JP3185081B2 - 無人ヘリコプタの姿勢制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、無線操縦される無人ヘ
リコプタの姿勢制御を自動で行う無人ヘリコプタの姿勢
制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば農薬散布用の無線操縦式無
人ヘリコプタは、操縦者が送信機の操作子を操作するこ
とに起因して生じるパイロット指令信号によって機体の
方位、傾斜角度および高度等を遠隔操作によって制御す
る構造になっていた。機体の方位を制御するには、送信
機のラダー用操作子を操作してテールロータブレードの
傾斜角をサーボモータによって変化させ、メインロータ
の負荷を考慮しながらテールロータの推力を増減させて
行っていた。また、傾斜角度を制御するには、送信機の
エレベータ用操作子並びにエルロン用操作子を操作して
メインロータの回転軸線をサーボモータによって機体上
下方向に対して傾斜させて行っていた。高度を制御する
には、送信機のエンコン用操作子を操作してメインロー
タブレードの傾斜角をサーボモータによって増減させて
行っていた。なお、機体を上昇させるためにメインロー
タブレードの傾斜角を大きくすると、メインロータの負
荷が大きくなるので、エンコン用操作子による昇降操作
に応じてエンジン回転数が増減する構造になっていた。

【０００３】そして、この種の無人ヘリコプタでは、操
縦を容易に行うことができるように、パイロット指令信
号によって定められた方位、傾斜角度、高度等に対して
機体の実際の方位、傾斜角度、高度等が風等の外乱によ
って変化したとしても機体の姿勢を自動的に修正する姿
勢制御装置を設けることが望まれていた。

【０００４】この姿勢制御装置としては、機体がその左
右、前後および上下方向の軸線に対して何度回っている
かを角速度センサを用いて検出すると共に、機体の高度
を検出軸線が機体上下方向に向けられた加速度センサと
高度センサとから検出し、これらの姿勢角および高度が
目標値になるように制御する構成とすることが考えられ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上述した姿
勢制御装置を用いたとしても、機体を急上昇させたり、
急停止動作、いわゆるフレア動作を行ったりすると、エ
ンジン回転数が急激に低下し高度が目標高度より下がっ
てしまうことがあった。

【０００６】これは、メインロータブレードの傾斜角が
急速に大きくなり、メインロータの負荷が急速に大きく
なるなることに起因していた。すなわち、エンコン用操
作子を操作してメインロータブレードの傾斜角が大きく
なると共にエンジンサーボ指令量も上昇する構造になっ
てはいるものの、エンジン回転数が高くなるよりも前記
負荷が大きくなる方が早いからである。

【０００７】本発明はこのような問題点を解消するため
になされたもので、メインロータの負荷が急速に増えた
ときであってもエンジン回転数の急激な低下がなく高度
低下を起こすことがないようにすることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１の発明に係る無人ヘ
リコプタの姿勢制御装置は、エンコン用操作子の操作量
を検出するセンサと、エンジン回転数を検出するセンサ
と、これらのセンサの出力に応じてエンジン回転数を制
御するエンジン回転数制御装置とを備え、このエンジン
回転数制御装置を、エンコン用操作子が機体上昇側へ操
作されている状態にあるときにその操作量から操作速度
を求め、この操作速度に相当するエンジン回転数の目標
上昇量を基準エンジン回転数に加算して目標エンジン回
転数を演算する目標エンジン回転数演算手段と、現在の
エンジン回転数が前記目標エンジン回転数と一致するよ
うにエンジンを制御するエンジン制御手段とから構成し
たものである。

【０００９】第２の発明に係る無人ヘリコプタの姿勢制
御装置は、第１の発明に係る無人ヘリコプタの姿勢制御
装置において、目標エンジン回転数演算手段を、エンコ
ン用操作子が機体上昇側へ操作されている状態にあると
きにその操作量から操作時の加速度を求め、この操作加
速度に相当するエンジン回転数の目標上昇量を操作速度
に相当する目標上昇量と基準エンジン回転数とに加算し
て目標エンジン回転数を演算する構成としたものであ
る。

