JPH0324384B2 - - Google Patents

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JPH0324384B2
JPH0324384B2 JP59175671A JP17567184A JPH0324384B2 JP H0324384 B2 JPH0324384 B2 JP H0324384B2 JP 59175671 A JP59175671 A JP 59175671A JP 17567184 A JP17567184 A JP 17567184A JP H0324384 B2 JPH0324384 B2 JP H0324384B2
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JP
Japan
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fans
fan
thrust
axis
rotation
Prior art date
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Application number
JP59175671A
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Japanese (ja)
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JPS6154352A (en
Inventor
Tatsuya Nakamura
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
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Publication of JPS6154352A publication Critical patent/JPS6154352A/en
Publication of JPH0324384B2 publication Critical patent/JPH0324384B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60VAIR-CUSHION VEHICLES
    • B60V1/00Air-cushion
    • B60V1/11Stability or attitude control

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 発明の目的 [産業上の利用分野] この発明はヘリコプタやホーバクラフト等の浮
上機、特に4個以上のフアン(プロペラ、ロータ
を含む)を垂直に向けて回転させ、ホバリングを
行う浮上機の姿勢安定化を可能にする機構に関す
る。
[Detailed Description of the Invention] (a) Purpose of the Invention [Field of Industrial Application] This invention relates to a levitation machine such as a helicopter or a hovercraft, in particular, to a levitation machine such as a helicopter or a hovercraft, in which four or more fans (including propellers and rotors) are rotated vertically. This invention relates to a mechanism for stabilizing the attitude of a levitator while hovering.

不整地、傾斜地での林業、遭難救助等の作業を
空中から行う場合に使用可能な身近な乗物として
はヘリコプタやホーバクラフトがある。
Helicopters and hovercrafts are familiar vehicles that can be used to perform forestry work on rough or sloping land, rescue operations, etc. from the air.

[従来の技術] しかるに、ヘリコプタにおいては、地面近くに
おいて地形が複雑な場合には、複雑な空気力学的
な地面効果を受けて操縦が困難となるので、比較
的高度の空中からロープを垂らして作業を行わざ
るを得ない。一方、ホーバクラフトの場合には、
浮上高度が低く、また浮上高度を高くするために
は大型となり、さらにフレキシブルスカートが摩
減するなどの問題があり、不整地用のホーバクラ
フトは実現されていない。
[Prior Art] However, when a helicopter has complex terrain near the ground, it becomes difficult to maneuver due to complex aerodynamic ground effects. I have no choice but to do the work. On the other hand, in the case of hovercraft,
A hovercraft for use on rough terrain has not been realized because the flying height is low, and in order to increase the flying height, it has to be large, and the flexible skirt wears out.

このような場合、比較的高度を浮上し、しかも
複雑な地面効果に対処するため多数のフアンを下
方に向けて回転し推力を得て、比較的高度を浮上
し、またそれぞれのフアンによる推力を調節して
複雑な地面効果に対してバランスをとることが考
えられ、又、近年多数のヘリコプタを連結して重
量物を運搬するための研究も行なわれているが、
いずれの場合も、特に重要な検討事項は、機体の
姿勢制御である。これらの機体の姿勢制御は従
来、主にフアンのサイクリツクピツチ、コレクテ
イブピツチ、及び回転数の操作によつて行つてい
るが、装置が複雑となり、簡便な浮上機に適用す
るのには必ずしも適していない。このようなこと
から、構造及び操作が簡単な姿勢制御機構を備え
た浮上機の開発が望まれている。
In such cases, in order to ascend at a relatively high altitude, and to deal with complex ground effects, a large number of fans are rotated downward to obtain thrust. It has been considered that adjustments can be made to balance complex ground effects, and in recent years, research has been conducted on linking multiple helicopters together to transport heavy loads.
In either case, a particularly important consideration is the attitude control of the aircraft. Attitude control of these aircraft has conventionally been performed mainly by manipulating the fan's cyclic pitch, collective pitch, and rotation speed, but the equipment is complex and difficult to apply to simple levitators. Not necessarily suitable. For this reason, there is a desire to develop a levitator equipped with an attitude control mechanism that is simple in structure and operation.

[発明が解決しようとする問題点] この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたも
のであつて、多数(4個以上)のフアンまたはロ
ータによつて浮上する乗物の姿勢安定化をコレク
テイブピツチまたは回転数の操作のみによつて可
能とする姿勢制御機構を有する浮上機を提供する
ことを目的とするものである。
[Problems to be Solved by the Invention] This invention has been made in view of the above circumstances, and is an object of the present invention to correct the attitude stabilization of a vehicle levitated by a large number (four or more) of fans or rotors. The object of the present invention is to provide a levitator having an attitude control mechanism that can be controlled only by controlling the pitch or rotation speed.

