JP6859350B2 - 単一アーム故障冗長性を備えたマルチローター航空機 - Google Patents

Description

本開示は航空機の分野に関する。より詳細には、本開示は、たとえそのアームおよび／または関連する部品の一つが何らかの理由で故障しても、安定な飛行を維持できるマルチローター航空機に関する。

背景説明は、本発明を理解するのに有用でありえる情報を含む。それは、本願明細書に提供される情報のいずれも従来技術であるかまたはまもなく請求する発明に関連する、あるいは明確にまたは暗に参照されるいかなる刊行物も従来技術であるという承認ではない。

無人航空機（以下、ＵＡＶとも呼ばれる）は、カメラ、センサー、通信装置、または他の観測機器を搭載できる遠隔操縦または自動操縦される航空機であり、制御され、持続する、水平飛行が可能であり、そして通常エンジンによって推進する。自動操縦されるＵＡＶは、予めプログラムされた飛行計画に基づいて自律的に飛行できる。

ＵＡＶは、有人航空機が適切でないかまたは不可能である、さまざまなアプリケーションでますます使われている。これらのアプリケーションは、軍事作戦、例えば、監視、調査、目標捕捉、データ収集、通信中継、おとり、ハラスメント、または給油飛行を含むことがある。ＵＡＶは、例えば、消火活動、天災調査、民間騒動または犯行現場の警察観察、および科学研究など人間であるオブザーバーが危険にさらされるであろう、増え続ける民間活動のためにも使われる。後者の実施例は、気象形態または火山の観察である。小型化技術が向上したので、超小型ＵＡＶ（時にはマイクロ航空機またはＭＡＶと呼ばれる）を製造することが現在可能である。

ＵＡＶは、２つの形、すなわち、飛行機のように作動する固定翼機、ならびに垂直に離陸することができてヘリコプターのように滑空できるいろいろな方向における揚力および移動を提供する複数のローターを有するマルチコプターで基本的に設計される。後の設計は、事業ユーザーだけでなく趣味とする人の間にも急速に人気を得つつあり、時々「ドローン」とも呼ばれる。

マルチローターＵＡＶは、ドローンを高度、方向、および速度において操縦するように差別化された方法で制御できるそれぞれのモーターにより駆動される複数のローターを備えている。

通常、ジョイスティック構成は、マルチローターＵＡＶを遠隔操縦するために用い、そこにおいて、スロットル、ピッチ、ロール、およびヨーは、スティックコントロールを使用して調整される。例えば、マルチローターＵＡＶを前方へ動かすために、ユーザーは彼の装置をそのピッチ軸のまわりに傾け（ピッチは、ドローンの左から右への水平軸に沿ったＵＡＶの機首／ヘッドの上下運動である）、そしてマルチローターＵＡＶを右または左の一方に動かすために、彼は前記装置をそのロール軸に対して傾ける（ロールは、機首から尾部への水平軸に沿った左または右の方へのマルチローターＵＡＶの傾きである）。ユーザーは、特定の「上昇／降下」（スロットルコントロール）および「右回転／左回転」で、彼の好きなように他のコマンドを有する。これらのコマンドは、ジョイスティックまたはタッチスクリーンまたはタッチパッドを使用してユーザーによって実行できる。

マルチローターＵＡＶは、一般に、通常４以上の偶数である複数の対称的に配置されたローターを有する。クアッドコプター（それぞれ１つのローターを有する、４本のアームを備えたマルチローターＵＡＶ）は、より大きなリフト能力および安定性を備え、トリヘリコプター（それぞれ１つのローターを有する、３本のアームを備えたマルチローターＵＡＶ）より機械的に単純であるという利点がある。しかしながら、従来のクアッドコプターは、ローターの１つが故障する場合に再構成することができなくて、リフトの対称に対するそれらの固有の依存のために完全に不安定になる。ヘキサローターおよびオクタローターは、より多数のアクチュエーターにより向上した信頼性を有するが、コストおよびサイズに関して考慮すべき事項は、アームの数を最小限の可能な構成に減らすことを望ましくする。

