JP2016215958A - マルチコプター及びマルチコプターシステム - Google Patents

Abstract

【課題】３軸ジャイロを用いたマルチコプターにおいて、前進の方向の操縦を容易にすること。【解決手段】ジャイロセンサ２５にロール軸ジャイロ２５ａ，ピッチ軸ジャイロ２５ｂ，ヨー軸ジャイロ２５ｃを設ける。３軸ロックモードではこれらのジャイロからの出力に基づきずれた角度を０にすることによって外乱の影響を防止し、元の姿勢に復帰させる。又ダンピングモードではヨー軸方向について回転角速度を０にするように制御し、外乱の影響を減衰させる。こうすればダンピングモードで機体を前方に進行させたときに垂直尾翼の風見効果と共に機体を機首方向に向けて進行させ操縦が容易となる。【選択図】図３

Description

本発明は３軸ジャイロを利用したマルチコプター及びマルチコプターシステムに関し、特に複数の制御モードに特徴を有するマルチコプター及びマルチコプターシステムに関するものである。

近年特許文献１に示されているように、複数個のロータを備え、空中で静止することができるマルチコプターが空撮用等に急速に普及しつつある。マルチコプターでは重心の周囲に複数のロータを配置し、その出力を制御することによって機体の上昇、下降、移動や静止を行っている。マルチコプターでは機体の動作を安定化させるため３軸のジャイロが用いられている。これらのジャイロは機体のロール軸回りの回転を検出するロール軸ジャイロ、機体のピッチ方向の回転を検出するピッチ軸ジャイロ、機体のヨー軸回りの回転を検出するヨー軸ジャイロが用いられている。３軸ロックモードでは、これらのジャイロからの出力に基づき、機体のロータ軸、ヨー軸及びピッチ軸の回転を停止させて空中で機体をホバリングさせるように制御している。

特開２０１４−２４０２４２号公報

３軸ロックモードでは、各軸に対して外乱の影響を打ち消すようにモータをコントロールしているため、送信機からの操作が無ければ空中に容易に静止させることができる。従ってマルチコプターで空撮を行う場合には、３軸ロック制御が適している。

しかし３軸ロックモードのままで飛行させる場合に、水平に旋回飛行させようとしても適切にラダーを操作しなければ進行方向と機首方向とが一致しなくなる。従ってマルチコプターが操縦者より少し離れただけで進行方向及び機首方向がわかりにくくなり、機体の操縦が極めて難しくなるという問題点があった。

本発明は機体の操縦モードを切換えることによって進行させる場合にもラダー軸の操作を容易にし、機体を操縦できるようにすることを目的とする。

この課題を解決するために、本発明のマルチコプターは、機体の重心を通る中心から所定距離離れた位置に配置された複数のロータユニットと、前記機体の重心から隔てた位置に設けられ、ヨー軸方向に空力的に風見鶏効果をもたらす尾翼と、前記機体の３軸方向の回転角速度を夫々検出するロール軸ジャイロ、ピッチ軸ジャイロ、ヨー軸ジャイロと、複数のロータユニットの各出力を制御することによって機体の３軸方向のコントロール及びパワーコントロールを行うコントローラと、を具備するものであり、前記コントローラは、前記レートジャイロからの信号によりヨー軸、ロール軸、ピッチ軸の外乱による角度変化を復帰させるように各ロータユニットを制御するロックモードと、前記ロール軸及びピッチ軸による外乱による角度変化を復帰させ、ヨー軸の外乱による角度変化を減衰させるように前記各ロータユニットを制御するダンピングモードと、を有するものである。

