JP2019043394A - 回転翼航空機 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の水平回転翼を備える回転翼航空機について、ヨー制御のよる揚力の低下を防止または軽減する回転翼航空機を提供する。【解決手段】複数の水平回転翼４１と、少なくとも一の垂直回転翼４２と、を備え、前記垂直回転翼の吸排気方向を適宜反転させることで、時計回り方向および反時計回り方向の両方のヨー制御を一基の垂直回転翼で行うことを可能とする。【選択図】図１

Description

本発明は、回転翼航空機のヨー制御技術に関する。

下記特許文献１には、テールロータを有する無人ヘリコプタが開示されている。下記特許文献２には、水平回転翼と垂直回転翼とを備える垂直離着陸機が開示されている。

特開平１−３１７８９７号公報 特開２００９−７８７４５号公報

産業用無人ヘリコプターに代表される小型の無人航空機は、機体が高価で入手困難なうえ、安定して飛行させるためには操作に熟練が必要とされるものであった。しかし近年、無人航空機の姿勢制御や自律飛行に用いられるセンサ類およびソフトウェアの改良、低価格化が進み、これにより無人航空機の操作性が飛躍的に向上した。特に小型のマルチコプターについては、ヘリコプターに比べてローター構造が簡単であり、設計およびメンテナンスが容易であることから、趣味目的だけでなく、広範な産業分野における種々のミッションへの応用が試行されている。

このようなマルチコプターのヨー制御は、時計回りのロータの組と反時計回りのロータの組の回転数のバランスを調節することにより行う。そのため、例えばペイロードの過重や外乱などにより全てのロータが高負荷状態にあるときにラダー操作を行うと、いずれかのロータ組の回転数が下げられる。すると、マルチコプターは飛行高度を維持することができず降下するか、もしくは、自律飛行機能が飛行高度の維持を優先することでヨー制御が利きにくくなる。なお、ピッチ制御やロール制御では、機体の水平移動により転移揚力が生じるため揚力の低下は軽減される。一方、ヨー制御ではこのような転移揚力は得られず、また、これを空中の一点に留まって行う場合にはロータの乱流を吸い込みやすいこともあり、ヨー制御では揚力に対する影響が比較的大きく現れる。

上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、複数の水平回転翼を備える回転翼航空機について、ヨー制御のよる揚力の低下を防止または軽減することにある。

上記課題を解決するため、本発明の回転翼航空機は、複数の水平回転翼と、少なくとも一の垂直回転翼と、を備え、前記垂直回転翼は、その吸排気方向を反転可能であることを特徴とする。

複数の水平回転翼とは別に備えた垂直回転翼で機体のヨー制御を行うことにより、水平回転翼の揚力を損なうことなくヨー制御を行うことが可能となる。なお、機体のヨー制御は、垂直回転翼のみがこれを担ってもよく、水平回転翼によるヨー制御の補助として垂直回転翼を用いてもよい。そして、垂直回転翼がその吸排気方向を反転可能であることにより、一基の垂直回転翼で、時計回り方向および反時計回り方向の両方のヨー制御を行うことが可能となる。

また、本発明の回転翼航空機は、高度センサを備え、前記高度センサの検出値に基づいて飛行高度を自動的に維持可能な構成としてもよい。

本発明の回転翼航空機ではヨー制御に垂直回転翼を用いることができる。すなわち、すべての水平回転翼が高負荷状態にあるときでも、これとは別にヨー制御を行うことができる。そのため、飛行高度が強制的に維持される場合でも、これによりヨー制御が利きにくくなることはない。

また、前記垂直回転翼は、時計回りおよび反時計回りの両方向に回転可能なプロペラを有する構成であってもよく、ピッチ角を変更可能なブレードとピッチ変換機構とを有する構成であってもよい。

以上のように、本発明の回転翼航空機によれば、複数の水平回転翼により飛行する場合でも、ヨー制御のよる揚力の低下を防止または軽減することが可能となる。

マルチコプターの外観を示す斜視図である。 マルチコプターの外観を示す平面図である。 マルチコプターの機能構成を示すブロック図である。 テールロータを可変ピッチロータとしたときの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態は、複数の水平回転翼と一の垂直回転翼を備える無人回転翼航空機であるマルチコプター１０の例である。なお、本発明でいう「水平回転翼」とは、回転軸の軸線方向が鉛直に延び、回転面の面方向が水平となる回転翼をいう。同様に、「垂直回転翼」とは、回転軸の軸線方向が水平に延び、回転面の面方向が鉛直となる回転翼をいう。

