JP3578211B2 - 無人機簡易飛行制御システム、機上用飛行制御装置、および地上／艦上用簡易飛行制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は無人機に関し、特に簡易プログラム飛行を行うための飛行制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、無人機において航法装置（ＴＡＣＡＮ，ＧＰＳ等）による全自動プログラム飛行装置がある。近年、無人機に関しマニュアルや全自動という飛行制御でなく、双方の中間である半自動化による操用性の向上が求められている。したがって、半自動化による装置の一例として、レートジャイロ使用した直進飛行や、Ｇセンサによる一定角旋回飛行を実施する飛行制御装置がある。また、ＧＰＳ航法装置を利用しつつ、必要に応じて半自動として使用するという使い方もある。
【０００３】
図５は従来の飛行制御システムを示している。無人機６に機上用飛行制御装置４が搭載され、トランスポンダ５と地上システム３上の管制装置２からなるデータリンクシステム７によって情報を送受信する。
【０００４】
図６は機上用飛行制御装置４のブロック図である。この飛行制御装置８は切替器１１と飛行安定装置１３と駆動装置１４とエルロン／エレベータ１５とバーチカルジャイロ１７とＧセンサ（加速度センサ）１８を有している。
【０００５】
マニュアルモードの場合には、切替器１１は入力Ｂとなり、地上からのマニュアルコントロール信号は、切替器１１を経由して飛行安定装置１３へ入力される。飛行安定装置１３は機体の姿勢角（ロール角、ピッチ角）およびＧセンサ１８の出力が切替器１１の出力である指令信号（ロール、ピッチ、Ｇ）と同一となるように駆動装置１４に信号を出力する。これにより、エルロン／エレベータ１５が動作し、マニュアルコントロールによる飛行制御が行なわれる。
【０００６】
半自動における直進飛行の場合は、管制装置２から直進指令および直進時間Ｔを出力する。この結果、切替器１１は入力Ａとなり、ヨーレイトジャイロ１６の信号が切替器１１を経由して飛行安定装置１３に入力される。これにより、無人機６はマニュアルコントロールに戻るまで、ヨーレイトジャイロ１６からの信号でのみ飛行することになり、直進からずれた場合にはヨーレイトジャイロ１６から誤差信号が発せられ、エルロン１５を制御する結果、無人機６は元の方位に戻るよう方位を修正し直進を継続する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の飛行制御装置は次のような問題点がある。
【０００８】
第１の問題点は、レートジャイロを使用した直進飛行や、Ｇセンサによる一定角旋回飛行は、操用性の向上としての効果は不十分であるということである。その理由は、直進飛行機能や一定角旋回飛行機能だけでは、半自動化としてのメニュー不足であり、コントローラの負荷低減には不十分であるからである。
【０００９】
第２の問題点は、航法装置を使用するシステムでは、かなり複雑な飛行を半自動にて可能とすることができるが、航法装置の多くが電波を使用するシステム（ＴＡＣＡＮ，ＧＰＳ）であり、妨害電波に弱く、妨害電波による誤動作により、誤った飛行をするという危険性もあり、万一の場合に信頼性に劣るということである。その理由は、陸上／海上においては多種多様な電波が出力されており、レーダ他の強電界環境下に入った場合、異常を生ずる可能性があるからである。
【００１０】
第３の問題点は、電波を使用しない航法装置（ＩＮＳ）は、操作が複雑であり、かつ高価というということである。その理由は、電波を使用しない航法装置（ＩＮＳ）は、高価であり、かつ複雑な事前準備を伴うのに対し、無人機は、軽量、小型、および安価で簡易な操作が求められているためである。
【００１１】
