(57)【要約】固定翼航空機と回転翼航空機との強み及び複合性を生かした自動化された飛行輸送機を提供する。この航空輸送機は、揚力を発生するように空気力学的に設計された機体、及び揚力並びに前進推力を発生することができる複数のローターを具え、この前進推力により、航空輸送機の固定翼部分が追加的な揚力を発生し始めて、持続的飛行を可能にする。
2020536016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
細長い機体と、
スロット形開口部と、
翼と、
複数のサイドローターと、
第１リアローターと、
コントローラ・システムとを具えた自動化された飛行する輸送機であって、
前記細長い機体は外面を有し、該外面は、最上部、最下部、第１側部、第２側部、前部、及び後部を有し、該外面はさらに内部キャビティを規定し、
前記スロット形開口部は、前記第１側部及び前記第２側部を貫通して配置され、前記機体内の当該機体の上部付近に位置決めされ、
前記翼は、前記スロット形開口部内に配置され、飛行中に揚力を発生するように構成され、
前記サイドローターの各々は、ローター・ハウジングを有し、前記機体の前記最下部の付近に、前記第１側部及び前記第２側部の各々に沿って配置され、これにより、前記機体の大部分は前記複数のサイドローターの上方に配置され、前記複数のサイドローターの各々は、近端及び遠端を有する細長いサイドシャフトに接続され、該近端は前記機体に接続され、該遠端は前記ローター・ハウジングに接続され、前記複数のサイドローターの各々は電力システムに接続され、該電力システムは前記内部キャビティ内に配置され、
前記第１リアローターは、前記機体の前記後部から所定距離の所に配置されたローター・ハウジングを有し、第１端及び第２端を有する細長い支持シャフトに接続され、該第１端は前記機体に接続され、該第２端は前記ローター・ハウジングに接続され、前記第１リアローターは前記電力システムに接続され、
前記コントローラ・システムは、前記内部キャビティ内に配置され、前記複数のサイドローター及び前記第１リアローターと通電し、前記サイドローター及び前記第１リアローターの各々の回転運動を連係させ、これにより対応する推力を生成し、これにより、前記輸送機は垂直運動及び水平運動をさらに含み、
前記垂直運動は、少なくとも前記複数のサイドローターが発生する垂直方向の推力によって制御され、
前記水平運動は、前記第１リアローター、及び連係して回転する前記複数のサイドローターから成るグループから発生する推力によって制御される、自動化された輸送機。
【請求項２】
前記翼が、前記スロット形開口部内に対向して配置された第１翼及び第２翼をさらに具え、前記第１翼及び前記第２翼の各々は、前記翼の本体に回転可能な様式で接続され、機械駆動システムにさらに接続され、該機械駆動システムは、前記コントローラ・システムから制御入力を受信して、該制御入力を前記第１翼及び前記第２翼の連係した回転運動に変換するように構成され、これにより、前記第１翼及び前記第２翼を展開した形態及び収納された形態に配置することができ、
前記展開した形態の前記第１翼及び前記第２翼は、当該翼の断面が前記水平運動中に揚力を発生する所に落ち着くように位置決めされ、
前記収納された形態の前記第１翼及び前記第２翼は、当該翼の断面が揚力を発生しないように位置決めされる、請求項１に記載の輸送機。
【請求項３】
前記複数のサイドローターの各々が、前記機体の長軸に垂直に延びる固定軸の周りに回転可能であり、前記サイドローターの回転は、当該サイドローターの推力の方向付けを生じさせることができる、請求項１に記載の輸送機。
【請求項４】
前記第１リアローターが、前記支持シャフトに垂直な軸の周りに回転可能であり、これにより、前記第１リアローターは当該第１リアローターの所望の位置に応じた推力の方向付けを生じさせることができ、前記第１リアローターの回転は、前記コントローラ・システムと通信する回転モーターによって制御され、前記第１リアローターの位置は前記コントローラ・システムによって制御される、請求項１に記載の輸送機。
【請求項５】
前記回転モーターが、前記機体内に配置され、前記細長い支持シャフトの前記第２端に位置する枢着点で前記第１リアローターに接続されている、請求項４に記載の輸送機。
【請求項６】
前記回転モーターが、前記第２端に配置され、前記ローター・ハウジング内に包囲されている、請求項４に記載の輸送機。
【請求項７】
前記内部キャビティが人間を収容するように構成されている、請求項１に記載の輸送機。
【請求項８】
アクセスドアをさらに具え、該アクセスドアは、前記輸送機の前記前部上に配置され、ヒンジ及びスライド機構から成るグループから選択した手段によって前記輸送機の前記機体に接続されている、請求項１に記載の輸送機。
【請求項９】
アクセスパネルをさらに具え、該アクセスパネルは、前記輸送機の内部構成要素へのアクセスを可能にするように動作する、請求項１に記載の輸送機。
【請求項１０】
前記アクセスパネルが、前記機体上の、前記最下部、及び前記第１側部及び前記第２側部の各々から成るグループから選択した位置に配置されている、請求項９に記載の輸送機。
【請求項１１】
前記複数のサイドローターの各々及び前記第１リアローター上に配置されたダクト形シュラウドをさらに具え、該ダクト形シュラウドは可変の断面を有し、これにより、前記サイドローター及び前記第１リアローターの先端における推力の損失が最小にされ、前記サイドローター及び前記第１リアローターの気流の速度が最大にされる、請求項１に記載の輸送機。
【請求項１２】
少なくとも第２リアローターをさらに具え、該第２リアローターは、前記機体の長軸に対して前記第１リアローターの反対側に配置され、かつ前記第１リアローターと平行に配置されている、請求項１に記載の輸送機。
【請求項１３】
前記第１リアローター及び前記第２リアローターの各々が、前記支持シャフトに垂直な軸の周りに回転可能であり、これにより、前記第１リアローター及び前記少なくとも第２リアローターは、当該リアローターの所望の位置に応じた推力の方向付けを生じさせることができ、当該リアローターの回転は、前記コントローラ・システムと通信する回転モーターによって制御され、当該リアローターの位置は前記コントローラ・システムによって制御される、請求項１２に記載の輸送機。
【請求項１４】
マルチローター固定翼輸送機を制御する方法であって、
マルチローター固定翼輸送機を用意するステップであって、該マルチローター固定翼輸送機は：
細長い機体と、
スロット形開口部と、
翼と、
複数のサイドローターと、
第１リアローターと、
コントローラ・システムとを具え、
前記細長い機体は外面を有し、該外面は、最上部、最下部、第１側部、第２側部、前部、及び後部を有し、該外面はさらに内部キャビティを規定し、
前記スロット形開口部は、前記第１側部及び前記第２側部を貫通して配置され、前記機体内の当該機体の上部付近に位置決めされ、
前記翼は、前記スロット形開口部内に配置され、飛行中に揚力を発生するように構成され、
前記サイドローターの各々は、ローター・ハウジングを有し、前記機体の前記最下部の付近に、前記第１側部及び前記第２側部の各々に沿って配置され、これにより、前記機体の大部分は前記複数のサイドローターの上方に配置され、前記複数のサイドローターの各々は、近端及び遠端を有する細長いサイドシャフトに接続され、該近端は前記機体に接続され、該遠端は前記ローター・ハウジングに接続され、前記複数のサイドローターの各々は電力システムに接続され、該電力システムは前記内部キャビティ内に配置され、
前記第１リアローターは、前記機体の前記後部から所定距離の所に配置されたローター・ハウジングを有し、第１端及び第２端を有する細長い支持シャフトに接続され、該第１端は前記機体に接続され、該第２端は前記ローター・ハウジングに接続され、前記第１リアローターは前記電力システムに接続され、
前記コントローラ・システムは、前記内部キャビティ内に配置され、前記複数のサイドローター及び前記第１リアローターと通電し、前記サイドローター及び前記第１リアローターの各々の回転運動を連係させ、これにより対応する推力を生成し、これにより、前記マルチローター固定翼輸送機は垂直運動及び水平運動をさらに含み、
