(57)【要約】【課題】より消費電力を少なくすることができる垂直離着陸機を提供する。【解決手段】ＶＴＯＬ機体１にファン２を駆動するＡＣモータ３とを備えている。ＡＣモータ３は駆動制御器４に接続されている。駆動制御器４は、電源９からの直流電流を姿勢制御器７からの推力制御量に基づいてスイッチングを行い、所定の周波数の三相交流に変換して駆動制御器４に供給する。駆動制御器４は、外部力に対する制御量が小さくなる垂直上昇下降モードから飛行モードに移ったときは、ＡＣモータ３に与える三相交流の制御周波数を低くし制御分解能を小さくするため、従来の垂直離着陸機のように制御分解能が常に一定である機に比べて制御器における電力損失を減少させることができ、より消費電力を少なくできる。【選択図】図１
2008120272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動でファンを駆動させることによって飛行する垂直離着陸機であって、
前記ファンを電動で駆動させる駆動手段と、
外部力に対応して前記駆動手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記外部力に対する制御量が小さくなるほど、前記駆動手段に与える制御量の制御分解能を小さくする、
垂直離着陸機。
【請求項２】
前記制御手段は、地表に平行な速度成分に対する地表に垂直な速度成分が小さくなるほど、前記駆動手段に与える制御量の制御分解能を小さくする、
請求項１に記載の垂直離着陸機。
【請求項３】
前記制御手段は、地表に平行な速度成分が地表に垂直な速度成分より大きい状態の飛行モードと、地表に平行な速度成分が地表に垂直な速度成分以下である状態及び空中静止状態の垂直上昇下降モードとを切替可能であり、前記垂直上昇下降モードから前記飛行モードに切替えたときは、前記垂直上昇下降モードに比べて前記駆動手段に与える制御量の制御分解能を小さくする、請求項２に記載の垂直離着陸機。
【請求項４】
前記制御手段は、地表に平行な速度成分が地表に垂直な速度成分より大きい状態の飛行モードと、地表に平行な速度成分が地表に垂直な速度成分以下である状態及び空中静止状態の垂直上昇下降モードとを切替可能であり、前記飛行モードから前記垂直上昇下降モードに切替えたときは、前記飛行モードに比べて前記駆動手段に与える制御量の制御分解能を大きくする、請求項２に記載の垂直離着陸機。
【請求項５】
前記制御手段は、前記飛行モード及び前記垂直上昇下降モードのいずれに切替えられたかを特定不可能であるときは、前記飛行モードから前記垂直上昇下降モードに切替えられたものとし、前記飛行モードに比べて前記駆動手段に与える制御量の制御分解能を大きくする、請求項４に記載の垂直離着陸機。
【請求項６】
前記制御手段は、機体内の機器のいずれかが機能不全であるときは、前記飛行モードから前記垂直上昇下降モードに切替えられたものとし、前記飛行モードに比べて前記駆動手段に与える制御量の制御分解能を大きくする、請求項４に記載の垂直離着陸機。
【請求項７】
前記制御手段は、地表に平行な速度成分が地表に垂直な速度成分以上であるときに、機体側方からの風量が小さくなるほど、前記駆動手段に与える制御量の制御分解能を小さくする、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の垂直離着陸機。
【請求項８】
前記制御手段が前記駆動手段に与える制御量の制御分解能は、前記駆動手段に与える制御量の制御周波数である、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の垂直離着陸機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は垂直離着陸機に関し、特に、電動でファンを駆動させることによって飛行する垂直離着陸機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
垂直離着陸機（ＶＴＯＬ：Vertical  take-off  and  landing）として、電動でファンを駆動させることによって飛行する飛翔装置が提案されている。例えば、特許文献１には、乗員席の座面をファンの回転面よりも低い位置に配置し、乗員席の座面の下にファンを駆動する駆動源を配置して、飛行時には飛翔装置の重心を機体前後のファンの推力で上から吊り下げる形とすることにより、飛行中の機体安定性を増加させ、安全性が向上させた飛翔装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１２５９７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような垂直離着陸機では、電動でファンを駆動させるための電池等の電力源を搭載する必要があるが、電池等の電力源が供給できる電力量は限定されており、垂直離着陸機の飛行時間も限定されてしまうという欠点がある。そのため、より飛行時間の長い垂直離着陸機が望まれている。
