(57)【要約】  空中輸送体は、中央部を有するボディと、いくつかの空間的に離れたスラスタとを備える。それらの空間的に離れたスラスタは、ボディの中央部周辺の場所においてボディに静的に連結され、いくつかの推力ベクトルに沿って推力を発するよう構成されている。推力ベクトルは異なるいくつかの方向を有し、各スラスタは、推力ベクトルのうちの異なる１つに沿って推力を発するよう構成されている。推力ベクトルのうちの１又は複数は、ボディの中央部に向かう方向、又は、ボディの中央部から遠ざかる方向の成分を有する。
2017518217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部を有するボディと、
前記ボディの前記中央部周辺の複数の場所において前記ボディに静的に連結され、複数の推力ベクトルに沿って推力を発する、空間的に離れた複数のスラスタであって、前記複数の推力ベクトルは、異なる複数の方向を有し、前記複数のスラスタの各スラスタは、前記複数の推力ベクトルのうちの異なる１つに沿って推力を発する、空間的に離れた複数のスラスタとを備え、
前記複数の推力ベクトルのうちの１又は複数の推力ベクトルは、前記ボディの前記中央部に向かう方向、又は、前記ボディの中央部から遠ざかる方向の成分を有する、
空中輸送体。
【請求項２】
前記複数の推力ベクトルは、異なる６つの方向に発せられる、請求項１に記載の空中輸送体。
【請求項３】
前記複数の推力ベクトルは、異なる８つの方向に発せられる、請求項１に記載の空中輸送体。
【請求項４】
前記複数の推力ベクトルは、異なる１０の方向に発せられる、請求項１に記載の空中輸送体。
【請求項５】
前記複数のスラスタは、前記ボディの前記中央部に対して対称に分散されている、請求項１に記載の空中輸送体。
【請求項６】
前記複数のスラスタは、前記ボディによって画定される平面上に分散されている、請求項１に記載の空中輸送体。
【請求項７】
前記複数の推力ベクトルの前記１又は複数の推力ベクトルの全ては、第１方向の共有された基本成分を有する、請求項１に記載の空中輸送体。
【請求項８】
前記第１方向は垂直方向である、請求項７に記載の空中輸送体。
【請求項９】
前記空中輸送体の所望の空間位置と、前記空中輸送体の所望の空間的な向きとを特徴付ける制御信号を受信し、
前記受信された制御信号に基づいて、正味の力ベクトル及び正味のモーメントベクトルを決定し、
前記空間的に離れた複数の推力生成器に、前記正味の力ベクトル及び前記正味のモーメントベクトルを生成させる
コントローラを更に備える、請求項１から８の何れか一項に記載の空中輸送体。
【請求項１０】
前記コントローラは更に、前記空間的に離れた複数の推力生成器に、前記正味のモーメントベクトルを維持しつつ、前記正味の力ベクトルを変えさせる、請求項２に記載の空中輸送体。
【請求項１１】
前記コントローラは更に、前記空間的に離れた複数の推力生成器に、前記正味の力ベクトルを維持しつつ、前記正味のモーメントベクトルを変えさせる、請求項２に記載の空中輸送体。
【請求項１２】
前記ボディは複数のスパーを有し、前記複数のスラスタの各スラスタは、前記複数のスパーのうちの異なる１つの端部に静的に連結されている、請求項１から８の何れか一項に記載の空中輸送体。
【請求項１３】
前記複数のスラスタの各スラスタは、プロペラに連結されたモータを含む、請求項１から８の何れか一項に記載の空中輸送体。
【請求項１４】
前記複数のスラスタの第１のサブセットの複数の前記モータは第１方向に回転し、前記複数のスラスタの第２のサブセットの複数の前記モータは、前記第１方向とは異なる第２方向に回転する、請求項１３に記載の空中輸送体。
【請求項１５】
前記複数のスラスタの各スラスタのモータは全て、同じ方向に回転する、請求項１３に記載の空中輸送体。
【請求項１６】
前記複数のスラスタの第１のサブセットの複数の前記モータは第１の最高回転速度を有し、前記複数のスラスタの第２のサブセットの複数の前記モータは、前記第１の最高回転速度より小さい第２の最高回転速度を有する、請求項１３に記載の空中輸送体。
【請求項１７】
前記空間的に離れた複数のスラスタのうちの少なくともいくつかのスラスタは、前記ボディに対してある上反角で前記ボディに連結されている、請求項１から８の何れか一項に記載の空中輸送体。
【請求項１８】
前記空間的に離れた複数のスラスタのうちの少なくともいくつかのスラスタは、前記ボディに対してあるねじり角で前記ボディに連結されている、請求項１から８の何れか一項に記載の空中輸送体。
【請求項１９】
前記ボディに連結された撮像センサを更に備える、請求項１から８の何れか一項に記載の空中輸送体。
【請求項２０】
前記ボディ上に配置されたエアロダイナミックボディカバーを更に備える、請求項１から８の何れか一項に記載の空中輸送体。
【請求項２１】
前記撮像センサは前記ボディに静的に連結されている、請求項１９に記載の空中輸送体。
【請求項２２】
前記撮像センサはジンバルを使用して前記ボディに連結されている、請求項１９に記載の空中輸送体。
【請求項２３】
前記撮像センサはスチルカメラを含む、請求項１９に記載の空中輸送体。
【請求項２４】
前記撮像センサはビデオカメラを含む、請求項１９に記載の空中輸送体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１４年６月３日出願の仮出願第６２／００７，１６０号に対する優先権及び当該出願の利益を主張し、これにより当該出願はその全体が参照によって組み込まれる。
【０００２】
本発明は、空中輸送体に関する。
【背景技術】
【０００３】
本発明は推力ベクタリングに関する。
【０００４】
極めて大まかに言うと、推力ベクタリングという用語は、航空機又はロケットなどの輸送体の（１又は複数の）エンジンによって生成された推力の方向操作に関する。推力ベクタリングを使用する航空機の１つの周知の例にはホーカーシドレーハリアージェットがある。ホーカーシドレーハリアージェットは、前方推進と垂直離着陸（ＶＴＯＬ）との両方の目的のために、自身のエンジンによって生成された推力を使用する。推力ベクタリングを使用する航空機の別の周知の例には、ベルボーイングＶ‐２２オスプレイがある。ベルボーイングＶ‐２２オスプレイは、前方推進とＶＴＯＬとの両方の目的のために、２つのロータによって生成された推力を使用する。
【０００５】
ホーカーシドレーハリアージェット及びベルボーイングＶ‐２２オスプレイの両方において、推力ベクタリングは、（例えば、推力方向変更ノズルを使用して）推力を方向変更すること、又は、（１又は複数の）ロータを物理的に回転させる（例えば、１又は複数のロータの角度を慣性基準系に対して変更する）ことの何れかによって実現される。
【発明の概要】
【０００６】
マルチロータ輸送体（例えば、クワッドコプタ、ヘキサコプタ、オクトコプタ）は通常、機体に強固に取り付けられた複数のモータを有し、垂直方向の推力を生成する全モータの理想モデルに基づいて、個々のモータの推力を調整することによって輸送体の動きを制御する。このことが、ロール、ピッチ、ヨー、及び正味の推力においてのみ制御され得るシステムを生み出す。そのようなマルチロータ輸送体は、特定のロール角又はピッチ角を保持し、かつ正味の推力を変えることによって空間を移動し得る。この手法は、輸送体がホバリングするときシステムを不安定に導くことがある。ホバリングの質は、輸送体のロール及びピッチとは独立に各軸を制御することで向上させることが可能である。
【０００７】
本明細書において説明される複数の手法は、上反角及びねじりを有してマルチロータヘリコプタのフレームに取り付けられた複数のスラスタを使用する。すなわち、推力方向は固定であり、全てが平行というわけではない。各スラスタは、通常は他の複数のスラスタの推力線と整列してない個々の推力線を生成する。フリーボディ解析により、各スラスタからボディに作用する力及びモーメントが得られる。それらの力及びモーメントは足し合わされて、モータ推力から正味のボディの力及びモーメントへの固有のマッピングが生成される。ロールモーメント、ピッチモーメント、及びヨーモーメント、並びに、前方推力、横推力、及び垂直推力を含む所望の入力が受信され、モータ推力、転じてモータ速度、の必要な変化の計算に使用されて、所望の入力が実現され得る。
