JP2023121995A - 姿勢制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機体の姿勢を安定させることができる姿勢制御装置を提供する。【解決手段】ロータ制御装置５０は、第１割当指令値に基づいて、それぞれのＶＴＯＬロータを制御する垂直ロータ制御部７２と、第２割当指令値に基づいて、それぞれのクルーズロータを制御する水平ロータ制御部７４と、第１割当指令値を、ヨーモーメントの指令値と第２割当指令値との差に設定し、ヨーモーメントの指令値が閾値未満である場合に、第２割当指令値の大きさを０に設定し、ヨーモーメントの指令値が閾値以上である場合に、第２割当指令値の大きさを０よりも大きく設定する割当指令値算出部６６とを有する。【選択図】図４

Description

本発明は、姿勢制御装置に関する。

下記特許文献１にはＶＴＯＬ航空機が開示されている。当該ＶＴＯＬ航空機は、第１の方向に回転する垂直ロータの回転速度と、第２の方向に回転する垂直ロータの回転速度とに差を生じさせることにより、ヨー方向に回転する。

米国特許出願公開第２０２１／０２４５８７３号明細書

上記特許文献１に開示された技術では、要求されるヨーモーメントが過大である場合には、垂直ロータにより十分な大きさのヨーモーメントを発生させることができず、機体の姿勢を安定させることができない課題がある。

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

本発明の態様は、垂直方向にスラストを発生させる複数の垂直ロータと、水平方向にスラストを発生させる複数の水平ロータとを有する航空機の機体の姿勢制御を行う姿勢制御装置であって、当該姿勢制御装置は、前記機体に作用させるヨーモーメントの指令値を算出するヨーモーメント指令値算出部と、前記ヨーモーメントの指令値に応じて第１割当指令値及び第２割当指令値を算出する割当指令値算出部と、前記第１割当指令値に基づいて、それぞれの前記垂直ロータを制御する垂直ロータ制御部と、前記第２割当指令値に基づいて、それぞれの前記水平ロータを制御する水平ロータ制御部と、を備え、前記割当指令値算出部は、前記第１割当指令値を、前記ヨーモーメントの指令値と前記第２割当指令値との差に設定し、前記ヨーモーメントの指令値が閾値未満である場合に、前記第２割当指令値の大きさを０に設定し、前記ヨーモーメントの指令値が閾値以上である場合に、前記第２割当指令値の大きさを０よりも大きく設定する。

本発明により、機体の姿勢を安定させることができる。

図１は、航空機の模式図である。 図２は、電力供給システムの構成を示す図である。 図３は、電力供給システムの構成を示す図である。 図４は、ロータ制御装置の制御ブロック図である。 図５は、ヨーモーメント指令値、ヨーモーメント指令値の移動平均及び第２割当指令値の時間変化の例を示すグラフである。 図６は、ロータ制御装置において行われるロータ制御の処理の流れを示すフローチャートである。

〔第１実施形態〕
［航空機の構成］
図１は、航空機１０の模式図である。本実施形態の航空機１０は、電動垂直離着陸機（ｅＶＴＯＬ機）である。本実施形態の航空機１０は、電動モータによりロータが駆動される。本実施形態の航空機１０は、ロータにより垂直方向のスラストと水平方向のスラストを発生させる。また、本実施形態の航空機１０は、ハイブリッド航空機である。本実施形態の航空機１０は、電動モータの電源として、モータジェネレータとバッテリとを有する。

航空機１０は、機体１２を有する。機体１２には、コックピット、キャビン等が設けられる。コックピットには、パイロットが搭乗し、航空機１０の操縦をする。キャビンには、搭乗者等が搭乗する。航空機１０は、パイロットが搭乗せずに、自動で操縦されてもよい。

航空機１０は、前翼１４及び後翼１６を有する。前翼１４は、機体１２の重心Ｇよりも前方に取り付けられる。後翼１６は、機体１２の重心Ｇよりも後方に取り付けられる。航空機１０が前方に移動するときに、前翼１４及び後翼１６のそれぞれにおいてリフトが発生する。

航空機１０は、８つのＶＴＯＬロータ１８を有する。８つのＶＴＯＬロータ１８とは、ロータ１８ＦＬａ、ロータ１８ＦＬｂ、ロータ１８ＲＬａ、ロータ１８ＲＬｂ、ロータ１８ＦＲａ、ロータ１８ＦＲｂ、ロータ１８ＲＲａ及びロータ１８ＲＲｂである。ＶＴＯＬロータ１８のそれぞれは、本発明の垂直ロータに相当する。

ロータ１８ＦＬａ、ロータ１８ＦＬｂ、ロータ１８ＲＬａ及びロータ１８ＲＬｂは、ブーム２０Ｌに取り付けられる。ブーム２０Ｌは、前後方向に延びる。ブーム２０Ｌは、前翼１４と後翼１６とに取り付けられる。ブーム２０Ｌは、重心Ｇに対して左方に設けられる。すなわち、ロータ１８ＦＬａ、ロータ１８ＦＬｂ、ロータ１８ＲＬａ及びロータ１８ＲＬｂは、重心Ｇに対して左方に配置される。

ロータ１８ＦＲａ、ロータ１８ＦＲｂ、ロータ１８ＲＲａ及びロータ１８ＲＲｂは、ブーム２０Ｒに取り付けられる。ブーム２０Ｒは、前後方向に延びる。ブーム２０Ｒは、前翼１４と後翼１６とに取り付けられる。ブーム２０Ｒは、重心Ｇに対して右方に設けられる。すなわち、ロータ１８ＦＲａ、ロータ１８ＦＲｂ、ロータ１８ＲＲａ及びロータ１８ＲＲｂは、重心Ｇに対して右方に配置される。

