JP2014063274A

JP2014063274A - シミュレータ

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Publication number: JP2014063274A
Application number: JP2012206994A
Authority: JP
Inventors: Masao Hasegawa; 正雄長谷川; Takeisa Otsuka; 健功大塚; Noriyoshi Mizukoshi; 紀良水越
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2032-09-20
Also published as: JP6074969B2

Abstract

【課題】インタフェース環境が異なるフェーズにおいても、共通のハードウェアを用いて制御対象の挙動を模擬すること。
【解決手段】パソコン３のインタフェース部１３にインタフェース信号変換部１５が接続されている制御検証モードでは、インタフェース信号変換部１５に通信バス３７やアビオ機器３９を介して接続された誘導制御計算機３３が飛行ソフトウェアＡを用いて制御した場合のエフェクタ４１の挙動を、機体ダイナミクスモデルＢのデータを用いて模擬するシミュレータとして機能する。一方、インタフェース部１３にインタフェース信号変換部１５が接続されていないプログラム評価モードでは、誘導制御計算機３３によるエフェクタ４１の制御と誘導制御計算機３３により制御されたエフェクタ４１の挙動とをパソコン３が模擬し、模擬した挙動から飛行ソフトウェアＡをパソコン３が評価する、評価機能付のシミュレータとして機能する。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御対象の挙動をモデル化したダイナミクスモデルのデータを用いて、制御信号により制御されたときの制御対象の挙動を模擬し、模擬した挙動を示す挙動信号を出力するシミュレータに関するものである。

ロケットに搭載した誘導制御計算機は、ロケットが設計した飛行経路を飛行するように、飛行ソフトウェアを用いてアビオ（アビオニクス）機器を通じエフェクタ（エンジン、アクチュエータ等）の動作を制御する。そのため、ロケット開発の過程で飛行ソフトウェアを設計した際には、設計した飛行ソフトウェアを用いてロケットシステム検証を行う。このロケットシステム検証では、誘導制御計算機が飛行ソフトウェアを用いアビオ機器を通じてエフェクタの動作制御を行った場合の、エフェクタの挙動を検証する。

ロケットシステム検証では、飛行ソフトウェアを用いた誘導制御計算機が出力するエフェクタの制御信号に基づいて、エフェクタの具体的な制御内容を決定するアビオ機器の応答や制御対象であるエフェクタの応答の、一部又は全部を飛行解析シミュレータが模擬する。飛行解析シミュレータは、シミュレーションソフトウェアを用いてアビオ機器やエフェクタの挙動を模擬するコンピュータである。アビオ機器やエフェクタの応答を模擬する際に飛行解析シミュレータは、ロケットの挙動をモデル化したダイナミクスモデルを用いる。

飛行解析シミュレータには、ボードで組んだ専用コンピュータが用いられる。これは、インタフェースを誘導制御計算機やアビオ機器、エフェクタ等と合わせる必要があるからである。即ち、誘導制御計算機とアビオ機器とのインタフェースや、アビオ機器とエフェクタとのインタフェースには、通信の高速性や耐ノイズ性を考慮して、汎用的でないものが用いられる。したがって、飛行解析シミュレータも、汎用的なインタフェースではなく同じ規格のインタフェースを用いる必要がある。

ところで、ロケットシステム検証の際に用いるダイナミクスモデルは、ロケット開発の過程で開発した飛行ソフトウェアの検証試験を行う際にも用いる。この検証試験では、まず、設計した飛行経路をロケットに飛行させるための制御信号を、開発した飛行ソフトウェアを用いて発生させる。そして、制御信号によりロケットが制御された場合のロケットの挙動を、ダイナミクスモデルを用いてシミュレーションソフトウェアにより模擬する。

シミュレーションソフトウェアを用いると、模擬したロケットの挙動を示す挙動信号を生成することができる。挙動信号としては、例えば、ロケットの姿勢を検出するジャイロの出力を模擬したジャイロ模擬信号がある。そこで、シミュレーションソフトウェアを用いて生成した挙動信号の内容を、設計した飛行経路をロケットが飛行したときに起こる挙動と一致するかどうか検証する。

以上のような手順を含む飛行ソフトウェア検証試験は、現在では、プロセッサ等の高機能化に伴い、パーソナルコンピュータクラスのコンピュータでも十分行うことができる。したがって、パーソナルコンピュータのハードディスクに、飛行ソフトウェアとシミュレーションソフトウェアをインストールし、さらに、ダイナミクスモデルのデータを記憶させることで、スタンドアローン状態で飛行ソフトウェア検証試験を実施することができる。

このように、飛行ソフトウェア検証試験とロケットシステム検証とは共に、アビオ機器やエフェクタの挙動をダイナミクスモデルを用いて模擬するプロセスを含んでいる。にもかかわらず、インタフェースの違いから、飛行ソフトウェア検証試験と同じハードウェアではロケットシステム検証を行えない。即ち、飛行ソフトウェア検証試験とロケットシステム検証との間にはハードウェアの互換性がない。そのため、両者で同じ挙動をそれぞれ模擬しても、その結果には違いが生じることがある。

