(57)【要約】      （修正有）【課題】８個のロータを備え、部品点数の増加や機体の大型化を招くことなく、いずれかのロータが故障して停止しても姿勢の安定性を保持しつつ安全な飛行を行える垂直離着陸飛行体を提供する。【解決手段】内側と外側にそれぞれ４個ずつ配設された計８個のロータＯ１〜Ｏ４、Ｉ１〜Ｉ４を備えた垂直離着陸飛行体において、制御手段は、４個の内側ロータＩ１〜Ｉ４および４個の外側ロータＯ１〜Ｏ４のうちいずれか一つが故障した場合には、該故障ロータを停止させ、機体の全重量と故障したロータを除く７つのロータの揚力との釣合い式と、Ｘ軸回りのモーメントの釣合い式と、Ｙ軸回りのモーメントの釣合い式および反トルクの釣合い式を立て、前記７つのロータのうち３つのロータの回転数を故障前の回転数に固定して、前記４つの釣合い式からなる連立方程式を解いて残る４つのロータの回転数を求め、得られた回転数に基づいてそれぞれのロータを制御する。【選択図】図５
2014227155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機体の重心を通る中心軸から所定距離だけ離れた第１円周上に９０度間隔で配設された４個の第１ロータユニットと、前記中心軸から前記所定距離よりも大きな所定距離だけ離れた第２円周上に９０度間隔で配設された４個の第２ロータユニットと、前記第１ロータユニットおよび第２ロータユニットを駆動制御する制御手段とを備えた垂直離着陸飛行体の制御方法であって、
前記制御手段は、
前記４個の第１ロータユニットおよび前記４個の第２ロータユニットのうちいずれか一つが故障した場合には、該故障ロータユニットを停止させ、
機体の全重量と故障したロータユニットを除く７つのロータユニットの揚力との釣合い式と、Ｘ軸回りのモーメントの釣合い式と、Ｙ軸回りのモーメントの釣合い式および反トルクの釣合い式を立て、
前記７つのロータユニットのうち３つのロータユニットの回転数を故障前の回転数に固定して、前記４つの釣合い式からなる連立方程式を解いて残る４つのロータユニットの回転数を求め、得られた回転数に基づいてそれぞれのロータユニットを制御することを特徴とする垂直離着陸飛行体の制御方法。
【請求項２】
前記４個の第１ロータユニットおよび前記４個の第２ロータユニットは、互いに直交する４つの径方向の直線上に各々１個ずつ配設されてなり、前記制御手段は、前記第１ロータユニットの半数および前記第２ロータユニットの半数を時計回り方向へ回転させ、残りの半数を反時計回り方向へ回転させるとともに、前記中心軸を挟んで対象的な位置に配設されたロータユニット同士は同一回転方向となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の垂直離着陸飛行体の制御方法。
【請求項３】
前記制御手段は、径方向に隣接する前記第１ロータユニットと前記第２ロータユニットとは互いに逆方向に回転するように制御することを特徴とする請求項２に記載の垂直離着陸飛行体の制御方法。
【請求項４】
前記４個の第１ロータユニットのうちいずれか１つが故障した場合に、回転数が故障前の回転数に固定される前記３つのロータユニットは、前記故障した第１ロータユニットを除く第１ロータユニットであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の垂直離着陸飛行体の制御方法。
【請求項５】
前記機体の浮上は、少なくとも前記第１ロータユニットを動作させて行い、
前記機体の姿勢制御は、少なくとも前記第２ロータユニットを動作させて行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の垂直離着陸飛行体の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直軸回りに回転駆動されるマルチブレードロータもしくはプロペラを８個備えた垂直離着陸飛行体の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、垂直離着陸可能な飛行体として、垂直軸回りに回転駆動されるロータもしくはプロペラを複数個備えたマルチコプターが知られている。マルチコプターは、例えばカメラを搭載し遠隔操縦可能に構成することで、人が立ち入れないエリアを空撮して情報を得るのに利用される。かかるマルチコプターにおいては、いずれかのロータもしくはプロペラが故障すると姿勢の安定性が損なわれ、予期しない方向へ飛んで行ったり墜落したりするおそれがある。そこで、ロータもしくはプロペラが故障した場合の対応に関する種々の発明が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、クワッドコプター（４翼ヘリコプター）において、モータの故障等の異常が検出された場合に、緊急状態に対応する故障状態を提供するようにした姿勢制御方法に関する発明が開示されている。
