JP2006282034A - 水平速度方位計 - Google Patents

Abstract

【課題】 飛行体の機首方位と水平方向の方位および速度を一目で容易に視認できる水平速度方位計を提供する。
【解決手段】 飛行体の機首方位、水平方向の飛行方位および水平速度が、方位を表す１つの目盛表示部内に同時に視覚的に表示される。
【選択図】 図７

Description

本発明は、飛行体用水平速度方位計に関し、殊に、農薬等を散布したり、カメラ装置を搭載して上空から撮影を行う無人ヘリコプタの水平速度方位計に関するものである。

従来より、ヘリコプタによって、上空から農薬を散布したり、航空写真やビデオを撮影することが行われている。殊に、近年では、例えば特許文献１に示すように、ＧＰＳを利用して、オペレータの視界外でも無人ヘリコプタを飛行させることができるため、このような自律制御型の無人ヘリコプタが、例えば火山や災害現場等のように有人ヘリコプタが近づきにくい場所で活動している。

ヘリコプタは、その性質上、風の影響などにより機体の姿勢が乱れやすく、構造上、方向転換など飛行時の姿勢変化が大きい。また、機体の向きに対して任意の方向に進行可能であるという特性がある。

このようなヘリコプタの飛行状況を地上で把握するために、ヘリコプタの機体と地上局との間で互いにデータを送受信するための通信手段が設けられる。そして、機体状況や飛行状況などのデータが、機体から地上局へ送信され、地上局に設けたパソコンのモニタに、エンジン回転数、水平速度および垂直速度、機首方位、高度等が表示される。殊に、無人ヘリコプタがオペレータの視界外を飛行しているときには、これらの情報を常に注視し、機体状況や飛行状況を把握する必要がある。

ところが、従来は、これらのデータがそれぞれ独立した計器に表示されるため、機体の状態を把握するには、複数の計器を同時に確認しなければならない。殊に、機体の水平方向の飛行状況を把握する場合には、水平速度メータと機首方位計の２つの計器を同時に見る必要がある。すなわち、機首方位計によって機体の方向を確認し、水平速度メータによって、水平方向の進行方位および速度を読み取ることにより、水平方向の飛行状況が把握できる。

このように、複数の計器を見ながら飛行状況を判断するのは煩わしい作業であり、長時間の飛行では著しく疲労を伴う。また、熟練していなければ瞬時の判断が困難である。しかも、ヘリコプタの飛行中、オペレータは、水平方向の飛行状況の他にも、垂直方向の進行状況や機体状況等、多くの情報をチェックしながら機体の状態を把握する必要があるので、ひとつの情報を把握するために多くの時間を費やす。

また、多種類の計器を表示するためには多くのスペースが必要となり、例えばパソコンのモニタ上に表示可能な情報に制約が生じたり、各計器の表示が小さくなって読みにくくなる場合がある。
特開２００４−２６８７３７号公報

本発明は、上記従来技術を考慮してなされたものであり、機首方位と水平方向の方位および速度を一目で容易に視認できる水平速度方位計の提供を目的とする。

請求項１の発明は、飛行体の機首方位、水平方向の飛行方位および水平速度が、方位を表す１つの目盛表示部内に同時に視覚的に表示されることを特徴とする水平速度方位計を提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、飛行体を示す図形の周囲に相対的に回転可能な円形の方位目盛が設けられ、機首方位は図形の機首の方向の目盛で示され、飛行方位は図形から延びる矢印が指す方向の目盛で示され、水平速度は矢印の長さで示されることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、矢印は、低速域と高速域が異なる色で表示されることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、飛行体は無人ヘリコプタであって、ヘリコプタの機体と地上局とが互いに通信可能であり、地上局から機体を制御可能であるとともに、機体から地上局へ機体状況や飛行状況に関するデータが送信されて地上局のモニタにそれらの各データが表示され、モニタの画面に目盛表示部が表示されることを特徴とする。

請求項１の発明によると、機体の機首方位および水平方向の飛行方位と水平速度が、１つの計器である水平速度方位計の方位目盛表示部内に図示されるので、一目でそれらの情報を視認することができる。従って、オペレータが、多くの計器の中から必要な複数の計器を選択し、それらの表示から飛行状況を判断するという複雑な手間を要することなく、瞬時に判断できる。そのため、疲労が少なくなるうえ、他の情報を確認する余裕ができる。