航空機１０を上方から見た状態で、ロータ１８ＦＬａ、ロータ１８ＲＬａ、ロータ１８ＦＲｂ及びロータ１８ＲＲｂのそれぞれは左回転する。航空機１０を上方から見た状態で、ロータ１８ＦＲａ、ロータ１８ＲＲａ、ロータ１８ＦＬｂ及びロータ１８ＲＬｂのそれぞれは右回転する。

ＶＴＯＬロータ１８のそれぞれの回転シャフト（不図示）は、上下方向に延びる。ＶＴＯＬロータ１８のそれぞれは、ロータの回転数、及び、ブレードのピッチ角度が調整されることにより、スラストが制御される。ＶＴＯＬロータ１８のそれぞれは、垂直離陸時、垂直離陸から巡航への移行時、巡航から垂直着陸への移行時、垂直着陸時、空中停止時等において使用される。また、ＶＴＯＬロータ１８のそれぞれは、姿勢制御時に使用される。ＶＴＯＬロータ１８のそれぞれの回転シャフトは、上下方向に対して数度の角度（カント）が付けられていてもよい。

８つのＶＴＯＬロータ１８のそれぞれのスラストが制御されることにより、リフトスラストを発生させる。リフトスラストとは、垂直方向のスラストを示す。リフトスラストの大きさは、８つのＶＴＯＬロータ１８のそれぞれのスラストの合計に応じて決まる。

８つのＶＴＯＬロータ１８のそれぞれのスラストが制御されることにより、機体１２にロールモーメントを作用させる。ロールモーメントの大きさは、重心Ｇに対して左方に配置された４つのＶＴＯＬロータ１８のそれぞれのスラストの合計と、重心Ｇに対して右方に配置された４つのＶＴＯＬロータ１８のそれぞれのスラストの合計との差に応じて決まる。

重心Ｇに対して左方に配置された４つＶＴＯＬロータ１８とは、ロータ１８ＦＬａ、ロータ１８ＦＬｂ、ロータ１８ＲＬａ及びロータ１８ＲＬｂを示す。重心Ｇに対して右方に配置された４つＶＴＯＬロータ１８とは、ロータ１８ＦＲａ、ロータ１８ＦＲｂ、ロータ１８ＲＲａ及びロータ１８ＲＲｂを示す。

８つのＶＴＯＬロータ１８のそれぞれのスラストが制御されることにより、機体１２にピッチモーメントを作用させる。ピッチモーメントの大きさは、重心Ｇに対して前方に配置された４つのＶＴＯＬロータ１８のそれぞれのスラストの合計と、重心Ｇに対して後方に配置された４つのＶＴＯＬロータ１８のそれぞれのスラストの合計との差に応じて決まる。

重心Ｇに対して前方に配置された４つのＶＴＯＬロータ１８とは、ロータ１８ＦＬａ、ロータ１８ＦＬｂ、ロータ１８ＦＲａ及びロータ１８ＦＲｂを示す。重心Ｇに対して後方に配置された４つのＶＴＯＬロータ１８とは、ロータ１８ＲＬａ、ロータ１８ＲＬｂ、ロータ１８ＲＲａ及びロータ１８ＲＲｂを示す。

８つのＶＴＯＬロータ１８のそれぞれにおける反トルクが制御されることにより、機体１２にヨーモーメントを作用させる。ヨーモーメントの大きさは、左回転する４つのＶＴＯＬロータ１８のそれぞれの反トルクの合計と、右回転する４つのＶＴＯＬロータ１８のそれぞれの反トルクの合計との差に応じて決まる。

ＶＴＯＬロータ１８のそれぞれの回転シャフトが、上下方向に対して数度の角度（カント）が付けられている場合、ＶＴＯＬロータ１８により、機体１２の側面方向にスラストが発生する。この場合、ヨーモーメントの大きさは、前述の反トルクの合計の差に加えて、機体１２の左回転方向に向かって発生するスラストによって生じるモーメントと、機体１２の右回転方向に向かって発生するスラストによって生じるモーメントとの差に応じて決まる。

左回転する４つのＶＴＯＬロータ１８とは、ロータ１８ＦＬａ、ロータ１８ＲＬａ、ロータ１８ＦＲｂ及びロータ１８ＲＲｂを示す。右回転する４つのＶＴＯＬロータ１８とは、ロータ１８ＦＲａ、ロータ１８ＲＲａ、ロータ１８ＦＬｂ及びロータ１８ＲＬｂを示す。

航空機１０は、２つのクルーズロータ２２を有する。２つのクルーズロータ２２とは、ロータ２２Ｌ及びロータ２２Ｒである。クルーズロータ２２のそれぞれは、本発明の水平ロータに相当する。

ロータ２２Ｌ及びロータ２２Ｒは、機体１２の後部に取り付けられる。ロータ２２Ｌは、機体１２の中心線Ａに対して左方に配置される。ロータ２２Ｒは、機体１２の中心線Ａに対して右方に配置される。

クルーズロータ２２のそれぞれの回転シャフト（不図示）は、前後方向に延びる。クルーズロータ２２のそれぞれは、ロータの回転数、及び、ブレードのピッチ角度が調整されることにより、スラストが制御される。クルーズロータ２２のそれぞれは、垂直離陸から巡航への移行時、巡航時、巡航から垂直着陸への移行時等において使用される。また、クルーズロータ２２のそれぞれは、姿勢制御時に使用される。クルーズロータ２２のそれぞれの回転シャフトは、前後方向に対して数度の角度（カント）が付けられていてもよい。

