JP2009061837A - 航空機の地上操向装置及び地上操向方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地上を滑走する航空機の進行方向を簡単な構成で変更可能にする地上操向装置を提供することである。
【解決手段】機体１の左右に各々ブレーキ５ａ，５ｂを備えた車輪４ａ，４ｂが設けてあり、前記各ブレーキ５ａ，５ｂが個別に動作可能な航空機の地上操向装置２において、走行中の機体１の操向目標角度を設定する目標角度設定手段１６と、前記各車輪４ａ，４ｂの回転速度を検出する検出手段１７ａ，１７ｂと、前記目標角度設定手段１６によって設定された操向目標角度及び前記検出手段による検出結果に基づいて前記各ブレーキ５ａ，５ｂを制御する制御手段１１とで構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、地上を走行中の航空機を操向する地上操向装置及び地上操向方法に関するものである。

航空機の車輪には駆動装置が設けられていないため、離陸時においては、航空機はプロペラ等の推進力で走行したり、別の移動体に牽引されて滑走路まで移動する。また、着陸時においては、航空機は慣性力（惰性）で地上を滑走し、車輪に備えたブレーキによって減速し、停止する。
ところで、航空機が離陸時に所定の滑走路に到達するまでに、進行方向を変えなくてもよい場合はほとんどなく、航空機は適宜進行方向を変更しなければ滑走路に到達することはできない。また、着陸時に航空機を所定の停止場所に停止させるためには、航空機は単に減速するだけでは足りず、機体の進行方向を適宜変更する必要がある。

図５は、従来の航空機の地上操向機構とブレーキ機構を示す信号系統図である。
図５に示すように従来の航空機には、地上操向機構５０とブレーキ機構５１とを備えている。地上操向機構５０は、前輪５３を支持する前脚５９を回動させるアクチュエータ５６ａ，５６ｂを備えている。アクチュエータ５６ａ，５６ｂは、コントロールバルブ５８と油圧配管６０ａ，６０ｂで接続されている。アクチュエータ５６ａ，５６ｂとコントロールバルブ５８は、ステアリングコントローラ５７によって制御される。そして、操縦者のラダーシステム５２の踏み込み加減によってステアリングコントローラ５７が操作されると、前脚５９の向きが変わる。すなわち航空機の操縦者は、ラダーシステム５２の踏み込み加減によって地上操向機構５０のアクチュエータ５６ａ又は５６ｂを駆動させて、前輪５３を固定した前脚５９を軸周りに回動させ、前輪５３の向きを変更する。

このような地上を走行する際の操向機構を備えた航空機が、例えば特許文献１〜特許文献３に開示されている。特許文献１及び特許文献２には、前輪と主輪（後輪）とを有する航空機において、前輪を機体に固定する脚柱を回動させて前輪の向きを変更可能にするステアリングアクチュエータシステムの発明が開示されている。また、特許文献３には、航空機の前輪が前脚で機体に固定されており、この前脚で操向するステアリング制御装置とその制御プログラムが開示されている。
特開２００３−６３４９８号公報 特開２００７−１７６４８６号公報 特開２００４−２５５９１０号公報

ところで、これらの従来技術に開示されている構成は、いずれも前輪を支持する支柱（脚柱，前脚）を回動させて前輪の向きを変更することによって走行中の航空機を操向するものである。しかし、支柱を回動させるには前述のようなアクチュエータ５６ａ，５６ｂが必要である。

その上、アクチュエータ５６ａ，５６ｂを制御するステアリングコントローラ５７，コントロールバルブ５８や油圧配管６０ａ，６０ｂ等からなるコントロール機構等の複雑で高価な装置を実装しなければならない。また、従来の航空機は、着陸後の操向のために、アクチュエータ等の重量物を搭載して飛行しなければならなかった。

そこで本発明は、地上を滑走する航空機の進行方向を簡単な構成で変更可能にする地上操向装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するための請求項１の発明は、機体の左右に各々ブレーキを備えた車輪が設けてあり、前記各ブレーキが個別に動作可能な航空機の地上操向装置において、走行中の機体の操向目標角度を設定する目標角度設定手段と、前記各車輪の回転速度を検出する検出手段と、前記目標角度設定手段によって設定された操向目標角度及び前記検出手段による検出結果に基づいて左右の車輪に回転速度差が生じるように前記各ブレーキを制御する制御手段とを備えていることを特徴とする航空機の地上操向装置である。