【００１０】

【作用】第１の発明では、エンコン用操作子の操作速度
が速ければ速いほど目標エンジン回転数が大きくなり、
エンジン回転数の上昇速度が速くなる。

【００１１】第２の発明では、エンコン用操作子の操作
速度が一定である場合に較べ、エンコン用操作子の操作
時の加速度が大きいときにはそれに応じて目標エンジン
回転数が大きくなる。このため、エンジン回転数の上昇
速度はエンコン用操作子を機体上昇側へ操作するときの
操作開始時や、操作速度が急速に速まったときに、第１
の発明に較べて大きくなる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図３に
よって詳細に説明する。図１は本発明に係る無人ヘリコ
プタの姿勢制御装置を搭載した無人ヘリコプタの概略構
成図、図２は本発明に係る無人ヘリコプタの姿勢制御装
置の全体構成を示すブロック図、図３は要部の構成を示
すブロック図である。

【００１３】これらの図において、１は移動物としての
無人ヘリコプタの機体、２はメインロータ、３はテール
ロータ、４は前記メインロータ２およびテールロータ３
を回転駆動するエンジンである。５はこのエンジン４の
回転数を制御するエンジンコントローラサーボモータ、
６は前記メインロータ２の軸線の傾斜角やメインロータ
ブレードの傾斜角（ピッチ角）を制御するコレクティブ
サーボモータ、７は前記テールロータブレードの傾斜角
（ピッチ角）を制御するラダーサーボモータで、これら
のサーボモータ５〜７は後述するコントローラ８によっ
て制御される構造になっている。

【００１４】９は機体１に搭載された受信機で、この受
信機９は送信機１０が発信したパイロット指令信号を受
信部９ａが受信してコントローラ８に出力すると共に、
コントローラ８からの制御信号を前記サーボモータ５〜
７に伝えるアンプ９ｂを内蔵している。なお、この機体
１には、図示してはいないが農薬を空中から散布するた
めの農薬散布装置が装着されている。

【００１５】前記コントローラ８は、機体１の互いに直
交する３つの主方位（左右、前後および上下方向）に対
する角度や機体の高度、鉛直方向に対する加速度等を後
述する各種センサを使用して検出し、送信機１０から送
られたパイロット指令信号によって設定された目標飛行
状態となるように制御する構造になっている。ここで、
前記センサとしては、機体１の左右方向の軸線（Ｘ軸）
回りの角度を検出する傾斜計としての加速度センサ１１
および角速度センサ１２と、機体１の前後方向の軸線
（Ｙ軸）回りの角度を検出する傾斜計としての加速度セ
ンサ１３および角速度センサ１４と、機体１の鉛直方向
の軸線（Ｚ軸）回りの角度を検出する地磁気方位センサ
１５および角速度センサ１６と、機体１のＺ軸方向に対
する加速度を検出するための加速度センサ１７と、機体
１の高度を検出するための高度センサ１８と、エンジン
４の回転数を検出するエンジン回転数検出センサ１９
（図２）である。

【００１６】これらのセンサのうちＸ軸の加速度センサ
１１はＹ軸方向への加速度から機体１のＹ軸が鉛直方向
に対して何度傾斜しているかを検出し、Ｘ軸の角速度セ
ンサ１２は機体１がＸ軸回りに回転するときの角速度を
検出するように構成されている。また、Ｙ軸の加速度セ
ンサ１３はＸ軸方向への加速度から機体１のＸ軸が鉛直
方向に対して何度傾斜しているかを検出し、Ｙ軸の角速
度センサ１４は機体１がＹ軸回りに回転するときの角速
度を検出するように構成されている。

【００１７】さらに、地磁気方位センサ１５は例えば機
体のＹ軸が北方位に対して何度回っているかを検出し、
Ｚ軸の角速度センサ１６は機体１がＺ軸回りに回転する
ときの角速度を検出するように構成されている。加え
て、Ｚ軸の加速度センサ１７は機体１のＺ軸方向への加
速度から同方向に対しての加速度を検出するように構成
され、高度センサ１８は機体１と地表との距離を光学的
に検出するように構成されている。また、エンジン回転
数検出センサ１９は、エンジン４のクランク軸（図示せ
ず）の回転を検出するように構成されている。なお、前
記角速度センサ１２，１４，１６としては、本実施例で
は光ファイバジャイロが採用されている。

【００１８】コントローラ８は、図２に示すように、機
体１の実際の姿勢角を前記各種センサの出力値から演算
する姿勢角演算装置２１と、この姿勢角演算装置２１に
よって求められた機体１の実際の姿勢角や、加速度セン
サ１１，１３，１７によって検出された加速度、高度セ
ンサ１８によって検出された地表からの距離、エンジン
回転数検出センサ１９によって検出されたエンジン回転
数に基づいて機体の飛行状態が操縦者の意図する状態と
なるように制御するＣＰＵ２２と、このＣＰＵ２２に各
センサを接続するインターフェース等から構成されてい
る。

