知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2018-134908(P2018-134908A)
(43)【公開日】2018年8月30日
(54)【発明の名称】無人航空機
(51)【国際特許分類】
B64C 27/26 20060101AFI20180803BHJP
B64C 27/08 20060101ALI20180803BHJP
【ＦＩ】
B64C27/26
B64C27/08
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2017-29182(P2017-29182)
(22)【出願日】2017年2月20日
(71)【出願人】
【識別番号】591117413
【氏名又は名称】株式会社菊池製作所
(74)【代理人】
【識別番号】100180080
【弁理士】
【氏名又は名称】坂本 幸男
(72)【発明者】
【氏名】小川 重行
(57)【要約】
【課題】例えば飛行モードの移行の際の飛行制御を安定させることができる等の無人航空機を提供すること。【解決手段】マルチコプター１００は、機体１１０に揚力を与える水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄ及び固定翼１２０Ａ、１２０Ｂと、機体に推力を与える推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂとを備える。制御装置１５０は、水平ロータユニットにより生じる第一揚力ＦＬ１と、固定翼により生じる第二揚力ＦＬ２との合計が目標値となるように、水平ロータユニット及び推進ロータユニットの出力を同時に制御する。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
固定翼と、垂直離着陸手段と、推力発生手段と備える無人航空機であって、
前記垂直離着陸手段及び前記推力発生手段を制御する制御装置を備え、
前記制御装置が、前記垂直離着陸手段により生じる第一揚力と、前記固定翼により生じる第二揚力との合計が目標値となるように、前記垂直離着陸手段及び前記推力発生手段の出力を制御することを特徴とする無人航空機。
前記垂直離着陸手段及び前記推力発生手段を制御する制御装置を備え、
前記制御装置が、前記垂直離着陸手段により生じる第一揚力と、前記固定翼により生じる第二揚力との合計が目標値となるように、前記垂直離着陸手段及び前記推力発生手段の出力を制御することを特徴とする無人航空機。
【請求項2】
前記垂直離着陸手段が複数の回転翼を有し、
前記制御装置が、
前記複数の回転翼を制御する垂直飛行制御部と、
前記推力発生手段を制御する水平飛行制御部と、
前記垂直飛行制御部及び前記水平飛行制御部の連携制御を統括する統括制御部とを備え、
前記統括制御部が、
対気速度に基づいて前記固定翼による前記第二揚力を求め、
機体の全体揚力の目標値に前記第二揚力をフィードバックして前記第一揚力を生じさせるための指令値を前記垂直飛行制御部に出力する、請求項１に記載の無人航空機。
前記制御装置が、
前記複数の回転翼を制御する垂直飛行制御部と、
前記推力発生手段を制御する水平飛行制御部と、
前記垂直飛行制御部及び前記水平飛行制御部の連携制御を統括する統括制御部とを備え、
前記統括制御部が、
対気速度に基づいて前記固定翼による前記第二揚力を求め、
機体の全体揚力の目標値に前記第二揚力をフィードバックして前記第一揚力を生じさせるための指令値を前記垂直飛行制御部に出力する、請求項１に記載の無人航空機。
【請求項3】
前記制御装置が、機体を上昇飛行から水平飛行に移行させるとき、前記垂直離着陸手段による前記第一揚力を次第に下げながら、前記固定翼による前記第二揚力を次第に上げるようにして、前記垂直離着陸手段及び前記推力発生手段を同時に制御する、請求項１又は２に記載の無人航空機。
【請求項4】
前記推力発生手段が、機体のロール軸と平行な回転軸を有する回転翼を備える、請求項１〜３のいずれかに記載の無人航空機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、マルチコプターの回転翼による垂直飛行能力と、飛行機の固定翼による水平飛行能力とを兼ね備えた複合回転翼型の無人航空機に関する。
【背景技術】
【0002】
無人航空機の一種であるマルチコプターは、垂直軸回りに回転駆動される複数の回転翼を備えている。そのような無人航空機は、それぞれの回転翼の回転数制御により、垂直飛行や水平飛行などを行えることから、ＶＴＯＬ（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔａｋｅ−ｏｆｆ ａｎｄ ｌａｎｄｉｎｇ）機と称されている。マルチコプターは、ホバリング飛行能力を有していることから、地震、津波、火山などの自然災害や、化学工場爆発、海難事故などの人為的な災害の現場などにおいて、空撮による被災状況の詳細な調査などの活躍に期待がよせられている。
【0003】
