JP4084214B2

JP4084214B2 - 無人ヘリコプタのエンジン回転制御方法

Info

Publication number: JP4084214B2
Application number: JP2003061802A
Authority: JP
Inventors: 彰佐藤
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2023-03-07
Also published as: JP2004268715A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無人ヘリコプタのエンジン回転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の無人ヘリコプタとして、地上側のリモコン用の送信機から発信された操縦指令信号に応じて、複数のサーボモータ、すなわち機体の前後方向の飛行を制御するエレベータサーボモータ、左右方向の飛行を制御するエルロンサーボモータ、回転方向（方位）を制御するラダーサーボモータ、メインロータのピッチ角（ブレードの迎え角）を変えることにより機体を上昇又は下降させて高度を制御するコレクティブサーボモータ及びエンジンのスロットル開度を調整するスロットルサーボモータを駆動することにより指令条件に合せて飛行する無人ヘリコプタが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
これらの各サーボモータは、地上側から送信機を操作して駆動制御される。送信機には、各サーボモータを駆動操作する操作子として、エレベータ操作子、エンロン操作子、ラダー操作子が備わる。コレクティブサーボモータとスロットルサーボモータについては、共通の操作子（エンコン操作子）を用いて調整するものが知られている。これは、コレクティブサーボによりピッチ角を大きくして機体を上昇させようとするとメインロータの負荷が大きくなるので、これを補うためにスロットルサーボを開いてエンジン回転数を同時に上げるように同じエンコン操作子で同時にピッチ角とスロットル開度を増減するためである（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
このような無人ヘリコプタでは、機体の制御性や操縦特性を安定に維持し、負荷に対し最大効率でエンジンを駆動するために、常にメインロータの回転数が一定の回転数となるように一定の目標エンジン回転数を予め設定し、この目標エンジン回転数となるように、エンジンスロットル開度とメインロータのピッチ角を自動的に調整している。
【０００５】
しかしながら、このように一定のエンジン回転数での飛行中に突発的な風などによりメインロータに対する負荷が急激に増加すると、エンジンを目標エンジン回転数に維持する制御が追従できずエンジン回転数が低下し、これとともにメインロータの回転数が低下して機体が降下する場合がある。このとき、地上の操縦者は多くの場合、機体を上昇させるため、エンコン操作子のリモコン操作によりメインロータのピッチ角を急激に大きくする。これにより、負荷がさらに急激に増加してエンジン回転数がますます低下して機体が降下する。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３２８６９２９号公報
【特許文献２】
特開平７−２４６９９９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術を考慮したものであって、メインロータに対する急激な負荷増加が起こった場合、メインロータの急激な回転数低下を防止して機体の降下を防止した無人ヘリコプタのエンジン回転制御方法の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では、地上側の送信機の操作により、予め設定された一定の目標エンジン回転数で機体を飛行させる無人ヘリコプタのエンジン回転制御方法において、前記目標エンジン回転数として予め定めた基準目標エンジン回転数を有し、メインロータ負荷がある値以上になったときに、この基準目標エンジン回転数を所定のエンジン回転数だけ上昇させた目標エンジン回転数に変更し、その後メインロータ負荷がある値より下がったときに前記基準目標エンジン回転数に戻すことを特徴とする無人ヘリコプタのエンジン回転制御方法を提供する。
【０００９】
