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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-08
(45)【発行日】2024-10-17
(54)【発明の名称】マルチコプタ
(51)【国際特許分類】
   B64D 25/00 20060101AFI20241009BHJP
   B64C 27/08 20230101ALI20241009BHJP
   B64D 27/24 20240101ALI20241009BHJP
   B64C 39/02 20060101ALI20241009BHJP
   H02J 7/00 20060101ALI20241009BHJP
【FI】
B64D25/00
B64C27/08
B64D27/24
B64C39/02
H02J7/00 B
H02J7/00 X
【請求項の数】 3
(21)【出願番号】P 2021073393
(22)【出願日】2021-04-23
(65)【公開番号】P2022167542
(43)【公開日】2022-11-04
【審査請求日】2023-08-08
(73)【特許権者】
【識別番号】000116574
【氏名又は名称】愛三工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000291
【氏名又は名称】弁理士法人コスモス国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】竹川 翔一朗
【審査官】結城 健太郎
(56)【参考文献】
【文献】特開2020-138594(JP,A)
【文献】特開2018-55463(JP,A)
【文献】特開2016-88110(JP,A)
【文献】再公表特許第2017/216854(JP,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B64D 25/00,27/00,17/80,
B64C 27/00,39/02,
B64U 10/10,50/10,50/34,70/83,
H02J 7/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
機体と、前記機体を飛行させる電力を充放電可能なバッテリと、前記バッテリに前記電力を供給する発電機と、を有するマルチコプタにおいて、
前記機体の高度が高いほど前記バッテリの充電率使用範囲の下限値を高くする制御部を有すること、
を特徴とするマルチコプタ。
【請求項2】
請求項1のマルチコプタにおいて、
前記制御部は、前記バッテリの充電率が前記充電率使用範囲の下限値未満である場合に、前記発電機を前記バッテリに前記電力を急速充電させるための充電モードで運転させること、
を特徴とするマルチコプタ。
【請求項3】
請求項1または2のマルチコプタにおいて、
前記制御部は、
風速に応じて緊急時着陸速度を算出し
記緊急時着陸速度が遅いほど前記充電率使用範囲の下限値を高くすること、
を特徴とするマルチコプタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、マルチコプタに関する。
【背景技術】
【0002】
マルチコプタに関する文献として、特許文献1には、バッテリと、このバッテリに電力を供給する発電機と、を有するマルチコプタが開示されている。そして、この特許文献1に開示されるマルチコプタでは、バッテリの充電残量が少ない場合に、マルチコプタの飛行を制限しつつ、飛行するための電力を発電機から供給しつつ、残余分をバッテリに供給している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開2020-138594号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
マルチコプタの飛行中に異常事態が発生して発電機が停止した場合、マルチコプタを緊急着陸させることが望ましい。ここで、バッテリは通常、そのSOC(State Of Charge、充電率)が所定の使用範囲内に保持されるように、発電機でバッテリ残量が管理されているが、その使用範囲はマルチコプタの機体の高度によらず、一定に定められていることが多い。そのため、仮にSOCの使用範囲の下限値付近で発電機が停止した場合に、機体の高度によっては、着陸に必要なエネルギ量が不足して、バッテリ単体で安定して緊急着陸できないおそれがある。なお、特許文献1においては、このように機体の高度によっては安定して緊急着陸できないおそれに関しては、何ら開示されていない。
【0005】
