レー ザ ー エ ネ ル ギ ー 伝 送 型 カ イ トプ レー ン

平成16年 度産学連携研究推進事業 成果報告書

レー ザ ー エ ネ ル ギ ー 伝 送 型 カ イ トプ レー ン

報告者 大学院総合理工学研究科 教授 共同研 究

マ イ ビ ジ ョ ン

㈱ ア ト リ ム

㈱ ス カ イ リモ ー ト

河島信樹 武 田和也 松岡久典 渡辺隆元 茂 田哲男 岡部和夫

1.背 景 と意 義

大 災 害 の 時 、 重 要 とな っ て く る の が 状 況 把 握 ・通 信 路 確 保 で あ る。 この よ うな 場 合 小 型 無 人 飛 行 機 を用 い る こ とで 早 急 な 対 応 が 可 能 で あ る。 災 害 時 の他 、 資 源 探 査 、 環 境 観 測 に も小 型 無 人 飛 行 機 の 利 用 は考 え られ る。 しか し現 存 す る模 型 飛 行 機 は燃 料 や バ ッテ リー に よっ て 飛 行 時 間 が 限 られ て くる 。 そ こで 、 長 時 間 上 空 滞 在 可 能 な飛 行 体 実 現 の た め 、地 上 か らの レ ー ザ ー 光 伝 送 で エ ネ ル ギ ー を連 続 供 給 す る こ と を 考 え た 。我 々 は小型 無 人飛 行機 カイ トプ レ ー ン を新 規 に 開 発 し、 長 時 間 連 続 飛 行 が 可 能 な レ ー ザ ー ・エ ネ ル ギ ー 伝 送 型 飛 行 体 の 開発 を 行 っ た 。

こ れ は 地 上 か ら上 空 の カ イ トプ レー ン に 搭 載 し た 太 陽 電 池 パ ネ ル に レー ザ ー を 照 射 し、

飛 行 しな が らエ ネ ル ギ ー を伝 送 す る シ ス テ ム で あ る 。 安 価 、 機 動 性 が 高 い 、GPS利 用 の 自 動 操 縦 が 可 能 、 な ど の 特 長 を 有 し、 極 め て 長 時 間 の 上 空 滞 在 が 可 能 と な る 。 特 に 災 害 時 、 非 常 時 の 状 況 把 握 や 通 信 確 保 に 応 用 が 期 待 で き る 。

2.事 業 実 施 体 制 と役 割 分 担

2‑1.研 究 開 発 責 任 者 研 究 開 発 責 任 者:

近 畿 大 学 総 合 理 工 学 研 究 科

カ イ トプ レー ン 開発 責 任 者:

㈱ ア ト リム

レーザー本体及び追尾装置 近畿大学総合理工学研究科

河島信樹

渡辺隆元

河島信樹

2‑2.研 究 分 担

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3.技 術 基 盤

レー ザ ー を 使 っ た エ ネ ル ギ ー 伝 送 と して は1970年 代 か らNAS Aに お い て ロ ケ ッ トへ の エ ネ ル ギ ー 伝 送 が 検 討 され て い る

。飛 行 機 へ の エ ネ ル ギ ー 伝 送 は1978年 にN ASAに お い て 衛 星 軌 道 か ら の エ ネ ル ギ ー 伝 送 が 、ま た 最 近 で はNASA の グ ル ー プ が2003年10月 に 室 内 で 約3109の 模 型 飛 行 機 を 飛 行 さ せ て い る 。 ま た 国 内 で は2002年 に 東 工 大 の 矢 部 教 授 が 水 に パ ル ス レ ー ザ ー を 照 射 し て 蒸 発 さ せ 、そ の 勢 い を 利 用 し て 紙 飛 行 機 を 飛 行 さ せ る の に 成 功 し て い る 。 これ ま で 河 島 研 究 室 で は 月 に あ る と 言 わ れ て い る 氷 を 探 査 す る た め の 探 査 車 「氷 探 査 ロ ー バ ー 」 を長 期 間 運 用 す る た め の 方 法 と し て 外 部 か ら エ ネ ル ギ ー 供 給 す る事 を 考 え た。 こ れ は 半 導 体 レー ザ ー を 用 い た エ ネ ル ギ ー 伝 送 の 研 究 で 、2003年 末 に 地 上 で の1.2kmの 伝 送 実 験 を 成 功 させ て い る。 こ の 実 験 で は 全 長 約1m

