JP7076873B1

JP7076873B1 - Ｆｏｃパワーシステムに基づいたティルト回転可能な６つのローター付きの水陸両用無人機

Info

Publication number: JP7076873B1
Application number: JP2022019411A
Authority: JP
Inventors: 仁全魯; 雍徐; 嘉鵬楊; 慧彭; 紅霞 ▲饒▼
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2022-02-10
Publication date: 2022-05-30
Anticipated expiration: 2042-02-10
Also published as: JP2023079975A; CN113954592B; CN113954592A

Abstract

【課題】ＦＯＣパワーシステムに基づいたティルト回転可能な６つのローター付きの水陸両用無人機を提供する。【解決手段】６つのローター付きの水陸両用無人機は、ベース、第１支持パイプ、第２支持パイプ、第１プロペラアセンブリ、第２プロペラアセンブリ、ティルト回転駆動アセンブリ及びＦＯＣ制御モジュールを含み、前記ティルト回転駆動アセンブリが前記第２支持パイプを回転するように駆動する。水陸両用無人機は、前記ベースの両側にティルト駆動可能なローター構造が配置され、それにより、前記６つのローター付きの水陸両用無人機が空中で６軸駆動の高負荷無人機状態を維持し、水中で水平の横方向の推進力を備えた水中高速移動無人機の状態に切り替えることができ、従来技術における傾斜した無人機の全体的な横方向駆動という技術的解決策と比較して、無人機が横方向に移動するとき、抵抗がより小さくなり、より速くて安定している。【選択図】図1

Description

本発明は、無人機の分野に関し、特にＦＯＣパワーシステムに基づいたティルト回転可能な６つのローター付きの水陸両用無人機に関する。

無人機は、ＵＡＶ（ＵｎｍａｎｎｅｄＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）と略称し、操縦手が搭乗せず、自律飛行又は遠隔操作で飛行できる航空機を指す。マルチローター無人機は、３つ以上のローター軸を備えた特殊な無人ヘリコプターである。各軸にあるモーターによって回転し、ローターを駆動して、揚力と推力を発生する。ローターのコレクティブピッチが固定されており、通常のヘリコプターと異なって変えることができない。異なるローター間の相対回転速度を変えることにより、単軸推進力の大きさを変えることができ、それによって航空機の航行軌道を制御することができる。

現在、水陸両用、水中航行可能な無人機は主に固定翼機であり、水中速度は速いが、速度が遅いと舵効率が低く、動作が不安定で抵抗が大きく、空中動作を水中で実現し難いため、あまり使用されていない。しかし、ローター無人機は、水中で、大径プロペラの回転抵抗が大きいため、空中のプロペラ及びモーターを採用すると、水中でモーターの回転速度を制御し難く、水中でローターの逆ねじれが大きく、姿勢制御精度が悪く、揺れやすく、ヨーイング、前進などの動作が水中で実現することが難しいため、あまり使用されない。

上記の欠陥を考慮して、本発明の目的は、ＦＯＣパワーシステムに基づいたティルト回転可能な６つのローター付きの水陸両用無人機を提案することである。

この目的のために、本発明は以下の技術的解決手段を採用する。

ＦＯＣパワーシステムに基づいたティルト回転可能な６つのローター付きの水陸両用無人機は、ベース、第１支持パイプ、第２支持パイプ、第１プロペラアセンブリ、第２プロペラアセンブリ、ティルト回転駆動アセンブリ及びＦＯＣ制御モジュールを備え、前記第１支持パイプは４つあり、各第１支持パイプの取付端が前記ベースの取付面に固定的に取り付けられ、４つの前記第１支持部材が前記取付面の所在面に沿ってＸ状に配置され、４つの前記第１支持パイプの駆動端が前記取付面の幾何学的中心を中心として、放射状になって外側へ延在し、各前記第１支持パイプの駆動端にそれぞれ前記第１プロペラアセンブリが設けられ、前記第１プロペラアセンブリが駆動されるとき、垂直上向きの揚力を、対応する位置にある前記第１支持パイプの駆動端に提供し、前記第２支持パイプの中部が旋回軸受を介して、前記ベースの取付面に取り付けられ、前記第２支持パイプ両端の駆動端がそれぞれ前記ベースの対向する両側から、外側へ延在し、かつ前記取付面の幾何学的中心に対して対称的に配置され、前記第２支持パイプの２つの駆動端にそれぞれ前記第２プロペラアセンブリが設けられ、前記第２プロペラアセンブリが駆動されるとき、前記第２支持パイプに垂直な駆動力を、前記第２支持パイプの駆動端に提供し、前記ティルト回転駆動アセンブリが前記ベースの中央領域に取り付けられ、前記第２支持パイプの中部が前記ティルト回転駆動アセンブリと伝動的に接続され、前記ティルト回転駆動アセンブリが前記第２支持パイプを駆動して、前記ベースに対して自身の軸方向を中心に回転させ、前記ＦＯＣ制御モジュールが前記第１プロペラアセンブリ、前記第２プロペラアセンブリ及びティルト回転駆動アセンブリと電気的に接続され、前記ＦＯＣ制御モジュールが６つのローター付きの水陸両用無人機の飛行を制御する。

好ましくは、前記第１プロペラアセンブリは、第１駆動モーター及び第１ローターを含み、前記第１駆動モーターが前記第１支持パイプの駆動端に垂直に取り付けられ、前記第１ローターが前記第１駆動モーターの駆動端に水平に取り付けられ、前記第２プロペラアセンブリは、モーターマウント、２つの第２駆動モーター及び２つの第２ローターを含み、前記モーターマウントの対向する両側にそれぞれ前記第２駆動モーターが固定的に取り付けられ、２つの前記第２駆動モーターの駆動端が同軸に配置され、かつ反対方向に延在し、２つの前記第２ローターがそれぞれ前記第２駆動モーターの駆動端に取り付けられる。

