JP2020511363A

JP2020511363A - 航空機安定化システム

Info

Publication number: JP2020511363A
Application number: JP2019571806A
Authority: JP
Inventors: サンディープ・クマール・チンタラ; スリランジャン・ラサカトラ
Original assignee: サンディープ・クマール・チンタラ
Priority date: 2017-03-13
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2020-04-16
Also published as: EP3595970A1; WO2018167472A1; CN110914153A; US20200086978A1

Abstract

本主題は航空機安定化システム(200)に関する。航空機安定化システム(200)は、いくつかある構成要素の中で特に、複数のセンサ(202)、処理ユニット(206)、および複数の安定化ユニット(208)を含み得る。センサ(202)はセンサデータ(204)を供給する。処理ユニット(206)は、センサデータ(204)を受け取り、センサデータ(204)に基づいて航空機安定化パラメータを計算する。安定化ユニット(208)は、航空機安定化パラメータに基づいて信号を生成し得る。生成された信号は、少なくとも1つのマイクロコントローラと、サーボモータ、油圧式固定具、膨張式筏などの少なくとも1つのアクチュエータとを含み得る1つまたは複数の安定化ユニット(208)に送られてよい。アクチュエータは、生成された信号を受け取ると、操縦から生じた傾斜または乱流によって生じた振動を打ち消すように動作する。

Description

本主題は一般に安定化システムに関し、詳細には航空機安定化システムに関する。

航空機の乗客、貨物などのペイロードは、航空機の離陸中、着陸中、または飛行中に傾斜したり、振動したりする。さらに、航空機が飛行中にロール運動、ピッチ運動、およびヨー運動を経験する可能性があり、それによってペイロードに被害が生じるかまたはペイロードが動揺する。場合によっては、航空機の運動過剰によって航空機の内部の貨物が変位する可能性がある。

発明を実施するための形態は添付図を参照しながら説明される。図では、参照番号の最上位の桁は、参照番号が現れる最初に図を識別する。図の全体にわたって、同一の番号は同一の要素を参照するために使用される。

一般に、航空機を、滑走中および/または飛行中の傾斜および振動に対して安定化させるために、ショックアブソーバおよび防振パッドなど種々の安定化デバイスが使用される。しかしながら、そのような安定化デバイスは、乗客用の座席、ペイロード保持ユニットなどの航空機のペイロードは安定化させるが、航空機全体を安定化させるわけではない。航空機の異なるペイロードを安定化させるために、慣性測定ユニット(IMU)、ジャイロスコープ、およびジンバルと併せた加速度計を使用する、他の安定化デバイスが使用されてよい。しかしながら、航空機の各ペイロードについて安定化デバイスを使用すると、航空機において相当な空間を消費し、航空機のペイロード積載可能量に影響を及ぼす。加えて、航空機の重量も増加することにより飛行中の燃料消費が増加し、それによって航空機を運航する費用が増加する。

本主題の例示の実装形態によれば、振動、衝撃、傾斜などの撹乱に対して航空機を安定化するための航空機安定化システムが説明される。例示の実装形態では、航空機安定化システムは、いくつかある構成要素の中で特に、複数のセンサ、処理ユニット、および複数の安定化ユニットを含み得る。例示の実装形態では、航空機は、乗客、貨物、および他の構成要素などのペイロード用のモジュール式キャビンモジュールを含み得、航空機のキャビンモジュールを安定化させるために、モジュール式キャビンモジュールには航空機安定化システムが結合されてよい。

本主題の例示の実装形態では、センサは、IMU、高度および機首方位参照システム(AHRS)、レーダセンサ、バロメータ、レーザセンサ、近接センサ、加速度計、運動センサ、ジャイロセンサなどを含み得る。センサは、航空機の動作中に航空機の飛行パラメータを監視し得る。一例では、飛行パラメータは、航空機のロール角、ピッチ角、およびヨー角、航空機の高度および速度、航空機の内外の温度などの航空力学データを含み得る。さらに、センサは、監視された飛行パラメータに基づいて、航空機の動作中の飛行パラメータを表すセンサデータを供給し得る。

