JP2020147266A - Variable wing kite - Google Patents

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JP2020147266A
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清輝 葉山
Kiyoteru Hayama
清輝 葉山
博樹 入江
Hiroki Irie
博樹 入江
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Abstract

To provide a flight body for aerial wind power generation, which enables flight control even when a tensile force of a tether is lost, and which enables stable takeoff/landing from/on the ground to be performed by thrust of a propeller attached to an airframe.SOLUTION: A variable wing kite can control a flight attitude without dependence on a tensile force of a tether by having the function of self-changing aerodynamic characteristics, and can be lifted up in the windy sky by thrust of propellers 20a and 20b even when a sufficient wind does not blow on the ground.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

空中風力発電において空力特性を可変でき旋回及び迎角が制御可能でローターにより離着陸が可能なカイトに関する。 It relates to a kite that can change aerodynamic characteristics in airborne wind power generation, can control turning and angle of attack, and can take off and land by a rotor.

上空の地表より強く安定した風を利用する空中風力発電について様々な研究が行われている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3参照)。国内においてはその認知度も低く研究者も少ないが、近年、欧州や米国では盛んに研究開発がなされ、空中風力発電の実証実験が進んでいる。 Various studies have been conducted on airborne wind power generation using a wind stronger and more stable than the surface of the sky (see, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3). Although its recognition is low in Japan and there are few researchers, in recent years, research and development has been actively carried out in Europe and the United States, and demonstration experiments of airborne wind power generation are in progress.

カイト・グライダーなどの係留ウィンチの張力をトルクに変換し発電機を回転させる発電法は、タワー型と異なり強度限界時には地上に避難し安全を確保できるので、台風が来襲するわが国では有望な発電方法だと考えられる。 Unlike the tower type, the power generation method that converts the tension of a mooring winch such as a kite glider into torque and rotates the generator can evacuate to the ground at the limit of strength and ensure safety, so it is a promising power generation method in Japan where a typhoon hits. It is thought that.

空中風力発電には旋回及び迎角が制御可能なグライダーやカイト等の発電用飛行プラットフォームが必要である。従来の空中風力発電用のカイトは複数個所に取り付けられたテザーの張力を地上または空中のコントロールユニット(Kite control unit:KCU)により制御することで飛行姿勢を制御している。グライダーの場合は通常と同様、固定翼に補助翼を付加して飛行制御を行っている。 Airborne wind power generation requires a flight platform for power generation such as gliders and kites with controllable turning and angle of attack. The conventional kite for airborne wind power generation controls the flight attitude by controlling the tension of tethers attached to a plurality of places by a control unit (Kite control unit: KCU) on the ground or in the air. In the case of gliders, flight control is performed by adding ailerons to fixed wings as usual.

特許文献1に開示されているように風力発電機を飛行プラットフォームに備える場合は、上空で飛行を維持するか、または8の字旋回等を行って飛行速度を稼ぐことで効率の良い発電を行う。 When a wind power generator is provided in a flight platform as disclosed in Patent Document 1, efficient power generation is performed by maintaining the flight in the sky or by making a figure eight turn or the like to increase the flight speed. ..

特許文献2に開示されているように係留ウィンチに生じる張力で地上の発電機を回転させて発電を行う場合も、強い張力を得るために楕円旋回や8の字旋回等を行って機体速度を上げる。テザーを引っ張りながら発電を行う。テザーが引き出された後は、飛行プラットフォームの迎角を浅くしてテザーの張力を下げて低電力で直線的にウィンチを巻き取る。これらを繰り返し発電時と巻き取り時のエネルギー差が正味の発電量となる。 As disclosed in Patent Document 2, even when the generator on the ground is rotated by the tension generated in the mooring winch to generate electricity, an elliptical turn or a figure eight turn is performed to obtain a strong tension to increase the speed of the machine. increase. Power is generated while pulling the tether. After the tether is pulled out, the angle of attack of the flight platform is made shallow to reduce the tension of the tether, and the winch is wound linearly with low power. The energy difference between the time of repeated power generation and the time of winding is the net amount of power generation.

