JP2008094277A - Double reversal rotation impeller machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転軸に沿って同軸上に配設され、互いに反対方向に回転する上下2つのメインロータで飛行する二重反転回転翼機に関し、さらに詳細には、風の影響を受ける環境でも大きな推力で安定して前進飛行させることができる無人用の小型二重反転回転翼機に関する。 The present invention relates to a counter-rotating rotary wing aircraft that is arranged coaxially along a rotation axis and flies with two upper and lower main rotors rotating in opposite directions, and more particularly in an environment affected by wind. The present invention relates to an unmanned small counter-rotating rotary wing aircraft that can stably fly forward with a large thrust.
小型回転翼機は、固定翼機に比べて離着陸の際に広い面積を必要としない点やホバリング(空中停止)が可能である点等の優れた利点があり、ホビー用のラジコンヘリコプタのみならず、上空からの観測等を目的とした無人航空機(UAV(Unmanned Aerial Vehicle))として利用されている。
従来から利用されている小型回転翼機の基本構造としては、機体上部に設けた単一のメインロータと、メインロータの回転により発生する機体水平方向(ヨー方向)のトルクを打ち消し、機首の方向制御を行う垂直ロータとを有するシングルロータ型のヘリコプタが一般的である。
Compared to fixed wing aircraft, small rotary wing aircraft have advantages such as not requiring a large area for take-off and landing, and capable of hovering (stop in the air), not only for radio control helicopters for hobbies It is used as an unmanned aerial vehicle (UAV (Unmanned Aerial Vehicle)) for the purpose of observation from above.
The basic structure of a small rotorcraft that has been used in the past is to cancel the torque in the horizontal direction (yaw direction) generated by the rotation of the main rotor and the main rotor provided at the top of the fuselage. A single rotor type helicopter having a vertical rotor for performing direction control is generally used.
シングルロータ型ヘリコプタは、メインロータおよび機尾の垂直ロータ(テールロータ)の制御が比較的容易であるという特徴を有しているが、飛翔中は常時、揚力の発生に寄与しない垂直ロータにエンジン出力の一部を供給しなければならない。また、垂直ロータが回転する範囲は、機体の比較的低い位置まで含まれることから、離着陸時に機体のバランスを崩して機尾が下がってしまうと、垂直ロータが地面や地上の物体に接触してしまう危険性がある。 The single rotor type helicopter has a feature that the control of the main rotor and the tail vertical rotor (tail rotor) is relatively easy, but the engine is not always used for the generation of lift during flight. Part of the output must be supplied. In addition, the range of rotation of the vertical rotor is included up to the relatively low position of the aircraft, so if the aircraft loses its balance during takeoff and landing and the tail is lowered, the vertical rotor contacts the ground and ground objects. There is a risk of end.
これに対し、基本構造が異なる小型回転翼機のひとつとして、互いに反対方向に回転する上部メインロータと下部メインロータとを、同軸上に配することにより、これら2つのメインロータの回転で強い揚力を発生するとともに、ヨー方向のトルクの相殺を同時に実現し、これにより垂直ロータを不要にした二重反転回転翼機が開発されている。二重反転回転翼機は、シングルロータ型と比べて、同一揚力を得るためのロータ直径を小さくすることができる。 On the other hand, as one of the small rotor blades with different basic structures, the upper main rotor and the lower main rotor rotating in opposite directions are arranged on the same axis, so that strong lift is generated by the rotation of these two main rotors. In addition, a counter-rotating rotorcraft has been developed that simultaneously cancels torque in the yaw direction, thereby eliminating the need for a vertical rotor. The contra-rotating rotorcraft can reduce the rotor diameter for obtaining the same lift as compared with the single rotor type.
その一方で、二重反転回転翼機では、垂直ロータが存在しないことから、垂直ロータ以外で機首の方向制御を行わなければならない。そのため、例えば、上下のメインロータそれぞれにロータブレードのピッチ角調整機構(スワッシュプレート)を設け、上下2つのメインロータのブレードのピッチ角を同時に逆方向に変化させ、揚力の総和を一定に保ちながら水平方向のトルクのバランスを崩すことにより、方向制御を行うことが開示されている(特許文献1参照)。 On the other hand, since there is no vertical rotor in the counter-rotating rotary wing aircraft, the direction control of the nose must be performed by means other than the vertical rotor. Therefore, for example, a rotor blade pitch angle adjustment mechanism (swash plate) is provided for each of the upper and lower main rotors, and the pitch angle of the blades of the upper and lower two main rotors is simultaneously changed in the opposite direction to keep the total sum of lifts constant. It is disclosed that direction control is performed by breaking the balance of torque in the horizontal direction (see Patent Document 1).
また、二重反転回転翼を配したインドア用のヘリコプタにおいて、安定したホバリング性能、操縦の安全性を確保することを目的として、二重反転回転翼の上部メインロータに連動するスタビライザバーを備えたヘリコプタが開示されている(特許文献2参照)。すなわち、マスト(ロータ回転軸)に取り付けられた上部メインロータと、マストの上端にマストに対して傾動自在に取り付けられ、上部メインロータのブレード傾動機構に対してリンクロッドを介して適宜な交差角度をなすように連結され、上部メインロータと連動して回転するように取り付けられたスタビライザバーとを備えたものが開示されている(特許文献2参照)。 In addition, the indoor helicopter with counter rotating rotor blades is equipped with a stabilizer bar that is linked to the upper main rotor of the counter rotating rotor blades for the purpose of ensuring stable hovering performance and driving safety. A helicopter is disclosed (see Patent Document 2). That is, the upper main rotor attached to the mast (rotor rotation shaft) and the upper end of the mast are attached to the upper end of the mast so as to be tiltable with respect to the mast, and an appropriate crossing angle is provided via a link rod to the blade tilting mechanism of the upper main rotor And a stabilizer bar that is connected so as to be rotated and attached to rotate in conjunction with the upper main rotor is disclosed (see Patent Document 2).
図7は、スタビライザバーによる姿勢安定化作用を説明する模式図である。機体が水平姿勢でホバリングしているとき、図7(a)に示すように、スタビライザバー101は、遠心力が働くことにより、回転面が水平になるように回転している。スタビライザバー101には、慣性モーメントが大きくなるようにバー両端に錘102が取り付けてあり、その結果、スタビライザバー101の回転面は、水平を維持しようとする傾向が強くなっている。何らかの理由で機体が傾斜すると、図7(b)に示すように、水平状態を維持しようとするスタビライザバー101の回転面に対し、上部メインロータ103(および下部メインロータ104)の回転面は機体とともに傾くようになるが、このときリンクロッド105が作動して上部メインロータ103を傾け、これによりスタビライザバー101と上部メインロータ103とが平行になるように戻そうとするサイクリックピッチが上部メインロータに入力されるようにしてある。すなわち、外部からの電気的な制御信号による積極的なコントロールを行わずに、スタビライザバーに働く遠心力によって、機械的に上部メインロータに対し、上部メインロータの回転面を水平に戻そうとする作用を生じさせるようにしている。
したがって、外的要因で機体が傾いた場合にスタビライザバー101は水平を保ち、スタビライザバー101に対して傾いた上部メインロータ103が機体の姿勢を水平に修正するような修正陀としての機能を発揮して、機体を水平姿勢に戻すような復元力が発生するようにしてある。
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the posture stabilizing action by the stabilizer bar. When the airframe is hovering in a horizontal posture, as shown in FIG. 7A, the
Therefore, when the airframe is tilted due to an external factor, the
また、上下2つの水平回転翼の下方に、2つの回転翼によって生じる下降流を受ける投影面積が調整自在の面積調整手段の制御によって、上昇、前進などの操作ができる遠隔操作の自在な無人小型飛翔体が開示されている(特許文献3参照)。
この発明では、さらに、2つの水平回転翼(メインロータ)の回転軸に対し、軸対称の筒を、水平回転翼(メインロータ)を覆うカバーとして備えるようにすることも開示されている。すなわち、二重反転式の水平回転翼を有した飛翔体に、水平回転翼の側面を覆うカバーを設けることで、従来のヘリコプタのように構造が複雑にならずに、安全に運転することが可能になることが開示されている。
In the present invention, it is further disclosed that an axisymmetric cylinder is provided as a cover for covering the horizontal rotary blades (main rotor) with respect to the rotation shafts of the two horizontal rotary blades (main rotor). That is, by providing a cover that covers the side surface of a horizontal rotating wing on a flying object having a counter-rotating horizontal rotating wing, it is possible to operate safely without complicating the structure like a conventional helicopter. It is disclosed that it becomes possible.
二重反転回転翼を用いた構造の小型回転翼機は、様々な分野において潜在的な需要があるものの、これまで、あまり利用されることはなかった。その大きな理由は、風等の抵抗の影響を受ける環境では、安定かつ制御性のよい飛行を行うことが困難であったことによる。一般に、飛翔体は小型化するほど、風等による抵抗の影響を強く受け、所望の位置に移動したり、一定位置にホバリング(空中停止)したりするための制御をすることが困難になる。 Small rotorcraft having a structure using counter-rotating rotor blades, although there is a potential demand in various fields, have not been used so far. The main reason for this is that it was difficult to perform stable and controllable flight in an environment affected by resistance such as wind. In general, the smaller the flying object, the stronger the influence of resistance due to wind or the like, and the more difficult it is to control to move to a desired position or to hover (stop in the air) to a certain position.
