JP2015024705A - Automatic landing/taking-off control method of small electric helicopter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、小型無人航空機である小型電動ヘリコプタの自動離着陸制御方法に関する。 The present invention relates to an automatic take-off and landing control method for a small electric helicopter that is a small unmanned aerial vehicle.
先の10年間において、無人航空機(Unmanned Aerial Vehicle:UAV)技術が飛躍的な進歩を遂げており、研究開発の現場のみでなく、実際的なミッションにUAVが適用されることが多くなっている。UAVは有人航空機に比べてコストや安全性、利便性に優れ、今後その応用範囲はさらに拡大するであろうと予測されている。 Over the past decade, unmanned aerial vehicle (UAV) technology has made tremendous progress, and UAVs are increasingly being applied to practical missions as well as research and development sites. . UAV is superior in cost, safety and convenience compared to manned aircraft, and its application range is expected to expand further in the future.
UAVを実際のミッションに適用する際、オペレータの負担軽減の観点から自律制御技術が必須であり、これを背景としてUAVの自律制御に関する研究が世界中で行われてきている(非特許文献1、2)。また、近年では重量10kg以下程度の小型UAVが運搬や取り扱いの容易さから大きな注目を集めており、自律制御の研究に関してもその研究対象は年々小型化の一途を辿っている(非特許文献3)。 When applying UAV to an actual mission, autonomous control technology is essential from the viewpoint of reducing the burden on the operator, and research on UAV autonomous control has been conducted all over the world against this background (Non-Patent Document 1, 2). In recent years, a small UAV with a weight of about 10 kg or less has attracted a great deal of attention because of its ease of transportation and handling, and the research object of autonomous control has been steadily decreasing year by year (Non-patent Document 3). ).
本発明者等の研究グループでは、小型UAVの1種である小型無人ヘリコプタの自律制御に関する研究を行っており、片手で持ち運び可能な2kg程度の小型電動ヘリコプタの自律化を目指している。(なお、本明細書においては、重量が10kg程度以下の無人電動ヘリコプタを「小型電動ヘリコプタ」と呼ぶものとする。)小型機の自律制御は中型以上の機体の制御よりはるかに困難である。何故なら、小型ゆえに外乱の影響を受けやすいということに加え、搭載可能重量の制限が厳しいため、制御に用いるセンサが著しく制限されてしまうためである。実際、2kgの電動ヘリコプタに搭載可能なセンサは自律制御に用いる上で十分な精度を有していないという問題がある。 The research group of the present inventors is conducting research on autonomous control of a small unmanned helicopter, which is a kind of small UAV, and aims to make the autonomous electric helicopter of about 2 kg that can be carried with one hand. (In this specification, an unmanned electric helicopter having a weight of about 10 kg or less is referred to as a “small electric helicopter.”) Autonomous control of a small machine is much more difficult than control of a medium or larger machine. This is because in addition to being easily affected by disturbances due to its small size, the limit on the weight that can be mounted is severe, so that the sensors used for control are significantly limited. In fact, there is a problem that a sensor that can be mounted on a 2 kg electric helicopter does not have sufficient accuracy for use in autonomous control.
本発明者等による先行研究によって開発された小型電動ヘリコプタの自律制御システムでは、複数の低精度センサデータを統合することで高精度な機体姿勢、位置、および速度の推定を行い(複合航法システム)、得られた推定データを用いて、当該ヘリコプタの姿勢制御、ホバリング制御、誘導制御等を精度良く行うことに成功を収めている(非特許文献4、5)。 In the autonomous control system of a small electric helicopter developed by previous research by the present inventors, highly accurate aircraft attitude, position, and velocity are estimated by integrating multiple low-precision sensor data (combined navigation system) Using the obtained estimation data, the helicopter attitude control, hovering control, guidance control and the like have been successfully performed (Non-Patent Documents 4 and 5).
以下に、本発明に関連する先行技術文献(非特許文献1〜12)を列記する。 The prior art documents (non-patent documents 1 to 12) related to the present invention are listed below.
上記のように、本発明者等の研究グループによって開発された自律制御システムにより、小型電動ヘリコプタの自律飛行を実現できる。しかしながら、ヘリコプタの離着陸の自動化はいまだに実現できていないのが現状である。離着陸を自動化できない最大の理由として、ヘリコプタに搭載しているGPSと気圧計が離着陸時に誤差を持ってしまうことが挙げられる。 As described above, autonomous flight of a small electric helicopter can be realized by the autonomous control system developed by the research group of the present inventors. However, the current situation is that automation of helicopter takeoff and landing has not yet been realized. The biggest reason why take-off and landing cannot be automated is that the GPS and barometer installed in the helicopter have errors during take-off and landing.
GPSに関しては、地上付近の樹木や建造物に電波が反射するマルチパスという現象によって測位データの誤差が増大してしまう。一方、気圧計に関しては、メインロータの吹き降ろしによって、ロータと地面間で空気が圧縮されるために気圧が上昇し、大気圧を基に推定している高度に大きな誤差が生じてしまう。このため、従来の自律制御システムを小型電動ヘリコプタの自動離着陸にそのまま適用することは困難であると考えられる。 With respect to GPS, errors in positioning data increase due to a phenomenon called multipath in which radio waves are reflected by trees and buildings near the ground. On the other hand, regarding the barometer, the air pressure is increased between the rotor and the ground by blowing down the main rotor, so that the atmospheric pressure rises and a large error estimated based on the atmospheric pressure occurs. For this reason, it is considered difficult to apply the conventional autonomous control system as it is to the automatic take-off and landing of a small electric helicopter.
本発明の課題は、離着陸時の小型電動ヘリコプタの高度および水平方向運動を安定化させることのできる、GPSと気圧計を用いない新たな制御方法を提案することにある。 An object of the present invention is to propose a new control method that can stabilize altitude and horizontal movement of a small electric helicopter during take-off and landing and that does not use a GPS and a barometer.
