JPH0281795A - 航行体の安定化装置 - Google Patents

航行体の安定化装置

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JPH0281795A
JPH0281795A JP23325988A JP23325988A JPH0281795A JP H0281795 A JPH0281795 A JP H0281795A JP 23325988 A JP23325988 A JP 23325988A JP 23325988 A JP23325988 A JP 23325988A JP H0281795 A JPH0281795 A JP H0281795A
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JP
Japan
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signal
output
input
speed
navigation object
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JP23325988A
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English (en)
Inventor
Tsurashi Yamamoto
山本 貫志
Takeshi Hojo
武 北條
Takafumi Nakaishi
中石 隆文
Fuyuki Hane
冬希 羽根
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Tokyo Keiki Inc
Original Assignee
Tokyo Keiki Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0281795A publication Critical patent/JPH0281795A/ja
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、無人ヘリコプタ等の航行体を熟練を要するこ
となく安全に操縦する為の安定化装置、特に航行体の姿
勢(ロール及びピッチ角)及び方位を安定化させると共
に、航行体の速度を命令速度に確実に一致させ得る航行
体の安定化装置に関する。
〔従来の技術〕
航行体、例えば無人ヘリコプタ(以下無人ヘリと略称す
る)の操縦装置の従来例を、そのシステムブロック図で
ある第8図を参照して説明する。
地上にいるオペレータ(100)が、無人ヘリ用の無線
操縦用送信器(101)の方位、ロール/ピッチ。
高度等のハンドル、或いはスティックを操作すると、こ
の送信器(Lot)は、これ等の命令を電波(高周波信
号)に変調して送信する。すると、この電波を無人ヘリ
の機体(ボディ) (105)に取付けた受信機(10
2)が受信し、これを復調し、その出力をミキシングア
ンプ(200)を介してサーボアクチュエータ(103
)に送る。サーボアクチュエータ(103)は、その入
力信号に対応して、ピッチコントロール機構、ロールコ
ントロール4fflfJI!(サイクリックピッチのコ
ントロール)、方位コントロール機構(ティルロータの
ピッチコントロール)及び高度コントロール機構(メイ
ンロータのピッチコントロール(コレクティブピッチコ
ントロール))より成るヘリコプタ操縦用コントロール
機構(104)を制御し、機体(105)の姿勢、速度
、高度等をコントローする。
尚、ミキシングアンプ(200)には、機体(105)
の方位軸まわりの方位角速度信号が方位軸角速度センサ
(106)より供給されている。この方位角速度信号は
、ミキシングアンプ(200)を介して、方位コントロ
ール機構に供給され、機体(105)の方位軸まわりの
運動を安定化する。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、このような従来の無人ヘリの操縦装置に
あっては、無人ヘリ自体が安定性に欠けているため、横
風等の影響を受けやすく、無人ヘリを安全且つ安定に飛
