JP6425466B2 - 飛行装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のロータを用いた飛行装置に関するものである。

下記において、右肩の［ｎ］は、明細書末尾の参考文献番号を示す。

近年、マルチロータを用いた飛行体（以下単に「マルチロータ」と略称することがある）に関する研究が盛んに行われている^[1]。しかし、その殆どは不変な機体構造を持つため、それ自身のサイズより小さい隙間を通過することは困難である。

マルチロータの応用として災害現場での自動探索が挙げられる。災害現場では、半開きの扉や、傾いた壁などにより、狭隘な飛行経路が存在すると予想される。マルチロータ自身の形状よりも小さい隙間を通過するのは、剛構造の躯体を持つ機体にとっては非常に難しいと考えられる。

過去には、機体自身を縦方向に傾かせることによって、隙間を高速で通過するという研究^[2]がなされた。しかしながら、複数ロータの回転軸が平行となっているマルチロータにとっては、縦方向に傾くのは非常に不安定な状態であり、安定した飛行は難しいと考えられる。

そこで、本発明者らは、蛇のように隙間を潜り抜けるという動作に着目し、機体を水平状態に保ちながら、縦長の隙間を通過する方法について考察した。その結果、水平面上で変形できる多節リンク構造を持つマルチロータによりこの問題を解決しうるとの知見を得た。特に、本発明者らは、4つのプロペラを有するクワッドロータの多節リンク構造と飛行制御の研究に取り組んだ。

従来は、地上および水中で移動する多節リンク構造を持つロボットの研究が多くなされてきたが、空中での試みは行われてこなかった。本発明者らは、プロペラを中央に内蔵しているリンクを、回転軸方向が統一したサーボモータでつなぎ、2次元平面上で変形できるマルチロータの構成法について研究した。特に本研究においては4つのプロペラから構成される3関節を持つクワッドロータの実現を目指した。

ところで、機体構造が不変であるマルチロータに関する研究自体は従前から存在する。その中でも、Oungら^[3]は、シングルプロペラモジュールが任意の数で地上で合体し、任意の形を空中で保ちながら定位飛行する研究を行ってきた。この研究において、任意の2次元形状下で水平を保つための姿勢制御理論が述べられているが、空中での変形が飛行制御にもたらす影響については言及していない。

本発明者らは、機体構造不変であるクワッドロータの姿勢および位置の制御理論^[4]を元に、空中変形を伴う機体の飛行制御を実現可能であるという知見も得た。

本発明は、前記した知見に基づいてなされたものである。本発明の目的は、フレーム（構造体）を変形させることによって、狭隘な空間でも安定して通過することが可能な飛行装置を提供することである。

前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。

（項目１）
フレームと、揚力生成部とを備えた飛行装置であって、
前記フレームは、Ｍ≧２であるＭ個のリンクと、これらのリンクどうしを接続する可動のジョイント部とを備えており、
前記揚力生成部は、Ｎ≧２であるＮ個のロータを備えており、
前記Ｍ個のリンクには、それぞれ、少なくとも一つの前記ロータが取り付けられており、
前記揚力生成部は、ロータにより、少なくとも前記フレームを鉛直方向に上昇させる揚力を発生する構成となっており、
前記Ｍ個のリンクは、前記フレームが飛行している間に、前記リンク間の連結角度を、前記ジョイント部を介して変化させることができる構成となっている
飛行装置。

（項目２）
前記ロータは、プロペラと、回転軸とを備えており、
前記回転軸は、前記リンクに取り付けられており、
前記プロペラは、前記回転軸を中心に回転することによって、前記リンクに対して揚力を発生させる構成となっている
項目１に記載の飛行装置。

（項目３）
前記Ｍ及びＮは４以上の整数であり、
前記ジョイント部は、このジョイント部における前記リンクどうしの接続角度を変化させるジョイント駆動部を備えており、
前記ロータの回転軸は、鉛直方向にそって配置されており、
かつ、前記回転軸どうしは平行とされており、
前記リンクは、水平面内において、前記ジョイント部を介して回動可能となっている
項目２に記載の飛行装置。

