(57)【要約】【課題】機体構造やフライトプログラムの複雑化・不安定化を抑えつつ、プロペラの最適ピッチ調節の煩わしさを解消させることのできる無人航空機を提供することにある。【解決手段】複数のロータを備え、前記複数のロータのピッチ角を変化させるピッチ変更機構と、前記各ロータの回転速度を制御するスピードコントローラと、を備え、前記ピッチ変更機構は、前記各ロータのピッチ角が全て同じ角度となるようにこれらロータのピッチ角を変化させ、空中における移動は前記各ロータの回転速度制御により行うことを特徴とする無人航空機により解決する。【選択図】図５
2020011574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のロータを備える無人航空機であって、
前記複数のロータのピッチ角を変化させるピッチ変更機構と、
前記各ロータの回転速度を制御するスピードコントローラと、
を備え、
前記ピッチ変更機構は、前記各ロータのピッチ角が全て同じ角度となるようにこれらロータのピッチ角を変化させ、
空中における移動は前記各ロータの回転速度制御により行うことを特徴とする無人航空機。
【請求項２】
前記ピッチ変更機構は、前記各ロータのピッチ角を全て同じ角度に保ちながら、前記複数のロータのピッチ角を同時に同量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。
【請求項３】
前記ピッチ変更機構は、該ピッチ変更機構の駆動源である一または複数のモータを有し、
前記モータの数は、前記ロータの数よりも少ないことを特徴とする請求項２に記載の無人航空機。
【請求項４】
前記ピッチ変更機構は、該ピッチ変更機構の駆動源である一のモータにより、前記複数のロータの全てのピッチ角を変化させることを特徴とする請求項３に記載の無人航空機。
【請求項５】
前記ピッチ変更機構は、前記各ロータのピッチ角をコレクティブピッチ制御により変化させ、前記複数のロータについてサイクリックピッチ制御は行わないことを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【請求項６】
機体の中心部であるセンターフレームと、
前記センターフレームから平面視放射状に延びる複数本のアームと、を備え、
前記複数のロータはそれぞれ前記アームに支持されており、
前記各ロータは、
回転翼であるブレードと、
前記ブレードが接続されたロータハブと、を有し、
前記ロータハブは回転軸であるロータシャフトに結合されており、
前記ピッチ変更機構は、前記ロータごとに、
前記ブレードにリンク部材であるピッチリンクで接続されたスライダー部材と、
前記スライダー部材を前記ロータシャフトに沿って昇降させる機構であるピッチレベラーと、
前記ピッチレベラーを操作する棒状のリンク部材である第１コントロールロッドと、を有し、
前記第１コントロールロッドは、前記センターフレームから前記各アームに沿って配置されており、
前記ピッチ変更機構は、全ての前記第１コントロールロッドを前記各アームに沿って同時に同量進退させることで前記各ロータのピッチ角を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。
【請求項７】
前記センターフレームには前記モータの出力で水平に回転するハブ部材であるコントロールハブが配置され、
前記各第１コントロールロッドはその基端部が前記コントロールハブに連結さ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。
【請求項８】
４基の前記ロータを備え、
前記センターフレームの中央には前記モータの出力部であるサーボホーンが配置され、
前記センターフレームには、該センターフレームを平面視したときに前記サーボホーンの回転中心を対称の中心として点対称となる位置に一対の前記コントロールハブが配置され、
前記サーボホーンと前記各コントロールハブとは、棒状のリンク部材である第２コントロールロッドで連結され、
前記各コントロールハブにはそれぞれ２本の前記第１コントロールロッドが連結され、
前記一対のコントロールハブは、前記サーボホーンの回転により、４本の前記第１コントロールロッドを前記各アームに沿って同時に同量進退させることを特徴とする請求項６に記載の無人航空機。
【請求項９】
前記ピッチ変更機構を自動制御するプログラムであるピッチ調節プログラムを有し、
前記ピッチ調節プログラムは、前記各ロータの回転速度が所定の閾値を下回ったときに、前記複数のロータのピッチ角を自動的に小さくすることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【請求項１０】
前記ピッチ変更機構を自動制御するプログラムであるピッチ調節プログラムを有し、
前記ピッチ調節プログラムは、前記各ロータの回転速度が所定の閾値を下回らない程度に、前記複数のロータのピッチ角を自動的に大きく保つことを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無人航空機技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
下記特許文献１には、ロータの可変ピッチ機構を備えるマルチコプターが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１８５９４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
固定ピッチプロペラのマルチコプターには上記のような利点がある一方、プロペラのピッチ角を変更するときにはプロペラ自体を換装しなければならないという難点もある。特に、飛行時の気象条件やペイロードに応じた最適なピッチ角を特定するためには、プロペラの換装作業を飛行前に数回繰り返さなければならないこともある。
【０００６】
