JP2018020742A - Flight vehicle, modification kit, control method and control program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、飛行体、飛行体の改造キット、飛行体の制御方法、及び、飛行体の制御プログラムに関する。 The present invention relates to a flying object, a flying object modification kit, a flying object control method, and a flying object control program.
従来、代表的な飛行体の形状として、飛行機等の固定翼式飛行体とヘリコプター等の回転翼式飛行体とがある。 Conventionally, as a typical shape of a flying body, there are a fixed wing type flying body such as an airplane and a rotary wing type flying body such as a helicopter.
固定翼式飛行体は、機体に取り付けられた主翼の揚力で浮上する飛行体である。すなわち、固定翼式飛行体は、略水平方向へ機体を推進する推進装置を有し、機体の前進時に、機体に取り付けられた主翼の周囲の気流が主翼上面と主翼下面の間に形成する差圧が揚力となる飛行体である。固定翼式飛行体は、エネルギー効率が良く、高速飛行が可能である点で有利である。ただし、離着陸に滑走路場を要するため、離着陸場の確保が難しいという不利益が有る。 A fixed-wing aircraft is an aircraft that ascends with the lift of the main wing attached to the aircraft. In other words, the fixed-wing aircraft has a propulsion device that propels the aircraft in a substantially horizontal direction, and the airflow around the main wing attached to the aircraft forms between the main wing upper surface and the main wing lower surface when the aircraft advances. A flying body in which pressure is lifted. A fixed-wing aircraft is advantageous in that it is energy efficient and can fly at high speed. However, since a runway is required for takeoff and landing, there is a disadvantage that it is difficult to secure a takeoff and landing field.
回転翼式飛行体は、回転翼によって必要な揚力や推力の全部あるいは一部を得て飛行する飛行体である。回転翼式飛行体は、垂直離着陸可能であるため離着陸に場所をとらず、小回りが利く点で有利である。また、いわゆるマルチコプターは、最低限必要な可動部品がモーターとローターブレードのみであり、ギアなどの機械的な構成部品が少ないため、信頼性が高く、振動ノイズが少ない点で有利である。ただ、固定翼式飛行体に比べると飛行速度が遅く、飛行時間や航続距離が短い点で不利益が有る。 A rotorcraft is a flying object that obtains all or a part of the lift and thrust required by the rotor and flies. Since the rotary wing type aircraft can take off and land vertically, it is advantageous in that it does not take a place for takeoff and landing and has a small turn. In addition, the so-called multicopter is advantageous in that it has high reliability and low vibration noise because the minimum necessary moving parts are only a motor and a rotor blade and there are few mechanical components such as gears. However, there are disadvantages in that the flight speed is slower than the fixed-wing aircraft and the flight time and cruising distance are short.
そこで、固定翼式飛行体と回転翼式飛行体を組み合わせた飛行体が種々提案されている。 Various proposals have been made for a combination of a fixed-wing aircraft and a rotary-wing aircraft.
例えば特許文献1には、固定翼および電動マルチローターを組み合わせた航空機が開示されている。この航空機は、航空機にマルチローターを組み合わせたものであり、離着陸時にマルチローターを用いて垂直離着陸を実現し、水平飛行時はローターを停止して固定翼動力係合固定翼機として設置されたローターにより水平飛行する。 For example, Patent Document 1 discloses an aircraft in which a fixed wing and an electric multi-rotor are combined. This aircraft is a combination of an aircraft and a multi-rotor, which realizes vertical take-off and landing using a multi-rotor during take-off and landing, and stops the rotor during horizontal flight and is installed as a fixed-wing power-engaged fixed-wing aircraft. To fly horizontally.
その他、ティルトローター方式の飛行体も実現されている。ティルトローター方式の飛行体は、回転翼軸の角度を変更可能として、回転翼により垂直浮上すること、及び、同じ回転翼の角度を変更して水平飛行を行うことが可能である。ティルトローター方式の飛行体は、固定翼式飛行体と回転翼式飛行体の特性を併せ持ち、回転翼式飛行体であるヘリコプターに比べて飛行速度、飛行時間及び航続距離を改善することができる。 In addition, a tilt-rotor type flying body has also been realized. The tilt rotor type flying body can change the angle of the rotor blade axis, and can fly vertically by the rotor blade, and can perform horizontal flight by changing the angle of the same rotor blade. The tilt rotor type aircraft has the characteristics of a fixed wing aircraft and a rotary wing aircraft, and can improve flight speed, flight time, and cruising distance compared to a helicopter that is a rotary wing aircraft.
しかしながら、従来提案されてきた固定翼式飛行体と回転翼式飛行体を組み合わせた飛行体は、いずれも水平飛行と垂直離着陸との間で遷移させる際の姿勢制御や操縦が難しい。また、ティルトローター式の飛行体は、回転翼の方向を切り替える可動部が多く、構造が複雑になる傾向があった。 However, any of the conventionally proposed fixed wing and rotary wing aircraft combinations is difficult to control and control when making transition between horizontal flight and vertical takeoff and landing. In addition, the tilt rotor type flying body has many movable parts that switch the direction of the rotor blades, and the structure tends to be complicated.
