(57)【要約】【課題】バルーンのサイズが浮遊移動体の運動性能に干渉しにくい基本構造からなると共に、スラスタ推力が浮遊移動体の姿勢に干渉しにくいスラスタ配置とされた、制御すべき４次元の推力を４個のスラスタで発生させることが可能な浮遊移動体の提供。【解決手段】機体の揚力に頼らない基本構造からなる浮遊移動体とした上で、スラスタＳ１−Ｓ４をバルーンＢより下方に配置することをも含め浮遊移動体上で適切に配置すること、そしてスラスタの推力だけではなく回転スラスタの回転方向の反作用トルクを利用することで制御すべき４次元の推力を４個のスラスタで発生させることが可能な浮遊移動体１とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルーンの浮力と、流体を駆動することによって推力を発生するスラスタの推力の鉛直上方への分力とによって重力に抗して浮遊すると共に、浮遊に使われないスラスタ推力の余剰分によって移動する浮遊移動体であって、
前記バルーンが前記浮遊移動体の上部に、前記スラスタが前記浮遊移動体の下部に配置されることにより、
前記バルーンの浮力が浮遊のほか、浮心が機体全体の重心の鉛直上方に配置されることによって前記浮遊移動体の受動的な姿勢維持に用いられる、
ことを特徴とする浮遊移動体。
【請求項２】
前記浮遊移動体の下部において、４基以上の回転スラスタが、各回転スラスタの推力の作用線が前記浮遊移動体上部に適切に定めた一点である推力作用点において交差するか、或いはその近傍において近接するように配置されると共に、前記各回転スラスタの推力ベクトルのうちの任意の３個が、ｘｙｚの並進の３次元空間内で線形独立であるように配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の浮遊移動体。
【請求項３】
さらに、前記各回転スラスタは、そのファンの回転方向が上方或いは下方から見たとき全て同一方向とならないようにされており、それによって前記浮遊移動体は、前記各回転スラスタに生じ得る互いに逆方向の反作用トルクを調節することで前記浮遊移動体にヨー方向の旋回トルクを発生させる、
構成を備えていることを特徴とする請求項２に記載の浮遊移動体。
【請求項４】
前記回転スラスタが前記浮遊移動体の下部に６基以上、そのファンの回転方向が上方或いは下方から見たとき全て同一方向とならないように配置され、それにより得られる前記浮遊移動体のスラスタ６自由度を用いて、ｘｙｚ方向の並進とヨー方向の旋回に加え、ロール方向の回転とピッチ方向の回転とを含めた６次元推力空間における推力を独立に発生させ得る構成からなるものとしたことを特徴とする請求項２に記載の浮遊移動体。
【請求項５】
前記浮遊移動体は、前記スラスタが空中において空気を駆動することによって推力を発生させることにより機体を空中浮遊或いは移動させる飛行船であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の浮遊移動体。
【請求項６】
さらに、前記飛行船がハイブリッド飛行船すなわち、前記バルーンを含めた前記機体全体の重量が空気より重く、動力なしでは浮遊できない重飛行船となっていることを特徴とする請求項５に記載の浮遊移動体。
【請求項７】
バルーンの浮力と、空気を駆動することによって推力を発生するスラスタの推力の鉛直上方への分力とによって重力に抗して浮遊すると共に、浮遊に使われないスラスタ推力の余剰分によって移動する飛行船であって、
前記バルーンは前記飛行船の上部に配置され、
前記飛行船の下部において、４基以上の回転スラスタが、各回転スラスタの推力の作用線が前記飛行船上部に適切に定めた一点である推力作用点において交差するか、或いはその近傍において近接するように配置されると共に、前記各回転スラスタの推力ベクトルのうちの任意の３個が、ｘｙｚの並進の３次元空間内で線形独立であるように配置されており、さらに、
前記各回転スラスタは、そのファンの回転方向が上方或いは下方から見たとき全て同一方向とならないようにされており、それによって前記飛行船は、前記各回転スラスタに生じ得る互いに逆方向の反作用トルクを調節することで前記飛行船にヨー方向の旋回トルクを発生させる、
構成を備えていることを特徴とする飛行船。
【請求項８】
さらに、前記飛行船がハイブリッド飛行船すなわち、前記バルーンを含めた前記機体全体の重量が空気より重く、動力なしでは浮遊できない重飛行船となっていることを特徴とする請求項７に記載の飛行船。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空中および水中において、流体を駆動することによって推力を発生するスラスタを持つ浮遊移動体の新規な構造および制御方法に関する。
より具体的には、本発明は主にハイブリッド飛行船への適用を前提としたものである。ただし、それに限定されるものではなく、通常の飛行船（軽飛行船）や、水中の浮遊移動体（潜水艇、水中ロボット等）にもそのままで応用可能なものである。
【背景技術】
【０００２】
ビルの外壁その他の高所や危険区域等、人間が到達しにくい箇所の外観目視検査を行う用途に対しては、バキュームや電磁石を応用して壁面に張り付きながら移動するロボットや、ラジコンヘリに監視用の小型カメラを搭載し、これらを遠隔操作することにより安全な検査を行えるようにする技術が提供されている。
【０００３】
しかしながら、バキュームや電磁石を応用して壁面に張り付きながら移動するロボットについては凹凸壁面や非磁性体の壁面に対応できないといった欠点があり、目的位置へ到達するためのルート選定が困難な技術であった。またラジコンヘリコプターについては、静止（ホバリング）や高精度な軌道制御など、低速度域でのコントロールが困難という欠点があった。
このように、現在提供されている技術には、いずれも一長一短があった。
【０００４】
そこで、次世代の空中浮遊移動体として期待されている現在のハイブリッド飛行船に注目し、監視カメラを搭載可能な程度の小型ハイブリッド飛行船を遠隔操作することにより、ビルの外壁その他の高所や危険区域等、人間が到達しにくい箇所の外観目視検査を行うといった検討もなされている。
【０００５】
ところが、このアイデアを実現可能な新規な浮遊移動体を提供するためには以下に代表される諸問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２００５／０８１０８２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】川村，崔，田中，木野，“パラレルワイヤ駆動方式を用いた超高速ロボット FALCON の開発”，日本ロボット学会誌，vol.15, no.1, pp.82-89, 1997.
