JP2017074868A - Rotorcraft - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転翼機に関する。 The present invention relates to a rotary wing aircraft.
古くからUAV(Unmanned Aerial Vehicle)、またはDroneと呼ばれる無人航空機の開発、製品化が進められてきた。そして、近年になり、センサの小型化、通信、制御機器の小型化、高性能化などにより、UAVは、民間での製品化が活発になっている。 The development and commercialization of unmanned aerial vehicles called UAV (Unmanned Aerial Vehicle) or Drone have been promoted since ancient times. In recent years, UAV has been actively commercialized in the private sector due to downsizing of sensors, communication, downsizing of control equipment, high performance, and the like.
近年製品化されているUAVは、複数のローターからなるマルチコプタータイプが多い。それゆえ、UAVは、空中にて位置を静止させる安定したホバリング飛行が可能であり、空中での静止位置からの姿勢制御が容易なことが大きな利点である。 UAVs that have been commercialized in recent years are often multi-copter types composed of a plurality of rotors. Therefore, the UAV has a great advantage that stable hovering flight in which the position is stationary in the air is possible, and posture control from the stationary position in the air is easy.
UAVの用途としては、機体に搭載したカメラによる空撮、少量の貨物の運搬などが挙げられる。また、UAVは、人が立ち入ることが困難な災害現場での状況確認への応用、または高所、山奥に多いインフラ設備(橋梁、電線、トンネル等)のカメラによる外観検査などのインフラ点検への応用が提案され、実用化が進められている。 Applications of UAV include aerial photography using a camera mounted on the fuselage and transportation of small quantities of cargo. UAV can be applied to confirming the situation at disaster sites where it is difficult for people to enter, or to infrastructure inspections such as visual inspections of infrastructure equipment (bridges, electric wires, tunnels, etc.) located in high places and in the mountains. Applications have been proposed and put into practical use.
このような用途に対して、マルチコプタータイプのUAVを用いるためには、長時間の安定した飛行が要求される。このような飛行の安定性は、壁付近にてUAVが飛行するに際し、特に要求される。マルチコプタータイプのUAVが壁付近にて飛行しているとき、マルチコプターの気流は、壁により乱れが発生しやくなる。そして、この気流の乱れにより、UAVは、バランスを崩した際に壁に衝突するおそれがある。 In order to use such a multi-copter type UAV for such applications, long-time stable flight is required. Such flight stability is particularly required when the UAV flies near the wall. When a multicopter type UAV is flying near a wall, the airflow of the multicopter is likely to be disturbed by the wall. Then, due to the turbulence of the airflow, the UAV may collide with the wall when the balance is lost.
マルチコプタータイプのUAVの壁付近での安定飛行に関する技術は、例えば非特許文献1に開示されている。非特許文献1に開示された技術では、マルチコプタータイプのUAVの両側に、自由回転する車輪が設けられている。この車輪は、壁や天井に対しUAV本体を保護するバンパーを兼ねており、UAV本体よりも寸法が大きい。非特許文献1に開示されたUAVは、壁や天井付近を飛行するとき、上記車輪を壁面や天井面に押し当てることによって、UAV本体が壁や天井に接触することなく安定飛行することができる。また、車輪が自由回転するため、UAVは、壁面や天井面に押し当てた状態を維持して車輪を移動させることによって、壁面や天井面を安定して走行することが可能になる。また、UAVは、車輪が地面に接触しているとき、マルチコプターのローターの推進力により車輪を移動させることによって、地面を走行することが可能である。
A technique related to stable flight near the wall of a multicopter type UAV is disclosed in Non-Patent
従来のマルチコプタータイプのUAVの多くは、飛行中、複数のローターの出力バランスを制御しローター面を鉛直上方向から僅かに傾いた方向に指向することによって、進行方向を制御している。上述したように、非特許文献1に開示されたUAVは、車輪を備えたことにより、地面、壁面、天井面等を走行することが可能である。非特許文献1に開示されたUAVは、従来のマルチコプタータイプのUAVと同様に、基本的に、ローター面が飛行に適した鉛直方向に指向した構成になっている。そして、車輪によって地面を走行するに際し、非特許文献1に開示されたUAVは、ローター面が鉛直上方向から僅かに傾いた方向に指向することにより、地面走行に必要な水平方向の駆動力を得ている。
Many conventional multi-copter type UAVs control the traveling direction by controlling the output balance of a plurality of rotors and directing the rotor surface in a slightly inclined direction from the vertically upward direction during flight. As described above, the UAV disclosed in
しかし、非特許文献1に開示されたUAVでは、鉛直方向に対するローター面の傾斜角度が極めて小さいため、ローターにより発生する駆動力のうち大部分は、鉛直方向の成分の力である。その結果、地面走行に必要な水平方向の成分の力は小さくなってしまう。すなわち、非特許文献1に開示されたUAVでは、車輪により地面を走行するに際し、ローターにより発生する駆動力のうち鉛直方向の力が無駄となる。このため、地面走行に費やすエネルギー効率が悪いという問題がある。
However, in the UAV disclosed in
