JP2004359002A - 無人ヘリコプターの自立制御方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、ＧＰＳ速度・位置データと加速度等の各センサーからのデータとを用いてハイブリッド計算することによって高精度の自立制御を行うことを目的とする。
【解決手段】本発明による無人ヘリコプターの自立制御方法及び装置は、ＧＰＳ装置（１２）からのＧＰＳ速度データ（１２ａ）及びＧＰＳ位置データ（１２ｂ）を用いたハイブリッド計算により、姿勢角（２０）、速度（２１）、方位角（５３）及び位置（６３）を算出し、誤差の少ない自立制御を行う構成と方法である。
【選択図】 図２
【解決手段】本発明による無人ヘリコプターの自立制御方法及び装置は、ＧＰＳ装置（１２）からのＧＰＳ速度データ（１２ａ）及びＧＰＳ位置データ（１２ｂ）を用いたハイブリッド計算により、姿勢角（２０）、速度（２１）、方位角（５３）及び位置（６３）を算出し、誤差の少ない自立制御を行う構成と方法である。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無人ヘリコプターの自立制御方法及び装置に関し、特に、ＧＰＳ装置からのＧＰＳ速度データ及びＧＰＳ位置データを用いたハイブリッド計算により、姿勢角、速度、方位角及び位置を算出し、誤差の少ない高精度の制御を行うための新規な改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、用いられていたこの種の無人ヘリコプターは、農薬散布、空中撮影、気象情報採取等の広い分野に使用されているが、その機体の制御には、角速度センサー、加速度センサー、ＧＰＳ装置及び方位計を用いて行っていたが、社内製作であるため、その制御方法についてはこれを開示する特許文献は特に存在していない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の無人ヘリコプターは、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、無人ヘリコプターは非常に不安定な飛行体であり、ホバーリングを行うにも熟達した操作者の微妙な操作を必要としている。この操作を補助するために角速度センサー、加速度センサー、ＧＰＳ受信機等を使用して補助制御装置としているが、各センサーには以下の様なデメリットがあった。
（１）角速度センサー
応答性能がよいため角速度制御を行うためには使用可能であるが、積分して姿勢角制御に使用するためには角速度センサーのバイアイ値が積分され、時間とともに誤差が増大するために使用することが出来なかった。
（２）加速度センサー
地球の重力を検出することにより姿勢角制御を行うことは可能であるが、装置が加減速すると印加される加速度により誤差となることがあった。
（３）ＧＰＳ装置
位置データ誤差が時間とともに増加することはないが、瞬間的に数ｍの誤差が出力されることがあった。また、ＧＰＳ位置データの更新は早いもので１０Ｈｚ程度であり、無人ヘリコプターを制御するためには、応答性がなかった。
（４）方位計
方位角誤差が時間とともに増加することはないが、応答性がわるいため、方位角を制御することは出来なかった。
【０００４】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、ＧＰＳ装置からのＧＰＳ速度データ及びＧＰＳ位置データを用いたハイブリッド計算により、姿勢角、速度、方位角及び位置を算出し、誤差の少ない高精度の制御を行うようにした無人ヘリコプターの自立制御方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による無人ヘリコプターの自立制御方法は、角速度センサーからの角速度、加速度センサーからの加速度、ＧＰＳ装置からのＧＰＳ位置・速度データ及び方位計からの機首方位角をミキシングユニットに入力して得る制御指令により、無人ヘリコプターの制御サーボモータを制御するようにした無人ヘリコプターの自立制御方法において、前記角速度、加速度及び前記ＧＰＳ装置からのＧＰＳ速度データを用いて姿勢角及び速度を算出する姿勢角・速度算出工程と、前記角速度、前記姿勢角・速度算出工程で得た前記姿勢角及び前記機首方位角を用いて方位角を算出する方位角算出工程と、前記速度、方位角及び前記ＧＰＳ装置からのＧＰＳ位置データを用いて位置を算出する位置算出工程と、よりなり、前記角速度、加速度、姿勢角、速度、方位角及び位置を前記ミキシングユニットに入力して前記制御指令を得る方法であり、また、本発明による無人ヘリコプターの自立制御装置は、角速度センサーからの角速度、加速度センサーからの加速度、ＧＰＳ装置からのＧＰＳ位置・速度データ及び方位計からの機首方位角をミキシングユニットに入力して得る制御指令により、無人ヘリコプターの制御サーボモータを制御するようにした無人ヘリコプターの自立制御方法において、前記角速度、加速度及び前記ＧＰＳ装置からのＧＰＳ速度データを用いて姿勢角及び速度を算出し、前記角速度、姿勢角及び機首方位角を用いて方位角を算出し、前記速度、方位角及び前記ＧＰＳ装置からのＧＰＳ位置データを用いて位置を算出し、前記角速度、加速度、姿勢角、速度、方位角及び位置を前記ミキシングユニットに入力して前記制御指令を得るようにした構成である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による無人ヘリコプターの自立制御方法及び装置の好適な実施の形態について説明する。
図１は本発明における全体のシステムを概略的に示すシステム構成図である。
図１において符号１で示されるものは、無人ヘリコプター２の制御を行う制御サーボモータ３の制御用の制御指令４を生成するためのミキシングユニットである。
【０００７】
前記ミキシングユニット１には、この無人ヘリコプター２に搭載された角速度センサー１０、加速度センサー１１、ＧＰＳ装置１２、方位計１３からの角速度１０ａ、加速度１１ａ、ＧＰＳ速度データ１２ａ、ＧＰＳ位置データ１２ｂ及び機首方位角１３ａが入力されている。
【０００８】
前述の構成において、姿勢角・速度算出を行う場合、図２に示されるように、前記角速度１０ａ及び加速度１１ａより姿勢角２０を算出する。この場合、機体の加減速による加速度１１ａの誤差の影響を少なくするために前記ＧＰＳ速度データ１２ａを用いる。
【０００９】
図２は前述の姿勢角２０と速度２１を算出するための姿勢角・速度算出フィルターの構成を示している。
すなわち、Ｘ軸及びＹ軸の２軸から構成され、水平加速度εＡｃｘ、εＡｃｙからなる加速度１１ａは各第１減算器３０、各積分器３１を経て各第２減算器３２でＧＰＳ速度データ１２ａが印加され、各第３減算器３３においてωｘ、ωｙからなる角速度１０ａが印加されて各積分器３３を経て二軸の姿勢角２０が得られる。
【００１０】
また、前記姿勢角２０は、地球重力加速度Ｇを介して各第１減算器３０に帰還され、各第２減算器３２の後段側がフィルター時定数Ｋ１を介して各第１減算器３０に帰還されている。
従って、姿勢角２０及び速度２１は、ＧＰＳ装置１２からのＧＰＳ速度データ１２ａを取り込んでハイブリッド算出することにより、時間と共に誤差が増大することなく無人ヘリコプター２の制御に十分な応答性能を得ることができる。また、速度２１のデータも、ＧＰＳ装置１２からのデータの誤差からくる瞬間的な速度誤差の発生もなくなる。
【００１１】
図３は方位角算出フィルターであり、方位計１３からの機首方位角１３ａが第４減算器５０及び方位角算出フィルター時定数Ｋｈを経て水平面角速度ωｚである角速度１０ａが入力される第５減算器５１に入力され、積分器５２を経て方位角５３が得られる構成で、実際には、前記角速度１０ａ、前記姿勢角２０及び前記機首方位角１３ａをハイブリッド算出することによって前記方位角５３が得られる。
【００１２】
次に、図４は、位置算出フィルターであり、前記速度２１が積分器６０、時定数回路６１、第６減算器６２を介して位置６３が得られる。前記積分器６０後の信号は、ＧＰＳ位置データ１２ｂが入力される第７減算器６４及び時定数回路６５を介して前記第６減算器６２に入力されることにより、前記ＧＰＳ位置データ１２ｂを用いたハイブリッド算出により、時間と共に増大する誤差をなくすことができる。
【００１３】
従って、前述の角速度１０ａ、加速度１１ａ、姿勢角２０、速度２１、方位角５３及び位置６３の各データを前記ミキシングユニット１に入力して、前記制御指令４を得ることができる。
【００１４】
尚、図５は無人ヘリコプター２の基本制御を示すもので、無人ヘリコプター２に対して、目的位置Ｐ０、目的速度Ｖ０、目的角速度ω０、目的加速度Ａ０が設定されて入力されると、ダンピング時定数ＴＰ１、ＴＰ２、ＴＶ１、ＴＶ２、Ｔω、ＴＡ及び制御パラメータＫＰ、ＫＶを用いて基準制御信号１００を減算器１０１で処理することにより、無人ヘリコプター２は制御されており、この制御システムにおいて前記制御指令４による制御が行われる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明による無人ヘリコプターの自立制御方法及び装置は、以上のように構成されているため、次の効果を得ることができる。
