(57)【要約】【課題】飛行体自体の構造を放熱に適した構造にすることにより、放熱のための付加部品を不要にした飛行体および飛行体のフレームを得る。【解決手段】複数のプロペラ１０１−１ａ〜１０１−４ｂを個別に回転駆動する複数のプロペラ駆動モーター１０２−１ａ〜１０２−４ｂを有する飛行体。複数のプロペラ駆動モーターを支持する複数の支持アーム１０，１１，１２，２０，２１，２２が結合されてなるフレームと、熱伝導体からなり発熱部品を含む内臓部品を支持しフレームに結合されている内蔵部品支持体５０と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のプロペラを個別に回転駆動する複数のプロペラ駆動モーターを有する飛行体であって、
前記複数のプロペラ駆動モーターを支持する複数の支持アームが結合されてなるフレームと、
熱伝導体からなり発熱部品を含む内蔵部品を支持し前記フレームに結合されている内蔵部品支持体と、
を有する飛行体。
【請求項２】
前記フレームは熱伝導素材からなる請求項１記載の飛行体。
【請求項３】
前記熱伝導素材は、アルミニウム合金または炭素繊維複合材である請求項２記載の飛行体。
【請求項４】
前記熱伝導体は、アルミニウム合金または炭素繊維複合材からなる請求項１乃至３のいずれかに記載の飛行体。
【請求項５】
前記発熱部品は、前記各プロペラ駆動モーターの回転制御部品である請求項１乃至４のいずれかに記載の飛行体。
【請求項６】
前記発熱部品は、電源から前記各プロペラ駆動モーターを含む回路部品に電力を分配する分電機である請求項１乃至５のいずれかに記載の飛行体。
【請求項７】
前記熱伝導体に結合されている前記フレームの一部は、前記プロペラの回転駆動によって生じる下降流の通路に位置している請求項１乃至６のいずれかに記載の飛行体。
【請求項８】
前記プロペラは、平面視において前後左右の計４か所に配置され、前後のプロペラは接近し、左右のプロペラは離間して、前記左右のプロペラの間に前記内臓部品を支持した熱伝導体が配置されている請求項１乃至７のいずれかに記載の飛行体。
【請求項９】
前記前後のプロペラと前記熱伝導体との間に生じている空間が、前記プロペラの回転駆動によって生じる下降流の通路になっている請求項８記載の飛行体。
【請求項１０】
平面視において前後左右の計４か所に配置されている前記プロペラおよび前記プロペラ駆動モーターは、上下に対をなして配置され、前記フレームで前記プロペラ駆動モーターが支持されている請求項８または９記載の飛行体。
【請求項１１】
前記各プロペラはプロペラガードによって囲まれ、前記プロペラガードは熱伝導素材からなる請求項１乃至１０のいずれかに記載の飛行体。
【請求項１２】
前記プロペラガードは上下の面に格子を有し、前記格子は熱伝導素材からなる請求項１０記載の飛行体。
【請求項１３】
前記プロペラ駆動モーターからの回生電力を消費するディスチャージ抵抗を有し、前記ディスチャージ抵抗は前記熱伝導体に接触している請求項１乃至１２のいずれかに記載の飛行体。
【請求項１４】
前記下降流の通路にある前記フレームの部分にはフィンが設けられている請求項７記載の飛行体。
【請求項１５】
緊急冷却要求があった場合、飛行速度を上げて前記下降流を増加させる請求項７、９または１４記載の飛行体。
【請求項１６】
緊急冷却要求があった場合、ヨー回転運動を行わせて前記下降流を増加させる請求項７、９または１４記載の飛行体。
【請求項１７】
複数のプロペラを個別に回転駆動する複数のプロペラ駆動モーターを支持する飛行体のフレームであって、
両端部においてそれぞれ前記プロペラ駆動モーターを支持する一つの第１支持アームと、前記第１支持アームの長さ方向の途中から斜めに対称形に伸びる二つの第２支持アームと、前記二つの第２支持アームを長さ方向の途中で連結する補強梁とを有してなり、
前記二つの第２支持アームはそれぞれの先端部が広がる方向に前記第１支持アームから延びていて、
前記二つの第２支持アームの各先端部で、前記第１支持アームの両端部で支持するプロペラ駆動モーターとは別のプロペラ駆動モーターを支持する、
飛行体のフレーム。
【請求項１８】
前記フレームは上下に対をなし、上下の前記フレームが柱によって結合され、上下の前記フレームによって前記複数のプロペラ駆動モーターを支持する請求項１７記載の飛行体のフレーム。
【請求項１９】
前記フレームは熱伝導素材からなる請求項１７または１８記載の飛行体のフレーム。
【請求項２０】
