JP2022078702A - 航空機の位置制御システム、航空機及び航空機の位置制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】目標着地点が動揺する場合であっても、航空機を目標着地点に好適に追従させることができる航空機の位置制御システム等を提供する。【解決手段】動揺による目標着地点の動きに合わせて、航空機の位置を追従させる航空機の位置制御システムであって、前記航空機の姿勢を補正するための姿勢補正加速度と、前記航空機と前記目標着地点との間の相対位置とに基づいて、前記目標着地点の動揺量を推定する動揺量推定処理部と、推定した前記動揺量に基づいて、前記航空機と前記目標着地点との間の目標となる目標相対位置と、前記航空機と前記目標着地点との間の目標となる目標相対速度とを出力する目標情報生成部と、を備える。【選択図】図４

Description

本開示は、航空機の位置制御システム、航空機及び航空機の位置制御方法に関するものであり、特に、動揺による目標着地点の動きに合わせて、航空機の位置を追従させる目標点追従ホバリングの位置制御に関するものとなっている。

従来、航空母艦に航空機を発着させるための発着艦管制装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の発着艦管制装置は、航空母艦の船体運動を予測する船体運動予測装置と、船体運動予測装置の出力を受け、航空母艦への航空機の発着状態を算出する発着状態指示装置と、発着状態指示装置の出力を送信する指示送信装置と、指示送信装置の出力を受信する指示受信装置と、指示受信装置の出力を受けて飛行運動を制御する飛行運動制御装置とを備えている。船体運動予測装置、発着状態指示装置及び指示送信装置は、航空母艦に設けられ、指示受信装置及び飛行運動制御装置は、航空機に設けられている。

特開平４－７１９９８号公報

特許文献１は、固定翼機における着艦の技術についてであるが、回転翼機においては、下記のような着艦を行っている。

大きな動揺がある状況で回転翼航空機が着艦を行う場合、動揺による甲板の動きに追従を行わずに、所定の位置でホバリングを行い、動揺が小さくなったタイミングで着艦を行っている。この場合、例えば、５分に１回程度で、１０秒程度の間だけ着艦可能となる。このような短い時間を狙って回転翼航空機の着艦を行う必要があった。回転翼航空機の着艦ができなかった場合には、次の動揺が収まるタイミングを待つ必要がある。このように、任意のタイミングで回転翼航空機の発着艦を繰り返すことが難しく、運用上の制限となっていた。

そこで、本開示は、目標着地点が動揺する場合であっても、航空機を目標着地点に好適に追従させることができる航空機の位置制御システム、航空機及び航空機の位置制御方法を提供することを課題とする。

本開示の航空機の位置制御システムは、動揺による目標着地点の動きに合わせて、航空機の位置を追従させる航空機の位置制御システムであって、前記航空機の加速度を補正した姿勢補正加速度と、前記航空機と前記目標着地点との間の相対位置とに基づいて、前記目標着地点の動揺量を推定する動揺量推定処理部と、推定した前記動揺量に基づいて、前記航空機と前記目標着地点との間の目標となる目標相対位置と、前記航空機と前記目標着地点との間の目標となる目標相対速度とを出力する目標情報生成部と、を備える。

本開示の航空機は、航空機の加速度を補正した姿勢補正加速度を取得する加速度補正処理部と、前記航空機と目標着地点との間の相対位置を取得する相対位置取得部と、上記の航空機の位置制御システムと、を備える。

本開示の航空機の位置制御方法は、動揺による目標着地点の動きに合わせて、航空機の位置を追従させる航空機の位置制御方法であって、前記航空機の加速度を補正した姿勢補正加速度と、前記航空機と前記目標着地点との間の相対位置とに基づいて、前記目標着地点の動揺量を推定するステップと、推定した前記動揺量に基づいて、前記航空機と前記目標着地点との間の目標となる目標相対位置と、前記航空機と前記目標着地点との間の目標となる目標相対速度とを出力するステップと、を備える。

本開示によれば、目標着地点が動揺する場合であっても、動揺による目標着地点の動きに合わせて、航空機を好適に追従させることができる。

図１は、本実施形態にかかる航空機の位置制御システムの一例を示す概略構成図である。 図２は、本実施形態にかかる航空機が目標着地点に向かう様子を示す説明図である。 図３は、目標着地点に設けられるマーカーの一例を示す説明図である。 図４は、動揺する目標着地点に航空機を追従させる位置制御の一例のブロック図である。 図５は、動揺量推定処理及び目標情報生成処理の一例を示すブロック図である。 図６は、第２平滑化処理部の相対位置から平滑化相対位置までのボード線図である。 図７は、動揺量推定処理部の相対位置から動揺量(推定値)までのボード線図である。 図８は、目標相対位置及び目標相対速度の算出フローを説明するフローチャートである。 図９は、動揺する目標着地点に航空機を追従させる位置制御の他の一例のブロック図である。

以下に、本開示に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［実施形態］
図１は、本実施形態にかかる航空機の位置制御システムの一例を示す概略構成図であり、図２は、本実施形態にかかる航空機が目標着地点に向かう様子を示す説明図である。

図１に示すように、航空機１は、回転翼機としての飛行体（例えばヘリコプタ、ドローン等）である。本実施形態において、航空機１は、無人機である。なお、航空機１は、前進、後進、横進、旋回、ホバリングが可能な飛行体であればよく、有人機であってもよい。航空機１は、位置制御システム１００を搭載しており、位置制御システム１００により飛行が制御され、図２に示す目標着地点２に着地する。

（目標着地点）
本実施形態において、目標着地点２は、図２に示すように、船舶５上に設けられている。このため、航空機１は、水上を移動する移動体としての船舶５に着地（着艦）する。なお、船舶５には、図示省略するが、目標着地点２に航空機１を着地させた際に、航空機１を拘束するための拘束装置が設けられている。ただし、目標着地点２は、船舶５に限らず、地上を移動する移動体としての車両等に設けられてもよいし、移動しない設備、地面に設けられてもよい。

