マルチコプター

本発明は、複数の回転翼を備える無人航空機(マルチコプター)に関する。

マルチコプターは、複数の回転翼が放射状に配置されたヘリコプターの一種であり、これら各回転翼の回転数を制御することでバランスをとりながら飛行する装置である。マルチコプターは、メインロータとテールロータを有するヘリコプターとは異なり、回転翼自体に複雑な機構を必要としないため、整備性に優れ、またより廉価なコストで機体を構成することが可能である。

近年、加速度センサや角速度センサなど、マルチコプターを構成する機体部品の高性能化および低価格化が進み、また、機体の制御操作の多くが自動化されたことによりその操作性が飛躍的に向上した。こうした背景から現在、特に小型のマルチコプターについては、趣味目的だけでなく、広範な分野における種々のミッションへの応用が試行されている。マルチコプターに装備されるロータの数は、3つ、4つ、6つ、もしくは8つのものが普及しつつあり、高速で移動するための機体や、重量物を運搬専用の機体等、特定の用途に特化した機体も現れつつある。

特開平10−35592号公報

特開2003−175897号公報

無人航空機である小型のマルチコプターでは、その動力源はバッテリーが主となりつつある。マルチコプターにおいて省電力性は、飛行時間や航続距離に影響することから、重要な要素である。

また、回転翼機独特のボルテックスリングステートの抑制も重要な課題である。この現象は、急速な下降時など、対気速度が零に落ちた場合、回転翼端で局所的な渦流が発生し、結果として揚力を失ってしまう現象である。

マルチコプターは、大きな回転翼(メインロータ)をひとつ装備するヘリコプターと比較して、高い翼面荷重を持ち、プロペラの形状も中心部で揚力を発生可能な構造となっているため、比較的ボルテックスリングステートが発生し難いが、一旦発生すると回復させることが難しく、墜落の原因となりうる。

また同一の回転翼に、垂直離着陸の機能と、巡航時の高速移動の機能とを兼ね備えさせた機構としてティルトロータと呼ばれる仕組みが公知である。ティルトロータでは、回転翼を傾斜させることでこれらの機能を切り替える。ティルトロータ機としてはベル・ヘリコプター社とボーイング・ロータークラフト・システムズ社が共同で開発したV−22(オスプレイ)が既に実用化されている。しかしながら、ティルトロータ機の制御は非常に難しく、複雑なセンサの組み合わせによる高度な制御が必要であるという問題があった。

本発明は、回転翼がボルテックスリングステートに陥ることを防ぐことができ、また、回転翼による揚力や推力を効率的かつ緻密に制御可能なマルチコプターを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のマルチコプターは、複数の回転翼がフレームに放射状に配置されたマルチコプターであって、前記複数の回転翼の少なくとも一つは、該回転翼の周りを囲う筒状のダクトを備えており、前記ダクトは、前記回転翼の吸気側から排気側への空気の流れが該ダクトの周方向において不均衡となる形状に形成されていることを特徴とする。

また、前記ダクトは、該ダクト内の前記回転翼の回転面の位置から、該ダクトの吸気側端部までの長さ又は/及び排気側端部までの長さが、該ダクトの周方向の位置により異なっていることが好ましい。

また、前記ダクトは、該ダクト内の前記回転翼の回転面の位置からその排気側端部までの長さが該ダクトの周方向の位置により異なっており、前記排気側端部までの長さが最も長い部位と最も短い部位は、前記ダクトの周方向において互いに反対側となる位置に配置されていることが好ましい。

また、前記ダクトは、該ダクトの内周面と、該ダクト内の前記回転翼の翼端部の回転軌跡との距離が、該ダクトの周方向の位置により異なる構成としてもよい。

また、制御装置をさらに備え、前記ダクトは略円筒形状に形成されており、前記ダクトはその径方向の中心を結ぶ線を回転中心として周方向に回転可能であり、前記制御装置は、前記ダクトの周方向への回転を制御可能であることが好ましい。

また、前記ダクトは略円筒形状の内筒部および外筒部が同心円状に配置された二重筒構造であり、前記内筒部または前記外筒部のいずれか一方は、その径方向の中心を結ぶ線を回転中心として周方向に回転可能であり、前記制御装置は、前記内筒部または前記外筒部の周方向への回転を制御可能である構成としてもよい。

