(57)【要約】【課題】ケーブルの張力による飛行体の回転モーメントの発生を抑制することができる有線飛行体の提供。【解決手段】有線飛行体１は、同心円上に平面配置された複数の揚力発生部１０と、複数の揚力発生部１０から同心円の中心Ｃに向かって延びる複数のアーム部２０と、を有する飛行体２と、飛行体２から地上に向かって垂れ下がるケーブル３と、を備え、ケーブル３は、同心円の中心Ｃにおいて、揚力発生部１０とアーム部２０との接点部Ｂよりも上部で、飛行体２に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心円上に平面配置された複数の揚力発生部と、前記複数の揚力発生部から前記同心円の中心に向かって延びる複数のアーム部と、を有する飛行体と、
前記飛行体から地上に向かって垂れ下がるケーブルと、を備え、
前記ケーブルは、前記同心円の中心において、前記揚力発生部と前記アーム部との接点部よりも上部で、前記飛行体に接続されている、ことを特徴とする有線飛行体。
【請求項２】
前記揚力発生部は、前記アーム部に接続されたモータ部と、前記モータ部の上部に水平回転可能に設けられたプロペラと、を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の有線飛行体。
【請求項３】
前記同心円の中心から前記プロペラの回転中心までの水平距離をＬとし、前記プロペラの回転位置を原点（ゼロ）として該原点から前記ケーブルと前記飛行体との接続位置までの鉛直距離をＶとしたとき、
−Ｌ／１０  ≦  Ｖ  ≦  ＋Ｌ／１０
の関係を満たす、ことを特徴とする請求項２に記載の有線飛行体。
【請求項４】
前記ケーブルと前記飛行体との接続位置は、前記プロペラの回転位置と同一平面上の高さにある、ことを特徴とする請求項２または３に記載の有線飛行体。
【請求項５】
前記複数のアーム部は、前記揚力発生部との接点部よりも上部において水平方向に延びる上底部と、前記上底部から前記接点部に向かって下方に傾斜する傾斜部と、を有する台形状に形成されている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の有線飛行体。
【請求項６】
前記飛行体は、前記ケーブルとの接続位置において、前記ケーブルを傾動可能に保持する保持部を有する、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の有線飛行体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有線飛行体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、少なくとも前後方向に進行可能な飛行体であって、揚力発生部と、前記揚力発生部を保持するアーム部と、前記アーム部に設けられた搭載部であって、前記飛行体の重心よりも後方に位置する搭載部と、前記飛行体の向きを少なくとも水平に維持する維持手段と、を有し、前記搭載部は、搭載対象物の向きを少なくとも水平に維持する接続部を有し、前記維持手段は、前記飛行体の重心よりも前記前後方向において前方に設けられたカウンターウェイトと、前記カウンターウェイトを、前記アーム部に対して所定角度の方向に移動可能な移動機構と、を有し、前記カウンターウェイトは、前記飛行体のバッテリーである、ことを特徴とする飛行体が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第６３８４０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記飛行体は、通称ドローンと呼ばれるものであり、風などにより斜めに傾いてしまうことを防止するため、カウンターウェイトを用いた姿勢制御を行っている。このような飛行体は、バッテリーを搭載しており、自立飛行が可能であるが、バッテリーの容量には限界があるため、例えば、カメラなどを搭載し、長時間ホバリング（空中停止飛行）しながら、定点観測するなどの要求に応えられるものではなかった。
【０００５】
