羽ばたき翼の駆動機構の制御方法及び装置
【課題】運転状態が変化しても羽ばたき翼に作用する慣性力をキャンセルできるようにする。
【解決手段】小型飛行装置の胴体の左右に配した羽ばたき翼の基端側に設けた支軸を、胴体の左右両側位置に回転可能に支持させ、各支軸に取り付けたギアを互いに噛合させると共に、一方のギアには、翼駆動用モータ６に取り付けた駆動ギヤを噛合させて、翼駆動用モータ６により左右の羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにした駆動機構１を形成する。翼駆動用モータ６へ入力される電圧ｅｍに対して、羽ばたき翼の羽ばたき角に一致するギアの回転角度θ１の位相が−９０度進みとなるように、翼駆動用モータ６へ入力させる電圧の周波数を制御させる。
【解決手段】小型飛行装置の胴体の左右に配した羽ばたき翼の基端側に設けた支軸を、胴体の左右両側位置に回転可能に支持させ、各支軸に取り付けたギアを互いに噛合させると共に、一方のギアには、翼駆動用モータ６に取り付けた駆動ギヤを噛合させて、翼駆動用モータ６により左右の羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにした駆動機構１を形成する。翼駆動用モータ６へ入力される電圧ｅｍに対して、羽ばたき翼の羽ばたき角に一致するギアの回転角度θ１の位相が−９０度進みとなるように、翼駆動用モータ６へ入力させる電圧の周波数を制御させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、羽ばたき型小型飛行装置における羽ばたき翼を駆動機構により羽ばたき作動させる際に、該羽ばたき翼に作用する慣性力の変動を吸収できるようにするために用いる羽ばたき翼の駆動機構の制御方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、屋内外の高所位置や災害発生現場等の人が容易に近づくことが困難な場所、あるいは、化学物質、微生物、放射性物質等での汚染が想定されるような場所の現場状況を調べる場合等に、大きさが数十センチメートル以下というような非常に小型の飛行装置（Micro Air Vehicle：ＭＡＶ）に、カメラ、マイク、雰囲気ガス中の化学物質、微生物、放射性物質等の有無を検出するための所要の分析装置等の機器を搭載して、該小型飛行装置を目標となる位置まで飛行させ、該小型飛行装置に搭載された機器により検出される現場の計測結果を基に、遠隔地より上記目標位置の情報収集を実施できるようにすることが考えられてきている。
【０００３】
ところで、飛行体とその周囲の流体との相互作用を、流体の慣性力と粘性力の比であるレイノルズ数で整理すると、従来一般に実用化されているメートルサイズの飛行体では、たとえば、通常の航空機のレイノルズ数が１０７〜１０８のオーダーを示すように、レイノルズ数が高くて慣性力が支配的となっているのに対し、上記のようなサイズが小さい小型飛行装置では、レイノルズ数が１０４〜１０５程度と低い値となり、周囲の気体（流体）との相互作用では、慣性力と共に粘性力の影響が大となる。又、上記小型飛行装置は、サイズが小さくて機体重量が軽いことから、気流等の影響を容易に受け易く、常に突風の中を飛行するような状態となる。更に、屋内での飛行や、屋外での気流中を飛行させるためには、垂直離着陸、急旋回、空中停止飛行（ホバリング）等の非常に高度な飛行性能が要求されることから、航空機やヘリコプター等の従来の飛行体とは非常に異なる設計が必要とされている。
【０００４】
そのため、上記小型飛行装置にて垂直離着陸、急旋回、空中停止飛行等を行わせることができるようにするため飛行手段の１つとして、羽ばたき飛行する形式の小型飛行装置が考えられてきている。
【０００５】
この種の羽ばたき飛行する形式の小型飛行装置として、本発明者は、胴体の左右位置の複数個所、たとえば、胴体の前部左右位置と後部左右位置の複数個所に、羽ばたき翼を、それぞれ独立して上下方向に角度調整可能に設け、且つ上記各羽ばたき翼を所要の角度姿勢に保持しながら羽ばたき作動させるための翼駆動用モータや線形アクチュエータ等のアクチュエータを個別に設けてなる構成を備えた羽ばたき型小型飛行装置を提案している。
【０００６】
かかる形式の羽ばたき型小型飛行装置によれば、上記各羽ばたき翼を、それぞれ独立して上下方向の角度姿勢、すなわち、迎角をそれぞれ調整すると共に、上記各アクチュエータによる各羽ばたき翼を所定の周波数で羽ばたき作動させる際の振幅をそれぞれ制御することにより、該各羽ばたき翼の羽ばたき作動により得られる揚力と、推進力の大きさをそれぞれ調整して、上記各羽ばたき翼より胴体にそれぞれ作用させる揚力の大きさと、推進力の大きさ及び方向を個別に制御することで、気流中でも水平姿勢を保持したり、垂直離着陸や空中停止飛行等の高度な飛行性能を達成できるようにしてある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
又、本発明者は、先の出願（特願２００４−３３３５０７号）において、胴体の左右位置に、羽ばたき翼を羽ばたき作動させるための別々の翼駆動用モータやアクチュエータを設け、該各アクチュエータの出力軸に、左右一対の羽ばたき翼を個別に取り付けて、上記各アクチュエータにより上記左右の羽ばたき翼の羽ばたき作動を独立に制御できるようにし、更に、上記胴体の所要位置に、錘の移動に伴って機体重心の位置を変位させて胴体の姿勢を制御できるようにしてある重心移動装置を設けてなる構成を備えた羽ばたき型小型飛行装置も提案している。
【０００８】
かかる形式の羽ばたき型小型飛行装置によれば、上記重心移動装置にて機体重心の位置を胴体の前後方向へ変位させることにより、上記胴体の前後方向角度姿勢と一緒に左右の各羽ばたき翼の迎角を変更することができるようになる。このことから、上記胴体の前後方向角度姿勢と一緒の各羽ばたき翼の迎角の制御と、各羽ばたき翼の羽ばたき作動の均等な制御を行うことにより、上記各羽ばたき翼にて発生させる力の方向及び大きさを変更し、該各羽ばたき翼より胴体へ作用させる揚力と推進力の大きさをそれぞれ調整できるようにして、前進飛行時の速度を低速から高速まで自在に変更したり、上昇、下降を自在に行なうことができるようにしてある。更に、上記左右の各羽ばたき翼の羽ばたき作動を左右で相違させて、該各羽ばたき翼より胴体の左右位置へ作用させる推進力の大きさを変更するときに、胴体の左右位置へ作用する揚力の大きさの差が生じるときには、この揚力の差を打ち消すように上記重心移動装置にて機体の左右の重量バランスを変更することで、胴体の左右方向を水平状態に保持したまま左右方向へ旋回させることができるようにしてある。したがって、飛行速度、飛行高度を自在に変更したり、左右方向への旋回飛行を自在に行って、高度な飛行性能を達成することができるようにしてある。
【０００９】
ところで、上記した各形式の羽ばたき型小型飛行装置では、使用目的に対応させたペイロードを十分に搭載できるようにしたり、長距離を長時間飛行できるようにすることが求められることがあり、そのために、各翼を数１０Ｈｚ〜数１００Ｈｚというような高い周波数で羽ばたかせる必要が生じることがある。このように、各翼を高い周波数で羽ばたかせる場合には、各翼各羽ばたき翼の羽ばたき作動時に発生する慣性力の変動をいかに処理するかが重要となる。
【００１０】
そのために、上記した各形式の羽ばたき型小型飛行装置では、いずれも、各羽ばたき翼を羽ばたき作動させるアクチュエータを、それぞれ対応する羽ばたき翼に復元力を作用させて羽ばたき作動させることができるようにしたアクチュエータとして、該アクチュエータの可動部、該アクチュエータにて羽ばたき作動させられる羽ばたき翼、及び、該羽ばたき翼の羽ばたき作動に同伴されて一緒に運動する空気の慣性力と、アクチュエータより羽ばたき翼へ作用させる復元力とにより形成される振動系の共振周波数と等しい周波数となるように、上記アクチュエータにて羽ばたき翼を羽ばたき作動させることで、上記慣性力をキャンセルすることができるようにしてある。
【００１１】
具体的には、上記アクチュエータとして翼駆動用モータを用いる場合には、該翼駆動用モータを、出力軸と固定側との間に所要の弾性係数を有する弾性部材を介在させて出力軸に復元トルクを与えながら該出力軸を正、逆転駆動できるようにした共振型の構成とするようにしてある。したがって、各翼駆動用モータにて出力軸に取り付けた羽ばたき翼を羽ばたき作動させるときには、弾性部材により復元力としての復元トルクを作用させるようにする。これにより、翼駆動用モータの回転する可動部、羽ばたき翼及び該羽ばたき翼の羽ばたき作動に伴われて一緒に運動する空気の慣性力と、上記弾性部材より翼駆動用モータの出力軸に与えるようにしてある復元トルクとが作る振動系に対して、翼駆動用モータの出力軸の交互の正、逆転駆動により変動外力を加えるときに、該変動外力の周波数が上記振動系の共振周波数に等しくなるよう上記翼駆動用モータの出力軸の交互の正、逆転駆動の周波数を調整することで、上記慣性力をキャンセルさせて、翼駆動用モータの負荷を軽減することができるようにしてある。
【００１２】
又、アクチュエータとして線形アクチュエータを用いる場合には、該線形アクチュエータを、出力軸と固定側との間に所要の弾性係数を有する弾性部材を介在させて出力軸に復元力を与えながら該出力軸を軸心方向に振動できるようにしてなる共振型の構成とするようにしてある。したがって、各線形アクチュエータにて出力軸に取り付けた羽ばたき翼を羽ばたき作動させるときには、弾性部材により復元力を作用させることにより、線形アクチュエータの振動する可動部、羽ばたき翼及び該羽ばたき翼の羽ばたき作動に伴われて一緒に運動する空気の慣性力と、上記弾性部材より線形アクチュエータの出力軸に与えるようにしてある復元力とが作る振動系に対して、線形アクチュエータの出力軸の振動により変動外力を加えるときに、該変動外力の周波数が上記振動系の共振周波数に等しくなるように上記線形アクチュエータの出力軸を振動させる周波数を調整することで、上記慣性力をキャンセルさせて、線形アクチュエータの負荷を軽減することができるようにしてある。
