JP2020082853A - 飛行装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のスラスタを備える場合でも、１つのスラスタあたりに要求される負荷を増大し、制御性を向上し、飛行安定性を向上する飛行装置を提供する。【解決手段】飛行装置１０は、機体１１と、スラスタ２１〜２８と、制御部４４とを備える。スラスタ２１〜２８は、機体１１に設けられ、機体１１が飛行するための推進力を発生するプロペラ３２、およびプロペラ３２を駆動するモータ３１を有する。制御部４４は、機体１１の飛行に要求される１つのモータ３１あたりの負荷を単位負荷として検出し、検出した単位負荷の変動に応じて、スラスタ２１〜２８のうちの少なくとも１つである特定スラスタが発生する推進力を低減するとともに、特定スラスタを除く駆動スラスタで飛行を継続する。【選択図】図１

Description

本発明は、飛行装置に関する。

近年、推進力を発生する複数のスラスタを備え、ドローンと称される飛行装置が公知である（特許文献１）。特許文献１の場合、複数のスラスタが発生する推進力は、機体の飛行に必要な出力や飛行方向などに基づいて各スラスタに分配される。
しかしながら、飛行装置のスラスタに設けられているモータは、定格に対して負荷が極端に小さな領域において制御性が低下する傾向にある。例えば、飛行装置が空荷状態にあるとき、上昇気流の中を飛行するとき、または降下するときなど、飛行装置の飛行に必要となる推進力が小さくなる。このような場合、複数のスラスタを備える飛行装置では、１つのスラスタあたりに要求される推進力はモータの定格に対して小さくなりやすい。そのため、複数のスラスタを備える飛行装置は、飛行条件によっては制御性が低下し、飛行安定性が低下するという問題がある。

特許第６１５８４５９号明細書

そこで、複数のスラスタを備える場合でも、１つのスラスタあたりに要求される負荷を増大し、制御性を向上し、飛行安定性を向上する飛行装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明では、制御部は、機体の飛行に要求される１つのモータあたりの負荷を単位負荷として検出する。制御部は、検出した単位負荷の変動に応じて、特定スラスタが発生する推進力を低減する。特定スラスタは、５つ以上のスラスタから１つ以上が特定される。そして、５つ以上のスラスタのうち特定スラスタを除くスラスタは、駆動スラスタとなる。制御部は、特定スラスタが発生する推進力を低減し、残りの駆動スラスタの推進力を増大することによって、全てのスラスタで発生する推進力の総和を変えることなく駆動スラスタで飛行を継続する。そのため、駆動スラスタは、モータの負荷が大きな領域で制御される。したがって、制御性を向上することができ、飛行安定性を向上することができる。

一実施形態による飛行装置を示す模式図 一実施形態による飛行装置の構成を示すブロック図 一実施形態による飛行装置において、推進力が小さいとき、各スラスタのモータの負荷を示す概略図 一実施形態による飛行装置において、特定スラスタを停止したとき、各スラスタのモータの負荷を示す概略図 一実施形態による飛行装置において、特定スラスタを逆回転したとき、各スラスタのモータの負荷を示す概略図 一実施形態による飛行装置において、停止する特定スラスタを入れ替える例を示す概略図 一実施形態による飛行装置において、停止する特定スラスタを選択した状態を示す模式図 一実施形態による飛行装置において、特定スラスタのプロペラの停止位置を設定位置とした状態を示す模式図

以下、飛行装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す飛行装置１０は、機体１１を備えている。機体１１は、本体１２および腕部１３を有している。本体１２は、飛行装置１０の重心またはその近傍に設けられている。腕部１３は、本体１２から放射状に延びている。また、本実施形態の飛行装置１０は、８つのスラスタ２１〜２８を備えている。

本実施形態のように８つのスラスタ２１〜２８を備える飛行装置１０の場合、機体１１はスラスタ２１〜２８の数に応じて８本の腕部１３を有している。スラスタ２１〜２８は、それぞれこの腕部１３の先端に設けられている。なお、飛行装置１０は、本体１２から腕部１３が放射状に延びる構成に限らず、円環状の機体１１の周方向へ複数のスラスタ２１〜２８を設ける構成など、任意の構成とすることができる。腕部１３やスラスタ２１〜２８の数は、５つ以上であれば８つに限らず任意に設定することができる。

スラスタ２１〜２８は、いずれもモータ３１およびプロペラ３２を有している。モータ３１は、プロペラ３２を駆動する駆動源である。モータ３１は、例えば本体１２に収容されているバッテリ３３などを電源として作動する。プロペラ３２は、モータ３１によって回転駆動される。スラスタ２１〜２８は、モータ３１でプロペラ３２が回転駆動されることにより、飛行に必要な推進力を発生する。