本発明は、前記課題に鑑みてなされたもので、回転翼と固定翼の双方を備える飛行体において、水平飛行と垂直離着陸との間で遷移させる際の姿勢制御や操縦の難しさを緩和することを目的とする。また、望ましくは、回転翼と固定翼の双方を備える飛行体の構造や可動部の簡素化を図る。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and eases the difficulty of attitude control and control when making a transition between horizontal flight and vertical takeoff and landing in an aircraft including both rotary wings and fixed wings. For the purpose. In addition, it is desirable to simplify the structure of the flying object including both the rotary wing and the fixed wing and the movable part.
本発明の態様の1つは、3以上の回転翼が取り付けられた機体と、前記機体に軸支された主翼と、前記機体に対する相対的な前記主翼の傾きを制御する制御部と、を備えることを特徴とする飛行体である。 One aspect of the present invention includes an airframe to which three or more rotor blades are attached, a main wing pivotally supported by the airframe, and a control unit that controls the inclination of the main wing relative to the airframe. It is a flying body characterized by this.
このように構成された飛行体は、従来の3以上の回転翼が取り付けられたいわゆるマルチコプター的な機体に、主翼と制御部とを追加した構成で実現される。従って、水平飛行と垂直離着陸との間で遷移させる際の姿勢制御や操縦は、マルチコプターと同様になる。そして、水平飛行時には主翼の角度を調整して主翼に発生する揚力を利用するため、回転翼の出力を低下すること可能であり、従来のマルチコプターに比べて飛行速度、飛行時間及び航続距離を改善することができる。また、本発明に係る飛行体は、主翼とその制御部との追加で実現できるため、従来のマルチコプターに追加すべき構造や可動部が少なく、回転翼と固定翼の双方を備える飛行体としては構造や可動部が簡素である。 The aircraft configured as described above is realized by a configuration in which a main wing and a control unit are added to a so-called multi-copter body to which three or more rotary wings are attached. Therefore, attitude control and maneuvering during transition between horizontal flight and vertical takeoff and landing are the same as for a multicopter. And, in the horizontal flight, the angle of the main wing is adjusted to use the lift generated in the main wing, so the output of the rotary wing can be reduced, and the flight speed, flight time and cruising distance can be reduced compared to conventional multicopters. Can be improved. In addition, since the flying body according to the present invention can be realized by adding the main wing and its control unit, there are few structures and moving parts to be added to the conventional multicopter, and the flying body has both the rotating wing and the fixed wing. The structure and moving parts are simple.
本発明の選択的な態様の1つは、前記主翼は、前記機体の重心を通る仮想的な第1軸に略垂直な方向に沿って延びる回転軸であって前記機体に固定された第2軸に軸支され、前記第1軸を通り前記第2軸を略垂直に横切る対称面について対称な形状であり、3以上の前記回転翼は、前記対称面に対称な位置関係、且つ前記重心を挟んで前記第1軸に沿う方向の両側にそれぞれ少なくとも1つずつ前記機体に取り付けられ、前記制御部は、水平に対する前記第1軸の傾きに応じて前記第2軸を中心とする前記主翼の傾きを制御する、飛行体である。 One of the optional aspects of the present invention is that the main wing is a rotation axis extending along a direction substantially perpendicular to a virtual first axis passing through the center of gravity of the airframe, and is fixed to the airframe. A symmetric surface that is supported by a shaft and that passes through the first axis and crosses the second axis substantially perpendicularly; and the three or more rotor blades have a symmetrical positional relationship with the symmetric surface and the center of gravity. At least one each on both sides in the direction along the first axis across the first axis, and the controller is configured to control the main wing about the second axis according to the inclination of the first axis with respect to the horizontal. It is a flying object that controls the tilt of the aircraft.
このように構成された飛行体においては、3以上の回転翼が取り付けられた機体に対する主翼の取り付け位置や向きが具体的に特定される。すなわち、3以上の回転翼が取り付けられた機体に、主翼によって生じる揚力を効果的に作用させる構成が実現される。従って、水平飛行時における回転翼の出力を効果的に低下させることが可能な飛行体が実現される。 In the aircraft configured as described above, the attachment position and orientation of the main wing with respect to the airframe to which three or more rotary wings are attached are specifically specified. In other words, a configuration in which the lift generated by the main wing is effectively applied to the airframe on which three or more rotary wings are attached is realized. Therefore, a flying object capable of effectively reducing the output of the rotary wing during horizontal flight is realized.
本発明の選択的な態様の1つは、前記第1軸に沿う方向において、当該飛行体の重心と前記主翼の揚力中心とが一致していることを特徴とする飛行体である。 One of the selective aspects of the present invention is a flying body characterized in that the center of gravity of the flying body and the center of lift of the main wing coincide with each other in the direction along the first axis.
このように構成された飛行体においては、飛行体の重心と主翼が生じる揚力中心とが一致しているため、飛行体にかかる重力とほぼ反対方向に揚力が発生し、回転翼の揚力によって飛行体の重量を支持する割合が低下することはもちろん、飛行体にかかる重力と主翼の揚力との非均衡を回転翼の出力調整でバランスさせる必要もなく、水平飛行の制御が極めて容易になる。 In a flying object constructed in this way, the center of gravity of the flying object and the center of lift generated by the main wing coincide with each other, so lift occurs in the direction almost opposite to the gravity applied to the flying object. Of course, the ratio of supporting the weight of the body is reduced, and it is not necessary to balance the imbalance between the gravity applied to the flying body and the lift of the main wing by adjusting the output of the rotary wing.
本発明の選択的な態様の1つは、前記第1軸に沿う方向において、当該飛行体の重心と前記主翼の揚力中心とが異なることを特徴とする飛行体である。 One of the selective aspects of the present invention is a flying object characterized in that the center of gravity of the flying object and the lift center of the main wing are different in the direction along the first axis.