以前に説明されたように、航空機安定化システムは処理ユニットも含み得る。処理ユニットは、センサからセンサデータを受け取って、航空機に関する安定化パラメータを計算する。一例では、航空機安定化パラメータは、航空機のキャビンモジュールを安定化するための打ち消す角度、打ち消す回転速度、および打ち消す力のうち1つを含み得る。例示の実装形態では、安定化ユニットは、少なくとも1つのマイクロプロセッサと、サーボモータ、油圧式固定具(hydraulic locks)、パラシュート、油圧スタンド、膨張式筏など少なくとも1つのアクチュエータとを含み得る。キャビンモジュールの安定化のために、安定化ユニットは少なくとも1つの航空機安定化パラメータを受け取り、したがって、安定化ユニットは振動、傾斜などの影響を打ち消すように動作してキャビンモジュールを安定化する。例示の実装形態では、安定化ユニットは、少なくとも1つの航空機安定化パラメータに基づいてパルス幅変調された信号を生成し、同信号は、キャビンモジュールを安定化するために少なくとも1つのアクチュエータに伝送される。航空機の全体のキャビンモジュールが航空機安定化システムによって安定化されるので、個々の安定化構成要素の必要性が解消され、それによって航空機の製造コストおよび重量が低減される。キャビンモジュールの安定化は、安全な輸送のために、乗客および貨物などのダメージを受けやすいペイロードを安定化する。

本主題の例示の実装形態による、取外し可能なキャビンモジュールを伴う航空機を示す図である。本主題の例示の実装形態による、航空機安定化システムの様々な構成要素を示す図である。本主題の例示の実装形態による、航空機フレームに対して取外し可能に取り付けられたキャビンモジュールの上面図である。本主題の例示の実装形態による航空機安定化のための方法を示す図である。

航空機安定化システムは、図1〜図4を参照しながらさらに説明される。説明および図は、本明細書で説明される例と併せて本主題の原理を単に例証するものであり、本主題に対する制限として解釈されるべきではないことに留意されたい。したがって、本主題の原理を具現する様々な機構が、本明細書で明示的に説明されるかまたは示されることがなくとも考案され得ることが理解される。その上に、本明細書で、本主題の原理、態様、および実装形態、ならびにそれらの特定の例を詳述するすべての記述が、それらの等価物を包含するように意図されている。

図1は、キャビンモジュール104と、乗員室106と、キャビンモジュール104を乗員室106に接続するブリッジ108と、を備える航空機102を示すものである。さらに、航空機102は、図1に示されていない着陸モジュール、推進モジュールなどの、航空機102の動作において使用される他のモジュールも含み得ることが理解されよう。一例では、航空機102は、人工衛星および宇宙探査機などのペイロードを宇宙に送り出すための宇宙輸送機でよい。別の例では、航空機102は、乗客および貨物などのダメージを受けやすいペイロードを、ある場所から別の場所へ運ぶために使用され得る。一例では、キャビンモジュール104は、キャビンモジュール104の内部のペイロードのために十分なキャビン空間が用意されるように航空機102の内部に固定される。例示の実装形態では、キャビンモジュール104は航空機102から取外し可能でよい。したがって、乗客、荷物または運送貨物などのペイロードは、航空機102から独立してキャビンモジュール104へ容易に移動され得る。キャビンモジュールは、航空機102の胴体部分の内部に収容されてよい。一例では、キャビンモジュール104は、油圧式固定具の支援によって航空機の内部に設置されてよい。別の例では、キャビンモジュール104は、航空機102に移送される前に、油圧式固定具から取り外して陸上輸送車両に組み込まれ得る。

例示の実装形態では、キャビンモジュール104は、ダメージを受けやすいペイロードを運ぶための浮揚車(flying car)に設置されてよい。別の例では、キャビンモジュール104は、乗客および貨物などのペイロードを運ぶためのドローンなどの無人航空機(UAV)に設置されてよい。もう一つの例示の実装形態では、キャビンモジュール104は、宇宙船、宇宙探査ロケットなどにおいて、人工衛星、宇宙探査機、ロボットなどのペイロードを運ぶために利用され得る。

