特許 7742101 モーフィング翼、飛行制御装置、飛行制御方法、及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-09-10

(45)【発行日】2025-09-19

(54)【発明の名称】モーフィング翼、飛行制御装置、飛行制御方法、及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   B64C 3/38 20060101AFI20250911BHJP

   G06N 3/04 20230101ALI20250911BHJP

   G06N 3/08 20230101ALI20250911BHJP

   G06N 20/00 20190101ALI20250911BHJP

【ＦＩ】

B64C3/38

G06N3/04

G06N3/08

G06N20/00

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2021113444

(22)【出願日】2021-07-08

(65)【公開番号】P2023009836

(43)【公開日】2023-01-20

【審査請求日】2024-06-06

(73)【特許権者】

【識別番号】503361400

【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100161702

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100188592

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 洋

(74)【代理人】

【識別番号】100181124

【弁理士】

【氏名又は名称】沖田 壮男

(74)【代理人】

【識別番号】100163496

【弁理士】

【氏名又は名称】荒 則彦

(72)【発明者】

【氏名】和田 大地

【審査官】諸星 圭祐

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／０４９６００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１７６５０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００６／０１４４９９２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０９７６０８３３（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許第１０８４８２６４５（ＣＮ，Ｂ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６４Ｃ ３／５６

Ｂ６４Ｃ ３／３８

Ｂ６４Ｃ ３９／０２

Ｇ０６Ｎ ３／０４

Ｇ０６Ｎ ３／０８

Ｇ０６Ｎ ２０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１方向への展開と、前記第１方向とは反対の方向である第２方向への格納と、が可能なリンク機構と、
前記リンク機構における前記第１方向に直交する一方の側である前方に取り付けられた複数の前翼カバーと、
前記リンク機構における前記第１方向に直交する他方の側である後方に取り付けられた複数の風切羽と、
を備え、
前記前翼カバー及び前記風切羽が、前記前方から前記後方に向けて流線形であり、
前記リンク機構を格納した時、前記風切羽が隣り合う前記風切羽の内部に格納される、
モーフィング翼。

【請求項2】

前記リンク機構は、
前記第１方向の側において前記前方に取り付けられた前初列リンクと、前記第１方向の側における前記後方に取り付けられた後初列リンクと、を備える初列リンクと、
前記第２方向の側において前記前方に取り付けられた前次列リンクと、前記第２方向の側における前記後方に取り付けられた後次列リンクと、を備える次列リンクと、
を備え、
複数の前記風切羽は、前記前初列リンク及び前記後初列リンク又は前記前次列リンク及び前記後次列リンクにおいてそれぞれ回動可能に取り付けられる、
請求項１に記載のモーフィング翼。

【請求項3】

前記前翼カバーは、
前記初列リンクに設けられる第１前翼カバーと、
前記次列リンクに設けられる第２前翼カバーと、
前記第１前翼カバーと前記第２前翼カバーとの間に設けられる第３前翼カバーと、
を備える、
請求項２に記載のモーフィング翼。

【請求項4】

複数の前記風切羽は、
前記初列リンクに取り付けられた初列風切と、
前記次列リンクに取り付けられた次列風切と、
を備え、
前記リンク機構の展開時において、前記初列風切において隣り合う前記風切羽の長手方向同士がなす角度が、前記第１方向に位置する前記風切羽の長手方向同士ほど大きい、
請求項２又は３に記載のモーフィング翼。

【請求項5】

前記初列風切における前記風切羽は、前記リンク機構が展開するのに応じて、隣り合う前記風切羽の長手方向とのなす角度が大きくなるように構成される、
請求項４に記載のモーフィング翼。

【請求項6】

前記リンク機構の展開時において、前記第１方向の側の端部に位置する複数の前記風切羽では、各風切羽の短手方向が前記前方から前記後方に向かう方向に面し、かつ、各風切羽の短手方向が前記前方から前記後方に向けて流線形であり、かつ、隣り合う前記風切羽の前記後方の端部同士の間に隙間を備える、
請求項１から５のいずれか１項に記載のモーフィング翼。

【請求項7】

前記第１方向の側の端部に位置する複数の前記風切羽が弾性変形する、
請求項１から６のいずれか１項に記載のモーフィング翼。

【請求項8】

請求項１から７のうちいずれか一項に記載のモーフィング翼を備える飛行体を制御する飛行制御装置であって、
前記リンク機構を伸縮させる駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記飛行体が着陸する際に、前記駆動部を制御して前記リンク機構を前記第１方向に延伸させる、
飛行制御装置。

【請求項9】

前記制御部は、
前記飛行体の姿勢を表す姿勢情報を取得し、
深層強化学習を用いて学習されたモデルに対して、前記取得した姿勢情報を入力することで得られた前記モデルの出力結果に基づいて、前記駆動部を制御する、
請求項８に記載の飛行制御装置。

【請求項10】

前記制御部は、更に、前記モーフィング翼のひずみ又は圧力のうち少なくとも一方を含む変位情報を取得し、前記モデルに対して、前記取得した変位情報を入力することで得られた前記モデルの出力結果に基づいて、前記駆動部を制御する、
請求項９に記載の飛行制御装置。

【請求項11】

請求項１から７のうちいずれか一項に記載のモーフィング翼を備える飛行体を制御する飛行制御装置が、
前記飛行体が着陸する際に、前記リンク機構を伸縮させる駆動部を制御して前記リンク機構を延伸させる、
飛行制御方法。

【請求項12】

請求項１から７のうちいずれか一項に記載のモーフィング翼を備える飛行体を制御する飛行制御装置に、
前記飛行体が着陸する際に、前記リンク機構を伸縮させる駆動部を制御して前記リンク機構を延伸させることを実行させる、
プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モーフィング翼、飛行制御装置、飛行制御方法、及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

また、ある決められた方向に伸縮可能なパンタグラフ機構によって展開及び格納が可能なモーフィング翼の構造が開示されている。（例えば、特許文献１）
飛行性能を革新的に向上、拡張するために、翼の面積、形状を大きく変形させるモーフィング翼技術がある。（例えば、非特許文献１、２）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２１－０３０９５０号公報

【非特許文献】

【0004】

【文献】Eric Chang, Laura Y. Matloff, Amanda K. Stowers, David Lentink, ‘Soft biohybrid morphing wings with feathers underactuated by wrist and finger motion’, [online]. 16 January 2020, SCIENCE ROBOTICS, [Retrieved on 18 June 2021]. <URL: https://robotics.sciencemag.org/content/5/38/eaay1246/tab-figures-data>

【文献】M. Di Luca, S. Mintchev, G. Heitz, F. Noca and D. Floreano, ‘Bioinspired morphing wings for extended flight envelope and roll control of small drones’, [online]. 06 February 2017, INTERFACE FOCUS, [Retrieved on 18 June 2021]. <URL: https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2016.0092>

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

前記従来のモーフィング翼は、各構成部品がフラットな形状で設計され、翼を展開する際には単純に重なり合うだけだった。つまり、展開して状態の翼が流線形を有さず、公知の一般的な飛行機の翼型に比べて空力性能が大きく劣る旨の課題があった。

【0006】

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、高い飛行性能を備えたモーフィング翼の構造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】

【0007】

前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明に係るモーフィング翼は、第１方向への展開と、前記第１方向とは反対の方向である第２方向への格納と、が可能なリンク機構と、前記リンク機構における前記第１方向に直交する一方の側である前方に取り付けられた複数の前翼カバーと、前記リンク機構における前記第１方向に直交する他方の側である後方に取り付けられた複数の風切羽と、を備え、前記前翼カバー及び前記風切羽が、前記前方から前記後方に向けて流線形であり、前記リンク機構を格納した時、前記風切羽が隣り合う前記風切羽の内部に格納される。

【0008】

この発明によれば、前翼カバー及び風切羽が流線形である。これにより、空力性能を向上し、より飛行性能に優れたモーフィング翼とすることができる。更に、リンク機構を格納した時、風切羽が隣り合う風切羽の内部に格納される。これにより、リンク機構を格納した時のモーフィング翼の大きさを最小限にすることができる。よって、より運搬性を向上することができる。

【0009】

また、前記リンク機構は、前記第１方向の側において前記前方に取り付けられた前初列リンクと、前記第１方向の側における前記後方に取り付けられた後初列リンクと、を備える初列リンクと、前記第２方向の側において前記前方に取り付けられた前次列リンクと、前記第２方向の側における前記後方に取り付けられた後次列リンクと、を備える次列リンクと、を備え、複数の前記風切羽は、前記前初列リンク及び前記後初列リンク又は前記前次列リンク及び前記後次列リンクにおいてそれぞれ回動可能に取り付けられていてもよい。

