JP2015530947A - 航空機の制御装置、制御システム及び制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、航空機の制御装置、制御システム及び制御方法を開示している。第１制御棒を含む航空機の制御装置において、前記第１制御棒は、その第１移動方向上の移動により、前記航空機の第１運動方向での運動を制御し、第１移動方向上の印加外力撤去後、第１移動方向上の所定位置に自動復帰する。前記第１制御棒の前記所定位置への自動復帰は、前記航空機の第１運動方向での飛行状態維持入りに対応する。前記飛行状態維持は、前記第１制御棒の第１移動方向上の印加外力に変化があったときに発生し、前記航空機が受信した１つの制御信号と、航空機に携帯した状態測定センサが測定した状態信号によって決められる。【選択図】図７

Description

本発明は、遠隔制御装置に係り、特に航空機の制御装置、制御システム及び制御方法に関する。

近年、無人運転の運動体は、航空機（たとえば固定翼飛行機、ヘリコプターを含む回転翼航空機）、自動車両、潜水艦や船舶、及び衛星、スペースステーション又は飛行船などを含め、たとえば偵察、探索救助などの分野において広く応用されている。これらの運動体に対する操縦は、通常、ユーザが遠隔制御装置を介して実現される。遠隔制御装置は、通常、二組の制御棒によって、航空機の前後、左右、上下、向きの四つの運動次元を制御する。そのうち、前後、左右、向き制御の三つの次元の制御棒は、その内部の復帰構造によって中間位置に自ら復元可能である。上下を制御する揺れ棒は、中間位置に自ら復元することができない。

伝統的な制御棒が上下方向において中間位置に自ら復元できないことには、たとえば以下の原因を含む。伝統的な航空機の電子制御機器が比較的少ないことである。異なる種類の航空機、又は異なる重量の航空機について、制御棒が中間位置に位置しても、航空機の上下方向での一定維持を制御することが難しく、すなわち航空機が当該方向において安定した状態がない。したがって、通常の上下方向の制御棒は、中間に留まる必要がない。したがって、摩擦の方式を採用して、制御棒がユーザによって定義した任意の位置に留まるようにしている。

また、多くの電子機器のない航空機において、上下方向の制御は、通常、航空機の起動命令に直接的に対応している。これも、伝統的なコントローラの上下方向の制御棒が元位置に自動復帰するように設計されるべきでないことを招いてしまう。さもなければ、ユーザが手離れをすると、航空機のダウンを招いてしまう。

摩擦の方式を採用して、伝統的な遠隔制御器の上下方向の制御棒がある位置に留まるようにしているため、飛行中に、その他の制御棒の動きによって当該制御棒が動くようになり制御棒の動きの干渉を招く可能性があり、飛行の高度維持が容易でないことを招いてしまう。また、ユーザが航空機の高度を一定に維持しようとするとき、当該制御棒を対応位置にするのも比較的難しく、操作の難度が増えてしまう。

本発明は、航空機の制御装置、制御システム及び制御方法を提供して、航空機の飛行高度の維持が容易でないという技術問題を解決する。

まず、本発明は、第１制御棒を含む航空機の制御装置を提供する。前記第１制御棒は、その第１移動方向上の移動により、前記航空機の第１運動方向での運動を制御し、第１移動方向上の印加外力撤去後、第１移動方向上の所定位置に自動復帰する。前記第１制御棒の前記所定位置への自動復帰は、前記航空機の第１運動方向での飛行状態維持入りに対応する。前記飛行状態維持は、前記第１制御棒の第１移動方向上の印加外力に変化があったときに発生し、前記航空機が受信した制御信号と、航空機に携帯した状態測定センサが測定した状態信号によって決められる。

一部の実施例において、前記第１制御棒の、第１移動方向上の印加外力撤去から所定位置に自動復帰するまでの過程は、航空機が第１運動方向で減速開始からその速度ゼロになるまでの過程に対応する。

一部の実施例において、前記所定位置は、前記第１制御棒の第１移動方向上の中間位置である。

一部の実施例において、当該制御装置は、前記第１制御棒が外力撤去後に中間位置に自動復帰するようにするスプリング装置をさらに含む。

一部の実施例において、前記第１運動方向は、前記航空機の昇降方向である。当該制御装置には、前記航空機の水平移動飛行を制御するための第２制御棒をさらに含む。前記第２制御棒も、中間位置に自動復帰するようにするスプリング装置を有する。

一部の実施例において、前記第１制御棒の第２移動方向上の運動は、前記航空機の向きを制御する。前記第１制御棒は、第２移動方向上の外力撤去後、第２方向上の中間位置にも自動復帰する。

一部の実施例において、前記第１制御棒は、第１移動方向上の移動幅が、前記航空機の上昇又は下降速度に正比例する。

一部の実施例において、前記航空機は、それに携帯したカメラを利用して、地面ターゲットの画像形成機能を実現する。前記カメラは、レンズの伸長／短縮機能を有する。前記第１制御棒は、第１移動方向での移動により、航空機の上昇／下降又はカメラの焦点距離の伸長／短縮又は航空機の上昇／下降及びカメラの焦点距離の伸長／短縮の結合運動を制御する。前記維持された飛行状態が、航空機の高度とカメラの焦点距離の結合値である。

また、本発明は、航空機の制御方法を提供する。前記制御方法は、第１制御棒の第１移動方向での移動による制御信号を受信し、当該制御信号によって航空機の第１運動方向での運動を制御するステップと、前記制御信号が、第１制御棒の第１移動方向での外力撤去によって第１移動方向上の所定位置に自動復帰することに対応する制御信号に変化したか否かを判断するステップと、そうである場合、第１運動方向で飛行状態維持に入るように航空機を制御するステップとを含む。

