JP4369261B2 - 無人ヘリコプタ用制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば農薬を散布したり危険地域の空中撮影などを行う無人ヘリコプタの飛行を制御する無人ヘリコプタ用制御装置に関するものである。

従来のこの種の無人ヘリコプタ用制御装置としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。この公報に示されている無人ヘリコプタは、エンジンを動力源として飛行するもので、スロットル弁を開閉させたりメインロータやテールロータの状態を変えるための各種のサーボモータと、機体の姿勢を検出する姿勢センサと、機体の速度を検出する速度センサと、地上の操縦装置と無線通信を行う通信装置などが搭載されている。

この無人ヘリコプタの飛行を制御する制御装置は、目標とする飛行コースに沿って機体が飛行するように機体の各サーボモータの動作を制御する構成が採られている。この制御装置は、例えば機体を旋回させるときには、前記速度センサによって検出した機体の飛行速度と、目標飛行コースに対応する旋回ヨーレート（旋回角速度）とから旋回中心方向へのバンク角（以下、このバンク角を旋回バンク角という）を演算によって求め、機体の傾斜角度が前記旋回バンク角と一致するように機体を傾斜させることができるものである。
なお、本出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に密接に関連する先行技術文献を出願時までに見付け出すことはできなかった。
特開２００１−８０５８６号公報（第５頁、図１）

上述したように構成された従来の無人ヘリコプタ用制御装置は、飛行条件によっては旋回飛行時に機体の高度を一定に保つことが難しい場合があった。これは、従来の前記制御装置は、旋回時の機体の旋回バンク角を機体の飛行速度と旋回ヨーレートとから決めているからである。すなわち、無人ヘリコプタは、旋回中に機体に風が当たることにより、操作をしなくても旋回バンク角が過度に大きくなることがあり、このような場合に従来の制御装置では対処することができず、機体の揚力が不足して高度が低くなってしまう。このような揚力が不足する現象は、風が弱くても機体に搭載した荷物の重量が大きい場合にも同様に起こる。なお、このような不具合を解消するに当たっては、操縦操作が複雑になるようなことは避けなければならない。

本発明はこのような問題を解消するためになされたもので、操縦操作が容易になる構成を採りながら、強風下や機体重量が大きい場合でも安定した旋回飛行を行えるようにすることを目的とする。

この目的を達成するため、本発明に係る無人ヘリコプタ用制御装置は、機体に設けられた速度検出用のセンサおよびバンク角検出用センサと、これらのセンサの検出データが無線通信によって送られる地上の無線操縦装置と、この無線操縦装置に設けられている入力装置の入力データと前記速度検出用のセンサによって検出された飛行速度とから旋回ヨーレートを求め、この旋回ヨーレートに基づいて求めた旋回バンク角となるように機体を傾斜させる飛行制御手段と、現在の機体の飛行状態で安定飛行が可能な最大の旋回バンク角を求める最大旋回バンク角設定手段と、機体のバンク角検出用センサによって検出された実際の機体の旋回バンク角が前記最大旋回バンク角より大きい場合に、機体の旋回ヨーレートを前記実際の旋回バンク角が前記最大旋回バンク角以下となるように設定する旋回ヨーレート修正手段とを備えたものである。

請求項２に記載した発明に係る無人ヘリコプタ用制御装置は、請求項１に記載した発明に係る無人ヘリコプタ用制御装置において、最大旋回バンク角設定手段に、エンジンのスロットル弁開度から機体の推力を求め、この推力に対応させて最大旋回バンク角を補正する補正手段を設けたものである。

本発明に係る無人ヘリコプタ用制御装置は、旋回飛行時に機体の実際の旋回バンク角が最大旋回バンク角を越えることがないように旋回ヨーレートを自動的に設定する。したがって、この制御装置によれば、機体操作者に煩雑な計算をさせたり複雑な操作をさせることなく、飛行空域の風や機体の重量などに影響を受けることなく常に安定した旋回飛行を行うことができる。特に、本発明に係る無人ヘリコプタ用制御装置のように、旋回ヨーレートを変化させて旋回バンク角を小さく抑える構成を採ることにより、旋回時の飛行速度の変化を少なくすることができるから、機体の挙動をより一層安定させることができる。

