JP7120587B1 - 飛行体の姿勢制御方法および飛行体 - Google Patents
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Abstract
Description
第1発明の飛行体の制御方法は、機体と、奇数個の推進ロータと、を有する飛行体における前記機体の重心周りの回転と該機体の水平移動の両方を防止する制御方法であって、前記奇数個の推進ロータは、該推進ロータの回転軸の機体に対する傾きが変更可能に設けられており、前記奇数個の推進ロータが発生する反動トルクに起因する機体を重心回りに回転させるトルクを相殺するトルクを発生させる水平方向分力が発生するように、全ての推進ロータの回転軸を鉛直方向に対して傾けて全ての推進ロータの回転数を調整することを特徴とする。
第2発明の飛行体の制御方法は、第1発明において、前記奇数個の推進ロータは、前記機体の重心を中心とする同一円周上に等角度間隔で設けられており、前記機体のホバリング状態を維持する際において、全ての推進ロータが発生する推力が同じ大きさになるように全ての推進ロータの回転数を調整し、全ての推進ロータを、全ての推進ロータが並ぶ同一円周方向かつ同じ方向に同じ角度だけ傾斜させることを特徴とする。
第3発明の飛行体の制御方法は、第1発明において、前記奇数個の推進ロータは、前記機体の重心を中心とする同一円周上に等角度間隔で設けられており、前記機体を水平移動させる際には、全ての推進ロータが発生する推力が同じ大きさになるように全ての推進ロータの回転数を調整しかつ全ての推進ロータを全ての推進ロータが並ぶ同一円周方向かつ同じ方向に同じ角度だけ傾斜させたホバリング状態から、全ての推進ロータを同じ方向に同じ角度だけ傾斜させる前記機体を水平移動させる場合には、全ての推進ロータを、全ての推進ロータが並ぶ同一円周方向かつ同じ方向に同じ角度だけ傾斜させたホバリング状態から、全ての推進ロータを同じ方向に同じ角度だけ傾斜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から第3発明のいずれかにおいて、前記機体に、該機体に対する回転軸の傾きが固定された固定ロータが設けられており、該固定ロータが発生する反動トルクおよび前記奇数個の推進ロータが発生する反動トルクに起因する機体を重心回りに回転させるトルクを相殺するトルクを発生させる水平方向分力が発生するように、全ての推進ロータの回転数および全ての推進ロータの回転軸の機体に対する傾きを調整することを特徴とする。
第5発明の飛行体の制御方法は、第1から第4発明のいずれかにおいて、前記推進ロータを3つ備えていることを特徴とする。
<飛行体>
第6発明の飛行体は、機体と、該機体に設けられた奇数個の推進ロータと、該奇数個の推進ロータの機体に対する姿勢を調整する姿勢調整機構と、前記奇数個の推進ロータおよび前記姿勢調整機構の作動を制御する制御手段と、を備え、該制御手段は、前記機体の重心周りの回転と前記機体の水平移動の両方を防止する際に、前記奇数個の推進ロータが発生する反動トルクに起因する機体を重心回りに回転させるトルクを相殺するトルクを発生させる水平方向分力が発生するように、全ての推進ロータの回転数および全ての推進ロータの回転軸の機体に対する傾きを調整する機能を有していることを特徴とする。
第7発明の飛行体は、第6発明において、前記奇数個の推進ロータは、前記機体の重心を中心とする同一円周上に等角度間隔で設けられており、前記制御手段は、前記機体をホバリング状態または垂直移動させるホバリング機能を有しており、該ホバリング機能は、全ての推進ロータが発生する推力が同じ大きさになるように全ての推進ロータの回転数を調整し、全ての推進ロータを、全ての推進ロータが並ぶ同一円周方向かつ同じ方向に同じ角度だけ傾斜させることを特徴とする。
第8発明の飛行体は、第6発明において、前記奇数個の推進ロータは、前記機体の重心を中心とする同一円周上に等角度間隔で設けられており、前記制御手段は、前記機体を水平移動させる水平移動機能を有しており、該水平移動機能は、前記奇数個の推進ロータが発生する推力が同じ大きさになるように該奇数個の推進ロータの回転数を調整し、前記機体を水平移動させる場合には、全ての推進ロータを、全ての推進ロータが並ぶ同一円周方向かつ同じ方向に同じ角度だけ傾斜させたホバリング状態から、全ての推進ロータを同じ方向に同じ角度だけ傾斜させることを特徴とする。
