JP2016135660A - Aircraft - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an aircraft capable of realizing a motion that requires high maneuverability including work in a narrow space and contact with an outside.SOLUTION: An aircraft comprises: a first pair of rotors 11 and 12 each having a rotation center disposed on a first axis to be opposite to each other in pitching, and having rotation surfaces orthogonal to the first axis, respectively; a second pair of rotors 13 and 14 each having a rotation center disposed on a second axis to be opposite to each other in pitching, and having rotation surfaces orthogonal to the second axis, respectively; a third pair of rotors 15 and 16 each having a rotation center disposed on a third axis to be opposite to each other in pitching, and having rotation surfaces orthogonal to the third axis, respectively; and a control unit capable of independently controlling rotation speeds of the first paired rotors 11, 12, the second paired rotors 13, 14, and the third paired rotors 15, 16, the first axis, the second axis, and the third axis being not present on the same plane and non-parallel to one another.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、複数の回転翼を有する飛行体に関する。   The present invention relates to an aircraft having a plurality of rotor blades.

メインロータとテールロータを備える従来の回転翼機(ヘリコプタ)では、ロータの回転数や仰角などの複数の制御入力がそれぞれ連成しているため、制御モデルが複雑であり、制御が困難であった。これに対して、二重反転ロータ機構は、テールロータを必要としない。二重反転ロータ機構では、ヨー方向の反力を伴うことなく、推力を発生させることができる。   In a conventional rotary wing aircraft (helicopter) equipped with a main rotor and a tail rotor, the control model is complex and difficult to control because multiple control inputs such as the rotational speed and elevation angle of the rotor are coupled to each other. It was. In contrast, the counter rotating rotor mechanism does not require a tail rotor. The counter rotating rotor mechanism can generate a thrust without a reaction force in the yaw direction.

たとえば、特許文献1に記載された飛翔ロボットでは、二重反転ロータ機構を採用することにより、2つの回転翼で生じる反動トルクを打ち消している。また、この飛翔ロボットは、X方向まわり及びY方向まわりにおいて、機体の上部を機体の下部に対して傾斜させる傾斜調整機構を備えており、機体の重心を移動可能にしている。   For example, in the flying robot described in Patent Document 1, the counter torque generated by the two rotary blades is canceled by adopting the counter rotating rotor mechanism. In addition, the flying robot is provided with a tilt adjustment mechanism that tilts the upper part of the airframe with respect to the lower part of the airframe around the X direction and the Y direction so that the center of gravity of the airframe can be moved.

一方、6枚のロータを備える飛行体が検討されている。たとえば、非特許文献1に記載された飛行体では、機体の中心を通る同一平面上に6枚のロータの中心が位置するよう、ロータが配置されている。非特許文献1に記載された別の形態では、機体の中心の上と下を通る平行な2つの平面のそれぞれに3枚のロータの中心が位置するよう、ロータが配置されている。非特許文献1に記載された各種の飛行体では、互いに直交する3つの平面のそれぞれに、一対のロータ(すなわち2枚のロータ)の回転面が位置している。   On the other hand, an aircraft including six rotors has been studied. For example, in the flying object described in Non-Patent Document 1, the rotors are arranged so that the centers of the six rotors are located on the same plane passing through the center of the aircraft. In another form described in Non-Patent Document 1, the rotors are arranged so that the centers of the three rotors are positioned on two parallel planes passing above and below the center of the airframe. In the various flying objects described in Non-Patent Document 1, the rotation surfaces of a pair of rotors (that is, two rotors) are positioned on each of three planes orthogonal to each other.

特許第5392891号公報Japanese Patent No. 5392891

Bill Crowther, Alexander Lanzon,Martin Maya-Gonzalez, and David Langkamp, University of Manchester, KinematicAnalysis and Control Design for a Nonplanar Multirotor Vehicle, Journal ofGuidance, Control, and Dynamics, Vol. 34, No. 4, 1157-1171, July-August 2011Bill Crowther, Alexander Lanzon, Martin Maya-Gonzalez, and David Langkamp, University of Manchester, KinematicAnalysis and Control Design for a Nonplanar Multirotor Vehicle, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 34, No. 4, 1157-1171, July -August 2011

上記のように、従来の飛行体において、機構の簡易化や制御性の向上が試みられてきた。しかし、特許文献1に記載された飛行体では、姿勢と並進方向の移動とを独立に制御することは難しく、並進移動を行うためには姿勢を変動させなければならない。また、姿勢を変動させることが目的であっても、姿勢を変動させると並進方向の移動が生じてしまっていた。そのため、飛行体が狭所で移動する際に、移動に伴って意図しない姿勢変動が生じ、飛行体が障害物と衝突するおそれがあった。また、飛行体に搭載されたロボットが外界の構造物等との接触を伴う作業を行う際に、その構造物から受ける反力によって、飛行体が安定した飛行を維持できなくなるおそれがあった。非特許文献1に記載された飛行体では、制御が複雑になってしまう。   As described above, attempts have been made to simplify the mechanism and improve the controllability of the conventional aircraft. However, in the flying object described in Patent Document 1, it is difficult to control the posture and the movement in the translation direction independently, and the posture must be changed in order to perform the translational movement. Moreover, even if the purpose is to change the posture, if the posture is changed, movement in the translational direction has occurred. For this reason, when the flying object moves in a narrow space, an unintended posture change occurs with the movement, and the flying object may collide with an obstacle. Further, when the robot mounted on the flying object performs an operation involving contact with an external structure or the like, there is a possibility that the flying object cannot maintain a stable flight due to a reaction force received from the structure. In the flying object described in Non-Patent Document 1, the control is complicated.

本発明は、狭所作業や外界との接触等といった、高い機動性を必要とする運動を容易に実現できる飛行体を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the flying body which can implement | achieve the exercise | movement which requires high maneuverability, such as a narrow work and contact with the external environment, easily.

