JP2014240242A - 垂直離着陸飛行体 - Google Patents

Abstract

【課題】複数個のマルチブレードロータ（プロペラ）を備えた飛行体（マルチコプター）において、容易かつ迅速に姿勢制御を行えるようにする。【解決手段】機体の中心から所定距離だけ離れた第１円周上に配設された複数の内側ロータユニット（ＲＵ１１〜ＲＵ１４）と、機体の中心から前記所定距離よりも大きな所定距離だけ離れた第２円周上に配設された複数の外側ロータユニット（ＲＵ２１〜ＲＵ２４）と、前記内側ロータユニットおよび外側ロータユニットを駆動制御する制御手段とを備えた垂直離着陸飛行体において、機体の浮上は主として内側ロータユニット（ＲＵ１１〜ＲＵ１４）を動作させて行い、機体の姿勢制御は主として外側ロータユニット（ＲＵ２１〜ＲＵ２４）を動作させて行うようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、垂直軸回りに回転駆動されるマルチブレードロータもしくはプロペラを複数個備えた垂直離着陸飛行体（マルチコプター）に関する。

従来より、垂直離着陸可能な飛行体として、垂直軸回りに回転駆動されるロータもしくはプロペラを複数個備えたマルチコプターが知られている。マルチコプターは、例えばカメラを搭載し遠隔操縦可能に構成することで、人が立ち入れないエリアを空撮して情報を得るのに利用される。かかる遠隔操縦可能なマルチコプターにおいては、姿勢の安定性と操縦性が良好であることが重要であり、安定性と操縦性の向上のために種々の発明が提案されている。

例えば、特許文献１には、８個のプロペラユニットを同一円周上あるいは４個ずつ２段に配置するとともに、周方向へ移動可能に構成する。そして、いずれか１個のプロペラユニットが故障し停止した場合には、故障したプロペラユニットの位置へ他のプロペラユニットに近付けることで安定性を高め、安全な飛行、着陸を可能にする飛行体に関する発明が記載されている。

また、特許文献２には、機体の中心に副回転翼（ロータ）を配置するとともに、該副回転翼を中心にして同一円周上に３つの主回転翼（ロータ）を配置した飛行体に関する発明が記載されている。
さらに、特許文献３には、同一円周上に８個のロータを配置するとともに、ほぼ放射状に配設された複数のアームとこれらのアームを連結する円形フレームを設け、各アームの途中にロータを取り付けた飛行体に関する発明が記載されている。

特開２００２−３７０６９６号公報 特開２００３−２１２１９１号公報 特開２０１１−０４６３５５号公報

特許文献１に記載されている発明は、一部のプロペラが停止した場合に安全な飛行を可能にすることを課題とするもので、プロペラユニットを移動可能に構成しているため、構造が複雑になる。また、特許文献１に記載されている飛行体にあっては、水平移動用のプロペラを揚力発生用の８個のプロペラとは別個に胴体部の側部（４箇所）に設けているため、部品点数が多くなり、重量も重くなるという不都合がある。

特許文献２に記載されている飛行体は、ロータの数が４個であるため浮上構造は簡単であるが、燃料タンクをキャビンの外周３ヵ所または機体内部に配置し、燃料タンク内の航空燃料を相互に移動させることで機体の水平維持を行なうようにしている。そのため、水平維持機構が複雑になる。また、特許文献２には、飛行中に機体が傾斜した場合における瞬時的変位の微調整には、エンジン排出ガスの吐出で行うようにしてもことが記載されている。しかし、そのような姿勢制御を可能にするには、排気ガス吐出口の配置や向き等が制約され、設計上の自由度が減少することとなるとともに、モータを動力源とするマルチコプターにはそのような技術を適用することができないという課題がある。

特許文献３に記載されている飛行体は、複数（８個）のロータを同一円周上に配置するようにしたもので、このような構成にあっては、推力発生部の外形（８個のロータの外接円）ひいては機体全体が大きくなってしまう。また、全てのロータが対等の関係にあるため、機体を上昇または下降させる場合も姿勢を制御する場合も、全てのロータの回転数（揚力）を考慮して制御する必要があり、制御が複雑になるとともに効率を優先した制御が困難であるという課題がある。
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたもので、複数個のマルチブレードロータ（プロペラ）を備えた垂直離着陸飛行体（マルチコプター）において、容易かつ迅速に姿勢制御を行えるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、
機体の重心を通る中心軸から所定距離だけ離れた第１円周上に配設された複数の第１ロータユニットと、前記中心軸から前記所定距離よりも大きな所定距離だけ離れた第２円周上に配設された複数の第２ロータユニットと、前記第１ロータユニットおよび第２ロータユニットを駆動制御する制御手段とを備えた垂直離着陸飛行体であって、
前記機体の浮上は、少なくとも前記第１ロータユニットを動作させて行い、
前記機体の姿勢制御は、少なくとも前記第２ロータユニットを動作させて行うように構成した。