上記要求に応えるため、本願発明者は、飛行体を地上装置とケーブルで接続し、ケーブルを介して地上との間で電力や信号のやり取りする有線飛行体を考案した。しかしながら、この有線飛行体は、風などを受けてケーブルが煽られた場合、ケーブルの張力によって飛行体に回転モーメントが発生する。この回転モーメントは、力学モデルで制御上の外乱となり、飛行体の姿勢制御を複雑化させるなどの問題を生じさせていた。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ケーブルの張力による飛行体の回転モーメントの発生を抑制することができる有線飛行体の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の一態様に係る有線飛行体は、同心円上に平面配置された複数の揚力発生部と、前記複数の揚力発生部から前記同心円の中心に向かって延びる複数のアーム部と、を有する飛行体と、前記飛行体から地上に向かって垂れ下がるケーブルと、を備え、前記ケーブルは、前記同心円の中心において、前記揚力発生部と前記アーム部との接点部よりも上部で、前記飛行体に接続されている。
【０００８】
（２）上記（１）に記載された有線飛行体であって、前記揚力発生部は、前記アーム部に接続されたモータ部と、前記モータ部の上部に水平回転可能に設けられたプロペラと、を有してもよい。
（３）上記（２）に記載された有線飛行体であって、前記同心円の中心から前記プロペラの回転中心までの水平距離をＬとし、前記プロペラの回転位置を原点（ゼロ）として該原点から前記ケーブルと前記飛行体との接続位置までの鉛直距離をＶとしたとき、
−Ｌ／１０  ≦  Ｖ  ≦  ＋Ｌ／１０
の関係を満たしてもよい。
（４）上記（２）または（３）に記載された有線飛行体であって、前記ケーブルと前記飛行体との接続位置は、前記プロペラの回転位置と同一平面上の高さにあってもよい。
（５）上記（１）〜（４）に記載された有線飛行体であって、前記複数のアーム部は、前記揚力発生部との接点部よりも上部において水平方向に延びる上底部と、前記上底部から前記接点部に向かって下方に傾斜する傾斜部と、を有する台形状に形成されていてもよい。
（６）上記（１）〜（５）に記載された有線飛行体であって、前記飛行体は、前記ケーブルとの接続位置において、前記ケーブルを傾動可能に保持する保持部を有していてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
上記本発明の一態様によれば、ケーブルの張力による飛行体の回転モーメントの発生を抑制することができる有線飛行体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態に係る有線飛行体１の構成図である。
【図２】一実施形態に係る保持部３０の断面構成図である。
【図３】一実施形態に係る飛行体２に対するケーブル３の好ましい接続位置Ａについて説明する説明図である。
【図４】比較例として、飛行体２Ａに対するケーブル３の好ましくない接続位置Ａについて説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、一実施形態に係る有線飛行体１の構成図である。
図１に示すように、有線飛行体１は、飛行体２と、飛行体２から地上に向かって垂れ下がるケーブル３と、ケーブル３と接続された地上装置４と、を備えている。
【００１２】
地上装置４としては、ケーブル３を介して飛行体２に電力を供給する電源ユニット、また、飛行体２が図示しないＧＰＳやジャイロなどを搭載している場合、ケーブル３を介して飛行体２の姿勢制御に関する信号をやり取りする制御ユニット、また、飛行体２が図示しないカメラなどを搭載している場合、ケーブル３を介して送られてくるカメラの画像データを解析し、監視などする画像処理ユニットなどを例示することができる。なお、地上装置４は、これらのユニットを複合して備えていても構わない。
【００１３】
ケーブル３は、地上装置４と飛行体２とを接続するものである。ケーブル３は、複数のケーブルが束になったケーブルハーネスであるとよい。ケーブルハーネスには、例えば、電源ケーブルや信号配線、光ファイバーケーブルなどが含まれる。なお、ケーブル３が、飛行体２の風煽り防止用（漂流防止用）である場合、電力や信号の伝送機能を有さない単なる紐体（ロープ）であってもよい。この場合、地上装置４は、ケーブル３と接続さえしていればよい。
【００１４】