本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、地面走行に費やすエネルギー効率が高い回転翼機を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a rotary wing machine with high energy efficiency spent on the ground.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る回転翼機は、ローター面が同一になるように1つまたは複数のローターが配置されたローターユニットと、上記ローターの回転駆動出力を制御する出力制御部と、車輪部と、上記ローターユニットと上記車輪部とを接続する接続部とを備え、上記ローターユニットの推力により地面を走行することが可能な回転翼機であって、上記接続部は、回転軸を備え、上記ローターユニットは、上記回転軸を中心に、ローター面の向きが走行方向から鉛直方向までの間で変化するように回転動作し、上記ローター面において、上記ローターは、上記回転軸に対して非対称に配置されているとともに、上記ローターユニットの重心は、上記回転軸から、ローター面の法線に対し垂直な方向に離れて位置しており、上記ローター面の向きは、上記ローターの回転駆動が停止したとき、走行方向に指向し、上記ローターが回転駆動しているとき、上記ローターユニットの推力に応じて、上記回転軸周りに回転し、走行方向から鉛直方向側へ指向することを特徴としている。 In order to solve the above problems, a rotorcraft according to one aspect of the present invention provides a rotor unit in which one or a plurality of rotors are arranged so that the rotor surfaces are the same, and a rotational drive output of the rotor. An output control unit for controlling, a wheel unit, a connecting unit that connects the rotor unit and the wheel unit, and a rotorcraft capable of traveling on the ground by the thrust of the rotor unit, The connecting portion includes a rotating shaft, and the rotor unit rotates around the rotating shaft so that the orientation of the rotor surface changes between a traveling direction and a vertical direction. Are arranged asymmetrically with respect to the rotation axis, and the center of gravity of the rotor unit is located away from the rotation axis in a direction perpendicular to the normal of the rotor surface. The orientation of the rotor surface is directed in the traveling direction when the rotational drive of the rotor is stopped, and around the rotational axis according to the thrust of the rotor unit when the rotor is rotationally driven. It rotates and is directed from the running direction to the vertical direction side.
本発明の一態様によれば、地面走行に費やすエネルギー効率が高いという効果を奏する。 According to one aspect of the present invention, there is an effect that energy efficiency spent on the ground traveling is high.
〔実施形態1〕
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図1は、本実施形態に係る回転翼機10の構成を示し、図1の(a)は上面図であり、図1の(b)は斜視図であり、図1の(c)は正面図であり、図1の(d)は側面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. FIG. 1 shows a configuration of a
図1の(a)〜(d)に示されるように、回転翼機10は、ローターユニット1、車輪部2、及びローターユニット1と車輪部2とを接続する接続部3と、を備えている。回転翼機10は、車輪部2が設けられているので、ローターユニット1の推力により地面を走行することができる。また、回転翼機10は、ローターユニット1の推力によって、空中を飛行することも可能である。
As shown in FIGS. 1A to 1D, the
以下では、地面走行及び空中飛行の両方が可能な回転翼機10について説明する。しかし、本実施形態に係る回転翼機10は、少なくとも地面走行が可能な構成であればよい。
Hereinafter, the
ローターユニット1は、4つのローター1a〜1dを備えている。これらローター1a〜1dは、同一のローター面Rになるように配置されている。ここでいう「ローター面R」とは、ローター1a〜1dのプロペラの回転により風が発生する面のことをいう。「ローター面R」は、ローター1a〜1dのプロペラの回転軸に対して垂直な面であるともいえる。
The
車輪部2は、回転翼機10が地面を走行するために設けられており、互いに平行に並んだ2つの車輪本体2aを備えている。地面に対して垂直な鉛直方向において、これら車輪本体2aの寸法は、ローターユニット1の寸法よりも大きくなっている。
The
また、接続部3は、回転軸4を備えている。ローターユニット1は、この回転軸4を介して、車輪部2に接続している。回転軸4は、2つの車輪本体2a間を連結する車軸として機能している。ここで、回転翼機10が地面を走行する方向をX方向とし、回転軸4が伸びる方向をY方向とし、地面に対して垂直な鉛直方向をZ方向とする。なお、X方向は、回転軸4が伸びる方向(Y方向)及び鉛直方向(Z方向)の両方の方向に対し垂直な方向であるといえる。
The
ローターユニット1は、回転軸4を中心に回転可能になるように車輪部2に接続している。これにより、ローターユニット1は、回転軸4を中心に、ローター面Rの向きがX方向からZ方向までの間で変化するように回転動作する。ここでいう「ローター面Rの向き(指向方向)」とは、ローター面Rの法線方向のことをいう。換言すれば、ローターユニット1を構成するローター1a〜1dのプロペラの回転軸の方向である。このローター面Rの方向は、ローター1a〜1dにより発生する推進力の方向である。
The
本実施形態に係る回転翼機10は、ローター面Rに対して垂直な方向(ローター1a〜1dのプロペラの回転軸方向)から見たローターユニット1と回転軸4との位置関係に特徴を有する。図1の(c)に示されるように、ローター面Rにおいて、ローター1a〜1dは、回転軸4に対して非対称に配置されている。また、ローターユニット1の重心Gは、回転軸4から、ローター面Rの法線に対し垂直な方向に離れて位置している。
The