第9発明の飛行体の制御方法は、第6から第8発明のいずれかにおいて、前記機体には、該機体に対する回転軸の傾きが固定された固定ロータが設けられており、前記制御手段は、該固定ロータが発生する反動トルクおよび前記前記奇数個の推進ロータが発生する反動トルクに起因する機体を重心回りに回転させるトルクを相殺するトルクを発生させる水平方向分力が発生するように、全ての推進ロータの回転数および全ての推進ロータの回転軸の機体に対する傾きを調整する機能を有していることを特徴とする。
第10発明の飛行体の制御方法は、第6から第9発明のいずれかにおいて、前記推進ロータを3つ備えていることを特徴とする。
第1発明によれば、奇数個の推進ロータを有する飛行体であっても、奇数個の推進ロータが発生する反動トルクに起因する機体の回転を防止できる。しかも、機体の回転を防止したことに起因する機体の水平方向への移動も防止できるので、機体を所定の姿勢に維持できる。 第2発明によれば、奇数個の推進ロータの回転数や傾きの制御が容易になる。しかも、機体を所定の姿勢に維持したままで、ホバリングや垂直移動が可能になる。
第3発明によれば、奇数個の推進ロータの回転数や傾きの制御が容易になる。しかも、機体を所定の姿勢に維持したままで、水平移動や旋回が可能になる。
第4発明によれば、固定ロータを設けても、機体の回転を防止でき、機体を所定の姿勢に維持できる。
第5発明によれば、機体がコンパクトになるので、機体の姿勢制御が容易になる。
<飛行体>
第6発明によれば、姿勢調整機構によって奇数個の推進ロータの機体に対する姿勢を調整すれば、奇数個の推進ロータを有する飛行体であっても、奇数個の推進ロータが発生する反動トルクに起因する機体の回転を防止できる。しかも、機体の回転を防止したことに起因する機体の水平方向への移動も防止できるので、機体を所定の姿勢に維持できる。
第7発明によれば、奇数個の推進ロータの回転数や傾きの制御が容易になる。しかも、機体を所定の姿勢に維持したままで、ホバリングや垂直移動が可能になる。
第8発明によれば、奇数個の推進ロータの回転数や傾きの制御が容易になる。しかも、機体を所定の姿勢に維持したままで、水平移動や旋回が可能になる。
第9発明によれば、固定ロータを設けても、機体の回転を防止でき、機体を所定の姿勢に維持できる。
第10発明によれば、機体がコンパクトになるので機体の姿勢制御が容易になるし、飛行体による構造物等の点検等が行い易くなる。
本発明の飛行体の制御方法は、奇数個の推進ロータを有する飛行体の飛行状態を制御する方法であって、機体の回転を防止しつつ機体を所望の姿勢に維持できるようにしたことに特徴を有している。
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、本実施形態の飛行体UAVについて説明する。
なお、本実施形態の飛行体UAVは奇数個の推進ロータRを有していればよく、推進ロータRの数はとくに限定されない。以下の説明では、本実施形態の飛行体UAVが推進ロータRを3つ有している場合を代表として説明する。
図1(A)示すように、飛行体UAVは機体Bを備えている。この機体Bは、機体本体BBと、機体本体BBの下方に設けられた飛行体UAVを地上に載置するための脚部BLと、機体本体BBから側方に伸びた後述する3つの推進ロータR1~R3が設けられる3本のアームBAと、を備えている。
図1(A)に示すように、飛行体UAVは、同じ大きさ構造を有する3つの推進ロータR1~R3を備えている。この3つの推進ロータR1~R3は、プロペラPと、プロペラPを回転させるモータm(図示せず)と、を備えている。3つの推進ロータR1~R3は、モータmは制御手段Cに電気的に接続されており、制御手段Cによって3つの推進ロータR1~R3のモータmは作動(例えば回転数やトルク等)が制御されている。
上述したように、3つの推進ロータR1~R3は、3つの姿勢調整機構RT1~RT3によって3本のアームBAにそれぞれ連結されている。より詳しく言えば、3つの推進ロータR1~R3のモータmが3つの姿勢調整機構RT1~RT3によって3本のアームBAにそれぞれ連結されている。この3つの姿勢調整機構RT1~RT3は、例えば、ジンバル機構などであり、3本のアームBAに対する3つの推進ロータR1~R3の姿勢、つまり、機体Bに対する3つの推進ロータR1~R3の姿勢を調整する機能を有している。より詳しくいえば、3つの姿勢調整機構RT1~RT3によって、機体Bに対する3つの推進ロータR1~R3のモータmの回転軸の傾きを調整できるようになっている。
