JP7742657B2 - 飛行体、着陸方法、プログラム - Google Patents

Description

本発明は、飛行体、着陸方法、プログラムに関する。

近年、無人および有人ドローン（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）を用いたサービスの実用化に向けた研究や実証実験が進められている。一般的にマルチコプターと呼ばれる複数の回転翼を備える飛行体（以下、マルチコプターと総称する）は、固定翼を持たないため、常時回転翼により揚力を生む必要があり、燃費の向上が望まれる。

このような状況を鑑みて、例えば特許文献１においては、垂直離着陸と燃費の向上を両立させるため、マルチコプター機構と固定翼を組み合わせることで、垂直離着陸やホバリングを行う際にはマルチコプター機構の回転翼を用い、水平飛行を行う際には主翼の生み出す揚力を用いる。このように、垂直離着陸と燃費の向上を両立させることを目的としたＶＴＯＬ機体（以下、従来機体と総称する）が開発されている。

米国特許第１０１３１４２６号公報

しかしながら、図１８－図２０に例示されるような従来機体は、水平飛行時に主翼２０が最適な迎角となるように設計されているため、図２０のように、着陸時の姿勢において主翼２０が揚力を生む場合がある。

このように、着陸時に向かい風の成分を含む風が吹いている環境において主翼２０が揚力を発生させる迎角を有する構成の場合、飛行体の姿勢が不安定になったり、着陸が困難となったりする。風の強さによっては、着陸姿勢となることによって、主翼２０が風により揚力を発生させてしまうため、飛行体が意図せず上方に浮き上がる可能性もあり、着陸のための下降動作に支障をきたす懸念がある。また、主翼を備える飛行体は、一般的に、ヨー方向の安定性を向上させるための垂直尾翼を備えている。垂直尾翼により風見安定効果を得る飛行体は気流に正対しようとし、主翼２０はより揚力を生みやすくなる。

そこで、本発明は、マルチコプター機構と主翼を組み合わせて、垂直離着陸と燃費の向上を両立させた上で、着陸性能の向上を実現可能な飛行体を提供することを一つの目的とする。

本発明によれば、少なくとも揚力を発生させる複数の回転翼部と、推力駆動装置と、固定翼と、を備える飛行体であって、前記推力駆動装置は、着陸時に、水平飛行時と逆方向に推力を発生させる飛行体等を提供することができる。

本発明によれば、垂直離着陸の実現と燃費の向上を両立させた飛行体の、着陸性能向上が可能な着陸方法を提供することができる。

巡航モード時における本発明による飛行体を側面から見た概念図である。 図１の飛行体の上面図である。 図１の飛行体の正面図である。 本発明による飛行体の機能ブロック図である。 図１の飛行体の着陸モード時の側面図である。 図１の飛行体の着陸モード時の側面図である。 図６の飛行体が機首方向から風を受けたときの図である。 図１の飛行体の着陸時の側面図である。 図８の飛行体の着陸モード時の側面図である。 本発明によるその他の飛行体の上面図である。 本発明によるその他の飛行体の上面図である。 本発明によるその他の飛行体の上面図である。 本発明によるその他の飛行体の上面図である。 本発明によるその他の飛行体の上面図である。 本発明による飛行体の推力駆動装置接続角度の例を示す側面図である。 本発明による飛行体の推力駆動装置接続角度の例を示す側面図である。 図１の飛行体の緊急墜落モード時の側面図である。 従来機体の上面図である。 図１８の飛行体が巡航している時の側面図である。 図１８の飛行体が機首方向から風を受けたときの図である

本発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明の実施の形態による飛行体、着陸方法、プログラムは、以下のような構成を備える。
［項目１］
少なくとも揚力を発生させる複数の回転翼部と、推力駆動装置と、固定翼と、を備える飛行体において、
前記推力駆動装置は、着陸時に、水平飛行時と逆側に推力を発生させる、
ことを特徴とする飛行体。
［項目２］
前記推力駆動装置は、プロペラを備えており、
前記プロペラは、着陸時に、水平飛行時と逆回転させる、
ことを特徴とする項目１に記載の飛行体。
［項目３］
前記推力駆動装置は、緊急墜落時には、着陸時よりも逆側への推力を大きく発生させる、
ことを特徴とする項目１または２のいずれかに記載の飛行体。
［項目４］
少なくとも揚力を発生させる複数の回転翼部と、推力駆動装置と、固定翼と、を備える飛行体の着陸方法であって、
前記推力駆動装置は、着陸時に、水平飛行時と逆側に推力を発生させる、
ことを特徴とする飛行体の着陸方法。
［項目５］
少なくとも揚力を発生させる複数の回転翼部と、推力駆動装置と、固定翼と、を備える飛行体の着陸方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記推力駆動装置は、着陸時に、水平飛行時と逆側に推力を発生させる、
ことを特徴とするプログラム。