一部の実施例において、当該方法は、前記第１制御棒の第１移動方向上の印加外力撤去時、航空機が第１運動方向で減速状態に入るステップと、第１制御棒が第１移動方向上の所定位置に維持する場合、航空機が第１運動方向での速度ゼロに減速した後に当該状態を維持するステップとをさらに含む。

一部の実施例において、当該方法は、前記第１制御棒の第１移動方向での移動による制御信号を受信するステップをさらに含み、当該制御信号は、航空機の上昇／下降又はカメラの焦点距離の伸長／短縮又は両者の結合の制御にも用いられる。

一部の実施例において、前記制御方法は、第１及び第２制御棒が全方向での外力が撤去されることによって第１制御棒及び第２制御棒がそれぞれの所定位置に自動復帰したか否かを判断するステップと、そうである場合、ホバリング状態に入るように航空機を制御するステップとをさらに含む。

一部の実施例において、前記制御方法は、前記航空機の状態信号を測定し、前記測定した航空機の状態信号を前記航空機にフィードバックして、前記の状態維持に入るように前記航空機を制御することをさらに含む。

また、本発明は、遠隔制御装置とコントローラとを含む航空機の制御システムを提供する。当該遠隔制御装置は、第１移動方向での移動が、航空機が第１運動方向で飛行するように制御する制御信号に対応する第１制御棒と、第１制御棒の第１移動方向での外力撤去の場合に、第１制御棒を第１方向上の所定位置に自動復帰させるための復帰装置とを含む。コントローラは、前記制御信号と航空機状態信号に基づいて前記航空機の状態を制御する。前記コントローラは、前記第１制御棒が前記第一方向上の所定位置に自動復帰した場合に、状態維持に入るように航空機を制御する。

一部の実施例において、前記第１制御棒の、第１移動方向上の印加外力撤去から所定位置に自動復帰するまでの過程は、航空機の第１運動方向での減速過程に対応する。

一部の実施例において、前記制御システムは、前記航空機の状態信号を測定して前記コントローラに提供する少なくとも１つの状態測定センサをさらに含む。

一部の実施例において、前記制御システムは、前記航空機の状態調整を駆動するための航空機操縦面をさらに含む。前記少なくとも１つの状態測定センサ、前記コントローラ及び前記航空機操縦面は、フィードバック閉じループを構成し、前記の状態維持を行うように前記航空機を制御する。

また、本発明は、航空機の制御方法を提供する。前記制御方法は、第１制御棒の第１移動方向での移動を外力で制御して１つの手動制御信号を発生するステップと、第１制御棒が、第１移動方向での外力撤去の場合に、第１移動方向上の所定位置に自動復帰し、前記手動制御信号が消えたか否かを判断し、そうである場合、第１運動方向で飛行状態の安定化維持に入るように航空機を制御するステップとを含む。

一部の実施例において、前記の第１運動方向で飛行状態の安定化維持に入るように航空機を制御することは、前記航空機の状態を測定して前記航空機のコントローラにフィードバックして航空機操縦面を制御することによって、１つのフィードバック閉じループを構成する。

一部の実施例において、前記の第１運動方向で飛行状態の安定化維持に入るように航空機を制御することは、航空機の高度と航空機に携帯したカメラの焦点距離の結合値の安定化維持を制御することを含む。

従来技術に比較して、本発明の航空機の制御装置の第１制御棒は、第１移動方向上の移動によって航空機の第１運動方向上の運動を制御し、その第１移動方向上の外力撤去後に第１移動方向上の所定位置に自動復帰する。このとき、航空機が第１運動方向上の位置の一定を維持する。したがって、本発明は、上下運動を制御する制御棒が所定位置に自動復帰できないという伝統的な技術偏見を克服し、上下運動を制御する制御棒が所定位置に自動復帰できるようにし、航空機の飛行中において制御装置の操作時に、他の制御棒の運動により、当該上下運動を制御する制御棒を運動させることはなく、航空機の飛行高度が維持される。

航空機及び制御装置の模式図である。 図１に示す制御装置の平面図である。 図２に示す制御装置による航空機上昇制御の操作模式図である。 図２に示す制御装置による航空機下降制御の操作模式図である。 航空機の自動制御を実現する自動制御システムの原理ブロック図である。 図５に示す航空機の自動制御システムの信号原理図である。 航空機制御方法のフロー図である。 航空機の自動制御機能を実現する１つの実施例の方法フロー図である。 図１に示す航空機が制御されて垂直に上昇する模式図である。

本発明の制御装置（遠隔制御器）で運動体（たとえば航空機）の四つの運動次元（前後、左右、上下及び向き）での運動を制御する。載置物を搭載可能であり、載置物の固定、前記載置物の姿勢の自在調節（たとえば、載置物の高度、傾斜角度及び／又は方向を変える）、載置物の特定した姿勢での安定した維持を実現するための担持体（たとえば安定化機能を有する自在継手）を運動体に有していい。前記担持体は、撮像、撮影、監視、サンプリングの補助装置として、航空基地（たとえば回転翼航空機又は固定翼飛行機）、海上基地（たとえば潜水艦や船舶）、陸上基地（たとえば自動車両）又は宇宙基地（たとえば衛星、スペースステーション、又は飛行船）などの分野に運用可能である。前記載置物は、カメラ、ビデオカメラなどの撮影装置であってもいいし、センサなどであってもいい。以下の一部の実施例において、載置物について、カメラを例とし、担持体を航空機に応用し、本発明の有益な効果を説明する。もちろん、載置物は、監視カメラ、照明灯などであってもいいことは理解されよう。以下、図面とともに本発明の一部の実施例について詳細な説明をする。

