(57)【要約】【課題】姿勢変化の応答性が高く、飛行姿勢の迅速な安定化が図られる飛行装置を提供する。【解決手段】制御ユニット４０は、飛行装置１０が飛行姿勢および飛行高度を変更するとき、主として各スラスタ１３〜１６のモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力で飛行姿勢および飛行高度を変更するとともに、プロペラ２３のピッチ角度で飛行姿勢および飛行高度を微調整している。例えば、制御ユニット４０は、飛行装置１０の高度を維持する、つまりホバリング時のように飛行姿勢や飛行高度の大きな変更がないとき、モータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力の変化を低減しつつ、プロペラ２３のピッチ角度を変更することによって飛行姿勢や飛行高度を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体（１１）と、
前記基体（１１）に設けられ、プロペラ（２３）、前記プロペラ（２３）を駆動するモータ（１３１、１４１、１５１、１６１）、および前記プロペラ（２３）のピッチを変更するピッチ変更機構部（３０）を有する複数のスラスタ（１３、１４、１５、１６）と、
前記基体（１１）の姿勢を検出する姿勢検出部（４２）と、
前記基体（１１）の姿勢および運動の指示を、前記基体（１１）と別体に設けられている送信部（４４）から飛行指示として受信する受信部（４１）と、
前記プロペラ（２３）のピッチ、および前記モータ（１３１、１４１、１５１、１６１）の出力を変更して、前記受信部（４１）で受信した前記飛行指示にあわせて前記姿勢検出部（４２）で検出した前記基体（１１）の姿勢を制御する制御部（４０）と、
を備える飛行装置。
【請求項２】
前記制御部（４０）は、前記基体（１１）の高度を変更するとき、前記プロペラ（２３）のピッチ、および前記モータ（１３１、１４１、１５１、１６１）の出力を変更する請求項１記載の飛行装置。
【請求項３】
前記制御部（４０）は、前記モータ（１３１、１４１、１５１、１６１）の単位出力あたりの揚力が大きくなる前記プロペラ（２３）のピッチ、および前記モータ（１３１、１４１、１５１、１６１）の出力を選択する請求項２記載の飛行装置。
【請求項４】
前記制御部（４０）は、前記基体（１１）の高度を維持するとき、前記モータ（１３１、１４１、１５１、１６１）の出力を維持したまま前記プロペラ（２３）のピッチを変更する請求項１記載の飛行装置。
【請求項５】
前記制御部（４０）は、前記基体（１１）の高度を変更するとき、前記モータ（１３１、１４１、１５１、１６１）の出力を変更する請求項１記載の飛行装置。
【請求項６】
前記制御部（４０）は、前記基体（１１）の姿勢を変更するとき、前記プロペラ（２３）のピッチ、および前記モータ（１３１、１４１、１５１、１６１）の出力を変更する請求項１記載の飛行装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飛行装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、いわゆるドローンと称される飛行装置の普及が進んでいる。このような飛行装置は、プロペラとモータとから構成されるスラスタを複数備えている。複数のスラスタを備えることにより、飛行装置は、モータの回転数を制御して、ヨー軸方向への上下運動、ヨー軸を中心とする回転運動、ならびにピッチ軸およびロール軸を中心とする回転運動をそれぞれ制御している。
【０００３】
しかしながら、モータの回転数は、その変化に時間を要する。すなわち、モータの回転数で飛行姿勢を変更する場合、飛行姿勢の検出からモータの回転数が変化して所望の飛行姿勢へ変化するまで時間を要する。そのため、モータの回転数で飛行姿勢を制御する場合、特定の飛行姿勢から別の飛行姿勢へ変更するとき、あるいは風などの外乱の影響で飛行姿勢が急激に変化したとき、飛行姿勢の迅速な安定化が困難であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１−２０１２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、姿勢変化の応答性が高く、飛行姿勢の迅速な安定化が図られる飛行装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明では、複数のスラスタは、プロペラのピッチを変更するピッチ変更機構部を有している。これにより、制御部は、基体の姿勢を制御するとき、モータの出力だけでなく、プロペラのピッチを変更する。プロペラのピッチを変更することにより、スラスタが発生する推進力は、モータの回転数などを変更する場合と比較して、迅速に変化する。これにより、受信部で受信した飛行指示にあわせて基体の姿勢を変化するとき、および風などの外乱の影響で飛行姿勢が急激に変化したとき、制御部は基体の姿勢を迅速に制御する。したがって、姿勢変化の応答性を高めることができ、飛行姿勢の迅速な安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態による飛行装置を示す模式図
【図２】図１の矢印ＩＩ方向から見た模式図
【図３】第１実施形態による飛行装置のピッチ変更機構部の一例を示す模式的な斜視図
【図４】第１実施形態による飛行装置のプロペラを示す断面図
【図５】第１実施形態による飛行装置のプロペラを示す断面図
【図６】第１実施形態による飛行装置の構成を示すブロック図
【図７】モータ出力とピッチ角度と揚力との関係を示す概略図
