(57)【要約】      （修正有）【課題】迅速かつ安全な降下が可能な回転翼航空機を提供する。【解決手段】複数の回転翼６０を備え、前記複数の回転翼は、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、前記複数の回転翼は、機体を平面視したときに、該機体の重心部を通る直線を軸として線対称に、または、該機体の重心部を中心として点対称に配置されており、飛行中に、対称位置にある少なくとも一組の前記回転翼の回転面ｓを、その組を構成する各回転翼を結ぶ直線と平行に、かつ互いに反対方向に傾けることが可能である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の回転翼を備え、
前記複数の回転翼は、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、
前記複数の回転翼は、機体を平面視したときに、該機体の重心部を通る直線を軸として線対称に、または、該機体の重心部を中心として点対称に配置されており、
飛行中に、対称位置にある少なくとも一組の前記回転翼の回転面を、その組を構成する各回転翼を結ぶ直線と平行に、かつ互いに反対方向に傾け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２】
前記少なくとも一組の回転翼の回転面は、同時に、かつ同じ大きさの角度で傾けられることを特徴とする請求項１に記載の回転翼航空機。
【請求項３】
前記少なくとも一組の回転翼を構成する各回転翼は、互いに他方の回転翼側に回転面が傾けられることを特徴とする請求項１に記載の回転翼航空機。
【請求項４】
前記少なくとも一組の回転翼は、その組を構成する各回転翼を支持するアームが上方または下方に傾けられることで、それらの回転面が傾けられる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５】
前記少なくとも一組の回転翼は、これら回転翼の回転数が所定の閾値を下回ったときにその回転面が傾けられることを特徴とする請求項１に記載の回転翼航空機。
【請求項６】
無人航空機であることを特徴とする請求項１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、回転翼航空機の安全技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１にはティルトローター航空機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ９１／０５７０４号パンフレット
【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、これらプロペラの回転数（本発明では回転速度と同義。以下同じ。）を制御することで揚力を調節する。このような回転翼航空機では、機体を降下させるときにはプロペラの回転数を下げる必要がある。一方、プロペラで機体の姿勢を制御するためには、プロペラ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場合、プロペラは失速し、回転翼航空機は墜落する。すなわち、機体を降下させる速度には限界があり、急降下には墜落の危険が伴うということである。
【０００５】
また、このような回転翼航空機は、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飛行高度を維持する。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。例えば上昇気流のある場所で機体を降下させる場合、上昇気流に対処するための回転数の低下と、降下のための回転数の低下とが重なる。このような状況でプロペラの失速を回避するためには、一般に、機体を水平に移動させることで揚力を水平方向への推進力として消費しながら、徐々に機体を降下させる必要がある。この方法による場合、着陸までに時間を要するため、高度によってはバッテリーの残量に注意する必要がある。
【０００６】
上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、迅速かつ安全な降下が可能な回転翼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】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の回転翼航空機は、複数の回転翼を備え、前記複数の回転翼は、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、前記複数の回転翼は、機体を平面視したときに、該機体の重心部を通る直線を軸として線対称に、または、該機体の重心部を中心として点対称に配置されており、飛行中に、対称位置にある少なくとも一組の前記回転翼の回転面を、その組を構成する各回転翼を結ぶ直線と平行に、かつ互いに反対方向に傾けることが可能であることを特徴とする。
【０００８】
水平に配置された回転翼を傾けると、その推力は上方への推力と側方への推力とに分解される。つまり、同じ回転数であっても、回転面を傾斜させることでその回転翼の揚力（上方への推力）を下げることができる。こうすることで、回転翼の回転数を確保しながらその揚力を制限することができる。一方、分解された側方への推力は機体を意図しない方向へ誘導するおそれがある。本発明では、対称位置にある回転翼が互いに反対方向に傾けられることで、側方への推力が相殺される。これにより、回転翼航空機の迅速かつ安全な降下が可能となる。
