JP2022150020A - Unmanned aircraft and control method thereof - Google Patents
Unmanned aircraft and control method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP2022150020A JP2022150020A JP2021052412A JP2021052412A JP2022150020A JP 2022150020 A JP2022150020 A JP 2022150020A JP 2021052412 A JP2021052412 A JP 2021052412A JP 2021052412 A JP2021052412 A JP 2021052412A JP 2022150020 A JP2022150020 A JP 2022150020A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- kite
- unmanned aerial
- wing
- propellers
- aerial vehicle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 26
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 18
- 230000002146 bilateral effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 47
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 description 11
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 4
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 4
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- RZVHIXYEVGDQDX-UHFFFAOYSA-N 9,10-anthraquinone Chemical compound C1=CC=C2C(=O)C3=CC=CC=C3C(=O)C2=C1 RZVHIXYEVGDQDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000004308 accommodation Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000008676 import Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 239000000575 pesticide Substances 0.000 description 1
- 230000001141 propulsive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000009958 sewing Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T50/00—Aeronautics or air transport
- Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
Landscapes
- Toys (AREA)
Abstract
Description
本発明は、物品の運搬、測量、風景の空撮、上空からの災害状況の調査、橋梁やビル壁面などの点検、農薬や肥料の散布、警備など、さまざまな用途に使用することが可能な、無人航空機およびその制御方法に関する。 The present invention can be used for various purposes such as transportation of goods, surveying, aerial photography of scenery, investigation of disaster situations from the sky, inspection of bridges and building walls, spraying of pesticides and fertilizers, and security. , to an unmanned aerial vehicle and its control method.
従来より、小型の無人航空機が、上述したようなさまざまな用途に用いられている。無人航空機としては、いわゆるマルチコプタと呼ばれる回転翼型の無人航空機をはじめとして、シングルロータあるいはタンデムロータなどのヘリコプタ型、あるいは胴体から左右に延びる主翼を備えた固定翼型の無人航空機などのタイプがある。これらの無人航空機は総称してドローンと呼ばれることが一般的であり、近年その普及には目覚ましいものがあるが、いずれのタイプも、それぞれ長所、短所がある。 Traditionally, small unmanned aerial vehicles have been used for a variety of applications such as those described above. Unmanned aerial vehicles include rotary wing type unmanned aerial vehicles called multicopters, helicopter types such as single rotors and tandem rotors, and fixed wing type unmanned aerial vehicles with main wings extending left and right from the fuselage. . These unmanned aerial vehicles are generally collectively called drones, and their spread has been remarkable in recent years, but each type has advantages and disadvantages.
例えば、回転翼型のマルチコプタは、比較的航続時間が短く、搬送重量が小さいなどの短所がある反面、滑走路等を必要とせずに離着陸可能であるなどの利点がある。また、固定翼型の無人航空機は、航続距離を長く出来るという長所がある反面、離着陸に滑走路等の広い場所を必要とするほか、飛行中は一定以上の速度で航行する必要があるため、低速での飛行やホバリング(空中で静止して一定位置を保つ)を行うことが困難、といったことが欠点となる。 For example, rotary wing type multicopters have disadvantages such as a relatively short cruising time and a small carrying weight, but they have advantages such as being able to take off and land without requiring a runway or the like. In addition, while fixed-wing unmanned aerial vehicles have the advantage of being able to travel longer distances, they require a large space such as a runway for takeoff and landing, and they also need to travel at a certain speed or higher during flight. The drawback is that it is difficult to fly at low speeds and hover (holding a stationary position in the air).
また、固定翼型と回転翼型マルチコプタとを組み合わせることで垂直離着陸を可能とした、いわゆるVTOL(Vertical Take-Off and Landing)型の無人航空機も、市場に現れている。このタイプの無人航空機は、後掲の非特許文献1、あるいは非特許文献2などにみられるようなものであり、離着陸時は回転翼型、水平飛行時は固定翼型の機体として動作することが基本である。このため、離着陸に滑走路等の広い場所を必要とせずに、航続距離を長く取ることが出来る。
Also, a so-called Vertical Take-Off and Landing (VTOL) type unmanned aerial vehicle that enables vertical take-off and landing by combining a fixed wing type and a rotary wing type multicopter has appeared on the market. This type of unmanned aerial vehicle is as seen in Non-Patent
さらに、通常の固定翼型とは異なるタイプの無人航空機として、主翼の代わりにハンググライダーの帆状の翼を備えた言わば凧にも似た形の、カイト型と呼ばれるものがある。このカイト型は、通常の固定翼機と比較して低速での安定飛行が可能であり、航続時間も比較的長くとることが可能である。また、通常の固定翼機では難しい不整地を滑走路として用いた離発着が可能で翼の破損などの可能性も低い、といった特徴は有するものの、ある程度の滑走路を必要とするものである。 Furthermore, as a type of unmanned aerial vehicle that is different from the usual fixed-wing type, there is an unmanned aerial vehicle called a kite-type, which has sail-like wings of a hang glider instead of the main wings. Compared to normal fixed-wing aircraft, this kite-type aircraft is capable of stable flight at low speeds and has a relatively long cruising time. In addition, although it has the characteristics of being able to take off and land on rough terrain, which is difficult for ordinary fixed-wing aircraft, and the possibility of wing damage is low, it requires a certain amount of runway.
特許文献1(請求項1や段落0004など)には、このようなカイト型の小型飛行機として、「頭部と垂直尾翼と水平尾翼とを細長の胴体で連結した機体の上方に膜状のカイト翼を胴体に対し所要の角度をもって取付け、同カイト翼と胴体との間にプロペラを装置」し、さらに、「頭部に撮影・作業用の機器を収容する収容空間を設け、同頭部を胴体に脱着自在に取付け、頭部の底面及び上面を収容空間と連通するように開口し、同上面開口に着脱自在の蓋を取付けた」無線操縦小型飛行機が提案されている。また、この特許文献1(段落0014など)には、開示された無線操縦小型飛行機が、「膜状のカイト翼を主翼として使用したことで、軽量で大きな揚力を発生させることができ、安定した水平飛行が行え、低速での安定飛行を可能とし、操縦を容易とした」ものであることが記載されている。特許文献1によれば、「カイト翼と胴体との間」に装置されたプロペラは、機体の推進力を発生するものであって、「推進プロペラで推進力を得、カイト翼で揚力を発生して、飛行できるようにした」ものである。そして、特許文献1の無線操縦小型飛行機は、水平尾翼の回転により、上昇、下降を、また、垂直尾翼の回転により、左右の旋回を、それぞれ実現している。
Patent Document 1 (
このように、無人航空機には種々の形態があるが、それぞれに一長一短がある。このため、複数の異なる機構を組み合わせることで、長所を残しつつ短所の解消を図ることが考えられている。 As described above, there are various forms of unmanned aerial vehicles, each of which has advantages and disadvantages. Therefore, by combining a plurality of different mechanisms, it is considered to eliminate the disadvantages while maintaining the advantages.