＜本発明による実施形態の詳細＞
以下、本発明の実施の形態による飛行体等について、図面を参照しながら説明する。添付図面において、同一または類似の要素には同一または類似の参照符号及び名称が付され、各実施形態の説明において同一または類似の要素に関する重複する説明は省略することがある。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。

＜第１の実施の形態の詳細＞

図１－図３に示されるように、本発明の実施の形態による飛行体１００は垂直離着陸が可能な飛行体（ＶＴＯＬ）である。飛行体１００は、飛行を行うために少なくともプロペラ１０やモータ１１等の要素からなる揚力発生部（少なくとも揚力を発生させる回転翼部１２及び推力駆動装置１３を含む）と、主翼２０を備えている。主翼２０は、回転翼部と直接または間接的に接続されている。また、飛行体１００は、着陸時に地面と接触する着陸脚３０を有している。なお、図示されている飛行体１００は、本発明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や内部構造、機体本体については、記載を省略している。

飛行体１００は、少なくとも１つの推力駆動装置となる回転翼部（以下、推力駆動装置１３と総称する）と、少なくとも２つの回転翼部１２を備えている（図１－３においては４つの場合を例示している）。推力駆動装置１３は、水平方向に推力を生成するように構成されている。回転翼部１２ａ－１２ｄは、飛行体１００に垂直に作用する揚力を生成されるように構成されており、特に揚力発生用（リフティング用）として構成されていてもよい。

飛行体１００を推進させる推力駆動装置１３は、巡航時に水平方向に推力を生成することができればよい。例えば、垂直離陸時には、回転翼部１２と共に揚力を発生させるために用いることができるよう、回転軸を水平方向から垂直方向へとティルト可能に構成されていてもよい。

主翼２０や推力駆動装置１３は、作用する力の向きが所定の方向に設定されている。そのため、飛行体１００は指向性を持つ。特に、尾翼２３などの安定性を付与する目的の翼を備える場合には、風見安定効果により飛行体の機首が風上を向きやすいという特性を備える。尾翼２３の形状の例として、独立した垂直尾翼や水平尾翼の他、Ｔ字尾翼、双尾翼、Ｖ字翼などが挙げられるが、これに限らない。

飛行体１００は、少なくとも揚力を発生させる回転翼部１２および推力駆動装置１３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。また、飛行体が搭載するエネルギーの種類は使用目的により異なるものとしてもよく、例えば、回転翼の動作に用いるエネルギーと、コンピュータやセンサ類の動作に用いるエネルギーが異なっていてもよい。

主翼２０は、飛行体１００の飛行の補助となる揚力を発生させることが可能である。また、主翼２０は、必要に応じて動翼２５を備えていてもよい。

着陸脚３０は、地面と接触する接地部を備えており、また、着陸時や飛行体を置く際の衝撃緩和を行うダンパー等を備えていてもよい。

飛行体１００は、図の矢印Ｄの方向(－Ｙ方向)を前進方向としている(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１０は、モータ１１からの出力を受けて回転する。プロペラ１０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１０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。

本発明の飛行体１００が備えるプロペラ１０は、１以上の羽根を有している。任意の羽根（回転子）の数（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、本発明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１１は、プロペラ１０の回転を生じさせるものであり、例えば、駆動ユニットは、電気モータ又はエンジン等を含むことが可能である。羽根は、モータによって駆動可能であり、モータの回転軸（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、フライトコントローラやプロポ等により、風速と風向に応じて、各モータの回転数や、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は、事前または飛行中に設定されるルートやルールに準じた自律的な飛行や、プロポを用いた操縦による飛行を行うことができる。

上述した飛行体１００は、図４に示される機能ブロックを有している。なお、図４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θ_ｘ、θ_ｙ及びθ_ｚ）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。

図１に例示されるように、本発明における飛行体１００は、巡航モード時に、推力駆動装置１３が生む推進力だけでなく、主翼２０が生む揚力をあわせて利用することにより、巡航時の燃費の向上が期待できる。