前記熱伝導素材は、アルミニウム合金または炭素繊維複合材である請求項１９記載の飛行体のフレーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にドローンと称されているものに代表される飛行体および飛行体のフレームに関するもので、特にフレームを利用した冷却構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ドローンと呼ばれる複数のプロペラを有する飛行体、特に無人の飛行体の産業分野での応用が進んでいる。圃場への農薬や液肥などの薬剤散布などを行う農業用ドローンは応用分野の一つである。【０００３】
産業用ドローンは、様々な環境条件の下で使用されることを想定して、プロペラの回転駆動用モーター、その駆動および制御回路、駆動電源であるバッテリーその他の構成部品が、防水、防塵のために閉鎖された空間に配置される。したがって、モーターをはじめとする構成部品から発せられる熱が閉鎖空間にこもって温度が上昇し、前記構成部品が過熱しやすい構造になっている。【０００４】
農業用ドローンなどの産業用ドローンは、薬剤などの荷物を積載するため、荷物の荷重に耐えうる推力を発生することができるように比較的大型のドローンが用いられ、これに荷物の荷重が加わるため、重量が重くなる。重量の重いドローンは、安全性の観点から速度が制限され、低速で飛行する。低速で飛行するドローンは空冷効果が乏しく、前記産業用ドローンのように構成部品の温度が上昇しやすい構造になっていると、冷却のための工夫が求められる。【０００５】
特許文献１に飛行体の冷却システムが記載されている。この冷却システムは、熱制御対象の放熱面にヒートシンクを設けて、熱の放散を促進するもので、ドローンを想定したものではない。【０００６】
ドローンにおいても、冷却のためにヒートシンクやフィンを設け、その他、排熱ダクト、ディフーザーなどを用いることが考えられる。しかし、冷却のために上に記したような部品を付加すると、その分、ドローンの重量が増えることになり、構造も複雑になる。ドローン本来の構造自体が放熱を促進するのに適した構造になっていることが望ましい。【０００７】
また、ドローンのフレーム構造に放熱性、さらには制振性があり、軽量化と強度確保を両立させ、さらには飛行時の姿勢を安定化させることができれば理想的である。【０００８】
本願発明の解決課題に関連し、あるいは、本願発明の構成に関連のある技術を開示する文献として、特許文献２、特許文献３がある。【０００９】
特許文献２記載の発明は、ドローン用飛行安全フレームに関するもので、壁枠、クロスビーム並びに支持脚がすべて繊維強化プラスチックの管材からなっている。前記安全フレームは、ドローン自体およびドローンが接触した場合の対象物の安全を確保するために、ドローンの機体に付加されるものである。したがって、前記安全フレームとは別にドローンの機体がある。【００１０】
特許文献３記載の発明は、無人飛行体において、飛行中の機体から計測装置に向かう振動を低減させることを解決課題とするものである。具体的には、計測ユニットを構成するレーザースキャナを支持する一対の支持フレームと、一対の支持フレーム同士を連結して飛行ユニットに取り付ける一対の連結フレームを有する。レーザースキャナと支持フレームとの間、支持フレームと連結フレームとの間には、それぞれ剛性の異なる繊維強化樹脂製のプレートが介在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−２０８４８８号公報
【特許文献２】特許第６２４５５６６号公報
【特許文献３】特開２０１７−１９３２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に記載されている冷却システムは、複数のプロペラを個別に回転駆動する複数のプロペラ駆動モーターを有するドローンのような飛行体を想定しておらず、ドローンの冷却システムに適用することはできない。【００１３】
特許文献２および特許文献３には、飛行体の発熱部品から発せられる熱を放散するための構造に関しては記載されていない。【００１４】
本発明は、飛行体自体の構造を放熱に適した構造にすることにより、放熱のための付加部品を不要にした飛行体および飛行体のフレームを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、
複数のプロペラを個別に回転駆動する複数のプロペラ駆動モーターを有する飛行体であって、