また、特許文献２には、８個のプロペラユニットを同一円周上あるいは４個ずつ２段に配置するとともに、周方向へ移動可能に構成する。そして、いずれか１個のプロペラユニットが故障し停止した場合には、故障したプロペラユニットの位置へ他のプロペラユニットに近付けることで安定性を高め、安全な飛行、着陸を可能にする飛行体に関する発明が記載されている。
さらに、特許文献３には、複数対の揚力発生用プロペラを設け、対をなす揚力発生用プロペラのいずれか一方が作動不能となった際、他方の揚力先生用プロペラを停止させることにより、トルクの平衡を保たせるようにした発明が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−０１０４９９号公報
【特許文献２】特開２００２−３７０６９６号公報
【特許文献３】特開２００２−３４７６９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されている発明は、異常が検出された場合に緊急状態に対応する故障状態が提供され、それにより、モータが直ちに停止することが記載されている（段落００４７）のみで、具体的にどのような制御を行うかについては記載されていない。つまり、ロータが１つ停止した場合に飛行を維持するのに必要な具体的な制御を何ら開示していない。
【０００６】
特許文献２に記載されている発明は、一部のプロペラが停止した場合に故障したプロペラユニットの位置へ他のプロペラユニットに近付けることで、安全な飛行を可能にするもので、プロペラユニットを移動可能に構成しているため、構造が複雑になる。また、ユニットの移動には時間を要するため緊急時に間に合わないおそれがあるとともに、一部のプロペラが停止して残りのプロペラの数が奇数になった場合に、どのようにして反トルクおよび姿勢の釣り合いを保つのか不明である。さらに、特許文献２に記載されている飛行体にあっては、揚力発生用の８個のプロペラとは別個に、水平移動用のプロペラを胴体部の側部（４箇所）に設けているため、部品点数が多くなり、重量も重くなってペイロードが低下するという問題がある。
【０００７】
特許文献３に記載されている発明は、複数対（３対）の揚力発生用プロペラを設け、対をなす揚力発生用プロペラのいずれか一方が作動不能となった際、他方の揚力発生用プロペラを停止させることにより、トルクの平衡を保たせる。そして、停止により不足することとなる揚力は、残りのプロペラで負担するか、もしくは不足分を補償するために機枠の中心部にトルク補償用プロペラを設け、作動不能となった揚力発生用プロペラと同一方向に回転させるようにしている。また、特許文献３に記載されているものにおいては、特許文献２と同様、水平移動用のプロペラを別途設けている。
【０００８】
特許文献３の飛行体は、３対（６枚）の揚力発生用プロペラを設けているため、いずれかのプロペラが作動不能となった際に対をなすプロペラを停止させたとしても、残りのプロペラは一般的な４枚であるため不足揚力の補償制御は比較的容易である。しかし、４対（８枚）の揚力発生用プロペラを備えたマルチコプターにあっては、一対のプロペラを停止させると残りは６枚となり、その場合、６枚の固定プロペラにより不足揚力を補償しつつトルクの平衡を保つ制御は簡単ではない。
【０００９】
特許文献３には、そのような場合の制御技術については何ら記載されていない。また、不足分を補償するためのトルク補償用プロペラを設けた場合には、制御は容易になるものの、搭載するプロペラおよびそれを駆動する駆動源の数が増加してしまう。さらに、特許文献３に記載の発明では、水平移動用のプロペラも別途設けているため部品点数が多くなり重量が増加するとともに、複数個の揚力発生用プロペラを同一円周上に配設しているので、機体全体が大型化してしまうという課題がある。
本発明は、８個のロータ（プロペラ）を備えた垂直離着陸飛行体において、部品点数の増加や機体の大型化を招くことなく、いずれかのロータが故障して停止しても姿勢の安定性を保持しつつ安全な飛行を行える制御技術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】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は、
