JP3675787B2 - 飛行体の位置及び姿勢の推測方法、推測装置並びに仮想視界生成システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、飛行体の位置及び姿勢を推測する推測方法、該推測方法の実施に使用する推測装置並びに仮想視界生成システムに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
航空機等の飛行体の多くには、ＧＰＳ航法装置及びＩＮＳ航法装置（慣性航法装置）等の航法装置が搭載されている。これらの航法装置は、飛行体を効率的に目的地まで導くために、飛行体の位置を検出し、該位置をマップとともに画面上に表示するようになっている。
【０００３】
ところが、ＧＰＳ航法装置は、所定の時間間隔でＧＰＳ衛星から時刻信号を受信し、各受信時毎に飛行体の位置を検出するＧＰＳ受信機を備えており、ＧＰＳ受信機の位置検出の時間間隔が長すぎる場合には、飛行体の位置が不明である時間が長いため、高精度に飛行体の位置を検出する必要がある用途等には使用することができなかった。
【０００４】
一方、ＩＮＳ航法装置は、その構造上極めて短い時間間隔で飛行体の位置を検出することが可能であるが、高価であり、小型の飛行機又はヘリコプター等にＩＮＳ航法装置を搭載することは現実的ではない。
【０００５】
また、かかる従来の航法装置を使用することによって、飛行体の操縦を支援することができるが、本願の発明者らは、更に飛行体の操縦の効率的な支援を可能とすべく、飛行体の操縦席又は飛行体の後方から見たときの仮想的な視界を生成し、これを操縦者に提供する仮想視界生成システムを試作した。この仮想視界生成システムは、ＧＰＳ受信機を備え、このＧＰＳ受信機によって取得した位置情報に基づき、飛行位置及びその周辺の地形情報並びに地表のテクスチャを用いて、飛行体の周囲の空間（以下、飛行空間という）の３次元画像を生成し、これを画面上に表示するようになっている。これにより、夜間又は天候不良等の視界不良時においても、操縦者に飛行体の周囲の仮想的な視界を提供することができる。また、飛行体の飛行予定経路又は飛行指示経路等を示すコリドーを仮想視界として表示したり、コリドーと飛行空間とを重畳表示することにより、コリドーから逸脱せずに飛行させるべく、操縦者の操縦を支援することができる。
【０００６】
ところが、前述のようにＧＰＳ受信機の位置検出の時間間隔が長すぎる場合には、仮想視界生成システムによる画像表示の切り換えが低速となるという問題があった。仮想視界生成システムの画像表示の切り換えが低速の場合には、画像が表示された直後から次の画像に表示が切り替わるまでの間で、飛行体の運動に画像表示が追従しないこととなり、例えば操縦者が飛行体の進行方向を転向させるように操縦したときに、実際にはこの操縦に応じて飛行体が運動しているにもかかわらず、飛行体の運動がこの操縦に応答していないような錯覚を操縦者に与えることがあった。
【０００７】
また、前記ＧＰＳ受信機がＧＰＳ衛星からの時刻信号の受信に失敗した場合には、飛行体の位置を検出することができないため、この間の仮想視界の画像を生成することができなかった。
【０００８】
また、ＧＰＳ受信機がＧＰＳ衛星から時刻信号を受信していない間の飛行体の位置を、ＩＮＳ航法装置によって取得し、仮想視界の画像の切り換えを高速化することも可能であるが、前述したようにＩＮＳ航法装置は高価であるため、小型の飛行機又はヘリコプター等の小型の飛行体用の仮想視界生成システムにＩＮＳ航法装置を使用することは現実的ではない。
【０００９】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ＧＰＳ受信機が飛行体の位置を検出していない間の飛行体の位置及び姿勢を推測することができる推測方法、該推測方法の実施に直接使用する推測装置、及び高速に仮想視界の画像の表示を切り替えることが可能な仮想視界生成システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る飛行体の位置及び姿勢の推測方法は、飛行体に設けられた操縦部に操縦者から与えられる動作指示を、所定の時間間隔で取得し、取得した動作指示に基づいて、前記時間間隔で繰り返し飛行体の位置及び姿勢を推測する推測方法であって、前記時間間隔よりも長い時間間隔でＧＰＳ衛星から受信した信号に基づいて、各受信時に飛行体の位置を検出し、前記動作指示を取得した時刻に、飛行体の位置が検出されていない場合に、予め設定された飛行体の運動方程式、取得した動作指示、並びに前記時刻より過去に検出及び／又は推測した飛行体の位置に基づいて、動作指示を取得した時刻における飛行体の位置及び姿勢を推測することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る推測装置は、飛行体に設けられた操縦部に操縦者から与えられた動作指示を表す動作指示情報を、所定の時間間隔で外部から受信する第１受信部と、該第１受信部が受信した動作指示情報に基づいて、前記時間間隔で繰り返し飛行体の位置及び姿勢を推測する推測部とを備える推測装置であって、飛行体の位置を表す位置情報を、前記時間間隔よりも長い時間間隔でＧＰＳ衛星から受信する第２受信部を備え、前記推測部は、前記第１受信部が動作指示情報を受信した時刻に、前記第２受信部が位置情報を受信していない場合に、予め設定された飛行体の運動方程式、前記第１受信部が受信した動作指示情報、並びに前記時刻より過去に前記第２受信部が受信した位置情報及び／又は該推測部が推測した飛行体の位置を表す位置情報に基づいて、