JP6663449B2 - 飛行訓練支援システム - Google Patents

Description

本発明は、飛行訓練を支援する飛行訓練支援システムに関する。

航空機の飛行態様としては、単独飛行と編隊飛行とがある。編隊飛行の飛行訓練では、自機（自分が操縦する航空機）の飛行方位や速度のみならず、僚機（自機と編隊を組む味方の航空機）と自機とが適切な位置関係となるように制御しなければならない。

そこで、航空機のヘッドアップディスプレイに仮想教官機（ＶＩＡ）のシンボルを重畳し、僚機との編隊飛行を仮想現実として表す技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開平０８−１６０８４６号公報

パイロットを養成する際、実機を用いた飛行訓練は必須であるが、編隊飛行の訓練を実施しようとすると、その航空機の数だけコストを要することとなり、また、訓練でありながら自機が僚機と接触する危険性が生じてしまう。

ここで、特許文献１のように、仮想教官機を用いることも考えられるが、単に仮想教官機を表示するだけでは、仮想教官機が前方を飛行することによるウェーキの影響等が模擬されず、十分な飛行訓練とは言えなかった。

そこで、本発明は、実機における編隊飛行の飛行訓練を適切に実行することが可能な飛行訓練支援システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、パイロットが自機を操縦して飛行している状態において実行される本発明の飛行訓練支援システムは、予め設定された数の仮想僚機が自機とともに編隊飛行しているとした場合における、仮想僚機の模擬飛行状態を所定時間経過毎に生成する飛行状態生成部と、仮想僚機の模擬飛行状態と自機の実飛行状態とに基づいて、自機に対する仮想僚機の相対位置を所定時間経過毎に導出する相対位置導出部と、透過型ディスプレイにおける仮想僚機の相対位置に仮想僚機を示す指標を表示する表示制御部と、仮想僚機の模擬飛行状態と仮想僚機の相対位置とに基づいて、仮想僚機の飛行により自機が受ける模擬変動量を導出する変動量導出部と、模擬変動量を受けた状態となるように自機を実変動させる飛行制御部と、を備える。
飛行制御部は、自機の高度が所定高度以上の場合、または、自機が所定の試験空域に位置している場合に、模擬変動量を受けた状態となるように自機を実変動させるとしてもよい。
変動量導出部は、仮想僚機の飛行により自機のロール回転方向に受ける模擬変動量を導出してもよい。

本発明によれば、実機における編隊飛行の飛行訓練を適切に実行することが可能となる。

航空機の操縦室を示す概略図である。 編隊飛行訓練を説明するための説明図である。 自機の制御系を説明するための機能ブロック図である。 飛行訓練支援処理の流れを示すフローチャートである。 仮想僚機を示す指標の表示態様を説明するための説明図である。 仮想僚機の飛行によって自機が受ける影響を説明するための説明図である。 飛行訓練支援システムの制御ブロックを示した説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、航空機の操縦室を示す概略図である。自機（航空機）１の操縦室１０内の前方側には計器盤１２が設けられている。計器盤１２には、操縦に必要な各種の計器１４が配置されている。計器１４としては、例えば、自機１の機体の水平面での位置（例えば、緯度、経度）を表示する位置表示計、機体の高度を表示する高度表示計、機体の姿勢を表示する姿勢表示計、磁方位を表示する磁方位計、機体内の温度を表示する温度計、操舵量を表示する操舵量表示計、エンジンの出力を表示する出力計などがある。なお、計器盤１２には、例示した計器１４に限らず、パイロット２が自機１の操縦において必要な様々な計器１４が配置される。

また、操縦室１０内の前方側、かつ、計器盤１２の上方には、自機１の外界を視認可能な透過窓１６が設けられている。透過窓１６には、パイロット２の視野に直接情報を表示するヘッドアップディスプレイ（透過型ディスプレイ）１８が一体的に設けられている。例えば、ヘッドアップディスプレイ１８として、ハーフミラーを透過窓１６にコーティングし、パイロット２の視線方向と垂直となる方向から情報を投影する。こうして、パイロット２は、自機１の外界に相当する実空間を視認しつつ、視線を維持したまま、同時に、ヘッドアップディスプレイ１８を通じて情報を得ることができる。

