JP2006264526A - 無人ヘリコプタの重量物配置構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 空気抵抗を小さくして出力損失を軽減し、安定した飛行制御が可能な無人ヘリコプタの重量物配置構造を提供する。
【解決手段】 地上からのリモコン操作によるマニュアル飛行制御及び機体に搭載した自律制御装置による自律飛行制御が可能な無人ヘリコプタ１において、機体４の左右外側のうち一方のみに、重量物を搭載した。前記重量物は、例えば前記自律制御装置を収納した自律制御ボックス１５である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、無人ヘリコプタに搭載する重量物の配置構造に関する。

無人ヘリコプタは、農薬等の薬剤を散布するため（例えば特許文献１）、あるいは航空写真撮影のため等に用いられる。この無人ヘリコプタは、リモコン操縦機で、使用者が地上から機体を見ながら飛行状態に応じて遠隔操作できる。

このような無人ヘリコプタにおいて、例えば予め任意に設定されている飛行ルートに沿ってエンジンの運転状態等に応じて最適な飛行制御を自動的に行う自律飛行制御が実用化されている。このような自律飛行制御を行う場合、機体側の方位角センサや姿勢角センサ（ジャイロ）の検出データ及びＧＰＳデータなどを地上側に送信するとともに、地上側から送られる自律飛行の操縦指令信号を受信するデータ通信機が機体側に搭載される。また、機体の位置や速度を検出するためのＧＰＳ装置やカメラを搭載している場合の画像通信機及び自律飛行プログラムを格納したマイコンからなる制御基板などが機体に搭載される。

自律飛行制御に必要なこのようなデータ通信機、画像通信機、ＧＰＳ装置及び制御基板などからなる自律制御装置は自律制御ボックス内に収納され、収納しきれない機器は別のサブ制御ボックスに収納して機体に搭載される。

無人ヘリコプタの燃料タンクは、機体内部に収納される。さらに飛行距離を延ばすために、サブ燃料タンクが搭載され、機体内部の燃料タンクの残量が少なくなると、燃料ホースを通してサブポンプにより機体内部の燃料タンクに燃料を補充する。

従来の無人ヘリコプタにおいて、前述の自律制御ボックスとサブ制御ボックス及びサブ燃料タンクは、機体の左右両外側に搭載されていた。
しかしながら、機体の左右両外側に重量が大きく且つ嵩の大きい自律制御ボックスやサブ燃料タンクが搭載されると、飛行の空気抵抗が大きくなり出力損失の要因となる。また、自律制御ボックスとサブ制御ボックスとを接続するハーネスやコネクタ等の部品点数が増え、接続や動作の信頼性低下の原因になる。

また、サブ燃料タンクを設けると、これに伴い燃料ホースやサブポンプが必要になり重量が増加するとともに、燃料供給の信頼性の低下の原因になる。さらに、サブ燃料タンクの残量の変化により機体の傾き角が変化し、安定した姿勢で飛行するためには常に補正制御が必要となって、自律制御の信頼性低下の原因になる。

特開２００２−１６６８９３号公報

本発明は上記従来技術を考慮したものであって、空気抵抗を小さくして出力損失を軽減し、安定した飛行制御が可能な無人ヘリコプタの重量物配置構造の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１の発明は、地上からのリモコン操作によるマニュアル飛行制御及び機体に搭載した自律制御装置による自律飛行制御が可能な無人ヘリコプタにおいて、機体の左右外側のうち一方のみに、重量物を搭載したことを特徴とする無人ヘリコプタの重量物配置構造を提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記重量物は、前記自律制御装置を収納した自律制御ボックスであることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記重量物は、メインロータの回転方向に応じた機体の傾きを打ち消す側に搭載されたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、機体の左右両外側のうち一方のみに重量物を搭載するため、左右両側に重量物を搭載する場合に比べ空気抵抗が減少し、出力損失を軽減できる。

請求項２の発明によれば、自律制御ボックスを機体の片側のみに設けて機体の形状を小型化するとともに空気抵抗の減少が図られる。この場合、１つの自律制御ボックス内に自律制御装置の各機器をコンパクトに収容してサブ制御ボックスを廃止することにより、コンパクトな構成が得られるとともに、ハーネスやコネクタ等の部品点数が減少し接続や動作の信頼性が高められる。また、機体内部に十分大きな容量の１つの燃料タンクを備えてサブ燃料タンクを廃止することにより、燃料ホースやサブポンプ等の部品点数が減少しコンパクトな構成で軽量化ができるとともに燃料供給の信頼性が高められる。また、燃料タンク内の残量にかかわらず常に安定した姿勢が保たれる。

