JP5831893B1 - 航空機の遠隔操縦システム - Google Patents

Abstract

【課題】遠隔の操縦者に、航空機のカメラから撮影された視覚情報に加えて、飛行に伴って航空機に生じる様々な方向の加速度を触覚情報として感知させ、操縦性を向上させた航空機の遠隔操縦システムを安価に提供する。【解決手段】航空機１に搭載されたカメラ２と、遠隔の操縦者３が視認するモニタ４と、操縦者３によって操作される遠隔操縦装置５とを備えた航空機１の遠隔操縦システムＳであって、航空機１に搭載され上下・左右・前後方向の加速度を検出する加速度センサ６と、操縦者３の各部に夫々装着される感知パッド７と、各感知パッド７に、加速度センサ６の出力値に基づいて、航空機１に生じた加速度の方向及び大きさを操縦者３に感知させるため、振動または電気刺激を大きさを異ならせて発生させる制御部８とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、航空機を遠隔から操縦する航空機の遠隔操縦システムに係り、特に、操縦者に対して航空機に搭乗しているような感覚を付与できる航空機の遠隔操縦システムに関する。

航空機の遠隔操縦システムとして、航空機に搭載したビデオカメラで撮影した画像を地上の操縦者がモニタで見ながら、航空機を遠隔操縦するシステムが知られている。

例えば、特許文献１には、航空機に撮影方向を上下左右に変更できるビデオカメラを搭載し、地上の操縦者の頭部の動きをセンサで検出し、センサの出力値に応じてビデオカメラの撮影方向を上下左右に変更させ、その画像（動画）を操縦者が視認するモニタに表示するようにした航空機用遠隔操縦システムが開示されている。

斯様な航空機の遠隔操縦システムによれば、地上の操縦者の頭部の動きに連動して航空機に搭載したビデオカメラの撮影方向が変更されるので、操縦者は頭部の向きに応じた見たい方向の画像をモニタで視認できる。この結果、地上の操縦者は、航空機（自機）の前方視界に加えて側方視界をも把握でき、自機の姿勢状態が判断し易くなって操縦性が向上する。

特許第３６７１０２４号公報 特開平７−２１００７７号公報

ところで、航空機は、空中において上下左右前後の三次元空間を様々な姿勢で飛行するため、モニタに表示された画像による視覚情報のみでは、操縦者が自機の姿勢状態や移動方向を判断できないケースが考えられる。

例えば、雲が無く青空のみの場合、モニタには青一色が表示されることになり、モニタに表示された画像には自機の姿勢や移動方向を視覚的に把握するための基準（手掛かり）が存在しない。自機が雲の中に突入した場合も同様（モニタには灰色のみが表示）である。これらの場合、操縦者は、モニタを見ても、自機が現在どのような姿勢で飛行しているのか分からず、航空機を適切に遠隔操縦できない。また、上述の場合、モニタ画像が青一色または灰色一色のまま一定時間変化しないため、操縦者は、モニタからの視覚情報のみでは、自機が上昇又は下降状態にあるのか、加速又は減速状態にあるのか、左旋回又は右旋回状態にあるのかが実感できず、航空機を適切に遠隔操縦できない。

なお、フライトシミュレータの分野においては、操縦者が着座する座席を油圧シリンダで傾動させて航空機に生じる加速度を模擬するものが知られているが（特許文献２参照）、空中において上下左右前後の三次元空間を様々な姿勢で飛行する航空機に生じる加速度を模擬するためには、座席をあらゆる方向に傾動させる必要があり、操縦者の座席の下方に複数の油圧シリンダをリンクの如く配設し、それらを連関させて伸縮することで座席を前後左右に傾動させている。よって、斯様なフライトシミュレータを利用して航空機の遠隔操縦システムを構築する場合、航空機を遠隔操縦する操縦者の座席の下方に複数の油圧シリンダをリンクの如く配設し、それらを連関させて伸縮して座席を傾動させる必要があり、システム全体の複雑化、高コスト化が避けられない。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、航空機から離間した場所の操縦者に、航空機のカメラから撮影された視覚情報に加えて、飛行に伴って航空機に生じる様々な方向の加速度を触覚情報として感知させることで、操縦者に自機がどのような姿勢でどの方向に飛行しているのかを把握させることができ、操縦者に航空機に搭乗して操縦している感覚を付与できる航空機の遠隔操縦システムを、簡素な構造で安価に提供することにある。

上記目的を達成すべく創案された本発明によれば、航空機に搭載され、少なくとも飛行方向前方を撮影するカメラと、航空機から離間した場所にて航空機を操縦する操縦者が視認できる位置に配置され、カメラで撮影された動画を表示するモニタと、モニタを見た操縦者によって操作され、その操作に応じて航空機の飛行方向および飛行速度を制御する遠隔操縦装置とを備えた航空機の遠隔操縦システムであって、航空機に搭載され、飛行中の航空機に生じる上下・左右・前後方向の加速度を検出する加速度センサと、操縦者の上方投影部、下方投影部、左方投影部、右方投影部、前方投影部、後方投影部に夫々装着される感知パッドと、これら感知パッドに、加速度センサの出力値に基づいて、航空機に生じた加速度の方向及び大きさを操縦者に感知させるため、振動または電気刺激を大きさを異ならせて発生させる制御部と、を備えたことを特徴とする航空機の遠隔操縦システムが提供される。

制御部は、加速度センサが上方への加速度を検出したとき下方投影部の感知パッドを作動させ、加速度センサが下方への加速度を検出したとき上方投影部の感知パッドを作動させ、加速度センサが左方への加速度を検出したとき右方投影部の感知パッドを作動させ、加速度センサが右方への加速度を検出したとき左方投影部の感知パッドを作動させ、加速度センサが前方への加速度を検出したとき後方投影部の感知パッドを作動させ、加速度センサが後方への加速度を検出したとき前方投影部の感知パッドを作動させる、ものであってもよい。

