DE60302969T2 - Unbemannter Hubschrauber und Abhebeverfahren für einen unbemannten Hubschrauber - Google Patents

Unbemannter Hubschrauber und Abhebeverfahren für einen unbemannten Hubschrauber Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich auf einen unbemannten Helikopter und ein Abhebeverfahren für einen unbemannten Helikopter.
  • Gegenwärtig werden viele Techniken, einen unbemannten Helikopter selbständig fliegen zu lassen, in verschiedenen industriellen Gebieten entwickelt. Beispielsweise wird ein Flugsteuerungssystem vorgeschlagen, bei dem ein vorbestimmter Steuerbefehl von einem am Boden installierten PC über einen vorbestimmten Sender an einen in ein Flugwerk eingebauten Mikrocomputer übertragen wird, und der Mikrocomputer eine Antriebssteuerung für einen Rotor und ein Seitenruder des Flugwerks auf Grundlage des Steuerbefehls durchführt, wodurch ein selbständiger Flug möglich wird (siehe beispielsweise die ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2000-118498 (Seite 1, 1)).
  • Jedoch ist bei dem Flugsteuerungssystem des zuvor erwähnten verwandten Stands der Technik ein Funkfernsteuerungsvorgang beim Abheben oder Landen eines Flugwerks durch ein Mitglied des Bodenpersonals erforderlich; ein Flugsteuerungssystem zum Durchführen eines vom Start bis zur Landung vollkommen selbständigen Fluges ist zum aktuellen Stand der Dinge noch nicht in tatsächlichem Gebrauch.
  • Der Grund dafür, dass eine automatische Start- und Landesteuerung für ein Flugwerk nicht in die Tat umgesetzt wurde, besteht in den folgenden technischen und praktischen Problemen:
    Ein technisches Problem, das mit dem Abheben zu tun hat, wird nun erläutert. Da die Fluglage eines Flugwerks, also der Winkel zur Flugrichtung, in einem Aufsetzstadium unausgeglichen ist, muss die Fluglage sobald wie möglich gleich nach dem Abheben aus geglichen werden. Für gewöhnlich ist das Flugwerk so ausgelegt, dass seine Fluglage ohne Lagesteuerung fast stabil wird, und somit die Fluglage des Flugwerks gleich nach dem Abheben nicht schnell instabil wird. Jedoch kann es sein, dass sich das Flugwerk gleichzeitig mit dem Abheben aufgrund eines leichten Ungleichgewichts der Fluglage in einer seitlichen Richtung zu bewegen beginnt. Dabei kann das Flugwerk, wenn sich eine Fußplatte im Boden verfängt, in manchen Fällen schlingern. Um eine solche Situation zu vermeiden, muss das Flugwerk aufsteigen und so schnell wie möglich vom Boden weggebracht werden, während die Fluglage des Flugwerks gleich nach dem Abheben stabilisiert wird.
  • Um das Flugwerk aufsteigen zu lassen, muss der gemeinsame Blattneigungswinkel, also die nicht periodische Steigungssteuerung, so verändert werden, dass der Schub eines Hauptrotors gesteuert wird. Bislang wurde zur Steuerung des Schubs des Hauptrotors, wie in 3 gezeigt, eine Höhensteuerungsregel zum Erfassen und Rückmelden der Höhe und zum Verändern des gemeinsamen Blattneigungswinkels auf Grundlage der Abweichung zwischen der Höhe und einem vorbestimmten Höhenbefehl (Zielhöhe) übernommen. Ein gemeinsamer Blattneigungswinkelbefehl, der den Hauptrotor dazu veranlassen soll, den Schub zu erzeugen, um das Gewicht des Flugwerks zu tragen, wird in 3 von einem Integrator (nicht gezeigt), usw., der Höhensteuerungsregel berechnet.
  • Jedoch ist es im Höhensteuerungsregelsystem geläufige Praxis, den Integrationsgewinn zu Zwecken der Stabilisierung des Steuersystems auf einen geringen Wert einzustellen. Somit wird beim Anlaufen der Steuerung des Schubs des Hauptrotors, wenn der Anfangswert des Integrators (nicht gezeigt) in der Höhensteuerungsregel von 3 auf Null voreingestellt ist, Zeit gebraucht, bis sich ein Gleichgewicht zwischen dem Schub des Hauptrotors und dem Gewicht des Flugwerks einstellt.