無人ヘリコプタのスロットル弁の開度は、飛行速度や、機体重量および気温などによって変わるため、このスロットル弁の開度によって無人ヘリコプタの飛行条件を間接的に検出することができる。このため、請求項２記載の発明によれば、飛行空域の気温や機体の重量および飛行速度などに応じて変わるスロットル弁の開度を利用して前記飛行条件（気温・機体重量・飛行速度）に応じた最大旋回バンク角を求めることができる。
したがって、この発明によれば、飛行条件に順応した適正な旋回バンク角で機体を旋回させることができるから、旋回時の安定性をより一層向上させることができる。

以下、本発明に係る無人ヘリコプタ用制御装置の一実施の形態を図１ないし図５によって詳細に説明する。
図１は本発明に係る無人ヘリコプタ用制御装置の構成図、図２は本発明に係る無人ヘリコプタ用制御装置のブロック図、図３は旋回飛行時の制御方法を説明するための図、図４は飛行速度に対応する最大旋回バンク角を求めるためのマップとなるグラフ、図５は本発明に係る無人ヘリコプタ用制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。

これらの図において、符号１で示すものは、この実施の形態による制御装置２（図２参照）によって飛行が制御される無人ヘリコプタである。この無人ヘリコプタ１は、エンジン（図示せず）を動力源として飛行し、例えば農薬を散布したり、危険地域の空中撮影を行うためのものである。図１において、３は無人ヘリコプタ１の機体を示し、４は前記機体３の姿勢を検出する姿勢センサを示し、５は機体側通信装置を示し、６は無線操縦装置を示す。この無線操縦装置６と前記機体側通信装置５は、従来からよく知られているように、無線通信によって機体制御用の各種のデータ（位置データ、高度データ、速度データ、姿勢データ、飛行方位データなど）を送受信する構成が採られている。

この実施の形態による制御装置２は、前記無線操縦装置６の入力装置７によって設定された目標飛行コースに沿って機体３が飛行するように機体３の各サーボモータ８〜１２（図２参照）の動作を制御するもので、図２に示すように、前記姿勢センサ４と、機体３の飛行速度を検出する速度センサ１３と、機体３の位置を検出する位置センサ１４と、機首方位を検出するための方位センサ１５と、前記エンジンのスロットル弁の開度を検出するスロットル弁開度センサ１６と、前記無線操縦装置６に設けられた入力装置７およびＣＰＵ２１と、機体３に搭載された前記サーボモータ８〜１２などによって構成されている。

前記機体３側のサーボモータとしては、エレベータサーボモータ８と、エルロンサーボモータ９と、コレクティブサーボモータ１０と、ラダーサーボモータ１１と、スロットル弁用サーボモータ１２である。
前記機体３に搭載されているエンジンや各センサは、従来の無人ヘリコプタに搭載されているものと同等のものが用いられている。なお、機体３の飛行速度を検出したり、機体位置を検出するためには、図示していないが、機体に搭載したＧＰＳセンサを用いて実施することもできる。

前記ＣＰＵ２１は、後述する飛行制御手段２２と、最大旋回バンク角設定手段２３と、旋回ヨーレート修正手段２４などによって構成されている。
飛行制御手段２２は、前記無線操縦装置６の入力装置７によって入力された目標飛行状態と、機体３の各センサによって検出された実際の飛行状態とが一致するように、フィードバック制御により前記各サーボモータ８〜１２の動作を制御する構成が採られている。また、この飛行制御手段２２は、機体３を左右方向に旋回させるように前記入力装置７が操作された場合には、機体３の前記速度センサ１３によって検出された飛行速度と、前記入力装置７の入力データから求めた旋回ヨーレートとに基づいて演算によって機体３の目標旋回バンク角を設定し、この目標旋回バンク角と、前記姿勢センサ４によって検出された実際の機体３の旋回バンク角とが一致するように機体３を傾斜させる。

