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