JP4702882B2

JP4702882B2 - 小型回転翼機

Info

Publication number: JP4702882B2
Application number: JP2005238767A
Authority: JP
Inventors: 砂田茂; 得竹浩; 角野宏紀; 伊東秀晃
Original assignee: Osaka Prefecture University
Current assignee: Osaka Prefecture University
Priority date: 2005-08-19
Filing date: 2005-08-19
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2025-08-19
Also published as: JP2007050841A

Description

この発明は、鉛直軸に沿って２つの互いに反対方向に回転するメインロータの働きによってバランスが保持されて飛翔する小型回転翼機において、風に対抗する推力を大きくし、その位置制御を可能とした構成に関するものである。

近年、地震、風水害、土砂崩れ、火山噴火、津波、山火事などの自然災害の発生のたびごとに、これらの発生状況の迅速な現状認識の必要性が叫ばれ、そのための簡易な確認のための手段が求められている。

被害者を救済するためだけでは救援ヘリコプターが有効であるが、災害直後の情報収集などの場合には、無人の小型航空機（飛翔体）を用いることが望ましい。

上記のような小型で自立度の高い無人航空機の要請は、各種の災害現場だけでなく、広く農業、牧畜業、空中撮影などの分野からの要請もある。

例えば、上記のような各分野に利用できる航空機（飛翔体）として、2つの回転翼の下方に、これらの２つの回転翼の回転によって生ずる下降流を受ける投影面積が調整自在の面積調整手段の制御によって、上昇、前進などの操作ができる遠隔操作の自在な無人小型回転翼機、つまり小型低速速度飛翔体（特許文献１）などが存在している。

特開平１１−１１５８９６号公報

上記特許文献１に示された様な小型の無人飛翔体の要請は、各分野からあるものの、一般に航空機（飛翔体）が小型化すると、風による抵抗の影響が大きくなり、風の中での飛行、あるいは位置を保つこと（ホバリング等）が困難で、利用面での制約があった。
この発明は、簡単な構成を追加することで、風の抵抗が大きくとも、それに十分打ち勝って飛行でき、且つ位置制御が可能な小型回転翼機（飛翔体）を提供するものである。

この発明は、上記する課題を解決するために、請求項１に記載の発明は小型回転翼機が、飛翔体の鉛直方向に延びる軸に沿って同軸上に設けられた互いに反対回転する２つのメインロータと、メインロータを保護するドーナツ状円筒ダクトとを有する小型回転翼において、ダクトには飛翔体の飛行方向と反対の端部に水平回転をする後部プロペラを装着し、後部プロペラの回転推力で前記メインロータを傾斜させるためのピッチングモーメントを発生させ、メインロータの上向き推力と、メインロータと後部プロペラとの前向き推力とで飛翔体を前進飛行させることを特徴とするものである。

以上のようにこの発明の構成によれば、後部プロペラの機能で、機体にピッチングモーメントを発生させ、機体の飛行方向に対し前方へ傾斜させ、つまり尻上げ状態（機首の頭下げ状態）に機体を傾け、よってメインロータが取り付けられている鉛直軸も傾斜し、結果的にメインロータで発生する上向き推力で浮上させるとともに、メインロータと後部プロペラで発生する前進方向の推力で前進飛行を可能とし、向かい風に対しても、前進飛行あるいはホバリング等の十分な対応ができる。ここで、ピッチングモーメントとは、進行方向に対して直角方向を軸にした回転モーメントをいう。

本発明の回転翼機の斜視図である。図１の回転翼機のダクトを外した状態の斜視図である。本発明の回転翼機に作用する力、モーメントを説明する図である。この発明の回転翼機の重心に作用する力（ベクトル）を説明する図である。この回転翼機の回転制御、駆動制御機構の説明図である。

以下この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。第１図は、この発明の実施の一形態にかかる小型回転翼機（飛翔体）１１の全体斜視図であり、第２図は、その機体１１からダクト１２を外した状態の斜視図である。

この機体１１は、例えばカメラあるいは回転駆動機構、回転制御機構等を搭載する本体１３に、前記ダクトをとり付けて構成される。このダクト１２は、例えば薄い肉厚の発泡スチロール製のドーナツ状円筒などから成り、メインロータ１５部分を保護し、気流を整えるとともに、ロータ部分の人体等への接触から保護している。

