JP2017503710A - 安定性を増大させるためのロータモーメントのフィードバック - Google Patents

Abstract

実施例は、航空機の少なくとも１つのロータの少なくとも１つのブレードに関連する少なくとも１つのブレード曲げ測定値を取得し、プロセッサを有するデバイスにより、少なくとも１つの測定値を処理してモーメントデータを取得し、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）からデータを取得し、デバイスにより、モーメントデータおよびＩＭＵからのデータを処理して、航空機を安定化させるように構成されたコマンドを生成する、ことに向けられている。

Description

本発明は、航空機の安定化に関連する方法および装置に関する。

一般に、高速の垂直離着陸（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔａｋｅｏｆｆ ａｎｄ ｌａｎｄｉｎｇ）（ＶＴＯＬ）航空機に見られる堅い無関節ロータは、例えばピッチモーメント対迎え角の観点から比較的不安定である。この不安定性に対抗する復元力を形成するために、比較的大きな水平スタビライザを必要とすることがある。大きなスタビライザ荷重に反作用するテールコーンおよびロータにおける重量のペナルティに加え、典型的には、スタビライザ自体が、重量のペナルティに関連する。さらに、大きなスタビライザで重心（ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｇｒａｖｉｔｙ）（ＣＧ）が後方に押しやられることに加え、抗力がペナルティとなることがある。

従来の制御システムは、角航空機速度フィードバック（ａｎｇｕｌａｒ ａｉｒｃｒａｆｔ ｒａｔｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ）を検出して安定性を増大させる安定性増大システム（ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）（ＳＡＳ）を使用している。他の例では、角加速度フィードバックが安定性を向上させるために使用されていた。角速度の微分は、大きなノイズを内包する加速度信号を提供する。フィルタリングは加速度信号の信号対ノイズ比（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）（ＳＮＲ）を向上させ、有益なものとするが、航空機の安定性を向上させるための加速度フィードバックの有効性には限度がありうる。

実施例は、航空機の少なくとも１つのロータの少なくとも１つのブレードに関連する少なくとも１つのブレード曲げ測定値を取得し、プロセッサを有するデバイスにより、少なくとも１つの測定値を処理してモーメントデータを取得し、慣性測定ユニット（ｉｎｅｒｔｉａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｎｉｔ）（ＩＭＵ）からデータを取得し、デバイスにより、モーメントデータおよびＩＭＵからのデータを処理して、航空機を安定化させるように構成されたコマンドを生成する、ことを含む方法に向けられている。

実施例は、ブレードを設けた少なくとも１つのロータ有する回転翼航空機に使用する装置に向けられており、この装置は、少なくとも１つのプロセッサと、内部に格納した命令を有するメモリと、を備え、命令は、少なくとも１つのプロセッサで実行したときに、装置に、ブレードに関連するブレード曲げ測定値を取得させ、測定値を処理してモーメントデータを取得させ、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）からデータを取得させ、モーメントデータおよびＩＭＵからのデータを処理して、回転翼航空機を安定化させるように構成されたコマンドを生成させる。

実施例は、回転翼航空機に向けられており、この回転翼航空機は、第１の複数のブレードに関連する第１ロータと、第２の複数のブレードに関連する第２ロータと、制御コンピュータと、を備え、この制御コンピュータは、第１の複数のブレードに関連する第１センサから第１ブレード曲げ測定値を取得し、第２の複数のブレードに関連する第２センサから第２ブレード曲げ測定値を取得し、第１ブレード曲げ測定値および第２ブレード曲げ測定値を処理して回転翼航空機用のピッチモーメントを取得し、ピッチモーメントに基づいて回転翼航空機を安定化させるように構成されたコマンドを生成する、ように構成される。

追加の実施例について後述する。

本開示は、例として示すものであり、添付の図に限定されるものではなく、図中、同様な参照番号は同様な部材を示す。

例示的な航空機の全体的な透視側面図である。 例示的なコンピューティングシステムを示す概略的なブロック図である。 例示的なシステム環境の概略的なブロック図である。 例示的なシステム環境のブロック図である。 例示的な方法の流れ図を示す。

