WO2023282294A1 - 飛行機具及び運営方法 - Google Patents

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WO2023282294A1
WO2023282294A1 PCT/JP2022/026858 JP2022026858W WO2023282294A1 WO 2023282294 A1 WO2023282294 A1 WO 2023282294A1 JP 2022026858 W JP2022026858 W JP 2022026858W WO 2023282294 A1 WO2023282294 A1 WO 2023282294A1
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WO
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flying
flight
control
attitude
user
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PCT/JP2022/026858
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大地 和田
篤司 大瀬戸
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国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
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    • B64C29/04—Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft having its flight directional axis vertical when grounded characterised by jet-reaction propulsion
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    • B64C3/40—Varying angle of sweep
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    • B64C3/38—Adjustment of complete wings or parts thereof
    • B64C3/44—Varying camber
    • B64C3/48—Varying camber by relatively-movable parts of wing structures

Definitions

  • the present invention relates to aircraft equipment and methods of operation. This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2021-113544 filed in Japan on July 8, 2021, the contents of which are incorporated herein.
  • Airplane equipment that allows humans to fly with a propulsion system attached has been developed (for example, Non-Patent Documents 1 to 3).
  • the flying equipment is used, for example, to help move rescue workers in order to contribute to mountain rescue.
  • the present invention has been made in view of the circumstances described above, and aims to provide an aircraft tool that has high flight performance and does not require high piloting skills that require a long time to master.
  • An airplane tool comprises a thrust device that applies thrust during flight, wings that maintain an attitude during flight and change the direction of flight, and a control unit that controls the strength of the output of the thrust device. and an attachment/detachment portion that can be attached/detached by the user.
  • the attitude can be stabilized even during takeoff and landing, including vertical takeoff and landing.
  • the lift generated by the wings reduces the thrust required for flight and improves the fuel efficiency of the thruster. Therefore, flight time and flight time can be improved. From these, high flight performance can be provided.
  • the strength of the thrust is controlled by the control unit.
  • the control unit As a result, depending on the user, only a simple operation such as acceleration or deceleration and a direction change by the wing may be performed, so that the operation can be made more intuitive. Therefore, it can be an airplane tool that does not require high piloting skill. Furthermore, it has an attachment/detachment part that can be easily attached/detached by the user. This allows multiple people to share the flying equipment.
  • control unit may control the flight attitude and flight direction of the wings and the output of the thrust device.
  • control unit controls the control of the flight attitude and flight direction by the wings, and the control of the output of the thrust device.
  • autonomous flight is possible using flying equipment. Thereby, it is possible to fly without any operation by the user. Therefore, it is possible to eliminate the need for the user's operation skill.
  • an attitude sensor for detecting the attitude of the flying equipment may be further provided.
  • an attitude sensor is further provided.
  • the control unit By using information detected by the attitude sensor for control by the control unit, more stable autonomous flight can be achieved. Furthermore, even when flying by the user's control, by using information from the attitude sensor as an auxiliary, more stable flight can be achieved.
  • a position sensor that grasps the flight point may be further provided.
  • a position sensor is further provided.
  • the flight can be performed by selecting the shortest route by the control unit.
  • a communication unit that communicates with the outside may be further provided.
  • a communication unit is further provided. Thereby, in addition to the operation by the user and the flight controlled by the control unit, the flight can be performed by remote control from the outside.
  • the wings may be foldable.
  • the wings can be folded. Therefore, it is possible to improve the mobility when transporting the flying equipment.
  • the wings can be retracted to reduce resistance, and during low-speed flight, takeoff and landing, the wings can be deployed to make it easier to obtain aerodynamic force. Therefore, it is possible to further improve mobility.
  • the operation method according to the present invention is a management method in which the aircraft equipment is shared by a plurality of the users, and the users wear the aircraft equipment and fly from the departure point to the destination using the aircraft equipment. Afterwards, only the flying implement flies from the destination to the departure point.
  • the flying gear after the user wears the flying gear and flies from the departure point to the destination using the flying gear, only the flying gear flies from the destination to the departure point.
  • This allows one flying tool to be shared by multiple users. Therefore, it is possible to move a plurality of personnel without preparing a plurality of flying equipment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of one embodiment of a flight tool according to the present invention
  • FIG. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an overall schematic diagram showing an example of an airplane tool according to the present invention
  • 1 is a diagram showing an example of the configuration of a flight control device of a first example of control
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of an attitude control system using quaternion feedback
  • 4 is a flow chart showing the flow of a series of processes of a control unit
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing how the aircraft is flying.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the configuration of a flight control device of a second example of control;
  • an airplane tool 100 is used by a user H to fly in the air and move from a starting point A to a destination B.
  • a plurality of users H can use the flying tool 100 .
  • the user H removes the flying gear 100 .
  • an autonomous solo flight is performed using only the flying gear 100, and the flight returns from the destination B to the departure point A. In this way, one flying tool 100 is shared by a plurality of people.
  • the flying tool 100 is used for the following purposes. That is, for example, a mountain rescue team uses it to fly from a headquarters base (departure point A) set up at the foot of a mountain to a rescue site (destination B) on a mountain trail. Also, after the first rescuer arrives at the destination B, the airplane tool 100 returns to the starting point A by itself, so that the second rescuer goes to the rescue site. By repeating this, one flying tool 100 is used to dispatch a plurality of rescue workers to their destinations. In addition to the uses described above, it may also be used to transport a rescuer on the ground to a waiting helicopter in the air.
  • the aircraft 100 includes a thrust device 10, a wing 20, a control section 230, an attachment/detachment section 30, a detection section 204, a communication section 202, a storage section 206, and a power source. 208 and a drive unit 210 .
  • the control unit 230, the communication unit 202, the detection unit 204, the storage unit 206, the power source 208, and the drive unit 210 used to control the aircraft 100 are referred to as the flight control device 200. I have something to do.
  • ⁇ W shown in FIG. 2 represents one earth-fixed coordinate ⁇ W of the inertial coordinate system
  • OW represents the origin of the earth-fixed coordinate ⁇ W
  • the XW axis represents true north
  • the YW axis represents east.
  • ZW -axis represents the vertical downward direction.
  • the principal axis of inertia is defined as the fuselage - fixed coordinate system of the airframe 100
  • the XB axis in the figure represents the principal axis of inertia of the airframe when the center of gravity of the airframe 100 is taken as the origin
  • the ZB axis is the axis of the airframe.
  • the YB axis represents the right direction in the direction of travel of the fuselage.
  • the XB axis represents the roll axis XB
  • the ZB axis represents the yaw axis ZB
  • the YB axis represents the pitch axis YB .
  • the thrust device 10 provides thrust during flight.
  • a known jet engine for example, is preferably used as the thrust device 10 .
  • the output of the thrust device 10 is controlled by the control section 230 (described later).
  • the wing 20 maintains the attitude during flight and changes the direction of flight.
  • the change of direction by the wings 20 may be operated by the control unit 230 that receives an input signal from the user H, or may be controlled by the control unit 230 that acquires results from various sensors.
  • the size of the wing 20 is appropriately determined in consideration of the physique including the height and weight of the user H who uses the flying device 100 .
  • the wing 20 has a link mechanism and can be folded like a bird's wing.
  • the above wing spans are for the wing 20 in the spread state.
  • the wings 20 By being able to fold the wing 20, it has the following functions. That is, during high-speed flight, the wings 20 are folded into a smaller size to reduce air resistance, and during low-speed flight, takeoff and landing, the wings 20 are expanded to obtain aerodynamic force. Further, the wings 20 may be folded when the flying tool 100 is not in use, thereby contributing to mobility during transportation.
  • the structure is not limited to the above, and the wings 20 may have a structure that can be deployed and retracted by providing a telescopic structure instead of being folded. Alternatively, it may be flat without a foldable structure.
  • the blade 20 includes various actuators in addition to the link mechanism described above, and can rotate around the roll axis XB , the yaw axis ZB , and the pitch axis YB shown in FIG. (described later).
  • the control unit 230 controls the strength of the output of the thrust device 10. Specifically, the thrust is increased or decreased according to the conditions of high-speed flight, low-speed flight, and takeoff and landing. This contributes to more stable flight.
  • the aforementioned output control may be performed by the control unit 230 receiving input from the user H via an interface (not shown). Alternatively, the control unit 230 may perform autonomous control based on various information provided from the detection unit 204 (described later).
  • control unit 230 may control the flight attitude and flight direction of the wing 20 . That is, the controller 230 may receive an input from the user H via an interface regarding the shape and orientation of the wing 20 , and the controller 230 may appropriately operate actuators provided on the wing 20 . Alternatively, the control unit 230 may control the wing 20 based on various information provided by the detection unit 204 (described later) (hereinafter, control based on information from the sensor unit that does not depend on user input is referred to as autonomous control). . In this way, the control unit 230 controls the thrust device 10 and the wings 20 by accepting the operation by the user H via the interface or by autonomous control. In other words, the control unit 230 may be used to complement the operation by the user H, or may be used to fly the aircraft 100 autonomously.
