JP2019026236A - Vertical take-off and landing machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、飛行体、飛行体の制御方法、及び、飛行体の制御プログラムに関する。 The present invention relates to a flying object, a flying object control method, and a flying object control program.
従来、代表的な飛行体の形状として、飛行機等の固定翼式飛行体とヘリコプター等の回転翼式飛行体とがある。 Conventionally, as a typical shape of a flying body, there are a fixed wing type flying body such as an airplane and a rotary wing type flying body such as a helicopter.
固定翼式飛行体は、機体に取り付けられた主翼の揚力で浮上する飛行体である。すなわち、固定翼式飛行体は、略水平方向へ機体を推進する推進装置を有し、機体の前進時に、機体に取り付けられた主翼の周囲の気流が主翼上面と主翼下面の間に形成する差圧が揚力となる飛行体である。固定翼式飛行体は、エネルギー効率が良く、高速飛行が可能である点で有利である。ただし、離着陸に滑走路場を要するため、離着陸場の確保が難しいという不利益が有る。 A fixed-wing aircraft is an aircraft that ascends with the lift of the main wing attached to the aircraft. In other words, the fixed-wing aircraft has a propulsion device that propels the aircraft in a substantially horizontal direction, and the airflow around the main wing attached to the aircraft forms between the main wing upper surface and the main wing lower surface when the aircraft advances. A flying body in which pressure is lifted. A fixed-wing aircraft is advantageous in that it is energy efficient and can fly at high speed. However, since a runway is required for takeoff and landing, there is a disadvantage that it is difficult to secure a takeoff and landing field.
離着陸の滑走距離が短い固定翼式飛行体に類する機体としては、例えば特許文献1のように、膜状のカイトを主翼とすることで、低速での安定飛行が可能であり、また自立航行性に優れて操縦が容易で小型軽量に製作できる無線操縦小型飛行機を開示されている。 As an airframe similar to a fixed-wing aircraft with a short take-off and landing distance, a film-like kite is used as a main wing as described in Patent Document 1, for example, and stable flight at low speed is possible. A wirelessly operated small airplane that is excellent in operation, easy to maneuver, and can be manufactured in a small and light weight is disclosed.
回転翼式飛行体は、回転翼によって必要な揚力や推力の全部あるいは一部を得て飛行する飛行体である。回転翼式飛行体は、垂直離着陸可能であるため離着陸に場所をとらず、小回りが利く点で有利である。また、いわゆるマルチコプターは、最低限必要な可動部品がモーターとローターブレードのみであり、ギアなどの機械的な構成部品が少ないため、信頼性が高く、振動ノイズが少ない点で有利である。ただ、固定翼式飛行体に比べるとエネルギー消費が多く飛行速度が遅いため、飛行時間や航続距離が短い点で不利益が有る。 A rotorcraft is a flying object that obtains all or a part of the lift and thrust required by the rotor and flies. Since the rotary wing type aircraft can take off and land vertically, it is advantageous in that it does not take a place for takeoff and landing and has a small turn. In addition, the so-called multicopter is advantageous in that it has high reliability and low vibration noise because the minimum necessary moving parts are only a motor and a rotor blade and there are few mechanical components such as gears. However, there is a disadvantage in that the flight time and the cruising distance are short because the energy consumption is high and the flight speed is slow compared with the fixed-wing aircraft.
そこで、固定翼式飛行体と回転翼式飛行体を組み合わせた飛行体が種々提案されている。 Various proposals have been made for a combination of a fixed-wing aircraft and a rotary-wing aircraft.
例えば特許文献2には、固定翼および電動マルチローターを組み合わせた航空機が開示されている。この航空機は、航空機にマルチローターを組み合わせたものであり、離着陸時にマルチローターを用いて垂直離着陸を実現し、水平飛行時はローターを停止して固定翼動力係合固定翼機として設置されたローターにより水平飛行する。 For example, Patent Document 2 discloses an aircraft that combines a fixed wing and an electric multi-rotor. This aircraft is a combination of an aircraft and a multi-rotor, which realizes vertical take-off and landing using a multi-rotor during take-off and landing, and stops the rotor during horizontal flight and is installed as a fixed-wing power-engaged fixed-wing aircraft. To fly horizontally.
その他、ティルトローター方式の飛行体も実現されている。ティルトローター方式の飛行体は、回転翼軸の角度を変更可能として、回転翼により垂直浮上すること、及び、同じ回転翼の角度を変更して水平飛行を行うことが可能である。ティルトローター方式の飛行体は、固定翼式飛行体と回転翼式飛行体の特性を併せ持ち、回転翼式飛行体であるヘリコプターに比べて飛行速度、飛行時間及び航続距離を改善することができる。 In addition, a tilt-rotor type flying body has also been realized. The tilt rotor type flying body can change the angle of the rotor blade axis, and can fly vertically by the rotor blade, and can perform horizontal flight by changing the angle of the same rotor blade. The tilt rotor type aircraft has the characteristics of a fixed wing aircraft and a rotary wing aircraft, and can improve flight speed, flight time, and cruising distance compared to a helicopter that is a rotary wing aircraft.