例示の実装形態では、キャビンモジュール104は、エンジン故障などの緊急事態の場合には、航空機102から自動的に取外し可能である。例示の実装形態では、キャビンモジュール104は、緊急事態の場合には航空機102から下部のパネルドア(図1には示されていない)を通って放出されてよい。一例では、緊急事態における安全な着陸を保証するように、キャビンモジュール104の外表面には、膨張式筏、パラシュート、および油圧スタンドなどのアクチュエータが結合されてよい。

例示の実装形態では、航空機102が離陸中、着陸中、および飛行中に経験する振動、傾斜、衝撃などに対してキャビンモジュール104を安定化するために、航空機102のキャビンモジュール104に航空機安定化システム(図1には示されていない)が直接結合されてよい。航空機安定化システムは、複数のセンサ、処理ユニット、および複数の安定化ユニットを含み得る。動作において、複数のセンサは、離陸中、着陸中、および飛行中に飛行パラメータを監視して、飛行パラメータを表すセンサデータを供給する。複数のセンサによって監視された飛行パラメータは処理ユニットに伝送され、処理ユニットは、キャビンモジュールを安定化するための、打ち消す角度、打ち消す回転速度、および打ち消す力のうち少なくとも1つを含む航空機安定化パラメータを計算する。その後、航空機安定化パラメータは、航空機安定化パラメータに基づいて振動、ジャーク、傾斜などからキャビンモジュールを安定化する複数の安定化ユニットに伝送される。

図2は、本主題の例示の実装形態による、航空機安定化システム200の構成要素を示すものである。航空機安定化システム200に含まれ得る複数のセンサ202は、飛行パラメータを監視してセンサデータ204を供給する。加えて、航空機安定化システム200は処理ユニット206および複数の安定化ユニット208を含み得る。一例では、航空機安定化システム200は航空機102のキャビンモジュール104に結合されてよい。例示の実装形態では、複数のセンサ202は、IMU、AHRS、レーダセンサ、レーザセンサ、近接センサ、運動センサ、ジャイロセンサなどのセンサを含み得る。さらに、これまでに説明されたように、複数のセンサ202によって監視された飛行パラメータは、航空機のロール角、ピッチ角、およびヨー角、航空機の高度および速度、航空機の内外の温度などの航空力学データを含み得る。複数のセンサ202は、監視された飛行パラメータに基づくセンサデータをさらに供給してよく、センサデータは航空機102の動作中の飛行パラメータを表す。

例示の実装形態では、処理ユニット206は、航空機102のキャビンモジュール104を安定化するために、センサデータ204に基づいて航空機安定化パラメータを計算してよい。さらに、一例では、複数の安定化ユニット208の各々が、高速のブラシレスサーボモータ、油圧式固定具、膨張式筏、油圧スタンド(図2には示されていない)など少なくとも1つのアクチュエータも含み得る。一例では、各安定化ユニットの少なくとも1つのマイクロプロセッサが、比例-積分-微分(PID)コプロセッサをさらに含み得る。一例では、航空機102のキャビンモジュール104には複数の安定化ユニット208が直接結合されている。

動作において、複数のセンサ202が、飛行パラメータを監視して、センサデータ204を処理ユニット206に供給する。処理ユニット206は、センサデータ204を受け取ると、打ち消す角度、打ち消す速度、および打ち消す力のうち少なくとも1つを含み得る航空機安定化パラメータを計算する。次いで、航空機安定化パラメータは複数の安定化ユニット208の各々に伝送されてよい。

さらに、各安定化ユニットのマイクロプロセッサは、受け取られた航空機安定化パラメータに基づいて、安定化ユニットのアクチュエータ向けに、パルス幅変調された信号を生成してよく、この信号は、アクチュエータ向けの、打ち消す角度、打ち消す速度、および打ち消す力のうち1つまたは複数を含み得る。さらに、例示の実装形態では、各安定化ユニットのPIDコプロセッサは、パルス幅変調された信号を調整して、補正済のパルス幅変調された信号を供給してよい。例示の実装形態では、補正済のパルス幅変調された信号は、PIDコプロセッサによって、少なくとも1つの航空機安定化パラメータと、航空機の乱流および飛行パラメータの急速な変化のうちの少なくとも1つによる誤差とに基づいて計算される。例示の実装形態では、PIDコプロセッサは、キャビンモジュール104を安定化するために所望の打ち消す角度および打ち消す回転速度を達成するように、航空機の乱流による誤差を考慮に入れて補正された信号をアクチュエータに供給する。

