二重反転回転翼機
【課題】大きな前進推力で水平方向に移動することができ、しかも、前進飛行する場合の飛行安定性が優れた二重反転回転翼機を提供する。
【解決手段】上方と下方とが開口し側方が全周にわたってダクト２１で囲われた機体本体１１と、機体本体から上方に延びる主回転軸２７に沿って同軸上に支持され、主回転軸の回りを互いに反対方向に回転する上部メインロータ２２および下部メインロータ２３を備えた二重反転回転翼機１０であって、機尾側ダクト２１ａから後方に向けて延設される垂直尾翼４１と、垂直尾翼の上端に取り付けられ、上方に延びる副回転軸により支持されるピッチングプロペラ４２と、垂直尾翼の左右両側の側面に取り付けられる傾斜尾翼４４とを備える。
【解決手段】上方と下方とが開口し側方が全周にわたってダクト２１で囲われた機体本体１１と、機体本体から上方に延びる主回転軸２７に沿って同軸上に支持され、主回転軸の回りを互いに反対方向に回転する上部メインロータ２２および下部メインロータ２３を備えた二重反転回転翼機１０であって、機尾側ダクト２１ａから後方に向けて延設される垂直尾翼４１と、垂直尾翼の上端に取り付けられ、上方に延びる副回転軸により支持されるピッチングプロペラ４２と、垂直尾翼の左右両側の側面に取り付けられる傾斜尾翼４４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸に沿って同軸上に配設され、互いに反対方向に回転する上下２つのメインロータで飛行する二重反転回転翼機に関し、さらに詳細には、風の影響を受ける環境でも安定して飛行させることができる無人用の小型二重反転回転翼機に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型回転翼機は、固定翼機に比べて離着陸の際に広い面積を必要としない点やホバリング（空中停止）が可能である点等の優れた利点があり、ホビー用のラジコンヘリコプタのみならず、上空からの観測等を目的とした無人航空機（ＵＡＶ（Unmanned Aerial Vehicle））として利用されている。
従来から利用されている小型回転翼機の基本構造としては、機体上部に設けた単一のメインロータと、メインロータの回転により発生する機体水平方向（ヨー方向）のトルクを打ち消し、機首の方向制御を行う垂直ロータとを有するシングルロータ型のヘリコプタが一般的である。
【０００３】
シングルロータ型ヘリコプタは、メインロータおよび機尾の垂直ロータ（テールロータ）の制御が比較的容易であるという特徴を有しているが、飛翔中は常時、揚力の発生に寄与しない垂直ロータにエンジン出力の一部を供給しなければならない。また、垂直ロータが回転する範囲は、機体の比較的低い位置まで含まれることから、離着陸時に機体のバランスを崩して機尾が下がってしまうと、垂直ロータが地面や地上の物体に接触してしまう危険性がある。
【０００４】
これに対し、基本構造が異なる小型回転翼機のひとつとして、互いに反対方向に回転する上部メインロータと下部メインロータとを、同軸上に配することにより、これら２つのメインロータの回転で強い揚力を発生するとともに、ヨー方向のトルクの相殺を同時に実現し、これにより垂直ロータを不要にした二重反転回転翼機が開発されている。二重反転回転翼機は、シングルロータ型と比べて、同一揚力を得るためのロータ直径を小さくすることができる。
【０００５】
その一方で、二重反転回転翼機では、垂直ロータが存在しないことから、垂直ロータ以外で機首の方向制御を行わなければならない。そのため、例えば、上下のメインロータそれぞれにロータブレードのピッチ角調整機構（スワッシュプレート）を設け、上下２つのメインロータのブレードのピッチ角を同時に逆方向に変化させ、揚力の総和を一定に保ちながら水平方向のトルクのバランスを崩すことにより、方向制御を行うことが開示されている（特許文献１参照）。
【０００６】
また、二重反転回転翼を配したインドア用のヘリコプタにおいて、安定したホバリング性能、操縦の安全性を確保することを目的として、二重反転回転翼の上部メインロータに連動するスタビライザバーを備えたヘリコプタが開示されている（特許文献２参照）。すなわち、マスト（ロータ回転軸）に取り付けられた上部メインロータと、マストの上端にマストに対して傾動自在に取り付けられ、上部メインロータのブレード傾動機構に対してリンクロッドを介して適宜な交差角度をなすように連結され、上部メインロータと連動して回転するように取り付けられたスタビライザバーとを備えたものが開示されている（特許文献２参照）。
【０００７】
図７は、スタビライザバーによる姿勢安定化作用を説明する模式図である。機体が水平姿勢でホバリングしているとき、図７（ａ）に示すように、スタビライザバー１０１は、遠心力が働くことにより、回転面が水平になるように回転している。スタビライザバー１０１には、慣性モーメントが大きくなるようにバー両端に錘１０２が取り付けてあり、その結果、スタビライザバー１０１の回転面は、水平を維持しようとする傾向が強くなっている。何らかの理由で機体が傾斜すると、図７（ｂ）に示すように、水平状態を維持しようとするスタビライザバー１０１の回転面に対し、上部メインロータ１０３（および下部メインロータ１０４）の回転面は機体とともに傾くようになるが、このときリンクロッド１０５が作動して上部メインロータ１０３を傾け、これによりスタビライザバー１０１と上部メインロータ１０３とが平行になるように戻そうとするサイクリックピッチが上部メインロータに入力されるようにしてある。すなわち、外部からの電気的な制御信号による積極的なコントロールを行わずに、スタビライザバーに働く遠心力によって、機械的に上部メインロータに対し、上部メインロータの回転面を水平に戻そうとする作用を生じさせるようにしている。
したがって、外的要因で機体が傾いた場合にスタビライザバー１０１は水平を保ち、スタビライザバー１０１に対して傾いた上部メインロータ１０３が機体の姿勢を水平に修正するような修正陀としての機能を発揮して、機体を水平姿勢に戻すような復元力が発生するようにしてある。
【０００８】
また、上下２つの水平回転翼の下方に、２つの回転翼によって生じる下降流を受ける投影面積が調整自在の面積調整手段の制御によって、上昇、前進などの操作ができる遠隔操作の自在な無人小型飛翔体が開示されている（特許文献３参照）。
この発明では、さらに、２つの水平回転翼（メインロータ）の回転軸に対し、軸対称の筒を、水平回転翼（メインロータ）を覆うカバーとして備えるようにすることも開示されている。すなわち、二重反転式の水平回転翼を有した飛翔体に、水平回転翼の側面を覆うカバーを設けることで、従来のヘリコプタのように構造が複雑にならずに、安全に運転することが可能になることが開示されている。
【特許文献１】特開平１−１０１２９７号公報
【特許文献２】特許第３７２３８２０号公報
【特許文献３】特開平１１−１１５８９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
二重反転回転翼を用いた構造の小型回転翼機は、様々な分野において潜在的な需要があるものの、これまで、あまり利用されることはなかった。その大きな理由は、風等の抵抗の影響を受ける環境では、安定かつ制御性のよい飛行を行うことが困難であったことによる。一般に、飛翔体は小型化するほど、風等による抵抗の影響を強く受け、所望の位置に移動したり、一定位置にホバリング（空中停止）したりするための制御をすることが困難になる。
【００１０】
