(57)【要約】【課題】外部からの風の抗力に素早く対応し、機体を傾斜させずに、ホバリング位置や飛行経路を維持することができる無人航空機を提供する。【解決手段】風速・風向センサ８とティルト機構４を機体に備えている無人航空機であって、前記風速・風向センサ８により風の抗力の大きさと向きを検出し、制御装置９を用いてティルト機構４を駆動し推力を偏向させ、偏向により発生する推力の水平方向成分により、機体が風から受ける抗力のうちの少なくとも一部を相殺することによって、機体の位置及び飛行経路を所望通りに維持させ、風のなかでのホバリングや飛行経路を最適にすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自身に作用する風の風速を検出する装置を機体に備えている無人航空機であって、前記機体が受ける風の抗力のうちの少なくとも一部を相殺する相殺力を発生させる相殺推力装置を前記機体に備えていることを特徴とする無人航空機。
【請求項２】
前記機体に作用する風の風向の検出手段を該機体に備え、前記検出手段からの検出結果に基づいて前記相殺推力装置を駆動し、風による抗力の大きさと方向を相殺するようにその前記相殺推力装置の推力偏向を実施する駆動制御手段を前記機体に備えていることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
【請求項３】
前記相殺力発生装置を備える機体が、複数の回転翼を備え、かつ、自動操縦可能又は遠隔操縦可能なドローンから構成されていることを特徴とする請求項１〜２のうちのいずれか１項に記載の無人航空機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】    本発明は、飛行中の無人航空機に関する。
【背景技術】
【０００２】  無人航空機をホバリングや飛行させる場合、周囲の風の影響により機体が押され、位置や予定した飛行経路が維持できないことがある。このような場合、操縦者が目視により風の影響を見積もり、当て舵を行うことで所定の位置でのホバリングの維持や飛行経路を維持する。また、ＧＰＳ等の位置センサを搭載した無人航空機では、予定したホバリング位置や飛行経路の緯度経度とＧＰＳで実測した緯度経度の誤差から自動的に当て舵を行い、所定の位置でのホバリングの維持や飛行経路を維持する。
従来の方法では、当て舵により無人航空機を傾斜させ、その結果として推力を偏向、発生した推力の水平方向成分により風が無人航空機に及ぼす抗力を打ち消すことで、所定の位置でのホバリングの維持や飛行経路の維持を実現している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  従来方法では、無人航空機が風に押されて移動させられた結果を目視やＧＰＳにより検出し、その後当て舵を行うことで所定の位置でのホバリングの維持や飛行経路を維持する。そのため、移動させられてから元の位置に復帰するという、遅れをもつ動作となっている。【０００４】  また、当て舵により無人航空機を傾斜させて風の力に対抗するため、傾斜により空気抵抗が増大し、風による移動量が増加し、それに対抗してさらに傾斜を大きくせざるを得ない場合がある。その様な状況になると、傾斜が大きくなりすぎるために推力の垂直方向成分が小さくなり、機体の高度が失われる。そのため、高度を維持する操作も必要となる。【０００５】  さらに、目標の位置・飛行航路に機体を維持しているときに、風の向き・風速が変化した場合、維持に用いていた当て舵もあわせて変更する必要があるが、その際も風の抗力により機体が移動した結果をもってのみ風の向き・風速の変化が察知できるため、やはり遅れを持つ操作になる。【０００６】  本発明は前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、素早く風に対応し、しかも無人航空機を傾斜させずに、ホバリング位置や飛行経路の緯度経度を維持することができる無人航空機を提供するものである。【０００７】  本発明は主に屋外を飛行する無人航空機であって、この無人航空機は、前述の課題解決のために、無人航空機に対する風向・風速を計測するセンサと、すべての推力装置に対し、推力を任意の方向に偏向させる推力偏向装置を備え、前期抗力の相殺推力装置としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  上記のように、本発明の無人航空機は風向・風速を計測するセンサと推力を任意の方向に偏向させる推力偏向装置を機体に備えているので、どのような方向からの風に対しても風向きに対して推力を偏向することができる。