JP2017007411A

JP2017007411A - 浮揚型飛行体

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Publication number: JP2017007411A
Application number: JP2015122335A
Authority: JP
Inventors: 浩平中村; Kohei Nakamura
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Current assignee: Individual
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2017-01-12
Anticipated expiration: 2035-06-17
Also published as: JP5875093B1; EP3150483A1; HK1243985A1; SG11201709797XA; CA2988571A1; AU2016281237A1; RU2018101441A3; CN107635868A; KR101883896B1; US20170137104A1; RU2018101441A; US9802691B2; WO2016204180A1; PH12017502310A1; KR20180006488A; EP3150483A4

Abstract

【課題】墜落リスクを低減して高い安全性を確保し、風の影響を抑制して移動制御を容易にし高い移動能力を発揮できる浮揚型飛行体を提供する。【解決手段】内部に空気より小さい比重のガスを密閉してなる浮揚機体２と、この浮揚機体２の外周に複数個設けられ垂直方向の推力を発揮する垂直推進用プロペラ群３と、前記浮揚機体２の外周に複数個設けられ水平方向の推力を発揮する水平推進用プロペラ群４とを有する。また、前記浮揚機体２には、平面視で略中央位置に上下開口部２２が形成されているとともに、前記浮揚機体２の外周縁の角度が側面視で鋭角状に形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、荷物や人の運搬や空中撮影等をおこなう浮揚型飛行体に関するものである。

従来、浮揚型の飛行体には、気球や飛行船がある。これらの飛行体は、バルーンに充填されたガスの比重と外部の空気の比重との差によって浮力を得て浮揚し、飛行を行うものである。

また、近年では、荷物の運搬や空中撮影を目的とした、いわゆるドローンと呼ばれる無人飛行体に関する開発が進められている。例えば、特開２０１４−２２７０１６号公報では、回転することによって揚力を発生するプロペラと、このプロペラを回転させる駆動源と、前記駆動源を制御する制御手段とを搭載した遠隔操縦式無人飛行体に関する発明が提案されている（特許文献１）。

特開２０１４−２２７０１６号公報

しかしながら、気球は水平移動を行う動力源を備えていないため、移動方向は風に大きく影響され制御しにくく、荷物や人の運搬には不向きである。また、飛行船はバルーンが楕円球型であるため風の抵抗を受け易く、機敏な移動や方向転換ができないという問題がある。

また、特許文献１に記載された無人飛行体を含めて従来のドローンは、バッテリーが切れたり（現在の平均飛行時間は約２０分程度しかない）、駆動源が故障したり、プロペラが破損したり等のトラブルによって約２０回に１回の割合で墜落しているとの報告もあり、落下に伴う事故のリスクや機体が破損するリスクが高い。また、垂直方向および水平方向の移動は共通するプロペラによって行われるが、プロペラは上下方向にしか向けられていないため、水平方向の移動能力が低いという問題もある。さらに、ドローンのプロペラは、機体に比べて大きい必要があり、騒音の問題や人等との接触したときの危険性が高いといった問題もある。

本発明は、これらのような問題点を解決するためになされたものであって、墜落リスクを低減して高い安全性を確保し、風の影響を抑制して移動制御を容易にし高い移動能力を発揮できる浮揚型飛行体を提供することを目的としている。

本発明に係る浮揚型飛行体は、内部に空気より小さい比重のガスを密閉してなる浮揚機体と、この浮揚機体の外周に複数個設けられ垂直方向の推力を発揮する垂直推進用プロペラ群と、前記浮揚機体の外周に複数個設けられ水平方向の推力を発揮する水平推進用プロペラ群とを有する。

また、本発明の一態様として、前記浮揚機体には、平面視で略中央位置に上下開口部が形成されているとともに、前記浮揚機体の外周縁の角度が側面視で鋭角状に形成されていてもよい。

さらに、本発明の一態様として、前記各水平推進用プロペラが前記浮揚機体の上下方向の厚さに対し略中央位置で軸支されているとともに、前記各水平推進用プロペラの外周には前記浮揚機体の上下方向の厚さより大径に形成された離着陸脚用リングが設けられていてもよい。

さらにまた、本発明の一態様として、前記ガスの温度を調節する温度調節手段と、前記ガスが所定の圧力以下の気圧になるようにガスを排出する逆止弁とを有していてもよい。

また、本発明の一態様として、前記水平推進用プロペラ群をスライド可能に支持するリングフレームと、前記水平推進用プロペラ群を前記リングフレームに沿って駆動する駆動モーターと、風圧を検知する風圧センサおよび／または現在位置を検知する位置センサと、前記風圧センサおよび／または前記位置センサの検知結果に基づいて、前記駆動モーターを制御し前記水平推進用プロペラ群の左右位置を調節する制御コントローラとを有していてもよい。

