JP4984591B2 - 自動姿勢制御装置、自動姿勢制御方法及び自動姿勢制御プログラム - Google Patents

Description

この発明は、自動姿勢制御装置、自動姿勢制御方法及び自動姿勢制御プログラムに係り、例えば、モータによってプロペラを駆動して推力を発生させる小型無人飛行機等の飛行体又は移動体に搭載されて用いられる自動姿勢制御装置、自動姿勢制御方法及び自動姿勢制御プログラムに関する。

従来より、地上から送信される無線信号によって制御されて、モータによってプロペラを駆動し、エレベータ、ラダー及びエルロンによって姿勢を制御して飛行を行う無人飛行機（例えば、翼長１ｍ以下の小型軽量無人機）が実用化されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
このような無人飛行機の姿勢制御装置１０１は、図７に示すように、姿勢制御装置本体の構成各部を制御する制御部１０２と、制御部１０２が実行する処理プログラムや各種データ等を記憶するための記憶部１０３と、水平尾翼の後縁に設けられた昇降舵としてのエレベータ１０４と、垂直尾翼の後縁に設けられたラダーと、主翼の後縁に設けられたエルロンと、エレベーター用のサーボモータ１０５と、ラダー用のサーボモータと、エルロン用のサーボモータと、各サーボモータを駆動するためのモータ駆動部１０６と、圧力センサからなる対気速度検知部１０７とを有している。

制御部１０２は、対気速度検知部１０７から送られる対気速度検出信号ｑ1の変化を取得して、無人飛行機の飛行高度調整や、突風等の外乱に対する機体安定性を確保するための姿勢制御を行っている。
例えば、制御部１０２は、姿勢制御処理のうち、ピッチ角制御処理で、図７に示すように、対気速度検知部１０７から対気速度検出信号ｑ1を受けると、計測された無人飛行機の対気速度に応じて、エレベータ１０４のトリム角を求め、求めたエレベータ１０４のトリム角に基づいて、所定の制御信号（エレベータ駆動指令信号）ｑ2をモータ駆動部１０６へ与える。

これによって、モータ駆動部１０６は、サーボモータ１０５へ対応するエレベータ駆動信号ｑ3を与える。
このようにして、姿勢制御装置１０１は、エレベータ１０４を駆動して、無人飛行機のピッチ角が、現在の対気速度で安定飛行するために適正な値となるように、エレベータ１０４のトリム角を調整している。ここで、制御部１０２は、現在の対気速度に対応するエレベータ１０４のトリム角を初期値（目標値）として設定する。

なお、飛行体としての飛行船を対象とした姿勢制御で、飛行船内にペイロード（負荷）を設置して、このペイロードを前後方向に沿って移動させることによって、船体の重心を移動させ、船体を前後に傾けるピッチ角制御を行い、空気力学的損失を生じさせることなく、簡単かつ迅速にピッチ角を制御する技術が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
特開２００５−０２８９３５号公報 特開２００５−０６７３９８号公報 特開平１１−２７８３９１号公報（第７頁、図３）

解決しようとする第１の問題点は、上記従来技術では、例えば、エレベータの応答が遅れることがあり、機体の安定性を確保できないという点である。
例えば、特許文献１、特許文献２に記載された技術では、対気速度検知部の圧力センサの計測性能や、エレベータ用サーボモータ等の応答性等に依存するために、急激な推力変動や、環境外乱に対して、確実にかつ迅速に応答できない。また、特許文献３に記載された技術を、比較的高速で飛行する飛行機への適用する場合にも、例えば、対気速度検知部の圧力センサからの検知信号に基づいて制御することとなり、やはり、圧力センサの精度や応答性が低いと、エレベータの応答が間に合わないことがある。

また、第２の問題点は、上記従来技術では、対気速度が不十分なときは、エレベータのトリム角の調整によって、機体のピッチ角を制御することができないという点である。
例えば、特許文献１、特許文献２に記載された技術では、いずれも、離陸時や着陸時等対気速度が不十分なときは、舵角変化によるエレベータのトリム角調整が実施できない。

