JP3231300U - Unmanned aerial vehicle - Google Patents
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Abstract
【課題】垂直飛行モード及び水平飛行モード間の移行の際の飛行制御を安定させることができる無人航空機を提供する。【解決手段】マルチコプター101は、機体110に揚力を与える水平ロータユニット130A〜130D及び固定翼120A、120Bと、機体に推力を与える推進ロータユニット140A、140Bとを備える。また、機体の重心Gに対して推進ロータユニットの反対側に、カウンターバランス要素としてのジャイロ装置210を設ける。ジャイロ装置は、機体のロール軸に平行な慣性主軸を有している。これにより、垂直飛行から水平飛行に移行する際に発生しがちだったピッチ角の激しい変動を抑制することができる。【選択図】図6PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an unmanned aerial vehicle capable of stabilizing flight control at the time of transition between a vertical flight mode and a horizontal flight mode. A multicopter 101 includes horizontal rotor units 130A to 130D and fixed wings 120A and 120B that give lift to an airframe 110, and propulsion rotor units 140A and 140B that give thrust to the airframe. Further, a gyro device 210 as a counterbalance element is provided on the opposite side of the propulsion rotor unit with respect to the center of gravity G of the airframe. The gyro device has a moment of inertia spindle parallel to the roll axis of the airframe. As a result, it is possible to suppress the drastic fluctuation of the pitch angle that tends to occur when shifting from vertical flight to horizontal flight. [Selection diagram] Fig. 6
Description
本考案は、マルチコプターの回転翼による垂直飛行能力と、飛行機の固定翼による水平飛行能力とを兼ね備えた複合回転翼型の無人航空機に関する。 The present invention relates to a compound rotary wing type unmanned aerial vehicle that has both vertical flight capability by a multicopter rotary wing and horizontal flight capability by a fixed wing of an airplane.
無人航空機の一種であるマルチコプターは、垂直軸回りに回転駆動される複数の回転翼を備えている。そのような無人航空機は、それぞれの回転翼の回転数制御により、垂直飛行や水平飛行などを行えることから、VTOL(vertical take−off and landing)機と称されている。マルチコプターは、ホバリング飛行能力を有していることから、地震、津波、火山などの自然災害や、化学工場爆発、海難事故などの人為的な災害の現場などにおいて、空撮による被災状況の詳細な調査などの活躍に期待がよせられている。 A type of unmanned aerial vehicle, a multicopter, has multiple rotor blades that are rotationally driven around a vertical axis. Such an unmanned aerial vehicle is called a VTOL (vertical take-off and landing) aircraft because it can perform vertical flight, horizontal flight, and the like by controlling the rotation speed of each rotor. Since the multicopter has hovering flight capability, details of the damage caused by aerial photography at the scene of natural disasters such as earthquakes, tsunamis, and volcanoes, and man-made disasters such as chemical factory explosions and marine accidents. Expectations are high for such activities as disasters.
このような回転翼型のマルチコプターとして、例えば特許文献1は、機体の中心から所定距離だけ離れた第一円周上に複数の内側ロータユニットを配設し、機体の中心から所定距離よりも大きな所定距離だけ離れた第2円周上に複数の外側ロータユニットを配設し、内側ロータユニットの動作により機体を上昇させ、外側ロータユニットの動作により機体の姿勢制御を行う回転翼型機を提案している。 As such a rotary airfoil type multicopter, for example, in Patent Document 1, a plurality of inner rotor units are arranged on the first circumference separated by a predetermined distance from the center of the airframe, and the distance from the center of the airframe is longer than the predetermined distance. A rotary wing type machine in which a plurality of outer rotor units are arranged on the second circumference separated by a large predetermined distance, the airframe is raised by the operation of the inner rotor unit, and the attitude of the airframe is controlled by the operation of the outer rotor unit. is suggesting.
上述した特許文献1の回転翼型機では、外側ロータユニットの回転翼の回転数を低くしても、小さな揚力で機体を傾ける大きなモーメントを発生させることができ、姿勢制御の応答時間を短くすることができる。 In the rotary wing type machine of Patent Document 1 described above, even if the rotation speed of the rotary wing of the outer rotor unit is lowered, a large moment for tilting the machine body can be generated with a small lift, and the response time for attitude control is shortened. be able to.
