JP7466230B2 - 回転翼機およびその姿勢制御方法 - Google Patents

回転翼機およびその姿勢制御方法 Download PDF

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Description

本開示は、パラシュートを備える回転翼機と、該回転翼機の姿勢制御方法に関する。
近年、ドローン（Drone）や無人航空機（ＵＡＶ：Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの飛行体（以下、「飛行体」と総称する）を利用した産業の発展が著しく、空撮や宅配、検査等様々なサービスにおいて飛行体を用いた試みがなされており、各サービスが実用化や更なる発展に向けて取り組みを進めている。
飛行体、特に複数の回転翼を備えるマルチコプターと呼ばれる回転翼機の活用範囲の拡大に伴い、その安全性についても向上が急がれている。上空を飛行する際には落下事故等を想定する必要があり、特許文献１では、パラシュートを備えた飛行体が開示されている。（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１では、より短い時間で展開可能なパラシュートまたはパラグライダーの展開装置を備えた回転翼機を提供する（例えば、特許文献１参照）。
特開２０２０－５９３１５号公報
特許文献１においては、異常検出装置によって以上が検出された場合に、ガス圧を利用してパラシュートまたはパラグライダーを射出、展開することできる。これにより、上空で飛行体に障害が発生し落下する可能性がある場合に、落下速度を軽減し、機体および落下先の物件等の損傷や被害を軽減させることが出来る。
この特許文献１のようなパラシュート展開機構を備えた飛行体においては、正しくパラシュートを展開させるということが重要となる。
しかし、既存の飛行体が実際に落下する際には、パラシュート展開方向が必ず上方となるとは限らない。その場合、例えば、パラシュートが飛行体の一部に引っかかるなどして正常に展開できなかったり、パラシュートやそれをつなぐ紐がプロペラ等の鋭利な部品により切断され、機体とパラシュートが分離したりした場合に、そのパラシュートの効力が十分に発揮されない可能性がある。
そこで、本開示は、飛行中の機体に異常や障害が発生した場合に、パラシュートやキャノピー（以下、「パラシュート」と総称する）をより正常に展開できるよう、落下する機体を所定の姿勢にする手段を備えた回転翼機を提供することを一つの目的とする。
本開示によれば、複数の回転翼を備える回転翼機であって、
所定方向にパラシュートを放つパラシュート機構と
当該パラシュートを放つ際に機体を特定の姿勢にするための姿勢制御手段と
を備える、
回転翼機を提供することができる。
本開示によれば、落下する機体を所定の姿勢にし、より正常にパラシュートを展開させることを可能とする回転翼機を提供し得る。
本開示によるパラシュートを備える飛行体を側面から見た図である。 図１の飛行体がパラシュートを展開した時の図である。 一般待機な飛行体を上面から見た図である。 飛行体が正常にパラシュートの展開をすることが困難な姿勢となった場合の側面図である。 空力パーツを搭載した本開示によるパラシュートを備える飛行体を側面から見た図である。 図５の飛行体が落下時に姿勢を制御された時の図である。 機体と接続された物体を放出する機構を搭載した本開示によるパラシュートを備える飛行体を側面から見た図である。 図７の飛行体が機体と接続された物体を放出した時の図である。 図７の飛行体が落下時に姿勢を制御された時の図である。 機体と接続された物体を放出する機構を搭載した本開示によるパラシュートを備える飛行体を側面から見たその他の図である。 図１０の飛行体が機体と接続された物体を放出した時の図である。 本開示によるパラシュートを備える飛行体が機体を部分的に分解した時の図である。 