  • Das heißt, wenn die Höhensteuerungsregel im verwandten Stand der Technik übernommen wird, um den Schub des Hauptrotors zu steuern, kann das Flugwerk nicht schnell vom Boden weggebracht werden, und deshalb hält ein instabiler Zustand in der Nähe des Bodens, bevor sich die Fluglage des Flugwerks stabilisiert, eine gewisse Zeit lang an; und das stellt ein Sicherheitsproblem dar.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein sicheres, automatisches Abheben zu bewerkstelligen und eine Kostenzunahme zu unterdrücken, um ein Steuersystem in einen unbemannten Helikopter einzubauen, um einen selbständigen Flug durchzuführen, ohne irgendeinen Bedienungsbefehl vom Boden zu benötigen.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Abhebeverfahren für einen unbemannten Helikopter bereitzustellen, um ein sicheres, automatisches Abheben zu bewerkstelligen.
  • Dazu wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung ein unbemannter Helikopter zum selbständigen Durchführen eines Flugs bereitgestellt, wobei der unbemannte Helikopter umfasst: eine Höhensteuerungsvorrichtung, um einen Befehl für einen gemeinsamen Rotorblattneigungswinkel basierend auf der Abweichung zwischen einer rückgemeldeten Höhe und einem Höhenbefehl, und der Abweichung zwischen einer rückgemeldeten Steigungsrate und einem Steigungsratenbefehl zu geben; eine Positionssteuerungsvorrichtung, um eine Positionssteuerung basierend auf der Abweichung zwischen einer rückgemeldeten Position und einem Positionsbefehl im Hinblick auf eine horizontale Position, und der Abweichung zwischen einer rückgemeldeten Geschwindigkeit und einem Geschwindigkeitsbefehl durchzuführen; eine Fluglagensteuerungsvorrichtung, um eine Fluglagensteuerung für ein Flugwerk durchzuführen, um den unbemannten Helikopter basierend auf der Abweichung zwischen einem rückgemeldeten Fluglagenwinkel und einem Fluglagenwinkelbefehl selbständig fliegen zu lassen; und eine Abhebevorrichtung, um bei Empfang eines Abhebestartbefehls vom Boden das Flugwerk dazu zu veranlassen, abzuheben und das Flugwerk auf eine erste Höhe steigen zu lassen, wobei der gemeinsame Rotorblattneigungswinkel vergrößert wird, ohne dass die Höhensteuerung der Höhensteuerungsvorrichtung durchgeführt wird, und dann die Höhensteuerungsvorrichtung dazu zu veranlassen, mit der Höhensteuerung zu beginnen.
  • Wie im ersten Aspekt nach der Erfindung umfasst der Helikopter die Abhebevorrichtung, um bei Empfang eines Abhebestartbefehls vom Boden das Flugwerk dazu zu veranlassen, abzuheben und das Flugwerk auf eine erste Höhe steigen zu lassen, wobei der gemeinsame Rotorblattneigungswinkel vergrößert wird, ohne dass die Höhensteuerung der Höhensteuerungsvorrichtung durchgeführt wird, und dann die Höhensteuerungsvorrichtung dazu zu veranlassen, mit der Höhensteuerung zu beginnen, so dass das Flugwerk schnell vom Boden weggebracht werden kann. Somit kann ein Anhalten eines instabilen Zustands während einer bestimmten Zeit in der Nähe des Bodens, bevor sich die Fluglage des Flugwerks stabilisiert, umgangen und die Sicherheit zum Abhebezeitpunkt sichergestellt werden. Darüber hinaus steuert die Abhebevorrichtung die Betätigungszeiteinstellung der vorstehend verwendeten Höhensteuerungsvorrichtung, so dass die Softwarekonfiguration vergleichsweise einfach ist. In der Folge kann eine Zunahme beim Flugwerkpreis unterdrückt werden.
  • In ihrem zweiten Aspekt ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass bei dem unbemannten Helikopter wie im ersten Aspekt die Abhebevorrichtung die Positionssteuerung und die Fluglagensteuerung unterdrückt, wenn das Flugwerk auf die erste Höhe steigen gelassen wird.
  • Nach dem zweiten Aspekt der Erfindung unterdrückt die Abhebevorrichtung die Positions- und Fluglagensteuerung, wenn das Flugwerk auf die erste Höhe steigen gelassen wird. Wenn das Flugwerk im Aufsetzstadium durch die Reibung zwischen der Fußplatte und dem Boden zurückgehalten wird und den Fluglagensteuerungsbefehl nicht befolgen kann, kann verhindert werden, dass ein Übersteuerungsbefehl ausgegeben wird, der bewirkt, dass das Flugwerk umkippt.
