JP6803602B2 - 飛行体の姿勢制御方法 - Google Patents
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Description
しかし、飛行機は揚力を増加減少させることによって離着陸をしているので、この揚力を調整するために、離陸着陸にはある程度の長さの滑走路が必要になる。つまり、飛行機を離陸着陸させるためには、ある程度広い場所が必要になる。
しかし、ヘリコプターでは、ロータの回転で発生する揚力で飛行しているので、それほど大きな揚力を得ることができない。したがって、機体の大きさはそれほど大きくできないし、また、それほど高速で飛行することができない。
第2発明の飛行体の制御方法は、第1発明において、前記切換機能は、前記機体の鉛直方向に対する傾斜角度が所定の切替角度となる前に、前記推力源が発生する推力が該機体を水平にした状態での飛行を維持し得る揚力を前記翼に発生させ得る大きさ以上となるように、前記推力源を制御することを特徴とする。
第3発明の飛行体の制御方法は、機体と、該機体の側面に設けられた翼と、前記翼の前面よりも後端側に設けられた推力偏向が可能な推力源と、該推力源の作動を制御する制御手段と、を有する飛行体の制御方法であって、前記制御手段は、前記推力源の推力と推力の方向を制御して、前記機体を鉛直姿勢にした状態での飛行を維持する鉛直姿勢維持機能と、前記推力源の推力と推力の方向を制御して、前記機体を非鉛直にした非鉛直姿勢での飛行を維持する飛行制御機能と、前記鉛直姿勢維持機能と前記飛行制御機能を切り替える切換機能と、を有しており、前記切換機能は、鉛直姿勢の飛行状態から非鉛直姿勢の飛行状態に移行する指令を受けると、前記鉛直姿勢維持機能によって鉛直姿勢に維持されている前記機体が非鉛直姿勢となるように前記推力源を操作し、該機体が受ける揚力が一定以上になると前記飛行制御機能を作動させるものであり、前記機体が非鉛直状態となっている状態で揚力を発生させるスラスタを備えており、前記切換機能は、該機体の鉛直方向に対する傾斜角度が所定の停止角度以上になると前記スラスタを作動させ、前記機体が受ける揚力が一定以上になると、前記スラスタを停止して前記飛行制御機能を作動させることを特徴とする。
第4発明の飛行体の制御方法は、第1、第2または第3発明において、前記切換機能は、前記推力源が発生する推力を、前記機体に加わる揚力または速度に基づいて判断することを特徴とする。
第2発明によれば、鉛直姿勢の飛行状態から非鉛直姿勢の飛行状態に安定して移行することができる。
第3発明によれば、機体を鉛直姿勢での飛行状態から水平等の非鉛直姿勢の飛行状態に移行することができる。したがって、推進型の飛行体であっても、余分な駆動機構を設けることなく垂直離陸して通常の飛行状態に移行することが可能になる。スラスタによって揚力を発生させているので、飛行体の姿勢変更を安定して行うことができる。また、機体の姿勢を維持する程度の揚力を発生させればよいので、スラスタの出力はそれほど大きくしなくてもよい。したがって、スラスタを設けても、機体の構造の複雑化を低減でき、機体において有効利用できるスペースも確保できる。
第4発明によれば、飛行体に特別な機構を設けなくても推力を判断できるので、飛行体の構造や制御等が複雑化することを防ぐことができる。
本発明の飛行体の制御方法は、翼を有する飛行体の飛行状態を制御する方法であって、鉛直姿勢の飛行状態から非鉛直姿勢の飛行状態にスムースに移行できるようにしたことに特徴を有している。
以下では、本発明の飛行体が推力源としてダクトファンを有している場合を代表として説明する。
まず、本実施形態の飛行体の制御方法について説明する前に、飛行体1について説明する。
図5示すように、飛行体1は、機体2と、機体2の側面に設けられた一対の翼3,3と、機体2の後端に設けた2つのダクトファン4,4と、機体2内に配置された制御手段10と、を備えている。
まず、機体2は、軸方向に延びた略柱状に形成されたものであり、その内部には、制御手段10や電源ユニット等が収容されている。この機体2は、その先端から後端に掛けて略流線形に形成されている。なお、機体2の形状は上記のような形状に限定されないが、飛行時における抵抗を少なくする上では、上記のごとき形状が望ましい。
機体2の側面には、一対の翼3,3が設けられている。この一対の翼3,3は、一般的な飛行機に設けられる翼と実質的に同様の配置になるように機体2の側面に取り付けられている。この一対の翼3,3は、一般的な飛行機に設けられる翼と実質的に同様の構造を有している。具体的には、機体2の軸方向に沿って推力が加わった場合に、一対の翼3,3の表面と略直交する方向に揚力が発生するような形状に形成されている。