本発明の実施例における航空機は、自動制御装置が備わり、遠隔制御器の操作が簡単化されている。遠隔制御器は、運動行為の発令者のみとすることができる。以下の一部の実施例において、各揺れ棒の中間位置は、対応次元において運動しないと定義できる。遠隔制御器は、一定の操作を起動指令として定義し、単一な制御指令に頼る弊害を除去する。

伝統的な習慣で、伝統的な遠隔制御器の上下方向の制御棒が摩擦の方式を用いてある位置に留まるという習慣を誰でも変えようとしない。本発明の発明者は、上下運動を制御する制御棒が所定位置に自動復帰できないという伝統的な技術偏見を克服し、上下運動を制御する制御棒が所定位置に自動復帰できるように設計し、良好な技術効果を取得した。飛行中において、他の制御棒の運動により、当該上下運動を制御する制御棒を運動させることはなく、飛行の高度が容易に一定に維持される。

本発明では、遠隔制御器の操作も大幅に簡単化された。ユーザが航空機の高度を一定に維持したいとき、制御棒の中間位置を容易に把握することができる（手離れをするだけで、ユーザの航空機高度一定保持の目的を自動的に達成でき、経験に基づいて中間位置に復帰するように手動で制御する必要がない。手動制御について、それほど精確ではなく、微調整が必要であることはよくある）。本発明は、異なる技術構想の技術案を提供し、しかも従来の技術案より効果が優れるといえる。

本発明の一部の実施例は、遠隔制御器の操作方式を簡単化し、遠隔制御器の発展の傾向となる可能性も大きい。

図１は、航空機及びその遠隔制御システムの模式図である。制御装置１００は、信号１０２を介して航空機１０４に対して遠隔制御を行う。信号１０２は、たとえば無線電波、赤外線、超音波など無線信号であってもいいし、有線で伝送してもいい。航空機１０４は、複数の回転翼１０６、１０８を含むヘリコプターまたは航空機であってもいいし、ヘリコプターや固定翼飛行機であってもいい。航空機１０４は、１つの自在継手（図示せず）でカメラ１０９などの載置物を担持し、画像形成などの機能を実現することができる。

遠隔制御航空機の操作方式は、制御装置１００の第１制御棒１１０、第２制御棒１１２を使用して航空機のたとえば前後、左右、上下及び向きの複数の運動次元を制御する。ここで「制御棒」という用語を使用しているが、当該分野の技術者にとって、「制御棒」が必ずしも幾何上の棒状でないことは理解できる。非棒状の制御部材は、ユーザの操作の嗜好によっては、航空機制御の機能を実現することもできる。

図１における制御棒は、揺動棒状（通常は「揺れ棒」と呼ばれる）として示されている。しかし、当該制御部材が水平移動、外力印加によって移動しない又は回転し、或いは他の方式でユーザの操作動作を感知する可能性もあり、航空機制御の機能を実現することは、当該分野の技術者が理解できる。

図１における航空機の前後と左右の水平移動を制御する二つの次元の第２制御棒１１２は、制御棒の内部の復帰構造によって中間位置に自ら復元でき、対応する制御命令が「０」であり、すなわち航空機の前後左右の位置がいずれも一定に維持される。向きの制御は、第１制御棒１１０の左へ又は右への推進によって実現される。第１制御棒１１０は、左右方向においても中間位置に自ら復元することができ、その対応する制御命令が、航空機１０４の向きを一定に維持することである。

第１制御棒１１０の上下方向での運動は、航空機１０４の上下運動に対応することができ、航空機１０４の昇降に対する制御を実現する。伝統的な上下を制御する制御棒は、通常、中間位置に自ら復元できないものである。

一部の実施例において、２つの制御棒１１０、１１２が同時にそれぞれ左、右の下にあるとき、起動命令に定義することができる。すなわち、２つの制御棒１１０、１１２は、ユーザによってその初期位置（たとえば中間位置）から推進されても航空機の起動状態に影響を与えない（ダウン状態であれば、航空機が引き続きダウン状態に維持する）。ユーザが制御棒１１０、１１２をそれぞれ同時に左下、右下に推進したとき、航空機がダウン状態から起動する。

本発明の一部の実施例に基づき、新しい航空機遠隔制御操作方式には、二組の制御棒１１０、１１２の四つの制御次元において１つの特定位置（たとえば中間位置）にそれぞれ自動復帰させる機能を有する。

このように、一部の実施例には、ユーザが各方向での中間位置を容易に把握するようにし、しかも飛行中により容易に飛行高度の一定を制御するというメリットを有する。操作者が両手を離せば、航空機が各方向での安定化を実現することができ、飛行をより簡単なものにする。ひとつの具体的な実施例の技術案において、上下チャネルに中間位置自動復帰機能を有しない遠隔制御器チャネルを他のチャネル同様な構造にし、中間位置に自動復元できるようにする。

図２は、制御装置１００の平面図である。第１制御棒１１０は、第１移動方向（たとえば制御装置１００がユーザに縦に面するときの上下方向）２２０での移動によって、航空機の第１運動方向（たとえば昇降方向）での運動、たとえば垂直に上昇、下降又はその飛行高度の変化を制御することができる。第２制御棒１１２の上下方向２２２での運動は、遠隔制御航空機の前進及び後退の水平移動飛行に対応できる。第１制御棒１１０は、第２移動方向（たとえば左右方向）２２４での移動によって、遠隔制御航空機の向きを制御できる。一部の実施例において、第１制御棒１１０は、第２移動方向２２４上の外力撤去後に、第２方向２２４上の中間位置にも自動的に復帰する。第２制御棒１１２の左右方向２２６での移動は、航空機の左へ又は右への水平移動飛行に対応できる。

