JP2020111076A - スラスタ制御装置および姿勢制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用の制御装置を用いる場合でも、飛行装置の性能を十分に発揮するスラスタ制御装置を提供する。【解決手段】スラスタ制御装置５０は、２つ以上のスラスタ１２と、スラスタ１２で発生する推進力を制御するためにスラスタ１２へ指令値を出力する主制御装置３０と、を備える飛行装置１０に用いられる。スラスタ制御装置５０は、指令値取得部５３および指令値作成部５４を備える。指令値取得部５３は、プロペラ１５のピッチが固定されていることを前提にして主制御装置３０からスラスタ１２へ出力される指令値を取得する。指令値作成部５４は、取得した指令値から、プロペラ１５のピッチを設定するためのプロペラピッチ指令値を作成してスラスタ１２のピッチ変更機構部１６へ出力するとともに、プロペラピッチ指令値に基づいて指令値を修正しモータ１４の回転数を設定するための修正回転数指令値を作成してモータ１４へ出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、飛行装置のスラスタ制御装置および姿勢制御装置に関する。

近年、いわゆるドローンと称される飛行装置の普及が進んでいる。このような飛行装置は、モータで駆動されるプロペラを有する複数のスラスタを備えている。飛行装置は、スラスタが発生する推進力を制御することにより、その飛行姿勢および飛行状態が変化する。飛行装置は、機器のモジュール化が進んでおり、多くの供給者で製造された種々の機体を汎用の制御装置で制御する傾向にある。

しかしながら、汎用の制御装置は、より多くの種類の機体に適用可能とするために、制御系統の統一化が図られている。そのため、飛行装置の機体側で仕様を変更しても、汎用の制御装置は各種の機体の仕様のすべてに対応することができない。その結果、日々能力が向上する飛行装置の性能を十分に発揮することができないという問題がある。

特開昭６３−１９２６９７号公報

そこで、汎用の制御装置を用いる場合でも、飛行装置の性能を十分に発揮するスラスタ制御装置を提供することを目的とする。
また、汎用の制御装置に機能を付加することにより、飛行装置の性能を十分に発揮する姿勢制御装置を提供することを他の目的とする。

飛行装置は、スラスタで発生する推進力を制御することにより、その飛行姿勢を制御している。スラスタで発生する推進力は、主にプロペラを駆動するモータの回転数によって制御される。ここで、スラスタにプロペラのピッチを変更するためのピッチ変更機構部を設けると、スラスタで発生する推進力はモータの回転数だけでなくプロペラのピッチによっても変更される。この場合、プロペラのピッチの変更による推進力の変化の応答性は、モータの回転数の変更によるものと比較して、１０倍以上の速さを有している。そのため、スラスタで発生する推進力を制御する場合、プロペラのピッチの変更を利用することにより、例えば突然の風などのような外乱に対する応答性が向上し、飛行状態の安定性の向上が図られる。反面、プロペラのピッチを変更する場合、制御の対象は、モータの回転数およびプロペラのピッチとなる。そのため、スラスタの推進力の制御にプロペラのピッチの変更を用いるためには、制御系統が増加し、特殊な制御装置が必要になる。その結果、飛行装置は、プロペラのピッチを固定することを前提として、スラスタのモータの回転数を制御するための回転数指令値を出力する汎用の制御装置が用いられる。

請求項１記載の発明では、指令値取得部を備えている。指令値取得部は、スラスタにおけるプロペラのピッチを固定することを前提として出力された指令値を取得する。指令値作成部は、指令値取得部で取得した指令値から、プロペラピッチ指令値および修正回転数指令値を作成する。すなわち、指令値作成部は、取得した指令値からプロペラのピッチを設定するためのプロペラピッチ指令値を作成する。これとともに、指令値作成部は、作成したプロペラピッチ指令値に基づいて、取得した指令値を修正し、モータの回転数を設定するための修正回転数指令値を作成する。スラスタでは、指令値作成部から出力されたプロペラピッチ指令値に基づいて、ピッチ変更機構部によりプロペラのピッチが変更される。これとともに、スラスタでは、指令値作成部から出力された修正回転数指令値によりモータの回転数が変更される。このとき、指令値作成部は、プロペラのピッチおよびモータの回転数を、例えば応答性もしくは効率を優先して、または応答性および効率を両立させるようにプロペラピッチ指令値および修正回転数指令値を作成する。このように、指令値作成部は、主制御装置から出力された回転数指令値を用いて、プロペラピッチ指令値および修正回転数指令値を作成し、スラスタへ出力する。これにより、飛行装置のスラスタがピッチ変更機構部を備える場合、スラスタが発生する推進力はモータの回転数だけでなくプロペラのピッチも用いて制御される。したがって、プロペラのピッチが固定されていることを前提として指令値を出力する主制御装置を用いる場合でも、プロペラのピッチを変更することができ、飛行装置の性能を十分に発揮することができる。