(ロ) 発明の構成 [問題を解決するための手段] この目的に対応して、この発明の姿勢安定化機
構を有する空気浮上機は、機体に取り付けた4個
以上のフアンを下に向けて回転させてホバリング
する空気浮上機であつて、前記4個以上のフアン
の一部のフアンの回転方向は残余のフアンの回転
方向と逆であり、前記フアンの回転軸を前記機体
の中心軸を中心とする円周方向であつて前記フア
ンの回転の反作用として受けるモーメントを増長
する方向に傾斜させて配置したことを特徴として
いる。
(b) Structure of the invention [Means for solving the problem] In response to this purpose, the air levitation aircraft having an attitude stabilization mechanism of the present invention has four or more fans attached to the aircraft body facing downward. The air levitation vehicle rotates and hovers, and the direction of rotation of some of the four or more fans is opposite to the direction of rotation of the remaining fans, and the rotation axis of the fans is aligned with the center axis of the body. The fan is characterized in that it is arranged so as to be inclined in a circumferential direction around the center in a direction that increases the moment received as a reaction to the rotation of the fan.

以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面に
ついて説明する。
Hereinafter, details of the present invention will be explained with reference to the drawings showing one embodiment.

第1図、第2図及び第3図において、1は浮上
機であり、浮上機1は機体2を備えている。ただ
し、第2図は第1図において−部断面図であ
り、第3図は第1図において−部断面図であ
る。機体2は4個の穴3を機体中心軸G方向にく
り抜いた形で、穴3はフアン4a〜4dのダクト
となる。4個のフアン4a〜4dは回転装置5の
回転部に取付けられている。さらに回転装置5は
固定装置6によつて機体2に固定する。回転装置
5を駆動するには、回転装置5に直接エンジンを
取付けて回転してもよく、又、エンジンを機体中
央に置きベルト駆動としてもよく、又、回転装置
に空気圧モータを取付けて駆動してもよい。さら
にまた、電気モータを使用してもよい。空気圧モ
ータ及び空気圧モータを使用する場合には外部に
ポンプ及び電源を設置しておくことにより工場で
の作業に使用することもできる。
In FIG. 1, FIG. 2, and FIG. 3, 1 is a levitator, and the levitator 1 is equipped with a body 2. However, FIG. 2 is a cross-sectional view of the negative part in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the negative part in FIG. 1. The fuselage 2 has four holes 3 cut out in the direction of the fuselage center axis G, and the holes 3 serve as ducts for the fans 4a to 4d. The four fans 4a to 4d are attached to the rotating part of the rotating device 5. Further, the rotating device 5 is fixed to the body 2 by a fixing device 6. To drive the rotating device 5, an engine may be attached directly to the rotating device 5 and rotated, the engine may be placed in the center of the body and driven by a belt, or a pneumatic motor may be attached to the rotating device and driven. It's okay. Furthermore, an electric motor may also be used. When using a pneumatic motor and a pneumatic motor, it can also be used for work in a factory by installing a pump and power source externally.

特に重要なこととして、4個のフアン4a〜4
dの回転軸7は第3図に示す如く、機体2の中心
軸Gに対して一定角度だけ(例えば第3図の断面
内で角度θだけ)傾けてある。傾きの方向は機体
2の中心から見た場合に、フアン4aと4cは傾
き方向が同じで、フアン4bと4dはフアン4
a,4cとは逆方向に傾いている。この実施例の
場合、傾き角θはすべてのフアン4a〜4dにつ
いて同じであるが、必ずしも同じである必要はな
い。
It is particularly important to note that the four fans 4a-4
As shown in FIG. 3, the rotation axis 7 of d is inclined by a certain angle (for example, by an angle θ in the cross section of FIG. 3) with respect to the central axis G of the body 2. When viewed from the center of the aircraft 2, the directions of inclination are the same for fans 4a and 4c, and the same for fans 4b and 4d.
It is tilted in the opposite direction to a and 4c. In this embodiment, the tilt angle θ is the same for all the fans 4a to 4d, but does not necessarily have to be the same.

第2図に示すように、ダクト3は上部に丸みを
つけて空気を吸込む時に負圧を生じさせ推進効率
を高める。8は地面である。
As shown in FIG. 2, the duct 3 has a rounded top to generate negative pressure when air is sucked in, thereby increasing propulsion efficiency. 8 is the ground.

[作用] 以上のように構成された浮上機1の作用は次の
通りである。
[Function] The function of the levitator 1 configured as described above is as follows.

