JP2004130852A - 無人ヘリコプタ、無人ヘリコプタの離陸方法及び無人ヘリコプタの着陸方法 - Google Patents
無人ヘリコプタ、無人ヘリコプタの離陸方法及び無人ヘリコプタの着陸方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】無人ヘリコプタ20において、高度変化率指令等に基づいてコレクティブピッチ舵角を指令して機体の高度制御を行う高度制御手段と、地上からの離陸開始指令を受けて、高度制御手段による高度制御を行わずにコレクティブピッチ舵角を増加させながら機体を離陸させて第1の高度まで上昇させた後に高度制御手段による高度制御を開始させる離陸手段と、を備える。さらに、高度制御手段の降下率指令を変更しながら機体を第2の高度まで降下させ、第2の高度までの降下率指令よりも小さい降下率指令を高度制御手段に与えて第2の高度から地上まで機体を降下させる降下手段を備える。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、無人ヘリコプタ、無人ヘリコプタの離陸方法及び無人ヘリコプタの着陸方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、各種産業界において、無人ヘリコプタを自律飛行させる技術が種々開発されている。例えば、地上に備えられたパーソナルコンピュータから、所定の送信機を介して、機体に備えられたマイクロコンピュータに所定の制御指令を送信し、この制御指令に基づいてマイクロコンピュータが機体のロータや舵面アクチュエータを駆動制御することによって自律飛行が可能となる飛行制御システムが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−118498号公報(第1頁、第1図)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記特許文献1に記載されているような従来の飛行制御システムにおいては、機体を離着陸させる際に地上操作員による無線遠隔操作が必要となっており、離陸から着陸まで完全に自律飛行を行うための飛行制御システムは未だ実用化されていないのが現状である。
【0005】
このように機体の自動離着陸制御が実現されていないのは、以下のような技術上・実用上の課題が存在していたためである。
【0006】
まず、離陸に係る技術上の課題について説明する。接地した状態においては機体の姿勢角の均衡がとれていないため、離陸直後に可及的速やかにこの均衡をとる必要がある。通常は、姿勢制御なしでも姿勢がほぼ安定するように機体が設計されているため、離陸直後に機体の姿勢が急激に不安定となることはない。しかし、姿勢角の微妙な不均衡によって、離陸と同時に機体が横方向の運動を開始する場合があり、この際に地面に脚が引っ掛かったりすると、場合によっては機体が横転することがある。かかる事態を回避するために、離陸直後に機体の姿勢の安定化を図りつつ、可及的速やかに機体を上昇させて地面から離隔させる必要がある。
【0007】
ここで、機体を上昇させるためには、コレクティブピッチ舵角を変化させてメインロータの推力を制御する必要がある。従来は、図3に示すように、高度を検出してフィードバックし、この高度と所定の高度指令(目標高度)との偏差に基づいてコレクティブピッチ舵角を変化させる高度制御則を、メインロータの推力制御に採用していた。機体の重量を支える推力をメインロータに発生させるためのコレクティブピッチ舵角指令は、図3に示した高度制御則の(図示されていない)積分器等によって算出される。
【0008】
しかし、かかる高度制御則においては、制御系の安定化を目的として、積分ゲインを小さい値に設定するのが一般的である。このため、メインロータの推力の制御開始時に、図3の高度制御則の(図示されていない)積分器の初期値をゼロと設定しておくと、メインロータの推力と機体の重量が釣り合うまでに時間がかかる。
【0009】
すなわち、メインロータの推力制御に従来の高度制御則を採用すると、機体を地面から速やかに離隔させることができないため、機体の姿勢を安定させるまでの不安定な状態が地面近傍で一定時間存続することとなり、安全性に問題があった。
【0010】
次に、着陸に係る実用上の課題について説明する。機体の安全な着陸を実現させるためには、着地時の降下速度を十分小さくする必要がある。一方、運用性のためには、着陸の際の降下開始から着地までの所要時間を可及的短くするのが望ましい。これら双方の要求を実現するために、通常の自律飛行時の高度制御とは異なる「着陸専用の制御系」を別途構築するという考え方がある。
【0011】
しかし、かかる着陸専用の制御系を別途構築することは、必然的にソフトウェア構成の複雑化をもたらすこととなる。また、着地時の降下速度を小さくするためには、高度及び降下速度を計測するための特別な高精度センサを機体に搭載する必要がある。従って、着陸専用の制御系を構築しようとすると、新規ソフトウェア開発用のコストや、高精度センサ搭載用のコストがかかることとなり、結果的に機体価格が上昇してしまうという問題がある。
【0012】
本発明の課題は、地上からの操縦指令を必要とせずに自律的に飛行を行う無人ヘリコプタにおいて、安全な自動離着陸を実現せしめるとともに、制御系構築のためのコスト増加を抑制することである。
【0013】