制御装置１００には、制御棒１１０、１１２それぞれの異なる方向２２０、２２２、２２４、２２６での目盛り２２８などを有し、制御棒の移動範囲をユーザに提示する。

なお、図２において、異なる方向２２０、２２２、２２４、２２６は、それぞれ「上下」、「左右」と記載したが、このような記載が相対的なものであると当該分野の技術者が理解できる。

図３は、制御装置１００による航空機上昇制御の操作模式図である。第１制御棒１１０は、ユーザによって上へ推進されるとき、飛行コントローラが対応する制御信号を受信し、当該飛行コントローラによって航空機１０４の上昇を制御する。一部の実施例において、航空機１０４の上昇速度は、制御棒１１０が図２におけるその所定位置から上へ推進される移動幅にほぼ正比例する。

本発明の１つの好ましい実施例によれば、ユーザが第１制御棒１１０の第１移動方向２２０上（たとえば上へ推進する）に印加した外力を撤去した後、制御棒１１０は、第１移動方向上の所定位置、たとえば図２における初期の所定位置（たとえば中間位置）に自動復帰できる。

制御棒１１０の所定位置への自動復帰は、制御装置１００の内部に設置された復帰装置（たとえばスプリング装置又は有機弾力材で構成した装置など）によって実現される。このように、第１制御棒１１０と第２制御棒１１２は、機械構造がほぼ同一であっていい。第１制御棒１１０と第２制御棒１１２は、航空機１０４に対する制御の方法が異なり、たとえば以下に記載する。

航空機１０４の内部に設置された１つの自動制御装置は、第１制御棒１１０が第１移動方向２２０において第１移動方向上の所定位置に自動復帰した場合に、第１運動方向で飛行状態維持に入るように航空機１０４を制御できる。

前記維持された飛行状態は、前記第１制御棒１１０の第１移動方向１２０上の印加外力に変化があったときに発生し、前記航空機が受信した１つの制御信号と、航空機に携帯した状態測定センサが測定した状態信号によって決められていい。たとえば、上昇直後の新たな高度に維持する。このように、ユーザの操作が簡単化され、しかも航空機１０４に対する操縦がより容易且つ精確となる。

図４は、制御装置１００による航空機下降制御の操作模式図である。第１制御棒１１０がユーザによって下へ推進されたとき、航空機のコントローラが当該信号を受信して、航空機１０４が下降するようにする。一部の実施例において、航空機１０４の下降速度は、第１制御棒１１０が図２における初期位置に対して下へ推進される移動幅にほぼ正比例する。このように、第１制御棒の第１移動方向上の移動幅は、前記航空機の上昇又は下降速度に正比例する。

本発明の１つの好ましい実施例によれば、ユーザが第１制御棒１１０に印加した下へ推進する外力を撤去した後、制御棒１１０は、たとえば図２における初期の所定位置、たとえば中間位置に自動復帰できる。制御棒１１０が初期位置に自動復帰することは、制御装置１００の内部に設置されたスプリング、又はその他の方式によって実現される。

制御装置１００の内部に設置され、又は航空機１０４の内部に設置された１つの自動制御装置は、第１制御棒１１０が初期位置に自動復帰したときに、航空機１０４が下降直後の新たな高度に維持するようにする。このように、ユーザの操作が簡単化され、しかも航空機１０４に対する操縦がより容易且つ精確となる。

以上をまとめて、前記自動制御装置は、航空機の飛行状態維持を制御できる。前記飛行状態は、飛行機の姿勢、高度、向き、速度などを含んでいい。前記自動制御装置は、航空機の高度を制御でき、たとえば航空機１０４の現在高度での自動維持を実現できる。システムは、航空機１０４のホバリング及び飛行時に生じた誤差を自動修正し、風による干渉を修正することもできる。

所定位置に自動復帰する（たとえば、中間位置に自動復帰する）制御棒１１０、１１２は、異なる実施例によっては異なる制御方法を有していい。たとえば、第１制御棒１１０は、第１移動方向２２０での中間位置自動復帰において、１つの高度維持状態に入るように航空機を制御すると設計していい。このとき、航空機１０４の飛行高度は、ロックされていい。第２制御棒１１２は、二つの移動方向２２２、２２６での中間位置自動復帰において、１つの水平位置維持状態に入るように航空機を制御すると設計していい。このとき、航空機１０４の水平位置は、ロックされてよく、ユーザの操縦フローが簡単化される。たとえば、ユーザは毎回１つの棒の量を制御するだけで済む。１つの具体的な実施例において、ユーザが第１制御棒１１０に外力を印加せず、航空機１０４は、直前時刻の飛行高度を維持し、しかも自転しない。一方、第２制御棒１１２に対する前後左右の推進は、航空機１０４の前後左右の各方向上の機体傾斜角度（対応的に、航空機１０４の前後左右の各方向上の水平移動速度）にそれぞれ対応していい。ユーザが第２制御棒１１２を手離れると、航空機１０４は、直前時刻の水平位置に維持する。ユーザが第１移動方向で第１制御棒１１０を上へ推進すると、航空機１０４は垂直に上昇する。ユーザが第２移動方向で第１制御棒１１０を左右に推進すると、航空機１０４は左右自転する。

例を挙げて説明する。上記の例において、航空機１０４の上昇速度は、第１制御棒１１０が図２におけるその初期位置から上へ推進される幅（棒の量）にほぼ正比例する。当該幅は、目盛り２２８で示すことができ、揺れ棒の回転角度で定量化できる。たとえば回転値Δｘは、航空機１０４の上昇速度ｖＨに正比例する。すなわち、ｖＨ＝ｋΔｘ（ｋ：定数係数）。例を挙げて説明する。第１制御棒１１０が最大幅で推進されることは、航空機の上昇速度が６メートル／秒であることに対応する。加速及び減速段階を除き、上記正比例の関係は、線形的であっていい。たとえば、第１制御棒１１０が上半分の推進量の半分まで推進したとき、対応する上昇速度が３メートル／秒である。

