JP2011235711A - 操舵補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操舵が危険領域に近づいたときに操縦者に機体を安定させる操舵を促すことができる操舵補助装置を提供することを目的とする。
【解決手段】操舵補助装置１は、操縦者のエルロン操舵、エレベータ操舵、ラダー操舵の各操舵に対して付加操舵反力を生じさせるモータ３１，３３，３５と、操舵の危険領域を特定する反力制御演算部６１と、を備え、反力制御演算部６１は、操縦者の操舵が危険領域近づくほど、モータ３１，３３，３５による付加操舵反力を、操舵を戻す方向に大きく発生させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、操舵補助装置に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の操舵装置が知られている。この装置は、ステアバイワイヤ式のステアリングホイールに操舵反力を付与するアクチュエータを備えている。そして、車両の旋回中にオーバーステア傾向になりカウンタステアが必要になったときに、操舵装置は、上記操舵反力を一瞬だけ低下させる。このように操舵反力を一瞬だけ低下させることで、カウンタステアを行うべきタイミングを運転者に知らせることが提案されている。

特開２００７−２９７０２３号公報

しかしながら、操舵反力を一瞬だけ低下させてオーバーステア傾向を運転者に認識させた後、元の操舵反力に再度戻るので、運転者に操舵装置を戻させ車体姿勢を安定させる操作を促す作用としては、不十分な場合もある。本発明は、操舵が危険領域に近づいたときに操縦者に機体を安定させる操舵を確実に促すことができる操舵補助装置を提供することを目的とする。

本発明の操舵補助装置は、操縦者の操舵に対して操舵反力を生じさせる操舵反力発生手段と、操舵の危険領域を特定する危険領域判定手段と、を備え、操縦者の操舵が危険領域近づくほど、操舵反力発生手段による操舵反力を、操舵を戻す方向に大きく発生させることを特徴とする。

この操舵補助装置によれば、操縦者の操舵が危険領域に近づくほど操舵を戻す方向に操舵反力が大きくなるので、操縦者に対して操舵を戻すことを確実に促すことができる。そして、操縦者は、操舵が危険領域に近づいていることを認識しさらに操舵を戻すことにより機体を安定させる操舵を行うことができる。

また、本発明の操舵補助装置は、操縦者による操舵が危険領域に突入する直前に、操舵反力発生手段による操舵反力を一瞬だけ低下させることとしてもよい。

この構成によれば、操縦者は、操舵反力が一瞬だけ低下することをもって、操舵が危険領域に突入することを認識することができる。

本発明の操舵補助装置によれば、操舵が危険領域に近づいたときに操縦者に機体を安定させる操舵を確実に促すことができる。

（ａ），（ｂ）は、本発明の操舵補助装置が適用される航空機の操縦装置を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の操舵補助装置が適用される航空機の操舵に係る各舵を示す斜視図である。 本発明の操舵補助装置を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態において操縦装置に作用する操舵反力を示すグラフであり、破線は動圧操舵反力を示し、実線は動圧操舵反力と付加操舵反力とを合わせた操舵反力を示す。 本発明の第１実施形態の操舵補助装置による処理を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態において操縦装置に作用する操舵反力を示すグラフであり、破線は動圧操舵反力を示し、実線は動圧操舵反力と付加操舵反力とを合わせた操舵反力を示す。 本発明の第２実施形態の操舵補助装置による処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る操舵補助装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る操舵補助装置１が適用される航空機１００の操縦系統を示し、図２は、航空機１００の舵（エルロン、エレベータ、ラダー）を示す。以下、説明中で「前後」、「左右」等の語を用いる場合は、航空機１００の機体の前後左右を基準とする。図に示すように、航空機１００は、操縦席に設けられたグリップ１１とペダル１３とを備えている。以下、グリップ１１とペダル１３とを合わせて「操縦装置」と称する場合がある。グリップ１１は前後方向に延びるシャフト１５に取り付けられている。グリップ１１は、上記シャフト１５等を含む所定の駆動機構を介しケーブル１７によってエルロン２１及びエレベータ２３に連結されている。同様に、左右のペダル１３は、それぞれ左右方向に延びるシャフト１９に取り付けられている。左右のペダル１３は、上記シャフト１９等を含む所定の駆動機構を介しケーブル１７によってラダー２５に連結されている。