飛行装置１０は、制御ユニット４０を備えている。制御ユニット４０は、本体１２に収容されている。制御ユニット４０は、図２に示すように演算部４１および記憶部４２を有している。制御ユニット４０は、状態検出部４３、制御部４４および距離測定部４５を有している。演算部４１は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータで構成されている。演算部４１は、バッテリ３３、および各スラスタ２１〜２８のモータ３１に接続している。演算部４１は、ＲＯＭに記憶されたコンピュータプログラムを実行することにより、状態検出部４３、制御部４４および距離測定部４５をソフトウェア的に実現している。なお、これら状態検出部４３、制御部４４および距離測定部４５は、ハードウェア的に実現してもよく、ハードウェアとソフトウェアとの協働によって実現してもよい。記憶部４２は、演算部４１と接続しており、例えば不揮発性のメモリなどを有している。記憶部４２は、演算部４１のＲＯＭおよびＲＡＭと共用してもよい。記憶部４２は、予め設定された飛行計画をデータとして記憶している。飛行計画は、飛行装置１０が飛行する飛行ルートや飛行高度などが含まれている。

状態検出部４３は、機体１１の飛行状態、および機体１１が飛行する大気の環境を検出する。具体的には、状態検出部４３は、加速度センサ５１、角速度センサ５２、地磁気センサ５３、ＧＰＳセンサ５４および高度センサ５５に接続している。加速度センサ５１は、機体１１のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３次元の３つの軸方向において機体１１に加わる加速度を検出する。角速度センサ５２は、３次元の３つの軸方向において機体１１に加わる角速度を検出する。地磁気センサ５３は、３次元の３つの軸方向における地磁気を検出する。ＧＰＳセンサ５４は、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星からＧＰＳ信号を受信する。高度センサ５５は、気圧または地面までの距離を検出する。

状態検出部４３は、加速度センサ５１で検出した加速度、角速度センサ５２で検出した角速度、および地磁気センサ５３で検出した地磁気から機体１１の飛行姿勢や飛行速度などを検出する。また、状態検出部４３は、ＧＰＳセンサ５４で検出したＧＰＳ信号から機体１１の飛行位置を検出する。さらに、状態検出部４３は、例えば風向、風速、気温、湿度など機体１１の周辺における大気の環境を検出する環境センサ５６を有していてもよい。

状態検出部４３は、加速度センサ５１、角速度センサ５２および地磁気センサ５３の出力値と、ＧＰＳセンサ５４の出力値とを用いて機体１１の飛行位置および飛行速度を特定する。また、状態検出部４３は、加速度センサ５１、角速度センサ５２および地磁気センサ５３の出力値などから、機体１１の姿勢、すなわちヨー軸、ロール軸およびピッチ軸を中心とした機体１１の回転角度もあわせて特定する。さらに、状態検出部４３は、高度センサ５５や環境センサ５６で検出した気圧などに基づいて飛行高度を検出する。このように、状態検出部４３は、機体１１の飛行姿勢に加え、飛行速度、飛行位置および飛行高度を飛行状態として検出するとともに、機体１１の外部の環境を検出する。

距離測定部４５は、ＬＩＤＡＲ（Light Detection And Ranging）５７およびカメラ５８に接続している。ＬＩＤＡＲ５７は、機体１１に設けられ、機体１１の周囲に存在する物体までの距離を検出する。カメラ５８は、機体１１の周囲に存在する物体の画像を取得する。

制御部４４は、機体１１の飛行を制御する。制御部４４は、自動制御モードまたは手動制御モードによって機体１１の飛行状態を制御する。自動制御モードは、飛行装置１０の外部の操作者による操作を必要とすることなく、機体１１を自立的に飛行させる飛行モードである。自動制御モードのとき、制御部４４は、記憶部４２に記憶されている飛行計画に沿って、機体１１の飛行を自動的に制御する。すなわち、制御部４４は、この自動制御モードのとき、状態検出部４３で検出した機体１１の飛行状態、および距離測定部４５で検出した物体までの距離などに基づいて、スラスタ２１〜２８の推進力を制御する。これにより、制御部４４は、操作者の操作によらず、機体１１を飛行計画に沿って自動的に飛行させる。一方、手動制御モードは、飛行装置１０の外部の操作者による操作によって機体１１を飛行させる飛行モードである。手動制御モードのとき、制御部４４は、飛行装置１０の外部の図示しない入力装置から入力された操作に基づいて機体１１の飛行状態を制御する。この場合、制御部４４は、入力装置から入力された操作に基づいて、スラスタ２１〜２８の推進力を制御する。手動制御モードの場合、制御部４４は、入力装置から入力された操作を、状態検出部４３で検出した機体１１の飛行状態、および距離測定部４５で検出した物体までの距離などに基づいて補正して、スラスタ２１〜２８の推進力を制御してもよい。