本発明の一形態に係る飛行体は、複数のロータの回転軸線である第1軸線、第2軸線および第3軸線が、本体に対して定まった位置に配置された飛行体であって、第1軸線上に回転中心が配置されて逆のピッチを有し、第1軸線に直交する回転面をそれぞれ有する第1の一対のロータと、第2軸線上に回転中心が配置されて逆のピッチを有し、第2軸線に直交する回転面をそれぞれ有する第2の一対のロータと、第3軸線上に回転中心が配置されて逆のピッチを有し、第3軸線に直交する回転面をそれぞれ有する第3の一対のロータと、第1の一対のロータ、第2の一対のロータおよび第3の一対のロータの回転数をそれぞれ独立して制御可能な制御部と、を備え、第1軸線、第2軸線および第3軸線は、同一平面上に存在せず、互いに非平行である。   A flying object according to an aspect of the present invention is a flying object in which a first axis, a second axis, and a third axis, which are rotation axes of a plurality of rotors, are arranged at fixed positions with respect to a main body. A rotation center is disposed on one axis and has a reverse pitch, a first pair of rotors each having a rotation surface orthogonal to the first axis, and a rotation center is disposed on the second axis and a reverse pitch. And a second pair of rotors each having a rotation surface orthogonal to the second axis, and a rotation surface having a reverse pitch with a rotation center disposed on the third axis and having a rotation pitch orthogonal to the third axis. A first pair of rotors, and a control unit capable of independently controlling the rotation speeds of the first pair of rotors, the second pair of rotors, and the third pair of rotors, respectively, The axis, the second axis, and the third axis do not exist on the same plane and are non-flat. It is.

この飛行体によれば、3対すなわち6枚のロータは、同一平面上に存在しない3本の回転軸線上で放射状に配置される。第1の一対のロータは逆のピッチを有しており、制御部によって制御されて、それぞれ任意の回転数で第1軸線を中心に回転する。一方のロータの回転数をω、他方のロータの回転数をωとすると、第1軸線方向の推力Fは、回転数の二乗の和である(ω +ω )に比例する。第1軸線を中心とする回転方向のモーメントMは、回転数の二乗の差である(ω −ω )に比例する。すなわち、下記の式(1)が成立する。

Figure 2016135660
According to this flying object, three pairs, that is, six rotors are arranged radially on three rotation axes that do not exist on the same plane. The first pair of rotors have opposite pitches, and are controlled by the control unit to rotate around the first axis at an arbitrary rotational speed. When the rotational speed of one rotor is ω 1 and the rotational speed of the other rotor is ω 2 , the thrust F in the first axis direction is proportional to the sum of the squares of the rotational speed (ω 1 2 + ω 2 2 ). . The moment M in the rotational direction around the first axis is proportional to (ω 1 2 −ω 2 2 ), which is the difference between the squares of the rotational speed. That is, the following formula (1) is established.
Figure 2016135660

式(1)より、この行列Tには逆行列が存在することがわかる。よって、第1軸線に関して、推力FとモーメントMは独立に制御可能である。これと同様に、第2軸線と第3軸線に関しても、推力とモーメントは独立に制御可能である。このように、同一平面上に存在せず非平行な第1軸線、第2軸線および第3軸線のそれぞれに関して、並進および回転の運動が独立に制御可能である。よって、飛行体は、6自由度で飛行可能であり、狭所作業や外界との接触等といった、高い機動性を必要とする運動を容易に実現できる。   From equation (1), it can be seen that an inverse matrix exists in this matrix T. Therefore, the thrust F and moment M can be controlled independently with respect to the first axis. Similarly, the thrust and moment can be controlled independently with respect to the second axis and the third axis. As described above, the translational and rotational motions can be independently controlled with respect to each of the first axis, the second axis, and the third axis that are not on the same plane and are non-parallel. Therefore, the flying object can fly with six degrees of freedom, and can easily realize a movement requiring high maneuverability such as working in a narrow place or contact with the outside world.

いくつかの形態において、第1軸線、第2軸線および第3軸線は、互いに垂直な方向に延びている。この場合、第1軸線、第2軸線および第3軸線は、直交座標系を構成する。いずれの回転軸線周りにおいても高速かつ高精度な制御が可能になる。   In some forms, the first axis, the second axis, and the third axis extend in directions perpendicular to each other. In this case, the first axis, the second axis, and the third axis constitute an orthogonal coordinate system. High-speed and high-precision control can be performed around any rotation axis.

いくつかの形態において、第1軸線、第2軸線および第3軸線のそれぞれは斜交座標系をなしている。この場合、全ロータが基準線周りの運動(特に、基準線方向の推力)に大きく寄与するため、基準線方向の運動に関して効率が高められる。   In some embodiments, each of the first axis, the second axis, and the third axis forms an oblique coordinate system. In this case, since all the rotors greatly contribute to the movement around the reference line (in particular, the thrust in the reference line direction), the efficiency with respect to the movement in the reference line direction is increased.

いくつかの形態において、第1軸線、第2軸線および第3軸線は、一点で交差している。この場合、推力およびモーメント(すなわちトルク)を得やすくなる。   In some forms, the first axis, the second axis, and the third axis intersect at one point. In this case, it becomes easy to obtain thrust and moment (that is, torque).

いくつかの形態において、第1軸線、第2軸線および第3軸線は本体を通っており、本体は、第1の一対のロータの間に位置し、かつ第2の一対のロータの間に位置し、かつ第3の一対のロータの間に位置している。この場合、飛行体の重心を6枚のロータの中央に位置させることができるので、簡易な制御が可能になる。しかも、効率が高められる。   In some forms, the first axis, the second axis, and the third axis pass through the body, the body is located between the first pair of rotors and between the second pair of rotors. And located between the third pair of rotors. In this case, since the center of gravity of the flying object can be positioned at the center of the six rotors, simple control becomes possible. Moreover, efficiency is increased.

