JP6973103B2 - 飛行体及び飛行システム - Google Patents

Description

本発明は、飛行体及び飛行システムに関する。

従来、機体質量を昇降させる為に機体の中央部に搭載された燃料式レシプロエンジンにより駆動されるメインロータと、メインロータの周辺に姿勢を制御する為に配置されたメインロータより出力の小さい複数の電動ロータにより動力のハイブリッド化を行い、長時間飛行と高ペイロードを実現可能とするマルチコプタが知られている。

そのマルチコプタは、メインロータの軸の回転方向に機体を旋回させるヨー回転制御を、メインロータの後流に配置した制御翼の角度を変えてヨー方向にトルクを発生させることで行う（特許文献１参照）。また、機体質量を昇降させる為に機体の中央部に搭載された燃料式レシプロエンジンにより駆動されるメインプロペラと、メインプロペラの周辺に姿勢を制御する為に配置されたメインプロペラより出力の小さい複数の電動プロペラにより動力のハイブリッド化を行い、高い姿勢制御性能と長時間飛行を両立するマルチコプタが知られている。このマルチコプタではヨー回転制御は考慮されていない（特許文献２参照）。

長時間飛行を目的とした場合、燃料とバッテリーのエネルギー密度の関係から、姿勢制御用のモータの出力よりもエンジンの出力を大きくしたほうが良い。エンジンで駆動される可変ピッチ機構を持つ二重反転プロペラは、それぞれのプロペラのピッチ角度を変更することで、それぞれのプロペラのトルクに差が生じ機体はヨー回転する。エンジンが生み出すヨー回転のトルクは非常に大きく、可変ピッチ機構で小さな出力の範囲で細かい出力制御を行うには、高精度・高剛性なリンク機構でなければ制御が難しく、マルチコプタに搭載することは現実的ではない。また、姿勢制御用のモータのＣＷ回転、ＣＣＷ回転のそれぞれに速度差を与えヨー回転制御する場合、モータの出力が小さいのでエンジンと比較して低速度で回転することしかできない。撮影、点検を行うカメラジンバルを持たないハイブリッドマルチコプタは、ヨー回転により被写体にカメラを向け撮影するので所望の位置で停止しなければならないが、エンジンが生み出すヨー回転トルクが大きく、細やかな制御が行えないので操縦が難しいという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、機体のヨー回転時の操縦性の向上が可能な飛行体及び飛行システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る飛行体は、機体の中央部に配置された第１のプロペラおよび第２のプロペラと、上記第１のプロペラおよび上記第２のプロペラを回転させる第一の動力手段と、上記第１のプロペラおよび上記第２のプロペラの少なくとも一つのプロペラのピッチ角を変える可変ピッチ手段と、複数の姿勢制御用プロペラと、上記複数の姿勢制御用プロペラを回転させる、上記第一の動力手段よりも出力の低い第二の動力手段と、上記機体の姿勢を制御する制御手段と、を有し、上記制御手段は、上記可変ピッチ手段により上記ピッチ角を変えることにより上記機体をヨー回転させる第一のヨー回転発生制御を行う第一のヨー回転発生制御手段と、上記姿勢制御用プロペラの複数のプロペラの回転速度差により上記機体をヨー回転させる第二のヨー回転発生制御を行う第二のヨー回転発生制御手段と、を有し、ヨー回転の指令値の大きさに応じて上記第一のヨー回転発生制御手段と上記第二のヨー回転発生制御手段とを制御し、上記第一のヨー回転発生制御による第一のヨー回転のトルクは、上記第二のヨー回転発生制御による第二のヨー回転のトルクより大きいこと、を特徴とする。

本発明によれば、機体のヨー回転時の操縦性の向上が可能になるという効果を奏する。

図１は、本実施の形態に係るテールシッター機の構成の一例を示す図である。 図２は、各種のプロペラの回転方向を説明するための図である。 図３は、リンク機構の拡大図である。 図４は、機体に搭載する制御回路の制御ブロックの構成の一例を示す図である。 図５は、本実施の形態にかかる飛行システムの一例を示す図である。

（実施の形態）
以下に添付図面を参照して、飛行体及び飛行システムの実施の形態を詳細に説明する。ここでは、飛行体の一例としてテールシッター型のＶＴＯＬ（Vertical Take-Off and Landing）機（以下、「テールシッター機」と省略する）に適用した例を示す。