前記複数のプロペラ駆動モーターを支持する複数の支持アームが結合されてなるフレームと、
熱伝導体からなり発熱部品を含む内蔵部品を支持し前記フレームに結合されている内蔵部品支持体と、
を有することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、発熱部品が発する熱は、熱伝導体からなる内蔵部品支持体に伝わって放熱され、さらにフレームに伝わって放熱されるため、放熱効果が高く、内蔵部品を高熱から保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本願発明に係る飛行体の実施例を示す斜視図である。
【図２】前記実施例の平面図である。
【図３】前記実施例の正面図である。
【図４】前記実施例の右側面図である。
【図５】前記実施例の底面図である。
【図６】前記実施例を、プロペラを除去した状態で示す平面図である。
【図７】前記実施例を、プロペラを除去した状態で示す正面図である。
【図８】前記実施例を、プロペラを除去した状態で示す右側面図である。
【図９】前記実施例の主要部分を拡大して示す斜視図である。
【図１０】飛行体において各プロペラを回転駆動したときに発生する下降流のシミュレーション結果を示すもので、ａ）は本実施例のシミュレーション結果を示す線図、ｂ）は上記シミュレーション結果を示す模式図、ｃ）は一段構成のプロペラの場合に発生する下降流のシミュレーション結果を示す参考図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る飛行体（以下「ドローン」という）の実施形態について説明する。図はすべて例示である。なお、本明細書において、ドローンとは、動力方式や操縦方式を問わず、複数の回転翼または飛行手段を有する飛行体全般を指すこととする。動力方式としては、電力によるもの、内燃機関などの原動機によるものなどがある。操縦方式としては、無線または有線によるもの、および、自律飛行型あるいは手動操縦型などがある。
【００１９】
［ドローン全体の構成］
図１乃至図５において、ドローンは、４か所の上下にローターとも呼ばれるプロペラ１０１−１ａ、１０１−１ｂ、１０１−２ａ、１０１−２ｂ、１０１−３ａ、１０１−３ｂ、１０１−４ａ、１０１−４ｂを有する。これらのプロペラは、ドローンを飛行させるための手段であり、飛行の安定性、機体サイズ、および、バッテリー消費量のバランスを考慮し、２段構成のプロペラが４組、合計８機備えられている。４組のプロペラの回転中心は平面視において長方形の角に位置している。プロペラ１０１−２ａ、１０１−４ａ側がドローンの進行方向前側になっている。
【００２０】
上記各プロペラは、プロペラ駆動モーター（以下単に「モーター」という場合もある）１０２−１ａ、１０２−１ｂ、１０２−２ａ、１０２−２ｂ、１０２−３ａ、１０２−３ｂ、１０２−４ａ、１０２−４ｂによって個別に回転駆動される。１組の上下のプロペラ、例えば１０１−１ａと１０１−１ｂは、ドローンの飛行の安定性等のために軸が同一直線上にあり、かつ、モーター１０２−１ａと１０２−１ｂにより、互いに反対方向に回転される。各組の上下のプロペラは互いに反対方向に回転駆動されることによりともに下降流を発生させ、ドローンを上昇させる向きの推力を発生させる。他の組の上下のプロペラも同様に構成され、同様に推力を発生させる。
【００２１】
図示の実施形態は農業用のドローンであり、薬剤を下方に向けて散布するための４つの薬剤ノズル１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４が備えられている。本明細書において、薬剤とは、農薬、除草剤、液肥、殺虫剤、種、および、水などの圃場に散布される液体または粉体を一般的に指す。
【００２２】
ドローンは、散布される薬剤を収容するための薬剤タンク１０４を有している。薬剤タンク１０４は、重量バランスの観点からドローンの重心に近い位置でかつ重心より低い位置に設けられている。薬剤タンク１０４の下側にはポンプ１０６が取り付けられ、ポンプ１０６は薬剤ホース１０５につながっている。薬剤ホース１０５は、ドローンの進行方向前側下部に、ドローンのほぼ幅方向全体にまたがって直線状に伸びている。薬剤ホース１０５にはその長さ方向に一定間隔で４個の薬剤ノズル１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４が配置されている。ポンプ１０６が作動することにより、薬剤タンク１０４内の薬剤が各薬剤ノズルから吐出され、圃場に散布される。
