JPH07277286A

JPH07277286A - 航空機用学習型飛行制御装置

Info

Publication number: JPH07277286A
Application number: JP7173794A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kobayashi; 小林　　孝
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1994-04-11
Filing date: 1994-04-11
Publication date: 1995-10-24

Abstract

(57)【要約】【目的】複雑なゲインスケジュールを行なうことなく
飛行条件に拘らず理想的な機体応答を実現する。【構成】操舵量信号１２０〜１２２は、規範モデル演
算部２１１に供給される。規範モデル演算部２１１は、
この操舵量信号に基づいて理想的な機体応答の時系列デ
ータ信号ａを発生する。フィードバック制御部は２１３
は、現実の機体応答信号ｃと時系列データ信号ａとの差
異に基づいてフィードバック制御信号ｄを出力する。ニ
ューラルネットワーク部２１２は、フィードバック制御
信号ｄと時系列データ信号ａとの差異が減少するように
学習を行なうと共に、時系列データ信号ａに基づいてフ
ィードフォワード制御コマンド信号ｂを出力する。そし
て、上記フィードフォワード信号ｂとフィードバック信
号ｄとを加算し、サーボ信号として出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は航空機、特にフライト・
バイ・ワイヤ（ＦＢＷ）又はフライト・バイ・ライト
（ＦＢＬ）操縦方式のヘリコプタのための航空機用学習
型飛行制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、飛行条件（速度・高度・機体重量
・重心等）に拘らず常に理想的な操舵応答を得るために
はモデルフォロイング制御と呼ばれる手法が用いられて
いる。従来のモデルフォロイング制御の構成を図１０に
示す。

【０００３】同図において、１はパイロット・コマンド
入力信号Ｕｐに基づいて規範モデル演算を行ない規範モ
デルの応答信号Ｘｍを出力する規範モデル部、２は規範
モデルからの応答信号Ｘｍと機体運動の状態量信号Ｘと
の差である誤差信号ｅを基にサーボコマンド信号Ｕを出
力するフィードバック制御則部、３はサーボコマンド信
号Ｕに基づいて機体運動を行ない機体運動の状態量信号
Ｘを出力する機体運動部である。

【０００４】上記制御方法は、パイロット・コマンド入
力信号Ｕｐに対応して、規範モデル部１において規範モ
デル演算を行なうことによって理想的な機体応答信号
（角速度・加速度・上昇率等の時系列データ）Ｘｍを求
め、この理想的な機体応答信号Ｘｍと現実の機体運動の
状態量信号Ｘとの偏差を無くすようにフィードバック制
御則部２においてフィードバック制御が行なわれてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のモデルフォロイ
ング制御の構成では、飛行条件や機体条件の影響を受け
易く、常に一定の制御性能を得ようとすると、対気速度
や高度、機体重量等によってフィードバック制御のゲイ
ンを変化させる（ゲインスケジュールと呼ばれる）計算
が非常に複雑になるという問題がある。

【０００６】また、従来のモデルフォロイング制御の構
成では、理想的な運動モデルと現実の機体応答との誤差
が生じてから修正を行なうので、応答に遅れを生じ易
く、逆にこれを高い制御ゲインでカバーしようとすると
安定性の余裕が不足するという問題がある。

【０００７】本発明は上記実状に鑑みてなされたもの
で、飛行制御コンピュータの演算回路（又はソフトウェ
ア）を過度に複雑とし、且つ設計時点に於いて膨大な計
算や飛行試験を必要とする複雑なゲインスケジュール
や、安定性余裕を損なう高い制御ゲインを使用すること
なしに、飛行条件に拘らず常に理想的な操舵応答を可能
とする航空機用学習型飛行制御装置を提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る航空機用学
習型飛行制御装置は、パイロット及びコパイロットの操
舵量を検出して操舵信号を出力するパイロット操舵量検
出機構と、前記パイロット操舵量検出機構から出力され
る操舵信号に基づいて、パイロット及びコパイロットの
望む理想的な機体応答の時系列データ信号を出力する規
範モデル演算部と、突風等の外乱や、機体重量変化に伴
う機体の特性変化によって生ずる現実の機体応答信号と
前記規範モデル演算部から出力される時系列データ信号
との差異に基づいてフィードバック制御コマンド信号を
計算して出力するフィードバック制御部と、前記規範モ
デル演算部から出力される時系列データ信号に基づいて
フィードフォワード制御コマンド信号を計算して出力す
る信号出力手段、及び前記フィードバック制御部から出
力されるフィードバック制御コマンド信号と前記規範モ
デル演算部から出力される時系列データ信号との差異が
減少するように学習する学習手段を備えたニューラルネ
ットワーク部と、前記ニューラルネットワーク部から出
力されるフィードフォワード制御コマンド信号と前記フ
ィードバック制御部から出力されるフィードバック制御
コマンド信号を加算してサーボアクチュエータに出力す
る手段とを具備し、前記ニューラルネットワーク部の学
習が完了した時点では、飛行条件に拘らず理想的な操舵
応答の実現を前記ニューラルネットワーク部が行ない、
外乱に対する修正操舵については前記フィードバック制
御部が行なうことを特徴とする。

【０００９】また、本発明は、前記規範モデル演算部の
特性を可変にすることにより、飛行状況或いは飛行任務
の違いに応じて機体の理想的操舵応答を可変にすること
を特徴とする。

【００１０】

【作用】パイロット及びコパイロットの操舵量がパイロ
ット操舵量検出機構によって検出され、飛行制御コンピ
ュータに操舵信号が出力される。パイロット操舵量検出
機構からのパイロット操舵信号を用いて、飛行制御コン
ピュータ内の規範モデル演算部がパイロット及びコパイ
ロットの望む理想的な機体応答の時系列データを発生す
る。