航空機１００の操縦者は、グリップ１１を手で把持し左右に回転させる操舵（以下「エルロン操舵」という）により、左右のエルロン２１を駆動し機体のロール角を変更することが可能である。また、操縦者は、グリップ１１を前後に押し引きする操舵（以下「エレベータ操舵」という）により、エレベータ２３を駆動し機体のピッチ角を変更することが可能である。また、操縦者は、足で左右のペダル１３の何れかを選択的に踏み込む操舵（以下「ラダー操舵」という）により、ラダー２５を駆動し機体のヨー角を変更することが可能である。なお、以上の操縦系統の構成は公知のものであるので、更なる詳細な説明は省略する。

航空機１００では、グリップ１１の前方において、グリップ１１の回転に追従する歯車１５ａが、シャフト１５に固定されている。更に、グリップ１１の前方には、機体フレームに固定されるモータ（操舵反力発生手段）３１が設けられており、モータ３１の回転軸に取り付けられた歯車３１ａが、歯車１５ａと噛み合っている。この構成により、モータ３１を駆動すると、歯車３１ａ，１５ａを介してシャフト１５にトルクが付与され、エルロン操舵に対する操舵反力をグリップ１１に付与することができる。

また、グリップ１１の前方において、シャフト１５の側面にはラック１５ｂが形成されている。更に、グリップ１１の前方には、機体フレームに固定されるモータ（操舵反力発生手段）３３が設けられており、モータ３３の回転軸に取り付けられた歯車３３ｂが、ラック１５ｂと噛み合っている。この構成により、モータ３３を駆動すると、歯車３３ｂ及びラック１５ｂを介してシャフト１５に軸方向の力が付与され、エレベータ操舵に対する操舵反力をグリップ１１に付与することができる。

また、ペダル１３の下方において、ペダル１３の前後動に追従して回転する歯車１９ａが、シャフト１９に固定されている。更に、ペダル１３の下方には、機体フレームに固定されるモータ（操舵反力発生手段）３５が設けられており、モータ３５の回転軸に取り付けられた歯車３５ａが、歯車１９ａと噛み合っている。この構成により、モータ３５を駆動すると、歯車３５ａ，１９ａを介してシャフト１９にトルクが付与され、エレベータ操舵に対する操舵反力をペダル１３に付与することができる。

なお、グリップ１１及びペダル１３には、各舵の動圧に由来する操舵反力がケーブル１７を通じて作用する。上記のモータ３１，３３，３５よる操舵反力は、上記の各舵の動圧に由来する操舵反力と同じ方向に加えて付与される場合もあり、上記の各舵の動圧に由来する操舵反力を打ち消す方向に加えて付与される場合もある。以下、各舵の動圧に由来する操舵装置への操舵反力を「動圧操舵反力」と称し、動圧操舵反力に加えてモータ３１，３３，３５により操舵装置へ付与する操舵反力を「付加操舵反力」と称する。

図３に示すように、操舵補助装置１は、上記モータ３１，３３，３５のＰＭＷ制御を行うことで、操縦者のエルロン操舵、エレベータ操舵、及びラダー操舵に対する各付加操舵反力を制御する。操舵補助装置１は、前述のモータ３１，３３，３５と、航空機１００の機体状態量（機体速度、操舵角、機体の回転角度、機体の角速度、角加速度、翼面気流状態量（揚力推定）、推力等）を検出する機体状態量検出部５１と、制御コンピュータ５３とを備えている。機体状態量検出部５１は、例えば、ジャイロ装置、加速度センサ、ＧＰＳ装置などを含んでいる。また、操舵補助装置１は、グリップ１１の回転位置、グリップ１１の前後位置、及びペダル１３の位置をそれぞれ検出するための３つのポテンショメータ５５を備えている。これらのポテンショメータ５５は、それぞれモータ３１，３３，３５の近傍に取り付けられている。