目標着地点２には、航空機１が目標着地点２の位置を捕捉するためのマーカー７が設けられている。図３は、目標着地点に設けられるマーカーの一例を示す説明図である。図示するように、マーカー７は、例えば白黒の２色で色分けされたＡＲマーカーであり、正方形状のマーカーである。なお、マーカー７は、ＡＲマーカーに限らず、画像処理により目標着地点２の位置を捕捉することができるマーカーであればよく、例えばヘリポートの着地点を示すＨマーク、Ｒマーク等であってもよい。また、マーカー７は、船舶５に異なる形状のマーカーが複数設けられてもよく、航空機１は、異なるマーカー７のいずれかに対応した目標着地点２に誘導されるものであってもよい。また、本実施形態では、目標着地点２の位置を捕捉するために、船舶５にマーカー７を設けたが、目標着地点２の位置を取得可能な構成であれば、特に限定されない。

（位置制御システム）
本実施形態にかかる航空機の位置制御システム１００は、飛行中の航空機１を目標着地点２に着地させるために、航空機１の位置を制御するシステムである。位置制御システム１００は、航空機１に搭載される。位置制御システム１００は、図１に示すように、カメラ１０と、航法装置２０と、制御部３０とを備える。

カメラ１０は、航空機１に図示しないジンバルを介して搭載された撮影装置である。カメラ１０は、マーカー７を撮影することができれば、単眼カメラ、複眼カメラ、赤外線カメラ等であってもよい。カメラ１０は、航空機１から目標着地点２に設けられたマーカー７を撮影するために設けられる。カメラ１０は、図示しないジンバルを介して撮影方向を調整可能とされている。本実施形態において、カメラ１０は、その撮影範囲Ｂ（図２参照）が、一例として、鉛直方向の真下を向くように制御部３０によって制御される。なお、カメラ１０は、撮影範囲Ｂが、鉛直方向に対して斜め前方側を向くように制御部３０によって制御されてもよい。また、カメラ１０は、ジンバルを省いてもよく、撮影方向が鉛直方向の下方側を向くように、航空機１の機体直下に固定してもよい。

航法装置２０は、例えば、慣性航法装置（ＩＮＳ：Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）である。なお、本実施形態において、航法装置２０は、慣性航法装置に適用して説明するが、特に限定されず、いずれの航法装置２０を用いてもよい。また、航法装置２０は、位置の計測精度を向上させるために、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を含んだ慣性航法装置としてもよい。本実施形態では、ＧＰＳを含んだ慣性航法装置に適用して説明するが、ＧＰＳに特に限定されず、精度よく位置を計測可能な位置計測部であればよく、例えば、準天頂衛星システムを用いたものであってもよいし、航法装置２０のみで精度よく位置を計測可能であれば、ＧＰＳ等の位置計測部を省いた構成であってもよい。

ＧＰＳを含んだ航法装置２０は、航空機１のロール方向、ヨー方向およびピッチ方向の姿勢角、航空機１の機体速度、慣性速度、機体加速度、機首方位および地球座標系における位置座標等を取得する。なお、航法装置２０は、航空機１の姿勢角を検出する姿勢角センサ、航空機１の機体速度を検出する速度センサ、航空機１の機体加速度を検出する加速度センサ、航空機１の機首方位を検出するセンサを有するものであってもよい。航法装置２０は、取得した航空機１の姿勢角、機体速度、慣性速度、機体加速度、機首方位および位置座標を、制御部３０に出力する。このように、航法装置２０は、航空機１の加速度を取得する加速度取得部、航空機１の姿勢を取得する姿勢取得部、航空機１の慣性速度を取得する慣性速度取得部として機能している。

また、位置制御システム１００は、図１に示すように、航空機１の地表面または水面からの高度を検出する高度センサ２５を備えている。高度センサ２５は、例えば、レーザ高度計であり、航空機１から目標着地点２までの相対高度Δｈ（図２参照）を計測している。なお、高度センサ２５としては、電波高度計を用いてもよいし、気圧高度計を用いてもよく、いずれの高度計を用いてもよい。また、これらの高度計を、使用環境に応じて、すなわち地表面からの高度、海面からの高度を計測するために、適宜組み合わせて適用してもよい。高度センサ２５は、検出した航空機１の相対高度Δｈを制御部３０に出力する。なお、高度センサ２５は、航空機１の高度を計測して制御部３０に出力し、制御部３０は、後述する誘導演算部３４において、航空機１の高度に基づいて、目標着地点２までの相対高度Δｈを算出するものであってもよい。また、位置制御システム１００は、高度センサ２５に限らず、後述する画像処理部３２において、カメラ１０で撮影したマーカー７を含む画像に画像処理を施すことで、航空機１と船舶５との相対高度Δｈを算出するものであってもよい。

（制御部）
制御部３０は、画像処理部３２と、誘導演算部３４と、飛行制御部３６とを有する。なお、制御部３０は、航空機１に設けられた図示しないジンバルを介して、カメラ１０の撮影方向を制御する図示しない撮影制御部を備えている。本実施形態では、上述したように、カメラ１０の撮影範囲Ｂが鉛直方向の真下を向くように調整される。

（画像処理部）
画像処理部３２は、カメラ１０で撮影された画像に画像処理を施して、マーカー７すなわち目標着地点２の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）（図３参照）を算出する。ここでの中心（Ｃｘ、Ｃｙ）は、カメラ１０で撮影された画像の中心を原点とするカメラ固定座標系における座標点であり、画像中心からの画素数により算出することができる。具体的には、画像処理部３２は、図３に示すように、画像処理によってマーカー７の角部同士の間を延びる対角線Ｌｄを２つ特定し、特定した２つの対角線Ｌｄの交点をマーカー７の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）とする。なお、目標着地点２は、マーカー７の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）に限定されず、マーカー７の四隅のいずれかであってもよいし、マーカー７の中心からオフセットした位置であってもよい。画像処理部３２は、算出したマーカー７の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）を誘導演算部３４に出力する。