上記の課題を解決するために、本発明の小型電動ヘリコプタの自動離着陸制御方法は、
小型電動ヘリコプタに加速度センサを搭載し、
前記加速度センサの出力から、定常カルマンフィルタを用いて、前記小型電動ヘリコプタの水平方向加速度を推定し、
推定した前記水平方向加速度を用いて、前記小型電動ヘリコプタの離着陸時の水平方向運動を安定化させるための加速度フィードバック制御を行い、
前記定常カルマンフィルタは以下の状態方程式を用いて設計されたものであり、
In order to solve the above problems, an automatic take-off and landing control method for a small electric helicopter of the present invention includes:
A small electric helicopter is equipped with an acceleration sensor,
From the output of the acceleration sensor, using a stationary Kalman filter, the horizontal acceleration of the small electric helicopter is estimated,
Using the estimated horizontal acceleration, acceleration feedback control is performed to stabilize horizontal movement during take-off and landing of the small electric helicopter,
The stationary Kalman filter is designed using the following equation of state:
前記状態方程式において、
ax及びayは機体前方向及び右方向加速度、
p、qはそれぞれロール、ピッチ角速度、
a〜dはメインロータ及びスタビライザのフラップ角度、
Lb及びMaは機体重心とロータヘッドの幾何学的配置やロータブレードの曲げ剛性等によって決まる適当な係数、
Ixx、Iyyは各軸の慣性モーメント、
τb及びτsはメインロータ及びスタビライザのフラッピング運動に関する時定数、
K1〜K3はロータまわりのリンク機構によって決まる係数、および、
δail、δeleはエルロン及びエレベータ操舵入力を表す、
ことを特徴としている。
In the state equation,
a x and a y are forward and rightward accelerations of the aircraft,
p and q are roll, pitch angular velocity,
a to d are flap angles of the main rotor and the stabilizer,
L b and M a are appropriate factors determined by the center of gravity of the fuselage, the geometrical arrangement of the rotor head, the bending rigidity of the rotor blades,
I xx and I yy are the moments of inertia of each axis,
τ b and τ s are time constants related to the flapping motion of the main rotor and stabilizer,
K 1 to K 3 are coefficients determined by the link mechanism around the rotor, and
δ air , δ ele represent aileron and elevator steering inputs,
It is characterized by that.
また、本発明の小型電動ヘリコプタの自動離着陸制御方法は、
前記小型電動ヘリコプタに、計測可能距離が少なくともメインロータの直径以上である超音波センサを搭載し、
前記超音波センサの出力から、カルマンフィルタを用いて、前記小型電動ヘリコプタの対地高度および高度方向速度を推定し、
推定した前記対地高度および高度方向速度を用いて離着陸時の高度制御を行い、
前記カルマンフィルタは以下の状態方程式を用いて設計したものであり、
Moreover, the automatic take-off and landing control method of the small electric helicopter of the present invention is
The small electric helicopter is equipped with an ultrasonic sensor whose measurable distance is at least the diameter of the main rotor,
From the output of the ultrasonic sensor, the ground altitude and altitude direction speed of the small electric helicopter are estimated using a Kalman filter,
Perform altitude control during takeoff and landing using the estimated ground altitude and altitude direction speed,
The Kalman filter is designed using the following equation of state:
前記状態方程式において、hgは対地高度、vdは鉛直下向きの速度、baは加速度センサ出力のバイアス誤差、r3は機体固定座標系から地上固定座標系への座標変換行列の行に対応したベクトル、abは加速度センサの出力ベクトル、gは重力加速度を表すことを特徴としている。 In the above state equation, h g corresponds to the ground altitude, v d corresponds to the vertical downward velocity, b a corresponds to the bias error of the acceleration sensor output, and r 3 corresponds to the row of the coordinate transformation matrix from the body fixed coordinate system to the ground fixed coordinate system. The vector ab represents the output vector of the acceleration sensor, and g represents the gravitational acceleration.
本発明の自動離着陸制御方法では、加速度フィードバック制御と超音波センサを用いた
高度制御により自動離着陸制御を行うようにしている。本発明によれば、自律制御に用いていたセンサが自動離着陸を行う際に大きな誤差を生じてしまうという問題点を解消できることが実験により確認された。よって、本発明の方法を用いることで、小型電動ヘリコプタの自動離着陸制御を含む完全自律制御系を構築することが可能になる。
In the automatic take-off and landing control method of the present invention, automatic take-off and landing control is performed by acceleration feedback control and altitude control using an ultrasonic sensor. According to the present invention, it has been confirmed by experiments that the problem that a large error occurs when the sensor used for autonomous control makes automatic takeoff and landing can be solved. Therefore, by using the method of the present invention, it is possible to construct a fully autonomous control system including automatic take-off and landing control of a small electric helicopter.
図面を参照して、本発明を適用した小型電動ヘリコプタ(以下、単に「ヘリコプタ」と呼ぶ場合もある。)の自動離着陸制御方法の実施の形態を説明する。以下においては、先行研究で開発された小型電動ヘリコプタの自律制御システムの概要を述べた後、自動離着陸実現に向けた現状のシステムの問題点を明確にしたうえで、その問題点を解決するための制御系を説明する。具体的には、最初に、小型電動ヘリコプタをはじめとした本発明の対象の実験システムの一例を述べ、次に、先行研究で構築された複合航法システムと誘導制御系からなる自律制御システムの概要とその有効性について述べる。その次に、自動離着陸を実現する上での現状のシステムの問題点を述べ、その解決法となる本発明の制御系を設計し、実験によってその有効性を検証する。最後に結言を述べる。 With reference to the drawings, an embodiment of an automatic take-off and landing control method for a small electric helicopter (hereinafter sometimes simply referred to as “helicopter”) to which the present invention is applied will be described. In the following, after describing the outline of the autonomous control system for small electric helicopters developed in the previous research, we will clarify the problems of the current system for realizing automatic take-off and landing and solve the problems The control system will be described. Specifically, first, an example of the experimental system of the present invention including a small electric helicopter will be described, and then an outline of the autonomous control system consisting of a composite navigation system and a guidance control system constructed in the previous research And its effectiveness. Next, the problems of the current system for realizing automatic takeoff and landing will be described, the control system of the present invention as a solution will be designed, and its effectiveness will be verified by experiments. Finally, I will give a conclusion.
