回転翼無人機によるプロペラ推進式滑走移動体、特に、水中翼船

本発明は、一般に、回転翼滑走移動体に関し、特に、空中推進部による駆動によって、水上、雪上または氷上を滑走する移動体に関する。

上述したような移動体は、遊びや実用を目的として用いられる小規模モデル等としてすでに知られている。このような移動体は、主要変位方向の推力を与えるプロペラと、双胴船または三胴船の構造をなす胴体セットと、方向転換を可能にする舵とを備える。他の小規模モデルとして、水中プロペラを有するものもある。

特許文献1および特許文献2には、共通の胴体に装着された2つの独立制御式プロペラを含む上述したようなタイプの移動体が記載されている。

国際公開第02/060550号

米国特許出願公開第2007/0010159号明細書

本発明の目的は、遊びや実用の両方の目的のために、既存の無人機を利用して、単純かつ直観的に例えば無人機の種々の操縦を実現することが可能であって、可動部品を備えていない単純かつ堅牢な構造を備えた滑走変位型移動体を提案することである。

上記目的のために、上述した特許文献1に開示されているように、滑走要素セットが下側領域に設けられた滑走静的構造を備える移動体が提案されている。

本発明の特質上、移動体は、推進部を形成する複数のロータを有する回転翼無人機の取り外し可能な取り付けのための手段をさらに備え、複数のロータは、移動体の滑走の主軸に沿った成分を有する推力をそれぞれかけるように構成され、複数のロータの比例且つ個別化された駆動によって、速度および方向において移動体の操縦が可能になる。

このような移動体の好適で非制限的ないくつかの態様は、個別に、または当業者が技術的に可能であると考える任意の組み合わせにより、以下の特性を備える。 −滑走静的構造は、方向付け可能な方向性部材と、電子推進および/または方向制御及び駆動手段がない機械構造である。 −取り付け手段は、移動体の滑走の主軸に交差する軸の周りに関節接合されたアームを備える。 −アームは回転自在であり、ロータが回転駆動されるとき、構造体に対して作動位置に推進部を保持するための停止手段が設けられ、ロータは、移動体の滑走の主軸の成分を有する推力を発生させるように構成されている。 −無人機は、無人機の制御ソフトウェアを移動体の進行および方向への適応以外に修正を有さずに使用される既存のマルチコプターまたはクアッドリコプターである。 −無人機がクアッドリコプターの場合、ロータは、回転駆動されながら、推力作用のみで格納位置から前記作業位置に推進部を漸進的に切り替えさせることができる。 −無人機がクアッドリコプターの場合、作業位置において、変位の主軸に対して左側および右側にそれぞれ位置する2対のロータの差動駆動部は、後部スクワット竜骨の向きを制御する必要なく、移動体を方向において制御するように構成され、および/または、構造体からそれぞれ遠位および近位に位置する2対のロータの差動駆動部は、移動体を姿勢において制御するように構成されている。 −構造体は、水上変位に適応され、スクワット竜骨を有する。 −移動体は、正の入射角を有する少なくとも1つの前部スクワット竜骨を備える。 −移動体は、負の入射角を有する少なくとも1つの後部スクワット竜骨を備える。 −移動体は、2つの一緒になって「V」字状の形態を形成する、前部スクワット竜骨を備える。 −前部スクワット竜骨は、主要中央構造体から延伸する2つの側方安定化部に取り付けられ、側方安定化部は、角度下方に向いており且つ互いに対向する。 −移動体は、逆「T」字状の後部スクワット竜骨を備える。 −構造体は、潜水姿勢を与える傾向がある推進部の推力によってかかるモーメントに対抗するように構成されている少なくとも1つのフロント浮揚ボリュームを規定する。 −移動体の重心は、移動体の滑走の主軸に対して推進部が推力を適用する中心より後方に位置する。 −移動体は、雪上変位用の少なくとも3つのパッドのセットを備える。 −移動体は、氷上変位用の少なくとも3つのブレードのセットを備える。 −移動体は、竜骨を取り外し可能に取り付ける手段を備え、この手段は、パッドまたはブレードを代わりに受け入れるように構成されている。