【０００９】
また、前記少なくとも一組の回転翼の回転面は、同時に、かつ同じ大きさの角度で傾けられることが好ましい。
【００１０】
対称位置にある回転翼を同時に、かつ同じ大きさの角度で傾けることにより、回転面が傾けられることによる姿勢の乱れを軽減することができる。
【００１１】
また、前記少なくとも一組の回転翼を構成する各回転翼は、互いに他方の回転翼側に回転面が傾けられることが好ましい。
【００１２】
対称位置にある回転翼を互いに外側に向けるように傾けることによっても、側方への推力を相殺することはできる。しかしこの場合、機体が傾くと、その傾きを増大させる方向へ推力が作用する。例えば、一方の回転翼の位置が下がるように機体が傾いた場合、他方の回転翼の回転面は水平に近づき、鉛直上方への推力が大きくなる。これにより他方の回転翼はさらに持ち上げられ、機体の傾きが増大する。一方、本構成のように、これら回転翼の回転面を互いに内側に（その組を構成する他方の回転翼側に）傾けた場合、一方の回転翼の位置が下がるように機体が傾くと、同回転翼の回転面は水平に近づき、鉛直上方への推力が大きくなる。これにより同回転翼は持ち上げられ、機体の傾きが小さくなる。このように、対象位置にある回転翼の回転面を互いに他方の回転翼側に傾けることで、機体の水平をより容易に維持することが可能となる。
【００１３】
また、前記少なくとも一組の回転翼は、その組を構成する各回転翼を支持するアームが上方または下方に傾けられることで、それらの回転面が傾けられることが好ましい。
【００１４】
対称位置にある回転翼の回転面を互いに内側に（その組を構成する他方の回転翼側に）傾ける場合、その傾倒可能角度は、回転翼がアームに接触しない範囲に制限される。これら回転翼をアームごと傾けることにより、このような制限をうけることなく回転面を傾けることが可能となる。
【００１５】
また、前記少なくとも一組の回転翼は、これら回転翼の回転数が所定の閾値を下回ったときにその回転面が傾けられることが好ましい。
【００１６】
本発明の回転翼航空機は、対称位置にある回転翼を互いに反対方向に傾けることで側方への推力を相殺し、飛行の安定性を保っている。しかし、すべての回転翼が水平に配置された状態に比べるとその安定性は劣る。そこで、通常時は回転翼を水平にした状態で飛行し、回転翼の回転数が危険域に入ったときにのみ回転面を傾けるようにすることで、通常飛行時の飛行安定性と、降下時など低揚力が要求される環境下での安全性とを両立することができる。
【００１７】
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。
【００１８】
複数の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、その低揚力時における安全性を顕著に改善することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明の回転翼航空機によれば、迅速かつ安全な降下が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図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】マルチコプターの平面模式図である。
【図３】マルチコプターの揚力制限機構の動作および原理を示す模式図である。
【図４】ロータの回転面を互いに向き合うように傾けたときの姿勢制御への影響を示す模式図である。
【図５】ロータの回転面を互いに外側に向けるように傾けたときの姿勢制御への影響を示す模式図である。
【図６】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】マルチコプターの変形例を示す平面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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、複数の回転翼を備える無人回転翼航空機であるマルチコプター１０についての例である。
【００２２】
（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、空撮を行うことを目的とした機体である。空撮用マルチコプターは、その用途上、地上数十ｍから１００ｍ程度の高所を飛行することがある。これを安全に降下させるためには、急降下を避け、プロペラの失速に注意を払う必要がある。
【００２３】
マルチコプター１０は、機体の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５０、各アームの先端に配置されたロータ６０、および、姿勢安定化装置に支持されたカメラ９０を有している。本例のアーム５０はシェル１１の側面に沿って周方向等間隔に配置されており、シェル１１から平面視放射状に延びている。なお、本例のマルチコプター１０は６基のロータ６０を備えたヘキサコプターであるが、ロータの数は６基には限られず、３基のロータを備えたトライコプターや、４基のロータを備えたクアッドコプター、８基のロータを備えたオクタコプターであってもよく、さらに多くのロータを備えてもよい。
【００２４】