前記垂直運動は、少なくとも前記複数のサイドローターが発生する垂直方向の推力によって制御され、
前記水平運動は、前記第１リアローター、及び連係して回転する前記複数のサイドローターから成るグループから発生する推力によって制御されるステップと、
前記マルチローター固定翼輸送機の所望の位置の入力を発生するステップと、
前記マルチローター固定翼輸送機の所望の姿勢の入力を発生するステップと、
前記所望の位置を位置コントローラに入力するステップであって、該位置コントローラは、前記位置の入力を速度成分の入力に変換して、対応する力フィードバックの入力を発生するステップと、
前記所望の姿勢と、前記発生した力フィードバックとを、力配分モジュールにおいて組み合わせて、姿勢コントローラへの姿勢の入力を発生するステップであって、該姿勢コントローラは、上昇・降下率コントローラに入力される所望のねじれを発生し、該上昇・降下率コントローラは、該所望のねじれを、モーメント配分モジュールへの力モーメントの入力に変換するステップと、
前記力モーメントの入力と、前記力配分モジュールからの力フィードバックとを、制御配分モジュールにおいて組み合わせるステップと、
適切な力発生電圧を前記複数のサイドローター及び前記第１リアローターに配分するステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本願は一般に自律飛行機を参照する。特に、本願は、都市環境を含む多様な環境において人及び他のペイロードを輸送することができる自律飛行機に指向したものである。
【背景技術】
【０００２】
比較的小型の個人用航空輸送機システムが今日の社会においてますます大きな役割を担っている。設計の急速な改良並びにサイズ及びコストの減少により、小型の航空機が、日常生活のより多数の領域で用いられている。一部の用途は、小型パッケージを輸送することを含んでおり、軍事行動における後方支援及び戦術支援を提供している。一部の状況では、航空輸送機がシステムに自律性を加えて、人間が制御する要素をなくしている。しかし、多様な環境において展開することができる航空輸送の急速で費用効果的な展開のための改良されたシステム及び方法の必要性が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の多数の実施形態によるシステム及び方法は、医療航空輸送の分野を含む多様な状況で利用することができる改良された輸送システムに指向している。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
多数の好適例では、航空輸送システムの信頼性及び機能を向上させる自動化された航空輸送システム及び制御方法が提供される。
【０００５】
多数の好適例は、外面を有する細長い機体を含み、この外面は、最上部、最下部、第１及び第２側部、及び前部及び後部を有し、これにより、この外面はさらに内部キャビティを規定する。この機体はスロット形開口部も有し、このスロット形開口部は、第１及び第２側部を貫通して配置され、機体内の機体上部付近に位置決めされている。このスロット形開口部は翼を受け入れるように構成することができ、この翼は、スロット形開口部内に配置され、飛行中に揚力を発生するように構成されている。それに加えて、多数の好適例は複数のサイドローター（側部回転翼）を含み、その各々がローター・ハウジングを有する。これらのローターの各々は、機体の最下部の付近に、第１及び第２側部の各々に沿って配置され、これにより、機体の大部分はこれら複数のローターの上方に配置される。各ローターは、近端及び遠端を有する細長いサイドシャフト（側部回転軸）に接続され、近端は機体に接続され、遠端はローター・ハウジングに接続されている。各ローターは、内部キャビティ内に配置された電力システムにも接続することができる。多数の好適例によれば、上記航空輸送機は第１リアローター（後部回転翼）を有することもでき、この第１リアローターは、ローター・ハウジングを有し、機体の後部から所定距離の所に配置され、第１端及び第２端を有する細長い支持シャフトに接続され、第１端は機体に接続され、第２端はローター・ハウジングに接続されている。リアローターは電力システムにも接続されている。多数の好適例によれば、この航空輸送機はコントローラ・システムも含み、このコントローラ・システムは、内部キャビティ内に配置され、上記複数のサイドローター及び上記第１リアローターと通電し、これらのローターの各々の回転運動を連係させ、これにより対応する推力を生成し、これにより輸送機は垂直運動及び水平運動をさらに含む。垂直運動は、少なくとも複数のサイドローターが発生する垂直方向の推力によって制御することができる。水平運動は、第１リアローター、及び連係して回転する複数のサイドローターから成るグループから発生する推力によって制御することができ、上記翼はさらに水平運動中に揚力を発生する。
【０００６】
他の好適例では、上記翼を、上記スロット形開口部内に対向して配置された第１翼及び第２翼で構成することもでき、第１翼及び第２翼の各々は、上記翼の本体に回転可能な様式で接続され、機械駆動システムにさらに接続され、この機械駆動システムは、上記コントローラ・システムから制御入力を受信して、この制御入力を第１翼及び第２翼の連係した回転運動に変換するように構成され、これにより、これらの翼を展開した形態及び収納された形態に配置することができる。展開した形態のこれらの翼は、翼の断面が水平運動中に揚力を発生する所に落ち着くように位置決めされる。収納された形態のこれらの翼は、その断面が揚力を発生しないように位置決めされる。
【０００７】
さらに他の好適例では、複数のサイドローターの各々が、機体の長軸に垂直に延びる固定軸の周りに回転可能であり、これらのサイドローターの回転は、これらのローターの推力の方向付け（ベクタリング）を生じさせることができる。
【０００８】
さらに他の好適例では、第１リアローターが、上記支持シャフトに垂直な軸の周りに回転可能であり、これにより、第１リアローターは、当該第１リアローターの所望位置に応じた推力の方向付けを生じさせることができ、その回転は制御システムと通信する回転モーターによって制御することができ、第１リアローターの位置は上記制御システムによって制御することができる。
【０００９】
さらに他の好適例では、回転モーターが機体内に配置され、上記細長い支持シャフトの第２端に位置する枢着点で第１リアローターに接続されている。
【００１０】
他の好適例では、上記回転モーターが上記第２端に配置され、ローター・ハウジング内に包囲されている。
【００１１】
さらに他の好適例では、上記内部キャビティが人間を収容するように構成されている。
【００１２】
さらに他の好適例では、上記航空輸送機がアクセスドアも含み、このアクセスドアは、上記輸送機の前部上に配置され、ヒンジ及びスライド機構から成るグループから選択した手段によって上記輸送機の機体に接続されている。
【００１３】
さらに他の実施形態では、上記航空輸送機がアクセスパネルも含み、これらのアクセスパネルは、上記輸送機の内部構成要素へのアクセスを可能にするように動作する。
【００１４】
他の好適例では、上記アクセスパネルが、機体上の、上記最下部、及び上記側部の各々から成るグループから選択した位置に配置されている。
【００１５】
さらに他の好適例では、上記航空輸送機が、上記複数のサイドローターの各々及び上記第１リアローター上に配置されたダクト形シュラウドを含み、このダクト形シュラウドは可変の断面を有し、これにより、ローター先端における推力の損失が最小にされ、ローターの気流の速度が最大にされる。
【００１６】
さらに他の好適例では、上記航空輸送機が少なくとも第２リアローターを含み、この第２リアローターは、機体の長軸に対して第１リアローターの反対側に、かつ第１リアローターと平行に配置されている。
【００１７】
さらに他の好適例では、上記シュラウドが、揚力を発生するように構成された固定の単一翼の形に形成されている。
【００１８】
