(57)【要約】【課題】上昇気流などの外乱に対する回転翼航空機の操舵安定性とその飛行効率との柔軟な調整を可能とする。【解決手段】複数の水平回転翼を備える回転翼航空機であって、複数の水平回転翼は、直径が異なるプロペラである大径プロペラおよび小径プロペラ、または、ピッチ角が異なるプロペラである大ピッチプロペラおよび小ピッチプロペラを含んでおり、大径プロペラおよび大ピッチプロペラを大揚力プロペラと呼び、小径プロペラおよび小ピッチプロペラを小揚力プロペラと呼ぶ場合に、大揚力プロペラおよび小揚力プロペラは、回転数を制御することで揚力が調節される固定ピッチプロペラであり、小揚力プロペラは、大揚力プロペラの回転数が所定の閾値を下回ったときに駆動されることを特徴とする回転翼航空機、および、飛行中に大揚力プロペラの回転数をそのジャイロ効果または揚力が失われる回転数以下に下げることが可能な回転翼航空機により解決する。【選択図】図１
2019064581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の水平回転翼を備える回転翼航空機であって、
前記複数の水平回転翼は、直径が異なるプロペラである大径プロペラおよび小径プロペラ、または、ピッチ角が異なるプロペラである大ピッチプロペラおよび小ピッチプロペラを含んでおり、
前記大径プロペラおよび前記大ピッチプロペラを大揚力プロペラと呼び、前記小径プロペラおよび前記小ピッチプロペラを小揚力プロペラと呼ぶ場合に、
前記大揚力プロペラおよび前記小揚力プロペラは、回転数を制御することで揚力が調節される固定ピッチプロペラであり、
前記小揚力プロペラは、前記大揚力プロペラの回転数が所定の閾値を下回ったときに駆動されることを特徴とする回転翼航空機。
【請求項２】
複数の水平回転翼を備える回転翼航空機であって、
前記複数の水平回転翼は、直径が異なるプロペラである大径プロペラおよび小径プロペラ、または、ピッチ角が異なるプロペラである大ピッチプロペラおよび小ピッチプロペラを含んでおり、
前記大径プロペラおよび前記大ピッチプロペラを大揚力プロペラと呼び、前記小径プロペラおよび前記小ピッチプロペラを小揚力プロペラと呼ぶ場合に、
前記大揚力プロペラおよび前記小揚力プロペラは、回転数を制御することで揚力が調節される固定ピッチプロペラであり、
飛行中に前記大揚力プロペラの回転数をそのジャイロ効果または揚力が失われる回転数以下に下げることが可能であることを特徴とする回転翼航空機。
【請求項３】
複数の前記小揚力プロペラを有し、
前記複数の小揚力プロペラは、これら小揚力プロペラのみでも機体の水平を維持可能な位置に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転翼航空機。
【請求項４】
前記大揚力プロペラと前記小揚力プロペラとは一対一の組み合わせで複数組備えられており、これら各組の大揚力プロペラおよび小揚力プロペラは同軸に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回転翼航空機。
【請求項５】
前記各組の大揚力プロペラおよび小揚力プロペラは同時に駆動可能であり、
前記各小揚力プロペラは、その対となる前記大揚力プロペラの排気側に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転翼航空機。
【請求項６】
前記小揚力プロペラの最大揚力の合計は、前記回転翼航空機の重量よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の回転翼航空機。
【請求項７】
前記大揚力プロペラの最大揚力の合計は、前記小揚力プロペラの最大揚力の合計よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の回転翼航空機。
【請求項８】
無人航空機であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の回転翼航空機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転翼航空機の操舵安定性に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、ヘリコプターのメインロータが故障したときに、別途備えた補助ロータでこれを軟着陸させようとする構想が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−２７４９９５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ピッチ角が固定されたプロペラ（固定ピッチプロペラ）を使用する回転翼航空機は、通常、各プロペラの回転数（本願では回転速度と同義。以下同じ。）を制御することでこれらプロペラの揚力を調節する。このような回転翼航空機は、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。一方、プロペラがその本来の機能を発揮するためには、十分な揚力や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、プロペラは機体の制御機能を失い、回転翼航空機は操舵不能に陥る。