また、前記ダクトは略円筒形状の内筒部および外筒部が同心円状に配置された二重筒構造であり、前記内筒部および前記外筒部は、それらの径方向の中心を結ぶ線を回転中心として互いに独立して周方向に回転可能であり、前記制御装置は、前記内筒部および前記外筒部の周方向への回転を制御可能である構成としてもよい。

また、前記ダクトを備える前記回転翼は、その回転面の角度を前記フレームに対して相対的に傾けることができる傾斜可能回転翼であり、前記ダクトは前記傾斜可能回転翼とともに傾斜する構成としてもよい。

また、前記ダクトは、その周方向における一部のみに、前記傾斜可能回転翼の排気方向に延出した翼状部が形成されており、前記翼状部は、前記ダクトの吸気口を機首側方向に傾斜させたときに該ダクトの上面となる位置に形成されており、前記翼状部は、前記ダクトの吸気口を機首側方向に傾斜させて該機首側方向に向かって飛行したときに、機体に揚力を発生させる構成としてもよい。

以上のように、本発明にかかるマルチコプターによれば、回転翼がボルテックスリングステートに陥ることを防ぐことができ、また、回転翼による揚力や推力を効率的かつ緻密に制御することが可能となる。

本発明のマルチコプターの第1実施形態を示す外観斜視図である。

図1のマルチコプターの制御装置の機能構成を示すブロック図である。

本発明のダクトの変形例2を示す外観斜視図である。

本発明のダクトの変形例3を示す縦方向断面図(a)および平面図(b)である。

図1のマルチコプターの飛行状態を示す側面図である。

図1のマルチコプターのダクトを回転させて長い部分を全て外側に向けた状態を示す側面図である。

本発明のダクトの変形例4を示す外観斜視図(a)および平面図(b)である。

図7のダクトの内筒部が概ね180度回転した状態を示す外観斜視図である。

本発明のマルチコプターの第2実施形態を示す平面図である。

図9のマルチコプターの外観斜視図である。

図9のマルチコプターの一部の回転翼を傾斜させた状態を示す側面図である。

本発明のダクトの変形例5を示す外観斜視図である。

図12のダクトの空気の流れを説明するための側面図である。

図9のマルチコプターの制御装置の機能構成を示すブロック図である。

図1のダクトの側面図(a)、および、同図(a)を矢示B方向から見た側面図(b)である。

本発明のダクトの変形例1を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。

<第1実施形態> 図1は、本発明のマルチコプターの第1実施形態を示す外観斜視図である。図1に示すマルチコプター10は、制御装置やバッテリーなどを保持する筐体であるフレームF1と、フレームF1に放射状に配置された複数の回転翼P1、P2、P3、およびP4と、回転翼P1〜P4の周りを囲う略円筒形状のダクトD1、D2、D3、およびD4とを備える。各ダクトD1〜D4の吸気側端部から排気側端部までの長さ(以下、ダクトのかかる方向の長さについて「ダクト長」ともいう。)は、その周方向の位置により異なっている。ダクトD1〜D4はいずれも同じ形状に形成されている。

図2は、図1のマルチコプター10が備える制御装置30の機能構成を示すブロック図である。本実施形態における制御装置30はフレームF1の内部に配置されている。制御装置30は、マルチコプター10の操縦者からの操縦指示を受け付ける制御受信部C1と、機体の傾きや回転のほか、飛行中の緯度経度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得する姿勢動作検知部C2と、回転翼P1〜P4の回転数を調節する回転翼制御部C3と、これらモジュール間の連携を一元的に管理するデータ処理部C0と、電力供給源であるバッテリーB0と、を備えている。尚、ダクトD1〜D4を周方向に回転可能とする場合(後述する変形例1)、制御装置30はさらに、ダクトD1〜D4の回転を制御するダクト回転制御部C4を備える。データ処理部C0と、これら制御受信部C1、姿勢動作検知部C2、回転翼制御部C3、およびダクト回転制御部C4とは互いに信号線で接続されている。尚、図2では、バッテリーB0はデータ処理部C0にのみ接続されているが、バッテリーB0の電力は他のモジュールC1〜C4にも供給されている。

マルチコプター10の制御受信部C1が上昇の指示を受けると、データ処理部C0は回転翼制御部C3を介して回転翼P1〜P4の回転数を上げる。この際、データ処理部C0(および回転翼制御部C3)は、姿勢動作検知部C2が取得した情報に基づいて回転翼P1〜P4の回転数を調節し、機体を傾けることなく、機体が垂直に上昇するよう制御する。このような、データ処理部C0による姿勢動作検知部C2の情報を使用した機体の制御方法については、この種のマルチコプターで用いられている公知の飛行制御アルゴリズムを利用することができる。