  • Nach dem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Abhebeverfahren für einen unbemannten Helikopter bereitgestellt, das einen ersten Steigeschritt des Steigens auf eine erste Höhe umfasst, während gleichzeitig eine Steigungsrate ohne Durchführung einer Höhensteuerung erhöht wird; und einen zweiten Steigeschritt des Steigens, während eine Höhensteuerung ab der ersten Höhe durchgeführt wird.
  • Nach dem dritten Aspekt der Erfindung umfasst das Abhebeverfahren den ersten Steigeschritt des Steigens auf die erste Höhe, während gleichzeitig die Steigungsrate ohne Durchführung einer Höhensteuerung erhöht wird, so dass das Flugwerk schnell vom Boden weggebracht wird. Somit kann ein Anhalten eines instabilen Zustands während einer bestimmten Zeit in der Nähe des Bodens, bevor sich die Fluglage des Flugwerks stabilisiert, umgangen und die Sicherheit zum Abhebezeitpunkt sichergestellt werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Blockschema, das die Konfiguration eine Flugsteuerungssystems nach einer Ausführungsform der Erfindung beschreiben soll;
  • 2 ist eine Schemazeichnung, die die Konfiguration eines unbemannten Helikopters im Flugsteuerungssystem nach der Ausführungsform der Erfindung beschreiben soll;
  • 3 ist ein Blockschema, das die Höhen-, Positions- und Fluglagensteuerung des unbemannten Helikopters im Flugsteuerungssystem nach der Ausführungsform der Erfindung beschreiben soll;
  • 4 ist eine schematische Darstellung, die die automatische Abhebesteuerung beschreiben soll, um den automatischen Abhebevorgang des unbemannten Helikopters im Flugsteuerungssystem nach der Ausführungsform der Erfindung zu bewerkstelligen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Nun ist mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
  • In der Ausführungsform wird ein Flugsteuerungssystem mit einem erfindungsgemäßen, unbemannten Helikopter erläutert. Zunächst wird in Verbindung mit 1 und 2 die Konfiguration eines Flugsteuerungssystems 1 nach der Ausführung erläutert. 1 ist ein Blockschema, das die Konfiguration eines Flugsteuerungssystems 1 beschreiben soll. 2 ist eine Schemazeichnung, die die Konfiguration eines unbemannten Helikopters 20 im Flugsteuerungssystem 1 beschreiben soll.
  • Das Flugsteuerungssystem 1 nach der Ausführung umfasst ein Bodensystem, das aus einer Basisstation 10 und einer am Boden und am unbemannten Helikopter 20 installierten Funksteuerungsvorrichtung 14 besteht und eine Flugbetriebssteuerung des unbemannten Helikopters 20 auf Grundlage eines vorbestimmten Steuerbefehls durchführt, der von der Funksteuerungsvorrichtung 14 übertragen wird.
  • Die Basisstation 10 umfasst einen GPS-Basisstationsempfänger 11, um ein Signal von einem GPS-Satelliten (GPS – Global Positioning System) zu empfangen, einen Personalcomputer (PC) 12 mit einem Monitor, um den GPS-Empfangszustand anzuzeigen, und eine Basisstationsfunkübertragungseinheit 13, um Differenzdaten des GPS zum unbemannten Helikopter 20 zu übertragen, wie in 1 gezeigt ist. Die Funksteuerungsvorrichtung 14 überträgt einen durch eine Bedienperson eingegebenen Steuerbefehl, wie etwa einen Abhebebefehl, an den unbemannten Helikopter 20.
  • Der unbemannte Helikopter 20 umfasst eine Flugsteuerungseinrichtung 21, um eine Antriebssteuerung für einen Rotor, usw. eines Flugwerks durchzuführen, um den unbemannten Helikopter 20 auf Grundlage eines Steuerbefehls vom Boden und eines zuvor abgespeicherten Steuerbefehls selbständig fliegen zu lassen, einen GPS-Flugwerksempfänger 22, um ein Signal von einem GPS-Satelliten zu empfangen und die Position, Geschwindigkeit, Höhe, usw. des Flugwerks zu erfassen, einen Trägheitssensor 23, um die Fluglage, also den Winkel zur Flugrichtung, und die Winkelgeschwindigkeit des Flugwerks zu erfassen, einen magnetischen Peilsensor 24, um die magnetische Peilung des Flugwerks zu erfassen, eine Flugwerksfunkübertragungseinheit 25, um verschiedene Daten des GPS zu empfangen, die von der Basisstationsfunkübertragungseinheit 13 übertragen werden, einen Befehlsempfänger 26, um einen Abhebestartbefehl, usw. zu empfangen, der von der Funksteuerungsvorrichtung 14 übertragen wird, einen Motor 27, einen Rotor 28, ein Warnlicht 29, usw., wie in den 1 und 2 gezeigt ist.
