(57)【要約】      （修正有）【課題】テザーの張力を失っても飛行制御が可能で、地上からの安定した離着陸を機体に取り付けられたプロペラの推力によって行うことができる空中風力発電用の飛行体を提供する。【解決手段】自ら空力特性を変える機能を有することでテザーの張力によらずに飛行姿勢を制御することができ、地上で十分な風がなくともプロペラ２０ａ、２０ｂの推力により風が強い上空まで浮上することができる可変翼カイト。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センターロッドの頂点に左右２本のリーディングロッドがリンク機構により接続されたものに柔軟なセールを張り、センターロッドとスライド可能なように直交して接続されたスプレッダーを有し、センターロッドとスプレッダーとの交点位置がサーボモータにより可変できる機構を持っており、交点の上下左右の移動により空力特性を可変できる無線操縦または自動操縦が可能なカイト状の飛行体。
【請求項２】
前記飛行体のロッドの適切な位置に取り付けられたテザーにより係留されながら風を受けて空中で操縦できるカイト。
【請求項３】
前記飛行体をベースとし、２個以上のモータおよびプロペラとモータのティルト機構を有することで自ら浮上できる飛行体。
【請求項４】
前記飛行体のロッドの適切な位置に取り付けられたテザーにより係留されながら風を受けて空中で操縦できるカイトに２個以上のモータおよびプロペラとモータのティルト機構を付加して自ら浮上できる機能を有する飛行体。
【請求項５】
請求項４の飛行体のティルト機構を省いた飛行体。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の飛行体であって、自律して飛行制御行うことを特徴とする制御方法および制御プログラム。
【請求項７】
請求項２、請求項４、請求項５のいずれか１項に記載の飛行体であって、ＧＰＳ等の各種センサとコントローラを用いて空中に滞空する自律飛行や８の字等の旋回飛行または迎角をカイトの変形によりテザーの張力や迎角を変えて飛行制御行うことを特徴とする制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  空中風力発電において空力特性を可変でき旋回及び迎角が制御可能でローターにより離着陸が可能なカイトに関する。
【背景技術】
【０００２】  上空の地表より強く安定した風を利用する空中風力発電について様々な研究が行われている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。国内においてはその認知度も低く研究者も少ないが、近年、欧州や米国では盛んに研究開発がなされ、空中風力発電の実証実験が進んでいる。【０００３】  カイト・グライダーなどの係留ウィンチの張力をトルクに変換し発電機を回転させる発電法は、タワー型と異なり強度限界時には地上に避難し安全を確保できるので、台風が来襲するわが国では有望な発電方法だと考えられる。【０００４】  空中風力発電には旋回及び迎角が制御可能なグライダーやカイト等の発電用飛行プラットフォームが必要である。従来の空中風力発電用のカイトは複数個所に取り付けられたテザーの張力を地上または空中のコントロールユニット（Ｋｉｔｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｕｎｉｔ：ＫＣＵ）により制御することで飛行姿勢を制御している。グライダーの場合は通常と同様、固定翼に補助翼を付加して飛行制御を行っている。【０００５】  特許文献１に開示されているように風力発電機を飛行プラットフォームに備える場合は、上空で飛行を維持するか、または８の字旋回等を行って飛行速度を稼ぐことで効率の良い発電を行う。【０００６】  特許文献２に開示されているように係留ウィンチに生じる張力で地上の発電機を回転させて発電を行う場合も、強い張力を得るために楕円旋回や８の字旋回等を行って機体速度を上げる。テザーを引っ張りながら発電を行う。テザーが引き出された後は、飛行プラットフォームの迎角を浅くしてテザーの張力を下げて低電力で直線的にウィンチを巻き取る。これらを繰り返し発電時と巻き取り時のエネルギー差が正味の発電量となる。
【先行技術文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０５−２９６１３７号公報
【特許文献２】特表２０１１−５２２１６７号公報
【特許文献３】特開２００３−１２０５１１号公報
