JP7089735B2 - 無人航空機 - Google Patents

Description

本発明は、無人航空機技術に関する。

近年、無人航空機の姿勢制御や自律飛行に用いられるセンサ類およびソフトウェアの改良が進み、無人航空機の性能や操作性が飛躍的に向上した。特に複数基の固定ピッチプロペラで飛行するマルチコプターは、ヘリコプターに比べローター構造が簡単であり、設計およびメンテナンスが容易であることから、広範な産業分野における種々のミッションへの応用が検討されている。

特開２０１１－１２３００６号公報

マルチコプターなどの航空機は、空中を移動するというその性質から、地上に置かれる車両に比べて機体の位置を安定させることが難しいという課題がある。例えば、構造物の壁面検査や塗装などをマルチコプターを使って行う場合、機体と壁面との間隔を一定に保ちながら一定の速度でこれを飛行させる必要がある。このような操縦には極めて高度な操縦技能が必要とされる。特に、橋桁やビルの近傍には乱流が発生しやすく、これを操縦技能のみで克服することは現実的でない。そして、マルチコプターは水平移動するときや風などの外乱を相殺するときには機体（ロータの回転面）を傾ける必要がある。これら壁面等への車輪の押しつけ、移動、さらには外乱の対処を機体の傾斜だけで同時にこなすことは容易ではない。

上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、作業対象である構造物の垂直面と機体との距離を安定して維持可能な無人航空機を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の無人航空機は、水平回転翼と、前記水平回転翼の排気流を受けてその風向を変化させる羽板部材である前進制御部と、胴部から水平方向外側に張り出すように配置された複数の回転体と、を備え、前記複数の回転体が前記胴部から張り出した方向を前方、その反対方向を後方とし、前後方向に水平に直交する方向を左右方向、前後方向に垂直に交わる方向を上下方向としたときに、前記前進制御部は、前記排気流を受けてその風向を後方へ変化させることが可能であることを特徴とする。

羽板部材である前進制御部が水平回転翼の排気流を受けてその風向を後方へ変化させることにより、前進制御部には前方への成分を含む推力が発生する。水平回転翼の回転面を傾けるのではなく、前進制御部が生じさせた推力で機体を前進させることにより、機体の水平を保ったまま構造物の壁面などの垂直面に回転体を押しつけることができるとともに、水平回転翼の用途をピッチ（エレベータ）以外の制御に絞ることができる。

また、前記前進制御部は軸部を中心として該軸部回りに回動可能であり、前記前進制御部は、所定の配置角度において、該前進制御部が受けた前記排気流の風向を後方へ変化させることが好ましい。

前進制御部が可動部材であることにより、前方への推力の発生／停止やその強弱を調節することが可能となり、壁面等に対して回転体をより効率的に押しつけることが可能となる。

また、本発明の無人航空機は、複数の前記前進制御部を備え、前記複数の前進制御部は、前記胴部を平面視したときに、該胴部の中心を前後に通る直線を対称の軸として、線対称となる位置および向きに配置されていることが好ましい。

複数基の前進制御部を使って前方への推力を発生させることにより、推力の向きや強弱をより柔軟に調節することが可能となる。また、これら前進制御部を左右対称に配置することにより、前進制御部を使った機体の操縦をより容易に、より直感的に行うことが可能となる。

また、本発明の無人航空機は、慣性計測装置と、高度センサと、飛行制御手段と、を備え、前記前進制御部は、前記胴部の前後方向における略中心または中心よりも後方に配置され、前記飛行制御手段は、意図しない機体の傾きを前記慣性計測装置が検知したときに、そのときの飛行高度を維持しつつ、機体を水平に復旧させるよう前記水平回転翼の出力を自動調節する構成としてもよい。

前進制御部が水平回転翼の排気流を受けてその風向を後方に変化させると、前進制御部の下面側に生じた負圧は、前方への推力を発生させるとともに、排気流に対する抵抗によって下方への推力も発生させる。これら推力の合力は前進制御部を前斜め下へ牽引する。このとき、前進制御部が胴部の前後方向における略中心または中心より後ろ側に配置されていると、合力に引っ張られた前進制御部、およびその軸部に生じたモーメントは、胴部の機首（前方端部）側よりも機尾（後方端部）側の位置を下げるように作用する。飛行制御手段は、この姿勢変化に対して機体の水平と飛行高度を維持すべく、相対的に機首側よりも機尾側の揚力を高めるように水平回転翼を制御する。水平回転翼がこのように制御されることで、機体にはさらに前方への推力が生じる。これにより回転体が壁面等により強力に押しつけられる。