特開平05−296137号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 05-296137 特表2011−522167号公報Special Table 2011-522167 特開2003−120511号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-120511 US2017/0138346 A1US2017 / 0138346 A1

従来の空中風力発電用のカイトは複数個所に取り付けられたテザーの張力を制御することで飛行姿勢を制御していたが、風速の変化等でテザーが張力を失うと制御不能に陥る問題点がある。グライダーの場合は迎角によって揚力が大きく変化するため飛行姿勢の維持には細かな制御が必要となる。 Conventional kites for airborne wind power generation control the flight attitude by controlling the tension of tethers attached to multiple locations, but there is a problem that if the tether loses tension due to changes in wind speed etc., it becomes uncontrollable. is there. In the case of a glider, the lift changes greatly depending on the angle of attack, so fine control is required to maintain the flight attitude.

また、上空の強く安定した風を利用するためには制御可能な飛行体を上空まで浮上させる必要があり、カイト、グライダーのいずれも安全な離着陸方法が課題となっている。
カイトの場合は、例えば特許文献4のように設置地点を中心にテザーで飛行姿勢を調整しながら振り回すことで風を受けながら地上から上空まで誘導する方法が考案されているが広範囲の始動場所確保が必要となる欠点がある。
In addition, in order to utilize the strong and stable wind in the sky, it is necessary to levitate a controllable aircraft to the sky, and a safe takeoff and landing method is an issue for both kites and gliders.
In the case of the kite, for example, as in Patent Document 4, a method of guiding from the ground to the sky while receiving the wind by swinging while adjusting the flight attitude with a tether around the installation point has been devised, but a wide range of starting places is secured. There is a drawback that requires.

グライダーの場合は取り付けられたモーター・プロペラを使って垂直離陸し、その後はプロペラが風を受けて回転することで発電を行う。グライダーの場合はカイトと比較して重量が重いため機体を垂直に支えるモーター・プロペラに大きな推力が必要で、離陸と発電の両方の効率を同一のシステムで上げることは難しい。 In the case of a glider, it takes off vertically using the attached motor propeller, and then the propeller rotates in response to the wind to generate electricity. In the case of a glider, the weight is heavier than that of a kite, so a large thrust is required for the motor propeller that supports the aircraft vertically, and it is difficult to increase the efficiency of both takeoff and power generation with the same system.

特許文献3のように、地上からの給電により浮上する能力を特徴とし、空中に自らの浮上力で浮上させることにより風の強い高い高度に係留し、風力発電を行うプロペラを主とした飛行体も考案されているが、翼を持たない構造であるため強風時のみ運用可能である。As in Patent Document 3, it is characterized by the ability to levitate by supplying power from the ground, and by levitating in the air with its own levitation force, it is moored at a high altitude with strong winds, and an air vehicle mainly composed of a propeller that generates wind power. Is also devised, but since it has a structure without wings, it can be operated only in strong winds.

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、テザーの張力を失っても飛行制御が可能で、地上からの安定した離着陸を機体に取り付けられたプロペラの推力によって行うことができる空中風力発電用の飛行体を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and the problem to be solved is that flight control is possible even if the tension of the tether is lost, and stable takeoff and landing from the ground is attached to the aircraft. The purpose is to provide an airborne wind turbine that can be driven by the thrust of a propeller.

本発明の飛行体は、センターロッドの頂点に左右2本のリーディングロッドがリンク機構により接続されたものに柔軟なセールを張ったカイトで、センターロッドと摺動可能に直交して結合されたスプレッダーを有し、スプレッダーは摺動可能に左右のリーディングロッドに結合され、センターロッドとスプレッダーとの交点がそれぞれのロッドと交点との間に備えられたサーボモータにより可変できる機構を持っており、交点の上下の移動によりカイトが開閉して面積を変化させることができ、交点の左右の移動によりカイトのセンターロッドから左右部分の面積を変化させることができることで重心位置、空力中心との関係を可変できる無線操縦または自動操縦が可能なカイトを特徴とするものである。 The flying object of the present invention is a kite in which two leading rods on the left and right are connected to the apex of the center rod by a link mechanism and a flexible sail is stretched, and a spreader slidably and orthogonally connected to the center rod. The spreader is slidably connected to the left and right leading rods, and the intersection of the center rod and the spreader has a mechanism that can be changed by a servomotor provided between each rod and the intersection. The kite can be opened and closed by moving it up and down to change the area, and the area of the left and right parts can be changed from the center rod of the kite by moving the intersection to the left and right, so the relationship between the center of gravity and the aerodynamic center can be changed. It features a kite that can be wirelessly or automatically steered.