すなわち、ＧＰＳ装置からのＧＰＳ速度データ及びＧＰＳ位置データを用いたハイブリッド計算により、姿勢角、速度、方位角及び位置を算出し、ＧＰＳデータの誤差からくる瞬間的な速度誤差も発生させることはなく、より高精度の無人ヘリコプターの自立制御ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による無人ヘリコプターの自立制御装置を示すブロック図である。
【図２】図１のミキシングユニット内の姿勢角・速度算出フィルターを示す構成図である。
【図３】図１のミキシングユニット内の方位角算出フィルターを示す構成図である。
【図４】図１のミキシングユニット内の位置算出フィルターを示す構成図である。
【図５】本発明の無人ヘリコプターの制御ブロック図である。
【符号の説明】
１ ミキシングユニット
２ 無人ヘリコプター
３ 制御サーボモータ
４ 制御指令
１０ 角速度センサー
１０ａ 角速度
１１ 加速度センサー
１１ａ 加速度
１２ ＧＰＳ装置
１２ａ ＧＰＳ速度データ
１２ｂ ＧＰＳ位置データ
１３ 方位計
１３ａ 機首方位角
２０ 姿勢角
２１ 速度
５３ 方位角
６３ 位置
【発明の属する技術分野】
本発明は、無人ヘリコプターの自立制御方法及び装置に関し、特に、ＧＰＳ装置からのＧＰＳ速度データ及びＧＰＳ位置データを用いたハイブリッド計算により、姿勢角、速度、方位角及び位置を算出し、誤差の少ない高精度の制御を行うための新規な改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、用いられていたこの種の無人ヘリコプターは、農薬散布、空中撮影、気象情報採取等の広い分野に使用されているが、その機体の制御には、角速度センサー、加速度センサー、ＧＰＳ装置及び方位計を用いて行っていたが、社内製作であるため、その制御方法についてはこれを開示する特許文献は特に存在していない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の無人ヘリコプターは、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、無人ヘリコプターは非常に不安定な飛行体であり、ホバーリングを行うにも熟達した操作者の微妙な操作を必要としている。この操作を補助するために角速度センサー、加速度センサー、ＧＰＳ受信機等を使用して補助制御装置としているが、各センサーには以下の様なデメリットがあった。
（１）角速度センサー
応答性能がよいため角速度制御を行うためには使用可能であるが、積分して姿勢角制御に使用するためには角速度センサーのバイアイ値が積分され、時間とともに誤差が増大するために使用することが出来なかった。
（２）加速度センサー
地球の重力を検出することにより姿勢角制御を行うことは可能であるが、装置が加減速すると印加される加速度により誤差となることがあった。
（３）ＧＰＳ装置
位置データ誤差が時間とともに増加することはないが、瞬間的に数ｍの誤差が出力されることがあった。また、ＧＰＳ位置データの更新は早いもので１０Ｈｚ程度であり、無人ヘリコプターを制御するためには、応答性がなかった。
（４）方位計
方位角誤差が時間とともに増加することはないが、応答性がわるいため、方位角を制御することは出来なかった。
【０００４】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、ＧＰＳ装置からのＧＰＳ速度データ及びＧＰＳ位置データを用いたハイブリッド計算により、姿勢角、速度、方位角及び位置を算出し、誤差の少ない高精度の制御を行うようにした無人ヘリコプターの自立制御方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による無人ヘリコプターの自立制御方法は、角速度センサーからの角速度、加速度センサーからの加速度、ＧＰＳ装置からのＧＰＳ位置・速度データ及び方位計からの機首方位角をミキシングユニットに入力して得る制御指令により、無人ヘリコプターの制御サーボモータを制御するようにした無人ヘリコプターの自立制御方法において、前記角速度、加速度及び前記ＧＰＳ装置からのＧＰＳ速度データを用いて姿勢角及び速度を算出する姿勢角・速度算出工程と、前記角速度、前記姿勢角・速度算出工程で得た前記姿勢角及び前記機首方位角を用いて方位角を算出する方位角算出工程と、前記速度、方位角及び前記ＧＰＳ装置からのＧＰＳ位置データを用いて位置を算出する位置算出工程と、よりなり、前記角速度、加速度、姿勢角、速度、方位角及び位置を前記ミキシングユニットに入力して前記制御指令を得る方法であり、また、本発明による無人ヘリコプターの自立制御装置は、角速度センサーからの角速度、加速度センサーからの加速度、ＧＰＳ装置からのＧＰＳ位置・速度データ及び方位計からの機首方位角をミキシングユニットに入力して得る制御指令により、無人ヘリコプターの制御サーボモータを制御するようにした無人ヘリコプターの自立制御方法において、前記角速度、加速度及び前記ＧＰＳ装置からのＧＰＳ速度データを用いて姿勢角及び速度を算出し、前記角速度、姿勢角及び機首方位角を用いて方位角を算出し、前記速度、方位角及び前記ＧＰＳ装置からのＧＰＳ位置データを用いて位置を算出し、前記角速度、加速度、姿勢角、速度、方位角及び位置を前記ミキシングユニットに入力して前記制御指令を得るようにした構成である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による無人ヘリコプターの自立制御方法及び装置の好適な実施の形態について説明する。