【００１９】前記姿勢角演算装置２１は、離陸以前の機
体静止時に機体１の地球に対する傾斜角度、方位の値を
検出してこの値を不図示のメモリに記憶させ、離陸後は
角速度センサ１２，１４，１６によって検出された角速
度を積分してなる角度を前記離陸前の値に加算して現在
の姿勢角を求めるように構成されている。離陸以前に求
める傾斜角度は加速度センサ１１，１３の出力値を用
い、方位は地磁気方位センサ１５の出力値を用いてい
る。また、機体１が静止している状態であることを検出
するには、角速度センサ１２，１４，１６が一定時間の
間に予め定めた値より小さい値を継続して出力したこと
を検出することによって行う。

【００２０】前記ＣＰＵ２２は、送信機１０から送られ
たパイロット指令信号に基づいて目標とする姿勢角、方
位、高度を演算する機能と、前記姿勢角演算装置２１や
各センサの出力によって実際の姿勢角、方位、高度を求
め、実際の飛行状態が目標とする飛行状態になるように
各アクチュエータ（前記各サーボモータ）を制御する機
能とを備えている。各アクチュエータを制御するに当た
っては、送信機１０の手動式制御スイッチ２３（図３）
がＯＮ状態にあるときには目標飛行状態に実際の飛行状
態を一致させ、ＯＦＦ状態にあるときにはパイロット指
令信号通りに各サーボモータ５〜７を動作させる構成に
なっている。なお、以下においては、制御スイッチ２３
がＯＮ状態にある時を自動制御モードといい、ＯＦＦ状
態にある時を手動制御モードという。

【００２１】前記送信機１０は、前記制御スイッチ２３
以外に操作子としてのスティック（図示せず）が設けら
れ、このスティックの操作量（スティック傾斜角度）を
センサによって検出してこの操作量に対応したパイロッ
ト指令信号を発信するように構成されている。このた
め、自動制御モードのときは、スティック操作量に相当
する姿勢角、方位、高度を目標として飛行し、手動制御
モードのときにはスティック操作量に略比例する制御量
をもって各サーボモータ５〜７が駆動されて飛行するこ
とになる。

【００２２】次に、ＣＰＵ２２によるエンジン回転数制
御を図３によって説明する。エンジン回転数制御を行う
に当たり、送信機１０のエンコンスティックの傾斜角度
を送信機１０に内蔵されたセンサ２４で検出する構成に
する。なお、エンコンスティックは、機体１の高度を変
更するときに操作するスティックで、このエンコンステ
ィックを操作すると、ＣＰＵ２２による制御によってメ
インロータブレード傾斜角およびエンジン回転数が同時
に変わるようになっている。本発明は、このエンコンス
ティックが機体上昇側へ操作されたときにエンジン回転
数の上昇速度を高めるものである。

【００２３】機体１のコントローラ８は、送信機１０か
ら送られる制御スイッチＯＮ，ＯＦＦ信号から制御スイ
ッチ２３のＯＮ，ＯＦＦ状態を判別する信号判別処理部
２５と、各種演算を行うＣＰＵ２２と、このＣＰＵ２２
が求めた目標エンジン回転数と現在のエンジン回転数と
が一致するようにエンジンコントローラサーボモータ５
を駆動する信号生成部２６とを設けて構成する。

【００２４】そして、ＣＰＵ２２には、エンコンスティ
ック操作量と対応する目標エンジン回転数を後述する手
法に基づいて演算する目標エンジン回転数演算手段２７
と、現在のエンジン回転数を目標エンジン回転数に一致
させるために必要なエンジンコントローラサーボモータ
５の制御量を演算するエンジンコントローラサーボモー
タ制御量演算手段２８とを設ける。なお、現在のエンジ
ン回転数は、エンジン回転数検出センサ１９の出力から
求める。このエンジンコントローラサーボモータ制御量
演算手段２８と前記信号生成部２６とで本発明に係るエ
ンジン制御手段が構成されている。

【００２５】前記目標エンジン回転数演算手段２７は、
制御スイッチ２３がＯＮ状態になっているときであって
エンコンスティックが機体上昇側へ操作されたときに目
標エンジン回転数を演算してエンジンコントローラサー
ボモータ制御量演算手段２８に出力するように構成され
ている。また、制御スイッチ２３がＯＦＦ状態のときは
制御量の演算は行われず、信号判別処理部２５で受信し
た信号をそのまま信号生成部２６に送るようにしてい
る。なお、この信号による指令値は、メインロータブレ
ードの傾斜角の増減量に応じて増減される。さらに、エ
ンコンスティックが機体下降側へ操作されたときには、
前記演算は行わずに飛行するに当たり最低限必要なエン
ジン回転数（このエンジン回転数を以下において基準エ
ンジン回転数Ｒ0 という）をエンジンコントローラサー
ボモータ制御量演算手段２８に出力するように構成され
ている。