、 撫 難撫 懸

強 藻

Fig.21.2kmレ ー ザ ー エ ネ ル ギ ー 伝 送 実 験

Fig.37kmレ ー ザ ー 伝 搬 観 測 実 験

の 月 面 氷 探 査 ロ ー バ ー の 実 機 大 モ デ ル を 作 成 し、 大 出 力 フ ァ イ バ ー カ ッ プ リン グ 半 導 体 レ ー ザ ー(コ ア 径:400μm

、 出 力:60W)を 用 い て 淀 川 河 川 敷 の ゴル フ 場 に て 実 証 実 験 を行 っ た 。 これ ま で こ れ ほ ど長 距 離 で の 大 出 力 半 導 体 レー ザ ー と太 陽 電 池 を使 用 した エ ネ ル ギ ー 伝 送 実 験 は これ ま で 行 わ れ た こ と が な い 。 大 気 中 で の 大 出 カ レー ザ ー エ ネ ル ギ ー 伝 送 は 地 上 で の 応 用 の 場 合 、 人 間 が 行 き に くい 場 所 で 調 査 ・作 業 す る ロ ボ ッ トや 飛 行 機 に 対 して 長 時 間 活 動 で き る エ ネ ル ギ ー 源 を確 保 す る こ と に な る 。 実 験 は 淀 川 河 川 敷 に あ る ゴ ル フ 場 に お い て1.2kmの 見 通 しが あ る場 所 を 使 用 して 夜 間 に 実 験 を 行 っ た 。 こ の と き使 用 した 装 置 で は太 陽 電 池 パ ネ ル の 変 換 効 率 が20%以 上 で 探 査 模 型 車 を 駆 動 す る こ と が確 認 され て い る。

この 実 験 の 一 環 と して さ らな る 長 距 離 レー ザ ー エ ネ ル ギ ー 伝 送 に つ な が る7kmレ ー ザ ー 伝 搬 観 測 も成 功 して い る。

ま た 原 子 炉 事 故 対 応 救 助 ロ ボ ッ トへ の エ ネ ル ギ ー 伝 送 の 研 究 も 行 っ て い る 。1こ れ は 人 間 が ア ク セ ス で き な い 領 域 で 働 く ロ ボ ッ トで 一 度 そ こ へ 入 っ た ら 戻 っ て こ れ な い と こ ろ 、 例 え ば

1)原 子 炉 事 故 で 強 い 放 射 線 に 被 爆 され る

2)テ ロ で サ リ ン 等 の 化 学 物 質 で 汚 染 れ る

3)戻 っ て は こ れ る が 、 戻 る の に 時 間 が か か り緊 急 の 長 時 間 作 業 が 要 求 され る

な ど の 場 所 で 活 動 す る ロ ボ ッ ト に 離 れ た 場 所 か ら エ ネ ル ギ ー を

供 給 す る と い う も の で あ る 。 Fig.4緊 急 人 命 救 助/事 故 探 査 ロ ボ ッ ト

一 方 ア ト リム の カ イ トプ レー ン は これ ま で 雲 仙 普 賢 岳 周 辺 の 調 査 ・三 宅 島の観 察

、 気 体 採 取 を 行 い 実 際 に 活 躍 し て い る。 今 後 は 浅 間 山 の 観 測 を行 う計 画 が あ る 。

3‑1.構 成

全 体 の 構 成 は 、カ イ トプ レ ー ン と レー ザ ー エ ネ ル ギ ー 供 給 部 お よび 追 尾 装 置 部 か ら構 成 さ れ る。

i).カ イ ト プ レ ー ン

・機 体 諸 元 全 長 全 幅 全 高 翼 面 積 重 量

ペ イ ロ ー ド量

780mm 1360mm 580mm 50.32d㎡

8009 600g

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・モ ー タ ー 諸 元

型 式ULTRAFLY製UF‑PSBLG29A/30/29BrushlessSensorlessMotor 減 速 ギ ア 比18:70(3.89)