ところで、一般的な回転翼型機は、垂直軸を有する上昇用の回転翼を有しているため、優れたホバリング能力を有している。また、水平飛行する際、機体の進行方向側を前下がりとなるように傾けて前方への推力を得ている。すなわち、回転翼型機は、水平方向における推力を得るために、前後の回転翼の回転数を変えて機体を傾け、回転翼のピッチ角を変えている。このように、回転翼のピッチ角を変えることで、回転翼型機は水平飛行が可能であるが、例えばラジコン飛行機のような固定翼型機に比較して長距離飛行や高速飛行には不向きである。 By the way, a general rotary wing type machine has an excellent hovering ability because it has a rotary wing for ascending having a vertical axis. In addition, when flying horizontally, the aircraft is tilted in the direction of travel so that it descends forward to obtain thrust forward. That is, in order to obtain thrust in the horizontal direction, the rotorcraft tilts the aircraft by changing the number of rotations of the front and rear rotors to change the pitch angle of the rotors. In this way, by changing the pitch angle of the rotor, the rotor can fly horizontally, but it is not suitable for long-distance flight or high-speed flight compared to fixed-wing aircraft such as radio-controlled aircraft. Is.
また、バッテリ駆動である回転翼型機は、飛行時間や飛行距離が蓄電容量に応じて制限されてしまう。特に、機体を小型化すると、搭載できるバッテリの容量を大きくできないため、飛行時間や飛行距離が更に短くなる。 Further, in a battery-powered rotorcraft, the flight time and flight distance are limited according to the storage capacity. In particular, if the aircraft is miniaturized, the capacity of the battery that can be mounted cannot be increased, so that the flight time and flight distance are further shortened.
このような回転翼型機での不足点を補うためには、例えば飛行機の固定翼による飛行能力を組み込むことが考えられる。この場合、機体の左右に固定翼を設け、更に機体の例えば後方に、推進用の回転翼を配置することができる。そして、例えばホバリング状態から水平飛行する際、上昇用の回転翼による推力から推進用の回転翼による推力に徐々に切り換えるように制御することで、高速飛行が可能になるものと考えられる。 In order to make up for the shortcomings of such rotary-wing aircraft, it is conceivable to incorporate, for example, the flight capability of fixed-wing aircraft. In this case, fixed wings can be provided on the left and right sides of the airframe, and rotary wings for propulsion can be arranged, for example, behind the airframe. Then, for example, when flying horizontally from the hovering state, it is considered that high-speed flight is possible by controlling the thrust by the rotary wing for ascending to be gradually switched to the thrust by the rotary wing for propulsion.
しかし、考案者らがこれまで行ってきた試作実機を使った飛行実験では、特にホバリング状態(垂直飛行モード)から水平飛行状態(水平飛行モード)に移行する際の機体の姿勢制御が難しく、飛行を常に安定させるには、自律制御に更に高度のロバスト性が求められていた。 However, in the flight experiments using the prototype actual aircraft that the creators have conducted so far, it is difficult to control the attitude of the aircraft especially when shifting from the hovering state (vertical flight mode) to the horizontal flight state (horizontal flight mode), and the flight In order to keep the flight stable, a higher degree of robustness was required for autonomous control.
本考案は、このような状況に鑑みてなされたものであり、垂直飛行モード及び水平飛行モード間の移行の際の飛行制御を安定させることができる等の無人航空機を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide an unmanned aerial vehicle capable of stabilizing flight control during a transition between a vertical flight mode and a horizontal flight mode. ..
上述の課題を解決するため、本考案は、固定翼と、垂直離着陸手段と、推力発生手段と備える無人航空機であって、機体重心に対して前記推力発生手段の反対側にカウンターバランス要素を設け、前記カウンターバランス要素が、機体のロール軸に平行な慣性主軸を有するジャイロ装置であることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is an unmanned aircraft equipped with a fixed wing, a vertical takeoff and landing means, and a thrust generating means, and a counterbalance element is provided on the opposite side of the thrust generating means with respect to the center of weight of the aircraft. The counterbalance element is a gyro device having an inertial spindle parallel to the roll axis of the aircraft.
