JP7229874B2 - マルチコプタ - Google Patents

Description

本開示は、マルチコプタに関し、特にシリーズハイブリッドシステムが構成されているマルチコプタに関する。

特許文献１には、発電ユニットを構成する２つのロータの回転方向を逆にすることで、ロータやクランクシャフトの回転体に起因したジャイロ効果により飛行時の姿勢が不安定になることを抑制しようとするエンジン搭載型飛行装置が開示されている。

特開２０１７－１９３２０９号公報

特許文献１に開示されているエンジン搭載型飛行装置において、発電ユニットを構成する２つのロータは、エンジンの２つのクランクシャフトと接続しており、この２つのクランクシャフトと同期して回転する。このように、発電ユニットに２つのロータが設けられているとともに、これらに対応するようにエンジンに２つのクランクシャフトが設けられているので、エンジン搭載型飛行装置が重量化してしまう。そして、このようにエンジン搭載型飛行装置が重量化してしまうと、プロペラを回転させるために必要な電力が増加してしまう。

そこで、本開示は上記した問題点を解決するためになされたものであり、重量化することなく飛行時の姿勢を安定させることができるマルチコプタ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なされた本開示の一形態は、機体ベースと、前記機体ベースを空中に浮遊させる揚力を発生させる揚力発生ユニットと、前記機体ベースに設けられ前記揚力発生ユニットに供給する電力を発電するために駆動するエンジンと、を有するマルチコプタにおいて、前記機体ベースよりも下方に前記エンジンが設けられ、前記エンジンは、当該エンジンの駆動により生じる反トルクの作用方向と、前記マルチコプタを移動させるために前記機体ベースを傾ける方向と、が一致するように配置されること、を特徴とする。

この態様によれば、飛行時の姿勢を安定させるための部品を追加する必要がないので、マルチコプタを重量化することなく飛行時の姿勢を安定させることができる。さらに、飛行姿勢の応答性や飛行性能が向上するので、マルチコプタの利便性が向上する。

上記課題を解決するためになされた本開示の他の形態は、機体ベースと、前記機体ベースを空中に浮遊させる揚力を発生させる揚力発生ユニットと、前記機体ベースに搭載され前記揚力発生ユニットに供給する電力を発電するために駆動するエンジンと、を有するマルチコプタにおいて、前記機体ベースよりも下方に前記エンジンが設けられ、前記エンジンの駆動により生じる反トルクの作用方向と、前記マルチコプタを移動させるために前記機体ベースを傾ける方向と、が一致するように、前記エンジンと前記機体ベースとを相対回転させる回転機構を有すること、を特徴とする。

この態様によれば、飛行時の姿勢を安定させるための部品を追加する必要がないので、マルチコプタを重量化することなく飛行時の姿勢を安定させることができる。さらに、マルチコプタの移動方向に関わらず飛行姿勢の応答性や飛行性能が向上するので、マルチコプタの利便性が向上する。また、反トルクの作用方向が限定されないため、目標とするマルチコプタの移動方向に機体ベースを傾ける制御を素早く実施することが可能になる。

上記の態様においては、前記電力を充放電可能なバッテリと、前記マルチコプタを制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記マルチコプタがホバリングしているときに、前記バッテリの充電残量が所定量以下である場合には、前記反トルクの作用方向が風向きと対向するように前記マルチコプタの姿勢を制御した上で、前記エンジンの回転数を所定回転数以上にする制御を行うこと、が好ましい。

この態様によれば、特にバッテリの充電残量が少ない場合に、マルチコプタの姿勢の安定化を図りつつ、バッテリを充電させることができる。

上記の態様においては、前記マルチコプタが移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へと移行する予兆を判定する予兆判定部と、前記マルチコプタを制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記予兆判定部により前記予兆があると判定された場合に、前記エンジンの回転数を所定回転数未満にする制御、および、前記反トルクの作用方向を逆にする制御の少なくとも一方を行い、前記予兆判定部は、目的地点まで残り距離が所定距離以内であれば、前記予兆があると判定すること、が好ましい。

この態様によれば、マルチコプタが移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へ変化する際の応答性の低下を抑制できる。

上記の態様においては、前記エンジンのクランクシャフトは、当該クランクシャフトの中心軸方向が、前記エンジンと前記機体ベースとの配列方向に対して直交するように配置され、前記エンジンのピストンは、前記クランクシャフトよりも前記機体ベース側に配置されていること、が好ましい。

この態様によれば、マルチコプタの重心位置を出来るだけ機体ベース側にすることができるので、より効果的に、マルチコプタにおける飛行姿勢の応答性や飛行性能を向上させることができる。

上記課題を解決するためになされた本開示の他の形態は、機体ベースと、前記機体ベースを空中に浮遊させる揚力を発生させる揚力発生ユニットと、前記機体ベースに設けられ前記揚力発生ユニットに供給する電力を発電するために駆動するエンジンと、を有するマルチコプタにおいて、前記マルチコプタを制御する制御部を有し、前記機体ベースよりも下方に前記エンジンが設けられ、前記制御部は、複数の前記エンジンの駆動により生じる反トルクの合力モーメントの作用方向と、前記マルチコプタを移動させるために前記機体ベースを傾ける方向とが一致するように、複数の前記エンジンの回転数をそれぞれ制御すること、を特徴とする。