２つのクルーズロータ２２のそれぞれのスラストが制御されることにより、クルーズスラストが発生する。クルーズスラストとは、水平方向のスラストを示す。クルーズスラストの大きさは、２つのクルーズロータ２２のそれぞれのスラストの合計に応じて決まる。

２つのクルーズロータ２２のそれぞれのスラストが制御されることにより、機体１２にヨーモーメントを作用させる。ヨーモーメントの大きさは、ロータ２２Ｌのスラストの大きさと、ロータ２２Ｒのスラストの大きさとの差に応じて決まる。

［電力供給システムの構成］
図２は、電力供給システム２４の構成を示す図である。図２は、主に、４つのバッテリ３０と、１２個の電動モータ３２との接続関係を示す。図３は、電力供給システム２４の構成を示す図である。

それぞれのＶＴＯＬロータ１８に対して、１組の駆動ユニット２６が設けられる。ロータ１８ＦＬａに対して、駆動ユニット２６ＦＬａが設けられる。ロータ１８ＦＬｂに対して、駆動ユニット２６ＦＬｂが設けられる。ロータ１８ＲＬａに対して、駆動ユニット２６ＲＬａが設けられる。ロータ１８ＲＬｂに対して、駆動ユニット２６ＲＬｂが設けられる。ロータ１８ＦＲａに対して、駆動ユニット２６ＦＲａが設けられる。ロータ１８ＦＲｂに対して、駆動ユニット２６ＦＲｂが設けられる。ロータ１８ＲＲａに対して、駆動ユニット２６ＲＲａが設けられる。ロータ１８ＲＲｂに対して、駆動ユニット２６ＲＲｂが設けられる。

それぞれのクルーズロータ２２に対して、２組の駆動ユニット２６が設けられる。ロータ２２Ｌに対して、駆動ユニット２６Ｌａ及び駆動ユニット２６Ｌｂが設けられる。ロータ２２Ｒに対して、駆動ユニット２６Ｒａ及び駆動ユニット２６Ｒｂが設けられる。

３組の駆動ユニット２６に対して、１つのバッテリ３０が接続される。駆動ユニット２６ＦＲａ、駆動ユニット２６ＲＬａ及び駆動ユニット２６Ｒａに対して、バッテリ３０ａが接続される。駆動ユニット２６ＦＬａ、駆動ユニット２６ＲＲａ及び駆動ユニット２６Ｌａに対して、バッテリ３０ｂが接続される。駆動ユニット２６ＦＲｂ、駆動ユニット２６ＲＬｂ及び駆動ユニット２６Ｒｂに対して、バッテリ３０ｃが接続される。駆動ユニット２６ＦＬｂ、駆動ユニット２６ＲＲｂ及び駆動ユニット２６Ｌｂに対して、バッテリ３０ｄが接続される。

それぞれの駆動ユニット２６は、電動モータ３２及びインバータ３４を有する。電動モータ３２は、三相モータである。電動モータ３２の出力シャフト（不図示）は、それぞれのＶＴＯＬロータ１８の回転シャフト、又は、クルーズロータ２２の回転シャフトに連結される。インバータ３４は、入力された直流の電力を三相交流の電力に変換して電動モータ３２に出力する。

図３に示すように、３組の駆動ユニット２６と１つのバッテリ３０とにより、駆動モジュール３６が構成される。駆動ユニット２６ＦＲａ、駆動ユニット２６ＲＬａ、駆動ユニット２６Ｒａ及びバッテリ３０ａにより、駆動モジュール３６ａが構成される。駆動ユニット２６ＦＬａ、駆動ユニット２６ＲＲａ、駆動ユニット２６Ｌａ及びバッテリ３０ｂにより駆動モジュール３６ｂが構成される。駆動ユニット２６ＦＲｂ、駆動ユニット２６ＲＬｂ、駆動ユニット２６Ｒｂ及びバッテリ３０ｃにより駆動モジュール３６ｃが構成される。駆動ユニット２６ＦＬｂ、駆動ユニット２６ＲＲｂ、駆動ユニット２６Ｌｂ及びバッテリ３０ｄにより、駆動モジュール３６ｄが構成される。

それぞれの駆動モジュール３６は、発電モジュール３８に接続される。発電モジュール３８は、エンジン４０、モータジェネレータ４２及びパワーコントロールユニット（以下、ＰＣＵ）４４を有する。

エンジン４０は、ガスタービンエンジンである。エンジン４０は、レシプロエンジンであってもよい。モータジェネレータ４２は、三相モータとして機能するとともに、三相発電機としても機能する。モータジェネレータ４２の回転シャフト（不図示）は、エンジン４０の出力シャフト（不図示）に連結される。

ＰＣＵ４４は、インバータ及びコンバータである。ＰＣＵ４４は、モータジェネレータ４２から入力された三相交流の電力を直流の電力に変換して出力する。また、ＰＣＵ４４は、それぞれのバッテリ３０から入力された直流の電力を三相交流の電力に変換してモータジェネレータ４２に出力する。

図３に示すように、それぞれの駆動モジュール３６はスイッチ４８を有する。それぞれのスイッチ４８は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子及びダイオードを有する。それぞれのスイッチ４８は、発電モジュール３８から駆動モジュール３６への電力の供給を常時許容する。それぞれのスイッチ４８は、オンである場合に、駆動モジュール３６から発電モジュール３８への電力の供給を許容する。