特に、小型二重反転回転翼機では、自重に対する上向き推力、風等の抵抗に対抗する推力、姿勢制御するためのモーメント発生の3つの役割を二重反転回転翼が担わなければならない。しかしながら、二重反転回転翼機の構造上、二重反転回転翼の回転により生じる推力は、水平方向に向かう推力に比べて垂直上方に向かう推力の比がはるかに大きい。二重反転回転翼に取付けられたブレードのピッチ角を制御し、いわゆるサイクルピッチを与えることで、水平方向の推力を発生させることができるが、サイクルピッチによって生じる推力だけでは、横風の抵抗に十分に打ち勝つことはできない。そのため、機体が風に流されてしまうこととなった。したがって、小型の二重反転回転翼機は、風の影響の少ないインドアでの利用等に制約されていた。 In particular, in a small counter rotating rotor, the counter rotating rotor must play three roles: upward thrust against its own weight, thrust against resistance such as wind, and moment generation for posture control. However, due to the structure of the counter-rotating rotary blade, the thrust generated by the rotation of the counter-rotating rotary blade is much higher in the ratio of the thrust toward the upper side than the thrust in the horizontal direction. By controlling the pitch angle of the blade mounted on the counter rotating rotor blade and giving a so-called cycle pitch, it is possible to generate a thrust in the horizontal direction, but the thrust generated by the cycle pitch alone is sufficient for crosswind resistance. You can't overcome. As a result, the aircraft was swept away by the wind. Therefore, the small counter-rotating rotary wing aircraft is restricted to use indoors where the influence of wind is small.
風の影響を受けた場合でも、二重反転回転翼機の姿勢安定性を高めるために、特許文献2に記載されているような、上部メインロータとスタビライザバーとをリンクロッドにより連結する方法は、有効な対策方法である。
しかしながら、姿勢安定性を高めることはできたとしても、風に流されることなく大きな推力で飛行させることは困難である。
In order to improve the attitude stability of the counter rotating rotor aircraft even when affected by wind, a method of connecting the upper main rotor and the stabilizer bar with a link rod as described in Patent Document 2 is as follows. It is an effective countermeasure method.
However, even if the posture stability can be improved, it is difficult to fly with a large thrust without being swept away by the wind.
また、上部メインロータにスタビライザバーを連結することにより、姿勢安定性を改善させることができてホバリング状態等で姿勢を水平に維持できる反面、機体を意識的に傾斜(前傾)させようとする際に、スタビライザバーを取り付けたことにより、水平に戻す復元作用とともに、左右いずれか一方に旋回させる作用が働いてしまう結果、かえって前進飛行を行う際に所望の方向へまっすぐに飛行させることが困難になる事態が生じた。 In addition, by connecting the stabilizer bar to the upper main rotor, the posture stability can be improved and the posture can be kept horizontal in a hovering state or the like, while the aircraft is intentionally inclined (tilted forward). At the same time, the stabilizer bar is attached, and in addition to the restoring action to return to the horizontal, the action of turning to either the left or right works, so it is difficult to fly straight in the desired direction when performing forward flight The situation that became.
そこで、本発明は二重反転回転翼機であっても、これまでの機体に比べて十分に大きな前進推力で水平方向に移動することができ、風の影響を受ける環境でも、大きな推力で風に対抗しつつ所望の方向や位置に飛行することができる小型の二重反転回転翼機を提供することを目的とする。
また、本発明は前進飛行の際に、スタビライザバーの存在によって生じる飛行方向に関する課題を解消するようにした小型の二重反転回転翼機を提供することを目的とする。
Therefore, even if the present invention is a counter-rotating rotary wing aircraft, it can move in the horizontal direction with a sufficiently large forward thrust compared to the conventional aircraft, and even in an environment affected by wind, An object of the present invention is to provide a small contra-rotating rotorcraft capable of flying in a desired direction and position while competing with the above.
It is another object of the present invention to provide a small counter-rotating rotary wing aircraft capable of solving the problem relating to the flight direction caused by the presence of a stabilizer bar during forward flight.
上記課題を解決するためになされた本発明の二重反転回転翼機は、上方と下方とが開口し側方が全周にわたってダクトで囲われた機体本体と、機体本体から上方に延びる主回転軸に沿って同軸上に支持され、主回転軸の回りを互いに反対方向に回転する上部メインロータおよび下部メインロータと、慣性モーメントを大きくするための錘が両端に装着された棒状体からなり、棒状体の中心が主回転軸の上端において主回転軸に対して傾動自在に支持されるスタビライザバーと、スタビライザバーが上部メインロータのブレードに対して適宜な交差角度を保ってブレードと一体に回転し得るように、スタビライザバーと上部メインロータとを連結するリンクロッドとを備え、飛行中に慣性モーメントにより水平に維持しようとするスタビライザバーの回転面に対して上部メインロータの回転面が傾斜したときに、リンクロッドが上部メインロータのブレードに入力するサイクリックピッチによって、上部メインロータの回転面を水平に戻そうとする復元力を発生させるようにした二重反転回転翼機において、機尾側ダクト近傍に取り付けられ、上方に向けて延びる副回転軸に支持されるピッチングプロペラと、ピッチングプロペラにより機体重心周りの頭下げモーメントを与えて機体を前傾姿勢で飛行させるときに、前傾姿勢を水平姿勢に戻そうとする上部メインロータのサイクリックピッチ入力によって左右いずれか一方向に旋回しようとする機体に対し、下部メインロータのブレードに入力するサイクリックピッチによるローリングモーメントの制御、および、上部メインロータと下部メインロータとの回転速度を変化させてヨー方向のトルクを発生することによるヨーイングモーメントの制御により、機体を前記一方向と逆方向に旋回させるための旋回力を与えて左右の旋回力をバランスさせて直進飛行を行わせるロータ制御部を備えるようにしている。 The contra-rotating rotary wing machine of the present invention, which has been made to solve the above-mentioned problems, includes a main body that is open at the top and bottom and is surrounded by ducts on the entire side, and a main rotation that extends upward from the main body. An upper main rotor and a lower main rotor that are supported on the same axis along the axis and rotate in opposite directions around the main rotation axis, and a rod-like body with weights for increasing the moment of inertia mounted at both ends, A stabilizer bar whose center is supported to be tiltable with respect to the main rotation shaft at the upper end of the main rotation shaft, and the stabilizer bar rotates integrally with the blade while maintaining an appropriate crossing angle with respect to the blade of the upper main rotor The stabilizer rod and the link rod that connects the upper main rotor, and the stabilizer that keeps it horizontal by the moment of inertia during the flight. When the rotation surface of the upper main rotor is inclined with respect to the rotation surface of-, the restoring force that attempts to return the rotation surface of the upper main rotor horizontally by the cyclic pitch that the link rod inputs to the blades of the upper main rotor In the counter-rotating rotary wing aircraft, the pitching propeller is mounted near the duct on the tail side and supported by the auxiliary rotating shaft that extends upward, and the heading-down moment around the center of gravity of the aircraft is reduced When the aircraft is flying in a forward leaning posture, the lower main rotor is used to turn the aircraft in one of the left and right directions by the cyclic pitch input of the upper main rotor that attempts to return the forward leaning posture to the horizontal posture. Control of the rolling moment by the cyclic pitch input to the blade of the upper main rotor By controlling the yawing moment by changing the rotational speed with the lower main rotor and generating torque in the yaw direction, the turning force for turning the aircraft in the direction opposite to the one direction is given to balance the left and right turning force And a rotor control unit for performing a straight flight.
ここで、機体本体の側方を全周にわたって覆うダクトは、上部メインロータおよび下部メインロータ(以下、これら2つを合わせて二重反転ロータともいう)が回転するときに、二重反転ロータに対してダクトが接触しないように取り付けてあればよい。具体的には、二重反転ロータの下部メインロータ、あるいは、上下2つのメインロータがダクト内に収納されるように配置する場合は、ダクト内径がロータの回転半径より大きくなるように構成される。また、上下2つのメインロータがダクトより上側に配置する場合は、ダクト径と同じかダクト径より大きくしてもよい。 Here, the duct that covers the side of the fuselage main body over the entire circumference is used as a counter rotating rotor when the upper main rotor and the lower main rotor (hereinafter, these two are also referred to as counter rotating rotor) rotate. On the other hand, it may be attached so that the duct does not contact. Specifically, when the lower main rotor of the counter rotating rotor or the upper and lower two main rotors are arranged so as to be housed in the duct, the inner diameter of the duct is configured to be larger than the rotation radius of the rotor. . Further, when the two upper and lower main rotors are arranged above the duct, they may be the same as the duct diameter or larger than the duct diameter.
また、ピッチングプロペラを軸支する副回転軸は、機尾側ダクト近傍の位置で上方に向くようにして支持されるが、直接ダクトに支持されるように取り付けてもよいし、機尾側ダクトから後方に向かう尾翼(固定翼)を形成し、尾翼上で副回転軸が上方に向くようにして支持されるようにしてもよい。 The auxiliary rotating shaft that supports the pitching propeller is supported so as to face upward at a position in the vicinity of the aft-side duct, but may be attached so as to be directly supported by the duct, or the aft-side duct. A tail wing (fixed wing) heading from the rear to the rear may be formed and supported on the tail wing such that the sub-rotation shaft faces upward.