このメインロータ１４，１５を支持し、鉛直方向に延びる回転軸１６の軸線と直交する水平面上にある２本の保持部材１７、１８によって、前記ダクト１２は本体１３に支持・固定される。したがって、保持部材１７、１８は前記ドーナツ状に形成されるダクト１２の直径線上に位置し、該ダクト１２を下面から支持する。

前記メインロータ１４，１５は、前記回転軸１６の同軸上に上下２段に設けられ、回転軸１６は下段のメインロータ１５を回転駆動するとともに上段のメインロータ１４を回転可能に支持し、上段のメインロータ１４は前記回転軸１６の内側の回転軸１９によって回転駆動され、メインロータ１４、１５は相互に逆回転する。なお、前記回転軸１６、１９は、本体１３内のモータによってそれぞれの回転翼を回転駆動する。すなわち、回転軸１６、１９は同一中心として二重に配置されそれぞれが回転する。

これらのメインロータ１４、１５は、２枚のブレード１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂから構成され、ヨー方向及びスラスト方向の制御は、上下段のメインロータ１４、１５の回転数を変えて行うことができる。

また上段のメインロータ１４は、スタビライザ２０と接続されており、機体の姿勢を水平に保つようにサイクリックピッチ入力がスタビライザ２０から与えられるようになっており、これに対して下段メインロータ１５のブレード１５ａ、１５ｂには、サーボモータから縦及び横のサイクリックピッチ入力が与えられ、これによって機体はピッチ及びロール運動を行う。

以上の構成において、この回転翼機は飛翔することができるが、この構成では、風に対しての安定性は低く、したがってこの発明では、ダクト１２に図のような後部プロペラ２１を設けたものである。
この後部プロペラ２１は図のように機体の進行方向に対して後方部に設けたモータ２２の回転軸２３に水平に取り付けられているが、この後部プロペラを進行方向に傾けて取り付けることも容易に可能である。

この構成にあっては、機体後方の後部プロペラ２１を回転させると鉛直上向きの推力が発生するが、この結果、機体後方を持ち上げようとする力、すなわち機体重心回りのモーメントが発生し、機体、すなわちメインロータを大きく前傾させ、メインロータの推力の前向きの成分に後部プロペラの推力の前向き成分とが加わり、大きな推力が発生し、機体に働く風の抵抗に打ち勝つことができるのである。

次に第３図の概略説明図で、上記に説明したこの発明の機体の各部に発生する空気力、空気力に伴って生じる機体重心Ｇ回りのモーメントについて説明する。この図で第１図、第２図と同じ番号は、これらの図と同じものを示し、且つ、機体そのものは説明の便宜のため進行方向に少し傾けて記載してある。

この第３図において、Ｍ１はメインロータ１４，１５、により発生する推力Ｎ１で機体の重心Ｇ回りに発生するモーメント、Ｍ２は同じく後部プロペラ２１により発生する推力Ｎ２で機体重心回りに発生するモーメント（頭下げモーメント）、Ｍ３は、前方に傾いた機体の受ける抵抗（空気力Ｎ３によって発生する更に機体を下げようとするモーメント、頭下げモーメント）である。

すなわち機体の重心Ｇ回りのピッチングモーメントの釣り合いは、後部プロペラの動作に伴うモーメントと、風の抵抗にもよる機体の頭下げモーメントの２つのモーメントと、メインロータによる頭上げモーメント（風が機体の前から来た場合に、メインロータが機首を上げるように働くモーメント）、の３つのモーメントで実現できる。

進行方向に傾斜して飛行している機体に働く力の関係を、ベクトルで考えてみると第４図のように考えられる。

この図において、Ｎ１は、メインロータ１４，１５により発生する推力（ベクトル）、Ｎ２は、後部プロペラ２１により発生する推力（ベクトル）、Ｎ１＋Ｎ２は、これらの合成推力（ベクトル）、次いでＭｇは、飛翔体（機体）の重力を示し、結局、合成推力（ベクトル）は風の抵抗がないときは図のようにＮ１＋N ２＋Ｍｇのごとくなる。次に風の抵抗によりＮ３の抵抗力が発生するので、結局図の太線で示したような推力が得られる。

ここにおいて、Ｎ１＋Ｎ２＋Ｍｇ＋Ｎ３がゼロベクトルの時は、ホバリングを含む一定速度での飛行を示し、このベクトルがゼロベクトルでない時は、加速度を持って飛行していることになる。

また後部プロペラ２１の機体への取り付け角度、その回転数によって、後部プロペラの発生する機体重心回りのピッチングモーメント、更には推力の前向き・上向きの成分の大きさを調節することが可能で、機体、回転翼の空力性能に合わせて、適当な後部プロペラの取り付け角度、回転速度を調整する。