このような回転翼型のマルチコプターとして、例えば特許文献１は、機体の中心から所定距離だけ離れた第一円周上に複数の内側ロータユニットを配設し、機体の中心から所定距離よりも大きな所定距離だけ離れた第２円周上に複数の外側ロータユニットを配設し、内側ロータユニットの動作により機体を上昇させ、外側ロータユニットの動作により機体の姿勢制御を行う回転翼型機を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１４−２４０２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上述した特許文献１の回転翼型機では、外側ロータユニットの回転翼の回転数を低くしても、小さな揚力で機体を傾ける大きなモーメントを発生させることができ、姿勢制御の応答時間を短くすることができる。
【0006】
ところで、一般的な回転翼型機は、垂直軸を有する上昇用の回転翼を有しているため、優れたホバリング能力を有している。また、水平飛行する際、機体の進行方向側を前下がりとなるように傾けて前方への推力を得ている。すなわち、回転翼型機は、水平方向における推力を得るために、前後の回転翼の回転数を変えて機体を傾け、回転翼のピッチ角を変えている。このように、回転翼のピッチ角を変えることで、回転翼型機は水平飛行が可能であるが、例えばラジコン飛行機のような固定翼型機に比較して長距離飛行や高速飛行には不向きである。
【0007】
また、バッテリ駆動である回転翼型機は、飛行時間や飛行距離が蓄電容量に応じて制限されてしまう。特に、機体を小型化すると、搭載できるバッテリの容量を大きくできないため、飛行時間や飛行距離が更に短くなる。
【0008】
このような回転翼型機での不足点を補うためには、例えば飛行機の固定翼による飛行能力を組み込むことが考えられる。この場合、機体の左右に固定翼を設け、更に機体の例えば後方に、推進用の回転翼を配置することができる。そして、例えばホバリング状態から水平飛行する際、上昇用の回転翼による推力から推進用の回転翼による推力に徐々に切り換えるように制御することで、高速飛行が可能になるものと考えられる。
【0009】
しかし、発明者らがこれまで行ってきた試作実機を使った飛行実験では、特にホバリング状態（垂直飛行モード）から水平飛行状態（水平飛行モード）に移行する際の機体の姿勢制御が難しく、飛行を常に安定させるには、自律制御に更に高度のロバスト性が求められていた。
【0010】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、垂直飛行モード及び水平飛行モード間の移行の際の飛行制御を安定させることができる等の無人航空機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上述の課題を解決するため、本発明は、固定翼と、垂直離着陸手段と、推力発生手段と備える無人航空機であって、前記垂直離着陸手段及び前記推力発生手段を制御する制御装置を備え、前記制御装置が、前記垂直離着陸手段により生じる第一揚力と、前記固定翼により生じる第二揚力との合計が目標値となるように、前記垂直離着陸手段及び前記推力発生手段の出力を制御することを特徴とする。
【0012】
また、無人航空機は、前記垂直離着陸手段が複数の回転翼を有し、前記制御装置が、前記複数の回転翼を制御する垂直飛行制御部と、前記推力発生手段を制御する水平飛行制御部と、前記垂直飛行制御部及び前記水平飛行制御部の連携制御を統括する統括制御部とを備え、前記統括制御部が、対気速度に基づいて前記固定翼による前記第二揚力を求め、機体の全体揚力の目標値に前記第二揚力をフィードバックして前記第一揚力を生じさせるための指令値を前記垂直飛行制御部に出力することが好ましい。
【0013】
また、無人航空機は、前記制御装置が、機体を上昇飛行から水平飛行に移行させるとき、前記垂直離着陸手段による前記第一揚力を次第に下げながら、前記固定翼による前記第二揚力を次第に上げるようにして、前記垂直離着陸手段及び前記推力発生手段を同時に制御することが好ましい。
【0014】
また、無人航空機は、前記推力発生手段が、機体のロール軸と平行な回転軸を有する回転翼を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【0015】
本発明に係る無人航空機によれば、回転翼による第一揚力と、固定翼による第二揚力との合計を目標値とする制御により、機体の姿勢を安定させることができる。そのため、例えば水平飛行への移行制御を安定させることができる。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の無人航空機として、複数の回転翼を備えるマルチコプターに適用した場合の実施形態を、図面を参照しながら説明する。まず、図１及び図２を参照し、マルチコプターの構成について説明する。なお、図１は、本発明の一実施形態によるマルチコプター１００の外観斜視図であり、図２はマルチコプター１００を示す平面図である。
【0018】
これらの図に示すように、マルチコプター１００は、機体１１０の左右に固定翼１２０Ａ、１２０Ｂを備えている。なお、飛行をより安定させるための乱流翼１２１Ａ、１２１Ｂを、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂの端部に備えてもよい。
