JP2016032972A - Vertical take-off and landing aircraft and control method of the same - Google Patents

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直紀 河野
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直紀 河野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vertical take-off and landing aircraft that stabilizes a current attitude of a body to a target attitude angle early.SOLUTION: A vertical take-off and landing aircraft comprises: a plurality of rotor units for generating thrust; rotor deflecting servo motors 20b-25b for adjusting the direction of the thrust; and a control unit 40 for controlling the magnitude and direction of the thrust. The control unit 40 comprises: an attitude control part 42 for determining the magnitude of the thrust; a position control part 45 for determining the direction of the thrust; a direction correction part 46 for correcting the direction of the thrust so as to bring the direction of the thrust determined by the position control part 45 close to a yaw axis direction, which is orthogonal to a plane where a body is placed, as a difference between a current attitude angle and a target attitude angle gets larger; and a thrust correction part 43 for correcting the magnitude of the thrust so that the magnitude of the thrust determined by the attitude control part 42 becomes larger as a difference between the direction of the thrust corrected by the direction correction part 46 and the yaw axis direction gets larger.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本発明は、垂直離着陸機およびその制御方法に関する。   The present invention relates to a vertical take-off and landing aircraft and a control method thereof.

従来、推力を発生させる複数のロータを備えるマルチロータヘリコプタが知られている(例えば、特許文献1および非特許文献1参照。)。
特許文献1には、横風に応じて機体の角度を風に対抗できるように傾けることで横風に対する安定化を実現したマルチロータヘリコプタが開示されている。特許文献1に開示されたマルチロータヘリコプタは、横風に対して機体の角度を傾けるため、機体の水平姿勢を一定に保つことができないものとなっている。
Conventionally, a multi-rotor helicopter including a plurality of rotors that generate thrust is known (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).
Patent Document 1 discloses a multi-rotor helicopter that realizes stabilization against a cross wind by inclining the angle of the airframe so as to be able to counter the wind according to the cross wind. Since the multi-rotor helicopter disclosed in Patent Document 1 tilts the angle of the aircraft with respect to the crosswind, the horizontal posture of the aircraft cannot be kept constant.

一方、非特許文献1には、それぞれ推力の方向を偏向可能な4つのロータを備えたクワドロータヘリコプタが開示されている。非特許文献1に開示されたクワドロータヘリコプタは、推力の方向を任意方向に偏向可能であるため、横風に対して機体の角度を傾けることなく、水平姿勢を一定に保つことができる。   On the other hand, Non-Patent Document 1 discloses a quadrotor helicopter including four rotors each capable of deflecting the direction of thrust. Since the quadrotor helicopter disclosed in Non-Patent Document 1 can deflect the direction of thrust in an arbitrary direction, the horizontal posture can be kept constant without tilting the angle of the airframe with respect to the crosswind.

特開2012−228944号公報JP 2012-228944 A

今村彰隆,外3名,「ベクターノズル型クワドヘリコプタによる定姿勢飛行」,日本航空宇宙学会,第51回飛行機シンポジウム,1F01,2013年11月20日Akitaka Imamura, 3 others, “Fixed attitude flight with a vector nozzle quad helicopter”, Japan Aerospace Society, 51st Aircraft Symposium, 1F01, November 20, 2013

非特許文献1には、4つのロータの推力の方向を垂直方向から特定の方向に偏向させることにより、滑走効果が得られることが開示されている。この滑走効果により、クワドロータヘリコプタを任意の位置に移動させることができる。
しかしながら、横風等の影響により機体が水平姿勢から大きく傾斜している場合、滑走効果により機体を移動させるために、4つのロータの推力の方向を偏向させてしまうと、それに伴って機体の姿勢の調整に作用する推力の大きさが小さくなってしまう。そのため、機体を水平姿勢と一致するように安定化するための推力の大きさの調整が十分に行われず、機体の現在姿勢が水平姿勢に安定しない、或いは水平姿勢に安定するまでに長時間を要するという問題がある。
Non-Patent Document 1 discloses that a sliding effect can be obtained by deflecting the thrust directions of the four rotors from a vertical direction to a specific direction. Due to this sliding effect, the quadrotor helicopter can be moved to an arbitrary position.
However, if the aircraft is greatly inclined from the horizontal posture due to the influence of crosswinds, etc., if the direction of thrust of the four rotors is deflected in order to move the aircraft due to the sliding effect, the attitude of the aircraft will be changed accordingly. The magnitude of the thrust acting on the adjustment is reduced. Therefore, adjustment of the thrust to stabilize the aircraft to match the horizontal posture is not performed sufficiently, and the current posture of the aircraft is not stable in the horizontal posture, or it takes a long time to stabilize in the horizontal posture. There is a problem that it takes.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、横風等の影響により本体が目標姿勢角から大きく傾斜している場合であっても、本体の現在姿勢を目標姿勢角に早期に安定化することが可能な垂直離着陸機およびその制御方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and even when the main body is largely inclined from the target posture angle due to the influence of a crosswind or the like, the current posture of the main body is quickly brought to the target posture angle. An object is to provide a vertical take-off and landing aircraft that can be stabilized and a control method thereof.

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を採用する。
本発明の一態様に係る垂直離着陸機は、本体と、該本体を取り囲む円周上の複数の位置にそれぞれ配置されるとともに前記本体を上昇させる推力を発生する複数の推力発生部と、該複数の推力発生部のそれぞれが発生する前記推力の方向を調整する推力方向調整機構と、前記本体の現在姿勢角を検出する姿勢角検出部と、前記本体の現在位置を検出する位置検出部と、前記複数の推力発生部のそれぞれが発生する前記推力の大きさと、前記推力方向調整機構が調整する前記複数の推力発生部それぞれの前記推力の方向とを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記姿勢角検出部が検出する前記現在姿勢角と目標姿勢角とに基づいて前記複数の推力発生部のそれぞれが発生する前記推力の大きさを決定する姿勢制御部と、前記位置検出部が検出する前記現在位置と目標位置とに基づいて前記推力方向調整機構が調整する前記複数の推力発生部それぞれの前記推力の方向を決定する位置制御部と、前記現在姿勢角と前記目標姿勢角との差分が大きくなるのに応じて前記位置制御部が決定した前記推力の方向を前記本体が配置される平面に直交する基準方向に近づけるように該推力の方向を補正する方向補正部と、該方向補正部により補正された前記推力の方向と前記基準方向との差分が大きくなるのに応じて前記姿勢制御部が決定した前記推力の大きさが大きくなるように該推力の大きさを補正する推力補正部と、を有する。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following means.
A vertical take-off and landing aircraft according to an aspect of the present invention includes a main body, a plurality of thrust generation units that are arranged at a plurality of positions on a circumference surrounding the main body and generate a thrust that raises the main body, and the plurality A thrust direction adjusting mechanism that adjusts the direction of the thrust generated by each of the thrust generation units, a posture angle detection unit that detects a current posture angle of the main body, a position detection unit that detects a current position of the main body, A control unit that controls the magnitude of the thrust generated by each of the plurality of thrust generation units and the direction of the thrust of each of the plurality of thrust generation units adjusted by the thrust direction adjustment mechanism, and A posture control unit that determines a magnitude of the thrust generated by each of the plurality of thrust generation units based on the current posture angle and the target posture angle detected by the posture angle detection unit; and the position detection Part A position control unit for determining a direction of the thrust of each of the plurality of thrust generation units adjusted by the thrust direction adjustment mechanism based on the current position and the target position to be detected; the current posture angle and the target posture angle; A direction correcting unit that corrects the direction of the thrust so that the direction of the thrust determined by the position control unit according to the difference between the direction and the reference direction orthogonal to the plane on which the main body is disposed, The magnitude of the thrust is corrected so that the magnitude of the thrust determined by the attitude control unit increases as the difference between the direction of the thrust corrected by the direction correction unit and the reference direction increases. A thrust correction unit.

本発明の一態様に係る垂直離着陸機によれば、姿勢角検出部が検出する現在姿勢角と目標姿勢角とに基づいて複数の推力発生部のそれぞれが発生する推力の大きさが姿勢制御部により決定される。また、位置検出部が検出する現在位置と目標位置とに基づいて推力方向調整機構が調整する複数の推力発生部それぞれの推力の方向が位置制御部により決定される。
位置制御部が決定した推力の方向は、現在姿勢角と目標姿勢角との差分が大きくなるのに応じて本体が配置される平面に直交する基準方向に近づけるように補正される。そのため、横風等の影響により本体が目標姿勢角から大きく傾斜している場合には、推力の方向の基準方向からの傾斜が大きくなるのに応じて機体の姿勢の調整に作用する推力の大きさが小さくなってしまうことが抑制される。また、これによって、位置制御部が決定する推力の方向に基づく位置制御よりも、姿勢制御部が決定する推力の大きさに基づく姿勢制御が優先されることとなる。
According to the vertical take-off and landing aircraft according to one aspect of the present invention, the magnitude of the thrust generated by each of the plurality of thrust generation units based on the current attitude angle and the target attitude angle detected by the attitude angle detection unit is the attitude control unit. Determined by. Further, the position control unit determines the thrust direction of each of the plurality of thrust generating units adjusted by the thrust direction adjusting mechanism based on the current position and the target position detected by the position detection unit.
The direction of the thrust determined by the position control unit is corrected so as to approach a reference direction orthogonal to the plane on which the main body is arranged as the difference between the current posture angle and the target posture angle increases. Therefore, when the main body is largely inclined from the target attitude angle due to the influence of crosswinds, etc., the magnitude of the thrust acting on the adjustment of the attitude of the aircraft as the inclination of the thrust direction from the reference direction increases Is suppressed from becoming smaller. This also gives priority to the posture control based on the magnitude of the thrust determined by the posture control unit, rather than the position control based on the direction of the thrust determined by the position control unit.

また、姿勢制御部が決定した推力の大きさは、補正された推力の方向と基準方向との差分が大きくなるのに応じて大きくなるように補正される。そのため、滑走中に本体を上昇させる推力の大きさが小さくなってしまうことが抑制される。   Further, the magnitude of the thrust determined by the posture control unit is corrected so as to increase as the difference between the corrected thrust direction and the reference direction increases. For this reason, it is possible to suppress a reduction in the magnitude of the thrust that raises the main body during sliding.

このように、本発明の一態様によれば、横風等の影響により本体が目標姿勢角から大きく傾斜している場合であっても、本体の現在姿勢を目標姿勢角に早期に安定化することが可能な垂直離着陸機を提供することができる。   As described above, according to one aspect of the present invention, even when the main body is largely inclined from the target posture angle due to the influence of crosswind or the like, the current posture of the main body can be stabilized at the target posture angle at an early stage. Can provide a vertical take-off and landing aircraft.

本発明の一態様に係る垂直離着陸機において、前記方向補正部は、前記現在姿勢角と前記目標姿勢角との差分が0°より大きく90°以下の第1角度以上である場合に、前記位置制御部が決定した前記推力の方向が前記基準方向となるように該推力の方向を補正する構成としてもよい。
このようにすることで、現在姿勢角と目標姿勢角との差分が第1角度以上である場合には、位置制御部が決定する推力の方向に関わらず、推力の方向が基準方向となるようにし、姿勢制御部が決定する推力の大きさに基づく姿勢制御を優先することができる。
In the vertical take-off and landing aircraft according to one aspect of the present invention, the direction correction unit is configured to detect the position when a difference between the current posture angle and the target posture angle is greater than 0 ° and greater than or equal to a first angle of 90 ° or less. The direction of the thrust may be corrected so that the direction of the thrust determined by the control unit becomes the reference direction.
In this way, when the difference between the current posture angle and the target posture angle is equal to or larger than the first angle, the direction of the thrust becomes the reference direction regardless of the direction of the thrust determined by the position control unit. Thus, priority can be given to posture control based on the magnitude of thrust determined by the posture control unit.