好ましくは、前記第１ローターの直径は、前記第２ローターの直径よりも大きく、前記第１ローターのネジピッチは、前記第２ローターのネジピッチよりも小さい。

好ましくは、ティルト回転駆動アセンブリは、ウォーム、ギア及びティルト駆動モーターを含み、
前記ティルト駆動モーターが前記ベースに取り付けられ、前記ギアが前記ティルト駆動モーターの駆動端と軸方向に接続され、前記ウォームが第２支持パイプの中部に嵌合され、前記ウォームが前記ギアと伝動的に係合される。

好ましくは、前記第１駆動モーター及び前記第２駆動モーターはブラシレスモーターであり、それらにはホールセンサが設けられており、前記ティルト駆動モーターがブラシレスジンバルモーターであり、前記ＦＯＣ制御モジュールは、前記第１駆動モーター、前記第２駆動モーター、前記ホールセンサ及び前記ティルト駆動モーターと電気的に接続されている。

好ましくは、前記第２支持パイプは、パイプクランプを介して前記ベースの取付面に取り付けられ、前記パイプクランプが上部挟持板及び下部挟持板を含み、前記下部挟持板が前記ベースの取付面に垂直に取り付けられ、前記上部挟持板が前記下部挟持板の真上に組み立てられ、それにより、前記上部挟持板と前記下部挟持板との間に取付穴が形成され、前記取付穴内に前記旋回軸受が垂直に取り付けられ、前記第２支持パイプが前記旋回軸受を貫通し、それにより、前記旋回軸受の内輪が前記第２支持パイプの外壁と嵌合して固定されている。

好ましくは、前記第２支持パイプの外壁にストロークストッパーが設けられ、前記ベースの取付面に光電センサーが垂直に取り付けられ、前記パイプクランプの側面に光電センサーが水平に配置され、前記第２支持パイプが回転するとき、前記ストロークストッパーが、対応する位置にある光電センサーまでトリガーでき、前記光電センサーが前記第２支持パイプの回転角度を検出し、前記光電センサーが前記ＦＯＣ制御モジュールと電気的に接続され、前記光電センサーがスロット光電スイッチである。

好ましくは、前記ベースの底部に複数の脚パイプが設けられ、前記脚パイプ内に水位センサーが設けられ、前記水位センサーが前記ＦＣＯ制御モジュールと電気的に接続される。

好ましくは、６つのローター付きの水陸両用無人機の総重力は、完全に水に入ると発生する浮力よりも大きく、かつ６つのローター付きの水陸両用無人機の総重力は、空中で最大の回転速度で駆動されたときのすべてのプロペラ推力の半分であり、前記ＦＯＣ制御モジュールがＦＯＣ飛行制御方法を採用し、前記ＦＯＣ飛行制御方法は、以下を含み、
ローターの回転方向の制御：前記ベースに取り付けられた４つの前記第１ローターのうち、同じ対角線にある２つの前記第１ローターの回転方向が同じであり、異なる対角線にある前記第１ローターの回転方向が異なり、２つの異なる前記第２支持パイプにある前記第２ローターの回転方向が反対であり、同じ前記第２支持パイプにある２つの前記第２ローターの回転方向と速度が同じである。

好ましくは、前記ＦＯＣ飛行制御方法は、さらに以下を含み、
６つのローター付きの水陸両用無人機が空を飛んでいるとき、ＦＯＣ制御モジュールが制御命令を受信し、前記ティルト駆動モーターを制御して前記第２支持パイプを回転するように駆動させ、それにより、２つの前記第２プロペラアセンブリが前記第１プロペラアセンブリと平行になって、かつ垂直上向きに配置され、前記第１プロペラアセンブリ及び前記第２プロペラアセンブリが前記ＦＯＣ制御モジュールの制御により、各ローターの回転速度を調整し、６つのローター付きの水陸両用無人機の昇降操作を実現し、
６つのローター付きの水陸両用無人機が水中に入って航行するとき、ＦＯＣ制御モジュールが制御命令を受信し、前記第１プロペラアセンブリ及び前記第２プロペラアセンブリの駆動条件を制御し、第１ローター及び第２ローターの回転速度を下げ、６つのローター付きの水陸両用無人機は、重力と垂直上向きの揚力の作用でゆっくりと降下して水に入り、前記ＦＯＣ制御モジュールが前記水位センサーに基づいて、情報をリアルタイムで検出し、第１ローター及び第２ローターの回転速度を同期的に制御し、６つのローター付きの水陸両用無人機は、重力、垂直上向きの力、及び浮力の作用下で一定の速度で水中に降下し、
６つのローター付きの水陸両用無人機が水中でホバリングしているとき、６つのローター付きの水陸両用無人機が完全に水面下に入ると、前記水位センサーが各脚の水中深度情報をリアルタイムで検出し、各水位センサーの情報パラメータが一致しない場合、ＦＯＣ制御モジュールが各前記第１ローターの回転速度を制御してベースを水平に維持し、６つのローター付きの水陸両用無人機が水面下に水平移動するとき、ＦＯＣ制御モジュールが前記ティルト駆動モーターを制御して前記第２支持パイプを回転させ、それにより、２つの前記第２プロペラアセンブリが回転して水平方向の駆動を実現し、それにより、６つのローター付きの水陸両用無人機の水平方向の動きが時間内に停止し、６つのローター付きの水陸両用無人機が水中にホバリング状態にあり、
６つのローター付きの水陸両用無人機が水中で水平方向に航行しているとき、ＦＯＣ制御モジュールが制御命令を受信し、前記ティルト駆動モーターを制御して前記第２支持パイプを回転させ、２つの前記第２プロペラアセンブリを前方に９０度回転して水平方向にし、前記プロペラアセンブリを垂直上向きに保持して配置し、前記ベースが水平のままになるように、前記第１プロペラアセンブリ同士が協働して調整する。