また、無人航空機は、前記カウンターバランス要素が、水平回転翼であってもよい。 Further, in the unmanned aerial vehicle, the counterbalance element may be a horizontal rotor.
また、無人航空機は、前記推力発生手段が、機体のロール軸と平行な回転軸を有する回転翼を備えることが好ましい。 Further, in an unmanned aerial vehicle, it is preferable that the thrust generating means includes a rotary wing having a rotating shaft parallel to the roll axis of the airframe.
本考案の無人航空機によれば、機体重心に対して前記推力発生手段の反対側にカウンターバランス要素を設けたことにより、機体の中央付近に重心を置くことができる。また、カウンターバランス要素が、機体のロール軸に平行な慣性主軸を有するジャイロ装置であることで、特に垂直飛行から水平飛行に移行する際に発生しがちだったピッチ角の激しい変動を抑制することができる。また、カウンターバランス要素は、水平回転翼であってもよい。
これらのことから、機体の姿勢制御において、従来よりもロバスト性が増し、特に飛行モードの移行の際の飛行制御を安定させることができる。
According to the unmanned aerial vehicle of the present invention, the center of gravity can be placed near the center of the airframe by providing the counterbalance element on the opposite side of the thrust generating means with respect to the center of gravity of the airframe. In addition, since the counterbalance element is a gyro device that has a moment of inertia spindle parallel to the roll axis of the aircraft, it suppresses drastic fluctuations in the pitch angle that tend to occur especially when transitioning from vertical flight to horizontal flight. Can be done. Further, the counterbalance element may be a horizontal rotor.
From these facts, in the attitude control of the airframe, the robustness is increased as compared with the conventional one, and it is possible to stabilize the flight control especially when the flight mode is changed.
以下、本考案の無人航空機として、複数の回転翼を備えるマルチコプターに適用した場合の実施形態を、図面を参照しながら説明する。まず、図1及び図2を参照し、マルチコプターの構成について説明する。なお、図1は、本考案の一実施形態によるマルチコプター100の外観斜視図であり、図2はマルチコプター100を示す平面図である。
Hereinafter, an embodiment of the unmanned aerial vehicle of the present invention when applied to a multicopter having a plurality of rotor blades will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the multicopter will be described with reference to FIGS. 1 and 2. Note that FIG. 1 is an external perspective view of the
これらの図に示すように、マルチコプター100は、機体110の左右に固定翼120A、120Bを備えている。なお、飛行をより安定させるための乱流翼121A、121Bを、固定翼120A、120Bの端部に備えてもよい。
As shown in these figures, the
機体110には、円形状の貫通口111が4つ形成されている。なお、貫通口111は4つに限らず、6つ以上であってもよい。これらの貫通口111は、機体110の重心G(正確には機体110、固定翼120A、120Bを含めた全体の重心)を中心とした円周方向に沿って形成されている。
The
