JP2023056106A - マルチコプタ - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンで駆動する発電機と充放電可能なバッテリを搭載したマルチコプタにおいて、バッテリの過熱を抑制し、バッテリからモータへ電力を安定的に供給すること。【解決手段】マルチコプタ1は、モータ24で駆動する複数のロータ25、充放電可能なバッテリ31、エンジン41で駆動する発電機42、エンジン41の運転や発電機42とバッテリ31とモータ24との間の電力供給を制御するコントローラ33を備える。コントローラ33は、飛行電力を充足させるために発電機42からモータ24へ発電電力を供給すると共に不足する電力を補うためにバッテリ31からモータ24へバッテリ電力を放電させ、バッテリ温度が判定温度以上になったとき、バッテリ31に過熱のおそれがあると判定し、発電機42からモータ24への発電電力を増加させるために発電機42の発電負荷を増加させると共にバッテリ31からモータ24へのバッテリ電力を低減させるためにバッテリ31の放電負荷を低減させる。【選択図】 図２

Description

この明細書に開示される技術は、エンジンで駆動する発電機と充放電可能なバッテリを搭載し、モータへ電力を供給して複数のロータを回転させることにより飛行するマルチコプタに関する。

従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１に記載されるマルチコプタが知られている。このマルチコプタは、本体と、本体から半系方向へ延伸する複数のアームと、各アームの先端付近に設けられるプロペラ（ロータ）とを備える。また、マルチコプタは、その飛行を制御する装置（ＦＣＵ）と、ＦＣＵに対し供給される電力を管理する装置（ＰＭＵ）と、ＰＭＵを介してＦＣＵに電力を供給する第１のバッテリと、各アームに応じて設けられた揚力発生系統とを更に備える。各揚力発生系統は、ロータの他に、ロータを回転駆動するモータと、モータの回転数を制御する装置（ＥＳＣ）と、ＥＳＣを介してモータに電力を供給する第２のバッテリを備える。そして、ＦＣＵは、複数の揚力発生系統いずれかの第２のバッテリに電力低下等の不具合が生じた場合、その不具合が生じている第２のバッテリから電力の供給を受けていたＥＳＣを、その第２のバッテリから電気的に切り離し、そのＥＳＣを、他の揚力発生系統に設けられる不具合が生じていない第２のバッテリに接続するようにスイッチング回路を制御するようになっている。

特開２０２０－９３７２４号公報

ところで、マルチコプタの飛行中にバッテリ等の電力供給源に不具合が生じた場合は、飛行を継続してから安全に着陸することが求められる。ここで、特許文献１に記載のマルチコプタでは、第２のバッテリの不具合に対するフェイルセーフとして、複数の独立した第２のバッテリを搭載し、不具合が生じている第２のバッテリによる電力供給を、不具合が生じていない他の第２のバッテリによる電力供給に切り替えることで第２のバッテリの不具合に対処し、マルチコプタの飛行を継続できるようにしている。ところが、特許文献１に記載のマルチコプタでは、不具合が生じている第２のバッテリによる電力供給を、不具合が生じていない他の第２のバッテリによる電力供給に切り替えるときは、対応するモータへの電力供給が瞬間的に止まることになる。その結果、ロータの回転が不安定となり、マルチコプタの安全な飛行の継続と安全な着陸が困難になるおそれがある。

ここで、バッテリの不具合として、特にバッテリの過剰な温度上昇（過熱）がある。バッテリの温度は、化学反応熱や内部抵抗によるジュール熱によって上昇する。マルチコプタにおいて、バッテリの過熱を抑制できれば、バッテリの不具合を減らすことができる。その結果、マルチコプタに複数のバッテリを搭載して、あるバッテリによる電力供給を他のバッテリによる電力供給へ切り替える必要性をなくすことも可能となる。

この開示技術は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、モータへ電力を供給するために、エンジンで駆動する発電機と充放電可能なバッテリを搭載したマルチコプタにおいて、バッテリの過熱を抑制し、バッテリからモータへ電力を安定的に供給することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の技術は、複数のロータと、各ロータを回転駆動するためのモータと、モータへ供給する電力を充放電可能に構成されるバッテリと、モータに供給される電力及びバッテリに充電される電力を発電するための発電機と、発電機を駆動するためのエンジンと、エンジンの運転、発電機からモータへの電力の供給、発電機からバッテリへの充電及びバッテリからモータへの放電を制御するための制御手段とを備え、モータへ電力を供給して各ロータを回転させることにより飛行するマルチコプタにおいて、バッテリの温度を検出するためのバッテリ温度検出手段を更に備え、制御手段は、マルチコプタの飛行に必要な飛行電力を充足させるために、発電機からモータへ発電電力を供給すると共に発電電力のみでは不足する電力を補うためにバッテリからモータへバッテリ電力を放電させるように構成され、制御手段は、バッテリ温度検出手段により検出されるバッテリの温度が所定の判定温度以上となったときに、発電機からモータへ供給される発電電力を増加させるために発電機の発電負荷を増加させると共にバッテリからモータへ放電されるバッテリ電力を低減させるためにバッテリの放電負荷を低減させる
こと趣旨とする。

上記技術の構成によれば、マルチコプタは、モータへ電力を供給して各ロータを回転させることにより飛行する。ここで、制御手段は、エンジンの運転、発電機からモータへの電力の供給、発電機からバッテリへの充電及びバッテリからモータへの放電を制御する。そして、制御手段は、マルチコプタの飛行に必要な飛行電力を充足させるために、発電機からモータへ発電電力を供給すると共に発電電力のみでは不足する電力を補うためにバッテリからモータへバッテリ電力を放電させる。また、制御手段は、バッテリ温度検出手段により検出されるバッテリの温度が所定の判定温度以上となったときに、発電機からモータへ供給される発電電力を増加させるために発電機の発電負荷を増加させると共にバッテリからモータへ放電されるバッテリ電力を低減させるためにバッテリの放電負荷を低減させる。従って、バッテリの温度が所定の判定温度以上となってバッテリが過熱しそうになると、発電機からモータへ供給される発電電力が増え、その代わりにバッテリが負担するバッテリ電力が減るので、発電機からバッテリに充電される電流及びバッテリからモータへ放電される電流が抑制される。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の技術は、請求項１に記載の技術において、制御手段は、バッテリの放電負荷を低減させるときは、バッテリからモータへ放電されるバッテリ電流が所定の範囲値内に収まるように低減させることを趣旨とする。