上記構成において、前記方向補正部は、前記現在姿勢角と前記目標姿勢角との差分が0°より大きく前記第1角度より小さい第2角度以下である場合に、前記位置制御部が決定した前記推力の方向を補正せずに出力するようにしてもよい。
このようにすることで、現在姿勢角と目標姿勢角との差分が第2角度以下である場合には、位置制御部が決定する推力の方向に基づく位置制御を優先することができる。
In the above configuration, the direction correction unit determines the position control unit when the difference between the current posture angle and the target posture angle is less than a second angle that is greater than 0 ° and less than the first angle. You may make it output, without correct | amending the direction of thrust.
Thus, when the difference between the current posture angle and the target posture angle is equal to or smaller than the second angle, priority can be given to position control based on the thrust direction determined by the position control unit.

本発明の一態様に係る垂直離着陸機において、前記複数の推力発生部のそれぞれは、軸線回りに駆動軸を回転させるモータと、該駆動軸に連結されるとともに該駆動軸の回転に応じて前記軸線に沿った方向の推力を発生するロータとを備えるようにしてもよい。
このようにすることで、複数の推力発生部のそれぞれを、モータにより駆動軸を回転させることによりロータによる推力を発生させる構成とすることができる。
In the vertical take-off and landing aircraft according to one aspect of the present invention, each of the plurality of thrust generation units is connected to the drive shaft around the axis, and is connected to the drive shaft according to the rotation of the drive shaft. You may make it provide the rotor which generate | occur | produces the thrust of the direction along an axis line.
By doing in this way, each of several thrust generation part can be set as the structure which generates the thrust by a rotor by rotating a drive shaft with a motor.

本発明の一態様に係る垂直離着陸機において、前記複数の推力発生部のそれぞれは、前記本体から延びる複数の取付軸を介して前記本体に取り付けられており、前記推力方向調整機構は、前記取付軸回りに前記推力発生部を揺動させて前記推力の方向を調整するようにしてもよい。
このようにすることで、本体から延びる取付軸回りに各推力発生部を揺動させることにより、各推力発生部が発生する推力の方向を基準方向から傾斜させることができる。
In the vertical take-off and landing aircraft according to one aspect of the present invention, each of the plurality of thrust generation units is attached to the main body via a plurality of attachment shafts extending from the main body, and the thrust direction adjusting mechanism is the attachment The direction of the thrust may be adjusted by swinging the thrust generating portion around an axis.
By doing in this way, the direction of the thrust which each thrust generation part generate | occur | produces can be made to incline from a reference direction by rocking each thrust generation part around the attachment shaft extended from a main body.

本発明の一態様に係る垂直離着陸機の制御方法は、本体と、該本体を取り囲む円周上の複数の位置にそれぞれ配置されるとともに前記本体を上昇させる推力を発生する複数の推力発生部と、該複数の推力発生部のそれぞれが発生する前記推力の方向を調整する推力方向調整機構とを備える垂直離着陸機の制御方法であって、前記本体の現在姿勢角を検出する姿勢角検出工程と、前記姿勢角検出部が検出する前記現在姿勢角と目標姿勢角とに基づいて前記複数の推力発生部のそれぞれが発生する前記推力の大きさを決定する姿勢制御工程と、前記本体の現在位置を検出する位置検出工程と、前記位置検出工程が検出する前記現在位置と目標位置とに基づいて前記推力方向調整機構が調整する前記複数の推力発生部それぞれの前記推力の方向を決定する位置制御工程と、前記現在姿勢角と前記目標姿勢角との差分が大きくなるのに応じて前記位置制御工程が決定した前記推力の方向を前記本体が配置される平面に直交する基準方向に近づけるように該推力の方向を補正する方向補正工程と、該方向補正工程により補正された前記推力の方向と前記基準方向との差分が大きくなるのに応じて前記姿勢制御工程が決定した前記推力の大きさが大きくなるように該推力の大きさを補正する推力補正工程と、を有する。   A control method for a vertical take-off and landing aircraft according to an aspect of the present invention includes a main body, and a plurality of thrust generators that are arranged at a plurality of positions on a circumference surrounding the main body and generate thrust to raise the main body. A control method of a vertical take-off and landing aircraft comprising a thrust direction adjusting mechanism that adjusts the direction of the thrust generated by each of the plurality of thrust generating units, and a posture angle detection step of detecting a current posture angle of the main body; A posture control step of determining a magnitude of the thrust generated by each of the plurality of thrust generation units based on the current posture angle and the target posture angle detected by the posture angle detection unit, and a current position of the main body And a direction of the thrust of each of the plurality of thrust generators adjusted by the thrust direction adjusting mechanism based on the current position and the target position detected by the position detecting step. The direction of the thrust determined by the position control step in response to an increase in the difference between the position control step and the current posture angle and the target posture angle to a reference direction orthogonal to a plane on which the main body is arranged A direction correcting step for correcting the direction of the thrust so as to approach, and the thrust determined by the posture control step in accordance with a difference between the direction of the thrust corrected by the direction correcting step and the reference direction And a thrust correcting step for correcting the magnitude of the thrust so that the magnitude of the thrust increases.

本発明の一態様に係る垂直離着陸機の制御方法によれば、姿勢角検出工程が検出する現在姿勢角と目標姿勢角とに基づいて複数の推力発生部のそれぞれが発生する推力の大きさが姿勢制御工程により決定される。また、位置検出工程が検出する現在位置と目標位置とに基づいて推力方向調整機構が調整する複数の推力発生部それぞれの推力の方向が位置制御工程により決定される。
位置制御工程が決定した推力の方向は、現在姿勢角と目標姿勢角との差分が大きくなるのに応じて本体が配置される平面に直交する基準方向に近づけるように補正される。そのため、横風等の影響により本体が目標姿勢角から大きく傾斜している場合には、推力の方向の基準方向からの傾斜が大きくなるのに応じて機体の姿勢の調整に作用する推力の大きさが小さくなってしまうことが抑制される。また、これによって、位置制御工程が決定する推力の方向に基づく位置制御よりも、姿勢制御工程が決定する推力の大きさに基づく姿勢制御が優先されることとなる。
According to the control method of the vertical take-off and landing aircraft according to one aspect of the present invention, the magnitude of the thrust generated by each of the plurality of thrust generation units is based on the current posture angle and the target posture angle detected by the posture angle detection step. It is determined by the attitude control process. In addition, the direction of the thrust of each of the plurality of thrust generating units adjusted by the thrust direction adjusting mechanism is determined by the position control step based on the current position and the target position detected by the position detection step.
The direction of the thrust determined by the position control step is corrected so as to approach a reference direction orthogonal to the plane on which the main body is arranged as the difference between the current posture angle and the target posture angle increases. Therefore, when the main body is largely inclined from the target attitude angle due to the influence of crosswinds, etc., the magnitude of the thrust acting on the adjustment of the attitude of the aircraft as the inclination of the thrust direction from the reference direction increases Is suppressed from becoming smaller. This also gives priority to the posture control based on the magnitude of the thrust determined by the posture control step over the position control based on the direction of the thrust determined by the position control step.

また、姿勢制御工程が決定した推力の大きさは、補正された推力の方向と基準方向との差分が大きくなるのに応じて大きくなるように補正される。そのため、滑走中に本体を上昇させる推力の大きさが小さくなってしまうことが抑制される。   Further, the magnitude of the thrust determined by the posture control step is corrected so as to increase as the difference between the corrected thrust direction and the reference direction increases. For this reason, it is possible to suppress a reduction in the magnitude of the thrust that raises the main body during sliding.

このように、本発明の一態様に係る垂直離着陸機の制御方法によれば、横風等の影響により本体が目標姿勢角から大きく傾斜している場合であっても、本体の現在姿勢を目標姿勢角に早期に安定化することが可能な垂直離着陸機の制御方法を提供することができる。   Thus, according to the control method for a vertical take-off and landing aircraft according to one aspect of the present invention, even if the main body is largely inclined from the target attitude angle due to the influence of a crosswind or the like, the current attitude of the main body is set to the target attitude. It is possible to provide a control method for a vertical take-off and landing aircraft that can be stabilized at an early stage.

本発明の一態様に係る垂直離着陸機の制御方法において、前記方向補正工程は、前記現在姿勢角と前記目標姿勢角との差分が0°より大きく90°以下の第1角度以上である場合に、前記位置制御工程が決定した前記推力の方向が前記基準方向となるように該推力の方向を補正する構成としてもよい。
このようにすることで、現在姿勢角と目標姿勢角との差分が第1角度以上である場合には、位置制御工程が決定する推力の方向に関わらず、推力の方向を基準方向となるようにし、姿勢制御工程が決定する推力の大きさに基づく姿勢制御を優先することができる。
In the method for controlling a vertical take-off and landing aircraft according to one aspect of the present invention, the direction correction step is performed when a difference between the current attitude angle and the target attitude angle is greater than 0 ° and greater than or equal to a first angle of 90 ° or less. The direction of the thrust may be corrected so that the direction of the thrust determined by the position control step becomes the reference direction.
In this way, when the difference between the current posture angle and the target posture angle is equal to or larger than the first angle, the direction of the thrust is set to be the reference direction regardless of the direction of the thrust determined by the position control process. Thus, priority can be given to posture control based on the magnitude of thrust determined by the posture control step.

上記構成において、前記方向補正工程は、前記現在姿勢角と前記目標姿勢角との差分が0°より大きく前記第1角度より小さい第2角度以下である場合に、前記位置制御工程が決定した前記推力の方向を補正しないようにしてもよい。
このようにすることで、現在姿勢角と目標姿勢角との差分が第2角度以下である場合には、姿勢制御工程が決定する推力の大きさに基づく姿勢制御よりも位置制御工程が決定する推力の方向に基づく位置制御を優先することができる。
In the above configuration, the position control step determines the position control step when the difference between the current posture angle and the target posture angle is less than a second angle that is larger than 0 ° and smaller than the first angle. The direction of the thrust may not be corrected.
In this way, when the difference between the current posture angle and the target posture angle is equal to or smaller than the second angle, the position control step is determined rather than the posture control based on the magnitude of the thrust determined by the posture control step. Position control based on the direction of thrust can be prioritized.

本発明によれば、横風等の影響により本体が目標姿勢角から大きく傾斜している場合であっても、本体の現在姿勢を目標姿勢角に早期に安定化することが可能な垂直離着陸機およびその制御方法を提供することができる。   According to the present invention, a vertical take-off and landing aircraft that can quickly stabilize the current posture of the main body to the target posture angle even when the main body is largely inclined from the target posture angle due to the influence of crosswind and the like. The control method can be provided.