[実験システムの例]
本発明の方法による制御対象である小型電動ヘリコプタは、例えば、Lepton(登録商標)−Ex(商品名)であり、その全体像を図1に、主な諸元を表1(Table 1)にそれぞれ示す。Lepton−Exはホビー用に開発された高機動ヘリコプタであり、自重と比較して大きな推力を出力可能であることから、ホバリング等の静的飛行だけではなく、アクロバット飛行を行うこともできる。
[Example of experimental system]
A small electric helicopter to be controlled by the method of the present invention is, for example, Lepton (registered trademark) -Ex (trade name), and its overall image is shown in FIG. 1, and main specifications are shown in Table 1 (Table 1). Each is shown. The Lepton-Ex is a high maneuvering helicopter developed for hobbies and can output a large thrust as compared with its own weight, so it can perform not only static flight such as hovering but also aerobatics.
小型電動ヘリコプタ(Lepton−Ex)に搭載する制御装置の構成を表2(Table 2)に示す。制御装置はFPGAボード、無線モジュール、小型姿勢センサ、GPSモジュール、及び気圧計から構成されている。本制御装置の特徴として、2kgの小型
電動ヘリコプタに搭載できるように数十グラム程度の軽量なセンサのみを用いていることが挙げられる。一般に、センサの精度と重量は比例関係にあり、軽量なセンサほどその精度は低い。特に、ヘリコプタの位置・速度計測に用いる小型GPSモジュールは小型ヘリコプタの自律制御に用いるのに十分な精度を有しておらず、複数のセンサデータを統合することで精度向上を図る必要がある。
Table 2 (Table 2) shows the configuration of the control device mounted on the small electric helicopter (Lepton-Ex). The control device includes an FPGA board, a wireless module, a small attitude sensor, a GPS module, and a barometer. A feature of this control device is that only a light sensor of about several tens of grams is used so that it can be mounted on a 2 kg small electric helicopter. In general, the accuracy and weight of a sensor are proportional to each other, and the lighter the sensor, the lower the accuracy. In particular, a small GPS module used for helicopter position / velocity measurement does not have sufficient accuracy to be used for autonomous control of a small helicopter, and it is necessary to improve accuracy by integrating a plurality of sensor data.
[小型電動ヘリコプタの自律制御システム]
次に、本発明者等の研究グループで開発した小型電動ヘリコプタの自律制御システムの概要として、複合航法システムと誘導制御系の設計について述べる。
[Autonomous control system for small electric helicopters]
Next, as an outline of the autonomous control system of a small electric helicopter developed by the research group of the present inventors, the design of a composite navigation system and a guidance control system will be described.
(複合航法システム)
空撮やリモートセンシング等に自律無人ヘリコプタを適用することを考えた場合、無風時におけるホバリング精度が少なくとも水平方向で0.5m程度、鉛直方向で1m程度であることが望ましい。よって、ヘリコプタの位置計測精度は少なくともそれ以上である必要がある。しかし、先に説明したとおり、位置・速度計測に用いる小型GPSモジュールは、この要求仕様に対して十分な精度を有していない。表3(Table 3)に真値との比較試験より得られた小型GPSモジュールの誤差を示す。表3より、水平・鉛直方向のデータともに大きな誤差を持っており、小型電動ヘリコプタの自律制御にそのまま用いることは困難であることがわかる。
(Composite navigation system)
In consideration of applying an autonomous unmanned helicopter to aerial photography, remote sensing, etc., it is desirable that the hovering accuracy when no wind is at least about 0.5 m in the horizontal direction and about 1 m in the vertical direction. Therefore, the position measurement accuracy of the helicopter needs to be at least higher. However, as described above, the small GPS module used for position / velocity measurement does not have sufficient accuracy for this required specification. Table 3 (Table 3) shows the error of the small GPS module obtained from the comparison test with the true value. From Table 3, it can be seen that both horizontal and vertical data have large errors and it is difficult to use them directly for autonomous control of a small electric helicopter.
このような小型GPSモジュールの弱点を補うため、慣性航法及び気圧高度計測の基礎方程式をプロセスモデルとした拡張カルマンフィルタを用いることによって誤差を補正する複合航法システムを構築する。 In order to compensate for the weak points of such a small GPS module, a compound navigation system is constructed that corrects errors by using an extended Kalman filter with the basic equations of inertial navigation and atmospheric pressure altitude measurement as process models.
まず、システムの状態方程式と観測方程式を導出する。いま、vn、ve、vdをそれぞれ北向き、東向き、及び鉛直下向きの小型電動ヘリコプタの速度とすると、慣性航法の基礎方程式(非特許文献6)より、それらの時間微分は以下の式(1)〜(3)で表される。 First, the state equation and observation equation of the system are derived. Now, assuming that v n , v e , and v d are the speeds of a small electric helicopter facing north, east, and vertically downward, respectively, from the basic equation of inertial navigation (Non-Patent Document 6), their time derivatives are as follows: It is represented by the formulas (1) to (3).
ここで、abは機体に搭載された加速度センサの出力ベクトル、r1〜r3は機体固定座標系から地上固定座標系への座標変換行列の各行に対応したベクトル、Ωは地球の自転角速度、Lはヘリコプタの現在位置の緯度、gは重力加速度である。 Here, a b vector output vector from the acceleration sensor mounted on the machine body, r 1 ~r 3 is corresponding to each row of the coordinate transformation matrix to terrestrial fixed coordinate system from the body-fixed coordinate system, Omega is the earth's rotation angular velocity , L is the latitude of the current position of the helicopter, and g is the gravitational acceleration.
