特開 2022-160823 飛行体

(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】P2022160823

(43)【公開日】2022-10-20

(54)【発明の名称】飛行体

(51)【国際特許分類】

   B64C 27/20 20060101AFI20221013BHJP

   B64C 27/24 20060101ALI20221013BHJP

   B64D 45/00 20060101ALI20221013BHJP

【ＦＩ】

B64C27/20

B64C27/24

B64D45/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021065276

(22)【出願日】2021-04-07

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 令和３年２月５日、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ（Ｖｏｌｕｍｅ １１、Ｉｓｓｕｅ４）のウェブサイト（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｍｄｐｉ．ｃｏｍ／２０７６－３４１７／１１／４／１４６２）に掲載

(71)【出願人】

【識別番号】593006630

【氏名又は名称】学校法人立命館

(74)【代理人】

【識別番号】100111567

【弁理士】

【氏名又は名称】坂本 寛

(72)【発明者】

【氏名】下ノ村 和弘

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 遼

(57)【要約】

【課題】安定性の高い飛行が可能な飛行体を提供する
【解決手段】飛行体１は、本体１０と、第１方向の軸心回りに回転して揚力を発生させるように本体に設けられた第１の回転翼１１と、第１方向に交差する第１平面における全方位への推進力を発生可能に本体に設けられた、第１の回転翼とは異なる全方位推進ユニット２と、全方位推進ユニットを制御するコントローラ３０と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

本体と、
第１方向の軸心回りに回転して揚力を発生させるように前記本体に設けられた第１の回転翼と、
前記第１方向に交差する第１平面における全方位への推進力を発生可能に前記本体に設けられた、前記第１の回転翼とは異なる全方位推進ユニットと、
前記全方位推進ユニットを制御するコントローラと、を備える
飛行体。

【請求項2】

前記全方位推進ユニットは、前記推進力を発生させる、前記第１の回転翼とは異なる第２の回転翼を有し、
前記コントローラによる前記全方位推進ユニットの制御は、前記推進力の向きを前記第１平面における指定された向きとするように前記第２の回転翼の出力又は向きを制御することを含む
請求項１に記載の飛行体。

【請求項3】

前記全方位推進ユニットは、それぞれ、異なる向きに推進力を発生させる複数の前記第２の回転翼を有し、
前記出力を制御することは、前記指定された向きに応じて、前記複数の前記第２の回転翼それぞれの出力を調整することを含む
請求項２に記載の飛行体。

【請求項4】

前記第２の回転翼は垂直回転翼であり、
前記全方位推進ユニットは、３つ以上の前記第２の回転翼を有する
請求項３に記載の飛行体。

【請求項5】

前記第２の回転翼は、風出する空気流が、前記第１の回転翼、又は、前記第１の回転翼が風出する空気流に重ならない位置に設置されている
請求項３又は４に記載の飛行体。

【請求項6】

前記第２の回転翼は、飛行体重心からの距離が前記第１の回転翼の前記飛行体重心からの距離よりも長く、前記第２の回転翼の風出方向が前記飛行体重心から離れる方向を向くように設置されている
請求項５に記載の飛行体。

【請求項7】

前記複数の前記第２の回転翼は、前記第１平面において、飛行体重心を中心とした円周上に等間隔に配置されている
請求項３～６のいずれか一項に記載の飛行体。

【請求項8】

前記複数の前記第２の回転翼は、それぞれの回転の軸心方向が飛行体重心に向くように配置されている
請求項３～７のいずれか一項に記載の飛行体。

【請求項9】

前記複数の前記第２の回転翼それぞれは、飛行体重心からの距離が同じとなるように配置されている
請求項３～８のいずれか一項に記載の飛行体。

【請求項10】

前記コントローラは、作業用の方向の指定と、移動用の方向の指定と、を受け付けて、これらを合成した推力を発生させるように構成されている
請求項２～９のいずれか一項に記載の飛行体。

【請求項11】

前記第２の回転翼はダクテッドファンである
請求項２～１０のいずれか一項に記載の飛行体。

【請求項12】

前記推進力の方向の移動距離を得るために、前記推進力の方向の加速度を検出する加速度センサをさらに備える
請求項１～１１のいずれか一項に記載の飛行体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、飛行体に関する。

【背景技術】

【0002】

ドローンとも呼ばれる、マルチロータ型の飛行体がある。この飛行体は、揚力発生用の複数の回転翼を有する。この飛行体は、高所での作業などの作業用途に用いられることがある。

【0003】

この飛行体の機体は、回転翼が軸心回りに回転することで軸心方向に発生する揚力によって浮上する。また、この飛行体は、機体の傾きと回転翼の回転速度のバランスとを制御することで、軸心方向に交差する平面内（例えば水平面内）の指定された方向に移動することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－１００３９６号公報

【発明の概要】

【0005】

この飛行体に対して、飛行の安定性が求められる場合がある。例えば作業用途で用いられる場合、作業のための位置の精度が要求される場合がある。しかしながら、この飛行体は、水平面内の移動時には機体を傾ける必要があるため、飛行の安定性に欠ける。そのため、作業に必要な姿勢に保つことが困難となる場合がある。本開示は、安定性の高い飛行が可能な飛行体を提供することを目的としたものである。

【0006】

本開示のある側面に係る飛行体は、本体と、第１方向の軸心回りに回転して揚力を発生させるように前記本体に設けられた第１の回転翼と、第１方向に交差する第１平面における全方位への推進力を発生可能に本体に設けられた、第１の回転翼とは異なる全方位推進ユニットと、全方位推進ユニットを制御するコントローラと、を備える。

【0007】

更なる詳細は、後述の実施形態として説明される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施の形態に係る飛行体の平面概略図である。