  • Die Flugsteuerungseinrichtung 21 ist ein Mikrocomputer mit einer Arithmetikprozessorschaltung, einem Speicher, der verschiedene Steuerprogramme und verschiedene Daten abgespeichert hat, die zur Flugsteuerung und dergleichen erforderlich sind; sie führt eine Antriebssteuerung für den Motor 27 durch, wodurch der Rotor 28 zum Herstellen eines Aufwärtsschubs in Drehung versetzt wird, um das Flugwerk nach oben und unten zu bewegen.
  • Der GPS-Flugwerksempfänger 22, der Trägheitssensor 23, der magnetische Peilsensor 24 und der Befehlsempfänger 26 sind, wie in 1 gezeigt, mit der Flugsteuerungseinrichtung 21 verbunden. Die Flugsteuerungseinrichtung 21 steuert den gemeinsamen oder nicht periodischen Blattneigungswinkel und den zyklischen oder periodischen Blattneigungswinkel des Rotors 28, um eine vorbestimmte Flugsteuerung auf Grundlage verschiedener Daten zu bewerkstelligen, die durch den GPS-Flugwerksempfänger 22, den Trägheitssensor 23 und den magnetischen Peilsensor 24 erfasst werden.
  • Der GPS-Flugwerksempfänger 22 empfängt über eine GPS-Antenne 22a ein Signal von einem GPS-Satelliten und berechnet Positionsdaten. Die Flugwerksfunkübertragungseinheit 25 empfängt Differenzdaten usw. von der Basisstationsfunkübertragungseinheit 13 über eine Antenne 25a der Funkübertragungseinheit. Die Differenzdaten werden dazu verwendet, die durch den GPS-Empfänger 22 des Flugwerks berechneten Positionsdaten zu berichtigen. Der Befehlsempfänger 26 empfängt über eine Befehlsempfangsantenne 26a einen Abhebebefehl, usw., von der Funksteuerungsvorrichtung 14. Das am Flugwerk eingebaute Warnlicht 29 blinkt nach einem voreingestellten Blinkmuster, wodurch die Bedienperson über den Flugwerkzustand informiert wird.
  • Ein vorbestimmter Steuerbefehl, der von der Funksteuerungsvorrichtung 14 der Basisstation 10 gesendet wird, wird über die Befehlsempfangsantenne 26a und den Befehlsempfänger 26 an die Flugsteuerungseinrichtung 21 übertragen, die dann auf Grundlage des Steuerbefehls eine vorbestimmte Flugsteuerung durchführt, wodurch der unbemannte Helikopter 20 ferngesteuert werden kann.
  • Als Nächstes wird die automatische Flugsteuerungsfunktion der Flugsteuerungseinrichtung 21 für den unbemannten Helikopter 20 in Zusammenhang mit 3 erläutert. 3 ist ein Blockschema, das die Höhen-, Positions- und Fluglagensteuerung des Flugwerks beschreiben soll. Die Höhen-, Positions- und Fluglagensteuerung wird zum Abhebezeitpunkt des unbemannten Helikopters 20, während der selbständigen Flugzeit basierend auf vorbestimmten Flugmusterdaten, und zum Landezeitpunkt angewendet, aber ein Teil der Steuerung wird beim automatischen Start- und Landesteuerungsvorgang unterdrückt, wie später noch beschrieben wird.
  • <Höhensteuerung>
  • Zunächst wird die Höhensteuerung erläutert. Im Speicher der Flugsteuerungseinrichtung 21 ist ein Höhensteuerungsprogramm zum Durchführen der Höhensteuerung abgespeichert. Wenn die Arithmetikprozessorschaltung der Flugsteuerungseinrichtung 21 das Höhensteuerungsprogramm ausführt, werden die Abweichung zwischen der Flugwerkshöhe, die vom GPS-Flugwerksempfänger 22 erfasst und rückgemeldet wird, und eines Höhenbefehls (Höhenabweichung), der Integrationswert der Höhenabweichung, und die Abweichung zwischen der rückgemeldeten Flugwerkshöhenveränderungsrate und einem Höhenänderungsratenbefehl berechnet, die Berechnungswerte mit einer vorbestimmten Verstärkung multipliziert und die Ergebnisse addiert, wodurch ein gemeinsamer Rotorblattneigungswinkelbefehl für das Flugwerk berechnet wird. Dieser gemeinsame Rotorblattneigungswinkelbefehl ist in der Erfindung ein Rotorblattneigungswinkelbefehl.