この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、例えば、推力の急激な変化や突風等の外乱に応じて、速やかに応答し、機体の安定性を確保することができる自動姿勢制御装置、自動姿勢制御方法及び自動姿勢制御プログラムを提供することを第１の目的としている。
また、例えば、対気速度が不十分な場合でも、機体の姿勢を確実に制御することができる自動姿勢制御装置、自動姿勢制御方法及び自動姿勢制御プログラムを提供することを第２の目的としている。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の、この発明の第１の構成は、飛行体を安定飛行させるための自動姿勢制御装置に係り、上記飛行体に搭載されたペイロードを移動させることによって、上記飛行体の重心位置を変動させるための重心変動手段と、上記飛行体の推力と、上記飛行体の所定の姿勢角に対応する上記重心位置との間の関係に基づいて、現在の推力に対応する所望の上記重心位置を算出する重心位置算出手段と、推力又は姿勢が急激に変化していることを検知したときは、上記重心位置の変動を伴わない通常姿勢制御処理動作に代わる非常時姿勢制御処理動作として、上記重心変動手段を制御して、上記重心位置算出手段の算出結果に基づいて、重心を所望の位置へ変動させる重心変動制御手段とを備えてなることを特徴としている。

また、請求項２記載の、この発明の第２の構成は、飛行体を安定飛行させるための自動姿勢制御装置に係り、上記飛行体に搭載されたペイロードを移動させることによって、上記飛行体の重心位置を変動させるための重心変動手段と、上記飛行体の推力と、上記飛行体の所定の姿勢角に対応する上記重心位置との間の関係に基づいて、現在の推力に対応する所望の上記重心位置を算出する重心位置算出手段と、離着陸のときは、上記重心位置の変動を伴わない定常飛行時の通常姿勢制御処理動作に代わる非常時姿勢制御処理動作として、上記重心変動手段を制御して、上記重心位置算出手段の算出結果に基づいて、重心を所望の位置へ変動させる重心変動制御手段とを備えてなることを特徴としている。

また、請求項１１に記載の、この発明の第３の構成は、飛行体を安定飛行させるための自動姿勢制御方法に係り、上記飛行体に搭載されたペイロードを、ペイロード移動手段を用いて移動させることによって、上記飛行体の重心位置を変動させるための重心変動ステップと、上記飛行体の推力と、上記飛行体の所定の姿勢角に対応する上記重心位置との間の関係に基づいて、現在の推力に対応する所望の上記重心位置を算出する重心位置算出ステップと、推力又は姿勢が急激に変化していることを検知したときは、上記重心位置の変動を伴わない通常姿勢制御処理動作に代わる非常時姿勢制御処理動作として、上記ペイロード移動手段を制御して、上記重心位置算出ステップでの算出結果に基づいて、重心を所望の位置へ変動させる重心変動制御ステップとを含むことを特徴としている。

また、請求項１２記載の、この発明の第４の構成は、飛行体を安定飛行させるための自動姿勢制御方法に係り、上記飛行体に搭載されたペイロードを、ペイロード移動手段を用いて移動させることによって、上記飛行体の重心位置を変動させるための重心変動ステップと、上記飛行体の推力と、上記飛行体の所定の姿勢角に対応する上記重心位置との間の関係に基づいて、現在の推力に対応する所望の上記重心位置を算出する重心位置算出ステップと、離着陸のときは、上記重心位置の変動を伴わない定常飛行時の通常姿勢制御処理動作に代わる非常時姿勢制御処理動作として、上記重心変動手段を制御して、上記重心位置算出ステップでの算出結果に基づいて、重心を所望の位置へ変動させる重心変動制御手段とを備えてなることを特徴としている。

この発明の構成によれば、重心位置算出手段は、飛行体又は船舶の推力と、飛行体又は船舶の所定の姿勢角に対応する重心位置との間の関係に基づいて、現在の推力に対応する所望の重心位置を算出し、重心変動制御手段が、重心変動手段を制御して、重心変動手段が、と飛行体又は船舶に搭載されたペイロードを移動させることによって、飛行体又は上記船舶の重心を所望の位置へ変動させるので、例えば、推力の急激な変化や突風等の外乱に応じて、速やかに応答し、飛行体又は船舶の安定性を確保することができると共に、例えば、対気速度が不十分な場合でも、飛行体又は船舶の姿勢を確実に制御することができる。

重心位置算出手段は、飛行体又は船舶の推力と、飛行体又は船舶の所定の姿勢角に対応する重心位置との間の関係に基づいて、現在の推力に対応する所望の重心位置を算出し、重心変動制御手段が、重心変動手段を制御して、重心変動手段が、と飛行体又は船舶に搭載されたペイロードを移動させることによって、飛行体又は上記船舶の重心を所望の位置へ変動させることによって、飛行体又は船舶の重心を変動させることによって、例えば、推力の急激な変化や突風等の外乱に応じて、速やかに応答し、飛行体又は船舶の安定性を確保するという第１の目的と、例えば、対気速度が不十分な場合でも、機体の姿勢を確実に制御するという第２の目的とを実現した。