【図2】図２は、飛行体から外した状態での全方位推進ユニットの平面概略図である。

【図3】図３は、飛行体の正面概略図である。

【図4】図４は、全方位推進ユニットの第２の回転翼の他の例を表した概略図である。

【図5】図５は、全方位推進ユニットの推進力を説明するための図である。

【図6】図６は、飛行体のコントローラの制御ブロック図である。

【図7】図７は、コントローラにおける状態判定の流れを表した図である。

【図8】図８は、飛行体の制御の流れを表した図である。

【図9】図９は、飛行体の移動制御の流れを表した図である。

【図10】図１０は、発明者らによる第１の検証実験の結果を表した図である。

【図11】図１１は、発明者らによる第２の検証実験の結果を表した図である。

【図12】図１２は、発明者らによる第３の検証実験の結果を表した図である。

【図13】図１３は、全方位推進ユニットの変形例を表した概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

＜１．飛行体の概要＞

【0010】

（１）実施の形態に係る飛行体は、本体と、第１方向の軸心回りに回転して揚力を発生させるように前記本体に設けられた第１の回転翼と、第１方向に交差する第１平面における全方位への推進力を発生可能に本体に設けられた、第１の回転翼とは異なる全方位推進ユニットと、全方位推進ユニットを制御するコントローラと、を備える。

【0011】

飛行体が全方位推進ユニットを有し、コントローラが全方位推進ユニットを制御することによって、飛行体の姿勢を維持したまま飛行させることが可能になる。これにより、安定した飛行が可能になる。

【0012】

（２）好ましくは、全方位推進ユニットは、推進力を発生させる、第１の回転翼とは異なる第２の回転翼を有し、コントローラによる全方位推進ユニットの制御は、推進力の向きを第１平面における指定された向きとするように第２の回転翼の出力又は向きを制御することを含む。これにより、本体に対して指定された向きの推進力を与えることができる。その結果、飛行体を、姿勢を維持したまま第１平面における指定された向きに移動させることができる。

【0013】

（３）好ましくは、全方位推進ユニットは、それぞれ、異なる向きに推進力を発生させる複数の第２の回転翼を有し、出力を制御することは、指定された向きに応じて、複数の第２の回転翼それぞれの出力を調整することを含む。これにより、複数の第２の回転翼それぞれの出力のバランスによって、本体に対して平面方向のうちの指定された方向の推進力を与えることができる。

【0014】

（４）好ましくは、第２の回転翼は垂直回転翼であり、全方位推進ユニットは、３つ以上の第２の回転翼を有する第２の回転翼は垂直回転翼であり、全方位推進ユニットは、３つ以上の第２の回転翼を有する。これにより、本体に指定された向きの推進力を与えるための、３つ以上の第２の回転翼それぞれの必要な出力の算出が容易になる。

【0015】

（５）好ましくは、第２の回転翼は、風出する空気流が、第１の回転翼、又は、第１の回転翼が風出する空気流に重ならない位置に設置されている。第２の回転翼の風出する空気流が、第１の回転翼、又は、第１の回転翼が風出する空気流に重ならないことは、第２の回転翼の風出方向の先に、第１の回転翼も、第１の回転翼が風出する空気流も位置しないことを指す。これにより、第２の回転翼から風出された空気流が、第１の回転翼にも、第１の回転翼が風出する空気流にも接触しない。そのため、第１の回転翼が発生させる揚力への影響を抑えることができる。

【0016】

（６）好ましくは、第２の回転翼は、飛行体重心からの距離が第１の回転翼の飛行体重心からの距離よりも長く、風出方向が飛行体重心から遠くなる向きに設置されている。これにより、第２の回転翼から吹き出された空気が第１の回転翼に当たらないようにできる。

【0017】

（７）好ましくは、複数の第２の回転翼は、第１平面において、飛行体重心を中心とした円周上に等間隔に配置されている。これにより、本体に指定された向きの推進力を与えるための、複数の第２の回転翼それぞれの必要な出力の算出が容易になる。

【0018】

（８）好ましくは、複数の第２の回転翼は、それぞれの回転の軸心方向が飛行体重心に向くように配置されている。これにより、本体に指定された向きの推進力を与えるための、複数の第２の回転翼それぞれの必要な出力の算出が容易になる。

【0019】

（９）好ましくは、複数の第２の回転翼は、それぞれの飛行体重心からの距離が同じとなるように配置されている。これにより、本体に指定された向きの推進力を与えるための、複数の第２の回転翼それぞれの必要な出力の算出が容易になる。

【0020】

（１０）好ましくは、コントローラは、作業用の方向の指定と、移動用の方向の指定と、を受け付けて、これらを合成した推力を発生させるように構成されている。これにより、飛行体を作業させながら移動させることができる。

【0021】

（１１）好ましくは、第２の回転翼はダクテッドファンである。ダクテッドファンは、円筒形のダクトの中にプロペラ状の回転翼が配置されたものである。ダクテッドファンは、ダクトに覆われているために衝撃に強い。そのため、第２の回転翼を第１の回転翼よりも外周側に配置しても接触に強くなる。また、ダクテッドファンは比較的出力が強いため、小型のものを用いることができる。その結果、飛行体全体の小型化が図られる。

【0022】

（１２）好ましくは、飛行体は、推進力の方向の移動距離を得るために、推進力の方向の加速度を検出する加速度センサをさらに備える。移動距離は、移動開始からの加速度の積分値で求められる。飛行体が全方位推進ユニットを有することによって姿勢を維持して飛行が可能であるために、加速度センサでの検出結果を用いて移動距離を高精度で算出することが可能になる。

【0023】

＜２．飛行体の例＞

【0024】

本実施の形態に係る飛行体１は、ドローンとも呼ばれる、マルチロータ型の飛行体である。詳しくは、図１及び図３の上の図を参照して、飛行体１は、第１の回転翼１１を有する。第１の回転翼１１は、回転軸心１１Ａ回りに回転することによって揚力を発生させる。図１及び図３のようにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を設定して、それぞれの軸の方向をＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向とし、回転軸心１１Ａの方向をＺ方向（第１方向）とする。

【0025】

第１の回転翼１１は、発生させた揚力によって、飛行体１に対してＺ方向の推進力Ｌを与える。第１の回転翼１１は、飛行体１に対して、Ｚ方向を垂直とし、風入側の面を上向き、風出側の面を下向きとして設けられている。すなわち、第１の回転翼１１は、風出方向Ｗ１が下向きとなるように飛行体１に対して設けられている。そのため、に与えられる推進力Ｌは上向きの力である。飛行体１は、推進力Ｌによって浮上する。図１は、飛行体１の平面図であり、図３の上の図は飛行体１の正面図である。