他の好適例では、第１及び第２リアローターの各々が、上記支持シャフトに垂直な軸の周りに回転可能であり、これにより、上記第１リアローター及び上記少なくとも第２リアローターは、当該リアローターの所望位置に応じた推力の方向付けを生じさせることができ、これらのリアローターの回転は、上記制御システムと通信する回転モーターによって制御され、これらのリアローターの位置は上記制御システムによって制御される。
【００１９】
多数の好適例が、マルチ（複数）ローター型固定翼輸送機を含む航空輸送機を制御する方法を含む。多数の好適例が、本明細書中に説明する種々の好適例によるマルチローター型固定翼輸送機を含むことができる。マルチローター型固定翼輸送機の所望位置の入力は、飛行の前及び／または後に発生することができる。マルチローター型固定翼輸送機の所望の姿勢も発生することができる。上記所望位置は位置コントローラへ送信することができ、位置コントローラは、位置入力を速度成分入力に変換して、対応する力フィードバック入力を発生する。所望の姿勢と発生した力フィードバックとを力配分モジュールにおいて組み合わせて、姿勢コントローラへの姿勢入力を発生することができ、姿勢コントローラは上昇・降下率コントローラに入力される所望のねじれを発生し；上昇・降下率コントローラは所望のねじれをモーメント配分モジュールに入力される力モーメントに変換する。それに加えて、力モーメント入力と力配分モジュールからの力フィードバックとを、制御配分モジュールにおいて組み合わせることができる。その後に、制御配分モジュールは、適切な力発生電圧を上記複数のサイドローター及びリアローターへ配分することができる。
【００２０】
追加的な好適例及び特徴は、一部はこれに続く記述中に説明し、一部は本明細書を調べると当業者にとって明らかになり、あるいは本開示の実施によって学習することができる。本発明の性質及び利点の更なる理解は、本明細書の残りの部分及び図面を参照することによって実現することができ、これらは本開示の一部を形成する。
【００２１】
説明は、次の図面を参照すればより十分に理解され、これらの図面は本発明の好適な実施形態として提示し、本発明の範囲の完全な記述として解釈するべきでない：
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】本発明の一実施形態による航空輸送機の空気力学的機体の上面図である。
【図１Ｂ】多数の実施形態による空気力学的機体の側面図である。
【図１Ｃ】本発明の一実施形態による空気力学的機体の正面図である。
【図１Ｄ】本発明の一実施形態による空気力学的機体の透視図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態による翼付き航空輸送機の側面図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態による翼付き航空輸送機の上面図である。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態による翼付き航空輸送機の正面図である。
【図２Ｄ】本発明の一実施形態による翼付き航空輸送機の透視図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による翼付き航空輸送機及び推進システムの側面図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による翼付き航空輸送機及び推進システムの上面図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態による翼付き航空輸送機及び推進システムの正面図である。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態による翼付き航空輸送機及び推進システムの透視図である。
【図４】図４Ａ〜４Ｃは、一部の実施形態による推進システムの一部分の可変位置決めを示す図である。
【図５】図５Ａ及び５Ｂは、多数の実施形態による配置に基づくリアローターのそれぞれの推進能力を示す図である。
【図６】図６Ａ〜６Ｄは、ダクトローター付きの本発明の一実施形態の種々の図である。
【図７】多数の実施形態によるそれぞれの上昇能力を示す図である。
【図８】多数の実施形態のそれぞれの抗力特性を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態の上面図である。
【図１０Ａ】種々の実施形態による展開翼付き航空輸送機の上面図である。
【図１０Ｂ】種々の実施形態による展開翼付き航空輸送機の側面図である。
【図１１Ａ】種々の実施形態による収納翼付き航空輸送機の上面図である。
【図１１Ｂ】種々の実施形態による収納翼付き航空輸送機の側面図である。
【図１２】アクセスドア付きの本発明の一実施形態の透視図である。
【図１３】種々の内部構成要素を有する実施形態の断面図である。
【図１４】図１４Ａ及び１４Ｂは、航空輸送機の機体に対するタフト法による気流試験を示す図である。
【図１５】本発明の一部の実施形態によるコントローラのフレームワークを示す図である。
【図１６】本発明の多数の実施形態によるコントローラのフレームワークを示す図である。
【図１７】種々の実施形態による速度追跡のグラフである。
【図１８】種々の実施形態による、迎え角、及びこの迎え角により生じる代表的な揚力及び抗力のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
発明の詳細な説明
ここで図面を参照すれば、本発明の種々の実施形態による航空輸送機システム、及び自動化された航空輸送機を制御する方法が図示されている。いくつかの実施形態では、航空輸送システムが複数のサイドローターを含み、これらのサイドローターは垂直離陸のシナリオにおいて揚力を発生するように構成されている。それに加えて、種々の実施形態では、これらのサイドローターが、航空輸送機を前方飛行のために前向きに推進させるように動作することができる。多数の実施形態では、航空輸送機がリアローターも含む。一部の実施形態では、これらのリアローターが前向きの推力を輸送機に与えるように動作することができ、あるいは揚力を輸送機に与えるように動作することもできる。一部の実施形態では、これらのローターのうちの１つ以上を傾斜するように構成し、これにより、航空輸送機を垂直及び水平の両方向に推進させることに役立つための推力の方向付け能力を生じさせることができる。多数の実施形態では、航空輸送機がある種の固定翼を有する。この固定翼は、航空輸送機が、従来の固定翼航空機がより長距離でより効率的な持続的飛行を行うことを可能にする翼の揚力の性質を利用することに役立つ。多数の実施形態では、固定翼部分を、航空輸送機の機体のいずれの側でも格納可能であるように設計し、これにより、輸送機のフットプリント（専有面積）を低減することを可能にし、航空輸送機が多様な場所に入ることを可能にすることができる。複数のローター及び格納可能な固定翼部分を共に有する航空輸送機を有することは、長い滑走路の必要性を解消し、従来の航空機が他の方法でアクセス可能でない一部の領域内へ輸送機が立ち入ることを可能にすることができる。
【００２４】
多数の実施形態では、航空輸送機の機体を生物規範（生物に着想を得たもの）にして、航空輸送機の抗力を低減して上昇能力を向上させることができる。例えば、一部の実施形態では、機体がハコフグに似た形状を有することができ、前部が比較的鈍角であり、尾部はより先細り（テーパー形）の形状を有する。多数の実施形態では、機体の外形をハコフグの外形に似せることができ、こうした外形は色々な意味で翼と同様な揚力特性を呈することができる。しかし、内部形状のサイズは、多様なペイロードを収容するように合わせることができ、これらのペイロードは人間を含むがそれに限定されない。輸送機の機体内部のペイロードを搬送する能力は、機体の設計をペイロードに関係なく空気力学的機能向けに最適化することを可能にする。従って、多数の実施形態は、輸送機上の電力及び制御システムにわずかな負担を加えて、上記ペイロードでより長距離でより効率的な飛行を可能にすることができる。それに加えて、多数の実施形態は、ローターを輸送機の機体の下方に配置して重心を変化させて、航空輸送機全体の空力（空気力学的）特性をさらに改善することができる。