上へ推進する幅は、制御棒１１０の回転角度で定量化することもでき、たとえば上へ２５°回転すると、航空機１０４が６メートル／秒の上昇速度に達する。上へ１°回転する毎に、航空機１０４の上昇速度が０．２４メートル／秒向上することに相当する。

図５は、航空機の自動制御システム５００の原理ブロック図である。自動制御システム５００は、コントローラ５０１及び航空機状態測定センサ５０２を含む。航空機状態測定センサ５０２は、気圧計、ジャイロスコープ、加速度計、ＧＰＳ、磁力計などの少なくとも一種のセンサを含み、航空機の高度、角速度、加速度、位置と速度、方向などの信号を測定することに用いられ、航空機の状態信号を整合する。

当該状態信号は、外部からのターゲット信号、たとえば信号１０２と１つの信号処理器５０３で処理される。信号処理器５０３は、比較器による上記手動制御信号と状態信号の比較、及び／又は信号混合器による上記手動制御信号と状態信号の混合を含み、比較及び／又は混合後の信号をコントローラ５０１に伝送する。コントローラ５０１は、航空機操縦面５０４を制御して航空機が状態の調整を行う（たとえば回転翼の傾斜角の調整、エンジンパワーの調整、複数のエンジン間のパワー差の調整など）ように駆動し、飛行状態を制御する。このように、コントローラ５０１は、１つの信号と航空機の空気動力に影響する操縦面の１つの界面となる。ヘリコプターの場合、上記航空機操縦面５０４は、回転翼傾斜角調整器、エンジンパワー調整器、回転尾翼状態調整器などを含んでいい。固定翼飛行機の場合、上記航空機操縦面５０４は、エンジンパワー調整器、尾舵調整器、水平昇降面調整器、フラップ調整器、補助翼調整器などを含んでいい。

制御装置１００の第１制御棒１１０が中間位置に復元した後、対応する手動制御信号は、常態信号であるか、存在しない。このような場合では、自動制御システム５００は、フィードバック閉じループ５０５を形成し、航空機状態測定センサ５０２で測定した状態信号を航空機のコントローラ５０１にフィードバックし、航空機操縦面５０４を制御し、第１運動方向での安定した飛行状態維持、たとえば高度維持を実現する。制御装置１００の第１制御棒１１０と第２制御棒１２０が各移動方向で全て中間位置に復元したとき、航空機１０４は、各運動方向での安定した飛行状態維持、たとえばホバリングを実現できる。

図６は、上記の安定化状態維持（たとえば高度維持、自動ホバリングなど）に寄与する自動制御システムの一種の実施例の信号原理図である。遠隔制御航空機１０４に搭載されたコントローラ５００は、ひとつの飛行制御コンピュータ６００で実現され、手動制御信号受信装置６０２で遠隔制御制御装置１００からの遠隔制御信号１０２、ＧＰＳ受信装置６０４からのＧＰＳ信号、及び慣性測定装置６０６からの慣性信号を受信する。飛行制御コンピュータ６００は、受信した信号に基づいて制御指令を発し、航空機の飛行を制御できる。

前記制御指令は、たとえば、航空機のエンジンパワーを制御する指令、航空機の姿勢を制御する指令などを含んでいい。例を挙げると説明する。手動制御信号受信装置６０２が受信した信号には、第１制御棒１１０の上へ推進される一定幅に対応する信号のみを有するとき、制御指令は、航空機１０４のエンジンのパワーを制御して航空機１０４をほぼ定速で垂直上昇させる指令を含む。異なる環境の場合（たとえば海抜高度、気温、風速、風向など）、第１制御棒１１０の上へ推進される一定幅が、異なるエンジンパワーに対応していいと考えられる。

本発明の１つの実施例によれば、第１制御棒１１０のユーザによる上へ推進する印加外力を撤去した後、第１制御棒１１０は、所定位置に自動復帰できる。異なる設計案によっては、第１制御棒１１０は、前記設定された位置において、対応する手動制御信号を発信しない、又は一定の手動制御信号を連続的に発信することに対応できる。このような場合、前記制御指令は、ＧＰＳ受信装置６０４のＧＰＳ信号及び／又は慣性測定装置６０６からの慣性信号に基づく高度維持指令を含む。維持された高度は、第１制御棒１１０の第１移動方向に印加された外力（たとえば上へ推進する）による航空機１０４の上昇中に上へ推進する外力に変化があったときに（たとえばユーザが手離れをすると、第１制御棒１１０が中間位置に自動復帰する）達した高度によって決められていい。すなわち、航空機の開始して維持される安定した飛行状態は、第１制御棒１１０の第１移動方向上の印加外力に変化があったときに発生し、航空機が受信した制御信号（直前時刻の飛行状態を決める）と、航空機に携帯した状態測定センサが測定した状態信号（フィードバック信号として航空機の飛行状態を安定化する）によって決められる。

図５及び図６では、全体的な航空機制御システムは、遠隔制御装置１０４も含むし、航空機に搭載されたコントローラ５０１も含む。遠隔制御装置１０４には、第１移動方向での移動が、航空機が第１運動方向に飛行するように制御する制御信号に対応する第１制御棒と、第１制御棒の第１移動方向での外力撤去の場合に、第１制御棒を第１方向上の所定位置に自動復帰させるための復帰装置とを含む。コントローラ５０１は、前記制御信号と航空機状態信号に基づいて前記航空機の状態を制御する。コントローラ５０１は、第１制御棒が前記第１方向上の所定位置に自動復帰した場合に、状態維持に入るように航空機を制御する。