（構成概要）
図１はマルチコプター１０の外観を示す斜視図である。図２は同マルチコプター１０の外観を示す平面図である。

マルチコプター１０のボディは、機首側から機尾側に向かって先細りするように形成された略水滴形の本体部１１と、本体部１１の上面から右弦側・左舷側へそれぞれ２本ずつ延びる翼状のアーム１２と、本体部１１の機尾近傍部から上方に延びる垂直尾翼１３と、を有している。また、本体部１１の底部には、一対の着陸脚であるスキッド１９が設けられている。

マルチコプター１０は、水平回転翼である４基のロータ４１、および垂直回転翼である１基のテールロータ４２を備えている。ロータ４１は各アーム１２の先端に配置されており、テールロータ４２は垂直尾翼１３に配置されている。本例のロータ４１およびテールロータ４２はいずれもダクテッドファンである。マルチコプター１０のスロットル（上昇・下降）制御、ピッチ（エレベータ）制御、ロール（エルロン）制御はロータ４１により行われ、ヨー（ラダー）制御はテールロータ４２により行われる。なお、本例ではマルチコプター１０のヨー制御をテールロータ４２のみが担っているが、ロータ４１が行うヨー制御の補助としてテールロータ４２を用いることもできる。

本例のロータ４１およびテールロータ４２のプロペラ４１１，４２１は固定ピッチのプロペラである。そして、テールロータ４２のプロペラ４２１は、時計回りおよび反時計回りの両方向に回転可能ないわゆるリバーシブルプロペラである。テールロータ４２は、その吸排気方向を適宜反転させることで、時計回り方向および反時計回り方向の両方のヨー制御を一基で行うことができる。

このように、本例のマルチコプター１０は、ロータ４１とは別に備えたテールロータ４２で機体のヨー制御を行うことにより、ロータ４１の揚力を損なうことなくヨー制御を行うことが可能とされている。

（マルチコプターの構成）
図３はマルチコプター１０の機能構成を示すブロック図である。本例のマルチコプター１０は、主に、制御部であるフライトコンローラＦＣ、プロペラ４１１，４２１が装着されたブラシレスモータであるロータ４１およびテールロータ４２、これらロータ４１およびテールロータ４２ごとに用意された複数の駆動回路であるＥＳＣ４５（Electric Speed Controller）、送信機ＴＸからの操縦信号を受信する受信器ＲＸ、並びに、これらに電力を供給するバッテリー４９により構成されている。

フライトコンローラＦＣは、マイクロコントローラである制御装置２０を備えている。制御装置２０は、中央処理装置であるＣＰＵ２１、ＲＡＭやＲＯＭ・フラッシュメモリなどの記憶装置からなるメモリ２２、および、ＥＳＣ４５を介して各ロータ４１およびテールロータ４２の回転数を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）コントローラ（図示せず）を有している。

図４は、テールロータ４２を可変ピッチロータとしたときの構成を示すブロック図である。本例のテールロータ４２は、テールロータ４２用のＥＳＣ４５がテールロータ４２の回転方向を適宜切り替えることにより、時計回り方向および反時計回り方向のヨー制御が実現される。この他、例えば図４にテールロータ４２ｂとして表されるように、ピッチ角が変更可能なブレード４２２を使用し、ピッチ変換機構４７でブレード４２２のピッチを変えて両方向へのヨー制御を行うこともできる。

フライトコンローラＦＣはさらに、ＩＭＵ３１（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）、高度センサ３２、電子コンパス３３、およびＧＰＳ受信器３４を含む飛行制御センサ群３０を有しており、これらは制御装置２０に接続されている。

ＩＭＵ３１はマルチコプター１０の機体の傾きを検出するセンサであり、主に３軸加速度センサおよび３軸角速度センサにより構成されている。本例の高度センサ３２には気圧センサが用いられており、高度センサ３２は、検出した気圧高度からマルチコプター１０の海抜高度（標高）を算出する。高度センサ３３の態様としてはこの他にも、例えばレーザや赤外線、超音波などを利用した測距センサを地表に向けて、対地高度を取得することが考えられる。本例の電子コンパス３３には３軸地磁気センサが用いられている。電子コンパス３３はマルチコプター１０の機首の方位角を検出する。ＧＰＳ受信器３４は、正確には航法衛星システム（ＮＳＳ：Navigation Satellite System）の受信器である。ＧＰＳ受信器３４は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ:Global Navigation Satellite System）または地域航法衛星システム（ＲＮＳＳ:Regional Navigational Satellite System）から現在の経緯度値および時刻情報を取得する。フライトコンローラＦＣは、これら飛行制御センサ群３０により、機体の傾きや回転のほか、飛行中の経緯度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得することができる。