【非特許文献２】Sadao Kawamura, Hitoshi Kino, and Choe Won, "High-speed manipulation by using parallel wire-driven robots," Robotica, vol.18, pp.13-21, 2000.
【非特許文献３】Xiumin Diao and Ou Ma, "Force-closure analysis of 6-DOF cable manipulators with seven or more cables," Robotica, vol.27, pp.209-215, 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、係る諸問題を解決した浮遊移動体は、これまで世の中に提供されていなかった。
そこで、本発明は、以下に代表される諸問題を解決し、上記アイデアを実現可能な新規な浮遊移動体を提供することを課題とする。
【０００９】
［１］  バルーンのサイズからくる悪影響
空中および水中において、流体を駆動することによって推力を発生するスラスタを持つ浮遊移動体には通常、飛行機、ヘリコプター、飛行船（軽飛行船、重飛行船）や水中の浮遊移動体（潜水艇、水中ロボット）などが例示される。
その中でも、次世代の空中浮遊移動体として注目されている現在のハイブリッド飛行船は、バルーンを含めた機体重量が空気より重く、動力なしでは浮遊できない飛行船（重飛行船）であり、さらにバルーン自体が揚力を発生するような形状を持つ、いわゆるリフティングボディとなっており、スラスタの推進力によって巡航することでバルーン＝リフティングボディが揚力を発生し、不足している浮力を補って浮遊する構造となっている。つまり、伝統的な飛行船同様に従来知られたハイブリッド飛行船も、スラスタ等の動力発生機器やキャビン或いは貨物室の大きさに対して相対的に巨大なバルーンを備える基本構造をなしていた（図５および図６参照）。
【００１０】
しかしながら、そのような大きなバルーンは浮遊移動体の運動性能に悪影響を及ぼしてしまうものであった。バルーンが大きなことで必然的に機体全体の慣性や空気抵抗が大きくなってしまっていたのである。
結果として、従来のハイブリッド飛行船は、運動性能が良くないものばかりであった。
【００１１】
機体全体の慣性や空気抵抗が大きなことによる従来のハイブリッド飛行船の運動性能の悪さは、巡航ではなく静止（ホバリング）と高精度な軌道制御など、低速度域での運用を主体とする場合には非常なデメリットとなる。その一例として、監視カメラを搭載した小型飛行船を遠隔操作することにより、ビルの外壁その他の高所や危険区域等、人間が到達しにくい箇所の外観目視検査を行うと言った用途を想定した場合においても、やはり、従来のハイブリッド飛行船のバルーンのサイズとそれに起因する運動性能の悪さは致命的であった。
【００１２】
この問題を解決し、バルーンのサイズが浮遊移動体の運動性能に干渉しにくい基本構造を提供することを課題とする。
【００１３】
［２］  スラスタ推力の姿勢への悪影響
飛行船において、浮心と重心を適切に配置する（すなわち、浮心を重心の鉛直上方に配置する）ことで、受動的にロール方向およびピッチ方向の姿勢が維持され、能動的に制御すべき次元数を６から４に減らすことが可能であることは一般に知られている。
【００１４】
しかし、バルーンによる浮力とスラスタによる推力を併用するハイブリッド飛行船では、一般の飛行船と比べてスラスタが大きな推力を発揮するため、スラスタ推力が飛行船の姿勢に干渉し、受動的な姿勢維持に悪影響を及ぼす可能性がある。
【００１５】
この問題を解決し、スラスタ推力が飛行船の姿勢に干渉しにくいスラスタ配置方法を提供することを課題とする。
【００１６】
［３］  制御すべきスラスタの個数
一般に、多くの実用的なスラスタが正方向への推力しか発生しない（負方向＝逆噴射はできない）ことを考慮すると、制御すべき４次元（すなわちｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の並進およびヨー方向の旋回）の任意の推力ベクトルを正負の両方向を含めて発生するためには、少なくとも４＋１＝５個のスラスタが必要である。これは、多指ハンドロボットやワイヤ駆動ロボットの分野で知られるVector Closure（非特許文献１および２参照）あるいはForce Closure（非特許文献３参照）の概念である。
【００１７】
つまり、ハイブリッド飛行船において浮心を重心の鉛直上方に配置して、制御すべき次元数を６から４に減らしたとしても、この４次元の推力空間の中で任意の推力を発生するためには、スラスタを５個以上設置しなければならない。
【００１８】
しかし、スラスタの個数の増加は重量やコストの増加を意味するため、スラスタの個数を減らすことができれば、ハイブリッド飛行船の性能向上が期待される。
【００１９】