【0026】

飛行体１は、本体１０と、全方位推進ユニット２と、を有する。本体１０は、支持部１３を有している。支持部１３は、本体１０から、本体１０の重心Ｃ１から離れる方向に延び、その先端に第１の回転翼１１を支持している。本体１０の重心Ｃ１は、飛行体１の重心と一致している。つまり、飛行体１の重心Ｃ１と言える。

【0027】

本体１０は、複数の支持部１３を有し、各支持部１３が、第１の回転翼１１を支持している。つまり、複数の第１の回転翼１１が支持部１３により支持され、支持部１３を介して本体１０に設けられている。複数の第１の回転翼１１は、すべて、風出方向Ｗ１が下向きとなるように本体１０に設けられている。

【0028】

好ましくは、本体１０には、３つ以上の第１の回転翼１１が設けられている。一例として、本体１０には、６つの第１の回転翼１１が設けられている。好ましくは、６つの第１の回転翼１１は、本体１０の重心Ｃ１を中心とする円１１Ｂの周上に等間隔に配置されている。つまり、各支持部１３は、６０°間隔で重心Ｃ１を中心に放射状に円１１Ｂの径外方向に伸び、その先端に第１の回転翼１１を支持している。

【0029】

６つの第１の回転翼１１が重心Ｃ１を中心とした円１１Ｂ上に等間隔に配置されることによって、各第１の回転翼１１で発生した揚力が推進力Ｌとして飛行体１にバランスよく与えられるとともに、推進力Ｌの制御が容易になる。

【0030】

全方位推進ユニット２は、Ｚ方向に交差するＸＹ平面（第１平面）における全方位への推進力を本体１０に与える。飛行体１に対して第１の回転翼１１がＺ方向を垂直として設けられているため、ＸＹ平面は水平面となる。

【0031】

全方位推進ユニット２は、重心Ｃ２が本体１０の重心Ｃ１と一致するように本体１０に取り付けられている。すなわち、全方位推進ユニット２の重心Ｃ２もまた、飛行体１の重心Ｃ１と一致している。

【0032】

全方位推進ユニット２は、図２及び図３に表されたように、本体１０に後付けされるものであってもよい。さらに、全方位推進ユニット２は、本体１０に着脱可能であってもよい。図２は、図１に表された、本体１０から外された状態の全方位推進ユニット２の正面図である。

【0033】

図２及び図３を参照して、全方位推進ユニット２は、本体１０への装着部１６が設けられている。好ましくは、本体１０は、下面１０Ａに着地用の複数の脚部１９を有し、装着部１６には、脚部１９を通過させる貫通孔１６Ｂが設けられている。一例として、全方位推進ユニット２は、本体１０の脚部１９に貫通孔１６Ｂを通過させ、装着部１６の上面１６Ａが、本体１０の下面１０Ａと接するように取り付けられている。取り付け方法は特定の方法に限定されない。例えば、装着部１６の上面１６Ａと本体１０の下面１０Ａとが接着剤で接着されてもよいし、ボルトで接続されてもよい。

【0034】

全方位推進ユニット２は、第１の回転翼１１とは異なる第２の回転翼１２を有する。第２の回転翼１２は、回転軸心１２Ａ回りに回転することによって、推進力を発生させる。回転軸心１２Ａの方向（第２方向）は、Ｚ方向に直交する方向である。Ｚ方向が垂直であるため、回転軸心１２Ａの方向は水平方向である。その場合、第２の回転翼１２は、垂直回転翼である。

【0035】

第２の回転翼１２は、例えば、ダクテッドファンである。図３の第２の回転翼１２の拡大図を参照して、ダクテッドファンである第２の回転翼１２は、円筒形のダクト１２１と、その中に配置されているプロペラ状の回転翼１２２と、を有する。回転翼１２２の軸１２２Ａは、第２駆動部１８に接続されている。第２駆動部１８はモータ１２３を含む。回転翼１２２は、モータ１２３の回転に従って軸１２２Ａ回りに回転する。

【0036】

第２の回転翼１２は、回転翼１２２がダクト１２１に覆われているために衝撃に強い。そのため、後述するように、第２の回転翼１２を第１の回転翼１１よりも飛行体１の重心から遠い位置に配置しても接触に強くなる。また、ダクテッドファンは比較的出力が強いため、第２の回転翼１２を小型化できる。その結果、飛行体１全体の小型化が図られる。

【0037】

全方位推進ユニット２は、それぞれ、異なる方向への推進力を発生させる複数の第２の回転翼１２を有する。各第２の回転翼１２は、支持部１４により支持されている。支持部１４は、基端１４Ａが装着部１６に接合され、他端１４Ｂにて第２の回転翼１２を支持している。

【0038】

複数の第２の回転翼１２は、それぞれの回転軸心１２Ａが重心Ｃ２に向くように装着部１６に取り付けられている。全方位推進ユニット２の重心Ｃ２は飛行体１の重心Ｃ１と一致するため、複数の第２の回転翼１２は、それぞれの回転軸心１２Ａが飛行体１の重心に向くように本体１０に取り付けられる。

【0039】

好ましくは、全方位推進ユニット２には、３つ以上の第２の回転翼１２が配置されている。３つ以上の第２の回転翼１２は、一例として３つの第２の回転翼１２である。３つの第２の回転翼１２は、それぞれ、回転軸心１２Ａ回りに回転することによって、本体１０に、重心Ｃ１に向く推進力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を与える。

【0040】

３つの第２の回転翼１２は、装着部１６の重心Ｃ２を中心とした円１２Ｂの周上に等間隔に配置されている。つまり、各支持部１４は、１２０°間隔で重心Ｃ２を中心に放射状に装着部１６から円１２Ｂの径外方向に伸び、その先端に第２の回転翼１２を支持している。これにより、本体１０に指定された向きの推進力を与えるための、３つの第２の回転翼１２それぞれの必要な出力の算出が容易になる。