行させるには、かなりの熟練を要すること、無人ヘリを
薬剤散布、空中撮影等に用いようとすると、無人ヘリを
オペレータから離れた場所まで飛行させる必要があるが
、この場合、無人ヘリの姿勢変化、高度変化、速度変化
等をオペレータが目視で捕えることが不能となり、その
姿勢等の安定化が事実上出来ず、無人ヘリを遠距離飛行
、或はオペレータが視認できない場所で飛行させること
が不可能となる等の欠点があった。
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたもので、その
目的は、上記従来の課題を一掃した新規な航行体の安定
化装置を提供せんとするものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明によれば、角速度センサ及びミキシングアンプよ
り成る無人航行体の安定化装置に於て、航行体の主要3
軸方向に入力軸を一致させた3個の加速度計(304)
 、 (305) 、 (306)と、3個の角速度セ
ンサ(301) 、 (302) 、 (303)と、
これ等の出力が入力される演算部(309)とを設ける
と共に、上記演算部の出力のうち姿勢角信号を入力とす
る航行体の機体座標成分演算部(359)に於て上記加
速度計の出力信号から上記航行体の姿勢による重力加速
度成分を補正し、その補正出力を上記ミキシングアンプ
(200)へ入力すると共に、上記航行体の主要3軸方
向の速度を検出する速度計(202)と、速度信号演算
補正部(360)とを設け、この速度信号演算補正部に
於て上記速度計の出力信号を上記航行体の座標成分演算
の出力信号で補正し、その補正出力を上記ミキシングア
ンプ(200)へ入力するようになした航行体の安定化
装置が得られる。
〔作用〕
上述した構成の本発明によれば、航行体の主要3軸に関
する方位、姿勢角及び角速度信号を方位姿勢検出装置(
201>で検出すると共に、航行体の主要3軸に関する
速度信号を、上記方位姿勢検出装置で検出した主要3軸
に関する加速度で補正し、この補正信号及び上記検出さ
れた姿勢角及び角速度信号をミキシングアンプ(200
)へ供給し、そこで航行体の運動特性に対応した信号処
理を行い、その結果の出力で、ヘリコプタ操縦用コント
ロール機構(104)を介して航行体の主要3軸に関す
る姿勢及び速度制御を行う。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
第1図は、本発明による航行体、例えば無人ヘリの操縦
システムの一実施例を示すブロック図である。尚、第1
図に於て、第8図と同一符号は、互に同一部分を示すも
のとする。
第1図に示す本発明の例と第8図に示した従来の操縦シ
ステムとの主たる相異点は、本発明に於ては、無人ヘリ
の機体(105)に固設したミキシングアンプ(200
)に、ストラップダウン型の方位姿勢検出装置(201
)を接続し、この方位姿勢検出装置(201)からの、
姿勢角信号(ロール角、ピッチ角)信号、方位角信号、
角速度信号(3軸)、加速度信号(3軸方向)を、上記
ミキシングアンプ(200)に入力することに在る。無
人ヘリの機体(105)には、その主要3軸方向の速度
を検出する速度計(202)及び高度を検出する高度計
(203)が取付けられ、この速度計(202)からの
機体(105)の速度信号(前後・横及び上下の速度信
号)が方位姿勢検出装置(201)に供給され、高度計
(203)よりの高度信号は、ミキシングアンプ(20
0)に入力される。第1図の例に於て、その他は、第8
図の従来例と同様である。
第2図は第1図に示した本発明によるミキシングアンプ
(200)の詳細なブロック図である。同図に示す如く
、ミキシングアンプ(200)は、ロールミキシングア
ンプ(200−1)、ピッチミキシングアンプ(200
−2) 、方位ミキシングアンプ(200−3)及び高
度ミキシングアンプ(200−4)から構成される。
ロールミキシングアンプ(200−1)は、送信機(1
01)からの横方向速度命令信号のほか、方位姿勢検出
装置(201)からのロール角速度信号、ロール姿勢角
信号、横方向加速度信号および横方向速度信号をそれぞ