なお、部材間の種々の結合部について、以下の説明および図面（その内容は、参照することにより本開示に包含される）に示してある。これらの結合部は、特に明記しない限り、全体的に、直接または間接的に、本明細書がこの点に限定することを意図するものでないことに、注意されたい。この点に関し、エンティティ間の連結は、直接または間接的な結合部を指すことができる。

装置、システム、および、方法の例示的な実施例は、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）の高い航空機加速度フィードバック信号を提供する。信号は、ロータブレードの曲げに基づくことができる。

図１Ａは、ヘリコプタ１０の全体的な透視図を示す。ヘリコプタ１０は、主回転翼アセンブリ１２と尾部回転翼アセンブリ１４とを有する。ここに開示の実施例では、特にヘリコプタ形態を図示および説明するが、他の形態および／または機械も本開示との関係で使用することができる。

図１Ｂを参照すると、例示的なコンピューティングシステム１００を示してある。コンピューティングシステム１００は、航空機１０の飛行制御系統の一部とすることができる。システム１００は、メモリ１０２を包含するものとして示してある。メモリ１０２は、実行可能命令を格納することができる。実行可能命令は、例えば、１つまたは複数のアプリケーション、プロセス、ルーチン、手続き、プロシージャ、方法等との関係で、任意の態様および任意の抽象化レベルで格納または統合（ｏｒｇａｎｉｚｅ）することができる。例として、命令の少なくとも一部が、第１プログラム１０４ａおよび第２プログラム１０４ｂと関連付けられた図１Ｂに示してある。

メモリ１０２内に格納した命令は、プロセッサ１０６等の１つまたは複数のプロセッサで実行することができる。プロセッサ１０６は、１つまたは複数の入出力（Ｉ／Ｏ）装置１０８に連結することができる。いくつかの実施例では、１つまたは複数のＩ／Ｏ装置１０８は、１つまたは複数のキーボードまたはキーパッド、タッチスクリーンまたはタッチパネル、表示画面、マイクロフォン、スピーカ、マウス、ボタン、リモコン装置、操縦桿、ジョイスティック、プリンタ、電話機またはモバイル機器（例えばスマートホン）等を含むことができる。１つまたは複数のＩ／Ｏ装置１０８は、ユーザがシステム１００と対話可能なインターフェースを提供するように構成することができる。

図示のように、プロセッサ１０６は、番号「ｎ」のデータベース１１０−１、１１０−２、・・・１１０−ｎに連結することができる。データベース１１０は、１つまたは複数のセンサ（例えば歪ゲージ）から取得したデータ等のデータの格納に使用することができる。いくつかの実施例では、データは、航空機（例えば航空機１０）のブレードに関連する１つまたは複数のパラメータに属することができる。

システム１００は説明のためのものである。いくつかの実施例では、１つまたは複数のエンティティは取捨選択することができる。いくつかの実施例では、図示しない追加のエンティティを包含することができる。いくつかの実施例では、エンティティは、図１Ｂに示すものとは異なる態様で配置または統合することができる。例えば、いくつかの実施例では、メモリ１０２は、１つまたは複数のデータベース１１０に連結または組合わせることができる。

図１Ｃを参照すると、１つまたは複数の実施例にしたがうシステム１５０の概略的なブロック図を示してある。システム１５０は、図１Ｃに示すように、デュアルロータ１５２のヘリコプタ等の１つまたは複数のタイプの航空機に実現することができる。

システム１５０は、１つまたは複数のセンサ１５４を有することができる。いくつかの実施例では、センサ１５４は、歪ゲージを含むことができる。センサ１５４は、航空機のブレード１５６上に、または、関連して実現することができる。図１Ｃの実施例では、１つのセンサ１５４がブレード１５６毎に設けてある。いくつかの実施例では、より多くまたは少ない１つのセンサ１５４が、所定のブレード１５６に関連することができる。

