JP3965243B2 - 操縦装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機、特にヘリコプタ用の操縦装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機の操縦装置は、パイロットが出すコマンド命令を捕え、航空機の空間的方位を変化させる空気力学的操縦翼面に前記のコマンド命令を伝達する。第１世代の航空機の操縦装置は、機械的なものであって、パイロットはリンクまたはケーブルあるいはその両方を基本とした機械的リンケージにより操縦翼面に接続された操縦桿および踏棒でコマンド命令を出していた。第２世代の航空機では、パイロットが加えた力を増幅するシステムをアクチュエータの形で操縦翼面に組み込んだ。このアクチュエータは、リンケージによって作動し、その動きが操縦翼面に伝達された。安全要件が高くなるにつれ、リンクやケーブルの破壊に対処するために、リンケージを二重にする必要がでてきた。
【０００３】
本発明を適用する今日の第３世代の航空機では、電気配線が機械式リンケージにとって代わり、パイロットが操作した制御装置の位置を前記の配線がコンピュータに伝達し、コンピュータは、アクチュエータが適切な操縦翼面を操作するように前記の位置を変換する。
【０００４】
特に航空機用の、詳細にいえば民間機用の電気式操縦装置であるこの種の方法の直接的利点は、重量が大幅に軽減でき、コマンド命令伝達経路の数を簡単に増やすことができることである。航空機内の異なった位置にある複数の電気経路は、１系統または２系統の機械式経路よりも損害を被りにくいため、安全性が高まる。制御用コンピュータも、航空機を安定させるコマンド命令を生成し、この命令はパイロットが発したコマンド命令に上乗せされる。
【０００５】
電気式操縦装置の使用による重量軽減は、固定翼航空機の場合よりもヘリコプタの方がわずかではあるが、複数の伝達経路を確保することができるため、この種の装置はヘリコプタにとって大きな利点がある。
【０００６】
しかし、ヘリコプタに応用する場合、操縦装置は特にすぐれた性能を発揮し、特に軸当たりの１つの操縦翼面で安全性を確保するとともに、障害が発生した場合、直ちに再構成できるものでなければならない。この面で、固定翼航空機とヘリコプタとの間には、以下のように重要な相違点が２つある。
まず、固定翼航空機は複数の操縦翼面を備え、このため固定翼航空機は同一軸の周りでの応答が可能である。したがって、１つの操縦翼面の命令経路に障害が発生した場合、もう一方の操縦翼面に対するコマンド命令経路が、障害のある経路にとって代わる。これに対して、ヘリコプタの場合は、軸１本当たり操縦翼面が１つしかなく、この操縦翼面を制御するだけで安全性を確保しなければならない。
また、固定翼航空機は本来ある程度の安定性を備えているため、障害発生後の再構成時に、操縦翼面制御システムがしばらく作動停止状態になっても差し支えない。これに対して、ヘリコプタは本来不安定であり、このため安定性をさらに低下させる危険を犯しても連続的な制御が必要である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
制御性能、特に安定性を向上させるには、制御モードで、パイロットからのコマンド命令のほか、姿勢や角速度など、ヘリコプタの状態に関する入力を統合するため、制御モードでは、非常に高い計算能力を必要とする。この場合、必要な計算能力は、デジタル・コンピュータを使用してはじめて得られる。しかし、デジタル・コンピュータは、様々な理由（ハードウェアの不具合、ソフトウェアのエラー、電離放射線に対する過敏反応）により障害を起こすことがある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような障害を回避するには、各経路について異種のコンピュータを使用するのも一法である。上記のような問題に対しては、特にアナログ技術が有効である。ただし、アナログ・コンピュータの計算能力は低く、比較的効率が低い制御モードしか扱えないため、用途を制限する必要があり、作業の確実性からみて、高度な計算能力を必要とする制御モードが生じる可能性が低い場合に限り、アナログ・コンピュータを使用して差し支えない。