また、前記複数の回転体は駆動源により回転可能であることが好ましい。

回転体が駆動輪であることにより、回転体を駆動して構造物の面上を走行することが可能となる。そして、本発明では前進制御部により回転体が壁面等に押しつけられるため、水平回転翼の用途を機体の姿勢制御のみに絞ることができる。

また、前記複数の回転体は、前記胴部から前方および上方に張り出していることが好ましい。

複数の回転体が胴部から前方および上方に張り出すことにより、垂直面だけでなく、構造物の天井面との距離を一定に保ちながら移動することも可能となる。

また、前記複数の回転体を第１回転体組としたときに、前記第１回転体組の後方には、前記胴部から上方に張り出した他の複数の回転体である第２回転体組が配置されており、前記機体は、棒状体が平面視６角形以上の偶数の辺を有する多角形状に組まれた枠体であるフレームを有しており、前記第１回転体組は、前記フレームの一の辺を構成する前記棒状体の両端に取り付けられており、前記第２回転体組は、前記一の辺の反対側の辺を構成する前記棒状体の両端に取り付けられていることが好ましい。

６以上の偶数の辺を有する多角形の一の辺の両端とその反対側の辺の両端に第１回転体組および第２回転体組を取り付けることにより、矩形状のフレームを用いる場合に比べ、機体の外形寸法を小さく抑えることができるとともに、天井面に対して少なくとも４点で支持されることで、天井面に対する作業をより安定して行うことが可能となる。

また、前記前進制御部は、その板厚方向の断面形状が、該断面の長手方向における一端側の板厚が厚く他端側の肉厚が薄い、翼形状であり、前記前進制御部は、前記一端側が前記他端側よりも上に配置されることが好ましい。

前進制御部を翼形状にした場合、前進制御部の上面が排気流を受けてこれを後方に流すと、前進制御部の下面には負圧が生じる。この負圧を利用することにより、前方への推力を効果的に生じさせることができる。

また、本発明の無人航空機は、複数の前記水平回転翼を備え、前記複数の水平回転翼は、上下に同軸配置された二つの前記水平回転翼を一組として、複数組設けられている構成としてもよい。

水平回転翼を上下に重ねて配置することにより、機体の水平寸法の大型化を抑えつつ、揚力を高めることができる。

また、本発明の無人航空機は、前記水平回転翼の排気流を受けてその風向を右方向または左方向に変化させる羽板部材である回転制御部をさらに備え、前記回転制御部は軸部を中心として該軸部回りに回動可能であり、前記回転制御部は、前記胴部の前後方向における中心よりも前側または後ろ側に配置されている構成としてもよい。

羽板部材である回転制御部により機体のヨー制御を行うことにより、機体を傾けることなくヨー方向への外乱に対処することが可能となる。

また、本発明の無人航空機は、複数の前記回転制御部を備え、前記複数の回転制御部は、前記胴部を平面視したときに、該胴部の中心を対称の中心として、点対称となる位置および向きに配置されていることが好ましい。

複数基の前進制御部を用いて機体のヨー制御を行うことにより、ヨー方向への推力の強弱をより柔軟に調節することが可能となる。また、これら回転制御部を点対称に配置することにより、回転制御部を使ったヨー操作をより容易に、より直感的に行うことが可能となる。

このように、本発明の無人航空機によれば、作業対象である構造物の垂直面と機体との距離を安定して維持することが可能となる。

実施形態にかかるマルチコプターの外観を示す斜視図である。 図１のマルチコプターの平面図である。 図１のマルチコプターをＡ方向から見た側面図である。 マルチコプターの壁面走行の様子を示す模式図である。 前進制御部の回動動作を示す側面視透視図である。 前進制御部による推力発生原理を示す側面視模式図である。 飛行制御手段により前進推力が増強される原理を説明する模式図である。 マルチコプターの機能構成を示すブロック図である。 回転制御部を備えるマルチコプターの平面視模式図である。 フレームの変形例を示す平面視模式図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態は、橋梁やビルなどの構造物の壁面（垂直面・天井面）に塗料や薬剤を塗布するマルチコプターについての例である。