一般に加速度センサ出力にはバイアス誤差が含まれており、これが慣性航法演算を行う際に大きな問題となる。そこで、加速度センサのバイアス誤差のダイナミクスを次式(4)で仮定して拡張カルマンフィルタに組み込むことで誤差推定を行い、これを補正する。 Generally, an acceleration sensor output includes a bias error, which becomes a big problem when performing inertial navigation calculation. Therefore, the error estimation is performed by correcting the bias error dynamics of the acceleration sensor by assuming the following equation (4) and incorporating the dynamics into the extended Kalman filter.
いま、ba=[bax;bay;baz]Tというベクトル導入し、式(1)〜式(3)をバイアス誤差補正を含む方程式に書き換えると以下の式(5)〜(7)となる。 Now, when the vector b a = [b ax ; b ay ; b az ] T is introduced and the equations (1) to (3) are rewritten into equations including bias error correction, the following equations (5) to (7) It becomes.
続いて、電動小型ヘリコプタの現在位置の緯度L、経度λ、高度hの時間微分は次式(8)〜(10)で表すことができる。 Subsequently, the time differential of the latitude L, longitude λ, and altitude h of the current position of the electric small helicopter can be expressed by the following equations (8) to (10).
さらに、気圧高度計測(非特許文献7)に用いられる基礎方程式から大気圧Pの時間微分と鉛直方向速度との関係を以下の式(11)で表すことができる。 Furthermore, from the basic equation used for atmospheric pressure altitude measurement (Non-Patent Document 7), the relationship between the time differential of the atmospheric pressure P and the vertical speed can be expressed by the following equation (11).
式(4)〜式(11)をまとめると、以下に示す非線形状態方程式を得る。
つづいて、観測方程式を導出する。システムの観測量はGPSより得ることができる緯度、経度、高度及び水平方向2軸の速度及び気圧計を用いて計測される大気圧であるため、出力ベクトルをy=[L l h vn ve P]Tとすれば、観測方程式は次式となる。 Next, the observation equation is derived. Since the observation amount of the system is the latitude, longitude, altitude and horizontal pressure that can be obtained from the GPS, and the atmospheric pressure measured using a barometer, the output vector is y = [L l h v n v e P] If T , then the observation equation is:
以上で得られたプロセスモデルに対して拡張カルマンフィルタアルゴリズムを適用することによって複合航法システムを構築し、検証実験を行った。検証実験の結果を図2及び図3に示す。この実験では、全ての機器を台車に搭載し、移動しながら位置・速度の推定を行った。また、同台車上にRTK−GPSを搭載し、RTK−GPSの測位データを真値と扱っている。図2が水平位置の測位データ、図3が高度の測位データをそれぞれ示している。各図において、破線が小型GPSモジュールの測位データ、実線が航法システムで推定した推定値、鎖線がRTK−GPSを用いて取得した真値である。 A compound navigation system was constructed by applying the extended Kalman filter algorithm to the process model obtained above, and a verification experiment was conducted. The results of the verification experiment are shown in FIGS. In this experiment, all equipment was mounted on a cart, and the position and speed were estimated while moving. Moreover, RTK-GPS is mounted on the same vehicle, and the RTK-GPS positioning data is handled as a true value. FIG. 2 shows the positioning data at the horizontal position, and FIG. 3 shows the positioning data at the altitude. In each figure, the broken line is the positioning data of the small GPS module, the solid line is the estimated value estimated by the navigation system, and the chain line is the true value obtained using RTK-GPS.
各図より、小型GPSモジュールのデータは真値に対して水平方向で最大3m程度、高度方向で最大10m程度の大きな誤差を持ち、前述した要求仕様を全く満たしていないのに対し、航法システムによって推定したデータは、水平方向、高度方向共に最大でも0.3m程度の誤差にとどまる正確な位置推定が行えており、構築した複合航法システムの有効性を示す結果となっている。 From each figure, the data of the small GPS module has a large error of about 3m in the horizontal direction and about 10m in the altitude direction with respect to the true value, and does not satisfy the above-mentioned required specifications at all. The estimated data enables accurate position estimation with an error of about 0.3 m at the maximum in both the horizontal and altitude directions, and shows the effectiveness of the constructed composite navigation system.
(誘導制御系)
次に、複合航法システムで得られた推定データを用いて小型電動ヘリコプタを任意の目標点へと誘導する誘導制御系を構築する。図4に示すように、誘導制御系1は、小型電動ヘリコプタ2の誘導に必要な加速度ベクトルを生成する誘導制御器3、ロータ推力を用いて所望の加速度ベクトルを実現するためのロータコレクティブピッチ角及び目標機体姿勢を計算する推力生成器4、および計算された目標姿勢に機体姿勢を追従させる姿勢制御系5から構成される。誘導制御器3に、上記の複合航法システム6から推定データが入力さ
れる。姿勢制御系5は先行研究において既に構築及び実証がなされているため(非特許文献4)、以下では誘導制御器及び推力生成器の設計を行う。
(Guidance control system)
Next, a guidance control system for guiding the small electric helicopter to an arbitrary target point using the estimated data obtained by the composite navigation system is constructed. As shown in FIG. 4, the guidance control system 1 includes a guidance controller 3 that generates an acceleration vector necessary for guidance of the small electric helicopter 2, and a rotor collective pitch angle for realizing a desired acceleration vector using the rotor thrust. And a thrust generator 4 for calculating the target body posture, and a posture control system 5 for causing the body posture to follow the calculated target posture. Estimated data is input to the guidance controller 3 from the compound navigation system 6 described above. Since the attitude control system 5 has already been constructed and verified in the previous research (Non-Patent Document 4), the guidance controller and the thrust generator are designed below.
