ホーム > 特許ランキング > 株式会社石川エナジーリサーチ
知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ 株式会社石川エナジーリサーチの特許一覧 ▶ 株式会社ヨコヤマ・コーポレーションの特許一覧 ▶ 群馬県の特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2017-193321(P2017-193321A)
(43)【公開日】2017年10月26日
(54)【発明の名称】エンジン搭載型マルチコプター
(51)【国際特許分類】
B64D 27/04 20060101AFI20170929BHJP
B64D 27/24 20060101ALI20170929BHJP
B64C 27/08 20060101ALI20170929BHJP
B64C 39/02 20060101ALI20170929BHJP
【ＦＩ】
B64D27/04
B64D27/24
B64C27/08
B64C39/02
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】18
(21)【出願番号】特願2016-186630(P2016-186630)
(22)【出願日】2016年9月26日
(31)【優先権主張番号】特願2016-84062(P2016-84062)
(32)【優先日】2016年4月19日
(33)【優先権主張国】JP
(71)【出願人】
【識別番号】511062933
【氏名又は名称】株式会社石川エナジーリサーチ
(71)【出願人】
【識別番号】506119877
【氏名又は名称】株式会社ヨコヤマ・コーポレーション
(71)【出願人】
【識別番号】591032703
【氏名又は名称】群馬県
(74)【代理人】
【識別番号】100080160
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 憲一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100149205
【弁理士】
【氏名又は名称】市川 泰央
(72)【発明者】
【氏名】茅沼 秀高
(72)【発明者】
【氏名】石川 満
(72)【発明者】
【氏名】横山 勉
(72)【発明者】
【氏名】細谷 肇
(72)【発明者】
【氏名】坂田 知昭
(57)【要約】
【課題】マルチコプターにおいては、複数のロータの回転を制御することにより、無線操縦や自動操縦に対して速やかな応答性を有し、安定した飛行制御を実現することが必要であった。【解決手段】機体を構成する機体フレームと、エンジンと、前記エンジンにより発電する発電機と、前記エンジンに燃料を供給するための燃料タンクと、各種積載物を積載するペイロード積載部と、前記エンジンの周囲において推力生起及び飛行制御の作動を行う複数のロータと、前記複数のロータを回転駆動する複数の電動モータと、前記複数のロータを制御する制御部と、を備えたマルチコプターを、前記複数のロータの回転面高さの平均値となる水平面よりも上方位置にエンジンを配設すると共に、当該複数のロータはエンジンによる発電によって電動モータを駆動することにより作動するように構成した。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
機体を構成する機体フレームと、
エンジンと、
前記エンジンにより発電する発電機と、
前記エンジンに燃料を供給するための燃料タンクと、
各種積載物を積載するペイロード積載部と、
前記エンジンの周囲において推力生起及び飛行制御の作動を行う複数のロータと、
前記複数のロータを回転駆動する複数の電動モータと、
前記複数のロータを制御する制御部と、
を備えたマルチコプターであって、
前記複数のロータの回転面高さの平均値となる水平面よりも少なくとも上方位置にエンジンを配設すると共に、当該複数のロータはエンジンによる発電によって電動モータを駆動することにより作動するように構成したことを特徴とするマルチコプター。
エンジンと、
前記エンジンにより発電する発電機と、
前記エンジンに燃料を供給するための燃料タンクと、
各種積載物を積載するペイロード積載部と、
前記エンジンの周囲において推力生起及び飛行制御の作動を行う複数のロータと、
前記複数のロータを回転駆動する複数の電動モータと、
前記複数のロータを制御する制御部と、
を備えたマルチコプターであって、
前記複数のロータの回転面高さの平均値となる水平面よりも少なくとも上方位置にエンジンを配設すると共に、当該複数のロータはエンジンによる発電によって電動モータを駆動することにより作動するように構成したことを特徴とするマルチコプター。
【請求項2】
前記ペイロード積載部に積載物があるときには、機体フレームの中央部であって、前記複数のロータの回転面高さの平均値となる水平面内に機体重心が略位置すると共に、前記ペイロード積載部に積載物がないときには、前記複数のロータの回転面高さの平均値となる水平面よりも少なくとも上方に機体重心が位置するように構成する
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチコプター。
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチコプター。
