JPH11105797A

JPH11105797A - 着陸装置

Info

Publication number: JPH11105797A
Application number: JP9273199A
Authority: JP
Inventors: Kuniharu Yasuda; 国治安田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-10-07
Filing date: 1997-10-07
Publication date: 1999-04-20

Abstract

(57)【要約】【課題】月面上の凸地形や凹地形など着陸の障害とな
る地形を回避して自動的に着陸しようとする場合、地形
を認識するための機器を搭載する必要があり、そのため
の重量、電力、搭載スペース及び費用が必要になるとい
う問題点があった。【解決手段】月面着陸機の１部が月面に接触したこと
により生じる回転角速度から接触を検知すると共にこの
角速度を用いて回避すべき方向を決定し、回避のための
誘導目標を設定することで自動的に障害となる地形を回
避することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば月などの
天体の陸上へ向けて降下し着陸する装置に係り、特に陸
上で着陸の障害となる地形を自動的に回避する着陸装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】なお、ここでは説明の便宜上月面着陸機
について説明する。月面着陸機は転倒しないような平坦
地に着陸する必要があり、そのためには着陸の障害とな
るような凸地形や凹地形を回避する必要がある。従来の
月面着陸機においては障害地形の回避に関してつぎの３
種類に大別して捉えることができる。まず、米国のアポ
ロ計画の例に見られるような有人の月面着陸機において
は人間の視覚を用い、障害地形の無い領域へ手動にて誘
導する。次に、米国のサーベイヤ計画の例に見られるよ
うに、無人機ではあるが障害の検知及び回避の機能を持
たず、出来るだけ障害の少ない地点を着陸地点として事
前に選定し、その地点へ降下していくよう軌道を計画す
る。第３には、宇宙開発事業団技術報告ＮＡＳＤＡ−Ｔ
ＭＲ−９６００３１「月面着陸実験機の構想」に示され
ているようにカメラ、レーザレーダ、あるいは電波レー
ダを用いて地形を観測しその形状と大きさから障害を検
出し、これを回避するように誘導制御を実施する。

【０００３】月面上の障害の検知及び回避を自動的に行
うこの方法について詳しく説明する。図１６は上記文献
から類推される月面着陸機の形態のうちカメラを用いた
場合の例についての外観図である。１は凸地形及び凹地
形をもつ月面、２は脚を含む月面着陸機本体、３は慣性
計測装置、４はスラスタ、５は月面を撮影するためのＣ
ＣＤカメラ、６はＣＣＤカメラ５を制御するとともにＣ
ＣＤカメラ５からの画像信号を処理し障害の無い地点の
座標を着陸目標点座標として出力する画像処理回路、７
は慣性計測装置３の検出値と画像処理回路６の着陸目標
点座標を基にスラスタの駆動信号を生成する誘導制御計
算機である。図１７は誘導制御計算機７を中心としたこ
の月面着陸機の機能ブロック図である。８は画像処理回
路６と慣性計測装置３とスラスタ４との信号入出力を制
御するインタフェース部、９は慣性計測装置３からの回
転角速度と並進加速度をもちいて自律的に演算処理を行
い月面着陸機の姿勢と角速度と位置と速度と水平面内角
連度ベクトルと月心ベクトルからなる航法結果を得る航
法処理部、１０は画像処理回路６からの信号を基に障害
物を回避した目標点座標を書き込む着陸目標点メモリ、
１１はこの目標点へ誘導するための制御目標信号を生成
する誘導処理部、１２は航法処理部９からの航法結果と
誘導処理部１１からの制御目標信号をもちいてスラスタ
駆動信号を生成する制御処理部である。