ここで前記尾翼は、垂直尾翼、Ｖ字形尾翼、十字形尾翼、箱形尾翼、Ｘ字形尾翼のいずれか１つとしてもよい。

この課題を解決するために、本発明のマルチコプターは、機体の重心を通る中心から所定距離離れた位置に配置された複数のロータユニットと、前記機体の重心から隔てた位置に設けられ、ヨー軸方向に空力的に風見鶏効果をもたらす抵抗体と、前記機体の３軸方向の回転角速度を夫々検出するロール軸ジャイロ、ピッチ軸ジャイロ、ヨー軸ジャイロと、複数のロータユニットの各出力を制御することによって機体の３軸方向のコントロール及びパワーコントロールを行うコントローラと、を具備するものであり、前記コントローラは、前記レートジャイロからの信号によりヨー軸、ロール軸、ピッチ軸の外乱による角度変化を復帰させるように各ロータユニットを制御するロックモードと、前記ロール軸及びピッチ軸による外乱による角度変化を復帰させ、ヨー軸の外乱による角度変化を減衰させるように前記各ロータユニットを制御するダンピングモードと、を有するものである。

ここで前記抵抗体は、尻尾及び抵抗板のいずれかとしてもよい。

この課題を解決するために、本発明のマルチコプターシステムは、マルチコプターと前記マルチコプターを制御する送信機とを有するマルチコプターシステムであって、前記送信機は、前記ロックモード及びダンピングモードを切換えるモードスイッチを有するものであり、前記マルチコプターは、前述に記載のマルチコプターとしてもよい。

このような特徴を有する本発明によれば、マルチコプターを３軸ロックモードとダンピングモードとに切換えることができる。３軸ロックモードでは従来の制御と同様に、外乱の影響をなくして機体を操作し、特に空中に静止させることが容易となる。又機体を通常の飛行機のように前進を基本として飛行させる場合に、垂直尾翼によってヨー軸の安定性を維持することができる。そしてヨー軸をダンピングモードとして制御することによって機体の進行方向と機首方向のずれをなくすことができ、容易に飛行させることができるという効果が得られる。

図１は本発明の第１の実施の形態によるマルチコプターを示す斜視図である。 図２は本実施の形態によるマルチコプターの主要部を示す立面図である。 図３は本実施の形態によるマルチコプターの構成を示すブロック図である。 図４は本実施の形態によるマルチコプターの制御モードを示す概略図である。 図５は本発明の第２の実施の形態によるマルチコプターを示す概略斜視図である。 図６は本発明の第３の実施の形態によるマルチコプターを示す概略斜視図である。 図７は本発明の第４の実施の形態によるマルチコプターを示す概略斜視図である。 図８は本発明の第５の実施の形態によるマルチコプターを示す概略斜視図である。 図９は本発明の第６の実施の形態によるマルチコプターを示す概略斜視図である。 図１０は本発明の第７の実施の形態によるマルチコプターを示す概略斜視図である。 図１１は本発明の第８の実施の形態によるマルチコプターを示す概略斜視図である。

図１は本発明の第１の実施の形態によるマルチコプターを示す斜視図であり、図２はその主要部を示す立面図である。図２に示すようにマルチコプター１０はフレーム１１の前方に一対のアーム１２，１３、後方に一対のアーム１４，１５が取付けられている。そして各アーム１２〜１５の先端にはモータ１６〜１９が設けられる。モータ１６〜１９には夫々上向きにロータ２０〜２３が取付けられている。

そしてフレーム１１の上部には受信機２４，ジャイロセンサ２５及びコントローラ２６とバッテリー２７が設けられている。そして機体の上部には図１に示すようにカバー２８が取付けられる。カバー２８には図１に示すように機体後方に進行方向と平行な垂直尾翼２９が設けられている。尚ジャイロセンサ２５は機体のほぼ中央の重心付近に設けられている。又重心付近から所定距離離れた位置に対称にモータ及びロータが設けられる。モータ及びロータはロータユニットを構成している。

次にこの実施の形態によるマルチコプターの機能的な構成について図３のブロック図を用いて説明する。本図に示すようにマルチコプター１０には受信機２４，ジャイロセンサ２５，コントローラ２６が搭載されている。受信機２４は送信機３０からの信号を受信するものである。送信機３０はピッチング制御、ラダー制御、ロール制御及びパワー制御の４チャンネルと、後述するようにヘッドロックモードの切換えに用いられる１チャンネルの５チャンネル以上の送信機とし、ロックモード及びダンピングモードを切換えるモードスイッチを有している。受信機２４はこの信号を受信し、図示のように５チャンネル分の信号を夫々コントローラ２６に出力する。これらの信号は並列で出力するものであってもよく、又シリアル信号として出力するものであってもよい。