このような模擬結果の相違は、飛行ソフトウェア検証試験とロケットシステム検証との評価の一貫性を損ねる可能性があるので、極力避けることが望ましい。そのためには、飛行ソフトウェア検証試験とロケットシステム検証とのどちらでも、アビオ機器やエフェクタの挙動を模擬するプロセスを同じハードウェアで行うことが有効である。

例えば、エンジンの電子制御ユニットに関しては、ダイナミクスモデルを用いて制御対象の挙動を模擬するハードウェアを、製品開発における設計、検証、訂正の各工程で共通化することを提案した先行文献が存在する（例えば、特許文献１）。この先行文献では、ソフトウエア・シミュレーション装置とハードウエア・シミュレーション装置を備えたシミュレーション装置を開示している。

このうち、ハードウエア・シミュレーション装置は、モデル化された制御対象モデル（ダイナミクスモデル）、制御対象モデルを制御する実制御ユニット、実制御ユニットが制御の際に用いる制御アプリケーション、制御対象モデルを参照して制御対象の応答を模擬する実計測シミュレータ、及びコントローラを有している。一方、ソフトウエア・シミュレーション装置は、ハードウエア・シミュレーション装置の少なくとも実制御ユニットと実計測シミュレータとを、仮想的にソフトウエアで構成している。

ここで、ハードウェア・シミュレーション装置の実制御ユニットによるエンジンの制御には汎用的なインタフェースが用いられるので、ハードウェア・シミュレーション装置には汎用的なコンピュータを用いることができる。一方、ソフトウエア・シミュレーション装置によるシミュレーションも、その処理内容からして、汎用的なコンピュータレベルで十分実行することができる。

そこで、ソフトウエア・シミュレーション装置における、制御対象モデル（ダイナミクスモデル）を用いて制御対象の挙動を模擬するハードウェアを、そのままハードウエア・シミュレーション装置でも使用している。

特開２００８−２６９０２２号公報

上述したように、エンジンの電子制御ユニットの場合は、ロケットシステムのような特殊なインタフェース事情が存在しない。そのため、ソフトウエア・シミュレーション装置とハードウエア・シミュレーション装置とが、同じハードウェアを用いてダイナミクスモデルに基づく制御対象の挙動をシミュレーションすることは、容易に実現できる。

ところが、ロケット開発の場合は、先に説明したように、飛行ソフトウェアの開発検証段階とロケットシステムの検証段階とでインタフェース事情が異なるため、個別のハードウェアでそれぞれ構成する必要があった。そのため、ダイナミクスモデルを用いた制御対象の挙動の模擬も、それぞれのハードウェアで個別に行わざるを得ず、飛行ソフトウェア検証試験とロケットシステム検証とに評価の一貫性を持たせる点で改善の余地があった。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、インタフェース環境が異なるフェーズにおいても、共通のハードウェアを用いて制御対象の挙動を模擬することができるシミュレータを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明のシミュレータは、
制御プログラムを実行して制御対象を制御するための制御信号を出力する制御手段と、
前記制御対象の挙動をモデル化したダイナミクスモデルのデータを記憶する記憶手段と、
前記ダイナミクスモデルのデータを用いて、前記制御信号により制御された前記制御対象の挙動を模擬し、模擬した前記制御対象の挙動を示す挙動信号を出力するシミュレーション手段と、
前記挙動信号に基づいて前記制御プログラムの評価を行う評価手段と、
外部機器との信号の入出力を行うインタフェース手段と、
前記インタフェース手段に接続された機器に応じて動作モードを切り替えるモード切替手段とを備えており、
前記モード切替手段は、
インタフェース規格の変換を行うインタフェース変換器が前記インタフェース手段に接続されたことを検出したときに、前記インタフェース変換器から前記インタフェース手段に入力された前記制御信号により制御された前記制御対象の挙動を前記シミュレーション手段が模擬し、かつ、該シミュレーション手段が出力した挙動信号を前記インタフェース手段から前記インタフェース変換器に出力する制御検証モードに動作モードを切り替え、
前記インタフェース手段に機器が接続されていないことを検出したときに、前記制御手段が出力した前記制御信号により制御された前記制御対象の挙動を前記シミュレーション手段が模擬し、かつ、該シミュレーション手段が出力した前記挙動信号に基づいて前記評価手段が前記制御プログラムの評価を行うプログラム評価モードに動作モードを切り替える、
ことを特徴とする。

請求項１に記載した本発明のシミュレータによれば、インタフェース手段にインタフェース変換器が接続されている制御検証モードでは、シミュレーション手段は、インタフェース変換器からインタフェース手段に入力された制御信号に対応する制御対象の挙動を模擬して挙動信号をインタフェース手段からインタフェース変換器に出力する。