図１は、本実施の形態に係るテールシッター機の構成の一例を示す図である。図１に示すテールシッター機の機体１は垂直離着陸時の姿勢（垂直姿勢）の状態を示している。図１に示すテールシッター機の機体１は、メインプロペラ（第１のプロペラ２１、第２のプロペラ２２）や、内燃機関のエンジン２３や、４つの姿勢制御用プロペラ（第１の姿勢制御用プロペラ３１−１、第２の姿勢制御用プロペラ３１−２、第３の姿勢制御用プロペラ３１−３、第４の姿勢制御用プロペラ３１−４）や、４つの姿勢制御用プロペラのそれぞれの電気モータ（第１の電気モータ３２−１、第２の電気モータ３２−２、第３の電気モータ３２−３、第４の電気モータ３２−４）や、サーボモータ（「サーボ制御手段」の一例）５１−１や、リンク機構５２や、一対の固定翼（固定翼４１、固定翼４２）や、２組の脚部（脚部６１、脚部６２）などを有する。当該テールシッター機の機体１は、搭載した制御回路（図４参照）により各部を制御する。

メインプロペラは、機体１を主に垂直離着陸させるための大径のプロペラである。メインプロペラは、図１に示すように機体１の中央部に、互いに反転向きに回転するように配置された大径の第１のプロペラ２１と大径の第２のプロペラ２２とを有する。

エンジン２３は、メインプロペラを回転させる「第一の動力手段」の一例である。「第一の動力手段」は、エンジン２３に限らず、後述する「第二の動力手段」よりも出力が高い動力手段であれば良い。エンジン２３のエンジン出力は、フライホイールや、遠心クラッチや、ワンウェイクラッチや、かさ歯車など、クラッチボックス内部に収められている駆動列系を伝達してメインプロペラの第１のプロペラ２１と第２のプロペラ２２とに回転力として出力される。エンジン２３を始動し、メインプロペラを回転させることにより、機体１の全重量を持ち上げる推進力が得られる。

４つの姿勢制御用プロペラ（第１の姿勢制御用プロペラ３１−１、第２の姿勢制御用プロペラ３１−２、第３の姿勢制御用プロペラ３１−３、第４の姿勢制御用プロペラ３１−４）は、機体１の姿勢を制御するための小径のプロペラで、各プロペラは、操縦指令や姿勢制御指令に応じて回転が制御される。

図１に示す各姿勢制御用プロペラの配置は、一例として二重反転プロペラの第１のプロペラ２１と第２のプロペラ２２との間の中間領域に配置したときの状態を示している。ここで「中間領域」とは、第１のプロペラ２１と第２のプロペラ２２のそれぞれの回転面に挟まれた領域のことを指す。

ここでは特に、そのような中間領域の内の、２つの回転面からの中間距離に位置するエリア（平行面上）に各姿勢制御用プロペラを配置した場合の例を示している。各姿勢制御用プロペラは、上記中間領域の内、２つの回転面の中間の距離又はその近傍のエリアに配置することが好ましい。特に機体１の重心に近い位置に配置した場合、機体１の急峻な遷移が可能になる。

４つの電気モータ（第１の電気モータ３２−１、第２の電気モータ３２−２、第３の電気モータ３２−３、第４の電気モータ３２−４）は、「第二の動力手段」の一例であり、それぞれの出力軸に姿勢制御用プロペラが装着されている。

各電気モータには、直流（ＤＣ）ブラシレスモータなど、回転数の制御が可能なものを採用し、各姿勢制御用プロペラを機体１の上記操縦指令や姿勢制御指令に応じて回転する。

サーボモータ５１−１とリンク機構５２とは、二重反転プロペラの第１のプロペラ２１のピッチ角を可変する「可変ピッチ手段」の一例である。二重反転プロペラの第２のプロペラ２２の「可変ピッチ手段」については、図示されない位置に配置されている。第１のプロペラ２１と第２のプロペラ２２の、２つの可変ピッチ手段は、この例では何れもサーボモータとリンク機構とにより構成されている。なお、リンク機構の構成については、後に図３を用いて説明する。

一対の固定翼（固定翼４１、固定翼４２）は飛行時において揚力を発生する構造を有する。機体１は、垂直離陸から飛行に切り替える際、垂直姿勢の機体１をピッチ方向へ９０°倒す、つまり機体１が起きて水平飛行の姿勢になる。その後、機体１は飛行方向へ加速し速度が増すと、固定翼４１と固定翼４２のそれぞれの上面部（図１の紙面手前側の面）と下面部（図１の紙面奥側の面）とに圧力差が生まれて機体１が固定翼４１と固定翼４２とから揚力を受ける。

２組の脚部（脚部６１、脚部６２）は、垂直離着陸エリア（例えば地上）に機体１を垂直姿勢で接地させるためのものである。脚部を設けたことにより、特別な発進装置や、着陸地点から機体１を回収する回収装置などを使用せずに、機体１を垂直姿勢のまま離陸させたり着陸させたりすることが可能になる。例えば、テールシッター機の進出先での着陸や、その着陸地点からの再離陸などを可能にする。

