JP2009096369A - 無人無線操縦ヘリコプタの操縦支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
無人無線操縦ヘリコプタの操縦を支援する方法および装置を実施する。
【解決手段】
既存の無人無線操縦ヘリコプタの受信機とサーボモータの間に、マイクロコンピュータとＰＷＭ信号読取り回路とＰＷＭ信号生成回路とＰＷＭ信号切替回路と各種センサから構成される操縦支援装置を挿入することにより、操縦者の操作がある場合はそちらを優先し、通常通りにサーボモータを操作し、または操作量を目標値と解釈しそれに追従する制御を行い、操縦者の操作が無い場合には自動的に水平を維持し、かつあらかじめ指定された方位と高度を維持することで、空撮などの作業実行時の操縦を支援する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無人無線操縦ヘリコプタの制御装置に関し、初心者の操縦や遠方での操縦、特には航空撮影や農薬散布の分野で用いることのできる、無人無線操縦ヘリコプタに対して好適に用いることのできる操縦支援装置に関する。

現在、農薬散布を目的にした無人無線操縦ヘリコプタでは、ペイロードの大きい専用の無人無線操縦ヘリコプタと、それ専用の自律制御装置が、農薬の散布に適した４ｍ程度の高度での運用を前提として開発されて、発売されている（例えば、特許文献１参照。）。また、送電線の監視を目的とした自律型の無人無線操縦ヘリコプタが、専用の大型の機体と制御装置が開発されている（例えば、特許文献２，３参照。）。
特開２０００−１１８４９８号公報 特開２００４−２５６０２０号公報 特開２００４−２５６０２２号公報

以上二つの例は機械としても安定しているが、目的用途が決められており、また非常に高価であるため、空撮の業務に使用されることは比較的少なく、ホビー用に使用されることもほとんど無い。

これら以外にも、市販の無人無線操縦ヘリコプタやホビー用無人無線操縦ヘリコプタが航空撮影や農薬散布に使用されているが、その場合補助的なジャイロセンサを用いて姿勢の安定化を行っていることもあるが、基本的には操縦者の技量に頼った運用がなされている。

そのため、特化された制御装置を持たない無人無線操縦ヘリコプタを用いた空撮作業などにおいては、操縦者の有視界内で操作を行うのであるが、遠方において操作を行う場合において、視界の不良等で無人無線操縦ヘリコプタの姿勢を見失い、操縦操作を誤り、事故が生じることがある。

また、空撮や農薬散布に限らず、ホビー用の無人無線操縦ヘリコプタの操縦においても、初心者が操作を行う際に、姿勢の誤認や誤操作によって事故が生じることがある。

さらに、無人無線操縦ヘリコプタの操縦においては、操縦者が無線操縦装置を用いて各舵を操作するのであるが、このときの操作量は間接的に無人無線操縦ヘリコプタの各軸周りの回転速度や上昇・下降速度といった速度を操作する量であり、回転角度や高度を直接操作する物ではない。

それに対し、無人無線操縦ヘリコプタの水平移動や旋回などの機動は、機体の傾斜角によって制御される物理運動である。

そのため、無人無線操縦ヘリコプタの操縦では、機体の傾斜を的確に操作することが重要であるが、初心者では非常に困難であり、また熟練者も機体姿勢の視認が難しい場合では操縦が困難になる。

本発明は、既存の無人無線操縦ヘリコプタの受信機とサーボモータの間に挿入して取り付けることで、簡易かつ比較的短時間で無人無線操縦ヘリコプタの操縦を安全に実施できるようにすることを特徴とする、姿勢制御装置を内蔵した新規の操縦支援方法および装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、マイクロコンピュータとＣＰＬＤ回路を組み合わせた電子回路を構成し、前記電子回路内に無人無線操縦ヘリコプタの送受装置の受信機からサーボモータに送られるＰＷＭ信号を読み取るＰＷＭ読取り回路を構成し、前記ＰＷＭ読取り回路により操縦者からＰＷＭ信号の形で与えられた前記無人無線操縦ヘリコプタのサーボモータに伝えられる操作量と本発明である操縦支援装置の機能のオン・オフ命令を読取り、操縦者からの操縦支援装置の機能のオフ命令がある場合には前記無人無線操縦ヘリコプタの受信機からサーボモータに送られるＰＷＭ信号をそのままサーボモータに伝達する回路と、操縦者からの操縦支援装置の機能のオン命令がある場合には前記ＰＷＭ読取り回路によって操作量を読取り、前記電子回路に接続された各種センサの出力とともに、前記電子回路のマイクロコンピュータがその値を読取り、前記電子回路のマイクロコンピュータに内蔵されたソフトウェアによってなされた適切な演算で算出された制御操作量を、前記電子回路内に構成されたＰＷＭ信号生成回路を用いてＰＷＭ信号に変換し、前記ヘリコプタのサーボモータに伝えることにより、姿勢・方位・高度を操縦者の操作量に一致するように制御することを特徴とする。