本発明の他の態様の1つは、前記飛行体のロッドの適切な位置に取り付けられたテザーにより係留されながら風を受けて上昇することができ空中で操縦できるカイトをベースとし、コントローラ、GPSなどの各種センサおよびバッテリーを備えて自律航行が可能で、無線通信の基地局、定点観測、空中風力発電等の用途で空中に滞空し、あるいは楕円旋回や8の字飛行など必要用件を満たす飛行経路での自律飛行を行う飛行体である。 One of the other aspects of the invention is based on a kite based on a kite that can ascend in the wind while moored by a tether attached to an appropriate position on the rod of the flying object and can be steered in the air, a controller, GPS. It is equipped with various sensors and batteries such as, and is capable of autonomous navigation. It stays in the air for applications such as wireless communication base stations, fixed-point observation, and airborne wind power generation, or meets the necessary requirements such as elliptical turning and figure eight flight. It is an airborne body that performs autonomous flight in the flight path.

本発明の他の態様の1つは、前記飛行体をベースとし2個以上のモータおよびプロペラを有することで自ら浮上できるものとしてもよく、例えばスプレッダーの延長上に備えられた、2個のモータおよびプロペラの推力をティルト機構により推力の方向を可変することにより、いわゆるバイコプターとして自ら飛行制御できる浮上能力を持つ飛行体である。この飛行体を例えば空中風力発電の飛行プラットフォームとして用いる場合にはテザーにより束縛されながら若干の風を受けて風下に力を受けた状態となるのでティルト機構を省略して運用することもできる。 One of the other aspects of the present invention may be such that it can ascend itself by having two or more motors and propellers based on the flying object, for example, two motors provided on an extension of a spreader. And by changing the direction of the thrust of the propeller by the tilt mechanism, it is a flying object with levitation ability that can control the flight by itself as a so-called bicopter. When this aircraft is used as a flight platform for airborne wind power generation, for example, it can be operated by omitting the tilt mechanism because it is bound by a tether and receives a slight wind and receives a force on the leeward side.

本発明の他の態様の1つは、センターロッドとスプレッダーの交点の場所をサーボモータ等で移動させることでカイトの空力中心の位置や左右の面積を変えることができる可変カイトまたは前記可変カイトに2個以上のプロペラを備えて自ら浮上する機能を持つ飛行体において、自律して飛行制御行うことを特徴とする制御方法である。 One of the other aspects of the present invention is a variable kite or the variable kite that can change the position of the aerodynamic center of the kite and the left and right areas by moving the intersection of the center rod and the spreader with a servomotor or the like. This is a control method characterized in that flight control is performed autonomously in an air vehicle equipped with two or more propellers and having a function of ascending by itself.

本発明の他の態様の1つは、センターロッドとスプレッダーの交点の場所をサーボモータ等で移動させることでカイトの空力中心の位置や左右の面積を変えて飛行制御を行うことができる可変カイトまたは前記可変カイトに2個以上のプロペラを備えて自ら浮上する機能を持つ飛行体を空中風力発電に利用する場合において、GPS等の各種センサとコントローラを用いて空中に滞空する自律飛行、8の字等の旋回飛行または迎角をカイトの変形によりテザーの張力や迎角を変えて飛行制御行う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 is a variable kite capable of performing flight control by changing the position of the aerodynamic center of the kite and the left and right areas by moving the position of the intersection of the center rod and the spreader with a servomotor or the like. Alternatively, when an air vehicle equipped with two or more propellers on the variable kite and having a function of ascending by itself is used for aerial wind power generation, autonomous flight that stays in the air using various sensors and controllers such as GPS, 8 It is a control program characterized in that a turning flight such as a character or an angle of attack is controlled by changing the tension and the angle of attack of the tether by deforming the kite.