本発明の他の態様、目的および利点は、非限定的な実施例によって、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明からより明らかになる。

変位位置にある水上変位用の本発明による移動体の斜視図である。

図1の移動体の側面図である。

図1および図2の移動体の正面図である。

図1から図3の移動体の平面図である。

静止位置にある図1から図4の移動体の側面斜視図である。

図5と同じ向きのものであるが、移動体が変位位置にある図である。

雪上変位用の本発明の第1の変形例による移動体の斜視図である。

氷上変位用の本発明の第2の変形例による移動体の斜視図である。

図1から図8の移動体への推進部の取り付けを詳細に示す斜視図である。

図1から図8の移動体への推進部の取り付けを詳細に示す斜視図である。

図1から図8の移動体への推進部の取り付けを詳細に示す斜視図である。

図1から図6を参照すると、空中推進部の作用下での水上変位向けの移動体が示されている。この移動体は、全体を参照番号100で示した「水中翼船」(ハイドロプター)タイプの多船体式の浮遊航行構造体と、推進部200と、推進部を浮遊航行構造体に取り外し可能に固定するための手段300とを備える。

構造体100は、本明細書において、構造体の滑走主軸X−Xに対して対称的な三胴船タイプのものであって、本質的に胴体およびブリッジで形成された中空の中央部110と、アーム130gによって中央部に接続された左側安定化部120gと、アーム130dによって中央部に接続された右側安定化部120dとを備える。また、安定化部120g、120dも、本質的に胴体およびブリッジで形成された中空部分である。

構造体100は、好ましくは、プラスチック材料製のものである。アーム130g、130dは、図9から図11に示されているように、好適には、補強目的のためにリブが長手方向に形成される。

左側および右側安定化部120g、120dは、安定化部の下側領域から内方に向かって傾斜したスクワット竜骨122g、122dを含む。これらの竜骨は、安定化部の前方領域に配設される。中央部110は、胴体の後方領域に、垂直部112および114を有するT字状の竜骨を含む。

竜骨122g、122d、112および114は固定され、NACA(National Advisory Committee for Aeronautics(国立航空諮問委員会))タイプ等の優先的な標準プロファイルを有する。

構造体100には舵や舵板がなく、方向の操縦は空中推進部を制御して行われることが分かる。以下、様々な竜骨の位置決めおよび傾斜のパラメータについて詳細に記載する。

好適には、空中推進部200は、クアッドリコプタータイプの市販の無人機、この場合は、Parrot SA(フランス、パリ)によって市販されているRolling Spiderという名称で知られる「ミニドローン」で構成されている。

この無人機は、それ自体が知られているように、中央本体212を備え、中央本体212は、取り外し可能なバッテリと、遠隔制御装置との制御用および無線通信用の回路とを収容し、中央本体212から4つの支持アーム214が放射状に伸びる。各支持アーム214の遠位端には、プロペラ221、222、223および224をそれぞれ回転駆動するモータ218を備えた推進部216が備え付けられ、プロペラは、支持アーム214の面に対してずれた面に延伸する。

4つのプロペラ221〜224は、以下から分かるように、一体型の航行方向制御システムによって互いに個別に操縦される。

このような空中推進部は、好適には、一体型加速度計を備えたタッチスクリーン型の電話機やマルティメディアプレーヤー、例えば、iPhoneタイプの携帯電話機やiPadタイプのマルチメディアタブレット(いずれも米国Apple Inc.の登録商標)等の端末によって操縦されてもよい。このような装置は、BluetoothまたはWi−Fi(IEEE802.11)ローカルネットワークタイプの無線リンク(いずれも登録商標)を介して、操縦コマンドの検出や推進部との双方向のデータ交換に必要な様々な制御部材を組み込む。このような装置は、ユーザが指でタッチスクリーンに触れるだけで、コマンド作動用の記号をある一定数表示可能なタッチスクリーンをさらに備える。