【0019】
機体１１０には、円形状の貫通口１１１が４つ形成されている。なお、貫通口１１１は４つに限らず、６つ以上であってもよい。これらの貫通口１１１は、機体１１０の重心Ｇ（正確には機体１１０、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂを含めた全体の重心）を中心とした円周方向に沿って形成されている。
【0020】
また、それぞれの貫通口１１１の中には、垂直離着陸手段である水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄが配置されている。本実施形態では、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄが、機体１１０の重心Ｇを中心とした対称位置に４つ配置されているが、６つ以上であってもよい。
【0021】
それぞれの水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄは、貫通口１１１内に掛け渡された支持フレーム１１２に固定されている。それぞれの水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄは、垂直軸モータ１３１と、垂直軸モータ１３１のモータ軸１３２に取り付けられた回転翼１３３とを備えている。なお、垂直軸モータ１３１は、例えばサーボモータを用いることができる。ここで、互いに隣接する水平ロータユニット１３０Ａ、１３０Ｂの回転翼１３３、１３３は、互いに逆向きに取り付けられている。同様に、水平ロータユニット１３０Ｃ、１３０Ｄの回転翼１３３、１３３も、互いに逆向きに取り付けられている。重心Ｇに対し互いに対称の位置関係にある例えば水平ロータユニット１３０Ａ、１３０Ｄの回転翼１３３、１３３は、同じ向きに取り付けられている。
【0022】
また、詳細については後述するが、水平ロータユニット１３０Ａ、１３０Ｄの回転翼１３３、１３３が、例えば時計回り方向（ＣＷ：ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ）に回転し、水平ロータユニット１３０Ｂ、１３０Ｄの回転翼１３３、１３３が、例えば反時計回り方向（ＣＣＷ：ｃｏｕｎｔｅｒｃｌｏｃｋｗｉｓｅ）に回転するように駆動される。なお、本明細書では、時計回り方向（ＣＷ）への回転を正転とし、反時計回り方向（ＣＣＷ）への回転を逆転として説明されている。
【0023】
また、それぞれの水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄの回転翼１３３の回転数制御により、上昇、下降は勿論のこと、ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸のそれぞれの軸周りでの姿勢が補正される。
【0024】
なお、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄについては、貫通口１１１内の中央に限らず、機体１１０の下方に吊り下げられてもよいし、機体１１０の上方に突き出すように配置してもよい。
【0025】
マルチコプター１００の推力発生手段として、機体１１０の後部には、２つの推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂが設けられている。それぞれの推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂは、水平軸モータ１４１と、水平軸モータ１４１のモータ軸１４２に取り付けられた回転翼１４３とを備えている。回転翼１４３が取り付けられるモータ軸１４２は、機体１１０のロール軸と同方向（平行）に設けられている。
【0026】
なお、推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂの水平軸モータ１４１は、例えばサーボモータを用いることができる。また、本実施形態では、推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂを２個配置した場合としているが、この例ら限らず、１個であってもよいし、３個以上であってもよい。また、推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂの水平軸モータ１４１と、上記の水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄの垂直軸モータ１３１とは、同じ仕様のものであってもよいし、異なる仕様のものであってもよい。
【0027】
また、機体１１０の下方には、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄ及び推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂを制御する制御装置１５０が設けられている。制御装置１５０の詳細については後述する。