図１は本発明における全体のシステムを概略的に示すシステム構成図である。
図１において符号１で示されるものは、無人ヘリコプター２の制御を行う制御サーボモータ３の制御用の制御指令４を生成するためのミキシングユニットである。
【０００７】
前記ミキシングユニット１には、この無人ヘリコプター２に搭載された角速度センサー１０、加速度センサー１１、ＧＰＳ装置１２、方位計１３からの角速度１０ａ、加速度１１ａ、ＧＰＳ速度データ１２ａ、ＧＰＳ位置データ１２ｂ及び機首方位角１３ａが入力されている。
【０００８】
前述の構成において、姿勢角・速度算出を行う場合、図２に示されるように、前記角速度１０ａ及び加速度１１ａより姿勢角２０を算出する。この場合、機体の加減速による加速度１１ａの誤差の影響を少なくするために前記ＧＰＳ速度データ１２ａを用いる。
【０００９】
図２は前述の姿勢角２０と速度２１を算出するための姿勢角・速度算出フィルターの構成を示している。
すなわち、Ｘ軸及びＹ軸の２軸から構成され、水平加速度εＡｃｘ、εＡｃｙからなる加速度１１ａは各第１減算器３０、各積分器３１を経て各第２減算器３２でＧＰＳ速度データ１２ａが印加され、各第３減算器３３においてωｘ、ωｙからなる角速度１０ａが印加されて各積分器３３を経て二軸の姿勢角２０が得られる。
【００１０】
また、前記姿勢角２０は、地球重力加速度Ｇを介して各第１減算器３０に帰還され、各第２減算器３２の後段側がフィルター時定数Ｋ１を介して各第１減算器３０に帰還されている。
従って、姿勢角２０及び速度２１は、ＧＰＳ装置１２からのＧＰＳ速度データ１２ａを取り込んでハイブリッド算出することにより、時間と共に誤差が増大することなく無人ヘリコプター２の制御に十分な応答性能を得ることができる。また、速度２１のデータも、ＧＰＳ装置１２からのデータの誤差からくる瞬間的な速度誤差の発生もなくなる。
【００１１】
図３は方位角算出フィルターであり、方位計１３からの機首方位角１３ａが第４減算器５０及び方位角算出フィルター時定数Ｋｈを経て水平面角速度ωｚである角速度１０ａが入力される第５減算器５１に入力され、積分器５２を経て方位角５３が得られる構成で、実際には、前記角速度１０ａ、前記姿勢角２０及び前記機首方位角１３ａをハイブリッド算出することによって前記方位角５３が得られる。
【００１２】
次に、図４は、位置算出フィルターであり、前記速度２１が積分器６０、時定数回路６１、第６減算器６２を介して位置６３が得られる。前記積分器６０後の信号は、ＧＰＳ位置データ１２ｂが入力される第７減算器６４及び時定数回路６５を介して前記第６減算器６２に入力されることにより、前記ＧＰＳ位置データ１２ｂを用いたハイブリッド算出により、時間と共に増大する誤差をなくすことができる。
【００１３】
従って、前述の角速度１０ａ、加速度１１ａ、姿勢角２０、速度２１、方位角５３及び位置６３の各データを前記ミキシングユニット１に入力して、前記制御指令４を得ることができる。
【００１４】
尚、図５は無人ヘリコプター２の基本制御を示すもので、無人ヘリコプター２に対して、目的位置Ｐ０、目的速度Ｖ０、目的角速度ω０、目的加速度Ａ０が設定されて入力されると、ダンピング時定数ＴＰ１、ＴＰ２、ＴＶ１、ＴＶ２、Ｔω、ＴＡ及び制御パラメータＫＰ、ＫＶを用いて基準制御信号１００を減算器１０１で処理することにより、無人ヘリコプター２は制御されており、この制御システムにおいて前記制御指令４による制御が行われる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明による無人ヘリコプターの自立制御方法及び装置は、以上のように構成されているため、次の効果を得ることができる。
すなわち、ＧＰＳ装置からのＧＰＳ速度データ及びＧＰＳ位置データを用いたハイブリッド計算により、姿勢角、速度、方位角及び位置を算出し、ＧＰＳデータの誤差からくる瞬間的な速度誤差も発生させることはなく、より高精度の無人ヘリコプターの自立制御ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による無人ヘリコプターの自立制御装置を示すブロック図である。