【０００９】
本発明の目的は、以上の問題点を解決することである。本発明は、構造が単純かつ低コストで、上記の要件、特に安定性に関する要件を満たす、航空機、特にヘリコプタ用の操縦装置に関する。
【００１０】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、複数の情報、特に前記航空機の飛行制御ユニットの位置を受信し、この情報にしたがって航空機の制御ユニットに命令を伝送する型式の前記航空機用操縦装置は、以下のシステムを備えている点で注目に値する。
それぞれ前記制御ユニットに一組の第１のコマンド命令を生成し、少なくとも内１つのシステムが自動監視を行い、対応する監視信号を生成するｎ基（複数）の命令生成システム
それぞれ以下の機能を果たすｐ基（複数）のサーボ制御システム
・ 前記各ｎ基の命令生成システムがそれぞれ生成した情報、すなわち第１の命令および該当する場合、監視信号を受信する。
・ 前記命令生成システムのいずれかが送信した情報を選択する。
・ このようにして選択した情報から第２の命令を明らかにする。
ｐ基のサーボ制御システムのうち少なくとも一部が判断した第２の命令は、コマンド命令として航空機の制御ユニットに伝達される。
【００１１】
したがって、本発明、特に命令生成のｎ重冗長および処理のｐ重冗長によれば、ｎおよびｐの値の好ましい範囲を３から６として、あらゆる作業条件において障害に対する耐性を備えた、特に信頼性が高い装置が得られる。
【００１２】
以下詳細に明らかにするように、上記の目的を達成するための手段は、技術的、組織的、方法論的、かつアルゴリズム的手段であり、このような手段により安全性を必要なだけ向上させることができる。
【００１３】
また、上記装置は、比較的低コストで簡単に実現することができる。
【００１４】
各サーボ制御システムは、必要な場合には生成された監視信号を考慮に入れ、所定の命令生成システム相対優先順位で情報を選択することが好ましい。また、前記サーボ制御システムは、並行作動し、前記システムが発する命令は、付加的なものである。
【００１５】
自動監視を実行できる前記各命令生成システムは、独立した２つの処理チャンネルをさらに備えていると有利であり、自動監視は、前記各処理チャンネルが受けた結果を比較して実行される。
【００１６】
特に好ましい実施の形態では、処理の信頼性および安全性をさらに高めるために、前記サーボ制御システムの少なくとも１つが自動監視を実行する。
【００１７】
さらに、本発明によれば、命令生成システムおよびサーボ制御システムには、以下のような型式がある。
即ち、−アナログ式、またはデジタル式、または一部アナログ式と一部デジタル式である。
【００１８】
特に極端な状況においては、後者の解決法が有利であることに留意されたい。上記のいずれかの型式の計算手段がすべて不具合になった場合、例えば、前記デジタル手段の一般ソフトウェア障害に続いてデジタル計算手段がすべて不具合になった場合、本発明の装置は、もう一方の型式の計算手段、すなわちこの場合はアナログ手段を利用して動作を継続する。
【００１９】
さらに、本発明によれば、命令生成システムとサーボ制御システムの間の情報伝達は、電気的接続を利用するアナログ領域、あるいは電気的または光学的接続を利用するデジタル領域において行われる（光学的接続の場合、光ファイバを基本とする）。
【００２０】
また、好適な実施の形態においては、前記命令生成システムのうち少なくとも１つが、ｋ基の部分システムおよびこの部分システムと関連するボータを少なくとも１つ備え、前記部分システムが生成した情報に基づいてサーボ制御システムに送信する情報を決定する。
【００２１】
この場合、部分システムの数ｋは、サーボ制御システムの数ｐに等しいことが好ましい。前記部分システムは、それぞれボータを備え、このボータは各サーボ制御システムに接続されている。
【００２２】
添付の図面には、本発明の実施方法が明示されている。図中、同じ参照番号は、同じ品目を表す。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１〜図４は、同じ一般原理に基づく操縦装置ＤＣＶの４つの異なる実施の形態を示す図である。
