JP2016068692A - Multi-rotor craft posture stabilization control device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To drastically improve the responsiveness of posture control by performing the posture control by a gravitational center movement with respect to a rotor aound a roll axis and a pitch axis to permit the imbalance of a machine body or an individual difference or variation in rotor thrust or a motor output.SOLUTION: In a multi-rotor craft having rotors 4a to 4d arranged in a circumferential direction, a machine body 5 is connected below the center of a multi-rotor part via a rod 7 swingable around a roll axis or a pitch axis. A posture around the roll axis or the pitch axis is controlled based on the swing angle of the rod 7 around the roll axis or the pitch axis and by using the machine body 5 as a weight, and a posture around a yaw axis is controlled based on the rotational speeds of the rotors 4a to 4d.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、マルチロータやマルチコプタとも呼ばれている、2枚以上のロータを持つロータクラフト(以下、「マルチロータクラフト」という。)のピッチ軸回り、及びロール軸回りの姿勢安定化制御装置に関する。   The present invention relates to a posture stabilization control device around a pitch axis and a roll axis of a rotor craft having two or more rotors (hereinafter referred to as “multi-rotor craft”), also called a multi-rotor or multi-copter. .

近年、マルチロータクラフトの空撮事業や測量事業への商業利用が拡大している。マルチロータクラフトの基本的な姿勢安定化制御は、ロータの回転面を水平に保ち、ロール軸、ピッチ軸を水平にするとともに、機体をロータ面に対し回転させず、ヨー角を一定に制御することである。
ロール軸とピッチ軸に関しては、ロール軸回りの姿勢に関与するロータ(ロール軸に対し、左右対称の位置にあるロータ)の回転数と、ピッチ軸回りの姿勢に関与するロータ(ピッチ軸に対し、左右対称の位置にあるロータ)の回転数とを変化させ、ヨー軸に関しては、正回転するロータと逆回転するロータの回転数差を利用して制御している。また、機体の上昇下降は、上述のヨー軸、ピッチ軸、ロール軸の制御を行いながら、全ロータの出力を増大あるいは減少させることにより制御する。
In recent years, commercial use of multi-rotor craft for aerial photography and surveying projects has been expanding. The basic attitude stabilization control of multi-rotor craft keeps the rotor rotation surface horizontal, keeps the roll axis and pitch axis horizontal, and controls the yaw angle to be constant without rotating the fuselage relative to the rotor surface. That is.
Regarding the roll axis and pitch axis, the number of rotations of the rotor (rotor at a position symmetrical to the roll axis) involved in the attitude around the roll axis and the rotor involved in the attitude around the pitch axis (with respect to the pitch axis) The rotational speed of the rotor at the left and right symmetrical positions is changed, and the yaw axis is controlled using the rotational speed difference between the forward rotating rotor and the reverse rotating rotor. The rise and fall of the airframe is controlled by increasing or decreasing the output of all the rotors while controlling the yaw axis, pitch axis, and roll axis.

このように、マルチロータクラフトの姿勢制御には、ロータの回転数差を利用していることから、ロータを駆動する電動モータ等の原動機の応答遅れ、減速機を含む駆動系の慣性、空気の圧縮性により、ロータの回転数変化が推力変化に反映されるまでに、不可避の応答遅れが発生する。
この応答遅れを考慮した制御技術として、特許文献1、2には、2次応答遅れ系の制御を行うことが記載されている。
As described above, since the difference in the rotational speed of the rotor is used for the attitude control of the multi-rotor craft, the response delay of the prime mover such as the electric motor that drives the rotor, the inertia of the drive system including the speed reducer, the air flow Due to the compressibility, an inevitable response delay occurs before the change in the rotational speed of the rotor is reflected in the change in thrust.
As a control technique in consideration of this response delay, Patent Documents 1 and 2 describe performing control of a secondary response delay system.

特許文献3には、地面である地表に機体から延びたワイヤで係留することにより、ワイヤの張力でピッチとロールの安定化を図ることが記載されている。   Patent Document 3 describes that the pitch and the roll are stabilized by the tension of the wire by mooring with the wire extending from the machine body on the ground surface, which is the ground surface.

また、特許文献4には、重反転ロータ型一人乗りヘリコプタの操縦に関し、ピッチ角とロール角のコントロールに体重移動を用い、ヨー軸のコントロールに、遊星歯車を駆動するモータを用いることが記載されている。   Patent Document 4 describes the use of a weight shift for controlling the pitch angle and the roll angle, and a motor for driving the planetary gear for controlling the yaw axis, regarding the operation of the heavy-rotation single-seat helicopter. ing.

特開2004−256020号公報JP 2004-256020 A 特開2004−256022号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-256022 特開2013−079034号公報JP 2013-079094 A 特開2000−072095号公報JP 2000-072095 A

上述のように、従来技術においては、マルチロータクラフトのすべての軸回りの姿勢制御に、ロータの回転数差を利用していることから、ロータ自体、電動モータ等の原動機、そして、これらの間に介在する減速機構などに個体差があると、同一電力を供給したとしても、各ロータが発生する推力が不均一になる。
推力が著しく不均一であると、上述した不可避の応答遅れにより、マルチロータクラフトの姿勢を安定化させることが不可能となることから、個体差を最大限低減するため、品質管理を厳密に行わなければならず、しかも高速度の演算処理装置が必要となるため、大幅なコストアップを招いている。
As described above, in the conventional technology, the rotor rotational speed difference is used for posture control around all the axes of the multi-rotor craft, so that the rotor itself, the prime mover such as an electric motor, and the like If there is an individual difference in the speed reduction mechanism intervening in the rotor, even if the same power is supplied, the thrust generated by each rotor becomes non-uniform.
If the thrust is extremely uneven, it will be impossible to stabilize the attitude of the multi-rotor craft due to the inevitable response delay described above, so strict quality control is performed to minimize individual differences. In addition, since a high-speed arithmetic processing unit is required, the cost is greatly increased.