【００２６】目標エンジン回転数演算手段２７がエンコ
ンスティック操作量に基づいて目標エンジン回転数を求
めるには、先ず、送信機側のエンコンスティック傾斜角
検出センサ２４によって検出されたエンコンスティック
操作量に相当するエンコンスティック傾斜角θからエン
コンスティックを操作したときの角速度（スティック傾
斜角速度ωθ）を求める。そして、このスティック傾斜
角速度ωθにある定数ｋを乗じ、スティック傾斜角速度
ωθに対応するエンジン回転数の目標上昇量を求め、さ
らに、この目標上昇量を前記基準エンジン回転数Ｒ0 に
加算する。すなわち、目標エンジン回転数は、それをＲ
とすると下記の数式（１）に基づいて求める。 Ｒ＝Ｒ0 ＋ｋ・ωθ・・・（１）

【００２７】また、目標エンジン回転数を求めるに当た
っては、エンコンスティックの傾斜角度θから角加速度
（スティック傾斜角加速度αθ）を求め、このスティッ
ク傾斜角加速度αθにある定数ｋ2 を乗じたエンジン回
転数目標上昇量をも加算して行うことができる。すなわ
ち、この場合の目標エンジン回転数Ｒは下記の数式
（２）に基づいて求める。なお、数式（２）においてｋ
1 はスティック角速度ωθから目標上昇量を求めるため
の定数である。 Ｒ＝Ｒ0 ＋ｋ1 ・ωθ＋ｋ2 ・αθ・・・（２）

【００２８】一方、制御スイッチ２３がＯＮ操作されて
自動制御モードになっている場合、エンコンスティック
を機体上昇側へ操作すると、先ず、ＣＰＵ２２の目標エ
ンジン回転数演算手段２７が前記数式（１）あるいは数
式（２）に基づいて目標エンジン回転数を求める。次
に、エンジンコントローラサーボモータ制御量演算手段
２８が現在のエンジン回転数を目標エンジン回転数に一
致させるために必要なエンジンコントローラサーボモー
タ５での制御量を演算し、信号生成部２６がこの制御量
通りにエンジンコントローラサーボモータ５を駆動す
る。なお、エンコンスティックを機体下降側へ操作した
ときには、目標エンジン回転数がＲ＝Ｒ0となり、一定
回転数の制御が行われる。

【００２９】ここで、目標エンジン回転数を前記数式
（１）に基づいて求めた場合には、エンコンスティック
が傾斜するときの傾斜角速度（操作速度）が速ければ速
いほど目標エンジン回転数Ｒが大きくなるので、これに
応じてエンジンコントローラサーボモータ５での制御量
も基準エンジン回転数Ｒ0 とする場合より増える。この
ため、エンジン回転数は、手動制御モードのときより速
く上昇するようになり、負荷が増大したときのエンジン
回転数の急激な低下を防ぐことができる。

【００３０】また、目標エンジン回転数を前記数式
（２）に基づいて求めた場合には、目標エンジン回転数
Ｒは、エンコンスティックの傾斜角速度が一定である場
合に較べ、エンコンスティック操作時の加速度に応じて
大きくなるので、エンコンスティックを機体上昇側へ操
作するときの操作開始時や、エンコンスティックを急速
に機体上昇側へ操作したときに数式（１）に基づく場合
に較べて大きくなる。なお、エンコンスティックを機体
上昇側へ操作するときに急に操作を中止した場合には、
スティック傾斜角加速度αθが小さくなるため、目標エ
ンジン回転数Ｒは数式（１）に基づく場合と同等にな
る。すなわち、数式（２）に基づいて目標エンジン回転
数Ｒを求めた場合には、操縦者が急速に機体１を上昇さ
せようとしているときにもきわめて迅速にエンジン回転
数が上昇するようになり、きめ細かなエンジン回転数制
御を行うことが可能になる。