また、モニタ画面に表示すれば、モニタに表示する計器の数を削減できるので、他の情報を多く表示したり、大きく表示して見やすくすることができる。

請求項２の発明によると、機首方位は、飛行体を示す図形の機首部分が指す目盛で示されるので、一目で視認しやすい。方位目盛が回転する構成とすれば、図形の機首を常に上向きに表示することができ、機首方位を確認する際に、水平速度方位計の上側の目盛を読み取ればよいため、瞬時に読み取ることができる。更に、飛行方位は矢印で示されるので、ヘリコプタなどのように機首方位と飛行方向が異なる場合に、一見して機首方位との見分けがつきやすい。

また、水平速度は、矢印の長さにより表示されるので、数値を読み取るよりも、一見して視認しやすい。

請求項３の発明によると、飛行速度が速度域により色分けして表示されるため、低速域か高速域かを瞬時に判断できる。また、色分けすることにより、矢印の色と長さの両方で水平速度を表示するので、数値表示がなくても、矢印の表示だけで、実用上必要な水平速度を判断することができる。

請求項４の発明によると、機首方向と異なる方向に飛行可能な無人ヘリコプタの飛行状態を表示するモニタ画面に本発明の水平速度方位計を表示することにより、モニタ上の１つの計器から、瞬時に機体の飛行速度状態を的確に判断でき、地上から常に余裕をもって飛行状態を監視できる。

図１〜図３は、本発明に係るヘリコプタを示す。図１は側面図、図２は上面図、図３は正面図であり、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からなる機体４を備える。メインボディ２の上部にメインロータ5が備わり、テールボディ３の後部にテールロータ６が備わる。メインボディ２の前部にラジエータ７が備わり、その後にエンジン、吸気系、メインロータ軸、燃料タンクの順にメインボディ２内に収容される。燃料タンクは、外部サブ燃料タンクを不要とすべく大容量のものが機体中央付近に収容される。機体４のほぼ中央部のメインボディ２の左右下部に支持脚８を介してスキッド９が備わる。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６０に備わるマフラー６１が配設される。

メインボディ２の後部上側にコントロールパネル１０が備わり、下側に表示灯１１が備わる。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を行なう。

メインボディ２の前部下側には、赤外線カメラ（もしくはＣＣＤ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る。カメラ装置１２は、カメラ雲台１３に対し、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）廻りに回転可能である。これにより、カメラが前側の窓１４を通して上空から地上の全方位を撮影できる。

メインボディ２の左側に自律制御ボックス１５が搭載される。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、及び制御プログラムを組み込んだ制御基板などが収容される。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、あるいは地上局からの命令によって選択し、運転状態に応じて最適な操縦制御を行なう。

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共に、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、リモコン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の下面側にアンテナ支持枠１６が取付けられる。このアンテナ支持枠１６に、傾斜したステー１７が取付けられる。このステー１７に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）を地上局との間で送受信するために操縦データアンテナ１８が取付けられる。ステー１７にはさらに、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が取付けられる。

テールボディ３下面側に地磁気等に基づく方位角センサ２０が備わる。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内にはさらに、ジャイロ装置からなる姿勢角センサ（不図示）が備わる。

テールボディ３の上面側にメインＧＰＳアンテナ２１およびサブＧＰＳアンテナ２２が備わる。テールボディ３の後端部に、リモコン操縦機からの指令信号を受信するリモコン受信アンテナ２３が備わる。

図４は、本発明に係る無人ヘリコプタのブロック構成図である。カメラ装置の制御に関しては、図示を省略している。
自律制御ボックス１５内には、自律制御に必要なデータを地上局との間で送受信するためのデータ通信機３１と、自律制御部プログラムが格納されたマイコン等からなる制御基板３２と、メインＧＰＳアンテナ２１に接続されたメインＧＰＳ受信機３３と、サブＧＰＳアンテナ２２に接続されたサブＧＰＳ受信機３４が収納される。

機体４には、自律制御ボックス１５内のデータ通信機３１から、デジタルデータを地上局との間で送受信する操縦データアンテナ１８が備えられる。方位角センサ２０は自律制御ボックス１５内の制御基板３２に接続される。機体４内には、ジャイロ装置等からなる姿勢角センサ２４が備わり、コントロールボックス３５に接続される。コントロールボックス３５は、自律制御ボックス１５内の制御基板３２とデータ通信して、サーボモータ３６を駆動する。サーボモータ３６は５台あり、メインロータ５およびエンジンを制御して機体４の前後、左右、上下方向の移動を制御するとともに、テールロータ６を制御して機体４の回転を制御する。