【請求項3】
前記エンジンに連動連設するロータを設けることなく前記エンジンの外周に前記電動モータにより駆動する前記複数のロータを配設した
ことを特徴とする請求項１または２に記載のマルチコプター。
ことを特徴とする請求項１または２に記載のマルチコプター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、遠隔操作や自動制御によって飛行できる小型のエンジン搭載型無人マルチコプターに関する。より詳細には、エンジン搭載型無人マルチコプターの重心位置に関与するエンジンの配置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、無線等の遠隔操作や自動操縦によって飛行する小型のマルチコプターを、地形の測量、農薬の散布、災害時の被災地の観測、荷物の運搬等の多彩な目的に活用している。このようなマルチコプターは、鉛直方向に複数のロータ（ファン）を備え、垂直に離着陸可能としている
【0003】
このようなマルチコプターは、ロータの動力源として、飛行制御の容易さの観点から、電池駆動の電動モータを用いるものがある。しかしながら、電池駆動の場合、搭載する電池の重量および容量から連続飛行時間が短いという課題があった。
【0004】
連続飛行時間の課題を解決する手段として化石燃料を利用するエンジンを搭載し、エンジンに連結した発電機によって発生した電力により電動モータを駆動するマルチコプターが知られている（特許文献１参照）。
【0005】
特許文献１のマルチコプターでは、エンジンに連結され推力を発生するプロペラと、エンジンに連結された発電機により発生した電力により駆動される複数の電動モータに連結され推力を発生する複数のプロペラと、から構成されるハイブリッド型マルチコプターを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０１５−１３７０９２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、このようなマルチコプターにおいては、ホバリング時に、エンジンに連結された複数のプロペラによるトルクを打ち消すためには、電動モータに連結されたプロペラの回転数を制御して機体を傾斜させる必要があるという課題があった。また、エンジンがプロペラによる推進面より下方にあり、必然的に重心位置も当該推進面より下方にあるため機体の安定性はあるものの、機体操縦による飛行制御に対する応答性がよくないという課題があった。
【0008】
このようなマルチコプターにおいては、目的に応じたペイロードを搭載した際、複数のロータの回転数を制御することにより、無線操縦や自動操縦に対して速やかな応答性を有し、安定した飛行制御を実現することが必要であった。
【0009】
しかしながら、同じように複数のロータの回転数制御を行っても、機体の重心位置の違いにより機体の飛行時の飛行制御に対する応答性が異なる。このため、本出願人は、機体に積載する動力源（エンジン、バッテリー等）や各種ペイロード（撮像装置等）の積載位置により決定される機体の重心位置の違いによる機体の飛行時の飛行制御に対する応答性に関わるシミュレーションおよび実験を行った。
【0010】
このシミュレーションおよび実験の条件は、複数のロータの回転面高さの平均値と同じ高さに機体の重心を配置した場合と、複数のロータの回転面高さの平均値より上方に機体の重心を配置した場合と、複数のロータの回転面高さの平均値より下方に機体の重心を配置した場合と、の３通りの異なる重心位置について、飛行時の飛行制御に対する応答性を測定および評価した。
【0011】
また、測定データとしては、複数（例えば、４個）のロータの回転数を制御することにより、機体を傾斜（ロール又はピッチ）させて水平方向の加速度を作り出して水平方向に移動させて、この時の目標とする水平方向の移動速度に到達するまでの、時間、機体の傾斜角、ロータの消費電力を測定した。
【0012】
複数のロータの回転面高さの平均値と同じ高さに機体の重心を配置した場合は、目標とする水平方向の移動速度に到達するまでの時間は１３秒、機体の傾斜角度は最大１２．５度、ロータの消費電力は最大３．９ｋｗという結果が得られた。
【0013】
複数のロータの回転面高さの平均値より７ｃｍ上方に機体の重心を配置した場合は、目標とする水平方向の移動速度に到達するまでの時間は６秒、機体の傾斜角度は最大２６度、ロータの消費電力は最大５．０ｋｗという結果が得られた。
【0014】
複数のロータの回転面高さの平均値より１０ｃｍ下方に機体の重心を配置した場合は、目標とする水平方向の移動速度に到達するまでの時間は１５秒経過しても到達せず、機体の傾斜角度は最大１３度、ロータの消費電力は最大３．８ｋｗという結果が得られた。
【0015】
この結果から、複数のロータの回転面高さの平均値より７ｃｍ上方に機体の重心を配置した場合に、機体の傾斜角度は最大となり、複数のロータの消費電力も最大であるが、複数のロータの回転数を制御することにより、目標とする水平方向の移動速度に到達するまでの時間が最も短く、飛行時の飛行制御に対する応答性が高いという結果が得られた。また、機体の姿勢安定性の点からは重心位置が複数のロータの回転面高さの平均値と同じ水平面内にある場合に姿勢制御に要する消費電力がほぼ最小となるという結果も得られている。
