JP7399609B2 - Wired powered unmanned aerial vehicle - Google Patents

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Description

本発明は、小型の無人ヘリコプターや無人飛行機など、遠隔操作によって飛行する無人飛行体への電力供給方法に関する。 The present invention relates to a method for supplying power to an unmanned flying vehicle that flies by remote control, such as a small unmanned helicopter or an unmanned airplane.

一般にドローンと呼ばれる無人飛行体は、複数の回転翼を備えており、地上での操縦により、空中で３次元的な移動や安定な停止（ホバリング）が可能である。このため、空中での撮影から物の運搬まで幅広く利用されている。 An unmanned flying vehicle, generally called a drone, is equipped with multiple rotary wings and can move in three dimensions and stably stop (hover) in the air by controlling it on the ground. For this reason, it is widely used for everything from aerial photography to transporting objects.

無人飛行体は、回転翼を回転させるモータ、電子機器及び電子回路等の電源は、無人飛行体に搭載された電池から電力の供給が行われており、現在一般的に利用されるバッテリーはリチウムイオン電池である。リチウムイオン電池は、小型・軽量でありながら、１セル３．７Ｖと高出力であることが特徴である。 In unmanned flying vehicles, power is supplied to the motors that rotate the rotor, electronic devices, electronic circuits, etc. from batteries mounted on the unmanned flying vehicle, and the batteries commonly used at present are lithium. It is an ion battery. Lithium ion batteries are characterized by their small size and light weight, as well as their high output of 3.7V per cell.

地上に電源を置いて有線で無人飛行体に給電する方式もあり、例えば特許文献１～４に開示されている。地上からの給電は直流であるが、モータは消費電力が大きく、１モータ当たり５００～１０００Ｗを供給する必要がある。回転翼のモータはブラシレスモータが使用されている場合が多く、１２～２４Ｖの直流電圧が必要である。地上からの給電をモータの直流電圧と同じ電圧にすると、５０Ａ以上もの電流が必要となり、給電線が太く、重くなる。無人飛行体は、１００～１５０ｍの上空を飛行するため、給電線は太さ３ｍｍ以上が必要となり、重量は１０ｋｇを超えてくる。 There is also a method of placing a power source on the ground and supplying power to an unmanned flying vehicle by wire, for example, as disclosed in Patent Documents 1 to 4. The power supply from the ground is direct current, but the motors consume a lot of power, and each motor needs to supply 500 to 1000 W. A brushless motor is often used as the motor for the rotary blade, and a DC voltage of 12 to 24 V is required. If the power supply from the ground is set to the same voltage as the motor's DC voltage, a current of 50 A or more will be required, making the power supply line thick and heavy. Since unmanned aerial vehicles fly at altitudes of 100 to 150 meters, the power supply cable must be at least 3 mm thick and weigh more than 10 kg.

給電線を細く軽くするために、地上から給電する直流の電圧を高くする方法が提案されている。例えば、特許文献１では、２００Ｖ以上、例えば３６０Ｖの直流電圧を供給しており、特許文献２では、１６０Ｖの直流電圧を給電している。 In order to make power supply lines thinner and lighter, methods have been proposed to increase the voltage of the DC power supplied from the ground. For example, in Patent Document 1, a DC voltage of 200V or more, for example, 360V, is supplied, and in Patent Document 2, a DC voltage of 160V is supplied.

特許文献４には、地上から無人飛行体へ送られる電力が交流の場合は、無人飛行体にＡＣ／ＤＣコンバータが必要であると記載されているが、効率については何ら記載されていない。 Patent Document 4 states that when the power sent from the ground to the unmanned flying vehicle is AC, the unmanned flying vehicle requires an AC/DC converter, but does not describe anything about efficiency.

特許文献１：特開２０１６－７４２５７
特許文献２：ＷＯ２０１４／２０３５９３
特許文献３：ＷＯ２０１４／１５２１５９
特許文献４：特開２０１７－０１３６５３ Patent Document 1: Japanese Patent Application Publication No. 2016-74257
Patent document 2: WO2014/203593
Patent document 3: WO2014/152159
Patent Document 4: JP 2017-013653

無人飛行体は、長時間の飛行が求められているが、従来の無人飛行体に電池を搭載する方式では、飛行時間は容量の問題から１５～２５分程度であった。さらに長時間の飛行を行うためには、電池の容量を大きくしなければならず、無人飛行体の重量が重くなるといった課題があった。 Unmanned flying vehicles are required to fly for long periods of time, but with conventional methods of mounting batteries on unmanned flying vehicles, the flight time was around 15 to 25 minutes due to capacity issues. Furthermore, in order to fly for longer periods of time, the battery capacity must be increased, which poses the problem of increasing the weight of the unmanned flying vehicle.

有線で無人飛行体に給電する方式では、直流電圧で電力を送電するため、送電線での損失が大きいといった課題があった。このため、効率の良い給電が必要とされている。 The method of supplying power to unmanned aerial vehicles via wires has the problem of large losses in the transmission lines because the power is transmitted using DC voltage. For this reason, efficient power supply is required.

本発明は、長時間飛行可能な無人型飛行体を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an unmanned flying vehicle that can fly for a long time.

（１）本発明に係る有線給電型無人飛行体は、 無人飛行体に電源を供給する地上電源部と、前記無人飛行体のモータ及び電子機器へ電力を供給する無人飛行体電源部と、前記地上電源部と前記無人飛行体電源部とを接続する給電線と、を備え、前記地上電源部から前記給電線を介して前記無人飛行体電源部へ供給する供給電力は、周期的な電圧又は電流波形を有すること、を特徴とする。 (1) The wired power supply type unmanned flying vehicle according to the present invention includes: a ground power supply unit that supplies power to the unmanned flying vehicle; an unmanned flying vehicle power supply unit that supplies power to the motor and electronic equipment of the unmanned flying vehicle; a power supply line connecting a ground power supply unit and the unmanned aircraft power supply unit, and the power supplied from the ground power supply unit to the unmanned aircraft power supply unit via the power supply line is a periodic voltage or It is characterized by having a current waveform.

（２）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記供給電力は、単相交流電力であることが好ましい。 (2) In the wired power-fed unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the supplied power is single-phase AC power.

（３）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記給電線は単相３線式であることが好ましい。 (3) In the wired power-fed unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the power feed line is a single-phase three-wire type.

（４）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記供給電力は、三相交流電力であることが好ましい。 (4) In the wired power-fed unmanned aircraft according to the present invention, it is preferable that the supplied power is three-phase AC power.

（５）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記単相交流電力又は前記三相交流電力は、商用電源からの交流電力であることが好ましい。 (5) In the wired power-fed unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the single-phase AC power or the three-phase AC power is AC power from a commercial power source.

（６）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記三相交流電力は、前記単相交流電力から変換されていることが好ましい。 (6) In the wired power-fed unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the three-phase AC power is converted from the single-phase AC power.

（７）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記地上電源部には昇圧部が設けられ、前記商用電源からの交流電力は、前記昇圧部により昇圧され、給電線を介して前記無人飛行体電源部に給電されることが好ましい。 (7) In the wired power-fed unmanned aircraft according to the present invention, the ground power supply section is provided with a booster, and the AC power from the commercial power source is boosted by the booster and sent to the unmanned aircraft via the power supply line. Preferably, power is supplied to the aircraft power supply unit.

（８）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記地上電源部には、ＤＣ／ＡＣインバータ又はＡＣ／ＡＣコンバータが設けられ、前記無人飛行体電源部には、ＡＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＤＣ及びＤＣ／ＡＣインバータが設けられていることが好ましい。 (8) In the wired power-fed unmanned aircraft according to the present invention, the ground power supply unit is provided with a DC/AC inverter or an AC/AC converter, and the unmanned aircraft power supply unit includes an AC/DC converter, a DC /DC and DC/AC inverters are preferably provided.

（９）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記供給電力の出力波形は、スイッチング波形であることが好ましい。 (9) In the wired power-fed unmanned aircraft according to the present invention, the output waveform of the supplied power is preferably a switching waveform.

（１０）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記給電線のカットオフ周波数は、前記スイッチング波形のスイッチング周波数より高いことが好ましい。 (10) In the wired power-fed unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the cutoff frequency of the power feed line is higher than the switching frequency of the switching waveform.

（１１）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記給電線は、前記スイッチング波形のノイズ除去機能を備えていることが好ましい。 (11) In the wired power-fed unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the power feed line has a function of removing noise from the switching waveform.

（１２）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記スイッチング周波数に対応する波長は、前記給電線の長さの１／４であることが好ましい。 (12) In the wired power-fed unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the wavelength corresponding to the switching frequency is 1/4 of the length of the power feed line.

（１３）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記スイッチング波形は、チョッパ回路の出力波形であることが好ましい。 (13) In the wired power-fed unmanned aircraft according to the present invention, it is preferable that the switching waveform is an output waveform of a chopper circuit.

（１４）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記スイッチング波形は、絶縁型コンバータのトランス出力波形であることが好ましい。 (14) In the wired power-fed unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the switching waveform is a transformer output waveform of an isolated converter.

（１５）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記チョッパ回路又は前記絶縁型コンバータのスイッチング素子は、ＧａＮトランジスタ又はＳｉＣトランジスタからなる素子であることが好ましい。 (15) In the wired power-fed unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the switching element of the chopper circuit or the isolated converter is an element made of a GaN transistor or a SiC transistor.

（１６）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記無人飛行体電源部には、平滑回路が設けられていることが好ましい。 (16) In the wired power-fed unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the unmanned aerial vehicle power supply section is provided with a smoothing circuit.

（１７）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記地上電源部は、車載電池を備えていることが好ましい。 (17) In the wired power-fed unmanned flying vehicle according to the present invention, it is preferable that the ground power supply section includes an on-vehicle battery.

（１８）本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記地上電源部は、エンジン発電機を備えていることが好ましい。 (18) In the wired power-fed unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the ground power supply section includes an engine generator.

（１）本発明の有線給電型無人飛行体は、無人飛行体に電源を供給する地上電源部と、無人飛行体のモータ及び電子機器へ電力を供給する無人飛行体電源部と、地上電源部と無人飛行体電源部を接続する給電線とを備え、地上電源部から給電線を介して無人飛行体電源部へ供給する供給電力は、周期的な電圧又は電流波形を有する。このため、低周波での交流波形は、高電圧とすることにより損失の少ない給電が可能となる。また、高周波での給電は、ノイズの除去を給電線で行うことにより、一般的に使用されているスナバ回路を設ける必要がなく、部品点数を抑えることができる。さらに、電圧又は電流波形の周期は幅広く設定できる。 (1) The wired power supply type unmanned flying vehicle of the present invention includes a ground power supply section that supplies power to the unmanned flight vehicle, an unmanned flight power supply section that supplies power to the motor and electronic equipment of the unmanned flight vehicle, and a ground power supply section. and a power supply line connecting the unmanned aircraft power supply unit, and the power supplied from the ground power supply unit to the unmanned aircraft power supply unit via the power supply line has a periodic voltage or current waveform. Therefore, by setting the AC waveform at a low frequency to a high voltage, it is possible to supply power with less loss. In addition, when power is supplied at high frequency, noise is removed by the power supply line, so there is no need to provide a commonly used snubber circuit, and the number of components can be reduced. Furthermore, the period of the voltage or current waveform can be set over a wide range.

（２）本発明の有線給電型無人飛行体によれば、供給電力が単相交流電力であることにより、交流電源はトランスにより昇圧が容易である。 (2) According to the wired power-fed unmanned aircraft of the present invention, since the supplied power is single-phase AC power, the AC power source can be easily boosted by a transformer.

（３）本発明の有線給電型無人飛行体によれば、給電線が単相３線式であることにより、単相２線式の２倍の電圧で送電できる。 (3) According to the wired power feeding type unmanned aerial vehicle of the present invention, since the power feeding line is a single-phase three-wire type, power can be transmitted at twice the voltage of a single-phase two-wire type.

（４）本発明の有線給電型無人飛行体によれば、供給電力が三相交流電力であることにより、単相交流電力に比べて給電線での損失が少ない。 (4) According to the wired power-fed unmanned aerial vehicle of the present invention, since the supplied power is three-phase AC power, there is less loss in the power supply line compared to single-phase AC power.

（５）本発明の有線給電型無人飛行体によれば、単相交流電力又は三相交流電力が商用電源からの交流電力であることにより、電源の利用が容易にできる。 (5) According to the wired power-fed unmanned aerial vehicle of the present invention, since the single-phase AC power or the three-phase AC power is AC power from a commercial power source, the power source can be easily utilized.

（６）本発明の有線給電型無人飛行体によれば、三相交流電力が単相交流電力から変換されていることにより、単相交流電力は広く使用されているから利用が容易である。 (6) According to the wired power-fed unmanned aerial vehicle of the present invention, since the three-phase AC power is converted from the single-phase AC power, the single-phase AC power is widely used, so it is easy to use.

（７）本発明の有線給電型無人飛行体によれば、地上電源部には昇圧部が設けられ、商用電源からの交流電力は、昇圧部により昇圧され、給電線を介して無人飛行体電源部に給電されているため、給電線での損失を抑えることができる。 (7) According to the wired power supply type unmanned aerial vehicle of the present invention, the ground power supply section is provided with a booster section, and the AC power from the commercial power source is boosted by the booster section, and is then transmitted to the unmanned aerial vehicle power source via the power supply line. Since power is supplied to the main unit, losses in the power supply line can be suppressed.

（８）本発明の有線給電型無人飛行体においては、地上電源部には、ＤＣ／ＡＣインバータ又はＡＣ／ＡＣコンバータが設けられ、無人飛行体電源部には、ＡＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＤＣ及びＤＣ／ＡＣインバータが設けられている。交流電力は、商用電源に限らず、ＤＣ／ＡＣインバータ又はＡＣ／ＡＣコンバータにより、任意の電圧及び周波数に変換でき、効率のよい電源の供給が可能である。また、無人飛行体電源部には、ＡＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＤＣ及びＤＣ／ＡＣインバータが設けられており、無人飛行体に搭載されている制御回路、センサ、モータやカメラ等の搭載機器への最適な電源が供給できる。 (8) In the wired power supply type unmanned aircraft of the present invention, the ground power supply unit is provided with a DC/AC inverter or an AC/AC converter, and the unmanned aircraft power supply unit is provided with an AC/DC converter, a DC/DC and a DC/AC inverter. AC power is not limited to commercial power sources, and can be converted to any voltage and frequency using a DC/AC inverter or AC/AC converter, making it possible to supply efficient power. In addition, the unmanned aerial vehicle power supply section is equipped with an AC/DC converter, DC/DC, and DC/AC inverter, and is used to control circuits, sensors, motors, cameras, and other onboard equipment mounted on the unmanned aerial vehicle. The optimum power supply can be supplied.