動作指示情報を受信した時刻における飛行体の位置及び姿勢を推測すべくなしてあることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る仮想視界生成システムは、飛行体に設けられた操縦部に操縦者から与えられた動作指示を、所定の時間間隔で取得する動作指示取得部と、該動作指示取得部が取得した動作指示に基づいて、前記時間間隔で繰り返し飛行体の位置及び姿勢を推測する推測部と、該推測部が推測した飛行体の位置及び姿勢並びに予め与えられた飛行体の飛行空間に関する情報に基づいて、飛行空間に対する飛行体の相対位置及び相対姿勢を演算し、飛行体の内部から又は飛行体の後方からの仮想的な視界の画像を生成する演算部と、該演算部が生成した画像を表示する表示部とを備える仮想視界生成システムであって、前記時間間隔よりも長い時間間隔で飛行体の位置を検出するＧＰＳ受信機を更に備え、前記推測部は、前記動作指示取得部が動作指示を取得した時刻に、前記ＧＰＳ受信機が飛行体の位置を検出していない場合に、予め設定された飛行体の運動方程式、前記動作指示取得部が取得した動作指示、並びに前記時刻より過去に前記ＧＰＳ受信機が検出した飛行体の位置及び／又は該推測部が推測した飛行体の位置に基づいて、動作指示を取得した時刻における飛行体の位置及び姿勢を推測すべくなしてあることを特徴とする。
【００１３】
上記発明によれば、ＧＰＳ受信機が飛行体の位置を検出する時間間隔より短い時間間隔で操縦部が受け付けた動作指示を取得し、この動作指示を取得した時刻に、飛行体の位置が検出されていない場合に、飛行体の位置及び姿勢を推測する構成としたので、ＧＰＳ受信機によって飛行体の位置が検出されていない間に、動作指示を取得した時刻における飛行体の位置及び姿勢を取得することができる。
【００１４】
また、操縦部に与えられた動作指示を検出するための、例えば操縦桿に設けられた位置センサ等のセンサ類（動作指示取得部）は、小型の飛行機又はヘリコプター等であっても、標準的に装備されているので、動作指示を前記センサの出力等から取り出すことは比較的容易に実現可能である。
【００１５】
また、このようにして推測した飛行体の位置及び姿勢に基づいて、飛行体の周囲の空間を含む画像、即ち仮想視界の画像を生成することができ、従って、ＧＰＳ受信機が飛行体の位置を検出する時間間隔が長かったり、時刻信号の受信に失敗して位置検出ができない場合であっても、高速に仮想視界の画像の表示を切り替えることができる。
【００１６】
また、上記発明においては、前記動作指示を取得する時間間隔で、飛行体の状態を検出し、前記動作指示を取得した時刻に、飛行体の位置が検出されていない場合には、前記運動方程式、取得した動作指示、前記時刻より過去に検出及び／又は推測した飛行体の位置、並びに検出した飛行体の状態に基づいて、飛行体の位置及び姿勢を推測することが望ましい。
【００１７】
これにより、操縦部に与えられた動作指示、並びに過去にＧＰＳ受信機によって検出された、及び／又は過去に推測された飛行体の位置だけでなく、飛行体の状態も利用して飛行体の位置及び姿勢を推測するので、より推測の精度を向上させることが期待できる。
【００１８】
また、上記発明においては、複数の時刻に夫々検出又は推測した飛行体の位置を表す位置履歴情報を記憶し、複数の時刻に夫々取得した動作指示を表す動作指示履歴情報を記憶し、複数の時刻に夫々検出した飛行体の状態を表す状態履歴情報を記憶し、前記運動方程式、並びに記憶した位置履歴情報、動作指示履歴情報、及び状態履歴情報に基づいて、前記動作指示履歴情報によって表される動作指示のうちの最新の動作指示を取得した時刻での飛行体の位置及び姿勢を推測する構成とすることが望ましい。
【００１９】
また、この場合においては、前記位置履歴情報が、ＧＰＳ受信機によって過去に検出された飛行体の位置だけを含むものであってもよいし、過去に推測された飛行体の位置だけを含むものであってもよいし、その両方を含むものであってもよい。
【００２０】
これにより、複数の時刻における動作指示と、複数の時刻における飛行体の位置と、複数の時刻における飛行体の状態とに基づいて飛行体の位置及び姿勢を推測するため、例えば一の時刻において取得した飛行体の位置が大きな誤差を含んでいる場合であっても、他の時刻における飛行体の位置も使用して飛行体の位置及び姿勢の推測することによって、前記誤差の影響を緩和することが可能であり、一の時刻における動作指示と、一の時刻における飛行体の位置と、一の時刻における飛行体の状態とに基づいて飛行体の位置及び姿勢を推測する場合に比べて、推測の精度を向上させることが期待できる。
【００２１】
また、上記発明においては、前記飛行体の状態が、飛行体を推進させる推進部の状態、及び飛行体の対気速度のうちの一方又は両方を含むものであることが望ましい。
【００２２】
推進部の状態及び飛行体の対気速度を検出するための、例えばエンジンの回転数を検出する回転数センサ及び大気の動圧を検出するピトー管等のセンサ類は、小型の飛行機又はヘリコプター等であっても、標準的に装備されているので、推進部の状態及び／又は対気速度等を前記センサの出力等から取り出すことは比較的容易に実現可能である。
【００２３】
また、上記発明においては、ＧＰＳ受信機が飛行体の位置を検出した場合に、該ＧＰＳ受信機によって検出された飛行体の位置と、該ＧＰＳ受信機によって飛行体の位置が検出された時刻より過去に推測した飛行体の位置のうちの最新の位置との差を、推測誤差として演算し、この推測誤差が、所定の許容範囲を越えるか否かを判別し、前記推測誤差が前記許容範囲を越えると判別された場合に、ユーザに異常の発生を通知するための異常発生通知画像を表示する構成とすることが望ましい。