すなわち本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、角度センサや方位センサ及び距離センサにより機体の傾斜や方位及び高度を把握し、簡単なＰＤ制御系を構成することで、操縦者の操作がニュートラルの場合には機体を水平に保ち、方位を指定された方向に保ち、高度を指定された高さに保ってホバリング機動を行い、操縦者の操作がある場合にはその操作量をサーボモータに伝達して従来通りの操作を行うことを可能にした。

また、操縦者が操作を行った場合、その操作量を機体の傾斜角度、方位、高度とし、前記ＰＤ制御系に目標値として与えることで、機体が操作量に応じた傾斜・方位・高度を安定して維持する方式も可能にした。このＰＤ制御系のパラメータは、操縦者が使用する送信機から調整することが可能であり、またパーソナルコンピュータと接続することでも調整が可能である。

さらに、高度な３次元機動を行う必要がある場合には、操縦支援装置の機能をオフすることにより通常の操縦方法で操作を行うことができる。

無人無線操縦ヘリコプタの送信機からの操作信号はＭＰＭ方式のスワシュコントロール方式とし、ＰＷＭ信号生成回路にて無人無線操縦ヘリコプタの実際のスワシュコントロール方式にあわせてＭＰＭ方式およびＣＣＰＭ方式のＰＷＭ信号を出力するので、ＭＰＭ方式およびＣＣＰＭ方式のどの無人無線操縦ヘリコプタでも使用可能である。

操縦支援装置を搭載した場合には、そのときの操縦者の操作とそれに対する無人無線操縦ヘリコプタの応答を記録するためにメモリ装置をとりつけることができる。

以上説明したように、本発明によれば、空撮などの作業を行う際に、所望の位置に無人無線操縦ヘリコプタを手動操作にて移動させた後、操作量をニュートラルにすることで、安定した姿勢で、指定した方位で、指定した高度での撮影を行うことが可能である。また、遠方での操作などにおいて、無人無線操縦ヘリコプタの姿勢を見失った場合や誤操作を行った場合においても、操作量をニュートラルにすることで、無人無線操縦ヘリコプタはその場でホバリング機動を行うので、墜落の危険性が減り、無事に復帰することが可能になる。

また、操作量をサーボモータの操作量とする従来の操縦方法では、初心者にとって無人無線操縦ヘリコプタの操縦は非常に困難であったが、本発明により操作量を機体の傾斜角度・方位・高度として扱うことにより、無人無線操縦ヘリコプタの操縦は比較的簡単・安全になった。

さらに、制御方法としては簡単なPD制御を採用しており、制御パラメータであるＰゲインとＤゲインを調整することで、固有の機体だけでなく、どの無人無線操縦ヘリコプタでも使用可能である。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。これらは本発明を具体的に説明するための事例であり、本発明が以下の内容に限定されるものではない。

図１は、本発明の操縦支援装置の構成を説明するための図である。無人無線操縦ヘリコプタの受信機からのＰＷＭ信号１はＰＷＭ信号読取り回路２によってその値が読み取られる。このとき、読み込まれたＰＷＭ信号のうち操縦支援装置１１のオン・オフ信号に割り当てられた値によって、切替信号３が発信され、ＰＷＭ信号切替回路４に伝えられる。ＰＷＭ信号切替回路４は、操縦支援装置１１のオン・オフ信号がオフの場合は無人無線操縦ヘリコプタの受信機からのＰＷＭ信号１を、操縦支援装置１１のオン・オフ信号がオンの場合はＰＷＭ信号生成回路７からのＰＷＭ信号を、それぞれ無人無線操縦ヘリコプタのサーボモータへのＰＷＭ信号８として出力する。マイクロコンピュータ５では、ＰＷＭ信号読取り回路２が読み取った無人無線操縦ヘリコプタの受信機からのＰＷＭ信号１を読み取る。この無人無線操縦ヘリコプタの受信機からのＰＷＭ信号１の中には無人無線操縦ヘリコプタを機動させるための舵への操作の他に、方位・高度の指定値や制御パラメータの設定値も含まれている。各舵への操作量がニュートラルの場合は、センサ６（３軸角度センサ・３軸角速度センサ・３軸加速度センサ・方位センサ・高度センサを備える）からの値を用いて機体の傾斜を水平に維持し、指定された方位・高度を維持するようにサーボモータへの操作量を算出し、ＰＷＭ信号生成回路７を介して、無人無線操縦ヘリコプタのサーボモータへのＰＷＭ信号８とし、サーボモータに伝達する。各舵への操作量がニュートラルでない場合は、その操作量をそのままＰＷＭ信号生成回路７を介して、無人無線操縦ヘリコプタのサーボモータへのＰＷＭ信号８としサーボモータに伝達、またはその操作量を傾斜角・方位・高度の目標値と見なし、それに追従する様にサーボモータへの操作量を算出し、ＰＷＭ信号生成回路７を介して、無人無線操縦ヘリコプタのサーボモータへのＰＷＭ信号８とし、サーボモータに伝達する。前述の操作量の算出にはＰＤ制御を行うが、このときのパラメータは無人無線操縦ヘリコプタの受信機からのＰＷＭ信号１、またはパーソナルコンピュータとの接続９で調整する。本発明の操縦支援装置１１を搭載したときの操縦者の操作はすべて、メモリ装置１０に記録する。