ジャイロセンサ２５は３軸の回転角速度を検出するためのセンサである。ジャイロセンサ２５はロール軸の回転角速度を検出するロール軸ジャイロ２５ａ、ピッチ軸の回転角速度を検出するピッチ軸ジャイロ２５ｂ及びヨー軸の回転角速度を検出するヨー軸ジャイロ２５ｃから成り立っており、ジャイロセンサ２５の３軸の信号がコントローラ２６に出力される。

コントローラ２６の内部では受信機２４からの各出力に基づいて出力制御を行うパワー制御部２６ａ、ロール軸の制御を行うロール軸制御部２６ｂ、ピッチ軸の制御を行うピッチ軸制御部２６ｃ、ヨー軸の制御を行うヨー軸制御部２６ｄを有している。夫々の出力はミキサ（ＭＩＸ）２６ｅ，２６ｆ，２６ｇ，２６ｈに出力される。ミキサ２６ｅ〜２６ｈは各軸のモータ１６，１７，１８，１９に対する出力レベルを合成するものであり、その出力はスピードコントローラ３１，３２，３３，３４に与えられる。スピードコントローラ３１〜３４はアーム１２〜１５の先端に取付けられているモータ１６〜１９の出力を夫々制御するものである。

尚ジャイロセンサ２５には、前述した３軸方向の回転角速度を検知するジャイロ２５ａ〜２５ｃに加えて３軸方向の加速度センサや地磁気センサが取付けられることがあるが、本実施の形態とは直接関連がないので説明を省略する。

次に本実施の形態によるマルチコプターの制御について図４を用いて説明する。この実施の形態によるマルチコプターは、２つの制御モード、即ち３軸ロックモードとダンピングモードとを有している。動作を開始すると、まず受信機側で送信機３０からの信号に基づいてロール軸，ピッチ軸，ヨー軸及び出力制御を通常通り行う（ステップＳ１）。そしてステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４において、いずれかのジャイロセンサ２５ａ，２５ｂ，２５ｃからの信号があるかどうかをチェックする。そしてジャイロ２５ｃからの信号があればステップＳ５においてダンピングモードであるかどうかを判別する。送信機３０より設定されているモードがダンピングモードでなければ、３軸ロックモードであると判断する。第１の３軸ロックモードは通常のマルチコプターに従来から用いられている制御方法である。これは通常のヨー軸，ロール軸及びピッチ軸にロックモードでジャイロを働かせるものである（ステップＳ６〜Ｓ８）。ここでロックモードとは、角度の変化量、即ちずれた角度を０にするモードである。このモードでは、ずれた角度を０にすることによって外乱の影響で機体の姿勢が変化した場合であっても元の姿勢に復帰させることができる。この制御方法では機体に対する外乱を防いで飛行を安定させるため、送信機からの操作があれば各ロータを回転制御することで機体を操縦することができる。送信機からの操作がなければ外乱の影響を防ぐように自動的に各ロータの回転が制御できる。

次に第２のダンピングモードについて説明する。送信機３０からの指令によってダンピングモードが設定されると、ヨー軸ジャイロ２５ｃからの信号はダンピングモードによって制御する（ステップＳ９）。ダンピングモードとは、回転角速度を０にするように制御するモードである。このためヨー軸方向について外乱の影響を減衰させるように制御するが、一旦機体の姿勢が変化した場合には元の姿勢には復帰させず外乱の影響を減衰させるに留まる。ロール軸及びピッチ軸ジャイロについてはロックモードと同様に動作する（ステップＳ６，Ｓ７）。