前記操縦装置ＤＣＶ（好ましくは電気式装置）は、図示していないヘリコプタに特に適用するが、ヘリコプタに限定されるものではない。ヘリコプタのピッチおよびロールの制御、ならびに垂直制御は、固定プレートの位置を制御する３つのアクチュエータによって行われ、この位置はロータとともに回転するプレートに伝達され、各ブレードのピッチの変動がリンクを介して伝達される。したがって、各アクチュエータは、３つの軸それぞれを制御する。左右方向の安定制御は、テール・ロータ・ブレードのピッチを制御するアクチュエータ１基が同様に行う。したがって、前記４つのアクチュエータによる制御の効率低下は、どうしても避ける必要がある。
【００２４】
本発明の目的は、１人または複数のパイロットが特に操縦桿および踏棒に与えたコマンド命令を電気的に処理、管理して、ジャイロ、加速度計、または姿勢測定装置が、航空機の制御ユニットＯＰに伝達されるコマンド命令を安全かつ確実に生成できるようにすることである。より厳密にいえば、コマンド命令は、航空機の操縦翼面のサーボ制御ユニットに伝達されるか、前記サーボ制御ユニットの駆動モータに伝達される。
【００２５】
このために、本発明によれば、図１に示すように、操縦装置ＤＣＶは、例えば、以下のようなシステムを備えている。
サーボ制御ユニットの位置コマンド命令または軸コマンド命令を生成するｎ基（複数）のシステムＡ１からＡｎ。好ましくは、ｎが３から６の範囲にある前記ｎ基のシステムＡ１からＡｎは、それぞれ前記制御ユニットＯＰの１組の第１のコマンド命令、したがって、複数の軸または複数のサーボ制御ユニットに対応する１組の第１のコマンド命令を生成する。さらに、前記システムＡ１からＡｎの少なくとも一部は、自動監視を行い、そのために、監視信号、すなわち確認信号、または整合性チェック信号、あるいはその両方を生成する。
やはり、ｐが３から６の範囲にあることが好ましいｐ基（複数）のサーボ制御システムＢ１からＢｐ。前記サーボ制御システムＢ１からＢｐは、第１の命令、および該当する場合、リンクＬ１からＬｎを介してシステムＡ１からＡｎが生成する監視信号を受信し、第２の命令を明らかにして、リンクＦ１からＦｐを介して制御ユニットＯＰに第２の命令を伝達する。
【００２６】
図１に示すように、前記リンクＬ１からＬｎは、それぞれ前記各サーボ制御システムＢ１からＢｐに接続されている。リンクは、電気リンクまたは光学リンクであり（すなわち、後者の場合は光ファイバ）、伝達される情報は、アナログ情報またはデジタル情報である。
【００２７】
本発明によれば、前記サーボ制御システムＢ１からＢｐはそれぞれ以下のような手段を備えている。
前記リンクＬ１からＬｎすべてに接続され、前記システムＡ１からＡｎまでの１つが伝達する情報（第１の命令および該当する場合監視信号）を選択し、この情報をＥ１からＥｐまでの各リンクを介してＣ１からＣｐまでの各計算手段に送信するセレクタ手段Ｓ１からＳｐ。情報の選択は、あらかじめ規定した、命令生成システムＡ１からＡｎの相対優先順位にしたがい、かつ必要な場合に生成される監視信号を考慮して行われる。
各リンクＦ１からＦｐを介して航空機の制御ユニットＯＰに伝達する第２の命令を、セレクタ手段Ｓ１からＳｐが伝達した第１の命令から判断する前記計算手段C１からＣｐ。
【００２８】
特に好適な実施の形態においては、前記サーボ制御システムＢ１からＢｐのうち少なくとも１つが、自動監視を行う。
【００２９】
さらに、本発明によれば、操縦装置ＤＣＶは、以下のような原理のいずれか一方または両方に基づいている。
少なくとも第１の命令生成システムは、有効状態にある有効性信号、および該当する場合、整合状態の整合性チェック信号と関連して、誤りのある第１の命令が生成される可能性が極力低くなるように設計する。および／または
採用したアーキテクチャにより、ｎ基の命令生成システムＡ１からＡｎおよびｐ基のサーボ制御システムＢ１からＢｐに導入される可能性がある設計、実施、または技術の部分的あるいは全体的非対称性。
【００３０】
命令生成システムすべてが自動監視を行うことが好ましい。
【００３１】
したがって、本発明によれば、以下を基本とする再構成管理スキームが得られる。
