JP4690239B2 - 無人ヘリコプタ - Google Patents

Description

本発明は、無人ヘリコプタに関するものであり、特にその姿勢制御技術に関するものである。

従来より、無人ヘリコプタは、機体の姿勢を検出する姿勢センサ、機体の地球座標上の位置を検出するＧＰＳセンサ、飛行を制御する制御装置、地上局と無線通信を行う無線装置などを搭載し、上記各センサによって検出された現在の飛行状態・位置と、地上局や予め設定されたプログラムの指示の基づく目標飛行状態・目標位置とが一致するように、制御装置によりエンジンのスロットル弁を開閉させたりメインロータやテールロータの状態を変える各種のサーボモータを動作させる構成を備えている（例えば、特許文献１参照。）。ここで、「飛行状態」は、機体の前後方向の飛行速度や、機体の姿勢角（ピッチ角、ロール角、方位角）などにより表すことができる。

このような無人ヘリコプタにおいては、外乱に対して、各サーボモータの動作を制御して機体の位置を正しく保つ機能が設けられている。例えば、機体が横風を受けて飛行するような場合には、機体が流されないようにするために、メインロータの推力を上げるとともに風に対向して風上側に機体のロール角を傾けることが出願人によって試みられている。さらに、このロール角がある限度以上に大きくなると、揚力が小さくなって機体の高度を維持できなくなるので、機首をある程度風上の方向に向けさせる、すなわち航空用語で言うところの偏流をとって機体のロール軸が進行方向に対して斜めの状態で飛行させることによって、機体が風を受ける投影面積を減らし、機体のロール軸回りの傾きを小さくすることも出願人によって試みられている（以下、「偏流制御」という）。

特開２０００−１１８４９８号公報

しかしながら、上述したような無人ヘリコプタの偏流制御では、横風を受けたときの機首方向の移動動作が２０ｍｓに０．３°と比較的ゆっくり行われているため、突風のような急激に大きく立ち上がる横風を浴びたときにはロール角が過大となり、機体の姿勢を安定させることができなかった。

例えば、図６に示すように、無人ヘリコプタが追い風ｗを受けながら飛行している場合において、この無人ヘリコプタを矢印ａで示す方向に旋回させるとする。このとき、無人ヘリコプタは、旋回中に急激に横風を受けることとなる。一般に無風状態で旋回する場合でも、無人ヘリコプタは、旋回するための機体のバンク角（以下、「旋回バンク角」という）と、機体の横スライド防止のためにテールロータの推力を打ち消す分力を発生させるロール角（以下、「テール推力打ち消しロール角」という）とが合算されることより機体のロール角がある程度傾いた状態となる。このため、追い風ｗを受けている状態で旋回すると、旋回中に受ける横風に抗するためにさらにロール角を大きくとることになる。この結果、図６に示すように、旋回中に機体１０１のロール角ｒが急激に増大してしまい、無人ヘリコプタ１００の姿勢が不安定になってしまう。

そこで、本願発明は上述したような課題を解消するためになされたものであり、急激に立ち上がる横風を受けた場合であっても、即座に安定した姿勢を保つことができる無人ヘリコプタを提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る無人ヘリコプタは、機体のロール角を検出する検出手段と、ロール角が所定の値以上であるか否かを判定する判定手段と、判定手段によりロール角が所定の値以上であると判定されると、機首の方向を風上方向と一致させる制御手段とを備えたことを特徴とする。

上記無人ヘリコプタにおいて、検出手段は、ロール角の偏差を検出し、判定手段は、偏差が所定の値以上であるか否かを判定し、制御手段は、判定手段により偏差が所定の値以上であると判定されると、機首の方向を風上方向と一致させるようにしてもよい。

本発明によれば、機体のロール角が所定の値以上となると機首の方向を風上方向と略一致させることにより、風を受ける機体の投影面積が減って風を逃がすことになって機体のロール角が小さくなるので、結果として姿勢が安定する