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−０８８７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところが、上記した各形式の羽ばたき型小型飛行装置では、翼駆動用モータや線形アクチュエータ等のアクチュエータにより羽ばたき翼を羽ばたき作動させるときの周波数が、上記共振周波数とが等しい周波数となるようにして、上記アクチュエータにより往復動させる羽ばたき翼に作用する慣性力をキャンセルさせるようにしてある。しかし、実際には、飛行状態の変化に応じて羽ばたき翼の往復動の速度を変化させると、該羽ばたき翼に作用する空気力が変化して、負荷質量やダンピング係数が変化する。このために、上記翼駆動用モータや線形アクチュエータ等のアクチュエータに復元力を付与するための弾性部材における弾性係数が一定であっても、該アクチュエータの可動部、該アクチュエータにて羽ばたき作動させられる羽ばたき翼、及び、該羽ばたき翼の羽ばたき作動に同伴されて一緒に運動する空気の慣性力と、アクチュエータより羽ばたき翼へ作用させる復元力とにより形成される振動系の共振周波数が変化することとなる。
【００１５】
そこで、本発明は、上記のように、羽ばたき翼の往復動の速度を変化させて、羽ばたき翼に作用する空気力の変化に伴う付加質量やダンピング係数が変化して、上記振動系の共振周波数が変化しても、この共振周波数の変化に追従してアクチュエータにより羽ばたき翼を往復動させるときの周波数を最適に変化させることができる羽ばたき翼駆動機構の制御方法及び装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に係る発明に対応して、小型飛行装置の胴体の左右両側に配した羽ばたき翼の基端側を、アクチュエータの出力軸に連結して、復元力を作用させながら上記アクチュエータの出力軸の回転方向又は直線方向の往復駆動によって上記羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにしてある羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧に対して、上記羽ばたき翼の羽ばたき角の位相が−９０度進みとなるように、上記アクチュエータへ入力させる電圧の周波数を制御するようにする羽ばたき翼の駆動機構の制御方法とする。
【００１７】
又、上記において、アクチュエータへ入力させる電圧の周波数の制御を、上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積の値を、所要のローパスフィルタにて処理し、更に、電圧制御発振器により、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるようにするための所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせ、アンプより上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧となるように電力供給を行うことで行わせるようにする。
【００１８】
更に、請求項３に係る発明に対応して、小型飛行装置の胴体の左右両側に配した羽ばたき翼の基端側を、アクチュエータの出力軸に連結して、復元力を作用させながら上記アクチュエータの出力軸の回転方向又は直線方向の往復駆動によって上記羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにしてある羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積を算出する乗算器と、該乗算器の算出値を処理する所要のローパスフィルタと、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるように所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせるための電圧制御発振器と、上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧の電力供給を行うことができるようにしてあるアンプとを備えた羽ばたき翼の駆動機構の制御装置とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
（１）小型飛行装置の胴体の左右両側に配した羽ばたき翼の基端側を、アクチュエータの出力軸に連結して、復元力を作用させながら上記アクチュエータの出力軸の回転方向又は直線方向の往復駆動によって上記羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにしてある羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧に対して、上記羽ばたき翼の羽ばたき角の位相が−９０度進みとなるように、上記アクチュエータへ入力させる電圧の周波数を制御するようにする羽ばたき翼の駆動機構の制御方法としてあるので、小型飛行装置を飛行させるべく羽ばたき翼を羽ばたき作動させる際に、運転状態の変化によって各羽ばたき翼の往復動の速度を変化させることに伴って、該各羽ばたき翼に作用する空気力の負荷質量や、ダンピング係数が変化して、アクチュエータへの入力電圧の周波数、及び、各羽ばたき翼の羽ばたき作動の周波数が、上記アクチュエータの可動部、羽ばたき作動させられる各羽ばたき翼、及び、該各羽ばたき翼の羽ばたき作動に同伴されて一緒に運動する空気の慣性力と、上記羽ばたき翼へ作用させている復元力とにより形成される振動系の共振周波数からずれを生じても、上記アクチュエータの入力電圧の周波数と、羽ばたき翼の羽ばたき作動の周波数を自動的に変化させて、上記共振周波数からのずれを解消できる。したがって、上記小型飛行装置の運転状態を変化させても、羽ばたき翼を、上記共振周波数に一致する周波数で羽ばたき作動させることができて、上記羽ばたき翼に作用する慣性力をキャンセルさせることが可能となる。
（２）アクチュエータへ入力させる電圧の周波数の制御を、上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積の値を、所要のローパスフィルタにて処理し、更に、電圧制御発振器により、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるようにするための所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせ、アンプより上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧となるように電力供給を行うことで行わせるようにする制御方法、及び、上記と同様の羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積を算出する乗算器、該乗算器の算出値を処理する所要のローパスフィルタ、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるように所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせるための電圧制御発振器、上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧の電力供給を行うことができるようにしてあるアンプを備えてなる構成を有する羽ばたき翼の駆動機構の制御装置とすることにより、上記（１）の制御方法を実現可能とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００２１】
図１乃至図５（イ）（ロ）（ハ）（ニ）（ホ）（ヘ）（ト）は本発明の羽ばたき翼の駆動機構の制御方法及び装置の実施の一形態を示すもので、図１はブロック図、図２は、本発明の適用対象となる羽ばたき型小型飛行装置の羽ばたき翼２の駆動機構１を示すものである。
【００２２】
図２に示す駆動機構１は、胴体３の前後方向所要位置に備えるようにする。すなわち、胴体３の前後方向所要位置の左右両側部に、開口を設けて、該開口を通して左右一対の羽ばたき翼２の各基端側（内端側）を胴体３内へ位置させるようにする。該各羽ばたき翼２の基端部には、直角方向に支軸４が固定して取り付けてあり、該各支軸４が胴体３内の固定部（図示せず）に回転自在に挿通されて、図示しない軸受で回転自在に支持させるようにしてある。又、上記両支軸４には、同径のギヤ５が一体として回転できるようにそれぞれ取り付けてあり、該ギヤ５同士は図２に示す如く噛合して、一方のギヤ５が回転すると他方のギヤ５も同時に回転できるようにしてある。更に、胴部３内の固定部には、アクチュエータとしての翼駆動用モータ６が設置され、該翼駆動用モータ６の出力軸６ａに取り付けた小径の駆動ギヤ７を、上記２つのギヤ５のいずれか一方に図示の如く噛合させた構成としてある。これにより、翼駆動用モータ６を駆動して駆動ギヤ７を介して動力を一方のギヤ５に伝えることにより、２つのギヤ５が同時に反対方向に回転し、支軸４を介し羽ばたき翼２が同時に上下方向へ回動して羽ばたき作動することができるようにしてある。更に、上記左右の羽ばたき翼２の支軸４と胴部３内の固定部、あるいは、上記翼駆動用モータ６における出力軸と胴部３内の固定部との間に、ばね等の図示しない弾性部材を介在させて設けて、該弾性部材の弾性力を、左右の羽ばたき翼２を振幅の中央の中立位置に引き戻すための復元力として作用させることができるようにしてある。
【００２３】
ここで、先ず、上記翼駆動用モータ６を、図３に示す如き電気子（回転子）８の外部に界磁コイル９を備えてなる他励式直流モータとして、その働きを考える。なお、２次的な影響は無視することとする。
【００２４】
電流ｉｍのときの上記翼駆動用モータ６の回転トルク（発生トルク）は、磁束をΦｍとすると、ｋ´ｍを定数として、ｋ´ｍΦｍｉｍである。又、回転数ｎｍのときの逆起電力は、ｋｍを定数として、ｋｍΦｍｎｍである。
【００２５】
上記モータ６における電気子８の端子電圧、すなわち、入力電圧をｅｍ、内部抵抗をｒｍ、モータ６の回転慣性をＪｍ、負荷トルクをｑｍとすると、下記の方程式が得られる。
【００２６】
すなわち、力学的関係は、
【数１】
又、電気的関係は、
【数２】
である。なお、上記（Ａ２）式には、コイルを流れる電流が変動することによる自己誘導電圧が含まれるべきであると思われるが、ここでは省略している。
【００２７】
上記（Ａ２）式を電流ｉｍについて解くと、
【数３】
となり、これを上記（Ａ１）式に代入すると、
【数４】
が得られる。
【００２８】
次に、上記翼駆動用モータ６に取り付けてある駆動ギア７と、上記一方の羽ばたき翼２の支軸４に取り付けてあるギア５との間で生じる減速について考える。