【０００９】  又、本発明の無人航空機は、あらかじめ風による抗力と風の風速・風向の関係を計測しておき、前記検出手段からの検出結果に基づいて、風による抗力を相殺するための推力の偏向・大きさを設定しておいてもよい。【００１０】  そして、推力の偏向により発生する推力の水平方向成分により、機体が風から受ける抗力のうちの少なくとも一部を相殺することによって、機体の位置及び飛行経路を所望通りに維持させ易い。これにより、風のなかでのホバリングや飛行経路を最適にすることができる。【００１１】  又、本発明の無人航空機は、前記機体が受ける風による抗力および風速を検出する検出手段と前期抗力を相殺する推力装置を該機体に備え、前記検出手段からの検出結果に基づいて前記抗力の相殺推力装置とし、その駆動を制御する駆動制御手段を前記機体に備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】  上記構成によれば、機体が受ける風による抗力を検出する検出手段からの検出結果に基づいて相殺力発生装置の方向・推力を制御することによって、抗力の検出値に応じて相殺力発生装置を駆動させることができるので、抗力を確実に相殺することができる。【００１３】  又、本発明の無人航空機は、前記相殺力発生装置を備える機体が、複数の回転翼を備え、かつ、自動操縦可能又は遠隔操縦可能なマルチロータヘリコプタから構成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】風に対しプロペラ回転面を傾斜させてホバリング位置を維持しているマルチロータヘリコプタの図である。
【図２】風に対しプロペラを傾斜させて推力偏向差せた場合の推力の分力を示す図である。
【図３】ティルト装置の図である。
【図４】マルチロータヘリコプタの正面図である。
【図５】マルチロータヘリコプタの上面図である。
【図６】ティルト装置に関する制御のブロック図である。
【図７】向きを指定できるダクトファンを用いた推力偏向の実施例の図である。
【図８】風速センサとダクトファンを用いた実施例の図である。
【図９】複数のダクトファンの推力の合成を用いた実施例の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】  以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】  図１に、無人航空機の一例であるマルチロータヘリコプタ１に推力偏向機構としてティルト装置４を取り付け、風に対してプロペラ回転面２を傾けてホバリングしている状態を示している。
【００１７】  マルチロータヘリコプタ１は、プロペラ回転面２を傾けることで推力を偏向し、推力方向成分を発生させている。
【００１８】  図２では、マルチロータヘリコプタ１の左側から吹いている風に対し、ローター回転面２を左に傾けて推力１３を偏向させ、推力の水平方向成分１４と垂直方向成分１５を発生させることで、水平方向成分１４により風による抗力１６を相殺している様子を示しているが、例えばマルチロータヘリコプタ１の前方や後方、あるいは任意の方向からの風に対し、その方向にプロペラ回転面２を傾斜させて推力を偏向させてもよい。要するに、風の向きに合わせて、プロペラローター回転面２を傾けて、マルチロータヘリコプタ１の位置を調節することができる。場合によっては、左からの風に対してプロペラ回転面２を傾けて対抗しつつ、マルチロータヘリコプタ１を前方に直進させるようにしてもよい。
【００１９】  具体的には、マルチロータヘリコプタ１は、図１、図４、図５に示すように、平面視において工字型のフレーム３と、フレーム先端に設置されたティルト装置４と、ティルト装置４に取り付けられた電動モータ５と、電動モータに取り付けられたプロペラ６と、フレーム３から下方へ垂設した脚部７と、フレーム中央に取り付けられた風向・風速センサ８と、制御装置９と、通信装置１０と、バッテリ１１と、ＧＰＳ１２を備えてマルチロータヘリコプタ１を構成している。前記プロペラ６は、１枚の羽根（プロペラ）から構成されているが、複数枚の羽根（プロペラ）から構成することもできる。