また、画像処理部３２は、カメラ１０で撮影したマーカー７を含む画像に画像処理を施すことで、マーカー７の向きを特定し、航法装置２０で取得される航空機１の機首方位と対応づけることで、船舶５の船首方位を算出してもよい。なお、画像処理部３２は、上述したように、カメラ１０で撮影したマーカー７を含む画像に画像処理を施すことで、航空機１と船舶５との相対高度Δｈを算出するものであってもよい。

（誘導演算部）
誘導演算部３４は、航空機１を目標着地点２に誘導するための航空機１の制御量を算出する。制御量は、航空機１の機体速度、姿勢角、姿勢角の変化レート等を調整するための制御量である。誘導演算部３４は、制御量を算出するために、航空機１と目標着地点２との相対座標位置を算出する。具体的に、誘導演算部３４は、相対座標位置として、航空機１と目標着地点２との相対位置（Ｘ、Ｙ）、航空機１と目標着地点２との相対高度Δｈを算出する。また、誘導演算部３４は、航空機１と目標着地点２との相対速度等を算出する。相対位置（Ｘ、Ｙ）は、水平方向における航空機１と目標着地点２との距離となる。相対高度Δｈは、鉛直方向における航空機１と目標着地点２との距離となる。

誘導演算部３４は、画像処理部３２で算出されたマーカー７の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）と、カメラ１０の方位すなわち航空機１の機首方位と、航空機１の高度（目標着地点２に対する相対高度Δｈ）とに基づいて、航空機１と目標着地点２との相対位置（Ｘ、Ｙ）を算出する。なお、本実施形態では、カメラ１０の方位と航空機１の機首方位とを一致させているが、特に限定されず、カメラ１０の方位と航空機１の機首方位とを一致させなくてもよい。このように、画像処理部３２および誘導演算部３４は、航空機１と目標着地点２との相対位置を取得する。

また、誘導演算部３４は、高度センサ２５で検出された航空機１の高度に基づいて、目標着地点２までの相対高度Δｈを算出する。したがって、高度センサ２５および誘導演算部３４は、航空機１と目標着地点２との相対高度Δｈを取得する。なお、画像処理部３２において、カメラ１０で撮影したマーカー７を含む画像に画像処理を施すことで、航空機１と船舶５との相対高度Δｈを算出してもよい。

また、誘導演算部３４は、航空機１と目標着地点２との相対速度を算出する。したがって、誘導演算部３４は、航空機１と目標着地点２との相対速度を取得する。より詳細には、誘導演算部３４は、相対位置（Ｘ、Ｙ）と機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）とに基づいて、航空機１と目標着地点２との相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）を算出する相対速度推定処理を実行する。したがって、誘導演算部３４は、航空機１と目標着地点２との相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）を取得する。

そして、誘導演算部３４は、相対位置（Ｘ、Ｙ）、相対高度Δｈ、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）および機体加速度に基づいて、フィードバック制御（例えばＰＩＤ制御）により制御量を算出する。なお、フィードバック制御は、ＰＩＤ制御に限らず、Ｐ制御、ＰＩ制御、ＰＤ制御等であってもよい。誘導演算部３４は、算出した制御量Ｃ´（図４参照）を飛行制御部３６に出力する。

（飛行制御部）
飛行制御部３６は、誘導演算部３４で算出された制御量にしたがって、航空機１の各構成要素を制御して航空機１を飛行させる。飛行制御部３６は、制御量にしたがって各回転翼のブレードピッチ角、回転数等を制御し、航空機１の機体速度、姿勢角、姿勢角の変化レート等を調整する。それにより、航空機１は、目標着地点２へと誘導される。なお、本実施形態では、画像処理部３２および誘導演算部３４を飛行制御部３６とは別の機能部として説明するが、飛行制御部３６、画像処理部３２および誘導演算部３４は、一体の機能部であってもよい。すなわち、飛行制御部３６において画像処理部３２および誘導演算部３４の処理を行ってもよい。

（航空機の位置制御）
次に、図４を参照して、本実施形態にかかる航空機１の位置制御について説明する。図４は、動揺する目標着地点に航空機を追従させる位置制御の一例のブロック図である。航空機１の位置制御では、誘導演算部３４が、図４に示すブロック図に基づいて、動揺による目標着地点２の動きに合わせて、航空機１の位置を追従させる目標点追従ホバリングに関する位置制御を行っている。このため、誘導演算部３４は、目標点追従ホバリングを実行するための航空機１の制御量Ｃ’を算出している。なお、図４では、ピッチ軸の方向となるＸ方向の成分と、ロール軸の方向となるＹ方向の成分とを併記して図示しており、誘導演算部３４により各成分の制御量をそれぞれ算出している。

（相対位置に関する目標点追従ホバリング）
図４では、航空機１が動揺により変化する目標着地点２に追従するように、目標点追従ホバリングに関する位置制御を実行している。誘導演算部３４は、加速度補正処理部４１と、第２平滑化処理部４３と、第２カルマンフィルタ４６と、相対速度推定処理部４７と、動揺量推定処理部５１と、目標情報生成処理部（目標情報生成部）５２と、切替スイッチ（切替部）５３と、第２減算回路部５４と、フィードバック制御部５５と、を備えている。なお、加速度補正処理部４１、第２平滑化処理部４３、第２カルマンフィルタ４６、相対速度推定処理部４７、動揺量推定処理部５１、目標情報生成処理部５２、切替スイッチ５３、第２減算回路部５４及びフィードバック制御部５５は、誘導演算部３４により実現されていてもよいし、誘導演算部３４とは別体の処理部によって実現されていてもよいし、それらの組み合わせによって実現されていてもよく、特に限定されない。

