JP2007230367A - 無人ヘリコプタ基地局のモニタ表示システムおよびこれを用いた無人ヘリコプタの異常判別システム - Google Patents

Abstract

【課題】 飛行状態を充分に把握して適正な環境状態判断を行い飛行制御の信頼性を高めるとともに、飛行制御動作や各種センサの異常を識別可能な無人ヘリコプタ基地局のモニタ表示システム及びこれを用いた無人ヘリコプタの異常判別システムを提供する。
【解決手段】機体と通信するためのアンテナと、このアンテナに接続された通信機と、この通信機に接続され飛行状態を監視しながら制御可能な監視操作部と、この監視操作部に接続されたモニタとを備えた無人ヘリコプタ基地局のモニタ表示システムであって、現在時刻における機体の高度とともに所定時間前までの機体の高度履歴を前記モニタに表示する。機体には、機体の高度を測定する複数の高度センサを備え、機体の目標高度とともに複数の高度センサの測定値を前記モニタに表示させる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、無人ヘリコプタ基地局のモニタ表示システムおよびこれを用いた無人ヘリコプタの異常判別システムに関する。

無人ヘリコプタは、地上の基地局から無線操縦機によって飛行状態が制御される。飛行する機体の目標速度、目標高度、目標方向などの飛行指令データは、基地局の操縦装置のパソコンやジョイスティックなどの入力装置を介してオペレータが入力する。入力された指令データは、基地局の通信機および地上のアンテナを介して機体側に送信される。

基地局の操縦装置にはモニタが接続されており、このモニタに入力した指令飛行データが表示可能である。また、このモニタには、機体側から基地局に向けて送信される現時点における飛行中の高度、速度、方向などの飛行状況や気圧、風、温度などの環境状況などの飛行状態データが表示される。

特許文献１には、無人ヘリコプタにカメラを搭載し、このカメラからの映像を基地局のモニタに表示するとともに、機体側に送信する飛行指令データや機体側から送られてきた飛行状態データを表示する基地局のモニタの構成が記載されている。

無人ヘリコプタを飛行させるとき、指令データとして特に目標高度が基本となり、薬剤散布時の高度やカメラ視界、映像監視高度、また飛行中に障害になると思われる地上にある障害物の高さなどを考慮してどの程度の高度で飛行するかが重要な指令値となる。また、これと同時に現時点での飛行高度を常に把握しておくことも重要である。実際の飛行高度は、気圧高度センサやＧＰＳ高度センサなどにより測定可能であり、測定した高度データは機体側から地上の基地局に送信される。

従来の無人ヘリコプタ基地局のモニタ構成における表示システムでは、目標高度および高度センサによる測定データを表示して飛行中の現在時刻の目標高度ならびに実際の飛行高度をモニタに表示させ、飛行状態を確認しながら機体を操縦して飛行制御を行っている。

しかしながら、従来のモニタ表示システムでは、飛行中の時々刻々における現時点での高度データのみを表示しているに過ぎないために、機体が目標高度に近づいているのか離れていくのかが識別できなかった。また、現時点のみの飛行状態データからは、風や気圧などの周囲気象条件が実際の飛行制御状態に影響する環境状態を正確に把握できず、環境状態に的確に対応した操縦指令をだすことができなかった。さらに、目標高度と実際の高度が一致していない場合、飛行制御動作または高度センサの異常が原因である場合は、これを識別することができない。このような異常状態を判別できれば、直ちにその異常状態に対処して飛行制御状態を回復させることができ、飛行制御の信頼性を向上させることができる。

特願２００５−１００８１８号明細書

本発明は上記従来の技術を解決するためになされたもので、飛行状態を充分に把握して適正な環境状態判断を行って飛行制御の信頼性を高めるとともに、飛行制御動作や各種センサの異常を識別可能な無人ヘリコプタ基地局のモニタ表示システムおよびこれを用いた無人ヘリコプタの異常判別システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、機体と通信するためのアンテナと、このアンテナに接続された通信機と、この通信機に接続され飛行状態を監視しながら制御可能な監視操作部と、この監視操作部に接続されたモニタとを備えた無人ヘリコプタ基地局のモニタ表示システムにおいて、現在時刻における機体の高度とともに所定時間前までの機体の高度履歴を前記モニタに表示するものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、機体の高度を測定する複数の高度センサを備え、機体の目標高度とともに前記複数の高度センサの測定値を前記モニタに表示することを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記高度センサは、ＧＰＳ高度センサおよび気圧高度センサを含むことを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明を用いて、目標高度と高度センサによる測定高度とを比較して飛行制御または高度センサの異常を判別することを特徴とするものである。