【図８】モータ出力と揚力とピッチ角度との関係からモータの単位出力当たりの効率を示す概略図
【図９】第２実施形態による飛行装置の構成を示すブロック図
【図１０】第３実施形態による飛行装置の構成を示すブロック図
【図１１】第４実施形態による飛行装置の構成を示すブロック図
【図１２】第５実施形態による飛行装置の構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、飛行装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
まず、図１および図２に示す飛行装置１０の構成について説明する。飛行装置１０は、基体１１、腕部１２、スラスタ１３、スラスタ１４、スラスタ１５、およびスラスタ１６を備えている。基体１１は、飛行装置１０の重心位置に設けられている。腕部１２は、この基体１１から放射状に径方向外側へ延びている。スラスタ１３〜１６は、この腕部１２の先端、すなわち腕部１２において基体１１と反対側の端部にそれぞれ設けられている。第１実施形態の場合、４本の腕部１２は、基体１１を挟んで対称に延びている。なお、腕部１２およびスラスタ１３〜１６は、４つに限らず、４つ以上であれば任意の数に設定することができる。また、腕部およびスラスタの数が奇数の場合、基体１１を挟んで対称に配置しなくてもよい。
【０００９】
スラスタ１３は、モータ１３１を有している。同様に、スラスタ１４はモータ１４１を有し、スラスタ１５はモータ１５１を有し、スラスタ１６はモータ１６１を有している。また、スラスタ１３〜１６は、それぞれ駆動軸部材２２およびプロペラ２３を有している。モータ１３１、１４１、１５１、１６１は、プロペラ２３を駆動する駆動源であり、例えば基体１１に収容されているバッテリ２４などを電源とする。駆動軸部材２２は、モータ１３１、１４１、１５１、１６１の回転をプロペラ２３に伝達する。プロペラ２３は、この駆動軸部材２２から径方向外側へ延びている。複数のスラスタ１３〜１６は、それぞれピッチ変更機構部３０を有している。
【００１０】
ピッチ変更機構部３０の一例を図３に基づいて説明する。なお、図３に示すピッチ変更機構部３０は、スラスタ１３に設けた一例であり、プロペラ２３のピッチを変更可能な構成であって、飛行装置１０のスラスタ１３〜１６に適用可能な構成であればこの例に限らない。ピッチ変更機構部３０は、レバー部材３２、リンク部材３３および変更部材３４を有している。ピッチ変更機構部３０は、プロペラ２３のピッチを変更する。図１に示すようにスラスタ１３の場合、ピッチ変更機構部３０は、プロペラ２３のピッチを変更するための駆動力を発生するサーボモータ１３２を有している。同様に、スラスタ１４の場合、ピッチ変更機構部３０はサーボモータ１４２を有している。スラスタ１５の場合、ピッチ変更機構部３０はサーボモータ１５２を有している。スラスタ１６の場合、ピッチ変更機構部３０はサーボモータ１６２を有している。
【００１１】
図３に示すスラスタ１３の場合、サーボモータ１３２の回転は、レバー部材３２、リンク部材３３および変更部材３４を通してプロペラ２３に伝達される。このとき、サーボモータ１３２の回転は、レバー部材３２、リンク部材３３および変更部材３４を経由することにより、駆動軸部材２２と垂直なプロペラ軸Ｐを中心とするプロペラ２３の回転に変換される。すなわち、サーボモータ１３２が回転すると、駆動軸部材２２の先端に設けられたプロペラ２３は、プロペラ軸Ｐを中心に回転する。他のスラスタ１４〜１５も同様である。これにより、プロペラ２３は、図４に示す上昇時の推力を発生するピッチ角度θ１と、図５に示す下降時の推力を発生するピッチ角度θ２との間で変化する。このプロペラ２３のピッチ角度θ１とピッチ角度θ２との中間の位置は、プロペラ２３が回転しても推進力を発生しない中立位置となる。プロペラ２３のピッチがピッチ角度θ２からピッチ角度θ１へ向けて変化するとき、プロペラ２３のピッチは上昇方向の推進力が増加するプラス側へ変化することになる。一方、プロペラ２３のピッチがピッチ角度θ１からピッチ角度θ２へ向けて変化するとき、プロペラ２３のピッチは下降方向の推進力が増加するマイナス側へ変化することになる。プロペラ２３のピッチの変化量は、サーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２の回転角度に対応する。
【００１２】
図６に示すように、飛行装置１０は、制御ユニット４０、受信部４１および姿勢検出部４２を備えている。制御ユニット４０は、図１に示すように基体１１の内部に収容され、バッテリ２４と接続している。制御ユニット４０は、図６に示すように合成演算部４３を有している。合成演算部４３は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータを中心に構成されており、飛行装置１０の全体を制御する。すなわち、制御ユニット４０は、制御部に相当する。制御ユニット４０は、電気的もしくは電子的な回路によってハードウェア的に実現してもよく、コンピュータプログラムを実行することによってソフトウェア的に実現してもよく、ハードウェアとソフトウェアとの協働によって実現してもよい。
【００１３】
受信部４１は、制御ユニット４０と接続している。受信部４１は、基体１１と別体、すなわち飛行装置１０と別体に設けられている送信部４４から送信される信号を受信する。送信部４４は、飛行装置１０の操縦者によって操作され、操縦者から基体１１の姿勢および運動の指示が飛行指示として入力される。送信部４４は、入力された飛行指示を無線で接続されている受信部４１に送信する。受信部４１は、送信部４４から送信された飛行指示を受信し、制御ユニット４０へ提供する。