この構成によれば、メインロータ負荷に応じて目標エンジン回転数が変わるため、飛行中突発的にメインロータ負荷が増加したとき、直ちに目標エンジン回転数を高め、この新たな高い目標エンジン回転数に基づいてエンジンを駆動制御する。これにより、高く設定された新たな目標エンジン回転数からエンジン回転が低下したとしても、その前の目標エンジン回転数からの低下を極力抑えることができ、結果としてエンジン回転数の低下を抑え、メインロータの回転数を一定に維持して機体の降下を防止することができる。
特に、この構成によれば、メインロータ負荷がある値以上になったときに目標エンジン回転数を基準目標エンジン回転数からこれより高い目標エンジン回転数に変更し、メインロータ負荷が低下したら再び基準目標エンジン回転数に戻されるため、突発的な負荷の増加に備えて常に目標エンジン回転数を高めに設定しておく必要がなく、通常時は常に最適な低いエンジン回転数で飛行でき、効率よくエンジン駆動できるとともに、回転機構部分への荷重を軽減して機械部品の劣化を抑制できる。
【００１０】
また、本発明では、地上側の送信機の操作により、予め設定された一定の目標エンジン回転数で機体を飛行させる無人ヘリコプタのエンジン回転制御方法において、前記目標エンジン回転数として予め定めた基準目標エンジン回転数を有し、前記送信機のスロットル開度の操作子の操作位置が規定の位置を超えて高負荷側に移ると、この基準目標エンジン回転数を所定のエンジン回転数だけ上昇させた目標エンジン回転数に変更し、その後前記操作位置が基準位置以下になると、前記基準目標エンジン回転数に戻すことを特徴とする無人ヘリコプタのエンジン回転制御方法を提供する。
【００１１】
この構成によれば、エンジンのスロットル開度に対応したリモコン送信機の操作子の操作位置によりメインロータ負荷を判定し、操作子が所定の操作位置に達した時点で直ちに目標エンジン回転数が変更されるため、メインロータの回転数が低下する前に、目標エンジン回転数を上げることができ、機体の降下を防止できる。
特に、この構成によれば、送信機のスロットル開度の操作子の操作位置が規定の位置を超えて高負荷側に移ると、目標エンジン回転数を基準目標エンジン回転数からこれより高い目標エンジン回転数に変更し、メインロータ負荷が低下したら再び基準目標エンジン回転数に戻されるため、突発的な負荷の増加に備えて常に目標エンジン回転数を高めに設定しておく必要がなく、通常時は常に最適な低いエンジン回転数で飛行でき、効率よくエンジン駆動できるとともに、回転機構部分への荷重を軽減して機械部品の劣化を抑制できる。
【００１４】
さらに好ましい構成例では、目標エンジン回転数を下げる場合には、上げる場合に比べ、変化させる時間を長くすることを特徴としている。
【００１５】
この構成によれば、目標エンジン回転数を下げる場合に、変化時間を長くして徐々に回転数を低下させるため、急激な回転数の低下が防止され違和感がなくなり運転感覚が良好に維持される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る無人ヘリコプタの構成図である。
機体１は、メインロータ２及びラダーロータ３を有し、エンジン４及びその点火系５を搭載する。ラダーロータ３の近傍に受信アンテナ６が備わり、機体内の受信ボックス７内のプリント基板上に形成した受信機８に接続される。受信ボックス７内にはさらに別のプリント基板上に形成したコントローラ９が備わる。機体１の後部テール２７の下側にはＧＰＳセンサ１０が備わる。ＧＰＳセンサ１０は、ＧＰＳアンテナ１３で受信したＧＰＳ信号から位置を測定する。ＧＰＳセンサ１０の後端部に飛行中のＧＰＳの作動状態や受信状態を表示するＧＰＳ表示灯１１及び機体の異常を表示する警告灯２６が備わる。ＧＰＳ表示灯１１及び警告灯２６は、実際には左右に並列して配設されている。
【００１７】
機体後部のテール２７の上側の機体１には飛行前の機体の初期状態を表示するパネル表示部２５が備わる。機体１の重心付近にジャイロからなる姿勢センサ１２が備わる。１４は地磁気を検出する方位センサ、１５はエンジン回転センサである。
【００１８】
機体１内には、コントローラ９により駆動制御される５つのサーボモータ１６〜２０が備わる。１６は左エルロンサーボモータ、１７は右エルロンサーボモータ、１８はエレベータサーボモータ、１９はスロットルサーボモータ、２０はラダーサーボモータである。
【００１９】
２１は地上側の送信機を示す。送信機２１は、スティック形状の第１操作子２２と第２操作子２３とを備える。
【００２０】