（項目４）
前記揚力生成部は、前記ロータの回転軸の角度を変更するためのチルト機構を備えている
項目２に記載の飛行装置。

（項目５）
前記揚力生成部は、前記プロペラのピッチを変更する可変ピッチ機構を備えている
項目２又は４に記載の飛行装置。

（項目６）
前記Ｎ個のロータは、全体として少なくとも３自由度での姿勢角制御が可能な構成となっている
項目１〜５のいずれか１項に記載の飛行装置。

（項目７）
項目１〜６のいずれか１項に記載の飛行装置を制御する方法であって、
前記ロータの回転軸が一直線上に並ぶ状態、又はそれに近い状態を検出した場合には、そのような状態を避けるように、前記リンク間の接続角度を制御するステップを備える
制御方法。

本発明に係る飛行装置によれば、主要な構造体であるフレームを変形させることによって、狭隘な空間でも安定して通過することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る飛行装置の平面図である。 図１の飛行装置を構成する一つのリンクのみを取り出した状態での斜視図である。 図２に相当する動作説明図である。 図１の飛行装置において、姿勢を変化させた状態を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る飛行装置の平面図である。 図５の飛行装置において、姿勢を変化させた状態を示す説明図である。 本発明の第３実施形態に係る飛行装置において、図２に相当する箇所の斜視図である。 飛行装置の具体的な実施例を説明するための、ノーマルモードにおける物理モデルの説明図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の一実施形態に係る飛行装置を、添付の図面を参照しながら説明する。

本発明の飛行装置は、フレーム１と、揚力生成部（ロータ）２とを備えており、コントローラ３によって全体的な制御を行う構成となっている（図１参照）。

フレーム１は、Ｍ≧２であるＭ個のリンク１１と、これらのリンク１１どうしを接続する可動のジョイント部１２とを備えている。ここで、本実施形態では、リンク１１の個数は４となっている。以降の説明では、リンク全体を参照するときは符号１１を用い、個別のリンクに対しては１１１〜１１Ｍのように添え字を付することで識別する。

リンク１１は、本実施形態では、一方向に延長された長尺状とされている。また、本実施形態のリンク１１としては、剛性のある材質が用いられている。ただし、リンクの形状及び材質は、主に飛行制御の容易性により決定されるので、飛行が可能であれば、特に制約されない。

本実施形態のリンク１１は、水平面内において、ジョイント部１２を介して回動可能となっている。つまり、本実施例におけるリンク１１の回動軸線は、鉛直方向に延びている。

ジョイント部１２は、各リンク間を、相対的に回動可能な状態で接続する要素である。これにより、Ｍ個のリンク１１は、フレーム１が飛行している間に、リンク間の連結角度を、ジョイント部１２を介して変化させることができる構成となっている。なお、本実施形態の説明では、複数のジョイント部に対して全体として符号１２を用いる。

より具体的には、本実施形態のジョイント部１２は、このジョイント部１２におけるリンク１１どうしの接続角度を変化させるジョイント駆動部１２１を備えている（図２参照）。ジョイント駆動部１２１としては、例えば、コントローラ３によって回転角度を制御できるサーボモータを用いることができる。

図２では、リンク１１の一端側（図２において左端側）にジョイント駆動部１２１としてのサーボモータが記載されている。このジョイント駆動部１２１は、隣接する別のリンク１１の端部に形成されたジョイント部１２に接続されるようになっている。図２におけるリンク１１の右端には、別のリンク１１におけるジョイント駆動部１２１に接続されるジョイント部１２が記載されている。

本実施形態の揚力生成部２は、Ｎ≧４であるＮ個のロータ２１を備えている。より具体的には、本実施形態の揚力生成部２は、４個のロータ２１を備えている。なお、本実施形態の説明においては、複数のロータ全体をロータ２１と称し、個別のロータを参照するときは符号２１１〜２１Ｎのように添え字を用いる。

本実施形態における各ロータ２１は、プロペラ２２と、回転軸２３とを備えている（図２参照）。

各回転軸２３は、各リンク１１にそれぞれ取り付けられている。本実施形態における各ロータ２１の回転軸は、鉛直方向に沿って配置されており、かつ、回転軸どうしは相互に平行とされている。したがって、本実施形態におけるプロペラ２２の回転面は、ほぼ水平面に沿うものとなっている。

より詳しくは、本実施形態における各回転軸２３には、回転軸２３を回転駆動させるための回転モータ２３１が取り付けられている。この実施形態における回転モータ２３１の底面は、リンク１１の上面に固定されており、回転軸２３は、回転モータ２３１を介してリンク１１に取り付けられている。もちろん、回転モータ２３１の取付形態に特に制約はない。