（構成概要）
図１は本実施形態の無人航空機であるマルチコプター１０の外観を示す斜視図である。図２はマルチコプター１０の平面図である。図３は、図１のマルチコプター１０を矢示Ａ方向から見た側面図である。以下の説明における「上下」、「鉛直」、および「縦」とは、各図に描かれた座標軸のＺ軸に平行な方向を意味しており、Ｚ_１側を「上」、Ｚ_２側を「下」とする。「水平」とは、同座標軸に示されるＸＹ平面に平行な面を意味している。また、マルチコプター１０について「側方」とは、マルチコプター１０から水平方向外側に向かう方向を意味している。マルチコプター１０の側方のうち、「前後」とは、同座標軸のＸ軸に平行な方向を意味しており、Ｘ_１側を「前」、Ｘ_２側を「後ろ」とする。同様に、「左右」とは、同座標軸のＹ軸に平行な方向を意味しており、Ｙ_１側を「右」、Ｙ_２側を「左」とする。また、本発明でいう「水平回転翼」とは、回転軸の軸線方向が鉛直に延び、回転面の面方向が水平となる回転翼をいう。

本例のマルチコプター１０は、主に、機体の胴部であるフレーム１２、水平回転翼であるロータ６０、ロータ６０の排気流の風向を制御する羽板部材である風向制御部８０、フレーム１２からその前後および上方に張り出した回転体である車輪７０、壁面の塗装機器である液剤タンク１９１、ポンプ装置１９２、およびローラ１９３により構成されている。

（フレーム）
本例のフレーム１２は、円筒形の棒状体である複数のパイプ１２１、これらパイプ１２１を連結する継手部材１２２、フレーム１２の中央に配置されたセンターハブ１２３、おなじくフレーム１２の中央に配置されたタンク台１２４、および、フレーム１２の底部に取り付けられ、フレーム１２から下方に突き出した着陸脚１２５を有している。フレーム１２を構成する各部材には、軽量かつ高強度なＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）製のパイプ材または板材が用いられており、これにより機体の積載量が最大化されている。なお、本発明の棒状体には、本実施形態のパイプ１２１のほか、棒材や、細長い板材などを用いることもできる。棒状体の材料もＣＦＲＰには限定されないが、軽量かつ高強度な材料を用いることが望ましい。

センターハブ１２３は、板面を上下に向けて平行に並べて配置された２枚の平板材で構成されている。センターハブ１２３には後述するフライトコントローラＦＣなどが取り付けられている。タンク台１２４は一枚の平板材からなり、タンク台１２４は、センターハブ１２３の下方に、センターハブ１２３と平行に配置されている。タンク台１２４には液剤タンク１９１やポンプ装置１９２などが取り付けられている。センターハブ１２３とタンク台１２４は、これらの平面視四隅を縦に貫通するパイプ１２１により結合されている。

フレーム１２は、パイプ１２１が平面視８角形に組まれた外枠部１２ａと、センターハブ１２３およびタンク台１２４から前後および左右に水平に延びるパイプ１２１であるアーム部１２ｂ，１２ｃと、タンク台１２４を支持する補強部１２ｄと、を有している。センターハブ１２３から延びるアーム部１２ｂは外枠部１２ａに連結されており、タンク台１２４から延びるアーム部１２ｃは、それらの先端近傍に縦に配置されたパイプ１２１を介して、アーム部１２ｂの各パイプ１２１の先端近傍と連結されている。また、補強部１２ｄは、アーム部１２ｂが連結された外枠部１２ａの４辺とは異なる４辺に連結されている。着陸脚１２５は、アーム部１２ｃの各パイプ１２１の先端と、タンク台１２４の底面に取り付けられている。

（ロータ）
本例のロータ６０は、ブラシレスモータの出力軸に固定ピッチプロペラが装着されたものである。ロータ６０は、フレーム１２のアーム部１２ｂ，１２ｃを構成する各パイプ１２１に取り付けられている。アーム部１２ｂ，１２ｃに取り付けられた各ロータ６０は、それぞれ上下に同軸に配置されている。本例のマルチコプター１０は、同軸に配置された２基のロータ６０を一組として、４組、計８基のロータ６０を有するオクタコプターである。本例のマルチコプター１０は、２基のロータ６０が同軸に配置されることで、機体の水平寸法の大型化を抑えつつ、機体の揚力が高められている。

なお、本例のマルチコプター１０は、液剤タンク１９１などの重量物を運搬する揚力を得るため多数のロータ６０を備えているが、本発明の水平回転翼の数は無人航空機の用途に応じて適宜変更してよい。本例よりもロータ６０の数を減らして、ヘキサコプタ（６基）、クアッドコプタ（４基）、トライコプタ（３基）の構成としてもよく、逆に本例よりもロータ６０の数を増やしてもよい。また、ロータ６０のプロペラは常に固定ピッチプロペラである必要はなく、可変ピッチプロペラを採用してもよい。例えば、可変ピッチプロペラのメインロータ一基とテールロータの構成や、一組の二重反転プロペラのみの構成とすることも可能である。

