JP5595978B2

JP5595978B2 - 遠隔制御機器の駆動制御装置

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Publication number: JP5595978B2
Application number: JP2011119805A
Authority: JP
Inventors: 満夫山本
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 2011-05-28
Filing date: 2011-05-28
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2031-05-28
Also published as: US20120298791A1; CN102799186A; TW201308033A; US8651424B2; JP2012245906A; TWI440997B; CN102799186B

Description

本発明は、遠隔制御機器の駆動制御装置に関し、特に模型ヘリコプタや空撮、農薬散布ヘリコプタ等の遠隔制御ヘリコプタに好適な駆動制御装置に関する。

模型ヘリコプタなどの遠隔制御ヘリコプタは、基本的に図５に示すような構成であり、胴体についたメインロータ３１と尾部にあるテールロータ３２で駆動の制御をおこなう。
メインロータ３１は、回転によって上昇力を発生し、ピッチ角度を調整して、模型ヘリコプタ３０の上昇下降、前後、左右の駆動を制御する。また、テールロータ３２は、メインロータ３１の回転による反動トルクを打ち消す作用と、模型ヘリコプタ３０を水平に回転運動させる制御をおこなう。

模型ヘリコプタ３０の機体を左右方向に駆動するには、機体を前後に貫く軸（ロール軸）に関して機体を回転させる。また、機体を前後方向に駆動するには、機体を左右に貫く軸（ピッチ軸）に関して機体を回転させる。さらに、機体を水平に回転させる駆動をおこなうには、機体を鉛直に貫く軸（ヨー軸）に関して機体を回転させる。

模型ヘリコプタにおけるメインロータの制御系を模式的に表したものを図６に示す。メインロータ４５は円形の支持軸４６によって支持されている。支持軸４６の同心円上にスワッシュプレート４０が配置される。このスワッシュプレート４０は２層の円盤状で、すべり軸受け構造となっていて、支持軸４６に対して前後左右に自由運動が出来る。上部円盤状部４１は、メインロータ４５のピッチ角制御をおこなうために、上部制御棒４３が１８０度対向して左右のメインロータのピッチ角制御アーム４７に連結されている。また、下部円盤状部４２には、９０度直交した位置に下部制御棒４４ａ、４４ｂが配置され、それぞれロール制御用アクチュエータ４８、ピッチ制御用アクチュエータ４９に接続している。

制御系からの視点では、模型ヘリコプタの前後方向への移動の制御は、ピッチ制御用アクチュエータ４８によっておこなう。また、模型ヘリコプタの左右方向への移動の制御は、ロール制御用アクチュエータ４９によっておこなう。
また、図６では模型ヘリコプタの上昇と下降を制御するコレクティブピッチの制御に関しては割愛している。

模型ヘリコプタの駆動を物理的な力の働きの視点で考えると、模型ヘリコプタを左右方向へ移動（ロール）する場合は、メインロータが図７（Ｂ）に示す位置Ａにあるときに、２枚のメインロータのピッチ角度を変更する。この２枚のメインロータのピッチ角度の差によって、模型ヘリコプタにかかる揚力の変化が発生する。この揚力の変化は、メインロータの回転により発生するコリオリ力の影響により、９０度位相が遅れたときに発生する。つまり、メインロータが位置Ｂのときに揚力の変化が起こり、模型ヘリコプタは左右方向に駆動制御される。

また、模型ヘリコプタは、ヨー軸の自立安定性を持っていないので、駆動制御を安定化するためにジャイロ装置が欠かせない。ジャイロ装置がない場合、模型ヘリコプタの機首は水平に振れてしまう。

模型ヘリコプタの安定的な駆動制御のために、特許文献１ではヨー軸角速度検出センサの検出精度を向上させることで、ヨー制御の精度の向上を図っている。

特開平１１−２８２５０２

模型ヘリコプタの制御において、ヨー軸に対して機体を高速で回転させる制御をピルエットという。ヨー軸に関して機体を回転させたりピルエットをおこなったりしたとき、ロール操作やピッチ操作に関わるコリオリ力の発生にずれが発生する。このずれ量は、模型ヘリコプタのヨー軸に対する角速度（ピルエットの角速度）とメインロータの回転数の相対関係となる。