【０００４】次に機能について説明する。画像処理回路
６ではＣＣＤカメラ５から得られた画像信号から岩やク
レータや等の着陸に不適切な凸地形及び凹地形の無い領
域を抽出する。さらに、その領域の中心位置を求め着陸
目標点座標として出力する。誘導制御計算機７は画像処
理回路６からの着陸目標点座標を着陸目標点メモリ１０
へ新たな座標値として書き込む。書き込まれたこの座標
値は誘導処理部１１において誘導目標値として認識され
る。誘導処理部１１ではこの誘導目標値を実現するため
の制御目標値を生成し制御処理部１２へむけて出力す
る。制御処理部１２では航法処理部９からの航法結果と
誘導処理部１１からの制御目標信号をもちいて閉ループ
の制御系を構成し、航法結果が制御目標値に対応した値
に近付くようスラスタ駆動信号を生成する。スラスタ４
は制御処理部１２からのスラスタ駆動信号によってスラ
スタを駆動し月面着陸機本体２に回転トルク及び並進力
を与える。その結果、月面着陸機は画像処理回路６にて
得られた目標地点へ向けて移動し降下、着陸する。ここ
ではＣＣＤカメラ５を用いた例について説明したが、レ
ーザレーダや電波レーダを用いた場合においても画像処
理回路６と同様の画像処理の操作を行い障害の無い領域
の抽出およびその領域の位置を演算処理することに変わ
りはない。したがって、ＣＣＤカメラ５の代りにレーザ
レーダや電波レーダを用いた場合も目標地点へ向けて移
動し降下、着陸を行うことになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】月面上の凸地形や凹地
形など着陸の障害となる地形を回避して自動的に着陸し
ようとする従来の月面着陸機は以上のように構成される
ため、ＣＣＤカメラもしくはレーザレーダあるいは電波
レーダと画像処理回路が必要であり、これらの機器を搭
載する必要があった。当然のことながらこれらの機器を
搭載するために重量、電力、搭載スペースを割く必要が
あり費用も掛かるという課題があった。また、ＣＣＤカ
メラを用いる場合には月面への日照が必要であり着陸地
点の選択と着陸の時間的なタイミングに大きな制約を受
け、運用の柔軟性にかけるという問題があった。また、
レーザレーダや電波レーダを用いた場合にはその分解能
がＣＣＤカメラより荒く、大局的な障害しか検知できな
いという問題点があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の発明による月面着
陸機は、この着陸機本体の１部が月面に接触したことに
より生じる回転角速度から接触を検知すると共にこの角
速度を用いて回避すべき方向を決定し、回避のための誘
導目標を設定することでＣＣＤカメラや画像処理回路を
用いずに自動的に障害となる地形を回避し着陸するもの
である。

【０００７】また、第２の発明による月面着陸機は、第
１の発明に障害の検知回数と回避方向によって障害物の
規模を判別し、さらに着陸目標点までの距離を自動的に
変更する機能を付加したものである。

【０００８】また、第３の発明による月面着陸機は、第
１の発明における回転角速度を用いた障害検知手法を回
転角速度の変化率から検知する手法へ置き換えたもので
ある。

【０００９】また、第４の発明による月面着陸機は、第
１の発明における回転角速度を用いた障害検知手法を、
回転角速度とその変化率の和から検知する手法へ置き換
えたものである。

【００１０】また、第５の発明による月面着陸機は、月
面との接触による力を伝える接触ポールを月面着陸機本
体に取付け回避方向をより精度よく求めるものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１による月
面近傍での月面着陸機の外観図である。１は凸地形及び
凹地形をもつ月面、２は脚を含む月面着陸機本体、３は
慣性計測装置、４はスラスタであり、これらは従来のも
のと同じである。７はこの発明における誘導制御計算機
である。図２は図１の誘導制御計算機７の機能ブロック
図である。図２において８はインタフェース部、９は航
法処理部、１１は誘導処理部、１２は制御処理部であ
り、これらは従来のものと同じである。図２における１
３は障害物との接触を検出すると共に回避すべき方向を
決定しさらに新たな誘導目標値を与える障害物検知・回
避指令部であり、１０は障害物検知・回避指令部１３か
らの信号を得て着陸目標点を書き換えて記憶する着陸目
標点書き換えメモリである。図３は障害物検知・回避指
令部１３の信号処理ブロック図である。図３において１
４は航法処理部９からの水平面内における月面着陸機角
速度ベクトルωを取込みその大きさを事前に設定したス
レッショルド値Ｐと比較することにより障害物への接触
の有無を判断し出力Ｊとしてこれを出力する障害物検知
ロジック部である。１５は航法処理部９から角速度ベク
トルωと月心の方向を示す月心ベクトルＬを取込み、障
害物検知ロジック部１４の出力Ｊをもとに新たな誘導目
標値を生成する回避目標発生ロジック部である。回避目
標発生ロジック部１５において１６は月心方向ベクトル
Ｌと角速度ベクトルωの外積をとるベクトル外積部、１
７はこの外積結果に障害物検知ロジック部１４の出力を
乗算する乗算部、１８は乗算部１７の結果に定数ゲイン
を乗じて目標位量ベクトルを生成する定数ゲイン部、１
９は定数ゲイン部１８の結果である目標位置ベクトルか
らＸ軸方向及びＹ軸方向の着陸目標点を求めるベクトル
分解部である。

