JP2018086916A - Flight vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、飛行体に関する。 The present invention relates to a flying object.
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、主翼の両端のそれぞれに機軸に直交する水平軸まわりに回転可能に対をなすローターを装置し、胴体最後部に機軸に直交する水平軸まわりに回転可能に1個のローターを装置した航空機が開示されている。この航空機では、離着陸時及びホバリング時には、3つのローターをいずれもその回転面がほぼ水平面内にあるように回転させて用い、機体が水平飛行に移る場合や水平飛行から前進速度を落して着陸する場合においては、従来のティルトローターと同様に3つのローターの回転面を約90°偏向して鉛直方向に回転させて用いる。
For example, in
また、例えば、特許文献2には、胴体の長手方向軸にほぼ沿って配置された少なくとも2つの駆動されるローターを備えた航空機が開示されている。ローターユニットは回転台座または枢動台座を介して胴体に結合され、回転ユニットを動かすことで、航空機はホバーモードから移行モードにおよび次いで前進飛行モードに移行し、また戻ることが可能である。ホバーモードにある間は、ローターは、胴体に対して主に下方向に配向された推力を生成し得る。前進飛行モードにある間は、ローターは、主に胴体の後部方向に配向された中心線推力を発生させ得る。 Further, for example, Patent Document 2 discloses an aircraft including at least two driven rotors arranged substantially along the longitudinal axis of the fuselage. The rotor unit is coupled to the fuselage via a rotating pedestal or pivoting pedestal, and by moving the rotating unit, the aircraft can transition from hover mode to transition mode and then forward flight mode and back. While in hover mode, the rotor may generate thrust that is oriented primarily downward with respect to the fuselage. While in forward flight mode, the rotor may generate centerline thrust that is primarily oriented in the rear direction of the fuselage.
特許文献1,2に記載のティルトローター方式の飛行体によれば、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。
According to the tilt rotor type flying body described in
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、機体と、前記機体に固定され機軸前方に水平飛行する際に揚力を生じる主翼と、機軸を挟んで対称に配設され回転軸の傾きが可変しない左右一対の第1種ローターと、機軸上に配設され回転軸の傾きが可変する第2種ローターと、前記第2種ローターの送風下流側に連結固定された舵軸に軸支された舵板と、を備えることを特徴とする飛行体である。 One of the aspects of the present invention is a pair of left and right aircrafts, a main wing that is fixed to the aircraft and generates lift when flying horizontally in front of the axle, and a pair of left and right that are symmetrically disposed across the axle and the inclination of the rotating shaft is not variable. A first type rotor, a second type rotor that is disposed on the axle and in which the inclination of the rotating shaft is variable, and a rudder plate that is pivotally supported by a rudder shaft that is connected and fixed to the downstream side of the second type rotor. It is an aircraft characterized by comprising.
このように構成された飛行体は、従来のマルチコプターと異なり機体に主翼が設けられており、且つ、複数あるローターのうち左右一対の第1種ローターについては回転軸の傾きが可変せず、第2種ローターについては回転軸の傾きが可変する構成となっている。これら少なくとも3つのローターが直線上に並ばないように配設することで垂直上昇時は3つのローターの協働により浮上する。また、少なくとも3つのローターの回転軸の可変の可否を相違させることで、水平飛行時には回転軸を可変可能な第2種ローターの回転軸を進行方向に傾けて水平方向の推進力を発生させ、同時に主翼の揚力を利用してローターによる垂直方向の上昇力を低下できる。更に、舵板が第2種ローターの送風下流側に連結されて第2種ローターと連動するため、第2種ローターが発生する気流を利用した揚力が舵板に発生する。また、第2種ローターと舵板の相対的な位置関係が変わらないため、舵板で第2種ローターの回転反作用トルクの全部又は一部を打ち消す揚力や、水平飛行時に飛行体を旋回させる揚力等を効果的に発生でき、飛行体のヨー軸周りの回転制御を容易に行える。 Unlike the conventional multicopter, the flying body configured in this way has a main wing provided on the fuselage, and the inclination of the rotation axis is not variable for the pair of left and right first type rotors among the multiple rotors, The second type rotor is configured such that the inclination of the rotation shaft is variable. By arranging these at least three rotors so that they do not line up in a straight line, they float by the cooperation of the three rotors when vertically rising. In addition, by varying whether or not the rotation axes of at least three rotors can be varied, the rotation axis of the second type rotor that can change the rotation axis during horizontal flight is tilted in the traveling direction to generate a horizontal thrust. At the same time, the lifting force in the vertical direction by the rotor can be reduced using the lift of the main wing. Further, since the rudder plate is connected to the second air rotor downstream of the second type rotor and interlocked with the second type rotor, lift using the airflow generated by the second type rotor is generated in the rudder plate. Moreover, since the relative positional relationship between the type 2 rotor and the rudder plate does not change, the rudder plate cancels all or part of the rotational reaction torque of the type 2 rotor, or the lift force that turns the flying object during level flight. And the like, and the rotation control around the yaw axis of the flying object can be easily performed.