加速度センサは、航空機の内部に設けられた角加速度センサを有し、制御部は、角加速度センサが設けられた位置と航空機の操縦席位置との距離に角加速度センサで検出した角加速度を乗じることで、操縦席位置において生じる力のモーメントを算出する演算部を備え、演算部で算出されたモーメントの大きさに応じて各パッドの振動又は電気刺激の大きさを調節するものであってもよい。

カメラが、航空機の飛行方向前方を撮影する前方カメラと、飛行方向右方を撮影する右方カメラと、飛行方向左方を撮影する左方カメラと、飛行方向上方を撮影する上方カメラとを有し、モニタが、操縦者の前方に配置され前方カメラで撮影された動画を表示する前方モニタと、操縦者の右方に配置され右方カメラで撮影された動画を表示する右方モニタと、操縦者の左方に配置され左方カメラで撮影された動画を表示する左方モニタと、操縦者の上方に配置され上方カメラで撮影された動画を表示する上方モニタとを有していてもよい。

本発明に係る航空機の遠隔操縦システムによれば、次のような効果を発揮できる。
（１）航空機から離間した場所の操縦者に、航空機のカメラから撮影された視覚情報に加えて、飛行に伴って航空機に生じる様々な方向の加速度を触覚情報として感知させることで、操縦者に、航空機がどのような姿勢でどの方向に飛行しているのかを把握させることができる。よって、航空機から離間した場所の操縦者に対し、航空機に搭乗して操縦している感覚を付与でき、操縦性が向上する。
（２）操縦者に対し、航空機に生じる様々な方向の加速度を触覚情報として感知させる手段として、操縦者の上方投影部、下方投影部、左方投影部、右方投影部、前方投影部、後方投影部に夫々装着される感知パッドを用い、これら感知パッドに、適宜、振動または電気刺激を大きさを異ならせて発生させることで加速度を模擬しているので、例えば操縦者の座席を複数の油圧シリンダで傾動させて加速度を模擬するタイプと比べると、システム全体を簡素に低コストで構成できる。

本発明の一実施形態に係る「航空機の遠隔操縦システム」の概要を示す説明図である。 上記「航空機の遠隔操縦システム」の一部を構成する「カメラ」およびその撮影範囲を示す斜視図である。 上記「カメラ」の撮影範囲を示す説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は平面図である。 上記「航空機の遠隔操縦システム」の一部を構成する「遠隔操縦装置」の変形例を示す説明図である。 上記「航空機の遠隔操縦システム」の一部を構成する「加速度センサ」に「角加速度センサ」を用い、それを航空機に搭載する場合の搭載位置と操縦席との関係を示す説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。 上記「航空機の遠隔操縦システム」の一部を構成する「感知パッド」の一例（振動タイプ）を示す説明図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面断面図である。 上記「感知パッド」を振動させるモーターを駆動するための説明図であり、（ａ）は回路図、（ｂ）は加速Ｇ再現信号とモーター回転速度との関係を示す説明図である。 上記「感知パッド」の変形例（電気刺激タイプ）を示す説明図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面断面図である。 上記「感知パッド」に電気刺激を発生させるための説明図であり、（ａ）は回路図、（ｂ）は加速Ｇ再現信号とパルス出力信号との関係を示す説明図である。 （ａ）は上記「航空機の遠隔操縦システム」を適用したラジコン飛行機により複数機でアクロバット飛行を行った説明図、（ｂ）は操縦者の視点イメージ図である。 上記「航空機の遠隔操縦システム」を適用したラジコン飛行機によりドッグファイトを行った場合の操縦者の視点イメージ図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。係る実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（航空機の遠隔操縦システムの概要）
図１に、本発明の一実施形態に係る「航空機の遠隔操縦システム」Ｓの概要を示す。本実施形態に係る航空機の遠隔操縦システムＳは、航空機１に搭載され、少なくとも飛行方向前方を撮影するカメラ２と、航空機１から離間した場所にて航空機１を操縦する操縦者３が視認できる位置に配置され、カメラ２で撮影された動画を表示するモニタ４と、モニタ４を見た操縦者３によって操作され、その操作に応じて航空機１の飛行方向および飛行速度を制御する遠隔操縦装置５とを備えている。

また、本実施形態に係る航空機の遠隔操縦システムＳは、航空機１に搭載され、飛行中の航空機１に生じる上下・左右・前後方向の加速度を検出する加速度センサ６と、操縦者３の上方投影部、下方投影部、左方投影部、右方投影部、前方投影部、後方投影部に夫々装着される感知パッド７と、これら感知パッド７に、加速度センサ６の出力値に基づいて、航空機１に生じた加速度の方向及び大きさを操縦者に感知させるため、振動または電気刺激を大きさを異ならせて発生させる制御部８と、を備えている。以下、本実施形態に係る「航空機の遠隔操縦システム」Ｓの各構成要素について説明する。

（航空機１）
図１に示すように、上記遠隔操縦システムＳによって遠隔操縦される航空機１の概念には、通常のプロペラ機やジェット機のような飛行機の他、ヘリコプターのような回転翼機、グライダーのような滑空機、飛行船など、空間を飛行（移動）するものも含まれる。また、本明細書において航空機１の概念には、実機に加えて、趣味として普及している所謂ラジコン機（ラジオコントロール機）も含まれる。

（カメラ２）
図１に示すように、航空機１には、カメラ２が搭載されている。カメラ２は、本実施形態では、航空機１の操縦席１ａに、キャノピー１ｂの内方に位置して取り付けられている。これにより、カメラ２で撮影された画像は、操縦席１ａに着座した操縦者がキャノピー１ｂ越しに見る視界を再現でき、また、キャノピー１ｂに覆われたカメラ２が空気抵抗になることもない。なお、ラジコン機においては、スペース上の問題からカメラ２をキャノピー１ｂ内方に取り付けられない場合もある。その場合、例えば、カメラ２を航空機１の機体の重心位置の真上に取り付け、機体の重心位置を挟んでカメラ２の反対側にカウンタウェイトを配設し、カメラ２の重量によるモーメントをカウンタウェイトで打ち消すようにすれば、カメラ２の重量が航空機１の運動性に与える影響を最小限に抑制できる。