上記技術の構成によれば、請求項１に記載の技術の作用に加え、バッテリからモータへ放電されるバッテリ電流が所定の範囲値内に収まるように低減されるので、バッテリ電流の低減に多少の変動が許容される。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の技術は、請求項１又は２に記載の技術において、制御手段は、発電機の発電負荷を増加させるために、エンジンの回転数を増加させて発電機の回転数を増加させることを趣旨とする。

上記技術の構成によれば、エンジンにより発電機の回転数を増加させて発電機の発電負荷を増加させることにより、請求項１又は２に記載の技術と同等の作用が得られる。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の技術は、請求項１乃至３のいずれかに記載の技術において、制御手段は、発電機の発電負荷を増加させるときは、所定時間毎に段階的に増加させることを趣旨とする。

上記技術の構成によれば、請求項１乃至３のいずれかに記載の技術の作用に加え、発電機の発電負荷を所定時間毎に段階的に増加させるので、発電機の動作の急変が抑えられる。

上記目的を達成するために、請求項５に記載の技術は、請求項４に記載の技術において、制御手段は、バッテリの放電負荷を低減させるときは、発電負荷の段階的な増加に合わせて所定時間毎に段階的に低減させることを趣旨とする。

上記技術の構成によれば、請求項４に記載の技術の作用に加え、発電負荷の段階的な増加に合わせてバッテリの放電負荷を所定時間毎に段階的に低減させるので、バッテリの放電負荷の急変が抑えられる。

請求項１に記載の技術によれば、モータへ電力を供給するために、エンジンで駆動する発電機と充放電可能なバッテリを搭載したマルチコプタにおいて、バッテリの過熱を抑制することができ、バッテリからモータへ電力を安定的に供給することができる。

請求項２に記載の技術によれば、請求項１に記載の技術の効果に加え、発電機等の応答性やマルチコプタの飛行挙動のばらつきに対し急な動きがなくなり、安定した電力供給の動作を実現することができる。

請求項３に記載の技術によれば、請求項１又は２に記載の技術と同等の効果を得ることができる。

請求項４に記載の技術によれば、請求項１乃至３のいずれかに記載の技術の効果に加え、安定してバッテリ等を動作させることができる。

請求項５に記載の技術によれば、請求項４に記載の技術と同等の効果を得ることができる。

一実施形態に係り、マルチコプタの外観を示す斜視図。 一実施形態に係り、マルチコプタの構成を示すブロック図。 一実施形態に係り、発電用エンジンシステムとその関連機器の一部を示す概略構成図。 一実施形態に係り、マルチコプタの飛行時におけるエンジン回転数と発電電流に対する、等燃費率線、等出力線、エンジン全開性能線、等電圧線及び動作線の関係を示すグラフ。 一実施形態に係り、電力供給制御の内容を示すフローチャート。 一実施形態に係り、マルチコプタが定常飛行する場合における電力供給制御に関連した各種パラメータの挙動を示すタイムチャート。 一実施形態に係り、マルチコプタが定常飛行の途中で巡航速度を上げたり、高度を上昇させたりした場合における電力供給制御に関連した各種パラメータの挙動を示すタイムチャート。 一実施形態に係り、マルチコプタが定常飛行の途中で向かい風を受けた場合における電力供給制御に関連した各種パラメータの挙動を示すタイムチャート。

以下、マルチコプタを具体化した一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

［マルチコプタの構成等について］
図１に、この実施形態のマルチコプタ１の外観を斜視図により示す。図２に、マルチコプタ１の構成をブロック図により示す。以下に、マルチコプタ１の構成等について、図１、図２を参照して詳細に説明する。

マルチコプタは、ヘリコプターの一種であり、３つ以上のロータを搭載した回転翼機のことである。この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とを備える。機体１１は、先端が二股に分かれた複数（この実施形態では４本）のアーム２１と、複数のアーム２１を放射状に片持ち支持するアームベース２２と、アームベース２２を支持する機体ベース２３と、各アーム２１の先端に設けられた複数（この実施形態では８個）のモータ２４と、各モータ２４により回転駆動される複数（この実施形態では８個）のロータ２５とを含む。このマルチコプタ１は、複数のロータ２５を対応する各モータ２４により同時に回転させることで飛行するようになっている。

アームベース２２は、機体ベース２３の上に設けられる。アームベース２２の中には、バッテリ３１、燃料タンク３２、メインコントローラ３３、フライトコントローラ３４、パワーコントロールユニット３５、エレクトリックスピードコントローラ３６などが設けられる。また、アームベース２２には、外部を撮像または録画する撮像部３７が設けられる。撮像部３７は、カメラ及び録画メモリ等を含む。

機体ベース２３の下側には、エンジン発電ユニット１２が懸架される。エンジン発電ユニット１２は、後述する発電用エンジンシステム１５（エンジン４１を含む）と、エンジン４１により駆動されて発電する発電機（ジェネレータ）４２とを含む。

各モータ２４は、エレクトリックスピードコントローラ３６（インバータ（不図示）を含む）とパワーコントロールユニット３５を介してジェネレータ４２に電気的に接続される。この接続により、ジェネレータ４２で発電された電力が、パワーコントロールユニット３５とエレクトリックスピードコントローラ３６を介してモータ２４に供給されるようになっている。