本実施形態の飛行体UAVは上記のごとき構成を有しているので、以下のように制御すれば、機体Bの重心Gまわりの回転を防止しつつ、機体Bの姿勢を所望の姿勢、例えば、機体Bが水平になった状態で、飛行体UAVに所望の動きをさせることができる。
まず、飛行体UAVをホバリング状態とする場合には、制御手段Cは、3つの推進ロータR1~R3が同じ推力を発生するように3つの推進ロータR1~R3のモータmを作動させる。すると、3つの推進ロータR1~R3の推力に起因して、機体Bの重心Gを中心として機体Bを回転させるトルクが生じる。例えば、図1(A)のように3つの推進ロータR1~R3を回転させた場合(矢印a~c)、3つの推進ロータR1~R3のモータmの回転軸が互いに平行かつ鉛直と平行になっていれば、3つの推進ロロータR1~R3の回転に起因して発生する反動トルクによって機体Bの重心Gを中心として機体Bを時計回りに回転させるトルクFAが生じる(図1(B))。
飛行体UAVを垂直移動する場合には、上述したホバリング状態から、3つの推進ロータR1~R3の推力、つまり、モータmの回転数を増減すればよい。つまり、3つの推進ロータR1~R3の推力を同じだけ増加させれば、飛行体UAVを垂直方向に上昇させることができる。また、3つの推進ロータR1~R3の推力を同じだけ減少させれば、飛行体UAVを垂直方向に下降させることができる。
飛行体UAVをホバリング状態から水平方向に移動させる場合には、ホバリング状態から、3つの姿勢調整機構RT1~RT3によって3つの推進ロータR1~R3の傾きを調整する。具体的には、ホバリング状態になっている3つの推進ロータR1~R3を、ホバリング状態から、飛行体UAVを移動させたい方向に同じ角度だけ傾斜させる。すると、ホバリング状態の飛行体UAVを、3つの推進ロータR1~R3を傾斜させた方向に沿って水平方向に移動させることができる。
飛行体UAVをホバリング状態から機体Bを旋回移動させる場合には、ホバリング状態から、3つの姿勢調整機構RT1~RT3によって3つの推進ロータR1~R3の傾きを調整する。具体的には、ホバリング状態になっている3つの推進ロータR1~R3を、ホバリング状態から、飛行体UAVを旋回させたい方向に傾斜させる。より詳しくは、飛行体UAVを旋回させる方向と、3つの推進ロータR1~R3が発生する水平方向分力F1h~F3hと、が平行になるように、3つの推進ロータR1~R3を傾斜させる。すると、3つの推進ロータR1~R3を傾斜させた方向に沿って、飛行体UAVを旋回させることができる。
上述した方法によって、機体Bの回転を防ぎつつ機体Bを水平にした状態でホバリング状態を維持できることを理論的に説明する。
まず、各推進ロータR1~R3は、平面視で、推進ロータR1のプロペラPが時計回りに回転し、推進ロータR2および推進ロータR3のプロペラPが反時計回りに回転するものとする。
また、各推進ロータR1~R3の反動トルクの大きさを、それぞれT1~T3とする。
T1=T2=T3
T1-T2-T3=-T
|F1|=F1, |F2|=F2, |F3|=F3
|F1h|=F1h, |F2h|=F2h, |F3h|=F3h
|F1v|=F1v, |F2v|=F2v, |F3v|=F3v
式(1):T1-T2-T3+|F1h|r+|F2h|r+|F3h|r=0
式(2):|F1h|=|F2h|=|F3h|
式(3):|Fh|=|F1h|=|F2h|=|F3h|
式(4):|Fh|=T/3r
上記説明では、3つの推進ロータR1~R3を設けた場合において機体Bの回転を防ぎつつ機体Bを水平にした状態でホバリング状態を維持できることを理論的に説明した。以下では、3つ以上の奇数個の推進ロータRを有する場合でも、機体Bの回転を防ぎつつ機体Bを水平にした状態でホバリング状態を維持できることを理論的に説明する。
まず、(2n+1)個の推進ロータRは、平面視で、時計回りに回転する推進ロータRと反時計回りに回転する推進ロータRとを有し、時計回りに回転する推進ロータRと反時計回りに回転する推進ロータRとの差が1つまでとする。