この態様によれば、反トルクの合力モーメントの作用方向と、マルチコプタを移動させるために機体ベースを傾ける方向とが一致するので、飛行時の姿勢を安定させることができる。そして、反トルクの合力モーメントの作用方向を自在に制御できるので、機体ベースを傾ける方向が限定されない。

上記の態様においては、複数の前記エンジンは、前記マルチコプタを上方から見たときに、外形が正多角形に形成される前記機体ベースにおける角部の位置にそれぞれ配置されていること、が好ましい。

この態様によれば、反トルクの合力モーメントの作用方向の制御が容易になる。

上記の態様においては、前記機体ベースと前記エンジンとの連結部分に設けられ、前記反トルクの作用方向以外の方向に作用する前記エンジンの振動を制振する制振部を有し、前記制振部の軸方向が、前記反トルクの作用方向であって、かつ、前記エンジンと前記機体ベースとの配列方向に対して直交する方向に、一致していること、が好ましい。

この態様によれば、エンジンの駆動により生じる反トルクの作用方向以外の方向に作用するエンジンの振動が機体ベースに伝達することを抑制できる。そのため、マルチコプタの飛行時の姿勢を安定させることができる。

本開示のマルチコプタによれば、重量化することなく飛行時の姿勢を安定させることができる。

第１実施形態のマルチコプタの外観斜視図である。 第１実施形態のマルチコプタの構成を示すブロック図である。 第１実施形態のマルチコプタにおいてエンジン発電ユニットと懸架部材の部分の側面図である。 反トルクの作用方向と懸架部材を傾ける方向とを一致させることを示す簡略図である。 マウントゴム部材の外観斜視図である。 マルチコプタがホバリングしているときに行う制御の内容を示すフローチャート図である。 マルチコプタが移動している状態からホバリングする状態へ移行するときに行う制御の内容を示すフローチャート図である。 回転機構の周辺の断面図である。 回転機構の外観斜視図である。 第２実施形態において、マルチコプタを上方から見たときの４つのエンジンの配置を示す図である。 図１０に対応する図面であって、反トルク合力方向の一例を示す図である。 各々の反トルク合力方向の角度を得るために設定される各エンジンの出力の一例を示す図である。

以下、本開示のマルチコプタの実施形態について説明する。

〔第１実施形態〕
まず、第１実施形態について説明する。

＜マルチコプタの概要＞
（マルチコプタの構成）
図１に示すように、本実施形態のマルチコプタ１は、機体１１とエンジン発電ユニット１２を有する。

機体１１は、プロペラ２１とモータ２２と機体本体部２３と懸架部材２４を備えている。なお、プロペラ２１とモータ２２は、マルチコプタ１（懸架部材２４）を空中に浮遊させる揚力を発生させる揚力発生ユニットである。また、懸架部材２４は、本開示の「機体ベース」の一例である。

プロペラ２１は、複数（例えば、８個）設けられている。そして、この複数のプロペラ２１を同時に回転させることにより、マルチコプタ１は飛行する。

モータ２２は、各々のプロペラ２１に設けられ、プロペラ２１を回転させる。モータ２２は、図２に示すように、後述するＥＳＣ３６（インバータ（不図示））とパワーコントロールユニット３５とを介して、後述するバッテリ３１やジェネレータ４２に電気的に接続されている。これにより、ジェネレータ４２にて発電された電力やバッテリ３１から放電される電力が、パワーコントロールユニット３５とＥＳＣ３６とを介して、モータ２２に供給される。

機体本体部２３は、図１に示すように、懸架部材２４の上方に設けられている。この機体本体部２３には、図２に示すように、バッテリ３１と、燃料タンク３２と、制御部３３と、ＦＣ（フライトコントローラ）３４と、パワーコントロールユニット３５と、ＥＳＣ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）３６などが設けられている。

バッテリ３１は、電力を充放電可能な充放電部（二次電池、蓄電池）である。図２に示すように、バッテリ３１は、パワーコントロールユニット３５を介して、ジェネレータ４２と電気的に接続されており、ジェネレータ４２で発電された電力を充電する。また、バッテリ３１は、パワーコントロールユニット３５とＥＳＣ３６とを介して、モータ２２と電気的に接続されており、モータ２２に供給する電力を放電する。また、バッテリ３１において、バッテリ３１の電流・電圧やバッテリ３１の温度やＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、充電率）を検出するセンサが設けられており、該センサはそれらの情報に関する信号を制御部３３へ送る。

燃料タンク３２は、後述するエンジン４１を駆動させるために使用する燃料（例えば、ガソリン）を貯留している。また、燃料タンク３２に設けられた不図示のレベルセンサは、制御部３３へ燃料の残量の情報に関する信号を送る。

制御部３３は、小型のコンピュータとして構成されており、マルチコプタ１の全体を制御する。例えば、制御部３３は、エンジン４１の駆動を制御して、ジェネレータ４２での発電を制御する。