【特許文献４】ＵＳ２０１７／０１３８３４６  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  従来の空中風力発電用のカイトは複数個所に取り付けられたテザーの張力を制御することで飛行姿勢を制御していたが、風速の変化等でテザーが張力を失うと制御不能に陥る問題点がある。グライダーの場合は迎角によって揚力が大きく変化するため飛行姿勢の維持には細かな制御が必要となる。【０００９】  また、上空の強く安定した風を利用するためには制御可能な飛行体を上空まで浮上させる必要があり、カイト、グライダーのいずれも安全な離着陸方法が課題となっている。
カイトの場合は、例えば特許文献４のように設置地点を中心にテザーで飛行姿勢を調整しながら振り回すことで風を受けながら地上から上空まで誘導する方法が考案されているが広範囲の始動場所確保が必要となる欠点がある。【００１０】  グライダーの場合は取り付けられたモーター・プロペラを使って垂直離陸し、その後はプロペラが風を受けて回転することで発電を行う。グライダーの場合はカイトと比較して重量が重いため機体を垂直に支えるモーター・プロペラに大きな推力が必要で、離陸と発電の両方の効率を同一のシステムで上げることは難しい。【００１１】特許文献３のように、地上からの給電により浮上する能力を特徴とし、空中に自らの浮上力で浮上させることにより風の強い高い高度に係留し、風力発電を行うプロペラを主とした飛行体も考案されているが、翼を持たない構造であるため強風時のみ運用可能である。【００１２】  本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、テザーの張力を失っても飛行制御が可能で、地上からの安定した離着陸を機体に取り付けられたプロペラの推力によって行うことができる空中風力発電用の飛行体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】  本発明の飛行体は、センターロッドの頂点に左右２本のリーディングロッドがリンク機構により接続されたものに柔軟なセールを張ったカイトで、センターロッドと摺動可能に直交して結合されたスプレッダーを有し、スプレッダーは摺動可能に左右のリーディングロッドに結合され、センターロッドとスプレッダーとの交点がそれぞれのロッドと交点との間に備えられたサーボモータにより可変できる機構を持っており、交点の上下の移動によりカイトが開閉して面積を変化させることができ、交点の左右の移動によりカイトのセンターロッドから左右部分の面積を変化させることができることで重心位置、空力中心との関係を可変できる無線操縦または自動操縦が可能なカイトを特徴とするものである。【００１４】  本発明の他の態様の１つは、前記飛行体のロッドの適切な位置に取り付けられたテザーにより係留されながら風を受けて上昇することができ空中で操縦できるカイトをベースとし、コントローラ、ＧＰＳなどの各種センサおよびバッテリーを備えて自律航行が可能で、無線通信の基地局、定点観測、空中風力発電等の用途で空中に滞空し、あるいは楕円旋回や８の字飛行など必要用件を満たす飛行経路での自律飛行を行う飛行体である。【００１５】  本発明の他の態様の１つは、前記飛行体をベースとし２個以上のモータおよびプロペラを有することで自ら浮上できるものとしてもよく、例えばスプレッダーの延長上に備えられた、２個のモータおよびプロペラの推力をティルト機構により推力の方向を可変することにより、いわゆるバイコプターとして自ら飛行制御できる浮上能力を持つ飛行体である。この飛行体を例えば空中風力発電の飛行プラットフォームとして用いる場合にはテザーにより束縛されながら若干の風を受けて風下に力を受けた状態となるのでティルト機構を省略して運用することもできる。【００１６】  本発明の他の態様の１つは、センターロッドとスプレッダーの交点の場所をサーボモータ等で移動させることでカイトの空力中心の位置や左右の面積を変えることができる可変カイトまたは前記可変カイトに２個以上のプロペラを備えて自ら浮上する機能を持つ飛行体において、自律して飛行制御行うことを特徴とする制御方法である。【００１７】  本発明の他の態様の１つは、センターロッドとスプレッダーの交点の場所をサーボモータ等で移動させることでカイトの空力中心の位置や左右の面積を変えて飛行制御を行うことができる可変カイトまたは前記可変カイトに２個以上のプロペラを備えて自ら浮上する機能を持つ飛行体を空中風力発電に利用する場合において、ＧＰＳ等の各種センサとコントローラを用いて空中に滞空する自律飛行、８の字等の旋回飛行または迎角をカイトの変形によりテザーの張力や迎角を変えて飛行制御行うことを特徴とする制御プログラムである。
【発明の効果】