監視信号によりセレクタ手段Ｓ１からＳｐに伝達される、各システムＡ１からＡｎまでの自動監視情報、
システムＡ１からＡｎまでがデジタル方式である場合にシステムＡ１からＡｎで実行される論理、および
セレクタ手段Ｓ１からＳｐが実行する前記選択プロセス。
【００３２】
この再構成管理スキームおよび関連論理により、機能レベルが最も高い命令生成システムを選択することができる。例えば、安全性を損ねることはないが、前記デジタル・システムに影響を与える劣化を起こすデジタル・システムの場合、各デジタル・システムは、以下の項目の両方に応じて有効性を確立する。
優先リスト内の順位、
所定の劣化リストに対応する配列関係でにおける、その他のシステムの劣化に対する相対劣化。
【００３３】
したがって、例えば、デジタル・システムが２つある場合、優先順位が高い方のデジタル命令生成システムの機能が低下し、もう一方のシステムが公称状態にあると、前記優先順位が高い方の命令生成システムは一時的に無効になる。第２のデジタル・システムが無効になる障害が発生した場合、前記第１のシステムの有効性が有効状態に再設定され、再び前記第１のシステムが選択される。
【００３４】
図２に示した第２の実施の形態では、ヘリコプタに適用される操縦装置ＤＣＶが４つの命令生成システムＡ１からＡ４と、４つのサーボ制御システムＢ１からＢ４とを備えている。
【００３５】
この場合、前記システムＡ１からＡ４は、それぞれ二重システムである。本発明の場合、二重システムは、冗長処理チャンネルが生成する命令を監視するとともに、前記システム内部の処理チャンネル間に不整合が発生すると、それにしたがって１つまたは複数の有効性信号を設定する装置を備えたシステムである。
【００３６】
この場合、前記システムＡ１からＡ４の二重性は、誤った命令を送出する可能性が極めて低い自動監視を保証し、有効性あるいは整合性制御信号の整合性を低下させることがない。
【００３７】
さらに、前記各システムＡ１からＡ４は、ヘリコプタの４つのサーボ制御ユニットそれぞれに対する命令に対応する第１の命令を生成する。この場合、前記各サーボ制御ユニットには、４つのシステムＢ１からＢ４が生成した第２の命令をそれぞれ受けた４つのモータから命令が出され、これらのモータから出された力がその位置を機械的手段によって前記サーボ制御ユニットへ直接及ぼすと考えられる。
【００３８】
図２の実施の形態では、システムＡ１およびＡ２が、デジタル・システム、またシステムＡ３およびＡ４が、アナログ・システムになっている。
【００３９】
デジタル・システムＡ１およびＡ２は、それぞれ精緻な制御法則を実行する。この目的で、各デジタル・システムは、以下のような２つの処理チャンネルを備えている。
一方のチャンネルは、前記第１の命令、すなわち、サーボ制御ユニットに関連するコマンド命令を実行する。
もう一方のチャンネルは、後述する第１の処理チャンネルが生成する第１の命令との整合性をサーボ制御システムが確認できるようにする整合性信号を生成する。
【００４０】
さらに、前記各システムＡ１およびＡ２は、２つの確認信号を生成する。各処理チャンネルは、共通のリアル・タイム・クロックで同期させたプロセッサ上で処理を行い、各処理チャンネルが、信号を直接供給する専用操縦桿センサと関連がある。
【００４１】
また、制御入力を処理するほか、アナログ・システムＡ３およびＡ４は、ピッチおよびロール軸周りの安定性を高める。システムＡ３およびＡ４は、デジタル・システムＡ１およびＡ２の場合と同型の信号を生成する処理チャンネルをそれぞれ２つ備えている。各処理チャンネルは、各処理チャンネルが信号を直接供給する（ポテンショメータ型）専用操縦桿センサと関連し、さらに、ピッチ軸とロール軸にジャイロ・センサを備えている。さらに、２つのアナログ・システムＡ３およびＡ４は、電離放射線に耐える設計になっている。
【００４２】
公称動作において、システムＢ１およびＢ４は、命令生成システムＡ１の選択を優先し、最初の障害の場合にはシステムＡ２を、次に最初の２回の障害の場合にはシステムＡ３を、最後に最初の３回の障害の場合にはシステムＡ４を選択する。
【００４３】
したがって、前記のアーキテクチャは、システムＡ１からＡ４のうち最高３つのシステムに影響を与える障害が複合的に発生しても正常に機能する。