図2は、従来の回転翼機100の地面走行時の姿勢を概略的に示した側面図である。図2に示されるように、従来の回転翼機100では、ローター101a・101bを有する4つのローターを備えたローターユニット101は、回転軸104を介して、車輪部102に接続している。そして、ローター101a・101bを含む4つのローターは、回転軸4に対して対称に配置されている。また、ローターユニット101の重心Gは、回転軸104に対して、ローター面の向きにローターとは反対側にズレた場所に位置している。このように、従来の回転翼機100では、ローターユニット101が重心Gからローター面Rの法線方向にズレた位置で回転軸104に接続している。このため、ローターユニット101が回転駆動していないとき、回転軸104の真下に重心Gが位置し、ローターユニット101は、ローター面が地面と平行な状態で安定するようになっている。
FIG. 2 is a side view schematically showing the posture of the conventional
図2に示されるように、従来の回転翼機100では、回転駆動によりローターユニット101をある程度傾けて、ローター101a・101bを有する4つのローターの出力の一部を水平方向の加速に利用している。ローターユニット101のローター面がZ方向から僅かに傾いた方向に指向した状態にてローターを回転駆動している。そして、この回転駆動により発生する空気の流れによって、回転翼機100に推進力Fが発生する。そして、地面走行に必要な推力として推進力FのX方向の成分Fxを得ている。Z方向に対するローター面の傾斜角度が極めて小さいため、X方向の成分FxよりもZ方向の成分Fzの方が大きくなる。その結果、ローターユニット101により発生する推進力(駆動力)Fのうち大部分は、鉛直方向の成分Fzの力となり、地面走行に必要なX方向の成分Fxは小さくなってしまう。
As shown in FIG. 2, in the conventional
図3は、ローターの回転軸と水平方向(X方向)とのなす角度と、ローターにより発生する駆動力に対する回転翼機の走行に使われるエネルギーの効率(エネルギー効率)との関係を示すグラフである。ここで、ローターの回転軸の方向は、ローターにより発生する推進力の方向であるといえる。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the angle formed between the rotation axis of the rotor and the horizontal direction (X direction) and the efficiency (energy efficiency) of the energy used for running the rotorcraft with respect to the driving force generated by the rotor. is there. Here, it can be said that the direction of the rotating shaft of the rotor is the direction of the propulsive force generated by the rotor.
図3のグラフから、地面走行に必要なエネルギー効率に及ぼす影響として、ローターにより発生する推進力の鉛直方向の成分Fzによってローターユニットの見かけの重量が減少し転がり抵抗が小さくなる影響は僅かであることがわかる。この影響以上に、地面走行に必要なエネルギー効率は、ローターの回転軸と水平方向(X方向)とのなす角度に影響することがわかる。 From the graph of FIG. 3, the influence on the energy efficiency necessary for ground traveling has little influence on the apparent weight of the rotor unit and the rolling resistance being reduced by the vertical component Fz of the propulsive force generated by the rotor. I understand that. Beyond this effect, it can be seen that the energy efficiency required for running on the ground affects the angle between the rotation axis of the rotor and the horizontal direction (X direction).
図3に示されるように、ローターの推進力の方向(すなわちローターの回転軸の方向)と水平方向とのなす角度が0に近づくに従い、トータルのエネルギー効率が圧倒的に良くなる。それゆえ、より効率的な地面走行を実現するためには、ローターの推進力の方向(すなわち、ローター面の方向)と水平方向とが可能な限り一致していることが好ましい。また、ローターの推進力の方向と水平方向とが一致する場合、地面走行だけでなく、ローターユニットの回転軸周りの回転に対してもエネルギー効率がよい。 As shown in FIG. 3, the total energy efficiency is overwhelmingly improved as the angle between the direction of the propulsive force of the rotor (that is, the direction of the rotation axis of the rotor) and the horizontal direction approaches zero. Therefore, in order to realize more efficient ground traveling, it is preferable that the direction of the propulsive force of the rotor (that is, the direction of the rotor surface) matches the horizontal direction as much as possible. In addition, when the direction of the propulsive force of the rotor matches the horizontal direction, energy efficiency is good not only for traveling on the ground but also for rotation around the rotation axis of the rotor unit.
従来の回転翼機100においてローターの推進力の方向と水平方向とが一致させるためには、ローター101a・101bを含む4つのローターの出力バランスを制御することによりローター面の傾きを制御する必要がある。
In the conventional
ここで、本実施形態に係る回転翼機10によれば、ローター面Rにおいて、ローター1a〜1dは、回転軸4に対して非対称に配置されている。また、ローター面Rにおいて、ローターユニット1の重心Gは、回転軸4から、ローター面Rの法線に対し垂直な方向に離れて位置している。このため、ローターユニット1が回転駆動していないとき、ローターユニット1のローター面Rの法線は、回転しX方向に指向し、重心Gは、回転軸4から鉛直下方向に離れて位置する。また、回転翼機10におけるローター面Rの向きは、ローター1a〜1dが回転駆動しているとき、ローターユニット1の推力に応じて、回転軸4周りに回転し、X方向からZ方向側へ指向する。なお、ローター面Rの法線の方向は、ローターユニット1の推力方向であるといえる。
Here, according to the
このようにローター面Rの法線がX方向に指向している状態にてローター1a〜1dを回転駆動すると、回転翼機10は地面走行する。それゆえ、地面走行に費やすエネルギー効率が高い回転翼機10を実現することができる。
When the