上記構成によれば、機体の中心から離れるほど小さな揚力で機体を傾ける大きなモーメントを発生することができるため、第２ロータユニットを動作させて機体の姿勢制御を行うことで姿勢制御に伴うロータの回転数の変化を小さくすることができる。その結果、所望の姿勢に変化させるのに要する姿勢制御の応答時間を短くすることができる。さらに、少ない力で姿勢制御を行なえるので、外側に配置されるロータユニットとしてサイズの小さなものを使用することができ、飛行体の小型、軽量化が可能になる。また、機体の浮上は、主として内側位置する第１ロータユニットを動作させて行うので、ロータユニットの性能に差があって揚力変化が多少ばらついたとしてもそれによるモーメントが小さいため、姿勢の安定性が損なわれにくい。

また、望ましくは、前記制御手段は、機体をホバリングさせる際には、効率が最大とみなせる回転数領域で前記第１ロータユニットの駆動源が回転するように制御するように構成する。
かかる構成によれば、ロータユニットの駆動効率を向上させることができ、より長時間、長距離の飛行が可能となる。

また、望ましくは、前記第１ロータユニットおよび第２ロータユニットをそれぞれ偶数個ずつ備え、前記制御手段は、前記第１ロータユニットの半数および前記第２ロータユニットの半数を時計回り方向へ回転させ、残りの半数を反時計回り方向へ回転させるように構成する。
かかる構成によれば、ロータユニットの回転駆動で生じる反トルクを容易に相殺させて、機体が回転するのを防止することができる。

さらに、望ましくは、前記第１ロータユニットおよび第２ロータユニットをそれぞれ４個であるように構成する。
かかる構成によれば、姿勢制御が容易であると共に、４個の第１ロータユニットまたは４個の第２ロータユニットのうちいずれか一つが故障して回転が停止したとしても、残りのロータユニットを使用して安全かつ容易に機体を着陸させることができる。

また、望ましくは、前記４個の第１ロータユニットおよび４個の第２ロータユニットはそれぞれ円周方向に９０度の間隔で配設されるとともに、前記４個の第２ロータユニットは前記４個の第１ロータユニットと円周方向に４５度ずれた位置に配設されているようにする。
かかる配置としては、例えば図３（Ａ），（Ｂ）や図４（Ａ）に示すような配置が考えられる。このような配置にすることで、機体に８個のロータユニットを搭載する場合に、ロータユニットの集積度を高めることができ、飛行体の小型化が可能になる。

さらに、望ましくは、前記第２ロータユニットの駆動源は、該駆動源の最大トルクが前記第１ロータユニットの駆動源の最大トルクよりも小さな値に設定されているように構成する。
かかる構成によれば、揚力発生用のロータユニットの駆動源を大きくする一方、姿勢制御用のロータユニットの駆動源は小さくできるため、姿勢の制御性を良好にしつつ機体の安定性を高めることができる。

本発明によれば、複数個のマルチブレードロータ（プロペラ）を備えた垂直離着陸飛行体（マルチコプター）において、容易かつ迅速に姿勢制御を行うことができる。言い換えると、本発明によれば、姿勢の安定性を保持しつつ機体を昇降させる際のロータの制御が比較的容易なマルチコプターを実現することができるという効果がある。

図１は本発明の実施形態に係る垂直離着陸飛行体としてのマルチコプターの概略を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。 図２は実施形態に係るマルチコプターの制御システムの構成例を示すブロック図である。 図３（Ａ）〜（Ｃ）は実施形態に係るマルチコプターの変形例を示すロータ配置図である。 図４（Ａ）〜（Ｃ）は実施形態に係るマルチコプターの他の変形例を示すロータ配置図である。 図５はロータユニットに使用するモータの特性の一例を示す特性図である。

以下、図面を参照しながら、この発明の一実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る垂直離着陸飛行体（以下、マルチコプターと称する）の概略を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
図１（Ｂ）に示すように、本実施形態のマルチコプター１０は、演算制御装置やバッテリー、ジャイロスコープのような姿勢センサ、カメラなどを収納した筒状の胴体部１１と、該胴体部１１の上部に固定されたフレーム１２とを有する。