飛行体２は、同心円上に平面配置された複数の揚力発生部１０と、複数の揚力発生部１０からその同心円の中心Ｃに向かって延びる複数のアーム部２０と、を有している。この飛行体２は、通称ドローンと称される無人小型飛行体であるが、有人の大型飛行体（プロペラ機）であっても構わない。
【００１５】
揚力発生部１０は、同心円上に、間隔をあけて４個、６個、８個、若しくは１６個、平面配置されている。なお、以下の説明では、ドローンにおいて主流である４個の揚力発生部を有する形態を例示する（図面ではその内の２つを示している）。揚力発生部１０は、アーム部２０に接続されたモータ部１１と、モータ部１１の上部に水平回転可能に設けられたプロペラ１２と、を有している。
【００１６】
アーム部２０は、揚力発生部１０と同数で設けられている。複数のアーム部２０は、複数の揚力発生部１０の中心Ｃにおいて連結されている。つまり、複数のアーム部２０は、平面視で中心Ｃから放射状に延びているとも言える。この複数のアーム部２０は、揚力発生部１０との接点部Ｂよりも上部において中心Ｃから水平方向に延びる上底部２１と、上底部２１から接点部Ｂに向かって下方に傾斜する傾斜部２２と、を有する台形状に形成されている。つまり、複数のアーム部２０の下方（裏側）には、円錐台状の空間が形成されている。
【００１７】
アーム部２０の連結部分（飛行体２の中心部分）には、ケーブル３が接続されている。飛行体２は、このケーブル３との接続位置Ａにおいて、ケーブル３を傾動可能に保持する保持部３０を有している。ケーブル３は、後述する保持部３０を通過した後、ケーブル３を傷めないようにある程度の撓みをもって曲がり、各ケーブルに分かれている。各ケーブルは、例えば、各アーム部２０に沿って配線され、各揚力発生部１０のモータ部１１と接続されている。
【００１８】
図２は、一実施形態に係る保持部３０の断面構成図である。
図２に示すように、保持部３０は、ケーブル３を保持する球体部３１と、球体部３１を傾動（回転）可能に保持する球面受け３２と、球面受け３２を保持する保持ケース３３と、保持ケース３３に球面受け３２を固定する止め輪３４と、を有している。
【００１９】
球体部３１は、例えば、中心に貫通孔３１ａが形成された金属製の球状体である。貫通孔３１ａには、ケーブル３が挿通されている。なお、球体部３１とケーブル３とをしっかりと固定するため、貫通孔３１ａとケーブル３との隙間に、ゴムブッシュなどを挟んでもよい。つまり、ケーブル３は、貫通孔３１ａの長手方向おいて移動不能（固定）とされ、球体部３１と共に自在に傾動可能とされている。
【００２０】
球面受け３２は、例えば、球体部３１の外周面（凸球面）を滑り支持する凹球面を有する樹脂製の環状体である。球面受け３２を保持する保持ケース３３は、例えば、球体部３１及び球面受け３２を収容する底部に貫通孔が設けられた金属製の有底筒体である。保持ケース３３の内周面には、球面受け３２を固定する止め輪３４が嵌合している。
【００２１】
上記構成によれば、図１に示すように、風などにあおられ、ケーブル３が斜めになったとしても、ケーブル３の接続位置Ａ（保持部３０）において、ケーブル３が自在に傾動するため、ケーブル３にかかる負担を軽減することができる。また、保持部３０にコネクタなどを使用していないため、飛行体２の軽量化に寄与できる。
【００２２】
また、ケーブル３は、ケーブル３の接続位置Ａ（保持部３０）を頂点とする円錐状に傾動可能であるが、複数のアーム部２０が台形状に形成されているため、ケーブル３がアーム部２０やプロペラ１２に干渉することはない。
【００２３】
続いて、図３及び図４を参照して、飛行体２に対するケーブル３の好ましい接続位置Ａについて説明する。
図３は、一実施形態に係る飛行体２に対するケーブル３の好ましい接続位置Ａについて説明する説明図である。図４は、比較例として、飛行体２Ａに対するケーブル３の好ましくない接続位置Ａについて説明する説明図である。
【００２４】
先ず、図４に示す比較例の有線飛行体１Ａについて説明すると、図４に示す飛行体２Ａは、揚力発生部１０の接点部Ｂから中心Ｃに向かって水平方向に延びる複数のアーム部２０Ａを備えている。複数のアーム部２０Ａの中心Ｃからは、接点部Ｂよりも下方に延びる垂設部材２３が設けられ、垂設部材２３の下端部に保持部３０が設けられている。つまり、飛行体２Ａに対するケーブル３の接続位置Ａは、揚力発生部１０とアーム部２０Ａとの接点部Ｂよりも下部に設けられている。