【００２９】
図４は、上記翼駆動用モータ６の出力軸に取り付けてある駆動ギア７と、上記一方の羽ばたき翼２の支軸４に取り付けてあるギア５との力学系を取り出して示したもので、上記駆動ギア７の直径をｄｍとし、上記一方の羽ばたき翼２側のギア５の直径をｄ１とする。上記駆動ギア７から上記モータ６へ伝達されるトルク（負荷トルク）をｑｍとすると、上記直径ｄｍの駆動ギア７から上記直径ｄ１のギア５には、（ｄ１／ｄｍ）・ｑｍのトルクが伝達される。よって、この条件の下で、上記モータ６の回転速度（回転数）をｎｍ（ｒｐｓ）とすると共に、上記一方の羽ばたき翼２側から上記支軸４を介してギア５へ伝達されるトルク（負荷トルク）をｑ１とし、ギア５の回転慣性をＪ１とし、該ギア５の回転量（回転角度）をθ１とすると、該ギア５の運動方程式は、
【数５】
で与えられる。
【００３０】
上記翼駆動用モータ６に関しては、（Ａ１）式で述べたように、その力学的関係は、
【数６】
であるので、上記（Ｂ１）式を負荷トルクｑｍについて解いて（Ｂ２）式に代入すると、
【数７】
となる。この式に、上記モータ６の回転数ｎｍと、上記ギア５の回転角度θ１との関係式である
【数８】
を代入すると、
【数９】
となる。
【００３１】
一方、（Ａ２）式、（Ａ３）式で述べたように、上記翼駆動用モータ６の電気的関係
【数１０】
を電流ｉｍについて解くと、
【数１１】
であるので、これを上記（Ｂ５）式に代入すると、
【数１２】
となる。
【００３２】
次いで、以上のことを基にして、本発明の導出について述べる。図２に示した如き構成としてある羽ばたき型小型飛行装置における翼駆動用モータ６の運動方程式は、該モータ６の回転数をｎｍ、入力電圧をｅｍ、負荷トルクをｑｍ、回転慣性をＪｍ、磁束をΦｍ、内部抵抗をｒｍとし、逆起電力に関連する定数をｋｍ、発生トルクに関連する定数をｋ´ｍとすると、前述の（Ａ４）式より
【数１３】
として与えられる。
【００３３】
又、上記翼駆動用モータ６の回転は、出力軸６ａに取り付けてある駆動ギア７から一方（図上左側）の羽ばたき翼２の支軸４に取り付けてあるギア５へ減速されて伝達されるようにしてある。ギア５の回転慣性をＪ１、羽ばたき翼２の１枚当りの負荷トルクをｑ１とし、上記駆動ギア７とギア５との間における上記モータ６から伝えられる回転の減速比をρＧとし、更に、上記ギア５には、他方の羽ばたき翼２の支軸４に取り付けたギア５が噛合させてあって、左右の羽ばたき翼２が、上記１つの翼駆動用モータ６の出力により羽ばたき作動させられるものとすると、上記（１）式は、前述の（Ｂ８）式により
【数１４】
となる。
【００３４】
ここで、左右の各羽ばたき翼２の回転中心となる支軸４の中心から、各羽ばたき翼２の重心までの距離をｌＧ、羽ばたき翼２の１枚当りの質量をｍ１、各支軸４の中心から各羽ばたき翼２に作用する空気力の作用点までの距離をｌＦ、空気力によって作用する付加質量をｍＦ、ダンピング係数をｎＦとし、更に、各羽ばたき翼２に図示しない弾性部材により作用させてある復元力をｋ１として、羽ばたき翼２の１枚当りの負荷トルクｑ１を、
【数１５】
と記載するようにする。又、上記ギア５の回転角度θ１と、上記モータ６の回転数ｎｍとの間には、
【数１６】
という関係があるので、（３）式と（４）式を（２）式へ代入すると、
【数１７】
が導かれる。なお、この（５）式では、（Ａ２）式の導出時において述べたように、回転子コイルの自己誘導電圧は無視したものとしてある。又、この運動方程式における左辺第２項をみると、電気的な力が減衰力を与えていることが分かる。又、上記（Ａ３）式と（４）式より、
【数１８】
が求められる。
【００３５】
そこで、
【数１９】
を、上記（５）式と（６）式に代入すると、それぞれ、
【数２０】
【数２１】
となるので、電圧ｅｍに対するギア５の回転角度θ１の応答関数は、
【数２２】
となる。よって、電圧ｅｍに対する電流ｉｍの応答関数は、（９）式と（１０）式より、
【数２３】
と求まる。なお、ここで、上記翼駆動用モータ６における回転子コイルの自己誘導電圧を含める場合には、インダクタンスをＬｍとすると、上記モータの内部抵抗ｒｍを、ｒｍ＋ｊ２πｆＬｍとすればよいと考えられる。したがって、上記モータ６の回転子コイルの自己誘導電圧を含めることは、慣性を大にする作用が予想される。
【００３６】
次に、上記翼駆動用モータ６へ投入されるパワーは、
【数２４】
であるので、これより平均Ｍｅａｎ［ｅｍｉｍ］、周波数Ｆｒｅｑ［ｅｍｉｍ］、偏角Ａｒｇ［ｅｍｉｍ］は、
【数２５】
と求まる。
【００３７】
共振周波数ｆ０を、上記（１０）式で示した応答関数Ｈθ１ｅｍ（ｆ）の大きさを最大にする周波数とすると、（１０）式の分母の絶対値を最小にするものとなるので、
【数２６】
である。したがって、制御目標となる共振周波数ｆ０は、
【数２７】
と求まる。
【００３８】
具体例を挙げて説明すると、図３に示した翼駆動用モータ６を、端子間抵抗（内部抵抗）が１７．０Ω、印加電圧が１２．０Ｖのときの起動電流が１２．０Ｖ／１７．０Ω＝０．７０６Ａで、そのときの起動トルクが０．００４３４Ｎｍであるとする。これにより、ｋ´ｍΦｍは、
ｋ´ｍΦｍ＝０．００４３４／０．７０６＝０．００６１５Ｎｍｓ／Ａ
となる。一方、無負荷回転数が１８０００ｒｐｍで、印加電圧が１２Ｖのときの無負荷電流が０．０１２Ａであるとする。これにより、ｋｍΦｍは、
ｋｍΦｍ＝（１２−０．０１２×１７）／（１８０００／６０）＝０．０３９３Ｖｓ
となる。
【００３９】
更に、図２に示した羽ばたき型小型飛行装置における各種パラメータを以下のように設定する。
【００４０】
支軸４の中心から羽ばたき翼２の重心までの距離：ｌＧ＝０．０５ｍ
羽ばたき翼２の１枚当りの質量：ｍ１＝０．００２５ｋｇ
支軸４中心から羽ばたき翼２に作用する空気力の作用点までの距離：ｌＦ＝０．０７５ｍ
上記空気力による負荷質量：ｍＦ＝０．０２ｋｇ
上記空気力によるダンピング係数：ｎＦ＝０．０１ｋｇ／ｓ
羽ばたき翼２に作用させる復元力：ｋ１＝１．０Ｎｍ／ｒａｄ
翼駆動用モータ６の回転慣性：Ｊｍ＝０．０００００１ｋｇｍ２
駆動ギア７とギア５間における減速比：ρＧ＝０．０６２５
なお、ギア５の回転慣性Ｊ１は無視できるものとして、Ｊ１＝０とした。
【００４１】
これらのパラメータを用いて上記（１５）式により共振周波数ｆ０を求めると、１０．１３１Ｈｚとなる。よって周期Ｔ０は、０．０９８７ｓとなる。
【００４２】
（１０）式、（１１）式、（１３）式を計算した結果を図５（イ）（ロ）（ハ）（ニ）（ホ）（ヘ）（ト）に示す。上記共振周波数において、図５（イ）に示す如く、電圧ｅｍに対するギア５の回転角度の応答関数：Ｈθ１ｅｍ（ｆ）の絶対値は大幅に増加して極大となる。一方、図５（ハ）に示す如き電圧ｅｍに対する電流ｉｍの応答関数：Ｈｉｍｅｍ（ｆ）の絶対値、図５（ホ）に示す如き規格化されたパワーの平均：ｍｅａｎ［ｅｍｉｍ］／｜Ｅｍ２｜、図５（ヘ）に示す如き規格化されたパワーの振幅：Ａｍｐ［ｅｍｉｍ］／｜Ｅｍ２｜は、いずれも大幅に減少する。
【００４３】
又、共振周波数の前後においては、図５（ロ）に示す如く、上記応答関数Ｈθ１ｅｍ（ｆ）の位相は０〜−１８０度に変化し、図５（ニ）に示す如き上記応答関数Ｈｉｍｅｍ（ｆ）の位相、及び、図５（ト）に示す如きパワーの位相：ｅｍｉｍの位相は、いずれも−４５〜４５度に変化する。
【００４４】
更に、図５（ロ）より、羽ばたき翼２の羽ばたき角、すなわち、ギア５の回転角度：θ１（ｔ）と、電圧ｅｍ（ｔ）の位相差が、上記共振周波数（同調点）を挟んで０から−１８０度に変化する際、上記同調点における両者の位相差は、−９０度である。よって、本発明では上記ギアの回転角度θ１（ｔ）と電圧ｅｍ（ｔ）との関係を同調維持制御に用いることにした。
【００４５】
ここで、厳密には、前述の（５）式において、左辺第１項の慣性力項と、左辺第３項の復元力項がキャンセルした状態で、ｄθ１（ｔ）／ｄｔとｅｍ（ｔ）が同位相、すなわち、位相差が−９０度となることから、厳密な意味で同調点ではない。
【００４６】
そこで、電圧ｅｍ（ｔ）と、羽ばたき翼２の羽ばたき角と一致するギア５の回転角度：θ１（ｔ）を、
【数２８】
と書くことにすると、振幅ＥｍとΘｍ及び位相差φは次のようにして求めることができる。すなわち、ｅｍ２（ｔ）、θ１２（ｔ）、ｅｍ（ｔ）θ１（ｔ）は、それぞれ、
【数２９】
【数３０】
となるので、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと記す）を通して、上記（１８）式における右辺第２行の第２項を消すと、振幅ＥｍとΘｍ及び位相差φを求めることが可能となる。
【００４７】
そこで、本発明では、図１にブロック図で示す如く、図２に示した如き羽ばたき型小型飛行装置における各羽ばたき翼２の駆動機構１に設けた図示しない検出部より入力される上記各羽ばたき翼２の羽ばたき角と一致するギア５の回転角度θ１と、上記各羽ばたき翼２を駆動する翼駆動用モータ６へ後述するアンプ１０より入力させる電圧ｅｍとの積を求める乗算器１１、ＬＰＦ１２、加算器１３、電圧に比例した周波数を発振する電圧制御発振器（Voltage Contorol Oscillator：ＶＣＯ）１４、及び、上記アンプ１０を、上記翼駆動用モータ６の上流側に設けて、羽ばたき翼２の駆動機構１の制御装置を構成するようにする。更に、かかる構成としてある制御装置を用いて羽ばたき翼２の駆動機構１の制御を行う場合は、翼駆動用モータ６の出力により各羽ばたき翼２を往復動させる際、各羽ばたき翼２の羽ばたき角と一致するギア５の回転角度θ１と、上記アンプ１０より翼駆動用モータ６へ入力される電圧ｅｍとを上記乗算器１１に入力して両者の積を算出した後、該上記θ１とｅｍの積を上記ＬＰＦ１２を通すことで、上記（１８）式における右辺第２行の第２項の成分を消す。次いで、上記ＶＣＯ１４より、上記（１８）式にて残っている右辺第２行の第１項の成分をゼロとさせることができるようにするための所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせて上記アンプ１０へ入力させ、しかる後、該アンプ１０より、上記翼駆動用モータ６へ上記ＶＣＯ１４より発振される周波数に応じた周波数で駆動用の電力供給を行うようにする。その後、この電力供給によって運転される翼駆動用モータ６にて駆動される羽ばたき翼２の羽ばたき角に相当するギア５の回転角度θ１と、上記アンプ１０より翼駆動用モータ６へ入力される電圧ｅｍとを、再び上記乗算器１１へ入力させて上記と同様の制御ループを繰り返すようにし、この制御ループの繰り返しの際には、上記加算器１３にて、従前のＬＰＦ１２の出力に対して１制御ループ（１タイムステップ）経過後の新たなＬＰＦ１２の出力を加算してＶＣＯ１４へ出力させるようにする。