【００２５】
多数の実施形態では、制御システムを、１つ以上の電力システム及び／またはセンサシステムと併せて利用して、自律飛行能力を可能にする。
【００２６】
いくつかの実施形態では、上記航空輸送機システムが医療用航空輸送機システムとして構成されている。医療用航空輸送機は、現場でのより高レベルの手当て並びに外傷センターへの応急アクセスを提供することによって、救急医療サービス（ＥＭＳ：emergency medical service）の救急救命能力を拡大するに当たり重要な役割を果たすことができる。多数の要因が、乗員及び患者の安全を保障しつつ適切なトリアージ（重症度判定）のレベルを与える主目的を有する司令員の、固定翼航空機を用いるか医療装備付きヘリコプターを用いるかの決断に影響を与える。天候、航空交通量のパターン、最寄りの外傷センターまでの距離、及び／または最寄りの外傷センターへの実際のアクセス（即ち、近隣の滑走路またはヘリポートへのアクセス）のすべてが派遣の可能性及び種類に影響を与え得る。
【００２７】
航空ＥＭＳの必要性の最良の決定を行おうとするために、主観的手順及び学習を用いることが多く、乗員及び患者の両者にとっての、結果の重大性を伴う早急な手当ての必要性、危険性、及びコストのバランスをとる。多数の事例では、地上ベースのサービスが不適切である（即ち、遅過ぎる、アクセスできない、あるいはその両方である）ものと考えられる際に航空ＥＭＳを用いる。インフラストラクチャ（基盤）のコスト及び要求の理由で、航空ＥＭＳは、有効ではあるが第２の選択肢と考えられる。航空救急車のクラス内には次の２つの主要な選択肢が存在する：特殊装備のヘリコプター（軍事用語ではＭＥＤＥＶＡＣ（medical+evacuation））及び医療装備付き固定翼航空機。ヘリコプターは距離限界があるのに対し、固定翼航空機は離陸及び着陸するための小さからぬインフラストラクチャ（例えば、滑走路）を必要とし得る。それに加えて、現在の大部分の飛行救急車は人間が操縦し、このことは、これらの飛行救急車にヒューマンエラー（人為的過誤）、人間の疲労をもたらし得るし、及び／または状況説明及び搭乗の動作のための追加的時間を必要とし得る。
【００２８】
本発明の種々の実施形態による自動化された飛行救急車は、より客観的なツールセット、即ち、その救急の能力をずっと先んじて認識し、かつ司令員及びパイロットの判断をなくした医療輸送機を提供することによって、既存のＥＭＳ手順を増強することに役立つ。このことは、調整、地上及び航空交通量、最寄りの適切な外傷センターの位置、及び外傷現場への、及び外傷現場からの最速かつ最も安全な経路に関する自律的な「意思決定」を含むことができる（が、それに限定されない）。さらに、種々の実施形態は、飛行の安定性を増加させるための冗長な推進システムの使用を含むことができ、こうした推進システムは、自動化された救急車または航空輸送機を使用する最遠方の展開及び復帰の任務を支援することができる。
【００２９】
さらに、本発明のいくつかの実施形態による自動化された救急車を飛行させることは、１台の実現可能な輸送機においてヘリコプターの強み：アクセス性と固定翼航空機の強み：航続距離とを組み合わせることによって、従来の航空機の欠点を回避することに役立つことができる。例えば、固定翼航空機は、大面積の用地を費やし得る地上フットプリントを必要とする。同様に、ヘリコプターは、比較的長距離の持続的飛行ができないこと、並びに低い高度限界という欠点を有する。しかし、これら２つのシステムの強みを組み合わせることは、いくつかの限界を克服することに役立つ。本発明の多数の実施形態による輸送機は、既存の医療ヘリポートのインフラストラクチャで離陸及び着陸することができると共に、固定翼航空機と同様に、この航空輸送機は、速度及び航続距離においてより大きな潜在力を提供することができる。本発明の多数の実施形態による航空輸送機は、単数の十分な装備のハイブリッド機において、固定翼航空機及び回転翼航空機の利点を効率的にまとめることができる。モーフィング（滑らかな）形状は、１つの大型のローターの代わりに多数のより小型のローターと組み合わせて、小さいフットプリントを生じさせることに役立ち、こうした小さいフットプリントは、さもなければ到達することが困難であり得る領域内で航空輸送機が動作することを可能にすることができる。
【００３０】
ここで図面を参照すれば、本明細書中に説明する多数の実施形態は、固定翼航空機の利点と回転翼航空機の利点とを組み合わせた種々の航空輸送機に指向し、航空輸送機の潜在的な利用法及び能力を拡張する改良を伴う。例えば、図１Ａ〜Ｄは、航空輸送機１００の空気力学的形状の機体を示す。多数の実施形態によれば、この航空輸送機の機体は生物規範の形状を有することができる。例えば、図１Ｂに示す外形は、前部１２０及び最上部１２５を有する機体を示し、前部１２０は鈍角にすることができ、最上部１２５は丸形にして先細りの後部１４０を有することができる。こうした外形は、ハコフグまたはいくつもの生物関連物体の外形と同様にすることができる。側面図は挿入部１１０または開口部の図を提供し、航空輸送機の飛行中に、そこに翼を格納し、その後にそこから翼を展開することができる。図示する翼は格納可能なものとして示しているが、本発明の多数の実施形態による航空輸送機は、所定用途の要求にとって適切であれば、永久的に固定の翼または永久的に展開した翼を含むことができ、及び／または翼をなくすことができる。「翼」に関しては、多数の実施形態は翼として機能する機体に指向している。種々の翼の形状の説明を、これに続く多数の図面を参照しながら以下に記述する。
【００３１】
図１Ｂは種々の装着部１３０も示し、本発明の種々の実施形態によれば、これらの装着部から多様な推進システムを設置することができる。多数の実施形態によれば、サイドローターの数は、少なければ４つから、機体１００のそれぞれのサイズにとって望ましいであろう数までとすることができる。例えば、本明細書中に示す実施形態は、航空輸送機の側面に沿って配置された少なくとも６つのサイドローターを示している。多数の実施形態によれば、種々のローターの間隔も調整可能にすることができる。例えば、装着位置１３０は均等な間隔をおいていない。最後部の位置は前方２つの位置の間隔に等しい間隔をおいていない。種々の実施形態によれば、ローター装着部の調整可能性は、ローターの機能が固定翼の機能または揚力と干渉しないようにローターを装着することを可能にすることができる。
【００３２】
機体１００の形状は、航空輸送機の前進運動中に発生する揚力を向上させることができる。例えば、航空輸送機の機体１００の急角度で下がる外形は、ハコフグの外形、さらには翼の外形に似せることができる。鈍角の前部１２０及び先細りの後部１４０は、ペイロードを搬送するための大きな内部空間を提供しつつ、航空輸送機の機体全体にわたる空気力学的に改善された流れを可能にすることができる。本明細書中には、この機体が航空輸送機の全揚力を増加させ、抗力を低減することができることをさらに説明する。あらゆる航空機における向上した揚力及び減少した抗力が、あらゆる設計に望まれる要素であり得ることは、通常の当業者が十分に理解する所である。
【００３３】
本発明の多数の実施形態による航空輸送機は調整可能性を提供することができる。例えば、図１Ｂ、１Ｄ、及び２Ａは、機体１００の全長に沿って配置された多様な装着位置１３０を示す。例えば、これらの装着位置を用いて推進システムを装着して、航空輸送機の飛行に揚力及び推力をもたらすことができる。本発明の多数の実施形態による航空輸送機が利用することができる種々の推進システムは、以下でさらに説明する。
【００３４】