図１２の飛行体が落下時に姿勢を制御された時の図である。 本開示によるパラシュートを備える飛行体が機体の一部を切り離して分離した時の図である。 図１４の飛行体が落下時に姿勢を制御された時の図である。 本開示によるパラシュートを備える飛行体が機体の一部を切り離して分離した時のその他の図である。 図１６の飛行体を上面から見た図である。 図１６の飛行体が落下時に姿勢を制御された時の図である。 機体の重心位置を変更する機構を搭載した本開示によるパラシュートを備える飛行体を側面から見た図である。 図１９の飛行体がバッテリーを移動させて機体の重心位置を移動した時の図である。 図１９の飛行体が落下時に姿勢を制御された時の図である。 図１の飛行体の機能ブロック図である。
本開示の実施形態の内容を列記して説明する。本開示の実施の形態によるパラシュートを備える回転翼機は、以下のような構成を備える。
［項目１］
複数の回転翼を備える回転翼機であって、
所定方向にパラシュートを放つパラシュート機構と
当該パラシュートを放つ際に機体を特定の姿勢にするための姿勢制御手段と
を備える、
回転翼機。
［項目２］
項目１に記載の回転翼機であって、
前記姿勢制御手段は、前記所定方向に関して前記機体の空気抵抗を制御することにより、前記機体を前記特定の姿勢にする、
回転翼機。
［項目３］
項目２に記載の回転翼機であって、
前記姿勢制御手段は、前記機体において空気抵抗の高い部分と、空気抵抗の低い部分を作り出すための空力調整部材である、
回転翼機。
［項目４］
項目２に記載の回転翼機であって、
前記姿勢制御手段は、前記機体と接続された物体を放出することにより、前記機体の前記空気抵抗を制御する
回転翼機。
［項目５］
項目１乃至項目４のいずれかに記載の回転翼機であって、
前記姿勢制御手段は、前記機体を部分的に分解することによって、前記機体の空気抵抗を制御する
回転翼機。
［項目６］
項目１乃至項目４のいずれかに記載の回転翼機であって、
前記姿勢制御手段は、前記機体の一部を切り離して分離することによって、前記機体の空気抵抗を制御する
回転翼機。
［項目７］
項目１乃至項目６のいずれかに記載の回転翼機であって、
前記所定方向に関して前記機体の重心位置を変更することによって、前記機体の空気抵抗を制御する
回転翼機。
［項目８］
パラシュート機構を備える複数の回転翼を備える回転翼機の姿勢制御方法であって、
少なくとも前記パラシュート機構によってパラシュートを放つ際に機体を特定の姿勢にする姿勢制御ステップと、
前記特定の姿勢の状態で所定方向にパラシュートを放つよう前記パラシュート機構を制御するパラシュート制御ステップと
を含む、
回転翼機の姿勢制御方法。
＜本開示による実施形態の詳細＞
以下、本開示の実施の形態によるパラシュートを備える回転翼機について、図面を参照しながら説明する。
図１に示されるように、本開示の実施の形態による飛行体１００は、複数の回転翼を備える回転翼機であり、所定方向にパラシュート１０を放つパラシュート機構と、パラシュート１０を放つ際に機体を特定の姿勢にするための姿勢制御手段を備えている。
飛行体１００は回転翼による飛行を行うために少なくともプロペラ１１０やモーター１１１等の要素を備えており、それらを動作させるためのエネルギー（例えば、二次電池や燃料電池、化石燃料等）を搭載していることが望ましい。
なお、図示されている飛行体１００は、本開示の構造の説明を容易にするため簡略化されて描かれており、例えば、制御部等の詳しい構成は図示していない。
飛行体１００および移動体２００は図の矢印Ｄの方向（－ＹＸ方向）を進行方向としている（詳しくは後述する）。
なお、以下の説明において、以下の定義に従って用語を使い分けることがある。前後方向：＋Ｙ方向及び－Ｙ方向、上下方向（または鉛直方向）：＋Ｚ方向及びＺ方向、左右方向（または水平方向）：＋Ｘ方向及び－Ｘ方向、進行方向（前方）：－Ｙ方向、後退方向（後方）：＋Ｙ方向、上昇方向（上方）：＋Ｚ方向下降方向（下方）：－Ｚ方向