前記最大旋回バンク角設定手段２３は、機体３の旋回バンク角の限界値を演算によって求める演算手段２５と、前記限界値を飛行環境の条件や飛行速度に対応させて補正する補正手段２６とから構成されている。ここで、前記演算手段２５が旋回バンク角の限界値を求める手法について説明する。
無人ヘリコプタが空中で静止した状態（ホバリング状態）を保つために必要な鉛直方向の最低の推力は、機体３に作用する重力加速度Ｇと等しくなる。このため、旋回時に機体３を旋回バンク角がθ（ｄｅｇ）となるように傾斜させて飛行するためには、ヘリコプタの総推力をＦとすると、図３に示すように、
Ｆ≧Ｇ／cos（θ）…（１）を満たす必要がある。この（１）式より、機体３の旋回バンク角の限界値（安定飛行が可能な最大の旋回バンク角）は、
θ≦cos^-1（Ｇ／Ｆ）…（２）となる。

前記演算手段２５は、前記（２）式から旋回バンク角の限界値を求める。この演算手段２５が前記限界値を求めるに当たり、ヘリコプタの総推力Ｆの値は、機種毎に予め測定した値が入力される。この限界値は、気温や機体３の重量が前記測定時と同等で、しかもホバリング状態のときの値である。ヘリコプタの総推力Ｆは、気温や気圧などの飛行環境の条件に応じて変化する。また、総推力Ｆが一定でも、機体重量の変化により、加速度換算（「力＝質量×加速度」より）の推力が変化する。このため、前記旋回バンク角の限界値は、実際の飛行状態（飛行環境の条件や機体３の重量が前記測定時とは異なりかつ機体３が前進することにより空気力学的な力が機体３に作用している飛行状態）に対応するように、後述する補正手段２６によって補正する。

補正手段２６は、前記飛行環境の条件や機体３の重量の変化がスロットル弁の開度に反映される現象を利用して総推力Ｆの補正係数を求めるように構成されている。詳述すると、この補正手段２６は、前記スロットル弁開度センサ１６によってスロットル弁の開度を検出し、このスロットル弁開度に対応する総出力Ｆの補正係数の数値データを前記演算手段２５に送る。この数値データが送られた前記演算手段２５は、総出力Ｆの値を前記補正係数に基づいて補正し、旋回バンク角の限界値を更新する。

また、この補正手段２６は、前記速度センサ１３によって検出した機体３の飛行速度に対応する旋回バンク角の補正係数を図５に示すマップ２７から読み出し、数値データとして前記演算手段２５に送る構成が採られている。前記マップ２７は、最大旋回バンク角（バンク角リミット）の補正係数を飛行速度に割り付けることにより形成されている。このマップ２７から読み出した補正係数の数値データが前記演算手段２５に送られることにより、前記演算手段２５は、旋回バンク角の限界値を飛行速度に応じた補正係数に基づいて補正する。
すなわち、この実施の形態による最大旋回バンク角設定手段２３は、機体固有の旋回バンク角の限界値を現在のスロットル弁開度と飛行速度とに基づいて補正することにより、現在の飛行環境の条件、機体３の重量および飛行速度において、安定飛行が可能な最大の旋回バンク角を決定する。

前記旋回ヨーレート修正手段２４は、本発明に係るバンク角検出用センサとしての姿勢センサ４によって検出された実際の機体３の旋回バンク角と、前記最大旋回バンク角設定手段２３によって設定された最大旋回バンク角とを比較し、実施の機体３の旋回バンク角が前記最大旋回バンク角より大きい場合に、旋回ヨーレートを実際の旋回バンク角が最大旋回バンク角と一致するように設定する構成が採られている。この旋回ヨーレートとは、前記飛行制御手段２２が目標旋回バンク角を設定するときに用いるものである。ここで、旋回ヨーレート修正手段２４が上述したように旋回ヨーレートを設定する手法について説明する。