例えば、特許文献2には、カイト翼と3つの回転翼とを組み合わせた無人航空機が示されている。この無人航空機は、「3以上の回転翼が取り付けられたいわゆるマルチコプタ的な機体に、カイト翼と制御部を追加した構成」を有するものであって(段落0015など)、「主翼を有するマルチコプタのホバリング時の風や自身のロータの発生する気流の影響を緩和し、飛行可能な風速域を広げることを目的」としており(段落0013など)、「機体に可動な軸に取り付けられた柔軟性を持ったシート状のものを主翼とするカイト翼と、機体に対するカイト翼の形状と傾きを制御」可能としたものである(段落0014など)。3つの回転翼は「カイト翼が発生する揚力が安定し、回転翼の出力も安定する」ように、カイト翼の真下ではなく、「平面視した場合に、カイト翼と重複しない位置」すなわち平面図において、カイト翼と重ならず、カイト翼よりも外側に配置された構造となっている(段落0043など)。特許文献2の無人航空機は、カイト翼の形状を制御するにあたっては、左右対称のカイト翼の中心軸に沿ってカイト翼先端部の位置をスライドさせることで、カイト翼の左右縁部同士の成す角度と、機体本体に対するカイト翼の中心軸の角度とを変化させる(段落0045など)。そして、特許文献2においては、この機体によれば、カイト翼に発生する揚力を利用して回転翼の出力を低下させ、従来のマルチコプタに比べて飛行速度、飛行時間、航続距離の改善が可能である、とされている。
For example,
また、特許文献3にも、プロペラとカイト翼とを組み合わせた移動装置が示されている。これは、「推力を得るためのプロペラと、浮力を得るためのカイト部とを有した移動装置であって、所定の高度に装置が達した場合に、カイト部を展開し、プロペラの回転を停止または減速する」ものであって、カイト部は、リーディングロッドと呼ばれる左右縁部を中心軸のまわりに回動させることによって展開する構造が開示されている(請求項1、段落0006、段落0020など)。この移動装置は、一定範囲内の空中に飛行しながら滞在することで、長時間にわたって空中から地上の撮影を行うことを目的としたものである(段落0015など)。この装置によれば、バッテリーの電力を有効活用し、長時間の飛行が可能である(段落0005、0015など)、とされている。
Further, Patent Document 3 also discloses a moving device in which a propeller and a kite blade are combined. This is a "mobile device having a propeller for obtaining thrust and a kite section for obtaining buoyancy. When the device reaches a predetermined altitude, the kite section is deployed and the propeller rotation is It is disclosed that the kite part deploys by rotating the left and right edges called the leading rod around the central axis (
ところで、特許文献2に記載の無人航空機は、前述したように、カイト翼と3つの回転翼とを組み合わせた無人航空機であり、機体に対するカイト翼の形状と傾きを制御可能としたものである。しかし、特許文献2に記載の無人航空機は、カイト翼の形状を制御するにあたって、左右対称のカイト翼の中心軸に沿ってカイト翼先端部の位置をスライドさせることで、カイト翼の左右縁部同士の成す角度と、機体本体に対するカイト翼の中心軸の角度とを変化させる構造を用いている(図4など)。このため、機構が複雑になるだけでなく、カイト翼の形状と傾きを変化させることにより機体全体としての重心位置や機体が飛行中に受ける揚力の中心位置が変化するため、制御も複雑にならざるを得ないという問題がある。また、3つの回転翼はカイト翼の真下ではなく、平面図で見た場合(平面視し投影面内で見た場合)にカイト翼とは重ならないように、カイト翼よりも外側に配置されているため、特許文献2に記載の無人航空機には、機構全体として大型化を免れないという問題がある。
By the way, the unmanned aerial vehicle described in
また、特許文献3に記載の無人航空機は、前述したように、プロペラとカイト翼とを組み合わせたものであって、カイト部は、2つ折りにした状態から、リーディングロッドと呼ばれる左右縁部を中心軸のまわりに回動させることによって展開する。この構造は、カイト翼が2つ折りになっている状態では横風の影響を大きく受けるという問題があるほか、基本的に2つ折りの全閉状態と平面状に展開した全開状態の何れかの状態以外では利用し難い、という問題がある。 Further, the unmanned aerial vehicle described in Patent Document 3 is a combination of a propeller and a kite wing, as described above. It deploys by rotating it around its axis. This structure has a problem that it is greatly affected by crosswinds when the kite wings are folded in two, and basically it is not in either the fully closed state when it is folded in two or the fully opened state when it is flattened. There is a problem that it is difficult to use.
以上に示したように、回転翼型のマルチコプタと固定翼型の、それぞれの長所を組み合わせる際に、両者を単純に組み合わせて具備する形とするだけでは、例えば機構的な無駄が生じたり、制御が複雑になったり、あるいは本来有していた別の長所を損なう、といった可能性がある。したがって、本発明は、回転翼型のマルチコプタの有する、垂直離着陸、低速飛行といった長所を生かしつつ損ねることなく、その短所である航続時間の短さ、搬送重量の少なさを解消することを大目的としている。 As described above, when combining the respective advantages of the rotary wing type multi-copter and the fixed wing type, simply combining the two will result in mechanical waste, for example, and control problems. complication, or detract from other inherent advantages. Therefore, the main object of the present invention is to solve the drawbacks of the rotary wing type multicopter, such as vertical take-off and landing and low-speed flight, while maintaining its drawbacks of short cruising time and low transport weight. and
さらに、本発明は、小型で、かつなるべく簡便な機構で、極力容易に制御でき、折り畳んだ際にも横風等の影響を受け難く、さらにカイト翼を全閉とした状態から全開に展開した状態までの間を、例えば実効的な翼面積が連続的に変化するようにしながら飛行を実行することが可能な無人航空機の提供を目的としている。また、本発明は、様々な飛行速度での飛行が可能な無人航空機を提供することを目的としている。 Furthermore, the present invention uses a compact and simple mechanism, can be controlled as easily as possible, is not easily affected by crosswinds when folded, and has the kite wings deployed from a fully closed state to a fully opened state. To provide an unmanned aerial vehicle capable of executing flight while continuously changing the effective wing area, for example, until Another object of the present invention is to provide an unmanned aerial vehicle capable of flying at various flight speeds.
別な言い方をすれば、本発明は、前述した各種の無人航空機の有する長所、短所に鑑みてなされたものであり、その目的は、航続距離、航続時間、あるいは搬送重量を極力大きくしつつ、離着陸に滑走路等の広い場所を必要としない無人航空機であって、かつ、固定翼機と比較して低速での安定飛行が可能な無人航空機を提供することにある。そして、本発明は、小型化が容易で飛行性能の高い無人航空機を提供することを目的としている。 In other words, the present invention has been made in view of the advantages and disadvantages of the above-mentioned various unmanned aerial vehicles, and its object is to maximize the cruising range, cruising time, or carrying weight, To provide an unmanned aerial vehicle which does not require a large space such as a runway for takeoff and landing, and which is capable of stable flight at low speed compared to fixed-wing aircraft. Another object of the present invention is to provide an unmanned aerial vehicle that can be easily miniaturized and has high flight performance.
本発明は、機体本体に対して所定の角度を持って取り付けられたカイト翼を有する無人航空機において、
前記カイト翼の中央主軸に対して、左右対称に配置されるとともに前側の部位を中心として回動可能に設けられた開閉骨組部材と、
前記機体本体に設けられた少なくとも3つのプロペラと、を備え、
前記カイト翼は、可撓性を有し前記開閉骨組部材により支持され、前記開閉骨組部材の回動により開閉され、
少なくとも1つの前記プロペラが、全開状態にある前記カイト翼を平面視した場合に、前記カイト翼の内側に位置するよう配置されていること、
を特徴とする無人航空機である。
The present invention relates to an unmanned aerial vehicle having a kite wing attached at a predetermined angle to the body of the aircraft,
an opening/closing frame member arranged symmetrically with respect to the central main axis of the kite wing and rotatable around a front portion;
at least three propellers provided on the fuselage body,
The kite wings are flexible and supported by the opening/closing frame member, and are opened and closed by rotation of the opening/closing frame member,
at least one propeller is arranged to be positioned inside the kite wing when the kite wing is in a fully open state and viewed from above;
It is an unmanned aerial vehicle characterized by
また、本発明は、機体本体に対して所定の角度を持って取り付けられたカイト翼を有する無人航空機の制御方法において、
前記無人航空機は、
前記カイト翼の中央主軸に対して、左右対称に配置されるとともに前側の部位を中心として回動可能に設けられた開閉骨組部材と、
前記機体本体に設けられた少なくとも3つのプロペラと、を備え、
前記カイト翼は、可撓性を有し前記開閉骨組部材により支持され、前記開閉骨組部材の回動により開閉され、
少なくとも1つの前記プロペラが、全開状態にある前記カイト翼を平面視した場合に、前記カイト翼の内側に位置するよう配置されており、
少なくとも上昇モード、水平飛行モード、及び、下降モードでの制御が可能であり、
前記上昇モードでは、前記カイト翼を縮小し、前記少なくとも3つのプロペラにより上昇のための推力を発生させ、
前記水平飛行モードでは、前記カイト翼を展開し、
前記下降モードでは、前記少なくとも3つのプロペラにより下降のための推力を発生させること、
を特徴とする無人航空機の制御方法である。
Further, the present invention provides a control method for an unmanned aerial vehicle having a kite wing attached at a predetermined angle to the airframe body,
The unmanned aerial vehicle is
an opening/closing frame member arranged symmetrically with respect to the central main axis of the kite wing and rotatable around a front portion;
at least three propellers provided on the fuselage body,
The kite wings are flexible and supported by the opening/closing frame member, and are opened and closed by rotation of the opening/closing frame member,
at least one of the propellers is arranged to be positioned inside the kite wing when the kite wing is in a fully open state and viewed from above;
capable of control in at least a climb mode, a level flight mode, and a descent mode;
in the climb mode, retracting the kite wings and generating thrust for ascent by the at least three propellers;
in the horizontal flight mode, deploying the kite wings;
generating thrust for descent by the at least three propellers in the descent mode;
A control method for an unmanned aerial vehicle characterized by:
本発明によれば、小型化が容易で飛行性能の高い無人航空機を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide an unmanned aerial vehicle that can be easily miniaturized and has high flight performance.