回転装置5を駆動してフアン4a〜4dを回転
させると推力が生じる。すなわち地面近くで流線
11が下方で拡がるので、地面がない場合に比べ
推力は増加する。すなわち地面効果である。フア
ン1個(直径Dとする)を地面から高さhに置い
たときの推力Lは地面のないときの推力Lに対
して、第4図に示すような特性を有することが
NASAの研究で知られている。又、複数のフア
ンを使用するときには、相互干渉による地面効果
も生じる。第2図の中央付近下部の流線の如く、
押し上げるような空気の流れが生じ、推力が増
す。これはいわゆるエアクツシヨン効果である。
さらに機体形状による影響も存在する。例えば機
体周辺に出つ張りがある場合には外部より下に回
り込む空気の流れを生じ、推力を減じるように働
く。したがつてフアン4a〜4dは周辺に配置す
るのがよい。以上はよく知られた事実であり、設
計時に考慮すべき事項である。
When the rotating device 5 is driven to rotate the fans 4a to 4d, thrust is generated. In other words, the streamlines 11 expand downward near the ground, so the thrust increases compared to when there is no ground. In other words, it is a ground effect. When one fan (diameter D) is placed at a height h above the ground, the thrust L has the characteristics shown in Figure 4, compared to the thrust L when there is no ground.
Known for research by NASA. Furthermore, when using multiple fans, ground effects due to mutual interference also occur. Like the streamline at the bottom near the center of Figure 2,
A pushing air flow is created, increasing the thrust. This is the so-called air action effect.
Furthermore, there is also an influence due to the shape of the aircraft. For example, if there is a bulge around the fuselage, air flows downward from the outside, reducing thrust. Therefore, it is preferable to arrange the fans 4a to 4d at the periphery. The above is a well-known fact and should be considered during design.

さて各フアン4a〜4dの推力は回転数を変え
ることによつて操作することができる。またピツ
チを変えることによつて操作することもできる。
一般的にいえば、回転とピツチ共に変化させるこ
とが望ましい。つまり、回転数に対応して最適な
ピツチが決まるからである。一般にエンジン駆動
の場合には短周期で回転数を変動させることは困
難であるので、姿勢安定化のためにピツチを操作
して制御を行う。電気モータや空気圧モータの場
合には、電流やバルブを調節することによつて回
転数で制御することができる。したがつてこの発
明においては、単に推力を操作するとのみ述べる
が、それはピツチを変えるか、回転数を変えるか
のいずれかによつて行うこととする。ここで強調
すべきは、この発明においては、通常のヘリコプ
タにおけるサイクリツクピツチ機構を必要としな
いことである。
Now, the thrust of each of the fans 4a to 4d can be controlled by changing the rotation speed. It can also be operated by changing the pitch.
Generally speaking, it is desirable to change both the rotation and pitch. In other words, the optimum pitch is determined depending on the rotational speed. Generally, in the case of engine drive, it is difficult to vary the rotational speed in short periods, so control is performed by operating the pitch in order to stabilize the attitude. In the case of electric motors or pneumatic motors, the rotational speed can be controlled by adjusting current or valves. Therefore, in this invention, it is only stated that the thrust is manipulated, but this is done by either changing the pitch or changing the number of rotations. It should be emphasized here that the present invention does not require the cyclic pitch mechanism found in ordinary helicopters.

次に安定性について述べる。一般に浮上機1は
6個の自由度を有する。いま第1図の左下隅に示
したようにX,Y,Zの座標軸をとれば、それら
はX,Y,Z方向の移動とX,Y,N軸まわりの
回転である。しかし、X,Yの移動に関しては、
X,Y軸まわりの回転の効果、機体が傾斜し、し
たがつて各フアンの推力ベクトルが傾斜すること
によつて水平方向の力を生じ移動を行うので、実
際には、X,Y,Zまわりの回転とZ方向の移動
の4個の成分を制御できればよい。従つてフアン
の必要最小個数は4である。
Next, let's talk about stability. Generally, the levitator 1 has six degrees of freedom. If we take the X, Y, and Z coordinate axes as shown in the lower left corner of FIG. 1, these are movements in the X, Y, and Z directions, and rotations around the X, Y, and N axes. However, regarding the movement of X and Y,
The effect of rotation around the X, Y axes, the aircraft tilts, and the thrust vector of each fan tilts, creating a horizontal force and moving, so in reality, the X, Y, Z It is sufficient to be able to control the four components of rotation around and movement in the Z direction. Therefore, the required minimum number of fans is four.

安定性には静安定と動安定とがある。静安定は
機体が正常な位置または姿勢からずれた場合に複
元する能力のことである。動安定性は時間的な変
動を考慮したときの安定性である。動安定を得る
ためにはまず静安定であることが必要である。
Stability includes static stability and dynamic stability. Static stability is the ability of an aircraft to recover when it deviates from its normal position or attitude. Dynamic stability is stability when temporal fluctuations are considered. In order to obtain dynamic stability, it is first necessary to have static stability.

この発明で対象とする浮上機は本質的に制御を
加えなければ静安定を得ることができない。した
がつてこの発明における姿勢制御機構は静安定を
制御で得ることが可能な機構である。
The levitator, which is the subject of this invention, essentially cannot achieve static stability unless it is controlled. Therefore, the attitude control mechanism according to the present invention is a mechanism that can obtain static stability through control.