無人ヘリコプタが旋回するときに機体３に作用する遠心力Ａ（図３参照）は、旋回半径をＲとし、旋回ヨーレートをωとすると、
Ａ＝Ｒ×ω２…（３）として求められる。このとき、飛行速度Ｖ＝Ｒ×ωであるから、
遠心力Ａ＝Ｖ×ω…（４）となる。
一方、遠心力と推力が釣り合っている状態でのバンク角θは、
θ＝ａtan（Ａ／ｇ）…（５）として求めることができる。
上記（４）式と（５）式とから、バンク角θと飛行速度Ｖとを一定とした条件で旋回ヨーレートωを求めると、θ＝ａtan（Ｖ×ω／Ｇ）より、
旋回ヨーレートω＝Ｇ×tan（θ）／Ｖ…（６）となる。

すなわち、上記（６）式にバンク角θとして前記最大旋回バンク角設定手段２３が求めた最大旋回バンク角を代入し、飛行速度Ｖとして速度センサ１３によって検出した値を代入することにより、最大旋回バンク角がθとなりかつ飛行速度がＶとなるように旋回するための旋回ヨーレート（ω）を求めることができる。
前記旋回ヨーレート修正手段２４は、実施の機体３の旋回バンク角が前記最大旋回バンク角より大きい場合に、式（６）によって旋回ヨーレート（ω）を求め、この旋回ヨーレート（ω）を数値データとして前記飛行制御手段２２に送る。この数値データが送られた前記飛行制御手段２２は、前記数値データが示す旋回ヨーレート（ω）を用いて目標旋回バンク角を設定する。この結果、最大旋回バンク角を越えることがない旋回バンク角で機体３が旋回するようになる。

一般に、無人ヘリコプタにおいては、旋回バンク角の変化は旋回ヨーレートや飛行速度に影響を与える。この実施の形態で示したように、旋回ヨーレートを変化させて（減少させて）旋回バンク角を小さく抑える構成を採ることにより、旋回時の飛行速度の変化を少なく抑えることができるから、旋回時の機体の安定性を高く保つことができる。

ここで、前記最大旋回バンク角設定手段２３と旋回ヨーレート修正手段２４の動作を図５に示すフローチャートによって説明する。
入力装置７によって機体３の旋回操作が行われると、最大旋回バンク角設定手段２３は、ステップＳ１で示すように、スロットル弁開度センサ１６の検出値に基づいて飛行環境に対応した総推力Ｆの補正係数を求める。

次に、最大旋回バンク角設定手段２３は、ステップＳ１で求めた補正係数で補正した総推力Ｆを用い、前記（２）式によって飛行速度０（ｍ／ｓ）での旋回バンク角の限界値を求める（ステップＳ２）。
その後、最大旋回バンク角設定手段２３は、ステップＳ３において、現在の飛行速度に対応する旋回バンク角の補正係数を前記マップ２７から読み出し、この補正係数によって前記限界値を補正することにより最終的な最大旋回バンク角を決定する。

このように最大旋回バンク角を決めた後、旋回ヨーレート修正手段２４が実際の機体３の旋回バンク角を検出し（ステップＳ４）、ステップＳ５で示すように、実際の機体３の旋回バンク角と前記最大旋回バンク角とを比較する。この比較の結果、実際の機体３の旋回バンク角が最大旋回バンク角（バンク角リミット）を越えていないと判定された場合は、ステップＳ６からステップＳ８へ進み、旋回ヨーレート修正手段２４が飛行制御手段２２に旋回ヨーレートを調整しないことを示す制御信号を送出する。この場合、飛行制御手段２２は、入力装置７によって設定された旋回ヨーレートを用いて機体３の目標旋回バンク角を設定する。

一方、前記ステップＳ５で実際の機体３の旋回バンク角が最大旋回バンク角（リミット）を越えていると判定された場合は、旋回ヨーレート修正手段２４は、ステップＳ７からステップＳ８に示すように、前記（６）式によって現在の飛行速度と最大旋回バンク角とに適する旋回ヨーレートを求め、この旋回ヨーレートを示す数値データを飛行制御手段２２に送出する。この結果、機体３の目標旋回バンク角が前記最大旋回バンク角になり、機体３は、安定した状態で旋回飛行を継続するようになる。