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図1は本発明の一つの実施例(第一実施例)に係る無人航空機の側面図、図2は同じく第一実施例に係る無人航空機の平面図、及び、図3は同じく正面図である。ここで、以降に説明する図1~図10において、各符号に付帯した引き出し線として直線が用いられている。また、各引き出し線は、一端の矢尻や黒丸などによって、符号に対応する部分を指示している。 An embodiment of the present invention will be described below based on the drawings. FIG. 1 is a side view of an unmanned aerial vehicle according to one embodiment (first embodiment) of the present invention, FIG. 2 is a plan view of the unmanned aerial vehicle according to the same first embodiment, and FIG. 3 is a front view of the same. . Here, in FIGS. 1 to 10 described below, straight lines are used as lead lines attached to each symbol. In addition, each lead line indicates the part corresponding to the code by an arrowhead or a black dot at one end.
この無人航空機は、物流、点検、測量、撮影、災害支援など、さまざまな用途への適用が可能なものである。図1~図3等に示す機体本体1は、前後方向に延びる機体主軸10(一点鎖線で示す)を有するとともに、支柱11を備えている。この支柱11の上端にはカイト翼2の中央主軸パイプ21が、機体本体1と一定の迎角(所定の角度)を成すように固定されている。また、機体本体1は、車輪ではなく脚19により地上で支持される。なお、機体本体1を、車輪(図示略)により支持してもよい。
This unmanned aerial vehicle can be applied to various uses such as distribution, inspection, surveying, photography, and disaster relief. The
ここで、図1~図3は、XYZの直交座標により方向を示している。各座標軸のうち、X軸の方向は、機体本体1の前後方向に一致しており、機体本体1の前方がX軸に係る正の向きに対応している。また、Y軸の方向は、機体本体1の左右方向に一致しており、機体本体1の後方から前方を見て右側がY軸に係る正の向きに対応している。さらに、Z軸の方向は、機体本体1の上下方向に一致しており、機体本体1の下方がZ軸に係る正の向きに対応している。また、図1及び図2の座標中における白抜きの丸印は、対応する座標の負の側から正の側を見ていることを意味しており、図3の座標中における黒塗りの丸印は、対応する座標の正の側から負の側を見ていることを示している。
Here, FIGS. 1 to 3 show directions by XYZ orthogonal coordinates. Of the coordinate axes, the direction of the X-axis coincides with the longitudinal direction of the
図4は、この中央主軸パイプ21の先端部の拡大図であって、中央主軸パイプ21の先端部には、ヒンジプレート22が固定されている。ヒンジプレート22に対して垂直な軸回りに、2本の前縁パイプ(開閉骨組部材)23、24がそれぞれ回転軸23s、24sの回りに回動可能に取り付けられている。
FIG. 4 is an enlarged view of the tip of the
カイト翼2は、例えばヨットの帆に用いられる帆布と同様に可撓性を有する素材を用いて作られており、その翼形状は、いわゆる凧型すなわち概線対称の直交対角線四角形である(図2等)。直交対角線四角形のうち互いに隣り合う2つの長辺の部分は袋状に縫製されており、この袋状の部分に、前縁パイプ23、24を入れることによりカイト翼2が構成され、前記の回動(回転軸23s、24sの回りの回動)によりカイト翼2の開閉が行われる。
The
図5には、カイト翼2を縮小して閉じた状態(図5(b))のカイト翼形状と、カイト翼2を展開して開いた状態(図5(a))のカイト翼形状を示している。カイト翼2は、前縁パイプ23、24の回動により、この2つの状態の間で任意の翼形状を採ることが可能である。また、カイト翼2の開閉を行うことにより、カイト翼2の平面図における形状(Z方向の負から正の側に平面視し投影面内で見た形状)が変化するが、カイト翼2は開閉位置に関わらず左右対称形状を保つ。このため、その図心位置である揚力中心は機体主軸10上に常に位置し、機体前後方向(X方向)の移動距離は、前縁パイプ23、24の長さに対して比較的少ない。本実例では、例えば、カイト翼2を全開とした際の前縁パイプ23と中央主軸パイプ21との成す頂角を60度とした場合、移動距離(揚力中心の移動距離)はパイプ長の約14%となる。また、カイト翼2は、その中央主軸パイプ21が支柱11に対して固定されているため、カイト翼2の開閉に伴う機体本体1全体としての重心位置は変化しない。
Figure 5 shows the kite wing shape when the
図6は、前縁パイプ駆動機構に関する部分を取り出した図であり、これを用いて前縁パイプ23、24の回動を行う機構について説明する。前縁パイプ駆動リンク231、232は、同一の長さを有しており、その一端で互いに回転軸23bの回りに回動可能に取り付けられている。同様に、前縁パイプ駆動リンク241、242は、同一の長さを有しており、その一端で互いに回転軸24bの回りに回動可能に取り付けられている。
FIG. 6 is a view showing a portion related to the leading edge pipe drive mechanism, and using this, the mechanism for rotating the
中央主軸パイプ21には、駆動アセンブリ27が固定されており、駆動アセンブリ27には互いに噛合する歯車230、240が回転可能に取り付けられている。前縁パイプ駆動リンク231の他端は、歯車230に固定されており、駆動アセンブリ27ならびに中央主軸パイプ21に対して回転軸23cの回りに回動可能に取り付けられている。また、前縁パイプ駆動リンク232の他端は、前縁パイプ23に対して回転軸23aの回りに回動可能に取り付けられている。同様に、前縁パイプ駆動リンク241の他端は、歯車240に固定されており、該駆動アセンブリ27ならびに中央主軸パイプ21に対して回転軸24cの回りに回動可能に取り付けられている。また、前縁パイプ駆動リンク242の他端は、前縁パイプ24に対して回転軸24aの回りに回動可能に取り付けられている。
A
ここで、これまでに説明した回動軸23a、23b、23c、24a、24b、24c、および23s、24sの位置関係は以下のようになっている。回転軸23cと回転軸23sとの間の距離と、回転軸23aと回転軸23sとの間の距離は同一であって、これを例えばLL(図示略)とする。また、回転軸24cと回転軸24sとの間の距離と、回転軸24aと回転軸24sとの間の距離は同一であり、これも同じくLLである。また、回動軸23a、23b、23c、24a、24b、24c、および23s、24sは、それぞれZ方向に向けて平行に配置されており、以って左右対称な2つの平面4リンク機構が構成されている。
Here, the positional relationship of the
さらに、駆動アセンブリ27内には電動モータ(図示略)が配設され、その回転軸は歯車230に固定されており、電動モータを回転することによって歯車230ならびに歯車240が互いに反対方向に同一角度回動する。これにより、該電動モータを駆動することによって、前縁パイプ駆動リンク231、232、241、242が回動され、それにより前縁パイプ23、24が駆動されて、結果として図5(a)、(b)に示すようにカイト翼2の開閉が行われる。
Further, an electric motor (not shown) is disposed within the
なお、図6は、あくまでも駆動アセンブリ27を概略的に示すものであり、歯車230、240と前縁パイプ駆動リンク231、241との連結位置等の具体的構成は、前縁パイプ駆動リンク231、241が回動軸23c、24cを支点に回動変位しながら、歯車230、240の回転に対して円滑に追従できるよう、適宜決定することが可能である。
6 only schematically shows the
また、ここでは一対の歯車230、240を用いた駆動機構について説明したが、これに代えてリンクあるいはワイヤを用いた機構など、歯車と同様の効果を奏するものを用いても良い。変形した一例(変形例)として、図7(a)にスライド方式の機構を示す。この機構においては、中央主軸パイプ21に対して、その主軸の軸方向に沿って並進動作可能に、スライド式駆動機構28が係合されている。
Also, although the drive mechanism using a pair of
スライド式駆動機構28には、中央主軸パイプ21に対して対称に回転軸23e、24eが配置されている。前縁パイプ駆動リンク233、243は同一の長さを有している。これらのうち、前縁パイプ駆動リンク233は、その一端を前縁パイプ23に対して固定された回転軸23dの回りに回動可能に、また他端をスライド式駆動機構28上の回転軸23eの回りに回動可能に取り付けられている。
また、前縁パイプ駆動リンク243は、その一端を前縁パイプ24に対して固定された回転軸24dの回りに回動可能に、また他端をスライド式駆動機構28上の回転軸24eの回りに回動可能に取り付けられている。さらに、回転軸23d、23e、24d、24e、23s、24sは互いにZ方向に向けて平行に配置されており、回転軸23dと23eとの距離、回転軸24dと24eとの距離、回転軸23dと23sの距離、回転軸24dと24sの距離は、いずれも同一である。このとき、図示しないモータを用い、中央主軸パイプ21の主軸に沿ってスライド式駆動機構28を並進動作させることにより、前縁パイプ駆動リンク233、243の端部位置が移動し(黒塗りの矢印Aで示す)、これによって回転軸23d、24dの位置が変位して、前縁パイプ23、24がそれぞれ駆動されて、結果として図7(b)に併記したように、カイト翼2の開閉が行われる。図7(b)は、図7(a)のスライド式駆動機構28における前縁パイプ23、24と前縁パイプ駆動リンク233、243の動作の様子を合成し、模式化して示している。