従来の空中風力発電用のカイトは複数個所に取り付けられたテザーの張力を地上または空中のコントローラにより制御することで飛行姿勢を制御するもので、地上である一定以上の風がなければ浮上できないものであったが、本発明によればカイトが自ら空力特性を変える機能を有することでテザーの張力によらずに飛行姿勢を制御することができる。更に、地上で十分な風がなくともプロペラの推力により上空の風の強い空域まで浮上することができる。 The conventional kite for airborne wind power generation controls the flight posture by controlling the tension of tethers attached to multiple places with a controller on the ground or in the air, and it cannot ascend unless there is a certain amount of wind on the ground. However, according to the present invention, since the kite has a function of changing the aerodynamic characteristics by itself, the flight posture can be controlled regardless of the tension of the tether. Furthermore, even if there is not enough wind on the ground, the thrust of the propeller can ascend to a windy airspace above.

本発明の一実施形態に係る飛行体の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the flying body which concerns on one Embodiment of this invention. 一実施形態に係る飛行体のカイト翼の開閉を説明する図である。It is a figure explaining opening and closing of the kite wing of the flying body which concerns on one Embodiment. 一実施形態に係る飛行体のカイト翼の左右面積の変化を説明する図である。It is a figure explaining the change of the left-right area of the kite wing of the flying body which concerns on one Embodiment. 制御部の機能の概略を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the outline of the function of the control unit. 一実施形態に係る飛行体の可変カイト翼による飛行制御を説明する図である。It is a figure explaining the flight control by the variable kite wing of the flying body which concerns on one Embodiment. 空中風力発電を行う際の飛行経路の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the flight path at the time of performing aerial wind power generation.

本発明は、ロッドで構成され機体に柔軟なセールを張ったカイト構造で、ロッドの交差点の位置関係をサーボモータにより変えて自らの空力特性を変化させて操縦を可能とした可変翼カイトであり、加えて2個以上のモータとプロペラを備えることにより自ら空中に浮上する機能と自律的に航行する構成を実現するものである。 The present invention is a variable-sweep wing kite that is composed of rods and has a flexible sail on the airframe, and can be steered by changing the positional relationship of the intersections of the rods with a servomotor to change its own aerodynamic characteristics. In addition, by providing two or more motors and propellers, the function of ascending to the air by itself and the configuration of autonomous navigation are realized.

図1は、本発明の一実施形態に係る飛行体の構成を示す図である。飛行体100は、センターロッド10の一方を頂点として左右2本のリーディングロッド(11a〜11b)がリンク機構により接続されたものに柔軟なセール15を張ったカイト構造で、センターロッドとスライド可能なように直交し左右のリーディングロッド(11a〜11b)ともスライド可能となるように接続されたスプレッダー12を有し、スプレッダーサーボ13によりセンターロッドとスプレッダーとの交点位置が左右に可変し、センターサーボ14によってセンターロッド10とスプレッダー12との交点位置が上下に可変できる機構を持っており、交点の上下の移動によりカイトが開閉して面積および重心GCと空力中心ACとの位置関係を変化させることができ、交点位置の左右の移動によりセールの左右部分の面積(15a〜15b)を変化させることができること無線操縦または自動操縦が可能な可変翼カイトとなる。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an air vehicle according to an embodiment of the present invention. The flying object 100 has a kite structure in which two leading rods (11a to 11b) on the left and right are connected by a link mechanism with one of the center rods 10 as the apex, and a flexible sail 15 is stretched, and can slide with the center rod. It has a spreader 12 that is orthogonal to each other and is connected so that it can slide with the left and right leading rods (11a to 11b), and the intersection position between the center rod and the spreader is changed to the left and right by the spreader servo 13, and the center servo 14 It has a mechanism that can change the intersection position of the center rod 10 and the spreader 12 up and down, and the kite opens and closes by moving the intersection up and down to change the area and the positional relationship between the center of gravity GC and the aerodynamic center AC. The area (15a to 15b) of the left and right parts of the sail can be changed by moving the intersection position to the left and right. The variable wing kite can be wirelessly or automatically controlled.