機体の重心を通る中心軸から所定距離だけ離れた第１円周上に９０度間隔で配設された４個の第１ロータユニットと、前記中心軸から前記所定距離よりも大きな所定距離だけ離れた第２円周上に９０度間隔で配設された４個の第２ロータユニットと、前記第１ロータユニットおよび第２ロータユニットを駆動制御する制御手段とを備えた垂直離着陸飛行体の制御方法であって、
前記制御手段は、
前記４個の第１ロータユニットおよび前記４個の第２ロータユニットのうちいずれか一つが故障した場合には、該故障ロータユニットを停止させ、
機体の全重量と故障したロータユニットを除く７つのロータユニットの揚力との釣合い式と、Ｘ軸回りのモーメントの釣合い式と、Ｙ軸回りのモーメントの釣合い式および反トルクの釣合い式を立て、
前記７つのロータユニットのうち３つのロータユニットの回転数を故障前の回転数に固定して、前記４つの釣合い式からなる連立方程式を解いて残る４つのロータユニットの回転数を求め、得られた回転数に基づいてそれぞれのロータユニットを制御するようにする。
【００１１】
上記方法によれば、いずれか一つのロータユニットが故障した場合にも、機体の重量と揚力との釣合い、Ｘ軸回りのモーメントの釣合い、Ｙ軸回りのモーメントの釣合いおよび反トルクの釣合いを保ったまま、機体を安全に飛行させることができる。
【００１２】
また、望ましくは、前記４個の第１ロータユニットおよび前記４個の第２ロータユニットは、互いに直交する４つの径方向の直線上に各々１個ずつ配設されてなり、前記制御手段は、前記第１ロータユニットの半数および前記第２ロータユニットの半数を時計回り方向へ回転させ、残りの半数を反時計回り方向へ回転させるとともに、前記中心軸を挟んで対象的な位置に配設されたロータユニット同士は同一回転方向となるように制御する。
【００１３】
かかる制御によれば、図２（Ａ）または（Ｂ）のようなロータ回転パターンとなる。この場合、中心軸を挟んで対象的な位置に配設されたロータ同士は逆回転となるように制御すると、機体の重量と揚力との釣合い及びＸ軸回りとＹ軸回りのモーメントの釣合いは保つように調整したとしても、反トルクの釣合いを保つことができない。これに対し、半数は時計回りとしかつ中心軸を挟んで対象的な位置に配設されたロータ同士は同一回転方向となるように制御すると、機体の重量と揚力との釣合い、Ｘ軸回りとＹ軸回りのモーメントの釣合い及び反トルクの釣合いを容易に保つことができる。
【００１４】
また、望ましくは、前記制御手段は、径方向に隣接する前記第１ロータユニットと前記第２ロータユニットとは互いに逆方向に回転するように制御する。
かかる制御によれば、図２（Ａ）のようなロータ回転パターンとなる。この場合、いずれか一つのロータユニットが故障した場合にも、残りのロータの回転数を調節することで、機体の重量と揚力との釣合い、Ｘ軸回りとＹ軸回りのモーメントの釣合い及び反トルクの釣合いを保つことができる。また、故障したロータと直交する線上の同一回転のロータの回転数を上昇させることで、反トルクの釣合いを保ったまま機体の重量と揚力との釣合いを保つことができるため、Ｘ軸回りとＹ軸回りのモーメントの釣合いを保つための回転数の算出が容易に行える。
【００１５】
さらに、望ましくは、前記４個の第１ロータユニットのうちいずれか１つが故障した場合に、回転数が故障前の回転数に固定される前記３つのロータユニットは、前記故障した第１ロータユニットを除く第１ロータユニットであるようにする。
かかる制御によれば、内側のロータのひとつが故障した場合に、残る３つの内側ロータの回転数は変わらないので、内側ロータで揚力を与え外側ロータで姿勢制御を行う場合に、内側ロータの駆動源を最も効率の良い領域で作動させ続けることができる。
【００１６】
また、望ましくは、前記機体の浮上は、少なくとも前記第１ロータユニットを動作させて行い、前記機体の姿勢制御は、少なくとも前記第２ロータユニットを動作させて行うようにする。
かかる制御によれば、機体の中心から離れるほど小さな揚力で機体を傾ける大きなモーメントを発生することができるため、第２ロータユニットを動作させて機体の姿勢制御を行うことで姿勢制御に伴うロータの回転数の変化を小さくすることができる。その結果、所望の姿勢に変化させるのに要する姿勢制御の応答時間を短くすることができる。さらに、少ない力で姿勢制御を行なえるので、外側に配置されるロータユニットとしてサイズの小さなものを使用することができ、飛行体の小型、軽量化が可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、８個のロータ(プロペラ)を備えた垂直離着陸飛行体において、部品点数の増加や機体の大型化を招くことなく、いずれかのロータが故障して停止しても姿勢の安定性を保持しつつ安全な飛行を行える制御が可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は本発明の実施形態に係る垂直離着陸飛行体としてのマルチコプターの概略を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図２】図２（Ａ）、（Ｂ）は８個のロータを有するマルチコプターの各ロータの回転方向制御の例を示す図である。