マルチローターＵＡＶでそれぞれローターを有するアームの数を増加させることが、それを安定にして、一つのローターが故障しても飛行が可能であるようにすることができると共に（例えば、ヘキサローターおよびオクタローターの場合）、同じペイロードのためのアームの追加数は、構造重量を増加させ、慣性を増加させて、もちろん、コストを上昇させる他に、スラストマージンの減少に結果としてなる。

それゆえに、小型性およびサイズに関して考慮すべき事項をなお維持すると共に、１本のアームおよび／または関連する部品の故障が生じた場合に飛行するように機能して維持することが可能であるアームの最小限の数を備えたマルチローターＵＡＶのための安定なＵＡＶ配置に対する技術的必要がある。

本願明細書におけるすべての刊行物は、あたかも個々の刊行物または特許出願が参照によって引用するために特に且つ個々に示されるかのように参照によって同じ程度に引用される。引用された参照の用語の定義または使用が、本願明細書に提供されているその用語の定義と矛盾しているかまたは反対である場合に、本願明細書に提供されているその用語の定義が適用されて、参照のその用語の定義は適用されない。

いくつかの実施形態では、本発明の特定の実施形態を記載して請求するために用いる、成分の量を表す数、濃度、反応条件等のような特性は、用語「約」によっていくつかの例において変更されるとして理解すべきである。したがって、いくつかの実施形態では、説明文および添付の請求の範囲に記載される数値パラメータは、特定の実施形態によって得られようとする所望の特性によって変化できる近似値である。いくつかの実施形態では、数値パラメータは、報告された有効数字の数を考慮して、そして通常の丸め技術を適用することによって解釈しなければならない。本発明のいくつかの実施形態の幅広い範囲を記載する数値的な範囲およびパラメータは近似値であるにも関わらず、特定の実施例に記載の数値はできる限り正確に報告される。本発明のいくつかの実施形態に示される数値は、それらのそれぞれの試験測定値で見られる標準偏差から必然的に生じる特定のエラーを含むことがありえる。

本願明細書において、そして続く請求項の全体にわたる説明において用いられているように、文脈が特に明記しない限り、「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」の意味は複数の参照を含む。また、本願明細書における説明において用いられているように、文脈が特に明記しない限り、「ｉｎ」の意味は「ｉｎ」および「ｏｎ」を含む。

本願明細書における値の範囲の説明は、範囲に含まれる各別々の値を個々に参照する速記法として役立つことを単に目的とするだけである。本願明細書において特に明記しない限り、あたかもそれが本願明細書において個々に詳述されるかのように、個々の値は本願明細書に取り込まれる。本願明細書に記載のすべての方法は、本願明細書に特に明記しないかまたは文脈によって明らかに否定されない限り、いかなる適切な順序においても実行できる。本願明細書における特定の実施形態に関して提供されているいかなる、そして全ての実施例、または例示的な語法（例えば「ｓｕｃｈ」）の使用は、本発明をよりよく啓発することを単に目的として、さもなければ請求される本発明の範囲に制限を課さない。本願明細書の言語は、本発明を実施するのに重要ないかなる非請求要素も示すものとして解釈してはならない。

本願明細書に開示される本発明の代わりの要素または実施形態のグループ化は、制限として解釈すべきではない。各グループ部材は、個々に、またはグループの他の部材または本願明細書に見られる他の要素とのいかなる組合せでも参照されて、請求されることができる。グループの一つ以上の部材は、便宜および／または特許性の理由でグループに含まれるか、またはそれから削除することができる。何かそのような包含または削除が生じるときに、本願明細書は、このように変更されて添付の請求の範囲において使用するすべてのマーカッシュグループの説明文を満たすようにグループを含むと本願明細書ではみなされる。