本発明によれば、上下2つのメインロータ(二重反転ロータ)を回転して上向き推力を発生することで機体を浮上させる。この状態で、さらにピッチングプロペラを回転することにより、機首を下げ、機尾を上げるピッチングモーメント(頭下げモーメント)が発生し、機体が前傾するようになる。これにより、上下2つのメインロータによる推力の一部が水平方向の推力として利用することができるようになり、従来のサイクリックピッチにより生じる水平方向の推力に比べて大きな推力(例えば推力比1:10)を利用できるようになる。
ところで、機体が前傾すると、主回転軸が前傾し、したがって上下2つのメインロータの回転面が水平面に対し傾斜することになる。一方、主回転軸に傾動自在に支持され、大きな慣性モーメントを有するスタビライザバーは、その回転面が水平状態を維持しようとする。その結果、スタビライザバーの回転面と上部メインロータの回転面は平行ではなくなる。このとき、リンクロッドが上部メインロータのブレードに入力するサイクリックピッチを調整することにより、上部メインロータの回転面を水平に戻そうとする復元力を発生させる。その結果、ピッチングプロペラの回転による前傾させようとする力と、上部メインロータ、リンクロッド、スタビライザバーによる前傾を水平に戻そうとする力がバランスした状態で飛行することになる。
このとき、上部メインロータが前傾姿勢を水平姿勢に戻そうとするサイクリックピッチ入力の副作用として、左右いずれか一方向に旋回しようとする力が機体に発生し、機体は左旋回または右旋回する現象が生じる。これは、スタビライザバーによる姿勢安定効果は、ホバリング時に機体が水平状態を維持できるようなサイクリックピッチが入力されるように、リンクロッドの取り付けを調整してあることによるもので、前進飛行で維持することを前提としていないことに起因する。
したがって、ロータ制御部が、下部メインロータのブレードに入力するサイクリックピッチ(横サイクリックピッチ)によるローリング制御、および、上部メインロータと下部メインロータとの回転速度を変化させてヨー方向のトルクを発生することによるヨーイングモーメントの制御により、左右の旋回力をバランスさせて直進飛行を行わせる。
According to the present invention, the aircraft body is levitated by rotating the two upper and lower main rotors (double counter-rotating rotor) to generate upward thrust. In this state, by further rotating the pitching propeller, a pitching moment (head-lowering moment) for lowering the nose and raising the tail is generated, and the aircraft tilts forward. As a result, a part of the thrust by the upper and lower two main rotors can be used as the thrust in the horizontal direction, which is larger than the horizontal thrust generated by the conventional cyclic pitch (for example, thrust ratio 1: 10) can be used.
By the way, when the machine body is tilted forward, the main rotation axis is tilted forward, so that the rotation surfaces of the upper and lower two main rotors are inclined with respect to the horizontal plane. On the other hand, the stabilizer bar which is supported on the main rotating shaft so as to be tiltable and has a large moment of inertia tends to maintain its rotating surface in a horizontal state. As a result, the rotation surface of the stabilizer bar and the rotation surface of the upper main rotor are not parallel. At this time, by adjusting the cyclic pitch that the link rod inputs to the blades of the upper main rotor, a restoring force is generated to return the rotating surface of the upper main rotor to the horizontal. As a result, the aircraft flies in a state where the force to tilt forward by the rotation of the pitching propeller and the force to return the forward tilt by the upper main rotor, link rod, and stabilizer bar to the horizontal are balanced.
At this time, as a side effect of the cyclic pitch input in which the upper main rotor attempts to return the forward leaning posture to the horizontal posture, a force is generated in the aircraft to turn in either the left or right direction, and the aircraft turns left or right. A rotating phenomenon occurs. This is because the stabilization effect by the stabilizer bar is adjusted by attaching the link rod so that the cyclic pitch is input so that the aircraft can maintain a horizontal state when hovering. This is due to the fact that it is not premised on.
Therefore, the rotor control unit performs rolling control based on the cyclic pitch (lateral cyclic pitch) input to the blades of the lower main rotor, and changes the rotational speeds of the upper main rotor and the lower main rotor to generate torque in the yaw direction. By controlling the yawing moment that is generated, the left and right turning forces are balanced and a straight flight is performed.
本発明によれば、二重反転回転翼機であっても、メインロータの推力の一部を水平方向の移動の推力として利用するので、これまでの機体に比べて、十分に大きな前進推力で水平方向に移動することができ、風の影響を受ける環境でも、大きな推力で風に対抗しつつ飛行することができる。そして、本発明によれば、前進飛行の際に、ピッチングプロペラの回転により、機体が前傾姿勢で飛行することになるが、その際、スタビライザバー、リンクロッド、上部メインロータによる姿勢安定機能の副作用として、左右いずれか一方向の旋回力が生じるが、これをロータ制御部が下部メインロータに入力するサイクリックピッチ(横サイクリックピッチ)によるローリングモーメントの制御、および、上部メインロータと下部メインロータとの回転速度の変化によるヨーイングモーメントの制御によりバランスさせることで、直進飛行させることができる。 According to the present invention, even with a counter-rotating rotary wing aircraft, a part of the thrust of the main rotor is used as the thrust for the horizontal movement, so that the forward thrust is sufficiently large compared to the conventional aircraft. It can move in the horizontal direction, and even in an environment affected by the wind, it can fly against the wind with a large thrust. According to the present invention, during the forward flight, the aircraft will fly in a forward leaning posture due to the rotation of the pitching propeller. At that time, the posture stabilizing function by the stabilizer bar, the link rod, and the upper main rotor is achieved. As a side effect, turning force in one of the left and right directions is generated, and this is controlled by the cyclic moment (lateral cyclic pitch) that the rotor controller inputs to the lower main rotor, and the upper main rotor and lower main It is possible to fly straight by balancing by controlling the yawing moment by changing the rotational speed with the rotor.
(他の課題を解決するための手段および効果)
上記発明において、ロータ制御部が、下部メインロータのブレードに入力するサイクリックピッチによるローリングモーメントの制御、および、上部メインロータと下部メインロータとの回転速度を変化させてヨー方向のトルクを発生することによるヨーイングモーメントの制御により与える逆方向の旋回力の大きさは、ピッチングプロペラの回転速度に応じて比例制御(P制御)されるようにしてもよい。
機体は、ピッチングプロペラの回転速度に応じて前傾角が制御され、前傾角に応じて、前進速度が変化する。旋回の大きさは、前進速度に比例するので、ピッチングプロペラの回転速度に比例するように逆方向の旋回力の大きさを制御することにより、前進速度に依存することなく、直進飛行をすることが可能になる。
(Means and effects for solving other problems)
In the above invention, the rotor control unit generates the torque in the yaw direction by controlling the rolling moment by the cyclic pitch input to the blades of the lower main rotor and changing the rotational speeds of the upper main rotor and the lower main rotor. The magnitude of the reverse turning force given by controlling the yawing moment may be proportionally controlled (P control) according to the rotational speed of the pitching propeller.
The aircraft has a forward tilt angle controlled according to the rotational speed of the pitching propeller, and the forward speed changes according to the forward tilt angle. Since the magnitude of the turn is proportional to the forward speed, by controlling the magnitude of the reverse turning force to be proportional to the rotational speed of the pitching propeller, it is possible to fly straight without depending on the forward speed. Is possible.