特に、小型二重反転回転翼機では、自重に対する上向き推力、風等の抵抗に対抗する推力、姿勢制御するためのモーメント発生の３つの役割を二重反転回転翼が担わなければならない。しかしながら、二重反転回転翼機の構造上、二重反転回転翼の回転により生じる推力は、水平方向に向かう推力に比べて垂直上方に向かう推力の比がはるかに大きい。二重反転回転翼に取付けられたブレードのピッチ角を制御し、いわゆるサイクルピッチを与えることで、水平方向の推力を発生させることができるが、サイクルピッチによって生じる推力だけでは、横風の抵抗に十分に打ち勝つことはできない。そのため、機体が風に流されてしまうこととなった。したがって、小型の二重反転回転翼機は、風の影響の少ないインドアでの利用等に制約されていた。
【００１１】
また、これまでの二重反転回転翼機は、もともと大きな推力で前進飛行することがないため、前進飛行中の機体の姿勢を考慮して機体の安定化を図ることは特になされていなかった。
例えば、特許文献２では、スタビライザバーによる姿勢安定化がなされているが、これは機体が傾斜したときに水平に戻すための安定化であり、前進飛行中の機体の姿勢に対する安定を目的とするものではなく、むしろホバリング状態で最適な姿勢安定性を得ることを目的としたものである。
【００１２】
そこで、本発明は二重反転回転翼機であっても、これまでのものに比べて十分に大きな前進推力で水平方向に移動することができ、風の影響を受ける環境でも、風に流されることなく、風に対抗しつつ所望の方向や位置に飛行することができ、しかも、前進飛行する場合の飛行安定性が優れた二重反転回転翼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】
【００１３】
上記課題を解決するためになされた本発明の二重反転回転翼機は、上方と下方とが開口し側方が全周にわたってダクトで囲われた機体本体と、機体本体から上方に延びる主回転軸に沿って同軸上に支持され、主回転軸の回りを互いに反対方向に回転する上部メインロータおよび下部メインロータを備えた二重反転回転翼機であって、機尾側ダクトから後方に向けて延設される垂直尾翼と、垂直尾翼の上端に取り付けられ、上方に延びる副回転軸により支持されるピッチングプロペラと、垂直尾翼の左右両側の側面に取り付けられる傾斜尾翼とを備えるようにしている。
【００１４】
ここで、機体本体の側方を全周にわたって覆うダクトは、上部メインロータおよび下部メインロータ（以下、これら２つを合わせて二重反転ロータともいう）が回転するときに、二重反転ロータに対してダクトが接触しないように取り付けてあればよい。具体的には、二重反転ロータの下部メインロータ、あるいは、上下２つのメインロータがダクト内に収納されるように配置する場合は、ダクト内径がロータの回転半径より大きくなるように構成される。また、上下２つのメインロータがダクトより上側に配置する場合は、ダクト径と同じかダクト径より大きくしてもよい。
【００１５】
本発明によれば、ピッチングプロペラの回転により、機尾を上げ、機首を下げるピッチングモーメント（頭下げモーメント）を発生させる。これにより、機体は前方に傾斜するようになり、上下２つのメインロータ（二重反転ロータともいう）による上向き推力（揚力）は、その一部が、水平方向の推力となる。この水平方向の推力により、機体は大きな推力で前進飛行する。前進飛行中は、機尾側ダクトから後方に向けて延設される垂直尾翼により、前進飛行中のロール方向の安定化が図られ、まっすぐに飛行するのを助ける。
【００１６】
一方、垂直尾翼の左右両側の側面には傾斜尾翼が取り付けてあり、傾斜尾翼は所定の前傾姿勢で機体が飛行するときに、水平面となるように取り付けてある。ここでいう所定の前傾姿勢とは、飛行中の基準姿勢として設定した前傾姿勢であり、原則として、この前傾姿勢で前進飛行を行うようにしている。傾斜尾翼の翼面が水平になるようにして飛行することにより、機体のピッチ方向の安定化が図られ、まっすぐに飛行するのを助ける。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、二重反転回転翼による大きな推力の一部を直接利用して、水平方向の推力としているので、これまでの二重反転回転翼機に比べて、十分に大きな前進推力で水平方向に機体を移動することができ、前進飛行中に垂直尾翼と傾斜尾翼とが、ピッチ方向およびロール方向の安定化作用を奏することにより、ダクトの存在で風の抵抗を受けやすい機体構造であっても安定した飛行を行うことができる。
【００１８】
（他の課題を解決するための手段および効果）
上記発明において、傾斜尾翼の取付け角が水平面に対し−３０度〜−６０度であり、機体が飛行するときに傾斜尾翼が水平状態になるようにピッチングプロペラの回転速度が設定されるようにしてもよい。
前傾姿勢が水平面に対し−３０度〜−６０度とすることにより、飛翔するための上向き推力と前進するための水平方向の推力とがバランスよく配分できるので、安定に前進飛行させることができる。
【００１９】
上記発明において、傾斜尾翼は、水平面に対する角度を調整する傾斜角度調整機構を備え、機体の傾斜角度に応じて、傾斜尾翼の角度が調整されるようにしてもよい。
本発明によれば、機体の前傾角度に応じて、傾斜角度調整機構が角度調整し、飛行中の傾斜尾翼が水平になるように制御する。これにより、前傾角度によらず、安定した飛行を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施例は、一例にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形実施することが可能である。
【００２１】
（機体構造）
図１は、本発明の一実施形態である小型二重反転回転翼機の機体構造を示す斜視図であり、図２はその正面図（説明の便宜上、ダクトの一部を破断して示す）である。
この小型二重反転回転翼機１０は、主に、制御機器、駆動機構を搭載しダクト２１で囲まれた機体本体１１と、機体本体１１の上方に配置され、上部メインロータ２２、下部メインロータ２３、スタビライザバー２４を有する回転翼機構１２と、機体本体１１の機尾側ダクト２１ａの後方に配設される垂直尾翼４１およびピッチングプロペラ４２を有する後部機構１３とから構成される。
【００２２】
機体本体１１は円筒状のダクト２１で側面全周が囲まれるとともに、機体本体１１の上面と下面とが開口になっている。このダクト２１は、できるだけ機体重量を軽くするために、例えば薄い肉厚の発泡スチロールを使用している。ダクト２１の外径は、上下２つのメインロータの回転半径とほぼ等しい大きさにしてあり、機体の占有面積に対する推力比が、できるだけ大きくなるようにしてある。ダクト２１は、二重反転回転翼機構１２により発生した下降流を整流して、上向き推力（揚力）を制御しやすくするとともに、離着陸の際に二重反転回転翼機構１２が人体や地上の物体と接触するのを防ぐ役割を果たす。さらに、ダクト２１はこれら以外に、スタビライザバー２４による姿勢制御作用に関係して、重要な役割を果たすが、これについては後述する。
【００２３】
機体本体１１中心（ダクト２１の中心軸線上）には、内軸２５および外軸２６からなる同軸形状の主回転軸２７が、フレーム１４および図示しない軸受けによって回転可能に支持されている。
【００２４】
内軸２５は、その下端側で、ダクト２１内に取り付けられたモータ２８からの回転動力がギヤ２９を介して伝達されるようにしてある。内軸２５の上端より少し下側では、上部メインロータ２２の一対のブレード２２ａが、ブレード傾動機構２２ｂを介して軸支されるようにしてあり、モータ２８の駆動により、一方向（正方向とする）の回転が行われるようにしてある。また、内軸２５の上端には、スタビライザバー２４が傾動自在に軸支されている。このスタビライザバー２４の両端には、錘が取り付けてあり、これによりスタビライザバー２４の慣性モーメントが大きくなるようにしてある。
【００２５】