請求項３の発明によれば、メインロータの回転作用に基づく機体の傾きを打ち消す方向に重量物を搭載することにより、機体を水平姿勢に保つことができ、カメラ画像やジャイロ装置のデータ処理が簡素化し制御の精度及び信頼性が高まる。さらに詳しくいうと、一般にヘリコプタは、メインロータの回転反力によるメインロータ軸廻りの機体の回転を防止するため、テールロータによりメインロータに対向する回転反力を機体に与えている。このテールロータの回転により、機体に対し回転反力が付与されるとともに、横方向（機体の左右方向）への推力が発生する。このテールロータによる推力を打ち消すために、メインロータに反対方向の推力を発生させる必要がある。このため、機体をテールロータによって推力が発生する方向と逆方向に右又は左に傾けることにより、傾けた方向に推力を発生させてテールロータの推力に対抗して機体の左右方向への移動を停止している。

本発明ではこのとき機体の傾きを戻すように機体左右の一方の側に重量物を搭載するため、メインロータは傾いた状態としつつ機体をほぼ水平姿勢に保つことができる。機体には、姿勢角を検出するジャイロ装置や、方位角センサ及び位置を検出するＧＰＳ装置などの検出装置が備わる。これらは、水平を基準として取付けられている。したがって、機体が水平から傾くと、その傾き角の変化を補正する必要がある。本発明では機体が水平に近付くように傾きが戻されるため、補正量は小さく、検出装置の検出精度や信頼性が高まって、自律飛行制御を安定して精度よく実行できる。

また、機体にカメラを搭載する場合に、カメラは水平基準で機体に取付けられる。したがって、機体が傾くと画像も傾いてしまうため、地上局に送信された画像により機体の姿勢を判別することがむづかしくなる。本発明では、機体がほぼ水平に維持されるため、カメラ画像によって機体の姿勢が容易に確実に識別できる。したがって、画像を見ながら無人ヘリコプタの操縦が容易にできる。

図１〜図３はそれぞれ、本発明に係る無人ヘリコプタの側面図、上面図及び正面図である。
無人ヘリコプタ１は、メインボディ２とテールボディ３からなる機体４を備える。メインボディ２の上部にメインロータ５が備わり、テールボディ３の後部にテールロータ６が備わる。メインボディ２の前部にラジエータ７が備わり、その後にエンジン、吸気系、メインロータ軸、燃料タンクの順にメインボディ２内に収容される。燃料タンクは、外部サブ燃料タンクを不要とすべく大容量のものが機体中央付近に収容される。機体４のほぼ中央部のメインボディ２の左右下部に支持脚８を介してスキッド９が備わる。スキッド９の前端部上方の機体下部には、機体内のエンジン（不図示）に接続された排気管６０に備わるマフラー６１が配設される。

メインボディ２の後部上側にコントロールパネル１０が備わり、下側に表示灯１１が備わる。コントロールパネル１０は、飛行前のチェックポイントやセルフチェック結果等を表示する。コントロールパネル１０の表示は地上局でも確認できる。表示灯１１は、ＧＰＳ制御の状態や機体の異常警告等の表示を行う。

メインボディ２の前部下側に、赤外線カメラ（あるいはＣＣＤカメラ）を収容したカメラ装置１２がカメラ雲台１３を介して取付けられる。カメラ装置１２は、カメラ雲台１３に対し、パン軸（垂直軸）廻りに回転するとともに、内部のカメラ（不図示）がチルト軸（水平軸）廻りに回転可能である。これにより、カメラが前側の窓１４を通して上空から地上の全方位を撮影できる。

メインボディ２の左側に自律制御ボックス１５が搭載される。自律制御ボックス１５内には、自律制御に必要な、ＧＰＳ制御装置、地上と通信するデータ通信機や画像通信機、及び制御プログラムを組込んだ制御基板などが収容される。自律制御は、機体の位置や速度などの飛行データ、機体の姿勢や方位などの機体データ、エンジン回転数やスロットル開度などの運転状態データ等に基づいて、予め定められた運転モードや制御プログラムを自動的にあるいは地上局からの指令によって選択し、運転状態に応じて最適な操縦制御を行う。

この無人ヘリコプタ１は、このような自律制御で飛行できるとともに、飛行状態を目で確認しながら、この飛行状態や機体から送信された各種運転状態データに基づいて、リモコン操縦機によりマニュアル操作が可能である。

メインボディ２の下面側にアンテナ支持枠１６が取付けられる。このアンテナ支持枠１６に、傾斜したステー１７が取付けられる。このステー１７に、前述の自律制御に必要な運転状態データや飛行指令データ等の操縦データ（デジタルデータ）を地上局との間で送受信するための操縦データアンテナ１８が取付けられる。ステー１７にはさらに、前述のカメラ装置１２で撮影した画像データ（アナログデータ）を地上局に送信するための画像データアンテナ１９が取付けられる。