【００１２】図４はこの発明の原理を立体的に示す外観
図の１例である。図５は図４の状況を上方から見た場合
を示す原理図であり、月面１の凸地形を等高線にて表現
している。これらの図において月面着陸機本体２は降下
率Ｖｈにて月心へ向けて降下しており、月面１の凸地形
に月面着陸機本体２の一部が接触すると、月面着陸機本
体２は重心ＣＧ周りに回転運動を始める。月面着陸機本
体２の接触した部分を点Ｅとすれば、接触によって生じ
る回転運動の速度ベクトルωは点Ｅと重心ＣＧを結ぶ線
分に直交する。このままさらに降下を続行すれば回転が
進行して転倒する危険があるため、凸地形の月面１を回
避する方向に移動する必要がある。移動するべき方向は
点Ｅから重心ＣＧに向かうベクトルの水平面***影成分
と同じ方向であるとする。これは重心ＣＧから見て接触
を起こした点Ｅから遠ざかる方向へ移動することをを意
味している。ただし、接触した点Ｅが月面着陸機本体２
においてどの部分であるかを月面着陸機自身で知ること
は出来ない。そこで、点Ｅから遠ざかる方向を間接的に
導くため、回転角速度ベクトルωと月心方向ベクトルＬ
の外積Ｌ×ωをとり、その結果を回避のための目標方向
とする。角速度ωは接触によって発生したものであり、
これを回避のための目標方向検出に利用するのはその因
果関係からみて合理的である。また、外積Ｌ×ωの方向
が点Ｅから遠ざかる方向を示すことは図４及び図５から
明白である。

【００１３】次に障害物検知・回避指令部１３の処理動
作について図３を用いて説明する。角速度ベクトル外積
部１６において外積Ｌ×ωをとり、上記の原理にて回避
すべき方向を決定する。この時に、障害物の接触によら
ず、慣性計測装量３のノイズ等によって不必要な誘導目
標値が発生するのを防ぐため、障害物検知ロジック部１
４の出力Ｊとの乗算を乗算部１７にて行う。障害物検知
ロジック部１４では月面着陸機角速度ベクトルωの大き
さについて事前に設定したスレッショルド値Ｐと比較
し、スレッショルドの値よりも大きければ障害物との接
触があったものとみなして出力Ｊを１に、小さければ接
触がなかったものとみなして出力Ｊをゼロとするため、
乗算部１７の出力は接触があった場合のみ非ゼロの値と
なる。定数ゲイン部１８では乗算部１７の出力に事前に
設定した係数を乗じて新たな目標位置ベクトルを得る。
ベクトル分解部１９では定数ゲイン部１８の結果である
目標位置ベクトルをＸ軸方向及びＹ軸方向の位量の着陸
目標点座標Ｘｎ、Ｙｎに分解する。

【００１４】着陸目標点書き換えメモリ１０では障害物
検知・回避指令部１３の障害物検知ロジック部１４の出
力Ｊが１になった場合のみベクトル分解部１９の着陸目
標点座標Ｘｎ、Ｙｎを受け入れてメモリ内容を書き換え
る。誘導制御部１１はこの着陸目標点書き換えメモリ１
０の内容を着陸目標点座標として取込み従来の方法と同
様に制御目標値を生成する。その結果、慣性計測装置
３、制御処理部１２及びスラスタ４を用いた制御動作に
より、接触した点Ｅから遠ざかる水平面内位置にて接触
前と同様の降下を再開し着陸する。