本開示の一般的目的は、信頼性が高くて費用効果的なマルチローター・ラーメンＵＡＶを提供することである。

本開示の目的は、その信頼性を改善するように単一アーム故障冗長性を内蔵するマルチローターＵＡＶを提供することである。

本開示の他の目的は、アーム／ローターの数を最小限に保つマルチローターＵＡＶにおいて単一アーム故障冗長性を提供することである。

本開示のさらに別の目的は、マルチプロペラーＵＡＶのリフト、ヨー、ピッチ、およびロール要件に対処する内蔵単一アーム故障冗長性を提供することである。

本開示の一態様は、マルチローター・ラーメン航空機（ＡＶ）、例えば無人航空機（ＵＡＶ）に関する。本開示は、単一アーム故障冗長性を提供するシステムを提供し、そこにおいて、そのアーム／ローターの一つが故障した場合に、航空機は安定性を失うことはない。一態様において、本開示は、最小数のアームを必要とし、したがって単一アーム故障冗長性を最低コストで提供する構成を提供する。

一態様において、本開示は、５本アームのラーメンＵＡＶを提供する。開示されたＵＡＶは、５本のアームの各々が一対の同軸二重反転プロペラーを組み込んでいる、５本アームのラーメン構成に基づくことができる。ＵＡＶの重心（ＣＧ）は、固定構成の隣接するプロペラーを結ぶ線によって画成される多角形の中にありえる。

一態様において、隣接するプロペラーを結ぶ線によって画成される多角形は、ＵＡＶのＣＧが多角形の中央の近くにある正多角形でありえる。したがって、アームのいずれか一つが故障した場合に、ＵＡＶのＣＧは、依然として機能している残りの４本のアームにより形成される最小のサポート多角形の十分中にまだあり、したがってＵＡＶの１本のアームが故障した場合でも安定性およびヨー制御を維持する能力を提供する。

代替の実施形態において、隣接するプロペラーを結ぶ線により画成される多角形は、アームのいずれか一つが故障した場合でも、ＵＡＶのＣＧが依然として機能する残りの４本のアームにより形成される最小のサポート多角形の十分中にまだあり、したがってＵＡＶの１本のアームが故障した場合でも安定性およびヨー制御を維持する能力を提供するような構成の不規則な凸面多角形でありえる。

一態様において、ＵＡＶの５本のアームの同軸二重反転プロペラーの各対は、共通モーターまたは独立モーターによって作動できる。

一態様において、ローター／プロペラーのいずれか一つが故障した場合でも、故障したローター／プロペラーと反対方向に回転している機能するプロペラーの一つは、ヨー安定性を維持するために止めることができる。好ましい実施形態において、同じアームの二重反転プロペラーは、ヨー安定性を維持するために止められる。

一態様において、機能するローターは、リフトおよび傾斜安定性を維持するために故障したアームとの関係でそれらの位置に応じて速度を上げるかまたは落とす。傾斜安定性は、リフトの中心を移動してそれをＣＧと一致させるように、他のローターの速度を上げるかまたは落すことにより維持される。リフト安定性は、個々のローター／プロペラーの揚力の合計がＵＡＶの重量に等しいように、他のローターの速度を上げるかまたは落すことにより維持される。

一態様において、開示されたＵＡＶのシステムは、故障したアームの位置を検出して、ヨー安定性を維持するために止められたローターだけでなく故障したアームとの関係でそれらの相対的なベクトル位置に基づいて他のローターの速度を上げるかまたは落す手段を備えることができる。

本発明の内容のさまざまな目的、特徴、態様、および利点は、類似の符号が類似の構成要素を表わす添付の図面に加えて、好ましい実施形態の以下の詳細な説明からより明らかになる。

添付の図面は、本開示の更なる理解を提供するために含まれて、本願明細書に取り入れられてその一部を構成する。図面は、本開示の例示的実施形態を示して、説明と共に、本開示の原理を説明するのに役立つ。

本開示の実施形態によるマルチローター無人航空機（ＵＡＶ）の例示的な描写を示す。 本開示の実施形態によるマルチローターＵＡＶの別の例示的な描写を示す。 本開示の実施形態によるマルチローターＵＡＶの単一アーム冗長性を説明する例示的ブロック図を示す。

