JP2006282037A - 昇降速度高度計 - Google Patents

Abstract

【課題】 機体の飛行高度、垂直方向の昇降速度およびその方向を一目で容易に視認できる昇降速度高度計を提供する。
【解決手段】 飛行体の飛行高度、垂直方向の昇降速度およびその向きが、１つの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、飛行体用昇降速度高度計に関し、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昇降速度高度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。殊に無人ヘリコプタにおいては、目的地に達するために、頻繁に昇降を繰り返しながら飛行を行うことがある。

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。例えば、機体の垂直方向の飛行状況を把握する場合には、高度計と垂直速度計の２つの計器を同時に見る必要がある。すなわち、高度計によって機体の高度を確認し、垂直速度計によって、昇降方向およびその速度を読み取ることにより、垂直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、垂直方向の飛行状況の他にも、水平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だけに多くの時間を費やすことは好ましくない。

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、機体の飛行高度、垂直方向の昇降速度およびその方向を一目で容易に視認できる昇降速度高度計の提供を目的とする。

請求項１の発明は、飛行体の飛行高度、垂直方向の昇降速度およびその向きが、１つの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昇降速度高度計を提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、表示部は縦方向が長い長方形であり、縦方向にスライド可能な高度目盛と固定表示された速度目盛が並列して設けられ、飛行高度は、表示部の中央に表示された横方向のラインと高度目盛とが重なる位置の目盛で示され、昇降速度は、ラインの位置を基端として上下に伸縮する棒グラフの先端位置の速度目盛で示され、棒グラフは、飛行体の上昇時にはラインよりも上方に表示され、飛行体の下降時にはラインよりも下方に表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、棒グラフは、飛行体の上昇時と下降時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２の発明において、高度目盛は、基準高度以下の目盛が他の部分と異なる色の背景で表示されることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、基準高度は、任意の高度に設定可能であることを特徴とする。

請求項６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、機体の飛行高度および垂直方向の昇降速度とその向きが、１つの計器である昇降速度高度計の表示部内に示されるので、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、それらの表示から垂直方向の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る場合、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、高度目盛がスライドする構成とすることにより、ラインが表示部の決まった位置に固定表示され、そのラインの位置を見れば、高度目盛を読み取ることができる。更に、昇降速度は、ラインの位置を基端とした棒グラフで表示されるので、高度確認時と視点をずらすことなく視認することができる。

また、昇降速度の大きさが棒グラフの長さで表示されるため、一目で概略の昇降速度を把握することができる。

請求項３の発明によると、昇降速度が向きによって色分けして表示されるため、機体が上昇しているか降下しているかを一目で瞬時に判断できる。

請求項４の発明によると、機体が基準高度に近づくと、特に表示部を注視していなくても、背景が例えば赤色で示されたマイナス高度域の高度目盛が視界に入りやすく、見逃すことがない。

請求項５の発明によると、飛行毎に異なる離陸点や地上高度をその都度基準高度として設定することができるため、毎回、飛行条件に合わせた高度目盛を設けることができる。

請求項６の発明によると、例えば航空写真撮影等に用いられる無人ヘリコプタにおいて、飛行高度や昇降速度を瞬時に視認できるので、これらの飛行状況を把握するために時間や手間を要することがなく、カメラ装置等の他の情報に注意を払うことができ、常に余裕をもって地上から無人ヘリコプタを監視できる。

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５６の下方および右側に、機体４の運転状況を知るための各種計器７５が配置される。これらの計器７５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、昇降速度、飛行高度、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の下部に表示される。

計器７５のうち、モニタ５６の右側に表示される長方形の計器は、昇降速度高度計８１である。この昇降速度高度計８１により、飛行高度、垂直方向の昇降速度および上下の進行方向の３種類の情報が表示される。

昇降速度高度計８１には、縦方向にスライド可能な高度目盛８３と、固定位置に表示された速度目盛８４が設けられ、中央部に、幅全体にわたる横方向のライン８５が表示される。ライン８５は、例えば黄色等のように視認しやすい色で表示される。高度目盛８３は、ヘリコプタ１の飛行高度に伴って上下方向にスライドし、中央の固定位置に表示されたライン８５と高度目盛８３とが重なる位置が、飛行高度を示す。尚、高度目盛８３を固定してライン８５を飛行高度に伴って移動させることも可能である。

高度目盛８３の「０」よりも下の部分は、背景が例えば赤色で表示される。高度の数値はＧＰＳ座標が用いられ、計器表示カスタマイズにより、「０」点を調整することができる。従って、飛行条件等により、例えば海抜高度や離陸点の高度等、任意の高度を「０」と設定することができる。離陸時に、離陸地点の標高を基準高度に自動調整するように設定してもよい。

