JP2007055278A - 繋留型気球 - Google Patents

Abstract

【課題】
上空に飛んでいる状態で略水平方向に移動することが可能で、長時間飛行することができ、かつ安全性の高い繋留型気球を提供することを目的とする。
【解決手段】
地上から繋留ロープ１７によって引っ張られることによって位置を特定する気球である繋留型気球であって、中空部を有する環状気球１２と、回転翼１６を有し、環状気球１２の中空部に位置し、繋留型気球を略水平方向に移動するような推力を発生するローター１１と、を有する繋留型気球。
【選択図】 図１

Description

本発明は、繋留型気球に関し、特に、移動制御可能な繋留型気球に関する。

大地震や津波、土砂災害などが発生した際、現場の被害状況を迅速に把握することが重要である。従来、大地震などの災害時に上空からの被害状況の把握を目的としては、ヘリコプターの緊急出動が主体となってきた。しかしながら、ヘリコプターの使用には、以下のような問題点が存在していた。

一つ目は、避難・救援活動で最も重要とされる地震発生後３０分以内にヘリコプターの配備が完了することはまれであることである。二つ目は、ヘリコプターが上空でホバリングすることによる騒音が、救援を待つ人の声の伝達をさえぎり、救難活動が難航することである。三つ目は、万一の墜落事故などの際に、人畜に被害を与える可能性をあることである。

二つ目の問題点である、ホバリング時の翼の風切り音やエンジン音の問題を解決するために、電動の小型無人ヘリの使用も試みられているが、電源を小型の電池に依存するため、滞空時間が非常に短い時間に限定されてしまっていた。さらに、カメラや通信機器の搭載荷重をあまり大きくすることができないという問題点を残していた。また、小型ヘリの場合、万一の墜落事故が発生した場合、小型ヘリのプロペラや本体が墜落位置に落ちることによって、人畜に被害を及ぼす危険性を回避することができなかった。

これらのことから、小型ヘリでは災害時などに上空からの被害状況の把握を目的とするときに緊急の対応をすることができなかった。そこで、三つ目の問題点である、万一の墜落事故を考えた場合、安全性の高い繋留型気球が最適であると考えられる。

繋留型気球において、緊急の際にカートなどで移動可能とするためには、人手で移動可能な少量のガスボンベで浮上が可能な小型の気球の開発が望まれていた。しかしながら、小型気球の場合は、気球自体に移動手段を持たず、飛ばした位置からの移動をすることができなかった。つまり、所望の位置に繋留型気球を飛ばすことが難しかった。
特開２０００−３２６８９９号公報

これらのことから、従来の小型ヘリや小型気球を用いて必要な場所に迅速に移動することが可能であり、安全性の高いものが存在しなかった。特に、万一の墜落事故を考えた場合に、人畜に被害を与えることを考えると、迅速に対応することが可能な繋留型小型気球であって、移動制御することが可能な気球が必要であった。

また、移動制御をするための装置を用いるのに電力が必要であり、さらに、小型繋留型気球に積載された映像撮影装置等を動作させるにも電力を供給することが必要である。しかしながら、小型繋留型気球に搭載することのできる電池の大きさには限りがあるため、長時間の気球の位置制御や映像撮影等をすることのできる小型繋留型気球を作成することができなかった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、万一の墜落事故においても人畜に被害を与えることがなく、略水平方向に移動することが可能な小型繋留型気球を提供することを一つの目的とする。小型繋留型気球に積載された映像撮影装置等を長時間動作させることのできる小型繋留型気球を提供することを他の目的とする。

本発明の態様に係る繋留型気球は、 地上から繋留ロープによって引っ張られることによって位置を特定する気球である繋留型気球であって、中空部を有する環状気球と、回転翼を有し、前記環状気球の前記中空部に位置し、前記繋留型気球を略水平方向に移動するような推力を発生するローターと、を有する、ものである。中空部にローターが位置することによって、万一の墜落事故の際に、墜落位置の人畜に被害を与えることがない。また、ローターを有していることによって、略水平方向に自由に移動することが可能となる。

本発明に係る繋留型気球によれば、上空に飛んでいる状態で移動することが容易で、安全性の高い気球を提供することができる。

実施の形態１．
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施の形態に係る繋留型気球１においては、上空で移動するための移動手段を設けている。さらに、本実施の形態にかかる繋留型気球においては、万一の墜落事故の際に、上記の移動手段が繋留型気球内に収まる構造を有している。そのため、安全性の高い小型繋留型気球を作成することが可能となる。