【０００５】
上記問題に鑑み、本発明は、上昇気流などの外乱に対する回転翼航空機の操舵安定性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の回転翼航空機は、複数の水平回転翼を備え、前記複数の水平回転翼は、直径が異なるプロペラである大径プロペラおよび小径プロペラ、または、ピッチ角が異なるプロペラである大ピッチプロペラおよび小ピッチプロペラを含んでおり、前記大径プロペラおよび前記大ピッチプロペラを大揚力プロペラと呼び、前記小径プロペラおよび前記小ピッチプロペラを小揚力プロペラと呼ぶ場合に、前記大揚力プロペラおよび前記小揚力プロペラは、回転数を制御することで揚力が調節される固定ピッチプロペラであり、前記小揚力プロペラは、前記大揚力プロペラの回転数が所定の閾値を下回ったときに駆動されることを特徴とする。
【０００７】
直径の小さなプロペラ（小径プロペラ）を使って、これよりも直径の大きなプロペラ（大径プロペラ）と同等の揚力を得ようとする場合、小径プロペラは大径プロペラよりも高速に回転させる必要がある。つまり、ある揚力を得ようとするときに、大径プロペラだとそのジャイロ効果や揚力が失われる回転数に陥る場合でも、小径プロペラであれば十分な回転数が得られる場合がある。この意味で、小径プロペラは、大径プロペラよりも上昇気流などの外乱に強いといえる。一方で、小径プロペラを高速で回転させるよりも、大径プロペラを低速で回転させた方が、プロペラ効率やエネルギー効率の点では優れている。この関係は、ピッチ角の小さなプロペラ（小ピッチプロペラ）と、これよりもピッチ角の大きなプロペラ（大ピッチプロペラ）との間にも成り立つ。これら大径プロペラや大ピッチプロペラ（大揚力プロペラ）と、小径プロペラや小ピッチプロペラ（小揚力プロペラ）の両方を備えることにより、外乱への耐性と効率とのバランスを柔軟に調節することが可能となる。また、大揚力プロペラの回転数が所定の閾値を下回ったときに小揚力プロペラを駆動することにより、外乱への耐性とエネルギー効率とをより理想的に両立させることが可能となる。
【０００８】
また、上記課題を解決するため、本発明の回転翼航空機は、複数の水平回転翼を備える回転翼航空機であって、前記複数の水平回転翼は、直径が異なるプロペラである大径プロペラおよび小径プロペラ、または、ピッチ角が異なるプロペラである大ピッチプロペラおよび小ピッチプロペラを含んでおり、前記大径プロペラおよび前記大ピッチプロペラを大揚力プロペラと呼び、前記小径プロペラおよび前記小ピッチプロペラを小揚力プロペラと呼ぶ場合に、前記大揚力プロペラおよび前記小揚力プロペラは、回転数を制御することで揚力が調節される固定ピッチプロペラであり、飛行中に前記大揚力プロペラの回転数をそのジャイロ効果または揚力が失われる回転数以下に下げることが可能であることを特徴とする。
【０００９】
通常、回転翼航空機のプロペラは、機体の制御能力を失わない程度に回転数を維持する必要がある。本発明では、大揚力プロペラの回転数をそのジャイロ効果や揚力が失われるレベルまであえて引き下げ可能とし、小揚力プロペラのみでの飛行を可能とすることにより、回転翼航空機の揚力の下限を大きく下げることが可能となる。
【００１０】
また、本発明の回転翼航空機は、複数の前記小揚力プロペラを有し、前記複数の小揚力プロペラは、これら小揚力プロペラのみでも機体の水平を維持可能な位置に配置されていることが好ましい。
【００１１】
小揚力プロペラのみで機体の水平を維持可能とすることにより、大揚力プロペラのジャイロ効果や揚力が失われた場合でも、小揚力プロペラでその状況を脱出または機体を軟着陸させることが可能となる。なお、ここでいう「水平を維持可能」とは、機体の傾きを制御可能という意味であり、必ずしも機体の向き（方位）や、高度を維持可能である必要はない。
【００１２】
また、本発明の回転翼航空機は、前記大揚力プロペラと前記小揚力プロペラとが一対一の組み合わせで複数組備えられており、これら各組の大揚力プロペラおよび小揚力プロペラは同軸に配置されている構成としても良い。
【００１３】
各組の大揚力プロペラと小揚力プロペラとを同軸に配置することにより、例えばこれらを支持するアームの本数を抑えることができ、機体の部品効率や構造効率を高めることができる。
【００１４】