制御コンピュータ５３は反力制御演算部６１を備えており、反力制御演算部６１は、各モータ３１，３３，３５でグリップ１１及びペダル１３に付与すべき各付加操舵反力を演算する。反力制御演算部６１には、各ポテンショメータ５５からの信号がＡＤ変換部６３を介して入力されると共に、機体状態量検出部５１からの信号が入力される。反力制御演算部６１は、得られた機体状態量、グリップ１１の位置、及びペダル１３の位置に基づいて、付与すべき各付加操舵反力を算出する。そして反力制御演算部６１は、算出した各付加操舵反力に対応する各制御信号を、各モータ３１，３３，３５に対し、ＤＡ変換部６５及びＩ／Ｏインターフェース部６７を介して送信する。

続いて、グリップ１１及びペダル１３に対しモータ３１，３３，３５で付与すべき各付加操舵反力を、操舵補助装置１が決定する処理について、図４及び図５を参照しながら説明する。なお、エルロン操舵、エレベータ操舵、及びラダー操舵に対応する３つの各付加操舵反力は、すべて同様の思想に基づく同様の処理でそれぞれ決定されるものである。従って、以下では、エルロン操舵に対して付与すべき付加操舵反力の決定処理を代表例として説明し、重複する説明を省略する。

この航空機１００の操舵補助装置１は、図４に示すように、操縦者によるエルロン操舵の操舵角が危険操舵角領域Ａに到達した場合には、操舵を戻す方向の付加操舵反力ａが付与される。また、エルロン操舵の操舵角が通常操舵角領域Ｂにあるときには、操舵を戻す方向の付加操舵反力ｂが加えられる。この付加操舵反力ｂは、操舵角が危険操舵角領域Ａに近づくほど大きくなり、その増加率も危険操舵角領域Ａに近づくほど大きくなる。

なお、図４中の破線は動圧操舵反力を示し、実線は動圧操舵反力と付加操舵反力とを合わせた操舵反力を示す。また、図４の縦軸上で動圧操舵反力がゼロとなる操舵角は、目標ロール角に対応する操舵角であり、すなわち、機体のロール角を目標ロール角に維持するための操舵角である。動圧操舵反力がゼロとなるこの操舵角は、現在の機体の状態によって決まる。また、危険操舵角領域Ａの位置や通常操舵角領域Ｂの幅も目標ロール角によって変化する。また、危険操舵角領域Ａとは、例えば、規定等により定められた安全な機体のロール角の範囲を超えるようなロール角を発生させる操舵領域であり、現在の機体状態量や操縦装置位置に応じて変化する。例えば、航空機１００の上昇旋回時で推力が最大のときに、機体のロール角は±１５°以下に抑えなくてはならないといった規定が存在すれば、ロール角が−１５°を下回るか＋１５°を超えるような操舵角の範囲が危険操舵角領域Ａに該当する。

具体的な処理としては、図５に示すように、制御コンピュータ５３の反力制御演算部６１は、機体状態量検出部５１から各種の機体状態量を取得する（Ｓ１０１）。ここで取得される機体状態量には、例えば、機体速度、操舵角、機体の回転角度、機体の角速度、角加速度、翼面気流状態量（揚力推定）、推力等が含まれる。次に、反力制御演算部６１は、ポテンショメータ５５からの信号に基づいて操縦装置の位置（ここでは、グリップ１１の回転位置）を検出する（Ｓ１０３）。次に、反力制御演算部６１は、機体状態量及び操縦装置の位置に基づいて、危険操舵角範囲を算出する（Ｓ１０５）。このように、反力制御演算部６１は、操舵の危険領域を特定する危険領域判定手段として機能する。

次に、反力制御演算部６１は、機体反力を算出する（Ｓ１０７）。機体反力は、例えば、エルロン操舵方向のヒンジモーメントであり、下の数式で算出される。
ヒンジモーメント＝機体動圧・操舵角・操舵入力補正係数
なお、操舵入力補正係数は、機体特性により異なる係数である。操舵角は、エルロン操舵に係るグリップ１１の回転位置であり、ポテンショメータ５５で検出される。すなわち、ヒンジモーメントは、エルロン操舵に対する動圧操舵反力である。