【0016】
本発明は、上記課題を解決するものであり、機体重心を複数ロータの平均回転面高さより少なくとも上方位置に配置し、無線操縦や自動操縦に対して機体の飛行制御に対する応答性が高いマルチコプターを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0017】
この発明は、機体を構成する機体フレームと、エンジンと、前記エンジンにより発電する発電機と、前記エンジンに燃料を供給するための燃料タンクと、各種積載物を積載するペイロード積載部と、前記エンジンの周囲において推力生起及び飛行制御の作動を行う複数のロータと、前記複数のロータを回転駆動する複数の電動モータと、前記複数のロータを制御する制御部と、を備えたマルチコプターであって、前記複数のロータの回転面高さの平均値となる水平面よりも少なくとも上方位置にエンジンを配設すると共に、当該複数のロータはエンジンによる発電によって電動モータを駆動することにより作動するように構成したことを特徴とするマルチコプターを提供するものである。
【0018】
また、ペイロード積載部に積載物があるときには、機体フレームの中央部であって、ロータの回転面高さの平均値となる水平面内に機体重心が略位置すると共に、ペイロード積載部に積載物がないときには、ロータの回転面高さの平均値となる水平面よりも少なくとも上方に機体重心が位置するように構成することを特徴とする。
【0019】
また、エンジンに連動連設するロータを設けることなくエンジンの外周に電動モータにより駆動する前記複数のロータを配設したことを特徴とする。
【発明の効果】
【0020】
請求項１の発明によれば、エンジンを搭載し、エンジンに連設した発電機により発生した電力により電動モータを駆動することとしたので、連続飛行時間を長くすることができる。また、エンジンを複数ロータの平均回転面高さより上方に配置したので無線操縦または自動操縦における飛行制御の応答性をよくすることができる。
【0021】
請求項２の発明によれば、機体の重心位置を機体フレームの中央部であって、複数ロータの平均回転面高さと同じ水平面内としたので、飛行制御の応答性をよくするとともに、消費電力を最小に抑えることができる。
【0022】
請求項３の発明によれば、エンジン、左右２個の発電機及びエンジン外周のロータを搭載したことによる機械振動、回転モーメントをほぼゼロとすることができ、飛行制御の安定化およびホバリング時の機体姿勢安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本発明の実施形態に係るマルチコプターの基本構成を示す模式図。
【図2】本発明の実施形態に係るマルチコプターの基本構成を示す模式図。
【図3】本発明の実施形態に係るマルチコプターの外観図
【図4A】本発明の実施形態に係るマルチコプターの外観図
【図4B】本発明の実施形態に係るマルチコプターの外観図
【図5】マルチコプターの重心位置の違いによる飛行制御のシミュレーションおよび実験結果を示すグラフ。
【図6】マルチコプターの重心位置の違いによる飛行制御のシミュレーションおよび実験結果を示すグラフ。
【図7】マルチコプターの重心位置の違いによる飛行制御のシミュレーションおよび実験結果を示すグラフ。
【図8】マルチコプターの重心位置の違いによる機体の安定性を説明する図。
【図9】本発明の実施形態に係るマルチコプターの基本構成２を示す模式図。
【図10】本発明の実施形態に係るマルチコプターの基本構成３を示す模式図。
【図11】マルチコプター及び無線操縦装置を示す制御ブロック図。
【図12】農薬液用タンクから散布ノズルまでの農薬液の流路を示す模式図。
【図13】本発明の実施形態に係るマルチコプターのエンジンの内部構成を示す断面図。
【図14】本発明の実施形態に係るマルチコプターのエンジンの燃焼室の形状の概略を示す拡大図。
【図15】本発明の実施形態に係るマルチコプターのエンジンの燃焼室の形状の概略を示す断面図。
【図16】本発明の実施形態に係るマルチコプターのエンジンの構成を示す外観図。
【図17】本発明の実施形態に係るマルチコプターのエンジンの構成を示す外観図。
【発明を実施するための形態】
【0024】
本発明は、無線操縦や自動操縦に対して飛行制御の応答性が高いエンジン搭載型マルチコプターに関する。
【0025】
本発明のマルチコプターは、機体を構成する機体フレームと、エンジンと、前記エンジンにより発電する発電機と、前記エンジンに燃料を供給するための燃料タンクと、各種積載物を積載するペイロード積載部と、前記エンジンの周囲において推力生起及び飛行制御の作動を行う複数のロータと、前記複数のロータを回転駆動する複数の電動モータと、前記複数のロータを制御する制御部と、を備えたマルチコプターであって、前記複数のロータの回転面高さの平均値となる水平面よりも少なくとも上方位置にエンジンを配設すると共に、当該複数のロータはエンジンによる発電によって電動モータを駆動することにより作動するように構成したことを特徴とする。
【0026】
また、ペイロード積載部に積載物があるときには、機体フレームの中央部であって、ロータの回転面高さの平均値となる水平面内に機体重心が略位置すると共に、ペイロード積載部に積載物がないときには、ロータの回転面高さの平均値となる水平面よりも上方に機体重心が位置するように構成することを特徴とする。