本発明によれば、狭所作業や外界との接触等といった、高い機動性を必要とする運動を実現できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the exercise | movement which requires high mobility, such as a narrow work and contact with the external world, is realizable.

本発明の第1実施形態に係る飛行体の概略構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a schematic configuration of a flying object according to a first embodiment of the present invention. (a)は第1実施形態のロータの配置を模式的に示す図、(b)は(a)中の一対のロータを示す図、(c)は第2実施形態のロータの配置を模式的に示す図である。(A) is a figure which shows typically arrangement | positioning of the rotor of 1st Embodiment, (b) is a figure which shows a pair of rotor in (a), (c) is typical figure of arrangement | positioning of the rotor of 2nd Embodiment. FIG. 本体であるペイロード部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the payload part which is a main body. 制御部における制御則の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the control law in a control part. (a)〜(c)は、従来の飛行体による狭隘部での飛行状態の一例を示す図である。(A)-(c) is a figure which shows an example of the flight state in the narrow part by the conventional flight body. (a)および(b)は、従来の飛行体による接触作業時の飛行状態の一例を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows an example of the flight state at the time of the contact operation | work by the conventional flying body.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。以下の説明では、本発明が、無人航空機(Unmanned Aerial Vehicle、以下、UAVという)に適用される場合について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted. In the following description, the case where the present invention is applied to an unmanned aerial vehicle (hereinafter referred to as UAV) will be described.

図1に示されるように、本実施形態の飛行体1は、中央に配置されたペイロード部(本体)2と、ペイロード部2に対して固定されて外方に延びる6本のフレーム3と、フレーム3の先端部に取り付けられた6枚のロータ10とを備える。すなわち飛行体1は、6枚のロータ10を備えるマルチロータ機(回転翼機)である。UAVである飛行体1は、回転および並進方向の運動を合わせた6自由度での運動成分を独立に発生可能になっている。したがって、飛行体1では、狭隘部での飛行や接触作業を伴う飛行が可能になっている。   As shown in FIG. 1, the flying object 1 of the present embodiment includes a payload portion (main body) 2 disposed in the center, six frames 3 that are fixed to the payload portion 2 and extend outward, And six rotors 10 attached to the tip of the frame 3. That is, the flying object 1 is a multi-rotor aircraft (rotary wing aircraft) including six rotors 10. The aircraft 1 which is a UAV can independently generate a motion component with six degrees of freedom that combines the motion in the rotation and translation directions. Therefore, the flying object 1 can fly in a narrow part or fly with a contact operation.

図1および図2(a)に示されるように、飛行体1のロータ10は、立方体の各面の中心に配置された第1ロータ11と、第2ロータ12と、第3ロータ13と、第4ロータ14と、第5ロータ15と、第6ロータ16とからなる。これらの第1ロータ11〜第6ロータ16の間に、ペイロード部2が配置されている。ロータ10の配置の詳細については、後述する。   As shown in FIG. 1 and FIG. 2 (a), the rotor 10 of the flying object 1 includes a first rotor 11, a second rotor 12, a third rotor 13, which are arranged at the center of each surface of the cube. The fourth rotor 14, the fifth rotor 15, and the sixth rotor 16 are included. The payload portion 2 is disposed between the first rotor 11 to the sixth rotor 16. Details of the arrangement of the rotor 10 will be described later.

図3に示されるように、ペイロード部2には、飛行体1の各部を制御するための制御部20と、飛行体1の各部を駆動するための電源であるバッテリ21と、各部に電源を供給するための電源基板22とが搭載されている。各フレーム3の先端部には、第1ロータ11〜第6ロータ16のそれぞれを回転させるモータ31〜36が取り付けられている。ペイロード部2には、これらのモータ31〜36の回転数を制御するための、6個のモータアンプ30が搭載されている。各モータアンプ30には、電源基板22を介してバッテリ21から電源が供給される。各モータアンプ30は、制御部20によって制御されて、モータ31〜36が所定の回転数および回転方向で回転するように、モータ31〜36に電流を供給する。   As shown in FIG. 3, the payload unit 2 includes a control unit 20 for controlling each unit of the aircraft 1, a battery 21 that is a power source for driving each unit of the aircraft 1, and a power source for each unit. A power supply board 22 for supply is mounted. Motors 31 to 36 for rotating the first rotor 11 to the sixth rotor 16 are attached to the distal end portion of each frame 3. The payload unit 2 is equipped with six motor amplifiers 30 for controlling the rotational speeds of these motors 31 to 36. Each motor amplifier 30 is supplied with power from the battery 21 via the power supply board 22. Each motor amplifier 30 is controlled by the control unit 20 to supply current to the motors 31 to 36 so that the motors 31 to 36 rotate at a predetermined rotation speed and rotation direction.

制御部20は、たとえばCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、およびRAM(Random Access Memory)等のハードウェアと、ROMに記憶されたプログラム等のソフトウェアとから構成されたコンピュータである。制御部20は、たとえば地上で操作される送信機(図示せず)と無線で通信可能になっている。制御部20は、送信機からの指令を受け、飛行体1の現在の位置および姿勢に基づいて、所定(目標)の位置、姿勢または動作にて飛行体1を飛行させるよう、モータアンプ30を介してモータ31〜36のそれぞれを制御する。制御部20は、第1ロータ11、第2ロータ12、第3ロータ13、第4ロータ14、第5ロータ15および第6ロータ16の回転数をそれぞれ独立して制御可能である。なお、図3において、実線は電源系統を示し、破線は通信系統(制御系統)を示している。   The control unit 20 is a computer composed of hardware such as a CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory), and RAM (Random Access Memory), and software such as a program stored in the ROM. . The control unit 20 can communicate wirelessly with a transmitter (not shown) operated on the ground, for example. The control unit 20 receives a command from the transmitter, and controls the motor amplifier 30 to cause the flying object 1 to fly at a predetermined (target) position, posture or operation based on the current position and posture of the flying object 1. Each of the motors 31 to 36 is controlled. The controller 20 can independently control the rotation speeds of the first rotor 11, the second rotor 12, the third rotor 13, the fourth rotor 14, the fifth rotor 15, and the sixth rotor 16. In FIG. 3, a solid line indicates a power supply system, and a broken line indicates a communication system (control system).