また、この場合、前記各組の大揚力プロペラおよび小揚力プロペラは同時に駆動可能であり、前記各小揚力プロペラは、その対となる前記大揚力プロペラの排気側に配置されていることが好ましい。
【００１５】
水平回転翼は、横風を受けたときにプロペラから気流が剥離して揚力が低下することがある。このときに、損なわれた揚力を補うべく回転数が上げられると気流の剥離は悪化する。この現象は機体の姿勢の乱れや騒音の原因となる。本構成の小揚力プロペラは大揚力プロペラの排気側に配置され、大揚力プロペラが駆動されることでそのダウンウォッシュに覆われることから横風の影響を受けにくい。そして、大揚力プロペラの揚力が低下したときには小揚力プロペラがこれを補うように駆動されるため、大揚力プロペラの気流の剥離が抑制される。これにより、回転翼航空機の外乱に対する耐性をより高めることができる。
【００１６】
また、本発明の回転翼航空機は、前記小揚力プロペラの最大揚力の合計が、前記回転翼航空機の重量よりも小さい構成としてもよい。
【００１７】
小揚力プロペラの揚力のみでは飛行高度が維持不能な場合でも、これら小揚力プロペラで機体の水平を維持可能とすれば、大揚力プロペラのジャイロ効果や揚力が失われた場合でも、小揚力プロペラのみで機体を軟着陸させることが可能となる。
【００１８】
また、本発明の回転翼航空機は、前記大揚力プロペラの最大揚力の合計が、前記小揚力プロペラの最大揚力の合計よりも大きいことが好ましい。
【００１９】
大揚力プロペラを補助的な推力源ではなく通常飛行時の主推力源として使用可能であることにより飛行中のエネルギー効率を高めることができる。
【００２０】
また、本発明の回転翼航空機は、無人航空機であってもよい。
【００２１】
複数の水平回転翼を備える無人航空機には軽量な機体が多く、有人機と比較してプロペラの回転数が下限に至りやすい傾向がある。このような無人航空機に本発明を適用することにより、その操舵安定性を顕著に改善することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明の回転翼航空機によれば、上昇気流などの外乱に対する操舵安定性とその飛行効率とを柔軟に調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１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】第１実施形態のマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。
【図３】小径プロペラによる操舵安定性向上効果を説明する模式図である（通常環境下）。
【図４】小径プロペラによる操舵安定性向上効果を説明する模式図である（上昇気流発生時）。
【図５】第２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６】第２実施形態のマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。
【図７】農薬散布前における、ホバリングに要する揚力を示す模式図である。
【図８】農薬散布後における、ホバリングに要する揚力を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、いずれも、複数の水平回転翼で飛行する無人回転翼航空機の例である。なお、本発明でいう「水平回転翼」とは、回転軸の軸線方向が鉛直に延び、回転面の面方向が水平となる回転翼をいう。
【００２５】
［第１実施形態］
（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。本例のマルチコプター１０は、空撮を行うことをその目的とした機体である。
【００２６】
マルチコプター１０は、主に、制御システムを収容するケース体であるシェル１１、円筒状のパイプ材からなる６本のアーム１２、大径プロペラ６１を有するロータ６０、小径プロペラ７１を有するロータ７０、および姿勢安定化装置に載置されたカメラ９１と、を有している。大径プロペラ６１は本発明の大揚力プロペラの一種であり、小径プロペラ７１は、本発明の小揚力プロペラの一種である。
【００２７】
大径プロペラ６１と小径プロペラ７１は、互いに直径が異なるプロペラである。本例では、小径プロペラ７１には、大径プロペラ６１の半分程度の直径を有するプロペラが採用されている。また、これら大径プロペラ６１および小径プロペラ７１は、回転数を制御することで揚力が調節される固定ピッチプロペラである。なお、本例のマルチコプター１０は、大径プロペラ６１のみ、または小径プロペラ７１のみでも全ての飛行動作を行うことができる。
【００２８】