しかしながら、従来提案されてきた固定翼式飛行体と回転翼式飛行体を組み合わせた飛行体は、いずれも水平飛行と垂直離着陸との間で遷移させる際の姿勢制御や操縦が難しい。また、ティルトローター式の飛行体は、回転翼の方向を切り替える可動部が多く、構造が複雑になる傾向があった。 However, any of the conventionally proposed fixed wing and rotary wing aircraft combinations is difficult to control and control when making transition between horizontal flight and vertical takeoff and landing. In addition, the tilt rotor type flying body has many movable parts that switch the direction of the rotor blades, and the structure tends to be complicated.
特許文献3では、回転翼と主翼の双方を備える飛行体において水平飛行と垂直離着陸との間で遷移させる際の姿勢制御や操縦の難しさを緩和することを目的として、いわゆるマルチコプター的な機体に、主翼と制御部とを追加した構成で実現されている。従って、水平飛行と垂直離着陸との間で遷移させる際の姿勢制御や操縦は、マルチコプターと同様になる。そして、水平飛行時には主翼の角度を調整して主翼に発生する揚力を利用するため、回転翼の出力を低下すること可能であり、従来のマルチコプターに比べて飛行速度、飛行時間及び航続距離を改善することができる。 In Patent Document 3, a so-called multi-copter aircraft is used for the purpose of alleviating the difficulty of attitude control and maneuvering when transitioning between horizontal flight and vertical take-off and landing in a flying body having both rotor and main wings. In addition, the configuration is realized by adding a main wing and a control unit. Therefore, attitude control and maneuvering during transition between horizontal flight and vertical takeoff and landing are the same as for a multicopter. And, in the horizontal flight, the angle of the main wing is adjusted to use the lift generated in the main wing, so the output of the rotary wing can be reduced, and the flight speed, flight time and cruising distance can be reduced compared to conventional multicopters. Can be improved.
しかしながら、特許文献3で提案された主翼を有するマルチコプターは、ホバリング時に周囲の風や自身のローター発生する気流を主翼が受けて飛行姿勢が乱される傾向や、対気速度が大きくなると主翼の揚力が大きくなりローターによる機体姿勢の制御が効かなく傾向があった。 However, the multicopter having the main wing proposed in Patent Document 3 tends to disturb the flight posture due to the surrounding wing and the airflow generated by its own rotor during hovering, or when the airspeed increases, There was a tendency for the lift to increase and the attitude control by the rotor to be ineffective.
本発明は、前記課題に鑑みてなされたもので、主翼を有するマルチコプターのホバリング時の周囲の風や自身のローターの発生する気流の影響を緩和し、飛行可能な風速域を広げることを目的とする。また、望ましくは、回転翼と主翼の双方を備える飛行体で可搬性の向上も図る。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to alleviate the influence of the surrounding wind during the hovering of the multicopter having the main wing and the airflow generated by its own rotor, and to widen the flightable wind speed range. And Desirably, the flying object including both the rotor wing and the main wing improves the portability.
本発明の態様の1つは、3以上の回転翼が取り付けられた機体と、前記機体に可動な軸に取り付けられた柔軟性を持ったシート状のものを主翼とするカイト翼と、前記機体に対する相対的な前記カイト翼の形状と傾きを制御する制御部とを備えることを特徴とする飛行体である。 One of the aspects of the present invention is an aircraft having three or more rotor blades attached thereto, a kite wing having a flexible sheet-like one attached to a movable shaft to the aircraft, and the aircraft. And a control unit that controls the shape and inclination of the kite wing relative to the aircraft.
このように構成された飛行体は、従来の3以上の回転翼が取り付けられたいわゆるマルチコプター的な機体に、カイト翼と制御部とを追加した構成で実現される。従って、水平飛行と垂直離着陸との間で遷移させる際の姿勢制御や操縦は、マルチコプターと同様になる。そして、水平飛行時にはカイト翼の形状と角度を調整してカイト翼に発生する揚力を利用するため、回転翼の出力を低下すること可能であり、従来のマルチコプターに比べて飛行速度、飛行時間及び航続距離を改善することができる。また、本発明に係る飛行体は、カイト翼とその制御部との追加で実現できるため、従来のマルチコプターに追加すべき構造や可動部が少なく、回転翼と固定翼の双方を備える飛行体としては構造や可動部が簡素である。 The aircraft configured as described above is realized by a configuration in which a kite wing and a control unit are added to a so-called multi-copter-type aircraft to which three or more rotary wings are attached. Therefore, attitude control and maneuvering during transition between horizontal flight and vertical takeoff and landing are the same as for a multicopter. Since the kite wing shape and angle are adjusted during level flight to use the lift generated in the kite wing, it is possible to reduce the output of the rotary wing, and the flight speed and flight time compared to conventional multicopters. And the cruising range can be improved. In addition, since the flying body according to the present invention can be realized by adding the kite wing and its control unit, the flying body having both the rotary wing and the fixed wing has few structures and movable parts to be added to the conventional multicopter. As a result, the structure and the movable part are simple.
