JP2020128196A - Multicopter - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、マルチコプタに関し、特にシリーズハイブリッドシステムが構成されているマルチコプタに関する。 The present disclosure relates to multicopters, and more particularly to multicopters in which a series hybrid system is configured.
特許文献1には、発電ユニットを構成する2つのロータの回転方向を逆にすることで、ロータやクランクシャフトの回転体に起因したジャイロ効果により飛行時の姿勢が不安定になることを抑制しようとするエンジン搭載型飛行装置が開示されている。
In
特許文献1に開示されているエンジン搭載型飛行装置において、発電ユニットを構成する2つのロータは、エンジンの2つのクランクシャフトと接続しており、この2つのクランクシャフトと同期して回転する。このように、発電ユニットに2つのロータが設けられているとともに、これらに対応するようにエンジンに2つのクランクシャフトが設けられているので、エンジン搭載型飛行装置が重量化してしまう。そして、このようにエンジン搭載型飛行装置が重量化してしまうと、プロペラを回転させるために必要な電力が増加してしまう。
In the engine-mounted flight device disclosed in
そこで、本開示は上記した問題点を解決するためになされたものであり、重量化することなく飛行時の姿勢を安定させることができるマルチコプタを提供することを目的とする。 Then, this indication is made in order to solve the above-mentioned problem, and it aims at providing the multi-copter which can stabilize the attitude at the time of flight, without making it heavy.
上記課題を解決するためになされた本開示の一形態は、機体ベースと、前記機体ベースを空中に浮遊させる揚力を発生させる揚力発生ユニットと、前記機体ベースに設けられ前記揚力発生ユニットに供給する電力を発電するために駆動するエンジンと、を有するマルチコプタにおいて、前記エンジンは、当該エンジンの駆動により生じる反トルクの作用方向と、前記マルチコプタを移動させるために前記機体ベースを傾ける方向と、が一致するように配置されること、を特徴とする。 One form of the present disclosure made to solve the above problem is to provide a machine body base, a lift generation unit that generates a lift force for floating the machine body base in the air, and a lift generation unit provided in the machine body base. In a multicopter having an engine driven to generate electric power, the engine has an action direction of a counter torque generated by driving the engine and a direction in which the airframe base is tilted to move the multicopter match. It is arranged to do so.
この態様によれば、飛行時の姿勢を安定させるための部品を追加する必要がないので、マルチコプタを重量化することなく飛行時の姿勢を安定させることができる。さらに、飛行姿勢の応答性や飛行性能が向上するので、マルチコプタの利便性が向上する。 According to this aspect, since it is not necessary to add a component for stabilizing the attitude during flight, the attitude during flight can be stabilized without weighting the multicopter. Furthermore, since the responsiveness of the flight attitude and the flight performance are improved, the convenience of the multicopter is improved.
上記課題を解決するためになされた本開示の他の形態は、機体ベースと、前記機体ベースを空中に浮遊させる揚力を発生させる揚力発生ユニットと、前記機体ベースに搭載され前記揚力発生ユニットに供給する電力を発電するために駆動するエンジンと、を有するマルチコプタにおいて、前記エンジンの駆動により生じる反トルクの作用方向と、前記マルチコプタを移動させるために前記機体ベースを傾ける方向と、が一致するように、前記エンジンと前記機体ベースとを相対回転させる回転機構を有すること、を特徴とする。 Another embodiment of the present disclosure made in order to solve the above problems is a machine body base, a lift generation unit that generates a lift force that floats the machine body base in the air, and is mounted on the machine body base and supplied to the lift generation unit. In a multicopter having a drive for generating electric power, the action direction of the anti-torque generated by the drive of the engine and the direction in which the airframe base is tilted to move the multicopter match. And a rotation mechanism that relatively rotates the engine and the machine body base.
この態様によれば、飛行時の姿勢を安定させるための部品を追加する必要がないので、マルチコプタを重量化することなく飛行時の姿勢を安定させることができる。さらに、マルチコプタの移動方向に関わらず飛行姿勢の応答性や飛行性能が向上するので、マルチコプタの利便性が向上する。また、反トルクの作用方向が限定されないため、目標とするマルチコプタの移動方向に機体ベースを傾ける制御を素早く実施することが可能になる。 According to this aspect, since it is not necessary to add a component for stabilizing the attitude during flight, the attitude during flight can be stabilized without weighting the multicopter. Further, the responsiveness of the flight attitude and the flight performance are improved regardless of the moving direction of the multi-copter, so that the convenience of the multi-copter is improved. Further, since the action direction of the anti-torque is not limited, it becomes possible to quickly perform the control of inclining the airframe base in the target moving direction of the multicopter.
上記の態様においては、前記電力を充放電可能なバッテリと、前記マルチコプタを制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記マルチコプタがホバリングしているときに、前記バッテリの充電残量が所定量以下である場合には、前記反トルクの作用方向が風向きと対向するように前記マルチコプタの姿勢を制御した上で、前記エンジンの回転数を所定回転数以上にする制御を行うこと、が好ましい。 In the above aspect, the battery has a battery capable of charging and discharging the power, and a control unit that controls the multicopter, and the control unit is a remaining charge amount of the battery when the multicopter is hovering. Is less than or equal to a predetermined amount, after controlling the attitude of the multicopter so that the direction of action of the anti-torque is opposite to the wind direction, performing control to make the number of revolutions of the engine more than a predetermined number of revolutions, Is preferred.
この態様によれば、特にバッテリの充電残量が少ない場合に、マルチコプタの姿勢の安定化を図りつつ、バッテリを充電させることができる。 According to this aspect, it is possible to charge the battery while stabilizing the posture of the multicopter, particularly when the remaining charge of the battery is low.