図２、図３に示すように、カメラ２は、航空機１の飛行方向前方を撮影する前方カメラ２ａと、飛行方向右方を撮影する右方カメラ２ｂと、飛行方向左方を撮影する左方カメラ２ｃと、飛行方向上方を撮影する上方カメラ２ｄとを有している。なお、飛行方向後方を撮影する後方カメラ２ｅを追加してもよい。各カメラ２ａ〜２ｅは互いに直角に配置され、各カメラ２ａ〜２ｅの視角（画角）は略９０度であり、各カメラ２ａ〜２ｅによって、操縦席１ａからキャノピー１ｂ越しに見える視界を切れ目なく撮影できるようになっている。

図３においては、作図上の都合により各カメラ２ａ〜２ｅの撮影距離が短く表されていることから各カメラ２ａ〜２ｅのレンズの位置の若干の相違に応じて各カメラ２ａ〜２ｅの視角が９０度以上となっているが、実際には、各カメラ２ａ〜２ｅの撮影距離（数ｋｍ）は各カメラ２ａ〜２ｅのレンズの位置のズレ（数ｃｍ）に比べて非常に長いため、各カメラ２ａ〜２ｅの視角を９０度としても実際上問題ない。また、各カメラ２ａ〜２ｅの視角を９０度以上（９０〜１００度程度、例えば９５度）とし、重なった部分を画像処理して連続的な視界をモニタ４に再現するようにしてもよい。

（モニタ４）
図１に示すように、航空機１から離間した場所（地上など）には、カメラ２で撮影された動画を表示するモニタ４が、航空機１を操縦する操縦者３が視認できる位置に配置されている。ここで、「航空機１から離間した場所」の概念には、地上のみならず、船上や他の航空機（遠隔操縦する航空機１とは異なった航空機）の中も含まれる。カメラ２で撮影された動画のデータは、航空機１に設けられたアンテナ１ｃから、航空機１から離間した場所に設けられた中継アンテナ９に送信され、中継アンテナ９から画像制御装置１０に送信され、画像制御装置１０からモニタ４に送信される。

モニタ４は、操縦者３の前方に配置され前方カメラ２ａで撮影された動画を表示する前方モニタ４ａと、操縦者３の右方に配置され右方カメラ２ｂで撮影された動画を表示する右方モニタ４ｂと、操縦者３の左方に配置され左方カメラ２ｃで撮影された動画を表示する左方モニタ４ｃと、操縦者３の上方に配置され上方カメラ２ｄで撮影された動画を表示する上方モニタ４ｄとを有している。なお、後方カメラ２ｅを追加した場合、後方カメラ２ｅで撮影された動画を表示する後方モニタを操縦者３の後方に追加する。

各モニタ４ａ〜４ｄは、例えば、液晶パネルや有機ＥＬパネル等から成り、サイズは４０〜５０インチ程度のものが用いられる。各モニタ４ａ〜４ｄは、後方モニタを追加した場合には下方に開口を有するボックス状（直方体状）に組み立てられ、後方モニタを省略した場合には下方および後方に開口を有するボックス状に組み立てられる。そして、モニタ４ａ〜４ｄで構築されたボックスの開口から、操縦者３の少なくとも頭部がボックス内部に挿入される。各モニタ４ａ〜４ｄに曲面パネルを用いてもよく、それらを連結して全体として球面状（ドーム状）のモニタを構成してもよい。モニタ４ａ〜４ｄで構築されたボックスの下方には、操縦者３が着座する座席１１が配設されている。

（遠隔操縦装置５）
図１に示すように、航空機１から離間した場所には、モニタ４を見た操縦者３によって操作され、その操作に応じて航空機１の飛行方向および飛行速度を制御する遠隔操縦装置５が設けられている。図１に示す遠隔操縦装置５は、実機の操縦装置を模倣した操縦装置５Ｘである。この場合、航空機１には、実機を用いることが好ましいが、ラジコン機であっても構わない。この操縦装置５Ｘの操縦信号は、操縦信号制御装置１２を介して中継アンテナ９に送信され、中継アンテナ９から航空機１のアンテナ１ｃに送信される。

図１に示す操縦装置５Ｘは、操縦者３の右手で把持される右レバー５ａ、左手で把持される左レバー５ｂ、両足が載せられる左右ペダル５ｃを備えている。右レバー５ａを前後に動かすことで航空機１の水平尾翼を動かしてピッチを制御し、右レバー５ａを左右に動かすことで航空機１の補助翼を動かしてロールを制御し、左レバー５ｂを前後に動かすことで航空機１の推力を制御し、左右ペダル５ｃを前後に互い違いに動かして左右ペダル５ｃを連結する連結部材５ｄを中心軸回りに回動させることで航空機１の垂直尾翼を動かしてヨーを制御する。なお、遠隔操縦装置５は、図１に示す操縦装置５Ｘに限られず、実機の様々なタイプの操縦装置を模倣してもよい。

また、図４に示すように、遠隔操縦装置５に、ラジコン機を遠隔操縦するための所謂プロポ（無線コントローラ）５Ｙを用いてもよい。この場合、航空機１には、ラジコン機を用いることが好ましいが、実機であっても構わない。図４においては、プロポ５Ｙの操縦信号をプロポ５Ｙのアンテナ５ｅから航空機１のアンテナ１ｃに直接送信するように表しているが、図１のタイプと同様に、一旦、操縦信号制御装置１２に送信し、中継アンテナ９を介して航空機１に送信するようにしてもよい。なお、図４に示すように、操縦者３に把持されたプロポ５Ｙがモニタ４ａ〜４ｄで構成されたボックスの内部に収容された状態となると、電磁遮蔽によりプロポ５Ｙのアンテナ５ｅから操縦信号を航空機１に送信できなくなる可能性があるため、プロポ５Ｙのアンテナ５ｅを延長する或いは屈曲させる等してモニタ４ａ〜４ｄで構成されたボックスの外部に出すか、別途の中継アンテナを設けることが好ましい。