本発明の目的は、簡易な指令にて、複雑な飛行を可能とした操作性向上を目的とすることによりコントローラの負荷を減らし、かつ妨害電波があっても飛行可能な簡易な自立航法装置を備えた無人機簡易飛行制御システムを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の無人機簡易飛行制御システムは機上用飛行制御装置と地上／艦上用簡易飛行制御装置とからなる。
【００１３】
機上用飛行制御装置は、従来の飛行制御装置を構成するエルロン／エレベータ、駆動安定装置、切替器、レートジャイロ、バーチカルジャイロ、Ｇセンサに切替器と、ディレクショナルジャイロと、計算機を付加した構成である。
【００１４】
地上／艦上用簡易飛行制御装置は、無人機の飛行制御機能であるマニュアル／直進／旋回／半自動／自動を切り替えるため選択するモード切り替えスイッチ、半自動、自動飛行時に必要な数値であるＴ，Ｘ，Ｙ等を入力するためのＤＩＰスイッチ、半自動における「通常終了／繰り返し」選択スイッチ、自動飛行をさせる場合の、飛行シーケンスを選択設定するためのプリセットスイッチ、各飛行シーケンスの設定値（Ｔ，Ｘ，Ｙ）をプリセットするＤＩＰスイッチから成るコマンドパネル、マニュアル／直進／旋回／半自動／自動のどのモードであるかを表示するランプ／ＬＥＤ、半自動モードにおける「直進／旋回」を表示するためのランプ／ＬＥＤ、各指令信号が無人機に受け付けられた数値／機体状況を示す数値（Ｔ，ｔ，Ｘ，Ｙ，α）を表示するＬＥＤパネル／液晶パネル／ＣＲＴ等から成るモニタパネルとから構成される。
【００１５】
従来のシンプルなレートジャイロやＧセンサだけの半自動飛行制御装置だけではなく、その他の自動飛行用のディレクショナルジャイロや各種センサの信号を効果的に制御信号に変換するプログラムを含む計算機を構成品として有しているので、コントローラの負荷を軽くすることができる。
【００１６】
電波航法装置のように地上／宇宙からの電波設備からの支援をすることなく自立航法装置（ＩＮＳ等）の構成品（ジャイロ機器）にて実現しており、飛行制御は地上からの簡単な指令により、機上の計算機および計算機で自立して行うため、外からの影響（妨害電波他）の影響を受けにくい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１に示すように、本発明の一実施形態の無人機簡易飛行制御システムは地上または艦上に置かれる従来の管制装置２に地上／艦上用簡易飛行制御装置１を追加した地上システム３と、従来の飛行制御装置８の代わりに機上用飛行制御装置４を搭載した無人機６とから構成される。
【００１９】
地上システム３と無人機６は、既存のトランスポンダ５と管制装置２から構成されるデータリンクシステム７によって、情報を電波等を利用して伝達している。地上システム３から無人機６へは簡易指令／設定値が伝達され、無人機６から地上システム３へは機体情報が伝達される。
【００２０】
機上用飛行制御装置４は、従来の飛行制御装置８の構成品であるエルロン／エレベータ１５、駆動装置１４、飛行安定装置１３、切替器１１、ヨーレイトジャイロ１６、バーチカルジャイロ１７、Ｇセンサ１８に、切替器１２、ディレクショナルジャイロ１９、プログラム１０が入った計算機９を加えた構成からなる。
【００２１】
また、地上／艦上用簡易飛行制御装置１は、無人機６の飛行制御機能であるマニュアル／直進／旋回／半自動／自動を切り替えるための切替スイッチ２１、半自動、自動飛行時に必要な数値である直進時間Ｔ，方位角Ｘ，旋回角Ｙ等を入力するためのＤＩＰスイッチ２２、半自動における「通常終了／繰り返し」選択スイッチ２３、自動飛行をさせる場合の、飛行シーケンスを選択設定するためのプリセットスイッチ２４、各飛行シーケンスの設定値（Ｔ，Ｘ，Ｙ）をプリセットするＤＩＰスイッチ２５からなるコマンドパネル２０ならびにマニュアル／直進／旋回／半自動／自動のどのモードであるかを表示するランプ／ＬＥＤ２７、半自動モードにおける「直進／旋回」を表示するためのランプ／ＬＥＤ２８、各指令信号が無人機６に受け付けられた数値／機体状況を示す数値（Ｔ，ｔ，Ｘ，Ｙ，α）を表示するＬＥＤパネル２９からなるモニタパネル２６とからなる。