【００２４】
推測した飛行体の位置が、信頼性の高いＧＰＳ受信機による検出結果から甚だしく乖離している場合には、飛行体の機体、操縦系統、機器、本発明に係る推測装置若しくは仮想視界生成システム等の故障、誤操作又は誤動作等の何らかの異常が発生している蓋然性が高い。従って、上述のような構成とすることにより、ユーザに異常の発生を通知することができる。また、異常を通知するとともに、本発明に係る推測装置又は仮想視界生成システムの動作を停止するように構成してもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る仮想視界生成システムについて、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施の形態に係る仮想視界生成システムの全体構成を示すブロック図である。図１に示す如く、本発明の実施の形態に係る仮想視界生成システム１は、ヘリコプター又は飛行機等の飛行体２に搭載されており、本発明に係る動作指示取得部たる操作センサ３、ＧＰＳ受信機４、状態検出部たる機体状態検出部５、推測装置又は推測部たる機体運動計算機６、演算部たる仮想視界画像描画装置７、及び表示部たる表示装置８によって主として構成されている。なお、以下では、飛行体２をヘリコプターとした場合について説明する。
【００２７】
操作センサ３は、飛行体２の操縦に用いられる操縦桿、フットペダル、コレクティブレバー、及びスロットル等からなる操縦部に設けられ、操縦桿の前後及び左右への傾倒角度、ペダルの踏み込み量、コレクティブレバーの引き上げ、引き下げ量、並びにスロットルの位置を夫々検出するようになっている。従って、操縦者が前記操縦部を操作することによって飛行体２に対して与えられた動作指示が、操作センサ３によって取得される。
【００２８】
かかる操作センサ３は、前記機体運動計算機６に接続されており、前述したような飛行体２の操縦部に与えられた動作指示を表す情報（以下、動作指示情報という）３ａを機体運動計算機６へ出力するようになっている。また、このような操作センサ３は、所定の時間間隔で動作指示を取得し、機体運動計算機６へ動作指示情報３ａを出力するようになっている。
【００２９】
ＧＰＳ受信機４は、少なくとも４つのＧＰＳ衛星９から送信された時刻信号１０を夫々同時に受信し、これらの時刻信号から各ＧＰＳ衛星９までの距離を演算し、この演算結果からＧＰＳ受信機４の地球上での位置、即ち飛行体２の地球上での位置を検出するようになっている。また、ＧＰＳ受信機４は、前記機体運動計算機６に接続されており、飛行体２の位置情報を機体運動計算機６へ出力するようになっている。このようなＧＰＳ受信機４は、前記操作センサ３が機体運動計算機６へ動作指示情報３ａを出力する時間間隔よりも長い時間間隔でＧＰＳ衛星９から時刻信号１０を受信し、この時間間隔で機体運動計算機６へ位置情報４ａを出力するようになっている。
【００３０】
機体状態検出部５は、飛行体２のメインロータ及びテールロータを駆動するエンジン（推進部）の状態を検出するエンジン状態センサ（推進部状態検出部）１１を備えている。該エンジン状態センサ１１は、エンジンの回転数を検出する回転数センサ及びエンジンの吸気圧を検出する圧力センサ等から構成されており、エンジンの各種の状態を検出する。また、機体状態検出部５は、飛行体２の対気速度を検出するための、ピトー管等から構成された速度センサ１２も備えている。
【００３１】
この他、機体状態検出部５は、機首の向いている方位（機体のヨー方向の向き）を検出する方位計、機体のロール方向及びピッチ方向の傾きを検出する傾斜センサ、飛行体２の上昇率又は下降率を検出する昇降センサ、メインロータの回転数を検出する回転数センサ、及び／又は飛行体２の飛行高度を検出する高度計等を備えていてもよい。これらのセンサ類は、小型のヘリコプターであっても標準的に装備されているものであり、操縦者の操縦を援助する目的で、ヘリコプターの計器盤に設けられた各種計器にその検出値が表示されるようになっている。従って、このようなセンサ類からその検出値を取り出すことは比較的容易に実現可能である。
【００３２】
かかる機体状態検出部５は、前記機体運動計算機６に接続されており、前述したような飛行体２の各種の状態を示す情報（以下、機体状態情報という）５ａを機体運動計算機６へ出力するようになっている。また、機体状態検出部５は、前記操作センサ３と同じ時間間隔で飛行体２の各種状態を検出し、この時間間隔で機体運動計算機６へ機体状態情報５ａを出力するようになっている。
【００３３】
図２は、機体運動計算機６の構成を示すブロック図である。図２に示すように、機体運動計算機６は、ＣＰＵ（推測部）１３，ＲＯＭ１４，ＲＡＭ（第１記憶部，第２記憶部，第３記憶部）１５，入出力インタフェース（第１受信部，第２受信部，第３受信部）１６，ハードディスク装置１７，及び通信インタフェース（送信部）１８から主として構成されている。
【００３４】
ＣＰＵ１３は、マイクロプロセッサであり、バスを介してＲＯＭ１４，ＲＡＭ１５，入出力インタフェース１６，ハードディスク装置１７，及び通信インタフェース１８に接続されている。ＣＰＵ１３は、ＲＯＭ１４に記憶されているコンピュータプログラム又はＲＡＭ１５にロードされたコンピュータプログラムを実行することが可能である。
【００３５】
ＲＯＭ１４は、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等から構成されており、ＣＰＵ１３に実行されるコンピュータプログラム及びこれに用いるデータ等が記録されている。