本発明によれば、浮揚型飛行体の墜落リスクを低減して高い安全性を確保し、風の影響を抑制して移動制御を容易にし高い移動能力を発揮することができる。

本発明に係る浮揚型飛行体の一実施形態を示す平面図である。本実施形態の浮揚型飛行体を示す側面図である。本実施形態の浮揚型飛行体を示す縦断面図である。水平移動時の水平推進プロペラによって生じた風の流れを矢印で示す模式図である。水平移動時の浮揚機体に衝突する風の流れを矢印で示す模式図である。垂直移動時の上下開口部を通過する風の流れを矢印で示す模式図である。水平推進用プロペラ群をスライド自在に構成した実施形態を示す平面図である。

以下、本発明に係る浮揚型飛行体の一実施形態について図面を用いて説明する。

本実施形態の浮揚型飛行体１は、図１に示すように、内部に空気より小さい比重のガスを密閉してなる浮揚機体２と、この浮揚機体２の外周に複数個設けられる垂直推進用プロペラ群３と、前記浮揚機体２の外周に複数個設けられる水平推進用プロペラ群４と、前記浮揚機体２内の前記ガスの温度を調節する温度調節手段５とを有する。以下、各構成について説明する。

浮揚機体２は、内部に空気より小さい比重のガスを密閉することで、周囲の空気と前記ガスとの比重差によって浮力を得て、空中に浮揚しやすくするものである。

本実施形態における浮揚機体２は、図１に示すように、平面視において４つの円盤状の浮揚室２１を略正方形の四隅に配置し、それぞれが一体的に連結された形状に形成されている。浮揚機体２の略中央位置には、上下方向の空気の流通を可能にするための上下開口部２２が形成されている。また、前記浮揚機体２の外周における前記浮揚室２１の連結位置には、垂直推進用プロペラ３１が配置されるためのプロペラ配置凹部２３が形成されている。なお、浮揚機体２の形状は略正方形に限定されるものではなく、円形リング状等、他の形状に変更してもよい。

また、浮揚機体２は、図２に示すように、側面視において、各浮揚室２１の中央が上下方向に膨出された形状に形成されているとともに、外周縁に向けて傾斜されてその傾斜角度が鋭角状に形成されている。よって、プロペラ配置凹部２３が形成されている各浮揚室２１の連結部分は薄い扁平状に形成されている。

また、浮揚機体２の内部には、図３に示すように、ガスを充填するための密閉空間が形成されている。本実施形態では、各浮揚室２１の連結部分も連通されており、ガスが密閉されているが、これに限定されるものではなく、各浮揚室２１が連通されずに独立してもよい。また、密封するガスはヘリウムガスや水素ガスが好ましいが、これに限るものではない。さらに、図示しないが、浮揚機体２には、ガスが所定の圧力以下の気圧になるようにガスを排出する逆止弁が設けられている。これにより、後述する温度調節手段５によって暖められたガスの一部が外部に放出され、内部のガスの比重を軽くすることができるようになっている。

また、本実施形態における浮揚機体２は、軽量で強度の高い素材として、カーボンファイバーやガラス繊維を用いた繊維強化プラスチックあるいはその他の樹脂により構成されているが、これに限定されるものではなく、コストや用途に応じて他の素材で構成してよい。前記浮揚機体２の表面には、太陽光発電素子２４が設けられており、垂直推進用プロペラ３１、水平推進用プロペラ４１および温度調整手段５を稼働させるための電力を発電するようになっている。

さらに、本実施形態における上下開口部２２の下方には、空中撮影を行うための全方位型のカメラ６が設置されている。なお、カメラ６の設置位置は、上下開口部２２の下方に限定されるものではなく、浮揚機体２の上方や外周等、任意に選択してよい。また、カメラ６に限らず、荷物や人を保持または搭載するようにしてもよい。

また、浮揚機体２には、各浮遊室２１に接するようにして外周を囲むリングフレーム２５が設けられている。このリングフレーム２５は、垂直推進用プロペラ群３および水平推進用プロペラ群４を取り付ける枠材として機能する。なお、リングフレーム２５は、軽量かつ高強度な素材によって形成されていればよく、プラスチック、アルミニウム、剛性の高いゴム、あるいはウレタン等の樹脂を炭素繊維強化プラスチック等で被覆したようなものでもよい。