そこで、本開示は上記した課題を解決するためになされたものであり、どの高度からでも安定して緊急着陸できるマルチコプタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するためになされた本開示の一形態は、機体と、前記機体を飛行させる電力を充放電可能なバッテリと、前記バッテリに前記電力を供給する発電機と、を有するマルチコプタにおいて、前記機体の高度が高いほど前記バッテリの充電率使用範囲の下限値を高くする制御部を有すること、を特徴とする。
【0007】
この態様によれば、機体の高度が高いほどバッテリの充電率使用範囲の下限値を高くすることにより、マルチコプタの飛行中に発電機が異常停止した場合であっても、バッテリ単体でマルチコプタを安定して緊急着陸させることができるように最低限のバッテリの充電率を常に確保しておくことができる。そのため、マルチコプタは、どの高度からでも、バッテリの電力のみを使用して、安定して緊急着陸できる。
【0008】
上記の態様においては、前記制御部は、前記バッテリの充電率が前記充電率使用範囲の下限値未満である場合に、前記発電機を前記バッテリに前記電力を急速充電させるための充電モードで運転させること、が好ましい。
【0009】
この態様によれば、発電機を充電モードで運転させてバッテリに電力を急速充電させることにより、バッテリ単体でマルチコプタを安定して緊急着陸できるようにバッテリの充電率を確保しておくことができる。そのため、マルチコプタは、より確実に、どの高度からも安定して緊急着陸できる。
【0010】
上記の態様においては、前記制御部は、風速に応じて緊急時着陸速度を算出し、前記緊急時着陸速度が遅いほど前記充電率使用範囲の下限値を高くすること、が好ましい。
【0011】
この態様によれば、マルチコプタは、強風下においても機体の姿勢を崩さずに、どの高度からも安定して緊急着陸できる。
【発明の効果】
【0012】
本開示のマルチコプタによれば、どの高度からでも安定して緊急着陸できる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】第1,2実施形態のマルチコプタの外観斜視図である。
図2】第1実施形態のマルチコプタの構成を示すブロック図である。
図3】第1,2実施形態で行う制御の内容を示すフローチャート図である。
図4】第1実施形態のSOC下限値の算出方法を表したフローチャート図である。
図5】機体の高度と着陸に必要なエネルギ量との関係を規定したマップの一例を示す図である。
図6】現在の満充電容量と着陸に必要なエネルギ量とを示した図である。
図7】マルチコプタの飛行の様子とSOC下限値とを示した図である。
図8】第2実施形態のマルチコプタの構成を示すブロック図である。
図9】第2実施形態のSOC下限値の算出方法を表したフローチャート図である。
図10】対気速度と対地速度と風速との関係を説明した図である。
図11】風速の大きさと緊急時着陸速度との関係を規定したマップの一例を示す図である。
図12】機体の高度と着陸に必要なエネルギ量と緊急時着陸速度との関係を規定したマップの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本開示のマルチコプタの実施形態について説明する。
【0015】
〔第1実施形態〕
まず、第1実施形態について説明する。
【0016】
<マルチコプタの概要>
(マルチコプタの構成)
図1に示すように、本実施形態のマルチコプタ1は、機体11とエンジン発電ユニット12を有する。
【0017】
機体11には、プロペラ21とモータ22と機体本体部23が設けられている。
【0018】
プロペラ21は、複数設けられている。そして、この複数のプロペラ21を回転させることにより、マルチコプタ1は飛行する。
【0019】
モータ22は、各々のプロペラ21に設けられ、プロペラ21を回転させる。モータ22は、図2に示すように、後述するパワーコントロールユニット(以下、「PCU」という。)32を介して、後述するバッテリ31やエンジン発電ユニット12(詳しくは、ジェネレータ42)に電気的に接続されている。これにより、エンジン発電ユニット12にて発電された電力(発電電流)やバッテリ31から放電される電力(放電電流)が、PCU32を介して、例えば供給電流として、モータ22に供給される。
【0020】
機体本体部23には、図2に示すように、バッテリ31と、PCU32と、高度センサ33が設けられている。
【0021】
バッテリ31は、機体11を飛行させる電力を充放電可能な充放電部(二次電池、蓄電池)である。図2に示すように、バッテリ31は、PCU32を介して、エンジン発電ユニット12(詳しくは、ジェネレータ42)と電気的に接続されており、エンジン発電ユニット12で発電された電力を充電する。また、バッテリ31は、PCU32を介して、モータ22と電気的に接続されており、モータ22に供給する電力を放電する。
【0022】