また、別の観点からなされた本発明の二重反転回転翼機は、上方と下方とが開口し側方が全周にわたってダクトで囲われた機体本体と、機体本体から上方に延びる主回転軸に沿って同軸上に支持され、主回転軸の回りを互いに反対方向に回転する上部メインロータおよび下部メインロータと、慣性モーメントを大きくするための錘が両端に装着された棒状体からなり、棒状体の中心が主回転軸の上端において主回転軸に対して傾動自在に支持されるスタビライザバーと、スタビライザバーが上部メインロータのブレードに対して適宜な交差角度を保ってブレードと一体に回転し得るように、スタビライザバーと上部メインロータとを連結するリンクロッドとを備え、飛行中に慣性モーメントにより水平に維持しようとするスタビライザバーの回転面に対して上部メインロータの回転面が傾斜したときに、リンクロッドが上部メインロータのブレードに入力するサイクリックピッチによって、上部メインロータの回転面を水平に戻そうとする復元力を発生させるようにした二重反転回転翼機において、機尾側ダクト近傍に取り付けられ、上方に向けて延びる副回転軸に支持されるピッチングプロペラと、目標地点の空間座標を記憶する目標地点情報記憶部と、機体に取り付けたGPS受信機からのGPS信号により現在地点の空間座標のうち少なくとも水平成分を検出する現在地点検出部と、目標地点の空間座標の水平成分と現在地点の空間座標の水平成分とに基づいて、機体を移動させようとする水平方向の目標方位および目標地点までの水平距離を算出する水平変位算出部と、機首の現在の方位を検出する方位センサと、上部メインロータおよび下部メインロータの回転速度を変化させることにより機首の現在方位が水平方向の目標方位に向くように制御するヨー角コマンドを発生するとともに、ピッチングプロペラの回転速度を目標地点までの水平距離に比例するように変化させて上部メインロータおよび下部メインロータによる水平方向の推力を制御することにより機体の水平方向の位置を制御する水平位置コマンドを発生するロータ制御部を備え、さらにロータ制御部は、ピッチングプロペラにより機体を前傾姿勢で飛行させるときに、前傾姿勢を水平姿勢に戻そうとする上部メインロータのサイクリックピッチ入力によって左右いずれか一方向に旋回しようとする機体に対し、下部メインロータのブレードに入力するサイクリックピッチによるローリングモーメントの制御、および、上部メインロータと下部メインロータとの回転速度を変化させてヨー方向のトルクを発生することによるヨーイングモーメントの制御を行うことにより、機体を前記一方向と逆方向に旋回させるための旋回力を与えて左右の旋回力をバランスさせて直進飛行を行わせるようにしている。 Further, the contra-rotating rotary wing machine of the present invention made from another point of view includes an airframe body whose upper and lower sides are open and whose side is surrounded by a duct over the entire circumference, and a main rotating shaft extending upward from the airframe body. The upper main rotor and the lower main rotor that are supported on the same axis along the main axis of rotation and rotate in opposite directions around the main rotation axis, and the rod-shaped body with weights to increase the moment of inertia are attached to both ends. A stabilizer bar whose center is supported to be tiltable with respect to the main rotation shaft at the upper end of the main rotation shaft, and the stabilizer bar rotates integrally with the blade while maintaining an appropriate crossing angle with respect to the blade of the upper main rotor. A link rod that connects the stabilizer bar and the upper main rotor so that the stabilizer bar is kept horizontal by the moment of inertia during flight. When the rotating surface of the upper main rotor is inclined with respect to the rolling surface, a restoring force is generated to return the rotating surface of the upper main rotor to the horizontal by the cyclic pitch that the link rod inputs to the blade of the upper main rotor. In the contra-rotating rotary wing machine, the pitching propeller that is attached to the vicinity of the aft-side duct and supported by the auxiliary rotating shaft that extends upward, and the target point information storage unit that stores the spatial coordinates of the target point A current point detection unit that detects at least a horizontal component of the spatial coordinates of the current location by a GPS signal from a GPS receiver attached to the aircraft, a horizontal component of the spatial coordinates of the target location, and a horizontal component of the spatial coordinates of the current location A horizontal displacement calculation unit for calculating a horizontal target azimuth and a horizontal distance to the target point to move the aircraft based on And a yaw angle command for controlling the current heading of the nose to the horizontal target heading by changing the rotation speed of the upper main rotor and the lower main rotor. Horizontal position command to control the horizontal position of the aircraft by controlling the thrust in the horizontal direction by the upper main rotor and the lower main rotor by changing the rotation speed of the pitching propeller in proportion to the horizontal distance to the target point In addition, the rotor control unit is controlled by the cyclic pitch input of the upper main rotor that attempts to return the forward leaning posture to the horizontal posture when the aircraft is flying in the forward leaning posture by the pitching propeller. Input to the blade of the lower main rotor for the aircraft trying to turn in one direction The rolling moment is controlled by the cyclic pitch, and the yawing moment is controlled by changing the rotational speed of the upper main rotor and the lower main rotor to generate the yaw direction torque. Thus, a turning force for turning in the opposite direction is applied to balance the turning force on the left and right so that a straight flight can be performed.
本発明によれば、予め、目標地点情報記憶部に目標地点の空間座標が記憶される。目標地点の空間座標が記憶された状態で機体を飛行させると、飛行中は、人工衛星から送られてくるGPS信号をGPS受信機が受信し、機体の現在地点を示す空間座標を時々刻々検出する。水平変位算出部は、記憶された目標地点の空間座標の水平成分と検出した現在地点の空間座標の水平成分とに基づいて、機体を移動させようとする水平方向の目標方位および目標地点までの水平距離を算出する。また、方位センサは、機首の現在の方位を検出する。 According to the present invention, the spatial coordinates of the target point are stored in advance in the target point information storage unit. When flying the aircraft with the spatial coordinates of the target point memorized, the GPS receiver receives the GPS signal sent from the artificial satellite during the flight and detects the space coordinates indicating the current location of the aircraft every moment. To do. The horizontal displacement calculation unit is based on the horizontal component of the spatial coordinates of the stored target point and the detected horizontal component of the spatial coordinate of the current point, and the horizontal target azimuth and the target point to be moved are determined. Calculate the horizontal distance. The direction sensor detects the current direction of the nose.
そして、ロータ制御部は、まず、水平方向の目標方位に機首方向を一致させるヨー角コマンドを発生する。ヨー角コマンドは、上部メインロータの正方向回転速度と下部メインロータの逆方向回転速度の相対的な速度を変えることにより、ヨー方向のトルクを発生させて、機首の方向を回転させるヨー角制御を行う。なお、ヨー角制御の際に、上下2つのメインロータ(二重反転ロータ)による上向きの推力(揚力)の総和が変わらないようにしつつ、上部メインロータと下部メインロータとの相対的な回転速度を変化するようにすれば、現在の高度を維持させることになり、逆に、上向き推力(揚力)の総和を変えつつ相対的な回転速度を変化するようにすれば機体を昇降させることになるので、ヨー角制御とともに、必要に応じて高度制御も行う。 Then, the rotor control unit first generates a yaw angle command for making the nose direction coincide with the horizontal target direction. The yaw angle command generates a torque in the yaw direction by changing the relative speed between the forward rotation speed of the upper main rotor and the reverse rotation speed of the lower main rotor, and rotates the nose direction. Take control. In the yaw angle control, the relative rotational speeds of the upper main rotor and the lower main rotor are maintained while keeping the sum of upward thrust (lift) by the upper and lower two main rotors (double reversing rotor) unchanged. If it is changed, the current altitude will be maintained, and conversely, if the relative rotational speed is changed while changing the sum of upward thrust (lift), the aircraft will be raised and lowered Therefore, along with the yaw angle control, altitude control is performed as necessary.
ヨー角制御に続いて、ロータ制御部は、機体の水平方向の位置を制御する水平位置コマンドを発生する。水平位置コマンドは、ピッチングプロペラの回転速度を増すことにより、機尾を上げ、機首を下げるピッチングモーメント(頭下げモーメント)を発生させる制御を行う。これにより、機体は前方に傾斜するようになり、上下2つのメインロータ(二重反転ロータ)による上向き推力(揚力)は、その一部が、水平方向の推力となる。この水平方向の推力は、機体の前傾角に依存して変化するので、目標地点までの水平距離に比例してピッチングプロペラの回転速度を変化させる制御を行う。これにより、強い風の影響を受けて機体が遠くに流されるときには、強い水平方向の推力で目標地点に戻そうとするようになる。メインロータに発生する水平方向の推力は、メインロータのブレードにサイクリックピッチを入力するにより生じる推力に比べてはるかに大きい(例えば推力比が10:1)。したがって、風の影響を受ける環境下でも、環境に応じた推力で機体を目標地点に正確に近づけることができる。なお、風の影響がない場合には、従来に比べて前進速度を大きくすることができる。 Following the yaw angle control, the rotor control unit generates a horizontal position command for controlling the horizontal position of the aircraft. The horizontal position command performs control to generate a pitching moment (head-down moment) that raises the tail and lowers the nose by increasing the rotational speed of the pitching propeller. As a result, the fuselage is inclined forward, and a part of the upward thrust (lift) by the two upper and lower main rotors (double reversing rotors) is a horizontal thrust. Since this horizontal thrust changes depending on the forward tilt angle of the aircraft, control is performed to change the rotational speed of the pitching propeller in proportion to the horizontal distance to the target point. As a result, when the aircraft is swept away due to the influence of strong winds, it tries to return to the target point with a strong horizontal thrust. The horizontal thrust generated in the main rotor is much larger than the thrust generated by inputting a cyclic pitch to the blades of the main rotor (for example, the thrust ratio is 10: 1). Therefore, even in an environment affected by wind, the aircraft can be accurately brought close to the target point with a thrust according to the environment. In addition, when there is no influence of a wind, a forward speed can be enlarged compared with the past.
しかしながら、機体が前傾すると、主回転軸が前傾し、したがって上下2つのメインロータの回転面が水平面に対し傾斜することになる。一方、主回転軸に傾動自在に支持され、大きな慣性モーメントを有するスタビライザバーは、その回転面が水平状態を維持しようとする。その結果、スタビライザバーの回転面と上部メインロータの回転面は平行ではなくなる。このとき、リンクロッドが上部メインロータのブレードに入力するサイクリックピッチを調整することにより、上部メインロータの回転面を水平に戻そうとする復元力を発生させる。その結果、ピッチングプロペラの回転による前傾させようとする力と、上部メインロータ、リンクロッド、スタビライザバーによる前傾を水平に戻そうとする力がバランスした状態で飛行することになる。
このとき、上部メインロータが前傾姿勢を水平姿勢に戻そうとするサイクリックピッチ入力の副作用として、左右いずれか一方向に旋回しようとする力が機体に発生し、機体は左旋回または右旋回する現象が生じる。
したがって、ロータ制御部が、上記制御に加えて、下部メインロータのブレードに入力するサイクリックピッチ(横サイクリックピッチ)によるローリングモーメントの制御、および、上部メインロータと下部メインロータとの回転速度を変化させてヨー方向のトルクを発生することによるヨーイングモーメントの制御で左右の旋回力をバランスさせて直進飛行を行わせる。
However, when the fuselage is tilted forward, the main rotation axis is tilted forward, so that the rotation surfaces of the upper and lower two main rotors are inclined with respect to the horizontal plane. On the other hand, the stabilizer bar which is supported on the main rotating shaft so as to be tiltable and has a large moment of inertia tends to maintain its rotating surface in a horizontal state. As a result, the rotation surface of the stabilizer bar and the rotation surface of the upper main rotor are not parallel. At this time, by adjusting the cyclic pitch that the link rod inputs to the blades of the upper main rotor, a restoring force is generated to return the rotating surface of the upper main rotor to the horizontal. As a result, the aircraft flies in a state where the force to tilt forward by the rotation of the pitching propeller and the force to return the forward tilt by the upper main rotor, link rod, and stabilizer bar to the horizontal are balanced.