つぎに垂直推進用プロペラ群３について説明する。垂直推進用プロペラ群３は、浮揚機体２を垂直方向に推進させるためのものであり、複数個の垂直推進用プロペラ３１からなる。本実施形態における垂直推進用プロペラ３１は、図１に示すように、４枚で一組の羽根３２と、これらの羽根３２を回転させる回転モーター３３と、前記羽根３２の外周に設けられる保護リング３４とを有する。

羽根３２は一般的なプロペラに使用される羽根が採用されている。浮揚機体２がガスと空気との密度差による浮力よって浮揚し易くなっているため、大きな揚力は必要としていないことから、比較的小さな羽根３２を用いることができる。また、回転モーター３３は、市販のモーターであり、回転軸には４枚一組の羽根３２が等間隔に接続されている。さらに、保護リング３４は、回転する羽根３２が障害物等に衝突しないように保護するためのものであり、羽根３２の先端の回転軌跡より一回り大きい環状に形成されている。

本実施形態における各垂直推進用プロペラ３１は、浮揚機体２の外周に形成されている４箇所のプロペラ配置凹部２３とリングフレーム２５との間にそれぞれ配置されており、推進力が垂直方向に発揮されるように前記回転モーター３３の回転軸が垂直方向に向けられて固定されている。

水平推進用プロペラ群４は、浮揚機体２を水平方向に推進させるためのものであり、複数個の水平推進用プロペラ４１からなる。各水平推進用プロペラ４１は、各垂直推進用プロペラ３１が配置されているリングフレーム２５の外側に配置されている。各水平推進用プロペラ４１は、図２に示すように、４枚で一組の羽根４２と、これらの羽根４２を回転させる回転モーター４３と、保護枠としても機能する離着陸脚用リング４４とを有する。この水平推進用プロペラ４１は、主に、水平移動のために用いられるため、比較的小さな羽根４２を用いることができる。

また、各水平推進用プロペラ４１は、前記浮揚機体２の上下方向の厚さに対し略中央位置で軸支されており、前記各水平推進用プロペラ４１の外周には前記浮揚機体２の上下方向の厚さより大径に形成された離着陸脚用リング４４が配置されている。前記離着陸脚用リング４４は、垂直推進用プロペラ３１の保護リング３４と同様に、回転する羽根４２が障害物等に衝突しないように保護するものであるとともに、離着陸時に浮揚機体２よりも先に地面に接触するための脚部となるものである。

各水平推進用プロペラ４１は、推進力が水平方向に発揮されるように前記回転モーター４３の回転軸が前記浮揚機体２の中央方向に向けられて固定されている。

温度調節手段５は、浮揚機体２の内部のガス温度を調節するためのものである。本実施形態における温度調節手段５は、通電させることによって発熱するパネル状のヒータからなり、図１に示すように、浮揚機体２の上下開口部２２に沿って２箇所設けられている。なお、温度調節手段５の設置位置は上下開口部２２に限定されるものではなく、浮揚機体２の外周部や内部などから適宜選択してよい。

また、図示しないが、浮揚機体２の内部には、空気より比重の小さいガスを補充するための前記ガスを圧縮した圧縮ガスボンベを備えている。

つぎに、本実施形態の浮揚型飛行体１における各構成の作用について説明する。

浮揚機体２には、例えば、ヘリウム、水素または周囲の空気より暖められた空気、酸素および窒素等の周囲の空気より小さい比重のガスが充填される。このとき、ガスの充填量やガスの温度によって、前記浮揚機体２が浮揚しうる高さを調整する。これにより、前記浮揚機体２は、浮揚型飛行体１を所定の高さで浮揚させ、垂直推進用プロペラ群３や水平推進用プロペラ群４を停止させても急降下するのを防ぎ、あるいは浮揚し続けられる。よって、墜落の危険性を低減しうる。

浮揚型飛行体１の水平移動は、主に水平推進用プロペラ群４を稼働させることにより行う。水平推進用プロペラ群４は、羽根４２を回転モーター４３で回転させることにより水平方向の推力を発揮する。このとき、水平推進用プロペラ４１によって発生した風は、図４に示すように、浮揚機体２の薄い部分を通り抜けるため、羽根４２の揚力を推進力へと効率的に変換することができる。

また、浮揚型飛行体１の水平飛行中は、浮揚機体２の側面からの風圧を受けるが、図５に示すように、浮揚機体２の外周縁部が鋭角状に形成されている。このため、風圧は上下方向に分断されて前記浮揚機体２の上下面に沿って流れるため、風圧による抵抗が抑制され飛行速度が向上する。