スタビライザバー２４と上部メインロータ２２のブレード傾動機構２２ｂとは、リンクロッド３１で連結してある。このリンクロッド３１は、姿勢制御作用を奏するためのものであり、スタビライザバー２４と上部メインロータ２２とが適宜な交差角度を保つようにして回転するようにしてある。ここでいう適宜な交差角度は、機体本体１１の径、上部メインロータ２２の長さ、スタビライザバー２４の錘の重量等との関係で定められるものであり、実測により最適な値に設定されるが、機能的には、ホバリング状態（空中停止状態）で機体に外力が作用し、機体が傾斜したときに機体の姿勢が水平に復元するようなサイクリックピッチが入力されて復元力が生じるような交差角度である。
【００２６】
ここで、姿勢制御作用について説明する。スタビライザバー２４および上部メインロータ２２は、ピッチングプロペラ４２と、ダクト２１との組み合わせによる姿勢制御により、機体を進行方向に傾斜させた状態で姿勢安定効果が発揮されるようにしてある。すなわち、図５に示すように、前進飛行時に、ダクト２１の円筒面に風の抵抗力Ｎが作用することにより生じる機体重心Ｇ周りの頭下げモーメントＭ１およびピッチングプロペラ４２による頭下げモーメントＭ３と、スタビライザバー２４、リンクロッド３１、上部メインロータ２２による機体を水平姿勢に戻そうとする重心Ｇ周りの復元モーメントＭ２の作用とがバランスすることにより、機体が傾斜した状態で安定に前進飛行できるようになっている。
【００２７】
外軸２６は、その下端側で、ダクト２１内に取り付けられたモータ３２からの回転動力がギヤ３３を介して伝達されるようにしてある。外軸２６の上端では、下部メインロータ２３の一対のブレード２３ａがブレード傾動機構２３ｂを介して軸支されるようにしてあり、モータ３２の駆動により上部メインロータ２２とは反対方向（逆方向とする）の回転が行われるようにしてある。
【００２８】
また、機体本体１１内（ダクト２１内）には、下部メインロータ２３のブレード２３ａに、機体の移動方向制御のためのサイクリックピッチを入力するための２つのサーボモータ３４、３５が設けられている。下部メインロータ２３に与えるサイクリックピッチは、これらのサーボモータによって動かされる図示しないロッドを介して入力される。なお、これら主回転軸２７（内軸２５、外軸２６）、上部メインロータ２２、下部メインロータ２３、スタビライザバー２４、リンクロッド３１等を含む回転翼機構１２のメカニカルな構成部分は、例えば、ヒロボー社製ＸＲＢ機（ラジコンヘリコプタ）のものを利用することができる。
【００２９】
さらに機体本体１１には、上記以外に各種センサ、具体的には、気圧測定により機体高度を測定する高度計３７、衛星からのＧＰＳ信号により位置情報を得るＧＰＳセンサ３８ａ（ＧＰＳ受信機）、地磁気測定により機体の向きを測定する方位センサ３８ｂ、さらには、制御装置３９、バッテリ４０、および、操縦信号を受信するラジコン受信機４６が取り付けられている。
【００３０】
機体本体１１の機尾側ダクト２１ａには、後方に向けて垂直尾翼４１が固定してある。また、垂直尾翼４１の上端には、上部メインロータ２２および下部メインロータ２３と接触しない位置で、これらと平行に回転する小さなピッチングプロペラ４２および駆動モータ４３が取り付けられている。このピッチングプロペラ４２は、機体本体１１に対して機尾側を持ち上げるピッチングモーメント（頭下げモーメント）を与えることにより、機体本体１１を前方に傾斜させ、上部メインロータ２２、下部メインロータ２３による上向き推力の一部を、前進用の推力として利用できるようにしてある。
【００３１】
また、垂直尾翼４１の左右両側面には一対の傾斜尾翼４４が取り付けられている。この傾斜尾翼４４は、ピッチングプロペラ４２の作動により、機尾側を持ち上げ、機首側を下げた前傾状態で機体が前進飛行するときに、傾斜尾翼４４の翼面がほぼ水平状態になるように傾斜角を設定してある。なお、飛行中の機体の前傾状態は、ピッチングプロペラの回転速度に応じて変化するので、予め、基準となる前進飛行速度を設定し、そのときのピッチングプロペラの回転速度に応じて傾斜尾翼の取付け角度を設定する。
本実施例の機体では、２ｍ／ｓの前進飛行速度での飛行を基準に設定し、このときの機体の前傾角度が水平面から４５度前傾した状態になるので、傾斜尾翼は、傾斜角が−４５度になるように取り付けてある。
なお、前進飛行速度を少し遅くするときは機体の前傾角を浅くし、前進飛行速度を少し速くするときは機体の前傾角を深くする。具体的には、３０度〜６０度の間で適当な角度に設定する。そして、取付け角もこれに合わせて−３０度〜−６０度の間で設定する。
【００３２】
（制御系）
次に、小型二重反転回転翼機１０の制御系について説明する。図３は、小型二重反転回転翼機１０の制御系の構成、および、制御系を構成する各部の入出力制御信号を説明するための機能ブロック図である。また、図４は制御に用いる測定データや算出データの関係を説明する図である。
【００３３】
制御系は、機体本体１１内に搭載された制御装置３９からの制御信号により誘導制御を行うマイコン制御系Ａの他に、回転翼機構１２のスタビライザバー２４、リンクロッド３１の働きによるメカニカルな連携動作により、機体の姿勢制御を行うメカニカル制御系Ｂを有している。
【００３４】
図３に示すように、小型二重反転回転翼機１０のマイコン制御系Ａは、各種演算、処理を実行するマイコン（ＣＰＵ）３９ａおよび必要な情報を記憶するメモリ３９ｂからなる制御装置３９と、高度計３７と、ＧＰＳセンサ３８ａと、方位センサ３８ｂと、操縦者が手動で（すなわちラジコン送信機４７の操作で）機体を操縦するときに、操縦信号を受信するラジコン受信機４６とにより構成される。一方、メカニカル制御系Ｂはスタビライザバー２４と、リンクロッド３１と、上部メインロータ２２とにより構成され、さらにダクト２１がメカニカル制御系Ｂに関係する。
【００３５】
マイコン制御系Ａのマイコン３９ａおよびメモリ３９ｂが実行する処理や機能を機能ブロックごとに説明すると、メモリ３９ｂは目標地点情報記憶部６１を備え、マイコン３９ａは現在地点検出部５１、水平変位算出部５２、現在高度検出部５３、垂直変位算出部５４、ロータ制御部５５とを備えている。
【００３６】
目標地点情報記憶部６１は、機体を到達させようとする目標地点Ｐの空間座標として、経度、緯度、高度からなる空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を記憶する。このうち経度（Ｘ座標）と緯度（Ｙ座標）とが空間座標の水平成分であり、高度（Ｚ座標）が高度成分である。なお、この空間座標の設定は、図示しないパーソナルコンピュータと制御装置３９とを接続してキーボードからの入力操作により行うことができるようにしてある。
【００３７】
現在地点検出部５１は、ＧＰＳセンサ３８ａにより受信したＧＰＳ信号により、現在、機体が存在する位置Ｑ（現在地点Ｑという）の経度、緯度、高度からなる空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）を検出する。
水平変位算出部５２は、目標地点Ｐの座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の水平成分である（Ｘ，Ｙ）と、現在地点Ｑの座標（ｘ，ｙ，ｚ）の水平成分である（ｘ，ｙ）とに基づいて、機体を移動させようとする水平方向の目標方位（θ）および目標地点までの水平距離（Ｌ）を算出する演算を行う。
【００３８】
現在高度検出部５３は、高度計３７により測定した高度信号により、現在、機体が存在する現在高度（ｚ）を検出する。なお、現在高度は、ＧＰＳセンサ３８ａから得ることもできるが、精度や信頼性の観点からＧＰＳセンサ３８ａとは別に設けた高度計３７からの高度情報を用いる方がより好ましい。