請求項２記載の発明では、プロペラのピッチが固定されていることを前提として指令値を出力する主制御部に、この主制御部から指令値を取得する指令値取得部が付加されている。指令値取得部は、上述の請求項１記載の発明と同様に主制御部から出力される指令値を取得する。指令値作成部は、指令値取得部で取得した指令値から、プロペラピッチ指令値および修正回転数指令値を作成する。これにより、飛行装置のスラスタがピッチ変更機構部を備える場合、スラスタが発生する推進力はモータの回転数だけでなくプロペラのピッチも用いて制御される。したがって、プロペラのピッチが固定されていることを前提として指令値を出力する場合でも、プロペラのピッチを変更することができ、飛行装置の性能を十分に発揮することができる。

第１実施形態による飛行装置の構成を示すブロック図 第１実施形態による飛行装置の概略的な構成を示す模式図 第１実施形態による飛行装置のスラスタに用いられるピッチ変更機構部の一例を示す概略的な斜視図 モータの回転数と、プロペラのピッチと、スラスタが発生する推進力との関係を示す概略図 モータの回転数と、スラスタが発生する推進力と、プロペラのピッチとの関係から、モータの単位出力当たりの効率を示す概略図 第１実施形態による飛行装置において、自動制御モードにおける処理を示す概略図 第１実施形態による飛行装置において、手動制御モードにおける処理を示す概略図 第２実施形態による飛行装置において、自動制御モードにおける処理を示す概略図 第３実施形態による飛行装置の構成を示すブロック図 第３実施形態による飛行装置において、自動制御モードにおける処理を示す概略図 第４実施形態による飛行装置の構成を示す模式図 第５実施形態による姿勢制御装置の構成を示すブロック図

以下、スラスタ制御装置を用いた飛行装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
図２に示すように第１実施形態による飛行装置１０は、本体１１およびスラスタ１２を備えている。飛行装置１０は、複数のスラスタ１２を備えている。第１実施形態では、飛行装置１０は、４つのスラスタ１２を備えている。この場合、本体１１は、径方向外側へ放射状に伸びる４本の腕部１３を有しており、この腕部１３の先端にそれぞれスラスタ１２が設けられている。なお、本体１１は、放射状に伸びる腕部１３に限らず、円環状に形成し、周方向へ複数のスラスタ１２を設ける構成としてもよい。

スラスタ１２は、それぞれモータ１４、プロペラ１５およびピッチ変更機構部１６を有している。モータ１４は、プロペラ１５を駆動する駆動源である。モータ１４は、本体１１に収容されているバッテリ１７などの電源から供給される電力によって駆動される。モータ１４の回転は、プロペラ１５に伝達される。プロペラ１５は、モータ１４によって回転駆動される。ピッチ変更機構部１６は、プロペラ１５のピッチを変更する。

ピッチ変更機構部１６の一例を図３に基づいて説明する。なお、図３に示すピッチ変更機構部１６は、一例であり、プロペラ１５のピッチを変更可能な構成であって、飛行装置１０のスラスタ１２に適用可能な構成であればこの例に限らない。ピッチ変更機構部１６は、サーボモータ２１、レバー部材２２、リンク部材２３および変更部材２４を有している。サーボモータ２１の回転は、レバー部材２２、リンク部材２３および変更部材２４を通してプロペラ１５に伝達される。このとき、サーボモータ２１の回転は、レバー部材２２、リンク部材２３および変更部材２４を経由することにより、プロペラ１５の回転中心Ａと垂直なプロペラ軸Ａｐを中心とするプロペラ１５の回転に変換される。すなわち、サーボモータ２１が回転すると、プロペラ１５は、プロペラ軸Ａｐを中心に回転する。このプロペラ軸Ａｐを中心に回転するプロペラ１５の回転角度は、「ピッチ」または「プロペラピッチ」という。これにより、プロペラ１５は、上昇時の推力を発生するピッチと下降時の推力を発生するピッチとの間で変化する。プロペラ１５のピッチの変化量は、サーボモータ２１の回転角度に対応する。スラスタ１２が発生する推進力は、プロペラ１５を回転駆動するモータ１４の回転数と、プロペラ１５のピッチによって変化する。

飛行装置１０は、図１および図２に示すように主制御装置３０および通信部３１を備えている。主制御装置３０は、図２に示すように本体１１の内部に収容され、バッテリ１７と接続している。主制御装置３０は、モジュール化された汎用の制御装置である。主制御装置３０は、図１に示すように制御演算部３２および記憶部３３を有している。制御演算部３２は、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。制御演算部３２は、ＣＰＵでＲＯＭに記憶されているコンピュータプログラムを実行することにより、飛行装置１０の全体を制御する。制御演算部３２は、コンピュータプログラムを実行することにより、状態取得部３４および飛行制御部３５をソフトウェア的に実現している。なお、状態取得部３４および飛行制御部３５は、ソフトウェア的に限らず、専用の電子回路によるハードウェア的、あるいはソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現してもよい。記憶部３３は、例えば不揮発性メモリなどを有している。記憶部３３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、例えば飛行装置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。記憶部３３は、制御演算部３２のＲＡＭおよびＲＡＭと共用してもよい。通信部３１は、操作者が操作する操作装置３６と無線または有線で通信する。