また、本発明の課題は、安全な自動離陸を実現させる無人ヘリコプタの離陸方法と、安全な自動着陸を実現させる無人ヘリコプタの着陸方法と、を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、地上からの操縦指令を必要とせずに自律的に飛行を行う無人ヘリコプタにおいて、フィードバックされた高度と高度指令との偏差、及び、フィードバックされた上昇率と上昇率指令との偏差に基づいてコレクティブピッチ舵角を指令する高度制御手段と、水平面の位置に関し、フィードバックされた位置と位置指令との偏差、及び、フィードバックされた速度と速度指令との偏差に基づいて位置制御を行う位置制御手段と、フィードバックされた姿勢角と姿勢角指令との偏差に基づいて機体の姿勢制御を行う姿勢制御手段と、地上からの離陸開始指令を受けて、前記高度制御手段による高度制御を行わずにコレクティブピッチ舵角を増加させながら機体を離陸させて第1の高度まで上昇させた後に、前記高度制御手段による高度制御を開始させる離陸手段と、を備えることを特徴とする。
【0015】
請求項1に記載の発明によれば、地上からの離陸開始指令を受けて、高度制御手段による高度制御を行わずにコレクティブピッチ舵角を増加させながら機体を離陸させて第1の高度まで上昇させた後に、高度制御手段による高度制御を開始させる離陸手段を備えるので、機体を地面から迅速に離隔させることができる。この結果、機体の姿勢を安定させるまでの不安定な状態が地面近傍で一定時間存続するのを回避することができ、離陸時の安全性を確保できる。しかも、離陸手段は、従来から用いられている高度制御手段の作動のタイミングを制御するものであるので、ソフトウェア構成が比較的簡素である。この結果、機体価格の上昇を抑制することができる。
【0016】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の無人ヘリコプタにおいて、前記離陸手段は、前記第1の高度まで機体を上昇させる際に前記位置制御と前記姿勢制御とを抑制することを特徴とする。
【0017】
請求項2に記載の発明によれば、離陸手段は、第1の高度まで機体を上昇させる際に位置制御と姿勢制御とを抑制するので、接地状態で脚と地面との摩擦により機体が拘束されて姿勢角指令に追随できない場合に、過大な制御指令が出力されて機体が転倒するのを阻止することができる。
【0018】
請求項3に記載の発明は、地上からの操縦指令を必要とせずに自律的に飛行を行う無人ヘリコプタにおいて、フィードバックされた高度と高度指令との偏差、及び、フィードバックされた降下率と降下率指令との偏差に基づいて算出した舵角指令によりコレクティブピッチ舵角を制御する高度制御手段と、水平面の位置に関し、フィードバックされた位置と位置指令との偏差、及び、フィードバックされた速度と速度指令との偏差に基づいて位置制御を行う位置制御手段と、フィードバックされた姿勢角と姿勢角指令との偏差に基づいて機体の姿勢制御を行う姿勢制御手段と、前記高度制御手段の降下率指令を変更しながら機体を第2の高度まで降下させ、前記第2の高度までの降下率指令よりも小さい降下率指令を前記高度制御手段に与えて前記第2の高度から地上まで機体を降下させる降下手段と、を備えることを特徴とする。
【0019】
請求項3に記載の発明によれば、高度制御手段の降下率指令を変更しながら機体を第2の高度まで降下させ、第2の高度までの降下率指令よりも小さい降下率指令を高度制御手段に与えて第2の高度から地上まで機体を降下させる降下手段を備えるので、着地時の降下速度を十分小さくすることができる。この結果、着陸時の安全性を確保できる。
【0020】
しかも、降下手段は、従来から用いられている高度制御手段の降下率指令に係る制御を行うものであるので、ソフトウェア構成が比較的簡素である。また、地面近傍における高度及び降下速度を計測するための特別な高精度センサを機体に搭載する必要はなく、市販されている汎用のディファレンシャルGPSを搭載することにより、着地時の降下速度を十分に小さく制御することができる。この結果、機体価格の上昇を抑制することができる。
【0021】
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の無人ヘリコプタにおいて、前記降下手段は、前記第2の高度から地上まで機体を降下させる際に前記位置制御と前記姿勢制御とを抑制することを特徴とする。
【0022】
請求項4に記載の発明によれば、降下手段は、第2の高度から地上まで機体を降下させる際に位置制御と姿勢制御とを抑制するので、着地後に機体が地面との摩擦により拘束されて姿勢角指令に追随できなくなった場合に、過大な制御指令が出力されて機体が転倒するのを阻止することができる。
【0023】
請求項5に記載の発明は、請求項3又は4に記載の無人ヘリコプタにおいて、所定値以下の前記舵角指令が所定時間持続した場合に着地と判定する着地判定手段を備えることを特徴とする。
【0024】
請求項5に記載の発明によれば、所定値以下の舵角指令が所定時間持続した場合に着地と判定する着地判定手段を備えるので、着地の誤判定を防止することができ、安全な着地動作を担保することができる。
【0025】
請求項6に記載の発明は、無人ヘリコプタの離陸方法であって、高度制御を行わずに上昇率を増加させながら第1の高度まで上昇する第1上昇工程と、前記第1の高度から高度制御を行いながら上昇する第2上昇工程と、を備えることを特徴とする。
【0026】