【００３６】
ＲＡＭ１５は、ＳＲＡＭ又はＤＲＡＭ等により構成されている。ＲＡＭ１５は、ＲＯＭ１４に記憶されているコンピュータプログラムを実行するときに、このコンピュータプログラムがロードされ、ＣＰＵ１３の作業領域として利用される。
【００３７】
入出力インタフェース１６は、例えばUSB，IEEE1394，RS-232C等のシリアルインタフェース、SCSI，IDE，IEEE1284等のパラレルインタフェース、Ｄ／Ａ変換器、Ａ／Ｄ変換器等からなるアナログインタフェース等から構成されている。また、入出力インタフェース１６には、操作センサ３，ＧＰＳ受信機４，及び機体状態検出部５が接続されている。
【００３８】
ハードディスク装置１７は、オペレーティングシステムをはじめ、ＣＰＵ１３に後述するような処理を行わせるためのコンピュータプログラム及びこれに用いるデータ等がインストールされている。
【００３９】
通信インタフェース１８は、例えばEthernet（登録商標）にて規定されるインタフェースである。この通信インタフェース１８は、仮想視界画像描画装置７に接続されており、TCP/IP等のプロトコルを使用して、仮想視界画像描画装置７との間でデータの送受信が可能である。
【００４０】
図３は、仮想視界画像描画装置７の構成を示すブロック図である。図３に示すように、仮想視界画像描画装置７は、ＣＰＵ１９，ＲＯＭ２０，ＲＡＭ２１，画像出力インタフェース２２，ハードディスク装置２３，及び通信インタフェース２４から主として構成されている。画像出力インタフェース２２は、画像を描画するために用いられるプロセッサ及び画像データを一時的に記憶するための画像メモリ等を備えている。このような画像出力インタフェース２２は、表示装置８に接続されており、表示装置８へ画像データを出力するようになっている。また、通信インタフェース２４は、機体運動計算機６が備える通信インタフェース１８に接続されており、機体運動計算機６と相互にデータの送受信が可能となっている。
【００４１】
また、ＣＰＵ１９，ＲＯＭ２０，ＲＡＭ２１，ハードディスク装置２３，及び通信インタフェース２４の構成は、機体運動計算機６が備えるＣＰＵ１３，ＲＯＭ１４，ＲＡＭ１５，ハードディスク装置１７，及び通信インタフェース１８の構成と同様であるので、説明を省略する。
【００４２】
表示装置８は、ＬＣＤ又はＣＲＴディスプレイ等で構成されており、画像出力インタフェース２２から与えられた画像データに従って、画像（画面）を表示する。
【００４３】
以下に、本発明の実施の形態に係る仮想視界生成システムの動作について説明する。図４及び図５は、本発明の実施の形態に係る仮想視界生成システムの動作の流れを示すフローチャートである。
【００４４】
図４に示すように、まず操作センサ３が、動作指示情報３ａを取得し、これを機体運動計算機６へ送信（出力）する（ステップＳ１）。機体運動計算機６の入出力インタフェース１６が動作指示情報３ａを受信し（ステップＳ２）、この動作指示情報３ａがＣＰＵ１３に与えられる。ＣＰＵ１３は、過去に受信した動作指示情報３ａと、この動作指示情報３ａとから、動作指示履歴情報３ｂを生成し（ステップＳ３）、ＲＡＭ１５に格納する。この動作指示履歴情報３ｂは、過去の所定回数分の動作指示情報３ａから構成された情報である。例えば、１０回前から後に受信した動作指示情報３ａによって動作指示履歴情報３ｂは構成される。また、この動作指示履歴情報３ｂは、例えばＲＡＭ１５の所定の領域に、受信順に動作指示情報３ａが並べられて記憶される等、これに含まれる動作指示情報３ａの受信順が判別可能な態様で、ＲＡＭ１５に記憶されて構成される。従って、ステップＳ３の処理の一例としては、ＲＡＭ１５内に動作指示履歴情報３ｂを格納するための領域が予め確保されており、この領域が空いている場合には、領域が全て埋まるまで動作指示情報３ａを順次格納することによって動作指示履歴情報３ｂを生成し、領域が全て埋まっている場合には、この領域に記憶されている動作指示履歴情報３ｂから、最も古い動作指示情報３ａを削除し、動作指示履歴情報３ｂに最新の動作指示情報３ａを追加することによって、新たな動作指示履歴情報３ｂを生成するものが挙げられる。
【００４５】
次に、機体状態検出部５が、機体状態情報５ａを機体運動計算機６へ送信（出力）する（ステップＳ４）。この機体状態情報５ａは、機体運動計算機６の入出力インタフェース１６によって受信され（ステップＳ５）、ＣＰＵ１３に与えられる。ＣＰＵ１３は、過去に受信した機体状態情報５ａと、この機体状態情報５ａとから、機体状態履歴情報５ｂを生成し（ステップＳ６）、ＲＡＭ１５に格納する。機体状態履歴情報５ｂは、動作指示履歴情報３ｂに含まれる動作指示情報３ａと同じ回数だけ過去から後に受信された機体状態情報５ａから構成されており、これらの機体状態情報５ａが、受信順が判別可能な態様でＲＡＭ１５に記憶されて構成される。
【００４６】
次に、ＧＰＳ受信機４が、位置情報４ａを機体運動計算機６へ送信（出力）する（ステップＳ７）。
【００４７】