【００１４】
制御ユニット４０は、各スラスタのモータに接続している。すなわち、制御ユニット４０は、スラスタ１３のモータ１３１、スラスタ１４のモータ１４１、スラスタ１５のモータ１５１、およびスラスタ１６のモータ１６１に接続している。制御ユニット４０は、これら各スラスタのモータに、出力の変更を制御するためのモータ出力値を出力する。また、制御ユニット４０は、各スラスタのサーボモータに接続している。すなわち、制御ユニット４０は、スラスタ１３のサーボモータ１３２、スラスタ１４のサーボモータ１４２、スラスタ１５のサーボモータ１５２、およびスラスタ１６のサーボモータ１６２に接続している。制御ユニット４０は、これら各スラスタのサーボモータに、プロペラ２３のピッチを変更するサーボモータの駆動を制御するためのサーボ出力値を出力する。
【００１５】
姿勢検出部４２は、基体１１の傾きや基体１１に加わる加速度などから飛行装置１０の姿勢を検出する。具体的には、姿勢検出部４２は、加速度センサ５１、角速度センサ５２、地磁気センサ５３および高度センサ５４に接続している。加速度センサ５１は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の３次元の３つの軸方向における加速度を検出する。角速度センサ５２は、３次元の３つの軸方向における角速度を検出する。地磁気センサ５３は、３次元の３つの軸方向における地磁気を検出する。高度センサ５４は、例えば気圧の変化などから天地方向の１つの軸方向における高度を検出する。姿勢検出部４２は、これら加速度センサ５１で検出した加速度、角速度センサ５２で検出した角速度、地磁気センサ５３で検出した地磁気、および高度センサ５４で検出した高度から、飛行装置１０のロール軸、ピッチ軸、およびヨー軸を中心軸とする３次元の飛行姿勢、ならびに飛行装置１０の飛行高度を検出する。姿勢検出部４２は、検出した飛行装置１０の飛行姿勢および飛行高度を制御ユニット４０へ出力する。姿勢検出部４２における飛行姿勢および飛行高度の検出の処理は、制御ユニット４０によるコンピュータプログラムの実行によってソフトウェア的に実現してもよく、電子回路によってハードウェア的に実現、またはソフトウェアとハードウェアとを協働して実現してもよい。
【００１６】
制御ユニット４０は、制御値を決定する決定部６０を有している。決定部６０は、ロール決定部６１、ピッチ決定部６２、ヨー決定部６３およびスロットル決定部６４を有している。ロール決定部６１は、ロール軸を中心軸とする基体１１の飛行姿勢をＰＩＤ制御するために制御値を決定する。具体的には、ロール決定部６１は、受信部４１で受信した飛行指示に含まれるロール軸を中心軸とする基体１１の飛行姿勢に関するロール入力値と、姿勢検出部４２で検出したロール軸を中心軸とする基体１１の飛行姿勢のロール検出値とから、ロール制御値を決定する。
【００１７】
同様に、ピッチ決定部６２は、ピッチ軸を中心軸とする基体１１の飛行姿勢をＰＩＤ制御するための制御値を決定する。具体的には、ピッチ決定部６２は、受信部４１で受信した飛行指示に含まれるピッチ軸を中心軸とする基体１１の飛行姿勢に関するピッチ入力値と、姿勢検出部４２で検出したピッチ軸を中心軸とする基体１１の飛行姿勢のピッチ検出値とから、ピッチ制御値を決定する。
【００１８】
ヨー決定部６３は、ヨー軸を中心軸とする基体１１の飛行姿勢をＰＩＤ制御するための制御値を決定する。具体的には、ヨー決定部６３は、受信部４１で受信した飛行指示に含まれるヨー軸を中心軸とする基体１１の飛行姿勢に関するヨー入力値と、姿勢検出部４２で検出したヨー軸を中心軸とする基体１１の飛行姿勢に関するヨー検出値とから、ヨー制御値を決定する。
【００１９】
スロットル決定部６４は、各スラスタ１３〜１６におけるモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力をＰＩＤ制御するための制御値を決定する。具体的には、スロットル決定部６４は、受信部４１で受信した飛行指示に含まれる飛行高度や飛行速度に関するスロットル入力値と、姿勢検出部４２で検出した基体１１の飛行高度や飛行速度とから、スロットル制御値を決定する。この場合、スロットル決定部６４は、制御ユニット４０に含まれるマップ記憶部７１に記憶されているマップを用いてスロットル制御値を決定する。
【００２０】
合成演算部４３は、これらロール決定部６１で決定されたロール制御値、ピッチ決定部６２で決定されたピッチ制御値、ヨー決定部６３で決定されたヨー制御値、およびスロットル決定部６４で決定されたスロットル制御値を合成する。すなわち、合成演算部４３は、ロール制御値、ピッチ制御値、ヨー制御値およびスロットル制御値を合成して、各スラスタ１３〜１６のモータ１３１、１４１、１５１、１６１に出力するモータ出力値、および各スラスタ１３〜１６のサーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２に出力するサーボ出力値を生成する。
合成演算部４３は、下記の制御式のようにモータ１３１、１４１、１５１、１６１へ出力するモータ出力値、サーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２へ出力するサーボ出力値を生成する。
【００２１】
モータ１３１：Motor A _Output=PID[Throttle]-PID[Yaw]
モータ１４１：Motor B _Output=PID[Throttle]+PID[Yaw]