仮にこれらの個体差を零に近い状態に設定し得たとしても、突風などの外乱が作用したとき、姿勢を安定化させるため、原動機出力をフィードバック制御する際、応答性を高めると、前述の原動機の応答遅れ、駆動系の慣性、空気の圧縮性により、ハンチングが発生して機体の挙動が不安定になる。一方、フィードバック制御の応答性を低下させると、突然の外乱により姿勢が大きく崩れた場合などでは姿勢制御が間に合わず、暴走、墜落等の原因になってしまう。   Even if these individual differences can be set to a state close to zero, when a disturbance such as a gust of wind acts, in order to stabilize the posture, when feedback control is performed on the prime mover output, if the responsiveness is increased, Due to the response delay of the prime mover, the inertia of the drive system, and the compressibility of the air, hunting occurs and the behavior of the aircraft becomes unstable. On the other hand, if the responsiveness of the feedback control is lowered, the posture control is not in time when the posture is largely collapsed due to a sudden disturbance, which may cause a runaway or a crash.

ところで、原動機として、内燃機関等のエンジンを採用すると、バッテリ容量で制限を受ける電動モータと比較して、航続距離をはるかに長くすることができる。
しかし、エンジンは、電動モータと比較して、出力特性の個体差が大きく、出力応答性、制御の収束性にも劣るため、マルチロータの駆動源として利用することは、きわめて困難である。一方、電動モータの場合、エンジンと比較して制御特性は良好なものの、航続距離がバッテリ容量に依存することになるので、広域にわたり連続空撮ができないといった問題が生じる。
By the way, when an engine such as an internal combustion engine is employed as the prime mover, the cruising distance can be made much longer compared to an electric motor that is limited by the battery capacity.
However, the engine has a large individual difference in output characteristics as compared with an electric motor, and is inferior in output response and control convergence, so that it is extremely difficult to use the engine as a drive source for a multirotor. On the other hand, in the case of an electric motor, although the control characteristics are better than those of an engine, the cruising distance depends on the battery capacity, so that there is a problem that continuous aerial photography cannot be performed over a wide area.

しかも、機体のローリング角やピッチ角が限界値を超えると、各ロータの推力が水平方向に近い状態となり、姿勢を立て直すことができないばかりでなく、暴走を招くことになるため、安全確保の観点から全ロータを直ちに停止させ、その場で墜落させるようにしている。
このように、従来技術においては、原動機の出力制御が介在するロータの推力制御により姿勢制御を行っている点に本質的な問題があり、高価な部品、経時的変化に伴うメンテナンス費用を含めた品質管理に伴うコストアップ、外乱等に対する応答性の限界、安全確保のための機体の全壊など、安全で簡便な利用に大きな課題を残している。
Moreover, if the rolling angle and pitch angle of the fuselage exceed the limit values, the thrust of each rotor will be in a state close to the horizontal direction, and not only can the posture be reestablished, but also runaway, leading to safety assurance All the rotors are immediately stopped and crashed on the spot.
As described above, in the conventional technology, there is an essential problem in that the attitude control is performed by the thrust control of the rotor in which the output control of the prime mover is interposed, and the expensive parts and the maintenance cost accompanying the change over time are included. Major issues remain in safe and easy use, such as cost increase associated with quality control, limit of responsiveness to disturbances, and complete destruction of the aircraft to ensure safety.

そこで、本発明の目的は、ロール軸回り、ピッチ軸回りについては、ロータの推力制御によるものではなく、ロータに対する重心移動により姿勢制御を行うことで、姿勢制御の応答性を抜本的に高めるととともに、機体のアンバランスやロータの推力、原動機出力などの個体差やバラつきを許容し、低コストで安全性を飛躍的に高めたマルチロータクラフトを実現することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to improve the responsiveness of posture control drastically by performing posture control by moving the center of gravity with respect to the rotor, not about the thrust control of the rotor about the roll axis and the pitch axis. At the same time, it is intended to realize a multi-rotor craft that drastically enhances safety at low cost by allowing individual differences and variations such as unbalance of the fuselage, rotor thrust, and motor power output.

上記の課題を解決するため、本発明においては次のような技術的手段を講じた。
すなわち、複数のロータが周方向に配置されたマルチロータクラフトにおいて、マルチロータ部の中心部下方に、前記マルチロータクラフトのロール軸回り及びピッチ軸回りに揺動可能なロッドを介してウエイトを連結し、前記ロッドのロール軸回り及びピッチ軸回りの揺動角により、前記マルチロータクラフトのロール軸回り及びピッチ軸回りの姿勢を制御し、前記マルチロータクラフトのヨー軸回りの姿勢を、前記ロータの回転数、あるいは、前記ロータの下方に設けた推力方向変更装置により制御するようにした。
In order to solve the above-described problems, the following technical means have been taken in the present invention.
That is, in a multi-rotor craft in which a plurality of rotors are arranged in the circumferential direction, weights are connected to the lower part of the center of the multi-rotor part via rods that can swing around the roll axis and pitch axis of the multi-rotor craft. And the attitude of the multi-rotor craft around the roll axis and the pitch axis is controlled by the swing angle of the rod around the roll axis and the pitch axis, and the attitude of the multi-rotor craft around the yaw axis is controlled by the rotor. The number of rotations or the thrust direction changing device provided below the rotor is controlled.