バッテリ３１は、電力を充放電可能な二次電池により構成される。バッテリ３１は、パワーコントロールユニット３５を介してジェネレータ４２に電気的に接続され、ジェネレータ４２で発電された電力を充電するようになっている。バッテリ３１は、パワーコントロールユニット３５とエレクトリックスピードコントローラ３６を介して各モータ２４に電気的に接続され、バッテリ３１から放電する電力を各モータ２４に供給するようになっている。バッテリ３１には、バッテリ３１の電流及び電圧をそれぞれ検出するセンサ（図示略）と、バッテリ３１の温度を検出するバッテリ温センサ７４が設けられ、これらセンサがその検出結果に関する電気信号をメインコントローラ３３へ送るようになっている。バッテリ温センサ７４は、この開示技術におけるバッテリ温度検出手段の一例に相当する。

燃料タンク３２には、燃料（例えば、ガソリン）が貯留される。この燃料は、エンジン４１を駆動するために使用される。燃料タンク３２に設けられたレベルセンサ（図示略）は、燃料残量に関する電気信号をメインコントローラ３３へ送るようになっている。

メインコントローラ３３は、小型のコンピュータとして構成され、マルチコプタ１に関する全ての動作を制御するようになっている。メインコントローラ３３は、風向取得部４５、回転制御部４６、風力取得部４７、機械制御部４８及びエンジン制御部５０を備える。ここで、例えば、エンジン制御部５０は、ジェネレータ４２での発電を制御するためにエンジン４１の動作を制御するようになっている。メインコントローラ３３は、エンジン４１の運転、ジェネレータ４２から各モータ２４への電力の供給、ジェネレータ４２からバッテリ３１への充電及びバッテリ３１から各モータ２４への放電を制御するようになっている。メインコントローラ３３は、この開示技術における制御手段の一例に相当する。

フライトコントローラ３４は、マルチコプタ１の飛行を制御する装置である。このフライトコントローラ３４は、マルチコプタ１の飛行に関する推力をメインコントローラ３３とエレクトリックスピードコントローラ３６へ指令する電気信号を送る一方で、メインコントローラ３３からバッテリ３１の充電状態に関する電気信号を受け取るようになっている。フライトコントローラ３４は、後述するリモコン３０から操縦者の操作指令に関する電気信号を受け取り、後述する各種センサ２８から検出結果に関する電気信号を受け取るようになっている。

パワーコントロールユニット３５は、各モータ２４へ供給される電力を制御する装置である。このパワーコントロールユニット３５は、ジェネレータ４２で発電された電力を受給したり、バッテリ３１との間で電力の供給及び受給を行ったり、エレクトリックスピードコントローラ３６へ電力を供給したりするようになっている。パワーコントロールユニット３５は、メインコントローラ３３から充放電の切替指令に関する電気信号を受け取るようになっている。また、パワーコントロールユニット３５は、バッテリ３１の電流に関する電気信号と、ジェネレータ４２の電流に関する電気信号をそれぞれメインコントローラ３３へ送るようになっている。

エレクトリックスピードコントローラ３６は、各モータ２４の回転数を制御する装置である。このエレクトリックスピードコントローラ３６は、パワーコントロールユニット３５を介して供給される電力を駆動電力として各モータ２４に供給するようになっている。エレクトリックスピードコントローラ３６は、フライトコントローラ３４から推力指令に関する電気信号を受け取るようになっている。

エンジン発電ユニット１２は、エンジン４１を含む発電用エンジンシステム１５の一部及びジェネレータ４２などを備える。エンジン４１は、ジェネレータ４２の駆動源であって、この実施形態では、レシプロタイプの小型ガソリンエンジンより構成される。すなわち、エンジン４１は、各モータ２４又はバッテリ３１へ供給される電力をジェネレータ４２で発電するために、ジェネレータ４２を駆動するようになっている。また、後述する発電用エンジンシステム１５を構成する各種部品５７，６０，６２は、メインコントローラ３３のエンジン制御部５０から、発電を目的としたエンジン制御指令に関する電気信号を受け取るようになっている。

この実施形態で、マルチコプタ１は、各種センサ２８とリモコン３０を備える。各種センサ２８は、マルチコプタ１の高度、姿勢、緯度や経度、加速度及び障害物などをそれぞれ検出するためのセンサを含む。リモコン３０は、マルチコプタ１の操縦者が持つ操作器であり、操縦者により操作されるジョイスティックからの操作に関する電気信号をマルチコプタ１へ送信したり、マルチコプタ１からの動作に関する電気信号を受信したりする送受信機などの機器を含む。

この本実施形態のマルチコプタ１では、各モータ２４とバッテリ３１とエンジン４１によりシリーズ式のハイブリッドシステムが構成される。すなわち、このマルチコプタ１では、エンジン４１がジェネレータ４２による発電のみに使用され、各モータ２４が各ロータ２５を回転駆動するために使用され、バッテリ３１がジェネレータ４２で発電された電力を充放電するために使用される。このようにして、マルチコプタ１は、エンジン４１の動力によりジェネレータ４２を動作させて発電し、その発電した電力で各モータ２４を動作させて各ロータ２５を回転させることで飛行するようになっている。また、このマルチコプタ１は、エンジン４１の動力によりジェネレータ４２で発電された電力のうち、各モータ２４へ供給されて余った余剰電力を、バッテリ３１に一旦蓄え、必要に応じてバッテリ３１から各モータ２４へ供給するようになっている。

上記のように構成したマルチコプタ１は、各モータ２４に電力を供給し、複数のロータ２５をそれぞれ回転させることで各種飛行を実現するようになっている。すなわち、マルチコプタ１は、各ロータ２５の回転数を制御することで、各ロータ２５により発生する揚力をマルチコプタ１に作用する重力とバランスさせてホバリング飛行を実現する。マルチコプタ１は、各ロータ２５により発生する揚力をマルチコプタ１に作用する重力よりも大きくすることで、上昇飛行を実現し、各ロータ２５により発生する揚力をマルチコプタ１に作用する重力よりも小さくすることで、下降飛行を実現する。また、マルチコプタ１は、各ロータ２５の回転数を制御し、各ロータ２５により発生する揚力に不均衡を生じさせることで前進・後進・左右移動飛行を実現する。更に、マルチコプタ１は、相対回転する各ロータ２５の回転数に差を設けることで、旋回（回転）飛行を実現する。