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本実施の形態に係る無人ヘリコプタの特徴について説明する。本実施の形態に係る無人ヘリコプタ１は、例えば追い風ｗを受けながらの飛行中に旋回する場合など、急激に立ち上がる横風を受けて機体のロール角が所定の値より大きくなったときに、目標方位角を瞬間的に大きく変えるものである。すなわち、図１中の符号ｂで示すように、機首２の方向を瞬間的に風上方向に大きく変化させる。これにより、風を受ける機体３の投影面積が減って風を逃がすことになるので、機体３のロール角を小さくすることが可能となり、結果として、無人ヘリコプタ１の姿勢を安定させることができる。なお、図１中の符号ｍはメインロータの回転方向を示す。

［無人ヘリコプタの構成］
次に、図２を参照して、本実施の形態に係る無人ヘリコプタ１の制御装置の構成について説明する。無人ヘリコプタ１の制御装置は、測定部１０と、状態算出部２０と、入力部３０と、目標値算出部４０と、制御量算出部５０と、駆動部６０とを備えている。

測定部１０は、無人ヘリコプタ１に設けられたジャイロ、エンジンの回転数測定器、磁力計、ＧＰＳ、気圧計等に、加速度、エンジン回転数、方位、緯度、経度、気圧等の測定を行わせ、それぞれの測定値を取得する。

状態算出部２０は、測定部１０により取得された測定値に基づいて、無人ヘリコプタ１の飛行状態の現在値を算出する。この飛行状態の現在値としては、機首方向、ロール角、ピッチ角、機首方向速度および加速度、横方向速度および加速度、上下方向速度および加速度、並びに、高度などにより表すことができる。

入力部３０は、基地局や予め設定されたプログラム等から入力される、飛行方向や飛行速度などの無人ヘリコプタ１に対する操作量を検出し、目標値算出部４０に入力する。

目標値算出部４０は、入力部３０により検出された操作量と、状態算出部２０により算出された飛行状態の現在値とに基づいて、無人ヘリコプタ１の姿勢角、速度、加速度、位置、エンジン回転数等の目標値を算出する。

制御量算出部５０は、状態算出部２０による飛行状態の現在値と、目標値算出部４０による目標値とに基づいて、現在値が目標値に近づくようにするための無人ヘリコプタ１の各アクチュエータの制御量を算出する。このような制御量算出部５０は、偏差演算部５１と、制御量演算部５２と、突風対策部５３とを備える。

偏差演算部５１は、状態算出部２０による飛行状態の現在値と、目標算出部４０による目標値との偏差を演算する。

制御量演算部５２は、偏差演算部５１により演算された偏差に基づいて、上記現在値が目標値に近づくように、フィードバック制御を行うことにより、無人ヘリコプタ１の各アクチュエータの制御量を演算する。

突風対策部５３は、偏差演算部５１により演算されたロール角の偏差、すなわちロール角の現在値と目標値との偏差に基づいて強い横風を受けたことを検出すると、目標値算出部４０に指示を出し無人ヘリコプタ１の姿勢が不安定になるのを防ぐための無人ヘリコプタ１の姿勢の目標値、すなわち方位角の目標値を算出させるものであり、偏差判定部５３１および突風指示部５３２とを備えている。偏差判定部５３１は、無人ヘリコプタ１の機体３のロール角の偏差が所定の値以上となったか否かを判定する。突風指示部５３２は、偏差判定部５３１により機体３のロール角の偏差が所定の値以上であると判定されると、無人ヘリコプタ１の機首２を瞬間的に風上方向に向けさせて風見安定の位置に入れるための方位角の目標値を生成させる指示を目標値算出部４０に入力する。このように本実施の形態においては、ロール角の偏差に基づいて機体３の状態を把握して、機首２を風上方向に向けさせるかどうかを判断している。

駆動部６０は、制御量算出部５０により算出された制御量に基づいて、無人ヘリコプタ１の各アクチュエータを駆動させる駆動信号を生成し、エレベータサーボモータ、エルロンサーボモータ、コレクティブサーボモータ、ラダーサーボモータ、スロットル弁用サーボモータ等に入力する。これにより、無人ヘリコプタ１の各アクチュエータは、制御量算出部５０により算出された制御量に基づいて動作する。