本発明によれば、ロッドの揺動角により、ウエイトの重心を変化させることで、マルチロータクラフトのロール軸回り及びピッチ軸回りの姿勢を制御し、これとは独立して、ヨー軸回りの姿勢を、ロータの回転数やロータの下方に設けた推力方向変更装置により制御するようにした。この制御により、機体のアンバランスやロータの推力、原動機出力などの個体差やバラつきをシンプルなアルゴリズムで解消することができる。しかも、各機器に個体差の大きい安価なものを使用しても、高度な微調整を必要とせず、アフターメンテナンスをほとんど不要にすることができ、機体や各機器の劣化にかかわらず、常に姿勢の安全性が確保することができる。
さらに、姿勢制御にロータの回転数変化を使用しないことから、電動モータ以外の回転数変化の応答性が低い動力、例えば、レシプロエンジンやタービンエンジンを使用することも可能となる。この結果、現在のマルチコプタの欠点である、バッテリ使用に起因する飛行時間の制限を拡大することが可能となる。
According to the present invention, the posture of the multi-rotor craft around the roll axis and the pitch axis is controlled by changing the center of gravity of the weight according to the rocking angle of the rod. The attitude is controlled by a rotation direction of the rotor and a thrust direction changing device provided below the rotor. By this control, individual differences and variations such as the unbalance of the fuselage, the thrust of the rotor, and the motor output can be eliminated with a simple algorithm. Moreover, even if inexpensive devices with large individual differences are used for each device, advanced fine adjustment is not required, and after-sales maintenance can be made almost unnecessary, regardless of the deterioration of the aircraft and each device. Safety can be ensured.
Furthermore, since the rotor speed change is not used for attitude control, it is possible to use power other than the electric motor, such as a reciprocating engine or a turbine engine, which has low responsiveness to the speed change. As a result, it is possible to expand the time limit of flight due to battery use, which is a drawback of current multicopters.

図1は、実施例1に基づくマルチロータクラフトの全体図である。FIG. 1 is an overall view of a multi-rotor craft based on the first embodiment. 図2は、マルチロータクラフトの中心部を拡大した図である。FIG. 2 is an enlarged view of the central portion of the multi-rotor craft. 図3は、実施例1に基づいてロール軸回りの姿勢制御を行うメカニズムをモデル化した図である。FIG. 3 is a diagram modeling a mechanism for performing posture control around the roll axis based on the first embodiment. 図4は、実施例1に基づいてピッチ軸回りの姿勢制御を行うメカニズムをモデル化した図である。FIG. 4 is a diagram modeling a mechanism for performing attitude control around the pitch axis based on the first embodiment. 図5は、実施例1に基づいて、ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸回りの姿勢制御を行うための制御ブロック図である。FIG. 5 is a control block diagram for performing posture control around the roll axis, the pitch axis, and the yaw axis based on the first embodiment. 図6は、ロール軸回りに外乱が発生したときの実施例1の制御応答と姿勢角を従来技術と比較した図である。FIG. 6 is a diagram comparing the control response and the attitude angle of the first embodiment when a disturbance occurs around the roll axis with the prior art. 傾き制御限界角に関する説明図である。It is explanatory drawing regarding an inclination control limit angle. 図8は、実施例2に基づく推力方向変更装置の配置を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating an arrangement of the thrust direction changing device based on the second embodiment. 図9は、実施例2に基づくマルチロータクラフトの全体図である。FIG. 9 is an overall view of a multi-rotor craft based on the second embodiment. 図10は、実施例2に基づく動力分配装置の拡大図である。FIG. 10 is an enlarged view of the power distribution device according to the second embodiment.

以下、本発明の実施形態を図面とともに説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[実施例1]
図1は、本実施例に基づくマルチロータクラフトの全体図を示しており、中心部1から90°間隔で4本のアーム部2a〜2dが水平方向に延びており、それぞれの末端に、ロータ3a〜3dと、これを駆動する原動機4a〜4d(減速機を含む場合もある)が搭載されている。各アーム部2a〜2dは長さが等しく、その先端に搭載されるロータ3a〜3dの中心点が、平面視で同一円周上に位置するよう配置されている。中心部1、アーム部2a〜2d、ロータ3a〜3d、そして、原動機4a〜4dを含む構造体がマルチロータ部を構成し、その重心が、ロータ3a〜3dの中心点に一致している。
また、ロータ3aとロータ3cを同一方向に回転させ、ロータ3bとロータ3dを、これとは逆方向に回転させることで、回転モーメントを相殺し、ヨー軸方向の偏位を抑制するようにしている。
[Example 1]
FIG. 1 shows an overall view of a multi-rotor craft based on the present embodiment. Four arm portions 2a to 2d extend in a horizontal direction at 90 ° intervals from a central portion 1, and a rotor is provided at each end. 3a to 3d and prime movers 4a to 4d (which may include a speed reducer) are mounted. The arm portions 2a to 2d are equal in length, and are arranged so that the center points of the rotors 3a to 3d mounted on the tips thereof are located on the same circumference in plan view. The structure including the central portion 1, the arm portions 2a to 2d, the rotors 3a to 3d, and the prime movers 4a to 4d constitutes a multi-rotor portion, and the center of gravity coincides with the central point of the rotors 3a to 3d.
In addition, the rotor 3a and the rotor 3c are rotated in the same direction, and the rotor 3b and the rotor 3d are rotated in the opposite directions so that the rotational moment is canceled and the deviation in the yaw axis direction is suppressed. Yes.

マルチロータクラフトの機体5には、その重心から上方に延びるロッド7が設けられている。ロッド7の上端は、ロール軸(進行方向の軸)回りの回転軸、及びピッチ軸(進行方向に直交する軸)回りの回転軸を介して、中心部1にロール軸回り、ピッチ軸回りにそれぞれ独立して揺動可能に連結されている。なお、機体5の底面には脚部6が装着されている。   The multi-rotor craft body 5 is provided with a rod 7 extending upward from its center of gravity. The upper end of the rod 7 is rotated around the roll axis around the roll axis and around the pitch axis via a rotation axis around the roll axis (axis in the direction of travel) and a rotation axis around the pitch axis (axis perpendicular to the direction of travel). Each of them is connected so as to be able to swing independently. A leg 6 is mounted on the bottom surface of the body 5.

図2に示されるように、中心部1には、ロッド7をロール軸回りに揺動させる第1アクチュエータ8と、ロッド7をピッチ軸回りに揺動させる第2アクチュエータ9が搭載されており、ロール軸レートジャイロ、ピッチ軸レートジャイロの検出値が入力されるコントローラにより、各軸の揺動角が制御される。
本実施例では、アクチュエータとしてサーボを用いているが、マルチロータが大型の場合には、電動モータを使用してもよい。
As shown in FIG. 2, a central actuator 1 is equipped with a first actuator 8 that swings the rod 7 about the roll axis, and a second actuator 9 that swings the rod 7 about the pitch axis. The swing angle of each axis is controlled by a controller to which detection values of the roll axis rate gyro and the pitch axis rate gyro are input.
In this embodiment, a servo is used as the actuator, but if the multi-rotor is large, an electric motor may be used.