ここで、メインコントローラ３３は、パワーコントロールユニット３５へ電力供給切り替え指令に関する電気信号を送ることで、ジェネレータ４２で発電された電力の各モータ２４への供給とバッテリ３１への充電を制御すると共に、バッテリ３１に充電された電力の各モータ２４への放電を制御するようになっている。

［発電用エンジンシステムについて］
次に、発電用エンジンシステム１５について説明する。図３に、この実施形態の発電用エンジンシステム１５とその関連機器の一部を概略構成図により示す。以下に、発電用エンジンシステム１５の構成について、図３を参照して詳細に説明する。

この発電用エンジンシステム（以下、単に「エンジンシステム」と言う。）１５は、単気筒で構成されるエンジン４１を備える。エンジン４１は、４サイクルのレシプロエンジンであり、燃焼室を含む１つの気筒５２及びクランクシャフト５３の他、周知の構成要素を含む。エンジン４１には、気筒５２に吸気を導入するためにエンジン４１へ吸気が流れる吸気通路５４と、気筒５２から排気を導出するための排気通路５５とが設けられる。吸気通路５４の入口には、エアクリーナ５６が設けられる。吸気通路５４の途中には、サージタンク５４ａが設けられ、そのサージタンク５４ａの上流側にはスロットル装置５７が設けられる。スロットル装置５７は、吸気通路５４を流れる吸気量を調節するために開閉動作する。スロットル装置５７は、ポペット式弁より構成され、弁座に対し往復駆動する弁体（図示略）と、その弁体を開度可変に駆動するためのステップモータ５８とを含む。この実施形態のエンジンシステム１５には、弁体の開度（スロットル開度）を検出するためのスロットルセンサが設けられていない。スロットル装置５７は、弁体で流路を開閉することにより、吸気通路５４を流れる吸気量を調節するようになっている。一方、排気通路５５には、排気を浄化するための触媒５９が設けられる。

吸気通路５４には、同通路５４に燃料を噴射するための１つのインジェクタ６０が設けられる。インジェクタ６０は、前述した燃料タンク３２から供給される燃料（ガソリン）を噴射するように構成される。この実施形態のエンジン４１は、一連の吸気行程、圧縮行程、爆発行程及び排気行程を含むエンジンサイクルをもって動作する。吸気通路５４では、エンジンサイクルの吸気行程で導入された吸気と、インジェクタ６０から吸気通路５４に噴射された燃料とにより可燃性の混合気が形成される。

エンジン４１には、気筒５２に対応して１つの点火プラグ６１とイグニションコイル６２が設けられる。点火プラグ６１は、イグニションコイル６２から出力される点火信号を受けてスパーク動作する。気筒５２において、混合気は、エンジンサイクルの圧縮行程で点火プラグ６１のスパーク動作により爆発・燃焼し、その爆発行程が経過する。燃焼後の排気は、排気行程で気筒５２から排気通路５５へ排出される。排気は、触媒５９を流れて浄化され、外部へ排出される。これら一連のエンジンサイクルを７２０℃Ａのクランク角をもって周期的に繰り返すことで、エンジン４１のクランクシャフト５３が回転し、エンジン４１に出力が得られる。この実施形態では、エンジン４１のクランクシャフト５３は、ジェネレータ４２の駆動軸に直接接続される。従って、ジェネレータ４２の駆動軸の回転数、クランクシャフト５３の回転数と同じになる。

エンジン４１に対応して設けられる各種センサ等７１，７２，７３は、エンジン４１の運転状態を検出するための手段を構成する。エンジン４１に設けられたエンジン温センサ７１は、エンジン４１のシリンダブロックの温度をエンジン温度ＴＨＥとして検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。エンジン４１に設けられた回転数センサ７２は、クランクシャフト５３の回転数をエンジン回転数ＮＥとして検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。サージタンク５４ａに設けられた吸気圧センサ７３は、サージタンク５４ａ（吸気通路５４）における吸気圧力ＰＭを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。

このエンジンシステム１５は、エンジン４１の運転を制御するための前述したエンジン制御部５０を含む。エンジン制御部５０には、各種センサ等７１～７３がそれぞれ接続される。また、エンジン制御部５０には、スロットル装置５７のステップモータ５８、各インジェクタ６０及びイグニションコイル６２がそれぞれ接続される。周知のようにエンジン制御部５０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、各種メモリ、外部入力回路及び外部出力回路等を含む。

この実施形態で、エンジン制御部５０は、エンジン４１を運転するために、各種センサ等７１～７３からの電気信号に基いてスロットル装置５７（ステップモータ５８）、各インジェクタ６０及びイグニションコイル６２をそれぞれ制御するようになっている。

ここで、図４には、マルチコプタ１の飛行時におけるエンジン回転数とジェネレータ４２の電流（発電電流）に対する、等燃費率線ＥＦＣＬ、等出力線ＥＯＬ、エンジン全開性能線ＷＯＴ、等電圧線ＩＬ及び動作線ＯＬの関係をグラフにより示す。図４において、等燃費率線ＥＦＣＬは１点鎖線で示し、等出力線ＥＯＬは実線で示し、エンジン全開性能線ＷＯＴは太い２点鎖線で示し、等電圧線ＩＬは破線で示し、動作線ＯＬは太い実線で示す。動作線ＯＬは、等燃費率線ＥＦＣＬに直交するように設定される。複数の等電圧線ＩＬは、その配列の左側Ａ１から右側Ａ２へ向けて電圧が大きくなる。複数の等出力線ＥＯＬは、その配列の下側Ｂ１から上側Ｂ２へ向けて出力が大きくなる。複数の等燃費率線ＥＦＣＬは、その配列の中側Ｃ１から外側Ｃ２へ向けて燃費率が大きくなる。この実施形態では、マルチコプタ１の飛行出力とジェネレータ４２の発電出力とが同じになるように、エンジン４１の出力が動作線ＯＬ上を遷移するように設定される。マルチコプタ１は、通常は、エンジン４１の燃費が最適となる動作線ＯＬ上の燃費動作点Ｐ１でジェネレータ４２を動作させ、充電状態（ＳＯＣ）が下がったり、極めて大きい飛行電力が必要になったときに動作線ＯＬ上の出力動作点Ｐ２でジェネレータ４２を動作させ、バッテリ３１の過熱を回避するときは、燃費動作点Ｐ１と出力動作点Ｐ２との間の動作線ＯＬ上の中間動作点Ｐ３でジェネレータ４２を動作させるようになっている。また、それとは関係なく、飛行電力に合わせてジェネレータ４２の出力を変えるようになっている。