【０００８】
本明細書において説明される複数の手法は、正味のロールトルク、ピッチトルク、及びヨートルクを変更することなく正味の推力（例えば、正味の水平推力又は垂直推力）を生じさせる、静的に取り付けられた複数のスラスタを使用する。
【０００９】
本明細書において説明される複数の手法は、複数のモータによって生成された正味の推力を変更することなく正味のモーメントを生じさせる、静的に取り付けられた複数のスラスタを使用する。
【００１０】
一態様において、概して、空中輸送体は、中央部を有するボディと、いくつかの空間的に離れたスラスタとを含む。空間的に離れた複数のスラスタは、ボディの中央部周辺の場所でボディに静的に連結され、いくつかの推力ベクトルに沿って推力を発するよう構成されている。推力ベクトルは異なるいくつかの方向を有し、各スラスタは、それらの推力ベクトルのうちの異なる１つに沿って推力を発するよう構成されている。それらの推力ベクトルのうちの１又は複数は、ボディの中央部に向かう方向、又は、ボディの中央部から遠ざかる方向の成分を有する。
【００１１】
複数の態様は以下の複数の特徴のうちの１又は複数を有してよい。
【００１２】
推力ベクトルは異なる６つの方向に発せられてよい。推力ベクトルは異なる８つの方向に発さられてよい。推力ベクトルは異なる１０の方向に発せられてよい。複数のスラスタは、ボディの中央部に対して対称に分散されてよい。複数のスラスタは、ボディによって画定される平面上に分散されてよい。
【００１３】
複数の推力ベクトルの全ては、第１方向の共有された基本成分を有してよい。第１方向は垂直方向であってよい。空中輸送体は、空中輸送体の所望の空間位置と、空中輸送体の所望の空間的な向きを特徴付ける制御信号を受信し、受信された制御信号に基づいて正味の力ベクトル及び正味のモーメントベクトルを決定し、複数の推力生成器に正味の力ベクトル及び正味のモーメントベクトルを生成させるよう構成されたコントローラを備えてよい。
【００１４】
コントローラは更に、複数の推力生成器に、正味のモーメントベクトルを維持しつつ正味の力ベクトルを変えさせるよう構成されていてよい。コントローラは更に、複数の推力生成器に、正味の力ベクトルを維持しつつ正味のモーメントベクトルを変えさせるよう構成されていてよい。ボディは、いくつかのスパーを含んでよく、いくつかのスラスタの各スラスタは、それらのスパーのうちの異なる１つの端部に静的に連結されている。
【００１５】
各スラスタはプロペラに連結されたモータを含んでよい。いくつかのスラスタの第１のサブセットのモータは、第１方向に回転してよく、いくつかのスラスタの第２のサブセットのモータは、第１方向とは異なる第２方向に回転してよい。それらのスラスタの全てのモータは同じ方向に回転してよい。いくつかのスラスタの第１のサブセットのモータは、第１の最高回転速度を有してよく、いくつかのスラスタの第２のサブセットのモータは、第１の最高回転速度より小さい第２の最高回転速度を有してよい。それらのスラスタのうちの少なくともいくつかは、ボディに対してある上反角でボディに連結されていてよい。
【００１６】
少なくともいくつかのスラスタは、ボディに対してあるねじり角でボディに連結されていてよい。空中輸送体は、ボディに連結された撮像センサを備えてよい。空中輸送体は、ボディに配置されたエアロダイナミックボディカバー（ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ  ｂｏｄｙ  ｃｏｖｅｒｉｎｇ）を備えてよい。撮像センサはボディに静的に連結されていてよい。撮像センサはジンバルを使用してボディに連結されていてよい。撮像センサはスチルカメラを含んでよい。撮像センサはビデオカメラを含んでよい。
【００１７】
いくつかの態様において、空中輸送体は、所望の空間的な向きを維持しつつ、同時に、大きさ及び／又は方向を変える正味の推力を生成するよう構成されている。いくつかの態様において、スチルカメラ又はビデオカメラなどのセンサは、マルチロータ輸送体に静的に連結され、輸送体によって生成された正味の推力ベクトルが輸送体を空間で移動させつつ、カメラは所与の方向に向けられたままであるように輸送体の向きは維持される。
【００１８】
複数の態様は以下の複数の利点の１又は複数を含んでよい。
【００１９】
数ある利点の中でも、複数の手法は、マルチロータヘリコプタの位置制御の、マルチロータヘリコプタの回転制御からの切り離しを可能にする。すなわち、マルチロータヘリコプタの位置は、マルチロータヘリコプタの回転とは独立に制御され得る。
【００２０】
動的空中安定性が改善され、カメラを所与の角度に方向付けるのに必要な部品数が低減される。これにより、多種多様な状況においてより良く機能する、より安価でより頑丈な複数のモデルがもたらされる。
【００２１】
全てが同じ方向に回転する複数のモータを使用することで、空中輸送体を組み立てるのに必要とされる固有の部品数が低減され、その結果、空中輸送体のコストが低減される。
【００２２】
以下の説明及び特許請求の範囲から、本発明の他の複数の特徴及び利点が明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】マルチロータヘリコプタの斜視図である。
【００２４】
【図２】マルチロータヘリコプタの側面図である。
【００２５】
【図３】マルチロータヘリコプタのスラスタの詳細図である。
【００２６】
【図４】制御システムのブロック図である。
【００２７】
【図５】卓越風の存在下で動作するマルチロータヘリコプタを示す。
【００２８】
【図６】自身の位置を変更することなく回転するマルチロータヘリコプタを示す。
【００２９】
【図７】ジンバル式撮像センサを含むマルチロータヘリコプタのホバリングを示す。
【００３０】
【図８】横推力が生成されない状態での、様々な重量におけるロール及びピッチの可制御性エンベロープをＮｍで示すプロットである。
【００３１】
【図９】１ｍ／ｓ２の右方向の推力が生成されている状態での、様々な重量におけるロール及びピッチの可制御性エンベロープをＮｍで示すプロットである。
【００３２】
【図１０】１ｍ／ｓ２の前方推力が生成されている状態での、様々な重量におけるロール及びピッチの可制御性エンベロープをＮｍで示すプロットである。
【００３３】
【図１１】１ｍ／ｓ２の前方推力及び１ｍ／ｓ２の右推力が生成されている状態での、様々な重量におけるロール及びピッチの可制御性エンベロープをＮｍで示すプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
１  マルチロータヘリコプタの物理的構成
図１を参照すると、マルチロータヘリコプタ１００は中心ボディ１０２を備え、中心ボディ１０２からは、いくつか（すなわち、ｎ個）の剛性スパー１０４が径方向に延在している。各剛性スパー１０４の端部は、それに強固に取り付けられたスラスタ１０６を有する。いくつかの例では、スラスタ１０６の各々は、ロータ１１０を駆動して推力を生成させる電気モータ１０８（例えば、ブラシレスＤＣモータ）を有する。極めて大まかに言うと、動作中、中心ボディ１０２は複数のモータ１０８に電力を提供する電源（図示せず）を有し、次に、複数のモータ１０８は複数のロータ１１０を回転させる。回転しながら、複数のロータ１１０の各々は、ヘリコプタ１００の上方の空気を略下向きの方向に押し下げて、推力ベクトル１１２で表され得る大きさ及び方向を有する推力を生成する。
【００３５】