本発明の選択的な態様の1つは、左右一対の前記第1種ローターは略鉛直に配向された回転軸を有し、前記第2種ローターは垂直離着陸時に回転軸の傾きを略鉛直に可変され、前記垂直離着陸時において、前記舵軸を中心とする前記舵板の角度調整により前記第2種ローターの回転反作用トルクと逆向きの揚力を発生す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 pair of left and right first type rotors have a rotation axis oriented substantially vertically, and the second type rotor makes the inclination of the rotation axis substantially vertical during vertical takeoff and landing. The flying body is variable, and generates lift in the direction opposite to the rotational reaction torque of the second type rotor by adjusting the angle of the rudder plate around the rudder shaft during the vertical takeoff and landing.
このように構成された飛行体は、第1種ローターの回転軸が略鉛直に配向されているため、第2種ローターの回転軸を略鉛直に可変することで、第1種ローターと第2種ローターの出力調整で飛行体の垂直離着陸を行うことができる。しかも、機軸上に配設された第2種ローターの送風下流側に連結固定された舵軸に軸支された舵板の角度調整によって、第2種ローターの回転反作用トルクを打ち消す揚力を得ることができる。 Since the rotation axis of the first type rotor is oriented substantially vertically in the thus configured flying body, the first type rotor and the second type rotor can be changed by changing the rotation axis of the second type rotor substantially vertically. The aircraft can make vertical takeoff and landing by adjusting the output of the seed rotor. In addition, by adjusting the angle of the rudder plate that is pivotally supported by the rudder shaft that is connected and fixed to the air blowing downstream side of the second type rotor disposed on the axle, a lift force that counteracts the rotational reaction torque of the second type rotor is obtained. Can do.
本発明の選択的な態様の1つは、前記水平飛行時において、前記第2種ローターの回転軸を非鉛直に傾けて前記第2種ローターによって水平方向の推進力を得て前記主翼に揚力を発生させ、当該主翼の揚力の分だけ前記第1種ローターの出力を低下す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 during the horizontal flight, the rotation axis of the second type rotor is tilted non-vertically and a horizontal thrust is obtained by the second type rotor to lift the main wing. And the output of the first type rotor is reduced by the amount of lift of the main wing.
このように構成された飛行体は、第2種ローターの水平方向への推進力を用いて水平飛行する際に、第1種ローターの出力を主翼の揚力の分だけ低下するため、第1種ローターの消費電力が低下して飛行可能時間が長くなる。 Since the flying body configured in this manner reduces the output of the first type rotor by the amount of lift of the main wing when performing horizontal flight using the thrust of the second type rotor in the horizontal direction, The power consumption of the rotor decreases and the flightable time increases.
本発明の選択的な態様の1つは、前記水平飛行時において、前記舵軸を中心とする前記舵板の角度調整により本飛行体をヨー軸周りに旋回させる揚力を発生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 characterized in that, during the horizontal flight, the lift for turning the flying body about the yaw axis is generated by adjusting the angle of the rudder plate around the rudder axis. The flying body.
このように構成された飛行体は、舵軸を中心とする舵板の角度調整によって、垂直離着陸時の第2種ローターの回転反作用トルクの打消しと、水平飛行時の飛行体のヨー軸周りの旋回との双方を行うことができる。 The flying body constructed in this way is capable of counteracting the rotational reaction torque of the second type rotor during vertical take-off and landing and adjusting the angle around the yaw axis of the flying object during horizontal flight by adjusting the angle of the rudder plate around the rudder axis. Both of the turning can be performed.
以上説明した飛行体は、他の機器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、本技術は飛行体の制御方法、制御プログラム、該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 aircraft described above includes various modes such as being implemented in a state where it is incorporated in another device, or being implemented together with another method. The present technology can also be realized as a flying object control method, a control program, a computer-readable recording medium storing the program, and the like.
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ができる。また、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こともできる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the difficulty of the attitude control at the time of making a transition between horizontal flight and vertical take-off and landing in a flying body provided with both rotary wings and fixed wings can be reduced. In addition, the structure of the flying object including both the rotating wings and the fixed wings and the simplification of the movable part can be achieved.
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:
Hereinafter, the present technology will be described in the following order.