以下は、添付の図面に示す本開示の実施形態の詳細な説明である。実施形態は、本開示を明確に伝達するように詳細である。しかしながら、提供される詳細の量は、実施形態の予想されるバリエーションを制限することを意図しない。そうではなくて、意図は、添付の請求の範囲に記載の本開示の精神および範囲に含まれるすべての変更態様、等価物、および変形例をカバーすることである。

添付の請求の範囲の各々は、別々の発明を規定し、侵害目的のためのそれは、請求項で特性されている各種の要素または限定に対する等価物を含むと認められる。文脈に応じて、「本発明」への下記のすべての言及は、場合によってはいくらかの特定の実施形態だけに関連できる。他の場合には、「本発明」への言及は、請求項の一つ以上、しかし必ずしも全てにおいてではなく詳述される内容に関連すると認識される。

本明細書で用いるさまざまな用語は以下に示される。請求項において用いる用語が以下に定められない範囲で、当業者が、出願時の刊行物および発行済特許に反映される、その用語に与えた最も広い定義が与えられるべきである。

本明細書で用いる用語「ヨー」は、機首のわきからサイドへの動きあるいはその重心を通過するその垂直軸のまわりのマルチローターＵＡＶの回転またはヘッディングを指す。

本明細書で用いる用語「揚力」は、ＵＡＶを上昇させることを可能にするＵＡＶのさまざまな力を指す。

本明細書で用いる用語「リフトの中心」は、すべてのローターによって発生するすべての揚力の総計がその方向を有する集積された力として表わすことができるＵＡＶの位置を指す。

本明細書で用いる用語「スロットル」は、通常、そのプロペラーを駆動するそのローターアセンブリの速度を変化させることによってＵＡＶの揚力を変化させる機構を指す。

本明細書で用いる用語「力のモーメント」は、対象を軸、枢軸、または回転軸のまわりを回転させる力の傾向を指す。

本開示は航空機の分野に関する。より詳しくは、本開示は、そのローターアセンブリおよび／または関連部品の一つが何らかの理由で故障しても作動できるマルチローター航空機に関する。

本発明の例示的実施形態が、５本アームのラーメン・マルチローターＵＡＶに関して下記に記載されると共に、本発明の範囲は、飛行中に安定性および／または高度を達成するために類似の手段および原理を使用できる有人または無人の航空機にもあてはまる。

図１は、本開示の実施形態によるマルチローター無人航空機（ＵＡＶ）の例示的な描写を示す。

一態様において、ＵＡＶ１００は、モーターとともに構成できるＡｌ、Ａ２、Ａ３、Ａ４、およびＡ５として示されるローターアセンブリを有することができる。

別の態様において、各ローターアセンブリは、ローターアセンブリＡｌのためのＰ１−１およびＰＩ−２、ローターアセンブリＡ２のためのＰ２−１およびＰ２−２、ローターアセンブリＡ３のためのＰ３−１およびＰ３−２、ローターアセンブリＡ４のためのＰ４−１およびＰ４−２、ならびにローターアセンブリＡ５のためのＰ５−１およびＰ５−２を保持するように構成できる。

一態様において、ローターアセンブリは、それらのモーターによって速度を上げるかまたは落として、結果として対応するプロペラーにより提供される揚力を増減するように構成できる。

別の態様において、同軸プロペラーは、反対方向に回転し、それにより互いのトルクのバランスをとるように構成できる。別の態様において、同軸プロペラーは、必要な揚力をＵＡＶに供給するように構成できる。例示的実施形態において、ＵＡＶ１００の飛行中に安定な高度を維持するために、すべての同軸プロペラーは等しい揚力を供給するように構成することができて、それの合計は、ＵＡＶ１００の重量および輸送される重量の合計（以下、「合計量」と呼ばれる）に等しくなることができて、ＵＡＶ１００がいかなる方向にも傾かなくて、飛行中に不安定にならないように、ＵＡＶ１００の重力位置の中心における揚力のモーメントの合計をゼロとして保つことができる。