図２を参照すると、従来のマルチロータヘリコプタ構成とは対照的に、図１のマルチロータヘリコプタ１００は、自身の複数のスラスタ１０６の各々が、上反角θ及びねじり角φの両方で強固に取り付けられている。いくつかの例では、（１）上反角は各スパー１０４について同一であり、それと共に、（２）ねじり角の大きさは、各スパー１０４について同一である。ここで、ねじり角の符合は、複数のスパー１０４のうちの少なくともいくつかのスパーについて異なっている。複数のスラスタ１０６の取り付け角を理解するには、マルチロータヘリコプタ１００の複数の剛性スパー１０４によって画定される平面を水平面２１４とみなすとよい。このことを念頭に置くと、ある上反角でスラスタ１０６を取り付けることは、ロータ１１０の中心から中心ボディ１０２の中心への線に対して角度θでスラスタ１０６を取り付けることを含む。あるねじり角で剛性スパー１０４の端部にスラスタ１０６を取り付けることは、複数のスラスタ１０６を、それらが剛性スパー１０４の長手方向軸の回りで回転させられるように、角度φで取り付けることを含む。
【００３６】
複数のスラスタ１０６の上反角及びねじり角といった取り付け角のおかげで、推力ベクトル１１２は、単に、マルチロータヘリコプタ１００の剛性スパー１０４によって画定される水平面２１４に対して垂直なだけではない。むしろ、複数の推力ベクトルのうちの少なくともいくつかは、水平面２１４に対して斜角をなす方向を有する。複数の推力ベクトル
2017518217.tif 000003
は独立である（すなわち、どの力ベクトルも、それらの力ベクトルのうちの他のベクトルの倍数ではない）、又は少なくともｋ個（例えば、ｋ＝３、６、等）の独立した推力ベクトルが存在する。
【００３７】
図３を参照すると、第ｉのスラスタ１０６の詳細図が異なる２つの座標系：ｘ、ｙ、ｚ座標系及びｕｉ、ｖｉ、ｗｉ座標系、を示している。ｘ、ｙ、ｚ座標系は輸送体に対して固定であり、それのｚ軸は、マルチロータヘリコプタ１００の剛性スパー１０４によって画定される水平面に対して垂直な方向に伸びている。ｘ軸及びｙ軸は、互いに垂直であり、かつ、剛性スパー１０４によって画定される水平面に対して平行な方向に伸びている。いくつかの例では、ｘ、ｙ、ｚ座標系は「輸送体基準系」と称される。ｕｉ、ｖｉ、ｗｉ座標系は、それのｗｉ軸が、第ｉのスラスタ１０６の回転ロータ１１０によって画定される平面に対して垂直な方向に伸びており、それのｕｉ軸が第ｉのスパー１０４に沿った方向に伸びている。ｕｉ軸及びｖｉ軸は、互いに垂直な方向であり、かつ、回転ロータ１１０によって画定される水平面に対して平行な方向に伸びている。いくつかの例では、ｕｉ、ｖｉ、ｗｉ座標系は「ロータ基準系」と称される。ｘ、ｙ、ｚ座標系がスラスタ１０６の全てについて共通であるのに対して、ｕｉ、ｖｉ、ｗｉはスラスタ１０６の各々（又はそれらのうちの少なくともいくつか）について異なることに留意されたい。
【００３８】
ｎ個のスラスタ１０６の各々についてのｘ、ｙ、ｚ座標系とｕｉ、ｖｉ、ｗｉ座標系との間の回転差は回転行列Ｒｉとして表現され得る。いくつかの例では、回転行列Ｒｉは、以下のように、３つの別個の回転行列の積として表現され得る。
【数１】
2017518217.tif 000004
式中、
2017518217.tif 000005
は、ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する第ｉのスパーの回転を説明する回転行列であり、
2017518217.tif 000006
はｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上反角θを説明する回転行列であり、
2017518217.tif 000007
は、ｘ、ｙ、ｚ座標系に対するねじり角φを説明する回転行列である。
【００３９】
極めて大まかに言うと、回転行列Ｒｉをｕｉ、ｖｉ、ｗｉ座標系の任意のベクトルに乗算することにより、ｘ、ｙ、ｚ座標系の任意のベクトルの表示が得られる。前述のとおり、第ｉのスパーの回転行列Ｒｉは、スパー番号ｉ、上反角θ、及びねじり角φに依存する。各スパーはそれ自身の固有のスパー番号ｉ、上反角θ、及びねじり角φを有しているので、各スパーは異なる回転行列Ｒｉを有している。上反角が１５度であり、ねじり角が−１５度である第２のスパーの回転行列の一例が以下のものである。
【数２】
2017518217.tif 000008
【００４０】
概して、第ｉの推力ベクトル１１２は力ベクトル
2017518217.tif 000009
１１３として表され得る。第ｉのスラスタ１０６によって生成された力ベクトル
2017518217.tif 000010
１１３は、第ｉのスラスタ１０６についてのｕｉ、ｖｉ、ｗｉ座標系のｗｉ軸だけに沿って伸びている。従って、第ｉの力ベクトル１１３は以下のように表現され得る。
【数３】
2017518217.tif 000011
式中、ｆｉはｕｉ、ｖｉ、ｗｉ座標系のｗｉ軸に沿った第ｉの力ベクトル１１３の大きさを表している。いくつかの例では、ｆｉは以下のように表現される。
【数４】
2017518217.tif 000012
式中、ｋ１は実験により決定された定数であり、ωｉ２は、モータ１０８の角速度の二乗である。
【００４１】
ｘ、ｙ、ｚ座標系における第ｉの力ベクトル１１３の複数の成分は、以下のように、第ｉの回転行列Ｒｉを第ｉの力ベクトル１１３に乗算することによって決定され得る。
【数５】
2017518217.tif 000013
式中、
2017518217.tif 000014
は、ｘ、ｙ、ｚ座標系における第ｉの力ベクトル１１３のベクトル表示である。
【００４２】
第ｉのスラスタ１０６によるモーメントは、スラスタのモータ１０８によって生成されるトルクによるモータトルク成分と、スラスタ１０６のロータ１１０によって生成される推力による推力トルク成分とを含む。第ｉのスラスタ１０６について、モータは、ｕｉ、ｖｉ、ｗｉ座標系のｗｉ軸の回りを回転し、ｕｉ、ｖｉ平面において回転力を生成する。右手の法則から、第ｉのスラスタのモータ１０８によって生成されたモータトルクは、ｗｉ軸に沿った方向をもったベクトルである。第ｉのスラスタのモータトルクベクトルは以下のように表現され得る。
【数６】
2017518217.tif 000015
式中、
【数７】
2017518217.tif 000016
であり、
ｋ２は、実験により決定される定数であり、ωｉ２は、モータ１０８の角速度の二乗である。
【００４３】
ｘ、ｙ、ｚ座標系におけるモータトルクベクトルを表現すべく、以下のように当該モータトルクベクトルに回転行列Ｒｉが乗算される。
【数８】
2017518217.tif 000017
【００４４】
第ｉのスラスタ１０６のロータ１１０によって生成された推力によるトルクは、ｘ、ｙ、ｚ座標系における第ｉのスラスタ１０６のモーメントアーム
2017518217.tif 000018
と、ｘ、ｙ、ｚ座標系における第ｉの力ベクトル１１３の表示
2017518217.tif 000019
との外積として表現される。
【数９】
2017518217.tif 000020
式中、モーメントアームは、ｕｉ、ｖｉ、ｗｉ座標系のｕｉ軸に沿った第ｉのスパー１０４の長さにスパーの回転行列
2017518217.tif 000021
が乗算されたものとして表現される。
【数１０】
2017518217.tif 000022
【００４５】
結果として得られる、第ｉのスラスタ１０６によるモーメントは以下のように表現され得る。
【数１１】
2017518217.tif 000023
【００４６】
正味の推力ベクトルを決定すべく、各スラスタ１０６において生成される、ｘ、ｙ、ｚ座標系における複数の力ベクトル
2017518217.tif 000024
が合計され得る。
【数１２】
2017518217.tif 000025
【００４７】
ニュートンの運動の第２法則から、マルチロータヘリコプタ１００の正味の並進加速度ベクトルは、ｘ、ｙ、ｚ座標系における正味の力ベクトル
2017518217.tif 000026
をマルチロータヘリコプタ１００の質量ｍで除算したものとして表現され得る。例えば、ｎ個のスラスタを備えるマルチロータヘリコプタ１００について、正味の並進加速度ベクトルは以下のように表現され得る。