X軸のまわりの回転を操作するには、第1図の
フアン4bと4dの推力を加減すればよい。例え
ば、X軸まわり正方向に機体が傾いたときにはフ
アン4bの推力を増加させるかフアン4dの推力
を減少させるか、または同時に両方を調節すれば
よい。同様にY軸まわりの回転を操作するには、
フアン4aと4cの推力を加減すればよい。この
ような操作は通常2ロータのタンデム型ヘリコプ
タで行なわれており周知である。又、Z方向の移
動を行うには全体の推力を加減すればよい。これ
も周知である。
To control the rotation around the X axis, the thrust of the fans 4b and 4d in FIG. 1 can be adjusted. For example, when the aircraft tilts in the positive direction around the X-axis, the thrust of the fan 4b may be increased, the thrust of the fan 4d may be decreased, or both may be adjusted at the same time. Similarly, to manipulate rotation around the Y axis,
It is only necessary to adjust the thrust of the fans 4a and 4c. Such operations are commonly carried out in a two-rotor tandem helicopter and are well known. Furthermore, in order to move in the Z direction, the overall thrust may be adjusted. This is also well known.

問題はZ軸のまわりの回転である。いま、各フ
アンは水平に取付けられているとすれば、Z軸の
まわりのモーメントとしては、各フアンのトルク
の反作用の総和が働く。例えば回転数を加減して
トルクを操作したとしても安定性を得ることはで
きない。何となれば、トルクは微小であるため、
各フアンの微小な傾斜や、地面効果により、働く
モーメントを打ち消すことができない。通常ヘリ
コプタはZ軸まわりの回転はテールロータによる
が、タンダム型の場合にはサイクリツクピツチに
よつてモーメントを発生させている。この発明の
対象とする浮上機ではサイクリツクピツチ機構も
テールロータも有しないが、フアンの回転軸を傾
斜させた機構によつてZ軸まわりの回転を制御す
ることができる。
The problem is rotation around the Z axis. Now, assuming that each fan is installed horizontally, the sum of the torque reactions of each fan acts as the moment around the Z axis. For example, even if the torque is manipulated by increasing or decreasing the rotation speed, stability cannot be achieved. Because the torque is minute,
Due to the slight inclination of each fan and the ground effect, the acting moment cannot be canceled out. Normally, a helicopter rotates around the Z axis by a tail rotor, but in the case of a tandem type, moment is generated by a cyclic pitch. Although the levitator to which this invention is applied does not have a cyclic pitch mechanism or a tail rotor, rotation around the Z-axis can be controlled by a mechanism in which the rotation axis of the fan is inclined.

すなわち、各フアンの回転軸を意図的に数度傾
けた機構によつて、相対抗する2つのモーメント
が発生するが、推力を調節してそれらのバランス
をとるものである。すなわち、第1図で、フアン
4aと4cは右回転であるから、反作用として左
まわりのモーメントを受けるが、それを増長する
ように、左まわりのモーメントを発生するように
傾ける。このようにトルクの反作用を増長する方
向に傾けると、逆に傾けた場合に比べ傾斜角を小
さくとることができ、傾斜による推力の垂直成分
の減少を最小限にすることができる。第1図で、
破線の円はダクト下面を表わし、実線の円は上面
を表わすとすればこのようなモーメントが発生す
る。逆にフアン4aと4dは右回転のモーメント
が発生するように傾ける。以上のようにして、Z
軸まわりの回転の安定を得ることができる。
That is, two opposing moments are generated by a mechanism in which the rotation axis of each fan is intentionally tilted several degrees, but the thrust is adjusted to balance them. That is, in FIG. 1, since the fans 4a and 4c rotate clockwise, they receive a counterclockwise moment as a reaction, but they are tilted to increase the counterclockwise moment. By tilting in a direction that increases the torque reaction in this way, the angle of inclination can be made smaller than when tilting in the opposite direction, and the reduction in the vertical component of the thrust due to the tilt can be minimized. In Figure 1,
If the broken line circle represents the bottom surface of the duct and the solid line circle represents the top surface, such a moment will occur. Conversely, the fans 4a and 4d are tilted so as to generate a clockwise rotation moment. In the above manner, Z
Stable rotation around the axis can be obtained.

