JP5166349B2

JP5166349B2 - 固定翼機、固定翼機システムおよび固定翼機の着陸方法

Info

Publication number: JP5166349B2
Application number: JP2009124145A
Authority: JP
Inventors: 将太池之座; 則道佐藤; 徹古川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2029-05-22
Also published as: JP2010269724A

Description

本発明は、固定翼機、固定翼機システムおよび固定翼機の着陸方法に係り、特に着陸方向を事前計画可能な無人固定翼機、無人固定翼機システムおよび無人固定翼機の着陸方法に関する。

風水害、火山噴火等の自然災害に対して、空中からの状況把握のニーズが非常に高まっている。従来、空中からの状況把握について、大型の回転翼機で画像取得が成されている。しかし、大型の回転翼機は、危険性が高く、二次災害の可能性がある。このため、無人固定翼機の適用が期待されている。

特許文献１は、風向および風速を推定し、着陸目標点までの着陸進入距離を決定し、風向、風速および着陸進入距離に基づく着陸進入開始点から降下を開始する無人航空機を開示している。

特開２００８−２０７７０５号公報

特許文献１に記載の無人航空機は、着陸進入距離を短縮するために、常に向かい風方向から着陸する。しかし、逆に、この無人航空機は、着陸方向を事前計画できない。
本発明の目的は、着陸方向を事前計画可能な固定翼機、固定翼機システムおよび固定翼機の着陸方法を提供することにある。

上述した課題は、駆動部と、演算制御部と全地球測位システムと慣性航法装置とを備えたフライトコンピュータとを備え、予め取得した飛行計画に基づいて飛行し、前記フライトコンピュータは、予め設定された着陸進入点において、推定着陸点を推定し、前記飛行計画に設定された着陸点が前記推定着陸点より、手前のとき、着陸を再試行するよう制御する固定翼機により、達成できる。

また、駆動部と、演算制御部と全地球測位システムと慣性航法装置とを備えたフライトコンピュータと、第１の無線装置とを備え、飛行計画に基づいて飛行する固定翼機と、制御部と、第２の無線装置とを備え、前記第２の無線装置と前記第１の無線装置との間にデータリンクを形成して、前記飛行計画を前記固定翼機に送信する地上装置と、からなり、前記フライトコンピュータは、予め設定された着陸進入点において、推定着陸点を推定し、前記飛行計画に設定された着陸点が前記推定着陸点より、手前のとき、着陸を再試行するよう制御する固定翼機システムにより、達成できる。

さらに、着陸進入点に進入至ったとき、距離判定するステップと、高度判定するステップと、進行方向判定するステップと、前記複数の判定するステップがいずれも合格のとき、推定着陸点を算出するステップと、前記推定着陸点と飛行計画上の着陸地点とを比較するステップと、前記推定着陸点が、前記着陸点を超過しているとき、前記着陸進入点を超過距離だけ遠点に移動して、再度着陸進入点に移動するステップとからなる固定翼機の着陸方法により、達成できる。

着陸方向を事前計画可能な固定翼機、固定翼機システムおよび固定翼機の着陸方法を提供することができる。

無人固定翼機システムの鳥瞰図である。無人固定翼機のハードウェアブロック図である。地上装置のハードウェアブロック図である。無人固定翼機の飛行を説明する平面図である。無人固定翼機の飛行を説明する側面図である。無人固定翼機の着陸処理のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、実施例を用い、図面を参照しながら説明する。なお、実質同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。

まず、図１を参照して、無人固定翼機システムを説明する。図１において、無人固定翼機システム３００は、無人固定翼機１００と地上装置２００とから構成される。無人固定翼機１００と地上装置２００とは、無線ＤＡＴＡＬＩＮＫで接続されている。また、無人固定翼機１００は、地上装置２００が作成した飛行計画に基づいて、位置Ｐ１、位置Ｐ２、…、Ｐ９と飛行する。無人固定翼機１００は、着陸するとき、着陸進入点ＥＰ（Entrance Point）を通過後、条件が整うとプロペラを止めて滑空し、着陸位置ＬＰ（Landing Point）に着陸する。