図７は、上記制御機能を実現する方法のフロー図である。図７における方法７００は、第１制御棒の第１移動方向での移動による制御信号を受信するステップ７０２を含む。ステップ７０４において、前記制御信号（たとえば図６における信号１０２）に基づいて、飛行制御コンピュータ６００が対応する制御指令を発し、航空機の第１運動方向での運動、たとえば航空機の上昇／下降を制御する。

判断ステップ７０６において、飛行制御コンピュータ６００は、手動制御信号受信装置６０２で遠隔制御制御装置１００からの信号１０２を受信し、前記制御信号が、第１制御棒が第１移動方向での外力撤去によって第１移動方向上の所定位置に自動復帰することに対応する制御信号に変化したか否かを判断する。たとえば、第１制御棒１１０の第１移動方向（たとえば上下方向２２０）での外力が撤去されると、対応する制御信号は、第１制御棒の自動復帰に対応する信号に変わる。一部の実施例において、前記第１制御棒の自動復帰に対応する信号は、安定した信号である。他の一部の実施例において、前記第１制御棒の自動復帰に対応する信号は、ゼロ信号である（すなわち対応する信号が消える）。

外力が撤去されなければ、引き続きステップ７０４での制御を行うことになる。外力がすでに撤去され、対応する制御信号が、第１制御棒が第１移動方向での外力変化（たとえば撤去）によって第１移動方向上の所定位置に自動復帰することに対応する制御信号に変化した場合、ステップ７０８において、第１運動方向（たとえば垂直昇降方向）で飛行状態維持、たとえば高度維持状態に入るように航空機を制御する。前記維持状態は、第１制御棒１１０が第１移動方向（たとえば上下方向２２０）で所定位置（たとえば第１制御棒の第１移動方向上の中間位置）に自動復帰することに対応する。ここで、同一の所定の揺れ棒の位置は、維持された異なる状態（例えば高度）に対応できることが分かる。

一部の実施例において、航空機１０４の主要機能は、それに携帯したカメラ１０９を利用して実現した陸上ターゲットの画像形成機能である。航空機の上昇／下降は、ターゲットとの離間／接近を実現し、遠景又は近距離の画像を取得することができる。離間／接近の幅は、航空機とターゲットの距離に応じて決められていい。離間／接近の速度は、航空機の速度制御によって制御されていい。

カメラ１０９もレンズの焦点距離の伸長／短縮機能を有し、その伸長／短縮の幅と速度も制御可能なものである。一部の実施例において、ステップ７０４での航空機の上昇／下降は、カメラの焦点距離の伸長／短縮と結合可能である。前記第１制御棒１１０の第１移動方向２２０での移動は、航空機の上昇／下降又はカメラの焦点距離の伸長／短縮又は航空機の上昇／下降及びカメラの焦点距離の伸長／短縮の結合運動を制御する。たとえば、航空機１０４は、障害物、ターゲット、又は地面との距離を判断できる。距離があまりにも近くなり安全飛行に影響を与える虞がある場合、航空機は、それ以上に上昇／下降せず、制御棒１１０の上下方向２２０での運動制御が、カメラの焦点距離の伸長／短縮の制御に変わる。このような制御機能の切替は、ユーザによって手動で制御可能である。一部の実施例において、飛行制御コンピュータ６００は、航空機の上昇／下降とカメラの焦点距離の伸長／短縮の結合運動及び結合解除を自動的に実現し、最適な画像形成の目的を実現することができる。

このように、制御棒１１０が上下方向で中間位置に自動復帰した後、航空機の高度及びカメラの焦点距離の結合は、直前の位置に維持される。１つの具体的な実施例において、航空機１０４は、ひとりの自転車ライダーを追跡撮影するように制御され、地勢に応じて上昇下降する。当該自転車ライダーが低所に下降すると、制御棒１１０の上下方向での自動復帰中間位置が一定の画像サイズに対応していい。航空機は、制御棒１１０の上下方向の操作動作がない場合に自動的に下降し、ターゲットとの距離を維持して撮影した画像サイズを一定にする。しかし、航空機が下降しすぎると安全上の問題の発生が多く、たとえば障害物（たとえば木の枝）とあまりにも接近すると、同一の制御棒１１０の中間復帰位置がカメラの焦点距離の短縮に対応する。当該実施例において、制御棒１１０の上下方向に自動復帰中間位置は、必ずしも航空機の直前高度の維持に対応するのではなく、航空機の高度及びカメラの焦点距離の結合値が直前の値に維持することに対応する。画像のサイズは、フィードバックのパラメータとして航空機／カメラの焦点距離の結合の安定状態を維持する。

図８は、上記の画像形成目的を実現する１つの具体的な実施例の方法８００を示す。ステップ８０２において、外力で第１制御棒１１０の第１移動方向２２０での移動を制御して１つの手動制御信号を発生する。対応的に、航空機１０４は、第１運動方向で運動する（たとえば垂直に昇降する）。一部の実施例において、第１制御棒１１０の第１移動方向２２０での移動による制御信号は、航空機の上昇／下降又はカメラの焦点距離の伸長／短縮又は両者の結合に用いられる。