【0028】
ここで、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄ及び推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂは、機体１１０の前後中心線（ロール軸）に沿って左右均等に配置されている。また、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄ及び推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂは、機体１１０の重心Ｇ（正確には機体１１０、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂを含めた全体の重心）の位置がずれないように、機体１１０に配置されている。また、制御装置１５０についても、機体１１０の重心Ｇの位置がずれないように、機体１１０の略中央に配置されている。このように、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄ、推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂ及び制御装置１５０を、機体１１０の重心Ｇの位置がずれないように、機体１１０の適宜の位置に配置することで、マルチコプター１００の水平姿勢制御を安定化できる。
【0029】
次に、図３Ａ、３Ｂ、３Ｃを参照し、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄによる上昇などの動作制御の概要について説明する。なお、図３Ａは上昇制御を説明するための図であり、図３Ｂはロール軸まわりのロール制御を説明するための図であり、図３Ｃはヨー軸周りのヨー制御（方向制御）を説明するための図である。
【0030】
上述したように、水平ロータユニット１３０Ａ及び水平ロータユニット１３０Ｄの回転翼１３３が正転（例えばＣＷ）し、水平ロータユニット１３０Ｂ及び水平ロータユニット１３０Ｃの回転翼１３３が逆転（例えばＣＣＷ）するように駆動される。これにより、隣り合う回転翼１３３の回転による反作用が打ち消され、マルチコプター１００の姿勢が安定する。また、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄの回転翼１３３が同時に回転することで、ジャイロ効果により、上昇姿勢などが安定する。
【0031】
ここで、図３Ａに示すように、上昇制御を行う場合、それぞれの回転翼１３３の回転数が予め決められた値（例えばプログラムの指令値）となるように制御される。このとき、機体１１０には回転翼１３３による揚力が矢印方向に発生し、その揚力が機体１１０の重量を超えると、マルチコプター１００が上昇する。
【0032】
次に、図３Ｂに示すように、ロール制御を行う場合、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄの回転翼１３３の回転数が変えられる。すなわち、水平ロータユニット１３０Ｂ、１３０Ｄ側の回転数が、水平ロータユニット１３０Ａ、１３０Ｃ側の回転数より高くなるように制御される。これにより、水平ロータユニット１３０Ｂ、１３０Ｄ側の回転翼１３３による揚力が水平ロータユニット１３０Ａ、１３０Ｃ側の回転翼１３３による揚力より高くなり、マルチコプター１００の機体１１０は矢印方向に傾く。
【0033】
次に、図３Ｃに示すように、ヨー制御を行う場合、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄの回転翼１３３の回転数が変えられる。すなわち、水平ロータユニット１３０Ａ、１３０Ｄの回転翼１３３の回転数が、水平ロータユニット１３０Ｂ、１３０Ｃの回転翼１３３の回転数より高くなるように制御される。このとき、水平ロータユニット１３０Ａ、１３０Ｄの正転する回転翼１３３の回転による反作用が、水平ロータユニット１３０Ｂ、１３０Ｃの逆転する回転翼１３３の回転による反作用より大きくなる。これにより、マルチコプター１００の機体１１０が矢印方向に向きを変える。
【0034】
なお、一般的なマルチコプターは、周知のとおり、例えば水平飛行する際、機体の進行方向側を前下がりとなるように傾けることで、前方への推力が得られる。ただし、本実施形態のマルチコプター１００は、以下に説明するように、推力を推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂによって得るようにしており、水平飛行時にも水平姿勢が保たれる。これにより、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂで生じる第二揚力ＦＬ２を最大にするとともに、風などの外乱による制御への影響を可及的に小さくしている。
【0035】