無人固定翼機１００は、地上装置２００で設定された飛行計画に基づいて、無人固定翼機に搭載しているフライトコンピュータ内の全地球測位システム（ＧＰＳ：Global Positioning System）および慣性航法装置（ＩＮＳ：Inertial Navigation System）の情報を取得・計算し、駆動部を制御することで自律飛行を行なう。
飛行計画において設定した飛行通過点（Ｐ１〜Ｐ９）は、ユーザが設定した通過判定条件を満足した場合に通過と判定し、次の飛行通過点を目指す。

飛行計画上の着陸点の直前の飛行通過点である着陸進入点ＥＰを通過後、無人固定翼機１００は、推定着陸点を算出しながら飛行する。飛行計画上の着陸点に着陸可能の位置になったら、無人固定翼機１００は、モータを停止し、滑空着陸を行なう。

しかし、飛行計画で定めた着陸方位に追い風が吹いていると、追い風の影響で飛行計画上の着陸点を著しく超過してしまう問題がある。また、着陸進入点の通過判定条件が位置、高度のみであると、飛行計画上の着陸点に対して直線的に進入することができず、着陸の精度が悪く、広大な地積が必要になる問題がある。

図２を参照して、無人固定翼機のハードウェア構成を説明する。図２において、無人固定翼機１００は、フライトコンピュータ１１０、撮影装置１２０、無線装置１３０、駆動部１４０から構成される。フライトコンピュータ１１０は、演算処理部１５０、全地球測位システム（ＧＰＳ）１６０、慣性航法装置（ＩＮＳ）１７０から構成される。演算処理部１５０は、図示しないメモリとＣＰＵであり、ＣＰＵがメモリ上の着陸進入プログラム１５１を実行する。ＩＮＳ１７０は、加速度センサ１７１、角速度センサ１７２、気圧１７３、磁気方位センサ１７４から構成される。加速度センサ１７１および角速度センサ１７２は、慣性航法機能を実現する。気圧センサ１７３は、高度計測および対気速度の計測に利用する。磁気方位センサ１７４は、機首方位を計測する。

無人固定翼機１００は、ＧＰＳ１６０での単位時間当たりの移動距離で対地速度を計測する。無人固定翼機１００は、ＧＰＳ１６０で飛行高度計測する。無人固定翼機１００は、対気速度と対地速度の差から、飛行方向への風速または飛行方向からの風速を計測する。

無人固定翼機１００は、撮影装置１２０で取得した画像について、無線装置１３０から地上装置２００に送信する。無人固定翼機１００は、無線装置１３０が受信した地上装置２００からの飛行計画に基づいて、駆動部１４０を駆動する。

無人固定翼機１００は、ＧＰＳ１６０およびＩＮＳ１７０の情報に基づき、地上装置２００で作成した飛行計画に従って自律飛行を行なう。無人固定翼機１００は、遠隔した地域を継続的に偵察、定期巡視などの防犯または災害現場の状況把握・捜索・救難支援などの用途にも利用が期待されている。

図３を参照して、地上装置のハードウェア構成を説明する。図３において、地上装置２００は、制御部２１０、無線装置２２０、操作部２３０、表示部２４０から構成される。操作部２３０は、ユーザによる飛行計画の入力操作を受け付ける。無線装置２２０は、無人固定翼機１００に飛行計画を送信する。無線装置２２０は、また無人固定翼機１００からの撮影データを受信する。表示部２４０は、飛行計画を表示する。表示部２４０は、また無人固定翼機１００からの撮影データを表示する。制御部２１０は、地上装置２００の全体を制御する。

地上装置２００は、無人固定翼機１００の飛行通過点、着陸点等の飛行計画を作成する。ここで、飛行通過点とは自律飛行する際の各区間での目標となる地点である。無人固定翼機１００は、一つの飛行通過点を通過後、その次の飛行通過点を目指す。最終飛行通過点を通過後、着陸のために目指す点を着陸点とする。