本実施形態における各回転軸２３は、隣接する回転軸２３との間で、回転方向が異なるように設定されている。この点は、いわゆるマルチロータにおける従来の飛行制御と同様なので、詳しい説明は省略する。

プロペラ２２は、回転軸２３を中心に回転することによって、リンク１１に対して揚力を発生させる構成となっている。

本実施形態では、４個のリンク１１のそれぞれに、１個のロータ２１が取り付けられている（図１参照）。

本実施形態の揚力生成部２は、ロータ２１により、フレーム１を少なくとも鉛直方向に上昇させる揚力を発生する構成となっている。ここで、本実施形態における４個のロータは、ロータ全体として少なくとも３自由度での姿勢角制御が可能な構成となっている。

コントローラ３は、ジョイント部１２におけるジョイント駆動部１２１と、回転軸２３における回転モータ２３１との回転制御を行うことができる構成となっている。コントローラ３は、例えばＰＣと適宜なプログラムとの組み合わせにより構成することができる。ここで、本実施形態の飛行装置では、フレーム１の位置／姿勢を計測するセンサ（図示せず）をさらに備えており、そのセンサの出力を元に、コントローラ３が制御指令を生成する構成となっている。位置／姿勢センサとしては、例えば、
・三軸ジャイロセンサと三軸加速度センサとを用いた慣性計測装置；
・外部から飛行装置の位置や姿勢を特定できる、いわゆるモーションキャプチャ装置；
・フレーム自体に搭載されて、自己位置を推定できるカメラ
のいずれか又はその組み合わせを用いることができる。他のセンサ（例えばフレームに取り付けられる地磁気センサ）を用いることも可能である。

コントローラ３と各制御対象やセンサとの接続は、有線でも無線でもよい。

コントローラ３における制御の具体例については、後述の実施例において説明する。

（第１実施形態の動作）
次に、前記した第１実施形態に係る飛行装置の動作を、図３及び図４をさらに参照しながら説明する。

まず、初期姿勢として、特に制約されないが、例えば図１のような状態を考える。この状態で、コントローラ３からの指令により、各ロータ２１を回転させる（図３参照）。これにより、本実施形態では、上方（図１において紙面に対して上方）への揚力を発生させ、フレーム１と揚力生成部２とを含めた全体を上昇させることができる。

本実施形態の飛行装置では、ジョイント部１２のジョイント駆動部１２１を、コントローラ３からの制御指令によって駆動することができる。これにより、例えば、図４に示すようなリンク配置をとることができる。

本実施形態では、飛行装置が通過すべき幅が狭いときには、リンク配置を適宜に変更することにより、飛行装置自体の幅を狭くすることができる。このため、本実施形態では、安定な飛行を維持しつつ、災害現場のような狭隘な場所での飛行が容易になるという利点がある。したがって、この飛行装置によれば、例えば飛行空間が狭い災害現場での、空中からの情報収集を行うこともできる。

ここで、本実施形態の飛行装置では、四つのロータ２１を持つことにより３自由度、ジョイント部１２でリンク１１（つまりロータ２１）を水平面内で回動可能とすることによって１自由度の飛行制御（つまり推力ベクトルの制御）が可能となる。このため、この装置によれば、ほぼ同じ姿勢（水平姿勢）を保ちつつ、飛行が可能になるという利点がある。

また、本実施形態の飛行装置によれば、リンク１１の位置を変化させることにより、リンク間で物を挟むことが可能になる。したがって、本実施形態の装置は、物を運ぶ用途にも利用可能である。

なお、第１実施形態では、ロータ２１の回転軸２３が一直線上に並ぶと、制御できる自由度が一つ減り、制御不能になる恐れがある。このような姿勢を特異姿勢と呼ぶ。そこで、この実施形態のコントローラ３は、ロータ２１の回転軸２３が一直線上に並ぶ状態、又はそれに近い状態を検出した場合には、そのような状態を避けるように、ジョイント駆動部１２１を駆動して、リンク間の接続角度を制御するようにすることが好ましい。これは、リンク間の回動角を検出するなどの適宜な手段により実現できる。これにより、飛行装置が特異姿勢をとることを未然に防止して、飛行の安全を向上させることができる。

また、前記実施形態では、リンク数を４としたが、１リンクに少なくとも１ロータが取り付けられていることを前提にすれば、リンク数の最小個数は２となる。たとえば、第１のリンクに２個又は３個のロータ、第２のリンクに２個又は１個のロータを配置することは可能である。