【数１３】
2017518217.tif 000027
【００４８】
正味のモーメントを決定すべく、各スラスタ１０６において生成される、ｘ、ｙ、ｚ座標系における複数のモーメント
2017518217.tif 000028
が合計され得る。
【数１４】
2017518217.tif 000029
【００４９】
ニュートンの運動の第２法則から、マルチロータヘリコプタ１００の正味の角加速度ベクトルは、ｎ個のスラスタによるモーメントの和を、マルチロータヘリコプタ１００の慣性モーメントＪで除算したものとして表現され得る。例えば、ｎ個のスラスタを備えるマルチロータヘリコプタ１００について、正味の角加速度は以下のように表現され得る。
【数１５】
2017518217.tif 000030
【００５０】
マルチロータヘリコプタ１００の上記モデルに基づけば、読者には、全体的な並進加速度ベクトル
2017518217.tif 000031
及び全体的な角加速度ベクトル
2017518217.tif 000032
の大きさ及び方向が、ｎ個のスラスタ１０６の各々のモータ１０８について角速度ωｉの適切な値を設定することで個々に制御され得ることが明らかなはずである。
【００５１】
２  マルチロータヘリコプタ制御システム
図４を参照すると、輸送体１００を制御する例示的手法において、マルチロータヘリコプタ制御システム４００は、慣性基準系（ｎ、ｗ、ｈ（すなわち、北、西、高度）座標系として特定され、用語「慣性基準系」と用語ｎ、ｗ、ｈ座標系とは交換可能に使用される）における所望の位置
2017518217.tif 000033
と、慣性基準系における所望の回転の向き
2017518217.tif 000034
（慣性基準系のロール（Ｒ）、ピッチ（Ｐ）、及びヨー（Ｙ）として特定される）とを含む制御信号４１６を受信し、マルチロータヘリコプタ１００のスラスタ１０６を駆動してマルチロータヘリコプタ１００を空間の所望の位置及び所望の回転の向きに移動させるべく使用される複数の電圧のベクトル
2017518217.tif 000035
を生成する。
【００５２】
制御システム４００は、第１のコントローラモジュール４１８、第２のコントローラモジュール４２０、角速度‐電圧マッピング関数４２２、プラント４２４（すなわち、マルチロータヘリコプタ１００）、及び観測モジュール４２６を備える。慣性基準系において特定された制御信号４１６が第１のコントローラ４１８に提供され、第１のコントローラ４１８は、各々がマルチロータヘリコプタ１００の基準系（すなわち、ｘ、ｙ、ｚ座標系）において特定される、差分推力ベクトル
2017518217.tif 000036
及び差分モーメントベクトル
2017518217.tif 000037
を決定すべく制御信号４１６を処理する。いくつかの例では、複数の差分ベクトルが、所望の推力ベクトルのスケーリング（ｓｃａｌｉｎｇ）とみなされ得る。例えば、制御システム４００の利得値は経験的な調整手順を使用して見付けられてよいので、倍率を含んでいる。このような理由で、少なくともいくつかの実施形態では、倍率は制御システム４００によって明示的に決定される必要がない。いくつかの例では、複数の差分ベクトルは局在する動作点周辺のマルチロータヘリコプタシステムを線形化すべく使用され得る。
【００５３】
いくつかの例では、第１のコントローラ４１８は現在の力ベクトルの推定値を維持し、慣性基準系における差分力ベクトル
2017518217.tif 000038
を、慣性基準系における所望の位置を得るために必要な力ベクトルの差として決定すべく当該推定値を使用する。同様に、第１のコントローラ４１８は、慣性基準系における現在のモーメントベクトルの推定値を維持し、慣性基準系における差分モーメントベクトル
2017518217.tif 000039
を、慣性基準系における所望の回転の向きを得るために必要なモーメントベクトルの差として決定すべく当該推定値を使用する。次に、第１のコントローラは、慣性系における差分力ベクトル
2017518217.tif 000040
に回転行列を適用して、マルチロータヘリコプタ１００のｘ、ｙ、ｚ座標系におけるそれの表示
2017518217.tif 000041
を決定する。同様に、第１のコントローラ４１８は、慣性基準系における差分モーメントベクトル
2017518217.tif 000042
に回転行列を適用して、マルチロータヘリコプタ１００のｘ、ｙ、ｚ座標系におけるそれの表示
2017518217.tif 000043
を決定する。
【００５４】
ｘ、ｙ、ｚ座標系における差分力ベクトルの表示
2017518217.tif 000044
及び、ｘ、ｙ、ｚ座標系における差分モーメントベクトルの表示
2017518217.tif 000045
は、差分モータ角速度のベクトルを決定する第２のコントローラ４２０に提供される。
【数１６】
2017518217.tif 000046
【００５５】
上記のことから分かるように、差分モータ角速度のベクトル
2017518217.tif 000047
は、マルチロータヘリコプタ１００のｎ個のスラスタ１０６の各々についての単一の差分モータ角速度を含む。それらを合わせると、複数の差分モータ角速度は、慣性基準系におけるマルチロータヘリコプタ１００の所望の位置及び回転の向きを得るために必要な複数のモータ１０８の角速度の変化を表している。
【００５６】
いくつかの例では、第２のコントローラ４２０は複数のモータ角速度の現在状態のベクトルを維持し、モータ角速度の現在状態の当該ベクトルを使用して、慣性基準系におけるマルチロータヘリコプタ１００の所望の位置及び回転の向きを得るために必要なモータ角速度の差を決定する。
【００５７】
差分モータ角速度のベクトル
2017518217.tif 000048
は、角速度‐電圧マッピング関数４２２に提供され、角速度‐電圧マッピング関数４２２は以下の複数の駆動電圧のベクトルを決定する。
【数１７】
2017518217.tif 000049
【００５８】
上記のことから分かるように、複数の駆動電圧のベクトル
2017518217.tif 000050
は、ｎ個のスラスタ１０６の各モータ１０８の駆動電圧を含む。複数の駆動電圧はモータ１０８に、慣性基準系においてマルチロータヘリコプタ１００の所望の位置及び回転の向きを実現するために必要な複数の角速度で回転させる。
【００５９】
いくつかの例では、角速度‐電圧マッピング関数４２２は、現在の駆動電圧のベクトルを維持する。当該ベクトルは各モータ１０８の現在の駆動電圧を含む。複数の駆動電圧のベクトル
2017518217.tif 000051
を決定すべく、角速度‐電圧マッピング関数４２２は、各モータ１０８の差分角速度Δωｉを差動電圧にマッピングする。各モータ１０８の差動電圧はモータ１０８の現在の駆動電圧に適用され、その結果、モータの更新された駆動電圧Ｖｉが得られる。複数の駆動電圧のベクトル
2017518217.tif 000052
は、ｉ個のスラスタ１０６の各モータ１０８の更新された駆動電圧を含む。
【００６０】
複数の駆動電圧のベクトル
2017518217.tif 000053
はプラント４２４に提供される。プラント４２４では、それらの電圧はｉ個のスラスタ１０６のモータ１０８を駆動すべく使用され、結果として、マルチロータヘリコプタ１００を位置および向きの新しい推定値：
【数１８】
2017518217.tif 000054
に並進及び回転させる。
【００６１】
観測モジュール４２６は新しい位置および向きを観測し、それを誤差信号として結合ノード（ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ  ｎｏｄｅ）４２８にフィードバックする。制御システム４００は、この処理を繰り返し、マルチロータヘリコプタ１００が、できる限り慣性基準系における所望の位置及び回転の向きに近い状態を実現及び維持する。
【００６２】
３  応用