ロータ６０には、その回転数が制御されることで揚力が調節される固定ピッチプロペラが装着されている。ロータ６０は、その基本姿勢において、回転軸の軸線が上下方向に延び、プロペラの回転面が上方に向けられる、いわゆる水平回転翼である。なお、本発明でいう「回転面」とは、特にその吸気側の面を指している。
【００２５】
（揚力制限機構）
以下、本例のマルチコプター１０の揚力制限機構について説明する。揚力制限機構は、例えばマルチコプター１０を降下させるとき、またはマルチコプター１０が上昇気流に煽られたときなど、マルチコプター１０の揚力を大きく下げる必要があるときに、ロータ６０の回転数を安全域に保つことでプロペラの失速を防ぎつつ、揚力（鉛直上方への推力）を減少させる機構である。
【００２６】
図２はマルチコプター１０の平面模式図である。マルチコプター１０のロータ６０は、マルチコプター１０を平面視したときに、マルチコプター１０の重心部ｇを対称の中心ｃとして点対称に配置されている。より具体的には、マルチコプター１０のロータ６０は、点対称に配置された３組のロータ６０（丸付き数字１〜３）で構成されている。なお、マルチコプター１０の重心位置は、マルチコプター１０に搭載される各機材の位置や重量などにより変動する。本発明でいう「重心部」とは、機体のおおよその中心という程度の意味である。
【００２７】
図３はマルチコプター１０の揚力制限機構の動作および原理を示す模式図である。図３（ａ）は、図１のマルチコプター１０を矢示Ａ方向から見た模式図である。図３（ａ）では、説明の便宜上、シェル１１と、対称位置にある一組のロータ６１，６２、およびこれらを支持するアーム５１，５２以外の記載を省略している。図３（ｂ）は、図３（ａ）のロータ６１の部分拡大図である。以下に説明するロータ６１，６２やアーム５１，５２の構造・特徴は、他の組を構成するロータ６０やアーム５０についても同様である。
【００２８】
本例のマルチコプター１０は、図３（ａ）に示すように、アーム５１，５２を上方に傾けてロータ６１，６２の回転面ｓを傾けることができる。より具体的には、マルチコプター１０は、各組（図２の丸付き数字１〜３）を構成するロータ６０の回転面ｓを、互いにその組の他方のロータ６０側に傾けることができる。言い換えると、本例のマルチコプター１０は、対称位置にあるロータ６０を、互いにその回転面ｓが向き合うように傾けることができる。
【００２９】
図３（ｂ）に示されるように、ロータ６１の回転面ｓを傾けると、その推力Ｆは上方への推力ｆ１（揚力）と側方への推力ｆ２とに分解される。つまり、ロータ６１を同じ回転数で駆動しても、回転面ｓを傾斜させることでその揚力（上方への推力ｆ１）を下げることができる。マルチコプター１０はこの揚力制限機構を備えることにより、ロータ６０の回転数を維持しながらその揚力を制限することが可能とされている。すなわち、ロータ６０の失速を防ぎ、機体を迅速かつ安全に降下させることが可能とされている。
【００３０】
一方、分解された側方への推力ｆ２は、機体を意図しない方向へ誘導するおそれがある。本例では、対称位置にあるロータ６０の各組が、互いにその回転面ｓが向き合うように傾けられることで、側方への推力ｆ２が相殺される。また、本例のアーム５０（および回転面ｓ）は、同時に、かつ同じ大きさの角度θで傾けられる（図３（ａ））。これにより、回転面ｓを傾けることによる姿勢の乱れが軽減される。
【００３１】
上でも述べたように、本例のマルチコプター１０は、ロータ６０の回転面ｓを、これを支持するアーム５０とともに傾ける。例えばアーム５０を傾けることなくロータ６０のみを傾ける場合、ロータ６０の傾倒可能角度は、そのプロペラがアーム５０に接触しない範囲に制限される。本例では、ロータ６０をアーム５０とともに傾けることにより、このような制限をうけることなくその回転面ｓを傾けることが可能とされている。ただし、例えば、アーム５０に対するロータ６０の位置を高くするアダプタを用いたり、アーム５０の形状を工夫したりすることで、ロータ６０のみを傾けることも可能である。
【００３２】
図４および図５は、回転面ｓが傾くことによる機体の姿勢制御への影響を示す模式図である。図４はこれまでに述べたマルチコプター１０の例であり、アーム５０を上方に傾けた状態、つまり対称位置にあるロータ６０の回転面ｓを互いに向き合うように傾けた状態を示している。図５はこれと異なり、マルチコプター１０のアーム５０を下方に傾けた状態、つまり対称位置にあるロータ６０の回転面ｓを互いに外側に向けるように傾けた状態を示している。
【００３３】
図３で示したように、本例のマルチコプター１０は、アーム５０を上方に傾けることで対称位置にあるロータ６０を互いにその回転面ｓが向き合うように傾ける。これにより、各ロータ６０の揚力ｆ１を制限しつつ、分解された側方への推力ｆ２を相殺する。ところで、この原理を利用する場合、対称位置にあるロータ６０の回転面ｓを互いに外側に向けるように傾けることによっても、同様の効果を得ることは可能である。すなわち、対称位置にあるロータ６０の回転面ｓを、その組を構成する各ロータ６０を結ぶ直線と平行に、かつ互いに反対方向に傾ければ、本例のマルチコプター１０の態様に限らず、揚力ｆ１を制限して側方への推力ｆ２を相殺することは可能である。
【００３４】
ただし、図５の態様による場合は、マルチコプター１０の機体が傾くと、その傾きを増大させる方向へ推力が作用する。例えば、図５（ａ）に示すように、ロータ６１の位置が下がるように機体が傾いた場合、他方のロータであるロータ６２の回転面ｓは水平に近づき、鉛直上方への推力（揚力）Ｌ２が大きくなる。一方、ロータ６１はその傾きが大きくなることにより揚力Ｌ１が小さくなる。これによりロータ６２がさらに持ち上げられ、機体の傾きが増大する（図５（ｂ））。
