JP2022167542A

JP2022167542A - マルチコプタ

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Publication number: JP2022167542A
Application number: JP2021073393A
Authority: JP
Inventors: 翔一朗竹川; Shoichiro Takegawa
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 2021-04-23
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2041-04-23
Also published as: JP7569262B2

Abstract

【課題】どの高度からでも安定して緊急着陸できるマルチコプタを提供する。【解決手段】本開示の一態様は、機体１１と、機体１１を飛行させる電力を充放電可能なバッテリ３１と、バッテリ３１に機体１１を飛行させる電力を供給するエンジン発電ユニット１２と、を有するマルチコプタ１において、機体１１の高度に応じて、バッテリ３１の充電率使用範囲の下限値（ＳＯＣ下限値）を変化させるＰＣＵ（パワーコントロールユニット）３２を有する。【選択図】図２

Description

本開示は、マルチコプタに関する。

マルチコプタに関する文献として、特許文献１には、バッテリと、このバッテリに電力を供給する発電機と、を有するマルチコプタが開示されている。そして、この特許文献１に開示されるマルチコプタでは、バッテリの充電残量が少ない場合に、マルチコプタの飛行を制限しつつ、飛行するための電力を発電機から供給しつつ、残余分をバッテリに供給している。

特開２０２０－１３８５９４号公報

マルチコプタの飛行中に異常事態が発生して発電機が停止した場合、マルチコプタを緊急着陸させることが望ましい。ここで、バッテリは通常、そのＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ、充電率）が所定の使用範囲内に保持されるように、発電機でバッテリ残量が管理されているが、その使用範囲はマルチコプタの機体の高度によらず、一定に定められていることが多い。そのため、仮にＳＯＣの使用範囲の下限値付近で発電機が停止した場合に、機体の高度によっては、着陸に必要なエネルギ量が不足して、バッテリ単体で安定して緊急着陸できないおそれがある。なお、特許文献１においては、このように機体の高度によっては安定して緊急着陸できないおそれに関しては、何ら開示されていない。

そこで、本開示は上記した課題を解決するためになされたものであり、どの高度からでも安定して緊急着陸できるマルチコプタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本開示の一形態は、機体と、前記機体を飛行させる電力を充放電可能なバッテリと、前記バッテリに前記電力を供給する発電機と、を有するマルチコプタにおいて、前記機体の高度に応じて、前記バッテリの充電率使用範囲の下限値を変化させる制御部を有すること、を特徴とする。

この態様によれば、機体の高度に応じてバッテリの充電率使用範囲の下限値を変化させておくことにより、マルチコプタの飛行中に発電機が異常停止した場合であっても、バッテリ単体でマルチコプタを安定して緊急着陸させることができるように最低限のバッテリの充電率を常に確保しておくことができる。そのため、マルチコプタは、どの高度からでも、バッテリの電力のみを使用して、安定して緊急着陸できる。

上記の態様においては、前記制御部は、前記バッテリの充電率が前記充電率使用範囲の下限値未満である場合に、前記発電機を前記バッテリに前記電力を急速充電させるための充電モードで運転させること、が好ましい。

この態様によれば、発電機を充電モードで運転させてバッテリに電力を急速充電させることにより、バッテリ単体でマルチコプタを安定して緊急着陸できるようにバッテリの充電率を確保しておくことができる。そのため、マルチコプタは、より確実に、どの高度からも安定して緊急着陸できる。

上記の態様においては、前記制御部は、風速に応じて緊急時着陸速度を算出し、前記機体の高度に応じて前記充電率使用範囲の下限値を変化させる際には、前記緊急時着陸速度も考慮して前記充電率使用範囲の下限値を変化させること、が好ましい。

この態様によれば、マルチコプタは、強風下においても機体の姿勢を崩さずに、どの高度からも安定して緊急着陸できる。

本開示のマルチコプタによれば、どの高度からでも安定して緊急着陸できる。

第１，２実施形態のマルチコプタの外観斜視図である。第１実施形態のマルチコプタの構成を示すブロック図である。第１，２実施形態で行う制御の内容を示すフローチャート図である。第１実施形態のＳＯＣ下限値の算出方法を表したフローチャート図である。機体の高度と着陸に必要なエネルギ量との関係を規定したマップの一例を示す図である。現在の満充電容量と着陸に必要なエネルギ量とを示した図である。マルチコプタの飛行の様子とＳＯＣ下限値とを示した図である。第２実施形態のマルチコプタの構成を示すブロック図である。第２実施形態のＳＯＣ下限値の算出方法を表したフローチャート図である。対気速度と対地速度と風速との関係を説明した図である。風速の大きさと緊急時着陸速度との関係を規定したマップの一例を示す図である。機体の高度と着陸に必要なエネルギ量と緊急時着陸速度との関係を規定したマップの一例を示す図である。