（車輪）
マルチコプター１０は、外枠部１２ａに取り付けられた４つの車輪７０を有している。本例の車輪７０にはＣＦＲＰ製の円板材が使用されており、円板材に肉抜きが施されることで、リム、スポーク、およびハブに相当する形状が形成されている。これら車輪７０はいずれも、軸線が左右方向に平行になる向きに配置されている。

本例の車輪７０は、フレーム１２の前側に同軸配置され、フレーム１２から前方および上方に張り出した一対の車輪７０である第１回転体組７０ａと、フレーム１２の後ろ側に同軸配置され、フレーム１２から後方および上方に張り出した一対の車輪７０である第２回転体組７０ｂと、により構成されている。

また、本例の各車輪７０は、駆動源であるモータ７１を有する駆動輪である。これにより、車輪７０を使って壁面を走行することが可能とされている。なお、各車輪７０が駆動源を備えることは必須ではなく、壁面走行をロータ６０と前進制御部８０ａで行うようにしてもよい。なお、本例では各車輪７０の駆動源にＤＣモータを採用することで、駆動源から車輪７０への動力伝達機構が単純化されるとともに、車輪７０の回転速度や正転・逆転の制御が容易化されているが、必要であればモータ７１に代えてエンジンを搭載してもよい。

図４はマルチコプター１０の壁面走行の様子を示す模式図である。本例のマルチコプター１０は、これら第１回転体組７０ａおよび第２回転体組７０ｂを備えることにより、構造物Ｃの垂直面ＶＳだけでなく、天井面ＨＳとの距離を一定に保ちながら移動することも可能とされている。なお、本例の第２回転体組７０ｂはフレーム１２から後方にも張り出しているが、フレーム１２から上方にさえ張り出していれば同様の機能を得ることはできる。

また、本例のマルチコプター１０では、外枠部１２ａの前縁の辺を構成するパイプ１２１の両端に第１回転体組７０ａが設けられており、外枠部１２ａの後縁の辺を構成するパイプ１２１の両端に第２回転体組７０ｂが設けられている。これにより、矩形状のフレームを使用する場合に比べ、機体の外形寸法が小さく抑えられている。

なお、本発明の「回転体」は本例の車輪７０の形態には限られない。本発明の「回転体」は、構造物の垂直面や天井面に接する少なくと周面部分が回転可能なものであればよく、例えばクローラや履帯などとよばれる無限軌道や、固定されたリムに装着されたベルトを回転させる機構であってもよい。

（風向制御部）
図５は風向制御部８０の一種である前進制御部８０ａの回動動作を示す側面視透視図である。前進制御部８０ａは、ロータ６０の排気流ｆを受けてその風向を後方へ変化させる羽板部材である。図５の前進制御部８０ａは、マルチコプター１０の左側の前進制御部８０ａを図１の矢示Ａ方向から見たものである。図５（ａ）は、前進制御部８０ａの初期位置を示す図である。初期位置にある前進制御部８０ａは、先端ｔを鉛直下方に向けて配置される。図５（ｂ）は、前進制御部８０ａの先端ｔが後方に傾けられた状態を示す図である。

初期位置にある前進制御部８０ａは排気流ｆの流れを阻害せず、排気流ｆの風向への影が最小限に抑えられている。前進制御部８０ａの先端ｔが後ろ側に向けられることにより、すなわち、前進制御部８０ａの先端ｔが鉛直下方よりも後方に向けられ、かつ前進制御部８０ａの上面が水平とならない角度範囲において、前進制御部８０ａはロータ６０の排気流ｆを後方に変化させる。

前進制御部８０ａがロータ６０の排気流ｆを後方へ変化させることにより、前進制御部８０ａには前方への成分を含む推力が生じる。本例のマルチコプター１０は、この推力を利用することにより、機体（ロータ６０の回転面）を傾けることなく、機体の水平を保ったまま構造物Ｃの垂直面ＶＳに第１回転体組７０ａを押しつけることが可能とされている。

本例の前進制御部８０ａは矩形の板面を有する平板部材であり、アーム部１２ｂから垂下された軸受部８２に回動可能に支持されている。軸受部８２には前進制御部８０ａの軸部８２１を回動させるサーボモータ８１が固定されており（図１参照）、本例の前進制御部８０ａはサーボモータ８１により軸部８２１を中心として回動する。これにより、前進制御部８０ａによる前方への推力の発生／停止やその強弱を調節することが可能とされており、垂直面ＶＳに対して第１回転体組７０ａをより効率的に押しつけることが可能とされている。