請求項6に記載の発明によれば、高度制御を行わずに上昇率を増加させながら第1の高度まで上昇する第1上昇工程を備えるので、機体が地面から速やかに離隔する。この結果、機体の姿勢を安定させるまでの不安定な状態が地面近傍で一定時間存続するのを回避することができ、離陸時の安全性を確保できる。
【0027】
請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の無人ヘリコプタの離陸方法において、前記第1上昇工程で、水平面の機体の位置制御と、機体の姿勢制御と、を抑制することを特徴とする。
【0028】
請求項7に記載の発明によれば、第1上昇工程で、水平面の機体の位置制御と、機体の姿勢制御と、を抑制するので、接地状態で脚と地面との摩擦により機体が拘束されて姿勢角指令に追随できない場合に、過大な制御指令が出力されて機体が転倒するのを阻止することができる。
【0029】
請求項8に記載の発明は、無人ヘリコプタの着陸方法であって、降下率を減少させて第2の高度まで降下する第1降下工程と、前記第1降下工程における降下率よりも小さい降下率で前記第2の高度から地上まで降下する第2降下工程と、を備えることを特徴とする。
【0030】
請求項8に記載の発明によれば、降下率を減少させて第2の高度まで降下する第1降下工程と、第1降下工程における降下率よりも小さい降下率で第2の高度から地上まで降下する第2降下工程と、を備えるので、着地時の降下速度を十分小さくすることができる。この結果、着陸時の安全性を確保できる。
【0031】
請求項9に記載の発明は、請求項8に記載の無人ヘリコプタの着陸方法において、前記第2降下工程で、水平面の機体の位置制御と、機体の姿勢制御と、を抑制することを特徴とする。
【0032】
請求項9に記載の発明によれば、第2降下工程で、水平面の機体の位置制御と、機体の姿勢制御と、を抑制するので、着地後に機体が地面との摩擦により拘束されて姿勢角指令に追随できなくなった場合に、過大な制御指令が出力されて機体が転倒するのを阻止することができる。
【0033】
請求項10に記載の発明は、無人ヘリコプタの着陸方法であって、フィードバックされた高度と高度指令との偏差、及び、フィードバックされた高度変化率と高度変化率指令との偏差に基づいて算出した舵角指令によってコレクティブピッチ舵角を変更して降下し、所定値以下の前記舵角指令が所定時間持続した場合に着地と判定することを特徴とする。
【0034】
請求項10に記載の発明によれば、フィードバックされた高度と高度指令との偏差、及び、フィードバックされた高度変化率と高度変化率指令との偏差に基づいて算出した舵角指令によってコレクティブピッチ舵角を変更して降下し、所定値以下の舵角指令が所定時間持続した場合に着地と判定するので、着地の誤判定を防止することができ、安全な着地動作を担保することができる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【0036】
本実施の形態においては、本発明に係る無人ヘリコプタを備えた飛行制御システムについて説明する。まず、図1及び図2を用いて、本実施の形態に係る飛行制御システム1の構成を説明する。図1は、飛行制御システム1の構成を説明するためのブロック図であり、図2は、飛行制御システム1における無人ヘリコプタ20の構成を説明するための概要構成図である。
【0037】
本実施の形態に係る飛行制御システム1は、地上に設置された基地局10や無線操縦装置14から構成される地上システムと、無人ヘリコプタ20と、を備えており、無線操縦装置14から送信された所定の制御指令に基づいて無人ヘリコプタ20を運転制御するものである。
【0038】
基地局10は、図1に示すように、GPS(Global Positioning System)衛星からの信号を受信する基地局側GPS受信機11と、GPS受信状況を表示するモニタを備えるパーソナルコンピュータ(以下、「PC」という)12と、GPSのディファレンシャル情報を無人ヘリコプタ20に送信する基地局側無線伝送装置13と、を備えている。また、無線操縦装置14は、操作員により入力された離陸指令等の制御指令を、無人ヘリコプタ20に送信するものである。
【0039】
無人ヘリコプタ20は、図1及び図2に示すように、地上からの制御指令や予め記憶された制御指令に基づいて機体のロータ等を駆動制御して自律飛行させる飛行制御装置21、GPS衛星からの信号を受信して機体の位置、速度、高度等を検出する機体側GPS受信機22、機体の姿勢角や角速度を検出する慣性センサ23、機体の磁方位を検出する磁方位センサ24、基地局側無線伝送装置13から送信されたGPSのディファレンシャル情報を受信する機体側無線伝送装置25、無線操縦装置14から送信された離陸開始指令等を受信する指令受信機26、エンジン27、ロータ28、警告灯29、等を備えている。
【0040】
飛行制御装置21は、演算処理回路、飛行制御に必要な各種制御プログラム、各種情報を記憶するメモリ、等を備えたマイクロコンピュータであり、エンジン27を駆動制御することによりロータ28を回転させ、上向きの推力を発生させて機体の上昇・降下を実現させる。
【0041】
また、飛行制御装置21には、図1に示すように、機体側GPS受信機22、慣性センサ23、磁方位センサ24及び指令受信機26が接続されている。飛行制御装置21は、これら機体側GPS受信機22や慣性センサ23や磁方位センサ24によって検出された各種データに基づいて、ロータ28のコレクティブピッチ舵角やサイクリックピッチ舵角を制御して、所定の飛行制御を実現させる。
【0042】