At this time, as a side effect of the cyclic pitch input in which the upper main rotor attempts to return the forward leaning posture to the horizontal posture, a force is generated in the aircraft to turn in either the left or right direction, and the aircraft turns left or right. A rotating phenomenon occurs.
Therefore, in addition to the above control, the rotor control unit controls the rolling moment by the cyclic pitch (lateral cyclic pitch) input to the blades of the lower main rotor, and the rotational speed of the upper main rotor and the lower main rotor. By controlling the yawing moment by changing and generating the torque in the yaw direction, the left and right turning forces are balanced and a straight flight is performed.
本発明によれば、前進飛行の際に、ピッチングプロペラの回転により、機体が前傾姿勢で飛行することになるが、その際、スタビライザバー、リンクロッド、上部メインロータによる姿勢安定機能の副作用として、左右いずれか一方向の旋回力が生じてしまうが、これをロータ制御部が下部メインロータに入力するサイクリックピッチ(横サイクリックピッチ)によるローリングモーメントの制御、および、上部メインロータと下部メインロータとの回転速度を変化させてヨー方向のトルクを発生することによるヨーイングモーメントの制御によりバランスさせることで、直進飛行をさせることができる。 According to the present invention, during forward flight, the aircraft will fly in a forward leaning posture due to the rotation of the pitching propeller. At that time, as a side effect of the posture stabilization function by the stabilizer bar, the link rod, and the upper main rotor Rotating force in one of the left and right directions is generated, and this is controlled by the cyclic moment (lateral cyclic pitch) that the rotor control unit inputs to the lower main rotor, and the upper main rotor and lower main By making a balance by controlling the yawing moment by changing the rotational speed with the rotor and generating a torque in the yaw direction, it is possible to fly straight.
また、上記発明において、機体に取り付けた高度計からの高度信号により現在地点の空間座標の高度成分を検出する現在高度検出部と、目標地点の空間座標の高度成分と現在地点の空間座標の高度成分とに基づいて高度差を算出する垂直変位算出部とをさらに備え、ロータ制御部は、ヨー角コマンドと水平位置コマンドの発生に加えて、上部メインロータおよび下部メインロータの回転速度を変化させることにより機体の現在高度が目標高度に一致するように制御する高度コマンドを発生するようにしてもよい。
本発明によれば、水平移動だけでなく、垂直方向についても予め設定した所望の高度に移動させ、所望の高度に制御した状態で安定したホバリングを行うことができる。
Further, in the above invention, a current altitude detecting unit that detects an altitude component of a spatial coordinate at a current location based on an altitude signal from an altimeter attached to the airframe; And a vertical displacement calculator that calculates an altitude difference based on the above, and the rotor controller changes the rotational speed of the upper main rotor and the lower main rotor in addition to the generation of the yaw angle command and the horizontal position command. Thus, an altitude command for controlling the current altitude of the aircraft to match the target altitude may be generated.
According to the present invention, not only horizontal movement but also vertical direction can be moved to a preset desired altitude, and stable hovering can be performed in a state controlled to the desired altitude.
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施例は、一例にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形実施することが可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiment described below is merely an example, and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
(機体構造)
図1は、本発明の一実施形態である小型二重反転回転翼機の機体構造を示す斜視図であり、図2はその正面図(説明の便宜上、ダクトの一部を破断して示す)である。
この小型二重反転回転翼機10は、主に、制御機器、駆動機構を搭載しダクト21で囲まれた機体本体11と、機体本体11の上方に配置され、上部メインロータ22、下部メインロータ23、スタビライザバー24を有する回転翼機構12と、機体本体11の機尾側ダクト21aの後方に配設される垂直尾翼41およびピッチングプロペラ42を有する後部機構13とから構成される。
(Airframe structure)
FIG. 1 is a perspective view showing an airframe structure of a small counter-rotating rotary wing aircraft according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a front view thereof (for convenience of explanation, a part of a duct is shown broken away). It is.
The small counter-rotating
機体本体11は円筒状のダクト21で側面全周が囲まれるとともに、機体本体11の上面と下面とが開口になっている。このダクト21は、できるだけ機体重量を軽くするために、例えば薄い肉厚の発泡スチロールを使用している。ダクト21の外径は、上下2つのメインロータの回転半径とほぼ等しい大きさにしてあり、機体の占有面積に対する推力比が、できるだけ大きくなるようにしてある。ダクト21は、二重反転回転翼機構12により発生した下降流を整流して、上向き推力(揚力)を制御しやすくするとともに、離着陸の際に二重反転回転翼機構12が人体や地上の物体と接触するのを防ぐ役割を果たす。さらに、ダクト21はこれら以外に、スタビライザバー24による姿勢制御作用に関係して、重要な役割を果たすが、これについては後述する。
The
機体本体11中心(ダクト21の中心軸線上)には、内軸25および外軸26からなる同軸形状の主回転軸27が、フレーム14および図示しない軸受けによって回転可能に支持されている。
A coaxial main
内軸25は、その下端側で、ダクト21内に取り付けられたモータ28からの回転動力がギヤ29を介して伝達されるようにしてある。内軸25の上端より少し下側では、上部メインロータ22の一対のブレード22aが、ブレード傾動機構22bを介して軸支されるようにしてあり、モータ28の駆動により、一方向(正方向とする)の回転が行われるようにしてある。また、内軸25の上端には、スタビライザバー24が傾動自在に軸支されている。このスタビライザバー24の両端には、錘が取り付けてあり、これによりスタビライザバー24の慣性モーメントが大きくなるようにしてある。
The
スタビライザバー24と上部メインロータ22のブレード傾動機構22bとは、リンクロッド31で連結してある。このリンクロッド31は、姿勢制御作用を奏するためのものであり、スタビライザバー24と上部メインロータ22とが適宜な交差角度を保つようにして回転するようにしてある。ここでいう適宜な交差角度は、機体本体11の径、上部メインロータ22の長さ、スタビライザバー24の錘の重量等との関係で定められるものであり、実測により最適な値に設定されるが、機能的には、ホバリング状態(空中停止状態)で機体に外力が作用し、機体が傾斜したときに機体の姿勢が水平に復元するようなサイクリックピッチが入力されて復元力が生じるような交差角度である。
The
ここで、姿勢制御作用について説明する。スタビライザバー24および上部メインロータ22は、ピッチングプロペラ42と、ダクト21との組み合わせによる姿勢制御により、機体を進行方向に傾斜させた状態で姿勢安定効果が発揮されるようにしてある。すなわち、図6に示すように、前進飛行時に、ダクト21の円筒面に風の抵抗力Nが作用することにより生じる機体重心G周りの頭下げモーメントM1およびピッチングプロペラ42による頭下げモーメントM3と、スタビライザバー24、リンクロッド31、上部メインロータ22による機体を水平姿勢に戻そうとする重心G周りの復元モーメントM2の作用とがバランスすることにより、機体が傾斜した状態で安定に前進飛行できるようになっている。
Here, the attitude control action will be described. The
外軸26は、その下端側で、ダクト21内に取り付けられたモータ32からの回転動力がギヤ33を介して伝達されるようにしてある。外軸26の上端では、下部メインロータ23の一対のブレード23aがブレード傾動機構23bを介して軸支されるようにしてあり、モータ32の駆動により上部メインロータ22とは反対方向(逆方向とする)の回転が行われるようにしてある。
The
また、機体本体11内(ダクト21内)には、下部メインロータ23のブレード23aに、機体の移動方向制御のためのサイクリックピッチを入力するための2つのサーボモータ34、35が設けられている。下部メインロータ23に与えるサイクリックピッチは、これらのサーボモータによって動かされる図示しないロッドを介して入力される。なお、これら主回転軸27(内軸25、外軸26)、上部メインロータ22、下部メインロータ23、スタビライザバー24、リンクロッド31等を含む回転翼機構12のメカニカルな構成部分は、例えば、ヒロボー社製XRB機(ラジコンヘリコプタ)のものを利用することができる。
Further, in the machine body 11 (in the duct 21), two