それぞれのスイッチ４８がオンである場合には、それぞれのバッテリ３０からモータジェネレータ４２に電力が供給される。これにより、モータジェネレータ４２が動作し、エンジン４０を始動する。エンジン４０が動作している場合には、モータジェネレータ４２により発電された電力が、それぞれのバッテリ３０、及び、それぞれの電動モータ３２に供給される。これにより、それぞれのバッテリ３０が充電される。また、それぞれの電動モータ３２が動作する。

なお、図２及び図３には、電力供給システム２４の概略が示されている。図２及び図３に示す電力供給システム２４は、一部の部材を省略している。省略されている部材は、例えば、電動モータ３２以外の電気的負荷、抵抗、コイル、コンデンサ、各種センサ類ヒューズ、リレー、ブレーカ、プリチャージ回路、ＤＣ－ＤＣコンバータ等である。

［ロータ制御装置の構成］
図４は、ロータ制御装置５０の制御ブロック図である。ロータ制御装置５０は、それぞれのＶＴＯＬロータ１８のスラストの制御、及び、それぞれのクルーズロータ２２のスラストの制御を行う。ロータ制御装置５０は、本発明の姿勢制御装置に相当する。ロータ制御装置５０は、演算部５２及び記憶部５４を有する。

演算部５２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ(Graphics Processing Unit)等のプロセッサである。演算部５２は、リフトスラスト指令値算出部５６、ロールモーメント指令値算出部５８、ピッチモーメント指令値算出部６０、ヨーモーメント指令値算出部６２、クルーズスラスト指令値算出部６４、割当指令値算出部６６、ＶＴＯＬロータスラスト指令値生成部６８、クルーズロータスラスト指令値生成部７０、ＶＴＯＬロータ制御部７２及びクルーズロータ制御部７４を有する。

リフトスラスト指令値算出部５６、ロールモーメント指令値算出部５８、ピッチモーメント指令値算出部６０、ヨーモーメント指令値算出部６２、クルーズスラスト指令値算出部６４、割当指令値算出部６６、ＶＴＯＬロータスラスト指令値生成部６８、クルーズロータスラスト指令値生成部７０、ＶＴＯＬロータ制御部７２及びクルーズロータ制御部７４は、記憶部５４に記憶されているプログラムが演算部５２によって実行されることによって実現される。

リフトスラスト指令値算出部５６、ロールモーメント指令値算出部５８、ピッチモーメント指令値算出部６０、ヨーモーメント指令値算出部６２、クルーズスラスト指令値算出部６４、割当指令値算出部６６、ＶＴＯＬロータスラスト指令値生成部６８、クルーズロータスラスト指令値生成部７０、ＶＴＯＬロータ制御部７２及びクルーズロータ制御部７４の少なくとも一部が、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)、ＦＰＧＡ(Field-Programmable Gate Array)等の集積回路によって実現されてもよい。

リフトスラスト指令値算出部５６、ロールモーメント指令値算出部５８、ピッチモーメント指令値算出部６０、ヨーモーメント指令値算出部６２、クルーズスラスト指令値算出部６４、割当指令値算出部６６、ＶＴＯＬロータスラスト指令値生成部６８、クルーズロータスラスト指令値生成部７０、ＶＴＯＬロータ制御部７２及びクルーズロータ制御部７４の少なくとも一部が、ディスクリートデバイスを含む電子回路によって実現されてもよい。

記憶部５４は、コンピュータ可読記憶媒体である、不図示の揮発性メモリ及び不図示の不揮発性メモリにより構成される。揮発性メモリは、例えば、ＲＡＭ(Random Access Memory)等である。不揮発性メモリは、例えば、ＲＯＭ(Read Only Memory)、フラッシュメモリ等である。データ等が、例えば、揮発性メモリに記憶される。プログラム、テーブル、マップ等が、例えば、不揮発性メモリに記憶される。記憶部５４の少なくとも一部が、上述したプロセッサ、集積回路等に備えられていてもよい。

リフトスラスト指令値算出部５６は、リフトスラスト指令値を算出する。リフトスラスト指令値は、例えば、パイロットによる操作入力部の操作量に応じて決定される。操作入力部とは、例えば、操縦桿、ペダル、レバー等である。操作入力部の操作量と、リフトスラスト指令値とは一対一で対応しなくてもよい。操作入力部の操作範囲、操作入力部の操作速度、機体１２の高度等に応じて、操作入力部の操作量に対して、リフトスラスト指令値を可変にしてもよい。機体１２の高度は、例えば、地面距離計（不図示）が検出した地面と機体１２との間の距離に基づいて推定される。機体１２の高度は、例えば、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）から受信した信号に基づいて推定される。

パイロットによる操作入力部に対する操作の入力がない場合、操作入力部の操作量に関係なく、リフトスラスト指令値が自動的に決定され、ホバリングをしてもよい。また、航空機１０が自動で制御される場合、予め設定された飛行経路に応じて、操作入力部の操作量に関係なく、リフトスラスト指令値が自動的に決定されてもよい。

ロールモーメント指令値算出部５８は、ロールモーメント指令値を算出する。ロールモーメント指令値は、パイロットによる操作入力部の操作量に応じて決定される。操作入力部の操作量と、ロールモーメント指令値とは一対一で対応しなくてもよい。操作入力部の操作範囲、操作入力部の操作速度、機体１２の角速度等に応じて、操作入力部の操作量に対して、ロールモーメント指令値を可変にしてもよい。機体１２の角速度は、例えば、ジャイロセンサ（不図示）により検出される。