なお、機体側GPS受信機22は、GPSアンテナ22aを介してGPS衛星からの信号を受信して位置情報を算出する。機体側無線伝送装置25は、無線伝送装置アンテナ25aを介して基地局側無線伝送装置13からディファレンシャル情報等を受信する。かかるディファレンシャル情報は、機体側GPS受信機22で算出される位置情報の補正に用いられる。指令受信機26は、指令受信アンテナ26aを介して無線操縦装置14からの離陸指令等を受信する。また、機体に設けられた警告灯29は、予め設定された点滅パターンで点滅することにより、機体の状態を操作員に報知するものである。
【0043】
また、基地局10の無線操縦装置14から送信された所定の制御指令を、指令受信アンテナ26a及び指令受信機26を介して飛行制御装置21に伝送し、その制御指令に基づいて飛行制御装置21が所定の飛行制御を実現させることにより、無人ヘリコプタ20の遠隔操縦が可能となる。
【0044】
次に、本実施の形態に係る飛行制御システム1における無人ヘリコプタ20の飛行制御装置21の自動飛行制御機能について、図3を用いて説明する。図3は、機体の高度制御、位置制御及び姿勢制御を説明するためのブロック図である。なお、これらの制御は、無人ヘリコプタ20の離陸時、所定の飛行パターンデータに基づく自律飛行時、着陸時の全てにおいて適用されるものであるが、後述する自動離着陸制御動作においては、一部の制御が抑制される。
【0045】
<高度制御について>
まず、高度制御について説明する。飛行制御装置21のメモリには、高度制御を実現させる高度制御プログラムが記憶されている。飛行制御装置21の演算処理回路が高度制御プログラムを実行すると、機体側GPS受信機22によって検出されフィードバックされた機体の高度と高度指令との偏差(高度偏差)と、この高度偏差の積分値と、フィードバックされた機体の高度変化率と高度変化率指令との偏差と、が算出され、これら算出値に所定のゲインが掛けられて加算されることにより、機体のコレクティブピッチ舵角指令が算出される。コレクティブピッチ舵角指令は、本発明における舵角指令である。
【0046】
そして、このコレクティブピッチ舵角指令に基づいて舵角駆動用アクチュエータでコレクティブピッチ舵角を制御することにより、機体の高度制御を行うことができる。すなわち、飛行制御装置21の高度制御プログラム及び演算処理回路は、本発明における高度制御手段である。
【0047】
本実施の形態においては、図3に示すように、予め設定した高度変化率指令を積分器で積分して高度指令を算出することにより、連続的で滑らかな高度制御を実現している。また、本実施の形態における高度変化率指令は、離陸時においては一定値、自律飛行時においては所定の飛行パターンデータで設定された値、着陸時には高度データに従って段階的に減少するような値、に設定している。なお、離陸時及び着陸時における高度変化率指令の設定については、後に詳述する。
【0048】
<位置制御及び姿勢制御について>
次に、位置制御及び姿勢制御について説明する。飛行制御装置21のメモリには、位置制御を実現させる位置制御プログラムが記憶されている。飛行制御装置21の演算処理回路が位置制御プログラムを実行すると、機体側GPS受信機22によって検出されフィードバックされた機体の位置と目標位置との偏差(位置偏差)と、この位置偏差の積分値と、が算出され、これら算出値に所定のゲインが掛けられて加算されることにより、地球座標系の速度指令が算出される。そして、この地球座標系の速度指令が機体座標系の速度指令に座標変換され、フィードバックされた機体の速度とこの機体座標系の速度指令との偏差に所定のゲインが掛けられて、機体の姿勢角指令(ピッチ角指令及びロール角指令)が算出される。なお、磁方位センサ24によって検出された機体の方位角は、地球座標から機体座標への座標変換に用いられる。
【0049】
また、飛行制御装置21のメモリには、姿勢制御を実現させる姿勢制御プログラムが記憶されている。飛行制御装置21の演算処理回路が姿勢制御プログラムを実行すると、慣性センサ23によって検出されフィードバックされた機体の姿勢角(ピッチ角及びロール角)と、位置制御プログラムにより算出された姿勢角指令と、の偏差(姿勢角偏差)と、この姿勢角偏差の積分値と、が算出され、これら算出値に所定のゲインが掛けられて加算されたものから、フィードバックされた機体の姿勢角速度が減算されて、機体のサイクリックピッチ舵角指令が算出される。
【0050】
そして、このサイクリックピッチ舵角指令に基づいて舵角駆動用アクチュエータで縦サイクリックピッチ舵角及び横サイクリックピッチ舵角を制御することにより、機体の位置制御及び姿勢制御を行うことができる。すなわち、飛行制御装置21の位置制御プログラム、姿勢制御プログラム及び演算処理回路は、本発明における位置制御手段及び姿勢制御手段である。
【0051】
なお、本実施の形態に係る飛行制御システム1おいては、バックアップ遠隔操縦が可能である。すなわち、飛行制御装置21等が故障した場合や、速度指令を変更する場合には、操作員が無線操縦装置14から所定のバックアップ用速度指令を送信して、姿勢角指令の算出を行うことができる(図3参照)。
【0052】
次に、本実施の形態に係る飛行制御システム1における無人ヘリコプタ20の飛行制御装置21の自動離着陸制御機能について、図4及び図5を用いて説明する。図4は、機体の自動離陸動作を実現させる自動離陸制御を説明するための説明図であり、図5は、機体の自動着陸動作を実現させる自動着陸制御を説明するための説明図である。