【0010】

この発明によれば、風切羽は、初列リンク及び連結部材又は前初列リンク及び後初列リンクにおいてそれぞれ回動可能に取り付けられる。このように１つの風切羽がリンク機構における二か所に取り付けられることで、風切羽が不規則に動くことをリンク機構によって規制することができ、かつ、リンク機構によって風切羽の位置及び向きを制御することができる。

【0011】

また、前記前翼カバーは、前記初列リンクに設けられる第１前翼カバーと、前記次列リンクに設けられる第２前翼カバーと、前記第１前翼カバーと前記第２前翼カバーとの間に設けられる第３前翼カバーと、を備えていてもよい。

【0012】

この発明によれば、初列リンクに設けられる第１前翼カバーと、次列リンクに設けられる第２前翼カバーと、を備える。これにより、前翼カバーがリンク機構の展開及び格納に追従することができる。更に、第１前翼カバーと第２前翼カバーとの間に設けられる第３前翼カバーを備える。これにより、リンク機構が展開したとき、前翼カバーに隙間が生じることを防ぐことができる。よって、モーフィング翼まわりの空気の流れが乱れることを防ぐことができる。よって、より空力性能の向上に寄与することができる。

【0013】

また、複数の前記風切羽は、前記初列リンクに取り付けられた初列風切と、前記次列リンクに取り付けられた次列風切と、を備え、前記リンク機構の展開時において、前記初列風切において隣り合う前記風切羽の長手方向同士がなす角度が、前記第１方向に位置する前記風切羽の長手方向同士ほど大きくてもよい。

【0014】

この発明によれば、リンク機構の展開時において、初列風切において隣り合う風切羽の長手方向同士がなす角度が、第１方向に位置する風切羽の長手方向同士ほど大きい。言い換えれば、第２方向の側に位置する風切羽ほど、隣り合う風切羽の長手方向同士がなす角度が小さい。このことで、第２方向の側において風切羽同士の間に隙間が生じて、揚力が低下することを防ぐことができる。
また、初列風切に位置する風切羽は、第１方向の側に位置する風切羽ほど、隣り合う風切羽の長手方向同士がなす角度が大きい。よって、初列風切の第１方向側の端部に位置する風切羽は、長手方向が第１方向の側に向き、短手方向が前方から後方に向かう方向に位置する。これにより、展開した状態におけるモーフィング翼全体の大きさを大きくすることができる。よって、より揚力を向上することができる。

【0015】

また、前記初列風切における前記風切羽は、前記リンク機構が展開するのに応じて、隣り合う前記風切羽の長手方向とのなす角度が大きくなるように構成されていてもよい。

【0016】

この発明によれば、初列風切における風切羽は、リンク機構が展開するのに応じて、連結部材を介して連結された隣り合う風切羽の長手方向とのなす角度が大きくなるように構成される。つまり、リンク機構が格納したときは、隣り合う風切羽の長手方向とのなす角度は小さくなる。これにより、リンク機構が格納したときの初列風切の収まりをよくすることができる。よって、格納時のモーフィング翼の全体の大きさを小さくし、運搬性の向上に寄与することができる。

【0017】

また、前記リンク機構の展開時において、前記第１方向の側の端部に位置する複数の前記風切羽では、各風切羽の短手方向が前記前方から前記後方に向かう方向に面し、かつ、各風切羽の短手方向が前記前方から前記後方に向けて流線形であり、かつ、隣り合う前記風切羽の前記後方の端部同士の間に隙間を備えていてもよい。

【0018】

この発明によれば、リンク機構の展開時において、第１方向の側の端部に位置する複数の風切羽が、前方から後方に向けて流線形である。これにより、展開状態のモーフィング翼について、揚力を最大限確保することができる。更に、隣り合う風切羽との間に隙間を備える。これにより、前記隙間に気流を逃がすことで、翼の端部において発生する空気の流れの乱れを抑え、失速を防ぐことができる。よって、安定した飛行に寄与することができる。

【0019】

また、前記第１方向の側の端部に位置する複数の前記風切羽が弾性変形してもよい。

【0020】

この発明によれば、第１方向の側の端部に位置する複数の風切羽が、弾性変形する。これにより、モーフィング翼の展開時において、モーフィング翼の端部における流れによって受ける力に対して受動的に変形する。これにより、翼の端部において発生する空気の流れの乱れを抑えることができる。よって、安定した飛行に寄与することができる。

【0021】

また、本発明に係る飛行制御装置は、前記モーフィング翼を備える飛行体を制御する飛行制御装置であって、前記リンク機構を伸縮させる駆動部と、前記駆動部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記飛行体が着陸する際に、前記駆動部を制御して前記リンク機構を前記第１方向に延伸させる。

【0022】

この発明によれば、制御部は、飛行体が着陸する際に、駆動部を制御してリンク機構を第１方向に延伸させる。これにより、着陸時における飛行体の揚力を確保し、安定した着陸に寄与することができる。

【0023】

また、前記制御部は、前記飛行体の姿勢を表す姿勢情報を取得し、深層強化学習を用いて学習されたモデルに対して、前記取得した姿勢情報を入力することで得られた前記モデルの出力結果に基づいて、前記駆動部を制御してもよい。

【0024】

この発明によれば、飛行の制御に深層強化学習を用いる。これにより、飛行現場の環境に応じた飛行制御を行うことで、より効率的かつ安全に飛行することができる。

【0025】

また、前記制御部は、更に、前記モーフィング翼のひずみ又は圧力のうち少なくとも一方を含む変位情報を取得し、前記モデルに対して、前記取得した変位情報を入力することで得られた前記モデルの出力結果に基づいて、前記駆動部を制御してもよい。

【0026】

この発明によれば、飛行の制御にモーフィング翼のひずみ又は圧力のうち少なくとも一方を含む変位情報を用いる。飛行体の姿勢が変化する前に、モーフィング翼の変位情報を取得して制御を行うことで、より制御を機敏に行うことができる。よって、より機動性の向上に寄与することができる。

【0027】

また、本発明に係る飛行制御方法は、前記モーフィング翼を備える飛行体を制御する飛行制御装置が、前記飛行体が着陸する際に、前記リンク機構を伸縮させる駆動部を制御して前記リンク機構を延伸させる。

【0028】

この発明によれば、飛行体が着陸する際に、リンク機構を伸縮させる駆動部を制御してリンク機構を延伸させる。これにより、より鳥に近い飛行及び着陸を行うことができる。

【0029】

また、本発明に係るプログラムは、前記モーフィング翼を備える飛行体を制御する飛行制御装置に、前記飛行体が着陸する際に、前記リンク機構を伸縮させる駆動部を制御して前記リンク機構を延伸させることを実行させる。

【発明の効果】

【0030】

本発明によれば、高い飛行性能を備えたモーフィング翼の構造を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】第１実施形態のモーフィング翼及び飛行制御装置を備える飛行体の構成の一例を示す図である。

【図2】第１実施形態のモーフィング翼の構成の一例を示す図である。

【図3】モーフィング翼の格納状態を示す図である。

【図4】モーフィング翼の展開状態を示す図である。

【図5】モーフィング翼の格納時に、風切羽が隣り合う風切羽の内部に格納された状態を示す図である。

【図6】風切羽の全体図である。

【図7】モーフィング翼の端部に位置する風切羽の全体図である。

【図8】リンク機構と風切羽との取り付け状態を示す図である。

【図9】前翼カバーの全体図である。

【図10】モーフィング翼のスイープ動作を説明するための図である。

【図11】モーフィング翼のツイスト動作を説明するための図である。

【図12】第１実施形態の飛行制御装置の構成の一例を示す図である。

【図13】クォータニオンフィードバックを用いた姿勢制御系の一例を示す図である。

【図14】制御部の一連の処理の流れを示すフローチャートである。

【図15】飛行体の飛行の様子を模式的に示す図である。

【図16】制御の第２例の飛行制御装置の構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

以下、図面を参照し、本発明のモーフィング翼、飛行制御装置、飛行制御方法、及びプログラムの実施形態について説明する。

【0033】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態のモーフィング翼１４０及び飛行制御装置２００を備える飛行体１００の構成の一例を示す図である。飛行体１００は鳥を模しており、例えば、プロペラ１１０と、垂直尾翼１２０と、水平尾翼１３０と、モーフィング翼１４０と、飛行制御装置２００とを備える。