モータ１５１：Motor C _Output=PID[Throttle]-PID[Yaw]
モータ１６１：Motor D _Output=PID[Throttle]+PID[Yaw]
サーボモータ１３２：Servo A _Output=PID[Throttle]+PID[Roll]-PID[Pitch]
サーボモータ１４２：Servo B _Output=PID[Throttle]-PID[Roll]-PID[Pitch]
サーボモータ１５２：Servo C _Output=PID[Throttle]-PID[Roll]+PID[Pitch]
サーボモータ１６２：Servo D _Output=PID[Throttle]+PID[Roll]+PID[Pitch]
【００２２】
このように、制御ユニット４０は、飛行装置１０のピッチ軸を中心軸とする回転、および飛行装置１０のロール軸を中心軸とする回転を、サーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２を用いて制御する。すなわち、制御ユニット４０は、ピッチ軸およびロール軸を中心軸とする回転を、サーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２によるプロペラ２３のピッチの変更によって制御する。また、制御ユニット４０は、飛行装置１０のヨー軸を中心軸とする回転を、モータ１３１、１４１、１５１、１６１を用いて制御する。すなわち、制御ユニット４０は、ヨー軸を中心軸とする回転を、モータ１３１、１４１、１５１，１６１の出力つまり回転数の変更によって制御する。そして、制御ユニット４０は、飛行装置１０のスロットルすなわちヨー軸に沿った上昇および下降ならびに速度の変化を、モータ１３１、１４１、１５１、１６１、およびサーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２を用いて制御する。すなわち、制御ユニット４０は、飛行装置１０の上昇および下降について、モータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力つまり回転数の変更と、サーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２によるプロペラ２３のピッチ角度の変更との双方を用いて制御する。
【００２３】
このように、第１実施形態では、制御ユニット４０は、各スラスタ１３〜１６におけるモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力だけでなく、プロペラ２３のピッチ角度についても制御している。これにより、飛行装置１０は、送信部４４から送信された飛行指示に応じて迅速に飛行姿勢や飛行高度を変更するとともに、外乱による急激な飛行姿勢の変化に対しても迅速に応答して飛行姿勢を安定化する。
【００２４】
また、第１実施形態では、制御ユニット４０は、基体１１のピッチ軸およびロール軸を中心軸とする回転を制御するとき、サーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２によるプロペラ２３のピッチ角度の変更で制御している。また、制御ユニット４０は、基体１１のヨー軸を中心軸とする回転を制御するとき、モータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力の変更で制御している。これにより、制御ユニット４０は、基体１１のピッチ軸、ロール軸またはヨー軸を中心軸とする回転を制御するとき、モータ１３１、１４１、１５１、１６１またはサーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２のいずれか一方だけを制御すればよい。そのため、制御ユニット４０は、基体１１の姿勢を変更するとき、各スラスタ１３〜１６の制御を簡略化することができる。
【００２５】
一方、制御ユニット４０は、スロットルすなわちヨー軸に沿った上昇および下降、ならびに速度の変化を制御するとき、各スラスタ１３〜１６におけるモータ１３１、１４１、１５１、１６１とサーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２とを組み合わせて制御している。すなわち、制御ユニット４０は、上記の制御式のようにスロットル制御値を、マップ記憶部７１に記憶されているマップを参照することにより加減して、モータ１３１、１４１、１５１、１６１に出力するモータ出力値およびサーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２に出力するサーボ出力値を生成している。このマップ記憶部７１に記憶されているマップは、図７に示すようにスラスタ１３〜１６におけるモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力と、プロペラ２３のピッチ角度と、スラスタ１３〜１６が発生する揚力との関係に基づいて設定されている。すなわち、各スラスタ１３〜１６におけるモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力つまりモータ１３１、１４１、１５１、１６１の回転数が増大するほど、各スラスタ１３〜１６が発生する揚力は大きくなる。同様に、各スラスタ１３〜１６におけるプロペラ２３のピッチ角度がプラス側へ大きくなるほど、各スラスタ１３〜１６が発生する揚力は大きくなる。ところが、プロペラ２３のピッチ角度が過大になると、プロペラ２３は失速する。そこで、マップ記憶部７１に記憶されているマップは、プロペラ２３のピッチ角度が過大とならない範囲で大きな揚力が効率的に得られるように、モータ出力値およびサーボ出力値が設定されている。制御ユニット４０は、マップ記憶部７１に記憶されているマップからプロペラ２３のピッチ角度が過大とならない範囲で大きな揚力が得られるようにモータ出力値およびサーボ出力値を設定する。これにより、飛行装置１０は、迅速な高度変化や速度変化が図られる。