【００２５】
この比較例において、風などでケーブル３が煽られて接続位置Ａにおいて飛行体２Ａが斜めに引っ張られた場合、ケーブル３の張力Ｔは、中心Ｃに沿う鉛直方向には働かない。そうすると、張力Ｔの水平分力Ｔｈと、鉛直分力Ｔｖとが、接点部Ｂよりも下部に設けられたケーブル３の接続位置Ａ（保持部３０）に作用する。水平分力Ｔｈは、複数の揚力発生部１０の推力が合力として作用する原点（中心Ｃを通る鉛直線とプロペラ１２の回転位置Ｈ０を通る水平面の交点）を中心として、Ｖ×Ｔｈの回転モーメントを発生させる。
【００２６】
そうすると、飛行体２Ａは、この回転モーメントをキャンセルするため、揚力発生部１０の推力に対し、ΔＦ＝（Ｖ×Ｔｈ）／Ｌの補正を入れる必要がある。なお、Ｌは、中心Ｃからプロペラ１２の回転中心Ｃ１までの水平距離である。しかし、ケーブル３が風で煽られた場合、張力Ｔは大きくばらつく。また、設備監視用途などでは、対象物に飛行体２Ａを近接させるために高度な制御精度が要求されることが多い。このように、飛行体２Ａに対するケーブル３の接続位置Ａが、揚力発生部１０とアーム部２０Ａとの接点部Ｂよりも下部に設けられていることで、飛行体２Ａの制御性能が大きく劣化すると言える。
【００２７】
対して、本実施形態の有線飛行体１では、図３に示すように、飛行体２に対するケーブル３の接続位置Ａを、揚力発生部１０とアーム部２０Ａとの接点部Ｂよりも上部に設けている。この構成によれば、飛行体２において、図４に示す原点から接続位置Ａまでの鉛直距離であるＶを、飛行体２Ａよりも小さくすることができる。Ｖを小さくすることで、張力Ｔの水平分力Ｔｈに基づく回転モーメントの発生を抑制できるため、飛行体２の姿勢制御を容易化することができる。
【００２８】
好ましくは、中心Ｃからプロペラ１２の回転中心Ｃ１までの水平距離をＬとし、プロペラ１２の回転位置Ｈ０を原点（ゼロ）として該原点からケーブル３と飛行体２との接続位置Ａ（図３において２点鎖線で示す）までの鉛直距離をＶとしたとき、
−Ｌ／１０  ≦  Ｖ  ≦  ＋Ｌ／１０
の関係を満たすようにするとよい。この構成によれば、張力Ｔの水平分力Ｔｈに基づく回転モーメントをキャンセルするために、揚力発生部１０に入れる補正の推力ΔＦ（上述）を１／１０以下（±１０％以下）まで抑えることができる。
【００２９】
さらに好ましくは、ケーブル３と飛行体２との接続位置Ａは、図３に示すように、プロペラ１２の回転位置Ｈ０と同一平面上の高さにあるとよい。この構成によれば、張力Ｔの水平分力Ｔｈに基づく回転モーメントを理論上、ゼロにすることができる。なお、プロペラ１２の回転位置Ｈ０とは、理想的にはプロペラ１２の推力が作用する原点高さであって、プロペラ１２の上端と下端の範囲内であればよく、本実施形態のようにプロペラ１２の上端と下端の中間位置であってもよい。
【００３０】
以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。
【００３１】
例えば、上記実施形態では、接続位置Ａにおいて、保持部３０に対しケーブル３が傾動可能に保持された形態を例示したが、例えば、円弧状のパイプ（ないしＵ字輪）に沿ってある程度自由に可動できるように、連結具を介してケーブル３を飛行体２に接続してもよい。但し、ケーブル３が想定以上にはためき、張力やその方向が安定しない場合は、本実施形態のように、ケーブル３がはためき難い保持部３０（球面軸受け構造）を採用するとよい。
【００３２】
また、例えば、上記実施形態では、揚力発生部１０として、モータ部１１及びプロペラ１２を備える形態を例示したが、モータ部１１の下部にプロペラ１２があってもよい。また、揚力を発生できれば、例えば揚力発生部１０が気球や風船などのバルーン体であっても構わない。
【符号の説明】
【００３３】
１…有線飛行体、２…飛行体、３…ケーブル、１０…揚力発生部、１１…モータ部、１２…プロペラ、２０…アーム部、２１…上底部、２２…傾斜部、３０…保持部、Ａ…接続位置、Ｂ…接点部、Ｃ…中心、Ｃ１…回転中心、Ｈ０…回転位置、Ｌ…水平距離、Ｖ…鉛直距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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