本発明の実施例の有益な効果は、以下のとおりである。
前記６つのローター付きの水陸両用無人機は、従来の４つのローター付きの無人航空機に基づいて、前記ベースの両側にティルト駆動可能なローター構造を設け、それにより、前記６つのローター付きの水陸両用無人機が空中で６軸駆動の高負荷無人機の状態を維持し、水中で水平の横方向の推進力を備えた水中高速移動無人機の状態に切り替えることができ、従来の技術的における傾斜した無人機の全体的な横方向駆動の解決手段と比べて、無人機が横方向に移動するときの抵抗は小さくなり、速度がより速く安定し、また、前記６つのローター付きの水陸両用無人機が水面に出入りするとき、浮力の変化に応じてリアルタイムで自身の飛行駆動状況を制御し、全体構造の水平を維持し、スムーズに飛行することができる。

本発明の一実施例における前記６つのローター付きの水陸両用無人機の概略構造図である。図１に示した実施例におけるカバーを解体した後の構造概略図である。図１に示す実施例におけるカバーを解体した後の別の構造概略図である。図１に示される実施例におけるカバーが取り外された後の構造の概略上面図である。図３に示す実施例における丸で囲んだ部分の拡大構造概略図である。本発明の一実施例における前記６つのローター付きの水陸両用無人機の概略構造図である。

以下、添付の図面を参照しながら、具体的な実施形態を通じて、本発明の技術的解決手段をさらに説明する。

本出願の一実施例は、図１～図５に示すように、ＦＯＣパワーシステムに基づいたティルト回転可能な６つのローター付きの水陸両用無人機は、ベース１１０、第１支持パイプ１３０、第２支持パイプ１４０、第１プロペラアセンブリ１５０、第２プロペラアセンブリ１６０、ティルト回転駆動アセンブリ１７０及びＦＯＣ制御モジュールを備え、前記第１支持パイプ１３０は４つあり、各第１支持パイプ１３０の取付端が前記ベース１１０の取付面に固定的に取り付けられ、４つの前記第１支持部材が前記取付面の所在面に沿ってＸ状に配置され、４つの前記第１支持パイプ１３０の駆動端が前記取付面の幾何学的中心を中心として、放射状になって外側へ延在し、各前記第１支持パイプ１３０の駆動端にそれぞれ前記第１プロペラアセンブリ１５０が設けられ、前記第１プロペラアセンブリ１５０が駆動されるとき、垂直上向きの揚力を、対応する位置にある前記第１支持パイプ１３０の駆動端に提供し、前記第２支持パイプ１４０の中部が旋回軸受１１１を介して、前記ベース１１０の取付面に取り付けられ、前記第２支持パイプ１４０両端の駆動端がそれぞれ前記ベース１１０の対向する両側から、外側へ延在し、前記取付面の幾何学的中心に対して対称的に配置され、前記第２支持パイプ１４０の２つの駆動端にそれぞれ前記第２プロペラアセンブリ１６０が設けられ、前記第２プロペラアセンブリ１６０が駆動されるとき、前記第２支持パイプ１４０に垂直な駆動力を、前記第２支持パイプ１４０の駆動端に提供し、前記ティルト回転駆動アセンブリ１７０が前記ベース１１０の中央領域に取り付けられ、前記第２支持パイプ１４０の中部が前記ティルト回転駆動アセンブリ１７０と伝動的に接続され、前記ティルト回転駆動アセンブリ１７０が前記第２支持パイプ１４０を駆動して、前記ベース１１０に対して自身の軸方向を中心に回転させ、前記ＦＯＣ制御モジュールが前記第１プロペラアセンブリ１５０、前記第２プロペラアセンブリ１６０及びティルト回転駆動アセンブリ１７０と電気的に接続され、前記ＦＯＣ制御モジュールが６つのローター付きの水陸両用無人機の飛行を制御する。

前記６つのローター付きの水陸両用無人機が飛行中に、ベース１１０を常に水平に保つことができ、前記第１支持パイプ１３０が前記ベース１１０と固定的に取り付けられたため、前記第１プロペラアセンブリ１５０から提供される揚力が、前記ベース１１０に常に垂直に維持され、即ち常に垂直上向きであり、飛行の必要に応じて、前記第２支持パイプ１４０が前記ティルト回転駆動アセンブリの駆動下で回転可能であり、それにより、前記第２プロペラアセンブリ１６０から前記ベース１１０への駆動力を変えることができ、前記第２プロペラアセンブリ１６０の駆動力が垂直上向きである場合、前記第２プロペラアセンブリ１６０が前記ベース１１０に対して、垂直上向きの揚力効果を果たし、前記第２プロペラアセンブリ１６０が傾斜して回転するとき、前記ベース１１０への駆動力が揚力効果のほか、水平方向に水平駆動又はブレーキ効果も果たす。前記前記ＦＯＣ制御モジュールの制御により、前記第１プロペラアセンブリ１５０が固定的に配置されることは、前記ベース１１０を常に水平に維持させ、前記第２プロペラアセンブリ１６０が傾斜して回転し、その結果、前記６つのローター付きの水陸両用無人機の駆動をより多様化させ、駆動力をより正確にし、飛行姿勢をより正確に制御することができる。

前記第１プロペラアセンブリ１５０は、第１駆動モーター１５１及び第１ローター１５２を含み、前記第１駆動モーター１５１が前記第１支持パイプ１３０の駆動端に垂直に取り付けられ、前記第１ローター１５２が前記第１駆動モーター１５１の駆動端に水平に取り付けられ、前記第２プロペラアセンブリ１６０は、モーターマウント１６１、２つの第２駆動モーター１６２及び２つの第２ローター１６３を含み、前記モーターマウント１６１の対向する両側にそれぞれ前記第２駆動モーター１６２が固定的に取り付けられ、２つの前記第２駆動モーター１６２の駆動端が同軸に配置され、かつ反対方向に延在し、２つの前記第２ローター１６３がそれぞれ前記第２駆動モーター１６２の駆動端に取り付けられる。