  • the attachment/detachment part 30 is used by the user H to attach the flying tool 100 . Moreover, the attachment/detachment part 30 is made into the structure which the user H can attach or detach easily. For example, a structure including a structure to be hung on the shoulder like a general rucksack and a fastener for fixing to the user H may be used. Alternatively, in a state where each user H is equipped with an attachment member having a shape corresponding to the attachment/detachment section 30, the attachment member and the attachment/detachment section 30 may be appropriately fixed.
  • the detection unit 204 detects each state of the airplane tool 100 in flight.
  • the detection unit 204 includes, for example, an orientation sensor, a position sensor, and an acceleration sensor.
  • the attitude sensor detects the attitude of the flying implement 100 during flight. Specifically, with respect to an arbitrary reference posture (for example, a state in which the user H wears the flying device 100 and stands perpendicular to the ground), how many degrees are rotated in each three-dimensional axial direction? detect whether
  • the position sensor detects the position of the flying implement 100 during flight.
  • a known GPS sensor is preferably used as the position sensor.
  • the position may be grasped by transmitting radio waves from the starting point A or the destination B and detecting them with a radar. In this way, it is confirmed whether the aircraft 100 can move from the departure point A to the destination B along the planned route.
  • the acceleration sensor detects the acceleration or velocity of the flying implement 100 during flight. This complements the control when the flying tool 100 performs autonomous flight.
  • the control unit 230 uses the information detected by the above-described sensors to control the thrust device 10 and the wings 20, thereby stabilizing flight control. Information from the detection unit 204 may be used when the thrust device 10 and the wing 20 of the air implement 100 are autonomously controlled by the control unit 230 as described above. In addition, even when the flying implement 100 is being operated by the user H, it may be used to supplement the operation by the user H.
  • the communication unit 202 is used to communicate between the flying tool 100 and the outside.
  • the communication unit 202 is used, for example, to transmit similar operation information from the outside to the control unit 230 in place of the operation of the thrust device 10 and the wings 20 by the user H during flight. In this way, when the user H's piloting skill is inexperienced and autonomous solo flight by the control unit 230 is impossible, an operator who is skilled in maneuvering can operate from the outside. Alternatively, it may be used to contact the user H in flight, such as changing the destination B.
  • FIG. 2 The configuration of the flight control device 200 will be described below with reference to FIGS. 3, 4, 5, 6, and 7.
  • FIG. The control described below is an example of control applied when the above-described flying device 100 performs autonomous solo flight. In other words, the control of the flying tool 100 does not have to be based on the control described below.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of the flight control device 200 of the first example of control.
  • the flight control device 200 includes, for example, a communication section 202, a detection section 204, a storage section 206, a power supply 208, a drive section 210, and a control section 230. Further, the control of the blades 20 below is explained assuming that the blades 20 can be rotated around the roll axis XB , the yaw axis ZB , and the pitch axis YB shown in FIG. 2, or can be folded. do.
  • the communication unit 202 performs wireless communication with an external device via a network such as a WAN (Wide Area Network).
  • the external device may be, for example, a remote controller capable of remotely controlling the flying tool 100 .
  • the communication unit 202 receives a command that instructs the attitude, speed, etc. that the flying tool 100 should take from an external device.
  • the detection unit 204 includes, for example, an inertial measurement device in addition to the sensors described above.
  • Inertial measurement devices include, for example, triaxial acceleration sensors and triaxial gyro sensors.
  • the inertial measurement device outputs detection values detected by these sensors to the control unit 230 .
  • the values detected by the inertial measurement device include, for example, accelerations and/or angular velocities in the horizontal, vertical, and depth directions, and velocities (rates) in the pitch, roll, and yaw axes.
  • the detector 204 may further include a radar, finder, sonar, GPS (Global Positioning System) receiver, and the like.
  • the detection unit 204 may further include an optical fiber sensor that detects the strain of the blades 20 and a pressure sensor that detects the pressure applied to the blades 20 .
  • the storage unit 206 is realized by a storage device such as a HDD (Hard Disc Drive), flash memory, EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory).
  • a storage device such as a HDD (Hard Disc Drive), flash memory, EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory).
  • the storage unit 206 stores the calculation results of the control unit 230 as logs.
  • the power supply 208 is, for example, a secondary battery such as a lithium ion battery.
  • the power supply 208 supplies power to the drive unit 210 and the control unit 230 .
  • the power source 208 may also include solar panels and the like.
  • the drive unit 210 includes, for example, a thrust actuator 212, a sweep actuator 214, a twist actuator 216, and a fold actuator 218.
  • Thrust actuator 212 drives thrust device 10 to provide thrust to air implement 100 .
  • Sweep actuator 214 rotates wing 20 about yaw axis ZB.
  • Twist actuator 216 rotates wing 20 about pitch axis YB .
  • the fold actuator 218 deploys and folds the wing 20 along the pitch axis YB .
  • the control unit 230 is implemented by executing a program stored in the storage unit 206 by a processor such as a CPU (Central Processing Unit) or GPU (Graphics Processing Unit).
  • a processor such as a CPU (Central Processing Unit) or GPU (Graphics Processing Unit).
  • the control unit 230 may be realized by hardware such as LSI (Large Scale Integration), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or FPGA (Field-Programmable Gate Array). may be realized by
  • the control unit 230 controls the thrust actuator 212 when the air implement 100 is pitched up by 90 degrees, that is, when the air implement 100 is in a state in which the air implement 100 is directed upward by the thrust device 10 . 10 is driven.
  • the flying device 100 takes off like a tail-sitter type VTOL (Vertical Take Off and Landing) drone.
  • the tail-sitter system is a flight system in which the aircraft takes off from a 90-degree pitch-up state, returns the nose to a horizontal position at a certain altitude, and flies with the lift generated by the wings 20 .
  • attitude error since the attitude change is large, if ZYX Euler is used to calculate the attitude error, it becomes a singular attitude when the ZB axis is plus or minus 90 degrees during takeoff and landing, and it cannot be expressed.
  • attitude expression In flight mimicking a bird using the wings 20 according to the present embodiment, there is a high probability that a large attitude change will occur, so attitude expression without a singular attitude is necessary.
  • quaternions To solve this problem, we employ quaternions to calculate the attitude error.
  • a quaternion is represented by Equation (1) using a three-dimensional unit vector r and its rotation angle ⁇ .
  • Equation (2) the deviation qe between the desired attitude and the current attitude is expressed by Equation (2) using a quaternion matrix.
  • the deviation q e indicates how much and which axis should be rotated in the current body-fixed coordinate system in order to bring the current attitude of the body closer to the target attitude.
  • the control unit 230 performs feedback control by making the vector part of qe correspond to the fuselage - fixed coordinates XB, YB , and ZB axes.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of an attitude control system using quaternion feedback.
  • controller 230 controls sweep actuator 214, twist actuator 216, and fold actuator 218 to control the attitude of airplane 100 in the XB, YB , and ZB axes .
  • the control unit 230 performs PID (Proportional-Integral-Differential Controller) control of actuators corresponding to each axis.
  • PID control is represented by equations (3) to (5).
  • ⁇ x represents the twist rudder angle of the wing 20, that is, the twist angle
  • ⁇ y represents the elevator rudder angle
  • ⁇ z represents the rudder rudder angle
  • K P represents the proportional gain
  • K I represents the integral gain
  • K D represents the derivative gain
  • Kj is a gain for correcting the gyroscopic moment of the airframe.
  • control unit 230 calculates the target attitude using the error distance between the current position and the target position of the air tool 100, as shown in FIG. Based on the calculated target attitude, the control unit 230 controls the twist actuator 216 to control the attitude of the flying implement 100 .
  • the target posture may be specified from an external device as a command.
  • FIG. 5 is a flow chart showing a series of processes of the control unit 230. As shown in FIG. The processing of this flowchart may be performed repeatedly at a predetermined cycle, for example.
  • control unit 230 acquires a command from an external device via the communication unit 202 (step S100).
  • the command includes, for example, the attitude that the flying implement 100 should take, that is, the target attitude qr .
  • control unit 230 calculates the current attitude qc of the air tool 100 based on the detection result of the detection unit 204, and calculates the deviation qe between the calculated current attitude qc and the target attitude qr .
  • the deviation qe includes quaternions qex , ey , and ez corresponding to the fuselage - fixed coordinates XB , YB, and ZB axes.
  • control unit 230 calculates the twist steering angle ⁇ x , the elevator steering angle ⁇ y , and the rudder steering angle ⁇ z as control amounts by PID control based on the calculated deviation q e (step S104).
  • control unit 230 sends control signals based on the calculated steering angles ⁇ x , ⁇ y , ⁇ z to each actuator to control each actuator (step S106). This completes the processing of this flowchart.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing how the flight tool 100 flies.
  • the example shown in the drawing shows a situation when the flying implement 100, which is flying horizontally at a constant altitude, lands.
  • G in the figure is the target landing point.
  • the landing point G may be a one-dimensional point, a two-dimensional surface, or a three-dimensional space.