上記の態様においては、前記マルチコプタが移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へと移行する予兆を判定する予兆判定部と、前記マルチコプタを制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記予兆判定部により前記予兆が判定された場合に、前記エンジンの回転数を所定回転数未満にする制御、および、前記反トルクの作用方向を逆にする制御の少なくとも一方を行うこと、が好ましい。 In the above aspect, the multicopter has a sign determination unit that determines a sign of transitioning from a moving posture to a hovering posture, and a control unit that controls the multicopter, and the control unit is the It is preferable that, when the sign is determined by the sign determination unit, at least one of a control for reducing the engine speed to be less than a predetermined speed and a control for reversing the action direction of the anti-torque is performed.
この態様によれば、マルチコプタが移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へ変化する際の応答性の低下を抑制できる。 According to this aspect, it is possible to suppress a decrease in responsiveness when the multicopter changes from the moving posture to the hovering posture.
上記の態様においては、前記エンジンのクランクシャフトは、当該クランクシャフトの中心軸方向が、前記エンジンと前記機体ベースとの配列方向に対して直交するように配置され、前記エンジンのピストンは、前記クランクシャフトよりも前記機体ベース側に配置されていること、が好ましい。 In the above aspect, the crankshaft of the engine is arranged such that the central axis direction of the crankshaft is orthogonal to the arrangement direction of the engine and the airframe base, and the piston of the engine is the crankshaft. It is preferable that it is arranged closer to the machine body base than the shaft.
この態様によれば、マルチコプタの重心位置を出来るだけ機体ベース側にすることができるので、より効果的に、マルチコプタにおける飛行姿勢の応答性や飛行性能を向上させることができる。 According to this aspect, the center of gravity of the multi-copter can be set as close to the body base side as possible, so that the responsiveness of the flight attitude and the flight performance of the multi-copter can be improved more effectively.
上記課題を解決するためになされた本開示の他の形態は、機体ベースと、前記機体ベースを空中に浮遊させる揚力を発生させる揚力発生ユニットと、前記機体ベースに設けられ前記揚力発生ユニットに供給する電力を発電するために駆動するエンジンと、を有するマルチコプタにおいて、前記マルチコプタを制御する制御部を有し、前記制御部は、複数の前記エンジンの駆動により生じる反トルクの合力モーメントの作用方向と、前記マルチコプタを移動させるために前記機体ベースを傾ける方向とが一致するように、複数の前記エンジンの回転数をそれぞれ制御すること、を特徴とする。 Another embodiment of the present disclosure made in order to solve the above problems is to provide a machine body base, a lift generation unit that generates a lift force that floats the machine body base in the air, and a lift generation unit that is provided on the machine body base. In a multicopter having an engine driven to generate the electric power to be generated, a control unit for controlling the multicopter is provided, and the control unit has an action direction of a resultant moment of a counter torque generated by driving the plurality of engines, and The rotation speeds of the plurality of engines are controlled so that the directions in which the body base is tilted to move the multicopter coincide with each other.
この態様によれば、反トルクの合力モーメントの作用方向と、マルチコプタを移動させるために機体ベースを傾ける方向とが一致するので、飛行時の姿勢を安定させることができる。そして、反トルクの合力モーメントの作用方向を自在に制御できるので、機体ベースを傾ける方向が限定されない。 According to this aspect, the acting direction of the resultant moment of the counter torque and the direction in which the body base is tilted to move the multicopter match, so that the attitude during flight can be stabilized. Since the acting direction of the counter torque resultant moment can be freely controlled, the tilting direction of the machine base is not limited.
上記の態様においては、複数の前記エンジンは、前記マルチコプタを上方から見たときに、外形が正多角形に形成される前記機体ベースにおける角部の位置にそれぞれ配置されていること、が好ましい。 In the above aspect, it is preferable that the plurality of engines are arranged at respective corner positions of the machine body base whose outer shape is a regular polygon when the multicopter is viewed from above.
この態様によれば、反トルクの合力モーメントの作用方向の制御が容易になる。 According to this aspect, it becomes easy to control the acting direction of the resultant moment of the counter torque.
上記の態様においては、前記機体ベースと前記エンジンとの連結部分に設けられ、前記反トルクの作用方向以外の方向に作用する前記エンジンの振動を制振する制振部を有すること、が好ましい。 In the above aspect, it is preferable that a vibration damping portion that is provided at a connecting portion between the machine body base and the engine and that damps vibrations of the engine that act in a direction other than the direction in which the counter torque acts is preferable.
この態様によれば、エンジンの駆動により生じる反トルクの作用方向以外の方向に作用するエンジンの振動が機体ベースに伝達することを抑制できる。そのため、マルチコプタの飛行時の姿勢を安定させることができる。 According to this aspect, it is possible to prevent the vibration of the engine acting in a direction other than the acting direction of the counter torque generated by driving the engine from being transmitted to the machine body base. Therefore, the attitude of the multicopter during flight can be stabilized.
本開示のマルチコプタによれば、重量化することなく飛行時の姿勢を安定させることができる。 According to the multicopter of the present disclosure, the attitude during flight can be stabilized without increasing the weight.
以下、本開示のマルチコプタの実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the multicopter of the present disclosure will be described.
〔第1実施形態〕
まず、第1実施形態について説明する。
[First Embodiment]
First, the first embodiment will be described.