例えば、スプレッダー12の延長上にモータ及びプロペラ(20a〜20b)とその接続部分にティルト機構(21a〜21b)を備えることで飛行体自ら浮上する機能を有することができる。プロペラの推力を得るための電力の供給と飛行制御は電源及び制御部16によってなされる。For example, by providing a motor and propellers (20a to 20b) on the extension of the spreader 12 and a tilt mechanism (21a to 21b) at the connecting portion thereof, the flying object itself can have a function of ascending. Power supply and flight control for obtaining the thrust of the propeller are performed by the power supply and the control unit 16.

本発明の飛行体100を構成するロッドの適切な位置にテザー(係留ライン)30を取付、糸目31を重心と空力中心との位置関係を考慮して適切に調整すれば、風を受けて飛行する操縦可能で更に地上で風が十分に吹いていないときでも自ら風が強い上空へ浮上できる可変翼カイトとなる。テザー30により束縛されながら風下に力を受けた状態での浮上であればティルト機構(21a〜21b)は省略可能である。 If the tether (mooring line) 30 is attached to an appropriate position of the rod constituting the flying object 100 of the present invention and the thread 31 is appropriately adjusted in consideration of the positional relationship between the center of gravity and the aerodynamic center, the flight receives wind. It is a variable-sweep kite that is maneuverable and can ascend to the windy sky even when the wind is not blowing sufficiently on the ground. The tilt mechanism (21a to 21b) can be omitted as long as the vehicle floats while being bound by the tether 30 and receiving a force on the leeward side.

図2は、飛行体100のカイト翼の開閉を説明する図である。破線で示した基準状態に対してセンターサーボ14を操作してセンターロッド10をスプレッダー12に対して上方向に移動させた場合、実線で示すように対称面Mに対して左右対称に2本のリーディングロッド(11a〜11b)のなす角度が小さくなり、カイト翼は閉じた状態になる。糸目31と空力中心ACとの相対的な位置関係も変化し、糸目31が空力中心ACより更に上方に移動する。この場合カイトは風に対する迎角が小さくなりテザーの張力も下がり、風に対する進入性も良くなる。 FIG. 2 is a diagram illustrating opening and closing of the kite wing of the flying object 100. When the center servo 14 is operated with respect to the reference state shown by the broken line to move the center rod 10 upward with respect to the spreader 12, two rods are symmetrical with respect to the plane of symmetry M as shown by the solid line. The angle formed by the leading rods (11a to 11b) becomes smaller, and the kite wings are closed. The relative positional relationship between the thread 31 and the aerodynamic center AC also changes, and the thread 31 moves further upward than the aerodynamic center AC. In this case, the kite has a smaller angle of attack against the wind, the tension of the tether is reduced, and the accessibility to the wind is improved.

図3は、飛行体100のカイト翼の左右面積の変化を説明する図である。破線で示した基準状態に対してスプレッダーサーボ13を操作してセンターロッドを左方向に移動させた場合、実線で示すように左側セール15bの面積が右側セール15aの面積よりも大きくなり、空力中心と重心も左側へ移動する。その結果、飛行体100の左側の揚力が大きくなるために飛行体100は右方向に旋回を始める。 FIG. 3 is a diagram illustrating a change in the left-right area of the kite wing of the flying object 100. When the spreader servo 13 is operated to move the center rod to the left with respect to the reference state shown by the broken line, the area of the left sail 15b becomes larger than the area of the right sail 15a as shown by the solid line, and the aerodynamic center. And the center of gravity also moves to the left. As a result, the lift on the left side of the aircraft 100 increases, so that the aircraft 100 starts turning to the right.