【0041】

第２の回転翼１２は、風出する空気流が、第１の回転翼１１、又は、第１の回転翼１１が風出する空気流に重ならない位置に設置されている。第２の回転翼１２の風出する空気流が、第１の回転翼１１、又は、第１の回転翼１１が風出する空気流に重ならないことは、第２の回転翼１２の風出方向Ｗ２の先に、第１の回転翼１１も、第１の回転翼１１が風出する空気流も位置しないことを指す。これにより、第２の回転翼１２から風出された空気流が、第１の回転翼１１にも、第１の回転翼１１が風出する空気流にも接触しない。そのため、第１の回転翼１１が発生させる揚力への影響を抑えることができる。

【0042】

第２の回転翼１２は、一例として、第１の回転翼１１より飛行体１の重心Ｃ１から遠い位置であって、風出方向Ｗ２の向きが飛行体１の重心Ｃ１へ向かう向きと逆向きに設置されている。第１の回転翼１１より飛行体１の重心Ｃ１から遠い位置に配置されることは、第２の回転翼１２の配置される円１２Ｂの半径が、第１の回転翼１１の配置された円１１Ｂの半径より大きいことを指す。円１１Ｂの半径は、第１の回転翼１１と飛行体１の重心Ｃ１との距離Ｌ１である。円１２Ｂの半径は、第２の回転翼１２と飛行体１の重心Ｃ１との距離Ｌ２である。

【0043】

好ましくは、第２の回転翼１２は、６つの第１の回転翼１１の回転時にそれぞれの第１の回転翼１１の先端１１１が描く６つの円１１Ｄの外接円１１Ｃの外側に配置されている。これにより、第２の回転翼１２から風出された空気流が、第１の回転翼１１にも、第１の回転翼１１が風出する空気流にも接触しない。そのため、第１の回転翼１１が発生させる揚力への影響を抑えることができる。また、第１の回転翼１１から風出された空気流が、第２の回転翼２１にも、第２の回転翼１２が風出する空気流にも接触しない。そのため、第２の回転翼１２が発生させる推力への影響を抑えることができる。

【0044】

好ましくは、第２の回転翼１２は、第２の回転翼１２のから風出される空気流が第１の回転翼１１から遠ざかる向きに流れるよう設けられている。一例として、複数の第２の回転翼１２は、すべて、風出方向Ｗ２が飛行体１の重心Ｃ１へ向かう向きと逆向きに設置されている。これにより、第２の回転翼１２から風出された空気流が、第１の回転翼１１にも、第１の回転翼１１が風出する空気流にも接触しない。そのため、第１の回転翼１１が発生させる揚力への影響を抑えることができる。

【0045】

例えば、第２の回転翼１２は、図１の円Ｐに表された、円１１Ｂと外接円１１Ｃとの間であって、円１１Ｄの外側に設置されてもよい。これにより、機体の小型化が図られる。

【0046】

なお、第２の回転翼１２は、回転軸心方向を同一とする複数の回転子からなるユニットで構成されていてもよい。例えば、図４に示されたように、第２の回転翼１２は、回転軸心１２４Ａの方向と、回転軸心１２５Ｂの方向とが一致している、２つの回転子１２４，１２５からなるものであってもよい。複数の回転子１２４，１２５からなるユニットである第２の回転翼１２は、円１２Ｂの周上に等間隔に配置されている。

【0047】

飛行体１は、３つの第２の回転翼１２それぞれから与えられる推進力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の合力を用いて、ＸＹ平面内での任意の方向、すなわち、水平方向の移動を実現する。飛行体１は、全方位推進ユニット２を制御するコントローラ３０を有する。コントローラ３０による全方位推進ユニット２の制御は、全方位推進ユニット２の推進力の方向を指定された方向とする方向制御を含む。

【0048】

全方位推進ユニット２の制御は、全方位推進ユニット２の推進力の方向を指定された方向とするために必要な推進力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を計算し、推進力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を調整することを含む。推進力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を調整することは、複数の第２の回転翼１２それぞれの出力を調整することを含む。

【0049】

詳しくは、３つの第２の回転翼１２が図１～図３に表されたように、円１２Ｂの周上に等間隔に配置されることにより、３つの第２の回転翼１２それぞれによって、本体１０には、図５に表されたような推進力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が与えられる。図５においては、重心Ｃ１を中心に１２０°間隔で放射状に推進力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が作用していることが示されている。

【0050】

重心Ｃ１に作用する推進力は、推進力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の合力で得られる。例えば、重心Ｃ１に与える、向きが推進力Ｆ１の向きと推進力Ｆ２の向きとの間であり、大きさが第２の回転翼１２の最大出力Ｆmaxより小さい推進力Ｔ１は、図５の式（１）で表される。推進力Ｔ１は、図５の領域Ｓ１に含まれる。

【0051】

重心Ｃ１に与える、向きが推進力Ｆ１の向きと推進力Ｆ３の向きとの間であり、大きさが第２の回転翼１２の最大出力Ｆmaxより小さい推進力Ｔ２は、図５の式（２）で表される。推進力Ｔ２は、図５の領域Ｓ２に含まれる。

【0052】

重心Ｃ１に与える、向きが推進力Ｆ２の向きと推進力Ｆ３の向きとの間であり、大きさが第２の回転翼１２の最大出力Ｆmaxより小さい推進力Ｔ３は、図５の式（３）で表される。推進力Ｔ３は、図５の領域Ｓ３に含まれる。

【0053】

重心Ｃ１に与える推進力Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３それぞれを得るための推進力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の組み合わせは、推進力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３それぞれをＡ（Ｆｘ，Ｆｙ）と表したときの、式（４）の係数Ａで表される。（Ｆｘ，Ｆｙ）は、推進力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３それぞれをＸ軸方向及びＹ軸方向に分解したものである。