フレーム１２は、図１（Ａ）に示すように、機体の中心から放射状に伸び互いに直角をなすように配設された４本のアーム１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、該アーム１２ａ〜１２ｄの先端を結合する円環状の機枠１２ｅとから構成されている。機枠１２ｅは、円環状に限定されず、楕円形や多角形などであってもよい。
なお、機体は、その重心が上記アーム１２ａ〜１２ｄの中心を通る鉛直線上に来るように、各構成部品の形状、配置等が設計される。フレーム１２は、航空機の分野では一般的な、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）やチタン合金、アルミ合金のような軽量で強度の高い材料で構成するのが望ましい。

また、マルチコプター１０は、アーム１２ａ〜１２ｄの中間位置にそれぞれ装着された４個のロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４と、アーム１２ａ〜１２ｄの先端部にそれぞれ装着された４個のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４とを備える。言い換えると、ロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４は機体の中心から半径Ｒ１の円周上に９０度間隔で配設され、ロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４は機体の中心から半径Ｒ２（≒２×Ｒ１）の円周上に９０度間隔で配設されている。
ロータユニットの数は８個に限定されず、６個あるいは１０個以上であってもよいが、反トルクによる機体の回転を防止する観点から、偶数個とするのが望ましい。

上記ロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４とＲＵ２１〜ＲＵ２４は、図１（Ｂ）に示すように、それぞれ、ロータ１５、該ロータ１５を回転駆動するモータのような駆動源１６、該駆動源１６を制御するコントローラ（図示省略）などから構成されている。
１本のアーム上に２個のロータユニットを取り付けている本実施例では、ロータ１５の直径をＤとすると、半径Ｒ１とＲ２の関係は、Ｒ１＜Ｒ２，Ｒ２−Ｒ１＞Ｄであればよく、例えばＲ１はＲ２の１／２とすることが考えられる。ただし、ロータユニットＲＵ１１（ＲＵ１３）およびこれと隣接する他のアーム上のロータユニットＲＵ１２，Ｒ１４のロータ同士の干渉を防止するため、Ｒ１＞Ｄ÷√２を満足するようにＲ１，Ｒ２，Ｄの値を決定する。

さらに、本実施例では、演算制御装置は、内側に位置する４個のロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４は、揚力発生用のロータとして動作するように制御する。また、外側に位置する４個のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４は、主として姿勢制御用のロータとして動作するように制御する。さらに、移動のための推力は、左右または前後のロータの回転数をアンバランスにして機体を傾けるように制御することにより得る。
また、特に限定されるものではないが、反トルクによる機体の回転を防止するため、８個のロータユニットのうち４個は時計回り方向へ回転させ、残りの４個は反時計回り方向へ回転させる。具体的には、例えば、機体の中心を挟んで対向する位置に配置されているロータユニットのロータ同士は、互いに逆方向に回転させるように制御することが考えられる。

上記のように、８個のロータユニットを設けることにより、いずれかのユニットが故障してロータが停止しても、残りのユニットの推力（回転数）を適宜制御することによって、安全に着地させることができる。
また、外側に位置する４個のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４を姿勢制御用のロータとして動作させることによって、てこの原理から、内側のロータユニットよりも少ない回転数の変化で発生するモーメントを大きくすることができることが分かる。つまり、姿勢制御に伴うロータの回転数の変化を小さくすることができ、これにより、所望の姿勢に変化するのに要する姿勢制御の応答時間を短くすることができる。さらに、少ない力で姿勢制御を行なえるので、ロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４のモータやロータとして、ＲＵ１１〜ＲＵ１４よりも小さなものを使用した軽量なユニットとすることができる。

また、上記のように、内側に位置する４個のロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４を揚力発生用のロータとして動作させ、一定の回転数で回転させることにより、浮上に必要な消費電流を一定にすることができる。その結果、バッテリーの容量を最適化することが容易となり、高効率化を達成することができる。
より具体的には、モータの特性を図示すると、図５に示すようになる。図５において、符号Ａで示す直線は電流−トルク特性、符号Ｂで示す直線は回転数−トルク特性、符号Ｃで示す曲線は効率−トルク特性を示す。図５より、トルクが小さ過ぎても大き過ぎても効率は低下し、使用するモータにより最大効率となる時のトルクの大きさおよび回転数が決まっていることが分かる。