ここで図２を参照すれば、本発明の一実施形態による、固定翼部分２１０を有する航空輸送機が図示されている。従来の航空機による固定翼は、飛行中に翼が固定位置にあるものである。この翼は、持続的飛行のための揚力を生成するように機能する固定翼航空機の一部分である。この固定翼は、ヘリコプターと同様に翼が軸の周りに回転して飛行に必要な揚力を発生する回転翼航空機とは対照的である。図２Ａ〜２Ｄに示す実施形態は、空気力学的に設計された機体１００であり、揚力を生成することができる翼を有する。多数の実施形態によれば、翼部分２１０が軸２２０の周りに回転可能であり、これにより翼は種々の位置を有し、翼の回転は電源システム（図示せず）及び制御システム（図示せず）に接続されたモーター（図示せず）によって動作させることができる。例えば、図２Ｂは、翼２１０が航空輸送機の機体１００の長軸とほぼ直角に位置決めされるような展開位置の翼２１０を示す。種々の実施形態によれば、翼の展開位置は、航空輸送機の上昇能力を増加させることを支援することができ、このことは長期の持続的飛行を支援することができる。こうした実施形態は、多様な用途における飛行の効率を向上させることができる。図２Ｃ及び２Ｄは展開位置の翼２１０の追加的な図を示す。
【００３５】
あらゆる航空機と同様に、本発明の多数の実施形態による航空輸送機は複数の推進システムを有することができる。例えば、図３Ａ〜３Ｄは、固定翼及び回転翼の構成要素を共に有する航空輸送機を示す。図３Ａでは、航空輸送機の機体が後部推進システムを有することができることを示すことができ、この後部推進システムは、機体の後部に配置された後部ローター３１０、モーター３２０、及び支持シャフト３４０を含む。それに加えて、この機体は垂直推進システムを備えることができ、この垂直推進システムは水平に配向されたサイドローター３３０を有する。機体の全長に沿って配置された複数のサイドローター３３０が存在することができる。こうした推進システムは、固定翼部分２１０の揚力効果と併せて機能して、航空輸送機の全体的な飛行特性を改善するように構成することができる。
【００３６】
本発明の一実施形態による航空輸送機のサイドローターの物理的レイアウトを図３Ｂに示す。サイドローター３３０の各々は、航空輸送機の機体の全長に沿った異なる位置に配置することができることがわかる。サイドローターの位置決めは、翼２１０及び機体１００の全体的設計に応じて変化させることができる。例えば、図３Ｂに示す実施形態は、機体の全長に沿った異なる位置に配置された少なくとも６つのサイドローター３３０を示す。前側ローター３３０Ａと後側ローター３３０Ｂとの間の距離は、展開した翼を収容するように変化させることができる。例えば、サイドローターの位置決めは、最後部のローター３３０Ｂが飛行中に翼２１０の揚力特性を妨げないように設定することができる。後に図示するように、サイドローターは、大出力の動作時に、翼の真下の気流を乱し、これにより航空輸送機の全体的な上昇能力を低下させることがある。従って、サイドローター３３０の調整可能性は、回転翼部分と併せた固定翼部分の用途に適合することができる。
【００３７】
多数の実施形態によれば、上記サイドローターは航空輸送機の２つの主要な機能を実行することができる。第１の機能は垂直離着陸である。上記サイドローターは、従来のヘリコプターの単一のローター、あるいはクワッドコプターに見られるような複数のローターと同様に機能することができる。サイドローターの回転は、揚力を発生して、航空輸送機を水平飛行に備えて垂直に空中へ推進させるように機能することができる。それに加えて、これらのローターは、独立して作動して、航空輸送機のピッチ（機首上下動）、ヨー（機首左右動）、ロール（機体左右傾斜）を変化させることができる。多数の実施形態では、サイドローターを制御部（図示せず）によって制御して、垂直離陸、水平飛行、飛行の操縦性、及び垂直着陸を実行する。垂直推進システムの使用は、航空輸送機が、展開位置のフットプリントを低減することによって、ヘリコプターの強みを活用することを可能にする。多数の実施形態によれば、図３Ａ中に回転矢印で示すように、サイドローター３３０のうちの１つ以上を当該ローターの支持シャフトに平行な軸の周りに回転するように構成することができる。図示していないが、航空輸送機の上昇及び推進能力を変化させるようにサイドローター３３０を回転させるための追加的な駆動機構を有するように航空輸送機を構成し、これにより、より持続的かつ安定した飛行を支援することができる。
【００３８】
多数の実施形態によれば、上記航空輸送機は、当該輸送機の後部に配置された追加的な一組のローターを有することができる。図３Ａ及び３Ｂに示すように、リアローター３１０は航空輸送機の後部に配置することができる。リアローターの位置決めは、航空輸送機の全推力の要求に応じて変化させることができる。リアローターは、図３Ａ及び３Ｂに示すように、当該ローターの回転軸が機体１００の長軸に平行になるように配置することができる。こうした配置は、リアローターが前進推力または後進推力を与えることを可能にすることができる。図３Ａ及び３Ｂに示すように、リアローターは水平飛行のためにサイドローターの機能を援助するように、あるいはサイドローターの機能に取って代わるように構成することができる。リアローター３１０は、一旦動作可能になると、水平飛行中にサイドローターへの電力を低減または遮断することができるのに十分な推力を与えるように構成することができ、これにより固定翼の揚力特性を十分に活用することができる。２つのリアローターしか図示していないが、任意数のリアローターを用いて、航空輸送機にとって必要な所望の力を発生することができることは明らかである。図３Ａ〜３Ｄには特定のローターの構成を示しているが、ローターの位置及びこれらのローターの相対的な推力の方向付けは、所望の飛行特性に応じて調整することができることは明らかである。例えば、一部の実施形態では、ローターの回転速度の変化が、輸送機のピッチ、ヨー、及び／またはロールを調整することができ、このことは水平飛行からの平行移動、垂直移動を可能にする。しかし、他の実施形態では、ローターのうちの１つ以上の、輸送機の機体の長軸に対する角度を調整するか回転させて、水平飛行のための追加的な水平の推力を与え、これにより、翼及び空気力学的形状の機体の上昇能力を増加させることができる。
【００３９】
多数の実施形態によれば、リアローターも調整可能にすることができる。例えば、図４Ａ〜４Ｃは、航空輸送機の実施形態の全体的な飛行能力を向上させるためにリアローター３１０がとることができるいくつかの位置を示す。例えば、図４Ａは垂直位置のリアローター３１０を示し、航空輸送機における水平の推力を生成する態勢にある。こうした設定は、前述したように、水平飛行中にサイドローターと連動して、あるいはサイドローターとは完全に独立して用いることができる。
【００４０】
図４Ｂに、推力の方向付けに用いることができるリアローター３１０の遷移状態を示す。推力の方向付けを用いて、航空輸送機を多様な位置へ制御または操舵することができる。こうした推力の方向付けは、こうした航空輸送機を利用することができる種々の環境向けに改善された飛行特性及び飛行能力を支援することができる。例えば、他の移動する輸送機器及び人間により絶えず変化する景観、並びに固定の障害物を有する都市環境は、推力の方向付けの使用による改善された飛行能力を必要とし得る。推力の方向付けを用いて航空輸送機をあらゆる状況において望まれる速度に単に減速することもできる。
【００４１】
図４Ｃに、サイドローターの水平位置と同様な水平位置に配向されたリアローターを示す。サイドローターの水平位置は、例えば飛行中のローター故障のような多様な状況において好ましい。多数の実施形態では、水平位置のリアローターを用いて、垂直離陸及び着陸のための垂直方向の推力を与えることができる。本発明の種々の実施形態によるこうしたシステムの制御は、以下でさらに説明する。
【００４２】
図面に戻れば、図５Ａ及び５Ｂに、本発明の種々の実施形態による航空輸送機のリアローターによって発生することができる相対的推力を示す。リアローター３１０により改善された推力特性を有することは、いくつもの状況において望ましくあり得る。従って、こうしたローターにとって最良の配置を決定することは、多数の実施形態において変化し得る。例えば、図５Ａ及び５Ｂ中の数値は、リアローターの推進能力を、航空輸送機の後部付近の物理的位置に対して表す。図５Ａは、「自由形態」の設定における、あるいは前進運動中である間の、リアローターのそれぞれの正規化した推力値を示す。図５Ｂは、航空輸送機が「ホバリング（空中静止）」位置にある間のそれぞれの推力値を示す。多数の実施形態によれば、リアローター３１０を、航空輸送機の後部から遠い方ではなく近い方に配置して、航空輸送機の全推進能力を向上させることができる。航空輸送機の多数の実施形態は、機体の直後に配置して、ローターの全体的な推力性能を増加させることができる。