この問題を解決し、制御すべき４次元の推力を４個のスラスタで発生するスラスタ配置方法およびスラスタ制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記諸問題を解消すべく種々検討を行った結果、本発明者は、機体の揚力に頼らない基本構造からなる浮遊移動体とした上で、スラスタを浮遊移動体上で適切に配置すること、そしてスラスタの推力だけではなく回転スラスタの回転方向の反作用トルクを利用することによって、上記諸課題を解決可能なことを見い出し、本発明を完成した。
【００２１】
上記課題を解決可能な本発明の浮遊移動体は、（１）バルーンの浮力と、流体を駆動することによって推力を発生するスラスタの推力の鉛直上方への分力とによって重力に抗して浮遊すると共に、浮遊に使われないスラスタ推力の余剰分によって移動する浮遊移動体であって、
前記バルーンが前記浮遊移動体の上部に、前記スラスタが前記浮遊移動体の下部に配置されることにより、
前記バルーンの浮力が浮遊のほか、浮心が機体全体の重心の鉛直上方に配置されることによって前記浮遊移動体の受動的な姿勢維持に用いられる、
ことを特徴とするものである。
【００２２】
このとき、（２）前記浮遊移動体の下部において、４基以上の回転スラスタが、各回転スラスタの推力の作用線が前記浮遊移動体上部に適切に定めた一点である推力作用点において交差するか、或いはその近傍において近接するように配置されると共に、前記各回転スラスタの推力ベクトルのうちの任意の３個が、ｘｙｚの並進の３次元空間内で線形独立であるように配置されていることが好ましい。
さらに、（３）前記各回転スラスタは、そのファンの回転方向が上方或いは下方から見たとき全て同一方向とならないようにされており、それによって前記浮遊移動体は、前記各回転スラスタに生じ得る互いに逆方向の反作用トルクを調節することで前記浮遊移動体にヨー方向の旋回トルクを発生させる、構成を備えていることが好ましい。
またさらに、（４）前記回転スラスタが前記浮遊移動体の下部に６基以上、そのファンの回転方向が上方或いは下方から見たとき全て同一方向とならないように配置され、それにより得られる前記浮遊移動体のスラスタ６自由度を用いて、ｘｙｚ方向の並進とヨー方向の旋回に加え、ロール方向の回転とピッチ方向の回転とを含めた６次元推力空間における推力を独立に発生させ得る構成からなるものであることが好ましい。
【００２３】
又上記（１）〜（４）に記載の浮遊移動体は、（５）前記スラスタが空中において空気を駆動することによって推力を発生させることにより機体を空中浮遊或いは移動させる飛行船であることが好ましい。
【００２４】
さらに、上記（５）に記載の飛行船は、（６）前記飛行船がハイブリッド飛行船すなわち、前記バルーンを含めた前記機体全体の重量が空気より重く、動力なしでは浮遊できない重飛行船となっていることがより好ましい。
【００２５】
また本発明のハイブリッド飛行船は、（７）バルーンの浮力と、空気を駆動することによって推力を発生するスラスタの推力の鉛直上方への分力とによって重力に抗して浮遊すると共に、浮遊に使われないスラスタ推力の余剰分によって移動する飛行船であって、
前記バルーンは前記飛行船の上部に配置され、
前記飛行船の下部において、４基以上の回転スラスタが、各回転スラスタの推力の作用線が前記飛行船上部に適切に定めた一点である推力作用点において交差するか、或いはその近傍において近接するように配置されると共に、前記各回転スラスタの推力ベクトルのうちの任意の３個が、ｘｙｚの並進の３次元空間内で線形独立であるように配置されており、さらに、
前記各回転スラスタは、そのファンの回転方向が上方或いは下方から見たとき全て同一方向とならないようにされており、それによって前記飛行船は、前記各回転スラスタに生じ得る互いに逆方向の反作用トルクを調節することで前記飛行船にヨー方向の旋回トルクを発生させる、
構成を備えていることを特徴とするものである。
このとき、（８）前記飛行船はハイブリッド飛行船すなわち、前記バルーンを含めた前記機体全体の重量が空気より重く、動力なしでは浮遊できない重飛行船となっていることが好ましい。
【００２６】
［補足］
本明細書にいう「従来知られたハイブリッド飛行船」或いは「従来のハイブリッド飛行船」とは、バルーンを含めた機体重量が空気より重く、動力なしでは浮遊できない飛行船（重飛行船）であり、さらにバルーン自体が揚力を発生するような形状を持つ、いわゆるリフティングボディとなっており、スラスタの推進力によって巡航することでバルーン＝リフティングボディが揚力を発生し、不足している浮力を補って浮遊するものである。このハイブリッド飛行船は、気体の比重のみで浮上可能な従来の飛行船（軽飛行船）と区別するため重飛行船とも呼ばれる。
しかしながら、次に本発明の一実施例として説明するハイブリッド飛行船は、重飛行船であることは同じであるが、リフティングボディは必ずしも持たなくてもよい。それは、本実施例におけるハイブリッド飛行船の主な機能が、巡航ではなく静止（ホバリング）と高精度な軌道制御であることによる。したがって、低速度域での運用が主体であり、巡航による揚力には期待できない。