したがって、インタフェース手段とはインタフェース規格が異なる制御プログラムの実行機器を接続したインタフェース変換器がインタフェース手段に接続された場合は、制御プログラムの実行機器からの制御信号に基づいてシミュレーション手段が制御対象の挙動を模擬し、模擬した挙動を示す挙動信号をインタフェース手段及びインタフェース変換器を介して制御プログラムの実行機器に返送することになる。

即ち、請求項１に記載した本発明のシミュレータは制御検証モードにおいて、制御プログラムの実行機器による制御対象の制御内容を検証するために、制御プログラムの実行機器が制御対象を制御したときの制御対象の挙動を模擬するシミュレータとして機能することになる。

一方、インタフェース手段にインタフェース変換器が接続されていないプログラム評価モードでは、シミュレーション手段は、制御手段が出力する制御信号に対応する制御対象の挙動を模擬して挙動信号を出力し、その挙動信号に基づいて評価手段が制御プログラムの評価を行うことになる。

即ち、請求項１に記載した本発明のシミュレータはプログラム評価モードにおいて、制御プログラムの実行機器による制御対象の制御と制御プログラムの実行機器により制御された制御対象の挙動とを模擬し、模擬した挙動から制御プログラムを評価する、評価機能付のシミュレータとして機能することになる。

したがって、インタフェース手段とは異なる規格のインタフェースを有する制御プログラムの実行機器に接続して当該機器による制御の検証を行う際と、制御プログラムの実行機器に接続せずに制御プログラムそのものの評価を行う際とに、共通のハードウェアを用いて制御対象の挙動を模擬することができる。これにより、同じダイナミクスモデルを用いた制御検証とプログラム評価とを、使用するハードウェアの共通化による一貫性のある内容とすることができる。

また、請求項２に記載した本発明のシミュレータは、請求項１に記載した本発明のシミュレータにおいて、前記記憶手段が、前記ダイナミクスモデルのデータを前記制御対象の制御要素別に分けて記憶しており、前記シミュレーション手段は、前記制御検証モードにおいて、前記インタフェース手段に接続された前記インタフェース変換器によるインタフェース変換対象の機器が制御する制御要素の挙動を、該制御要素に対応する前記ダイナミクスモデルのデータを用いて模擬することを特徴とする。

請求項２に記載した本発明のシミュレータによれば、請求項１に記載した本発明のシミュレータにおいて、制御検証モードにおいてシミュレーション手段が、インタフェース変換器を介してインタフェース手段に接続された機器が制御する制御要素の挙動を模擬する。このため、シミュレーション手段がダイナミクスモデルのデータを用いて挙動を模擬する制御対象が、複数の制御要素を含んでいる場合に、インタフェース手段に接続されたインタフェース変換器による変換対象の制御要素の挙動を、対応するダイナミクスモデルを用いて模擬することができる。

本発明のシミュレータによれば、インタフェース環境が異なるフェーズにおいても、共通のハードウェアを用いて制御対象の挙動を模擬することができる。

本発明の一実施形態に係る飛行解析シミュレータの運用を概念的に示す説明図である。図１の誘導制御計算機等が搭載されるロケットの制御系の概略構成を示す説明図である。図１の飛行解析シミュレータを誘導制御計算機側と接続して運用する場合の概略構成を示す説明図である。図３の機体ダイナミクスモデル及びインタフェース信号変換部の概要を詳説する説明図である。図１のパーソナルコンピュータのＣＰＵがハードディスクにインストールされたソフトウェアのプログラムにしたがって実行する処理の要点を示すフローチャートである。（ａ），（ｂ）は図１の飛行解析シミュレータをプログラム評価モードで運用する場合の機能構成を示す説明図である。図１の飛行解析シミュレータを制御検証モードで運用する場合の機能構成を示す説明図である。図１の飛行解析シミュレータを制御検証モードで運用する場合の機能構成を示す説明図である。図１の飛行解析シミュレータを制御検証モードで運用する場合の機能構成を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るシミュレータの運用を概念的に示す説明図である。

図１に示すように、本発明のシミュレータの一実施形態に係る飛行解析シミュレータ１は、飛行ソフトウェアＡを用いてロケット３１（図２参照）のエフェクタ４１（図２参照）の動作を制御した場合のエフェクタ４１の挙動を、機体ダイナミクスモデルＢを用いて模擬するものである。この機体ダイナミクスモデルＢは、各種制御信号に対するエフェクタ４１の挙動（応答）を、各エフェクタ４１毎に個別にモデル化したものである。

各エフェクタ４１の挙動（応答）を模擬するために、飛行解析シミュレータ１は、パーソナルコンピュータ（以下、「パソコン」と略記する。）３のハードディスク５に、シミュレーションソフトウェア（図示せず）と共に、機体ダイナミクスモデルＢのデータをインストールしている。