センサ１５４は、ロータブレードの貫層方向（垂直（ｎｏｒｍａｌ））の曲げモーメントを検出する構成とすることができる。曲げモーメント信号は、１つまたは複数のロータ１５２から、データ移送系統１６０を介して１つまたは複数の飛行制御コンピュータ（ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ）（ＦＣＣ）１５８に移送することができる。いくつかの実施例では、データ移送系統１６０は、スリップリング（例えば光学スリップリング）を有することができる。ＦＣＣ１５８は、センサ１５４からおよび／または慣性測定ユニット（ＩＭＵ）１６２からのデータを処理することができる。いくつかの実施例では、ＦＣＣ１５８は、フライバイワイヤアーキテクチャまたは形態で設けることができる。

ＩＭＵ１６２に関連するデータは、航空機のピッチまたは角速度に関連することができる。ピッチ／角速度に基づいて、加速度等の１つまたは複数のパラメータを導き出すことができる。ＩＭＵ１６２に関連するデータは、一般的にノイズを受けることがある。センサ１５４から取得するブレードの曲げ信号を使用することは、このようなノイズの観点から、ＩＭＵ１６２に関連するデータの補完的使用が行われていた。さらに、ＩＭＵ１６２に関連するデータの使用は、少なくとも、飛行の安定性または品質に対するパイロットの知覚が、センサ１５４／ロータに比較して航空機のＩＭＵ１６２／胴体に、より直接的に関係することができる限り、本質的なパイロット経験を提供する支援をなすことができる。

センサ１５４から取得した生のブレード垂直曲げ信号は、１つまたは複数のロータ１５２の回転と共に周期的に変化することができる。図２を参照すると、１つまたは複数のハーモニックエスティメータ（ｈａｒｍｏｎｉｃ ｅｓｔｉｍａｔｏｒ）２０２（図２の実施例では、第１のものに２０２ａを付し、第２のものに２０２ｂを付してある）を使用して、ピッチモーメント（２０４ａ，２０４ｂ）（例えば、１／回転ピッチモーメント）およびスラスト（２０６ａ，２０６ｂ）を、所定のブレード曲げ信号（２０８ａ，２０８ｂ）から引き出すことができる。複数のセンサ１５４を使用する場合は、信号を重み付けおよび／または平均化２１０することができる。例えば、ブレード曲げ信号２０８ａは、上側ロータのブレードに関連させ、ブレード曲げ信号２０８ｂは、下側ロータのブレードに関連させることができる。ピッチモーメント２０４（「Ｍ」）は、質量慣性モーメント（「Ｉ」）とピッチ加速度（「α」）の積として計算することができる。この点に関して、ピッチモーメント「Ｍ」（２０４）が、ハーモニックエスティメータ２０２で実行されるハーモニック分析に基づいて取得される場合、および、質量慣性モーメント「Ｉ」が推定される場合に、ピッチ加速度「α」を計算することができる。

１つまたは複数のハーモニックエスティメータ２０２ａ，２０２ｂに関連して１つまたは複数の利得が存在することができ、これらの利得は、良好な信号対ノイズ比（ＳＮＲ）および数値安定性を取得するために調整することができる。

図２に示すように、１つまたは複数のピッチモーメント（２０４ａ，２０４ｂ）（または、その平均２１０）は、負荷認識制御法則（ｌｏａｄｓ ａｗａｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌａｗｓ）２２０に対する入力として作用することができる。制御法則２２０は、１つまたは複数のフィードバック制御（図２に７２のラベル付き）を、潜在的に１つまたは複数のパラメータ（例えば、角速度、姿勢、機首方向、加速度等）に対して提供するように構成することができる。フィードバック制御７２は、１つまたは複数のパイロットコマンドから派生する１つまたは複数の基準入力に対して、潜在的に航空機の安定性を提供することを目指す。

図２に示す制御法則２２０は、米国特許番号７，９７０，４９８から引用したものであり、そのため、制御法則２２０（および、そこに示したエンティティ６２，６４，６６，６８，７０，７２，７４，７６，７７）の完全な（再）説明は、簡略化するために省略する。米国特許番号７，９７０，４９８は、参照することにより、ここに包含される。

いくつかの実施例では、制御法則２２０は、ＦＣＣ１５８との関係で実現することができる。ＦＣＣ１５８は、センサ１５４および／またはＩＭＵ１６２からのデータを処理し、安定制御を提供することができる。いくつかの実施例では、ＩＭＵ１６２に関する信号またはデータは、低周波数成分に関連し、一方、センサ１５４からの信号は、高周波数成分に関連することができる。