【0027】
また、エンジンに連動連設するロータを設けることなくエンジンの外周に電動モータにより駆動するロータを配設したことを特徴とする。
【0028】
請求項１の発明によれば、エンジンを搭載し、エンジンに連設した発電機により発生した電力により電動モータを駆動することとしたので、連続飛行時間を長くすることができる。また、エンジンを複数ロータの平均回転面高さより上方に配置したので無線操縦または自動操縦における飛行制御の応答性をよくすることができる。
【0029】
請求項２の発明によれば、機体の重心位置を機体フレームの中央部であって、複数ロータの平均回転面高さと同じ水平面内としたので、飛行制御の応答性をよくするとともに、消費電力を最小に抑えることができる。
【0030】
請求項３の発明によれば、エンジン、左右２個の発電機及びエンジン外周のロータを搭載したことによる機械振動、回転モーメントをほぼゼロとすることができ、飛行制御の安定化およびホバリング時の機体姿勢安定化を図ることができる。
【0033】
図１及び図２に示すように、本発明のマルチコプターＡは、基本的構成としては次の部材よりなる。すなわち、機体フレームａとエンジン１と燃料タンク２とペイロード積載部３とロータ４と電動モータ５と制御部６とより基本構造が成立している。発電機７は、エンジン１の出力軸に連結して左右2個設けられている。
【0034】
機体フレームａは、パイプやプレートの組み合わせよりなり、エンジン１、発電機７、燃料タンク２、ペイロード積載部３、ロータ４、電動モータ５、制御部６を安定の機能的な位置に搭載可能な形状に構成されている。
【0035】
また、機体フレームａは、中心部に円盤状プレート或いは筒状ケース或いはクロス状パイプ等によりメインフレームｆ１を構成し、メインフレームｆ１の周辺にサイドフレームｆ２を放射状に４本突出し、メインフレームｆ１の下方に離着陸時に用いる脚体としてのスタンドフレームｆ３を設けている。
【0036】
メインフレームｆ１中心部上には、２気筒のエンジン１を、各気筒に連設して2個の発電機７，７を、エンジン側方に左右の燃料タンク２，２をそれぞれ搭載しており、また、メインフレームｆ１の所定箇所、例えば、メインフレームｆ１の外底面には、ペイロード積載部３となるロードケースＣを形成している。ロードケースＣには、本発明のマルチコプターＡの使用目的に適合した、例えば、空中積載用のカメラや、薬液散布用の噴霧器などを搭載する。
【0037】
また、中心より放射状に４本突設したサイドフレームｆ２先端には、それぞれロータ４を装着している。ロータ４は、サイドファン４−１を電動モータ５により作動するように構成している。
【0038】
また、機体フレームａのメインフレームｆ１の所定箇所には制御部６を配設して地上からの無線による遠隔操作により、或いは空中飛行時の環境変化に自動的に対応して所定の目的を達するようにエンジン１の制御と共に、マルチコプターＡの飛行制御のために電動モータ５を介してロータ４の回転数制御を行う。
【0039】
制御部６は、CPUを搭載しソフトウエアにより各種センサーからの信号を処理し、電動モータ５を介して各ロータ４の回転数を制御して必要な制御動作を行っている。
【0040】
無線による遠隔操縦信号を受信して上昇／下降、前進／後退、左右並進、左右旋回などの制御動作を行う。
【0041】
姿勢制御は、ジャイロセンサー、加速度センサーからの信号により、機体に加わる外力、回転モーメントを得て機体を水平あるいは目標とする傾斜角にするための制御動作を行う。
【0042】
位置制御は、GPS信号を受信し現在地点及び現在速度を得て目標地点に到達するために必要な制御動作を行う。
【0043】
高度制御は、気圧センサーなどからの信号を受信し高度情報を得て必要な高度を保持するための制御動作を行う。
【0044】
上記したように機体フレームａに搭載するエンジン１、発電機７、燃料タンク２、ペイロード積載部３、ロータ４、電動モータ５、制御部６等の構成部材は本発明のマルチコプターＡの空中飛行を地上からの遠隔操作により、或いは環境変化に対応した自動制御操作により所定の飛行目的を達することができるように構成している。
【0045】
サイドファン４−１は四方に突出したサイドフレームｆ２の先端に六軸ジョイントを介して電動モータに連動連結されている。
【0046】
4個のサイドファン４−１は、同一水平面の円周上に配置されている。その回転方向は、隣接するサイドファン４−１は、回転による反トルクを打ち消すために左右逆方向に回転させる。
【0047】
また、回転による反トルクを打ち消すために、各ロータ４を二重反転ロータとしてもよい。
【0048】
電動モータ５は、エンジン１の出力軸に連設された発電機７による発電を介してサイドファン４−１を駆動させる動力源となる。
【0049】
上記のように構成した基本的なマルチコプターＡにおいて本発明では、全体の機体重心を上下位置に変位可能に構成したことに特徴を有する。特に機体重心を上方に配設することにより飛行時の空中環境変化に迅速に対応可能となって、飛行制御作動の対応速度を迅速とすることができる特徴を有する。
【0050】
かかる機体重心の上下位置の特定は、複数ロータ４の回転面の平均高さを持つ水平面を水平基準レベルＬとし、この水平基準レベルＬを中心にして機体重心の上下位置を特定する。