このように構成された飛行体においては、飛行体の滑空性能を安定させたり、飛行体の機動性を高めたりすることができる。すなわち、従来の旅客機などの飛行機のように重心よりも前方に主翼の揚力中心を設けた場合には飛行体の滑空性能が安定し、従来の戦闘機などの飛行機のように重心よりも後方に主翼の揚力中心を設けた場合には飛行体の機動性が高まる。 In the aircraft configured as described above, the glide performance of the aircraft can be stabilized, and the mobility of the aircraft can be improved. In other words, when the center of lift of the main wing is provided in front of the center of gravity as in a conventional airplane such as a passenger aircraft, the glide performance of the flying object is stable, and in the rear of the center of gravity as in a conventional airplane such as a fighter aircraft. When the center of lift of the main wing is provided, the mobility of the flying body is enhanced.
本発明の選択的な態様の1つは、前記主翼は、基部と、当該基部とは異なる傾きに調整可能な補助翼と、を有し、前記補助翼は、前記主翼において、本飛行体の進行方向後方側に設けられている、ことを特徴とする飛行体である。 One of the optional aspects of the present invention is that the main wing includes a base and an auxiliary wing that can be adjusted to a different inclination from the base. It is a flying body characterized by being provided on the rear side in the traveling direction.
このように構成された飛行体においては、主翼の後部に設けた補助翼の傾きを適宜に調整することで、機体のロール軸を中心とした回転運動を制御することができる。すなわち、主翼まわりの気流に応じて補助翼の傾きを適宜に制御することで飛行を安定させる揚力とすることができる。また、補助翼を主翼の後部において左右別体にすることで、補助翼の制御により、飛行機のロール軸周りのローリング飛行を行ったり旋回飛行を行ったりすることができる。 In the flying body configured as described above, the rotational motion around the roll axis of the fuselage can be controlled by appropriately adjusting the inclination of the auxiliary wing provided at the rear of the main wing. That is, it is possible to obtain lift that stabilizes flight by appropriately controlling the inclination of the auxiliary wing according to the airflow around the main wing. In addition, by making the auxiliary wings separately on the left and right sides at the rear of the main wing, it is possible to perform rolling flight around the roll axis of the airplane or to perform turning flight by controlling the auxiliary wing.
本発明の選択的な態様の1つは、前記制御部は、垂直離着陸時に、前記主翼の傾きを略鉛直方向に調整する、ことを特徴とする飛行体である。 One of the selective aspects of the present invention is an air vehicle in which the control unit adjusts the inclination of the main wing in a substantially vertical direction during vertical takeoff and landing.
このように構成された飛行体においては、飛行体が垂直離着陸する際の主翼の空気抵抗が最小化し、垂直離着陸時の回転翼の出力を効率化できる。また、垂直離着陸の際に、主翼の空気抵抗によって生じる飛行体のふらつき等が小さくなり、回転翼の出力の制御が容易になる。 In the thus configured flying body, the air resistance of the main wing when the flying body makes vertical takeoff and landing is minimized, and the output of the rotary wing at the time of vertical takeoff and landing can be made efficient. Further, during vertical takeoff and landing, the flying of the flying object caused by the air resistance of the main wing is reduced, and control of the output of the rotary wing is facilitated.
本発明の選択的な態様の1つは、前記制御部は、前記主翼のうち、前記飛行体の重心を挟んで一方側に設けられた第1部分と、前記飛行体の重心を挟んで他方側に設けられた第2部分と、で傾きを独立に制御することを特徴とする飛行体である。また、前記制御部は、前記回転翼が特定の状態になったことを検知すると、前記第1部分と前記第2部分とで水平方向に対して傾きが互いに逆になるように制御してもよい。 One of the selective aspects of the present invention is that the control unit includes a first portion of the main wing provided on one side with the center of gravity of the flying object interposed therebetween, and the other portion with the center of gravity of the flying object interposed therebetween. And a second portion provided on the side, wherein the inclination is independently controlled. Further, when the control unit detects that the rotor blade is in a specific state, the control unit may control the inclinations of the first part and the second part to be opposite to each other in the horizontal direction. Good.
このように構成された飛行体においては、第1部分と第2部分とを独立に制御することで、機体のロール軸を中心とした回転運動を制御することができる。また、飛行機のロール軸周りのローリング飛行を行ったり旋回飛行を行ったりすることができる。また、回転翼が特定の状態(回転翼の不具合、停止、等)になった場合に、前記第1部分と前記第2部分とで水平方向に対して傾きが互いに逆に制御し、落下中に加わる空気抵抗を主翼の第1部分及び第2部分でそれぞれ受けて飛行体を回転させることで、落下速度の緩和と落下時の姿勢の安定を図り、飛行体の落下衝撃を緩和した不時着を実現することができる。 In the aircraft configured as described above, the rotational motion around the roll axis of the airframe can be controlled by independently controlling the first portion and the second portion. Further, it is possible to perform rolling flight around the roll axis of the airplane or to make a turning flight. In addition, when the rotor blades are in a specific state (rotor blade malfunction, stop, etc.), the first part and the second part are controlled so that the inclination is opposite to the horizontal direction and falling. The air resistance applied to the aircraft is received by the first and second parts of the main wing, respectively, and the aircraft is rotated to reduce the falling speed and stabilize the attitude at the time of falling. Can be realized.