【００４３】
機体の直後にローターを配置することは、ローターが推力を生じさせるために発生する圧力及び圧力差の原理に基づいて機能する。制御ボリュームの種々のステーション（航空機の構造部の位置）にわたって圧力を追跡することは、既知面積の円盤全体にわたる圧力差が、この円盤が生成する推力に直接関係することを示し、推力の量は吸い込み及び伴流（後流）の状態により設定される。ローターの推力はローター自体の全体にわたる圧力差に依存する。多数の実施形態によれば、機体の外形は、機体に後続する圧力を低減することができ、このため、リアローター３１０を機体の直後に配置することは、ローター全体にわたるより大きな圧力差を可能にし、これによりローターの推進能力を増加させることができる。容易に理解できるように、本発明の一実施形態による航空輸送機上のリアローターの具体的配置は、一般に所定用途の要求に依存する。
【００４４】
空気力学は、あらゆる航空輸送機の設計において、飛行効率を向上させ、これにより飛行寿命を増加させることに役立つための主要な要素を演じる。一部の実施形態によれば、上記航空輸送機の翼は、図６Ａ及び６Ｂに示すように、より後退角の付いた形態に展開することができる。十分に伸びていないが、後退角の付いた設計は、航空輸送機の展開中に持続的前方飛行のための揚力を生成することもでき、これにより、サイドローターの負担を低減し、最終的に電力システムの寿命を増加させることができる。
【００４５】
他の実施形態では、ローター３１０及び３３０をシュラウド６１０付きで構成することができる。シュラウド６１０は、ローターからの方向性のある流れを支援するように設計することができる。換言すれば、このシュラウドはダクト内ローターの構成を効果的に生成することができ、こうした構成はノイズを低減すると共にローターの推進能力を増加させることができる。例えば、ダクト内ローターは、露出したローターの先端による推力の損失を低減することに役立つことができる。それに加えて、多数の実施形態は、断面が変化するダクトを有して、ローター上の気流の速度及び圧力を向上させ、これによりローターの推進能力を向上させることができる。多数の実施形態によれば、変化するダクトの断面は、空気力学により適合した設計を生じさせて、ローターにダクトを追加することにより当然見られ得る抗力を低減することに役立つこともできる。
【００４６】
図７及び８に示すグラフは、上記航空輸送機の種々の実施形態による航空輸送機が、飛行中に生じる全体的な揚力及び抗力に影響を与えることができることを示す。例えば、図７は、機体は単独である程度の揚力を発生するように設計することができ、このことは最終的に全体的な飛行能力を支援することができる。さらに、シュラウドの追加（ＳＣ−Ｔ  ＷＤ  Ｓ）は航空輸送機の上昇能力に悪影響を与えない。しかし、これとは対照的に、図８のグラフは、シュラウドを含めることが、航空輸送機における抗力の量を劇的に増加させ得ることを示している。
【００４７】
一部の実施形態によれば、図９に示すように、これらのシュラウドを二次翼構造内に包囲することができる。多数の実施形態によれば、二次翼９１０は、ローターを包囲するように構成することができ、これによりローターの推力を向上させると共に、適切な外径により揚力を発生してシュラウド内ローターによる抗力効果を低減することができる。多数の実施形態によれば、翼９１０は、ローターが支持シャフトに対して回転し続けることを可能にして、航空輸送機の前方飛行を支援するように構成することができる。一部の実施形態によれば、二次翼９１０は輸送機の唯一の翼とすることができる。換言すれば、一部の実施形態は固定翼を含むことができ、この固定翼は、複数のローターを収容すると同時に垂直揚力を発生するように構成され、これら複数のローターは、垂直離陸を発生し、上記固定翼の揚力特性を利用するために必要な水平推力を発生することができる。一部の実施形態では、上記翼を、航空輸送機の本体の延長と考えることができる。
【００４８】
上記航空輸送機の空力特性の改善を促進して飛行能力を向上させるに当たり、本発明の多数の実施形態による輸送機は尾翼１０３０付きで構成されている。一部の実施形態によれば、図１０Ａ〜１１Ｂに示す尾翼１０３０は機体の後部に取り付けることができる。航空輸送機の飛行中には、航空輸送機の飛行によって自然に発生するねじれ及びモーメントを維持することが重要である。ねじれとは、力ベクトルと、結合ベクトルまたはトルク・ベクトルとの組合せを称し、これらと並行してレンチ（ねじれ）空間が発生する。レンチ空間の制御は、飛行中の航空輸送機の全体的なピッチ、ヨー、及びロールを維持することによって最終的に成し遂げられる。多数の実施形態によれば、飛行特性、具体的には航空輸送機のピッチは、尾翼により一層良好に維持することができる。尾翼の追加は、改善されたピッチ・モーメントの抑制及びヨーの安定性を可能にし、これにより航空輸送機がその速度能力を増加させることを可能にすることができる。多数の実施形態によれば、上記航空輸送機は２５m/sの速度で巡航することができる。特定の尾翼の形状を図示しているが、航空輸送機の所望の制御をもたらすあらゆる形状を用いることができることは明らかである。
【００４９】
多数の実施形態によれば、航空輸送機の本体１００は貨物室領域１０１０を有するように構成することができる。一部の実施形態による貨物室領域は、人間の対象者（図示せず）を収容するように構成することができる。他の実施形態では、貨物室領域を、多様なペイロードを収容するように構成することができ、これらのペイロードは、小型または中型パッケージ、ロボット装置または他の機械部品、医療用品、ラップトップ・コンピュータのような個人向け配達用の個人用アイテム、あるいは所望用途に適し得る他のあらゆるパッケージを含むが、それらに限定されない。
【００５０】
明示的に図示していないが、貨物室領域は、航空輸送機の機体の内部空間の全長に及ぶことができる。一部の実施形態では、この空間を、負傷した対象者を看護するために利用することができる多様なトリアージ構成要素付きで構成することができる。多数の実施形態による、図１０〜１２Ｂに示す貨物室領域は、アクセスドア１０２０付きで構成することができる。多数の実施形態では、アクセスドア１０２０は、航空輸送機の前部付近に配置することができ、空気力学的な外形であるように構成して機体１００の全体形状に適合させることができる。多数の実施形態では、ヒンジまたはスライド機構によりアクセスドアを機体に接続することができる。こうしたヒンジ及び／またはスライド機構を用いて、アクセスドアが貨物室領域１０１０を完全に露出させることを可能にして、貨物；人間、または他のものによる容易なアクセスを可能にすることができる。多数の実施形態によれば、貨物室領域１０１０は拘束システム付きで構成することができ、これにより、航空輸送機の飛行中に貨物を貨物室領域内に固定して配置することができる。
【００５１】
多数の実施形態によれば、図１２に示すように、航空輸送機の機体１００をアクセスパネル付きで構成することができ、このアクセスパネルは航空輸送機の内部構成要素へのアクセスを可能にすることができる。こうしたアクセスパネル１２１０は、航空輸送機の保守を可能にするために重要であり得る。一部の実施形態ではアクセスパネル１２１０を機体の側面に配置することができるのに対し、他の実施形態ではアクセスパネルを機体の下側に配置することができる。これらのアクセスパネルは、ユーザにとって適切なアクセスをもたらす任意の位置に配置することができる。
【００５２】