（９）本発明の有線給電型無人飛行体によれば、供給電力がスイッチング波形であることにより、ＡＣ／ＤＣコンバータやＤＣ／ＤＣコンバータでのスイッチング波形を給電線から供給することで、給電線をコンバータの１部品として利用できる。 (9) According to the wired power supply type unmanned aerial vehicle of the present invention, since the supplied power is a switching waveform, the switching waveform of the AC/DC converter or DC/DC converter is supplied from the power supply line. can be used as a component of a converter.

（１０）本発明の有線給電型無人飛行体によれば、給電線のカットオフ周波数が、スイッチング波形のスイッチング周波数より高いことから、スイッチング波形の減衰量を少なくすることができる。 (10) According to the wired power-fed unmanned aerial vehicle of the present invention, since the cutoff frequency of the power feed line is higher than the switching frequency of the switching waveform, the amount of attenuation of the switching waveform can be reduced.

（１１）本発明の有線給電型無人飛行体によれば、給電線が、スイッチング波形のノイズ除去機能を備えていることから、給電線の周波数特性を利用して、スイッチングに伴って発生するノイズを減衰させている。 (11) According to the wired power-fed unmanned aerial vehicle of the present invention, since the power feed line has a switching waveform noise removal function, the frequency characteristics of the power feed line are used to eliminate noise generated due to switching. is attenuated.

（１２）本発明の有線給電型無人飛行体においては、スイッチング周波数に対応する波長は、給電線の長さの１／４である。給電線が長くなるとスイッチング周波数に伴う波長が無視できなくなり、給電線の特性インピーダンスと整合を取らなければならず、このために、スイッチング周波数の波長を、給電線の長さの１／４として整合させている。これにより、給電線がトランスとしての機能を備えることができる。 (12) In the wire-fed unmanned aerial vehicle of the present invention, the wavelength corresponding to the switching frequency is 1/4 of the length of the power feed line. As the feeder line becomes longer, the wavelength associated with the switching frequency cannot be ignored and must be matched with the characteristic impedance of the feeder line. For this purpose, the wavelength of the switching frequency is matched by setting it to 1/4 of the length of the feeder line. I'm letting you do it. Thereby, the feed line can have a function as a transformer.

（１３）本発明の有線給電型無人飛行体によれば、スイッチング波形が、チョッパ回路の出力波形であることから、給電線をチッパ回路で生成されたスイッチング波形のノイズ除去用に利用できる。 (13) According to the wired power-fed unmanned aerial vehicle of the present invention, since the switching waveform is the output waveform of the chopper circuit, the power supply line can be used to remove noise from the switching waveform generated by the chipper circuit.

（１４）本発明の有線給電型無人飛行体によれば、スイッチング波形が、絶縁型コンバータのトランス出力波形であることから、トランスを利用することでノイズの発生を抑えることができる。
を特徴とする。 (14) According to the wired power-fed unmanned aerial vehicle of the present invention, since the switching waveform is the transformer output waveform of the isolated converter, noise generation can be suppressed by using the transformer.
It is characterized by

（１５）本発明の有線給電型無人飛行体によれば、チョッパ回路又は絶縁型コンバータのスイッチング素子が、ＧａＮトランジスタ又はＳｉＣトランジスタからなる素子であることから、高周波数でのスイッチングが可能となり、小型で効率の良い給電回路とすることができる。 (15) According to the wired power-fed unmanned aerial vehicle of the present invention, since the switching element of the chopper circuit or the isolated converter is an element consisting of a GaN transistor or a SiC transistor, high frequency switching is possible and the size is small. This makes it possible to create an efficient power supply circuit.

（１６）本発明の有線給電型無人飛行体によれば、無人飛行体電源部には、平滑回路が設けられていることから、スイッチング波形を平滑化して、無人飛行体搭載機器への所望の電源に変換できる。 (16) According to the wired power-fed unmanned aerial vehicle of the present invention, since the unmanned aerial vehicle power supply section is provided with a smoothing circuit, the switching waveform is smoothed and the desired power is transmitted to the unmanned aerial vehicle mounted equipment. Can be converted to power source.

（１７）本発明の有線給電型無人飛行体によれば、地上電源部は、車載電池を備えていることから、商用電源が利用できないところでも、ＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：電気自動車）やハイブリッド車等の車載電池により無人飛行体を飛行させることができる。 (17) According to the wired power supply type unmanned flying vehicle of the present invention, since the ground power supply section is equipped with an on-board battery, it can be used even in places where commercial power supply is not available, such as EV (Electric Vehicle) or hybrid vehicle. The vehicle's on-board battery allows the unmanned aerial vehicle to fly.

（１８）本発明の有線給電型無人飛行体によれば、地上電源部は、エンジン発電機を備えていることから、商用電源が利用できないところでも、無人飛行体を飛行させることができる。 (18) According to the wired power-fed unmanned flying vehicle of the present invention, since the ground power supply section is equipped with an engine generator, the unmanned flying vehicle can be flown even in places where commercial power is unavailable.

本発明の実施形態に係る有線給電型無人飛行体を説明する概念図である。1 is a conceptual diagram illustrating a wired power-fed unmanned flying vehicle according to an embodiment of the present invention. 有線給電型無人飛行体の電源システムを説明するブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating a power supply system for a wired power-fed unmanned aircraft. 低周波領域において単相交流電源４０から給電線１４に電力を給電する場合のモデル図である。FIG. 2 is a model diagram when power is supplied from a single-phase AC power source 40 to a feeder line 14 in a low frequency region. 低周波領域において三相交流電源４２から給電線１４に電力を給電する場合のモデル図である。FIG. 2 is a model diagram when power is supplied from a three-phase AC power source 42 to a feeder line 14 in a low frequency region. 三相交流電力が給電されている場合の負荷の結線状態と、相電圧、相電流の関係を説明する図である。It is a figure explaining the connection state of a load, the phase voltage, and the relationship of a phase current when three-phase alternating current power is fed. 給電線１４を単相３線式にした場合のモデル図である。It is a model diagram when the power supply line 14 is made into a single-phase three-wire system. 銅線抵抗の周波数特性の一例を示す図である。It is a figure showing an example of the frequency characteristic of copper wire resistance. ＣＶケーブルの周波数特性の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of frequency characteristics of a CV cable. 給電線１４を分布定数線路と見た場合のモデル図である。It is a model diagram when the feeder line 14 is viewed as a distributed constant line. 分布定数線路モデルの受端（ｚ＝０）に負荷インピーダンスＺＬを接続した場合のモデル図である。It is a model diagram when a load impedance ZL is connected to the receiving end (z=0) of a distributed constant line model. 分布定数線路モデルの長さに対して、波長がλ／４の場合を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a case where the wavelength is λ/4 with respect to the length of the distributed constant line model. 商用電源の交流電源を使用した無人飛行体１０に関する電源システムのブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of a power supply system for an unmanned aerial vehicle 10 that uses a commercially available AC power source. 商用電源が、直接給電線１４を介して伝送される場合の給電回路の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a power supply circuit when commercial power is directly transmitted via a power supply line 14. FIG. 給電線１４での損失を少なくするために、電源供給部２２に昇圧部４４、無人飛行体電源部２４に降圧部４６を設けた給電回路の構成を示す図である。2 is a diagram showing a configuration of a power supply circuit in which a voltage booster 44 is provided in the power supply section 22 and a voltage step-down section 46 is provided in the unmanned aircraft power supply section 24 in order to reduce loss in the power supply line 14. FIG. 交流電力を単相３線式で送電する場合の給電回路の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a power supply circuit when transmitting AC power in a single-phase three-wire system. ３相電力を、給電線１４を介して送電するための給電回路の構成を示す図である。3 is a diagram showing the configuration of a power feeding circuit for transmitting three-phase power via a power feeding line 14. FIG. 給電線１４でスイッチング波形を伝送する場合の無人飛行体１０に関する電源システムのブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of a power supply system for the unmanned aerial vehicle 10 when a switching waveform is transmitted through a power feed line 14. FIG. ＤＣ電源６２をチョッパ回路６０で、三相交流電源に変換して給電線１４に送電する給電回路の構成を示す図である。6 is a diagram showing the configuration of a power supply circuit that converts a DC power supply 62 into a three-phase AC power supply using a chopper circuit 60 and transmits the power to a power supply line 14. FIG. 降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を利用して、給電線１４での電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a power supply circuit in a case where power is transmitted through a power supply line 14 using the circuit configuration of a step-down DC/DC converter. 図１９（Ｂ）で示した電源供給部２２の回路における寄生インダクタンス、寄生容量を考慮した等価回路を示す図である。19B is a diagram showing an equivalent circuit in consideration of parasitic inductance and parasitic capacitance in the circuit of the power supply unit 22 shown in FIG. 19(B). FIG. 非同期式昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を利用して、給電線１４での電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。2 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit when transmitting power over a power supply line 14 using a circuit configuration of an asynchronous step-up DC/DC converter. FIG. フライバック型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を利用して、給電線１４での電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit in a case where power is transmitted through a power supply line 14 using a circuit configuration of a flyback type DC/DC converter. フォワード型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を利用して、給電線１４での電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit in a case where power is transmitted through a power supply line 14 using the circuit configuration of a forward type DC/DC converter. フォワード型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を利用しているが、トランスＴを、給電線１４で代用して電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。Although the circuit configuration of a forward type DC/DC converter is utilized, it is a diagram showing the configuration of a power feeding circuit in a case where a power feeding line 14 is used in place of a transformer T to perform power transmission.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組合せをする様々なバリエーションが可能である。したがって、本実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the components in this embodiment can be replaced with existing components as appropriate, and various variations can be made in combination with other existing components. Therefore, the content of the invention described in the claims is not limited by the description of this embodiment.

一般にドローンと呼ばれている無人飛行体は、近年、さまざまな用途で使用されて来ている。しかし、一般的な無線ドローンには、電源としてリチウムイオン電池が使用されており、連続飛行時間が２０分程度と短く、長時間飛行が必要とされる用途には向かなかった。このため、有線給電方式で長時間飛行を可能にする方式が採用されている。 Unmanned flying vehicles, commonly called drones, have been used for a variety of purposes in recent years. However, typical wireless drones use lithium-ion batteries as a power source, and their continuous flight time is only about 20 minutes, making them unsuitable for applications that require long flights. For this reason, a wired power supply system has been adopted that enables long-duration flights.

従来の有線給電方式は、給電線を介してＤＣ（直流）電圧を供給している。無人飛行体に搭載されている電子機器は、ほとんどがＤＣ電圧で動作し、交流（ＡＣ）電圧を供給してもＡＣ／ＤＣ変換する必要があるからである。しかしながら、ＤＣ電圧は給電線を介して供給されると損失が大きく、給電線が長くなった場合には、大きな問題となる。 The conventional wired power supply system supplies DC (direct current) voltage via a power supply line. This is because most electronic devices mounted on unmanned aerial vehicles operate on DC voltage, and even if alternating current (AC) voltage is supplied, AC/DC conversion is required. However, when the DC voltage is supplied via a power supply line, the loss is large, and this becomes a big problem when the power supply line becomes long.

無人飛行体での給電線を介するＤＣ電圧の供給は、損失をカバーするため、例えば５００Ｖ前後の高圧ＤＣ電圧を給電する方式が採用されているが、給電線の長さに限界があり、地上電源の位置からから無人飛行体を飛行させる範囲も限定されてしまう。 When supplying DC voltage via power lines to unmanned aerial vehicles, a method is adopted in which high-voltage DC voltage, for example around 500V, is used to cover losses, but there is a limit to the length of the power line, and it cannot be used on the ground. The range over which the unmanned aerial vehicle can fly is also limited from the location of the power source.

無人飛行体は、飛行高度が制限されており、例えば日本では１５０ｍ以下である。これは、航空法で、有人ヘリコプターが離着陸以外は、建物の密集地区では３００ｍ以上、それ以外の場所では１５０ｍ以上で飛行しなければならない旨が規定されているためであり、航空機のための航空エリアは、飛行禁止空域とされているためである。このため飛行の高さだけを考えれば１５０ｍの給電線でもよいが、地上にある電源供給を行うベースステーションの近傍の飛行に限られてしまう。 The flight altitude of unmanned aerial vehicles is limited, for example, in Japan, it is 150 meters or less. This is because the Civil Aviation Act stipulates that manned helicopters must fly at a height of at least 300m in densely built areas and at least 150m in other areas, except for takeoff and landing. This is because the area is considered a no-fly zone. Therefore, if only the flight height is considered, a 150 m power supply line may be sufficient, but this is limited to flight near a base station on the ground that supplies power.

一方で、無人飛行体を無線で操縦する送信機の電波の送信距離は、２０００～３０００ｍであり、水平方向の限界は規制されていないため、理論的には、２０００～３０００ｍの給電線も必要とされてくる。例えば、台風や大雨により土砂崩れした堤防の決壊による浸水などは、長時間にわたり広範囲の調査、監視が必要であり、水平方向が２０００～３０００ｍ程度は、むしろ現実的に要求されている距離、即ち要求されている給電線の長さである。このため、給電線での損失の少ない交流電圧での給電が必須となる。 On the other hand, the radio wave transmission distance of a transmitter that wirelessly controls an unmanned aerial vehicle is 2,000 to 3,000 meters, and the horizontal limit is not regulated, so a 2,000 to 3,000 meter feeder line is theoretically required. It is said that For example, flooding caused by the collapse of a landslide or embankment caused by a typhoon or heavy rain requires long-term, wide-ranging investigation and monitoring. This is the length of the power supply line. For this reason, it is essential to supply power using an AC voltage with less loss in the power supply line.