さらに機体本体11には、上記以外に各種センサ、具体的には、気圧測定により機体高度を測定する高度計37、衛星からのGPS信号により位置情報を得るGPSセンサ38a(GPS受信機)、地磁気測定により機体の向きを測定する方位センサ38b、さらには、制御装置39、バッテリ40、および、操縦信号を受信するラジコン受信機46が取り付けられている。
In addition to the above, the
機体本体11の機尾側ダクト21aには、後方に向けて垂直尾翼41が固定してある。また、垂直尾翼41の上端には、上部メインロータ22および下部メインロータ23と接触しない位置で、これらと平行に回転する小さなピッチングプロペラ42および駆動モータ43が取り付けられている。このピッチングプロペラ42は、機体本体11に対して機尾側を持ち上げるピッチングモーメント(頭下げモーメント)を与えることにより、機体本体11を前方に傾斜させ、上部メインロータ22、下部メインロータ23による上向き推力の一部を、前進用の推力として利用できるようにしてある。
A
また、垂直尾翼41の左右両側面には一対の傾斜尾翼44が取り付けられている。この傾斜尾翼44は、機尾側を持ち上げ、機首側を下げた状態で機体が前進するときに、傾斜尾翼44の翼面がほぼ水平状態になるように傾斜角が設定してある。具体的には、例えば機体本体11が、水平面から45度前傾した状態で前進することを基準にして設計しているときは、傾斜角が−45度になるように取り付けてある。この傾斜尾翼44と垂直尾翼41との存在により、機体が前進飛行する際のピッチ方向、ロール方向安定性が改善されるようになる。
なお、機体本体11内に機体の傾斜角を測定するセンサを設け、機体の傾斜角に応じて傾斜尾翼の角度が常に水平になるようにする傾斜角調整機構を備えるようにしてもよい。このようにすれば、機体の傾斜角に応じて、傾斜尾翼の角度を最適な値に維持することができ、機体の傾斜角度によらず、さらに安定な前進飛行を実現することができるようになる。
A pair of
A sensor for measuring the tilt angle of the fuselage may be provided in the fuselage
(制御系)
次に、小型二重反転回転翼機10の制御系について説明する。図3は、小型二重反転回転翼機10の制御系の構成、および、制御系を構成する各部の入出力制御信号を説明するための機能ブロック図である。また、図4は制御に用いる測定データや算出データの関係を説明する図である。
(Control system)
Next, a control system of the small counter-rotating
制御系は、機体本体11内に搭載された制御装置39からの制御信号により制御を行うマイコン制御系Aの他に、回転翼機構12のスタビライザバー24、リンクロッド31の働きによるメカニカルな連携動作により、制御を行うメカニカル制御系Bを有している。これら2つの制御は独立して行われるものであり、主としてマイコン制御系Aが機体の誘導制御を行い、メカニカル制御系Bが機体の姿勢制御を行うものであるが、両者の作用が競合するように作用したり、補完するように作用したりすることもある。
The control system is mechanically linked by the action of the
図3に示すように、小型二重反転回転翼機10のマイコン制御系Aは、各種演算、処理を実行するマイコン(CPU)39aおよび必要な情報を記憶するメモリ39bからなる制御装置39と、高度計37と、GPSセンサ38aと、方位センサ38bと、操縦者が手動で(すなわちラジコン送信機47の操作で)機体を操縦するときに、操縦信号を受信するラジコン受信機46とにより構成される。一方、メカニカル制御系Bはスタビライザバー24と、リンクロッド31と、上部メインロータ22とにより構成され、さらにダクト21がメカニカル制御系Bに関係する。
As shown in FIG. 3, the microcomputer control system A of the small counter-rotating
マイコン制御系Aのマイコン39aおよびメモリ39bが実行する処理や機能を機能ブロックごとに説明すると、メモリ39bは目標地点情報記憶部61を備え、マイコン39aは現在地点検出部51、水平変位算出部52、現在高度検出部53、垂直変位算出部54、ロータ制御部55とを備えている。
Processing and functions executed by the
目標地点情報記憶部61は、機体を到達させようとする目標地点Pの空間座標として、経度、緯度、高度からなる空間座標(X,Y,Z)を記憶する。このうち経度(X座標)と緯度(Y座標)とが空間座標の水平成分であり、高度(Z座標)が高度成分である。なお、この空間座標の設定は、図示しないパーソナルコンピュータと制御装置39とを接続してキーボードからの入力操作により行うことができるようにしてある。
The target point
現在地点検出部51は、GPSセンサ38aにより受信したGPS信号により、現在、機体が存在する位置Q(現在地点Qという)の経度、緯度、高度からなる空間座標(x、y、z)を検出する。
水平変位算出部52は、目標地点Pの座標(X,Y,Z)の水平成分である(X,Y)と、現在地点Qの座標(x,y,z)の水平成分である(x,y)とに基づいて、機体を移動させようとする水平方向の目標方位(θ)および目標地点までの水平距離(L)を算出する演算を行う。
The current
The horizontal
現在高度検出部53は、高度計37により測定した高度信号により、現在、機体が存在する現在高度(z)を検出する。なお、現在高度は、GPSセンサ38aから得ることもできるが、精度や信頼性の観点からGPSセンサ38aとは別に設けた高度計37からの高度情報を用いる方がより好ましい。
垂直変位算出部54は、目標地点Pの座標(X,Y,Z)の高度成分である(Z)と、現在地点Qの座標(x,y,z)の高度成分である(z)とに基づいて、目標地点までの高度差(H)を算出する演算を行う。
The current
The vertical displacement calculation unit 54 (Z) which is the altitude component of the coordinates (X, Y, Z) of the target point P and (z) which is the altitude component of the coordinates (x, y, z) of the current point Q Based on the above, the calculation for calculating the altitude difference (H) to the target point is performed.
ロータ制御部55は、算出された水平方向の目標方位(θ)、目標地点までの水平距離(L)、目標地点までの高度差(H)のデータおよび方位センサで求めた現在の機首方位(ψ)に基づいて、高度コマンド、ヨー角コマンド、水平位置コマンド(前進速度コマンド)を生成し、さらに高度計37、GPSセンサ38a、方位センサ38bから時々刻々送られてくる信号を検出して、各コマンドを更新するフィードバック制御を行うことにより、上部メインロータ22の回転速度、下部メインロータ23の回転速度、ピッチングプロペラ42の回転速度、下部メインロータ23に入力するサイクリックピッチ(縦フラップのためのサイクリックピッチ)を適宜制御することにより、機体高度の制御、機体進行方向の制御、機体水平位置(風のないときは水平位置とともに機体前進速度)の制御を行う。
The
以上が、マイコン制御系Aによる誘導制御であるが、スタビライザバー24によるメカニカル制御系Bが作動する機体では、機体の旋回に対する制御を追加的に実行するようにしている。
すなわち、前進飛行のためにピッチングプロペラ42が作動し、さらにダクト21が前方から風の抵抗を受けることにより、機体は水平状態から前傾状態になるので、メカニカル制御系Bが作用し、図6で説明したように、スタビライザバー24がリンクロッド31を介して上部メインロータ22にサイクリックピッチを入力するようになる。これにより機体の姿勢を、傾斜状態から水平状態に戻そうとする方向の復元モーメントが別途に働くようになる。その結果、マイコン制御系Aによる機体を傾斜させようとする作用と、メカニカル制御系Bによる水平状態に復元しようとする作用とが競合するようになり、これらがバランスして、機体を少し傾斜させた状態で前進飛行が行われることになる。
The above is the guidance control by the microcomputer control system A, but in the airframe in which the mechanical control system B by the
That is, the pitching
ところで、メカニカル制御系Bを構成するスタビライザバー24とリンクロッド31と上部メインロータ22との関係は、既述のように、機体が傾斜したとき、これを水平状態に戻すような復元モーメントが生じるようにサイクリックピッチが入力されるようにしてあり、ホバリング状態(空中停止状態)のときに、最適に水平が維持されるように設計されている。そのため、マイコン制御系Aとメカニカル制御系Bとが競合し、機体が傾斜した状態でバランスを保ちつつ前進飛行するときには、必ずしも安定した前進飛行を行わせるためのサイクリックピッチが、上部メインロータ22に入力されるようには設計されておらず、むしろ、不完全なサイクリックピッチが入力されるようになってしまっている。具体的には、傾斜状態での前進飛行時に、スタビライザバー24およびリンクロッド31が上部メインロータ22に入力するサイクリックピッチは、前進飛行の推力の増加とともに、機体を一方向に旋回させる作用が増大するようになる。この旋回方向は、スタビライザバー24がリンクロッド31により連結されている上部メインロータ22の回転方向やリンクロッド31の取り付け方等の条件により、右旋回か左旋回かのいずれかに決定されるが、ここでは、便宜上、左旋回するものとする。
したがって、マイコン制御系Aのロータ制御部55は、上述した誘導制御に加えて、機体を傾斜させた状態で前進飛行する際に生じる左旋回を打ち消すために、下部メインロータ23に入力するサイクリックピッチ(横フラップのためのサイクリックピッチ)によりローリングモーメントの制御を行い、さらに、上部メインロータと下部メインロータとの回転速度を変化させてヨー方向のトルクを発生することによりヨーイングモーメントの制御を行うことにより、左旋回とバランスする右旋回を与える制御が付加されるようにしている。
By the way, the relationship between the
Therefore, in addition to the guidance control described above, the
次に、マイコン制御系Aによる具体的な制御動作について説明する。図5は、ロータ制御部55が生成した高度コマンド、ヨー角コマンド、水平位置コマンド(前進速度コマンド)により実行される機体誘導のためのフィードバック制御を説明する図である。
Next, a specific control operation by the microcomputer control system A will be described. FIG. 5 is a diagram for explaining feedback control for airframe guidance executed by an altitude command, a yaw angle command, and a horizontal position command (forward speed command) generated by the
(高度制御)
目標地点Pの座標(X,Y,Z)の高度成分である(Z)と、現在地点Qの座標(x,y,z)の高度成分である(z)とに基づいて、目標地点までの高度差(H)が算出されると、目標高度までの高度差(H)に応じた垂直方向の推力(スラスト)が発生するように、上部メインロータ22および下部メインロータの回転速度を制御する高度コマンドを生成する。このとき、上部メインロータ22の回転速度と下部メインロータ23の回転速度とのバランスをとるようにして、ヨー方向の回転力(トルク)が発生しないようにする。そして、高度コマンドは、機体の高度計37から時々刻々送られてくる最新の高度信号に基づいて算出した高度差(H)を用いて、PD制御によるフィードバック制御を行う。これにより、主としてP制御の成分により目標高度(Z)に近づくようになり、さらにD制御成分により急激な変動に対する応答性を高めるようにしている。
(Advanced control)