制御部４４は、モータ駆動部６１を通してスラスタ２１〜２８の各モータ３１に接続している。モータ駆動部６１は、モータ３１の駆動を制御するいわゆるドライバであり、ソフトウェア的、ハードウェア的またはソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現されている。制御部４４は、このモータ駆動部６１を通してスラスタ２１〜２８の各モータ３１の負荷を取得する。すなわち、本実施形態の場合、制御部４４は、８つのスラスタ２１〜２８の各モータ３１から負荷を検出する。

本実施形態の場合、制御部４４は、単位負荷を検出する。単位負荷は、機体１１の飛行に要求される１つのモータ３１あたりの負荷である。例えば機体１１の飛行に要求される推進力は推進力Ｆとする。本実施形態のように８つのスラスタ２１〜２８を備える飛行装置１０の場合、スラスタ２１〜２８の１つあたりに要求される推進力ｆは、ｆ＝Ｆ／８である。このように、１つのスラスタ２１〜２８がそれぞれ推進力ｆを発生するとき、スラスタ２１〜２８の各モータ３１の負荷は単位負荷ｂとなる。制御部４４は、自動制御モードおよび手動制御モードのいずれのときも、所望の飛行状態を維持するために８つのスラスタ２１〜２８で発生すべき推進力Ｆを設定する。制御部４４は、設定された推進力Ｆに基づいて、８つのスラスタ２１〜２８に分配する推進力ｆを設定する。制御部４４は、設定された推進力ｆに基づいて、８つのスラスタ２１〜２８の各モータ３１の出力を制御する。この場合、制御部４４は、例えばモータ３１へ供給する電流、電圧、回転数などに基づいてモータ３１の出力つまり負荷を制御する。このときスラスタ２１〜２８の各モータ３１の負荷は、単位負荷ｂとなる。制御部４４は、このように設定された推進力Ｆおよび推進力ｆに基づいて、１つのモータ３１あたりの負荷として単位負荷ｂを検出する。

制御部４４は、検出した単位負荷ｂの変動に基づいて、８つのスラスタ２１〜２８のうち少なくとも１つである特定スラスタが発生する推進力を低減する。本実施形態のように８つのスラスタ２１〜２８を備える飛行装置１０の場合、８つのスラスタ２１〜２８のうち少なくとも１つが特定スラスタとして選択される。制御部４４は、選択した１つ以上の特定スラスタについて推進力を低減する。この場合、制御部４４は、検出した単位負荷ｂが予め設定された下限値Ｒｉよりも小さいとき、特定スラスタを逆回転に駆動、または特定スラスタを停止する。これとともに、制御部４４は、特定スラスタの推進力の低減によって不足する推進力を、特定スラスタを除く駆動スラスタによって補い、駆動スラスタで機体１１の飛行を継続する。ここで、下限値Ｒｉは、モータ３１の定格出力に基づいて設定される。例えば、下限値Ｒｉは、モータ３１の定格出力に対して任意の割合として設定される。

以下、上記の構成による飛行装置１０について具体的な制御について説明する。
制御部４４は、通常の飛行状態において、８つのスラスタ２１〜２８のモータ３１の出力を制御することにより、機体１１の上昇、下降、飛行姿勢および飛行速度などの飛行状態を制御している。この場合、図３に示すように機体１１の飛行の継続に必要な推進力Ｆが小さいとき、８つのスラスタ２１〜２８で必要な推進力Ｆを維持すると、スラスタ２１〜２８の１つに要求される推進力ｆは小さくなる。例えば機体１１に設定された物品の搭載許容量に比較して、実際の搭載量が小さいとき、スラスタ２１〜２８の１つに要求される推進力ｆは小さくなる。また、例えば機体１１が上昇気流の中を飛行しているとき、または機体１１が下降中であるときなど、スラスタ２１〜２８の１つに要求される推進力ｆは小さくなる。このような場合、特にモータ３１の回転角度を検出するセンサを有していない安価なモータ駆動部６１は、モータ３１の出力が小さな領域においてモータ３１の精密な出力の制御が困難になりやすい。つまり、安価なモータ駆動部６１は、モータ３１の出力が小さな領域において制御が粗くなり、精密な制御が困難となる。