一方、１個のロータユニットの推力は、モータのトルクと使用するロータの特性（形状、大きさ等）で決まる。従って、機体全体の重量Ｗが決まったら、モータの最大効率時のトルクで決定されるロータユニットの推力をＴとすると、Ｔ＝Ｗ／４なる性能のモータを選択する。
そして、そのようなモータをロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４の駆動源として機体に搭載し、最大効率となる時の回転数で回転させれば、浮上（ホバリング）時に最大効率となるようにモータを駆動制御することができる。また、バッテリーの容量は、上記のようにして決定したモータの消費電流と、目標とする飛行時間および移動距離等から決めることができる。

図２は、上記のような構成のマルチコプター１０の制御システムの構成例を示す。
図２に示すように、制御システムは、マルチコプター１０の制御系３０と、マルチコプター１０の制御系３０に対して上昇や降下、前進、後退、左進、右進、旋回等の操縦指令を送って遠隔制御するための操縦装置（リモコン）４０とから構成される。操縦装置４０からの操縦指令は、無線信号でも良いし、有線による信号でも良い。
マルチコプター１０の制御系３０は、姿勢を検出する姿勢センサ３１と、操縦装置４０からの操縦指令を受けて全体を制御する演算制御装置３２と、ロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４，ＲＵ２１〜ＲＵ２４を制御するモータコントローラなどからなる。

特に限定されるものではないが、この実施例では、揚力発生用のロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４の各モータ１６ａ〜１６ｄは共通のモータコントローラ３３により制御される。また、姿勢制御用のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４には、各ユニットのモータ１６ｅ〜１６ｈを制御するモータコントローラ３４ｅ〜３４ｈが設けられている。
演算制御装置３２は、操縦装置４０からの操縦指令信号および姿勢センサ３１からの信号（加速度、角速度）に基づいて、機体の上昇や降下に必要なモータのトルクすなわち回転数と、姿勢制御や移動に必要なモータのトルクすなわち回転数を算出する。そして、演算制御装置３２からモータコントローラ３３および３４ｅ〜３４ｈに対しては、回転数指令信号が送られる。

ここで、モータ１６ａ〜１６ｄを共通のモータコントローラ３３により制御するようにしているのは、揚力のみを発生させるにはこれらのモータをほぼ同一の回転数で回転させればよいためである。モータコントローラ３３は、自己の制御下のロータ特にモータ１６ａ〜１６ｄの性能にバラツキがある場合、そのバラツキを考慮して駆動信号を補正し各モータへ送るように構成することができる。
一方、前進、後退、左進、右進、旋回を行なう場合、姿勢制御用のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４のモータ１６ｅ〜１６ｈは異なる回転数で回転させる必要がある。そこで、演算制御装置３２は、進行方向や進行速度等に応じて各ロータユニットに配分するトルクを演算し、対応する回転数指令信号をモータコントローラ３４ｅ〜３４ｈへ送って、モータ１６ｅ〜１６ｈを個別に制御するようにしている。

次に、上記実施形態に係るマルチコプターの変形例を、図３を用いて説明する。
第１の変形例は、図３（Ａ）に示すように、外側の姿勢制御用のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４の配置を変え、内側の揚力発生用ロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４とは４５度周方向へずれた位置に配置したものである。かかる配置とすることによって、外側の姿勢制御用のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４が配置される円の半径Ｒ２の値を、図１のものに比べて小さくすることができ、全体を小型化することができる。ただし、各ロータユニットをアームで支持する場合には、アームの本数は図１のものよりも多くなる。４本のアームの中間点を結合する環状のフレームを設けて、該フレーム上に内側の揚力発生用ロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４を搭載するように構成しても良い。

第２の変形例は、図３（Ｂ）に示すように、８個のロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４，ＲＵ２１〜ＲＵ２４の配置は図３（Ａ）と同じにし、ロータの大きさを、外側のものは小さく、内側のものは大きくしたものである。
第３の変形例は、図３（Ｃ）に示すように、８個のロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４，ＲＵ２１〜ＲＵ２４の配置は図１のものと同じにし、ロータの大きさを、外側のものは小さく、内側のものは大きくしたものである。
前述したように、外側のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４で姿勢を制御するようにした場合には、姿勢の変化に大きな力を必要としないので、図３（Ｂ）や（Ｃ）の変形例のように構成しても、制御上特に不都合はない。