【００４８】
このように、本発明の羽ばたき翼の駆動機構の制御方法及び装置によれば、羽ばたき型小型飛行装置にて各羽ばたき翼２を羽ばたき作動させて飛行させる際に、運転状態の変化によって各羽ばたき翼２の往復動の速度を変化させることに伴って、該各羽ばたき翼２に作用する空気力の負荷質量ｍＦや、ダンピング係数ｎＦが変化し、この変化に起因して翼駆動用モータ６を駆動するための入力電圧ｅｍの周波数、及び、各羽ばたき翼２の羽ばたき作動の周波数が、上記翼駆動用モータ６の可動部、羽ばたき作動させられる各羽ばたき翼２、及び、該各羽ばたき翼２の羽ばたき作動に同伴されて一緒に運動する空気の慣性力と、図示しない弾性部材より各羽ばたき翼２へ作用させている復元力とにより形成される振動系の共振周波数からずれを生じても、翼駆動用モータ６を駆動するための入力電圧ｅｍの位相に対して、各羽ばたき翼２の羽ばたき角に一致するギア５の回転角度θ１の位相が−９０度進みとなるように制御することで、上記共振周波数からのずれを解消できるようになる。
【００４９】
したがって、上記羽ばたき型小型飛行装置の運転状態を変化させる場合に、羽ばたき翼２の羽ばたき作動の周波数と、上記振動系の共振周波数にずれが生じても、後述する数値シミュレーションの結果から明らかなように、羽ばたき翼２の羽ばたき作動の周波数を、上記振動系の共振周波数に一致するように自動的に変化させることができることから、上記各羽ばたき翼２に作用する慣性力をキャンセルさせた状態で該各羽ばたき翼２を羽ばたき作動させることができる。
【００５０】
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、以下に述べるようにしたものも含むものである。たとえば、上記実施の形態においては、左右一対の羽ばたき翼２を、１つの翼駆動用モータ６により駆動する構成の駆動機構２について説明したが、各羽ばたき翼２ごとに個別の翼駆動用モータ６を装備して、各羽ばたき翼２を個別の翼駆動用モータ６の回転駆動力により羽ばたき作動させる形式の駆動機構に本発明を適用してもよい。この場合は、（２）式における左辺括弧内の第２項の係数、右辺括弧内の第２項の分子の係数、及び、（５）式における左辺第１項の括弧内の第２項、第３項及び第４項の係数、左辺第２項の括弧内の第２項の係数、左辺第３項の係数を、いずれも１とすることで、上記と同様に各式を導くことができることから、この場合であっても、翼駆動用モータ６を駆動するための入力電圧ｅｍに対して、各羽ばたき翼２の羽ばたき角に一致するギア５の回転角度θ１の位相が−９０度進みとなるように制御することで、共振周波数からのずれを自動的に解消できるようになる。
【００５１】
前記した羽ばたき型小型飛行装置の構造的な各種パラメータや、翼駆動用モータ６の電気的な各種パラメータは、具体例として挙げたものであって、それぞれ示した数値に限定されるものではない。
【００５２】
各羽ばたき翼２の駆動機構１を、アクチュエータとしての翼駆動用モータ６を備えてなる形式のものとして示したが、出力軸を軸心方向に振動できるようにしてなる線形アクチュエータの上記出力軸に取り付けたラックと、各羽ばたき翼２の支軸４に取り付けたピニオンを噛合させてなる構成として、出力軸の振幅に応じた羽ばたき角で上記羽ばたき翼２を羽ばたき作動させることができるようにしてあれば、線形アクチュエータを用いてなる形式の羽ばたき翼２の駆動機構にも適用できる。
【００５３】
その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【実施例】
【００５４】
以下、本発明者が実施した数値シミュレーション結果について説明する。
【００５５】
（１）
図１に示したと同様の構成におけるローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２を、図６にブロック図を示す如き２セクション４次バターワースフィルタとし、このＬＰＦ１２の伝達関数が、
【数３１】
により与えられるものとする。下記の表１と表２に、以下の計算で使用される上記ＬＰＦ１２の２セクション４次のバターワースフィルタとしての設計仕様と、フィルタ係数をそれぞれ示す。
【表１】
【表２】
このＬＰＦ１２を２段直列で用いて図６に示した羽ばたき翼の駆動機構の制御方法の数値シミュレーションを行った。スタート時の周波数ｆ（０）を９．９３Ｈｚとした場合の周波数ｆの径時的な変化と、パワーｐｍ（ｔ）の径時的な変化についての結果を図７（イ）と（ロ）にそれぞれ示す。なお、上記パワーｐｍ（ｔ）の変化は、羽ばたき翼２の１回の羽ばたき動作ごとに周期的に生じているものであるため、図７（ロ）では、上記パワーｐｍ（ｔ）の変化を上下の包絡線で示してある。
制御に使ったルールは、
【数３２】
である。ここで、ｔ＋１はネクストタイムステップを示す。その他の羽ばたき型小型飛行装置における構造的な各種パラメータ、及び、翼駆動用モータ６の電気的な各種パラメータは前述したと同様の値とする。
図７（イ）に示す結果より明らかなように、スタート時の周波数が、共振周波数より低くても、周波数ｆは、時間の経過とともに一定の共振周波数（１０．１３Ｈｚ）の値に収束することが判明した。又、図７（ロ）に示す結果より明らかなように、上記周波数ｆの収束に伴って、羽ばたき翼２の駆動に要するパワーの低下が実現されていることが判明した。
【００５６】
（２）
上記と同様の数値シミュレーションを、スタート時の周波数ｆ（０）を１０．３３Ｈｚとした場合について実施した。周波数ｆの径時的な変化の結果を図８に示す。
図８の結果より明らかなように、スタート時の周波数が、共振周波数より高い場合にも、周波数ｆは、時間の経過とともに一定の共振周波数（１０．１３Ｈｚ）に収束することが判明した。
【００５７】
以上、（１）と（２）の結果から、スタート時の周波数が共振周波数からずれていても、周波数ｆを自動的に共振周波数に一致させるようにすることができることから、本発明の羽ばたき翼の駆動機構の制御方法及び装置が有効に作用することが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の羽ばたき翼の駆動機構の制御方法及び装置の実施の一形態を示すブロック図である。
【図２】図１の制御方法を適用する羽ばたき型小型飛行装置の概要を示す正面図である。
【図３】図２の小型飛行装置に用いる翼駆動用モータを示す概要図である。
【図４】図２の小型飛行装置における翼駆動用モータに取り付けてある駆動ギアと、羽ばたき翼の支軸に取り付けてあるギアとの力学系を取り出して示した図である。
【図５】（１５）式と、（１０）式、（１１）式、（１３）式の具体的な数値計算の結果を示すもので、（イ）は電圧に対するギアの回転角度の応答関数の絶対値、（ロ）は該応答関数の偏角、（ハ）は電圧に対する電流の応答関数の絶対値、（ニ）は該応答関数の偏角、（ホ）は規格化されたパワーの平均、（ヘ）は規格化されたパワーの振幅、（ト）は上記パワーの位相を、それぞれ周波数変化に対して示す図である。
【図６】本発明者の行った数値シミュレーションで用いたローパスフィルタを示すブロック図である。
【図７】本発明の有効性を検証するために行った数値シミュレーションの結果を示すもので、（イ）は周波数の径時的な変化を、（ロ）は羽ばたき翼の羽ばたき作動に要するパワーの径時的な変化をそれぞれ示す図である。
【図８】は本発明の有効性を検証するために別の条件で行った数値シミュレーションの結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ 駆動機構
２ 羽ばたき翼
３ 胴体
６ 翼駆動用モータ（アクチュエータ）
６ａ 出力軸
１０ アンプ
１１ 乗算器
１２ ローパスフィルタ
１４ 電圧制御発振器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、羽ばたき型小型飛行装置における羽ばたき翼を駆動機構により羽ばたき作動させる際に、該羽ばたき翼に作用する慣性力の変動を吸収できるようにするために用いる羽ばたき翼の駆動機構の制御方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、屋内外の高所位置や災害発生現場等の人が容易に近づくことが困難な場所、あるいは、化学物質、微生物、放射性物質等での汚染が想定されるような場所の現場状況を調べる場合等に、大きさが数十センチメートル以下というような非常に小型の飛行装置（Micro Air Vehicle：ＭＡＶ）に、カメラ、マイク、雰囲気ガス中の化学物質、微生物、放射性物質等の有無を検出するための所要の分析装置等の機器を搭載して、該小型飛行装置を目標となる位置まで飛行させ、該小型飛行装置に搭載された機器により検出される現場の計測結果を基に、遠隔地より上記目標位置の情報収集を実施できるようにすることが考えられてきている。
【０００３】
ところで、飛行体とその周囲の流体との相互作用を、流体の慣性力と粘性力の比であるレイノルズ数で整理すると、従来一般に実用化されているメートルサイズの飛行体では、たとえば、通常の航空機のレイノルズ数が１０７〜１０８のオーダーを示すように、レイノルズ数が高くて慣性力が支配的となっているのに対し、上記のようなサイズが小さい小型飛行装置では、レイノルズ数が１０４〜１０５程度と低い値となり、周囲の気体（流体）との相互作用では、慣性力と共に粘性力の影響が大となる。又、上記小型飛行装置は、サイズが小さくて機体重量が軽いことから、気流等の影響を容易に受け易く、常に突風の中を飛行するような状態となる。更に、屋内での飛行や、屋外での気流中を飛行させるためには、垂直離着陸、急旋回、空中停止飛行（ホバリング）等の非常に高度な飛行性能が要求されることから、航空機やヘリコプター等の従来の飛行体とは非常に異なる設計が必要とされている。
【０００４】
そのため、上記小型飛行装置にて垂直離着陸、急旋回、空中停止飛行等を行わせることができるようにするため飛行手段の１つとして、羽ばたき飛行する形式の小型飛行装置が考えられてきている。
【０００５】
この種の羽ばたき飛行する形式の小型飛行装置として、本発明者は、胴体の左右位置の複数個所、たとえば、胴体の前部左右位置と後部左右位置の複数個所に、羽ばたき翼を、それぞれ独立して上下方向に角度調整可能に設け、且つ上記各羽ばたき翼を所要の角度姿勢に保持しながら羽ばたき作動させるための翼駆動用モータや線形アクチュエータ等のアクチュエータを個別に設けてなる構成を備えた羽ばたき型小型飛行装置を提案している。