図６は、本発明の実施の形態に係る仮想視界生成システムの動作を説明するタイミングチャートである。前述したように、ＧＰＳ受信機４から位置情報４ａが送信される時間間隔は、操作センサ３から動作指示情報３ａが送信される時間間隔及び機体状態検出部５から機体状態情報５ａが送信される時間間隔よりも長い。従って、操作センサ３及び機体状態検出部５から夫々動作指示情報３ａ及び機体状態情報５ａが送信された時刻に、ＧＰＳ受信機４から位置情報４ａが送信されない場合がある。そこで、ＣＰＵ１３は、ステップＳ６の処理を実行した後に、ＧＰＳ受信機４から位置情報４ａを受信したか否かを判別する（ステップＳ８）。このステップＳ８の処理で、位置情報４ａを受信したと判別された場合（図４のＳ８でＹｅｓ）には、過去に受信した位置情報４ａと、今回受信した位置情報４ａとから、位置履歴情報４ｂを生成し（ステップＳ９）、ＲＡＭ１５に格納する。位置履歴情報４ｂは、所定回数だけ過去から後にＧＰＳ受信機４から受信された位置情報４ａから構成されており、これらの位置情報４ａが、受信順が判別可能な態様でＲＡＭ１５に記憶されて構成される。
【００４８】
次に、ＣＰＵ１３は、後述するステップＳ１１又はステップＳ１２の処理によって前回推測した飛行体の位置と、今回受信した位置情報４ａが示す飛行体の位置との差を、推測誤差として求め、この推測誤差が所定の許容範囲以下であるか否かを判別する（ステップＳ１０）。
【００４９】
このステップＳ１０の処理で、推測誤差が許容範囲内である場合（図５のＳ１０でＹｅｓ）には、飛行体２の位置及び姿勢の第１推測処理を行う（ステップＳ１１）。この第１推測処理では、予め設定された運動方程式（フライトモデル）と、動作指示履歴情報３ｂと、機体状態履歴情報５ｂと、位置履歴情報４ｂとに基づいて、動作指示履歴情報３ｂに含まれる動作指示情報３ａのうち最新のもの、即ち、今回操作センサ３によって取得された動作指示情報３ａの取得時刻における飛行体２の位置及び姿勢を推測する。前記運動方程式は、飛行体２の機体の形状、エンジン、ロータ及びブレード等の特性に基づいて予め設定されたものである。ユーザは、この運動方程式を用いて、その入力（引数）が動作指示履歴情報３ｂ，機体状態履歴情報５ｂ，及び位置履歴情報４ｂであって、その出力（戻り値）が最新の動作指示情報３ａを取得した時刻での飛行体２の位置及び姿勢を表す位置姿勢情報６ａの関数を予め設定しておく。これは、例えば空気抵抗の程度、エンジン、ロータ及び／又はブレードの特性等に関するパラメータを定義しておき、この各種パラメータに、飛行体２に合致した値を代入することによって、関数を設定するようにしてもよい。ステップＳ１１の処理では、ＣＰＵ１３は、このように設定された関数に動作指示履歴情報３ｂ，機体状態履歴情報５ｂ，及び位置履歴情報４ｂを与え、位置姿勢情報６ａを取得する。
【００５０】
一方、ステップＳ８の処理で、位置情報４ａを受信しなかったと判別された場合（図４のＳ８でＮｏ）には、飛行体２の位置及び姿勢の第２推測処理を行う（ステップＳ１２）。この第２推測処理では、予め設定された運動方程式と、動作指示履歴情報３ｂと、機体状態履歴情報５ｂと、過去に推測した飛行体２の位置とに基づいて、動作指示履歴情報３ｂに含まれる動作指示情報３ａのうち最新のものの取得時刻における飛行体２の位置及び姿勢を推測する。この運動方程式もまた、第１推測処理で用いた運動方程式と同様に、飛行体２の機体の形状、エンジン、ロータ及びブレード等の特性に基づいて予め設定されたものである。ユーザは、この運動方程式を用いて、その入力（引数）が動作指示履歴情報３ｂ，機体状態履歴情報５ｂ，及び過去に推測した飛行体２の位置であって、その出力（戻り値）が最新の動作指示情報３ａを取得した時刻での位置姿勢情報６ａの関数を予め設定しておく。この関数もまた、第１推測処理で用いた関数と同様に、各種パラメータの設定によって、設定されるように構成してもよい。ステップＳ１２の処理では、ＣＰＵ１３は、このように設定された関数に動作指示履歴情報３ｂ，機体状態履歴情報５ｂ，及び過去に推測した飛行体２の位置を与え、位置姿勢情報６ａを取得する。
【００５１】
そして、ＣＰＵ１３は、ステップＳ１１又はステップＳ１２の処理によって取得した位置姿勢情報６ａを、通信インタフェース１８に送信させ（ステップＳ１３）、処理をステップＳ２へ戻す。
【００５２】
また、ステップＳ１０において、推測誤差が許容範囲を越える場合（図５のＳ１０でＮｏ）には、推測誤差が大きすぎることから、飛行体２の機体又は仮想視界生成システム１に故障が発生していると考えることができる。従って、この場合には、ＣＰＵ１３は、ユーザに警告を促す警告画面を表示する指示を表す警告指示情報を通信インタフェース１８に送信させ（ステップＳ１４）、処理を終了する。
【００５３】
次に、仮想視界画像描画装置７の処理について説明する。仮想視界画像描画装置７のＣＰＵ１９は、機体運動計算機６から警告指示情報を受信したか否かを判別する（ステップＳ１５）。このステップＳ１５の処理で、警告指示情報を受信していないと判別された場合（図５のＳ１５でＮｏ）には、ステップＳ１３の処理で機体運動計算機６から送信された位置姿勢情報６ａが通信インタフェース２４によって受信され、ＣＰＵ１９に与えられる（ステップＳ１６）。ＣＰＵ１９は、この位置姿勢情報６ａに基づいて、仮想視界画像７ａを生成する（ステップＳ１７）。
【００５４】
図７は、表示装置８に表示された仮想視界画像７ａを示す図である。仮想視界画像描画装置７のハードディスク装置２３には、少なくとも飛行体２の飛行経路の一部の地形情報と、地表のテクスチャと、位置情報とが関連づけて記憶されている。ステップＳ１７の処理では、ＣＰＵ１９は、位置姿勢情報６ａによって得られる飛行体２の位置から、この位置に対応する地形の３次元データを生成し、この３次元データの地表の部分に、地表のテクスチャを貼り付けて、図７に示すような飛行体２の周囲の仮想的な空間を生成する。また、図７に示すように、この仮想空間内の前記位置姿勢情報６ａによって表される位置に、仮想的な飛行体２の３次元モデルを、前記位置姿勢情報６ａによって表される姿勢で配置する。また、図７に示すように、飛行体２の飛行予定経路又は飛行指示経路を表す情報を予めハードディスク装置２３又はＲＡＭ２１に記憶しておき、この情報に基づいて、前記飛行予定経路又は飛行指示経路を表すコリドーを仮想空間の画像に重畳して表示してもよい。そして、ＣＰＵ１９は、仮想的な３次元モデルとして表された飛行体２の後方から見たときの視界を表す仮想視界画像７ａを画像データとして生成する。なお、本実施の形態に係る仮想視界画像描画装置７は、このステップＳ１７の処理の全てをＣＰＵ１９によって実行する構成であってもよいし、ステップＳ１７の処理の一部をＣＰＵ１９によって実行し、他を画像出力インタフェース２２が備えるプロセッサによって実行する構成であってもよい。