【００１５】実施の形態２．図６はこの発明の実施の形
態２．における誘導制御計算機７の機能ブロック図であ
る。２０は地形規模の判別を行いその結果に基づいて着
陸目標点座標を設定する地形規模判別型障害物検知・回
避指令部である。図７はこの発明の実施の形態２．にお
ける地形規模判別型障害物検知・回避指令部２０の信号
処理ブロック図である。２１は地形規模判別部、２２は
地形規模判別部２１の結果をとりこむことのできる地形
規模判別型回避目標発生ロジック部、２３は可変ゲイン
部である。図８はこの発明の実施の形態２．における地
形規模判別部２１の信号処理ブロック図である。２４は
符号付き障害物検知ロジック部、２５はアップダウンカ
ウンタ、２６はゲイン変更ロジック部である。符号付き
障害物検知ロジック部２４では航法処理部９から月面着
陸機の角速度ωを取込み、その値の大きさと符号につい
て事前に設定したスレッショルド値Ｐにて判別を行い、
ωが正の値で大きさがＰ以上であれば出力を１に、ωが
負の値で大きさがＰ以上であれば出力を−１に、ωの大
きさがＰ未満であれば出力をゼロにする。アップダウン
カウンタ２５では符号付き障害物検知ロジック部２４の
出力をカウントする。ゲイン変更ロジック部２６ではア
ップダウンカウンタ２５の値を事前に設定したスレッシ
ョルド値と比較し、スレッショルド値を超えた場合には
可変ゲイン部２３のゲインを大きくする。この他は実施
の形態１．と全く同じである。

【００１６】次に実施の形態２．における動作を説明す
る。図９は比較的規模の大きな月面の地形に降下した場
合の飛行経路の１例を示す概念図である。図９において
点ＡＡへ向けて降下してきた月面着陸機本体２は、点Ａ
Ａに着陸する前に点Ｅにて第１回目の接触を起こし、点
Ｅから離れる方向に移動して点ＢＢに向けて降下を再開
する。これは実施形態１．の場合と同じであるが、アッ
プダウンカウンタ２５ではアップカウントされるものと
する。続いて点ＢＢ到着直前においても第２回目の接触
を起こし、接触した点から離れる方向に移動しようとす
る。この時のアップダウンカウンタ２５の値はさらにア
ップカウントされており、事前に設定したスレッショル
ド値を超えるものとする。その場合には着陸に支障を来
たす規模の大きな地形であったとみなし、可変ゲイン部
２３のゲインを大きくする。その結果、次の着陸目標点
である点ＣＣまでの距離を点ＡＡ／点ＢＢ間の距離より
も大きくとることになる。

【００１７】実施の形態３．図１０はこの発明の実施の
形態３．における誘導制御計算機７の機能ブロック図で
ある。２７は慣性計測装置の検出値から回転角速度の変
化率を抽出しこれを用いて月面との接触判定を行いその
結果に基付いて着陸目標点座標を設定する微分型障害物
検知・回避指令部である。図１１は微分型障害物検知・
回避指令部２７の信号処理ブロック図である。２８は角
速度の変化率を抽出する微分回路である。２９は微分回
路２８の出力の大きさを事前に設定したスレッショルド
値Ｑと比較することにより障害物への接触の有無を判断
し出力Ｋとして出力する微分型障害物検知ロジック部で
ある。月面１との接触に伴う月面着陸機本体２の回転運
動は、接触の際に加わったトルクがその源である。微分
回路２８の出力として得られる値は角加速度と同等であ
り、月面着陸機本体２に作用したトルクと比例関係にあ
る。そして、さらに角速度よりも位相が進んでいる。こ
のため、角速度を用いた接触判定よりも早いタイミング
で接触を検知することができる。この他は実施の形態
１．と全く同じである。