人間の対象者を搬送することに加えて、航空輸送機の多数の実施形態は、電源システム、制御システム、及び機械的及び／または電気的リンケージ（接続体）のような特定の必要な内部構成要素を収容するように構成することができ、上記リンケージは、電源及び制御システムを、展開可能な翼、サイドローター、リアローター、及び／または尾翼のような種々の外部構成要素に接続する。図１３に、一実施形態による航空輸送機の断面図を示す。多数の実施形態によれば、航空輸送機の内部区画は多数の構成要素を収容することができ、これらの構成要素は、主コンピュータ１３５５並びに電子速度コントローラ１３２５、飛行コントローラ１３３５、バッテリ１３４５、電源管理モジュール、並びに航空輸送機の自律飛行制御を支援するための他の飛行撮像システムを含むが、それらに限定されない。
【００５３】
自律的に動作する航空輸送機を有することが望ましくあり得るので、多数の実施形態がＧＰＳ部１３１０を含むことができる。一部の実施形態によれば、ＧＰＳ部１３１０は航空輸送機の機体内に配置することができ、あるいはＧＰＳ部１３１０が意図したように航空輸送機向けの誘導（ガイダンス）を提供することを可能にするいくつもの位置に配置することができる。
【００５４】
ＧＰＳ部１３１０に加えて、多数の実施形態が多様な撮像システム及び構成要素を含むことができ、これらの撮像システム及び構成要素は、ＧＰＳ部１３１０並びに搭載された他の制御システムと連動して機能することができる。例えば、一部の実施形態は一人称視点カメラ１３１５を含むことができ、一人称視点カメラ１３１５は、リモートユーザが飛行中に、あるいは輸送機の使用中に随時、航空輸送機の経路の景色を視覚的に見ることを可能にすることができる。他のシステムは、ステレオカメラ１３２０及び／またはＬＩＤＡＲ（light detection and ranging：光による検出及び測距）システム１３４０を含むことができる。ステレオカメラ１３２０は、人間の両眼視を模擬（シミュレート）するように動作する。換言すれば、ステレオカメラは、周囲の地形の三次元画像を生成することを支援することができ、主コンピュータ１３５５及び飛行コントローラ１３３５のような他の制御構成要素に画像を伝えて航空輸送機の飛行経路を調整することができる。
【００５５】
ＬＩＤＡＲシステム１３４０は、同様に、指定した対象物の三次元画像を生成するように動作することができる。例えば、自律飛行中に、航空輸送機は特定位置にいる特定人物の対象物指示を受信することができる。ＬＩＤＡＲシステム１３４０は、主コンピュータ１３５５、ステレオカメラ１３２０、飛行コントローラ１３３５、及び他のコントローラと通信して、対象物への飛行経路を生成して、輸送の対象物を正しく識別することができる。多数の実施形態によれば、対象物は、人間、あるいはパッケージのような他のペイロードとすることができる。他の実施形態は、航空輸送機の自律飛行を支援するための単眼カメラ１３３０を含むことができる。
【００５６】
種々の実施形態によれば、図１３の実施形態に示すように、電子バッテリ１３４５によって航空輸送機に給電することができる。このバッテリは、すべての上記電子制御システム並びに飛行に必要な上記の多様なローターを動作させるのに十分なものとすることができる。それに加えて、このバッテリは、航空輸送機の翼２１０に接続された機械的制御システムを動作させるのに十分なものとすることができ、翼２１０は前述したように展開位置から非展開位置まで調整可能にすることができる。
【００５７】
多数の実施形態による自律輸送機は、多様な地形及び環境にわたる輸送機の飛行を適切に管理するための複雑な制御ソフトウェアを必要とし得る。従って、主コンピュータ１３５５は、多様な入力システムの各々からの入力を受信して、この入力をローター用の一組の制御に変換するように動作することができ、これらの入力システムは、ＧＰＳ部１３１０及び多様な撮像システム（１３１５、１３２０、１３３０、及び１３４０）を含む。例えば、主コンピュータ１３５５は、飛行コントローラ１３３５と通信して、ローター毎に必要な電力及び速度を伝えて、航空輸送機のピッチ、ロール、及びヨーを調整することによって安定性を維持することができる。その後に、電力制御モジュール１３５０及び電子速度コントローラ１３２５は、必要な出力をローターへ伝え、及び／またはローターへ配分して、必要に応じて飛行を調整することができる。上記航空輸送機は、種々の冷却システム（図示せず）を装備して、構成要素上の熱歪みを低減して効率的な動作を可能にすることができる。
【００５８】
多数の実施形態が、多様な制御方法を実現して、輸送機の飛行を適切に制御することができる。主コンピュータ及び他の制御システム内で用いる制御方法及び制御アルゴリズムの一部を、本明細書中でさらに説明する。
【００５９】
制御の具体例
ここで、上記航空輸送機の空力性能及び制御に言及する。多数の実施形態によれば、上記航空輸送機は、多様な状況における航空輸送機の機能及び能力を増加させるホバリング及び持続的前方飛行動作用に設計することができる。航空輸送機の操縦性を保つことは、特に貴重な貨物を移動させるために航空輸送機を使用する際に、航空輸送機の重要な側面であり得る。
【００６０】
多数の実施形態では、空力性能を向上させ、これにより持続的飛行の能力を増加させることが重要である。こうした側面は、航空輸送機の航続距離及び効率を向上させることに役立つことができる。例えば、多数の実施形態では、図１Ａ〜６Ｂに示すように、上記航空輸送機を複数のサイドローター３３０付きで構成することができる。こうしたサイドローターの構成は、例えば翼２１０が展開した形状である際のような持続的前方飛行設定である間に、気流特性の乱れをもたらし得る。図１４Ａ及び１４Ｂに示すように、翼２１０の下の気流の動特性、従って翼が発生する揚力が、飛行中のサイドローターの作動によって悪影響を与えられ得る。サイドローターが静止している間に翼の下の揚力が維持されることを、図１４Ａ中の矢印付き流線（流れ線、動線）によって示すことができる。しかし、図１４Ｂには、ローターが前方飛行中に作動する際に、ローターに向かう矢印付き流線１４１０の動きが示され、従って、揚力を低下させて航空輸送機に対する抗力を増加させる可能性がある。従って、多数の実施形態では、持続的飛行及びホバリング飛行中のローターの適切な制御が必要になり得る。
【００６１】
産業において用いられてきた代表的なドローンまたはマルチローター輸送機は従来から過度に作動してきた。このことは一般に、ある程度までのローター故障の場合の輸送機のロバストネス（頑健性）を増加させる。主要な問題は、どの程度まで輸送機が制御可能なままであるかである。航空輸送機の操縦性は本質的に設計に結び付いているので、制御を維持することができるシステムを設計することが重要である。例えば、制御システムは、ローター故障の場合に飛行の継続を可能にするために、ピッチ及びロールに対してヨーを犠牲にすることがある。ローター故障のある従来の飛行では、安全な着陸のために輸送機を静止ホバリングにもっていくことを可能にするために、輸送機のピッチ及びロール制御に対してヨー制御を犠牲にしている。輸送機の静止ホバリングまたは操縦性の無効化は、ローター故障の場合の、安全な緊急着陸の可能性並びに輸送機全体の制御を取り戻す能力を増加させるために望ましい。
【００６２】
図１５に、本発明の一実施形態によるマルチローター輸送機用の制御システムを示す。このシステムは、次の２つの主要構成要素、即ち；位置コントローラの外側ループ１５１５、及び外側ループよりも高速で動作することができる姿勢コントローラの内側ループ１５１６を含むことができる。従来のマルチローター輸送機では、共線（同一直線上の）マルチローター輸送機の位置の動特性１５６０は姿勢によって支配される。図１５の制御システムの下で、位置コントローラ１５１０は所望の推力及び姿勢を計算し、姿勢コントローラ１５３０は所望の姿勢１５２０に基づいて所望のモーメント１５４０を計算する。最終的に、所望の力及びモーメントを個別に考える際に、輸送機の動特性１５６０を制御するためのモーター速度１５６０を発生することができる。種々の実施形態による航空輸送機の全体的設計は、作業空間内のねじれ、力、またはモーメントの所望の特性、あるいはシステムの任務の要求によって規定される変化する境界を考慮しつつ、図１５に記載する制御システムを利用することができる。