第5図はこの発明の他の実施例として、8個の
フアンを有する浮上機の平面図である。例えば第
5図で矢印で示した方向に各フアンは回転するも
のとすれば、フアン4a,4c,4e,4g,の
グループとフアン4b,4d,4f,4h,のグ
ループに分ける。そして第1のグループは右回転
のモーメントを発生するように破線の円の如く回
転軸を傾斜させる。第2のグループは左回転のモ
ーメントを発生するように回転軸を傾斜させる。
このようにフアンの個数を増加すれば、よりよい
安定性が得られる。例えば、第5図のようにXY
軸を定め、Y軸まわりに正方向回転して傾斜して
いて水平に戻すようにしなければならない場合を
考えると、Xのプラス側の推力を上げ、マイナス
側の推力を下げる必要がある。このときX軸及び
Z軸のまわりのバランスを崩さないで、推力の増
減を図るとき、フアンの個数が多いので、増減の
幅が小さくなり、スムースな安定化制御を行うこ
とができる。
FIG. 5 is a plan view of a levitator having eight fans as another embodiment of the present invention. For example, if each fan is assumed to rotate in the direction indicated by an arrow in FIG. 5, it is divided into a group of fans 4a, 4c, 4e, and 4g and a group of fans 4b, 4d, 4f, and 4h. In the first group, the rotation axis is tilted as indicated by the broken line circle so as to generate a clockwise rotation moment. The second group tilts the axis of rotation to generate a moment of left rotation.
Increasing the number of fans in this manner provides better stability. For example, as shown in Figure 5,
If we consider a case in which an axis is determined and a tilted object must be rotated in the positive direction around the Y axis to return it to horizontal, it is necessary to increase the thrust on the positive side of X and reduce the thrust on the negative side. At this time, when increasing or decreasing the thrust without destroying the balance around the X-axis and the Z-axis, since the number of fans is large, the range of increase or decrease becomes small, and smooth stabilization control can be performed.

このように姿勢を安定化するためには最低4個
のフアンを必要とするが、4個以上のフアンを使
用した安定化機構は4個のフアンの場合を拡張、
細分化すればよい。
In order to stabilize the posture in this way, at least four fans are required, but a stabilization mechanism using four or more fans is an extension of the four fans case.
All you have to do is subdivide it.

[実施例] 次に模型を用いたこの発明の実験例について説
明する。
[Example] Next, an experimental example of the present invention using a model will be described.

() 実験システム 第6図に示すように、模型は4個のフアン(直
径15、発泡スチロール製)をDCモータ(マブチ
RE140)で回転させて浮上する。回転方向はフア
ン4aと4cが反時計方向、フアン4bと4dは
時計方向である。電線はフレーム中央の穴を通し
て下に垂らす。全重量は100gである。
() Experimental system As shown in Figure 6, the model consists of four fans (diameter 15, made of styrofoam) powered by a DC motor (Mabuchi).
RE140) to rotate and float. The rotation direction of the fans 4a and 4c is counterclockwise, and the rotation direction of the fans 4b and 4d is clockwise. Drop the wire down through the hole in the center of the frame. Total weight is 100g.

模型の位置及び姿勢は8個のポスト13a〜1
3hがそれぞれ模型の導電先端部14a〜14d
に接触しているか否かで検出する。実験の目的は
各フアンの回転数を調節してどのポストにも接触
しない状態にすることである。このため、ポスト
及び導電先端部にアルミ箔を張りつけ、先端部を
接地する。
The position and posture of the model are determined by the eight posts 13a to 1.
3h are the conductive tips 14a to 14d of the model, respectively.
Detection is done based on whether or not the person is in contact with the object. The purpose of the experiment was to adjust the rotation speed of each fan so that it did not touch any post. For this purpose, aluminum foil is pasted on the post and the conductive tip, and the tip is grounded.

コンピユータを含めた電気的な接続を第7図に
示す。ポストと導電先端部とは、接触、非接触を
短周期で繰り返すので、フリツプフロツプに入力
し、一定時間(実験では0.2秒)以内にフリツプ
フロツプがONになるかどうかで判定する。モー
タ駆動用アンプは仕様では1.65Aが出力最大とな
つているが、浮上高度を上げて実験に余裕を待た
せるために2A流している。一方、モータの定格
電流は0.6Aである。したがつて、実験時間を一
分程度としているが、この限界を超えた使用のた
め後述のように特性が変化する。
Fig. 7 shows the electrical connections including the computer. Since the post and the conductive tip repeat contact and non-contact in short cycles, the input is input to the flip-flop, and the judgment is made by whether the flip-flop turns on within a certain period of time (0.2 seconds in the experiment). The motor drive amplifier has a maximum output of 1.65A according to the specifications, but in order to increase the flying height and give the experiment more margin, it draws 2A. On the other hand, the rated current of the motor is 0.6A. Therefore, although the experiment time is set at about one minute, the characteristics will change as described later if the experiment is used beyond this limit.

フアンの回転数は2600r.p.m.、浮上高度1.5cmで
ある。
The rotation speed of the fan is 2600 rpm, and the levitation height is 1.5 cm.

() 基本的な空力特性 プロペラの空力特性について既によく調べられ
ており、次の関係式が成立する。
() Basic aerodynamic characteristics The aerodynamic characteristics of propellers have already been well studied, and the following relational expression holds.