この実施形態のマルチコプタ１では、充放電可能に構成されたバッテリ３１の過熱の要因として、主に内部抵抗によるジュール熱の影響が考えられる。バッテリ３１の過熱を回避するためには、バッテリ３１の充放電による電流を極力ゼロにすることが好ましい。マルチコプタ１の飛行に必要な電力は、機体１１の運動状態や姿勢、風などの外乱により変化する。この飛行に必要な飛行電力に合わせてジェネレータ４２の出力を変えることで、バッテリ３１の充放電に関する電流を極力ゼロにすることができ、バッテリ３１の過熱を抑制することが可能となる。そこで、メインコントローラ３３は、バッテリ３１の過熱を抑制するために次のような電力供給制御を実行するようになっている。

ここで、メインコントローラ３３は、マルチコプタ１の飛行に必要な飛行電力ＦＰ（図６～図８参照）を充足させるために、ジェネレータ４２から各モータ２４へ発電電力ＰＧ（図６～図８参照）を供給すると共にその発電電力ＰＧのみでは不足する電力を補うためにバッテリ３１から各モータ２４へバッテリ電力ＢＰ（図６～図８参照）を放電させるように構成される。

[電力供給制御について]
次に、メインコントローラ３３が実行する電力供給制御について説明する。図５に、この電力供給制御の内容をフローチャートにより示す。

処理がこのルーチンへ移行すると、メインコントローラ３３は、ステップ１００で、バッテリ温センサ７４の検出値に基づきバッテリ３１の温度（バッテリ温度）ＴＨＢを取り込む。

次に、ステップ１１０で、メインコントローラ３３は、取り込まれたバッテリ温度ＴＨＢが所定の判定温度ＴＨ１以上か否かを判断する。この判定温度ＴＨ１は、例えば「６０℃」である。メインコントローラ３３は、この判断結果が肯定となる場合は、バッテリ３１に過熱のおそれがあると判定し、処理をステップ１２０へ移行する。メインコントローラ３３は、この判断結果が否定となる場合は、バッテリ３１に過熱のおそれがないと判定し、処理をステップ１００へ戻す。

ステップ１２０では、メインコントローラ３３は、パワーコントロールユニット３５を制御することで、ジェネレータ４２の負荷電流ＪＬＣを、例えば「５Ａ」増加させる。

次に、ステップ１３０で、メインコントローラ３３は、ジェネレータ４２から各モータ２４へ供給される発電電力ＰＧを増加させるためにジェネレータ４２の発電負荷を増加させる。そのために、メインコントローラ３３は、スロットル装置５７を制御する（スロットル開度を増加させる）ことで、エンジン４１の回転数を増加させてジェネレータ４２の回転数を、例えば「２００ｒｐｍ」増加させる。

次に、ステップ１４０で、メインコントローラ３３は、バッテリ３１から各モータ２４へ放電されるバッテリ電力ＢＰを低減させるためにバッテリ３１の放電負荷を低減させる。そのために、メインコントローラ３３は、パワーコントロールユニット３５を制御することで、バッテリ３１から放電されるバッテリ電流ＢＣを低減させる。

次に、ステップ１５０で、メインコントローラ３３は、バッテリ電流ＢＣが所定の範囲値ＲＶ１の内か否かを判断する。この範囲値ＲＶ１は、例えば「－１０Ａ～＋１０Ａ」である。ここで、メインコントローラ３３は、バッテリ電流ＢＣのばらつきを抑えるために、バッテリ電流ＢＣをなまし処理する。メインコントローラ３３は、この判断結果が肯定となる場合は処理をステップ１６０へ移行し、この判断結果が否定となる場合は処理をステップ１２０へ戻す。

ここで、処理がステップ１５０からステップ１２０へ戻った場合、メインコントローラ３３は、ステップ１２０～ステップ１５０の処理を繰り返すことになる。そして、メインコントローラ３３は、ジェネレータ４２の負荷電流ＪＬＣ及び回転数（発電負荷）を増加させるときは、所定時間（例えば、１秒）毎に段階的にそれを増加させる。また、メインコントローラ３３は、バッテリ３１のバッテリ電流ＢＣ（放電負荷）を低減させるときは、負荷電流ＪＬＣ及び回転数（発電負荷）の段階的な増加に合わせて所定時間（例えば、１秒）毎に段階的にそれを低減させる。

ステップ１６０では、メインコントローラ３３は、バッテリ温センサ７４の検出値に基づきバッテリ温度ＴＨＢを取り込む。

次に、ステップ１７０で、メインコントローラ３３は、取り込まれたバッテリ温度ＴＨＢが所定の復帰温度ＴＨ２以下か否かを判断する。復帰温度ＴＨ２は、例えば「５５℃」である。メインコントローラ３３は、この判断結果が肯定となる場合は、バッテリ３１に過熱のおそれがないと判定し、処理をステップ１８０へ移行する。また、メインコントローラ３３は、この判断結果が否定となる場合は、バッテリ３１に未だ過熱のおそれがあると判定し、処理をステップ１６０へ戻す。