本例の前進制御部８０ａは、フレーム１２を平面視したときに、フレーム１２の中心を前後に通る直線Ｌを対称の軸として線対称となる位置および向きに配置されている（図２参照）。つまり前進制御部８０ａは左右対称に配置されている。より具体的には、本例のマルチコプター１０は２基の前進制御部８０ａを備えており、これら前進制御部８０ａは、アーム部１２ｂに支持された左右のロータ６０の下にそれぞれ配置されている。本例のマルチコプター１０は、これら２基の前進制御部８０ａを用いて前方への推力を生じさせることにより、推力の向きや強弱をより柔軟に調節することが可能とされている。また、これら前進制御部８０ａが左右対称に配置されていることにより、前進制御部８０ａを使った機体の操縦をより容易に、より直感的に行うことが可能とされている。

本例の前進制御部８０ａは、その軸線が水平に、かつ左右方向に平行となる向きに配置されており、また、マルチコプター１０の前後方向における略中心に配置されている。
ここで、前進制御部８０ａは、左右対称に設けられてさえいれば、軸線が水平に配置されていなくても、また、軸線が左右方向に平行ではない向きに配置されていても、上記効果と同様の効果を得ることができる。さらに、前進制御部８０ａは常に２基である必要はなく、例えばフレーム１２の前側または後ろ側のロータ６０の下に一基のみ設けられていても前進効果を得ることはできる。

図６は、本例の前進制御部８０ａによる推力発生原理を示す側面視模式図である。図６（ａ）は前進制御部８０ａ表面の圧力分布を示す図である。図６（ｂ）は、前進制御部８０ａに生じる推力を示す図である。

前進制御部８０ａは、その板厚方向（軸部８２１の軸線方向に直交する方向）の断面形状が、その断面の長手方向における一端側の板厚が厚く他端側の肉厚が薄い翼形状であり、肉厚の厚い一端側が他端側よりも上となるように配置されている。

前進制御部８０ａの断面が翼形状であることにより、前進制御部８０ａの上側となる面が排気流ｆを後方に流すと、前進制御部８０ａの下側となる面には、排気流ｆに対する前進制御部８０ａの迎え角ｄに応じた負圧が生じる。負圧は前方への推力Ｆ_１を成分として含む合力Ｆを生じさせる。この推力Ｆ_１を利用することにより、マルチコプター１０を効果的に前進させることができる。

なお、本例の前進制御部８０ａは、断面が翼形状であることにより推力Ｆ_１の発生効率が高められているが、前進制御部８０ａは他の形状としてもよい。水平回転翼の排気流を後方に変化させることができる羽板部材であれば、例えば厚みが均一な平板であっても、一応は前方への推力を発生させることはできる。

また、本例の前進制御部８０ａは、構造的にはその先端ｔを前方側へ向けるように回動させることも可能である。前進制御部８０ａをこのように回動させたときには、マルチコプター１０には後方への推力が発生する。また、前進制御部８０ａの回動機構は必須ではなく、図５（ｂ）の前進制御部８０ａのように、先端ｔが後方に傾けられた状態で固定されていてもよい。

このように、本例のマルチコプター１０は、前進制御部８０ａが生じさせた推力Ｆ_１で機体を前進させることにより、機体の水平を保ったまま構造物Ｃの垂直面ＶＳに第１回転体組７０ａを押しつけることができ、垂直面ＶＳと機体との距離を安定して維持することが可能とされている。

なお、本例の前進制御部８０ａはロータ６０の真下に配置されているが、前進制御部８０ａはロータ６０の排気流を受ける位置にあればよく、前進制御部８０ａとロータ６０との位置関係は本例のものには限られない。

（塗装機器）
本例のマルチコプター１０は壁面の塗装に用いられるものであるため、塗装機器（液剤タンク１９１、ポンプ装置１９２、およびローラ１９３）が搭載されているが、本発明の無人航空機の用途は塗装には限定されない。例えば、塗装機器に代えてカメラを搭載して壁面の撮影を行ってもよく、ハンマーで壁面の打音検査を行うユニットを搭載してもよい。その他、壁面に何らかの装置や器具を取り付けたり、壁面にマークや点・線を描いたり、壁面に赤外線、レーザ、超音波、電磁波などを照射することも考えられる。

（飛行機能）
図８はマルチコプター１０の機能構成を示すブロック図である。マルチコプター１０の飛行機能は、主に、フライトコントローラＦＣ、受信器３２、ロータ６０、ロータ６０の回転数を制御するＥＳＣ６０１（Electric Speed Controller）、およびこれらに電力を供給するバッテリー９０により構成されている。以下、マルチコプター１０の基本的な飛行機能について説明する。