【0053】
<自動離陸制御について>
まず、自動離陸制御について説明する。飛行制御装置21のメモリには、所定の自動離陸動作を実現させる離陸制御プログラムが記憶されている。飛行制御装置21の演算処理回路は、無線操縦装置14からの離陸開始指令を受信した場合に、離陸制御プログラムを実行する。離陸制御プログラムは、コレクティブピッチ舵角指令を一定の割合で増加させることにより、上昇率(高度変化率)を増加させながら機体を離陸させ、所定の安全高度まで機体を上昇させるものである。
【0054】
安全高度とは、本発明における第1の高度であって、機体が地面から完全に離隔して通常の高度制御則が適用可能となる高度をいう。安全高度は、機体の重量、気象条件、接地条件等に応じて適宜設定することができ、本実施の形態においては、ディファレンシャルGPS(高度及び位置計測手段)により確実に計測でき、また十分に低い「数10cm」を安全高度としている。また、離陸制御プログラムによるコレクティブピッチ舵角指令の増加率は、機体の重量や気象条件に応じて適宜設定することができる。
【0055】
かかる離陸制御プログラムの実行により、機体を離陸させるとともに、上昇率を一定の割合で増加させながら機体を安全高度まで上昇させることができるので、機体を地面から迅速に離隔させることができる。この結果、機体の姿勢を安定させるまでの不安定な状態が地面近傍で一定時間存続するのを回避することができ、離陸時の安全性を確保できる。
【0056】
また、離陸制御プログラムは、安全高度まで機体が上昇する間、位置制御プログラム及び姿勢制御プログラムによる処理を一時的に抑制するものである。具体的には、離陸制御プログラムの実行により、図3の位置制御則の(図示されていない)積分器への入力をゼロに設定するとともに、図3の姿勢制御則の(図示されていない)積分器への入力をゼロに設定する。
【0057】
かかる離陸制御プログラムの実行により、位置制御プログラム及び姿勢制御プログラムによる処理が一時的に抑制されるので、接地状態で脚と地面との摩擦により機体が拘束されて姿勢角指令に追随できない場合に、過大な制御指令が出力されて機体が転倒したりするのを阻止することができる。
【0058】
以上説明した飛行制御装置21の離陸制御プログラム及び演算処理回路は、本発明における離陸手段である。また、離陸制御プログラムの実行により、上昇率を一定の割合で増加させながら機体を離陸させ、安全高度まで機体を上昇させる工程は、本発明における第1上昇工程である。
【0059】
機体が安全高度に到達したことが機体側GPS受信機22によって計測されると、飛行制御装置21の演算処理回路は、高度制御プログラムを起動させて処理を開始させるとともに、位置制御プログラム及び姿勢制御プログラムによる処理を再開させ、高度制御、位置制御及び姿勢制御を行う(図4参照)。
【0060】
高度制御プログラム起動の際には、機体が安全高度に到達した時点におけるコレクティブ舵角指令の値を、図3の高度制御則の(図示されていない)積分器の初期値とする。また、本実施の形態においては、図3の高度制御則における高度変化率指令(上昇率指令)を一定としている。さらに、図3に示した積分器により高度変化率指令を積分して高度指令を算出するが、この積分器の初期値を安全高度(数10cm)としている。
【0061】
高度制御プログラムの実行により、機体を所定の目標上昇高度まで上昇させる(図4参照)。目標上昇高度は、飛行パターンに応じて適宜設定することができる。高度制御プログラムの実行により、機体を目標上昇高度まで上昇させる工程は、本発明における第2上昇工程である。なお、機体を安全高度から目標上昇高度まで上昇させる際には、離陸開始指令を受信した時点における機体の水平面位置を保持するように、位置制御を行う。
【0062】
高度制御プログラムの実行により機体が目標上昇高度に到達したら、一定時間ホバーを行った後、予め飛行制御装置21のメモリに記憶された飛行パターンデータに従って自律飛行を開始する。
【0063】
<自動着陸制御について>
次に、自動着陸制御について説明する。飛行制御装置21のメモリには、所定の着陸動作を実現させる着陸制御プログラムが記憶されている。飛行制御装置21の演算処理回路は、所定の飛行パターンデータに従った自律飛行終了後に、機体を所定の着陸目標地点の上空で一定時間ホバリングさせ、このホバリング後に着陸制御プログラムを実行する。
【0064】
着陸制御プログラムは、機体の高度の低下に伴って高度変化率を段階的に減少させながら機体をホバリング高度から降下させるものである。具体的には、着陸制御プログラムの実行により、図3に示した高度制御の降下率指令(高度変化率指令)を、機体の高度の低下に伴って段階的に減少させる(図5参照)。
【0065】
なお、機体の高度の低下に伴う降下率指令の変化の態様は、機体の重量や気象条件に応じて適宜決めることができる。また、本実施の形態においては、レートリミッタにより、降下率指令を滑らかに変化させている。また、図3に示した積分器により降下率指令を積分して、高度指令を算出している。
【0066】
本実施の形態においては、着陸制御プログラムの実行により、ホバリング高度から目標降下高度まで降下率指令を減少させながら機体を降下させる(図5参照)。この工程は、本発明における第1降下工程であり、目標降下高度は、本発明における第2の高度である。また、着陸制御プログラムの実行により、目標降下高度から地上まで、第1降下工程における降下率よりも小さい降下率で機体を降下させる。この工程は、本発明における第2降下工程である。かかる着陸制御プログラムの実行により、着地時の降下速度を十分小さくすることができる。この結果、着陸時の安全性を確保できる。