図５を参照すると、いくつかの例では、マルチロータヘリコプタ１００が、卓越風５３０の存在下で慣性基準系における所与の位置
2017518217.tif 000055
においてホバリングする作業を課されている。風はマルチロータヘリコプタ１００に対して水平方向の力
2017518217.tif 000056
を働かせ、マルチロータヘリコプタを水平方向に変位させやすい。従来のマルチロータヘリコプタは、風の水平方向の力に対抗するよう、それらのフレームを風上に傾け、それらのスラスタによって生成される推力を調整し、これにより変位を回避しなくてはならない場合がある。しかしながら、マルチロータヘリコプタのフレームを風上に傾けると、風に曝されるマルチロータヘリコプタのプロファイルを増加させる。増加したプロファイルは、結果的に、風のせいでマルチロータヘリコプタに加えられる水平方向の力を増加させる。次にマルチロータヘリコプタは、増加した風力に対抗すべく、更に風上に傾き、それのスラスタによって生成された推力を更に調整しなくてはならない。更に風上に傾けると、風に曝されるマルチロータヘリコプタのプロファイルを更に増加させるということは言うまでもない。読者には、マルチロータヘリコプタを風上に傾けると、エネルギーを無駄にする悪循環をもたらすということが明らかなはずである。
【００６３】
上述の複数の手法は、マルチロータヘリコプタ１００のフレームを風上に傾けることなく、マルチロータヘリコプタ１００を風上に水平に動かすことを可能にすることによってこの問題に対処するものである。そうすべく、上述の制御システムは、力ベクトル
2017518217.tif 000057
がマルチロータヘリコプタ１００に加えられるように、マルチロータヘリコプタ１００にそれの正味の推力をベクタリングさせる。力ベクトル
2017518217.tif 000058
は、マルチロータヘリコプタ１００に及ぼされる重力定数ｇに等しい大きさで、慣性系のｈ軸に沿って上方に伸びる第１の成分を有する。力ベクトル
2017518217.tif 000059
の第１の成分は、マルチロータヘリコプタ１００の高度を所与の位置に関連付けられた高度に維持する。力ベクトル
2017518217.tif 000060
は、風が及ぼす力とは逆（すなわち、風上の）方向に伸び、風が及ぼす力
2017518217.tif 000061
の大きさに等しい大きさを有する第２の成分を有する。力ベクトルの第２の成分は、慣性基準系のｎ、ｗ平面におけるマルチロータヘリコプタ１００の位置を維持する。
【００６４】
上述の制御システムは、慣性基準系におけるそれの水平の向き
2017518217.tif 000062
を維持すべく、マルチロータヘリコプタ１００に、それのモーメントベクトル
2017518217.tif 000063
の大きさをゼロ又はゼロ付近に維持させる。その際、マルチロータヘリコプタ１００がそれの推力を風に向かってベクタリングするとき、マルチロータヘリコプタ１００の質量中心の回りのあらゆる回転は阻止される。
【００６５】
このようにして、マルチロータヘリコプタの制御システムによって維持された力ベクトル
2017518217.tif 000064
及びモーメントベクトル
2017518217.tif 000065
は、マルチロータヘリコプタ１００が、回転して、ヘリコプタ１００が風の方に向けるプロファイルを増加させることなく、それに加えられる風力を相殺できるようにする。
【００６６】
図６を参照するとマルチロータヘリコプタ１００の下方の地上の関心地点６３４の複数の画像を撮る目的で、マルチロータヘリコプタ１００に撮像センサ６３２（例えば、カメラ）が取り付けられることが多い。通常、撮像センサ６３２が複数の画像を撮る間、マルチロータヘリコプタ１００を一か所でホバリングさせることが望ましいことが多い。従来のマルチロータヘリコプタは、それらのフレームを傾ける（そして水平方向の動きを生じさせる）ことなく撮像センサ６３２を方向付けることができないので、それらの撮像センサを方向付けすための、高価で重たいジンバルを必要とする。
【００６７】
上述の複数の手法は、マルチロータヘリコプタ１００が、慣性平面においてそれの位置を維持しつつ、慣性平面においてそれのフレームを回転できるようにすることで、そのようなジンバルの必要性をなくす。このようにして、撮像センサ６３２はマルチロータヘリコプタ１００のフレームに静的に取り付けられることが可能であり、当該ヘリコプタは、ヘリコプタの水平方向の動きを生じさせることなく撮像センサ６３２を方向付けるべくそれのフレームを傾け得る。そうすべく、上述の制御システムは、所望の撮像センサの向き
2017518217.tif 000066
を特徴付ける制御信号を受信すると、マルチロータヘリコプタ１００のモーメントベクトル
2017518217.tif 000067
を、所望の回転量に相当する大きさで、慣性基準系の水平な（ｎ，ｗ）平面に沿った方向に伸びさせる。慣性基準系におけるマルチロータヘリコプタ１００の位置
2017518217.tif 000068
を維持すべく、制御システムは、力ベクトル
2017518217.tif 000069
がマルチロータヘリコプタ１００に加えられるように、マルチロータヘリコプタ１００にそれの正味の推力をベクタリングさせる。力ベクトル
2017518217.tif 000070
は、慣性基準系のｈ軸だけに沿って伸び、重力定数ｇに等しい大きさを有する。力ベクトル
2017518217.tif 000071
及びモーメントベクトル
2017518217.tif 000072
を独立に設定することによって、マルチロータヘリコプタ１００は、一か所でホバリングしつつそれの中心の回りを回転し得る。
【００６８】
前述のとおり、従来のマルチロータヘリコプタは、ロール、ピッチ、ヨー、及び正味の推力において制御される。そのようなヘリコプタは、定位置でホバリングする場合、不安定になる（例えば、ヘリコプタの向きが変動する）ことがある。いくつかのそのようなヘリコプタはジンバル式撮像センサを有する。従来のヘリコプタが定位置でホバリングする場合、それの不安定な挙動は、ヘリコプタの不安定性を相殺すべくジンバル式撮像センサの向きを常に維持することを要求する場合がある。
【００６９】
図７を参照すると、上述の複数の手法は、ヘリコプタの向きの各軸の独立した制御を可能にしてホバリングするときの、マルチロータヘリコプタ１００の不安定性を有利に低減又は除去する。図７において、撮像センサ７３２がジンバル７３３によってマルチロータヘリコプタ１００に取り付けられている。撮像センサ７３２は、マルチロータヘリコプタ１００の下方の地上の複数の画像を撮るよう構成されている。通常、撮像センサ７３２が所与の関心地点７３４の複数の画像を撮る間、マルチロータヘリコプタ１００を一か所でホバリングさせることが望ましいことが多い。
【００７０】
高い安定性をもって一か所でホバリングすべく、マルチロータヘリコプタ１００は、マルチロータヘリコプタ１００の所望の空間位置
2017518217.tif 000073
及び所望の空間的な向き
2017518217.tif 000074
を特徴付ける制御信号を受信する。図７の例では、ヘリコプタ１００の所望の空間的な向きは、ヘリコプタを慣性基準系に対して水平方向にホバリングさせる。
【００７１】
上述の制御システムは、制御信号を受信し、力ベクトル
2017518217.tif 000075
がマルチロータヘリコプタ１００に加えられるように、マルチロータヘリコプタ１００にそれの正味の推力をベクタリングさせることによって、慣性基準系におけるマルチロータヘリコプタ１００の空間位置
2017518217.tif 000076
を維持する。力ベクトル
2017518217.tif 000077
は慣性基準系のｈ軸だけに沿って伸び、重力定数ｇに等しい大きさを有する。
【００７２】
制御システムは、モーメントベクトル
2017518217.tif 000078