例えば、図７（Ａ）を用いて説明すると、メインロータの回転方向ｓ’と、ピルエットの方向ｐ’が同一のときにロール操作をおこなうと、実際にロール操作が反映されなければいけないメインロータの位置は、模型ヘリコプタがピルエットによって回転しているので、位置Ａであるのに対し、実際にはメインロータが位置Ａ’のときに操作が反映され、操縦者の意図した動作とは異なるロールとピッチの動作となってしまう。
よって、ヨー軸回転時にロール操作やピッチ操作をおこなった場合、ロール軸とピッチ軸に位相のずれが生じ、模型ヘリコプタの動作が操縦者の意図した動作と異なるものとなってしまう。

本発明は、模型ヘリコプタなどの遠隔制御ヘリコプタが、ヨー軸に対して回転動作している場合であっても、ロール操作およびピッチ操作が正確におこなえるように、ロール軸およびピッチ軸の位相のずれを補正してロール、ピッチの制御をおこなうことを特徴とした駆動制御装置に関するものである。

請求項１に記載された遠隔制御機器の駆動制御装置は、ヨー軸の角速度をヨー軸角速度信号として出力するヨー軸角速度検出手段と、メインロータの回転数をメインロータ回転数信号として出力するメインロータ回転数検出手段と、前記ヨー軸角速度信号と前記メインロータ回転数信号からロール軸とピッチ軸の位相変化を検出し、ロール操作信号とピッチ操作信号に位相変化分の補正をおこなったロール制御信号とピッチ制御信号を生成する位相制御手段と、前記位相制御手段で生成された前記ロール制御信号と前記ピッチ制御信号からそれぞれロールアクチュエータ駆動信号とピッチアクチュエータ駆動信号を生成してロール制御アクチュエータとピッチ制御アクチュエータに出力するアクチュエータ制御手段を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載された遠隔制御機器の駆動制御装置は、請求項１に記載された遠隔制御機器の駆動制御装置において、前記位相制御手段は、前記ロール操作信号を検出するロール操作信号検出手段と、前記ピッチ操作信号を検出するピッチ操作信号検出手段と、前記ヨー軸角速度信号と前記メインロータ回転数信号からロール軸とピッチ軸の位相変化である位相ずれ信号を演算する位相角演算手段と、前記ロール操作信号と前記ピッチ操作信号と前記位相ずれ信号からロールの操作量とピッチの操作量を演算して前記ロール制御信号と前記ピッチ制御信号として出力する制御量演算手段を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載された遠隔制御機器の駆動制御装置は、請求項１または２に記載された遠隔制御機器の駆動制御装置において、ロール軸の角速度を検出してロール軸角速度信号として出力するロール軸角速度検出手段と、ピッチ軸の角速度を検出してピッチ軸角速度信号として出力するピッチ軸角速度検出手段を備え、前記ロール操作信号検出手段は前記ロール操作信号に前記ロール軸角速度信号を加算し、前記ピッチ操作信号検出手段は前記ピッチ操作信号に前記ピッチ軸角速度信号を加算することを特徴とする。

模型ヘリコプタがヨー軸に対して回転動作をおこなっている時のロール操作、ピッチ操作が正確におこなえる。また、ロール軸角速度やピッチ軸角速度を考慮することで、より精度の高く、安定性のある制御がおこなえる。

第１実施形態の駆動制御装置の構成を示すブロック図である。第１実施形態の位相制御手段の構成を示すブロック図である。第２実施形態の構成を示すブロック図である。ロール軸とピッチ軸の位相がずれたときの制御量を模式的に示した図である。模型ヘリコプタの機体と制御に係る軸を示した図である。模型ヘリコプタのメインロータの制御系を模式的に示した図である。ピルエット時のロール軸とピッチ軸の位相のずれを模式的に示した図である。

第1実施形態
第１実施形態の駆動制御装置について図１および図２を参照して説明する。図１は、本願発明の駆動制御装置の構成を示すブロック図である。
受信機２は図示しない送信機からの電波を受信し、操作信号に復調して、位相制御手段５に出力する。