図２の説明図に示すように、ロケット（宇宙機）１１は、誘導制御計算機３３がハードディスク２５にインストールした飛行ソフトウェアＡを実行して通信バス３７に出力する制御信号にしたがって、設計した飛行経路を飛行するように全体動作を制御する。詳しくは、誘導制御計算機３３からの制御信号を受けた各種のアビオ機器（自動操縦装置や航法システム、通信機器、飛行管理システム等）３９が、対応するエフェクタ（エンジン、アクチュエータ等）４１に詳細な制御信号を出力して、その動作を制御する。なお、ロケット３１の姿勢等は、ジャイロ部４３が検出して誘導制御計算機３３に出力する。このジャイロ部４３は、外部からのテスト入力信号を、自らのテスト動作による検出信号として誘導制御計算機３３に出力できる機能を有している。

このような構成のロケット３１において、誘導制御計算機３３と通信バス３７との間、通信バス３７とアビオ機器３９との間、アビオ機器３９とエフェクタ４１との間、ジャイロ部４３と誘導制御計算機３３との間には、汎用的でない規格のインタフェースが用いられる。その例としては、高速通信に適したＥＩＡ−４２２規格や、航空機用通信規格であるＭＩＬ−ＳＴＤ−１５５３Ｂ規格、宇宙機ネットワーク用通信規格であるＳｐａｃｅＷｉｒｅ規格等がある。

一方、図１に示す本実施形態の飛行解析シミュレータ１は、図３の説明図に示すように、アビオ機器３９（図２参照）の挙動を模擬するアビオ模擬モジュール７と、エフェクタ４１（図２参照）の挙動を模擬するエフェクタ模擬モジュール９と、ジャイロ部４３によるロケット３１の姿勢の検出を模擬するセンサ模擬モジュール１１とを有している。

アビオ模擬モジュール７は、図２の誘導制御計算機３３がアビオ機器３９に出力する制御信号にしたがって、アビオ機器３９がエフェクタ４１に制御信号を出力する動作（挙動）を模擬する。エフェクタ模擬モジュール９は、アビオ機器３９がエフェクタ４１に出力する詳細な制御信号にしたがって、エフェクタ４１が行う動作（挙動）を模擬する。センサ模擬モジュール１１は、エフェクタ模擬モジュール９が模擬した動作をエフェクタ４１が行った場合にジャイロ部４３が検出して姿勢信号を出力する動作（挙動）を模擬する。これらのモジュール７，９，１１は、模擬した動作（挙動）を示す挙動信号を生成する。

上述したアビオ模擬モジュール７、エフェクタ模擬モジュール９、及び、センサ模擬モジュール１１はいずれも、パソコン３のＣＰＵ（図示せず）がハードディスク５の機体ダイナミクスモデルＢを参照しつつシミュレーションソフトウェアを実行することで実現される機能である。なお、本実施形態では、アビオ模擬モジュール７及びエフェクタ模擬モジュール９が、請求項中のシミュレーション手段に相当している。また、本実施形態では、各アビオ機器３９及び各エフェクタ４１が請求項中の制御要素に相当し、これらを統括した概念が、請求項中の制御対象に相当する。

機体ダイナミクスモデルＢは、図４の説明図に示すように、重力モデル、軌道計算、大気、エンジン、スラスタ、アクチュエータ、ミスアライメント、エンジン故障、スラスタ故障、アクチュエータ故障等のモジュールを有している。但し、本実施形態では、シミュレーション対象の関係から、エンジン故障とスラスタ故障の各モジュールを除く他のモジュールを有する機体ダイナミクスモデルＢを、飛行解析シミュレータ１のハードディスク５（請求項中の記憶手段に相当）にインストールしている。

したがって、これらのモジュール７，９，１１に対する制御信号や挙動信号の受け渡しは、パソコン３が有するインタフェース部１３（請求項中のインタフェース手段に相当）の汎用的で普及度の高いインタフェース規格（例えば、ＥＩＡ−２３２規格やＩＥＥＥ１３９４規格）によって行われる。

上述したように、ロケット３１側の信号の受け渡しに用いられるインタフェース規格と、飛行解析シミュレータ１のインタフェース部１３のインタフェース規格とは異なっている。したがって、ロケット３１側とパソコン３との間で信号の受け渡しを行うためには、ハードウェア及びソフトウェア的にインタフェース信号変換を行う必要がある。

そこで、本実施形態では、図１に示すように、ロケット３１の誘導制御計算機３３、通信バス３７、アビオ機器３９と、パソコン３のインタフェース部１３との間で信号の受け渡しを行うために、インタフェース信号変換部１５（請求項中のインタフェース変換器に相当）を用いる。

インタフェース信号変換部１５は、ソフトウェア的にインタフェース規格を変換するための通信インタフェース（通信ＩＦ）１７〜２３と、ハードウェア的にインタフェース規格するための変換インタフェースプラグ（変換ＩＦプラグ）２５とを有している。

図２に示すロケット３１の誘導制御計算機３３、通信バス３７、アビオ機器３９、ジャイロ部４３の相互間では、図４に示すように、ＥＩＡ−４２２規格に準拠したシリアル通信（ＲＳ４２２シリアル通信）、ＭＩＬ−ＳＴＤ−１５５３Ｂ規格に準拠したシリアル通信（１５５３Ｂシリアル通信）、宇宙機ネットワーク用通信規格であるＳｐａｃｅＷｉｒｅ規格に準拠したシリアル通信（ＳｐａｃｅＷｉｒｅ通信）が行われる。