(A) First embodiment:
(B) Second embodiment:
(C) Third embodiment:
(A)第1の実施形態:
図1は本実施形態に係る飛行体100の斜視図、図2は本実施形態に係る飛行体100の側面図、図3は本実施形態に係る飛行体100の平面図、図4は本実施形態に係る飛行体100の正面図、図5は本実施形態に係る飛行体100の背面図である。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。また、ローターや飛行体100全体の回転方向を説明する際は、飛行体100の上方から見た回転方向(時計回り/反時計回り)を用いて説明を行う。また、以下では、横風等の気流条件の無い状態で前進水平飛行する際の姿勢を基準姿勢と呼ぶ場合がある。なお、飛行体100の姿勢は、後述する3軸加速度センサ52及び3軸ジャイロセンサ53の出力に基づくコントローラ50の制御により、リモートコントローラ等によって指示される一定の傾き姿勢を維持するように自動調整される。
(A) First embodiment:
FIG. 1 is a perspective view of a flying
飛行体100は、概略、機体10、主翼20、左右一対の第1種ローターとしてのローター30L,30R、1以上の第2種ローターとしてのローター30B、ローター傾角調整機構40、制御部としてのコントローラ50、ラダー機構60、及び、電源70(不図示)を備える。ローター30L,30R及びローター30Bは、ローター30L,30Rが底辺の両端、ローター30Bが頂点に相当する略二等辺三角形の位置関係で配設されている。なお、本実施形態では、左右一対の第1種ローターを1組、第2種ローターを1つ備える構成を例に取り説明するが、左右一対の第1種ローターを複数組備えてもよいし、第2種ローターを複数備えてもよく、その数に制限は無い。
The flying
電源70は、ローター30L,30R,30B、ローター傾角調整機構40、及びコントローラ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5に示す例では、着陸時に飛行体100全体を着陸面上で所定の姿勢に支持する脚部80a〜80cを設けてある。
The power source 70 supplies power directly or indirectly to the
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た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20は、機体10に固定されている。主翼20は、平面視、飛行体100の胴体の略中心を通り略前後方向に延びる基準線である機軸X1を挟んで左右対称な前進翼形状を有し、前方寄りの部位に設けられる左右幅が最も大きい幅広部21と、幅広部21から後方へ向かうにつれ左右幅が徐々に狭幅化する幅漸減部22と、を有する全体として略逆三角形状としてある。主翼20の形状に幅広部21と幅漸減部22とを設けることで、主翼20のサイドエッジで発生する乱流の影響を緩和することができる。
The
主翼20は、図2に示すように、基準姿勢において一定の仰角を付けて水平飛行時に揚力を発生する形状としてある。なお、図に示す主翼20は薄板状の部材で形成した例を示してあるが、主翼20の形状はこれに限らず、例えば、いわゆる翼型と呼ばれる形状(前後に延びる垂直断面において、前縁が丸く、前縁から1/3程度の所で最大厚みとなり、後縁が鋭利な細長い涙滴形状であって、当該断面の上下中間を結ぶ線が円弧状である形状)を採用してもよい。
As shown in FIG. 2, the
主翼20は、図4や図5に示すように、基準姿勢において翼の根元から翼端に向かってそれぞれ上り傾斜を付けた一定の上反角を付けてあり、水平飛行時に横滑りを防止する形状としてある。なお、水平飛行時の横滑り防止形状としては、基準姿勢において翼の根元から翼端に向かってそれぞれ下り傾斜を付けた一定の下反角を付ける形状としてもよい。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
図12は、飛行体100の重心C1と主翼20の揚力中心C2との位置関係を説明する図である。重心C1と揚力中心C2は、平面視においていずれも機軸X1上にあり、重心C1が揚力中心C2よりも前方に位置するように調整してある。重心C1の調整は、飛行体100のコントローラ50や電源70等のように、飛行体100の中で配設位置に関する制限の無い荷重要素の位置調整により行うことができる。
FIG. 12 is a diagram for explaining the positional relationship between the center of gravity C1 of the flying
ローター30L,30Rは飛行体100の前方寄りに設けられており、機体10と主翼20の少なくとも一方に対して固定されることにより主翼20との相対的な位置関係を固定されている。
The rotors 30 </ b> L and 30 </ b> R are provided near the front of the flying
本実施形態においては、主翼20の左部20L及び右部20Lには、それぞれ、上下に貫通する開口23L,23Rが設けられている。ローター30Lは左部20Lの開口23Lに配設され、ローター30Rは右部20Rの開口23Rに配設される。左部20L及び右部20Rは、機軸X1を挟んで左右対称の位置関係及び形状で形成されており、左部20L及び右部20Rにそれぞれ形成される開口23L,23Rも機軸X1を挟んで左右対称の位置関係及び形状に形成されている。
In the present embodiment, the
開口23L,23Rは、ローター30L,30Rの回転半径よりも若干大き目の径以上に形成されており、ローター30L,30Rの回転翼先端が描く円と開口23L,23Rの内側面との間に一定以上の隙間が設けられる。これにより、ローター30L,30Rと開口23L,23Rとの直接的な干渉が防止され、ローター30L,30Rが発生する気流を介した空気抵抗等の間接的な干渉も緩和される。
