(57)【要約】【課題】急激な姿勢変化を抑制できるドローン及び飛行安定化方法を提供する。【解決手段】ドローン１０は、ベース部１２と、ベース部１２から延びる複数のアーム部１４と、複数のアーム部１４にそれぞれ設けられ、揚力を発生するプロペラ１６と、回転軸ＡＸ１ａ回りに回転する回転体１８と、を備える。回転体１８の回転軸ＡＸ１ａは、プロペラ１６の回転軸ＡＸ２が延びる方向に延びている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部と、
前記ベース部から延びる複数のアーム部と、
前記複数のアーム部にそれぞれ設けられ、揚力を発生するプロペラと、
回転軸回りに回転する回転体と、を備えたドローン。
【請求項２】
請求項１記載のドローンにおいて、
前記回転体の回転軸が、前記プロペラの回転軸が延びる方向に延びているドローン。
【請求項３】
請求項１記載のドローンにおいて、
前記回転体の回転軸が、前記プロペラの回転軸が延びる方向と交差する方向に延びているドローン。
【請求項４】
請求項２又は３記載のドローンにおいて、
前記回転体が、前記ベース部に設けられているドローン。
【請求項５】
請求項２又は３記載のドローンにおいて、
前記回転体が、前記アーム部にそれぞれ設けられているドローン。
【請求項６】
請求項４又は５記載のドローンにおいて、
ホバリング状態の場合に前記回転体を回転させ、ホバリング状態以外の場合に前記回転体の回転を停止させる制御器を備えたドローン。
【請求項７】
請求項４又は５記載のドローンにおいて、
操縦者の指令に基づいて、前記回転体の回転を制御する制御器を備えたドローン。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のドローンの飛行を安定化する飛行安定化方法であって、
前記回転体を回転させるステップと、
前記ドローンを飛行させるステップと、を含む飛行安定化方法。
【請求項９】
請求項６記載のドローンの飛行を安定化する飛行安定化方法であって、
前記回転体を回転させるステップと、
前記ドローンを飛行させるステップと、
前記制御器が、ホバリング状態になると前記回転体を回転させるステップと、を含む飛行安定化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドローン及び飛行安定化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、機体と、プロペラと、プロペラを回転させる駆動装置と、駆動装置を制御して飛行を制御する飛行制御装置と、を備える無線操縦マルチコプターが記載されている。
【０００３】
このような電動モーター式マルチコプター型無人飛行機（以下、「ドローン」という。）は、有人飛行機であるヘリコプターやセスナ機とは異なり、無人機であること、小型であること、低空を飛行すること、目視で遠隔操縦を行うこと、高精度な飛行が可能なこと、操縦が容易であること、自動飛行が可能であること、などから、多方面での産業利用が期待される機器である。空撮や測量、農薬散布などの分野では、すでに普及段階に入っている。
【０００４】
固定翼機では、主翼におけるフラップやエルロン、垂直尾翼におけるラダー、水平尾翼におけるスライザーなど、姿勢の制御や安定性の確保に供する機構が多様であり、それらを組み合わせることにより、高度かつ複雑な制御力を得ている。機構として複雑化することはデメリットであるが、気象や風向風量、急な姿勢変動など、さまざまな状況に応じた制御が可能であることはメリットである。
【０００５】
これに対して、ドローンでは、搭載された複数のプロペラの「回転数の制御のみ」で、飛行中の姿勢を制御している。制御の手段がプロペラの回転数のみであることは、機構がシンプル化できること、モータ回転数は高精度・高応答で制御できること、などがメリットとなる。しかし、姿勢制御の手段がプロペラの回転数のみであり、他に手段が無いことは、それ自体がデメリットとなる。乱流などによる機体姿勢の急激かつ過度な傾き対しては、ドローンは固定翼機などと比べ、安定姿勢への復帰など、機体の制御が本来的に難しい。
また、操縦者のスロットル操作に高速で応答するため、スロットルの急な操作が、そのまま、機体のつんのめり状態につながるなど、不安定な機体状態が発生しやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−７４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、急激な姿勢変化を抑制できるドローン及び飛行安定化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、ベース部と、前記ベース部から延びる複数のアーム部と、前記複数のアーム部にそれぞれ設けられ、揚力を発生するプロペラと、回転軸回りに回転する回転体と、を備えたドローンである。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のドローンにおいて、前記回転体の回転軸が、前記プロペラの回転軸が延びる方向に延びている。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１記載のドローンにおいて、前記回転体の回転軸が、前記プロペラの回転軸が延びる方向と交差する方向に延びている。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３記載のドローンにおいて、前記回転体が、前記ベース部に設けられている。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項２又は３記載のドローンにおいて、前記回転体が、前記アーム部にそれぞれ設けられている。