本発明の選択的な態様の1つは、前記カイト翼は、前記機体の重心を通る仮想的な第1軸に略垂直な方向に沿って延びる回転軸であって前記機体に固定された第2軸に軸支され、前記第1軸を通り前記第2軸を略垂直に横切る対称面について対称な形状であり、3以上の前記回転翼は、前記対称面に対称な位置関係、且つ前記重心を挟んで前記第1軸に沿う方向の両側にそれぞれ少なくとも1つずつ前記機体に取り付けられ、前記第2軸の両端に角度可変で接続された左右軸の先端と中心軸の先端が角度可変の第1接続部により接続されて前記中心軸と左右軸に適切な面積と張りで接続されたカイト翼を有し、前記制御部は、水平に対する前記第1軸の傾きに応じて前記中心軸が前記第2軸と略垂直にスライドすることにより前記左右軸間の角度を可変できると同時に、前記第2軸を中心とする前記カイト翼の形状と傾きを制御する飛行体である。 One of the optional aspects of the present invention is that the kite wing is a rotation axis extending along a direction substantially perpendicular to a virtual first axis passing through the center of gravity of the aircraft, and is fixed to the aircraft. The two or more rotating blades have a symmetrical relationship with respect to the symmetry plane, and are symmetrical with respect to a symmetry plane that is pivotally supported by two axes and that passes through the first axis and substantially perpendicularly crosses the second axis. At least one on each side of the direction along the first axis with the center of gravity in between, and the tip of the left and right axes connected to both ends of the second axis at variable angles and the tip of the center axis are variable in angle A kite wing connected by an appropriate area and tension to the central axis and the left and right axes connected by the first connecting part, and the control part is configured to respond to the inclination of the first axis with respect to the horizontal. Between the left and right axes by sliding substantially perpendicular to the second axis At the same time time can be varied, a flying object to control the shape and inclination of the kite wing centered on the second axis.
このように構成された飛行体においては、3以上の回転翼が取り付けられた機体に対するカイト翼の形状、取り付け位置や向きが具体的に特定される。すなわち、3以上の回転翼が取り付けられた機体に、カイト翼によって生じる揚力を効果的に作用させる構成が実現される。従って、水平飛行時における回転翼の出力を効果的に低下させることが可能な飛行体が実現される。 In the aircraft configured as described above, the shape, attachment position, and orientation of the kite wing with respect to the airframe to which three or more rotary wings are attached are specifically specified. That is, a configuration is realized in which lift generated by the kite blades is effectively applied to the airframe to which three or more rotor blades are attached. Therefore, a flying object capable of effectively reducing the output of the rotary wing during horizontal flight is realized.
更にこのように構成された飛行体においては、前記中心軸のスライドに伴いカイト翼の揚力中心が移動する。もし、回転翼が特定の状態(回転翼の不具合、停止、等)になった場合に、当該飛行体の重心とカイト翼の揚力中心との位置関係を制御することで機体のピッチ軸の制御が可能であり機体を滑空させることができ、飛行体の落下衝撃を緩和した不時着を実現することができる。 Further, in the flying body configured as described above, the center of lift of the kite wing moves as the central axis slides. If the rotor wing enters a specific state (rotor wing failure, stop, etc.), the pitch axis of the aircraft is controlled by controlling the positional relationship between the center of gravity of the aircraft and the lift center of the kite wing. It is possible to glide the aircraft, and to realize non-stop landing that mitigates the falling impact of the flying object.
更にこのように構成された飛行体においては、カイト翼の形状と傾きを連動して可変できるために、前記中心軸の機体との角度変化よりカイト翼の実効的な角度変化を大きくすることができることも飛行体の飛行可能な速度範囲を拡大することに有利である。 Further, since the flying body configured as described above can change the shape and inclination of the kite wing in conjunction with each other, the effective angle change of the kite wing can be made larger than the angle change with the airframe of the central axis. Being able to do so is advantageous for expanding the speed range in which the aircraft can fly.
本発明の選択的な態様の1つは、前記中心軸と左右軸を角度一定に固定したカイト翼を有し、前記第2軸を中心とする前記カイト翼の傾きを制御する飛行体である。 One of the selective aspects of the present invention is a flying body having a kite wing in which the central axis and the left-right axis are fixed at a constant angle, and controlling the inclination of the kite wing about the second axis. .
このように構成された飛行体においては、3以上の回転翼が取り付けられた機体に、一定面積のカイト翼によって生じる揚力を最大限に作用させる構成が実現される。従って、水平飛行時における回転翼の出力を効果的に低下させることが可能な飛行体が実現される。 In the aircraft configured in this way, a configuration is realized in which lift generated by a kite wing having a certain area is applied to the airframe to which three or more rotary wings are attached. Therefore, a flying object capable of effectively reducing the output of the rotary wing during horizontal flight is realized.