One end of the leading edge
図1~図3に戻り、該無人航空機には、機体本体1に対して2本のアーム12、13が、それぞれ機体主軸10の両側の下方に、機体主軸10に対して直角かつ水平に張り出す形で固定されている。このアーム12、13の左右先端部分には、モータを介して駆動されるプロペラ(回転翼)121、122、131、132がそれぞれ固定されており、これらのプロペラ121、122、131、132は鉛直または概鉛直軸のまわりに回転することによって推力(以下では「推進力」ともいう)を発生する。すなわち、本実施例の無人航空機に採用されている飛行のための機構は、4つのプロペラを備えたクアッドコプタ型のドローンに相当する機構である。
Returning to FIGS. 1 to 3, the unmanned aerial vehicle has two
ここで、以下では、説明が煩雑になるのを防ぐため、プロペラの符号「121、122、131、132」の記載を適宜省略する。そして、「プロペラ」の用語は、基本的には「プロペラ121、122、131、132」の意味で用いるが、これとは異なる意味で用いる場合には、その都度符号を付したり、説明を補足したりする。
Here, in the following description, the reference numerals “121, 122, 131, 132” of the propellers are omitted as appropriate in order to avoid complicating the description. The term "propeller" is basically used to mean "
前記した前縁パイプ23、24の駆動によりカイト翼2の開閉を行うと、ヨットの帆と同様な素材の帆布により構成されたカイト翼2の張りが変化し、帆布にたわみが生ずる。機体本体1が停止している場合には、カイト翼2を閉じた際に帆布が重力により前縁パイプ23、24、中央主軸パイプ21よりも下方に垂下する可能性があり、これを防止することが必要である。
When the
また、機体本体1が概水平方向に飛行している場合には、カイト翼2は空気の流れを受けて揚力を発生するが、この際、効率的に揚力を発生するためには翼の断面を適正な形状にすることが必要である。
Further, when the
これらのことを考慮して、図3に一点鎖線で示すように、中央主軸パイプ21と前縁パイプ23との中間に一本乃至複数本の翼中間リブ25を設けるとともに、中央主軸パイプ21と前縁パイプ24との中間に一本乃至複数本の翼中間リブ26を設ける。これらの翼中間リブ25、26は、カイト翼2に対して縫い付ける等の方法で固定されても良い。もしくは、これらの翼中間リブ25、26は、前縁パイプ23、24の駆動と同様なリンク機構等の手段を用いることにより、それぞれ中央主軸パイプ21と前縁パイプ23との中間や、中央主軸パイプ21と前縁パイプ24との中間に構成され(接続され)ていてもよい。
Taking these things into consideration, one or more blade
該翼中間リブ25、26は、例えばハンググライダー等においてバテンと呼ばれる翼形状の整形部材に相当する機能を有し、カイト翼2の断面形状が概ね上方に凸となった曲線を形成するように作用する。このように、該翼中間リブ25、26の形状は、直線状の場合のほか、直線状では無い場合が含まれる。そして、該翼中間リブ25、26は、カイト翼2が展開状態から閉じる際(縮小状態に変化する際)に、それぞれ中央主軸パイプ21と前縁パイプ23の両者を含む平面の上方、中央主軸パイプ21と前縁パイプ24との両者を含む平面の上方、に少なくともその一部が変位するように構成される。
The
さらに、該無人航空機には、機体本体1の左右方向すなわちヨー軸回りの安定性を向上させるための垂直尾翼15と、機体本体1の上下方向すなわちピッチング軸回りの安定性を向上させるための水平尾翼16が設けられており、垂直尾翼15には方向舵(符号省略)が、また水平尾翼16には昇降舵(符号省略)が、それぞれ取り付けられている。
Further, the unmanned aerial vehicle includes a
次に、該無人航空機によって飛行を行う場合の手順、すなわち制御シーケンスについて説明する。まず、離陸に当たっては、図5(b)に示すようにカイト翼2を閉じて畳み込む。そして、カイト翼2を、図5(b)に示すように無人航空機を平面視した場合に、前記4つのプロペラをカイト翼2の外側に露出させて、プロペラの回転によって発生する気流を極力妨げない状態とする。さらに、前記4つのプロペラを回転して、揚力を発生させてマルチコプタと同様に概垂直に上昇を開始する。このときの制御状態は、無人航空機を上昇させる上昇モードである。
Next, a procedure for flight by the unmanned aerial vehicle, that is, a control sequence will be described. First, for takeoff, the
図5(b)に示す状態では、機体本体1の前方に配置されたプロペラ121、122の全体が、カイト翼2の外側に位置して露出している。さらに、図5(b)に示す状態では、機体本体1の後方に配置されたプロペラ131、132の大部分(ここではプロペラ131、132の先端軌跡C2が描く円の面積の80%以上程度)が、カイト翼2の外側に露出している。
In the state shown in FIG. 5(b), the
その後、概ね水平飛行を行う高度まで上昇した段階で、図5(a)に示すように、カイト翼2を展開し、水平飛行に遷移する。図5(a)に示す状態では、機体本体1の後方に配置されたプロペラ131、132が、カイト翼2を平面視した場合に、カイト翼2の内側に位置して隠れている。さらに、図5(a)に示す状態では、機体本体1の前方に配置されたプロペラ121、122の大部分(ここではプロペラ121、122の先端軌跡が描く円C1の面積の半分程度)が、カイト翼2の内側に位置している。このときの制御状態は、無人航空機を水平飛行させる水平飛行モードである。水平飛行は、水平方向の推進力を発生させるためのプロペラ170を、プロペラ121、122、131、132とは別に具備して、これにより行っても良く、あるいは前記クアッドコプタが備える4つのプロペラを用いて行っても良い。
After that, when the kite has ascended to an altitude at which it can fly substantially horizontally, as shown in FIG. In the state shown in FIG. 5(a), the
水平飛行を継続して、所定の着陸場所に近づいたら、カイト翼2を縮小し、折り畳んで閉じるとともに、前記4つのプロペラの回転により推力を発生させながら、概垂直に下降を開始し(制御状態を下降モードに遷移させ)、着陸する。以上のような制御シーケンスに基づいて飛行を行うことにより、離着陸の際に滑走路等のスペースを必要とせずに飛行させることが可能となる。
After continuing horizontal flight and approaching a predetermined landing site, the
ここで、水平飛行中にカイト翼2を開閉するのに際し、カイト翼2を全閉状態(最も縮小した状態)から全開状態(最も展開した状態)、或いは、カイト翼2を全開状態から全開状態へ急激に変化させることが可能である。しかし、飛行中に急激にカイト翼2の状態を変化させた場合には、飛行の安定性に影響が生じる可能性も考えられる。このため、カイト翼2の状態を、全閉状態と全開状態との間において、複数段階で変化させたり、連続的に滑らかに変化させたりしてもよい。そして、カイト翼2を、開閉の途中(開閉途中)の状態で停止させることができるようにしてもよい。
Here, when opening and closing the
そして、このようなカイト翼2の開閉制御を水平飛行中に行うことで、飛行の安定性を踏まえて、カイト翼2の開度を変更することが可能となる。さらに、カイト翼2の開度の変更を、無人航空機の飛行速度に応じて行うことで(速度対応翼面積制御を行うことで)、飛行の安定性を向上することが可能となる。ここで、カイト翼2に係る開度の変更は、前述した駆動アセンブリ27(図6)における歯車230、240の回転量の調整や、スライド式駆動機構28のスライド量の調整により行うことが可能である。
By performing such opening/closing control of the
また、無人航空機における飛行の安定性は、カイト翼2の開度ではなく、カイト翼2の迎角を変化させる(変更する)ことによっても確保することが可能である。そして、迎角の変化のためには、水平尾翼16の後端に備えられた昇降舵(Elevator)の角度(開度)を変化させて行うことが可能である。
Further, the flight stability of the unmanned aerial vehicle can also be ensured by changing (changing) the angle of attack of the
<発明を実施するためのもう一つの形態(第二実施例)>
上記に説明した本発明の一実施例(第一実施例)に対する拡張として、図8~図10等に基づき他の実施例(第二実施例)を説明する。なお、第一実施例と同様の部分については同一符号を付し、説明は適宜省略する。
<Another form for carrying out the invention (second embodiment)>
As an extension of the embodiment (first embodiment) of the present invention described above, another embodiment (second embodiment) will be described with reference to FIGS. 8 to 10 and the like. The same reference numerals are given to the same parts as in the first embodiment, and the description thereof will be omitted as appropriate.
