JP2009541121A - 飛行装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも３つの駆動ユニット（３０，３１，３２）であって、それぞれが第１のロータ（４０）と第１の回転数が制御される電動機（５０）とを有し，飛行装置（１）の動作中、第１のロータ（４０）を駆動するべく構成されてなる駆動ユニット（３０，３１，３２）と、飛行装置（１）の状態と位置とを自立的に制御するための手段と、を有する飛行装置（１）に関し、各駆動ユニット（３０，３１，３２）は、少なくとも１つの第２のロータ（４１）と、少なくとも１つの回転数が制御される第２の電動機（５１）とを有し、第２のロータを、飛行装置の動作中、各駆動ユニットの第１のロータの回転方向とは反対の方向である、回転方向に推進するべく構成されて成る。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、飛行装置に関し、該飛行装置は、、それぞれが第１のロータと回転数が制御される第１の電動機とを有する少なくとも３つの駆動ユニットであって、飛行装置の動作中、第１のロータを駆動するように構成されてなる３つの駆動ユニットと、飛行装置の状態と位置とを自立的に制御する手段とを有する。

冒頭に挙げたタイプの飛行装置は、技術の水準から、様々な実施形態において知られている。たとえば、これの代わりに、それぞれが揚力を発生するためのロータを有する４つの駆動ユニットを含む、すでに以前から開発され、マイクロ無線飛行機として実施されている飛行装置へと向けられている。さらにまた、知られた飛行装置は、たとえば、飛行装置が空中停止状態をとることができるように作用する状態電子制御装置を有している。飛行装置の制御は、電動機の回転数を変えることによって可能であって、各電動機は、中央制御ユニットによって個別に制御される。

技術の水準から知られる４ロータ飛行装置の短所は、一定のペイロードの輸送を可能とするために比較的大型に作られるところにある。

本発明は以下のとおりである。
本発明は、冒頭で挙げたタイプの飛行装置を、ペイロードに耐え、しかも技術の水準から知られる４ロータ飛行装置よりもコンパクトに実施される、冒頭で挙げたタイプの飛行装置が使えることを課題とする。

この課題の解決は、請求項１の特徴部分の特徴を有する冒頭で挙げたタイプの飛行装置が提供される。下位の請求項は、本発明の好適なさらなる実施形態に該当する。

請求項１に従えば、本発明に従った飛行装置は、各駆動ユニットは少なくとも１つの第２のロータと、少なくとも１つの回転数が制御される第２の電動機とを有し、第２のロータを、飛行装置の動作中、各駆動ユニットの第１のロータの回転方向とは反対の方向である、第１の回転方向に推進するべく構成されて成ることを特徴とする。

それぞれが１つのロータを有する４つの駆動ユニットの代わりに、本発明に従った飛行装置は、それぞれが少なくとも２つのロータを有する少なくとも３つの駆動ユニットを有し、これら２つのロータは対になって逆方向に駆動される。このような手段をとることによる利点は、かかる飛行装置は、ペイロードの輸送を可能としつつも、技術水準から知られる飛行装置よりもコンパクトに実施することが可能であるところにある。かかる手段をとることによって、飛行装置の直径は、有利には、約３０％小さくすることが可能である。少なくとも３つの駆動ユニットには、それぞれ２つのロータが設けられることによって、飛行装置の効果的な位置制御および状態制御を行うことが可能となる。さらにまた、各駆動ユニットに少なくとも２つのロータを設けることによって、よりよい冗長性が得られるという利点がある。飛行装置の動作中、たとえば駆動ユニットのロータが１つ欠損した場合、飛行装置を動かすために、または飛行装置を正しい位置に保持するために、残る第２のロータが十分なスラストを自由に使用することができる。好ましくは、電動機はブラシレスおよびギアレスとして実施される。飛行装置の位置および状態を自立的に制御するための手段としては、中央制御ユニットに加えて、たとえばジャイロスコープセンサおよび加速度センサをあげることができる。さらにまた、飛行装置は、好ましくは、以下に挙げるセンサ手段の１つまたは複数（組合わせでもよい）を有してもよい：
・旋回速度センサ
・加速度センサ
・気圧センサ
・磁気センサ
・超音波センサ
・ＧＰＳセンサ
・光学センサ

好ましい実施形態において、少なくとも２つの駆動ユニットの第１のロータは、共通の回転平面を有してもよい。特に、飛行装置の飛行特性を改善するために、すべての駆動ユニットの第１のロータが共通の回転平面を有してもよい。