はじめに、小型電動ヘリコプタの並進運動モデルを導出する。いま、3次元空間中の各軸方向の目標加速度をシステムの入力としたとき、入力から機体速度までのダイナミクスを、空気抵抗によるダンピングやインナーループの姿勢制御系の遅れ等を考慮して以下の式(17)で表される3次の伝達関数で近似する。 First, a translational motion model of a small electric helicopter is derived. Now, when the target acceleration in each axis direction in the three-dimensional space is used as the system input, the dynamics from the input to the aircraft speed are considered as follows, taking into account the damping of the air resistance and the delay of the attitude control system of the inner loop. Approximation is performed using a third-order transfer function expressed by Expression (17).
つづいて、得られたモデルを用いて誘導制御器を設計する。まず、目標点と現在位置の偏差を用いて比例制御により計算された各軸の目標速度をvnd、ved、vddとしたとき、この目標速度に機体速度を追従させるための最適制御器を設計する。式(17)の伝達関数の実現を求め、サーボ拡大系(非特許文献8)を構成し、拡大系に対して最適制御理論を適用して状態フィードバック制御器を設計した。いま、サーボ拡大系の状態量を
また、eiは次式(19)で表される目標速度と機体速度の偏差の積分を表している。
ここで、実験時に直接観測できない状態量に関しては、同一次元オブザーバによって推定している。最後に、生成された各軸の目標加速度を用いて構成されるベクトル
ad=[and;aed;add+g]T
を考え、このベクトルで表される各軸の目標加速度を、ロータ推力の各軸成分を用いて実現する推力生成器を設計する。小型電動ヘリコプタの構造上、ロータ推力の大きさとその傾きを適当に設定することで、任意のadを実現可能である。そのため、推力の大きさを決定するロータコレクティブピッチ角と、傾きを決定する機体姿勢を求めることで、adを実現できる。
Here, the state quantities that cannot be directly observed during the experiment are estimated by the same-dimensional observer. Finally, a vector a d = [a nd ; a ed ; a dd + g] T constructed using the generated target acceleration of each axis
Then, a thrust generator that realizes the target acceleration of each axis represented by this vector using each axis component of the rotor thrust is designed. The structure of the small electric helicopter, by setting the inclination and the size of the rotor thrust appropriately, it is possible to implement any of a d. Therefore, the rotor collective pitch angle determines the magnitude of the thrust, by obtaining the aircraft attitude to determine the slope, it can be realized a d.
いま、ロータコレクティブピッチ角をθpitとしたとき、ロータ回転数が一定であるという仮定の下でθpitとロータ推力の関係が線形である(非特許文献9)ことを利用すれば、adのノルムとそれを実現するためのロータコレクティブピッチ角の関係は、Kpitを適当なゲインとして以下の式(20)で表される。 Now, when the rotor collective pitch angle and theta pit, by utilizing that the relationship of theta pit and rotor thrust under the assumption that the rotor rotational speed is constant is linear (non-patent document 9), a d The relationship between the norm of the motor and the rotor collective pitch angle for realizing it is expressed by the following equation (20) with K pit as an appropriate gain.
続いて、目標機体姿勢を求める。先行研究(非特許文献4)において、小型電動ヘリコプタの姿勢表現にクォータニオン(非特許文献10)を用いているため、ここでは目標機体姿勢を表すクォータニオンを計算する。計算を容易にするために、図5に示す座標系を定義する。まず、N− frameは小型電動ヘリコプタの重心に原点をもち、Zn軸を重力方向、Xn軸を真北方向にとった座標系である。続いて、R−frameはN−frameをZn軸周りに目標方位角度yd[rad]だけ回転させた座標系である。 Subsequently, the target body posture is obtained. In the previous research (Non-Patent Document 4), since the quaternion (Non-Patent Document 10) is used for the attitude representation of the small electric helicopter, the quaternion representing the target body attitude is calculated here. In order to facilitate the calculation, a coordinate system shown in FIG. 5 is defined. First, N-frame is a coordinate system having an origin at the center of gravity of the small electric helicopter, the Zn axis being in the gravity direction, and the Xn axis being in the true north direction. Subsequently, R-frame is a coordinate system in which N-frame is rotated by a target azimuth angle yd [rad] around the Zn axis.
N− frameに対するR−frameの姿勢を表すクォータニオンをqr nとすると、これは次式(21)で計算することができる。
adはN−frame上のベクトルとして表現されており、これをR−frame上に座標変換したものをar dとすると、adとar dの関係はqr nを用いて次式(22)で表される。
ここで、鉛直上方向きの参照ベクトルを次のように定義すれば、
Td=[0 0 −Kpit||ad||]T
Tdによってadを達成するために必要な回転姿勢を表すSimple Rotation(非特許文献11)の回転軸λd及び回転角度φdはTdとar dを用いて次式(23)で計算できる。
Here, if we define a vertically upward reference vector as
T d = [0 0 −K pit || a d ||] T
T is the rotation axis lambda d and the rotation angle phi d of Simple Rotation (Non-Patent Document 11) representing the rotational position required to achieve a d by d using T d and a r d the following equation (23) Can be calculated.
また、このSimple Rotationと同様の回転姿勢を表すクォータニオンqr dは次式(24)となる。 Further, the quaternion q r d representing the rotation posture similar to this Simple Rotation is expressed by the following equation (24).
以上のqd rとqr nを用いることによって、adを実現するための目標姿勢を表すクォータニオンqdは次式(25)で計算することができる。
以上で得られた式(18)、式(20)、式(25)及び先行研究の姿勢制御系を用いて行ったホバリング制御実験の結果を図6に示す。実験時はほぼ無風状態であり、地上高約5mの位置に設定した原点を目標点としてホバリング飛行を行った。図中の実線は約2分間の3次元飛行軌跡を示している。飛行軌跡の9割が原点を中心とした半径0.5mに収まっており、自律無人ヘリコプタ運用時の要求仕様を十分に満たす結果を得ることができた。 FIG. 6 shows the results of the hovering control experiment performed using the equations (18), (20) and (25) obtained above and the attitude control system of the previous study. During the experiment, there was almost no wind, and the hovering flight was performed with the origin set at a height of about 5 m above the ground as the target point. The solid line in the figure shows a three-dimensional flight trajectory of about 2 minutes. Ninety percent of the flight trajectory is within a radius of 0.5m centered on the origin, and we were able to obtain results that satisfactorily met the required specifications for autonomous unmanned helicopter operation.