The
ローター30Lとローター30Rは、機軸X1を挟んで左右対称に配設されている。ローター30Lとローター30Rは、回転方向が逆向きであり、回転反作用トルクを互いに相殺し合う。ローター30Lとローター30Rの回転軸は、左右方向の力が発生しない又は左右方向の力が相殺し合うような回転軸傾きであり、ローター30L,30Rの回転軸がいずれも略鉛直に配向している態様やローター30L,30Rの回転軸が機軸X1を挟んで左右対称な傾きを持つ態様が例示される。ローター30L,30Rの回転軸が前後方向に傾きを持つ場合は、ローター30L,30Rの前後方向の力は、ローター30Bの回転軸に前後逆方向の傾きを設けて相殺し合うように構成する。
The
主翼20の開口23L,23Rは、ローター30L,30Rのプロペラガードとして用いることもできる。例えば、ローター30L,30Rの回転面を開口23L,23Rの主翼20の肉厚内に配設することで、主翼20周辺を流れる気流に対して主翼20がプロペラガードとして機能する。この場合、ローター30L,30Rの回転面は、主翼20の傾きに合わせて傾けてもよい。むろん、ローター30L,30Rの回転面の全部又は一部が主翼20の肉厚外に出ていても構わない。主翼20の肉厚が薄い場合には、ローター30L,30Rの回転面の少なくとも一部を主翼20の肉厚内に位置させ、ローター30L,30Rへの空気抵抗を緩和してもよい。
The
ローター30L,30Rを主翼20又は主翼20近くに固定すると、飛行体100の姿勢安定性が向上する。例えば、煽り風や乱流で主翼20にブレが発生して飛行体100の姿勢が変化した場合に、この姿勢変化を抑制するようにコントローラ50がローター30L,30Rの出力制御を行うことになるが、その際、ローター30L,30Rが主翼20に固定されていると、ローター30L,30Rの力の主翼20への伝達時間が短縮され、姿勢安定までのタイムラグが短縮し、姿勢安定に係るコントローラ50がローター30L,30Rの出力制御の精度が向上する。
When the
また、ローター30L,30Rを主翼20の左部20L及び右部20Rの広い部分にそれぞれ固定すると、飛行体100の姿勢安定性が向上する。例えば、煽り風や乱流で主翼20にブレが発生して飛行体100の姿勢が変化した場合に、この姿勢変化を抑制する力をローター30L,30Rが主翼20の翼面積の大きい部位に加えることで、姿勢安定に係るコントローラ50がローター30L,30Rの出力制御に対する飛行体100の姿勢変化の応答性を向上することができる。
Further, when the
ローター30Bは、飛行体100の後方寄りに設けられており、主翼20の尾端付近、すなわち略逆三角形の頂部付近に配設されている。ローター30Bは、ローター傾角調整機構40を介して機体10又は主翼20に連結されている。ローター傾角回転軸駆動部42は、ピッチ軸と平行な回転軸を中心にローター30Bを軸回転させることで、ローター30Bの傾きを主翼20に対して相対的に可変する。
The
ローター傾角調整機構40は、機体10に軸支されたローター傾角回転軸41と、ローター傾角回転軸41を回転駆動するローター傾角回転軸駆動部42とを備える。ローター傾角回転軸41は、回転軸を飛行体100のピッチ軸と略平行に配向した状態で機体10に対し、軸回転可能に固定されている。ローター30Bは、ローター傾角回転軸41に対して略垂直にその回転軸を配向させた状態で固定されており、ローター傾角回転軸41の軸回転に連動してローター傾角回転軸41周りを回動することで前後方向の傾き、いわゆるピッチングが可変する。
The rotor tilt
ローター傾角回転軸駆動部42は、例えばサーボ機構により構成することができる。サーボ機構としてのローター傾角回転軸駆動部42は、例えば、機体10に対して固定されたサーボモータ42a、コントローラ50の制御に従いサーボモータ42aを駆動するドライバ42b、及び、サーボモータ42aの回転力をローター傾角回転軸41に伝えるリンク機構42cにより構成される。このように構成されたローター傾角回転軸駆動部42は、コントローラ50の制御に応じてローター30Bのピッチングを調整する。
The rotor inclination rotation
本実施形態に係る飛行体100は、ローター30L,30Rの傾きを変化せずに、ローター30Bの回転軸の傾きを調節するだけで垂直離着陸/水平飛行の切り替えを行うことができる。
The flying
垂直離着陸や水平飛行の間のローター30L,30R,30Bの出力制御は、既存のマルチコプターのローター出力制御アルゴリズムと同様のアルゴリズムにより、後述する3軸加速度センサ52及び3軸ジャイロセンサ53の出力に基づいて、飛行体100が一定の姿勢を維持するようにコントローラ50が自動調整するものとする。なお、飛行体100をプロポーショナル等のリモートコントローラで制御する場合は、コントローラ50は、リモートコントローラの操作インターフェースを介して入力される指令信号に応じて、ローター30L,30R,30Bの出力、及び、ローター傾角調整機構40を制御することになる。
The output control of the
垂直離着陸を行う際は、図6,図7に示すように、ローター30Bの回転軸が略垂直(ただし、ローター30L,30Rが前後方向の水平分力を有する場合は、これを相殺する水平分力が発生する傾き方向)に配向するようにローター傾角回転軸駆動部42を制御し、この状態で飛行体100が基準姿勢を保つようにローター30L,30R,30Bの上昇力FL,FR,FBを釣り合わせる。このようにローター30Bの回転軸を略垂直に配向させてローター30L,30R,30Bの上昇力FL,FR,FBを釣り合わせると、主翼20を設けない一般的なマルチコプターと同様の垂直離着陸を行うことができる。
When performing vertical take-off and landing, as shown in FIGS. 6 and 7, the rotation axis of the