ここで、ローターユニット1は、回転軸4を中心に回転自由に車輪部2に接続されている。ローター面Rの法線の向きは、ローター1a〜1dの出力と重力とのバランスによって調整される。
Here, the
図4は、本実施形態に係る回転翼機10の姿勢を模式的に示した側面図であり、図4の(a) は地面走行時の姿勢を示し、図4の(b)は壁面接触時の姿勢を示し、図4の(c)は壁面走行時の姿勢を示す。
4A and 4B are side views schematically showing the posture of the
ローター面Rの法線の向きは、ローター1a〜1dの回転駆動が停止したとき、X方向に指向している。このとき、ローターユニット1の重心Gは、回転軸4のZ方向の下側の位置にある。そして、図4の(a)に示されるように、回転翼機10が地面を走行しているとき、ローター面Rの向きが略X方向と一致するように、ローター1a〜1dの回転駆動が制御される。このとき、ローターユニット1の推力Fは、略X方向を向いている。
The direction of the normal line of the rotor surface R is directed in the X direction when the rotational driving of the
そして、回転翼機10が壁や障害物に接触したとき、ローター1a〜1dの回転出力を大きくする。これにより、ローターユニット1の推力Fが大きくなる。そして、図4の(b)に示されるように、ローターユニット1の推力Fが大きくなるに従い、ローターユニット1のローター面Rの向きは、回転軸4周りに回転し傾斜する。そして、図4の(c)に示されるように、ローターユニット1の推力Fがさらに大きくなると、ローター面Rの向きがZ方向に近づく。その結果、ローターユニット1の推力FにZ方向の成分が発生し、回転翼機10は、壁面や障害物を走行することが可能となる。
And when the
回転翼機10では、ローター面Rにおいて、ローター1a〜1dは、回転軸4に対して非対称に配置されているとともに、ローターユニット1の重心Gは、回転軸4から、ローター面Rの法線に対し垂直な方向に離れて位置しているので、ローターユニット1の推力に応じた自動的なローター面Rの向きの制御が可能となる。それゆえ、ローターユニット1の容易な回転制御によって、地面から障害物や壁の乗り越えも含めた走行が可能となる。
In the
また、回転翼機10では、ローターユニット1は、4つのローター1a〜1dを備えたマルチローターユニットである。そして、回転翼機10には、4つのローター1a〜1dの回転駆動出力を制御する出力制御部(不図示)が内蔵されている。この出力制御部がローター1a〜1d間での回転駆動出力のバランスを調節することにより、ローター面Rの指向方向が制御されている。このようにローターユニット1がマルチローターユニットであることによって、回転翼機10に発生する回転トルクをキャンセルすることができる。
Further, in the
なお、図1の(a)〜(d)に示された構成では、ローターユニット1は、4つのローター1a〜1dを備えていた。しかし、本実施形態に係る回転翼機10において、ローターユニット1のローターの数は、4つに限定されず、少なくとも地面走行を可能とするローターの数であればよい。
In the configuration shown in FIGS. 1A to 1D, the
ただし、回転翼機10に発生する各ローターの軸を中心とする回転トルクを打ち消すために、ローターユニット1のローターの数は、偶数であることが望ましい。これにより、地面走行時にX方向の加速度を変化させても、ローターの位置による出力バランスを維持することで、ローターの推力の向きをほぼ水平に維持することが可能となる。これにより、地面走行時の加速の際もエネルギーのロスを抑えることが可能となる。例えば、ローターの数は、6つであってもよいし、8つであってもよい。
However, it is desirable that the number of rotors of the
本実施形態に係る回転翼機10では、ローターユニット1が接続する回転軸4は、車輪部2の車軸として機能していた。しかし、ローターユニット1が接続する回転軸4は、車輪部2の車軸とは別に設けられていてもよい。
In the
〔実施形態2〕
本発明の他の実施形態について、図5に基づいて説明すれば、以下のとおりである。図5は、本実施形態に係る回転翼機10Aの構成を示し、図5の(a)は上面図であり、図5の(b)は斜視図であり、図5の(c)は正面図であり、図5の(d)は側面図である。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
[Embodiment 2]
The following will describe another embodiment of the present invention with reference to FIG. 5A and 5B show the configuration of the
本実施形態に係る回転翼機10Aは、ローターユニット1Aが1つのメインローター1eを備えている点が、上記実施形態1と異なる。
The
図5の(a)〜(d)に示されるように、本実施形態に係る回転翼機10Aは、ローター面Rにおいて、ローター1eは、回転軸4に対して非対称に配置されている。また、ローターユニット1Aの重心Gは、メインローター1eの軸上にあり、回転軸4から、ローター面Rの法線に対し垂直な方向に離れて位置している。
As shown in FIGS. 5A to 5D, in the
このため、ローターユニット1Aが回転駆動していないとき、ローターユニット1Aのローター面Rの法線は、回転しX方向に指向する。また、回転翼機10Aにおけるローター面Rの向きは、ローター1eが回転駆動しているとき、ローターユニット1Aの推力に応じて、回転軸4周りに回転し、X方向からZ方向側へ指向する。
For this reason, when the
このようにローター面Rの法線がX方向に指向している状態にてローター1eを回転駆動すると、回転翼機10Aは地面走行する。それゆえ、地面走行に費やすエネルギー効率が高い回転翼機10Aを実現することができる。
When the
また、本実施形態に係る回転翼機10Aのローターユニット1Aは、サブローター3fを備えている。このサブローター3fは、メインローター1eの軸を中心に発生するトルクをキャンセルするための補助的なローターである。
Further, the
〔実施形態3〕
本発明のさらに他の実施形態について、図6及び図7に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
[Embodiment 3]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to FIGS. For convenience of explanation, members having the same functions as those described in the embodiment are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
本実施形態では、回転翼機の制御システムについて説明する。図6は、本実施形態に係る回転翼機のシステム構成を示すブロック図である。なお、図6では、ローターユニットが4つのローターを備えた回転翼機のシステム構成が示されている。 In this embodiment, a control system for a rotorcraft will be described. FIG. 6 is a block diagram showing a system configuration of the rotary wing aircraft according to the present embodiment. FIG. 6 shows a system configuration of a rotorcraft in which the rotor unit includes four rotors.