[自動離着陸制御]
次に、小型電動ヘリコプタの自動離着陸の実現へ向けた制御系設計を行う。上記のように、複合航法システムと誘導制御系を用いて小型電動ヘリコプタの自律飛行を実現した。しかし、離着陸の自動化はいまだに実現できていないのが現状である。離着陸を自動化できない最大の理由としては、先に述べたように、ヘリコプタに搭載しているGPSと気圧計が離着陸時に誤差を持ってしまうことが挙げられる。GPSに関しては、地上付近の樹木や建造物に電波が反射するマルチパスという現象によって測位データの誤差が増大してしまうからである。気圧計に関しては、メインロータの吹き降ろしによってロータと地面間で空気が圧縮されるために気圧が上昇し、大気圧を基に推定している高度に大きな誤差が生じてしまうからである。
[Automatic takeoff and landing control]
Next, we will design a control system for realizing automatic take-off and landing of a small electric helicopter. As described above, the autonomous flight of a small electric helicopter was realized using a compound navigation system and a guidance control system. However, the current situation is that automation of takeoff and landing has not yet been realized. The biggest reason why take-off and landing cannot be automated is that, as described above, the GPS and barometer installed in the helicopter have an error during take-off and landing. This is because with respect to GPS, errors in positioning data increase due to a phenomenon called multipath in which radio waves are reflected by trees and buildings near the ground. As for the barometer, the air is compressed between the rotor and the ground by blowing down the main rotor, so that the atmospheric pressure rises and a large error estimated based on the atmospheric pressure occurs.
実際にヘリコプタが離陸する際に複合航法システムを用いて推定した高度データを図7に示す。図7の5〜10秒付近において小型電動ヘリコプタが離陸をしているにも関わらず、上述した理由により高度データが減少していることがわかる。以上より、前述の自律制御システムを自動離着陸にそのまま適用することは困難であると考えられる。そのため、本発明では、GPSと気圧計を用いない新たな制御系を提案し、離着陸時のヘリコプタの高度及び水平方向運動を安定化することを目指す。 Fig. 7 shows the altitude data estimated using the compound navigation system when the helicopter actually took off. Although the small electric helicopter is taking off in the vicinity of 5 to 10 seconds in FIG. 7, it can be seen that the altitude data is reduced for the reason described above. From the above, it is considered difficult to apply the above-mentioned autonomous control system as it is to automatic take-off and landing. Therefore, in this invention, the new control system which does not use GPS and a barometer is proposed, and it aims at stabilizing the altitude and horizontal motion of a helicopter at the time of takeoff and landing.
(加速度フィードバック制御)
GPSが使用できないため、小型電動ヘリコプタの水平方向運動の安定化に用いることができるのは加速度センサのみである。ここでは、加速度フィードバック制御を用いて小型電動ヘリコプタの水平方向運動を安定化する。
(Acceleration feedback control)
Since GPS cannot be used, only the acceleration sensor can be used to stabilize the horizontal movement of the small electric helicopter. Here, the horizontal movement of the small electric helicopter is stabilized using acceleration feedback control.
一般に、加速度センサの出力には大きなノイズが含まれており、直接フィードバック制御に用いることは難しい。そこで、小型電動ヘリコプタの運動モデルを基礎としたカルマンフィルタを用いて、水平方向加速度を推定する。まず、フィルタ設計に用いるプロセスモデルを導出する。モデルを単純化するために、以下に示す幾つかの仮定をおく。
(1)ヘリコプタのロール及びピッチ角度は十分小さく、ヨー角速度は安定化されており零とみなすことができる。
(2)メインロータ及びスタビライザのフラップ角度は十分小さい。
(3)メインロータの推力の大きさは、ホバリングなどの定常状態において自重に等しい。
In general, the output of an acceleration sensor contains a large amount of noise and is difficult to use directly for feedback control. Therefore, the horizontal acceleration is estimated using a Kalman filter based on a motion model of a small electric helicopter. First, a process model used for filter design is derived. To simplify the model, we make several assumptions:
(1) The roll and pitch angle of the helicopter are sufficiently small, and the yaw angular velocity is stabilized and can be regarded as zero.
(2) The flap angle of the main rotor and stabilizer is sufficiently small.
(3) The magnitude of the thrust of the main rotor is equal to its own weight in a steady state such as hovering.
まず第1の仮定に関しては、離着陸及びホバリング時の姿勢の傾きは微小であり、ヨー方向に関してはレートジャイロと呼ばれる安定化装置によって安定化されているため妥当な仮定であると考えられる。第2の仮定に関しては、そもそもロータとスタビライザのフラップ角度は最大でも数度程度であるのでやはり妥当であるといえる。第3の仮定に関し
ては自明である。
First, regarding the first assumption, the attitude inclination during take-off / landing and hovering is very small, and the yaw direction is considered to be a reasonable assumption because it is stabilized by a stabilizing device called a rate gyro. Regarding the second assumption, it can be said that the flap angle of the rotor and the stabilizer is about several degrees at most, so it is still valid. The third assumption is self-evident.
これらの仮定の下で、小型電動ヘリコプタに印加される水平方向の加速度は次式(26)、(27)で表される。
つづいて、ロール及びピッチ角度と各方向の角速度の関係は次式(28)、(29)となる。
式(26)〜式(29)と先行研究(非特許文献9)において導出された小型無人ヘリコプタの回転運動モデルを組み合わせることによって、以下の状態方程式(30)、(31)を得ることができる。 The following state equations (30) and (31) can be obtained by combining the rotary motion model of the small unmanned helicopter derived in the previous research (Non-patent Document 9) with the formulas (26) to (29). .