図２は、操作量を傾斜角・方位・高度の目標値と見なす場合の、無人無線操縦ヘリコプタの受信機・サーボモータと本発明の操縦支援装置との接続例を示す。受信機からの各舵へのＰＷＭ信号は操縦支援装置で傾斜角・方位・高度の目標値と見なす。また、一部のＰＷＭ信号は操縦支援装置の切替え信号・Ｐゲイン・Ｄゲインとして読み込まれる。操縦支援装置は、受信機からの信号と各センサからの信号を用いて制御量を演算し、その結果を各舵を担当するサーボモータへＰＷＭ信号の形で伝え、操縦者の操縦を支援する。

図３に実施例の操縦支援装置を挿入された無人無線操縦ヘリコプタの操作系のブロック線図を示す。通常の無人無線操縦ヘリコプタの操縦系に本発明の操縦支援装置と各センサが挿入されている。

図４に実施例１を示す。無人無線操縦ヘリコプタとしてヒロボー株式会社のＳｈｕｔｔｌｅ Ｓｃｅａｄｕ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ
５０（Ｂ）ＨＰＭを用い、操縦装置として双葉電子工業のＦＦ９Ｈ−Ｔ９ＣＨＰセットとジャイロセンサＧＹ−４０１とガバナーＧＶ−１を用いた。操縦支援装置は、マイクロコンピュータとしてルネサステクノロジのＨ８／３０６９Ｆと、ＰＷＭ信号読取り回路・ＰＷＭ信号切替回路・ＰＷＭ信号生成回路をアルテラのＣＰＬＤ ＭＡＸ２で構成した電子回路基板を製作して使用した。角度センサ・角速度センサ・加速度センサ・方位センサにはクレアクトの3軸角度計３ＤＭ−ＧＸ１を、高度センサにはＭａｘＢｏｔｉｘのＭａｘＳｏｎａｒ−ＥＺ１、およびＬｏｍｃｏｖａｓｋのＬｏＬｏ２／Ａｌｔｉ２、およびウィットシステムズのＤＬＳ−Ａ１５を用いた。

以下、実施例１での操縦支援の結果を示す。図５は、操縦支援装置を用いて、操縦者の与える操作量を無人無線操縦ヘリコプタのロール軸の傾斜角と見なし、それに追従する様にサーボモータへの操作量を算出し、機体の傾斜角を制御したときの様子をしめす。図から明らかなように、機体は目標値に追従して傾斜角を維持し、その結果無人無線操縦ヘリコプタは水平移動を行った。このとき、同時にロール軸方向の傾斜は水平を維持され、また方位も目標値に追従した。

図６は、高度を指定した場合の応答を示す。使用した高度センサは分解能が５０ｃｍのＬｏＬｏ２／Ａｌｔｉ２であったので、５０ｃｍオーダーの変動が見られるが、目標値である４．５ｍ付近で高度を維持したことが示されている。

さらに、無人無線操縦ヘリコプタの操縦経験がない方５名に、本発明の操縦支援装置を用いて操縦を体験していただいたところ、通常の操縦方法では横転などを起こして墜落するような状況でも、水平方向の移動に変換されたり、また緊急時には操縦装置の操縦桿から手を離して操作量をニュートラルにすることで、機体の傾斜を水平にし、方位・高度を維持したので、墜落することなく安全に操縦することに成功した。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

例えば、本発明の操縦支援装置とＧＰＳを組み合わせ、目的地までの距離に応じた操作量を与えることで、無人無線操縦ヘリコプタの自律的な自動運行が可能になる。

さらに、本発明の操縦支援装置の機能である高度維持について、目標値を段階的に変化させてやることで、自動的に離着陸を行うことが可能である。

また、本発明は無人無線操縦ヘリコプタでの運用を目指して開発したものであるが、無人無線操縦航空機においても宙返りや横転などの３次元機動を行わない限りは、本発明を適応して、水平飛行の保持や自律飛行を行うことが可能になる。