第二実施例においては、前記クアッドコプタ部の4つのプロペラ(回転翼)を、該4つのプロペラが取り付けられている前記2本のアーム12、13の主軸回りに回動させることで、プロペラの回転軸を垂直乃至概垂直方向と水平乃至概水平方向の間で変更可能とする機構構成、すなわち該4つのプロペラの回転軸をティルトさせる構成が採用されている。そして、この第二実施例の無人航空機においては、4つのプロペラが、第一実施例と同様な機体本体1の上下方向(Z方向)を向く姿勢と、機体本体1の前後方向(X方向)を向く姿勢との間でティルト可能である。
In the second embodiment, the four propellers (rotating blades) of the quadcopter section are rotated around the main axes of the two
図8~図10等に示す第二実施例においては、クアッドコプタ部の4つのプロペラを前記アーム12、13の主軸回りにティルト可能とした点以外については、図1~図6等に示した第一実施例と同一である。したがって、該4つのプロペラの回転軸を概水平に回動させた状態において、図8~図10に示される形となるのに対して、該4つのプロペラの回転軸を概垂直に回動させた状態においては、それぞれ図1~図6等に示される形となる。なお、以下では該4つのプロペラの回転軸をアーム12、13の主軸回りに回動させる機構を、回転翼のティルト機構と呼ぶものとする。該ティルト機構の駆動方法については、電動モータ等を用いることにより、公知の技術を用いて容易に実現可能であるが、その概要については後記する。
In the second embodiment shown in FIGS. 8 to 10, etc., the four propellers of the quadcopter section can be tilted around the main axes of the
次に、第二実施例の無人航空機によって飛行を行う場合の手順、すなわち制御シーケンスについて、図11を用いて説明する。図11は、第二実施例に係る無人航空機におけるプロペラ、カイト翼2、ティルト機構の動作、及び、無人航空機の状態を、タイミングチャートにより概略的に示している。図11の横軸は時間を示しており、縦軸において、プロペラの回転と停止、カイト翼2の開閉、ティルト機構の動作状態(水平飛行状態か垂直飛行状態か)を示している。
Next, the procedure for flying the unmanned aerial vehicle of the second embodiment, that is, the control sequence will be described with reference to FIG. FIG. 11 schematically shows the operations of the propeller, the
まず、離陸に当たっては、無人航空機は、図1に示すように前記4つのプロペラの回転軸を概ね垂直に維持するとともに、図5(b)を援用して示すようにカイト翼2を縮小し、閉じて畳み込んだ状態として、前記4つのプロペラを回転し、揚力を発生させてマルチコプタと同様に概垂直に上昇を開始する。このときの無人航空機の状態は、図11における最下段の「状態」に左端から示すように、例えば地上で「停止」した状態から「離陸」の状態となる。そして、このときの制御状態は、前述した第一実施例と同様に、無人航空機を上昇させる上昇モードである。 First, when taking off, the unmanned aerial vehicle maintains the rotation axes of the four propellers substantially vertically as shown in FIG. In the closed and folded state, the four propellers are rotated to generate lift and begin to ascend almost vertically like a multi-copter. The state of the unmanned aerial vehicle at this time is, for example, from a state of "stopping" on the ground to a state of "taking off", as shown from the left end in "State" at the bottom of FIG. The control state at this time is the climb mode for raising the unmanned aerial vehicle, as in the first embodiment described above.
その後、無人航空機は、概ね水平飛行を行う高度まで上昇した段階で、図11の「ティルト」に示すように、前記ティルト機構を駆動して前記4つのプロペラをアーム12、13の主軸回りに回動させ、図8~10に示すように該プロペラの回転軸を概水平に位置決めする。これとともに、無人航空機は、カイト翼2を展開して、水平飛行に遷移する。このため、水平飛行の実行は、前記4つのプロペラを用いて行うことが可能であり、水平方向の推進力を発生させるためのプロペラを、プロペラ121、122、131、132と別に具備する必要は無い。
After that, when the unmanned aerial vehicle has ascended to an altitude at which it can fly substantially horizontally, the tilt mechanism is driven to rotate the four propellers around the main axes of the
なお、このときの無人航空機の状態は、水平飛行移行時の遷移モードである第1遷移モードであり、図11における「遷移(第1遷移)」の状態に対応する。また、このときの制御状態は、第1遷移モードから、前述した第一実施例と同様に無人航空機を水平飛行させる水平飛行モードへ移行した状態である。 The state of the unmanned aerial vehicle at this time is the first transition mode, which is the transition mode when transitioning to level flight, and corresponds to the state of "transition (first transition)" in FIG. Also, the control state at this time is a state in which the transition from the first transition mode to the horizontal flight mode in which the unmanned aerial vehicle flies horizontally as in the first embodiment described above.
さらに水平飛行を継続して、所定の着陸場所に近づいたら、図11の「カイト翼」に示すように、カイト翼2を縮小し、折り畳んで閉じる。そして、前記ティルト機構を駆動して前記4つのプロペラをアーム12、13の主軸回りに回動させ、再び図1に示すように前記4つのプロペラの回転軸を概垂直に位置決めして、更に前記4つのプロペラの回転により推力を発生させながら、概垂直に下降を開始し(制御状態を下降モードに遷移させ)、着陸する。
After continuing level flight and approaching a predetermined landing site, the
このときの無人航空機の状態は、図11における最下段の「状態」における「遷移(第2遷移)」から「着陸」の状態に対応する。そして、この場合の無人航空機の状態は、下降モード移行時の遷移モードである第2遷移モードである。また、このときの制御状態は、第2遷移モードから、「着陸」へ移行した状態である。 The state of the unmanned aerial vehicle at this time corresponds to the state from "transition (second transition)" to "landing" in the bottom "state" in FIG. The state of the unmanned aerial vehicle in this case is the second transition mode, which is the transition mode when shifting to the descent mode. Also, the control state at this time is a state of transition from the second transition mode to "landing".
以上のような制御シーケンスに基づいて飛行を行うことにより、水平飛行専用のプロペラを設置せずに水平飛行ならびに垂直昇降が可能となり、離着陸の際にも滑走路等のスペースを必要とせずに飛行させることが可能となる。 By performing flight based on the control sequence described above, horizontal flight and vertical elevation are possible without installing a propeller dedicated to horizontal flight. It is possible to
ここで、図11においては、離陸時にティルト機構の回動が完了した後にカイト翼2の展開動作を行う制御シーケンスとしているが、ティルト機構の回動の開始、終了のタイミングと、カイト翼2の展開動作の開始、終了のタイミングとは、必ずしも図11のタイムチャート(シーケンス図)に示す形だけでなくとも良い。例えばティルト機構の回動を開始して、ティルト角度が所定の角度に達した段階でカイト翼2の展開を開始する、あるいはこの順序を逆にする(カイト翼2を展開してからティルト機構の回動を開始する)、さらには両者を同時に動作させる等の方法を採っても良い。また、着陸時において、カイト翼2を閉じる動作とティルト機構の回動動作のタイミングについても同様に、図11のタイムチャートに示される形だけに従う方法でなくとも良い。
Here, in FIG. 11, the control sequence is such that the
なお、本発明の第一実施例(図1~図3等に示す実施例)の場合、すなわち前記ティルト機構を具備しない場合については、例えば離陸時において水平方向の推進力を発生させるタイミングとカイト翼2を展開するタイミングに関して以上(図8~図10に示す第二実施例)と同様のことが言え、適宜制御シーケンスを選択することが可能である。 In the case of the first embodiment of the present invention (the embodiment shown in FIGS. 1 to 3, etc.), that is, when the tilt mechanism is not provided, for example, the timing for generating the horizontal propulsion force at the time of takeoff and the kite The same can be said about the timing of deploying the wings 2 (the second embodiment shown in FIGS. 8 to 10), and it is possible to select the appropriate control sequence.