図２は、各種のプロペラの回転方向を説明するための図である。図２には、図１に示す機体１の上面図と各種のプロペラの回転方向の一例を示している。なお、図１の紙面手前側の面を上向きに、紙面奥側の面を下向きに示している。図２に示す回転方向の例では、第１のプロペラ２１が破線矢印の向きに左回転し、第２のプロペラ２２が、第１のプロペラ２１とは反転方向である実線矢印の向きに右回転する。

また、各姿勢制御用プロペラは、第１の姿勢制御用プロペラ３１−１と第２の姿勢制御用プロペラ３１−２とが、実線矢印の向きに右回転し、第３の姿勢制御用プロペラ３１−３と第４の姿勢制御用プロペラ３１−４とが破線矢印の向きに左回転する。

各姿勢制御用プロペラは、機体１の操縦指令や姿勢制御指令に応じ、全て同じ回転数で回転したり、一部が他と異なる回転数で回転したりする。一部が異なる回転数で回転する場合には、各姿勢制御用プロペラの推進力のバランスが変化するため、機体１の向きが何れかの方向へ振れる。このため、推進力のバランスの変化を利用して、姿勢制御用プロペラを回転させて、機体１をホバリングの状態で操縦する。

図３は、リンク機構５２の説明図である。図３には、図１のリンク機構５２とその周辺部を拡大して示している。図３に示す破線矢印は、第１のプロペラ２１の回転方向の一例を示している。図３に示すように、リンク機構５２は、サーボモータ５１−１の駆動により、リンク５２１を介し、一端がリンク５２１に接続されているＬ字状の回動アーム５２２を回動する。この回動により、Ｌ字型の回動アーム５２２の他端に接続されているすべり軸受け５２３を第１のプロペラ２１の回転軸５２４上をスライドさせる。すべり軸受け５２３の上方には、第１のプロペラ２１の一対の各ブレード２１１、２１２を、ピッチ角方向にすべり軸受け５２３の押し上げ量に応じた傾き量で傾かせる可動部５２５を有する。

図３に示す動作例は、サーボモータ５１−１が正回転してリンク５２１が第１のプロペラ２１側に押し込まれ、Ｌ字型の回動アーム５２２が回動してすべり軸受け５２３が上方へスライドした場合のものである。この場合、第１のプロペラ２１の一対のブレード２１１、２１２は、それぞれ、図３の各ブレードの周囲に実線矢印で示す方向、つまりピッチ角が大きくなる向きに傾けられる。

サーボモータ５１−１を逆回転した場合には、第１のプロペラ２１側に押し込まれたリンク５２１が引き戻されてＬ字型の回動アーム５２２が逆方向に回動し、すべり軸受け５２３が下方へスライドする、この場合、第１のプロペラ２１の一対のブレード２１１、２１２は、それぞれ、図３の実線矢印とは逆の方向、つまりピッチ角が小さくなる向きに傾けられる。

なお、二重反転プロペラの第２のプロペラ２２のリンク機構については、第１のプロペラ２１のリンク機構５２と同じ構成であるため、ここでの説明を省略する。

続いて、図２と図３を参照しながら、機体１の制御方法について説明する。以下に示す各部の制御は、地上の操縦手段から発信される操縦指令を機体１が搭載する受信機で受信し、その受信信号（操縦信号）に基づき機体１の制御回路が行う。なお、操縦指令は、地上から送信されるものに限らない。機体１が操縦者が搭乗できる大きさと出力を兼ねるものであれば、機体１に搭載させた操縦手段（操縦部など）からの操縦指令であっても良い。機体１と操縦手段とを有する飛行システムの構成については、後に、図５に示す一例を参照しながら説明する。

（垂直姿勢から飛行姿勢への姿勢制御）
機体１をピッチ方向に略９０°回転させることにより垂直姿勢から飛行姿勢へ移行させることができる。この制御には、４つの姿勢制御用プロペラの内の第１の姿勢制御用プロペラ３１−１と第３の姿勢制御用プロペラ３１−３の回転数を下げ、第２の姿勢制御用プロペラ３１−２と第４の姿勢制御用プロペラ３１−４の回転数を上げることが必要になる。従って、制御回路は、垂直姿勢から飛行姿勢への移動期間、第１の電気モータ３２−１と第３の電気モータ３２−３の回転スピードを出力が下がる方向に制御し、第２の電気モータ３２−２と第４の電気モータ３２−４とを回転スピードが上がる方向に制御する。