<マルチコプタの概要>
(マルチコプタの構成)
図1に示すように、本実施形態のマルチコプタ1は、機体11とエンジン発電ユニット12を有する。
<Outline of Multicopter>
(Structure of multicopter)
As shown in FIG. 1, the
機体11は、プロペラ21とモータ22と機体本体部23と懸架部材24を備えている。なお、プロペラ21とモータ22は、マルチコプタ1(懸架部材24)を空中に浮遊させる揚力を発生させる揚力発生ユニットである。また、懸架部材24は、本開示の「機体ベース」の一例である。
The
プロペラ21は、複数(例えば、8個)設けられている。そして、この複数のプロペラ21を同時に回転させることにより、マルチコプタ1は飛行する。
A plurality of (for example, eight)
モータ22は、各々のプロペラ21に設けられ、プロペラ21を回転させる。モータ22は、図2に示すように、後述するESC36(インバータ(不図示))とパワーコントロールユニット35とを介して、後述するバッテリ31やジェネレータ42に電気的に接続されている。これにより、ジェネレータ42にて発電された電力やバッテリ31から放電される電力が、パワーコントロールユニット35とESC36とを介して、モータ22に供給される。
The
機体本体部23は、図1に示すように、懸架部材24の上方に設けられている。この機体本体部23には、図2に示すように、バッテリ31と、燃料タンク32と、制御部33と、FC(フライトコントローラ)34と、パワーコントロールユニット35と、ESC(Electric Speed Controller)36などが設けられている。
The
バッテリ31は、電力を充放電可能な充放電部(二次電池、蓄電池)である。図2に示すように、バッテリ31は、パワーコントロールユニット35を介して、ジェネレータ42と電気的に接続されており、ジェネレータ42で発電された電力を充電する。また、バッテリ31は、パワーコントロールユニット35とESC36とを介して、モータ22と電気的に接続されており、モータ22に供給する電力を放電する。また、バッテリ31において、バッテリ31の電流・電圧やバッテリ31の温度やSOC(State Of Charge、充電率)を検出するセンサが設けられており、該センサはそれらの情報に関する信号を制御部33へ送る。
The
燃料タンク32は、後述するエンジン41を駆動させるために使用する燃料(例えば、ガソリン)を貯留している。また、燃料タンク32に設けられた不図示のレベルセンサは、制御部33へ燃料の残量の情報に関する信号を送る。
The
制御部33は、小型のコンピュータとして構成されており、マルチコプタ1の全体を制御する。例えば、制御部33は、エンジン41の駆動を制御して、ジェネレータ42での発電を制御する。
The
FC34は、マルチコプタ1の飛行の制御を行う装置である。このFC34は、制御部33とESC36へ推力指示の信号を送る一方で、制御部33からSOCの情報に関する信号を受け取る。また、FC34は、後述するコントローラ71から使用者の操作指示の信号を受け取り、後述する各種センサ72から検出結果の情報に関する信号を受け取る。
The
パワーコントロールユニット35は、モータ22へ供給される電力を制御する装置である。このパワーコントロールユニット35は、ジェネレータ42で発電された電力を受給したり、バッテリ31との間で電力の供給および受給を行ったり、ESC36へ電力を供給したりする。また、パワーコントロールユニット35は、制御部33から充放電切替指示の信号を受け取る。
The power control unit 35 is a device that controls the electric power supplied to the
ESC36は、モータ22の回転数を制御する装置である。このESC36は、パワーコントロールユニット35から供給される電力を、駆動電力として、モータ22に供給する。また、ESC36は、FC34から推力指示の信号を受け取る。
The
また、本実施形態のマルチコプタ1は、図2に示すように、マルチコプタ1が移動するときの姿勢(すなわち、「移動時の姿勢」)からホバリングするときの姿勢(すなわち、「ホバリング時の姿勢」)へと移行する予兆を判定する予兆判定部37を有する。この予兆判定部37は、例えば、目標地点まで残り距離が所定距離以内であれば、マルチコプタ1が移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へと移行する予兆があると判定する。
Further, as shown in FIG. 2, the
エンジン発電ユニット12は、図1に示すように、懸架部材24の下に設けられている。このエンジン発電ユニット12は、図1と図2に示すように、エンジン41とジェネレータ(すなわち、発電機)42を備えている。エンジン41は、ジェネレータ42の動力源であって、例えば、小型のディーゼルエンジンやレシプロエンジンなどである。すなわち、エンジン41は、モータ22またはバッテリ31へ供給する電力をジェネレータ42で発電するために駆動する。また、エンジン41は、制御部33から、発電電力指示の信号を受け取る。また、本実施形態では、図3に示すように、エンジン41のクランクシャフト41aは、当該クランクシャフト41aの中心軸CA方向が、エンジン41と懸架部材24との配列方向(図3の上下方向)に対して直交するように配置されている。
The engine
本実施形態では、図3に示すように、懸架部材24とエンジン41との連結部分に、エンジン41の振動を制振するマウントゴム部材51が設けられている。詳しくは、エンジン41の上方に略円筒形状の円筒部61が設けられており、マウントゴム部材51は、この円筒部61の内側に圧入されるようにして配置されている。なお、マウントゴム部材51についての詳細は、後述する。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, a
また、マルチコプタ1は、図2に示すように、コントローラ71と、各種センサ72を有する。
Further, the
コントローラ71は、マルチコプタ1の使用者が持つ操作部であり、例えば、ジョイスティックである。また、各種センサ72は、高度や姿勢や緯度や経度や加速度や障害物などを検出するセンサである。
The
また、本実施形態のマルチコプタ1においては、モータ22とバッテリ31とエンジン41によりシリーズハイブリッドシステムが構成されている。すなわち、マルチコプタ1においては、エンジン41が発電のみに使用され、モータ22がプロペラ21の駆動に使用され、さらに電力を回収するためのバッテリ31を有するシステムが構成されている。このようにして、マルチコプタ1は、エンジン41の駆動によりジェネレータ42にて発電し、発電した電力でモータ22を駆動してプロペラ21を駆動することにより、飛行する。また、マルチコプタ1は、エンジン41の駆動によりジェネレータ42にて発電した際の余剰電力を、バッテリ31に一旦蓄え、必要に応じてモータ22の駆動に用いる。
In addition, in the
(マルチコプタの作用)