以下、本開示のマルチコプタの実施形態について説明する。

〔第１実施形態〕
まず、第１実施形態について説明する。

＜マルチコプタの概要＞
（マルチコプタの構成）
図１に示すように、本実施形態のマルチコプタ１は、機体１１とエンジン発電ユニット１２を有する。

機体１１には、プロペラ２１とモータ２２と機体本体部２３が設けられている。

プロペラ２１は、複数設けられている。そして、この複数のプロペラ２１を回転させることにより、マルチコプタ１は飛行する。

モータ２２は、各々のプロペラ２１に設けられ、プロペラ２１を回転させる。モータ２２は、図２に示すように、後述するパワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という。）３２を介して、後述するバッテリ３１やエンジン発電ユニット１２（詳しくは、ジェネレータ４２）に電気的に接続されている。これにより、エンジン発電ユニット１２にて発電された電力（発電電流）やバッテリ３１から放電される電力（放電電流）が、ＰＣＵ３２を介して、例えば供給電流として、モータ２２に供給される。

機体本体部２３には、図２に示すように、バッテリ３１と、ＰＣＵ３２と、高度センサ３３が設けられている。

バッテリ３１は、機体１１を飛行させる電力を充放電可能な充放電部（二次電池、蓄電池）である。図２に示すように、バッテリ３１は、ＰＣＵ３２を介して、エンジン発電ユニット１２（詳しくは、ジェネレータ４２）と電気的に接続されており、エンジン発電ユニット１２で発電された電力を充電する。また、バッテリ３１は、ＰＣＵ３２を介して、モータ２２と電気的に接続されており、モータ２２に供給する電力を放電する。

ＰＣＵ３２は、小型のコンピュータとして構成されており、マルチコプタ１の全体を制御する。例えば、ＰＣＵ３２は、エンジン４１の駆動を制御して、ジェネレータ４２での発電を制御する。このＰＣＵ３２は、エンジン発電ユニット１２で発電された電力を受給したり、バッテリ３１との間で電力（充放電電流）の供給および受給を行ったり、モータ２２へ電力（供給電流）を供給したりする。

高度センサ３３は、機体１１の高度（すなわち、マルチコプタ１の高度）を計測する高度取得部である。そして、ＰＣＵ３２は、この高度センサ３３で計測した機体１１の高度の情報（現在高度情報）を取得する。

エンジン発電ユニット１２は、図１と図２に示すように、エンジン４１とジェネレータ（すなわち、発電機）４２を備えている。エンジン４１は、ジェネレータ４２の動力源であって、例えば、小型のディーゼルエンジンやレシプロエンジンなどである。すなわち、エンジン４１は、モータ２２またはバッテリ３１へ供給する電力（すなわち、機体１１を飛行させる電力）をジェネレータ４２で発電するために駆動する。ジェネレータ４２は、バッテリ３１に電力を供給する。

また、本実施形態のマルチコプタ１においては、モータ２２とバッテリ３１とエンジン４１によりシリーズハイブリッドシステムが構成されている。すなわち、マルチコプタ１においては、エンジン４１が発電のみに使用され、モータ２２がプロペラ２１の駆動に使用され、さらに電力を回収するためのバッテリ３１を有するシステムが構成されている。このようにして、マルチコプタ１は、エンジン４１の駆動によりジェネレータ４２にて発電し、発電した電力でモータ２２を駆動してプロペラ２１を駆動することにより、飛行する。また、マルチコプタ１は、エンジン４１の駆動によりジェネレータ４２にて発電した際の余剰電力を、バッテリ３１に一旦蓄え、必要に応じてモータ２２の駆動に用いる。

（マルチコプタの作用）
このような構成のマルチコプタ１は、モータ２２に電力を供給し、複数のプロペラ２１を回転させることにより飛行する。そして、プロペラ２１の回転数を制御し、プロペラ２１の回転によって得られる揚力をマルチコプタ１自体の重力とバランスさせることで、マルチコプタ１のホバリング飛行や前進・後進・左右移動飛行を実現させることができる。また、プロペラ２１により発生させる揚力を大きくしてマルチコプタ１の上昇飛行を実現させることができ、プロペラ２１により発生させる揚力を小さくしてマルチコプタ１の下降飛行を実現させることができる。