ペイロード部2には、各種のセンサ類23が搭載されている。これらのセンサ類23は、飛行体1の位置および姿勢などを推定するための機器である。図3に示される例では、たとえば、ジャイロセンサ24、GPS(Global Positioning System)25および気圧センサ26が設けられている。これらのセンサ類23は、測定結果を示すデータを制御部20に出力する。制御部20は、センサ類23から出力されたセンサデータに基づき、たとえば適当な推定アルゴリズム等を用いて、飛行体1の現在の位置および姿勢を推定する。   Various sensors 23 are mounted on the payload unit 2. These sensors 23 are devices for estimating the position and posture of the flying object 1. In the example shown in FIG. 3, for example, a gyro sensor 24, a GPS (Global Positioning System) 25, and an atmospheric pressure sensor 26 are provided. These sensors 23 output data indicating the measurement result to the control unit 20. Based on the sensor data output from the sensors 23, the control unit 20 estimates the current position and orientation of the flying object 1 using, for example, an appropriate estimation algorithm.

上記した機器の他にも、ペイロード部2には、たとえばカメラやロボットアーム等の追加機器が搭載され得る。ペイロード部2に搭載される機器は、飛行体1に求められる飛行や作業に応じて、適宜変更され得る。ペイロード部2に搭載される機器の位置および重量によって、ペイロード部2の重量および重心の位置は変化し得る。飛行体1では、ペイロード部2の重量および重心の位置を考慮して、第1ロータ11〜第6ロータ16が回転制御される。   In addition to the above-described devices, the payload unit 2 can be equipped with additional devices such as a camera and a robot arm. The device mounted on the payload unit 2 can be appropriately changed according to the flight and work required for the flying object 1. Depending on the position and weight of the device mounted on the payload section 2, the weight of the payload section 2 and the position of the center of gravity can change. In the flying object 1, the first rotor 11 to the sixth rotor 16 are rotationally controlled in consideration of the weight of the payload portion 2 and the position of the center of gravity.

次に、図4を参照して、制御部20における制御則の一例について説明する。制御部20は、飛行体1の目標位置および/または目標姿勢を取得する。また、制御部20は、ペイロード部2のセンサ類23から出力されるセンサデータに基づいて飛行体1の現在の位置および姿勢を取得する。制御部20は、力学計算を行うことにより、目標位置および/または目標姿勢を実現するための目標推力および目標トルクを算出する。図4において、FはX軸方向の推力、FはY軸方向の推力、FはZ軸方向の推力を表す。MはX軸周りのモーメント、MはY軸周りのモーメント、MはZ軸周りのモーメントを表す。 Next, an example of a control law in the control unit 20 will be described with reference to FIG. The control unit 20 acquires the target position and / or target posture of the flying object 1. Further, the control unit 20 acquires the current position and posture of the flying object 1 based on sensor data output from the sensors 23 of the payload unit 2. The control unit 20 calculates a target thrust and a target torque for realizing the target position and / or target posture by performing dynamic calculation. In FIG. 4, F x is thrust in the X-axis direction, F y is the Y-axis direction of the thrust, the F z represents the thrust in the Z-axis direction. M x is the moment about the X axis, M y is moment around the Y axis, the M z represents the moment about the Z axis.

第1ロータ11〜第6ロータ16の回転数をそれぞれω〜ωとすると、どのようにロータを回転させたときに、どのような推力およびモーメントが得られるかは、伝達関数Tを用いて、下記の式(2)で表される。

Figure 2016135660
Assuming that the rotation speeds of the first rotor 11 to the sixth rotor 16 are ω 1 to ω 6 , the transfer function T is used to determine what thrust and moment are obtained when the rotor is rotated. Is represented by the following formula (2).
Figure 2016135660

第1ロータ11〜第6ロータ16の配置・構成に独自の工夫がなされた飛行体1では、伝達関数Tに逆行列が存在する。よって、目標の推力およびトルクに応じて、下記の式(3)を用いて、ロータの回転速度を算出することができる。

Figure 2016135660
In the flying object 1 in which the arrangement of the first rotor 11 to the sixth rotor 16 is uniquely devised, the transfer function T has an inverse matrix. Therefore, the rotational speed of the rotor can be calculated using the following equation (3) according to the target thrust and torque.
Figure 2016135660

図1および図2に戻り、第1ロータ11〜第6ロータ16の配置および構成について詳細に説明する。飛行体1は、3本の回転軸線A1〜A3を有している。飛行体1では、3本の回転軸線A1〜A3は、互いに垂直な方向に延びている。   Returning to FIG. 1 and FIG. 2, the arrangement and configuration of the first rotor 11 to the sixth rotor 16 will be described in detail. The aircraft 1 has three rotation axes A1 to A3. In the flying object 1, the three rotation axes A1 to A3 extend in directions perpendicular to each other.

より詳細には、第1ロータ11および第2ロータ12(第1の一対のロータ)は、立方体のZ軸方向に対向する2面に沿って配置されている。すなわち、第1ロータ11および第2ロータ12の回転面は、当該2面に平行である。第1ロータ11の回転中心11aと第2ロータ12の回転中心12aとは、第1軸線A1上に配置されている。第1軸線A1は、Z軸方向に平行である。第1軸線A1を構成する2本のフレーム3,3は、ペイロード部2に対して位置が定まるように固定されている。第1ロータ11および第2ロータ12の回転面は、第1軸線A1に直交している。   More specifically, the first rotor 11 and the second rotor 12 (first pair of rotors) are arranged along two surfaces facing the Z-axis direction of the cube. That is, the rotation surfaces of the first rotor 11 and the second rotor 12 are parallel to the two surfaces. The rotation center 11a of the first rotor 11 and the rotation center 12a of the second rotor 12 are disposed on the first axis A1. The first axis A1 is parallel to the Z-axis direction. The two frames 3 and 3 constituting the first axis A1 are fixed so that their positions are determined with respect to the payload portion 2. The rotation surfaces of the first rotor 11 and the second rotor 12 are orthogonal to the first axis A1.