また、それぞれの貫通口111の中には、垂直離着陸手段である水平ロータユニット130A〜130Dが配置されている。本実施形態では、水平ロータユニット130A〜130Dが、機体110の重心Gを中心とした対称位置に4つ配置されているが、6つ以上であってもよい。
Further,
それぞれの水平ロータユニット130A〜130Dは、貫通口111内に掛け渡された支持フレーム112に固定されている。それぞれの水平ロータユニット130A〜130Dは、垂直軸モータ131と、垂直軸モータ131のモータ軸132に取り付けられた回転翼133とを備えている。なお、垂直軸モータ131は、例えばサーボモータを用いることができる。ここで、互いに隣接する水平ロータユニット130A、130Bの回転翼133、133は、互いに逆向きに取り付けられている。同様に、水平ロータユニット130C、130Dの回転翼133、133も、互いに逆向きに取り付けられている。重心Gに対し互いに対称の位置関係にある例えば水平ロータユニット130A、130Dの回転翼133、133は、同じ向きに取り付けられている。
Each of the
また、詳細については後述するが、水平ロータユニット130A、130Dの回転翼133、133が、例えば時計回り方向(CW:clockwise)に回転し、水平ロータユニット130B、130Dの回転翼133、133が、例えば反時計回り方向(CCW:counterclockwise)に回転するように駆動される。なお、本明細書では、時計回り方向(CW)への回転を正転とし、反時計回り方向(CCW)への回転を逆転として説明されている。
Further, as will be described in detail later, the
また、それぞれの水平ロータユニット130A〜130Dの回転翼133の回転数制御により、上昇、下降は勿論のこと、ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸のそれぞれの軸周りでの姿勢が補正される。
Further, by controlling the rotation speed of the
なお、水平ロータユニット130A〜130Dについては、貫通口111内の中央に限らず、機体110の下方に吊り下げられてもよいし、機体110の上方に突き出すように配置してもよい。
The
マルチコプター100の推力発生手段として、機体110の後部には、2つの推進ロータユニット140A、140Bが設けられている。それぞれの推進ロータユニット140A、140Bは、水平軸モータ141と、水平軸モータ141のモータ軸142に取り付けられた回転翼143とを備えている。回転翼143が取り付けられるモータ軸142は、機体110のロール軸と同方向(平行)に設けられている。
As the thrust generating means of the
なお、推進ロータユニット140A、140Bの水平軸モータ141は、例えばサーボモータを用いることができる。また、本実施形態では、推進ロータユニット140A、140Bを2個配置した場合としているが、この例ら限らず、1個であってもよいし、3個以上であってもよい。また、推進ロータユニット140A、140Bの水平軸モータ141と、上記の水平ロータユニット130A〜130Dの垂直軸モータ131とは、同じ仕様のものであってもよいし、異なる仕様のものであってもよい。
As the
また、機体110の下方には、水平ロータユニット130A〜130D及び推進ロータユニット140A、140Bを制御する制御装置150が設けられている。制御装置150の詳細については後述する。
Further, below the
ここで、水平ロータユニット130A〜130D及び推進ロータユニット140A、140Bは、機体110の前後中心線(ロール軸)に沿って左右均等に配置されている。また、水平ロータユニット130A〜130D及び推進ロータユニット140A、140Bは、機体110の重心G(正確には機体110、固定翼120A、120Bを含めた全体の重心)の位置がずれないように、機体110に配置されている。また、制御装置150についても、機体110の重心Gの位置がずれないように、機体110の略中央に配置されている。このように、水平ロータユニット130A〜130D、推進ロータユニット140A、140B及び制御装置150を、機体110の重心Gの位置がずれないように、機体110の適宜の位置に配置することで、マルチコプター100の水平姿勢制御を安定化できる。
Here, the
次に、図3A、3B、3Cを参照し、水平ロータユニット130A〜130Dによる上昇などの動作制御の概要について説明する。なお、図3Aは上昇制御を説明するための図であり、図3Bはロール軸まわりのロール制御を説明するための図であり、図3Cはヨー軸周りのヨー制御(方向制御)を説明するための図である。
Next, with reference to FIGS. 3A, 3B, and 3C, an outline of operation control such as raising by the