垂直推進用プロペラ群３は、浮揚型飛行体１の離着陸時の移動や昇降および下降する際の略垂直方向の移動に用いられる。特に、浮揚機体２に充填されたガスによって、浮揚型飛行体１が所定の高さで浮揚している場合、着陸時には各垂直推進用プロペラ３１を回転させて下降方向の推力によって着陸させる。

また、浮揚型飛行体１が、垂直推進用プロペラ群３によって上下方向に移動する場合、図６に示すように、浮揚機体２の中央の上下開口部２２によって空気を流通させる。このため、上下移動時の浮揚型飛行体１にかかる空気抵抗が抑制される。また、カメラ６による撮影においては、上下開口部２２によって上方が開放されているため、３６０度撮影や上空側の撮影が可能となる。

さらに、従来のドローンであれば、プロペラの振動によって映像が乱れやすいが、本実施形態では、浮揚機体２に充填されたガスの浮力によっては、垂直推進用プロペラ群３を駆動しなくても、浮揚型飛行体１がホバリングする。このため、振動の影響を受けることがなく、極めて乱れの少ない映像を撮影することが可能となる。

温度調節手段５では、パネルヒーターを暖めることによって、浮揚機体２の内部に充填されているガスを膨張させてガスの比重を軽くする。そして、逆止弁が、膨張したガスの一部を外部に放出し、ガスの全体的な質量を減らすことで浮揚型飛行体１に作用する浮力を増大する。一方、温度調節手段５は、浮揚機体２内部のガス温度を低下させることで浮力を低減し、高さの調節や着陸をしやすくする。

なお、浮揚機体２の内部に充填されているガスが不足した場合には、圧縮ガスボンベによりガスを補充することで、所定の浮揚高さを維持することができる。

また、垂直推進用プロペラ３１および水平推進用プロペラ４１の羽根３２，４２が比較的小さいため、発生する音が小さい。また、荷物を載せたり、人を搭乗させたりするためのスペースを十分に確保することができる。よって、搭乗した人が、回転する羽根３２，４２との接触の危険性が少ない。

さらに、浮揚型飛行体１の離着陸時には、着陸脚用リング４４が浮揚機体２よりも先に地面に接触するため、脚部として機能し、浮揚機体２を損傷してしまうことがない。

以上のような本実施形態の浮揚型飛行体１によれば、以下の効果を得ることができる。
１．浮揚機体２内部のガスと周囲の空気との比重差によって所定の高さで浮揚させられ、あるいは急激な降下を防ぐことができるため、浮揚型飛行体１にプロペラのトラブルや駆動源のトラブルが生じても急な墜落を防止し、安全を確保することができる。
２．垂直推進用プロペラ３１とは別に、水平方向の推進力を得るための水平推進用プロペラ４１を搭載していることにより、水平方向の移動をスムーズに行うことができる。
３．浮揚機体２が空気抵抗を低減しうる形状に形成されているため、浮揚型飛行体１の飛行制御がし易く、飛行速度を向上することができる。
４．垂直推進用プロペラ３１および水平推進用プロペラ４１による空気の流れおよび移動中の空気の流れをスムーズにすることで、効率性の高い移動を行うことができる。
５．浮揚機体２に充填したガスの温度調節を行うことにより、浮揚型飛行体１にかかる浮力を調節し、浮揚する高さを調節することができる。
６．ガスの浮力によって羽根３２，４２を小型化できるため、飛行中の騒音を抑制できるとともに、十分な積載空間や搭乗空間を確保することができる。
７．着陸脚用リング４４が浮揚型飛行体１の脚部として機能するため、脚部を別途設ける必要がなく、コンパクト化することができる。
８．オリンピック（登録商標）や、サッカーのワールドカップ等のように、トラブルを起こすことができないようなイベントにおいても、安心して空中撮影することができる。
９．垂直推進用プロペラ３１を用いることなく浮揚し、振動の影響を受けないため、乱れの少ない映像を撮影することができる。
１０．飛行高度の調節が容易なため、荷物の重量に応じた輸送空路を設定することができる。例えば、高度５〜１０ｍの空路は５〜１０ｋｇの荷物帯、高度１０〜２０ｍの空路は１〜５ｋｇの荷物帯、および高度３０ｍ以上は１ｋｇ未満の荷物帯とすることで、安全性を確保しつつ、安定した空路輸送が可能となる。