【００５５】
次に、ＣＰＵ１９は、画像出力インタフェース２２に、このようにして生成した仮想視界画像７ａを表示装置８へ出力させる（ステップＳ１８）。これにより、図７に示すような仮想視界画像７ａが表示装置８に表示されることとなる。そして、ＣＰＵ１９は、処理をステップＳ１５へ戻す。
【００５６】
また、ＣＰＵ１９は、ステップＳ１５において、警告指示情報を受信したと判別された場合（図５のＳ１５でＹｅｓ）には、表示装置８に警告画面を表示させるべく、画像出力インタフェース２２にこの警告画面の画像データを表示装置８へ出力させ（ステップＳ１９）、処理を終了する。これにより、表示装置８に警告画面が表示され、ユーザに故障発生が通知されることとなる。
【００５７】
以上の如き構成により、図６に示すように、飛行体２の位置及び姿勢の推測、並びに仮想視界画像７ａの表示の切り換えは、動作指示取得部３による動作指示情報３ａの送信及び機体状態検出部５による機体状態情報５ａの送信の時間間隔と同じサイクルで行われる。従って、ＧＰＳ受信機４による位置情報４ａの送信のサイクルに比べて、極めて短いサイクルで仮想視界画像７ａの表示を切り替えることができる。
【００５８】
これにより、飛行体２の運動に画像表示が追従することとなり、ユーザ（操縦者）に、飛行体２の運動が操縦に応答していないような錯覚を与えることを防止することができる。
【００５９】
また、ＧＰＳ受信機４が時刻信号の受信に失敗した場合であっても、飛行体２の位置及び姿勢を推測することができ、この間の仮想視界画像７ａを生成することができるので、仮想視界画像７ａの表示の切り替えが中断されない。
【００６０】
なお、本実施の形態においては、飛行体２をヘリコプターとした場合について述べたが、これに限定されるものではなく、飛行体２を他の形態の回転翼機又は固定翼機としてもよい。
【００６１】
また、本実施の形態においては、飛行体２の仮想的な３次元の飛行空間を生成し、仮想視界画像７ａを生成する構成について述べたが、これに限定されるものではなく、推測した飛行体２の位置及び姿勢から、飛行体２の位置及び姿勢（進行方向）を２次元マップに重畳表示する構成としてもよい。これにより、ＩＮＳ航法装置を用いなくても、極めて短い時間間隔で飛行体の位置を表示する航法装置を構成することができる。
【００６２】
また、前述した第１及び第２推測処理で用いた運動方程式を、飛行体２の機体の形状、エンジン、ロータ及びブレード等の特性だけでなく、乗員数、燃料の残量にも基づいて設定する構成としてもよい。これにより、飛行体２の位置及び姿勢の推測精度の向上が期待できる。
【００６３】
また、本実施の形態においては、仮想視界生成システム１を、操作センサ３、ＧＰＳ受信機４、機体状態検出部５、機体運動計算機６、仮想視界画像描画装置７、及び表示装置８を夫々接続することによって構成したが、これに限定されるものではなく、例えば、機体運動計算機６と仮想視界画像描画装置７とを１つのコンピュータで構成する等、仮想視界生成システム１に含まれる各装置の全部又は一部を１つの装置に纏めて構成してもよい。
【００６４】
【発明の効果】
本発明に係る飛行体の位置及び姿勢を推測する推測方法、該推測方法の実施に使用する推測装置並びに仮想視界生成システムによる場合は、ＧＰＳ受信機が飛行体の位置を検出する時間間隔より短い時間間隔で操縦部が受け付けた動作指示を取得し、この動作指示を取得した時刻に、飛行体の位置が検出されていない場合には、飛行体の位置及び姿勢を推測する構成としたので、ＧＰＳ受信機によって飛行体の位置が検出されていない間に、飛行体の位置及び姿勢を取得することができる。
【００６５】
また、操縦部に与えられた動作指示を検出するためのセンサ（動作指示取得部）は、小型の飛行機又はヘリコプター等であっても、標準的に装備されているので、動作指示を前記センサの出力等から取り出すことは比較的容易に実現可能である。
【００６６】
また、このようにして推測した飛行体の位置及び姿勢に基づいて、飛行体の周囲の空間を含む画像、即ち仮想視界の画像を生成することができ、従って、ＧＰＳ受信機が飛行体の位置を検出する時間間隔が長かったり、時刻信号の受信に失敗して位置検出ができない場合であっても、高速に仮想視界の画像の表示を切り替えることができる等、本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る仮想視界生成システムの全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る仮想視界生成システムが備える機体運動計算機の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る仮想視界生成システムが備える仮想視界画像描画装置の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る仮想視界生成システムの動作の流れを示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態に係る仮想視界生成システムの動作の流れを示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態に係る仮想視界生成システムの動作を説明するタイミングチャートである。