本発明の他の態様の1つは、3以上の回転翼が取り付けられた機体を持つ飛行体の改造キットであって、前記機体に軸支される主翼と、前記機体に対する相対的な前記主翼の傾きを制御する制御部と、を含んで構成される改造キットである。 Another aspect of the present invention is a flying body modification kit having a fuselage to which three or more rotor blades are attached, the main wing pivotally supported by the fuselage, and the main wing relative to the fuselage. And a control kit for controlling the inclination of the remodeling kit.
すなわち、本発明は、3以上の回転翼が取り付けられた機体を持つ飛行体に追加する、主翼と制御部とを含む飛行体の改造キットとしても把握される。このような改造キットによれば、既存の3以上の回転翼が取り付けられたマルチコプターを本発明に係る主翼を有する飛行体に容易に改造可能であり、水平飛行時の回転翼の出力を低下し、飛行速度、飛行時間及び航続距離を改善することができる。 That is, the present invention can also be understood as a flying body modification kit including a main wing and a control unit, which is added to a flying body having a fuselage to which three or more rotor blades are attached. According to such a remodeling kit, it is possible to easily remodel a multicopter equipped with three or more existing rotor blades into a flying body having a main wing according to the present invention, and reduce the output of the rotor blades during horizontal flight. In addition, the flight speed, flight time and cruising range can be improved.
本発明の他の態様の1つは、3以上の回転翼が取り付けられた機体と、前記機体に軸支された主翼と、前記機体に対する相対的な前記主翼の傾きを制御する制御部と、を備える飛行体の制御方法であって、前記制御部は、前記飛行体が水平飛行する際に、水平に対して一定の傾きを維持するように前記主翼の傾きを制御することを特徴とする制御方法である。 One of the other aspects of the present invention includes an airframe having three or more rotor blades attached thereto, a main wing pivotally supported by the airframe, and a control unit that controls the inclination of the main wing relative to the airframe. A control method for a flying object comprising: the control unit controlling the inclination of the main wing so as to maintain a constant inclination with respect to the horizontal when the flying object is horizontally flying. It is a control method.
すなわち、本発明は、3以上の回転翼が取り付けられた機体に軸支された主翼の傾きを制御する制御方法としても把握される。 That is, the present invention can be understood as a control method for controlling the inclination of the main wing pivotally supported by the airframe to which three or more rotor blades are attached.
本発明の他の態様の1つは、3以上の回転翼が取り付けられた機体と、前記機体に軸支された主翼と、前記機体に対する相対的な前記主翼の傾きを制御する制御部と、を備える飛行体の制御プログラムであって、前記飛行体が水平飛行中において、水平に対して一定の傾きを維持するように前記主翼の傾きを制御する機能を前記制御部に実現させることを特徴とする制御プログラムである。 One of the other aspects of the present invention includes an airframe having three or more rotor blades attached thereto, a main wing pivotally supported by the airframe, and a control unit that controls the inclination of the main wing relative to the airframe. A control program for a flying object comprising: the control unit realizing a function of controlling the inclination of the main wing so that the flying object maintains a constant inclination with respect to the horizontal during a horizontal flight. Is a control program.
すなわち、本発明は、3以上の回転翼が取り付けられた機体に軸支された主翼の傾きを制御する制御部において実行される制御プログラムとしても把握される。 That is, the present invention can also be understood as a control program executed in a control unit that controls the inclination of the main wing pivotally supported by the airframe to which three or more rotor blades are attached.
以上説明した飛行体や改造キットは、他の機器や他の改造キットに組み込まれた状態で実施されたり他の方法とともに実施されたりする等の各種の態様を含む。また、上述した制御方法は、他の方法の一環として実施される等の各種の態様を含む。また、上述した制御プログラムは、該制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体、等としても実現可能である。 The above-described flying object and remodeling kit include various modes such as being implemented in a state of being incorporated in another device or another remodeling kit, or being performed together with other methods. Moreover, the control method mentioned above includes various aspects, such as being implemented as a part of another method. The control program described above can also be realized as a computer-readable recording medium that records the control program.
本発明によれば、回転翼と固定翼の双方を備える飛行体において、水平飛行と垂直離着陸とを遷移させる際に姿勢制御や操縦の難しさを緩和することができる。 According to the present invention, it is possible to alleviate the difficulty of attitude control and maneuvering when a transition is made between a horizontal flight and a vertical takeoff and landing in an aircraft including both rotary wings and fixed wings.
以下、下記の順序に従って本技術を説明する。
(A)第1の実施形態:
(B)第2の実施形態:
(C)第3の実施形態:
(D)第4の実施形態:
(E)第5の実施形態:
Hereinafter, the present technology will be described in the following order.