本実施の形態に係る繋留型気球１においては、所望の高度まで繋留型気球に挿入されている気体と繋留型気球外部の気体との密度差による浮力によって上昇させ、地上に位置する繋留用の紐の張力と繋留型気球に挿入されている気体と繋留型気球外部の気体との密度差による浮力との釣り合いを取ることによって、高度を制御している。

所望の高度を得ることができた後に、上記の移動手段によって水平方向の所望の方向に移動させることができる。この移動手段は、回転翼を持つローターである。繋留型気球の位置制御には、位置制御装置である小型ＧＰＳ装置が用いられている。以上のような構成の繋留型気球を用いることによって、位置制御することができる繋留型気球を作成することができる。

また、本実施の形態に係る繋留型気球１はドーナツ形状をしており、そのドーナツ形状の穴に上記の移動手段が収まる構造をしている。このため、万が一の墜落事故の際において、上記の移動手段を繋留型気球内に収めることができるために、墜落場所の人畜に大きな影響を及ぼすことがない。

さらに、本実施の形態に係る繋留型気球１においては、停留時に移動手段であるローターに発電機を設けることによって、モータ内の回転翼を回転させることによって発電することができる。このことは、繋留型気球における位置制御を行っている小型ＧＰＳ装置や、移動手段であるローター、さらに、繋留型気球に積載されたカメラ等の映像撮影装置等を、長時間動作させることを可能とする。以上のことから、所望の位置による撮影を可能とし、かつ長時間飛行が可能であり、かつ安全性の高い繋留型気球を作成することが可能となる。

ここでいう気球とは、気密性の袋の中に、空気より軽い気体を入れて浮遊させる飛行装置のことであり、繋留型気球とは、地上から繋留ロープによって引っ張られることによって位置を特定する気球のことである。例えば、地上に置かれたウインチに繋留ロープを巻きつけておき、この繋留ロープに気球を繋ぐことによって、空中を浮上させている。

本実施の形態に係る繋留型気球１の垂直方向移動時及び停留時の外観図を図１に、発電時及び水平方向移動時の外観図を図２に示す。本実施の形態に係る繋留型気球１は、移動手段であるローター１１を囲むように、ドーナツ型気球１２が形成されている。ここでいうドーナツ型気球とは、環状をした気球のことである。なお、図１においては、円環状の気球を示したが、ローター１１を囲むようにドーナツ型気球１２は形成されていればよく、中空部が延在している方向からドーナツ型気球１２を見た形状が、多角形であってもよく、楕円形であってもよい。

ローター１１は、円筒状の本体部１３と回転翼１４と、本体部１３とドーナツ型気球１２とをつなぐ２つの連結部１５ａ、１５ｂを有している。本体部１３の中心には、回転翼１４の回転軸１６が形成されている。さらに、繋留型気球１においては、繋留用紐が設けられている。

繋留型気球１は、ドーナツ型気球１２に挿入されている気体とドーナツ型気球１２外部の気体との密度差による浮力によって浮上している。それに対して、繋留型気球１を急速浮上させるときには、図１に示すようにドーナツ型気球１２内にローター１１が埋め込まれた状態で、回転翼１４を回転させることによって、下向きに風が送られることになり、上向きに浮力が生じより速く上昇することが可能となる。ここでいう、ドーナツ型気球１２内にローター１１が埋め込まれているというのは、ローター１１がドーナツ型気球１２の中空部におさまっていることであり、ローター１１がドーナツ型気球１２から立体的にはみ出ることがない状態を意味する。

ローター１１は、図１に示すように、垂直移動時及び停留時にドーナツ型気球１２の中にはまり込んでいる。これは、垂直移動時及び停留時にはローター１１を使用することが必要ではないため、ドーナツ型気球１２の中に埋め込んだ状態のままにしている。この状態であれば、万が一上昇するのに失敗したとき等の場合、ローター１１がドーナツ型気球１２に囲まれているために、墜落した場所に被害を与えることがない。

それに対して、発電を行うときや水平方向移動時には、２つの連結部１５ａ、１５ｂを繋ぐ直線を中心にローター１１を、２つの連結部１５ａ、１５ｂ内に設けられたモータによって回転させることによって、図２に示すようにドーナツ型気球１２と垂直になるようになる。このとき、ローター１１内の回転翼１４の直径が、鉛直方向のドーナツ型気球１２の長さより大きくなっている。このことによって、風を効率的に回転翼が受けることが可能となる。