上述したように、水平ロータユニット130A及び水平ロータユニット130Dの回転翼133が正転(例えばCW)し、水平ロータユニット130B及び水平ロータユニット130Cの回転翼133が逆転(例えばCCW)するように駆動される。これにより、隣り合う回転翼133の回転による反作用が打ち消され、マルチコプター100の姿勢が安定する。また、水平ロータユニット130A〜130Dの回転翼133が同時に回転することで、ジャイロ効果により、上昇姿勢などが安定する。
As described above, the
ここで、図3Aに示すように、上昇制御を行う場合、それぞれの回転翼133の回転数が予め決められた値(例えばプログラムの指令値)となるように制御される。このとき、機体110には回転翼133による揚力が矢印方向に発生し、その揚力が機体110の重量を超えると、マルチコプター100が上昇する。
Here, as shown in FIG. 3A, when the ascending control is performed, the rotation speed of each
次に、図3Bに示すように、ロール制御を行う場合、水平ロータユニット130A〜130Dの回転翼133の回転数が変えられる。すなわち、水平ロータユニット130B、130D側の回転数が、水平ロータユニット130A、130C側の回転数より高くなるように制御される。これにより、水平ロータユニット130B、130D側の回転翼133による揚力が水平ロータユニット130A、130C側の回転翼133による揚力より高くなり、マルチコプター100の機体110は矢印方向に傾く。
Next, as shown in FIG. 3B, when roll control is performed, the rotation speed of the
次に、図3Cに示すように、ヨー制御を行う場合、水平ロータユニット130A〜130Dの回転翼133の回転数が変えられる。すなわち、水平ロータユニット130A、130Dの回転翼133の回転数が、水平ロータユニット130B、130Cの回転翼133の回転数より高くなるように制御される。このとき、水平ロータユニット130A、130Dの正転する回転翼133の回転による反作用が、水平ロータユニット130B、130Cの逆転する回転翼133の回転による反作用より大きくなる。これにより、マルチコプター100の機体110が矢印方向に向きを変える。
Next, as shown in FIG. 3C, when yaw control is performed, the rotation speed of the
なお、一般的なマルチコプターは、周知のとおり、例えば水平飛行する際、機体の進行方向側を前下がりとなるように傾けることで、前方への推力が得られる。ただし、本実施形態のマルチコプター100は、以下に説明するように、推力を推進ロータユニット140A、140Bによって得るようにしており、水平飛行時にも水平姿勢が保たれる。これにより、固定翼120A、120Bで生じる第二揚力FL2を最大にするとともに、風などの外乱による制御への影響を可及的に小さくしている。
As is well known, in a general multicopter, for example, when flying horizontally, a forward thrust can be obtained by tilting the traveling direction side of the aircraft so as to lower forward. However, in the
次に、図4を参照し、制御装置150の構成について説明する。制御装置150は、垂直離着陸手段である水平ロータユニット130A〜130D、及び、推力発生手段である推進ロータユニット140A、140Bを同時に制御する。
Next, the configuration of the
より詳細には、制御装置150は、水平ロータユニット130A〜130Dの各垂直軸モータ131の回転数を制御する垂直飛行制御部(VFC:vertical flight controller)163と、推進ロータユニット140A、140Bの各垂直軸モータ131の回転数を制御する水平飛行制御部(HFC:horizontal flight controller)162と、垂直飛行制御部162及び水平飛行制御部163の連携制御を統括する統括制御部161とを備えている。
More specifically, the
また、制御装置150は、GPS(global positioning system)センサ155、対気速度センサ151、ジャイロセンサ153などの各種センサからの検出信号を入力する。なお、制御装置150には、図示はしないが、機体110の高度を推定するための気圧センサからの信号を入力してもよい。また、マルチコプター100の飛行による調査目的に応じて機体110に取り付けた可視カメラ、赤外線カメラ、γ線量測定器、ガス検出器などの各種計測機器からの情報信号を入力することもできる。更に、これらの機器で計測された情報を、基地装置に無線送信する送信部や、マルチコプター100を遠隔操縦するための操縦信号を受信する受信部などを設けてもよい。
Further, the
