JP4084215B2 - 無人ヘリコプタの制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は無人ヘリコプタの制御方法に関し、特に電波悪化時の制御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
無人ヘリコプタをリモコン用の送信機で操縦する場合、機体が電波の届く範囲を超えて飛行してしまった場合や妨害電波がある場合等に、機体側で受信不良が起こる。このような電波悪化の場合、機体の飛行制御ができなくなる前に機体を安全に着地させる必要がある。
【0003】
このような受信不良発生時の無人ヘリコプタの操縦装置が例えば特許文献1に記載されている。
【0004】
この特許文献1に記載された操縦方法においては、
▲1▼受信状態を判定し、その受信不良が所定時間継続したとき、飛行モードをホバリングモードに変更するとともに、モード変更前の飛行条件を記憶させ、
▲2▼ホバリング中に受信状態が回復した場合には、記憶したモード変更前の飛行条件に戻し、
▲3▼ホバリングモードが規定時間を越えたときは、自動降下モードに変更して飛行し、
▲4▼接地を判定したらエンジンをアイドル回転に低下させてこの状態を維持するものである。
【0005】
しかしながら、上記特許文献1に記載の受信不良時の操縦方法では、以下の問題点がある。
▲1▼着地後エンジンをアイドル回転に低下させるが停止させていない。このため、着地した機体に操縦者が近づいたときに、近づくことによって受信状態が回復した場合、送信機側の操縦指令状態によってはエンジン回転が急激に高回転となってメインロータが急に回転するおそれがある。
▲2▼自動降下モードに変更された後は、受信状態が回復しても送信機からの操縦操作ができない。すなわち、ホバリングモード中に受信状態が回復すればホバリング前の飛行モードに戻し操縦操作可能であるが、一旦自動降下モードに変更されると、この自動降下モードに固定されるため、機体が地面に近づいて受信状態が回復しても、良好な着地点への誘導や地面の凹凸状態等に対応して操縦操作ができないため、着地に失敗するおそれがある。
▲3▼自動ホバリング可能な場合にのみ適用可能であり、自動ホバリング運転ができない機体に対しては適用できない。すなわち、自動ホバリングを行うためには、GPSセンサ等の位置あるいは速度の測定装置が必要不可欠であり、このような測定装置が装備されていない機体には対応できない。また、例えばGPSセンサが装備されていたとしても、受信不良やセンサ異常等の場合には自動ホバリングができなくなって、この特許文献1の方法を適用することができない。
【0006】
【特許文献1】
特許第3326519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、送信機からの操縦信号の受信不良が発生したときに、機体の状態に応じて最適な方法で着地可能であって、受信状態が回復したときには直ちに送信機から操縦可能とし、自動ホバリング機能がない場合にも対応可能な無人ヘリコプタの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、地上側の送信機からの操縦信号を機体側の受信機で受信し、制御プログラムにしたがって該操縦信号及び機体の飛行状態を検出する複数のセンサからの検出信号に基づいて予め設定された運転モードにしたがって飛行制御を行う無人ヘリコプタの制御方法において、前記制御プログラムは、前記操縦信号の受信エラーの有無及び前記センサが機能しているかどうかをチェックするルーチンと、このチェック結果に応じて前記運転モードを選択するルーチンとを所定の時間間隔で繰り返し、前記操縦信号の受信エラーがある場合、GPSセンサが正常であるか否かをチェックし、このチェックによりGPSセンサが正常であると判別された場合は、前後方向左右方向の速度指令をともに0としてホバリング状態とした後に機体を下降させ、前記チェックによりGPSセンサが異常であると判別された場合には、ホバリング状態とすることなく機体を下降させることを特徴とする無人ヘリコプタの制御方法を提供する。
【0009】
この構成によれば、受信エラーがあるかどうかをチェックするとともに、エンジン回転センサ、姿勢センサ、方位センサ、GPSセンサ等の機体の飛行状態を検出する複数のセンサが機能しているかどうかをチェックし、チェック結果に応じて運転モードを選択して飛行制御するため、受信エラー時に、機能しているセンサ類を用いて最適な制御を行うことができる。また、このようなエラーチェックのルーチン及び運転モード選択のルーチンを常時繰り返すことにより、受信エラーが回復したときには、直ちに別の運転モードに切り替えられるため、送信機からの操縦操作が可能になる。
また、この構成によれば、受信エラー状態で、GPS制御によるホバリング運転及び自動降下運転のいずれも選択可能となるため、GPS制御機構が備わらない機体あるいは機能していない状態でも最適な方法で飛行制御できる。
【0014】
好ましい構成例では、受信エラーがある場合、前記所定時間経過後又はこの所定時間内に着地したときに、姿勢を中立位置に制御するとともにエンジンをアイドル運転とし、さらに所定時間経過したときにエンジンを停止することを特徴としている。
【0015】
この構成によれば、受信エラー判別後、所定時間経過したらエンジンをアイドル運転状態として受信エラー状態のままでの飛行を停止して着地させることができる。また、着地したときには無駄なエンジン回転を抑えることができる。