ここで、従来機体について再度説明する。従来機体の構成においては、図１９及び図２０に示されるように、巡航モードにおける主翼２０の姿勢と、着陸モードにおける主翼２０の姿勢を比較したとき、主翼２０の迎角に変化がない構成となっている。

主翼２０の生む揚力は、迎角がプラスの方向に傾いていくとき、失速迎角を迎えるまで増加する。また、迎角がマイナスの方向に傾いていくとき、多くの翼は迎角が０度でもプラスの揚力を生むことが可能であり、さらに翼型によってはマイナスの迎角となっても、迎角が０度以上の場合に比して生まれる揚力は小さいものの、所定の角度まではプラスの揚力を生む場合もある。そのため、従来機体のように、着陸モード時の主翼２０が巡航モードと同様の揚力を生みやすい角度となっている飛行体の構成では、着陸に時間を要したり、着陸が困難となったり、強風下においては機体が浮き上がってしまう等の可能性がある。特に、宅配事業等の効率を重視した運用が望まれるケースにおいては、着陸にかかる時間の増加や、着陸が不可能となるケースの頻発は、運用の妨げとなる可能性がある。

特に、尾翼２３を備える飛行体においては、ホバリング等を行っている際に、制御を行わずとも機首が風上を向きやすい特性を備えるため、より主翼２０が揚力を生み出しやすくなる。

空気の流れがなければ主翼２０は揚力を生まないため、無風下や微風下であれば主翼２０の生む揚力が着陸に影響を及ぼす可能性は低いが、実際の飛行体着陸時の環境において常に無風や微風とすることは困難である。

本発明による飛行体１００においては、屋外等の風の影響を受ける環境においても安定した着陸を行い、また、従来機体では着陸が困難な強風下において着陸を可能にするため、着陸モード時に主翼２０が生む揚力は、水平飛行時に主翼２０が生む揚力に比較して少なくなるように設けられている。

図１及び図３に例示されるとおり、第１の実施の形態では、垂直着陸（以下、着陸モードと総称する）時に主翼２０が生む揚力を、巡航モード時（水平飛行時）に主翼２０が生む揚力に比較して減少させるための着陸制御を行う。

前進またはホバリングを行っていた飛行体が着陸モードに切り替わると、以下（１）－（６）に例示する手順を含む制御及び動作により、飛行体１００の着陸を行う。
（１）推力駆動装置１３が備えるモータ１１の回転方向を逆転させる。
（２）回転翼部１２ａ－１２ｄの回転速度を低下させ、垂直降下を行う。
（３）推力駆動装置１３が備えるモータ１１と、それに接続するプロペラ１０が逆回転することで、巡行モード時とは逆側に推力が発生し、飛行体１００は後方に引かれる。
（４）飛行体１００は、後ろに引かれる力に逆らって所定の位置（例えば、着陸地点上空）に留まるために、回転翼部１２ａ－１２ｄを制御して前傾姿勢となる。これにより、主翼２０の迎角２１はマイナスとなる。
（５）飛行体１００が備える主翼２０の迎角２１は、巡航モード時よりも、着陸モード時にマイナス方向に傾き、生成する揚力が低下する。
（６）飛行体１００が着陸面１１０に着陸する。

上述した、飛行体１００の垂直降下を行う制御方法については、特に限定されず、公知の制御方法を採用することが可能であるが、上空の飛行体が損傷なく着陸を行うことができる制御方法であることが望ましい。

図５－図８に示されるように、着陸モード時に、推力駆動装置１３が備えるプロペラ１０を逆回転させる制御を行うことで、主翼２０の迎角がマイナス方向となるように機体を制御し、着陸を妨げる上方への揚力発生を軽減する。これにより、飛行体１００は、着陸にかかる時間を短縮したり、着陸可能な風速の上限を向上させたりすることが可能となる。

上記の構成において、着陸モード時の主翼の角度は、推力駆動装置１３の出力により決定される。推力駆動装置１３の出力は、回転翼部１２ａ－１２ｄの回転軸角度と主翼２０との関係や、着陸時の風向や風速などのデータを元に、主翼２０好適な角度となるように計算処理を行って制御されてもよい。

図９－図１４に示されるように、飛行体１００が備える推力駆動装置１３は、飛行体の用途や特性により、設けられる位置が決定される。接続位置は、飛行体の中心と一致する位置、もしくは、中心から上方、下方、前方、後方、右方、左方にいずれか１以上の方向にオフセットした位置などが想定される。