マルチコプター１０のアーム１２は、シェル１１から水平方向に放射状に延びており、これらはシェル１１を中心としてその周方向に沿って等間隔に配置されている。大径プロペラ６１（ロータ６０）および小径プロペラ７１（ロータ７０）は各アーム１２の先端に配置されている。大径プロペラ６１と小径プロペラ７１とは一対一に組み合わされており、これら各組の大径プロペラ６１および小径プロペラ７１は同軸に配置されている。また、本例では、各小径プロペラ７１は、その対となる大径プロペラ６１の排気側に配置されている。本例では、一本のアーム１２につき大径プロペラ６１（ロータ６０）と小径プロペラ７１（ロータ７０）の二つのプロペラが支持されていることで、これらを支持するアーム１２の本数が抑えられており、機体の部品効率や構造効率が高められている。
【００２９】
（機能構成）
図２は本例のマルチコプター１０の機能構成を示すブロック図である。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、大径プロペラ６１を駆動するロータ６０、小径プロペラ７１を駆動するロータ７０、これらロータ６０，７０が備えるブラシレスモータ（図示せず）の駆動回路であるＥＳＣ５０（Electric Speed Controller）、操縦者（送信機４１）からの操縦信号を受信する受信器４２、外部装置であるカメラ９１、および、これらに電力を供給するバッテリー８０により構成されている。
【００３０】
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を備えている。制御装置２０は、中央処理装置であるＣＰＵ２１、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、および、ＥＳＣ５０を介して各ロータ６０，７０の回転数を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）コントローラ２３を有している。
【００３１】
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、高度センサ３３、および電子コンパス３４を含む飛行制御センサ群Ｓを有しており、これらは制御装置２０に接続されている。
【００３２】
ＩＭＵ３１はマルチコプター１０の機体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。本例の高度センサ３２には気圧センサが用いられている。高度センサ３２は、検出した気圧高度からマルチコプター１０の海抜高度（標高）を算出する。高度センサ３３の態様としてはこの他にも、例えばレーザや赤外線、超音波などを利用した測距センサを地表に向けて、対地高度を取得することが考えられる。本例の電子コンパス３３には３軸地磁気センサが用いられている。電子コンパス３３はマルチコプター１０の機首の方位角を検出する。ＧＰＳ受信器３４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３４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および時刻情報を取得する。フライトコンローラＦＣは、これら飛行制御センサ群Ｓ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ことが可能とされている。
【００３３】
なお、本例の飛行制御センサ群Ｓ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に所定間隔で配置し、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し、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に別途カメラを搭載し、カメラで撮影した周囲の映像から画像認識により施設内の特徴箇所を検出し、これに基づいて施設内における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との距離を計測して、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も可能である。
【００３４】
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プログラムであ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Ｓから取得した情報を基に個々のロータ６０，７０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の飛行動作を制御する。
【００３５】