ＦＣ３４は、マルチコプタ１の飛行の制御を行う装置である。このＦＣ３４は、制御部３３とＥＳＣ３６へ推力指示の信号を送る一方で、制御部３３からＳＯＣの情報に関する信号を受け取る。また、ＦＣ３４は、後述するコントローラ７１から使用者の操作指示の信号を受け取り、後述する各種センサ７２から検出結果の情報に関する信号を受け取る。

パワーコントロールユニット３５は、モータ２２へ供給される電力を制御する装置である。このパワーコントロールユニット３５は、ジェネレータ４２で発電された電力を受給したり、バッテリ３１との間で電力の供給および受給を行ったり、ＥＳＣ３６へ電力を供給したりする。また、パワーコントロールユニット３５は、制御部３３から充放電切替指示の信号を受け取る。

ＥＳＣ３６は、モータ２２の回転数を制御する装置である。このＥＳＣ３６は、パワーコントロールユニット３５から供給される電力を、駆動電力として、モータ２２に供給する。また、ＥＳＣ３６は、ＦＣ３４から推力指示の信号を受け取る。

また、本実施形態のマルチコプタ１は、図２に示すように、マルチコプタ１が移動するときの姿勢（すなわち、「移動時の姿勢」）からホバリングするときの姿勢（すなわち、「ホバリング時の姿勢」）へと移行する予兆を判定する予兆判定部３７を有する。この予兆判定部３７は、例えば、目標地点まで残り距離が所定距離以内であれば、マルチコプタ１が移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へと移行する予兆があると判定する。

エンジン発電ユニット１２は、図１に示すように、懸架部材２４の下に設けられている。このエンジン発電ユニット１２は、図１と図２に示すように、エンジン４１とジェネレータ（すなわち、発電機）４２を備えている。エンジン４１は、ジェネレータ４２の動力源であって、例えば、小型のディーゼルエンジンやレシプロエンジンなどである。すなわち、エンジン４１は、モータ２２またはバッテリ３１へ供給する電力をジェネレータ４２で発電するために駆動する。また、エンジン４１は、制御部３３から、発電電力指示の信号を受け取る。また、本実施形態では、図３に示すように、エンジン４１のクランクシャフト４１ａは、当該クランクシャフト４１ａの中心軸ＣＡ方向が、エンジン４１と懸架部材２４との配列方向（図３の上下方向）に対して直交するように配置されている。

本実施形態では、図３に示すように、懸架部材２４とエンジン４１との連結部分に、エンジン４１の振動を制振するマウントゴム部材５１が設けられている。詳しくは、エンジン４１の上方に略円筒形状の円筒部６１が設けられており、マウントゴム部材５１は、この円筒部６１の内側に圧入されるようにして配置されている。なお、マウントゴム部材５１についての詳細は、後述する。

また、マルチコプタ１は、図２に示すように、コントローラ７１と、各種センサ７２を有する。

コントローラ７１は、マルチコプタ１の使用者が持つ操作部であり、例えば、ジョイスティックである。また、各種センサ７２は、高度や姿勢や緯度や経度や加速度や障害物などを検出するセンサである。

また、本実施形態のマルチコプタ１においては、モータ２２とバッテリ３１とエンジン４１によりシリーズハイブリッドシステムが構成されている。すなわち、マルチコプタ１においては、エンジン４１が発電のみに使用され、モータ２２がプロペラ２１の駆動に使用され、さらに電力を回収するためのバッテリ３１を有するシステムが構成されている。このようにして、マルチコプタ１は、エンジン４１の駆動によりジェネレータ４２にて発電し、発電した電力でモータ２２を駆動してプロペラ２１を駆動することにより、飛行する。また、マルチコプタ１は、エンジン４１の駆動によりジェネレータ４２にて発電した際の余剰電力を、バッテリ３１に一旦蓄え、必要に応じてモータ２２の駆動に用いる。

（マルチコプタの作用）
このような構成のマルチコプタ１は、モータ２２に電力を供給し、複数のプロペラ２１を回転させることにより飛行する。そして、プロペラ２１の回転数を制御し、プロペラ２１の回転によって得られる揚力をマルチコプタ１自体の重力とバランスさせることで、マルチコプタ１のホバリング飛行や前進・後進・左右移動飛行を実現させることができる。また、プロペラ２１により発生させる揚力を大きくしてマルチコプタ１の上昇飛行を実現させることができ、プロペラ２１により発生させる揚力を小さくしてマルチコプタ１の下降飛行を実現させることができる。また、各々のプロペラ２１の回転数を制御して、複数のプロペラ２１の回転によって発生する揚力に不均衡を生じさせることにより、マルチコプタ１の前進・後進・左右移動飛行を実現することができる。そして、相対するプロペラ２１の回転数に差を設けることにより、旋回（回転）飛行を実現することができる。