制御部２１０は、着陸点を設定する際、着陸点ＬＰと最終飛行通過点Ｐの線上に着陸進入点ＥＰを設定する。着陸進入点ＥＰは、無人固定翼機１００の滑空着陸時の沈下速度を考慮した高度と距離を任意に設定した場所に設定される。着陸方向および着陸点に関して、地積上問題ない方向および場所をユーザが選択する。地上装置２００で作成した飛行計画は、無線装置２２０経由で無人固定翼機１００のフライトコンピュータ１１０に伝送される。

無人固定翼機１００は、飛行中、飛行計画に沿って、自律的に駆動部を制御し、飛行する。無人固定翼機１００は、着陸進入する際は着陸処理に従って、飛行制御を行なう。着陸進入処理において、無人固定翼機１００は、着陸進入点通過後、高度を維持し着陸点を目指し飛行する。推定着陸点が着陸点に達した場合、無人固定翼機１００は、モータを停止し、直線滑空にて着陸する。

滑空開始点について、無人固定翼機１００は、機体の沈下速度、現在の位置と着陸点の相対距離、高度差、対気速度、風速および風向によりフライトコンピュータで算出し、設定する。

（式１）は、滑空開始点の条件式である。ここで、現在位置と着陸点との距離をＤ、現在高度と着陸点との高度差をＨ、着陸点方向からの風速をＶｗ、無人固定翼機の対気速度Ｖｕ、無人固定翼機の沈下速度をＶｈとする。

Ｄ＝（Ｈ÷Ｖｈ）×（Ｖｕ−Ｖｗ） …（式１）
しかし、追い風の影響により既に、推定着陸点が着陸点を超過している場合がある。図４と図５を参照して、追い風中での着陸処理を説明する。図４において、着陸進入点ＥＰ−Ｐ（Plan）に達した無人固定翼機１００は、推定着陸点ＬＰ−Ｅ（Estimated）を計算する。ここで、追い風の影響で、推定着陸点ＬＰ−Ｅが着陸点ＬＰ−Ｐより、距離Ｄだけ、先にあるとする。無人固定翼機１００は、右旋回して着陸処理を再度実行する。再着陸処理の場合、無人固定翼機１００は、超過した距離Ｄに余裕αを加えて、着陸進入点ＥＰ−ＮＥＷを着陸点から離れる方向（遠点方向）に移動させて再進入する。

なお、旋回後は、無人固定翼機１００は、着陸進入点ＥＰ−ＮＥＷと着陸点ＬＰ−Ｐとを結ぶ直線を接線とする円Ｃの円周上を高度を維持しながら旋回する。この時の旋回半径は無人固定翼機が安定して旋回できる旋回半径とする。

さらに着陸進入点の通過条件として、範囲は着陸点に対し着陸進入点ＥＰの後方±４０度以内の範囲（扇部）、高度は±５ｍ以内、さらに機軸方位、進行方向は着陸点と着陸進入点間の直線に対して４０度以内とする。

図５において、着陸進入点ＥＰ−Ｐで推定した推定着陸点ＬＰ−Ｅが、飛行計画上の着陸点ＬＰ−Ｐより、距離Ｄだけ遠方だったとき、Ｄ＋αだけ、着陸進入点ＥＰ−ＮＥＷを離して、再設定する。なお、ここではα＝０のときを説明する。移動後の着陸進入点ＥＰ−ＮＥＷから、滑空を開始すると、初回の推定滑空軌跡を平行移動した形で、追い風でも着陸点ＬＰ−Ｐに対して精度良い着陸が実現できる。

図６を参照して、着陸処理を説明する。着陸処理において、無人固定翼機１００は、着陸推定点に侵入する（Ｓ１１）。無人固定翼機１００は、着陸点との水平距離を判定する（Ｓ１２）。合格のとき、無人固定翼機１００は、現在高度を判定する（Ｓ１３）。合格のとき、無人固定翼機１００は、進行方向を判定する（Ｓ１４）。合格のとき、無人固定翼機１００は、基軸方向を判定する（Ｓ１６）。合格のとき、無人固定翼機１００は、推定着陸点を算出し、判定する（Ｓ１７）。