本実施例におけるハイブリッド飛行船では、リフティングボディの揚力ではなくスラスタの推力を直接、揚力として使用する。このように、本実施例ではバルーンの浮力の不足分は、スラスタ推力の鉛直上方への分力によって補う構成となっている。
本実施例におけるハイブリッド飛行船におけるバルーンの役割は、もちろん一つは浮力を揚力として利用することであるがそれだけではない。むしろ浮力によって、上述したように飛行船の姿勢を受動的に維持する、すなわち浮心を重心の鉛直上方に配置することによって浮遊移動体の受動的な姿勢維持に用いることが重要な役割である。
以下、単にハイブリッド飛行船とした場合は、本実施例におけるハイブリッド飛行船を意味するものとし、その他の場合は「従来のハイブリッド飛行船」として言及する。
【００２７】
［１］’  スラスタの適切な配置について
前述のように、ハイブリッド飛行船のような浮遊移動体において浮心と重心を適切に配置する（すなわち、浮心を重心の鉛直上方に配置する）ことで、受動的にロール方向およびピッチ方向の姿勢が維持され、能動的に制御すべき次元数を６から４に減らすことが可能である。
スラスタＳは多くの場合、浮遊移動体にとって無視できない重量を持つため、浮心に対して重心を下げるためにはスラスタＳを浮遊移動体の下部に配置することが望ましい。そこで、図５に示すような配置とすることが一般的である。この配置によって重心は下がるが、スラスタ推力の作用線は、浮遊移動体の下部のみに存在することとなる。浮遊移動体の下部に浮遊移動体の重心が存在するならば、推力の作用線が浮遊移動体の重心を貫くように設計することは可能である。
【００２８】
しかし、浮遊移動体においては、浮遊移動体自体の慣性の効果と比べてバルーンＢの空気抵抗（或いは、浮き袋として機能するバルーンＢが受ける水の抵抗）や付加慣性の効果が無視できないほど大きいため、推力の作用線が重心を貫くように設計したとしても、推力が浮遊移動体の受動的な姿勢の維持に悪影響を及ぼす。つまり、大きな推力を発生させると飛行船の姿勢が乱れることになる（図６参照）。
【００２９】
そこで、本発明では以下のようなスラスタの配置方法としている。
ｉ）  ４個以上のスラスタを浮遊移動体の下部に配置する
ｉｉ）  前記スラスタの推力の作用線が浮遊移動体上部の適切な一点（推力作用点）において交差するか、あるいはその近傍において近接するように配置する
ｉｉｉ）  前記スラスタの推力ベクトルのうちの任意の３個が、ｘｙｚの並進の３次元空間内で線形独立であるように配置する
【００３０】
このような配置とすることにより、浮遊移動体下部に重心を位置させると共に、実質上、ｘｙｚの並進方向に任意の推力を発生するスラスタが浮遊移動体上部の推力作用点に存在するのと同等の推力を発生させることが可能である。このことは、前記Vector Closureの概念（非特許文献１および２参照）と、力学の基礎である、いわゆる「作用線の定理」から理解される。
【００３１】
［２］’  スラスタ推力の適切な方向について
上で述べたように、浮遊移動体下部に配置したスラスタの推力の作用線が、浮遊移動体上部の推力作用点を貫くようにスラスタを配置すると、自ずとスラスタは水平ではなく鉛直上方に近い「立った」角度で設置されることとなる。これは、本発明において主な対象としている、機体の揚力のみに頼らないハイブリッド飛行船に好適である。
【００３２】
すなわち、スラスタの設置角度に応じたスラスタ推力の分力が鉛直上方への推力成分となることで、スラスタ推力をハイブリッド飛行船の揚力として用い、余剰分のスラスタ推力を、ｘｙｚの並進方向への移動のための推進力として用いることが可能となる。
したがって、鉛直線に対するスラスタの設置角度は、浮遊移動体の揚力と推進力へのスラスタ推力の配分比を考慮して決めるべきである。
【００３３】
［３］’  スラスタの反作用トルクについて
上記のようにスラスタを配置することによって、スラスタを浮遊移動体下部に置いたまま、実質上、ｘｙｚの並進方向に任意の推力を発生するスラスタが浮遊移動体上部の推力作用点に存在するのと同等の推力を発生させることが可能となった。
しかし、浮遊移動体一般において能動的に制御すべき次元数は前述のように４である。この内、ヨー方向の旋回（水平旋回）については、上記のスラスタ配置方法では考慮されていなかった。
【００３４】
ヨー方向のトルクを発生させる一つの方法は、前述の配置方法で配置したスラスタに加えて、別途ヨー方向のトルクを発生させるスラスタを追加してスラスタ数を５以上とすることである。これが適切な場合もあり得るが、スラスタの個数が増加するため、必ずしも望ましい方法ではない。
【００３５】
そこで、必要なスラスタの個数を増加させずにヨー方向のトルクを発生させるための、以下のようなスラスタの配置方法および制御方法を発明した。