図１は、本発明の実施形態に係る有線給電型無人飛行体を説明する概念図である。無人飛行体１０と地上のベースステーション１２には給電線１４により接続されており、給電線１４は、たるみ防止用の巻取部１６が設けられている。無人飛行体１０に電源を供給する地上電源部と、無人飛行体１０のモータ及び電子機器へ電力を供給する無人飛行体電源部と、地上電源部と無人飛行体電源部とを接続する給電線１４とを備え、地上電源部から給電線１４を介して無人飛行体電源部へ供給する供給電力は、周期的な電圧又は電流波形を有する。地上電源部は、ベースステーション１２に設けられており、無人飛行体電源部は、無人飛行体１０に設けられている。 FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a wired power-fed unmanned flying vehicle according to an embodiment of the present invention. The unmanned aerial vehicle 10 and the base station 12 on the ground are connected by a power supply line 14, and the power supply line 14 is provided with a winding portion 16 for preventing slack. A ground power supply section that supplies power to the unmanned aerial vehicle 10, an unmanned aerial vehicle power supply section that supplies power to the motors and electronic devices of the unmanned aerial vehicle 10, and a power supply line that connects the ground power supply section and the unmanned aerial vehicle power supply section. 14, and the power supplied from the ground power supply unit to the unmanned aircraft power supply unit via the power supply line 14 has a periodic voltage or current waveform. The ground power supply unit is provided at the base station 12, and the unmanned aircraft power supply unit is provided at the unmanned aircraft 10.

ベースステーション１２は、図１では車を例示的に示しているが、地上電源部を備えるスペースがあれば、屋外でも屋内でもよい。車をベースステーション１２とした場合は、車載電池が利用される。また、地上電源部は、エンジン発電機を備えていてもよい。エンジンの回転により交流電力を発電するため、商用電源が利用できないところでも無人飛行体１０を飛行させることができる。 Although the base station 12 is exemplarily shown as a car in FIG. 1, it may be located outdoors or indoors as long as there is space to include a ground power supply section. When a car is used as the base station 12, an on-board battery is used. Further, the ground power supply unit may include an engine generator. Since alternating current power is generated by the rotation of the engine, the unmanned flying vehicle 10 can be flown even in places where commercial power is unavailable.

給電線１４を介して無人飛行体電源部へ伝送する周期的な電圧又は電流波形は、単相交流波形、三相交流波形、スイッチング波形である。なお、交流波形は正弦波であり、スイッチング波形は、ＤＣ電圧をスイッチング素子によってオン・オフした矩形波又は場合によっては三角波である。単相交流波形により単相交流電力が供給され、三相交流波形により三相交流電力が供給される。また、スイッチング波形によりオン・オフされた電圧又は電流が供給される。 The periodic voltage or current waveform transmitted to the unmanned aircraft power supply unit via the power supply line 14 is a single-phase AC waveform, a three-phase AC waveform, or a switching waveform. Note that the AC waveform is a sine wave, and the switching waveform is a rectangular wave or, in some cases, a triangular wave, in which a DC voltage is turned on and off by a switching element. Single-phase AC power is supplied by a single-phase AC waveform, and three-phase AC power is supplied by a three-phase AC waveform. Further, a voltage or current that is turned on and off by a switching waveform is supplied.

本発明において、給電線１４でのスイッチング波形の伝送は、各種ＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータの基本回路構成を利用している。スイッチング電源は、ある周波数でＤＣ電圧をスイッチングして安定化電源を構成しているが、このスイッチング電源の基本回路を利用して、無人飛行体１０へ有線給電するための給電回路の構成としたことを特徴としている。給電線１４を介して伝送されたスイッチング波形は、無人飛行体１０で平滑化され、安定化電源により要求される電圧に変換される。 In the present invention, the transmission of switching waveforms on the feeder line 14 utilizes the basic circuit configurations of various DC/DC converters and AC/DC converters. A switching power supply configures a stabilized power supply by switching DC voltage at a certain frequency, and the basic circuit of this switching power supply is used to configure a power supply circuit for wired power supply to the unmanned aerial vehicle 10. It is characterized by The switching waveform transmitted via the power supply line 14 is smoothed by the unmanned air vehicle 10 and converted into the required voltage by the stabilized power supply.

単相交流電力又は三相交流電力は、商用電源からの交流電力が使用できる。三相交流電力は単相交流電力から変換してもよい。 As single-phase AC power or three-phase AC power, AC power from a commercial power source can be used. Three-phase AC power may be converted from single-phase AC power.

図２は、有線給電型無人飛行体の電源システムを説明するブロック図である。無人飛行体１０には、受信機２８、フライト制御部２６、ＥＳＣ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）３６、モータ３４、機器制御部３０、搭載機器３２、センサ３８と無人飛行体電源部２４がある。ベースステーション１２には、地上電源部２０に電源供給部２２があり、給電線１４を介して無人飛行体１０に電源を供給している。給電線１４は、巻取部１６で巻き取り可能に構成されており、巻取部１６は、ベースステーション１２と無人飛行体１０との距離に応じて給電線１４の長さを調整している。無人飛行体１０のフライトと搭載機器３２の制御は、地上からのプロポ送信機１８により無線で電波の送信によって行わる。また、プロポ送信機１８を、有線で給電線１４と共に無人飛行体１０に接続してもよい。これらの動作は、操縦者がプロポ送信機１８により操縦して行われている。 FIG. 2 is a block diagram illustrating a power supply system for a wired power-fed unmanned aircraft. The unmanned aerial vehicle 10 includes a receiver 28 , a flight control section 26 , an ESC (Electric Speed Controller) 36 , a motor 34 , an equipment control section 30 , onboard equipment 32 , a sensor 38 , and an unmanned aerial vehicle power supply section 24 . In the base station 12, a ground power supply section 20 includes a power supply section 22, which supplies power to the unmanned aerial vehicle 10 via a power supply line 14. The power supply line 14 is configured to be wound up by a winding unit 16, and the winding unit 16 adjusts the length of the power supply line 14 according to the distance between the base station 12 and the unmanned aerial vehicle 10. . The flight of the unmanned flying vehicle 10 and the control of the onboard equipment 32 are performed by wirelessly transmitting radio waves using a radio transmitter 18 from the ground. Further, the radio transmitter 18 may be connected to the unmanned aerial vehicle 10 together with the power supply line 14 by wire. These operations are performed by the operator using the radio transmitter 18.

無人飛行体１０は、４枚羽のクアッドコプター、６枚羽のヘキサコプター、８枚羽のオクトコプタ等があり、プロペラ（羽）は、モータ３４により回転される。無人飛行体１０のホバリングや、前進後退は、プロペラの回転数を調整して行われる。例えば、前方方向のプロペラの回転数を少なくすると前進する。プロペラ部分の、角度を調整できる機種もある。 The unmanned flying object 10 includes a four-blade quadcopter, a six-blade hexacopter, an eight-blade octocopter, and the like, and the propeller (blade) is rotated by a motor 34. Hovering and forward/backward movement of the unmanned aerial vehicle 10 is performed by adjusting the rotation speed of the propeller. For example, if the number of revolutions of the propeller in the forward direction is reduced, the aircraft will move forward. Some models allow you to adjust the angle of the propeller part.

プロポ（プロポーショナルコントロールシステム）１８で、上昇下降や前進後退の操作を行うと、無線で無人飛行体に電波が送信され、無人飛行体１０にある受信機２８で受信する。受信機２８からの命令を受けたフライト制御部２６では、傾きや角度、加速度など様々な情報を検知するセンサ３８の情報を基にして演算処理を行い、各モータ３４にどのような回転をさせるかを決める。センサ３８は、ジャイロセンサが多く使用されている。フライト制御部２６からの命令を受けたＥＳＣ３６では、命令に応じてモータ３４を回転させる。センサ３８には、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）や気圧などの検知を含んでもよい。 When the prop (proportional control system) 18 performs operations such as ascending and descending or moving forward and backward, radio waves are transmitted wirelessly to the unmanned aerial vehicle and are received by the receiver 28 in the unmanned aerial vehicle 10. The flight control unit 26 that receives the command from the receiver 28 performs arithmetic processing based on the information from the sensor 38 that detects various information such as inclination, angle, and acceleration, and determines how each motor 34 rotates. decide. As the sensor 38, a gyro sensor is often used. Upon receiving the command from the flight control unit 26, the ESC 36 rotates the motor 34 in accordance with the command. The sensor 38 may include detection of GPS (Global Positioning System), atmospheric pressure, and the like.

無人飛行体１０は、その飛行目的によって、様々な機器が搭載されている。例えば空撮目的なら、搭載機器３２はカメラである。荷物を運搬する目的なら荷台となる。この搭載機器を制御するのが機器制御部３０である。搭載機器３２がカメラの場合は、カメラで撮影された映像信号が機器制御部３０から受信機２８を介してプロポ１８に送られる。この場合には、受信機２８とプロポ１８は、送受信可能な機能を備えている。さらに、プロポ１８には、映像信号を格納する記憶部が備えられている。勿論、パソコン等と接続して、映像信号を記憶してもよい。送受信の電波は、日本では２．４ＧＨｚ帯が使用されている。 The unmanned flying vehicle 10 is equipped with various equipment depending on its flight purpose. For example, for aerial photography, the onboard device 32 is a camera. If the purpose is to transport cargo, it can be used as a loading platform. The equipment control section 30 controls this on-board equipment. When the mounted device 32 is a camera, a video signal taken by the camera is sent from the device control section 30 to the radio receiver 28 via the receiver 28. In this case, the receiver 28 and the radio transmitter 18 have the function of transmitting and receiving data. Furthermore, the radio 18 is equipped with a storage section that stores video signals. Of course, the video signal may be stored by connecting it to a personal computer or the like. The 2.4GHz band is used for transmitting and receiving radio waves in Japan.

無人飛行体１０のモータには、主に三相ブラシレスＤＣモータ（以下、ブラシレスモータと略す。）が使用されている。ブラシレスモータには、ローターの位置検出用の磁気素子または、光学式のエンコーダが内蔵されている。この位置検出器によりＥＳＣ３６へ信号を送る。モータ巻線は、３相Ｙ結線である。また、ローターには永久磁石が使用され、検出用の磁気素子には、ホールＩＣが使用されている。モータ巻線にはスイッチング素子が接続されており、インバータを構成している。 A three-phase brushless DC motor (hereinafter abbreviated as a brushless motor) is mainly used as the motor of the unmanned aerial vehicle 10. A brushless motor has a built-in magnetic element or optical encoder for detecting the position of the rotor. This position detector sends a signal to the ESC 36. The motor windings are three-phase Y-connected. Further, a permanent magnet is used for the rotor, and a Hall IC is used for the detection magnetic element. A switching element is connected to the motor winding and constitutes an inverter.

無人飛行体電源部２４は、無人飛行体１０に搭載されている電気的に動作する全ての装置に電源を供給している。モータ３４が、ブラシレスモータなら位相を１２０度ずらした三相交流電圧又は三相交流電流を供給し、フライト制御部２６や機器制御部３０は、ＣＰＵ、論理回路やＲＯＭ等から構成されているため、論理回路用の電圧が供給される。さらに、受信機２８、搭載機器３２及びセンサ３８にも、それぞれに適合した電圧や電流が供給される。 The unmanned aerial vehicle power supply section 24 supplies power to all electrically operated devices mounted on the unmanned aerial vehicle 10. If the motor 34 is a brushless motor, it will supply three-phase AC voltage or three-phase AC current with a phase shift of 120 degrees, and the flight control section 26 and equipment control section 30 are composed of a CPU, logic circuit, ROM, etc. , the voltage for the logic circuit is supplied. Further, the receiver 28, the onboard equipment 32, and the sensor 38 are also supplied with voltages and currents that are suitable for each.

地上電源部２０には電源供給部２２があり、給電線１４を介して無人飛行体１０の無人飛行体電源部２４へ電源を供給する。給電線１４は、巻取部２４で長さ調整されて弛みを防止している。無人飛行体電源部２４では、この供給電源は一旦ＤＣ電圧に変換され、さらに、無人飛行体１０の各装置に適合した電圧に変換され、供給される。 The ground power supply section 20 includes a power supply section 22 , which supplies power to the unmanned aircraft power supply section 24 of the unmanned aircraft 10 via the power supply line 14 . The length of the power supply line 14 is adjusted by the winding section 24 to prevent it from becoming loose. In the unmanned aerial vehicle power supply unit 24, this supplied power is once converted into a DC voltage, and further converted into a voltage suitable for each device of the unmanned aerial vehicle 10, and then supplied.

本発明は、電源供給部２２からの供給電力が周期的な電圧又は電流波形を有することを特徴としている。周期的とは、一定の周波数を持った波形の意味である。一般に、周波数を持った波形の伝送は、給電線１４の長さに依存した特性インピーダンスを考慮する必要がある。 The present invention is characterized in that the power supplied from the power supply section 22 has a periodic voltage or current waveform. Periodic means a waveform with a constant frequency. Generally, when transmitting a waveform having a frequency, it is necessary to consider the characteristic impedance depending on the length of the feeder line 14.

特性インピーダンスは、周波数に依存して変わり、給電線１４の長さよりも十分に大きい低周波領域では、波長の影響は受けず、波形が無人飛行体電源部２４に同相で到達し、給電線１４は、集中定数回路として考えられる。周波数が高くなると、集中定数回路ではあっても、給電線１４の周波数特性を考慮しなければならない。さらに周波数が高い高周波領域では、定在波の影響が無視できず、反射波を考慮し、インピーダンス整合を取る必要がある。 The characteristic impedance changes depending on the frequency, and in a low frequency region that is sufficiently larger than the length of the feeder line 14, it is not affected by the wavelength, and the waveform reaches the unmanned aircraft power supply unit 24 in the same phase, can be considered as a lumped constant circuit. As the frequency increases, even if the circuit is a lumped constant circuit, the frequency characteristics of the feed line 14 must be taken into consideration. Furthermore, in a high frequency region where the frequency is high, the influence of standing waves cannot be ignored, and it is necessary to take reflected waves into account and achieve impedance matching.

給電線１４の長さは、例えば高さ１５０ｍをカバーするだけなら１５０ｍでよいが、水平方向の移動を考えると、最長で２０００～３０００ｍの長さが必要である。 The length of the power supply line 14 may be, for example, 150 m if it only covers a height of 150 m, but when horizontal movement is considered, a maximum length of 2000 to 3000 m is required.