【０００６】
かかる形式の羽ばたき型小型飛行装置によれば、上記各羽ばたき翼を、それぞれ独立して上下方向の角度姿勢、すなわち、迎角をそれぞれ調整すると共に、上記各アクチュエータによる各羽ばたき翼を所定の周波数で羽ばたき作動させる際の振幅をそれぞれ制御することにより、該各羽ばたき翼の羽ばたき作動により得られる揚力と、推進力の大きさをそれぞれ調整して、上記各羽ばたき翼より胴体にそれぞれ作用させる揚力の大きさと、推進力の大きさ及び方向を個別に制御することで、気流中でも水平姿勢を保持したり、垂直離着陸や空中停止飛行等の高度な飛行性能を達成できるようにしてある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
又、本発明者は、先の出願（特願２００４−３３３５０７号）において、胴体の左右位置に、羽ばたき翼を羽ばたき作動させるための別々の翼駆動用モータやアクチュエータを設け、該各アクチュエータの出力軸に、左右一対の羽ばたき翼を個別に取り付けて、上記各アクチュエータにより上記左右の羽ばたき翼の羽ばたき作動を独立に制御できるようにし、更に、上記胴体の所要位置に、錘の移動に伴って機体重心の位置を変位させて胴体の姿勢を制御できるようにしてある重心移動装置を設けてなる構成を備えた羽ばたき型小型飛行装置も提案している。
【０００８】
かかる形式の羽ばたき型小型飛行装置によれば、上記重心移動装置にて機体重心の位置を胴体の前後方向へ変位させることにより、上記胴体の前後方向角度姿勢と一緒に左右の各羽ばたき翼の迎角を変更することができるようになる。このことから、上記胴体の前後方向角度姿勢と一緒の各羽ばたき翼の迎角の制御と、各羽ばたき翼の羽ばたき作動の均等な制御を行うことにより、上記各羽ばたき翼にて発生させる力の方向及び大きさを変更し、該各羽ばたき翼より胴体へ作用させる揚力と推進力の大きさをそれぞれ調整できるようにして、前進飛行時の速度を低速から高速まで自在に変更したり、上昇、下降を自在に行なうことができるようにしてある。更に、上記左右の各羽ばたき翼の羽ばたき作動を左右で相違させて、該各羽ばたき翼より胴体の左右位置へ作用させる推進力の大きさを変更するときに、胴体の左右位置へ作用する揚力の大きさの差が生じるときには、この揚力の差を打ち消すように上記重心移動装置にて機体の左右の重量バランスを変更することで、胴体の左右方向を水平状態に保持したまま左右方向へ旋回させることができるようにしてある。したがって、飛行速度、飛行高度を自在に変更したり、左右方向への旋回飛行を自在に行って、高度な飛行性能を達成することができるようにしてある。
【０００９】
ところで、上記した各形式の羽ばたき型小型飛行装置では、使用目的に対応させたペイロードを十分に搭載できるようにしたり、長距離を長時間飛行できるようにすることが求められることがあり、そのために、各翼を数１０Ｈｚ〜数１００Ｈｚというような高い周波数で羽ばたかせる必要が生じることがある。このように、各翼を高い周波数で羽ばたかせる場合には、各翼各羽ばたき翼の羽ばたき作動時に発生する慣性力の変動をいかに処理するかが重要となる。
【００１０】
そのために、上記した各形式の羽ばたき型小型飛行装置では、いずれも、各羽ばたき翼を羽ばたき作動させるアクチュエータを、それぞれ対応する羽ばたき翼に復元力を作用させて羽ばたき作動させることができるようにしたアクチュエータとして、該アクチュエータの可動部、該アクチュエータにて羽ばたき作動させられる羽ばたき翼、及び、該羽ばたき翼の羽ばたき作動に同伴されて一緒に運動する空気の慣性力と、アクチュエータより羽ばたき翼へ作用させる復元力とにより形成される振動系の共振周波数と等しい周波数となるように、上記アクチュエータにて羽ばたき翼を羽ばたき作動させることで、上記慣性力をキャンセルすることができるようにしてある。
【００１１】
具体的には、上記アクチュエータとして翼駆動用モータを用いる場合には、該翼駆動用モータを、出力軸と固定側との間に所要の弾性係数を有する弾性部材を介在させて出力軸に復元トルクを与えながら該出力軸を正、逆転駆動できるようにした共振型の構成とするようにしてある。したがって、各翼駆動用モータにて出力軸に取り付けた羽ばたき翼を羽ばたき作動させるときには、弾性部材により復元力としての復元トルクを作用させるようにする。これにより、翼駆動用モータの回転する可動部、羽ばたき翼及び該羽ばたき翼の羽ばたき作動に伴われて一緒に運動する空気の慣性力と、上記弾性部材より翼駆動用モータの出力軸に与えるようにしてある復元トルクとが作る振動系に対して、翼駆動用モータの出力軸の交互の正、逆転駆動により変動外力を加えるときに、該変動外力の周波数が上記振動系の共振周波数に等しくなるよう上記翼駆動用モータの出力軸の交互の正、逆転駆動の周波数を調整することで、上記慣性力をキャンセルさせて、翼駆動用モータの負荷を軽減することができるようにしてある。
【００１２】
又、アクチュエータとして線形アクチュエータを用いる場合には、該線形アクチュエータを、出力軸と固定側との間に所要の弾性係数を有する弾性部材を介在させて出力軸に復元力を与えながら該出力軸を軸心方向に振動できるようにしてなる共振型の構成とするようにしてある。したがって、各線形アクチュエータにて出力軸に取り付けた羽ばたき翼を羽ばたき作動させるときには、弾性部材により復元力を作用させることにより、線形アクチュエータの振動する可動部、羽ばたき翼及び該羽ばたき翼の羽ばたき作動に伴われて一緒に運動する空気の慣性力と、上記弾性部材より線形アクチュエータの出力軸に与えるようにしてある復元力とが作る振動系に対して、線形アクチュエータの出力軸の振動により変動外力を加えるときに、該変動外力の周波数が上記振動系の共振周波数に等しくなるように上記線形アクチュエータの出力軸を振動させる周波数を調整することで、上記慣性力をキャンセルさせて、線形アクチュエータの負荷を軽減することができるようにしてある。
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−０８８７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところが、上記した各形式の羽ばたき型小型飛行装置では、翼駆動用モータや線形アクチュエータ等のアクチュエータにより羽ばたき翼を羽ばたき作動させるときの周波数が、上記共振周波数とが等しい周波数となるようにして、上記アクチュエータにより往復動させる羽ばたき翼に作用する慣性力をキャンセルさせるようにしてある。しかし、実際には、飛行状態の変化に応じて羽ばたき翼の往復動の速度を変化させると、該羽ばたき翼に作用する空気力が変化して、負荷質量やダンピング係数が変化する。このために、上記翼駆動用モータや線形アクチュエータ等のアクチュエータに復元力を付与するための弾性部材における弾性係数が一定であっても、該アクチュエータの可動部、該アクチュエータにて羽ばたき作動させられる羽ばたき翼、及び、該羽ばたき翼の羽ばたき作動に同伴されて一緒に運動する空気の慣性力と、アクチュエータより羽ばたき翼へ作用させる復元力とにより形成される振動系の共振周波数が変化することとなる。
【００１５】
そこで、本発明は、上記のように、羽ばたき翼の往復動の速度を変化させて、羽ばたき翼に作用する空気力の変化に伴う付加質量やダンピング係数が変化して、上記振動系の共振周波数が変化しても、この共振周波数の変化に追従してアクチュエータにより羽ばたき翼を往復動させるときの周波数を最適に変化させることができる羽ばたき翼駆動機構の制御方法及び装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に係る発明に対応して、小型飛行装置の胴体の左右両側に配した羽ばたき翼の基端側を、アクチュエータの出力軸に連結して、復元力を作用させながら上記アクチュエータの出力軸の回転方向又は直線方向の往復駆動によって上記羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにしてある羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧に対して、上記羽ばたき翼の羽ばたき角の位相が−９０度進みとなるように、上記アクチュエータへ入力させる電圧の周波数を制御するようにする羽ばたき翼の駆動機構の制御方法とする。
【００１７】
又、上記において、アクチュエータへ入力させる電圧の周波数の制御を、上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積の値を、所要のローパスフィルタにて処理し、更に、電圧制御発振器により、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるようにするための所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせ、アンプより上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧となるように電力供給を行うことで行わせるようにする。
【００１８】
更に、請求項３に係る発明に対応して、小型飛行装置の胴体の左右両側に配した羽ばたき翼の基端側を、アクチュエータの出力軸に連結して、復元力を作用させながら上記アクチュエータの出力軸の回転方向又は直線方向の往復駆動によって上記羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにしてある羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積を算出する乗算器と、該乗算器の算出値を処理する所要のローパスフィルタと、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるように所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせるための電圧制御発振器と、上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧の電力供給を行うことができるようにしてあるアンプとを備えた羽ばたき翼の駆動機構の制御装置とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