加速度補正処理部４１は、航空機１の加速度と航空機１の姿勢とに基づいて、航空機１の加速度を補正した姿勢補正加速度を出力している。姿勢補正加速度とは、機体軸座標系の加速度を、航空機１の姿勢角に基づいて座標変換を行い、慣性空間座標系の加速度に変換したものである。具体的に、加速度補正処理部４１には、航法装置２０において取得された航空機１の加速度が入力され、また、航法装置２０において取得された航空機１の姿勢角が入力される。入力される加速度としては、縦方向（機体座標系における前後方向）、横方向（機体座標系における左右方向）、及び垂直方向（機体座標系における上下方向）の加速度である。また、入力される姿勢角としては、ピッチ軸、ロール軸及びヨー軸における姿勢角である。加速度補正処理部４１は、航空機１の加速度と航空機１の姿勢角とが入力されると、縦方向及び横方向における航空機１の加速度を補正した姿勢補正加速度を算出する。加速度補正処理部４１は、算出した姿勢補正加速度を第２平滑化処理部４３、動揺量推定処理部５１及びフィードバック制御部５５へ向けて出力する。

第２カルマンフィルタ４６は、相対位置（Ｘ，Ｙ）に基づく推定を行い、推定後の推定相対位置（Ｘ，Ｙ）を出力している。具体的に、第２カルマンフィルタ４６には、誘導演算部３４により算出された相対位置（Ｘ，Ｙ）が入力される。第２カルマンフィルタ４６は、相対位置（Ｘ，Ｙ）が入力されると、相対位置（Ｘ，Ｙ）の時間変化を推定することで、推定相対位置（Ｘ，Ｙ）を算出する。第２カルマンフィルタ４６は、算出した推定相対位置（Ｘ，Ｙ）を第２平滑化処理部４３へ向けて出力する。

第２平滑化処理部４３は、目標着地点２が動揺により変化する場合であっても、平均的な相対位置である平滑化相対位置を算出するための処理を行っている。第２平滑化処理部４３は、姿勢補正加速度と、推定相対位置（Ｘ，Ｙ）とに基づいて、推定相対位置（Ｘ，Ｙ）を平滑化した平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）を出力している。具体的に、第２平滑化処理部４３には、加速度補正処理部４１から出力された姿勢補正加速度が入力され、また、第２カルマンフィルタ４６により算出された推定相対位置（Ｘ，Ｙ）が入力される。第２平滑化処理部４３は、姿勢補正加速度と推定相対位置（Ｘ，Ｙ）とが入力されると、平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）を算出する。そして、第２平滑化処理部４３は、算出した平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）を後述する第２減算回路部５４へ向けて出力する。

ここで、図６を参照して、第２平滑化処理部４３の相対位置に関する信号処理について説明する。図６は、第２平滑化処理部の相対位置から平滑化相対位置までのボード線図である。図６は、その横軸が周波数となっており、その縦軸が、ゲイン（ｄＢ）及び位相（ｄｅｇ）となっている。図６において、動揺が発生する周波数の帯域が、動揺周波数帯域ｆとなっており、動揺周波数帯域ｆを含む動揺周波数帯域ｆ以上の周波数の帯域を、周波数帯ｆ１（第１の周波数帯）とし、動揺周波数帯域ｆよりも低い周波数の帯域を、周波数帯ｆ２（第２の周波数帯）とする。

第２平滑化処理部４３は、入力信号にゲインをかけて出力信号を増幅している。入力信号は、推定相対位置（Ｘ，Ｙ）であり、出力信号は、平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）である。図６に示すように、周波数帯ｆ１は、周波数帯ｆ２に比して、十分にゲインが低いものとなっていることから、周波数帯ｆ１における動揺の影響を低減している。また、周波数帯ｆ２は、減衰係数が大きく（ζ＞０．７）なっており、低周波の外乱応答が振動的にならないようにしている。減衰係数ζの値を大きくすると、オーバーシュートは抑えられ、ζ＞０．７であれば、望ましい結果が得られる。

相対速度推定処理部４７は、相対位置（Ｘ，Ｙ）と航空機１の機体速度とに基づいて、推定相対速度を出力している。具体的に、相対速度推定処理部４７には、誘導演算部３４により算出された相対位置（Ｘ，Ｙ）が入力され、また、航法装置２０において取得された縦方向及び横方向における航空機１の機体速度が入力される。相対速度推定処理部４７は、入力された相対位置（Ｘ，Ｙ）と機体速度とから、相対速度を推定し、推定相対速度として後述する第２減算回路部５４へ向けて出力する。

動揺量推定処理部５１は、動揺により変化する目標着地点２の動揺量を推定するための処理を行っている。動揺量推定処理部５１は、姿勢補正加速度と、相対位置（Ｘ，Ｙ）とに基づいて、動揺量を推定している。図５は、動揺量推定処理及び目標情報生成処理の一例を示すブロック図である。図５に示すように、動揺量推定処理部５１は、第１カルマンフィルタ６１と、第１平滑化処理部６２と、ローパスフィルタ６３と、第１減算回路部６６と、を含んでいる。

第１カルマンフィルタ６１は、第２カルマンフィルタ４６と同様に、相対位置（Ｘ，Ｙ）に基づく推定を行い、推定後の推定相対位置（Ｘ，Ｙ）を出力している。具体的に、第１カルマンフィルタ６１には、誘導演算部３４により算出された相対位置（Ｘ，Ｙ）が入力される。第１カルマンフィルタ６１は、相対位置（Ｘ，Ｙ）が入力されると、相対位置（Ｘ，Ｙ）の時間変化を推定することで、推定相対位置（Ｘ，Ｙ）を算出する。第１カルマンフィルタ６１は、算出した推定相対位置（Ｘ，Ｙ）を第１平滑化処理部６２及び第１減算回路部６６へ向けて出力する。ここで、第１カルマンフィルタ６１は、第２カルマンフィルタ４６に比して、出力される推定相対位置（Ｘ，Ｙ）の時間遅れが小さいものとなっている。