図１は、この発明の第１の実施例である小型無人飛行機の飛行制御装置の構成を示すブロック図、図２は、同小型無人飛行機の構成を示す斜視図、図３は、同小型無人飛行機の構成を示す側面図、図４は、同飛行制御装置のモータ駆動部の構成を示すブロック図、図５は、同飛行制御装置の重心変動部の構成を示す斜視図、また、図６は、同飛行制御装置の姿勢制御装置の動作を説明するための説明図である。
この例の小型無人飛行機１は、図１乃至図３に示すように、胴体２と、胴体２の側部に取り付けられた主翼３，３と、胴体２の後部に取り付けられた垂直尾翼４及び水平尾翼５と、胴体２の内部に搭載された飛行制御装置６とを備えてなっている。この飛行制御装置６は、小型無人飛行機１の姿勢角（ロール角、ピッチ角、ヨー角）を制御する姿勢制御装置７を含んでいる。

この例の飛行制御装置６は、図１に示すように、飛行制御装置本体の構成各部を制御する制御部９と、制御部９が実行する処理プログラムや各種データ等を記憶するための記憶部１１と、アンテナ１２を介して無線電波の受信を行うために用いられる無線受信部１３と、胴体２の前部に取り付けられたプロペラ１４と、水平尾翼５の後縁に設けられた昇降舵としてのエレベータ１５と、垂直尾翼４の後縁に設けられた方向舵としてのラダー１６と、主翼３の後縁に設けられた補助翼としてのエルロン１７と、小型無人飛行機１の重心位置を変動させる重心変動部８と、サーボモータを有するアクチュエータ部１８と、各モータを駆動するためのモータ駆動部１９と、プロペラ１４を回転させて推力を得るための推進用モータ２１と、姿勢検知部２２と、加速度検知部２３と、対気速度検知部２４と、電源部２５とを有している。

ここで、電源部２５を構成するバッテリ２６は、小型無人飛行機１全体の重量に占める割合が比較的大きい重量を有し、ペイロード（負荷）としての機能も有している。
この例では、重心変動部８が、バッテリ２６を前後方向に沿って移動させることによって、小型無人飛行機１の重心を揚力の中心に対して変位させ、姿勢角としてのピッチ角を調整することが可能とされている。

制御部９は、ＣＰＵ（中央処理装置）等を有してなり、記憶部１１に記憶された各種制御プログラムを実行し、構成各部を制御して、小型無人飛行機１の姿勢角（ロール角、ピッチ角、ヨー角）を制御するための姿勢制御処理や、推力制御処理、無線信号受信処理等を実行する。
ここで、姿勢制御処理は、非常時ピッチ角制御処理と、通常時ピッチ角制御処理と、ロール角制御処理と、ヨー角制御処理とを含んでいる。非常時ピッチ角制御処理は、現在重心位置取得処理と、適正重心位置算出処理と、回転量算出処理と、制御信号出力処理とを含んでいる。また、通常時ピッチ角制御処理は、対気速度算出処理と、現在ピッチ角算出処理と、調整角算出処理と、制御信号出力処理とを含んでいる。
また、推力制御処理は、推進用モータ２１の回転速度（回転数）を算出するための回転速度算出処理と、制御信号出力処理とを含んでいる。

制御部９は、非常時ピッチ角制御処理では、比較的急激に推力が変化するときに、現在の重心位置（小型無人飛行機１の前後方向に沿った位置）（または、ペイロードとしてのバッテリ２６の対応する現在位置）を記憶部１１から取得する現在重心位置取得処理と、予め知られた推力に対応する推進用モータ２１の回転速度（回転数）と、小型無人飛行機１の適正なピッチ角に対応する適正な重心位置との間の関係に基づいて、現在の回転数に対応する適正な重心位置を算出する適正重心位置算出処理と、適正な重心位置と現在の重心位置とに基づいて、バッテリ２６の前後方向に沿った必要な変位量に対応する小型ＤＣモータからなる重心変動用モータ３１の回転量を求める回転量算出処理と、必要な回転量に対応する制御信号をモータ駆動部１９へ与える制御信号出力処理とを実行する。

制御部９は、通常時ピッチ角制御処理では、比較的穏やかに推力が変化するときに、対気速度検知部２４からの検知信号に基づいて現在の対気速度を求める対気速度算出処理と、姿勢センサ２２からの検知信号に基づいて現在のピッチ角を求める現在ピッチ角算出処理と、予め知られたエレベータ１５のトリム角と、対気速度に対応する小型無人飛行機１の適正なピッチ角との間の関係に基づいて、エレベータ１５の調整角（変化分）を求める調整角算出処理と、アクチュエータ部１８のエレベータ用サーボモータ３５を制御させるための所定の制御信号をモータ駆動部１９へ与える制御信号出力処理とを実行する。