さらに、補正済のパルス幅変調された信号は、傾斜、乱流、および振動の影響を軽減するための補正された打ち消す角度、打ち消す回転速度、および打ち消す力のうちの少なくとも1つを含み得る。さらに、補正された信号は、各安定化ユニットのアクチュエータに伝送される。以前に説明されたように、航空機102のキャビンモジュール104には複数の安定化ユニット208が直接結合されている。したがって、複数の安定化ユニット208のアクチュエータは、補正された信号を受け取ると、操縦または乱流から生じた傾斜、ジャーク、および振動を打ち消すように動作し、それによって航空機102のキャビンモジュール104を安定化する。

例示のシナリオでは、航空機102が飛行中に傾斜したとき、または滑走路の方へ滑走しているとき、IMUおよびジャイロセンサなど複数のセンサ202が、航空機のロール角、ピッチ角、およびヨー角を判定してセンサデータ204を供給し得る。その後、センサデータ204は処理ユニット206に伝送され、処理ユニット206は、航空機102のキャビンモジュール104を安定化するために航空機安定化パラメータをさらに判定してよい。航空機安定化パラメータは、複数の安定化ユニット208の異なるアクチュエータ向けの打ち消す角度を含有し得る。次いで、航空機安定化パラメータは複数の安定化ユニット208に伝送され、複数の安定化ユニット208は、航空機安定化パラメータを受け取ると、打ち消す角度を用いてキャビンモジュール104を安定化するようにサーボモータなどのアクチュエータを動作させる。

例示の実装形態では、処理ユニット206によって受け取られるセンサデータ204は航空機のエンジンにおける火事などの緊急信号をさらに含み得る。航空機安定化システム200は、緊急信号を受け取ると、複数の安定化ユニット208の支援の下に油圧式固定具などのアクチュエータをロック解除して、航空機102のフレームからキャビンモジュール104を分離し得る。加えて、複数の安定化ユニット208は、飛行中にキャビンモジュール104が分離される場合には、複数のパラシュートを配備してよい。パラシュートはキャビンモジュール104がゆっくり下降するのを支援し、さらに複数の安定化ユニット208が、キャビンモジュール104を安全に着陸させるために、着陸する表面に依拠して、油圧スタンドなど他のアクチュエータの組合せを活性化させてよい。

一例では、キャビンモジュール104が水上に降りる場合には、キャビンモジュール104の外表面に取り付けられた膨張式筏のセットが膨張してよい。この例では、膨張式筏は、内部のアジ化ナトリウムから生成された窒素ガスによって膨張してよい。動作において、キャビンモジュール104が着陸中に何らかの障害物にぶつかると、キャビンモジュール104上に配置されたセンサが、電子信号を送って膨張式筏の中のアジ化ナトリウムを爆発させ、したがって窒素ガスが放出されていかだが膨張する。膨張式筏はショックアブソーバとして働き、キャビンモジュール104が航空機102から分離された後に安全に着陸するのを支援する。

例示の実装形態では、キャビンモジュール104上にGPSセンサも設置されてよい。例示の実装形態では、GPSセンサは人工衛星に接続されてよく、キャビンモジュール104の位置を追跡するGPS用に使用され得る。一例では、キャビンモジュール104からSOSメッセージを送るために無線送信器が使用され得る。別の例では、SOSメッセージを送るためにモールス信号送信器が使用され得る。

例示の実装形態では、乗客などのペイロードを運ぶキャビンモジュールを、操縦または乱流によって生じる傾斜、ジャーク、および振動に対して安定化するために、飛行自動車のキャビンモジュールに航空機安定化システムが取り付けられてよい。別の例示の実装形態では、航空機安定化システムは、ドローンなどのUAVのキャビンモジュールに取り付けられてよく、UAVのキャビンモジュールによって運ばれる、ダメージを受けやすいペイロードを安定化する。もう一つの例示の実装形態では、航空機安定化システムは、宇宙船、宇宙探査ロケットなどのキャビンモジュールに結合されてよく、操縦または乱流によって生じる傾斜、ジャーク、および振動に対して、人工衛星、宇宙探査機、ロボットなどのペイロードを安定化する。したがって、航空機安定化システムにより、乗客、貨物、人工衛星、宇宙探査機などダメージを受けやすいペイロードを安全に輸送することが可能になる。