次に、図４を参照し、制御装置１５０の構成について説明する。制御装置１５０は、垂直離着陸手段である水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄ、及び、推力発生手段である推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂを同時に制御する。
【0036】
より詳細には、制御装置１５０は、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄの各垂直軸モータ１３１の回転数を制御する垂直飛行制御部（ＶＦＣ：ｖｅｒｔｉｃａｌ ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）１６３と、推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂの各垂直軸モータ１３１の回転数を制御する水平飛行制御部（ＨＦＣ：ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）１６２と、垂直飛行制御部１６２及び水平飛行制御部１６３の連携制御を統括する統括制御部１６１とを備えている。
【0037】
また、制御装置１５０は、ＧＰＳ（ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）センサ１５５、対気速度センサ１５１、ジャイロセンサ１５３などの各種センサからの検出信号を入力する。なお、制御装置１５０には、図示はしないが、機体１１０の高度を推定するための気圧センサからの信号を入力してもよい。また、マルチコプター１００の飛行による調査目的に応じて機体１１０に取り付けた可視カメラ、赤外線カメラ、γ線量測定器、ガス検出器などの各種計測機器からの情報信号を入力することもできる。更に、これらの機器で計測された情報を、基地装置に無線送信する送信部や、マルチコプター１００を遠隔操縦するための操縦信号を受信する受信部などを設けてもよい。
【0038】
垂直飛行制御部１６２は、統括制御部１６１から出力される旋回（ヨー）角速度指令信号及び揚力指令信号に従って、垂直離着陸手段である水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄを使い、機体１１０の上昇、下降、ホバリング、旋回を含む水平姿勢制御を自律的に行う。垂直飛行制御部１６２が出力する、第一揚力ＦＬ１を生じさせるための制御量信号は、水平ロータ駆動部１６４で増幅され、それにより水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄの各垂直軸モータ１３１が、制御された回転数で駆動される。
【0039】
垂直飛行制御部１６２は、ジャイロセンサ１５３からの検出信号に基づいて、マルチコプター１００を自律制御することができる。ジャイロセンサ１５３は、例えば６軸ジャイロセンサであり、その場合には、ロール軸周りの角速度ωＲ及びロール軸方向の加速度αＲ、ピッチ軸周りの角速度ωＰ及びピッチ軸方向の加速度αＰ、ヨー軸周りの角速度ωＹ及びヨー軸方向の加速度αＹの検出信号が、垂直飛行制御部１６２に入力される。
【0040】
次に、水平飛行制御部１６３は、統括制御部１６１から出力される推力指令信号に従って、推力発生手段である推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂを使って、機体１１０をロール軸方向に前進飛行させる制御を行う。水平飛行制御部１６３が出力する制御量信号は、推進ロータ駆動部１６５で増幅され、推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂの各水平軸モータ１４１が、制御された回転数で駆動される。例えばナビゲータ１７０が、予め登録された飛行計画に従い算出した推力の指令信号を水平飛行制御部１６３に出力し、ＧＰＳセンサ１５５から得られる対地速度ＧＳ（ｇｒｏｕｎｄ ｓｐｅｅｄ）を水平飛行制御部１６３にフィードバックすることができる。
【0041】
本実施形態では、マルチコプター１００が飛行中、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄの回転翼１３３が回転することにより生じる第一揚力ＬＦ１と、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂの上下の気圧差により生じる第二揚力ＬＦ２との合計が、ナビゲータ１７０が指令する全体揚力の目標値となるように、各水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄの回転翼１３３の回転数及び各推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂの回転翼１４３の回転数を同時に制御する。
【0042】
統括制御部１６１による、この制御動作の詳細は以下のように説明される。まず、ナビゲータ１７０は、予め登録された飛行計画に従い算出した垂直速度指令信号を高度指令制御部１６８に出力する。高度指令制御部１６８は、ナビゲータ１７０より指令された垂直速度を得るべき機体１００の全体揚力の目標値を算出する。