状態取得部３４は、本体１１の傾きや本体１１に加わる加速度などから飛行装置１０の飛行状態を取得する。具体的には、状態取得部３４は、ＧＰＳセンサ４１、加速度センサ４２、角速度センサ４３、地磁気センサ４４および高度センサ４５などと接続している。ＧＰＳセンサ４１は、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星から出力されるＧＰＳ信号を受信する。また、加速度センサ４２は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３次元の３つの軸方向において本体１１に加わる加速度を検出する。角速度センサ４３は、３次元の３つの軸方向において本体１１に加わる角速度を検出する。地磁気センサ４４は、３次元の３つの軸方向における地磁気を検出する。高度センサ４５は、天地方向における高度を検出する。

状態取得部３４は、これらＧＰＳセンサ４１で受信したＧＰＳ信号、加速度センサ４２で検出した加速度、角速度センサ４３で検出した角速度、地磁気センサ４で検出した地磁気などから、本体１１の飛行姿勢、飛行方向および飛行速度を検出する。また、状態取得部３４は、ＧＰＳセンサ４１で検出したＧＰＳ信号と各種のセンサによる検出値から本体１１の飛行位置を自立的に検出する。さらに、状態取得部３４は、ＧＰＳセンサ４１で受信したＧＰＳ信号、および高度センサ４５で検出した高度から本体１１の飛行高度を検出する。このように、状態取得部３４は、本体１１の飛行姿勢、飛行位置および飛行高度など、飛行装置１０の飛行に必要な情報を飛行状態として取得する。状態取得部３４は、これらの各種センサに加え、可視的な画像を取得するカメラ４６、あるいは周囲の物体までの距離を測定するＬＩＤＡＲ（Light Detection And Ranging）４７などに接続してもよい。

飛行制御部３５は、飛行装置１０の飛行を、自動制御モードまたは手動制御モードによって制御する。自動制御モードは、操作者の操作によらずに飛行装置１０を自動的に飛行させるモードである。飛行装置１０の操作者は、自動制御モードと手動制御モードとを任意に切り替えることができる。自動制御モードのとき、飛行制御部３５は、記憶部３３に記憶されている飛行計画に沿って、飛行装置１０の飛行を自動的に制御する。すなわち、飛行制御部３５は、この自動制御モードのとき、状態取得部３４で取得した本体１１の飛行状態に基づいて、スラスタ１２が発生する推進力を制御する。これにより、飛行制御部３５は、操作者の操作によらず、飛行装置１０を記憶部３３に記憶された飛行計画に沿って自動的に飛行させる。

手動制御モードは、操作者の操作にしたがって飛行装置１０を飛行させる飛行モードである。手動制御モードのとき、操作者は、飛行装置１０と別体で遠隔に設けられている操作装置３６を通して飛行装置１０の飛行状態を制御する。飛行制御部３５は、操作装置３６を通して操作者が入力した操作、および状態取得部３４で取得した飛行状態に基づいて、スラスタ１２が発生する推進力を制御する。これにより、飛行制御部３５は、操作者の意思に沿って飛行装置１０の飛行を制御する。

飛行制御部３５は、自動制御モードまたは手動制御モードにおいて、スラスタ１２が発生する推進力を制御するために指令値を出力する。第１実施形態の場合、飛行制御部３５は、指令値として回転数指令値Ｒｘを出力する。回転数指令値Ｒｘは、スラスタ１２におけるプロペラ１５のピッチが固定されていることを前提として、スラスタ１２で発生する推進力を制御するためにモータ１４の回転数を指令する値である。すなわち、既存の汎用される主制御装置３０は、スラスタ１２が発生する推進力を制御するとき、プロペラ１５のピッチが固定されていることを前提としてモータ１４の回転数を制御する。そのため、主制御装置３０の飛行制御部３５は、スラスタ１２に要求する推進力を設定するとともに、設定した推進力に応じてモータ１４の回転数を設定する。飛行制御部３５は、スラスタ１２のモータ１４を設定した回転数とするために、回転数に対応する回転数指令値Ｒｘを出力する。スラスタ１２は、この回転数指令値Ｒｘに基づいてモータ１４の回転数が変更され、設定されたモータ１４の回転数に対応する推進力を発生する。このように、飛行制御部３５は、スラスタ１２におけるモータ１４の回転数を制御するために回転数指令値Ｒｘを出力する。

次に、第１実施形態によるスラスタ制御装置５０について説明する。
スラスタ制御装置５０は、飛行装置１０において主制御装置３０とスラスタ１２との間に設けられている。すなわち、スラスタ制御装置５０は、主制御装置３０とスラスタ１２との間にアドオンされる追加的なユニットである。第１実施形態の場合、スラスタ制御装置５０は、４つのスラスタ１２を制御する。すなわち、第１実施形態のスラスタ制御装置５０は、１つの主制御装置３０に対して１つ接続され、飛行装置１０が備える４つのスラスタ１２を制御する。