【００２６】
また、第１実施形態では、制御ユニット４０は、飛行装置１０が飛行姿勢および飛行高度を変更するとき、主として各スラスタ１３〜１６のモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力で飛行姿勢および飛行高度を変更するとともに、プロペラ２３のピッチ角度で飛行姿勢および飛行高度を微調整している。飛行姿勢や飛行高度の変更の際、変更のための飛行指示の入力からモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力が変化するまでの応答性は高くない。そこで、制御ユニット４０は、飛行装置１０の高度を維持する、つまりホバリング時のように飛行姿勢や飛行高度の大きな変更がないとき、モータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力の変化を低減しつつ、プロペラ２３のピッチ角度を変更することによって飛行姿勢や飛行高度を制御する。一方、飛行装置１０の急激な高度の変化や速度の変化をともなうとき、制御ユニット４０は、プロペラ２３のピッチ角度の変更に加えモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力を増大し、発生する揚力の変化を大きくする。
【００２７】
さらに、マップ記憶部７１に記憶されているマップは、図８に示すようにモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力と、プロペラ２３のピッチ角度と、単位出力あたりの揚力との関係に基づいて設定してもよい。すなわち、各スラスタ１３〜１６におけるモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力つまりモータ１３１、１４１、１５１、１６１の回転数が増大するほど、各スラスタ１３〜１６が発生する揚力は大きくなる。一方、モータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力が増大すると、モータ１３１、１４１、１５１、１６１が消費する電力も増大する。そこで、単位出力あたり、つまり消費電力１ｋｗあたりの揚力が大きくなるモータ１３１、１４１、１５１、１６１の回転数およびプロペラ２３のピッチ角度を選択することにより、各スラスタ１３〜１６における電力の消費効率が向上する。すなわち、制御ユニット４０は、マップ記憶部７１に記憶されているマップから単位出力あたりの揚力が大きくなるモータ１３１、１４１、１５１、１６１の回転数およびプロペラ２３のピッチ角度を選択して、モータ出力値およびサーボ出力値を設定する。これにより、バッテリ２４の容量が一定であれば、飛行時間の延長を達成することができる。
【００２８】
さらに、図７に示すような関係から、マップ記憶部７１に記憶されているマップは、モータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力を低く設定し、プロペラ２３のピッチ角度の変化で飛行装置１０の上昇および下降を制御するように設定してもよい。この場合、モータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力が抑えられることから、モータ１３１、１４１、１５１、１６１の回転数が低下し、騒音や振動を低減することができる。
【００２９】
以上説明したように、第１実施形態では、制御ユニット４０は、各スラスタ１３〜１６のモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力だけでなく、プロペラ２３のピッチを変更することにより、飛行装置１０の飛行姿勢および飛行高度を制御している。すなわち、複数のスラスタ１３〜１６は、プロペラ２３のピッチを変更するピッチ変更機構部３０を有している。これにより、制御ユニット４０は、基体１１の姿勢を制御するとき、モータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力だけでなく、プロペラ２３のピッチを変更する。プロペラ２３のピッチを変更することにより、スラスタ１３〜１６が発生する推進力は、モータ１３１、１４１、１５１、１６１の回転数などを変更する場合と比較して、迅速に変化する。これにより、受信部４１で受信した飛行指示にあわせて基体１１の姿勢を変化するとき、および風などの外乱の影響で飛行姿勢が急激に変化したとき、制御ユニット４０は基体１１の姿勢を迅速に制御する。したがって、姿勢変化の応答性を高めることができ、飛行姿勢の迅速な安定化を図ることができる。
【００３０】