本発明の一実施形態の垂直離着陸機を示す平面図である。It is a top view which shows the vertical take-off and landing aircraft of one Embodiment of this invention. 図1に示す垂直離着陸機のロータユニットと本体とを示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a rotor unit and a main body of the vertical take-off and landing aircraft shown in FIG. 1. 図2に示すロータユニットをP方向からみた側面図であり、(a)は推力方向と基準方向とが一致している状態を示し、(b)は推力方向が基準方向から進行方向に傾斜している状態を示し、(c)は推力方向が基準方向から後進方向に傾斜している状態を示す。FIG. 3 is a side view of the rotor unit shown in FIG. 2 as viewed from the P direction, where (a) shows a state in which the thrust direction and the reference direction coincide with each other, and (b) shows the thrust direction inclined from the reference direction to the traveling direction. (C) shows a state where the thrust direction is inclined in the reverse direction from the reference direction. 図2に示すロータユニットをQ方向からみた垂直離着陸機の右側面図であり、(a)は推力方向とヨー軸の軸線方向とが一致している状態を示し、(b)は推力方向がヨー軸の軸線方向からロール軸の正方向に傾斜している状態を示し、(c)は推力方向がヨー軸の軸線方向からロール軸の負方向に傾斜している状態を示す。FIG. 3 is a right side view of the vertical take-off and landing aircraft when the rotor unit shown in FIG. 2 is viewed from the Q direction, in which (a) shows a state in which the thrust direction coincides with the axial direction of the yaw axis; A state in which the tilt direction is inclined from the axial direction of the yaw axis to the positive direction of the roll axis, and (c) shows a state in which the thrust direction is inclined from the axial direction of the yaw axis to the negative direction of the roll axis. 進行方向に向けた推力が発生する場合の各ロータユニットの傾斜方向を示す図である。It is a figure which shows the inclination direction of each rotor unit in case the thrust toward a advancing direction generate | occur | produces. 進行方向から30°右方に向けた推力が発生する場合の各ロータユニットの傾斜方向を示す図である。It is a figure which shows the inclination direction of each rotor unit in case the thrust toward 30 degrees rightward from the advancing direction generate | occur | produces. 本発明の一実施形態の垂直離着陸機の制御構成を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows the control structure of the vertical take-off and landing aircraft of one Embodiment of this invention. 図7に示す制御部が実行する処理を示す処理ブロック図である。It is a process block diagram which shows the process which the control part shown in FIG. 7 performs. 図7に示す制御部が実行する処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process which the control part shown in FIG. 7 performs. 補正テーブルによる現在姿勢角と方向補正部による補正前後の方向の比率との対応関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the correspondence of the present attitude angle by a correction table, and the ratio of the direction before and behind correction by a direction correction part. 補正テーブルによる現在姿勢角と方向補正部による補正前後の方向の比率との対応関係の他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the correspondence of the present attitude angle by a correction table, and the ratio of the direction before and behind correction by a direction correction part. 他の実施形態の垂直離着陸機を示す平面図である。It is a top view which shows the vertical take-off and landing aircraft of other embodiment.

以下、本発明の一実施形態の垂直離着陸機100について、図面を参照して説明する。
図1に示すように、本実施形態の垂直離着陸機100は、本体10と、ロータユニット(推力発生部)20,21,22,23,24,25とを備えている。図1は、本体10が配置されるX軸(ロール軸)とY軸(ピッチ軸)とにより定まるXY平面に直交するZ軸(ヨー軸)に沿ってみた垂直離着陸機100の平面図となっている。
Hereinafter, a vertical take-off and landing aircraft 100 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the vertical take-off and landing aircraft 100 according to this embodiment includes a main body 10 and rotor units (thrust generation units) 20, 21, 22, 23, 24, and 25. FIG. 1 is a plan view of a vertical take-off and landing aircraft 100 viewed along a Z-axis (yaw axis) orthogonal to an XY plane defined by an X-axis (roll axis) and a Y-axis (pitch axis) on which the main body 10 is arranged. ing.

本体10は、後述する制御部40,姿勢角センサ50,位置センサ60等が内部に収容される筐体である。本体10の内部には、前述した各構成に加え、垂直離着陸機100が必要とする電力を供給するバッテリー(図示略)が収容されている。垂直離着陸機100の各部は、バッテリーにより供給される電力により動作する。   The main body 10 is a housing in which a control unit 40, an attitude angle sensor 50, a position sensor 60, and the like, which will be described later, are housed. In addition to the above-described components, a battery (not shown) that supplies power required by the vertical take-off and landing aircraft 100 is housed inside the main body 10. Each part of the vertical take-off and landing aircraft 100 is operated by electric power supplied from a battery.

ロータユニット20,21,22,23,24,25は、Z軸を中心とした円周C上で等間隔となる6箇所の位置にそれぞれ配置されている。図1に示すZ軸は本体10の中心位置を通過する軸となっている。したがって、ロータユニット20,21,22,23,24,25は、本体10を取り囲むようにXY平面内に配置されることとなる。
ロータユニット20,21,22,23,24,25のそれぞれは、本体10から放射状に延びる取付軸(推力方向調整機構)30,31,32,33,34,35を介して、本体10に取り付けられている。各取付軸30,31,32,33,34,35の延長線はX軸とY軸が交差する原点を通過するようになっている。また、隣接する取付軸が成す角は60°となっている。
The rotor units 20, 21, 22, 23, 24, and 25 are disposed at six positions that are equally spaced on the circumference C around the Z axis. The Z axis shown in FIG. 1 is an axis that passes through the center position of the main body 10. Therefore, the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, 25 are arranged in the XY plane so as to surround the main body 10.
Each of the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, 25 is attached to the main body 10 via attachment shafts (thrust force adjusting mechanisms) 30, 31, 32, 33, 34, 35 extending radially from the main body 10. It has been. The extension lines of the mounting shafts 30, 31, 32, 33, 34, and 35 pass through the origin where the X axis and the Y axis intersect. The angle formed by the adjacent mounting shafts is 60 °.

ロータユニット20,21,22,23,24,25のそれぞれは、本体10を上昇させるZ軸(ヨー軸)に沿った推力Fvを発生するものである。
図2に示すように、ロータユニット20は、推力発生用モータ20aと、ロータ偏向用サーボモータ(推力方向調整機構)20bと、ロータ20cとを備えている。また、ロータユニット23は、推力発生用モータ23aと、ロータ偏向用サーボモータ(推力方向調整機構)23bと、ロータ23cとを備えている。
Each of the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, 25 generates a thrust Fv along the Z axis (yaw axis) that raises the main body 10.
As shown in FIG. 2, the rotor unit 20 includes a thrust generation motor 20a, a rotor deflection servomotor (thrust direction adjusting mechanism) 20b, and a rotor 20c. The rotor unit 23 includes a thrust generation motor 23a, a rotor deflection servomotor (thrust direction adjusting mechanism) 23b, and a rotor 23c.

図1に示す6つの矢印は、ロータユニット20,21,22,23,24,25のそれぞれが発生する推力Fnの水平方向成分(推力FnのXY平面に沿った成分)である推力Fhが取り得る方向を示すものである。
後述するように、ロータユニット20,21,22,23,24,25は、単一の揺動軸である取付軸30,31,32,33,34,35回りに揺動することにより推力Fnの方向を変化させる。単一の揺動軸回りに揺動するものであるため、ロータユニット20,21,22,23,24,25が発生する推力Fhの方向は、図1の矢印に示すような単一方向のみとなる。
The six arrows shown in FIG. 1 indicate the thrust Fh, which is the horizontal component of the thrust Fn generated by each of the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, and 25 (the component along the XY plane of the thrust Fn). It shows the direction to get.
As will be described later, the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, and 25 have a thrust Fn by swinging around mounting shafts 30, 31, 32, 33, 34, and 35 which are single swing shafts. Change the direction. Since it swings around a single swing axis, the direction of the thrust Fh generated by the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, 25 is only a single direction as shown by the arrow in FIG. It becomes.

ここで、図2は、図1に示すロータユニット20,21,22,23,24,25のうち、ロータユニット20,23を示し、他のロータユニット21,22,24,25を省略した正面図である。
図1に示すように、ロータユニット20,23は、本体10を中心に点対称に配置されるロータユニット対(推力発生部対)となっている。同様に、ロータユニット21,24は、本体10を中心に点対称に配置されるロータユニット対(推力発生部対)となっている。同様に、ロータユニット22,25は、本体10を中心に点対称に配置されるロータユニット対(推力発生部対)となっている。
以下、ロータユニット20,23からなるロータユニット対について詳細に説明するが、ロータユニット21,24からなるロータユニット対と、ロータユニット22,25からなるロータユニット対については、ロータユニット20,23からなるロータユニット対と同様であるものとし、説明を省略する。
Here, FIG. 2 shows the rotor units 20, 23 among the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, and 25 shown in FIG. 1 and omits the other rotor units 21, 22, 24, and 25. FIG.
As shown in FIG. 1, the rotor units 20 and 23 form a rotor unit pair (a thrust generating unit pair) arranged symmetrically with respect to the main body 10. Similarly, the rotor units 21 and 24 are rotor unit pairs (thrust generating unit pairs) arranged symmetrically with respect to the main body 10. Similarly, the rotor units 22 and 25 are rotor unit pairs (thrust generating unit pairs) that are arranged point-symmetrically around the main body 10.
Hereinafter, the rotor unit pair composed of the rotor units 20 and 23 will be described in detail. The rotor unit pair composed of the rotor units 21 and 24 and the rotor unit pair composed of the rotor units 22 and 25 are described from the rotor units 20 and 23. It is assumed that the rotor unit pair is the same, and the description is omitted.

以下、ロータユニット20,23からなるロータユニット対について詳細に説明する。
図2に示す推力発生用モータ20aは、ロータユニット本体20dに収納されており、ロータ軸Z1の軸線回りに駆動軸(図示略)を回転させる。ロータ20cは、推力発生用モータ20aの駆動軸に連結されるとともに駆動軸の回転に応じてZ軸に沿った推力Fvを発生する。
ロータ偏向用サーボモータ20bは、取付軸30に収納されており、取付軸30の軸線回りに駆動軸(図示略)を回転させる。ロータ偏向用サーボモータ20bの駆動軸にはギア(図示略)が連結されており、ロータユニット本体20dに連結された他のギア(図示略)と噛み合うように配置されている。ロータ偏向用サーボモータ20bが駆動軸を正方向または逆方向に回転させることにより、取付軸30回りにロータユニット20を揺動させて推力Fnの方向を調整する。
Hereinafter, the rotor unit pair including the rotor units 20 and 23 will be described in detail.
The thrust generation motor 20a shown in FIG. 2 is housed in the rotor unit main body 20d, and rotates a drive shaft (not shown) around the axis of the rotor shaft Z1. The rotor 20c is connected to the drive shaft of the thrust generating motor 20a and generates a thrust Fv along the Z axis according to the rotation of the drive shaft.
The rotor deflection servomotor 20b is housed in the mounting shaft 30 and rotates a drive shaft (not shown) around the axis of the mounting shaft 30. A gear (not shown) is connected to the drive shaft of the servo motor 20b for rotor deflection, and is arranged so as to mesh with another gear (not shown) connected to the rotor unit main body 20d. The rotor deflection servomotor 20b rotates the drive shaft in the forward direction or the reverse direction, thereby swinging the rotor unit 20 around the mounting shaft 30 and adjusting the direction of the thrust Fn.

また、図2に示す推力発生用モータ23aは、ロータユニット本体23dに収納されており、ロータ軸Z2の軸線回りに駆動軸(図示略)を回転させる。ロータ23cは、推力発生用モータ23aの駆動軸に連結されるとともに駆動軸の回転に応じてZ軸に沿った推力Fvを発生する。
ロータ偏向用サーボモータ23bは、取付軸33に収納されており、取付軸33の軸線回りに駆動軸(図示略)を回転させる。ロータ偏向用サーボモータ23bにはギア(図示略)が連結されており、ロータ偏向用サーボモータ23bの駆動軸に連結された他のギア(図示略)と噛み合うように配置されている。ロータ偏向用サーボモータ23bが駆動軸を正方向または逆方向に回転させることにより、取付軸33回りにロータユニット23を揺動させて推力Fnの方向を調整する。
2 is housed in the rotor unit main body 23d, and rotates a drive shaft (not shown) around the axis of the rotor shaft Z2. The rotor 23c is connected to the drive shaft of the thrust generating motor 23a and generates a thrust Fv along the Z axis in accordance with the rotation of the drive shaft.
The rotor deflection servomotor 23 b is housed in the mounting shaft 33 and rotates a drive shaft (not shown) around the axis of the mounting shaft 33. A gear (not shown) is connected to the rotor deflection servomotor 23b, and is arranged to mesh with another gear (not shown) connected to the drive shaft of the rotor deflection servomotor 23b. The rotor deflection servomotor 23b rotates the drive shaft in the forward direction or the reverse direction, thereby swinging the rotor unit 23 about the mounting shaft 33 and adjusting the direction of the thrust Fn.