上で述べたように、ダクトD1〜D4は、その周方向の位置によりダクト長が異なっているから、回転翼P1〜P4の吸気側から排気側への空気の流れがその全周において同じ流れとはならず、全体として不均衡な空気の流れとなる。尚、本発明における「不均衡な空気の流れ」とは、回転翼の空気の流れがその全周において同じではなく、空気の流れが異なる部分を含んでいることを意味している。

図15(a)は図1のダクトD1の側面図であり、図15(b)は同図(a)を矢示B方向から見た側面図である。ダクトD1のダクト長は、図15(a)に示すように、ダクトD1の回転翼P1の回転面の位置11から排気側端部までのダクト長は、排気側端部12Aまでのダクト長13(図中左側)が、その周方向における反対側にあたる排気側端部12Bまでのダクト長14(図中右側)よりも長くなるように形成されている。

図15(b)に示すように、ダクトD1における回転翼P1の回転面の位置11からその排気側端部までのダクト長は、排気側端部12Aから排気側端部12Bにかけて漸次短くなるように形成されている。

また図15(a),(b)に示すように、ダクトD1における回転翼P1の回転面の位置11からダクトD1の吸気側端部の位置15までのダクト長16は、その全周において同じ長さとなるように形成されている。

上で述べたように、図1に示すダクトD1はその周方向の位置により排気側端部までのダクト長が異なっている。つまり、ダクトD1は、その周方向の位置により回転翼P1が生じさせる気流の整流効果が異なっている。そのため、ボルテックスリングステートが発生する条件も回転翼P1およびダクトD1の全周において一定ではなく、これにより、回転翼P1がボルテックスリングステートに陥ることが防止され、またはその影響を緩やかにすることが可能とされている。

マルチコプター10は、各回転翼P1〜P4にそれぞれダクトD1〜D4が設けられていることにより、回転翼P1〜P4の推力方向と直交する平面内に発生した気流がダクトD1〜D4に整流され、効率的に揚力を発生させることが可能とされている。より具体的には、ダクトD1〜D4が設けられていない場合と比較して、実測値で1.5倍以上の推力を得ることが可能とされている。

一般的にダクトには、回転翼が生じさせる気流を望ましい方向に整流することで、回転翼端に発生する渦流を減少させ、高い効率で揚力や推力を得ることができるとともに、ボルテックスリングステートの発生を抑えることができるというメリットがある。しかし、従来のティルトロータ機のように、水平方向にダクトの開口部を向け、回転翼を水平方向の推力として利用する場合、移動速度に比例してダクトの抗力が増加し、効率よく発生させた推力を相殺してしまうという問題がある。つまり、ダクトの開口部を進行方向に向けて高速な移動を行なう場合、その構造がデメリットにもなりうる。これに対し、図1に示すマルチコプター10のように、ダクトD1〜D4の開口部が全て鉛直方向に開放され、回転翼から生じる推進力が主に揚力として利用される機体では、水平方向への移動に対するダクトの悪影響は小さい。

(ダクトの変形例1) 図16はマルチコプター10に用いられるダクトの変形例1を示す平面図である。図16に示すダクトDeは、回転翼Peの翼端部の回転軌跡である翼端軌跡19からダクトDeの内周面までの距離が、これらの周方向の位置により異なるように形成されている。図16の図中最上部のダクトDeの内周面17aからその直近の翼端軌跡19aまでの距離18は、周方向の位置としては反対側となる図中最下部のダクトDeの内周面17bからその直近の翼端軌跡19bまでの距離20よりも小さく形成されている。尚、特に図示しないが、回転翼Peの回転面の位置からダクトDeの吸気側端部までの距離、および排気側端部までの距離は、その全周において同じダクト長とされている。

図16に示すように、ダクトDeの内周面17から回転翼Peの翼端軌跡19までの距離が、これらの周方向の位置により異なっていることから、ダクトDeは、回転翼Peが生じさせる気流に対する整流効果がその周方向の位置により異なっている。そのため、回転翼Peの吸気側から排気側への空気の流れはその全周において同じ流れとはならず、全体として不均衡な空気の流れとなる。また、ボルテックスリングステートが発生する条件も回転翼PeおよびダクトDeの全周において一定とはならず、これにより、回転翼Peがボルテックスリングステートに陥ることが防止され、またはその影響を緩やかにすることが可能とされている。