水平飛行を行う場合は、上述の垂直昇降によって一定高度まで浮上してから、図8,図9又は図10に示すように、ローター30Bの回転軸の傾きを略非鉛直な所望の傾きに可変し、この状態で飛行体100が基準姿勢を保つようにローター30L,30R,30Bの上昇力FL,FR,FB1を釣り合せる。このとき、ローター30L,30R,30Bの上昇力FL,FR,FB1の釣り合いにより飛行体100の基準姿勢が維持されつつ、ローター30Bはローター30L,30Rと釣り合わない水平分力FB2を持ち、ローター30Bの水平分力FB2に応じた推進力で飛行体100が水平飛行を行う。
When performing horizontal flight, after ascending to a certain altitude by the above-mentioned vertical elevation, the inclination of the rotation axis of the
すると、飛行体100の水平飛行速度に応じた揚力FWが主翼20に発生し、この揚力FWによって主翼20前端が持ち上がって飛行体100が仰け反り始める。このとき、コントローラ50は、3軸加速度センサ52、3軸ジャイロセンサ53の出力に基づいてこの傾きの変化を検出し、傾きが一定するようにローター30L,30R,30Bの出力(特にローター30L,30Rの出力)を主翼20の揚力FWを加味して釣り合う程度に自動的に調整する。これにより、飛行体100の仰け反りが回避されると同時に、水平飛行時のローター30L,30R,30B(特にローター30L,30R)の消費電力が低減し、飛行体100の飛行可能時間を延長できる。なお、水平飛行時に後方への推力を得たい場合は、図11に示すようにローター30Bの回転軸を後方側に傾けてローター30Bが後方へ向かう水平分力を発生するように可変してもよい。
Then, a lift FW corresponding to the horizontal flight speed of the flying
このように傾きの可変により垂直離着陸と水平飛行を容易に切替可能に構成されたローター30Bの送風下流側(ローター30Bの送風に晒される側)にはラダー機構60が設けられている。ラダー機構60を設けることで、飛行体100のヨー軸周り回転を制御することができる。ラダー機構60は、概略、ラダー回転軸61、舵板62及びラダー回転軸駆動部63を有する。
A
ラダー回転軸61は、ローター傾角回転軸41に対して略垂直な方向に延びる回転軸であり、ローター傾角回転軸41に対して軸回転可能に固定されている。このため、ラダー回転軸61は、ローター傾角回転軸41との相対的な位置関係を維持しつつ、ローター傾角回転軸41の軸回転量に連動して配向方向が変化する。すなわち、ラダー回転軸61の配向方向は、ローター傾角回転軸41の軸回転に伴い、機軸X1を含む略垂直面に沿う面内で変化する。ラダー回転軸61には、舵板62が軸支されている。
The
舵板62は、ラダー回転軸61に軸支された平板板状部材である。なお、舵板62の形状は、公知の様々な舵板形状を採用可能であり、例えば一般的な舵板の形状(水平断面形状の前方が丸く後半部はなだらかな曲線となり後端部が鋭く尖った流線形状)としてもよい。
The
舵板62には、上述したラダー回転軸61を挿通する軸孔を有する。図に示す例では、舵板62の最もローター30B寄りの縁部62aに沿って軸孔が形成されている。舵板62のローター30B寄りの縁部62a近くには、縁部62aとローター30Bとの間を遮る位置に直線状の棒状部材64が設けられている。棒状部材64は、横回転軸に固定されている。
The
ラダー回転軸駆動部63は、舵板62の板面の角度(舵角)を調整するものであり、ラダー回転軸61を中心とする軸回転量の調整により舵板62の板面の角度(舵角)を調整する。
The ladder rotation
ラダー回転軸駆動部63は、例えばサーボ機構により構成することができる。サーボ機構としてのラダー回転軸駆動部63は、例えば、ローター傾角回転軸41に対して固定されたサーボモータ63a、及び、サーボモータ63aのドライバ63bにより構成され、コントローラ50の制御に従い、ドライバ63bがサーボモータ63aを駆動することでラダー回転軸61の軸回転量を調整することができる。
The ladder rotation
舵板62は、その板面の延びる方向を可変することで、ラダー回転軸61及びローター傾角回転軸41を介して飛行体100の尾部に力を加えて、飛行体100のヨー軸周り回転を制御する。すなわち、垂直離着陸時においては、舵板62は、ローター30Bの回転反作用トルクの一部又は全部を打ち消す力、又は、反作用トルクを上回る力を飛行体100の尾部に加える。また、水平飛行時においては、飛行体100を右旋回又は左旋回させるために必要な力を飛行体100の尾部に加える。
The
ローター30Bの回転反作用トルクを打ち消す力は、具体的には、ローター30Bが上方から見て時計回りに回転する場合、舵角を図中右方向に傾けることで回転反作用トルクを打ち消す揚力として発生し、ローター30Bが上方から見て半時計回りに回転する場合、舵角を図中左方向に傾けることで回転反作用トルクを打ち消す揚力として発生する。
Specifically, the force that counteracts the rotational reaction torque of the
飛行体100を右旋回又は左旋回させるために必要な力は、具体的には、舵角を図中右に傾けることで飛行体100を右旋回させる揚力として発生し、舵角を図中左に傾けることで飛行体100を左旋回させる揚力として発生する。
Specifically, the force required to turn the flying
なお、舵板62の舵角調整に係る制御はコントローラ50が行うものとし、垂直離着陸時の回転反作用トルクの打消し及び水平飛行時の旋回は、既存のトライコプターのテールローターの傾き調整に用いる制御アルゴリズムと同様のアルゴリズムにより行うことが可能であり、後述する3軸加速度センサ52及び3軸ジャイロセンサ53の出力に基づいて自動調整することができる。