本実施形態に係る回転翼機のシステム10S(出力制御部)は、ローターユニットのローターの回転駆動出力を制御し、その制御により、回転翼機の姿勢や地面走行速度を制御する。システム10Sは、図6に示されるように、上位制御CPU5と、フライトコントローラ6と、4つのESC7と、4つのモーター8と、ジャイロ/加速度センサ9と、センサ11と、カメラ12と、含む構成となっている。各モーター8は、各ローターを回転駆動するものであり、各ESC(Electric Speed Controller)7は、各モーター8を制御する。ジャイロ/加速度センサ9は、回転翼機自体の姿勢を検知するセンサである。センサ11は周辺環境の障害物の検知や、自己位置認識、検査対象の検知等を行うために、利用用途に応じて付加される。カメラ12は、外部の環境を検知するために設けられている。また、通信ユニット13は、回転翼機と通信可能な情報端末からの指令を検知し、例えば、回転翼機と無線接続するスマートフォンのアプリからの指令を受信する。
The
フライトコントローラ6は、ESC7に接続されており、各ローターにより発生する推力を調整する。また、フライトコントローラ6は、ジャイロ/加速度センサ9にも接続されている。システム10Sは、ジャイロ/加速度センサ9から回転翼機の姿勢を検知する。そして、ジャイロ/加速度センサ9による検知結果に基づき、フライトコントローラ6が各ローターにより発生する推力を調整することによって、回転翼機の姿勢を制御する。また、本実施形態に係る回転翼機には、ESC7及び各制御機器に必要な電源として、バッテリーが搭載されている。
The flight controller 6 is connected to the ESC 7 and adjusts the thrust generated by each rotor. The flight controller 6 is also connected to a gyro /
また、上位制御CPU5は、フライトコントローラ6、並びにセンサ11及びカメラ12に接続されている。システム10Sは、センサ11及びカメラ12による検知結果に基づき、上位制御CPU5が外部状況を判断し、フライトコントローラ6へ回転翼機の姿勢の指令を送ることによって、回転翼機の自己位置制御を行う。
The
ここで、システム10Sは、各ローターの回転駆動出力を一括制御する構成であってもよい。「一括制御」とは、1つの制御値を用いて各ローターの回転駆動力を制御することをいう。これにより、システム10Sの構成の複雑化を防止することができる。
Here, the
上記一括制御の具体的な例として、複数のローターの回転駆動出力をマイコン制御することが挙げられる。このような制御において、マイコンは、外部からのリモコン操作や人口知能等の指令を受けて1つの制御値を調整する。そして、その制御値に対応する回転駆動出力を各ローターに与える制御を行う。例えば、制御値が複数のローター間の出力比率である場合、制御値が2倍と設定されれば、ローター間の出力比率を一括して2倍にするような制御を行う。 As a specific example of the collective control, there is a microcomputer control of rotational drive outputs of a plurality of rotors. In such control, the microcomputer adjusts one control value in response to a command from the outside such as remote control operation or artificial intelligence. And the control which gives the rotational drive output corresponding to the control value to each rotor is performed. For example, when the control value is an output ratio between a plurality of rotors, if the control value is set to double, control is performed to collectively double the output ratio between the rotors.
次に、システム10Sによる回転翼機の姿勢制御について、図7に基づいて説明する。図7は、本実施形態に係る回転翼機の姿勢制御を説明するための図であり、図7の(a)は地面走行時の姿勢を示し、図7の(b)は、地面走行姿勢から飛行姿勢へ遷移する遷移姿勢を示し、図7の(c)は、飛行姿勢を示す。
Next, the attitude control of the rotorcraft by the
システム10Sが各ローターの回転駆動出力を一括制御する場合、4つのローター1a〜1dの回転駆動出力値に対応してローター面Rの指向方向が決定される。ローター1a〜1dにより発生する推力Fは、鉛直方向(Z方向)の成分Fz、及びX方向の成分Fxに分解される。ここで、地面とローター面Rとのなす角度をθとすると、
Fx=F×cosθ
Fz=F×sinθ
となる。
When the
Fx = F × cos θ
Fz = F × sin θ
It becomes.