【０００４】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より消費電力が少ない垂直離着陸機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、電動でファンを駆動させることによって飛行する垂直離着陸機であって、ファンを電動で駆動させる駆動手段と、外部力に対応して駆動手段を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、外部力に対する制御量が小さくなるほど、駆動手段に与える制御量の制御分解能を小さくすることを特徴とする。
【０００６】
この構成によれば、制御手段は、外部力に対する制御量が小さくなるほど、駆動手段に与える制御量の制御分解能を小さくするため、従来の垂直離着陸機のように制御分解能が常に一定である機に比べて制御手段における電力損失を減少させることができ、より消費電力を少なくできる。
【０００７】
この場合、制御手段は、地表に平行な速度成分に対する地表に垂直な速度成分が小さくなるほど、駆動手段に与える制御量の制御分解能を小さくすることが好適である。
【０００８】
外部力に対する制御量は、地表に平行な速度成分に対する地表に垂直な速度成分が大きい垂直離着陸時には大きく、逆に地表に平行な速度成分に対する地表に垂直な速度成分が小さい水平飛行時には小さくなるが、この構成によれば、制御量が少なくなり制御応答性の必要性が低くなる水平飛行時に移るほど、制御手段は駆動手段に与える制御量の制御分解能を小さくするため、飛行に必要な制御応答性は損ねずに消費電力を少なくできる。
【０００９】
この場合、制御手段は、地表に平行な速度成分が地表に垂直な速度成分より大きい状態の飛行モードと、地表に平行な速度成分が地表に垂直な速度成分以下である状態及び空中静止状態の垂直上昇下降モードとを切替可能であり、垂直上昇下降モードから飛行モードに切替えたときは、垂直上昇下降モードに比べて駆動手段に与える制御量の制御分解能を小さくすることが好適である。
【００１０】
この構成によれば、制御手段は、制御応答性を要する垂直上昇下降モードと、制御応答性を要しない飛行モードとを切替可能であり、垂直上昇下降モードから飛行モードに切替えたときは、垂直上昇下降モードに比べて駆動手段に与える制御量の制御分解能を小さくできるため、垂直上昇下降モードに切替えたときは、飛行に必要な制御応答性は損ねずに消費電力を少なくできる。
【００１１】
一方、制御手段は、地表に平行な速度成分が地表に垂直な速度成分より大きい状態の飛行モードと、地表に平行な速度成分が地表に垂直な速度成分以下である状態及び空中静止状態の垂直上昇下降モードとを切替可能であり、飛行モードから垂直上昇下降モードに切替えたときは、飛行モードに比べて駆動手段に与える制御量の制御分解能を大きくすることが好適である。
【００１２】
この構成によれば、制御手段は、制御応答性を要する垂直上昇下降モードと、制御応答性を要しない飛行モードとを切替可能であり、飛行モードから垂直上昇下降モードに切替えたときは、飛行モードに比べて駆動手段に与える制御量の制御分解能を大きくできるため、飛行に必要な制御応答性を確保することができ、垂直上昇下降時の安定性が向上する。
【００１３】
この場合、制御手段は、飛行モード及び垂直上昇下降モードのいずれに切替えられたかを特定不可能であるときは、飛行モードから垂直上昇下降モードに切替えられたものとし、飛行モードに比べて駆動手段に与える制御量の制御分解能を大きくすることが好適である。
【００１４】
この構成によれば、制御手段は、飛行モード及び垂直上昇下降モードのいずれに切替えられたかを特定不可能であるときは、飛行モードから垂直上昇下降モードに切替えられたものとし、飛行モードに比べて駆動手段に与える制御量の制御分解能を大きくするため、モードの特定が不可能なフェイル時において、制御応答性を必要とされる緊急着陸等に対処することができる。
【００１５】
あるいは、制御手段は、機体内の機器のいずれかが機能不全であるときは、飛行モードから垂直上昇下降モードに切替えられたものとし、飛行モードに比べて駆動手段に与える制御量の制御分解能を大きくすることが好適である。
【００１６】
この構成によれば、制御手段は、機体内の機器のいずれかが機能不全であるときは、飛行モードから垂直上昇下降モードに切替えられたものとし、飛行モードに比べて駆動手段に与える制御量の制御分解能を大きくするため、機体内の機器のいずれかが機能不全となったフェイル時において、制御応答性を必要とされる緊急着陸等に対処することができる。
【００１７】
一方、制御手段は、地表に平行な速度成分が地表に垂直な速度成分以上であるときに、機体側方からの風量が小さくなるほど、駆動手段に与える制御量の制御分解能を小さくすることが好適である。
【００１８】
この構成によれば、制御手段は、地表に平行な速度成分が地表に垂直な速度成分以上であり、機体側方からの風量が小さくなるほど、駆動手段に与える制御量の制御分解能を小さくするため、横風が吹いていても風力による外乱が少ないときは不要な制御をさけて、消費電力を少なくすることができる。