【0054】

すなわち、式（４）より、推進力Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３が得られる推進力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の組み合わせＴ１（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３），Ｔ２（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３），Ｔ３（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）は下のように得られる。
Ｔ１（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）＝（（ｋＦｘ，Ｆｙ），（ｋＦｘ，－Ｆｙ），（０，０））
Ｔ２（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）＝（（２ｋＦｘ，０），（０，０），（－ｋＦｘ，Ｆｙ））
Ｔ３（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）＝（（０，０），（２ｋＦｘ，０），（ｋＦｘ，Ｆｙ））

【0055】

コントローラ３０は、フライトコントローラとも呼ばれる、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリなどからなる制御装置である。本体１０に全方位推進ユニット２が装着されることで、本体１０に含まれるＣＰＵに全方位推進ユニット２に含まれるＣＰＵが接続されてコントローラ３０を形成してもよい。

【0056】

飛行体１は、センサを有し、センサからのセンサ信号はコントローラ３０に入力される。センサは、例えば、カメラ１５Ａを含む。また、センサは、例えば、加速度センサ１５Ｂを含んでもよい。また、センサは、例えば、ジャイロセンサ１５Ｃを含んでもよい。

【0057】

また、コントローラ３０には、外部センサの一例としてモーションキャプチャ装置５からの撮影画像を含むキャプチャ情報が、センサ信号として入力されてもよい。モーションキャプチャ装置５は、一例として光学式モーションキャプチャ装置である。この場合、キャプチャ情報は複数のカメラで得られた複数の撮影画像で構成されるキャプチャ空間における位置情報を含む。

【0058】

コントローラ３０には、飛行体１の操縦のためのユーザ操作を受け付ける操作装置４からの操作信号が入力される。操作装置４は、例えば、遠隔にて飛行体１を操縦するためのリモートコントローラが想定される。操作は、飛行体１の高度と、水平面内における推進方向と、移動速度と、を指示する操作を含む。

【0059】

コントローラ３０は、通信部３１を有する。通信部３１は、操作装置４から無線によって送信される操作信号を受信する受信器を含む。また、通信部３１は、モーションキャプチャ装置５から無線によって送信される撮影画像のデータを受信する受信器を含む。また、通信部３１は、カメラ１５Ａと接続し、カメラ１５Ａでの撮影画像のデータを受信するインタフェースを含む。

【0060】

コントローラ３０は、ＣＰＵがメモリに記憶されているプログラムを実行することによって、状態を判定する状態判定部３２として機能する。状態を判定することは、飛行体１の現在の状態を表す値を得ることを含み、一例として、図７に表された、現在位置を推定すること（ステップＳ１３）、及び、推進速度を判定すること（ステップＳ１５）、を含む。

【0061】

詳しくは、図７を参照して、コントローラ３０は、モーションキャプチャ装置５からキャプチャ情報の入力を受け付けて（ステップＳ１１）、キャプチャ情報を用いて、飛行体１の状態を表す値としての飛行体１の現在位置（ｐｘ，ｐｙ）を推定する（ステップＳ１３）。現在位置（ｐｘ，ｐｙ）は、一例として、ｘｙ座標系における座標値で表される。

【0062】

また、コントローラ３０は、センサ１５からセンサ信号の入力を受け付けて（ステップＳ１５）、飛行体１の状態を表す値としての飛行体１の推進速度（ｖｘ，ｖｙ）を判定する（ステップＳ１７）。推進速度（ｖｘ，ｖｙ）は、一例として、仮想的なｘｙ座標系におけるｘ方向の速度成分、及び、ｙ方向の速度成分で表される。

【0063】

状態を判定することは、さらに、飛行体１の取るべき状態を表す値を得ることを含む。取るべき状態を表す値を得ることは、一例として、図７に表された、取るべき姿勢を判定すること（ステップＳ１９）を含む。詳しくは、コントローラ３０は、操作装置４から操作信号として指示された、水平面における推進方向を表す方向情報の入力を受け付けて（ステップＳ１９）、飛行体１の取るべき姿勢を判定する（ステップＳ２１）。姿勢は、一例として、ロール角θｒ、ピッチ角θｐ、及びヨー角θｙで定義される。ここでは、コントローラ３０は、飛行体１の取るべきロール角θｒ、ピッチ角θｐ、及びヨー角θｙを得る。

【0064】

操作装置４は、さらに、飛行体１を作業に用いる際の、作業用の方向を指定する操作を含んでもよい。飛行体１で行う作業は、例えば、高所作業である。高所作業は、例えば、高所にある物体に物理的に作用する動作を伴う作業を指す。例えば、高層ビルなどの高所にある窓の清掃、物体を押し込む作業、物体を引っ張る作業などである。また、高所作業は、高所を移動しながら行う作業を指す。例えば、農薬の散布やチラシの撒布高所からの音声による宣伝、などである。

【0065】

例えば、飛行体１で行う作業が窓の清掃である場合、窓に対して清掃用具を押し付けながら窓に平行に左右に移動するよう飛行体１を移動させることが想定される。この場合、操作装置４によって、窓に向かう方向、つまり、前方が作業用の方向として指定され、窓に平行な面内での左右方向が移動用の方向として指定される。

【0066】

コントローラ３０は、飛行体１を作業に用いる際の、作業に伴う動作を判定する作業判定部３５として機能する。作業に伴う動作を判定することは、図７に表された状態判定部３２での状態を判定することと概ね同じである。作業に伴う動作を判定する際には、飛行体１の取るべき状態を表す値を得る処理において、作業に伴う動作の指定を受け付けてその動作を用いる。例えば、窓の清掃である場合、窓に平行な平面内の所定の軌道で移動しながら窓に水を散布する、動作が想定される。この場合、作業に伴う動作は、上記軌道に沿った移動が含まれる。

【0067】

作業判定部３５として機能するコントローラ３０は、指定された作業に伴う動作のために、飛行体１の状態を判定して状態を表す値を得る。また、コントローラ３０は、指定された作業に伴う動作のために、飛行体１の取るべき状態を表す値を得る。飛行体１の取るべき状態を表す値は、飛行体１に与える推力の方向を用いて得られる。飛行体１の取るべき状態を表す値を得ることは、操作装置４によって指定された作業用の方向と移動用の方向とを合成して推力の方向を得ることを含む。