第１平滑化処理部６２は、第２平滑化処理部４３と同様に、目標着地点２が動揺により変化する場合であっても、平均的な相対位置である平滑化相対位置を算出するための処理を行っている。第１平滑化処理部６２は、姿勢補正加速度と、推定相対位置（Ｘ，Ｙ）とに基づいて、推定相対位置（Ｘ，Ｙ）を平滑化した平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）を出力している。具体的に、第１平滑化処理部６２には、加速度補正処理部４１から出力された姿勢補正加速度が入力され、また、第１カルマンフィルタ６１により算出された推定相対位置（Ｘ，Ｙ）が入力される。第１平滑化処理部６２は、姿勢補正加速度と推定相対位置（Ｘ，Ｙ）とが入力されると、平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）を算出する。そして、第１平滑化処理部６２は、算出した平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）を第１減算回路部６６へ向けて出力する。

第１減算回路部６６は、推定相対位置（Ｘ，Ｙ）と、平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）とに基づいて、動揺量を出力している。具体的に、第１減算回路部６６は、推定相対位置（Ｘ，Ｙ）と、平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）との差分をとり、その差分を動揺量として算出している。そして、第１減算回路部６６は、算出した動揺量をローパスフィルタ６３へ向けて出力する。

ローパスフィルタ６３は、第１減算回路部６６から入力される動揺量に対し、所定のカットオフ周波数以上の周波数を減衰させるフィルタである。ローパスフィルタ６３は、動揺量の高周波成分を除去し、動揺量に含まれる低周波成分を目標情報生成処理部５２へ向けて出力する。

ここで、図７を参照して、動揺量推定処理部の相対位置に関する信号処理について説明する。図７は、動揺量推定処理部の相対位置から動揺量(推定値)までのボード線図である。図７は、その横軸が周波数となっており、その縦軸が、ゲイン（ｄＢ）及び位相（ｄｅｇ）となっている。図７において、図６と同様に、動揺が発生する周波数の帯域が、動揺周波数帯域ｆとなっており、動揺周波数帯域ｆを含む動揺周波数帯域ｆ以上の周波数の帯域を、周波数帯ｆ１（第１の周波数帯）とし、動揺周波数帯域ｆよりも低い周波数の帯域を、周波数帯ｆ２（第２の周波数帯）とする。

動揺量推定処理部５１は、入力信号にゲインをかけて出力信号を増幅している。入力信号は、推定相対位置（Ｘ，Ｙ）であり、出力信号は、動揺量(推定値)である。図７に示すように、周波数帯ｆ１は、ゲインが１となるようにしており（図７では、ゲインは対数値として図示されているため、０となっている）、推定相対位置（Ｘ，Ｙ）から動揺量を抽出し、また、位相を進めて、動揺を早めに検出できるようにしている。また、図７に示すように、周波数帯ｆ２は、周波数帯ｆ１に比して、ゲインを小さくしており、推定相対位置（Ｘ，Ｙ）から動揺量以外の変動量を減衰している。

目標情報生成処理部５２は、動揺量に基づいて、航空機１と目標着地点２との間の目標となる目標相対位置と、航空機１と目標着地点２との間の目標となる目標相対速度とを出力する。図５に示すように、目標情報生成処理部５２は、ハイパスフィルタ６４と、擬似微分フィルタ６５と、を含んでいる。

ハイパスフィルタ６４は、動揺量を、目標相対位置に変換して出力するフィルタとなっている。ここで、航空機１の相対位置を、Δｙとし、航空機の目標位置をｙ’とし、航空機１の現在位置をｙとする。また、現在位置ｙは、目標位置ｙ’に遅れて追従すると仮定すると、下記する（１）式が得られる。なお、式（１）中の“ｓ”は、演算子であり、Ｆ_Ｌ（ｓ）は、ローパスフィルタであり、Ｆ_Ｈ（ｓ）は、ハイパスフィルタである。

Δｙ＝ｙ’－ｙ＝（１－Ｆ_Ｌ（ｓ））・ｙ’＝Ｆ_Ｈ（ｓ）・ｙ’ ・・・（１）

（１）式に示すように、相対位置Δｙは、目標位置ｙ’にハイパスフィルタＦ_Ｈ（ｓ）を乗算すれば導出できる。このため、目標相対位置は、動揺量にハイパスフィルタ６４を乗算することで導出している。ハイパスフィルタ６４は、算出した目標相対位置を、後述する第２減算回路部５４へ向けて出力する。

擬似微分フィルタ６５は、目標相対位置に擬似微分を施して、目標相対速度とするフィルタである。具体的に、擬似微分フィルタ６５は、ハイパスフィルタ６４から入力される目標相対位置を擬似微分して目標相対速度を算出し、算出した目標相対速度を後述する第２減算回路部５４へ向けて出力する。

第２減算回路部５４は、第２平滑化処理部４３から入力される平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）と、目標情報生成処理部５２から入力される目標相対位置との位置差分を算出する。そして、第２減算回路部５４は、算出した位置差分をフィードバック制御部５５へ向けて出力する。また、第２減算回路部５４は、相対速度推定処理部４７から入力される推定相対速度と、目標情報生成処理部５２から入力される目標相対速度との速度差分を算出する。そして、第２減算回路部５４は、算出した速度差分をフィードバック制御部５５へ向けて出力する。

フィードバック制御部５５は、第２減算回路部５４から入力された位置差分及び速度差分と、加速度補正処理部４１から入力された姿勢補正加速度とに基づいて、制御量Ｃ´を算出する。そして、フィードバック制御部５５は、算出した制御量Ｃ´を飛行制御部３６へ向けて出力する。

飛行制御部３６は、制御量Ｃ’に基づいて飛行制御を実行する。なお、飛行制御部３６による飛行制御の一例として、航空機１がヘリコプタである場合、ヘリコプタのメインロータを縦方向及び横方向に傾ける飛行制御を行うことで、目標点追従ホバリングを実行する。