(A) First embodiment:
(B) Second embodiment:
(C) Third embodiment:
(D) Fourth embodiment:
(E) Fifth embodiment:
(A)第1の実施形態:
図1〜図3は本実施形態に係る飛行体100の外観を示す図であり、図1は斜視図、図2は正面図、図3が前方斜視図である。図1〜図3には、3つの回転翼を有するいわゆるトライコプターに主翼及び主翼傾角の制御部材を追加したタイプの飛行体100を示してあるが、後述するように、4つ以上の回転翼を持つマルチコプターに主翼及び主翼傾角の制御部材を追加した飛行体としてもよい。なお、以下では図中に示す方向(前後左右上下)を用いて説明を行う場合がある。
(A) First embodiment:
1-3 is a figure which shows the external appearance of the flying
飛行体100は、概略、機体10、3以上の複数の回転翼(図1においては3つの回転翼20a〜20c)、主翼30、主翼駆動部40、制御部50、及び、電源60を備える。なお、主翼駆動部40と制御部50を合わせて主翼30の傾きを制御する制御部と把握することもできる。電源60は、回転翼20a〜20c、主翼駆動部40及び制御部50に対して直接又は間接的に電力を供給する。その他、図1〜図3に示す例では、着陸時に飛行体100を着陸面上で所定の姿勢に支持する脚部70a〜70cを設けてある。
The flying
機体10の形状及び構造は、様々なものを採用可能であるが、軽量であって後述する垂直離着陸や水平飛行の際の空気抵抗が少ないことが望ましく、人員や貨物を収容搬送する必要が無い場合は、例えば、線状の部材を組み合わせて骨組状の構造体とすることが考えられる。
Various shapes and structures of the
主翼30は、第2軸A2を介して機体10に軸支されている。第2軸A2は、飛行体100の重心GCを通る仮想的な第1軸A1に略垂直な方向に沿って延びる回転軸であり、機体10に固定された軸孔部材11の軸孔に軸回転自在に挿通されている。主翼30が第2軸A2を中心にして回転することで、その腹側翼面31と機体10との相対的な角度を変化することができる。このように、主翼30は、機体10に固定されて機体10との相対的な位置関係が変化しない第2軸A2を介して機体10に軸支されており、第2軸A2を介して機体10に対する相対的な傾きを変化できる構造になっている。
The
主翼30は、第1軸A1を通り第2軸A2を略垂直に横切る面である対称面Mについて対称な形状となっている。図1に示す方向で言えば、主翼30は対称面Mについて左右対称な形状である。図1〜図3に示す主翼30としては、対称面Mに沿う方向の断面形状が一般によく知られた前縁が丸く後縁が尖った断面形状としてある。
The
主翼30は、第2軸A2を回転軸とする主翼30の回転軌道上に位置する機体10の一部又は全部との干渉を避けるべく、一部に切欠部を設けてもよい。図1〜図3に示す例では、左右方向略中央の後方側縁部を前方に向かって切り欠いた切欠部32を設けてある。これにより、第2軸A2を回転軸とする主翼30が機体10と干渉せずに回転可能な範囲が拡大し、主翼30の傾き調整に係る自由度が向上する。
The
回転翼20a〜20cは、各回転翼が機体10に加える上昇力の作用点が、対称面Mについて対称な位置関係となるように機体10に取り付けられる。また、回転翼20a〜20cは、平面視において、回転翼20a〜20cを結ぶ仮想的な多角形(図1〜図3では三角形)が重心GCを囲う位置関係で機体10に取り付けられる。より好ましくは、回転翼20a〜20cを結ぶ仮想的な多角形の重心と重心GCとが略一致する位置関係とする。これにより、回転翼20a〜20cは、上昇/下降/水平飛行等の飛行時に、機体10のバランス保持が容易となる。
The
また、回転翼20a〜20cは、第1軸A1に沿う方向において重心GCを挟んで両側(前方と後方)に分散させて機体に取り付けられている。図1に示す例では、第1軸A1に沿う方向において、重心GCを挟んで前方の機体10に回転翼20a,20bが取り付けられ、重心GCを挟んで後方の機体10に回転翼20cが取り付けられている。このように、第1軸A1に沿う方向において重心GCを挟んで両側に分散させて回転翼を設けることで、垂直方向への移動と水平方向の移動との切り替えが可能になる。
Further, the
重心GCより前方に配設される回転翼20a,20bは、対称面Mを挟んで左右に離間させて対称配置されている。このように左右に離間して対称配置された回転翼20a,20bは、その回転方向を互いに逆方向にしてある。一方、重心GCよりも後方に配設される回転翼20cは、左右方向の略中央(対称面Mが横切る位置)に配設されている。左右方向略中央に配設された回転翼20cは、図4に示すような、回転翼20cの傾きを自動調整するチルト機構12を介して機体10に取り付けられている。チルト機構12は、後述するサーボSv1を有し、制御部50の制御により、回転翼20cの回転の反作用として回転速度に応じて発生する捩れ力を相殺する方向に自動的に角度を調整される。
The
回転翼20a〜20cは、回転翼20a,20bの回転面に沿う面を平面視した場合に、主翼30と重複しない位置に設けられている。本実施形態では、回転翼20a,20bは、その回転面が機体10の第1軸A1と略平行となるように配設されている。従って、飛行体100の平面視においても主翼30と回転翼20a〜20cとが互いに重複しない位置関係である。これにより、主翼30及び回転翼20a〜20cの安定性が向上し、主翼30が発生する揚力が安定し、回転翼20a〜20cの出力も安定する。
The
主翼30は、制御部50によって、水平に対する第1軸A1の傾きに応じて、第2軸A2を回転軸とする機体10に対する相対的な傾きを制御される。具体的には、主翼30が、水平に対して一定の傾きを維持するように傾きを制御される。この一定の傾きは主翼30の形状等に応じて様々であるが、例えば主翼30を略水平に維持したときに所望の揚力が得られる形状の場合は、制御部50は、主翼30が略水平を維持するように主翼30の傾きを制御する。
The
飛行体100全体の重心GCと主翼30の揚力中心LCは、図5に示すように、機体10及び主翼30を水平に保った状態で第1軸A1に沿う方向において略一致している。これにより、飛行体100が水平飛行する際に飛行体100に加わる重力と主翼30に生じる揚力とがほぼ正確に相殺し合う構造が実現されることになり、重力と揚力の作用点の違いにより飛行体100に生じる回転を抑制するべく回転翼20a〜20cの出力を調整する必要が無い。従って、回転翼20a〜20cの出力制御が容易になる。
As shown in FIG. 5, the center of gravity GC of the entire flying
主翼駆動部40は、第2軸A2を回転軸とする主翼30と機体10の間の角度を調整する。本実施形態では、図6に示すように、回転サーボ41とリンク機構42とで主翼駆動部40を構成しており、回転サーボ41及びリンク機構42を介して機体10と主翼30とを接続してある。図において、リンク機構42の一端は、主翼30の第2軸A2から離間した主翼30の尾部33付近に軸支され、リンク機構42の他端は回転サーボ41の回転円盤41aに固定されている。
The main