本発明の選択的な態様の1つは、前記中心軸と左右軸を角度独立に可変できるカイト翼を有する飛行体である。 One of the selective aspects of the present invention is an air vehicle having a kite wing capable of varying the central axis and the left and right axes independently of the angle.
このように構成された飛行体においては、飛行速度とカイト翼の揚力を独立に制御することができるため、例えば無風時では最大限の揚力で飛行し、強風時には適当な揚力を得ながら機体の進入性を損なわずに向かい風でも飛行できる機体が実現される。In a flying body constructed in this way, the flight speed and the lift of the kite wing can be controlled independently. For example, the aircraft will fly with maximum lift in the absence of wind and obtain the appropriate lift in strong winds. An aircraft that can fly in the headwind without impairing the approachability will be realized.
本発明の他の態様の1つは、3以上の回転翼が取り付けられた機体を持つ飛行体の改造キットであって、前記機体に軸支されるカイト翼と、前記機体に対する相対的な前記カイト翼の形状と傾きを制御する制御部とを含んで構成される改造キットである。 Another aspect of the present invention is a flying body modification kit having a fuselage to which three or more rotor blades are attached, the kite wing being pivotally supported by the fuselage, and the relative to the fuselage. It is a remodeling kit including a control unit for controlling the shape and inclination of the kite wing.
すなわち、本発明は、3以上の回転翼が取り付けられた機体を持つ飛行体に追加する、カイト翼と制御部とを含む飛行体の改造キットとしても把握される。このような改造キットによれば、既存の3以上の回転翼が取り付けられたマルチコプターを本発明に係るカイト翼を有する飛行体に容易に改造可能であり、水平飛行時の回転翼の出力を低下し、飛行速度、飛行時間及び航続距離を改善することができる。 That is, the present invention can be grasped as a flying body remodeling kit including a kite wing and a control unit, which is added to a flying body having a fuselage to which three or more rotor blades are attached. According to such a remodeling kit, it is possible to easily remodel a multi-copter equipped with three or more existing rotor blades into a flying body having a kite blade according to the present invention, and to output the rotor blades during horizontal flight. The flight speed, flight time and cruising range can be improved.
本発明の他の態様の1つは、3以上の回転翼が取り付けられた機体と、前記機体に軸支されたカイト翼と、前記機体に対する相対的な前記カイト翼の形状や傾きを制御する制御部と、を備える飛行体の制御方法であって、前記制御部は、前記飛行体が水平飛行する際に、効率よく揚力を発生する迎角を維持するように前記カイト翼の形状と傾きを制御することを特徴とする制御方法である。 One of the other aspects of the present invention is to control the shape and inclination of the kite wing relative to the aircraft, the aircraft mounted with three or more rotor blades, the kite wing pivotally supported by the aircraft. A control unit, wherein the control unit is configured to tilt and shape the kite wing so as to maintain an angle of attack that efficiently generates lift when the aircraft flies horizontally. Is a control method characterized by controlling.
すなわち、本発明は、3以上の回転翼が取り付けられた機体に軸支されたカイト翼の形状と傾きを制御する制御方法としても把握される。 That is, the present invention can also be understood as a control method for controlling the shape and inclination of a kite blade that is pivotally supported by an airframe to which three or more rotor blades are attached.
本発明の他の態様の1つは、3以上の回転翼が取り付けられた機体と、前記機体に軸支されたカイト翼と、前記機体に対する相対的な前記カイト翼の傾きを制御する制御部と、を備える飛行体の制御プログラムであって、前記飛行体が水平飛行中において、効率よく揚力を発生する迎角を維持するように前記カイト翼の形状と傾きを制御する機能を前記制御部に実現させることを特徴とする制御プログラムである。 One of the other aspects of the present invention is an airframe having three or more rotor blades attached thereto, a kite wing pivotally supported by the airframe, and a controller that controls the inclination of the kite wing relative to the airframe. A control program for controlling the shape and inclination of the kite wing so as to maintain an angle of attack that efficiently generates lift during horizontal flight. This is a control program characterized in that it is realized.
すなわち、本発明は、3以上の回転翼が取り付けられた機体に軸支されたカイト翼の形状と傾きを制御する制御部において実行される制御プログラムとしても把握される。 That is, the present invention can also be understood as a control program executed in a control unit that controls the shape and inclination of a kite blade that is pivotally supported on an airframe to which three or more rotor blades are attached.
本発明の他の態様の1つは、3以上の回転翼が取り付けられた機体と、前記機体に軸支されたカイト翼と、前記機体に対する相対的な前記カイト翼の傾きを制御する制御部と、GPS等の位置情報を得るセンサを備えた飛行体であって、前記飛行体が水平飛行中において、効率よく揚力を発生する飛行経路を生成して飛行する自律航行の制御プログラムである。 One of the other aspects of the present invention is an airframe having three or more rotor blades attached thereto, a kite wing pivotally supported by the airframe, and a controller that controls the inclination of the kite wing relative to the airframe. And an autonomous navigation control program for generating a flight path that efficiently generates lift while the flying object is equipped with a sensor that obtains position information such as GPS.