図4は本発明の飛行体100の制御部40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40は制御用コンピュータ41、R/C受信機42、3軸ジャイロセンサ43、3軸加速度センサ44、3軸地磁気センサ45、気圧センサ46を備えている。 FIG. 4 is a block diagram illustrating an outline of the function of the control unit 40 of the flying object 100 of the present invention. As shown in the figure, the control unit 40 includes a control computer 41, an R / C receiver 42, a 3-axis gyro sensor 43, a 3-axis acceleration sensor 44, a 3-axis geomagnetic sensor 45, and a pressure sensor 46.

制御用コンピュータ41は、内蔵するメモリに記録された制御プログラムによりセンターサーボ14とスプレッダーサーボ13の回転方向及び回転速度を制御するとともにモータ及びプロペラ(20a〜20b)の回転数を制御する。制御用コンピュータ41の出力回路41a〜41fには、それぞれモータ及びプロペラ20aと20bのモータアンプAmp1とAmp2、ティルト用サーボ出力Sv1とSv2、翼開閉のためのセンターサーボ用出力Sv3、翼面積可変のためのスプレッダーサーボ用出力Sv4がそれぞれ接続されている。 The control computer 41 controls the rotation direction and rotation speed of the center servo 14 and the spreader servo 13 by a control program recorded in the built-in memory, and also controls the rotation speeds of the motor and the propellers (20a to 20b). The output circuits 41a to 41f of the control computer 41 include motor amplifiers Amp1 and Amp2 for motors and propellers 20a and 20b, servo outputs Sv1 and Sv2 for tilting, center servo outputs Sv3 for opening and closing wings, and variable wing areas. The spreader servo output Sv4 for this purpose is connected to each.

制御部40には、3軸ジャイロセンサ、3軸加速度センサ、3軸地磁気センサ、気圧センサを搭載する市販のマルチコプター(いわゆるドローン)のコントローラを使用してもよい。 A commercially available multicopter (so-called drone) controller equipped with a 3-axis gyro sensor, a 3-axis acceleration sensor, a 3-axis geomagnetic sensor, and a pressure sensor may be used for the control unit 40.

制御部40は、主に3軸ジャイロセンサ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飛行体100の傾きを検出する。また、コントローラ40は、3軸ジャイロセンサ43のオフセット量を、3軸加速度センサ44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、コントローラ40は、飛行体100に任意の飛行姿勢を取らせることができる。 The control unit 40 mainly detects the inclination of the flying object 100 by using the angle information obtained by integrating the angular velocities output by the 3-axis gyro sensor. Further, the controller 40 corrects the offset amount of the 3-axis gyro sensor 43 by using the static tilt information output by the 3-axis acceleration sensor 44. As a result, the controller 40 can make the flying object 100 take an arbitrary flight attitude.

制御部40は、前記の姿勢制御に加えて、気圧センサ46により高度を測定し、GPS受信機47により飛行位置を検出し、制御用コンピュータ41に組み込まれたプログラムに応じて、空中に滞空する自律飛行や、8の字等の旋回飛行または迎角をカイトの変形によりテザーの張力や迎角を変えて飛行制御行うことができる。 In addition to the above-mentioned attitude control, the control unit 40 measures the altitude with the pressure sensor 46, detects the flight position with the GPS receiver 47, and stays in the air according to the program incorporated in the control computer 41. It is possible to perform autonomous flight, turning flight such as figure 8 or angle of attack by changing the tension and angle of attack of the tether by deforming the kite.

図5は、本発明の飛行体100の可変カイト翼による飛行制御を説明する図である。図5(a)は基準状態である。図5(b)は前述の図2の状態を模式的に示したもので、センターロッド10が上方に移動すると風に対する迎角が小さくなり風に対する進入性も良くなることでテザーの張力も下がるため、空中風力発電においてはテザー30の巻戻しに用いる状態である。 FIG. 5 is a diagram illustrating flight control by the variable kite wing of the flying object 100 of the present invention. FIG. 5A is a reference state. FIG. 5B schematically shows the state of FIG. 2 described above. When the center rod 10 moves upward, the angle of attack against the wind becomes smaller and the accessibility to the wind becomes better, so that the tension of the tether also decreases. Therefore, in the airborne wind power generation, it is in a state of being used for rewinding the tether 30.