  • Der gemeinsame Rotorblattneigungswinkel wird in einem Rotorblattantriebsstellglied auf Grundlage des gemeinsamen Rotorblattneigungswinkelbefehls gesteuert, wodurch die Höhensteuerung des Flugwerks durchgeführt werden kann. Das heißt, das Höhensteuerungsprogramm und die Arithmetikprozessorschaltung der Flugsteuerungseinrichtung 21 stellen in der Erfindung eine Höhensteuerungsvorrichtung bereit.
  • In der Ausführungsform wird ein voreingestellter Höhenänderungsratenbefehl durch den Integrator zur Berechnung eines Höhenbefehls integriert, wodurch, wie in 3 gezeigt, eine kontinuierliche und glatt verlaufende Höhensteuerung durchgeführt wird. Der Höhenänderungsratenbefehl ist in der Ausführungsform zum Abhebezeitpunkt auf einen konstanten Wert eingestellt, im automatischen Flugmodus auf einen Wert, der auf Grundlage der vorbestimmten Flugmusterdaten eingestellt ist, und auf einen schrittweise abnehmenden Wert entsprechend den Höhendaten zum Landezeitpunkt. Die Einstellung der Höhenänderungsratenbefehle zum Start- und Landezeitpunkt wird später noch im Einzelnen beschrieben.
  • <Positions- und Fluglagensteuerung>
  • Als Nächstes wird die Positions- und Fluglagensteuerung erläutert. Im Speicher der Flugsteuerungseinrichtung 21 ist ein Positionssteuerungsprogramm zum Durchführen der Positionssteuerung abgespeichert. Wenn die Arithmetikprozessorschaltung der Flugsteuerungseinrichtung 21 das Positionssteuerungsprogramm ausführt, werden die Abweichung zwischen der vom GPS-Flugwerksempfänger 22 erfassten und rückgemeldeten Flugwerksposition und der Zielposition (Positionsabweichung), und der Integrationswert der Positionsabweichung berechnet, die Berechnungswerte mit einer vorbestimmten Verstärkung multipliziert und die Ergebnisse addiert, wodurch ein Geschwindigkeitsbefehl in einem terrestrischen Koordinatensystem berechnet wird. Dieser Geschwindigkeitsbefehl im terrestrischen Koordinatensystem wird zu einem Geschwindigkeitsbefehl in einem Flugwerkskoordinatensystem umgesetzt, und die Abweichung zwischen der rückgemeldeten Flugwerksgeschwindigkeit und dem Geschwindigkeitsbefehl im Flugwerkskoordinatensystem wird mit einer vorbestimmten Verstärkung multipliziert, um Flugwerksfluglagenwinkelbefehle (Steigungswinkelbefehl und Rollwinkelbefehl) zu berechnen. Der durch den magnetischen Peilsensor 24 erfasste Flugwerkspeilwinkel wird zur Koordinatenumsetzung von den terrestrischen Koordinaten zu den Flugwerkskoordinaten verwendet.
  • In der Flugsteuerungseinrichtung 21 ist ein Fluglagensteuerungsprogramm zur Durchführung der Fluglagensteuerung abgespeichert. Wenn die Arithmetikprozessorschaltung der Fluglagensteuerungseinrichtung 21 das Fluglagensteuerungsprogramm ausführt, werden die Abweichung zwischen den vom Trägheitssensor 23 erfassten und rückgemeldeten Flugwerksfluglagenwinkeln (Steigungs- und Rollwinkel) und die durch das Positionssteuerungsprogramm (Fluglagenwinkelabweichungen) berechneten Fluglagenwinkelbefehle, und der Integrationswert der Fluglagenwinkelabweichung berechnet, die Berechnungswerte mit einer vorbestimmten Verstärkung multipliziert, und die Ergebnisse addiert. Dann wird die rückgemeldete Flugwerksfluglagenwinkelgeschwindigkeit vom Additionsergebnis abgezogen, um einen zyklischen Blattneigungswinkelbefehl für das Flugwerk zu berechnen.