例示的実施形態において、ローターアセンブリは、５本アームのアセンブリにおいて各同軸プロペラー対の堅くて低振動／無振動の着装を確実にするために必要でありえる、いかなる適切な手段も使用して中央ハブ１０２に連結できる。そうすると、すべての同軸プロペラー対は、五角形配置で中央ハブ１０２に取り付けられる。例示的実施形態において、この種の連結は、図１に示すように５本のアーム、１０４−１、１０４−２、１０４−３、１０４−４、および１０４−５によることができて、このようにして５本アームのラーメン同軸プロペラー構成を提供する。

一態様において、ＵＡＶアームに沿ったプロペラーの配置は、同じ側に、またはその両側にありえる。

たとえ図１（および図２も）に示した実施形態が、正多角形構成に配置された５つのローター／プロペラーを有するとしても、アームのいずれか一つが故障した場合でも、ＵＡＶのＣＧが、まだ機能している残りの４本のアームにより形成されてそれによってＵＡＶのアームのいずれか一つが故障した場合でさえも安定性およびヨー制御を維持する能力を提供する最小のサポート多角形の十分中にまだあるような形状の不規則な凸面多角形の中にそれらを有することができると認められる。

別の態様において、あらゆるアームに載置するローターアセンブリの一つのプロペラーで何らかの原因による故障が生じた場合に、ＵＡＶ１００の自動操縦は、そのローターの他の同軸で配置されたプロペラーも停止して、ＵＡＶのそのアームを効果的に使用不能にして、ヨー成分のバランスをとるのに役立つように、そのローターアセンブリ／アームに対応するモーターのスイッチを切ることができる。

図２は、本開示の実施形態によるマルチローター無人航空機２００の別の例示的な描写を示す。図２に示すように、ＵＡＶ２００は、５つの辺、例えば、正五角形の頂点を結ぶことにより形成される２０２、２０４、２０６、２０８、および２１０を備えることができる。一対の二重反転同軸プロペラーを備えるローターアセンブリは、各頂点に設置できる。このように形成される多角形は、図２に示す三角構造のような適切な構造によって、サポートすることができて、したがって、各ローターは、ＵＡＶ本体から出る放射状アームによってＵＡＶ本体に連結することができない。本開示のローターアームへのいかなる言及も、アーム自体がありえない場合であっても、この種の構成のローターを含む。

一態様において、ＵＡＶ１００は、ＵＡＶおよびその機能するシステムの作動状態に基づいてローターのスロットルを制御するように構成する自動操縦を組み込む制御システムを更に含むことができる。

図３は、マルチローターＵＡＶ、例えばＵＡＶ１００（またはＵＡＶ２００、そして以下、ＵＡＶ１００へのいかなる言及もＵＡＶ２００を含むものとして解釈すべきである）の単一アーム冗長性を説明する例示的ブロック図３００を示す。等しい速度で回転するときにローターの組合せによって発生する揚力は、等しいことがありえて、したがって（質量がＵＡＶにおいて対称的に分散していることを考慮すると）その状態の下に、ＵＡＶ１００／２００のリフトの中心は、図３に示すように位置Ａでその重心と一致できる。代替のシナリオにおいて、ローターは、それに安定した状態を提供するためにＵＡＶの重心Ａと一致するリフトの中心を有するように、いろいろな速度で動作するように構成できる。

ＵＡＶ１００の飛行中、ローターアセンブリまたはそのプロペラーのいずれか一つあるいはＵＡＶアームのいずれか一つあるいはこれらのいずれかの組合せの故障につながることがありえるかなりの数の厄介な事故が起こることがありえる。塵または小さい粒子状物質は、モーターに入って損傷を与えることがありえて、過剰な湿気はモーターシャフトの腐食につながることがありえて、モータードライバーは故障することがありえて、または、別のシナリオで、モーターの過熱は巻線絶縁の劣化につながって、システムの内部配線に損傷を与えることがありえる。障害物との衝撃衝突は、ＵＡＶのアームに機械的損傷を引き起こす場合があり、ＵＡＶプロペラーの羽根は折れることがありえるか、または羽根のスクラッチ／クラックは時間とともに成長して、最終的に故障につながることがありえる。