Based on (Z) which is the altitude component of the coordinates (X, Y, Z) of the target point P and (z) which is the altitude component of the coordinates (x, y, z) of the current point Q When the altitude difference (H) is calculated, the rotational speeds of the upper
(ヨー角制御)
目標地点Pの座標(X,Y,Z)の水平成分である(X,Y)と、現在地点Qの座標(x,y,z)の水平成分である(x,y)とに基づいて、機体を移動させようとする水平方向の目標方位(θ)が算出されると、算出された水平方向の目標方位(θ)に機首方向が一致するようにヨー角制御を行うヨー角コマンドを生成する。すなわち、方位センサ38bで現在の機首方位(ψ)を検出し、水平方向の目標方位(θ)との方位差(φ)を算出し、方位差(φ)が零に近づくように上部メインロータ22の回転速度と、下部メインロータ23の回転速度を制御してヨー方向の回転力(トルク)を発生するコマンドを生成する。このとき、垂直方向の推力(スラスト)が変化しないように上部メインロータ22の回転速度と下部メインロータの回転速度とのバランスをとるようにする。そして、ヨー角コマンドは、機体内の方位センサ38bから時々刻々送られてくる最新の機首方位の信号(ψ)に基づいて算出した方位差(φ)を用いて、PD制御によるフィードバック制御を行う。
(Yaw angle control)
Based on (X, Y) which is the horizontal component of the coordinates (X, Y, Z) of the target point P and (x, y) which is the horizontal component of the coordinates (x, y, z) of the current point Q. When the horizontal target azimuth (θ) to be moved is calculated, the yaw angle command for controlling the yaw angle so that the nose direction coincides with the calculated horizontal target azimuth (θ). Is generated. That is, the current nose direction (ψ) is detected by the
(水平位置制御)
ヨー角制御に続いて、目標地点Pの座標(X,Y,Z)の水平成分である(X,Y)と、現在地点Qの座標(x,y,z)の水平成分である(x,y)とに基づいて水平距離(L)が算出されると、水平距離(L)が零に近づくように水平位置を制御する水平位置コマンド(前進速度コマンド)を生成する。この水平位置コマンド(前進速度コマンド)は、ピッチングプロペラ42の回転速度と、下部メインロータ23の縦フラップのためのサイクリックピッチ(従来からなされている前進飛行推力発生のためのサイクリックピッチ制御)と、下部メインロータ23の横フラップのためのサイクリックピッチとの3つを制御する。
(Horizontal position control)
Following the yaw angle control, the horizontal component (X, Y) of the coordinates (X, Y, Z) of the target point P and the horizontal component of the coordinates (x, y, z) of the current point Q (x) , Y) and the horizontal distance (L) is calculated, a horizontal position command (forward speed command) is generated to control the horizontal position so that the horizontal distance (L) approaches zero. This horizontal position command (forward speed command) includes the rotational speed of the pitching
すなわち、水平位置コマンド(前進速度コマンド)は、第一に、ピッチングプロペラ42の回転速度を制御して機体の傾斜角を制御することにより、上部メインロータ22、下部メインロータ23(二重反転ロータ)による推力の一部を水平方向の推力として利用するとともに、その推力の制御を行う。第二に、下部メインロータ23の縦フラップのサイクリックピッチ入力を制御し、水平方向の推力の制御を行う。これら2つの推力は、前者に比べると後者はかなり小さい(例えば推力比が10:1)が、両者を足し合わせることで、できるだけ大きな推力をもって前進できるようにする。
That is, the horizontal position command (advance speed command) is controlled by controlling the rotational angle of the pitching
また、水平位置コマンド(前進速度コマンド)は、第三に、下部メインロータ23の横フラップのためのサイクリックピッチを入力してローリングモーメントを制御し、同時に、上部メインロータと下部メインロータとの回転速度を変化させてヨー方向のトルクを発生することによりヨーイングモーメントの制御するが、これらは既述したように、スタビライザバー24による姿勢制御の影響で機体が左旋回する現象を抑えて、まっすぐに前進させるための横フラップのサイクリックピッチ入力を与える制御を行うものである。
左旋回現象は、ピッチングプロペラの回転速度が大きくて機体の傾斜角が大きいほど、すなわち、水平位置コマンド(前進速度コマンド)が大きいほど、旋回の大きさが大きくなる傾向があるので、ローリングモーメント制御のために行われる下部メインロータ23の横フラップのためのサイクリックピッチ入力、および、ヨーイングモーメント制御のための上部メインロータ22と下部メインロータ23に対する回転速度変化も、水平位置コマンドに応じた制御を行うようにする。
Thirdly, the horizontal position command (advance speed command) inputs a cyclic pitch for the lateral flap of the lower
The left-turning phenomenon tends to increase as the pitching propeller speed increases and the aircraft tilt angle increases, that is, the horizontal position command (advance speed command) increases. The cyclic pitch input for the lateral flap of the lower
そして、水平位置コマンドは、GPSセンサ38aからの最新の現在地点Qの位置情報に基づいて算出した最新の水平距離(L)を用いて、P制御(比例制御)によるフィードバック制御を行う。P制御によるフィードバック制御を行うことにより、目標地点からの距離が遠ざかるほど、水平方向の推力を強くすることができる。これにより、風が強いほど機体が流され、目的地点からの水平距離が遠くなる傾向があるが、水平距離に比例して推力が与えられるので、風が強い場合でも推力も大きくすることで、目的地点に到達させることができる。一方、風のないときは、水平距離に比例した前進速度で目的地点に近づくように制御されるので、迅速かつ容易に目的地点に到達することができる。
The horizontal position command performs feedback control by P control (proportional control) using the latest horizontal distance (L) calculated based on the latest position information of the current location Q from the
(総合制御)
マイコン制御系Aは、高度コマンド、ヨー角コマンド、水平位置コマンドによる機体誘導(左旋回現象に対する制御も含む)を同時並行的に行うが、これとは別に操縦者がラジコン送信機42から操縦コマンドを送ることにより、ラジコン受信機41が操縦信号を受信したときは、図5に示すように、高度コマンド、ヨー角コマンド、水平位置コマンドに対し、操縦コマンドが足し合わされた制御が行われるようになる。このように、手動コントロールも並行して行えるようにすることにより、突発的な変化があった場合でも手動で対処できるようにしてある。
(General control)
The microcomputer control system A simultaneously performs aircraft guidance (including control for the left turn phenomenon) by altitude command, yaw angle command, and horizontal position command, but in addition to this, the operator can control the navigation command from the
手動コントロールを行う場合に、ピッチングプロペラの回転速度を制御することにより、機体の傾斜角が変化し、これにより水平方向の推力が変化して前進速度を制御することができるが、前進速度に応じて、左旋回現象についても旋回の大きさが変化するので、下部メインロータの横サイクリックピッチ入力および上部メインロータ22と下部メインロータ23に対する回転速度変化により与える右方向の旋回力の大きさを、ピッチングプロペラの回転速度に対応して比例制御するようにする。これにより、前進速度がどのように変化しても、常に、適切な右旋回力を与えることができ、左右の旋回力のバランスがとれて直進飛行を実現させることができる。
When performing manual control, by controlling the rotation speed of the pitching propeller, the tilt angle of the fuselage changes, which can change the thrust in the horizontal direction and control the forward speed, but depending on the forward speed As for the left turn phenomenon, the magnitude of the turn also changes. Therefore, the magnitude of the rightward turning force given by the lateral cyclic pitch input of the lower main rotor and the rotational speed change with respect to the upper
本実施形態では、水平方向と高度方向とを制御するため立体的な目標地点Pを定めたが、例えば、一定高度で飛行した場合にように、水平方向のみを制御するときは高度方向の制御は行わないようにしてもよい。 In the present embodiment, the three-dimensional target point P is determined in order to control the horizontal direction and the altitude direction. For example, when controlling only the horizontal direction, such as when flying at a constant altitude, the altitude direction control is performed. May not be performed.
本発明は、無人用の二重反転回転翼機に利用することができる。 The present invention can be used for an unmanned counter rotating rotary wing machine.