  • the control unit 230 controls the sweep actuator 214 to rotate the wing 20 around the yaw axis ZB , thereby moving the wing 20 forward of the fuselage. This raises the nose of the flying implement 100 .
  • the control unit 230 also controls the fold actuator 218 to extend the blade 20 further in the pitch axis YB direction.
  • the controller 230 raises the nose of the flying tool 100 .
  • the flying tool 100 shifts to a 90-degree pitch-up state while lifting the airframe at times t2, t3, and t4.
  • the flying tool 100 can quickly decelerate because the drag force of the entire fuselage increases.
  • the control unit 230 controls the thrust actuator 212 to lower the aircraft 100 to the destination B while hovering.
  • the blade 20 extends in the pitch axis YB direction.
  • the stall can be suppressed by obtaining aerodynamic force.
  • the flight performance of the flying tool 100 can be improved.
  • the wing 20 in addition to the fold mechanism that expands and contracts the wing 20 in the direction of the pitch axis YB , the wing 20 is further rotated around the yaw axis ZB , and the wing 20 is moved along the fuselage.
  • the wing area of the wing 20 is reduced. and the amount of change in shape can be increased. As a result, changes in lift and moment are increased, and the agility of the flying implement 100 can be improved.
  • the blades 20 described above can perform the sweep operation, the twist operation, and the fold operation symmetrically or asymmetrically.
  • the wing 20 is also applicable not only to flight structure applications, but also to wind or tidal power blades and other structures that receive forces from fluids.
  • DQN Deep Q-Network
  • Q action value function
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the configuration of the flight control device 200A of the second example of control.
  • the model information 300 is stored in the storage section 206A.
  • the model information 300 is information (program or data structure) that defines the model MDL learned by Q-learning.
  • the model MDL may be implemented, for example, by a neural network including multiple convolutional layers and a fully connected layer that integrates the outputs of the multiple convolutional layers.
  • the model information 300 includes, for example, connection information indicating how the units included in each of the input layer, one or more hidden layers (intermediate layers), and the output layer that constitute each neural network are connected to each other, It contains various information such as a coupling coefficient assigned to data input/output between coupled units.
  • the connection information includes, for example, the number of units included in each layer, information specifying the type of unit to which each unit is connected, an activation function that realizes each unit, a gate provided between hidden layer units, and so on. Contains information.
  • the activation function that implements the unit may be, for example, a normalized linear function (ReLU function), a sigmoid function, a step function, or other functions.
  • a gate selectively passes or weights data communicated between units, for example, depending on the value (eg, 1 or 0) returned by an activation function.
  • a coupling coefficient includes, for example, a weight given to output data when data is output from a unit in a certain layer to a unit in a deeper layer in a hidden layer of a neural network.
  • the coupling coefficients may also include bias components unique to each layer, and the like.
  • the model MDL is learned to output an action-value function Q(s t , a t ), for example, when a state variable s t is input.
  • the state variable s t is, for example, the current attitude q c or the desired attitude q r of the flying device 100 described above, or their deviation q e .
  • the state variable st may include the velocity of the flying implement 100 instead of or in addition to the attitude and deviation.
  • the detection unit 204 includes an optical fiber sensor that detects strain or a pressure sensor that detects pressure
  • the state variable st may include strain and pressure that can be obtained from these sensors.
  • a state variable s t including strain and pressure is an example of "displacement information".
  • the action at is, for example, the control amount of the sweep mechanism, the control amount of the twist mechanism, the control amount of the fold mechanism, the rotation speed of the thrust device 10, the rudder angle of the elevator, the rudder angle of the rudder, and the like. That is, the action at is the amount of operation of each actuator of the drive unit 210 . Also, the action at may be the proportional gain KP , the integral gain KI , the differential gain KD , or the correction gain Kj of PID control. Also, the action at may be an index value indicating which of various controls such as PID control and hovering control is to be performed or not performed.
  • the reward is increased and the weights and biases of the model MDL are learned.
  • the reward may be increased when the attitude of the flying implement 100 is a pitch-up attitude of 90 degrees and the speed of the flying implement 100 is at a speed that can be regarded as stationary.
  • the reward may be low (eg, zero) when the flying gear 100 is in contact with the ground, trees, or deviates from its stated altitude.
  • the control unit 230 inputs the current attitude qc and the target attitude qr of the aircraft 100 as state variables st to the model MDL that has been trained so that a reward is given according to the action at. do.
  • the model MDL to which these state variables s t are input outputs the operation amount of each actuator that tends to result in the highest reward as the action value function Q(s t , a t ).
  • the control unit 230 causes the aircraft tool 100 to fly by controlling the actuators based on the operation amount of each actuator output by the model MDL.
  • each actuator is controlled using the model MDL learned in advance by Q-learning, so it is possible to approximate the flight method of a bird. As a result, the agility of the flying tool 100 can be further improved.
  • the nonlinearity Since the model MDL can be learned so as to output suitable behavior even under a certain environment, it is possible to adopt a flight method that has been difficult with conventional control.
  • FIG. 1 Method of Operating Airplane Equipment
  • FIG. 1 the operation according to this embodiment is performed when a plurality of users H share one airplane tool 100 and travel from a starting point A to a destination B.
  • FIG. 1 the operation according to this embodiment is performed when a plurality of users H share one airplane tool 100 and travel from a starting point A to a destination B.
  • control unit 230 receives an input from user H via an interface and flies.
  • the first user H moves from the starting point A to the destination B.
  • the user H puts on the flying gear 100 at the starting point A.
  • the user H operates the interface to activate the flying implement 100 and instruct the thrust device 10 to output, thereby taking off in the vertical direction.
  • the wings 20 are retracted by the folding mechanism. If there are obstacles such as trees around the starting point A, the wings 20 are retracted to the maximum by the folding mechanism.
  • Wings 20 may be deployed if aerodynamic forces, such as the wake of thruster 10, are desired during takeoff.
  • the deployment of the wings 20 may be performed by the user H, or may be assisted by the control unit 230 automatically deploying the wings 20 to the maximum extent at the same time as the flight gear 100 is activated. .
  • the flying gear 100 After taking off to a sufficient height by the flying gear 100, it shifts to level flight. That is, the user H rotates the wing 20 in the direction of the pitch axis YB by the twist mechanism, or rotates it in the direction of the yaw axis ZB by the sweep mechanism, and shifts to the forward tilting posture. At this time, the wings 20 may be retracted during flight to reduce air resistance. Wings 20 may be deployed during flight to provide lift. The user H appropriately operates the interface during flight to adjust the flight attitude, flight height, flight direction, and flight speed. Note that the interface may display a map or the like that displays the current flight position. After approaching the destination by level flight, it shifts to the landing attitude.
  • the user H rotates the wing 20 in the direction of the pitch axis YB or rotates it in the direction of the yaw axis ZB by means of the sweep mechanism, thereby shifting from the forward leaning posture to the upright posture.
  • the wings 20 are retracted by the folding mechanism. If there are obstacles, such as trees, around destination B, the wings 20 are fully retracted by the folding mechanism.
  • Wings 20 may be deployed if aerodynamic forces, such as the wake of thruster 10, are desired during landing.
  • the wings 20 may be deployed by the user H, or the controller 230 senses that the user H has rotated the wings 20 and has shifted to the landing posture, and automatically deploys the wings 20 to enable use. Person H may be assisted.
  • the flying device 100 After the first person arrives at the destination B by the flying device 100, only the flying device 100 returns to the starting point A by flying under autonomous control. After that, if necessary, the aircraft 100 is refueled, and the second user H attaches the aircraft 100 and moves to the destination B.
  • a flight under autonomous control may be performed when only the aircraft 100 returns from the destination B to the departure point A as described above, or when the user H moves from the departure point A to the destination B. Even if there is, it may be performed when the user H is not familiar with the operation of the flying tool 100 or the like.
  • the first user H who arrives at the destination B removes the flying gear 100 .
  • the flying device 100 is instructed to return. Specifically, by inputting to the control unit 230 via the interface, the flying implement 100 is shifted to autonomous control.
  • the detection unit 204 may detect that the user H has removed the flying tool 100, and automatically shift to autonomous control.
  • the flying device 100 that has transitioned to autonomous control returns to the starting point A using the functions described above. That is, the control unit 230 controls the drive unit 210 to take off, and the information on the destination B and the departure point A stored in the storage unit 206 and the information on the current position of the aircraft 100 detected by the detection unit 204 are transmitted. , the driving unit 210 appropriately adjusts the traveling direction, and when the detection unit 204 detects that the departure point A is approached, the aircraft descends and lands.
  • the controller 230 is instructed via the interface to move from the departure point A to the destination B by automatic control.
  • the registration of the departure point A and the destination B in the storage unit 206 is performed as follows. That is, when the destination B is determined in advance before departure, the departure point A and the destination B are registered in the storage unit 206 via the interface or by the communication unit 202 before the start of flight by the airplane tool 100. good too.
  • the destination B is not determined before departure (for example, when the rescuer uses the flying gear 100, the position of the rescuer is unknown and it is necessary to search for the rescuer from the air) registers only the starting point A in the storage unit 206 in advance.