各ロータ６０は、上でも述べたように、ブラシレスモータ（以下、単に「モータ」という。）と、その出力軸に装着された固定ピッチプロペラとにより構成されている。ＥＳＣ６０１は、ロータ６０のモータに接続されており、フライトコントローラＦＣから指示された速度でロータ６０を回転させる。

フライトコントローラＦＣは、マイクロコントローラである制御装置２０を備えている。制御装置２０は、中央処理装置であるＣＰＵ２１、ＲＡＭやＲＯＭ・フラッシュメモリなどの記憶装置からなるメモリ２２を有している。

フライトコントローラＦＣはさらに、ＩＭＵ２５（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）、ＧＰＳ受信器２６、高度センサ２７、および電子コンパス２８を含む飛行制御センサ群Ｓを有しており、これらは制御装置２０に接続されている。

ＩＭＵ２５はマルチコプター１０の機体の傾きを検出するセンサであり、主に３軸加速度センサおよび３軸角速度センサにより構成されている。本例の高度センサ２７には気圧センサが用いられている。高度センサ２７は、検出した気圧高度からマルチコプター１０の海抜高度（標高）を算出する。高度センサ２７の態様としてはこの他にも、例えばレーザや赤外線、超音波などを利用した測距センサを地表に向けて対地高度を得る方法が考えられる。本例の電子コンパス２８には３軸地磁気センサが用いられている。電子コンパス２８はマルチコプター１０の機首の方位角を検出する。ＧＰＳ受信器２６は、正確には航法衛星システム（ＮＳＳ：Navigation Satellite System）の受信器である。ＧＰＳ受信器２６は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ:Global Navigation Satellite System）または地域航法衛星システム（ＲＮＳＳ:Regional Navigational Satellite System）から現在の経緯度値を取得する。フライトコンローラＦＣは、これら飛行制御センサ群Ｓにより、機体の傾きや回転のほか、飛行中の経緯度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得することが可能とされている。

なお、本例の飛行制御センサ群Ｓは屋外用の構成とされているが、マルチコプター１０は屋内を飛行するものであってもよい。例えば、無線信号を送出するビーコンを施設内に所定間隔で配置し、これらビーコンから受信した信号の電波強度からマルチコプター１０と各ビーコンとの相対的な距離を計測し、その施設内におけるマルチコプター１０の位置を特定することが考えられる。または、マルチコプター１０に別途カメラを搭載し、カメラで撮影した周囲の映像から画像認識により施設内の特徴箇所を検出し、これに基づいて施設内における位置を特定することも可能である。同様に、レーザや赤外線、超音波などを利用した測距センサを別途搭載して、施設内の床面（または天井面）や壁面とマルチコプター１０との距離を計測し、その施設内におけるマルチコプター１０の位置を特定してもよい。

制御装置２０は、マルチコプター１０の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御するプログラムである飛行制御プログラムＦＳを有している。飛行制御プログラムＦＳは、飛行制御センサ群Ｓから取得した情報を基に個々のロータ６０の回転数を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながらマルチコプター１０を飛行させる。

ここで、飛行制御プログラムＦＳは、意図しない機体の傾きをＩＭＵ２５が検知したときに、そのときの飛行高度を維持しつつ、機体を水平に復旧させるようロータ６０の出力を自動調節する。

図７は、飛行制御プログラムＦＳにより機体の前進推力が増強される原理を説明する模式図である。上でも述べたように、本例の前進制御部８０ａは、マルチコプター１０の前後方向における略中心に配置されている。前進制御部８０ａがロータ６０の排気流ｆを受けてその風向を後方に変化させると、前進制御部８０ａの下面側に生じた負圧は、前方への推力Ｆ_１を発生させるとともに、排気流ｆに対する抵抗により下方への推力Ｆ_２も発生させる。これら推力の合力Ｆは前進制御部８０ａを前斜め下へ引っ張ることとなる（図６（ｂ），図７（ａ））。

合力Ｆに引っ張られた前進制御部８０ａ、およびその軸部８２１に生じたモーメントは、フレーム１２の機首（前方端部）側よりも機尾（後方端部）側の位置を下げるように作用する（図７（ｂ））。飛行制御プログラムＦＳは、この姿勢変化に対して機体の水平と飛行高度を維持すべく、相対的に機首側よりも機尾側の揚力を高めるようにロータ６０を制御する。ロータ６０がこのように制御されると、機体にはさらに前方への推力が生じ（図７（ｃ））、これにより第１回転体組７０ａは構造物Ｃの垂直面ＶＳにより強固に押しつけられる。なお、図７（ｂ）では説明の便宜上、機体が傾いた様子を描いているが、実際には図７（ｂ）の状態になる前に姿勢は水平に戻される。