ここで、a〜dはメインロータ及びスタビライザのフラップ角度、Lb及びMaは機体重心とロータヘッドの幾何学的配置やロータブレードの曲げ剛性等によって決まる適当な係数、Ixx、Iyyは各軸の慣性モーメント、τb及びτsはメインロータ及びスタビライザのフラッピング運動に関する時定数、K1〜K3はロータまわりのリンク機構によって決まる係数、δali、δeleはエルロン及びエレベータ操舵入力を表している。 Here, a to d are flap angles of the main rotor and the stabilizer, L b and M a are appropriate coefficients determined by the center of gravity of the fuselage, the geometric arrangement of the rotor head, the bending rigidity of the rotor blades, etc., and I xx and I yy are Moment of inertia of each axis, τ b and τ s are time constants related to the flapping motion of the main rotor and stabilizer, K 1 to K 3 are coefficients determined by the link mechanism around the rotor, δ ali and δ ele are aileron and elevator steering inputs Represents.
ここで得られた状態方程式を用いて定常カルマンフィルタを設計した。そして、図8に示すように、定常カルマンフィルタ11に、加速度の座標変換12およびPI制御器13を組み合わせて、加速度フィードバック制御系10を構成した。 A stationary Kalman filter was designed using the equation of state obtained here. As shown in FIG. 8, the acceleration feedback control system 10 is configured by combining the coordinate conversion 12 of acceleration and the PI controller 13 with the steady Kalman filter 11.
加速度フィードバック制御系10による加速度フィードバック制御のみを用いて行ったホバリング飛行実験の結果を図9に示す。図中の実線及び破線は実験時の水平速度を表しており、先に述べた自律航法システムを用いて取得している。図9より、水平速度を安定化することができており、設計した加速度フィードバックが小型電動ヘリコプタの水平運動の安定化にある程度有効であることが示された。 FIG. 9 shows the result of a hovering flight experiment performed using only the acceleration feedback control by the acceleration feedback control system 10. The solid and broken lines in the figure represent the horizontal speed during the experiment, and are obtained using the autonomous navigation system described above. FIG. 9 shows that the horizontal speed can be stabilized and the designed acceleration feedback is effective to some extent for stabilizing the horizontal movement of the small electric helicopter.
(超音波センサを用いた高度制御)
GPSと気圧計を自動離着陸時の高度計測に用いることは困難であるため、対地高度を計測するセンサが別途必要となる。必要なセンサの仕様として、十分に小型・軽量であることが挙げられる。また、気圧計の問題は一般にヘリコプタのロータ面と地面との距離がメインロータの直径以下のときに発生することが知られているため(非特許文献12)、少なくともそれ以上の距離計測が可能でなければならない。今回の小型電動ヘリコプタの場合には1m以上の計測可能距離が必要である。以上の仕様を考慮して、今回は超音波センサを選択した。選択した超音波センサの緒元を表4(Table 4)に示す。
(Advanced control using ultrasonic sensors)
Since it is difficult to use GPS and a barometer for altitude measurement at the time of automatic takeoff and landing, a sensor for measuring the ground altitude is required separately. Necessary sensor specifications include a sufficiently small size and light weight. In addition, since it is known that the problem of barometers generally occurs when the distance between the rotor surface of the helicopter and the ground is less than the diameter of the main rotor (Non-patent Document 12), it is possible to measure at least more distances. Must. In the case of this small electric helicopter, a measurable distance of 1 m or more is required. In consideration of the above specifications, an ultrasonic sensor was selected this time. The specifications of the selected ultrasonic sensor are shown in Table 4 (Table 4).
選択した超音波センサは小型・軽量であり、計測可能距離も十分であることがわかる。しかしながら、超音波センサは音響ノイズの影響を受けやすいという特徴を持つため、小型電動ヘリコプタのロータ風切り音の影響で大きな計測誤差が生じてしまう。また、小型電動ヘリコプタの高度制御のためには高度データのみではなく、高度方向速度が必要となる。そのため、カルマンフィルタを用いて音響ノイズの影響を低減し、かつ高度方向速度の推定も行う。 It can be seen that the selected ultrasonic sensor is small and light, and has a sufficient measurable distance. However, since the ultrasonic sensor has a characteristic that it is easily affected by acoustic noise, a large measurement error occurs due to the effect of rotor wind noise of a small electric helicopter. In addition, for altitude control of a small electric helicopter, not only altitude data but also altitude direction speed is required. Therefore, the influence of acoustic noise is reduced using a Kalman filter, and the altitude direction velocity is also estimated.
カルマンフィルタの設計に用いる状態方程式を次式(32)に示す。
この状態方程式を用いてカルマンフィルタを設計し、対地高度及び高度方向速度の推定を行った。推定にはGPSと気圧計の誤差が小さくなるのに十分な高度で小型電動ヘリコプタを飛行させた際のデータを用いている。推定結果を図10及び図11に示す。 A Kalman filter was designed using this equation of state, and the ground altitude and altitude direction velocity were estimated. For the estimation, data obtained by flying a small electric helicopter at an altitude sufficient to reduce the error between the GPS and the barometer is used. The estimation results are shown in FIGS.