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の目的地や経由地の経緯度、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、送信機４１からの指示や所定の時刻などを開始条件として、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ことができる。本例ではこのような自律飛行機能を「オートパイロット」という。
【００３６】
このように、本例のマルチコプター１０は高度な飛行制御機能を備えた無人航空機である。ただし、本発明の回転翼航空機はマルチコプター１０の形態には限定されず、例えば飛行制御センサ群Ｓから一部のセンサが省略された機体や、オートパイロット機能を備えず手動操縦のみにより飛行可能な機体を用いることもできる。また、本発明の回転翼航空機には、離着陸のみを水平回転翼により行うＶＴＯＬ機（Vertical Take-Off and Landing：垂直離着陸機）も含まれる。さらに、本発明の回転翼航空機は無人機にも限られず、搭乗したパイロットが手動操縦する有人機であってもよい。
【００３７】
（プロペラ構成）
上でも述べたように、マルチコプター１０は、その水平回転翼として大径プロペラ６１および小径プロペラ７１の両方を有している。
【００３８】
小径プロペラ７１により大径プロペラ６１と同等の揚力を得ようとする場合、小径プロペラ７１は大径プロペラ６１よりも高速に回転させる必要がある。つまり、ある揚力を得ようとするときに、大径プロペラ６１だとそのジャイロ効果や揚力が失われる回転数に陥る場合でも、小径プロペラ７１であれば操舵に必要な回転数が得られる場合がある。一方、小径プロペラ７１を高速で回転させるよりも、大径プロペラ６１を低速で回転させた方が、プロペラ効率やエネルギー効率の点では優れている。マルチコプター１０は、これら大径プロペラ６１と小径プロペラ７１の両方を備えることにより、外乱への耐性と効率とのバランスを調節することが可能とされている。
【００３９】
ここで、大径プロペラ６１と小径プロペラ７１の直径の比は具体的には限定されない。本発明の大径プロペラおよび小径プロペラは、小径プロペラの直径が大径プロペラの直径よりも小さく、かつ、大径プロペラによる機体の制御が可能な回転数の下限における揚力よりも小さな揚力を、小径プロペラが機体の制御機能を維持しつつ（必要な回転数を確保しつつ）供給可能な関係にあればよい。通常、直径の異なる２つのプロペラ間ではこの関係が成り立つ。これら大径プロペラおよび小径プロペラの直径の比を左右する要素としては、例えば、飛行環境が屋内か野外か、屋内であってもそれは無風環境か、それともトンネルなどの特殊な気流が生じる環境か、野外であってもそれは開けた場所か、それとも壁面や山肌に沿った場所か、さらには、要求されるエネルギー効率や、機体の姿勢制御に要求される最低揚力などが考えられる。
【００４０】
大径プロペラと小径プロペラの両方を備えることは、つまり、安定して得られる揚力の幅が拡張されるということである。大径プロペラと小径プロペラの直径の差が小さくなれば、当然、拡張される揚力の幅も小さくなり、直径の差が大きくなれば拡張される揚力の幅も大きくなる。大径プロペラと小径プロペラの直径の比は、上昇気流などの外乱への耐性と効率とのバランスを考慮して、飛行環境に応じた最適な比を設定すればよい。
【００４１】
本例の飛行制御プログラムＦＳは、基本的には大径プロペラ６１（ロータ６０）のみでマルチコプター１０を飛行させる。そして、飛行制御プログラムＦＳは、大径プロペラ６１のジャイロ効果や揚力が失われるおそれがある回転数に対して、安全確保のための余裕を加味した回転数を閾値として、大径プロペラ６１の回転数がこの閾値を下回ったときに小径プロペラ７１を駆動する。つまり、そのときどきに要求される揚力の大きさに応じて、大径プロペラ６１と小径プロペラ７１とを使い分ける。これにより、外乱への耐性と効率とがより理想的に両立されている。
【００４２】
一方、上でも述べたように、本例の大径プロペラ６１と小径プロペラ７１とは一対一に組み合わされており、これら各組の大径プロペラ６１および小径プロペラ７１は同軸に配置されている。そして、各小径プロペラ７１は、その対となる大径プロペラ６１の排気側に配置されている。
【００４３】
水平回転翼は、横風を受けたときにプロペラから気流が剥離して揚力が低下することがある。このときに、損なわれた揚力を補うべく回転数が上げられると気流の剥離は悪化する。この現象は機体の姿勢の乱れや騒音の原因となる。本例の小径プロペラ７１は、大径プロペラ６１の排気側に配置されおり、常に大径プロペラ６１のダウンウォッシュで覆われている。そのため小径プロペラ７１は横風の影響を受けにくい。
【００４４】
すなわち、マルチコプター１０の構成を、小径プロペラ７１および大径プロペラ６１の両方を常に駆動するように変更すれば、大径プロペラ６１から気流が剥離したときに、その損なわれた揚力を小径プロペラ７１で直ちに補うことが可能となる。これにより大径プロペラ６１の気流の剥離が抑制され、マルチコプター１０の外乱に対する耐性をより高めることができる。