【0051】
本実施例のマルチコプターＡにおける４個のロータ４は、その回転面が同一高さの水平面内にあるが、対角線上にある２個の対のロータ４の回転面高さを異なるようにしてもよい。このように構成することにより、ロータを含む径を短縮することができる。
【0053】
［実施例］図１に示す実施例では、水平基準レベルＬの上方にある機体フレームａのメインフレームｆ１にエンジン１を搭載すると共にエンジン１の左右側方に燃料タンク２を、エンジン１の下方にペイロード積載部３とを配置した構造である。
【0054】
最大積載量のペイロードをペイロード積載部に積載した状態での機体の重心位置Gが機体の中央部で水平基準レベルＬ上にあるように構成する。
【0055】
このようなレイアウト構造とすることにより、飛行制御に対する応答性がよく、消費電力を最小に抑えることができる。
【0056】
機体重心Ｇの変位手段は燃料タンク２とペイロード積載部３によるところが大である。水平基準レベルＬを基準としてこれらの燃料タンク２とペイロード積載部３との位置を変更することにより機体重心Ｇの位置の変化を可能とする構成としている。
【0057】
最大積載量以下のペイロードを積載した状態では、機体の重心位置Gは、水平基準レベルＬの上方となり、飛行制御に対する応答性はさらによくなる。機体姿勢は不安定となるが、制御部６の制御によって機体の姿勢安定性が確保される。
【0058】
また、図２に示すように、電動モータ５はメインフレームｆ１中心部のエンジン１の左右側に隣接して配置することができる。
【0059】
この場合において、サイドフレームｆ２先端部に設けたロータ４としてのサイドファン４−１には中心部の電動モータが出力軸やベベルギヤ等を介して機構的に動力を伝達するように構成する場合がある。
【0060】
この場合は、電動モータ５を機体フレームａの中心部のエンジン１に隣接して配置した場合はエンジン１や燃料タンク２やペイロード積載部３等と共に、重量物が機体フレームの中心部に集中することになり、機体重心はより下方に変化しやすくなる。
【0061】
しかし、電動モータ５をサイドフレームｆ２先端部に配設する通常形態の場合はサイドフレームｆ２中心部よりもその周辺に所定の重量物が配置されてその分揺動しやすくなり機体全体の安定性は中心部に集中する実施例よりは少なくなるが飛行姿勢の制御を行うための制御作動の即応性は向上する。
【0062】
重心位置の変化に伴うマルチコプターＡの安定性について、図８を用いて説明する。ここでスラスト面とは、対となるロータ４の回転面を指称している。
【0063】
なお、（１）の「重心がスラスト面内にある場合」とは重心を形成する要素の大きいエンジン１や燃料タンク２，２などの重量物をスラスト面の上部に、ペイロード積載部３をスラスト面の下部に配置し、ペイロード（各種積載物）を積載した場合に重心位置を略スラスト面内とした場合の構造を指しており、ペイロードを積載した場合の機体重心Ｇが機体の中心部にある場合である。この場合、時計回りの回転モーメントは、左右のロータ１，２の推進力をF1,F2,機体中心とロータ間の距離をlとして Mφ = F1l - F2l であり、スラスト面の垂直方向と鉛直方向の角度φ（機体傾斜角）には依存しない。この場合、機体姿勢は安定である。
【0064】
（２）の「重心がスラスト面より下にある場合」の時計回りの回転モーメントは、機体の質量をｍ、重力加速度をｇ、スラスト面と重心との距離をｈとして Mφ = F1l - F2l - mgh sinφ である。傾斜角の増大に対して回転モーメントは減少することになり機体姿勢は安定である。
【0065】
（３）の「重心がスラスト面より上にある場合」の時計回りの回転モーメントは、Mφ = F1l - F2l + mgh sinφである。この場合、傾斜角の増大に対し回転モーメントが増加し機体姿勢は不安定となる。しかし、機体姿勢安定化のために左右のロータ４の回転数制御により反時計回りの回転モーメントを発生させるのでこの不安定性は制御できる。ただし、必要な反時計回りの回転モーメントを発生させるロータの回転数制御がロータ４の能力を超えると機体姿勢は制御不能となる。したがって、マルチコプターAにおいては、重心がスラスト面の上方にあっても機体姿勢を安定的に制御可能となるように重心位置のスラスト面からの高さ、機体の最大傾斜角などが設定される。ペイロードを積載した場合に重心がスラスト面内にあっても、ペイロードが積載されていないとき、例えば運搬物を輸送した帰りとか、農薬散布でペイロードである農薬が徐々に減少するときなど、重心がスラスト面より上になる場合がある。このとき、機体の質量はペイロード分減少するので反時計回りの回転モーメントを発生させるロータの回転数制御でロータ４の能力を超えることはない。
【0066】
また、これらの重心位置と機体の姿勢との関係以外に、図５〜図７では、機体を傾斜させることによる水平方向加速度を形成して、その時に機体を水平移動させる時の重心とスラスト面との位置関係から生じる「速度」と「傾斜角」と「ロータ消費電力」との相関関係をシミュレーションした結果をグラフにした。
【0067】
図５の「重心がスラスト面より７cm上」の場合、静止状態から目標速度１０m/sに達するまでの時間は6秒、機体の最大傾斜角は２６度、最大消費電力は５kwである。