＜エンジンの駆動により生じる反トルクの利用について＞
マルチコプタ１は、移動するときには、複数のプロペラ２１の回転数を制御して機体１１をマルチコプタ１の移動方向に傾けた姿勢（以下、「移動時の姿勢」とも言う。）に制御することにより、揚力をマルチコプタ１の移動方向に作用する推進力に換える。なお、本開示において「移動」とは、水平方向に対し平行に移動する平行移動を意味する。そして、「移動するとき」とは、前進・後進・左右移動飛行を行うときである。また、「機体１１をマルチコプタ１の移動方向に傾けた姿勢」とは、詳しくは、機体１１におけるマルチコプタ１の移動方向側を低くする一方で機体１１におけるマルチコプタ１の移動方向とは反対側を高くする姿勢である。

そして、このようにマルチコプタ１が移動するときにおいて、マルチコプタ１における飛行姿勢の応答性や飛行性能を向上させるためには、マルチコプタ１の重心位置は、プロペラ２１の高さの位置もしくはそのわずかに上方の位置であることが望ましい。なお、「飛行姿勢の応答性」とは、マルチコプタ１の飛行時においてマルチコプタ１の姿勢を変化させる速さであり、例えば、マルチコプタ１がホバリングしているときの姿勢（以下、「ホバリング時の姿勢」とも言う。）から移動時の姿勢へ移行する速さである。

しかしながら、マルチコプタ１にエンジン４１を搭載するためには、構造上の制約から、例えば図１や図３に示すように、懸架部材２４の下方にエンジン４１を含むエンジン発電ユニット１２を設けることが考えられる。そうすると、マルチコプタ１の重心位置をプロペラ２１の高さの位置もしくはそのわずかに上方の位置にすることが困難になり、飛行姿勢の応答性や飛行性能が低下するおそれがある。

ここで、エンジン４１の駆動時には、図３に示すように、エンジン４１のクランクシャフト４１ａの中心軸ＣＡの周りにおいて、クランクシャフト４１ａの回転方向とは逆方向（図中の「反トルク作用方向」）に作用する反トルクＡＴが発生する。

そこで、本実施形態では、この反トルクＡＴを利用して、飛行姿勢の応答性及び飛行性能を向上させる。具体的には、図４に示すように、エンジン４１は、当該エンジン４１の駆動により生じる反トルクＡＴの作用方向と、マルチコプタ１を移動させるために懸架部材２４を傾ける方向と、が一致するように配置されている。

そして、これにより、反トルクＡＴを利用して懸架部材２４を傾けることができるので、マルチコプタ１は、ホバリング時の姿勢から素早く移動時の姿勢に移行することができる。そのため、飛行姿勢の応答性が向上する。

また、反トルクＡＴを利用して懸架部材２４を傾けることができるので、マルチコプタ１は移動時の姿勢を維持し易くなる。そのため、移動時の姿勢を維持するためにモータ２２へ供給する必要な電力の量を、反トルクＡＴを利用する分だけ減らすことができる。したがって、バッテリ３１の充電消費量を減らすことができ、また、ジェネレータ４２で発電させるために必要なエンジン４１の駆動時間を減らして燃料タンク３２の燃料の消費量を減らすことができる。ゆえに、マルチコプタ１の航続可能距離を伸ばすことができるので、マルチコプタ１の飛行性能が向上する。

また、反トルクＡＴを利用して懸架部材２４を傾けることができるので、移動時の姿勢が安定する。そのため、特許文献１の発明のようにクランクシャフトやロータを２つずつ設けるなどして飛行時の姿勢を安定させる必要がない。すなわち、移動時の姿勢を安定させるための部品を追加する必要がない。したがって、マルチコプタ１を重量化することなく移動時の姿勢（飛行時の姿勢）を安定させることができる。

なお、エンジン４１が、反トルクＡＴの作用方向と、マルチコプタ１を移動させる方向のうちの必要性の高い方向と、が一致するように配置されていれば、効果的に飛行姿勢の応答性及び飛行性能を向上させることができる。例えば、長距離運搬等のようにマルチコプタ１を移動させる方向のうちの必要性の高い方向が前進方向である場合において、エンジン４１が、反トルクＡＴの作用方向と、マルチコプタ１を前進方向へ移動させるために懸架部材２４を傾ける方向（すなわち、マルチコプタ１の前進方向）と、が一致するように配置されていれば、効果的に飛行姿勢の応答性及び飛行性能を向上させることができる。

さらに、本実施形態では、懸架部材２４とエンジン４１との連結部分にマウントゴム部材５１が設けられているが、このマウントゴム部材５１は、反トルクＡＴの作用方向以外の方向に作用するエンジン４１の振動を制振するように機能する。すなわち、マウントゴム部材５１は、その制振方向に指向性を持たせた形状に形成されており、反トルクＡＴの作用方向の制振性が低くなるようにして配置されている。なお、マウントゴム部材５１は、本開示の「制振部」の一例である。

具体的には、マウントゴム部材５１は、図５に示すような形状に形成されている。図５に示すように、マウントゴム部材５１は、軸部８１と内側円筒部８２と外側円筒部８３とリブ８４などを備えている。軸部８１は、金属で形成されている。内側円筒部８２は、円筒形状に形成されており、軸部８１の周囲に設けられている。外側円筒部８３は、円筒形状に形成されており、内側円筒部８２の外側にて内側円筒部８２に対して間隔を空けて設けられている。リブ８４は、内側円筒部８２と外側円筒部８３との間において、内側円筒部８２と外側円筒部８３とに繋がるようにして設けられている。