10: 小型二重反転回転翼機
11: 機体本体
12: 回転翼機構
13: 後部機構
21: ダクト
22: 上部メインロータ
23: 下部メインロータ
24: スタビライザバー
25: 内軸
26: 外軸
27: 主回転軸
31: リンクロッド
37: 高度計
38a: GPSセンサ
38b: 方位センサ
39: 制御装置
41: 垂直尾翼
42: ピッチングプロペラ
44: 傾斜尾翼
51: 現在地点検出部
52: 水平変位算出部
53: 現在高度検出部
54: 垂直変位算出部
55: ロータ制御部
61: 目標地点情報記憶部
10: Small counter rotating rotor blade 11: Airframe body 12: Rotor blade mechanism 13: Rear mechanism 21: Duct 22: Upper main rotor 23: Lower main rotor 24: Stabilizer bar 25: Inner shaft 26: Outer shaft 27: Main Rotating shaft 31: Link rod 37:
Claims (4)
慣性モーメントを大きくするための錘が両端に装着された棒状体からなり、棒状体の中心が主回転軸の上端において主回転軸に対して傾動自在に支持されるスタビライザバーと、
スタビライザバーが上部メインロータのブレードに対して適宜な交差角度を保ってブレードと一体に回転し得るように、スタビライザバーと上部メインロータとを連結するリンクロッドとを備え、
飛行中に慣性モーメントにより水平に維持しようとするスタビライザバーの回転面に対して上部メインロータの回転面が傾斜したときに、リンクロッドが上部メインロータのブレードに入力するサイクリックピッチによって、上部メインロータの回転面を水平に戻そうとする復元力を発生させるようにした二重反転回転翼機において、
機尾側ダクト近傍に取り付けられ、上方に向けて延びる副回転軸に支持されるピッチングプロペラと、
ピッチングプロペラにより機体重心周りの頭下げモーメントを与えて機体を前傾姿勢で飛行させるときに、前傾姿勢を水平姿勢に戻そうとする上部メインロータのサイクリックピッチ入力によって左右いずれか一方向に旋回しようとする機体に対し、下部メインロータのブレードに入力するサイクリックピッチによるローリングモーメントの制御、および、上部メインロータと下部メインロータとの回転速度を変化させてヨー方向のトルクを発生することによるヨーイングモーメントの制御により、機体を前記一方向と逆方向に旋回させるための旋回力を与えて左右の旋回力をバランスさせて直進飛行を行わせるロータ制御部を備えたことを特徴とする二重反転回転翼機。 The airframe main body whose upper and lower sides are open and the sides are surrounded by ducts, and the main rotational axis extending upward from the airframe main body are supported on the same axis, and around the main rotational axis in opposite directions. Rotating upper main rotor and lower main rotor;
A stabilizer bar comprising a rod-like body with weights for increasing the moment of inertia attached at both ends, the center of the rod-like body being supported tiltably with respect to the main rotation shaft at the upper end of the main rotation shaft;
A link rod that connects the stabilizer bar and the upper main rotor so that the stabilizer bar can rotate integrally with the blade of the upper main rotor while maintaining an appropriate crossing angle,
When the rotating surface of the upper main rotor is inclined with respect to the rotating surface of the stabilizer bar that is to be kept horizontal by the moment of inertia during flight, the upper main rotor is driven by the cyclic pitch that the link rod inputs to the blades of the upper main rotor. In the counter-rotating rotary blade that is designed to generate a restoring force that attempts to return the rotor's rotating surface to a horizontal position,
A pitching propeller attached to the vicinity of the aft-side duct and supported by a sub-rotating shaft extending upward,
When a pitching propeller is used to give a head-lowering moment around the center of gravity of the aircraft to fly the aircraft in a forward leaning posture, the upper main rotor that attempts to return the forward leaning posture to a horizontal posture is input in either the left or right direction. Controlling the rolling moment by the cyclic pitch input to the blade of the lower main rotor and generating the torque in the yaw direction by changing the rotational speed of the upper main rotor and the lower main rotor for the aircraft to turn And a rotor control unit that provides a turning force for turning the airframe in the direction opposite to the one direction by balancing the yawing moment by means of balancing the left and right turning forces to perform straight flight. Heavy reversal rotorcraft.
慣性モーメントを大きくするための錘が両端に装着された棒状体からなり、棒状体の中心が主回転軸の上端において主回転軸に対して傾動自在に支持されるスタビライザバーと、
スタビライザバーが上部メインロータのブレードに対して適宜な交差角度を保ってブレードと一体に回転し得るように、スタビライザバーと上部メインロータとを連結するリンクロッドとを備え、
飛行中に慣性モーメントにより水平に維持しようとするスタビライザバーの回転面に対して上部メインロータの回転面が傾斜したときに、リンクロッドが上部メインロータのブレードに入力するサイクリックピッチによって、上部メインロータの回転面を水平に戻そうとする復元力を発生させるようにした二重反転回転翼機において、
機尾側ダクト近傍に取り付けられ、上方に向けて延びる副回転軸に支持されるピッチングプロペラと、
目標地点の空間座標を記憶する目標地点情報記憶部と、
機体に取り付けたGPS受信機からのGPS信号により現在地点の空間座標のうち少なくとも水平成分を検出する現在地点検出部と、
目標地点の空間座標の水平成分と現在地点の空間座標の水平成分とに基づいて、機体を移動させようとする水平方向の目標方位および目標地点までの水平距離を算出する水平変位算出部と、
機首の現在の方位を検出する方位センサと、
上部メインロータおよび下部メインロータの回転速度を変化させることにより機首の現在方位が水平方向の目標方位に向くように制御するヨー角コマンドを発生するとともに、ピッチングプロペラの回転速度を目標地点までの水平距離に比例するように変化させて上部メインロータおよび下部メインロータによる水平方向の推力を制御することにより機体の水平方向の位置を制御する水平位置コマンドを発生するロータ制御部を備え、
さらにロータ制御部は、ピッチングプロペラにより機体を前傾姿勢で飛行させるときに、前傾姿勢を水平姿勢に戻そうとする上部メインロータのサイクリックピッチ入力によって左右いずれか一方向に旋回しようとする機体に対し、下部メインロータのブレードに入力するサイクリックピッチによるローリングモーメントの制御、および、上部メインロータと下部メインロータとの回転速度を変化させてヨー方向のトルクを発生することによるヨーイングモーメントの制御を行うことにより、機体を前記一方向と逆方向に旋回させるための旋回力を与えて左右の旋回力をバランスさせて直進飛行を行わせることを特徴とする二重反転回転翼機。 The airframe main body whose upper and lower sides are open and the sides are surrounded by ducts, and the main rotational axis extending upward from the airframe main body are supported on the same axis, and around the main rotational axis in opposite directions. Rotating upper main rotor and lower main rotor;
A stabilizer bar comprising a rod-like body with weights for increasing the moment of inertia attached at both ends, the center of the rod-like body being supported tiltably with respect to the main rotation shaft at the upper end of the main rotation shaft;
A link rod that connects the stabilizer bar and the upper main rotor so that the stabilizer bar can rotate integrally with the blade of the upper main rotor while maintaining an appropriate crossing angle,
When the rotating surface of the upper main rotor is inclined with respect to the rotating surface of the stabilizer bar that is to be kept horizontal by the moment of inertia during flight, the upper main rotor is driven by the cyclic pitch that the link rod inputs to the blades of the upper main rotor. In the counter-rotating rotary blade that is designed to generate a restoring force that attempts to return the rotor's rotating surface to a horizontal position,
A pitching propeller attached to the vicinity of the aft-side duct and supported by a sub-rotating shaft extending upward,
A target point information storage unit for storing the spatial coordinates of the target point;
A current point detection unit that detects at least a horizontal component of the spatial coordinates of the current point by a GPS signal from a GPS receiver attached to the aircraft;
A horizontal displacement calculation unit that calculates a horizontal target azimuth and a horizontal distance to the target point to move the aircraft based on a horizontal component of the spatial coordinate of the target point and a horizontal component of the spatial coordinate of the current point;
An orientation sensor that detects the current orientation of the nose;
A yaw angle command is generated to control the current nose direction to the horizontal target direction by changing the rotation speed of the upper main rotor and the lower main rotor, and the rotation speed of the pitching propeller is adjusted to the target point. A rotor control unit that generates a horizontal position command for controlling the horizontal position of the fuselage by controlling the horizontal thrust by the upper main rotor and the lower main rotor by changing in proportion to the horizontal distance,
Furthermore, the rotor control unit tries to turn in either one of the left and right directions by the cyclic pitch input of the upper main rotor that attempts to return the forward leaning posture to the horizontal posture when the aircraft is caused to fly forward by the pitching propeller. Control of the rolling moment by the cyclic pitch input to the blades of the lower main rotor, and the yawing moment of the aircraft by generating the torque in the yaw direction by changing the rotational speed of the upper main rotor and the lower main rotor A counter-rotating rotary wing aircraft characterized in that, by performing control, a turning force for turning the airframe in a direction opposite to the one direction is applied, and the left and right turning forces are balanced to perform straight flight.
目標地点の空間座標の高度成分と現在地点の空間座標の高度成分とに基づいて高度差を算出する垂直変位算出部とをさらに備え、
ロータ制御部は、ヨー角コマンドと水平位置コマンドの発生に加えて、上部メインロータおよび下部メインロータの回転速度を変化させることにより機体の現在高度が目標高度に一致するように制御する高度コマンドを発生することを特徴とする請求項3に記載の二重反転回転翼機。 A current altitude detector that detects the altitude component of the spatial coordinates of the current location from the altitude signal from the altimeter attached to the aircraft,
A vertical displacement calculator that calculates an altitude difference based on the altitude component of the spatial coordinates of the target location and the altitude component of the spatial coordinates of the current location;
In addition to generating the yaw angle command and horizontal position command, the rotor control unit changes the rotational speed of the upper main rotor and lower main rotor to change the altitude command to control the aircraft's current altitude to match the target altitude. The contra-rotating rotorcraft according to claim 3, wherein the counter rotating rotorcraft is generated.
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