前記第１ローター１５２の直径は、前記第２ローター１６３の直径よりも大きく、前記第１ローター１５２のネジピッチは、前記第２ローター１６３のネジピッチよりも小さい。前記第１プロペラアセンブリ１５０が大径かつネジピッチの小さなローターを採用しているため、前記第１プロペラアセンブリ１５０が高い推進効率及び高速の特性を有し、６つのローター付きの水陸両用無人機の水平移動の柔軟性及び飛行安定性を高めた。前記第２プロペラアセンブリ１６０は、直径が小さく、ネジピッチが大きなローターを採用しているので、前記第２プロペラアセンブリ１６０の水中の抵抗がより小さくなり、推進速度がより速くなり、６つのローター付きの水陸両用無人機の水陸航続能力を確保するとともに、水中の航行速度を高めることもできる。

ティルト回転駆動アセンブリ１７０は、ウォーム１４１、ギア１４２及びティルト駆動モーター１７３を含み、前記ティルト駆動モーター１７３が前記ベース１１０に取り付けられ、前記ギア１４２が前記ティルト駆動モーター１７３の駆動端に軸方向に接続され、前記ウォーム１４１が第２支持パイプ１４０の中部に嵌合され、前記ウォーム１４１が前記ギア１４２と伝動的に係合される。

前記第１駆動モーター１５１及び前記第２駆動モーター１６２は、ブラシレスモーターであり、かつそれらにはホールセンサが設けられ、前記ティルト駆動モーター１７３は、ブラシレスジンバルモーターであり、前記ＦＯＣ制御モジュールは、前記第１駆動モーター１５１、前記第２駆動モーター１６２、前記ホールセンサ及び前記ティルト駆動モーター１７３と電気的に接続される。前記ギア１４２が前記ウォーム１４１と係合され、ギア１４２が低回転速度で高トルクのブラシレスジンバルモーターと伝動的に接続され、ＦＯＣ制御モジュールがブラシレスジンバルモーターの駆動を制御することにより、ギア１４２を回転させて、前記ウォーム１４１をゆっくりと回転させ、トルクを増幅して、前記第２支持パイプ１４０のティルト回転を実現し、より好ましくは、前記ウォーム１４１及び前記ギア１４２で伝動構造を構成した後、該前記ウォーム１４１及び前記ギア１４２のセルフロック特性により、ブラシレスジンバルモーターが通電停止した後、前記第２支持パイプ１４０が受動的にティルト回転されることを防止することができる。

さらに、６つのローター付きの水陸両用無人機が水中で推進している場合、両側の前記第２プロペラアセンブリ１６０が主に水中推進に用いられ、前記第２ローター１６３の高速回転によるトルクを相殺するために、前記第２支持パイプの同じ駆動端に対向して２つの前記第２ローター１６３が配置され、かつブラシレスモーターによって駆動され、ブラシレスモーターにエンコーダーも搭載されている。

前記ホールセンサは、各モーターの動作時のパラメーターをリアルタイムで検出し、各プロペラの回転速度及び対応する方向の駆動力を知ることができるため、ＦＯＣ制御モジュールが各モーターの回転速度を正確に調整することにより、６つのローター付きの水陸両用無人機の各ローターの駆動状態を、正確に制御することができる。

前記第２支持パイプ１４０は、パイプクランプ１２０を介して前記ベース１１０の取付面に取り付けられ、前記パイプクランプ１２０が上部挟持板１２１及び下部挟持板１２２を含み、前記下部挟持板１２２が前記ベース１１０の取付面に垂直に取り付けられ、前記上部挟持板１２１が前記下部挟持板１２２の真上に組み立てられ、それにより、前記上部挟持板１２１と前記下部挟持板１２２との間に取付穴が形成され、前記取付穴内に前記旋回軸受１１１が垂直に取り付けられ、前記第２支持パイプ１４０が前記旋回軸受１１１を貫通し、それにより、前記旋回軸受１１１の内輪が前記第２支持パイプ１４０の外壁と嵌合して固定されている。

具体的には、前記上部挟持板１２１と前記下部挟持板１２２は、ボルトで接続して取り付けることができ、上記の取付方法により、６つのローター付きの水陸両用無人機の取付構造が簡単になり、取付操作しやすく、手軽で、空気と水の中で移動する抵抗がより小さくなる。

前記第２支持パイプ１４０の外壁にストロークストッパー１３１が設けられ、前記ベース１１０の取付面に光電センサー１３２が垂直に取り付けられ、前記パイプクランプ１２０の側面に光電センサー１３２が水平に配置され、前記第２支持パイプ１４０が回転するとき、前記ストロークストッパーが、対応する位置にある光電センサー１３２までトリガーでき、前記光電センサー１３２が前記第２支持パイプ１４０の回転角度を検出し、前記光電センサー１３２が前記ＦＯＣ制御モジュールと電気的に接続され、前記光電センサー１３２がスロット光電スイッチである。

前記第２プロペラアセンブリ１６０のティルト回転角度の精度を確保するために、前記第２支持パイプ１４０にプラスチック製の前記ストロークストッパー１３１が固定され、ベースに２つのスロット光電スイッチが固定されている。水中での赤外線の伝播距離が短いため、前記スロット光電スイッチの光源が青色の可視光を採用し、誤警報を減らし、スロット光電スイッチの外層に防水用の透明樹脂でコーティングされていると同時に、スロット光電スイッチの精度に影響を与えない。具体的には、２つの前記スロット光電スイッチ間に９０度の角度があり、それぞれ前記第２回転アセンブリの垂直上向き及び水平方向の前方位置に対応し、前記ストロークストッパー１３１が前記スロット光電スイッチをブロックすると、前記第２プロペラアセンブリ１６０が対応する位置までティルト回転すると示し、このとき、前記ティルト駆動モーター１７３が駆動を停止して、前記第２プロペラアセンブリ１６０を該位置に固定させ、６つのローター付きの水陸両用無人機の駆動モードをすばやく正確に切り替えることができる。

前記ベース１１０の底部には複数の脚パイプ１１２が設けれられており、前記脚パイプ１１２内に水位センサーが設けられ、前記水位センサーが前記ＦＣＯ制御モジュールと電気的に接続されている。