ステップ１８０では、メインコントローラ３３は、ジェネレータ４２の負荷電流ＪＬＣと回転数（発電負荷）を、バッテリ３１に過熱のおそれがあると判定する前の状態に戻す。そのために、メインコントローラ３３は、パワーコントロールユニット３５とスロットル装置５７を制御する。

また、ステップ１９０で、メインコントローラ３３は、バッテリ電流ＢＣ（放電負荷）を、バッテリ３１に過熱のおそれがあると判定する前の状態に戻す。そのために、メインコントローラ３３は、パワーコントロールユニット３５を制御する。その後、メインコントローラ３３は、処理を一旦終了する。

上記した電力供給制御によれば、メインコントローラ３３は、バッテリ温センサ７４により検出されるバッテリ温度ＴＨＢが所定の判定温度ＴＨ１以上となったときに、バッテリ３１に過熱のおそれがあると判定し、ジェネレータ４２から各モータ２４へ供給される発電電力ＰＧを増加させるためにジェネレータ４２の発電負荷を増加させると共にバッテリ３１から各モータ２４へ放電されるバッテリ電力ＢＰを低減させるためにバッテリ３１の放電負荷を低減させるようになっている。

上記した電量供給制御によれば、メインコントローラ３３は、バッテリ３１の放電負荷を低減させるときは、バッテリ３１から各モータ２４へ放電されるバッテリ電流ＢＣが所定の範囲値ＲＶ１の内に収まるように低減させるようになっている。

上記した電量供給制御によれば、メインコントローラ３３は、ジェネレータ４２の発電負荷を増加させるために、エンジン４１の回転数を増加させてジェネレータ４２の回転数を増加させるようになっている。

上記した電量供給制御によれば、メインコントローラ３３は、ジェネレータ４２の発電負荷を増加させるときは、所定時間毎に段階的に増加させるようになっている。

また、上記した電量供給制御によれば、メインコントローラ３３は、バッテリ３１の放電負荷を低減させるときは、ジェネレータ４２の発電負荷の段階的な増加に合わせて所定時間毎に段階的に低減させるようになっている。

更に、上記した電量供給制御によれば、メインコントローラ３３は、バッテリ温センサ７４により検出されるバッテリ温度ＴＨＢが所定の判定温度ＴＨ１以上となってから所定の復帰温度ＴＨ２以下に低下したときは、バッテリ３１に過熱のおそれがないと判定し、ジェネレータ４２から各モータ２４へ供給される発電電力ＰＧをバッテリ３１に過熱のおそれがあると判定する前の状態に戻すためにジェネレータ４２の発電負荷を低減させると共にバッテリ３１から各モータ２４へ放電されるバッテリ電力ＢＰをバッテリ３１に過熱のおそれがあると判定する前の状態に戻すためにバッテリ３１の放電負荷を増加させるようになっている。

[マルチコプタの作用及び効果]
以上説明したこの実施形態のマルチコプタ１の構成によれば、マルチコプタ１は、各モータ２４へ電力を供給して各ロータ２５を回転させることにより飛行する。ここで、メインコントローラ３３（制御手段）は、エンジン４１の運転、ジェネレータ４２から各モータ２４への電力の供給、ジェネレータ４２からバッテリ３１への充電及びバッテリ３１から各モータ２４への放電を制御する。そして、メインコントローラ３３は、マルチコプタ１の飛行に必要な飛行電力ＦＰを充足させるために、ジェネレータ４２から各モータ２４へ発電電力ＰＧを供給すると共に発電電力ＰＧのみでは不足する電力を補うためにバッテリ３１から各モータ２４へバッテリ電力ＢＰを放電させる。また、メインコントローラ３３は、バッテリ温センサ７４により検出されるバッテリ温度ＴＨＢが所定の判定温度ＴＨ１以上となったときに、バッテリ３１に過熱のおそれがあると判定し、ジェネレータ４２から各モータ２４へ供給される発電電力ＰＧを増加させるためにジェネレータ４２の発電負荷を増加させると共にバッテリ３１から各モータ２４へ放電されるバッテリ電力ＢＰを低減させる（バッテリ電流ＢＣを低減させる）ためにバッテリ３１の放電負荷を低減させる。従って、バッテリ３１の温度が所定の判定温度ＴＨ１以上となって過熱しそうになると、ジェネレータ４２から各モータ２４へ供給される発電電力ＰＧが増え、その代わりにバッテリ３１が負担するバッテリ電力ＢＰが減るので、ジェネレータ４２からバッテリ３１に充電される電流及びバッテリ３１から各モータ２４へ放電されるバッテリ電流ＢＣが抑制される。このため、各モータ２４へ電力を供給するために、エンジン４１で駆動するジェネレータ４２と充放電可能なバッテリ３１を搭載したマルチコプタ１において、バッテリ３１の過熱を抑制することができ、バッテリ３１から各モータ２４へ電力を安定的に供給することができる。この結果、バッテリ３１の過熱により各モータ２４の回転が不安定になることを防止することができ、マルチコプタ１の安全な飛行と着陸を実現することができる。

また、この実施形態の構成によれば、バッテリ３１から各モータ２４へ放電されるバッテリ電流ＢＣが所定の範囲値ＲＶ１の内に収まるように低減されるので、バッテリ電流ＢＣの低減に多少の変動が許容される。このため、ジェネレータ４２やパワーコントローラユニット３５の応答性やマルチコプタ１の飛行挙動のばらつきに対し急な動きがなくなり、安定した電力供給の動作を実現することができる。

また、この実施形態の構成によれば、ジェネレータ４２の発電負荷を所定時間毎に段階的に増加させるので、ジェネレータ４２の動作の急変が抑えられる。このため、安定してバッテリ３１やパワーコントローラユニット３５を動作させることができる。

また、この実施形態の構成によれば、ジェネレータ４２の発電負荷の段階的な増加に合わせてバッテリ３１の放電負荷を所定時間毎に段階的に低減させるので、バッテリ３１の放電負荷の急変が抑えられる。このため、安定してバッテリ３１やパワーコントローラユニット３５を動作させることができる。