【００３１】したがって、エンコンスティックの操作に
即してエンジン回転数を高めることが可能になり、急上
昇時やフレア動作を行ったりしてもエンジン回転が急激
に低下するのを防ぐことができ、高度低下を起こすこと
がなくなる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように第１の発明に係る無
人ヘリコプタの姿勢制御装置は、エンコン用操作子の操
作量を検出するセンサと、エンジン回転数を検出するセ
ンサと、これらのセンサの出力に応じてエンジン回転数
を制御するエンジン回転数制御装置とを備え、このエン
ジン回転数制御装置を、エンコン用操作子が機体上昇側
へ操作されている状態にあるときにその操作量から操作
速度を求め、この操作速度に相当するエンジン回転数の
目標上昇量を基準エンジン回転数に加算して目標エンジ
ン回転数を演算する目標エンジン回転数演算手段と、現
在のエンジン回転数が前記目標エンジン回転数と一致す
るようにエンジンを制御するエンジン制御手段とから構
成したため、エンコン用操作子の操作速度が速ければ速
いほど目標エンジン回転数が大きくなり、エンジン回転
数の上昇速度が速くなって急激にエンジン回転数が低下
するのを防ぐことができる。

【００３３】また、第２の発明に係る無人ヘリコプタの
姿勢制御装置は、第１の発明に係る無人ヘリコプタの姿
勢制御装置において、目標エンジン回転数演算手段を、
エンコン用操作子が機体上昇側へ操作されている状態に
あるときにその操作量から操作時の加速度を求め、この
操作加速度に相当するエンジン回転数の目標上昇量を操
作速度に相当する目標上昇量と基準エンジン回転数とに
加算して目標エンジン回転数を演算する構成としたた
め、エンコン用操作子の操作速度が一定である場合に較
べ、エンコン用操作子の操作時の加速度が大きいときに
はそれに応じて目標エンジン回転数が大きくなる。この
ため、エンジン回転数の上昇速度はエンコン用操作子を
機体上昇側へ操作するときの操作開始時や、操作速度が
急速に速まったときに、第１の発明に較べて大きくな
る。

【００３４】したがって、エンコン用操作子の操作に即
してエンジン回転数を高めることができるから、機体を
急上昇させたり、フレア動作を行ったりしても、エンジ
ン回転数が急激に低下することがなくなって機体の高度
が低下することがなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る無人ヘリコプタの姿勢制御装置
を搭載した無人ヘリコプタの概略構成図である。

【図２】 本発明に係る無人ヘリコプタの姿勢制御装置
の全体構成を示すブロック図である。

【図３】 要部の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１…機体、２…メインロータ、３…テールロータ、５…
エンジンコントローラサーボモータ、８…コントロー
ラ、９…受信機、１０…送信機、１９…エンジン回転数
検出センサ、２１…姿勢角演算装置、２２…ＣＰＵ、２
３…制御スイッチ、２４…エンコンスティック傾斜角検
出センサ、２５…信号判断処理部、２６…信号生成部、
２７…目標エンジン回転数演算手段、２８…エンジンコ
ントローラサーボモータ制御量演算手段、３０…信号生
成部、３１…現在方位角演算手段、３２…目標方位角演
算手段、３３…テールロータブレード傾斜角演算手段、
３４…目標加速度演算手段、３５…メインロータブレー
ド傾斜角演算手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B64C 39/02 B64C 27/04 B64F 1/36 G05D 1/08

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 送信機のエンコン用操作子の操作量を検
   出するセンサと、エンジン回転数を検出するセンサと、
   これらのセンサの出力に応じてエンジン回転数を制御す
   るエンジン回転数制御装置とを備え、このエンジン回転
   数制御装置を、エンコン用操作子が機体上昇側へ操作さ
   れている状態にあるときにその操作量から操作速度を求
   め、この操作速度に相当するエンジン回転数の目標上昇
   量を飛行するに当たり最低限必要な基準エンジン回転数
   に加算して目標エンジン回転数を演算する目標エンジン
   回転数演算手段と、前記現在のエンジン回転数が前記目
   標エンジン回転数と一致するようにエンジンを制御する
   エンジン制御手段とから構成したことを特徴とする無人
   ヘリコプタの姿勢制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の無人ヘリコプタの姿勢制
   御装置において、エンジン回転数制御装置の目標エンジ
   ン回転数演算手段を、エンコン用操作子が機体上昇側へ
   操作されている状態にあるときにその操作量から操作時
   の加速度を求め、この操作加速度に相当するエンジン回
   転数の目標上昇量を操作速度に相当する目標上昇量と基
   準エンジン回転数とに加算して目標エンジン回転数を演
   算する構成としたことを特徴とする無人ヘリコプタの姿
   勢制御装置。