PCU32は、小型のコンピュータとして構成されており、マルチコプタ1の全体を制御する。例えば、PCU32は、エンジン41の駆動を制御して、ジェネレータ42での発電を制御する。このPCU32は、エンジン発電ユニット12で発電された電力を受給したり、バッテリ31との間で電力(充放電電流)の供給および受給を行ったり、モータ22へ電力(供給電流)を供給したりする。
【0023】
高度センサ33は、機体11の高度(すなわち、マルチコプタ1の高度)を計測する高度取得部である。そして、PCU32は、この高度センサ33で計測した機体11の高度の情報(現在高度情報)を取得する。
【0024】
エンジン発電ユニット12は、図1図2に示すように、エンジン41とジェネレータ(すなわち、発電機)42を備えている。エンジン41は、ジェネレータ42の動力源であって、例えば、小型のディーゼルエンジンやレシプロエンジンなどである。すなわち、エンジン41は、モータ22またはバッテリ31へ供給する電力(すなわち、機体11を飛行させる電力)をジェネレータ42で発電するために駆動する。ジェネレータ42は、バッテリ31に電力を供給する。
【0025】
また、本実施形態のマルチコプタ1においては、モータ22とバッテリ31とエンジン41によりシリーズハイブリッドシステムが構成されている。すなわち、マルチコプタ1においては、エンジン41が発電のみに使用され、モータ22がプロペラ21の駆動に使用され、さらに電力を回収するためのバッテリ31を有するシステムが構成されている。このようにして、マルチコプタ1は、エンジン41の駆動によりジェネレータ42にて発電し、発電した電力でモータ22を駆動してプロペラ21を駆動することにより、飛行する。また、マルチコプタ1は、エンジン41の駆動によりジェネレータ42にて発電した際の余剰電力を、バッテリ31に一旦蓄え、必要に応じてモータ22の駆動に用いる。
【0026】
(マルチコプタの作用)
このような構成のマルチコプタ1は、モータ22に電力を供給し、複数のプロペラ21を回転させることにより飛行する。そして、プロペラ21の回転数を制御し、プロペラ21の回転によって得られる揚力をマルチコプタ1自体の重力とバランスさせることで、マルチコプタ1のホバリング飛行や前進・後進・左右移動飛行を実現させることができる。また、プロペラ21により発生させる揚力を大きくしてマルチコプタ1の上昇飛行を実現させることができ、プロペラ21により発生させる揚力を小さくしてマルチコプタ1の下降飛行を実現させることができる。
【0027】
<SOCの管理について>
本実施形態では、エンジン発電ユニット12が何らかの原因により停止した場合でも、どの高度からもバッテリ31単体でマルチコプタ1を安定して緊急着陸できるように、PCU32によりバッテリ31のSOCを制御して管理する。
【0028】
具体的には、PCU32は、図3に示すフローチャートに基づく制御を行う。
【0029】
図3に示すように、まず、PCU32は、SOC下限値を算出する(ステップS1)。ここで、「SOC下限値」は、バッテリ31のSOCの使用範囲(充電率使用範囲)の下限値である。
【0030】
本実施形態では、PCU32は、図4に示すようにSOC下限値を算出する。図4に示すように、PCU32は、高度センサ33から現在の機体11の高度を取得する(ステップS11)。なお、PCU32は、高度センサ33から現在の機体11の高度を取得する代わりに、後述するGPS53から機体11の位置情報を取得して、この取得した位置情報から現在の機体11の高度を算出してもよい。
【0031】
次に、PCU32は、例えば図5に示すマップを用いて、バッテリ31単体での着陸に必要な総エネルギ量、すなわち、エンジン発電ユニット12が停止した場合にバッテリ31単体でマルチコプタ1を安定して緊急着陸させるために必要な総エネルギ量(以下、「着陸に必要なエネルギ量」という。)を算出する(ステップS12)。
【0032】
図5は、機体11の高度と着陸に必要なエネルギ量との関係を規定したマップである。図5に示すように、機体11の高度が高いほど、着陸に必要なエネルギ量が多くなる。なお、図5は、緊急時着陸速度が3m/sである場合の一例を示している。また、図5のマップにおいて、緊急時着陸速度が遅くなると、緊急着陸するために多くの時間を要するので、着陸に必要なエネルギ量が多くなる。一方、緊急時着陸速度が速くなると、緊急着陸するためにあまり時間を要しないので、着陸に必要なエネルギ量が少なくなる。
【0033】
次に、PCU32は、ステップS12で算出した着陸に必要なエネルギ量を用いて、SOC下限値を算出する(ステップS13)。
【0034】
具体的には、PCU32は、図6に示すように、バッテリ31における「初期の満充電容量」からバッテリ31の劣化分の容量低下を考慮した「現在の満充電容量」と、「着陸に必要なエネルギ量」とに基づいて、下記の数式を用いて、SOC下限値を算出する。なお、「満充電容量」とは、バッテリ31が完全に充電された状態から取り出し可能な容量である。