T=CTρn2D4 (1) Q=CQρn2D5 (2) P=CPρn3D5 (3) ただし ρ:空気密度,n:プロペラ回転数 D:プロペラ直径,T:推力 Q:トルク,P:パワ,CQ:トルク係数 CT:スラスト係数, CP(2πCQ):パワ係数 である。T=C T ρn 2 D 4 (1) Q=C Q ρn 2 D 5 (2) P=C P ρn 3 D 5 (3) where ρ: air density, n: propeller rotation speed D: propeller diameter, T : Thrust Q: Torque, P: Power, C Q : Torque coefficient CT : Thrust coefficient, C P (2πC Q ): Power coefficient.

又、地面の影響すなわち地面効果についても、
地面が水平の場合については調べられている。そ
れによれば、hをホバリング高度、Lを地面効
果のないときの推力、Lを地面効果を含む推力と
すれば、L/Lは第4図に示すように、高度が
低くなれば急速に増大する。
Also, regarding the influence of the ground, that is, the ground effect,
The case where the ground is horizontal has been investigated. According to this, if h is the hovering altitude, L is the thrust when there is no ground effect, and L is the thrust including the ground effect, then L/L increases rapidly as the altitude becomes lower, as shown in Figure 4. increases to

第8図は実験システムの空力特性である。横軸
のPtotalは全消費パワであるが、9割近くはモー
タの銅損として消費されている。〇印近くの数字
は銅損Pcopperを差引いた値である。このような
効率の悪さは定格値をはるかに超えた状態で使用
していることに原因がある。図中、〇印はフアン
の回転数nであり、ストロボを用いて測定した。
同図より、(3)式とよく一致していることが分る。
△印は浮上高度hである。浮上高度はフアンの直
径の他、フアンの面積及びピツチによつても変化
する。ピツチが大であれば浮上高度も大となるこ
とが、又浮上に必要な最小パワも大となることが
実験的に確認された。したがつて、高度に応じて
ピツチを変化させて消費エネルギーを小とする必
要がある。
Figure 8 shows the aerodynamic characteristics of the experimental system. Ptotal on the horizontal axis is the total power consumed, but nearly 90% is consumed as copper loss in the motor. The numbers near the circle are the values after subtracting the copper loss Pcopper. This kind of inefficiency is caused by the fact that it is used far beyond its rated value. In the figure, the circle indicates the rotation speed n of the fan, which was measured using a strobe.
From the figure, it can be seen that it agrees well with equation (3).
The △ mark is the flying height h. The flying height varies depending on not only the diameter of the fan but also the area and pitch of the fan. It has been experimentally confirmed that the larger the pitch, the higher the levitation height, and the greater the minimum power required for levitation. Therefore, it is necessary to reduce energy consumption by changing the pitch depending on the altitude.

() 制御方法と実験結果 制御は各フアンの回転数を操作して行う。X軸
とY軸方向の移動は、それぞれフアン4aと4
c,4bと4d推力を調節することによりバラン
スをとる。
() Control method and experimental results Control is performed by manipulating the rotation speed of each fan. Movement in the X-axis and Y-axis directions is performed by fans 4a and 4, respectively.
Balance is achieved by adjusting the thrusts c, 4b and 4d.

Z軸まわりの回転に関しては、トルクは(2)式に
よつて定まるので、フアン4aと4c及び4bと
4dを互いに反対方向に回転させ、回転数を調節
することが先ず考えられる。しかし、実験の結果
そのような方法では困難であることが判明した。
理由は、フアンの回転の反作用として働くトルク
は推力ベクトルの傾きによつて生じるモーメント
に比し、はるかに小さいことである。たとえ、モ
ータとフアンを精密に取付けたとしても地形の凹
凸によつてモーメントが発生するので解決となら
ない。
Regarding rotation around the Z-axis, since the torque is determined by equation (2), it is first considered to rotate the fans 4a and 4c and 4b and 4d in opposite directions to adjust the rotation speed. However, experiments have shown that such a method is difficult.
The reason is that the torque acting as a reaction to the rotation of the fan is much smaller than the moment generated by the inclination of the thrust vector. Even if the motor and fan were installed precisely, it would not solve the problem because moments would be generated due to uneven terrain.

そこで、この実験では次の機構によつてバラン
スを取ることを可能にした。すなわち、フアンを
わざと若干(数度)傾斜させてモーメントを発生
させる。しかもフアン4aと4cは時計方向のモ
ーメントを発生するように傾斜させ、4bと4d
は反時計方向のモーメントを発生するように傾斜
させる。互いに反対方向のモーメントを調節して
バランスをとることができる。
Therefore, in this experiment, we were able to achieve balance using the following mechanism. That is, the fan is intentionally tilted slightly (several degrees) to generate a moment. Moreover, the fans 4a and 4c are tilted so as to generate a clockwise moment, and the fans 4b and 4d
is tilted to generate a counterclockwise moment. Balance can be achieved by adjusting moments in opposite directions.