この制御により、垂直姿勢の機体１が倒れて略水平の飛行姿勢になる。垂直姿勢のホバリング時にはプロペラからの推進力が地面と垂直の方向に得られていたが、機体１が略水平になると自重を持ち上げるための推進力はプロペラから得られなくなる。飛行姿勢に移行した後には、機体１の速度が上がることで固定翼４１、４２から揚力を受け、その揚力により飛行を続けることが可能になる。飛行姿勢では、各姿勢制御用プロペラと二重反転プロペラの回転制御により飛行制御を行う。

（飛行姿勢から垂直姿勢への姿勢制御）
機体１をピッチ方向に略−９０°回転させることにより飛行姿勢から垂直姿勢へ移行させることができる。この制御には、４つの姿勢制御用プロペラの内の第１の姿勢制御用プロペラ３１−１と第３の姿勢制御用プロペラ３１−３の回転数を上げ、第２の姿勢制御用プロペラ３１−２と第４の姿勢制御用プロペラ３１−４の回転数を下げることが必要になる。従って、制御回路は、第１の電気モータ３２−１と第３の電気モータ３２−３の回転スピードを出力が上がる方向に制御し、第２の電気モータ３２−２と第４の電気モータ３２−４とを回転スピードが下がる方向に制御する。

この制御により、機体１は垂直姿勢に戻る。垂直姿勢後は、地面と垂直の方向にプロペラからの推進力が得られるため、各種プロペラの制御により垂直姿勢でのホバリングを維持することができる。

なお、ロール回転とピッチ回転のそれぞれの回転中は、二重反転プロペラの第１のプロペラ２１と第２のプロペラ２２のそれぞれのピッチ角を同じ角度に調節する。これにより、第１のプロペラ２１と第２のプロペラ２２のトルク差が相殺されるため、ロール回転やピッチ回転時の機体１の回転に影響を与えることはない。

（垂直姿勢におけるヨー方向の回転制御）
垂直姿勢におけるヨー方向の回転制御では、回転させたい方向とは逆向きにトルク差を生み出す。

例えば、図２のヨー軸ｚのｚ１方向にヨー回転する場合、次の２つの制御がある。１つ目は、二重反転プロペラの内の第１のプロペラ２１のピッチ角を大きく、第２のプロペラ２２のピッチ角を小さくする制御で、この制御により、トルクの高い向きの反トルク方向であるｚ１方向に機体１が回転し始め、ヨー回転する。このような制御を第一のヨー回転発生制御とする。２つ目は、４つの姿勢制御用プロペラの内の第３の姿勢制御用プロペラ３１−３と第４の姿勢制御用プロペラ３１−４の回転数を上げ、第１の姿勢制御用プロペラ３１−１と第２の姿勢制御用プロペラ３１−２の回転数を下げる制御で、このように制御すると、回転速度に差が生じ、回転数の高い方がトルクが高い為、反トルク方向であるｚ1方向に機体１がヨー回転する。このような制御を第二のヨー回転発生制御とする。

第一のヨー回転発生制御では第二のヨー回転発生制御よりも大きなトルクが発生する。上記トルクが大きいとヨー回転速度が速く、上記トルクが小さいとヨー回転速度は遅い。メインプロペラのピッチ可変機構で微小なトルクを制御して機体１のヨー回転の停止位置精度を向上する場合、リンク機構の各部の遊びやガタの低減に伴う部品の強度アップを行いピッチ角の微小な角度コントロールが必要になり、機体の重量増加につながる。一方、本実施の形態に示す構成では、第一のヨー回転発生制御だけでなく第二のヨー回転発生制御によるヨー回転の制御が可能であるため、リンク機構の強度アップにより機体１の重量を増やす場合と比較して、簡単な構成で機体１のヨー回転の停止位置精度を向上することができる。

本実施の形態では、速い速度で回転できる第一のヨー回転発生制御を粗調整用、遅い速度で回転できる第二のヨー回転発生制御を微調整用として、組み合わせて使用する。例えば、風などの外乱が少ない時の姿勢制御は大きなトルクで急峻に旋回させると停止位置を合わせ難い。この場合、小さなトルクでゆっくり旋回させた方が停止位置を合わせやすい。また急峻な旋回が必要な時に、小さなトルクでは旋回が遅く時間がかかってしまうので、大きなトルクで停止位置付近まで旋回させる。風などの外乱が少ない時の姿勢制御は第二のヨー回転発生制御のみを用い、急旋回時では第一のヨー回転発生制御のみ、もしくは第一と第二のヨー回転発生制御を合わせて使用する。

第一のヨー回転発生制御と第二のヨー回転発生制御の切り替えは、ピッチ角を変えるサーボモータ５１−１、５１−２と電気モータ３２−１、３２−２、３２−３、３２−４に電力を与えるＥＳＣ（Electronic Speed Controller）への制御入力値に閾値を設定して切り変える。

