JP6382131B2

JP6382131B2 - 小型飛翔体

Info

Publication number: JP6382131B2
Application number: JP2015037627A
Authority: JP
Inventors: 梓網野; 山本　幸生; 幸生山本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2035-02-27
Also published as: JP2016159671A; US20160251077A1

Description

本発明は、２つのロータにより推力を発生し飛翔する小型飛翔体に関する。

ロータの回転によって推力を発生して飛翔する飛翔体には、上下に２つのロータを備え、互いに反対回転させることによって、ロータの回転によって発生する反力を相殺するよう構成するものがあり、例えば下記の特許文献１に記載の技術が知られている。

特許文献１の段落００１４には、「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。」と記載されており、段落００２９には、「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。」と記載されている。

特表２０１３−５１２１４９

上記のような２重反転するロータを備えた飛翔体では、下側ロータには上側ロータにより速度を増した気体が流入するため、上下のロータが鏡像対称とすると、飛翔体がヨー方向に対し静止するためには、下側ロータの方が上側ロータよりも大きい回転数が必要となる。このように、上下のロータで回転数が生じると、角運動量が上下で異なるためにピッチ、もしくは、ロール方向に動作させるとジャイロ効果によりふれ回り運動が発生し、姿勢の安定が困難になるという課題があった。

ここで、特許文献１に記載されている方法では、回転翼の迎え角を変更可能なロータを上下同軸で互いに逆回転可能なように備え、上下ロータの回転数および、回転翼の迎え角を変化させることで姿勢の制御を行っている。しかし、従来の特許文献１の技術では姿勢制御に用いるために回転翼の迎え角が変更可能なロータが必須であり、これは構造が複雑であり、またリンク機構の長さ調整等が煩雑であるため、コストが高くなってしまう恐れがあった。

そこで本発明は上記課題に鑑み、安価で安定飛翔が可能な小型飛翔体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、代表的な本発明の小型飛翔体の一つは、回転によって推力を発生する上側ロータと、前記上側ロータを駆動する上側モータと、前記上側モータよりも下方に備えられ、前記上側モータと同軸に、かつ、前記上側モータとは逆回りに回転する下側モータと、前記上側ロータと前記下側ロータのうち、ホバリング時の回転数が低い一方のロータに接続され、当該一方のロータと一体となって回転する慣性バランサと、を備え、前記慣性バランサは、ホバリング時における、前記一方のロータの角運動量と、他方のロータの角運動量との差を補うことを特徴とする。

本発明によれば、安価で安定飛翔が可能な小型飛翔体を提供することができる。

本発明の実施例１の小型飛翔体の全体斜視図本発明の実施例１の制御装置１１を説明する図本発明の実施例１の制御アルゴリズムを説明する図本発明の実施例１のロータまわりの運動を説明する図本発明の実施例１のふれ回り運動の図本発明の実施例１のロータ回りの角運動量を説明する図本発明の実施例１のふれ回り運動の図

図１は、本発明の実施例１の小型飛翔体の全体斜視図である。なお、以下の説明では、飛翔体の進行方向をＸ軸、重力方向をＺ軸、Ｘ軸とＺ軸に対し共に直交する軸をＹ軸とする。また、Ｘ軸回りの回転をロール、Ｙ軸回りの回転をピッチ、Ｚ軸周りの回転をヨーとそれぞれ定義する。

図１に示す小型飛翔体１は、小型飛翔体１を浮上させるための推力発生部として、回転翼を備えた上側ロータ３と、上側ロータ３を駆動するための上側モータ２と、上側モータ２と回転方向が逆となるように駆動され、かつ回転軸が同軸となるように配置される下側モータ５と、下側モータ５に駆動され回転翼を備えた下側ロータ６を備える。上側ロータ３および上側モータ２の回転部には、一体となって回転するように配置され、上側ロータ３の回転軸に対し対称に構成されているイナーシャ１２を備える。