いま、フアンiの回転数をniだけ増加したと
き、全体の推力、X及びY方向の力、さらにZ軸
まわりのモーメントがそれぞれ4T,2x,2y,4N
だけ増加したとする。このとき近似的に次式が成
立する。
Now, when the rotational speed of fan i is increased by n i , the total thrust, force in the X and Y directions, and moment around the Z axis become 4T, 2x, 2y, and 4N, respectively.
Suppose that only . At this time, the following equation approximately holds true.

4T=n1+n2+n34 (4) 2x=n2−n3 (5) 2y=n2−n4 (6) 4N=n2+n4−n1−n3 (7) ただし、右辺の各項の係数が1となるように、
T,x,y,Nは正規化されているとする。
4T=n 1 +n 2 +n 3 + 4 (4) 2x=n 2 −n 3 (5) 2y=n 2 −n 4 (6) 4N=n 2 +n 4 −n 1 −n 3 (7) However, So that the coefficient of each term on the right side is 1,
It is assumed that T, x, y, and N have been normalized.

逆に(4)〜(7)式から、 n1=T−N+x (8) n2=T+N+y (9) n3=T−N−x (10) n4=T+N−y (11) が得られる。すなわち、バランスをとるために
4T,2x,2y,4Nなる力及びモーメントを出した
い場合には(8)〜(11)式からniを決定することができ
る。
Conversely, from equations (4) to (7), we get n 1 =T-N+x (8) n 2 =T+N+y (9) n 3 =T-N-x (10) n 4 =T+N-y (11) It will be done. That is, to balance
If you want to generate forces and moments of 4T, 2x, 2y, and 4N, n i can be determined from equations (8) to (11).

実験システムでは推力の増減は床が平面である
ので無いとして、N,x,yの調節のみを行う。
又、N,x,yの直接測定は出来ず、それらの符
号のみがポストとの接触によつて知られる。そこ
で、逐次niを変化させて安定化を試みる。niの最
小単位を±1とすれば、x,y,Nの最小単位も
±1となる。そこでN,x,yの符号によつてそ
れぞれ1又は−1をとり、(8)〜(11)式に従つてni
決定し、それをサンプル時刻ごとに繰返す。
In the experimental system, only N, x, and y are adjusted, assuming that there is no increase or decrease in thrust because the floor is flat.
Also, direct measurements of N, x, and y are not possible; only their sign is known through contact with the post. Therefore, an attempt is made to stabilize it by sequentially changing n i . If the minimum unit of n i is ±1, the minimum units of x, y, and N are also ±1. Therefore, 1 or -1 is taken depending on the sign of N, x, and y, and n i is determined according to equations (8) to (11), and this is repeated at each sample time.

次にポストとの接触状態とN,x,yの対応を
次のように定める。ポストi(i=a〜h)の状
態をSiで表わし次式で決定する。(Si=1のとき
接触、Si=0のとき非接触) IF(Sa f+Sc h+Se b+Sg d)N=1 (12) IF(Sb e+Sd g+Sf a+Sh c)N=−1
(13) IF(Sc g+Sh d)×=1 (14) IF(Sd h+Sg c)×=−1 (15) IF(Sb f+Se a)y=1 (16) IF(Sa e+Sf b)×=−1 (17) ただし、( )内は論理式であり、一つでも接
触するポストがあればポストから離れるように定
めたものである。
Next, the correspondence between the contact state with the post and N, x, and y is determined as follows. The state of post i (i=a to h) is represented by Si and determined by the following equation. (Contact when Si=1, non-contact when Si=0) IF(S a f +S c h +S e b +S g d )N=1 (12) IF(S b e +S d g +S f a +S h c ) N=-1
(13) IF (S c g + S h d ) x = 1 (14) IF (S d h + S g c ) x = -1 (15) IF (S b f + S e a ) y = 1 (16) IF (S a e + S f b )×=−1 (17) However, the value in parentheses is a logical expression, which specifies that if there is a post that comes into contact with it, the object will move away from the post.

第9図は以上の機構及び制御方法を用いて実験
したときの実験結果で、各モータへの出力値をグ
ラフにしたものである。ただしサンプル周期は約
0.2秒である。最初モータに同じ値を出力してい
るが、特性の違いによつてバランスを生じるので
逐次調節していることが分る。図でどの出力も変
化していない部分が、どのポストにも接触してい
ない状態に対応している。
FIG. 9 shows the results of an experiment using the above mechanism and control method, and is a graph of the output values to each motor. However, the sampling period is approximately
It is 0.2 seconds. At first, the same value is output to the motor, but the difference in characteristics creates a balance, so it can be seen that it is successively adjusted. In the figure, the part where no output changes corresponds to the state where there is no contact with any post.