請求項１の発明では、目標角度設定手段によって機体の操向目標角度が設定され、検出手段によって各車輪の回転速度が検出される。また、制御手段は、設定された操向目標角度と各車輪の回転速度に基づいて左右の車輪に回転速度差が生じるように各車輪に備えたブレーキを制御する。これにより、航空機の機体は、設定された操向角度に操向される。

請求項２の発明は、前記航空機は前輪と主輪とを備えており、前記車輪は主輪であることを特徴とする請求項１に記載の航空機の地上操向装置である。

請求項２の発明では、主輪が機体の左右に設けられている。この左右の主輪の回転を別々にブレーキ制御可能である。よって、請求項２の発明を実施すると、主輪が機体の左右に設けられた航空機を操向させることができる。

請求項３の発明は、走行中の前輪の向きが自由回動可能であることを特徴とする請求項２に記載の航空機の地上操向装置である。

請求項３の発明では、走行中の前輪の向きが自由回動可能であるので、機体が旋回すると、前輪は旋回方向を向く。よって、航空機の操向が円滑に行われる。

請求項４の発明は、機体の左右に各々ブレーキを備えた車輪が設けてあり、前記各ブレーキが個別に動作可能な航空機の地上操向方法において、走行中の機体の操向目標角度を設定し、設定した前記操向目標角度に機体が旋回するように、前記各ブレーキを制御して左右の車輪に回転速度差を生じさせることを特徴とする航空機の地上操向方法である。

請求項４の発明を実施すると、容易に地上を走行する航空機の進行方向を変更することができるようになる。

請求項５の発明は、前記航空機が前輪と主輪とを備えており、前記車輪は主輪であることを特徴とする請求項４に記載の航空機の地上操向方法である。

請求項５の発明を実施すると、前輪と主輪とを備えた航空機の地上における操向が可能になる。

請求項６の発明は、走行中の前輪の向きが自由回動可能であることを特徴とする請求項５に記載の航空機の地上操向方法である。

請求項６の発明を実施すると、前輪の向きが自由に回動できるので、左右の主輪の回転速度に差が生じると前輪は進行方向を向き、航空機は円滑に操向される。

本発明を実施すると、機体の左右に設けた車輪のブレーキを制御することによって、走行する航空機の操向が可能である。よって、従来の航空機のような前脚を回動させるアクチュエータ等の重量物や、アクチュエータを作動させる複雑な構成を搭載する必要がなく、航空機を安価に製造できると共に、軽量化を図ることができる。

図１は、本発明を実施した航空機の地上操向装置の系統図である。二点鎖線で示す航空機の機体１には、前輪３と主輪４（左主輪４ａ，右主輪４ｂ）とが設けられている。前輪３は、支柱１８を介して機体１に装着されている。支柱１８は、軸周りに回動自在であるが、前輪３を図１に実線で示す正面位置に設定可能なリセット装置（図示せず）を備えている。航空機が着陸する際に、リセット装置で予め前輪３の向きを正面位置に設定しておくことにより、航空機の円滑な着地と前輪３（支柱１８）の破損を防止することができる。

図１では、基本的に機体１の左側に配置される構成には符号に「ａ」を付し、右側に配置される構成には符号に「ｂ」を付してある。
左主輪４ａには左ブレーキ５ａが設けられており、右主輪４ｂには右ブレーキ５ｂが設けられている。これら左ブレーキ５ａ，右ブレーキ５ｂはディスクブレーキである。左ブレーキ５ａと右ブレーキ５ｂ及び油圧源６は、配管９，１０で接続されている。配管上の左ブレーキ５ａ側には左制御バルブ８ａが配置されており、右ブレーキ５ｂ側には右制御バルブ８ｂが配置されている。さらに、油圧源６付近にはシャットオフバルブ７が設けられている。
図１では、油圧ブレーキを示したが、代わりに電動ブレーキや電磁ブレーキを採用することもできる。電動ブレーキを採用する場合には、電源，電動ブレーキ制御モータ，クラッチ等を備えた回路を構成し、左右の主輪４ａ，４ｂの回転速度を個別に減速させることができるようにする。

配管９に設けられているシャットオフバルブ７は、ブレーキを掛けるか否かを切り換えるバルブであり、配管１０に設けられている左制御バルブ８ａと右制御バルブ８ｂは、ブレーキの強弱を司るバルブである。