【0068】
図６の「重心がスラスト面内」の場合、静止状態から目標速度１０m/sに達するまでの時間は１３秒、機体の最大傾斜角は１７．５度、最大消費電力は３．９kwである。
【0069】
図７の「重心がスラスト面より７cm下」の場合、静止状態から目標速度１０m/sには１５秒経過しても達しない、機体の最大傾斜角は１３度、最大消費電力は３．８kwである。これらの実証研究から、機体重心の位置はスラスト面より上方に位置させる方がマルチコプターＡの飛行制御に対する応答性が良いことが分かる。
【0070】
上記のように構成された本発明のマルチコプターおいて、各積載物を積載するペイロード積載部には、マルチコプターの使用目的に応じて、例えば、空撮目的であればカメラを積載したり、山の崩落現場で崩落状況のセンシング目的であれば、センサー類を内蔵したセンサーユニットを積載することができる。かかるペイロード積載部への積載の一例として農薬散布目的で本発明のマルチコプターを使用する場合には農薬散布部を積載することができる。以下に農薬散布部の詳細について説明する。
【0071】
このようにマルチコプターＡは農薬散布に使用することができ、この農薬散布に用いる場合の構成について図９から図１０を参照しながら説明する。上述したマルチコプターＡでは、メインフレームｆ１の上側にエンジン１、その下側にペイロード積載部３を配置する構成としたが、農薬液を散布する場合には、メインフレームｆ１の下側にエンジン１を配し、その上側に農薬液を散布する農薬散布部１０を配設する構成としている。
【0072】
図９に示すように、メインフレームｆ１の下側中央にはエンジン１を搭載しており、同エンジン１の両側にそれぞれ発電機７を配し、各発電機７の外側に燃料タンク２を配設した構成とすると共に、さらにメインフレームｆ１の上側に農薬散布部１０を配設する構成としている。かかる構成に際してマルチコプターＡの重心と農薬散布部の重心とは双方性上下同じになるようにしている。
【0073】
農薬散布部１０は、農薬液用タンク１１、農薬液用ポンプ１２、同農薬液用タンク１１と同農薬液用ポンプ１２とを接続する連通パイプ１３、散布ノズル１４、タンクフレーム（図示しない）等から構成している。
【0074】
農薬液用タンク１１は、タンクフレームを介してメインフレームｆ１上に搭載される。農薬液用タンク１１は、例えばタンク内部の中空空間にパイプを内接してそのパイプ内に農薬液を充填するようにしてもよい。
【0075】
農薬液用タンク１１内の農薬液が満タンの場合ではマルチコプターＡの重心がスラスト面より僅かに上或いはスラスト面ないとなり、農薬液用タンク１１内の農薬液が空の場合にはマルチコプターＡの重心はスラスト面より下になるがマルチコプターＡの重量が軽い状態となり制御応答性はそれほど悪化しないため、安全に飛行を行うことが可能である。
【0076】
農薬液用ポンプ１２は、メインフレームｆ１上中央に搭載する構成としている。また、農薬液用タンク１１と散布ノズル１４との間は連通パイプ１３で接続されており、この連通パイプ１３の中途部に農薬液用ポンプ１２を接続し、同タンク１１から農薬液用ポンプ１２を介して供給される農薬液を散布ノズル１４に吐出する。農薬液用ポンプ１２は、発電機７と電気的に接続されており、発電機７から供給される電気により駆動して、開閉弁を開き農薬液を圧送する。
【0077】
散布ノズル１４は、農薬液を下方に向かって広範囲に散布可能な構成としており、メインフレームｆ１の側面から下方へ延伸したＬ字状の連通パイプ１３の先端部に連通連結している。かかる構成とすることにより散布ノズル１４から吐出した農薬液はサイドファンの回転気流により圃場に散布される。なお、散布ノズル１４は、回転しながら噴霧するアトマイザーであってもよい。
【0078】
さらに、農薬散布部１０の作動及び停止を地上の作業者が遠隔操作するための無線操縦装置２０を別途使用者の手元に設けるようにしている。マルチコプターＡの農薬散布部１０の作動及び停止は、無線操縦装置２０に設けた農薬散布部１０の作動ボタン２２を操作することにより行われる。
【0079】
マルチコプターＡは、無線操縦装置２０から送信される農薬散布部１０を作動及び停止する操作信号を受信する受信部８を備えており、この受信部８が操作信号を受信するとマルチコプターＡの制御部６は信号に基づいて農薬散布部１０を作動及び停止制御する。図１２中、符号２１は無線操縦装置２０の中央演算装置（ＣＰＵ）であり、中央演算装置２１は作動ボタン２２をオン又はオフした信号を処理してその操作信号を無線送信部２３から送信し、マルチコプターＡの受信部８が受信する。
【0080】
次に、作業者が無線操縦装置２０でマルチコプターＡから農薬を散布する手順について説明する。
【0081】
作業者は、農薬散布部１０の農薬液用タンク１１に圃場に散布する農薬液を充填し、農薬液用タンク１１をマルチコプターＡのタンクフレームに装着する。
【0082】
マルチコプターＡは圃場上空に飛行し、さらに作業者が無線操縦装置２０の農薬散布部１０の作動ボタン２２を操作すると操作信号に基づいて、マルチコプターＡは農薬液を散布ノズル１４から下方の圃場に向けて散布する。すなわち、無線操縦装置２０の作動ボタン２２がオンとなると農薬散布を開始する操作信号がマルチコプターＡに送信される。マルチコプターＡの受信部８が操作信号を受信し、制御部６は操作信号に基づいて、農薬散布部１０の農薬液用ポンプ１２を駆動しつつ開閉弁を開き、農薬液を農薬液用タンク１１から農薬液用ポンプ１２を介して散布ノズル１４に吐出して、マルチコプターＡの直下の圃場に散布する。