ヘリコプタ１が垂直方向に移動しているときには、昇降速度高度計８１に、ライン８５の位置を基端とする棒グラフ８６が表示される。この棒グラフ８６は、ヘリコプタ１が上昇しているときには、ライン８５から上方に向かって伸び、降下しているときには、ライン８５から下方に向かって伸びる。また、例えば上昇時は緑色、降下時は茶色等のように、上昇時と降下時が異なる色で表示される。昇降速度は、棒グラフ８６の先端位置の速度目盛８４により示される。従って、棒グラフ８６の長さが、速度の大きさを示す。こうして、棒グラフ８６の色および長さから、ヘリコプタ１の昇降速度とその向きが一見して把握できる。

上記のように、昇降速度高度計８１を見るだけで、飛行高度と昇降速度およびその上下方向の向きがわかる。

図７は、本発明の昇降速度高度計８１の表示例を示す。
図７では、中央のライン８５が、高度目盛８３の「４．５」の位置と重なっているので、ヘリコプタ１の飛行高度が４．５ｍであることを示す。

棒グラフ８６の先端は、ライン８５よりも上方へ伸び、右端の速度目盛８４の「０」と「１」の間の０．６付近を指しているので、０．６ｍ／ｓの速度で上昇中であることを示す。棒グラフ８６は、上昇を示す例えば緑色で表示される。

従って、この昇降速度高度計８１は、ヘリコプタ１が、高度４．５ｍの高さを飛行中であり、垂直方向に０．６ｍ／ｓの速度で上昇していることを示している。

図８は、昇降速度高度計８１の異なる表示例である。
ライン８５が高度目盛８３の「１０．１」の位置と重なっているので、飛行高度が１０．１ｍであることを示す。

棒グラフは表示されず、ライン８５上に、例えばライン８５と同じ黄色の点８７が表示されているので、このヘリコプタは、垂直方向には移動していないことを示している。この場合、水平方向に移動していれば、機体は一定の高度を保って水平に飛行しており、水平方向にも移動していなければ、ホバリングを行っていることを示す。

図９は、昇降速度高度計８１の更に異なる表示例である。
ライン８５が高度目盛８３の「０．９」の位置と重なっているので、飛行高度が０．９ｍであることを示す。

棒グラフ８６の先端は、ライン８５よりも下方へ伸び、右端の速度目盛８４の「０」と「−１」の間の−０．８付近を指しているので、機体が０．８ｍ／ｓで降下中であることを示す。棒グラフ８６は、降下を示す例えば茶色で表示される。高度目盛８３の基準高度「０」以下の部分８３ａは赤い背景で表示され、図９の状態によれば、約１秒後に、ヘリコプタ１が基準高度「０」に達することになる。

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昇降速度高度計として適用できる。

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。 本発明の昇降速度高度計の表示例を示す正面図と一部拡大図。 本発明の昇降速度高度計の異なる表示例を示す正面図と一部拡大図。 本発明の昇降速度高度計の更に異なる表示例を示す正面図と一部拡大図。

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：計器、８１：昇降速度高度計、８２：線、８３：高度目盛、８４：速度目盛、８５：ライン、８６：棒グラフ、８７：点。

Claims (6)

1. 飛行体の飛行高度、垂直方向の昇降速度およびその向きが、１つの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昇降速度高度計。
2. 前記表示部は縦方向が長い長方形であり、縦方向にスライド可能な高度目盛と固定表示された速度目盛が並列して設けられ、
   前記飛行高度は、前記表示部の中央に表示された横方向のラインと前記高度目盛とが重なる位置の目盛で示され、
   前記昇降速度は、前記ラインの位置を基端として上下に伸縮する棒グラフの先端位置の前記速度目盛で示され、前記棒グラフは、前記飛行体の上昇時には前記ラインよりも上方に表示され、前記飛行体の下降時には前記ラインよりも下方に表示されることを特徴とする請求項１に記載の昇降速度高度計。
3. 前記棒グラフは、前記飛行体の上昇時と下降時が異なる色で表示されることを特徴とする請求項２に記載の昇降速度高度計。
4. 前記高度目盛は、基準高度以下の目盛が他の部分と異なる色の背景で表示されることを特徴とする請求項２に記載の昇降速度高度計。
5. 前記基準高度は、任意の高度に設定可能であることを特徴とする請求項４に記載の昇降速度高度計。
6. 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に記載の昇降速度高度計。
   

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