好ましくは、回転軸１６が、風の向きに対して平行で、水平方向にも平行になるようにすると良い。また、２つの連結部１５ａ、１５ｂにばね等の弾性体を設け、モータが動作していないときまたは繋留型気球が上昇時には、この弾性体によって、ローター１１がドーナツ型気球１２に埋め込まれている状態に戻すようにしていると良い。

発電時や水平方向移動時に、万一の墜落事故が発生した場合、上述のモータはローター１１をドーナツ型気球１２の中に埋め込んだ状態に戻すようにしている。このときの墜落していることを検知するための方法は、ドーナツ型気球１２に高度センサを設けると良い。さらに、上述のモータにばねのような弾性体を用いることによって、緊急時にはローター１１をドーナツ型気球１２の中に埋め込んだ状態に戻すようにすることが好ましい。このことによって、墜落したことを検知してすぐに戻すことが可能となる。

ドーナツ型気球１２とローター１１とが垂直なときに、回転翼１４を回転させることによって、繋留型気球１を水平方向に移動させることができる。ローター１１内の回転翼１４の回転速度を変化させることによって、繋留型気球１の位置制御を行っている。繋留型気球１の位置制御は、後述の小型ＧＰＳ装置によって行われている。

本実施の形態に係る繋留型気球１において、ドーナツ型気球１２に尾部１８を設けると良い。尾部１８を設けることによって、ローター１１内の回転軸１６が風の方向と平行になるからである。回転軸１６が風の方向と平行に向くことによって、発電を行うときに効率よく発電することができる。尾部１８は、図１に示すようにドーナツ型気球１２に２つ設けても良いし、より多く設けても良い。

ローター１１内の回転翼１４は、図示されない二次電池から電力を供給された直流電動機によって回転している。直流電動機はローター１１に接続されている。このとき、回転翼１４には二重反転回転翼機構若しくは整流翼を併用する方法などを採用すると良い。二重反転回転翼機構若しくは整流翼を併用する方法によって、回転翼を能動的に駆動する際に発生するトルクを取り消すことが可能となる。

２つの連結部１５ａ、１５ｂは、図１の矢印に示したようにドーナツ型気球の表面上を回転することができると良い。このことによって、ローター１１の回転軸１６の向きは水平方向のどの方向にも向くことができる。つまり、ドーナツ型気球１２とローター１１が垂直な状態で、回転軸１６の方向を制御することによって、水平方向の所望の方向に繋留型気球１を移動させることができる。

さらに、本実施の形態に係る繋留型気球１には、ローター１１には、回転翼１４が風によって回転することによって発電される発電機が設けられている。ドーナツ型気球１２とローター１１が垂直になっている状態で、繋留型気球１を停留させ、風の流れでローター１１に接続された直流発電機の回転子を回転させることによって発電を行う。このときに発電された電力は、図示されない二次電池に蓄えられ、観測・通信機器の駆動用及び直流の駆動に用いられる。つまり、ローター１１が移動手段としても用いられ、停留時には発電機としても用いられることとなる。

この発電機を搭載することによって、蓄えられた二次電池をすべて消費することなく、長い時間、繋留型気球１を移動制御することが可能となり、繋留型気球１に積載されたカメラ等の映像撮影装置を動作することができる。

ここで、二次電池の発電時における発電機と二次電池の消費時における電動機との切替について説明する。図３に、二次電池の発電時と消費時における、電動機と発電機の切替のための構成概略図を示す。Ｓ１とＳ２は電動機と発電機を切り替えるスイッチである。また、ローター１１は、スイッチＳ１とＳ２を切り替えることによって、電動機と発電機とに切り替えられる。

ローター１１を発電機として使用するときには、発電機からの充電量を多く蓄えられるようにするために、二つの二次電池１９を並列接続にする。このとき、スイッチＳ１はｂ側、スイッチＳ２はａ側に移動させている。このことによって、二つの二次電池１９は並列に接続されることになる。また、発電機の回転数が低い場合にも十分な充電量を得ることができる。

それに対して、ローター１１を電動機として使用するときには、電圧を多く取ることによって十分な推力を得るようにするために、二つの二次電池１９を直列接続にする。このとき、スイッチＳ１はａ側、スイッチＳ２はｂ側に移動させている。このことによって、二つの二次電池１９は直列に接続されることになる。また、ローター１１への給電におけるプラスとマイナスの結線は、風に逆らって風上に移動する場合と、風に押されて風下に移動する場合とで反対の結線となる。