【００２２】
コントローラ（操縦者）は、無人機６の発進前に地上／艦上用簡易飛行制御装置１のコマンドパネル２０において、飛行モードをモード切替スイッチ２１にて設定しておき、無人機６を発進させる。発進後、コントローラは従来の管制装置２でなく、地上／艦上用簡易飛行制御装置１のコマンドパネル２０によって、単純化された指令を出すことにより、無人機６の飛行状況をモニタパネル２６にて確認しながら無人機６のコントロールを行う。
【００２３】
次に、図２および図３を参照しながら、本実施形態の動作の詳細について説明する。ここで、図３（１）〜（６）は計算機９のプログラム１０の内容を示すフローチャートである。
【００２４】
地上／艦上用簡易飛行制御装置１のコマンドパネル２０から出力されたモード切替指令（マニュアル、直進、旋回、半自動、自動）は、既存の管制装置２と無人機搭載のトランスポンダ５の組み合わせのデータリンクシステム７から、無人機６の計算機９に入力される。この結果、計算機９は切替器１１および切替器１２を切り替える（図３（１））。この場合、飛行のコントロールモードは５種類となる。
【００２５】
まず、第１のモードであるマニュアルモードの場合（図３（２））には、切替器１１は入力Ｂとなり、切替器１２は入力Ａとなり、地上からのマニュアルコントロール信号は、切替器１１と切替器１２を経由して飛行安定装置１３へ入力される。飛行安定装置１３はロール角、ピッチ角、Ｇ情報が切替器１２から出力される指令（ロール角、ピッチ角、Ｇ情報）と同一になるように駆動装置１４を制御する。これにより、エルロン／エレベータ１５が動作し、従来どうりマニュアルコントロールによる飛行制御がなされる。
【００２６】
次に、第２のモードである半自動における直進飛行の場合（図３（３））は、地上／艦上用簡易飛行制御装置１から直進指令および直進時間Ｔを出力する。この結果、切替器１１は入力Ａとなり、切替器１２も入力Ａとなりヨーレイトジャイロ１６の信号が切替器１１と切替器１２を経由して飛行安定装置１３に入力される。これにより、無人機６は計算機５からタイムアップのＴが来て、マニュアルコントロールに戻るまで、ヨーレイトジャイロ１６からの信号でのみ飛行することになり、直進からずれた場合にはヨーレイトジャイロ１６から誤差信号が発せられ、エルロン１５を制御する結果、無人機６は元の方位に戻るよう方位を修正し直進を継続する。
【００２７】
次に、第３のモードである半自動における旋回飛行の場合（図３（４））は、地上／艦上用簡易飛行制御装置１から、旋回角Ｙ、旋回終了時の方位Ｘを指令する。無人機６では、指令されたＸおよびＹを計算機９へ入力し、計算機９からは、切替器１２を入力Ｂとし、計算機９からのＹ信号を切替器１２を経由して、飛行安定装置１３へ出力する。この結果、エルロン１５へ旋回角Ｙに相当する舵を駆動するようエルロン１５を動作させることにより、無人機６を旋回させる。旋回角Ｙはバーチカルジャイロ１７とＧセンサ１８で検出された誤差信号が飛行安定装置１３にフィードバックされることにより、Ｙ一定角度旋回を行う。旋回終了時の方位は、ディレクショナルジャイロ１９が検出した無人機６の方位αと旋回終了時の設定方位Ｘとの差を、計算機９が逐次計算し、差が０（無人機６が設定方位Ｘに到達）となり、マニュアルコントロールに戻るまで、旋回を継続する。
【００２８】
特に、第４のモードは、第２のモードと第３のモードの組み合せであり、水平面の飛行計画が可能であり、あらかじめ設定された飛行諸元／シーケンスを地上／艦上用簡易飛行制御装置１にて設定することにより、逐次無人機６の計算機９へ入力することにより、自動飛行をおこなう。直進飛行および旋回飛行をする場合（図３（５））には、第２のモードと第３のモードと同様な指令および制御が行われる。あらかじめ設定された飛行諸元／シーケンスが終了すれば、マニュアルコントロールに戻るが、地上／艦上用の簡易飛行制御装置１の設定値を逐次変更することにより、飛行中の飛行変更ができる。地上／艦上用簡易飛行コントロール装置１における「通常終了／繰り返し」の切り替えスイッチ２３を設定することにより、当初設定された直進と旋回の組み合わせが繰り替えされるような設定が可能である。