スラスタ制御装置５０は、制御演算部５１、記憶部５２、指令値取得部５３および指令値作成部５４を備えている。制御演算部５１は、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。制御演算部５１は、ＣＰＵでＲＯＭに記憶されているコンピュータプログラムを実行することにより、指令値取得部５３および指令値作成部５４をソフトウェア的に実現している。なお、指令値取得部５３および指令値作成部５４は、ソフトウェア的に限らず、専用の電子回路によってハードウェア的、あるいはソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現してもよい。また、スラスタ制御装置５０の全体を専用の電子回路としてハードウェア的に構成してもよい。

記憶部５２は、例えば不揮発性メモリなどを有している。記憶部５２は、制御演算部５１のＲＯＭやＲＡＭと共用してもよい。指令値取得部５３は、主制御装置３０の飛行制御部３５から出力される回転数指令値Ｒｘを取得する。つまり、飛行制御部３５から出力された回転数指令値Ｒｘは、スラスタ制御装置５０の指令値取得部５３に入力される。

指令値作成部５４は、指令値取得部５３で取得した回転数指令値Ｒｘから、プロペラピッチ指令値Ｐｘおよび修正回転数指令値Ｒｒを作成する。プロペラピッチ指令値Ｐｘは、ピッチ変更機構部１６で変更するプロペラ１５のピッチを設定するための指令値である。また、修正回転数指令値Ｒｒは、プロペラピッチ指令値Ｐｘを考慮してモータ１４の回転数を設定するための指令値である。上述のように主制御装置３０から出力される回転数指令値Ｒｘは、プロペラ１５のピッチが固定されていることを前提として、スラスタ１２に要求される推進力に対応するモータ１４の回転数として決定されている。指令値作成部５４は、このスラスタ１２が発生する推進力を、プロペラ１５のピッチの変更によって発生する推進力と、モータ１４の回転にともなうプロペラ１５の回転によって発生する推進力とに分配する。これにより、指令値作成部５４は、主制御装置３０で設定された回転数指令値Ｒｘから、プロペラ１５のピッチを変更するためのプロペラピッチ指令値Ｐｘと、モータ１４の回転数を変更するための修正回転数指令値Ｒｒとを作成する。その結果、スラスタ１２が発生する推進力は、主制御装置３０から出力された回転数指令値Ｒｘに対応して維持されつつ、プロペラ１５のピッチの変更による推進力と、プロペラ１５の回転数の変更による推進力とに分配される。

この場合、指令値作成部５４は、例えば応答性を優先して、効率を優先して、または応答性と効率との均衡を図りつつ、推進力をピッチの変更と回転数の変更とに分配する。モータ１４の回転数と、プロペラ１５のピッチと、スラスタ１２が発生する推進力との間には、図４に示すような関係がある。また、モータ１４の回転数と、スラスタ１２が発生する推進力と、プロペラ１５のピッチと、効率との間には、図５に示すような関係がある。指令値作成部５４は、図４および図５に示すような相関関係を用いて、任意の割合で推進力をピッチの変更と回転数の変更とに分配する。この場合、推進力の分配の割合は、上述のように応答性または効率などを優先したり、均衡を図ったりなど、飛行装置１０に要求される性能や飛行装置１０の仕様などに応じて任意に設定される。設定された推進力の分配の割合は、例えば数式やマップとして記憶部５２に記憶されている。効率は、電気的な効率であり、モータ１４の単位出力当たりの効率を意味する。そのため、効率が向上するほど、同一の推進力に対する消費電力は減少する。

指令値作成部５４は、作成したプロペラピッチ指令値Ｐｘを、ピッチ変更機構部１６のサーボモータ２１へ出力する。サーボモータ２１は、プロペラピッチ指令値Ｐｘに基づいて駆動される。これにより、プロペラ１５は、サーボモータ２１の回転によってプロペラ軸Ａｐを中心に回転し、ピッチが変更される。また、指令値作成部５４は、作成した修正回転数指令値Ｒｒを、スラスタ１２のモータ１４へ出力する。モータ１４は、修正回転数指令値Ｒｒに基づいて駆動される。これにより、プロペラ１５は、修正回転数指令値Ｒｒに基づく回転数で回転する。これらの結果、スラスタ１２のプロペラ１５は、主制御装置３０から出力された回転数指令値Ｒｘを用いてピッチが変更されるとともに、回転数も変更される。

次に、上記の構成によるスラスタ制御装置５０によるプロペラピッチ指令値Ｐｘおよび修正回転数指令値Ｒｒの作成の流れについて説明する。
自動制御モードの場合、図６に示すように処理が実行される。主制御装置３０の飛行制御部３５は、記憶部３３に記憶されている飛行計画に基づいて目標位置Ｐｔを取得する。状態取得部３４は、ＧＰＳセンサ４１などから飛行装置１０が飛行している位置の推定値を位置推定値ｐとして取得する。飛行制御部３５は、取得した目標位置Ｐｔおよび位置推定値ｐに加え、速度推定値ｖを取得する。速度推定値ｖは、状態取得部３４の例えばＧＰＳセンサ４１、加速度センサ４２および角速度センサ４３などから取得した値を用いて推定される。飛行制御部３５は、取得した目標位置Ｐｔ、位置推定値ｐおよび速度推定値ｖを用いて、姿勢目標値Ｓｔを設定する。