【００１１】突風等の外乱や、機体重量変化に伴う機体
の特性変化によって生ずる現実の機体応答信号と規範モ
デル演算部から出力される時系列データ信号の差異に基
づいてフィードバック制御部がフィードバック制御コマ
ンドを計算し、フィードバック制御コマンド信号を出力
する。

【００１２】ニューラルネットワーク部は、規範モデル
演算部からの時系列データ信号に基づいてフィードフォ
ワード制御コマンド信号を計算し、このフィードフォワ
ード制御コマンド信号を出力する。また、ニューラルネ
ットワーク部はフィードバック制御部から出力されたフ
ィードバック制御コマンド信号と規範モデル演算部から
出力された時系列データ信号の差異が減少するように学
習を行なってニューラルネットワーク部の特性を変化さ
せる。

【００１３】そして、ニューラルネットワーク部から出
力されるフィードフォワード制御コマンド信号とフィー
ドバック制御部から出力されるフィードバック制御コマ
ンド信号は加算されてサーボアクチュエータにサーボコ
マンド信号として出力される。

【００１４】ニューラルネットワーク部の学習が完了し
た時点では、飛行条件に拘らず理想的な操舵応答の実現
をニューラルネットワーク部で行ない、外乱に対する修
正操舵についてはフィードバック制御部で行なう。

【００１５】また、上記規範モデル演算部の特性を可変
することにより、例えばホバリング飛行、高速前進飛行
等の飛行状況、或いは飛行任務の違いに応じて機体の理
想的操舵応答が可変になる。従って、複雑なゲインスケ
ジュールを行なうことなく飛行条件に拘らず理想的な機
体応答を実現することができる。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。本発明は、ニューラルネットワークを応用して
構成したフィードフォワードループを従来のフィードバ
ック型のモデルフォロイング制御に追加して制御システ
ムを構成し、更にフィードバックループによる制御コマ
ンドが減少するようにニューラルネットワークを学習さ
せ、学習が進んだ状態ではパイロットが望む機体操縦応
答の実現は、ニューラルネットワークで構成したフィー
ドフォーワード部で行ない、ガスト等の外乱に対する細
かい修正操舵はフィードバック部で実行させるように構
成したものである。

【００１７】図１は、本発明をヘリコプタ用学習型飛行
制御装置に実施した場合の構成例を示すブロック図であ
る。本発明に係るヘリコプタ用学習型飛行制御装置は、
コクピット操縦装置１１、飛行制御コンピュータ１２、
コントロールパネル１３、機体運動センサ１４、操縦用
サーボアクチュエータ１５により構成される。

【００１８】上記コクピット操縦装置１１には、パイロ
ット及びコパイロット用のサイクリックスティック１１
１ａ，１１１ｂ、コレクティブスティック１１２ａ，１
１２ｂ、ペダル１１３ａ，１１３ｂが設けられている。

【００１９】サイクリックスティック１１１ａ，１１１
ｂ、コレクティブスティック１１２ａ，１１２ｂ及びペ
ダル１１３ａ，１１３ｂには、それぞれパイロット（コ
パイロット）操舵量の検出機構１１４（１１４ａ〜１１
４ｄ），１１５（１１５ａ，１１５ｂ），１１６（１１
６ａ，１１６ｂ）と、中立位置からの操舵量に比例した
反力を発生する反力発生機構１１７（１１７ａ〜１１７
ｄ），１１８（１１８ａ，１１８ｂ），１１９（１１９
ａ，１１９ｂ）が内蔵されている。

【００２０】パイロット用のサイクリックスティック１
１１ａ、コパイロット用のサイクリックスティック１１
１ｂは、それぞれ縦（前後方向）、横（左右方向）二方
向の操舵自由度を有しており、各々縦サイクリック用、
横サイクリック用の操舵量検出機構及び反力発生機構を
有している。

【００２１】パイロット及びコパイロットの縦サイクリ
ック操舵量、横サイクリック操舵量は、サイクリック操
舵量検出機構１１４ａ〜１１４ｄによって検出され、縦
サイクリック操舵信号１２０ａ、横サイクリック操舵信
号１２０ｂとして飛行制御コンピュータ１２内部の規範
モデル演算部に電気信号又は光信号として出力される。

【００２２】同様に、パイロット及びコパイロットのコ
レクティブ操舵量は、コレクティブ操舵量検出機構１１
５ａ，１１５ｂによって検出され、コレクティブ操舵信
号１２１として飛行制御コンピュータ１２内部の規範モ
デル演算部に電気信号又は光信号として出力され、パイ
ロット及びコパイロットのペダル操舵量は、ペダル操舵
量検出機構１１６ａ，１１６ｂによって検出され、ペダ
ル操舵信号１２２として飛行制御コンピュータ１２内部
の規範モデル演算部に電気信号又は光信号として出力さ
れる。

【００２３】また、パイロット用コクピット操縦装置と
コパイロット用コクピット操縦装置からの操舵入力信号
の配線は結合されており、パイロットとコパイロットが
同時に操舵を行なった場合、二人の操舵量の和が縦サイ
クリック操舵信号１２０ａ、横サイクリック操舵信号１
２０ｂ、コレクティブ操舵信号１２１、ペダル操舵信号
１２２の操舵入力信号として飛行制御コンピュータ１２
に入力される。

【００２４】上記機体運動センサ１４は、縦方向加速度
ｎｘ、横方向加速度ｎｙ、垂直方向加速度ｎｚを検出す
る３軸方向の加速度計１４１ａ〜１４１ｃ、ピッチレー
トｑ、ロールレートｐ、ヨーレートｒを検出する３軸方
向のレートジャイロ１４２ａ〜１４２ｃ、ピッチ姿勢角
θ、ロール姿勢角φ、機種方位角ψを検出する姿勢方位
基準装置（ＡＨＲＳ）１４３、対気速度Ｕ、気圧高度Ｈ
B 、気圧高度レートＨB ′を検出するエアデータシステ
ム１４４、電波高度ＨR 、電波高度レートＨR′を検出
する電波高度計１４５で構成されている。

