制される。すなわち、チューブ４０は、本体２に対するロータ１１の相対位置を維持する状態となる。
【００６２】
可変部１５Ａは、開閉弁４１が制御部２０からの制御信号を受けると、第１態様から第２態様に変形する。図１０に示すように、第２態様では、開閉弁４１が制御信号を受けると、電磁部４１ｂが電磁力の発生を停止し、弁体４１ｃは、チューブ４０の内圧を受けて電磁部４１ｂから離れる方向に移動する。これにより、弁体４１ｃによる開口４１ａの閉塞が解除され、チューブ４０内の空気が開口４１ａから外部に流出する。チューブ４０内の空気が外部に流出すると、チューブ４０内の内圧が低下し、チューブ４０の剛性が低下する。これにより、本体２に対するロータ１１の相対位置の変化の規制が解除される。すなわち、チューブ４０は、本体２に対するロータ１１の相対位置を許容する状態となる。
【００６３】
以上に説明した、本実施形態に係る飛行体１Ａによれば、第１実施形態と同様、可変部１５Ａが第１態様から第２態様に変形可能に構成されているので、第１実施形態と同様の効果を奏する。また、本実施形態に係る飛行体１Ａは、可変部１５Ａを含むフレーム１２Ａを備え、推力発生部１０Ａは、推力を発生するロータ１１を含み、可変部１５Ａのチューブ４０の先端４０ｃは本体２に接続され、チューブ４０の基端４０ｂはロータ１１に接続されている。このように、可変部１５Ａがフレーム１２Ａに含まれることによって、衝突時の衝撃力をさらに良好に緩和できる。
【００６４】
本実施形態に係る飛行体１Ａは、飛行体１Ａの飛行状態の異常を検知する異常検知部２９を備え、飛行中である飛行体１Ａにおいて、異常検知部２９が異常を検知したときに、可変部１５Ａは、第１態様から第２態様に変形している。この構成によれば、可変部１５Ａは、異常検知部２９が異常を検知したときの信号をトリガーとして、第１態様から第２態様に変形する。これにより、飛行体１Ａの物体への衝突時よりも前に可変部１５Ａを第２態様に変形させることができるので、衝突時の衝撃力をより確実に緩和できる。
【００６５】
本開示は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した各実施形態を必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。また、本体、可変部、及び推力発生部の構成は、上述した各実施形態に限られず、適宜変更可能である。例えば、本体は、直方体状を呈していなくてもよく、他の形状を呈してもよい。また、可変部は、フレームに含まれていなくてもよく、本体に含まれていてもよい。可変部は、第１態様及び第２態様に加えて別の態様を有していてもよい。また、推力発生部は、空中を飛行するための推力を発生すれば、ロータ以外の構成を有してもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１，１Ａ  飛行体
２，２Ａ  本体
１０，１０Ａ  推力発生部
１１  ロータ
１２，１２Ａ  フレーム
１２ａ，４０ｂ  基端
１２ｂ，４０ｃ  先端
１５，１５Ａ  可変部
１６  回動部
１７  接続部
２０  制御部
２９  異常検知部
３１  モータ
４０  チューブ
４１  開閉弁
Ｂ  物体
Ｃ  ケーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2020157971.tif 000009
【図７】
2020157971.tif 000010
【図８】
2020157971.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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