がほぼゼロの大きさを有するように、マルチロータヘリコプタ１００にそれのモーメントをベクタリングさせることによってマルチロータヘリコプタ１００の空間的な向き
2017518217.tif 000079
を維持する。制御システムは、力ベクトル
2017518217.tif 000080
及びモーメントベクトル
2017518217.tif 000081
を維持し、それにより、マルチロータヘリコプタ１００は高い安定性をもって定位置でホバリングする。
【００７３】
ホバリングするマルチロータヘリコプタ１００の高い安定性のおかげで、撮像センサ７３２を関心地点７３４に向けるよう、ジンバルの向きを維持する必要はほとんど又は全くない。
【００７４】
４  代替的実施形態
いくつかの例では、卓越風に起因する抗力を低減すべく、マルチロータヘリコプタにエアロダイナミックボディが加えられ得る。
【００７５】
上記の複数の手法は複数のスラスタを備えるヘリコプタを説明したが、それらのスラスタに代えて他の複数のタイプの推力生成器が使用され得る。
【００７６】
いくつかの例では、マルチロータヘリコプタを制御すべく、ハイブリッド制御スキームが使用される。例えば、図５の例では、マルチロータヘリコプタは、微風の存在下ではそれの位置を維持すべく上述の推力ベクタリング手法を使用してよいが、卓越風が推力ベクタリング手法で克服するにはあまりに強くなりすぎた場合は、標準的な傾斜戦略に切り替わってよい。
【００７７】
図４の制御システムは、マルチロータヘリコプタを制御すべく使用され得る制御システムの一例に過ぎず、例えば、非線形の特殊ユークリッド群３（すなわち、ＳＥ（３））技術を使用する他の複数の制御システムもまた使用され得ることに留意されたい。
【００７８】
上述の例では、マルチロータヘリコプタは６つの推力生成器を有し、各推力生成器は、他の複数の推力生成器の全てとは異なる方向の推力を生成する。異なる６つの方向の推力を生成することで、マルチロータヘリコプタ上の力及びモーメントの全ては切り離され得る（すなわち、当該システムは、６つの未知数をもった６つの方程式のシステムとして表現され得る）。いくつかの例では、マルチロータヘリコプタは更なる（例えば、１０個の）推力生成器を含み得、その各々は、他の複数の推力生成器の全てとは異なる方向の推力を生成する。そのような例では、システムは過剰決定（ｏｖｅｒｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ）され、マルチロータヘリコプタ上の力及びモーメントのうちの少なくともいくつかをより微細に制御することが可能となる。他の例では、マルチロータヘリコプタは６つよりも少ない推力生成器を含み得、その各々は、他の複数の推力生成器の全てとは異なる方向の推力を生成する。
【００７９】
そのような例においては、マルチロータヘリコプタ上の力及びモーメントの全てを切り離すことは不可能である。なぜなら、そのようなシステムの式は、劣決定される（ｕｎｄｅｒｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ）であろう（すなわち、方程式の数より未知数の数が多いであろう）からである。しかしながら、システム設計者は、独立に制御するよう、特定の複数の力及び／又はモーメントを選択してよく、依然として、特定の複数のシナリオにおいて性能上の複数の利点が得られる。
【００８０】
正味の線形推力（例えば、３つの制約）及び正味のトルク（例えば、更なる３つの制約）に従って、複数（例えば、６つ）のモータ速度を制御する能力を維持しつつ、推力位置、推力方向、モータの回転方向、及び最大回転速度の構成、又は各モータによって生成される推力が、様々な基準に従って選択され得ることが理解されるべきである。いくつかの例では、全てのモータは同じ方向に回転する。所与の推力位置のセット（例えば、固定半径で６０度おきに配置された複数の推力位置による対称配置）について、推力方向は設計基準に従って選択される。例えば、それらの推力方向は、正味の力が垂直方向であり、正味のトルクがないホバーモードにおいて等しい推力を提供するよう選択される。いくつかの例では、それらの推力方向は、所望の可制御性「エンベロープ」を得るべく、又は、モータの回転速度に課された制約を考慮して、実現可能な正味の推力ベクトルの、基準又は制約のセットに依存するそのようなエンベロープを最適化するよう選択される。例として、以下の推力方向のセットは、ホバーモードで等しいトルク及び共通の回転方向を提供する。
【００８１】
一構成例では、ねじり角は等しいが、符合が変化している。例えば、複数のモータの各々の上反角は＋１５度であり、それらのモータのねじり角は＋／−１５度で互い違いになっている。この構成例について、行列
【数１９】
2017518217.tif 000082
が、上記条件の全てを満たす。
【００８２】
しかしながら、上記構成の上反角が−１５である場合、行列
【数２０】
2017518217.tif 000083
が、上記条件の全てを満たす。
【００８３】
別の構成例では、上反角は＋１５であり、プロペラは全て反時計回りに回転し、複数のモータのねじり角は、−２２度と＋８度とで互い違いになり、その場合、行列、
【数２１】
2017518217.tif 000084
が、上記条件の全てを満たす。
【００８４】
図８−図１１を参照して、いくつかのプロットが空中輸送体の可制御性エンベロープを示している。当該空中輸送体は、それの複数のモータが、互い違いの方向、１５度の上反角、及び互い違いの１５度のねじり角で回転するよう構成されている。それらの図において示された構成では、輸送体上のヨートルクは０Ｎｍになるよう要求され、１７×９''（４３．１８ｃｍ×２２．８６ｃｍ）のプロペラのためのプロペラカーブが使用される。プロペラの当該定数は、一般性には影響しないことに留意されたい。
【００８５】
図８を参照すると、プロット８００は、横推力が生成されない状態での、様々な輸送体重量におけるロール及びピッチの可制御性エンベロープをＮｍで示している。
【００８６】
図９を参照すると、プロット９００は、１ｍ／ｓ２の右方向の推力が生成されている状態での、様々な輸送体重量におけるロール及びピッチの可制御性エンベロープをＮｍで示している。
【００８７】
図１０を参照すると、プロット１０００は、１ｍ／ｓ２の前方推力が生成されている状態での、様々な輸送体重量におけるロール及びピッチの可制御性エンベロープをＮｍで示している。
【００８８】
図１１を参照すると、プロット１１００は、１ｍ／ｓ２の前方推力及び１ｍ／ｓ２の右推力が生成されている状態での、様々な輸送体重量におけるロール及びピッチの可制御性エンベロープをＮｍで示している。
【００８９】
上記の説明は、本発明の範囲を限界するのではなく、説明するよう意図されているのであり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義されることが理解されるべきである。他の複数の実施形態は、以下の特許請求の範囲内に含まれる。
【図１】
2017518217.tif 000085
【図２】
2017518217.tif 000086
【図３】
2017518217.tif 000087
【図４】
2017518217.tif 000088
【図５】
2017518217.tif 000089
【図６】
2017518217.tif 000090
【図７】
2017518217.tif 000091
【図８】
2017518217.tif 000092
【図９】
2017518217.tif 000093
【図１０】
2017518217.tif 000094
【図１１】
2017518217.tif 000095
【手続補正書】
【提出日】平成29年2月22日(2017.2.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチロータ空中輸送体であって、
ボディと、