  • the first user H may register in the storage unit 206 via the interface after use, or the detection unit 204 detects the place where the flying implement 100 first lands, and automatically stores the information in the storage unit 206. You may register.
  • the communication unit 202 may change the registered contents in the storage unit 206 .
  • another person who is proficient in the operation may perform the flight operation using the communication unit 202 on the ground.
  • the provision of the wings 20 makes it possible to receive aerodynamic forces during flight. Therefore, the attitude control can be performed effectively and stably as compared with the case of flying on a bullet trajectory like a rocket without having the wings 20 . In addition, the attitude can be stabilized even during takeoff and landing, including vertical takeoff and landing. Furthermore, the lift force generated by the wings 20 can reduce the thrust required for flight and improve the fuel efficiency of the thrust device 10 . Therefore, flight time and flight time can be improved. From these, high flight performance can be provided.
  • control unit 230 controls the strength of the thrust force.
  • the user H only needs to perform a simple operation such as acceleration or deceleration and change direction using the wings 20, which makes the operation more intuitive. Therefore, the flying tool 100 does not require high piloting skill.
  • the attachment/detachment part 30 which the user H can attach or detach easily is provided. Thereby, the flying equipment 100 can be shared by a plurality of people.
  • control unit 230 controls the control of the flight attitude and flight direction by the wings 20 and the control of the output of the thrust device 10 .
  • autonomous flight by the flying tool 100 is possible.
  • the user H can fly without performing any operation. Therefore, the operation skill of the user H can be made unnecessary.
  • the airplane tool 100 can return to the starting point A by autonomous flight. Therefore, even when a plurality of users H move from the starting point A to the destination B, the one airplane tool 100 can be used. Therefore, it is possible to contribute to efficient rescue operations without preparing a plurality of flying tools 100 .
  • attitude sensor By using information detected by the attitude sensor for control by the control unit 230, more stable autonomous flight can be achieved. Furthermore, even when the user H flies by maneuvering, by using information from the attitude sensor as an auxiliary, more stable flight can be achieved.
  • the control unit 230 can select the shortest route for flight.
  • a communication unit 202 is further provided. As a result, in addition to the operation by the user H and the flight controlled by the control unit 230, the flight can be performed by remote control from the outside.
  • the wings 20 can be folded. Therefore, it is possible to improve the mobility when carrying the flying tool 100 . Furthermore, during high-speed flight, the wings 20 can be retracted to reduce resistance, and during low-speed flight, takeoff and landing, the wings 20 can be deployed to make it easier to obtain aerodynamic force. Therefore, it is possible to further improve mobility.
  • the flying gear 100 flies from the departure point A to the destination B using the flying gear
  • only the flying gear 100 flies from the destination B to the departure point A.
  • one flying tool 100 can be shared by a plurality of users H. Therefore, it is not necessary to prepare a plurality of flying tools 100, and a plurality of personnel can be moved.
  • the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
  • the user H may use some method to record an arbitrary point in the position information output by the position sensor at any time.
  • the wings 20 may be replaceable depending on the physique of the user H, the weather at the flight site, and the like.
  • the flying tool 100 may have a tail.
  • the tail when the user H is wearing the flying device 100, the tail may be retracted, and the tail may be deployed when performing autonomous solo flight. Also, the user H may remove the flying implement 100 from the body in the air during flight. After that, the user H may descend to the destination B by parachute or the like. At that time, the flying implement 100 may detect that it has been removed from the user H and return by automatic flight.
  • Thrust device 20 Wing 30 Detachable part 100 Aircraft tool 230 Control part A Departure point B Destination H User