【００４４】
さらに、デジタル命令生成システムＡ１およびＡ２と、アナログ命令生成システムＡ３およびＡ４との間の完全非対称を特徴とする前記のアーキテクチャは、一般的な障害モード、例えばデジタル・システムＡ１およびＡ２の障害モード、特にソフトウェアの障害モードが発生しても正常に機能する。
【００４５】
２つのデジタル・システムＡ１およびＡ２が連続して損傷し、両システムとも無効になった場合、あるいは一般的な障害モード、例えばソフトウェアの障害が発生して、両システムとも無効になった場合、最も優先順位が高いアナログ命令生成システムが選択される。
【００４６】
さらに、前記デジタル・システムの一方の有効性を再確立する間にデジタル命令生成機能が一時的に低下すると、サーボ制御システムＢ１からＢ４による再確認ののち、後者が再度選択される。
【００４７】
また、障害を検出できるようにするため、サーボ制御システムＢ１からＢ４は、二重型になっている。サーボ制御システムＢ１からＢ４は、アナログ技術を利用し、以下のような設計になっている。
−障害がないと、前記システムの平均値に対応する第２の命令が生成される。
−システムが障害を検出すると、障害が排除される。
−自動検出されない障害が発生した場合、障害がないシステムが、障害の影響を受けるシステムの機能を引き継ぐ。
【００４８】
したがって、上記のアークテクチャは、サーボ制御システムの３つの検出障害が発生したり、またはこのシステムの非自動検出障害１つと検出障害１つが複合的に発生しても、正常に機能する。
【００４９】
本発明においては、操縦装置ＤＣＶの実施は、一般に以下の面で変化することがあることに留意されたい。
命令生成システムＡ１からＡｎとサーボ制御システムＢ１からＢｐとの間のプロトコルの特性、
命令生成システムＡ１からＡｎ相互の非対称度、
自動監視機能がない命令生成システムまたは低レベルの自動監視機能を備えた命令生成システムの少なくとも１つの使用の有無。自動監視機能を備えていないシステムは、シンプレックス型システムであり、システム的には有効であると考えられ、優先するシステムが障害を起こした場合に限り使用される。
自動監視機能がないサーボ制御システムＢ１からＢｐの使用の有無。数ｐが十分に大きい場合、自動監視機能がないサーボ制御システムＢ１からＢｐを使用することができるが、操縦装置ＤＣＶは、サーボ制御システムＢ１からＢｐに影響を与える、ｐ／２未満の数の障害に限りサポートする。
【００５０】
図３および図４に示すように、別の実施の形態では、システムＡ１からＡｎのうち少なくとも１つのシステムＡｎが、同時作動する部分システムａ１からａｋを備えている。
【００５１】
図３に示した実施の形態では、前記システムＡｎが、さらに前記ｋ基の部分システムａ１からａｋ、および前記部分システムａ１からａｋにリンクｅ１からｅｋによりそれぞれ接続されたボータＶを備えている。
【００５２】
前記ボータＶは、システムＢ１からＢｐにリンクＬｎで伝達する情報を、前記部分システムａ１ないしａｋから受信した情報により、以下の原則にしたがって判断する。
ボータＶの入力値が、ある限度内の同じ値である場合、前記ボータの出力値は、前記入力値の線形結合となる。
入力値が、限度内の入力値の平均よりも大きい値から外れている場合、この入力値は削除される。
【００５３】
図４に示した実施の形態では、システムＡｎが、同時作動するｐ基の部分システムａ１からａｐを備え、前記部分システムａ１からａｐがそれぞれボータＶ１からＶｐを備え、前記ボータＶ１からＶｐは、リンクＬｎ１からＬｎｐを介して前記サーボ制御システムＢ１からＢｐにそれぞれ接続されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態を構成する操縦装置のブロック線図である。
【図２】 本発明の他の実施の形態を構成する操縦装置のブロック線図である。
【図３】 本発明の更に他の実施の形態を構成する操縦装置のブロック線図である。
【図４】 本発明の更にまた他の実施の形態を構成する操縦装置のブロック線図である。
【符号の説明】
