JP6600213B2 - 飛行制御装置、飛行制御方法、飛行体 - Google Patents
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Description
特許文献1や非特許文献1に開示された技術は、機体にマイコンやセンサから構成される飛行制御装置を搭載し、この装置に組み込まれた飛行制御用ソフトウェアにより機体の飛行特性を常時安定化しつつ、操縦者の指令を受け付けてその指令通りに機体を動かすという動作を行うものである。
これにより、操縦者は操縦に熟練していなくても、ヘリコプタを思い通りに空中で移動させることが可能となる。ただし、これはあくまで熟練した操縦技能を不要にするという方向性であり、手動操縦の訓練・習熟を目的とはしていない。
非特許文献2に開示された技術は、人間の手動操縦の訓練を目的としている。訓練に実際の機体を用いるのではなく、計算機上で機体の動きを模擬してその様子をモニタ上に再現し、これを操縦者が見ながら、計算機に接続された操縦桿を操作して、あたかも実際の機体を操作しているかのような感覚が得られる、いわゆるフライトシミュレータを用いる方法である。
この方法を用いると、操縦訓練中の機体喪失や事故の危険を防ぐことが可能で、かつ訓練時間帯や場所を問わないことから、安全かつ効率的な訓練が可能である。
手動操縦の訓練のために実際の機体を用いる場合、1機の操縦に2台の操縦装置を用い、一方を熟練操縦者が、もう一方を被訓練者が持ち、被訓練者が操縦を失敗した際に操縦を熟練操縦者側へ切り替えて安全を確保するという訓練手法もある。
この方法は、実際の機体を用い、実環境で訓練できるため、最も訓練効果が高い。
この他、機体が操縦者から遠くに離れた際にスイッチ操作で元の位置へ自動帰還する製品や、操縦者が機体の姿勢を把握できなくなった際にスイッチ操作で姿勢を水平に戻す製品が実用化されている。
上記の従来技術1に関して次の問題が指摘される。
ヘリコプタは突風にあおられたり、機体や制御装置に運用中トラブルが発生したりするなどがしばしば起こり、このような非常時に安全を確保するため相変わらず人間による手動操縦が必要とされる場面が存在する。
特にヘリコプタの場合、高速回転するロータが人に当たって死亡災害を起こすこともしばしばある。しかし、従来技術1は未熟者による運用を前提としており、手動操縦の訓練・習熟を目的としていないため、手動操縦の技能向上には適していないという問題がある。
フライトシミュレータには、本質的に、実際の機体との運動特性の違いや視界の違いがある。そのため、フライトシミュレータだけでは訓練として不十分であるという問題があり、実際の機体を実環境で飛行させる訓練が欠かせない。
上記の従来技術3に関しては、常に熟練操縦者が帯同していなければならず、実際こうした恵まれた環境で訓練できるケースは極めて限られるという問題がある。
また、姿勢を水平に戻す装置は訓練補助として有用と考えられるものの、出過ぎてしまった速度を抑制するなど完全に安全な状態へ復帰させること、危険な状態であることを自動認識して人間の指示を待たずに安全確保を行うこと、訓練中に所定の飛行範囲から逸脱しそうになった場合に逸脱を防止すること、は不可能であり、操縦訓練中の安全確保には不十分であるという問題がある。
飛行体の操縦訓練等のために、手動制御モードではマニュアル操縦として人が飛行体の飛行を制御(操縦)できるようにする。この際に飛行制御装置は、例えば飛行状態や飛行位置から、飛行体が危険回避が必要な状態にあるか否かを判定する。そして要危険回避状態であると判定した場合は、自動制御モードとして自動操縦に切り替えて、危険回避のための飛行動作制御を行う。さらにその後、飛行体が空中待機するように制御する。
危険回避後の例えば空中待機制御中に、例えば操縦者が用いる操縦装置からの要求信号に応じて、手動制御モードに復帰する。
危険回避後において待機飛行制御部による制御が行われているときに、無条件で要求信号を受け付けて手動制御モードに復帰させるのではなく、特定の飛行位置に戻ることを条件として手動制御モードに復帰できるようにする。
飛行体の飛行位置が、あらかじめ設定した飛行範囲を超えてしまうことで危険状態に至ることを予測する計算を行う。この計算結果により要危険回避状態であるか否かを判定できる。また、要危険回避状態であると判定された場合、飛行範囲からの逸脱を防止するための飛行を実行させる。この実行結果により、飛行範囲からの逸脱を防止することができる。
これにより、手動制御モードでの飛行の際に要危険回避状態であると判定した場合に、自動制御モードに切り替えて危険回避のための飛行動作制御を行い、さらにその後、飛行体が空中待機するようにする。
このような飛行体は、操縦訓練に適した飛行体として用いることができる。
以下では、図1によりRCヘリコプタのハードウェア構成を説明し、また要部のソフトウェアについて図2〜図6により説明する。