プロペラ１１０ａ、１１０ｂは、モーター１１１からの出力を受けて回転する。プロペラ１１０ａ、１１０ｂが回転することによって、飛行体１００を出発地から離陸させ、移動させ、目的地に着陸させるための推進力が発生する。なお、プロペラ１１０ａ、１１０ｂは、右方向への回転、停止及び左方向への回転が可能である。
図１に示されるように、飛行体１００はパラシュート１０を備えており、パラシュート１０を放つパラシュート機構に用いられる展開手段には火薬、ばね、気体などが用いられる。
パラシュート１０の本体や展開方法については、多様な手段が周知されているが、例えば２５キログラム程度の、軽飛行機等と比較して小型且つ軽量の飛行体が備える場合には、パラシュート１０の本体ならびにその展開手段は軽量であることが望ましい。図２はパラシュート１０の展開の一例である。パラシュート１０が放出されると、キャノピー１１が図示するように展開される。
本開示の実施における飛行体は、パラシュート１０の展開が必要となる場合や、パラシュート１０を展開する指示がある場合に、パラシュート１０の展開前に所定の姿勢となる。
飛行体は、パラシュート１０の展開動作を行うかの判断に使用可能な情報を入手することのできるセンサ類を搭載しており、機体の傾きや速度、各構成部品の異常を検知することで、パラシュート１０の展開を行う。
パラシュート１０の展開が必要な際、飛行体１００は、落下の可能性があるまたは既に落下を始めようとしている。このとき、本開示の実施による、機体を特定の姿勢とする手段を備えることにより、飛行体は、パラシュート１０の展開の前に所定の姿勢となる。機体を特定の姿勢とする手段は、追加の動作なく、予め機体に設けられた状態のまま効果を発揮するものと、パラシュート１０の展開が必要となった場合に動作し、効果を発揮するものとがある。
本開示の飛行体１００が備えるプロペラ１１０は、１以上の羽根を有している。羽根（回転子）の数は、任意（例えば、１、２、３、４、またはそれ以上の羽根）でよい。また、羽根の形状は、平らな形状、曲がった形状、よじれた形状、テーパ形状、またはそれらの組み合わせ等の任意の形状が可能である。なお、羽根の形状は変化可能である（例えば、伸縮、折りたたみ、折り曲げ等）。羽根は対称的（同一の上部及び下部表面を有する）または非対称的（異なる形状の上部及び下部表面を有する）であってもよい。羽根はエアホイル、ウイング、または羽根が空中を移動される時に動的空気力（例えば、揚力、推力）を生成するために好適な幾何学形状に形成可能である。羽根の幾何学形状は、揚力及び推力を増加させ、抗力を削減する等の、羽根の動的空気特性を最適化するために適宜選択可能である。
また、本開示の飛行体が備えるプロペラは、固定ピッチ、可変ピッチ、また固定ピッチと可変ピッチの混合などが考えられるが、これに限らない。
モーター１１１は、プロペラ１１０の回転を生じさせるものであり、例えば、駆動ユニットは、電気モーター又はエンジン等を含むことが可能である。羽根は、モーターによって駆動可能であり、モーターの回転軸（例えば、モータの長軸）の周りに回転する。
羽根は、すべて同一方向に回転可能であるし、独立して回転することも可能である。羽根のいくつかは一方の方向に回転し、他の羽根は他方方向に回転する。羽根は、同一回転数ですべて回転することも可能であり、夫々異なる回転数で回転することも可能である。回転数は移動体の寸法（例えば、大きさ、重さ）や制御状態（速さ、移動方向等）に基づいて自動又は手動により定めることができる。
飛行体１００は、風速と風向に応じて、各モーターの回転数や、飛行角度を決定する。これにより、飛行体は上昇・下降したり、加速・減速したり、方向転換したりといった移動を行うことができる。
飛行体１００が機体を特定の姿勢にするための手段として、空気抵抗を制御する方法がある。物体が落下する際には、より軽く、より空気抵抗が大きいほど下降速度を下げることが可能である。反対に、より重く、より空気対向が少なければ下降速度は上昇する。