このような無人ヘリコプタ１の制御装置は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)等の演算装置と、メモリ、ＨＤＤ(Hard Disc Drive)等の記憶装置と、キーボード、マウス、ポインティングデバイス、ボタン、タッチパネル、ジョイスティック、スライディングパッド等の外部から情報の入力を検出する入力装置と、インターネット、ＬＡＮ(Local Area Network)、ＷＡＮ(Wide Area Network)、電話回線、無線通信等の通信回線や放送信号を介して各種情報の送受信を行うＩ/Ｆ装置と、ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)、有機ＥＬ(Electoroluminescence)またはＦＥＤ(Field Emission Display)等の表示装置を備えたコンピュータと、このコンピュータにインストールされたプログラムとから構成される。すなわちハードウェア装置とソフトウェアとが協働することによって、上記のハードウェア資源がプログラムによって制御され、上述した測定部１０、状態算出部２０、入力部３０、目標値算出部４０、制御量算出部５０および駆動部６０が実現される。なお、上記プログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供されるようにしてもよい。

［突風制御動作］
次に、図３を参照して、本実施の形態に係る無人ヘリコプタ１における突風制御動作について説明する。

無人ヘリコプタ１の飛行中、制御量算出部５０の突風対策部５３は、偏差演算部５１から機体３のロール角の偏差を取得する（ステップＳ１）。突風対策部５３の偏差判定部５３１は、ロール角の偏差の絶対値が、例えば１５°などの所定の値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。偏差の演算は、例えば１秒間に５０回など非常に高速に行われる。これにより、無人ヘリコプタ１は、姿勢の急激な変化にも即座に対応することができる。なお、上記所定の値は、無人ヘリコプタ１の機体３の形状や飛行特性などに基づいて適宜自由に設定することができる。

例えば、追い風飛行中に旋回したり、ホバリング中に急な横風を浴びたりするなどして、ロール角の偏差の絶対値が所定値以上となると（ステップＳ２：ＹＥＳ）、突風指示部５３２は、目標値算出部４０に無人ヘリコプタ１の機首２を即座に風上方向に向けさせるのに必要な目標値を生成させる指示を出す（ステップＳ３）。この指示には、ロール角の偏差の値やロール角の偏差の変位方向に関する指示も含まれる。

目標値を生成するようにとの指示を受け取ると、目標値算出部４０は、無人ヘリコプタ１の機首２の向きを即座に風上方向に略一致させるための目標値（以下、「突風目標値」という）を算出する（ステップＳ４）。この突風目標値としては、無人ヘリコプタ１の方位角が挙げられる。目標値算出部４０は、ロール角の偏差が変位した方向に無人ヘリコプタ１の機首２を向けさせて、機首２の向きを風上方向と略一致させる方位角を算出する。例えば、無人ヘリコプタ１の進行方向に沿ったロール軸において、進行方向に向かって右回り方向に機体が傾いた場合、目標値算出部４０は、機首２が風上を向くように、機首２の方位角を進行方向に対して右側にとる目標方位角を算出する。この目標方位角は、上述した偏流をとる場合よりも大きい値となる。例えば、機体の真横から突風を受けた場合、無人ヘリコプタ１の機首を方位角で約９０°移動させるため、突風目標値は、例えば約９０°に近い値の方位角が算出される。このように算出された突風目標値は、制御量算出部５０に入力される。

突風目標値が入力されると、制御量算出部５０は、その突風目標値と飛行状態の現在値とに基づいて、無人ヘリコプタ１の機首２の向きを風上方向と略一致させるための制御量（以下、「突風制御量」という）を算出する（ステップＳ５）。この突風制御量としては、無人ヘリコプタ１のテールロータのピッチ角が挙げられる。制御量算出部５０は、ロール角の偏差が変位した方向に無人ヘリコプタ１の機首２が向くように、テールロータのピッチ角を算出する。例えば、水平および無人ヘリコプタ１のロール軸において、進行方向に向かって右下り方向にロール角の偏差が変位した場合、制御量算出部５０は、機首２を進行方向に対して右側の方向に向けさせるテールロータのピッチ角を算出する。このピッチ角は、本実施の形態のメインロータの回転方向ｍで、機首２を右側の方向に向けさせる場合は、上述した偏流制御の場合よりも大きな値となる。これにより、無人ヘリコプタ１の機首を即座に風上方向に向けさせることができる。また、風見効果により、テールロータの推力が小さくても機首２の向きを即座に変えることができる。なお、本実施の形態において、同じ状況下で逆に左下がり方向にロール角の偏差が変位した場合は、テールロータのピッチ角は、偏流制御の場合よりも小さな値、場合によっては、逆ピッチにして反対方向に推力を出し、即座に風上方向に向けさせる。このようにテールロータのピッチ角の大小については、メインロータやテールロータの回転方向と機体の旋回方向によって異なる。