【0067】
なお、第1降下工程及び第2降下工程においては、飛行制御装置21の演算処理回路は、着陸制御プログラムの実行中に、位置制御プログラム及び姿勢制御プログラムをも実行させて、位置制御及び姿勢制御を行う。この位置制御及び姿勢制御により、機体を着陸目標位置に向けて降下させることができる。
【0068】
また、着陸制御プログラムでは、機体が降下して目標降下高度に到達したことが機体側GPS受信機22によって計測された場合に、目標降下高度到達時点から着地時点まで、位置制御プログラム及び姿勢制御プログラムによる処理を一時的に抑制する。具体的には、着陸制御プログラムの実行により、目標降下高度到達時点から着地時点まで、図3の位置制御則の(図示されていない)積分器を固定するとともに、図3の姿勢制御則の(図示されてない)積分器を固定する。すなわち、これら(図示されていない)積分器の出力を一定値にする。
【0069】
かかる着陸制御プログラムの実行により、目標降下高度到達時点から着地時点まで、位置制御プログラム及び姿勢制御プログラムによる処理が一時的に抑制されるので、着地直前に機体が地面との摩擦により拘束されて姿勢角指令に追随できなくなった場合に、過大な制御指令が出力されて機体が転倒するのを阻止することができる。
【0070】
以上説明した飛行制御装置21の着陸制御プログラム及び演算処理回路は、本発明における降下手段である。
【0071】
また、飛行制御装置21のメモリには、目標降下高度に達すると所定の着地判定処理を実現させる着地判定プログラムが記憶されている。飛行制御装置21の演算処理回路が、この着地判定プログラムを実行させると、高度制御プログラムの実行によって算出されたコレクティブピッチ舵角指令により、着地を判定することができる。
【0072】
着地判定プログラムによる着地判定手法について具体的に説明する。高度制御プログラムにおいては、図3に示した積分器で高度変化率指令(降下率指令)を積分することにより高度指令を算出するため、高度指令は次第に減少してゆき、正の値(すなわち地上)から負の値(すなわち地下)へとシフトする。これに対し、機体が着地すると、フィードバックされる高度データはゼロのまま変化することはない。
【0073】
この結果、フィードバックされた高度データと、高度指令の値と、の偏差が負の方向に次第に大きくなるため、この負方向の偏差を是正しようとして出力されるコレクティブピッチ舵角指令の値は次第に小さくなり、やがて0degとなる。着地判定プログラムは、かかるコレクティブピッチ舵角指令をモニタし、所定値以下のコレクティブピッチ舵角指令が所定時間持続した場合に、着地したものと判定している。
【0074】
従来は、接地時の衝撃を慣性センサ出力によって機体の着地を検出したり、脚に設けた電気的スイッチによって機体の着地を検出したりする手法が採用されているが、これら従来の手法によると、実際にはまだ飛行中であるにもかかわらず着陸したと誤判定してしまう場合がある。これに対し、本実施の形態においては、着地判定プログラムを実行させて、コレクティブピッチ舵角指令をモニタすることにより着地を判定するので、着地の誤判定を防止することができ、安全な着地動作を担保することができる。
【0075】
以上説明した飛行制御装置21の着地判定プログラム及び演算処理回路は、本発明における着地判定手段である。
【0076】
次に、本実施の形態に係る飛行制御システム1の自動離着陸制御動作を実現させるための操作員の操作内容について説明する。
【0077】
<離陸時>
まず、操作員は、正確な座標が知られている地点(既知座標地点)に、基地局側GPS受信機11のアンテナを設置する。次いで、操作員は、基地局側GPS受信機11、PC12及び基地局側無線伝送装置13の電源を投入した後、基地局側GPS受信機11に既知座標地点の座標を入力し、GPS演算を開始させる。続いて、操作員は、基地局側無線伝送装置13によるディファレンシャル情報の送信を開始する。
【0078】
その後、操作員は、所定の離陸地点に無人ヘリコプタ20を設置する。次いで、操作員は、無人ヘリコプタ20の機体に設けられた所定のスイッチで、搭載機器類の電源を投入する。そして、操作員は、機体側GPS受信機22と、基地局側GPS受信機11と、の間のディファレンシャル情報データ伝送が確立され、機体側GPS受信機22においてGPS演算が開始されるまで待機する。また、操作員は、前記操作とは別に、無人ヘリコプタ20のエンジン27を始動させ、必要に応じて暖機を行う。続いて、操作員は、無線操縦装置14のスイッチから離陸開始指令を入力する。以上の操作により、無人ヘリコプタ20の飛行制御装置21により、前記した自動離陸制御動作が実現される。
【0079】
<着陸時>
無人ヘリコプタ20の飛行制御装置21により、前記した自動着陸制御動作が実現されるため、機体の着地完了までは、操作員による操作を必要としない。操作員は、機体の着地完了後に、エンジン27がアイドル状態になったことをエンジン音及び警告灯表示等によって確認し、無線操縦装置14のスイッチからエンジン停止指令を入力する。そして、無人ヘリコプタ20のロータ28が停止した後、操作員は、機体に設けられた所定のスイッチで、搭載機器類の電源を遮断する。その後、操作員は、基地局10の各機器(基地局側GPS受信機11、PC12及び基地局側無線伝送装置13)の電源を遮断する。