【００２３】
［フレームの構成］
次に、図６乃至図９も併せて参照しながら、実施形態に係るドローンのフレーム構成および内蔵部品支持体５０の構成を詳細に説明する。ドローンのフレームは互いに一体に結合され、かつ、前記複数のプロペラ駆動モーターを支持する複数の支持アームで構成されている。複数の支持アームで構成されるフレームは、上下に所定の間隔をおいて一体に結合された一対のフレームからなる。
【００２４】
上側のフレームを構成する前記複数の支持アームは、両端部においてそれぞれプロペラ駆動モーターを支持する一つの第１支持アーム１０と、第１支持アーム１０から延びた二つの第２支持アーム１１，１２とを有してなる。第２支持アーム１１，１２は、第１支持アーム１０の長さ方向の途中から斜めに対称形に、かつ、先端部が互いに広がる方向に伸びている。
【００２５】
第２支持アーム１１，１２は、長さ方向の途中において補強梁１３によって結合されている。補強梁１３は第１支持アーム１０と平行になっていて、第１支持アーム１０と第２支持アーム１１，１２と補強梁１３とで、平面視で台形状に形成され、いわゆるトラス構造に近い構造になっている。フレームは、トラス構造に近い構造になっていることにより、比較的簡単な構成でありながら、機械的強度を高めることができる。第１支持アーム１０、第２支持アーム１１，１２および補強梁１３は、同一平面内に位置するように、適宜の結合部材を介して結合されている。
【００２６】
第１支持アーム１０の両端部においてそれぞれモーター１０２−２ａ、１０２−４ａが支持されている。モーター１０２−２ａ、１０２−４ａの回転出力軸にはそれぞれプロペラ１０１−２ａ、１０１−４ａが取り付けられていて、各プロペラが上記各モーターによって個別に回転駆動される。第２支持アーム１１，１２の各先端部で上記モーターとは別のモーター１０２−１ａ、１０２−３ａが支持されている。モーター１０２−１ａ、１０３−３ａの回転出力軸にはそれぞれプロペラ１０１−１ａ、１０１−３ａが取り付けられていて、各プロペラが上記各モーターによって個別に回転駆動される。
【００２７】
下側のフレームも上側のフレームとほぼ同様の構造になっている。下側のフレームは、両端部においてそれぞれプロペラ駆動モーターを支持する一つの第１支持アーム２０と、第１支持アーム２０から延びた二つの第２支持アーム２１，２２とを有してなる。第２支持アーム２１，２２は、第１支持アーム２０の長さ方向の途中から斜めに対称形に、かつ、先端部が互いに広がる方向に伸びている。第１支持アーム２０および第２支持アーム２１，２２は同一平面内に位置するように、適宜の結合部材を介して結合されている。
【００２８】
上下のフレームは、互いに平行をなすように適宜数の柱の介在の下に結合されている。上下一対の第２支持アーム１１，２１および別の一対の第２支持アーム１２，２２は、長さ方向の中間部でそれぞれ柱３０，３０によって適宜の結合部材を介して結合されている。また、上下一対の第１支持アーム１０，２０は、上側の第２支持アーム１１，２１との結合部付近と、下側の第２支持アーム１２，２２との結合部付近において、それぞれ柱３１，３１によって適宜の結合部材を介して結合されている。
【００２９】
一対の柱３０，３０は、上下方向下寄りの位置において補強梁２３によって結合されている。補強梁２３は、第１支持アーム２０と第２支持アーム２１，２２からなる下側のフレームの補強梁でもあり、上下のフレーム全体の補強梁としても機能する。補強梁１３は第１支持アーム１０と平行になっていて、第１支持アーム１０と第２支持アーム１１，１２と補強梁１３とで、平面視で台形状に形成され、いわゆるトラス構造に近い構造になっている。
【００３０】
上下のフレームを構成する前記第１支持アーム、第２支持アーム、補強梁、上下のフレームを結合する柱は、パイプ状の部材である。また、フレームを構成する上記の部材、少なくとも第１支持アーム、第２支持アームおよび補強梁の素材は、熱伝導素材、例えばアルミニウム合金または炭素繊維複合材からなる。炭素繊維複合材としては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、炭素繊維強化炭素複合材料などがある。フレームを構成する部材の素材がアルミニウム合金または炭素繊維複合材などからなり、かつ、パイプ状の部材であることによって、フレームに必要な強度を持たせながらフレームの軽量化を図ることができる。また、後で詳細に説明するように、放熱効果を高めることができる。