また、図２に示すロケット３１の誘導制御計算機３３、通信バス３７、アビオ機器３９、ジャイロ部４３の相互間では、図４に示すように、アナログ信号、ディスクリート信号、ＰＣＭ信号、アナログセンサ信号、バルブ（バルブ１，２）信号の受け渡しが行われる。

そこで、本実施形態のインタフェース信号変換部１５は、ロケット３１側とパソコン３との間で必要な信号の受け渡しをソフトウェア的に可能にするために、上述した各通信規格や各信号（の形態）に対応するソフトウェア的なインタフェース信号変換モジュールを有している。なお、図７乃至図９を参照して後述する詳細な説明では、１５５３Ｂシリアル通信モジュール、アナログ信号モジュール、アナログセンサ信号モジュール、バルブ２信号モジュールを用いる場合について説明する。

また、本実施形態のインタフェース信号変換部１５は、ロケット３１側とパソコン３との間で必要な信号の受け渡しをハードウェア的に可能にするために、変換インタフェースプラグ（変換ＩＦプラグ）２５を設けている。

図３にブロックで示すインタフェース信号変換部１５の変換インタフェースモジュール（変換Ｉ／Ｆ）１７〜２３は、図４に示す１５５３Ｂシリアル通信モジュール、アナログ信号モジュール、アナログセンサ信号モジュール、バルブ２信号モジュールにそれぞれ対応している。

次に、図１に示す飛行解析シミュレータ１のパソコン３のＣＰＵ（図示せず）がハードディスク５にインストールされたソフトウェアのプログラムにしたがって実行する処理の要点を、図５のフローチャートを参照して説明する。

まず、パソコン３のＣＰＵは、インタフェース部１３にインタフェース信号変換部１５が接続されているか否かを確認する（ステップＳ１）。インタフェース信号変換部１５がインタフェース部１３に接続されているか否かは、インタフェース信号変換部１５のどの変換インタフェースモジュール（変換Ｉ／Ｆ）１７〜２３が接続されているかと共に、インタフェース部１３の各端子（ピン）の電位から認識することができる。

インタフェース部１３にインタフェース信号変換部１５が接続されていない場合は（ステップＳ１でＮＯ）、パソコン３のＣＰＵは、プログラム評価モードによる動作を実行する（ステップＳ３）。プログラム評価モードは、図１の上段に示す飛行ソフトウェア検証試験を行うモードである。

飛行ソフトウェア検証試験は、飛行ソフトウェアＡの設計内容の適否を検証する試験である。飛行ソフトウェア検証試験に用いる飛行解析シミュレータ１には、パソコン３のハードディスク５に飛行ソフトウェアＡと評価ソフトウェア（図示せず）とをさらにインストールし、パソコン３をスタンドアローン状態で運用する。

飛行ソフトウェア検証試験では、パソコン３において飛行ソフトウェアＡを実行し、各エフェクタ４１の動作をアビオ機器３９を介して制御するための制御信号を出力する。この制御信号は、ロケット３１を設計した飛行経路で飛行させるのに適した制御内容のものである。

また、飛行ソフトウェア検証試験では、パソコン３が、飛行ソフトウェアＡを実行して出力させた制御信号に対する各エフェクタ４１の挙動を、機体ダイナミクスモデルＢのデータを用いたシミュレーションソフトウェアの実行により模擬し、模擬したエフェクタ４１の挙動を示す挙動信号を出力させる。そして、パソコン３が、評価ソフトウェアを実行して、シミュレーションソフトウェアの実行で出力させた挙動信号の内容が、ロケットを設計した飛行経路で飛行させるのに適した挙動を示すものであるか否かを評価する。

したがって、パソコン３のＣＰＵがプログラム評価モードによる動作を実行する際には、パソコン３のＣＰＵが飛行ソフトウェアＡや評価ソフトウェアのプログラムを実行することで、図６（ａ），（ｂ）の説明図に示すように、誘導制御計算機３３の動作を模擬する制御装置模擬モジュール１６（請求項中の評価手段に相当）としてパソコン３が機能する。

ステップＳ３でプログラム評価モードの動作を実行する際に、パソコン３のＣＰＵは、例えば、キーボードやマウスからの指定入力に基づいて、２通り以上の模擬動作を選択的に実行することができる。

例えば、図６（ａ）に示す模擬動作では、制御装置模擬モジュール１６によって出力させた制御信号の入力先に該当するアビオ機器３９に対応するアビオ模擬モジュール７が、対応するエフェクタ４１に制御信号を出力する動作（挙動）を模擬する。そして、アビオ模擬モジュール７によって出力させた制御信号の入力先に該当するエフェクタ４１に対応するエフェクタ模擬モジュール９が、対応するエフェクタ４１が行う動作（挙動）を模擬する。このとき、センサ模擬モジュール１１は、エフェクタ模擬モジュール９が模擬した動作をエフェクタ４１が行った場合にジャイロ部４３が検出して姿勢信号を出力する動作（挙動）を模擬する。