図４に示すプロポ５Ｙは、前後左右に傾動自在な右ステック５ｆと、同様に傾動自在な左スティック５ｇとを有する。左スティック５ｇを前後に動かすことで航空機１の水平尾翼を動かしてピッチを制御し、左スティック５ｇを左右に動かすことで航空機１の垂直尾翼を動かしてヨーを制御し、右スティック５ｆを前後に動かすことで航空機１の推力を制御し、右スティック５ｆを左右に動かすことで航空機１の補助翼を動かしてロールを制御する。プロポ５Ｙによる航空機１の操舵および推力調節は、上述したスティック操作に限られず、異なったスティック操作によって操舵および推力調節を行うように、プロポ５Ｙの設定を変更してもよい。

なお、図４のプロポ５Ｙの上面に仮想線で示すように小型モニタ５ｈ（前方カメラ２ａの画像を写すモニタ）を設け、そのモニタ５ｈを操縦者３が視認しつつプロポ５Ｙを操作するようにしてもよい。この場合、図４示す前方モニタ４ａ、右方モニタ４ｂ、左方モニタ４ｃ、上方モニタ４ｄ、後方モニタは不要であり、右方カメラ２ｂ、左方カメラ２ｃ、上方カメラ２ｄ、後方カメラ２ｅも不要である。

（加速度センサ６）
図１、図４に示すように、航空機１には、飛行中の航空機１に生じる上下・左右・前後方向の加速度を検出する加速度センサ６が搭載されている。加速度センサ６の出力値は、航空機１に設けられたアンテナ１ｃから、航空機１から離間した場所に設けられた中継アンテナ９に送信され、中継アンテナ９から加速度再現信号制御装置（制御部）８に送信される。制御部８は、加速度センサ６の出力値に基づいて加速度再現信号（加速Ｇ再現信号）を生成し、その加速Ｇ再現信号を感知パッド７に送信する。

加速度センサ６には、例えば、Ｘ軸Ｙ軸Ｚ軸の３方向の加速度を１デバイスで測定できる３軸加速度センサが用いられる。ここで、Ｘ軸は航空機１の前後方向軸、Ｙ軸は左右方向軸、Ｚ軸は上下方向軸である。３軸加速度センサ６には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を利用した振動方式、光学方式、半導体方式（静電容量型、ピエゾ抵抗型、ガス温度分布型）等が知られているが、どの方式を用いてもよい。３軸加速度センサ６は、航空機１のキャノピー１ｂ内方の操縦席１ａの位置（又はその近傍）に設けることが好ましい。操縦席１ａに着座する操縦者に加わる加速度を測定できるからである。

また、加速度センサ６には、Ｘ軸回りの角加速度、Ｙ軸回りの角加速度、Ｚ軸回りの角加速度を１デバイスで測定できる３軸角加速度センサ（３軸ジャイロセンサ）を用いてもよい。３軸ジャイロセンサ６は、図５に示すように、３軸ジャイロセンサ６の重量が航空機１の運動性に与える影響を最小限に抑制するため、航空機１の重心位置Ｇに設けられる。この構成によれば、航空機１の重心位置Ｇと航空機１の操縦席１ａの位置との間の距離に、３軸ジャイロセンサ６が検出した各軸回りの角加速度を夫々乗じることで、操縦席１ａにおいて生じる重心Ｇ回りのロールモーメント、ヨーモーメント、ピッチモーメントを算出できる。

詳しくは、図５（ａ）に示すように、航空機１を前方から見たとき重心位置Ｇと操縦席１ａ位置との間の距離Ｌ１に３軸ジャイロセンサ６が検出したＸ軸回りの角加速度を乗じることで操縦席１ａにおいて生じるロールモーメント（ローリングモーメント）を算出でき、図５（ｂ）に示すように、航空機１を上方から見たとき重心位置Ｇと操縦席１ａ位置との間の距離Ｌ２に３軸ジャイロセンサ６が検出したＺ軸回りの角加速度を乗じることで操縦席１ａにおいて生じるヨーモーメント（ヨーイングモーメント）を算出でき、図５（ｃ）に示すように、航空機１を側方から見たとき重心位置Ｇと操縦席１ａ位置との間の距離Ｌ３（＝Ｌ２）に３軸ジャイロセンサ６が検出したＹ軸回りの角加速度を乗じることで操縦席１ａにおいて生じるピッチモーメント（ピッチングモーメント）を算出できる。

（感知パッド７）
図１、図４に示すように、操縦者３の上方投影部、下方投影部、左方投影部、右方投影部、前方投影部、後方投影部には、夫々、感知パッド７が装着される。これら感知パッド７は、上述した加速度センサ６（３軸加速度センサ、３軸ジャイロセンサ）の出力値に基づいて、飛行中の航空機１の操縦席１ａに生じた加速度の方向及び大きさを操縦者３に触覚情報として感知させるため、振動または電気刺激を大きさを異ならせて発生させるものである。

操縦者３の上方投影部とは、モニタ４近傍の座席１１に着座した操縦者３を上方から見たとき視認できる部分をいい、例えば、左右の肩の上、左右の太腿の上、頭の頂部などである。図１、図４においては、操縦者３の左右の肩の上に感知パッド７を装着した例を示したが、左右の太腿の上、頭の頂部に追加して装着してもよい。操縦者３の下方投影部とは、座席１１に着座した操縦者３を下方から見たとき視認できる部分をいい、例えば、臀部の下、左右の太腿の下などである。図１、図４においては、操縦者３の臀部の下に感知パッド７を装着した例を示したが、左右の太腿の下に追加して装着してもよい。