また、この実施形態の構成によれば、バッテリ温度ＴＨＢが所定の判定温度ＴＨ１以上となってから所定の復帰温度ＴＨ２以下に低下し、バッテリ３１に過熱のおそれがなくなると、ジェネレータ４２から各モータ２４へ供給される発電電力ＰＧをバッテリ３１に過熱のおそれがあると判定する前の状態に戻すためにジェネレータ４２の発電負荷が減り、その代わりにバッテリ３１が負担するバッテリ電力ＢＰをバッテリ３１に過熱のおそれがあると判定する前の状態に戻すためにバッテリ３１の放電負荷が増える。従って、ジェネレータ４２を駆動するエンジン４１の運転負荷が元の状態に低減する。このため、エンジン４１の燃費の必要以上の悪化を抑えることができる。

図６は、この実施形態に係り、マルチコプタ１が定常に飛行する場合における電力供給制御に関連した各種パラメータの挙動をタイムチャートにより示す。図７は、この実施形態に係り、マルチコプタ１が定常飛行の途中で巡航速度を上げたり、高度を上昇させたりした場合における電力供給制御に関連した各種パラメータの挙動をタイムチャートにより示す。図８は、同じくこの実施形態に係り、マルチコプタ１が定常飛行の途中で向かい風を受けた場合における電力供給制御に関連した各種パラメータの挙動をタイムチャートにより示す。図６～図８において、（ａ）はバッテリ温度ＴＨＢの変化を示し、（ｂ）はマルチコプタ１の飛行に必要な飛行電力ＦＰの状態を示し、（ｃ）はジェネレータ４２の発電電力ＰＧの変化を示し、（ｄ）はエンジン回転数ＮＥ（ジェネレータ４２の回転数でもある）の変化を示し、（ｅ）はジェネレータ４２の負荷電流ＪＬＣの変化を示し、（ｆ）はバッテリ電力ＢＰの変化を示し、（ｇ）はバッテリ３１から放電されるバッテリ電流ＢＣの変化を示す。ただし、図７及び図８では、（ａ）のバッテリ温度ＴＨＢの変化の表示を省略する。

図６に示すように、マルチコプタ１が定常に飛行する場合は、時刻ｔ１で、（ａ）のバッテリ温度ＴＨＢが所定の判定温度ＴＨ１（例えば、６０℃）以上になると、（ｄ）のエンジン回転数ＮＥが増加（例えば、２００ｒｐｍ）し、それに伴って（ｃ）の発電電力ＰＧが増加（例えば、２５０Ｗ）し、（ｅ）の負荷電流ＪＬＣが増加（例えば、５Ａ）する。このとき、負荷電流ＪＬＣの増加に合わせて、（ｆ）のバッテリ電力ＢＰが減少（例えば、２５０Ｗ）し、（ｇｆ）のバッテリ電流ＢＣが減少（例えば、５Ａ）する。その後、所定時間（例えば、１秒）が経過した時刻ｔ２でも、（ｄ）のエンジン回転数ＮＥが更に増加（例えば、２００ｒｐｍ）し、（ｃ）の発電電力ＰＧが更に増加（例えば、２５０Ｗ）し、それに伴って（ｅ）の負荷電流ＪＬＣが更に増加（例えば、５Ａ）する。このとき、負荷電流ＪＬＣの増加に合わせて、（ｆ）のバッテリ電力ＢＰが更に減少（例えば、２５０Ｗ）し、（ｇｆ）のバッテリ電流ＢＣが更に減少（例えば、５Ａ）し、バッテリ電流ＢＣが所定の範囲値ＲＶ１（例えば、＋１０Ａ～－１０Ａ）の内に収まる。このように、この実施形態の電力供給制御によれば、バッテリ電流ＢＣが所定の範囲値ＲＶ１の内に収まるまでジェネレータ４２の動作点が変えられ、（ｄ）のエンジン回転数ＮＥ、（ｃ）の発電電力ＰＧ及び（ｅ）の負荷電流ＪＬＣが所定時間（例えば、１秒）毎に段階的に増加し、その負荷電流ＪＬＣの増加に合わせて、（ｆ）のバッテリ電力ＢＰ及び（ｇ）のバッテリ電流ＢＣが所定時間（例えば、１秒）毎に段階的に減少する。ここで、時刻ｔ２では、（ｇ）のバッテリ電流ＢＣが所定の範囲値ＲＶ１の内に収まるので、それ以降、（ｃ）の発電電力ＰＧ、（ｄ）のエンジン回転数ＮＥ、（ｅ）の負荷電流ＪＬＣ、（ｆ）のバッテリ電力ＢＰ及び（ｇ）のバッテリ電流ＢＣに変化はなく、時刻ｔ３でバッテリ温度ＴＨＢが低下し始める。そして、時刻ｔ４で、バッテリ温度ＴＨＢが所定の復帰温度（例えば、５５℃）以下になると、（ｃ）の発電電力ＰＧ、（ｄ）のエンジン回転数ＮＥ及び（ｅ）の負荷電流ＪＬＣがそれぞれ増加前の元の状態まで減少し、（ｆ）のバッテリ電力ＢＰ及び（ｇ）のバッテリ電流ＢＣが減少前の元の状態まで増加する。このようにマルチコプタ１が定常飛行する場合は、（ｂ）の飛行電力ＦＰは、（ｃ）の発電電力ＰＧと（ｆ）のバッテリ電力ＢＰにより充足され、常時一定値となる。この実施形態の電力供給制御によれば、バッテリ温度ＴＨＢが所定の判定温度ＴＨ１以上になると、発電電力ＰＧの負担割合を増やし、その代わりバッテリ電力ＢＰの負担割合を減らすので、バッテリ温度ＴＨＢの上昇を回避できるのである。

