ドローン空撮[技術解説] - 宅配ドローン理想重心機と特願A

宅配ドローン理想重心機と特願A

2016年11月下旬に、【特願A】 (次世代ドローンの基本特許)が国際公開されます。
2ヶ月後に、【特願G】 (宅配ドローン専用のヘリポート)が続きます。
一連の特許出願に関する技術解説特集です。

荷物の正しい搭載位置

航空機や船舶では、積荷の量や位置が厳しく管理されています。
小さな旅客機では乗客の体重も計測され、左右前後のバランスが保たれています。
貨物船ではバラスト水の増減により空荷の状態でも適切な吃水にコントロールされています。
過去にも積荷のバランスを甘く考たことにより、事故に至った例は多数あります。
例えば2014年の韓国フェリー転覆事故。
このフェリーは日常的に、過積載をカバーするためにバラスト水を減らしていました。
結果として重心が上がり復元力が保てなかった事が直接的な事故原因でした。
貨物機なども、荷物のバランスが適切で無かったことが起因し事故に至るのが定番の墜落原因です。
この様に荷物を運ぶ際には、バランス取りが大変重要です。

それでは、「宅配ドローンは、どの様な位置に積載するのが正しいのか?」
その答えを知っているドローンの開発者は少ないというのが実情です。
宅配ドローン下重心 良く見かける搭載位置が、「本来ならカメラを搭載する位置に荷物を搭載」というパターンです。
この搭載方法は簡単に実現可能ですが、大きな問題を抱えたままの危険なフライトです。
・積載の有無により重心位置が大きく変動
・前進姿勢で特定のモーターに負荷集中

宅配という特性上、積載物の有無でドローンの重心は大きく変化します。
仮に搭載時前提で、バランス(ゲイン含む)を取られていたとします。
この様な機体は、空荷になるとハンチング墜落を招きやすい機体特性になってしまいます。
これを避ける為に空荷で機体セッティングを行うと、突風の影響を受けやすい特性になります。
いつも同じ荷物を運ぶ機体なら、パラメーターは、積載時と空荷の2種類で対応可能です。
しかし・・・普通の宅配なら、荷物の種類は最大積載量の範囲で上下するはずです。
荷物自身の重心も重要です。
平面的に真ん中の位置に重心が無ければ、機体側へ影響が出てしまいます。
この荷物の重心位置まで宅配会社が管理することは困難な事でしょう。
また、搭載時には極端な下重心となります。
この様な機体は、前進姿勢を長時間保つとモーター負荷の極端な偏りが発生します。
具体的には、前進時に後ろ側のモーターに負荷が集中することになります。
信頼性の点からこの様な特性は好ましくないのは言うまでもありません。

さて、どうしても汎用機で宅配しなければならないとします。
個人的には、然るべき時代が来るまでは自粛すべきと思うのですが・・・
様々な思惑から、待つことが出来ないようです。
ならば、汎用機を使わなければならない今の段階では、以下の様な方法で対策するしかありません。
・荷物は可能な限り上に搭載(機体重心近く)
・移動中は定期的に前後を入れ替えて負荷を分散
・ゲインは搭載時と空荷で個別に設定
これで、問題の半分は解決出来ます。
「上空で機体が横方向に回転しながら進行方向に進む」
イメージ的に近いのがフリスピーです。
これならわかりやすく負荷分散をしているアピールが可能ですね。
実は、コレ特許性があります。
ですが・・・もっと優れた方法があることから、本命の解決手法ではありません。

ベストとは呼べませんが、以下の解決方法を示します。
浮力の発生点と荷物の重心を一致させる。
この機体は社内では、「理想重心機」と呼ばれています。
宅配ドローン理想重心機 これなら、汎用機ベースの機体が抱えている問題の全てを解決出来ます。(新たな問題が出てきますが、それは後ほど)
この仕組みは、アマゾンの2世代目のテスト機体に採用されています。
推進用モーターに目が奪われがちですが、浮力重心に荷物を搭載していることの方が重要です。
この機体は、理想重心の達成と同時に荷物の傾きまで考えた機体です。
モーター負荷の方よりも理論的には発生しないことから、モーターのダウングレードが可能になり結果として燃費も向上します。
それでは、宅配ドローンの本命かと言うと・・・
これも違います。
このタイプの機体には以下の欠点があります。
・機体サイズが大きい(ピザが運べない)
・砂塵に弱い
・特許性が無い ※この形状としては

機体の中央部に荷物を搭載する必要があります。
結果としてモーター間隔を離すため、機体は大型化します。
同時に前面投射面積も増えることから最高速と燃費の悪化も無視できません。
また、荷物が汎用機よりも高い位置にあることから、着陸時にはモーターと地上の距離が近くなります。
一般家庭の庭に着陸するなら、汎用機よりも粉じんを巻き上げます。
この粉じんは機体の信頼性を落とす方向に働きます。
最後が特許性。
この機体では市場を独占することが出来ません。
なお、アマゾンでは第1世代は、ラダーフレームの汎用ドローン。
それを用いたテストにより、重心位置変化の問題などに気がつけたのでしょう。
第2世代として、重心変化をハードウェアにて吸収するという機体を出してきた事になります。
第3世代機体の発表が待ち遠しいところです。

特願A搭載宅配ドローン

特願A搭載宅配ドローン

お待たせしました。
これが0 [Zero]の回答です。
浮力発生点から下に伸ばした棒の先に荷物を搭載。
搭載物は有無による重心変化をキャンセルする。

これなら、単純な理想重心機が抱える欠点も全て解消出来ます。
さらに、以下の様な新たなメリットも生み出します。
・地上からモーターを離すことが可能
・荷物の中の重心変化も均等化可能
・特許性がある
基本的な考え方は、アマゾン第2世代と同じです。
それを、一世代進化させたと呼べると思います。
ただし、この機体も宅配ドローンの本命機ではありません。
このまま実務に投入すると、何点かの問題が発生します。
※問題点は、現段階では非公開とさせてください。
その問題を解決した宅配ドローンの本命機体が、【特許G】 【特願:2016-211740】になります。

なお、特願Aの出願は、アマゾン第2世代の発表の半年前。
ドローンのフレーム世代では、0 [Zero]が数世代進んでいます。

公開日:2016/11/21
最終更新日:2017/3/1
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