【図３】図３は実施形態に係るマルチコプターの制御システムの構成例を示すブロック図である。
【図４】図４は８個のロータを有するマルチコプターの各ロータの配置例とパラメータの設定例を示す図である。
【図５】図５（Ａ）は８個のロータを有するマルチコプターにおける各ロータの最適な配置例と回転方向の例を示す図、図５（Ｂ）は各ロータの回転数（推力）および複数のロータの回転数（推力）の和の大きさを棒状のインジケータで表した図である。
【図６】図６は内側ロータのいずれか１つが故障した場合の各ロータの制御の仕方を示す図である。
【図７】図７は外側ロータのいずれか１つが故障した場合の各ロータの制御の仕方を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る制御方法を適用して好適な垂直離着陸飛行体としてのマルチコプターの一例の概略を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
図１（Ｂ）に示すように、本実施形態が適用されるマルチコプター１０は、演算制御装置やバッテリー、ジャイロスコープのような姿勢センサ、カメラなどを収納した筒状の胴体部１１と、該胴体部１１の上部に固定されたフレーム１２とを有する。
【００２０】
フレーム１２は、図１（Ａ）に示すように、機体の中心から放射状に伸び互いに直角をなすように配設された４本のアーム１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、該アーム１２ａ〜１２ｄの先端を結合する円環状の機枠１２ｅとから構成されている。機枠１２ｅは、円環状に限定されず、楕円形や多角形などであってもよい。
なお、機体は、その重心が上記アーム１２ａ〜１２ｄの中心を通る鉛直線上に来るように、各構成部品の形状、配置等が設計される。フレーム１２は、航空機の分野では一般的な、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）やチタン合金、アルミ合金のような軽量で強度の高い材料で構成するのが望ましい。
【００２１】
また、マルチコプター１０は、アーム１２ａ〜１２ｄの中間位置にそれぞれ装着された４個のロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４と、アーム１２ａ〜１２ｄの先端部にそれぞれ装着された４個のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４とを備える。言い換えると、ロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４は機体の中心から距離Ｌ２の円周上に９０度間隔で配設され、ロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４は機体の中心から距離Ｌ１の円周上に９０度間隔で配設されている。
【００２２】
上記ロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４とＲＵ２１〜ＲＵ２４は、図１（Ｂ）に示すように、それぞれ、ロータ１５、該ロータ１５を回転駆動するモータのような駆動源１６、該駆動源１６を制御するコントローラ（図示省略）などから構成されている。
さらに、本実施例では、演算制御装置は、内側に位置する４個のロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４を、揚力発生用のロータとして動作するように制御する。また、外側に位置する４個のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４を、主として姿勢制御用のロータとして動作するように制御する。さらに、移動のための推力は、左右または前後のロータの回転数をアンバランスにして機体を傾けるように制御することにより得る。
【００２３】