尚、本実施形態のマルチコプター10は回転翼を4つ(回転翼P1〜P4)備えているが、本発明のマルチコプターの回転翼の数は4つには限定されず、任意の数とすることができる。また回転翼は放射状に配置されていることを条件に、様々な配置に変更することができる。

また本実施形態では、ダクトD1〜D4が略円筒形状に形成されているが、本発明のダクトの形状は円筒状には限定されず、例えば角筒状のような非円筒形状にすることもできる。

本発明のマルチコプターにおいては、ダクトの周方向におけるダクト長の違いや、回転翼の翼端軌跡からダクト内周面までの距離の違いは、求める効果や設計上の制約などに応じて任意の大きさに設定することができる。

また、本実施形態では、全てのダクト(ダクトD1〜D4)が、その周方向の位置によりダクト長が異なるように形成されているが、本発明のマルチコプターでは、少なくとも1つの回転翼のダクトがそのような形状に形成されていればよい。その他の回転翼は、例えば全周におけるダクト長が等しく、かつ、回転翼の翼端軌跡とダクト内周面との距離も全周において一定のダクトを備えてもよく、または、ダクトを備えていなくてもよい。

(ダクトの変形例2) 図3はマルチコプター10に用いられるダクトの変形例2を示す外観斜視図である。図3のダクトDrは、略円筒形状のダクトであり、回転翼Paの回転面の位置から排気側端部までの長さがその周方向の位置により異なっている。さらに、図3のダクトDrは、その回転翼Paの回転面の位置から吸気側端部までのダクト半体Dfと、回転翼Paの回転面の位置から排気側端部までのダクト半体Dmの二つの部分から構成されている。そしてダクト半体Dmは、その径方向の中心を結ぶ線を回転中心として周方向に回転させることが可能な回転ダクトとして構成されている。また、マルチコプター10は、ダクト半体Dmを回転させる機構と、その回転を制御するダクト回転制御部C4とを備えている。ダクト半体Dfは、回転不能なダクトとしてフレームF1に固定されている。ダクト半体Dfは、ダクト長がその全周において一定である円筒形状に形成されている。

ダクト半体Dmを回転させる機構としては、例えばダクト回転制御部C4により操作される図示しないサーボモータを機体に配置し、そのサーボモータのピニオンをダクト半体Dmの内周面または外周面に設けたギヤ部に直接噛合させた構成や、同サーボモータの駆動力を他の動力伝達部材を介してダクト半体Dmに伝達する構成、その他、例えばカメラのオートフォーカス機構のように、ダクト回転制御部C4により操作される図示しないリング状の超音波モータをダクトDrに配置し、その超音波モータのロータとダクト半体Dmとを連結した構成など、種々の公知の機構を用いることができる。

図3に示すダクト半体Dmは、図1に示すダクトD1〜D4の回転翼P1〜P4の回転面の位置から排気側端部までの形状と略同じ形状に形成されている。すなわち、図15(a),(b)に示すように、ダクトの排気側端部までのダクト長が最も長い部分と最も短い部分とが周方向に180度ずれた位置に配置されている。図3に示すダクト半体Dmは、制御装置30のダクト回転制御部C4により周方向に回転させることが可能であり、また、任意の位置で停止させることが可能である。

尚、ダクト半体Dmの形状は、特に本変形例の形状に限定されるものではない。ダクト半体Dmの形状は、回転翼Paの吸気側から排気側への空気の流れがその全周において同じ流れとはならず、全体として不均衡な空気の流れとなる形状であればよい。

周方向に回転可能なダクト半体Dmを備えることにより、回転翼Paの気流の整流効果が異なる箇所を動的に変化させる可能となる。これにより、回転翼Paの翼端部にボルテックス(渦)が発生し難いように状況に応じて最適な制御を行うことが可能となり、ボルテックスリングステートの発生をさらに抑えることが可能となる。