また、計器盤１２の近傍には、操縦装置２０が設けられている。操縦装置２０は、パイロット２の操作入力を受ける、例えば、操縦桿で構成される。パイロット２は、操縦装置２０を通じて自機１を操作する。なお、操縦装置２０は、操縦桿に限らず、例えば、計器盤１２やその近傍に配置される各種のレバーやスイッチなどのパイロット２の操作を受け付ける装置であればよい。

図２は、編隊飛行訓練を説明するための説明図である。パイロット２を養成する際、実機を用いた飛行訓練は必須であるが、編隊飛行の訓練を実施しようとすると、その航空機の数だけコストを要することとなり、また、訓練でありながら自機１が実際に飛行している僚機と接触する危険性が生じてしまう。ここで、例えば、実際には存在しない仮想的な僚機（以下、「仮想僚機３」という）を用い、ヘッドアップディスプレイ１８に表示することも考えられるが、仮想僚機３が前方を飛行することによるウェーキの影響（干渉）等が模擬されないので、十分な飛行訓練とは言えなかった。そこで、本実施形態では、図２のように、自機１に対して、仮想僚機３の飛行を模擬しつつ、仮想僚機３が仮に実際に飛行していた場合に仮想僚機３から自機１が受ける影響も考慮して、実機における編隊飛行の飛行訓練を適切に実行することを目的とする。

以下、このような目的を実現するための飛行訓練支援システム１００の構成について詳述する。ここでは、本実施形態の目的である飛行訓練支援に必要な構成を説明し、本実施形態に関係のない構成については説明を省略する。

（飛行訓練支援システム１００）
図３は、自機１の制御系を説明するための機能ブロック図である。自機１の飛行機構３０は、翼が機体に固定されている固定翼と、推進力を得る内燃機関（例えば、ジェットエンジンやレシプロエンジン）とで構成され、推進力により翼周りに揚力を生じさせることで、機体が大気中に浮上した状態を維持する。ただし、揚力を生じさせる機構はかかる場合に限らず、回転可能に設けられた回転翼（ローター）により揚力を得たり、推進力を得ることも可能である。

また、飛行機構３０では、昇降舵や補助翼（エルロン）を通じてバンク角（ロール角）、機首角（ピッチ角）、内燃機関の出力等を調整することで、飛行方位（ヨー角）、高度、飛行速度を制御することも可能である。パイロット２は、操縦装置２０を通じて飛行機構３０を動作させ、自機１を操縦する。

飛行状態センサ３２は、自機１に設けられた航法センサ等の様々なセンサを通じて、飛行位置（経度、緯度、高度を含む）、機体速度、機体姿勢、機体が受ける風力、風向き、天候、機体周囲の気圧、温度、湿度等の現在の飛行状態を検出する。

中央制御部３４は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路で構成され、自機１全体を管理および制御する。また、中央制御部３４は、ＲＯＭやＲＡＭと協働して、飛行訓練支援システム１００として機能する、飛行状態生成部１１０、相対位置導出部１１２、表示制御部１１４、変動量導出部１１６、飛行制御部１１８としても動作する。以下、飛行訓練支援システム１００による飛行訓練支援処理について、当該中央制御部３４の各機能部の動作も踏まえて詳述する。

（飛行訓練支援処理）
図４は、飛行訓練支援処理の流れを示すフローチャートである。ここでは、所定時間経過毎の割込信号に応じて当該飛行訓練支援処理が実行される。飛行訓練支援処理では、飛行状態生成部１１０が仮想僚機３の模擬飛行状態を生成し（Ｓ２００）、相対位置導出部１１２が、自機１に対する仮想僚機３の相対位置を導出し（Ｓ２０２）、表示制御部１１４が、仮想僚機３の相対位置を実空間に重畳して表示し（Ｓ２０４）、変動量導出部１１６が、仮想僚機３の飛行によって自機１が受ける模擬変動量を導出し（Ｓ２０６）、飛行制御部１１８が、模擬変動量を受けた状態となるように自機１を実際に変動（実変動）させる（Ｓ２０８）。