小型飛翔体１の姿勢制御を行うため、推力発生部の推力方向をピッチ、ロール方向に変更することを目的として、上部に上側モータ２を備え、その逆方向には下側モータ５を備える中央ジンバル部４と、中央ジンバル部４の下端に備えられ、中央ジンバル部４をピッチ方向に揺動可能なように出力部を備えるピッチ駆動モータ７と、ピッチ駆動モータ７を備える周囲ジンバル部８と、周囲ジンバル部８をロール方向に揺動可能なように出力部を備えるロール駆動モータ９と、ロール駆動モータ９を備える。

上記の機構を支える構造は、上側ロータ３および下側ロータ６の回転軸に対しＸ方向、Ｙ方向に略対称な形状であり、かつ上側ロータ３および下側ロータ６の回転を妨げないように備えられ、例えば地面に着陸する際に安定となるような形状を備えているメインフレーム１０と、小型飛翔体１の重心をなるべく低くするようにメインフレーム１０の下部に備えられる制御装置１１とで構成される。制御装置１１は、小型飛翔体１において大部分の重量を占めているおり、小型飛翔体１の空中での安定性を向上するためには、小型飛翔体１の重心が上側ロータ３および下側ロータ６の回転軸上に位置するように制御装置１１の位置を調整し搭載すると良い。

上側ロータ３および下側ロータ６は、互いに逆方向に回転駆動され鉛直下向きに推力を発生させ、小型飛翔体１を飛翔させる。上側ロータ３および下側ロータ６の回転数を変更することにより、推力を変更することが可能である。また、互いに逆方向に回転することにより、上側ロータ３と下側ロータ６が推力を発生する際の反トルクを利用しヨー方向の運動を制御可能である。上側ロータ３および下側ロータ６を駆動する上側モータ２と下側モータ５は、制御装置１１から回転数を制御される。

ピッチ駆動モータ７とロール駆動モータ８は、例えば電動モータ（ステッピングモータやブラシレスモータ、超音波モータ等）のような動力源と、減速機と角度検出器（ロータリエンコーダやポテンショメータ等を内蔵しており、制御装置１１から適切に回転角度を制御される。上側ロータ３および下側ロータ６による推力の方向をピッチ駆動モータ７とロール駆動モータ８を用いて偏向させることにより、小型飛翔体１の姿勢を安定に制御している。

図２は制御装置１１の構成を示した図である。
制御装置１１は、内部に３軸姿勢検出手段２０と、指令受信手段２１と、外界認識手段２２と、バッテリ２３と、中央演算器２４とを備える。３軸姿勢検出手段２０は、例えば３軸ジャイロのようなロール、ピッチ、ヨー方向の角度および角速度を検出可能な手段であり、小型飛翔体１の姿勢を取得する目的で用いる。指令受信手段２１は、外部からの指令を受け取る手段であり、無線による指示を受けても良いし、有線によるものでも良い。外界認識手段２２は、小型飛翔体１の地面からの高さを測定するセンサであったり、周囲物体との距離を測定するセンサ等である。バッテリ２３は、小型飛翔体１の動力源であるが、例えば指令受信手段２１が有線の場合であるときには、信号線を通じて給電を行っても良い。中央演算器２４は、３軸姿勢検出手段２０と指令受信手段２１および外界認識手段２２からの情報をもとに、上側モータ２、下側モータ５、ロール駆動モータ９、ピッチ駆動モータ７を適切に制御する。

図３は実施例１の小型飛翔体のヨー方向の制御アルゴリズムを示した図である。以下、制御方法を順に説明する。
指令受信手段２１から目標ヨー角速度θ_y、プロペラ回転数Ｎ_thを取得する（Ｓ１１）。
３軸姿勢検出手段２０よりヨー角速度Ｇ_yを取得する（Ｓ１２）。
上側モータに回転数Ｎ_th＋（θ_Y −Ｇ_Y）×Ｋ_Yを出力、下側モータに回転数−Ｎ_th＋（θ_Y− Ｇ_Y）×Ｋ_Yを出力する（Ｓ１３）。ここでの回転数は左回りを正とし、Ｋ_Yはヨー制御ゲインとする。
その後スタートに戻る。上記のステップを所定の時間刻みにより実行する。