図４は、テールシッター機の機体１に搭載する制御回路（「制御手段」の一例）の制御ブロックの構成の一例を示す図である。当該制御回路は、第一のヨー回転発生制御を行うように動作する「第一のヨー回転発生制御手段」と第二のヨー回転発生制御を行うように動作する「第二のヨー回転発生制御手段」とを共に備えた制御回路である。図４は、一例として、ラジコン飛行機などに用いられるラジコン用送信機（通称「プロポ」）からの操縦指令を処理する制御ブロックの構成を示している。なお、モータの回転により得られる推進力は、モータへの入力値であるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）の値に線形であると仮定する。また、プロポとの無線通信は、例えば２．４ＧＨｚ帯で行う。

図４に示す制御ブロック１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有するフライトコントローラに実装されている。当該フライトコントローラは、上記ＣＰＵの他、自己位置や姿勢の推定に必要な各種センサ、例えばＭＥＭＳジャイロや、地磁気センサや、気圧センサなどが搭載されているものである。更にＧＰＳと接続が可能になっていても良い。

また、当該フライトコントローラは、アナログ出力回路やデジタル出力回路を備え、デジタル又はアナログの制御値を外部出力する。なお、カメラが搭載された機体であれば、更にカメラのシャッタ制御や、ジンバルの制御なども可能である。

図４には、制御回路の制御ブロック１００の構成の他、制御ブロック１００の制御対象との対応関係が分かるようにするために、その制御対象であるモータ等を図示している。制御ブロック１００は、操縦指令や姿勢制御指令が入力されるとＰＷＭ制御によりサーボモータ５１−１、５１−２の回転角度を制御する。

続いて、図４の制御ブロック１００の構成について、プロポから入力される各種操縦指令（スロットル信号、ロール信号、ピッチ信号、ヨー信号）の信号処理に沿って説明する。

フライトコントローラは、プロポから入力した操縦指令のうちのロール信号と、ピッチ信号と、ヨー信号とに基づいて姿勢制御指令を計算する。

具体的に、フライトコントローラは、ロール信号の入力値ｄ１１から微調整用のトリムで設定するオフセット（ＯＦＦ−ｒ）を引いて偏差を求めロールの目標値（ＲＥＦ−ｒ）ｄ１２とする。また、ピッチ信号の入力値ｄ２１から微調整用のトリムで設定するオフセット（ＯＦＦ−ｐ）を引いて偏差を求めピッチの目標値（ＲＥＦ−ｐ）ｄ２２とする。ロール信号とピッチ信号の入力がない場合は、ホバリングにおけるロールの目標値ｄ１２とピッチの目標値ｄ２２は水平なので「０」となる。

続いて、フライトコントローラは、ロールについては、センサの姿勢角データからロール角の推定を行い、ロールの目標値ｄ１２とロール角推定値ｄ１３との誤差を出力し、当該誤差ｄ１４の積分値と当該誤差ｄ１４の微分値とに制御ゲインを掛け、それらと制御ゲインとを加えたものをロールの制御量ｄ１５とする。当該制御ゲインは、その他のピッチやヨーの制御ゲインと共に、実際に機体１をホバリングさせて、安定する値を決定する。不適切な制御ゲインが入った場合は、姿勢が一定にならない、振動して安定しないといった不具合が起きるので、安定する値を決定できる。

フライトコントローラは、ピッチについても同様な信号処理を行う。つまり、センサの姿勢角データからピッチ角の推定を行い、ピッチの目標値とピッチ角推定値ｄ２３の誤差を出力し、当該誤差ｄ２４の積分値と当該誤差ｄ２４の微分値とに制御ゲインを掛け、それらと制御ゲインとを加えたものをピッチの制御量ｄ２５とする。

ヨー信号については次のように処理する。フライトコントローラは、ヨー信号の入力値ｄ３１から微調整用のトリムで設定するオフセット（ＯＦＦ−ｙ）を引いて偏差を求め、更にその偏差を積分回路により累積したものを目標値（ＲＥＦ−ｙ）ｄ３２とする。これは、プロポからのヨー信号の入力値を累積し、入力がなくなった時点でヨー方向の回転を止めるためである。

続いて、フライトコントローラは、センサの姿勢角データからヨー角の推定を行い、ヨーの目標値とヨー角推定値ｄ３３との誤差を出力し、当該誤差ｄ３４の積分値と当該誤差ｄ３４の微分値とに制御ゲインを掛け、それらと制御ゲインとを加えたものをヨーの制御量ｄ３５とする。