また、特に限定されるものではないが、反トルクによる機体の回転を防止するため、８個のロータユニットのうち４個は時計回り方向へ回転させ、残りの４個は反時計回り方向へ回転させる。具体的には、例えば図２（Ａ）に示すように、隣接するロータユニットのロータ同士は、互いに逆方向に回転させ、機体の中心を挟んで対向する位置に配置されているロータユニットのロータ同士は、同一方向に回転させるように制御することが考えられる。あるいは、図２（Ｂ）に示すように、隣接するロータユニットのロータ同士および機体の中心を挟んで対向する位置に配置されているロータユニットのロータ同士を、同一方向に回転させるようにしてもよい。
上記のように、８個のロータの配置及び回転方向を設定することにより、反トルクの釣合いを保ちつついずれかのユニットが故障してロータが停止しても、残りのユニットの推力（回転数）を適宜制御することによって、安全に着地させることができる。
【００２４】
また、上記のように、主として内側に位置する４個のロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４を揚力発生用のロータとして動作させ、一定の回転数で回転させることにより、浮上に必要な消費電流を一定にすることができる。具体的には、使用するモータにより最大効率となる時のトルクの大きさおよび回転数が決まっている。そこで、機体全体の重量Ｗが決まったら、モータの最大効率時のトルクで決定されるロータユニットの推力をＴとすると、Ｔ＝Ｗ／８なる性能のモータを選択する。
そして、そのようなモータをロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４の駆動源として機体に搭載し、最大効率となる時の回転数で回転させれば、浮上（ホバリング）時に最大効率となるようにモータを駆動制御することができる。
【００２５】
また、外側に位置する４個のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４を姿勢制御用のロータとして動作させることによって、てこの原理から、内側のロータユニットよりも少ない回転数の変化で発生するモーメントを大きくすることができることが分かる。つまり、姿勢制御に伴うロータの回転数の変化を小さくすることができ、これにより、所望の姿勢に変化するのに要する姿勢制御の応答時間を短くすることができる。さらに、少ない力で姿勢制御を行なえるので、ロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４のモータやロータとして、ＲＵ１１〜ＲＵ１４よりも小さなものを使用した軽量なユニットとすることができる。その結果、高効率化を達成することができる。
【００２６】
図３は、上記のような構成のマルチコプター１０の制御システムの構成例を示す。
図３に示すように、制御システムは、マルチコプター１０の制御系３０と、マルチコプター１０の制御系３０に対して上昇や降下、前進、後退、左進、右進、旋回等の操縦指令を送って遠隔制御するための操縦装置（リモコン）４０とから構成される。操縦装置４０からの操縦指令は、無線信号でも良いし、有線による信号でも良い。
マルチコプター１０の制御系３０は、姿勢を検出する姿勢センサ３１と、操縦装置４０からの操縦指令を受けて全体を制御する演算制御装置３２と、ロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４，ＲＵ２１〜ＲＵ２４を制御するモータコントローラなどからなる。
【００２７】
特に限定されるものではないが、この実施例では、揚力発生用のロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４の各モータ１６ａ〜１６ｄはそれぞれ演算制御装置３２からの回転数指令信号を受けるモータコントローラ３３ａ〜３３ｄにより制御される。また、姿勢制御用のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４の各ユニットのモータ１６ｅ〜１６ｈは、それぞれモータコントローラ３３ｅ〜３３ｈにより制御されるように構成されている。
演算制御装置３２は、操縦装置４０からの操縦指令信号および姿勢センサ３１からの信号（加速度、角速度）に基づいて、機体の上昇や降下に必要なモータのトルクすなわち回転数と、姿勢制御や移動に必要なモータのトルクすなわち回転数を算出する。そして、演算制御装置３２からモータコントローラ３３ａ〜３３ｄおよび３３ｅ〜３３ｈに対しては、回転数指令信号が送られる。
【００２８】
ここで、内側のロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４を揚力発生用として使用する場合、モータ１６ａ〜１６ｄを制御するモータコントローラ３３ａ〜３３ｄへは同一の回転数指令信号を送信すればよいので、制御が容易となる。