また、この構成によれば、着地できる十分な時間経過後にエンジンを停止することにより、着地した機体に近づいて受信エラーが回復しても、エンジンが停止しているため、送信機の操縦位置状態にかかわらずエンジンが急激に回転することを防止できる。
【0018】
【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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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)。
【0023】
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。
【0024】
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を左に傾けて左移動させ(g方向操作)又は右に傾けて右移動させる(h方向操作)。
【0025】
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、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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
図4は、入力信号処理部の動作を示すフローチャートである。各ステップでの動作は以下の通りである。
ステップB1:
受信機で受信した操縦指令の受信データを読み込む。
【0035】
ステップB2:
受信エラーの有無をチェックする。受信信号は、PWM信号のパルス幅が規定範囲内か否かを判別して信号をチェックする方式や指令信号とともにチェック用信号を送信し、受信側で指令信号に対応するチェック信号を作成して受信したチェック用信号と照合するCRC方式などにより、受信した信号が正規の指令信号か否かが判別される。
【0036】
ステップB3:
受信エラーがない場合、受信データを操縦データとしてメモリに格納する。
【0037】
ステップB4:
受信エラーフラグを0にセットする。err flg=0
【0038】
ステップB5:
受信エラーがある場合、規定時間以内か否かを判別する。規定時間は例えば1秒以下の短時間である。
【0039】
ステップB6:
受信エラーから規定時間以内のとき、受信エラー直前の受信データを操縦データとしてメモリに格納する。この後ステップB4に進み受信エラーフラグを0にセットする。
【0040】
ステップB7:
操縦信号の規定値を操縦データとしてセットする。この規定値は、地上から操縦できないときに最も安全に着地できるように飛行する操縦信号であり、例えば姿勢を水平中立として下降させる操縦指令とする。
【0041】
ステップB8:
時間経過及び機体の状態に応じて受信エラーフラグ(err flg)を立てる。受信エラー時間がt0秒(例えば数十秒)までの間は受信エラーフラグを1にセットする。このt0秒以内に着地したら受信エラーフラグを2とする。受信エラー時間がt0を越えてt1秒(例えばt0からさらに数十秒)までの間は受信エラーフラグを3とする。受信エラー時間がt1を越えたら受信エラーフラグを4にする。
【0042】
ステップB9:
エンジン回転センサ15(図2)が正常か否かを判別する。
【0043】
ステップB10:
エンジン回転センサが正常でエンジン回転制御が可能であることを示すためにエンジンフラグを1にセットする。engine flg=1
【0044】
ステップB11:
エンジン回転センサに異常があり、エンジン回転制御ができないことを示すためにエンジンフラグを0にセットする。engine flg=0
【0045】
ステップB12:
姿勢センサ12(図2)が正常か否かを判別する。
【0046】
ステップB13:
姿勢センサが正常で姿勢制御が可能であることを示すために姿勢フラグを1にセットする。attitude flg=1
【0047】
ステップB14:
姿勢センサに異常があり、姿勢制御ができないことを示すために姿勢フラグを0にセットする。attitude flg=0
【0048】
ステップB15:
方位センサ14(図2)が正常か否かを判別する。
【0049】
ステップB16:
方位センサが正常な場合に、GPSセンサ10が正常か否かを判別する。
【0050】
ステップB17:
GPSセンサが正常でGPS制御が可能であることを示すためにGPSフラグを1にセットする。GPS flg=1
【0051】
ステップB18:
方位センサ又はGPSセンサのいずれか一方が異常の場合にGPS制御ができないことを示すためにGPSフラグを0にセットする。GPS flg=0
【0052】
図5は、制御計算部の動作を示すフローチャートである。各ステップでの動作は以下の通りである。
【0053】
ステップC1:
姿勢センサ12(図2)を用いた姿勢制御を行うための姿勢制御スイッチがオンかオフかを判別する。オンであればステップC2に進み、オフであればステップC14に進む。
【0054】
ステップC2:
エンジンフラグ(engine flg)をチェックする。これはエンジン回転センサ15(図2)のチェック結果(図4ステップB10,B11)の判別を行うものである。エンジン回転センサが異常(engine flg=0)であればステップC14に進み、正常(engine flg=1)であればステップC3に進む。