操縦者３の左方投影部とは、座席１１に着座した操縦者３を左方から見たとき視認できる部分をいい、例えば、左の上腕の側面、胴の左側面などである。図１、図４においては、操縦者３の左の上腕の側面に感知パッド７を装着した例を示したが、胴の左側面に追加して装着してもよい。操縦者３の右方投影部とは、座席１１に着座した操縦者３を右方から見たとき視認できる部分をいい、例えば、右の上腕の側面、胴の右側面などである。図１、図４においては、操縦者３の右の上腕の側面に感知パッドを装着した例を示したが、胴の右側面に追加して装着してもよい。

操縦者３の前方投影部とは、座席１１に着座した操縦者３を前方から見たとき視認できる部分をいい、例えば、胴の腹面、胸面、顔面の額などである。図１、図４においては、操縦者３の胴の腹面に感知パッド７を装着した例を示したが、胴の胸面、顔面の額に追加して装着してもよい。操縦者３の後方投影部とは、座席１１に着座した操縦者３を後方から見たとき視認できる部分をいい、例えば、胴の背面、後頭部などである。図１、図４においては、操縦者３の胴の背面に感知パッド７を装着した例を示したが、後頭部に追加して装着してもよい。

（感知パッド７の構造：振動タイプ）
感知パッド７には、振動式の感知パッド７Ｘまたは電気刺激式の感知パッド７Ｙが用いられる。図６に、振動式の感知パッド７Ｘの構造を示す。振動タイプの感知パッド７Ｘは、操縦者３の体の表面に沿って屈曲自在なベース板７ａと、ベース板７ａに取り付けられたモーター７ｂと、モーター７ｂの回転シャフトに取り付けられた偏芯錘７ｃと、モーター７ｂおよび偏芯錘７ｃを覆ってベース板７ａに取り付けられたカバー７ｄとを有する。ベース板７ａは、両面テープやマジックテープ（登録商標）等を介し、操縦者３の所定箇所に着脱可能に装着される。

モーター７ｂを回転させると偏芯錘７ｃが回転することでベース板７ａに振動が付与され、感知パッド７Ｘが取り付けられた操縦者３は、取付箇所の振動を感知する。モーター７ｂの回転速度を高めると操縦者３が感じる振動が大きくなり、モーター７ｂの回転速度を低めると操縦者３が感じる振動が小さくなる。この振動によって、飛行中の航空機１に生じる加速度を模擬している。すなわち、操縦者３の各部に装着された感知パッド７Ｘの夫々の振動の有無および大小によって、飛行中の航空機１に生じた加速度の大きさおよび向きを、操縦者３に触覚情報として感知させている。

（制御部８）
図１、図４に示すように、操縦者３の各部に装着される感知パッド７（７Ｘ）は、制御部８に接続されており、制御部８によって振動の有無および大小が制御されるようになっている。制御部８は、航空機１に搭載された加速度センサ６の出力値に基づいて加速度再現信号（加速Ｇ再現信号）を生成し、その加速Ｇ再現信号を操縦者３の各部に装着された感知パッド７（７Ｘ）に送信し、各感知パッド７（７Ｘ）に振動を大きさを異ならせて発生させることで、航空機１に生じた加速度の方向及び大きさを操縦者３に触覚情報として感知させる機能を有する。

図７（ａ）に示すように、各感知パッド７Ｘのモーター７ｂは、モーターコントローラー１３に接続されており、モーターコントローラー１３には、モーター駆動用の電源１４が接続され、制御部８から加速Ｇ再現信号が入力されるようになっている。モーターコントローラー１３は、図７（ｂ）に示すように、加速Ｇ再現信号の大きさに比例して、モーター７ｂの回転速度を制御する。従って、加速Ｇ再現信号が大きくなると、モーター７ｂの回転速度が高まり、振動パッド７Ｘに生じる振動が大きくなり、操縦者３は航空機１に大きな加速度が生じていると感知できる。逆に、加速Ｇ再現信号が小さくなると、モーター７ｂの回転速度が低くなり、振動パッド７Ｘに生じる振動が小さくなり、操縦者３は航空機１に小さな加速度が生じていると感知できる。

（制御部８による各感知パッド７の制御）
図１、図４に示す制御部８は、航空機に搭載した加速度センサ６（３軸加速度センサ）が上方への加速度を検出したとき下方投影部の感知パッド７を作動させ、加速度センサ６が下方への加速度を検出したとき上方投影部の感知パッド７を作動させ、加速度センサ６が左方への加速度を検出したとき右方投影部の感知パッド７を作動させ、加速度センサ６が右方への加速度を検出したとき左方投影部の感知パッド７を作動させ、加速度センサ６が前方への加速度を検出したとき後方投影部の感知パッド７を作動させ、加速度センサ６が後方への加速度を検出したとき前方投影部の感知パッド７を作動させる。

加速度センサ６が上方への加速度を検出した状態においては、仮に航空機１に操縦者３が搭乗していると考えると、操縦者３は慣性力によって座席１１の座面に押し付けられる。よって、遠隔操縦している操縦者３の下方投影部（臀部の下）の感知パッド７を振動させることで、遠隔操縦している操縦者３に航空機（自機）１が上昇し始めていることを実感させられる。また、加速度センサ６が下方への加速度を検出したとき、操縦者３の上方投影部（肩の上）の感知パッド７を振動させることで、遠隔操縦している操縦者３に自機１が下降し始めていることを実感させられる。

同様に、加速度センサ６が左方への加速度を検出したとき、操縦者３は慣性力によって座席１１の右側に押し付けられるので、操縦者３の右方投影部（右の上腕）の感知パッド７を振動させることで、遠隔操縦している操縦者３に自機１が左旋回し始めていることを実感させられる。加速度センサ６が右方への加速度を検出したとき、操縦者３の左方投影部（左の上腕）の感知パッド７を振動させることで、遠隔操縦している操縦者３に自機１が右旋回し始めていることを実感させられる。