（１）小型飛行装置の胴体の左右両側に配した羽ばたき翼の基端側を、アクチュエータの出力軸に連結して、復元力を作用させながら上記アクチュエータの出力軸の回転方向又は直線方向の往復駆動によって上記羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにしてある羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧に対して、上記羽ばたき翼の羽ばたき角の位相が−９０度進みとなるように、上記アクチュエータへ入力させる電圧の周波数を制御するようにする羽ばたき翼の駆動機構の制御方法としてあるので、小型飛行装置を飛行させるべく羽ばたき翼を羽ばたき作動させる際に、運転状態の変化によって各羽ばたき翼の往復動の速度を変化させることに伴って、該各羽ばたき翼に作用する空気力の負荷質量や、ダンピング係数が変化して、アクチュエータへの入力電圧の周波数、及び、各羽ばたき翼の羽ばたき作動の周波数が、上記アクチュエータの可動部、羽ばたき作動させられる各羽ばたき翼、及び、該各羽ばたき翼の羽ばたき作動に同伴されて一緒に運動する空気の慣性力と、上記羽ばたき翼へ作用させている復元力とにより形成される振動系の共振周波数からずれを生じても、上記アクチュエータの入力電圧の周波数と、羽ばたき翼の羽ばたき作動の周波数を自動的に変化させて、上記共振周波数からのずれを解消できる。したがって、上記小型飛行装置の運転状態を変化させても、羽ばたき翼を、上記共振周波数に一致する周波数で羽ばたき作動させることができて、上記羽ばたき翼に作用する慣性力をキャンセルさせることが可能となる。
（２）アクチュエータへ入力させる電圧の周波数の制御を、上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積の値を、所要のローパスフィルタにて処理し、更に、電圧制御発振器により、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるようにするための所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせ、アンプより上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧となるように電力供給を行うことで行わせるようにする制御方法、及び、上記と同様の羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積を算出する乗算器、該乗算器の算出値を処理する所要のローパスフィルタ、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるように所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせるための電圧制御発振器、上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧の電力供給を行うことができるようにしてあるアンプを備えてなる構成を有する羽ばたき翼の駆動機構の制御装置とすることにより、上記（１）の制御方法を実現可能とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００２１】
図１乃至図５（イ）（ロ）（ハ）（ニ）（ホ）（ヘ）（ト）は本発明の羽ばたき翼の駆動機構の制御方法及び装置の実施の一形態を示すもので、図１はブロック図、図２は、本発明の適用対象となる羽ばたき型小型飛行装置の羽ばたき翼２の駆動機構１を示すものである。
【００２２】
図２に示す駆動機構１は、胴体３の前後方向所要位置に備えるようにする。すなわち、胴体３の前後方向所要位置の左右両側部に、開口を設けて、該開口を通して左右一対の羽ばたき翼２の各基端側（内端側）を胴体３内へ位置させるようにする。該各羽ばたき翼２の基端部には、直角方向に支軸４が固定して取り付けてあり、該各支軸４が胴体３内の固定部（図示せず）に回転自在に挿通されて、図示しない軸受で回転自在に支持させるようにしてある。又、上記両支軸４には、同径のギヤ５が一体として回転できるようにそれぞれ取り付けてあり、該ギヤ５同士は図２に示す如く噛合して、一方のギヤ５が回転すると他方のギヤ５も同時に回転できるようにしてある。更に、胴部３内の固定部には、アクチュエータとしての翼駆動用モータ６が設置され、該翼駆動用モータ６の出力軸６ａに取り付けた小径の駆動ギヤ７を、上記２つのギヤ５のいずれか一方に図示の如く噛合させた構成としてある。これにより、翼駆動用モータ６を駆動して駆動ギヤ７を介して動力を一方のギヤ５に伝えることにより、２つのギヤ５が同時に反対方向に回転し、支軸４を介し羽ばたき翼２が同時に上下方向へ回動して羽ばたき作動することができるようにしてある。更に、上記左右の羽ばたき翼２の支軸４と胴部３内の固定部、あるいは、上記翼駆動用モータ６における出力軸と胴部３内の固定部との間に、ばね等の図示しない弾性部材を介在させて設けて、該弾性部材の弾性力を、左右の羽ばたき翼２を振幅の中央の中立位置に引き戻すための復元力として作用させることができるようにしてある。
【００２３】
ここで、先ず、上記翼駆動用モータ６を、図３に示す如き電気子（回転子）８の外部に界磁コイル９を備えてなる他励式直流モータとして、その働きを考える。なお、２次的な影響は無視することとする。
【００２４】
電流ｉｍのときの上記翼駆動用モータ６の回転トルク（発生トルク）は、磁束をΦｍとすると、ｋ´ｍを定数として、ｋ´ｍΦｍｉｍである。又、回転数ｎｍのときの逆起電力は、ｋｍを定数として、ｋｍΦｍｎｍである。
【００２５】
上記モータ６における電気子８の端子電圧、すなわち、入力電圧をｅｍ、内部抵抗をｒｍ、モータ６の回転慣性をＪｍ、負荷トルクをｑｍとすると、下記の方程式が得られる。
【００２６】
すなわち、力学的関係は、
【数１】
又、電気的関係は、
【数２】
である。なお、上記（Ａ２）式には、コイルを流れる電流が変動することによる自己誘導電圧が含まれるべきであると思われるが、ここでは省略している。
【００２７】
上記（Ａ２）式を電流ｉｍについて解くと、
【数３】
となり、これを上記（Ａ１）式に代入すると、
【数４】
が得られる。
【００２８】
次に、上記翼駆動用モータ６に取り付けてある駆動ギア７と、上記一方の羽ばたき翼２の支軸４に取り付けてあるギア５との間で生じる減速について考える。
【００２９】
図４は、上記翼駆動用モータ６の出力軸に取り付けてある駆動ギア７と、上記一方の羽ばたき翼２の支軸４に取り付けてあるギア５との力学系を取り出して示したもので、上記駆動ギア７の直径をｄｍとし、上記一方の羽ばたき翼２側のギア５の直径をｄ１とする。上記駆動ギア７から上記モータ６へ伝達されるトルク（負荷トルク）をｑｍとすると、上記直径ｄｍの駆動ギア７から上記直径ｄ１のギア５には、（ｄ１／ｄｍ）・ｑｍのトルクが伝達される。よって、この条件の下で、上記モータ６の回転速度（回転数）をｎｍ（ｒｐｓ）とすると共に、上記一方の羽ばたき翼２側から上記支軸４を介してギア５へ伝達されるトルク（負荷トルク）をｑ１とし、ギア５の回転慣性をＪ１とし、該ギア５の回転量（回転角度）をθ１とすると、該ギア５の運動方程式は、
【数５】
で与えられる。
【００３０】
上記翼駆動用モータ６に関しては、（Ａ１）式で述べたように、その力学的関係は、
【数６】
であるので、上記（Ｂ１）式を負荷トルクｑｍについて解いて（Ｂ２）式に代入すると、
【数７】
となる。この式に、上記モータ６の回転数ｎｍと、上記ギア５の回転角度θ１との関係式である
【数８】
を代入すると、
【数９】
となる。
【００３１】
一方、（Ａ２）式、（Ａ３）式で述べたように、上記翼駆動用モータ６の電気的関係
【数１０】
を電流ｉｍについて解くと、
【数１１】
であるので、これを上記（Ｂ５）式に代入すると、
【数１２】
となる。
【００３２】
次いで、以上のことを基にして、本発明の導出について述べる。図２に示した如き構成としてある羽ばたき型小型飛行装置における翼駆動用モータ６の運動方程式は、該モータ６の回転数をｎｍ、入力電圧をｅｍ、負荷トルクをｑｍ、回転慣性をＪｍ、磁束をΦｍ、内部抵抗をｒｍとし、逆起電力に関連する定数をｋｍ、発生トルクに関連する定数をｋ´ｍとすると、前述の（Ａ４）式より
【数１３】
として与えられる。
【００３３】
又、上記翼駆動用モータ６の回転は、出力軸６ａに取り付けてある駆動ギア７から一方（図上左側）の羽ばたき翼２の支軸４に取り付けてあるギア５へ減速されて伝達されるようにしてある。ギア５の回転慣性をＪ１、羽ばたき翼２の１枚当りの負荷トルクをｑ１とし、上記駆動ギア７とギア５との間における上記モータ６から伝えられる回転の減速比をρＧとし、更に、上記ギア５には、他方の羽ばたき翼２の支軸４に取り付けたギア５が噛合させてあって、左右の羽ばたき翼２が、上記１つの翼駆動用モータ６の出力により羽ばたき作動させられるものとすると、上記（１）式は、前述の（Ｂ８）式により
【数１４】
となる。
【００３４】
ここで、左右の各羽ばたき翼２の回転中心となる支軸４の中心から、各羽ばたき翼２の重心までの距離をｌＧ、羽ばたき翼２の１枚当りの質量をｍ１、各支軸４の中心から各羽ばたき翼２に作用する空気力の作用点までの距離をｌＦ、空気力によって作用する付加質量をｍＦ、ダンピング係数をｎＦとし、更に、各羽ばたき翼２に図示しない弾性部材により作用させてある復元力をｋ１として、羽ばたき翼２の１枚当りの負荷トルクｑ１を、
【数１５】
と記載するようにする。又、上記ギア５の回転角度θ１と、上記モータ６の回転数ｎｍとの間には、
【数１６】
という関係があるので、（３）式と（４）式を（２）式へ代入すると、
【数１７】
が導かれる。なお、この（５）式では、（Ａ２）式の導出時において述べたように、回転子コイルの自己誘導電圧は無視したものとしてある。又、この運動方程式における左辺第２項をみると、電気的な力が減衰力を与えていることが分かる。又、上記（Ａ３）式と（４）式より、
【数１８】
が求められる。
【００３５】
そこで、
【数１９】
を、上記（５）式と（６）式に代入すると、それぞれ、
【数２０】
【数２１】
となるので、電圧ｅｍに対するギア５の回転角度θ１の応答関数は、
【数２２】
となる。よって、電圧ｅｍに対する電流ｉｍの応答関数は、（９）式と（１０）式より、
【数２３】