制御部９は、ロール角制御処理及びヨー角制御処理では、通常時ピッチ角制御処理と同様の処理を行う。
制御部９は、推力制御処理で、無線受信部１３を介して受け取った操作信号に基づいて、推進用モータ２１の回転速度（回転数）を算出するための回転速度算出処理と、推進モータ２１を制御させるための所定の制御信号をモータ駆動部１９へ与える制御信号出力処理とを実行する。

なお、この例では、制御部９は、 回転速度算出処理で算出された回転速度に基づいて、推進力の変化速度（変化率）を算出し、この変化速度が、所定値を越え、比較的急激に推進力が変化していると判断したときに、非常時ピッチ角制御処理を実行し、変化速度が、所定値以下で、比較的穏やかに推力が変化していると判断したときには、通常時ピッチ角制御処理を実行する。

記憶部１１は、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の半導体メモリ等からなり、制御部９が実行する姿勢制御処理プログラムや推力制御処理プログラム、無線信号受信処理プログラム等の各種処理プログラム等が記憶されたプログラム記憶部と、設定情報や検知情報等の各種情報が記憶された情報記憶部とを有すると共に、この記憶部１１には、制御部９がプログラム実行時に用いる各種レジスタやフラグが確保されている。
ここで、上記検知情報は、現在の重心位置情報（ペイロード位置情報）や、現在の姿勢角情報を含んでいる。

重心変動部８は、図５に示すように、ペイロードとしてのバッテリ２６に剛結合され、バッテリ２６を垂下状態で支持し、機体の前後方向（例えば、ロール軸（ｘ軸）方向）に沿って変位可能な移動テーブル２８と、移動テーブル２８を移動させるためのボールねじ２９と、ボールねじ２９のねじ軸２９ａを回転させて移動テーブル２８を直進運動させるための小型ＤＣモータからなる重心変動用モータ３１と、重心変動用モータ３１のシャフトに軸心を同じくして取り付けられた主動回転ギア３２と、ボールねじ２９のねじ軸２９ａに軸心を同じくして直結され、主動回転ギア３２と噛合する従動回転ギア３３とを有している。

ボールねじ２９は、重心変動用モータ３１によって回転駆動されるねじ軸２９ａと、ねじ軸２９ａと螺合し、移動テーブル２８に組み込まれて固定されたナット（不図示）とからなっている。
アクチュエータ部１８は、図１及び図４に示すように、姿勢制御用モータとしてのエレベータ用サーボモータ３５と、ラダー用サーボモータ３６と、エルロン用サーボモータ３７とを有している。

モータ駆動部１９は、図４に示すように、推進用モータ駆動部３９と、姿勢制御用モータ駆動部４１と、重心変動用モータ駆動部４２とを有している。
姿勢検知部２２は、それぞれ、機体のロール軸（ｘ軸）、ピッチ軸（ｙ軸）、ヨー軸（ｚ軸）の周りの回転角速度の測定を行うためのジャイロからなる姿勢センサを有している。
加速度検知部２３は、それぞれ、前後方向、左右方向、上下方向の加速度を測定するための加速度を有している。

次に、図６を参照して、上記構成の飛行制御装置６の動作について説明する。
この例では、制御部９は、比較的急激に推力が変化するとき及び対気速度が一定値以下のときには、非常時ピッチ角制御処理を実行し、比較的穏やかに推力が変化するとき及び対気速度が一定値を越えるときには、通常時ピッチ角制御処理を実行する。
制御部９は、推力制御処理で、図６に示すように、無線受信部１３を介して受け取った操作信号ｐ1に基づいて、推進用モータ２１の回転速度（回転数）を算出するための回転速度算出処理と、推進モータ２１を駆動させるための所定の駆動制御信号ｐ2をモータ駆動部１９へ与える制御信号出力処理とを実行する。これによって、推進用モータ駆動部３９は、推進モータ２１へ駆動信号ｐ3を与える。