このような構成のマルチコプタ1は、モータ22に電力を供給し、複数のプロペラ21を回転させることにより飛行する。そして、プロペラ21の回転数を制御し、プロペラ21の回転によって得られる揚力をマルチコプタ1自体の重力とバランスさせることで、マルチコプタ1のホバリング飛行や前進・後進・左右移動飛行を実現させることができる。また、プロペラ21により発生させる揚力を大きくしてマルチコプタ1の上昇飛行を実現させることができ、プロペラ21により発生させる揚力を小さくしてマルチコプタ1の下降飛行を実現させることができる。また、各々のプロペラ21の回転数を制御して、複数のプロペラ21の回転によって発生する揚力に不均衡を生じさせることにより、マルチコプタ1の前進・後進・左右移動飛行を実現することができる。そして、相対するプロペラ21の回転数に差を設けることにより、旋回(回転)飛行を実現することができる。
(Action of multicopter)
The
<エンジンの駆動により生じる反トルクの利用について>
マルチコプタ1は、移動するときには、複数のプロペラ21の回転数を制御して機体11をマルチコプタ1の移動方向に傾けた姿勢(以下、「移動時の姿勢」とも言う。)に制御することにより、揚力をマルチコプタ1の移動方向に作用する推進力に換える。なお、本開示において「移動」とは、水平方向に対し平行に移動する平行移動を意味する。そして、「移動するとき」とは、前進・後進・左右移動飛行を行うときである。また、「機体11をマルチコプタ1の移動方向に傾けた姿勢」とは、詳しくは、機体11におけるマルチコプタ1の移動方向側を低くする一方で機体11におけるマルチコプタ1の移動方向とは反対側を高くする姿勢である。
<Using anti-torque generated by driving the engine>
When the
そして、このようにマルチコプタ1が移動するときにおいて、マルチコプタ1における飛行姿勢の応答性や飛行性能を向上させるためには、マルチコプタ1の重心位置は、プロペラ21の高さの位置もしくはそのわずかに上方の位置であることが望ましい。なお、「飛行姿勢の応答性」とは、マルチコプタ1の飛行時においてマルチコプタ1の姿勢を変化させる速さであり、例えば、マルチコプタ1がホバリングしているときの姿勢(以下、「ホバリング時の姿勢」とも言う。)から移動時の姿勢へ移行する速さである。
When the
しかしながら、マルチコプタ1にエンジン41を搭載するためには、構造上の制約から、例えば図1や図3に示すように、懸架部材24の下方にエンジン41を含むエンジン発電ユニット12を設けることが考えられる。そうすると、マルチコプタ1の重心位置をプロペラ21の高さの位置もしくはそのわずかに上方の位置にすることが困難になり、飛行姿勢の応答性や飛行性能が低下するおそれがある。
However, in order to mount the
ここで、エンジン41の駆動時には、図3に示すように、エンジン41のクランクシャフト41aの中心軸CAの周りにおいて、クランクシャフト41aの回転方向とは逆方向(図中の「反トルク作用方向」)に作用する反トルクATが発生する。
Here, when the
そこで、本実施形態では、この反トルクATを利用して、飛行姿勢の応答性及び飛行性能を向上させる。具体的には、図4に示すように、エンジン41は、当該エンジン41の駆動により生じる反トルクATの作用方向と、マルチコプタ1を移動させるために懸架部材24を傾ける方向と、が一致するように配置されている。
Therefore, in this embodiment, the anti-torque AT is used to improve the responsiveness of the flight attitude and the flight performance. Specifically, as shown in FIG. 4, in the
そして、これにより、反トルクATを利用して懸架部材24を傾けることができるので、マルチコプタ1は、ホバリング時の姿勢から素早く移動時の姿勢に移行することができる。そのため、飛行姿勢の応答性が向上する。
As a result, the
また、反トルクATを利用して懸架部材24を傾けることができるので、マルチコプタ1は移動時の姿勢を維持し易くなる。そのため、移動時の姿勢を維持するためにモータ22へ供給する必要な電力の量を、反トルクATを利用する分だけ減らすことができる。したがって、バッテリ31の充電消費量を減らすことができ、また、ジェネレータ42で発電させるために必要なエンジン41の駆動時間を減らして燃料タンク32の燃料の消費量を減らすことができる。ゆえに、マルチコプタ1の航続可能距離を伸ばすことができるので、マルチコプタ1の飛行性能が向上する。
Further, since the
また、反トルクATを利用して懸架部材24を傾けることができるので、移動時の姿勢が安定する。そのため、特許文献1の発明のようにクランクシャフトやロータを2つずつ設けるなどして飛行時の姿勢を安定させる必要がない。すなわち、移動時の姿勢を安定させるための部品を追加する必要がない。したがって、マルチコプタ1を重量化することなく移動時の姿勢(飛行時の姿勢)を安定させることができる。
Further, since the
なお、エンジン41が、反トルクATの作用方向と、マルチコプタ1を移動させる方向のうちの必要性の高い方向と、が一致するように配置されていれば、効果的に飛行姿勢の応答性及び飛行性能を向上させることができる。例えば、長距離運搬等のようにマルチコプタ1を移動させる方向のうちの必要性の高い方向が前進方向である場合において、エンジン41が、反トルクATの作用方向と、マルチコプタ1を前進方向へ移動させるために懸架部材24を傾ける方向(すなわち、マルチコプタ1の前進方向)と、が一致するように配置されていれば、効果的に飛行姿勢の応答性及び飛行性能を向上させることができる。
It should be noted that if the
さらに、本実施形態では、懸架部材24とエンジン41との連結部分にマウントゴム部材51が設けられているが、このマウントゴム部材51は、反トルクATの作用方向以外の方向に作用するエンジン41の振動を制振するように機能する。すなわち、マウントゴム部材51は、その制振方向に指向性を持たせた形状に形成されており、反トルクATの作用方向の制振性が低くなるようにして配置されている。なお、マウントゴム部材51は、本開示の「制振部」の一例である。
Further, in the present embodiment, the
具体的には、マウントゴム部材51は、図5に示すような形状に形成されている。図5に示すように、マウントゴム部材51は、軸部81と内側円筒部82と外側円筒部83とリブ84などを備えている。軸部81は、金属で形成されている。内側円筒部82は、円筒形状に形成されており、軸部81の周囲に設けられている。外側円筒部83は、円筒形状に形成されており、内側円筒部82の外側にて内側円筒部82に対して間隔を空けて設けられている。リブ84は、内側円筒部82と外側円筒部83との間において、内側円筒部82と外側円筒部83とに繋がるようにして設けられている。
Specifically, the