回転サーボ41は、制御部50の制御により、回転サーボ41の内部に固定されたモーターが駆動される。上述した回転円盤41aはこのモーターの回転軸に固定されており、制御部50の制御に従って回転円盤41aが回転駆動される。これにより、回転円盤41aに一端を固定されたリンク機構42のジョイント部42aの屈曲角が可変され、機体10に対する相対的な主翼30の相対的な傾きが可変される。
The
このように、制御部50は、主翼駆動部40を制御して、機体10に対する相対的な主翼30の傾きを制御する。本実施形態では、制御部50は、主翼駆動部40の回転サーボ41に目標回転角度を示す制御信号を入力し、回転サーボ41が主翼30と機体10の間の相対的な角度を制御する。また、制御部50は、各回転翼20a〜20cの回転速度の制御も行う。
Thus, the
図7は、制御部50の機能の概略を説明するブロック図である。同図に示すように、制御部50は、制御用コンピュータ51、3軸加速度センサ52、3軸ジャイロセンサ53、受信部54を備えている。制御用コンピュータ51は、内蔵するメモリに記録された制御プログラムにより回転翼20a〜20cの回転数や主翼30の傾きを制御する。制御用コンピュータ51の入出力回路51a〜51eには、それぞれ回転翼20a〜20cのモータアンプAmp1〜Amp3、回転翼20cのヨー軸の傾きを調整するサーボSv1、及び、主翼30の傾きを調整する主翼駆動部40の回転サーボ41、がそれぞれ接続されている。
FIG. 7 is a block diagram illustrating an outline of functions of the
制御部50は、主に3軸ジャイロセンサ53の出力する角速度の積算により得られる角度情報を用いて機体10のピッチ軸周りの水平方向に対する傾きを検出する。機体10のピッチ軸は、上述した第2軸A2に沿う方向に延びている。また、制御部50は、3軸ジャイロセンサ53のオフセット量を、3軸加速度センサ52の出力する静的な傾き情報を用いて補正する。これにより、制御部50は、機体10のピッチ軸周りの傾きを正確に検出することができる。
The
制御部50は、3軸ジャイロセンサ53及び3軸加速度センサ52を用いて取得する角度情報を用いて回転サーボ41を制御する。その際、機体10の水平方向に対する傾きである角度情報を、変換式や変換テーブル等を用いて回転サーボ41の回転量を示す情報に変換して回転サーボ41へ入力する。回転サーボ41は、入力された回転量を示す情報に応じた角度を回転し、主翼30の角度を可変する。
The
なお、飛行体100のは外部からラジオコントロールにより制御される構成としてもよく、この場合、制御部50には、ラジオコントロール信号の搬送波に乗せて送信される制御信号を受信するための受信部を設ける。
The
次に、飛行体100の飛行状態に応じた主翼駆動部40及び回転翼20a〜20cの制御について説明する。図8,図9は、離着陸時及び水平飛行時における飛行体100の形状を説明する図である。
Next, control of the main
まず、離陸時は、図8に示すように、主翼30を略水平(図では、機体10に対しても平行)に保つように主翼駆動部40を制御する。この状態で各回転翼20a〜20cの出力をバランスさせつつ出力を上昇させると、飛行体100全体がバランスを保ちつつ離陸上昇する。
First, at the time of takeoff, as shown in FIG. 8, the main
次に、離陸後、水平飛行を行う際は、図9に示すように、回転翼20a,20bの出力を回転翼20cの出力に比べて小さくして機体10を前傾させ、その後、回転翼20a,20bと回転翼20cの出力とをバランスさせることで、その前傾度合いを維持しつつ水平飛行を行うことができる。機体10の傾きが大きい程、回転翼20a〜20cの推進力が含む水平分力の割合(垂直上方へ向かう分力に対する比率)が大きくなり、水平飛行速度が上昇する。
Next, when performing horizontal flight after takeoff, as shown in FIG. 9, the output of the
このとき、主翼30は、その周囲を流れる風で揚力が発生するような水平方向に対して一定の傾きに維持されている。機体10に対する角度としては、機体10全体が前傾しているため、主翼30はその尾部33を機体10に近づけるように後傾した状態となる。制御部50は、一定時間置きに機体10の傾きを検出し、その傾きに応じて主翼30の傾きを調整する。このように、主翼30に揚力が発生する傾きに主翼30が自動的に調整されるため、従来の回転翼の揚力のみで水平飛行するマルチコプターに比べて、主翼30の揚力の分だけ回転翼20a〜20cによる上昇力を低下させることができる。すなわち、回転翼20a〜20cによって生じる上昇力を低下できるため、その分、出力を低下させたり、水平方向の推力を高めたりすることができる。
At this time, the
なお、上述した実施形態では回転翼の数が3つの場合を例に取り説明したが、飛行体100としては、例えば図10に示すように、4つの回転翼を持つクアッドコプター(図10(a))、6つの回転翼を持つヘキサコプター(図10(b))、8つの回転翼を持つオクタコプター(図10(c))等であってもよい。これらの場合でも、飛行体に主翼及び主翼傾角の制御部材を取り付けることで、上述した実施形態と同様に、水平飛行と垂直離着陸との間で遷移させる際の姿勢制御や操縦の難しさを緩和し、回転翼と固定翼の双方を備える飛行体の構造や可動部の簡素化を図り、従来のマルチコプターに比べて飛行速度、飛行時間及び航続距離を改善できる。
In the above-described embodiment, the case where the number of rotor blades is three has been described as an example. However, as the flying
(B)第2の実施形態:
図11は、本実施形態に係る飛行体200の構造を説明する図である。同図に示す飛行体200は、主翼の形状を除くと第1の実施形態に係る飛行体100と同様の構成であるため、主翼以外の構成には飛行体100と同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
(B) Second embodiment:
FIG. 11 is a diagram illustrating the structure of the flying
飛行体200の主翼230は、その左右方向略中央の後方側縁部を前方に向かって切り欠いた切欠部232を設けてある。切欠部232は、後方側縁部から長さd0以上で形成されている。長さd0は、第2軸A2から主翼30の後方側縁部までの長さd1から、第2軸A2から機体10の第1軸A1に向けて下ろした垂線の長さd2を差し引いた長さである。これにより、第2軸A2を回転軸として主翼230を機体10の第1軸A1と略直交する角度まで傾かせることができる。
The
従って、飛行体200が垂直離着陸する際に、主翼230を略鉛直方向(機体10と略直交する角度)まで調整し、飛行体200の垂直離着陸時に主翼230によって生じる空気抵抗を最小化させ、垂直離着陸時の回転翼の出力を効率化できる。また、垂直離着陸の際に、主翼の空気抵抗によって生じる飛行体のふらつき等が小さくなり、回転翼の出力の制御が容易になる。
Therefore, when the flying