【0034】

図中Σ_Ｗは慣性座標系の一つの地球固定座標Σ_Ｗを表し、Ｏ_Ｗは地球固定座標Σ_Ｗの原点を表し、Ｘ_Ｗ軸は真北を表し、Ｙ_Ｗ軸は東を表し、Ｚ_Ｗ軸は鉛直下方を表している。また、慣性主軸を機体固定座標系として定義した場合、図中Ｘ_Ｂ軸は、飛行体１００の重心を原点としたときの機体の慣性主軸を表し、Ｚ_Ｂ軸は、機体の下方向を表し、Ｙ_Ｂ軸は、機体の進行方向右側の方向を表している。言い換えれば、Ｘ_Ｂ軸はロール軸Ｘ_Ｂを表し、Ｚ_Ｂ軸はヨー軸Ｚ_Ｂを表し、Ｙ_Ｂ軸はピッチ軸Ｙ_Ｂを表している。

【0035】

プロペラ１１０は、例えば、飛行体１００の機体の先端に設けられ、機体の軸心周り（図中Ｘ_Ｂ軸周り）に回転可能に取り付けられる。

【0036】

垂直尾翼１２０及び水平尾翼１３０は、例えば、飛行体１００の機体の末端といった機体の重心から離れた位置に設けられる。

【0037】

モーフィング翼１４０は、飛行体１００の機体の左右両側に設けられる。モーフィング翼１４０には、スイープ機構と、ツイスト機構と、リンク機構とが含まれる。スイープ機構は、ヨー軸Ｚ_Ｂ周りにモーフィング翼１４０を回動させるための機構である。ツイスト機構は、ピッチ軸Ｙ_Ｂ周りにモーフィング翼１４０を回動させるための機構である。
リンク機構は、ピッチ軸Ｙ_Ｂ方向に関してモーフィング翼１４０を畳んだり展開したりするための機構である。つまり、リンク機構は、モーフィング翼１４０において、図２に示すピッチ軸Ｙ_Ｂの正の方向である第１方向への展開と、第１方向とは反対の方向、すなわちピッチ軸Ｙ_Ｂの負の方向である第２方向への格納と、を可能とする機構である。
図２に示すモーフィング翼１４０は、図１に示す飛行体１００の右側に設けられたものである。第１方向及び第２方向の関係は、図１に示す飛行体１００の左側に設けられたモーフィング翼１４０においては反転する。すなわち、図１に示す飛行体１００の左側に設けられたモーフィング翼１４０においては、ピッチ軸Ｙ_Ｂの負の方向が第１方向で、ピッチ軸Ｙ_Ｂの正の方向が第２方向となる。

【0038】

飛行制御装置２００は、プロペラ１１０、垂直尾翼１２０、水平尾翼１３０、及びモーフィング翼１４０を制御することで、飛行体１００を離陸させたり、着陸させたり、飛行中に旋回させたり、ホバリングさせながら降下させたりする。

【0039】

［モーフィング翼１４０の構成］
以下、モーフィング翼１４０の構成について説明する。図１及び図２は、第１実施形態のモーフィング翼１４０の構成の一例を示す図である。モーフィング翼１４０は、例えば、ヨー軸回動部材１４１と、ピッチ軸回動部材１４２と、レール部材１４３と、第１スライダ１４４と、第２スライダ１４５と、リンク部１５０と、風切羽１６０と、前翼カバー１８０と、を備える。

【0040】

ヨー軸回動部材１４１及びピッチ軸回動部材１４２は、モーフィング翼１４０と飛行体１００の機体とを互いに連結する。ヨー軸回動部材１４１は、ヨー軸Ｚ_Ｂ周りに回動する。ピッチ軸回動部材１４２は、ピッチ軸Ｙ_Ｂ周りに回動する。

【0041】

レール部材１４３は、その長手方向がロール軸Ｘ_Ｂと略平行となるように、ヨー軸回動部材１４１及びピッチ軸回動部材１４２を介して飛行体１００の機体に取り付けられる。

【0042】

第１スライダ１４４は、レール部材１４３に取り付けられる。第１スライダ１４４は、レール部材１４３上において、レール部材１４３の長手方向、すなわちロール軸Ｘ_Ｂ方向にスライドする。
第２スライダ１４５は、レール部材１４３に取付けられる。第２スライダ１４５は、レール部材１４３上において、レール部材１４３の長手方向、すなわちロール軸Ｘ_Ｂ方向にスライドする。
上述したリンク機構は、レール部材１４３と、第１スライダ１４４と、第２スライダ１４５と、リンク部１５０と、を合わせたものである。

【0043】

リンク部１５０は、第１スライダ１４４及び第２スライダ１４５によって稼働する。リンク部１５０には複数の風切羽１６０が設けられる。リンク部１５０は、第１リンク１５１と、次列リンク１５２と、第２リンク１５３と、前初列リンク１５４と、翼端リンク１５５と、連結部材１５６（後初列リンク）と、を備える。

【0044】

第１リンク１５１の一端は、ヨー軸Ｚ_Ｂの周りに回動可能なように、ピッチ軸回動部材１４２に取り付けられ、第１リンク１５１の他端は、ヨー軸Ｚ_Ｂの周りに回動可能なように、第２リンク１５３の両端部の間における１箇所に取り付けられる。また、第１リンク１５１の両端部の間における１箇所は、ヨー軸Ｚ_Ｂの周りに回動可能なように、前次列リンク１５２ａの両端部の間における１箇所に取り付けられる。

【0045】

次列リンク１５２は、リンク部１５０において第２方向の側に位置する。次列リンク１５２は、互いに平行に位置する前次列リンク１５２ａと、後次列リンク１５２ｂと、を備える。
前次列リンク１５２ａ及び後次列リンク１５２ｂは、第１リンク１５１と交差する。図２に示すように、前次列リンク１５２ａと後次列リンク１５２ｂとは平行に設けられ、いずれも一端が第１スライダ１４４にヨー軸Ｚ_Ｂ周りに回動可能なように取り付けられ、他端が前初列リンク１５４の一端にヨー軸Ｚ_Ｂ周りに回動可能なように取り付けられている。

【0046】

前次列リンク１５２ａは、第１方向に直交する一方の側である前方、すなわち飛行体１００の進行方向の側に位置し、後次列リンク１５２ｂは、第１方向に直交する他方の側である後方の側に位置する。また、前次列リンク１５２ａには、第１リンク１５１が回動可能に取付けられ、後次列リンク１５２ｂには取付けられていない点で相違する。

【0047】

第２リンク１５３は、次列リンク１５２と平行となるように、その一端が第２スライダ１４５にピッチ軸Ｙ_Ｂの周りに回動可能に取り付けられ、他端が前初列リンク１５４の両端部の間に１箇所にピッチ軸Ｙ_Ｂの周りに回動可能に取り付けられる。
前初列リンク１５４は、リンク部１５０において第１方向の側における前方に位置する。前初列リンク１５４は、その一端がヨー軸Ｚ_Ｂの周りに回動可能なように、前次列リンク１５２ａの他端に取り付けられ、他端が翼端リンク１５５の一端に取り付けられる。
翼端リンク１５５は、前初列リンク１５４の他端に取り付けられる。翼端リンク１５５には、翼端羽根が取り付けられる（後述する）。

【0048】

第１リンク１５１と前次列リンク１５２ａとの取り付け位置、第２リンク１５３と第１リンク１５１との取り付け位置、及び第２リンク１５３と前初列リンク１５４との取り付け位置は、リンク部１５０における、第１スライダ１４４及び第２スライダ１４５のスライド量と、リンク部１５０において必要とする展開及び格納の動き代を適宜検討の上決定する。

【0049】

連結部材１５６は、前初列リンク１５４の後方において、前初列リンク１５４の長手方向に沿って複数設けられる。連結部材１５６は、第１連結部材１５６ａと、第２連結部材１５６ｂと、第３連結部材１５６ｃと、第４連結部材１５６ｄと、を備える。
連結部材１５６は、前初列リンク１５４の後方において、複数の風切羽１６０の間に設けられる。具体的には、第１連結部材１５６ａは、第１次列風切羽１７１と第６初列風切羽１６６との間に設けられる。第２連結部材１５６ｂは、第６初列風切羽１６６と第５初列風切羽１６５との間に設けられる。第３連結部材１５６ｃは、第５初列風切羽１６５と第４初列風切羽１６４との間に設けられる。第４連結部材１５６ｄは、第４初列風切羽１６４と第３初列風切羽１６３との間、第３初列風切羽１６３と第２初列風切羽１６２との間、第２初列風切羽１６２と第１初列風切羽１６１との間にそれぞれ設けられる。
リンク部１５０の各構成部品は剛性及び強度が高く、かつ軽量なものが好ましい。例えば、ＣＦＲＰ（カーボンサンドイッチ材）、アルミニウム、プラスチックによって形成されることが好ましい。
なお、上述の前初列リンク１５４と連結部材１５６とを合わせて、初列リンクと呼称してもよい。