このように、本例のマルチコプター１０によれば、ＩＭＵ２５と高度センサ２７とを有する一般的なフライトコントローラＦＣが備える標準的な機能により、作業対象である垂直面ＶＳと機体との距離をより安定させることができる。

制御装置２０はさらに、マルチコプター１０を自律飛行させるプログラムである自律飛行プログラムＡＰを有している。そして、制御装置２０のメモリ２２には、マルチコプター１０の目的地や経由地の経緯度、飛行中の高度や速度などが指定されたパラメータである飛行計画ＦＰが登録されている。自律飛行プログラムＡＰは、送信機３１からの指示や所定の時刻などを開始条件として、飛行計画ＦＰに従ってマルチコプター１０を自律的に飛行させることができる。

このように、本例のマルチコプター１０は高度な飛行制御機能を備えた無人航空機である。本発明の無人航空機の機能は本例の形態には限定されず、例えば飛行制御センサ群Ｓから一部のセンサが省略された機体や、自律飛行機能を備えず手動操縦のみにより飛行可能な機体を用いることもできる。

（壁面走行機能）
本実施形態では、構造物Ｃの面上におけるマルチコプター１０の移動は、基本的にオペレータが送信機３１を使って手動で行うことを想定している。その他、例えば、構造物Ｃの面上におけるマルチコプター１０の走行経路や速度などのパラメータを予め制御装置２０に設定し、自動的または半自動的にマルチコプター１０を壁面走行させる機能を実装してもよい。

（風向制御部駆動機能）
本実施形態では、風向制御部８０（前進制御部８０ａ）の制御は自動で行われる。具体的には、低速での進退動作は前進制御部８０ａで行われ、高速に移動するときには機体が傾けられる。当然、前進制御部８０ａの操縦を手動で行うようにしてもよい。

（風向制御部の変形例）
図９は風向制御部８０の変形例を示す平面視模式図である。本変形例のマルチコプター１０は、前進制御部８０ａに加え、ロータ６０の排気流ｆを受けてその風向を右方向または左方向に変化させる羽板部材である回転制御部８０ｂを備えている。

回転制御部８０ｂは、フレーム１２上の配置や向きが前進制御部８０ａと異なっているだけで、その形状や、サーボモータ８１により回動可能である点は前進制御部８０ａと同じである。本変形例の回転制御部８０ｂはフレーム１２の前側と後ろ側に配置されており、その軸線は水平に、かつ前後方向に平行となる向きに配置されている。

本変形例のマルチコプター１０は、前進制御部８０ａに加えて回転制御部８０ｂを備えていることにより、前方（および後方）への移動だけでなく、ヨー方向の制御を風向制御板８０で行うことが可能とされている。さらに本変形の回転制御部８０ｂの配置によればロール（エルロン）操作も可能となる。これにより、機体（ロータ６０の回転面）を傾けることなく、機体の水平を保ったまま風などの外乱に対処することが可能とされている。

また、本変形例の回転制御部８０ｂは、フレーム１２を平面視したときに、フレーム１２の中心ｐを対称の中心として、点対称となる位置および向きに配置されている。より具体的には、本変形例のマルチコプター１０は２基の回転制御部８０ｂを備えており、これら回転制御部８０ｂは、アーム部１２ｂに支持された前後のロータ６０の下にそれぞれ配置されている。

本変形例のマルチコプター１０は、これら２基の回転制御部８０ｂを用いて機体のヨー制御を行うことにより、ヨー方向への推力の強弱をより柔軟に調節することが可能とされている。また、これら回転制御部８０ｂが点対称に配置されていることにより、回転制御部８０ｂを使ったヨー操作をより容易に、より直感的に行うことが可能とされている。なお、回転制御部８０ｂが複数基搭載されていることや、これら回転制御部８０ｂが点対称に配置されていることは必須ではない。回転制御部８０ｂは、フレーム１２の前後方向における中心よりも前側または後ろ側に偏った位置に少なくとも一基配置されていれば、一定の効果を得ることはできる。

（フレームの変形例）
図１０はフレーム１２の変形例を示す平面視模式図である。図１０のフレーム１２の外枠部１２ａは平面視６角形に形成されている。本変形例のマルチコプター１０は、外枠部１２ａの前縁の辺を構成するパイプ１２１の両端に第１回転体組７０ａ設けられており、外枠部１２ａの後縁の辺を構成するパイプ１２１の両端に第２回転体組７０ｂ設けられている。これにより、矩形状のフレームを用いる場合に比べ、機体の外形寸法が小さく抑えられている。すなわち、外枠部１２ａの形状が平面視６角形以上の偶数の辺を有する多角形状に組まれていれば、第１回転体組７０ａをそのフレームの一の辺を構成する棒状体の両端に取り付け、第２回転体組７０ｂをその反対側の辺を構成する棒状体の両端に取り付けることで、機体の外形寸法の縮小効果を得ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態のマルチコプター１０は、構造物Ｃの垂直面ＶＳと天井面ＨＳの両面をその作業対象としているが、第２回転体組７０ｂを設けず、垂直面ＶＳのみを対象としてもよい。