パイロットによる操作入力部に対する操作の入力がない場合、操作入力部の操作量に関係なく、ロールモーメント指令値が自動的に決定され、ホバリングをしてもよい。また、航空機１０が自動で制御される場合、予め設定された飛行経路に応じて、操作入力部の操作量に関係なく、ロールモーメント指令値が自動的に決定されてもよい。

ピッチモーメント指令値算出部６０は、ピッチモーメント指令値を算出する。ピッチモーメント指令値は、例えば、パイロットによる操作入力部の操作量に応じて決定される。操作入力部の操作量と、ピッチモーメント指令値とは一対一で対応しなくてもよい。操作入力部の操作範囲、操作入力部の操作速度、機体１２の角速度等に応じて、操作入力部の操作量に対して、ピッチモーメント指令値を可変にしてもよい。

パイロットによる操作入力部に対する操作の入力がない場合、操作入力部の操作量に関係なく、ピッチモーメント指令値が自動的に決定され、ホバリングをしてもよい。また、航空機１０が自動で制御される場合、予め設定された飛行経路に応じて、操作入力部の操作量に関係なく、ピッチモーメント指令値が自動的に決定されてもよい。

ヨーモーメント指令値算出部６２は、ヨーモーメント指令値を算出する。ヨーモーメント指令値は、例えば、パイロットによる操作入力部の操作量に応じて決定される。操作入力部の操作量と、ヨーモーメント指令値とは一対一で対応しなくてもよい。操作入力部の操作範囲、操作入力部の操作速度、機体１２の角速度等に応じて、操作入力部の操作量に対して、ヨーモーメント指令値を可変にしてもよい。

パイロットによる操作入力部に対する操作の入力がない場合、操作入力部の操作量に関係なく、ヨーモーメント指令値が自動的に決定され、ホバリングをしてもよい。また、航空機１０が自動で制御される場合、予め設定された飛行経路に応じて、操作入力部の操作量に関係なく、ヨーモーメント指令値が自動的に決定されてもよい。

クルーズスラスト指令値算出部６４は、クルーズスラスト指令値を算出する。クルーズスラスト指令値は、例えば、パイロットによる操作入力部の操作量に応じて決定される。操作入力部の操作量と、クルーズスラスト指令値とは一対一で対応しなくてもよい。操作入力部の操作範囲、操作入力部の操作速度、機体１２の対気速度等に応じて、操作入力部の操作量に対して、クルーズスラスト指令値を可変にしてもよい。機体１２の対気速度は、例えば、対気速度センサ（不図示）により検出される。

パイロットによる操作入力部に対する操作の入力がない場合、クルーズスラスト指令値が自動的に決定され、航空機１０は一定の速度で飛行をしてもよい。また、航空機１０が自動で制御される場合、予め設定された飛行経路に応じて、操作入力部の操作量に関係なく、クルーズスラスト指令値が自動的に決定されてもよい。

割当指令値算出部６６は、第１割当指令値及び第２割当指令値を算出する。第１割当指令値は、ヨーモーメント指令値のうち、８つのＶＴＯＬロータ１８によりヨーモーメントを発生させる分の指令値を示す。第２割当指令値は、ヨーモーメント指令値のうち、２つのクルーズロータ２２によりヨーモーメントを発生させる分の指令値を示す。

図５は、ヨーモーメント指令値、ヨーモーメント指令値の移動平均及び第２割当指令値の時間変化の例を示すグラフである。

割当指令値算出部６６は、第１割当指令値を、ヨーモーメント指令値と第２割当指令値との差に設定する。ヨーモーメント指令値の移動平均が閾値未満である場合、割当指令値算出部６６は、第２割当指令値の大きさを０に設定する。ヨーモーメント指令値の移動平均が閾値以上である場合、割当指令値算出部６６は、第２割当指令値の大きさを０よりも大きく設定する。具体的には、割当指令値算出部６６は、第２割当指令値を、ヨーモーメント指令値の移動平均と閾値との差に設定する。

これにより、ヨーモーメント指令値のうち定常的な成分が、第２割当指令値として設定される。ヨーモーメント指令値のうち非定常的な成分が、第１割当指令値として設定される。すなわち、ヨーモーメント指令値のうち、変動が激しい成分がＶＴＯＬロータ１８に対する指令値として割り当てられ、変動が緩やかな成分がクルーズロータ２２に対する指令値として割り当てられる。

閾値は、予め決められた値である。割当指令値算出部６６は、閾値を可変に設定してもよい。例えば、８つのＶＴＯＬロータ１８のうち、一部のＶＴＯＬロータ１８が失陥した場合には、割当指令値算出部６６は、閾値を小さくしてもよい。割当指令値算出部６６は、例えば、８つのＶＴＯＬロータ１８のうち、失陥したＶＴＯＬロータ１８の数に応じて、閾値を設定してもよい。また、割当指令値算出部６６は、機体１２の対気速度に応じて、閾値を可変に設定してもよい。例えば、対気速度が所定速度以上である場合、対気速度が大きくなるほど閾値を低くしてもよい。

ＶＴＯＬロータスラスト指令値生成部６８は、それぞれのＶＴＯＬロータ１８に対するスラスト指令値を生成する。ＶＴＯＬロータスラスト指令値生成部６８は、リフトスラスト指令値、ロールモーメント指令値、ピッチモーメント指令値及び第１割当指令値に基づいて、スラスト指令値を生成する。

クルーズロータスラスト指令値生成部７０は、それぞれのクルーズロータ２２に対するスラスト指令値を生成する。クルーズロータスラスト指令値生成部７０は、クルーズスラスト指令値及び第２割当指令値に基づいて、スラスト指令値を生成する。