これらシャットオフバルブ７，左制御バルブ８ａ，右制御バルブ８ｂの開度を適宜設定することにより、油圧源６の圧油が左ブレーキ５ａ又は右ブレーキ５ｂに供給され、左主輪４ａ又は右主輪４ｂの回転を減速・停止させることができるようになっている。

シャットオフバルブ７が閉じると、圧油の供給が遮断され、左ブレーキ５ａ及び右ブレーキ５ｂのいずれも作動しない。すなわち、シャットオフバルブ７が閉じると、仮に操縦者がラダー・ペダル（図示せず）を踏み込んでも、ブレーキは掛からない。逆にシャットオフバルブ７が開くと、圧油が配管１０に供給され、左制御バルブ８ａと右制御バルブ８ｂの開度に応じて左ブレーキ５ａと右ブレーキ５ｂが作動する。

本発明の地上操向装置２は、これら左ブレーキ５ａ，右ブレーキ５ｂによって機体１（航空機）の操向が可能な構成を備えているが、仮に、操向が不要であれば、機体１が直進滑走して停止位置で停止できるように、左制御バルブ８ａと右制御バルブ８ｂの開度を同程度に設定し、左主輪４ａと右主輪４ｂの回転速度に差が生じないようにする。

ここで、左主輪４ａには回転数検出センサ１７ａが設けてある。回転数検出センサ１７ａは、制御装置１１と信号線１９ａで接続されており、信号線１９を介して左主輪４ａの回転数情報を制御装置１１へ伝送する。右主輪４ｂにも同様に回転数検出センサ１７ｂが設けられており、回転数検出センサ１７ｂと制御装置１１は信号線１９ｂで接続されている。また、シャットオフバルブ７，左制御バルブ８ａ，及び右制御バルブ８ｂは、各々信号線２０，２１ａ，２１ｂで制御装置１１と接続されている。
信号線１９ａ，１９ｂ，２０，２１ａ，２１ｂを省略し、無線で信号の送受信を行うように構成することも可能である。

制御装置１１の構成は次の通りである。
制御装置１１は、ＣＰＵ１２とメモリ１３を備えている。
メモリ１３は、ＲＡＭ等のデータの書き込みが可能な記憶媒体である。メモリ１３には、両制御バルブ８ａ，８ｂの開度差（圧力差）と、左主輪４ａの回転速度と右主輪４ｂの回転速度の差の相関関係がマップとして記憶されている。また、メモリ１３は、後述する操向目標角度データやＣＰＵ１２の演算結果を記憶する機能も兼ね備えている。
以降では、このマップを利用した制御を説明するが、本発明はマップを利用しなくても実施可能である。すなわち、両制御バルブ８ａ，８ｂの開度差と、左主輪４ａの回転速度と右主輪４ｂの回転速度の差の相関関係は、その都度ＣＰＵ１２で演算して求めることもできる。ここでは、予め求められた両者の相関関係を予め記録したマップを利用することによって、演算処理の高速化を図った。

また、制御装置１１には、図示しないコクピットに配置された操縦桿（ハンドル）によって構成される操向目標角度設定装置１６の回転角度情報が入力されるようになっている。すなわち、操縦者によってハンドルが操作されると、操向目標角度データが制御装置１１へ伝送され、メモリ１３に記憶される。

ＣＰＵ１２は、操向目標角度データから、操向に必要な両主輪の回転速度差を演算し、メモリ１３に記憶する。また、ＣＰＵ１２は前記マップを参照し、算出した回転速度差に対応する両制御バルブ８ａ，８ｂの開度差を特定する。マップを利用しない場合には、ＣＰＵ１２は回転速度差に対応する両制御バルブ８ａ，８ｂの開度差を算出する。そしてＣＰＵ１２は、両制御バルブ８ａ，８ｂの開度を調整する。その後、検出された両主輪の回転速度差と、算出された操向に必要な回転速度差とが一致するようにフィードバック制御を行う。

ここで、図２（ａ），図２（ｂ）を参照しながら左右主輪の回転速度に差を設けることによるステアリング（操向）の原理を説明する。図２（ａ），図２（ｂ）は、航空機の機体の左右に設けた車輪の動作を示す平面図である。

左主輪４ａの中心Ｃ１と右主輪４ｂの中心Ｃ２が、ｔ秒間に異なる距離を移動すれば、その距離の差だけ機体１の向きは変化する。図２（ａ）では、実線で示す左主輪４ａ及び右主輪４ｂが、ｔ秒後には二点鎖線で示す位置まで移動したことを示している。
実際には機体１の向きが変わるので、両主輪は図２（ａ）において破線で示す位置に移動し、左主輪４ａの中心は符号Ｃ３で示す位置に来るが、ここでは、計算を図２（ａ），図２（ｂ）に示すように両主輪４ａ，４ｂが直線移動したものとする。すなわち、図２（ｂ）に示す例では、左主輪４ａの移動距離は右主輪４ｂの移動距離よりも長い。その結果、機体１は右方向へ旋回する。