第１実施形態では、制御ユニット４０は、飛行装置１０が飛行姿勢および飛行高度を変更するとき、主として各スラスタ１３〜１６のモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力で飛行姿勢および飛行高度を変更するとともに、プロペラ２３のピッチ角度で飛行姿勢および飛行高度を微調整している。飛行姿勢や飛行高度の変更の際、変更のための飛行指示の入力からモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力が変化するまでの応答性は高くない。そこで、制御ユニット４０は、飛行装置１０の高度を維持する、つまりホバリング時のように飛行姿勢や飛行高度の大きな変更がないとき、モータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力の変化を低減しつつ、プロペラ２３のピッチ角度を変更することによって飛行姿勢や飛行高度を制御する。したがって、外乱の影響を低減しつつ、飛行姿勢および飛行高度の迅速な維持を図ることができる。
【００３１】
また、第１実施形態では、制御ユニット４０は、飛行装置１０のロール軸またはピッチ軸を中心軸とする回転を制御するとき、各スラスタ１３〜１６のサーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２の出力を制御する。すなわち、飛行装置１０がロール軸またはピッチ軸を中心軸として飛行姿勢を変更するとき、制御ユニット４０はサーボモータ出力値の変更によるピッチの変更だけで飛行姿勢を制御する。また、制御ユニット４０は、飛行装置１０のヨー軸を中心軸とする回転を制御するとき、各スラスタ１３〜１６のモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力を制御する。すなわち、飛行装置１０がヨー軸を中心軸として飛行姿勢を変更するとき、制御ユニット４０はモータ出力値だけで飛行姿勢を制御する。したがって、飛行姿勢の変更にともなう制御を簡略化することができる。
【００３２】
第１実施形態では、制御ユニット４０は、飛行装置１０のヨー軸方向の移動、すなわち上昇および下降などの高度の変化や速度の変化をともなうとき、各スラスタ１３〜１６のモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力と、プロペラ２３のピッチ角度との双方を変更する。すなわち、制御ユニット４０は、マップ記憶部７１に記憶されているマップからプロペラ２３のピッチ角度が過大とならない範囲で大きな揚力が得られるようにモータ出力値およびサーボ出力値を設定する。したがって、飛行装置１０の迅速な高度変化や速度変化を図ることができる。
【００３３】
このような第１実施形態では、マップ記憶部７１に記憶されているマップを参照することにより、制御ユニット４０は、単位出力あたり、つまり消費電力１ｋｗあたりの揚力が大きくなるモータ１３１、１４１、１５１、１６１の回転数およびプロペラ２３のピッチ角度を選択する。これにより、各スラスタ１３〜１６における電力の消費効率が向上する。したがって、バッテリ２４の容量が一定であれば、飛行時間の延長を達成することができる。
【００３４】
（第２実施形態）
第２実施形態による飛行装置の構成を図９に示す。
第２実施形態の場合、制御ユニット４０は、マップを記憶するマップ記憶部を有していない。すなわち、制御ユニット４０は、飛行高度や飛行速度の変更に関するスロットル入力値に対して、モータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力だけで飛行高度や飛行速度を制御する。この場合、制御ユニット４０は、以下のような制御式でモータ出力値およびサーボ出力値を生成する。この制御式のように、サーボ出力値は、スロットル制御値およびマップ記憶部のマップを参照しない。
【００３５】
モータ１３１：Motor A _Output=PID[Throttle]-PID[Yaw]
モータ１４１：Motor B _Output=PID[Throttle]+PID[Yaw]
モータ１５１：Motor C _Output=PID[Throttle]-PID[Yaw]
モータ１６１：Motor D _Output=PID[Throttle]+PID[Yaw]
サーボモータ１３２：Servo A _Output=PID[Roll]-PID[Pitch]
サーボモータ１４２：Servo B _Output=-PID[Roll]-PID[Pitch]
サーボモータ１５２：Servo C _Output=-PID[Roll]+PID[Pitch]
サーボモータ１６２：Servo D _Output=PID[Roll]+PID[Pitch]
【００３６】
第２実施形態では、飛行高度および飛行速度の制御について、モータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力とプロペラ２３のピッチ角度との関係を設定したマップが不要である。そのため、サーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２の制御のための制御式は簡略化される。したがって、モータ１３１、１４１、１５１、１６１およびサーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２の制御をより簡略化することができる。
【００３７】
例えば飛行装置１０を室内やトンネル内などの構造物の内部で用いるとき、風などの外乱の影響は受けにくい。このように外乱の影響を受けにくい環境下では、上記のように飛行高度や飛行速度の制御について効率を求めたマップを参照する制御を省略しても飛行姿勢や飛行高度の大きな変化は生じにくい。そこで、第２実施形態では、外乱の影響を受けにくい環境下において、制御を最適化することができる。
【００３８】
（第３、第４実施形態）
第３実施形態、第４実施形態による飛行装置の構成を、それぞれ図１０、図１１に示す。