ＤＣＶ 操縦装置、Ａ１〜Ａｎ 命令生成システム、Ｂ１〜Ｂｐ サーボ制御システム、Ｓ１〜Ｓｎ セレクタ手段、ＯＰ 制御ユニット、ａ１〜ａｋ 部分システム、Ｖ ボータ。

Claims (13)

1. 航空機用の操縦装置であって、
   制御ユニットＯＰと、
   ｎ基（複数）の命令生成システムであって、
   前記命令生成システムのそれぞれが、前記制御ユニットＯＰに第１のコマンド命令を生成し、
   前記命令生成システムのそれぞれが、独立した処理チャンネルまたは部分システムを含み、
   前記命令生成システムのそれぞれが自動監視を行い、対応する監視信号を生成し、
   前記命令生成システムのそれぞれが、相対優先順位を与えられる
   ｎ基（複数）の命令生成システムと、
   ｐ基（複数）のサーボ制御システムであって、
   前記サーボ制御システムのそれぞれが前記命令生成システムのそれぞれに結合されて、それによって、前記サーボ制御システムのそれぞれが前記命令システムのそれぞれから１つの前記第１のコマンド命令を受信し、
   前記サーボ制御システムのそれぞれが、飛行制御ユニットの固有の位置を特定する情報を受信し、
   前記サーボ制御システムのそれぞれが、前記情報に基づいて、第２のコマンド命令を前記制御ユニットＯＰに伝達し、
   前記サーボ制御システムのそれぞれが、
   前記命令生成システムのそれぞれからの１つの前記第１の命令を受信するセレクタ手段であって、前記セレクタ手段は、前記命令生成システムの相対優先順位にしたがい、前記第１の命令のうち１つを選択するセレクタ手段と、
   前記セレクタ手段に結合された計算手段であって、前記計算手段は、前記セレクタ手段によって選択された前記第１のコマンド命令と、前記監視信号とに基づいて、１つの前記第２のコマンド命令を生成する、計算手段と
   を備える、ｐ基（複数）のサーボ制御システムと
   を備える操縦装置。
2. 前記サーボ制御システムが並行作動し、前記システムから生成する前記命令が統合されることを特徴とする請求項１に記載の操縦装置。
3. 自動監視を行うようになっている前記命令生成システムが、それぞれ２つの独立した処理チャンネルを備え、前記各処理チャンネルごとに得られら結果を比較して、前記自動監視を行うことを特徴とする請求項１に記載の操縦装置。
4. 前記サーボ制御システムのうち少なくとも１つが、自動監視を行い、障害を起こしたことが判明したシステムを自動的に使用禁止にすることを特徴とする請求項１に記載の操縦装置。
5. 前記命令生成システムのうち少なくとも１つが、デジタル・システムであることを特徴とする請求項１に記載の操縦装置。
6. 前記命令生成システムのうち少なくとも１つが、アナログ・システムであることを特徴とする請求項１に記載の操縦装置。
7. 前記サーボ制御システムのうち少なくとも１つが、アナログ・システムであることを特徴とする請求項１に記載の操縦装置。
8. 前記サーボ制御システムのうち少なくとも１つが、デジタル・システムであることを特徴とする請求項１に記載の操縦装置。
9. 前記命令生成システムと前記サーボ制御システムとの間で伝達される前記情報の少なくとも一部が、電気的リンクにより伝達されることを特徴とする請求項１に記載の操縦装置。
10. 前記命令生成システムと前記サーボ制御システムとの間で伝達される前記情報の少なくとも一部が、光学的リンクにより伝達されることを特徴とする、請求項１に記載の操縦装置。
11. 前記の数ｎおよびｐが、３から６の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の操縦装置。
12. 前記命令生成システムのうち少なくとも１つがｋ基の部分システムと、前記部分システムに関連し、前記サーボ制御システムにどの情報を伝達するのかを、前記部分システムが生成する情報に基づいて明らかにする少なくとも１つのボータとを備えることを特徴とする請求項１に記載の操縦装置。
13. 前記部分システムの数ｋが、前記サーボ制御システムの数ｐに等しく、前記各部分システムが、それぞれサーボ制御システムに接続されたボータを備えることを特徴とする請求項１２に記載の操縦装置。

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