飛行制御部３５は、状態取得部３４を通して姿勢推定値ｓを取得する。姿勢推定値ｓは、状態取得部３４の角速度センサ４３などから取得した値から推定される飛行装置１０の飛行姿勢である。飛行姿勢は、飛行装置１０のロール軸、ピッチ軸およびヨー軸のそれぞれを中心とした回転角度に相当する。飛行制御部３５は、設定した姿勢目標値Ｓｔおよび取得した姿勢推定値ｓに、姿勢変化推定値ｓｒを用いて、ＲＰＹＴ指示値を設定する。姿勢変化推定値ｓｒは、飛行装置１０の飛行姿勢を姿勢目標値Ｓｔとするために必要な変化量の推定値である。飛行制御部３５は、ロール軸を中心とする飛行装置１０の回転角度Ｒ、ピッチ軸を中心とする飛行装置１０の回転角度Ｐ、およびヨー軸を中心とする飛行装置１０の回転角度Ｙの変化量を姿勢変化推定値ｓｒとして取得する。そして、飛行制御部３５は、取得した姿勢変化推定値ｓｒからＲＰＹＴ指示値Ｄｓを設定する。ＲＰＹＴ指示値Ｄｓは、取得した姿勢変化推定値ｓｒに基づいて、ロール軸を中心とする回転角度Ｒ、ピッチ軸を中心とする回転角度Ｐ、ヨー軸を中心とする回転角度Ｙ、および飛行装置の飛行速度Ｔを特定するための姿勢指令値を含んでいる。飛行制御部３５は、設定されたＲＰＹＴ指示値Ｄｓに基づいて、スラスタ１２におけるモータ１４の回転数を回転数指令値Ｒｘとして設定する。この回転数指令値Ｒｘは、スラスタ１２が発生する推進力を設定するための指令値である。

主制御装置３０の飛行制御部３５から出力された回転数指令値Ｒｘは、スラスタ制御装置５０の指令値取得部５３に入力される。入力された回転数指令値Ｒｘは、指令値作成部５４においてプロペラピッチ指令値Ｐｘ、および修正回転数指令値Ｒｒとして作成される。指令値作成部５４は、作成したプロペラピッチ指令値Ｐｘをピッチ変更機構部１６のサーボモータ２１へ出力する。これとともに、指令値作成部５４は、作成した修正回転数指令値Ｒｒをスラスタ１２のモータ１４へ出力する。

また、手動制御モードの場合、図７に示すように処理が実行される。主制御装置３０の飛行制御部３５は、操作装置３６から入力された操作者の操作に基づいて、姿勢目標値Ｓｔを設定する。飛行制御部３５は、操作者の操作に基づいて設定した姿勢目標値Ｓｔ、および状態取得部３４を通して取得した姿勢推定値ｓに、姿勢変化推定値ｓｒを用いて、ＲＰＹＴ指示値Ｄｓを設定する。飛行制御部３５は、設定されたＲＰＹＴ指示値Ｄｓに基づいて、スラスタ１２におけるモータ１４の回転数を回転数指令値Ｒｘとして設定する。主制御装置３０の飛行制御部３５から出力された回転数指令値Ｒｘは、スラスタ制御装置５０の指令値取得部５３に入力される。入力された回転数指令値Ｒｘは、指令値作成部５４においてプロペラピッチ指令値Ｐｘ、および修正回転数指令値Ｒｒとして作成される。指令値作成部５４は、作成したプロペラピッチ指令値Ｐｘをピッチ変更機構部１６のサーボモータ２１へ出力する。これとともに、指令値作成部５４は、作成した修正回転数指令値Ｒｒをスラスタ１２のモータ１４へ出力する。

以上説明した第１実施形態では、スラスタ制御装置５０は指令値取得部５３を備えている。指令値取得部５３は、スラスタ１２におけるプロペラ１５のピッチを固定することを前提として主制御装置３０から出力された回転数指令値Ｒｘを取得する。指令値作成部５４は、指令値取得部５３で取得した回転数指令値Ｒｘから、プロペラピッチ指令値Ｐｘおよび修正回転数指令値Ｒｒを作成する。すなわち、指令値作成部５４は、取得した回転数指令値Ｒｘからプロペラ１５のピッチを設定するためのプロペラピッチ指令値Ｐｘを作成する。これとともに、指令値作成部５４は、作成したプロペラピッチ指令値Ｐｘに基づいて、取得した回転数指令値Ｒｘを修正し、モータ１４の回転数を設定するための修正回転数指令値Ｒｒを作成する。スラスタ１２では、指令値作成部５４から出力されたプロペラピッチ指令値Ｐｘに基づいて、ピッチ変更機構部１６によりプロペラ１５のピッチが変更される。これとともに、スラスタ１２では、指令値作成部５４から出力された修正回転数指令値Ｒｒによりモータ１４の回転数が変更される。これにより、ピッチ変更機構部１６を備える飛行装置１０は、スラスタ１２から発生する推進力がモータ１４の回転数だけでなくプロペラ１５のピッチも用いて制御される。したがって、プロペラ１５のピッチが固定されていることを前提として回転数指令値Ｒｘを出力する主制御装置３０を用いる場合でも、プロペラ１５のピッチを変更することができ、飛行装置１０の性能を十分に発揮することができる。