第3ロータ13および第4ロータ14(第2の一対のロータ)は、立方体のY軸方向に対向する2面に沿って配置されている。すなわち、第3ロータ13および第4ロータ14の回転面は、当該2面に平行である。第3ロータ13の回転中心13aと第4ロータ14の回転中心14aとは、第2軸線A2上に配置されている。第2軸線A2は、Y軸方向に平行である。第2軸線A2を構成する2本のフレーム3,3は、ペイロード部2に対して位置が定まるように固定されている。第3ロータ13および第4ロータ14の回転面は、第2軸線A2に直交している。   The third rotor 13 and the fourth rotor 14 (second pair of rotors) are arranged along two surfaces facing the cube in the Y-axis direction. That is, the rotation surfaces of the third rotor 13 and the fourth rotor 14 are parallel to the two surfaces. The rotation center 13a of the third rotor 13 and the rotation center 14a of the fourth rotor 14 are disposed on the second axis A2. The second axis A2 is parallel to the Y axis direction. The two frames 3 and 3 constituting the second axis A2 are fixed so that their positions are determined with respect to the payload portion 2. The rotation surfaces of the third rotor 13 and the fourth rotor 14 are orthogonal to the second axis A2.

第5ロータ15および第6ロータ16(第3の一対のロータ)は、立方体のX軸方向に対向する2面に沿って配置されている。すなわち、第5ロータ15および第6ロータ16の回転面は、当該2面に平行である。第5ロータ15の回転中心15aと第6ロータ16の回転中心16aとは、第3軸線A3上に配置されている。第3軸線A3は、X軸方向に平行である。第3軸線A3を構成する2本のフレーム3,3は、ペイロード部2に対して位置が定まるように固定されている。第5ロータ15および第6ロータ16の回転面は、第3軸線A3に直交している。   The fifth rotor 15 and the sixth rotor 16 (third pair of rotors) are arranged along two surfaces facing the cube in the X-axis direction. That is, the rotation surfaces of the fifth rotor 15 and the sixth rotor 16 are parallel to the two surfaces. The rotation center 15a of the fifth rotor 15 and the rotation center 16a of the sixth rotor 16 are disposed on the third axis A3. The third axis A3 is parallel to the X axis direction. The two frames 3 and 3 constituting the third axis A3 are fixed so that their positions are determined with respect to the payload portion 2. The rotation surfaces of the fifth rotor 15 and the sixth rotor 16 are orthogonal to the third axis A3.

このように、第1軸線A1、第2軸線A2および第3軸線A3は、同一平面上には存在しておらず、互いに非平行である。さらには、第1軸線A1、第2軸線A2および第3軸線A3は、立方体の中心点で交差している。言い換えれば、第1軸線A1、第2軸線A2および第3軸線A3の交点から、各ロータ11〜16の回転中心11a〜16aまでの距離は、等しくなっている。第1軸線A1、第2軸線A2および第3軸線A3は、ペイロード部2の領域を通っている。ペイロード部2は、第1ロータ11および第2ロータ12の間に位置し、かつ、第3ロータ13および第4ロータ14の間に位置し、かつ、第5ロータ15および第6ロータ16の間に位置している。   Thus, the first axis A1, the second axis A2, and the third axis A3 do not exist on the same plane and are not parallel to each other. Furthermore, the first axis A1, the second axis A2, and the third axis A3 intersect at the center point of the cube. In other words, the distances from the intersections of the first axis A1, the second axis A2, and the third axis A3 to the rotation centers 11a to 16a of the rotors 11 to 16 are equal. The first axis A1, the second axis A2, and the third axis A3 pass through the area of the payload portion 2. The payload portion 2 is located between the first rotor 11 and the second rotor 12, located between the third rotor 13 and the fourth rotor 14, and between the fifth rotor 15 and the sixth rotor 16. Is located.

第1ロータ11および第2ロータ12は、逆のピッチを有している。第3ロータ13および第4ロータ14は、逆のピッチを有している。第5ロータ15および第6ロータ16は、逆のピッチを有している。これらのピッチの大きさは等しい。なお、これらのピッチの大きさは異なっていてもよいが、等しいピッチである方が、制御部20における計算が容易である。   The first rotor 11 and the second rotor 12 have opposite pitches. The third rotor 13 and the fourth rotor 14 have opposite pitches. The fifth rotor 15 and the sixth rotor 16 have opposite pitches. These pitches are equal in size. The pitches may be different in size, but the calculation in the control unit 20 is easier when the pitches are equal.

そして、第1ロータ11および第2ロータ12は、制御部20によってモータ31およびモータ32が回転制御されることにより、第1軸線A1に関して反対方向に回転可能である。第3ロータ13および第4ロータ14は、制御部20によってモータ33およびモータ34が回転制御されることにより、第2軸線A2に関して反対方向に回転可能である。第5ロータ15および第6ロータ16は、制御部20によってモータ35およびモータ36が回転制御されることにより、第3軸線A3に関して反対方向に回転可能である。なお、第1ロータ11および第2ロータ12、第3ロータ13および第4ロータ14、第5ロータ15および第6ロータ16は、それぞれの軸線A1,A2,A3に関して同方向にも回転可能になっている。   The first rotor 11 and the second rotor 12 can be rotated in opposite directions with respect to the first axis A <b> 1 when the control unit 20 controls the rotation of the motor 31 and the motor 32. The third rotor 13 and the fourth rotor 14 are rotatable in the opposite direction with respect to the second axis A <b> 2 when the motor 33 and the motor 34 are rotationally controlled by the control unit 20. The fifth rotor 15 and the sixth rotor 16 can be rotated in opposite directions with respect to the third axis A <b> 3 by controlling the rotation of the motor 35 and the motor 36 by the control unit 20. The first rotor 11 and the second rotor 12, the third rotor 13 and the fourth rotor 14, the fifth rotor 15 and the sixth rotor 16 can be rotated in the same direction with respect to the respective axes A1, A2 and A3. ing.