１つの好ましい実施形態において、少なくとも２つの駆動ユニットの第２のロータは、共通の回転平面を有してもよい。さらにまた、特に好ましい実施形態においては、すべての駆動ユニットの第２のロータが共通の回転平面を有してもよい。このようにすることによって、飛行装置の飛行特性をさらに向上させることが可能である。

第１および第２のロータの回転平面は、特に、実質的に互いに平行に方向付けてもよい。

好ましくは、駆動ユニット中少なくとも１つの駆動ユニットの第１および第２のロータは、軸方向に互いに離間している。好ましい実施形態において、少なくとも３つの駆動ユニットそれぞれの第１および第２のロータは、軸方向に互いに離間させることが可能である。

好ましい実施形態において、駆動ユニットの少なくとも１つの第１および第２のロータは、同軸に設けることが可能である。特に好ましくは、少なくとも３つの駆動ユニットのそれぞれの第１のロータと第２のロータは同軸に設けられる。

好ましい実施形態において、飛行装置は、駆動ユニットのための坦持体を有することが可能であって、坦持体はいくつかの坦持体アームを有し、各坦持体アームには、駆動ユニットの少なくとも１つが取付けられる。坦持体アームはたとえば坦持体の中心から半径方向外方に延びればよい。

坦持体は、好ましい実施形態においては、基体を有することが可能であって、基体に坦持体アームが取付けられる。基体内には、たとえば、中央制御ユニット、センサ手段、飛行装置と基地局との通信のための送信および受信手段などが格納されている。

飛行装置の組立てまたは解体を容易にするために、坦持体アームは、特にスナップバックルを介して、基体に脱着可能に取付けることが可能である。

駆動ユニットの各ロータが障害物と衝突した場合のロータの損傷を防止するために、特に好ましい実施形態においては、飛行装置はロータ用の衝突防護装置を有する。このようにすることによって、たとえば、ロータの１つが障害物と接触した場合に破壊することを避けることができる。

飛行装置の解体を容易にするために、好適な１つの実施形態においては、衝突防護装置は坦持体に脱着可能に、特に坦持体アームに脱着可能に取付けることができる。たとえば、衝突防護装置を坦持体アームに脱着可能に取付けるために、１または複数のピンコネクタまたはクリップコネクタを設けることが可能である。

衝突防護装置は、１つの好ましい実施形態においては、飛行装置の外周に沿って延びる、少なくとも１つのロータ保護リングを有することが可能である。さらなる変形例においては、２つより多いロータ保護リングを設けることも可能である。ロータ保護リングは、たとえばプラスチック製とすることが可能である。

好ましくは、ロータ保護リングは、実質的に互いに平行に方向付けられる。さらにまた、ロータ保護リングは、いくつかの保持連結部材を介して互いに連結されてもよい。保持連結部材は、好ましくは、ロータ保護リングの面に直交して延び、坦持体アームに脱着可能に取付けることができる。

着陸の際の飛行装置の損傷を防止するために、１つの好ましい実施形態においては、飛行装置は、場合によっては着脱自在に形成される着陸用スキッドを有してもよい。

ここに示す飛行装置によって、様々なペイロードを輸送することが可能である。たとえば、航空写真を撮るために、または環境分析データを採取するために、環境分析のための１つまたは複数のカメラ、および／またはセンサを飛行装置で輸送することが可能である。

飛行装置によって輸送可能なペイロードを、簡単な方法で交換可能とするために、特に好ましい実施形態においては、飛行装置は交換可能なペイロードモジュールを有している。

本発明のさらなる特徴と利点は、添付の図を参照した、好ましい実施形態についての以下の説明から明らかになるであろう。

本発明に従った飛行装置の基本的機能原理の概略を示す図である。 本発明の好ましい実施形態に従った飛行装置の斜視図である。

まず図１を参照すると、本発明に従った、いわゆるマイクロ無線飛行機として実施される飛行装置１の基本的機能原理が、概略的に簡略化して示されている。

飛行装置１は、坦持体２を有し、該坦持体２は、本実施形態においては、３つの坦持体アーム２０，２１，２２を有し、これら坦持体アーム２０，２１，２２は、共通の中心点から半径方向外方に延びる。３つの坦持体アーム２０，２１，２２のそれぞれには、駆動ユニット３０，３１，３２が取付けられる。３つの駆動ユニット３０，３１，３２のそれぞれは、第１のロータ４０と第２のロータ４１とを有し、これら第１のロータ４０と第２のロータ４１とは、図１に、長円として概略的にのみ示されている。本実施形態において、駆動ユニット３０，３１，３２の第１および第２のロータ４０，４１は、同軸に設けられていることが分かる。駆動ユニット３０，３１，３２の第１および第２のロータ４０，４１は、飛行装置１の動作中、駆動ユニット３０，３１，３２すべての第１のロータ４０は共に、第１の回転平面１１において、および第２のロータ４１は共に、第１の回転平面１１に実質的に平行な第２の回転平面１２において回転するように、互いに離間されている。