第１操作子２２はエレベータ操作及びラダー操作用である。この第１操作子２２をａｂ方向に操作することによりエレベータサーボモータ１８が制御され、機首を下げて前進飛行（ａ方向操作）又は機首を上げて後進飛行（ｂ方向操作）する。第１操作子２２をｃｄ方向に操作することにより、ラダーサーボモータ２０を制御して、機体１前方に向かって左右方向の向きを調整し、機首を左（ｃ方向操作）又は右に振る（ｄ方向操作）。
【００２１】
第２操作子２３は、スロットル操作及びエルロン操作用であって、エンジン回転数及びメインロータ負荷を同時に調整するためのエンコン操作子である。この第２操作子２３をｅｆ方向に操作することにより、機体が水平姿勢のまま上昇（ｅ方向操作）又は下降（ｆ方向操作）する。すなわち、第２操作子２３のｅｆ方向の操作により、スロットルサーボモータ１９が制御され、エンジンスロットル開度が調整されるとともに、左右のエルロンサーボモータ１６，１７及びエレベータサーボモータ１８が同時に駆動される。これにより、機体が水平姿勢のまま上昇又は下降する。
【００２２】
第２操作子２３をｇｈ方向に操作することにより、左右のエルロンサーボモータ１６，１７が制御され、機体１を左に傾けて左旋回させ（ｇ方向操作）又は右に傾けて右旋回させる（ｈ方向操作）。
【００２３】
送信機２１には第２操作子（エンコン操作子）２３のｅｆ方向のエンコン操作位置を検出するためのエンコン位置センサ２４が備わる。このエンコン位置センサ２４は、後述のように、エンジンスロットル開度に対応するメインロータ負荷に応じて目標エンジン回転数を制御するためのものである。
【００２４】
図２は、本発明に係る無人ヘリコプタの制御系ブロック図である。また、図３は、コントローラによる制御演算処理のフローチャートである。
【００２５】
地上側の送信機２１の操作による操縦指令信号が機体側の受信機８で受信されコントローラ９に送られて信号処理される。コントローラ９は、内部の制御回路２８内で予め設定された制御プログラムにしたがって、図３に示すフローの演算処理を行う。
【００２６】
まず、運転状態のフラグ等を初期値にセットする（ステップＡ１）。続いて入力信号処理部２９で入力信号処理を行う（ステップＡ２）。これは、指令信号や各種センサの検出信号等の入力信号に基づいて受信状態が正常かどうか及び各種センサ類が正常かどうかをチェックするものである。
【００２７】
次にエンジン回転制御計算を行う（ステップＡ３）。これは、エンジン回転制御計算部３０で、送信機２１のエンコン操作子２３（図１）によるエンコンサーボ指令に基づいてスロットル開度を制御し所定のエンジン回転数で飛行するように制御するものである。
【００２８】
次に姿勢制御計算を行う（ステップＡ４）。これは姿勢制御計算部３１で、姿勢センサ１２からの信号に基づいて機体の前後及び左右方向の傾斜を制御するものである。
【００２９】
次にＧＰＳ制御計算を行う（ステップＡ５）。これはＧＰＳ制御計算部３２で、ＧＰＳセンサ１０からの信号に基づいて飛行位置及び飛行速度を制御するものである。
【００３０】
次にこれらの入力信号処理及び各制御計算処理を行った後、出力信号処理部３３から処理結果を出力する（ステップＡ６）。この出力信号により、エンジンの点火系を駆動して指令されたエンジン回転数に基づいてエンジンを駆動するとともに、各サーボモータ１６〜２０を駆動して方向や姿勢を制御する。
【００３１】
これらのステップＡ１〜Ａ６のルーチンは、飛行中例えば２０ｍｓ程度ごとに繰り返されてデータを更新しながら制御される。
【００３２】
図４は、本発明に係るエンジン回転制御計算を行う制御機構のブロック図である。この制御機構は上記図２のステップＡ３のエンジン回転制御計算を行う機構である。
【００３３】
送信機２１の第２操作子２３（図１）の操作によりエンコン操作され、その操作位置がエンコン位置センサ２４で検出される。このエンコン操作信号及びエンコン位置検出信号がエンコンサーボ指令信号及びエンコン操作位置信号として送信機２１から発信され機体側の受信機８で受信される。これらの受信信号は、制御回路２８内のエンジン回転制御計算部３０に入力される。エンジン回転制御計算部３０には、予めメモリに目標エンジン回転数の設定値が格納されている。エンジン回転数制御計算部３０は、この目標エンジン回転数と、エンジン回転センサ１５で検出した実際のエンジン回転数とを比較し、その差に基づくＰＩ制御の出力値をエンコンサーボ指令値にフィードバックしてエンコンサーボ指令値（目標エンジン回転数）のエンジン回転数となるようにスロットルサーボモータ１９を駆動する。
【００３４】