これにより機体を前方に進行させると、ヨー軸のダンピングモードでの制御と垂直尾翼の風見鶏効果によって機首が進行方向を向くこととなる。そのため機体を機首方向に向けて進行させる場合に機首の向きを容易に判断することができる。従って操縦者から機体までの距離が離れていてもラダー操作が容易で操縦し易く、通常の飛行機のように操縦することができる。そして空撮等で機体を静止させる場合には、再び３軸ロックモードとし、機体の速度を停止する。これによって機体を空中で静止させるなどの処理が可能となる。

次に本発明の他の実施の形態について第１の実施の形態との相違点を中心として説明する。前述した実施の形態では垂直尾翼を用いて風見鶏効果を得るようにしているが、以下の実施の形態では垂直尾翼に代えて他の形状を採用したものである。まず第２の実施の形態では、図５に示すように垂直尾翼に代えて機体の重心位置より後方にＶ字形の尾翼４１ａ，４１ｂを左右対称に設けている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

次に第３の実施の形態では、図６に示すように機体の重心位置より後方に円筒形の筒状尾翼４２を設け、これを垂直尾翼及び水平尾翼に代わるものとして用いている。この筒状尾翼４２を円筒の軸が機体の進行方向と一致するように取付けることで、機体を進行させて風見鶏効果を得ることができる。

次に第４の実施の形態では、図７に示すように機体の重心位置より後方に十字形尾翼４３を取付けたものである。この十字形尾翼４３の中心軸が機体の進行方向と一致するように取付けることで、機体を進行させて風見鶏効果を得ることができる。この変形例としてＸ字形の尾翼としてもよい。

更に第５の実施の形態では、図８に示すように機体の重心位置より後方に箱形尾翼４４を形成したものである。この場合も箱形尾翼４４の中心軸を機体の進行方向と一致するように取付けることで、機体を進行させて風見鶏効果を得ることができる。

次に第６の実施の形態では、図９に示すように胴体形状を無尾翼形に形成したものである。無尾翼形の胴体４５の機体の場合には、機体の中心よりいずれか一方、例えば右翼が前方に、左翼が後方に下がって飛行すると、右翼は空気の抵抗が大きくなり、左翼は鋭角となって抵抗が小さくなる。左右逆の場合も同様であるため、均衡をとるように左右の翼が中心線より均衡になるように動き直進することとなる。従って無尾翼形であっても胴体４５の形状が垂直尾翼に相当し、機体を進行させることで風見鶏効果を得ることができる。

次に本発明のその他の実施の形態について説明する。前述した各実施の形態では風見鶏効果を得るために種々の形状の尾翼を用いているが、以下の実施の形態では尾翼に代えて抵抗体としたものである。第７の実施の形態では図１０に示すように機体の後方に板状の柔軟な部材を設け、これを尻尾５１としたものである。これにより機体が進行すると、尻尾５１の抵抗を最小とする力が働く。即ち尻尾５１の延長線上に機体が進行するときに尻尾５１の抵抗が最小となるため、機体に対して風見鶏効果を与えることができる。

次に第８の実施の形態では、図１１に示すように抵抗体として後方のアーム１４，１５にＶ字形の抵抗板５２ａ，５２ｂを前面が進行方向に向くように対称に配置したものである。こうすれば機体を前方に進行させるときには左右の抵抗板５２ａ，５２ｂに均一に抵抗が加わり、正常に前進することができる。そして機体が左右いずれかに傾くと、傾いた側の抵抗板の抵抗値が大きくなり他方の抵抗板の抵抗値が小さくなるため、機体の姿勢を元に戻すことができ、風見鶏効果を得ることができる。

尚前述した第２〜第８の実施の形態においても図２，図３に示すブロック図の構成と動作は第１の実施の形態と同様である。これらの各実施の形態においても機体を前方に進行させると、ヨー軸のダンピングモードでの制御と尾翼等の風見鶏効果によって機首が進行方向を向くこととなる。そのため機体を機首方向に向けて進行させる場合に機首の向きを容易に判断することができる。従って操縦者から機体までの距離が離れていてもラダー操作が容易で操縦し易く、通常の飛行機のように操縦することができる。そして空撮等で機体を静止させる場合には、再び３軸ロックモードとし、機体の速度を停止する。これによって機体を空中で静止させるなどの処理が可能となる。