【００６３】
多数の実施形態によれば、航空輸送機の全体的設計は、輸送機の姿勢の動特性を最適化して安定化することを目的とする。図１５に示す制御方法の代表的応用は生の制御入力を利用し、この制御入力はモーター電圧であり、モーターの回転速度に変換され、従って、各モーターが発生するモーメントは当該モーターの回転速度の二乗に正比例する。図１５の制御システムはモーメントを制御入力として扱うが、こうした入力を実際のモーター速度にマッピング（対応付け）して輸送機の操縦を制御可能にすることができ、このため、最終的な制御はモーターの速度の物理的境界に基づき、最終目標は、航空輸送機の所望のねじれを発生するための最適な速度を決定することにある。多数の実施形態では、図１５の制御システムの応用を用いて、ローター故障中の航空輸送機の操縦性を可能にすることができる。ローター故障が発生すると、リアローターに垂直方向の推力のシナリオを担わせる能力は、互いに同方向回転または逆回転の２つのローターのいずれかが故障した際に方向制御及び安定性を失う原因となり得る。
【００６４】
しかし、ローター故障の場合に種々のローターの制御を行っても、固定翼及びマルチローターの垂直推力システムにより揚力を発生するシステムの空気力学特性を考えることが必要になり得る。本明細書中に説明する多数の実施形態は、新規な制御システム・アーキテクチャを利用して効率的な飛行能力を生成する複合システムである。多数の実施形態によれば、図１６に示すものと同様な制御システムを用いて、本明細書中に説明する航空輸送機の複雑な空気力学特性を説明することができる。
【００６５】
図１６に、分割法を利用して最終的な輸送機の動特性を制御する制御システムを示す。例えば、この制御システムは、正味の力及びモーメントを入力として用いて位置／速度（１６２０と１６３０）及び姿勢／上昇・降下率（１６４０と１６５０）を設計することから開始することができる。第２に、多数の実施形態によるシステムは、力配分装置１６６０、モーメント配分装置１６７０、及び制御配分装置１６８０を用いて所望のねじれを発生することができる。多数の実施形態によれば、軌道計画装置１６１０が、航空輸送機の所望の姿勢１６１６及び位置１６１５を生成して、これらの入力を力配分モジュール及び位置コントローラのそれぞれに指向させることができる。その後に、力配分モジュール１６６０は、所望の力入力を速度コントローラ１６３０から受信することができる。力配分コントローラは、所望の力出力１６６５並びに所望の基準姿勢１６６８を発生することができる。次に、モーメント配分装置１６７０は姿勢入力を上昇・降下率コントローラ１６５０から受信して、制御配分モジュール１６８０への入力を発生することができる。最終的に、多数の実施形態による図１６の制御システムは、ローター推力方向のアクティブ（能動的）制御を行うことができ、このことは、実現可能な力及びモーメントの空間を、高レベルのコントローラが与える要求に基づいて適応的に変化させることによって、輸送機の飛行性能を向上させることに役立つことができる。多数の実施形態では、輸送機が、コントローラからの適切な力及びモーメントを保証しつつ、ローターの過飽和を回避することができる。
【００６６】
ここで図１７及び１８を参照すれば、図１５の制御システムの使用は、図１７及び１８のグラフの図示により例示することができ、これらのグラフは種々の飛行特性を示す。例えば、図１７は、本発明の一実施形態による航空輸送機の速度の追跡データを示し、ここで航空輸送機は、まず、純然たる上昇飛行及び定常高度の前方飛行への移行のコマンドを受信する。図１７の最下部より、前進飛行のコマンドが与えられると、航空輸送機は、マルチローター航空機の傾斜と同様に傾斜し、次に、固定翼が揚力を発生し始めると平坦な軌道へ移行することがわかる。多数の実施形態によれば、この移行は、発生することができ、サイドローターが電力消費を低下させて、この電力をリアローターへ移行させて、翼の揚力特性と併せて水平方向の推力を与えて持続的飛行を維持することを可能にすることができる。飛行に必要な揚力を発生するに当たり、翼の揚力は急速に優勢になることがわかる。
【００６７】
図１８に、サイドローターから、固定翼により発生する揚力への、前方飛行の複合的移行中の、挙動の移行をさらに示す。例えば、図１８中の最上部のグラフは、上記移行中の迎え角の変化を示す。さらに、図１８の中間のグラフは、固定翼が輸送機のための揚力を発生し始める際の揚力の増加を示す。多数の実施形態が、マルチローター航空機及び固定翼航空機の力とモーメントとの組合せを取り巻く複雑な問題を克服するための被参照型コントローラ・システムを実現することができることがわかる。さらに、上記制御システムは、飛行の変化を捉えて、力の配分を相応に調整して、所望のねじれを維持して、ローター故障の場合でも安全かつ効率的な飛行を可能にすることができる。
【００６８】
等価物の原則
本発明の記述を、例示及び説明の目的で提示してきた。網羅的であること、あるいは本発明を説明した明確な形態に限定することは意図しておらず、以上の教示を考慮して多数の変更及び変形が可能である。実施形態は、本発明の原理及びその実際的応用を最良に説明するために選定して記述している。この記述は、他の当業者が、本発明を最良に利用して、種々の実施形態の形で、かつ特定用途に適した種々の変更を伴って
実施することを可能にする。本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によって規定される。
【図１Ａ】
2020536016.tif 000003
【図１Ｂ】
2020536016.tif 000004
【図１Ｃ】
2020536016.tif 000005
【図１Ｄ】
2020536016.tif 000006
【図２Ａ】
2020536016.tif 000007
【図２Ｂ】
2020536016.tif 000008
【図２Ｃ】
2020536016.tif 000009
【図２Ｄ】
2020536016.tif 000010
【図３Ａ】
2020536016.tif 000011
【図３Ｂ】
2020536016.tif 000012
【図３Ｃ】
2020536016.tif 000013
【図３Ｄ】
2020536016.tif 000014
【図４Ａ】
2020536016.tif 000015
【図４Ｂ】
2020536016.tif 000016
【図４Ｃ】
2020536016.tif 000017
【図５Ａ】
2020536016.tif 000018
【図５Ｂ】
2020536016.tif 000019
【図６Ａ】
2020536016.tif 000020
【図６Ｂ】
2020536016.tif 000021
【図６Ｃ】
2020536016.tif 000022
【図６Ｄ】
2020536016.tif 000023
【図７】
2020536016.tif 000024
【図８】
2020536016.tif 000025
【図９】
2020536016.tif 000026
【図１０Ａ】
2020536016.tif 000027
【図１０Ｂ】
2020536016.tif 000028
【図１１Ａ】
2020536016.tif 000029
【図１１Ｂ】
2020536016.tif 000030
【図１２】
2020536016.tif 000031
【図１３】
2020536016.tif 000032
【図１４Ａ】
2020536016.tif 000033
【図１４Ｂ】
2020536016.tif 000034
【図１５】
2020536016.tif 000035
【図１６】
2020536016.tif 000036
【図１７】
2020536016.tif 000037
【図１８】
2020536016.tif 000038
【国際調査報告】
2020536016.tif 000039
2020536016.tif 000040
2020536016.tif 000041
2020536016.tif 000042
2020536016.tif 000043