そこで、本実施形態の場合、制御部４４は、機体１１の飛行の継続に必要な推進力Ｆから、スラスタ２１〜２８の１つに要求される推進力ｆを設定するとともに、この推進力ｆのときのモータ３１の負荷を単位負荷ｂとして検出する。そして、制御部４４は、この単位負荷ｂがモータ３１の定格出力の下限値Ｒｉよりも小さいとき、特定スラスタが発生する推進力を低減する。

具体的には、制御部４４は、図３に示すように単位負荷ｂが下限値Ｒｉよりも小さいとき、図４に示すように８つのスラスタ２１〜２８のうち４つを特定スラスタとして特定する。図４に示す例の場合、スラスタ２５、スラスタ２６、スラスタ２７およびスラスタ２８は、特定スラスタに該当する。制御部４４は、特定した特定スラスタのモータ３１を停止する。これにより、８つのスラスタ２１〜２８のうち、特定スラスタであるスラスタ２５、スラスタ２６、スラスタ２７およびスラスタ２８が発生する推進力は低下する。これとともに、制御部４４は、特定スラスタを除く駆動スラスタのモータ３１を駆動し、飛行の継続に必要な推進力を確保する。すなわち、制御部４４は、駆動スラスタに相当するスラスタ２１、スラスタ２２、スラスタ２３およびスラスタ２４のモータ３１の出力を増大し、特定スラスタで減少した推進力を駆動スラスタによって補う。これにより、駆動スラスタであるスラスタ２１、スラスタ２２、スラスタ２３およびスラスタ２４のモータ３１の負荷は、図４に示すように下限値Ｒｉよりも大きくなる。その結果、総和となる推進力Ｆが維持されながら、駆動スラスタのモータ３１の出力は、制御性の高い下限値Ｒｉよりも高い領域で制御される。

このとき、制御部４４は、図５に示すように特定スラスタのモータ３１を逆回転して、推進力を逆向きつまり駆動スラスタによる推進力による機体１１の飛行を妨げる方向としてもよい。これにより、図５に示すように駆動スラスタであるスラスタ２１、スラスタ２２、スラスタ２３、スラスタ２４のモータ３１の負荷は、下限値Ｒｉよりもさらに大きくなり、より精密に出力を制御することができる。また、制御部４４は、図６に示すように８つのスラスタ２１〜２８のうち、推進力を低下させる特定スラスタと推進力を維持する駆動スラスタとを入れ替えてもよい。駆動スラスタのモータ３１は、推進力が低下した特定スラスタの推進力を補うため、より大きな負荷で駆動される。そこで、制御部４４は、特定スラスタと駆動スラスタとを入れ替えることにより、モータ３１の負荷の偏りを低減する。この場合、制御部４４は、例えば予め設定した設定時間ごと、または図示しない温度センサで検出したモータ３１の温度などに基づいて特定スラスタと駆動スラスタとを入れ替えることにより、モータ３１の負荷の偏りを低減する。

また、制御部４４は、状態検出部４３で検出した機体１１の飛行状態に基づいて、特定スラスタを選択してもよい。例えば図７に示すように矢印Ｄ方向へ飛行しているとき、矢印Ｄ方向への飛行に寄与が小さなスラスタ２２、スラスタ２３、スラスタ２６およびスラスタ２７を特定スラスタとして停止するとともに、スラスタ２１、スラスタ２４、スラスタ２５およびスラスタ２８を駆動スラスタとして駆動する。これにより、機体１１は、安定した飛行姿勢で矢印Ｄ方向へ飛行する。他にも、制御部４４は、例えば機体１１に特定の方向からの風が吹いているときなど、８つのスラスタ２１〜２８から任意の位置の特定スラスタを特定することにより機体１１の飛行姿勢の安定を図る構成としてもよい。