そして、このような形状に形成されるマウントゴム部材51において、図5に示すように、マウントゴム部材51の周方向(外側円筒部83の周方向)の制振力は大きい一方で、マウントゴム部材51の軸方向(軸部81の中心軸方向)の制振力は小さくなっている。すなわち、マウントゴム部材51は、その軸方向以外の方向に作用するエンジン41の振動を制振するように形成されている。
In the
そして、マウントゴム部材51は、図3に示すように、その軸部81が懸架部材24の下方に設けられた取付部91に連結され(例えば、ねじ締結され)ており、マウントゴム部材51の軸方向が反トルクATの作用方向に一致するように配置されている。これにより、マウントゴム部材51は、反トルクATの作用方向以外の方向に作用するエンジン41の振動を制振するように機能する。そのため、エンジン41の振動は基本的にはマウントゴム部材51により制振され懸架部材24には伝わらないが、反トルクATの作用方向の荷重だけは懸架部材24に伝わるようになっている。
As shown in FIG. 3, the
<ホバリング時の制御について>
反トルクATは、懸架部材24を傾けようと作用するため、マルチコプタ1がホバリングしているときにおいてホバリング時の姿勢を維持しようとする制御に対しては悪影響を及ぼすおそれがある。
<Control during hovering>
Since the anti-torque AT acts to incline the
そこで、本実施形態では、制御部33は、マルチコプタ1がホバリングしているときに、反トルクATの作用方向が風向き(風が吹く方向)に対向するようにマルチコプタ1の姿勢を制御する。これにより、風を利用して、反トルクATが懸架部材24を傾けようとする作用を抑制させる。詳しくは、制御部33は、マルチコプタ1がホバリングしているときに、SOCが所定値A以下である場合には、反トルクATの作用方向が風向きと対向するようにマルチコプタ1の姿勢を制御した上で、エンジン41の回転数を所定回転数RS以上にする制御を行う。なお、所定回転数RSは、例えば、7500rpmである。
Therefore, in the present embodiment, the
具体的には、制御部33は、図6に示すフローチャートに基づく制御を行う。図6に示すように、制御部33は、エンジン41の出力をHighモード(ハイモード)にする(ステップS1)。すなわち、ステップS1においては、制御部33は、エンジン41の回転数を所定回転数RS以上にして、エンジン41の出力を高くする制御を行う。
Specifically, the
次に、制御部33は、マルチコプタ1がホバリングしていれば(ホバリング中であれば)(ステップS2:YES)、SOCが所定値A(例えば、80%)よりも大きいか否か(バッテリ31の充電残量が所定量よりも多いか否か)を判断する(ステップS3)。
Next, if the
そして、制御部33は、SOCが所定値Aよりも大きい(バッテリ31の充電残量が所定量よりも多い)場合には(ステップS3:YES)、エンジン41の出力をLowモード(ローモード)に移行する(ステップS4)。すなわち、ステップS4においては、制御部33は、エンジン41の回転数を所定回転数RS未満にして、エンジン41の出力を低くする制御を行う。
Then, when the SOC is larger than the predetermined value A (the charge remaining amount of the
一方、SOCが所定値A以下(バッテリ31の充電残量が所定量以下)であれば(ステップS3:NO)、風向きを検出または推定し(ステップS5)、反トルクATの作用方向が風向きと対向するようにマルチコプタ1の姿勢を制御する(ステップS6)。ここで、風向きは、GPSの位置情報や、モータ22に印加される電圧の値などをもとにして検出または推定される。
On the other hand, if the SOC is less than or equal to the predetermined value A (the remaining charge amount of the
<移動している状態からホバリングする状態へ移行するときに行う制御について>
マルチコプタ1が移動している状態からホバリングする状態へ移行するときにおいて、反トルクATが原因でマルチコプタ1の姿勢の変化に要する時間が延びる可能性がある。すなわち、反トルクATが懸架部材24を傾けようと作用しているので、マルチコプタ1の姿勢が移動時の姿勢からホバリング時の姿勢(懸架部材24を傾けずに平行にする姿勢)に変化し難くなり、素早くマルチコプタ1の姿勢を変化できないおそれがある。
<Regarding control performed when shifting from a moving state to a hovering state>
When the
そこで、本実施形態では、マルチコプタ1が移動している状態からホバリングする状態へ移行する直前に、エンジン41の出力を低くして、反トルクATを小さくする。詳しくは、制御部33は、予兆判定部37により移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へと移行する予兆が判定された場合に、エンジン41の回転数を所定回転数RS未満にする制御を行う。そして、これにより、反トルクATが懸架部材24を傾けようとする作用を抑制して、マルチコプタ1の姿勢が移動時の姿勢からホバリング時の姿勢に変化し易くすることにより、素早くマルチコプタ1の姿勢を変化できるようにする。そのため、マルチコプタ1が移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へ変化する際の応答性の低下を抑制できる。
Therefore, in the present embodiment, the output of the
具体的には、制御部33は、図7に示すフローチャートに基づく制御を行う。図7に示すように、制御部33は、エンジン41の出力をHighモードにし(ステップS11)、目標地点まで残り距離が所定距離B以内であれば(ステップS12:YES)、予兆判定部37により移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へと移行する予兆があると判定されるので、エンジン41の出力をLowモードに移行する(ステップS13)。なお、所定距離Bは、例えば、50mである。
Specifically, the
また、ステップS13では、制御部33は、反トルクATの作用方向を逆にする制御(例えば、マルチコプタ1の前後方向の向きを逆にする制御)を行ってもよい。また、ステップS13では、制御部33は、エンジン41の出力をLowモードに移行する制御とともに、反トルクATの作用方向を逆にする制御を行ってもよい。
Further, in step S13, the
<回転機構について>
また、マルチコプタ1は、反トルクATの作用方向と、マルチコプタ1を移動させるために懸架部材24を傾ける方向と、が一致するように、エンジン41(エンジン発電ユニット12)と懸架部材24とを相対回転させる回転機構101を有していてもよい。
