JP4756605B2 - 操舵システム - Google Patents

Description

本発明は、航空機を地上で操舵するのために操舵輪を回転駆動する操舵システムに関し、特に、ラダーなどの操舵部と車輪の方向を変更するアクチュエータとを電気的に接続したバイワイヤ方式の操舵システムに関する。

航空機の操舵方式としてバイワイヤ方式が一般化している。これは正確にはSteer By Wire Systemと呼ばれており、ラダーなどの操舵部における操作量を一旦、電気信号に変化して目標ステアリング角度（操向指示角度）を演算し、これに応じて油圧バルブ、アクチュエータ等を駆動することでステアリング制御を行う（特許文献１参照）。バイワイヤ方式のこれまでの操舵システムの概略構成を図４に示す。

特開２００３−６３４９８号公報

操舵を行う前脚は、下端部に車輪８を支持する脚柱９を備えている。脚柱９は車輪の方向を変更するために回転自在に機体側に取付けられており、１組のアクチュエータ１０，１０により回転駆動される。１組のアクチュエータ１０，１０は、例えば直動式の油圧シリンダーであって、制御バルブ１１を介して供給される油圧により直線駆動され、脚柱９に取付けられたカラー１２を介して脚柱９を回転駆動する。脚柱９の回転角度、すなわち操舵輪の方向角度（ステアリング角度）を検出するために、１組のアクチュエータ１０，１０は位置検出センサを内蔵している。カラー１２は、アクチュエータ１０，１０の直線動作を脚柱９の回転動作に変換する部材である。

一方、操縦室においては、操縦者がラダー１３、ティラー１４などを操作することによりステアリング操作信号が出力される。ステアリング操作信号は操向指示角度の信号であり、１組のアクチュエータ１０，１０内の位置検出センサからのポジション信号と共にコントローラ１５に入力される。コントローラ１５は、ポジション信号から算出した脚柱９の回転角度（車輪の方向角度）を操向指示角度に一致させるのに必要なバルブ駆動信号を生成し、制御バルブ１１に与える。これにより、アクチュエータ１０，１０は車輪を指示どおりの方向に回転させる。

このような従来のバイワイヤ方式操舵システムにおいては、操舵輪の方向角度（ステアリング角度）を検出するためのセンサが前脚に必要であり、そのセンサとしては前述したようなトランスデューサによる位置検出センサがアクチュエータに内蔵される。しかしながら、そのセンサは大型であり、アクチュエータなどの小型化の阻害原因になってる。加えて、取付け位置がアクチュエータなどの前脚回りに限定されるために設計の自由度が制限される。具体的には、センサが操舵輪近傍に設けられることにより、機体内に搭載されるコントローラまでの距離が長くなり、これによる電気配線の長さなどが問題になる。

本発明の目的は、小型センサの使用を可能にするバイワイヤ方式の操舵システムを提供することにある。本発明の別の目的は、センサの設置位置に関して自由度の大きいバイワイヤ方式の操舵システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の操舵システムは、航空機の操舵輪を支持し、操舵輪の方向を変更するために回転自在に支持された脚柱を回転駆動するアクチュエータと、機体が地上を走行するときの機体の水平面内における旋回角速度を検出するために機体側に取付けられた角速度検出センサと、操作部から出力される操向指示角度に機体速度に対応するゲインを乗じて機体の目標旋回角速度を算出し、これに前記角速度検出センサからの実旋回角速度が一致するように前記アクチュエータを制御する制御部とを具備している。

本発明の第２の操舵システムは、航空機の操舵輪を支持し、操舵輪の方向を変更するために回転自在に支持された脚柱を回転駆動するアクチュエータと、前記脚柱の回転角速度を検出するために脚柱側に取付けられた第１の角速度検出センサと、機体が地上を走行するときの機体の水平面内における旋回角速度を検出するために機体側に取付けられた第２の角速度検出センサと、第１の角速度検出センサの出力から第２の角速度検出センサの出力を差し引いた差分から脚柱の回転角度を算出し、これが操舵部から出力される操向指示角度に一致するように前記アクチュエータを制御する制御部とを具備している。

いずれの操舵システムにおいても、バイワイヤ方式の実施に必要な操舵輪の実角度を、位置検出センサのような実角度検出機構によってではなく、角速度検出センサによって求める。具体的には、第１の操舵システムにおいては、機体の旋回速度から操舵輪の実角度を求め、第２の操舵システムにおいては、操舵輪の脚柱の回転速度から操舵輪の実角度を求める。角速度は積分すれば角度になるので、角速度からの実角度検出は容易である。