【００３１】
［プロペラガード］
上下一対の第２支持アーム１１，２１の先端部で支持されているプロペラ１０１−１ａ、１０１−１ｂは、プロペラガード４１によって囲まれ、プロペラガード４１内で回転する。プロペラガード４１は、上下一対の円環状の枠と、これらの枠を一定の間隔をおいて平行に結合する柱状の介在部材と、上下の枠の中心位置にあるハブと、上下それぞれの枠とハブとを結合する複数のスポークと、を有してなる。上下のハブは、その中心をプロペラ１０１−１ａ、１０１−１ｂの回転中心に一致させて第２支持アーム１１，２１の先端部に結合されている。
【００３２】
上下一対の第１支持アーム１０，２０の正面から見て右側の端部で支持されているプロペラ１０１−２ａ、１０１−２ｂは、プロペラガード４２によって囲まれ、プロペラガード４２内で回転する。
【００３３】
上下一対の第２支持アーム１２，２２の先端部で支持されているプロペラ１０１−３ａ、１０１−３ｂは、プロペラガード４３によって囲まれ、プロペラガード４３内で回転する。
【００３４】
上下一対の第１支持アーム１０，２０の正面から見て左側の端部で支持されているプロペラ１０１−４ａ、１０１−４ｂは、プロペラガード４４によって囲まれ、プロペラガード４４内で回転する。
【００３５】
各プロペラガード４２，４３，４４は、プロペラガード４１と同様に構成されている。すなわち、各プロペラガード４２，４３，４４は、上下一対の円環状の枠と、これらの枠を平行に結合する複数の柱状の介在部材と、上下の枠の中心位置にあるハブと、上下それぞれの枠とハブとを結合する複数のスポークと、を有してなる。プロペラガード４２は、その上下のハブが第１支持アーム１０，２０の正面から見て右側の端部に結合されている。プロペラガード４３は、その上下のハブが第２支持アーム１２，２２の先端部に結合されている。プロペラガード４４は、その上下のハブが第１支持アーム１０，２０の正面から見て左側の端部に結合されている。
【００３６】
ドローンの右後ろに位置するプロペラ１０１−１ａ、１０１−１ｂと、右前に位置するプロペラ１０１−２ａ、１０１−２ｂとの間隔は狭く、これらのプロペラガード４１，４２を構成する円環状の枠が接触している。ドローンの左後ろに位置するプロペラ１０１−３ａ、１０１−３ｂと、左前に位置するプロペラ１０１−４ａ、１０１−４ｂとの間隔も狭く、これらのプロペラガード４３，４４を構成する円環状の枠が接触している。
【００３７】
各プロペラガード４１，４２，４３，４４を構成する前記枠、ハブおよびスポークは熱伝導素材からなっていることが望ましい。少なくともプロペラガード４１，４２，４３，４４上下の面に格子状に配置されているスポークは熱伝導素材からなっていることが望ましい。
【００３８】
ドローンの前後に位置するプロペラ相互の間隔に対して左右に位置するプロペラ相互の間隔は広くなっている。すなわち、ドローンの左右に位置するプロペラ１０１−４ａ、１０１−４ｂとプロペラ１０１−２ａ、１０１−２ｂとの間隔およびプロペラ１０１−３ａ、１０１−３ｂとプロペラ１０１−１ａ、１０１−１ｂとの間隔は広くなっている。これらのプロペラガード４４と４２および４３，４１は互いに離間している。
【００３９】
［内蔵部品支持体］
平面視において、４組の各プロペラ１０１−１ａ、１０１−１ｂと、１０１−２ａ、１０１−２ｂと、１０１−３ａ、１０１−３ｂおよび１０１−４ａ、１０１−４ｂの回転中心を結ぶ線は横長の長方形になっている。前後に並ぶ左側のプロペラガード４３，４４と前後に並ぶ右側のプロペラガード４１，４２との間には空間があり、この空間に、電源電池、制御回路、モーター駆動回路などの内蔵部品を支持する内蔵部品支持体５０が配置されている。
【００４０】
内蔵部品支持体５０は、扁平な皿状の底板５１と、底板５１の上に被せられたカバー５２を有してなる。底板５１およびカバー５２は、アルミニウム合金または炭素繊維複合材などの熱伝導体からなる。底板５１とカバー５２で囲まれた内部空間が、電源電池、モーター駆動回路、制御回路などの内蔵部品を組み込む空間になっている。内蔵部品支持体５０は、前後方向に長く、進行方向前端の平面形状は半円形である。
【００４１】