ここで両主輪の間隔をＬとする。また、左主輪４ａの回転速度をＶａ、右主輪４ｂの回転速度をＶｂとすると、図２（ａ）に示すようにｔ秒後における左主輪４ａの移動距離は「Ｖａ×ｔ」（比例定数は省略）となり、右主輪４ｂの移動距離は「Ｖｂ×ｔ」（比例定数は省略）となる。

よって、図２（ｂ）に示すように両主輪の移動距離の差は、「（Ｖａ−Ｖｂ）×ｔ」となる。一方、機体１の旋回角度をαとすると、「Ｔａｎα＝（Ｖａ−Ｖｂ）×ｔ／Ｌ」という関係が成り立つ。よって、「Ｖａ−Ｖｂ＝（Ｌ×Ｔａｎα）／ｔ」（式１）となる。
ここで（Ｖａ−Ｖｂ）が両主輪の速度差（すなわち、回転速度の差）である。

また、式１の左辺が仮にプラスであれば、機体１は右側へ旋回し、逆にマイナスであれば機体１は左側へ旋回する。
ここで式１は、左右両主輪と地面との摩擦や地面の凹凸や起伏等が全く勘案されていないので、別に求められた補正係数で適正に補正するのが好ましい。

ＣＰＵ１２が、式１を演算することにより、左右の主輪の回転速度差が演算される。この演算結果に基づいて、図１に示す左制御バルブ８ａ又は右制御バルブ８ｂの開度が調整され、左ブレーキ５ａ又は右ブレーキ５ｂが作動し、左主輪４ａ又は右主輪４ｂが減速され、航空機の機体１は旋回する。また、その後、回転数検出センサ１７ａ，１７ｂによって両主輪４ａ，４ｂの回転速度を監視し、式１の演算値と監視されている両主輪４ａ，４ｂの回転速度差とが一致するようにフィードバック制御を行う。

以上の構成を備えた地上操向装置２は、図３に示す手順で機体１の操向を行う。図３は、本発明の地上操向装置を実施する手順を示す流れ図である。

まず、ステップ１において、操向目標角度設定装置１６によって旋回角度αが決定される。すなわち、操縦者がハンドル（図示せず）を操作することにより、ハンドルの回転角度が目標旋回角度情報として制御装置１１のメモリ１３に記憶される。

次に、ステップ２では、ＣＰＵ１２が式１を演算し、操向目標角度（旋回角度α）を実現するのに必要な両主輪の回転速度差（Ｖａ−Ｖｂ）を算出してメモリ１３に記憶し、ステップ３へ進む。

ステップ３では、ＣＰＵ１２がメモリ１３に記憶されているマップを参照し、メモリ１３に記憶した両主輪の回転速度差に対応する左制御バルブ８ａの開度又右制御バルブ８ｂの開度を特定する。又はＣＰＵ１２の演算によって、両主輪の回転速度差に対応する左制御バルブ８ａの開度又右制御バルブ８ｂの開度を特定する。
ここで、式１では、右回りを正としているので、右回りに旋回する際には、両回転速度の差はプラスになり、逆に左回りに旋回する際にはマイナスになる。

そしてステップ４では、ＣＰＵ１２によって、左制御バルブ８ａ（又は右制御バルブ８ｂ）の開度がステップ３で特定された開度となるように設定され、ステップ５へ進む。

ステップ５では、両回転数検出センサ１７ａ，１７ｂによって両主輪４ａ，４ｂの回転速度が検出され、ＣＰＵ１２は、両主輪４ａ，４ｂの回転速度の差を演算し、ステップ６へ進む。

ステップ６では、ステップ５で算出された両主輪４ａ，４ｂの回転速度の差が、ステップ２で算出された演算値と一致するか否かが判定される。仮に両者が一致していれば、ステップ７へ進む。逆に一致していなければ、ステップ８へ進み、両者の差分を解消するように制御バルブの開度が微調整される。ここで、式１による演算値に対して、予め許容範囲を設定しておき、検出された両主輪の回転速度差が、この許容範囲内にあれば式１の演算値と「一致」しているものとするのが好ましい。