３つの駆動ユニット３０，３１，３２のそれぞれは、本実施形態においては、２つの、回転数が制御される、好ましくはギアレスとして実施される電動機５０，５１を有し、該電動機５０，５１は、特に、電子的に整流される直流電動機とすることが可能である。駆動ユニット３０，３１の各ロータ４０，４１には、本実施形態においては、回転数が制御される電動機５０，５１が割当てられる。

飛行装置１の動作中、駆動ユニット３０，３１の第１のロータ４０と第２のロータ４１とは、互いに逆方向に回転する。図１において、矢印によって示されているように、３つの駆動ユニット３０，３１，３２の第１のロータ４０は回転平面１１において、たとえば、反時計回りに回転する一方、それらの第２のロータ４１は回転平面１２において、時計回りに回転する。

３つの駆動ユニット３０，３１，３２の電動機５０，５１の回転数を個別に調整することによって、飛行装置１の位置だけでなく動きも制御することが可能である。飛行装置１は、この目的のために、ここでは明示されていないが、中央制御ユニットを有し、該中央制御ユニットは、回転数が制御される電動機５０，５１に結合されており、したがって、これらを個別に制御することが可能である。各電動機５０，５１には、好ましくは、回転数調整装置が設けられ、該回転数調整装置は、中央制御装置と結合され、したがって、駆動ユニット３０，３１，３２の電動機５０，５１すべての回転数を、別個に制御することができる。飛行装置１の飛行データと運動データとを採取するために、固有のセンサ手段が設けられ、これらについては、以下においてさらに詳細に説明する。

前述の解決策によって、および中央制御ユニットのソフトウェアのプログラム技術上の対応の調整によって、飛行装置１の位置および動きの自立的制御を達成することができる。ここに示した飛行装置１は、たとえば、ホーバクラフトとして実施可能である。中央制御ユニットは、３方向すべてについて飛行装置１の制御を可能とし、さらにまた、飛行装置１のその垂直軸まわりの回転を可能にする。これは、それぞれの飛行状態における、駆動ユニット３０，３１，３２の電動機５０，５１の回転数を別個に変更および適合させることによって行われる。

飛行中、逆の回転方向において反対に回転する、２つの同軸に設けられたロータ４０，４１をそれぞれ有する、駆動ユニット３０，３１，３２が設けられ飛行装置１の構造的構成によって、飛行装置１を、通常４またはそれより多くの駆動ユニットを有する技術の水準から知られる飛行装置と比べてコンパクトな構造様式とすることが可能となる。そうすることによって、比較的長い飛行時間にわたる大きなペイロードの移動を可能とする。各駆動ユニット３０，３１について、回転数が制御される２つの電動機５０，５１を設けることによって、さらにまた、飛行装置１の冗長性が改善されるという利点を有する。たとえば、駆動ユニット３０，３１，３２の１つの回転数制御電動機５０，５１の１つが損傷した場合でも、飛行装置１の制御が不能になることを回避するために、および、たとえば墜落防止のために、第２の電動機５０，５１が十分に推進力を確保することができる。

上述のように、飛行装置１は、複数のセンサ手段を有し、それによって、たとえば飛行装置１の位置ならびに実際の飛行および動作データを採取することが可能となる。たとえば、飛行装置１は、１つまたは複数の以下に挙げるセンサ手段（組合わせも可）を有することができる：
・旋回速度センサ
・加速度センサ
・気圧センサ
・磁気センサ
・超音波センサ
・ＧＰＳセンサ
・光学センサ

飛行装置１の動作中に、センサ手段によって採取される測定データは、中央制御ユニットに導かれ、そこで処理される。必要ならば、中央制御ユニットは、駆動ユニット３０，３１，３２の電動機５０，５１，５２に、それらの回転数を別個に変更するために、それらの電動機５０，５１，５２に制御信号を送信する。

ここに示す飛行装置１によって、種々のペイロード、たとえば、環境データを採取するための１つまたは複数のカメラまたはセンサ（ガスセンサ、放射線センサなど）を輸送することができる。好ましくは、飛行装置１は、特に、坦持体２に脱着可能に取付けることが可能な交換可能なペイロードモジュールを有しており、したがって、ペイロードを簡単にしかも素早く交換することが可能である。