ＶＴＯＬロータ制御部７２は、それぞれのＶＴＯＬロータ１８に対するスラスト指令値に基づいて、それぞれのＶＴＯＬロータ１８におけるスラストを制御する。ＶＴＯＬロータ制御部７２は、本発明の垂直ロータ制御部に相当する。

クルーズロータ制御部７４は、それぞれのクルーズロータ２２に対するスラスト指令値に基づいて、それぞれのクルーズロータ２２におけるスラストを制御する。クルーズロータ制御部７４は、本発明の水平ロータ制御部に相当する。

［ロータ制御］
図６は、ロータ制御装置５０において行われるロータ制御の処理の流れを示すフローチャートである。ロータ制御の処理は、航空機１０が飛行中に、所定の周期で繰り返し実行される。

ステップＳ１において、割当指令値算出部６６は、第１割当指令値及び第２割当指令値を算出する。その後、ステップＳ２へ移行する。

ステップＳ２において、ＶＴＯＬロータスラスト指令値生成部６８は、それぞれのＶＴＯＬロータ１８に対するスラスト指令値を生成する。ＶＴＯＬロータスラスト指令値生成部６８は、リフトスラスト指令値、ロールモーメント指令値、ピッチモーメント指令値及び第１割当指令値に基づいて、スラスト指令値を生成する。その後、ステップＳ３に移行する。

ステップＳ３において、クルーズロータスラスト指令値生成部７０は、それぞれのクルーズロータ２２に対するスラスト指令値を生成する。クルーズロータスラスト指令値生成部７０は、クルーズスラストに基づいて、スラスト指令値を生成する。その後、ステップＳ４に移行する。

ステップＳ４において、ＶＴＯＬロータ制御部７２は、それぞれのＶＴＯＬロータ１８に対するスラスト指令値に基づいて、それぞれのＶＴＯＬロータ１８におけるスラストを制御する。その後、ステップＳ５へ移行する。

ステップＳ５において、クルーズロータ制御部７４は、それぞれのクルーズロータ２２に対するスラスト指令値に基づいて、それぞれのクルーズロータ２２におけるスラストを制御する。その後、ロータ制御を終了する。

［作用効果］
本実施形態の航空機１０では、ロータ制御装置５０は、８つのＶＴＯＬロータ１８のスラストに差を生じさせることにより、機体１２にロールモーメント、ピッチモーメント及びヨーモーメントを作用させる。これにより、ロータ制御装置５０は、機体１２の姿勢を安定させる姿勢制御を行う。機体１２の姿勢制御が行われる場合であっても、航空機１０の急降下を防ぐため、８つのＶＴＯＬロータ１８によるリフトスラストの確保する必要がある。それぞれのＶＴＯＬロータ１８において発生させることが可能なスラストの上限に対して、リフトスラストを確保するためにそれぞれのＶＴＯＬロータ１８において発生されるスラストの割合は大きい。そのため、リフトスラストを確保しつつ、複数のＶＴＯＬロータ１８のスラストに十分な大きさの差を生じさせることができない場合がある。

そこで、本実施形態のロータ制御装置５０は、８つのＶＴＯＬロータ１８によりヨーモーメントを発生させるとともに、２つのクルーズロータ２２によりヨーモーメントを発生させる。これにより、本実施形態のロータ制御装置５０は、ヨーモーメント指令値算出部６２において算出されたヨーモーメント指令値に対して、８つのＶＴＯＬロータ１８により発生されるヨーモーメントを小さくできる。そのため、ロールモーメント及びピッチモーメントの制御に対して、それぞれのＶＴＯＬロータ１８におけるスラストを多く割り当てることができる。その結果、それぞれのＶＴＯＬロータ１８におけるスラストの差を大きくすることが可能となる。よって、ロール方向及びピッチ方向において、機体１２の姿勢を早期に安定させることができる。これにより、本実施形態のロータ制御装置５０は、ロール方向、及び、ピッチ方向において機体１２の姿勢を早期に安定させつつ、ヨー方向においても機体１２の姿勢を早期に安定させることができる。

クルーズスラスト指令値の大きさが比較的大きい場合には、クルーズスラスト指令値に応じたクルーズスラストを発生させつつ、ヨーモーメントを発生させるために、２つのクルーズロータ２２のスラストに十分な差を生じさせることが可能である。しかし、クルーズスラスト指令値の大きさが比較的小さい場合には、２つのクルーズロータ２２のスラストに十分な差を生じさせようとすると、クルーズスラスト指令値に対してクルーズスラストが過大になる。

クルーズスラスト指令値に対してクルーズスラストが過大になる場合、以下の２つ問題点がある。

第１の問題点は、エネルギ効率の低下である。８つのＶＴＯＬロータ１８によりヨーモーメントを発生させる場合、それぞれのＶＴＯＬロータ１８を駆動するそれぞれの電動モータ３２の出力パワーは、機体１２にヨーモーメントを作用させるとともに、機体１２にリフトスラストを作用させるエネルギとして使われる。例えば、ホバリング中は、常に機体１２に対してリフトスラストを作用させる必要がある。そのため、ＶＴＯＬロータ１８を駆動するそれぞれの電動モータ３２の出力パワーは、機体１２にリフトスラストを作用させるエネルギとして有効に消費される。

