JP4130598B2

JP4130598B2 - 無人ヘリコプタのｇｐｓ制御方法

Info

Publication number: JP4130598B2
Application number: JP2003062526A
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: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2023-03-07
Also published as: JP2004268737A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無人ヘリコプタのＧＰＳ制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無人ヘリコプタを飛行させる場合、ＧＰＳの位置データを用いた速度制御が行われる（例えば特許文献１参照）。この場合、ＧＰＳセンサの受信状態が急に悪化することがある。このとき速度制御を急に停止すると、飛行状況によっては機体の速度が急増化する場合があり、また、受信悪化直前の速度のまま制御不可状態で飛行し、帰還できなくなるおそれがある。
【０００３】
また、単純に速度制御を停止して姿勢制御のみで飛行制御した場合、特に送信機のスティック操作子に連動して制御する場合には、姿勢制御に切り換わった瞬間に大きな姿勢目標がでるため、急激な加速が伴い、安定した飛行操縦ができなくなる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１９８５４号公報
【０００５】
【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、飛行中にＧＰＳセンサの受信不良があった場合に、急加速等を伴うことなく安全に安定した状態で飛行を続行して停止させることができる無人ヘリコプタのＧＰＳ制御方法の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目標を達成するため、本発明では、制御プログラムを用いて速度制御を行う無人ヘリコプタのＧＰＳ制御方法において、前記制御プログラムは、飛行速度を計算する計算ステップと、この計算ステップによる計算結果を記憶する記憶ステップと、ＧＰＳ制御が可能か否かを判別する判別ステップと、前記ＧＰＳ制御ができなくなったときに、前記計算ステップで計算した前記ＧＰＳ制御ができなくなる直前の飛行速度から、この飛行速度を打ち消す操舵量を計算する打消操舵量計算ステップと、この打消操舵量計算ステップにより計算された前記操舵量に基づいて飛行制御する制御ステップとを有することを特徴とする無人ヘリコプタのＧＰＳ制御方法を提供する。
【０００７】
この構成によれば、制御プログラムにしたがって飛行中常に一連のプログラム実行のシーケンスルーチンごとにＧＰＳ信号に基づいて飛行速度を計算し、これをメモリに格納しておく。ＧＰＳの受信不良が起きたときに、直前のプログラム制御の実行中にメモリに格納してある飛行速度データに基づいて、この飛行速度を打ち消すように機体を制動する操舵量で飛行制御することにより、急加速を伴うことなく安定して飛行を続行して速度を徐々に低下させてホバリング状態とすることができ、姿勢制御に移行して飛行を続行又は下降して着地させることができる。
【０００８】
好ましい構成例では、ＧＰＳ制御ができなくなったときに、機体の警告灯で表示することを特徴としている。
【０００９】
この構成によれば、飛行中にＧＰＳの受信不良が起きたときに、これが警告灯で表示されるため、地上の操縦者は受信不良を直ちに認識することができ、ＧＰＳ制御スイッチをオフにする等の必要な処置を迅速にとることができる。
【００１０】
好ましい構成例では、操縦指令信号を送信する送信機は、ＧＰＳ制御スイッチ及びマニュアル切換スイッチを隣接して有し、各スイッチの操作形式が異なることを特徴としている。
【００１１】
この構成によれば、飛行制御用のスイッチとしてＧＰＳ制御スイッチ及びマニュアル切換スイッチを隣接して配置して、他の例えば薬剤等の散布用スイッチと離して配置することができるため、誤操作のおそれが低減する。また、ＧＰＳ制御スイッチとマニュアル切換スイッチの操作形式を相互に異ならせておくことにより、受信不良の際ＧＰＳスイッチをオフにするときに誤ってマニュアル切換スイッチを操作するおそれが低減する。
【００１２】
【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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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）。
【００１７】
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。
【００１８】
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）。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
図４は、本発明の実施例に係る無人ヘリコプタのＧＰＳ制御のフローチャートである。各ステップの動作は以下の通りである。
【００２８】
ステップＦ１：
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。図３のステップＡ２と同じである。
【００２９】
ステップＦ２：
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。図３のステップＡ３と同じである。
【００３０】
ステップＦ３：
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。図３のステップＡ４と同じである。
【００３１】
ステップＦ４：