また、時計回りに回転する推進ロータRと反時計回りに回転する推進ロータRの配置は限定されない。例えば、時計回りに回転する推進ロータRと反時計回りに回転する推進ロータRとが交互に並ぶ場合と、ランダムに配置されている場合とを含むものとする。
また、(2n+1)個の推進ロータRの反動トルクの大きさを、それぞれT(2n+1)とする。
T1=T2=…=T(2n+1)
±T1±T2±…±T(2n+1)=±T
|F1|=F1, |F2|=F2,…,|F(2n+1)|=F(2n+1)
|F1h|=F1h, |F2h|=F2h,…,|F(2n+1)h|=F(2n+1)h
|F1v|=F1v, |F2v|=F2v,…,|F(2n+1)v|=F(2n+1)v
式(5):
式(6):|F1h|=|F2h|=…=|F(2n+1)h|
式(7):|Fh|=|F1h|=|F2h|=…=|F(2n+1)h|
式(8):|Fh|=T/(2n+1)r
飛行体UAVには、推進ロータR以外に、固定ロータRRを設けてもよい。つまり、推進ロータR以外に飛行体UAVに揚力を発生させる固定ロータRRを設けてもよい。この場合には、奇数個の推進ロータRが発生する反動トルクに加えて、固定ロータRRが発生する反動トルクも機体Bを回転させる力になる。したがって、固定ロータRRが発生する反動トルクと奇数個の推進ロータRが発生する反動トルクとに起因する機体Bを重心回りに回転させるトルクと相殺するトルクが発生する水平方向分力を発生させるように、奇数個の推進ロータRの回転数および奇数個の推進ロータRの回転軸の機体Bに対する傾きを調整する。すると、推進ロータR以外に固定ロータRRを設けた場合でも、機体Bの重心Gまわりの回転を防ぎつつ、上述した機体Bを水平にした状態を維持することができる。
上述した方法によって、固定ロータRRを有する飛行体UVAが、機体Bの回転を防ぎつつ機体Bを水平にした状態でホバリング状態を維持できることを理論的に説明する。
また、機体Bの浮力を補助することを目的とした固定ロータRRが機体Bに設けられているものとする。
まず、各推進ロータR1~R3は、平面視で、推進ロータR1のプロペラPが時計回りに回転し、推進ロータR2および推進ロータR3のプロペラPが反時計回りに回転するものとする。
固定ロータRRも反時計回りに回転するものとする。
また、各推進ロータR1~R3の反動トルクの大きさをそれぞれT1~T3とし、固定ロータRRの反動トルクの大きさはTsとする。
T1=T2=T3
T1-T2-T3-Ts=-T
|F1|=F1, |F2|=F2, |F3|=F3
|F1h|=F1h, |Fh2h|=F2h, |F3h|=F3h
|F1v|=F1v, |F2v|=F2v, |F3v|=F3v
式(9):T1-T2-T3-Ts+|F1h|r+|F2h|r+|F3h|r=0
式(10):|F1h|=|F2h|=|F3h|
式(11):|Fh|=|F1h|=|F2h|=|F3h|
式(12):|Fh|=T/3r
また、バッテリには6セル6000mAHのリチウムポリマーバッテリを二本並列にして使用した
まず、Pos一Holdモードにおいてホバリングを通常方式で行い、途中からティルト方式に切り替え、機体姿勢の変化について検証を行った。
図7(A)に示すように、通常方式では,風に対抗するためにGPSで計測した位置・速度の情報から機体の目標傾斜が決定され、それに従う形で機体が傾斜したことが示されている。
一方、ティルト方式では、姿勢制御の目標値はロール・ピッチ軸とも0度となっており、それに対して機体姿勢は±2度以内を達成している。つまり、機体姿勢を傾ける代わりに推進ロータを傾斜させることで機体の位置が保持されていることが確認できる。
実験は、西からの風(約5m/s)がふいている状況で、Pos一Holdモードで10秒間のホバリングを行った。
B 機体
BB 機体本体
BA アーム
R ロータ
RR 固定ロータ
RT 姿勢調整機構
C 制御手段
G 重心
T 反動トルク
F 推進力
CF 円周
Claims (10)
- 機体と、奇数個の推進ロータと、を有する飛行体における前記機体の重心周りの回転と該機体の水平移動の両方を防止する制御方法であって、
前記奇数個の推進ロータは、
該推進ロータの回転軸の機体に対する傾きが変更可能に設けられており、