以上説明した飛行体や改造キットは、他の機器や他の改造キットに組み込まれた状態で実施されたり他の方法とともに実施されたりする等の各種の態様を含む。また、上述した制御方法は、他の方法の一環として実施される等の各種の態様を含む。また、上述した制御プログラムは、該制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体、等としても実現可能である。 The above-described flying object and remodeling kit include various modes such as being implemented in a state of being incorporated in another device or another remodeling kit, or being performed together with other methods. Moreover, the control method mentioned above includes various aspects, such as being implemented as a part of another method. The control program described above can also be realized as a computer-readable recording medium that records the control program.
本発明によれば、回転翼と主翼となるカイト翼の双方を備える飛行体において、水平飛行と垂直離着陸とを遷移させる際に姿勢制御や操縦の難しさを緩和することができる。 According to the present invention, it is possible to alleviate the difficulty of attitude control and maneuvering when transitioning between horizontal flight and vertical take-off and landing in an aircraft including both a rotary wing and a kite wing serving as a main wing.
以下、下記の順序に従って本技術を説明する。
(A)第1の実施形態:
(B)第2の実施形態:
(C)第3の実施形態:
(D)第4の実施形態:Hereinafter, the present technology will be described in the following order.
(A) First embodiment:
(B) Second embodiment:
(C) Third embodiment:
(D) Fourth embodiment:
(A)第1の実施形態:
図1〜図3は本実施形態に係る飛行体100の外観を示す図であり、図1は斜視図、図2は正面図、図3が平面図である。図1〜図3には、3つの回転翼を有するいわゆるトライコプターにカイト翼及びカイト翼形状と傾角の制御部材を追加したタイプの飛行体100を示してあるが、後述するように、4つ以上の回転翼を持つマルチコプターにカイト翼及びカイト翼傾角の制御部材を追加した飛行体としてもよい。なお、以下では図中に示す方向(前後左右上下)を用いて説明を行う場合がある。(A) First embodiment:
1-3 is a figure which shows the external appearance of the flying
飛行体100は、概略、機体10、3以上の複数の回転翼(図1においては3つの回転翼20a〜20c)、カイト翼30、カイト翼駆動部40、制御部50、及び、電源60を備える。電源60は、回転翼20a〜20c、カイト翼駆動部40及び制御部50に対して直接又は間接的に電力を供給する。その他、図1〜図3に示す例では、着陸時に飛行体100を着陸面上で所定の姿勢に支持する脚部14a〜14cを設けてある。 The flying
機体10の形状及び構造は、様々なものを採用可能であるが、軽量であって後述する垂直離着陸や水平飛行の際の空気抵抗が少ないことが望ましく、人員や貨物を収容搬送する必要が無い場合は、例えば、線状の部材を組み合わせて骨組状の構造体とすることが考えられる。 Various shapes and structures of the
カイト翼30は柔軟性のある布等で作られた翼で、31aと31bの左右軸と中心軸33に翼端部と翼中央部がそれぞれ固定されている。おり、固定部分以外は風を受けてそれ自身の荷重が均等になるように柔軟に湾曲して翼型を作るものである。カイト翼30は機体10に軸支されている。軸32の延長である第2軸A2は、飛行体100の重心GCを通る仮想的な第1軸A1に略垂直な方向に沿って延びる回転軸であり、機体10に固定された軸孔部材11の軸孔に軸回転自在に挿通されている。カイト翼30が第2軸A2を中心にして回転することで、その翼面と機体10との相対的な角度を変化することができる。このように、カイト翼30は、機体10に固定されて機体10との相対的な位置関係が変化しない第2軸A2を介して機体10に軸支されており、第2軸A2を介して機体10に対する相対的な傾きを変化できる構造になっている。 The
カイト翼30は、第1軸A1を通り第2軸A2を略垂直に横切る面である対称面Mについて対称な形状となっている。図1に示す方向で言えば、カイト翼30は対称面Mについて左右対称な形状である。図1〜図3に示すカイト翼30としては、31aと31bの左右軸と中心軸33の固定部分以外は風を受けてそれ自身の荷重が均等になるように柔軟に湾曲して翼型を作るものである。 The