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Abstract

本発明の飛行機具（１００）は、飛行時の推力を付与する推力装置（１０）と、飛行時の姿勢を維持し、かつ飛行する方向を転換する翼（２０）と、推力装置（１０）の出力の強さを制御する制御部と、使用者（Ｈ）が着脱可能な着脱部（３０）と、を備える。

Description

飛行機具及び運営方法
　本発明は、飛行機具及び運営方法に関する。
　本願は、２０２１年７月８日に、日本に出願された特願２０２１－１１３５４４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　人間が推進系を装着して飛行する飛行機具が開発されている（例えば、非特許文献１～３）。当該飛行機具は、例えば、山岳救助への貢献を目的として、救助隊員の移動を助ける目的に用いられる。
Flight Club - Gravity Industries， [online]. [Retrieved on 18 June 2021]， Retrieved from the internet : <URL: https://gravity.co/> Home - Speeder， JetPack Aviation ， [online]. [Retrieved on 18 June 2021]， Retrieved from the internet : <URL: https://jetpackaviation.com/> The first Jetman Yves Rossy， [online]. [Retrieved on 18 June 2021]， Retrieved from the internet : <URL: https://yvesrossy.com/>
　従来の飛行機具は、ジェットエンジンによって推力を得ることに加えて、ジェットエンジンによって飛行中の姿勢制御及び方向転換を行っている。このため、燃費の観点から飛行時間が限られる。
　また、飛行機具は操縦者（人間）が装備した状態で運用されるのが前提となっている。このため、操縦者による姿勢制御が難しく、十分な飛行性能が得られなかったり、習熟に時間が必要であったりする旨の課題がある。
　本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、高い飛行性能を有し、習熟に長時間を要する高い操縦技能を必要としない飛行機具を提供することを目的とする。
　前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
　本発明に係る飛行機具は、飛行時の推力を付与する推力装置と、飛行時の姿勢を維持し、かつ飛行する方向を転換する翼と、前記推力装置の出力の強さを制御する制御部と、使用者が着脱可能な着脱部と、を備える。
　この発明によれば、翼を備えることで、飛行時に空気力を受けることができる。よって、翼を備えず、ロケットのような弾丸軌道を飛行する場合と比較して、効果的かつ安定的に姿勢制御をすることができる。また、垂直離着陸を初めとした離着陸時においても、姿勢を安定させることができる。更に、翼によって揚力が生じることで、飛行に必要な推力を削減し、推力装置の燃費を向上することができる。よって、飛行時間、滞空時間を向上することができる。これらから、高い飛行性能を備えることができる。
　また、制御部によって推力の強さを制御する。これにより、使用者によっては加速又は減速といった単純な操作と、翼による方向転換のみを操作すればよいことから、より直感的な操作とすることができる。よって、高い操縦技能を必要としない飛行機具とすることができる。
　更に、使用者が容易に着脱可能な着脱部を備える。これにより、複数人によって飛行機具を共有することができる。
　また、前記制御部が、前記翼による飛行姿勢及び飛行方向と、前記推力装置の出力と、を制御してもよい。
　この発明によれば、制御部が、翼による飛行姿勢及び飛行方向の制御と、推力装置の出力の制御と、を制御する。これにより、飛行機具による自律飛行が可能である。これにより、使用者によって操作を行うことなく飛行することができる。よって、使用者の操縦技能を不要とすることができる。
　更に、使用者に装着されず、飛行機具のみによって自律単独飛行することができる。つまり、複数の使用者（例えば、救助隊員）が出発地から目的地に移動しようとするとき、一人の使用者が出発地から目的地まで移動した後、飛行機具のみが自律飛行によって出発地に戻ることができる。よって、出発地から目的地まで複数の使用者が移動する時であっても、１つの飛行機具によって対応することができる。よって、飛行機具を複数準備することなく、効率的な救助活動などに寄与することができる。
　また、前記飛行機具の姿勢を検知する姿勢センサを更に備えてもよい。
　この発明によれば、姿勢センサを更に備える。姿勢センサの検知する情報を制御部による制御に用いることで、より安定した自律飛行とすることができる。更に、使用者による操縦によって飛行する際も、姿勢センサの情報を補助的に用いることで、より安定した飛行とすることができる。
　また、飛行する地点を把握する位置センサを更に備えてもよい。
　この発明によれば、位置センサを更に備える。これにより、例えば、出発地及び目的地を予め飛行機具に登録することで、制御部によって最短経路を選択した飛行をすることができる。
　また、外部と通信する通信部を更に備えてもよい。
　この発明によれば、通信部を更に備える。これにより、使用者による操縦や、制御部による制御による飛行に加えて、外部からの遠隔操作による飛行を行うことができる。
　また、前記翼は折り畳みが可能であってもよい。
　この発明によれば、翼は折り畳みが可能である。よって、飛行機具を運搬する際の機動性を向上することができる。さらに、高速飛行時は翼を格納することで抵抗を減らし、低速飛行時や離着陸時は翼を展開して空気力を得やすくするといった操作をすることができる。よって、より機動性を向上することができる。
　また、本発明に係る運営方法は、前記飛行機具を複数の前記使用者が共有する運営方法であって、使用者が前記飛行機具を装着して前記飛行機具によって出発地から目的地まで飛行した後、前記飛行機具のみが前記目的地から前記出発地まで飛行する。
　この発明によれば、使用者が飛行機具を装着して飛行機具によって出発地から目的地まで飛行した後、飛行機具のみが目的地から出発地まで飛行する。これにより、複数の使用者によって１つの飛行機具を共有することができる。よって、飛行機具を複数用意することを必要とせず、複数の人員を移動させることができる。
　本発明によれば、高い飛行性能を有し、習熟に長時間を要する高い操縦技能を必要としない飛行機具を提供することができる。
本発明に係る飛行機具の一実施形態の模式図である。 本発明に係る飛行機具の一例を示す全体概要図である。 制御の第１例の飛行制御装置の構成の一例を示す図である。 クォータニオンフィードバックを用いた姿勢制御系の一例を示す図である。 制御部の一連の処理の流れを示すフローチャートである。 飛行機具の飛行の様子を模式的に示す図である。 制御の第２例の飛行制御装置の構成の一例を示す図である。
　以下、図面を参照し、本発明の一実施形態に係る飛行機具を説明する。
　図１に示すように、飛行機具１００は、使用者Ｈが装着して空中を飛行し、出発地Ａから目的地Ｂまで移動するために用いる。また、複数の使用者Ｈが飛行機具１００を使用することができる。例えば、一人の使用者Ｈが飛行機具１００を装着して出発地Ａから目的地Ｂまで移動した後、使用者Ｈが飛行機具１００を取り外す。その後、飛行機具１００のみによって自律単独飛行を行い、目的地Ｂから出発地Ａまで戻る。このように、１つの飛行機具１００を複数人で共有して使用する。
　本実施形態に係る飛行機具１００は、一例として、以下の用途に用いる。すなわち、例えば、山岳救助隊が、山のふもとに設置された本部基地（出発地Ａ）から登山道内の救助現場（目的地Ｂ）に空路で向かうために用いる。また、１人目の救助隊員が目的地Ｂに到着した後、飛行機具１００が単独で出発地Ａまで戻ることで、２人目の救助隊員が救助現場に向かう。これを繰り返すことで、１つの飛行機具１００によって複数の救助隊員を目的地に出動させるために用いる。また、前述の用途に加え、地上の要救助者を空中で待機中のヘリコプターまで移送するために用いてもよい。
　図２及び図３に示すように、飛行機具１００は、推力装置１０と、翼２０と、制御部２３０と、着脱部３０と、検出部２０４と、通信部２０２と、記憶部２０６と、電源２０８と、駆動部２１０と、を備える。なお、以下において、飛行機具１００を制御するために用いる制御部２３０と、通信部２０２と、検出部２０４と、記憶部２０６と、電源２０８と、駆動部２１０とを、飛行制御装置２００と呼称することがある。
　図２に示すΣＷは慣性座標系の一つの地球固定座標ΣＷを表し、ＯＷは地球固定座標ΣＷの原点を表し、ＸＷ軸は真北を表し、ＹＷ軸は東を表し、ＺＷ軸は鉛直下方を表している。また、慣性主軸を飛行機具１００の機体固定座標系として定義した場合、図中ＸＢ軸は、飛行機具１００の重心を原点としたときの機体の慣性主軸を表し、ＺＢ軸は、機体の下方向を表し、ＹＢ軸は、機体の進行方向右側の方向を表している。言い換えれば、ＸＢ軸はロール軸ＸＢを表し、ＺＢ軸はヨー軸ＺＢを表し、ＹＢ軸はピッチ軸ＹＢを表している。
　推力装置１０は、飛行時の推力を付与する。推力装置１０は、例えば、公知のジェットエンジンが好適に用いられる。推力装置１０による出力は、制御部２３０によって制御される（後述する）。
　翼２０は、飛行時の姿勢を維持し、かつ飛行する方向を転換する。翼２０による方向の転換は、使用者Ｈから入力信号を受け付けた制御部２３０によって操作されてもよいし、各種センサからの取得結果を取得した制御部２３０によって制御されてもよい。
　本実施形態において、翼２０の大きさは、飛行機具１００を使用する使用者Ｈの身長、体重等をはじめとする体格を考慮の上適宜決定される。
　本実施形態において、翼２０はリンク機構を備え、鳥の羽根のように折り畳みが可能である。上述の翼幅は、翼２０を広げた状態におけるものとする。翼２０を折り畳むことができることで、下記の機能を有する。すなわち、高速飛行時においては翼２０を折り畳んで小さめにすることで空気抵抗を減らし、低速飛行時及び離着陸時には翼２０を大きく展開することで空気力を得る。また、飛行機具１００の不使用時には翼２０を折り畳むことで、運搬時の機動性に寄与してもよい。また、上記に限らず、翼２０は、折り畳むことに代えて伸縮構造を備えることによって展開及び格納が可能な構造としてもよい。あるいは、折りたたみ可能な構造を備えない平板状であってもよい。