【００１８】  従来の空中風力発電用のカイトは複数個所に取り付けられたテザーの張力を地上または空中のコントローラにより制御することで飛行姿勢を制御するもので、地上である一定以上の風がなければ浮上できないものであったが、本発明によればカイトが自ら空力特性を変える機能を有することでテザーの張力によらずに飛行姿勢を制御することができる。更に、地上で十分な風がなくともプロペラの推力により上空の風の強い空域まで浮上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る飛行体の構成を示す図である。
【図２】一実施形態に係る飛行体のカイト翼の開閉を説明する図である。
【図３】一実施形態に係る飛行体のカイト翼の左右面積の変化を説明する図である。
【図４】制御部の機能の概略を説明するブロック図である。
【図５】一実施形態に係る飛行体の可変カイト翼による飛行制御を説明する図である。
【図６】空中風力発電を行う際の飛行経路の一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】  本発明は、ロッドで構成され機体に柔軟なセールを張ったカイト構造で、ロッドの交差点の位置関係をサーボモータにより変えて自らの空力特性を変化させて操縦を可能とした可変翼カイトであり、加えて２個以上のモータとプロペラを備えることにより自ら空中に浮上する機能と自律的に航行する構成を実現するものである。
【００２１】  図１は、本発明の一実施形態に係る飛行体の構成を示す図である。飛行体１００は、センターロッド１０の一方を頂点として左右２本のリーディングロッド（１１ａ〜１１ｂ）がリンク機構により接続されたものに柔軟なセール１５を張ったカイト構造で、センターロッドとスライド可能なように直交し左右のリーディングロッド（１１ａ〜１１ｂ）ともスライド可能となるように接続されたスプレッダー１２を有し、スプレッダーサーボ１３によりセンターロッドとスプレッダーとの交点位置が左右に可変し、センターサーボ１４によってセンターロッド１０とスプレッダー１２との交点位置が上下に可変できる機構を持っており、交点の上下の移動によりカイトが開閉して面積および重心ＧＣと空力中心ＡＣとの位置関係を変化させることができ、交点位置の左右の移動によりセールの左右部分の面積（１５ａ〜１５ｂ）を変化させることができること無線操縦または自動操縦が可能な可変翼カイトとなる。
【００２２】例えば、スプレッダー１２の延長上にモータ及びプロペラ（２０ａ〜２０ｂ）とその接続部分にティルト機構（２１ａ〜２１ｂ）を備えることで飛行体自ら浮上する機能を有することができる。プロペラの推力を得るための電力の供給と飛行制御は電源及び制御部１６によってなされる。
【００２３】  本発明の飛行体１００を構成するロッドの適切な位置にテザー（係留ライン）３０を取付、糸目３１を重心と空力中心との位置関係を考慮して適切に調整すれば、風を受けて飛行する操縦可能で更に地上で風が十分に吹いていないときでも自ら風が強い上空へ浮上できる可変翼カイトとなる。テザー３０により束縛されながら風下に力を受けた状態での浮上であればティルト機構（２１ａ〜２１ｂ）は省略可能である。
【００２４】  図２は、飛行体１００のカイト翼の開閉を説明する図である。破線で示した基準状態に対してセンターサーボ１４を操作してセンターロッド１０をスプレッダー１２に対して上方向に移動させた場合、実線で示すように対称面Ｍに対して左右対称に２本のリーディングロッド（１１ａ〜１１ｂ）のなす角度が小さくなり、カイト翼は閉じた状態になる。糸目３１と空力中心ＡＣとの相対的な位置関係も変化し、糸目３１が空力中心ＡＣより更に上方に移動する。この場合カイトは風に対する迎角が小さくなりテザーの張力も下がり、風に対する進入性も良くなる。
【００２５】  図３は、飛行体１００のカイト翼の左右面積の変化を説明する図である。破線で示した基準状態に対してスプレッダーサーボ１３を操作してセンターロッドを左方向に移動させた場合、実線で示すように左側セール１５ｂの面積が右側セール１５ａの面積よりも大きくなり、空力中心と重心も左側へ移動する。その結果、飛行体１００の左側の揚力が大きくなるために飛行体１００は右方向に旋回を始める。
【００２６】  図４は本発明の飛行体１００の制御部４０の機能の概略を説明するブロック図である。同図に示すように、制御部４０は制御用コンピュータ４１、Ｒ／Ｃ受信機４２、３軸ジャイロセンサ４３、３軸加速度センサ４４、３軸地磁気センサ４５、気圧センサ４６を備えている。