上でも述べたように、本変形例のダクトDrは、回転翼Paの空気の流れがその周方向において不均衡である。これはつまり、回転翼Paの推進力はその前後方向だけでなく回転翼Paの回転面の面方向にも一部作用しているということである。すなわち、ダクト半体Dmの配置角度を制御することにより、回転翼Paの前後方向だけでなく上記面方向へ機体を推進させることができるということである。一般的なマルチコプターでは複数の回転翼の回転数を適宜調節することにより、機体を任意の方向へ推進させるが、これは機体を傾斜させることを前提としている。こうした機体の傾斜による移動と比較して、ダクト半体Dmの回転で推進力の方向を制御する場合、より緻密な制御を行うことが可能となる。より具体的には、開口部が鉛直方向に開放されるように配置されたダクトDrの形状は、整流された空気が回転翼Paの上方から鉛直下方にのみ流れる形状ではなく、わずかに水平方向にも推力が発生する形状とされている。本変形例ではダクト半体Dmが周方向に回転可能に構成されていることから、マルチコプター10の機体全体を傾斜させることなく、ダクトDrを周方向に回転させることで水平方向における機体の緻密な位置制御を行うことが可能とされている。尚、ダクトDrのダクト半体Dmおよびダクト半体Dfはその上下を逆に配置することも可能である。

ダクトD1〜D4にそれぞれダクトDrの構成が適用された場合における、マルチコプター10の位置制御と姿勢制御の関係は以下の通りである。データ処理部C0は、ダクト回転制御部C4を介して、ダクトD1〜D4を周方向に所定の角度だけ回転させる。ダクトD1〜D4はその周方向の位置により排気側端部までのダクト長が異なる形状であるため、回転翼P1〜P4が生じさせる気流の一部は水平方向への推力としても作用する。

マルチコプター10が上昇および下降する場合、制御受信部C1から上昇または下降の操縦信号を受けたデータ処理部C0は、姿勢動作検知部C2からの情報に基づいて、機体の姿勢を水平に保ちながら、機体を垂直に上昇または下降させる。このとき、データ処理部C0は、複数の回転翼P1〜P4の回転数を制御すると同時に、回転可能に形成されたダクトD1〜D4を適宜回転させることで、機体を傾けることなく、水平方向の位置も維持することができる。

また、マルチコプター10が水平方向に移動を行なう場合、データ処理部C0は、指示された移動量と移動速度から、機体を傾ける高速な移動か、またはダクトD1〜D4を回転させる緻密な移動かを判断する。すなわち、移動速度が速く、移動量が大きくなると予想される指示に対しては、回転翼制御部C3で各回転翼P1〜P4の回転数を制御し、機体を傾けて迅速に移動を行う。一方、移動速度が遅く、移動量が小さいと予想される指示に対しては、ダクト回転制御部C4に、ダクトD1〜D4の回転を指示し、適切なダクトD1〜D4の回転位置を決めることで水平方向への緻密な移動を行う。上記二種類の移動方法は、同時に組み合わせて行うことも可能である。

(ダクトの変形例3) 図4(a),(b)は、マルチコプター10に用いられるダクトの変形例3であるダクトDaの縦方向断面図(a)および平面図(b)である。

ダクトDaは、図1に示すダクトD1〜D4と同様に、回転翼Paの回転面の位置から排気側端部までのダクト長が、その周方向の位置により異なるように形成されている。ダクトDaはさらに、回転翼Paの回転面の位置から吸気側端部までのダクト長も、その周方向の位置により異なるように形成されている。ダクトDaの図4(a)視上側の部分は、下側の部分をその周方向に180度回転させ、上下を反転させた形状とされている。尚、ダクトDaの吸気側端部から排気側端部までの鉛直方向の長さは、その周方向におけるどの位置でも同じ長さとなるように形成されている。

ダクトDaは、図1や図3のダクトと比べて、ボルテックスリングステートが発生する可能性がさらに抑えられており、より水平方向の推力を発生させることができる形状とされている。尚、ダクトDaは、図4(a)視上側のダクト長が長い部分と、図4(a)視下側のダクト長が短い部分とがその周方向における同じの位置に配置されており、周方向に180度ずれた場所では、同上側のダクト長が短く、同下側のダクト長が長くなっている部分が同じ位置に配置されている。

また、ダクトDaの形状は、図1のダクトD1〜D4の上下を反転させた形状としてもよい。すなわち、回転翼Paの回転面の位置からダクトDaの吸気側端部までのダクト長について、その周方向の位置により異なるように形成し、逆に、回転翼Paの回転面の位置からダクトDaの排気側端部までのダクト長を、その全周において同じ長さにしてもよい。

また、本発明のダクトの形状は上記各形状に限定されるものではなく、任意の組み合わせが可能である。例えば、特に図示しないが、回転翼の吸気側と排気側の両方に、周方向の位置によりダクト長が異なるダクトを設けるにあたり、吸気側のダクト長が長い部分と、排気側のダクト長が長い部分とを同じ周方向位置に配置し、そこから周方向に180度ずれた位置に、吸気側のダクト長が短い部分と、排気側のダクト長が短い部分とを配置した形状にしてもよい。この場合、特に水平移動する際の進行方向に対する抗力の差がダクトの回転により大きく変わることとなり、すなわち転移揚力(回転翼を通過する空気流量が増えることによる揚力)の量を変化させることができるようになる。