本実施形態では、通常の飛行状態、すなわちエンコン操作位置が、規定のスロットル開度以下の位置の場合には、予め設定された基準目標値となる基準目標エンジン回転数に基づいてエンジン回転数が制御される。この通常の飛行状態からエンコン操作子が規定の位置を超えて高負荷側に移ると、基準目標値に一定の値を付加して上昇目標エンジン回転数を設定し、この上昇した目標エンジン回転数に基づいてスロットルサーボモータを駆動制御する。
【００３５】
すなわち、目標エンジン回転数Ｒは、予め設定した基準目標エンジン回転数をＲ０とし、上昇させるエンジン回転数をΔＲとして、
Ｒ＝Ｒ０＋ΔＲ
で表される。
通常運転時はΔＲ＝０であり、したがって、目標エンジン回転数Ｒは、
Ｒ＝Ｒ０
である。
負荷が増加したとき、ΔＲ＝Ｒ１（Ｒ１は予め定めた上昇させるべきエンジン回転数）として
Ｒ＝Ｒ０＋Ｒ１
とする。
【００３６】
あるいは、エンジン回転制御計算部３０のメモリに、目標エンジン回転数として予め基準目標値とこれより高い上昇目標値の設定データを格納しておいてもよい。エンコン操作位置に応じて、基準目標値のデータと上昇目標値のデータを選択して目標エンジン回転数とし、そのエンジン回転数となるようにスロットルやピッチ角を制御してもよい。
【００３７】
図５は、本発明に係るエンジン回転制御におけるエンコン操作子とエンジン回転数との関係を示す説明図である。横軸は時間であり、縦軸は、（Ａ）はエンコン操作子の位置、（Ｂ）は目標エンジン回転数Ｒを示す。
【００３８】
（Ａ）に示すように、ａ部のエンコン操作子の位置が基準位置Ｋ（点線）より小さい場合（スロットル低開度側の場合）には、（Ｂ）に示すように、目標エンジン回転数Ｒを予め設定してある基準目標エンジン回転数Ｒ０として（すなわちＲ＝Ｒ０として）エンジンを駆動制御する。ｂ部のようにエンコン操作子の位置が基準位置を越えると目標エンジン回転数Ｒを上昇量ΔＲ＝Ｒ１だけ上昇させて上昇した目標エンジン回転数Ｒが設定される（すなわち、上昇した目標エンジン回転数Ｒ＝Ｒ０＋Ｒ１）。ｃ部のように、再びエンコン操作子の位置が基準位置以下になると、再び目標エンジン回転数が基準目標値Ｒ０になる（すなわちＲ＝Ｒ０）。
【００３９】
この場合、目標エンジン回転数の立上がり（ａ部からｂ部への移行時ｔ１）は急峻で、立下り（ｂ部からｃ部への移行時ｔ２）は緩やかとなるように変化させる。
【００４０】
これにより、スロットルが高開度側に移行したときに、直ちに目標エンジン回転数を基準目標値Ｒ０から高めて新たな高い目標エンジン回転数に基づいてエンジンを駆動制御することにより、高く設定された新たな目標エンジン回転数からエンジン回転が低下したとしても、その前の目標エンジン回転数（基準目標エンジン回転数）からの低下を極力抑えることができ、結果としてエンジン回転数の低下を抑え、メインロータの回転数を一定に維持して機体の降下を防止することができる。
【００４１】
また、目標エンジン回転数を下げる場合に、変化時間を長くして徐々に回転数を低下させるため、急激な回転数の低下が防止され違和感がなくなり運転感覚が良好に維持される。
【００４２】
図６は、本発明に係るエンジン回転制御方法のフローチャートである。
ステップＳ１で、エンコン位置センサから送信されたエンコン操作位置の検出データを読み込む。ステップＳ２で、エンコン操作位置が規定値Ｋ（図５）より小さいかどうかを判別する。
【００４３】
エンコン操作位置が規定値より小さい場合、上昇量ΔＲ＝０として、目標エンジン回転数Ｒを基準目標値Ｒ０のまま運転する（ステップＳ３）。エンコン操作位置が規定値を越えた場合、上昇量ΔＲ＝Ｒ１として高い目標エンジン回転数でエンジンを駆動する（ステップＳ４）。
【００４４】
目標エンジン回転数を変化させるときの変化時間について、ステップＳ５に示すように、一次遅れフィルタの演算式において、目標エンジン回転数Ｒの立上がり位置（図５の時間ｔ１）では時定数Ｔを小さくし、立下り位置（図５の時間ｔ２）では時定数Ｔを大きくする。これにより、目標エンジン回転数の上昇変化をすばやくし、下降変化をゆっくりさせることができる。Ｓはラプラス演算子である。
【００４５】