【００２７】  制御用コンピュータ４１は、内蔵するメモリに記録された制御プログラムによりセンターサーボ１４とスプレッダーサーボ１３の回転方向及び回転速度を制御するとともにモータ及びプロペラ（２０ａ〜２０ｂ）の回転数を制御する。制御用コンピュータ４１の出力回路４１ａ〜４１ｆには、それぞれモータ及びプロペラ２０ａと２０ｂのモータアンプＡｍｐ１とＡｍｐ２、ティルト用サーボ出力Ｓｖ１とＳｖ２、翼開閉のためのセンターサーボ用出力Ｓｖ３、翼面積可変のためのスプレッダーサーボ用出力Ｓｖ４がそれぞれ接続されている。
【００２８】  制御部４０には、３軸ジャイロセンサ、３軸加速度センサ、３軸地磁気センサ、気圧センサを搭載する市販のマルチコプター（いわゆるドローン）のコントローラを使用してもよい。
【００２９】  制御部４０は、主に３軸ジャイロセンサの出力する角速度の積算により得られる角度情報を用いて飛行体１００の傾きを検出する。また、コントローラ４０は、３軸ジャイロセンサ４３のオフセット量を、３軸加速度センサ４４の出力する静的な傾き情報を用いて補正する。これにより、コントローラ４０は、飛行体１００に任意の飛行姿勢を取らせることができる。
【００３０】  制御部４０は、前記の姿勢制御に加えて、気圧センサ４６により高度を測定し、ＧＰＳ受信機４７により飛行位置を検出し、制御用コンピュータ４１に組み込まれたプログラムに応じて、空中に滞空する自律飛行や、８の字等の旋回飛行または迎角をカイトの変形によりテザーの張力や迎角を変えて飛行制御行うことができる。
【００３１】  図５は、本発明の飛行体１００の可変カイト翼による飛行制御を説明する図である。図５（ａ）は基準状態である。図５（ｂ）は前述の図２の状態を模式的に示したもので、センターロッド１０が上方に移動すると風に対する迎角が小さくなり風に対する進入性も良くなることでテザーの張力も下がるため、空中風力発電においてはテザー３０の巻戻しに用いる状態である。
【００３１】  図５（ｃ）は前述の図３の状態を模式的に示したもので、センターロッド１０を左方向に移動すると飛行体１００は右方向に旋回させることができる。逆に図５（ｄ）のようにセンターロッド１０を左方向に移動すると飛行体１００は左方向に旋回させることができる。
【００３２】  図６は空中風力発電を行う際の飛行経路の一例を説明する図である。地上に発電機５０を設置し、テザー３０を引っ張ることで発電機を回転させて発電を行うことができるとともに、逆にモータとしてテザーを巻き取る機構を持つものとする。
【００３３】  初期状態において飛行体１００は地上にあるが、風力発電を行うためには強く安定した風の吹く上空まで離陸しなければならない。飛行体１００は十分な風速の風が吹いる時には風から揚力を得て離陸できるが、もし風速が足りない場合でもプロペラの推力を使って離陸することが可能である（５１）。
【００３４】  上空に達した後は、テザーの張力で発電機を回転させながら発電を行う（５２）。その際、大きな張力を得るほど発電効率が良くなるので、カイト翼を可変させながら図のように８の字旋回を行うなどして飛行速度を増加させるのが有効である。
【００３５】  テザー３０の長さには限界があり、テザー３０を引っ張り出すほどテザー自身の重さをカイトが支えなければならなくなるので、適切な高度まで飛行体１００が上昇したら（図中５３）飛行体１００を前述の図５（ｂ）の巻戻しの状態にしてテザー３０の張力を下げ、テザー３０をできるだけ低電力で巻戻す。飛行体１００が安定して強い風が吹く空域の下限まで下降したら（図中５４）、飛行体１００を図５（ａ）の基準状態に戻し、発電を再開する。発電と巻戻しを繰り返し両者のエネルギー差が正味の発電量となる。
【符号の説明】
【００３６】  １０…センターロッド、１１ａ〜１１ｂ…リーディングロッド、１２…スプレッダー、１３…スプレッダーサーボ、１４…センターサーボ、１５…セール、１５ａ…右側セール、１５ｂ…左側セール、１６…電源及び制御部、２０ａ〜２０ｂ…モータ及びプロペラ、２１ａ〜２１ｂ…ティルト機構、３０…テザー（係留ライン）、３１…糸目、４０…制御部、４１…制御用コンピュータ、４１ａ〜５１ｆ…出力回路、４２…Ｒ／Ｃ受信機、４３…３軸ジャイロセンサ、４４…３軸加速度センサ、４５…３軸地磁気センサ、４６…気圧センサ、４７…ＧＰＳ受信機、５０…発電機、５１…離陸時の飛行体、５２…発電時の飛行体、５３…テザー上限の飛行体、５４…境界層下限の飛行体、１００…飛行体、ＡＣ…空力中心、Ａｍｐ１〜Ａｍｐ２：モータアンプ出力、ＧＣ…重心、Ｍ…対称面、Ｓｖ１〜Ｓｖ４：サーボ出力
【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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【図６】
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