回転翼20a〜20cは、各回転翼が機体10に加える上昇力の作用点が、対称面Mについて対称な位置関係となるように機体10に取り付けられる。また、回転翼20a〜20cは、平面視において、回転翼20a〜20cを結ぶ仮想的な多角形(図1〜図3では三角形)が重心GCを囲う位置関係で機体10に取り付けられる。より好ましくは、回転翼20a〜20cを結ぶ仮想的な多角形の重心と重心GCとが略一致する位置関係とする。これにより、回転翼20a〜20cは、上昇/下降/水平飛行等の飛行時に、機体10のバランス保持が容易となる。 The
また、回転翼20a〜20cは、第1軸A1に沿う方向において重心GCを挟んで両側(前方と後方)に分散させて機体に取り付けられている。図1に示す例では、第1軸A1に沿う方向において、重心GCを挟んで前方の機体10に回転翼20a,20bが取り付けられ、重心GCを挟んで後方の機体10に回転翼20cが取り付けられている。このように、第1軸A1に沿う方向において重心GCを挟んで両側に分散させて回転翼を設けることで、垂直方向への移動と水平方向の移動との切り替えが可能になる。 Further, the
重心GCより前方に配設される回転翼20a,20bは、対称面Mを挟んで左右に離間させて対称配置されている。このように左右に離間して対称配置された回転翼20a,20bは、その回転方向を互いに逆方向にしてある。一方、重心GCよりも後方に配設される回転翼20cは、左右方向の略中央(対称面Mが横切る位置)に配設されている。左右方向略中央に配設された回転翼20cは、回転翼20cの傾きを自動調整するチルト機構12を介して機体10に取り付けられている。チルト機構12は、チルトサーボ13を有し、制御部50の制御により、回転翼20cの回転の反作用として回転速度に応じて発生する捩れ力を相殺する方向に自動的に角度を調整される。 The
回転翼20a〜20cは、回転翼20a,20bの回転面に沿う面を平面視した場合に、カイト翼30と重複しない位置に設けられている。本実施形態では、回転翼20a,20bは、その回転面が機体10の第1軸A1と略平行となるように配設されている。従って、飛行体100の平面視においてもカイト翼30と回転翼20a〜20cとが互いに重複しない位置関係である。これにより、カイト翼30及び回転翼20a〜20cの安定性が向上し、カイト翼30が発生する揚力が安定し、回転翼20a〜20cの出力も安定する。 The
カイト翼駆動部40は、第2軸A2を回転軸とする中心軸33と機体10の間の角度を調整する。本実施形態では、図4に示すように、回転サーボ41とリンク機構42とでカイト翼駆動部40を構成しており、回転サーボ41及びリンク機構42を介して機体10と中心軸33とを接続してある。図において、中心軸33と左右軸31aと32bは前方の先端部分で角度可変に接続されている。リンク機構42により中心軸33はスライドしながら回転軸A2で回転する。 The kite
図5に示すように中心軸33がスライドすると先端で接続された左右軸31aと32bの先端部も連動してスライドする。左右軸は軸32両端にてA2軸回転自在でスライド可能に接続されており、その結果左右軸31aと32bは角度が開閉することになる。すなわち、カイト翼駆動部40によりカイト翼30は機体10との角度および左右軸31aと31bの角度の両方を連動して変化させることになる。As shown in FIG. 5, when the
左右軸31aと31bの角度に応じてカイト翼30のたるみ具合が異なり、カイト翼30は風を受けて形をつくるので、実効的な機体10とカイト翼30との角度も左右軸の角度に応じて異なる。図4においてリンク機構42を実線で示す場合と二点鎖線で示した場合の中心軸33の角度差はΔθRとなる.一方,リンク機構42が前記と同範囲で作動した時に実線と二点鎖線で示したカイト翼の実効的な角度差はΔθKとなる.図4から明らかにΔθKの方がΔθRより大きい。The degree of sagging of the
中心軸33は、制御部50によって、水平に対する第1軸A1の傾きに応じて、第2軸A2を回転軸とする機体10に対する相対的な傾きを制御される。
具体的には、カイト翼30の実効的な角度が、水平に対して一定の傾きを維持するように傾きを制御される。この一定の傾きはカイト翼30の形状等に応じて様々であるが、例えば,図6に示すように飛行体が左方向に水平飛行をする場合、カイト翼30の湾曲の際上面を略水平に維持したときに所望の揚力が得られる形状の場合は、制御部50はカイト翼30の実効的な角度が略水平を維持するように中心軸33をスライドさせカイト翼30の形状と傾きを制御する。The
Specifically, the tilt is controlled so that the effective angle of the
次に、飛行体100の飛行状態に応じたカイト翼駆動部40及び回転翼20a〜20cの制御について説明する。 Next, control of the kite
まず、離陸時は、図4に実線で示すように、カイト翼30は左右軸31aと31bの角度を最小にするように中心軸33を前方一杯にスライドさせておようにカイト翼駆動部40を制御する。この状態で各回転翼20a〜20cの出力をバランスさせつつ出力を上昇させると、飛行体100全体がバランスを保ちつつ離陸上昇する。 First, at the time of takeoff, as shown by the solid line in FIG. 4, the kite
次に、離陸後、水平飛行を行う際は、図6に示すように、回転翼20a,20bの出力を回転翼20cの出力に比べて小さくして機体10を前傾させ、その後、回転翼20a,20bと回転翼20cの出力とをバランスさせることで、その前傾度合いを維持しつつ水平飛行を行うことができる。機体10の傾きが大きい程、回転翼20a〜20cの推進力が含む水平分力の割合(垂直上方へ向かう分力に対する比率)が大きくなり、水平飛行速度が上昇する。 Next, when performing horizontal flight after takeoff, as shown in FIG. 6, the output of the