【0068】

コントローラ３０は、第１の制御を行う第１制御部３３として機能する。第１の制御は、第１の回転翼１１を回転させるための第１駆動部１７を制御することを指す。一例として、第１の制御において、コントローラ３０は、状態を判定することによって得られた飛行体１の状態を表す値から、第１駆動部１７を動作させるための制御信号を生成する。

【0069】

コントローラ３０は、第２の制御を行う第２制御部３４として機能する。第２の制御は、第２駆動部１８を制御することを指す。一例として、第１の制御において、コントローラ３０は、状態を判定することによって得られた、飛行体１の位置（ｐｘ，ｐｙ）、及び飛行体１の推進速度（ｖｘ，ｖｙ）を用いて、第２駆動部１８を動作させるための制御信号を生成する。

【0070】

一例として、コントローラ３０は、各第１の回転翼１１及び各第２の回転翼１２が本体１０に与える推進力に応じた、各第１の回転翼１１及び各第２の回転翼１２の回転量を予め記憶している。コントローラ３０は、飛行体１の状態を表す値、及び、取るべき状態を表す値を用いて、各第１の回転翼１１及び各第２の回転翼１２が本体１０に与えるべき推進力を算出する。その際に、図４の式（１）～（５）を用いる。

【0071】

コントローラ３０は、得られた、各第１の回転翼１１及び各第２の回転翼１２が本体１０に与えるべき推進力に応じて、各第１の回転翼１１及び各第２の回転翼１２の回転量を決定する。コントローラ３０は、各第１の回転翼１１及び各第２の回転翼１２を、決定された回転量で回転させるための制御信号を生成する。

【0072】

第１駆動部１７及び第２駆動部１８は、例えば、モータを含む。この場合、制御信号は、一例としてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を含む。制御信号を生成することは、飛行体１の状態を表す値を対応するＰＷＭ信号に変換することを含む。

【0073】

飛行体１は、通常飛行モードに加え、水平推進モードを有する。飛行モードは、例えば、操作装置４によって選択することができる。選択された飛行モードを示す操作信号は、コントローラ３０に送信される。

【0074】

通常飛行モードは、第１の回転翼１１のみを用い、第２の回転翼１２を用いない飛行モードを指す。この場合、コントローラ３０は第１制御部３３として機能し、飛行体１の状態を表す値と、飛行体１の取るべき状態を表す値とから、第１駆動部１７を動作させるための制御信号を生成する。この制御については、通常のマルチロータ型の飛行体における飛行制御を用いることができる。

【0075】

水平推進モードは、全方位推進ユニット２を用いて飛行体１を飛行させる飛行モードを指す。この場合、コントローラ３０は、第１制御部３３として機能するとともに第２制御部３４として機能し、飛行体１の状態を表す値と、飛行体１の取るべき状態を表す値とから、第１駆動部１７を動作させるための制御信号、及び、第２駆動部１８を動作させるための制御信号を生成する。

【0076】

なお、水平推進モードは、一例として、到達地点や速度を予め設定し、到達地点まで自動で飛行体１を飛行させる位置制御モードと、操作装置４からの操作信号に従って飛行体１を飛行させる手動モードと、を含んでもよい。

【0077】

コントローラ３０は、一例として、図８に表されたような飛行体１の制御を行う。すなわち、図８を参照して、コントローラ３０は、飛行体１を所定の目的地まで飛行して移動させる移動制御（ステップＳ１００）と、目的地における作業のための飛行の制御である作業用制御（ステップＳ２００）と、を行う。

【0078】

ステップＳ１００の移動制御において、コントローラ３０は、飛行モードに応じて飛行体１の制御モードを切り替え、一例として、図９のフローチャートに表した流れで飛行体１の移動を制御する。詳しくは、図９を参照して、コントローラ３０は、操作装置４からの制御信号から得られた、飛行体１の飛行に対して設定された飛行モードに基づいて、コントローラ３０での制御モードを判定する。

【0079】

設定された飛行モードが位置制御モードである場合（ステップＳ１０１で「位置制御モード」）、コントローラ３０は、ステップＳ１０３以降の制御を行う。詳しくは、コントローラ３０は、水平推進モード用の初期設定を行う（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３の設定することは、飛行体１のロール角θｒ及びピッチ角θｐを０に設定することを含む。これにより、以降の制御においてもロール角θｒ及びピッチ角θｐが０に保たれる。そのため、飛行体１の本体１０の水平が保たれる。

【0080】

次に、コントローラ３０は、操作装置４からの操作信号より目的地の入力を受け付ける（ステップＳ１０５）。また、コントローラ３０は、操作装置４からの操作信号より推進速度を決定する（ステップＳ１０９）。コントローラ３０は、さらに、移動時の高度を設定する操作信号を受け付けてもよい。

【0081】

コントローラ３０は、入力された目的地と現在位置とから、飛行体１を移動させる方向、つまり、飛行体１のヨー角θｙを算出する（ステップＳ１０７）。なお、現在位置は、モーションキャプチャ装置５からのキャプチャ情報に基づいて推定されるものであってもよいし、操作装置４からの操作信号より得られるものであってもよい。

【0082】

コントローラ３０は、ステップＳ１０７で算出されたヨー角θｙ、及び、ステップＳ１０９で決定された推進速度から、第２の回転翼１２の制御量を算出する（ステップＳ１１１）。また、コントローラ３０は、設定された高度まで浮上させるために必要な第１の回転翼１１の制御量を算出する（ステップＳ１１１）。具体的には、各第１の回転翼１１、及び、各第２の回転翼１２が本体１０に与える推進力、つまり、各第１の回転翼１１、及び、各第２の回転翼１２の回転量を算出する。

【0083】

コントローラ３０は、ステップＳ１１１で得られた各第１の回転翼１１、及び、各第２の回転翼１２の回転量に基づいて各第１の回転翼１１、及び、各第２の回転翼１２の回転量を制御するための制御信号を生成し、それぞれの駆動を制御する（ステップＳ１１３，Ｓ１１５）。