本実施形態の飛行体1によれば、3対すなわち6枚のロータ11〜16は、同一平面上に存在しない3本の回転軸線A1,A2,A3上で放射状に配置される。第1ロータ11と第2ロータ12は逆のピッチを有しており、制御部20によって制御されて、それぞれ任意の回転数で第1軸線A1を中心に回転する。第1ロータ11の回転数をω、第2ロータ12の回転数をωとすると、第1軸線A1方向の推力Fは、回転数の二乗の和である(ω +ω )に比例する。第1軸線A1を中心とする回転方向のモーメントMは、回転数の二乗の差である(ω −ω )に比例する。すなわち、下記の式(1)が成立する。

Figure 2016135660
According to the flying object 1 of the present embodiment, the three pairs, that is, the six rotors 11 to 16 are arranged radially on the three rotation axes A1, A2, and A3 that do not exist on the same plane. The first rotor 11 and the second rotor 12 have opposite pitches, and are controlled by the control unit 20 to rotate around the first axis A1 at an arbitrary rotational speed. When the rotational speed of the first rotor 11 is ω 1 and the rotational speed of the second rotor 12 is ω 2 , the thrust F in the first axis A1 direction is the sum of the squares of the rotational speed (ω 1 2 + ω 2 2 ). Is proportional to The moment M in the rotational direction about the first axis A1 is proportional to (ω 1 2 −ω 2 2 ), which is the difference between the squares of the rotational speed. That is, the following formula (1) is established.
Figure 2016135660

式(1)より、この行列Tには逆行列が存在することがわかる。よって、第1軸線A1に関して、推力FとモーメントMは独立に制御可能である。これと同様に、第2軸線A2と第3軸線A3に関しても、推力とモーメントは独立に制御可能である。このように、同一平面上に存在せず非平行な第1軸線A1、第2軸線A2および第3軸線A3のそれぞれに関して、並進および回転の運動が独立に制御可能である。飛行体1では、従来の二重反転ロータを利用しているので、容易な制御が可能である。このように、飛行体1は、6自由度で飛行可能であり、狭所作業や外界との接触等といった、高い機動性を必要とする運動を容易に実現できる。また、飛行体1によれば、モデル化も容易であるため、制御系の構築が容易であり、高速かつ高精度な制御が可能になる。   From equation (1), it can be seen that an inverse matrix exists in this matrix T. Therefore, the thrust F and the moment M can be controlled independently with respect to the first axis A1. Similarly, the thrust and moment can be independently controlled with respect to the second axis A2 and the third axis A3. As described above, the translational and rotational motions of the first axis A1, the second axis A2, and the third axis A3 that are not on the same plane and are not parallel can be independently controlled. In the air vehicle 1, since the conventional counter rotating rotor is utilized, easy control is possible. As described above, the flying object 1 can fly with six degrees of freedom, and can easily realize a movement requiring high maneuverability such as a narrow work or contact with the outside world. Moreover, according to the flying object 1, since modeling is easy, construction of a control system is easy and high-speed and highly accurate control is attained.

飛行体1における具体的な駆動例について説明する。まず、単純なホバリングを行うには、Z軸方向の推力であるFのみが、重力に打ち勝つために発生すればよい。よって、第1ロータ11と第2ロータ12を逆方向に同じ回転数で回転させることにより、ホバリングが可能になる。 A specific driving example in the flying object 1 will be described. First, to perform simple hovering, only F z is a thrust in the Z-axis direction, it may be generated to overcome the force of gravity. Therefore, by rotating the first rotor 11 and the second rotor 12 in the opposite directions at the same rotational speed, hovering becomes possible.

たとえばY軸方向に移動する場合には、上記のホバリング状態から、更に第3ロータ13と第4ロータ14を逆方向に同じ回転数で回転させれば、Y軸方向の推力Fが発生して、並進移動が可能になる。 For example, when moving in the Y-axis direction, if the third rotor 13 and the fourth rotor 14 are further rotated in the opposite directions at the same rotational speed from the above-described hovering state, the thrust F y in the Y-axis direction is generated. Translational movement becomes possible.

たとえばX軸周りに回転する場合には、上記のホバリング状態で、第3ロータ13と第4ロータ14を同方向に同じ回転数で回転させれば、ロータの反力トルクによって、X軸周りの回転を行うことが可能になる。同時に、第5ロータ15と第6ロータ16のロータ対が鉛直方向(Z軸方向)を向くにつれ、第1ロータ11と第2ロータ12の回転数を低減させ、第5ロータ15と第6ロータ16の回転数を増大させる。このような制御によって、ホバリング状態を維持したまま、機体姿勢の変更が可能になる。   For example, when rotating around the X axis, if the third rotor 13 and the fourth rotor 14 are rotated in the same direction at the same rotation speed in the above-described hovering state, the reaction force torque of the rotor causes the rotation around the X axis. It becomes possible to perform rotation. At the same time, as the rotor pair of the fifth rotor 15 and the sixth rotor 16 faces the vertical direction (Z-axis direction), the rotational speeds of the first rotor 11 and the second rotor 12 are reduced, and the fifth rotor 15 and the sixth rotor are reduced. Increase the number of revolutions of 16. By such control, it is possible to change the body posture while maintaining the hovering state.