Note that the control related to the adjustment of the rudder angle of the
図15は、コントローラ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、コントローラ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。コントローラ50は、リモートコントローラの送信部から送信される指令信号を受信部54で受信し、ローター30L,30R,30Bの出力、及び、ローター傾角調整機構40を制御する。
FIG. 15 is a block diagram illustrating an outline of functions of the
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ローター30L,30R,30Bの回転数やローター30Bの傾き、舵板62の傾きを制御する。
The
制御用コンピュータ51の入出力回路51a〜51eには、それぞれローター30L,30R,30BのモータアンプAmp1〜Amp3、ローター30Bの傾きを調整するサーボSv1、及び、舵板62の傾きを調整するサーボSv2、がそれぞれ接続されている。
The input /
コントローラ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のピッチ軸周り及びロール軸周りの水平方向に対する傾き並びにヨー軸周りの回転を検出する。機体10のピッチ軸は、図中に示す上下方向に延びている。また、コントローラ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の出力する傾き情報を用いて補正する。これにより、コントローラ50は、機体10のピッチ軸周りの傾き及びロール軸周りの傾き並びにヨー軸周りの回転を正確に検出することができる。
The
コントローラ50は、垂直上昇を示す指令信号を受信部54を介してリモートコントローラから受信すると、サーボSv1を制御してローター30Bの回転軸の傾きを略垂直に調整し、モータアンプAmp1〜Amp3を制御してローター30L,30R,30Bの出力を上昇させる。このとき機体10のピッチ軸周りの傾き及びロール軸周りの傾きが略水平を保つようにローター30L,30R,30Bの出力を制御する。また、サーボSv2を制御して舵板62の角度を調整し、ローター30Bの回転反作用トルクにより生じる飛行体100のヨー軸周りの回転が適正な範囲に収まるように制御する。
When the
コントローラ50は、水平飛行を示す指令信号を受信部54を介してリモートコントローラから受信すると、サーボSv1を制御してローター30Bの回転軸の傾きを調整しつつ、機体10のピッチ軸周りの傾き及びロール軸周りの傾きが略水平を保つようにローター30L,30R,30Bの出力を制御する。これにより、上述したように、主翼20の揚力とローター30L,30R,30Bの上昇力との釣り合いで飛行体100の基準姿勢が保たれた状態が実現され、ローター30L,30Rの出力が低下した状態で水平飛行することができる。このとき、コントローラ50は、サーボSv2を制御して舵板62の角度を調整し、ローター30Bの回転反作用トルクの垂直分力により生じる飛行体100のヨー軸周りの回転が適正な範囲に収まるように制御する。また、右旋回又は左旋回を示す指令信号を受信部54を介してリモートコントローラから受信すると、コントローラ50は、サーボSv2を制御して舵板62の角度を調整し、舵板62の揚力で飛行体100が旋回するように制御する。
When the
(B)第2の実施形態:
本実施形態に係る飛行体200は、主翼の形状が後退翼形状である点で大きく飛行体100と異なる。図13は、本実施形態に係る飛行体200の概略形状を示すとともに、重心C1と主翼220の揚力中心C2との位置関係を説明する図である。
(B) Second embodiment:
The
飛行体200は、概略、機体210、主翼220、2以上の第1種回転翼としてのローター230L,230R、1以上の第2種回転翼としてのローター230B、ローター傾角回転調整機構240、制御部としてのコントローラ250(不図示)、ラダー機構260、及び、電源270(不図示)を備える。飛行体200にも脚部を設けてよい。なお、これら構成要素で飛行体100の対応する構成と共通する構造や機能等については説明を省略する。
The flying
主翼220は、平面視、飛行体200の胴体の略中心を通り略前後方向に延びる基準線である機軸X1を挟んで左右対称な後進翼形状を有し、後方寄りの部位に設けられる左右幅が最も大きい幅広部221と、幅広部221から前方へ向かうにつれ左右幅が徐々に狭幅化する幅漸減部222と、を有する全体として略三角形状としてある。主翼220の形状に幅広部221と幅漸減部222とを設けることで、主翼220のサイドエッジで発生する乱流の影響を緩和することができる。
The
主翼220は、基準姿勢において一定の仰角を付けてあり、水平飛行時に揚力を発生する形状としてある。なお、主翼220の形状は、薄板状の部材で形成してもよいし、いわゆる翼型と呼ばれる形状を採用してもよい。主翼220は、基準姿勢において、一定の上反角又は一定の下反角を付けた形状としてある。
The
重心C1と揚力中心C2は、平面視においていずれも機軸X1上にあり、重心C1が揚力中心C2よりも前方に位置するように調整してある。 The center of gravity C1 and the center of lift C2 are both on the axis X1 in plan view, and adjusted so that the center of gravity C1 is positioned forward of the center of lift C2.