このような課題への解決手段として、可変ピッチのロータを採用することが考えられる。しかし、ロータのピッチ変更機構は部品点数が多く、機体構造やフライトプログラムが複雑化することが懸念される。設計の複雑化やメンテナンス性の低下は、マルチコプターの本来の長所を損なうこととなる。
【０００７】
上記特許文献１の発明では、ピッチ変更機構の駆動源であるサーボモータがピッチ変更機構に直結されている。特許文献１の発明は、各ピッチ変更機構にそれぞれ駆動源が備えられることで、各ロータのピッチ角を個別に調節することが可能とされており、また、ロータ数の増減にも柔軟に対応できるものと考えられる。一方、アームの先端重量がサーボモータの分だけ大きくなることで、飛行動作の安定性・機敏性は低下する。また、特許文献１のマルチコプターのように空中における移動にピッチ角の制御が伴う場合（段落００１５）、市販の一般的なフライトコントローラではこのような制御に対応することができないため、別途独自にフライトコントローラを作成する必要がある。
【０００８】
上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、機体構造やフライトプログラムの複雑化・不安定化を抑えつつ、プロペラの最適ピッチ調節の煩わしさを解消させることのできる無人航空機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の無人航空機は、複数のロータと、前記複数のロータのピッチ角を変化させるピッチ変更機構と、前記各ロータの回転速度を制御するスピードコントローラと、を備え、前記ピッチ変更機構は、前記各ロータのピッチ角が全て同じ角度となるようにこれらロータのピッチ角を変化させ、空中における移動は前記各ロータの回転速度制御により行うことを特徴とする。
【００１０】
本発明の無人航空機が備えるピッチ変更機構は、各ロータのピッチ角が全て同じ角度となるようにこれらのピッチ角を変化させるものであり、個々のロータのピッチ角を個別に調節するものではない。そのため、ピッチ角の制御により各ロータの推力を不均衡にすることはできず、無人航空機を水平に飛行させることはできない。
【００１１】
本発明の無人航空機は、ロータのピッチ角を統一的に調節することにのみピッチ変更機構を使用し、空中における移動は専ら各ロータの回転速度制御により行う。すなわち、本発明のピッチ変更機構は、いわば、固定ピッチプロペラのピッチ角を、プロペラを換装することなく変更可能とするものであり、一般的なピッチ変更機構とはその用途や技術思想を異にしている。
【００１２】
本発明のピッチ変更機構は、その機能と用途とが絞り込まれていることで構造を単純化することが可能とされている。さらに、本発明の無人航空機は、空中における移動を専らロータの回転速度制御で行うことにより、マルチコプター用の既存のフライトコントローラを改変なく採用することができる。すなわち、本発明の無人航空機によれば、機体構造やフライトプログラムの複雑化・不安定化を抑えつつ、プロペラの最適ピッチ調節の煩わしさを解消させることができる。
【００１３】
また、前記ピッチ変更機構は、前記各ロータのピッチ角を全て同じ角度に保ちながら、前記複数のロータのピッチ角を同時に同量変化させるものであることが好ましい。
【００１４】
固定ピッチプロペラのマルチコプターは、飛行中に上昇気流で機体が押し上げられたときには、プロペラの回転数（回転速度と同義）を下げることでその高度を維持する。当然、強い上昇気流に煽られたときには相応に回転数を下げる必要があるが、プロペラがその本来の機能を発揮するためには十分なジャイロ効果が得られる回転数が必要である。プロペラの回転数がその下限を超えて下げられたときには、プロペラは失速し、マルチコプターは操舵不能に陥る。ロータのエネルギー効率を高めるためにはプロペラを低速で回転させることが望ましいが、それは同時に上昇気流に対して脆弱になるということでもある。
【００１５】
ピッチ変更機構が、複数のロータのピッチ角を全て同じ角度に保ちながら、これらロータのピッチ角を同時に同量変更可能であることにより、例えば上昇気流に煽られて機体の姿勢状態が不安定になりそうなときには、ピッチ角を一時的に小さくして各ロータの回転数に対する推力を下げることで回転数を維持し、これらロータの失速を避けることが可能となる。
【００１６】
また、前記ピッチ変更機構は、該ピッチ変更機構の駆動源である一または複数のモータを有し、前記モータの数は、前記ロータの数よりも少ないことが好ましい。このとき、前記ピッチ変更機構は、該ピッチ変更機構の駆動源である一のモータにより、前記複数のロータの全てのピッチ角を変化させることがより好ましい。
【００１７】
本発明のピッチ変更機構は、複数のロータをこれらロータのピッチ角が全て同じ角度となるように変化させる。この特徴は、全ロータのピッチ角を少数のモータで一斉に操作することを可能にする。ピッチ変更機構がロータごとにモータを備える場合、搭載されるモータ数がロータの数だけ増えることとなり、機体重量が増加し、また消費電力も増える。ピッチ変更機構をロータの数よりも少ない数のモータで駆動することにより、ピッチ変更機構の採用に伴うこのような難点を緩和することができる。特に、モータを一つとした場合、ピッチ変更機構の軽量化効果・省電力効果が最大化されることに加え、ピッチ角の同期精度を高めることもできる。
【００１８】
また、前記ピッチ変更機構は、前記各ロータのピッチ角をコレクティブピッチ制御により変化させ、前記複数のロータについてサイクリックピッチ制御は行わないことが好ましい。
【００１９】
上でも述べたように、本発明の無人航空機は、ロータのピッチ角を統一的に調節することにのみピッチ変更機構を使用し、空中における移動は専ら各ロータの回転速度制御により行う。そのため、本発明のピッチ変更機構はサイクリックピッチ制御を行う必要はない。ピッチ変更機構からサイクリックピッチ制御に関係する構造を除去することで、ピッチ変更機構の単純化を図ることができる。