れ受け、機体(105)の運動特性に対応した信号処理
を施した後、これ等信号を機体(105)の前後方向軸
(X軸)線のまわりにトルク或いはY軸方向の力を発生
するサイクリックピッチ機構のロール用サーボに入力す
る。
ピッチミキシングアンプ(200−2)は、送信機(1
01)からの前後方向速度命令信号のほか、方位姿勢検
出装置(201)からのピッチ角速度信号、ピッチ姿勢
角信号、前後方向加速度信号及び前後方向速度信号を受
け、その出力をサイクリックピッチ機構のピッチ用サー
ボに送り、機体(105)のY軸まわりの角運動を安定
化すると共に、機体(105)の前後方向の速度を命令
速度信号と一致させるように制御する。
方位ミキシングアンプ(200−3)は、送信機(10
1)からの方位命令信号のほか、方位姿勢検出装置(2
01)からの方位角速度信号及び方位角信号を受け、そ
の出力をテイルロータのピッチ用サーボに送り、機体(
105)の方位を制御する。
高度ミキシングアンプ(200−4)は、送信機(10
1)からの高度命令信号のほか、方位姿勢検出装置(2
01)からの上下方向加速度信号、上下方向速度信号及
び高度計(203)からの高度信号を受け、その出力を
メインロータのピッチをコントロールするコレクティブ
ピッチ用サーボに入力し、機体(105)の高度を保持
、或いは機体(105)を高度命令に追従させる。
第3図は第1図に示すストラップダウン型の方位姿勢検
出装置(201)の1例の全体構成を示すブロック図で
ある。同図の例では、例えば振動ジャイロ等の非回転型
のジャイロより成るXジャイロ(301) 、 Yジャ
イロ(302) 、 Zジャイロ(303)  と、X
加速度計(304) 、 Y加速度計(305)、X加
速度計(306)と、磁気方位センサー(307) と
を、無人ヘリの機体(第1図参照)の主要直交3軸、即
ちX、 Y。
Z軸に、それぞれの入力軸が一致するように取付ける(
第3図の矢印参照)。これ等よりの出力信号を、信号変
換部(308)を介して演算部(309)に入力する。
演算部(309)において、座標変換マトリクス(CT
M)の演算、ジャイロドリフト修正演算、加速度修正演
算等を実施した後、航行体の制御、運航に必要なロール
角、ピッチ角、方位角。
X、Y、Z軸まわり角速度、X、Y、Z (軸方向)加
速度、X、Y、Z (軸方向)速度等の信号を、信号出
力部(310)を介して送出する。
第4図は第3図の演算部(309)の−例の構成を示す
ブロック図である。第3図に示す信号変換部(30B)
からのX、Y及びZジャイロ(301) 、 (302
) 。
(303)よりのジャイロ信号(XG)、(YG)及び
(ZG)を、夫々バイアス修正器(350) 、 (3
51) 、 (352)を介してXレート(ロール角速
度信号)、Yレート(ピッチ角速度信号)、Zレート(
方位角速度信号)として、第3図に示す信号出力部(3
10)に供給すると共に、CTM (座標変換マトリク
ス)演算部(353)に入力し、CTMを演算する。
一方、第3図に示す信号変換部(308)からのX。
Y及びZ加速度計(304) 、 (305)及び(3
06)よりの加速度信号(XA)、(YA)及び(ZA
)は、CTM演算部(353)からのCTM信号(CS
)と共に、地球座標水平成分演算部(354)に入力さ
れ、そこで、東西、南北両方の重力加速度の水平成分(
α)、(β)を算出する。これ等水平成分(α)。
(β)は、無人ヘリの機体(105)の速度計(202
)(第1図参照)よりの速度信号(SS)と共に、加速
度修正演算部(355)に人力され、そこで、機体の運
動加速度の成分を除いた後、起立トルク演算部(356
)に入力され、起立トルク演算を行った後、CTM演算
部(353)に入力され、水平成分(α)、(β)がゼ
ロとなるようにCTMをトルキングする。
CTM演算部(353)からの方位角信号(A S )
と、信号変換部(30B) (第3図参照)からの磁気
方位信号(MAS)とは、方位拘束トルク演算部(35
7)に供給され、そこにおいて、比較演算、拘束トルク
演算を行い、その出力トルキング信号(AT)を上記C
TM演算部(353)にフィードバックし、CTMを主
として方位軸まわりにトルキングすることにより、CT