また、加速度センサ６が前方への加速度を検出したとき、操縦者３は慣性力によって座席１１の背もたれに押し付けられるので、操縦者３の後方投影部（胴の背面）の感知パッド７を振動させることで、遠隔操縦している操縦者３に自機１が増速し始めていることを実感させられる。加速度センサ６が後方への加速度を検出したとき、操縦者３の前方投影部（胴の腹面）の感知パッド７を振動させることで、遠隔操縦している操縦者３に自機１が減速し始めていることを実感させられる。

なお、実際には、飛行中の航空機１には、飛行状態に応じて、加速度が上下・左右・前後のあらゆる方向に重畳的に異なった大きさで発生し、それぞれの方向の加速度の大きさが時々刻々変化するため、それを模擬するように操縦者３の各部に装着された感知パッド７が振動することになる。

（３軸ジャイロセンサの場合）
一方、加速度センサ６に３軸ジャイロセンサを用いる場合、制御部８に備えられた演算部は、図５に示すように、３軸ジャイロセンサ６が設けられた航空機１の重心位置Ｇと航空機１の操縦席１ａの位置との間の距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に、３軸ジャイロセンサ６が検出した各軸回りの角加速度を夫々乗じることで、操縦席１ａにおいて生じる重心Ｇ回りのロールモーメント、ピッチモーメント、ヨーモーメントを算出する。そして、制御部８は、算出されたロールモーメント、ピッチモーメント、ヨーモーメントに基づいて、操縦者３の各部に装着された感知パッド７を適宜作動（振動）させ、航空機１に生じた加速度を操縦者３に触覚情報として感知させる。

例えば、制御部８の演算部が航空機１に生じた上向き（機首上げ）ピッチモーメントを算出した状態においては、仮に航空機１に操縦者３が搭乗していると考えると、操縦者１は慣性力によって座席１１の座面に押し付けられる。よって、遠隔操縦している操縦者３の下方投影部（臀部の下）の感知パッド７を振動させることで、遠隔操縦している操縦者３に航空機（自機）１が機首上げし始めていることを実感させる。逆に、下向き（機首下げ）ピッチモーメントが算出された場合には、操縦者３の上方投影部 （左右の肩の上）の感知パッド７を振動させ、操縦者３に自機１が機首下げし始めていることを実感させる。

同様に、右ロールモーメントが算出された場合には、操縦者３は慣性力によって座席１１の左側に押し付けられるため、操縦者３の左上腕の感知パッド７、左肩の感知パッド７を振動させることで、操縦者３に自機１が右にロールし始めていることを実感させ、逆に、左ロールモーメントが算出された場合には、操縦者３の右上腕の感知パッド７、右肩の感知パッド７を振動させることで、操縦者３に自機１が左にロールし始めていることを実感させる。また、右ヨーモーメントが算出された場合には、操縦者３は慣性力によって座席１１の左側に押し付けられるため、操縦者３の左上腕の感知パッド７を振動させることで、操縦者３に自機１が右にヨー回転し始めていることを実感させ、逆に、左ヨーモーメントが算出された場合には、操縦者３の右上腕の感知パッド７を振動させることで、操縦者３に自機１が左にヨー回転し始めていることを実感させる。

加速度センサ６に３軸ジャイロセンサを用いた場合、別途、前後方向加速度センサを航空機１に搭載し、この前後方向加速度センサの出力値に応じて、操縦者３の腹面の感知パッド７、背面の感知パッド７を振動させることで、操縦者３に前後方向の加速度を感知させることが好ましい。なお、上述した操縦席１ａにおける重心Ｇ回りのロールモーメント、ピッチモーメント、ヨーモーメントに基づいて、制御部８が操縦席１ａにおいて生じる上下・左右・前後方向の加速度（力）を算出し、それら加速度に応じて各感知パッド７を３軸加速度センサの場合と同様に制御してもよい。

（感知パッド７の構造：電気刺激タイプ）
図１、図４に示すように、操縦者３の各部に装着される感知パッド７には、上述した振動タイプの代わりに、電気刺激タイプを用いてもよい。図８に、電気刺激タイプの感知パッド７Ｙの構造を示す。電気刺激タイプの感知パッド７Ｙは、操縦者３の体の表面に沿って屈曲自在な絶縁シート７ｅと、絶縁シート７ｅに装着され絶縁材７ｆによって互いに絶縁されたプラス電極板７ｇおよびマイナス電極板７ｈと、プラス電極板７ｇおよびマイナス電極板７ｈに夫々端子台を介して接続された電線７ｉ、７ｊと、端子台を覆うカバー７ｋとを有する。絶縁シート７ｅは、両面テープやマジックテープ（登録商標）等を介し、操縦者３の所定箇所に着脱可能に装着される。

感知パッド７Ｙを操縦者３に取り付けた状態で、プラス電極板７ｇおよびマイナス電極板７ｈに所定電圧のパルス信号を入力することで、プラス電極板７ｇとマイナス電極板７ｈとの間の筋肉が刺激され収縮と弛緩を繰り返し、操縦者３は電気刺激を感知する。パルス信号の電圧を高めると操縦者３が感じる電気刺激が大きくなり、パルス信号の電圧を低くすると操縦者３が感じる電気刺激が小さくなる。この電気刺激によって、飛行中の航空機１に生じる加速度を模擬している。すなわち、操縦者３の各部に装着された感知パッド７Ｙの夫々の電気刺激の有無および大小によって、飛行中の航空機１に生じた加速度の大きさおよび向きを、操縦者３に触覚情報として感知させている。

図９（ａ）に示すように、感知パッド７Ｙのプラス電極板７ｇおよびマイナス電極板７ｈは、パルスコントローラー１５に接続されており、パルスコントローラー１５には、パルス駆動用の電源１６が接続され、制御部８から加速Ｇ再現信号が入力されるようになっている。パルスコントローラー１５は、図９（ｂ）に示すように、加速Ｇ再現信号の大きさに比例した電圧のパルス信号（一定間隔）を、感知パッド７Ｙのプラス電極板７ｇ、マイナス電極板７ｈに入力する。なお、パルス信号のパルス間隔を変更することで操縦者３が感じる電気刺激を調節してもよい（パルス間隔が狭くなると電気刺激が大きくなる）。