図４（Ａ）は、図３（Ａ）に示す第１変形例をさらに変形したもので、図３（Ａ）のものに比べて、内側のロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４が配置される円の半径Ｒ１の値を、図３（Ａ）のものに比べて大きくしたものである。この場合、外側のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４が配置される円の半径Ｒ２の値も少し大きくなるため、全体の大きさが図３（Ａ）のものに比べて若干大きくなるものの、図１のものよりは全体の大きさを小さくすることができる。
図４（Ｂ）は、ロータユニットの数を８個ではなく６個としたものである。ただし、この変形例においても、外側の４個のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４を姿勢制御用として駆動し、内側の２個のロータユニットＲＵ１１，ＲＵ１２を姿勢制御用として駆動するものとする。なお、ロータユニットの数が６個の場合には、図４（Ｃ）に示すように、外側の４個のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４を互いに離して配置する構成も考えられる。

なお、上記実施形態では、複数のロータユニットを支持する枠体として、放射状のアーム１２ａ〜１２ｄとこれらのアームの先端を結合する円環状機枠１２ｅとから構成したものを示したが、これに限定されず格子状のフレームなどであってもよい。
また、実施形態では、ロータを回転させる動力源としてモータを使用したものを示したが、動力源としてガソリンエンジン等を使用したものであってもよい。さらに、ロータとして３枚のブレードを有するものを図示したが、２枚のブレードあるいは４枚以上のブレードを有するものであってもよい。

さらに、特に外側の姿勢制御用ロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４に関しては、アームの軸方向へ移動可能な構成とし、回転数を一定に保持したまま、ロータの位置を径方向へずらすことで姿勢制御を行なえるように構成してもよい。
また、実施形態においては、内側のロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４と外側のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４を同一平面上に配設したが、内側のロータユニットと外側のロータユニットの取付け高さは異なっていてもよい。
また、実施形態においては、本発明を、撮影機能を備えたマルチコプターに適用した場合について説明したが、本発明は、農薬や肥料の散布、交通インフラが破壊された被災地への物資運搬用等、他の用途のマルチコプターにも利用することができる。

１０ マルチコプター（垂直離着陸飛行体）
１１ 胴体部
１２ フレーム
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ アーム
１２ｅ 円環状機枠
１５ ロータ
１６ 駆動源（モータ）
３０ 制御系
３１ 姿勢センサ
３２ 演算制御装置（制御手段）
４０ 操縦装置（リモコン）
ＲＵ１１〜ＲＵ１４ 内側のロータユニット
ＲＵ２１〜ＲＵ２４ 外側のロータユニット

Claims (6)

1. 機体の重心を通る中心軸から所定距離だけ離れた第１円周上に配設された複数の第１ロータユニットと、前記中心軸から前記所定距離よりも大きな所定距離だけ離れた第２円周上に配設された複数の第２ロータユニットと、前記第１ロータユニットおよび第２ロータユニットを駆動制御する制御手段とを備えた垂直離着陸飛行体であって、
   前記機体の浮上は、少なくとも前記第１ロータユニットを動作させて行い、
   前記機体の姿勢制御は、少なくとも前記第２ロータユニットを動作させて行うことを特徴とする垂直離着陸飛行体。
2. 前記制御手段は、機体をホバリングさせる際には、効率が最大とみなせる回転数領域で前記第１ロータユニットの駆動源が回転するように制御することを特徴とする請求項１に記載の垂直離着陸飛行体。
3. 前記第１ロータユニットおよび第２ロータユニットをそれぞれ偶数個ずつ備え、前記制御手段は、前記第１ロータユニットの半数および前記第２ロータユニットの半数を時計回り方向へ回転させ、残りの半数を反時計回り方向へ回転させることを特徴とする請求項１または２に記載の垂直離着陸飛行体。
4. 前記第１ロータユニットおよび第２ロータユニットをそれぞれ４個であることを特徴とする請求項３に記載の垂直離着陸飛行体。
5. 前記４個の第１ロータユニットおよび４個の第２ロータユニットはそれぞれ円周方向に９０度の間隔で配設されるとともに、前記４個の第２ロータユニットは前記４個の第１ロータユニットと円周方向に４５度ずれた位置に配設されていることを特徴とする請求項４に記載の垂直離着陸飛行体。
6. 前記第２ロータユニットの駆動源は、該駆動源の最大トルクが前記第１ロータユニットの駆動源の最大トルクよりも小さな値に設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の垂直離着陸飛行体。

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