一方、図６（ｂ）に示す模擬動作では、アビオ模擬モジュール７とエフェクタ模擬モジュール９とがアビオ機器３９とエフェクタ４１とに分けて行っていたそれぞれの動作（挙動）の模擬を、全アビオの簡易模擬モジュール１０において統括的に模擬する。即ち、制御装置模擬モジュール１６によって出力させた制御信号に対応する各アビオ機器３９がそれぞれの制御対象である各エフェクタ４１の動作を制御した場合の、各エフェクタ４１の動作（挙動）を、全アビオの簡易模擬モジュール１０でまとめて模擬する。

図６（ａ）の模擬動作の場合は、エフェクタ模擬モジュール９が模擬した動作（挙動）を示す挙動信号と、センサ模擬モジュール１１が模擬して出力する姿勢信号とから、制御装置模擬モジュール１６が、エフェクタ模擬モジュール９が模擬したエフェクタ４１の動作（挙動）が、ロケットを設計した飛行経路で飛行させるのに適した挙動であるか否かを評価する。

また、図６（ｂ）の模擬動作の場合は、全アビオの簡易模擬モジュール１０が模擬した動作（挙動）を示す挙動信号から、制御装置模擬モジュール１６が、全アビオの簡易模擬モジュール１０が模擬したエフェクタ４１の動作（挙動）が、ロケットを設計した飛行経路で飛行させるのに適した挙動であるか否かを評価する。

そして、図５に示すように、パソコン３のＣＰＵは、制御装置模擬モジュール１６がエフェクタ４１の動作（挙動）を評価した結果を、ディスプレイの表示や記録用紙へのプリントアウト等によって出力する（ステップＳ５）。これで、パソコン３のＣＰＵは一連の処理を終了する。

これに対し、ステップＳ１において、インタフェース部１３にインタフェース信号変換部１５が接続されている場合（ＹＥＳ）は、パソコン３のＣＰＵは、インタフェース部１３にインタフェース信号変換部１５のどの変換インタフェースモジュール（変換Ｉ／Ｆ）１７〜２３が接続されているかを、インタフェース部１３の各端子（ピン）の電位から確認する（ステップＳ７）。

続いて、パソコン３のＣＰＵは、インタフェース部１３に接続された変換インタフェースモジュール（変換Ｉ／Ｆ）１７〜２３に対応するアビオ機器３９やエフェクタ４１を対象とする、制御検証モードによる動作を実行する（ステップＳ９）。制御検証モードは、図１の下段に示すロケットシステム検証を行う際に利用される。

ロケットシステム検証は、ロケットに搭載する誘導制御計算機３３がハードディスク３５にインストールした飛行ソフトウェアＡを実行して出力する制御信号に対応して、ロケット３１のエフェクタ４１が適切な挙動（応答）を行うかどうかを検証するものである。そのために、誘導制御計算機３３のハードディスク３５には評価ソフトウェアがインストールされる。一方、ロケットシステム検証に用いる飛行解析シミュレータ１側では、パソコン３のハードディスク５に飛行ソフトウェアＡや評価ソフトウェア（図示せず）がインストールされていなくてよい。インストールされていても、これらを利用し実行することはない。

そして、ロケットシステム検証の際には、インタフェース信号変換部１５の変換インタフェースプラグ（変換ＩＦプラグ）２５に、パソコン３のインタフェース部１３や、ロケット３１側の通信バス３７やアビオ機器３９、あるいは、図７に示す実際のエフェクタ４１のセンサ系４５を適宜接続した状態で、飛行解析シミュレータ１を運用する。

ロケットシステム検証では、飛行解析シミュレータ１が動作（挙動）を模擬する対象を変えることができる。図７の説明図に示すパターンでは、インタフェース信号変換部１５の変換インタフェースプラグ（変換ＩＦプラグ）２５に、パソコン３のインタフェース部１３や、一部のエフェクタ４１のセンサ系４５と、他のエフェクタ４１に対応するアビオ機器３９とを接続している。このパターンでは、一部のエフェクタ４１を除く他のエフェクタ４１の動作（挙動）を飛行解析シミュレータ１が模擬する。

また、図８の説明図に示すパターンでは、インタフェース信号変換部１５の変換インタフェースプラグ（変換ＩＦプラグ）２５に、パソコン３のインタフェース部１３と全てのアビオ機器３９とを接続している。このパターンでは、全てのエフェクタ４１の動作（挙動）を飛行解析シミュレータ１が模擬する。

さらに、図９の説明図に示すパターンでは、インタフェース信号変換部１５の変換インタフェースプラグ（変換ＩＦプラグ）２５に、パソコン３のインタフェース部１３と、通信バス３７の各アビオ機器３９に対するポートとを接続している。このパターンでは、全てのアビオ機器３９及びエフェクタ４１の動作（挙動）を飛行解析シミュレータ１が模擬する。