制御対象の４つの姿勢制御用のモータ（第１の電気モータ３２−１、第２の電気モータ３２−２、第３の電気モータ３２−３、第４の電気モータ３２−４）へは、操縦指令が有する制御指令であるスロットルの制御量ｄ４１と、姿勢制御指令であるロールの制御量ｄ１５と、ピッチの制御量ｄ２５と、ヨーの制御量ｄ３５とを、図４に示す演算方法（「＋」は加算、「−」は減算を示す）で足し合わせたり差し引いたりしたものをそれぞれの制御値ｍ１、ｍ２、ｍ３、ｍ４として出力する。

制御対象のサーボモータ５１−１、５１−２（ピッチ角可変用）へは、それぞれ、スロットルの制御量ｄ４１とヨーの制御量ｄ３５とを出力する。サーボモータ５１−１、５１−２は、それぞれ、スロットルの制御量ｄ４１とヨーの制御量ｄ３５とを図４に示す演算方法で足し合わせたり差し引いたりして得た制御値ｍ５、ｍ６に基づき回転角を計算する。エンジン２３のエンジンスロットル７１へは、スロットルの制御量ｄ４１を出力する。

続いて、ヨー信号が入力される場合の制御ブロック１００の制御について説明する。ここでは、一例として、推進力を得る場合の制御と、ホバリング時にヨー方向に回転させる場合の制御とについて説明する。

（推進力を得るための制御）
図４において、スロットルの制御量ｄ４１のみが大きくなると各姿勢制御用モータ（第１の電気モータ３２−１、第２の電気モータ３２−２、第３の電気モータ３２−３、第４の電気モータ３２−４）に向けてのそれぞれの制御値ｍ１、ｍ２、ｍ３、ｍ４が高くなり、各姿勢制御用モータの推進力が増加する。同時に、二重反転プロペラのピッチ角を制御する各サーボモータ５１−１、５１−２の制御値ｍ５、ｍ６も高くなり、第１のプロペラ２１と第２のプロペラ２２のそれぞれのピッチ角が大きくなって二重反転プロペラの推進力が増加する。また、エンジン２３のエンジンスロットル７１の制御量ｄ４１が高くなり、エンジン出力が上がるため、機体１は、水平を保ちながら浮上して上昇する。

なお、姿勢制御用モータ間の回転数のバランスは、送信機のトリムにより微調整用のオフセットを与えることで調節する。

（ヨー方向に回転する制御）
図４において、ヨー信号が入力されると、そのヨーの制御量ｄ３５が、制御ブロック１００に設定した閾値より大きい場合、サーボモータ５１−１にヨーの制御量ｄ３５が正の指令値として入力され、サーボモータ５１−２にヨーの制御量ｄ３５が負の指令値として入力される。これにより、制御値ｍ５、ｍ６が計算され、二重反転プロペラの第１のプロペラ２１はピッチ角が大きく、第２のプロペラ２２はピッチ角は小さくなる。このピッチ角の差でトルク差が発生し、機体１がヨー回転する。これが第一のヨー回転発生制御である。なお、図４に示す構成では、姿勢制御用の第３の電気モータ３２−３と第４の電気モータ３２−４においても、ヨーの制御量ｄ３５が正の指令値として入力され、姿勢制御用の第１の電気モータ３２−１と第２の電気モータ３２−２に、ヨーの制御量ｄ３５が負の指令値として入力されている。

また、ヨーの制御量ｄ３５が、制御ブロック１００に設定した閾値以下の場合、サーボモータ５１−１およびサーボモータ５１−２に、それぞれヨーの制御量ｄ３５＝０が入力される。従って、サーボモータ５１−１およびサーボモータ５１−２には、スロットルの制御量ｄ４１で制御値ｍ５、ｍ６が計算される。第３の姿勢制御用プロペラ３１−３と第４の姿勢制御用プロペラ３１−４は、正の指令値により回転数が上がり、第１の姿勢制御用プロペラ３１−１と第２の姿勢制御用プロペラ３１−２は、負の指令値により回転数が下がる。このように姿勢制御用プロペラの回転数の差でトルク差が発生し、機体１がヨー回転する。これが第二のヨー回転発生制御である。

この例では、ヨーの制御量ｄ３５が閾値より小さいときは、サーボモータ５１−１、５１−２へのヨーの制御量ｄ３５は入力されないので、第二のヨー回転制御のみが働く。ヨーの制御量ｄ３５が閾値より大きいときは、サーボモータ５１−１、５１−２と第１の電気モータ３２−１、第２の電気モータ３２−２、第３の電気モータ３２−３、第４の電気モータ３２−４にヨーの制御量ｄ３５は入力され、第一と第二のヨー回転制御の両方が働く。なお、ヨーの制御量ｄ３５が閾値より大きいときは、第一のヨー回転制御のみ働くようにしても良い。