【0084】

具体的に、ステップＳ１１５で、コントローラ３０は、図４の式（１）～（４）を用いて、各第２の回転翼１２の推進力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を算出し、算出された推進力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３となる回転量で各第２の回転翼１２を回転させるように、制御信号を生成する。

【0085】

コントローラ３０は、飛行体１が設定された目的地に到着しているか否かを判定する。ステップＳ１０５で入力された目的地が位置情報である場合には、コントローラ３０は、モーションキャプチャ装置５からのキャプチャ情報より得られる位置情報と目的地とする位置情報とを比較することによって飛行体１が設定された目的地に到着しているか否かを判定する。

【0086】

ステップＳ１０５で入力された目的地が、飛行開始位置からの距離と方向とで指定された位置である場合には、コントローラ３０は、加速度センサ１５Ｂからのセンサ信号で得られる、移動開始からの加速度の積分値で求められる移動距離と、目的地として入力された移動距離とを比較することによって飛行体１が設定された目的地に到着しているか否かを判定する。

【0087】

なお、移動開始からの加速度を積分して飛行体１の移動距離を算出する処理は、コントローラ３０の外部装置で行われ、コントローラ３０に演算結果が与えられてもよい。いずれの場合であっても、飛行体１が全方位推進ユニット２を有することによって姿勢を維持したまま飛行するために、加速度センサでの検出結果を用いて移動距離を高精度で算出することが可能になる。

【0088】

コントローラ３０は、各第１の回転翼１１、及び、各第２の回転翼１２の制御を、飛行体１が設定された目的に到着するまで維持する（ステップＳ１１７でＮＯ）。そして、目的地に到着すると（ステップＳ１１７でＹＥＳ）、コントローラ３０は、移動制御を終了する。これにより、飛行体１は、姿勢を維持したまま目的地まで飛行することになる。

【0089】

設定された飛行モードが手動モードである場合（ステップＳ１０１で「手動モード」）、コントローラ３０は、ステップＳ１２１以降の制御を行う。詳しくは、コントローラ３０は、水平推進モード用の初期設定を行う（ステップＳ１２１）。ステップＳ１２１の設定は、ステップＳ１０３の設定と同じである。これにより、操作装置４からの操作信号に従って飛行体１の移動を制御する場合であっても、ロール角θｒ及びピッチ角θｐが０に保たれる。そのため、飛行体１の本体１０の水平が保たれる。つまり、水平姿勢を維持したまま飛行体１を移動させることができる。

【0090】

次に、コントローラ３０は、操作装置４から操作信号を受け付けると（ステップＳ１２３でＹＥＳ）、ステップＳ１２５以降の処理を実行する。ステップＳ１２５以降の処理は、ステップＳ１０７以降の処理と概ね同じである。

【0091】

すなわち、コントローラ３０は、制御信号に基づいて飛行体１を移動させる方向、つまり、飛行体１のヨー角θｙを算出する（ステップＳ１２５）。コントローラ３０は、操作信号が高度の指定を含む場合、さらに、高度を算出してもよい。また、コントローラ３０は、操作装置４からの操作信号より推進速度を決定する（ステップＳ１２７）。

【0092】

コントローラ３０は、ステップＳ１２５で算出されたヨー角θｙ、及び、ステップＳ１２７で決定された推進速度から、第２の回転翼１２の制御量を算出する（ステップＳ１２９）。また、コントローラ３０は、設定された高度まで浮上させるために必要な第１の回転翼１１の制御量を算出する（ステップＳ１２９）。

【0093】

コントローラ３０は、ステップＳ１２９で得られた各第１の回転翼１１、及び、各第２の回転翼１２の回転量に基づいて各第１の回転翼１１、及び、各第２の回転翼１２の回転量を制御するための制御信号を生成し、それぞれの駆動を制御する（ステップＳ１３１，Ｓ１３３）。

【0094】

コントローラ３０は、ステップＳ１２３以降の処理を、飛行の停止を指示する操作信号が入力されるまで繰り返す（ステップＳ１３５でＮＯ）。そして、飛行の停止が指示されると（ステップＳ１３５でＹＥＳ）、コントローラ３０は、移動制御を終了する。

【0095】

なお、設定された飛行モードが通常飛行モードである場合には（ステップＳ１０１で「通常飛行モード」）、コントローラ３０の制御は通常のマルチロータ型の飛行体における飛行制御であって、特定の制御に限定されるものではない。

【0096】

飛行体１が全方位推進ユニット２を有し、コントローラ３０が飛行体１を水平推進モードで飛行させるための上記の制御を行うことによって、飛行体１は、姿勢を維持したまま飛行することになる。これにより、飛行体１の位置の制御の精度を向上させ、安定した飛行が可能になる。すなわち、目的地とする位置に到着させる精度を向上させることができる。これは、飛行体１を目的地において作業に用いる場合に、作業のための動作の位置決めの精度を向上させることにつながる。

【0097】

コントローラ３０は、ステップＳ１００の飛行体１の移動制御が終了すると、ステップＳ２００の作業用制御を行う。ステップＳ２００の作業用制御は、図９に表された処理の流れと概ね同じである。作業用制御においては、コントローラ３０は、ステップＳ１０３，Ｓ１２１の初期設定を行わない。そのため、作業に応じて飛行体１の姿勢を指定通りのものとすることができる。

【0098】

作業においては、コントローラ３０は、操作装置４から、作業用の方向と移動用の方向との指定を受け付けることができる。作業が窓の清掃である場合、作業用の方向として窓に向かう方向、つまり、前方が指定され、移動用の方向として窓に平行な面内での左右方向が指定される。

【0099】

この場合、コントローラ３０は、飛行体１の本体１０に与える推進力を、作業用の方向の推力と移動用の方向の推力とを合成することで得る。そして、コントローラ３０は、作業用の方向の推力と移動用の方向の推力とを合成することで得られた推力を本体１０に与えるための制御を、図９に表された処理の流れと同様にして行う。

【0100】

飛行体１が全方位推進ユニット２を有し、コントローラ３０が第２の回転翼１２の制御を行って第２方向の移動を制御することによって、飛行体１を作業に用いる際に、作業用の方向と移動用の方向との両方に飛行体１を移動させることができる。つまり、作業中における飛行体１の位置決めの精度を向上させることができる。そのため、飛行体１を用いた作業の精度を向上させることができる。