第１実施形態のようにスラスタ１２にピッチ変更機構部１６を備える飛行装置１０の場合、スラスタ１２で発生する推進力は、モータ１４の回転数だけでなくプロペラ１５のピッチによっても変更される。この場合、プロペラ１５のピッチの変更による推進力の変化の応答性は、モータ１４の回転数の変更によるものと比較して、１０倍以上の速さを有している。そのため、スラスタ１２で発生する推進力を制御する場合、プロペラ１５のピッチの変更を利用することにより、例えば突然の風などのような外乱に対する応答性が向上し、飛行状態の安定性の向上が図られる。第１実施形態では、スラスタ制御装置５０は、汎用の主制御装置３０から出力された回転数指令値Ｒｘを使用して、プロペラピッチ指令値Ｐｘおよび修正回転数指令値Ｒｒを作成している。そのため、第１実施形態のスラスタ制御装置５０は、制御系統の複雑化や専用の回路設計といった主制御装置３０の改変をともなわない。したがって、構成の複雑化や専用化などを招くことなく、プロペラ１５のピッチの変更にも対応することができ、飛行装置１０の性能を十分に発揮して、飛行安定性、応答性、効率の向上を図ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態によるスラスタ制御装置について説明する。
第２実施形態によるスラスタ制御装置５０は、その構成が第１実施形態と共通しており、処理の流れが第１実施形態と異なっている。第２実施形態のスラスタ制御装置５０は、図８に示すように主制御装置３０の飛行制御部３５から姿勢指令値を含むＲＰＹＴ指示値Ｄｓを取得する。すなわち、主制御装置３０の飛行制御部３５は、第１実施形態の回転数指令値Ｒｘに代えて、ＲＰＹＴ指示値Ｄｓを出力する。これとともに、出力されたＲＰＹＴ指示値Ｄｓは、スラスタ制御装置５０の指令値取得部５３に入力される。入力されたＲＰＹＴ指示値Ｄｓは、指令値作成部５４においてプロペラピッチ指令値Ｐｘ、および修正回転数指令値Ｒｒとして作成される。指令値作成部５４は、作成したプロペラピッチ指令値Ｐｘをピッチ変更機構部１６のサーボモータ２１へ出力する。これとともに、指令値作成部５４は、作成した修正回転数指令値Ｒｒをスラスタ１２のモータ１４へ出力する。この場合、指令値作成部５４は、ＲＰＹＴ指示値Ｄｓに含まれる回転角度Ｒ、回転角度Ｐ、回転角度Ｙまたは飛行速度Ｔに対応する姿勢指令値のうち少なくとも１つ以上の姿勢指令値を用いてプロペラピッチ指令値Ｐｘおよび修正回転数指令値Ｒｒを作成することができる。

第２実施形態では、指令値作成部５４は、主制御装置３０の飛行制御部３５から出力された複数の姿勢指令値を含むＲＰＹＴ指示値Ｄｓを用いてプロペラピッチ指令値Ｐｘおよび修正回転数指令値Ｒｒを作成する。このように、第２実施形態の指令値作成部５４は、第１実施形態のように最終的な回転数指令値Ｒｘに代えて、飛行制御部３５で作成される中間的な指示値であるＲＰＹＴ指示値Ｄｓを用いてプロペラピッチ指令値Ｐｘおよび修正回転数指令値Ｒｒを作成する。これにより、主制御装置３０の飛行制御部３５における処理は、第１実施形態に比較して簡略化される。したがって、より応答性の向上を図ることができる。
なお、第２実施形態では、自動制御モードを例に説明したが手動制御モードの場合も同様に応答性の向上を図ることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態によるスラスタ制御装置について説明する。
第３実施形態によるスラスタ制御装置５０は、第２実施形態の変形である。図９に示すように第３実施形態のスラスタ制御装置５０は、状態取得部６１および姿勢推定部６２を備えている。状態取得部６１および姿勢推定部６２は、スラスタ制御装置５０においてソフトウェア的、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。状態取得部６１は、加速度センサ６３、角速度センサ６４および地磁気センサ６５に接続している。また、状態取得部６１は、図示しないＧＰＳセンサや高度センサと接続してもよい。これらの各種のセンサは、主制御装置３０の状態取得部３４に接続されるセンサと同様の構成である。姿勢推定部６２は、状態取得部６１において加速度センサ６３、角速度センサ６４および地磁気センサ６５で検出した値から、スラスタ制御装置５０が搭載されている飛行装置１０の飛行姿勢を推定する。すなわち、姿勢推定部６２は、ロール軸を中心とする本体１１の回転角度、ピッチ軸を中心とする本体１１の回転角度、およびヨー軸を中心とする本体１１の回転角度などから、飛行装置１０の飛行姿勢を推定する。そして、推定した飛行姿勢を姿勢推定値ｓ１として、指令値作成部５４へ出力する。