と求まる。なお、ここで、上記翼駆動用モータ６における回転子コイルの自己誘導電圧を含める場合には、インダクタンスをＬｍとすると、上記モータの内部抵抗ｒｍを、ｒｍ＋ｊ２πｆＬｍとすればよいと考えられる。したがって、上記モータ６の回転子コイルの自己誘導電圧を含めることは、慣性を大にする作用が予想される。
【００３６】
次に、上記翼駆動用モータ６へ投入されるパワーは、
【数２４】
であるので、これより平均Ｍｅａｎ［ｅｍｉｍ］、周波数Ｆｒｅｑ［ｅｍｉｍ］、偏角Ａｒｇ［ｅｍｉｍ］は、
【数２５】
と求まる。
【００３７】
共振周波数ｆ０を、上記（１０）式で示した応答関数Ｈθ１ｅｍ（ｆ）の大きさを最大にする周波数とすると、（１０）式の分母の絶対値を最小にするものとなるので、
【数２６】
である。したがって、制御目標となる共振周波数ｆ０は、
【数２７】
と求まる。
【００３８】
具体例を挙げて説明すると、図３に示した翼駆動用モータ６を、端子間抵抗（内部抵抗）が１７．０Ω、印加電圧が１２．０Ｖのときの起動電流が１２．０Ｖ／１７．０Ω＝０．７０６Ａで、そのときの起動トルクが０．００４３４Ｎｍであるとする。これにより、ｋ´ｍΦｍは、
ｋ´ｍΦｍ＝０．００４３４／０．７０６＝０．００６１５Ｎｍｓ／Ａ
となる。一方、無負荷回転数が１８０００ｒｐｍで、印加電圧が１２Ｖのときの無負荷電流が０．０１２Ａであるとする。これにより、ｋｍΦｍは、
ｋｍΦｍ＝（１２−０．０１２×１７）／（１８０００／６０）＝０．０３９３Ｖｓ
となる。
【００３９】
更に、図２に示した羽ばたき型小型飛行装置における各種パラメータを以下のように設定する。
【００４０】
支軸４の中心から羽ばたき翼２の重心までの距離：ｌＧ＝０．０５ｍ
羽ばたき翼２の１枚当りの質量：ｍ１＝０．００２５ｋｇ
支軸４中心から羽ばたき翼２に作用する空気力の作用点までの距離：ｌＦ＝０．０７５ｍ
上記空気力による負荷質量：ｍＦ＝０．０２ｋｇ
上記空気力によるダンピング係数：ｎＦ＝０．０１ｋｇ／ｓ
羽ばたき翼２に作用させる復元力：ｋ１＝１．０Ｎｍ／ｒａｄ
翼駆動用モータ６の回転慣性：Ｊｍ＝０．０００００１ｋｇｍ２
駆動ギア７とギア５間における減速比：ρＧ＝０．０６２５
なお、ギア５の回転慣性Ｊ１は無視できるものとして、Ｊ１＝０とした。
【００４１】
これらのパラメータを用いて上記（１５）式により共振周波数ｆ０を求めると、１０．１３１Ｈｚとなる。よって周期Ｔ０は、０．０９８７ｓとなる。
【００４２】
（１０）式、（１１）式、（１３）式を計算した結果を図５（イ）（ロ）（ハ）（ニ）（ホ）（ヘ）（ト）に示す。上記共振周波数において、図５（イ）に示す如く、電圧ｅｍに対するギア５の回転角度の応答関数：Ｈθ１ｅｍ（ｆ）の絶対値は大幅に増加して極大となる。一方、図５（ハ）に示す如き電圧ｅｍに対する電流ｉｍの応答関数：Ｈｉｍｅｍ（ｆ）の絶対値、図５（ホ）に示す如き規格化されたパワーの平均：ｍｅａｎ［ｅｍｉｍ］／｜Ｅｍ２｜、図５（ヘ）に示す如き規格化されたパワーの振幅：Ａｍｐ［ｅｍｉｍ］／｜Ｅｍ２｜は、いずれも大幅に減少する。
【００４３】
又、共振周波数の前後においては、図５（ロ）に示す如く、上記応答関数Ｈθ１ｅｍ（ｆ）の位相は０〜−１８０度に変化し、図５（ニ）に示す如き上記応答関数Ｈｉｍｅｍ（ｆ）の位相、及び、図５（ト）に示す如きパワーの位相：ｅｍｉｍの位相は、いずれも−４５〜４５度に変化する。
【００４４】
更に、図５（ロ）より、羽ばたき翼２の羽ばたき角、すなわち、ギア５の回転角度：θ１（ｔ）と、電圧ｅｍ（ｔ）の位相差が、上記共振周波数（同調点）を挟んで０から−１８０度に変化する際、上記同調点における両者の位相差は、−９０度である。よって、本発明では上記ギアの回転角度θ１（ｔ）と電圧ｅｍ（ｔ）との関係を同調維持制御に用いることにした。
【００４５】
ここで、厳密には、前述の（５）式において、左辺第１項の慣性力項と、左辺第３項の復元力項がキャンセルした状態で、ｄθ１（ｔ）／ｄｔとｅｍ（ｔ）が同位相、すなわち、位相差が−９０度となることから、厳密な意味で同調点ではない。
【００４６】
そこで、電圧ｅｍ（ｔ）と、羽ばたき翼２の羽ばたき角と一致するギア５の回転角度：θ１（ｔ）を、
【数２８】
と書くことにすると、振幅ＥｍとΘｍ及び位相差φは次のようにして求めることができる。すなわち、ｅｍ２（ｔ）、θ１２（ｔ）、ｅｍ（ｔ）θ１（ｔ）は、それぞれ、
【数２９】
【数３０】
となるので、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと記す）を通して、上記（１８）式における右辺第２行の第２項を消すと、振幅ＥｍとΘｍ及び位相差φを求めることが可能となる。
【００４７】
そこで、本発明では、図１にブロック図で示す如く、図２に示した如き羽ばたき型小型飛行装置における各羽ばたき翼２の駆動機構１に設けた図示しない検出部より入力される上記各羽ばたき翼２の羽ばたき角と一致するギア５の回転角度θ１と、上記各羽ばたき翼２を駆動する翼駆動用モータ６へ後述するアンプ１０より入力させる電圧ｅｍとの積を求める乗算器１１、ＬＰＦ１２、加算器１３、電圧に比例した周波数を発振する電圧制御発振器（Voltage Contorol Oscillator：ＶＣＯ）１４、及び、上記アンプ１０を、上記翼駆動用モータ６の上流側に設けて、羽ばたき翼２の駆動機構１の制御装置を構成するようにする。更に、かかる構成としてある制御装置を用いて羽ばたき翼２の駆動機構１の制御を行う場合は、翼駆動用モータ６の出力により各羽ばたき翼２を往復動させる際、各羽ばたき翼２の羽ばたき角と一致するギア５の回転角度θ１と、上記アンプ１０より翼駆動用モータ６へ入力される電圧ｅｍとを上記乗算器１１に入力して両者の積を算出した後、該上記θ１とｅｍの積を上記ＬＰＦ１２を通すことで、上記（１８）式における右辺第２行の第２項の成分を消す。次いで、上記ＶＣＯ１４より、上記（１８）式にて残っている右辺第２行の第１項の成分をゼロとさせることができるようにするための所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせて上記アンプ１０へ入力させ、しかる後、該アンプ１０より、上記翼駆動用モータ６へ上記ＶＣＯ１４より発振される周波数に応じた周波数で駆動用の電力供給を行うようにする。その後、この電力供給によって運転される翼駆動用モータ６にて駆動される羽ばたき翼２の羽ばたき角に相当するギア５の回転角度θ１と、上記アンプ１０より翼駆動用モータ６へ入力される電圧ｅｍとを、再び上記乗算器１１へ入力させて上記と同様の制御ループを繰り返すようにし、この制御ループの繰り返しの際には、上記加算器１３にて、従前のＬＰＦ１２の出力に対して１制御ループ（１タイムステップ）経過後の新たなＬＰＦ１２の出力を加算してＶＣＯ１４へ出力させるようにする。
【００４８】
このように、本発明の羽ばたき翼の駆動機構の制御方法及び装置によれば、羽ばたき型小型飛行装置にて各羽ばたき翼２を羽ばたき作動させて飛行させる際に、運転状態の変化によって各羽ばたき翼２の往復動の速度を変化させることに伴って、該各羽ばたき翼２に作用する空気力の負荷質量ｍＦや、ダンピング係数ｎＦが変化し、この変化に起因して翼駆動用モータ６を駆動するための入力電圧ｅｍの周波数、及び、各羽ばたき翼２の羽ばたき作動の周波数が、上記翼駆動用モータ６の可動部、羽ばたき作動させられる各羽ばたき翼２、及び、該各羽ばたき翼２の羽ばたき作動に同伴されて一緒に運動する空気の慣性力と、図示しない弾性部材より各羽ばたき翼２へ作用させている復元力とにより形成される振動系の共振周波数からずれを生じても、翼駆動用モータ６を駆動するための入力電圧ｅｍの位相に対して、各羽ばたき翼２の羽ばたき角に一致するギア５の回転角度θ１の位相が−９０度進みとなるように制御することで、上記共振周波数からのずれを解消できるようになる。
【００４９】
したがって、上記羽ばたき型小型飛行装置の運転状態を変化させる場合に、羽ばたき翼２の羽ばたき作動の周波数と、上記振動系の共振周波数にずれが生じても、後述する数値シミュレーションの結果から明らかなように、羽ばたき翼２の羽ばたき作動の周波数を、上記振動系の共振周波数に一致するように自動的に変化させることができることから、上記各羽ばたき翼２に作用する慣性力をキャンセルさせた状態で該各羽ばたき翼２を羽ばたき作動させることができる。
【００５０】
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、以下に述べるようにしたものも含むものである。たとえば、上記実施の形態においては、左右一対の羽ばたき翼２を、１つの翼駆動用モータ６により駆動する構成の駆動機構２について説明したが、各羽ばたき翼２ごとに個別の翼駆動用モータ６を装備して、各羽ばたき翼２を個別の翼駆動用モータ６の回転駆動力により羽ばたき作動させる形式の駆動機構に本発明を適用してもよい。この場合は、（２）式における左辺括弧内の第２項の係数、右辺括弧内の第２項の分子の係数、及び、（５）式における左辺第１項の括弧内の第２項、第３項及び第４項の係数、左辺第２項の括弧内の第２項の係数、左辺第３項の係数を、いずれも１とすることで、上記と同様に各式を導くことができることから、この場合であっても、翼駆動用モータ６を駆動するための入力電圧ｅｍに対して、各羽ばたき翼２の羽ばたき角に一致するギア５の回転角度θ１の位相が−９０度進みとなるように制御することで、共振周波数からのずれを自動的に解消できるようになる。
【００５１】
前記した羽ばたき型小型飛行装置の構造的な各種パラメータや、翼駆動用モータ６の電気的な各種パラメータは、具体例として挙げたものであって、それぞれ示した数値に限定されるものではない。
【００５２】
各羽ばたき翼２の駆動機構１を、アクチュエータとしての翼駆動用モータ６を備えてなる形式のものとして示したが、出力軸を軸心方向に振動できるようにしてなる線形アクチュエータの上記出力軸に取り付けたラックと、各羽ばたき翼２の支軸４に取り付けたピニオンを噛合させてなる構成として、出力軸の振幅に応じた羽ばたき角で上記羽ばたき翼２を羽ばたき作動させることができるようにしてあれば、線形アクチュエータを用いてなる形式の羽ばたき翼２の駆動機構にも適用できる。
【００５３】
その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【実施例】
【００５４】
以下、本発明者が実施した数値シミュレーション結果について説明する。
【００５５】
（１）
図１に示したと同様の構成におけるローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２を、図６にブロック図を示す如き２セクション４次バターワースフィルタとし、このＬＰＦ１２の伝達関数が、