一方、２つのクルーズロータ２２によりヨーモーメントを発生させる場合、それぞれのクルーズロータ２２を駆動する電動モータ３２の出力パワーは、機体１２にヨーモーメントを作用させるとともに、機体１２にクルーズスラストを作用させるエネルギとして使われる。例えば、機体１２をホバリングさせる場合のように、飛行中であっても、クルーズスラストをほとんど必要としないことがある。それにも関わらず、クルーズロータ２２を駆動するそれぞれの電動モータ３２の出力パワーは、機体１２にクルーズスラストを作用させるエネルギとして無駄に消費される。

第２の問題点は、ピッチ方向において機体１２の姿勢を不安定にすることである。機体１２に対するそれぞれのクルーズロータ２２の取り付け位置が、重心Ｇ（図１）よりも上方に位置する場合、又は、下方に位置する場合、それぞれのクルーズロータ２２がスラストを発生することに伴い、機体１２にピッチモーメントが発生する。クルーズスラストが大きくなるほど、ピッチモーメントの大きさが大きくなり、機体１２の姿勢を不安定にする。

そこで、本実施形態のロータ制御装置５０では、割当指令値算出部６６は、ヨーモーメント指令値の移動平均が閾値未満である場合、第２割当指令値の大きさを０に設定する。割当指令値算出部６６は、第１割当指令値をヨーモーメント指令値に設定する。この場合、８つのＶＴＯＬロータ１８によりヨーモーメントを発生させる。２つのクルーズロータ２２は、ヨーモーメントを発生させるためには用いられない。

ヨーモーメント指令値の移動平均が閾値未満である場合、要求されるヨーモーメントは比較的小さい。そのため、８つのＶＴＯＬロータ１８だけでも、ロールモーメント及びピッチモーメントを発生させつつ、十分な大きさのヨーモーメントを発生させることができる。２つのクルーズロータ２２は、ヨーモーメントを発生させるためには用いられない。これにより、本実施形態のロータ制御装置５０は、クルーズスラスト指令値算出部６４において算出されたクルーズスラスト指令値に対して、それぞれのクルーズロータ２２を駆動するそれぞれの電動モータ３２の出力パワーが過大になることを抑制できる。その結果、航空機１０におけるエネルギ効率の悪化を抑制できる。また、機体１２が不安定になることを抑制できる。

本実施形態のロータ制御装置５０では、割当指令値算出部６６は、ヨーモーメント指令値の移動平均が閾値以上である場合、第２割当指令値の大きさを０より大きく設定する。割当指令値算出部６６は、第１割当指令値をヨーモーメント指令値と第２割当指令値との差に設定する。この場合、８つのＶＴＯＬロータ１８によりヨーモーメントを発生させるとともに、２つのクルーズロータ２２によりヨーモーメントを発生させる。

ヨーモーメント指令値の移動平均が閾値以上である場合、要求されるヨーモーメントは比較的大きい。そのため、８つのＶＴＯＬロータ１８だけでは、ロールモーメント及びピッチモーメントを発生させつつ、十分な大きさのヨーモーメントを発生できない場合がある。そこで、８つのＶＴＯＬロータ１８によりヨーモーメントを発生させるとともに、２つのクルーズロータ２２によりヨーモーメントを発生させる。これにより、本実施形態のロータ制御装置５０は、機体１２に十分な大きさのヨーモーメントを作用させることができる。

８つのＶＴＯＬロータ１８により発生されるヨーモーメントの変化の応答速度に対して、２つのクルーズロータ２２により発生されるヨーモーメントの変化の応答速度は低い。そのため、２つのクルーズロータ２２により発生されるヨーモーメントでは、ヨーモーメント指令値の変動に対して追従できない場合がある。

そこで、本実施形態のロータ制御装置５０では、割当指令値算出部６６は、ヨーモーメント指令値の移動平均が閾値以上である場合、第２割当指令値をヨーモーメント指令値の移動平均と閾値との差に設定する。割当指令値算出部６６は、第１割当指令値をヨーモーメント指令値と第２割当指令値との差に設定する。この場合、ヨーモーメント指令値のうち定常的な成分が、第２割当指令値として設定される。ヨーモーメント指令値のうち非定常的な成分が、第１割当指令値として設定される。すなわち、ヨーモーメント指令値のうち、変動が激しい成分がＶＴＯＬロータ１８に対する指令値として割り当てられ、変動が緩やかな成分がクルーズロータ２２に対する指令値として割り当てられる。

これにより、２つのクルーズロータ２２により発生されるヨーモーメントは、第２割当指令値の変動に追従できる。８つのＶＴＯＬロータ１８により発生されるヨーモーメントが、ヨーモーメント指令値の変動に追従する。その結果、本実施形態のロータ制御装置５０は、機体１２に作用させるヨーモーメントの大きさを確保しつつ、機体１２に作用させるヨーモーメントをヨーモーメント指令値の変動に追従させることができる。

また、本実施形態のロータ制御装置５０では、割当指令値算出部６６は、８つのＶＴＯＬロータ１８のうち、一部のＶＴＯＬロータ１８が失陥した場合には、閾値を小さくする。これにより、早めにクルーズロータ２２によりヨーモーメントを発生させる。そのため、一部のＶＴＯＬロータ１８が失陥した場合であっても、本実施形態のロータ制御装置５０は、ロール方向、及び、ピッチ方向において機体１２の姿勢を早期に安定させることができる。

また、本実施形態のロータ制御装置５０では、割当指令値算出部６６は、機体１２の対気速度が大きいほど閾値を低くしてもよい。これにより、早めにクルーズロータ２２によりヨーモーメントを発生させる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を取り得る。