【００２０】
また、本発明の無人航空機は、機体の中心部であるセンターフレームと、前記センターフレームから平面視放射状に延びる複数本のアームと、を備え、前記複数のロータはそれぞれ前記アームに支持されており、前記各ロータは、回転翼であるブレードと、前記ブレードが接続されたロータハブと、を有し、前記ロータハブは回転軸であるロータシャフトに結合されており、前記ピッチ変更機構は、前記ロータごとに、リンク部材であるピッチリンクで前記ブレードに接続されたスライダー部材と、前記スライダー部材を前記ロータシャフトに沿って昇降させる機構であるピッチレベラーと、前記ピッチレベラーを操作する棒状のリンク部材である第１コントロールロッドと、を有し、前記第１コントロールロッドは、前記センターフレームから前記各アームに沿って配置されており、前記ピッチ変更機構は、全ての前記第１コントロールロッドを前記各アームに沿って同時に同量進退させる構成としてもよい。
【００２１】
一般にマルチコプターは、アームの先端重量が大きくなるほどアーム先端の慣性の影響で姿勢が安定しにくくなり、飛行動作の機敏性が損なわれる。さらに、アーム先端の搭載物はロータの排気流を妨げ、ロータの推進方向を乱す原因にもなる。各ロータのピッチ角を、第１コントロールロッドを介してセンターフレーム側から操作可能とすることにより、ピッチ変更機構の駆動源を機体の中心側に配置することが可能となる。これにより各アームの先端重量を軽量化することができ、ピッチ変更機構を備えることによる飛行動作の安定性・機敏性への影響を軽減することができる。
【００２２】
また、このとき、前記センターフレームには前記モータの出力で水平に回転するハブ部材であるコントロールハブが配置され、前記各第１コントロールロッドはその基端部が前記コントロールハブに連結されている構成としてもよい。
【００２３】
より具体的には、４基の前記ロータを備え、前記センターフレームの中央には前記モータの出力部であるサーボホーンが配置され、前記センターフレームには、該センターフレームを平面視したときに前記サーボホーンの回転中心を対称の中心として点対称となる位置に一対の前記コントロールハブが配置され、前記サーボホーンと前記各コントロールハブとは、棒状のリンク部材である第２コントロールロッドで連結され、前記各コントロールハブにはそれぞれ２本の前記第１コントロールロッドが連結され、前記一対のコントロールハブは、前記サーボホーンの回転により、４本の前記第１コントロールロッドを前記各アームに沿って同時に同量進退させる構成としてもよい。
【００２４】
一のモータで全てのロータのピッチ角を変更するにあたり、すべての第１コントロールロッドの動作を簡易な構造で機械的に同期させることで、ピッチ角の変更動作の信頼性を高めることができ、また、ピッチ変更機構の重量を抑えることができる。
【００２５】
また、本発明の無人航空機は、前記ピッチ変更機構を自動制御するプログラムであるピッチ調節プログラムを有し、前記各ロータの回転速度が所定の閾値を下回ったときに、前記ピッチ調節プログラムが前記複数のロータのピッチ角を自動的に小さくする構成としてもよい。
【００２６】
上昇気流に煽られた場合など、ロータの回転数が所定の閾値を下回ることで姿勢制御が乱れるおそれがあるときには、ピッチ調節プログラムがピッチ角を自動的に小さくして各ロータの回転数に対する推力を下げ、ロータの回転数を保つことにより、ロータの失速を未然に防止することができる。
【００２７】
その他、本発明の無人航空機は、前記各ロータの回転速度が所定の閾値を下回ったときに、前記ピッチ調節プログラムが前記複数のロータのピッチ角を自動的に小さくする構成としてもよい。
【００２８】
上でも述べたように、ロータのエネルギー効率を高めるためには、ロータを低速で回転させることが望ましいが、それは同時に上昇気流に対して脆弱になるということでもある。ピッチ調節プログラムがロータの回転数を監視し、安全圏の範囲内で自動的にピッチ角を大きく保つことにより、ロータの失速を避けつつロータのエネルギー効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００２９】
このように、本発明の無人航空機によれば、機体構造やフライトプログラムの複雑化・不安定化を抑えつつ、プロペラの最適ピッチ調節の煩わしさを解消させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本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２】図１のセンターフレーム内の構成を示す透視斜視図である。
【図３】マルチコプターのピッチ変更機構の構成を示す透視斜視図である。
【図４】アーム先端の機構を示す部分拡大図である。
【図５】ピッチ変更機構によるロータのピッチ角変更動作を示す側面図である。
【図６】ロータの駆動機構を示す側面視断面図である。
【図７】マルチコプターの機能構成を示すブロック図である。
【図８】マルチコプターの変形例の機能構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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、複数のロータを備える無人航空機であるマルチコプター１０についての例である。なお、以下の説明における「上」および「下」、「垂直」とは、図１および図２に描かれた座標軸表示のＺ軸に平行な方向であって、Ｚ軸の矢印方向を上とする。また、「水平」とは同座標軸表示におけるＸ−Ｙ平面（方向）をいう。
【００３２】
（構成概要）
図１は、本実施形態（以下、「本例」ともいう。）にかかるマルチコプター１０の外観を示す斜視図である。図２は、図１のセンターフレーム１１内の構成を示す透視斜視図である。図１および図２は、マルチコプター１０が有するロータ４３の駆動および制御に関わる機械構造を説明するものであり、実際にはここに後述するフライトコントーラＦＣやＥＳＣ２４、バッテリー６０等が搭載される。その他、例えばセンターフレーム１１を覆うカバー部材やランディングギヤ、種々の用途に応じた外部機器等を備えてもよい。