・モ ー タ ー ア ン プ 諸 元 型 式CastleCreations製PHOENIX‑25TM パ ル ス 周 期11Khz(PW)

最 大 消 費 電 力 連 続277.5W(11.1/25A) 瞬 間388.5W(11.1/35A) 飛 行 時 消 費 電 力50W(11.1V/4.5A)

・手 動 制 御 方 式

PCM方 式RCプ ロ ポ(9ch中5ch使 用)

周 波 数73Mhz産 業 用 ラ ジ コ ン 用 周 波 数 帯 送 信 機JR製PCM9X(500mW)

受 信 機JR製R1000DS329 RADDサ ー ボJR製DS38199 ELEVサ ー ボJR製DS38199

・自動 飛 行 制 御 方 式

CPU I/0

無線モデム 消費電流

動作時間

GPS位 置 取 得 登 録 ポ イ ン ト ト レ ー ス 方 式 H8(HD64F3069RF25)

RS232Cポ ー ト×2(無 線 モ デ ム,磁 方 位 セ ン サ ー) デ ジ タ ル シ リ ア ル ポ ー ト(GPS)

RCサ ー ボ 信 号 入 力 ×5(THRO,AILE,ELEV,GEAR,AUX2) RCサ ー ボ 信 号 出 力 ×3(THRO,RADD,ELEV)

AD入 力 ポ ー ト ×8(CPU電 池 電 圧,モ ー タ ー 電 池 電 圧 等) JRC製

CPU:最 大0.74W(7.4V/100mへ) 無 線 モ デ ム:最 大2.22W(7.4V/300帆)

2時 間(7.4V/880岨 リチ ウ ム ポ リマ ー 電 池 使 用 時)

・太 陽 電 池 パ ネ ル 直 径:

厚 さ:

重 量:

材 質:

330㎜

7㎜

約1349

発 泡 ス チ ロ ー ル

Fig.6太 陽 電 池 パ ネ ル

Single‑JunctionGaAs太 陽 電 池 セ ル LD200W照 射 時 の 最 大 出 力

30枚(10枚 直 列 を3並 列) 約45W(カ イ トプ レ ー ン と接 続)

ii).レ ー ザ ー エ ネ ル ギ ー 供 給 部

・水 冷 式 半 導 体 レ ー ザ ー

サ イ ズ:縦540㎜ ×横340㎜ × 高 さ1190㎜

重 量:約120kg

型 番:HLU200F400‑808(LIMO社) 出 力:200W/cw

波 長:808nm 冷 却 方 式:水 冷

フ ア イ バ ー コ ア 径:400μm

フ ァ イ バ ー ク ラ ッ ド径:480μm フ ア イ バ ー 長:1.5m

最 大 電 流:54A LD用 チ ラ ー:

設 定 水 温:15℃

冷 却 能 力:760W(水 温15℃ 時)

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・ペ ル チ ェ 冷 却 式 半 導 体 レ ー ザ ー サ イ ズ:700×300×450㎜

重 量:約38kg

半 導 体 レー ザ ー:水 冷 と 同 じ ペ ル チ ェ 冷 却 装 置:

駆 動 電 源:DC130V、4.5A 最 大 吸 熱 量:255W

台 数:2台(10㎜ 厚 銅 板 使 用)

iii).追 尾 装 置 部

カ イ トプ レー ン の 追 尾 に は エ ネ ル ギ ー 伝 送 用 レー ザ ー を用 い て カ イ トプ レー ン の 位 置 を 検 出 す る方 法 を と っ て い る。 カ イ トプ レー ン の 太 陽 電 池 パ ネ ル 中 央 部 分 に コー ナ ー キ ュ ー ブ を 取 り付 け 、 そ の反 射 光 を 常 に観 測 す る。 観 測 の た め レー ザ ー 光 射 出 レン ズ 付 近 に 受 光 用 レ ン ズ を 置 き 、4分 割 フ ォ トダ イ オ ー ド上 に 集 光 し 、集 光 点 の 移 動 に よ っ て カ イ トプ レ