機体5には、各種コントローラ、カメラ、通信機器等の搭載機材、そして、原動機4a〜4dが電動モータの場合、二次電池などが搭載され、重心位置がロッド7の直下にあり、所定の重量を有するウエイトとなり、ロッド7が振り子ロッドとなる。
マルチロータクラフトの機体5や各ロータが突風などにより、ロール軸回りに回転させる外乱を受けたとき、第1アクチュエータ8により、これを打ち消す方向に、機体5をロール軸回りに揺動させ、外乱を相殺する。また、ピッチ軸回りに回転させる外乱を受けたときも同様に、第2アクチュエータ9により、これを打ち消す方向に、機体5をピッチ軸回りに揺動させ、ロール軸回りの姿勢制御を行う。
The body 5 is equipped with various controllers, cameras, communication equipment and other mounted equipment, and when the prime movers 4a to 4d are electric motors, a secondary battery or the like is mounted, the center of gravity is directly below the rod 7, and has a predetermined weight. The rod 7 becomes a pendulum rod.
When the multi-rotor craft body 5 and each rotor are subjected to a disturbance rotating around the roll axis due to a gust of wind, etc., the first actuator 8 causes the body 5 to swing around the roll axis in a direction to cancel the disturbance. Offset. Similarly, when subjected to a disturbance rotating around the pitch axis, the second actuator 9 causes the body 5 to swing around the pitch axis in a direction to cancel this, thereby performing posture control around the roll axis.

その際、機体5の質量とロッド7の長さ、そして、第1アクチュエータ8、第2アクチュエータ9により得られる揺動角が、外乱を相殺するモーメントの大きさを決定する。
すなわち、ロッド7が長いほど大きな制御力を発生させることができるので、ロッド7の長さを調整することにより、制御力の大きさを調整することが可能となる。
At that time, the mass of the body 5 and the length of the rod 7 and the swing angles obtained by the first actuator 8 and the second actuator 9 determine the magnitude of the moment that cancels the disturbance.
That is, as the rod 7 is longer, a larger control force can be generated. Therefore, the control force can be adjusted by adjusting the length of the rod 7.

図3は、図1のアクチュエータ8、9により姿勢制御を行うメカニズムをロール軸についてモデル化したものである。
基本的には振子の運動方程式を適用し、振子の支点が大きな空気抵抗を持つ物体により移動することを考慮することとなる。図3ではマルチロータクラフトが、外乱Tzを受け、水平面に対し、ロール軸がθの角度で姿勢が傾き、その姿勢を修正するために、第1アクチュエータ8が作動しθの角度だけ機体5を傾けた状態を示している。
FIG. 3 is a model in which the posture control is performed by the actuators 8 and 9 of FIG. 1 with respect to the roll axis.
Basically, the equation of motion of the pendulum is applied, and it is considered that the fulcrum of the pendulum is moved by an object having a large air resistance. In FIG. 3, the multi-rotor craft receives a disturbance Tz, and the attitude of the roll axis is inclined with respect to the horizontal plane at an angle of θ 1. In order to correct the attitude, the first actuator 8 is actuated and the airframe is at an angle of θ 2. The state where 5 is inclined is shown.

このとき、振子となる機体5の質量をM1[kg]、ロッド7の長さをl1[m]としたとき、ロール軸回りに作用する、姿勢修正モーメントは、
1×l1×sin(θ1+θ2)と表すことができる。
実際の外乱Tzは、通常の安全運行の範囲となる平均風速2〜10m/s程度としているため、θ1、そして、θ2も零近傍の値しかとらないため、姿勢修正モーメントは、(θ1+θ2)で線形近似することが可能となる。
At this time, when the mass of the airframe 5 serving as a pendulum is M 1 [kg] and the length of the rod 7 is l 1 [m], the posture correcting moment acting around the roll axis is
M 1 × l 1 × sin (θ 1 + θ 2 ) can be expressed.
Since the actual disturbance Tz is set to an average wind speed of about 2 to 10 m / s, which is a range of normal safe operation, θ 1 and θ 2 also take values close to zero. Therefore, the posture correction moment is (θ 1 + θ 2 ) can be linearly approximated.

これは、図4に示すピッチ軸回りについても同様である。図4において、外乱TYを受け、水平に対しピッチ軸がγ1の角度で姿勢が傾き、その姿勢を修正するために、第2アクチュエータ9が作動し、機体5をγ2の角度だけ傾けた状態を示している。前述のロール軸姿勢制御に対して、ピッチ軸姿勢制御は、進行方向であるために、前進・停止・後進の僅かな加速期間内だけは、加速度方向と重力方向の合力方向がロール軸姿勢制御の重力方向に相当する。 The same applies to the pitch axis shown in FIG. 4, disturbed T Y, posture inclination at an angle of pitch axis gamma 1 with respect to the horizontal, tilted in order to correct the attitude, the second actuator 9 is actuated by an angle of the body 5 gamma 2 Shows the state. In contrast to the roll axis attitude control described above, since the pitch axis attitude control is the traveling direction, the resultant direction of the acceleration direction and the gravitational direction is the roll axis attitude control only during a slight acceleration period of forward / stop / reverse. It corresponds to the gravity direction.

しかし、飛行移動中は等速運動であるため等速運動移動中は、ロータ面は水平となり、基本的に上記ロール制御と全く同じ力学でピッチ軸制御が行われる。
前進加速は、図4のように振子姿勢制御により前傾させることにより実施し、再度振子安定制御により水平に保つことで等速運動を行う。等速運動からの静止は、振子姿勢制御によりロータ面を後傾させることにより減速あるいは加速を行い、静止時には再度振子安定制御により水平を保ち空中静止を行う。これらの運動をすべて図4のようにピッチ方向の振子運動制御により実現する。
However, since the motion is constant during the flight movement, the rotor surface is horizontal during the constant speed movement, and basically the pitch axis control is performed with exactly the same dynamics as the roll control.
Forward acceleration is performed by tilting forward by pendulum posture control as shown in FIG. 4 and is kept constant by pendulum stability control to perform constant speed motion. To stop from constant speed motion, the rotor surface is tilted backward by pendulum attitude control to decelerate or accelerate, and when stationary, the pendulum stability control is maintained again to keep the air in the air. All these motions are realized by controlling the pendulum motion in the pitch direction as shown in FIG.