＜ＳＯＣの管理について＞
本実施形態では、エンジン発電ユニット１２が何らかの原因により停止した場合でも、どの高度からもバッテリ３１単体でマルチコプタ１を安定して緊急着陸できるように、ＰＣＵ３２によりバッテリ３１のＳＯＣを制御して管理する。

具体的には、ＰＣＵ３２は、図３に示すフローチャートに基づく制御を行う。

図３に示すように、まず、ＰＣＵ３２は、ＳＯＣ下限値を算出する（ステップＳ１）。ここで、「ＳＯＣ下限値」は、バッテリ３１のＳＯＣの使用範囲（充電率使用範囲）の下限値である。

本実施形態では、ＰＣＵ３２は、図４に示すようにＳＯＣ下限値を算出する。図４に示すように、ＰＣＵ３２は、高度センサ３３から現在の機体１１の高度を取得する（ステップＳ１１）。なお、ＰＣＵ３２は、高度センサ３３から現在の機体１１の高度を取得する代わりに、後述するＧＰＳ５３から機体１１の位置情報を取得して、この取得した位置情報から現在の機体１１の高度を算出してもよい。

次に、ＰＣＵ３２は、例えば図５に示すマップを用いて、バッテリ３１単体での着陸に必要な総エネルギ量、すなわち、エンジン発電ユニット１２が停止した場合にバッテリ３１単体でマルチコプタ１を安定して緊急着陸させるために必要な総エネルギ量（以下、「着陸に必要なエネルギ量」という。）を算出する（ステップＳ１２）。

図５は、機体１１の高度と着陸に必要なエネルギ量との関係を規定したマップである。図５に示すように、機体１１の高度が高いほど、着陸に必要なエネルギ量が多くなる。なお、図５は、緊急時着陸速度が３ｍ／ｓである場合の一例を示している。また、図５のマップにおいて、緊急時着陸速度が遅くなると、緊急着陸するために多くの時間を要するので、着陸に必要なエネルギ量が多くなる。一方、緊急時着陸速度が速くなると、緊急着陸するためにあまり時間を要しないので、着陸に必要なエネルギ量が少なくなる。

次に、ＰＣＵ３２は、ステップＳ１２で算出した着陸に必要なエネルギ量を用いて、ＳＯＣ下限値を算出する（ステップＳ１３）。

具体的には、ＰＣＵ３２は、図６に示すように、バッテリ３１における「初期の満充電容量」からバッテリ３１の劣化分の容量低下を考慮した「現在の満充電容量」と、「着陸に必要なエネルギ量」とに基づいて、下記の数式を用いて、ＳＯＣ下限値を算出する。なお、「満充電容量」とは、バッテリ３１が完全に充電された状態から取り出し可能な容量である。
［数１］
ＳＯＣ下限値＝（着陸に必要なエネルギ量）／（現在の満充電容量）

このようにして、ＰＣＵ３２は、ＳＯＣ下限値を算出することにより、機体１１の高度に応じてＳＯＣ下限値を変化させる。

そして、図３の説明に戻って、ＰＣＵ３２は、現在のＳＯＣが、ステップＳ１で算出したＳＯＣ下限値未満であるか否かを判断する（ステップＳ２）。なお、ＰＣＵ３２は、バッテリ３１からＳＯＣ情報（図２参照）として、現在のＳＯＣを取得する。

そして、ＰＣＵ３２は、現在のＳＯＣがＳＯＣ下限値未満であると判断した場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）には、発電機充電出力点動作指示を行う（ステップＳ３）。ここで、「発電機充電出力点動作指示を行う」とは、エンジン発電ユニット１２に対してバッテリ３１に電力を急速充電させる充電モードで運転するように指示を行う、ということである。そして、このようにして、ＰＣＵ３２は、現在のＳＯＣがＳＯＣ下限値未満である場合に、エンジン発電ユニット１２を充電モードで運転させる。

一方、ＰＣＵ３２は、現在のＳＯＣが、ＳＯＣ下限値以上（ステップＳ２：ＮＯ）であって、かつ、ＳＯＣ上限値以上であると判断した場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）には、発電機最適燃費出力点動作指示を行う（ステップＳ５）。ここで、「発電機最適燃費出力点動作指示を行う」とは、エンジン発電ユニット１２に対して最適な燃費で運転する燃費モードで運転するように指示を行う、ということである。そして、このようにして、ＰＣＵ３２は、現在のＳＯＣがＳＯＣ上限値以上である場合に、エンジン発電ユニット１２を燃費モードで運転させる。なお、「ＳＯＣ上限値」は、バッテリ３１のＳＯＣの使用範囲の上限値である。