従来の飛行体では、4自由度(すなわち、鉛直方向の加速度と、ロール、ピッチおよびヨー方向の角加速度)の運動を操作して6自由度の状態を実現しようとしていたため、運動の自由度が少なく、所望の位置および姿勢を実現するのが難しかった。たとえば、狭隘部において水平状態で飛行している際、突風によって飛行体が流されそうになった場合、姿勢を維持するために姿勢を変化させる必要があった。姿勢変化の結果、飛行体が構造物に衝突するおそれがあった。また、飛行体を飛行させて接触作業を行う際、ツールを対象に接触させるために飛行体を対象に近づけると、接触に伴って生じる反力により飛行体の姿勢運動が拘束されるおそれがあった。その結果、飛行体の制御が困難になるおそれがあった。   In the conventional flying object, the motion of 4 degrees of freedom (that is, the acceleration in the vertical direction and the angular acceleration in the roll, pitch, and yaw directions) is operated to realize the state of 6 degrees of freedom. It was difficult to achieve a desired position and posture. For example, when flying in a narrow state in a horizontal state, if the flying object is likely to be swept away by a gust of wind, it is necessary to change the posture in order to maintain the posture. As a result of the attitude change, the flying object may collide with the structure. In addition, when performing contact work by flying the flying object, if the flying object is brought close to the object in order to bring the tool into contact with the object, the attitude movement of the flying object may be restrained by the reaction force generated by the contact. It was. As a result, the control of the flying object may be difficult.

この点、本実施形態の飛行体1では、狭隘部において水平状態で飛行している際(図6(a)参照)、突風によって飛行体1が流されそうになった場合でも(図6(b)参照)、姿勢を維持するために姿勢を変化させる必要はない。姿勢を維持できるため、飛行体1が構造物に衝突することが防止される(図6(c)参照)。さらには、飛行体1を飛行させて接触作業を行う際、ツール40を対象に接触させるために飛行体1を対象に近づけた場合でも(図7(a)参照)、接触に伴って生じる反力に応じて、飛行体1の姿勢が維持されるように調整することができる(図7(b)参照)。   In this regard, in the flying object 1 of the present embodiment, when flying in a horizontal state in a narrow part (see FIG. 6A), even when the flying object 1 is likely to be washed away by a gust of wind (see FIG. 6 ( b)), it is not necessary to change the posture in order to maintain the posture. Since the attitude can be maintained, the flying object 1 is prevented from colliding with the structure (see FIG. 6C). Further, when the flying object 1 is made to fly and contact work is performed, even when the flying object 1 is brought close to the object in order to bring the tool 40 into contact with the object (see FIG. 7A), the reaction caused by the contact is caused. It can be adjusted according to the force so that the attitude of the flying object 1 is maintained (see FIG. 7B).

本実施形態の飛行体1によれば、6自由度の入力で6自由度の運動を独立に制御可能であるため、6自由度の状態を実現しやすくなっている。   According to the flying object 1 of the present embodiment, since the motion of 6 degrees of freedom can be independently controlled by inputting 6 degrees of freedom, it is easy to realize the state of 6 degrees of freedom.

さらに、第1軸線A1、第2軸線A2および第3軸線A3は、直交座標系を構成しているため、いずれの回転軸線周りにおいても高速かつ高精度な制御が可能になっている。   Further, since the first axis A1, the second axis A2, and the third axis A3 form an orthogonal coordinate system, high-speed and high-precision control is possible around any rotation axis.

第1軸線A1、第2軸線A2および第3軸線A3が一点で交差しているため、推力およびモーメント(すなわちトルク)を得やすくなっている。   Since the first axis A1, the second axis A2, and the third axis A3 intersect at one point, it is easy to obtain a thrust and a moment (that is, torque).

ペイロード部2が6枚のロータ10の間に配置される構成によれば、飛行体1の重心をロータ10の中央に位置させることができるので、簡易な制御が可能である。しかも、効率が高められる。   According to the configuration in which the payload portion 2 is disposed between the six rotors 10, the center of gravity of the flying object 1 can be positioned at the center of the rotor 10, and thus simple control is possible. Moreover, efficiency is increased.

本発明は、上記した飛行体1のように3本の軸線が必ずしも直交する必要はない。求められる推力の方向および/または回転の方向に応じて、斜交座標系上に3本の軸線を設置してもよい。図2(c)に示される飛行体1Aでは、第1軸線A1、第2軸線A2および第3軸線A3のそれぞれは、ペイロード部2を通るZ軸方向線(基準線)に対してcosθ=1/√3となる角度(θ≒54.7)をなして延びている。この場合、第1軸線A1、第2軸線A2および第3軸線A3は、斜交座標系を構成している。第1軸線A1、第2軸線A2および第3軸線A3の交点から、各ロータ11〜16の回転中心までの距離は、たとえば等しくなっている。また、Z軸方向線に対する、第1軸線A1、第2軸線A2および第3軸線A3の傾斜角度は、たとえば等しくなっている。   In the present invention, the three axes are not necessarily orthogonal to each other as in the above-described aircraft 1. Depending on the direction of thrust required and / or the direction of rotation, three axes may be installed on the oblique coordinate system. In the aircraft 1A shown in FIG. 2C, each of the first axis A1, the second axis A2, and the third axis A3 is cos θ = 1 with respect to the Z-axis direction line (reference line) passing through the payload portion 2. It extends at an angle (θ≈54.7) that becomes / √3. In this case, the first axis A1, the second axis A2, and the third axis A3 constitute an oblique coordinate system. The distances from the intersections of the first axis A1, the second axis A2, and the third axis A3 to the rotation centers of the rotors 11 to 16 are, for example, equal. In addition, the inclination angles of the first axis A1, the second axis A2, and the third axis A3 with respect to the Z-axis direction line are, for example, equal.