(C)第3の実施形態:
図12は、本実施形態に係る飛行体300の構造を説明する図である。同図に示す飛行体300は、主翼の形状を除くと第1の実施形態に係る飛行体100と同様の構成であるため、主翼以外の構成には飛行体100と同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
(C) Third embodiment:
FIG. 12 is a diagram illustrating the structure of the flying
飛行体300の主翼330は、基部331と、当該基部331とは異なる傾きに調整可能な補助翼332と、を有する。補助翼332は、主翼330において、本飛行体300の進行方向後方側に設けられている。このとき、主翼330の揚力中心LCと飛行体300の重心GCとは、前後にずらしておく。
The
従来の旅客機などの飛行機のように水平方向における移動安定性を重視する場合は、図14に示すように、第1軸A1に沿う方向において重心GCが揚力中心LCより進行方向前方側に位置させる。そして、上述した補助翼332の基部331に対する傾きを調整することで、滑空機としての機能を飛行体300の持たせることができる。逆に、従来の戦闘機などの飛行機のように機動性を重視する場合は、第1軸A1に沿う方向において重心GCよりも後方に揚力中心LCを設ける。
When importance is attached to the movement stability in the horizontal direction as in a conventional airplane such as a passenger aircraft, the center of gravity GC is positioned forward of the lift center LC in the direction along the first axis A1, as shown in FIG. . Then, by adjusting the inclination of the
(D)第4の実施形態:
図13は、本実施形態に係る飛行体400の構造を説明する図である。同図に示す飛行体400は、主翼の形状と主翼駆動部の数を除くと第1の実施形態に係る飛行体100と同様の構成であるため、主翼以外の構成には飛行体100と同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
(D) Fourth embodiment:
FIG. 13 is a diagram illustrating the structure of the flying
本実施形態では、主翼430が左右に分かれて設けられている。すなわち、飛行体400の重心GCを挟んで一方側(例えば左側)に設けられた第1部分(左主翼430L)と、飛行体400の重心GCを挟んで他方側(例えば右側)に設けられた第2部分(右主翼430R)と、に分離した形状とする。
In the present embodiment, the main wing 430 is provided separately on the left and right. That is, the first portion (left
左主翼430Lと右主翼430Rは、いずれも第2軸A2を中心に回動可能である。機体10には、左主翼430Lの傾きを制御する左主翼駆動部440L(不図示)と、右主翼430Rの傾きを制御する右主翼駆動部440R(一部不図示)とを有する。左主翼駆動部440Lと右主翼駆動部440Rは、上述した主翼駆動部40と同様の構成とする。これにより、制御部50は、左主翼430Lの傾きと、右主翼430Rの傾きとを、独立に調整することができる。
The left
従って、左主翼430Lと右主翼430Rとを互いに異なる傾きに調整すると、主翼430の調整により飛行体400を左に旋回させたり右に旋回させたりすることができる。また、互いに異なる揚力が発生するように左主翼430Lの傾きと右主翼430Rの傾きを調整することで、横風に晒された際に飛行体400の安定性を取り戻すことができる。
Therefore, when the left
また、回転翼20a〜20cが特定の状態(回転翼の不具合、停止、等)になった場合に、左主翼430Lと右主翼430Rとを、水平面を挟んで互いに逆の傾きとなるように調整することもできる。これにより、回転翼20a〜20cが特定の状態になった場合に、落下中に加わる空気抵抗を互いに異なる傾きの左主翼430Lと右主翼430Rで受けて飛行体を回転させることで、落下速度の緩和と落下時の体勢の安定を図り、飛行体の落下衝撃を緩和して不時着を実現することができる。
Further, when the
(E)第5の実施形態:
以上説明した各実施形態に係る機体10以外の部分は、既存のマルチコプターに後から取り付ける改造キットとして実現してもよい。すなわち、上述した主翼、機体に対する主翼の傾きを調整する主翼駆動部、主翼駆動部に制御信号を入力する制御部、及び、これらを既存のマルチコプターに取り付けるための取付具をまとめて改造キットとしてもよい。このような改造キットによって、本実施形態に記載のような傾き調整可能な主翼を持たない既存のマルチコプターも、後から本実施形態のような傾き調整可能な主翼を持つマルチコプターに改造することができる。
(E) Fifth embodiment:
Portions other than the
なお、本発明は上述した各実施形態に限られず、上述した各実施形態の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、公知技術並びに上述した各実施形態の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、等も含まれる。また,本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されず,特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes configurations in which the configurations disclosed in the above-described embodiments are mutually replaced or combinations are changed, known techniques, and the above-described embodiments. Also included are configurations in which the configurations disclosed in 1 are replaced with each other or combinations are changed. Further, the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but extends to the matters described in the claims and equivalents thereof.