回転翼機においては、その飛行方法や機動性の向上のため機体を上面から見た場合の形状が図３に示されるような左右対称及び上下対称に近い構成をしている場合が多く、また、機体の重心が機体の一端に偏ることは少ない。そのため、機体の下降速度に部位ごとの大きな差は生まれ難く、機体の落下姿勢は予測が困難である。
図４に示されるように、パラシュート１０を正常に展開することが困難な姿勢で落下した場合には、パラシュート１０が十分な効果を発揮できない。
パラシュート１０が正常に展開可能な姿勢を保ったまま機体を落下させるためには、機体の少なくとも一部分の降下速度を下げる、若しくは、機体の少なくとも一部分の降下速度を上げることにより姿勢を制御する必要がある。
以下に、空気抵抗を制御し、機体を特定の姿勢にするための手段についての実施例を４つ示す。
＜実施例１＞
図５乃至図６に示されるように、飛行体１００が備える姿勢制御手段は、機体において空気抵抗の高い部分と、空気抵抗の低い部分を作り出すために空力調整部材２０（所謂エアロパーツ等）を備えていてもよい。
空力調整部材２０は、例えば平時は尾翼として機能し、前進時の飛行安定性を向上させたり、機体の進行方向を調節したりといった役割を兼ねる。また、空力調整部材２０は、機体の落下時には空力調整部材２０が設けられている側の空気抵抗を大きくし、姿勢を制御するものであってもよい。
＜実施例２＞
図７乃至図９に示されるように、飛行体１００が備える姿勢制御手段は、飛行体と接続された物体（放出用パーツ２３）を放出することによって機体の空気抵抗を制御してもよい。
降下速度を遅らせたい部分から、空気抵抗となり得る物体を放出することで、該当部分が上方となる姿勢で落下する。空気抵抗とする物体は、重量や効果の観点から軽量であることが望ましい。例えば、紐や、凧の尻尾のような長細い形状の紙、ビニール、樹脂成型品などが挙げられる。
長く、折りたたんだり巻いたりできる物体を用いる場合には、図７のようにアームやフレーム内に収納しておくことが可能である。
また、図１０乃至図１１に示されるように、飛行体１００の本体とワイヤー等で接続されているカバー２１等を放出する事でも同様の効果を得られる。周知されている回転翼機のカバー２１は、半球などのドーム型等、機体の制御部分や搭載物を覆う形状である場合が多く、また、防滴等の観点から樹脂製などの通気性が低い素材が用いられやすい。このような形状および材質を持つカバー２１である場合、落下の際の空気抵抗として高い効果が期待できる。
＜実施例３＞
図１２に示されるように、飛行体１００が備える姿勢制御手段は、飛行体の構成部品を少なくとも部分的に分解することによって、空気抵抗を制御してもよい。
一部のプロペラ１１０の羽根を分解した場合、プロペラ１１０の面積若しくはプロペラ１１０の回転面の面積が失われ、その分の空気抵抗が減る。分解しないプロペラ１１０を備えている側と空気抵抗に差が生まれ、図１３に示すように飛行体１００の姿勢が変化する。
構成部品を分解することは、例えば、パラシュート１０の展開のトリガーにより開始し、複数のプロペラ１１０の羽根を固定する部材を外すことで分解することを含んでよい。ほか、構成部品を分解することは、飛行体の用途や使用場所によっては、火薬等を利用した衝撃により破壊または分解することを含んでもよい。
＜実施例４＞
図１４乃至図１８に示されるように、飛行体１００が備える姿勢制御手段は、飛行体の構成部品および積載物の少なくとも一部を切り離して分離することによって、空気抵抗を制御してもよい。
図１４乃至図１５においては、飛行体１００のアーム１２０の一部を切り離すことにより該当部分の空気抵抗が減少し得る。