本実施の形態のRCヘリコプタシステムでは、人間による操縦訓練中、機体に搭載したセンサ、制御計算用CPUおよび予測計算用CPUを用いて、機体の未来の運動を予測して機体が予め設定した安全な飛行範囲内で訓練を継続できるかどうかを判定する。また、機体の現在の姿勢や速度が過大でないかどうかを判定する。そして、これらの判定において機体が危険な飛行状態に陥ると判断された場合(要危険回避状態)に、自動的に安全を確保する自動制御状態に切り替えて飛行を制御し、危険を回避する。また、姿勢を大きく崩した状態から安全な状態へ復帰させるため、これに特化した制御手法を適用する。このような工夫により、未熟者一人による安全かつ効率的な操縦訓練を可能とし、従来の問題を解決するものである。以下、図面を参照しながら説明する。
RC受信器7はRC送信器8からの操縦信号を受信する。
操縦者がRC送信機8で機体1を操縦する操作を行うと、操縦信号は無線によりRC受信機7へ送られ、電気信号に変換されてアクチュエータ3へ送られ、アクチュエータ3が機体の舵を操作することで飛行する。
以上は一般的なRCヘリコプタと同じ構成要素である。
センサ部2はRCヘリコプタ1としての機体の飛行状態を計測する各種センサを示している。具体的には慣性センサ、GPS(Global Positioning System)センサ、回転速度センサ等を搭載している。
RC信号切替器4は、RC受信器7およびアクチュエータ3の信号を分岐する。本例の場合、RC受信器7からの操縦信号と、制御計算用CPU5からの操縦信号が、制御計算用CPU5内で選択されてRC信号切替器4に供給される。RC信号切替器4は、その供給された操縦信号をアクチュエータ3に供給する。
なお、制御計算用CPU5と予測計算用CPU6はひとまとめにしてもよい。また、予測計算用CPU6の搭載場所は必ずしも機体上でなくてもよく、例えばRC送信器8内に搭載して、計算結果の情報を制御計算用CPU5に提供できる構成としてもよい。
図2は制御計算用CPU5に搭載するソフトウェア51の構成である。
図2ではソフトウェアとして実現される各機能を仮想的にブロック化して示している。即ち状態計算部52、危険回避制御部53、待機飛行制御部54、モード切替制御部55、信号選択器56である。なお後述する図3、図4もソフトウェアによって実行される機能をブロック化して示している点は同様である。
また、これらのソフトウェア機能がそれぞれハードウェアにより実現されてもよい。
危険回避制御部53は、機体を危険な飛行状態から安全な飛行状態へ復帰させるための制御則の計算部であり、詳細は後述する。
待機飛行制御部54は、機体のホバリング(空中停止)状態を自動的に保つための制御則の計算部である。待機飛行制御部54は、例えば先に挙げた非特許文献3に示された手法を用いて構成することが可能である。
本例では特に自動制御モードにおいて危険な飛行状態から復帰させる危険回避制御モードと、ホバリングにより空中待機する待機飛行制御モードがある。従ってモード切替制御部55は、手動制御モードと、自動制御モードにおける危険回避制御モードと、同じく自動制御モードにおける待機飛行制御モードとの3つのモードを自動的に選択するモード切替則とされている。詳細は後述する。
端子56Cが選択された場合、機体は人間が手動操縦する状態となり、通常はこの状態で操縦訓練が行われる。端子56Aまたは端子56Bが選択された場合、機体は人間の手動操縦を介さず、危険回避制御部53または待機飛行制御部54に内蔵された制御則により自動制御された状態になる。
状態推定器531において、RCヘリコプタ1の運動を決定する変数のうち直接計測できないものを推定し、制御器532内の各制御器へ渡す。
制御器532には、角速度制御器533、回転速度制御器534、姿勢制御器535、推力制御器536、速度制御器537がある。これらの各制御器(533〜537)は、状態推定器531などからの情報に基づきRCヘリコプタ1の操舵量を決定し、コマンド分配則538にてアクチュエータ指令値に変換して出力する。
目標値計算器539は、RCヘリコプタ1の飛行速度に対する目標値を計算する。
A0LMR,A1LMR,B1LMRは、それぞれメインブレードリード・ラグ角の定常成分、縦1次ハーモニック成分、横1次ハーモニック成分である。
A1FMRs,B1FMRsは、それぞれスタブライザブレードフラッピング角の縦・横1次ハーモニック成分である。
dSWM1,dSWM2,dSWM3,dDIRは、それぞれSWM1,SWM2,SWM3,DIRアクチュエータの舵角である。
なお、以下記号Δをつけた変数は、各変数が釣り合い飛行状態でとる値からの差分値であることを示すものである。
図4は、予測計算用CPU6に搭載するソフトウェア61の構成である。
状態推定器62、制御器63、コマンド分配則64、目標値計算器66には、それぞれ制御計算用CPU5の状態推定器531、制御器532、コマンド分配則538、目標値計算器539と同じソフトウェアが入っている。
機体運動モデル65は、一定時間おきに制御計算用CPU5の状態推定器531から出力される情報により初期化する。その後、この初期化した状態においてRCヘリコプタ1の機体が予め設定した飛行範囲を出そうになったと仮定して、機体運動モデル65が予め設定した飛行範囲を出ないように制御する計算機シミュレーションを数秒先まで行う。このシミュレーションは状態推定器62、制御器63、コマンド分配則64、目標値計算器66を用いて行う。
このシミュレーションの間に、機体運動モデル65が予め設定した飛行範囲の境界線に触れた場合、実際のRCヘリコプタ1の機体もこの飛行範囲の境界線に触れる、つまり、飛行範囲を出るおそれがあると判断し、ON/OFF判定器67はON信号を出力する。それ以外の場合はON/OFF判定器67はOFF信号を出力する。