図3は、本主題の例示の実装形態による、航空機102のフレーム302に取り付けられたキャビンモジュール104を示すものである。図3は、航空機安定化システム200の一部である複数の安定化ユニット304-1、304-2、304-3、304-4、...、304-nを介してフレーム302に取り付けられたキャビンモジュール104の上面図を表す。図3には示されていないが、航空機安定化システム200の他の構成要素もキャビンモジュール104に直接結合され得る。さらに、以前に説明されたように、各安定化ユニット304-1、304-2、304-3、304-4、...、304-nが、少なくとも1つのマイクロプロセッサと、高速サーボモータ、油圧式固定具、パラシュート、油圧スタンド、膨張式筏などの少なくとも1つのアクチュエータとを含み得る。加えて、各安定化ユニット304-1、304-2、304-3、304-4、...、304-nが、高速サーボモータなどのアクチュエータ用の速度コントローラをさらに含み得る。

これまでに説明されたように、複数のセンサ202は飛行パラメータを監視してよく、センサデータ204を供給し、センサデータ204は、処理ユニット206によって、打ち消す角度、打ち消す速度、および打ち消す力のうち少なくとも1つを含み得る航空機安定化パラメータ計算するために利用され得る。航空機安定化パラメータは、各安定化ユニット304-1、304-2、304-3、304-4、...、304-nによって、操縦または乱流によって生じる傾斜、ジャーク、および振動に対してキャビンモジュール104を安定化するためにさらに利用され得る。

図4は、本主題の例示の実装形態による航空機安定化の方法400を示すものである。ブロック402において、複数のセンサ202からセンサデータ204が受け取られる。一例では、センサデータ204は、航空機のロール角、ピッチ角、およびヨー角などの航空力学データ、航空機の高度および速度、航空機の近接性データなどを含む飛行パラメータを表し得る。

さらに、ブロック404において、センサデータ204に基づいて航空機安定化パラメータが計算される。例示の実装形態では、航空機安定化パラメータは、処理ユニット206によってセンサデータ204に基づいて計算され得る。一例では、航空機安定化パラメータは、航空機102のキャビンモジュール104が経験する傾斜または振動を軽減するための、打ち消す角度、打ち消す回転速度、および打ち消す力のうち少なくとも1つを含み得る。

さらに、ブロック406において、キャビンモジュール104の安定化のために、各安定化ユニットによって少なくとも1つの航空機安定化パラメータが受け取られる。一例では、各安定化ユニットが少なくとも1つのマイクロプロセッサおよび少なくとも1つのアクチュエータを含み得る。

その後、ブロック408において、各安定化ユニット208の少なくとも1つのアクチュエータ向けに、少なくとも1つの航空機安定化パラメータに基づいて、パルス幅変調された信号が生成される。例示の実装形態では、複数の安定化ユニット208の各々によって、パルス幅変調された信号が生成される。

その後、ブロック410において、安定化ユニットの少なくとも1つのアクチュエータがキャビンモジュール104を安定化するように動作する。アクチュエータは、信号を受け取ると、航空機のロール、ピッチ、およびヨー運動を軽減するように動作する。それによって、航空機を、乱流および他の外部要因による傾斜および振動に対して安定化する。

本主題による航空機安定化システムの実装形態は、構造的特徴および/または用途に特有の言語で説明されているが、本主題は説明された特定の特徴または用途に限定されないことを理解されたい。むしろ、特定の特徴および用途は例示的な実装形態として開示されている。

102 航空機
104 キャビンモジュール
106 乗員室
108 ブリッジ
200 航空機安定化システム
202 センサ
204 センサデータ
206 処理ユニット
208 安定化ユニット
302 フレーム
304-1 安定化ユニット
304-2 安定化ユニット
304-3 安定化ユニット
304-4 安定化ユニット
304-n 安定化ユニット
402 ブロック
404 ブロック
406 ブロック
408 ブロック
410 ブロック