この結果、機体の飛行中、後部プロペラの回転速度によって、後部プロペラの発生する機体重心回りのピッチングモーメント、推力の前向き・上向き成分の大きさを調節することが可能で、風速（抵抗力）もしくは要求前進速度によって、後部プロペラの回転速度を調節する。

次に回転駆動機構、回転制御機構などを有する本体１３での小型回転翼機の操作を第５図に従って簡単に説明する。

マイコン５１は、全地球測位システム（ＧＰＳ）５２からの信号、方位計５３及び高度計５４からのそれぞれの信号を入力とし、上段のメインロータ１４を駆動する上段メインロータ用モータ５５、下段のメインロータ１５を駆動する下段メインロータ用モータ５６、メインロータの迎角を変化させるサイクリックピッチ用サーボモータ５７、および後部プロペラ用モータ２２をそれぞれコントロールするための信号を発生する。

またメインロータ用モータ５５，５６に指令を出すヨー軸レイトジャイロ５８、サイクリックピッチ用サーボモータ５７に信号を送りメインロータの迎角を変化させるロール・ピッチ軸レイトジャイロ５９も装備されている。

以上の構成において、ＧＰＳ５２で位置を、方位計５３で機首の向く方向を測定する。マイコン５１出力がメインロータ用モータ５５，５６を駆動し、機首を目標位置に向ける。さらに、マイコン５１出力が後部プロペラ用モータ２２を駆動し、目標位置に向かって前進する。ＧＰＳ５２で機体位置を測定した結果、目標位置からのずれが小さい時は、マイコン５１出力がサイクリックピッチ用サーボモータ５７を駆動し、目標位置に向かって移動することもできる。

また設定高度より低い時は、高度計５４からの信号によりマイコン５１よりスピードアップ信号が発信され、各メインロータ１４，１５のロータ用モータ５５、５６を駆動しその高度まで上昇させる働きをする。設定高度より高い時はこの逆でロータ用モータのスピードをダウンさせる働きをする。

ヨー軸レイトジャイロ５８は、機体のヨー軸回りの振動を止めるため、メインロータ用モータ５５、５６、に指令信号を発しヨー軸回りの振動を減衰させ、ロール・ピッチ軸レイトジャイロ５９は、機体のロール、ピッチ軸回りの振動を減衰させるために、サイクリックピッチ用サーボモータ５７を制御する。

一般に航空機が小型化すると、風による抵抗の効果が大きくなり、飛行が困難であったが、この発明の回転翼機では、総重量２００−４００ｇ、回転翼の直径が３５cmの２重回転翼機の場合では、風速２ｍ／ｓの中での位置制御が可能であった。

これを実現するために、この発明では、機体、すなわちメインロータを傾斜させるためのピッチングモーメントを発生するために後部プロペラを後方に装着したため、この後部プロペラが上向き以外に、前向きの推力も発生し、この推力がメインロータの前向き推力に重畳され、より強力な推力となって、風に十分対抗できるのである。

以上の構成の回転翼機においては、風による対抗があっても、後部プロペラの働きで、強い推力を得ることができ、今までのような限られた条件での利用分野をひろめることができる。

１１小型回転翼機（飛翔体）
１２ダクト
１３本体
１４，１５メインロータ
１６回転軸
１７，１８保持部材
１９回転軸
２０スタビライザ
２１後部プロペラ
２２後部プロペラ用モータ
２３後部プロペラ用回転軸
５１マイコン１、２
５２ＧＰＳ
５３方位計
５４光度計
５５上段メインロータ用モータ
５６下段メインロ−タ用モータ
５７サイクリックピッチ用サーボモータ
５８ヨー軸レイトジャイロ
５９ロール・ピッチ軸レイトジャイロ
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３モーメント
Ｍｇ，Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３力（ベクトル）
Ｓ進行方向
Ｇ機体重心位置

Claims

飛翔体の鉛直方向に延びる軸に沿って同軸上に設けられた互いに反対回転する２つのメインロータと、メインロータを保護するドーナツ状円筒ダクトとを有する小型回転翼において、ダクトには飛翔体の飛行方向と反対の端部に水平回転をする後部プロペラを装着し、後部プロペラの回転推力で前記メインロータを傾斜させるためのピッチングモーメントを発生させ、メインロータの上向き推力と、メインロータと後部プロペラとの前向き推力とで飛翔体を前進飛行させることを特徴とする小型回転翼機。