【００３３】
本例のマルチコプター１０は、機体の中心に配置されたフレーム部材であるセンターフレーム１１と、センターフレーム１１から平面視放射状に延びる４本のアーム１２と、を有している。センターフレーム１１は平面視略十字形状の平板材が上下に平行に配置されることで構成されている。アーム１２は円筒形状のパイプ材であり、センターフレーム１１の十字の各端部からこれら端部と同方向にのびるように配置されている。各アーム１２は、その基端部がクランプ部材であるアームクランプ１２１でセンターフレーム１１内に固定されており、各アーム１２の先端部にはロータ４３が支持されている。
【００３４】
本例のマルチコプター１０では、各ロータ４３の駆動源であるモータ４１がセンターフレーム１１内に配置されている。これらモータ４１は、その出力軸を各アーム１２側に向けるようにして、センターフレーム１１に設けられたモータマウント４１９に固定されている。これらモータ４１の出力は各アーム１２内に配置された動力伝達部材を介してロータ４３に伝達される。
【００３５】
市販の一般的なマルチコプターでは、各アームの先端にモータが配置され、その出力部に固定ピッチプロペラが直結される構造が多く採用されている。しかし、マルチコプターは、アームの先端重量が大きくなるほどアーム先端の慣性の影響で姿勢が安定しにくくなり、飛行動作の機敏性が損なわれる。本例のマルチコプター１０は、モータ４１をセンターフレーム１１に配置することでアーム１２の先端重量を減らし、飛行動作の安定性・機敏性を向上させている。
【００３６】
また、本例のロータ４３はピッチ角を変更可能な可変ピッチプロペラである。詳しくは後ほど説明するが、本例のマルチコプター１０は、各ロータ４３のピッチ角が全て同じ角度となるようにこれらロータ４３のピッチ角を調節し、空中における移動は専ら各ロータ４３の回転速度制御により行う。これにより、機体構造やフライトプログラムの複雑化・不安定化を抑えつつ、プロペラの最適ピッチ調節の煩わしさを解消させている。
【００３７】
（ピッチ変更機構）
図３は、マルチコプター１０のピッチ変更機構ＰＣの構成を示す透視斜視図である。図４はアーム１２先端の機構を示す部分拡大図である。
【００３８】
上でも述べたように、本例のピッチ変更機構ＰＣは、個々のロータ４３のピッチ角を個別に調節するものではなく、各ロータ４３のピッチ角を全て同じ角度に保ちながら、これらロータ４３のピッチ角を同時に同量変化させるものである。そのため、ピッチ変更機構ＰＣは、各ロータ４３の推力が不均衡となるようにピッチ角を制御することはできず、機体を水平に飛行させることにこれを用いることはできない。
【００３９】
本例のピッチ変更機構ＰＣは、主に、サーボモータ７１、第１コントロールロッド８１、ピッチレバー８２、およびスライダー部材Ｓにより構成されている。
【００４０】
サーボモータ７１はピッチ変更機構ＰＣの駆動源である。サーボモータ７１はセンターフレーム１１に固定されており、その出力部である長円形状のサーボホーン７１１がセンターフレーム１１の中央に配置されている。サーボホーン１１の長手方向の両端には、棒状のリンク部材である第２コントロールロッド７３の一端が連結されており、第２コントロールロッド７３の他端はそれぞれコントロールハブ７２に連結されている。
【００４１】
コントロールハブ７２は、センターフレーム１１を構成する下側のプレートに支持されたハブ部材である。本例のコントロールハブ７２は、センターフレーム１１を平面視したときに、サーボホーン７１１の回転中心を対称の中心として、点対称となる位置に一対配置されている。各コントロールハブ７２は平面視扇形の部材であり、その扇形の中心角に相当する部分を回転中心として水平に回転することができる。第２コントロールロッド７３の他端は、各コントロールハブ７２の扇形を構成する円弧の中心に相当する部位にそれぞれ連結されている。これにより一対のコントロールハブ７２は、サーボホーン１１に連動して所定の角度範囲内を互いに対称的に回転する。
【００４２】
各コントロールハブ７２の扇形を構成する２つの半径の先端近傍に相当する部位にはそれぞれ、棒状のリンク部材である第１コントロールロッド８１の一端（基端部）が連結されている。各コントロールハブ７２にはそれぞれ２本の第１コントロールロッド８１が連結されており、これらコントロールハブ７２は計４本の第１コントロールロッド８１を操作する。４本の第１コントロールロッド８１は互いに別々のアーム１２に沿うように配置されている。
【００４３】
上記構成により本例のピッチ変更機構ＰＣは、一のサーボモータ７１で４本の第１コントロールロッド８１を同時に同量進退させることが可能とされている。なお、詳しくは後段で説明するが、これら第１コントロールロッド８１の他端はスライダー部材Ｓにつながっており、第１コントロールロッド８１を各アーム１２に沿って進退させることで、スライダー部材Ｓを介して全てのロータ４３のピッチ角を変更することができる。
【００４４】
上でも述べたように、本例のピッチ変更機構ＰＣは、４基のロータ４３をこれらロータ４３のピッチ角が全て同じ角度となるように変化させるものである。この特徴が、全ロータ４３のピッチ角を一つのサーボモータ７１で一斉に操作することを可能にしている。ピッチ変更機構がロータごとにモータを備える場合、搭載されるモータ数がロータの数だけ増えることとなり、機体重量が増加し、また消費電力も増える。本例のマルチコプター１０では、ピッチ変更機構ＰＣを一のサーボモータ７１で駆動することにより、ピッチ変更機構ＰＣの採用に伴うこのような難点が緩和されている。なお、本例ではサーボモータ７１を一つとすることによりピッチ角の同期精度も高められているが、ロータ４３の数よりも少ない数のサーボモータ７１でピッチ変更機構ＰＣを駆動することにより一定程度の軽量化効果や省電力効果は得ることができる。