垂直飛行制御部162は、統括制御部161から出力される旋回(ヨー)角速度指令信号及び揚力指令信号に従って、垂直離着陸手段である水平ロータユニット130A〜130Dを使い、機体110の上昇、下降、ホバリング、旋回を含む水平姿勢制御を自律的に行う。垂直飛行制御部162が出力する、第一揚力FL1を生じさせるための制御量信号は、水平ロータ駆動部164で増幅され、それにより水平ロータユニット130A〜130Dの各垂直軸モータ131が、制御された回転数で駆動される。
The vertical
垂直飛行制御部162は、ジャイロセンサ153からの検出信号に基づいて、マルチコプター100を自律制御することができる。ジャイロセンサ153は、例えば6軸ジャイロセンサであり、その場合には、ロール軸周りの角速度ωR及びロール軸方向の加速度αR、ピッチ軸周りの角速度ωP及びピッチ軸方向の加速度αP、ヨー軸周りの角速度ωY及びヨー軸方向の加速度αYの検出信号が、垂直飛行制御部162に入力される。
The vertical
次に、水平飛行制御部163は、統括制御部161から出力される推力指令信号に従って、推力発生手段である推進ロータユニット140A、140Bを使って、機体110をロール軸方向に前進飛行させる制御を行う。水平飛行制御部163が出力する制御量信号は、推進ロータ駆動部165で増幅され、推進ロータユニット140A、140Bの各水平軸モータ141が、制御された回転数で駆動される。例えばナビゲータ170が、予め登録された飛行計画に従い算出した推力の指令信号を水平飛行制御部163に出力し、GPSセンサ155から得られる対地速度GS(ground speed)を水平飛行制御部163にフィードバックすることができる。
Next, the horizontal
本実施形態では、マルチコプター100が飛行中、水平ロータユニット130A〜130Dの回転翼133が回転することにより生じる第一揚力LF1と、固定翼120A、120Bの上下の気圧差により生じる第二揚力LF2との合計が、ナビゲータ170が指令する全体揚力の目標値となるように、各水平ロータユニット130A〜130Dの回転翼133の回転数及び各推進ロータユニット140A、140Bの回転翼143の回転数を同時に制御する。
In the present embodiment, the first lift LF1 generated by the rotation of the
統括制御部161による、この制御動作の詳細は以下のように説明される。
まず、ナビゲータ170は、予め登録された飛行計画に従い算出した垂直速度指令信号を高度指令制御部168に出力する。高度指令制御部168は、ナビゲータ170より指令された垂直速度を得るべき機体100の全体揚力の目標値を算出する。
また、ナビゲータ170は、飛行計画に従い算出した旋回指令信号を旋回指令制御部167に出力する。旋回指令制御部167は、ナビゲータ170より指令された方角に機首が向くように、旋回(ヨー)角速度指令信号を垂直飛行制御部162に出力する。
The details of this control operation by the
First, the
Further, the
対気速度センサ151は、例えば機体110に加わる動圧と、対気速度センサ151の周囲の静圧との差により、大気中でのマルチコプター100の対気速度AS(airspeed)を検出する。揚力変換要素169は、対気速度センサ151から得た対気速度ASに基づき、固定翼120A、120Bにより生じる第二揚力LF2を演算する。なお、揚力変換要素169では、第二揚力LF2を演算するため、対気速度AS、空気密度、固定翼120A、120Bの総面積及び揚力係数を引数として予め記述される非線形関数が用いられる。
The airspeed sensor 151 detects the airspeed AS (airspeed) of the
高度指令制御部168は、ナビゲータ170より指令された垂直速度で機体100を上昇又は下降させる全体揚力の目標値から、固定翼120A、120Bにより生じている第二揚力LF2の値を減算することでフィードバック制御を行う。つまり、高度指令制御部168は、その減算した値を、水平ロータユニット130A〜130Dで生じさせる第一揚力LF1を得るための指令値として、垂直飛行制御部162に揚力指令信号を出力する。これにより、固定翼120A、120Bによる第二揚力LF2を補完する第一揚力LF1が、水平ロータユニット130A〜130Dにより生じることとなる。
The altitude
なお、高度指令制御部168は、ジャイロセンサ153から得られるヨー軸方向の加速度αYを入力して、第一揚力LF1を得るための揚力指令信号の指令値を随時補正してもよい。
The altitude command control unit 168 may input the acceleration α Y in the yaw axis direction obtained from the
このように、本実施形態のマルチコプター100は、垂直飛行制御部162及び水平飛行制御部163が、互いに連携して、水平ロータユニット130A〜130D及び推進ロータユニット140A、140Bの出力を同時に制御することで、機体110の水平姿勢を保持し、飛行を安定することができる。