テールボディ３の下面側に地磁気等に基づく方位角センサ２０が備わる。方位角センサ２０により機体の向き（東西南北）が検出される。メインボディ２内にさらに、ジャイロ装置からなる姿勢角センサ（不図示）が備わる。

テールボディ３の上面側にメインＧＰＳアンテナ２１及びサブＧＰＳアンテナ２２が備わる。テールボディ３の後端部に、リモコン操縦機からの指令信号を受信するリモコン受信アンテナ２３が備わる。

図４は、本発明に係る無人ヘリコプタのブロック構成図である。
カメラ装置１２は、カメラ雲台１３に搭載された赤外線カメラ（又はＣＣＤカメラ）２４を備える。
自律制御ボックス１５内には、カメラ２４からの映像データを受信する画像制御装置２５と、画像データを地上局に送る画像通信機２６と、自律制御に必要なデータを地上局との間で送受信するためのデータ通信機２７と、自律制御プログラムが格納されたマイコン等からなる制御基板２８と、メインＧＰＳアンテナ２１に接続されたメインＧＰＳ受信機２９と、サブＧＰＳアンテナ２２に接続されたサブＧＰＳ受信機３０が収納される。

機体４には、自律制御ボックス１５内の画像通信機２６及びデータ通信機２７からそれぞれ、アナログ画像データを地上局に送る画像データアンテナ１９及びデジタル操縦データを地上局との間で送受信する操縦データアンテナ１８が、前述のようにメインボディ２（図１）の下面側に備わる。方位角センサ２０は、自律制御ボックス１５内の制御基板２８に接続される。機体４内には、ジャイロ装置等からなる姿勢角センサ３１が備わり、コントロールボックス３２に接続される。コントロールボックス３２は、自律制御ボックス１５内の制御基板２８とデータ通信して５台のサーボモータ３３を駆動する。３台のサーボモータ３３がメインロータを制御してエンジンコントロール用のサーボモータとともに、機体の前後、左右、上下方向の移動を制御し、テールロータ制御用のサーボモータが機体の回転を制御する。

図５は、地上局のブロック構成図である。
無人ヘリコプタ１と通信する地上局５３には、ＧＰＳ衛星からの信号を受信するＧＰＳアンテナ３４と、無人ヘリコプタ１とデータ通信を行うための通信アンテナ３５と、無人ヘリコプタ１から画像データを受信するための画像受信アンテナ３６の３本のアンテナが地上に設置される。

地上局５３は、データ処理部３７と、監視操作部３８と、電源部３９とにより構成される。
データ処理部３７は、ＧＰＳ受信機４０と、データ通信機４１と、画像通信機４２と、これらの通信機４０，４１，４２に接続された通信基板４３とにより構成される。

監視操作部３８は、手動用コントローラ（リモコン操縦機）４４と、カメラ操作や機体の操縦調整などを行うベースコントローラ４５と、バックアップ電源４６と、ベースコントローラ４５に接続されたパソコン４７と、パソコン用のモニタ４８と、ベースコントローラ４５に接続され画像データを表示する画像モニタ４９とにより構成される。

電源部３９は、発電機５０と、バッテリブースタ５１を介して発電機５０に接続されたバックアップバッテリ５２とにより構成される。バックアップバッテリ５２は、飛行前のチェック時などの発電機５０が動作していないときに機体側に接続して１２Ｖの電圧を供給する。飛行中は、発電機５０からデータ処理部３７及び監視操作部３８に１００Ｖの電圧を供給する。

地上局５３の画像モニタ４９に写る画像データは、ＤＶレコーダ５５を介して、遠隔監視室５４に送信され、遠隔監視室５４内で見ることができる。

本発明では、前述の図１〜図３に示したように、重量物となる自律制御ボックス１５が機体の左側のみに搭載され、右側には重量物は搭載されない。これにより、メインロータ５による機体の傾きを打ち消して機体をほぼ水平に保つことができる。すなわち、メインロータ５の時計廻りの回転の反作用に伴う機体４の反時計廻りの回転を防止するため、テールロータ６によりメインロータに対抗する回転反力を機体に与えている。このとき、テールロータ６により機体４左方向への推力が発生する。このテールロータ６による機体左方向への推力を打ち消すために、メインロータ５を機体後方より見て右に傾けて（右側を下げて左側を上げる）、右方向への推力を発生させてバランスさせる。このとき、左側に重量物である自律制御ボックス１５が搭載されているため、機体後方視で左廻りのモーメントが作用し、この結果メインロータ５を右に傾けたまま機体のみ左側が下がり、機体が水平に戻される。この状態では、自律制御ボックスの重量による左廻りのモーメントとメインロータの傾きによる右廻りのモーメントはバランスし安定している。