垂直変位算出部５４は、目標地点Ｐの座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の高度成分である（Ｚ）と、現在地点Ｑの座標（ｘ，ｙ，ｚ）の高度成分である（ｚ）とに基づいて、目標地点までの高度差（Ｈ）を算出する演算を行う。
【００３９】
ロータ制御部５５は、算出された水平方向の目標方位（θ）、目標地点までの水平距離（Ｌ）、目標地点までの高度差（Ｈ）のデータおよび方位センサで求めた現在の機首方位（ψ）に基づいて、高度コマンド、ヨー角コマンド、水平位置コマンド（前進速度コマンド）を生成し、さらに高度計３７、ＧＰＳセンサ３８ａ、方位センサ３８ｂから時々刻々送られてくる信号を検出して、各コマンドを更新するフィードバック制御を行うことにより、上部メインロータ２２の回転速度、下部メインロータ２３の回転速度、ピッチングプロペラ４２の回転速度、下部メインロータ２３に入力するサイクリックピッチ（縦フラップのためのサイクリックピッチ）を適宜制御することにより、機体高度の制御、機体進行方向の制御、機体水平位置（風のないときは水平位置とともに機体前進速度）の制御を行う。
【００４０】
以上が、マイコン制御系Ａによる誘導制御であるが、スタビライザバー２４によるメカニカル制御系Ｂを備えた機体では、機体の旋回に対する制御を追加的に実行するようにしている。
すなわち、前進飛行のためにピッチングプロペラ４２が作動し、さらにダクト２１が前方から風の抵抗を受けることにより、機体は水平状態から前傾状態になるので、メカニカル制御系Ｂが作用し、図６で説明したように、スタビライザバー２４がリンクロッド３１を介して上部メインロータ２２にサイクリックピッチを入力するようになる。これにより機体の姿勢を、傾斜状態から水平状態に戻そうとする方向の復元モーメントが別途に働くようになる。その結果、マイコン制御系Ａによる機体を傾斜させようとする作用と、メカニカル制御系Ｂによる水平状態に復元しようとする作用とが競合するようになり、これらがバランスして、機体を少し傾斜させた状態で前進飛行が行われることになる。
【００４１】
ところで、メカニカル制御系Ｂを構成するスタビライザバー２４とリンクロッド３１と上部メインロータ２２との関係は、既述のように、機体が傾斜したとき、これを水平状態に戻すような復元モーメントが生じるようにサイクリックピッチが入力されるようにしてあり、ホバリング状態（空中停止状態）のときに、水平に維持されるように設計されている。そのため、マイコン制御系Ａとメカニカル制御系Ｂとが競合し、機体が傾斜した状態でバランスを保ちつつ前進飛行するときには、必ずしも安定した前進飛行を行わせるためのサイクリックピッチが、上部メインロータ２２に与えられるようには設計されておらず、むしろ、不完全なサイクリックピッチが入力されるようになってしまっている。具体的には、傾斜状態での前進飛行時に、スタビライザバー２４およびリンクロッド３１が上部メインロータ２２に入力されるサイクリックピッチは、前進飛行の推力の増加とともに、機体を一方向に旋回させる作用が増大するようになる。この旋回方向は、スタビライザバー２４がリンクロッド３１により連結されている上部メインロータ２２の回転方向やリンクロッド３１の取り付け方等の条件により、右旋回か左旋回かのいずれかに決定されるが、ここでは、便宜上、左旋回するものとする。
したがって、マイコン制御系Ａのロータ制御部５５は、上述した誘導制御に加えて、機体を傾斜させた状態で前進飛行する際に生じる左旋回を打ち消すために、下部メインロータ２３に入力するサイクリックピッチ（横フラップのためのサイクリックピッチ）によりローリングモーメントの制御を行い、さらに、上部メインロータと下部メインロータとの回転速度を変化させてヨー方向のトルクを発生することによりヨーイングモーメントの制御を行うことにより、左旋回とバランスする右旋回を与える制御が付加されるようにしている。
【００４２】
（飛行動作）
次に、小型二重反転回転翼機１０の飛行動作について説明する。
予め目標地点Ｐの座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を入力して、制御をスタートさせると、制御装置３９により時々刻々発生する高度コマンド、ヨー角コマンド、水平位置コマンドにより、上部メインロータ２２の回転速度、下部メインロータ２３の回転速度、ピッチングプロペラ４２の回転速度、下部メインロータ２３に入力するサイクリックピッチ（縦フラップおよび横フラップのためのサイクリックピッチ）を制御することにより、機体の方向を目標地点Ｐに向けて飛行する。このとき、機体は約４５度前傾しながら前進飛行する。これにより傾斜尾翼は、ほぼ水平状態になりながら飛行することになる。
このとき、傾斜尾翼４４と垂直尾翼４１との存在により、機体が前進飛行する際のピッチ方向、ロール方向安定性が改善されるようになる。
【００４３】
（変形実施例）
上記実施形態では、傾斜尾翼は、垂直尾翼に固定されていたが、機体本体１１内に機体の傾斜角を測定するセンサ（ジャイロセンサ）を設け、機体の前傾角度に応じて傾斜尾翼の角度が常に水平面と平行になるようにする傾斜角調整機構を備えるようにしてもよい。このようにすれば、機体の前傾姿勢に応じて、傾斜尾翼の角度を最適な値に維持することができ、機体の前傾角度によらず、安定な前進飛行を実現することができるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、無人用の二重反転回転翼機に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態である二重反転回転翼機の斜視図。
【図２】本発明の一実施形態である二重反転回転翼機の構成を示す正面図（ダクトの一部を破断して中を示している）。
【図３】制御系の構成を示すブロック構成図、および、制御系を構成する各部で入出力される制御信号を説明するための機能ブロック図。
【図４】制御に必要な測定データや算出データの関係を説明する図。
【図５】スタビライザバーとダクトによる姿勢制御作用を説明する図。
【図６】スタビライザバーによる姿勢制御作用を説明する図。
【符号の説明】
【００４６】
１０： 小型二重反転回転翼機
１１： 機体本体
１２： 回転翼機構
１３： 後部機構
２１： ダクト
２２： 上部メインロータ
２３： 下部メインロータ
２４： スタビライザバー
２５： 内軸
２６： 外軸
２７： 主回転軸
３１： リンクロッド
３７： 高度計
３８ａ： ＧＰＳセンサ
３８ｂ： 方位センサ
３９： 制御装置
４１： 垂直尾翼
４２： ピッチングプロペラ
４４： 傾斜尾翼
５１： 現在地点検出部
５２： 水平変位算出部
５３： 現在高度検出部
５４： 垂直変位算出部
５５： ロータ制御部
６１： 目標地点情報記憶部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸に沿って同軸上に配設され、互いに反対方向に回転する上下２つのメインロータで飛行する二重反転回転翼機に関し、さらに詳細には、風の影響を受ける環境でも安定して飛行させることができる無人用の小型二重反転回転翼機に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型回転翼機は、固定翼機に比べて離着陸の際に広い面積を必要としない点やホバリング（空中停止）が可能である点等の優れた利点があり、ホビー用のラジコンヘリコプタのみならず、上空からの観測等を目的とした無人航空機（ＵＡＶ（Unmanned Aerial Vehicle））として利用されている。