【0050】

風切羽１６０は、リンク部１５０において後方の側に複数取り付けられる。風切羽１６０は、例えば、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）をはじめとする、ある程度のたわみを許容するシート形状（例えば数百［μｍ］程度の厚さ）の部材である。
複数設けられた風切羽１６０の外形は、いずれも前方から後方に向けて流線形である点で共通する。以下、風切羽１６０の構成部品について、第１次列風切羽１７１を例に挙げて説明する。なお、詳細形状と、特に記載している事項と、を除き、複数設けられた風切羽１６０の概略構成は、少なくとも、本体部と、補強材と、取付部材と、を備えている点でいずれも同じである。

【0051】

第１次列風切羽１７１は、本体部１７１ａと、補強材１７１ｂと、取付部材１７１ｃと、を備える。本体部１７１ａは、第１次列風切羽１７１の外形を形成する。本体部１７１ａが流線形であることによって、第１次列風切羽１７１の機能を担保する。本体部１７１ａは、例えば、曲率を持ったＣＦＲＰによって形成される。このように形成されることで、風切羽１６０は、図６に示すように、前方及び長手方向の両脇に向けて開口している。

【0052】

補強材１７１ｂは、本体部１７１ａにおける材料同士の間の隙間に設けられる。これにより、本体部１７１ａを補強する。補強材１７１ｂは、例えば、バルサ材や、プラスチックが好適に用いられる。プラスチックを用いる場合は、３Ｄプリンタによって形成されてもよい。
取付部材１７１ｃは、補強材１７１ｂに連結され、本体部１７１ａをリンク部１５０に取り付けるために用いる。具体的には、図８に示すように、取付部材１７１ｃがリンク部１５０を上下方向から挟むように形成される。この状態において、取付部材１７１ｃとリンク部１５０とをピン等によって回動可能に連結する。この固定方法は、リンク部１５０におけるいずれの回動可能な固定部においても同様であるとする。

【0053】

複数備えられた風切羽１６０は、初列風切１６０ｗと、次列風切１７０ｗと、に分類される。
初列風切１６０ｗは、複数の風切羽１６０のうち、前初列リンク１５４に取り付けられたものをいう。本実施形態において、初列風切１６０ｗは、第１初列風切羽１６１と、第２初列風切羽１６２と、第３初列風切羽１６３と、第４初列風切羽１６４と、第５初列風切羽１６５と、第６初列風切羽１６６と、を備える。初列風切１６０ｗにおける複数の風切羽１６０は、前初列リンク１５４及び連結部材１５６にそれぞれ回動可能に取り付けられる。以下、初列風切１６０ｗのうち、特に第１初列風切羽１６１と、第２初列風切羽１６２と、第３初列風切羽１６３とをまとめて、翼端羽根と呼称することがある。

【0054】

図４に示すように、リンク機構が展開したモーフィング翼１４０において、初列風切１６０ｗにおいて隣り合う風切羽１６０の長手方向同士がなす角度は、第１方向に位置する風切羽１６０の長手方向同士ほど大きい。初列風切１６０ｗにおける風切羽１６０は、リンク部１５０が展開するのに応じて、連結部材１５６を介して連結された隣り合う風切羽１６０の長手方向とのなす角度が大きくなるように構成される（後述する）。これにより、初列風切１６０ｗは、隣り合う風切羽１６０の後方の端部同士の間に隙間を備える。なお、前記隙間は、図４に示す平面視において、隣り合う風切羽１６０が位置しない領域のことをいう。ここでいう角度は、Ｘ_Ｂ－Ｙ_Ｂ平面における角度であり、Ｚ_Ｂ軸に関する角度成分は含まれていない。
これにより、鳥の備える初列風切と同様の構成とする。鳥の初列風切は、上述のように隣り合う風切羽との隙間によって、隙間に気流を逃がす。これにより、失速を抑制する役割を有する。

【0055】

初列風切１６０ｗにおける翼端羽根とそれ他の風切羽１６０とは、以下の点で相違する。すなわち、図４に示すように、リンク部１５０を展開した時、その他の風切羽１６０は長手方向が前方から後方に向けて位置するのに対し、翼端羽根は、短手方向が前方から後方に向けて位置する。
このため、図６に示すように、その他の風切羽１６０は長手方向が流線形であるのに対し、図７に示すように、翼端羽根を構成する風切羽１６０は、短手方向に流線形である。これにより、モーフィング翼１４０の翼端における失速の抑制に寄与する。

【0056】

また、上述のように形成された隙間に気流を流すことに加えて、翼端羽根における風切羽１６０が弾性変形してもよい。つまり、モーフィング翼１４０の端において生じる流れの乱れを抑えるために、翼端羽根における風切羽１６０が、空気の流れに合わせて受動的に弾性変形してもよい。翼端羽根の風切羽１６０を弾性変形可能とするために、例えば、翼端羽根の風切羽１６０のみ弾性を有する材質を用いてもよいし、図７に示すように風切羽１６０に折り目を付けることで変形しやすくしてもよい。

【0057】

次列風切１７０ｗは、複数の風切羽１６０のうち、次列リンク１５２に取り付けられたものをいう。本実施形態において、次列風切１７０ｗは、第１次列風切羽１７１と、第２次列風切羽１７２と、第３次列風切羽１７３と、第４次列風切羽１７４と、を備える。次列風切１７０ｗにおける複数の風切羽１６０は、前次列リンク１５２ａ及び後次列リンク１５２ｂにおいてそれぞれ回動可能に取り付けられる。
次列風切１７０ｗにおいて隣り合う風切羽１６０は、いずれも長手方向が平行である。図２、図３、図４に示すように、初列風切１６０ｗにおける風切羽１６０は、隣り合う風切羽１６０と略平行に位置する。なお、ここでいう角度は、Ｘ_Ｂ－Ｙ_Ｂ平面における角度であり、Ｚ_Ｂ軸に関する角度成分は含まれていない。

【0058】

次に、リンク部１５０における初列風切１６０ｗ及び次列風切１７０ｗとの取り付け構造と、リンク部１５０の展開および格納による風切羽１６０の動きについて説明する。
まず、次列風切１７０ｗを構成する風切羽１６０について、第１次列風切羽１７１を挙げて説明する。図６に示すように、取付部材１７１ｃは、前次列リンク１５２ａ及び後次列リンク１５２ｂに、それぞれピッチ軸Ｙ_Ｂの周りに回動可能に取り付けられる。このとき、取付部材１７１ｃにおける２つの取り付け点間の直線の長さは、前次列リンク１５２ａ及び後次列リンク１５２ｂと第１スライダ１４４との取り付け点間の直線の長さと等しい。また、前述の２つの直線は、平行となるように取り付けられる。第２次列風切羽１７２、第３次列風切羽１７３、第４次列風切羽１７４においても同様に取り付けられる。

【0059】

これにより、次列風切１７０ｗにおいては、各構成部品によって平行四辺形が形成される。これにより、リンク部１５０において次列リンク１５２の角度が変わっても、風切羽１６０の向きが一定となる。よって、図３及び図４に示すように、第１スライダ１４４が動いて次列リンク１５２の角度が変動しても、次列風切１７０ｗを構成する風切羽１６０はいずれも常に長手方向が前方から後方に向かう方向に面する。よって、上述のように、次列風切１７０ｗにおける風切羽１６０は、隣り合う風切羽１６０と常に略平行に位置する。

【0060】

次に、初列風切１６０ｗを構成する風切羽１６０について説明する。初列風切１６０ｗが取付けられる初列リンクは、次列風切１７０ｗを構成する次列リンク１５２と下記の点で相違する。すなわち、次列リンク１５２は平行に設けられた前次列リンク１５２ａと後次列リンク１５２ｂとによって構成されるのに対し、前初列リンク１５４は、後次列リンク１５２ｂに相当する部位に、連結部材１５６が設けられている。