【００２５】そして、加速度系１４１ａ〜１４１ｃで検
出された縦／横／垂直方向加速度信号１４６及びレート
ジャイロ１４２ａ〜１４２ｃで検出されたピッチ／ロー
ル／ヨーレート信号１４７、姿勢方位基準装置（ＡＨＲ
Ｓ）１４３で検出されたピッチ／ロール姿勢角信号、機
種方位角信号１４８、エアデータシステム１４４で検出
された対気速度信号、気圧高度信号、気圧高度レート信
号１４９、電波高度計１４５で検出された電波高度信
号、電波高度レート信号１５０は飛行制御コンピュータ
１２に供給される。

【００２６】コントロールパネル１３は、気圧高度保持
モード及び電波高度保持モードを選択するためのパネル
で、パネルスイッチの操作により選択された気圧高度保
持モード又は電波高度保持モードを選択するためのモー
ド選択信号１３１を飛行制御コンピュータ１２に出力す
る。

【００２７】操縦用サーボアクチュエータ１５は、飛行
制御コンピュータのピッチサーボコマンドδB1S を受け
て作動するピッチコントロールサーボ１５１、ロールサ
ーボコマンドδA1S を受けて作動するロールコントロー
ルサーボ１５２、コレクティブサーボコマンドδθc を
受けて作動するコレクティブコントロールサーボ１５３
の３本のメインロータ制御用サーボアクチュエータとヨ
ーサーボコマンドδθt を受けて作動するテールロータ
サーボ１５４で構成される。

【００２８】上記飛行制御コンピュータ１２は、図２に
示すように規範モデル演算部２１１、ニューラルネット
ワーク部２１２及びフィードバック制御部２１３を主体
として構成される。

【００２９】規範モデル演算部２１１は、コックピット
操舵装置１１のパイロット操舵量検出機構１１４〜１１
６からのパイロット操舵入力信号１２０（１２０ａ，１
２０ｂ）〜１２２を用いてパイロットの望む理想的な機
体応答の時系列データ信号ａを発生する。

【００３０】学習機能を有するニューラルネットワーク
部２１２は、この理想的な機体応答を実現するためのフ
ィードフォワード制御コマンドを計算し、フィードフォ
ワード制御コマンド信号ｂとして出力する。フィードバ
ック制御部２１３は、突風等の外乱や機体重量変化に伴
う機体の特性変化によって生ずる現実の機体応答信号ｃ
と理想的な機体応答の時系列データ信号ａとの差異に基
づいてフィードバック制御コマンドを計算してフィード
バック制御コマンド信号ｄとして出力する。このフィー
ドバック制御コマンド信号ｄは，ニューラルネットワー
ク部２１２から出力されるフィードフォワード制御コマ
ンド信号ｂと加算されてサーボアクチュエータに出力さ
れる。

【００３１】一方、フィードバック制御コマンド信号ｄ
は、ローパスフィルタ２１４により高周波成分が除去さ
れた後、ニューラルネットワーク部２１２に入力され
る。そして、ニューラルネットワーク部２１２におい
て、フィードバック制御コマンド信号ｄ（即ち、現実の
機体応答と理想的な機体応答の差異）が減少するように
学習を行なってニューラルネットワーク部２１２の特性
を変化させることにより、学習が完了した時点では飛行
条件（速度、機体、機体重量・重心等）に拘らず理想的
な応答の実現をニューラルネットワーク部２１２が行な
い、突風等の外乱に対する修正操舵はフィードバック制
御部部２１３が行なう。このような構成を採用すること
によって、パイロットの望む理想的な機体応答を実現す
るサーボコマンドが計算され、操縦用サーボアクチュエ
ータに出力される。

【００３２】また、上記規範モデル演算部２１１の特性
を可変することにより、飛行状況（ホバリング飛行、高
速前進飛行）或いは飛行任務の違いに応じて機体の理想
的操舵応答を可変にすることもできる。

【００３３】規範モデル演算部２１１は図３に示すよう
に、縦サイクリック操舵信号１２０ａの一次遅れ要素３
１１ａ、横サイクリック操舵信号１２０ｂの一次遅れ要
素３１１ｂ、コレクティブ操舵信号１２１の一次遅れ要
素３１１ｃ、ペダル操舵信号１２２の一次遅れ要素３１
１ｄが設けられている。

【００３４】この一次遅れ要素３１１ａ〜３１１ｄのう
ち、縦サイクリック操舵信号１２０ａの一次遅れ要素３
１１ａには制御切替スイッチ３１２ａが接続されてお
り、ペダル操舵信号１２２の一次遅れ要素３１１ｄには
制御切替スイッチ３１２ｂが接続されている。

【００３５】上記制御切替スイッチ３１２ａ，３１２ｂ
には、低速時用切替制御スイッチ３１２ａ−１，３１２
ｂ−１及び高速時用切替制御スイッチ３１２ａ−２，３
１２ｂ−２が設けられている。そして、低速時用制御切
替スイッチ３１２ａ−１には、微分要素３１３ａ、積分
要素３１４ａが接続され、高速時用制御切替スイッチ３
１２ａ−２には、微分要素３１３ｂ、積分要素３１４ｂ
が接続される。同様に、低速時用制御切替スイッチ３１
２ｂ−１には、微分要素３１３ｅ、積分要素３１４ｆが
接続され、高速時用制御切替スイッチ３１２ｂ−２に
は、微分要素３１３ｆが接続されている。また、横サイ
クリック操舵信号１２０ｂの一次遅れ要素３１１ｂに
は、微分要素３１３ｃ、積分要素３１４ｃが接続され、
コレクティブ操舵信号１２１の一次遅れ要素３１１ｃに
は微分要素３１３ｄ、積分要素３１４ｅが接続されてい
る。