従来から利用されている小型回転翼機の基本構造としては、機体上部に設けた単一のメインロータと、メインロータの回転により発生する機体水平方向（ヨー方向）のトルクを打ち消し、機首の方向制御を行う垂直ロータとを有するシングルロータ型のヘリコプタが一般的である。
【０００３】
シングルロータ型ヘリコプタは、メインロータおよび機尾の垂直ロータ（テールロータ）の制御が比較的容易であるという特徴を有しているが、飛翔中は常時、揚力の発生に寄与しない垂直ロータにエンジン出力の一部を供給しなければならない。また、垂直ロータが回転する範囲は、機体の比較的低い位置まで含まれることから、離着陸時に機体のバランスを崩して機尾が下がってしまうと、垂直ロータが地面や地上の物体に接触してしまう危険性がある。
【０００４】
これに対し、基本構造が異なる小型回転翼機のひとつとして、互いに反対方向に回転する上部メインロータと下部メインロータとを、同軸上に配することにより、これら２つのメインロータの回転で強い揚力を発生するとともに、ヨー方向のトルクの相殺を同時に実現し、これにより垂直ロータを不要にした二重反転回転翼機が開発されている。二重反転回転翼機は、シングルロータ型と比べて、同一揚力を得るためのロータ直径を小さくすることができる。
【０００５】
その一方で、二重反転回転翼機では、垂直ロータが存在しないことから、垂直ロータ以外で機首の方向制御を行わなければならない。そのため、例えば、上下のメインロータそれぞれにロータブレードのピッチ角調整機構（スワッシュプレート）を設け、上下２つのメインロータのブレードのピッチ角を同時に逆方向に変化させ、揚力の総和を一定に保ちながら水平方向のトルクのバランスを崩すことにより、方向制御を行うことが開示されている（特許文献１参照）。
【０００６】
また、二重反転回転翼を配したインドア用のヘリコプタにおいて、安定したホバリング性能、操縦の安全性を確保することを目的として、二重反転回転翼の上部メインロータに連動するスタビライザバーを備えたヘリコプタが開示されている（特許文献２参照）。すなわち、マスト（ロータ回転軸）に取り付けられた上部メインロータと、マストの上端にマストに対して傾動自在に取り付けられ、上部メインロータのブレード傾動機構に対してリンクロッドを介して適宜な交差角度をなすように連結され、上部メインロータと連動して回転するように取り付けられたスタビライザバーとを備えたものが開示されている（特許文献２参照）。
【０００７】
図７は、スタビライザバーによる姿勢安定化作用を説明する模式図である。機体が水平姿勢でホバリングしているとき、図７（ａ）に示すように、スタビライザバー１０１は、遠心力が働くことにより、回転面が水平になるように回転している。スタビライザバー１０１には、慣性モーメントが大きくなるようにバー両端に錘１０２が取り付けてあり、その結果、スタビライザバー１０１の回転面は、水平を維持しようとする傾向が強くなっている。何らかの理由で機体が傾斜すると、図７（ｂ）に示すように、水平状態を維持しようとするスタビライザバー１０１の回転面に対し、上部メインロータ１０３（および下部メインロータ１０４）の回転面は機体とともに傾くようになるが、このときリンクロッド１０５が作動して上部メインロータ１０３を傾け、これによりスタビライザバー１０１と上部メインロータ１０３とが平行になるように戻そうとするサイクリックピッチが上部メインロータに入力されるようにしてある。すなわち、外部からの電気的な制御信号による積極的なコントロールを行わずに、スタビライザバーに働く遠心力によって、機械的に上部メインロータに対し、上部メインロータの回転面を水平に戻そうとする作用を生じさせるようにしている。
したがって、外的要因で機体が傾いた場合にスタビライザバー１０１は水平を保ち、スタビライザバー１０１に対して傾いた上部メインロータ１０３が機体の姿勢を水平に修正するような修正陀としての機能を発揮して、機体を水平姿勢に戻すような復元力が発生するようにしてある。
【０００８】
また、上下２つの水平回転翼の下方に、２つの回転翼によって生じる下降流を受ける投影面積が調整自在の面積調整手段の制御によって、上昇、前進などの操作ができる遠隔操作の自在な無人小型飛翔体が開示されている（特許文献３参照）。
この発明では、さらに、２つの水平回転翼（メインロータ）の回転軸に対し、軸対称の筒を、水平回転翼（メインロータ）を覆うカバーとして備えるようにすることも開示されている。すなわち、二重反転式の水平回転翼を有した飛翔体に、水平回転翼の側面を覆うカバーを設けることで、従来のヘリコプタのように構造が複雑にならずに、安全に運転することが可能になることが開示されている。
【特許文献１】特開平１−１０１２９７号公報
【特許文献２】特許第３７２３８２０号公報
【特許文献３】特開平１１−１１５８９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
二重反転回転翼を用いた構造の小型回転翼機は、様々な分野において潜在的な需要があるものの、これまで、あまり利用されることはなかった。その大きな理由は、風等の抵抗の影響を受ける環境では、安定かつ制御性のよい飛行を行うことが困難であったことによる。一般に、飛翔体は小型化するほど、風等による抵抗の影響を強く受け、所望の位置に移動したり、一定位置にホバリング（空中停止）したりするための制御をすることが困難になる。
【００１０】
特に、小型二重反転回転翼機では、自重に対する上向き推力、風等の抵抗に対抗する推力、姿勢制御するためのモーメント発生の３つの役割を二重反転回転翼が担わなければならない。しかしながら、二重反転回転翼機の構造上、二重反転回転翼の回転により生じる推力は、水平方向に向かう推力に比べて垂直上方に向かう推力の比がはるかに大きい。二重反転回転翼に取付けられたブレードのピッチ角を制御し、いわゆるサイクルピッチを与えることで、水平方向の推力を発生させることができるが、サイクルピッチによって生じる推力だけでは、横風の抵抗に十分に打ち勝つことはできない。そのため、機体が風に流されてしまうこととなった。したがって、小型の二重反転回転翼機は、風の影響の少ないインドアでの利用等に制約されていた。
【００１１】
また、これまでの二重反転回転翼機は、もともと大きな推力で前進飛行することがないため、前進飛行中の機体の姿勢を考慮して機体の安定化を図ることは特になされていなかった。
例えば、特許文献２では、スタビライザバーによる姿勢安定化がなされているが、これは機体が傾斜したときに水平に戻すための安定化であり、前進飛行中の機体の姿勢に対する安定を目的とするものではなく、むしろホバリング状態で最適な姿勢安定性を得ることを目的としたものである。
【００１２】
そこで、本発明は二重反転回転翼機であっても、これまでのものに比べて十分に大きな前進推力で水平方向に移動することができ、風の影響を受ける環境でも、風に流されることなく、風に対抗しつつ所望の方向や位置に飛行することができ、しかも、前進飛行する場合の飛行安定性が優れた二重反転回転翼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】
【００１３】
上記課題を解決するためになされた本発明の二重反転回転翼機は、上方と下方とが開口し側方が全周にわたってダクトで囲われた機体本体と、機体本体から上方に延びる主回転軸に沿って同軸上に支持され、主回転軸の回りを互いに反対方向に回転する上部メインロータおよび下部メインロータを備えた二重反転回転翼機であって、機尾側ダクトから後方に向けて延設される垂直尾翼と、垂直尾翼の上端に取り付けられ、上方に延びる副回転軸により支持されるピッチングプロペラと、垂直尾翼の左右両側の側面に取り付けられる傾斜尾翼とを備えるようにしている。
【００１４】