このように、重力という瞬時に作用する力を利用した振子運動制御であるために、圧縮性のある空気を介さず、時間遅れ系の制御が不要となり、線形制御によるロール軸回り、ピッチ軸回りの姿勢制御が可能である。   In this way, because of the pendulum motion control that uses the instantaneously acting force of gravity, there is no need for time delay control without using compressible air, and the roll axis and pitch axis are controlled by linear control. Attitude control is possible.

ヨー軸回りについては、ロータ3a、ロータ3cの回転数、ロータ3bとロータ3dの回転数のいずれか一方あるいは両方を、外乱を打ち消す方向に増減することにより、姿勢制御を行う。   About the yaw axis, posture control is performed by increasing or decreasing one or both of the rotational speed of the rotor 3a and the rotor 3c and the rotational speed of the rotor 3b and the rotor 3d in a direction to cancel the disturbance.

以上、ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸回りに関するマルチロータクラフトの安定姿勢制御は、飛行時間の大部分を占める静止時(ホバリング時)と等速運動時に常時稼働させることにより、姿勢を安定化させ墜落を防止する。
マルチロータを実際に運行させる際は、ある地点でロール軸あるいはピッチ軸を短時間チルトさせ、左右前後の一瞬の加速と一瞬の減速を行う。そして、次の地点に到るまで等速運動による移動を行うことを繰り返し、碁盤の目を移動するような制御により、目的の位置まで移動させる。
As described above, the stable attitude control of the multi-rotor craft around the roll axis, pitch axis, and yaw axis stabilizes the attitude by always operating during stationary (hovering) and constant speed movement, which occupies most of the flight time. Prevent crash.
When the multirotor is actually operated, the roll axis or pitch axis is tilted for a short time at a certain point, and instantaneous acceleration and instantaneous deceleration are performed before and after the left and right. Then, the movement by the constant speed movement is repeated until the next point is reached, and the movement is made to the target position by the control of moving the grid eyes.

その際、碁盤の目の交点の部分では、姿勢を水平に保つためのロール軸制御、ピッチ軸制御を一瞬解除し、加速と減速のためのロール軸、ピッチ軸のチルトを、振り子制御により短時間行う。それ以外の期間は、等速運動か静止状態で、常に姿勢を水平に保つ振子姿勢安定化制御を作動させる。
このような制御アルゴリズムは、図5の制御ブロック図における相関関数Gにより実行される。なお、図5は、原動機4a〜4dとして、制御特性が良好で、ロータの回転数でヨー軸回りの姿勢制御が可能な電動モータの使用を前提としている。
At that time, at the intersection of the grid's eyes, the roll axis control and pitch axis control to keep the posture horizontal are released for a moment, and the roll axis and pitch axis tilts for acceleration and deceleration are shortened by pendulum control. Do time. During the other periods, the pendulum posture stabilization control that keeps the posture horizontal at constant speed motion or stationary state is activated.
Such a control algorithm is executed by the correlation function G in the control block diagram of FIG. FIG. 5 is based on the premise that the motors 4a to 4d have an electric motor with good control characteristics and capable of posture control around the yaw axis by the number of rotations of the rotor.

操縦者が、グラフィカルユーザインタフェース(GUI)を利用し、例えば、地図上の目的地を指定するという形式で移動指令を行うと、座標変換が行われ、指令値変換経路制御アルゴリズムにより、経路生成が行われる。
指令値変換経路制御アルゴリズムから、ロール軸、ピッチ軸、Z軸(高度)、ヨー軸の制御要素に分解され、それぞれの制御目標値が出力される。
ロール軸とピッチ軸については、指令値変換経路制御アルゴリズムからの制御目標値に基づいて、それぞれ、G(rpzy)相関関数であるθr(t)とθp(t)により、ロール軸レートジャイロ、ピッチ軸レートジャイロを用いたフィードバック制御を行う。
これにより、前述のように、特定の地点でロール軸、ピッチ軸の短時間チルトが行われ、左右前後の一瞬の加速と一瞬の減速、そしてその後、次の地点に到着するまでの等速運動による移動を繰り返す。
When the operator uses a graphical user interface (GUI) to issue a movement command in the form of designating a destination on a map, for example, coordinate conversion is performed, and route generation is performed by a command value conversion route control algorithm. Done.
The command value conversion path control algorithm is divided into roll axis, pitch axis, Z axis (altitude), and yaw axis control elements, and respective control target values are output.
For the roll axis and the pitch axis, the roll axis rate gyro, pitch, and pitch are determined by θr (t) and θp (t), which are G (rpzy) correlation functions, respectively, based on the control target value from the command value conversion path control algorithm. Performs feedback control using an axial rate gyro.
As a result, as described above, the roll axis and the pitch axis are tilted at a specific point for a short time, instantaneous acceleration and deceleration for a moment in the left and right, and then constant velocity movement until the next point is reached. Repeat the movement.

例えば、ヨー制御による方向転換時には、常に振子姿勢安定化制御が作動し、上昇下降時の高度制御の間も常時振子姿勢安定化制御は作動を継続する。ヨー制御に関しては、相関関数Gの関与が少ないが、ヨー方向に回転しながら加速する場合や、上昇しながら減速する場合などがあり、ゼロではないため、相関関数Gは高度制御やヨー制御を含むこととする。
操縦者からは、GUIによる地図上の目的地の指定という形で、指令目標が与えられ、それを座標変換し、経路生成を行い、そこからロール、ピッチ、高度、ヨーの制御要素に分解された制御指令値が入力される。
For example, the pendulum posture stabilization control is always operated when the direction is changed by the yaw control, and the pendulum posture stabilization control is continuously operated during the altitude control at the time of ascent and descent. Regarding the yaw control, the correlation function G has little involvement, but there are cases where it accelerates while rotating in the yaw direction or decelerates while ascending and is not zero, so the correlation function G performs altitude control and yaw control. To include.
The pilot is given a command target in the form of designation of the destination on the map by the GUI, the coordinates are converted, the route is generated, and from there, it is decomposed into roll, pitch, altitude and yaw control elements. The control command value is input.