【0080】
以上説明した本実施の形態に係る飛行制御システム1の無人ヘリコプタ20によれば、無線操縦装置14からの離陸開始指令を受けて上昇率を一定の割合で増加させつつ機体を離陸させて安全高度まで上昇させる離陸手段(離陸制御プログラム及び演算処理回路)を備えるので、機体を地面から迅速に離隔させることができる。この結果、機体の姿勢を安定させるまでの不安定な状態が地面近傍で一定時間存続するのを回避することができ、離陸時の安全性を確保できる。
【0081】
また、離陸手段(離陸制御プログラム及び演算処理回路)は、無線操縦装置14からの離陸開始指令を受けて、位置制御及び姿勢制御を一時的に抑制するので、接地状態で脚と地面との摩擦により機体が拘束されて姿勢角指令に追随できない場合に、過大な制御指令が出力されて機体が転倒する等の事態が発生するのを阻止することができる。
【0082】
また、本実施の形態に係る飛行制御システム1の無人ヘリコプタ20によれば、機体の高度の低下に伴って降下率指令を段階的に減少させつつ機体をホバリング高度から降下させる降下手段(着陸制御プログラム及び演算処理回路)を備えるので、降下開始から着地までの所要時間を可及的に短くしつつ、着地時の降下速度を十分小さくすることができる。この結果、着陸時の安全性を確保できる。
【0083】
また、降下手段(着陸制御プログラム及び演算処理回路)は、機体の目標降下高度到達時点から着地時点まで位置制御及び姿勢制御を一時的に抑制するので、着地直前に機体が地面との摩擦により拘束されて姿勢角指令に追随できなくなった場合に、過大な制御指令が出力されて機体が転倒するのを阻止することができる。
【0084】
また、本実施の形態に係る飛行制御システム1の無人ヘリコプタ20によれば、コレクティブピッチ舵角指令により着地を判定する着地判定手段(着地判定プログラム及び演算処理回路)を備えるので、着地の誤判定を防止することができ、安全な着地動作を担保することができる。
【0085】
しかも、無人ヘリコプタ20に備えられる離陸制御プログラムや着陸制御プログラムは、従来から用いられている高度制御プログラム、位置制御プログラム及び姿勢制御プログラムの作動のタイミングや積分器の挙動を制御するものであるので、ソフトウェア構成が比較的簡素である。また、地面近傍における高度及び降下速度を計測するための特別な高精度センサを機体に搭載する必要はなく、市販されている汎用のディファレンシャルGPSを搭載することにより、着地時の降下速度を十分に小さく制御することができる。この結果、機体価格の上昇を抑制することができる。
【0086】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明によれば、離陸手段により、高度制御を行わずにコレクティブピッチ舵角を増加させながら機体を離陸させて第1の高度まで上昇させた後に高度制御を開始させるので、機体を地面から迅速に離隔させることができる。この結果、離陸時の安全性を確保できる。また、離陸手段は、従来の高度制御手段の作動のタイミングを制御するものであるので、ソフトウェア構成が比較的簡素である。この結果、機体価格の上昇を抑制することができる。
【0087】
請求項2に記載の発明によれば、離陸手段により、第1の高度まで機体を上昇させる際に位置制御及び姿勢制御を抑制するので、接地状態において機体が拘束された状態で過大な制御指令が出力されることがないため、機体の転倒等を阻止することができる。
【0088】
請求項3に記載の発明によれば、降下手段により、降下率を変更しながら機体を第2の高度まで降下させ、第2の高度までの降下率よりも小さい降下率で第2の高度から地上まで機体を降下させるので、着地時の降下速度を十分小さくすることができる。この結果、着陸時の安全性を確保できる。また、降下手段は、従来の高度制御手段の降下率指令に係る制御を行うものであるので、ソフトウェア構成が比較的簡素である。また、地面近傍における高度及び降下速度を計測するための特別な高精度センサを機体に搭載する必要はなく、市販されている汎用のディファレンシャルGPSを搭載することにより、着地時の降下速度を十分に小さく制御することができる。この結果、機体価格の上昇を抑制することができる。
【0089】
請求項4に記載の発明によれば、降下手段により、第2の高度から地上まで機体を降下させる際に位置制御及び姿勢制御を抑制するので、着地後に機体が拘束された状態で過大な制御指令が出力されることがないため、機体の転倒等を阻止することができる。
【0090】
請求項5に記載の発明によれば、着地判定手段により、所定値以下の舵角指令が所定時間持続した場合に着地と判定するので、着地の誤判定を防止することができ、安全な着地動作を担保することができる。
【0091】
請求項6に記載の発明によれば、高度制御を行わずに上昇率を増加させながら第1の高度まで上昇する第1上昇工程を備えるので、機体が地面から速やかに離隔し、離陸時の安全性を確保できる。
【0092】
請求項7に記載の発明によれば、第1の高度まで上昇する際に、水平面の機体の位置制御と、機体の姿勢制御と、を抑制するので、接地状態において機体が拘束された状態で過大な制御指令が出力されることがないため、機体の転倒等を阻止することができる。
【0093】