ただし、前者の場合、操舵輪の方向が同じでも機体の速度が大きいほど機体の旋回速度は大きくなる。このため、機体の旋回速度から操舵輪の実角度を求めるには、機体の旋回速度に応じたゲイン補正が必要である。また後者の場合、脚柱の回転速度は機体の旋回速度を含む。このため、脚柱の回転速度から機体の旋回速度成分を除去しないと、脚柱の正確な回転速度は得られない。これらの工夫を講じることにより、角速度から操舵輪の実角度が正確に検出される。

実角度検出機構は機体内のコントローラから離れた操舵輪近傍に設ける必要があり、しかも大型である。これに対し、角速度センサは小型であり、機体側に設ける場合は機体内における搭載位置を問わない。このため機体内のコントローラ内に直接搭載することも可能である。

本発明の操舵システムは、バイワイヤ方式の実施に必要な操舵輪の実角度の検出に角速度検出センサを使用するので、センサ規模を小型化できる。角速度検出センサは、機体内に搭載され、コントローラ内への搭載も可能であるので、コントローラとの間の配線長を短くできる。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態を示す操舵システムのブロック図、図２は同操舵システムにおけるゲイン補正の説明図である。

本実施形態の操舵システムは、航空機が地上を走行するときに、操舵輪である前輪の方向をラダーペダル及びステアリングハンドルの操作量に応じて変更するものである。操舵輪である前輪は、機体側に回転自在に支持された脚柱が下端部に車輪を支持し、アクチュエータにて回転駆動される構成になっている。アクチュエータは、ここでは直線動作式の油圧シリンダーからなり、コントロールバルブから供給される油圧により、脚柱に取付けられたカラーを介して脚柱を回転駆動する（図４参照）。

この操舵システムは、図１及び図２に示すように、検出部として、航空機の操縦室に搭載されたラダーペダルセンサ１及びステアリングハンドルセンサ２、並びに機体内の例えばコントローラボックス内に搭載された角速度検出センサ３を備えている。ラダーペダルは方向舵の角度と共に車輪の角度を操作する操作部であり、ラダーペダルセンサ１はその操作角度を検出する。ステアリングハンドルは車輪を大角度で操作するときに使用するもので、ティラーとも呼ばれており、ステアリングハンドルセンサ２はその操作角度を検出する。また角速度検出センサ３は、機体が地上を走行するときの水平面内での旋回角速度を検出する。

これらのセンサ出力は制御部４に入力される。制御部４では、ラダーペダルセンサ１の出力からラダーによる車輪の目標角度が算出されると共に、ステアリングハンドルセンサ２の出力からステアリングハンドルによる車輪の目標角度が算出され、両角度が合算されて操向指示角度（ステアリング目標角度）とされる。そして、この操向指示角度に機体の走行速度によるゲイン補正が加えられて目標角速度が算出される。

このゲイン補正を伴う角速度算出手順を示すのが図２である。図２に示すように、ステアリング角度の微分値がステアリング角速度である。ステアリング角度が一定の場合、機体の走行速度が上昇するにつれて角速度が増大する。ここにおける角速度の増大率は、ステアリング角度が大きいほど大となる。よって、操向指示角度に機体の走行速度によるゲイン補正を加えることにより、ステアリングの目標角速度が算出される。また、角速度検出センサ３の出力から、ステアリングの実角速度が算出される。

そして、ステアリングの目標角速度に対する実角速度の差分が求められ、その差分の大きさに応じてコントロールバルブ５におけるバルブ開度の指令値が算出され、コントロールバルブ５に出力される。すなわち、ステアリングの目標角速度に対する実角速度の差分が０となるように、アクチュエータを制御駆動するコントロールバルブ５が、制御部４にて開度制御される。その結果、この差分が０となるように前輪の方向が変更される。

機体が地上を走行するときの旋回角速度は旋回角度の微分値であり、機体の旋回角度に対応し、機体の旋回角度はステアリング角度に他ならない。したがって、機体の旋回角速度によって機体のステアリング角度を制御することが可能となる。そして、この角速度制御によれば、機体のステアリング角度（前輪の角度）を検出する必要がなくなり、アクチュエータ内に組み込まれるトランスデューサのような大型の舵角検出センサが不要となる。しかも、代わりに搭載される角速度センサは、舵角検出センサと比べて小型であるだけでなく、機体内のいずれの場所にあってもよく、操舵輪から離れたコントローラ内に設けることも可能であるので、配線長の大幅短縮が可能になる。

図３は本発明の他の実施形態を示す操舵システムのブロック図である。本実施形態の操舵システムは、前述の実施形態と同様に、航空機が地上を走行するときに、操舵輪である前輪の方向をラダーペダル及びステアリングハンドルの操作量に応じて変更するものである。