ローター230L,230Rは、主翼220の左部220L及び右部220Rの斜め前方に機体10から延設された支持部211L,211Rに固定されており、機軸X1を挟んで左右対称の位置関係で、主翼220と重複しない位置関係に配設されている。すなわち、ローター230L,230Rは飛行体200の前方寄りに設けられており、主翼220に対して固定されることにより主翼220との相対的な位置関係を固定されている。このため、主翼220には、飛行体100のような開口23L,23Rに対応する構造は設けられていない。ローター230Lとローター230Rの出力を一致させた際に発生する左右方向の力が相殺し合うようになっている点は、飛行体100と同様である。
The
ローター230Bは、ローター傾角調整機構40と同様のローター傾角調整機構240を介して機体210又は主翼220に連結されており、主翼220の尾端付近、すなわち略三角形の底辺部中央付近に連結されている。
The
このように構成した飛行体200は、ローター230Bの出力を用いた姿勢安定性は低下するものの、自立安定性が向上する。
The flying
その他、主翼220の略三角形の底辺部の左右両側に対応する尾部にエレボン223L,223Rを設けてもよい。エレボン223L,223Rを設けることで、ラダー機構260の舵板262の揚力を用いず、エレボン223L,223Rの角度調整で左右の旋回を行うことも可能となる。なお、エレボン223L,223Rについても角度調整用のサーボ機構を設けて、このサーボ機構をコントローラ250が制御することで角度調整を行うことになる。
In addition, you may provide the
(C)第3の実施形態:
本実施形態に係る飛行体300は、概略、飛行体100を前後逆に構成した形状、及び構造である。図14は、本実施形態に係る飛行体300の概略形状を示すとともに、重心C1と主翼20の揚力中心C2との位置関係を説明する図である。
(C) Third embodiment:
The flying
飛行体300は、概略、機体310、主翼320、2以上の第1種回転翼としてのローター330L,330R、1以上の第2種回転翼としてのローター330B、ローター傾角回転調整機構340、制御部としてのコントローラ350(不図示)、ラダー機構360、及び、電源370(不図示)を備える。飛行体300にも脚部を設けてよい。なお、これら構成要素で飛行体100の対応する構成と共通する構造や機能等については説明を省略する。
The flying
主翼320は、平面視、飛行体100の胴体の略中心を通り略前後方向に延びる基準線である機軸X1を挟んで左右対称な後進翼形状を有し、後方寄りの部位に設けられる左右幅が最も大きい幅広部321と、幅広部321から前方へ向かうにつれ左右幅が徐々に狭幅化する幅漸減部322と、を有する全体として略三角形状としてある。主翼320の形状に幅広部321と幅漸減部322とを設けることで、主翼320のサイドエッジで発生する乱流の影響を緩和することができる。
The
主翼320は、基準姿勢において一定の仰角を付けてあり、水平飛行時に揚力を発生する形状としてある。なお、主翼320の形状は、薄板状の部材で形成してもよいし、いわゆる翼型と呼ばれる形状を採用してもよい。主翼320は、基準姿勢において、一定の上反角又は一定の下反角を付けた形状としてある。
The
重心C1と揚力中心C2は、平面視においていずれも機軸X1上にあり、重心C1が揚力中心C2よりも前方に位置するように調整してある。 The center of gravity C1 and the center of lift C2 are both on the axis X1 in plan view, and adjusted so that the center of gravity C1 is positioned forward of the center of lift C2.