【００１８】実施の形態４．図１２はこの発明の実施の
形態４．における誘導制御計算機５の機能ブロック図で
ある。３０は慣性計測装置の検出値である回転角速度の
値とその変化率を用いて月面との接触判定を行いその結
果に基付いて着陸目標点座標を設定する比例微分型障害
物検知・回避指令部である。図１３は障害物検知・回避
指令部３０の信号処理ブロック図である。３１は角速度
の値とその変化率のＳ倍の値を合算する比例微分結合
部。３２は比例微分結合部３１の出力の大きさを事前に
設定したスレッショルド値Ｒと比較することにより障害
物への接触の有無を判断し出力Ｍとして出力する比例微
分型障害物検知ロジック部である。月面１との接触に伴
う月面着陸機本体２の回転運動における角速度と角加速
度を合わせて接触判定することにより比較的早いタイミ
ングで接触を検知するとともに微分操作に伴うノイズに
対して耐性を持たせることができる。この他は実施の形
態１．と全く同じである。

【００１９】実施の形態５．図１４は実施の形態５．に
よる月面近傍での月面着陸機の外観図の例である。図１
５は図１４の状況を上方から見た場合を示す原理図であ
り、月面１の凸地形を等高線にて表現している。これら
の図１４及び図１５において３３は月面着陸機本体２に
放射状に取付けられた接触ポールである。この例では４
本から構成された接触ポール３３であるがその本数及び
配置は説明わかりやすくしているに過ぎず、この発明の
範囲を制約するものではない。この他は実施の形態１．
と全く同じである。この例の場合、接触ポール３３がま
ずはじめに点Ｅで月面１と接触するため、−Ｘ軸方向へ
のトルクＴが発生し、同じく−Ｘ方向への角速度ベクト
ルωを生じる。この発明によれば月心ベクトルＬと角速
度ベクトルωの外積によって得られる方向すなわち−Ｙ
方向へ回避動作を行う。接触ポール３３が無い場合に
は、月面着陸機の−Ｘ軸方向かつ＋Ｙ軸方向にある部分
が月面１と最初に接触するため、回避動作は＋Ｘ軸方向
かつ−Ｙ軸方向へ実施される。この例において効率的な
回避方向が−Ｙ方向であることは図１５から明らかであ
る。すなわち、接触ポール３３を取付けたことでより精
度良く回避方向が判断できる。

【００２０】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、以下に記載する効果をもつ。

【００２１】第１の発明によれば、画像処理装置やＣＣ
Ｄカメラ、レーザレーダ、電波レーダ等を搭載すること
なく月面上の着陸に障害となる地形を回避して着陸でき
るため、これらの機器を搭載する場合に発生する重量、
電力、搭載スペース、費用を削減することができるとい
う効果がある。また、光学的な干渉を受けることがない
ため、着陸地点の選定や着陸タイミング等の制約が無く
なり柔軟な運用が可能となるという効果がある。

【００２２】第２の発明によれば、月面上の地形の規模
に応じて回避のための移動距離を変えることになるの
で、無駄な着陸降下の繰り返しを避けることができ、ス
ラスタにて消費する推薬の量を減らせるという効果があ
る。

【００２３】第３の発明によれば、月面との接触を早い
タイミングで検知することができるため、接触に伴う姿
勢変動を小さく抑えることができ転倒を防止する効果が
ある。

【００２４】第４の発明によれば、月面との接触を比較
的早いタイミングでより確実に検知することができるた
め、接触に伴う姿勢変動を小さく抑えることができ転倒
を防止する効果がある。

【００２５】第５の発明によれば、月面との接触がより
多数の点の中で発生するため回避の方向を精度良く求め
られる。その結果、無駄な着陸降下の繰り返しを避ける
ことができ、スラスタにて消費する推薬の量を減らせる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１による月面近傍での
月面着陸機の外観図である。