　また、本実施形態に係る翼２０は、上述のリンク機構に加えて各種アクチュエータを備え、図２に示すロール軸ＸＢ、ヨー軸ＺＢ、ピッチ軸ＹＢまわりに回動することができるものとする（後述する）。
　制御部２３０は、推力装置１０の出力の強さを制御する。具体的には、高速飛行時、低速飛行時、離着陸時の各条件に合わせ、推力を強くしたり弱くしたりする。これにより、より安定した飛行に寄与する。前述の出力の制御は、使用者Ｈによるインターフェイス（不図示）を介した入力を制御部２３０が受理することによって行われてもよい。あるいは、検出部２０４（後述する）から提供される各種情報によって制御部２３０が自律制御してもよい。
　また、上述のように、制御部２３０が、翼２０による飛行姿勢及び飛行方向を制御してもよい。すなわち、翼２０の形状や向きについて、使用者Ｈによるインターフェイスを介した入力を制御部２３０が受理して、制御部２３０が翼２０に備えられたアクチュエータを適宜操作することによって行ってもよい。あるいは、検出部２０４（後述する）から提供される各種情報によって制御部２３０が翼２０を制御してもよい（以下、使用者の入力によらないセンサ部の情報に基づく制御を自律制御という）。
　このように、制御部２３０は、使用者Ｈによる操作をインターフェイスを介して受理することによって、あるいは自律制御によって推力装置１０及び翼２０を制御する。つまり、制御部２３０は、使用者Ｈによる操作を補完するために用いられてもよいし、飛行機具１００を自律単独飛行するために用いられてもよい。
　着脱部３０は、使用者Ｈが飛行機具１００を装着するために用いる。また、着脱部３０は、使用者Ｈが容易に着脱可能な構造とする。例えば、一般的なリュックサックのように肩に掛ける構造と、使用者Ｈに固定するための留め具と、を備える構造であってもよい。あるいは、各使用者Ｈが着脱部３０に対応した形状を備えた取付部材を装備した状態において、前記取付部材と着脱部３０とを適宜固定する構造としてもよい。
　検出部２０４は、飛行状態における飛行機具１００の各状態を検知する。検出部２０４は、例えば、姿勢センサと、位置センサと、加速度センサと、を備える。
　姿勢センサは、飛行中の飛行機具１００の姿勢を検知する。具体的には、任意の基準姿勢（例えば、使用者Ｈが飛行機具１００を装着し、地面に対して垂直に立っている状態）、に対して、３次元の各軸方向において何度回転しているかを検知する。
　位置センサは、飛行中の飛行機具１００の位置を検知する。位置センサには、例えば、公知のＧＰＳセンサが好適に用いられる。また、出発地Ａと目的地Ｂまでの距離によっては、出発地Ａ又は目的地Ｂから電波を発信し、それをレーダによって検知することで位置を把握してもよい。これにより、出発地Ａから目的地Ｂまでの間において、飛行機具１００が予定通りの経路で移動できているか等を確認する。
　加速度センサは、飛行中の飛行機具１００の加速度あるいは速度を検知する。これにより、飛行機具１００が自律飛行を行う際の制御を補完する。
　上述の各センサが検知するこれらの情報を、制御部２３０による推力装置１０及び翼２０の制御に用いることによって、飛行に係る制御を安定させる。検出部２０４の情報は、上述のように飛行機具１００の推力装置１０及び翼２０が制御部２３０によって自律制御される際に用いられてもよい。これに加えて、飛行機具１００が使用者Ｈによって操作されている場合であっても、使用者Ｈによる操作を補完するために用いられてもよい。
　通信部２０２は、飛行機具１００と外部とで通信するために用いられる。通信部２０２は、例えば、飛行中の使用者Ｈにより推力装置１０及び翼２０の操作に代えて、外部から同様の操作情報を制御部２３０に伝達するために用いられる。これにより、使用者Ｈの操縦技能が未熟であって、かつ、制御部２３０による自律単独飛行が不可能であるような場合に、外部から操縦に熟練したオペレータによる操縦を行うために用いられる。あるいは、飛行中の使用者Ｈに対して目的地Ｂの変更等といった連絡を行うために用いられてもよい。
　［飛行制御装置の構成］
　以下、図３、図４、図５、図６、図７を用いて、飛行制御装置２００の構成について説明する。下記の制御は、上述の飛行機具１００が自律単独飛行をする際に適用される制御の一例である。つまり、飛行機具１００の制御は、下記の制御によらなくてもよい。
　［制御の第１例］
　図３は、制御の第１例の飛行制御装置２００の構成の一例を示す図である。飛行制御装置２００は、例えば、通信部２０２と、検出部２０４と、記憶部２０６と、電源２０８と、駆動部２１０と、制御部２３０と、を備える。また、下記における翼２０の制御は、翼２０が図２に示すロール軸ＸＢ、ヨー軸ＺＢ、ピッチ軸ＹＢまわりに回動させ、あるいは、折り畳みをすることが可能であるものとして説明する。
　通信部２０２は、例えば、ＷＡＮ（Wide Area Network）などのネットワークを介して、外部装置と無線通信を行う。外部装置は、例えば、飛行機具１００を遠隔操作可能なリモートコントローラであってよい。例えば、通信部２０２は、外部装置から、飛行機具１００がとるべき姿勢や速度などを指示するコマンドを受信する。
　検出部２０４は、上述の各センサに加えて、例えば、慣性計測装置を備える。慣性計測装置は、例えば、三軸式加速度センサと、三軸式ジャイロセンサとを含む。慣性計測装置は、これらのセンサによって検出された検出値を制御部２３０に出力する。慣性計測装置による検出値には、例えば、水平方向、垂直方向、奥行き方向の各加速度及び／又は角速度や、ピッチ、ロール、ヨーの各軸の速度（レート）などが含まれる。検出部２０４には、更に、レーダやファインダ、ソナー、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信機などが含まれてもよい。また、検出部２０４には、更に、翼２０のひずみを検出する光ファイバセンサや、それら翼２０にかかる圧力を検出する圧力センサが含まれてもよい。
　記憶部２０６は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置により実現される。記憶部２０６には、ファームウェアやアプリケーションプログラムなどの各種プログラムのほかに、制御部２３０の演算結果などがログとして格納される。
　電源２０８は、例えば、リチウムイオン電池などの二次電池である。電源２０８は、駆動部２１０や制御部２３０に電力を供給する。電源２０８には、更に、ソーラーパネルなどが含まれてもよい。
　駆動部２１０は、例えば、推力アクチュエータ２１２と、スイープアクチュエータ２１４と、ツイストアクチュエータ２１６と、フォールドアクチュエータ２１８と、を備える。
　推力アクチュエータ２１２は、推力装置１０を駆動させ、飛行機具１００に推力を与える。スイープアクチュエータ２１４は、ヨー軸ＺＢ周りに翼２０を回動させる。
　ツイストアクチュエータ２１６は、ピッチ軸ＹＢ周りに翼２０を回動させる。フォールドアクチュエータ２１８は、ピッチ軸ＹＢ方向に翼２０を展開したり、畳んだりする。
　制御部２３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのプロセッサが記憶部２０６に格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、制御部２３０は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。
　以下、制御部２３０の制御内容の第１例について説明する。制御部２３０は、飛行機具１００が９０度のピッチアップ状態、すなわち、飛行機具１００が推力装置１０によって真上に上昇する向きにある状態にあるときに、推力アクチュエータ２１２を制御することで推力装置１０を駆動させる。これによって、飛行機具１００は、テールシッタ方式のＶＴＯＬ（Vertical Take Off and Landing）無人機のように離陸する。テールシッタ方式とは、９０度のピッチアップ状態から離陸し、一定の高度で機首を水平に戻して翼２０が発生する揚力で飛行する飛行方式である。
　このようなテールシッタ方式は、姿勢変化が大きいため、姿勢誤差の計算にＺＹＸオイラーを用いると離着陸時にＺＢ軸がプラスマイナス９０度の時に特異姿勢となり表現ができなくなる。また、本実施形態に係る翼２０による鳥を模倣した飛行では、大きな姿勢変動が起こる蓋然性が高くなるため、特異姿勢がない姿勢表現が必要である。この問題を解決するため、姿勢誤差の計算にクォータニオンを採用する。クォータニオンは、三次元の単位ベクトルｒとその回転角度ζを使って数式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　目標姿勢をｑｒとし、現在姿勢をｑｃとすると、目標姿勢と現在姿勢の偏差ｑｅはクォータニオン行列を用いると、数式（２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　偏差ｑｅは、機体の現在姿勢を目標姿勢に近づけるために、現在の機体固定座標系において、どの軸周りにどれだけ回転すればよいか、ということを示している。例えば、制御部２３０は、ｑｅのベクトル部を機体固定座標ＸＢ、ＹＢ、ＺＢ軸に対応させてフィードバック制御を行う。
　図４は、クォータニオンフィードバックを用いた姿勢制御系の一例を示す図である。例えば、制御部２３０は、スイープアクチュエータ２１４、ツイストアクチュエータ２１６、フォールドアクチュエータ２１８を制御して、飛行機具１００のＸＢ軸、ＹＢ軸、ＺＢ軸における姿勢を制御する。
　制御部２３０は、各軸に対応したアクチュエータをＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential Controller）制御を行う。ＰＩＤ制御は、数式（３）～（５）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式中のδｘは、翼２０のツイストの舵角、すなわちツイスト角度を表しており、δｙは、昇降舵の舵角を表しており、δｚは、方向舵の舵角を表している。ΚＰは比例ゲインを表し、ΚＩは積分ゲインを表し、ΚＤは微分ゲインを表している。Κｊは機体のジャイロモーメントを補正するためのゲインである。
　ＹＢ軸及びＺＢ軸の制御には、右辺の第三項に推力ジャイロ効果の影響を考慮した補正項（Ｋｊωｙ、Ｋｊωｚ）を追加している。ωｚは、ＺＢ軸周りの機体の回転速度である。ωｙは、ＹＢ軸周りの機体の回転速度である。