このとき、カイト翼30は、その周囲を流れる風で揚力が発生するような水平方向に対して一定の傾きに維持されている。機体10に対する角度としては、機体10全体が前傾しているため、カイト翼30はその尾部33を機体10に近づけるように後傾した状態となる。制御部50は、一定時間置きに機体10の傾きを検出し、その傾きに応じてカイト翼30の傾きを調整する。このように、カイト翼30に揚力が発生する傾きにカイト翼30が自動的に調整されるため、従来の回転翼の揚力のみで水平飛行するマルチコプターに比べて、カイト翼30の揚力の分だけ回転翼20a〜20cによる上昇力を低下させることができる。すなわち、回転翼20a〜20cによって生じる上昇力を低下できるため、その分、出力を低下させたり、水平方向の推力を高めたりすることができる。 At this time, the
図5に示すように、飛行体100全体の重心GCは機体10の略中央にある。カイト翼30の揚力中心LCは中心軸33のスライドとそれに応じたカイト翼の変形に伴って移動する。機体が略水平でホバリングを行う場合には,左右軸31aと31bは実線で示すように角度は小さく翼面積も小さくなり、揚力中心LCは重心GCより前方にある。機体が水平飛行を行う場合には、左右軸31aと31bは二点鎖線で示すように角度は大きく翼面積の大きくなり、揚力中心LCは重心GCより若干後方にある。 As shown in FIG. 5, the center of gravity GC of the entire flying
これにより、飛行体100が略水平でホバリングを行うときにはカイト翼は水平飛行する際に飛行体100に加わる重力とカイト翼30に生じる揚力とがほぼ相殺し合う構造が実現されることになり、回転翼20a〜20cの出力制御が容易になる。As a result, when the flying
このように、機体10の水平からの角度に応じて揚力中心LCと重心GCの位置関係を制御することができることは、もし回転翼20a〜20cが特定の状態(回転翼の不具合、停止、等)になった場合にも、機体10の揚力中心LCと重心GCの位置関係を制御することにより機体10のピッチ軸の制御が可能であることを示し、落下中に加わる空気抵抗を受けながら飛行体を滑空させ、落下速度の緩和と落下時の体勢の安定を図り、飛行体の落下衝撃を緩和して不時着を実現することができる。Thus, the positional relationship between the lift center LC and the center of gravity GC can be controlled in accordance with the angle from the horizontal of the
図7は、制御部50の機能の概略を説明するブロック図である。同図に示すように、制御部50は、制御用コンピュータ51、R/C受信機52、3軸加速度センサ53、3軸ジャイロセンサ54、3軸地磁気センサ55、気圧センサ56、GPS受信機57を備えている。制御用コンピュータ51は、内蔵するメモリに記録された制御プログラムにより回転翼20a〜20cの回転数やカイト翼30の傾きを制御する。制御用コンピュータ51の出力回路51a〜51eには、それぞれ回転翼20a〜20cのモータアンプAmp1〜Amp3、回転翼20cのヨー軸の傾きを調整するサーボSv1、及び、カイト翼30の傾きを調整するカイト翼駆動部40の回転サーボ41、がそれぞれ接続されている。 FIG. 7 is a block diagram illustrating an outline of functions of the
制御部50は、主に3軸ジャイロセンサ53の出力する角速度の積算により得られる角度情報を用いて機体10のピッチ軸周りの水平方向に対する傾きを検出する。機体10のピッチ軸は、上述した第2軸A2に沿う方向に延びている。また、制御部50は、3軸ジャイロセンサ53のオフセット量を、3軸加速度センサ54の出力する静的な傾き情報を用いて補正する。これにより、制御部50は、機体10のピッチ軸周りの傾きを正確に検出することができる。 The
制御部50は、3軸ジャイロセンサ53及び3軸加速度センサ54を用いて取得する角度情報を用いて回転サーボ41を制御する。その際、機体10の水平方向に対する傾きである角度情報を、変換式や変換テーブル等を用いて回転サーボ41の回転量を示す情報に変換して回転サーボ41へ入力する。回転サーボ41は、入力された回転量を示す情報に応じた角度を回転し、中心軸33をスライドさせながら角度を可変して、その結果カイト翼30の実効的な角度を可変する。 The
なお、飛行体100は外部からラジオコントロールにより制御される構成としてもよく、この場合、制御部50には、ラジオコントロール信号の搬送波に乗せて送信される制御信号を受信するためのR/C受信機52を設ける。 The
更に、飛行体100はGPS受信機57により位置情報を得て自律航行する飛行体としてもよく、例えば図8に示すように観測対象区域70を自律航行する飛行経路71を本発明の飛行体が水平飛行時に省電力となる利点に合わせて、直進飛行とUターンの繰り返しで自動生成する制御プログラムを制御部50に持つとよい。 Further, the flying
なお、上述した実施形態では回転翼の数が3つの場合を例に取り説明したが、飛行体100としては、例えば図9に示すように、後方に二重反転の回転翼を持つクアッドコプター(図9(a))、四方に4つの回転翼を持つクアッドコプター(図9(b))、三方向に二重反転の回転翼を持つヘキサコプター(図9(c))、6つの回転翼を持つヘキサコプター(図9(d))等であってもよい。これらの場合でも、飛行体にカイト翼及びカイト翼傾角の制御部材を取り付けることで、上述した実施形態と同様に、水平飛行と垂直離着陸との間で遷移させる際の姿勢制御や操縦の難しさを緩和し、回転翼と固定翼の双方を備える飛行体の構造や可動部の簡素化を図り、従来のマルチコプターに比べて飛行速度、飛行時間及び航続距離を改善できる。 In the above-described embodiment, the case where the number of rotor blades is three has been described as an example. However, as the flying