【0055】
ステップC3:
姿勢フラグ(attitude flg)をチェックする。これは姿勢センサ12(図2)のチェック結果(図4のステップB13,B14)の判別を行うものである。姿勢センサが異常(attitude flg=0)であればステップC14に進み、正常(attitude flg=1)であればステップC4に進む。
【0056】
ステップC4:
エラーフラグ(err flg)をチェックする。これは受信エラーのチェック結果(図4のステップB4,B8)の判別を行うものである。受信エラーがない場合(err flg=0の場合)はステップC5に進み、受信エラーがある場合、すなわちerr flgが1〜4(図4ステップB8)の場合にはステップC9に進む。
【0057】
ステップC5:
GPSセンサ10(図2)を用いたGPS制御を行うためのGPS制御スイッチがオンかオフかを判別する。オンであればステップC6に進み、オフであればステップC8に進む。
【0058】
ステップC6:
GPS制御を行う場合(GPS制御スイッチオン)、GPSフラグをチェックする。これはGPS制御が可能か否かの判別結果(図4のステップB17,B18)を判別するものである。GPS制御可能(GPS flg=1)であればステップC7に進み、GPS制御ができない状態(GPS flg=0)であればステップC8に進む。
【0059】
ステップC7:
運転モードをGPS制御モードとして飛行制御を行う。このGPS制御モードは、エンジン回転センサの検出データを用いるエンジン回転制御、姿勢センサの検出データを用いる姿勢制御及びGPSセンサの検出データを用いるGPS制御を行うものである。
【0060】
ステップC8:
GPS制御スイッチがオフの場合又はGPSセンサが異常な場合の少なくともいずれかの場合のとき、運転モードを姿勢制御モードとして飛行制御を行う。この姿勢制御モードは、エンジン回転センサの検出データを用いるエンジン回転制御及び姿勢センサの検出データを用いる姿勢制御を行うものである。
ステップC4〜C8に示すように、受信エラーを判別し、受信エラーがない場合には、GPS制御が可能かどうかを判別し、判別結果に応じて運転モードが選択されるため、GPS制御が行われているかにかかわらず最適な制御ができる。すなわち、GPS制御が可能な場合は、自動的にGPS制御が行われる。また、受信不良から回復して受信エラーなしの状態となったときに、送信機の操縦操作により最適な方法で飛行制御できる。
【0061】
ステップC9:
受信エラーフラグが1であるかそれ以外かを判別する。err flg=1の場合にはステップC10に進み、受信エラーフラグ(err fl)が2,3又は4の場合には、ステップC13に進む。
【0062】
ステップC10:
受信エラー時間がt0秒に達する前のerr flg=1(図4ステップB8参照)のとき、さらにGPSフラグをチェックする。GPSセンサが正常(GPS flg=1)であれば、ステップC11に進み、GPSセンサが異常(GPS flg=0)であれば、ステップC12に進む。
【0063】
ステップC11:
運転モードを第1フェールセーフモードとして飛行制御を行う。この第1フェールセーフモードは、GPS装置が正常に機能しているため(GPS flg=1)、ホバリングが可能な運転モードである。この第1フェールセーフモードは、エンジン回転センサの検出データを用いるエンジン回転制御、姿勢センサの検出データを用いる姿勢制御及びGPSセンサの検出データを用いるGPS制御を行うものである。
【0064】
ステップC12:
運転モードを第2フェールセーフモードとして飛行制御を行う。この第2フェールセーフモードは、GPS装置の正常な機能が得られないため(GPS flg=0)、ホバリングができない運転モードである。この第2フェールセーフモードは、エンジン回転センサの検出データを用いるエンジン回転制御及び姿勢センサの検出データを用いる姿勢制御を行うものである。
【0065】
ステップC13:
受信エラーフラグ(err flg)を判別する。受信エラーフラグが2又は3であればステップC14に進み、4であればステップC15に進む。
【0066】
ステップC14:
制御なしの運転モードとする。この運転モードでは、機体は前後左右方向に中立状態とし、エンジンはアイドル回転とする。
【0067】
ステップC15:
エンジン停止モードである。エンジンの点火系をカットしてエンジンを停止する。
【0068】
図6は、第1フェールセーフモードのフローチャートである。
ステップD1:
目標エンジン回転数を定常運転時の基準目標エンジン回転数にセットする。この基準目標エンジン回転数は、通常の運転時にメインロータ負荷に対応して最大効率でエンジンを駆動するための一定のエンジン回転数であり、予め設定されている。
【0069】
ステップD2:
目標前後速度及び左右速度をともに0にする。すなわち、前後方向左右方向の速度指令をともに0としてホバリング状態とするためである。これはGPSセンサが正常であるため、GPSセンサを用いて速度制御が可能になり、飛行位置を停止させることができるためである。
【0070】
ステップD3:
受信エラー発生から規定時間(例えば数秒程度)以内か否かを判別する。規定時間までホバリングを続け、その後に下降させるためである。規定時間以内ならばステップD4に進み、規定時間を越えたらD5に進む。