　例えば、制御部２３０は、図４に示すように、飛行機具１００の現在位置と目標位置との誤差距離を用いて目標姿勢を計算する。そして、制御部２３０は、計算した目標姿勢を基に、ツイストアクチュエータ２１６を制御して、飛行機具１００の姿勢を制御する。なお、目標姿勢は、コマンドとして外部装置から指示されてもよい。
　［制御部の処理フロー］
　以下、制御部２３０の一連の処理の流れをフローチャートを用いて説明する。図５は、制御部２３０の一連の処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートの処理は、例えば、所定の周期で繰り返し行われてよい。
　まず、制御部２３０は、通信部２０２を介して外部装置からコマンドを取得する（ステップＳ１００）。コマンドには、例えば、飛行機具１００の取るべき姿勢、すなわち目標姿勢ｑｒが含まれる。
　次に、制御部２３０は、検出部２０４の検出結果をもとに、飛行機具１００の現在姿勢ｑｃを計算し、計算した現在姿勢ｑｃと目標姿勢ｑｒとの偏差ｑｅを計算する（ステップＳ１０２）。偏差ｑｅには、機体固定座標ＸＢ、ＹＢ、ＺＢ軸に対応したクォータニオンｑｅｘ、ｅｙ、ｅｚが含まれる。
　次に、制御部２３０は、計算した偏差ｑｅを基に、ツイストの舵角δｘ、昇降舵の舵角δｙ、方向舵の舵角δｚを制御量として、ＰＩＤ制御によって計算する（ステップＳ１０４）。
　次に、制御部２３０は、計算した各舵角δｘ、δｙ、δｚに基づく制御信号を各アクチュエータに送り、各アクチュエータを制御する（ステップＳ１０６）。これによって本フローチャートの処理が終了する。
　図６は、飛行機具１００の飛行の様子を模式的に示す図である。図示の例では、一定の高度で水平飛行している飛行機具１００が着陸するときの様子を表している。図中Ｇは、目標とする着陸地点である。着陸地点Ｇは、一次元の点であってもよいし、二次元の面であってもよいし、三次元の立体的な空間であってもよい。
　例えば、時刻ｔ１の時点で、通信部２０２が、外部装置から飛行機具１００を着陸させるためのコマンドを受信したとする。この場合、制御部２３０は、スイープアクチュエータ２１４を制御して翼２０をヨー軸ＺＢ周りに回動させることで、翼２０を機体の前方に移動させる。これによって、飛行機具１００の機首が上がる。
また、制御部２３０は、フォールドアクチュエータ２１８を制御して翼２０を更にピッチ軸ＹＢ方向に翼２０を延伸させる。また、制御部２３０は、飛行機具１００の機首を上げる。これによって、飛行機具１００は、時刻ｔ２、ｔ３、ｔ４のように、機体を持ち上げながら、９０度のピッチアップ状態へと遷移する。この結果、飛行機具１００は、機体全体の抗力が大きくなるため、速やかに減速することができる。制御部２３０は、飛行機具１００がピッチアップ状態となった場合、推力アクチュエータ２１２を制御して、飛行機具１００をホバリングさせながら目的地Ｂに降下させる。
　以上説明した制御の第１例によれば、翼２０がピッチ軸ＹＢ方向に延伸する。これによって、空気力を得ることで失速を抑制することができる。この結果、飛行機具１００の飛行性能を向上させることができる。
　また、上述した制御の第１例によれば、翼２０をピッチ軸ＹＢ方向に伸縮させるフォールド機構に加えて、更に、翼２０をヨー軸ＺＢ周りに回動させ、翼２０を機体の前後方向に移動させるスイープ機構と、翼２０をピッチ軸ＹＢ周りに回動させ、飛行機具１００に対して翼２０を内旋または外旋させるツイスト機構とを有することで、翼２０の翼面積や形状の変化量を大きくすることができる。この結果、揚力やモーメントの変化が大きくなり、飛行機具１００の機敏性を向上させることができる。
　なお、上述した翼２０は、スイープ動作、ツイスト動作、及びフォールド動作のそれぞれについて、両翼対称または非対称に行うことができる。また、翼２０は、飛行構造への適用だけでなく、風力または潮流発電プレードや、その他流体から力を受ける構造に適用可能である。
　［制御の第２例］
　以下、制御の第２例について説明する。制御の第２例では、深層強化学習を用いて、飛行機具１００の姿勢や速度などを基に、スイープ機構、ツイスト機構、及びフォールド機構のそれぞれの制御量を決定する点で上述した制御の第１例と相違する。以下、制御の第１例との相違点を中心に説明し、制御の第１例と共通する点については説明を省略する。なお、制御の第２例の説明において、制御の第１例と同じ部分については同一符号を付して説明する。
　深層強化学習の一つには、例えば、ＤＱＮ（Deep Q-Network）が含まれる。ＤＱＮとは、Ｑ学習と呼ばれる強化学習において、ある時刻ｔのある状態変数ｓｔの下で、ある行動ａｔを選択したときの価値を関数として表した行動価値関数Ｑ（ｓｔ、ａｔ）を、ニューラルネットワークに近似関数として学習させる手法である。
　図７は、制御の第２例の飛行制御装置２００Ａの構成の一例を示す図である。制御の第２例の飛行制御装置２００Ａでは、記憶部２０６Ａにモデル情報３００が格納される。
　モデル情報３００は、Ｑ学習によって学習されたモデルＭＤＬを定義した情報（プログラムまたはデータ構造）である。モデルＭＤＬは、例えば、複数の畳み込み層と、それら複数の畳み込み層の出力結果を一つに統合する全結合層とを含むニューラルネットワークによって実現されてよい。
　モデル情報３００には、例えば、各ニューラルネットワークを構成する入力層、一以上の隠れ層（中間層）、出力層の其々に含まれるユニットが互いにどのように結合されるのかという結合情報や、結合されたユニット間で入出力されるデータに付与される結合係数などの各種情報が含まれる。結合情報とは、例えば、各層に含まれるユニット数や、各ユニットの結合先のユニットの種類を指定する情報、各ユニットを実現する活性化関数、隠れ層のユニット間に設けられたゲートなどの情報を含む。ユニットを実現する活性化関数は、例えば、正規化線形関数（ＲｅＬＵ関数）であってもよいし、シグモイド関数や、ステップ関数、その他の関数などであってもよい。ゲートは、例えば、活性化関数によって返される値（例えば１または０）に応じて、ユニット間で伝達されるデータを選択的に通過させたり、重み付けたりする。結合係数は、例えば、ニューラルネットワークの隠れ層において、ある層のユニットから、より深い層のユニットにデータが出力される際に、出力データに対して付与される重みを含む。また、結合係数は、各層の固有のバイアス成分などを含んでもよい。
　モデルＭＤＬは、例えば、状態変数ｓｔが入力されると、行動価値関数Ｑ（ｓｔ、ａｔ）を出力するように学習される。
　状態変数ｓｔは、例えば、上述した飛行機具１００の現在姿勢ｑｃや目標姿勢ｑｒ、或いはそれらの偏差ｑｅである。また、状態変数ｓｔには、姿勢や偏差に代えて、或いは加えて、飛行機具１００の速度などが含まれてよい。また、検出部２０４にひずみを検出する光ファイバセンサや圧力を検出する圧力センサが含まれている場合、状態変数ｓｔには、それらセンサから取得可能なひずみや圧力が含まれてよい。ひずみや圧力を含む状態変数ｓｔは、「変位情報」の一例である。
　行動ａｔは、例えば、スイープ機構の制御量、ツイスト機構の制御量、フォールド機構の制御量、推力装置１０の回転速度、昇降舵の舵角、方向舵の舵角などである。すなわち、行動ａｔは、駆動部２１０の各アクチュエータの操作量である。また、行動ａｔは、ＰＩＤ制御の比例ゲインΚＰや、積分ゲインΚＩ、微分ゲインΚＤ、補正ゲインΚｊであってもよい。また、行動ａｔは、ＰＩＤ制御やホバリング制御といった種々の制御のうち、いずれの制御を行うのか、或いは行わないのか、といったことを表す指標値であってもよい。
　Ｑ学習は、例えば、翼２０や推力装置１０、昇降舵、方向舵が理想的な状態をとる場合に報酬を高くして、モデルＭＤＬの重みやバイアスを学習する。例えば、決められた着陸地点Ｇの上空において、飛行機具１００の姿勢が９０度のピッチアップ姿勢であり、飛行機具１００の速度が静止と見做せる程度の速度にあるときには報酬を高くしてよい。一方、飛行機具１００が地面や木々に接触したり、決められていた高度から逸脱したりする状態にあるときには、報酬を低く（例えばゼロ）にしてよい。
　制御部２３０は、このように行動ａｔに応じて報酬が与えられるように学習されたモデルＭＤＬに対して、飛行機具１００の現在姿勢ｑｃや目標姿勢ｑｒなどを状態変数ｓｔとして入力する。これら状態変数ｓｔが入力されたモデルＭＤＬは、報酬が最も高くなりやすい各アクチュエータの操作量を行動価値関数Ｑ（ｓｔ、ａｔ）として出力する。
　制御部２３０は、モデルＭＤＬによって出力された各アクチュエータの操作量を基に、アクチュエータを制御することで、飛行機具１００を飛行させる。
　以上説明した制御の第２例によれば、予めＱ学習によって学習されたモデルＭＤＬを利用して各アクチュエータを制御するため、鳥の飛行方法により近づけることできる。この結果、飛行機具１００の機敏性を更に向上させることができる。
　また、上述した制御の第２例によれば、スイープ機構、ツイスト機構、及びフォールド機構による飛行動作において、入力とその入力に対する応答としての運動との関係に大きな非線形性を伴うものの、非線形性のある環境下でも適した行動を出力できるようにモデルＭＤＬを学習させることができるため、従来制御では困難であった飛行方式を採用することができる。
（飛行機具の運営方法）
　次に、飛行機具１００と、飛行機具１００に搭載された飛行制御装置２００を用いた運営方法について説明する。本実施形態に係る運営は、図１に示すように、１つの飛行機具１００を複数の使用者Ｈが共有して、出発地Ａから目的地Ｂに向かう際に行われる。
（使用者によって飛行機具を操作する場合）
　まず、飛行機具１００を使用者Ｈが操作することで飛行する場合について説明する。すなわち、使用者Ｈによるインターフェイスを介した入力を制御部２３０が受理することで飛行する場合について説明する。
　まず、１人目の使用者Ｈが出発地Ａから目的地Ｂに移動する。その際、まず、出発地Ａにおいて使用者Ｈが飛行機具１００を装着する。次に、使用者Ｈがインターフェイスを操作して飛行機具１００を起動し、推力装置１０に対して出力を指示することで垂直方向に離陸する。このとき、翼２０はフォールド機構によって格納しておく。出発地Ａの周囲に木などの障害物がある場合、翼２０はフォールド機構によって最大限格納する。離陸時に推力装置１０の後流などによる空気力を得たい場合は、翼２０を展開してもよい。翼２０の展開は、使用者Ｈによって行われてもよいし、飛行機具１００の起動と同時に制御部２３０によって自動的に翼２０を最大限展開することで、使用者Ｈを補助してもよい。