第一と第二のヨー回転制御を閾値を用いて選択的に使用することで、姿勢制御中の機体の微小なヨー回転時や、急旋回時でも停止位置精度が向上する。

なお、その他のロー方向の制御や、ピッチ方向の制御や、垂直姿勢から飛行制御への移動のための制御などについては、図４から同様に理解できるため、ここでの説明を省略する。

図５は、本実施の形態にかかる飛行システムの一例を示す図である。図５に示す飛行システム２は、機体１と操縦手段としての操縦装置２０とを有する。操縦装置２０は、機体１を操縦する操縦装置（例えばプロポなど）である。

操縦装置２０は、無線通信機（不図示）を内蔵し、オペレータが操縦する各種の操作スロットルからの移動方向や速度などを示す各種操縦指令（スロットル信号、ロール信号、ピッチ信号、ヨー信号）を複数チャンネルを使って機体１に発信する。

機体１は、各種操縦指令を受信して、各信号からフライトコントローラで姿勢制御指令を算出し、機体１を制御する。なお、機体１については、既に詳細に説明しており、重複説明になるため、これ以上の説明は省略する。

本実施の形態では、二重反転プロペラにおいてトルク差を生み出すために第１のプロペラ２１と第２のプロペラ２２のピッチ角を共に変えたが、二重反転プロペラにトルク差が生じれば良い。従って、例えば、第１のプロペラ２１と第２のプロペラ２２の内の一方のピッチ角を変えても良い。

二重反転プロペラにおいてトルク差を生み出す方法は、固定ピッチのプロペラの場合には、一方のプロペラの回転を速くしたり遅くしたりすることで行っても良い。この場合、一方のプロペラの回転を速くする事でトルクが高くなり、もう一方のプロペラとの間にトルク差が生じる。或いは、一方のプロペラの回転を遅くすることでトルクが小さくなり、もう一方のプロペラとの間にトルク差が生じる。また或いは、一方のプロペラの回転を速くし、もう一方のプロペラの回転を遅くすることで、２つのプロペラ間にトルク差が生じる。

また、エンジン２３などの内燃機関を動力にするため、長距離飛行が可能である。更に、垂直姿勢時には、内燃機関により回転する二重反転プロペラのそれぞれのプロペラのピッチ角に差を付け、トルク差を生じさせるため、ホバリング時のヨー方向の回転も自在である。

従って、地上からは接近や立ち入りが困難な現場における遠方からの情報収集などに有用である。例えば現場まで水平飛行し、現場では垂直姿勢でホバリングを行い、カメラ撮影などで情報収集を行う。なお、テールシッター機が進出した先に垂直着陸に必要な地形があれば、エネルギー効率の悪いホバリングを行わなくとも、着陸して定常的な情報収集及び待機時間の延伸が可能である。

また、本実施の形態のテールシッター機では、脚部６１と脚部６２のように脚部を設けている。このため、進出先において着陸した後の再離陸も可能である。

テールシッター型ＶＴＯＬ機では複雑で重量増加となるティルト機構等を必要とせず、比較的簡素な機体構成でありながら飛行及び定点での離着陸が行える。

また、本実施の形態では、姿勢制御用プロペラの駆動に高出力電池を用いることが可能なため、電動の急峻な推力変化が可能な姿勢制御を行うことも可能である。

本実施の形態に一例として示すように、姿勢制御用のモータより出力の大きい内燃機関のプロペラが、機体の中心で回転している場合、ヨー方向に機体を回転させるには大きなトルク差が必要になる。本実施の形態では、内燃機関のプロペラにトルク差を生じさせるため、ヨー方向に機体を回転させることができる。なお、本実施の形態で示したプロペラは、ねじり角のないロータであっても良い。

１ 機体
２ 操縦装置
２１ 第１のプロペラ
２２ 第２のプロペラ
２３ エンジン
３１−１ 第１の姿勢制御用プロペラ
３１−２ 第２の姿勢制御用プロペラ
３１−３ 第３の姿勢制御用プロペラ
３１−４ 第４の姿勢制御用プロペラ
３２−１ 第１の電気モータ
３２−２ 第２の電気モータ
３２−３ 第３の電気モータ
３２−４ 第４の電気モータ
４１ 固定翼
４２ 固定翼
５１−１ サーボモータ
５２ リンク機構
６１ 脚部
６２ 脚部

特開２０１７−７４８０４号公報 特開２０１５−１３７０９２号公報

Claims (10)