本開示の例示的実施形態において、１本のアームの２つの二重反転プロペラーの一つ、即ちＰ３−１が上述の故障シナリオのいずれかによって故障すると仮定してみる。一態様において、本開示のシステムは、この種の故障を検出できるＵＡＶ１００のセンサーを適切に構成することができて、この場合に対応するローターアセンブリＡ３を止めるようにその自動操縦を指示できる。

別の態様において、一旦ローターアセンブリＡ３が止められて、残りのローターアセンブリにより提供される揚力が前と同じままであるならば、リフトの中心は、図２に示すように（Ａ３と反対の方向にＡ３とＡを結ぶ線に沿って）重心位置Ａから離れて位置Ｂに移動することがありえる。こうした状況では、重心位置Ａの力のモーメントの合計はゼロに等しくなくて、したがって、ＵＡＶ１００は、Ａ３の中心と重心位置Ａを結ぶ線に対して垂直な水平軸、例えば線３０２（以下、傾斜の軸または傾斜軸３０２と呼ばれる）のまわりを傾き始めることがありえて、したがって、それはＵＡＶ１００の揚力の更なる低下およびわきへのドリフトを引き起こすことがありえて、最終的にＵＡＶ１００は不安定になって、クラッシュする。これは、本開示に開示したように、対応するローターアセンブリのスロットル調整によって残りのアームの揚力を調整することによって回避できる。

一態様において、各アームのプロペラーにより提供される揚力が、重心位置Ａの揚力のモーメントの合計が再びゼロにされることができて、ＵＡＶ１００が安定なままであるために、それらの初期値から増減できるように、本開示のシステムは、この種の適切なスロットリング信号を関連したローターアセンブリに提供するように構成できる。

一態様において、傾斜軸３０２からより遠くにある２つのローターアセンブリ（Ａｌ、Ａ５）は、重心位置Ａの揚力のモーメントの合計が再びゼロにされることができて、ＵＡＶ１００が安定なままであるような方法でそれらのプロペラーの揚力を減少させるために、速度を落すことができる。

別の態様において、傾斜軸３０２により近い２つのローターアセンブリ（Ａ２およびＡ４）は、重心位置Ａの揚力のモーメントの合計が再びゼロにされることができて、ＵＡＶ１００が安定なままであるような方法でそれらのプロペラーの揚力を増大させるために、速度を上げることができる。

さらに別の態様において、残りのローターアセンブリＡｌ、Ａ２、Ａ５、およびＡ４の各々は、重心位置Ａの揚力のモーメントの合計が再びゼロにされることができて、ＵＡＶ１００が安定なままであるような方法でそれらの取付けられたプロペラーの揚力を増減するために、個別に速度を上げたり、落としたりすることができる。

例示的実施形態において、一旦ローターアセンブリＡ３が止まると、ＵＡＶ１００のリフトの中心は、ローターアセンブリＡｌおよびＡ５により近い位置Ｂに、そしてローターアセンブリＡ２およびＡ４からより遠くに移動できる。明らかであるように、新しいリフト中心Ｂ（残りのローターアセンブリが等しいリフトを提供するために作動しているときに、すなわち、それらの速度が上下する前に）は、全ての４つの作動ローターが、新しいリフト中心Ｂを通過して傾斜軸３０２と平行である線３０４から等距離であるように位置をとる。一態様において、本開示のシステムは、残りの作動ローターアセンブリ、例えばＡｌ、Ａ２、Ａ４、およびＡ５のスロットルを再調整することができて、その結果、重心位置Ａの揚力のモーメントの合計は、再び急速にゼロにされて、リフト中心Ｂをもとに移して、重心Ａと一致して、ＵＡＶ１００を安定にすることができる。

例示的実施形態において、本開示のシステムは、後述するように静止ローターアセンブリに対してスロットルを調整することによって重心位置Ａの揚力のモーメント（それらのベクトル形で）の合計をゼロとして維持できる。まだ作動しているローターアセンブリに対するスロットルは、以下のスカラー方程式が満たされるように変化できる。