したがって、この実施の形態による無人ヘリコプタ用制御装置２によれば、飛行空域の風や機体３の重量などに影響を受けることなく安定した旋回飛行を行うことができる。この旋回飛行を行うに当たっては、制御装置２が自動的に行うから、機体操作者が煩雑な計算をしたり複雑な操作をする必要はない。

この実施の形態に示した制御装置２は、旋回ヨーレートを変化させて旋回バンク角を小さく抑える構成を採っているから、旋回時の飛行速度の変化が少なくなり、機体３の挙動がより一層安定するようになる。
また、この実施の形態による無人ヘリコプタ用制御装置２は、飛行空域の気温や機体３の重量および飛行速度などに応じて変わるスロットル弁の開度を利用して飛行条件（気温・機体３重量・飛行速度）に応じた最大旋回バンク角を求める構成が採られているから、旋回時の安定性がより一層向上するようになる。

上述した実施の形態では、機体３の実際の旋回バンク角が最大旋回バンク角より大きいときに旋回ヨーレートを実際の旋回バンク角が最大旋回バンク角と一致する値に設定する例を示したが、旋回ヨーレート修正手段２４は、実際の旋回バンク角が最大旋回バンク角以下となるように旋回ヨーレートを設定することができる。

また、上述した実施の形態による飛行制御手段２２は、無線操縦装置６の入力装置７を操作することによって目標飛行状態を設定する構成のものを示したが、無人ヘリコプタ１の飛行を制御する手法は適宜変更することができる。例えば、飛行制御手段２２として、地上局側のパーソナルコンピュータに予め記憶させた飛行コースに沿って機体３を飛行させる、いわゆる自律飛行型の構成のものを使用することもできる。

本発明に係る無人ヘリコプタ用制御装置の構成図である。 本発明に係る無人ヘリコプタ用制御装置のブロック図である。 旋回飛行時の制御方法を説明するための図である。 飛行速度に対応する最大旋回バンク角を求めるためのマップとなるグラフである。 本発明に係る無人ヘリコプタ用制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…無人ヘリコプタ、２…制御装置、３…機体、４…姿勢センサ、５…機体側通信装置、６…無線操縦装置、８…エレベータサーボモータ、９…エルロンサーボモータ、１０…コレクティブサーボモータ、１１…ラダーサーボモータ、１２…スロットル弁用サーボモータ、１４…高度センサ、１５…方位センサ、１６…スロットル弁開度センサ、２１…ＣＰＵ、２３…最大旋回バンク角設定手段 ２４…旋回ヨーレート修正手段、２５…演算手段、２６…補正手段。

Claims (2)

1. 機体に設けられた速度検出用のセンサおよびバンク角検出用センサと、
   これらのセンサの検出データが無線通信によって送られる地上の無線操縦装置と、
   この無線操縦装置に設けられている入力装置の入力データと前記速度検出用のセンサによって検出された飛行速度とから旋回ヨーレートを求め、この旋回ヨーレートに基づいて求めた旋回バンク角となるように機体を傾斜させる飛行制御手段と、
   現在の機体の飛行状態で安定飛行が可能な最大の旋回バンク角を求める最大旋回バンク角設定手段と、
   機体のバンク角検出用センサによって検出された実際の機体の旋回バンク角が前記最大旋回バンク角より大きい場合に、機体の旋回ヨーレートを前記実際の旋回バンク角が前記最大旋回バンク角以下となるように設定する旋回ヨーレート修正手段とを備えたことを特徴とする無人ヘリコプタ用制御装置。
2. 請求項１に記載した発明に係る無人ヘリコプタ用制御装置において、最大旋回バンク角設定手段に、エンジンのスロットル弁開度から機体の推力を求め、この推力に対応させて最大旋回バンク角を補正する補正手段を設けてなる無人ヘリコプタ用制御装置。
   

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