ステップ７では、制御バルブの開度が設定されてからｔ秒が経過すると、両主輪４ａ，４ｂの回転速度を一致させる。すなわち、左主輪４ａの回転速度を、ブレーキを掛けた右主輪４ｂの回転速度に合わせるか、又は右主輪４ｂのブレーキを解放することにより、両者の回転速度を一致させる。その結果、航空機は角度αだけ旋回した後に直進する。

また、図４に示す流れ図に沿って本発明を実施することも出来る。図４は、図３とは別の本発明の地上操向装置を実施する手順を示す流れ図である。
図４の流れ図では、ステップ１で旋回角度αが決定される。
次にステップ２では、機体１がステップ１で決定した旋回角度αだけ旋回するのに必要な時間ｔが、ＣＰＵ１２によって演算される。
また、ＣＰＵ１２は、ステップ３においてｔ秒後に機体１が角度αだけ旋回するような両主輪の回転速度差（Ｖａ−Ｖｂ）を演算する。
さらにＣＰＵ１２は、ステップ４においてステップ３の演算結果に基づいて、左制御バルブ８ａ（又は右制御バルブ８ｂ）の開度を設定する。
そしてｔ秒後には機体１は角度αだけ旋回しているので、旋回後に航空機が直進するように、ステップ５ではｔ秒後に左制御バルブ８ａ（又は右制御バルブ８ｂ）の開度を元に戻す。

以上のように構成した航空機の地上操向装置では、操縦者のハンドル操作によって左右の主輪に回転速度差を生じさせ、航空機を操向させる例を示したが、機体１側に受信機を備え、機体１の外部に操向目標角度設定装置と送信機を設けることもできる。
このように構成すると、航空機には、操向制御に関わる最低限の構成のみを搭載することとなり、航空機の軽量化をさらに図ることができる。

本発明は、主に小型機に実施するのが好ましく、前輪に操向機構を設けなくて済むので、製造コストを下げることができる。また、本発明は、操縦者が搭乗せず、自動操縦される航空機にも実施することができる。

本発明を実施した航空機の地上操向装置の系統図である。 （ａ），（ｂ）は、航空機の機体の左右に設けた車輪の動作を示す平面図である。 本発明の地上操向装置を実施する手順を示す流れ図である。 図３とは別の本発明の地上操向装置を実施する手順を示す流れ図である。 従来の航空機の地上操向機構とブレーキ機構を示す信号系統図である。

符号の説明

１ 航空機の機体
２ 地上操向装置
３ 前輪
４ａ 左主輪
４ｂ 右主輪
５ａ 左ブレーキ
５ｂ 右ブレーキ
６ 油圧源
７ シャットオフバルブ
８ａ 左制御バルブ
８ｂ 右制御バルブ
１１ 制御装置
１２ ＣＰＵ
１３ メモリ
１４ 受信機
１５ 送信機
１６ 操向目標角度設定装置
１７ａ，１７ｂ 回転数検出センサ
１８ 前輪の支柱

Claims (6)

1. 機体の左右に各々ブレーキを備えた車輪が設けてあり、前記各ブレーキが個別に動作可能な航空機の地上操向装置において、走行中の機体の操向目標角度を設定する目標角度設定手段と、前記各車輪の回転速度を検出する検出手段と、前記目標角度設定手段によって設定された操向目標角度及び前記検出手段による検出結果に基づいて左右の車輪に回転速度差が生じるように前記各ブレーキを制御する制御手段とを備えていることを特徴とする航空機の地上操向装置。
2. 前記航空機は前輪と主輪とを備えており、前記車輪は主輪であることを特徴とする請求項１に記載の航空機の地上操向装置。
3. 走行中の前輪の向きが自由回動可能であることを特徴とする請求項２に記載の航空機の地上操向装置。
4. 機体の左右に各々ブレーキを備えた車輪が設けてあり、前記各ブレーキが個別に動作可能な航空機の地上操向方法において、走行中の機体の操向目標角度を設定し、設定した前記操向目標角度に機体が旋回するように、前記各ブレーキを制御して左右の車輪に回転速度差を生じさせることを特徴とする航空機の地上操向方法。
5. 前記航空機は前輪と主輪とを備えており、前記車輪は主輪であることを特徴とする請求項４に記載の航空機の地上操向方法。
6. 走行中の前輪の向きが自由回動可能であることを特徴とする請求項５に記載の航空機の地上操向方法。

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