【0071】
ステップD4:
規定時間に達するまでは、目標上下速度を0に設定してホバリングさせる。
【0072】
ステップD5:
規定時間を越えたら、目標上下速度を下向きにして下降させる。
【0073】
ステップD6:
上記ステップD1のエンジン回転数となるようにエンジン回転制御を行う。
【0074】
ステップD7:
前後左右方向に中立姿勢となるように姿勢制御を行う。
【0075】
ステップD8:
前記速度指令となるようにGPSセンサを用いてGPS制御を行う。
【0076】
図7は、第2フェールセーフモードのフローチャートである。第2フェールセーフモードではGPS機能が得られないため、速度制御によるホバリングができず、したがって、加速度制御により下降を行う。
【0077】
ステップE1:
目標エンジン回転数を予め設定した基準目標エンジン回転数とする。
【0078】
ステップE2:
目標前後姿勢角及び左右姿勢角をともに0にして中立姿勢とする。
【0079】
ステップE3:
受信エラー発生から規定時間(例えば数秒程度)以内か否かを判別する。規定時間以内ならばステップE4に進み、規定時間を越えたらE5に進む。
【0080】
ステップE4:
規定時間に達するまでは目標上下加速度を下向きにして下降させる。
【0081】
ステップE5:
規定時間に達したら、目標上下加速度を0にする。下向き加速度を続けると下降速度が大きくなりすぎるからである。
【0082】
ステップE6:
上記ステップE1のエンジン回転数となるようにエンジン回転制御を行う。
【0083】
ステップE7:
前後左右方向に中立姿勢となるように姿勢制御を行う。
【0084】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、受信エラーがあるかどうかをチェックするとともに、エンジン回転センサ、姿勢センサ、方位センサ、GPSセンサ等の機体の飛行状態を検出する複数のセンサが機能しているかどうかをチェックし、チェック結果に応じて運転モードを選択して飛行制御するため、受信エラー時に、機能しているセンサ類を用いて最適な制御を行うことができる。また、このようなエラーチェックのルーチン及び運転モード選択のルーチンを常時繰り返すことにより、受信エラーが回復したときには、直ちに別の運転モードに切り替えられるため、送信機からの操縦操作が可能になる。
【0086】
また、受信エラーがある場合、エラーチェック後所定時間の間、GPSセンサのチェック結果に基づいて前記運転モードを選択する構成によれば、受信エラー状態で、GPS制御によるホバリング運転及び自動降下運転のいずれも選択可能となるため、GPS制御機構が備わらない機体あるいは機能していない状態でも最適な方法で飛行制御できる。
【0087】
また、受信エラーがある場合、前記所定時間経過後又はこの所定時間内に着地したときに、姿勢を中立位置に制御するとともにエンジンをアイドル運転とする構成によれば、受信エラー判別後、所定時間経過したらエンジンをアイドル運転状態として受信エラー状態のままでの飛行を停止して着地させることができる。また、着地したときには無駄なエンジン回転を抑えることができる。
【0088】
また、前記所定時間経過後、さらに所定時間経過したときにエンジンを停止する構成によれば、着地できる十分な時間経過後にエンジンを停止することにより、着地した機体に近づいて受信エラーが回復しても、エンジンが停止しているため、送信機の操縦位置状態にかかわらずエンジンが急激に回転することを防止できる。
【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】 本発明に係る入力信号処理部の動作のフローチャート。
【図5】 本発明に係る制御計算部の動作のフローチャート。
【図6】 本発明に係る第1フェールセーフモードの動作のフローチャート。
【図7】 本発明に係る第2フェールセーフモードの動作のフローチャート。
【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 (2)
- 地上側の送信機からの操縦信号を機体側の受信機で受信し、制御プログラムにしたがって該操縦信号及び機体の飛行状態を検出する複数のセンサからの検出信号に基づいて予め設定された運転モードにしたがって飛行制御を行う無人ヘリコプタの制御方法において、
前記制御プログラムは、前記操縦信号の受信エラーの有無及び前記センサが機能しているかどうかをチェックするルーチンと、このチェック結果に応じて前記運転モードを選択するルーチンとを所定の時間間隔で繰り返し、
前記操縦信号の受信エラーがある場合、GPSセンサが正常であるか否かをチェックし、このチェックによりGPSセンサが正常であると判別された場合は、前後方向左右方向の速度指令をともに0としてホバリング状態とした後に機体を下降させ、前記チェックによりGPSセンサが異常であると判別された場合には、ホバリング状態とすることなく機体を下降させることを特徴とする無人ヘリコプタの制御方法。 - 受信エラーがある場合、前記所定時間経過後又はこの所定時間内に着地したときに、姿勢を中立位置に制御するとともにエンジンをアイドル運転とし、さらに所定時間経過したときにエンジンを停止することを特徴とする請求項1に記載の無人ヘリコプタの制御方法。
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