一方、前進、後退、左進、右進、旋回を行なう場合、姿勢制御用のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４のモータ１６ｅ〜１６ｈは異なる回転数で回転させる必要がある。そこで、演算制御装置３２は、進行方向や進行速度等に応じて各ロータユニットに配分するトルクを演算し、対応する回転数指令信号をモータコントローラ３３ｅ〜１６ｈへ送って、モータ１６ｅ〜１６ｈを個別に制御する。
【００２９】
また、ロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４、ＲＵ２１〜ＲＵ２４のいずれかが故障しているか否か判定できるようにするため、各ユニットにロータリエンコーダのような回転検出センサを設けて、該センサの信号を演算制御装置３２へ入力する。そして、演算制御装置３２からモータコントローラ３３ａ〜３３ｄおよび３３ｅ〜３３ｈへ送った回転数指令信号による回転数と、センサにより検出した回転数との間に所定値以上の差がある場合に、ロータの故障と判定するように構成しても良い。
【００３０】
なお、図１には、８個のロータがそれぞれ４個ずつ互いに直交する線上に配設されているマルチコプターの例を示したが、本発明が適用されるロータの配置はこれに限定されるものではない。例えば、図４に示すように、内側４個のロータが外側４個のロータに対して任意の角度θ（例えば４５度）だけずれているものであっても良い。ただし、内側の４個のロータと外側の４個のロータは、それぞれ中心からの距離がＬ２，Ｌ１の円周上に、９０度間隔で配設されているものとする。図２（Ａ）は図４の角度θを０゜に設定した場合、図２（Ｂ）は図４の角度θを９０°に設定した場合に相当する。
【００３１】
次に、上記のような８個のロータを有するマルチコプターにおいて、いずれか１個のロータユニットが故障した場合（モータの故障の他、プロペラの破損等を含む）の機体の制御方法について、図４を用いて説明する。
図４において、Ｏ１〜Ｏ４は外側のロータユニットＲＵ２１〜ＲＵ２４を、Ｉ１〜Ｉ４は内側のロータユニットＲＵ１１〜ＲＵ１４を意味する。
また、以下の説明では、Ｔｏn（ｎはユニットの番号：１，２，３，４）は外側のロータユニットＯ１〜Ｏ４の推力、Ｔｉnは内側のロータユニットＩ１〜Ｉ４の推力と定義する。Ｒｏn，Ｒｉnは、ロータの回転方向を意味し、「＋１」は時計回り方向ＣＷ、「−１」は時計回り方向ＣＣＷと定義する。「θ」は、前述したように、内側４個のロータと外側４個のロータとのずれ角度であり、０≦θ≦９０°である。
【００３２】
ここで、図４のマルチコプターにおける釣合い条件を考える。釣合いは、鉛直方向すなわち全重量と全ロータの揚力の釣合いと、Ｘ軸回りのモーメントの釣合い、Ｙ軸回りのモーメントの釣合い、反トルクの釣合いの４つである。
このうち、鉛直方向の釣合い条件式を下記の数式（１）に示す。また、Ｘ軸回りのモーメントの釣合い式およびＹ軸回りのモーメントの釣合い式を下記の数式（２）に示す。反トルクの釣合い式を下記の数式（３）に示す。なお、数式（３）においては、ロータの推力は、ロータの回転数に比例するものした。
【００３３】
【数１】
2014227155.tif 000003
【数２】
2014227155.tif 000004
【数３】
2014227155.tif 000005
【００３４】
次に、８個のロータのうち、いずれか１つのロータが故障して推力を発生できなくなった場合に、残りの７個のロータの推力すなわち回転数を調節して機体の位置および姿勢維持を図る方法について考える。機体の位置および姿勢を維持するには、ロータの１つが停止したとしても上記３つの釣合い式を満たす必要がある。
従って、上記３つの釣合い式において、故障したロータの推力（トルク）がゼロという条件を代入して、連立方程式を解くことで、残りの７個のロータの回転数を得る方法が考えられる。例えば、図５（Ａ）のように、内側ロータＩ２が故障した場合には、数式（１）〜（３）に、Ｔi2＝０の条件を代入すればよい。しかし、数式（１）〜（３）は、条件式が４つであるので、４つのロータの回転数が、３つの未定ロータ回転数の関数として表せるに過ぎず、このままでは連立方程式を解くことができない。
【００３５】