（第２実施形態）
つぎに、図５及び図６を参照して、本発明の第２実施形態に係る飛行装置を説明する。この第２実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、重複する記載を避ける。

前記した第１実施形態では、４個のリンク１１（リンク１１１〜１１４）を用いてフレームを構成していた。これに対して、この第２実施形態では、６個のリンク１１（リンク１１１〜１１６）を用いてフレームを構成する。また、本実施形態では、ロータ２１の数も、６個となっており、リンク数とロータ数とが同じとなっている。

第２実施形態の飛行装置においても、図６に示すように、飛行姿勢を変化させることができ、狭隘な場所の通過が容易になるという利点がある。

第２実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。

（第３実施形態）
つぎに、図７を参照して、本発明の第３実施形態に係る飛行装置を説明する。この第３実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、重複する記載を避ける。

前記した第１実施形態では、プロペラ２２の回転軸２３の方向は一定であった。これに対して、第３実施形態では、チルト機構２４により、回転軸２３の方向を変化させることができるようになっている。具体的には、本実施形態のチルト機構２４は、第１の軸（リンク両端のジョイント部１２どうしを接続する方向の軸）に沿う回転軸２４１と、これに交差（直交）する軸に沿う回転軸２４２とを備えるジンバル機構（図７参照）となっている。また、本実施形態では、コントローラ３によって、これらの軸２４１及び２４２を中心として所望の角度に回転制御することができるようになっている。

また、第３実施形態では、プロペラ２２のピッチ角度（傾斜角度）を変化させる可変ピッチ機構２５が取り付けられている。本実施形態では、コントローラ３からの制御指令に基づいて、可変ピッチ機構２５により、プロペラ２２のピッチ角を制御できるようになっている。可変ピッチ機構２５は、プロペラ２２による排気の方向を変化させることができるので、プロペラ２２によって得られる推進力の方向を変化させるという制御を行うことができる。

第３実施形態によれば、一つのロータ２１自体で制御できる自由度が３となるので、飛行に必要な最小のロータの数を減らすことができるという利点がある。１リンクに１ロータであることを前提とすると、最小のロータ数は、この実施形態では、２となる。

また、第３実施形態では、一つのロータで制御できる自由度が多いので、第１実施形態におけるようなジョイント駆動部１２１を省略することができる。ただし、この場合でも、ジョイント部１２において自由な回動を行えることが好ましい。

さらに、第３実施形態では、チルト機構２４を備えるので、第１実施形態で説明した特異姿勢を持たないという利点もある。

また、第３実施形態のように構成すると、リンク１１を立体的に変形させることも可能になる。

なお、図７の例では、ジョイント部１２における回動軸の方向を、リンクの一端と他端とで異ならせており、図示例では直交配置としている。

第３実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。

（実施例）
以下、第１実施形態の構成を前提とした具体的な実施例について説明する。

実施例におけるジョイント駆動部（サーボモータ）１２１の可動範囲は−９０°〜＋９０°である。すべてのサーボモータの回転軸方向は同じであるため、多節リンク１１は2次元平面内で変形する。なお、各リンクの長さは480[mm]であり、重さは380[g]とした。

また、機体の姿勢に関しては、IMUボード（慣性計測装置）をフレームの中央付近に設置し、その点での3自由度の姿勢(roll, pitch, yaw)を推定する。本例の多節リンクは2次元平面でしか変形できないため、IMUボードで推定したrollとpitchの値はフレーム１全体のものとみなす。

本実施例では、機体構造不変であるクワッドロータの飛行制御理論^[4]を元に、空中変形を伴う飛行制御を実現する。

（姿勢制御）
図８に示されている飛行装置（以下クワッドロータ」と称する）の形態をノーマルモードと呼び、このときの関節角度は全て９０°となっている。本実施例では、−４５°≦θ_１≦９０°、−４５≦θ₃≦９０°の範囲内で関節角度を変化させることが空中での姿勢制御にどのような影響を及ぼすかについて論じる。文献[4]に述べられた制御理論により、ノーマルモードにおけるクワッドロータの回転運動モデルは式1で記述できる。