周波数をｆ、波長をλとすると、光速は３×１０８ｍ／ｓだから、ｆ＝３×１０８／λとなる。定在波を考慮し、λ／４でのインピーダンス整合を考えると、給電線１４の長さが１５０ｍの場合は、ｆ＝３×１０８／（１５０×４）＝５００ｋＨｚである。給電線１４の長さが３０００ｍの場合は、同様な計算で２５ｋＨｚとなる。 If the frequency is f and the wavelength is λ, the speed of light is 3×10 8 m/s, so f=3×10 8 /λ. Considering standing waves and impedance matching at λ/4, when the length of the feeder line 14 is 150 m, f=3×10 8 /(150×4)=500 kHz. If the length of the feeder line 14 is 3000 m, the frequency will be 25 kHz by similar calculation.

従って、給電線１４を介した交流送電の場合は、周波数ｆと給電線１４の長さは極めて密接な関係にあり、給電線１４の長さに対して波長λが十分に長く、集中定数回路で考えられる低周波領域と、集中定数回路で考えられるが給電線１４の周波数特性を考慮しなければならない中周波領域と、定在波の存在を考慮しなければならない高周波領域とに分けて考えなければならない。この周波数に適合した給電をすることにより、効率的な給電を行うことができる。以下に、低周波領域、中周波領域及び高周波領域における周波数と給電線の特性について説明する。 Therefore, in the case of AC power transmission via the feeder line 14, the frequency f and the length of the feeder line 14 are in an extremely close relationship, and the wavelength λ is sufficiently long relative to the length of the feeder line 14, and the lumped constant circuit It is divided into a low frequency region that can be considered as a lumped constant circuit, a medium frequency region that can be considered as a lumped constant circuit but must take into account the frequency characteristics of the feeder line 14, and a high frequency region that must take into account the presence of standing waves. There must be. By supplying power in accordance with this frequency, efficient power supply can be achieved. Below, the characteristics of frequencies and feeder lines in the low frequency region, medium frequency region, and high frequency region will be explained.

低周波領域は、給電線１４の長さに対して交流波形の波長が十分に長い場合の周波数領域である。例えば、商用交流電源を送電する場合は、周波数が５０又は６０Ｈｚであり、周波数を５０Ｈｚとすると波長λは６×１０６ｍである。給電線１４の長さが３０００ｍの場合であっても波長λは十分に長く、給電線１４は集中定数回路として考えることができる。 The low frequency region is a frequency region where the wavelength of the AC waveform is sufficiently long with respect to the length of the feeder line 14. For example, when transmitting commercial AC power, the frequency is 50 or 60 Hz, and when the frequency is 50 Hz, the wavelength λ is 6×10 6 m. Even when the length of the feeder line 14 is 3000 m, the wavelength λ is sufficiently long, and the feeder line 14 can be considered as a lumped constant circuit.

図３は、低周波領域において単相交流電源４０から給電線１４に電力を給電する場合のモデル図である。電源供給部２２における単相交流電源４０から給電線１４を介して無人飛行体電源部２４に単相交流電力が給電されている。給電線１４の給電線等価抵抗をＲとする。単相交流電源４０の電圧をＶ、給電線１４に流れる電流をＩとすると、損失電力Ｗｌｏｓは次式となる。
Ｗｌｏｓ＝ＲＩ２ ・・・・（１）
（１）式より、給電線等価抵抗Ｒは一定であるから、電流Ｉが小さいほど損失電力は少なくなる。同じ電力Ｗを給電するなら、Ｗ＝Ｖ・Ｉであり、電圧が高いほど電流は少なくなるので、給電線１４への給電は高電圧ほど電力損失が少なくなる。 FIG. 3 is a model diagram when power is supplied from the single-phase AC power supply 40 to the power supply line 14 in a low frequency region. Single-phase AC power is supplied from a single-phase AC power supply 40 in the power supply unit 22 to the unmanned aircraft power supply unit 24 via the power supply line 14 . Let R be the feed line equivalent resistance of the feed line 14. When the voltage of the single-phase AC power supply 40 is V and the current flowing through the power supply line 14 is I, the power loss W los is expressed by the following equation.
W los = RI 2 ...(1)
From equation (1), since the feed line equivalent resistance R is constant, the smaller the current I, the less power loss will occur. If the same power W is supplied, W=V·I, and the higher the voltage, the lower the current, so the higher the voltage, the lower the power loss when supplying power to the power supply line 14.

図４は、低周波領域において三相交流電源４２から給電線１４に電力を給電する場合のモデル図である。電源供給部２２における三相交流電源４２から給電線１４を介して無人飛行体電源部２４に三相交流電力が給電されている。三相交流電源４２での給電の場合は、負荷の結線状態、即ち、Ｙ結線かΔ結線かで、負荷の相電圧と相電流が変わる。 FIG. 4 is a model diagram when power is supplied from the three-phase AC power supply 42 to the power supply line 14 in a low frequency region. Three-phase AC power is supplied from a three-phase AC power supply 42 in the power supply unit 22 to the unmanned aircraft power supply unit 24 via the power supply line 14. In the case of power supply using the three-phase AC power supply 42, the phase voltage and phase current of the load change depending on the connection state of the load, ie, Y connection or Δ connection.

図５は、三相交流電力が給電されている場合の負荷の結線状態と、相電圧、相電流の関係を説明する図である。図５（Ａ）は、負荷ＺがＹ結線の場合の図である。Ｙ結線では相電流は給電線１４に流れる電流Ｉと同じであるが、相電圧が線間電圧Ｖの１／３１／２となる。図５（Ｂ）は、負荷ＺがΔ結線の場合の図である。Δ結線では相電圧は給電線１４の線間電圧Ｖと同じであるが、負荷Ｚに流れる電流Ｉは、１／３１／２となる。従って、三相の場合は、相電力の総和が三相で供給される電力となるから、負荷ＺがＹ結線であっても負荷ＺがΔ結線であっても、三相での供給電力は３１／２Ｖ・Ｉとなり、単相交流電力の３１／２倍の電力が得られる。このため、給電線１４へは、単相交流電力よりも三相交流電力を給電した方が有利である。 FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the load connection state, phase voltage, and phase current when three-phase AC power is supplied. FIG. 5(A) is a diagram when the load Z is Y-connected. In the Y-connection, the phase current is the same as the current I flowing through the power supply line 14, but the phase voltage is 1/3 1/2 of the line voltage V. FIG. 5(B) is a diagram when the load Z is a Δ connection. In the Δ connection, the phase voltage is the same as the line voltage V of the power supply line 14, but the current I flowing through the load Z is 1/3 1/2 . Therefore, in the case of three phases, the sum of the phase power is the power supplied by the three phases, so whether the load Z is Y-connected or the load Z is Δ-connected, the power supplied by the three phases is 3 1/2 V·I, and 3 1/2 times the power of single-phase AC power can be obtained. For this reason, it is more advantageous to feed three-phase AC power to the power supply line 14 than single-phase AC power.

図６は、給電線１４を単相３線式にした場合のモデル図である。単相３線式は、中性線を接地して、上下の給電線１４に、電源供給部２２から単相交流電力を無人飛行体電源部２４に供給する方式である。単相３線式の場合は、給電線１４に給電線等価抵抗をＲ、給電線１４に流れる電流をＩ、負荷Ｚでの電圧をＶとすると、単相３線式では３本の上中下の線のうち、中の線には基本的に電流が流れない（打ち消されてゼロとなる）ので、給電線１４で失われる損失電力Ｗｌｏｓは、上下の線に負荷が接続できるから、Ｗｌｏｓ＝２Ｒ・Ｉ２となる。また、負荷で消費される電力ＷＺは、ＷＺ＝２Ｖ・Ｉとなる。図３で示した単相２線式の場合に対して、電流Ｉは２倍となるため、負荷に供給する電力及び給電線での電力損失を単相２線式と同じとすると、単相３線式では給電線等価抵抗Ｒが１／４となる。 FIG. 6 is a model diagram when the power supply line 14 is of a single-phase three-wire type. The single-phase three-wire system is a system in which a neutral wire is grounded, and single-phase AC power is supplied from the power supply section 22 to the unmanned aircraft power supply section 24 through the upper and lower feeder lines 14 . In the case of a single-phase three-wire system, if the equivalent resistance of the feeder line 14 is R, the current flowing through the feeder line 14 is I, and the voltage at load Z is V, then in the single-phase three-wire system, the upper middle of the three wires is Of the lower wires, no current basically flows through the middle wire (it is canceled out and becomes zero), so the power loss W los lost in the feeder line 14 can be calculated by connecting loads to the upper and lower wires. W los =2R·I 2 . Further, the power W Z consumed by the load is W Z =2V·I. Compared to the single-phase, two-wire system shown in Figure 3, the current I is twice as large, so assuming that the power supplied to the load and the power loss in the feeder line are the same as in the single-phase, two-wire system, In the three-wire system, the feed line equivalent resistance R is 1/4.

給電線１４の給電線等価抵抗Ｒは、給電線１４の断面積に反比例するから、単相３線式の給電線１４の直径は、単相２線式の場合の半分でよいことになり、軽量化が図れる。 Since the feed line equivalent resistance R of the feed line 14 is inversely proportional to the cross-sectional area of the feed line 14, the diameter of the feed line 14 in a single-phase three-wire system can be half of that in the case of a single-phase two-wire system. Lighter weight can be achieved.

低周波領域においては、給電線１４の給電線等価抵抗Ｒを考慮した給電を行なえばよく、主に周波数が５０～６０Ｈｚでの商用電源について説明したが、まとめると以下のようになる。
（１）電圧は高い方が給電線１４での損失電力Ｗｌｏｓが少ない。
（２）単相交流電力より三相交流電力の方が、損失電力Ｗｌｏｓは少ない。
（３）単相交流電力の給電は、単相２線式より単相３線式の方が損失電力Ｗｌｏｓは少なく、給電線の軽量化が図れる。 In the low frequency region, the power supply may be performed taking into consideration the feed line equivalent resistance R of the feed line 14, and the description has been mainly given to a commercial power source with a frequency of 50 to 60 Hz, but the explanation can be summarized as follows.
(1) The higher the voltage, the lower the power loss W los in the feeder line 14.
(2) Three-phase AC power has less power loss W los than single-phase AC power.
(3) When feeding single-phase AC power, a single-phase three-wire system has less power loss W los than a single-phase two-wire system, and the weight of the power supply line can be reduced.

次に、中周波領域での給電について説明する。中周波領域は、電源供給部でのスイッチング周波数ｆｓが、給電線１４の周波数特性を考慮しなければならない周波数領域を対象としている。スイッチング波形は、ＤＣ電圧をスイッチング素子によりオン・オフして生成されている。これにより、スイッチング波形を供給電源としている。 Next, power supply in the medium frequency region will be explained. The medium frequency region is a frequency region in which the switching frequency f s in the power supply section must take into account the frequency characteristics of the feeder line 14 . The switching waveform is generated by turning the DC voltage on and off using a switching element. Thereby, the switching waveform is used as the power supply.

例えば給電線１４としてＣＶケーブルを使用したとする。ＣＶケーブルは、導体を架橋橋ポリエチレンで被覆し、その外周をビニルシースで被覆したケーブルである。導体に銅線を使用したとすると、表皮効果等により周波数が高くなると抵抗も高くなる。 For example, assume that a CV cable is used as the power supply line 14. A CV cable is a cable whose conductor is covered with cross-linked polyethylene and whose outer periphery is covered with a vinyl sheath. If a copper wire is used as a conductor, the resistance will increase as the frequency increases due to the skin effect.

図７は、銅線抵抗の周波数特性の一例を示す図である。図示した例では、１０ｋＨｚを超えると、表皮効果や、複数のより線による近接効果により抵抗が高くなる。さらに線間の等価容量も加わり、周波数が高くなるとＣＶケーブルでの減衰量が大きくなる。 FIG. 7 is a diagram showing an example of frequency characteristics of copper wire resistance. In the illustrated example, when the frequency exceeds 10 kHz, the resistance increases due to the skin effect and the proximity effect due to the plurality of stranded wires. Furthermore, the equivalent capacitance between the lines is added, and as the frequency increases, the amount of attenuation in the CV cable increases.

図８は、ＣＶケーブルの周波数特性の一例を示す図である。図示した例では、１０ｋＨｚを超えると減衰量が大きくなっている。中周波領域では、この周波数特性を利用して電源設計を行う。３ｄＢ減衰するカットオフ周波数をｆｃとすると、カットオフ周波数ｆｃは、スイッチング周波数ｆｓよりも高いことが必要とされる。逆の見方をすれば、カットオフ周波数よりも低い周波数をスイッチング周波数領域として、スイッチング周波数ｆｓを、スイッチング周波数領域に含まれる周波数で設計することが必要である。 FIG. 8 is a diagram showing an example of frequency characteristics of a CV cable. In the illustrated example, the amount of attenuation becomes large when the frequency exceeds 10 kHz. In the medium frequency range, power supply design is performed using this frequency characteristic. Assuming that the cutoff frequency at which the signal is attenuated by 3 dB is f c , the cutoff frequency f c is required to be higher than the switching frequency f s . From the opposite point of view, it is necessary to design the switching frequency f s to be a frequency included in the switching frequency region, with a frequency lower than the cutoff frequency as the switching frequency region.

図８に示した周波数特性では、１００ｋＨｚを超えると減衰量は２０ｄＢ以上となるため、スイッチング波形は立ち上がり・立ち下がりが緩やかになる。これはノイズを除去するには好適である。スイッチング電源は、使用する電子部品や半導体部品を配線パターンで接続して回路を構成しているが、ノイズは、スイッチング素子のオフ時に発生するサージ／リンギング電圧や、配線パターンの寄生インダクタンスとスイッチング素子の寄生容量による共振周波数として発生している。ノイズの共振周波数は、一般のスイッチング電源では、配線パターンは短く、数ＭＨｚ以上である。従って、周波数特性で減衰量が十分に大きい周波数領域にノイズの周波数が存在することとなり、給電線１４の周波数特性をノイズ除去機能として利用することができる。 In the frequency characteristics shown in FIG. 8, when the frequency exceeds 100 kHz, the amount of attenuation becomes 20 dB or more, so the switching waveform has gentle rises and falls. This is suitable for removing noise. Switching power supplies form a circuit by connecting the electronic and semiconductor components used with wiring patterns, but noise is caused by surge/ringing voltage that occurs when the switching element is turned off, as well as parasitic inductance of the wiring pattern and the switching element. This occurs as a resonant frequency due to the parasitic capacitance of In a general switching power supply, the wiring pattern is short, and the resonance frequency of noise is several MHz or more. Therefore, the noise frequency exists in a frequency region where the amount of attenuation is sufficiently large in the frequency characteristics, and the frequency characteristics of the feeder line 14 can be used as a noise removal function.