切替スイッチ５３は、目標点追従ホバリングの実行の有無を切り替えている。具体的に、切替スイッチ５３は、第２減算回路部５４への目標相対位置及び目標相対速度の入力の有無を切り替える。切替スイッチ５３は、第２減算回路部５４へ目標相対位置及び目標相対速度の入力を許容することで、目標点追従ホバリングの実行を可能とする。一方で、切替スイッチ５３は、第２減算回路部５４へ目標相対位置及び目標相対速度の入力を遮断することで、目標点追従ホバリングの実行を不能とし、空間安定ホバリングの実行を可能とする。空間安定ホバリングは、平滑化相対位置に基づく飛行制御であり、目標着地点２に対して、空間上の目標相対位置に航空機１を保持させる空間安定ホバリングに関する位置制御である。切替スイッチ５３により、第２減算回路部５４へ目標相対位置及び目標相対速度の入力を遮断すると、飛行制御部３６には、平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）が入力されることから、飛行制御部３６は、空間安定ホバリングの飛行制御を実行する。

ここで、切替スイッチ５３による切替制御は、例えば、動揺量または高度を用いて、切替を行ってもよい。切替制御では、動揺量を用いる場合、動揺量が、予め設定されたしきい値以上であれば空間安定ホバリングの飛行制御を実行し、しきい値よりも小さければ目標点追従ホバリングの飛行制御を実行するように、切り替えを行ってもよい。また、切替制御では、高度を用いる場合、高度が、予め設定されたしきい値以上であれば空間安定ホバリングの飛行制御を実行し、しきい値よりも小さければ目標点追従ホバリングの飛行制御を実行するように、切り替えを行ってもよい。

（航空機の位置制御方法）
次に、図８を参照して、本実施形態にかかる航空機１の位置制御システム１００を用いた位置制御方法について説明する。図８は、目標相対位置及び目標相対速度の算出フローを説明するフローチャートである。なお、図８では、目標情報生成処理部５２から目標相対位置及び目標相対速度を出力するまでの位置制御方法となっている。

航空機１の位置制御方法では、先ず、加速度補正処理部４１が、入力される航空機１の加速度と航空機１の姿勢とに基づいて、姿勢補正加速度を出力する（ステップＳ１）。ステップＳ１では、相対位置（Ｘ，Ｙ）に関する位置制御であるため、加速度補正処理部４１が、縦方向及び横方向における姿勢補正加速度を出力する。

続いて、航空機１の位置制御方法では、動揺量推定処理部５１が、姿勢補正加速度と相対位置（Ｘ，Ｙ）とに基づいて、動揺量を算出し出力する（ステップＳ２）。ステップＳ２では、推定相対位置（Ｘ，Ｙ）と平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）との差分をとり、その差分を動揺量として算出している。

この後、航空機１の位置制御方法では、目標情報生成処理部５２が、算出した動揺量に基づいて、目標相対位置及び目標相対速度を算出して出力する（ステップＳ３）。

なお、航空機１の位置制御方法では、ステップＳ３の実行後、出力された目標相対位置及び目標相対速度は、第２減算回路部５４に入力される。そして、位置制御方法では、第２減算回路部５４において、平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）と目標相対位置との位置差分が算出され、また、推定相対速度と目標相対速度との速度差分が算出される。この後、位置制御方法では、フィードバック制御部５５において、位置差分、速度差分及び姿勢補正加速度に基づいて、制御量Ｃ’が算出される。この後、位置制御方法では、算出された制御量Ｃ’が飛行制御部３６に入力され、飛行制御部３６は、制御量Ｃ’にしたがって、航空機１の機体速度、姿勢角、姿勢角の変化レート等を調整する。飛行制御部３６における飛行制御は、例えば、特願２０１９－１８７９８７号に記載されたＰＩＤ制御及び多値制御により実行してもよい。

（変形例）
次に、図９を参照して、航空機１の位置制御システム１００及び位置制御方法の他の一例について説明する。図９は、動揺量に基づく航空機の相対位置に関する位置制御の他の一例のブロック図である。図４に示す航空機１の位置制御システム１００では、第２平滑化処理部４３において平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）を算出し、平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）と目標相対位置との位置差分、推定相対速度と目標相対速度との速度差分、及び姿勢補正加速度に基づいて、制御量Ｃ’を導出した。図９に示す航空機１の位置制御システム１００では、第２平滑化処理部４３を省いた構成となっており、第２カルマンフィルタ４６で推定した推定相対位置と目標相対位置との位置差分、推定相対速度と目標相対速度との速度差分、及び姿勢補正加速度に基づいて、制御量Ｃ’を導出している。

また、本実施形態では、動揺量を推定するにあたって、姿勢補正加速度を用いたが、特に限定されず、航空機１の姿勢を補正するための姿勢補正パラメータであれば、いずれのパラメータであってもよい。

以上のように、実施形態に記載の航空機１の位置制御システム１００、航空機１及び航空機１の位置制御方法は、例えば、以下のように把握される。

第１の態様に係る航空機１の位置制御システム１００は、動揺による目標着地点２の動きに合わせて、航空機１の位置を追従させる航空機１の位置制御システム１００であって、前記航空機１の加速度を補正した姿勢補正加速度と、前記航空機１と前記目標着地点２との間の相対位置（Ｘ，Ｙ）とに基づいて、前記目標着地点２の動揺量を推定する動揺量推定処理部５１と、推定した前記動揺量に基づいて、前記航空機１と前記目標着地点２との間の目標となる目標相対位置と、前記航空機１と前記目標着地点２との間の目標となる目標相対速度とを出力する目標情報生成部５２と、を備える。