【００２０】  図３に示すように、ティルト装置４は１軸のサーボモータＡ１７とサーボモータＢ１９、ブラケットＡ１８とブラケットＢ２０の組み合わせで構成されており、電動モータ５を取り付けるブラケットＡ１８の上面が自由に傾斜できるようになっている。このティルト装置４を傾斜さえることで、ティルト装置４に設置された電動モータ５およびプロペラ６が傾斜し、推力を偏向することができる。また、電動モータ５およびプロペラを、ダクトファンから構成してもよい。
【００２１】  また、機体に対する風の風向・風速を検出する検出手段である風向・風速センサ８をマルチロータヘリコプタ１に備え、風向・風速センサ８からの検出結果に基づいてティルト装置４を傾斜させて推力を偏向する制御装置９をマルチロータヘリコプタ１に備えている。
【００２２】  制御装置９によりティルト装置４の駆動を制御する構成について図６のブロック線図に基づいて説明する。
【００２３】  まず、風向・風速センサ８により、機体に対する風の相対速度・風向を検出する。この相対速度・風向からマルチコプタに作用する抗力の大きさと方向を算出し、それを打ち消すための推力偏向を実施するために、ティルト装置を適切に傾ける方向・角度を制御装置９が算出する。このとき、プロペラの回転数から発生する推力を算出し、ティルト装置４による推力偏向の結果において、高度を維持しつつ、推力偏向により生成される推力の水平方向成分が抗力と拮抗するように、適宜推力を制御してもよい。
【００２４】  また、ホバリングでの位置決め制御や航路に沿った飛行を行う場合は、ＧＰＳ１２から得られる位置情報をもとに、たとえばＰＩＤ制御則を用いて算出した位置制御または軌道追従制御のための制御量に、本発明での推力偏向を加えることで、位置決め制御や軌道追従制御の精度を向上さえることができる。
【００２５】  このように、風向・風速センサ８からの検出結果に基づいてティルト装置４と電動モータ５の駆動を制御することによって、抗力とその方向の検出値に応じてティルト装置４と電動モータ５を駆動させることができるので、抗力を確実に相殺することができる。このように抗力を相殺することによって、マルチコプタ１が機体姿勢を崩さずに、風の抗力によってマルチコプタ１が移動することを、阻止することができる。よってマルチコプタは機体姿勢を大きく傾けることなく、抗力で移動させられずに同じ位置でホバリングする。加えて、抗力を相殺しながら任意の方向に移動することも可能である。
【００２６】  尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、推力偏向の方式、風速・風向センサの方式、マルチコプタ１の外側フレームの有無、フレームの形状、ティルト装置の形状、ティルト装置に対する電動モータの取り付け位置、脚部の取付位置など、多様な変更が可能である。
【００２７】  前記実施形態では、推力偏向の手段としてティルト装置４を用いたが、図７に示すような自由に向きを指向できる推力装置、例えばダクトファン２１を機体中央に設置してもよい。
【００２８】  また、図８に示すように、風速センサ２２により機体に対する風の相対速度のうち、前方からの成分を検出し、前方方向に平行に設置した推力装置、例えばダクトファン２３で推力を発揮することで、抗力の一部である前方からの成分を相殺することも可能である。
【００２９】  また、図９に示すように、複数の推力装置、例えばダクトファン２１を４方向に指向して設置し、それらの推力の合成ベクトルにて抗力に対抗するように設置してもよい。その他、機体が受ける風の状態変化を検出し、その抗力に対抗できる手段であれば、種々のものを用いることができる。
【符号の説明】
【００３０】１…マルチロータヘリコプタ、２…プロペラローター回転面、３…フレーム、４…ティルト装置、５…電動モータ、６…プロペラ、７…脚部、８…風向・風速センサ、９…制御装置、１０…通信装置、１１…バッテリ、１２…ＧＰＳ、１３…推力、１４…推力の水平方向成分、１５…推力の垂直方向成分、１６…風による抗力、１７…サーボモータＡ、１８…ブラケットＡ、１９…サーボモータＢ、２０…ブラケットＢ、２１…方向を指向できるダクトファン、２２…風速センサ、２３…ダクトファン
【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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【図９】
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