【００３６】次に、規範モデル演算部２１１の動作を図
３を参照して説明する。規範モデル演算部２１１では、
パイロットのスティック（ペダル）操舵に対する理想的
な機体応答（角速度、加速度、上昇率等）をあらかじめ
設定された応答形式に従って発生する。

【００３７】本発明に係る実施例では、低速時（５０ｋ
ｔ以下）と高速時（５０ｋｔ以上）に対応した応答形式
が設定されている。縦サイクリック操舵信号１２０ａ
は、伝達関数Ｋq ／（１＋Ｔq Ｓ）で表わされる一次遅
れ要素３１１ａを介して制御切替スイッチ３１２ａに供
給される。

【００３８】低速時においては、制御切替スイッチ３１
２ａ内の低速時用切替制御切替スイッチ３１２ａ−１が
「ＯＮ」になり、高速時用制御切替スイッチ３１２ａ−
１が「ＯＦＦ」となるので、一次遅れ要素３１１ａの出
力である目標ピッチレート信号ｑd が出力されるととも
に、この目標ピッチレート信号ｑd は微分要素３１３ａ
を介して目標ピッチ角加速度信号ｑd ′、積分要素３１
４ａを介して目標ピッチ姿勢角信号θd として出力され
る。

【００３９】一方、高速時においては制御切替スイッチ
３１２ａ内の低速時用切替制御切替スイッチ３１２ａ−
１が「ＯＦＦ」になり、高速時用制御切替スイッチ３１
２ａ−１が「ＯＮ」となるので、縦サイクリック操舵信
号１２０ａの一次遅れ要素３１１ａから目標縦加速度コ
マンド信号ｎxdが出力されるとともに、この目標縦加速
度コマンド信号ｎxdは微分要素３１３ｂを介して目標縦
加速度レート信号ｎxd′、積分要素３１４ｂを介して目
標対気速度信号Ｕd として出力される。

【００４０】横サイクリック操舵信号１２０ｂは、伝達
関数Ｋp ／（１＋Ｔp Ｓ）で表わされる１次遅れ要素３
１１ｂを介して目標ロールレート信号ｐd として出力さ
れる。

【００４１】更に、この目標ロールレート信号ｐd は微
分要素３１３ｃを介して目標ロール角加速度信号ｐd
′、積分要素３１４ｃを介して目標ロール角姿勢角信
号φd として出力される。

【００４２】コレクティブ操舵信号１２１は、伝達関数
Ｋc ／（１＋Ｔc Ｓ）で表わされる１次遅れ要素３１１
ｃを介して目標垂直速度信号Ｈd ′として出力される。
更に、目標垂直速度信号Ｈd ′は微分要素３１３ｄを介
して目標垂直加速度信号ｎzd、積分要素３１４ｅを介し
て目標高度信号Ｈd として出力される。

【００４３】ペダル操舵信号１２２は、伝達関数Ｋy ／
（１＋Ｔy Ｓ）で表わされる一次遅れ要素３１１ｄを介
して制御切替スイッチ３１２ｂに供給される。低速時に
おいては、制御切替スイッチ３１２ｂ内の低速時用切替
制御切替スイッチ３１２ｂ−１が「ＯＮ」になり、高速
時用制御切替スイッチ３１２ｂ−２が「ＯＦＦ」とな
り、一次遅れ要素３１１ｄの出力が目標ヨーレート信号
ｒd として出力されるとともに、この目標ヨーレート信
号ｒd は微分要素３１３ｅを介して目標ヨー角加速度信
号ｒd ′、積分要素３１４ｆを介して目標方位角信号ψ
dとして出力される。

【００４４】一方、高速時においては、制御切替スイッ
チ３１２ｂ内の低速時用切替制御切替スイッチ３１２ｂ
−１が「ＯＦＦ」になり、高速時用制御切替スイッチ３
１２ｂ−２が「ＯＮ」となるので、ペダル操舵信号１２
２の一次遅れ要素３１１ｄの出力は目標横加速度信号ｎ
ydとして出力され、この目標横加速度信号ｎydは微分要
素３１３ｆを介して目標横加速度レート信号ｎyd′とし
て出力される。

【００４５】縦サイクリック操舵を例にとれば、低速時
では縦サイクリック操舵信号１２０ａに対し、目標ピッ
チレート（機体の左右軸回りの角速度）信号ｑd が所定
の関数型に基づく理想応答波形として出力される。この
時、パイロット（コパイロット）はサイクリックスティ
ックの反力発生機構によって操舵量に比例した反力（操
舵力）を手に感じており、機体のピッチ姿勢がパイロッ
トの所望の角度となった状態で、パイロットが手をはな
すと反力発生機構の働きによってサイクリックスティッ
クは中立位置に戻る。

【００４６】その結果、縦サイクリック操舵量検出機構
から規範モデル演算部２１１への入力値は「０」とな
り、サイクリックスティック反力が「０」となった瞬間
の機体のピッチ姿勢角信号θd がピッチ姿勢の保持目標
値となり再度パイロットがサイクリックスティック操舵
を行なわない限り、ガスト等に拘らずピッチ姿勢角を自
動的にこの目標値に保持するための制御がフィードバッ
ク制御部２１３によって行なわれる。

【００４７】また、パイロット（コパイロット）の横サ
イクリック操舵に対する横サイクリック操舵信号１２０
ｂは、一次遅れ要素３１１ｂを介して目標ロールレート
信号ｐd として出力され、更にこの目標ロールレートｐ
d は微分要素３１３ｃを介して目標ロール角加速度信号
ｐd ′、積分要素３１４ｃを介して目標ロール姿勢角信
号φd として出力される。