図5(c)は前述の図3の状態を模式的に示したもので、センターロッド10を左方向に移動すると飛行体100は右方向に旋回させることができる。逆に図5(d)のようにセンターロッド10を左方向に移動すると飛行体100は左方向に旋回させることができる。 FIG. 5C schematically shows the state of FIG. 3 described above, and when the center rod 10 is moved to the left, the flying object 100 can be turned to the right. On the contrary, when the center rod 10 is moved to the left as shown in FIG. 5D, the flying object 100 can be turned to the left.

図6は空中風力発電を行う際の飛行経路の一例を説明する図である。地上に発電機50を設置し、テザー30を引っ張ることで発電機を回転させて発電を行うことができるとともに、逆にモータとしてテザーを巻き取る機構を持つものとする。 FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a flight path when performing airborne wind power generation. A generator 50 is installed on the ground, and by pulling the tether 30, the generator can be rotated to generate electricity, and conversely, a mechanism for winding the tether as a motor is provided.

初期状態において飛行体100は地上にあるが、風力発電を行うためには強く安定した風の吹く上空まで離陸しなければならない。飛行体100は十分な風速の風が吹いる時には風から揚力を得て離陸できるが、もし風速が足りない場合でもプロペラの推力を使って離陸することが可能である(51)。 Although the aircraft 100 is on the ground in the initial state, it must take off to a strong and stable wind-blown sky in order to generate wind power. The aircraft 100 can take off by obtaining lift from the wind when a wind with a sufficient wind speed is blowing, but it is possible to take off by using the thrust of the propeller even if the wind speed is insufficient (51).

上空に達した後は、テザーの張力で発電機を回転させながら発電を行う(52)。その際、大きな張力を得るほど発電効率が良くなるので、カイト翼を可変させながら図のように8の字旋回を行うなどして飛行速度を増加させるのが有効である。 After reaching the sky, power is generated while rotating the generator with the tension of the tether (52). At that time, the greater the tension, the better the power generation efficiency. Therefore, it is effective to increase the flight speed by making a figure eight turn as shown in the figure while changing the kite wing.

テザー30の長さには限界があり、テザー30を引っ張り出すほどテザー自身の重さをカイトが支えなければならなくなるので、適切な高度まで飛行体100が上昇したら(図中53)飛行体100を前述の図5(b)の巻戻しの状態にしてテザー30の張力を下げ、テザー30をできるだけ低電力で巻戻す。飛行体100が安定して強い風が吹く空域の下限まで下降したら(図中54)、飛行体100を図5(a)の基準状態に戻し、発電を再開する。発電と巻戻しを繰り返し両者のエネルギー差が正味の発電量となる。 There is a limit to the length of the tether 30, and the kite must support the weight of the tether itself as the tether 30 is pulled out. Therefore, when the tether 100 rises to an appropriate altitude (53 in the figure), the tether 100 Is in the state of rewinding in FIG. 5B described above, the tension of the tether 30 is lowered, and the tether 30 is rewound with as low power as possible. When the vehicle body 100 descends to the lower limit of the airspace where a stable and strong wind blows (54 in the figure), the vehicle body 100 is returned to the reference state of FIG. 5 (a) and power generation is restarted. Power generation and rewinding are repeated, and the energy difference between the two becomes the net amount of power generation.