【数３１】
により与えられるものとする。下記の表１と表２に、以下の計算で使用される上記ＬＰＦ１２の２セクション４次のバターワースフィルタとしての設計仕様と、フィルタ係数をそれぞれ示す。
【表１】
【表２】
このＬＰＦ１２を２段直列で用いて図６に示した羽ばたき翼の駆動機構の制御方法の数値シミュレーションを行った。スタート時の周波数ｆ（０）を９．９３Ｈｚとした場合の周波数ｆの径時的な変化と、パワーｐｍ（ｔ）の径時的な変化についての結果を図７（イ）と（ロ）にそれぞれ示す。なお、上記パワーｐｍ（ｔ）の変化は、羽ばたき翼２の１回の羽ばたき動作ごとに周期的に生じているものであるため、図７（ロ）では、上記パワーｐｍ（ｔ）の変化を上下の包絡線で示してある。
制御に使ったルールは、
【数３２】
である。ここで、ｔ＋１はネクストタイムステップを示す。その他の羽ばたき型小型飛行装置における構造的な各種パラメータ、及び、翼駆動用モータ６の電気的な各種パラメータは前述したと同様の値とする。
図７（イ）に示す結果より明らかなように、スタート時の周波数が、共振周波数より低くても、周波数ｆは、時間の経過とともに一定の共振周波数（１０．１３Ｈｚ）の値に収束することが判明した。又、図７（ロ）に示す結果より明らかなように、上記周波数ｆの収束に伴って、羽ばたき翼２の駆動に要するパワーの低下が実現されていることが判明した。
【００５６】
（２）
上記と同様の数値シミュレーションを、スタート時の周波数ｆ（０）を１０．３３Ｈｚとした場合について実施した。周波数ｆの径時的な変化の結果を図８に示す。
図８の結果より明らかなように、スタート時の周波数が、共振周波数より高い場合にも、周波数ｆは、時間の経過とともに一定の共振周波数（１０．１３Ｈｚ）に収束することが判明した。
【００５７】
以上、（１）と（２）の結果から、スタート時の周波数が共振周波数からずれていても、周波数ｆを自動的に共振周波数に一致させるようにすることができることから、本発明の羽ばたき翼の駆動機構の制御方法及び装置が有効に作用することが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の羽ばたき翼の駆動機構の制御方法及び装置の実施の一形態を示すブロック図である。
【図２】図１の制御方法を適用する羽ばたき型小型飛行装置の概要を示す正面図である。
【図３】図２の小型飛行装置に用いる翼駆動用モータを示す概要図である。
【図４】図２の小型飛行装置における翼駆動用モータに取り付けてある駆動ギアと、羽ばたき翼の支軸に取り付けてあるギアとの力学系を取り出して示した図である。
【図５】（１５）式と、（１０）式、（１１）式、（１３）式の具体的な数値計算の結果を示すもので、（イ）は電圧に対するギアの回転角度の応答関数の絶対値、（ロ）は該応答関数の偏角、（ハ）は電圧に対する電流の応答関数の絶対値、（ニ）は該応答関数の偏角、（ホ）は規格化されたパワーの平均、（ヘ）は規格化されたパワーの振幅、（ト）は上記パワーの位相を、それぞれ周波数変化に対して示す図である。
【図６】本発明者の行った数値シミュレーションで用いたローパスフィルタを示すブロック図である。
【図７】本発明の有効性を検証するために行った数値シミュレーションの結果を示すもので、（イ）は周波数の径時的な変化を、（ロ）は羽ばたき翼の羽ばたき作動に要するパワーの径時的な変化をそれぞれ示す図である。
【図８】は本発明の有効性を検証するために別の条件で行った数値シミュレーションの結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ 駆動機構
２ 羽ばたき翼
３ 胴体
６ 翼駆動用モータ（アクチュエータ）
６ａ 出力軸
１０ アンプ
１１ 乗算器
１２ ローパスフィルタ
１４ 電圧制御発振器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
小型飛行装置の胴体の左右両側に配した羽ばたき翼の基端側を、アクチュエータの出力軸に連結して、復元力を作用させながら上記アクチュエータの出力軸の回転方向又は直線方向の往復駆動によって上記羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにしてある羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧に対して、上記羽ばたき翼の羽ばたき角の位相が−９０度進みとなるように、上記アクチュエータへ入力させる電圧の周波数を制御するようにすることを特徴とする羽ばたき翼の駆動機構の制御方法。
【請求項２】
アクチュエータへ入力させる電圧の周波数の制御を、上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積の値を、所要のローパスフィルタにて処理し、更に、電圧制御発振器により、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるようにするための所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせ、アンプより上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧となるように電力供給を行うことで行わせるようにする請求項１記載の羽ばたき翼の駆動機構の制御方法。
【請求項３】
小型飛行装置の胴体の左右両側に配した羽ばたき翼の基端側を、アクチュエータの出力軸に連結して、復元力を作用させながら上記アクチュエータの出力軸の回転方向又は直線方向の往復駆動によって上記羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにしてある羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積を算出する乗算器と、該乗算器の算出値を処理する所要のローパスフィルタと、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるように所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせるための電圧制御発振器と、上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧の電力供給を行うことができるようにしてあるアンプとを備えた構成を有することを特徴とする羽ばたき翼の駆動機構の制御装置。
【請求項１】
小型飛行装置の胴体の左右両側に配した羽ばたき翼の基端側を、アクチュエータの出力軸に連結して、復元力を作用させながら上記アクチュエータの出力軸の回転方向又は直線方向の往復駆動によって上記羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにしてある羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧に対して、上記羽ばたき翼の羽ばたき角の位相が−９０度進みとなるように、上記アクチュエータへ入力させる電圧の周波数を制御するようにすることを特徴とする羽ばたき翼の駆動機構の制御方法。
【請求項２】
アクチュエータへ入力させる電圧の周波数の制御を、上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積の値を、所要のローパスフィルタにて処理し、更に、電圧制御発振器により、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるようにするための所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせ、アンプより上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧となるように電力供給を行うことで行わせるようにする請求項１記載の羽ばたき翼の駆動機構の制御方法。
【請求項３】
小型飛行装置の胴体の左右両側に配した羽ばたき翼の基端側を、アクチュエータの出力軸に連結して、復元力を作用させながら上記アクチュエータの出力軸の回転方向又は直線方向の往復駆動によって上記羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにしてある羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積を算出する乗算器と、該乗算器の算出値を処理する所要のローパスフィルタと、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるように所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせるための電圧制御発振器と、上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧の電力供給を行うことができるようにしてあるアンプとを備えた構成を有することを特徴とする羽ばたき翼の駆動機構の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
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【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−１２６９（Ｐ２００８−１２６９Ａ）
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１７３７５６（Ｐ２００６−１７３７５６）
【出願日】平成１８年６月２３日（２００６．６．２３）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【出願人】（５０４１８２４０６）有限会社数理解析研究所 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月２３日（２００６．６．２３）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【出願人】（５０４１８２４０６）有限会社数理解析研究所 (6)
【Ｆターム（参考）】
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