ステップ８０４において、外力に変化があり（たとえば撤去）、第１制御棒１１０は、第１移動方向上の所定位置に自動復帰する（たとえば上下方向で中間位置に復帰する）。判断ステップ８０６において、飛行制御コンピュータ６００は、手動制御信号受信装置６０２が遠隔制御制御装置１００から受信した手動制御信号１０２が第１制御棒１１０の印加外力変化時に生じた制御信号（たとえば、外力撤去によって第１制御棒１１０が中間位置自動復帰中に、手動制御信号１０２が消えるか又は１つの安定信号に変わる）であるか否かを判断する。一部の実施例において、そうであれば、制御棒１１０の上下方向２２０での外力が撤去されたと意味する。したがって、当該判断ステップは、前記第１制御棒が第１移動方向での外力撤去によって第１移動方向上の所定位置に自動復帰したかを判断することに相当する。

外力が撤去されなければ、引き続きステップ８０４での制御を行う。すでに撤去された場合、ステップ８０８において、航空機は、ＧＰＳ及び／又は慣性測定信号及び直前に達した高度に基づいて高度維持状態に入るか、画像フィードバック信号に基づいて１つの航空機高度／カメラの焦点距離の結合値維持状態に入る。すなわち、航空機は、向き、左右前後で水平移動の制御信号を受信すれば引き続きこれらの運動を行うが、飛行の高度（又は航空機の高度とカメラの焦点距離の結合値）が一定に維持される。ここでいう「飛行状態」は、航空機の高度とカメラの焦点距離の結合値と定義していい。

上記判断ステップは、前記第１及び第２制御棒の全方向における外力が撤去されて第１制御棒及び第２制御棒がともにそれぞれの所定位置に自動復帰したかを判断し、そうである場合、ホバリング状態に入るように航空機を制御するすることを含んでいい。たとえば、第１制御棒１１０と第２制御棒１１２がともに中間位置に自動復帰すると、航空機は、ＧＰＳ及び／又は慣性測定信号及び直前に達した状態に基づいて自動空中ホバリング状態に入り、すなわち、高度、向き及び水平位置がいずれもほぼ一定に維持される。したがって、上記制御方法は、航空機１０４の状態信号、ＧＰＳ及び／又は慣性から測定した高度、位置信号を測定することをさらに含んでいい。前記測定した航空機の状態信号を航空機１０４にフィードバックして、前記の状態維持に入るように前記航空機を制御する。

図９は、航空機が制御されて垂直に上昇する模式図である。この例では、第２制御棒１１２が自動復帰中間位置にあり、よって航空機１０４の水平位置が一定に維持する。航空機１０４は、第１制御棒１１０を外力で第１移動方向２２０で移動させて発生した手動制御制御信号を受信し、元の高度９０２から加速上昇段階９０４に入る。

航空機１０４の上昇速度が、第１制御棒１１０の第１移動方向２２０での移動幅に対応する速度の値に達した後、航空機１０４は、定速上昇段階９０６に入る。上記のように、航空機１０４の定速上昇段階９０６での上昇速度は、第１制御棒１１０の第１移動方向２２０での移動幅にほぼ線形的に正比例する。

第１制御棒１１０の第１移動方向２２０での印加外力撤去時、航空機１０４は、第１運動方向で減速状態、たとえば減速上昇段階９０８に入る。第１制御棒が第１移動方向での所定位置（自動復帰中間位置）に維持する場合、航空機は、第１運動方向での速度が減速してゼロになってから当該状態に維持する。一部の実施例において、航空機１０４の上昇速度がゼロまで減速した場合、航空機１０４は、高度維持状態に入り、高度９１０に維持する。航空機１０４の加速上昇段階９０４と減速上昇段階９０８の長さは、エンジンのパワー、航空機１０４の質量（慣性）などによるものである。

一部の実施例において、前記第１制御棒の第１移動方向上の印加外力に変化（たとえば撤去）してから所定位置に自動復帰する過程は、航空機が第１運動方向で減速開始からその速度がゼロになる過程に対応する。たとえば、減速上昇段階９０８は、ちょうど、第１制御棒１１０が外力撤去から完全に所定位置に復帰した時間帯に対応する。

その他の一部の実施例において、航空機１０４は、第１制御棒１１０の外力撤去後に自ら一段９１２下降し、第１制御棒１１０の外力撤去のある時刻の高度９１４に復帰する。その他の実施例において、航空機１０４の具体的な維持高度は、ユーザによって数値入力として制御可能である。本発明の一部の実施例は、プログラミングで航空機１０４の飛行プロフィールを制御する自由をユーザに提供する。

以上の記載は、本発明の比較的好適な実施形態に過ぎない。本発明の保護範囲は、上記実施形態に限定されない。当該分野の一般的な技術者が本発明の開示内容から為した同等効果の修飾或いは変更は、いずれも特許請求の範囲に記載される保護範囲内に収まる。

Claims (20)