なお、本発明に係る浮揚型飛行体は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。

例えば、上述した本実施形態では、水平推進用プロペラ群４がリングフレーム２５に固定されているが、この構成に限定されるものではない。図７に示すように、各水平推進用プロペラ群４が、リングフレーム２５に沿って左右方向にスライド可能に支持されていてもよい。具体的には、リングフレーム２５をカーテンレールのような中央にレール溝を有する形状とし、当該レール溝に沿ってスライド可能なスライド部材（図示せず）を回転モーター４３に取り付ける。

スライド部材としては、レール溝内を回転するゴムローラ等でもよく、レール溝内にラックを設け、当該ラックに噛合するピニオン等で構成してもよい。そして、両方向に回転可能なステッピングモータ等の駆動モーターによって当該スライド部材を回転させることにより、各水平推進用プロペラ群４の左右位置が正確に微調整可能となる。

そして、浮揚型飛行体１に風圧を検知する風圧センサを設けるとともに、当該検知結果に基づいて、前記駆動モーターを制御し水平推進用プロペラ群４の左右位置を調節する制御コントローラを設ける。これにより、各水平推進用プロペラ群４の左右位置を風向きに対向するようにリアルタイム制御すれば、ある程度の風があっても浮揚型飛行体１を同じ位置および同じ高度にホバリング（空中停止）させることが可能となる。

また、浮揚型飛行体１にＧＰＳ（Global Positioning System）等の現在位置を検知する位置センサを設けるとともに、当該検知結果に基づいて、前記駆動モーターを制御し水平推進用プロペラ群４の左右位置を調節する制御コントローラを設ける。これにより、所定のホバリング位置からのズレ量を打ち消すように、各水平推進用プロペラ群４の左右位置をリアルタイム制御すれば、強風で浮揚型飛行体１がホバリング位置からズレてしまった場合でも、直ちに元の位置に復帰させることができる。なお、上述した風圧センサおよび位置センサは、いずれか一方のみを設けてもよく、両方を設けてもよい。

さらに、上記浮揚機体２に密閉するガスの浮力を抑えたり、あるいは、空気を充填させることにより、浮揚型飛行体１を水面に浮かべて使用することも可能である。この場合、動力源としては、水平推進用プロペラ群４を使用することができ、人を搭乗可能に構成する場合には、別途、足こぎペダル等を設けて推進力を得るようにしてもよい。

また、上述した本実施形態では、浮揚機体２の内部のガス量を調節するために逆止弁や圧縮ガスボンベを設けているが、必要に応じてこれらを設けなくてもよい。

１浮揚型飛行体
２浮揚機体
３垂直推進用プロペラ群
４水平推進用プロペラ群
５温度調節手段
６カメラ
２１浮揚室
２２上下開口部
２３プロペラ配置凹部
２４太陽光発電素子
２５リングフレーム
３１垂直推進用プロペラ
３２羽根
３３回転モーター
３４保護リング
４１水平推進用プロペラ
４２羽根
４３回転モーター
４４離着陸脚用リング

Claims

内部に空気より小さい比重のガスを密閉してなる浮揚機体と、この浮揚機体の外周に複数個設けられ垂直方向の推力を発揮する垂直推進用プロペラ群と、前記浮揚機体の外周に複数個設けられ水平方向の推力を発揮する水平推進用プロペラ群とを有する浮揚型飛行体。
前記浮揚機体には、平面視で略中央位置に上下開口部が形成されているとともに、前記浮揚機体の外周縁の角度が側面視で鋭角状に形成されている、請求項１に記載の浮揚型飛行体。
前記各水平推進用プロペラが前記浮揚機体の上下方向の厚さに対し略中央位置で軸支されているとともに、前記各水平推進用プロペラの外周には前記浮揚機体の上下方向の厚さより大径に形成された離着陸脚用リングが設けられている、請求項１または請求項２に記載の浮揚型飛行体。
前記ガスの温度を調節する温度調節手段と、前記ガスが所定の圧力以下の気圧になるようにガスを排出する逆止弁とを有する、請求項１から請求項３のいずれかに記載の浮揚型飛行体。
前記水平推進用プロペラ群をスライド可能に支持するリングフレームと、前記水平推進用プロペラ群を前記リングフレームに沿って駆動する駆動モーターと、風圧を検知する風圧センサおよび／または現在位置を検知する位置センサと、前記風圧センサおよび／または前記位置センサの検知結果に基づいて、前記駆動モーターを制御し前記水平推進用プロペラ群の左右位置を調節する制御コントローラとを有する、請求項１から請求項４のいずれかに記載の浮揚型飛行体。