前記ボディに静的に連結された、空間的に離れた複数のスラスタであって、各スラスタはモータに連結されたロータを有し、前記複数のスラスタは、少なくともピッチ成分及びヨー成分を有する、対応する異なる複数の推力ベクトルに沿った推力を発する、空間的に離れた複数のスラスタと、
前記空間的に離れた複数のスラスタ用の各モータの角速度を個々に制御して前記マルチロータ空中輸送体の飛行を制御する制御システムと
を備えるマルチロータ空中輸送体。
【請求項２】
各スラスタはある上反角で前記ボディに静的に連結されており、前記空間的に離れた複数のスラスタは、４個のスラスタ、６個のスラスタ、８個のスラスタ、又は１０個のスラスタを有する、請求項１に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項３】
前記ボディは中心を有し、各ロータは中心を有し、かつ、回転平面を画定し、各ロータは、前記ロータの前記中心と前記ボディの前記中心とを接続する線と、前記ロータの前記回転平面との間で測定されたゼロではない上反角で前記ボディに静的に連結されている、請求項１又は２に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項４】
前記ボディから伸び、前記マルチロータ空中輸送体の平面を画定する複数のスパーを更に備え、各スラスタは、前記ロータの回転平面と前記マルチロータ空中輸送体の前記平面との間のゼロではない上反角で、対応するスパーに取り付けられている、請求項１から３の何れか一項に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項５】
各スラスタは、対応するスパーにあるねじり角で取り付けられており、それにより、前記スラスタの推力ベクトルは、前記スパーの長手方向軸の回りの前記ねじり角によって、前記マルチロータ空中輸送体の前記平面の垂直線から離れるように回転させられる、請求項４に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項６】
前記マルチロータ空中輸送体の平面を画定する複数のスパーを更に備え、各ロータは、対応するスパーにあるねじり角で取り付けられており、それにより、前記ロータの回転軸は、前記スパーの長手方向軸の回りの前記ねじり角によって、前記マルチロータ空中輸送体の前記平面の垂直線から離れるように回転させられる、請求項１から３の何れか一項に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項７】
前記ねじり角の大きさは１５°である、請求項５又は６に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項８】
前記制御システムは、前記空間的に離れた複数のスラスタの各々用の前記モータの角速度を個々に制御することで、飛行中、前記マルチロータ空中輸送体の位置及び前記マルチロータ空中輸送体の向きを独立に制御する、請求項１から７の何れか一項に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項９】
検知データに応答してロータ速度を調整すべく誤差信号を生成するセンサを更に備える請求項1から８の何れか一項に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項１０】
前記制御システムは、前記空間的に離れた複数のスラスタの各々用の前記モータの角速度を個々に制御することで、飛行中、前記マルチロータ空中輸送体の向きを維持しつつ、前記マルチロータ空中輸送体の位置を変更する、請求項１から９の何れか一項に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項１１】
前記制御システムは、前記空間的に離れた複数のスラスタの各々用の前記モータの角速度を個々に制御することで、飛行中、前記マルチロータ空中輸送体の向きを変更しつつ、前記マルチロータ空中輸送体の位置を維持する、請求項１から９の何れか一項に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項１２】
前記制御システムは、前記空間的に離れた複数のスラスタの各々用の前記モータの角速度を個々に制御することで、前記複数のスラスタに起因する前記マルチロータ空中輸送体上の正味の力ベクトルと、前記複数のスラスタに起因する前記マルチロータ空中輸送体上の正味のモーメントベクトルとを独立に制御する、請求項１から１１の何れか一項に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項１３】
前記制御システムは前記空間的に離れた複数のスラスタ用の各モータの角速度を個々に制御して、
前記複数のスラスタに起因する前記マルチロータ空中輸送体上の正味のモーメントベクトルを維持しつつ、前記複数のスラスタに起因する前記マルチロータ空中輸送体上の正味の力ベクトルを変更する、又は、
前記複数のスラスタに起因する前記マルチロータ空中輸送体上の正味の力ベクトルを維持しつつ、前記複数のスラスタに起因する前記マルチロータ空中輸送体上の正味のモーメントベクトルを変更する、請求項１から１２の何れか一項に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項１４】
前記制御システムは、前記空間的に離れた複数のスラスタ用の各モータの角速度を個々に制御して、
前記複数のスラスタに起因する前記マルチロータ空中輸送体上の正味のモーメントベクトルを維持しつつ、前記複数のスラスタに起因する前記マルチロータ空中輸送体上の正味の力ベクトルを変更し、かつ
前記複数のスラスタに起因する前記マルチロータ空中輸送体上の正味の力ベクトルを維持しつつ、前記複数のスラスタに起因する前記マルチロータ空中輸送体上の正味のモーメントベクトルを変更する、請求項１から１２の何れか一項に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項１５】
前記制御システムは、前記空間的に離れた複数のスラスタ用の各モータの角速度を個々に制御することによって、前記マルチロータ空中輸送体の向きを維持しつつ、前記複数のスラスタに起因する前記マルチロータ空中輸送体上の正味の力ベクトルを変更する、又は前記制御システムは、前記空間的に離れた複数のスラスタ用の各モータの角速度を個々に制御することによって、前記複数のスラスタに起因する前記マルチロータ空中輸送体上の正味の力ベクトルを維持しつつ、前記マルチロータ空中輸送体の向きを変更する、請求項１に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項１６】
前記マルチロータ空中輸送体が、時間的に変化する水平成分を有する外力を受ける間、前記制御システムは、飛行中、位置を維持し、前記マルチロータ空中輸送体の向きを維持する、請求項１から１５の何れか一項に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項１７】
前記制御システムは、
第１の制御モジュールと、
前記マルチロータ空中輸送体の現在の位置及び現在の向きのうちの少なくとも１つに関する情報を前記第１の制御モジュールに提供する誤差信号モジュールとを有し、
前記制御システムは、前記マルチロータ空中輸送体のための所望の位置及び所望の向きに関する情報を含む制御信号を受信し、
前記第１の制御モジュールは、
現在の力ベクトル及び現在のモーメントベクトルに関する情報を格納し、
前記所望の位置、前記所望の向き、前記現在の位置、前記現在の向き、前記現在の力ベクトル、及び前記現在のモーメントベクトルに基づいて、所望の差分力ベクトル及び所望の差分モーメントベクトルを決定し、
前記制御システムは更に、前記決定された所望の差分力ベクトルと前記決定された所望の差分モーメントベクトルとに基づいて、各モータの前記角速度を調整する、請求項１から１６の何れか一項に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項１８】