【図７】本発明の実施の形態に係る仮想視界生成システムが備える表示装置に表示された仮想視界画像を示す図である。
【符号の説明】
１ 仮想視界生成システム
２ 飛行体
３ 操作センサ（動作指示取得部）
３ａ 動作指示情報
３ｂ 動作指示履歴情報
４ ＧＰＳ受信機
４ａ 位置情報
４ｂ 位置履歴情報
５ 機体状態検出部（状態検出部）
５ａ 機体状態情報（状態情報）
５ｂ 機体状態履歴情報（状態履歴情報）
６ 機体運動計算機（推測装置，推測部）
６ａ 位置姿勢情報
７ 仮想視界画像描画装置（演算部）
７ａ 仮想視界画像
８ 表示装置（表示部）
９ ＧＰＳ衛星
１０ 時刻信号
１１ エンジン状態センサ
１２ 速度センサ
１３ ＣＰＵ（推測部）
１４ ＲＯＭ
１５ ＲＡＭ（第１記憶部，第２記憶部，第３記憶部）
１６ 入出力インタフェース（第１受信部，第２受信部，第３受信部）
１７ ハードディスク装置
１８ 通信インタフェース（送信部）
１９ ＣＰＵ
２０ ＲＯＭ
２１ ＲＡＭ
２２ 画像出力インタフェース
２３ ハードディスク装置
２４ 通信インタフェース

Claims (17)

1. 飛行体に設けられた操縦部に操縦者から与えられる動作指示を、所定の時間間隔で取得し、取得した動作指示に基づいて、前記時間間隔で繰り返し飛行体の位置及び姿勢を推測する推測方法であって、
   前記時間間隔よりも長い時間間隔でＧＰＳ衛星から受信した信号に基づいて、各受信時に飛行体の位置を検出し、
   前記動作指示を取得した時刻に、飛行体の位置が検出されていない場合に、予め設定された飛行体の運動方程式、取得した動作指示、並びに前記時刻より過去に検出及び／又は推測した飛行体の位置に基づいて、動作指示を取得した時刻における飛行体の位置及び姿勢を推測することを特徴とする推測方法。
2. 前記動作指示を取得する時間間隔で、飛行体の状態を検出し、
   前記動作指示を取得した時刻に、飛行体の位置が検出されていない場合には、前記運動方程式、取得した動作指示、前記時刻より過去に検出及び／又は推測した飛行体の位置、並びに検出した飛行体の状態に基づいて、飛行体の位置及び姿勢を推測することを特徴とする請求項１に記載の推測方法。
3. 複数の時刻に夫々検出又は推測した飛行体の位置を表す位置履歴情報を記憶し、
   複数の時刻に夫々取得した動作指示を表す動作指示履歴情報を記憶し、
   複数の時刻に夫々検出した飛行体の状態を表す状態履歴情報を記憶し、
   前記運動方程式、並びに記憶した位置履歴情報、動作指示履歴情報、及び状態履歴情報に基づいて、前記動作指示履歴情報によって表される動作指示のうちの最新の動作指示を取得した時刻での飛行体の位置及び姿勢を推測することを特徴とする請求項２に記載の推測方法。
4. 前記飛行体の状態は、飛行体を推進させる推進部の状態を含むことを特徴とする請求項２又は３に記載の推測方法。
5. 前記飛行体の状態は、飛行体の対気速度を含むことを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載の推測方法。
6. 飛行体に設けられた操縦部に操縦者から与えられた動作指示を表す動作指示情報を、所定の時間間隔で外部から受信する第１受信部と、
   該第１受信部が受信した動作指示情報に基づいて、前記時間間隔で繰り返し飛行体の位置及び姿勢を推測する推測部と
   を備える推測装置であって、
   飛行体の位置を表す位置情報を、前記時間間隔よりも長い時間間隔でＧＰＳ衛星から受信する第２受信部
   を備え、
   前記推測部は、前記第１受信部が動作指示情報を受信した時刻に、前記第２受信部が位置情報を受信していない場合に、予め設定された飛行体の運動方程式、前記第１受信部が受信した動作指示情報、並びに前記時刻より過去に前記第２受信部が受信した位置情報及び／又は該推測部が推測した飛行体の位置を表す位置情報に基づいて、動作指示情報を受信した時刻における飛行体の位置及び姿勢を推測すべくなしてあることを特徴とする推測装置。
7. 飛行体の状態を表す状態情報を、前記第１受信部が動作指示を受信する時間間隔で外部から受信する第３受信部を更に備え、
   前記推測部は、前記第１受信部及び前記第３受信部が動作指示情報及び状態情報を夫々受信した時刻に、前記第２受信部が位置情報を受信していない場合には、前記運動方程式、前記第１受信部が受信した動作指示情報、前記時刻より過去に前記第２受信部が受信した位置情報及び／又は該推測部が推測した飛行体の位置を表す位置情報、並びに前記第３受信部が受信した状態情報に基づいて、飛行体の位置及び姿勢を推測すべくなしてあることを特徴とする請求項６に記載の推測装置。
8. 複数の時刻に前記第１受信部によって夫々受信された動作指示情報を含む動作指示履歴情報を記憶する第１記憶部と、
   複数の時刻に、前記第２受信部によって受信された位置情報及び／又は前記推測部によって推測された飛行体の位置を表す位置情報を含む位置履歴情報を記憶する第２記憶部と、
   複数の時刻に前記第３受信部によって夫々受信された状態情報を含む状態履歴情報を記憶する第３記憶部と
   を更に備え、