【００１９】
さらに、制御手段が駆動手段に与える制御量の制御分解能は、駆動手段に与える制御量の制御周波数であることが好適である。
【００２０】
この構成によれば、制御手段は制御周波数を変更することにより、制御分解能を変更することができ、制御手段における消費電力を変更することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の垂直離着陸機によれば、より消費電力を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態に係る垂直離着陸機について添付図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は、実施形態に係る垂直離着陸機を示すブロック図である。本実施形態の垂直離着陸機は、地表に対して垂直離着陸を行う際の垂直上昇下降モードと、地表に対して平行に水平飛行を行う際の飛行モードとを適宜切替えて飛行することが可能なように構成されている。図１に示すように、本実施形態の垂直離着陸機は、ＶＴＯＬ機体１に、推力を発生する４つのファン２と、それぞれのファン２を駆動する４つのＡＣモータ（駆動手段）３とを備えている。ＡＣモータ３それぞれは駆動制御器（制御手段）４に接続され、駆動制御器４から任意の周波数の三相交流を供給され、任意の回転速度で駆動される。
【００２４】
駆動制御器４は、ＤＣ／ＡＣインバータとして機能し、蓄電池等の電源９からの直流電流を、姿勢制御器７からの推力制御量に基づいてスイッチングを行い、所定の周波数の三相交流に変換して駆動制御器４に供給するためのものである。
【００２５】
姿勢制御器７は、モードｓ．ｗ８からの垂直上昇下降モード（ホバリングモード）と飛行モードとのモード切替信号に基づき、駆動制御器４に後述する所定の推力制御量を出力するためのものである。また、姿勢制御器７は、モードｓ．ｗ８からのモード切替信号を検出できない場合においても、所定の推力制御量を駆動制御器４に出力するようになっている。
【００２６】
さらに姿勢制御器７は、ＶＴＯＬ機体１内の機体内センサ１０が接続されており、機体内センサ１０から、機体内の機器のいずれかが機能不全であるか否かについての情報や、横風、揺れの強度等の情報を取得し、これらの情報に応じた推力制御量を駆動制御器４に出力することができるようになっている。
【００２７】
姿勢制御器４には、操作者に情報を表示可能な計器パネル１１が接続されており、上記モードｓ．ｗ８からのモード切替信号を検出できない場合や、機体内の機器のいずれかが機能不全である場合には、これらの状況を操作者に適宜表示するようになっている。
【００２８】
次に、本実施形態の垂直離着陸機の動作について説明する。図２は実施形態に係る垂直離着陸機における制御手順を示すフローチャートであり、図３は実施形態に係る垂直離着陸機の離陸から着陸までの動作を示す図である。
【００２９】
図２に示すように、まず、モードｓ．ｗ８によりモード選択が行われる（Ｓ１１）。もし、図３に示すような離陸区間Ａ及び着陸区間ＣにＶＴＯＬ機体１がある場合には、ＶＴＯＬ機体１はホバー中（地表Ｇに平行な速度成分が地表Ｇに垂直な速度成分以下である状態及び空中静止状態）であるため、姿勢制御器７は駆動制御器４の制御周波数を高周波数側（例えば８００Ｈｚ）に切替えるように動作する（Ｓ１２，Ｓ１３）。
【００３０】
一方、もし、図３に示すような水平飛行区間ＢにＶＴＯＬ機体１がある場合には、ＶＴＯＬ機体１は飛行中（地表Ｇに平行な速度成分が地表Ｇに垂直な速度成分より大きい状態）であるため、姿勢制御器７は駆動制御器４の制御周波数を低周波数側に切替えるように動作する（Ｓ１２，Ｓ１４）。この場合において、横風、すなわちＶＴＯＬ機体１側方からの風量が小さくなるほど、駆動制御器４の制御周波数を低周波側（例えば４００Ｈｚ）に切替えるように動作する。
【００３１】
姿勢制御器７は制御周波数を決定した後（Ｓ１５）、駆動制御器４に推力制御量を供給する（Ｓ１６）。駆動制御器４は、姿勢制御器７からの推力制御量に応じてＡＣモータ３に姿勢制御器７が決定した制御周波数の三相交流を供給する（Ｓ１７）。
【００３２】
本実施形態の垂直離着陸機における上記動作においては、駆動制御器４は、外部力に対する制御量が小さくなる垂直上昇下降モードから飛行モードに移ったときは、ＡＣモータ３に与える三相交流の制御周波数を低くし制御分解能を小さくするため、従来の垂直離着陸機のように制御分解能が常に一定である機に比べて制御器における電力損失を減少させることができ、より消費電力を少なくできる。
【００３３】