請求項１記載の発明によれば、地上基地局のモニタ画面に現在時刻より所定時間前までの高度履歴が表示されるから、現状に至るまでの飛行経過から飛行制御に影響する周囲の環境状態を含めて飛行状態を十分に把握することができるため無人ヘリコプタの操縦制御性が向上する。

請求項２記載の発明によれば、機体の飛行指令値である目標高度とともに、複数の高度センサで測定した実際の飛行高度が表示されるため、高度表示の信頼性が高めることができる。

請求項３記載の発明によれば、高度センサとして、飛行制御に不可欠で実際に機体に搭載されているＧＰＳ装置を用いたＧＰＳ高度センサおよび気圧に基づく気圧高度センサを用いることにより、簡便でしかも確実な信頼性の高い高度測定データを得ることができる。

請求項４記載の発明によれば、表示された目標高度と実際の測定高度とを比較してその差に基づいて飛行制御動作または高度センサの異常を判別できる。すなわち、複数の高度測定データがいずれもほぼ同じ高度を示し、この測定高度に対して目標高度が大きく異なっていれば、高度センサは正常であって飛行制御動作が異常であると判別できる。一方、複数の高度測定データのうち１つが他のデータと大きく異なっていればその高度センサが異常と判別できる。

図１〜図３は、本発明に係る無人ヘリコプタを示す。図１はその側面図、図２は同じく平面図、図３は同じく正面図であり、ペイロード機器としてカメラ装置を搭載した航空写真撮影用の無人ヘリコプタの例を示す。

無人ヘリコプタ１は、メインボディ２とテールボディ３とからなる機体４を備えている。メインボディ２の上部にはメインロータ５を有し、テールボディ３の後部にはテールロータ６を備えている。このメインロータ５およびテールロータ６は、複数本のロータブレードにより構成されている。メインボディ２の前部にはラジエータ７が備えられており、その後方には図示しないエンジン、吸気系、メインロータ軸、燃料タンクがこの順にメインボディ２内に収容されている。燃料タンクは、外部サブ燃料タンクを不要とするために大容量のものが機体中央付近に収容されている。機体４のほぼ中央部であってメインボディ２の左右下部には、支持脚８を介してスキッド９が備えられている。このスキッド９の前端部上方の機体下部には、機体内のエンジン（不図示）に接続された排気管６４に備えられたマフラー６５が配設されている。

メインボディ２の後部上側にはコントロールパネル１０が備えられており、下側には表示灯１１が備えられている。コントロールパネル１０は、飛行前のチェックポイントやセルフチェック結果等を表示する。コントロールパネル１０の表示は地上の基地局でも確認できる。表示灯１１は、ＧＰＳ制御の状態や機体の異常警告等の表示が行われる。

メインボディ２の前部下側には、赤外線カメラを収容したカメラ装置１２がカメラ雲台１３を介して取付けられている。カメラ装置１２は、カメラ雲台１３に対して、パン軸（垂直軸）廻りに回転するとともに、内部のカメラ（不図示）がチルト軸（水平軸）廻りに回転可能に取り付けられている。これにより、カメラは前側の窓１４を通して上空から地上の全方位を撮影することができる。

メインボディ２の左側には自律制御ボックス１５が搭載されている。この自律制御ボックス１５内には、自律制御に必要なＧＰＳ制御装置、地上と通信するデータ通信機や画像通信機および制御プログラムを組込んだ制御基板などが収容されている。自律制御は、機体の位置や速度などの飛行データ、機体の姿勢や方位などの機体データ、エンジン回転数やスロットル開度などの運転状態データ等に基づいて、予め定められた運転モードや制御プログラムを自動的にまたは地上の基地局からの指令によって選択し、運転状態に応じて最適な操縦制御が行われる。

この無人ヘリコプタ１は、このような自律制御で飛行できるとともに、飛行状態を目で確認しながら、この飛行状態や機体から送信された各種運転状態データに基づいて、無線操縦機によりマニュアル操作が可能である。

メインボディ２の下側にはアンテナ支持枠１６が取付けられている。このアンテナ支持枠１６には傾斜したステー１７が取付けられている。このステー１７には、前述の自律制御に必要な運転状態データや飛行指令データ等の操縦データ（デジタルデータ）を地上基地局との間で送受信するための操縦データアンテナ１８が取付けられている。また、ステー１７には、前述のカメラ装置１２で撮影した画像データ（アナログデータ）を地上基地局に送信するための画像データアンテナ１９が取付けられている。

テールボディ３の下側には、地磁気等に基づく方位角センサ２０が設けられている。方位角センサ２０により機体の向き（東西南北）が検出される。メインボディ２内には、ジャイロ装置からなる姿勢角センサ（不図示）が備えられている。

テールボディ３の上側には、メインＧＰＳアンテナ２１およびサブＧＰＳアンテナ２２が設けられている。テールボディ３の後端部には、無線操縦機からの指令信号を受信する無線操縦用受信アンテナ２３が設けられている。