慣性センサ(加速度計およびジャイロ)は、以下から分かるように、推進部、ひいては、推進部が固定される移動体全体の角速度および姿勢角度を正確に測定する。

図9から図11を参照すると、推進部200が浮遊航行構造体100に取り付けられている様子を示す3つの斜視図が示されている。概して参照番号300で示すアームが、移動体の進行軸に交差する方向の軸318の周りに関節接合の方法にて取り付けられる。このアームは、2つの概して平行な側方ブランチ310、310を含み、これらの2つの側方ブランチは、関節の軸318に対して垂直に向けられ、プロペラと対向する側の下面が、推進部の中央本体212が密接に着座可能な架台を形成する。

この架台は、アームの自由端側で2つのロックタブ312、312まで続き、これらのロックタブは、側方ブランチ310、310に対して実質的に直角に向けられ、推進部の中央本体212の上部に設けられた既存の構成(図示せず)に引っ掛けるように構成されている2つのロック歯314、314で終端する。

関節の軸318に向けて、側方ブランチ310、310によって規定された架台は、側方ブランチ310、310が互いに接続される領域311を越えて、2つの別のブランチ316を通って、ブランチ316の自由端の領域において、関節の軸318が係合する円形オリフィスまで続く。

構造体100への推進部200の取り付けは、非常に簡単な方法で行われ、ロック歯314を本体212の上部に当てて引っ掛け、ロック歯314が推進部200を架台にロックするまで、アーム31 0によって形成された架台に推進部の中央本体212を軽く押し込むだけで取り付けられる。この取り付けは、隙間を設けずに行われることが重要であり、このように隙間がないことで、以下にさらに詳細に示されるように、疑似振動がない状態で移動体を駆動するための推進部の制御を可能な限り高精度に行える。

推進部の取り外しは、指でロックタブ312、312を引っ張って、ロック歯314、314を解除し、推進部を取り外すだけで行える。

さらに、中央構造体部分110のブリッジに固定され、関節の軸318に対して平行に向けられた剛性ビード322を有する部分320として、アーム300用のストップ装置が設けられる。以下から分かるように、アーム300が、移動体の後方に概して向いた位置から直立位置へ旋回すると、ビード322は、アーム、ひいては、アームが支持する推進部200の角変位を高精度の角位置にロックする。

以下、上述したような水上変位体の動作、操縦および挙動について説明する。

まず、すでに分かるように、移動体には水と接触する方向性部材がなく、左右の方向制御は、左側プロペラ221、222および右側プロペラ223、224を差動駆動することによって行われ、左側プロペラの推力が大きいと、右に方向転換し、その逆も同様である。

このような操縦は、好適には、遠隔操縦端末の適切なプログラミングによって実行され、方向転換は、選択的に段階的な駆動で、簡単なタッチコマンドによって、または端末を傾けることによって行われる。

次に、異なる高さに位置するプロペラを備えた推進部を使用して移動体のピッチ姿勢を調整し、高い位置にあるプロペラの推力が大きいほど移動体の前方が下降し、逆に、低い位置のプロペラの推力が大きくなると、移動体が下降傾向にあるときに移動体の姿勢を回復させる。

好適には、このようなピッチ姿勢制御は、推進部が本来備える慣性センサにより自動的に行われる。このようなピッチ操縦は、すべて固定されたスクワット竜骨のセットを用いて、既知の水中翼船の方位制御と同様の効果を有することができる点で特に好適である。

上記記載から、移動体の構造体100は、移動体航行部を備えず、完全に電子機器がないことで、好適に、堅牢性、軽量化、低コスト化をもたらす単純な機械構造体であってもよいことを理解されたい。

竜骨112、114、122gおよび122dについて、竜骨は、推進部がプロペラによって推力をかけると、移動体の船尾が急沈下して「飛行」位置(水面の広がりを飛行する位置)に達し、水媒体との接触が竜骨を通してのみとなり、限られた推力しかない場合であっても、前進抵抗は極めて限られ、変位速度は高速となるような配置およびサイズのものにされる。