【００４５】
また、一般にマルチコプターは、アームの先端重量が大きくなるほどアーム先端の慣性の影響で姿勢が安定しにくくなり、飛行動作の機敏性が損なわれる。さらに、アーム先端の搭載物はロータの排気流を妨げ、ロータの推進方向を乱す原因にもなる。本例のピッチ変更機構ＰＣでは、各ロータ４３のピッチ角を、第１コントロールロッド８１を介してセンターフレーム１１側から操作可能とすることにより、ピッチ変更機構ＰＣの駆動源（サーボモータ７１）を機体の中心側に配置することが可能とされている。これにより各アーム４３の先端重量が軽減され、ピッチ変更機構ＰＣを備えることによる飛行動作の安定性・機敏性への影響が抑えられている。
【００４６】
そして、一のサーボモータ７１で全てのロータ４３のピッチ角を変更するにあたり、すべての第１コントロールロッド８１の動作を簡易な構造で機械的に同期させることでピッチ角の変更動作の信頼性が高められており、また、ピッチ変更機構ＰＣ自体の重量が抑えられている。
【００４７】
以下、図４を参照してピッチレバー８２およびスライダー部材Ｓについて説明する。以下の図４に基づく説明では、アーム１２の先端側（図４の矢印ｆ側）を「前」、その反対側（図４の矢印ｒ側）を「後ろ」とする。
【００４８】
アーム１２の先端には、ロータ４３の支持部材であるロータベース１３が装着されている。本例のロータベース１３は、ソケット部１３１、支持プレート１３２、および補強ポストにより構成されている。ソケット部１３１はアーム１２の先端にねじ固定された円筒形状の接続部材である。支持プレート１３２はソケット部１３１から前方に延びる２枚の板状部であり、これらは水平に、かつ上下に平行に配置されている。補強ポスト１３３は支持プレート１３２のたわみを防ぐ円柱形状の補強材である。補強ポスト１３３は、２枚の支持プレート１３２の前側の端部の間に垂直に立てて配置されている。２枚の支持プレート１３２は補強ポスト１３３を介して互いのたわみを制限し合い、これにより支持プレート１３２の剛性が高められている。
【００４９】
ピッチレバー８２は、スライダー部材Ｓをロータシャフト４４に沿って昇降させる機構であり、本発明のピッチレベラーの一形態である。ピッチレバー８２は、支持プレート１３２の上面に固定された台座部であるピッチレバーベース８２１にその一端が回転可能に支持されたヒンジ部材である。第１コントロールロッド８１は、リンク部材であるピッチレバーリンク８１１を介してピッチレバー８２に連結されている。ピッチレバー８２は、第１コントロールロッド８１がアーム１２に沿って進退することで、ピッチレバーベース８２１との連結部を中心として上下に旋回する。
【００５０】
スライダー部材Ｓは、ロータシャフト４４に沿って上下に昇降することでロータ４３のブレード４３２が接続されたフェザリングヒンジ８８をブレード４３２のピッチ方向に回転させる。つまりロータ４３のピッチ角を変化させる。
【００５１】
本例のロータ４３は、フェザリングヒンジ８８が回転可能に支持されたロータハブ４３１、回転翼であるブレード４３２、および、ブレード４３２を折り畳み可能に保持するブレードベース４３３により構成されている。ロータハブ４３１はロータシャフト４４に結合されており、ロータシャフト４４と一体に回転する。ブレードベース４３３はフェザリングヒンジ８８に結合されており、フェザリングヒンジ８８と一体的に回転する。
【００５２】
本例のスライダー部材Ｓは、主に、ピッチコントロールプレート８５とスライダーリング８６によって構成されている。
【００５３】
ピッチコントロールプレート８５は、ロータシャフト４４が挿通された円筒形状の胴部と、胴部から前後方向に延びる一対の腕部とを有し、これら腕部には、各フェザリングヒンジ８８に連結された２つのピッチリンク８５１の一端が回転可能に支持されている。スライダーリング８６は、その円筒形状の胴部の外周面に、周方向に連続した環状のフランジ部８６１が上下に２枚設けられている。これらフランジ部８６１の間には、同外周面の周方向に連続した溝部８６２が形成されている。
【００５４】
ピッチコントロールプレート８５とスライダーリング８６とは、これらの胴部の内側に配置された円筒形状のスリーブ部材８７であるスライダースリーブ８７で結合されており、上下に一体的に移動する。スライダースリーブ８７は、その外周面の一部がフランジ状に拡径された頭部を有する半ねじ部材であり、頭部を下に、ねじ部を上にして配置されている。スライダースリーブ８７のねじ部にはピッチコントロールプレート８５が螺合されており、ピッチコントロールプレート８５とスライダースリーブ８７の頭部との間にスライダーリング８６が配置されている。なお、スライダーリング８６はベアリングを介在させてスライダースリーブ８７に支持されており、これによりピッチコントロールプレート８５は、スライダーリング８６とは独立して、ロータシャフト４４およびスライダースリーブ８７と一体的に回転する。
【００５５】
そして、スライダーリング８６の溝部８６２には、ピッチレバー８２の先端に設けられた一対のボス８２２が嵌合されている。これによりスライダー部Ｓは、ピッチレバー８２の上下動に連動して昇降する。
【００５６】
図５は、ピッチ変更機構ＰＣによるロータ４３のピッチ角変更動作を示す側面図である。
【００５７】
サーボモータ７１が平面視ＣＷ方向に駆動すると、サーボホーン７１１に連結された第２コントロールロッド７３は各コントロールハブ７２を回転させる。各コントロールハブ７２は、これらに連結された第１コントロールロッド８１を各アーム１２の先端側に押し出す。押し出された第１コントロールロッド８１は、ピッチレバーリンク８１１を介してピッチレバー８２を持ち上げる。持ち上げられたピッチレバー８２は、スライダーリング８６およびこれと一体化されたピッチコントロールプレート８５を上昇させる。上昇したピッチコントロールプレート８５はピッチリンク８５１を介してフェザリングヒンジ８８を回転させ、これによりブレード４３２の迎角（ピッチ角）が大きくなる。