次に、反力制御演算部６１は、上記の動圧機体反力にモータ３１で加えるべき付加操舵反力を算出する（Ｓ１０９）。この付加操舵反力は、下の数式(1)で算出される。
付加操舵反力＝最大負荷力・負荷補正係数／（安全操舵角−現状操舵角） …(1)
最大負荷力としては、設計上規定されている最大操舵力（エルロン操舵では、例えば４０Ｎｍ）等が用いられる。負荷補正係数は、機体特性により異なる係数である。安全操舵角は、機体の安全姿勢に対応するグリップ１１の操舵角である。現状操舵角は、ポテンショメータ５５で検出されるグリップ１１の操舵角である。また、現在からＴ秒後に危険操舵角に突入すると予想される場合に加えるべき付加操舵反力は、下の数式(2)で表される。
付加操舵反力＝最大負荷力・負荷補正係数／（安全操舵角−Ｔ秒後の操舵角）…(2)

次に、反力制御演算部６１は、操舵速度（グリップ１１の角速度）に基づき、Ｔ秒後の危険操舵角への到達時間を算出する（Ｓ１１１）。操舵速度（グリップ１１の角速度）は、ポテンショメータ５５で検出される。次に、反力制御演算部６１は、現在のエルロン操舵の操舵角が危険操舵角に到達しているか否かを判定する（Ｓ１１３）。この処理Ｓ１１３で、現在のエルロン操舵の操舵角が危険操舵角に到達していると判定される場合には（Ｓ１１３でＹｅｓ）、上式(1)で加えるべき付加操舵反力を算出する（Ｓ１１５）。

一方、処理Ｓ１１３で、現在のエルロン操舵の操舵角が危険操舵角に到達していないと判定される場合には（Ｓ１１３でＮｏ）、Ｔ秒後のエルロン操舵の操舵角が危険操舵角に到達しているか否かを判定する（Ｓ１１７）。この処理Ｓ１１７で、Ｔ秒後のエルロン操舵の操舵角が危険操舵角に到達していると判定される場合には（Ｓ１１７でＹｅｓ）、上式(2)で加えるべき付加操舵反力を算出する（Ｓ１１９）。また処理Ｓ１１７で、Ｔ秒後のエルロン操舵の操舵角が危険操舵角に到達していないと判定される場合には（Ｓ１１７でＮｏ）加える付加操舵反力はなしとする（Ｓ１２１）。

その後、処理Ｓ１２３では、処理Ｓ１１５で求められる付加操舵反力と処理Ｓ１１９で求められる付加操舵反力とのうち、何れか大きい方を選択し（Ｓ１２３）、選択された付加操舵反力を、グリップ１１に付与する（Ｓ１２５）。具体的には、処理Ｓ１２５では、反力制御演算部６１が、選択された上記付加操舵反力に対応するトルクを発生するように、モータ３１に駆動信号を送信する。その後、処理をＳ１０１に戻す。以上の処理により、図４に示すように、操縦者のエルロン操舵が危険操舵角に近づくほど操縦者の操舵を戻す方向に付加操舵反力が大きくなるように、モータ３１で付加操舵反力を発生させることができる。

このように、エルロン操舵の操舵角が危険操舵角に到達する前においても操舵を戻す方向の付加操舵反力をグリップ１１に付与し、その付加操舵反力の大きさが危険操舵角に近づくほど連続的に大きくなるようにする。この場合、グリップ１１に作用する力は、一般男性が容易に操作できない程度の操舵力の大きさ（例えば、片手あたり２５Ｋｇ）になるようにすることが好ましい。従って、操縦者は危険操舵角に近づくほど徐々に増加する操舵反力をグリップ１１から感じることで、操舵が危険操舵角に近づいていることを認識することができる。従って、操舵が危険操舵角に近づいている場合に、操縦者にグリップ１１を戻す操作を確実に促すことができる。そして、操縦者が操舵反力に従ってグリップ１１位置を戻すことにより、機体を安定させる操舵が行われる。