前記水位センサーは、市場から直接購入できるコンポーネントであり、検出データを介してベース１１０から水面までの距離を計算でき、６つのローター付きの水陸両用無人機が受けた浮力を検出して計算できる。前記ＦＣＯ制御モジュールは、水位センサーに基づいて距離データ及び浮力データを取得し、６つのローター付きの水陸両用無人機における前記第１プロペラアセンブリ１５０及び前記第２プロペラアセンブリ１６０に対する、リアルタイムのフィードバック制御を実現し、６つのローター付きの水陸両用無人機の水中の制御をより正確かつ高速にする。より好ましくは、特に、６つのローター付きの水陸両用無人機が空中から水に入る場合、６つのローター付きの水陸両用無人機がスムーズに水に入るようにするために、前記水位センサーを増設して、正確な制御にさらに顕著な効果を果たし、従来の技術では、水陸両用無人機が空中飛行と水中飛行を切り替える際、速度と姿勢により、予期できない突然の変化からの影響を完全に回避することができる。

より好ましくは、前記６つのローター付きの水陸両用無人機の底部の左右両側に、それぞれカウンターウェイトボックス１１３が対称的に配置され、前記カウンターウェイトボックス１１３の内部に制御回路及び電池などが設けられ、防水性を確保することができ、２つのカウンターウェイトボックスの筐体により、前記６つのローター付きの水陸両用無人機の浮力中心が常に自身の重心より上にあり、前記６つのローター付きの水陸両用無人機が浮力と重力の作用により、水中での自己安定調整を速く実現し、それにより、前記６つのローター付きの水陸両用無人機が水中にベースを水平に維持することができる。

前記ベース１１０の真上にカバー１１４が平行に配置され、前記カバー１１４が前記パイプクランプ１２０及び前記第１支持パイプ１３０の取付端と接続される。一方、前記カバー１１４は、ベース１１０の支持構造の安定性を強化し、過度の力によるベースの変形を回避することができ、他方、前記カバー１１４は、水中でベース１１０とともに水流に同様の排水効果を与えることができるので、６つのローター付きの水陸両用無人機の上面及び下面の水流の速度を近くに維持し、６つのローター付きの水陸両用無人機の機体を水平に保つことに利する。

６つのローター付きの水陸両用無人機の総重力は、完全に水に入ると発生する浮力よりも大きく、かつ６つのローター付きの水陸両用無人機の総重力は、空中で最大の回転速度で駆動されたときのすべてのプロペラ推力の半分であり、前記ＦＯＣ制御モジュールがＦＯＣ飛行制御方法を採用した。

前記ＦＯＣ飛行制御方法は、以下を含み、ローターの回転方向の制御：前記ベース１１０に取り付けられた４つの前記第１ローター１５２のうち、同じ対角線にある２つの前記第１ローター１５２の回転方向が同じであり、異なる対角線にある前記第１ローター１５２の回転方向が異なり、異なる２つの前記第２支持パイプにある前記第２ローター１６３の回転方向が反対であり、同じ前記第２支持パイプにある２つの前記第２ローター１６３の回転方向と速度が同じである。

前記ＦＯＣ飛行制御方法は、さらに以下を含み、
６つのローター付きの水陸両用無人機が空を飛んでいるとき、ＦＯＣ制御モジュールが制御命令を受信し、前記ティルト駆動モーター１７３を制御して前記第２支持パイプ１４０を回転させ、それにより、２つの前記第２プロペラアセンブリ１６０が前記第１プロペラアセンブリ１５０と平行になって、かつ垂直上向きに配置され、前記第１プロペラアセンブリ１５０及び前記第２プロペラアセンブリ１６０が前記ＦＯＣ制御モジュールの制御により、各ローターの回転速度を調整し、６つのローター付きの水陸両用無人機の昇降操作を実現し、
６つのローター付きの水陸両用無人機が水中に入って航行するとき、ＦＯＣ制御モジュールが制御命令を受信し、前記第１プロペラアセンブリ１５０及び前記第２プロペラアセンブリ１６０の駆動条件を制御し、第１ローター１５２及び第２ローター１６３の回転速度を下げ、６つのローター付きの水陸両用無人機は、重力と垂直上向きの揚力の作用でゆっくりと降下して水に入り、前記ＦＯＣ制御モジュールが前記水位センサーに基づいて、情報をリアルタイムで検出し、第１ローター１５２及び第２ローター１６３の回転速度を同期的に制御し、６つのローター付きの水陸両用無人機は、重力、垂直上向きの力、及び浮力の作用下で一定の速度で水中に降下し、
６つのローター付きの水陸両用無人機が水中でホバリングしているとき、６つのローター付きの水陸両用無人機が完全に水面下に入ると、前記水位センサーが各脚の水中の深度情報をリアルタイムで検出し、各水位センサーの情報パラメータが一致しない場合、ＦＯＣ制御モジュールが各前記第１ローター１５２の回転速度を制御してベースを水平に維持し、６つのローター付きの水陸両用無人機が水面下に水平移動するとき、ＦＯＣ制御モジュールが前記ティルト駆動モーター１７３を制御して前記第２支持パイプ１４０を回転させ、それにより、２つの前記第２プロペラアセンブリ１６０が回転して水平方向の駆動を実現し、それにより、６つのローター付きの水陸両用無人機の水平方向の動きが時間内に停止し、６つのローター付きの水陸両用無人機が水中にホバリング状態にあり、
６つのローター付きの水陸両用無人機が水中で水平方向に航行しているとき、ＦＯＣ制御モジュールが制御命令を受信し、前記ティルト駆動モーター１７３を制御して前記第２支持パイプ１４０を回転させ、それにより、２つの前記第２プロペラアセンブリ１６０が前方に９０度回転して水平方向になり、前記プロペラアセンブリ１５０が垂直に上向きに保持して配置され、前記ベース１１０が水平のままになるように、前記第１プロペラアセンブリ同士が協働して調整する。