ｉ）  複数の回転スラスタを、水平ではなく鉛直上方に近い「立った」角度で浮遊移動体に設置する
ｉｉ）  前記複数のスラスタにおいて、ファンの回転方向が上方（あるいは下方）から見てすべて同一方向とならないようにする
ｉｉｉ）  前記複数のスラスタの、互いに逆方向の反作用トルクを適切に調節し、浮遊移動体にヨー方向の旋回トルクを発生させる
【００３６】
ここでいう回転スラスタとは、モータやエンジン等の何らかのアクチュエータによってファンを回転させ、流体を推し出した反作用で推力を発生させるスラスタである。このような回転スラスタの場合、流体はスラスタから推し出されるだけでなく、螺旋状に回転しながら推し出される。これはすなわち、回転スラスタが並進方向の推力だけではなく、流体を回転させた反作用としてのトルクを発生させることを意味する。
【００３７】
並進方向の反作用の力（推力）だけではなく、回転スラスタであれば常に同時に発生させているこの回転方向の反作用トルクを、共に制御において陽に考慮することで、４個のスラスタでｘｙｚの並進方向の推力に加えてヨー方向の旋回トルクをも任意に発生させることが可能である。
ただし、このような４次元推力空間における任意の推力を発生させるためには、上述のように、互いに逆回転する回転スラスタを配置することが必要となる。
【００３８】
本発明は、以上に述べた各構成からなる浮遊移動体とすることで上記諸問題が解決可能となることが本発明者により見い出されたことによって完成されたものである。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、バルーンのサイズが浮遊移動体の運動性能に干渉しにくい基本構造からなる浮遊移動体を提供できる。
また本発明によれば、スラスタ推力が浮遊移動体の姿勢に干渉しにくいスラスタ配置とされた浮遊移動体を提供できる。
さらに本発明によれば、制御すべき４次元の推力を４個のスラスタで発生させることが可能なスラスタ配置方法およびスラスタ制御方法並びにこれらの方法が適用された浮遊移動体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例１に係る外観構成図である。（ａ）は斜め下方から見た図、（ｂ）は側方から見た図、（ｃ）は下方から見た図である。
【図２】図１に示すスラスタ１と２が発生する主推力と副推力につき説明する図である。
【図３】図１に示すスラスタ３と４が発生する主推力と副推力につき説明する図である。
【図４】本発明の実施例２に係る外観構成図である。（ａ）は斜め下方から見た図、（ｂ）は側方から見た図、（ｃ）は下方から見た図である。
【図５】従来例に係る飛行船における一般的なスラスタ配置に付き説明する図である。
【図６】従来例に係る飛行船に関し、重心を貫くスラスタ推力に起因する姿勢の乱れに付き説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明につき一実施例を挙げ、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
これより実施例として説明する本発明に係る浮遊移動体は、バルーンによる浮力とスラスタによる推力とを併用する新規なハイブリッド飛行船の構造および制御方法に係るものである。
【実施例１】
【００４２】
［構成］
図１は、本発明の実施例１に係る外観構成図である。（ａ）は斜め下方から見た図、（ｂ）は側方から見た図、（ｃ）は下方から見た図である。
本実施例は、スラスタ個数４のハイブリッド飛行船への実装例に係るものである。
前述のように、飛行船一般において能動的に制御すべき次元数は４である。この４次元推力空間において任意の推力を発生させ得る最少のスラスタ個数ｎは４である。そこで、この実施例では、最少スラスタ個数ｎ＝４による実装を考える。
【００４３】
上記の通り、ｎ＝４のスラスタを適宜配置し、実装すると、例えば図１のようなハイブリッド飛行船１となる。本実施例では、４個のスラスタＳ１−Ｓ４が飛行船１下部に集中して配置されており、各スラスタ推力の作用線は、ハイブリッド飛行船１上部の推力作用点において交差するようになっている（図２、図３参照）。この例では、推力作用点は、バルーンＢ中心、すなわち浮心と一致させている。また、図中のｘｙｚの矢印は慣性座標系ΣＲであり、便宜上ｘ方向が前方、ｙ方向が鉛直上方である。
【００４４】
図１において、スラスタＳ１−Ｓ４の円筒形状の違いは、互いに逆回転のスラスタであることを表現している。以下で詳述する通り、本実施例ではスラスタＳ１およびＳ２のファンが右ネジ方向（正方向とする）に回転し、スラスタＳ３およびＳ４のファンがその逆の左ネジ方向（負方向とする）に回転する構成となっている。
【００４５】