いずれのパターンにおいても、ロケットシステム検証では、誘導制御計算機３３が、飛行ソフトウェアＡを実行して制御信号を通信バス３７に出力する。

図７に示すパターンでは、通信バス３７に接続されたアビオ機器３９（アビオ機器３）が、対応するエフェクタ４１（図７では姿勢制御用のオイルシリンダの場合を示している）に対する制御信号を出力する。そして、アビオ機器３９（アビオ機器３）からの制御信号に呼応して動作したエフェクタ４１のセンサ系４５が、エフェクタ４１の動作状態を検出して検出状態に応じたセンサ信号を出力する。

また、図７に示すパターンでは、センサ系４５が出力したセンサ信号や、通信バス３７のポートに接続されたアビオ機器３９からインタフェース信号変換部１５（図１）に入力された制御信号を、変換インタフェースモジュール（変換Ｉ／Ｆ）１７〜２３が、パソコン３のインタフェース部１３が受付可能なインタフェース規格の制御信号に変換し、インタフェース部１３に出力する。

一方、図８に示すパターンでは、通信バス３７に接続された各アビオ機器３９（アビオ機器１〜３）が、対応するエフェクタ４１に対する制御信号を出力する。そして、各アビオ機器３９から入力された制御信号を、変換インタフェースモジュール（変換Ｉ／Ｆ）１７〜２３が、パソコン３のインタフェース部１３が受付可能なインタフェース規格の制御信号に変換し、インタフェース部１３に出力する。

そして、図７及び図８のどちらのパターンでも、パソコン３の各エフェクタ模擬モジュール９は、インタフェース部１３からの制御信号に対応するエフェクタ４１が行う動作（挙動）を模擬する。このとき、センサ模擬モジュール１１は、エフェクタ模擬モジュール９が模擬した動作をエフェクタ４１が行った場合にジャイロ部４３が検出して姿勢信号を出力する動作（挙動）を模擬する。

これに対し、図９に示すパターンでは、通信バス３７の接続先のポートからインタフェース信号変換部１５（図１）に入力された制御信号を、変換インタフェースモジュール（変換Ｉ／Ｆ）１７〜２３が、パソコン３のインタフェース部１３が受付可能なインタフェース規格の制御信号に変換し、インタフェース部１３に出力する。

パソコン３の各アビオ模擬モジュール７は、インタフェース部１３からの制御信号に対応するアビオ機器３９が行う動作（挙動）の模擬として、対応するエフェクタ４１に対する制御信号を生成し出力する。各エフェクタ模擬モジュール９は、対応するアビオ模擬モジュール７からの制御信号に対応してエフェクタ４１が行う動作（挙動）を模擬する。このとき、センサ模擬モジュール１１は、エフェクタ模擬モジュール９が模擬した動作をエフェクタ４１が行った場合にジャイロ部４３が検出して姿勢信号を出力する動作（挙動）を模擬する。

そして、図７乃至図９のいずれのパターンにおいても、エフェクタ模擬モジュール９は、図５に示すように、模擬した動作（挙動）を示す挙動信号を（インタフェース部１３からセンサ系４５のセンサ信号が入力された場合はこれと共に）、インタフェース部１３に出力する。また、センサ模擬モジュール１１は、模擬したジャイロ部４３の動作（挙動）に相当する姿勢信号を、インタフェース部１３に出力する（以上、ステップＳ１１）。これで、パソコン３のＣＰＵは一連の処理を終了する。

なお、インタフェース信号変換部１５（図１）の変換インタフェースモジュール（変換Ｉ／Ｆ）１７は、パソコン３のインタフェース部１３からの姿勢信号を、テスト入力信号としてジャイロ部４３に出力する。また、他の変換インタフェースモジュール（変換Ｉ／Ｆ）１９〜２３は、パソコン３のインタフェース部１３からの挙動信号を、誘導制御計算機３３の通信バス３７及びアビオ機器３９（図７のパターン）、アビオ機器３９（図８のパターン）、通信バス３７（図９のパターン）に出力する。

誘導制御計算機３３は、評価ソフトウェアを実行し、パソコン３のインタフェース部１３からの挙動信号が示すエフェクタ４１の挙動が、ロケット３１を設計した飛行経路に飛行させるのに適切な内容であるか否かを評価する。

以上の説明からも明らかなように、本実施形態の飛行解析シミュレータ１においては、図５のフローチャートにおけるステップＳ１乃至ステップＳ１１が、請求項中のモード切替手段に対応する処理となっている。

また、本実施形態では、図６（ａ），（ｂ）の制御装置模擬モジュール１６とアビオ模擬モジュール７とによって、請求項中の制御手段が構成されている。

以上に説明したように、本実施形態の飛行解析シミュレータ１は、パソコン３のインタフェース部１３にインタフェース信号変換部１５が接続されている制御検証モードでは、インタフェース信号変換部１５に通信バス３７やアビオ機器３９を介して接続された誘導制御計算機３３が飛行ソフトウェアＡを用いて制御した場合のエフェクタ４１の挙動を模擬するシミュレータとして機能することになる。