図6は、ロール軸における姿勢制御において、外乱が発生した時の制御応答と姿勢角の様子を示したものである。上側が実施例によるもの、下側が従来技術によるもので、最下段は発生した外乱であり、縦軸に外乱や制御量などの力と姿勢角の角度を示し、横軸に時間を示している。
従来のロータ回転数変化による推力による制御では、圧縮性を有する空気のため、応答遅れが発生する。
これに対し、本実施例による、機体5を振り子としたロール角制御によると、応答速度がきわめて高く、高い姿勢角修正の応答速度が得られることが確認できる。
FIG. 6 shows the control response and the posture angle when a disturbance occurs in the posture control on the roll axis. The upper side is according to the embodiment, the lower side is according to the prior art, the bottom stage is the generated disturbance, the vertical axis indicates the force such as the disturbance and the controlled variable and the angle of the posture angle, and the horizontal axis indicates the time. .
In the conventional control based on thrust by changing the rotor rotational speed, a response delay occurs because of the compressible air.
On the other hand, according to the roll angle control using the airframe 5 as a pendulum according to the present embodiment, it can be confirmed that the response speed is extremely high and a high response speed for posture angle correction can be obtained.

なお、前述のように、マルチロータクラフトのヨー角については、従来技術と同様、通常は、ロータ3aと3cは同一方向に回転させ、ロータ3bと3dを、逆回転させることで、ヨー角回りの回転を相殺させる。ヨー軸回りの外乱が作用したときは、ヨー軸レートジャイロによりこれを検知し、回転方向が一致するロータ3aと3c、あるいは、ロータ3bと3dの回転数を調整することで、ヨー軸回りの外乱を相殺する。   As described above, the yaw angle of the multi-rotor craft is normally rotated around the yaw angle by rotating the rotors 3a and 3c in the same direction and rotating the rotors 3b and 3d in the reverse direction. Offset the rotation of When a disturbance around the yaw axis is applied, this is detected by the yaw axis rate gyro, and the rotational speeds of the rotors 3a and 3c or the rotors 3b and 3d having the same rotation direction are adjusted, so that Offset the disturbance.

その際、ロータ3a〜3dの回転数変化に伴い、ロール軸回り、ピッチ軸回りの揺動が発生するが、これは、前述した第1アクチュエータ8、第2アクチュエータ9の制御により相殺される。
このように、本実施例によれば、ロータ3a〜3dの特性や、これを駆動するモータの出力にバラつきがあっても、機体5を振子として、ロール軸、ピッチ軸回りの安定制御が維持されているため、ヨー軸回りの安定を維持する観点のみで、互いに逆回転しているロータの回転数を調整するだけで、仮にロール軸回り、ピッチ軸回りの姿勢に変動が生じても、上述のロール軸制御、ピッチ軸制御により吸収することができる。
At this time, swinging around the roll axis and the pitch axis occurs with the change in the rotational speed of the rotors 3a to 3d, but this is offset by the control of the first actuator 8 and the second actuator 9 described above.
As described above, according to the present embodiment, even if the characteristics of the rotors 3a to 3d and the output of the motor driving the rotors vary, stable control around the roll axis and the pitch axis is maintained using the machine body 5 as a pendulum. Therefore, from the standpoint of maintaining the stability around the yaw axis only by adjusting the rotational speeds of the rotors rotating in reverse, even if the posture around the roll axis and the pitch axis changes, It can be absorbed by the above-described roll axis control and pitch axis control.

従来技術においては、ロール軸回り、ピッチ軸回り、そして、ヨー軸回りの姿勢をすべてロータの回転数制御により行っていることから、すべての軸回りの安定性を同時に満たす最適条件に調整するため、高精度のロータ、モータ、減速機、制御装置を使用せざるを得ず、これらの調整に高度な熟練を要していた。しかも、1軸回りの調整が他の軸に影響を及ぼすため、空気の圧縮性に起因する応答遅れの影響で、制御が発散し、不安定な飛行の原因ともなっていた。   In the conventional technology, the postures around the roll axis, the pitch axis, and the yaw axis are all controlled by the rotational speed of the rotor, so that the optimum conditions satisfying the stability around all axes at the same time can be adjusted. High precision rotors, motors, reducers, and control devices had to be used, and advanced adjustments were required for these adjustments. In addition, since the adjustment around one axis affects the other axes, the control is diverged due to the response delay caused by the compressibility of the air, causing unstable flight.

しかし、本実施例によると、ヨー軸回りの制御を独立させることができ、重心移動により、ロール軸回り、ピッチ軸回りの制御応答性がきわめて高いので、電動モータ等の原動機、ロータ、減速機構などに個体差があっても、機体5を振子とした、ロール軸、ピッチ軸回りの姿勢安定化制御により吸収することが可能となり、これらの品質管理に要するコストを大幅に削減することができる。   However, according to the present embodiment, the control around the yaw axis can be made independent, and the control responsiveness around the roll axis and the pitch axis is very high due to the movement of the center of gravity. Even if there are individual differences, it can be absorbed by posture stabilization control around the roll axis and pitch axis using the airframe 5 as a pendulum, and the cost required for quality control can be greatly reduced. .