なお、竜骨の構成は、2つの側方安定化部から伸びる「V」字状の前方竜骨構造体と、中央構造体から伸びる逆「T」字状の後方竜骨構造体とを備え、竜骨の入射角が適切に調節されれば、自立構造体となる。

前方竜骨122g、122dの迎え角が水面に対して正であれば、スクワットが生じるように構成されている。この段階の間、特に、例えば、水面の広がりの乱れに伴って、移動体の前方にある移動体の姿勢が変化して負の迎え角が生じることを想定した場合、中央胴体および移動体の前方領域にある安定化部の浮揚ボリュームはスクワットに寄与し、沈下を回避する。

さらに、推進部200の推力の中心が、推進部の中央本体212であって、スクワット前の浮遊レベルよりさらに上方に位置することが観察されるため、潜水時にこの推力のモーメントによって生じる前方傾斜効果に対抗する必要がある。

一般に、以下の特徴の組み合わせにより推進部の始動時にスクワットおよびテイクオフを満たすことが確保される。 −推力Pがかかる場所(図2を参照)である移動体の重心Gを揚力の中心Cより後方に配置(すなわち、航空機の場合とは逆)。 −上記から分かるように、前方竜骨122g、122dの入射角を正の値にすること。図面に示す構成の場合、入射角の値は、通常、3°〜10°の範囲、好ましくは、約6°。 −後方竜骨の水平部114の入射角をやや負の値にすること。図面に示す構成の場合、通常、−1°〜−5°、好ましくは、約−3°の値にすることで、ここでも、移動体が移動を開始したときに推力に伴う傾斜モーメントに対抗するように寄与する。 −上記から分かるように、特に、速度は低速で竜骨の傾斜角度の作用が始まったばかりの移動の開始時に、傾斜モーメントを少なくとも補償するために、前部に十分な浮揚ボリュームを使用すること。 −移動体の水平軸に垂直な平面に対してプロペラの平面をわずかに傾斜させて配置することで、前方および上方の両方に推力を向けること(特に、図2を参照)。この傾斜は、停止部320により確保され、例示した構成の場合、10°〜25°、好ましくは、約15°であることが好適である。

なお、推進部200を構成する無人機が、空中飛行モードでの使用を想定したセンサ(カメラ、超音波高度計等)を有する場合、これらのセンサは、好適には、本発明の水上変位構造体とともに使用するために非作動にされる(タッチスクリーン端末を介して遠隔で)。

以下、上述した移動体の始動および変位の様々な制御について記載する。

a)始動 図5には、推進部が停止された状況にある移動体が示されている。この場合、推進部は、中央構造体110のブリッジに対して重力のみの影響下で支えられ、輸送および取り扱いが容易な状態にある。

推進部が、例えば、制御端末のタッチインタフェースにある「始動」コマンドボタンによって始動されると、4つのプロペラが同時に回転駆動され、アーム300が停止部320に支えられた状態になるまで、アーム300の関節の軸318の周りで上方および前方に推進部200を傾ける上向き推力が発生する(図5および図6の矢印F)。最終位置は、特に図6に示されている。その後、推進部200によってかけられる推力により、変位の間、この支えを保持し、構造体100および推進部200は、アーム300が何らかの方法でロックされなくても、互いに固定されたものとして見なされ、以下に示すような操縦が行われる。

なお、本明細書において、プロペラの回転速度は、特に停止部320に急激に「ぶつかる」ことがないように、推進部の立ち上がりの動きが漸進的になるように制御されることが好ましい。推進部が停止すると、推進部は、重力により図5に示す位置に自然に戻る。ここでも、停止動作は、推進部が中央構造体110のブリッジに激しくぶつからないように漸進的なものであることが好ましい。