【００２９】
次に、第５のモードである自動飛行の場合（図３（６））は、地上／艦上用簡易飛行制御装置１により、あらかじめ、直進と旋回の組み合わせパターンを、何組もプリセットしておき、それぞれ異なる組み合わせパターンが順次送出することによって、コントローラは操作することなく、プログラムによる自動飛行ができる。
【００３０】
以上の５つの各モードにおいて、地上／艦上用簡易飛行制御装置１にて、それぞれ設定されたモード及び数値は、無人機６に取り込まれた後、データリンクシステム７にて送り返されて、地上／艦上用簡易飛行制御装置１のモニタパネル２６に表示される。表示は、５つのモード表示の区別をランプ／ＬＥＤ２７にて行う。さらに、第２のモードである直進の場合、設定直進時間Ｔ、経過時間ｔを、ＬＥＤパネル／液晶パネル／ＣＲＴ等２９にて行う。第３のモードである旋回の場合、設定旋回角Ｙ、設定方位Ｘ、現在の方位αを、ＬＥＤパネル／液晶パネル／ＣＲＴ等２９にて行う。第４のモードでの半自動では第２のモードと第３のモードの情報に加え、「直進／旋回」の状況にあることの表示を、ランプ／ＬＥＤ２８およびＬＥＤパネル／液晶パネル／ＣＲＴ等２９にて行う。第５のモードである自動飛行では、プリセットナンバーおよびシーケンスの順番をＬＥＤパネル／液晶パネル／ＣＲＴ等２９にて行うため、コントローラが確認することができる。これにより、地上のコントローラは、５つのモードのうちどのモードで無人機６を飛行させるかを決めて、コントロールを行う。
【００３１】
図４は本実施形態における第５のモードの飛行パターンの例を示している。この飛行パターンは、時間Ｔ１（経過時間ｔ１）の直進飛行と、旋回角Ｙ１、方位角Ｘ１、（実際の方位角α１）の旋回飛行と、時間Ｔ２（経過時間ｔ２）の直進飛行と、旋回角Ｙ２、方位角Ｘ２（実際の方位角α２）、時間Ｔ３（経過時間ｔ３）の直進飛行からなる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、より複雑な飛行が簡単な操作により可能となり、コントローラの負荷を軽くすることができ、また妨害電波の影響を受けにくく、信頼性の高い飛行制御を安価に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明一実施形態の無人機簡易飛行制御装置のブロック図である。
【図２】図１の無人機簡易飛行制御装置の構成図である。
【図３】計算機９のプログラム１０のフローチャートである。
【図４】飛行パターンの例を示す図である。
【図５】従来の無人機の飛行制御装置のブロック図である。
【図６】従来の無人機飛行制御装置の構成図である。
【符号の説明】
１ 地上／艦上用簡易制御装置
２ 管制装置
３ 地上システム
４ 機上用飛行制御装置
５ トランスポンダ
６ 無人機
７ データリンクシステム
８ 従来の飛行制御装置
９ 計算機
１０ プログラム
１１ 切替器
１２ 切替器
１３ 飛行安定装置
１４ 駆動装置
１５ エルロン／エレベータ
１６ ヨーレイトジャイロ
１７ バーチカルジャイロ
１８ Ｇセンサ
１９ ディレクショナルジャイロ
２０ コマンドパネル
２１ モード切替スイッチ
２２ Ｔ，Ｘ，Ｙ等を入力するためのＤＩＰスイッチ
２３ 「通常終了／繰り返し」選択スイッチ
２４ 飛行シーケンスを選択設定するためのプリセットスイッチ
２５ 設定値（Ｔ，Ｘ，Ｙ）をプリセットするＤＩＰスイッチ
２６ モニタパネル
２７ マニュアル／直進／旋回／半自動／自動のモードを表示するＬＥＤ
２８ 「直進／旋回」を表示するためのランプ／ＬＥＤ
２９ 設定値／機体状況を示す数値（Ｔ，ｔ，Ｘ，Ｙ，α）を表示するＬＥＤパネル

Claims (3)