さらに、従来のマルチロータクラフトでは、図7のように大きく姿勢が傾くと、ロータの推力では推力方向が横方向になってしまうため、姿勢安定制御が不可能となる傾き限界角が存在する。従来技術では、通常、傾き限界角は35°程度とされている。
本実施例によれば、ピッチ軸とロール軸の安定を、ロータの推力による制御ではなく、重力を用いた振子による姿勢安定制御としたことで、通常のロータの推力では不可能になる大きな傾きにおいても、安定した姿勢制御が可能となる。
なお、本実施例によると、マルチロータクラフトの規模に応じて、ウエイトとなる機体5の重量を大きくすることができ、機体5内に小型エンジン発電機を搭載して二次電池を充電し、ロータ3a〜3dを駆動するモータを駆動するようにしてもよい。
Further, in the conventional multi-rotor craft, when the posture is largely inclined as shown in FIG. 7, the thrust direction becomes the lateral direction with the thrust of the rotor, and therefore there is a tilt limit angle at which posture stable control is impossible. In the prior art, the inclination limit angle is normally set to about 35 °.
According to the present embodiment, the stability of the pitch axis and the roll axis is not controlled by the thrust of the rotor, but by the posture stability control by the pendulum using gravity, so that a large inclination that is impossible with the normal rotor thrust is achieved. In this case, stable posture control is possible.
In addition, according to the present embodiment, according to the scale of the multi-rotor craft, the weight of the fuselage 5 can be increased, a small engine generator is mounted in the fuselage 5 to charge the secondary battery, You may make it drive the motor which drives the rotors 3a-3d.

[実施例2]
上述した本発明の利点により、大型マルチロータクラフトの場合、電動モータに代えて小型レシプロエンジンを各ロータの直下に配置し、駆動源とすることもできる。
前述のようにレシプロエンジン等の内燃機関は、電動モータと比較して、出力特性のばらつきや制御応答性の面で劣るが、機体5をウエイトとした振り子制御により、大型マルチロータクラフトの駆動源として利用することが可能となる。
ただし、ヨー軸回りの姿勢については振り子制御の対象外であるため、図8に示すように、各ロータ2a〜2dの直下方に位置するよう、アーム2a〜2dに装着したヨー制御フィン9a〜9dの傾きを制御することにより行う。ヨー制御フィン9a〜9dは、各ロータ2a〜2dの推力方向変更装置として機能する。
すなわち、ヨー軸回りの外乱が作用したときは、ヨー軸レートジャイロによりこれを検知し、ヨー制御フィン9a〜9dのうち、少なくともひとつの傾きを変更し、その上方に位置するロータの重力方向に対する推力方向を変更調整することで、ヨー軸回りの外乱を相殺することができる。なお、この場合、図6におけるヨー軸制御のための制御対象は、ヨー制御フィン9a〜9dとなる。
[Example 2]
Due to the above-described advantages of the present invention, in the case of a large multi-rotor craft, a small reciprocating engine can be arranged directly below each rotor instead of the electric motor to serve as a drive source.
As described above, an internal combustion engine such as a reciprocating engine is inferior in terms of variation in output characteristics and control responsiveness as compared with an electric motor. However, a pendulum control with the fuselage 5 as a weight is used to drive a large multirotor craft. It becomes possible to use as.
However, since the posture around the yaw axis is not subject to pendulum control, as shown in FIG. 8, the yaw control fins 9a to 9a attached to the arms 2a to 2d so as to be positioned directly below the rotors 2a to 2d. This is done by controlling the slope of 9d. The yaw control fins 9a to 9d function as thrust direction changing devices for the rotors 2a to 2d.
That is, when a disturbance around the yaw axis is applied, this is detected by the yaw axis rate gyro, at least one of the yaw control fins 9a to 9d is changed, and the rotor positioned above the yaw axis rate gyro is changed with respect to the gravity direction. By changing and adjusting the thrust direction, disturbance around the yaw axis can be offset. In this case, the control objects for the yaw axis control in FIG. 6 are the yaw control fins 9a to 9d.

さらに、機体5の内部に一基の内燃機関を搭載し、かさ歯車でロータ3a〜3dに動力を分配することも可能となる。すなわち、図9に示すように、機体5に搭載した内燃機関の出力を、フレキシブルワイヤ、トルク伝達ロッド及びユニバーサルジョイントなどを介して、ロッド7自体を駆動軸8とするか、中空のロッド7内部に駆動軸8を通して、ロータ3a〜3dの中央部に設けた、上下一対のかさ歯車10の入力軸に伝達する。   Furthermore, it is possible to mount a single internal combustion engine inside the fuselage 5 and distribute power to the rotors 3a to 3d with bevel gears. That is, as shown in FIG. 9, the output of the internal combustion engine mounted on the airframe 5 is used as a drive shaft 8 via a flexible wire, a torque transmission rod, a universal joint, or the like, or inside the hollow rod 7 Is transmitted to the input shaft of a pair of upper and lower bevel gears 10 provided at the center of the rotors 3a to 3d.

図10に示すように、内燃機関に直結されて回転駆動される、かさ歯車10の下側ギアには、アーム2a、2cに一体的に固着したかさ歯車を螺合させ、かさ歯車10の上側ギアには、一体となったアーム2b、2dに固着したかさ歯車を螺合させることで、アーム2a、2cとアーム2b、2dを逆回転させ、各アームの先端に設けた減速ギアにより、ロータ2a、2cとロータ2b、2dを互いに逆回転させる。これにより、ヨー軸回りの回転モーメントを相殺させ、前述のヨー制御フィン10a〜10dを用いて、ヨー軸回りの外乱を相殺する。   As shown in FIG. 10, the lower gear of the bevel gear 10 that is directly connected to the internal combustion engine and rotationally driven is screwed with a bevel gear that is integrally fixed to the arms 2 a and 2 c, and the upper side of the bevel gear 10. The gears are screwed together with bevel gears fixed to the integrated arms 2b and 2d, so that the arms 2a and 2c and the arms 2b and 2d are rotated in the reverse direction. 2a and 2c and the rotors 2b and 2d are rotated in the opposite directions. As a result, the rotational moment around the yaw axis is canceled, and the disturbance around the yaw axis is canceled using the yaw control fins 10a to 10d.

以上の実施例では、マルチロータクラフトの機体をウエイトとして利用しているが、これに限らず、各アーム部2a〜2dの起点となる中心部1に機体5を直結し、この機体5の下面中央部に、振り子を個別に設置してもよい。また、ロータ数も4個に限られるものではない。   In the above embodiment, the multi-rotor craft body is used as a weight. However, the present invention is not limited to this, and the body 5 is directly connected to the central portion 1 that is the starting point of each of the arms 2a to 2d. You may install a pendulum separately in a center part. Further, the number of rotors is not limited to four.