また、図１５及び図１６に示されるように、推力駆動装置１３のスラスト方向についても、ピッチ軸対してヨーが水平方向、水平方向より上、水平方向より下、ヨー軸に対して中央、右、左等の軸方向が決定される。

また、回転翼部１２及び推力駆動装置１３を複数備える飛行体においては、夫々の回転翼部の接続位置やスラスト方向が一致していてもよいし、一致していなくてもよい。

＜第２の実施の形態の詳細＞
本発明による第２の実施の形態の詳細において、第１の実施の形態と重複する構成要素は同様の動作を行うので、再度の説明は省略する。

推力駆動装置となる推力駆動装置１３の回転を反転させることにより、巡行時とは逆側に推力を発生させ、主翼２０をマイナスの迎角に変位させる制御は、平時の飛行体着陸時に着陸性能を向上させる他に、飛行体１００の障害時等に墜落範囲を限定させたり、緊急着陸をさせたりすることを可能にする。

揚力を発生し得る主翼２０を備えるＶＴＯＬ機体においては、主翼の生みだす揚力を利用することで燃費が向上する利点がある一方、飛行体に障害が起きた時などに、回転翼の回転を止めても滑空して前進し続けるため、墜落場所を限定することが困難になり得る。

図１７に示されるように、緊急墜落モードにおいては、飛行中の主翼２０の迎角２１を、強いマイナスの迎角とし、積極的に失速させることで、急速に飛行体１００の高度を下げ、強制的に墜落させる。例えば、飛行体１００に異常が起こった地点が緊急墜落地点として好適な場所（人家の無いエリアや、水上等）であった場合には、人家の上や、機体の落下による被害が甚大となる場所まで機体が移動する前に、より迅速にその場に墜落させることが重要である。

反対に、機体に異常が起こった地点では墜落させることが難しい場合には、主翼２０による滑空によりその場から離れ、落下に好適な地点の上空にて緊急墜落モードへ切り替えることで、機体の落下による被害を防ぐことが可能である。また、飛行体１０の落下時には、パラシュート等の落下速度を低下させる手段をさらに用いることで、更に落下地点への影響を減少させることも可能である。

また、緊急着陸モード時における、主翼２０のマイナス方向の迎角もしくはプラス方向の迎角を、失速角を越える角度まで大きくすると、失速に入らせるとともに、主翼２０の抗力の増加による飛行速度の低下も期待できる。

例えば、主翼２０の迎角が－１０度で失速となる翼型を用いている場合には、（巡航モード時の主翼の迎角は＋５度、墜落モード時は０度、）緊急墜落モードにおいては－２０度程度とすることで、緊急墜落モードでの迅速な失速及び墜落、落下が可能である。

上記、各実施の形態における飛行体１００の構成は、複数を組み合わせて実施することが可能である。飛行体の製造におけるコストや、飛行体が運用される場所の環境や特性に合わせて、適宜構成を検討することが望ましい。

上述した実施の形態は、本発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、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、本発明にはその均等物が含まれることは言うまでもない。

１０（１０ａ－１０ｄ） プロペラ
１１（１１ａ－１１ｄ） モータ
１２（１２ａ－１２ｅ） 回転翼部
１３（１３ａ－１３ｂ） 推力駆動装置
２０ 主翼
２１ 主翼の迎角
２３ 尾翼
２５ 動翼
３０ 着陸脚
４０ プロペラ回転軸
５０ 搭載物
６０ 本体部
１００ 飛行体
１１０ 着陸面

Claims (2)

1. 少なくとも揚力を発生させる複数の回転翼部と、推力駆動装置と、固定翼と、を備える飛行体の着陸方法であって、
   前記推力駆動装置は、プロペラを備えており、
   前記推力駆動装置は、垂直降下時に、前記プロペラを水平飛行時と逆回転させて、前記固定翼を前傾させる、
   ことを特徴とする飛行体の着陸方法。
2. 少なくとも揚力を発生させる複数の回転翼部と、推力駆動装置と、固定翼と、を備える飛行体の着陸方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、
   前記推力駆動装置は、プロペラを備えており、
   前記推力駆動装置は、垂直降下時に、前記プロペラを水平飛行時と逆回転させて、前記固定翼を前傾させる、
   ことを特徴とするプログラム。