ＧＰＳ制御が可能か否かを判別する。これは、ＧＰＳセンサ１０が正常にＧＰＳ信号を受信しているかどうか及びＧＰＳ制御を行うためのＧＰＳ制御スイッチがオンになっているかどうかを判別するものである。ＧＰＳ制御ができる状態であればステップＦ５に進み、ＧＰＳ制御ができない状態であればステップＦ９に進む。ＧＰＳ制御ができない状態のときには、機体に設けたＧＰＳ表示灯１１又は警告灯２６（図１参照）の点灯又は点滅により表示して、ＧＰＳ制御ができない状態であることを地上の操縦者に知らせる。
【００３２】
ステップＦ５：
ＧＰＳ信号に基づいて現在の実際の飛行速度を計算する。
【００３３】
ステップＦ６：
計算した飛行速度をメモリに格納する。
【００３４】
ステップＦ７：
操縦指令信号の目標速度となるように実際の飛行速度をフィードバックして操舵制御量を計算する。
【００３５】
ステップＦ８：
操舵量を出力信号値として計算し、各サーボモータ１６〜２０を駆動して速度のフィードバック制御を行う。
【００３６】
ステップＦ９：
飛行速度を打ち消す操舵量を計算する。この飛行速度は、直前のプログラム実行のルーチンのステップＦ５で計算され、ステップＦ６で記憶された飛行速度データを読み出したものである。この操舵量に基づいて各サーボモータ１６〜２０を駆動する。これにより、機体が制動され速度が徐々に低下してホバリング状態となる。
【００３７】
図５（Ａ）（Ｂ）は、飛行速度を打ち消す操舵量計算の説明図である。（Ａ）のフローチャートの動作は以下の通りである。
【００３８】
ステップＧ１：
ＧＰＳ受信不良直前の飛行速度Ｖ０をメモリから読み出す。
【００３９】
ステップＧ２：
読み出した飛行速度を打ち消すのに要する各サーボモータを駆動するためのステップ入力を計算する。このステップ入力は（Ｂ）に示すように、ステップ幅が入力時間ｔ（Ｖ０）であり、ステップ高さが入力値ｕ（Ｖ０）である。このようなステップ入力を付与することにより、飛行速度をゼロにしてホバリング状態とする。
【００４０】
ステップＧ３：
一次遅れフィルタを用いてデータを滑らかにする。飛行状態の検出データに基づいて操舵量を計算する場合に、検出データを滑らかにして機体の挙動を滑らかにする。
【００４１】
ステップＧ４：
上記ステップＧ２のステップ入力に基づいて各サーボモータの駆動量となる操舵量を計算する。
【００４２】
図６は、送信機の正面及び背面の斜視図である。
送信機２１の正面側に前述（図１）の第１操作子２２及び第２操作子２３が備わる。送信機２１の一方の肩面にＧＰＳ制御スイッチ２９が備わり、これと同じ肩面にマニュアル切換スイッチ３０が隣接して備わる。ＧＰＳ制御スイッチ２９は、ＧＰＳセンサを用いたＧＰＳ制御のオン／オフスイッチである。ＧＰＳ制御スイッチ２９は、例えばトグルスイッチの形式である。マニュアル切換スイッチ３０は、マニュアル制御と自動制御の切換スイッチである。このマニュアル切換スイッチ３０は、トグルスイッチと異なる形式の例えば押しボタンスイッチ又は回転スイッチ等により構成する。
【００４３】
送信機２１の反対側の肩面に散布スイッチ３９及び散布幅スイッチ４０が備わる。散布スイッチ３９は薬剤等を散布するためのスイッチであり、散布幅スイッチ４０は、全開／半開に切り換えて散布幅を調整するためのスイッチである。
【００４４】
送信機背面にアンテナ３１が備わり正面側には、各種スイッチ及びランプ群が備わる。すなわち、電源スイッチ３２、出力ランプ３３、バッテリモニタランプ３４、ロータ回転調整ボリューム３５、散布量調整ボリューム３６、ロータブレーキスイッチ３７、エンジン停止スイッチ３８、および操作子２２，２３のトリムレバー４１〜４４が備わる。４５はベルトフックである。
【００４５】
このような送信機では、飛行制御用のスイッチであるＧＰＳ制御スイッチ２９及びマニュアル切換スイッチ３０を隣接して配置して、他の例えば薬剤等の散布用スイッチ３９，４０と離して配置しているため、誤操作のおそれが低減する。また、ＧＰＳ制御スイッチ２９とマニュアル切換スイッチ３０の操作形式が相互に異なるため、受信不良の際ＧＰＳスイッチ２９をオフにするときに誤ってマニュアル切換スイッチ３０を操作するおそれが低減する。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、制御プログラムにしたがって飛行中常に一連のプログラム実行のシーケンスルーチンごとにＧＰＳ信号に基づいて飛行速度を計算し、これをメモリに格納しておき、ＧＰＳの受信不良が起きたときに、直前のプログラム制御の実行中にメモリに格納してある飛行速度データに基づいて、この飛行速度を打ち消すように機体を制動する操舵量で飛行制御する。これにより、急加速を伴うことなく安定して飛行を続行して速度を徐々に低下させてホバリング状態とすることができ、姿勢制御に移行して飛行を続行又は下降して着地させることができる。
【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ＧＰＳ制御のフローチャート。
【図５】飛行速度打消し速度の計算方法の説明図。
【図６】本発明に係る送信機の斜視図。
【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、２９：ＧＰＳ制御スイッチ、
３０：マニュアル切換スイッチ、３１：アンテナ、
３２：電源スイッチ、３３：出力ランプ、３４：バッテリモニタランプ、
３５：ロータ回転調整ボリューム、３６：散布量調整ボリューム、
３７：ロータブレーキスイッチ、
３８：エンジン停止スイッチ、３９：散布スイッチ、４０：散布幅スイッチ、
４１〜４４：トリムレバー、４５：ベルトフック。

Claims

制御プログラムを用いて速度制御を行う無人ヘリコプタのＧＰＳ制御方法において、
前記制御プログラムは、
飛行速度を計算する計算ステップと、
この計算ステップによる計算結果を記憶する記憶ステップと、
ＧＰＳ制御が可能か否かを判別する判別ステップと、
前記ＧＰＳ制御ができなくなったときに、前記計算ステップで計算した前記ＧＰＳ制御ができなくなる直前の飛行速度から、この飛行速度を打ち消す操舵量を計算する打消操舵量計算ステップと、
この打消操舵量計算ステップにより計算された前記操舵量に基づいて飛行制御する制御ステップと
を有することを特徴とする無人ヘリコプタのＧＰＳ制御方法。
ＧＰＳ制御ができなくなったときに、機体の警告灯で表示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ＧＰＳ制御方法。