　飛行機具１００によって十分な高さまで離陸した後、水平飛行に移行する。すなわち、使用者Ｈが翼２０をツイスト機構によってピッチ軸ＹＢ方向に回転させたり、スイープ機構によってヨー軸ＺＢ方向に回転させたりして、前傾姿勢に移行する。このとき、空気抵抗を少なくするために、飛行中に翼２０を格納してもよい。揚力を得るために、飛行中に翼２０を展開してもよい。
　使用者Ｈは飛行中、適宜インターフェイスを操作して、飛行姿勢や飛行高さ、飛行方向や飛行速度を調節する。なおインターフェイスには、現在の飛行位置を表示する地図などが表示されてもよい。
　水平飛行により目的地に近づいた後、着陸姿勢に移行する。すなわち、使用者Ｈが翼２０をピッチ軸ＹＢ方向に回転させたり、スイープ機構によってヨー軸ＺＢ方向に回転させたりして、前傾姿勢から直立姿勢に移行する。このとき、翼２０をフォールド機構によって格納する。目的地Ｂの周囲に木などの障害物がある場合、翼２０はフォールド機構によって最大限格納する。着陸時に推力装置１０の後流などによる空気力を得たい場合は、翼２０を展開してもよい。翼２０の展開は使用者Ｈによって行われてもよいし、使用者Ｈによる翼２０の回転操作によって着陸姿勢に移行したことを制御部２３０が感知して、自動的に展開することで、使用者Ｈを補助してもよい。
　１人目が飛行機具１００によって目的地Ｂに到着した後は、飛行機具１００が自律制御によって飛行することで、飛行機具１００のみが出発地Ａに帰還する。その後、必要の場合は飛行機具１００に燃料を補給するなどして、２人目の使用者Ｈが飛行機具１００を装着して、目的地Ｂに移動する。
（飛行機具の自律制御によって飛行する場合）
　次に、飛行機具１００の自律制御によって飛行する場合について説明する。自律制御による飛行は、上述のように目的地Ｂから出発地Ａへ飛行機具１００のみが帰還する際に行われてもよいし、使用者Ｈが出発地Ａから目的地Ｂに移動する場合であっても、使用者Ｈが飛行機具１００の操作に習熟していない場合等に行われてもよい。
　まず、目的地Ｂに到着した１人目の使用者Ｈが、飛行機具１００を取り外す。次に、飛行機具１００に対して帰還を指示する。具体的には、インターフェイスを介して制御部２３０に入力することで、飛行機具１００を自律制御に移行する。あるいは、使用者Ｈが飛行機具１００を取り外したことを検出部２０４によって検知して、自動的に自律制御に移行してもよい。
　自律制御に移行した飛行機具１００は、上述の各機能を用いて出発地Ａに帰還する。すなわち、制御部２３０が、駆動部２１０を制御して離陸し、記憶部２０６に記憶された目的地Ｂ及び出発地Ａの情報と、検出部２０４によって検知する飛行機具１００の現在位置の情報と、を参照して、駆動部２１０によって進行方向を適宜調節し、出発地Ａへ近づいたことを検出部２０４によって把握すると降下し、着陸する。
　使用者Ｈが飛行機具１００の自律制御によって出発地Ａから目的地Ｂに移動する場合も、同様の制御によって飛行する。この場合は、自動制御によって出発地Ａから目的地Ｂに移動することを、インターフェイスを介して制御部２３０に指示する。
　記憶部２０６への出発地Ａ及び目的地Ｂの登録は、次のように行われる。すなわち、出発前に予め目的地Ｂが決まっている場合には、飛行機具１００による飛行開始前にインターフェイスを介して、又は通信部２０２によって記憶部２０６に出発地Ａ及び目的地Ｂを登録してもよい。出発前に目的地Ｂが決まっていない場合（例えば、救助隊員が飛行機具１００を使用するような場合に、救助者の位置が不明で、空中から救助者を捜索する必要があるような場合）は、予め出発地Ａのみ記憶部２０６に登録する。その後、１人目の使用者Ｈが使用後にインターフェイスを介して記憶部２０６に登録してもよいし、飛行機具１００が最初に着陸した場所を検出部２０４によって検知し、自動的に記憶部２０６に登録してもよい。
　また、使用者Ｈが飛行中に目的地Ｂを変更する必要が生じた場合は、通信部２０２によって記憶部２０６への登録内容を変更してもよい。また、使用者Ｈが飛行機具１００の操作に習熟していない場合に、操作に習熟した別の人間が地上において通信部２０２によって飛行操作を行ってもよい。
　以上説明したように、本実施形態に係る飛行機具１００によれば、翼２０を備えることで、飛行時に空気力を受けることができる。よって、翼２０を備えず、ロケットのような弾丸軌道を飛行する場合と比較して、効果的かつ安定的に姿勢制御をすることができる。また、垂直離着陸を初めとした離着陸時においても、姿勢を安定させることができる。更に、翼２０によって揚力が生じることで、飛行に必要な推力を削減し、推力装置１０の燃費を向上することができる。よって、飛行時間、滞空時間を向上することができる。これらから、高い飛行性能を備えることができる。
　また、制御部２３０によって推力の強さを制御する。これにより、使用者Ｈによっては加速又は減速といった単純な操作と、翼２０による方向転換のみを操作すればよいことから、より直感的な操作とすることができる。よって、高い操縦技能を必要としない飛行機具１００とすることができる。
　更に、使用者Ｈが容易に着脱可能な着脱部３０を備える。これにより、複数人によって飛行機具１００を共有することができる。
　また、制御部２３０が、翼２０による飛行姿勢及び飛行方向の制御と、推力装置１０の出力の制御と、を制御する。これにより、飛行機具１００による自律飛行が可能である。これにより、使用者Ｈによって操作を行うことなく飛行することができる。よって、使用者Ｈの操縦技能を不要とすることができる。
　更に、使用者Ｈに装着されず、飛行機具１００のみによって自律単独飛行することができる。つまり、複数の使用者Ｈ（例えば、救助隊員）が出発地Ａから目的地Ｂに移動しようとするとき、一人の使用者Ｈが出発地Ａから目的地Ｂまで移動した後、飛行機具１００のみが自律飛行によって出発地Ａに戻ることができる。よって、出発地Ａから目的地Ｂまで複数の使用者Ｈが移動する時であっても、１つの飛行機具１００によって対応することができる。よって、飛行機具１００を複数準備することなく、効率的な救助活動などに寄与することができる。
　また、姿勢センサを更に備える。姿勢センサの検知する情報を制御部２３０による制御に用いることで、より安定した自律飛行とすることができる。更に、使用者Ｈによる操縦によって飛行する際も、姿勢センサの情報を補助的に用いることで、より安定した飛行とすることができる。
　また、位置センサを更に備える。これにより、例えば、出発地Ａ及び目的地Ｂを予め飛行機具１００に登録することで、制御部２３０によって最短経路を選択した飛行をすることができる。
　また、通信部２０２を更に備える。これにより、使用者Ｈによる操縦や、制御部２３０による制御による飛行に加えて、外部からの遠隔操作による飛行を行うことができる。
　また、翼２０は折り畳みが可能である。よって、飛行機具１００を運搬する際の機動性を向上することができる。さらに、高速飛行時は翼２０を格納することで抵抗を減らし、低速飛行時や離着陸時は翼２０を展開して空気力を得やすくするといった操作をすることができる。よって、より機動性を向上することができる。
　また、使用者Ｈが飛行機具１００を装着して飛行機具によって出発地Ａから目的地Ｂまで飛行した後、飛行機具１００のみが目的地Ｂから出発地Ａまで飛行する。これにより、複数の使用者Ｈによって１つの飛行機具１００を共有することができる。よって、飛行機具１００を複数用意することを必要とせず、複数の人員を移動させることができる。
　なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
　例えば、使用者Ｈによる操縦によって飛行するモードと、制御部２３０による自律飛行モードとを切り替え可能としてもよい。
　また、飛行中に使用者Ｈが何らかの方法で、位置センサの出力する位置情報における任意の地点を随時記録できるようにしてもよい。これにより、例えば、使用者Ｈが上空で要救助者等を発見した地点を記録部に登録することで、より効率的な救助活動に寄与できるようにしてもよい。
　また、翼２０は、使用者Ｈの体格や飛行現場の天候等によって交換が可能であってもよい。
　また、飛行機具１００は、尾翼を備えていてもよい。例えば、使用者Ｈが飛行機具１００を装着しているときは前記尾翼を格納して、自律単独飛行を行う際に前記尾翼を展開するようにしてもよい。
　また、使用者Ｈは、飛行中に空中において飛行機具１００を体から取り外してもよい。その後、使用者Ｈはパラシュート等によって目的地Ｂに降下してもよい。その際、飛行機具１００は、使用者Ｈから取り外されたことを検知して、自動飛行により帰還してもよい。
　その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
　本発明によれば、高い飛行性能を有し、習熟に長時間を要する高い操縦技能を必要としない飛行機具を提供することができる。
１０　推力装置
２０　翼
３０　着脱部
１００　飛行機具
２３０　制御部
Ａ　出発地
Ｂ　目的地
Ｈ　使用者

Claims (7)

  1. 　飛行時の推力を付与する推力装置と、
    　飛行時の姿勢を維持し、かつ飛行する方向を転換する翼と、
    　前記推力装置の出力の強さを制御する制御部と、
    　使用者が着脱可能な着脱部と、
    　を備える、
    　飛行機具。
  2. 　前記制御部が、前記翼による飛行姿勢及び飛行方向と、前記推力装置の出力と、を制御する、
    　請求項１に記載の飛行機具。
  3. 　前記飛行機具の姿勢を検知する姿勢センサを更に備える、
    　請求項１又は２に記載の飛行機具。
  4. 　飛行する地点を把握する位置センサを更に備える、
    　請求項１から３のいずれか１項に記載の飛行機具。
  5. 　外部と通信する通信部を更に備える、
    　請求項１から４のいずれか１項に記載の飛行機具。
  6. 　前記翼は折り畳みが可能である、
    　請求項１から５のいずれか１項に記載の飛行機具。
  7. 　請求項１から６のいずれか１項に記載の飛行機具を複数の前記使用者が共有する運営方法であって、
    　使用者が前記飛行機具を装着して前記飛行機具によって出発地から目的地まで飛行した後、前記飛行機具のみが前記目的地から前記出発地まで飛行する、
    　運営方法。
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