そして、このような形状に形成されるマウントゴム部材５１において、図５に示すように、マウントゴム部材５１の周方向（外側円筒部８３の周方向）の制振力は大きい一方で、マウントゴム部材５１の軸方向（軸部８１の中心軸方向）の制振力は小さくなっている。すなわち、マウントゴム部材５１は、その軸方向以外の方向に作用するエンジン４１の振動を制振するように形成されている。

そして、マウントゴム部材５１は、図３に示すように、その軸部８１が懸架部材２４の下方に設けられた取付部９１に連結され（例えば、ねじ締結され）ており、マウントゴム部材５１の軸方向が反トルクＡＴの作用方向に一致するように配置されている。これにより、マウントゴム部材５１は、反トルクＡＴの作用方向以外の方向に作用するエンジン４１の振動を制振するように機能する。そのため、エンジン４１の振動は基本的にはマウントゴム部材５１により制振され懸架部材２４には伝わらないが、反トルクＡＴの作用方向の荷重だけは懸架部材２４に伝わるようになっている。

＜ホバリング時の制御について＞
反トルクＡＴは、懸架部材２４を傾けようと作用するため、マルチコプタ１がホバリングしているときにおいてホバリング時の姿勢を維持しようとする制御に対しては悪影響を及ぼすおそれがある。

そこで、本実施形態では、制御部３３は、マルチコプタ１がホバリングしているときに、反トルクＡＴの作用方向が風向き（風が吹く方向）に対向するようにマルチコプタ１の姿勢を制御する。これにより、風を利用して、反トルクＡＴが懸架部材２４を傾けようとする作用を抑制させる。詳しくは、制御部３３は、マルチコプタ１がホバリングしているときに、ＳＯＣが所定値Ａ以下である場合には、反トルクＡＴの作用方向が風向きと対向するようにマルチコプタ１の姿勢を制御した上で、エンジン４１の回転数を所定回転数ＲＳ以上にする制御を行う。なお、所定回転数ＲＳは、例えば、７５００ｒｐｍである。

具体的には、制御部３３は、図６に示すフローチャートに基づく制御を行う。図６に示すように、制御部３３は、エンジン４１の出力をＨｉｇｈモード（ハイモード）にする（ステップＳ１）。すなわち、ステップＳ１においては、制御部３３は、エンジン４１の回転数を所定回転数ＲＳ以上にして、エンジン４１の出力を高くする制御を行う。

次に、制御部３３は、マルチコプタ１がホバリングしていれば（ホバリング中であれば）（ステップＳ２：ＹＥＳ）、ＳＯＣが所定値Ａ（例えば、８０％）よりも大きいか否か（バッテリ３１の充電残量が所定量よりも多いか否か）を判断する（ステップＳ３）。

そして、制御部３３は、ＳＯＣが所定値Ａよりも大きい（バッテリ３１の充電残量が所定量よりも多い）場合には（ステップＳ３：ＹＥＳ）、エンジン４１の出力をＬｏｗモード（ローモード）に移行する（ステップＳ４）。すなわち、ステップＳ４においては、制御部３３は、エンジン４１の回転数を所定回転数ＲＳ未満にして、エンジン４１の出力を低くする制御を行う。

一方、ＳＯＣが所定値Ａ以下（バッテリ３１の充電残量が所定量以下）であれば（ステップＳ３：ＮＯ）、風向きを検出または推定し（ステップＳ５）、反トルクＡＴの作用方向が風向きと対向するようにマルチコプタ１の姿勢を制御する（ステップＳ６）。ここで、風向きは、ＧＰＳの位置情報や、モータ２２に印加される電圧の値などをもとにして検出または推定される。

＜移動している状態からホバリングする状態へ移行するときに行う制御について＞
マルチコプタ１が移動している状態からホバリングする状態へ移行するときにおいて、反トルクＡＴが原因でマルチコプタ１の姿勢の変化に要する時間が延びる可能性がある。すなわち、反トルクＡＴが懸架部材２４を傾けようと作用しているので、マルチコプタ１の姿勢が移動時の姿勢からホバリング時の姿勢（懸架部材２４を傾けずに平行にする姿勢）に変化し難くなり、素早くマルチコプタ１の姿勢を変化できないおそれがある。

そこで、本実施形態では、マルチコプタ１が移動している状態からホバリングする状態へ移行する直前に、エンジン４１の出力を低くして、反トルクＡＴを小さくする。詳しくは、制御部３３は、予兆判定部３７により移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へと移行する予兆が判定された場合に、エンジン４１の回転数を所定回転数ＲＳ未満にする制御を行う。そして、これにより、反トルクＡＴが懸架部材２４を傾けようとする作用を抑制して、マルチコプタ１の姿勢が移動時の姿勢からホバリング時の姿勢に変化し易くすることにより、素早くマルチコプタ１の姿勢を変化できるようにする。そのため、マルチコプタ１が移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へ変化する際の応答性の低下を抑制できる。