一方、インタフェース部１３にインタフェース信号変換部１５が接続されていないプログラム評価モードでは、パソコン３によって実現される制御装置模擬モジュール１６が飛行ソフトウェアＡを用いて出力する制御信号に対応するエフェクタ４１の挙動を模擬して挙動信号を出力し、その挙動信号に基づいて飛行ソフトウェアＡの評価を行うことになる。

即ち、本実施形態の飛行解析シミュレータ１はプログラム評価モードにおいて、誘導制御計算機３３によるエフェクタ４１の制御と誘導制御計算機３３により制御されたエフェクタ４１の挙動とをパソコン３が模擬し、模擬した挙動から飛行ソフトウェアＡをパソコン３が評価する、評価機能付のシミュレータとして機能することになる。

したがって、インタフェース部１３とは異なる規格のインタフェースを有する誘導制御計算機３３に接続して誘導制御計算機３３によるエフェクタ４１の制御の検証を行う際と、誘導制御計算機３３に接続せずに飛行ソフトウェアＡそのものの評価を行う際とに、共通のパソコン３のハードディスク５にインストールされた機体ダイナミクスモデルＢのデータを用いてエフェクタ４１の挙動を模擬することができる。これにより、同じ機体ダイナミクスモデルＢのデータを用いた誘導制御計算機３３の制御の検証と飛行ソフトウェアＡの評価とを、使用するハードウェアの共通化による一貫性のある内容とすることができる。

なお、本実施形態では、機体ダイナミクスモデルＢのデータがエフェクタ４１毎のダイナミクスモデルを個別にモデル化したものとしたので、各エフェクタ４１毎にそれぞれのダイナミクスモデルを用いてその挙動を模擬することができる。

また、本実施形態では、ロケット３１の飛行経路の誘導制御に関するシステムに用いる場合を例に取って説明した。しかし、本発明のシミュレータは、ダイナミクスモデルのデータを用いて制御プログラムにより制御対象を制御した場合の制御対象の挙動を模擬するハードウェアと、その実行機器による制御を含めて模擬して制御プログラムの評価を行うハードウェアとのインタフェース環境が異なる場合に、広く適用可能である。

１飛行解析シミュレータ
３パソコン
５ハードディスク（記憶手段）
７アビオ模擬モジュール（シミュレーション手段）
９エフェクタ模擬モジュール（シミュレーション手段）
１０簡易模擬モジュール
１１センサ模擬モジュール
１３インタフェース部（インタフェース手段）
１５インタフェース信号変換部（インタフェース変換器）
１６制御装置模擬モジュール（評価手段）
１７，１９，２１，２３通信インタフェース
２５変換インタフェースプラグ
３１ロケット
３３誘導制御計算機
３５ハードディスク
３７通信バス
３９アビオ機器（制御要素、制御対象）
４１エフェクタ（制御要素、制御対象）
４３ジャイロ部
４５センサ系
Ａ飛行ソフトウェア
Ｂ機体ダイナミクスモデル

Claims

制御プログラムを実行して制御対象を制御するための制御信号を出力する制御手段と、
前記制御対象の挙動をモデル化したダイナミクスモデルのデータを記憶する記憶手段と、
前記ダイナミクスモデルのデータを用いて、前記制御信号により制御された前記制御対象の挙動を模擬し、模擬した前記制御対象の挙動を示す挙動信号を出力するシミュレーション手段と、
前記挙動信号に基づいて前記制御プログラムの評価を行う評価手段と、
外部機器との信号の入出力を行うインタフェース手段と、
前記インタフェース手段に接続された機器に応じて動作モードを切り替えるモード切替手段とを備えており、
前記モード切替手段は、
ハードウェアインタフェース規格の変換を行うインタフェース変換器が前記インタフェース手段に接続されたことを検出したときに、前記インタフェース変換器から前記インタフェース手段に入力された前記制御信号により制御された前記制御対象の挙動を前記シミュレーション手段が模擬し、かつ、該シミュレーション手段が出力した挙動信号を前記インタフェース手段から前記インタフェース変換器に出力する制御検証モードに動作モードを切り替え、
前記インタフェース手段に機器が接続されていないことを検出したときに、前記制御手段が出力した前記制御信号により制御された前記制御対象の挙動を前記シミュレーション手段が模擬し、かつ、該シミュレーション手段が出力した前記挙動信号に基づいて前記評価手段が前記制御プログラムの評価を行うプログラム評価モードに動作モードを切り替える、
ことを特徴とするシミュレータ。
前記記憶手段は、前記ダイナミクスモデルのデータを前記制御対象の制御要素別に分けて記憶しており、前記シミュレーション手段は、前記制御検証モードにおいて、前記インタフェース手段に接続された前記インタフェース変換器によるインタフェース変換対象の機器が制御する制御要素の挙動を、該制御要素に対応する前記ダイナミクスモデルのデータを用いて模擬することを特徴とする請求項１記載のシミュレータ。