【００４５】
図３および図４は、小径プロペラ７１によりマルチコプター１０の操舵安定性が向上する原理を説明する模式図である。以下、これらの図を参照して説明する。なお、図３および図４は、説明の便宜上、要点のみを強調して細部を簡略化した概要図であり、実態と厳密に一致するものではない。
【００４６】
図３および図４の縦軸は揚力の大きさを０から９の段階で示している。なお、以下の説明においてプロペラの機能の喪失とは、プロペラの回転数が下がることでそのプロペラのジャイロ効果や揚力が失われること、つまりそのプロペラによる機体の制御機能が失われることを意味している。揚力０は揚力が発生していない状態であり、揚力９は最も大きな揚力が発生している状態である。この例では、大径プロペラ６１により得られる揚力の幅は３から８である。小径プロペラ７１により得られる揚力の幅は１から６である。大径プロペラ６１により得られる揚力の下限は３であり、これよりも揚力を下げると、つまりこれよりも回転数を下げると、大径プロペラ６１は機能を喪失し、機体は墜落する。小径プロペラ７１により得られる揚力の下限は１であり、これよりも回転数を下げると、小径プロペラ７１は機能を喪失し、機体は墜落する。
【００４７】
そして、図３では、揚力５のときにマルチコプター１０はホバリング状態となり、そのときの高度が維持される。ここでマルチコプター１０が、例えば突発的な上昇気流に煽られ、ホバリングに要する揚力が２まで低下したとする（図４）。このときに、例えばマルチコプター１０が大径プロペラ６１しか備えていなかったとして、マルチコプター１０の高度を維持するために大径プロペラ６１の回転数を下げていくと、大径プロペラ６１の揚力が３を下回ったときに、大径プロペラ６１は機能を喪失し、マルチコプター１０は墜落する。
【００４８】
一方、本例のマルチコプター１０は、大径プロペラ６１に加え、小径プロペラ７１も備えている。マルチコプター１０は、大径プロペラ６１の回転数の下限である揚力３に、安全確保のための余裕として揚力１を加味した揚力４を、小径プロペラ７１を駆動させる閾値としている。マルチコプター１０は、大径プロペラ６１の揚力が４を下回ったときには、小径プロペラ７１の駆動を開始する。そして、大径プロペラ６１がその機能を喪失した後も、小径プロペラ７１を揚力２で駆動させ、機体の高度を維持する。
【００４９】
このように、本例のマルチコプター１０は小径プロペラ７１を備えることにより、揚力１から３の範囲について、マルチコプター１０の操舵可能範囲が拡張されている。つまり、マルチコプター１０の操舵安定性が高められている。
【００５０】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明においては、先の実施形態と同一または同様の構成については、先の実施形態と同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５１】
（構成概要）
図５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１０ａの外観を示す斜視図である。本例のマルチコプター１０ａは、農薬の散布を行うことを目的とした機体である。このような農薬散布機は、農薬の散布前後において総重量が大きく変化するという性質を有している。
【００５２】
マルチコプター１０ａは、主に、制御システムを収容するケース体であるシェル１１、円筒状のパイプ材からなる８本のアーム１２、大ピッチプロペラ６２を有するロータ６０、小ピッチプロペラ７２を有するロータ７０、および農薬を散布する外部装置であるポンプ装置９２と、を有するオクタコプターである。大ピッチプロペラ６２は本発明の大揚力プロペラの一種であり、小ピッチプロペラ７２は、本発明の小揚力プロペラの一種である。
【００５３】
大ピッチプロペラ６２および小ピッチプロペラ７２は、互いにピッチ角が異なるプロペラである。小ピッチプロペラ７２には、大ピッチプロペラ６２よりも小さなピッチ角を有するプロペラが採用されており、これら大ピッチプロペラ６２および小ピッチプロペラ７２は、回転数を制御することで揚力が調節される固定ピッチプロペラである。なお、大ピッチプロペラ６２と小ピッチプロペラ７２のピッチ角の比は、第１実施形態の大径プロペラ６１および小径プロペラ７１の例と同様の理由により、具体的には限定されない。大ピッチプロペラと小ピッチプロペラのピッチ角の比は、上昇気流などの外乱への耐性と効率とのバランスを考慮して、飛行環境に応じた最適な比を設定すればよい。
【００５４】