前述のとおり、エレベータ操舵、及びラダー操舵に対する付加操舵反力も、上記のエルロン操舵と同様の処理により決定され、機体の安定を図ることができる。

（第２実施形態）
本実施形態の操舵補助装置は、図６に示すように、操縦者による操舵が危険操舵角に突入する直前に、付加操舵反力を一瞬だけ低下させる点において、第１実施形態の操舵補助装置１と異なる。このため、本実施形態の操舵補助装置は、第１実施形態の操舵補助装置１に比べて、付加操舵反力を、操舵補助装置１が決定する処理が異なる。本実施形態の操舵補助装置の反力制御演算部６１は、図７に示す処理を行う。図７に示すように、反力制御演算部６１は、処理Ｓ１２３と処理Ｓ１２５との間で、現在が、エルロン操舵の操舵角が危険操舵角に到達する１秒前であるか否かを判定する（Ｓ１３１）。この処理Ｓ１３１で、現在が、エルロン操舵の操舵角が危険操舵角に到達する１秒前であると判定された場合（Ｓ１３１でＹｅｓ）には、処理Ｓ１２３で選択された付加操舵反力に、下式(3)で示される付加操舵反力を更にプラスする（Ｓ１３３）。
付加操舵反力
＝−最大負荷力・負荷補正係数／（安全操舵角−(T-1)秒後の操舵角）…(3)

実際には、式(3)の右辺はマイナスの値になるので、式(3)による操舵反力は、操縦者の操舵の方向と同じ方向に付与され、その結果、処理Ｓ１３３では、処理Ｓ１２３で選択された付加操舵反力が低減されることになる。すなわち、操縦者がグリップ１１から感じる操舵反力が低減することとなる。そして処理Ｓ１２５では、低減された付加操舵反力がグリップ１１に付与される（Ｓ１２５）。一方、処理Ｓ１３１で、現在が、エルロン操舵の操舵角が危険操舵角に到達する１秒前ではないと判定された場合（Ｓ１３１でＮｏ）には、何ら処理を行わず、処理Ｓ１２３で選択された付加操舵反力が処理Ｓ１２５でグリップ１１に加える（Ｓ１２５）。

以上の処理により、図６に示すように、操縦者のエルロン操舵が危険操舵角に突入する直前（ここでは１秒前）である場合には、エルロン操舵に対する操舵反力を一瞬だけ低下させ不連続にすることができる。図６の例の場合、危険操舵角に突入する１秒前では、一瞬だけ付加操舵反力が動圧操舵反力とは反対の方向（操縦者のエルロン操舵を後押しする方向）に付与されることで、この一瞬だけグリップ１１に作用する操舵反力（動圧操舵反力と付加操舵反力とを合わせた操舵反力）がほぼゼロになっている。従って、操縦者は、グリップ１１の操舵反力が一瞬だけ低下することをもって、操舵が危険領域に突入することを認識することができる。なお、本実施形態において、前述した第１実施形態の処理と同一又は同等の処理には、図７に対して図５と同一の符号を付し重複する説明を省略する。

本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の第１及び第２実施形態では、本発明を航空機の操舵補助装置に適用した例を説明しているが、本発明は、航空機のみならず、車両（自動車）やホバークラフト等といった他の乗物の操舵補助装置にも同様に適用が可能である。

１…操舵補助装置、３１，３３，３５…モータ（操舵反力発生手段）、６１…反力制御演算部（危険領域判定手段）、１００…航空機。

Claims (2)

1. 操縦者の操舵に対して操舵反力を生じさせる操舵反力発生手段と、
   前記操舵の危険領域を特定する危険領域判定手段と、を備え、
   前記操縦者の操舵が前記危険領域近づくほど、前記操舵反力発生手段による操舵反力を、前記操舵を戻す方向に大きく発生させることを特徴とする操舵補助装置。
2. 前記操縦者による操舵が前記危険領域に突入する直前に、
   前記操舵反力発生手段による前記操舵反力を一瞬だけ低下させることを特徴とする請求項１に記載の操舵補助装置。
   

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