【００５８】
なお、図５はロータ４３のピッチ角を大きくする場合の動作を示しているが、サーボモータ７１をＣＣＷ方向に駆動すれば、上述の過程とは逆の過程を経てロータ４３のピッチ角が小さくなる。
【００５９】
このように、本例のピッチ変更機構ＰＣは、各ロータ４３のピッチ角をコレクティブピッチ制御（一のロータの全てのブレードのピッチ角を同時に同量増減させる制御）により変化させ、ヘリコプターのメインロータで一般に行われてるようなサイクリックピッチ制御は行わない。本例のピッチ変更機構ＰＣは、ピッチ変更機構ＰＣからサイクリックピッチ制御に関係する構造が除去されていることで、ピッチ変更機構ＰＣの単純化が図られている。
【００６０】
（ロータ駆動機構）
図６は、ロータ４３の駆動機構を示す側面視断面図である。以下、図４および図６を参照して本例のロータ駆動機構について説明する。なお、図６に基づく説明においても、アーム１２の先端側（図６の矢印ｆ側）を「前」、その反対側（図６の矢印ｒ側）を「後ろ」とする。
【００６１】
上でも述べたように、本例のマルチコプター１０では、各ロータ４３の駆動源であるモータ４１がセンターフレーム１１内に配置されており、これらモータ４１は、その出力軸４１１を各アーム１２側に向けるようにして、モータマウント４１９に固定されている。
【００６２】
モータ４１の出力軸４１１には、円筒形状の接続部材であるシャフトアダプタ４１２の一端（基端）が装着されており、シャフトアダプタ４１２の他端（先端）には、モータ４１の動力伝達部材であるドライブシャフト４２が接続されている。ドライブシャフト４２は円筒形状の棒体であり、その前側の端部には傘歯歯車である駆動ギヤ４２１が装着されている。
【００６３】
駆動ギヤ４２１はロータベース１３内に配置されている。そして、支持プレート１３２に回転可能に支持されたロータシャフト４４の下端（基端）には、駆動ギヤ４２１に噛合する傘歯歯車である従動ギヤ４４１が配置されている。これによりモータ４１の出力は、順に、シャフトアダプタ４１２、ドライブシャフト４２、駆動ギヤ４２１、従動ギヤ４４１、ロータシャフト４４、ロータハブ４３１に伝達され、ロータ４３を回転させる。
【００６４】
上でも述べたように、マルチコプターはアームの先端重量が大きくなるほどアーム先端の慣性の影響で姿勢が安定しにくくなり、飛行動作の機敏性が損なわれる。本例のマルチコプター１０は、センターフレーム１１にモータ４１を配置し、ドライブシャフト４２を介してその出力をロータ４３に伝達することでアーム１２の先端重量を軽減しており、これにより飛行動作の安定性・機敏性を向上させている。
【００６５】
なお、モータ４１の出力をロータ４３に伝達する動力伝達部材は本例のドライブシャフト４２には限られず、例えば歯付ベルトなどを採用することもできる。ただしその場合、モータ４１の出力軸４１１をセンターフレーム１１内で垂直（鉛直）に立てて配置する必要があり、センターフレーム１１内のスペース効率が低下する。本例のマルチコプター１０では、ドライブシャフト４２を採用することでモータ４１をその出力軸４１１を各アーム１２側に向けるようにして配置することが可能とされており、これによりセンターフレーム１１内のスペース効率が高められている。
【００６６】
（機能構成）
図７、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。
【００６７】
マルチコプター１０の機能は、主に、制御部であるフライトコントローラＦＣ、４基のロータ４３およびモータ４１、モータ４１の回転数（回転速度と同義）を制御するモータ駆動回路であるＥＳＣ２４（Electric Speed Controller）、操縦者（オペレータ端末５１）と通信を行う通信装置５２、上述のピッチ変更機構ＰＣ、およびこれらに電力を供給するバッテリー６０により構成されている。
【００６８】
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を有している。制御装置２０は、中央処理装置であるＣＰＵ２１と、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とを有している。
【００６９】
フライトコントローラＦＣはさらに、ＩＭＵ３１（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）、ＧＰＳ受信器３２、気圧センサ３３、および電子コンパス３４を含む飛行制御センサ群３０を有しており、これらは制御装置２０に接続されている。
【００７０】
ＩＭＵ３１はマルチコプター１０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。気圧センサ３３は、検出した気圧値からマルチコプター１０の海抜高度（標高）を得る高度センサである。電子コンパス３４はマルチコプター１０の機首の方位角を検出するセンサである。本例の電子コンパス３４には３軸地磁気センサが用いられている。ＧＰＳ受信器３２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３２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。
【００７１】
フライトコンローラＦＣは、これら飛行制御センサ群３０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。
【００７２】
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３０から取得した情報を基に個々のロータ４３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。
【００７３】