  • Der zyklische Rotorblattneigungswinkel in der Längsrichtung und der zyklische Rotorblattneigungswinkel in der Seitenrichtung werden im Rotorblattwinkelantriebsstellglied auf Grundlage des zyklischen Rotorblattwinkelbefehls gesteuert, wodurch die Positions- und Fluglagensteuerung des Flugwerks durchgeführt werden kann. Das heißt, das Positionssteuerungsprogramm, das Fluglagensteuerungsprogramm und die Arithmetikprozessorschaltung der Flugsteuerungseinrichtung 21 stellen in der Erfindung eine Positions- und Fluglagensteuerungsvorrichtung bereit.
  • Im Flugsteuerungssystem 1 nach der Ausführungsform kann eine Sicherungsfernsteuerung durchgeführt werden. Das heißt, wenn die Flugsteuerungseinrichtung 21, usw., ausfällt, oder um einen Geschwindigkeitsbefehl zu ändern, kann die Bedienperson einen vorbestimmten Sicherungsgeschwindigkeitsbefehl von der Funksteuerungsvorrichtung 14 aus senden, um einen Fluglagenwinkel zu berechnen (siehe 3).
  • Als Nächstes wird die automatische Abhebesteuerungsfunktion der Flugsteuerungseinrichtung 21 des unbemannten Helikopters 20 im Flugsteuerungssystem 1 nach der Ausführungsform mit Bezug auf 4 erläutert. 4 ist eine schematische Darstellung, die eine automatische Abhebesteuerung zum Durchführen des automatischen Abhebevorgangs des Flugwerks beschreiben soll.
  • <Automatische Abhebesteuerung>
  • Zunächst wird die automatische Abhebesteuerung erläutert. Ein Abhebesteuerungsprogramm zum Durchführen eines vorbestimmten automatischen Abhebevorgangs ist im Speicher der Flugsteuerungseinrichtung 21 abgespeichert. Beim Empfang eines Abhebestartbefehls von der Funksteuerungsvorrichtung 14 führt die Arithmetikprozessorschaltung der Flugsteuerungseinrichtung 21 das Abhebesteuerungsrogramm aus. Während der gemeinsame Rotorblattneigungswinkelbefehl mit einer konstanten Rate verstärkt wird, wodurch die Steigungsrate (Höhenänderungsrate) erhöht wird, veranlasst des Abhebesteuerungsprogramm das Flugwerk dazu, abzuheben, und lässt es auf eine vorbestimmte sichere Höhe steigen.
  • Die sichere Höhe, bei der es sich in der Erfindung um eine erste Höhe handelt, bezieht sich auf eine Höhe, in der das Flugwerk vollständig vom Boden weggebracht und es möglich ist, eine gewöhnliche Höhensteuerungsregel anzuwenden. Die sichere Höhe kann im Ansprechen auf das Gewicht des Flugwerks, die Wetterbedingungen, die Landebedingungen, usw., angemessen eingestellt werden; in der Ausführungsform ist eine Höhe von "mehreren 10 Zentimetern (bevorzugt 30–60 Zentimeter)", die von einem Differential-GPS (Höhen- und Positionsmessvorrichtung) sicher gemessen werden kann und tief genug ist, die sichere Höhe. Die Verstärkungsrate des gemeinsamen Rotorblattneigungswinkelbefehls durch das Abhebesteuerungsprogramm kann im Ansprechen auf das Gewicht des Flugwerks und die Wetterbedingungen angemessen eingestellt werden.
  • Wenn das Abhebesteuerungsprogramm ausgeführt wird, wird bewirkt, dass das Flugwerk abhebt und auf eine sichere Höhe ansteigen kann, während die Steigungsrate mit einer konstanten Rate so erhöht wird, dass das Flugwerk schnell vom Boden weggebracht werden kann. Somit kann ein Anhalten eines instabilen Zustands während einer bestimmten Zeit in der Nähe des Bodens, bevor sich die Fluglage des Flugwerks stabilisiert, umgangen und die Sicherheit zum Abhebezeitpunkt sichergestellt werden.
  • Das Abhebesteuerungsprogramm unterdrückt zeitweise die Verarbeitung des Positions- und Höhensteuerungsprogramms, während das Flugwerk auf die sichere Höhe steigt. Konkret ausgedrückt, wird der Eingang in den Integrator (nicht gezeigt) in der Positionssteuerungsregel von 3, wenn das Abhebesteuerungsprogramm ausgeführt wird, auf Null gesetzt, und auch der Eingang in den Integrator (nicht gezeigt) in der Fluglagensteuerungsregel von 3 wird auf Null gesetzt.