図４は地上の基地局の構成を示すブロック図である。
無人ヘリコプタ１と通信する地上の基地局４０には、ＧＰＳ衛星からの信号を受信するＧＰＳアンテナ４４と、無人ヘリコプタ１とデータ通信を行うための通信アンテナ４５と、無人ヘリコプタ１から画像データを受信するための画像受信アンテナ４６とが地上に設置されている。

基地局４０は、データ処理部４１と、監視操作部４２と、電源部４３とにより構成されている。

データ処理部４１は、ＧＰＳ受信機５２と、データ通信機５３と、画像通信機５４と、これらの通信機（ＧＰＳ受信機５２、データ通信機５３、画像通信機５４）に接続された通信基板５１とにより構成されている。

監視操作部４２は、無線操縦機による手動用コントローラ６０と、カメラ装置の操作や機体４の操縦調整等を行うベースコントローラ５７と、バックアップ電源５８と、ベースコントローラ５７に接続されたパソコン５５と、パソコン５５用のモニタ５６と、ベースコントローラ５７に接続され画像データを表示する画像モニタ５９とにより構成されている。

電源部４３は、発電機６１と、バッテリブースタ６２を介して発電機６１に接続されたバックアップバッテリ６３とにより構成されている。バックアップバッテリ６３は、飛行前のチェック時等、発電機６１が動作していないときに、機体４側に接続して１２Ｖの電圧を供給する。飛行中は、発電機６１からデータ処理部４１および監視操作部４２に１００Ｖの電圧を供給している。

上記の構成によって、無人ヘリコプタ１の飛行に関する指令は、基地局４０のパソコン５５によりプログラムされ、データ処理部４１を介して基地局４０から無人ヘリコプタ１へ送信される。無人ヘリコプタ１の無線操縦用受信アンテナ２３がその指令を受信すると、機体側の自律ボックス１５（図１）内の制御基板（図示しない）により機体４の姿勢や位置が制御され、無人ヘリコプタ１が自律制御される。

地上の基地局４０では、無人ヘリコプタ１の機体４に備えた各センサから送信される機体状況や飛行状況等のデータをパソコン５５のモニタ５６に表示することにより、無人ヘリコプタ１を監視する。飛行中の無人ヘリコプタ１に対して、飛行状況の修正等を行うときは、手動用コントローラ６０またはパソコン５５によって遠隔操作することができる。

画像モニタ５９には、カメラ装置１２（図１）で撮影した画像データが表示される。パソコン５５に接続されたモニタ５６には、パソコン５５から入力された飛行指令データが表示される。また、このモニタ５６には、機体に備えた各種センサからの検出データが表示される。本実施例では、飛行指令データとして目標高度が表示される。また、本実施例では、機体側に複数の高度センサ（図示しない）が備えられており、この複数の高度センサの測定データ（デジタルデータ）が機体側の操縦データアンテナ１８（図１）および地上の通信アンテナ４５およびＧＰＳアンテナ４４を介して通信基板５１で受信され、ベースコントローラ５７に送られ、パソコン５５のモニタ５６に表示される。

図５は本発明に係る実施例の構成を示すブロック図である。
機体の高度を測定する高度センサとして、気圧に基づく気圧高度センサ２０１、メインＧＰＳアンテナ２１に接続されたＧＰＳ１高度センサ２０２およびサブＧＰＳアンテナ２２に接続されたＧＰＳ２高度センサ２０３が機体４に搭載されている。これらの高度センサ２０１，２０２，２０３で測定した高度データは、機体の操縦データアンテナ１８を介して基地局４０に送信される。基地局４０では、ＧＰＳアンテナ４４および通信アンテナ４５を介してこれらの高度測定データを受信し、ベースコントローラ５７およびパソコン５５を介してモニタ５６で表示する。

なお、ＧＰＳ１高度センサ２０２およびＧＰＳ２高度センサ２０３は、基地局４０に設けることも可能である。その場合には、機体からＧＰＳ位置データのみが基地局４０に送信され、その位置データに基づいて基地局でヘリコプタが位置する高度を算出する。

図６（Ａ）（Ｂ）は、それぞれ本発明実施例のモニタ表示画面を示す。
図（Ａ）の画面２０４には、高度プロットのラインとして４本の高度ラインが表示される。このうちの１本は目標高度で、他の３本は複数の高度センサ（ＧＰＳ１高度センサ、ＧＰＳ２高度センサおよび気圧高度センサ）の測定データを示すラインである。また、画面２０４には、基地局周辺を飛行する場合の基地局のランドマークとして、ＧＰＳアンテナ４４の高度を表示する。これにより、基地局周辺を低空で飛行するときの安全性を確保する。