電源供給部は、スイッチング周波数ｆｓを高くすることにより、使用するコンデンサのキャパシタ、コイルやトランスのインダクタンスを小さくできるため、電子部品を小型化できる。しかしながら、スイッチング周波数ｆｓを高くすれば、波長λが短くなり、給電線１４の長さが無視できなくなる。この周波数領域を高周波領域とする。高周波領域での給電線１４には、例えばメタルＬＡＮケーブルを使用する。 By increasing the switching frequency f s of the power supply unit, the inductance of the capacitor, coil, and transformer used can be reduced, so that electronic components can be made smaller. However, if the switching frequency f s is increased, the wavelength λ becomes shorter and the length of the feeder line 14 cannot be ignored. This frequency region is defined as a high frequency region. For example, a metal LAN cable is used as the power supply line 14 in the high frequency region.

高周波領域では、給電線１４は集中定数回路理論によって取り扱うことはできないため，電磁界理論もしくは分布定数回路理論の利用が必要である。給電線１４での電磁界は様々な電磁界姿態（モード）の重ね合わせとして表現される。給電線１４での電圧・電流の進行波・反射波の分布，それにともなう定在波の様子などは、分布定数線路理論による。給電線１４に存在する各モードの伝搬定数及び波動インピーダンスを分布定数線路の伝搬定数及び特性インピーダンスに対応させることによって，各モードの波動的な性質を抽出することも可能となる。 In the high frequency region, the feed line 14 cannot be treated using lumped constant circuit theory, so it is necessary to use electromagnetic field theory or distributed constant circuit theory. The electromagnetic field in the feeder line 14 is expressed as a superposition of various electromagnetic field states (modes). The distribution of traveling waves and reflected waves of voltage and current in the feeder line 14, the appearance of standing waves accompanying them, etc. are based on the distributed constant line theory. By making the propagation constant and wave impedance of each mode existing in the feeder line 14 correspond to the propagation constant and characteristic impedance of the distributed constant line, it is also possible to extract the wave properties of each mode.

給電線１４に存在可能なモードはいくつかあるが，その中で最も基本的なモードはＴＥＭである。ＴＥＭモードとは，電界及び磁界とも電磁波の伝搬方向に垂直な断面内にのみ存在するモードである。ＴＥＭモードのカットオフ周波数は０である。言い換えれば，ＴＥＭモードが存在可能であるとき，すべての周波数でＴＥＭモードは伝搬可能である。一般に二つ以上の導体が存在するような伝送線路、即ち給電線１４においてＴＥＭモードは存在する。 There are several modes that can exist in the feeder line 14, the most basic of which is TEM. The TEM mode is a mode in which both electric and magnetic fields exist only in a cross section perpendicular to the propagation direction of electromagnetic waves. The cutoff frequency in TEM mode is 0. In other words, when a TEM mode can exist, it can propagate at all frequencies. Generally, the TEM mode exists in a transmission line where two or more conductors are present, ie, the feed line 14.

図９は、給電線１４を分布定数線路と見た場合のモデル図である。図９（Ａ）は、給電線１４の分布定数線路モデルを示している。図９（Ｂ）は、分布定数線路モデルの一次定数集中定数回路モデルを示している。伝搬方向をｚ軸の正の方向とするとき，給電線１４の微小区間Δｚを集中定数により表現したものである。図９のＲ、Ｌ、Ｇ，Ｃは次のように定義される。
Ｒ：単位長当たりの直列抵抗
Ｌ：単位長当たりの直列インダクタンス
Ｇ：単位長当たりの分路コンダクタンス
Ｃ：単位長当たりの分路容量 FIG. 9 is a model diagram when the feeder line 14 is viewed as a distributed constant line. FIG. 9(A) shows a distributed constant line model of the feeder line 14. FIG. 9B shows a linear constant lumped constant circuit model of a distributed constant line model. When the propagation direction is the positive direction of the z-axis, the minute section Δz of the feeder line 14 is expressed by a lumped constant. R, L, G, and C in FIG. 9 are defined as follows.
R: Series resistance per unit length L: Series inductance per unit length G: Shunt conductance per unit length C: Shunt capacitance per unit length

このとき，特性インピーダンスＺ０，伝搬定数γは次式で与えられる。
Ｚ０＝｛（Ｒ＋ｊωＬ）／（Ｇ＋ｊωＣ）｝１／２ ・・・（２）
γ＝｛（Ｒ＋ｊωＬ）（Ｇ＋ｊωＣ）｝１／２ ・・・・（３） At this time, the characteristic impedance Z 0 and the propagation constant γ are given by the following equation.
Z 0 = {(R+jωL)/(G+jωC)} 1/2 ...(2)
γ={(R+jωL)(G+jωC)} 1/2 ...(3)

図１０は、分布定数線路モデルの受端（ｚ＝０）に負荷インピーダンスＺＬを接続した場合のモデル図である。受端（ｚ＝０）に負荷インピーダンスＺＬが接続されているとき，受端における反射係数Γは次式で表される。
Γ＝（ＺＬ－Ｚ０）／（ＺＬ＋Ｚ０） ・・・（４） FIG. 10 is a model diagram when a load impedance ZL is connected to the receiving end (z=0) of the distributed constant line model. When a load impedance Z L is connected to the receiving end (z=0), the reflection coefficient Γ at the receiving end is expressed by the following equation.
Γ = (Z L - Z 0 ) / (Z L + Z 0 ) ... (4)

給電線が無損失線路だとすると、実際に負荷ＺＬに伝達される電力ＷＬは、入力電力をＷｉｎとして次式で与えられる。
ＷＬ＝（１－｜Γ｜２）Ｗｉｎ ・・・（５） Assuming that the feeder line is a lossless line, the power W L actually transmitted to the load Z L is given by the following equation, where W in is the input power.
W L = (1-|Γ| 2 ) W in ... (5)

Γ＝０のとき、負荷インピーダンスＺＬは分布定数線路モデルの特性インピーダンスに等しい。このとき、受端において反射が生じず、負荷と分布定数線路モデルは整合がとれているという。受端における反射係数Γが０でない場合（Γ≠０）、伝送線路（給電線１４）内には受端から入射端に戻る反射波が存在する．この反射波が入射波と干渉することによって、定在波が発生する。このとき，分布定数線路モデル内における電圧の最小値Ｖｍｉｎに対する電圧の最大値Ｖｍａｘの比を電圧定在波比（ＶＳＷＲ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ）と呼ぶ。 When Γ=0, the load impedance Z L is equal to the characteristic impedance of the distributed constant line model. At this time, no reflection occurs at the receiving end, and the load and distributed constant line model are said to be consistent. If the reflection coefficient Γ at the receiving end is not 0 (Γ≠0), there is a reflected wave returning from the receiving end to the input end within the transmission line (feeder line 14). When this reflected wave interferes with the incident wave, a standing wave is generated. At this time, the ratio of the maximum voltage value V max to the minimum voltage value V min in the distributed constant line model is called a voltage standing wave ratio (VSWR).

ＶＳＷＲが１であるとき、分布定数線路モデル内には定在波が生じない。隣り合う最大電圧間もしくは最小電圧間の距離はλ／２であり、最大電圧と最小電圧の間の距離はλ／４である。 When VSWR is 1, no standing waves occur in the distributed constant line model. The distance between adjacent maximum voltages or minimum voltages is λ/2, and the distance between the maximum voltage and minimum voltage is λ/4.

図１１は、分布定数線路モデルの長さに対して、波長がλ／４の場合を示す図である。この場合、入力インピーダンスＺｉｎは、Ｚｉｎ＝Ｚ０ ２／ＺＬとなり、負荷インピーダンスＺＬを逆数に変換する。このとき、電源電圧をＶｉｎとすると、負荷の電圧ＶＬと電流ＩＬは以下のようになる。
ＶＬ＝Ｖｉｎ・ＺＬ／（ｊＺ０） ・・・（６）
ＩＬ＝Ｖｉｎ／（ｊＺ０） ・・・（７） FIG. 11 is a diagram showing a case where the wavelength is λ/4 with respect to the length of the distributed constant line model. In this case, the input impedance Z in is Z in =Z 0 2 /Z L , and the load impedance Z L is converted into a reciprocal. At this time, when the power supply voltage is V in , the load voltage V L and current I L are as follows.
V L = V in・Z L / (jZ 0 ) ... (6)
I L =V in /(jZ 0 )...(7)

上式より、給電線１４の長さが、スイッチング周波数ｆｓの波長λの１／４であるときは、インピーダンスが純抵抗となり、給電線１４のインピーダンス以上の負荷インピーダンスＺＬを接続したときは、負荷側の電圧が上がる。このため、給電線１４により、昇圧トランスを形成することができる。例えば、Ｚ０＝５０ΩでＺＬ＝１００Ωのとき電圧は２倍となり、Ｚ０＝５０ΩでＺＬ＝１０００Ωのとき電圧は２０倍となる。このとき、ノイズはインピーダンス整合が取れないため、反射波により減衰する。従って、効率の良い電力の供給が可能となる。 From the above equation, when the length of the feeder line 14 is 1/4 of the wavelength λ of the switching frequency fs , the impedance becomes a pure resistance, and when a load impedance ZL greater than the impedance of the feeder line 14 is connected, , the voltage on the load side increases. Therefore, the power supply line 14 can form a step-up transformer. For example, when Z 0 =50Ω and Z L =100Ω, the voltage is doubled, and when Z 0 =50Ω and Z L =1000Ω, the voltage is doubled. At this time, since impedance matching cannot be achieved for the noise, the noise is attenuated by the reflected waves. Therefore, efficient power supply is possible.

次に、無人飛行体１０に関する電源システムについて説明する。 Next, a power supply system related to the unmanned aerial vehicle 10 will be explained.

図１２は、商用電源の交流電源を使用した無人飛行体１０に関する電源システムのブロック図である。地上にある電源供給部２２には、商用電源をコンセントで引き込んだ交流電源４０と、交流電源４０を昇圧する昇圧部４４がある。交流電源４０は、商用電源が利用できない場合は、ディーゼル発電機等の発電装置を利用してもよい。電源供給部２２からの電力は、給電線１４を介して無人飛行体１０へ伝送される。 FIG. 12 is a block diagram of a power supply system for the unmanned aerial vehicle 10 that uses AC power from a commercial power source. The power supply section 22 located on the ground includes an AC power source 40 that is connected to a commercial power source through an outlet, and a booster section 44 that boosts the voltage of the AC power source 40 . For the AC power source 40, if a commercial power source is not available, a power generating device such as a diesel generator may be used. Electric power from the power supply unit 22 is transmitted to the unmanned aerial vehicle 10 via the power supply line 14 .

無人飛行体１０には無人飛行体電源部２４が備えられている。無人飛行体電源部２４においては、給電線１４で伝送された電力は、降圧部４６で降圧され、整流ブリッジ４８と平滑回路５０によりＤＣ電圧に変換される。変換されたＤＣ電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２により、受信機２８、フライト制御回路２６、機器制御回路３０、搭載装置３２やセンサ３８に対して適合した電圧に変換され、供給される。無人飛行体１０のプロペラを回転させるのは、例えば三相ブラシレスＤＣモータである。三相ブラシレスＤＣモータは、ＤＣ／ＡＣインバータ５４により三相に変換されたモータドライブ波形と、ＥＳＣ３６により回転が制御される。三相ブラシレスＤＣモータによりプロペラが回転するから、三相ブラシレスＤＣモータの制御により無人飛行体１０が操縦される。 The unmanned aerial vehicle 10 is equipped with an unmanned aerial vehicle power supply section 24 . In the unmanned aircraft power supply unit 24, the power transmitted through the power supply line 14 is stepped down by a step-down unit 46, and converted into a DC voltage by a rectifier bridge 48 and a smoothing circuit 50. The converted DC voltage is converted by the DC/DC converter 52 into a voltage suitable for the receiver 28, flight control circuit 26, equipment control circuit 30, on-board device 32, and sensor 38, and is supplied. The propeller of the unmanned aerial vehicle 10 is rotated by, for example, a three-phase brushless DC motor. The rotation of the three-phase brushless DC motor is controlled by the motor drive waveform converted into three-phase by the DC/AC inverter 54 and by the ESC 36. Since the propeller is rotated by the three-phase brushless DC motor, the unmanned aerial vehicle 10 is controlled by the three-phase brushless DC motor.

以下に、交流電源４０を使用した給電線１４での電力伝送について、実施例を基に説明する。なお、無人飛行体１０での回路構成は、無人飛行体電源部２４における平滑回路５０までの回路を示す。 Power transmission over the feeder line 14 using the AC power source 40 will be described below based on an example. Note that the circuit configuration of the unmanned aerial vehicle 10 shows the circuit up to the smoothing circuit 50 in the unmanned aerial vehicle power supply section 24.

＜実施例１＞
図１３は、商用電源が、直接給電線１４を介して伝送される場合の給電回路の構成を示す図である。電源供給部２２は、コンセント又はエンジン発電機からの交流電源４０である。給電線１４に５０又は６０Ｈｚで１００Ｖの電圧が伝送される。無人飛行体電源部２４では、交流を整流する整流ブリッジ４８と平滑回路５０によりＤＣ電圧に変換される。整流ブリッジ４８は、４個のダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４で構成され、平滑回路５０は、平滑コンデンサＣoが並列に接続されている。 <Example 1>
FIG. 13 is a diagram showing the configuration of a power supply circuit when commercial power is directly transmitted via the power supply line 14. The power supply unit 22 is an AC power source 40 from an outlet or an engine generator. A voltage of 100V is transmitted to the feeder line 14 at 50 or 60Hz. In the unmanned aircraft power supply unit 24, the rectifier bridge 48 and smoothing circuit 50 that rectify the alternating current convert it into a DC voltage. The rectifier bridge 48 is composed of four diodes D 1 , D 2 , D 3 , and D 4 , and the smoothing circuit 50 has a smoothing capacitor Co connected in parallel.