【0083】
圃場への農薬液の散布を終了する際は、作業者は無線操縦装置の農薬散布部１０の作動ボタン２２をオフすることにより、農薬散布を停止する操作信号がマルチコプターＡに送信される。マルチコプターＡの受信部８が操作信号を受信し、制御部６は操作信号に基づいて、農薬散布部１０の農薬液用ポンプ１２を停止しつつ開閉弁を閉じる。かかる操作によりマルチコプターＡからの農薬散布が終了する。
【0084】
図１０に示すマルチコプターＡは、メインフレームｆ１の上側に農薬散布部１０を配し、その両側に燃料タンク２，２を搭載する構成としている。メインフレームｆ１の下側には、中央にエンジン１を配して、その両側に発電機７，７を搭載する構成としている。
【0085】
農薬散布部１０は、農薬液用タンク１１、農薬液用ポンプ１２、同農薬液用タンク１１と散布ノズル１４とを接続する連通パイプ１３、散布ノズル１４、タンクフレーム（図示しない）等から構成している。なお、農薬散布部１０の各構成部ついては、上述した構成部と同一符号を付して重複説明を省略する。
【0086】
農薬液用タンク１１内の農薬液が満タンの場合ではマルチコプターＡの重心がスラスト面より僅かに上或いはスラスト面ないとなり、農薬液用タンク１１内の農薬液が空の場合にはマルチコプターＡの重心はスラスト面より下になるがマルチコプターＡの重量が軽い状態となり制御応答性はそれほど悪化しないため、安全に飛行を行うことが可能である。
【0087】
マルチコプター用のエンジン１の基本的構成の一例について説明する。本マルチコプター用エンジン１は、１気筒内に左右の水平シリンダが対向するエンジン
である。
【0088】
図１３に示すように、エンジンブロック１５１は、左右に分割した左右エンジンブロック１５１−１，２、及び左右エンジンブロック１５１−１，２の開放端部を閉塞する左右クランクカバー１１７ａ，１１８ａより構成している。
【0089】
また、左シリンダ（左シリンダブロック）単体１４８と右シリンダ（右シリンダブロック）単体１４９とを接合して一つの水平シリンダ１０１を形成している。水平に形成された水平シリンダ１０１内には、独立して左右ピストン１０２，１０３を互いに左右ピストンヘッド１０４，１０５が対峙した状態で摺動自在に収納している。
【0090】
左右ピストンヘッド１０４，１０５間に連通している燃焼室Ｓは、混合ガスを充填してその中で点火爆発させることにより左右ピストン１０２，１０３を互いに離反近接する方向に摺動させ、かかるピストン作動から後述するクランク機構を介してピストン出力を取出すように構成している。
【0091】
燃焼室Ｓは、具体的には図１４に示すように、一部左右ピストンヘッド１０４，１０５の近接部分にそれぞれ形成した傾斜面１０４ａ，１０５ａからなる接合空間Ｓ−１（副燃焼室）と、水平シリンダ１０１の中途部側壁を膨出して接合空間Ｓ−１に連通して形成した容積空間Ｓ−２（主燃焼室）とから構成されている。
【0092】
ここで、容積空間Ｓ−２とは、燃焼室Ｓを構成する空間から対向する左右ピストンヘッド１０４，１０５間のクリアランス（例えば、構成部品精度公差、熱膨張、ピストンヘッドの挙動を考慮した空間等）と上述した接合空間Ｓ−１と、後述のスパークプラグ１０６、吸気用バルブ１０７及び排気用バルブ１３５等の占有空間とを除いた空間である。
【0093】
この扁平凹部１０４ａ’，１０５ａ’により形成される空間を接合空間Ｓ−１（副燃焼室）とし、接合空間Ｓ−１は、水平シリンダ１の中途部側壁を水平シリンダ１０１の断面方向に沿った略扁平状に膨出して水平シリンダ１０１本体の外方に形成した容積空間Ｓ−２に連通している。
【0094】
容積空間Ｓ−２（主燃焼室）の形状は、接合空間Ｓ−１の下縁部に連通する半円弧状凹部１０４ｂ’，１０５ｂ’と、半円弧状凹部１０４ｂ’，１０５ｂ’から左右に半円弧状に拡大した左右拡大部１０４ｃ’，１０５ｃ’と、半円弧状凹部１０４ｂ’，１０５ｂ’から左右拡大部１０４ｃ’，１０５ｃ’にかけて、漸次下方に向かって空間の厚みが増加する燃焼空間Ｓ−３と、により形成されている。
【0095】
そして、左右拡大部１０４ｃ’，１０５ｃ’の一側方における中央下部には、スパークプラグ１０６の先端が配設されており、左右拡大部１０４ｃ’，１０５ｃ’の両側方における拡大部分には、吸排気用バルブ１０７，１３５の先端が配設されている。
【0096】
また、図１５に示すように、右ピストンヘッド１０５側の容積空間Ｓ−２の外側には、吸気用バルブ１０７及び排気用バルブ１３５のバルブ設置孔１３５ａ，１０７ａが設けられ、吸気用バルブ１０７及び排気用バルブ１３５を配置可能としている。
【0097】
吸気用バルブ１０７は、混合ガスをガス供給部（図示せず）から導入して適当なタイミングで燃焼室Ｓ内に混合ガスを吸気させるものである。図３に示すように、吸気用バルブ１０７のステム１０８は、ステム駆動機構１０９を介して進退自在に構成されており、進退作動にともない吸気用バルブ１０７の開閉作動を行う。
【0098】