【００４８】縦サイクリック操舵の場合と同様に、パイ
ロットがスティックから手を離すとスティックに内蔵さ
れた反力発生機構の働きによってスティックは中立位置
に戻り、操舵量検出機構からのパイロット操舵入力信号
は「０」となる。目標ロールレート信号ｐd 及び目標ロ
ール角加速度信号ｐd ′もこれに対応して「０」となる
が、積分要素３１４ｃにはパイロットがスティックから
手を離した瞬間の目標ロール姿勢角信号φd が保存され
るので、パイロット操舵が行なわれていない間は機体の
ロール姿勢角信号φを目標ロール姿勢角信号φd に保つ
制御が行なわれる。

【００４９】同様に、パイロット（コパイロット）のコ
レクティブ操舵に対するコレクティブ操舵信号１２１
は、伝達関数Ｋｃ／（１＋ＴｃＳ）で表わされる一次遅
れ要素３１１ｃを介して目標垂直速度信号Ｈｄ′として
出力され、更にこの目標垂直速度信号Ｈｄ′は微分要素
３１３ｄを介して目標垂直加速度信号ｎzd、積分要素３
１４ｅを介して目標高度信号Ｈd として出力され、パイ
ロット（コパイロット）がコレクティブ操舵を行なって
いない時には目標高度信号Ｈd が一定に保たれる。

【００５０】パイロット（コパイロット）のペダル操舵
に対するペダル操舵信号１２２は、伝達関数Ｋｙ／（１
＋ＴｙＳ）で表わされる一次遅れ要素３１１ｄを介して
制御切替スイッチ３１１ｄに供給される。

【００５１】低速時においては、制御切替スイッチ３１
２ｂ内の低速時用切替制御切替スイッチ３１２ｂ−１が
「ＯＮ」になり、高速時用制御切替スイッチ３１２ｂ−
２が「ＯＦＦ」となるので、一次遅れ要素３１１ｄの出
力である目標ヨーレート信号ｒd が出力されるととも
に、この目標ヨーレート信号ｒd は微分要素３１３ｅを
介して目標ヨー角加速度信号ｒd ′、積分要素３１４ｆ
を介して目標機首方位角信号ψd として出力される。な
お、この目標機首方位角信号ψd は高速時には横サイク
リック操舵中の機首方位角ψに常時更新されている。

【００５２】一方、高速時においては制御切替スイッチ
３１２ｂ内の低速時用切替制御切替スイッチ３１２ｂ−
１が「ＯＦＦ」になり、高速時用制御切替スイッチ３１
２ｂ−２が「ＯＮ」となるので、ペダル操舵信号１２２
の一次遅れ要素３１１ｄから目標横加速度信号ｎydが出
力されるとともに、この目標横加速度信号ｎydは微分要
素３１３ｆを介して目標横加速度レート信号ｎyd′とし
て出力される。

【００５３】同図において、パイロット（コパイロッ
ト）の縦サイクリック操舵及びペダル操舵に対して出力
される縦サイクリック操舵信号１２０ａ及びペダル操舵
信号１２２は規範モデル演算部２１１に供給される。こ
の供給された縦サイクリック操舵信号１２０ａ及びペダ
ル操舵信号１２２に基づいて、規範モデル演算部２１１
が出力する目標応答信号は、低速時（５０ｋｔ以下）と
高速時（５０ｋｔ以上）で違うタイプの信号が出力され
ている。

【００５４】即ち、低速時における縦サイクリック操舵
に対しては目標ピッチレート信号ｑd を発生させ、縦サ
イクリック操舵がないときは目標ピッチ姿勢角信号θd
が一定に保たれる。高速時の縦サイクリック操舵に対し
ては目標縦加速コマンドｎxdを発生させ、縦サイクリッ
ク操舵がない時は目標対気速度Ｕd が一定に保たれる。

【００５５】これは、一般的に低速時にはピッチ姿勢制
御が重視され、高速時には対気速度制御が重視されるこ
とに配慮したものである。また、低速時のペダル操舵信
号１２２に対しては目標ヨーレート信号ｒd を発生さ
せ、ペダル操舵がない時は目標方位角信号ψd が一定に
保たれる。高速時のペダル操舵信号１２２に対しては目
標横滑り（横加速度）信号ｎydが出力される。

【００５６】高速時のペダル操舵信号１２２入力に対し
ては積分要素が用意されていないので、ペダル操舵が行
なわれていないときは、横加速度（横滑り）信号ｎydは
「０」となる。

【００５７】これは、一般的に低速時にはペダル操作が
機種方位を制御することに用いられ、高速時には旋回中
の横滑りの制御に主として用いられることを考慮したも
のである。

【００５８】次にニューラルネットワーク部２１２につ
いて説明する。ニューラルネットワークは，図４に示す
ような人間の脳の神経細胞をモデル化したニューロンを
複数個組み合わせたもので通常、入力層、中間層、出力
層の３層から構成される。

【００５９】同図において、ｕ1 〜ｕn は前の層の１番
目〜ｎ番目のニューロンの軸索からの出力信号を表わし
ており、この１番目〜ｎ番目のニューロンの出力信号ｕ
1 〜ｕn はシナプス結合の重み係数ｗ1 〜ｗn を介して
ニューロン４０１の樹状突起４０２−１〜４０２−ｎに
供給される。

【００６０】ニューロン４０１は、その特性を表す伝達
関数に基づいて出力信号ｙi を軸索４０３に出力する。
この伝達関数は、例えばｆ（Ｉ）＝１／（１＋ｅｘｐ
（−Ｉ）−０．５の形で表される。ここで、Ｉは重み付
けされた１番目〜ｎ番目のニューロンの出力信号ｗ1 ｕ
1 〜ｗn ｕn の総和で、Ｉ＝ｗ1 ｕ1 ＋ｗ2 ｕ2 ＋ｗ3 ｕ3 ＋・・・・＋ｗn ｕn の形で表される。