電気刺激タイプの感知パッド７Ｙは、電気刺激によって操縦者３に加速度を感知させている点が振動によって操縦者３に加速度を感知させている振動タイプの感知パッド７Ｘと相違するものの、制御部８によって作動制御される制御内容は、振動タイプの感知パッド７Ｘと同様である。よって、制御部８による各感知パッド７Ｙの制御内容については説明を省略する。

（作用・効果）
本実施形態に係る航空機の遠隔操縦システムＳによれば、図１、図４に示すように、航空機１から離間した場所の操縦者３に、航空機１のカメラ２から撮影された視覚情報に加えて、飛行に伴って航空機１に生じる様々な方向の加速度を触覚情報（振動、電気刺激）として感知させることで、操縦者３に、航空機（自機）１がどのような姿勢でどの方向に飛行しているのかを把握させることができる。よって、操縦性が向上し、航空機１から離間した場所の操縦者に対し、航空機１に搭乗して操縦している感覚を付与できる。

例えば、航空機（自機）１が飛行する空に雲が無く青空のみの場合、モニタ４には青一色が表示され、自機が雲の中に突入した場合、モニタ４には灰色のみが表示されことになり、モニタ４に表示された画像には自機１の姿勢や移動方向を視覚的に把握するための基準（手掛かり）が存在しない。このため、操縦者３は、モニタ４による視覚情報のみでは、自機１が現在どのような姿勢でどの方向に飛行しているのか判断できず、航空機１を適切に遠隔操縦できなくなる可能性がある。

本実施形態に係る航空機の遠隔操縦システムＳによれば、操縦者３の各部に感知パッド７を装着し、飛行中の航空機１に生じる様々な方向の加速度に基づく慣性力によって操縦者３が座席に押し付けられる部分の感知パッド７を作動させているので、操縦者３は自機１の飛行姿勢、飛行方向を認識し易くなり、操縦性が向上する。例えば、航空機１に搭載した加速度センサ６が上方への加速度または機首上げピッチモーメントを検出した状態においては、仮に航空機１に操縦者３が搭乗していると考えると、操縦者３は慣性力によって座席１１の座面に押し付けられるため、操縦者３の下方投影部（臀部の下）の感知パッド７を振動させる或いは電気刺激を発生させることで、遠隔操縦している操縦者３は、自機１が機首を上げて上昇し始めていると判断できる。

このように、操縦者３は、モニタ４による視覚情報に加えて、感知パッド７による触覚情報（振動、電気刺激）をも利用して自機１の飛行姿勢および飛行方向を判断できる。よって、操縦性が向上し、航空機１から離間した場所の操縦者３に対し、航空機１に搭乗して操縦している感覚を付与できる

また、操縦者３に対し、航空機１に生じる様々な方向の加速度を触覚情報として感知させる手段として、操縦者３の上方投影部、下方投影部、左方投影部、右方投影部、前方投影部、後方投影部に夫々装着される感知パッド７を用い、これら感知パッド７に、適宜、振動または電気刺激を大きさを異ならせて発生させることで加速度を模擬しているので、例えば操縦者３の座席１１を油圧シリンダで傾動させて加速度を模擬するタイプ（フライトシミュレータのタイプ）と比べると、システム全体を簡素に且つ低コストで構成できる。

また、図１、図４に示すように、航空機１に前方カメラ２ａ、右方カメラ２ｂ、左方カメラ２ｃ、上方カメラ２ｄを搭載し、それらで撮影した動画を前方モニタ４ａ、右方モニタ４ｂ、左方モニタ４ｃ、上方モニタ４ｄに表示するようにしたので、操縦者３は、航空機１の前方のみならず、右方、左方、上方の視界をも認識できる。よって、操縦者３は、上述した感知パッド７による触覚情報（振動、電気刺激）とも相俟って、航空機１に搭乗して操縦しているような感覚が得られ、操縦性が向上する。

図１０（ａ）は、上述した「航空機の遠隔操縦システム」Ｓが適用されたラジコン飛行機１により複数機で編隊を組んでアクロバット飛行を行った説明図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の点線で囲んだラジコン飛行機１の操縦者３の視点イメージ図である。図１０（ｂ）に示すように、前方モニタ４ａには自機１の右方前方に１番機Ｘが表示され、右方モニタ４ｂには２番機Ｙが表示され、前方モニタ４ａ、右方モニタ４ｂ、左方モニタ４ｃ、上方モニタ４ｄには、地平線および太陽が自機１の傾いた飛行姿勢に応じて傾斜して表示されている。この結果、操縦者３は、自機１に搭乗して操縦しているような視覚情報を得ることができ、上述した感知パッド７による触覚情報（振動、電気刺激）とも相俟って、操縦性が向上する。なお、図１０（ｂ）において、各モニタに表示される水平方向の仮想線Ｈは自機１に対する水平線であり、垂直方向の仮想線Ｖは自機１に対する垂直線であり、これらは自機１の地面（地上）に対する姿勢を判断する基準となる。

また、図１０（ｂ）に示すように、モニタ４に表示された自機１の向きとプロポ５Ｙの向きとが一致するので、プロポ５Ｙのスティック５ｇ、５ｆの操作が容易となる。すなわち、図１０（ａ）に示すように、自機１を含めた複数のラジコン飛行機で編隊を組んでアクロバット飛行を行う場合、従来のプロポ５Ｙのみを用いて遠隔操縦を行うと、地上でプロポ５Ｙを操作する操縦者３が飛行中のラジコン飛行機（自機）１の飛行方向、飛行姿勢、迎角などを地上から目視によって把握し、それに基づいてプロポ５Ｙのスティック５ｇ、５ｆをどの方向にどれだけの量操作するかを瞬時に判断する必要があった。これを可能とするためには長時間の訓練を要し、スティック操作が遅れる或いはスティック操作を間違えることで、自機１が他機と接触する或いは墜落する可能性がある。よって、複数のラジコン飛行機による編隊飛行、アクロバット飛行は、事実上不可能であった。