例えば、操作者の操作によって地上の送信機から発せられ、小型無人飛行機１の推力を急激に上昇させるような操作信号ｐ1を、無線受信部１３を介して受けると、制御部９は、推進用モータ２１の回転速度が急上昇するように、駆動制御信号ｐ2をモータ駆動部１９へ与える。
このままでは、エレベータ１５のトリム角の調整では、すばやい応答性が得られず、小型無人飛行機１の対気速度が急上昇し、ピッチ角が大きく変動し、安定飛行が困難となるため、制御部９は、非常時ピッチ角制御処理を実行する。

すなわち、制御部９は、図６に示すように、現在の重心位置情報（小型無人飛行機１の重心の前後方向に沿った位置の情報）ｐ4を記憶部１１から取得する（現在重心位置取得処理）。制御部９は、同時に、現在の推進モータ２１の回転速度（回転数）を求めて、予め知られた推力に対応する推進用モータ２１の回転速度と、小型無人飛行機１の適正なピッチ角に対応する適正な重心位置との間の関係に基づいて、現在の回転速度に対応する適正な重心位置情報ｐ5を算出する（適正重心位置算出処理）。

次に、制御部９は、適正な重心位置と現在の重心位置とに基づいて、バッテリ２６の前後方向に沿った必要な変位量を求め、この変位量に対応する重心変動用モータ３１の回転量を求める（回転量算出処理）。
次に、制御部９は、必要な回転量に対応する駆動制御信号ｐ6をモータ駆動部１９へ与える制御信号出力処理を実行する。これによって、重心変動用モータ駆動部４２は、重心変動用モータ３１へ駆動信号ｐ7を与える。

この結果、重心変動用モータ３１は、所定量回転し、ボールねじ２９を回転させて、移動テーブル２８を所定量移動させる。移動テーブル２８によって、ペイロード（負荷）としての比較的重量の大きいバッテリ２６が比較的瞬時に所定量移動し、重心位置が前後方向に沿って、所定量移動し、ピッチ角の変動を抑制し、適正な値に近づける。

制御部９は、通常時ピッチ角制御処理では、対気速度検知部２４からの検知信号に基づいて現在の対気速度を求める（対気速度算出処理）。制御部９は、同時に、姿勢センサ２２からの検知信号に基づいて現在のピッチ角を求める（現在ピッチ角算出処理）。
次に、制御部９は、予め知られたエレベータ１５のトリム角と、対気速度に対応する小型無人飛行機１の適正なピッチ角との間の関係に基づいて、エレベータ１５の調整角を求める（調整角算出処理）。
次に、制御部９は、アクチュエータ部１８のエレベータ用サーボモータ３５を制御させるための所定の制御信号をモータ駆動部１９へ与える（制御信号出力処理）。
なお、制御部９は、ロール角制御処理及びヨー角制御処理では、通常時ピッチ角制御処理と同様の処理を行う。

このように、この例の構成によれば、例えば、小型無人飛行機１の推力を急激に上昇させるような操作信号ｐ1を受けると、制御部９は、非常時ピッチ角制御処理を実行し、現在の重心位置情報ｐ4を記憶部１１から取得し、同時に、現在の推進モータ２１の回転速度（回転数）を得て、予め知られた推力に対応する推進用モータ２１の回転速度と、小型無人飛行機１の適正なピッチ角に対応する適正な重心位置との間の関係に基づいて、現在の回転速度に対応する適正な重心位置情報ｐ5を算出し、適正な重心位置と現在の重心位置とに基づいて、バッテリ２６の前後方向に沿った必要な変位量を求め、この変位量に対応する重心変動用モータ３１の回転量を求め、必要な回転量に対応する制御信号ｐ6をモータ駆動部１９へ与える。

これによって、重心変動用モータ駆動部４２は、重心変動用モータ３１へ駆動信号ｐ7を与え、この結果、重心変動用モータ３１は、所定量回転し、ボールねじ２９を回転させて、移動テーブル２８を例えば前方へ向けて所定量移動させ、移動テーブル２８によって、ペイロード（負荷）としての比較的重量の大きいバッテリ２６が比較的瞬時に所定量移動し、重心位置が前後方向に沿って、所定量移動し、ピッチ角の変動を動的に抑制し、適正な値に近づける。

このため、例えば、推力の急激な変化や突風等の環境外乱に応じて、速やかに応答し、機体の安定性を確保することができる。
すなわち、従来技術におけるように、対気速度検知部の圧力センサの計測性能や、エレベータ用サーボモータ３５等の応答性等に依存しないので、確実にかつ迅速に応答し、機体姿勢のロバスト性を向上させ、高精度の飛行制御を実現させることができる。
しかも、従来技術において対気速度が不十分なために舵角変化によるエレベータのトリム角調整が実施できない離陸時や着陸時等でも、ピッチ角の制御が可能となり、全ての飛行フェーズ（離陸、定常、旋回、着陸）で、機体の姿勢を確実に制御することができる。