ここで、機体本体の側方を全周にわたって覆うダクトは、上部メインロータおよび下部メインロータ（以下、これら２つを合わせて二重反転ロータともいう）が回転するときに、二重反転ロータに対してダクトが接触しないように取り付けてあればよい。具体的には、二重反転ロータの下部メインロータ、あるいは、上下２つのメインロータがダクト内に収納されるように配置する場合は、ダクト内径がロータの回転半径より大きくなるように構成される。また、上下２つのメインロータがダクトより上側に配置する場合は、ダクト径と同じかダクト径より大きくしてもよい。
【００１５】
本発明によれば、ピッチングプロペラの回転により、機尾を上げ、機首を下げるピッチングモーメント（頭下げモーメント）を発生させる。これにより、機体は前方に傾斜するようになり、上下２つのメインロータ（二重反転ロータともいう）による上向き推力（揚力）は、その一部が、水平方向の推力となる。この水平方向の推力により、機体は大きな推力で前進飛行する。前進飛行中は、機尾側ダクトから後方に向けて延設される垂直尾翼により、前進飛行中のロール方向の安定化が図られ、まっすぐに飛行するのを助ける。
【００１６】
一方、垂直尾翼の左右両側の側面には傾斜尾翼が取り付けてあり、傾斜尾翼は所定の前傾姿勢で機体が飛行するときに、水平面となるように取り付けてある。ここでいう所定の前傾姿勢とは、飛行中の基準姿勢として設定した前傾姿勢であり、原則として、この前傾姿勢で前進飛行を行うようにしている。傾斜尾翼の翼面が水平になるようにして飛行することにより、機体のピッチ方向の安定化が図られ、まっすぐに飛行するのを助ける。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、二重反転回転翼による大きな推力の一部を直接利用して、水平方向の推力としているので、これまでの二重反転回転翼機に比べて、十分に大きな前進推力で水平方向に機体を移動することができ、前進飛行中に垂直尾翼と傾斜尾翼とが、ピッチ方向およびロール方向の安定化作用を奏することにより、ダクトの存在で風の抵抗を受けやすい機体構造であっても安定した飛行を行うことができる。
【００１８】
（他の課題を解決するための手段および効果）
上記発明において、傾斜尾翼の取付け角が水平面に対し−３０度〜−６０度であり、機体が飛行するときに傾斜尾翼が水平状態になるようにピッチングプロペラの回転速度が設定されるようにしてもよい。
前傾姿勢が水平面に対し−３０度〜−６０度とすることにより、飛翔するための上向き推力と前進するための水平方向の推力とがバランスよく配分できるので、安定に前進飛行させることができる。
【００１９】
上記発明において、傾斜尾翼は、水平面に対する角度を調整する傾斜角度調整機構を備え、機体の傾斜角度に応じて、傾斜尾翼の角度が調整されるようにしてもよい。
本発明によれば、機体の前傾角度に応じて、傾斜角度調整機構が角度調整し、飛行中の傾斜尾翼が水平になるように制御する。これにより、前傾角度によらず、安定した飛行を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施例は、一例にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形実施することが可能である。
【００２１】
（機体構造）
図１は、本発明の一実施形態である小型二重反転回転翼機の機体構造を示す斜視図であり、図２はその正面図（説明の便宜上、ダクトの一部を破断して示す）である。
この小型二重反転回転翼機１０は、主に、制御機器、駆動機構を搭載しダクト２１で囲まれた機体本体１１と、機体本体１１の上方に配置され、上部メインロータ２２、下部メインロータ２３、スタビライザバー２４を有する回転翼機構１２と、機体本体１１の機尾側ダクト２１ａの後方に配設される垂直尾翼４１およびピッチングプロペラ４２を有する後部機構１３とから構成される。
【００２２】
機体本体１１は円筒状のダクト２１で側面全周が囲まれるとともに、機体本体１１の上面と下面とが開口になっている。このダクト２１は、できるだけ機体重量を軽くするために、例えば薄い肉厚の発泡スチロールを使用している。ダクト２１の外径は、上下２つのメインロータの回転半径とほぼ等しい大きさにしてあり、機体の占有面積に対する推力比が、できるだけ大きくなるようにしてある。ダクト２１は、二重反転回転翼機構１２により発生した下降流を整流して、上向き推力（揚力）を制御しやすくするとともに、離着陸の際に二重反転回転翼機構１２が人体や地上の物体と接触するのを防ぐ役割を果たす。さらに、ダクト２１はこれら以外に、スタビライザバー２４による姿勢制御作用に関係して、重要な役割を果たすが、これについては後述する。
【００２３】
機体本体１１中心（ダクト２１の中心軸線上）には、内軸２５および外軸２６からなる同軸形状の主回転軸２７が、フレーム１４および図示しない軸受けによって回転可能に支持されている。
【００２４】
内軸２５は、その下端側で、ダクト２１内に取り付けられたモータ２８からの回転動力がギヤ２９を介して伝達されるようにしてある。内軸２５の上端より少し下側では、上部メインロータ２２の一対のブレード２２ａが、ブレード傾動機構２２ｂを介して軸支されるようにしてあり、モータ２８の駆動により、一方向（正方向とする）の回転が行われるようにしてある。また、内軸２５の上端には、スタビライザバー２４が傾動自在に軸支されている。このスタビライザバー２４の両端には、錘が取り付けてあり、これによりスタビライザバー２４の慣性モーメントが大きくなるようにしてある。
【００２５】
スタビライザバー２４と上部メインロータ２２のブレード傾動機構２２ｂとは、リンクロッド３１で連結してある。このリンクロッド３１は、姿勢制御作用を奏するためのものであり、スタビライザバー２４と上部メインロータ２２とが適宜な交差角度を保つようにして回転するようにしてある。ここでいう適宜な交差角度は、機体本体１１の径、上部メインロータ２２の長さ、スタビライザバー２４の錘の重量等との関係で定められるものであり、実測により最適な値に設定されるが、機能的には、ホバリング状態（空中停止状態）で機体に外力が作用し、機体が傾斜したときに機体の姿勢が水平に復元するようなサイクリックピッチが入力されて復元力が生じるような交差角度である。
【００２６】
ここで、姿勢制御作用について説明する。スタビライザバー２４および上部メインロータ２２は、ピッチングプロペラ４２と、ダクト２１との組み合わせによる姿勢制御により、機体を進行方向に傾斜させた状態で姿勢安定効果が発揮されるようにしてある。すなわち、図５に示すように、前進飛行時に、ダクト２１の円筒面に風の抵抗力Ｎが作用することにより生じる機体重心Ｇ周りの頭下げモーメントＭ１およびピッチングプロペラ４２による頭下げモーメントＭ３と、スタビライザバー２４、リンクロッド３１、上部メインロータ２２による機体を水平姿勢に戻そうとする重心Ｇ周りの復元モーメントＭ２の作用とがバランスすることにより、機体が傾斜した状態で安定に前進飛行できるようになっている。
【００２７】
外軸２６は、その下端側で、ダクト２１内に取り付けられたモータ３２からの回転動力がギヤ３３を介して伝達されるようにしてある。外軸２６の上端では、下部メインロータ２３の一対のブレード２３ａがブレード傾動機構２３ｂを介して軸支されるようにしてあり、モータ３２の駆動により上部メインロータ２２とは反対方向（逆方向とする）の回転が行われるようにしてある。
【００２８】