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５記載のドローンにおいて、ホバリング状態の場合に前記回転体を回転させ、ホバリング状態以外の場合に前記回転体の回転を停止させる制御器を備えている。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項４又は５記載のドローンにおいて、操縦者の指令に基づいて、前記回転体の回転を制御する制御器を備えている。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のドローンの飛行を安定化する飛行安定化方法であって、前記回転体を回転させるステップと、前記ドローンを飛行させるステップと、を含む飛行安定化方法である。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、請求項６記載のドローンの飛行を安定化する飛行安定化方法であって、前記回転体を回転させるステップと、前記ドローンを飛行させるステップと、前記制御器が、ホバリング状態になると前記回転体を回転させるステップと、を含む飛行安定化方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、急激な姿勢変化を抑制できるドローン及び飛行安定化方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、本発明の第１の実施の形態に係るドローンの側面及び平面から見た説明図である。
【図２】同ドローンが備えるフライホイールにより発生する復元力の説明図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、本発明の第２の実施の形態に係るドローンの側面及び平面から見た説明図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、本発明の第３の実施の形態に係るドローンの側面及び平面から見た説明図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、本発明の第４の実施の形態に係るドローンの側面及び平面から見た説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。なお、図において、説明に関連しない部分は図示を省略する場合がある。
【００２０】
〔第１の実施の形態〕
本発明の第１の実施の形態に係るドローン１０ａは、操縦者によって無線を介して遠隔操作される。
ドローン１０ａは、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、ベース部１２、アーム部１４、プロペラ１６、フライホイール１８ａ及び制御器２０を備えている。
【００２１】
ベース部１２は、平面視して機体の中央部に配置され、無線受信機（不図示）、バッテリー（不図示）、制御器２０及びカメラ２２が搭載されている。
アーム部１４は、複数設けられ、ベース部１２からそれぞれ放射状に延びる複数の棒状の部材である。
プロペラ１６は、各アーム部１４の先端部にそれぞれ設けられている。各プロペラ１６は、アーム部１４に設けられたモータ２６によって駆動され、回転することで揚力を発生できる。
【００２２】
フライホイール（回転体の一例）１８ａは、慣性を有し、重心を通る回転軸ＡＸ１ａ回りに回転する慣性体である。フライホイール１８ａは、平面視してベース部１２の上側中央部に設けられている。
フライホイール１８ａの回転軸ＡＸ１ａは、図１（Ａ）に示すように、フライホイール１８ａの中心部を貫通し、プロペラ１６の回転軸ＡＸ２が延びる方向に延びている。
フライホイール１８ａは、ベース部１２に設けられたモータ２４によって駆動される。
なお、フライホイール１８ａの径、材質及び質量分布等は、搭載される機体の諸元や必要な安定性に基づいて適宜決定される。
【００２３】
ここで、フライホイール１８ａが回転数ωベクトルを持つ状態の場合、図２に示すように、ωベクトルの時間微分の結果として、Ｔベクトルが発生する。その結果、フライホイール１８ａの面変化に対して、それに抗する形で回転軸ＡＸ１ａに力が発生し、その力を、機体の水平面の変化に対する復元力として利用できる。
すなわち、フライホイール１８ａの回転によって生じるジャイロ効果により、機体のロール角及びピッチ角の急激な変化が抑制される。
【００２４】
制御器２０は、操縦者からの指令に基づいて、各プロペラ１６を駆動するモータ２６及びフライホイール１８ａを駆動するモータ２４の回転を制御できる。すなわち、制御器２０は、プロペラ１６及びフライホイール１８ａの回転を制御し、機体の飛行を制御できる。
制御器２０は、機体がホバリング状態であるか否かを判断するホバリング状態判断部（不図示）を有している。制御器２０は、ホバリング状態判断部がホバリング状態であると判断した場合にフライホイール１８ａを回転させ、ホバリング状態判断部がホバリング状態ではないと判断した場合にフライホイール１８ａの回転を停止することができる。
なお、制御器２０は、操縦者からの指示に基づいて、フライホイール１８ａを回転させたり停止させたりすることもできる。
【００２５】
このように、ドローン１０ａはフライホイール１８ａを備えているため、フライホイール１８ａを備えていない場合と比較して、機体の安定性が向上する。
【００２６】
次に、ドローン１０ａの動作について説明する。ドローン１０ａの飛行は以下のステップに従って行われる。
なお、以下に示す各ステップは、可能な場合は、順番が入れ替わって実行されてもよいし、並行して実行されてもよい。
【００２７】
（ステップＳ１）
操縦者が手元のコントローラ（送信機）を用いて、フライホイール１８ａを回転させる。
【００２８】
（ステップＳ２）
操縦者がプロペラ１６の回転数を上げ、ドローン１０ａをホバリングさせる。
その際、前ステップＳ１にてフライホイール１８ａが回転しているのでジャイロ効果が発生し、機体のロール角及びピッチ角の急激な変化が抑制される。