1. 機体の中央部に配置された第１のプロペラおよび第２のプロペラと、
   前記第１のプロペラおよび前記第２のプロペラを回転させる第一の動力手段と、
   前記第１のプロペラおよび前記第２のプロペラの少なくとも一つのプロペラのピッチ角を変える可変ピッチ手段と、
   複数の姿勢制御用プロペラと、
   前記複数の姿勢制御用プロペラを回転させる、前記第一の動力手段よりも出力の低い第二の動力手段と、
   前記機体の姿勢を制御する制御手段と、
   を有し、
   前記制御手段は、
   前記可変ピッチ手段により前記ピッチ角を変えることにより前記機体をヨー回転させる第一のヨー回転発生制御を行う第一のヨー回転発生制御手段と、
   前記姿勢制御用プロペラの複数のプロペラの回転速度差により前記機体をヨー回転させる第二のヨー回転発生制御を行う第二のヨー回転発生制御手段と、
   を有し、
   ヨー回転の指令値の大きさに応じて前記第一のヨー回転発生制御手段と前記第二のヨー回転発生制御手段とを制御し、
   前記第一のヨー回転発生制御による第一のヨー回転のトルクは、前記第二のヨー回転発生制御による第二のヨー回転のトルクより大きい、
   ことを特徴とする飛行体。
2. 前記第一の動力手段は、内燃機関であり、
   前記第二の動力手段は、回転数が可変する電気モータである、
   請求項１に記載の飛行体。
3. 前記複数の姿勢制御用プロペラは、右回転の姿勢制御用プロペラと、左回転の姿勢制御用プロペラを有する請求項１または２に記載の飛行体。
4. 前記複数の姿勢制御用プロペラは、前記第１のプロペラおよび前記第２のプロペラの回転面に平行な面内に配置されている、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の飛行体。
5. 前記複数の姿勢制御用プロペラは、前記第１のプロペラおよび前記第２のプロペラである二つのプロペラの中間に位置する中間領域の面内に配置されている、
   請求項４に記載の飛行体。
6. 前記第１のプロペラおよび前記第２のプロペラは、互いに反転向きに回転する、請求項５に記載の飛行体。
7. 前記可変ピッチ手段は、
   前記第１のプロペラおよび前記第２のプロペラのうちの少なくとも一つのプロペラのピッチ角を変えるリンク機構と、
   前記ヨー回転の指令値の大きさに応じて前記リンク機構を駆動するサーボ制御手段と、
   を有する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の飛行体。
8. 水平飛行時に前記機体に揚力を与える固定翼を有し、
   前記制御手段は、
   垂直離陸後に前記複数の姿勢制御用プロペラの推進力のバランスを変化させることにより前記機体の姿勢を起こし、前記複数の姿勢制御用プロペラの回転と前記第１のプロペラまたは前記第２のプロペラの回転との制御とにより前記機体が起きた後の飛行制御を行う、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の飛行体。
9. 垂直離着陸時に垂直離着陸エリアに接地させる脚部を有し、
   前記制御手段は、前記垂直離着陸時の姿勢から飛行姿勢への姿勢制御と、前記飛行姿勢から前記垂直離着陸時の姿勢への姿勢制御とを、前記複数の姿勢制御用プロペラの推進力のバランスを変化させることにより行う、
   請求項８に記載の飛行体。
10. 操縦指令を発信する操縦手段と、
    前記操縦手段が発信した前記操縦指令に基づいて姿勢制御の指令値を計算するフライトコントローラと、
    機体の中央部に配置された第１のプロペラおよび第２のプロペラと、
    前記第１のプロペラおよび前記第２のプロペラを回転させる第一の動力手段と、
    前記第１のプロペラおよび前記第２のプロペラの少なくとも一つのプロペラのピッチ角を変える可変ピッチ手段と、
    複数の姿勢制御用プロペラと、
    前記複数の姿勢制御用プロペラを回転させる、前記第一の動力手段よりも出力の低い第二の動力手段と、
    前記機体の姿勢を制御する制御手段と、
    を有し、
    前記制御手段は、
    前記可変ピッチ手段により前記ピッチ角を変えることにより前記機体をヨー回転させる第一のヨー回転発生制御を行う第一のヨー回転発生制御手段と、
    前記姿勢制御用プロペラの複数のプロペラの回転速度差により前記機体をヨー回転させる第二のヨー回転発生制御を行う第二のヨー回転発生制御手段と、
    を有し、
    前記フライトコントローラにより計算されたヨー回転の指令値の大きさに応じて前記第一のヨー回転発生制御手段と前記第二のヨー回転発生制御手段とを制御し、
    前記第一のヨー回転発生制御による第一のヨー回転のトルクは、前記第二のヨー回転発生制御による第二のヨー回転のトルクより大きい、
    ことを特徴とする飛行システム。

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