図5により、モード切替制御部55による制御モードの切り替え処理を含む制御計算用CPU5の処理を説明する。
手動操縦による操縦訓練を開始した時点では、モード切替制御部55はステップS101で信号選択器56の端子56Cを選択する。即ち手動制御モードとして、RC受信器7で受信した操縦信号を選択する。従って、信号選択器56からRC信号切替器4には、RC送信器8での人の操作に応じた操縦信号が供給され、これがアクチュエータ3に供給される。
これによりRCヘリコプタ1は自動的に手動操作が無効とされ、自動操縦により危険回避が行われる。例えば姿勢の安定化、速度の適正化を行い、機体の飛行安全を確保する。
操縦者は、RC送信器8を操作して、訓練再開の要求信号をRCヘリコプタ1に送信できる。モード切替制御部55は要求信号を受けることに応じて、ステップS101に戻り、信号選択器56を端子56C、即ち手動制御モードに戻す。これにより手動操縦による操縦訓練が再開できることになる。
モード切替制御部55はステップS106において、待機飛行制御部54が生成した操縦信号を選択する。この場合の操縦信号は、所定の飛行位置まで戻る飛行を行い、当該所定の位置においてホバリングを行うような一連の操縦を行う操縦信号であるとする。
ステップS110では、この操縦信号に応じた飛行の過程で、状態計算部52から提供される現在位置情報を監視し、所定の飛行位置(目標位置)にまで戻ったか否かを判断している。そして目標位置まで戻るまでは、ステップS107に進まない。
従って、目標位置に戻った後において、ステップS107の要求信号を受け付け、訓練を再開可能とするものである。
以上の実施の形態のRCヘリコプタ1は、制御計算用CPU5として飛行制御装置を備えている。制御計算用CPU5(飛行制御装置)は、人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際に、要危険回避状態との判定結果に応じて、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行うモード切替制御部55を有する。
また制御計算用CPU5はモード切替制御部55により自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成する危険回避制御部53と、危険回避制御部53による操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中待機状態とするための操縦信号を生成する待機飛行制御部54を備えている。
即ち飛行体の操縦訓練等のために、手動制御モードではマニュアル操縦として人が飛行体の飛行を制御(操縦)できるようにする。そしてその際に要危険回避状態であると判定された場合は、自動制御モードとして自動操縦に切り替えて、危険回避のための飛行動作制御を行う。さらにその後、飛行体が空中待機するように制御する。
このように人の操縦による飛行時に、危険が予測され危険回避が必要と判定された場合、自動操縦によって危険回避が行われるため、操縦訓練などにおいて事故の発生を防止でき、非習熟者による操縦においても安全性を担保できる。
また危険回避後において空中待機させることで、安全を確保した状態で引き続き訓練飛行を継続でき、効率的な訓練が可能となる。
これにより安全な状態になった後に、操縦訓練等のための手動操縦に切り替えることができる。
これにより、例えば未熟な操縦による飛行体の墜落事故等の危険状態に至ることを予測でき、自動制御モードによる危険回避制御が可能となる。
RCヘリコプタ1の飛行位置が、あらかじめ設定した飛行範囲を超えてしまうことで危険状態に至ることを予測する計算結果により要危険回避状態であるか否かを判定できる。これにより、例えば未熟な操縦による飛行範囲逸脱を回避することが可能となる。
このような飛行体は、操縦訓練に適した飛行体として好適である。即ち、実機を使って、しかも非習熟者でも危険がない訓練が可能となる。
また、被訓練者が自分のペースで訓練を行うことができ、自身の都合や上達度合いに応じた柔軟かつ効率的な訓練スケジュールの設定が可能になる。
また、実施の形態のRCヘリコプタ1のシステムによれば、操縦訓練時の安全性が飛躍的に高まる。従来技術では、操縦訓練中に姿勢が崩れた際、操縦者の操作により自動的に元に戻す機能を持つものはあったが、速度の抑制はできず、所定の飛行範囲の外へ出る可能性があり、また、危険な状態であるか否かはあくまで人間が判断していたため、復帰操作が遅れると事故に至る危険性があった。実施の形態のRCヘリコプタ1のシステムによれば、姿勢の復帰のみでなく速度の抑制を行って完全なホバリング状態へ戻すことができ、機体運動の予測に基づいて機体を所定の飛行範囲から出ることを防止し、危険な状態であるか否かの判断を自動で行って安全を確保することができるので、操縦訓練中の事故を大幅に減らせるものと期待できる。
これにより、操縦訓練の期間短縮やコスト低減に寄与し、また、今後需要が増えると見込まれる無人ヘリコプタ操縦者の効率的な育成に寄与する。