さらにまた、飛行装置１は送信手段および受信手段を有し、これらは、データ（たとえばカメラのビデオ信号および／またはセンサ信号）を飛行装置１から地上の送受信局に伝送する、または地上の送受信局から受信するのに適合してなる。

図２は、図１において単に概略的に簡単に示した飛行装置１の好ましい実施形態の斜視図である。飛行装置１は、マイクロ無線飛行機であり、その構成は非常にコンパクトに実施され、たとえば建造物内にも飛行進入可能である。

さらにまた、坦持体２は、この実施形態においては、中央の、実質的に円筒状に形成された基体２３を有することがわかる。基体２３の外面には、３つの坦持体アーム２０，２１，２２が取付けられ、これらは、基体２３の半径方向外方に延びる。飛行装置１を必要のときには、再び解体可能とするために、この実施形態においては、これら３つの坦持体アーム２０，２１，２２は基体２３に脱着可能に取付けられている。飛行装置１の組立て、または解体を容易にするために、坦持体アーム２０，２１，２２を、好ましくはスナップバックルを用いて基体２３に取付けることができる。

これら３つの坦持体アーム２０，２１，２２のそれぞれには、合計３つの駆動ユニット３０，３１，３２の内の１つが取付けられる。駆動ユニット３０，３１，３２のそれぞれが、第１のロータ４０と第２のロータ４１とを有し、第２のロータ４１は、第１のロータ４０から離間して設けられる。駆動ユニット３０，３１，３２の両ロータ４０，４１は、それぞれ、互いに同軸に設けられ、飛行装置１の動作中、図１に関連して上述した基本原理に従って、駆動ユニット３０，３１，３２すべての第１のロータ４０は、共通の回転平面において回転し、駆動ユニット３０，３１，３２の第２のロータ４１も同様に、共通の回転平面において回転する。

３つの駆動ユニット３０，３１，３２のそれぞれは、２つの、回転数制御電動機５０，５１を有し、これら電動機５０，５１は、両ロータ４０，４１の１つに割当てられており、飛行装置１の動作中、互いに依存せずにこれらを駆動し、回転させる。回転数制御電動機５０，５１は、好ましくはギアレス電動機として実施され、特に、電子的に整流される直流電動機とすることが可能である。すでに上述したように、飛行装置１の動作中、駆動ユニット３０，３１,３２の第１のロータ４０はそれぞれ、第２のロータ４１とは逆方向に駆動される。直流電動機５０，５１は、場合によっては、それらの回転数を変えるために、飛行装置１の中央制御ユニットによって個別に制御される。

坦持体アーム２０，２１，２２へのロータ４０，４１の取付けを容易にするために、好ましくは、工具を要しない組立て手段が設けられる。たとえば、電動機５０，５１のアクチュエータピン周りに延びる切欠きには、Ｏリングが設けられている。基体２３には、飛行装置１の組立てを容易にするために、たとえば、電動機５０，５１を符号化するための電気的識別子を設けることができる。

さらにまた、飛行装置１は、環境データなどを採取するためのカメラ、センサなどのペイロードが格納されるハウジング７を有している。ハウジング７または坦持体１の基体２３には、たとえば、中央制御ユニット、１つまたは複数のセンサ手段、送受信手段を格納することができる。

飛行装置１の位置および実際の飛行データの採取を可能とするために、飛行装置１は、１つまたは複数の以下に挙げるようなセンサ手段を有する：
・旋回速度センサ
・加速度センサ
・気圧センサ
・磁気センサ
・超音波センサ
・ＧＰＳセンサ
・光学センサ

障害物と衝突したときのロータ４０，４１の損傷を防止することが可能となるように、飛行装置１は、この実施形態においては、ロータ保護装置６を有し、かかるロータ保護装置６は、飛行装置１の外周面に沿って延びる。ロータ保護装置６は、第１のロータ保護リング６０と第２のロータ保護リング６１とを有し、これらは、保持連結部材８によって、軸方向に互いに離間されている。両保護リング６０，６１は、好ましくは、脱着可能に、たとえば、ピンコネクタまたはクリップコネクタを介して、保持連結部材８に取付けられている。保持連結部材８は、脱着可能に、たとえば、ピンコネクタまたはクリップコネクタを介して坦持体アーム２０，２１，２２に取付けることが可能である。

飛行装置１は、その下側にさらに、ここには明確に示されていないが、好ましくは、脱着可能な着陸用スキッドを有することが可能であって、該着陸用スキッドは、特に、着陸の際の飛行装置１の損傷を防止することが可能である。

Claims (23)