その他の構成要素につき図１に基づき説明すると、本実施例のハイブリッド飛行船１は、少なくともスラスタＳ１−Ｓ４の駆動エネルギーおよびこのハイブリッド飛行船１の制御ユニットのほか、或いはさらに、遠隔操作を行う場合には送受信ユニットが内蔵された機器収納部Ｍと、機器収納部Ｍ底部に設けられた操縦用および検査用の２基の小型カメラＣと、上方にバルーンＢを保持し、下方において機器収納部Ｍを保持すると共にスラスタＳ１−Ｓ４がそれぞれ縦桟に固定されるフレームＦと、とからなっている。本実施例では機器収納部Ｍは、バルーンＢの下方において、フレームＦの４本の縦桟からそれぞれ機器収納部Ｍに向かって延びる横桟によってフレームＦに固定されている。
このように、本実施例では鉛直方向から見て四隅に配置された４本の縦桟と、これら４本の縦桟に囲まれた中に配置された機器収納部Ｍと、これら４本の縦桟から機器収納部Ｍに向かって延びる横桟とからフレームＦの剛体構造が形成され、そのフレームＦの上方において、４本の縦桟に保持される形でバルーンＢが設けられている。この、バルーンＢが上方に、スラスタその他重いものが下方に配置される基本構造となっていることからも、本実施例のバルーンＢは、ハイブリッド飛行船１の姿勢を保つために備えられていることが理解される。
【００４６】
本実施例では、バルーンＢを含めた機体全体の全高および全幅は成人の標準身長および標準肩幅と同程度のサイズとされる。これにより、本実施例のハイブリッド飛行船１は、人間が歩行して通過可能な程度の開口部やゲート等を通過させることが可能となっている。
【００４７】
上記からも明らかな通り、本発明では、ｉ）バルーン自体は、姿勢制御に用いられることを主目的に備えられており、ｉｉ）バルーンとスラスタからなる浮遊移動体全体のコントロールはスラスタによって、より具体的には各スラスタのファン回転数の強弱を制御することによって行われる基本構造となっている。
反面、公知のヘリコプターは原理上、姿勢制御も含めて全てのコントロールをロータで行わなければならない構造となっている。この点において、本発明の浮遊移動体とヘリコプターとは本質的に相違している。
このように、浮遊移動体全体の移動制御と姿勢制御とを別々に行うことが出来、しかも従来のハイブリッド飛行船より相対的に小型なバルーンを備えることで高い運動性能を発揮し得る本発明の浮遊移動体は、静止（ホバリング）と高精度な軌道制御など、低速度域での運用を主体とする用途には好適なものである。
【００４８】
なお、スラスタＳ１−Ｓ４がフレームＦの下方において、各スラスタ推力の作用線がハイブリッド飛行船１上部の推力作用点において交差するように固定されている点に付き補足すると、仮にスラスタＳ１−Ｓ４が首振り機構を介してフレームＦに固定されるものだとすると、首振り機構を構成するためのアクチュエータが別途必要になり、構造に加えて制御も複雑化する弊害がある。その点、本実施例のような構成を採れば、首振り機構等の可動部を省略でき、機械的構造も簡素化される。また、制御も各ファンの回転数の強弱制御だけでよく、簡単に行えるメリットがある。
【００４９】
本実施例では、スラスタＳ１−Ｓ４には回転するファンを持つ回転スラスタを使用するところ、この場合、各スラスタはファンの回転に伴い、スラスト方向の並進力としての主推力と、スラスト軸まわりのトルクとしての副推力を、空気を螺旋状に推し出すことによる反作用として同時に発生する。
【００５０】
このとき、４個のスラスタで８方向の推力が発生することになる。しかし、この推力のうち独立なのは４自由度のみなので、ｎ＝８とはならず、やはりｎ＝４である。なお以下の理論検証では、空気に対する作用反作用以外の動力学的効果（ロータ慣性に起因するリアクションおよびジャイロモーメント等）は簡単のため考慮しないが、一般にそれらの効果は前記主推力、副推力に比べて小さく、以下の理論検証に大きな齟齬をきたすことはない。
【００５１】
［理論検証］
また以下では、上記したスラスタの４自由度を用いて、ｘｙｚ方向の並進とヨー方向の旋回の４次元推力空間における推力が独立に発生できるかどうかを確認する。
【００５２】
図１の実装例においてｘ軸正方向から見たときの、ハイブリッド飛行船の推力作用点とスラスタの位置関係を図２に示す。スラスタＳ１とＳ２はそれぞれ、斜め上方への主推力ｆ１、ｆ２と共に、ファンが右ネジ方向（正方向）に回転しているため、左ネジ方向（負方向）の反作用トルクとして副推力ｎ１、ｎ２を発生する。
なお、図２中の座標系はハイブリッド飛行船のボディに固定された座標系ΣＧであり、この図においてはΣＧの各軸方向はΣＲと一致しているものとする。また、θ１（０＜θ１＜π／２）とθ2（−π／２＜θ2＜０）は、鉛直線からの各スラスタの傾斜角度である。さらに、ハイブリッド飛行船１の座標系ΣＧが慣性座標系ΣＲ同様にｘｙｚの並進とｘｙｚ軸まわりの回転（６次元）座標系からなるものとすると、上記ｆ１−ｆ４並びにｎ１−ｎ４はそれぞれ３次元ベクトルである（以下、同様とする）。
【００５３】
このとき、スラスタＳ１とＳ２が発生する主推力と副推力は以下のように記述される。
【数１】
2011245944.tif 000003