【００６１】ニューロン４０１の軸索４０３は、他のニ
ューロンの樹状突起に出力信号ｙiを供給するために４
０４−１〜４０４−ｍに枝分かれしている。ニューラル
ネットワーク部の層数、ニューロン数の設定は任意に行
なうことが出来るが、基本的に入力層のニューロン数は
規範モデル演算部の出力信号の数と一致させ、出力層の
ニューロン数は操縦系統のサーボアクチュエータの個数
（メインロータ制御用３個、テールロータ制御用１個）
と一致させる。

【００６２】ニューラルネットワーク部には、機体運動
の逆モデル（機体の応答を入力データとして与え、逆に
それを実現するためのパイロット操舵量を計算できるよ
うにする数学モデル）が学習によって形成されており、
規範モデル演算部から出力される時々刻々の機体応答信
号（ピッチレート、加速度等の時系列データ信号）の目
標値を実現するためのサーボコマンドを出力する。

【００６３】以下、ニューラルネットワーク部２１２の
学習について説明する。ニューラルネットワーク部２１
２では、フィードバック制御部２１３から入力される信
号を理想的出力（ニューラルネットワーク理論で通常
「教師信号」と呼ばれるもの）と現実の出力の差として
捉え、この差を「０」に近づけるように図５に示すよう
なバック・プロパゲーション手法等を用いてニューラル
ネットワークの学習、即ちシナプス結合の重み係数の修
正を行なう。

【００６４】同図において、ｕ1 〜ｕ4 は前の層の１番
目〜４番目のニューロン５０１ａ〜５０１ｄの軸索から
の出力信号を表わしており、この１番目〜４番目のニュ
ーロン５０１ａ〜５０１ｄの出力信号ｕ1 〜ｕ4 はシナ
プス結合の重み係数ｗ1 〜ｗ4 を介して出力層のニュー
ロン５０３の樹状突起５０２ａ〜５０２ｄに出力され
る。

【００６５】ニューロン５０３は、自己の特性を表す伝
達関数に基づいて信号ｙを出力する。一例として、同図
における重み係数ｗ1 に着目するとｗ1 の学習は次式の
ように行なわれる。

【００６６】ｗ1 （新）＝ｗ1 （旧）＋ｕ1 （旧）×ｆ^* （ｙ_T −ｙ）ここで、ｆ^* （φ）はニューロンの伝達関数ｆ（Ｉ）の
逆関数（出力から入力への伝達関数）、ｙ_T は教師信号
である。

【００６７】即ち、ニューロン５０３の出力信号ｙが教
師信号ｙ_T よりも小さい場合（ｙ＜ｙ_T ）には、前層の
ニューロンが出力増に貢献（出力信号ｕ1 が正値）して
いれば重み係数ｗ1 が増大し、前層のニューロンが出力
減に貢献（出力信号ｕ1 が負値）をしていれば重み係数
ｗ1 が減少することによって、出力信号ｙが教師信号ｙ
_T に近づくように重み係数ｗ1 の修正が行なわれる。

【００６８】図６及び図７はニューラルネットワーク部
２１２の構成を示したもので、規範モデル演算部２１１
の特性が低速時と高速時とで分かれていることに対応し
て、低速時用と高速時用の２つのニューラルネットワー
ク部が用意されている。図６が低速時用、図７が高速時
用である。

【００６９】何れも入力層、中間層、出力層から成る３
層のニューラルネットワークであり、入力層は低速時用
では規範モデル演算部２１１の出力のうち、目標ピッチ
角加速度信号ｑd ′、目標ピッチレート信号ｑd 、目標
ロール角加速度信号ｐd ′、目標ロールレート信号ｐd
、目標垂直加速度信号ｎzd、目標垂直速度信号Ｈ
ｄ′、目標ヨー角加速度信号ｒd ′、目標ヨーレート信
号ｒd の８個の信号を入力とする８個のニューロン６０
１ａ〜６０１ｈで構成されている。

【００７０】高速時用では目標縦加速度レート信号ｎx
d′、目標縦加速度信号ｎxd、目標ロール角加速度信号
ｐd ′、目標ロールレート信号ｐd 、目標垂直加速度信
号ｎzd、目標垂直速度信号Ｈd ′、目標横加速度レート
信号ｎyd′、目標横加速度信号ｎydの８個の信号を入力
とする８個のニューロン７０１ａ〜７０１ｈで構成され
ている。

【００７１】高速時及び低速時、何れの場合も各入力値
は、通常の運用中に発生する最大値で割ることによって
無次元化し、数値の大きさが著しく不揃いとなってニュ
ーラルネットワークの学習速度に影響がでるのを防いで
いる。

【００７２】中間層は、低速時用及び高速時用ともに入
力層のニューロン数に合わせて８個のニューロン６０２
ａ〜６０２ｈ，７０２ａ〜７０２ｈで構成されている。
出力層は、低速時用及び高速時用ともに操縦用サーボア
クチュエータの個数に合わせて４個のニューロン６０３
ａ〜６０３ｄ，７０３ａ〜７０３ｄで構成されている。

【００７３】次に、フィードバック制御部２１３につい
て説明する。フィードバック制御部２１３は、規範モデ
ル演算部２１１の特性が低速時と高速時で分かれている
ことに対応して、低速時用と高速時用の２つのフィード
バック制御部で構成される。

【００７４】低速時用のフィードバック制御部の構成を
図８に、高速時用のフィードバック制御部の構成を図９
に示す。低速時用のフィードバック制御部は、図８に示
すようにピッチサーボコマンド信号δB1S を計算するピ
ッチチャンネル制御則部８０１、ロールサーボコマンド
信号δA1S を計算するロールチャンネル制御則部８０
２、コレクティブサーボコマンド信号δθｃを計算する
コレクティブチャンネル制御則部８０３、ヨーサーボコ
マンド信号δθt を計算するヨーチャンネル制御則部８
０４に大別される。