M方位を磁気方位に拘束させる。
方位拘束トルク演算部(357)及び起立トルク演算部
(356)の出力(AT)及び(ETI)、(ET2)
は、CTM演算部(353)のCTM信号(CS)と共
に、ジャイロバイアス演算部(358)に入力され、そ
こで、X、  Y、  Zジャイロ(301) 、 (
302) 、 (303)の各バイアス修正信号を演算
し、その出力、即ち、バイアス修正信号(BC)を、バ
イアス修正器(350) 。
(351) 、 (352)に送出する。
尚、所望の精度の速度信号(SS)が得られないときに
は、磁気方位信号(MAS)或いは、X。
y、 z加速度信号(XA)、(YA)、(ZA)等か
ら作ったカットオフ信号(CO3)を加速度修正演算部
(355)に供給し、加速度作用時に、起立トルク演算
部(356)への入力をカットオフするようになしても
良い。
機体の主要3軸方向に入力軸を一致させて取付けた3個
のx、y、zジャイロ(301) 、 (302) 、
 (303)の出力信号(XC)、(YG)、(ZC)
を、バイアス修正器(350) 、 (351) 、 
(352)を介して座標変換マトリクス(CTM)を演
算するCTM演算部(353)に入力し、CTMを演算
させる。上記ジャイロの入力軸とその入力軸が平行とな
るように機体に取付けた3個のx、  y、  z加速
度計(304) 、 (305) 、 (306)の出
力と、上記CTM信号(CS)とから水平成分演算部(
354)において、重力加速度の水平成分(α)、(β
)を演算する。CTMが正しければ、水平成分(α)、
(β)はゼロであるが、CTMに誤差があると、水平成
分(α)、(β)は、有限の値となるため、これ等を起
立トルク演算部(356)において、CTMが正しい値
となるようなトルキング信号(ETI)、(ET2)に
変換して、CTM演算部(353)に送り、これを正し
い方向に向くように回転させる。
一方、CTM演算部(353)よりの方位角信号(AS
)と、磁気方位センサー(307)からの磁気方位信号
(MAS)とを、方位拘束トルク演算部(357)にお
いて、比較演算等を行い、方位軸まわりのトルキング信
号(AT)を作り、これ°を両者の差がなくなるように
CTM演算部(353)にフィードバックする。
一方、ジャイロドリフトがあると、起立トルク演算部(
356)及び方位拘束トルク演算部(357)の出力は
ゼロとならず、ジャイロドリフトに対応した有限な値を
もつ。これ等の信号をジャイロバイアス演算部(35B
)にCTM信号(CS)と共に入力し、演算したバイア
ス修正信号(BC)を、各ジャイロ(301) 、 (
302) 、 (303)のバイアス修正器(350)
 。
(351) 、 (352)に入力し、ジャイロドリフ
トがゼロとなるように修正する。
CTM演算部(353)から、機体のロール角、ピッチ
角、方位角信号及びバイアス修正器(350) 、 (
351) 。
(352)から航行体の角速度、Xレート、Yレート。
Zレートをそれぞれ出力する。
機体が旋回、増減速等の加速度運動を行っているときは
、起立トルク演算部(356)への入力をカットオフし
、加速度の影響を削除する。又、速度計(202) (
第1図参照)から速度信号(SS)等が得られるときに
は、これと、CTM信号(C3)とを加速度修正演算部
(355)へ供給し、加速度の影響をとり除(。
第5図は、第4図に示す機体座標成分演算部(359)
の−例のブロック図を示す。同図に示す如く、この機体
座標成分演算部(359)は、重力傾斜成分演算部(3
59−1)と、その補正部(359−2)とより成る。
この重力傾斜成分演算部(359−1)は、CTM演算
部(353)で演算されたロール姿勢角信号(θR)及
びピッチ姿勢角信号(θ、)を入力とし、機体の傾斜に
伴なうx、y、X方向の重力加速度(g)の成分を演算
する。ここでX、Y、X方向の重力加速度(g)の成分
は、それぞれg−sinθp 、 g−sinθえ及び
g ’ cosθ、・cosθ8と計算される。−方、
χ、Y及びZ加速度計(304) 、 (305)及び
(306)(第3図参照)からの加速度信号(XA)、
(YA)。
(ZA)は、それぞれ補正部(359−2)の加算器(