ステップ１７で飛行計画上の着陸点より、推定着陸点が手前のとき、再びステップ１７に遷移する。ステップ１７で推定着陸点と飛行計画上の着陸点が一致したとき、無人固定翼機１００は、モータを停止して、滑空着陸フェーズに移行する。ステップ１７で飛行計画上の着陸点より、推定着陸点が先のとき、無人固定翼機１００は、着陸進入点を超過距離分だけ遠ざける（Ｓ１８）。無人固定翼機１００は、設定した方向に旋回する（Ｓ１９）。無人固定翼機１００は、着陸点と着陸進入点とを結んだ線を接線とする円周上に沿って飛行し（Ｓ２１）、ステップ１１に戻る。
なお、ステップ１２、ステップ１３、ステップ１４またはステップ１６で、不合格のとき、ステップ１９に遷移する。

上述した実施例に依れば、再度着陸進入する際の挙動が規定でき、飛行計画を作成する際、予め低空飛行による危険エリアが特定でき、他の航空機、建造物及び植生等との衝突を回避することができる。また、着陸点に対し容易に直線的に着陸進入点を通過する為、着陸点に対して精度良い着陸が実現できる。さらに、着陸に必要な地積を小さくし、着地精度を高めることが実現したことで、市街地および災害地等でも利用することができ、容易に上空からの状況把握が可能になる。

１００…無人固定翼機、１１０…フライトコンピュータ、１２０…撮影装置、１３０…無線装置、１４０…駆動部、１５０…演算処理部、１６０…全地球測位システム（ＧＰＳ）、１７０…慣性航法装置（ＩＮＳ）、２００…地上装置、２１０…制御部、２２０…無線装置、２３０…操作部、２４０…表示部、３００…無人固定翼機システム。

Claims

駆動部と、演算制御部と全地球測位システムと慣性航法装置とを備えたフライトコンピュータとを備え、予め取得した飛行計画に基づいて飛行する固定翼機において、
前記フライトコンピュータは、予め設定された着陸進入点において、推定着陸点を推定し、前記飛行計画に設定された着陸点が前記推定着陸点より、手前のとき、着陸を再試行するよう制御することを特徴とする固定翼機。
請求項１に記載の固定翼機であって、
前記フライトコンピュータは、前記着陸点が前記推定着陸点より、距離Ｄだけ手前のとき、前記予め設定された着陸進入点から、少なくとも距離Ｄだけ離れた遠点を新たな着陸進入点として、着陸を再試行するよう制御することを特徴とする固定翼機。
請求項１または請求項２に記載の固定翼機であって、
前記フライトコンピュータは、着陸を再試行するとき、前記飛行計画で予め定められた方向に旋回するよう制御することを特徴とする固定翼機。
請求項２に記載の固定翼機であって、
前記フライトコンピュータは、前記新たな着陸進入点と前記着陸点とを結ぶ直線を接線とする円周上を飛行するよう制御することを特徴とする固定翼機。
駆動部と、演算制御部と全地球測位システムと慣性航法装置とを備えたフライトコンピュータと、第１の無線装置とを備え、飛行計画に基づいて飛行する固定翼機と、
制御部と、第２の無線装置とを備え、前記第２の無線装置と前記第１の無線装置との間にデータリンクを形成して、前記飛行計画を前記固定翼機に送信する地上装置と、
からなる固定翼機システムにおいて、
前記フライトコンピュータは、予め設定された着陸進入点において、推定着陸点を推定し、前記飛行計画に設定された着陸点が前記推定着陸点より、手前のとき、着陸を再試行するよう制御することを特徴とする固定翼機システム。
着陸進入点に進入至ったとき、
距離判定するステップと、
高度判定するステップと、
進行方向判定するステップと、
前記複数の判定するステップがいずれも合格のとき、
推定着陸点を算出するステップと、
前記推定着陸点と飛行計画上の着陸地点とを比較するステップと、
前記推定着陸点が、前記着陸点を超過しているとき、
前記着陸進入点を超過距離だけ遠点に移動して、再度着陸進入点に移動するステップとからなる固定翼機の着陸方法。