具体的には、図６に示すように、前記６つのローター付きの水陸両用無人機の機体総重量をＧｔｏｔａｌとし、機体全体の重力は、完全に水に入ると発生する浮力よりも大きく、かつ総重力は、空中で最大の回転速度で駆動されたときのすべてのプロペラ推力の１／２である。浮力の中心は重心の下に設計されているため、自然な状態で、無人機は水中で水平状態での安定性を保つことができる。脚には水位センサーが設けられ、水に浸かった機体の深さを感知できる。

水面上にホバリングするとき、６つのローター付きの水陸両用無人機全体の浮力をＦ１とすると、プロペラが垂直方向に提供する必要な推力は｛Ｇｔｏｔａｌ－Ｆ１｝であり、このとき、モーターＡ、Ｄ、Ｅ、Ｈから出力される推力はそれぞれ｛１／４（Ｇｔｏｔａｌ－Ｆ１）｝であり、ちょうどブレードが水面上を回転するだけで、地面効果と浮力の作用により、非常に低い電力でホバリングを実現できる。水面を離れて空中に入る必要があるとき、モーターＢ、Ｃ、Ｆ、Ｇは水平前方から垂直上方に回転し、モーターＡ、Ｄ、Ｅ、Ｈの回転速度を上げて１／２推力に達し、このとき、無人機が徐々に水面を離れるが、完全に水面を離れておらず、体積の一部がまだ水中に残って浮力を提供する。このとき、モーターＢ、Ｃ、Ｆ、及びＧは、推力の１／２をわずかに超えるように作動し、元の４つのモーターはすでにクワッドコプターの水平方向の安定性を達成でき、かつ総推力が総重力よりもわずかに大きく、一部の浮力によって重力を相殺するための垂直上向きの力も提供できるため、非常に安定して水から離れることができる。

無人機が空中から水面に着陸する必要がある場合、まず水面の上に飛んで、脚などの下半分が水に浸るまで徐々に減速し、このとき、浮力が始まり、モーター全体が１／２推力まで減速した後、モーターＢ、Ｃ、Ｆ、Ｇが徐々に減速し、垂直方向の総推力が減少するため、浮力と垂直方向の総推力の合計が重力より小さくなり、浮力と垂直方向の総推力の合計が重力と等しくなるまで、無人機が徐々に下降し、そのため、モーターＢ、Ｃ、Ｆ、Ｇの推力をゆっくりと下げると、安定した状態で水に入ることができ、水位センサーを使用して、モーターＢ、Ｃ、Ｆ、Ｇにフィードバックして制御し、下降速度を正確に制御できる。風などの外的要因に遭遇して、無人機が揺れる場合、モーターＡ、Ｄ、Ｅ、Ｈを、無人機の傾きを制御できる通常のＸ型４軸無人機と見なすことができ、傾斜後の水平分力で補償制御を行い、機体の一部が水中に入って、水中の抵抗が大きく、独自のヨーイングを実現することが困難であるため、このとき、ブラシレスジンバルモーターがウォームギア構造を駆動し、前記第２支持パイプを傾斜して回転させ、前記第２支持パイプの一端にある２つの前記第２ローターは、回転速度を上げて駆動し、第２支持パイプの他端にある２つの前記第２ローターが逆方向に回転速度を上げて駆動し、水中抵抗がより大きい場合で、水平方向では、前記６つのローター付きの水陸両用無人機により大きなヨーイング軸トルクを提供することができ、それにより、６つのローター付きの水陸両用無人機が自体の姿勢をより迅速かつ正確に調整することができる。

前記６つのローター付きの水陸両用無人機は、従来の４つのローター付きの無人機に基づいて、前記ベース１１０の両側にティルト駆動可能なローター構造が配置され、前記６つのローター付きの水陸両用無人機が空中で６軸駆動を備えた高負荷無人機状態を維持できるようになり、水中で水平の横方向の推進力を備えた水中高速移動無人機の状態に切り替えることができ、従来の技術における、傾斜な無人機の全体的な横方向駆動の技術的解決手段と比較して、無人機が水平方向に移動するとき、抵抗がより小さく、より速く、より安定している。

なお、本明細書で使用される用語は、具体的な実施形態を説明することのみを目的としており、本出願による例示的な実施形態を限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、文脈が明確に別段の指示をしない限り、単数形は複数形も含むことを意図し、さらに、「含有」及び／又は「含む」という用語が本明細書で使用される場合、特徴、ステップ、操作、デバイス、アセンブリ、及び／又はそれらの組み合わせがあることを示すことを理解すべきである。

特に明記しない限り、これらの実施例に記載されている部材及びステップの相対的な配置、数式及び数値は、本発明の範囲を限定するものではない。一方、説明の便宜上、添付の図面に示されている様々な部分の寸法は、実際の比例関係で描かれていないことを理解されたい。当業者に知られている技術、方法、及び装置は詳細に説明されない場合があるが、適切な場合、前記技術、方法、及び装置は、許可された明細書の一部と見なされるべきである。ここで示され、説明されているすべての例において、あらゆる具体的な値は、限定としてではなく、例示としてのみ解釈されるべきである。したがって、例示的な実施例の他の例は、異なる値を有してもよい。なお、次の図面では、同様の符号と文字が同様の項目を示しているため、１つの図で項目が定義されると、後続の図でさらに説明する必要がないことを注意されたい。

本発明の説明において、「前、後、上、下、左、右」、「横方向、縦方向、垂直、水平」、「上部、底部」などで示される向き又は位置関係は、通常、図面に示される向き又は位置関係に基づくが、これは、本発明を説明し、説明を簡略化するための便宜のためだけであり、特に明記しない限り、これらの方向付けの言葉は、言及される装置又は要素が特定の方向性を有するか、又は特定の方向性で構築及び操作されなければならないことを示し又は暗示するものではなく、したがって、本発明の保護の範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。「内側、外側」は、各部材自体の輪郭に対しての内側と外側を意味する。