ただし、スラスタＳｉ（ｉ＝１、２、３、４）のファン回転角速度をωｉとし、スラスタＳｉの主推力と副推力は共に回転角速度の自乗に比例すると仮定した。また、回転角速度の自乗から主推力および副推力への正の比例係数をそれぞれｋｆｉ、ｋｎｉとしている。
【００５４】
次に、図１の実装例においてｚ軸正方向から見たときの、ハイブリッド飛行船の推力作用点とスラスタの位置関係を図３に示す。スラスタＳ３とＳ４はそれぞれ、斜め上方への主推力ｆ３、ｆ４と共に、ファンが左ネジ方向（負方向）に回転しているため、右ネジ方向（正方向）の反作用トルクとして副推力ｎ３、ｎ４を発生する。
なお、図３中の座標系は、やはりハイブリッド飛行船の座標系ΣＧであり、この図においてもΣＧの各軸方向はΣＲと一致しているものとする。また、θ3（０＜θ3＜π／２）とθ4（−π／２＜θ4＜０）は、鉛直線からの各スラスタの傾斜角度である。
【００５５】
このとき、スラスタＳ３とＳ４が発生する主推力と副推力は以下のように記述される。
【数２】
2011245944.tif 000004
【００５６】
以上で各スラスタが発生する主推力と副推力が導出された。この結果から、全スラスタが発生する主推力と副推力それぞれの総和をｆ、ｎ（いずれもベクトル）とすると、
【数３】
2011245944.tif 000005
となる。ただし、ＪＥＧＴとｕＥは式(1)〜式(4)から以下のように求められる。
【数４】
2011245944.tif 000006
このｕＥは、４個のスラスタの角速度（の自乗）を表すベクトルであり、ＪＥＧＴは転置ヤコビ行列である。
【００５７】
これで、スラスタの４自由度を用いて、ｘｙｚ方向の並進とヨー方向の旋回の４次元推力空間における推力が独立に発生できるかどうかを確認するために必要な準備は整った。
【００５８】
式(6) の転置ヤコビ行列ＪＥＧＴから、能動的に制御すべき４次元であるｘｙｚ方向の並進およびヨー方向の旋回（ｙ軸まわりの回転）に対応する第１、２、３、５行を取り出して、４×４の正方行列としたものを改めてＪＥＧ4Ｔとおく。
【数５】
2011245944.tif 000007
ただし、簡単のために、
【数６】
2011245944.tif 000008
とした。このとき、
【数７】
2011245944.tif 000009
である。すなわち、図１のハイブリッド飛行船のスラスタ４自由度を用いて、ｘｙｚ方向の並進とヨー方向の旋回の４次元推力空間における推力が独立に発生可能であることが示された。
【００５９】
［動作］
次に、本実施例に係るハイブリッド飛行船１全体の移動制御或いは姿勢制御に関連し、各スラスタＳ１−Ｓ４の制御方法について説明する。
【００６０】
ヨー方向の旋回トルクをｎｙ（スカラー）とすると、転置ヤコビ行列ＪＥＧ4Ｔを用いて式(5)は改めて以下のように書ける。
【数８】
2011245944.tif 000010
式(9)から、転置ヤコビ行列ＪＥＧ4Ｔは正則なので、
【数９】
2011245944.tif 000011
となる。
すなわち、式(11)に従えば、ハイブリッド飛行船が全スラスタから得るべき所望のスラスタ主推力と副推力ｆ、ｎｙに対して、各スラスタへ指令すべき角速度ｕＥを求めることができる。
【００６１】
いま、
【数１０】
2011245944.tif 000012
のように、スラスタが対称に配置されているとすると、転置ヤコビ行列ＪＥＧ4ＴT の逆行列は、以下のように簡単な形となる。
【数１１】
2011245944.tif 000013
ただし、
【数１２】
2011245944.tif 000014
とした。
【００６２】
［比較例］
参考までに、互いに逆回転する回転スラスタを配置しない場合すなわち、図１のハイブリッド飛行船１において、すべてのスラスタＳ１−Ｓ４のファンの回転方向が右ネジ方向（正方向）である場合について考察しておく。
【００６３】
このとき、式(6)の転置ヤコビ行列ＪＥＧＴは、ｎ３とｎ４の符号が逆となって以下のようになる。
【数１３】
2011245944.tif 000015
ただし、簡単のために、
【数１４】
2011245944.tif 000016
とした。式(15)の転置ヤコビ行列ＪＥＧＴについて階数を計算すると、
【数１５】
2011245944.tif 000017
である。
【００６４】
すなわち、すべてのスラスタＳ１−Ｓ４が同一方向に回転している場合、図１のハイブリッド飛行船１のスラスタ４自由度を用いても、ｘｙｚ方向の並進とヨー方向の旋回の４次元推力空間における推力は独立に発生できず、独立に発生できるのは３次元までの推力であることが示された。
【００６５】
以上説明した本実施例に係るハイブリッド飛行船は、運動性能に優れたものであり、特に、巡航ではなく静止（ホバリング）と高精度な軌道制御など、低速度域での運用を主体とする場合には非常に取り回しがよい。