すなわち、図４（ａ）に示すように、モータに与える交流の制御周波数が常に一定である場合は、インバータ等の制御器で消費する電力量は常に一定である。一方、図４（ｂ）に示すように、本実施形態においては、離陸区間Ａ及び着陸区間ＣではAＣモータ３に与える三相交流の制御周波数を高くし、水平飛行区間ＢではＡＣモータ３に与える三相交流の制御周波数を低くする。これにより、離陸区間Ａ及び着陸区間Ｃにおけるホバー中はＡＣモータ３の制御応答性が上がり、操作性能が向上し、離着陸時に必要な操作性を得ることができる。また、水平飛行区間Ｂにおいては、制御周波数を低くするために駆動制御器４における損失が減少し消費電力量が少なくなる。この場合、水平飛行中はホバー中に比べて外乱が少ないためホバー中ほどの制御応答性は必要がなく、制御周波数を低くしても問題はない。このように本実施形態の垂直離着陸機では、必要な制御応答性を担保しつつ消費電力量を少なくすることができるため、結果として飛行時間を延ばすことが可能となる。
【００３４】
特に本実施形態においては、水平飛行区間Ｂにおいても、横風の風力が小さいほど、制御周波数を低くするため、必要な制御応答性を担保しつつも、消費電力量を減少させることができる。
【００３５】
一方、垂直離着陸機においては、機体内の機器が完全に機能しない場合も考えられる。以下、このようなフェイル時における動作について説明する。図５はフェイル中における制御手順を示すフローチャートであり、図６はフェイル発生時における動作を示す図である。
【００３６】
図２に示すように、姿勢制御器７がモードｓ．ｗ８からのモード切替信号を検出できず、モードを特定できない場合や、機体内センサ１０からの情報によってＶＴＯＬ機体１内の機器のいずれかが機能不全に陥ったことを検出した場合は（Ｓ２１）、姿勢制御器７は機体内センサ１０からの情報により、ＶＴＯＬ機体１がホバー中であるか否かを検出する（Ｓ２２）。この場合、ＶＴＯＬ機体１がホバー中であればｆｌａｇ＝０とする（Ｓ２３）。一方、図６に示すように、それまでＶＴＯＬ機体１が水平飛行区間Ｂで飛行しており、ＶＴＯＬ機体１がホバー中でなければｆｌａｇ＝１とする（Ｓ２４）。この場合において、姿勢制御器７は、フェイル中であることを計器パネル１１によって操作者に表示する。
【００３７】
姿勢制御器７は、ｆｌａｇ＝０であるときは、ＶＴＯＬ機体１はホバー中でありそれまでも高い制御周波数で飛行していたため、高い制御周波数を維持するようにする。一方、姿勢制御器７は、ｆｌａｇ＝１であるときは、ＶＴＯＬ機体１はホバー中ではなく、それまでは低い制御周波数で飛行していたため、低い制御周波数から高い制御周波数に切替えるようにする（Ｓ２５）。
【００３８】
姿勢制御器７は制御周波数を決定した後（Ｓ２５）、駆動制御器４に推力制御量を供給する（Ｓ２６）。駆動制御器４は、姿勢制御器７からの推力制御量に応じてＡＣモータ３に姿勢制御器７が決定した制御周波数の三相交流を供給する（Ｓ２７）。
【００３９】
本実施形態の垂直離着陸機における上記動作においては、駆動制御器４は、飛行モード及び垂直上昇下降モードのいずれに切替えられたかを特定不可能であるとき、或いはＶＴＯＬ機体１内の機器のいずれかが機能不全に陥ったときは、飛行モードから垂直上昇下降モードに切替えられたものとし、飛行モードに比べてＡＣモータ３に与える三相交流の制御周波数を大きくするため、フェイル時において、制御応答性を必要とされる緊急着陸等に対処することができる。
【００４０】
すなわち、飛行モード及び垂直上昇下降モードのいずれに切替えられたかを特定不可能であるときや、ＶＴＯＬ機体１内の機器のいずれかが機能不全に陥った場合は、緊急着陸等の緊急操作が必要な場合があり得る。このような場合には図７中のフェイル区間Ｄに示すように、一時的に制御周波数を高くすることにより、これにより、ＡＣモータ３の制御応答性が上がり、操作性能が向上し、緊急着陸等に必要な操作性を得ることができる。一方、制御応答性が比較的必要ない水平飛行区間Ｂにおいては、制御周波数を低くするために駆動制御器４における損失が減少し消費電力量が少なくなり、結果として飛行時間を延ばすことが可能となる。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施形態に係る垂直離着陸機を示すブロック図である。
【図２】実施形態に係る垂直離着陸機における制御手順を示すフローチャートである。
【図３】実施形態に係る垂直離着陸機の離陸から着陸までの動作を示す図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は垂直離着陸機が消費する電力量を示すグラフ図である。
【図５】フェイル中における制御手順を示すフローチャートである。
【図６】フェイル発生時における動作を示す図である。
【図７】垂直離着陸機が消費する電力量を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…ＶＴＯＬ機体、２…ファン、３…ＡＣモータ、４…駆動制御器、７…姿勢制御器、８…モードＳ．Ｗ、９…電源、１０…機体内センサ、１１…計器パネル、Ｇ…地表。
【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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