機体2の後端には、推力源である2つのダクトファン4,4が設けられている。各ダクトファン4,4は、機体2の台座2dに揺動可能に取り付けられている。例えば、各ダクトファン4,4は、ジンバル等を有しており、このジンバル等を介して機体2の台座2dに取り付けられている。このため、ジンバル等を作動させることによって、2つのダクトファン4,4の推力の方向を、機体2の中心軸2aに対して所望の角度に調整することができる。したがって、2つのダクトファン4,4の推力とその推力の方向を変化させれば、機体2に加わる推力(揚力)を制御できる。なお、2つのダクトファン4,4の推力の方向を変化させることを、推力偏向という場合がある。
そして、飛行体1は、推力源である2つのダクトファン4,4および2つのダクトファン4,4を保持するジンバル等(以下単にダクトファン4,4という)の作動を制御する制御手段10を備えている。この制御手段10は、機体2の内部に電源ユニット等とともに収容されており、2つのダクトファン4,4に電気的に接続されている。つまり、2つのダクトファン4,4は、制御手段10からの指令に基づいて、電源ユニットから供給される電力によって駆動するようになっている。
上記のように、飛行体1は、制御手段10によって2つのダクトファン4,4の作動を制御することによって、鉛直姿勢の飛行状態(垂直離着陸や鉛直状態でのホバリング)と非鉛直姿勢の飛行状態のいずれの状態でも飛行することも可能となっている。そして、制御手段10が以下のような制御を実施することによって、鉛直姿勢の飛行状態から非鉛直姿勢の飛行状態に飛行体1の飛行状態を移行することができるようになっている。
まず、制御手段10が飛行状態の制御を実施する上で必要となるセンサ、つまり、飛行体1の状態を検出するセンサを説明する。
式1: L=1/2ρV2SCL
鉛直姿勢維持機能11は、機体2が飛行している状態において、その中心軸2aを鉛直に維持するように(つまり鉛直姿勢を維持するように)、2つのダクトファン4,4の作動を制御するものである。具体的には、鉛直姿勢維持機能11は、上述したセンサからの信号に基づいて機体2の傾斜角度等を算出し、算出された傾斜角度等に基づいて、2つのダクトファン4,4の推力と推力の方向を変化させて、機体2が鉛直姿勢を維持するように制御する。
1)“Control of Ducted Fan Flying Object Using Thrust Vectoring”, Masafumi MIWA et al., Journal of System Design and Dynamics Vol.6, No.3, pp.322-334, 2012
2)“Ducted Fan Flying Object with Normal and Reverse Ducted Fan Units”, Masafumi MIWA et al., International Journal of Robotics and Mechatronics Vol.1, No.1, pp.8-15, 2014
飛行制御機能12は、機体2を水平(または非鉛直姿勢)に維持した状態で飛行できるように制御する機能を有している。具体的には、飛行体1が所定の姿勢で飛行を維持することができるように、2つのダクトファン4,4の推力と推力の方向を制御する機能を有している。
なお、飛行制御機能12による制御が実施されている状態において、飛行体1が旋回や上昇下降する際に一時的に鉛直姿勢になっても、鉛直姿勢維持機能11に制御を切り替える信号等が入力されなければ、飛行制御機能12による制御は維持される。
切換機能13は、上述した鉛直姿勢維持機能11から飛行制御機能12に切り替える機能を有している。具体的には、鉛直姿勢維持機能11によって鉛直姿勢を維持した状態で飛行体1が浮遊しているとする。この状態で外部からの信号等により切換機能13が水平飛行に移行する指令を受けると、水平飛行の状態となるように機体2の姿勢を変化させる機能を切換機能13は有している。具体的には、切換機能13は、2つのダクトファン4,4の推力と推力の方向を制御して機体2の姿勢を変化させる。そして、機体2の姿勢が水平飛行可能になると、飛行制御機能12による水平飛行に切り替える機能を切換機能13は有している。
切換機能13は、外部から水平飛行に移行する指令を受けると、以下のように各部を制御して、飛行体1を鉛直姿勢の飛行状態から非鉛直姿勢の飛行状態に移行させる。
以下の説明では、鉛直姿勢維持機能11によってホバリング状態となっている状態から、水平姿勢の飛行状態に移行する場合を説明する。
まず、鉛直姿勢の飛行状態から非鉛直姿勢の飛行状態に移行する場合、飛行体1の高さを一定に保った状態のまま、鉛直状態から水平飛行に移動させるようにしてもよい。具体的には、飛行体1は、機体2の一定の高さを維持しつつ、水平方向に移動しながら水平飛行に移動させるようにしてもよい。この場合には、機体2の上方に十分な空間がなくても、鉛直姿勢の飛行状態から非鉛直姿勢の飛行状態に移行することが可能となる。