[数1]
SOC下限値=(着陸に必要なエネルギ量)/(現在の満充電容量)
【0035】
このようにして、PCU32は、SOC下限値を算出することにより、機体11の高度に応じてSOC下限値を変化させる。
【0036】
そして、図3の説明に戻って、PCU32は、現在のSOCが、ステップS1で算出したSOC下限値未満であるか否かを判断する(ステップS2)。なお、PCU32は、バッテリ31からSOC情報(図2参照)として、現在のSOCを取得する。
【0037】
そして、PCU32は、現在のSOCがSOC下限値未満であると判断した場合(ステップS2:YES)には、発電機充電出力点動作指示を行う(ステップS3)。ここで、「発電機充電出力点動作指示を行う」とは、エンジン発電ユニット12に対してバッテリ31に電力を急速充電させる充電モードで運転するように指示を行う、ということである。そして、このようにして、PCU32は、現在のSOCがSOC下限値未満である場合に、エンジン発電ユニット12を充電モードで運転させる。
【0038】
一方、PCU32は、現在のSOCが、SOC下限値以上(ステップS2:NO)であって、かつ、SOC上限値以上であると判断した場合(ステップS4:YES)には、発電機最適燃費出力点動作指示を行う(ステップS5)。ここで、「発電機最適燃費出力点動作指示を行う」とは、エンジン発電ユニット12に対して最適な燃費で運転する燃費モードで運転するように指示を行う、ということである。そして、このようにして、PCU32は、現在のSOCがSOC上限値以上である場合に、エンジン発電ユニット12を燃費モードで運転させる。なお、「SOC上限値」は、バッテリ31のSOCの使用範囲の上限値である。
【0039】
また、PCU32は、現在のSOCが、SOC下限値以上(ステップS4:NO)であって、かつ、SOC上限値未満であると判断した場合(ステップS4:NO)には、ステップS1の処理に戻る。
【0040】
以上のような制御が行われることにより、図7に示すようなマルチコプタ1の飛行が行なわれる。図7に示すように、高度一定巡行(すなわち、機体11の高度を一定にした飛行)を行っている状態から、機体11の高度を上げると、着陸に必要なエネルギ量が多くなるので、SOC下限値を高くして、高度一定巡行を行う。そして、その後、機体11の高度を下げると、着陸に必要なエネルギ量が少なくなるので、SOC下限値を低くして、高度一定巡行を行う。
【0041】
本実施形態によれば、PCU32は、機体11の高度に応じて、バッテリ31のSOC下限値を変化させる。
【0042】
このようにして、機体11の高度に応じてSOC下限値を変化させておくことにより、マルチコプタ1の飛行中にエンジン発電ユニット12が異常停止した場合であっても、バッテリ31単体でマルチコプタ1を安定して緊急着陸させることができるように最低限のバッテリ31のSOCを常に確保しておくことができる。そのため、マルチコプタ1は、どの高度からでも、バッテリ31の電力のみを使用して、安定して緊急着陸できる。
【0043】
また、従来は、図7の破線で示すように、SOC下限値を高めに設定して、SOCの使用範囲が狭かったので、バッテリ31の充放電回数が多くなる傾向にあった。これに対し、本実施形態では、SOC上限値を変えずにSOC下限値を低めに設定することにより、SOCの使用範囲が広がるので、バッテリ31の充放電回数が少なくなり、バッテリ31の劣化速度を抑えることができる。
【0044】
例えば機体11の高度を上げた場合や、マルチコプタ1が風などの外乱の影響を受けた場合には、モータ22における電力の消費が多くなって、バッテリ31のSOCがSOC下限値未満になる可能性がある。
【0045】
そこで、PCU32は、バッテリ31のSOCがSOC下限値未満である場合に、エンジン発電ユニット12を充電モードで運転させる。
【0046】
このようにして、エンジン発電ユニット12を充電モードで運転させてバッテリ31に電力を急速充電させることにより、バッテリ31単体でマルチコプタ1を安定して緊急着陸できるようにバッテリ31のSOCを確保しておくことができる。そのため、マルチコプタ1は、より確実に、どの高度からも安定して緊急着陸できる。
【0047】
〔第2実施形態〕
次に、第2実施形態について説明するが、第1実施形態と異なる点のみ説明し、第1実施形態と共通する点の説明は省略する。
【0048】
マルチコプタ1が緊急着陸するため下降している時に、風速が大きいと、マルチコプタ1の姿勢が安定し難い。そして、このように風速が大きくマルチコプタ1の姿勢が安定し難い状況下で、緊急時着陸速度(すなわち、緊急着陸する際の下降速度)が速すぎると、マルチコプタ1が姿勢を崩して安定して緊急着陸できないおそれがある。
【0049】