このように変化の遅れ時間を設定し（ステップＳ５）、目標エンジン回転数Ｒを演算して（ステップＳ６）、これに基づいてエンジンを駆動する（ステップＳ７）。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、メインロータ負荷に応じて目標エンジン回転数が変わるため、飛行中突発的にメインロータ負荷が増加したとき、直ちに目標エンジン回転数を高め、この新たな高い目標エンジン回転数に基づいてエンジンを駆動制御する。これにより、高く設定された新たな目標エンジン回転数からエンジン回転が低下したとしても、その前の目標エンジン回転数からの低下を極力抑えることができ、結果としてエンジン回転数の低下を抑え、メインロータの回転数を一定に維持して機体の降下を防止することができる。
【００４７】
また、前記送信機のスロットル開度の操作子の操作位置に基づいて前記目標エンジン回転数を変える構成によれば、エンジンのスロットル開度に対応したリモコン送信機の操作子の操作位置によりメインロータ負荷を判定し、操作子が所定の操作位置に達した時点で直ちに目標エンジン回転数が変更されるため、メインロータの回転数が低下する前に、目標エンジン回転数を上げることができ、機体の降下を防止できる。
【００４８】
また、前記目標エンジン回転数として予め定めた基準目標エンジン回転数を有し、メインロータ負荷がある値以上になったときに、この基準目標エンジン回転数を所定のエンジン回転数だけ上昇させた目標エンジン回転数に変更し、その後メインロータ負荷がある値より下がったときに前記基準目標エンジン回転数に戻す構成によれば、メインロータ負荷がある値以上になったときに目標エンジン回転数を基準目標エンジン回転数からこれより高い目標エンジン回転数に変更し、メインロータ負荷が低下したら再び基準目標エンジン回転数に戻されるため、突発的な負荷の増加に備えて常に目標エンジン回転数を高めに設定しておく必要がなく、通常時は常に最適な低いエンジン回転数で飛行でき、効率よくエンジン駆動できるとともに、回転機構部分への荷重を軽減して機械部品の劣化を抑制できる。
【００４９】
さらに、目標エンジン回転数を下げる場合には、上げる場合に比べ、変化させる時間を長くする構成によれば、目標エンジン回転数を下げる場合に、変化時間を長くして徐々に回転数を低下させるため、急激な回転数の低下が防止され違和感がなくなり運転感覚が良好に維持される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る無人ヘリコプタの構成図。
【図２】本発明に係る無人ヘリコプタの制御系ブロック図。
【図３】コントローラによる制御演算処理のフローチャート。
【図４】本発明に係るエンジン回転制御計算を行う制御機構のブロック図。
【図５】本発明に係るエンジン回転制御におけるエンコン操作子とエンジン回転数との関係を示す説明図。
【図６】本発明に係るエンジン回転制御方法のフローチャート。
【符号の説明】
１：機体、２：メインロータ、３：ラダー、４：エンジン、５：点火系、
６：受信アンテナ、７：受信ボックス、８：受信機、９：コントローラ、
１０：ＧＰＳセンサ、１１：ＧＰＳ表示灯、１２：姿勢センサ、
１３：ＧＰＳアンテナ、１４：方位センサ、１５：エンジン回転センサ、
１６：右エルロンサーボモータ、１７：左エルロンサーボモータ、
１８：エレベーションサーボモータ、１９：エンコンサーボモータ、
２０：ラダーサーボモータ、２１：送信機、２２：第１操作子、
２３：第２操作子、２４：操作位置センサ、２５：パネル表示部、
２６：警告灯、２７：テール、２８：制御回路。

Claims

地上側の送信機の操作により、予め設定された一定の目標エンジン回転数で機体を飛行させる無人ヘリコプタのエンジン回転制御方法において、前記目標エンジン回転数として予め定めた基準目標エンジン回転数を有し、メインロータ負荷がある値以上になったときに、この基準目標エンジン回転数を所定のエンジン回転数だけ上昇させた目標エンジン回転数に変更し、その後メインロータ負荷がある値より下がったときに前記基準目標エンジン回転数に戻すことを特徴とする無人ヘリコプタのエンジン回転制御方法。
地上側の送信機の操作により、予め設定された一定の目標エンジン回転数で機体を飛行させる無人ヘリコプタのエンジン回転制御方法において、前記目標エンジン回転数として予め定めた基準目標エンジン回転数を有し、前記送信機のスロットル開度の操作子の操作位置が規定の位置を超えて高負荷側に移ると、この基準目標エンジン回転数を所定のエンジン回転数だけ上昇させた目標エンジン回転数に変更し、その後前記操作位置が基準位置以下になると、前記基準目標エンジン回転数に戻すことを特徴とする無人ヘリコプタのエンジン回転制御方法。
目標エンジン回転数を下げる場合には、上げる場合に比べ、変化させる時間を長くすることを特徴とする請求項１又は２に記載の無人ヘリコプタのエンジン回転制御方法。