また、機体本体１１内（ダクト２１内）には、下部メインロータ２３のブレード２３ａに、機体の移動方向制御のためのサイクリックピッチを入力するための２つのサーボモータ３４、３５が設けられている。下部メインロータ２３に与えるサイクリックピッチは、これらのサーボモータによって動かされる図示しないロッドを介して入力される。なお、これら主回転軸２７（内軸２５、外軸２６）、上部メインロータ２２、下部メインロータ２３、スタビライザバー２４、リンクロッド３１等を含む回転翼機構１２のメカニカルな構成部分は、例えば、ヒロボー社製ＸＲＢ機（ラジコンヘリコプタ）のものを利用することができる。
【００２９】
さらに機体本体１１には、上記以外に各種センサ、具体的には、気圧測定により機体高度を測定する高度計３７、衛星からのＧＰＳ信号により位置情報を得るＧＰＳセンサ３８ａ（ＧＰＳ受信機）、地磁気測定により機体の向きを測定する方位センサ３８ｂ、さらには、制御装置３９、バッテリ４０、および、操縦信号を受信するラジコン受信機４６が取り付けられている。
【００３０】
機体本体１１の機尾側ダクト２１ａには、後方に向けて垂直尾翼４１が固定してある。また、垂直尾翼４１の上端には、上部メインロータ２２および下部メインロータ２３と接触しない位置で、これらと平行に回転する小さなピッチングプロペラ４２および駆動モータ４３が取り付けられている。このピッチングプロペラ４２は、機体本体１１に対して機尾側を持ち上げるピッチングモーメント（頭下げモーメント）を与えることにより、機体本体１１を前方に傾斜させ、上部メインロータ２２、下部メインロータ２３による上向き推力の一部を、前進用の推力として利用できるようにしてある。
【００３１】
また、垂直尾翼４１の左右両側面には一対の傾斜尾翼４４が取り付けられている。この傾斜尾翼４４は、ピッチングプロペラ４２の作動により、機尾側を持ち上げ、機首側を下げた前傾状態で機体が前進飛行するときに、傾斜尾翼４４の翼面がほぼ水平状態になるように傾斜角を設定してある。なお、飛行中の機体の前傾状態は、ピッチングプロペラの回転速度に応じて変化するので、予め、基準となる前進飛行速度を設定し、そのときのピッチングプロペラの回転速度に応じて傾斜尾翼の取付け角度を設定する。
本実施例の機体では、２ｍ／ｓの前進飛行速度での飛行を基準に設定し、このときの機体の前傾角度が水平面から４５度前傾した状態になるので、傾斜尾翼は、傾斜角が−４５度になるように取り付けてある。
なお、前進飛行速度を少し遅くするときは機体の前傾角を浅くし、前進飛行速度を少し速くするときは機体の前傾角を深くする。具体的には、３０度〜６０度の間で適当な角度に設定する。そして、取付け角もこれに合わせて−３０度〜−６０度の間で設定する。
【００３２】
（制御系）
次に、小型二重反転回転翼機１０の制御系について説明する。図３は、小型二重反転回転翼機１０の制御系の構成、および、制御系を構成する各部の入出力制御信号を説明するための機能ブロック図である。また、図４は制御に用いる測定データや算出データの関係を説明する図である。
【００３３】
制御系は、機体本体１１内に搭載された制御装置３９からの制御信号により誘導制御を行うマイコン制御系Ａの他に、回転翼機構１２のスタビライザバー２４、リンクロッド３１の働きによるメカニカルな連携動作により、機体の姿勢制御を行うメカニカル制御系Ｂを有している。
【００３４】
図３に示すように、小型二重反転回転翼機１０のマイコン制御系Ａは、各種演算、処理を実行するマイコン（ＣＰＵ）３９ａおよび必要な情報を記憶するメモリ３９ｂからなる制御装置３９と、高度計３７と、ＧＰＳセンサ３８ａと、方位センサ３８ｂと、操縦者が手動で（すなわちラジコン送信機４７の操作で）機体を操縦するときに、操縦信号を受信するラジコン受信機４６とにより構成される。一方、メカニカル制御系Ｂはスタビライザバー２４と、リンクロッド３１と、上部メインロータ２２とにより構成され、さらにダクト２１がメカニカル制御系Ｂに関係する。
【００３５】
マイコン制御系Ａのマイコン３９ａおよびメモリ３９ｂが実行する処理や機能を機能ブロックごとに説明すると、メモリ３９ｂは目標地点情報記憶部６１を備え、マイコン３９ａは現在地点検出部５１、水平変位算出部５２、現在高度検出部５３、垂直変位算出部５４、ロータ制御部５５とを備えている。
【００３６】
目標地点情報記憶部６１は、機体を到達させようとする目標地点Ｐの空間座標として、経度、緯度、高度からなる空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を記憶する。このうち経度（Ｘ座標）と緯度（Ｙ座標）とが空間座標の水平成分であり、高度（Ｚ座標）が高度成分である。なお、この空間座標の設定は、図示しないパーソナルコンピュータと制御装置３９とを接続してキーボードからの入力操作により行うことができるようにしてある。
【００３７】
現在地点検出部５１は、ＧＰＳセンサ３８ａにより受信したＧＰＳ信号により、現在、機体が存在する位置Ｑ（現在地点Ｑという）の経度、緯度、高度からなる空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）を検出する。
水平変位算出部５２は、目標地点Ｐの座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の水平成分である（Ｘ，Ｙ）と、現在地点Ｑの座標（ｘ，ｙ，ｚ）の水平成分である（ｘ，ｙ）とに基づいて、機体を移動させようとする水平方向の目標方位（θ）および目標地点までの水平距離（Ｌ）を算出する演算を行う。
【００３８】
現在高度検出部５３は、高度計３７により測定した高度信号により、現在、機体が存在する現在高度（ｚ）を検出する。なお、現在高度は、ＧＰＳセンサ３８ａから得ることもできるが、精度や信頼性の観点からＧＰＳセンサ３８ａとは別に設けた高度計３７からの高度情報を用いる方がより好ましい。
垂直変位算出部５４は、目標地点Ｐの座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の高度成分である（Ｚ）と、現在地点Ｑの座標（ｘ，ｙ，ｚ）の高度成分である（ｚ）とに基づいて、目標地点までの高度差（Ｈ）を算出する演算を行う。
【００３９】
ロータ制御部５５は、算出された水平方向の目標方位（θ）、目標地点までの水平距離（Ｌ）、目標地点までの高度差（Ｈ）のデータおよび方位センサで求めた現在の機首方位（ψ）に基づいて、高度コマンド、ヨー角コマンド、水平位置コマンド（前進速度コマンド）を生成し、さらに高度計３７、ＧＰＳセンサ３８ａ、方位センサ３８ｂから時々刻々送られてくる信号を検出して、各コマンドを更新するフィードバック制御を行うことにより、上部メインロータ２２の回転速度、下部メインロータ２３の回転速度、ピッチングプロペラ４２の回転速度、下部メインロータ２３に入力するサイクリックピッチ（縦フラップのためのサイクリックピッチ）を適宜制御することにより、機体高度の制御、機体進行方向の制御、機体水平位置（風のないときは水平位置とともに機体前進速度）の制御を行う。
【００４０】
以上が、マイコン制御系Ａによる誘導制御であるが、スタビライザバー２４によるメカニカル制御系Ｂを備えた機体では、機体の旋回に対する制御を追加的に実行するようにしている。
すなわち、前進飛行のためにピッチングプロペラ４２が作動し、さらにダクト２１が前方から風の抵抗を受けることにより、機体は水平状態から前傾状態になるので、メカニカル制御系Ｂが作用し、図６で説明したように、スタビライザバー２４がリンクロッド３１を介して上部メインロータ２２にサイクリックピッチを入力するようになる。これにより機体の姿勢を、傾斜状態から水平状態に戻そうとする方向の復元モーメントが別途に働くようになる。その結果、マイコン制御系Ａによる機体を傾斜させようとする作用と、メカニカル制御系Ｂによる水平状態に復元しようとする作用とが競合するようになり、これらがバランスして、機体を少し傾斜させた状態で前進飛行が行われることになる。