このように、ロータ偏向用サーボモータ20bと、ロータユニット本体20dとは、それぞれが備えるギアを介して連結されることにより、ロータユニット20が発生する推力Fnの方向を調整する推力方向調整機構として機能する。この推力方向調整機構は、ロータユニット20が発生する推力Fnの方向を単一の揺動軸である取付軸30回りに揺動させる。
同様に、ロータ偏向用サーボモータ23bと、ロータユニット本体23dとは、それぞれが備えるギアを介して連結されることにより、ロータユニット23が発生する推力Fnの方向を調整する推力方向調整機構として機能する。この推力方向調整機構は、ロータユニット23が発生する推力Fnの方向を単一の揺動軸である取付軸33回りに揺動させる。
As described above, the rotor deflection servomotor 20b and the rotor unit main body 20d are connected via the gears included in each, thereby being a thrust direction adjusting mechanism that adjusts the direction of the thrust Fn generated by the rotor unit 20. Function. The thrust direction adjusting mechanism swings the direction of the thrust Fn generated by the rotor unit 20 around the mounting shaft 30 that is a single swing shaft.
Similarly, the servo motor 23b for rotor deflection and the rotor unit main body 23d are connected via a gear provided to each, thereby functioning as a thrust direction adjusting mechanism for adjusting the direction of the thrust Fn generated by the rotor unit 23. To do. The thrust direction adjusting mechanism swings the direction of the thrust Fn generated by the rotor unit 23 around the mounting shaft 33 that is a single swing shaft.

後述する制御部40は、ロータユニット20,23のそれぞれが発生する推力Fnの大きさと、ロータ偏向用サーボモータ20b,23bが調整する推力Fnの方向とを制御するものである。
制御部40は、ロータユニット20,23のそれぞれが発生する推力Fnの大きさと、推力Fnの方向が同一となるように推力発生用モータ20a,23a及びロータ偏向用サーボモータ20b,23bを制御する。
The control unit 40 described later controls the magnitude of the thrust Fn generated by each of the rotor units 20 and 23 and the direction of the thrust Fn adjusted by the rotor deflection servomotors 20b and 23b.
The control unit 40 controls the thrust generation motors 20a and 23a and the rotor deflection servomotors 20b and 23b so that the magnitude of the thrust Fn generated by each of the rotor units 20 and 23 is the same as the direction of the thrust Fn. .

次に、制御部40により制御される推力Fnの大きさと推力Fnの方向とについて、図3及び図4を用いて説明する。
なお、図3は図2のP方向からロータユニット20をみた垂直離着陸機100の左側面図であり、図4は図2のQ方向からロータユニット23をみた垂直離着陸機100の右側面図である。
ロータユニット20が図3(a)に示す状態のときに、ロータユニット23は図4(a)に示す状態となる。また、ロータユニット20が図3(b)に示す状態のときに、ロータユニット23は図4(b)に示す状態となる。また、ロータユニット20が図3(c)に示す状態のときに、ロータユニット23は図4(c)に示す状態となる。
図3及び図4から明らかなように、ロータユニット20,23のそれぞれが発生する推力Fnの大きさと、推力Fnの方向は同一となる。
Next, the magnitude | size of the thrust Fn controlled by the control part 40 and the direction of thrust Fn are demonstrated using FIG.3 and FIG.4.
3 is a left side view of the vertical take-off and landing aircraft 100 when the rotor unit 20 is viewed from the P direction in FIG. 2, and FIG. 4 is a right side view of the vertical take-off and landing aircraft 100 when the rotor unit 23 is viewed from the Q direction in FIG. is there.
When the rotor unit 20 is in the state shown in FIG. 3A, the rotor unit 23 is in the state shown in FIG. Further, when the rotor unit 20 is in the state shown in FIG. 3B, the rotor unit 23 is in the state shown in FIG. Further, when the rotor unit 20 is in the state shown in FIG. 3C, the rotor unit 23 is in the state shown in FIG.
As apparent from FIGS. 3 and 4, the magnitude of the thrust Fn generated by each of the rotor units 20 and 23 is the same as the direction of the thrust Fn.

図3に示すように、ロータ20cは、推力発生用モータ20aの駆動軸に連結されるとともに駆動軸の軸線方向と一致するロータ軸Z1方向の推力Fnを発生する。推力Fnの大きさは、ロータ20cの回転速度によって定まる。
図3(a)に示すように、ロータ軸Z1がZ軸と一致する状態では、ロータ20cが発生するロータ軸Z1方向の推力FnとZ軸に沿った推力Fvとが一致する。この場合、ロータ20cが発生する本体10を上昇させる推力Fvの大きさは推力Fnと一致する。
As shown in FIG. 3, the rotor 20c is coupled to the drive shaft of the thrust generating motor 20a and generates a thrust Fn in the rotor axis Z1 direction that coincides with the axial direction of the drive shaft. The magnitude of the thrust Fn is determined by the rotational speed of the rotor 20c.
As shown in FIG. 3A, in a state where the rotor axis Z1 coincides with the Z axis, the thrust Fn in the direction of the rotor axis Z1 generated by the rotor 20c coincides with the thrust Fv along the Z axis. In this case, the magnitude of the thrust Fv that raises the main body 10 generated by the rotor 20c matches the thrust Fn.

一方、図3(b)に示すように、ロータ軸Z1がZ軸からX軸の正方向に傾斜角度θで傾斜している状態では、ロータ20cが発生するロータ軸Z1方向の推力Fnと、Z軸に沿った推力Fvと、X軸に沿った推力Fhとは、以下の(1),(2)に示す関係となる。
Fv=Fn・cosθ (1)
Fh=Fn・sinθ (2)
同様に、図3(c)に示すように、ロータ軸Z1がZ軸からX軸の負方向に傾斜角度θで傾斜している状態では、ロータ20cが発生するロータ軸Z1方向の推力Fnと、Z軸に沿った推力Fvと、X軸に沿った推力Fhとは、前述の(1),(2)に示す関係となる。
On the other hand, as shown in FIG. 3B, in a state where the rotor axis Z1 is inclined at the inclination angle θ from the Z axis to the positive direction of the X axis, the thrust Fn in the direction of the rotor axis Z1 generated by the rotor 20c, The thrust Fv along the Z axis and the thrust Fh along the X axis have the relationships shown in the following (1) and (2).
Fv = Fn · cos θ (1)
Fh = Fn · sin θ (2)
Similarly, as shown in FIG. 3C, in a state where the rotor shaft Z1 is inclined from the Z axis in the negative direction of the X axis at an inclination angle θ, the thrust Fn in the rotor axis Z1 direction generated by the rotor 20c and The thrust Fv along the Z axis and the thrust Fh along the X axis have the relationship shown in the above (1) and (2).

図4に示すように、ロータ23cは、推力発生用モータ23aの駆動軸に連結されるとともに駆動軸の軸線方向と一致するロータ軸Z2方向の推力Fnを発生する。推力Fnの大きさは、ロータ23cの回転速度によって定まる。
図4(a)に示すように、ロータ軸Z2がZ軸と一致する状態では、ロータ23cが発生するロータ軸Z2方向の推力FnとZ軸に沿った推力Fvとが一致する。この場合、ロータ23cが発生する本体10を上昇させる推力Fvの大きさは推力Fnと一致する。
As shown in FIG. 4, the rotor 23c is coupled to the drive shaft of the thrust generating motor 23a and generates a thrust Fn in the rotor axis Z2 direction that coincides with the axial direction of the drive shaft. The magnitude of the thrust Fn is determined by the rotational speed of the rotor 23c.
As shown in FIG. 4A, in a state where the rotor axis Z2 coincides with the Z axis, the thrust Fn in the direction of the rotor axis Z2 generated by the rotor 23c coincides with the thrust Fv along the Z axis. In this case, the magnitude of the thrust Fv that raises the main body 10 generated by the rotor 23c matches the thrust Fn.

一方、図4(b)に示すように、ロータ軸Z2がZ軸からX軸の正方向に傾斜角度θで傾斜している状態では、ロータ23cが発生するロータ軸Z2方向の推力Fnと、Z軸に沿った推力Fvと、X軸に沿った推力Fhとは、前述した(1),(2)に示す関係となる。
同様に、図4(c)に示すように、ロータ軸Z2がZ軸からX軸の負方向に傾斜角度θで傾斜している状態では、ロータ23cが発生するロータ軸Z2方向の推力Fnと、Z軸に沿った推力Fvと、X軸に沿った推力Fhとは、前述の(1),(2)に示す関係となる。
On the other hand, as shown in FIG. 4B, in a state where the rotor axis Z2 is inclined from the Z axis in the positive direction of the X axis at an inclination angle θ, the thrust Fn in the rotor axis Z2 direction generated by the rotor 23c, The thrust Fv along the Z axis and the thrust Fh along the X axis have the relationships shown in the above (1) and (2).
Similarly, as shown in FIG. 4C, in a state where the rotor axis Z2 is inclined from the Z axis in the negative direction of the X axis at an inclination angle θ, the thrust Fn in the direction of the rotor axis Z2 generated by the rotor 23c and The thrust Fv along the Z axis and the thrust Fh along the X axis have the relationship shown in the above (1) and (2).

以上説明したように、ロータユニット20,23のそれぞれが発生する推力Fnの大きさと、推力Fnの方向は、傾斜角度θに拘わらず同一となるように制御部40により制御される。
このことは、ロータユニット21,24からなるロータユニット対、及びロータユニット22,25からなるロータユニット対についても同様である。
As described above, the control unit 40 controls the magnitude of the thrust Fn generated by each of the rotor units 20 and 23 and the direction of the thrust Fn to be the same regardless of the inclination angle θ.
The same applies to the rotor unit pair including the rotor units 21 and 24 and the rotor unit pair including the rotor units 22 and 25.

図1に示すように、ロータユニット20,23からなるロータユニット対の揺動軸の軸線方向は、取付軸30及び取付軸33が延在する直線方向と一致している。図1において、この直線方向はX軸に対して90°右方に傾斜したY軸方向となっている。
また、ロータユニット21,24からなるロータユニット対の揺動軸の軸線方向は、取付軸31及び取付軸34が延在する直線方向と一致している。図1において、この直線方向はX軸に対して30°左方に傾斜した軸線A1方向となっている。
また、ロータユニット22,25からなるロータユニット対の揺動軸の軸線方向は、取付軸31及び取付軸34が延在する直線方向と一致している。図1において、この直線方向はX軸に対して30°右方に傾斜した軸線A2方向となっている。
As shown in FIG. 1, the axial direction of the swing shaft of the rotor unit pair composed of the rotor units 20 and 23 coincides with the linear direction in which the mounting shaft 30 and the mounting shaft 33 extend. In FIG. 1, this linear direction is a Y-axis direction inclined 90 ° rightward with respect to the X-axis.
Further, the axis direction of the swing shaft of the rotor unit pair composed of the rotor units 21 and 24 coincides with the linear direction in which the mounting shaft 31 and the mounting shaft 34 extend. In FIG. 1, this linear direction is an axis A1 direction inclined to the left by 30 ° with respect to the X axis.
Further, the axial direction of the swing shaft of the rotor unit pair composed of the rotor units 22 and 25 coincides with the linear direction in which the mounting shaft 31 and the mounting shaft 34 extend. In FIG. 1, this linear direction is the direction of the axis A2 inclined to the right by 30 ° with respect to the X axis.