一方、図７に示すように、マルチコプタ１が定常飛行の途中で巡航速度を上げたり、高度を上昇させたりした場合、又は、図８に示すように、マルチコプタ１が定常飛行の途中で向かい風邪を受けた場合、時刻ｔ０～時刻ｔ３の定常飛行中には、各種パラメータ（ｂ）～（ｇ）は、図６と同様の挙動を示す。その後、時刻ｔ４で、マルチコプタ１が巡航速度を上げたり、向かい風邪を受けたりして飛行電力ＦＰが増加すると、その直後に、先ずは（ｆ）のバッテリ電力ＢＰが一旦増え、（ｇ）のバッテリ電流ＢＣが増加する。その後、（ｇ）のバッテリ電流ＢＣが所定の範囲値ＲＶ１を超えると、時刻ｔ５で、ジェネレータ４２の出力を上げるために（ｄ）のエンジン回転数ＮＥが増加（例えば、２００ｒｐｍ）し、それに伴って（ｃ）の発電電力ＰＧが増加（例えば、２５０Ｗ）し、（ｅ）の負荷電流ＪＬＣが増加（例えば、５Ａ）する。そして、時刻ｔ５～時刻ｔ７の間で、（ｃ）の発電電力ＰＧ、（ｄ）のエンジン回転数ＮＥ及び（ｅ）の負荷電流ＪＬＣが所定時間（例えば、１秒）毎に段階的に増加し、それらの増加に合わせて、（ｆ）のバッテリ電力ＢＰ及び（ｇ）のバッテリ電流ＢＣが所定時間（例えば、１秒）毎に段階的に減少する。このように、飛行電力ＦＰが増加する場合でも、発電電力ＰＧの負担割合を増やすが、その代わりバッテリ電力ＢＰの負担割合を減らすので、バッテリ温度ＴＨＢの上昇を回避できるのである。

更に、この実施形態のマルチコプタ１の構成によれば、発電用エンジンシステム１５のエンジン４１によりジェネレータ４２が駆動されて発電し、その発電した電力がマルチコプタ１を飛行させるために各モータ２４へ供給される。また、その発電した電力がバッテリ３１へ充電されて充電量が補充される。従って、エンジン４１が停止してジェネレータ４２を駆動できなくなっても、バッテリ３１に充電された電力を各モータ２４へ供給することで、マルチコプタ１の飛行が可能となる。このため、ジェネレータ４２で発電した電力をバッテリ３１に充電補充できる分だけマルチコプタ１の航続距離及び滞空時間を延ばすことができる。

［別の実施形態について］
なお、この開示技術は前記実施形態に限定されるものではなく、開示技術の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。

（１）前記実施形態では、エンジン４１の回転数を変更するためにスロットル装置５７の開度を制御するように構成したが、スロットル装置５７の代わりにインジェクタ６０からの燃料噴射量を制御したり、点火プラグ６１による混合気の点火を制御したりするように構成することもできる。

（２）前記実施形態において、図１に示すマルチコプタ１の外観は一例を示すものであり、機体１１の形状、モータ２４やロータ２５の数及び配置等については、適宜変更することができる。

この開示技術は、エンジンで駆動する発電機と充放電可能なバッテリとを備えたマルチコプタに適用することができる。

１ マルチコプタ
２４ モータ
２５ ロータ
３１ バッテリ
３３ メインコントローラ（制御手段）
４１ エンジン
４２ ジェネレータ（発電機）
７４ バッテリ温センサ（バッテリ温度検出手段）
ＴＨＢ バッテリ温度
ＦＰ 飛行電力
ＰＧ 発電電力
ＢＰ バッテリ電力
ＪＬＣ ジェネレータの負荷電流
ＢＣ バッテリ電流
ＲＶ１ 範囲値
ＴＨ１ 判定温度

Claims (5)

1. 複数のロータと、
   前記各ロータを回転駆動するためのモータと、
   前記モータへ供給する電力を充放電可能に構成されるバッテリと、
   前記モータに供給される電力及び前記バッテリに充電される電力を発電するための発電機と、
   前記発電機を駆動するためのエンジンと、
   前記エンジンの運転、前記発電機から前記モータへの電力の供給、前記発電機から前記バッテリへの充電及び前記バッテリから前記モータへの放電を制御するための制御手段と
   を備え、前記モータへ電力を供給して前記各ロータを回転させることにより飛行するマルチコプタにおいて、
   前記バッテリの温度を検出するためのバッテリ温度検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記マルチコプタの飛行に必要な飛行電力を充足させるために、前記発電機から前記モータへ発電電力を供給すると共に前記発電電力のみでは不足する電力を補うために前記バッテリから前記モータへバッテリ電力を放電させるように構成され、
   前記制御手段は、前記バッテリ温度検出手段により検出される前記バッテリの温度が所定の判定温度以上となったときに、前記発電機から前記モータへ供給される前記発電電力を増加させるために前記発電機の発電負荷を増加させると共に前記バッテリから前記モータへ放電される前記バッテリ電力を低減させるために前記バッテリの放電負荷を低減させる
   ことを特徴とするマルチコプタ。
2. 請求項１に記載のマルチコプタにおいて、
   前記制御手段は、前記バッテリの前記放電負荷を低減させるときは、前記バッテリから前記モータへ放電されるバッテリ電流が所定の範囲値内に収まるように低減させる
   ことを特徴とするマルチコプタ。
3. 請求項１又は２に記載のマルチコプタにおいて、
   前記制御手段は、前記発電機の前記発電負荷を増加させるために、前記エンジンの回転数を増加させて前記発電機の回転数を増加させる
   ことを特徴とするマルチコプタ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のマルチコプタにおいて、
   前記制御手段は、前記発電機の前記発電負荷を増加させるときは、所定時間毎に段階的に増加させる
   ことを特徴とするマルチコプタ。
5. 請求項４に記載のマルチコプタにおいて、
   前記制御手段は、前記バッテリの前記放電負荷を低減させるときは、前記発電負荷の段階的な増加に合わせて所定時間毎に段階的に低減させる
   ことを特徴とするマルチコプタ。

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