（ＬｆＡ１）＊ＬＩ＝（ＬｆＡ２）＊Ｌ２ および

（ＬｆＡ５）＊Ｌ５＝（ＬｆＡ４）＊Ｌ４

ここで、ＬＩ、Ｌ２、Ｌ４、およびＬ５は、傾斜軸３０２からの作動ローターアセンブリ、例えばＡｌ、Ａ２、Ａ４、およびＡ５それぞれの距離であり、そしてＬｆＡｌ、ＬｆＡ２などは、Ａｌ、Ａ２などのようなそれぞれのローターアセンブリにより提供される揚力である。

一態様において、作動ローターアセンブリ、例えばＬＩ、Ｌ２、Ｌ４、およびＬ５の距離は、故障したローターアセンブリとの関係で対応するローターアセンブリの位置を考慮に入れる本開示のシステムによって決定できる。

別の態様において、ＵＡＶ１００の全揚力は、ＵＡＶ１００のローターアセンブリＡｌ、Ａ２、Ａ３、Ａ４、およびＡ５に設けられているプロペラーの各々により提供される揚力の合計によって最初に提供することができる。一つのローターアセンブリが止まった後に、全揚力は減少することがありえて、残りのアームの揚力が調整されない限り、ＵＡＶ１００は高度を落とし、そして／または不安定になることがありえる。

実施形態において、この場合には、それらの対応するローターアセンブリにより駆動される残りの４つのプロペラーによる揚力の合計が、もう一度ＵＡＶ１００の全重量に等しくなるように、残りのプロペラーの揚力は、より多くのスロットルをそれらのローターアセンブリに供給することによって増大することができて、ＵＡＶ１００は高度および平衡を維持できる。

すなわち、一態様において、すべてのローターアセンブリが機能すると共に、ローターアセンブリにより提供される全リフトがＵＡＶ１００の全重量に等しいように、本開示のシステムは構成できる。これは次のように示すことができる。

Σ（ＬｆＡｌ）（ＬｆＡ２）（ＬｆＡ３）（ＬｆＡ４）（ＬｆＡ５）＝ＵＡＶの全重量

別の態様において、一旦一つのローターアセンブリ、即ちＡ５が止まると、残りのローターアセンブリにより提供される全リフトがＵＡＶ１００の全重量に等しい一方で、前の通りＵＡＶ１００の重心を維持するように、本開示のシステムは構成できる。Ａ３の故障の例示的状態の下におけるこれは、次のように示すことができる。


Σ（ＬｆＡｌ）（ＬｆＡ２）（ＬｆＡ４）（ＬｆＡ５）＝ＵＡＶの全重量

本開示は、静的マルチローターＵＡＶ構成において冗長性を達成するための最小数のアームを可能にする発明を提供する。また、５本のアームからの１本のアームの分離による揚力の低下はわずか２０％であり、単一モーター／プロペラー故障時に２本のアームを止めることを必要とする構成と比較して冗長性でより大きな揚力を達成する。本発明は、１本のアームの故障が生じた場合にマルチローターＵＡＶを作動するために必要とする最小アーム構成を説明する。

一態様において、機能するローターは、リフトおよび傾斜安定性を維持するために、故障したアームと関係するそれらの位置に応じて速度を上げるかまたは落とす。傾斜安定性は、リフトの中心を移動してそれをＣＧと一致させるように、他のローターの速度を上げるかまたは落とすことにより維持する。リフト安定性は、個々のローター／プロペラーの揚力の合計がＵＡＶの重量に等しいように、他のローターの速度を上げるかまたは落とすことにより維持する。

一実施形態において、ＵＡＶは、各アームが一対の二重反転プロペラーを組み込む５本のアームを有することができる。同軸プロペラーを用いた５本アームラーメン構成は、そのアームのプロペラー／モーター／ドライバー故障に起因する単一アームの停止による最小数のアームおよびスロットルマージンの最小ペナルティを備えた最良の冗長性を提供できる。