このように、ロータユニット20,23からなるロータユニット対の揺動軸の軸線方向と、ロータユニット21,24からなるロータユニット対の揺動軸の軸線方向と、ロータユニット22,25からなるロータユニット対の揺動軸の軸線方向とは、60°ずつ異なった方向となっている。
各ロータユニット対の揺動軸の軸線方向を異ならせることにより、各ロータユニット対が発生する推力Fhの方向がそれぞれ異なったものとなる。そのため、各ロータユニット対が発生する推力Fhの大きさを適宜に調整することにより、複数のロータユニット対が発生する推力Fhの合力を、所望の方向に向けることができる。
Thus, the axial direction of the swing shaft of the rotor unit pair composed of the rotor units 20 and 23, the axial direction of the swing shaft of the rotor unit pair composed of the rotor units 21 and 24, and the rotor composed of the rotor units 22 and 25 The direction of the axis of oscillation of the unit pair is different by 60 °.
By making the axis direction of the swing shaft of each rotor unit pair different, the direction of the thrust Fh generated by each rotor unit pair becomes different. Therefore, by appropriately adjusting the magnitude of the thrust Fh generated by each rotor unit pair, the resultant force of the thrust Fh generated by the plurality of rotor unit pairs can be directed in a desired direction.

ここで、ロータユニット20,21,22,23,24,25が発生する推力Fhと、それらの合力によって定まる垂直離着陸機100の進行方向について、図5及び図6を用いて説明する。
図5及び図6においては、ロータユニット20,23からなるロータユニット対が発生する推力FhをFh1とし、ロータユニット21,24からなるロータユニット対が発生する推力FhをFh2とし、ロータユニット22,25からなるロータユニット対が発生する推力FhをFh3とする。
Here, the thrust Fh generated by the rotor units 20, 21, 22, 23, 24 and 25 and the traveling direction of the vertical take-off and landing aircraft 100 determined by the resultant force will be described with reference to FIGS.
5 and 6, the thrust Fh generated by the rotor unit pair composed of the rotor units 20 and 23 is Fh1, the thrust Fh generated by the rotor unit pair composed of the rotor units 21 and 24 is Fh2, and the rotor unit 22, The thrust Fh generated by the rotor unit pair consisting of 25 is Fh3.

ロータユニット20,23からなるロータユニット対が発生する推力の方向のZ軸(ヨー軸)からの傾斜角と、ロータユニット21,24からなるロータユニット対が発生する推力の方向のZ軸(ヨー軸)からの傾斜角と、ロータユニット22,25からなるロータユニット対が発生する推力の方向のZ軸(ヨー軸)からの傾斜角とは、それぞれ独立に調整される。そのため、推力Fh1の大きさと、推力Fh2の大きさと、推力Fh3の大きさは、それぞれ同一または異なった任意の大きさに調整される。   The inclination angle from the Z-axis (yaw axis) in the direction of the thrust generated by the rotor unit pair consisting of the rotor units 20 and 23 and the Z-axis (yaw in the direction of the thrust generated by the rotor unit pair consisting of the rotor units 21 and 24). The tilt angle from the Z axis (yaw axis) in the direction of thrust generated by the rotor unit pair composed of the rotor units 22 and 25 is independently adjusted. Therefore, the magnitude of the thrust Fh1, the magnitude of the thrust Fh2, and the magnitude of the thrust Fh3 are respectively adjusted to the same or different arbitrary magnitudes.

図5は、推力Fh1,Fh2,Fh3の大きさをそれぞれ同一とした場合に、ロータユニット20,21,22,23,24,25が発生する推力Fhの合力により、X軸に沿った推力が発生する例を示している。推力Fh1,Fh2,Fh3の大きさをそれぞれ同一とした場合、ロータユニット20,21,22,23,24,25が発生する推力Fhの合力は、Y軸方向の成分を有さないものとなる。そのため、ロータユニット20,21,22,23,24,25が発生する推力Fhの合力は、X軸に沿った推力となる。   FIG. 5 shows that when the thrusts Fh1, Fh2, and Fh3 have the same magnitude, the thrust along the X-axis is obtained by the resultant force Fh generated by the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, and 25. An example that occurs is shown. When the magnitudes of the thrusts Fh1, Fh2, and Fh3 are the same, the resultant force Fh generated by the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, and 25 has no component in the Y-axis direction. . Therefore, the resultant force Fh generated by the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, and 25 is a thrust along the X axis.

図6は、推力Fh1,Fh2の大きさをそれぞれ同一とし、推力Fh3の大きさをゼロとした場合に、ロータユニット20,21,23,24が発生する推力Fhの合力により、X軸から30°右方に傾斜した方向に沿った推力が発生する例を示している。推力Fh1,Fh2の大きさを同一とした場合、ロータユニット20,21,22,23,24,25が発生する推力Fhの合力は、X軸から30°右方に傾斜した方向に沿った推力となる。   FIG. 6 shows that the thrusts Fh1 and Fh2 are the same, and the thrust Fh3 is zero. An example in which thrust is generated along a direction inclined to the right is shown. When the magnitudes of the thrusts Fh1, Fh2 are the same, the resultant force of the thrust Fh generated by the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, 25 is a thrust along a direction inclined right by 30 ° from the X axis. It becomes.

以上の図5,図6においては、ロータユニット20,21,22,23,24,25が発生する推力Fhの方向をX軸に沿った方向、あるいはX軸から右方に30°傾斜した方向とする例を示した。この垂直離着陸機100がXY平面内で進行する方向は、図5及び図6に示す例だけに限られるものではない。
図5及び図6に示す推力Fh1,Fh2,Fh3の大きさと、推力Fh1,Fh2,Fh3の方向とをそれぞれ調整することにより、推力Fh1,Fh2,Fh3の合力の方向をXY平面内の任意の方向とすることができる。
5 and 6, the direction of the thrust Fh generated by the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, and 25 is the direction along the X axis, or the direction inclined 30 ° to the right from the X axis. An example was given. The direction in which the vertical take-off and landing aircraft 100 travels in the XY plane is not limited to the examples shown in FIGS.
By adjusting the magnitudes of the thrusts Fh1, Fh2, Fh3 and the directions of the thrusts Fh1, Fh2, Fh3 shown in FIG. 5 and FIG. Can be direction.

次に、垂直離着陸機100の制御構成について、図7に示す制御ブロック図を用いて説明する。
図7に示す制御部40は、制御プログラムが格納されたROM等の記憶部と、記憶部に格納された制御プログラムや制御プログラムの演算結果等を一時的に記憶するRAM等の記憶部と、制御プログラムを実行するCPU(中央演算装置)などから構成されている。
Next, the control configuration of the vertical take-off and landing aircraft 100 will be described using the control block diagram shown in FIG.
7 includes a storage unit such as a ROM in which a control program is stored, a storage unit such as a RAM that temporarily stores a control program stored in the storage unit, a calculation result of the control program, and the like. It is composed of a CPU (Central Processing Unit) that executes a control program.

制御部40は、姿勢角センサ(ジャイロセンサ等)50に接続されており、姿勢角センサ50から本体10の姿勢角を取得する。姿勢角センサ50は、X軸(ロール軸)回りの本体10の姿勢を示すロール角と、Y軸(ピッチ軸)回りの本体10の姿勢を示すピッチ角と、Z軸(ヨー軸)回りの本体10の現在の姿勢を示すヨー角とからなる現在姿勢角を制御部40へ送信する。   The control unit 40 is connected to an attitude angle sensor (such as a gyro sensor) 50 and acquires the attitude angle of the main body 10 from the attitude angle sensor 50. The attitude angle sensor 50 includes a roll angle indicating the attitude of the main body 10 around the X axis (roll axis), a pitch angle indicating the attitude of the main body 10 around the Y axis (pitch axis), and a rotation around the Z axis (yaw axis). The current posture angle including the yaw angle indicating the current posture of the main body 10 is transmitted to the control unit 40.

制御部40は、位置センサ(GPSセンサ等)60に接続されており、位置センサ60から本体10の現在位置を取得する。位置センサ60は、本体10が存在する位置の緯度及び経度を算出し、緯度及び経度からなる位置情報を制御部40へ送信する。   The control unit 40 is connected to a position sensor (such as a GPS sensor) 60 and acquires the current position of the main body 10 from the position sensor 60. The position sensor 60 calculates the latitude and longitude of the position where the main body 10 exists, and transmits position information including the latitude and longitude to the control unit 40.

制御部40は、姿勢角センサ50から取得する本体10の姿勢角と、位置センサ60から取得する本体10の現在位置とに基づいて、ロータユニット20,21,22,23,24,25が発生する推力Fnの大きさ及び推力Fnの方向を決定する。   Based on the attitude angle of the main body 10 acquired from the attitude angle sensor 50 and the current position of the main body 10 acquired from the position sensor 60, the control unit 40 generates the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, 25. The magnitude of the thrust Fn to be performed and the direction of the thrust Fn are determined.

制御部40は、ロータユニット20,21,22,23,24,25それぞれが発生すべき推力Fnの大きさを決定すると、決定した推力Fnの大きさを発生するように、制御信号線70を介して、推力発生用モータ20a,21a,22a,23a,24a,25aに制御信号を送信する。
同様に、制御部40は、ロータユニット20,21,22,23,24,25それぞれが発生すべき推力Fnの方向を決定すると、決定した推力Fnの方向となるように、制御信号線70を介して、ロータ偏向用サーボモータ20b,21b,22b,23b,24b,25bに制御信号を送信する。
When the control unit 40 determines the magnitude of the thrust Fn to be generated by each of the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, 25, the control unit 40 sets the control signal line 70 so as to generate the determined magnitude of the thrust Fn. Then, a control signal is transmitted to the thrust generation motors 20a, 21a, 22a, 23a, 24a, and 25a.
Similarly, when the control unit 40 determines the direction of the thrust Fn to be generated by each of the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, 25, the control signal line 70 is set so that the direction of the determined thrust Fn is obtained. Then, control signals are transmitted to the servo motors 20b, 21b, 22b, 23b, 24b, 25b for rotor deflection.

また、制御部40は、ロータユニット20,23のそれぞれが発生する推力Fnの大きさと、推力Fnの方向が同一となるように推力発生用モータ20a,23a及びロータ偏向用サーボモータ20b,23bを制御する。
また、制御部40は、ロータユニット20,23(ロータユニット対)のうちロータユニット20が備えるロータ20cが駆動軸回りに正回転するよう推力発生用モータ20aを制御し、ロータユニット23が備えるロータ23cが駆動軸回りに逆回転するよう推力発生用モータ23aを制御する。
Further, the control unit 40 installs the thrust generation motors 20a and 23a and the rotor deflection servomotors 20b and 23b so that the magnitude of the thrust Fn generated by each of the rotor units 20 and 23 is the same as the direction of the thrust Fn. Control.
Further, the control unit 40 controls the thrust generating motor 20a so that the rotor 20c included in the rotor unit 20 of the rotor units 20 and 23 (a pair of rotor units) rotates positively around the drive shaft, and the rotor included in the rotor unit 23. The thrust generating motor 23a is controlled so that the 23c rotates in the reverse direction around the drive shaft.

また、制御部40は、ロータユニット21,24のそれぞれが発生する推力Fnの大きさと、推力Fnの方向が同一となるように推力発生用モータ21a,24a及びロータ偏向用サーボモータ21b,24bを制御する。
また、制御部40は、ロータユニット21,24(ロータユニット対)のうちロータユニット21が備えるロータ21cが駆動軸回りに逆回転するよう推力発生用モータ20aを制御し、ロータユニット24が備えるロータ24cが駆動軸回りに正回転するよう推力発生用モータ24aを制御する。
Further, the control unit 40 installs the thrust generation motors 21a and 24a and the rotor deflection servomotors 21b and 24b so that the magnitude of the thrust Fn generated by each of the rotor units 21 and 24 is the same as the direction of the thrust Fn. Control.
Further, the control unit 40 controls the thrust generating motor 20a so that the rotor 21c included in the rotor unit 21 of the rotor units 21 and 24 (a pair of rotor units) rotates in the reverse direction around the drive shaft, and the rotor included in the rotor unit 24. The thrust generating motor 24a is controlled so that 24c rotates forward around the drive shaft.