＜実施例２＞
図１４は、給電線１４での損失を少なくするために、電源供給部２２に昇圧部４４、無人飛行体電源部２４に降圧部４６を設けた給電回路の構成を示す図である。昇圧部２２には昇圧トランスＴ１、降圧部４６には降圧トランスＴ２を使用している。降圧トランスＴ２によって降圧された交流電圧は、整流ブリッジ４８と平滑回路５０によりＤＣ電圧に変換される。 <Example 2>
FIG. 14 is a diagram showing the configuration of a power supply circuit in which the power supply section 22 is provided with a voltage step-up section 44 and the unmanned aircraft power supply section 24 is provided with a voltage step-down section 46 in order to reduce loss in the power supply line 14. A step-up transformer T 1 is used for the step-up section 22 and a step-down transformer T 2 is used for the step-down section 46 . The AC voltage stepped down by the step-down transformer T2 is converted into a DC voltage by the rectifier bridge 48 and the smoothing circuit 50.

市街地で送電される商用電源は、送電線では電力の損失を抑えるために６６００Ｖで送電されており、一般家庭へはトランスにより電圧が１００Ｖに降圧されて供給されている。また、一般的に電源回路のパワー半導体は、耐圧が現状１ｋＶ程度であるが、給電線１４での電力損失を抑えるために、１ｋＶ以上の交流電圧で給電し、降圧部４６で降圧して、パワー半導体が使用できる電圧とすることにより、効率の良い給電が可能となる。例えば、給電線１４に供給する電圧を２～３ｋＶとして、降圧部４６で１ｋＶ以下に降圧する。このような電圧の変換は、交流ではトランスにより容易に実現できる。 Commercial power is transmitted in urban areas at 6,600V through transmission lines to reduce power loss, and the voltage is stepped down to 100V using transformers before being supplied to general households. In addition, power semiconductors in power supply circuits generally have a withstand voltage of about 1 kV at present, but in order to suppress power loss in the feed line 14, power is supplied with an AC voltage of 1 kV or more, and the voltage is stepped down in the step-down section 46. By setting the voltage to a level that can be used by power semiconductors, efficient power supply becomes possible. For example, the voltage supplied to the power supply line 14 is set to 2 to 3 kV, and the voltage is stepped down to 1 kV or less in the step-down section 46. Such voltage conversion can be easily achieved using a transformer in the case of alternating current.

＜実施例３＞
図１５は、交流電力を単相３線式で送電する場合の給電回路の構成を示す図である。商用電源である交流電源４０を、トランスＴ３により単相３線式に変換している。トランスＴ３の二次側巻線の中央から給電線１４を引き出して中性線としている。中性線に対して上下の給電線１４は逆位相で１００Ｖの電圧であり、上下の給電線から電圧を取り出せば２００Ｖとなる。図１５に示した回路構成では、無人飛行体電源部２４で中性線を接地し、電圧は上下の給電線から２００Ｖとして取り出している。単相３線式の場合は、中性線に電流が流れないので、単相２線式の場合に対して、給電線１４での電圧降下は１／４に抑えられる。 <Example 3>
FIG. 15 is a diagram showing the configuration of a power supply circuit when transmitting AC power in a single-phase three-wire system. An AC power source 40, which is a commercial power source, is converted into a single-phase three-wire system by a transformer T3 . A feed line 14 is drawn out from the center of the secondary winding of the transformer T3 and serves as a neutral line. The upper and lower feeder lines 14 with respect to the neutral line have a voltage of 100V in opposite phase, and the voltage is 200V when taken out from the upper and lower feeder lines. In the circuit configuration shown in FIG. 15, the neutral wire is grounded in the unmanned aircraft power supply section 24, and the voltage is taken out as 200V from the upper and lower power supply lines. In the case of a single-phase three-wire system, since no current flows through the neutral wire, the voltage drop in the power supply line 14 can be suppressed to 1/4 of that in the case of a single-phase two-wire system.

＜実施例４＞
図１６は、３相電力を、給電線１４を介して送電するための給電回路の構成を示す図である。図１６（Ａ）は、３相電力を、給電線１４を介して直接送電する回路構成を示している。電源供給部２２には、商用の３相交流電源５８が取り込まれ、給電線１４を介して送電される。図１６（Ｂ）は、単相の交流電源４０からコンバータ６０で三相に変換した回路構成を示している。図１６（Ｂ）に示したように、３相交流電源５８は、単相の交流電源４０からコンバータ２４により３相に変換してもよく、また、エンジン発電機から発電させてもよい。無人飛行体電源部２４では、６個のダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６で構成された整流ブリッジ４８と平滑回路５０の平滑コンデンサＣｏにより、三相交流電圧からＤＣ電圧に変換される。三相交流電圧は、３つの交流電圧波形の位相が１２０度ズレており、単相交流電圧よりも整流ブリッジでの脈流が少なく、効率よくＤＣ電圧に変換できる。 <Example 4>
FIG. 16 is a diagram showing the configuration of a power supply circuit for transmitting three-phase power via the power supply line 14. FIG. 16(A) shows a circuit configuration that directly transmits three-phase power via the power supply line 14. A commercial three-phase AC power source 58 is introduced into the power supply section 22 and is transmitted through the power supply line 14 . FIG. 16(B) shows a circuit configuration in which a single-phase AC power supply 40 is converted to a three-phase power supply by a converter 60. As shown in FIG. 16(B), the three-phase AC power source 58 may be converted from the single-phase AC power source 40 to three-phase power by the converter 24, or may be generated from an engine generator. In the unmanned aircraft power supply unit 24 , a three- phase alternating current voltage to DC voltage. Three-phase AC voltage has three AC voltage waveforms out of phase by 120 degrees, has less ripple current in the rectifier bridge than single-phase AC voltage, and can be efficiently converted to DC voltage.

次に、スイッチング電源の回路構成を利用にした給電線でのスイッチング波形の伝送について説明する。スイッチング波形は、主に中周波領域及び高周波領域で使用される。 Next, transmission of switching waveforms on a power supply line using the circuit configuration of a switching power supply will be explained. Switching waveforms are mainly used in medium frequency and high frequency regions.

図１７は、給電線１４でスイッチング波形を伝送する場合の無人飛行体１０に関する電源システムのブロック図である。電源供給部２２では、ＤＣ電源６２をチョッパ回路６０でオン・オフしたスイッチング波形が生成され、生成されたスイッチング波形は給電線に送られる。ＤＣ電源６２は、交流（ＡＣ）を直流（ＤＣ）に変換するＡＣ／ＤＣコンバータを使用した電源でもよい。 FIG. 17 is a block diagram of a power supply system related to the unmanned aerial vehicle 10 when a switching waveform is transmitted through the power supply line 14. In the power supply unit 22, a switching waveform is generated by turning the DC power source 62 on and off using the chopper circuit 60, and the generated switching waveform is sent to the power supply line. The DC power supply 62 may be a power supply using an AC/DC converter that converts alternating current (AC) to direct current (DC).

チョッパ回路で生成されたスイッチング波形は、無人飛行体１０にある無人飛行体電源部２４の平滑化回路５０でＤＣ電圧に変換される。変換されたＤＣ電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２により、受信機２８、フライト制御回路２６、機器制御回路３０、搭載装置３２やセンサ３８に対して適合した電圧に変換され、供給される。無人飛行体１０のプロペラを回転させるのは、例えば三相ブラシレスＤＣモータであり、ＤＣ／ＡＣインバータ５４により三相に変換されモータドライブ波形と、ＥＳＣ３６によるモータの制御により、プロペラの回転が制御され、無人飛行体１０がＤＣ電源６２を使用した給電線１４での電力伝送について、実施例を基に説明する。なお、無人飛行体１０での回路構成は、無人飛行体電源部２４における平滑回路５０までの回路を示す。 The switching waveform generated by the chopper circuit is converted into a DC voltage by the smoothing circuit 50 of the unmanned aerial vehicle power supply section 24 in the unmanned aerial vehicle 10. The converted DC voltage is converted by the DC/DC converter 52 into a voltage suitable for the receiver 28, flight control circuit 26, equipment control circuit 30, on-board device 32, and sensor 38, and is supplied. The propeller of the unmanned aerial vehicle 10 is rotated by, for example, a three-phase brushless DC motor, and the rotation of the propeller is controlled by the motor drive waveform converted to three-phase by the DC/AC inverter 54 and the motor control by the ESC 36. , power transmission by the unmanned aerial vehicle 10 using the power supply line 14 using the DC power source 62 will be described based on an example. Note that the circuit configuration of the unmanned aerial vehicle 10 shows the circuit up to the smoothing circuit 50 in the unmanned aerial vehicle power supply section 24.

＜実施例５＞
図１８は、ＤＣ電源６２をチョッパ回路６０で、三相交流電源に変換して給電線１４に送電する給電回路の構成を示す図である。ＤＣ電源６２には、入力コンデンサＣｉｎが並列に接続されている。チョッパ回路６０は、３つのハイサイドスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５と，３つのローサイドスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６とから構成されている。ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１とローサイドスイッチング素子ＳＷ２、ハイサイドスイッチング素子ＳＷ３とローサイドスイッチング素子ＳＷ４、ハイサイドスイッチング素子ＳＷ５とローサイドスイッチング素子ＳＷ６とがそれぞれ直列に接続され、それぞれの直列回路は、位相を１２０度ずらしてハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子をオン・オフする制御が行われる。これにより三相交流波形を生成している。 <Example 5>
FIG. 18 is a diagram showing the configuration of a power supply circuit that converts the DC power supply 62 into a three-phase AC power supply using the chopper circuit 60 and transmits the power to the power supply line 14. An input capacitor C in is connected to the DC power supply 62 in parallel. The chopper circuit 60 includes three high-side switching elements SW 1 , SW 3 , and SW 5 and three low-side switching elements SW 2 , SW 4 , and SW 6 . High-side switching element SW 1 and low-side switching element SW 2 , high-side switching element SW 3 and low-side switching element SW 4 , and high-side switching element SW 5 and low-side switching element SW 6 are connected in series, and their respective series circuits are connected in series. Control is performed to turn on and off the high-side switching element and the low-side switching element with a phase shift of 120 degrees. This generates a three-phase AC waveform.

無人飛行体１０で使用される電圧は、数１０Ｖ程度である。ＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：電気自動車）の車載電池は、ＤＣ電圧が５００Ｖ前後と高く、このため車載電池からの電圧を直接三相交流波形に変換して給電線１４に送ることができる。無人飛行体電源部２４では、ダイオードＤ１～Ｄ６で構成される三相交流用の整流ブリッジ４８と平滑回路５０の平滑コンデンサＣ０により、ＤＣ電圧に変換される。 The voltage used in the unmanned aerial vehicle 10 is approximately several tens of volts. The in-vehicle battery of an EV (Electric Vehicle) has a high DC voltage of around 500 V, so the voltage from the in-vehicle battery can be directly converted into a three-phase AC waveform and sent to the power supply line 14. In the unmanned aircraft power supply unit 24, the voltage is converted into a DC voltage by a three-phase AC rectifier bridge 48 composed of diodes D 1 to D 6 and a smoothing capacitor C 0 of a smoothing circuit 50 .

スイッチング波形を利用した給電線１４での電力の伝送は、各種ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成が利用できる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＤＣ電圧をスイッチング素子によりスイッチング波形を生成し、平滑化により所望のＤＣ電圧を得る回路構成である。スイッチングは、スイッチング周波数ｆｓによりスイッチング素子ＳＷをオン・オフさせる動作であり、電圧の昇圧・降圧ができ、同期式と非同期式がある。 Various DC/DC converter circuit configurations can be used to transmit power on the feeder line 14 using switching waveforms. A DC/DC converter has a circuit configuration that generates a switching waveform from a DC voltage using a switching element, and obtains a desired DC voltage by smoothing it. Switching is an operation of turning on and off a switching element SW using a switching frequency fs , and can step up or step down a voltage, and there are synchronous and asynchronous types.

以下に、ＤＣ電源６２を使用した給電線１４での電力伝送について、実施例を基に説明する。なお、無人飛行体１０での回路構成は、無人飛行体電源部２４における平滑回路５０までの回路を示す。 Power transmission over the feeder line 14 using the DC power source 62 will be described below based on an example. Note that the circuit configuration of the unmanned aerial vehicle 10 shows the circuit up to the smoothing circuit 50 in the unmanned aerial vehicle power supply section 24.

＜実施例６＞
図１９は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を利用して、給電線１４での電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。図１９（Ａ）は、非同期式の降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を利用した場合の構成を示している。ＤＣ電源６２からのでＤＣ電圧は、スイッチング素子ＳＷによってスイッチング周波数ｆｓでオン・オフされる。ここで生成されたスイッチング波形は、給電線１４を介して無人飛行体電源部２４の平滑回路５０に伝送される。平滑回路５０は、直列に接続されたインダクタＬＯと並列に接続された平滑コンデンサＣＯとで構成されている。 <Example 6>
FIG. 19 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit when transmitting power through the power supply line 14 using the circuit configuration of a step-down DC/DC converter. FIG. 19A shows a configuration using the circuit configuration of an asynchronous step-down DC/DC converter. The DC voltage from the DC power supply 62 is turned on and off at the switching frequency fs by the switching element SW. The switching waveform generated here is transmitted to the smoothing circuit 50 of the unmanned aircraft power supply section 24 via the power supply line 14. The smoothing circuit 50 includes an inductor L O connected in series and a smoothing capacitor C O connected in parallel.

図１９（Ｂ）は、同期式の降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を利用した場合の図である。同期式は、チョッパ回路にあるスイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２がスイッチング周波数ｆｓに同期してオン・オフされる。平滑回路５０は、非同期式と同様である。 FIG. 19(B) is a diagram when the circuit configuration of a synchronous step-down DC/DC converter is used. In the synchronous type, switching element SW1 and switching element SW2 in the chopper circuit are turned on and off in synchronization with the switching frequency fs . The smoothing circuit 50 is similar to the asynchronous type.