また、第二実施例においては、4つのプロペラの全てがティルトするようになっているが、これに限定されるものではなく、例えば、前方のプロペラ121、122のみといったように、一部のプロペラのみがティルトするようにしてもよい。この場合、例えば、前方のプロペラ121、122のみをティルトさせて、第一実施例でも説明したような迎角の変化が生じるようにすること、ならびに機体の水平方向への飛行のための推進力を発生させることが可能である。このようにすることで、ティルト機構の有効活用が可能となる。また、カイト翼2の迎角を変化させるにあたり、水平尾翼16の昇降舵に頼る必要がなくなる。なお、プロペラ121、122と水平尾翼16の昇降舵の双方を利用して、迎角を変化させることも可能である。
Also, in the second embodiment, all four propellers are tilted, but this is not a limitation. may tilt only. In this case, for example, only the
<発明を実施するための更なる様態(翼面積と速度との関係について)>
次に、前記した本発明の第一実施例ならびに第二実施例の無人航空機の形態、ならびにこれらの無人航空機の離陸から着陸までの制御方法において、特に離着陸時以外の飛行中におけるカイト翼2の開閉に係る制御方法の一つの様態について、図12に基づき説明する。ここで図12は、横軸に飛行速度vを、縦軸に翼面積Sを取り、一定の揚力Lを発生させるための飛行速度vと翼面積Sとの関係を、空気密度ρおよび揚力係数CLは一定との前提のもとでグラフ化したものである。なお、揚力係数CLは翼の仰角により変化するものであるが、本実施例においては、カイト翼2の開閉に伴って翼の仰角は変化しない機構構造となっているため、翼面積Sを変化させても揚力係数CLは変化せず、図12の飛行速度vと翼面積Sとの関係のグラフを用いることが出来る。
<Further aspects for carrying out the invention (relationship between wing area and speed)>
Next, in the configuration of the unmanned aerial vehicle of the first and second embodiments of the present invention and the control method of these unmanned aerial vehicles from takeoff to landing, the
このグラフに示されるように、水平飛行中において、飛行中に機体本体1が受ける揚力は、流体力学、航空工学の知見に基づけば、平面視した場合における翼の面積が大きいほど大きく、また飛行速度に関してはその2乗に概ね比例して大きくなる。したがって、第一実施例や第二実施例のようなカイト開閉機構を有することで、飛行速度を大きくしたい場合にはそれに対応して翼の面積を小さくするとともに、飛行速度を小さくしたい場合にはそれに対応して翼の面積を大きくし、発生する揚力に寄与するカイト翼2の有効面積を変化させ、以って機体に作用する揚力の変動を制御し、安定的かつ必要な速度による飛行を実現することが出来る。このことは、飛行中にカイト翼2を全開した状態から適切な開度まで閉じ、翼面積を小さくすることによって、翼が受ける空気抵抗を低減することで、従来の開閉を行う機能を有しないカイト翼を備えた無人航空機に比較して、高速での飛行を実現するべく制御を行うことが可能と言うことができる。
As shown in this graph, based on the knowledge of fluid dynamics and aeronautical engineering, the larger the wing area in plan view, the greater the lift force received by the
次に、以上に説明した本発明の第一実施例や第二実施例に係る無人航空機に適用可能な制御装置50について図13により説明する。なお、図13において、各符号に付帯した引き出し線として直線の矢印が用いられている。また、各引き出し線は、一端の矢尻をブロック内に到達させることで対応するブロックを指示している。これに対し、図13において信号を表す片方向或いは両方向の矢印は、端部がブロックの輪郭線上に止まり、ブロック内に入り込まないことによって、引き出し線と区別されている。
Next, the
該制御装置50はマイクロプロセッサなどに代表される制御用計算機51を中心に構成されており、無線送受信機52を用いて、地上の操作者との飛行関連コマンドの通信、現在飛行位置などの飛行状態の通信、あるいは画像の伝送などが行われる。
The
該無人航空機の飛行制御に関して、飛行位置はGPS受信機53から取得した情報、ならびに、ジャイロセンサ54、加速度センサ55、地磁気センサ56、気圧高度センサ57などから取得した情報に基づいて算出する。また、該無人航空機に搭載されたカメラシステム58により飛行中の機体からの映像を撮影し、無線送受信機52を介して地上の操作者に伝送する。なお、カメラシステム58はモータにより駆動されるジンバル機構が付設されており、これにより撮影の方向を変更可能である。
Regarding the flight control of the unmanned aerial vehicle, the flight position is calculated based on the information obtained from the
また、プロペラはそれぞれに接続されているモータにより駆動され、各々のモータは電子速度制御系ESC(Electric Speed Controller)を介して駆動制御される。制御用計算機51からの駆動指令は、ESCおよびモータのユニット621、622、631、632に与えられ、それぞれプロペラの回転速度の制御を行うことによって、三次元の任意方向への並進と回転の駆動を行う。また、各プロペラの回転速度は、ESCおよびモータのユニット621、622、631、632を介して制御用計算機51に取り込み、モニタリングすることが可能である。さらに、制御用計算機51からのカイト翼駆動指令を、翼開閉駆動系61に送ることで、離陸時、着陸時におけるカイト翼2の開閉動作を行うことが可能である。ここで、図13では、ESCおよびモータのユニット621、622、631、632を、ESC・モータ1(621)、ESC・モータ2(622)、ESC・モータ3(631)、及び、ESC・モータ4(632)として示している。
The propellers are driven by motors connected to them, and the motors are driven and controlled via an electronic speed control system ESC (Electric Speed Controller). A drive command from the
また、前記したように、離陸時、着陸時のみならず、飛行中にカイト翼2の開閉を行うことで飛行速度の変更に対応することが可能であるが、この際の開閉動作についても同様に翼開閉駆動系61を用いて行うことが出来る。なお、カイト翼2の開閉状態、すなわち前縁パイプ23、24の開閉角度は翼開閉駆動系61により制御用計算機51に取り込み、確認することが可能である。さらに同様に、方向舵および昇降舵の制御は、必要に応じて方向舵駆動系65、昇降舵駆動系66により行うことが出来る。
In addition, as described above, it is possible to respond to changes in flight speed by opening and closing the
また、図8~図10に示す第二実施例においては、プロペラをアーム12、13の主軸回りに回動させるティルト動作を行う必要があるが、これは制御用計算機51からティルト駆動系64に対して駆動指令を出力することにより行うことが出来る。さらに、第二実施例においては、ティルト駆動の状態を制御用計算機51に取り込み、確認することが可能である。
Further, in the second embodiment shown in FIGS. 8 to 10, it is necessary to perform a tilting operation to rotate the propellers around the main shafts of the
なお、図1~図3等に示す第一実施例においては、本ティルト駆動系64は削除して良い。また、第一実施例や第二実施例の無人航空機によって飛行を行う場合の手順、すなわち制御シーケンスを実行するプログラムは、制御用計算機51の記憶部(図示せず)に格納される。ここで、翼開閉駆動系61、ティルト駆動系64、方向舵駆動系65、及び、昇降舵駆動系66における「駆動系」の意味は、それぞれの機械的動作を行う構成と、電気的・電子的な制御を行う構成を総称したものである。
Incidentally, in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3, etc., the
以上説明したように、本発明は、前掲の特許文献1に記載されているようなカイト翼を有する無人航空機に於いて、カイト翼を開閉した際に、翼によって構成される平面とその機体本体1に対する相対的な関係が変化しないように開閉を行うことが可能なカイト翼2を備えるとともに、このカイト翼2を最も展開した状態において、平面視した場合にカイト翼と重なる位置、すなわちカイト翼2の下側に、マルチコプタ型の無人航空機が備えるのと同様の構成で概垂直方向を回転軸とする複数のプロペラを配置したことを特徴とするものである。
INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the present invention provides an unmanned aerial vehicle having kite wings, such as that described in
そして、本発明によれば、第一実施例及び第二実施例のいずれにおいても、カイト翼2を最も展開して開いた状態において、平面視した場合にカイト翼2と重なる位置、すなわちカイト翼2の下側に複数のプロペラを配置していることから、機体としての大きさは、カイト翼2を全開にした状態が最も大きくなり、機体全体としてのサイズを必要最小限にして小型化を図ることが出来る、という効果が得られる。一方で、カイト翼2を閉じた状態においては、同じく平面視した場合にプロペラはカイト翼2とは重なる位置には無く、プロペラの発生する空気流がカイト翼2と干渉して影響を受ける、などの問題を回避可能である。
According to the present invention, in both the first embodiment and the second embodiment, when the
また、本発明の一つの拡張(第二実施例)としては、上記した開閉可能なカイト翼2と、複数のプロペラを配置したことに加えてさらに該複数のプロペラを無人航空機の機体本体1の主軸方向(機体主軸10の方向)、すなわち概水平飛行方向に対して直角で、かつ概水平の軸の周りに、回転動可能とする機構を設けたことを特徴としている。
In addition, as one extension (second embodiment) of the present invention, in addition to arranging the
そして、本発明の第二実施例によれば、専ら水平方向の飛行のために用いられる推進用プロペラの代わりに、4つのプロペラ121、122、131、132を作用させることが可能となり、以って専ら水平方向の飛行のために用いられる推進用プロペラの設置を要しない形とし得る。或いは、推進用プロペラを備えた場合であっても、この推進用プロペラを、出力の小さなものとすることが出来る、との効果が得られる。
Then, according to the second embodiment of the invention, instead of the propulsion propeller used exclusively for horizontal flight, it is possible to operate four
さらに、本発明の制御方法は、上記した第一実施例及び第二実施例のいずれの機構に対しても、離陸および着陸の際にはカイト翼2を閉じて畳み込んだ形態とし、複数のプロペラを用いてマルチコプタと同様に垂直に離着陸を行い、垂直離陸動作から水平飛行に遷移する際にはカイト翼2の展開を行ってカイト翼2を開いた状態とし、水平飛行から垂直着陸動作に遷移する際にはカイト翼2の折り畳みを行ってカイト翼2を閉じた状態とすることを特徴としている。
Further, in the control method of the present invention, the
そして、本発明の制御方法によれば、上記した第一実施例及び第二実施例のいずれの機構に対しても、機械的な構成を有効に活用して無人飛行を実現することが可能となる。 Further, according to the control method of the present invention, it is possible to realize unmanned flight by effectively utilizing the mechanical configuration for any of the mechanisms of the first embodiment and the second embodiment. Become.