それに加えて、機体喪失や人身事故の危険を最小限にできることで、修理・賠償コストの低減はもちろん、飛行安全向上にも寄与し、無人ヘリコプタ操縦者育成・運用企業が果たすべき社会的責務の遂行にも貢献し、無人ヘリコプタ市場の拡大にも貢献するものと見込まれる。
例えば図1、図2の構成例では、RC送信器8で受信した操縦信号をRC信号切替器4を介して制御計算用CPU5に入力し、制御計算用CPU5内(信号選択器56)で操縦信号を選択する構成としたが、RC信号切替器4における選択動作により、手動制御モードと自動制御モードでの操縦信号の選択が行われてもよい。
また図5,図6の処理例ではステップS102の飛行範囲の逸脱予測の監視と、ステップS103の姿勢・速度の監視の両方を行って、いずれかに該当の場合に要危険回避状態としてステップS104の危険回避制御を行うものとしたが、ステップS102,S103のいずれか一方のみの監視処理を行うものであってもよい。
また、実施の形態はRCヘリコプタ1の例で説明したが、本発明は、RCヘリコプタ以外の飛行体にも適用できることは当然である。
Claims (6)
- 飛行のためのロータを有する飛行体の飛行制御装置であって、
人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際において、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢及び速度を設定閾値と比較して要危険回避状態となっていると判定した場合に、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行うモード切替制御部と、
前記モード切替制御部により自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成する危険回避制御部と、
前記危険回避制御部による操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する待機飛行制御部と、を備えた
飛行制御装置。 - 前記モード切替制御部は、前記待機飛行制御部による操縦信号によって飛行が行われている際において、外部の操縦装置からの要求信号を認識することに応じて、手動制御モードに切り替える制御を行う
請求項1に記載の飛行制御装置。 - 前記モード切替制御部は、前記待機飛行制御部による操縦信号によって飛行体が設定した特定位置に到達した後においてのみ前記要求信号を受け付ける
請求項2に記載の飛行制御装置。 - 飛行体が設定した飛行範囲から逸脱する可能性を予測した予測計算結果から要危険回避状態か否かを判定する予測計算部を備え、
前記危険回避制御部は前記予測計算部から要危険回避の判定を取得した場合に飛行範囲からの逸脱を防止するための飛行を実行させる操縦信号を生成する機能を備え、
飛行範囲からの逸脱を防止するための飛行を実行させる操縦信号に応じた飛行で飛行範囲からの逸脱の防止が行われたと判定された後に、前記待機飛行制御部により飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の飛行制御装置。 - 飛行のためのロータを有する飛行体の飛行制御方法であって、
人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際において、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢及び速度を設定閾値と比較して要危険回避状態となっていると判定した場合に、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行い、
自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成し、
前記危険回避のための飛行を実行させる操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する
飛行制御方法。 - 飛行のためのロータを有する飛行体であって、
飛行体の飛行状態又は飛行位置を検出するセンサ部と、
飛行動作を実現するための1又は複数のアクチュエータと、
前記アクチュエータに対して、人の操縦操作に応じた操縦信号と、自動操縦による操縦信号を選択的に供給する切替器と、
飛行制御装置と、を備え、
前記飛行制御装置は、
人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際において、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢及び速度を設定閾値と比較して要危険回避状態となっていると判定した場合に、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行うモード切替制御部と、
前記モード切替制御部により自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成する危険回避制御部と、
前記危険回避制御部による操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する待機飛行制御部と、を備えている
飛行体。
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