【0101】

＜変形例＞

【0102】

全方位推進ユニット２は、他の例として、図１３に表されたように、風出方向Ｗ２を水平面内で可変なように、重心Ｃ２と一致する位置で支持部１４によって支持された１つの第２の回転翼１２を含む構成であってもよい。全方位推進ユニット２は、第２の回転翼１２を水平面内で回転させる回転機構１４Ｃを有し、回転機構１４Ｃの回転は、コントローラ３０によって制御される。

【0103】

この場合、コントローラ３０は、第２の回転翼１２の回転量を制御して本体１０に与える推進力Ｆを制御するとともに、回転機構１４Ｃの回転角度を制御して本体１０に与える推進力Ｆの向きを制御する。このような構成であっても、上記と同様に、飛行体１の姿勢を安定させて第２方向に移動させることができる。

【0104】

発明者らは、全方位推進ユニット２の効果を評価するために、飛行体１を用いた押し引きの作業の第１の検証実験を行った。第１の検証実験では、飛行体１の離陸後に位置制御モードとし、飛行体１を用いた押し引きの作業中の位置（ｐｘ，ｐｙ）、ロール角θｒ、及び、ピッチ角θｐを計測した。実験結果を示す図１０の上のグラフは、飛行中の飛行体１の位置（ｐｘ，ｐｙ）の時間変化を示している。下のグラフは、飛行中の飛行体１のロール角θｒ及びピッチ角θｐの時間変化を示している。

【0105】

図１０より、ｘ軸方向の位置の平均誤差は０．０３５８ｍ、ｙ軸方向の位置の平均誤差は０．０１８８ｍであり、いずれも、±０．０５ｍの範囲内に維持されていた。また、下の図より、飛行中の飛行体１の姿勢は±２度の範囲に維持されていた。この実験結果より、飛行体１は押し引きの作業中において水平に維持することができると検証された。

【0106】

発明者らは、さらに、全方位推進ユニット２を用いることによって高精度に飛行体１の位置制御を行うことが可能であることを検証するために、第２の検証実験を行った。第２の検証実験では、飛行体１の初期位置を位置（０，０）とし、５秒間隔で０．２ｍずつ、位置（ｐｘ，ｐｙ）、ロール角θｒ、及び、ピッチ角θｐを計測した。実験結果を示す図１１の上のグラフは、飛行中の飛行体１の位置（ｐｘ，ｐｙ）の時間変化を示している。下のグラフは、飛行中の飛行体１のロール角θｒ及びピッチ角θｐの時間変化を示している。

【0107】

図１１より、ｘ軸方向の位置の平均誤差は０．０３７ｍ、ｙ軸方向の位置の平均誤差は０．０１９４ｍであり、いずれも、±０．０５ｍの範囲内に維持されていた。また、飛行中、飛行体１の姿勢は±２度の範囲に維持されていた。この実験結果より、飛行体１は、最短、０．２ｍで位置を制御することが可能であると検証された。

【0108】

発明者らは、さらに、全方位推進ユニット２で目的地までの移動中における移動方向以外の方向へのぶれを確認するために、第３の検証実験を行った。第３の検証実験では、図１２の左の図に表されたように、飛行体１の初期位置を位置（０，０）とし、位置（０，０）から０．５ｍ離れた３０°間隔で放射状に配置された目的地を設定した。

【0109】

図１２の右の図に表された測定結果より、飛行体１は、目的位置がｘ軸上、又はｙ軸上であるとき、つまり、前後、左右に移動する場合に概ね直線で移動し、他の方向へのぶれがないことが確認された。他の位置に設定された目的地に対しては、目的地に向かう方向からのぶれが約５°程度であることが確認された。

【0110】

以上の第１の検証実験～第３の検証実験から、全方位推進ユニット２を用いることによって、飛行体１の飛行における位置決めを高精度にできることが検証された。これにより、飛行体１の飛行の安定性を向上させることができる。

【0111】

＜３．付記＞
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

【符号の説明】

【0112】

１ ：飛行体
２ ：全方位推進ユニット
４ ：操作装置
５ ：モーションキャプチャ装置
１０ ：本体
１０Ａ ：下面
１１ ：第１の回転翼
１１Ａ ：回転軸心
１１Ｂ ：円
１１Ｃ ：外接円
１１Ｄ ：円
１２ ：第２の回転翼
１２Ａ ：回転軸心
１２Ｂ ：円
１３ ：支持部
１４ ：支持部
１４Ａ ：基端
１４Ｂ ：他端
１４Ｃ ：回転機構
１５ ：センサ
１５Ａ ：カメラ
１５Ｂ ：加速度センサ
１５Ｃ ：ジャイロセンサ
１６ ：装着部
１６Ａ ：上面
１６Ｂ ：貫通孔
１７ ：第１駆動部
１８ ：第２駆動部
１９ ：脚部
２１ ：第２の回転翼
３０ ：コントローラ
３１ ：通信部
３２ ：状態判定部
３３ ：第１制御部
３４ ：第２制御部
３５ ：作業判定部
１１１ ：先端
１２１ ：ダクト
１２２ ：回転翼
１２２Ａ ：軸
１２３ ：モータ
１２４ ：回転子
１２４Ａ ：回転軸心
１２５ ：回転子
１２５Ｂ ：回転軸心
Ｃ１ ：重心
Ｃ２ ：重心
Ｆ ：推進力
Ｆ１ ：推進力
Ｆ２ ：推進力
Ｆ３ ：推進力
Ｆmax ：最大出力
Ｌ ：推進力
Ｌ１ ：距離
Ｌ２ ：距離
Ｐ ：円
Ｓ１ ：領域
Ｓ２ ：領域
Ｓ３ ：領域
Ｔ１ ：推進力
Ｔ２ ：推進力
Ｔ３ ：推進力
Ｗ１ ：風出方向
Ｗ２ ：風出方向
θｐ ：ピッチ角
θｒ ：ロール角
θｙ ：ヨー角

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】