このように比較的大きい構成部品を切り離す場合には、重心の変化を考慮に入れる必要がある。空気抵抗の減少量と、切り離すことによる重心の移動量を調整することで、構造部品を切り離した部分の落下速度を増加させ、反対側の落下速度を低下させることができる。また、その反対に、切り離した部分の落下速度を低下させ、反対側の落下速度を増加させることも可能となる。
図１６乃至図１８のように、空気抵抗の減少を上回る重心の移動を行った場合は、構造部品を切り離した側とは反対側が早く落下する。
図１９乃至図２１に示されるように、飛行体１００は、飛行体の重心位置を変更することによって、飛行体１００の姿勢を制御してもよい。
例えば、バッテリー２２や搭載物等の移動によって、機体の重心を片寄らせ、飛行体の落下姿勢を制御することができる。この制御方法は、元々機体が搭載する物体を利用し、物体の移動機構を追加することで実装可能である。したがって、姿勢制御手段の搭載による重量増加を最小限に抑えられる場合がある。
機体が搭載する物体の移動として、例えば、レールを利用してスライドさせるなどの方法がある。具体的には、バッテリー２２や、荷物等の搭載物をレール上に固定しておき、重心の移動を行う際に固定を解除して所定の位置までスライドさせたり、機体の動作とは別系統の手段を用いて移動させたりすることで、飛行体１００の機体の重心を所定の位置に変更させ、落下姿勢を制御することができる。
さらに、上述した４つの実施例を適宜互いに組み合わせることにより、姿勢制御の効果を高めることが可能である。
例えば、前記＜実施例１＞の空力調整部材２０内に、予め＜実施例２＞の放出用パーツ２３を備えた場合には、空力調整部材２０の空気抵抗による姿勢制御に上乗せして、放出された紐等の効果が期待できる。
上述した飛行体は、図２２に示される機能ブロックを有している。なお、図２２の機能ブロックは最低限の参考構成である。フライトコントローラは、所謂処理ユニットである。処理ユニットは、プログラマブルプロセッサ（例えば、中央処理ユニット（ＣＰＵ））などの１つ以上のプロセッサを有することができる。処理ユニットは、図示しないメモリを有しており、当該メモリにアクセス可能である。メモリは、１つ以上のステップを行うために処理ユニットが実行可能であるロジック、コード、および／またはプログラム命令を記憶している。メモリは、例えば、ＳＤカードやランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの分離可能な媒体または外部の記憶装置を含んでいてもよい。カメラやセンサ類から取得したデータは、メモリに直接に伝達されかつ記憶されてもよい。例えば、カメラ等で撮影した静止画・動画データが内蔵メモリ又は外部メモリに記録される。
処理ユニットは、回転翼機の状態を制御するように構成された制御モジュールを含んでいる。例えば、制御モジュールは、６自由度（並進運動ｘ、ｙ及びｚ、並びに回転運動θｘ、θｙ及びθｚ）を有する回転翼機の空間的配置、速度、および／または加速度を調整するために回転翼機の推進機構（モータ等）を制御する。制御モジュールは、搭載部、センサ類の状態のうちの１つ以上を制御することができる。
処理ユニットは、１つ以上の外部のデバイス（例えば、端末、表示装置、または他の遠隔の制御器）からのデータを送信および／または受け取るように構成された送受信部と通信可能である。送受信機は、有線通信または無線通信などの任意の適当な通信手段を使用することができる。例えば、送受信部は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、赤外線、無線、ＷｉＦｉ、ポイントツーポイント（Ｐ２Ｐ）ネットワーク、電気通信ネットワーク、クラウド通信などのうちの１つ以上を利用することができる。送受信部は、センサ類で取得したデータ、処理ユニットが生成した処理結果、所定の制御データ、端末または遠隔の制御器からのユーザコマンドなどのうちの１つ以上を送信および／または受け取ることができる。