1. エルロン／エレベータと、バーチカルジャイロと、Ｇセンサと、前記エルロン／エレベータを駆動する駆動装置と、方位角を出力するディレクショナルジャイロと、ヨーレイトジャイロと、直進指令が出力されると前記ヨーレイトジャイロの出力を選択し、マニュアル指令が出力されるとマニュアル指令を出力する第１の切替器と、マニュアルモード、半自動における直進飛行の場合、第１の切替器の出力を選択し、半自動における旋回の場合、旋回角を選択する第２の切替器と、前記バーチカルジャイロから出力されるロール角およびピッチ角、前記Ｇセンサから出力されるＧ情報が第２の切替器から出力される指令信号と同一になるように前記駆動装置を制御する飛行安定装置と、マニュアル指令が入力されると、マニュアル指令を出力し、半自動の直進指令および直進時間が入力されると、該直進時間の間直進指令を出力し、半自動の旋回指令、旋回角、旋回終了時の方位向が入力されると、前記旋回指令と前記旋回角を、前記ディレクショナルジャイロから出力される方位角が前記旋回終了時の方位角と等しくなるまで出力し、前記ディレクショナルジャイロから出力された方位角、前記ロール角、前記ピッチ角、前記Ｇ情報、前記直進時間、前記旋回角、前記方位角、飛行時間を出力する計算機を含む機上用飛行制御装置と、
   無人機の飛行制御機能であるマニュアル／直進／旋回／半自動／自動を切替えるための切替スイッチ、半自動、自動飛行時に必要な直進時間、方位角、旋回角を含むデータを入力するためのスイッチ、半自動における通常終了／繰り返し選択スイッチ、自動飛行の場合の飛行シーケンスを選択、設定するためのスイッチ、各飛行シーケンスの設定値をプリセットするためのスイッチを含むコマンドパネルと、現在マニュアル／直進／旋回／半自動／自動のどのモードであるかを表示するランプ、半自動モードにおける直進／旋回を表示するためのランプ、無人機に受け付けられた数値／機体状況を示す数値を表示するパネルを含むモニタパネルを含む地上／艦上用簡易飛行制御装置を有する無人機簡易飛行制御システム。
2. エルロン／エレベータと、バーチカルジャイロと、Ｇセンサと、前記エルロン／エレベータを駆動する駆動装置と、方位角を出力するディレクショナルジャイロと、ヨーレイトジャイロと、直進指令が出力されると前記ヨーレイトジャイロの出力を選択し、マニュアル指令が出力されるとマニュアル指令を出力する第１の切替器と、マニュアルモード、半自動における直進飛行の場合、第１の切替器の出力を選択し、半自動における旋回の場合、旋回角を選択する第２の切替器と、前記バーチカルジャイロから出力されるロール角およびピッチ角、前記Ｇセンサから出力されるＧ情報が第２の切替器から出力される指令信号と同一になるように前記駆動装置を制御する飛行安定装置と、マニュアル指令が入力されると、マニュアル指令を出力し、半自動の直進指令および直進時間が入力されると、該直進時間の間直進指令を出力し、半自動の旋回指令、旋回角、旋回終了時の方位向が入力されると、前記旋回指令と前記旋回角を、前記ディレクショナルジャイロから出力される方位角が前記旋回終了時の方位角と等しくなるまで出力し、前記ディレクショナルジャイロから出力された方位角、前記ロール角、前記ピッチ角、前記Ｇ情報、前記直進時間、前記旋回角、前記方位角、飛行時間を出力する計算機を含む機上用飛行制御装置。
3. 無人機の飛行制御機能であるマニュアル／直進／旋回／半自動／自動を切替えるための切替スイッチ、半自動、自動飛行時に必要な直進時間、方位角、旋回角を含むデータを入力するためのスイッチ、半自動における通常終了／繰り返し選択スイッチ、自動飛行の場合の飛行シーケンスを選択、設定するためのスイッチ、各飛行シーケンスの設定値をプリセットするためのスイッチを含むコマンドパネルと、現在マニュアル／直進／旋回／半自動／自動のどのモードであるかを表示するランプ、半自動モードにおける直進／旋回を表示するためのランプ、無人機に受け付けられた数値／機体状況を示す数値を表示するパネルを含むモニタパネルを含む地上／艦上用簡易飛行制御装置。

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