ADI)、(AD2)及び(AD3)へ入力され、そこ
で、重力傾斜成分演算部(359−1)で計算されたX
、Y及びX方向の重力加速度(樽の対応成分とそれぞれ
比較演算され、この結果、機体座標成分演算部(359
)は、機体の傾斜に伴なう重力加速度(綺の成分を補正
した真の前後方向加速度信号(α×)。
横方向加速度信号(αYL  及び上下方向加速度信号
(α2)を出力する。
次に、第4図の速度信号演算補正部(360)について
説明する。この対象となる速度信号の発生源である無人
ヘリ、即ち機体(105)に搭載しである速度計(20
2)としては、マイクロウェーブ方式によるドツプラ一
対地速度計或いは対気速度計が挙げられる。
ドツプラ一対地速度計は、反射面(地表面等)の凹凸の
影響を受は易くこの凹凸がその出力信号にノイズとして
現れてくる。即ち、機体(無人ヘリ)が一定速度で飛行
しているにも拘わらず、地表面の凹凸等の影響により、
このドツプラ一対地速度計よりは、速度が変化している
ような信号が出力されてしまう。
一方、対気速度計は、風速等によって誤差を発生するた
め、精度の高い速度計としては望めない。
従って、速度信号演算補正部(360)は、上述したよ
うな各速度計の欠点を補正し、高精度な速度信号を得る
ものである。
速度信号演算補正部(360)は、第4図に示す如く、
機体座標成分演算部(359)の出力である前後。
横及び上下方向の夫々の加速度信号(α、)、(αV)
及び(α2)と、機体(105)に取付けた速度計(2
02)の出力である前後、横、上下方向の夫々の速度信
号(V!IX)、(VD?)及び(Voz)とを人力と
して、それ等の演算処理を行い、機体(105)の3軸
方向の速度信号VX、V、、V2を夫・々出力する。
速度信号演算補正部(360)は、X、 Y及びZ軸の
各方向に就いて設けられているが、実際は、それ等の構
成は、各X、Y及びZ軸方向に就いて同一であるので、
第6図では、一つの軸、例えばX軸方向に就いての速度
信号演算補正部(360X)のみを示し、これを説明す
る。
第6図に示す速度信号演算補正部(360X)において
、X方向(前後)加速度信号(αX)は、加算器(AD
II)を介して、積分器(360−1) ニ人力すれ、
積分演算が行われ、速度信号(V)1)に変換される。
該速度信号(Vx)は、速度計(202)の出力である
速度信号(VDX)と加算器(AD21)で比較演算さ
れ、その出力は、係数器(360−2)を介して上記加
算器(A D 11)へフィードバックされる。
上述した構成の速度信号演算補正部(360X)の入出
力特性を次式に示す。
(1)式より明らかなように、速度計(202)からの
速度信号(V DX)には、時定数Trのフィルタが付
加されているため、速度信号に含まれる地表面の凹凸等
による高周波ノイズ成分は、フィルタの時定数TFを適
当な値に選べば、除去することができる。また、速度信
号(VX)にフィルタを入れることによって生じる応答
の遅れは、加速度信号(αいを積分した項で補正を行っ
ているので、除去することができる。また、加速度信号
(αX)にα。なる誤差が生じた時の出力速度信号(v
8)の定常誤差は、T、・α。なる有限値であり、加速
度積分を行ったことにより時間の経過と共に速度誤差が
増大することも無く、長時間にわたって安定した速度信
号を得ることができる。
第7図は速度信号演算補正部(360)の−興体回路例
を示す。
尚、X、Y及びZ方向共、同じ回路であるので、1つの
軸、例えばX軸方向の回路(360X)のみ示し、他は
省略する。
第7図において、加速度信号(αいは、演算増幅器(A
1)により、抵抗器(R1)とキャパシタ (CI)と
で決まるゲインで積分される。演算増幅器(A2)は、
上記演算増幅器(A1)の出力信号を抵抗器(R2)及
び(R3)で決まるゲインで増幅し、出力速度信号(V
X)を出力する。演算増幅器(A3)は、上記出力速度
信号(Vx)と速度信号(V□)とを抵抗器(R4)。
(R5)、(R6)及び(R7)で決まるゲインで比較
演算し、出力信号を出す。この出力信号は、可変抵抗器
(VRI)で減衰された後、抵抗器(R8)を介して上
記演算増幅器(A1)へフィードバックされる。