第１実施形態のロータ制御装置５０では、割当指令値算出部６６は、ヨーモーメント指令値の移動平均が閾値以上である場合、第２割当指令値をヨーモーメント指令値の移動平均と閾値との差に設定する。

これに対して、割当指令値算出部６６は、ヨーモーメント指令値の低周波数成分と閾値とを比較してもよい。ヨーモーメント指令値の低周波数成分が閾値以上である場合、割当指令値算出部６６は、第２割当指令値をヨーモーメント指令値の低周波数成分と閾値との差に設定してもよい。

また、割当指令値算出部６６は、ヨーモーメント指令値と閾値とを比較してもよい。ヨーモーメント指令値が閾値以上である場合、割当指令値算出部６６は、ヨーモーメント指令値と閾値との差に応じて、第２割当指令値を、予め決められた変化量で段階的に変化させてもよい。また、ヨーモーメント指令値が閾値以上である場合、割当指令値算出部６６は、第２割当指令値を、ヨーモーメント指令値と閾値との差に設定してもよい。

〔実施形態から得られる発明〕
上記実施形態から把握しうる発明について、以下に記載する。

垂直方向にスラストを発生させる複数の垂直ロータ（１８）と、水平方向にスラストを発生させる複数の水平ロータ（２２）とを有する航空機（１０）の機体（１２）の姿勢制御を行う姿勢制御装置（５０）であって、当該姿勢制御装置は、前記機体に作用させるヨーモーメントの指令値を算出するヨーモーメント指令値算出部（６２）と、前記ヨーモーメントの指令値に応じて第１割当指令値及び第２割当指令値を算出する割当指令値算出部（６６）と、前記第１割当指令値に基づいて、それぞれの前記垂直ロータを制御する垂直ロータ制御部（７２）と、前記第２割当指令値に基づいて、それぞれの前記水平ロータを制御する水平ロータ制御部（７４）と、を備え、前記割当指令値算出部は、前記第１割当指令値を、前記ヨーモーメントの指令値と前記第２割当指令値との差に設定し、前記ヨーモーメントの指令値が閾値未満である場合に、前記第２割当指令値の大きさを０に設定し、前記ヨーモーメントの指令値が閾値以上である場合に、前記第２割当指令値の大きさを０よりも大きく設定する。これにより、ヨー方向においても機体の姿勢を早期に安定させつつ、クルーズスラストがクルーズスラスト指令値に対して過大になることを抑制できる。

上記の姿勢制御装置において、前記割当指令値算出部は、前記ヨーモーメントの指令値が前記閾値未満である場合に、前記第２割当指令値の大きさを０に設定し、前記ヨーモーメントの指令値が前記閾値以上である場合に、前記第２割当指令値を、前記ヨーモーメントの指令値の低周波数成分に応じた値に設定してもよい。これにより、機体に作用させるヨーモーメントの大きさを確保しつつ、機体に作用させるヨーモーメントを指令値の変動に追従させることができる。

上記の姿勢制御装置において、前記割当指令値算出部は、前記閾値を可変にしてもよい。これにより、ロール方向、及び、ピッチ方向において機体の姿勢を早期に安定させることができる。

上記の姿勢制御装置において、前記割当指令値算出部は、失陥した前記垂直ロータの数に応じて前記閾値を可変にしてもよい。これにより、ロール方向、及び、ピッチ方向において機体の姿勢を早期に安定させることができる。

１０…航空機 １２…機体
１８…ＶＴＯＬロータ（垂直ロータ） ２２…クルーズロータ（水平ロータ）
５０…ロータ制御装置（姿勢制御装置） ６２…ヨーモーメント指令値算出部
６６…割当指令値算出部
７２…ＶＴＯＬロータ制御部（垂直ロータ制御部）
７４…クルーズロータ制御部（水平ロータ制御部）

Claims (4)

1. 垂直方向にスラストを発生させる複数の垂直ロータと、水平方向にスラストを発生させる複数の水平ロータとを有する航空機の機体の姿勢制御を行う姿勢制御装置であって、
   前記機体に作用させるヨーモーメントの指令値を算出するヨーモーメント指令値算出部と、
   前記ヨーモーメントの指令値に応じて第１割当指令値及び第２割当指令値を算出する割当指令値算出部と、
   前記第１割当指令値に基づいて、それぞれの前記垂直ロータを制御する垂直ロータ制御部と、
   前記第２割当指令値に基づいて、それぞれの前記水平ロータを制御する水平ロータ制御部と、
   を備え、
   前記割当指令値算出部は、
   前記第１割当指令値を、前記ヨーモーメントの指令値と前記第２割当指令値との差に設定し、
   前記ヨーモーメントの指令値が閾値未満である場合に、前記第２割当指令値の大きさを０に設定し、
   前記ヨーモーメントの指令値が前記閾値以上である場合に、前記第２割当指令値の大きさを０よりも大きく設定する、姿勢制御装置。
2. 請求項１に記載の姿勢制御装置において、
   前記割当指令値算出部は、
   前記ヨーモーメントの指令値が前記閾値未満である場合に、前記第２割当指令値の大きさを０に設定し、
   前記ヨーモーメントの指令値が前記閾値以上である場合に、前記第２割当指令値を、前記ヨーモーメントの指令値の低周波数成分に応じた値に設定する、姿勢制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の姿勢制御装置において、
   前記割当指令値算出部は、前記閾値を可変にする、姿勢制御装置。
4. 請求項３に記載の姿勢制御装置において、
   前記割当指令値算出部は、失陥した前記垂直ロータの数に応じて前記閾値を可変にする、姿勢制御装置。

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