ー ン の位 置 を検 出 す る。 、

寸 法:

重 量:

追 尾 精 度:

速 度:

追 尾 範 囲:

軸 数:

使 用 回 転 台:

検 出装 置:

集 光 用 レン ズ:

300×230×347㎜

約7kg(駆 動 部+レ ー ザ ー 送 信 部) 約0.8[mrad](機 械 精 度0.1mrad) 0.2[rad/s]

±30°(0° 位 置 は ±90° 可 変) 2軸

シ グ マ 光 機SGSP‑60YAW・SGSP‑120YAW(パ ル ス モ ー タ 使 用) 4分 割 フ ォ ト ダ イ オ ー ド

直 径10㎜ 、 焦 点 距 離60㎜

(エ ネ ル ギ ー 伝 送 用 集 光 レ ン ズ 、 直 径25mm、 焦 点 距 離60mm、 伝 送 距 離50m、 ス ポ ッ ト径 約30cm)

制 御 装 置:パ ル ス モ ー タ 脱 調 防 止pic回 路 使 用

漏

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4.カ イ トプ レー ン 実 験

近 畿 大 学 南 グ ラ ウ ン ドに て カ イ トプ レー ン の 飛 行 テ ス トを 行 っ た 。 これ は 太 陽 電 池 パ ネ ル を搭 載 した とき の カ イ トプ レー ン の 動 き 、 そ して 風 の影 響 、 太 陽 電 池 パ ネ ル の 形 の 影 響 を 見 る た め に 行 っ た 。 太 陽 電 池 パ ネ ル は 円形 の も の で 、 重 量 を本 番 用 に 合 わ せ た ダ ミー パ ネ ル を使 用 した 。

140

120

100

§ 80 60

40

20

0 0

高度/電 力

一 電 力(W) 一 一 高 度(m)

㌦̲̲4

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50100150200

時間(s)

Fig.11カ イ ト プ レ ー ン 屋 外 実 験 時 の 電 力

70

60

50

40

30

20

10

0

実 験 時 風 速3〜4m程 度 の 風 が 吹 い て お り、 そ の影 響 も あ っ た が 、 あ る程 度 の 高 度50〜60 で 旋 回 運 動 す る と き 、 ど う して も風 に な が され て きれ い な 円 運 動 が で き な か っ た 。 ま た 上 昇 時 に は 安 定 した 飛 行 を 見 せ て い た が 旋 回 運 動 の と き 、 特 に 風 に む か っ て 飛 行 す る とき は 上 下 運 動 が み られ 、 地 上 か ら太 陽 電 池 パ ネ ル を 見 る こ と が難 し か っ た 。 さ ら に 旋 回 す る と き の 旋 回 半 径 が 風 上 か ら風 下 へ 向 か う とき 大 変 小 さ く、 バ ン ク角 も 大 き な も の に な っ て し ま っ た 。

計 測 の 結 果 、 上 昇 時 に は約100W、 旋 回 運 動 時 に は 約20W〜60Wと い う消 費 電 力 で あ っ た ・ ま た この と き 、 水 冷 式 半 導 体 レー ザ ー を 運 び 、 地 上 に て 追 尾 可 能 か50mの 距 離 を 離 して 行 っ た。 振 動 に よ り追 尾 の ロ ック が 外 れ て しま う現 象 が み られ た。

5.今 後 の 課 題

実 験 結 果 、 カ イ トプ レー ン に は 飛 行 安 定 性 と消 費 電 力 、追 尾 装 置 に は 振 動 の 問 題 が 出 て き た 。 今 後 カ イ トプ レー ン は 翼 の 形 状 ・角 度 ・重 心 位 置 ・電 力 関 連 を 、 ま た 追 尾 装 置 は モ ー タ ー 制 御 方 法 とキ ャ プ チ ャー 方 法 を 中 心 に解 決 を 行 っ て い くつ も りで あ る 。