内蔵部品支持体５０は、左右の前記プロペラおよび左右のプロペラガード４１，４２と４３，４４との間に生じている空間に、かつ、上下の補強梁１３，２３の間に配置されている。内蔵部品支持体５０を構成する底板５１は下側の補強梁２３に結合部材を介して結合されている。上記結合部材は熱伝導性の良好な素材からなる板状の部材で、補強梁２３をほぼ半周にわたって抱え込むとともに、両側縁部が底板５１の底面に面接触した状態で締結されている。
【００４２】
内蔵部品支持体５０を構成するカバー５２は上側の補強梁１３に結合部材５９を介して結合されている。結合部材５９も熱伝導性の良好な素材からなる板状の部材で、補強梁１３をほぼ半周にわたって巻き込むとともに、両側縁部がカバー５２の上面に面接触した状態で締結されている。
【００４３】
図９は、内蔵部品支持体５０の内部空間における部品配置の概要を示す。内蔵部品支持体５０内の後ろ側（図９において斜め右下側）の約半分の空間５６は、上下の補強梁１３，２３に近く、冷却効果の高い空間になっている。この空間５６は上下に層状に区分されていて、上層部分には電池装着空間５３が設けられている。電池装着空間５３には、二次電池すなわち充電可能な電池５５を２個平行に並べて配置できるように、電池受け板と、適宜の締め具を備えている。
【００４４】
図９は１個の電池５５のみが装填されている状態を示す。電池５５も発熱部品の一つであり、冷却効果の高い上記空間５６に電池５５を装填して、電池５５の温度上昇を抑制するように工夫されている。電池５５自体が機械的強度および剛性の高い部品であり、電池５５を締め具によって強固に締め付けて装填することにより、内蔵部品支持体５０の強度および剛性を高めることができる。電池５５、電池装着空間５３および上記締め具は、フレームの強度確保部材としても貢献している。
【００４５】
前記カバー５２の後ろ側の約半分は、電池装着空間５３に電池５５を着脱することができるように、開閉可能な蓋になっている。上側のフレームの補強梁１３は、上記蓋の開閉を可能にするために、下側のフレームの補強梁２３よりも前側に位置をずらして設けられている。
【００４６】
前記空間５６には、電池装着空間５３の下側の層に、発熱部品の実装基板が前記底板５１に面接触させて配置されている。前記実装基板には、前記モーターの回転速度制御部品（ＥＳＣ：Electronic Speed Control）や、降圧分電機が実装される。降圧分電機は、電池５５から供給される直流電源を、前記モーターの駆動電圧や制御回路の駆動電圧に適した電圧に降圧して分配する。上記ＥＳＣや降圧分電機は高熱を発する。
【００４７】
内蔵部品支持体５０の底板５１には、前記空間５６よりも前側において適宜数の回路基板５８が配置されている。これらの回路基板５８には、フライトコントローラーなどの制御回路、各種センサー類からの信号の処理回路、通信回路などが実装されている。
【００４８】
電池装着空間５３を構成する前記電池受け板の裏面すなわち下面側には、ドローンの加速度を測定し、さらに、加速度の積分により速度を計算する手段である６軸センサーが配置されている。６軸センサーは、互いに直交する３つの軸方向における加速度をそれぞれ検出する加速度センサーと、上記３つの軸を中心とする回転、例えばピッチング、ローリングおよびヨーイングの角速度をそれぞれ検出する角速度センサーを有している。
【００４９】
電池装着空間５３に２個の電池５５を装填した状態でのドローンの重心位置は、２個の電池５５の間にある。一方、４組のモーターの回転制御によるドローンの姿勢制御の回転中心、すなわち、４組のモーターの回転により生じる揚力の水平線は、重心位置よりも上側にある。換言すれば、揚力発生の水平線よりも下に固定重量物である電池５５を配置する構成になっている。
【００５０】
重心位置と揚力発生の水平線の位置関係を上記のように設定することにより、ドローンの姿勢の安定性と、姿勢制御に必要なエネルギーの省力化を図ることができる。
【００５１】
内蔵部品支持体５０の下方には、内蔵部品支持体５０の下面との間に空間７０をおいて薬剤タンク１０４が配置されている。薬剤タンク１０４は散布する薬剤を収容するものであり、薬剤は圃場の上を飛行しながら散布されるものであるから、薬剤タンク１０４は変動重量物である。変動重量物である薬剤タンク１０４は、ドローンの重心位置よりもさらに下方に配置されていて、重量の変動がドローンの姿勢制御に与える影響が少なくなるように考慮されている。
【００５２】
［ＧＰＳセンサー］