図４は実施例１の小型飛翔体がホバリング中にヨー方向に対して静止している時のロータまわりの運動を説明する図である。ホバリング中の上側ロータ３および下側ロータ６のある断面をそれぞれ上側ロータ断面Ｆ２２と下側ロータ断面Ｆ２６とする。ここでは、上側ロータ３と下側ロータ６は入手性、低コスト性を鑑み、同一迎え角、同一プロファイルの翼断面とし、上側ロータ３と下側ロータ６の相違点は鏡像対称である点のみとする。

上側ロータ断面Ｆ２２での気体から見た速度を上側ロータ速度Ｆ２４、上側ロータ迎え角Ｆ２３、その時に発生する上側ロータ推力Ｆ２０、上側ロータ反力をＦ２１とする。下側ロータ断面Ｆ２６での気体から見た速度を下側ロータ速度Ｆ２８、下側ロータ迎え角Ｆ２９、下側ロータ推力Ｆ２５、下側ロータ反力Ｆ２７とする。下側ロータ断面Ｆ２６には上側ロータ３により速度を増した気体が流入するため、気体は速度Ｆ２９を持つため、その結果上側ロータ迎え角Ｆ２９は下側ロータ迎え角Ｆ２３よりも小さくなる。一方で、小型飛翔体１がヨー方向に対し静止するためには、上側ロータ反力Ｆ２１と下側ロータ反力Ｆ２７の大きさが等しくなる必要があるため、迎え角の小さい下側ロータ６は上側ロータ３よりも大きい回転数となる必要がある。

主にコストの制約により、上側ロータ３と下側ロータ６は同一迎え角、同一プロファイルの翼断面で、相違点は鏡像対称である点のみであるものを用いることが多い。また、同様の理由により上側モータ２と下側モータ５は同一のものを用いることが多い。さて、ホバリング中においては、前述したように本実施例では下側ロータ６は上側ロータ３よりも大きい回転数となっている。上側モータ２と上側ロータ３のＺ軸まわりの慣性モーメントの合計をＩ１、下側モータ５と下側ロータ６のＺ軸まわりの慣性モーメントの合計をＩ２とし、上側ロータ３の回転数をｗ１、下側ロータ６の回転数をｗ２とすると、上下のロータの角運動量はそれぞれＩ１ｗ１、Ｉ２ｗ２となる。上側ロータ３と下側ロータ６の回転数が等しければこれらの角運動量は互いに打ち消しあうが、前述したように下側ロータ６の回転数のほうが大きいため、上下のロータ合計の角運動量が存在する。本実施例の小型飛翔体１は前述したように、上下のロータ推力の向きをピッチ駆動モータ７とロール駆動モータ８で偏向し姿勢制御を行うため、ロータ推力を偏向させる際にジャイロ効果により小型飛翔体１全体にふれ回り運動が発生する。図５にふれ回り運動の様子を示す。ピッチ回りの変位とロール回りの変位が周期的に発生し、減衰せず継続して振動している。

そこで、本実施例１の小型飛翔体１は図６に示すように上側ロータ３と一体となって回転するようにイナーシャＩ₂を備える。イナーシャＩ₂の慣性モーメントは以下のように決定する。

イナーシャＩ₂の慣性モーメントをＩ_addとすると、角運動量の釣り合い条件から、
（Ｉ₁＋Ｉ_add）ｗ₁＝Ｉ₂ｗ₂ 式（１）
よって、
Ｉ_add＝（Ｉ₂ｗ₂−Ｉ₁ｗ₁）／ｗ₁ 式（２）