1. 第１制御棒を含む航空機の制御装置において、
   前記第１制御棒は、その第１移動方向上の移動により、前記航空機の第１運動方向での運動を制御し、第１移動方向上の印加外力撤去後、第１移動方向上の所定位置に自動復帰し、
   前記第１制御棒の前記所定位置への自動復帰は、前記航空機の第１運動方向での飛行状態維持入りに対応し、
   前記飛行状態維持は、前記第１制御棒の第１移動方向上の印加外力に変化があったときに発生し、前記航空機が受信した制御信号と、航空機に携帯した状態測定センサが測定した状態信号によって決められることを特徴とする航空機の制御装置。
2. 請求項１記載の制御装置において、
   前記第１制御棒の、第１移動方向上の印加外力撤去から所定位置に自動復帰するまでの過程は、航空機が第１運動方向で減速開始からその速度ゼロになるまでの過程に対応することを特徴とする制御装置。
3. 請求項１又は２記載の制御装置において、
   前記所定位置は、前記第１制御棒の第１移動方向上の中間位置であることを特徴とする制御装置。
4. 請求項３記載の制御装置において、
   前記第１制御棒を外力撤去後に中間位置に自動復帰させるスプリング装置をさらに含むことを特徴とする制御装置。
5. 請求項１、２又は４記載の制御装置において、
   前記第１運動方向は、前記航空機の昇降方向であり、該制御装置には、前記航空機の水平移動飛行を制御するための第２制御棒をさらに含み、前記第２制御棒も、中間位置に自動復帰するようにするスプリング装置を有することを特徴とする制御装置。
6. 請求項５記載の制御装置において、
   前記第１制御棒の第２移動方向上の運動は、前記航空機の向きを制御し、前記第１制御棒は、第２移動方向上の外力撤去後、第２方向上の中間位置にも自動復帰することを特徴とする制御装置。
7. 請求項６記載の制御装置において、
   前記第１制御棒は、第１移動方向上の移動幅が、前記航空機の上昇又は下降速度に正比例することを特徴とする制御装置。
8. 請求項７記載の制御装置において、
   前記航空機は、それに携帯したカメラを利用して、地面ターゲットの画像形成機能を実現し、前記カメラは、レンズの伸長／短縮機能を有し、前記第１制御棒は、第１移動方向での移動により、航空機の上昇／下降又はカメラの焦点距離の伸長／短縮又は航空機の上昇／下降及びカメラの焦点距離の伸長／短縮の結合運動を制御し、前記維持された飛行状態が航空機の高度とカメラの焦点距離の結合値であることを特徴とする制御装置。
9. 第１制御棒の第１移動方向での移動による制御信号を受信し、当該制御信号によって航空機の第１運動方向での運動を制御するステップと、
   前記制御信号が、第１制御棒が第１移動方向での外力撤去によって第１移動方向上の所定位置に自動復帰することに対応する制御信号に変化したか否かを判断するステップと、
   そうである場合、第１運動方向で飛行状態維持に入るように航空機を制御するステップとを含むことを特徴とする航空機の制御方法。
10. 請求項９記載の制御方法において、
    前記第１制御棒の第１移動方向上の印加外力撤去時、航空機が第１運動方向で減速状態に入るステップと、
    第１制御棒が第１移動方向上の所定位置に維持する場合、航空機が第１運動方向での速度ゼロに減速した後に当該状態に維持するステップとをさらに含むことを特徴とする制御方法。
11. 請求項９又は１０記載の制御方法において、
    前記第１制御棒の第１移動方向での移動による制御信号を受信するステップをさらに含み、当該制御信号は、航空機の上昇／下降又はカメラの焦点距離の伸長／短縮又は両者の結合の制御にも用いられることを特徴とする制御方法。
12. 請求項１１記載の制御方法において、
    第１及び第２制御棒が全方向での外力が撤去されることによってそれぞれの所定位置に自動復帰したか否かを判断するステップと、
    そうである場合、ホバリング状態に入るように航空機を制御するステップとをさらに含むことを特徴とする制御方法。
13. 請求項９、１０又は１２記載の制御方法において、
    前記航空機の状態信号を測定し、前記測定した航空機の状態信号を前記航空機にフィードバックして、前記の状態維持に入るように前記航空機を制御することをさらに含むことを特徴とする制御方法。
14. 遠隔制御装置とコントローラとを含む航空機の制御システムにおいて、
    当該遠隔制御装置は、
    第１移動方向での移動が、航空機が第１運動方向に飛行するように制御する制御信号に対応する第１制御棒と、
    第１制御棒の第１移動方向での外力撤去の場合に、第１制御棒を第１方向上の所定位置に自動復帰させるための復帰装置とを含み、
    当該コントローラは、前記制御信号と航空機状態信号に基づいて前記航空機の状態を制御し、第１制御棒が前記第一方向上の所定位置に自動復帰した場合に、状態維持に入るように航空機を制御することを特徴とする航空器の制御システム。
15. 請求項１４記載の制御システムにおいて、
    前記第１制御棒の、第１移動方向上の印加外力撤去から所定位置に自動復帰するまでの過程は、航空機の第１運動方向での減速過程に対応することを特徴とする制御システム。
16. 請求項１４又は１５記載の制御システムにおいて、
    前記航空機の状態信号を測定して前記コントローラに提供する少なくとも１つの状態測定センサをさらに含むことを特徴とする制御システム。
17. 請求項１６記載の制御システムにおいて、
    前記航空機の状態調整を駆動するための航空機操縦面をさらに含み、
    前記少なくとも１つの状態測定センサ、前記コントローラ及び前記航空機操縦面は、フィードバック閉じループを構成し、前記の状態維持を行うように前記航空機を制御することを特徴とする制御システム。
18. 第１制御棒の第１移動方向での移動を外力で制御して１つの手動制御信号を発生するステップを含む航空器の制御方法であって、
    第１制御棒が、第１移動方向での外力撤去の場合に、第１方向上の所定位置に自動復帰し、
    前記手動制御信号が消えたか否かを判断し、そうである場合、第１運動方向で飛行状態安定維持に入るように航空機を制御することを特徴とする航空器の制御方法。
19. 請求項１８記載の制御方法において、
    前記の第１運動方向で飛行状態の安定化維持に入るように航空機を制御することは、前記航空機の状態を測定して前記航空機のコントローラにフィードバックして航空機操縦面を制御することによって、１つのフィードバック閉じループを実現することを特徴とする制御方法。
20. 請求項１９記載の制御方法において、
    前記の第１運動方向で飛行状態の安定化維持に入るように航空機を制御することは、航空機の高度と航空機に携帯したカメラの焦点距離結合値の安定化維持を制御することを含むことを特徴とする制御方法。

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