なお、ノーマルモードにおいては、

及び
I_xy = I_xz = I_yz = 0 が成立する。

−４５°≦θ_１≦９０°、−４５≦θ₃≦９０°の条件下で変形する場合、I_xyが０にならないことがあるが、I_xx, I_yyの方が支配的であるため、I_xy≒0とみなせる。また、

であるため、

と近似する。よって、空中変形時の姿勢は式2のようなPID制御器を用いて制
御することができる。

（位置制御）
クワッドロータの並進運動モデルは式3となる。

本実施例において、多節リンクは

という前提条件の元でゆっくりと変形していくため、変形時も、多節リンク全体を一つの剛体とみなせる。よって、定位制御に関しては、式4のようなPID制御器を用いることができる。

なお、本発明の内容は、前記各実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。

例えば、前記ジョイント部としては、リンク部材どうしの位置関係を変更させることができ、かつ、制御可能な機構ないし材質であれば、さまざまなものを用いることができる。

（本明細書中で引用した参照文献一覧）
[1] Vijay Kumar and Nathan Michael. Opportunities and challenges with autonomous micro aerial vehicles.
Vol. 31, pp. 1279 {1291, 2012.
[2] D. Mellinger and V. Kumar. Minimum snap trajectory generation and control for quadrotors. In Robotics and Automation (ICRA), 2011 IEEE International Conference on, pp. 2520{2525, May 2011.
[3] R. Oung, F. Bourgault, M. Donovan, and R. D'Andrea. The distributed flight array. In Robotics and Automation (ICRA), 2010 IEEE International Conference on, pp. 601{607, May 2010.
[4] S. Bouabdallah and R. Siegwart. Full control of a quadrotor. In Intelligent Robots and Systems, 2007. IROS 2007. IEEE/RSJ International Conference on, pp. 153{158, Oct 2007.

１ フレーム
１１ リンク
１２ ジョイント部
１２１ ジョイント駆動部
２ 揚力生成部
２１ ロータ
２２ プロペラ
２３ 回転軸
２３１ 回転モータ
２４ チルト機構
２４１・２４２ チルト機構の回転軸
２５ 可変ピッチ機構
３ コントローラ

Claims (7)

1. フレームと、揚力生成部とを備えた飛行装置であって、
   前記フレームは、Ｍ≧２であるＭ個のリンクと、これらのリンクの端部どうしを接続して、前記Ｍ個のリンク全体として直列リンク構造とする可動のジョイント部とを備えており、
   前記揚力生成部は、Ｎ≧２であるＮ個のロータを備えており、
   前記Ｍ個のリンクには、それぞれ、少なくとも一つの前記ロータが取り付けられており、
   前記揚力生成部は、ロータにより、少なくとも前記フレームを鉛直方向に上昇させる揚力を発生する構成となっており、
   前記Ｍ個のリンクは、前記フレームが飛行している間に、前記リンク間の連結角度を、前記ジョイント部を介して変化させることができる構成となっており、
   前記ジョイント部は、少なくとも一つの、鉛直方向に配置された回動軸を有しており、これによって、前記Ｍ個のリンクどうしは、前記ジョイント部を中心として、少なくとも水平面内で回動できるようになっている
   飛行装置。
2. 前記ロータは、プロペラと、回転軸とを備えており、
   前記回転軸は、前記リンクに取り付けられており、
   前記プロペラは、前記回転軸を中心に回転することによって、前記リンクに対して揚力を発生させる構成となっている
   請求項１に記載の飛行装置。
3. 前記Ｍ及びＮは４以上の整数であり、
   前記ジョイント部は、このジョイント部における前記リンクどうしの接続角度を変化させるジョイント駆動部を備えており、
   前記ロータの回転軸は、鉛直方向にそって配置されており、
   かつ、前記回転軸どうしは平行とされている
   請求項２に記載の飛行装置。
4. 前記揚力生成部は、前記ロータの回転軸の角度を変更するためのチルト機構を備えている
   請求項２に記載の飛行装置。
5. 前記揚力生成部は、前記プロペラのピッチを変更する可変ピッチ機構を備えている
   請求項２又は４に記載の飛行装置。
6. 前記Ｎ個のロータは、全体として少なくとも３自由度での姿勢角制御が可能な構成となっている
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の飛行装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の飛行装置を制御する方法であって、
   前記ロータの回転軸が一直線上に並ぶ状態、又はそれに近い状態を検出した場合には、そのような状態を避けるように、前記リンク間の接続角度を制御するステップを備える
   制御方法。

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