【図２】図１のミキシングユニット内の姿勢角・速度算出フィルターを示す構成図である。
【図３】図１のミキシングユニット内の方位角算出フィルターを示す構成図である。
【図４】図１のミキシングユニット内の位置算出フィルターを示す構成図である。
【図５】本発明の無人ヘリコプターの制御ブロック図である。
【符号の説明】
１ ミキシングユニット
２ 無人ヘリコプター
３ 制御サーボモータ
４ 制御指令
１０ 角速度センサー
１０ａ 角速度
１１ 加速度センサー
１１ａ 加速度
１２ ＧＰＳ装置
１２ａ ＧＰＳ速度データ
１２ｂ ＧＰＳ位置データ
１３ 方位計
１３ａ 機首方位角
２０ 姿勢角
２１ 速度
５３ 方位角
６３ 位置
Claims (2)
- 角速度センサー（１０）からの角速度（１０ａ）、加速度センサー（１１）からの加速度（１１ａ）、ＧＰＳ装置（１２）からのＧＰＳ位置・速度データ（１２ｂ、１２ａ）及び方位計（１３）からの機首方位角（１３ａ）をミキシングユニット（１）に入力して得る制御指令（４）により、無人ヘリコプター（２）の制御サーボモータ（３）を制御するようにした無人ヘリコプターの自立制御方法において、
前記角速度（１０ａ）、加速度（１１ａ）及び前記ＧＰＳ装置（１２）からのＧＰＳ速度データ（１２ａ）を用いて姿勢角（２０）及び速度（２１）を算出する姿勢角・速度算出工程と、
前記角速度（１０ａ）、前記姿勢角・速度算出工程で得た前記姿勢角（２０）及び前記機首方位角（１３ａ）を用いて方位角（５３）を算出する方位角算出工程と、
前記速度（２１）、方位角（５３）及び前記ＧＰＳ装置（１２）からのＧＰＳ位置データ（１２ｂ）を用いて位置（６３）を算出する位置算出工程と、
よりなり、前記角速度（１０ａ）、加速度（１１ａ）、姿勢角（２０）、速度（２１）、方位角（５３）及び位置（６３）を前記ミキシングユニット（１）に入力して前記制御指令（４）を得ることを特徴とする無人ヘリコプターの自立制御方法。 - 角速度センサー（１０）からの角速度（１０ａ）、加速度センサー（１１）からの加速度（１１ａ）、ＧＰＳ装置（１２）からのＧＰＳ位置・速度データ（１２ｂ、１２ａ）及び方位計（１３）からの機首方位角（１３ａ）をミキシングユニット（１）に入力して得る制御指令（４）により、無人ヘリコプター（２）の制御サーボモータ（３）を制御するようにした無人ヘリコプターの自立制御方法において、
前記角速度（１０ａ）、加速度（１１ａ）及び前記ＧＰＳ装置（１２）からのＧＰＳ速度データ（１２ａ）を用いて姿勢角（２０）及び速度（２１）を算出し、前記角速度（１０ａ）、姿勢角（２０）及び機首方位角（１３ａ）を用いて方位角（５３）を算出し、前記速度（２１）、方位角（５３）及び前記ＧＰＳ装置（１２）からのＧＰＳ位置データ（１２ｂ）を用いて位置を算出し、
前記角速度（１０ａ）、加速度（１１ａ）、姿勢角（２０）、速度（２１）、方位角（５３）及び位置（６３）を前記ミキシングユニット（１）に入力して前記制御指令（４）を得るように構成したことを特徴とする無人ヘリコプターの自立制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003156902A JP2004359002A (ja) | 2003-06-02 | 2003-06-02 | 無人ヘリコプターの自立制御方法及び装置 |
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| JP2003156902A JP2004359002A (ja) | 2003-06-02 | 2003-06-02 | 無人ヘリコプターの自立制御方法及び装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004359002A true JP2004359002A (ja) | 2004-12-24 |
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| JP2003156902A Pending JP2004359002A (ja) | 2003-06-02 | 2003-06-02 | 無人ヘリコプターの自立制御方法及び装置 |
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2003
- 2003-06-02 JP JP2003156902A patent/JP2004359002A/ja active Pending
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