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を飛行させる経路の経緯度、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、オペレータ端末５１からの指示を開始条件として、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。
【００７４】
オペレータ端末５１には、ラジオコントロール用の送信機や、無人航空機分野において一般にＧＣＳ（Ground Control Station）と呼ばれている装置を用いることができる。その他、オペレータ端末５１は、多数のマルチコプター１０を管制する運行管理システム（ＵＴＭ：UAV Traffic Management）の端末であってもよい。
【００７５】
マルチコプター１０の通信装置５２とオペレータ端末５１とは、制御信号やデータの送受信を行うことが可能であれば、その具体的な通信方式やプロトコルは問わない。例えば、マルチコプター１０への飛行計画ＦＰのアップロードやテレメトリデータの受信には双方向通信であるＷｉ−Ｆｉ（Wireless Fidelity）を使用し、手動操縦時の操縦信号は２．４ＧＨｚ帯の周波数ホッピング方式でＰＣＭ（pulse code modulation：パルス符号変調）信号を送信する構成などが考えられる。その他、マルチコプター１０とオペレータ端末５１とは、３ＧやＬＴＥ（Long Term Evolution）、ＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）などの移動体通信網で接続されてもよい。そうすることにより操縦者（オペレータ端末５１）は、移動体通信網のサービスエリア内からであればどこからでもマルチコプター１０を制御することが可能となる。
【００７６】
なお、本例の飛行制御センサ群３０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の所定箇所に配置し、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することで、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に別途カメラやオプティカルフローセンサを搭載し、画像認識により施設内における現在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、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。
【００７７】
本例のマルチコプター１０は、ピッチ変更機構ＰＣをロータ４３のピッチ角を統一的に調節することにのみ使用し、空中における移動は専ら各ロータ４３の回転速度制御により行う。すなわち、ピッチ変更機構ＰＣは、いわば、固定ピッチプロペラのピッチ角を、プロペラを換装することなく変更可能とするものであり、一般的なピッチ変更機構とはその用途や技術思想を異にしている。本例のピッチ変更機構ＰＣは、その機能と用途が絞り込まれることで構造が単純化されているのみならず、空中における移動を専らロータ４３の回転速度制御で行うことにより、マルチコプター用の既存のフライトコントローラを改変なく採用することが可能とされている。これによりマルチコプター１０は、機体構造やフライトプログラムを複雑化・不安定化させることなく、プロペラの最適ピッチ調節の煩わしさを解消している。
【００７８】
なお、本例のマルチコプター１０におけるピッチ角の変更操作は、操縦者が自身の判断に基づきピッチ変更機構ＰＣに手動で指示を出すことを想定しているが、例えば図８に示すように、ピッチ変更機構ＰＣを自動制御するピッチ調節プログラムＰＰを別途備えてもよい。
【００７９】
ピッチ調節プログラムＰＰは、通信装置５２から受信したピッチ変更機構ＰＣの制御信号をピッチ変更機構ＰＣに転送することに加え、所定の条件に応じて自動的にピッチ変更機構ＰＣを制御することができる。なお、この場合でも空中における移動は専ら各ロータ４３の回転速度制御により行うため、飛行制御プログラムＦＳ等の既存のフライトプログラムを改変する必要はない。また、図８の例では、フライトコントローラＦＣの制御装置２０にピッチ調節プログラムＰＰを実装することで、フライトコントローラＦＣが備える飛行制御センサ群３０や飛行制御プログラムＦＳの出力値をピッチ変更機構ＰＣの制御にも転用しているが、ピッチ調節プログラムＰＰ専用の制御装置やセンサ類を別途用意してもよい。そうすることでピッチ調節プログラムＰＰをフライトコントローラＦＣから完全に独立させることができる。
【００８０】
ピッチ変更機構ＰＣは、ロータ４３のピッチ角を全て同じ角度に保ちながら、これらロータ４３のピッチ角を同時に同量変更することができる。この機能を応用することでピッチ調節プログラムＰＰは以下のような自動制御を実現することができる。
【００８１】
例えば、飛行制御センサ群３０や飛行制御プログラムＦＳの出力値をピッチ調節プログラムＰＰが監視し、ロータ４３の回転数が所定の閾値を下回って姿勢制御が乱れるおそれがあるときには、ピッチ調節プログラムＰＰがピッチ角を一時的に小さくして各ロータ４３の回転数に対する推力を下げ、各ロータ４３の回転数を保つことより、ロータ４３の失速を未然に防止することが考えられる。
【００８２】
他の例としては、ピッチ調節プログラムＰＰが、ロータ４３の回転数が所定の閾値を下回らない程度にピッチ角を自動的に大きく保つことが考えられる。ロータ４３のエネルギー効率を高めるためには、ロータ４３を低速で回転させることが望ましいが、それは同時に上昇気流に対して脆弱になるということでもある。ピッチ調節プログラムＰＰがロータ４３の回転数を監視し、安全圏の範囲内で自動的にピッチ角を大きくすることにより、ロータ４３の失速を避けつつロータ４３のエネルギー効率を高めることができる。なお、ロータ４３の回転数はＥＳＣ２４に入力されるＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号などの制御信号を監視することで算出可能である。これに加え、ロータ４３の回転数を直接計測するセンサを別途搭載したり、モータ４１に電流センサを取り付けたりしてもよい。