【0061】

図２に示すように、隣り合う風切羽１６０の間に位置する連結部材１５６の長さはそれぞれ異なる。また、取り付け点間の長さが、それぞれ異なる。
上述のように、次列風切１７０ｗにおいては、各構成部品によって平行四辺形が形成される。これに対し、初列風切１６０ｗにおいては、連結部材１５６によって取り付け点間の長さを適宜調整することで、平行四辺形とならないようにする。これにより、リンク部１５０によって前初列リンク１５４及び連結部材１５６の角度が変わることに伴い、風切羽１６０の角度が変動するようにする。

【0062】

例えば、第１連結部材１５６ａの長さは、前初列リンク１５４と第１次列風切羽１７１及び第６初列風切羽１６６との取り付け点間の直線の長さより長い。更に、第６初列風切羽１６６と前初列リンク１５４及び第１連結部材１５６ａとの取り付け点間の直線の長さは、第１次列風切羽１７１と前初列リンク１５４及び第１連結部材１５６ａとの取り付け点間の直線の長さより長い。

【0063】

これにより、図４に示すように、リンク部１５０が展開して第１次列風切羽１７１の取付部材１７１ｃと前初列リンク１５４との角度が直角に近くなると、第６初列風切羽１６６と第１連結部材１５６ａとの取り付け点が、第６初列風切羽１６６と前初列リンク１５４との取り付け点よりも第１方向の側に位置する。よって、第６初列風切羽１６６は、隣に位置する第１初列風切羽１６１に対して角度が生じる。

【0064】

この関係は、第６初列風切羽１６６と第５初列風切羽１６５との間における第２連結部材１５６ｂ、及び第５初列風切羽１６５と第４初列風切羽１６４との間における第３連結部材１５６ｃのように、第１方向に位置するにつれて顕著となるようにする。これにより、上述のように、初列風切１６０ｗにおける風切羽１６０は、リンク部１５０が展開するのに応じて、連結部材１５６を介して連結された隣り合う風切羽１６０の長手方向との隙間が大きくなる。

【0065】

初列風切１６０ｗの翼端羽根以外及び次列風切１７０ｗにおいて、複数設けられた風切羽１６０は、リンク部１５０の展開及び格納に合わせて、以下の通りとなる。すなわち、図５に示すように、リンク部１５０を格納した時、一方の翼端羽が、隣り合う翼端羽根の内部に格納される。これにより、リンク部１５０を格納した時、隣り合う風切羽１６０が互いに干渉することを防ぐことに加えて、格納時のモーフィング翼１４０の大きさを小さくし、運搬性の向上に寄与する。

【0066】

上記機能を担保するため、それぞれの風切羽１６０の大きさは、リンク部１５０が格納した時における隣り合う風切羽１６０の位置及び大きさを適宜考慮して決定する。また、図５に示すように、リンク部１５０が格納した時、第２リンク１５３は、次列風切１７０ｗにおける風切羽１６０の内部に位置する。このため、図６に示すように、第２リンク１５３との干渉を防ぐために、補強材１７１ｂ、１７２ｂ、１７３ｂ、１７４ｂには、切れ込みを設ける。

【0067】

なお、本実施形態において、風切羽１６０は初列風切１６０ｗと次列風切１７０ｗとを合わせて計１０個設けられているが、これに限らない。すなわち、飛行体１００の重量や使用環境等を検討の上、必要に応じて風切羽１６０の個数及び大きさを増減してもよい。

【0068】

前翼カバー１８０は、リンク部１５０における前方に取り付けられる。前翼カバー１８０は、展開した状態のモーフィング翼１４０において、前方に向けた風切羽１６０の開口に空気が流れ込まないようにする。加えて、前翼カバー１８０は前方から後方に向けて流線形である。これにより、モーフィング翼１４０を全体として流線形とする。

【0069】

前翼カバー１８０は、第１前翼カバー１８１と、第２前翼カバー１８２と、第３前翼カバー１８３と、を備える。第１前翼カバー１８１は、前初列リンク１５４に設けられる。第２前翼カバー１８２は、次列リンク１５２に設けられる。第３前翼カバー１８３は、第１前翼カバー１８１と第２前翼カバー１８２との間に設けられる。

【0070】

以下、前翼カバー１８０の構成部品について、第１前翼カバー１８１を例に挙げて説明する。なお、詳細形状と、特に記載している事項と、を除き、複数設けられた前翼カバー１８０の構成部品は、いずれも同じである。
第１前翼カバー１８１は、本体１８１ａと、補強部１８１ｂと、取付部１８１ｃと、を備える。本体１８１ａは、第１前翼カバー１８１の外形を形成する。本体１８１ａが流線形であることによって、第１前翼カバー１８１の機能を担保する。本体１８１ａは、例えば、曲率を持ったＣＦＲＰによって形成される。このように形成されることで、前翼カバー１８０は、図９に示すように、後方に向けて開口している。

【0071】

補強部１８１ｂは、本体１８１ａにおける材料同士の間の隙間に設けられる。これにより、本体１８１ａを補強する。補強部１８１ｂは、例えば、バルサ材や、プラスチックが好適に用いられる。プラスチックを用いる場合は、３Ｄプリンタによって形成されてもよい。
取付部１８１ｃは、補強部１８１ｂに連結され、本体１８１ａをリンク部１５０に取り付けるために用いる。具体的には、取付部１８１ｃが前初列リンク１５４を上下方向から挟むように形成される。この状態において、取付部１８１ｃとリンク部１５０とを連結する。この固定方法は、第２前翼カバー１８２、第３前翼カバー１８３においても同様であるとする。

【0072】

第１前翼カバー１８１は、リンク部１５０の前次列リンク１５２ａに取り付けられる。第２前翼カバー１８２は、リンク部１５０の前初列リンク１５４に取り付けられる。第３前翼カバー１８３は、第１次列風切羽１７１に取り付けられる。これにより、前翼カバー１８０は、リンク部１５０の展開及び格納に追従して移動する。

【0073】

図１２は、モーフィング翼１４０のスイープ動作を説明するための図である。スイープ動作とは、ヨー軸Ｚ_Ｂ周りにモーフィング翼１４０を回動させ、モーフィング翼１４０を飛行体１００の前後に移動させる動作である。ヨー軸Ｚ_Ｂ周りにモーフィング翼１４０を回動させたときのピッチ軸Ｙ_Ｂとのなす角度を「スイープ角度α_ｓｗｅ」と称する。

【0074】

図１１は、モーフィング翼１４０のツイスト動作を説明するための図である。ツイスト動作とは、ピッチ軸Ｙ_Ｂ周りにモーフィング翼１４０を回動させ、飛行体１００に対してモーフィング翼１４０を内旋または外旋させる動作である。ピッチ軸Ｙ_Ｂ周りにモーフィング翼１４０を回動させたときのロール軸Ｘ_Ｂとのなす角度を「ツイスト角度α_ｔｗｉ」と称する。

【0075】

図２、図３、図４は、モーフィング翼１４０のフォールド動作を説明するための図である。フォールド動作とは、ピッチ軸Ｙ_Ｂ方向にモーフィング翼１４０をパンタグラフのように延伸させてモーフィング翼１４０を広げたり、ピッチ軸Ｙ_Ｂ方向にモーフィング翼１４０をパンタグラフのように縮小させてモーフィング翼１４０を畳んだりする動作である。ピッチ軸Ｙ_Ｂ方向にモーフィング翼１４０を伸縮させたときの第１リンク１５１及び第２リンク１５３のなす角度を「フォールド角度α_ｆｏｌ」と称する。

【0076】

図２、図３、図４は、モーフィング翼１４０の一連のフォールド動作を説明するための図である。図３の例では、第１スライダ１４４がレール部材１４３の末端（ピッチ軸回動部材１４２が取り付けられた位置の反対側の端部）に位置している。この場合、フォールド角度α_ｆｏｌは、取り得ることが可能な角度範囲の中で最大角をとる。これによって、モーフィング翼１４０が最大限畳まれた状態となる。

【0077】

図２の例では、第１スライダ１４４がレール部材１４３の末端からピッチ軸回動部材１４２側の端部へと移動している。この場合、フォールド角度α_ｆｏｌは、図３に例示した角度よりも小さくなるため、モーフィング翼１４０が図３に例示した状態よりも開いた状態となる。

【0078】

図４の例では、第１スライダ１４４がピッチ軸回動部材１４２側の端部へと最大限移動している。この場合、フォールド角度α_ｆｏｌは、取り得ることが可能な角度範囲の中で最小角をとる。これによって、モーフィング翼１４０が最大限開かれた状態となる。