前記奇数個の推進ロータが発生する反動トルクに起因する機体を重心回りに回転させるトルクを相殺するトルクを発生させる水平方向分力が発生するように、全ての推進ロータの回転軸を鉛直方向に対して傾けて全ての推進ロータの回転数を調整する
ことを特徴とする飛行体の制御方法。 - 前記奇数個の推進ロータは、
前記機体の重心を中心とする同一円周上に等角度間隔で設けられており、
前記機体のホバリング状態を維持する際において、
全ての推進ロータが発生する推力が同じ大きさになるように全ての推進ロータの回転数を調整し、
全ての推進ロータを、全ての推進ロータが並ぶ同一円周方向かつ同じ方向に同じ角度だけ傾斜させる
ことを特徴とする請求項1記載の飛行体の制御方法。 - 前記奇数個の推進ロータは、
前記機体の重心を中心とする同一円周上に等角度間隔で設けられており、
前記機体を水平移動させる際には、
全ての推進ロータが発生する推力が同じ大きさになるように全ての推進ロータの回転数を調整しかつ全ての推進ロータを全ての推進ロータが並ぶ同一円周方向かつ同じ方向に同じ角度だけ傾斜させたホバリング状態から、全ての推進ロータを同じ方向に同じ角度だけ傾斜させる
ことを特徴とする請求項1記載の飛行体の制御方法。 - 前記機体に、該機体に対する回転軸の傾きが固定された固定ロータが設けられており、
該固定ロータが発生する反動トルクおよび前記奇数個の推進ロータが発生する反動トルクに起因する機体を重心回りに回転させるトルクを相殺するトルクを発生させる水平方向分力が発生するように、全ての推進ロータの回転数および全ての推進ロータの回転軸の機体に対する傾きを調整する
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の飛行体の制御方法。 - 前記推進ロータを3つ備えている
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の飛行体の制御方法。 - 機体と、
該機体に設けられた奇数個の推進ロータと、
該奇数個の推進ロータの機体に対する姿勢を調整する姿勢調整機構と、
前記奇数個の推進ロータおよび前記姿勢調整機構の作動を制御する制御手段と、を備え、
該制御手段は、
前記奇数個の推進ロータが発生する反動トルクに起因する機体を重心回りに回転させるトルクを相殺するトルクを発生させる水平方向分力が発生するように、全ての推進ロータの回転数および全ての推進ロータの回転軸の機体に対する傾きを調整して、前記機体の重心周りの回転と前記機体の水平移動の両方を防止する機能を有している
ことを特徴とする飛行体。 - 前記奇数個の推進ロータは、
前記機体の重心を中心とする同一円周上に等角度間隔で設けられており、
前記制御手段は、
前記機体をホバリング状態または垂直移動させるホバリング機能を有しており、
該ホバリング機能は、
全ての推進ロータが発生する推力が同じ大きさになるように全ての推進ロータの回転数を調整し、
全ての推進ロータを、全ての推進ロータが並ぶ同一円周方向かつ同じ方向に同じ角度だけ傾斜させる
ことを特徴とする請求項6記載の飛行体。 - 前記奇数個の推進ロータは、
前記機体の重心を中心とする同一円周上に等角度間隔で設けられており、
前記制御手段は、
前記機体を水平移動させる水平移動機能を有しており、
該水平移動機能は、
全ての推進ロータが発生する推力が同じ大きさになるように全ての推進ロータの回転数を調整し、
前記機体を水平移動させる場合には、前記奇数個の推進ロータを、全ての推進ロータが並ぶ同一円周方向かつ同じ方向に同じ角度だけ傾斜させたホバリング状態から、全ての推進ロータを同じ方向に同じ角度だけ傾斜させる
ことを特徴とする請求項6記載の飛行体。 - 前記機体には、該機体に対する回転軸の傾きが固定された固定ロータが設けられており、
前記制御手段は、
該固定ロータが発生する反動トルクおよび前記奇数個の推進ロータが発生する反動トルクに起因する機体を重心回りに回転させるトルクを相殺するトルクを発生させる水平方向分力が発生するように、全ての推進ロータの回転数および全ての推進ロータの回転軸の機体に対する傾きを調整する機能を有している
ことを特徴とする請求項6から8のいずれか一項に記載の飛行体。 - 前記推進ロータを3つ備えている
ことを特徴とする請求項6から9のいずれか一項に記載の飛行体。
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