制御部４４は、プロペラ３２の停止位置を制御してもよい。スラスタ２１〜２８のプロペラ３２は、停止する位置によって抵抗つまり大気から受ける影響が変化する。特定スラスタを停止して機体１１の飛行を継続する場合、制御部４４は、図８に示すように特定スラスタのプロペラ３２を設定位置に停止する。設定位置は、予め設定されている。制御部４４は、特定スラスタのモータ３１の停止位置を制御することにより、プロペラ３２の停止位置を設定位置に制御する。図８に示す場合、設定位置は、本体１２から放射状に延びる腕部１３と重なる位置に設定されている。これにより、特定スラスタが停止したとき、特定スラスタであるスラスタ２２、スラスタ２３、スラスタ２６およびスラスタ２７のプロペラ３２は腕部１３と重なる位置で停止する。その結果、飛行中の機体１１が大気から受ける力は減少し、飛行姿勢の安定化が図られる。また、制御部４４は、風向きなどに応じてプロペラ３２の停止位置を変更してもよい。例えば風向きなどから停止したプロペラ３２が受ける抵抗を増大したいとき、プロペラ３２の停止位置は、腕部１３と重なる位置に限らず、腕部１３と垂直な位置などに設定してもよい。

以上説明したように一実施形態では、制御部４４は、機体１１の飛行に必要な１つのモータ３１あたりの負荷を単位負荷ｂとして検出する。制御部４４は、検出した単位負荷ｂの変動に応じて、特定スラスタが発生する推進力を低減する。特定スラスタは、８つのスラスタ２１〜２８から１つ以上が特定される。そして、８つのスラスタ２１〜２８のうち特定スラスタを除くスラスタは、駆動スラスタとなる。制御部４４は、特定スラスタが発生する推進力を低減するとともに、残りの駆動スラスタの推進力を増大することによって、全てのスラスタ２１〜２８で発生する推進力の総和を変えずに、駆動スラスタで飛行を継続する。そのため、駆動スラスタは、モータ３１の負荷が大きな領域で制御される。したがって、制御性を向上することができ、飛行安定性を向上することができる。

一実施形態では、制御部４４は、単位負荷ｂが下限値Ｒｉよりも小さいとき、特定スラスタを停止または逆回転で駆動する。これにより、機体１１の飛行の継続に必要な推進力Ｆは、８つのスラスタ２１〜２８のうち特定スラスタを除く駆動スラスタによって得られる。そのため、駆動スラスタのモータ３１の負荷は、下限値Ｒｉよりも大きくなる。したがって、制御性を向上することができ、飛行安定性を向上することができる。

一実施形態では、制御部４４は、状態検出部４３で検出した機体１１の飛行状態に基づいて、８つのスラスタ２１〜２８から特定スラスタを選択する。これにより、制御部４４は、例えば機体１１の進行方向、あるいは機体１１に加わる風の影響などに基づいて、適した特定スラスタを選択する。したがって、制御性および飛行安定性の向上だけでなく、電力の消費効率の向上や飛行姿勢の変化時における応答性の向上などをあわせて達成することができる。

一実施形態では、制御部４４は、特定スラスタを停止するとき、プロペラ３２の停止位置を設定位置にする。これにより、停止したプロペラ３２が機体１１の飛行に与える影響が低減される。したがって、制御性および飛行安定性の向上を図ることができる。
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１０は飛行装置、１１は機体、２１〜２８はスラスタ、３１はモータ、３２はプロペラ、４３は状態検出部、４４は制御部を示す。

Claims (5)

1. 機体（１１）と、
   前記機体（１１）に５つ以上設けられ、前記機体（１１）が飛行するための推進力を発生するプロペラ（３２）、および前記プロペラ（３２）を駆動するモータ（３１）を有するスラスタ（２１〜２８）と、
   前記機体（１１）の飛行に要求される１つの前記モータ（３１）あたりの負荷を単位負荷として検出し、検出した前記単位負荷の変動に応じて、５つ以上の前記スラスタ（２１〜２８）のうちの少なくとも１つである特定スラスタが発生する推進力を低減するとともに、前記特定スラスタを除く駆動スラスタで飛行を継続する制御部（４４）と、
   を備える飛行装置。
2. 前記制御部（４４）は、前記単位負荷が予め設定した下限値よりも小さいとき、前記特定スラスタが発生する推進力を変更する請求項１記載の飛行装置。
3. 前記制御部（４４）は、前記単位負荷が前記下限値よりも小さいとき、前記特定スラスタを逆回転に駆動または停止する請求項２記載の飛行装置。
4. 前記機体（１１）の飛行状態を検出する状態検出部（４３）をさらに備え、
   前記制御部（４４）は、前記状態検出部（４３）で検出した前記機体（１１）の飛行状態に基づいて、５つ以上の前記スラスタ（２１〜２８）から逆回転または停止する前記特定スラスタを選択する請求項３記載の飛行装置。
5. 前記制御部（４４）は、前記プロペラ（３２）の停止位置を予め設定された設定位置にする請求項３または４記載の飛行装置。

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