中周波領域においては、スイッチング周波数ｆｓは、給電線１４の周波数特性を考慮して設定することが必要である。給電線１４は周波数特性を有し、その伝送可能な周波数はカットオフ周波数で限定される。従って、スイッチング周波数ｆｓは、給電線１４のカットオフ周波数以下であることが必要とされるが、ノイズは、給電線１４の周波数特性を生かして、ノイズの周波数が給電線１４のカットオフ周波数以上であれば、給電線１４で減衰し、給電線１４を有効に利用することができる。ノイズの周波数は高く、電源供給部２２における回路基板の配線パターンに依存する寄生インダクタンスとＥＳＲ（等価抵抗）、及びスイッチング素子の寄生容量が主な発生源となる。 In the medium frequency region, the switching frequency f s needs to be set in consideration of the frequency characteristics of the feeder line 14 . The feeder line 14 has frequency characteristics, and its transmittable frequency is limited by the cutoff frequency. Therefore, the switching frequency fs is required to be equal to or lower than the cutoff frequency of the feeder line 14, but the frequency of the noise should be lower than the cutoff frequency of the feeder line 14 by taking advantage of the frequency characteristics of the feeder line 14. If it is above, it will be attenuated by the feeder line 14, and the feeder line 14 can be used effectively. The frequency of the noise is high, and the main sources are parasitic inductance and ESR (equivalent resistance) depending on the wiring pattern of the circuit board in the power supply section 22, and parasitic capacitance of the switching element.

図２０は、図１９（Ｂ）で示した電源供給部２２の回路における寄生インダクタンス、寄生容量を考慮した等価回路を示す図である。スイッチング素子は選択する素子の種類にもよるため、ここではパワーＭＯＳＦＥＴとし、ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１及びローサイドスイッチング素子ＳＷ２をパワーＭＯＳＦＥＴとした。 FIG. 20 is a diagram showing an equivalent circuit in consideration of parasitic inductance and parasitic capacitance in the circuit of the power supply section 22 shown in FIG. 19(B). Since the switching element depends on the type of element selected, here it is assumed to be a power MOSFET, and the high-side switching element SW 1 and the low-side switching element SW 2 are assumed to be power MOSFETs.

寄生要素は、入力コンデンサＣｉｎでは寄生インダクタンスＬＳ１とＥＳＲ（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｓｅｒｉａｌ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）である。ＥＳＲは配線にも存在し、図２０ではまとめてＥＳＲ１とした。パワーＭＯＳＦＥＴでは、ミラー容量とゲート容量は考慮せず、ボディダイオードと寄生容量を寄生要素とした。ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１では、ボディダイオードＤＳ１と寄生容量ＣＳ１を、ローサイドスイッチング素子ＳＷ２では、ボディダイオードＤＳ２と寄生容量ＣＳ２を寄生要素として等価回路に示している。 The parasitic elements in the input capacitor C in are a parasitic inductance L S1 and ESR (Equivalent Serial Resistance). ESR also exists in wiring, and is collectively referred to as ESR 1 in FIG. 20. In the power MOSFET, Miller capacitance and gate capacitance were not considered, and the body diode and parasitic capacitance were used as parasitic elements. In the high-side switching element SW 1 , the body diode D S1 and the parasitic capacitance C S1 are shown as parasitic elements, and in the low-side switching element SW 2 , the body diode D S2 and the parasitic capacitance C S2 are shown in the equivalent circuit as parasitic elements.

配線、レイアウト、ビア等にも寄生インダクタンスが発生するが、図２０では配線の寄生インダクタンスＬＳ２、ＬＳ３、ＬＳ４で示した。 Although parasitic inductance occurs in wiring, layout, vias, etc., it is shown in FIG. 20 by parasitic inductances L S2 , L S3 , and L S4 of the wiring.

ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１とローサイドスイッチング素子ＳＷ２のオン・オフは、ゲートドライブ信号により制御されるが、ノイズは、主にハイサイドスイッチング素子ＳＷ１とローサイドスイッチング素子ＳＷ２がオフする時に発生し易い。ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１がオンになると、ＤＣ電源６２からハイサイドスイッチング素子ＳＷ１を通して、ローサイドスイッチング素子ＳＷ２の還流電流をキャンセルするように電流が流れ込む。 The on/off of high-side switching element SW1 and low-side switching element SW2 is controlled by a gate drive signal, but noise is mainly generated when high-side switching element SW1 and low-side switching element SW2 are turned off. easy. When the high-side switching element SW 1 is turned on, a current flows from the DC power supply 62 through the high-side switching element SW 1 so as to cancel the return current of the low-side switching element SW 2 .

ローサイドスイッチング素子ＳＷ２の電流がゼロになってもローサイドスイッチング素子ＳＷ２のボディダイオードＤＳ２が有しているリカバリ機能により、蓄積されたキャリアがなくなるまでボディダイオードＤＳ２に逆方向電流が流れる。このリカバリ電流は、入力コンデンサＣｉｎ、ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１とローサイドスイッチング素子ＳＷ２で構成されるループに流れる短絡電流ｉであり、ループに存在する全ての寄生容量にエネルギが蓄積される。 Even if the current in the low-side switching element SW2 becomes zero, the recovery function of the body diode DS2 of the low-side switching element SW2 causes a reverse current to flow through the body diode DS2 until the accumulated carriers are exhausted. This recovery current is a short-circuit current i flowing through a loop composed of the input capacitor C in , the high-side switching element SW 1 and the low-side switching element SW 2 , and energy is accumulated in all the parasitic capacitances present in the loop.

このエネルギは、リカバリが働かなくなった瞬間に開放され、このときにループ内の寄生インダクタンスと寄生容量で共振が起き、サージやリンギングとなることにより、ノイズが発生する。ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１はオン状態で導通しているので、ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１の寄生容量ＣＳ１は関係なく、高周波リンギングの周波数は、ループの全ての寄生インダクタンスと寄生容量の共振周波数である。 This energy is released the moment recovery stops working, and at this time resonance occurs due to the parasitic inductance and capacitance within the loop, resulting in surges and ringing, which generate noise. Since the high-side switching element SW1 is conductive in the on state, the parasitic capacitance C S1 of the high-side switching element SW1 is irrelevant, and the frequency of high-frequency ringing is the resonant frequency of all the parasitic inductances and parasitic capacitances of the loop. be.

ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１とローサイドスイッチング素子ＳＷ２のオフ時のノイズは一般的に数百ＭＨｚであり、高ｄｉ／ｄｔの電流サージとして入力コンデンサＣｉｎ、ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１とローサイドスイッチング素子ＳＷ２の高周波リンギングループを循環する。これによって、入力コンデンサＣｉｎにはｄｉ／ｄｔに依存したサージ電圧が発生し、ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１とローサイドスイッチング素子ＳＷ２には、ＤＣ電源６２の電圧Ｖに対応したｄＶ／ｄｔのリンギング電圧が発生する。ループを流れる高周波のリンギング電流は、ループの面積に依存した磁束を発生させ、この磁束が外部へ向かって放射されるため、電磁波として機器の基板のストリップラインやループにおいて電磁誘導を引き起こす。 The noise when the high-side switching element SW 1 and the low-side switching element SW 2 are off is generally several hundred MHz, and as a high di/dt current surge, the input capacitor C in , the high-side switching element SW 1 , and the low-side switching element Circulate high frequency ringing loop of SW 2 . As a result, a surge voltage depending on di/dt is generated in the input capacitor C in , and a ringing of dV/dt corresponding to the voltage V of the DC power supply 62 is generated in the high-side switching element SW 1 and the low-side switching element SW 2 . Voltage is generated. The high-frequency ringing current flowing through the loop generates a magnetic flux that depends on the area of the loop, and as this magnetic flux is radiated outward, it causes electromagnetic induction in the strip line and loop of the device board as electromagnetic waves.

以上説明したように、電源供給部２２で発生するノイズは周波数が高く、周波数特性を考慮して給電線１４を選択することで十分に減衰させることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を利用した給電線１４でのスイッチング波形の伝送は、他の回路構成でも有効である。 As explained above, the noise generated in the power supply section 22 has a high frequency, and can be sufficiently attenuated by selecting the power supply line 14 in consideration of the frequency characteristics. Transmission of switching waveforms on the feeder line 14 using the circuit configuration of a DC/DC converter is also effective with other circuit configurations.

図２１は、非同期式昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を利用して、給電線１４での電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。チョッパ回路６０は、インダクタＬ、ダイオードＤとスイッチング素子ＳＷで構成されている。ダイオードＤをスイッチング素子として同期式の構成であってもよい。無人飛行体電源部２４での平滑回路５０は、平滑コンデンサＣＯが並列接続された回路構成である。スイッチング素子ＳＷがオン・オフされ、スイッチング素子ＳＷがオンのときインダクタにエネルギが蓄積され、スイッチング素子ＳＷがオフのときインダクタに蓄積されたエネルギがダイオードＤを介して放出されることにより昇圧する。ダイオードＤをスイッチング素子ＳＷに代えて同期式としてもよい。昇圧型の給電回路の構成は、使用するＤＣ電源６２の電圧が低い場合に有効である。 FIG. 21 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit when transmitting power through the power supply line 14 using the circuit configuration of an asynchronous step-up DC/DC converter. The chopper circuit 60 includes an inductor L, a diode D, and a switching element SW. A synchronous configuration may be used using the diode D as a switching element. The smoothing circuit 50 in the unmanned aircraft power supply section 24 has a circuit configuration in which smoothing capacitors CO are connected in parallel. The switching element SW is turned on and off, and when the switching element SW is on, energy is stored in the inductor, and when the switching element SW is off, the energy stored in the inductor is released through the diode D, thereby boosting the voltage. A synchronous type may be used instead of the diode D as the switching element SW. The configuration of the boost type power supply circuit is effective when the voltage of the DC power supply 62 used is low.

図２２は、フライバック型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を利用して、給電線１４での電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。給電回路は、フライバック型ＤＣ／ＤＣコンバータ－タの回路構成を利用している。チョッパ回路６０は、トランスＴとスイッチング素子ＳＷで構成され、ＤＶ電源６２からのＤＣ電圧をスイッチング素子ＳＷが、トランスＴを介してオン・オフしている。トランスＴのコアに巻回された一次巻線は、スイッチング素子ＳＷのドレインに接続されている。トランスＴの一次側と二次側は、ドットで示したように逆極性としている。トランスＴの二次側は給電線１４に接続されている。無人飛行体電源部２４にある平滑回路５０は、直列接続されたダイオードＤと、並列接続された平滑コンデンサＣＯから構成されている。 FIG. 22 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit when transmitting power through the power supply line 14 using the circuit configuration of a flyback type DC/DC converter. The power supply circuit utilizes the circuit configuration of a flyback type DC/DC converter. The chopper circuit 60 is composed of a transformer T and a switching element SW, and the switching element SW turns on and off the DC voltage from the DV power supply 62 via the transformer T. A primary winding wound around the core of the transformer T is connected to the drain of the switching element SW. The primary and secondary sides of the transformer T have opposite polarities as shown by the dots. The secondary side of the transformer T is connected to a power supply line 14. The smoothing circuit 50 in the unmanned aircraft power supply section 24 is composed of a diode D connected in series and a smoothing capacitor CO connected in parallel.

スイッチング素子ＳＷのゲートにゲート電圧が印加され、オン状態になると、一次巻線に一次側電流が流れる。一次側電流が流れると、トランスＴのコアに磁束が発生し、コアが磁化されてエネルギが蓄積される。このとき、二次側は、給電線１４を介して接続されているダイオードＤの向きが逆なので二次側の二次側電流は流れない。 When a gate voltage is applied to the gate of the switching element SW to turn it on, a primary current flows through the primary winding. When the primary current flows, magnetic flux is generated in the core of the transformer T, the core is magnetized, and energy is stored. At this time, on the secondary side, since the direction of the diode D connected via the power supply line 14 is reversed, no secondary current flows on the secondary side.

スイッチング素子ＳＷが、ゲート電圧の遮断によりオフ状態になると、一次側電流は流れず、スイッチング素子ＳＷのスイッチング素子電圧は、ＤＣ電源６２の電圧が直接印加された状態となる。トランスＴのコアに蓄積されたエネルギは開放されて、二次巻線からダイオードＤに向かって流れる。エネルギが全て放出されたとき、即ち、二次側電流がゼロになったときに、再びスイッチング素子ＳＷのゲートにゲート電圧が印加されオン状態になる。トランスＴの一次巻線と二次巻線は、チョークコイルの機能を備えているため、ノイズが発生しにくい特徴がある。このため、高周波化を目的に、スイッチング素子ＳＷは、ＧａＮ－ＨＥＭＴを用いている。ＧａＮ－ＨＥＭＴは高耐圧で高速化が可能なパワーデバイスであるスイッチング素子ＳＷは、ＧａＮトランジスタの他、ＳｉＣトランジスタからなる素子であってもよい。これらの高速パワー半導体は、スイッチング周波数ｆｓが１ＭＨｚ以上可能なものもある。 When the switching element SW is turned off by cutting off the gate voltage, no primary current flows, and the voltage of the DC power supply 62 is directly applied to the switching element voltage of the switching element SW. The energy stored in the core of transformer T is released and flows towards diode D from the secondary winding. When all the energy is released, that is, when the secondary current becomes zero, a gate voltage is again applied to the gate of the switching element SW to turn it on. The primary winding and the secondary winding of the transformer T have the function of a choke coil, so they are characterized by less noise generation. Therefore, for the purpose of increasing the frequency, GaN-HEMT is used as the switching element SW. The GaN-HEMT is a power device that has a high breakdown voltage and can be operated at high speed.The switching element SW may be an element made of a SiC transistor in addition to a GaN transistor. Some of these high-speed power semiconductors can have a switching frequency f s of 1 MHz or more.

図２３は、フォワード型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を利用して、給電線１４での電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。チョッパ回路６０は、トランスＴとスイッチング素子ＳＷで構成され、ＤＣ電源６２からのＤＣ電圧を、スイッチング素子ＳＷがトランスを介してオン・オフしている。トランスＴのコアに巻回された一次巻線は、スイッチング素子ＳＷのドレインに接続されている。トランスＴの一次側と二次側は、ドットで示したように同じ極性である。トランスＴの二次側は給電線１４に接続されている。無人飛行体電源部２４にある平滑回路５０は、直列接続されたダイオードＤ１と、並列接続された転流ダイオードＤ２及び平滑コンデンサＣＯから構成されている。 FIG. 23 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit when transmitting power through the power supply line 14 using the circuit configuration of a forward type DC/DC converter. The chopper circuit 60 includes a transformer T and a switching element SW, and the switching element SW turns on and off the DC voltage from the DC power supply 62 via the transformer. A primary winding wound around the core of the transformer T is connected to the drain of the switching element SW. The primary and secondary sides of the transformer T have the same polarity as shown by the dots. The secondary side of the transformer T is connected to a power supply line 14. The smoothing circuit 50 in the unmanned aircraft power supply unit 24 is composed of a series-connected diode D1 , a parallel-connected commutation diode D2 , and a smoothing capacitor CO .