ここで図３に移ると、例示的な方法３００の流れ図を示してある。方法３００は、ここに記載のもののような（例えばシステム１００および／またはＦＣＣ１５８）等の１つまたは複数のシステム、部材またはデバイスにより実行することができる。方法３００は、１つまたは複数の制御信号またはフィードバックを提供し、航空機の安定性を取得するために使用することができる。

ブロック３０２では、ブレードの曲げを測定することができる。例えば、ブレードの曲げは、センサ１５４で測定することができる。

ブロック３０４では、ブレード曲げ測定値は、機体にもたらすことができる。例えば、ブレード曲げ測定値は、データ移送システム１６０を介してＦＣＣ１５８に提供することができる。

ブロック３０６では、ブレード曲げ測定値は、ハブモーメントを取得するために処理することができる。

ブロック３０８では、ピッチまたは速度データは、ＩＭＵ１６２から取得することができる。

ブロック３１０では、ハブモーメント（ブロック３０６）およびＩＭＵデータ（ブロック３０８）を処理して、航空機を安定化させるコマンドまたは指令を生成することができる。

方法３００は例示である。いくつかの実施例では、１つまたは複数のブロックまたは操作（またはその一部）は取捨選択できる。いくつかの実施例では、図示しない１つまたは複数の追加ブロックまたは操作を包含することができる。いくつかの実施例では、ブロックまたは操作は、図３に示すものとは異なる順序またはシーケンスで実行することができる。

ここに説明したように、本開示の実施例は、Ｘ２ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ（商標）ヘリコプタ、および、Ｘ２ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ（商標）の特徴を使用する統合多用途（Ｊｏｉｎｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｒｏｌｅ）航空機を含む無関節ロータヘリコプタ等の１つまたは複数のタイプの航空機との関係で使用することができる。

本開示の態様は、適切な外乱除去を維持しつつ、従来設計に対して水平スタビライザのサイズを大きく減少させるために使用することができる。このサイズの減少は、例えば、Ｓ−９７ ＲＡＩＤＥＲ（商標）ヘリコプタにおける大幅な重量減少に対応することができる。負荷の減少により、テールコーン構造およびロータにおける追加節減を実現することができる。

いくつかの実施例では、安定性と水平テール領域（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｔａｉｌ ａｒｅａ）（ＨＴＡ）間のトレードオフを行うことができる。例えば、加速度制御の利得（ｇａｉｎ）とＨＴＡの組み合わせを、１つまたは複数の基準に基づいて選択することができる。いくつかの実施例では、ロータのスラストをさらに安定性を改善するために用いることができる。

ここに記載のように、いくつかの実施例では、種々の機能または動作を所定の位置で、および／または、１つまたは複数の装置、システムまたはデバイスの操作との関係で行うことができる。例えば、いくつかの実施例では、所定の機能または動作の一部を第１のデバイスまたは位置で実行し、機能または動作の残部を１つまたは複数の追加のデバイスまたは位置で実行することができる。

実施例は、１つまたは複数の技術を使用して実現することができる。いくつかの実施例では、装置またはシステムは、１つまたは複数のプロセッサ、および、１つまたは複数のプロセッサで実行したときに、装置またはシステムに、ここに記載のような１つまたは複数の方法論的動作を実行させる命令を格納するメモリを有することができる。いくつかの実施例に、当業者に既知の種々の機械的部材を用いることができる。

実施例は、１つまたは複数の装置、システムおよび／または方法で実現することができる。いくつかの実施例では、命令は、一過性または持続性のコンピュータで読取り可能な媒体等の１つまたは複数のコンピュータ読取可能な媒体に格納することができる。命令は、実行したときに、エンティティ（例えば装置またはシステム）に、ここに記載の１つまたは複数の方法論的動作を実行させることができる。

本開示の態様について、その例示的の実施例に関して説明してきた。本説明を再検討することで、当業者であれば、添付の請求の範囲の精神および範囲内における種々の他の実施例、変形および変更することができる。例えば、当業者であれば、例示的な図面と共に、記載されたステップを説明した順序以外で実行することができ、例示した１つまたは複数のステップが取捨選択できることが認められる。