これにより、第３実施形態のスラスタ制御装置５０の場合、図１０に示すように指令値作成部５４は、姿勢推定値ｓ１を用いてプロペラピッチ指令値Ｐｘおよび修正回転数指令値Ｒｒを作成する。すなわち、指令値作成部５４は、主制御装置３０の飛行制御部３５から出力されたＲＰＹＴ指示値Ｄｓに加え、姿勢推定部６２で推定した姿勢推定値ｓ１を用いて、プロペラピッチ指令値Ｐｘおよび修正回転数指令値Ｒｒを作成する。指令値作成部５４は、作成したプロペラピッチ指令値Ｐｘをピッチ変更機構部１６のサーボモータ２１へ出力する。これとともに、指令値作成部５４は、作成した修正回転数指令値Ｒｒをスラスタ１２のモータ１４へ出力する。

第３実施形態では、指令値作成部５４は、主制御装置３０の飛行制御部３５から出力されたＲＰＹＴ指示値Ｄｓに加え、姿勢推定部６２で推定した姿勢推定値ｓ１を用いてプロペラピッチ指令値Ｐｘおよび修正回転数指令値Ｒｒを作成する。これにより、指令値作成部５４は、姿勢推定値ｓ１で示される飛行装置１０の飛行姿勢に基づいて、プロペラピッチ指令値Ｐｘと修正回転数指令値Ｒｒとの重み付けを変更する。したがって、プロペラピッチ指令値Ｐｘおよび修正回転数指令値Ｒｒのより適した設定が可能となり、応答性や効率のさらなる向上を図ることができる。

また、第３実施形態では、姿勢推定部６２において姿勢推定値ｓ１を生成することにより、主制御装置３０の状態取得部３４で取得された飛行姿勢などの飛行状態が適切であるか否かを判断可能となる。そのため、明らかな誤差や不具合などの影響は排除される。したがって、安全性をより高めることができ、冗長性の向上を図ることができる。

なお、第３実施形態では、自動制御モードを例に説明したが手動制御モードの場合も同様の効果を得ることができる。また、第３実施形態では、第２実施形態で説明したＲＰＹＴ指示値Ｄｓを用いる例について説明したが、第１実施形態で説明した回転数指令値Ｒｘを用いる例にも適用することができる。さらに、第３実施形態では、スラスタ制御装置５０に状態取得部６１を設ける例について説明した。しかし、スラスタ制御装置５０は、主制御装置３０の状態取得部３４で取得したデータを用いて飛行姿勢を推定してもよい。さらにまた、スラスタ制御装置５０は、各種センサだけを主制御装置３０と共用し、独自に飛行姿勢を推定する構成としてもよい。

（第４実施形態）
第４実施形態によるスラスタ制御装置について説明する。
スラスタ制御装置５０は、図１１に示すように複数のスラスタ１２にそれぞれ接続する構成とすることができる。すなわち、図１１に示すように４つのスラスタ１２を備える飛行装置１０の場合、スラスタ制御装置５０はこれら４つのスラスタ１２に対応してそれぞれ設けられている。これにより、主制御装置３０から出力された指令値は、各スラスタ１２に接続するスラスタ制御装置５０に入力される。各スラスタ１２に接続するスラスタ制御装置５０は、接続するスラスタ１２に適した重み付けでプロペラピッチ指令値Ｐｘおよび修正回転数指令値Ｒｒを作成する。したがって、飛行装置１０の全体において応答性および効率のさらなる向上を図ることができる。

（第５実施形態）
第５実施形態による姿勢制御装置について説明する。
第５実施形態による姿勢制御装置７０は、図１２に示すように上述した複数の実施形態における主制御装置３０とスラスタ制御装置５０とが一体となって構成されている。すなわち、第５実施形態による姿勢制御装置７０は、主制御装置３０にスラスタ制御装置５０を追加的にアドオンする構成ではなく、初期的に一体となって構成されている。その結果、姿勢制御装置７０は、主制御装置３０に相当する主制御部７１に、スラスタ制御装置５０に相当する指令値取得部７３および指令値作成部７４が設けられている。この場合、スラスタ制御装置５０を構成する制御演算部５１および記憶部５２に相当する構成は、図１２に示すように主制御部７１と共用してもよく、別個の構成としてもよい。

第５実施形態による姿勢制御装置７０は、プロペラ１５のピッチが固定されていることを前提として指令値を出力する主制御部７１に、この主制御部７１から指令値を取得する指令値取得部７３が付加されている。指令値取得部７３は、主制御部７１の飛行制御部３５から出力される指令値を取得する。指令値作成部７４は、指令値取得部７３で取得した指令値から、プロペラピッチ指令値Ｐｘおよび修正回転数指令値Ｒｒを作成する。これにより、飛行装置１０のスラスタ１２がピッチ変更機構部１６を備える場合、スラスタ１２が発生する推進力はモータ１４の回転数だけでなくプロペラ１５のピッチも用いて制御される。したがって、プロペラ１５のピッチが固定されていることを前提として指令値を出力する場合でも、プロペラ１５のピッチを変更することができ、飛行装置１０の性能を十分に発揮することができる。また、第５実施形態では、既存の主制御装置３０に相当する主制御部７１に指令値取得部７３および指令値作成部７４を追加している。したがって、大規模な主制御部７１の変更などを招くことなく、容易にスラスタ１２の制御するための機能を追加することができる。