この構成によれば、姿勢補正加速度と相対位置（Ｘ，Ｙ）とを用いて推定される動揺量に基づいて、目標相対位置及び目標相対速度を算出して出力することができる。このため、目標相対位置及び目標相対速度を用いた航空機１の飛行制御を実行することで、目標着地点２が動揺する場合であっても、動揺による目標着地点２の動きに合わせて、航空機１を好適に追従させることができる。このように、航空機１を目標着地点２に追従させることができるため、航空機１の機体が安定していれば、任意のタイミングで航空機１を船舶上に着艦させることができる。着艦においても、地上での着陸のように、動揺の大小にかかわらず、航空機１の機体を接地させることができることから、運用の自由度を高めることができる。

第２の態様として、前記動揺量推定処理部５１は、前記相対位置（Ｘ，Ｙ）に基づいて推定した推定相対位置（Ｘ，Ｙ）を出力する第１カルマンフィルタ６１と、前記姿勢補正加速度と、前記推定相対位置（Ｘ，Ｙ）とに基づいて、前記相対位置（Ｘ，Ｙ）を平滑化した平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）を出力する第１平滑化処理部６２と、前記平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）と前記推定相対位置（Ｘ，Ｙ）との差分を、前記動揺量として算出する第１減算回路部６６と、を備える。

この構成によれば、平滑化相対位置（Ｘ，Ｙ）と推定相対位置（Ｘ，Ｙ）との差分を動揺量として算出することができるため、適切な動揺量を推定することができる。

第３の態様として、前記目標情報生成部は、前記動揺量を、前記目標相対位置に変換して出力するハイパスフィルタと、変換された前記目標相対位置を擬似微分して、前記目標相対速度を出力する擬似微分フィルタと、を有する。

この構成によれば、ハイパスフィルタを用いることで、簡易なフィルタにより、動揺量から目標相対位置を迅速に算出することができる。また、擬似微分フィルタを用いることで、簡易なフィルタにより、目標相対位置から目標相対速度を迅速に算出することができる。

第４の態様として、前記相対位置に基づいて推定した推定相対位置を出力する第２カルマンフィルタ４６と、前記姿勢補正加速度と、前記推定相対位置とに基づいて、前記相対位置を平滑化した平滑化相対位置を出力する第２平滑化処理部４３と、前記航空機１と前記目標着地点２との間の相対速度を推定して推定相対速度を出力する相対速度推定処理部４７と、前記目標相対位置と前記平滑化相対位置との位置差分、及び前記目標相対速度と前記推定相対速度との速度差分を出力する第２減算回路部５４と、をさらに備え、前記位置差分及び前記速度差分に基づいて、前記航空機１を飛行制御する。

この構成によれば、目標相対位置と平滑化相対位置との位置差分、及び目標相対速度と推定相対速度との速度差分を用いて、航空機１の飛行制御を実行することができる。このため、目標着地点２に対する、航空機１の目標点追従ホバリングを精度よく実行することができる。

第５の態様として、前記第２減算回路部５４への前記目標相対位置及び前記目標相対速度の入力の有無を切り替える切替部（切替スイッチ５３）を、さらに備える。

この構成によれば、切替部により、航空機１の目標点追従ホバリングに関する飛行制御の実行の有無を切り替えることができる。

第６の態様として、前記第１平滑化処理部６２は、前記相対位置にゲインをかけて前記平滑化相対位置を出力しており、前記動揺が発生する動揺周波数帯域ｆ以上の周波数の帯域を、第１の周波数帯ｆ１とし、前記動揺周波数帯域ｆよりも低い周波数の帯域を、第２の周波数帯ｆ２とすると、前記第１の周波数帯ｆ１における前記ゲインは、前記第２の周波数帯ｆ２における前記ゲインに対して低く、前記第２の周波数帯ｆ２における減衰係数ζが、ζ＞０．７となっている。

この構成によれば、第１の周波数帯ｆ１は、第２の周波数帯に比して、十分にゲインが低いものとなっていることから、第１の周波数帯ｆ１における動揺の影響を低減することができる。また、第２の周波数帯ｆ２は、減衰係数が大きく（ζ＞０．７）なることから、低周波の外乱応答が振動的にならないようにすることができる。

第７の態様として、前記動揺量推定処理部５１は、前記相対位置にゲインをかけて前記動揺量を出力しており、前記動揺が発生する動揺周波数帯域ｆ以上の周波数の帯域を、第１の周波数帯ｆ１とし、前記動揺周波数帯域よりも低い周波数の帯域を、第２の周波数帯とすると、前記第１の周波数帯ｆ１における前記ゲインは、１となるようにしており、前記第２の周波数帯ｆ２における前記ゲインは、前記第１の周波数帯ｆ１における前記ゲインに対して低くなっている。

この構成によれば、第１の周波数帯ｆ１は、ゲインが１となるため、推定相対位置（Ｘ，Ｙ）から動揺量を抽出する際に、位相を進めて、動揺を早めに検出できるようにしている。また、第２の周波数帯ｆ２は、第１の周波数帯ｆ１に比して、ゲインを小さくしているため、推定相対位置（Ｘ，Ｙ）から動揺量以外の変動量を減衰することができる。

第８の態様として、前記第１カルマンフィルタ６１は、前記第２カルマンフィルタ４６に比して、出力される前記推定相対位置（Ｘ，Ｙ）の時間遅れが小さいものとなっている。

この構成によれば、推定相対位置（Ｘ，Ｙ）の時間遅れが小さくなるため、動揺量の推定をより正確に算出することができる。

第９の態様に係る航空機１は、航空機１の加速度を補正した姿勢補正加速度を取得する加速度補正処理部４１と、前記航空機１と目標着地点２との間の相対位置を取得する相対位置取得部（航法装置２０）と、上記の航空機の位置制御システムと、を備える。