この第7図に示す回路構成において、各抵抗器(R1)
〜(R7)及びキャパシタ(C1)の各抵抗値及び容量
(同一符号使用)間に、例えばR1−R8,R1・C1
−1秒、R2−R3,R4−R5=R6−R7の関係が
あり、可変抵抗器(VRI)の減衰率−βと選び、加速
度信号(α、)及び速度信号(VIlx)に対する出力
速度信号(V W)の応答を求めると、下式を得る。
ここで、Sはラプラス演算子である。
(2)式において、   をT、と置くと、前述しβ た(1)式となり、可変抵抗器(VRI)を調整するこ
とにより、時定数T、を適当に選ぶことができる。
尚、上述は本発明が適用される航行体として無人ヘリを
例に挙げたが、本発明はその他の航行体、例えば有人ヘ
リコプタ、無人潜水艇、無人標的機。
ミサイル等にも適用し得、同様の作用効果を奏すること
は勿論である。
〔発明の効果〕
上述した構成の本発明によれば、航行体の主要3軸に関
する姿勢制御を行うと共に、速度計の出力信号によりそ
の速度の制御を行っているので、航行体に固有の不安定
性を除去することができ、オペレータが航行体を視認し
得ないような場所でも、その姿勢、方位及び速度を熟練
なしに安定化できる。
特にヘリコプタの特徴であるホバリング(空中静止機能
)性能を向上させることができる。
更に、本発明に於ては、ストラップダウン型の方位姿勢
検出装置及び簡単な構成の速度計を従来の操縦装置に付
加するのみであるので、本発明を従来の装置に簡単な変
更のみで適用できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一例のシステムのブロック図、第2図
はそのミキシングアンプの一例の詳細なブロック図、第
3図は第1図の方位姿勢検出装置の一例のブロック図、
第4図はその演算部の一例のブロック図、第5図はその
機体座標成分演算部の一例の詳細なブロック図、第6図
は第4図の速度信号演算補正部の一例の詳細なブロック
図、第7図はその一例の回路図、第8図は従来の無人ヘ
リの操縦装置のブロック図である。 図に於いて、(101)は無線操縦用送信機、(102
)は無線操縦用受信機、(103)はサーボアクチュエ
ータ、(104)はヘリコプタ操縦用コントロール機構
、(105)は航行体の機体、(200)はミキシング
アンプ、 はストラップダウン型の方位姿勢 検出装置、 は速度計、 は高度計を夫 々示す。 代 理 人 伊 藤 貞 同 松 隈 秀 盛 ミキシングアンフ′0フ゛Dツク図 第2図 第1 図 従来の無人ヘリの操縦システムの7゛口1y/7図第8

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、角速度センサ及びミキシングアンプから成る航行体
    の安定化装置に於て、航行体の主要3軸方向に入力軸を
    一致させた3個の加速度計と、3個の角速度センサと、
    これ等の出力が入力される演算部とを設けると共に、上
    記演算部の出力のうち姿勢角信号を入力とする航行体の
    座標成分演算部に於て、上記加速度計の出力信号から上
    記航行体の姿勢による重力加速度成分を補正し、その補
    正出力を上記ミキシングアンプへ入力すると共に、上記
    航行体の主要3軸方向の速度を検出する速度計と、速度
    信号演算補正部とを設け、該速度信号演算補正部に於て
    上記速度計の出力信号を上記航行体の座標成分演算部の
    出力信号で補正し、その補正出力を上記ミキシングアン
    プへ入力するようになしたことを特徴とする航行体の安
    定化装置。 2、上記速度信号演算補正部は、上記航行体の座標成分
    演算部の出力が入力される第1の加算器と、その出力が
    入力される積分器と、その出力が上記速度計の出力信号
    と比較演算される第2の加算器と、その比較出力が入力
    される係数器とより成り、該係数器の出力は上記第1の
    加算器へフィードバックされるように成したことを特徴
    とする上記特許請求の範囲1項記載の航行体の安定化装
    置。
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