上述した遷移姿勢制御機能14では、機体2が上昇せずしかも急激に傾かないように2つのダクトファン4,4が発生する推力や推力の方向を変化させている。この制御を成立させる理論を以下に説明する。
まず、飛行体1の機体2の重心Gと揚力L中心が一致すると仮定する。
なお、重心Gと揚力L中心は必ずしも一致していなくてもよいが、重心Gと揚力L中心が一致していれば、制御が容易になる。
まず、飛行体1の機体2の中心軸2aが鉛直方向と一致している状態では、機体2に対して水平方向には力が働かない。この状態では、2つのダクトファン4,4が発生する推力Tと飛行体1の機体2に加わる重力mg(m:飛行体1の質量)が釣り合う(T−mg=0)ことでホバリング状態が維持される(図3(A)の左端の図参照)。
一方、機体2が水平になると、垂直方向には揚力Lと重力mgが働き、水平飛行を維持する場合には、L−mg=0の関係を満たす(図3(A)の右端の図参照)。
機体2が鉛直姿勢となっている状態から水平姿勢の状態に遷移する場合には、その過程で機体2が傾斜する(図3(A)の真ん中の図参照)。
式2:Tsin(β―θ)−Lcos(β)>0
式3:Tcos(β―θ)−Lsin(β)≧0
また、推力偏向の角度θ、推力Tは、ダクトファン4,4を制御することによって変更可能な物理量である。
さらに揚力Lは、機体2の速度V、つまり、ダクトファン4,4が発生する推力Tにより制御できる。
飛行体1が鉛直姿勢の飛行状態から水平飛行に移行する際に、予め設定されている移行軌跡に沿って飛行しながら機体2の姿勢を変化させるようにしてもよい(図2および図3(B)参照)。
上記例では、2つのダクトファン4,4の推力と推力の方向を変化させることによって、鉛直姿勢の飛行状態から水平飛行状態に変化する場合を説明した。
2 機体
3 翼
4 ダクトファン
10 制御手段
11 鉛直姿勢維持機能
12 飛行制御機能
13 切換機能
14 遷移姿勢制御機能
Claims (4)
- 機体と、該機体の側面に設けられた翼と、前記翼の前面よりも後端側に設けられた推力偏向が可能な推力源と、該推力源の作動を制御する制御手段と、を有する飛行体の制御方法であって、
前記制御手段は、
前記推力源の推力と推力の方向を制御して、前記機体を鉛直姿勢にした状態での飛行を維持する鉛直姿勢維持機能と、
前記推力源の推力と推力の方向を制御して、前記機体を非鉛直にした非鉛直姿勢での飛行を維持する飛行制御機能と、
前記鉛直姿勢維持機能と前記飛行制御機能を切り替える切換機能と、を有しており、
前記切換機能は、
鉛直姿勢の飛行状態から非鉛直姿勢の飛行状態に移行する指令を受けると、前記鉛直姿勢維持機能によって鉛直姿勢に維持されている前記機体が非鉛直姿勢となるように前記推力源を操作し、該機体が受ける揚力が一定以上になると前記飛行制御機能を作動させるものであり、
前記切換機能は、
鉛直姿勢の飛行状態から非鉛直姿勢の飛行状態への移行期間に、前記機体が飛行する移行軌跡を記憶しており、
該切換機能は、
前記機体が前記移行軌跡に沿って移動し、かつ、前記機体の軸方向が前記移行軌跡の各点において接線方向と平行となるように前記推力源を制御する
ことを特徴とする飛行体の制御方法。 - 前記切換機能は、
前記機体の鉛直方向に対する傾斜角度が所定の切替角度となる前に、前記推力源が発生する推力が該機体を水平にした状態での飛行を維持し得る揚力を前記翼に発生させ得る大きさ以上となるように、前記推力源を制御する
ことを特徴とする請求項1記載の飛行体の制御方法。 - 機体と、該機体の側面に設けられた翼と、前記翼の前面よりも後端側に設けられた推力偏向が可能な推力源と、該推力源の作動を制御する制御手段と、を有する飛行体の制御方法であって、
前記制御手段は、
前記推力源の推力と推力の方向を制御して、前記機体を鉛直姿勢にした状態での飛行を維持する鉛直姿勢維持機能と、
前記推力源の推力と推力の方向を制御して、前記機体を非鉛直にした非鉛直姿勢での飛行を維持する飛行制御機能と、
前記鉛直姿勢維持機能と前記飛行制御機能を切り替える切換機能と、を有しており、
前記切換機能は、
鉛直姿勢の飛行状態から非鉛直姿勢の飛行状態に移行する指令を受けると、前記鉛直姿勢維持機能によって鉛直姿勢に維持されている前記機体が非鉛直姿勢となるように前記推力源を操作し、該機体が受ける揚力が一定以上になると前記飛行制御機能を作動させるものであり、
前記機体が非鉛直状態となっている状態で揚力を発生させるスラスタを備えており、
前記切換機能は、
該機体の鉛直方向に対する傾斜角度が所定の停止角度以上になると前記スラスタを作動させ、
前記機体が受ける揚力が一定以上になると、前記スラスタを停止して前記飛行制御機能を作動させる
ことを特徴とする飛行体の制御方法。 - 前記切換機能は、
前記推力源が発生する推力を、前記機体に加わる揚力または速度に基づいて判断する
ことを特徴とする請求項1、2または3記載の飛行体の制御方法。
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