（飛行状態生成処理Ｓ２００）
飛行状態生成部１１０は、操作入力を通じて予め設定された数の仮想僚機３を対象とし、仮想僚機３それぞれに予め設定された飛行経路、飛行速度、飛行姿勢等に基づき、仮想僚機３の飛行を模擬（シミュレーション）する。なお、仮想僚機３の飛行の模擬については、従来の様々な技術を採用できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。

そして、飛行状態生成部１１０は、自機１が実際に飛行している間、仮想僚機３が仮に自機１と共に実際に編隊飛行していた場合の同時点における仮想僚機３の飛行状態を導出する。以下では、自機１が実際に飛行（実飛行）している飛行状態を「実飛行状態」というのに対し、仮想僚機３の模擬された飛行状態を「模擬飛行状態」という。

（相対位置導出処理Ｓ２０２）
相対位置導出部１１２は、仮想僚機３の模擬飛行状態と自機１の実飛行状態とに基づいて、自機１に対する仮想僚機３の相対位置を導出する。例えば、仮想僚機３と自機１との飛行速度、飛行姿勢は等しいが、仮想僚機３の飛行経路（飛行位置）が、自機１の飛行経路と比較して、自機１のロール軸と固定翼を平面とした場合の３次元座標（α，β，γ）分だけずれている場合、相対位置導出部１１２は、その３次元座標（α，β，γ）を自機１に対する仮想僚機３の相対位置とする。

（表示制御処理Ｓ２０４）
図５は、仮想僚機３を示す指標の表示態様を説明するための説明図である。表示制御部１１４は、上記の相対位置（３次元座標（α，β，γ））に仮想僚機３が存在するとパイロット２が把握できるように、ヘッドアップディスプレイ１８に仮想僚機３を示す指標（シンボル）を表示する。したがって、パイロット２は、ヘッドアップディスプレイ１８を通じ、自機１の外部の実空間に仮想僚機３を重畳して視認することができ、恰も仮想僚機３と編隊飛行しているかのような訓練を実行できる。

（変動量導出処理Ｓ２０６）
変動量導出部１１６は、飛行状態生成部１１０が生成した仮想僚機３の模擬飛行状態と、相対位置導出部１１２が導出した仮想僚機３の相対位置とに基づいて、仮想僚機３が仮に自機１の前方を実飛行した場合に、その飛行によって自機１が受けるであろう模擬的な変動量（模擬変動量）を導出する。

図６は、仮想僚機３の飛行によって自機１が受ける影響を説明するための説明図である。ここでは、自機１の前方に仮想僚機３が飛行していることを模擬している。したがって、仮想僚機３の後方には仮想僚機３の各翼の上下面の圧力差によって生じる気流の渦（翼端渦）や、ジェットエンジンのブラストによる乱気流４が生じる。かかる乱気流４は図６において矢印で示した方向に生じ、中央ほど風速が高くなっている。

そして、例えば、仮想僚機３に対し、自機１が後方左の範囲に位置していれば、乱気流４の影響を受けて、ロール右回転に模擬変動量だけ変動し、自機１が後方右の範囲に位置していれば、乱気流４の影響を受けて、ロール左回転に模擬変動量だけ変動することとなる。

（飛行制御処理Ｓ２０８）
図７は、飛行訓練支援システム１００の制御ブロックを示した説明図である。ここでは、説明の便宜上、ロール方向の制御に着目して説明するが、他の姿勢角（ヨー、ピッチ）や、飛行速度等の制御にも適用できるのは言うまでもない。

まず、飛行制御部１１８は、操縦装置２０の操作入力に基づき、例えば、操縦桿の傾倒角度または傾倒力を積分して目標バンク角を導出する。そして、飛行制御部１１８は、その目標バンク角から、飛行状態センサ３２で計測された計測バンク角を減算し、ＰＩＤ制御によって補助翼舵角の目標値を導出する。そうすると、自機１は、かかる補助翼舵角の目標値に応じて姿勢が変化する。