<About the rotation mechanism>
Further, the
このとき、図8と図9に示すように、懸架部材24は、第1天板111と第2天板112を備えている。そして、回転機構101は、第1ギヤ121と第2ギヤ122とモータ123とニードルベアリング124を備えている。そして、第1ギヤ121に設けられたブラケット125に対して、マウントゴム部材131を介して、エンジン発電ユニット12が設けられている。このような構成の回転機構101において、第1ギヤ121と噛み合う第2ギヤ122がモータ123により回転することにより、第1ギヤ121が回転する。そして、第1ギヤ121が回転することにより、第1ギヤ121に設けられたブラケット125が回転して、ブラケット125に対してマウントゴム部材131を介して設けられたエンジン発電ユニット12(エンジン41)が回転する。
At this time, as shown in FIGS. 8 and 9, the
これにより、マルチコプタ1が移動するときにおいてマルチコプタ1の移動方向に関わらず、すなわち、前進方向や後進方向や左右方向のいずれの方向についてマルチコプタ1が移動しても、エンジン41を、反トルクATの作用方向と、懸架部材24を傾ける方向と、が一致するように配置させることができる。そのため、マルチコプタ1の移動方向に関わらず飛行姿勢の応答性や飛行性能が向上するので、マルチコプタ1の利便性が向上する。なお、懸架部材24に対して相対回転させるエンジン41(エンジン発電ユニット12)の回転量は、モータ123の回転数により制御するか、あるいは、不図示のセンサを用いて制御する。
As a result, when the
<本実施形態の作用効果について>
以上のように本実施形態のマルチコプタ1において、図4に示すように、エンジン41は、反トルクATの作用方向と、マルチコプタ1を移動させるために懸架部材24を傾ける方向と、が一致するように配置されている。
<Regarding the operation and effect of this embodiment>
As described above, in the
このようにして、反トルクATを利用して懸架部材24を傾けることができるので、飛行姿勢の応答性や飛行性能が向上する。また、移動時の姿勢を安定させるための部品を追加する必要がないので、マルチコプタ1を重量化することなく移動時の姿勢を安定させることができる。
In this way, since the
また、マルチコプタ1は、反トルクATの作用方向と、マルチコプタ1を移動させるために懸架部材24を傾ける方向と、が一致するように、エンジン41と懸架部材24とを相対回転させる回転機構101を有していてもよい。
Further, the
これにより、さらに、マルチコプタ1の移動方向に関わらず飛行姿勢の応答性や飛行性能が向上するので、マルチコプタ1の利便性が向上する。また、反トルクATの作用方向が限定されないため、目標とするマルチコプタ1の移動方向に懸架部材24を傾ける制御を素早く実施することが可能になる。
Thereby, the responsiveness of the flight attitude and the flight performance are further improved regardless of the moving direction of the
また、マルチコプタ1は、懸架部材24とエンジン41との連結部分に設けられ、反トルクATの作用方向以外の方向に作用するエンジン41の振動を制振するマウントゴム部材51を有する。
The
これにより、反トルクATの作用方向以外の方向に作用するエンジン41の振動が懸架部材24に伝達することを抑制できる。そのため、マルチコプタ1の飛行時の姿勢を安定させることができる。
As a result, it is possible to prevent the vibration of the
また、制御部33は、マルチコプタ1をホバリングさせているときに、SOCが所定値以下である場合には、反トルクATの作用方向が風向きと対向するようにマルチコプタ1の姿勢を制御した上で、エンジン41の回転数を所定回転数RS以上にする制御を行う。
Further, when hovering the
これにより、特にSOCが低い場合に、マルチコプタ1の姿勢の安定化を図りつつ、バッテリ31を充電させることができる。
This makes it possible to charge the
また、制御部33は、予兆判定部37によりマルチコプタ1が移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へと移行する予兆が判定された場合に、エンジン41の回転数を所定回転数RS未満にする制御、および、前記反トルクの作用方向を逆にする制御の少なくとも一方を行う。
In addition, the
これにより、マルチコプタ1が移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へ変化する際の応答性の低下を抑制できる。
As a result, it is possible to suppress a decrease in responsiveness when the
また、図1に示すように、エンジン41のピストン41bは、クランクシャフト41aよりも懸架部材24側に配置されている。
Further, as shown in FIG. 1, the
これにより、マルチコプタ1の重心位置を出来るだけ上方側にすることができるので、より効果的に、マルチコプタ1における飛行姿勢の応答性や飛行性能を向上させることができる。
As a result, the position of the center of gravity of the
また、図7のステップS13の処理に関する変形例として、マルチコプタ1が回転機構101を有している場合において、制御部33は、予兆判定部37により移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へと移行する予兆が判定された場合に、回転機構101でエンジン41と懸架部材24とを相対回転させることにより、反トルクATの作用方向を逆にする制御を行ってもよい。
Further, as a modified example of the process of step S13 of FIG. 7, when the
〔第2実施形態〕
次に、第2実施形態について説明するが、第1実施形態と同等の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に述べる。
[Second Embodiment]
Next, the second embodiment will be described. The same components as those in the first embodiment will be designated by the same reference numerals, description thereof will be omitted, and different points will be mainly described.