一方、本実施形態に係る「航空機の遠隔操縦システム」Ｓによれば、図１０（ｂ）に示すように、モニタ４に表示された自機１の向きとプロポ５Ｙの向きとが一致し、操縦者３が自機１に搭乗しているような視界が得られるので、プロポ５Ｙのスティック操作が容易となり、操縦者３は、モニタ４に表示された画像に基づいて、スティック５ｇ、５ｆを瞬時に迷い無く操作できる。よって、複数のラジコン飛行機１による編隊飛行、アクロバット飛行が可能となる。

図１１は、上述した「航空機の遠隔操縦システム」Ｓが適用されたラジコン飛行機１により模擬空中戦（ドッグファイト）を行った場合の操縦者３の視点イメージ図である。これまで述べたように、モニタ４に表示された自機１の向きとプロポ５Ｙの向きとが一致し、前方モニタ４ａ、右方モニタ４ｂ、左方モニタ４ｃ、上方モニタ４ｄによって、ドッグファイト時に必要な前方側方上方視界を確保できる。すなわち、敵機Ｚが旋回する等して前方モニタ４ａの表示範囲から外れても、右方モニタ４ｂ、左方モニタ４ｃ、上方モニタ４ｄの何れかに敵機Ｚを表示でき、敵機Ｚを見失わない。また、操縦者３は、各モニタ４ａ〜４ｄによる視覚情報に加えて、各感知パッド７による触覚情報によって、ドッグファイト中に自機１に生じる加速Ｇを各感知パッド７の振動または電気刺激によって感知できる。よって、操縦者３は、自機１に搭乗している感覚でドッグファイトの操縦ができ、操縦性が向上する。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例または修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

本発明は、航空機を遠隔から操縦する操縦者に対して、航空機に搭乗して操縦しているような感覚を付与できる航空機の遠隔操縦システムに利用できる。

Ｓ 航空機の遠隔操縦システム
１ 航空機
２ カメラ
２ａ 前方カメラ
２ｂ 右方カメラ
２ｃ 左方カメラ
２ｄ 上方カメラ
３ 操縦者
４ モニタ
４ａ 前方モニタ
４ｂ 右方モニタ
４ｃ 左方モニタ
４ｄ 上方モニタ
５ 遠隔操縦装置
５Ｘ 実機の操縦装置を模倣した遠隔操縦装置
５Ｙ ラジコンのプロポを用いた遠隔操縦装置
６ 加速度センサ（３軸加速度センサ、３軸ジャイロセンサ）
７ 感知パッド
７Ｘ 振動タイプの感知パッド
７Ｙ 電気刺激タイプの感知パッド
８ 制御部

Claims (4)

1. 航空機に搭載され、少なくとも飛行方向前方を撮影するカメラと、
   前記航空機から離間した場所にて前記航空機を操縦する操縦者が視認できる位置に配置され、前記カメラで撮影された動画を表示するモニタと、
   該モニタを見た操縦者によって操作され、その操作に応じて前記航空機の飛行方向および飛行速度を制御する遠隔操縦装置とを備えた航空機の遠隔操縦システムであって、
   前記航空機に搭載され、飛行中の前記航空機に生じる上下・左右・前後方向の加速度を検出する加速度センサと、
   前記操縦者の上方投影部、下方投影部、左方投影部、右方投影部、前方投影部、後方投影部に夫々装着される感知パッドと、
   これら感知パッドに、前記加速度センサの出力値に基づいて、前記航空機に生じた加速度の方向及び大きさを前記操縦者に感知させるため、振動または電気刺激を大きさを異ならせて発生させる制御部と、
   を備えたことを特徴とする航空機の遠隔操縦システム。
2. 前記制御部は、
   前記加速度センサが上方への加速度を検出したとき前記下方投影部の感知パッドを作動させ、前記加速度センサが下方への加速度を検出したとき前記上方投影部の感知パッドを作動させ、
   前記加速度センサが左方への加速度を検出したとき前記右方投影部の感知パッドを作動させ、前記加速度センサが右方への加速度を検出したとき前記左方投影部の感知パッドを作動させ、
   前記加速度センサが前方への加速度を検出したとき前記後方投影部の感知パッドを作動させ、前記加速度センサが後方への加速度を検出したとき前記前方投影部の感知パッドを作動させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の航空機の遠隔操縦システム。
3. 前記加速度センサは、前記航空機の内部に設けられた角加速度センサを有し、
   前記制御部は、前記角加速度センサが設けられた位置と前記航空機の操縦席位置との距離に前記角加速度センサで検出した角加速度を乗じることで、前記操縦席位置において生じる力のモーメントを算出する演算部を備え、該演算部で算出されたモーメントの大きさに応じて前記パッドの夫々の振動又は電気刺激の大きさを調節するものである、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の航空機の遠隔操縦システム。
4. 前記カメラが、前記航空機の飛行方向前方を撮影する前方カメラと、飛行方向右方を撮影する右方カメラと、飛行方向左方を撮影する左方カメラと、飛行方向上方を撮影する上方カメラとを有し、
   前記モニタが、前記操縦者の前方に配置され前記前方カメラで撮影された動画を表示する前方モニタと、前記操縦者の右方に配置され前記右方カメラで撮影された動画を表示する右方モニタと、前記操縦者の左方に配置され前記左方カメラで撮影された動画を表示する左方モニタと、前記操縦者の上方に配置され前記上方カメラで撮影された動画を表示する上方モニタとを有する、
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の航空機の遠隔操縦システム。

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