また、排気用バルブ１３５は、上記吸気用バルブ１０７と同様な構成であり、燃焼室Ｓ内の排気ガスを、後述のバルブ設置孔から適当なタイミングで排気させるものである。
【0099】
このように、吸気用バルブ１０７及び排気用バルブ１３５を燃焼室Ｓとしての容積空間Ｓ−２に連通して配置すると共に、吸気用バルブ１０７及び排気用バルブ１３５はバルブ動作軸芯が水平シリンダに対して傾斜して付設し、対向ピストン型エンジンＡをコンパクト化し、結果的に燃焼室Ｓの容積空間Ｓ−２を可及的に小さくして、その分高圧縮比化を可能としている。
【0100】
図１３に示すように、左右ピストン１０２，１０３のボトム部、すなわち左右ピストン１０２，１０３にはそれぞれ左右クランク機構１１７，１１８を連動連設している。左右クランク機構１１７，１１８は、左右コンロッド１１９，１２０と、該左右コンロッド１１９，１２０及び左右クランク出力軸１２３，１２４の間に付設したカム機能の左右クランクアーム１２１，１２２とより構成されており、左右クランク機構１１７，１１８からの各出力は、左右クランク出力軸１２３，１２４を介して外部へ出力される。
【0101】
このように、左右ピストン１０２，１０３のボトム部にそれぞれ左右クランク機構１１７，１１８を連動連設し、左右ピストン１０２，１０３からの出力を左右クランク機構１１７，１１８における左右クランク出力軸１２３，１２４から２軸で取出し、各２軸はそれぞれ反対方向に回転するように構成している。
【0102】
このように構成することにより、左右クランク出力軸１２３，１２４からの回転出力に変動があって過不足の回転が生起すると、回転トルクが変動して反力が種々の形態で発生するが、どのような反力が発生しても常に左右の反力は同一形態で生起されるため互いに打ち消し合うようにすることができる。
【0103】
また、外部アクチュエータＭとして発電機を同時に駆動させることができる。
【0104】
なお、吸気用バルブ１０７及び排気用バルブ１３５は、ステム駆動機構１０９を介して進退自在に構成されており、各吸気用バルブ１０７及び排気用バルブ１３５のステムの基端は、ステム駆動機構１０９に連動連設し、一方のバルブが開放すれば他方のバルブは閉塞するような時差連動機構となっている。
【0105】
次に本発明のマルチコプターＡのエンジン１を中心としてエンジン１からの出力を受けて稼働する発電機７及びエンジン１の主燃焼室３３０に連通する吸排気用バルブ３１３，３１４に関連する連動機構について図１６〜図１７を参照しながら説明する。
【0106】
左右シリンダ３０１Ｌ，３０１Ｒは機体フレームａの左右方向に伸延状態に配設されており、左右シリンダ３０１Ｌ，３０１Ｒの左右ピストン３０２Ｌ，３０２Ｒには左右クランク機構３０８Ｌ，３０８Ｒを連動連設しており、クランクシャフト３０９，３０９の先端には左右発電機７，７が連結され、クランク機構３０８Ｌ，３０８Ｒの機械エネルギーを発電機７の電気エネルギーに変換してエンジン１の周辺に配したロータ４に通電し、電動モータ５を介してサイドファン４−１を駆動しマルチコプターＡの飛行を可能としている。
【0107】
クランクシャフト３０９の先端回転軸３１０には、発電機７のマグネット回転子７ａが一体に連動されている。
【0108】
また、図中の符号３１１は反転ベルト、３１２はプーリーを示しており、左右クランク機構３０８Ｌ，３０８Ｒの左右クランク出力軸３１０の回転出力を反対方向に回転するように構成して、反転ベルト３１１とプーリー３１２により回転方向を反転させるカウンタローテーションを実現することで左右クランク出力軸３０８Ｌ’，３０８Ｒ’からの回転反力を互いに打ち消して低振動化を図っている。なお、符号３３０は冷却ファンであり、３３１はオイルタンクである。
【0109】
また、シリンダの外部膨出部たる容積空間Ｓ−２（主燃焼室）に互いに対向状態で連通した吸排気用バルブ３１３，３１４の進退作動機構は次の通りである。
【0110】
すなわち、左右ピストンヘッド３０４，３０５の先端部は、クランク機構３０８Ｌ，３０８Ｒの左右クランク出力軸３０８Ｌ’，３０８Ｒ’を介してバルブ駆動用カム３１９，３１９に連動連設している。
【0111】
バルブ駆動用カム３１９，３１９は、ヘッド部を対向配設したポペットバルブ機構の吸排気用バルブ３１３，３１４を所定間隔で摺動する。
【0112】
すなわち、エンジン１の左右ピストンヘッド３０４，３０５のストローク作動に応じて左右クランク機構３０８Ｌ，３０８Ｒ及びギヤ群を介して、最終的にバルブ駆動用カム３１９，３１９がカム作動して吸排気用バルブ３１３，３１４による混合ガスの吸排気作動を行う。
【0113】
なお、吸排気用バルブ３１３，３１４は一般的なエンジンバルブと同様にステムとキノコ型のバルブ本体と、バルブシートと閉塞用の付勢スプリングより構成され、バルブ全体がステムの軸方向に摺動することによりバルブシートとバルブ本体との間隔が変化して吸気孔３２４への混合燃料の流量を制御するように構成されている。
【符号の説明】
【0114】
Ａ マルチコプターＣ ロードケース
ａ 機体フレーム
ｆ１ メインフレーム
ｆ２ サイドフレーム
Ｇ 機体重心
Ｌ 水平基準レベル
１ エンジン
２ 燃料タンク
３ ペイロード積載部
４ ロータ
４−１ サイドファン
５ 電動モータ
６ 制御部
７ 発電機
１０ 農薬散布部
１１ 農薬液用タンク
１２ 農薬液用ポンプ
１３ 連通パイプ
１４ 散布ノズル