(B)第2の実施形態:
図10は、本実施形態に係る飛行体200の構造を説明する図である。同図に示す飛行体200は、カイト翼の構造と制御部のリンク機構を除くと第1の実施形態に係る飛行体100と同じため、飛行体100と同様の符号を付して詳細な説明を省略する。(B) Second embodiment:
FIG. 10 is a diagram illustrating the structure of the flying
飛行体200のカイト翼30の骨組みとなる中心軸33と左右軸31aと31bの接続は固定されており、カイト翼の開閉はできない。カイト翼はリンク43とリンク44の2段リンク機構40により中心軸33が第2軸A2を回転軸として傾けられる構造となっている。 The connection between the
このため飛行体200は、カイト翼の面積を最大限に取ることができ、第1の実施形態と同様にカイト翼の角度調整により水平飛行時に揚力を得て低消費電力で飛行できるというメリットがあるが、カイト翼の面積が変わらないため、風の影響を大きく受けるほか、垂直離着陸の際に、カイト翼の空気抵抗によって飛行体のふらつき等が生じる。For this reason, the flying
(C)第3の実施形態:
図11は、本実施形態に係る飛行体300の構造を説明する図である。同図に示す飛行体300は、カイト翼の形状を除くと第1の実施形態に係る飛行体100と同様の構成であるため、カイト翼以外の構成には飛行体100と同じ符号を付して詳細な説明を省略する。(C) Third embodiment:
FIG. 11 is a diagram illustrating the structure of the flying
飛行体300の左右軸31aと31bは,例えば螺旋状にネジを切った連結軸45に接続されており、連結軸45は例えばフェースギヤ46と電動モータ47により自在に回転でき、左右軸31aと31bをスライドさせてカイト翼30の面積を制御することができる。 The left and
すなわち、電動モータ等で機体重量が増加するものの、カイト翼30の面積と角度を独立に制御でき,例えば強風下での運用や、離着陸の安定性の向上が期待できる。That is, although the body weight increases with an electric motor or the like, the area and angle of the
(D)第4の実施形態:
以上説明した各実施形態に係る機体10以外の部分は、既存のマルチコプターに後から取り付ける改造キットとして実現してもよい。すなわち、上述したカイト翼、機体に対するカイト翼の傾きを調整するカイト翼駆動部、カイト翼駆動部に制御信号を入力する制御部、及び、これらを既存のマルチコプターに取り付けるための取付具をまとめて改造キットとしてもよい。このような改造キットによって、本実施形態に記載のような傾き調整可能なカイト翼を持たない既存のマルチコプターも、後から本実施形態のような傾き調整可能なカイト翼を持つマルチコプターに改造することができる。(D) Fourth embodiment:
Portions other than the
なお、本発明は上述した各実施形態に限られず、上述した各実施形態の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、公知技術並びに上述した各実施形態の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、等も含まれる。また,本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されず,特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes configurations in which the configurations disclosed in the above-described embodiments are mutually replaced or combinations are changed, known techniques, and the above-described embodiments. Also included are configurations in which the configurations disclosed in 1 are replaced with each other or combinations are changed. Further, the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but extends to the matters described in the claims and equivalents thereof.
10…機体、11…軸孔部材、12…チルト機構、13…チルトサーボ、14a〜14c…脚部、20a〜20c…回転翼、30…カイト翼、31a〜31b…左右軸、32…連結軸、33…中心軸、40…カイト翼駆動部、41…回転サーボ、42…リンク機構、43…リンク機構2、44…リンク機構3、45…連結軸、46…フェースギヤ、47…電動モータ、50…制御部、51…制御用コンピュータ、51a〜51e…出力回路、52…R/C受信機、53…3軸ジャイロセンサ、54…3軸加速度センサ、55…3軸地磁気センサ、56…気圧センサ、60…電源、70…観測対象区域、71…飛行経路、100…飛行体、200…飛行体、300…飛行体、A1…第1軸、A2…第2軸、GC…重心、LC…揚力中心、M…対称面DESCRIPTION OF
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