このとき、飛行制御部１１８は、自機１が模擬変動量を受けた状態となるように、自機１を実変動させる。具体的に、飛行制御部１１８は、模擬変動量を、模擬変動量を実現するための補助翼舵角の変動値に変換し、図７におけるＰＩＤ制御後の補助翼舵角の目標値に、補助翼舵角の変動値を加算して、改めて補助翼舵角の目標値とする。かかる構成により、仮想僚機３が前方を実際に飛行しているとした場合の自機１への影響を適切に反映することができる。

例えば、図６に示したように、自機１が、仮想僚機３に対し後方左の範囲に位置していれば、乱気流４の影響を受けて、ロール右回転に模擬変動量だけ変動（バンク）するはずである。したがって、飛行制御部１１８は、模擬変動量を受けた状態となるように、自機１が模擬変動量だけ変動する補助翼舵角の変動値を補助翼舵角の目標値に加算する。そうすると、自機１はロール方向に右回転することとなる。

ここで、パイロット２は、自機１のロール右回転を阻止するために、操縦装置２０に対して、自機１をロール方向に左回転する操作を行う。こうして、補助翼舵角の目標値と補助翼舵角の変動値が互いに相殺されて、自機１のバンク角が維持される。

かかる構成により、仮想僚機３を用いてコストを削減しつつ、実機における編隊飛行の飛行訓練を適切に実行することが可能となる。また、飛行訓練以外の、例えばミッション飛行時において、仮想僚機３をペースメーカとして利用し、仮想僚機３に追従することで正確なミッションの達成が可能となり、パイロット２の心理負担を軽減できる。

なお、仮想僚機３が近傍に存在せず、仮想僚機３の飛行による影響を受けない場合を想定した模擬飛行では、変動量導出部１１６が模擬変動量を導出しないか、または、模擬変動量を０とする。飛行制御部１１８は、この結果を用いて補助翼舵角の変動量を０として自機１を制御する。

また、ここでは、飛行訓練支援処理において、そのタイミングを何ら制限していないが、訓練により他の障害物との接触を回避するために、例えば、自機１の高度が所定高度以上の場合、または、自機１が所定の試験空域に位置している場合にのみ、変動量導出部１１６や飛行制御部１１８が機能するとしてもよい。また、離着陸や進出時にも変動量導出部１１６や飛行制御部１１８を機能させないとすることができる。

また、コンピュータを飛行訓練支援システム１００として機能させるプログラムや、当該プログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能なフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤ等の記憶媒体も提供される。ここで、プログラムは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理手段をいう。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、本明細書の飛行訓練支援処理の各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、飛行訓練を支援する飛行訓練支援システムに利用することができる。

１ 自機（航空機）
３ 仮想僚機
１８ ヘッドアップディスプレイ（透過型ディスプレイ）
１００ 飛行訓練支援システム
１１０ 飛行状態生成部
１１２ 相対位置導出部
１１４ 表示制御部
１１６ 変動量導出部
１１８ 飛行制御部

Claims (3)

1. パイロットが自機を操縦して飛行している状態において実行される飛行訓練支援システムであって、
   予め設定された数の仮想僚機が前記自機とともに編隊飛行しているとした場合における、前記仮想僚機の模擬飛行状態を所定時間経過毎に生成する飛行状態生成部と、
   前記仮想僚機の模擬飛行状態と自機の実飛行状態とに基づいて、前記自機に対する前記仮想僚機の相対位置を前記所定時間経過毎に導出する相対位置導出部と、
   透過型ディスプレイにおける前記仮想僚機の相対位置に前記仮想僚機を示す指標を表示する表示制御部と、
   前記仮想僚機の模擬飛行状態と前記仮想僚機の相対位置とに基づいて、前記仮想僚機の飛行により前記自機が受ける模擬変動量を導出する変動量導出部と、
   前記模擬変動量を受けた状態となるように前記自機を実変動させる飛行制御部と、
   を備える飛行訓練支援システム。
2. 前記飛行制御部は、前記自機の高度が所定高度以上の場合、または、前記自機が所定の試験空域に位置している場合に、前記模擬変動量を受けた状態となるように前記自機を実変動させる請求項１に記載の飛行訓練支援システム。
3. 前記変動量導出部は、前記仮想僚機の飛行により前記自機のロール回転方向に受ける模擬変動量を導出する請求項１または２に記載の飛行訓練支援システム。

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