マルチコプター１０ａのアーム１２は、シェル１１から水平方向に放射状に延びており、これらはシェル１１を中心としてその周方向に沿って等間隔に配置されている。大ピッチプロペラ６２（ロータ６０）および小ピッチプロペラ７２（ロータ７０）は各アーム１２の先端に配置されており、これら大ピッチプロペラ６２および小ピッチプロペラ７２は、シェル１１の周方向に沿って交互に配置されている。
【００５５】
（機能構成）
図６は本例のマルチコプター１０ａの機能構成を示すブロック図である。第１実施形態のマルチコプター１０と本例のマルチコプター１０ａとの機能構成上の違いとしては、大揚力プロペラが大ピッチプロペラ６２であること、小揚力プロペラが小ピッチプロペラ７２であること、搭載する外部装置の種類（カメラ９１，ポンプ装置９２）、および飛行制御プログラムＦＳによるロータ６０，７０の制御方法（後述）のみである。
【００５６】
（プロペラ構成）
本例の飛行制御プログラムＦＳは、大ピッチプロペラ６２（ロータ６０）と小ピッチプロペラ７２（ロータ７０）の両方を同時に駆動してマルチコプター１０ａを飛行させる。これら大ピッチプロペラ６２および小ピッチプロペラ７２を備えることでマルチコプター１０ａの操舵安定性が向上する原理は、第１実施形態の大径プロペラ６１および小径プロペラ７１の例と同様である。すなわち、大ピッチプロペラ６２に加え、小ピッチプロペラ７２を備えることで、マルチコプター１０ａの操舵可能範囲が拡張されるからである。
【００５７】
図７および図８は、農薬の散布前後における必要揚力の変化を示す模式図である。図７は農薬散布前、つまり農薬タンクに農薬が満充填されているときの状態を示している。図８は農薬散布後、つまり農薬タンクが空になったときの状態を示している。なお、図７および図８は、説明の便宜上、要点のみを強調して細部を簡略化した概要図であり、実態と厳密に一致するものではない。
【００５８】
図７に示すように、農薬散布前のマルチコプター１０ａは、小ピッチプロペラ７２の最大揚力の合計が、マルチコプター１０ａの全備重量よりも小さくなるように構成されている。ここで、本例でいう「全備重量」とは、農薬タンクに農薬が満充填され、マルチコプター１０ａの総重量が最大となった状態の重量をいい、農薬散布後の総重量は含まれない。
【００５９】
一方、これら小ピッチプロペラ７２は、シェル１１に対してクアッドコプターの配置とされており、小ピッチプロペラ７２のみでも機体の姿勢を制御可能な構成とされている。つまり、小ピッチプロペラ７２のみではマルチコプター１０ａの高度を維持することはできないが、降下中の機体の水平を維持することは可能ということである。本例では、小ピッチプロペラ７２のみで機体の水平を維持可能とすることにより、全ての大ピッチプロペラ６２の機能が喪失した場合でも、小ピッチプロペラ７２で機体を軟着陸させることが可能とされている。
【００６０】
そして図８に示すように、農薬散布後のマルチコプター１０ａは、機体が軽くなったことで、高度の維持に必要な揚力が４に低下している。つまり、マルチコプター１０ａが大ピッチプロペラ６２しか備えていなかった場合、マルチコプター１０ａが揚力１に相当する上昇気流に煽られるだけで大ピッチプロペラ６２はその機能を喪失するということである。マルチコプター１０ａは、大ピッチプロペラ６２に加え小ピッチプロペラ７２を備えていることにより、このような外乱により大ピッチプロペラ６２がその機能を喪失した場合でも、小ピッチプロペラ７２が機体を支持することで、機体の墜落を免れることができる。
【００６１】
通常、回転翼航空機のプロペラは、機体の制御能力を失わない程度に回転数を維持する必要がある。本例では、大ピッチプロペラ６２の回転数のみをその機能が喪失するレベルまであえて引き下げ可能とし、小ピッチプロペラ７２で機体の制御機能を維持することにより、マルチコプター１０ａの揚力の下限を大きく下げることが可能とされている。
【００６２】
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】
【００６３】
１０，１０ａ  マルチコプター（無人航空機（回転翼航空機））
ＦＣ  フライトコントローラ
６０  ロータ
６１  大径プロペラ（大揚力プロペラ（水平回転翼））
６２  大ピッチプロペラ（大揚力プロペラ（水平回転翼））
７０  ロータ
７１  小径プロペラ（小揚力プロペラ（水平回転翼））
７２  小ピッチプロペラ（小揚力プロペラ（水平回転翼））
【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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【図７】
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【図８】
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