また図4のダクトDaを、変形例2のダクトDrのように、周方向に回転可能な構成にしてもよい。この場合、ダクトDaを回転翼Paの回転面の位置よりも吸気側のダクト半体と、同回転面の位置よりも排気側のダクト半体のように、ダクトDaを二つのダクトに分割し、そのうちいずれか一方を回転可能な構成にしてもよく、両方のダクトが独立して回転可能な構成にしてもよい。

図5は、飛行中のマルチコプター10を側面から見た説明図である。図5のマルチコプター10のダクトD1〜D4には、周方向に回転可能なダクト(ダクトDr)が用いられている。尚、図5の矢印はマルチコプター10の進行方向を示しており、図5のマルチコプター10は、図中左側に向けて推進している。図5に示されているように、マルチコプター10のダクトD1〜D4は、全て、ダクト長が短い部分が進行方向側に向けられている。ダクトD1〜D4をこのように配置した場合、進行方向からの風がダクトD1〜D4に沿って後方下方へ流れることから、各ダクトD1〜D4が航空機のフラップを下げた場合と同様の働きをし、揚力を増加させるだけでなく、ある程度高速で移動する場合には転移揚力の増大が期待でき、より消費電力を抑えた飛行が可能となる。

尚、図5に示す構成とは反対に、マルチコプター10の進行方向側にダクトD1〜D4のダクト長が長い部分を配置した場合(図示せず)も、図5に示す構成よりは少ないが、フラップを下げた効果が期待できる。但し、転移揚力を得難くなるため、図5に示す構成よりは非効率である。しかしながら、低速な移動であれば向かい風を遮る効果により、向かい風の強弱による揚力の変化を抑えることができ、安定した移動が可能となる。

さらに、ダクトD1〜D4を回転させて、ダクト長が中間の部分を進行方向に向けた場合、進行方向に対するダクトD1〜D4の投影面積が最小となるため、ダクト外面がもたらす抗力が最も少なくなる。揚力と移動速度のバランスにより、こうしたダクトD1〜D4の配置で飛行することも可能である。

図6は、図5のマルチコプター10のダクトD1〜D4のダクト長が長い部分を、フレームF1の中心に対して全て外側に向けた状態を示す側面図である。図6に示すように、ダクトD1〜D4を回転させて各ダクトの長い部分を全て外方に向けた状態にすると、マルチコプター10は水平方向には移動しないため、例えば垂直方向(矢示方向)に上下動を行なう場合、水平方向からの風の影響を最も少なくして、姿勢を安定させることができる。

また図6に示すダクトD1〜D4の配置角度では、わずかながら、ダクト長が短い方向にむけて推力が逃げるため、多少の外乱であれば、ダクトD1〜D4を回転させて水平方向への推力を調整し、マルチコプター10の現在位置を維持することが可能である。

(ダクトの変形例4) 図7は本発明のダクトの変形例4を示す図である。変形例4にかかるダクトDbはダクトが二重筒構造とされた例である。図7(a)はダクトDbの外観斜視図であり、図7(b)は図7(a)の平面図である。図7(a),(b)に示されるダクトDbは、ダクトDbの回転可能部が、同心円状に二重に配置されている。ダクトDbの回転可能部は、外側の外筒部Dm1と、内側の内筒部Dm2の二つの略円筒形状のダクトから構成されている。これら外筒部Dm1および内筒部Dm2は、それぞれ径方向における中心を結ぶ線を回転中心として互いに独立して周方向に回転可能に構成されている。ダクトDbは、外筒部Dm1と内筒部Dm2を回転させることにより、その周方向におけるダクト長の割合を適宜変化させることが可能とされている。外筒部Dm1と内筒部Dm2は略同一の形状に形成されており、これらのダクト長が長い部分が周方向に完全に重なっている状態では、図3の回転ダクトDと同じ外観となる。

例えば、ここで外筒部Dm1を固定した状態で、内筒部Dm2を回転させると、ダクト長の長い部分の重なりがずれ、より多くの空間をダクトが占めることになる。例えば図7では、外筒部Dm1に対し内筒部Dm2が概ね90度回転した状態で配置されている。この状態では、二つのダクト(外筒部Dm1および内筒部Dm2)が完全に重なっている状態よりも、ダクトDbの周方向におけるダクト長の長い部分の割合が多くなっている。これにより前述した移動時の揚力や転移揚力等の効果を調整することができ、よりきめ細かな姿勢制御が可能となる。