1. 少なくとも３つの駆動ユニット（３０，３１，３２）であって、それぞれが第１のロータ（４０）と第１の回転数が制御される電動機（５０）とを有し，飛行装置（１）の動作中、第１のロータ（４０）を駆動するべく構成されてなる駆動ユニット（３０，３１，３２）と、
   飛行装置（１）の状態と位置とを自立的に制御するための手段と、
   を有する飛行装置（１）において、
   各駆動ユニット（３０，３１，３２）は、少なくとも１つの第２のロータ（４１）と、少なくとも１つの回転数が制御される第２の電動機（５１）とを有し、第２のロータを、飛行装置の動作中、各駆動ユニットの第１のロータの回転方向とは反対の方向である、回転方向に推進するべく構成されて成ることを特徴とする、飛行装置（１）。
2. 少なくとも２つの駆動ユニット（３０，３１，３２）の第１のロータは、共通の回転平面（１１）を有することを特徴とする、請求項１に記載の飛行装置（１）。
3. すべての駆動ユニット（３０，３１，３２）の第１のロータ（４０）が共通の回転平面（１１）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の飛行装置（１）。
4. 少なくとも２つの駆動ユニット（３０，３１，３２）の第２のロータ（４１）は、共通の回転平面（１２）を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の飛行装置（１）。
5. すべての駆動ユニット（３０，３１，３２）の第２のロータ（４１）が共通の回転平面（１２）を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の飛行装置（１）。
6. 第１および第２のロータ（４０，４１）の回転平面（１１，１２）は、実質的に互いに平行に方向づけられることを特徴とする、請求項５に記載の飛行装置（１）。
7. 駆動ユニット（３０，３１，３２）中、少なくとも１つの駆動ユニットの第１および第２のロータ（４０，４１）は、軸方向に互いに離間していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の飛行装置（１）。
8. 少なくとも３つの駆動ユニット（３０，３１，３２）それぞれの第１および第２（４０，４１）のロータは、軸方向に互いに離間していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の飛行装置（１）。
9. 駆動ユニット（３０，３１，３２）の少なくとも１つの第１および第２のロータ（４０，４１）は、同軸に設けられることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の飛行装置（１）。
10. 駆動ユニット（３０，３１，３２）のそれぞれの第１および第２のロータ（４０，４１）は、同軸に設けられることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の飛行装置（１）。
11. 飛行装置（１）は、駆動ユニット（３０，３１，３２）のための坦持体（２）を有し、坦持体（２）はいくつかの坦持体アーム（２０，２１，２２）を有し、各坦持体アーム（２０，２１，２２）には、駆動ユニット（３０，３１，３２）の少なくとも１つが取付けられることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の飛行装置（１）。
12. 坦持体アーム（２０，２１，２２）は、坦持体の中心から半径方向に外に延びることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の飛行装置（１）。
13. 坦持体（２）は、基体（２３）を有し、基体に坦持体アーム（２０，２１，２２）が取付けられることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の飛行装置（１）。
14. 坦持体アーム（２０，２１，２２）は、特に、スナップバックルを介して、脱着可能に基体（２３）に取付けられることを特徴とする、請求項１３に記載の飛行装置（１）。
15. 飛行装置（１）はロータ（４０，４１）用の衝突防護装置（６）を有することを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の飛行装置（１）。
16. 衝突防護装置（６）は坦持体（２）に脱着可能に、坦持体アーム（２０，２１，２２）に脱着可能に取付けられることを特徴とする、請求項１５に記載の飛行装置（１）。
17. 衝突防護装置（６）は、飛行装置（１）の外周に沿って延びる、少なくとも１つのロータ保護リングを有することを特徴とする、請求項１５または１６に記載の飛行装置（１）。
18. 衝突防護装置（６）は、飛行装置（１）の外周に沿って延びる、第１のロータ保護リングと第２のロータ保護リングとを有することを特徴とする、請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の飛行装置（１）。
19. ロータ保護リング（６０，６１）は、実質的に互いに平行に方向付けられることを特徴とする、請求項１８に記載の飛行装置（１）。
20. ロータ保護リング（６０，６１）は、いくつかの保持連結部材（８）を介して互いに連結されることを特徴とする、請求項１８または１９に記載の飛行装置（１）。
21. 保持連結部材（８）は、坦持体アーム（２０，２１，２２）に脱着可能に取付けられることを特徴とする、請求項２０に記載の飛行装置（１）。
22. 飛行装置（１）は、着陸用スキッドを有することを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の飛行装置（１）。
23. 飛行装置（１）は、交換可能なペイロードモジュールを有していることを特徴とする、請求項１〜２２のいずれか１項に記載の飛行装置（１）。

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