【００４１】
ところで、メカニカル制御系Ｂを構成するスタビライザバー２４とリンクロッド３１と上部メインロータ２２との関係は、既述のように、機体が傾斜したとき、これを水平状態に戻すような復元モーメントが生じるようにサイクリックピッチが入力されるようにしてあり、ホバリング状態（空中停止状態）のときに、水平に維持されるように設計されている。そのため、マイコン制御系Ａとメカニカル制御系Ｂとが競合し、機体が傾斜した状態でバランスを保ちつつ前進飛行するときには、必ずしも安定した前進飛行を行わせるためのサイクリックピッチが、上部メインロータ２２に与えられるようには設計されておらず、むしろ、不完全なサイクリックピッチが入力されるようになってしまっている。具体的には、傾斜状態での前進飛行時に、スタビライザバー２４およびリンクロッド３１が上部メインロータ２２に入力されるサイクリックピッチは、前進飛行の推力の増加とともに、機体を一方向に旋回させる作用が増大するようになる。この旋回方向は、スタビライザバー２４がリンクロッド３１により連結されている上部メインロータ２２の回転方向やリンクロッド３１の取り付け方等の条件により、右旋回か左旋回かのいずれかに決定されるが、ここでは、便宜上、左旋回するものとする。
したがって、マイコン制御系Ａのロータ制御部５５は、上述した誘導制御に加えて、機体を傾斜させた状態で前進飛行する際に生じる左旋回を打ち消すために、下部メインロータ２３に入力するサイクリックピッチ（横フラップのためのサイクリックピッチ）によりローリングモーメントの制御を行い、さらに、上部メインロータと下部メインロータとの回転速度を変化させてヨー方向のトルクを発生することによりヨーイングモーメントの制御を行うことにより、左旋回とバランスする右旋回を与える制御が付加されるようにしている。
【００４２】
（飛行動作）
次に、小型二重反転回転翼機１０の飛行動作について説明する。
予め目標地点Ｐの座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を入力して、制御をスタートさせると、制御装置３９により時々刻々発生する高度コマンド、ヨー角コマンド、水平位置コマンドにより、上部メインロータ２２の回転速度、下部メインロータ２３の回転速度、ピッチングプロペラ４２の回転速度、下部メインロータ２３に入力するサイクリックピッチ（縦フラップおよび横フラップのためのサイクリックピッチ）を制御することにより、機体の方向を目標地点Ｐに向けて飛行する。このとき、機体は約４５度前傾しながら前進飛行する。これにより傾斜尾翼は、ほぼ水平状態になりながら飛行することになる。
このとき、傾斜尾翼４４と垂直尾翼４１との存在により、機体が前進飛行する際のピッチ方向、ロール方向安定性が改善されるようになる。
【００４３】
（変形実施例）
上記実施形態では、傾斜尾翼は、垂直尾翼に固定されていたが、機体本体１１内に機体の傾斜角を測定するセンサ（ジャイロセンサ）を設け、機体の前傾角度に応じて傾斜尾翼の角度が常に水平面と平行になるようにする傾斜角調整機構を備えるようにしてもよい。このようにすれば、機体の前傾姿勢に応じて、傾斜尾翼の角度を最適な値に維持することができ、機体の前傾角度によらず、安定な前進飛行を実現することができるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、無人用の二重反転回転翼機に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態である二重反転回転翼機の斜視図。
【図２】本発明の一実施形態である二重反転回転翼機の構成を示す正面図（ダクトの一部を破断して中を示している）。
【図３】制御系の構成を示すブロック構成図、および、制御系を構成する各部で入出力される制御信号を説明するための機能ブロック図。
【図４】制御に必要な測定データや算出データの関係を説明する図。
【図５】スタビライザバーとダクトによる姿勢制御作用を説明する図。
【図６】スタビライザバーによる姿勢制御作用を説明する図。
【符号の説明】
【００４６】
１０： 小型二重反転回転翼機
１１： 機体本体
１２： 回転翼機構
１３： 後部機構
２１： ダクト
２２： 上部メインロータ
２３： 下部メインロータ
２４： スタビライザバー
２５： 内軸
２６： 外軸
２７： 主回転軸
３１： リンクロッド
３７： 高度計
３８ａ： ＧＰＳセンサ
３８ｂ： 方位センサ
３９： 制御装置
４１： 垂直尾翼
４２： ピッチングプロペラ
４４： 傾斜尾翼
５１： 現在地点検出部
５２： 水平変位算出部
５３： 現在高度検出部
５４： 垂直変位算出部
５５： ロータ制御部
６１： 目標地点情報記憶部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方と下方とが開口し側方が全周にわたってダクトで囲われた機体本体と、機体本体から上方に延びる主回転軸に沿って同軸上に支持され、主回転軸の回りを互いに反対方向に回転する上部メインロータおよび下部メインロータを備えた二重反転回転翼機であって、
機尾側ダクトから後方に向けて延設される垂直尾翼と、
垂直尾翼の上端に取り付けられ、上方に延びる副回転軸により支持されるピッチングプロペラと、
垂直尾翼の左右両側の側面に取り付けられる傾斜尾翼とを備えたことを特徴とする二重反転回転翼機。
【請求項２】
傾斜尾翼の取付け角が水平面に対し−３０度〜−６０度であり、機体が飛行するときに傾斜尾翼が水平状態になるようにピッチングプロペラの回転速度が設定されることを特徴とする請求項１に記載の二重反転回転翼機。
【請求項３】
傾斜尾翼は、水平面に対する角度を調整する傾斜角度調整機構を備え、機体の傾斜角度に応じて、傾斜尾翼の角度が調整されることを特徴とする請求項１に記載の二重反転回転翼機。
【請求項１】
上方と下方とが開口し側方が全周にわたってダクトで囲われた機体本体と、機体本体から上方に延びる主回転軸に沿って同軸上に支持され、主回転軸の回りを互いに反対方向に回転する上部メインロータおよび下部メインロータを備えた二重反転回転翼機であって、
機尾側ダクトから後方に向けて延設される垂直尾翼と、
垂直尾翼の上端に取り付けられ、上方に延びる副回転軸により支持されるピッチングプロペラと、
垂直尾翼の左右両側の側面に取り付けられる傾斜尾翼とを備えたことを特徴とする二重反転回転翼機。
【請求項２】
傾斜尾翼の取付け角が水平面に対し−３０度〜−６０度であり、機体が飛行するときに傾斜尾翼が水平状態になるようにピッチングプロペラの回転速度が設定されることを特徴とする請求項１に記載の二重反転回転翼機。
【請求項３】
傾斜尾翼は、水平面に対する角度を調整する傾斜角度調整機構を備え、機体の傾斜角度に応じて、傾斜尾翼の角度が調整されることを特徴とする請求項１に記載の二重反転回転翼機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−９３２０４（Ｐ２００８−９３２０４Ａ）
【公開日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２７９０６２（Ｐ２００６−２７９０６２）
【出願日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【出願人】（５０５１２７７２１）公立大学法人大阪府立大学 (688)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【出願人】（５０５１２７７２１）公立大学法人大阪府立大学 (688)
【Ｆターム（参考）】
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