【００７５】上記ピッチチャンネル制御則部８０１は、
規範モデル演算部からの目標ピッチレート信号ｑd とレ
ートジャイロからのピッチレート信号ｑの差に乗じられ
るＫp1で表される比例ゲイン８０５及び目標ピッチ姿勢
角信号θd と姿勢方位基準装置からのピッチ姿勢角信号
θの差に乗じられるＫp2で表される比例ゲイン８０６を
主体として構成される。

【００７６】上記ロールチャンネル制御則部８０２は、
目標ロールレート信号ｐd とロールレート信号ｐの差に
乗じられるＫr1で表される比例ゲイン８０７及び目標ロ
ール姿勢角信号φd とロール姿勢角信号φの差に乗じら
れるＫr2で表される比例ゲイン８０６を主体として構成
される。

【００７７】上記コレクティブチャンネル制御則部８０
３は、目標垂直速度信号Ｈd ′と気圧高度レート信号Ｈ
B ′又は電波高度レート信号ＨR ′の差に乗じられるＫ
c1で表される比例ゲイン８０９及び目標高度信号Ｈd と
目標垂直速度信号Ｈd ′又は気圧高度レート信号ＨB ′
又は電波高度レート信号ＨR ′の差に乗じられるＫc2で
表される比例ゲイン８１０を主体として構成される。

【００７８】上記ヨーチャンネル制御則部８０４は、目
標ヨーレート信号ｒd とヨーレート信号ｒの差に乗じら
れるＫy1で表される比例ゲイン８１１及び目標機種方位
角信号ψd と機種方位角信号ψの差に乗じられるＫy2で
表される比例ゲイン８１２を主体として構成される。

【００７９】高速時用のフィードバック制御部は、図９
に示すように低速時用のフィードバック制御部と同様に
ピッチサーボコマンド信号δB1S を計算するピッチチャ
ンネル制御則部９０１、ロールサーボコマンド信号δA1
S を計算するロールチャンネル制御則部９０２、コレク
ティブサーボコマンド信号δθｃを計算するコレクティ
ブチャンネル制御則部９０３、ヨーサーボコマンド信号
δθt を計算するヨーチャンネル制御則部９０４に大別
される。

【００８０】上記ピッチチャンネル制御則部９０１は、
機体運動センサからのピッチレート信号ｑに乗じられる
Ｋp1で表される比例ゲイン９０５及び目標縦加速度信号
ｎxdと縦方向加速度信号ｎx の差に乗じられるＫp2で表
される比例ゲイン９０６と目標対気速度信号Ｕd と対気
速度信号Ｕの差に乗じられるＫp3で表される比例ゲイン
９０７を主体として構成される。

【００８１】ロールチャンネル制御則部９０２は、目標
ロールレート信号ｐd とロールレート信号ｐの差に乗じ
られるＫr1で表される比例ゲイン９０８と目標ロール姿
勢角信号φd とロール姿勢角信号φの差に乗じられるＫ
r2で表される比例ゲイン９０９を主体として構成され
る。

【００８２】コレクティブチャンネル制御則部９０３
は、目標垂直速度信号Ｈd ′と気圧高度レート信号ＨB
′又は電波高度レート信号ＨR ′の差に乗じられるＫc
1で表される比例ゲイン９１０及び目標高度信号Ｈd と
目標垂直速度信号Ｈd ′又は気圧高度レート信号ＨB ′
又は電波高度レート信号ＨR ′の差に乗じられるＫc2で
表される比例ゲイン９１１を主体として構成される。

【００８３】ヨーチャンネル制御則部９０４は、目標機
種方位角信号ψd と機種方位角信号ψの差に乗じられる
Ｋy2で表される比例ゲイン９１３と目標横加速度信号ｎ
ydと横方向加速度信号ｎy の差に乗じられるＫy3で表さ
れる比例ゲイン９１４を主体として構成される。

【００８４】次に、フィードバック制御部の動作を図８
及び図９を参照して説明する。低速時のフィードバック
制御部には、規範モデル演算部からの目標ピッチレート
信号ｑd 、目標ピッチ姿勢角信号θd 、目標ロールレー
ト信号ｐd 、目標ロール姿勢角φd 、目標垂直速度信号
Ｈd ′、目標高度信号Ｈd 、目標ヨーレート信号ｒd 、
目標機種方位角信号ψd 、レートジャイロからのピッチ
レート信号ｑ、ロールレート信号ｐ、ヨーレート信号
ｒ、姿勢方位基準装置からのピッチ姿勢角信号θ、ロー
ル姿勢角信号φ、機種方位角信号ψが入力され、更に、
コントロールパネル上のスイッチ操作により機体高度保
持モードが選択されている場合はエアデータシステムか
らの気圧高度信号ＨB 及び気圧高度レート信号ＨB ′、
電波高度保持モードが選択されている場合には、電波高
度計電波高度信号ＨR 及び電波高度レート信号ＨR ′が
入力される。

【００８５】そして、規範モデル演算部から入力された
各目標値と機体運動センサから入力された対応するセン
サ信号との差にゲインが乗じられ、フィードバック制御
コマンドが計算され、フィードバック制御コマンド信号
として出力される。

【００８６】高速時のフィードバック制御部への入力デ
ータは、ロールチャンネル制御則部９０２及びコレクテ
ィブチャンネル制御則部９０３の制御については低速時
と同一であり、ピッチチャンネル制御則部９０１の制御
については目標ピッチレート信号ｑd 、目標ピッチ姿勢
角信号θd の代わりに目標縦加速度信号ｎxd、目標対気
速度信号Ｕd が入力され、機体運動センサからの信号に
ついてはピッチ姿勢角信号θが削除され縦加速度信号ｎ
xd、対気速度信号Ｕが追加されている。