図５は、地上局のブロック構成図である。
ヘリコプタ１と通信する地上局４０には、ＧＰＳ衛生からの信号を受信するＧＰＳアンテナ４４と、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、およびヘリコプタ１から画像データを受信するための画像受信アンテナ（不図示）が地上に設置される。

地上局４０は、データ処理部４１と、監視操作部４２と、電源部４３により構成される。
データ処理部４１は、ＧＰＳ受信機５２と、データ通信機５３と、これらの通信機５２，５３に接続された通信基板５１とにより構成される。

監視操作部４２は、リモコン操縦機による手動用コントローラ５４と、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により構成される。

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の電圧を供給する。

上記の構成によって、ヘリコプタ１の飛行に関する指令は、地上局４０のパソコン５５によりプログラムされ、データ処理部４１を介して地上局４０からヘリコプタ１へ送信される。ヘリコプタ１のデータアンテナ１５がその指令を受信すると、制御基板３２（図４）により機体の姿勢や位置が制御され、ヘリコプタ１が自律制御される。

地上局４０では、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に表示させて、ヘリコプタ１を監視する。飛行中のヘリコプタ１に対して、飛行状況の修正等を行う際には、手動用コントローラ５４またはパソコン５５によって遠隔操作することができる。

図６は、地上局４０に設けられるパソコン５５のモニタ５６の表示例を示す。表示される情報の配置は、図６の例に限らない。

モニタ画面５６の左上部には、電圧や燃料の状態、各種センサの出力状況、各種制御装置の動作状況等の機体情報７１が表示される。モニタ画面５６の左側中央には、ペイロード装置関係の操作パネル７２が表示される。ペイロード装置は、例えば無人ヘリコプタによって航空写真の撮影を行う場合にはカメラ装置となり、操作パネル７２を用いて、カメラ雲台やカメラの制御を行う。モニタ画面５６の左下部には、機体４の操縦入力パネル７３が表示される。

モニタ画面５６の中央部には、ヘリコプタ１が飛行している地域の地図７４が表示され、ヘリコプタ１の飛行経路の履歴が、線８２で表示される。線８２の先端に、現在位置の機体の機首方向が示される。地図画面の一部（例えば図の７４ａで示す部分）に、カメラで撮影した映像を表示することもできる。

モニタ画面５６の下方および右側に、機体４の運転状況を知るための計器７５，７６が配置される。これらの計器７５，７６には、コントロールボックス３５により制御されるエンジン回転数、ＧＰＳにより認識される水平速度および垂直速度、方位センサおよび姿勢センサから認識される機首方位や高度等が表示される。機体４からデータが受信できない場合や、機体４に備えたセンサ等の故障情報を受信したときには、例えば赤い「×」マーク等の異常を示す情報が計器７５，７６の下部に表示される。

機体４の機首方位と水平方向の飛行方位および水平速度の３種類の情報は、１つの計器である水平速度方位計８１に表示される。水平速度方位計８１は円形であり、中央にヘリコプタを示す図形８３が表示され、周囲に方位を示す目盛８５が表示される。この目盛８５は、ヘリコプタ１の機首の向きに伴って回転し、図形８３の機首８４を示す部分、すなわち上側に位置する目盛が、機首方位となる。ヘリコプタを表す図形８３の機首８４は、常に上向きに表示される。尚、目盛８５を固定して図形８３を回転させることも可能である。

ヘリコプタ１が水平方向に移動しているときには、水平速度方位計８１の中心を基端として進行方位を示す矢印８６が表示され、この矢印８６の先端に位置する目盛が進行方位となる。矢印８６は、水平速度の大きさに応じた（例えば速度に比例した）長さで表示される。速度が大きくなって矢印８６が半径の長さに達したら、それ以上の速度は、中心に戻って矢印８６の色を変えて、再び中心から速度に応じた矢印で表示する。このように、低速域と高速域を異なる色で表示する。例えば低速域は緑色、高速域は黄色、それ以上は赤色等で表示する。このような速度域の閾値は任意に設定可能である。尚、閾値にヒステリシスをもたせ、例えば低速域から高速域に水平速度が増加するときには、低速域の最大値の１０５％までは緑色で示し、高速域から低速域に水平速度が減少するときには、低速域の最大値の９５％までは黄色で示すようにしてもよい。停止時やホバリング時のように、水平方向に移動していないときには、矢印の長さは０であり、水平速度方位計８１の中央に点が表示される。こうして、矢印８６の色および長さから、ヘリコプタ１の進行方向と水平速度が一見して把握できる。