また、回転翼機10Bの重力は、回転翼機10Bの質量をmとすると、mgとなる。
Further, the gravity of the
推力Fが十分に弱い場合、図7の(a)に示されるように、角度θは略0°である。そして、推力Fの値も小さいため、成分Fzが回転翼機10Bに及ぼす影響は、回転翼機10Bの重力mgよりも小さい。それゆえ、回転翼機10Bは、車輪部2が地面に接した状態で、X方向の成分Fxを受けて地面を走行することになる。
When the thrust F is sufficiently weak, the angle θ is substantially 0 ° as shown in FIG. And since the value of thrust F is also small, the influence which the component Fz has on the
そして、ローター1a〜1dの回転駆動出力が大きくなるに従い、推力Fの鉛直方向の成分Fzが大きくなる。そして、図7の(b)に示されるような、地面走行姿勢から飛行姿勢へ遷移する遷移姿勢では、成分Fzの大きさ(F×sinθ)=mgとなる。
As the rotational drive output of the
そして、さらにローター1a〜1dの回転駆動出力が大きくなると、成分Fzが回転翼機10Bに及ぼす影響が、回転翼機10Bの重力mgよりも大きくなる(F×sinθ>mg)。その結果、図7の(c)に示されるように、回転翼機10Bは、地面から斜め方向に飛行する。
When the rotational drive outputs of the
ここで、F×sinθ>mgのときに、回転翼機10Bが壁面に接触している場合、X方向の成分Fxがキャンセルされる。その結果、回転翼機10Bは、車輪部2が壁面に接した状態で、Fsinθ−mgの力を受けて壁面を走行することになる。
Here, when F × sin θ> mg, when the
また、システム10Sは、ローター1a〜1dそれぞれの回転駆動出力を個別に制御する構成であってもよい。ローター1a〜1dそれぞれの回転駆動出力を個別に制御することにより、4つのローター1a〜1dの回転駆動出力値とローター面Rの指向方向とを自由に設定することができる、それゆえ、4つのローター1a〜1dの回転駆動出力値及びそれに対応するローター面の指向方向の設定自由度が向上する。また、ローター1a〜1dそれぞれの回転駆動出力を個別に制御するので、地面走行時の方向転換や空中での姿勢制御も可能となる。
Further, the
〔実施形態4〕
本発明のさらに他の実施形態について、図8に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
[Embodiment 4]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to FIG. For convenience of explanation, members having the same functions as those described in the embodiment are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
本実施形態に係る回転翼機10Cは、ローターユニットの各ローターの推力の向きを個別に反転させる機構を有する点が、上記実施形態1〜3と異なる。このような機構は、例えば、上記実施形態3にて説明したシステム10Sがローター1a〜1dそれぞれの回転駆動出力を個別に制御することにより実現される。
The rotorcraft 10C according to the present embodiment is different from the first to third embodiments in that it has a mechanism that individually reverses the direction of thrust of each rotor of the rotor unit. Such a mechanism is realized, for example, by the
図8に示されるように、回転翼機10Cでは離陸直前に、ローター1a〜1dのうち一部のローター1a及び1dの回転駆動方向が他のローター1b及び1cの回転駆動方向と逆方向になるように制御される。これにより、回転軸4よりも上側に配されたローター1a及び1dの推力の向きと、回転軸4よりも下側に配されたローター1b及び1cの推力の向きとは、互いに逆方向になる。これにより、例えば、回転翼機10Cは、水平方向に滑走する必要なく、垂直に離陸することが可能になる。
As shown in FIG. 8, in the rotary wing aircraft 10C, just before takeoff, the rotational drive directions of some of the
ローター1a及び1dの回転駆動出力とローター1b及び1cの回転駆動出力とが同じ値である場合、ローター1a及び1dにより発生した推力は−Fである一方、ローター1b及び1cにより発生した推力はFとなる。その結果、回転翼機10Cでは、ローター1a〜1dにより発生した推力が0に維持されつつ、ローター面Rの指向方向が変化する(図8の(a)及び(b)参照)。この過程で、ローター1a〜1dにより発生した推力のX方向の成分は0であるので、回転翼機10Cは、地面を走行することなく静止したままである。
When the rotational drive outputs of the
そして、ローター面Rの指向方向が地面に対して垂直な方向に近くなったとき(ローター面Rが地面と平行になったとき)、ローター1a及び1dの回転駆動方向をローター1b及び1cの回転駆動方向と同じ方向に制御する。このとき、ローター1a及び1dにより発生した推力、並びにローター1b及び1cにより発生した推力は、ともにFとなる。そして、ローター面Rの指向方向が地面に対して垂直になるように維持したまま、推力Fを大きくすることにより、回転翼機10Cは、地面での静止位置から直上へ飛行することができる。それゆえ、本実施形態に係る回転翼機10Cでは、地面走行状態から飛行状態に遷移するまでの滑走が不要となる。その結果、地面上に回転翼機10Cの滑走領域がなくても離陸させることが可能となる。また、回転翼機10Cの重力=推力Fとなるように制御することにより、回転翼機10Cは、空中でホバリングすることが可能になる。
Then, when the directivity direction of the rotor surface R is close to the direction perpendicular to the ground (when the rotor surface R is parallel to the ground), the rotational drive direction of the
また、回転翼機10Cは、地面走行中に、回転駆動方向を逆方向にしてローター1a〜1dにより発生する推力の方向を反転させることができる。これにより、回転翼機10Cの本体の向きを変えることなく、瞬時に減速動作を行うことができる。このため、地面走行中での、回転翼機10Cの障害物や壁への衝突を防止することができる。
In addition, the rotary wing machine 10C can reverse the direction of thrust generated by the
さらに、回転翼機10Cの後退動作が容易になるので、回転翼機10Cの自己位置の速やかな微修正が可能になる。 Furthermore, since the retreating operation of the rotary wing machine 10C becomes easy, the self-position of the rotary wing machine 10C can be quickly and finely corrected.