また、水平ロータユニット130A〜130Dによる第一揚力に加え、固定翼120A、120Bにより第二揚力LF2を得ることができ、水平ロータユニット130A〜130Dが消費する電力を節約することができる。更に、水平飛行時には、固定翼120A、120Bにより滑空して飛行することができる。これらのことから、飛行時間や飛行距離を、従来よりも大幅に延ばすことができる。
As described above, in the
Further, in addition to the first lift by the
次に、図5の揚力分布図を参照し、制御装置150による自律制御の一例について説明する。なお、図5の揚力分布図は、無風状態での理想的な場合での揚力の分布を示している。また、図5においての揚力の大きさは、例えば飛行モード移行区間においての斜線で示す領域の大きさで示している。また、上昇区間、飛行区間、下降区間においての揚力の大きさも、同様である。
Next, an example of autonomous control by the
まず、マルチコプター100が矢印aで示す着陸状態にあるときに、離陸を指令する信号を受信すると、統括制御部161が、垂直飛行制御部162及び水平飛行制御部163に対して動作指令を与える。
First, when the
このとき、垂直飛行制御部162は、揚力指令信号の指令値に従う回転数で、水平ロータユニット130A〜130Dの回転翼133を回転させる。また同時に、水平飛行制御部163は、推力指令信号の指令値に従う回転数で、推進ロータユニット140A、140Bの回転翼143を回転させる。
At this time, the vertical
これにより、マルチコプター100は、時刻t0〜時刻t2の間に所定の高度まで前進しながら上昇し、水平飛行に移行する。このとき、揚力分布図から分かる通り、水平飛行速度が上がるにつれて、固定翼120A、120Bによる第二揚力FL2が増し、それに伴い、水平ロータユニット130A〜130Dによる第一揚力FL1が小さくて済むようになる。このことは、制御装置150が、水平ロータユニット130A〜130Dによる第一揚力FL1と、固定翼120A、120Bによる第二揚力FL2との合計が目標値となるように、水平ロータユニット130A〜130D及び推進ロータユニット140A、140Bの出力を滑らかに制御することで実現される。
As a result, the
また、マルチコプター100は、矢印cで示す、ホバリングから水平飛行に移行する際に、上述したように全体揚力が目標値になるように、水平ロータユニット130A〜130Dによる第一揚力FL1を次第に下げながら、固定翼120A、120Bによる第二揚力FL2が次第に上がるように、水平ロータユニット130A〜130D及び推進ロータユニット140A、140Bの出力バランスを円滑に制御してもよい。
このようにして、垂直飛行モードから水平飛行モードへの移行に際に、機体110の姿勢を安定させることができる。
Further, the
In this way, the attitude of the
また、マルチコプター100が時刻t2〜時刻t3の間で矢印dで示す水平飛行を行うとき、垂直飛行制御部162は、水平ロータユニット130A〜130Dを使って、機体110の水平姿勢制御と、ヨー制御(旋回制御)のみ行うことができる。その場合には、マルチコプター100は、固定翼120A、120Bの揚力で滑空し、高速飛行が可能であるとともに、バッテリの消費電力を抑制できるので、航続距離を稼ぐことができる。
Further, when the
また、マルチコプター100が矢印dで示す水平飛行の状態にあるとき、ホバリングを指令する信号を受信すると、統括制御部161が垂直飛行制御部162及び水平飛行制御部163に対して動作指令を与える。
Further, when the
このとき、水平飛行制御部163は、時刻t3で矢印eで示す水平飛行の状態から、推進ロータユニット140A、140Bの回転翼143の回転数を次第に下げて、飛行速度を下げる。飛行速度の低下により、固定翼120A、120Bによる第二揚力FL2も低下するが、垂直飛行制御部162が時刻t3から水平ロータユニット130A〜130Dの回転翼133の回転数を次第に上げることで、低下した揚力を補完することができる。水平ロータユニット130A〜130Dによる第一揚力FL1が、固定翼120A、120Bによる第二揚力FL2を上回ることで、矢印fで示すように、マルチコプター100は安定したホバリングを行うことができる。
このようにして、水平飛行モードから垂直飛行モードへの移行に際にも、機体110の姿勢を安定させることができる。
At this time, the horizontal
In this way, the attitude of the
そして、垂直飛行制御部162がホバリングの状態から着陸する際にも、全体揚力が目標値になるように、水平ロータユニット130A〜130Dによる第一揚力FL1を次第に上げながら、固定翼120A、120Bによる第二揚力FL2が次第に下がるように、水平ロータユニット130A〜130D及び推進ロータユニット140A、140Bの出力バランスを円滑に制御してもよい。
これにより、ホバリング状態の時刻t3から時刻t4の間で、マルチコプター100の高度が次第に下がり、矢印gで示すように安全に着地させることができる。