前記上側のフレームを構成する二つの第２支持アーム１１，１２にはＧＰＳセンサー６０，６０が上向きに取り付けられている。ＧＰＳセンサー６０，６０は、例えばＲＴＫアンテナおよびＲＴＫ−ＧＰＳ（Real Time Kinematic - Global Positioning System）モジュールにより構成されている。ＧＰＳセンサー６０，６０は、ドローンの絶対位置を計測し、計測した位置が例えばプログラム通りの位置であるかどうかを判定し、位置がずれていれば正しい位置になるように前記各駆動モーターの回転を制御する。
【００５３】
ＧＰＳセンサー６０，６０が振動すると、ドローンの絶対位置計測精度が低下し、位置制御の制度も低下する。そこで図示の実施例では、振動源である前記各駆動モーターの振動の影響を受けないように、前記各駆動モーターから最大限離れた位置である前記第２支持アーム１１，１２の長さ方向のほぼ中間部にＧＰＳセンサー６０，６０を設置している。
【００５４】
上記ＧＰＳセンサー６０，６０の設置位置は、平面方向から見てそれぞれ前後のプロペラガード４１，４２の間と、プロペラガード４３，４４の間にある。また、ＧＰＳセンサー６０，６０上下のフレームを結合する柱３０，３０の近傍にあって、第２支持アーム１１，１２が振動しにくい位置にある。よって、ＧＰＳセンサー６０，６０は前記各駆動モーターの振動の影響を受けにくく、ドローンの位置を高い精度で計測することができる。
【００５５】
［フレームの冷却効果］
以上説明した飛行体およびそのフレームの構成によれば、以下のような冷却効果を得ることができる。
【００５６】
内蔵部品支持体５０には、モーターの回転制御部品や分電機といった発熱部品を含む内蔵部品が実装されている。内蔵部品支持体５０を構成する底板５１、カバー５２は熱伝導素材からなり、前記発熱部品から発せられる熱は内蔵部品支持体５０に伝達されて放散される。したがって、内蔵部品支持体５０は、発熱部品で生じた熱を放散する主要な部分になっている。
【００５７】
さらに、内蔵部品支持体５０の底板５１は熱伝導素材からなる下側のフレームの補強梁２３に結合され、補強梁２３はさらに第２支持アーム２１，２２に結合されている。内蔵部品支持体５０のカバー５２も、熱伝導素材からなる上側のフレームの補強梁１３に結合され、補強梁１３は第２支持アーム１１，１２に結合されている。このように、内蔵部品で生じる熱が、内蔵部品支持体５０からフレームに伝達されやすい構造になっていて、内蔵部品支持体５０による熱放散が不足しているとしても、フレームが熱放散を補う構造になっている。
【００５８】
内蔵部品支持体５０は、その左右に位置している前後一対のプロペラによって囲まれている。各プロペラが回転駆動されると、内蔵部品支持体５０の左右両側面に沿って空気の下降流が生じる。空気の下降流は、内蔵部品支持体５０の左右両側面と前後のプロペラガードで画される平面方向から見たほぼ三角形状の空間を比較的高速で流れる。
【００５９】
本実施例は、４か所のプロペラが上下２段構成になっており、一段構成のプロペラよりも、下降流が集中的にかつ強い下降流が生じることがわかっている。図９ａ）に示すように、二段構成のプロペラの下では、上から見てプロペラの中心から半径のおよそ５０％の距離にある位置からおよそ９０％の位置に至るまでの間に特に気流の速度が速い円筒状の領域が存在する。
【００６０】
図９ｂ）は図９ａ）を模式化した図であり、符号４０１は、前記実施例におけるプロペラを模式化したものである。典型的な設計数値として、プロペラの直径が７０センチメートル、回転速度が毎分２，０００回転、機体重量が２０キログラムの場合に、この円筒状の領域４０２での風速は毎秒１０メートル以上である。この円筒状の領域に薬剤ノズルを置いて薬剤を散布することにより、この円筒状の領域がいわば保護壁となって、その外部への好ましくない薬剤飛散を最小化できることが発明者の実験により明らかになっている。
【００６１】
なお、図９ｃ）は、プロペラが一段構成のドローンによる同様の実験結果を参考図として付加したものである。一段のプロペラ構成では、気流の速度が速い円筒状の領域が二段のプロペラ構成の場合と比較して明確ではなく、下降流の集中度および下降流の強さが劣る。また、発明者による実験では、一段のプロペラ構成の場合には、プロペラの旋回流の影響によりかえって薬剤の圃場外への好ましくない飛散が増すことが明らかになっている。
【００６２】