  • Wenn das Abhebesteuerungsprogramm ausgeführt wird, wird die Verarbeitung des Positions- und Fluglagensteuerungsprogramms zeitweise unterdrückt. Somit kann, wenn das Flugwerk im Aufsetzstadium durch die Reibung zwischen der Fußplatte und dem Boden zurückgehalten wird und den Fluglagensteuerungsbefehl nicht befolgen kann, verhindert werden, dass ein Übersteuerungsbefehl ausgegeben wird, der bewirkt, dass das Flugwerk umkippt.
  • Das Abhebesteuerungsprogramm und die Arithmetikprozessorschaltung der Flugsteuerungseinrichtung 21, die vorstehend beschrieben wurden, stellen in der Erfindung eine Abhebevorrichtung bereit. Der Schritt, das Flugwerk abheben und auf die sichere Höhe steigen zu lassen, während gleichzeitig die Steigungsrate mit einer konstanten Rate erhöht wird, indem das Abhebesteuerungsprogramm ausgeführt wird, ist ein erster Steigeschritt in der Erfindung.
  • Wird vom GPS-Empänger 22 des Flugwerks gemessen, dass das Flugwerk auf der sicheren Höhe ankommt, lässt die Arithmetikprozessorschaltung der Flugsteuerungseinrichtung 21 das Höhensteuerungsprogramm anlaufen, um dessen Verarbeitung zu starten, und lässt auch die Verarbeitung des Positions- und Fluglagensteuerungsprogramms wieder anlaufen, um eine Höhen-, Positions- und Fluglagensteuerung durchzuführen (siehe 4).
  • Wenn das Höhensteuerungsprogramm angelaufen ist, wird der Wert des gemeinsamen Rotorblattneigungswinkels, wenn das Flugwerk auf der sicheren Höhe ankommt, als Ausgangswert für den Integrator (nicht gezeigt) in der Höhensteuerungsregel von 3 verwendet. In der Ausführungsform ist der Höhenänderungsratenbefehl (Steigungsratenbefehl) in der Höhensteuerungsregel von 3 konstant ausgelegt. Darüber hinaus wird der Höhenänderungsratenbefehl durch den in 3 gezeigten Integrator integriert, um einen Höhenbefehl zu berechnen, und der Ausgangswert des Integrators ist die sichere Höhe (mehrere 10 cm).
  • Wenn das Höhensteuerungsprogramm ausgeführt wird, wird das Flugwerk auf eine vorbestimmte Zielsteigungshöhe steigen gelassen (siehe 4). Die Zielsteigungshöhe kann im Ansprechen auf das Flugmuster angemessen eingestellt werden. Der Steigeschritt des Flugwerks auf die Zielsteigungshöhe durch Ausführen des Höhensteuerungsprogramms ist ein zweiter Steigeschritt in der Erfindung. Ist das Flugwerk von der sicheren Höhe auf die Zielsteigungshöhe angestiegen, wird eine Positionssteuerung durchgeführt, um die horizontale Lage des Flugwerks zu dem Zeitpunkt zu halten, zu dem der Abhebestartbefehl eingeht.
  • Wenn das Flugwerk, wenn das Höhensteuerungsprogramm ausgeführt wird, auf der Zielsteigungshöhe ankommt, schwebt der Helikopter eine bestimmt Zeit lang und beginnt dann mit einem selbständigen Flug nach den zuvor im Speicher der Flugsteuerungseinrichtung 21 abgespeicherten Flugmusterdaten.
  • Als Nächstes wird der Arbeitsablauf der Bedienperson erläutert, um den automatischen Abhebesteuerungsvorgang des Flugsteuerungssystems 1 nach der Ausführungsform durchzuführen.
  • <Zum Abhebezeitpunkt>
  • Zunächst baut die Bedienperson eine Antenne des GPS-Empfängers 11 der Basisstation an einem Punkt auf, dessen genaue Koordinaten bekannt sind (bereits bekannter Koordinatenpunkt). Als Nächstes schaltet die Bedienperson den GPS-Empfänger 11 der Basisstation, den PC 12 und die Funkübertragungseinheit 13 der Basisstation ein, gibt dann die Koordinaten des bereits bekannten Koordinatenpunkts in den GPS-Empfänger 11 der Basisstation ein und lässt die GPS-Berechnung anlaufen. Anschließend beginnt die Bedienperson damit, Differenzdaten über die Funkübertragungseinheit 13 der Basisstation zu senden.