【００２９】
（ステップＳ３）
操縦者がドローン１０ａを操縦し、飛行させる。
飛行中は制御器２０のホバリング状態判断部（不図示）がホバリング状態であるか否かを判断し、制御器２０は、ホバリング状態判断部がホバリング状態であると判断した場合にフライホイール１８ａを回転させ、ホバリング状態判断部がホバリング状態ではないと判断した場合にフライホイール１８ａの回転を停止させる。
ただし、制御器２０自身がフライホイール１８ａの回転を制御しているか否かにかかわらず、操縦者の指令により、フライホイール１８ａの回転を制御できる。すなわち、操縦者の指令が制御器２０自身の制御よりも優先される。
【００３０】
このように、ドローン１０ａによれば、フライホイール１８ａを備えているため、機体のロール角及びピッチ角の急激な変化が抑制される。
【００３１】
〔第２の実施の形態〕
続いて、本発明の第２の実施の形態に係るドローン１０ｂについて説明する。第１の実施の形態に係るドローン１０ａと同一の構成要素については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
本実施の形態に係るドローン１０ｂは、第１の実施の形態に係るドローン１０ａと比較すると、主としてフライホイールの配置が相違するので、このフライホイールについて説明する。
【００３２】
ドローン１０ｂは、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、ベース部１２、アーム部１４、プロペラ１６、フライホイール１８ｂ及び制御器２０を備えている。
フライホイール１８ｂは、平面視してベース部１２の上側中央部に設けられている。
フライホイール１８ｂの回転軸ＡＸ１ｂは、プロペラ１６の回転軸ＡＸ２が延びる方向と直交する方向に延びている。ここで「直交」とは、厳密な意味での直交ではない。即ち、「直交」とは、設計上、製造上の誤差が許容され、「実質的に直交」という意味である（以下、同様）。具体的には、例えば、−１０度〜＋１０度の範囲内でフライホイール１８ｂの回転軸ＡＸ１ｂが延びる方向とプロペラ１６の回転軸ＡＸ２が伸びる方向とが交差していればよい。
【００３３】
このように、ドローン１０ｂによれば、フライホイール１８ｂの回転によって生じるジャイロ効果により、機体のロール角及びヨー角の急激な変化が抑制される。
【００３４】
〔第３の実施の形態〕
続いて、本発明の第３の実施の形態に係るドローン１０ｃについて説明する。第１の実施の形態に係るドローン１０ａと同一の構成要素については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
本実施の形態に係るドローン１０ｃは、第１の実施の形態に係るドローン１０ａと比較すると、主としてフライホイールの数及び配置が相違するので、このフライホイールについて説明する。
【００３５】
ドローン１０ｃは、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、ベース部１２、アーム部１４、プロペラ１６、フライホイール１８ｃ及び制御器２０を備えている。
フライホイール１８ｃは、平面視してアーム部１４の先端部の下側にそれぞれ設けられている。
フライホイール１８ｃの回転軸ＡＸ１ｃは、プロペラ１６の回転軸ＡＸ２が延びる方向に延びている。
【００３６】
このように、ドローン１０ｃによれば、フライホイール１８ｃを備えているため、機体のロール角及びピッチ角の急激な変化が抑制される。
【００３７】
〔第４の実施の形態〕
続いて、本発明の第４の実施の形態に係るドローン１０ｄについて説明する。第１の実施の形態に係るドローン１０ａと同一の構成要素については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
本実施の形態に係るドローン１０ｄは、第１の実施の形態に係るドローン１０ａと比較すると、主としてフライホイールの数及び配置が相違するので、このフライホイールについて説明する。
【００３８】
ドローン１０ｄは、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、ベース部１２、アーム部１４、プロペラ１６、フライホイール１８ｄ及び制御器２０を備えている。
フライホイール１８ｄは、平面視してアーム部１４の先端部の下側にそれぞれ設けられている。
フライホイール１８ｄの回転軸ＡＸ１ｄは、プロペラ１６の回転軸ＡＸ２が延びる方向と直交する方向に延びている。
【００３９】
このように、ドローン１０ｄによれば、フライホイール１８ｄの回転によって生じるジャイロ効果により、機体のロール角及びヨー角の急激な変化が抑制される。
【００４０】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
前述の実施の形態においては、フライホイールの回転軸が延びる方向が、プロペラの回転軸が延びる方向又はプロペラの回転軸が延びる方向と直交する方向であったが、これらに限定されるものではない。フライホイールの配置は、抑制したい方向の姿勢変化を考慮して適宜決定される。
【符号の説明】
【００４１】
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ  ドローン
１２  ベース部
１４  アーム部
１６  プロペラ
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ  フライホイール
２０  制御器
２２  カメラ
２４  モータ
２６  モータ
ＡＸ１ａ、ＡＸ１ｂ、ＡＸ１ｃ、ＡＸ１ｄ  回転軸
ＡＸ２  回転軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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