図8は図7のダクトDbの内筒部Dm2を周方向にさらに90度回転させた状態を示す外観斜視図である。つまり、内筒部Dm2は、外筒部Dm1の位置に対し、完全に重なった位置から概ね180度回転した位置に配置されている。この状態では、擬似的に、水平方向への推力については、ダクト長が全周において等しいダクトと同様の効果をもつようになる。ダクト長が長過ぎるダクトは水平方向への移動時における抗力となり得るが、適切な長さであれば、回転翼に直接の外乱気流がぶつかることが抑えられ、姿勢の安定化と揚力増大に資する。

変形例4のように、ダクト(外筒部Dm1および内筒部Dm2)を二重に設置する場合、回転させるダクトは、外筒部Dm1と内筒部Dm2の両方が回転するように構成してもよく、いずれか一方のみが回転するように構成しても良い。つまり、回転可能部を周方向に回転させることにより、回転翼の不均衡な空気の流れをその全体として任意の周方向角度に調節することが可能であればよい。尚、ダクトDbの外筒部Dm1および内筒部Dm2を回転させる機構としては、変形例2のダクトDrと同じ機構を用いることができる。

ダクトを二重筒構造とし、その内筒部と外筒部とを独立して回転可能とする場合、回転翼の翼端部の回転軌跡からダクト内周面までの距離は、全周において一定の距離となる。しかし、回転翼の回転面の位置からダクトの吸気側端部または排気側端部までのダクト長をその周方向の位置で異なる長さとし、さらにこれらが回転可能な構成とすることにより、水平方向への推力を緻密に制御することが可能となる。

<第2実施形態> 図9は本発明のマルチコプターの第2実施形態を示す平面図である。図9のマルチコプター11は、先の実施形態と同じ4つの回転翼P1〜P4に加え、さらに2つの回転翼P5,P6を有しており、合計6つの回転翼を備えるヘキサコプターである。マルチコプター11は、フレームF2に固定された回転翼P1〜P4のほかに、回転面の角度をフレームF2に対して相対的に傾けることができる傾斜可能回転翼P5,P6を備えている。これら回転翼P1〜P6には、その周囲を覆うダクトD1〜D6が設けられている。傾斜可能回転翼P5,P6のダクトD5,D6は傾斜可能回転翼P5,P6とともに傾斜する。

マルチコプター11は、傾斜可能回転翼P5,P6を結ぶ線に水平面で直交する方向がその前後方向となり、傾斜可能回転翼P5,P6は同前後方向に傾斜可能となるようにフレームF2に配置されている。傾斜可能回転翼P5,P6は、マルチコプター11の機体の中心を通る同前後方向の線を基準として線対称となる位置に配置されることで、配置可能な傾斜可能回転翼の数を増やすことができる。

図10はマルチコプター11の外観斜視図であり、図11はマルチコプター11の傾斜可能回転翼P5,P6を傾斜させた様子を示す側面図である。図10の矢印は、マルチコプター11の傾斜可能回転翼P5,P6の傾斜可能な方向を示したものである。図11は、マルチコプター11をそのダクトD6側から見た側面図であり、ダクトD6(傾斜可能回転翼P6)を、その吸気側がマルチコプター11の前方(機首側)に向くように傾斜させた様子を示している。

マルチコプター11の離陸時は、図10に示すように全ての回転翼P1〜P6を上に向け、最大の推力で機体を上昇させる。その後、傾斜可能回転翼P5,P6を図11に示すように徐々に機首側に傾斜させ、傾斜可能回転翼P5,P6の推進力を揚力から前方への推力へと変えて行く。この際、回転翼P1〜P4は揚力を維持するよう制御されており、傾斜可能回転翼P5,P6が傾斜することによる揚力の減少はこれら回転翼P1〜P4により相殺される。垂直離着陸機では、離陸後に全ての回転翼が傾斜することで、その揚力を水平方向への推力に変化させるが、本実施形態における方法は、かかる垂直離着陸機の制御方法と比べて格段に安定性が高い。すなわち、必要な揚力が保証された状態で、水平方向の推力を増加させることができるからである。