  • Dann stellt die Bedienperson den unbemannten Helikopter 20 auf einen vorbestimmten Abhebepunkt. Als Nächstes betätigt die Bedienperson einen im Flugwerk des Helikopters 20 eingebauten, vorbestimmten Schalter, um eingebaute maschinelle Einrichtungen einzuschalten. Die Bedienperson wartet, bis eine Datenübertragung von Differenzdaten zwischen dem GPS-Empfänger 22 des Flugwerks und dem GPS-Empfänger 11 der Basisstation hergestellt und im GPS-Empfänger 22 des Flugwerks die GPS-Berechnung angelaufen ist. Neben diesem beschriebenen Arbeitsvorgang startet die Bedienperson den Motor 27 des unbemannten Helikopters 20 und lässt nötigenfalls den Motor 27 warmlaufen. Anschließend gibt die Bedienperson einen Abhebestartbefehl ein, indem sie einen Schalter der Funksteuervorrichtung 14 betätigt. Ist der beschriebene Vorgang durchgeführt, wird der vorstehend beschriebene automatische Abhebesteuerungsvorgang durch die Flugsteuerungseinrichtung 21 des unbemannten Helikopters ausgeführt.
  • Das im unbemannten Helikopter 20 installierte Abhebesteuerungsprogramm steuert die Betriebszeiteinstellungen der vorstehend erwähnten Höhen-, Positions- und Fluglagensteuerungsprogramme und das Verhalten der Integratoren, so dass die Softwarekonfiguration vergleichsweise einfach ist. Es müssen keine speziellen hochpräzisen Sensoren zum Messen der Höhe und der Sinkgeschwindigkeit in der Nähe des Bodens in das Flugwerk eingebaut werden, und es kann ein handelübliches, universales Differential-GPS eingebaut werden, um die Sinkgeschwindigkeit zum Landezeitpunkt auf eine ausreichend niedrige Geschwindigkeit zu regeln. In der Folge kann eine Zunahme beim Flugwerkpreis unterdrückt werden.

Claims (4)

  1. Unbemannter Helikopter zum selbständigen Durchführen eines Flugs, wobei der unbemannte Helikopter umfasst: eine Höhensteuerungsvorrichtung, um einen Befehl für einen gemeinsamen Rotorblattneigungswinkel basierend auf der Abweichung zwischen einer rückgemeldeten Höhe und einem Höhenbefehl, und der Abweichung zwischen einer rückgemeldeten Steigungsrate und einem Steigungsratenbefehl zu geben; eine Positionssteuerungsvorrichtung, um eine Positionssteuerung basierend auf der Abweichung zwischen einer rückgemeldeten Position und einem Positionsbefehl im Hinblick auf eine horizontale Position, und der Abweichung zwischen einer rückgemeldeten Geschwindigkeit und einem Geschwindigkeitsbefehl durchzuführen; eine Fluglagensteuerungsvorrichtung, um eine Fluglagensteuerung für ein Flugwerk durchzuführen, um den unbemannten Helikopter basierend auf der Abweichung zwischen einem rückgemeldeten Fluglagenwinkel und einem Fluglagenwinkelbefehl selbständig fliegen zu lassen; und eine Abhebevorrichtung, um bei Empfang eines Abhebestartbefehls vom Boden das Flugwerk dazu zu veranlassen, abzuheben und das Flugwerk auf eine erste Höhe steigen zu lassen, wobei der gemeinsame Rotorblattneigungswinkel vergrößert wird, ohne dass die Höhensteuerung der Höhensteuerungsvorrichtung durchgeführt wird, und dann die Höhensteuerungsvorrichtung dazu zu veranlassen, mit der Höhensteuerung zu beginnen.
  2. Unbemannter Helikopter nach Anspruch 1, wobei die Abhebevorrichtung die Positionssteuerung und die Fluglagensteuerung unterdrückt, wenn das Flugwerk auf die erste Höhe steigen gelassen wird.
  3. Abhebeverfahren für einen unbemannten Helikopter, umfassend: einen ersten Steigeschritt des Steigens auf eine erste Höhe, während gleichzeitig eine Steigungsrate ohne Durchführung einer Höhensteuerung erhöht wird; und einen zweiten Steigeschritt des Steigens, während eine Höhensteuerung ab der ersten Höhe durchgeführt wird.
  4. Abhebeverfahren nach Anspruch 3, für einen unbemannten Helikopter, wobei eine Positionssteuerung eines Flugwerks auf einer horizontalen Ebene und eine Fluglagensteuerung des Flugwerks im ersten Steigeschritt unterdrückt werden.
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