この例が上述した第１の実施例と大きく異なるところは、推力の比較的急激な変化に加え、外乱による姿勢の比較的急激な変化を検知した場合に、重心を移動させるように構成した点である。
これ以外の構成は、上述した第１の実施例の構成と略同一であるので、第１の実施例と同一の構成要素については、例えば、図１で用いた符号と同一の符号を用いて、その説明を簡略にする。

この例の飛行制御装置の制御部９は、非常時ピッチ角制御処理で、比較的急激に推力が変化するときのほか、姿勢検知部２２、加速度検知部２３及び対気速度検知部２４から得られた検知信号に基づいて、突風等の外乱によって対気速度が変化し、姿勢が比較的急激に変化し、例えば、ピッチ角が比較的急激に変化していることを検知したときに、適正な重心位置を算出する適正重心位置算出処理と、適正な重心位置と現在の重心位置とに基づいて、バッテリ２６の前後方向に沿った必要な変位量に対応する重心変動用モータ３１の回転量を求める回転量算出処理と、必要な回転量に対応する制御信号をモータ駆動部１９へ与える制御信号出力処理とを実行する。
この後、姿勢が比較的安定したならば、制御部９は、通常時ピッチ角制御処理を行う。

この例の構成によれば、上述した第１の実施例と略同様の効果を得ることができる。
加えて、外乱によって姿勢が比較的急激に変化した場合にも、姿勢を安定化させることができる。

以上、この発明の実施例を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。
例えば、上述した実施例では、飛行制御装置の構成要素としてのバッテリをペイロードとして、兼用する場合について述べたが、バッテリに限らないし、専用のペイロードを用いても良い。

また、例えば、姿勢制御処理や、推力制御処理等を、制御部が、対応する制御プログラムを実行することによって行う場合について述べたが、それぞれ、独立したハードウェアで実行するようにしても良い。
また、一部又は全部を専用のハードウェアを用いて行い、一部を対応するプログラムを実行して処理するようにしても良い。
また、非常時ピッチ角制御処理と、通常時ピッチ角制御処理とを、推力や対気速度の変化に応じて、また、定常飛行時と離着陸時と分けて、切り換えて行っても良いし、併用しても良い。

また。高度を測定するための圧力センサや、磁気方位センサ等を追加して設けるようにしても良い。
また、前後方向のみならず、左右方向に沿って重心を移動させて、ロール角を制御するようにしても良い。
また、重心変動部で、小型ＤＣモータに代えて、パルスモータ（ステッピングモータ）を用いても良い。これによって、フィードバック制御装置を省略することができる。
また、応答を早めるために、重心を適正な位置を越えて余分に変動させるように構成しても良い。

飛行体として、小型無線飛行機やラジコン飛行機等のほか、無人飛行船等に適用することができる。また、推進手段として、プロペラをモータによって駆動する方式のほか、内燃機関によって駆動する方式を用いる場合に適用できる。また、水上を航行する船舶に適用できる。

この発明の第１の実施例である小型無人飛行機の飛行制御装置の構成を示すブロック図である。 同小型無人飛行機の構成を示す斜視図である。 同小型無人飛行機の構成を示す側面図である。 同飛行制御装置のモータ駆動部の構成を示すブロック図である。 同飛行制御装置の重心変動部の構成を示す斜視図である。 同飛行制御装置の姿勢制御装置の動作を説明するための説明図である。 従来技術を説明するための説明図である。

符号の説明

１ 小型無人飛行機（飛行体）
６ 飛行制御装置
７ 姿勢制御装置
８ 重心変動部（重心変動手段）
９ 制御部（重心位置情報取得手段、重心位置算出手段、回転量算出手段）
１１ 記憶部
１４ プロペラ（推進手段の一部）
１５ エレベータ（昇降舵）
１８ アクチュエータ部
１９ モータ駆動部（モータ駆動手段）
２１ 推進用モータ（推進手段の一部）
２２ 姿勢検知部
２３ 加速度検知部
２４ 対気速度検知部
２６ バッテリ（ペイロード）
３１ 重心変動用モータ
３５ エレベータ用サーボモータ
３９ 推進用モータ駆動部
４１ 姿勢制御用モータ駆動部
４２ 重心変動用モータ駆動部

Claims (21)