Then, even when the vertical
As a result, the altitude of the
図6は、本考案の他の実施形態によるマルチコプター101の平面図である。この実施形態によるマルチコプター101は、機体110の左右に固定翼120A、120Bと、機体110の後部に推進ロータユニット140A、140Bを設け、機体重心Gに対して推進ロータユニット140A、140Bの反対側、つまり機体110の前部に、
ジャイロ装置210を設けている。ジャイロ装置210が推進ロータユニット140A、140Bのカウンターバランス要素であることで、機体110の中央付近に重心Gを置くことができる。
FIG. 6 is a plan view of the
A
また、ジャイロ装置210は、その慣性主軸が機体110のロール軸に対し平行に設置される。これにより、特に垂直飛行モードから水平飛行モードに移行する際に発生しがちだったピッチ角の激しい変動を、相当量抑制することができる。
Further, the inertial spindle of the
また、図7に示すように、推進ロータユニット140A、140Bのカウンターバランス要素は、水平回転翼220であってもよい。すなわち、制御装置150により回転数及び回転方向が制御される水平回転翼220を、機体重心Gに対して推進ロータユニット140A、140Bの反対側、つまり機体110の前部に設けてもよい。
Further, as shown in FIG. 7, the counterbalance element of the
制御装置150は、機体110のピッチ角の変動を抑制する方向に風圧が生じるように水平回転翼220を回転させることができる。これにより、従来特に垂直飛行モードから水平飛行モードに移行する際に発生しがちだったピッチ角の激しい変動を、相当量抑制することができる。
The
図6及び図7の実施形態によれば、機体110の姿勢制御において従来よりもロバスト性が増し、特に飛行モードの移行の際の飛行制御を安定させることができる。
According to the embodiments of FIGS. 6 and 7, the attitude control of the
100、101、102 マルチコプター 110 機体
111 貫通口 120A、120B 固定翼
130A〜130D 水平ロータユニット 133 回転翼
140A、140B 推進ロータユニット 143 回転翼
150 制御装置 151 対気速度センサ
153 ジャイロセンサ 155 GPSセンサ
161 統括制御部 162 垂直飛行制御部
163 水平飛行制御部 164 水平ロータ駆動部
165 推進ロータ駆動部 167 旋回指令制御部
168 高度指令制御部 169 揚力変換要素
170 ナビゲータ 210 ジャイロ装置
220 水平回転翼
100, 101, 102
Claims (3)
機体重心に対して前記推力発生手段の反対側にカウンターバランス要素を設け、
前記カウンターバランス要素が、機体のロール軸に平行な慣性主軸を有するジャイロ装置であることを特徴とする無人航空機。 An unmanned aerial vehicle equipped with fixed wings, vertical takeoff and landing means, and thrust generating means.
A counterbalance element is provided on the opposite side of the thrust generating means with respect to the center of gravity of the machine.
An unmanned aerial vehicle characterized in that the counterbalance element is a gyro device having a moment of inertia spindle parallel to the roll axis of the airframe.
機体重心に対して前記推力発生手段の反対側にカウンターバランス要素を設け、
前記カウンターバランス要素が、水平回転翼であることを特徴とする無人航空機。 An unmanned aerial vehicle equipped with fixed wings, vertical takeoff and landing means, and thrust generating means.
A counterbalance element is provided on the opposite side of the thrust generating means with respect to the center of gravity of the machine.
An unmanned aerial vehicle characterized in that the counterbalance element is a horizontal rotor.
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