本実施の形態によるセンサ類は、慣性センサ（加速度センサ、ジャイロセンサ）、ＧＰＳセンサ、近接センサ（例えば、ライダー）、またはビジョン／イメージセンサ（例えば、カメラ）を含み得る。
上述した実施の形態は、本開示の理解を容易にするための例示に過ぎず、本開示を限定して解釈するためのものではない。本開示は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良することができると共に、本開示にはその均等物が含まれることは言うまでもない。
１０ パラシュート
１１ キャノピー
２０ 空力調整部材
２１ カバー
２２ バッテリー
２３ 放出用パーツ
１００ 飛行体（回転翼機）
１１０ プロペラ
１１１ モーター
１２０ａ～１２０ｆ アーム

Claims (6)

  1. 複数の回転翼を備える回転翼機であって、
    所定方向にパラシュートを放つパラシュート機構と
    当該パラシュートを放つ際に機体を特定の姿勢にするための姿勢制御手段と
    を備え、
    前記姿勢制御手段は、前記機体を部分的に分解することによって、前記機体の空気抵抗を制御する、
    回転翼機。
  2. 複数の回転翼を備える回転翼機であって、
    所定方向にパラシュートを放つパラシュート機構と
    当該パラシュートを放つ際に機体を特定の姿勢にするための姿勢制御手段と
    を備え、
    前記姿勢制御手段は、前記機体の一部を切り離して分離することによって、前記機体の空気抵抗を制御する、
    回転翼機。
  3. パラシュート機構を備える複数の回転翼を備える回転翼機の姿勢制御方法であって、
    少なくとも前記パラシュート機構によってパラシュートを放つ際に機体を特定の姿勢にする姿勢制御ステップと、
    前記特定の姿勢の状態で所定方向にパラシュートを放つよう前記パラシュート機構を制御するパラシュート制御ステップと
    を含み、
    前記姿勢制御ステップは、前記機体を部分的に分解することによって、前記機体の空気抵抗を制御することを含む、
    回転翼機の姿勢制御方法。
  4. パラシュート機構を備える複数の回転翼を備える回転翼機の姿勢制御方法であって、
    少なくとも前記パラシュート機構によってパラシュートを放つ際に機体を特定の姿勢にする姿勢制御ステップと、
    前記特定の姿勢の状態で所定方向にパラシュートを放つよう前記パラシュート機構を制御するパラシュート制御ステップと
    を含み、
    前記姿勢制御ステップは、前記機体の一部を切り離して分離することによって、前記機体の空気抵抗を制御することを含む、
    回転翼機の姿勢制御方法。
  5. パラシュート機構を備える複数の回転翼を備える回転翼機の姿勢制御方法を実行させるプログラムであって、
    前記姿勢制御方法は、
    少なくとも前記パラシュート機構によってパラシュートを放つ際に機体を特定の姿勢にする姿勢制御ステップと、
    前記特定の姿勢の状態で所定方向にパラシュートを放つよう前記パラシュート機構を制御するパラシュート制御ステップと
    を含み、
    前記姿勢制御ステップは、前記機体を部分的に分解することによって、前記機体の空気抵抗を制御することを含む、
    プログラム。
  6. パラシュート機構を備える複数の回転翼を備える回転翼機の姿勢制御方法を実行させるプログラムであって、
    前記姿勢制御方法は、
    少なくとも前記パラシュート機構によってパラシュートを放つ際に機体を特定の姿勢にする姿勢制御ステップと、
    前記特定の姿勢の状態で所定方向にパラシュートを放つよう前記パラシュート機構を制御するパラシュート制御ステップと
    を含み、
    前記姿勢制御ステップは、前記機体の一部を切り離して分離することによって、前記機体の空気抵抗を制御することを含む、
    プログラム。
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