図（Ａ）に示すように、画面２０４には、４本の高度ラインの現在時刻における高度と、その１０秒前までの高度データの履歴がプロットされ高度ラインとして表示されている。図（Ａ）に示す表示では、４本の高度ラインがすべてほぼ一致して、目標高度に追従して実際の各センサによる測定高度が表示されている。このような場合は、飛行制御動作が正常に行われ、かつ３つの高度センサ２０１，２０２，２０３（図５参照）が正常に機能していることを示す。

図（Ｂ）の画面２０４には、図（Ａ）と同様に、４本の高度表示について、現在時刻の高度と、その１０秒前までの高度履歴が表示されている。図（Ｂ）で示す例では、目標とする高度指令値が入力され、その目標高度（実線）に向けて機体を徐々に上昇させている状態を示している。この例においても３本の高度ラインはほぼ一致し、最終的に４本の高度ラインがほぼ一致しているため、飛行制御および各高度センサが正常に動作していることを示す。

目標高度と他の３本の高度が常に大きくずれているときは、目標高度に向けた飛行制御動作に異常があることを示す。また、３本の高度センサからの測定結果の高度ラインのうち１本が他の高度測定ラインから大きくずれている場合には、その高度センサが異常であることを示す。このように、目標高度および複数の実際の高度測定データを表示して、これらを比較することにより、飛行制御動作および各高度センサの異常を判別することができる。

なお、高度履歴表示時間は１０秒に限らず、例えば３０秒程度まで延ばして表示可能である。また、高度表示は、ＧＰＳ高度センサおよび気圧高度センサともに、楕円体高度を基準として表示している。３つの高度センサ、ＧＰＳ１高度センサ、ＧＰＳ２高度センサおよび気圧高度センサは、それぞれゼロ点からのオフセットをもっているが、ＧＰＳ１高度センサに収束させてこれに合わせて表示している。したがって、これらの高度測定データを画面上で比較することができる。また、高度測定表示データの最大値と最小値の高度差があまり大きいと履歴状況が十分に把握できなくなるため、測定データに応じて表示幅を適宜自動調整することが望ましい。

本発明は、目標高度および実際の高度測定データを表示するモニタを備えた無人ヘリコプタ基地局でのモニタ表示システムに適用できる。

本発明に係る無人ヘリコプタの側面図。 同じくヘリコプタの平面図。 同じくヘリコプタの正面図。 本発明に係る基地局の構成を示すブロック図。 本発明に係る実施例の構成を示すブロック図。 本発明に係る実施例の画面表示例を示す図。

符号の説明

１：無人ヘリコプタ、２：メインボディ、３：テールボディ、４：機体、５：メインロータ、６：テールロータ、７：ラジエータ、８：支持脚、９：スキッド、１０：コントロールパネル、１１：表示灯、１２：カメラ装置、１３：雲台、１４：窓、１５：自律制御ボックス、１６：アンテナ支持枠、１７：ステー、１８：操縦データアンテナ、１９：画像データアンテナ、２０：方位角センサ、２１：メインＧＰＳアンテナ、２２：サブＧＰＳアンテナ、２３：無線操縦用受信アンテナ、４０：基地局、４１：データ処理部、４２：監視操作部、４３：電源部、４４：ＧＰＳアンテナ、４５：通信アンテナ、４６：画像受信アンテナ、５１：通信基板、５２：ＧＰＳ受信機、５３：データ通信機、５４：画像通信機、５５：パソコン、５６：モニタ、５７：ベースコントローラ、５８：バックアップ電源、６０：手動用コントローラ、６１：発電機、６４：排気管、６５：マフラ、２０１：気圧高度センサ、２０２：ＧＰＳ１高度センサ、２０３：ＧＰＳ２高度センサ、２０４：画面

Claims (4)

1. 機体と通信するためのアンテナと、このアンテナに接続された通信機と、この通信機に接続され飛行状態を監視しながら制御可能な監視操作部と、この監視操作部に接続されたモニタとを備えた無人ヘリコプタ基地局のモニタ表示システムにおいて、
   現在時刻における機体の高度とともに所定時間前までの機体の高度履歴を前記モニタに表示することを特徴とする無人ヘリコプタ基地局のモニタ表示システム。
2. 機体の高度を測定する複数の高度センサを備え、機体の目標高度とともに前記複数の高度センサによる測定値を前記モニタに表示することを特徴とする請求項１記載の無人ヘリコプタ基地局のモニタ表示システム。
3. 前記高度センサは、ＧＰＳ高度センサおよび気圧高度センサを含むことを特徴とする請求項２記載の無人ヘリコプタ基地局のモニタ表示システム。
4. 目標高度と高度センサによる測定高度とを比較して飛行制御または高度センサの異常を判別することを特徴とする請求項２記載のモニタ表示システムを用いた無人ヘリコプタの異常判別システム。

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