【0079】

このように、レール部材１４３上で第１スライダ１４４が移動することで、モーフィング翼１４０が畳まれたり開かれたりする。

【0080】

一般的に、飛行体の翼が風を受けにくい場合（風が弱い場合）や、機体着陸時に翼の迎え角を大きくする場合に、翼の表面を流れる気流が剥離する境界層剥離と呼ばれる現象が生じ、飛行体が失速することが知られている。

【0081】

本実施形態では、風切羽１６０の間に隙間を形成するため、モーフィング翼１４０が風を受けにくい場合や、モーフィング翼１４０の迎え角を大きくする場合であっても、境界層剥離が生じることを抑制することができる。この結果、揚力の急速な減少を抑えつつ、安定して飛行することができる。つまり、風切羽１６０の間に隙間を形成することで、大きな迎角で飛行しているときであっても、隙間に気流を逃がすことができるため、失速を抑制することができる。

【0082】

［飛行制御装置の構成］
以下、飛行制御装置２００の構成について説明する。図１２は、第１実施形態の飛行制御装置２００の構成の一例を示す図である。飛行制御装置２００は、例えば、通信部２０２と、検出部２０４と、記憶部２０６と、電源２０８と、駆動部２１０と、制御部２３０を備える。

【0083】

通信部２０２は、例えば、ＷＡＮ（Wide Area Network）などのネットワークを介して、外部装置と無線通信を行う。外部装置は、例えば、飛行体１００を遠隔操作可能なリモートコントローラであってよい。例えば、通信部２０２は、外部装置から、飛行体１００がとるべき姿勢や速度などを指示するコマンドを受信する。

【0084】

検出部２０４は、例えば、慣性計測装置である。慣性計測装置は、例えば、三軸式加速度センサと、三軸式ジャイロセンサとを含む。慣性計測装置は、これらのセンサによって検出された検出値を制御部２３０に出力する。慣性計測装置による検出値には、例えば、水平方向、垂直方向、奥行き方向の各加速度及び／又は角速度や、ピッチ、ロール、ヨーの各軸の速度（レート）などが含まれる。検出部２０４には、更に、レーダやファインダ、ソナー、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信機などが含まれてもよい。また、検出部２０４には、更に、垂直尾翼１２０や、水平尾翼１３０、モーフィング翼１４０のひずみを検出する光ファイバセンサや、それら翼にかかる圧力を検出する圧力センサが含まれてもよい。

【0085】

記憶部２０６は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置により実現される。記憶部２０６には、ファームウェアやアプリケーションプログラムなどの各種プログラムのほかに、制御部２３０の演算結果などがログとして格納される。

【0086】

電源２０８は、例えば、リチウムイオン電池などの二次電池である。電源２０８は、駆動部２１０や制御部２３０に電力を供給する。電源２０８には、更に、ソーラーパネルなどが含まれてもよい。

【0087】

駆動部２１０は、例えば、プロペラアクチュエータ２１２と、スイープアクチュエータ２１４と、ツイストアクチュエータ２１６と、フォールドアクチュエータ２１８と、昇降舵アクチュエータ２２０と、方向舵アクチュエータ２２２とを備える。これらのアクチュエータは、例えば、サーボモータであってよい。

【0088】

プロペラアクチュエータ２１２は、プロペラ１１０を駆動させ、飛行体１００に推力を与える。スイープアクチュエータ２１４は、ヨー軸回動部材１４１を駆動させ、ヨー軸Ｚ_Ｂ周りにモーフィング翼１４０を回動させる。

【0089】

ツイストアクチュエータ２１６は、ピッチ軸回動部材１４２を駆動させ、ピッチ軸Ｙ_Ｂ周りにモーフィング翼１４０を回動させる。フォールドアクチュエータ２１８は、レール部材１４３に取り付けられた第１スライダ１４４をロール軸Ｘ_Ｂ方向に駆動させ、ピッチ軸Ｙ_Ｂ方向にモーフィング翼１４０を展開したり、畳んだりする。

【0090】

昇降舵アクチュエータ２２０は、水平尾翼１３０に設けられた昇降舵（不図示）を駆動させ、機首を上げたり、或いは下げたりする。方向舵アクチュエータ２２２は、垂直尾翼１２０に設けられた方向舵（不図示）を駆動させ、機体のヨーイングを制御する。

【0091】

制御部２３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのプロセッサが記憶部２０６に格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、制御部２３０は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。

【0092】

［制御部の処理内容］
以下、制御部２３０の制御内容について説明する。制御部２３０は、飛行体１００が９０度のピッチアップ状態にあるときに、プロペラアクチュエータ２１２を制御することでプロペラ１１０を駆動させる。これによって、飛行体１００は、テールシッタ方式のＶＴＯＬ（Vertical Take Off and Landing）無人機のように離陸する。テールシッタ方式とは、９０度のピッチアップ状態から離陸し、一定の高度で機首を水平に戻して翼が発生する揚力で飛行する飛行方式である。

【0093】

このようなテールシッタ方式は、姿勢変化が大きいため、姿勢誤差の計算にＺＹＸオイラーを用いると離着陸時にＺ_Ｂ軸がプラスマイナス９０度の時に特異姿勢となり表現ができなくなる。また、鳥を模倣した飛行では、大きな姿勢変動が起こる蓋然性が高くなるため、特異姿勢がない姿勢表現が必要である。この問題を解決するため、姿勢誤差の計算にクォータニオンを採用する。クォータニオンは、三次元の単位ベクトルｒとその回転角度ζを使って数式（１）で表される。

【0094】

【数1】

【0095】

目標姿勢をｑ_ｒとし、現在姿勢をｑ_ｃとすると、目標姿勢と現在姿勢の偏差ｑ_ｅはクォータニオン行列を用いると、数式（２）で表される。

【0096】

【数2】

【0097】

偏差ｑ_ｅは、機体の現在姿勢を目標姿勢に近づけるために、現在の機体固定座標系において、どの軸周りにどれだけ回転すればよいか、ということを示している。例えば、制御部２３０は、ｑ_ｅのベクトル部ｑ_{ｅｘ，ｅｙ，ｅｚ}を機体固定座標Ｘ_Ｂ、Ｙ_Ｂ、Ｚ_Ｂ軸に対応させてフィードバック制御を行う。

【0098】

図１３は、クォータニオンフィードバックを用いた姿勢制御系の一例を示す図である。
例えば、制御部２３０は、ツイストアクチュエータ２１６を制御して、飛行体１００のＸ_Ｂ軸における姿勢を制御する。また、制御部２３０は、昇降舵アクチュエータ２２０を制御して、飛行体１００のＺ_Ｂ軸における姿勢を制御する。また、制御部２３０は、方向舵アクチュエータ２２２を制御して、飛行体１００のＹ_Ｂ軸における姿勢を制御する。

【0099】

制御部２３０は、各軸に対応したアクチュエータをＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential Controller）制御を行う。ＰＩＤ制御は、数式（３）～（５）で表される。

【0100】

【数3】

【0101】

【数4】

【0102】

【数5】

【0103】

式中のδ_ｘは、ツイストの舵角、すなわちツイスト角度α_ｔｗｉを表しており、δ_ｙは、昇降舵の舵角を表しており、δ_ｚは、方向舵の舵角を表している。Κ_Ｐは比例ゲインを表し、Κ_Ｉは積分ゲインを表し、Κ_Ｄは微分ゲインを表している。Κ_ｊは機体のジャイロモーメントを補正するためのゲインである。

【0104】

Ｙ_Ｂ軸及びＺ_Ｂ軸の制御には、右辺の第三項にプロペラジャイロ効果の影響を考慮した補正項を追加している。ω_ｘは、機体がＸ_Ｂ軸周りに高速で回転することは少ないため、十分小さいとして無視している。

【0105】

例えば、制御部２３０は、図１３に示すように、飛行体１００の現在位置と目標位置との誤差距離を用いて目標姿勢を計算する。そして、制御部２３０は、計算した目標姿勢を基に、ツイストアクチュエータ２１６、昇降舵アクチュエータ２２０、及び方向舵アクチュエータ２２２を制御して、飛行体１００の姿勢を制御する。なお、目標姿勢は、コマンドとして外部装置から指示されてもよい。

【0106】

［制御部の処理フロー］
以下、制御部２３０の一連の処理の流れをフローチャートを用いて説明する。図１４は、制御部２３０の一連の処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートの処理は、例えば、所定の周期で繰り返し行われてよい。

【0107】

まず、制御部２３０は、通信部２０２を介して外部装置からコマンドを取得する（ステップＳ１００）。コマンドには、例えば、飛行体１００の取るべき姿勢、すなわち目標姿勢ｑ_ｒが含まれる。