ヨー軸角速度検出手段３は、模型ヘリコプタのヨー軸角速度の検出をおこなって、ヨー軸角速度信号として位相制御手段５に出力するヨー軸の角速度センサである。
また、メインロータ回転数検出手段４は、メインロータの回転数を検出して、メインロータ回転数信号として位相制御手段５に出力するメインロータの回転数計測器である。メインロータ回転数検出手段は、あらかじめ操縦者が設定したメインロータ回転数を検出値とみなして、メインロータ回転数信号として位相制御手段に出力する構成としてもよい。

位相制御手段５では、入力されたヨー軸角速度信号とメインロータ回転数信号に基づいてロール軸およびピッチ軸のヨー軸の回転による位相変化の量である位相のずれ量を演算する。位相のずれ量に応じてロール操作信号、ピッチ操作信号の補正をおこなう。そして、補正によって生成したロール制御信号とピッチ制御信号をアクチュエータ制御手段６に出力する。

アクチュエータ制御手段６では、受信したロール制御信号から、アクチュエータに対応した駆動信号であるロールアクチュエータ駆動信号を生成して、ロール制御アクチュエータ７に出力する。そして、ロール制御アクチュエータ７を介して図示しないスワッシュプレートの駆動制御をおこない、模型ヘリコプタのロール操作を制御する。
ピッチ制御信号も同様の処理をおこない、ピッチ制御アクチュエータ８を介して模型ヘリコプタのピッチ操作を制御する。

位相制御手段５の構成を図２に示す。位相制御手段５は、ロール操作信号検出手段９、ピッチ操作信号検出手段１０、位相角演算手段１１、制御量演算手段１２を備えている。
ロール操作信号検出手段９は、受信機を介して入力された操作信号からロール操作信号を抽出して制御量演算手段１２に出力する。また、ピッチ操作信号検出手段１０は、受信機を介して入力された操作信号からピッチ操作信号を抽出して制御量演算手段１２に出力する。

位相角演算手段１１は、ヨー軸角速度検出手段３から入力されたヨー軸角速度信号と、メインロータ回転数検出手段４から入力されたメインロータ回転数信号からロール軸、ピッチ軸のヨー軸の回転による位相のずれを演算し、位相ずれ信号を生成する。位相ずれ信号は、制御量演算手段１２に入力され、ロール操作信号とピッチ操作信号を補正する。制御量演算手段１２は、補正によって生成したロール制御信号とピッチ制御信号をアクチュエータ制御手段６に出力する。

具体的なロール、ピッチの操作量の補正について図４を参照して説明する。図４では円の半径が操作量の大きさを示している。
模型ヘリコプタが、ピルエットを時計回りに角速度ｐ（ｄｅｇ/ｓｅｃ）でおこなっており、メインロータの回転数が時計回りにs（ｒｐｍ）とする。このとき、メインロータが９０度回転する（四分の１回転する）のに必要な時間r（ｓｅｃ）は数１で求められる。

従って、r（ｓｅｃ）の間にピルエットにより発生するロール軸、ピッチ軸の位相のずれΦ（ｄｅｇ）は数２で求められる。

数１および数２において、ピルエットの方向とメインロータの回転方向を、それぞれ時計方向の回転を正の方向、反時計方向の回転を負の方向とすれば、時計方向の位相のずれが＋極性（正極性）、反時計方向の位相のずれが−極性（負極性）と正規化が出来る。

位相のずれΦ（ｄｅｇ）を実際のメインロータの制御に反映させる。ロールの操作量をＡＬ、ピッチの操作量をＥＬとしたとき、位相のずれΦ（ｄｅｇ）が発生したときのロール、ピッチの操作量であるＡＬ’、ＥＬ’は、以下のベクトル演算の数３で求められる。

数３で求めたロールの操作量ＡＬ’とピッチの操作量ＥＬ’をアクチュエータに与えることで、ヨー軸回転時であっても、常にロール軸、ピッチ軸を中心位置とした補正がおこなわれるため、正確なロール、ピッチの操作が可能となる。