具体的には、制御部３３は、図７に示すフローチャートに基づく制御を行う。図７に示すように、制御部３３は、エンジン４１の出力をＨｉｇｈモードにし（ステップＳ１１）、目標地点まで残り距離が所定距離Ｂ以内であれば（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、予兆判定部３７により移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へと移行する予兆があると判定されるので、エンジン４１の出力をＬｏｗモードに移行する（ステップＳ１３）。なお、所定距離Ｂは、例えば、５０ｍである。

また、ステップＳ１３では、制御部３３は、反トルクＡＴの作用方向を逆にする制御（例えば、マルチコプタ１の前後方向の向きを逆にする制御）を行ってもよい。また、ステップＳ１３では、制御部３３は、エンジン４１の出力をＬｏｗモードに移行する制御とともに、反トルクＡＴの作用方向を逆にする制御を行ってもよい。

＜回転機構について＞
また、マルチコプタ１は、反トルクＡＴの作用方向と、マルチコプタ１を移動させるために懸架部材２４を傾ける方向と、が一致するように、エンジン４１（エンジン発電ユニット１２）と懸架部材２４とを相対回転させる回転機構１０１を有していてもよい。

このとき、図８と図９に示すように、懸架部材２４は、第１天板１１１と第２天板１１２を備えている。そして、回転機構１０１は、第１ギヤ１２１と第２ギヤ１２２とモータ１２３とニードルベアリング１２４を備えている。そして、第１ギヤ１２１に設けられたブラケット１２５に対して、マウントゴム部材１３１を介して、エンジン発電ユニット１２が設けられている。このような構成の回転機構１０１において、第１ギヤ１２１と噛み合う第２ギヤ１２２がモータ１２３により回転することにより、第１ギヤ１２１が回転する。そして、第１ギヤ１２１が回転することにより、第１ギヤ１２１に設けられたブラケット１２５が回転して、ブラケット１２５に対してマウントゴム部材１３１を介して設けられたエンジン発電ユニット１２（エンジン４１）が回転する。

これにより、マルチコプタ１が移動するときにおいてマルチコプタ１の移動方向に関わらず、すなわち、前進方向や後進方向や左右方向のいずれの方向についてマルチコプタ１が移動しても、エンジン４１を、反トルクＡＴの作用方向と、懸架部材２４を傾ける方向と、が一致するように配置させることができる。そのため、マルチコプタ１の移動方向に関わらず飛行姿勢の応答性や飛行性能が向上するので、マルチコプタ１の利便性が向上する。なお、懸架部材２４に対して相対回転させるエンジン４１（エンジン発電ユニット１２）の回転量は、モータ１２３の回転数により制御するか、あるいは、不図示のセンサを用いて制御する。

＜本実施形態の作用効果について＞
以上のように本実施形態のマルチコプタ１において、図４に示すように、エンジン４１は、反トルクＡＴの作用方向と、マルチコプタ１を移動させるために懸架部材２４を傾ける方向と、が一致するように配置されている。

このようにして、反トルクＡＴを利用して懸架部材２４を傾けることができるので、飛行姿勢の応答性や飛行性能が向上する。また、移動時の姿勢を安定させるための部品を追加する必要がないので、マルチコプタ１を重量化することなく移動時の姿勢を安定させることができる。

また、マルチコプタ１は、反トルクＡＴの作用方向と、マルチコプタ１を移動させるために懸架部材２４を傾ける方向と、が一致するように、エンジン４１と懸架部材２４とを相対回転させる回転機構１０１を有していてもよい。

これにより、さらに、マルチコプタ１の移動方向に関わらず飛行姿勢の応答性や飛行性能が向上するので、マルチコプタ１の利便性が向上する。また、反トルクＡＴの作用方向が限定されないため、目標とするマルチコプタ１の移動方向に懸架部材２４を傾ける制御を素早く実施することが可能になる。

また、マルチコプタ１は、懸架部材２４とエンジン４１との連結部分に設けられ、反トルクＡＴの作用方向以外の方向に作用するエンジン４１の振動を制振するマウントゴム部材５１を有する。

これにより、反トルクＡＴの作用方向以外の方向に作用するエンジン４１の振動が懸架部材２４に伝達することを抑制できる。そのため、マルチコプタ１の飛行時の姿勢を安定させることができる。

また、制御部３３は、マルチコプタ１をホバリングさせているときに、ＳＯＣが所定値以下である場合には、反トルクＡＴの作用方向が風向きと対向するようにマルチコプタ１の姿勢を制御した上で、エンジン４１の回転数を所定回転数ＲＳ以上にする制御を行う。

これにより、特にＳＯＣが低い場合に、マルチコプタ１の姿勢の安定化を図りつつ、バッテリ３１を充電させることができる。

また、制御部３３は、予兆判定部３７によりマルチコプタ１が移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へと移行する予兆が判定された場合に、エンジン４１の回転数を所定回転数ＲＳ未満にする制御、および、前記反トルクの作用方向を逆にする制御の少なくとも一方を行う。

これにより、マルチコプタ１が移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へ変化する際の応答性の低下を抑制できる。