1. 飛行体を安定飛行させるための自動姿勢制御装置であって、
   前記飛行体に搭載されたペイロードを移動させることによって、前記飛行体の重心位置を変動させるための重心変動手段と、
   前記飛行体の推力と、前記飛行体の所定の姿勢角に対応する前記重心位置との間の関係に基づいて、現在の推力に対応する所望の前記重心位置を算出する重心位置算出手段と、
   推力又は姿勢が急激に変化していることを検知したときは、前記重心位置の変動を伴わない通常姿勢制御処理動作に代わる非常時姿勢制御処理動作として、前記重心変動手段を制御して、前記重心位置算出手段の算出結果に基づいて、重心を所望の位置へ変動させる重心変動制御手段とを備えてなる
   ことを特徴とする自動姿勢制御装置。
2. 飛行体を安定飛行させるための自動姿勢制御装置であって、
   前記飛行体に搭載されたペイロードを移動させることによって、前記飛行体の重心位置を変動させるための重心変動手段と、
   前記飛行体の推力と、前記飛行体の所定の姿勢角に対応する前記重心位置との間の関係に基づいて、現在の推力に対応する所望の前記重心位置を算出する重心位置算出手段と、
   離着陸のときは、前記重心位置の変動を伴わない定常飛行時の通常姿勢制御処理動作に代わる非常時姿勢制御処理動作として、前記重心変動手段を制御して、前記重心位置算出手段の算出結果に基づいて、重心を所望の位置へ変動させる重心変動制御手段とを備えてなる
   ことを特徴とする自動姿勢制御装置。
3. 前記飛行体の現在の重心位置情報を取得する重心位置情報取得手段を備え、
   前記重心変動制御手段は、所望の重心位置情報と現在の重心位置情報とに基づいて、前記重心変動手段を制御して、重心を所望の位置へ変動させることを特徴とする請求項１又は２記載の自動姿勢制御装置。
4. 前記重心変動手段は、前記ペイロードを移動させるペイロード移動手段を有し、前記重心変動制御手段は、所定の姿勢角に対応する重心位置情報に基づいて、前記ペイロードの必要な移動量を算出する移動量算出手段と、前記移動量に基づいて、前記ペイロード移動手段を制御して、前記ペイロードを移動させるペイロード移動制御手段とを有することを特徴とする請求項１、２又は３記載の自動姿勢制御装置。
5. 前記飛行体は、推力を得るための推進手段へ推進制御信号を与えて前記推進手段を制御する推進制御手段を備え、前記重心位置算出手段は、前記推進制御信号に基づいて、現在の推力を検知し、対応する所望の重心位置を算出することを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の自動姿勢制御装置。
6. 前記飛行体は、胴体の前部に取り付けられたプロペラを推進用モータによって回転させて推力を発生させる前記推進手段を有してなり、
   前記推進制御手段は、前記推進手段としての前記推進用モータへ、該推進用モータの回転速度を制御するための前記推進制御信号としての回転速度制御信号を与えて、前記推進手段を制御し、前記重心位置算出手段は、前記回転速度制御信号に含まれる回転速度情報に基づいて、現在の推力を検知し、対応する所望の重心位置を算出することを特徴とする請求項５記載の自動姿勢制御装置。
7. 前記ペイロード移動手段は、回転運動を並進運動に変換して、前記ペイロードを所定の方向に沿って並進運動させて移動させる動力伝達手段と、該動力伝達手段を駆動するためのペイロード移動用モータとを有し、前記ペイロード移動制御手段は、前記移動量に基づいて、前記ペイロード移動用モータの必要な回転量を算出し、前記ペイロード移動用モータへ回転量制御信号を与えることを特徴とする請求項４記載の自動姿勢制御装置。
8. 前記重心位置算出手段は、予め知られた推力と、前記飛行体の適正な姿勢角としてのピッチ角に対応する前後方向に沿った適正な重心位置との間の関係に基づいて、現在の推力に対応する適正な重心位置を算出し、前記重心変動制御手段は、前記重心変動手段を制御して、前後方向に沿って重心を適正な位置へ変動させることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１に記載の自動姿勢制御装置。
9. 前記ペイロードとしては、前記飛行体の構成部材又は構成部品を兼用して用いることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１に記載の自動姿勢制御装置。
10. 前記ペイロードは、電源としてのバッテリを含むことを特徴とする請求項９記載の自動姿勢制御装置。
11. 飛行体を安定飛行させるための自動姿勢制御方法であって、