なお、このときのｗ₁とｗ₂はホバリング時に回転数を測定し、イナーシャＩ₂の慣性モーメントＩ_addを算出する。

図７にイナーシャＩ₂を搭載後のピッチ回りとロール回りの運動の様子を示す。イナーシャＩ₂の搭載により、ふれまわり運動が軽減し振動的な挙動が収束している。

以上で説明したように、本発明の方式によれば、低コストなロータを用い、最低限の構造にして安定した姿勢制御が可能な小型飛翔体の実現が可能である。

すなわち本発明では、回転翼の迎え角が固定である２重反転するロータを備えた推力発生部の推力方向をロール、ピッチに変化させ姿勢制御を行う飛翔体において、逆方向に回転するロータの回転数の小さいほうに角運動量が上下のロータで釣り合うように慣性質量を付与し、上下のロータの角運動量の大きさを釣り合わせることにより推力発生部の角運動量を０に近づけることで、ロール、ピッチ動作の際にジャイロ効果による姿勢変化を低減することができる。

また上記の実施例では、上側ロータと下側ロータのホバリング時の角運動量を釣り合わせるようにイナーシャＩ₂の慣性モーメントを算出し付与していたが、例えばシミュレーション等により事前に推力・回転数を予測することにより、上側ロータに付与する慣性モーメントを算出することにより、上側モータ２の回転部の慣性モーメントに予め付与しておいても良い。

１…小型飛翔体
２…上側モータ
３…上側ロータ
４…中央ジンバル部
５…下側モータ
６…下側ロータ
７…ピッチ駆動モータ
８…周囲ジンバル部
９…ロール駆動モータ
１０…メインフレーム
１１…制御装置
１２…イナーシャ

Claims

回転によって推力を発生する上側ロータと、
前記上側ロータを駆動する上側モータと、
前記上側モータよりも下方に備えられ、前記上側モータと同軸に、かつ、前記上側モータとは逆回りに回転する下側モータと、
前記下側モータによって駆動される下側ロータと、
前記上側ロータと前記下側ロータのうち、ホバリング時の回転数が低い一方のロータに接続され、当該一方のロータと一体となって回転する慣性バランサと、を備え、
前記慣性バランサは、ホバリング時における、前記一方のロータの角運動量と、他方のロータの角運動量との差を補うことを特徴とする小型飛翔体。
請求項１において、
前記一方のロータとは前記上側ロータであり、前記他方のロータとは前記下側ロータであることを特徴とする小型飛翔体。
請求項２において、
前記慣性バランサの慣性モーメントをＩadd、前記上側ロータの慣性モーメントをＩ1、前記下側ロータの慣性モーメントをＩ2、前記上側ロータのホバリング時回転数をｗ1、前記下側ロータのホバリング時回転数をｗ2とすると、下記の（式１）で与えられる関係を満たすことを特徴とする小型飛翔体。
（式１）Ｉadd＝（Ｉ2ｗ2−Ｉ1ｗ1）／ｗ1
請求項１において、さらに
前記上側モータと前記下側モータを接続する中央ジンバル部と、
前記中央ジンバル部を前記上側ロータと前記下側ロータの回転軸と直交した向きに揺動駆動する第１の駆動モータと、
前記第１の駆動モータの揺動軸および前記上側ロータと前記下側ロータの回転軸と直交した向きに揺動駆動する第２の駆動モータと、
前記第１の駆動モータ、および、前記第２の駆動モータを制御する制御装置と、
前記上側ロータと前記下側ロータの推力方向を前記第１の駆動モータと前記第２の駆動モータを制御して偏向させて姿勢制御を行う制御装置と、
を備える小型飛翔体。
請求項１において、
前記上側ロータ、および、前記下側ロータの回転翼の迎え角は固定されていることを特徴とする小型飛翔体。
回転によって推力を発生する上側ロータと、
前記上側ロータを駆動する上側モータと、
前記上側モータよりも下方に備えられ、前記上側モータと同軸に、かつ、前記上側モータとは逆回りに回転する下側モータと、
前記下側モータによって駆動される下側ロータと、を備え、
ホバリング中において、前記上側ロータと前記下側ロータの角運動量が等しくなるように、前記上側ロータの同軸にイナーシャが付与される小型飛翔体。