また、図１に示すように、エンジン４１のピストン４１ｂは、クランクシャフト４１ａよりも懸架部材２４側に配置されている。

これにより、マルチコプタ１の重心位置を出来るだけ上方側にすることができるので、より効果的に、マルチコプタ１における飛行姿勢の応答性や飛行性能を向上させることができる。

また、図７のステップＳ１３の処理に関する変形例として、マルチコプタ１が回転機構１０１を有している場合において、制御部３３は、予兆判定部３７により移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へと移行する予兆が判定された場合に、回転機構１０１でエンジン４１と懸架部材２４とを相対回転させることにより、反トルクＡＴの作用方向を逆にする制御を行ってもよい。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態について説明するが、第１実施形態と同等の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に述べる。

本実施形態のマルチコプタ１は、図１０に示すように、４つの同一のエンジン４１を有する。この４つのエンジン４１は、第１エンジン４１－１と、第２エンジン４１－２と、第３エンジン４１－３と、第４エンジン４１－４により構成され、各々、機体１１に締結されている。

そして、４つのエンジン４１は、図１０に示すように、マルチコプタ１を上方から見たときに、外形が正方形に形成される懸架部材２４における角部（２４ａ－１，２４ａ－２，２４ａ－３，２４ａ－４）の位置にそれぞれ配置されるようにして、機体１１の中心１１ａに対して放射線上に等間隔で配置されている。具体的には、第１エンジン４１－１は第１角部２４ａ－１の位置に配置され、第２エンジン４１－２は第２角部２４ａ－２の位置に配置され、第３エンジン４１－３は第３角部２４ａ－３の位置に配置され、第４エンジン４１－４は第４角部２４ａ－４の位置に配置されている。

なお、４つのエンジン４１は、図１０に示す例では厳密にはその一部が角部（２４ａ－１，２４ａ－２，２４ａ－３，２４ａ－４）の位置に配置されているが、その全体が角部（２４ａ－１，２４ａ－２，２４ａ－３，２４ａ－４）の位置に配置されていてもよい。

また、４つのエンジン４１は、図１０に示すように、各エンジン４１の反トルク発生方向（すなわち、エンジン４１の駆動により生じる反トルクの作用方向）が機体１１の中心１１ａとは逆方向に外側に向くようにして、配置されている。

そして、このように４つのエンジン４１が配置される状況下で、制御部３３は、４つのエンジン４１の反トルク合力方向（すなわち、４つのエンジン４１の駆動により生じる反トルクの合力モーメントの作用方向、図１１参照）と、マルチコプタ１を移動させるために懸架部材２４を傾ける方向とが一致するように、４つのエンジン４１の回転数をそれぞれ制御する。なお、図１１に示す例では、制御部３３は、機体１１（すなわち、懸架部材２４）の第１エンジン４１－１側を紙面奥行方向に傾けるとする。

具体的な数値例として、例えば、図１２に示すように、各々の反トルク合力方向の角度θ（図１１参照）について各エンジン４１の出力が設定される。そして、制御部３３は、設定された各エンジン４１の出力が得られるように、各エンジン４１の回転数をそれぞれ制御する。

本実施形態において、上記ではマルチコプタ１が４つのエンジン４１を有する場合について説明したが、エンジン４１の数は４つに限定されず複数であればいくつでもよい。このとき、複数のエンジン４１は、マルチコプタ１を上方から見たときに、外形が正多角形に形成される懸架部材２４における角部の位置にそれぞれ配置されていればよい。また、本実施形態によれば、エンジン４１の搭載数が多いほど反トルク合力の調整分解能（例えば、反トルク合力方向の角度θを調整できる精度）が向上するので、大型の機体１１を有するマルチコプタ１（例えば、ドローン）で特に大きな効果が得られる。

なお、制御部３３は、図１２に示すように、ホバリング時（図中、「中立」と表記）においては、反トルクの影響を低減させるため、全てのエンジン４１の出力（すなわち、回転数）を同一に制御する。

＜本実施形態の作用効果について＞
以上のように本実施形態のマルチコプタ１において、制御部３３は、複数のエンジン４１の駆動により生じる反トルクの合力モーメントの作用方向と、マルチコプタ１を移動させるために懸架部材２４を傾ける方向とが一致するように、複数のエンジン４１の回転数をそれぞれ制御する。

このようにして、反トルクの合力モーメントの作用方向と、マルチコプタ１を移動させるために懸架部材２４を傾ける方向とが一致するので、飛行時の姿勢を安定させることができる。そして、反トルクの合力モーメントの作用方向を自在に制御できるので、懸架部材２４を傾ける方向が限定されない。

また、複数のエンジン４１は、マルチコプタ１を上方から見たときに、外形が正多角形に形成される懸架部材２４における角部（例えば、２４ａ－１，２４ａ－２，２４ａ－３，２４ａ－４）の位置にそれぞれ配置されている。

これにより、反トルクの合力モーメントの作用方向の制御が容易になる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本開示を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。

例えば、マルチコプタ１を上方から見たときに、懸架部材２４の外形が正多角形に形成されている必要はない。懸架部材２４の外形が正多角形以外の形であっても、複数のエンジン４１の配置バランスに応じて出力割合を決定することで反トルクの合力モーメントの作用方向を自在に制御することが可能である。