この操舵システムは、検出部として、航空機の操縦室に搭載されたラダーペダルセンサ１及びステアリングハンドルセンサ２、前脚の脚柱に設けられた第１の角速度検出センサ６、並びに機体内の例えばコントローラボックス内に搭載された第２の角速度検出センサ７を備えている。第１の角速度検出センサ６は脚柱の回転速度を検出するためのものであって、ここでは脚柱と同期回転するカラーに搭載されている。第２の角速度検出センサ７は、前述の実施形態における角速度検出センサ３と同じく、機体が地上を走行するときの機体の水平面内での旋回角速度を検出する。

これらのセンサ出力は制御部４に入力される。制御部４では、ラダーペダルセンサ１の出力からラダーによる車輪の目標角度が算出されると共に、ステアリングハンドルセンサ２の出力からステアリングハンドルによる車輪の目標角度が算出され、両角度が合算されて操向指示角度（ステアリング目標角度）とされる。

また、第１の角速度検出センサ６により検出されたカラーの回転角速度から、第２の角速度検出センサ７により検出された機体の旋回角速度を減じることにより、ステアリング実角速度が算出される。すなわち、航空機が地上を走行するときに操舵されるとカラーが回転し、これに伴って脚柱及び車輪が回転することにより、機体が旋回する。このため、カラーの回転角速度は機体の旋回角速度を含むことになり、機体における真の回転角速度を求めるためには、第１の角速度検出センサ６により検出されたカラーの回転角速度から、第２の角速度検出センサ７により検出された機体の旋回角速度を減じることが必要となる。

こうして機体における真のカラーの回転角速度が求まると、これを積分して、カラーの回転角度とする。これはステアリングの実角度に他ならない。

そして、ステアリングの目標角度に対する実角度の差分が求められ、その差分の大きさに応じてコントロールバルブ５におけるバルブ開度の指令値が算出され、コントロールバルブ５に出力される。すなわち、ステアリングの目標角度に対する実角度の差分が０となるように、アクチュエータを制御駆動するコントロールバルブ５が、制御部４にて開度制御される。その結果、この差分が０となるように前輪の方向が変更される。

かくして、機体のステアリング角度（前輪の角度）を実測することなく、前輪の方向が操舵操作に応じて変更される。機体のステアリング角度（前輪の角度）を実測することが不要となることにより、アクチュエータ内に組み込まれるトランスデューサのような大型の舵角検出センサが不要となる。すなわち、操舵輪におけるカラーの如き回転部に小型の第１の角速度センサ６を搭載すれば、ステアリング角度の検出が可能となる。補正に使用される第２の角速度センサ７については、小型であるだけでなく、機体内のいずれの場所にあってもよく、操舵輪から離れたコントローラ内に設けることも可能であるので、配線長の大幅短縮が可能になる。

このように、本発明の操舵システムは、操舵輪の回転角度に代えて、操舵輪や機体の回転角速度を検出し、操舵輪の回転角度を検出した場合と同様の高精度なステアリング制御を行う。これにより検出部や配線構造の簡略化を図ることができる。

本発明の一実施形態を示す操舵システムのブロック図である。 同操舵システムにおけるゲイン補正の説明図である。 本発明の別の実施形態を示す操舵システムのブロック図である。 従来の操舵システムの構成図である。

符号の説明

１ ラダーペダルセンサ
２ ステアリングハンドルセンサ
３，６，７ 角速度検出センサ
４ 制御部
５ コントロールバルブ

Claims (2)

1. 航空機の操舵輪を支持し、操舵輪の方向を変更するために回転自在に支持された脚柱を回転駆動するアクチュエータと、機体が地上を走行するときの機体の水平面内における旋回角速度を検出するために機体側に取付けられた角速度検出センサと、操作部から出力される操向指示角度に機体速度に対応するゲインを乗じて機体の目標旋回角速度を算出し、これに前記角速度検出センサからの実旋回角速度が一致するように前記アクチュエータを制御する制御部とを具備する操舵システム。
2. 航空機の操舵輪を支持し、操舵輪の方向を変更するために回転自在に支持された脚柱を回転駆動するアクチュエータと、前記脚柱の回転角速度を検出するために脚柱側に取付けられた第１の角速度検出センサと、機体が地上を走行するときの機体の水平面内における旋回角速度を検出するために機体側に取付けられた第２の角速度検出センサと、第１の角速度検出センサの出力から第２の角速度検出センサの出力を差し引いた差分から脚柱の回転角度を算出し、これが操舵部から出力される操向指示角度に一致するように前記アクチュエータを制御する制御部とを具備する操舵システム。

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