2秒以上非接触の状態にある部分を斜線で示
す。フアン駆動部の特性変化により、安定状態を
持続するのが困難であるが、40秒後にはかなり長
時間安定している。実際の浮上機では、通常の航
空機で利用させているような精度の高い加速計等
をポストの代りに利用すれば、急速に安定な状態
に到達でき、また安定の状態を持続することが本
実験例により明らかとなる。
Areas where there is no contact for 2 seconds or more are indicated by diagonal lines. Due to changes in the characteristics of the fan drive unit, it is difficult to maintain a stable state, but after 40 seconds it has remained stable for a fairly long time. In an actual levitator, if a highly accurate accelerometer, etc. used in a normal aircraft is used instead of a post, a stable state can be quickly reached, and it is essential to maintain a stable state. This will become clear through experimental examples.

(ハ) 発明の効果 以上の説明から明らかな通り、この発明の浮上
機の姿勢制御機構によれば、フアンのコレクテイ
ブピツチ又は回転数の操作による推力だけを操作
することにより、サイクリツクピツチの操作をす
ることなしに姿勢を制御することができ、したが
つて、構造及び操作が簡単な姿勢制御機構を備え
た浮上機を得ることができる。
(C) Effects of the Invention As is clear from the above explanation, according to the attitude control mechanism for a levitator of the present invention, the cyclic pitch can be adjusted by controlling only the thrust generated by controlling the collective pitch or rotation speed of the fan. Therefore, it is possible to obtain a levitator equipped with an attitude control mechanism that is simple in structure and operation.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はこの発明の一実施例に示す浮上機の平
面説明図、第2図は第1図における−部断面
図、第3図は第1図における−部断面図、第
4図はフアン又はロータの地面効果を示すグラ
フ、第5図はこの発明の他の実施例に係る浮上機
の平面図、第6図は実験用模型の平面説明図、第
7図は制御系を示すブロツク図、第8図は実験シ
ステムの空力特性を示すグラフ、第9図は各モー
ターへの出力値を示す実験結果グラフである。 1…浮上機、2…機体、3…穴(ダクト)、4
a〜4d…フアン、5…回転装置、6…固定装
置、7…回転軸、8…地面、11…流線、13a
〜13h…導電ポスト、14a〜14d…導電先
端部。
Fig. 1 is a plan explanatory diagram of a levitator according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a sectional view at the - part in Fig. 1, Fig. 3 is a sectional view at the - part in Fig. 1, and Fig. 4 is a sectional view at the - part in Fig. 1. 5 is a plan view of a levitator according to another embodiment of the present invention; FIG. 6 is an explanatory plan view of an experimental model; and FIG. 7 is a block diagram showing a control system. , FIG. 8 is a graph showing the aerodynamic characteristics of the experimental system, and FIG. 9 is a graph showing the experimental results showing the output values to each motor. 1... Levitation machine, 2... Aircraft, 3... Hole (duct), 4
a to 4d... Fan, 5... Rotating device, 6... Fixing device, 7... Rotating shaft, 8... Ground, 11... Streamline, 13a
~13h...Conductive post, 14a-14d...Conductive tip.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 機体に取り付けた4個以上のフアンを下に向
けて回転させてホバリングする空気浮上機であつ
て、前記4個以上のフアンの一部のフアンの回転
方向は残余のフアンの回転方向と逆であり、前記
フアンの回転軸を前記機体の中心軸を中心とする
円周方向であつて前記フアンの回転の反作用とし
て受けるモーメントを増長する方向に傾斜させて
配置したことを特徴とする姿勢安定化機構を有す
る空気浮上機。
1. An air levitation vehicle that hovers by rotating four or more fans attached to the aircraft body downward, where the rotational direction of some of the four or more fans is opposite to the rotational direction of the remaining fans. and the rotational axis of the fan is disposed so as to be inclined in a circumferential direction around the central axis of the aircraft body in a direction that increases the moment received as a reaction to the rotation of the fan. An air levitation machine with a floating mechanism.
JP17567184A 1984-08-23 1984-08-23 Aero floating-up machine having posture stabilizing mechanism Granted JPS6154352A (en)

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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02113963U (en) * 1989-02-27 1990-09-12
EP3184425B1 (en) 2015-12-21 2018-09-12 AIRBUS HELICOPTERS DEUTSCHLAND GmbH Multirotor aircraft
JP6695992B2 (en) * 2016-09-27 2020-05-20 正 星野 Air cushion machine toy
CN106428540B (en) * 2016-11-29 2019-01-25 四川特飞科技股份有限公司 A kind of combination duct aircraft and its flight control system and method
JP6905401B2 (en) * 2017-06-30 2021-07-21 株式会社Soken Flight equipment
JP7374828B2 (en) * 2020-03-23 2023-11-07 三菱重工業株式会社 Ducted fan equipment and aircraft

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS536435A (en) * 1977-06-29 1978-01-20 Sanzen Kk Face powders

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS536435A (en) * 1977-06-29 1978-01-20 Sanzen Kk Face powders

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