また、制御部40は、ロータユニット22,25のそれぞれが発生する推力Fnの大きさと、推力Fnの方向が同一となるように推力発生用モータ22a,25a及びロータ偏向用サーボモータ22b,25bを制御する。
また、制御部40は、ロータユニット22,25(ロータユニット対)のうちロータユニット22が備えるロータ22cが駆動軸回りに正回転するよう推力発生用モータ22aを制御し、ロータユニット25が備えるロータ25cが駆動軸回りに逆回転するよう推力発生用モータ25aを制御する。
Further, the control unit 40 installs the thrust generation motors 22a and 25a and the rotor deflection servomotors 22b and 25b so that the magnitude of the thrust Fn generated by each of the rotor units 22 and 25 is the same as the direction of the thrust Fn. Control.
Further, the control unit 40 controls the thrust generating motor 22a so that the rotor 22c included in the rotor unit 22 of the rotor units 22 and 25 (a pair of rotor units) rotates positively around the drive shaft, and the rotor included in the rotor unit 25. The thrust generating motor 25a is controlled so that the 25c rotates in the reverse direction around the drive shaft.

このようにすることで、本体10を中心に点対称に配置されるロータユニット対を構成する一方のロータユニットが備えるロータが発生するヨー軸回りのトルクと、他方のロータユニットが備えるロータが発生するヨー軸回りのトルクとが相殺される。したがって、機体がヨー軸回りに回転することを抑制することができる。   By doing in this way, the torque around the yaw axis generated by the rotor included in one of the rotor units constituting the rotor unit pair arranged symmetrically with respect to the main body 10 and the rotor included in the other rotor unit are generated. This cancels out the torque around the yaw axis. Therefore, it is possible to suppress the body from rotating around the yaw axis.

このように、ロータユニット20,21,22,23,24,25は、駆動軸回りに正回転するロータ20c,22c,24cを備えるロータユニット20,22,24(第1の推力発生部)と、駆動軸回りに逆回転するロータ21c,23c,25cを備えるロータユニット21,23,25(第2の推力発生部)とによって構成されている。
また、ロータユニット20,22,24と、ロータユニット21,23,25とが、円周C上で交互に配置されている。
As described above, the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, and 25 include the rotor units 20, 22, and 24 (first thrust generating unit) that include the rotors 20c, 22c, and 24c that rotate forward around the drive shaft. The rotor units 21, 23, 25 (second thrust generating units) are provided with rotors 21 c, 23 c, 25 c that rotate in the reverse direction around the drive shaft.
Further, the rotor units 20, 22, 24 and the rotor units 21, 23, 25 are alternately arranged on the circumference C.

次に、本実施形態の垂直離着陸機100が備える制御部40が実行する推力Fnの大きさと推力Fnの方向の具体的制御方法について図8および図9を用いて説明する。   Next, a specific control method of the magnitude of the thrust Fn and the direction of the thrust Fn executed by the control unit 40 included in the vertical take-off and landing aircraft 100 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 8 and 9.

図8に示すように、制御部40は、目標姿勢角設定部41と、姿勢制御部42と、推力補正部43と、目標位置設定部44と、位置制御部45と、方向補正部46とを備える。制御部40が備える各部は、例えば、制御部40が実行するプログラムモジュールとして実装される。   As shown in FIG. 8, the control unit 40 includes a target posture angle setting unit 41, a posture control unit 42, a thrust correction unit 43, a target position setting unit 44, a position control unit 45, and a direction correction unit 46. Is provided. Each part with which control part 40 is provided is mounted as a program module which control part 40 performs, for example.

目標姿勢角設定部41は、垂直離着陸機100が保持すべき姿勢を示す目標姿勢角を設定するものである。目標姿勢角は、例えば、入力部(図示略)を介して入力され、目標姿勢角設定部41に記憶される。目標姿勢角は、X軸(ロール軸)回りの本体10の姿勢を示すロール角と、Y軸(ピッチ軸)回りの本体10の姿勢を示すピッチ角とからなる値である。   The target attitude angle setting unit 41 sets a target attitude angle indicating an attitude that the vertical take-off and landing aircraft 100 should hold. The target posture angle is input, for example, via an input unit (not shown) and stored in the target posture angle setting unit 41. The target posture angle is a value composed of a roll angle indicating the posture of the main body 10 around the X axis (roll axis) and a pitch angle indicating the posture of the main body 10 around the Y axis (pitch axis).

姿勢制御部42は、姿勢角センサ50が検出する現在姿勢角と、目標姿勢角設定部41が設定する目標姿勢角との差分を取得し、その差分に基づいて、ロータユニット20,21,22,23,24,25が発生する推力Fnの大きさを決定する。姿勢制御部42は、垂直離着陸機100の姿勢角が目標姿勢角に近づくように、ロータユニット20,21,22,23,24,25が発生する推力Fnの大きさを決定する。
姿勢角センサ50が現在姿勢角を検出する工程が図9のステップS901であり、姿勢制御部42が推力Fnの大きさを決定する工程が図9のステップS902である。
The posture control unit 42 obtains a difference between the current posture angle detected by the posture angle sensor 50 and the target posture angle set by the target posture angle setting unit 41, and based on the difference, the rotor units 20, 21, 22 are obtained. , 23, 24, and 25 determine the magnitude of the thrust Fn generated. The attitude control unit 42 determines the magnitude of the thrust Fn generated by the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, and 25 so that the attitude angle of the vertical take-off and landing aircraft 100 approaches the target attitude angle.
The step in which the posture angle sensor 50 detects the current posture angle is step S901 in FIG. 9, and the step in which the posture control unit 42 determines the magnitude of the thrust Fn is step S902 in FIG.

目標位置設定部44は、垂直離着陸機100が存在すべき位置を示す目標位置を設定するものである。目標位置は、例えば、入力部(図示略)を介して入力され、目標位置設定部44に記憶される。目標位置は、緯度及び経度からなる値である。   The target position setting unit 44 sets a target position indicating a position where the vertical take-off and landing aircraft 100 should be present. The target position is input via, for example, an input unit (not shown) and stored in the target position setting unit 44. The target position is a value composed of latitude and longitude.

位置制御部45は、位置センサ60が検出する現在位置と、目標位置設定部44が設定する目標位置との差分を取得し、その差分に基づいて、ロータユニット20,21,22,23,24,25が発生する推力Fnの方向を決定する。位置制御部45は、垂直離着陸機100の位置が目標位置に近づくように、ロータユニット20,21,22,23,24,25が発生する推力Fnの方向を決定する。ここで、位置制御部45が決定する推力Fnの方向を傾斜角θとする。
位置センサ60が現在位置を検出する工程が図9のステップS903であり、位置制御部45が推力Fnの方向を決定する工程が図9のステップS904である。
The position control unit 45 acquires a difference between the current position detected by the position sensor 60 and the target position set by the target position setting unit 44, and based on the difference, the rotor units 20, 21, 22, 23, 24 , 25 generate the direction of thrust Fn. The position control unit 45 determines the direction of the thrust Fn generated by the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, and 25 so that the position of the vertical take-off and landing aircraft 100 approaches the target position. Here, the direction of thrust Fn determining the position control section 45 and the inclination angle theta 1.
The step in which the position sensor 60 detects the current position is step S903 in FIG. 9, and the step in which the position controller 45 determines the direction of the thrust Fn is step S904 in FIG.

方向補正部46は、現在姿勢角と目標姿勢角との差分が大きくなるのに応じて位置制御部45が決定した推力Fnの方向(傾斜角θ)を本体10が配置されるXY平面に直交するヨー軸方向(基準方向)に近づけるように推力Fnの方向を補正し、補正後の推力Fnの方向を出力する。ここで、方向補正部46により補正された推力Fnの方向を傾斜角θとする。
方向補正部46が推力Fnの方向を補正する工程が図9のステップS905である。
The direction correction unit 46 sets the direction (inclination angle θ 1 ) of the thrust Fn determined by the position control unit 45 according to the difference between the current posture angle and the target posture angle on the XY plane on which the main body 10 is arranged. The direction of the thrust Fn is corrected so as to approach the orthogonal yaw axis direction (reference direction), and the corrected direction of the thrust Fn is output. Here, the direction of the corrected thrust Fn by the direction correcting section 46 and the inclination angle theta 2.
The step in which the direction correction unit 46 corrects the direction of the thrust Fn is step S905 in FIG.

方向補正部46は、図10及び図11に示す補正テーブル1〜6のいずれかを用いて、位置制御部45が決定した推力Fnの方向(傾斜角θ)を補正し、補正した推力Fnの方向(傾斜角θ)を出力する。
補正テーブル1〜6のいずれかを用いる場合であっても、現在姿勢角と目標姿勢角との差分が角度A(第1角度)以上である場合には、θ/θがゼロとなるように、傾斜角θを補正する。つまり、この場合は、位置制御部45が決定した推力Fnの方向(傾斜角θ)がどのような方向であるかに関わらず、補正後の推力Fnの方向をヨー軸方向(基準方向)とする。
このようにしているのは、現在姿勢角と目標姿勢角との差分が大きいため、推力Fnの方向をヨー軸方向と一致させて姿勢制御を優先するためである。
なお、前述した角度Aとして、0°より大きく90°以下の任意の値を設定することができる。
The direction correction unit 46 corrects the direction (inclination angle θ 1 ) of the thrust Fn determined by the position control unit 45 using any one of the correction tables 1 to 6 shown in FIGS. 10 and 11, and the corrected thrust Fn Direction (inclination angle θ 2 ) is output.
Even when any one of the correction tables 1 to 6 is used, if the difference between the current posture angle and the target posture angle is equal to or greater than the angle A (first angle), θ 2 / θ 1 becomes zero. as described above, to correct the inclination angle theta 1. That is, in this case, the direction of the corrected thrust Fn is the yaw axis direction (reference direction) regardless of the direction of the thrust Fn determined by the position control unit 45 (inclination angle θ 1 ). And
This is because the difference between the current posture angle and the target posture angle is large, so that the posture control is prioritized by making the direction of the thrust Fn coincide with the yaw axis direction.
Note that, as the angle A described above, an arbitrary value larger than 0 ° and not larger than 90 ° can be set.

方向補正部46は、補正テーブル1〜3を用いる場合、現在姿勢角と目標姿勢角との差分がゼロから角度Aに近づくのに応じて、θ/θが1.0からゼロまで漸次減少するように、位置制御部45が決定した推力Fnの方向(傾斜角θ)を補正する。現在姿勢角と目標姿勢角との差分がゼロの場合、θ/θが1.0となる。そのため、位置制御部45が決定した推力Fnの方向(傾斜角θ)がそのまま方向補正部46から出力される。このようにしているのは、現在姿勢角が目標姿勢角と一致しているため、方向補正部46による補正が不要だからである。 When the correction tables 1 to 3 are used, the direction correction unit 46 gradually increases θ 2 / θ 1 from 1.0 to zero as the difference between the current posture angle and the target posture angle approaches the angle A from zero. The direction (tilt angle θ 1 ) of the thrust Fn determined by the position controller 45 is corrected so as to decrease. When the difference between the current posture angle and the target posture angle is zero, θ 2 / θ 1 is 1.0. Therefore, the direction (inclination angle θ 1 ) of the thrust Fn determined by the position control unit 45 is output from the direction correction unit 46 as it is. This is because the current posture angle coincides with the target posture angle, so that correction by the direction correction unit 46 is unnecessary.

一方、方向補正部46は、補正テーブル4〜6を用いる場合、現在姿勢角と目標姿勢角との差分がゼロより大きく角度B(第2角度)以下である場合に、位置制御部45が決定した推力Fnの方向(傾斜角θ)を補正せずに出力する。ここで、角度Bは、ゼロより大きく角度Aより小さい角度である。
このようにすることで、現在姿勢角と目標姿勢角との差分が角度B以下である場合には、位置制御部45が決定する推力Fnの方向に基づく位置制御を優先することができる。
On the other hand, when the correction tables 4 to 6 are used, the direction correction unit 46 is determined by the position control unit 45 when the difference between the current posture angle and the target posture angle is greater than zero and equal to or less than the angle B (second angle). The direction (tilt angle θ 1 ) of the thrust force Fn is output without correction. Here, the angle B is an angle larger than zero and smaller than the angle A.
In this way, when the difference between the current posture angle and the target posture angle is equal to or smaller than the angle B, the position control based on the direction of the thrust Fn determined by the position control unit 45 can be prioritized.