ローター330L,330Rは飛行体300の後方寄りに設けられており、機体310と主翼320の少なくとも一方に対して固定されることにより主翼320との相対的な位置関係を固定されている。ローター330L,330Rを主翼320又は主翼320近くに固定すると、飛行体300の姿勢安定性が向上する。また、ローター330L,330Rを主翼320の左部320L及び右部20Rの広い部分にそれぞれ固定すると、飛行体300の姿勢安定性が向上する。
The rotors 330 </ b> L and 330 </ b> R are provided closer to the rear of the flying
本実施形態においては、主翼320の左部320L及び右部320Lには、それぞれ、上下に貫通する開口323L,323Rが設けられている。ローター330Lは左部320Lの開口323Lに配設され、ローター330Rは右部320Rの開口323Rに配設される。左部320L及び右部320Rは、機軸X1を挟んで左右対称の位置関係及び形状で形成されており、左部320L及び右部320Rにそれぞれ形成される開口323L,323Rも機軸X1を挟んで左右対称の位置関係及び形状に形成されている。開口323L,323Rは、ローター330L,30Rの回転半径よりも若干大き目の径以上に形成されている。
In the present embodiment, the
ローター330Lとローター330Rは、機軸X1を挟んで左右対称に配設されている。ローター330Lとローター330Rは、回転方向が逆向きであり、回転反作用トルクを互いに相殺し合う。ローター330Lとローター330Rの回転軸は、左右方向の力が発生しない又は左右方向の力が相殺し合うような回転軸傾きであり、ローター330L,330Rの回転軸がいずれも略鉛直に配向している態様やローター330L,330Rの回転軸が機軸X1を挟んで左右対称な傾きを持つ態様が例示される。ローター330L,330Rの回転軸が前後方向に傾きを持つ場合は、ローター330L,330Rの前後方向の力は、ローター330Bの回転軸に前後逆方向の傾きを設けて相殺し合うように構成する。
The
ローター330Bは、飛行体300の前方寄りに設けられており、主翼320の先端付近、すなわち略三角形の頂部付近に配設されている。ローター330Bは、ローター傾角調整機構340を介して機体310又は主翼320に連結されている。ローター傾角回転軸駆動部342は、ピッチ軸と平行な回転軸を中心にローター330Bを軸回転させることで、ローター330Bの傾きを主翼320に対して相対的に可変する。
The rotor 330B is provided near the front of the flying
ローター330Bの送風下流側(ローター330Bの送風に晒される側)にはラダー機構360が設けられている。ラダー機構360を設けることで、飛行体300のヨー軸周り回転を制御することができる。
A
以上説明した飛行体300は、垂直離着陸時の制御は飛行体100と同様であるが、水平飛行時の制御はローター330Bの傾き方向が前後逆になる点で相違する。このように構成した飛行体300によれば、主翼形状が後退翼形状になって自立安定性が向上するとともに、前で舵を切る形なので、自動車の操舵と類似で感覚的に操作しやすくなる。
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、20…主翼、20R…右部、21…幅広部、22…幅漸減部、23L…開口、23R…開口、30B…ローター、30L…ローター、30R…ローター、40…ローター傾角調整機構、41…ローター傾角回転軸、42…ローター傾角回転軸駆動部、50…コントローラ、51…制御用コンピュータ、51a〜51e…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…ラダー機構、61…ラダー回転軸、62…舵板、62a…縁部、63…ラダー回転軸駆動部、64…棒状部材、70…電源、80a〜80c…脚部、100…飛行体、200…飛行体、210…機体、211L…支持部、211R…支持部、220…主翼、220L…左部、220R…右部、221…幅広部、222…幅漸減部、223L…エレボン、223R…エレボン、230B…ローター、230L…ローター、230R…ローター、240…ローター傾角回転調整機構、250…コントローラ、260…ラダー機構、262…舵板、270…電源、300…飛行体、310…機体、320…主翼、320L…左部、320R…右部、321…幅広部、322…幅漸減部、323L…開口、323R…開口、330B…ローター、330L…ローター、330R…ローター、340…ローター傾角回転調整機構、342…ローター傾角回転軸駆動部、350…コントローラ、360…ラダー機構、370…電源、Amp1〜Amp3…モータアンプ、Sv1…サーボ、Sv2…サーボ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記機体に固定され機軸前方に水平飛行する際に揚力を生じる主翼と、
機軸を挟んで対称に配設され回転軸の傾きが可変しない左右一対の第1種ローターと、
機軸上に配設され回転軸の傾きが可変する第2種ローターと、
前記第2種ローターの送風下流側に連結固定された舵軸に軸支された舵板と、
を備えることを特徴とする飛行体。 The aircraft,
A main wing that is fixed to the aircraft and generates lift when flying horizontally in front of the axle;
A pair of left and right first type rotors that are symmetrically disposed across the axis and in which the inclination of the rotation axis is not variable;
A second type rotor disposed on the axle and having a variable inclination of the rotation axis;
A rudder plate pivotally supported on a rudder shaft connected and fixed to the air blowing downstream side of the second type rotor;
A vehicle characterized by comprising:
前記第2種ローターは垂直離着陸時に回転軸の傾きを略鉛直に可変され、
前記垂直離着陸時において、前記舵軸を中心とする前記舵板の角度調整により前記第2種ローターの回転反作用トルクと逆向きの揚力を発生することを特徴とする請求項1に記載の飛行体。 The pair of left and right first type rotors have a rotation axis oriented substantially vertically,
The rotor of type 2 is variable in the inclination of the rotation axis to be substantially vertical during vertical takeoff and landing,
2. The flying body according to claim 1, wherein during the vertical take-off and landing, a lift opposite to a rotational reaction torque of the second type rotor is generated by adjusting an angle of the rudder plate with the rudder shaft as a center. .
The flying body according to claim 3, wherein during the horizontal flight, a lift force that turns the flying body around the yaw axis is generated by adjusting an angle of the rudder plate about the rudder axis.
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