なお、このように、移動体の停止時に推進部がフラット位置に自動的に戻ると、移動体全体の重心が下がることで、移動体が傾く事態を防げることが分かる。

b)進行制御 垂直に近い平面に位置する4つのプロペラ221〜224は、制御端末によって手動で変更されてもよい推力を発生し、制御端末は、ユーザの操作(タッチ操作や端末の傾き)に応じて、無線リンクによってプロペラのそれぞれのモータに回転速度命令を送る。

c)方向制御 方向制御は、この場合も制御端末でのユーザの手動操作に応答して、左側プロペラ221、222のモータおよび右側プロペラ223、224のモータに送られるそれぞれ異なる場合もある回転命令に基づく。差動駆動は、好ましくは、ある程度顕著な曲がりを与えるように比例的である。この場合も、操作は、タッチインタフェース上での操作や、端末のある程度顕著に傾けることであってもよい。上記から分かるように、移動体の変位軸の両側に複数のプロペラを備えた推進部を使用することで、舵や物理的変位の方向性部材を設けなくて済む。

d)推力分布制御 上側プロペラ221、223の回転と下側プロペラ222、224の回転とを差動駆動することによって、4つのプロペラの推力を累積した力がかかる位置で作用することが可能であることを理解されたい。

回転速度が同一である場合、推力は、プロペラの幾何学的形状の中心にかかる。

速度分布が異なると、推力の中心は上方(上側プロペラの回転が高速な場合)または下方(下側プロペラの回転が高速な場合)に移動する。これにより、推進部200から移動体にかけられるモーメントの値が変動する。したがって、上側プロペラおよび下側プロペラの速度を適切に駆動することによって、移動体のピッチ姿勢を調節することが可能になる。このような駆動は、制御端末で手動で行われるか(タッチインタフェースまたはタブレットの傾きの変更)、移動体の姿勢を安定化させるために、推進部が備える慣性センサによって与えられる信号に基づいた制御ループを用いて自動的に行われてもよい。

竜骨は固定されているが、可変迎え角のスクワット竜骨の効果は、この場合も得られる。

本明細書において、推進部で駆動されることによる水上変位を想定した移動体について記載してきた。しかしながら、移動体が雪上または氷上を移動可能なように構造体100を適応させることも可能である。

具体的には、図7は、竜骨122g、122d、112および114を、支柱によってそれぞれ支持された雪上変位用のスキー状のパッド422g、422dおよび412のそれぞれに取り替えた場合の移動体を示す。

この目的のために、図1から図6を参照しながら記載した実施形態において、スクワット竜骨は、容易に取り外し可能なように安定化部および中央胴体に組み付けられる(摩擦係合、ラッチング、1/4回転ねじ等)。

図8は、竜骨122g、122d、112および114を、支柱によってそれぞれ支持された氷上変位用の湾曲した垂直ブレード522g、522dおよび512のそれぞれに取り替えた場合の変形例を示す。

好適には、後部スキー412または後部パッド512は、方向転換しやすいように垂直軸周りに回動してもよい。

他のタイプの付属品も当然可能である。

本発明は、様々な調整、変形および修正が加えられてもよいことは言うまでもない。特に、以下のようなものが挙げられる。 −推進部として使用される無人機は、様々な適応を受けてもよく、特に、通常想定しているものとは異なる姿勢での使用を考慮すると(特に、プロペラの平面は垂直であるが、無人機モードでは水平方向である点)、無人機と制御ステーションとの間での信号伝送を高めるために、無人機に備え付けられた送受信アンテナを調節することが必要な場合もある。 −浮遊航行構造体は、受け入れる推進部のタイプに適応された幅広いサイズを有するものであってもよい(例えば、縦横の長さが数十センチメートルから最大1メートル以上)。 −推進部は、方向および姿勢の操縦を確保するために、様々な数のプロペラ、最低でも3つのプロペラ(例えば、左右の下側プロペラをそれぞれ1つずつと、中央の上側プロペラを1つ)を含んでもよいが、プロペラの下部は図示したような4つが特に好ましい。