このような構成を有する飛行体1Aにおいても、飛行体1と同様にして、同一平面上に存在せず非平行な第1軸線A1、第2軸線A2および第3軸線A3のそれぞれに関して、並進および回転の運動が独立に制御可能である。よって、飛行体1は、6自由度で飛行可能であり、狭所作業や外界との接触等といった、高い機動性を必要とする運動を実現できる。特に、全ロータ11〜16がZ軸方向線周りの運動(特に、鉛直方向の推力)に大きく寄与するため、鉛直方向の運動に関して効率が高められる。ペイロード部2のための空間が確保しやすくなっている。   In the air vehicle 1A having such a configuration, as in the air vehicle 1, the translation and the non-parallel first axis A1, the second axis A2, and the third axis A3 do not exist on the same plane. The rotational movement can be controlled independently. Therefore, the flying object 1 can fly with six degrees of freedom, and can realize a movement requiring high maneuverability such as working in a narrow space or contact with the outside world. In particular, since all the rotors 11 to 16 greatly contribute to the movement around the Z-axis direction line (particularly, the thrust in the vertical direction), the efficiency with respect to the vertical movement is increased. A space for the payload portion 2 is easily secured.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。飛行体1では、3本の軸線の交点から各ロータの回転中心までの距離が等しい場合について説明したが、各軸線上において、ロータ(もしくはプロペラ)の位置は自由に配置できる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment. In the flying object 1, the case where the distance from the intersection of the three axes to the rotation center of each rotor is the same has been described, but the position of the rotor (or propeller) can be freely arranged on each axis.

6枚のロータ11〜16の間に本体であるペイロード部2が配置される場合に限られず、6枚のロータの外側に本体が配置されてもよく、6枚のロータのうち一対または二対のロータ間にのみ、本体が配置されてもよい。   The main body is not limited to the case where the payload portion 2 as the main body is disposed between the six rotors 11 to 16, and the main body may be disposed outside the six rotors. The main body may be disposed only between the rotors.

3本の回転軸線は、一点で交差しなくてもよい。2本の回転軸線のみが交差してもよいし、3本の回転軸線のすべてが、ねじれの関係になっていてもよい。   The three rotation axes need not intersect at one point. Only two rotation axes may intersect or all three rotation axes may be in a twisted relationship.

6枚のロータの他に、1枚または複数枚の補助的なロータまたは予備のロータが更に設けられてもよい。本発明は、UAVに適用される場合に限られず、有人航空機に適用されてもよい。   In addition to the six rotors, one or more auxiliary or spare rotors may be further provided. The present invention is not limited to being applied to UAV, and may be applied to manned aircraft.

1 飛行体
2 ペイロード部(本体)
10 ロータ
11 第1ロータ
11a 回転中心
12 第2ロータ
12a 回転中心
13 第3ロータ
13a 回転中心
14 第4ロータ
14a 回転中心
15 第5ロータ
15a 回転中心
16 第6ロータ
16a 回転中心
20 制御部
A1 第1軸線
A2 第2軸線
A3 第3軸線
1 Aircraft 2 Payload (Main body)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Rotor 11 1st rotor 11a Rotation center 12 2nd rotor 12a Rotation center 13 3rd rotor 13a Rotation center 14 4th rotor 14a Rotation center 15 5th rotor 15a Rotation center 16 6th rotor 16a Rotation center 20 Control part A1 1st Axis A2 Second Axis A3 Third Axis

Claims (5)

複数のロータの回転軸線である第1軸線、第2軸線および第3軸線が、本体に対して定まった位置に配置された飛行体であって、
前記第1軸線上に回転中心が配置されて逆のピッチを有し、前記第1軸線に直交する回転面をそれぞれ有する第1の一対のロータと、
前記第2軸線上に回転中心が配置されて逆のピッチを有し、前記第2軸線に直交する回転面をそれぞれ有する第2の一対のロータと、
前記第3軸線上に回転中心が配置されて逆のピッチを有し、前記第3軸線に直交する回転面をそれぞれ有する第3の一対のロータと、
前記第1の一対のロータ、前記第2の一対のロータおよび前記第3の一対のロータの回転数をそれぞれ独立して制御可能な制御部と、を備え、
前記第1軸線、前記第2軸線および前記第3軸線は、同一平面上に存在せず、互いに非平行である、飛行体。
A flying body in which a first axis, a second axis, and a third axis, which are rotation axes of a plurality of rotors, are arranged at fixed positions with respect to the main body
A first pair of rotors having a rotation center disposed on the first axis and having a reverse pitch and each having a rotation plane orthogonal to the first axis;
A second pair of rotors having a rotation center disposed on the second axis and having a reverse pitch, each having a rotation surface perpendicular to the second axis;
A third pair of rotors having a rotation center disposed on the third axis and having a reverse pitch, each having a rotation plane perpendicular to the third axis;
A control unit capable of independently controlling the rotation speeds of the first pair of rotors, the second pair of rotors, and the third pair of rotors,
The aircraft, wherein the first axis, the second axis, and the third axis do not exist on the same plane and are not parallel to each other.
前記第1軸線、前記第2軸線および前記第3軸線は、互いに垂直な方向に延びている、請求項1に記載の飛行体。   The aircraft according to claim 1, wherein the first axis, the second axis, and the third axis extend in directions perpendicular to each other. 前記第1軸線、前記第2軸線および前記第3軸線のそれぞれは斜交座標系をなしている、請求項1に記載の飛行体。   The flying object according to claim 1, wherein each of the first axis, the second axis, and the third axis forms an oblique coordinate system. 前記第1軸線、前記第2軸線および前記第3軸線は、一点で交差している、請求項1〜3のいずれか一項に記載の飛行体。   The flying object according to any one of claims 1 to 3, wherein the first axis, the second axis, and the third axis intersect at one point. 前記第1軸線、前記第2軸線および前記第3軸線は前記本体を通っており、前記本体は、前記第1の一対のロータの間に位置し、かつ前記第2の一対のロータの間に位置し、かつ前記第3の一対のロータの間に位置している、請求項1〜4のいずれか一項に記載の飛行体。   The first axis, the second axis, and the third axis pass through the main body, the main body is positioned between the first pair of rotors, and between the second pair of rotors. The flying object according to any one of claims 1 to 4, wherein the flying object is located and located between the third pair of rotors.
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