また、ＰＣＵ３２は、現在のＳＯＣが、ＳＯＣ下限値以上（ステップＳ４：ＮＯ）であって、かつ、ＳＯＣ上限値未満であると判断した場合（ステップＳ４：ＮＯ）には、ステップＳ１の処理に戻る。

以上のような制御が行われることにより、図７に示すようなマルチコプタ１の飛行が行なわれる。図７に示すように、高度一定巡行（すなわち、機体１１の高度を一定にした飛行）を行っている状態から、機体１１の高度を上げると、着陸に必要なエネルギ量が多くなるので、ＳＯＣ下限値を高くして、高度一定巡行を行う。そして、その後、機体１１の高度を下げると、着陸に必要なエネルギ量が少なくなるので、ＳＯＣ下限値を低くして、高度一定巡行を行う。

本実施形態によれば、ＰＣＵ３２は、機体１１の高度に応じて、バッテリ３１のＳＯＣ下限値を変化させる。

このようにして、機体１１の高度に応じてＳＯＣ下限値を変化させておくことにより、マルチコプタ１の飛行中にエンジン発電ユニット１２が異常停止した場合であっても、バッテリ３１単体でマルチコプタ１を安定して緊急着陸させることができるように最低限のバッテリ３１のＳＯＣを常に確保しておくことができる。そのため、マルチコプタ１は、どの高度からでも、バッテリ３１の電力のみを使用して、安定して緊急着陸できる。

また、従来は、図７の破線で示すように、ＳＯＣ下限値を高めに設定して、ＳＯＣの使用範囲が狭かったので、バッテリ３１の充放電回数が多くなる傾向にあった。これに対し、本実施形態では、ＳＯＣ上限値を変えずにＳＯＣ下限値を低めに設定することにより、ＳＯＣの使用範囲が広がるので、バッテリ３１の充放電回数が少なくなり、バッテリ３１の劣化速度を抑えることができる。

例えば機体１１の高度を上げた場合や、マルチコプタ１が風などの外乱の影響を受けた場合には、モータ２２における電力の消費が多くなって、バッテリ３１のＳＯＣがＳＯＣ下限値未満になる可能性がある。

そこで、ＰＣＵ３２は、バッテリ３１のＳＯＣがＳＯＣ下限値未満である場合に、エンジン発電ユニット１２を充電モードで運転させる。

このようにして、エンジン発電ユニット１２を充電モードで運転させてバッテリ３１に電力を急速充電させることにより、バッテリ３１単体でマルチコプタ１を安定して緊急着陸できるようにバッテリ３１のＳＯＣを確保しておくことができる。そのため、マルチコプタ１は、より確実に、どの高度からも安定して緊急着陸できる。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態について説明するが、第１実施形態と異なる点のみ説明し、第１実施形態と共通する点の説明は省略する。

マルチコプタ１が緊急着陸するため下降している時に、風速が大きいと、マルチコプタ１の姿勢が安定し難い。そして、このように風速が大きくマルチコプタ１の姿勢が安定し難い状況下で、緊急時着陸速度（すなわち、緊急着陸する際の下降速度）が速すぎると、マルチコプタ１が姿勢を崩して安定して緊急着陸できないおそれがある。

そこで、本実施形態では、ＰＣＵ３２は、現在の風速を常に算出して、算出した風速に応じて、緊急時着陸速度を変える。例えば、ＰＣＵ３２は、風速が大きいほど、緊急時着陸速度を遅くする。

このようにして、本実施形態では、ＰＣＵ３２は、算出した風速に応じて緊急時着陸速度を変えるが、緊急時着陸速度が変わると、着陸までに要するエネルギ量も変わってしまう。例えば、緊急時着陸速度を遅くするほど、着陸までに要するエネルギ量が多くなってしまう。そうすると、機体１１の高度によっては、着陸に必要なエネルギ量が不足して、バッテリ３１単体で安定して緊急着陸できないおそれがある。

そこで、本実施形態では、ＰＣＵ３２は、風速に応じて算出した緊急時着陸速度に応じて、ＳＯＣ下限値を変化させる。すなわち、ＰＣＵ３２は、機体１１の高度と、風速に応じて算出した緊急時着陸速度とに応じて、ＳＯＣ下限値を変化させる。このようにして、ＰＣＵ３２は、機体１１の高度に応じてＳＯＣ下限値を変化させる際には、風速に応じて算出した緊急時着陸速度も考慮してＳＯＣ下限値を変化させる。