したがって、例えば本実施例に係るハイブリッド飛行船に監視カメラを搭載し、これを遠隔操作することにより、ビルの外壁その他の高所や危険区域等、人間が到達しにくい箇所の外観目視検査を行うと言った用途を想定した場合においても、十分満足行く運用を行うことができる。
【実施例２】
【００６６】
次に、実施例１のハイブリッド飛行船に実装されたスラスタの個数を変化させた実施例２に付き説明する。図４は、本発明の実施例２に係る外観構成図である。（ａ）は斜め下方から見た図、（ｂ）は側方から見た図、（ｃ）は下方から見た図である。
本実施例は、スラスタ個数６のハイブリッド飛行船への実装例に係るものである。スラスタ実装数以外は上記実施例１の基本構成と同様である。
【００６７】
本発明を実装する最少のスラスタ個数は４であるが、それ以上のスラスタを配置しても構わない。例えば、スラスタ個数を６とすれば、図４のようなハイブリッド飛行船１０とすることができる。
このように、互いに逆回転する回転スラスタを配置すれば、図４のハイブリッド飛行船１０のスラスタ６自由度を用いて、ｘｙｚ方向の並進とヨー方向の旋回に加え、ロール・ピッチ方向の回転も含めた６次元推力空間における推力が独立に発生可能である。
【００６８】
［変形例］
以上、一実施例を用いて本発明に係る浮遊移動体に付き説明したが、本発明は上記構成に限定されず、種々の変形実施が可能である。
【００６９】
まず、本明細書では、本発明に係る浮遊移動体の構成およびその制御方法を、ハイブリッド飛行船として具現化した一実施例を用いて説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、通常の飛行船（軽飛行船）や、水中の浮遊移動体（潜水艇、水中ロボット等）にもそのままで応用可能な技術である。
【００７０】
上記実施例では、そのファンの回転方向が上方或いは下方から見たとき全て同一方向とならないように配置されたスラスタの配置が４基である場合と６基である場合について説明したが、これに限らず、４基以上であればｘｙｚの並進方向の推力に加えてヨー方向の旋回トルクをも任意に発生させることが可能である。さらに、６基以上とすれば、それにより得られるスラスタ６自由度を用いて、ｘｙｚ方向の並進とヨー方向の旋回に加え、ロール方向の回転とピッチ方向の回転も含めた６次元推力空間における推力を独立に発生させることが可能である。
【００７１】
カメラＣの配置位置も、機器収納部Ｍの底部に限定されず、縦桟の一部に固定する等、適宜変更を加えても構わない。
バルーンのサイズや機体の全高或いは全幅、さらに各スラスタの推力についても、実際の使用状況次第で適宜改変を加えて構わない。
【００７２】
また本発明による浮遊移動体の制御システムとしては、この浮遊移動体を、浮遊移動体の一部を占める、単一剛体とみなし得る本体部と、浮遊移動体に対して推力を発生する効果器部に分離した上、この本体部と効果器部を力学的に結合する唯一の部分（推力伝達ゲート）に力・トルクセンサを設置するか、あるいは加速度センサを設置することによって仮想的に推力伝達ゲートを構成するか、いずれかによって本体部と効果器部の間に掛かる力とトルクを全て計測出来、この値をフィードバックすれば、浮遊移動体に与えるべき推力が得られる。その推力指令値を式(11)に代入することによって各スラスタへ指令すべき角速度が得られる。つまり、浮遊移動体の推力を直接制御出来、それによって、波浪や潮流等の流体力学的な外乱下にあっても、浮遊移動体を所定位置に精度良く静止させたり、或いは目標軌道に精度良く追従させたりすることが可能である（特許文献１参照）故、当該システムを適用することも有用である。この制御システムを用いて本発明に係る浮遊移動体を制御することで、よりスムーズに浮遊移動体を制御することが可能となる。
【００７３】
［産業上の利用可能性］
以上からも理解される通り、本発明では、バルーン自体は、姿勢制御に用いられることを主目的に備えられており、バルーンとスラスタからなる浮遊移動体全体のコントロールはスラスタによって、より具体的には各スラスタのファン回転数の強弱を制御することによって行われる基本構造となっている。
このように、浮遊移動体全体の移動制御と姿勢制御とを別々に行うことが出来、しかも従来のハイブリッド飛行船より相対的に小型なバルーンを備えることで高い運動性能を発揮し得る本発明の浮遊移動体は、静止（ホバリング）と高精度な軌道制御など、低速度域での運用を主体とする用途に特に有用な、新規かつ革新的なものであることが明らかである。
【符号の説明】
【００７４】
１、１０  ハイブリッド飛行船
Ｂ  バルーン
Ｃ  カメラ
Ｆ  フレーム
Ｍ  機器収納部
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６  スラスタ
【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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