マルチコプター11は傾斜可能回転翼P5、P6にそれぞれダクトD5,D6を備えているが、傾斜可能回転翼P5,P6は、ダクトD5,D6を備えていない構成としてもよい。ダクトD5,D6を備えないことにより、ダクト開口部を進行方向に向けて高速な移動を行った際に、ダクトの抗力が速度に比例して増加してしまうことを避けることができる。

また、傾斜可能回転翼の数は2つには限られず、1つまたは3つとしてもよい。マルチコプターに傾斜可能回転翼を1つだけ設ける場合、マルチコプターの機首側、またはその反対側に、回転翼が進行方向側に傾斜可能となるように配置することが望ましい。

(ダクトの変形例5) 図12は、本発明の傾斜可能回転翼用のダクトの変形例であるダクトDcの外観斜視図である。傾斜可能回転翼には、ダクトDcのように、ダクト長の短い部分Dsがその全周のうちの大半を占め、その排気側に延出している部分である翼状部Dlが一部にのみ設けられた構造のダクトを備えることが好ましい。

図13は、ダクトDcを備える回転翼Pの空気の流れを説明するための側面図である。図13に示すように、回転翼Pの吸気側を機首方向に傾斜させると、ダクトDcの最上面となる位置に配置された翼状部Dlは、固定翼と同様な揚力を生じさせる。ダクトDcの抗力増加を抑え、高速で移動する際に翼状部Dlが揚力を生じさせることで、さらに消費電力を抑えた飛行が可能となる。

図14は、マルチコプター11の制御装置31の機能構成を示すブロック図である。本実施形態における制御装置31はフレームF2の内部に配置されている。制御装置31は、マルチコプター11の操縦者からの操縦指示を受け付ける制御受信部C1と、機体の傾きや回転のほか、飛行中の緯度経度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得する姿勢動作検知部C2と、回転翼P1〜P6の回転数を調節する回転翼制御部C3と、ダクトD1〜D4の回転を制御するダクト回転制御部C4と、傾斜可能回転翼P5,P6の傾斜角度を制御する回転翼傾斜制御部C5と、これらモジュール間の連携を一元的に管理するデータ処理部C0と、電力供給源であるバッテリーB0とを備えている。データ処理部C0と各モジュールは互いに信号線で接続されている。尚、図14では、バッテリーB0はデータ処理部C0にのみ接続されているが、バッテリーB0の電力は他のモジュールC1〜C5にも供給されている。

マルチコプター11の制御受信部C1が上昇の指示を受けると、データ処理部C0は回転翼制御部C3を介して回転翼P1〜P6の回転数を上げる。この際、データ処理部C0(および回転翼制御部C3)は、姿勢動作検知部C2が取得した情報に基づいて回転翼P1〜P6の回転数を制御し、機体を傾けることなく、機体外垂直に上昇するよう制御する。このような、データ処理部C0による姿勢動作検知部C2の情報を使用した機体の制御方法については、この種のマルチコプターで用いられている公知の飛行制御アルゴリズムを利用することができる。

マルチコプター11が上昇して、水平飛行に移行するまでの間、回転翼傾斜制御部C5は、傾斜を零とし、傾斜可能回転翼P5,P6の回転面を水平に維持する。水平方向への移動指示が制御受信部C1からデータ処理部C0に入ると、データ処理部C0は、姿勢動作検知部C2の情報に基づいて、回転翼P1〜P4およびダクトD1〜D4を制御し、姿勢を水平に保ちながら高度を維持する。同時にデータ処理部C0は、機体の機首を進行方向に向けながら、回転翼傾斜制御部C5を介して、回転翼P5,P6を傾斜させていく。この際、傾斜可能回転翼P5,P6が担っていた揚力は、徐々に水平方向への推力と変化し、揚力としては失われる。この失われた揚力は、回転翼P1〜P4の回転数を上げることで相殺され、マルチコプター11は所定の高度を維持することができる。

尚、マルチコプター11は、ペイロードに重量物が搭載された場合や、空気が希薄な高地などでの離陸の際、転移揚力を利用した滑走離陸が必要となることがある。この場合、傾斜可能回転翼P5,P6を傾斜させるのではなく、機体全体を傾斜させ、水平方向の速度を増加させてから傾斜可能回転翼P5,P6を傾斜させることで対応する。このように、回転翼P1〜P4の揚力のみでは機体を十分に浮上させることができない場合、データ処理部C0は、傾斜可能回転翼P5,P6の推進力で機体の揚力を補填すべく、これら傾斜可能回転翼P5,P6の最大傾斜角を制限することができる。