次に、繋留型気球の水平方向の移動に関する位置制御を行うための小型ＧＰＳ装置２０について説明する。上述の小型ＧＰＳ装置のブロック図を図４に示す。水平方向の移動を行う際には、気球上に設置された小型ＧＰＳ装置２０内のＧＰＳセンサ２５により、気球の位置情報ベクトルｐ（ｔ）を常時取得するようにする。位置情報ベクトルｐ（ｔ）の成分は緯度・経度によって与えられる。また、小型ＧＰＳ装置２０内の受信部２１によって、地上から送信される目標位置情報ベクトルｑ（ｔ）と、目標速さ信号Ｖ（ｔ）が受信される。

制御信号生成部２２においては、取得された位置情報ベクトルｐ（ｔ）と地上から送信される目標位置情報ベクトルｑ（ｔ）とを比較している。目標位置情報ベクトルｑ（ｔ）と取得した位置情報ベクトルｐ（ｔ）とを等しくなるように、ローター１１の回転速度方向と回転軸方向を制御するための信号が制御信号生成部２２で形成されている。

そのために、制御信号生成部２２においては、ＧＰＳセンサ２５から得られる位置情報ベクトルｐ（ｔ）を受信し、１クロック前の位置情報ベクトルｐ（ｔ−Δｔ）を遅延回路２６によってフィードバックさせて、位置情報ベクトルｐ（ｔ）の微小時間差を時間微分することによって得られる速度ベクトルｖ（ｔ）は、

で算出される。

速度ベクトルｖ（ｔ）が算出されることによって、速度ベクトルｖ（ｔ）がローター回転軸方向制御部２４に送信される。このとき、速度ベクトルｖ（ｔ）の方向と、目標位置情報ベクトルｑ（ｔ）と位置情報ベクトルｐ（ｔ）との差のベクトルの方向とが比較され、気球の位置が目標位置情報ベクトルｑ（ｔ）に近づくようにする。

次に、ローター回転速度制御部２３に、制御信号生成部２２で算出された速度ベクトルｖ（ｔ）の大きさと目標速さ信号Ｖ（ｔ）とを比較して、速さの差分だけ大きくするようにローター１１の回転速度を上昇させる。以上のように、ローター回転速度制御部２３とローター回転軸方向制御部２４とによって、気球の位置と速さを目標位置情報ベクトルｑ（ｔ）と目標速さ信号Ｖ（ｔ）に近づけている。

以上のようにして、小型ＧＰＳ装置２０によって、本実施の形態に係る繋留型気球１の移動制御を行っている。つまり、ローター１１と小型ＧＰＳ装置２０を用いることによって、所望の位置に移動することが可能となり、また、所望の位置に留まっていることが可能となる。

これらのことから、本実施の形態に係る繋留型気球１においては、ローター１１によって、上空に飛行しているときに水平方向に移動することができる。また、この移動手段であるローター１１をドーナツ型気球１２内に埋め込んだ構造を有することによって、万一の墜落時に墜落場所の人畜に影響を与えることがない。

さらに、本実施の形態に係る繋留型気球１に小型ＧＰＳ装置２０を設けることによって、所望の位置に移動したり、留まったりすることが可能となる。さらにまた、このローター１１に発電機を設けることによって、長時間の繋留型気球の位置制御が可能となり、繋留型気球に積載された映像撮影装置等を長時間動作させることが可能となる。以上のことから、所望の位置による撮影を可能とし、かつ長時間飛行が可能であり、かつ安全性の高い繋留型気球を作成することが可能となる。

実施の形態２．
図５に本実施の形態に係る繋留型気球２外観図を示す。本実施の形態に係る繋留型気球２においては、ドーナツ形状の平面に対して垂直な方向に長いドーナツ形状の気球を有し、このドーナツ形状の気球の中空部にローターを設置するものである。構成要素や動作原理で実施の形態１と同様のものは省略する。

本実施の形態に係る繋留型気球２においては、ドーナツ型長気球３１の中空部３２内にローター１１が載置されている。本実施の形態に係る繋留型気球２においても、ローター１１が発電機と移動手段の両方の役割を担っている。