Claims (18)

1. 航空機の少なくとも１つのロータの少なくとも１つのブレードに関連する少なくとも１つのブレード曲げ測定値を取得し、
   プロセッサを有するデバイスにより、少なくとも１つの測定値を処理してモーメントデータを取得し、
   慣性測定ユニット（ＩＭＵ）からデータを取得し、
   デバイスにより、モーメントデータおよびＩＭＵからのデータを処理して、航空機を安定化させるように構成されたコマンドを生成する、
   ことを含むことを特徴とする方法。
2. 少なくとも１つの測定値は、複数の測定値を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 複数の測定値の第１が第１ブレードに関連し、複数の測定値の第２が第２ブレードに関連することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 航空機は、複数のロータを有し、第１ブレードが第１ロータに関連し、第２ブレードが第２ロータに関連することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 複数の測定値を平均化して、モーメントデータを取得することを特徴とする請求項２に記載の方法。
6. ＩＭＵから取得したデータは、航空機のピッチおよび角速度の少なくとも一方に関係することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. コマンドは、基準入力に基づき、基準入力は、航空機のパイロットにより提供される少なくとも１つの入力に基づくことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. ブレードを設けた少なくとも１つのロータを有する回転翼航空機に使用する装置であって、この装置は、
   少なくとも１つのプロセッサと、
   内部に格納した命令を有するメモリと、
   を備え、命令は、少なくとも１つのプロセッサで実行したときに、装置に、
   ブレードに関連するブレード曲げ測定値を取得させ、
   測定値を処理してモーメントデータを取得させ、
   慣性測定ユニット（ＩＭＵ）からデータを取得させ、
   モーメントデータおよびＩＭＵからのデータを処理して、航空機を安定化させるように構成されたコマンドを生成させる、
   ことを特徴とする装置。
9. 測定値の第１は、第１ブレードに関連し、測定値の第２は、第２ブレードに関連することを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 回転翼航空機は、複数のロータを有し、第１ブレードが第１ロータに関連し、第２ブレードが第２ロータに関連することを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 測定値を平均化して、モーメントデータを取得することを特徴とする請求項８に記載の装置。
12. ＩＭＵから取得したデータは、回転翼航空機のピッチおよび角速度の少なくとも一方に関係することを特徴とする請求項８に記載の装置。
13. コマンドは、基準入力に基づき、基準入力は、回転翼航空機のパイロットにより提供される少なくとも１つの入力に基づくことを特徴とする請求項８に記載の装置。
14. 第１の複数のブレードに関連する第１ロータと、
    第２の複数のブレードに関連する第２ロータと、
    制御コンピュータと、
    を備え、この制御コンピュータは、
    第１の複数のブレードに関連する第１センサから第１ブレード曲げ測定値を取得し、
    第２の複数のブレードに関連する第２センサから第２ブレード曲げ測定値を取得し、
    第１ブレード曲げ測定値および第２曲げ測定値を処理して回転翼航空機用のピッチモーメントを取得し、
    ピッチモーメントに基づいて回転翼航空機を安定化させるように構成されたコマンドを生成する、
    ように構成されることを特徴とする回転翼航空機。
15. 制御コンピュータは、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）から取得したデータを処理するように構成され、
    コマンドは、処理されたデータに基づくことを特徴とする請求項１４に記載の回転翼航空機。
16. さらに、第１ブレード曲げ測定値および第２ブレード曲げ測定値を制御コンピュータに移送するように構成されたスリップリングを備えることを特徴とする請求項１４に記載の回転翼航空機。
17. 制御コンピュータは、ピッチモーメントを取得する際に第１ブレード曲げ測定値および第２ブレード曲げ測定値を平均化するように構成されることを特徴とする請求項１４に記載の回転翼航空機。
18. 制御コンピュータは、
    第１の複数のブレードに関連する第３センサから第３ブレード曲げ測定値を取得し、
    ピッチモーメントを取得する際に第３ブレード曲げ測定値を処理する、
    ように構成されることを特徴とする請求項１４に記載の回転翼航空機。

Images