まず、図10に関して、実線がカルマンフィルタにより推定した対地高度を、破線が超音波センサの生データを表している。40秒及び80秒付近において、音響ノイズの影響で超音波センサのデータに大きな誤差が生じているが、推定値ではこのノイズの影響を低減することができている。図11に関して、実線が高度方向速度の推定値を、破線が航法システムを用いて推定した高度速度をそれぞれ表している。2つの推定値がほぼ一致しており、設計したカルマンフィルタで正確な速度推定が行えていることが示された。 First, regarding FIG. 10, the solid line represents the ground height estimated by the Kalman filter, and the broken line represents the raw data of the ultrasonic sensor. In the vicinity of 40 seconds and 80 seconds, a large error occurs in the data of the ultrasonic sensor due to the influence of acoustic noise, but the estimated value can reduce the influence of this noise. In FIG. 11, the solid line represents the estimated value of the altitude direction speed, and the broken line represents the altitude speed estimated using the navigation system. The two estimated values almost coincided with each other, indicating that the designed Kalman filter can perform accurate velocity estimation.
このように推定された対地高度及び高度方向速度と、先に述べた誘導制御系を用いることによって、小型電動ヘリコプタの自動離着陸時の高度制御を行うことが可能である。 By using the ground altitude and altitude direction speed estimated in this way and the guidance control system described above, altitude control during automatic take-off and landing of a small electric helicopter can be performed.
[結言]
以上説明したように、小型電動ヘリコプタの自律化を目的として、自動離着陸制御を含む完全自律制御系の構築を行った。これまで自律制御に用いていたセンサが自動離着陸を行う際には大きな誤差を生じてしまうという問題点を解消するために加速度フィードバック制御と超音波センサを用いた高度制御を含む新たな自動離着陸制御方法を提案した。そして、実験によって、本発明による自動離着陸制御方法の有効性が確認された。
[Conclusion]
As explained above, we constructed a fully autonomous control system including automatic take-off and landing control for the purpose of autonomy of small electric helicopters. New automatic take-off and landing control including acceleration feedback control and altitude control using ultrasonic sensors to solve the problem that a large error occurs when sensors used for autonomous control perform automatic take-off and landing A method was proposed. Experiments confirmed the effectiveness of the automatic take-off and landing control method according to the present invention.
1 誘導制御系
2 小型電動ヘリコプタ
3 誘導制御器
4 推力生成器
5 姿勢制御系
10 加速度フィードバック制御系
11 定常カルマンフィルタ
12 加速度の座標変換
13 PI制御器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Guidance control system 2 Small electric helicopter 3 Guidance controller 4 Thrust generator 5 Attitude control system 10 Acceleration feedback control system 11 Stationary Kalman filter 12 Acceleration coordinate conversion 13 PI controller
Claims (2)
前記加速度センサの出力から、定常カルマンフィルタを用いて、前記小型電動ヘリコプタの水平方向加速度を推定し、
推定した前記水平方向加速度を用いて、前記小型電動ヘリコプタの離着陸時の水平方向運動を安定化させるための加速度フィードバック制御を行い、
前記定常カルマンフィルタは以下の状態方程式を用いて設計されたものであり、
前記状態方程式において、
ax及びayは機体前方向及び右方向加速度、
p、qはそれぞれロール、ピッチ角速度、
a〜dはメインロータ及びスタビライザのフラップ角度、
Lb及びMaは機体重心とロータヘッドの幾何学的配置やロータブレードの曲げ剛性等によって決まる適当な係数、
Ixx、Iyyは各軸の慣性モーメント、
τb及びτsはメインロータ及びスタビライザのフラッピング運動に関する時定数、
K1〜K3はロータまわりのリンク機構によって決まる係数、および、
δail、δeleはエルロン及びエレベータ操舵入力を表す、
ことを特徴とする小型電動ヘリコプタの自動離着陸制御方法。 A small electric helicopter is equipped with an acceleration sensor,
From the output of the acceleration sensor, using a stationary Kalman filter, the horizontal acceleration of the small electric helicopter is estimated,
Using the estimated horizontal acceleration, acceleration feedback control is performed to stabilize horizontal movement during take-off and landing of the small electric helicopter,
The stationary Kalman filter is designed using the following equation of state:
In the state equation,
a x and a y are forward and rightward accelerations of the aircraft,
p and q are roll, pitch angular velocity,
a to d are flap angles of the main rotor and the stabilizer,
L b and M a are appropriate factors determined by the center of gravity of the fuselage, the geometrical arrangement of the rotor head, the bending rigidity of the rotor blades,
I xx and I yy are the moments of inertia of each axis,
τ b and τ s are time constants related to the flapping motion of the main rotor and stabilizer,
K 1 to K 3 are coefficients determined by the link mechanism around the rotor, and
δ air , δ ele represent aileron and elevator steering inputs,
An automatic take-off and landing control method for a small electric helicopter.
前記超音波センサの出力から、カルマンフィルタを用いて、前記小型電動ヘリコプタの対地高度および高度方向速度を推定し、
推定した前記対地高度および高度方向速度を用いて離着陸時の高度制御を行い、
前記カルマンフィルタは以下の状態方程式を用いて設計したものであり、
前記状態方程式において、hgは対地高度、vdは鉛直下向きの速度、baは加速度センサ出力のバイアス誤差、r3は機体固定座標系から地上固定座標系への座標変換行列の行に対応したベクトル、abは加速度センサの出力ベクトル、gは重力加速度を表す、
請求項1に記載の小型電動ヘリコプタの自動離着陸制御方法。 The small electric helicopter is equipped with an ultrasonic sensor whose measurable distance is at least the diameter of the main rotor,
From the output of the ultrasonic sensor, the ground altitude and altitude direction speed of the small electric helicopter are estimated using a Kalman filter,
Perform altitude control during takeoff and landing using the estimated ground altitude and altitude direction speed,
The Kalman filter is designed using the following equation of state:
In the above state equation, h g corresponds to the ground altitude, v d corresponds to the vertical downward velocity, b a corresponds to the bias error of the acceleration sensor output, and r 3 corresponds to the row of the coordinate transformation matrix from the body fixed coordinate system to the ground fixed coordinate system. , A b is the output vector of the acceleration sensor, g is the gravitational acceleration,
The automatic take-off and landing control method for a small electric helicopter according to claim 1.
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