方向補正部46は、補正した推力Fnの方向(傾斜角θ)をロータ偏向用サーボモータ20b,21b,22b,23b,24b,25bに伝達する。ロータ偏向用サーボモータ20b,21b,22b,23b,24b,25bは、伝達された推力Fnの方向(傾斜角θ)となるように動作する。 The direction correction unit 46 transmits the corrected direction of the thrust Fn (inclination angle θ 2 ) to the servo motors 20b, 21b, 22b, 23b, 24b, and 25b for rotor deflection. The rotor deflection servomotors 20b, 21b, 22b, 23b, 24b, and 25b operate so as to be in the direction of the transmitted thrust Fn (inclination angle θ 2 ).

推力補正部43は、方向補正部46から出力される補正後の推力Fnの方向(傾斜角θ)とヨー軸方向(基準方向)との差分が大きくなるのに応じて姿勢制御部42が決定した推力Fnの大きさが大きくなるように推力Fnの大きさを補正する。
推力補正部43が推力Fnの大きさを補正する工程が図9のステップS906である。
The thrust correction unit 43 is configured so that the attitude control unit 42 responds as the difference between the direction (tilt angle θ 2 ) of the corrected thrust Fn output from the direction correction unit 46 and the yaw axis direction (reference direction) increases. The magnitude of the thrust Fn is corrected so as to increase the magnitude of the determined thrust Fn.
The step in which the thrust correcting unit 43 corrects the magnitude of the thrust Fn is step S906 in FIG.

推力補正部43は、補正した推力Fnの大きさを推力発生用モータ20a,21a,22a,23a,24a,25aに伝達する。推力発生用モータ20a,21a,22a,23a,24a,25aは、伝達された推力Fnの大きさとなるように動作する。   The thrust correcting unit 43 transmits the corrected magnitude of the thrust Fn to the thrust generating motors 20a, 21a, 22a, 23a, 24a, 25a. The thrust generation motors 20a, 21a, 22a, 23a, 24a, and 25a operate so as to have the magnitude of the transmitted thrust Fn.

以上説明した本実施形態の垂直離着陸機100が奏する作用及び効果について説明する。   The operation and effects of the vertical take-off and landing aircraft 100 of the present embodiment described above will be described.

本実施形態の垂直離着陸機100によれば、姿勢角センサ(姿勢角検出部)50が検出する現在姿勢角と目標姿勢角とに基づいて複数のロータユニットのそれぞれが発生する推力Fnの大きさが姿勢制御部42により決定される。また、位置センサ(位置検出部)60が検出する現在位置と目標位置とに基づいてロータ偏向用サーボモータ(推力方向調整機構)が調整する複数のロータユニットそれぞれの推力Fnの方向が位置制御部45により決定される。   According to the vertical take-off and landing aircraft 100 of the present embodiment, the magnitude of the thrust Fn generated by each of the plurality of rotor units based on the current posture angle and the target posture angle detected by the posture angle sensor (posture angle detection unit) 50. Is determined by the attitude control unit 42. Further, the direction of the thrust Fn of each of the plurality of rotor units adjusted by the rotor deflection servomotor (thrust direction adjusting mechanism) based on the current position and target position detected by the position sensor (position detection unit) 60 is the position control unit. 45.

位置制御部45が決定した推力Fnの方向は、現在姿勢角と目標姿勢角との差分が大きくなるのに応じて本体10が配置されるXY平面に直交するヨー軸方向(基準方向)に近づけるように補正される。そのため、横風等の影響により本体10が目標姿勢角から大きく傾斜している場合には、推力Fnの方向のヨー軸方向(基準方向)からの傾斜が大きくなるのに応じて機体の姿勢の調整に作用する推力Fvの大きさが小さくなってしまうことが抑制される。また、これによって、位置制御部45が決定する推力Fnの方向に基づく位置制御よりも、姿勢制御部42が決定する推力Fnの大きさに基づく姿勢制御42が優先されることとなる。   The direction of the thrust Fn determined by the position control unit 45 is brought closer to the yaw axis direction (reference direction) orthogonal to the XY plane on which the main body 10 is arranged in accordance with the difference between the current posture angle and the target posture angle. It is corrected as follows. Therefore, when the main body 10 is largely inclined from the target attitude angle due to the influence of a crosswind or the like, the attitude of the aircraft is adjusted in accordance with the increase in the inclination of the thrust Fn direction from the yaw axis direction (reference direction). It is suppressed that the magnitude of the thrust Fv acting on is reduced. This also gives priority to the posture control 42 based on the magnitude of the thrust Fn determined by the posture control unit 42 over the position control based on the direction of the thrust Fn determined by the position control unit 45.

また、姿勢制御部42が決定した推力Fnの大きさは、補正された推力Fnの方向(傾斜角θ)とヨー軸方向(基準方向)との差分が大きくなるのに応じて大きくなるように補正される。そのため、滑走中に本体を上昇させる推力Fvの大きさが小さくなってしまうことが抑制される。 In addition, the magnitude of the thrust Fn determined by the attitude control unit 42 increases as the difference between the direction of the corrected thrust Fn (tilt angle θ 2 ) and the yaw axis direction (reference direction) increases. It is corrected to. For this reason, the magnitude of the thrust Fv that raises the main body during sliding is reduced.

このように、本実施形態によれば、横風等の影響により本体10が目標姿勢角から大きく傾斜している場合であっても、本体10の現在姿勢を目標姿勢角に早期に安定化することが可能な垂直離着陸機100を提供することができる。   As described above, according to the present embodiment, even when the main body 10 is largely inclined from the target posture angle due to the influence of a cross wind or the like, the current posture of the main body 10 can be quickly stabilized at the target posture angle. It is possible to provide a vertical take-off and landing aircraft 100 capable of

本実施形態の垂直離着陸機100において、方向補正部46は、現在姿勢角と目標姿勢角との差分が0°より大きく90°以下の角度A(第1角度)以上である場合に、位置制御部45が決定した推力Fnの方向がヨー軸方向(基準方向)となるように推力Fnの方向を補正する。
このようにすることで、現在姿勢角と目標姿勢角との差分が角度A以上である場合には、位置制御部45が決定する推力Fnの方向に関わらず、推力Fnの方向がヨー軸方向となるようにし、姿勢制御部42が決定する推力Fnの大きさに基づく姿勢制御を優先することができる。
In the vertical take-off and landing aircraft 100 of the present embodiment, the direction correction unit 46 performs position control when the difference between the current posture angle and the target posture angle is greater than 0 ° and greater than or equal to the angle A (first angle) of 90 ° or less. The direction of the thrust Fn is corrected so that the direction of the thrust Fn determined by the unit 45 is the yaw axis direction (reference direction).
Thus, when the difference between the current posture angle and the target posture angle is equal to or greater than the angle A, the direction of the thrust Fn is the yaw axis direction regardless of the direction of the thrust Fn determined by the position control unit 45. Thus, priority can be given to posture control based on the magnitude of the thrust Fn determined by the posture control unit 42.

本実施形態の垂直離着陸機100において、方向補正部46は、現在姿勢角と目標姿勢角との差分が0°より大きく角度Aより小さい角度B(第2角度)以下である場合に、位置制御部45が決定した推力Fnの方向を補正せずに出力する。
このようにすることで、現在姿勢角と目標姿勢角との差分が角度B以下である場合には、位置制御部45が決定する推力Fnの方向に基づく位置制御を優先することができる。
In the vertical take-off and landing aircraft 100 of the present embodiment, the direction correction unit 46 performs position control when the difference between the current posture angle and the target posture angle is equal to or smaller than an angle B (second angle) that is greater than 0 ° and smaller than the angle A. The direction of the thrust Fn determined by the unit 45 is output without correction.
In this way, when the difference between the current posture angle and the target posture angle is equal to or smaller than the angle B, the position control based on the direction of the thrust Fn determined by the position control unit 45 can be prioritized.

本実施形態の垂直離着陸機100において、複数のロータユニットのそれぞれは、軸線回りに駆動軸を回転させる推力発生用モータと、駆動軸に連結されるとともに駆動軸の回転に応じて軸線に沿った方向の推力を発生するロータとを備える。
このようにすることで、複数のロータユニットのそれぞれを、推力発生用モータにより駆動軸を回転させることによりロータによる推力を発生させる構成とすることができる。
In the vertical take-off and landing aircraft 100 of the present embodiment, each of the plurality of rotor units is connected to the thrust generation motor that rotates the drive shaft around the axis, and the axis along the axis according to the rotation of the drive shaft. And a rotor that generates a thrust in a direction.
In this way, each of the plurality of rotor units can be configured to generate thrust by the rotor by rotating the drive shaft by the thrust generating motor.

本発明の一態様に係る垂直離着陸機100において、複数のロータユニットのそれぞれは、本体10から延びる複数の取付軸を介して本体10に取り付けられており、ロータ偏向用サーボモータは、取付軸回りにロータユニットを揺動させて推力Fnの方向を調整する。
このようにすることで、本体10から延びる取付軸回りに各ロータユニットを揺動させることにより、各ロータユニットが発生する推力Fnの方向をヨー軸方向(基準方向)から傾斜させることができる。
In the vertical take-off and landing aircraft 100 according to one aspect of the present invention, each of the plurality of rotor units is attached to the main body 10 via a plurality of attachment shafts extending from the main body 10. The direction of the thrust Fn is adjusted by swinging the rotor unit.
By doing so, the direction of the thrust Fn generated by each rotor unit can be inclined from the yaw axis direction (reference direction) by swinging each rotor unit around the mounting shaft extending from the main body 10.

〔他の実施形態〕
以上説明した本実施形態の垂直離着陸機100において、ロータユニット20,21,22,23,24,25は、単一の揺動軸である取付軸30,31,32,33,34,35回りに揺動することにより推力Fnの方向を変化させるものであったが、他の態様であってもよい。
例えば、ロータユニット20,21,22,23,24,25は、複数の揺動軸回りに揺動することにより任意の位置に推力Fnの方向を変化させることができるようにしてもよい。
[Other Embodiments]
In the vertical take-off and landing aircraft 100 of the present embodiment described above, the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, and 25 are mounted around the mounting shafts 30, 31, 32, 33, 34, and 35 that are single swinging shafts. The direction of the thrust Fn is changed by swinging in the direction, but other modes may be used.
For example, the rotor units 20, 21, 22, 23, 24, and 25 may change the direction of the thrust Fn to an arbitrary position by swinging around a plurality of swing axes.

図12は、他の実施形態の垂直離着陸機200を示す平面図である。
図12において図1と同一の符号を付した構成は、図1で説明した構成と同様であるものとする。
図1に示す12個の矢印は、ロータユニット20’,21’,22’,23’,24’,25’のそれぞれが発生する推力Fnの水平方向成分(推力FnのXY平面に沿った成分)である推力Fhが取り得る方向を示すものである。
FIG. 12 is a plan view showing a vertical take-off and landing aircraft 200 according to another embodiment.
In FIG. 12, the configuration denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1 is the same as the configuration described in FIG. 1.
The twelve arrows shown in FIG. 1 indicate the horizontal component of the thrust Fn generated by each of the rotor units 20 ′, 21 ′, 22 ′, 23 ′, 24 ′, and 25 ′ (the component along the XY plane of the thrust Fn). ) Is a possible direction of the thrust Fh.