一実施形態において、ＵＡＶは、固定ピッチプロペラー機構またはいかなる制限もない可変ピッチプロペラーシステムを有することができる。

前記実施形態の特定の特徴および態様のさまざまな組合せおよび／または下位組合せが行われて、それでも本発明の範囲に入ることができると考えられる。したがって、開示された実施形態のさまざまな特徴および態様が、開示された発明のいろいろなモードを形成するために互いに組み合わせるかまたはそれと置換できることを理解すべきである。更に、実施例として本願明細書に開示されている本発明の範囲が、上記の特定の開示された構成により制限されてはならないことが意図されている。

前述が本発明のさまざまな実施形態を説明する一方で、本発明の他の且つ更なる実施形態は、その基本的な範囲を逸脱しない範囲で考案できる。本発明の範囲は、続く請求項により決定される。本発明は、記載された実施形態、バージョン、または実施例に限定されず、それらは当業者が利用できる情報および知識と組み合わされるときに、当業者が本発明を考え出して使用できるために含まれる。
本発明の利点

本開示は、信頼性が高くて費用効果的なマルチローター・ラーメンＵＡＶを提供する。

本開示は、その信頼性を改善するように、単一アーム故障冗長性を内蔵したマルチローターＵＡＶを提供する。

本開示は、アーム／ローターの数を最小に保つマルチローターＵＡＶの単一アーム故障冗長性を提供する。

本開示は、マルチプロペラーＵＡＶのリフト、ヨー、ピッチ、およびロール要件に対処する内蔵単一アーム故障冗長性を提供する。

Claims (6)

1. マルチローター航空機であって、前記航空機は、
   少なくとも５本のアームを有するフレームと、
   前記フレームの各アーム上に構成される二重反転同軸ローター／プロペラーの対と、
   前記航空機の安定性を維持するために、前記二重反転同軸ローター／プロペラーの対のスロットルを制御するように構成される自動操縦を組み込む制御システムと、
   を備え、
   いずれか１本のアームの故障の場合に、依然として機能している隣接する二重反転同軸ローター／プロペラーを結ぶ線により形成される多角形の中に前記航空機の重心が依然としてあるような構成の多角形を、前記隣接する二重反転同軸ローター／プロペラーを結ぶ線が画成するように、前記二重反転同軸ローター／プロペラーの対は構成され、
   前記二重反転同軸ローター／プロペラーの対のローター／プロペラーのいずれか一つの故障の場合に、前記自動操縦が、ヨー安定性を維持するために、前記対の対応する二重反転同軸ローター／プロペラーを止め、それによって、前記二重反転同軸ローター／プロペラーの対応する対を機能しないようにするように、前記制御システムは構成される、航空機。
2. 前記隣接する二重反転同軸ローター／プロペラーを結ぶ線が、前記多角形の中心の近くに前記航空機の重心がある正多角形を画成するように、前記二重反転同軸ローター／プロペラーの対は構成される、請求項１に記載の航空機。
3. 前記隣接する二重反転同軸ローター／プロペラーを結ぶ線が、不規則な凸面多角形を画成するように、前記二重反転同軸ローター／プロペラーの対は構成される、請求項１に記載の航空機。
4. 前記ローター／プロペラーのいずれか一つの故障の場合に、前記自動操縦はまた、前記航空機の傾斜およびリフト安定性を維持するために、機能しないアームと関連してそれらの位置に応じて、二重反転同軸ローター／プロペラーの機能する対の速度を上げるかまたは落とす、請求項１に記載の航空機。
5. 前記ローター／プロペラーのいずれか一つの故障の場合に、前記自動操縦は、二重反転同軸ローター／プロペラーの個々の対の揚力の合計が前記航空機の重量に等しいように、前記二重反転同軸ローター／プロペラーの機能する対の速度を上げるかまたは落とすことによってリフト安定性を維持する、請求項４に記載の航空機。
6. 前記ローター／プロペラーのいずれか一つの故障の場合に、前記自動操縦は、リフトの中心を移動してそれを前記航空機の重心と一致させるように、前記二重反転同軸ローター／プロペラーの機能する対の速度を上げるかまたは落とすことによってリフト安定性を維持する、請求項４に記載の航空機。

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