請求項8に記載の発明によれば、降下率を減少させて第2の高度まで降下する第1降下工程と、第1降下工程における降下率よりも小さい降下率で第2の高度から地上まで降下する第2降下工程と、を備えるので、着地時の降下速度を十分小さくすることができる。この結果、着陸時の安全性を確保できる。
【0094】
請求項9に記載の発明によれば、第2の高度から地上まで降下する際に、水平面の機体の位置制御と、姿勢制御と、を抑制するので、着地後に機体が拘束された状態で過大な制御指令が出力されることがないため、機体の転倒等を阻止することができる。
【0095】
請求項10に記載の発明によれば、フィードバックされた高度と高度指令との偏差等に基づいて算出した舵角指令によってコレクティブピッチ舵角を変更して降下し、所定値以下の舵角指令が所定時間持続した場合に着地と判定するので、着地の誤判定を防止することができ、安全な着地動作を担保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態に係る飛行制御システムの構成を説明するためのブロック図である。
【図2】本実施の形態に係る飛行制御システムの無人ヘリコプタの構成を説明するための概要構成図である。
【図3】本実施の形態に係る飛行制御システムの無人ヘリコプタの高度制御、位置制御及び姿勢制御を説明するためのブロック図である。
【図4】本実施の形態に係る飛行制御システムの無人ヘリコプタの自動離陸動作を実現させる自動離陸制御を説明するための説明図である。
【図5】本実施の形態に係る飛行制御システムの無人ヘリコプタの自動着陸動作を実現させる自動着陸制御を説明するための説明図である。
【符号の説明】
1 飛行制御システム
10 基地局
11 基地局側GPS受信機
12 PC
13 基地局側無線伝送装置
14 無線操縦装置
20 無人ヘリコプタ
21 飛行制御装置
22 機体側GPS受信機
22a GPSアンテナ
23 慣性センサ
24 磁方位センサ
25 機体側無線伝送装置
25a 無線伝送装置アンテナ
26 指令受信機
26a 指令受信アンテナ
27 エンジン
28 ロータ
29 警告灯
Claims (10)
- 地上からの操縦指令を必要とせずに自律的に飛行を行う無人ヘリコプタにおいて、
フィードバックされた高度と高度指令との偏差、及び、フィードバックされた上昇率と上昇率指令との偏差に基づいてコレクティブピッチ舵角を指令する高度制御手段と、
水平面の位置に関し、フィードバックされた位置と位置指令との偏差、及び、フィードバックされた速度と速度指令との偏差に基づいて位置制御を行う位置制御手段と、
フィードバックされた姿勢角と姿勢角指令との偏差に基づいて機体の姿勢制御を行う姿勢制御手段と、
地上からの離陸開始指令を受けて、前記高度制御手段による高度制御を行わずにコレクティブピッチ舵角を増加させながら機体を離陸させて第1の高度まで上昇させた後に、前記高度制御手段による高度制御を開始する離陸手段と、
を備えることを特徴とする無人ヘリコプタ。 - 前記離陸手段は、
前記第1の高度まで機体を上昇させる際に、前記位置制御と前記姿勢制御とを抑制することを特徴とする請求項1に記載の無人ヘリコプタ。 - 地上からの操縦指令を必要とせずに自律的に飛行を行う無人ヘリコプタにおいて、
フィードバックされた高度と高度指令との偏差、及び、フィードバックされた降下率と降下率指令との偏差に基づいて算出した舵角指令によりコレクティブピッチ舵角を制御する高度制御手段と、
水平面の位置に関し、フィードバックされた位置と位置指令との偏差、及び、フィードバックされた速度と速度指令との偏差に基づいて位置制御を行う位置制御手段と、
フィードバックされた姿勢角と姿勢角指令との偏差に基づいて機体の姿勢制御を行う姿勢制御手段と、
前記高度制御手段の降下率指令を段階的に変更して機体を第2の高度まで降下させ、前記第2の高度までの降下率指令よりも小さい降下率指令を前記高度制御手段に与えて前記第2の高度から地上まで機体を降下させる降下手段と、
を備えることを特徴とする無人ヘリコプタ。 - 前記降下手段は、
前記第2の高度から地上まで機体を降下させる際に、前記位置制御と前記姿勢制御とを抑制することを特徴とする請求項3に記載の無人ヘリコプタ。 - 所定値以下の前記舵角指令が所定時間持続した場合に着地と判定する着地判定手段を備えることを特徴とする請求項3又は4に記載の無人ヘリコプタ。
- 高度制御を行わずに上昇率を増加させながら第1の高度まで上昇する第1上昇工程と、
前記第1の高度から高度制御を行いながら上昇する第2上昇工程と、
を備えることを特徴とする無人ヘリコプタの離陸方法。 - 前記第1上昇工程で、水平面の機体の位置制御と、機体の姿勢制御と、を抑制することを特徴とする請求項6に記載の無人ヘリコプタの離陸方法。
- 降下率を段階的に減少させて第2の高度まで降下する第1降下工程と、
前記第1降下工程における降下率よりも小さい降下率で前記第2の高度から地上まで降下する第2降下工程と、
を備えることを特徴とする無人ヘリコプタの着陸方法。 - 前記第2降下工程で、水平面の機体の位置制御と、機体の姿勢制御と、を抑制することを特徴とする請求項8に記載の無人ヘリコプタの着陸方法。
- フィードバックされた高度と高度指令との偏差、及び、フィードバックされた高度変化率と高度変化率指令との偏差に基づいて算出した舵角指令によってコレクティブピッチ舵角を変更して降下し、所定値以下の前記舵角指令が所定時間持続した場合に着地と判定することを特徴とする無人ヘリコプタの着陸方法。
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