突風制御量が算出されると、駆動部６０は、その突風制御量に基づいて無人ヘリコプタ１の対応するアクチュエータを駆動させる（ステップＳ６）。これにより、強い横風を受けた無人ヘリコプタ１の機首２は即座に風上方向を向き、機体３はいわゆる風見安定の位置に入ることとなる。

例えば、図４（ａ）に示すように、追い風を受けながら飛行中に旋回したり、ホバリング中に突風が起きたりして、無人ヘリコプタ１の機体３が急激に立ち上がる風ｗを機体の側面から受けたとする。このとき、図４（ｂ）に示すように、機体３の目標ロール角ｒ_tに対して偏差ｒが例えば１５°などの所定の値よりも大きくなると、無人ヘリコプタ１は、突風目標値（方位角）を変えることによりテールロータのピッチ角を大きく変化させて、テールロータの推力を急激に変化させ、図５（ａ）に示すように機首２を角度ｒ_hの方向に即座に移動させる、すなわち風上の方向に向かせる。この際、風見効果により、テールロータの推力が比較的小さくても、機首２は風上を向く。この機首方向の移動動作は、例えば、２０ｍｓに４５°程度の割合で即座に行われる。このように無人ヘリコプタ１の機首２を風上の方に向けると、風を受ける機体３の投影面積が減って風を逃がすことになるので、図５（ｂ）に示すように、機体３のロール角の偏差ｒ_d2が小さくなり、無人ヘリコプタ１の姿勢が安定する。また、機首２の移動動作が即座に行われるので、無人ヘリコプタの姿勢を即座に安定させることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、突風のような急激に立ち上がる横風を受けた場合に、機首を即座に風上の方向に向けることにより、無人ヘリコプタの姿勢を安定させることができる。

なお、本実施の形態では、ロール角の偏差の絶対値に基づいて機首を風上の方向に向けるか否かを判定するようにしたが、ロール角の絶対値に基づいて判定するようにしてもよい。この場合、例えば、状態算出部２０によるロール角の現在値を絶対値に座標変換する演算部を制御量算出部５０に設け、偏差判定部５３１がその絶対値が所定の値以上となったか否かを判定することにより実現することができる。

（ａ）本発明の無人ヘリコプタの特徴を模式的に表す平面図，（ｂ）は（ａ）の正面図である。 本発明の無人ヘリコプタの制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の無人ヘリコプタの突風対策動作を示すフローチャートである。 （ａ）本発明の無人ヘリコプタが横風を受けた状況を模式的に示す平面図、（ｂ）は（ａ）の正面図である。 （ａ）本発明の無人ヘリコプタが機首を風上の方に向けた状況を模式的に示す図、（ｂ）は（ａ）の正面図である。 （ａ）追い風を受けて高速飛行しているときに旋回する無人ヘリコプタを模式的に表す平面図、（ｂ）は（ａ）の正面図である。

符号の説明

１…無人ヘリコプタ、２…機首、３…機体、１０…計測部、２０…状態算出部、３０…入力部、４０…目標値計算部、５０…制御量算出部、５１…偏差演算部、５２…制御量算出部、５３…突風対策部、５３１…偏差判定部、５３２…突風指示部、６０…駆動部。

Claims (2)

1. 機体のロール角を検出する検出手段と、
   前記ロール角が所定の値以上であるか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により前記ロール角が所定の値以上であると判定されると、機首の方向を風上方向と一致させる制御手段と
   を備えたことを特徴とする無人ヘリコプタ。
2. 前記検出手段は、前記ロール角の偏差を検出し、
   前記判定手段は、前記偏差が所定の値以上であるか否かを判定し、
   前記制御手段は、前記判定手段により前記偏差が所定の値以上であると判定されると、機首の方向を風上方向と一致させる
   ことを特徴とする請求項１記載の無人ヘリコプタ。

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