スイッチング素子ＳＷのゲートにゲート電圧が印加され、オン状態になると、一次巻線に一次側電流が流れる。一次側電流が流れると、トランスＴのコアに磁束が発生し、二次側は、給電線１４を介して接続されているダイオードＤ１に二次側電流を流し、平滑コンデンサＣＯに電流を供給する。ゲート電圧の遮断によりオフ状態になると、一次側電流は流れず、トランスＴのコアに蓄積されたエネルギは、ダイオードＤ２を介して平滑コンデンサＣＯに電流を供給する。フォワード型は、トランスを片方向のみ励磁する方式であり、フライバック型と同様に、ノイズが発生しにくい特徴がある。 When a gate voltage is applied to the gate of the switching element SW to turn it on, a primary current flows through the primary winding. When the primary current flows, magnetic flux is generated in the core of the transformer T, and on the secondary side, the secondary current flows through the diode D1 connected via the feeder line 14, and the current flows through the smoothing capacitor CO. supply When the transformer turns off due to gate voltage interruption, the primary current does not flow, and the energy stored in the core of the transformer T supplies current to the smoothing capacitor CO via the diode D2 . The forward type is a method in which the transformer is excited in only one direction, and like the flyback type, it is characterized by less noise generation.

図２４は、フォワード型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を利用しているが、トランスＴを給電線１４で代用して電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。チョッパ回路６０にはトランスＴが無く、ＤＣ電源６２とスイッチング素子ＳＷのドレインが給電線１４に接続されている。平滑回路５０は、図２３で示した回路と同様であるが、給電線１４の受端に、負荷インピーダンスＺＬを並列に接続している。 FIG. 24 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit in which the circuit configuration of a forward type DC/DC converter is used, but the transformer T is replaced by the power supply line 14 for power transmission. The chopper circuit 60 does not include a transformer T, and the DC power supply 62 and the drain of the switching element SW are connected to the power supply line 14. The smoothing circuit 50 is similar to the circuit shown in FIG. 23, but a load impedance ZL is connected in parallel to the receiving end of the power supply line 14.

高周波領域では、スイッチング周波数に対して給電線１４の長さが無視できず、例えば、長さ１００ｍの給電線１４では、光速を３×１０８ｍ／ｓとして、スイッチング周波数ｆｓに対応する波長λを給電線１４の長さだとすると、スイッチング周波数は、３ＭＨｚとなる。給電線１４の長さが、インピーダンス整合するλ／４では、波長が４倍となるので、スイッチング周波数ｆｓは、７５０ｋＨｚである。給電線１４の長さを３０００ｍとしても、λ／４の整合を考えると、スイッチング周波数ｆｓは、１ＭＨｚである。図２４には、給電線１４の長さとスイッチング波形のλ／４整合の状態を模式的に示している。 In the high frequency region, the length of the feeder line 14 cannot be ignored with respect to the switching frequency. For example, in a feeder line 14 with a length of 100 m, assuming the speed of light to be 3 x 10 8 m/s, the wavelength corresponding to the switching frequency f s If λ is the length of the feed line 14, the switching frequency will be 3 MHz. When the length of the feed line 14 is λ/4 for impedance matching, the wavelength is four times as large, so the switching frequency f s is 750 kHz. Even if the length of the feeder line 14 is 3000 m, the switching frequency f s is 1 MHz considering λ/4 matching. FIG. 24 schematically shows the length of the feeder line 14 and the λ/4 matching state of the switching waveform.

前述したように、給電線１４の長さとスイッチング波形の波長がλ／４で整合している場合は、負荷での電圧は、ＤＣ電源６２の電圧に対してＺＬ／Ｚ０倍となり、トランスと同様の効果を生じる。従って、フォワード型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を利用して給電回路を構成した場合、トランスＴに代えて給電線１４をトランスＴとした給電回路の構成ができる。これによってトランスＴを無くすことができる。なお、給電線１４にエネルギの蓄積が行われる訳ではないので、フライバック型ＤＣ／ＤＣコンバータを利用した給電回路ではトランスＴを給電線１４で代用できない。 As mentioned above, when the length of the feeder line 14 and the wavelength of the switching waveform are matched at λ/4, the voltage at the load is Z L /Z 0 times the voltage of the DC power supply 62, and the transformer produces a similar effect. Therefore, when a power supply circuit is configured using the circuit configuration of a forward type DC/DC converter, the power supply circuit can be configured using a transformer T as the power supply line 14 instead of a transformer T. This makes it possible to eliminate the transformer T. Note that, since energy is not stored in the feeder line 14, the transformer T cannot be replaced by the feeder line 14 in a feeder circuit using a flyback type DC/DC converter.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態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内で様々な変形や応用が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and applications can be made without departing from the gist of the present invention.

ｆ 周波数
ｆｓ スイッチング周波数
λ 波長
Ｖ 電圧
Ｉ 電流
Ｗ 電力
Ｗｌｏｓ 損失電力
Ｒ 給電線等価抵抗
Γ 反射係数
Ｚｉｎ 入力インピーダンス
Ｚ０ 特性インピーダンス
ＺＬ 負荷インピーダンス
Ｄ，Ｄ１、Ｄ２，Ｄ３、Ｄ４，Ｄ５、Ｄ６ ダイオード
ＣＯ 平滑コンデンサ
Ｃｉｎ 入力コンデンサ
Ｔ，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３ トランス
ＳＷ，ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６ スイッチング素子
Ｌ，ＬＯ インダクタ
１０ 無人飛行体
１２ ベースステーション
１４ 給電線
１６ 巻取部
１８ プロポ送信機
２０ 地上電源部
２２ 電源供給部
２４ 無人飛行体電源部
２６ フライト制御部
２８ 受信機
３０ 機器制御部
３２ 搭載機器
３４ モータ
３６ ＥＳＣ
３８ センサ
４０ 単相交流電源
４２ 三相交流電源
４４ 昇圧部
４６ 降圧部
４８ 整流ブリッジ
５０ 平滑回路
５２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
５４ ＤＣ／ＡＣコンバータ
５６ 昇圧部
５８ 三相交流電源
６０ チョッパ回路
６２ ＤＣ電源 f frequency f s switching frequency λ wavelength V voltage I current W power W los power loss R feed line equivalent resistance Γ reflection coefficient Z in input impedance Z 0 characteristic impedance Z L load impedance D, D 1 , D 2 , D 3 , D 4 , D 5 , D 6 Diode CO Smoothing capacitor C in Input capacitor T, T 1 , T 2 , T 3 Transformer SW, SW 1 , SW 2 , SW 3 , SW 4 , SW 5 , SW 6 Switching element L, L O inductor 10 Unmanned aircraft 12 Base station 14 Power supply line 16 Winding unit 18 Radio transmitter 20 Ground power supply unit 22 Power supply unit 24 Unmanned aircraft power supply unit 26 Flight control unit 28 Receiver 30 Equipment control unit 32 Onboard equipment 34 Motor 36 ESC
38 Sensor 40 Single-phase AC power supply 42 Three-phase AC power supply 44 Boost section 46 Buck section 48 Rectifier bridge 50 Smoothing circuit 52 DC/DC converter 54 DC/AC converter 56 Boost section 58 Three-phase AC power supply 60 Chopper circuit 62 DC power supply

Claims (18)

無人飛行体に電源を供給する地上電源部と、
前記無人飛行体のモータ及び電子機器へ電力を供給する無人飛行体電源部と、
前記地上電源部と前記無人飛行体電源部とを接続する給電線と、
を備え、
前記地上電源部には、ＤＣ／ＡＣインバータ又はＡＣ／ＡＣコンバータが設けられ、
前記地上電源部から前記給電線を介して前記無人飛行体電源部へ供給する供給電力は、周期的な電圧又は電流波形を有する交流電力であって、前記ＤＣ／ＡＣインバータ又はＡＣ／ＡＣコンバータにより変換された任意の電圧及び周波数を有する交流電力であり、
前記給電線は、前記供給電力として、前記給電線の長さに対して波長λが十分に長く、集中定数回路で考えられる低周波領域と、集中定数回路で考えられるが前記給電線の周波数特性を考慮しなければならない中周波領域と、定在波の存在を考慮しなければならない高周波領域とに分けたとき、前記低周波領域、前記中周波領域及び前記高周波領域のうち少なくとも前記高周波領域に属する周波数を有する供給電力を給電すること、
を特徴とする有線給電型無人飛行体。 a ground power supply section that supplies power to the unmanned aircraft;
an unmanned aerial vehicle power supply unit that supplies power to motors and electronic devices of the unmanned aerial vehicle;
a power supply line connecting the ground power supply unit and the unmanned aircraft power supply unit;
Equipped with
The ground power supply unit is provided with a DC/AC inverter or an AC/AC converter,
The power supplied from the ground power supply unit to the unmanned aircraft power supply unit via the power supply line is alternating current power having a periodic voltage or current waveform, and is connected to the DC/AC inverter or AC/AC converter. AC power with any voltage and frequency converted by
The power supply line supplies the power in a wavelength λ that is sufficiently long relative to the length of the power supply line, and has frequency characteristics of the power supply line, such as a low frequency region that can be considered as a lumped constant circuit, and a frequency characteristic that can be considered as a lumped constant circuit. When divided into a medium frequency region in which the presence of standing waves must be taken into consideration, and a high frequency region in which the presence of standing waves must be taken into consideration, at least the high frequency region among the low frequency region, the medium frequency region and the high frequency region feeding a supply power having a frequency that belongs to the
A wired power-fed unmanned flying vehicle. 前記供給電力は、単相交流電力であること、
を特徴とする請求項１に記載の有線給電型無人飛行体。 The supplied power is single-phase AC power;
The wired power-fed unmanned flying vehicle according to claim 1. 前記給電線は単相３線式であること、
を特徴とする請求項２に記載の有線給電型無人飛行体。 The power supply line is a single-phase three-wire type;
The wired power-fed unmanned aircraft according to claim 2. 前記供給電力は、三相交流電力であること、
を特徴とする請求項１に記載の有線給電型無人飛行体。 The supplied power is three-phase AC power;
The wired power-fed unmanned flying vehicle according to claim 1. 前記単相交流電力又は前記三相交流電力は、商用電源からの交流電力であること、
を特徴とする請求項２又は４に記載の有線給電型無人飛行体。 The single-phase AC power or the three-phase AC power is AC power from a commercial power source;
The wired power-fed unmanned flying vehicle according to claim 2 or 4, characterized in that: 前記三相交流電力は、単相交流電力から変換されていること、
を特徴とする請求項４に記載の有線給電型無人飛行体。 the three-phase AC power is converted from single- phase AC power;
The wired power-fed unmanned aircraft according to claim 4. 前記地上電源部には昇圧部が設けられ、
前記商用電源からの交流電力は、前記昇圧部により昇圧され、前記給電線を介して前記無人飛行体電源部に給電されること、
を特徴とする請求項５に記載の有線給電型無人飛行体。 The ground power supply section is provided with a booster section,
AC power from the commercial power source is boosted by the booster and fed to the unmanned aircraft power source via the power supply line;
The wired power-fed unmanned aircraft according to claim 5. 前記無人飛行体電源部には、ＡＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＤＣ及びＤＣ／ＡＣインバータが設けられていること、
を特徴とする請求項１に記載の有線給電型無人飛行体。
The unmanned aircraft power supply unit is provided with an AC/DC converter, a DC/DC, and a DC/AC inverter;
The wired power-fed unmanned flying vehicle according to claim 1.
 前記供給電力の出力波形は、スイッチング波形であること、
を特徴とする請求項１に記載の有線給電型無人飛行体。 The output waveform of the supplied power is a switching waveform;
The wired power-fed unmanned flying vehicle according to claim 1. 前記給電線のカットオフ周波数は、前記スイッチング波形のスイッチング周波数より高いこと、
を特徴とする請求項９に記載の有線給電型無人飛行体。 the cutoff frequency of the feeder line is higher than the switching frequency of the switching waveform;
The wired power-fed unmanned aircraft according to claim 9. 前記給電線は、前記スイッチング波形のノイズ除去機能を備えていること、
を特徴とする請求項９に記載の有線給電型無人飛行体。 the power supply line has a noise removal function of the switching waveform;
The wired power-fed unmanned aircraft according to claim 9. スイッチング周波数に対応する波長は、前記給電線の長さの１／４であること、
を特徴とする請求項９に記載の有線給電型無人飛行体。 The wavelength corresponding to the switching frequency is 1/4 of the length of the feeder line;
The wired power-fed unmanned aircraft according to claim 9. 前記スイッチング波形は、チョッパ回路の出力波形であること、
を特徴とする請求項９に記載の有線給電型無人飛行体。 the switching waveform is an output waveform of a chopper circuit;
The wired power-fed unmanned aircraft according to claim 9. 前記スイッチング波形は、絶縁型コンバータのトランス出力波形であること、
を特徴とする請求項９に記載の有線給電型無人飛行体。 the switching waveform is a transformer output waveform of an isolated converter;
The wired power-fed unmanned aircraft according to claim 9. 前記チョッパ回路又は前記絶縁型コンバータのスイッチング素子は、ＧａＮトランジスタ又はＳｉＣトランジスタからなる素子であること、
を特徴とする請求項１３又は１４のいずれか１項に記載の有線給電型無人飛行体。 The switching element of the chopper circuit or the isolated converter is an element consisting of a GaN transistor or a SiC transistor;
The wired power-fed unmanned flying vehicle according to claim 13 or 14, characterized in that: 前記無人飛行体電源部には、平滑回路が設けられていること、
を特徴とする請求項９に記載の有線給電型無人飛行体。 The unmanned aircraft power supply section is provided with a smoothing circuit;
The wired power-fed unmanned aircraft according to claim 9. 前記地上電源部は、車載電池を備えていること、
を特徴とする請求項１に記載の有線給電型無人飛行体。 The ground power supply unit includes an on-vehicle battery;
The wired power-fed unmanned flying vehicle according to claim 1. 前記地上電源部は、エンジン発電機を備えていること、
を特徴とする請求項１に記載の有線給電型無人飛行体。 The ground power supply unit includes an engine generator;
The wired power-fed unmanned flying vehicle according to claim 1.
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