また、本発明の第二実施例に係る制御方法によれば、垂直離陸飛行から水平飛行に遷移する際に(図11)、カイト翼2の展開に引き続いて回転動機構(ティルト機構)を駆動し、プロペラを前方に傾斜させて水平飛行に対する推進力を発生させる一方、水平飛行から垂直着陸飛行に遷移する際に、カイト翼2の折り畳みに先立って、前方を向いたプロペラが上方を向くように戻し、カイト翼2を閉じた状態で垂直着陸を行うように制御することかできる。
Further, according to the control method according to the second embodiment of the present invention, when the vertical take-off flight transitions to the horizontal flight (Fig. 11), the rotation mechanism (tilt mechanism) is driven following the deployment of the
さらに、本発明の第一実施例及び第二実施例に無人航空機によれば、カイト翼2の開閉は、全開と全閉だけではなく、その中間の状態も取り得るため、カイト翼2の翼面積を連続的に可変とすることが出来る。そして、特に水平飛行中に、飛行速度に応じてカイトの展開、折り畳みの中間の状態に、カイト翼2の開度を適宜制御することが可能である。さらに、本発明の第一実施例及び第二実施例に係る無人航空機は、飛行の目的や環境の条件、所望する飛行速度等に合わせた翼形態を適応的に選択して飛行を行うことが出来る、という効果も有する。
Furthermore, according to the unmanned aerial vehicles of the first and second embodiments of the present invention, the
また、本発明によれば、さらに、カイト翼2によって構成される平面がカイト翼2を開閉した際に変化しないこと(カイト翼2が支柱11に対しては角度を変えないこと)、ならびにこのカイト翼2の翼面の機体本体1に対する相対的な関係が変化しないように開閉を行うことが可能なカイト翼2を備えることができる。そして、このことによって、カイト翼2の開閉状態に関わらず、機体全体の重心位置が変化せず一定の位置にあるようになり、カイト翼2の開閉の前後における機体の安定性を確保しやすい、という効果を得ることが出来る。また、カイト翼2の開閉によって飛行中に翼が受ける揚力は変化するが、揚力中心は大きくは変化しないため、飛行の安定性についても比較的確保しやすい、という効果を得ることが出来る。
Further, according to the present invention, the plane formed by the
以上を纏めれば、本発明によれば、回転翼型のマルチコプタの有する、垂直離着陸、低速飛行といった長所を生かしつつ損ねることなく、その短所である航続時間の短さ、搬送重量の少なさを解消し、かつ小型で簡便な機構で、容易に制御でき、カイト翼2を全閉とした状態から全開に展開した状態までの間を、実効的な翼面積が連続的に変化するようにしながら飛行を実行することが可能である。そして、本発明によれば、様々な飛行速度での飛行が可能である。 In summary, according to the present invention, the advantages of a rotary wing type multicopter, such as vertical take-off and landing and low-speed flight, can be utilized without impairing them, while their disadvantages, such as short cruising time and low transport weight, can be overcome. It can be easily controlled with a small and simple mechanism, and the effective wing area is continuously changed from the fully closed state to the fully opened state. It is possible to carry out flight. And according to the present invention, flight at various flight speeds is possible.
さらに、本発明によれば、必要な場合には、第二実施例のように、垂直離着陸のためのプロペラをティルト可能とすることによって、これを水平飛行の推力発生用プロペラと共用にすることが出来る。そして、本発明の第二実施例に係る無人航空機によれば、軽量化、エネルギ効率向上、航続距離の拡大などが可能な無人航空機を提供することが出来る、という効果を奏する。 Furthermore, according to the present invention, if necessary, the propeller for vertical take-off and landing can be tilted, as in the second embodiment, so that it can be shared with the propeller for generating thrust for horizontal flight. can be done. Further, according to the unmanned aerial vehicle according to the second embodiment of the present invention, it is possible to provide an unmanned aerial vehicle capable of reducing weight, improving energy efficiency, and extending cruising range.
以上、本発明の複数の実施例について説明したが、これ以外にも本発明の実施には様々な様態が可能であり、プロペラの個数は4つで無くとも、例えば3つや、6つなどでも良い。そして、プロペラの回転により発生する反トルクをバランスさせることや、ヨー(ラダー)、ピッチング(エレベータ)、ロール(エルロン)、及び、スロットルといった動作に係る自由度を確保することができれば、プロペラの個数は、偶数であっても、奇数であってもよい。 A plurality of embodiments of the present invention have been described above, but the present invention can be implemented in various other modes. good. And if it is possible to balance the counter torque generated by the rotation of the propeller and secure the degree of freedom related to the operation such as yaw (rudder), pitching (elevator), roll (aileron), and throttle, the number of propellers may be even or odd.
また、垂直尾翼15は必ずしも方向舵を備えなくとも良く、また水平尾翼16は必ずしも昇降舵を備えなくとも良い。さらに、前記したティルト機構を有する第二実施例の無人航空機の場合においても、さらに機体本体1の上側などに、機体主軸10と並行あるいは該並行に回転軸を配置した水平飛行専用のプロペラを具備しても良い。
Further, the
なお、本発明の実施にあたって、無人航空機を飛行させるための方法としては、地上からの操縦による方法、予め計画した飛行経路に沿って自律飛行を行う方法、さらに飛行中に機体に搭載したセンサ等を用いて環境の状況を認識し、周辺の地図を作製しながら自己位置を認識して飛行を実現する知的制御による方法など、さまざまな方法が考えられるが、いずれの方法による場合であっても、本発明の制御シーケンスを適用可能である。 In carrying out the present invention, methods for flying an unmanned aerial vehicle include a method of controlling from the ground, a method of autonomous flight along a pre-planned flight route, and sensors mounted on the aircraft during flight. Various methods are conceivable, such as a method based on intelligent control that recognizes the environment situation using , and realizes flight by recognizing its own position while creating a map of the surroundings. can also apply the control sequence of the present invention.
本発明に係る無人航空機は、以上に説明した特徴を有しており、例えば、荷物を搭載して飛行し、遠隔地への配送を行う、といった物流の用途においては、迅速かつ安定した配送の実現、構造物の検査あるいは災害救助等の用途においては、点検もしくは確認個所毎の必要性に応じた飛行速度の選択、というように、それぞれの用途に応じた飛行を柔軟に実現することが可能である。 The unmanned aerial vehicle according to the present invention has the features described above, and is suitable for rapid and stable delivery in logistics applications such as flying with cargo on board and delivering it to a remote location. In applications such as realization, inspection of structures, and disaster relief, it is possible to flexibly realize flight according to each application, such as selecting the flight speed according to the need for each inspection or confirmation point. is.