ローター１１の移動手段としては、ローター１１が回転することによって、水平方向に移動することが可能である。水平方向に移動する際には、地上からのリモコン制御によって電源制御スイッチが切り替えられ、直流発電機には二次電池より電力が供給され、電動機として使用され、ローターを回転させる。この場合には、ローターの回転によって気球側に生じる反力は、地上から繋留するロープによって支えられるため、反力を打ち消すための二重反転翼は必要ない。

また、ローター１１の発電機としては、停留時に中空部３２内を通過する風の流れでローター１１に接続された直流発電機の回転子を回転させることによって発電を行うことができる。

発電された電力は、二次電池に蓄えられ、観測・通信機器の駆動用、およびモータの駆動に用いられる。本実施の形態に係る繋留型気球２においては、ローター１１の位置の中空部３２の断面積よりも、中空部３２の長手方向の先端部分の断面積は大きくなっていると良い。ローター１１の位置における断面積が小さくなることによって、気球の外部の風速が遅くても空気の流れが狭められることによって、ローター１１を通過する風の速度が増加するため、発電を行うときに十分な発電量を得ることができる。また、ローター１１の位置における断面積を小さくすることによって、風が生じたときに、中空部３２に流れる風の流れができるために風の向きに向かせることができる。

また、本実施の形態に係る繋留型気球２においては、ローター１１がドーナツ型長気球３１によって完全に覆われているため、万一の墜落事故などの際にも、人畜に被害を与える可能性を完全に回避することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。

実施の形態１に係る繋留型気球の垂直方向移動時及び停留時の概観図 実施の形態１に係る繋留型気球の発電時及び水平方向移動時の概観図 二次電池の発電時と消費時における、電動機と発電機の切替のための構成概略図 小型ＧＰＳ装置のブロック図 実施の形態２に係る繋留型気球の概観図

符号の説明

１１ ローター １２ ドーナツ型気球 １３ 本体部 １４ 回転翼 １５ 連結部
１６ 回転軸 １７ 繋留用紐１８ 尾部 １９ 二次電池
２０ 小型ＧＰＳ装置 ２１ 受信部 ２２ 制御信号生成部
２３ ローター回転速度制御部 ２４ ローター回転軸方向制御部 ２５ ＧＰＳセンサ
２６ 遅延回路
３１ ドーナツ型長気球 ３２ 中空部

Claims (15)

1. 地上から繋留ロープによって引っ張られることによって位置を特定する気球である繋留型気球であって、
   中空部を有する環状気球と、
   回転翼を有し、前記環状気球の前記中空部に位置し、前記繋留型気球を略水平方向に移動するような推力を発生するローターと、を有する繋留型気球。
2. 前記繋留型気球の静止時に、前記ローターによって発電を行う、請求項１に記載の繋留型気球。
3. 前記回転翼の回転軸の方向を変化させるように、前記ローターを回動可能である、請求項１又は請求項２に記載の繋留型気球。
4. 前記繋留型気球の略水平方向移動時に、前記ローターの回転軸が略水平方向になる、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の繋留型気球。
5. 前記繋留型気球の上昇時に、前記ローターの回転軸が略鉛直方向になる、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の繋留型気球。
6. 前記環状気球の断面の形状が、円または楕円である、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の繋留型気球。
7. 前記環状気球の鉛直方向の厚みが、前記回転翼の直径よりも小さい、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の繋留型気球。
8. 位置情報を入手し、前記位置情報を使用して前記繋留型気球の位置制御を行うＧＰＳ装置をさらに備えている、請求項１乃至請求項７のいずれか一項記載の繋留型気球。
9. 前記ローターと前記環状気球とを連結する連結部をさらに有し、
   前記連結部は、前記ローターを回動させるモータと、
   前記ローターを前記環状気球に収容する状態にする弾性体と、を有する請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の繋留型気球。
10. 前記連結部は水平面内で回転可能である、請求項９に記載の繋留型気球。
11. 前記繋留型気球の高度を検知する、高度センサをさらに有する、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の繋留型気球。
12. 前記繋留型気球よりも小さい気球から構成される尾部をさらに有する、請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の繋留型気球。
13. 前記ローターの回転翼が、二重反転回転翼機構若しくは整流翼である、請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の繋留型気球。
14. 前記環状気球は、前記ローターが回転する面に対して垂直方向の長さが、前記ローターの回転面に対して水平方向の長さより長い、請求項１に記載の繋留型気球。
15. 前記ローターが回転する面に対して垂直方向の先端の前記環状気球の中空部の断面積が、前記ローターが位置する部分の前記環状気球の中空部の断面積より大きい、請求項１４に記載の繋留型気球。

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