そこで、本実施形態では、PCU32は、現在の風速を常に算出して、算出した風速に応じて、緊急時着陸速度を変える。例えば、PCU32は、風速が大きいほど、緊急時着陸速度を遅くする。
【0050】
このようにして、本実施形態では、PCU32は、算出した風速に応じて緊急時着陸速度を変えるが、緊急時着陸速度が変わると、着陸までに要するエネルギ量も変わってしまう。例えば、緊急時着陸速度を遅くするほど、着陸までに要するエネルギ量が多くなってしまう。そうすると、機体11の高度によっては、着陸に必要なエネルギ量が不足して、バッテリ31単体で安定して緊急着陸できないおそれがある。
【0051】
そこで、本実施形態では、PCU32は、風速に応じて算出した緊急時着陸速度に応じて、SOC下限値を変化させる。すなわち、PCU32は、機体11の高度と、風速に応じて算出した緊急時着陸速度とに応じて、SOC下限値を変化させる。このようにして、PCU32は、機体11の高度に応じてSOC下限値を変化させる際には、風速に応じて算出した緊急時着陸速度も考慮してSOC下限値を変化させる。
【0052】
本実施形態では、図8に示すように、機体11の機体本体部23は、フライトコントローラ51と、対気速度センサ52と、GPS53を備えている。
【0053】
フライトコントローラ51は、マルチコプタ1の飛行の制御を行う飛行制御部である。対気速度センサ52は、対気速度を計測する対気速度計測部である。GPS(すなわち、GPSセンサ)53は、マルチコプタ1の位置を計測する位置計測部である。
【0054】
そして、本実施形態では、PCU32は、前記の図3のステップS3においてSOC下限値を算出するときに、図9に示すようにしてSOC下限値を算出する。
【0055】
図9に示すように、まず、PCU32は、対気速度センサ52により対気速度を計測する(ステップS21)。具体的には、PCU32は、対気速度情報として、フライトコントローラ51を介して対気速度センサ52から対気速度の計測値を取得する。
【0056】
次に、PCU32は、GPS53により対地速度を計測する(ステップS22)。具体的には、PCU32は、対地速度情報として、フライトコントローラ51を介してGPS53から対地速度の計測値を取得する。
【0057】
次に、PCU32は、図10に示すように対気速度と対地速度に基づいて、風速を算出する(ステップS23)。
【0058】
次に、PCU32は、ステップS23で算出した風速に基づいて、例えば図11に示すマップを用いて、緊急時着陸速度を算出する(ステップS24)。なお、図11は、風速の大きさと、緊急時着陸速度との関係を規定したマップである。このようにして、風速に応じて、緊急時着陸速度を変える。すなわち、風速が大きいほど、緊急時着陸速度を遅くする。
【0059】
次に、PCU32は、前記のステップS11と同様にして、現在の機体11の高度を取得する(ステップS25)。
【0060】
次に、PCU32は、例えば図12に示すマップを用いて、着陸に必要なエネルギ量を算出する(ステップS26)。図12は、機体11の高度と着陸に必要なエネルギ量と緊急時着陸速度との関係を規定したマップである。なお、図12では、一例として、緊急時着陸速度が1m/sである場合と、緊急時着陸速度が3m/sである場合について、機体11の高度と着陸に必要なエネルギ量との関係を規定している。図12に示すように、緊急時着陸速度が遅くなると、緊急着陸するために多くの時間を要するので、着陸に必要なエネルギ量が多くなる。一方、緊急時着陸速度が速くなると、緊急着陸するためにあまり時間を要しないので、着陸に必要なエネルギ量が少なくなる。
【0061】
次に、PCU32は、ステップS26で算出した着陸に必要なエネルギ量を用いて、前記のステップS13と同様にして、SOC下限値を算出する(ステップS27)。
【0062】
本実施形態によれば、PCU32は、風速に応じて緊急時着陸速度を算出し、機体11の高度に応じてSOC下限値を変化させる際には、風速に応じて算出した緊急時着陸速度も考慮してSOC下限値を変化させる。
【0063】
これにより、マルチコプタ1は、強風下においても機体11の姿勢を崩さずに、どの高度からも安定して緊急着陸できる。
【0064】
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本開示を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。
【符号の説明】
【0065】
1 マルチコプタ
11 機体
12 エンジン発電ユニット
21 プロペラ
22 モータ
23 機体本体部
31 バッテリ
32 PCU(パワーコントロールユニット)
33 高度センサ
41 エンジン
42 ジェネレータ
51 フライトコントローラ
52 対気速度センサ
53 GPS
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12