また、本開示のマルチコプタは、エタノール燃料やＬＰガス、天然ガスなどを燃料としたエンジンや、ディーゼルエンジンなどを搭載したマルチコプタ（ハイブリッドドローン）にも適用できる。

また、本開示のマルチコプタは、シリーズハイブリッドシステムが構成されているマルチコプタに限定されず、それ以外のハイブリッドシステムが構成されているマルチコプタや、エンジン動力で動作するドローンにも適用可能である。

１ マルチコプタ
１１ 機体
１２ エンジン発電ユニット
２１ プロペラ（ロータ）
２２ モータ
２３ 機体本体部
２４ 懸架部材
２４ａ－１ 第１角部
２４ａ－２ 第２角部
２４ａ－３ 第３角部
２４ａ－４ 第４角部
３１ バッテリ
３２ 燃料タンク
３３ 制御部
３７ 予兆判定部
４１ エンジン
４１－１ 第１エンジン
４１－２ 第２エンジン
４１－３ 第３エンジン
４１－４ 第４エンジン
４１ａ クランクシャフト
４１ｂ ピストン
４２ ジェネレータ（発電機）
５１ マウントゴム部材
１０１ 回転機構
ＡＴ 反トルク
ＣＡ クランクシャフトの中心軸
θ （反トルク合力方向の）角度

Claims (8)

1. 機体ベースと、前記機体ベースを空中に浮遊させる揚力を発生させる揚力発生ユニットと、前記機体ベースに設けられ前記揚力発生ユニットに供給する電力を発電するために駆動するエンジンと、を有するマルチコプタにおいて、
   前記機体ベースよりも下方に前記エンジンが設けられ、
   前記エンジンは、当該エンジンの駆動により生じる反トルクの作用方向と、前記マルチコプタを移動させるために前記機体ベースを傾ける方向と、が一致するように配置されること、
   を特徴とするマルチコプタ。
2. 機体ベースと、前記機体ベースを空中に浮遊させる揚力を発生させる揚力発生ユニットと、前記機体ベースに搭載され前記揚力発生ユニットに供給する電力を発電するために駆動するエンジンと、を有するマルチコプタにおいて、
   前記機体ベースよりも下方に前記エンジンが設けられ、
   前記エンジンの駆動により生じる反トルクの作用方向と、前記マルチコプタを移動させるために前記機体ベースを傾ける方向と、が一致するように、前記エンジンと前記機体ベースとを相対回転させる回転機構を有すること、
   を特徴とするマルチコプタ。
3. 請求項１または２のマルチコプタにおいて、
   前記電力を充放電可能なバッテリと、
   前記マルチコプタを制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記マルチコプタがホバリングしているときに、前記バッテリの充電残量が所定量以下である場合には、前記反トルクの作用方向が風向きと対向するように前記マルチコプタの姿勢を制御した上で、前記エンジンの回転数を所定回転数以上にする制御を行うこと、
   を特徴とするマルチコプタ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つのマルチコプタにおいて、
   前記マルチコプタが移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へと移行する予兆を判定する予兆判定部と、
   前記マルチコプタを制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記予兆判定部により前記予兆があると判定された場合に、前記エンジンの回転数を所定回転数未満にする制御、および、前記反トルクの作用方向を逆にする制御の少なくとも一方を行い、
   前記予兆判定部は、目的地点まで残り距離が所定距離以内であれば、前記予兆があると判定すること、
   を特徴とするマルチコプタ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つのマルチコプタにおいて、
   前記エンジンのクランクシャフトは、当該クランクシャフトの中心軸方向が、前記エンジンと前記機体ベースとの配列方向に対して直交するように配置され、
   前記エンジンのピストンは、前記クランクシャフトよりも前記機体ベース側に配置されていること、
   を特徴とするマルチコプタ。
6. 機体ベースと、前記機体ベースを空中に浮遊させる揚力を発生させる揚力発生ユニットと、前記機体ベースに設けられ前記揚力発生ユニットに供給する電力を発電するために駆動するエンジンと、を有するマルチコプタにおいて、
   前記マルチコプタを制御する制御部を有し、
   前記機体ベースよりも下方に前記エンジンが設けられ、
   前記制御部は、複数の前記エンジンの駆動により生じる反トルクの合力モーメントの作用方向と、前記マルチコプタを移動させるために前記機体ベースを傾ける方向とが一致するように、複数の前記エンジンの回転数をそれぞれ制御すること、
   を特徴とするマルチコプタ。
7. 請求項６のマルチコプタにおいて、
   複数の前記エンジンは、前記マルチコプタを上方から見たときに、外形が正多角形に形成される前記機体ベースにおける角部の位置にそれぞれ配置されていること、
   を特徴とするマルチコプタ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１つのマルチコプタにおいて、
   前記機体ベースと前記エンジンとの連結部分に設けられ、前記反トルクの作用方向以外の方向に作用する前記エンジンの振動を制振する制振部を有し、
   前記制振部の軸方向が、前記反トルクの作用方向であって、かつ、前記エンジンと前記機体ベースとの配列方向に対して直交する方向に、一致していること、
   を特徴とするマルチコプタ。

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