説明を容易にするために、本明細書では、「……の上に」、「……の上方に」、「……の上面に」、「上面にある」などの空間的に相対的な用語を使用して、図に示されているデバイス又は特徴と、他のデバイス又は特徴との空間位置関係を説明することができる。空間的に相対的な用語は、図に示されている方向に加えて、使用中又は動作中のデバイスの異なる方向を包含することを意図していることを理解されたい。例えば、図面におけるデバイスが上下逆さまにされている場合、「他のデバイス又は構造の上方にある」又は「他のデバイス又は構造の上にある」デバイスと記述された後、「他のデバイス又は構造の下方にある」又は「他のデバイス又は構造の下にある」と位置付けられる。したがって、例示的な用語「……の上方に」は、「……の上方」と「……の下方」の両方の向きを含むことができる。該デバイスはまた、他の方法で位置付けられてもよく（９０度回転又は他の方向に位置する）、本明細書で使用される空間的に相対的な記述がそれに応じて解釈されてもよい。

さらに、なお、「第１」や「第２」などの言葉を用いて、部品を定義することは、対応する部品を区別するためだけであり、特に明記しない限り、上記の言葉は特別な意味を持たないため、本発明の保護範囲を制限するものと解釈することはできない。

なお、本出願の明細書、特許請求の範囲、及び上記の図面における「第１」、「第２」などの用語は、類似の対象を区別するために使用され、必ずしも特定の順又はシーケンスを説明するために使用されるわけではない。そのように使用されるデータは、適切な状況下で交換されてもよく、その結果、本明細書に記載される本出願の実施形態は、本明細書に図示され、又は記載されるもの以外の順序で実施されてもよいことが理解されるべきである。

以上、具体的な実施例を参照して本発明の技術原理を説明してきた。これらの説明は、本発明の原理を説明するためだけのものであり、いかなる方法でも本発明の保護範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。本明細書の説明に基づいて、当業者は、創造的な努力なしに本発明の他の具体的な実施形態を考えることができ、これらの方法はすべて、本発明の保護範囲内に入る。

１１０ベース
１１１旋回軸受
１２０パイプクランプ
１２１上部挟持板
１２２下部挟持板
１１２脚パイプ
１１３カウンターウェイトボックス
１１４カバー
１３０第１支持パイプ
１３１ストロークストッパー
１３２光電センサー
１４０第２支持パイプ
１４１ウォーム
１４２ギア
１７３ティルト駆動モーター
１５０第１プロペラアセンブリ
１５１第１駆動モーター
１５２第１ローター
１６０第２プロペラアセンブリ
１６１モーターマウント
１６２第２駆動モーター
１６３第２ローター
１７０ティルト回転駆動アセンブリ
１７３ティルト駆動モーター