Claims

飛行パラメータを表すセンサデータ(204)を判定するための複数のセンサ(202)と、
前記センサデータ(204)を受け取り、前記センサデータ(204)に基づいて航空機安定化パラメータを計算する処理ユニット(206)と、
航空機(102)のキャビンモジュール(104)に結合可能である複数の安定化ユニット(208)と、を備える航空機安定化システム(200)であって、前記複数の安定化ユニット(208)の各安定化ユニットが少なくとも1つのマイクロプロセッサおよび少なくとも1つのアクチュエータを備え、前記少なくとも1つのマイクロプロセッサが、
少なくとも1つの航空機安定化パラメータを受け取り、
前記少なくとも1つの航空機安定化パラメータに基づいて、前記安定化ユニットの前記少なくとも1つのアクチュエータ向けに、パルス幅変調された信号を生成し、
前記少なくとも1つの航空機安定化パラメータと、航空機の乱流および前記飛行パラメータにおける急速な変化のうちの少なくとも1つによる誤差と、に基づいて、補正された信号を前記少なくとも1つのアクチュエータに供給して、前記航空機(102)の前記キャビンモジュール(104)を安定化する、航空機安定化システム(200)。
前記複数のセンサ(202)が、慣性測定ユニット(IMU)、高度および機首方位参照システム(AHRS)、レーダセンサ、バロメータ、レーザセンサ、近接センサ、加速度計、運動センサ、およびジャイロセンサのうち少なくとも1つを含む、請求項1に記載の航空機安定化システム(200)。
前記飛行パラメータが、前記航空機のロール角、ピッチ角、およびヨー角、前記航空機の高度および速度、前記航空機(102)の内外の温度などの航空力学データを含む、請求項1に記載の航空機安定化システム(200)。
前記航空機安定化パラメータが、打ち消す角度、打ち消す回転速度、および打ち消す力のうち少なくとも1つを含む、請求項1に記載の航空機安定化システム(200)。
前記少なくとも1つのアクチュエータが、サーボモータ、油圧式固定具、パラシュート、油圧スタンド、および膨張式筏のうち1つである、請求項1に記載の航空機安定化システム(200)。
前記複数の安定化ユニット(208)の各安定化ユニットが、比例-積分-微分(PID)コプロセッサを備える、請求項1に記載の航空機安定化システム(200)。
飛行自動車、UAV、銀河(galactic)探査車両、宇宙船、宇宙ホバークラフトなどのうち1つに対して結合可能である、請求項1に記載の航空機安定化システム(200)。
航空機(102)のキャビンモジュール(l04)を安定化するための方法であって、
複数のセンサ(202)から飛行パラメータを表すセンサデータ(204)を受け取るステップと、
前記センサデータ(204)に基づいて航空機安定化パラメータを計算するステップと、
複数の安定化ユニット(208)の各安定化ユニットによって少なくとも1つの航空機安定化パラメータを受け取るステップであって、各安定化ユニットが、少なくとも1つのマイクロプロセッサおよび少なくとも1つのアクチュエータを備える、航空機安定化パラメータを受け取るステップと、
前記少なくとも1つの航空機安定化パラメータに基づいて、各安定化ユニットの前記少なくとも1つのアクチュエータ向けに、パルス幅変調された信号を生成するステップと、
前記少なくとも1つの航空機安定化パラメータと、航空機の乱流および前記飛行パラメータにおける急速な変化のうち少なくとも1つによる誤差と、に基づいて、前記少なくとも1つのアクチュエータ向けの補正された信号を計算するステップと、
前記航空機(102)の前記キャビンモジュール(104)を安定化させるように前記少なくとも1つのアクチュエータを動作させるステップと、を含む方法。
前記航空機安定化パラメータが、打ち消す角度、打ち消す回転速度、および打ち消す力のうち少なくとも1つを含む、請求項8に記載の方法。
前記少なくとも1つのアクチュエータを動作させる前記ステップが、各安定化ユニットのPIDコプロセッサによって、前記補正された信号を前記少なくとも1つのアクチュエータに供給するステップを含む、請求項8に記載の方法。
前記飛行パラメータが、前記航空機のロール角、ピッチ角、およびヨー角、前記航空機の高度および速度、前記航空機(102)の内外の温度などの航空力学データを含む、請求項8に記載の方法。