この構成によれば、目標着地点２が動揺する場合であっても、目標着地点２に対して好適に追従するように、飛行制御される航空機１を提供することができる。

第１０の態様に係る航空機１の位置制御方法は、動揺による目標着地点２の動きに合わせて、航空機１の位置を追従させる航空機１の位置制御方法であって、前記航空機１の加速度を補正した姿勢補正加速度と、前記航空機１と前記目標着地点２との間の相対位置（Ｘ，Ｙ）とに基づいて、前記目標着地点２の動揺量を推定するステップ（ステップＳ２）と、推定した前記動揺量に基づいて、前記航空機１と前記目標着地点２との間の目標となる目標相対位置と、前記航空機１と前記目標着地点２との間の目標となる目標相対速度とを出力するステップ（ステップＳ３）と、を備える。

この構成によれば、姿勢補正加速度と相対位置（Ｘ，Ｙ）とを用いて推定される動揺量に基づいて、目標相対位置及び目標相対速度を算出して出力することができる。このため、目標相対位置及び目標相対速度を用いた航空機１の飛行制御を実行することで、目標着地点２が動揺する場合であっても、航空機１を目標着地点２に好適に追従させることができる。

１ 航空機
２ 目標着地点
５ 船舶
７ マーカー
１０ カメラ
２０ 航法装置
３０ 制御部
３２ 画像処理部
３４ 誘導演算部
３６ 飛行制御部
４１ 加速度補正処理部
４３ 第２平滑化処理部
４６ 第２カルマンフィルタ
４７ 相対速度推定処理部
５１ 動揺量推定処理部
５２ 目標情報生成処理部
５３ 切替スイッチ
５４ 第２減算回路部
６１ 第１カルマンフィルタ
６２ 第１平滑化処理部
６３ ローパスフィルタ
６４ ハイパスフィルタ
６５ 擬似微分フィルタ
６６ 第１減算回路部
１００ 位置制御システム

Claims (10)

1. 動揺による目標着地点の動きに合わせて、航空機の位置を追従させる航空機の位置制御システムであって、
   前記航空機の加速度を補正した姿勢補正加速度と、前記航空機と前記目標着地点との間の相対位置とに基づいて、前記目標着地点の動揺量を推定する動揺量推定処理部と、
   推定した前記動揺量に基づいて、前記航空機と前記目標着地点との間の目標となる目標相対位置と、前記航空機と前記目標着地点との間の目標となる目標相対速度とを出力する目標情報生成部と、を備える航空機の位置制御システム。
2. 前記動揺量推定処理部は、
   前記相対位置に基づいて推定した推定相対位置を出力する第１カルマンフィルタと、
   前記姿勢補正加速度と、前記推定相対位置とに基づいて、前記相対位置を平滑化した平滑化相対位置を出力する第１平滑化処理部と、
   前記平滑化相対位置と前記推定相対位置との差分を、前記動揺量として算出する第１減算回路部と、を備える請求項１に記載の航空機の位置制御システム。
3. 前記目標情報生成部は、
   前記動揺量を、前記目標相対位置に変換して出力するハイパスフィルタと、
   変換された前記目標相対位置を擬似微分して、前記目標相対速度を出力する擬似微分フィルタと、を有する請求項１または２に記載の航空機の位置制御システム。
4. 前記相対位置に基づいて推定した推定相対位置を出力する第２カルマンフィルタと、
   前記姿勢補正加速度と、前記推定相対位置とに基づいて、前記相対位置を平滑化した平滑化相対位置を出力する第２平滑化処理部と、
   前記航空機と前記目標着地点との間の相対速度を推定して推定相対速度を出力する相対速度推定処理部と、
   前記目標相対位置と前記平滑化相対位置との位置差分、及び前記目標相対速度と前記推定相対速度との速度差分を出力する第２減算回路部と、をさらに備え、
   前記位置差分及び前記速度差分に基づいて、前記航空機を飛行制御する請求項２または３に記載の航空機の位置制御システム。
5. 前記第２減算回路部への前記目標相対位置及び前記目標相対速度の入力の有無を切り替える切替部を、さらに備える請求項４に記載の航空機の位置制御システム。
6. 前記第１平滑化処理部は、
   前記相対位置にゲインをかけて前記平滑化相対位置を出力しており、
   前記動揺が発生する動揺周波数帯域以上の周波数の帯域を、第１の周波数帯とし、
   前記動揺周波数帯域よりも低い周波数の帯域を、第２の周波数帯とすると、
   前記第１の周波数帯における前記ゲインは、前記第２の周波数帯における前記ゲインに対して低く、
   前記第２の周波数帯における減衰係数ζが、ζ＞０．７となっている請求項４または５に記載の航空機の位置制御システム。
7. 前記動揺量推定処理部は、
   前記相対位置にゲインをかけて前記動揺量を出力しており、
   前記動揺が発生する動揺周波数帯域以上の周波数の帯域を、第１の周波数帯とし、
   前記動揺周波数帯域よりも低い周波数の帯域を、第２の周波数帯とすると、
   前記第１の周波数帯における前記ゲインは、１となるようにしており、
   前記第２の周波数帯における前記ゲインは、前記第１の周波数帯における前記ゲインに対して低くなっている請求項１から６のいずれか１項に記載の航空機の位置制御システム。
8. 前記第１カルマンフィルタは、前記第２カルマンフィルタに比して、出力される前記推定相対位置の時間遅れが小さいものとなっている請求項４から７のいずれか１項に記載の航空機の位置制御システム。
9. 航空機の加速度を補正した姿勢補正加速度を取得する加速度補正処理部と、
   前記航空機と目標着地点との間の相対位置を取得する相対位置取得部と、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の航空機の位置制御システムと、を備える航空機。
10. 動揺による目標着地点の動きに合わせて、航空機の位置を追従させる航空機の位置制御方法であって、
    前記航空機の加速度を補正した姿勢補正加速度と、前記航空機と前記目標着地点との間の相対位置とに基づいて、前記目標着地点の動揺量を推定するステップと、
    推定した前記動揺量に基づいて、前記航空機と前記目標着地点との間の目標となる目標相対位置と、前記航空機と前記目標着地点との間の目標となる目標相対速度とを出力するステップと、を備える航空機の位置制御方法。

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