【００３５】
一方、これらロータ６１，６２の回転面ｓを互いに内側に傾けた場合、図４（ａ）に示すように、ロータ６１の位置が下がるように機体が傾くと、ロータ６１の回転面ｓは水平に近づき、揚力Ｌ１が大きくなる。一方、ロータ６２はその傾きが大きくなることにより揚力Ｌ２が小さくなる。これによりロータ６１が持ち上げられ、機体の傾きが小さくなる。このように、本例では、対象位置にあるロータ６０の回転面ｓを互いに内側に傾けることで、機体の水平をより容易に維持することが可能とされている。
【００３６】
（機能構成）
図６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、６基のロータ６０とこれを支持するアーム５０、ロータ６０が備えるブラシレスモータ（図示せず）の駆動回路であるＥＳＣ６０１（Electric Speed Controller）、アーム５０を駆動するサーボ５０１、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９０、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。
【００３７】
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を有している。
【００３８】
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。
【００３９】
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、対地高度を得る方法が考えられる。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。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。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。
【００４０】
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の位置を特定してもよい。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
そして、本例の飛行制御プログラムＦＳは、ロータ６０の回転数が所定の閾値を下回ったときにロータ６０の回転面ｓを傾けるように設定されている。かかる閾値は、ロータ６０のプロペラがその操舵機能を発揮可能な下限回転数に対して安全を確保するための余裕を加味した回転数である。つまり、ロータ６０の失速を未然に防止可能な回転数である。
【００４４】
本例のマルチコプター１０は、対称位置にあるロータ６０の回転面ｓを互いに向き合うように傾けることで側方への推力ｆ２を相殺し、飛行の安定性を保っている。しかし、すべてのロータ６０が水平に配置された状態に比べるとその安定性は劣る。そこで、本例の飛行制御プログラムＦＳは、通常時はロータ６０を水平にした状態で飛行し、ロータ６０の回転数が危険域に入ったときにのみその回転面ｓを傾けるように構成されている。これにより、通常飛行時の飛行安定性と、降下時など低揚力が要求される環境下での安全性とが両立されている。
【００４５】
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、自律飛行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。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。本例ではこのような無人航空機に本発明が適用されることにより、その低揚力時における安全性が顕著に改善されている。
【００４６】
（変形例）
図７は、マルチコプター１０の変形例を示す平面模式図である。上でも述べたように、上記実施形態のマルチコプター１０のロータ６０は、マルチコプター１０を平面視したときに、その機体の重心部ｇを対称の中心ｃとして点対称に配置されている（図２参照）。ロータ６０の配置方法はこの他にも、例えば図７に示すように、機体を平面視したときに、機体の重心部ｇを通る直線を対称の軸ａとして線対称に配置されてもよい。図７の例では、２組のロータ６０（図７の丸付き数字１，２）が線対称に配置されている。これらロータ６０の回転面ｓも、アーム５０が上方に傾けられることで、互いにその組を構成する他方のロータ６０側に傾けられる。
【００４７】
また、上記実施形態および変形例のマルチコプター１０では、全てのロータ６０の回転面ｓが傾けられるが、ロータ６０は常にその全てが傾けられる必要はなく、対称位置にある少なくとも一組のロータ６０を傾けることができれば、効果の一部を得ることはできる。
【００４８】
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】
【００４９】
１０  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
ＦＳ  飛行制御プログラム
５０，５１，５２  アーム
６０，６１，６２  ロータ（回転翼）
ｇ  重心部
ｓ  回転面
【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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