上記のように、水平速度方位計８１だけを見れば、機首方位と水平速度および水平方向の飛行方位がわかる。尚、水平速度の正確な値を知るために、数値表示による水平速度計を併用して設けてもよい。また、垂直方向の高度や上下の進行方向および速度は、別の計器７６等から読み取る。

図７は、本発明の水平速度方位計８１の表示例を示す。この水平速度方位計８１において、低速域を８ｍ／ｓ以下、高速域を８ｍ／ｓ〜１６ｍ／ｓとする。

図７では、ヘリコプタを示す図形８３の機首８４の位置の目盛が「Ｎ」となっているので、ヘリコプタ１の機首が北向きであることを示す。

矢印８６の先端は「Ｓ」を指しているので、機体が南向きに進行していることを示す。矢印８６の色は高速域を示す例えば黄色であり、矢印８６の長さが、高速域の閾値を示す水平速度方位計８１の半径の約半分であるため、１２ｍ／ｓ程度で飛行していることを示す。

従って、この場合の水平速度方位計８１は、ヘリコプタ１が、機首が北向きで後方へ向かって１２ｍ／ｓ程度の速度で飛行していることを示している。

図８は、水平速度方位計８１の異なる表示例である。低速域および高速域の閾値の設定は、実施例１と同様とする。

ヘリコプタを示す図形８３の機首８４の位置の目盛は、「Ｅ」から約３５度北寄りの方向となっており、機首がほぼ北東を向いていることを示す。

矢印８６の先端は機首８４と同じ目盛を指しているので、機体の前方、即ち北東方向へ進行していることを示す。矢印の色は低速域を示す例えば緑色であり、矢印の長さが、低速域の閾値を示す水平速度方位計８１の半径の３分の２弱であるため、５ｍ／ｓ程度の水平速度であることを示している。

図９は、水平速度方位計８１の更に異なる表示例である。
機首８４の位置の目盛が「Ｗ」付近となっているので、機首はほぼ西向きである。
矢印は表示されず、水平速度方位計８１の中央に、低速域を示す緑色の点８７が表示されているので、このヘリコプタは、停止またはホバリング等により、水平方向には移動していないことを示している。

本発明は、農薬散布や航空写真撮影用の無人ヘリコプタの他、有人ヘリコプタや、その他航空機等の飛行体の水平速度方位計として適用できる。また、本体の向きに対して前後左右に自在に移動可能な移動手段に対して適用できる。

本発明に係る無人ヘリコプタの側面図。 図１のヘリコプタの上面図。 図１のヘリコプタの正面図。 本発明に係る無人ヘリコプタのブロック構成図。 地上局のブロック構成図。 地上局のモニタの表示例を示す正面図。 本発明の水平速度方位計の表示例を示す正面図。 本発明の水平速度方位計の異なる表示例を示す正面図。 本発明の水平速度方位計の更に異なる表示例を示す正面図。

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：リモコン受信アンテナ、２４：姿勢角センサ、３１：データ通信機、３２：制御基板、３３：メインＧＰＳ受信機、３４：サブＧＰＳ受信機、３５：コントロールボックス、３６：サーボモータ、４０：地上局、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、５４：手動用コントローラ（リモコン操縦機）、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、６１：発電機、６２：バッテリブースタ、６３：バックアップバッテリ、７１：機体情報、７２：操作パネル、７３：操縦入力パネル、７４：地図、７５，７６：計器、８１：水平速度方位計、８２：線、８３：図形、８４：機首、８５：目盛、８６：矢印、８７：点。

Claims (4)

1. 飛行体の機首方位、水平方向の飛行方位および水平速度が、方位を表す１つの目盛表示部内に同時に視覚的に表示されることを特徴とする水平速度方位計。
2. 飛行体を示す図形の周囲に相対的に回転可能な円形の方位目盛が設けられ、前記機首方位は前記図形の機首の方向の目盛で示され、前記飛行方位は前記図形から延びる矢印が指す方向の目盛で示され、前記水平速度は前記矢印の長さで示されることを特徴とする請求項１に記載の水平速度方位計。
3. 前記矢印は、低速域と高速域が異なる色で表示されることを特徴とする請求項２に記載の水平速度方位計。
4. 前記飛行体は無人ヘリコプタであって、ヘリコプタの機体と地上局とが互いに通信可能であり、前記地上局から前記機体を制御可能であるとともに、前記機体から前記地上局へ機体状況や飛行状況に関するデータが送信されて前記地上局のモニタにそれらの各データが表示され、前記モニタの画面に前記目盛表示部が表示されることを特徴とする請求項１に記載の水平速度方位計。
   

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