また、ナビゲータ１７０は、飛行計画に従い算出した旋回指令信号を旋回指令制御部１６７に出力する。旋回指令制御部１６７は、ナビゲータ１７０より指令された方角に機首が向くように、旋回（ヨー）角速度指令信号を垂直飛行制御部１６２に出力する。
【0043】
対気速度センサ１５１は、例えば機体１１０に加わる動圧と、対気速度センサ１５１の周囲の静圧との差により、大気中でのマルチコプター１００の対気速度ＡＳ（ａｉｒｓｐｅｅｄ）を検出する。揚力変換要素１６９は、対気速度センサ１５１から得た対気速度ＡＳに基づき、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂにより生じる第二揚力ＬＦ２を演算する。なお、揚力変換要素１６９では、第二揚力ＬＦ２を演算するため、対気速度ＡＳ、空気密度、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂの総面積及び揚力係数を引数として予め記述される非線形関数が用いられる。
【0044】
高度指令制御部１６８は、ナビゲータ１７０より指令された垂直速度で機体１００を上昇又は下降させる全体揚力の目標値から、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂにより生じている第二揚力ＬＦ２の値を減算することでフィードバック制御を行う。つまり、高度指令制御部１６８は、その減算した値を、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄで生じさせる第一揚力ＬＦ１を得るための指令値として、垂直飛行制御部１６２に揚力指令信号を出力する。これにより、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂによる第二揚力ＬＦ２を補完する第一揚力ＬＦ１が、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄにより生じることとなる。
【0045】
なお、高度指令制御部１６８は、ジャイロセンサ１５３から得られるヨー軸方向の加速度αＹを入力して、第一揚力ＬＦ１を得るための揚力指令信号の指令値を随時補正してもよい。
【0046】
このように、本実施形態のマルチコプター１００は、垂直飛行制御部１６２及び水平飛行制御部１６３が、互いに連携して、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄ及び推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂの出力を同時に制御することで、機体１１０の水平姿勢を保持し、飛行を安定することができる。また、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄによる第一揚力に加え、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂにより第二揚力ＬＦ２を得ることができ、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄが消費する電力を節約することができる。更に、水平飛行時には、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂにより滑空して飛行することができる。これらのことから、飛行時間や飛行距離を、従来よりも大幅に延ばすことができる。
【0047】
次に、図５の揚力分布図を参照し、制御装置１５０による自律制御の一例について説明する。なお、図５の揚力分布図は、無風状態での理想的な場合での揚力の分布を示している。また、図５においての揚力の大きさは、例えば飛行モード移行区間においての斜線で示す領域の大きさで示している。また、上昇区間、飛行区間、下降区間においての揚力の大きさも、同様である。
【0048】
まず、マルチコプター１００が矢印ａで示す着陸状態にあるときに、離陸を指令する信号を受信すると、統括制御部１６１が、垂直飛行制御部１６２及び水平飛行制御部１６３に対して動作指令を与える。
【0049】
このとき、垂直飛行制御部１６２は、揚力指令信号の指令値に従う回転数で、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄの回転翼１３３を回転させる。また同時に、水平飛行制御部１６３は、推力指令信号の指令値に従う回転数で、推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂの回転翼１４３を回転させる。
【0050】