１０ マルチコプター（無人航空機），１２ 胴部・フレーム，１２ａ 外枠部，１２１ パイプ（棒状体），ＦＣ フライトコントローラ，ＦＳ 飛行制御プログラム（飛行制御手段），Ｓ 飛行制御センサ群，２５ ＩＭＵ（慣性計測装置），２７ 高度センサ，６０ ロータ（水平回転翼），７０ 車輪，７０ａ 第１回転体組，７０ｂ 第２回転体組，７１ モータ（駆動源），８０ 風向制御部，８０ａ 前進制御部，８０ｂ 回転制御部，８１ サーボモータ，８２ 軸受部，８２１ 軸部，ｆ 排気流，ＨＳ 水平面，ＶＳ 垂直面，Ｃ 構造物

Claims (10)

1. 水平回転翼と、
   前記水平回転翼の排気流を受けてその風向を変化させる羽板部材である前進制御部と、
   胴部から水平方向外側に張り出すように配置された複数の回転体と、
   慣性計測装置と、
   飛行制御手段と、を備え、
   前記複数の回転体が前記胴部から張り出した方向を前方、その反対方向を後方とし、前後方向に水平に直交する方向を左右方向、前後方向に鉛直に交わる方向を上下方向としたときに、
   前記前進制御部は、前記排気流を受けてその風向を後方へ変化させることが可能であり、
   前記複数の回転体は駆動源により回転可能であり、
   前記飛行制御手段は、意図しない機体の傾きを前記慣性計測装置が検知したときに、機体を水平に復旧させるよう前記水平回転翼の出力を自動調節することを特徴とする無人航空機。
2. 前記前進制御部は軸部を中心として該軸部回りに回動可能であり、
   前記前進制御部は、所定の配置角度において、該前進制御部が受けた前記排気流の風向を後方へ変化させることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
3. 複数の前記前進制御部を備え、
   前記複数の前進制御部は、前記胴部を平面視したときに、該胴部の中心を前後に通る直線を対称の軸として、線対称となる位置および向きに配置されていることを特徴とする請求項２に記載の無人航空機。
4. 高度センサを備え、
   前記前進制御部は、前記胴部の前後方向における略中心または中心よりも後方に配置されており、
   前記飛行制御手段は、意図しない機体の傾きを前記慣性計測装置が検知したときに、そのときの飛行高度を維持しつつ、機体を水平に復旧させるよう前記水平回転翼の出力を自動調節することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の無人航空機。
5. 前記複数の回転体は、前記胴部から前方および上方に張り出していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無人航空機。
6. 前記複数の回転体を第１回転体組としたときに、前記第１回転体組の後方には、前記胴部から上方に張り出した他の複数の回転体である第２回転体組が配置されており、
   前記機体は、棒状体が平面視６角形以上の偶数の辺を有する多角形状に組まれた枠体であるフレームを有しており、
   前記第１回転体組は、前記フレームの一の辺を構成する前記棒状体の両端に取り付けられており、
   前記第２回転体組は、前記一の辺の反対側の辺を構成する前記棒状体の両端に取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載の無人航空機。
7. 前記前進制御部は、その板厚方向の断面形状が、該断面の長手方向における一端側の板厚が厚く他端側の肉厚が薄い、翼形状であり、
   前記前進制御部は、前記一端側が前記他端側よりも上に配置されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の無人航空機。
8. 複数の前記水平回転翼を備え、
   前記複数の水平回転翼は、上下に同軸配置された二つの前記水平回転翼を一組として、複数組設けられていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の無人航空機。
9. 前記水平回転翼の排気流を受けてその風向を右方向または左方向に変化させる羽板部材である回転制御部をさらに備え、
   前記回転制御部は軸部を中心として該軸部回りに回動可能であり、
   前記回転制御部は、前記胴部の前後方向における中心よりも前側または後ろ側に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の無人航空機。
10. 複数の前記回転制御部を備え、
    前記複数の回転制御部は、前記胴部を平面視したときに、該胴部の中心を対称の中心として、点対称となる位置および向きに配置されていることを特徴とする請求項９に記載の無人航空機。

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