Claims

ベース、第１支持パイプ、第２支持パイプ、第１プロペラアセンブリ、第２プロペラアセンブリ、ティルト回転駆動アセンブリ及びＦＯＣ（ＦｉｅｌｄＯｒｉｅｎｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌ）制御モジュールを備え、
前記第１支持パイプは４つあり、各第１支持パイプの取付端が前記ベースの取付面に固定的に取り付けられ、４つの前記第１支持パイプが前記取付面の所在面に沿ってＸ状に配置され、４つの前記第１支持パイプの駆動端が前記取付面の幾何学的中心を中心として、放射状になって外側へ延在し、
各前記第１支持パイプの駆動端にそれぞれ前記第１プロペラアセンブリが設けられ、前記第１プロペラアセンブリが駆動されるとき、垂直上向きの揚力を、対応する位置にある前記第１支持パイプの駆動端に提供し、
前記第２支持パイプの中部が旋回軸受を介して、前記ベースの取付面に取り付けられ、前記第２支持パイプ両端の駆動端がそれぞれ前記ベースの対向する両側から、外側へ延在し、かつ前記取付面の幾何学的中心に対して対称的に配置され、
前記第２支持パイプの２つの駆動端にそれぞれ前記第２プロペラアセンブリが設けられ、前記第２プロペラアセンブリが駆動されるとき、前記第２支持パイプに垂直な駆動力を、前記第２支持パイプの駆動端に提供し、
前記ティルト回転駆動アセンブリが前記ベースの中央領域に取り付けられ、前記第２支持パイプの中部が前記ティルト回転駆動アセンブリと伝動的に接続され、前記ティルト回転駆動アセンブリが前記第２支持パイプを駆動して、前記ベースに対して自身の軸方向を中心に回転させ、
前記ＦＯＣ制御モジュールが前記第１プロペラアセンブリ、前記第２プロペラアセンブリ及びティルト回転駆動アセンブリと電気的に接続され、前記ＦＯＣ制御モジュールが６つのローター付きの水陸両用無人機の飛行を制御し、
前記第１プロペラアセンブリは、第１駆動モーター及び第１ローターを含み、前記第１駆動モーターが前記第１支持パイプの駆動端に垂直に取り付けられ、前記第１ローターが前記第１駆動モーターの駆動端に水平に取り付けられ、
前記第２プロペラアセンブリは、モーターマウント、２つの第２駆動モーター及び２つの第２ローターを含み、前記モーターマウントの対向する両側にそれぞれ前記第２駆動モーターが固定的に取り付けられ、２つの前記第２駆動モーターの駆動端が同軸に配置され、かつ反対方向に延在し、２つの前記第２ローターがそれぞれ前記第２駆動モーターの駆動端に取り付けられ、
ティルト回転駆動アセンブリは、ウォーム、ギア及びティルト駆動モーターを含み、
前記ティルト駆動モーターが前記ベースに取り付けられ、前記ギアが前記ティルト駆動モーターの駆動端と軸方向に接続され、前記ウォームが第２支持パイプの中部に嵌合され、前記ウォームが前記ギアと伝動的に係合されることを特徴とする、ＦＯＣパワーシステムに基づいたティルト回転可能な６つのローター付きの水陸両用無人機。
前記第１ローターの直径は、前記第２ローターの直径よりも大きく、前記第１ローターのネジピッチは、前記第２ローターのネジピッチよりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載のＦＯＣパワーシステムに基づいたティルト回転可能な６つのローター付きの水陸両用無人機。
前記第１駆動モーター及び前記第２駆動モーターは、ブラシレスモーターであり、それらにはホールセンサが設けられており、前記ティルト駆動モーターは、ブラシレスジンバルモーターであり、
前記ＦＯＣ制御モジュールは、前記第１駆動モーター、前記第２駆動モーター、前記ホールセンサ及び前記ティルト駆動モーターと電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のＦＯＣパワーシステムに基づいたティルト回転可能な６つのローター付きの水陸両用無人機。
前記第２支持パイプは、パイプクランプを介して前記ベースの取付面に取り付けられ、前記パイプクランプが上部挟持板及び下部挟持板を含み、前記下部挟持板が前記ベースの取付面に垂直に取り付けられ、前記上部挟持板が前記下部挟持板の真上に組み立てられ、それにより、前記上部挟持板と前記下部挟持板との間に取付穴が形成され、
前記取付穴内に前記旋回軸受が垂直に取り付けられ、前記第２支持パイプが前記旋回軸受を貫通し、それにより、前記旋回軸受の内輪が前記第２支持パイプの外壁と嵌合して固定されていることを特徴とする、請求項１に記載のＦＯＣパワーシステムに基づいたティルト回転可能な６つのローター付きの水陸両用無人機。
前記第２支持パイプの外壁にストロークストッパーが設けられ、前記ベースの取付面に光電センサーが垂直に取り付けられ、前記パイプクランプの側面に光電センサーが水平に配置され、前記第２支持パイプが回転するとき、前記ストロークストッパーが、対応する位置にある光電センサーまでトリガーでき、前記光電センサーが前記第２支持パイプの回転角度を検出し、前記光電センサーが前記ＦＯＣ制御モジュールと電気的に接続され、前記光電センサーがスロット光電スイッチであることを特徴とする、請求項４に記載のＦＯＣパワーシステムに基づいたティルト回転可能な６つのローター付きの水陸両用無人機。
前記ベース底部には複数の脚パイプが設けられ、前記脚パイプ内に水位センサーが設けられ、前記水位センサーが前記ＦＯＣ制御モジュールと電気的に接続されることを特徴とする、請求項５に記載のＦＯＣパワーシステムに基づいたティルト回転可能な６つのローター付きの水陸両用無人機。
６つのローター付きの水陸両用無人機の総重力は、完全に水に入ると発生する浮力よりも大きく、かつ６つのローター付きの水陸両用無人機の総重力は、空中で最大の回転速度で駆動されたときのすべてのプロペラ推力の半分であり、
前記ＦＯＣ制御モジュールがＦＯＣ飛行制御方法を採用し、前記ＦＯＣ飛行制御方法は、以下を含み、
ローターの回転方向の制御：前記ベースに取り付けられた４つの前記第１ローターのうち、同じ対角線にある２つの前記第１ローターの回転方向が同じであり、異なる対角線にある前記第１ローターの回転方向が異なり、
異なる２つの前記第２支持パイプにある前記第２ローターの回転方向が反対であり、同じ前記第２支持パイプにある２つの前記第２ローターの回転方向と速度は同じであることを特徴とする請求項６に記載のＦＯＣパワーシステムに基づいたティルト回転可能な６つのローター付きの水陸両用無人機。
前記ＦＯＣ飛行制御方法は、さらに以下を含み、
６つのローター付きの水陸両用無人機が空を飛んでいるとき、ＦＯＣ制御モジュールが制御命令を受信し、前記ティルト駆動モーターを制御して前記第２支持パイプを回転するように駆動させ、それにより、２つの前記第２プロペラアセンブリが前記第１プロペラアセンブリと平行になって、垂直上向きに配置され、前記第１プロペラアセンブリ及び前記第２プロペラアセンブリが前記ＦＯＣ制御モジュールの制御により、各ローターの回転速度を調整し、６つのローター付きの水陸両用無人機の昇降操作を実現し、
６つのローター付きの水陸両用無人機が水中に入って航行するとき、ＦＯＣ制御モジュールが制御命令を受信し、前記第１プロペラアセンブリ及び前記第２プロペラアセンブリの駆動条件を制御し、第１ローター及び第２ローターの回転速度を下げ、６つのローター付きの水陸両用無人機は、重力と垂直上向きの揚力の作用でゆっくりと降下して水に入り、前記ＦＯＣ制御モジュールが前記水位センサーに基づいて、情報をリアルタイムで検出し、第１ローター及び第２ローターの回転速度を同期的に制御し、それにより、６つのローター付きの水陸両用無人機は、重力、垂直上向きの力、及び浮力の作用下で一定の速度で水中に降下し、
６つのローター付きの水陸両用無人機が水中にホバリングしている場合、６つのローター付きの水陸両用無人機が完全に水面下に入ると、前記水位センサーが各脚の水中深度情報をリアルタイムで検出し、各水位センサーの情報パラメータが一致しない場合、ＦＯＣ制御モジュールが各前記第１ローターの回転速度を制御してベースを水平に維持し、６つのローター付きの水陸両用無人機が水面下に水平移動するとき、ＦＯＣ制御モジュールが前記ティルト駆動モーターを制御して前記第２支持パイプを回転させ、それにより、２つの前記第２プロペラアセンブリが回転して水平方向の駆動を実現し、それにより、６つのローター付きの水陸両用無人機の水平方向の動きが時間内に停止し、６つのローター付きの水陸両用無人機が水中にホバリング状態にあり、
６つのローター付きの水陸両用無人機が水中で水平方向に航行しているとき、ＦＯＣ制御モジュールが制御命令を受信し、前記ティルト駆動モーターを制御して前記第２支持パイプを回転させ、２つの前記第２プロペラアセンブリを前方に９０度回転させて水平方向にし、前記第１プロペラアセンブリが垂直上向きに保持して配置され、前記ベースが水平のままになるように、前記第１プロペラアセンブリ同士が協働して調整することを特徴とする、請求項７に記載のＦＯＣパワーシステムに基づいたティルト回転可能な６つのローター付きの水陸両用無人機。