上記機体の水平バランス状態について図を用いてさらに説明する。図６（A）から(C)は機体の後面図である。
（A）に示すように、メインロータ５が時計方向に回転する（R１）、この反作用により機体４が反時計方向に回転しようとする（R２）。この機体４の回転R２を防止するため、テールロータ６によりR２に対抗する回転力を機体４に付与する。すなわちテールロータ６により風向ｗの風力を発生させて機体の回転R２に対向させる。このテールロータ６の回転対抗作用により機体４の回転は防止される。しかし、これにより機体４に対する左向きの推力F１が発生する。この推力F１による機体４の左方向への移動を防止するため、（B）に示すように、メインロータ５を後方視で右に傾ける。これにより右向き推力F２が発生して左向きの推力F１を打ち消す。

このとき本発明では、（C）に示すように、機体左側に自律制御ボックス（重量物）１５が備わるため、機体４に対し、後方視で左廻りのモーメントM２が作用する。これにより右に傾いた機体４が左廻りに回転して水平に戻される。このとき、メインロータ５は水平な機体４に対し、（B）で説明したように、左向きの推力F１を打ち消すように傾いている。したがって、テールロータ６による機体４に対する左への推力F１は、メインロータ５による機体４に対する右への推力F２と等しくなり（F1=F2）、機体４は、左右方向へ移動しない。また、メインロータ５による機体４に対する右廻りのモーメントM１は、重量物１５による左廻りのモーメントM２と等しくなり（M1=M2）、機体４は回転することなく水平姿勢でバランスする。

この自律制御ボックス１５は、上記のようにメインロータ５の回転方向に応じた機体の傾きを打ち消す側（実施例では左側）に搭載される。重量物としては、自律制御ボックスに限らず、燃料タンクあるいは薬剤タンク等であってもよい。

本発明は、農薬等の薬剤散布用あるいは測量等の航空写真撮影用その他の無人ヘリコプタに適用できる。

本発明に係る無人ヘリコプタの側面図。 図１の無人ヘリコプタの上面図。 図１の無人ヘリコプタの正面図。 本発明に係る無人ヘリコプタのブロック構成図。 地上局のブロック構成図。 本発明の作用説明図。

符号の説明

１：無人ヘリコプタ、２：メインボディ、３：テールボディ、４：機体、５：メインロータ、６：テールロータ、７：ラジエータ、８：支持脚、９：スキッド、１０：コントロールパネル、１１：表示灯、１２：カメラ装置、１３：雲台、１４：窓、１５：自律制御ボックス、１６：アンテナ支持枠、１７：ステー、１８：操縦データアンテナ、１９：画像データアンテナ、２０：方位角センサ、２１：メインＧＰＳアンテナ、２２：サブＧＰＳアンテナ、２３：リモコン受信アンテナ、２４：カメラ、２５：画像制御装置、２６：画像通信機、２７：データ通信機、２８：制御基板、２９：メインＧＰＳ受信機、３０：サブＧＰＳ受信機、３１：姿勢角センサ、３２：コントロールボックス、３３：サーボモータ、３４：ＧＰＳアンテナ、３５：通信アンテナ、３６：画像受信アンテナ、３７：データ処理部、３８：監視操作部、３９：電源部、４０：ＧＰＳ受信機、４１：データ通信機、４２：画像通信機、４３：通信基板、４４：リモコン操縦機、４５：ベースコントローラ、４６：バックアップ電源、４７：パソコン、４８：モニタ、４９：画像モニタ、５０：発電機、５１：バッテリブースタ、５２：バックアップバッテリ、５３：地上局、５４：遠隔監視室、５５：ＤＶレコーダ、６０：排気管、６１：マフラー。

Claims (3)

1. 地上からのリモコン操作によるマニュアル飛行制御及び機体に搭載した自律制御装置による自律飛行制御が可能な無人ヘリコプタにおいて、
   機体の左右外側のうち一方のみに、重量物を搭載したことを特徴とする無人ヘリコプタの重量物配置構造。
2. 前記重量物は、前記自律制御装置を収納した自律制御ボックスであることを特徴とする請求項１に記載の無人ヘリコプタの重量物配置構造。
3. 前記重量物は、メインロータの回転方向に応じた機体の傾きを打ち消す側に搭載されたことを特徴とする請求項１に記載の無人ヘリコプタの重量物配置構造。
   

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