本発明は、無人無線操縦ヘリコプタの操作において、既存の受信機とサーボモータとの間に挿入することにより、好適に用いることができ、安全に空撮作業や農薬散布作業などが実施できる。

本発明の操縦支援装置の構成を説明するための図である。 同じく、本発明の操縦支援装置の無人無線操縦ヘリコプタとの信号線の接続を説明するための図である。 同じく、本発明の操縦支援装置を用いた場合の無人無線操縦ヘリコプタの操縦時における信号の流れを説明するための図である。 同じく、本発明の操縦支援装置の実施例を説明するための図である。 同じく、本発明の操縦支援装置の実施例における、水平方向での移動時の操作状況と応答を説明するための図である。 同じく、本発明の操縦支援装置の実施例における、高度維持の様子を説明するための図である。

符号の説明

１ 無人無線操縦ヘリコプタの受信機からのPWM信号
２ ＰＷＭ信号読取り回路
３ 切替信号
４ ＰＷＭ信号切替回路
５ マイクロコンピュータ
６ センサ
７ ＰＷＭ信号生成回路
８ 無人無線操縦ヘリコプタのサーボモータへのＰＷＭ信号
９ パーソナルコンピュータとの接続
１０ メモリ装置
１１ 操縦支援装置

Claims (5)

1. 無人無線操縦ヘリコプタにおいて、マイクロコンピュータと電子回路と３軸角度センサと３軸角速度センサと３軸加速度センサと方位センサと高度センサとを備え、該無人無線操縦ヘリコプタの受信機とサーボモータの間に挿入して取り付け、姿勢制御の補助を行うことを特徴とする操縦支援装置であって、該無人無線操縦ヘリコプタの受信機からサーボモータへの操作量を各舵への操作量とし、該無人無線操縦ヘリコプタの受信機の空きチャンネルの信号を該無人無線操縦ヘリコプタの方位・高度の目標値とし、該操縦支援装置が支援を実行しない場合は、操縦者の各舵への操作量をサーボモータに伝達し、該操縦支援装置が支援を実行する場合は、操縦者が操作を行わず各舵に対しニュートラルの値が操作量となるときには該無人無線操縦ヘリコプタの姿勢を水平状態に維持し、かつ該無人無線操縦ヘリコプタの方位・高度を指定された方位・高度の目標値に維持し、操縦者が操作を行ったときには操縦者の各舵への操作量をサーボモータに伝達することを特徴とする、無人無線操縦ヘリコプタの操縦支援装置。
2. 前記操縦支援装置において、該操縦支援装置が支援を実行しない場合は、操縦者の各舵への操作量をサーボモータに伝達し、該操縦支援装置が支援を実行する場合は、操縦者が操作を行わず各舵に対しニュートラルの値が操作量となるときには前記無人無線操縦ヘリコプタの姿勢を水平状態に維持し、かつ該無人無線ヘリコプタの方位・高度を指定された方位・高度の目標値に維持し、操縦者が操作を行ったときにはその各舵への操作量を該無人無線ヘリコプタの傾斜角度・方位・高度の目標値とし、その目標値に追従して機体の傾斜角度・方位・高度を維持することを特徴とする、請求項１に記載の無人無線操縦ヘリコプタの操縦支援装置。
3. 前記操縦支援装置において、前記無人無線操縦ヘリコプタの送信機からの操作信号はＭＰＭ方式のスワシュコントロール方式とし、該操縦支援装置において、該無人無線操縦ヘリコプタの実際のスワシュコントロール方式にあわせてＭＰＭ方式およびＣＣＰＭ方式のＰＷＭ信号を出力することで、ＭＰＭ方式およびＣＣＰＭ方式のスワシュコントロール方式の無人無線操縦ヘリコプタに適応できることを特徴とする、請求項１または２に記載の無人無線操縦ヘリコプタの操縦支援装置。
4. 前記操縦支援装置において、無線操縦装置およびパーソナルコンピュータを用いて、該操縦支援装置の動作パラメータ調整を外部から行うことができることを特徴とする、請求項１ないし３に記載の無人無線操縦ヘリコプタの操縦支援方法および装置
5. 前記操縦支援装置において、さらにメモリ装置を備え、該操縦支援装置を搭載時の無人無線ヘリコプタに対する操作と該操作に対する無人ヘリコプタの応答を記録できることを特徴とする、請求項１ないし４に記載の無人無線操縦ヘリコプタの操縦支援装置