【0108】

次に、制御部２３０は、検出部２０４の検出結果をもとに、飛行体１００の現在姿勢ｑ_ｃを計算し、計算した現在姿勢ｑ_ｃと目標姿勢ｑ_ｒとの偏差ｑ_ｅを計算する（ステップＳ１０２）。偏差ｑ_ｅには、機体固定座標Ｘ_Ｂ、Ｙ_Ｂ、Ｚ_Ｂ軸に対応したクォータニオンｑ_{ｅｘ，ｅｙ，ｅｚ}が含まれる。

【0109】

次に、制御部２３０は、計算した偏差ｑ_ｅを基に、ツイストの舵角δ_ｘ、昇降舵の舵角δ_ｙ、方向舵の舵角δ_ｚを制御量として、ＰＩＤ制御によって計算する（ステップＳ１０４）。

【0110】

次に、制御部２３０は、計算した各舵角δ_ｘ、δ_ｙ、δ_ｚに基づく制御信号を各アクチュエータに送り、各アクチュエータを制御する（ステップＳ１０６）。これによって本フローチャートの処理が終了する。

【0111】

図１５は、飛行体１００の飛行の様子を模式的に示す図である。図示の例では、一定の高度で水平飛行している飛行体１００が着陸するときの様子を表している。図中Ｇは、目標とする着陸地点である。着陸地点Ｇは、一次元の点であってもよいし、二次元の面であってもよいし、三次元の立体的な空間であってもよい。

【0112】

例えば、時刻ｔ１の時点で、通信部２０２が、外部装置から飛行体１００を着陸させるためのコマンドを受信したとする。この場合、制御部２３０は、スイープアクチュエータ２１４を制御してモーフィング翼１４０をヨー軸Ｚ_Ｂ周りに回動させることで、モーフィング翼１４０を機体の前方に移動させる。これによって、飛行体１００の機首が上がる。
また、制御部２３０は、フォールドアクチュエータ２１８を制御してモーフィング翼１４０を更にピッチ軸Ｙ_Ｂ方向にモーフィング翼１４０を延伸させ、複数の風切羽１６０の長手方向同士のなす角度を大きくし、隙間を形成させる。また、制御部２３０は、昇降舵アクチュエータ２２０を制御して、飛行体１００の機首を上げる。これによって、飛行体１００は、時刻ｔ２、ｔ３、ｔ４のように、機体を持ち上げながら、９０度のピッチアップ状態へと遷移する。この結果、飛行体１００は、機体全体の抗力が大きくなるため、速やかに減速することができる。また、減速時に風切羽１６０の間に隙間を形成させるため、失速を抑制することができる。制御部２３０は、飛行体１００がピッチアップ状態となった場合、プロペラアクチュエータ２１２を制御して、飛行体１００をホバリングさせながら着陸地点Ｇに降下させる。

【0113】

以上説明した制御部の処理内容によれば、モーフィング翼１４０がピッチ軸Ｙ_Ｂ方向に延伸するのに応じて、そのモーフィング翼１４０の風切羽１６０同士のなす角度を大きくする。これによって、風切羽１６０の間に隙間が形成されるため、隙間に気流を逃がすことができ、失速を抑制することができる。この結果、飛行体１００の飛行性能を向上させることができる。

【0114】

また、上述した制御部の処理内容によれば、モーフィング翼１４０をピッチ軸Ｙ_Ｂ方向に伸縮させるリンク機構に加えて、更に、モーフィング翼１４０をヨー軸Ｚ_Ｂ周りに回動させ、モーフィング翼１４０を機体の前後方向に移動させるスイープ機構と、モーフィング翼１４０をピッチ軸Ｙ_Ｂ周りに回動させ、飛行体１００に対してモーフィング翼１４０を内旋または外旋させるツイスト機構とを有することで、モーフィング翼１４０の翼面積や形状の変化量を大きくすることができる。この結果、揚力やモーメントの変化が大きくなり、飛行体１００の機敏性を向上させることができる。

【0115】

なお、上述したモーフィング翼１４０は、スイープ動作、ツイスト動作、及びフォールド動作のそれぞれについて、両翼対称または非対称に行うことができる。また、モーフィング翼１４０は、飛行構造への適用だけでなく、風力または潮流発電プレードや、その他流体から力を受ける構造に適用可能である。

【0116】

＜制御の第２例＞
以下、制御の第２例について説明する。制御の第２例では、深層強化学習を用いて、飛行体１００の姿勢情報や速度などを基に、スイープ機構、ツイスト機構、及びリンク機構のそれぞれの制御量を決定する点で上述した第１実施形態と相違する。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明し、第１実施形態と共通する点については説明を省略する。なお、制御の第２例の説明において、第１実施形態と同じ部分については同一符号を付して説明する。

【0117】

深層強化学習の一つには、例えば、ＤＱＮ（Deep Q-Network）が含まれる。ＤＱＮとは、Ｑ学習と呼ばれる強化学習において、ある時刻ｔのある環境状態ｓ_ｔの下で、ある行動ａ_ｔを選択したときの価値を関数として表した行動価値関数Ｑ（ｓ_ｔ、ａ_ｔ）を、ニューラルネットワークに近似関数として学習させる手法である。

【0118】

図１６は、制御の第２例の飛行制御装置２００Ａの構成の一例を示す図である。制御の第２例の飛行制御装置２００Ａでは、記憶部２０６Ａにモデル情報３００が格納される。

【0119】

モデル情報３００は、Ｑ学習によって学習されたモデルＭＤＬを定義した情報（プログラムまたはデータ構造）である。モデルＭＤＬは、例えば、複数の畳み込み層と、それら複数の畳み込み層の出力結果を一つに統合する全結合層とを含むニューラルネットワークによって実現されてよい。

【0120】

モデル情報３００には、例えば、各ニューラルネットワークを構成する入力層、一以上の隠れ層（中間層）、出力層の其々に含まれるユニットが互いにどのように結合されるのかという結合情報や、結合されたユニット間で入出力されるデータに付与される結合係数などの各種情報が含まれる。結合情報とは、例えば、各層に含まれるユニット数や、各ユニットの結合先のユニットの種類を指定する情報、各ユニットを実現する活性化関数、隠れ層のユニット間に設けられたゲートなどの情報を含む。ユニットを実現する活性化関数は、例えば、正規化線形関数（ＲｅＬＵ関数）であってもよいし、シグモイド関数や、ステップ関数、その他の関数などであってもよい。ゲートは、例えば、活性化関数によって返される値（例えば１または０）に応じて、ユニット間で伝達されるデータを選択的に通過させたり、重み付けたりする。結合係数は、例えば、ニューラルネットワークの隠れ層において、ある層のユニットから、より深い層のユニットにデータが出力される際に、出力データに対して付与される重みを含む。また、結合係数は、各層の固有のバイアス成分などを含んでもよい。

【0121】

モデルＭＤＬは、例えば、状態変数ｓ_ｔが入力されると、行動価値Ｑ（ｓ_ｔ、ａ_ｔ）を出力するように学習される。

【0122】

状態変数ｓ_ｔは、例えば、上述した飛行体１００の現在姿勢ｑ_ｃや目標姿勢ｑ_ｒ、或いはそれらの偏差ｑ_ｅである。また、状態変数ｓ_ｔには、姿勢や偏差に代えて、或いは加えて、飛行体１００の速度などが含まれてよい。また、検出部２０４にひずみを検出する光ファイバセンサや圧力を検出する圧力センサが含まれている場合、状態変数ｓ_ｔには、それらセンサから取得可能なひずみや圧力が含まれてよい。ひずみや圧力を含む状態変数ｓ_ｔは、「変位情報」の一例である。

【0123】

行動ａ_ｔは、例えば、スイープ機構の制御量、ツイスト機構の制御量、リンク機構の制御量、プロペラ１１０の回転速度、昇降舵の舵角、方向舵の舵角などである。すなわち、行動ａ_ｔは、駆動部２１０の各アクチュエータの操作量である。また、行動ａ_ｔは、ＰＩＤ制御の比例ゲインΚＰや、積分ゲインΚＩ、微分ゲインΚＤ、補正ゲインΚｊであってもよい。また、行動ａ_ｔは、ＰＩＤ制御やホバリング制御といった種々の制御のうち、いずれの制御を行うのか、或いは行わないのか、といったことを表す指標値であってもよい。