本実施形態のマルチコプタ1は、図10に示すように、4つの同一のエンジン41を有する。この4つのエンジン41は、第1エンジン41−1と、第2エンジン41−2と、第3エンジン41−3と、第4エンジン41−4により構成され、各々、機体11に締結されている。
The
そして、4つのエンジン41は、図10に示すように、マルチコプタ1を上方から見たときに、外形が正方形に形成される懸架部材24における角部(24a−1,24a−2,24a−3,24a−4)の位置にそれぞれ配置されるようにして、機体11の中心11aに対して放射線上に等間隔で配置されている。具体的には、第1エンジン41−1は第1角部24a−1の位置に配置され、第2エンジン41−2は第2角部24a−2の位置に配置され、第3エンジン41−3は第3角部24a−3の位置に配置され、第4エンジン41−4は第4角部24a−4の位置に配置されている。
As shown in FIG. 10, the four
なお、4つのエンジン41は、図10に示す例では厳密にはその一部が角部(24a−1,24a−2,24a−3,24a−4)の位置に配置されているが、その全体が角部(24a−1,24a−2,24a−3,24a−4)の位置に配置されていてもよい。
Strictly speaking, in the example shown in FIG. 10, a part of the four
また、4つのエンジン41は、図10に示すように、各エンジン41の反トルク発生方向(すなわち、エンジン41の駆動により生じる反トルクの作用方向)が機体11の中心11aとは逆方向に外側に向くようにして、配置されている。
Further, as shown in FIG. 10, the four
そして、このように4つのエンジン41が配置される状況下で、制御部33は、4つのエンジン41の反トルク合力方向(すなわち、4つのエンジン41の駆動により生じる反トルクの合力モーメントの作用方向、図11参照)と、マルチコプタ1を移動させるために懸架部材24を傾ける方向とが一致するように、4つのエンジン41の回転数をそれぞれ制御する。なお、図11に示す例では、制御部33は、機体11(すなわち、懸架部材24)の第1エンジン41−1側を紙面奥行方向に傾けるとする。
Then, under the situation where the four
具体的な数値例として、例えば、図12に示すように、各々の反トルク合力方向の角度θ(図11参照)について各エンジン41の出力が設定される。そして、制御部33は、設定された各エンジン41の出力が得られるように、各エンジン41の回転数をそれぞれ制御する。
As a specific numerical example, for example, as shown in FIG. 12, the output of each
本実施形態において、上記ではマルチコプタ1が4つのエンジン41を有する場合について説明したが、エンジン41の数は4つに限定されず複数であればいくつでもよい。このとき、複数のエンジン41は、マルチコプタ1を上方から見たときに、外形が正多角形に形成される懸架部材24における角部の位置にそれぞれ配置されていればよい。また、本実施形態によれば、エンジン41の搭載数が多いほど反トルク合力の調整分解能(例えば、反トルク合力方向の角度θを調整できる精度)が向上するので、大型の機体11を有するマルチコプタ1(例えば、ドローン)で特に大きな効果が得られる。
In the present embodiment, the case where the
なお、制御部33は、図12に示すように、ホバリング時(図中、「中立」と表記)においては、反トルクの影響を低減させるため、全てのエンジン41の出力(すなわち、回転数)を同一に制御する。
As shown in FIG. 12, the
<本実施形態の作用効果について>
以上のように本実施形態のマルチコプタ1において、制御部33は、複数のエンジン41の駆動により生じる反トルクの合力モーメントの作用方向と、マルチコプタ1を移動させるために懸架部材24を傾ける方向とが一致するように、複数のエンジン41の回転数をそれぞれ制御する。
<Regarding the operation and effect of this embodiment>
As described above, in the
このようにして、反トルクの合力モーメントの作用方向と、マルチコプタ1を移動させるために懸架部材24を傾ける方向とが一致するので、飛行時の姿勢を安定させることができる。そして、反トルクの合力モーメントの作用方向を自在に制御できるので、懸架部材24を傾ける方向が限定されない。
In this way, the acting direction of the resultant moment of the counter torque and the direction of tilting the
また、複数のエンジン41は、マルチコプタ1を上方から見たときに、外形が正多角形に形成される懸架部材24における角部(例えば、24a−1,24a−2,24a−3,24a−4)の位置にそれぞれ配置されている。
Further, when the
これにより、反トルクの合力モーメントの作用方向の制御が容易になる。 This facilitates control of the acting direction of the counter torque resultant moment.
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本開示を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。 The above-described embodiment is merely an example and does not limit the present disclosure in any way, and it is needless to say that various improvements and modifications can be made without departing from the gist thereof.
例えば、マルチコプタ1を上方から見たときに、懸架部材24の外形が正多角形に形成されている必要はない。懸架部材24の外形が正多角形以外の形であっても、複数のエンジン41の配置バランスに応じて出力割合を決定することで反トルクの合力モーメントの作用方向を自在に制御することが可能である。
For example, when the
また、本開示のマルチコプタは、エタノール燃料やLPガス、天然ガスなどを燃料としたエンジンや、ディーゼルエンジンなどを搭載したマルチコプタ(ハイブリッドドローン)にも適用できる。 The multicopter of the present disclosure can also be applied to a multicopter (hybrid drone) equipped with an engine that uses ethanol fuel, LP gas, natural gas, or the like, or a diesel engine.
また、本開示のマルチコプタは、シリーズハイブリッドシステムが構成されているマルチコプタに限定されず、それ以外のハイブリッドシステムが構成されているマルチコプタや、エンジン動力で動作するドローンにも適用可能である。 Further, the multicopter of the present disclosure is not limited to the multicopter in which the series hybrid system is configured, and is also applicable to the multicopter in which other hybrid systems are configured and a drone that operates by engine power.