10…センターロッド、11a〜11b…リーディングロッド、12…スプレッダー、13…スプレッダーサーボ、14…センターサーボ、15…セール、15a…右側セール、15b…左側セール、16…電源及び制御部、20a〜20b…モータ及びプロペラ、21a〜21b…ティルト機構、30…テザー(係留ライン)、31…糸目、40…制御部、41…制御用コンピュータ、41a〜51f…出力回路、42…R/C受信機、43…3軸ジャイロセンサ、44…3軸加速度センサ、45…3軸地磁気センサ、46…気圧センサ、47…GPS受信機、50…発電機、51…離陸時の飛行体、52…発電時の飛行体、53…テザー上限の飛行体、54…境界層下限の飛行体、100…飛行体、AC…空力中心、Amp1〜Amp2:モータアンプ出力、GC…重心、M…対称面、Sv1〜Sv4:サーボ出力 10 ... Center rod, 11a to 11b ... Leading rod, 12 ... Spreader, 13 ... Spreader servo, 14 ... Center servo, 15 ... Sail, 15a ... Right side sail, 15b ... Left side sail, 16 ... Power supply and control unit, 20a to 20b ... Motors and propellers, 21a to 21b ... Tilt mechanism, 30 ... Tether (mooring line), 31 ... Thread, 40 ... Control unit, 41 ... Control computer, 41a to 51f ... Output circuit, 42 ... R / C receiver, 43 ... 3-axis gyro sensor, 44 ... 3-axis acceleration sensor, 45 ... 3-axis geomagnetic sensor, 46 ... pressure sensor, 47 ... GPS receiver, 50 ... generator, 51 ... air vehicle at takeoff, 52 ... at power generation Air vehicle, 53 ... Air vehicle with upper limit of tether, 54 ... Air vehicle with lower limit of boundary layer, 100 ... Air vehicle, AC ... Aerodynamic center, Amp1 to Amp2: Motor amplifier output, GC ... Center of gravity, M ... Symmetric plane, Sv1 to Sv4 : Servo output

Claims (7)

センターロッドの頂点に左右2本のリーディングロッドがリンク機構により接続されたものに柔軟なセールを張り、センターロッドとスライド可能なように直交して接続されたスプレッダーを有し、センターロッドとスプレッダーとの交点位置がサーボモータにより可変できる機構を持っており、交点の上下左右の移動により空力特性を可変できる無線操縦または自動操縦が可能なカイト状の飛行体。 Two leading rods on the left and right are connected to the apex of the center rod by a link mechanism, and a flexible sail is stretched, and it has a spreader connected orthogonally to the center rod so that it can slide, and the center rod and the spreader A kite-shaped flying object that has a mechanism that allows the position of the intersection to be changed by a servomotor, and that can change the aerodynamic characteristics by moving the intersection up, down, left, and right. 前記飛行体のロッドの適切な位置に取り付けられたテザーにより係留されながら風を受けて空中で操縦できるカイト。 A kite that can be maneuvered in the air while being moored by a tether attached to the appropriate position of the rod of the flying object. 前記飛行体をベースとし、2個以上のモータおよびプロペラとモータのティルト機構を有することで自ら浮上できる飛行体。 An air vehicle that can ascend by itself by having two or more motors, a propeller, and a tilt mechanism of the motors based on the air vehicle. 前記飛行体のロッドの適切な位置に取り付けられたテザーにより係留されながら風を受けて空中で操縦できるカイトに2個以上のモータおよびプロペラとモータのティルト機構を付加して自ら浮上できる機能を有する飛行体。 It has a function of being able to levitate by adding two or more motors and a tilt mechanism of a propeller and a motor to a kite that can be operated in the air by receiving wind while being moored by a tether attached to the rod of the flying object at an appropriate position. Air vehicle. 請求項4の飛行体のティルト機構を省いた飛行体。 An air vehicle that omits the tilt mechanism of the air vehicle according to claim 4. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の飛行体であって、自律して飛行制御行うことを特徴とする制御方法および制御プログラム。 The control method and control program according to any one of claims 1 to 5, wherein the flight control is performed autonomously. 請求項2、請求項4、請求項5のいずれか1項に記載の飛行体であって、GPS等の各種センサとコントローラを用いて空中に滞空する自律飛行や8の字等の旋回飛行または迎角をカイトの変形によりテザーの張力や迎角を変えて飛行制御行うことを特徴とする制御プログラム。 The flying object according to any one of claims 2, 4, and 5, which may be an autonomous flight that stays in the air using various sensors and controllers such as GPS, or a turning flight such as a figure eight. A control program that controls flight by changing the tension and angle of attack of the tether by deforming the kite.
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