【００８３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることができる。
【符号の説明】
【００８４】
１０：マルチコプター（無人航空機），１１：センターフレーム，１２：アーム，１３：ロータベース，ＦＣ：フライトコントローラ，ＰＰ：ピッチ調節プログラム，２４：ＥＳＣ，４１：モータ，４１１：出力軸，４１２：シャフトアダプタ，４１９：モータマウント，４２：ドライブシャフト，４２１：駆動ギヤ（傘歯歯車），４３：ロータ，４３１：ロータハブ，４３２：ブレード，４４：ロータシャフト，４４１：従動ギヤ（傘歯歯車），５１：オペレータ端末，５２：通信装置，ＰＣ：ピッチ変更機構，７１：サーボモータ，７１１：サーボホーン，７２：コントロールハブ，７３：第２コントロールロッド，８１：第１コントロールロッド，８１１：ピッチレバーリンク，８２：ピッチレバー（ピッチレベラー），８２１：ピッチレバーベース，８２２：ボス，Ｓ：スライダー部材，８５：ピッチコントロールプレート，８５１：ピッチリンク，８６：スライダーリング，８６１：フランジ部，８６２：溝部，８６３：ベアリング，８７：スライダースリーブ，８８：フェザリングヒンジ
【図１】
2020011574.tif 000003
【図２】
2020011574.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年7月1日(2019.7.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のロータを備える無人航空機であって、
前記複数のロータのピッチ角を変化させるピッチ変更機構と、
前記各ロータの回転速度を制御するスピードコントローラと、
を備え、
前記ピッチ変更機構は、該ピッチ変更機構の駆動源である一または複数のモータを有し、
前記モータの数は、前記ロータの数よりも少なく、
前記ピッチ変更機構は、前記各ロータのピッチ角を全て同じ角度に保ちながら、前記複数のロータのピッチ角を同時に同量変化させ、
空中における移動は前記各ロータの回転速度制御により行うことを特徴とする無人航空機。
【請求項２】
前記ピッチ変更機構は、該ピッチ変更機構の駆動源である一のモータにより、前記複数のロータの全てのピッチ角を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。
【請求項３】
前記ピッチ変更機構は、前記各ロータのピッチ角をコレクティブピッチ制御により変化させ、前記複数のロータについてサイクリックピッチ制御は行わないことを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【請求項４】
機体の中心部であるセンターフレームと、
前記センターフレームから平面視放射状に延びる複数本のアームと、を備え、
前記複数のロータはそれぞれ前記アームに支持されており、
前記各ロータは、
回転翼であるブレードと、
前記ブレードが接続されたロータハブと、を有し、
前記ロータハブは回転軸であるロータシャフトに結合されており、
前記ピッチ変更機構は、前記ロータごとに、
前記ブレードにリンク部材であるピッチリンクで接続されたスライダー部材と、
前記スライダー部材を前記ロータシャフトに沿って昇降させる機構であるピッチレベラーと、
前記ピッチレベラーを操作する棒状のリンク部材である第１コントロールロッドと、を有し、
前記第１コントロールロッドは、前記センターフレームから前記各アームに沿って配置されており、
前記ピッチ変更機構は、全ての前記第１コントロールロッドを前記各アームに沿って同時に同量進退させることで前記各ロータのピッチ角を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。
【請求項５】
前記センターフレームには前記モータの出力で水平に回転するハブ部材であるコントロールハブが配置され、
前記各第１コントロールロッドはその基端部が前記コントロールハブに連結されていることを特徴とする請求項４に記載の無人航空機。
【請求項６】
４基の前記ロータを備え、
前記センターフレームの中央には前記モータの出力部であるサーボホーンが配置され、
前記センターフレームには、該センターフレームを平面視したときに前記サーボホーンの回転中心を対称の中心として点対称となる位置に一対の前記コントロールハブが配置され、
前記サーボホーンと前記各コントロールハブとは、棒状のリンク部材である第２コントロールロッドで連結され、
前記各コントロールハブにはそれぞれ２本の前記第１コントロールロッドが連結され、
前記一対のコントロールハブは、前記サーボホーンの回転により、４本の前記第１コントロールロッドを前記各アームに沿って同時に同量進退させることを特徴とする請求項４に記載の無人航空機。
【請求項７】
前記ピッチ変更機構を自動制御するプログラムであるピッチ調節プログラムを有し、
前記ピッチ調節プログラムは、前記各ロータの回転速度が所定の閾値を下回ったときに、前記複数のロータのピッチ角を自動的に小さくすることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【請求項８】
前記ピッチ変更機構を自動制御するプログラムであるピッチ調節プログラムを有し、
前記ピッチ調節プログラムは、前記各ロータの回転速度が所定の閾値を下回らない程度に、前記複数のロータのピッチ角を自動的に大きく保つことを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。