図12に示すように、ロータユニット20’,23’は、Y軸に沿った方向だけでなく、Y軸に直交する方向にも推力Fhがその方向を取り得る。したがって、ロータユニット20’,23’は、推力Fnの方向を2軸の揺動を組み合わせた任意の方向に向けることができる。
同様に、ロータユニット21’,24’は、軸線A1に沿った方向だけでなく、軸線A1に直交する方向にも推力Fhがその方向を取り得る。したがって、ロータユニット21’,24’は、推力Fnの方向を2軸の揺動を組み合わせた任意の方向に向けることができる。
同様に、ロータユニット22’,25’は、軸線A1に沿った方向だけでなく、軸線A1に直交する方向にも推力Fhがその方向を取り得る。したがって、ロータユニット22’,25’は、推力Fnの方向を2軸の揺動を組み合わせた任意の方向に向けることができる。
As shown in FIG. 12, in the rotor units 20 ′ and 23 ′, the thrust Fh can take the direction not only in the direction along the Y axis but also in the direction perpendicular to the Y axis. Therefore, the rotor units 20 ′ and 23 ′ can direct the direction of the thrust Fn in an arbitrary direction combined with two-axis swinging.
Similarly, in the rotor units 21 ′ and 24 ′, the thrust Fh can take the direction not only in the direction along the axis A1, but also in the direction orthogonal to the axis A1. Therefore, the rotor units 21 ′ and 24 ′ can direct the direction of the thrust Fn in an arbitrary direction combined with two-axis swinging.
Similarly, in the rotor units 22 ′ and 25 ′, the thrust Fh can take not only the direction along the axis A1 but also the direction orthogonal to the axis A1. Therefore, the rotor units 22 ′ and 25 ′ can direct the direction of the thrust Fn in an arbitrary direction combined with two-axis swinging.

10 本体
20,21,22,23,24,25 ロータユニット(推力発生部)
20a,21a,22a,23a,24a,25a 推力発生用モータ
20b,21b,22b,23b,24b,25b ロータ偏向用サーボモータ(推力方向調整機構)
20c,23c ロータ
30,31,32,33,34,35 取付軸(推力方向調整機構)
40 制御部
41 目標姿勢角設定部
42 姿勢制御部
43 推力補正部
44 目標位置設定部
45 位置制御部
46 方向補正部
50 姿勢角センサ(姿勢角検出部)
60 位置センサ(位置検出部)
70 制御信号線
100,200 垂直離着陸機
C 円周
X ロール軸
Y ピッチ軸
Z ヨー軸
Z1,Z2 ロータ軸
θ,θ,θ 傾斜角度
10 Main body 20, 21, 22, 23, 24, 25 Rotor unit (thrust generator)
20a, 21a, 22a, 23a, 24a, 25a Thrust generating motors 20b, 21b, 22b, 23b, 24b, 25b Rotor deflection servomotors (thrust direction adjusting mechanism)
20c, 23c Rotor 30, 31, 32, 33, 34, 35 Mounting shaft (thrust direction adjusting mechanism)
40 control unit 41 target posture angle setting unit 42 posture control unit 43 thrust correction unit 44 target position setting unit 45 position control unit 46 direction correction unit 50 posture angle sensor (posture angle detection unit)
60 Position sensor (position detector)
70 Control signal lines 100, 200 Vertical take-off and landing aircraft C Circumference X Roll axis Y Pitch axis Z Yaw axis Z1, Z2 Rotor axis θ, θ 1 , θ 2 Inclination angle

Claims (8)

本体と、
該本体を取り囲む円周上の複数の位置にそれぞれ配置されるとともに前記本体を上昇させる推力を発生する複数の推力発生部と、
該複数の推力発生部のそれぞれが発生する前記推力の方向を調整する推力方向調整機構と、
前記本体の現在姿勢角を検出する姿勢角検出部と、
前記本体の現在位置を検出する位置検出部と、
前記複数の推力発生部のそれぞれが発生する前記推力の大きさと、前記推力方向調整機構が調整する前記複数の推力発生部それぞれの前記推力の方向とを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記姿勢角検出部が検出する前記現在姿勢角と目標姿勢角とに基づいて前記複数の推力発生部のそれぞれが発生する前記推力の大きさを決定する姿勢制御部と、
前記位置検出部が検出する前記現在位置と目標位置とに基づいて前記推力方向調整機構が調整する前記複数の推力発生部それぞれの前記推力の方向を決定する位置制御部と、
前記現在姿勢角と前記目標姿勢角との差分が大きくなるのに応じて前記位置制御部が決定した前記推力の方向を前記本体が配置される平面に直交する基準方向に近づけるように該推力の方向を補正する方向補正部と、
該方向補正部により補正された前記推力の方向と前記基準方向との差分が大きくなるのに応じて前記姿勢制御部が決定した前記推力の大きさが大きくなるように該推力の大きさを補正する推力補正部と、を有する垂直離着陸機。
The body,
A plurality of thrust generators disposed at a plurality of positions on the circumference surrounding the main body and generating a thrust for raising the main body;
A thrust direction adjusting mechanism that adjusts the direction of the thrust generated by each of the plurality of thrust generating units;
A posture angle detector that detects a current posture angle of the main body;
A position detector for detecting a current position of the main body;
A control unit for controlling the magnitude of the thrust generated by each of the plurality of thrust generation units and the direction of the thrust of each of the plurality of thrust generation units adjusted by the thrust direction adjustment mechanism;
The controller is
A posture control unit that determines the magnitude of the thrust generated by each of the plurality of thrust generation units based on the current posture angle and the target posture angle detected by the posture angle detection unit;
A position control unit that determines the direction of the thrust of each of the plurality of thrust generation units adjusted by the thrust direction adjustment mechanism based on the current position and the target position detected by the position detection unit;
As the difference between the current posture angle and the target posture angle increases, the direction of the thrust determined by the position control unit approaches the reference direction orthogonal to the plane on which the main body is arranged. A direction correction unit for correcting the direction;
The magnitude of the thrust is corrected so that the magnitude of the thrust determined by the attitude control unit increases as the difference between the direction of the thrust corrected by the direction correction unit and the reference direction increases. A vertical take-off and landing aircraft having a thrust correction unit.
前記方向補正部は、前記現在姿勢角と前記目標姿勢角との差分が0°より大きく90°以下の第1角度以上である場合に、前記位置制御部が決定した前記推力の方向が前記基準方向となるように該推力の方向を補正する請求項1に記載の垂直離着陸機。   When the difference between the current posture angle and the target posture angle is not less than a first angle greater than 0 ° and not more than 90 °, the direction correction unit determines that the direction of the thrust determined by the position control unit is the reference The vertical take-off and landing aircraft according to claim 1, wherein the direction of the thrust is corrected so as to be in the direction. 前記方向補正部は、前記現在姿勢角と前記目標姿勢角との差分が0°より大きく前記第1角度より小さい第2角度以下である場合に、前記位置制御部が決定した前記推力の方向を補正せずに出力する請求項2に記載の垂直離着陸機。   The direction correction unit determines the direction of the thrust determined by the position control unit when a difference between the current posture angle and the target posture angle is greater than 0 ° and smaller than or equal to a second angle smaller than the first angle. The vertical take-off and landing aircraft according to claim 2, which outputs without correction. 前記複数の推力発生部のそれぞれは、軸線回りに駆動軸を回転させるモータと、該駆動軸に連結されるとともに該駆動軸の回転に応じて前記軸線に沿った方向の推力を発生するロータとを備える請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の垂直離着陸機。   Each of the plurality of thrust generation units includes a motor that rotates a drive shaft around an axis, and a rotor that is coupled to the drive shaft and generates a thrust in a direction along the axis according to the rotation of the drive shaft. The vertical take-off and landing aircraft according to any one of claims 1 to 3, further comprising: 前記複数の推力発生部のそれぞれは、前記本体から延びる複数の取付軸を介して前記本体に取り付けられており、
前記推力方向調整機構は、前記取付軸回りに前記推力発生部を揺動させて前記推力の方向を調整する請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の垂直離着陸機。
Each of the plurality of thrust generating portions is attached to the main body via a plurality of attachment shafts extending from the main body,
The vertical take-off and landing aircraft according to any one of claims 1 to 4, wherein the thrust direction adjusting mechanism adjusts a direction of the thrust by swinging the thrust generating portion around the mounting shaft.
本体と、該本体を取り囲む円周上の複数の位置にそれぞれ配置されるとともに前記本体を上昇させる推力を発生する複数の推力発生部と、該複数の推力発生部のそれぞれが発生する前記推力の方向を調整する推力方向調整機構とを備える垂直離着陸機の制御方法であって、
前記本体の現在姿勢角を検出する姿勢角検出工程と、
前記姿勢角検出部が検出する前記現在姿勢角と目標姿勢角とに基づいて前記複数の推力発生部のそれぞれが発生する前記推力の大きさを決定する姿勢制御工程と、
前記本体の現在位置を検出する位置検出工程と、
前記位置検出工程が検出する前記現在位置と目標位置とに基づいて前記推力方向調整機構が調整する前記複数の推力発生部それぞれの前記推力の方向を決定する位置制御工程と、
前記現在姿勢角と前記目標姿勢角との差分が大きくなるのに応じて前記位置制御工程が決定した前記推力の方向を前記本体が配置される平面に直交する基準方向に近づけるように該推力の方向を補正する方向補正工程と、
該方向補正工程により補正された前記推力の方向と前記基準方向との差分が大きくなるのに応じて前記姿勢制御工程が決定した前記推力の大きさが大きくなるように該推力の大きさを補正する推力補正工程と、を有する垂直離着陸機の制御方法。
A main body, a plurality of thrust generators disposed at a plurality of positions on the circumference surrounding the main body and generating a thrust for raising the main body, and the thrust generated by each of the plurality of thrust generators A vertical take-off and landing aircraft control method comprising a thrust direction adjusting mechanism for adjusting a direction,
A posture angle detection step of detecting a current posture angle of the main body;
A posture control step of determining a magnitude of the thrust generated by each of the plurality of thrust generation units based on the current posture angle and the target posture angle detected by the posture angle detection unit;
A position detecting step for detecting a current position of the main body;
A position control step of determining a direction of the thrust of each of the plurality of thrust generating units adjusted by the thrust direction adjusting mechanism based on the current position and the target position detected by the position detecting step;
As the difference between the current posture angle and the target posture angle increases, the direction of the thrust determined by the position control step approaches the reference direction orthogonal to the plane on which the main body is arranged. A direction correction step for correcting the direction;
The magnitude of the thrust is corrected so that the magnitude of the thrust determined by the posture control process increases as the difference between the direction of the thrust corrected by the direction correction process and the reference direction increases. And a thrust correcting step for controlling the vertical take-off and landing aircraft.
前記方向補正工程は、前記現在姿勢角と前記目標姿勢角との差分が0°より大きく90°以下の第1角度以上である場合に、前記位置制御工程が決定した前記推力の方向が前記基準方向となるように該推力の方向を補正する請求項6に記載の垂直離着陸機の制御方法。   In the direction correction step, when the difference between the current posture angle and the target posture angle is not less than a first angle greater than 0 ° and not more than 90 °, the direction of the thrust determined by the position control step is the reference The method of controlling a vertical take-off and landing aircraft according to claim 6, wherein the direction of the thrust is corrected so as to be in the direction. 前記方向補正工程は、前記現在姿勢角と前記目標姿勢角との差分が0°より大きく前記第1角度より小さい第2角度以下である場合に、前記位置制御工程が決定した前記推力の方向を補正しない請求項7に記載の垂直離着陸機の制御方法。   In the direction correction step, the direction of the thrust determined by the position control step is determined when a difference between the current posture angle and the target posture angle is greater than 0 ° and smaller than or equal to a second angle smaller than the first angle. The method of controlling a vertical take-off and landing aircraft according to claim 7, wherein correction is not performed.
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