図１０に示す第３実施形態では、制御ユニット４０は、ロール軸を中心軸とする回転の制御、およびピッチ軸を中心軸とする回転の制御について、各スラスタ１３〜１６におけるモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力とプロペラ２３のピッチ角度とを制御している。すなわち、制御ユニット４０は、スロットル制御値に対するマップを記憶するマップ記憶部７１だけでなく、マップ記憶部７２およびマップ記憶部７３を有している。マップ記憶部７２は、ロール制御値に対するモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力、およびプロペラ２３のピッチ角度のマップが記憶されている。また、マップ記憶部７３は、ピッチ制御値に対するモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力、およびプロペラ２３のピッチ角度のマップが記憶されている。
これにより、制御ユニット４０は、下記の制御式に基づいて、モータ出力値およびサーボ出力値を設定する。
【００３９】
モータ１３１：Motor A _Output
=PID[Throttle]-PID[Yaw]+PID[Roll]-PID[Pitch]
モータ１４１：Motor B _Output
=PID[Throttle]+PID[Yaw]-PID[Roll]-PID[Pitch]
モータ１５１：Motor C _Output
=PID[Throttle]-PID[Yaw]-PID[Roll]+PID[Pitch]
モータ１６１：Motor D _Output
=PID[Throttle]+PID[Yaw]+PID[Roll]+PID[Pitch]
サーボモータ１３２：Servo A _Output=PID[Throttle]+PID[Roll]-PID[Pitch]
サーボモータ１４２：Servo B _Output=PID[Throttle]-PID[Roll]-PID[Pitch]
サーボモータ１５２：Servo C _Output=PID[Throttle]-PID[Roll]+PID[Pitch]
サーボモータ１６２：Servo D _Output=PID[Throttle]+PID[Roll]+PID[Pitch]
【００４０】
図１１に示す第４実施形態では、制御ユニット４０は、第３実施形態の構成に加え、ヨー軸を中心軸とする回転の制御について、各スラスタ１３〜１６のモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力とプロペラ２３のピッチ角度とを制御している。すなわち、制御ユニット４０は、マップ記憶部７４をさらに有している。マップ記憶部７４は、ヨー制御値に対するモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力、およびプロペラ２３のピッチ角度のマップが記憶されている。
これにより、制御ユニット４０は、下記の制御式に基づいて、モータ出力値およびサーボ出力値を設定する。
【００４１】
モータ１３１：Motor A _Output
=PID[Throttle]-PID[Yaw]+PID[Roll]-PID[Pitch]
モータ１４１：Motor B _Output
=PID[Throttle]+PID[Yaw]-PID[Roll]-PID[Pitch]
モータ１５１：Motor C _Output
=PID[Throttle]-PID[Yaw]-PID[Roll]+PID[Pitch]
モータ１６１：Motor D _Output
=PID[Throttle]+PID[Yaw]+PID[Roll]+PID[Pitch]
サーボモータ１３２：Servo A _Output
=PID[Throttle]-PID[Yaw]+PID[Roll]-PID[Pitch]
サーボモータ１４２：Servo B _Output
=PID[Throttle]+PID[Yaw]-PID[Roll]-PID[Pitch]
サーボモータ１５２：Servo C _Output
=PID[Throttle]-PID[Yaw]-PID[Roll]+PID[Pitch]
サーボモータ１６２：Servo D _Output
=PID[Throttle]+PID[Yaw]+PID[Roll]+PID[Pitch]
【００４２】
以上のように、第３実施形態では、ロール軸およびピッチ軸を中心軸とする回転についてもモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力およびプロペラ２３のピッチ角度の双方を制御する構成としている。また、第４実施形態では、これに加え、ヨー軸を中心軸とする回転についてもモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力およびプロペラ２３のピッチ角度の双方を制御する構成としている。このような第３実施形態および第４実施形態では、制御の対象が増加することにより、単位出力に対する揚力が大きい、つまり消費電力に対する効率の高い領域で制御しやすくなる。したがって、バッテリ２４の容量が一定であればより長期間の飛行を継続することができる。また、第３実施形態および第４実施形態では、多くの軸に対してモータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力およびプロペラ２３のピッチ角度が連携して制御される。そのため、例えば障害物との接触などによって生じる大きな姿勢の変化にも、迅速に対応する。したがって、より安定した飛行の継続を図ることができる。