1 マルチコプタ
11 機体
12 エンジン発電ユニット
21 プロペラ(ロータ)
22 モータ
23 機体本体部
24 懸架部材
24a−1 第1角部
24a−2 第2角部
24a−3 第3角部
24a−4 第4角部
31 バッテリ
32 燃料タンク
33 制御部
37 予兆判定部
41 エンジン
41−1 第1エンジン
41−2 第2エンジン
41−3 第3エンジン
41−4 第4エンジン
41a クランクシャフト
41b ピストン
42 ジェネレータ(発電機)
51 マウントゴム部材
101 回転機構
AT 反トルク
CA クランクシャフトの中心軸
θ (反トルク合力方向の)角度
1
22
51
Claims (8)
前記エンジンは、当該エンジンの駆動により生じる反トルクの作用方向と、前記マルチコプタを移動させるために前記機体ベースを傾ける方向と、が一致するように配置されること、
を特徴とするマルチコプタ。 In a multicopter having an airframe base, a lift generation unit that generates a lift force that floats the airframe base in the air, and an engine that is provided in the airframe base and that is driven to generate electric power to be supplied to the lift force generation unit,
The engine is arranged such that a direction of action of a counter torque generated by driving the engine and a direction of inclining the airframe base to move the multicopter match.
Is a multi-copter.
前記エンジンの駆動により生じる反トルクの作用方向と、前記マルチコプタを移動させるために前記機体ベースを傾ける方向と、が一致するように、前記エンジンと前記機体ベースとを相対回転させる回転機構を有すること、
を特徴とするマルチコプタ。 In a multicopter having an airframe base, a lift generation unit that generates a lift force that floats the airframe base in the air, and an engine that is mounted on the airframe base and that is driven to generate electric power supplied to the lift force generation unit,
A rotating mechanism that relatively rotates the engine and the machine body base so that the acting direction of the anti-torque generated by driving the engine and the direction of tilting the machine body base to move the multicopter match. ,
Is a multi-copter.
前記電力を充放電可能なバッテリと、
前記マルチコプタを制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記マルチコプタがホバリングしているときに、前記バッテリの充電残量が所定量以下である場合には、前記反トルクの作用方向が風向きと対向するように前記マルチコプタの姿勢を制御した上で、前記エンジンの回転数を所定回転数以上にする制御を行うこと、
を特徴とするマルチコプタ。 The multicopter of claim 1 or 2,
A battery capable of charging and discharging the power,
A control unit for controlling the multicopter,
The controller controls the attitude of the multicopter such that the direction of action of the anti-torque faces the wind direction when the remaining charge of the battery is equal to or less than a predetermined amount while the multicopter is hovering. Then, control to make the number of revolutions of the engine equal to or higher than a predetermined number of revolutions,
Is a multi-copter.
前記マルチコプタが移動時の姿勢からホバリング時の姿勢へと移行する予兆を判定する予兆判定部と、
前記マルチコプタを制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記予兆判定部により前記予兆が判定された場合に、前記エンジンの回転数を所定回転数未満にする制御、および、前記反トルクの作用方向を逆にする制御の少なくとも一方を行うこと、
を特徴とするマルチコプタ。 The multicopter according to any one of claims 1 to 3,
A sign determination unit that determines a sign that the multicopter shifts from a moving posture to a hovering posture,
A control unit for controlling the multicopter,
The control unit, when the sign is determined by the sign determination unit, at least one of a control that makes the engine speed less than a predetermined rotation speed and a control that reverses the action direction of the anti-torque. What to do,
Is a multi-copter.
前記エンジンのクランクシャフトは、当該クランクシャフトの中心軸方向が、前記エンジンと前記機体ベースとの配列方向に対して直交するように配置され、
前記エンジンのピストンは、前記クランクシャフトよりも前記機体ベース側に配置されていること、
を特徴とするマルチコプタ。 The multicopter according to any one of claims 1 to 4,
The crankshaft of the engine is arranged such that the central axis direction of the crankshaft is orthogonal to the arrangement direction of the engine and the machine body base,
The piston of the engine is arranged closer to the body base than the crankshaft,
Is a multi-copter.
前記マルチコプタを制御する制御部を有し、
前記制御部は、複数の前記エンジンの駆動により生じる反トルクの合力モーメントの作用方向と、前記マルチコプタを移動させるために前記機体ベースを傾ける方向とが一致するように、複数の前記エンジンの回転数をそれぞれ制御すること、
を特徴とするマルチコプタ。 In a multicopter having an airframe base, a lift generation unit that generates a lift force that floats the airframe base in the air, and an engine that is provided in the airframe base and that is driven to generate electric power to be supplied to the lift force generation unit,
A control unit for controlling the multicopter,
The control unit controls the rotational speeds of the plurality of engines so that the acting direction of the resultant moment of the counter torque generated by the driving of the plurality of engines and the direction of tilting the airframe base to move the multicopter match. Controlling each,
Is a multi-copter.
複数の前記エンジンは、前記マルチコプタを上方から見たときに、外形が正多角形に形成される前記機体ベースにおける角部の位置にそれぞれ配置されていること、
を特徴とするマルチコプタ。 The multicopter of claim 6,
A plurality of the engines, when viewed from above the multicopter, are arranged at respective corner positions in the airframe base whose outer shape is a regular polygon.
Is a multi-copter.
前記機体ベースと前記エンジンとの連結部分に設けられ、前記反トルクの作用方向以外の方向に作用する前記エンジンの振動を制振する制振部を有すること、
を特徴とするマルチコプタ。 The multicopter according to any one of claims 1 to 7,
A vibration damping portion that is provided at a connecting portion between the airframe base and the engine, and that damps vibrations of the engine that act in directions other than the direction in which the counter torque acts;
Is a multi-copter.
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