【0124】

Ｑ学習は、例えば、モーフィング翼１４０やプロペラ１１０、昇降舵、方向舵が理想的な状態をとる場合に報酬を高くして、モデルＭＤＬの重みやバイアスを学習する。例えば、決められた着陸地点Ｇの上空において、飛行体１００の姿勢が９０度のピッチアップ姿勢であり、飛行体１００の速度が静止と見做せる程度の速度にあるときには報酬を高くしてよい。一方、飛行体１００が地面や木々に接触したり、決められていた高度から逸脱したりする状態にあるときには、報酬を低く（例えばゼロ）にしてよい。

【0125】

制御部２３０は、このように行動ａ_ｔに応じて報酬が与えられるように学習されたモデルＭＤＬに対して、飛行体１００の現在姿勢ｑ_ｃや目標姿勢ｑ_ｒなどを状態変数ｓ_ｔとして入力する。これら状態変数ｓ_ｔが入力されたモデルＭＤＬは、報酬が最も高くなりやすい各アクチュエータの操作量を行動価値Ｑ（ｓ_ｔ、ａ_ｔ）として出力する。

【0126】

制御部２３０は、モデルＭＤＬによって出力された各アクチュエータの操作量を基に、アクチュエータを制御することで、飛行体１００を飛行させる。

【0127】

以上説明した制御の第２例によれば、予めＱ学習によって学習されたモデルＭＤＬを利用して各アクチュエータを制御するため、鳥の飛行方法により近づけることできる。この結果、飛行体１００の機敏性を更に向上させることができる。

【0128】

また、上述した制御の第２例によれば、スイープ機構、ツイスト機構、及びリンク機構による飛行動作において、入力とその入力に対する応答としての運動との関係に大きな非線形性を伴うものの、非線形性のある環境下でも適した行動を出力できるようにモデルＭＤＬを学習させることができるため、従来制御では困難であった飛行方式を採用することができる。

【0129】

＜その他の実施形態（変形例）＞
以下、その他の実施形態（変形例）について説明する。上述した実施形態では、飛行体１００が、プロペラ１１０と、垂直尾翼１２０と、水平尾翼１３０と、モーフィング翼１４０と、飛行制御装置２００とを備えるものとして説明したがこれに限られない。例えば、飛行体１００は、プロペラ１１０、モーフィング翼１４０、及び飛行制御装置２００のみを備えてもよい。この場合、飛行制御装置２００は、ツイスト機構を駆動して、飛行体１００のロール軸Ｘ_Ｂの姿勢を制御したり、スイープ機構を駆動して、飛行体１００のピッチ軸Ｙ_Ｂの姿勢を制御したりしてよい。

【0130】

以上説明したように、本実施形態に係るモーフィング翼１４０によれば、前翼カバー１８０及び風切羽１６０が流線形である。これにより、空力性能を向上し、より飛行性能に優れたモーフィング翼１４０とすることができる。更に、リンク機構を格納した時、風切羽１６０が隣り合う風切羽１６０の内部に格納される。これにより、リンク機構を格納した時のモーフィング翼１４０の大きさを最小限にすることができる。よって、より運搬性を向上することができる。

【0131】

また、風切羽１６０は、初列リンク及び連結部材１５６又は前初列リンク１５４及び後初列リンクにおいてそれぞれ回動可能に取り付けられる。このように１つの風切羽１６０がリンク機構における二か所に取り付けられることで、風切羽１６０が不規則に動くことをリンク機構によって規制することができ、かつ、リンク機構によって風切羽１６０の位置及び向きを制御することができる。

【0132】

また、初列リンクに設けられる第１前翼カバー１８１と、次列リンク１５２に設けられる第２前翼カバー１８２と、を備える。これにより、前翼カバー１８０がリンク機構の展開及び格納に追従することができる。更に、第１前翼カバー１８１と第２前翼カバー１８２との間に設けられる第３前翼カバー１８３を備える。これにより、リンク機構が展開したとき、前翼カバー１８０に隙間が生じることを防ぐことができる。よって、モーフィング翼１４０まわりの空気の流れが乱れることを防ぐことができる。よって、より空力性能の向上に寄与することができる。

【0133】

また、リンク機構の展開時において、初列風切１６０ｗにおいて隣り合う風切羽１６０の長手方向同士がなす角度が、第１方向に位置する風切羽１６０の長手方向同士ほど大きい。言い換えれば、第２方向の側に位置する風切羽１６０ほど、隣り合う風切羽１６０の長手方向同士がなす角度が小さい。このことで、第２方向の側において風切羽１６０同士の間に隙間が生じて、揚力が低下することを防ぐことができる。
また、初列風切１６０ｗに位置する風切羽１６０は、第１方向の側に位置する風切羽１６０ほど、隣り合う風切羽１６０の長手方向同士がなす角度が大きい。よって、初列風切１６０ｗの第１方向側の端部に位置する風切羽１６０は、長手方向が第１方向の側に向き、短手方向が前方から後方に向かう方向に位置する。これにより、展開した状態におけるモーフィング翼全体の大きさを大きくすることができる。よって、より揚力を向上することができる。

【0134】

また、初列風切１６０ｗにおける風切羽１６０は、リンク機構が展開するのに応じて、連結部材１５６を介して連結された隣り合う風切羽１６０の長手方向とのなす角度が大きくなるように構成される。つまり、リンク機構が格納したときは、隣り合う風切羽１６０の長手方向とのなす角度は小さくなる。これにより、リンク機構が格納したときの初列風切１６０ｗの収まりをよくすることができる。よって、格納時のモーフィング翼１４０の全体の大きさを小さくし、運搬性の向上に寄与することができる。

【0135】

また、リンク機構の展開時において、第１方向の側の端部に位置する複数の風切羽１６０が、前方から後方に向けて流線形である。これにより、展開状態のモーフィング翼１４０について、揚力を最大限確保することができる。更に、隣り合う風切羽１６０との間に隙間を備える。これにより、前記隙間に気流を逃がすことで、翼の端部において発生する空気の流れの乱れを抑え、失速を防ぐことができる。よって、安定した飛行に寄与することができる。

【0136】

また、第１方向の側の端部に位置する複数の風切羽１６０が、弾性変形する。これにより、モーフィング翼１４０の展開時において、モーフィング翼１４０の端部における流れによって受ける力に対して受動的に変形する。これにより、翼の端部において発生する空気の流れの乱れを抑えることができる。よって、安定した飛行に寄与することができる。

【0137】

また、制御部２３０は、飛行体１００が着陸する際に、駆動部２１０を制御してリンク機構を第１方向に延伸させる。これにより、着陸時における飛行体１００の揚力を確保し、安定した着陸に寄与することができる。

【0138】

また、飛行の制御に深層強化学習を用いる。これにより、飛行現場の環境に応じた飛行制御を行うことで、より効率的かつ安全に飛行することができる。

【0139】

また、飛行の制御にモーフィング翼１４０のひずみ又は圧力のうち少なくとも一方を含む変位情報を用いる。飛行体１００の姿勢が変化する前に、モーフィング翼１４０の変位情報を取得して制御を行うことで、より制御を機敏に行うことができる。よって、より機動性の向上に寄与することができる。

【0140】

また、飛行体１００が着陸する際に、リンク機構を伸縮させる駆動部２１０を制御してリンク機構を延伸させる。これにより、より鳥に近い飛行及び着陸を行うことができる。

【0141】

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、モーフィング翼１４０は、ＵＡＶや旅客機など、あらゆる飛行翼構造へ適用してよい。
飛行体１００における推力装置は、プロペラ１１０に限らない。例えば、ジェットエンジン等を用いてもよい。
次列風切１７０ｗにおける風切羽１６０は、隣り合う風切羽１６０と略平行に位置すると記載したが、これに限らない。次列風切１７０ｗにおける風切羽１６０は、モーフィング翼１４０全体の風切羽１６０の位置関係を考慮した上で、初列風切１６０ｗと同様に隣り合う風切羽１６０に対して角度を有していてもよい。この場合は、第２方向の側に位置する風切羽１６０ほど、前後方向に近い向きとなるようにすることが好ましい。

【0142】

その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

【符号の説明】

【0143】

１００ 飛行体
１４０ モーフィング翼
１５２ 次列リンク
１５２ａ 前次列リンク
１５２ｂ 後次列リンク
１５４ 前初列リンク
１６０ 風切羽
１６０ｗ 初列風切
１７０ｗ 次列風切
１８０ 前翼カバー
１８１ 第１前翼カバー
１８２ 第２前翼カバー
１８３ 第３前翼カバー
２００ 飛行制御装置
２００Ａ 飛行制御装置
２１０ 駆動部
２３０ 制御部
ＭＤＬ モデル

【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】

【図14】

【図15】

【図16】