なお、本例の飛行制御センサ群３０は屋外用の構成とされているが、マルチコプター１０は屋内を飛行するものであってもよい。例えば、無線信号を送出するビーコンを施設内に所定間隔で配置し、これらビーコンから受信した信号の電波強度からマルチコプター１０と各ビーコンとの相対的な距離を計測し、その施設内におけるマルチコプター１０の位置を特定することが考えられる。または、マルチコプター１０に別途カメラを搭載し、カメラで撮影した周囲の映像から画像認識により施設内の特徴箇所を検出し、これに基づいて施設内における位置を特定することも可能である。同様に、レーザや赤外線、超音波などを利用した測距センサを別途搭載し、施設内の床面（または天井面）や壁面とマルチコプター１０との距離を計測して、その施設内におけるマルチコプター１０の位置を特定することも可能である。

制御装置２０は、マルチコプター１０の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御するプログラムである飛行制御プログラムＦＣを有している。飛行制御プログラムＦＣは、飛行制御センサ群３０から取得した情報を基に個々のロータ４１およびテールロータ４２の回転数を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながらマルチコプター１０を飛行させる。

また、制御装置２０はマルチコプター１０を自律飛行させるプログラムである自律飛行プログラムＡＰを有している。そして、制御装置２０のメモリ２２には、飛行計画ＦＰが登録されている。飛行計画ＦＰは、マルチコプター１０の目的地や経由地の経緯度、飛行中の高度や速度などが指定されたパラメータである。自律飛行プログラムＡＰは、送信機ＴＸからの指示や所定の時刻などを開始条件として、飛行計画ＦＰに従ってマルチコプター１０を自律的に飛行させる。本例ではこのような自律飛行機能を「オートパイロット」という。

上でも述べたように、本例のマルチコプター１０ではヨー制御にテールロータ４２が用いられる。すなわち、すべてのロータ４１が高負荷状態にあるときでも、これとは別にヨー制御を行うことができる。そのため、オートパイロット機能により飛行高度が強制的に維持される場合でも、これによりヨー制御が利きにくくなることはない。

このように、本例のマルチコプター１０は高度な飛行制御機能を備えた無人回転翼航空機である。ただし、本発明の回転翼航空機はマルチコプター１０の形態には限定されず、例えば飛行制御センサ群３０から一部のセンサが省略された機体や、オートパイロット機能を備えず手動操縦のみにより飛行可能な機体を用いることもできる。特に、高度センサ３２や飛行高度の自動維持機能は必須ではなく、本発明の垂直回転翼に相当する構成さえあれば、垂直回転翼が高負荷状態にあるときでも機体を降下させることなくヨー制御を行うことができる。さらに、本発明の回転翼航空機は無人機にも限られず、搭乗したパイロットが手動操縦する有人機であってもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることができる。例えば、上記実施形態ではロータ４１が同一水平面上に並べて配置されているが、水平回転翼の配置態様はこれに限られない。例えば、回転方向の異なる一組の水平回転翼が同軸線上に並べられた、いわゆる二重反転プロペラで飛行する機体にも本発明を適用することができる。

１０ マルチコプター（無人航空機）
ＦＣ フライトコントローラ
ＦＳ 飛行制御プログラム
ＡＰ 自律飛行プログラム
３２ 高度センサ
４１ ロータ（水平回転翼）
４２ テールロータ（垂直回転翼）
４２１ プロペラ
４２２ ブレード
４６ ピッチ変換装置

Claims (4)

1. 複数の水平回転翼と、少なくとも一の垂直回転翼と、を備え、
   前記垂直回転翼は、その吸排気方向を反転可能であることを特徴とする回転翼航空機。
2. 高度センサを備え、
   前記高度センサの検出値に基づいて飛行高度を自動的に維持可能であることを特徴とする請求項１に記載の回転翼航空機。
3. 前記垂直回転翼は、時計回りおよび反時計回りの両方向に回転可能なプロペラを有することを特徴とする請求項１に記載の回転翼航空機。
4. 前記垂直回転翼は、ピッチ角を変更可能なブレードとピッチ変換機構とを有することを特徴とする請求項１に記載の回転翼航空機。
   
   

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