    前記飛行体に搭載されたペイロードを、ペイロード移動手段を用いて移動させることによって、前記飛行体の重心位置を変動させるための重心変動ステップと、
    前記飛行体の推力と、前記飛行体の所定の姿勢角に対応する前記重心位置との間の関係に基づいて、現在の推力に対応する所望の前記重心位置を算出する重心位置算出ステップと、
    推力又は姿勢が急激に変化していることを検知したときは、前記重心位置の変動を伴わない通常姿勢制御処理動作に代わる非常時姿勢制御処理動作として、前記ペイロード移動手段を制御して、前記重心位置算出ステップでの算出結果に基づいて、重心を所望の位置へ変動させる重心変動制御ステップとを含む
    ことを特徴とする自動姿勢制御方法。
12. 飛行体を安定飛行させるための自動姿勢制御方法であって、
    前記飛行体に搭載されたペイロードを、ペイロード移動手段を用いて移動させることによって、前記飛行体の重心位置を変動させるための重心変動ステップと、
    前記飛行体の推力と、前記飛行体の所定の姿勢角に対応する前記重心位置との間の関係に基づいて、現在の推力に対応する所望の前記重心位置を算出する重心位置算出ステップと、
    離着陸のときは、前記重心位置の変動を伴わない定常飛行時の通常姿勢制御処理動作に代わる非常時姿勢制御処理動作として、前記重心変動手段を制御して、前記重心位置算出ステップでの算出結果に基づいて、重心を所望の位置へ変動させる重心変動制御手段とを備えてなる
    ことを特徴とする自動姿勢制御装置。
13. 前記飛行体の現在の重心位置情報を取得する重心位置情報取得ステップを含み、
    前記重心変動制御ステップでは、所望の重心位置情報と現在の重心位置情報とに基づいて、前記ペイロード移動手段を制御して、重心を所望の位置へ変動させることを特徴とする請求項１１又は１２記載の自動姿勢制御方法。
14. 前記重心変動制御ステップは、所定の姿勢角に対応する重心位置情報に基づいて、前記ペイロードの必要な移動量を算出する移動量算出ステップと、前記移動量に基づいて、前記ペイロード移動手段を制御して、前記ペイロードを移動させるペイロード移動制御ステップとを含むことを特徴とする請求項１１、１２又は１３記載の自動姿勢制御方法。
15. 前記飛行体に備えられ、推力を得るための推進手段へ推進制御信号を与えて前記推進手段を制御する推進制御ステップを含み、前記重心位置算出ステップでは、前記推進制御信号に基づいて、現在の推力を検知し、対応する所望の重心位置を算出することを特徴とする請求項１１、１２、１３又は１４記載の自動姿勢制御方法。
16. 前記飛行体は、胴体の前部に取り付けられたプロペラを推進用モータによって回転させて推力を発生させる前記推進手段を有してなり、
    前記推進制御ステップでは、前記推進手段としての前記推進用モータへ、該推進用モータの回転速度を制御するための前記推進制御信号としての回転速度制御信号を与えて、前記推進手段を制御し、前記重心位置算出ステップでは、前記回転速度制御信号に含まれる回転速度情報に基づいて、現在の推力を検知し、対応する所望の重心位置を算出することを特徴とする請求項１５記載の自動姿勢制御方法。
17. 前記ペイロード移動手段は、回転運動を並進運動に変換して、前記ペイロードを所定の方向に沿って並進運動させて移動させる動力伝達手段と、該動力伝達手段を駆動するためのペイロード移動用モータとを有し、前記ペイロード移動制御ステップでは、前記移動量に基づいて、前記ペイロード移動用モータの必要な回転量を算出し、前記ペイロード移動用モータへ回転量制御信号を与えることを特徴とする請求項１４記載の自動姿勢制御方法。
18. 前記重心位置算出ステップでは、予め知られた推力と、前記飛行体の適正な姿勢角としてのピッチ角に対応する前後方向に沿った適正な重心位置との間の関係に基づいて、現在の推力に対応する適正な重心位置を算出し、前記重心変動制御ステップでは、前記ペイロード移動手段を制御して、前後方向に沿って重心を適正な位置へ変動させることを特徴とする請求項１１乃至１７のいずれか１に記載の自動姿勢制御方法。
19. 前記ペイロードとしては、前記飛行体の構成部材又は構成部品を兼用して用いることを特徴とする請求項１１乃至１７のいずれか１に記載の自動姿勢制御方法。
20. 前記ペイロードは、電源としてのバッテリを含むことを特徴とする請求項１９記載の自動姿勢制御方法。
21. コンピュータに請求項１１乃至２０のうちいずれか１に記載の自動姿勢制御方法を実行させることを特徴とする自動姿勢制御プログラム。

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