【図２】この発明の実施の形態１による誘導制御計算
機の機能ブロック図である。

【図３】この発明の実施の形態１による障害物検知・
回避指令部の信号処理ブロック図である。

【図４】この発明の原理を立体的に示す外観図の例で
ある。

【図５】この発明の原理を示す平面図の例である。

【図６】この発明の実施の形態２．による誘導制御計
算機の機能ブロック図である。

【図７】この発明の実施の形態２．による障害物検知
・回避指令部の信号処理ブロック図である。

【図８】この発明の実施の形態２．における地形規模
判別部の信号処理ブロック図である。

【図９】この発明の実施の形態２．における比較的規
模の大きな月面の地形に降下した場合の飛行経路の概念
図の例である。

【図１０】この発明の実施の形態３．における誘導制
御計算機の機能ブロック図である。

【図１１】この発明の実施の形態３．における障害物
検知・回避指令部の信号処理ブロック図である。

【図１２】この発明の実施の形態４．における誘導制
御計算機の機能ブロック図である。

【図１３】この発明の実施の形態４．における障害物
検知・回避指令部の信号処理ブロック図である。

【図１４】この発明の実施の形態５．による月面近傍
での月面着陸機の外観図の例である。

【図１５】図１４の状況を上方から見た原理図であ
る。

【図１６】従来のＣＣＤカメラを用いて障害物検知を
行う月面着陸機の外観図の例である。

【図１７】従来のＣＣＤカメラを用いて障害物検知を
行う月面着陸機の機能ブロック図である。

【符号の説明】

１月面、２脚を含む月面着陸機本体、３慣性計測
装置、４スラスタ、５ＣＣＤカメラ、６画像処理
回路、７誘導制御計算機、８インタフェース部、９
航法処理部、１０着陸目標点書き換えメモリ、１１
誘導処理部、１２制御処理部、１３障害物検知・
回避指令部、１４障害物検知ロジック部、１５回避
目標発生ロジック部、１６ベクトル外積部、１７乗
算部、１８定数ゲイン部、１９ベクトル分解部、２
０地形規模判別型障害物検知・回避指令部、２１地
形規模判別部、２２地形規模判別型回避目標発生ロジ
ック部、２３可変ゲイン部、２４符号付き障害物検
知ロジック部、２５アップダウンカウンタ、２６ゲ
イン変更ロジック部、２７微分型障害物検知・回避指
令部、２８微分回路、２９微分型障害物検知ロジッ
ク部、３０比例微分型障害物検知・回避指令部、３１
比例微分結合部、３２比例微分型障害物検知ロジッ
ク部、３３接触ポール。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】天体陸上へ向けて降下し着陸する着陸装
置本体と、上記着陸装置本体に搭載され回転角速度及び
並進加速度を検出する慣性計測装置と、上記着陸装置本
体に搭載され外部からの駆動信号によって動作し、上記
着陸機本体に回転トルクと並進力を与える駆動手段と、
上記慣性計測装置の検出値を基準値と比較し、その比較
結果により上記着陸装置本体と陸上面の障害物との接触
の有無を検知する障害物検出手段、上記障害物検出手段
により着陸しようとする地点に障害物が検知されたとき
上記着陸装置本体を上記障害物から回避させる方向を求
め、上記着陸装置本体を上記回避方向へ移動するように
上記駆動手段の駆動信号を生成する手段とを有する誘導
制御計算機とを備えたことを特徴とする着陸装置。
【請求項２】上記着陸装置本体と陸上面の障害物との
接触検知の回数から上記障害物の規模の大小を判別する
地形規模判別手段、上記障害物検出手段により着陸しよ
うとする地点に障害物が検知されたとき上記着陸装置本
体を上記障害物から回避させる方向を求め、かつ地形規
模判別手段の結果により上記障害物から回避させる距離
を求め、上記着陸装置本体を上記回避方向上の上記距離
へ移動するように上記駆動手段の駆動信号を生成する手
段とを有する誘導制御計算機を備えたことを特徴とする
請求項１記載の着陸装置。
【請求項３】上記障害物検出手段として、上記慣性計
測装置の回転角速度検出値の変化率を求め、これを基準
値と比較し、その比較結果により上記着陸装置本体と陸
上面の障害物との接触の有無を検知する微分型障害物検
出手段を用いることを特徴とする請求項１記載の着陸装
置。
【請求項４】上記障害物検出手段として上記慣性計測
装置の回転角速度検出値の変化率を求め、これと定数を
乗じた上記回転角速度検出値との和を求め、この和を基
準値と比較し、その比較結果により上記着陸装置本体と
陸上面の障害物との接触の有無を検知する比例微分型障
害物検出手段を用いることを特徴とする請求項１記載の
着陸装置。
【請求項５】天体陸上の障害物との接触によって生じ
る力を着陸装置本体に伝える接触ポールを着陸装置本体
の突出部分の間に装着したことを特徴とする請求項１〜
４いずれか記載の着陸装置。