また、上述した例では、ローターユニットの各ローターの推力の向きを個別に反転させる機構は、ローター1a〜1dそれぞれの回転駆動方向を変えることによって実現されていた。しかし、これに限定されることなく、ローターユニットの各ローターの推力の向きを個別に反転させる機構は、ローター1a〜1dのピッチを可変とすることによっても実現できる。
In the above-described example, the mechanism for individually reversing the direction of thrust of each rotor of the rotor unit has been realized by changing the rotational drive directions of the
〔まとめ〕
本発明の態様1に係る回転翼機10は、ローター面Rが同一になるように1つまたは複数のローター1a〜1dが配置されたローターユニット1と、上記ローター1a〜1dの回転駆動出力を制御する出力制御部(システム10S)と、車輪部2と、上記ローターユニット1と上記車輪部2とを接続する接続部3とを備え、上記ローターユニット1の推力により地面を走行することが可能な回転翼機10であって、上記接続部3は、回転軸4を備え、上記ローターユニット1は、上記回転軸4を中心に、ローター面Rの向きが走行方向から鉛直方向までの間で変化するように回転動作し、上記ローター面Rにおいて、上記ローター1a〜1dは、上記回転軸4に対して非対称に配置されているとともに、上記ローターユニット1の重心Gは、上記回転軸4から、ローター面Rの法線に対し垂直な方向に離れて位置しており、上記ローター面Rの向きは、上記ローター1a〜1dの回転駆動が停止したとき、走行方向(X方向)に指向し、上記ローター1a〜1dが回転駆動しているとき、上記ローターユニット1の推力に応じて、上記回転軸4周りに回転し、走行方向(X方向)から鉛直方向(Y方向)側へ指向する構成である。なお、「上記接続部は、回転軸を備え、上記ローターユニットは、上記回転軸を中心に、ローター面の向きが走行方向から鉛直方向までの間で変化するように回転動作する」は、「上記接続部は、回転軸を備え、該回転軸を中心に、上記ローター面の向きは、走行方向から鉛直方向までの回転自由度で回転する」と表現することができる。
[Summary]
A
上記の構成によれば、上記ローターの回転駆動が停止した状態で、上記ローター面の向きは走行方向に指向しているので、ローターの回転駆動が停止した状態からローターを回転駆動すると、回転翼機は地面走行する。それゆえ、上記の構成によれば、地面走行に費やすエネルギー効率が高い回転翼機を実現することができる。 According to the above configuration, since the rotation of the rotor is stopped and the rotor surface is oriented in the traveling direction, when the rotor is driven to rotate from the state where the rotation of the rotor is stopped, the rotor blades are rotated. The machine travels on the ground. Therefore, according to the above configuration, it is possible to realize a rotary wing aircraft that has high energy efficiency for ground travel.
なお、ローターユニット1は、回転軸4を中心に回転自由に車輪部2に接続されている。それゆえ、ローター面Rの法線の向きは、ローター1a〜1dの出力と重力とのバランスによって調整される。
The
本発明の態様2に係る回転翼機10は、上記態様1において、上記ローター面Rの向きは、上記ローター1a〜1dの回転駆動が停止したとき、上記ローターユニット1の重心Gが上記回転軸4の鉛直方向(Y方向)の下側の位置にある状態で、走行方向(X方向)に指向し、上記ローター1a〜1dが回転駆動しているとき、上記ローターユニット1の推力により生じる上記回転軸4を中心とした上記ローターユニット1の回転力に応じて、走行方向(X方向)から鉛直方向(Y方向)側へ指向する構成であることが好ましい。
In the
上記の構成によれば、上記ローターの回転駆動が停止した状態では、上記ローター面の向きは、上記ローターユニットの重心が上記回転軸の鉛直方向の下側の位置にある状態で走行方向に指向している。それゆえ、上記の構成によれば、ローターの回転駆動が停止した状態からローターを回転駆動すると、回転翼機は地面走行する。それゆえ、上記の構成によれば、地面走行に費やすエネルギー効率が高い回転翼機を実現することができる。 According to the above configuration, in a state where the rotational drive of the rotor is stopped, the orientation of the rotor surface is oriented in the traveling direction in a state where the center of gravity of the rotor unit is at a lower position in the vertical direction of the rotation shaft. doing. Therefore, according to the above configuration, when the rotor is rotationally driven from the state where the rotational driving of the rotor is stopped, the rotary wing aircraft travels on the ground. Therefore, according to the above configuration, it is possible to realize a rotary wing aircraft that has high energy efficiency for ground travel.
本発明の態様3に係る回転翼機10は、上記態様1または2において、上記車輪部2が壁面に接触し、かつ上記ローター面Rの向きが走行方向(X方向)から鉛直方向(Y方向)側へ指向した状態で、ローターユニット1の推力により壁面を走行することが好ましい。
The
上記の構成によれば、効率よく壁面を走行することが可能な回転翼機を実現できる。 According to said structure, the rotary wing machine which can drive | work a wall surface efficiently is realizable.
本発明の態様4に係る回転翼機10は、上記態様1〜3において、上記ローターユニット1は、複数のローター1a〜1dを備えたマルチローターユニットである構成であることが好ましい。
It is preferable that the
上記の構成によれば、上記ローターユニットは、複数のローターを備えたマルチローターユニットであるので、例えば、回転翼機に発生する回転トルクをキャンセルすることができる。 According to said structure, since the said rotor unit is a multi-rotor unit provided with the several rotor, the rotational torque which generate | occur | produces in a rotary wing machine can be canceled, for example.