上述の第５実施形態は、第１実施形態の主制御装置３０に相当する主制御部７１に指令値取得部７３および指令値作成部７４を追加する構成について説明した。しかし、第５実施形態の姿勢制御装置７０は、第１実施形態に限らず、他の実施形態においても主制御部７１に指令値取得部７３および指令値作成部７４を追加する構成としてもよい。

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、１２はスラスタ、１４はモータ、１５はプロペラ、１６はピッチ変更機構部、２１はサーボモータ、３０は主制御装置、３４は状態取得部、３５は飛行制御部、５０はスラスタ制御装置、５３、７３は指令値取得部、５４、７４は指令値作成部、６１は状態取得部、６２は姿勢推定部、７０は姿勢制御装置、７１は主制御部を示す。

Claims (6)

1. プロペラ（１５）、前記プロペラ（１５）を駆動するモータ（１４）、および前記プロペラ（１５）のピッチを変更するピッチ変更機構部（１６）を有する２つ以上のスラスタ（１２）と、
   前記プロペラ（１５）のピッチが固定されていることを前提として、前記スラスタ（１２）で発生する推進力を制御するために前記スラスタ（１２）へ指令値を出力する主制御装置（３０）と、を備える飛行装置（１０）に用いられ、
   前記主制御装置（３０）と前記スラスタ（１２）との間に設けられ、前記スラスタ（１２）が発生する推進力を制御するスラスタ制御装置であって、
   前記主制御装置（３０）から出力される前記指令値を取得する指令値取得部（５３）と、
   前記指令値取得部（５３）で取得した前記指令値から、前記プロペラ（１５）のピッチを設定するためのプロペラピッチ指令値を作成し、作成した前記プロペラピッチ指令値を前記ピッチ変更機構部（１６）へ出力するとともに、前記プロペラピッチ指令値に基づいて前記指令値を修正し、前記モータ（１４）の回転数を設定するための修正回転数指令値を作成し、作成した前記修正回転数指令値を前記モータ（１４）へ出力する指令値作成部（５４）と、
   を備えるスラスタ制御装置。
2. 前記主制御装置（３０）は、前記指令値として前記モータ（１４）の回転数を指令する回転数指令値を出力するとともに、
   前記指令値作成部（５４）は、前記回転数指令値を用いて、前記プロペラピッチ指令値および前記修正回転数指令値を作成する請求項１記載のスラスタ制御装置。
3. 前記主制御装置（３０）は、前記指令値として前記飛行装置（１０）の飛行状態を設定するための複数の姿勢指令値を出力するとともに、
   前記指令値作成部（５４）は、前記姿勢指令値のうち少なくとも１つ以上を用いて、前記プロペラピッチ指令値および前記修正回転数指令値を設定する請求項１記載のスラスタ制御装置。
4. 前記飛行装置（１０）の飛行姿勢を推定する姿勢推定部（６２）を備え、
   前記指令値作成部（５４）は、前記指令値、および前記姿勢推定部（６２）で推定した前記飛行装置（１０）の飛行姿勢を用いて、前記プロペラピッチ指令値および前記修正回転数指令値を作成する請求項１から３のいずれか一項記載のスラスタ制御装置。
5. 前記スラスタ（１２）の数と同数が設けられている請求項１から４のいずれか一項記載のスラスタ制御装置。
6. プロペラ（１５）、前記プロペラ（１５）を駆動するモータ（１４）、および前記プロペラ（１５）のピッチを変更するピッチ変更機構部（１６）を有する２つ以上のスラスタ（１２）を備える飛行装置（１０）において、前記スラスタ（１２）が発生する推進力を制御して前記飛行装置（１０）の飛行姿勢を制御する姿勢制御装置であって、
   前記プロペラ（１５）のピッチが固定されていることを前提として、前記スラスタ（１２）で発生する推進力を制御するために前記スラスタ（１２）へ指令値を出力する主制御部（７１）と、
   前記主制御部（７１）から出力される前記指令値を取得する指令値取得部（７３）と、
   前記指令値取得部（７３）で取得した前記指令値から、前記プロペラ（１５）のピッチを設定するための指令値をプロペラピッチ指令値として作成し、作成した前記プロペラピッチ指令値を前記ピッチ変更機構部（１６）へ出力するとともに、前記プロペラピッチ指令値に基づいて前記回転数指令値を修正し、前記モータ（１４）の回転数を設定するための指令値を修正回転数指令値として作成し、作成した前記修正回転数指令値を前記モータ（１４）へ出力する指令値作成部（７４）と、
   を備える姿勢制御装置。

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