そこで、以下のように対応することで、連立方程式を解くことを考えた。すなわち、未知数は７個であるが、式が４つであるので、７個の未知数のうち３個を固定つまり故障前と同じ回転数を維持するものとする。また、バッテリーを効率的に利用するには、全ロータの回転数（推力）は同一であるのが望ましい。つまり、全重量Ｗを「４」とおくと、これに釣り合う各ロータの推力はＷ／８＝０．５となる。なお、ここでは理解を容易にするため、角度θ＝０°、各ロータの中心からの距離Ｌ１，Ｌ２は、Ｌ１＝２×Ｌ２であるとして説明する。
【００３６】
例えば、内側ロータＩ２が故障したと仮定すると、外側ロータＯ１〜Ｏ４の方が、中心からの距離すなわちモーメントが大きく効率的に姿勢制御力を発生できるので、内側ロータＩ１，Ｉ３，Ｉ４の回転数（推力）は故障前と同じ０．５に維持する。そして、これらの値およびＴi2＝０の条件を前記数式（１）〜（３）に代入して、外側ロータＯ１〜Ｏ４の回転数（推力）Ｔを、内側ロータＩ１，Ｉ３，Ｉ４の回転数（推力）の関数として表す。その結果を、次の数式（４）に示す。
【数４】
2014227155.tif 000006
【００３７】
上記連立方程式を解くと、内側ロータＩ２が故障した場合の解の一例として、
【数５】
2014227155.tif 000007
が得られる。上記数式（５）より、内側ロータＩ１，Ｉ３，Ｉ４の回転数（推力）は故障前と同じ０．５に維持した場合、外側ロータＯ１，Ｏ３の回転数を５０％上げるとともに、外側ロータＯ２の回転数を２５％上げ、Ｏ４の回転数を２５％下げればよいことが分かる。
【００３８】
次に、内側ロータＩ２が故障した場合の残りのロータの回転数（推力）を決定する他の方法を、図５を用いて説明する。
図５（Ｂ）は、各ロータＩ１〜Ｉ４，Ｏ１〜Ｏ４の回転数（推力）および複数のロータの回転数（推力）の和の大きさを、棒状のインジケータで模式的に表したものである。中央には、時計回り方向ＣＷに回転するロータＯ２，Ｉ１，Ｉ３，Ｏ４のインジケータと、反時計回り方向ＣＣＷに回転するロータＯ１，Ｉ２，Ｉ４，Ｏ３のインジケータが上下２段に表示されている。各ロータの推力は均等であり、機体の全重量をＷとすると、それぞれＷ／８である。
【００３９】
ＩＮＤ１は隣接するロータＯ１とＩ１の回転数（推力）の和を表示するインジケータ、ＩＮＤ２は隣接するロータＯ２とＩ２の回転数（推力）の和を表示するインジケータである。また、同様に、ＩＮＤ３は隣接するロータＯ３とＩ３の回転数（推力）の和を表示するインジケータ、ＩＮＤ４は隣接するロータＯ４とＩ４の回転数（推力）の和を表示するインジケータである。
また、ＩＮＤ５は時計回り方向ＣＷに回転するロータＯ２,Ｉ１,Ｉ３,Ｏ４の回転数（推力）の和を表示するインジケータ、ＩＮＤ６は反時計回り方向ＣＣＷに回転するロータＯ１,Ｉ２,Ｉ４,Ｏ３の回転数（推力）の和を表示するインジケータである。さらに、ＩＮＤ７は、全ロータＩ１〜Ｉ４，Ｏ１〜Ｏ４の回転数（推力）の和を表示するインジケータである。
【００４０】
図５（Ｂ）においては、×印によってロータＩ２が故障していることを示している。
ここで、故障ロータＩ２は下段にあるので、反時計回り方向ＣＣＷに回転するロータであることが分かる。本実施例においては、以下のようにして、残りのロータの回転数（推力）を決定する。
先ず、故障しているロータＩ２と同一方向（ＣＣＷ）に回転している外側ロータ（図では、Ｏ１,Ｏ３）の回転数（推力）を、トータルで、故障ロータＩ２の推力（＝Ｗ／８）の分となるように均等に、つまりＷ／１６だけ増加させる。ここで、外側ロータＯ１,Ｏ３の代わりに内側ロータＩ１,Ｉ３の回転数を上げても重量の釣合いはとれるが、Ｉ１,Ｉ３は故障したロータＩ２と逆回転のロータであるため、Ｉ１,Ｉ３の回転数を上げると反トルクの釣合いが悪化してしまう。
【００４１】
上記のように、故障したロータＩ２と同一回転のロータＯ１,Ｏ３の推力をＷ／１６ずつ増加させることで、反トルクの釣合いを保ちかつ機体重量と推力との釣合いも保つことができる。ただ、図５（Ａ）を参照すると分かるように、ロータＯ１とＯ３の推力を増加させても、増加分に関してはＸ軸回りのモーメントもＹ軸回りのモーメントも均衡しているため、ロータＩ２が故障することで崩れたＸ軸回りのモーメントは崩れたままである。
そこで、次に、ロータＩ２が故障することで崩れたＸ軸回りのモーメントが釣り合うように、Ｉ２と同じ側の外側ロータ（図では、Ｏ２）の回転数（推力）を増加させる。ただし、単にＯ２の回転数を増加させると揚力が増加するとともに反トルクの釣合いも崩れてしまうので、増加させた分だけ反対側の外側ロータ（図では、Ｏ４）の回転数を減少させて、Ｘ軸回りのモーメントが釣り合うようにする。これにより、Ｏ２とＯ２のトータルの揚力は変更前と同じに維持されるとともに、ロータＯ４の回転はＯ２と同じであるので、反トルクの釣合いも崩れないこととなる。