10…機体、11…軸孔部材、20a〜20c…回転翼、30…主翼、31…腹側翼面、32…切欠部、40…主翼駆動部、41…回転サーボ、42…リンク機構、50…制御部、51…制御用コンピュータ、51a〜51d…入出力回路、52…3軸加速度センサ、53…3軸ジャイロセンサ、54…受信部、60…電源、70a〜70c…脚部、100…飛行体、200…飛行体、230…主翼、232…切欠部、300…飛行体、330…主翼、331…基部、332…補助翼、400…飛行体、430…主翼、430L…左主翼、430R…右主翼、440L…左主翼駆動部440R…右主翼駆動部、A1…第1軸、A2…第2軸、GC…重心、LC…揚力中心、M…対称面
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記機体に軸支された主翼と、
前記機体に対する相対的な前記主翼の傾きを制御する制御部と、
を備えることを特徴とする飛行体。 A fuselage with three or more rotor blades attached;
A main wing pivotally supported by the airframe;
A control unit for controlling the inclination of the main wing relative to the airframe;
A vehicle characterized by comprising:
3以上の前記回転翼は、前記対称面に対称な位置関係、且つ前記重心を挟んで前記第1軸に沿う方向の両側にそれぞれ少なくとも1つずつ前記機体に取り付けられ、
前記制御部は、水平に対する前記第1軸の傾角に応じて前記第2軸を中心とする前記主翼の傾きを制御する、
請求項1に記載の飛行体。 The main wing is a rotary shaft that extends along a direction substantially perpendicular to a virtual first axis that passes through the center of gravity of the airframe, and is pivotally supported by a second shaft that is fixed to the airframe, and passes through the first axis. A symmetrical shape about a plane of symmetry that intersects the second axis substantially perpendicularly;
The three or more rotor blades are attached to the airframe at least one each on both sides in the direction along the first axis with the symmetric position relative to the symmetry plane and the center of gravity interposed therebetween,
The control unit controls the inclination of the main wing about the second axis according to the inclination angle of the first axis with respect to the horizontal.
The flying object according to claim 1.
前記補助翼は、前記主翼において、本飛行体の進行方向後方側に設けられている、ことを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の飛行体。 The main wing has a base and an auxiliary wing that can be adjusted to a different inclination from the base,
The aircraft according to any one of claims 1 to 4, wherein the auxiliary wing is provided on the main wing on the rear side in the traveling direction of the aircraft.
前記機体に軸支される主翼と、
前記機体に対する相対的な前記主翼の傾きを制御する制御部と、
を含んで構成される改造キット。 A flying kit with a fuselage with three or more rotors attached,
A main wing pivotally supported by the airframe;
A control unit for controlling the inclination of the main wing relative to the airframe;
A remodeling kit composed of
前記制御部は、前記飛行体が水平飛行する際に、水平に対して一定の傾きを維持するように前記主翼の傾きを制御することを特徴とする制御方法。 An aircraft control method comprising: an aircraft to which three or more rotor blades are attached; a main wing pivotally supported by the aircraft; and a control unit that controls the inclination of the main wing relative to the aircraft,
The said control part controls the inclination of the said main wing so that a fixed inclination with respect to the horizontal may be maintained, when the said flight body flies horizontally.
前記飛行体が水平飛行中において、水平に対して一定の傾きを維持するように前記主翼の傾きを制御する機能を前記制御部に実現させることを特徴とする制御プログラム。 A vehicle control program comprising: a fuselage to which three or more rotor blades are attached; a main wing pivotally supported by the fuselage; and a control unit that controls a tilt of the main wing relative to the fuselage,
A control program for causing the control unit to realize a function of controlling the inclination of the main wing so as to maintain a constant inclination with respect to the horizontal while the flying object is in horizontal flight.
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