本発明は通常の空撮等に適した３軸ロックモードとラダー軸のみ外乱の影響を減衰させるダンピングモードとを切換えることによって通常の飛行を容易にし、機体を容易に飛行させ操縦を楽しむことができ、マルチコプターに広く用いることができる。

１０ マルチコプター
１１ フレーム
１２〜１５ アーム
１６〜１９ モータ
２０〜２３ ロータ
２４ 受信機
２５ ジャイロセンサ
２５ａ ロール軸ジャイロ
２５ｂ ピッチ軸ジャイロ
２５ｃ ヨー軸ジャイロ
２６ コントローラ
２６ａ パワー制御部
２６ｂ ロール軸制御部
２６ｃ ピッチ軸制御部
２６ｄ ヨー軸制御部
２６ｅ，２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ ミキサ
３０ 送信機
３１〜３４ スピードコントローラ
４１ａ，４１ｂ Ｖ字形尾翼
４２ 筒状尾翼
４３ 十字形尾翼
４４ 箱形尾翼
４５ 胴体
５１ 尻尾
５２ａ，５２ｂ 抵抗板

Claims (5)

1. 機体の重心を通る中心から所定距離離れた位置に配置された複数のロータユニットと、
   前記機体の重心から隔てた位置に設けられ、ヨー軸方向に空力的に風見鶏効果をもたらす尾翼と、
   前記機体の３軸方向の回転角速度を夫々検出するロール軸ジャイロ、ピッチ軸ジャイロ、ヨー軸ジャイロと、
   複数のロータユニットの各出力を制御することによって機体の３軸方向のコントロール及びパワーコントロールを行うコントローラと、を具備するものであり、
   前記コントローラは、
   前記レートジャイロからの信号によりヨー軸、ロール軸、ピッチ軸の外乱による角度変化を復帰させるように各ロータユニットを制御するロックモードと、
   前記ロール軸及びピッチ軸による外乱による角度変化を復帰させ、ヨー軸の外乱による角度変化を減衰させるように前記各ロータユニットを制御するダンピングモードと、を有するものであるマルチコプター。
2. 前記尾翼は、垂直尾翼、Ｖ字形尾翼、十字形尾翼、箱形尾翼、Ｘ字形尾翼のいずれか１つである請求項１記載のマルチコプター。
3. 機体の重心を通る中心から所定距離離れた位置に配置された複数のロータユニットと、
   前記機体の重心から隔てた位置に設けられ、ヨー軸方向に空力的に風見鶏効果をもたらす抵抗体と、
   前記機体の３軸方向の回転角速度を夫々検出するロール軸ジャイロ、ピッチ軸ジャイロ、ヨー軸ジャイロと、
   複数のロータユニットの各出力を制御することによって機体の３軸方向のコントロール及びパワーコントロールを行うコントローラと、を具備するものであり、
   前記コントローラは、
   前記レートジャイロからの信号によりヨー軸、ロール軸、ピッチ軸の外乱による角度変化を復帰させるように各ロータユニットを制御するロックモードと、
   前記ロール軸及びピッチ軸による外乱による角度変化を復帰させ、ヨー軸の外乱による角度変化を減衰させるように前記各ロータユニットを制御するダンピングモードと、を有するものであるマルチコプター。
4. 前記抵抗体は、尻尾及び抵抗板のいずれかである請求項３記載のマルチコプター。
5. マルチコプターと前記マルチコプターを制御する送信機とを有するマルチコプターシステムであって、
   前記送信機は、前記ロックモード及びダンピングモードを切換えるモードスイッチを有するものであり、
   前記マルチコプターは、請求項１〜４のいずれか１項記載のマルチコプターであるマルチコプターシステム。

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