【００４２】
なお、図５（Ａ）からは外側ロータＯ４の回転数を減少させる代わりに内側ロータＩ４の回転数を下げても良いように見えるが、図５（Ｂ）を参照すると分かるように、Ｏ４の代わりにＩ４の回転数を下げると反トルクの釣合いが悪化してしまう。
上述した制御により、ロータＩ２が故障した場合でも、残りのロータの回転数（推力）を適宜増減させることで、重量と揚力の釣合いと、Ｘ軸回りのモーメントの釣合い、Ｙ軸回りのモーメントの釣合い、反トルクの釣合いをすべて保つことができる。かかる制御は、前記数式（１）〜（３）で表される連立方程式を解くことによって得られる前記数式（５）と一致している。このことからも、連立方程式を解くことによって各ロータの回転数（推力）の増減量を得る前記実施例が正しいことが分かる。
【００４３】
同様にして、例えばロータＩ１が故障した場合には、Ｉ１と同一回転のロータＯ２,Ｏ４の推力をＷ／１６ずつ増加させるとともに、Ｏ１の回転数（推力）を増加させ、増加させた分だけ反対側の外側ロータＯ３の回転数（推力）を減少させれば良い。
さらに、外側ロータＯ１,Ｏ２,Ｏ３,Ｏ４のいずれかが故障した場合にも、同様な制御によって、重量と揚力の釣合いと、Ｘ軸回りのモーメントの釣合い、Ｙ軸回りのモーメントの釣合い、反トルクの釣合いをすべて保つことができる。
【００４４】
図６には、ロータＩ１,Ｉ２,Ｉ３,Ｉ４のいずれか１つが故障した場合に、直前の状態を維持するための各ロータの制御の仕方が示されている。図において、上向きの矢印は回転数（推力）を増加させることを意味し、下向きの矢印は回転数（推力）を減少させることを意味する。また、横向きの矢印は回転数（推力）を増減させずに維持させることを意味する。
なお、図６には、ロータＩ１,Ｉ２,Ｉ３,Ｉ４のいずれか１つが故障した場合、あるいは非故障時に、機体を旋回させたり、前後進させたり、左右方向へ移動させたり、上昇／降下させる場合の外側ロータの制御の仕方も示してある。図６において、（＊１）が記されている挙動制御は、「状態維持」のロータ回転数を基準量とし、回転数を矢印にしたがって基準量から増減させることで、旋回・前後進・左右進・上昇降下を実現する。基本的に内側ロータを揚力発生用として回転数を維持する点は、故障発生前後で変わらない。
【００４５】
図６より、ロータＩ１,Ｉ２,Ｉ３,Ｉ４のいずれか１つが故障した場合にも正常な飛行制御が可能であることが分かる。なお、図６において、非故障時における制御で、内側ロータＩ１〜Ｉ４の回転数を増減させずに維持させているのは、前述したように、内側ロータＩ１〜Ｉ４は揚力発生用として動作させ、姿勢や移動の制御は外側ロータＯ１〜Ｏ４で行うためである。
図７には、外側ロータＯ１,Ｏ２,Ｏ３,Ｏ４のいずれか１つが故障した場合の各ロータの制御の仕方を示す。同図より、外側ロータＯ１〜Ｏ４のいずれか１つが故障した場合にも、残りのロータの制御で安定な姿勢制御や移動制御を行えることが分かる。図７においても、（＊１）が記されている挙動制御は、「状態維持」のロータ回転数を基準量とし、回転数を矢印にしたがって基準量から増減させることで、旋回・前後進・左右進・上昇降下を実現する。ただし、もともと姿勢制御用だった外側ロータが故障しているため、内側ロータを姿勢制御用として使用し、外側ロータは揚力発生用として回転数（推力）を維持する。
【００４６】
なお、上記実施形態では、ロータを回転させる動力源としてモータを使用したものを示したが、動力源としてガソリンエンジン等を使用したものであってもよい。さらに、ロータとして３枚のブレードを有するものを図示したが、２枚のブレードあるいは４枚以上のブレードを有するものであってもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１０  マルチコプター（垂直離着陸飛行体）
１１  胴体部
１２  フレーム
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ  アーム
１５  ロータ
１６  駆動源（モータ）
３０  制御系
３１  姿勢センサ
３２  演算制御装置（制御手段）
４０  操縦装置（リモコン）
ＲＵ１１〜ＲＵ１４  内側のロータユニット
ＲＵ２１〜ＲＵ２４  外側のロータユニット
【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７】
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【図６】
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