図４（Ａ）では、ロールの操作量ＡＬとピッチの操作量ＥＬの大きさを同一としたが、実際には図４（Ｂ）のようにロールの操作量ＡＬとピッチの操作量ＥＬの大きさが異なる場合であっても数３の関係が成り立つ。

第２実施形態
第２実施形態の駆動制御装置を図３を参照して説明する。
この第２実施形態の駆動制御装置１’において、第１実施形態と同様の構成部分は、同一の符号を付して説明を省略し、第１実施形態と異なる部分のみについて説明する。

駆動制御装置１’は、ヨー軸角速度検出手段３の他に、ロール軸角速度検出手段１３、ピッチ軸角速度検出手段１４を備えている。

ロール軸角速度検出手段１３は、模型ヘリコプタのロール軸角速度の検出をおこなって、ロール軸角速度信号としてロール操作信号検出手段９’に出力するロール軸の角速度センサである。ロール操作信号検出手段９’は、ロール操作信号にロール軸角速度信号を加算して、制御量演算手段１２’に出力する。
同様にピッチ軸角速度検出手段１４は、模型ヘリコプタのピッチ軸角速度の検出をおこなって、ピッチ軸角速度信号としてピッチ操作信号検出手段１０’に出力するピッチ軸の角速度センサである。ピッチ操作信号検出手段１０’は、ピッチ操作信号にピッチ軸角速度信号を加算して、制御量演算手段１２’に出力する。

第２実施形態では、ロール操作量とピッチ操作量にロール軸角速度信号とピッチ軸角速度信号を反映させることで、より精度良く位相のずれを補正して駆動制御を安定化することが出来る。
また、ロール軸角速度信号とピッチ軸角速度信号に、ロール軸、ピッチ軸のヨー軸の回転による位相のずれを反映させることで、さらに制御を安定化させることが出来る。

１、１’…駆動制御装置
３…ヨー軸角速度検出手段
４…メインロータ回転数検出手段
５、５’…位相制御手段
６、６’…アクチュエータ制御手段
１１…位相角演算手段
１２、１２’…制御量演算手段

Claims

ヨー軸の角速度をヨー軸角速度信号として出力するヨー軸角速度検出手段と、
メインロータの回転数をメインロータ回転数信号として出力するメインロータ回転数検出手段と、
前記ヨー軸角速度信号と前記メインロータ回転数信号からロール軸とピッチ軸の位相変化を検出し、ロール操作信号とピッチ操作信号に位相変化分の補正をおこなったロール制御信号とピッチ制御信号を生成する位相制御手段と、
前記位相制御手段で生成された前記ロール制御信号と前記ピッチ制御信号からそれぞれロールアクチュエータ駆動信号とピッチアクチュエータ駆動信号を生成してロール制御アクチュエータとピッチ制御アクチュエータに出力するアクチュエータ制御手段を備えたことを特徴とする遠隔制御機器の駆動制御装置。
請求項１に記載された遠隔制御機器の駆動制御装置において、
前記位相制御手段は、前記ロール操作信号を検出するロール操作信号検出手段と、
前記ピッチ操作信号を検出するピッチ操作信号検出手段と、
前記ヨー軸角速度信号と前記メインロータ回転数信号からロール軸とピッチ軸の位相変化である位相ずれ信号を演算する位相角演算手段と、
前記ロール操作信号と前記ピッチ操作信号と前記位相ずれ信号からロールの操作量とピッチの操作量を演算して前記ロール制御信号と前記ピッチ制御信号として出力する制御量演算手段を備えたことを特徴とする遠隔制御機器の駆動制御装置。
請求項１または２に記載された遠隔制御機器の駆動制御装置において、
ロール軸の角速度を検出してロール軸角速度信号として出力するロール軸角速度検出手段と、
ピッチ軸の角速度を検出してピッチ軸角速度信号として出力するピッチ軸角速度検出手段を備え、
前記ロール操作信号検出手段は前記ロール操作信号に前記ロール軸角速度信号を加算し、
前記ピッチ操作信号検出手段は前記ピッチ操作信号に前記ピッチ軸角速度信号を加算することを特徴とする遠隔制御機器の駆動制御装置。