本実施形態では、図８に示すように、機体１１の機体本体部２３は、フライトコントローラ５１と、対気速度センサ５２と、ＧＰＳ５３を備えている。

フライトコントローラ５１は、マルチコプタ１の飛行の制御を行う飛行制御部である。対気速度センサ５２は、対気速度を計測する対気速度計測部である。ＧＰＳ（すなわち、ＧＰＳセンサ）５３は、マルチコプタ１の位置を計測する位置計測部である。

そして、本実施形態では、ＰＣＵ３２は、前記の図３のステップＳ３においてＳＯＣ下限値を算出するときに、図９に示すようにしてＳＯＣ下限値を算出する。

図９に示すように、まず、ＰＣＵ３２は、対気速度センサ５２により対気速度を計測する（ステップＳ２１）。具体的には、ＰＣＵ３２は、対気速度情報として、フライトコントローラ５１を介して対気速度センサ５２から対気速度の計測値を取得する。

次に、ＰＣＵ３２は、ＧＰＳ５３により対地速度を計測する（ステップＳ２２）。具体的には、ＰＣＵ３２は、対地速度情報として、フライトコントローラ５１を介してＧＰＳ５３から対地速度の計測値を取得する。

次に、ＰＣＵ３２は、図１０に示すように対気速度と対地速度に基づいて、風速を算出する（ステップＳ２３）。

次に、ＰＣＵ３２は、ステップＳ２３で算出した風速に基づいて、例えば図１１に示すマップを用いて、緊急時着陸速度を算出する（ステップＳ２４）。なお、図１１は、風速の大きさと、緊急時着陸速度との関係を規定したマップである。このようにして、風速に応じて、緊急時着陸速度を変える。すなわち、風速が大きいほど、緊急時着陸速度を遅くする。

次に、ＰＣＵ３２は、前記のステップＳ１１と同様にして、現在の機体１１の高度を取得する（ステップＳ２５）。

次に、ＰＣＵ３２は、例えば図１２に示すマップを用いて、着陸に必要なエネルギ量を算出する（ステップＳ２６）。図１２は、機体１１の高度と着陸に必要なエネルギ量と緊急時着陸速度との関係を規定したマップである。なお、図１２では、一例として、緊急時着陸速度が１ｍ／ｓである場合と、緊急時着陸速度が３ｍ／ｓである場合について、機体１１の高度と着陸に必要なエネルギ量との関係を規定している。図１２に示すように、緊急時着陸速度が遅くなると、緊急着陸するために多くの時間を要するので、着陸に必要なエネルギ量が多くなる。一方、緊急時着陸速度が速くなると、緊急着陸するためにあまり時間を要しないので、着陸に必要なエネルギ量が少なくなる。

次に、ＰＣＵ３２は、ステップＳ２６で算出した着陸に必要なエネルギ量を用いて、前記のステップＳ１３と同様にして、ＳＯＣ下限値を算出する（ステップＳ２７）。

本実施形態によれば、ＰＣＵ３２は、風速に応じて緊急時着陸速度を算出し、機体１１の高度に応じてＳＯＣ下限値を変化させる際には、風速に応じて算出した緊急時着陸速度も考慮してＳＯＣ下限値を変化させる。

これにより、マルチコプタ１は、強風下においても機体１１の姿勢を崩さずに、どの高度からも安定して緊急着陸できる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本開示を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。

１マルチコプタ
１１機体
１２エンジン発電ユニット
２１プロペラ
２２モータ
２３機体本体部
３１バッテリ
３２ＰＣＵ（パワーコントロールユニット）
３３高度センサ
４１エンジン
４２ジェネレータ
５１フライトコントローラ
５２対気速度センサ
５３ＧＰＳ

Claims

機体と、前記機体を飛行させる電力を充放電可能なバッテリと、前記バッテリに前記電力を供給する発電機と、を有するマルチコプタにおいて、
前記機体の高度に応じて前記バッテリの充電率使用範囲の下限値を変化させる制御部を有すること、
を特徴とするマルチコプタ。
請求項１のマルチコプタにおいて、
前記制御部は、前記バッテリの充電率が前記充電率使用範囲の下限値未満である場合に、前記発電機を前記バッテリに前記電力を急速充電させるための充電モードで運転させること、
を特徴とするマルチコプタ。
請求項１または２のマルチコプタにおいて、
前記制御部は、
風速に応じて緊急時着陸速度を算出し、
前記機体の高度に応じて前記充電率使用範囲の下限値を変化させる際には、前記緊急時着陸速度も考慮して前記充電率使用範囲の下限値を変化させること、
を特徴とするマルチコプタ。