これにより、マルチコプター１００は、時刻ｔ０〜時刻ｔ２の間に所定の高度まで前進しながら上昇し、水平飛行に移行する。このとき、揚力分布図から分かる通り、水平飛行速度が上がるにつれて、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂによる第二揚力ＦＬ２が増し、それに伴い、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄによる第一揚力ＦＬ１が小さくて済むようになる。このことは、制御装置１５０が、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄによる第一揚力ＦＬ１と、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂによる第二揚力ＦＬ２との合計が目標値となるように、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄ及び推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂの出力を滑らかに制御することで実現される。
【0051】
また、マルチコプター１００は、矢印ｃで示す、ホバリングから水平飛行に移行する際に、上述したように全体揚力が目標値になるように、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄによる第一揚力ＦＬ１を次第に下げながら、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂによる第二揚力ＦＬ２が次第に上がるように、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄ及び推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂの出力バランスを円滑に制御してもよい。このようにして、垂直飛行モードから水平飛行モードへの移行に際に、機体１１０の姿勢を安定させることができる。
【0052】
また、マルチコプター１００が時刻ｔ２〜時刻ｔ３の間で矢印ｄで示す水平飛行を行うとき、垂直飛行制御部１６２は、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄを使って、機体１１０の水平姿勢制御と、ヨー制御（旋回制御）のみ行うことができる。その場合には、マルチコプター１００は、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂの揚力で滑空し、高速飛行が可能であるとともに、バッテリの消費電力を抑制できるので、航続距離を稼ぐことができる。
【0053】
また、マルチコプター１００が矢印ｄで示す水平飛行の状態にあるとき、ホバリングを指令する信号を受信すると、統括制御部１６１が垂直飛行制御部１６２及び水平飛行制御部１６３に対して動作指令を与える。
【0054】
このとき、水平飛行制御部１６３は、時刻ｔ３で矢印ｅで示す水平飛行の状態から、推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂの回転翼１４３の回転数を次第に下げて、飛行速度を下げる。飛行速度の低下により、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂによる第二揚力ＦＬ２も低下するが、垂直飛行制御部１６２が時刻ｔ３から水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄの回転翼１３３の回転数を次第に上げることで、低下した揚力を補完することができる。水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄによる第一揚力ＦＬ１が、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂによる第二揚力ＦＬ２を上回ることで、矢印ｆで示すように、マルチコプター１００は安定したホバリングを行うことができる。このようにして、水平飛行モードから垂直飛行モードへの移行に際にも、機体１１０の姿勢を安定させることができる。
【0055】
そして、垂直飛行制御部１６２がホバリングの状態から着陸する際にも、全体揚力が目標値になるように、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄによる第一揚力ＦＬ１を次第に上げながら、固定翼１２０Ａ、１２０Ｂによる第二揚力ＦＬ２が次第に下がるように、水平ロータユニット１３０Ａ〜１３０Ｄ及び推進ロータユニット１４０Ａ、１４０Ｂの出力バランスを円滑に制御してもよい。これにより、ホバリング状態の時刻ｔ３から時刻ｔ４の間で、マルチコプター１００の高度が次第に下がり、矢印ｇで示すように安全に着地させることができる。
【符号の説明】
【0056】
１００ マルチコプター １１０ 機体１１１ 貫通口 １２０Ａ、１２０Ｂ 固定翼
１３０Ａ〜１３０Ｄ 水平ロータユニット １３３ 回転翼
１４０Ａ、１４０Ｂ 推進ロータユニット １４３ 回転翼
１５０ 制御装置 １５１ 対気速度センサ
１５３ ジャイロセンサ １５５ ＧＰＳセンサ
１６１ 統括制御部 １６２ 垂直飛行制御部
１６３ 水平飛行制御部 １６４ 水平ロータ駆動部
１６５ 推進ロータ駆動部 １６７ 旋回指令制御部
１６８ 高度指令制御部 １６９ 揚力変換要素
１７０ ナビゲータ