   前記推測部は、前記運動方程式、前記第１記憶部に記憶された動作指示履歴情報、前記第２記憶部に記憶された位置履歴情報、及び前記第３記憶部に記憶された状態履歴情報に基づいて、前記動作指示履歴情報に含まれる動作指示情報のうちの最新の動作指示情報を前記第１受信部が受信した時刻での飛行体の位置及び姿勢を推測すべくなしてあることを特徴とする請求項７に記載の推測装置。
9. 前記状態情報は、飛行体を推進させる推進部の状態を表す情報を含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の推測装置。
10. 前記状態情報は、飛行体の対気速度を表す情報を含むことを特徴とする請求項７乃至９の何れかに記載の推測装置。
11. 前記推測部は、
    前記第２受信部が位置情報を受信した場合に、該位置情報によって表される飛行体の位置と、該位置情報が受信された時刻より過去に該推測部が推測した飛行体の位置のうちの最新の位置との差を、推測誤差として演算する推測誤差演算手段と、
    該推測誤差演算手段によって演算された推測誤差が、所定の許容範囲を越えるか否かを判別する判別手段と
    を有し、
    前記判別手段によって前記推測誤差が前記許容範囲を越えると判別された場合に、異常の発生を表す異常発生情報を外部へ送信する送信部
    を更に備えることを特徴とする請求項６乃至１０の何れかに記載の推測装置。
12. 飛行体に設けられた操縦部に操縦者から与えられた動作指示を、所定の時間間隔で取得する動作指示取得部と、
    該動作指示取得部が取得した動作指示に基づいて、前記時間間隔で繰り返し飛行体の位置及び姿勢を推測する推測部と、
    該推測部が推測した飛行体の位置及び姿勢並びに予め与えられた飛行体の飛行空間に関する情報に基づいて、飛行空間に対する飛行体の相対位置及び相対姿勢を演算し、飛行体の内部から又は飛行体の後方からの仮想的な視界の画像を生成する演算部と、
    該演算部が生成した画像を表示する表示部と
    を備える仮想視界生成システムであって、
    前記時間間隔よりも長い時間間隔で飛行体の位置を検出するＧＰＳ受信機
    を更に備え、
    前記推測部は、前記動作指示取得部が動作指示を取得した時刻に、前記ＧＰＳ受信機が飛行体の位置を検出していない場合に、予め設定された飛行体の運動方程式、前記動作指示取得部が取得した動作指示、並びに前記時刻より過去に前記ＧＰＳ受信機が検出した飛行体の位置及び／又は該推測部が推測した飛行体の位置に基づいて、動作指示を取得した時刻における飛行体の位置及び姿勢を推測すべくなしてあることを特徴とする仮想視界生成システム。
13. 前記動作指示取得部が動作指示を取得する時間間隔で、飛行体の状態を検出する状態検出部を更に備え、
    前記推測部は、前記動作指示取得部が動作指示を取得した時刻に、前記ＧＰＳ受信機が飛行体の位置を検出していない場合には、前記運動方程式、前記動作指示取得部が取得した動作指示、前記時刻より過去に前記ＧＰＳ受信機が検出した飛行体の位置及び／又は該推測部が推測した飛行体の位置、並びに前記状態検出部が検出した飛行体の状態に基づいて、飛行体の位置及び姿勢を推測すべくなしてあることを特徴とする請求項１２に記載の仮想視界生成システム。
14. 複数の時刻に前記動作指示取得部によって夫々取得された動作指示を表す動作指示履歴情報を記憶する第１記憶部と、
    複数の時刻に、前記ＧＰＳ受信機によって検出された飛行体の位置及び／又は前記推測部によって推測された飛行体の位置を表す位置履歴情報を記憶する第２記憶部と、
    複数の時刻に前記状態検出部によって夫々検出された飛行体の状態を表す状態履歴情報を記憶する第３記憶部と
    を更に備え、
    前記推測部は、前記運動方程式、前記第１記憶部に記憶された動作指示履歴情報、前記第２記憶部に記憶された位置履歴情報、及び前記第３記憶部に記憶された状態履歴情報に基づいて、前記動作指示履歴情報が表す動作指示のうちの最新の動作指示を前記動作指示取得部が取得した時刻での飛行体の位置及び姿勢を推測すべくなしてあることを特徴とする請求項１３に記載の仮想視界生成システム。
15. 前記状態検出部は、飛行体を推進させる推進部の状態を検出する推進部状態検出部を有し、
    前記飛行体の状態は、前記推進部状態検出部が検出した推進部の状態を含むことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の仮想視界生成システム。
16. 前記状態検出部は、飛行体の対気速度を検出する対気速度検出部を有し、
    前記飛行体の状態は、前記対気速度検出部が検出した対気速度を含むことを特徴とする請求項１３乃至１５の何れかに記載の仮想視界生成システム。
17. 前記推測部は、
    前記ＧＰＳ受信機が飛行体の位置を検出した場合に、該ＧＰＳ受信機によって検出された飛行体の位置と、該ＧＰＳ受信機によって飛行体の位置が検出された時刻より過去に該推測部が推測した飛行体の位置のうちの最新の位置との差を、推測誤差として演算する推測誤差演算手段と、
    該推測誤差演算手段によって演算された推測誤差が、所定の許容範囲を越えるか否かを判別する判別手段と
    を有し、
    前記演算部は、前記判別手段によって前記推測誤差が前記許容範囲を越えると判別された場合に、ユーザに異常の発生を通知するための異常発生通知画像を前記表示部に表示させるべくなしてある
    ことを特徴とする請求項１２乃至１６の何れかに記載の仮想視界生成システム。

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