本発明の態様5に係る回転翼機10は、上記態様4において、上記出力制御部(システム10S)は、上記複数のローター1a〜1dそれぞれの回転駆動出力を一括制御する構成であってもよい。
The
上記の構成によれば、上記出力制御部は、上記複数のローターそれぞれの回転駆動出力を一括制御する構成であるので、出力制御部の構成の複雑化を防止することができる。 According to the above configuration, since the output control unit is configured to collectively control the rotational drive outputs of the plurality of rotors, it is possible to prevent the configuration of the output control unit from becoming complicated.
また、本発明の態様6に係る回転翼機10は、上記態様4において、上記出力制御部(システム10S)は、上記複数のローター1a〜1dそれぞれの回転駆動出力を個別に制御する構成であってもよい。
In addition, the
上記の構成によれば、上記出力制御部は、上記複数のローターそれぞれの回転駆動出力を個別に制御する構成であるので、ローターの回転駆動出力値及びそれに対応するローター面の指向方向の設定自由度が向上する。 According to the above configuration, the output control unit is configured to individually control the rotational drive output of each of the plurality of rotors, so that the rotational drive output value of the rotor and the corresponding orientation direction of the rotor surface can be freely set. The degree is improved.
本発明の態様7に係る回転翼機10は、上記態様6において、上記出力制御部(システム10S)は、上記複数のローター1a〜1dのうち一部のローター1a及び1dの回転駆動方向が他のローター1b及び1cの回転駆動方向と逆方向になるように制御する構成であることが好ましい。
In the
上記の構成によれば、上記一部のローターにより生じた推力の向きと、上記他のローターにより生じた推力の向きとは、互いに逆方向になる。これにより、上記の構成によれば、例えば、回転翼機10Cは、滑走せずに離陸することが可能になる。 According to the above configuration, the direction of the thrust generated by the part of the rotors and the direction of the thrust generated by the other rotors are opposite to each other. Thereby, according to said structure, 10 C of rotary wing machines can take off without sliding, for example.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention. Furthermore, a new technical feature can be formed by combining the technical means disclosed in each embodiment.
1 ローターユニット
1a、1b、1c、1d ローター
1e メインローター(ローター)
2 車輪部
3 接続部
4 回転軸
10、10A、10B、10C、100 回転翼機
10S システム(出力制御部)
1
2
Claims (7)
上記ローターの回転駆動出力を制御する出力制御部と、
車輪部と、
上記ローターユニットと上記車輪部とを接続する接続部とを備え、
上記ローターユニットの推力により地面を走行することが可能な回転翼機であって、
上記接続部は、回転軸を備え、上記ローターユニットは、上記回転軸を中心に、ローター面の向きが走行方向から鉛直方向までの間で変化するように回転動作し、
上記ローター面において、
上記ローターは、上記回転軸に対して非対称に配置されているとともに、
上記ローターユニットの重心は、上記回転軸から、ローター面の法線に対し垂直な方向に離れて位置しており、
上記ローター面の向きは、
上記ローターの回転駆動が停止したとき、走行方向に指向し、
上記ローターが回転駆動しているとき、上記ローターユニットの推力に応じて、上記回転軸周りに回転し、走行方向から鉛直方向側へ指向することを特徴とする回転翼機。 A rotor unit in which one or more rotors are arranged so that the rotor surfaces are the same;
An output control unit for controlling the rotational drive output of the rotor;
Wheels,
A connecting portion for connecting the rotor unit and the wheel portion;
A rotorcraft capable of traveling on the ground by the thrust of the rotor unit,
The connecting portion includes a rotating shaft, and the rotor unit rotates about the rotating shaft so that the orientation of the rotor surface changes from the traveling direction to the vertical direction,
In the rotor surface,
The rotor is disposed asymmetrically with respect to the rotation axis,
The center of gravity of the rotor unit is located away from the rotation axis in a direction perpendicular to the normal of the rotor surface,
The direction of the rotor surface is
When the rotational drive of the rotor stops, it is oriented in the running direction,
A rotary wing machine characterized in that, when the rotor is driven to rotate, the rotor unit rotates around the rotation axis in accordance with the thrust of the rotor unit and is directed from the traveling direction to the vertical direction side.
上記ローターの回転駆動が停止したとき、上記ローターユニットの重心が上記回転軸の鉛直方向の下側の位置にある状態で、走行方向に指向し、
上記ローターが回転駆動しているとき、上記ローターユニットの推力により生じる上記回転軸を中心とした上記ローターユニットの回転力に応じて、走行方向から鉛直方向側へ指向することを特徴とする請求項1に記載の回転翼機。 The direction of the rotor surface is
When the rotational drive of the rotor is stopped, the rotor unit is directed in the running direction with the center of gravity of the rotor unit being at the lower position in the vertical direction of the rotating shaft,
The rotor is directed from the running direction to the vertical direction according to the rotational force of the rotor unit centered on the rotational axis generated by the thrust of the rotor unit when the rotor is rotationally driven. The rotary wing machine according to 1.
Priority Applications (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017124691A (en) * | 2016-01-13 | 2017-07-20 | 公益財団法人鉄道総合技術研究所 | System for inspecting remote structure using small sized unmanned aircraft |
CN108116668A (en) * | 2017-11-24 | 2018-06-05 | 南京航空航天大学 | The land and air double-used more rotor manned aircraft of full electricity |
US10707794B2 (en) | 2017-09-14 | 2020-07-07 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Motor drive control device for a multicopter |
-
2015
- 2015-10-15 JP JP2015203806A patent/JP2017074868A/en active Pending
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