前記ボディに連結された撮像センサを更に備え、前記誤差信号モジュールは、前記マルチロータ空中輸送体の現在の位置又は現在の向きに関する情報を前記撮像センサから受信する、請求項１７に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項１９】
前記制御システムは、前記所望の差分力ベクトル及び前記所望の差分モーメントベクトルに基づいて、各モータの所望の差分角速度を決定する第２の制御モジュールを更に有する、請求項１７に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項２０】
前記ボディに静的に連結された、又は、前記ボディにジンバルマウントによって連結された撮像センサを更に備える請求項１から１７の何れか一項に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項２１】
前記複数の推力ベクトルの全ては、第１方向の共有された基本成分を有する、又は、前記複数のスラスタの全ての複数の前記モータは、同じ方向に回転する、又は代替的に、前記複数のスラスタの第１のサブセットの複数の前記モータは、第１方向に回転し、かつ、前記複数のスラスタの第２のサブセットの複数の前記モータは、前記第１方向とは異なる第２方向に回転する、請求項１から２０の何れか一項に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項２２】
前記制御システムは、前記空間的に離れた複数のスラスタが、前記複数のスラスタによって生成される正味の力ベクトルと、前記複数のスラスタによって生成される正味のモーメントベクトルとを独立に制御するよう個々に制御される第１モード、又は、前記空間的に離れた複数のスラスタが、部分的には、前記マルチロータ空中輸送体のロール、ヨー、又はピッチの向きを変更することによって、前記複数のスラスタによって生成される正味の力ベクトルを変更するよう制御される第２モードを動作させる、請求項１から２１の何れか一項に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項２３】
複数の前記モータのうちの何れかに必要とされる角速度が特定の値を超える場合、動作を第１モードから第２モードに変更する、請求項２２に記載のマルチロータ空中輸送体。
【請求項２４】
前記空間的に離れた複数のスラスタ用の各モータの前記角速度を個々に制御して、前記マルチロータ空中輸送体のための前記所望の位置及び前記所望の向きを実現及び維持することを更に備え、前記制御は、
各モータの前記所望の差分角速度に基づいて各モータの前記角速度を修正することと、
新しい現在の位置及び新しい現在の向きの情報を決定又は取得して、前記所望の位置と前記新しい現在の位置との差と、前記所望の向きと前記新しい現在の向きとの差とに基づいて、各ロータの前記角速度を更に修正することとを含む、請求項１７記載のマルチロータ空中輸送体。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
上記の説明は、本発明の範囲を限定するのではなく、説明するよう意図されているのであり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義されることが理解されるべきである。他の複数の実施形態は、以下の特許請求の範囲内に含まれる。
［項目１］
中央部を有するボディと、
上記ボディの上記中央部周辺の複数の場所において上記ボディに静的に連結され、複数の推力ベクトルに沿って推力を発する、空間的に離れた複数のスラスタであって、上記複数の推力ベクトルは、異なる複数の方向を有し、上記複数のスラスタの各スラスタは、上記複数の推力ベクトルのうちの異なる１つに沿って推力を発する、空間的に離れた複数のスラスタとを備え、
上記複数の推力ベクトルのうちの１又は複数の推力ベクトルは、上記ボディの上記中央部に向かう方向、又は、上記ボディの中央部から遠ざかる方向の成分を有する、
空中輸送体。
［項目２］
上記複数の推力ベクトルは、異なる６つの方向に発せられる、項目１に記載の空中輸送体。
［項目３］
上記複数の推力ベクトルは、異なる８つの方向に発せられる、項目１に記載の空中輸送体。
［項目４］
上記複数の推力ベクトルは、異なる１０の方向に発せられる、項目１に記載の空中輸送体。
［項目５］
上記複数のスラスタは、上記ボディの上記中央部に対して対称に分散されている、項目１に記載の空中輸送体。
［項目６］
上記複数のスラスタは、上記ボディによって画定される平面上に分散されている、項目１に記載の空中輸送体。
［項目７］
上記複数の推力ベクトルの上記１又は複数の推力ベクトルの全ては、第１方向の共有された基本成分を有する、項目１に記載の空中輸送体。
［項目８］
上記第１方向は垂直方向である、項目７に記載の空中輸送体。
［項目９］
上記空中輸送体の所望の空間位置と、上記空中輸送体の所望の空間的な向きとを特徴付ける制御信号を受信し、
上記受信された制御信号に基づいて、正味の力ベクトル及び正味のモーメントベクトルを決定し、
上記空間的に離れた複数の推力生成器に、上記正味の力ベクトル及び上記正味のモーメントベクトルを生成させる
コントローラを更に備える、項目１から８の何れか一項に記載の空中輸送体。
［項目１０］
上記コントローラは更に、上記空間的に離れた複数の推力生成器に、上記正味のモーメントベクトルを維持しつつ、上記正味の力ベクトルを変えさせる、項目２に記載の空中輸送体。
［項目１１］
上記コントローラは更に、上記空間的に離れた複数の推力生成器に、上記正味の力ベクトルを維持しつつ、上記正味のモーメントベクトルを変えさせる、項目２に記載の空中輸送体。
［項目１２］
上記ボディは複数のスパーを有し、上記複数のスラスタの各スラスタは、上記複数のスパーのうちの異なる１つの端部に静的に連結されている、項目１から８の何れか一項に記載の空中輸送体。
［項目１３］
上記複数のスラスタの各スラスタは、プロペラに連結されたモータを含む、項目１から８の何れか一項に記載の空中輸送体。
［項目１４］
上記複数のスラスタの第１のサブセットの複数の上記モータは第１方向に回転し、上記複数のスラスタの第２のサブセットの複数の上記モータは、上記第１方向とは異なる第２方向に回転する、項目１３に記載の空中輸送体。
［項目１５］
上記複数のスラスタの各スラスタのモータは全て、同じ方向に回転する、項目１３に記載の空中輸送体。
［項目１６］
上記複数のスラスタの第１のサブセットの複数の上記モータは第１の最高回転速度を有し、上記複数のスラスタの第２のサブセットの複数の上記モータは、上記第１の最高回転速度より小さい第２の最高回転速度を有する、項目１３に記載の空中輸送体。
［項目１７］
上記空間的に離れた複数のスラスタのうちの少なくともいくつかのスラスタは、上記ボディに対してある上反角で上記ボディに連結されている、項目１から８の何れか一項に記載の空中輸送体。
［項目１８］
上記空間的に離れた複数のスラスタのうちの少なくともいくつかのスラスタは、上記ボディに対してあるねじり角で上記ボディに連結されている、項目１から８の何れか一項に記載の空中輸送体。
［項目１９］
上記ボディに連結された撮像センサを更に備える、項目１から８の何れか一項に記載の空中輸送体。
［項目２０］
上記ボディ上に配置されたエアロダイナミックボディカバーを更に備える、項目１から８の何れか一項に記載の空中輸送体。
［項目２１］
上記撮像センサは上記ボディに静的に連結されている、項目１９に記載の空中輸送体。
［項目２２］
上記撮像センサはジンバルを使用して上記ボディに連結されている、項目１９に記載の空中輸送体。
［項目２３］
上記撮像センサはスチルカメラを含む、項目１９に記載の空中輸送体。
［項目２４］
上記撮像センサはビデオカメラを含む、項目１９に記載の空中輸送体。
【国際調査報告】
2017518217.tif 000096
2017518217.tif 000097