1 機体本体
2 カイト翼
10 機体主軸
11 支柱
12、13 アーム
15 垂直尾翼
16 水平尾翼
19 脚
21 中央主軸パイプ(中央主軸)
22 ヒンジプレート
23、24 前縁パイプ(開閉骨組部材)
25、26 翼中間リブ
27 前縁パイプの駆動アセンブリ
28 スライド式駆動機構(第一実施例の変形例)
50 制御装置
51 制御用計算機
52 無線送受信機
53 GPS受信機
54 ジャイロセンサ
55 加速度センサ
56 地磁気センサ
54 気圧高度センサ
58 カメラシステム
621、622、631、632 ESC・モータ
61 翼開閉駆動系
64 ティルト駆動系
65 方向舵駆動系
66 昇降舵駆動系
121、122、131、132、170 プロペラ
230、240 歯車
231、232、241、242 前縁パイプ駆動リンク
233、243 前縁パイプ駆動リンク(別方式(第一実施例の変形例))
1 Aircraft body
2 kite wings
10 machine spindle
11 Posts
12, 13 arms
15 Vertical Stabilizer
16 horizontal stabilizer
19 legs
21 Central spindle pipe (central spindle)
22 hinge plate
23, 24 Front edge pipe (opening/closing frame member)
25, 26 wing middle rib
27 Leading Edge Pipe Drive Assembly
28 Slide drive mechanism (modification of first embodiment)
50 control unit
51 Control computer
52 Radio Transceiver
53 GPS receiver
54 Gyro sensor
55 Accelerometer
56 Geomagnetic sensor
54 barometric altitude sensor
58 camera system
621, 622, 631, 632 ESC/motor
61 Wing open/close drive system
64 tilt drive system
65 Rudder drive system
66 Elevator drive system
121, 122, 131, 132, 170 Propeller
230, 240 gear
231, 232, 241, 242 Leading Edge Pipe Drive Link
233, 243 Leading Edge Pipe Drive Link (Another Method (Modified Example of First Embodiment))
Claims (6)
前記カイト翼の中央主軸に対して、左右対称に配置されるとともに前側の部位を中心として回動可能に設けられた開閉骨組部材と、
前記機体本体に設けられた少なくとも3つのプロペラと、を備え、
前記カイト翼は、可撓性を有し前記開閉骨組部材により支持され、前記開閉骨組部材の回動により開閉され、
少なくとも1つの前記プロペラが、全開状態にある前記カイト翼を平面視した場合に、前記カイト翼の内側に位置するよう配置されていること、
を特徴とする無人航空機。 In an unmanned aerial vehicle having a kite wing attached at a predetermined angle to the airframe body,
an opening/closing frame member arranged symmetrically with respect to the central main axis of the kite wing and rotatable around a front portion;
at least three propellers provided on the fuselage body,
The kite wings are flexible and supported by the opening/closing frame member, and are opened and closed by rotation of the opening/closing frame member,
at least one propeller is arranged to be positioned inside the kite wing when the kite wing is in a fully open state and viewed from above;
An unmanned aerial vehicle characterized by
を特徴とする請求項1に記載の無人航空機。 The at least three propellers are tiltable between an orientation in which the airframe body is oriented in the vertical direction and an orientation in which the airframe body is oriented in the longitudinal direction;
3. The unmanned aerial vehicle of claim 1, wherein:
前記無人航空機は、
前記カイト翼の中央主軸に対して、左右対称に配置されるとともに前側の部位を中心として回動可能に設けられた開閉骨組部材と、
前記機体本体に設けられた少なくとも3つのプロペラと、を備え、
前記カイト翼は、可撓性を有し前記開閉骨組部材により支持され、前記開閉骨組部材の回動により開閉され、
少なくとも1つの前記プロペラが、全開状態にある前記カイト翼を平面視した場合に、前記カイト翼の内側に位置するよう配置されており、
少なくとも上昇モード、水平飛行モード、及び、下降モードでの制御が可能であり、
前記上昇モードでは、前記カイト翼を縮小し、前記少なくとも3つのプロペラにより上昇のための推力を発生させ、
前記水平飛行モードでは、前記カイト翼を展開し、
前記下降モードでは、前記少なくとも3つのプロペラにより下降のための推力を発生させること、
を特徴とする無人航空機の制御方法。 In a control method for an unmanned aerial vehicle having kite wings attached at a predetermined angle to the airframe body,
The unmanned aerial vehicle is
an opening/closing frame member arranged symmetrically with respect to the central main axis of the kite wing and rotatable around a front portion;
at least three propellers provided on the fuselage body,
The kite wings are flexible and supported by the opening/closing frame member, and are opened and closed by rotation of the opening/closing frame member,
at least one of the propellers is arranged to be positioned inside the kite wing when the kite wing is in a fully open state and viewed from above;
capable of control in at least a climb mode, a level flight mode, and a descent mode;
in the climb mode, retracting the kite wings and generating thrust for ascent by the at least three propellers;
in the horizontal flight mode, deploying the kite wings;
generating thrust for descent by the at least three propellers in the descent mode;
A control method for an unmanned aerial vehicle, characterized by:
第1遷移モード、及び、第2遷移モードでの制御が可能であり、
前記第1遷移モードでは、
前記少なくとも3つのプロペラを、前記機体本体の上下方向を向く姿勢から、前記機体本体の前後方向を向く姿勢に変化させ、
前記カイト翼を展開し、
前記第2遷移モードでは、
該カイト翼を縮小し、
前記少なくとも3つのプロペラを、前記機体本体の前後方向を向く姿勢から、前記機体本体の上下方向を向く姿勢に変化させること、
を特徴とする請求項3に記載の無人航空機の制御方法。 wherein the at least three propellers are tiltable between an orientation in which the airframe body is oriented in the vertical direction and an orientation in which the airframe body is oriented in the longitudinal direction;
Control is possible in the first transition mode and the second transition mode,
In the first transition mode,
changing the attitude of the at least three propellers from facing the vertical direction of the airframe body to facing the longitudinal direction of the airframe body;
deploying the kite wings;
In the second transition mode,
shrinking the kite wings,
changing the attitude of the at least three propellers from facing the longitudinal direction of the airframe body to facing the vertical direction of the airframe body;
The method for controlling an unmanned aerial vehicle according to claim 3, characterized by:
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の無人航空機の制御方法。 changing the opening degree of the kite wings according to the flight speed in the horizontal flight mode;
The method for controlling an unmanned aerial vehicle according to claim 1 or 2, characterized by:
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の無人航空機の制御方法。 tilting only some propellers of the propellers capable of tilting;
The method for controlling an unmanned aerial vehicle according to claim 1 or 2, characterized by:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021052412A JP2022150020A (en) | 2021-03-25 | 2021-03-25 | Unmanned aircraft and control method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021052412A JP2022150020A (en) | 2021-03-25 | 2021-03-25 | Unmanned aircraft and control method thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022150020A true JP2022150020A (en) | 2022-10-07 |
Family
ID=83464690
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021052412A Pending JP2022150020A (en) | 2021-03-25 | 2021-03-25 | Unmanned aircraft and control method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2022150020A (en) |
-
2021
- 2021-03-25 JP JP2021052412A patent/JP2022150020A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US12019439B2 (en) | Free wing multirotor with vertical and horizontal rotors | |
US10717522B2 (en) | Vertical takeoff and landing (VTOL) air vehicle | |
AU2020332673B2 (en) | Separated lift-thrust VTOL aircraft with articulated rotors | |
Darvishpoor et al. | Configurations, flight mechanisms, and applications of unmanned aerial systems: A review | |
CA2673642C (en) | Dual rotor vertical takeoff and landing rotorcraft | |
CN110641693A (en) | Vertical take-off and landing unmanned aerial vehicle | |
WO2000015497A2 (en) | Gyrostabilized self propelled aircraft | |
CN107444606B (en) | Novel aircraft and aircraft system | |
JP7438523B2 (en) | Aircraft and flight methods for aircraft | |
US20230331407A1 (en) | Flying vehicle | |
JP2022150020A (en) | Unmanned aircraft and control method thereof | |
WO2022145045A1 (en) | Flying object control method | |
KR20180033011A (en) | Drone having multi-function legs working as wings | |
WO2023238289A1 (en) | Aircraft and aircraft control method | |
JP7244955B2 (en) | Aircraft and flight method of the aircraft | |
WO2022215266A1 (en) | Flight vehicle landing method, flight vehicle, information processing device, and program | |
CN117320963A (en) | Flying body, landing method and program | |
JP2023076742A (en) | Flying body | |
JP2020147266A (en) | Variable wing kite | |
IL303139A (en) | A free wing multirotor with vertical and horizontal rotors | |
JP2021062794A (en) | Flying body |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20231003 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20240325 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240329 |