したがって、本願発明の効果を最大化するためには、二段のプロペラ構成のドローンを使用することが望ましい。さらに、二段のプロペラ構成を使用することで、気流の乱れを削減し、風速を維持できるため、圃場の作物の株元にも薬剤を効果的に散布できるという副次的効果も得られる。前記実施例に係るドローンのプロペラが作る気流を積極的に利用するためには、作物に到達する気流が秒速７メートル程度となるような低空、典型的には圃場の作物上部から約７５センチメートルを飛行させるとよい。
【００６３】
以上説明したように、本実施例において二段構成のプロペラによって集中的に、かつ、高速度で生じる下降流の流路に、内蔵部品支持体５０の両側面およびフレームの一部が位置している。より具体的には、内蔵部品支持体５０の両側面に沿って下降流が流れ、第１支持アーム１０，２０の両端部、第２支持アーム１１，１２，２１，２２のほぼ全体、補強梁１３，２３の両端部が下降流の流路を横切っている。そのため、内蔵部品支持体５０自体および内蔵部品支持体５０からフレームに伝達される熱が効果的に放散され、内蔵部品の温度上昇が抑制される。
【００６４】
ドローンが所定の速度で飛行中は、ドローンの風切りによってドローン全体が冷却される。しかし、ドローンの動作モードでは、低速飛行モードやホバリングモードなどがあり、これらの動作モードでは、風切による冷却効果を期待することはできない。しかし、本発明の実施例によれば、上に述べたように冷却を促進するための工夫が施されており、低速飛行モードやホバリングモードでも温度の上昇を抑制することができる。
【００６５】
また、図４、図８などからわかるように、内蔵部品支持体５０の底板５１の下面と薬剤タンク１０４の上面との間には一定間隔の間隙７０が形成されている。この間隙７０は空気の流路となっていて、薬剤タンク１０４が内蔵部品支持体５０の冷却の妨げにならないように工夫されている。このような工夫も相まって、ドローンの温度上昇を効果的に防止することができる。
【００６６】
［他の実施例］
プロペラの回転駆動による前記下降流の流路に位置するフレームの部分には、冷却を促進するためのフィンを設けるとよい。
【００６７】
本発明の実施例によれば冷却効果が高まるとはいえ、前記低速飛行モードやホバリングモードでは、ある程度の温度上昇は避けられない。低速飛行モードやホバリングモードにおいて温度が所定の温度以上に上昇したときは、緊急冷却要求を発する。緊急冷却要求があった場合、飛行速度を上げる。飛行速度を上げるにはプロペラの回転速度を上げる必要があり、回転速度を上げることにより前記下降流を増加させ、冷却効果を高めることができる。飛行速度を上げることにより、内蔵部品支持体５０の風切による冷却効果も得ることができる。
【００６８】
上記緊急冷却要求があった場合、ヨー回転運動を行わせて前記下降流を増加させてもよい。ヨー回転運動はドローンの向きを変える運動であり、この運動によって内蔵部品支持体５０に接する空気の量を増加させることもできるため、低速飛行モードやホバリングモードにおいても、温度上昇を抑制することができる。
【００６９】
ドローンの速度制御、方向制御、姿勢制御などの各種制御を精度よく行うためには、個々のプロペラ駆動モーターの加速および減速を迅速に行う必要がある。プロペラ駆動モーターの減速を迅速に行うために、プロペラ駆動モーターからの回生電力を消費するディスチャージ抵抗が用いられる。ディスチャージ抵抗は発熱することによって回生電力を消費し、プロペラ駆動モーターを迅速に減速する。ディスチャージ抵抗が発する熱を効率よく放散させるために、ディスチャージ抵抗は前記熱伝導体からなる内蔵部品支持体５０に接触させて配置するとよい。
【００７０】
以上、本説明の実施例として、農業用薬剤散布ドローンを例に挙げて説明したが、本発明の技術的思想はこれに限られるものではなく、ドローン全般に適用可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１０    第１支持アーム
１１    第２支持アーム
１２    第２支持アーム
１３    補強梁
２０    第１支持アーム
２１    第２支持アーム
２２    第２支持アーム
２３    補強梁
３０    柱
３１    柱
４１〜４４    プロペラガード
５０    内蔵部品支持体
５１    底板
５２    カバー
５３    電池装着空間
５３    添え部材
６０    ＧＰＳセンサー
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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