以上説明したように、本発明によれば、機体のアンバランスやロータの推力、原動機出力などの個体差やバラつきをシンプルなアルゴリズムで解消することができる。しかも、各機器に個体差の大きい安価なものを使用しても、高度な微調整を必要とせず、アフターメンテナンスをほとんど不要にすることができる。
このように、機体や各機器の劣化にかかわらず常に姿勢の安全性が確保されるので、今後、マルチロータクラフト用姿勢制御装置として広く採用されることが期待できる。さらに、姿勢制御にロータの回転数変化を使用しないことから、電動モータ以外の回転数変化の応答性の低い動力、例えば、レシプロエンジンやタービンエンジンを使用し、マルチロータクラフトの航続時間を飛躍的に高めるとともに、大型化にも寄与することができる。
As described above, according to the present invention, individual differences and variations such as the unbalance of the fuselage, the thrust of the rotor, and the motor output can be eliminated with a simple algorithm. Moreover, even if an inexpensive device having a large individual difference is used for each device, advanced fine adjustment is not required, and after-sales maintenance can be made almost unnecessary.
In this way, since the safety of the posture is always ensured regardless of the deterioration of the airframe and each device, it can be expected to be widely adopted as a posture control device for multi-rotor craft in the future. In addition, since the rotor speed change is not used for attitude control, power that has low responsiveness to speed changes other than electric motors, such as reciprocating engines and turbine engines, is used to dramatically increase the cruising time of multi-rotor craft. And can contribute to an increase in size.

1 中心部
2a〜2d アーム部
3a〜3d ロータ
4a〜4d 原動機
5 機体
6 脚部
7 ロッド
8 第1アクチュエータ
9 第2アクチュエータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Center part 2a-2d Arm part 3a-3d Rotor 4a-4d Motor | power_engine 5 Body 6 Leg part 7 Rod 8 1st actuator 9 2nd actuator

Claims (6)

複数のロータが周方向に配置されたマルチロータクラフトにおいて、
マルチロータ部の中心部下方に、前記マルチロータクラフトのロール軸回り及びピッチ軸回りに揺動可能なロッドを介してウエイトを連結し、
前記ロッドのロール軸回り及びピッチ軸回りの揺動角により、前記マルチロータクラフトのロール軸回り及びピッチ軸回りの姿勢を制御し、前記マルチロータクラフトのヨー軸回りの姿勢を、前記ロータの回転数、あるいは、前記ロータの下方に設けた推力方向変更装置により制御するようにしたことを特徴とするマルチロータクラフトの姿勢安定化制御装置。
In multi-rotor craft with multiple rotors arranged in the circumferential direction,
Under the center of the multi-rotor part, a weight is connected via a rod that can swing around the roll axis and the pitch axis of the multi-rotor craft,
The attitude of the multi-rotor craft around the roll axis and the pitch axis is controlled by the swing angle of the rod around the roll axis and the pitch axis, and the attitude of the multi-rotor craft around the yaw axis is rotated. The multi-rotor craft attitude stabilization control device is controlled by a number or a thrust direction changing device provided below the rotor.
前記ロータのそれぞれを個別の電動モータで駆動し、前記マルチロータクラフトのヨー軸回りの姿勢を、前記ロータの回転数により制御するようにしたことを特徴とする請求項1に記載されたマルチロータクラフトの姿勢安定化制御装置。   2. The multi-rotor according to claim 1, wherein each of the rotors is driven by an individual electric motor, and the attitude of the multi-rotor craft around the yaw axis is controlled by the number of rotations of the rotor. Craft stabilization control device. 前記ロータを内燃機関で駆動し、前記マルチロータクラフトのヨー軸回りの姿勢を、前記推力方向変更装置により制御するようにしたことを特徴とする請求項1に記載されたマルチロータクラフトの姿勢安定化制御装置。   The attitude stability of the multi-rotor craft according to claim 1, wherein the rotor is driven by an internal combustion engine, and the attitude around the yaw axis of the multi-rotor craft is controlled by the thrust direction changing device. Control device. 前記マルチロータクラフトのロール軸回りの角度・角速度・角加速度検出器及びピッチ軸回りの角度・角速度・角加速度検出器の検出値に基づいて、前記ロッドのロール軸回り及びピッチ軸回りの揺動角を制御する第1アクチュエータ及び第2アクチュエータを制御するとともに、ヨー軸回りの角度検出器の検出値に基づいて、前記ロータの回転数、あるいは前記ロータからの推力の方向を変更するヨー制御フィンを制御するコントローラを備えたことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載されたマルチロータクラフトの姿勢安定化制御装置。   Based on the detected values of the angle / angular velocity / angular acceleration detector around the roll axis of the multi-rotor craft and the angle / angular velocity / angular acceleration detector around the pitch axis, the rod swings around the roll axis and the pitch axis. A yaw control fin for controlling the first actuator and the second actuator for controlling the angle and changing the rotational speed of the rotor or the direction of thrust from the rotor based on the detection value of the angle detector around the yaw axis The multi-rotor craft attitude stabilization control device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a controller for controlling the position. 前記マルチロータクラフトの機体を前記ウエイトとしたことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載されたマルチロータクラフトの姿勢安定化制御装置。   5. The multi-rotor craft posture stabilization control device according to claim 1, wherein the weight of the multi-rotor craft body is the weight. 6. 前記マルチロータクラフトの機体をマルチロータ部の中心部に装着し、前記ロッドを前記機体の中心部に前記ロッドを前記マルチロータクラフトのロール軸回り及びピッチ軸回りに揺動可能に連結したことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載されたマルチロータクラフトの姿勢安定化制御装置。

The multirotor craft body is mounted at the center of the multirotor section, and the rod is connected to the center of the body so that the rod can swing around the roll axis and the pitch axis of the multirotor craft. The attitude stabilization control device for a multi-rotor craft according to any one of claims 1 to 5, characterized in that:

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