【００４３】
（第５実施形態）
第５実施形態による飛行装置の構成を図１２に示す。
図１２に示す第５実施形態は第４実施形態の変形であり、制御ユニット４０は補正処理部８０に接続している。補正処理部８０は、合成演算部４３で生成された制御式に補正項およびリカバリ項を追加する。補正処理部８０は、ソフトウェア的、ハードウェア的、またはソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現されている。補正項は、例えばモータ１３１、１４１、１５１、１６１の経年的な劣化などのように経年的な性能の変化を学習して追加される項である。補正処理部８０は、制御式にこの補正項を追加することにより、モータ出力値およびサーボ出力値を変更する。リカバリ項は、通常において「０」に設定されている。しかし、モータ１３１、１４１、１５１、１６１やサーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２のいずれかに異常が生じて制御が困難になったとき、リカバリ項には補正値が追加される。例えばサーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２に異常が生じたとき、リカバリ項は、モータ１３１、１４１、１５１、１６１の出力を変更することにより緩やかな下降を生じる揚力となるように設定される。また、例えばモータ１３１、１４１、１５１、１６１に異常が生じたとき、リカバリ項は、モータ１３１、１４１、１５１、１６１の惰性による回転を利用して緩やかな下降を生じるピッチ角度となるように設定される。
第５実施形態の場合、制御ユニット４０は、以下のような制御式でモータ出力値およびサーボ出力値を生成する。
【００４４】
モータ１３１：Motor A _Output
=PID[Throttle]-PID[Yaw]+PID[Roll]-PID[Pitch]+Cm＋Rm
モータ１４１：Motor B _Output
=PID[Throttle]+PID[Yaw]-PID[Roll]-PID[Pitch] +Cm＋Rm
モータ１５１：Motor C _Output
=PID[Throttle]-PID[Yaw]-PID[Roll]+PID[Pitch] +Cm＋Rm
モータ１６１：Motor D _Output
=PID[Throttle]+PID[Yaw]+PID[Roll]+PID[Pitch] +Cm＋Rm
サーボモータ１３２：Servo A _Output
=PID[Throttle]-PID[Yaw]+PID[Roll]-PID[Pitch]+Cs+Rs
サーボモータ１４２：Servo B _Output
=PID[Throttle]+PID[Yaw]-PID[Roll]-PID[Pitch] +Cs+Rs
サーボモータ１５２：Servo C _Output
=PID[Throttle]-PID[Yaw]-PID[Roll]+PID[Pitch] +Cs+Rs
サーボモータ１６２：Servo D _Output
=PID[Throttle]+PID[Yaw]+PID[Roll]+PID[Pitch] +Cs+Rs
上記の制御式において、Ｃｍはモータ補正項、Ｃｓはサーボモータ補正項、Ｒｍはモータリカバリ項、Ｒｓはサーボモータリカバリ項を示す。
【００４５】
このように、第５実施形態では、モータ１３１、１４１、１５１、１６１、およびサーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２の経年的な特性の変化や異常に対応するための補正項およびリカバリ項を追加している。したがって、長期にわたる安定した飛行姿勢の維持を図ることができるとともに、安全性の向上を図ることができる。
なお、第５実施形態では、第４実施形態の変形として補正項およびリカバリ項を追加する例について説明したが、上述の第１実施形態から第３実施形態に補正項およびリカバリ項を追加してもよい。
【００４６】
（その他の実施形態）
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
例えば、上記の複数の実施形態では、モータ１３１、１４１、１５１、１６１、およびサーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２を制御する手法としてＰＩＤ制御を用いる例について説明した。しかし、上記は例示であり、モータ１３１、１４１、１５１、１６１およびサーボモータ１３２、１４２、１５２、１６２は、その制御が可能であれば、ＰＩＤ制御に限らず他の制御手法を用いてもよい。
【００４７】
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
【符号の説明】
【００４８】
図面中、１０は飛行装置、１１は基体、１３、１４、１５、１６はスラスタ、２３はプロペラ、３０はピッチ変更機構部、４０は制御ユニット（制御ユニット）、４１は受信部、４２は姿勢検出部、４４は送信部、１３１、１４１、１５１、１６１はモータを示す。
【図１】
2018030384.tif 000003
【図２】
2018030384.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】
2018030384.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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