【００８７】ヨーチャンネル制御則部９０４の制御につ
いては、目標ヨーレート信号ｒd の代わりに目標横加速
度信号ｎydが入力され、機体運動センサからの信号につ
いて横加速度信号ｎy が追加されている。

【００８８】目標値として目標ピッチレート信号ｑd と
目標ヨーレート信号ｒd が入力データから消えたにも拘
らず、機体運動センサ信号のピッチレート信号ｑとヨー
レート信号ｒが入力データとして残っているのはガスト
等に対するダンピング制御項として働かせるためであ
る。

【００８９】また、目標機種方位角信号ψd と機首方位
角信号ψが残ったのは、パイロット（コパイロット）が
高速時でも旋回のための横サイクリック操舵を行ってい
ない場合には機種方位角信号ψを保持している必要があ
るためで、図３における説明で述べたように、目標機種
方位ψd にはパイロット（コパイロット）が旋回のため
の横サイクリック操舵を終了した時点の最終的な機種方
位角の値が保持されている。

【００９０】上記実施例では、規範モデル演算部の特性
を飛行速度のみに着目して低速時に適した特性と高速時
に適した特性に分けて飛行速度に応じて自動的に選択が
行なわれるように考えられているが、飛行任務（救難ホ
バリング、薬剤散布等）の違いに応じて更に細かく特性
を変化させるように設計し、コントロールパネル上のス
イッチ操作によって自由に特性のタイプを選択できるよ
うにすることも可能である。

【００９１】また、上記実施例では、説明を簡単にする
ために飛行制御コンピュータや機体運動センサは、すべ
て１重の装備となっているが、実際の応用に当たっては
操縦系統全体の信頼を確保するため、これら電子器機に
ついては３重以上の冗長装備が望ましい。

【００９２】また、上記実施例では、ヘリコプタの飛行
制御装置に実施した場合について説明したが、同様の操
縦方式を有する固定翼機の飛行制御装置としても適用し
得るものである。

【００９３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、学
習によりニューラルネットワークにその時点の機体運動
の逆モデルが自然に形成されるので、複雑なゲインスケ
ジュールを行なうことなしに、飛行条件（速度、高度、
機体重量、重心等）に拘らず理想的な機体応答を実現す
ることができる。

【００９４】また、従来のフィードバック制御を併有し
ているのでニューラルネットワークの学習が不十分で機
体運動特性を正しく反映できていない時点でも、それな
りの機体応答が得られるので飛行安全性が常に確保でき
ることである。

【００９５】更に、学習が完了した時点ではパイロット
操舵に対応する制御（ＣＡＳ制御）はニューラルネット
ワークで構成されたフィードフォワードループが分担
し、ガスト等の外乱に対する機体の安定性を増強するた
めの制御はフィードバックループが分担するという役割
分担が行なわれるので、操縦性と安定性を両立すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るヘリコプタ用学習型飛
行制御装置を示す図。

【図２】同実施例における飛行制御コンピュータの構成
を示す図。

【図３】同実施例における規範モデル演算部の構成を示
す図。

【図４】同実施例におけるニューラルネットワークの説
明図。

【図５】同実施例におけるニューラルネットワーク部に
おける学習の説明図。

【図６】同実施例における低速時用のニューラルネット
ワーク部の構成を示す図。

【図７】同実施例における高速時用のニューラルネット
ワーク部の構成を示す図。

【図８】同実施例における低速時用のフィードバック制
御部の構成を示す図。

【図９】同実施例における高速時用のフィードバック制
御部の構成を示す図。

【図１０】従来のモデルフォロイング制御方法を示すブ
ロック図。

【符号の説明】

１１…コクピット操縦装置、１２…飛行制御コンピュー
タ、１３…コントロールパネル、１４…機体運動セン
サ、１５…操縦用サーボアクチュエータ、１１１…サイ
クリックスティック、１１２…コレクティブスティッ
ク、１１３…ペダル、１１４〜１１６…パイロット（コ
パイロット）操舵量の検出機構、１１７〜１１９…反力
発生機構、１２０…サイクリック操舵信号、１２１…コ
レクティブ操舵信号、１２２…ペダル操舵信号、１４１
…加速度計、１４２…レートジャイロ、１４３…姿勢方
位基準装置（ＡＨＲＳ）、１４４…エアデータシステ
ム、１４５…電波高度計、１４６…加速度信号、１４７
…ピッチ／ロール／ヨーレート信号、１４８…機種方位
角信号、１４９…気圧高度レート信号、１５０…電波高
度レート信号、１５１…ピッチコントロールサーボ、１
５２…ロールコントロールサーボ、１５３…コレクティ
ブコントロールサーボ、１５４…テールロータサーボ、
２１１…規範モデル演算部、２１２…ニューラルネット
ワーク部、２１３…フィードバック制御部、２１４…ロ
ーパスフィルタ、３１１…一次遅れ要素、３１２…制御
切替スイッチ、３１３…微分要素、３１４…積分要素、
８０１，９０１…ピッチチャンネル制御則部、８０２，
９０２…ロールチャンネル制御則部、８０３，９０３…
コレクティブチャンネル制御則部、８０４，９０４…ヨ
ーチャンネル制御則部、８０５〜８１２，９０５〜９１
４…比例ゲイン。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パイロット及びコパイロットの操舵量を
検出して操舵信号を出力するパイロット操舵量検出機構
と、前記パイロット操舵量検出機構から出力される操舵信号
に基づいて、パイロット及びコパイロットの望む理想的
な機体応答の時系列データ信号を出力する規範モデル演
算部と、突風等の外乱や、機体重量変化に伴う機体の特性変化に
よって生ずる現実の機体応答信号と前記規範モデル演算
部から出力される時系列データ信号との差異に基づいて
フィードバック制御コマンド信号を計算して出力するフ
ィードバック制御部と、前記規範モデル演算部から出力される時系列データ信号
に基づいてフィードフォワード制御コマンド信号を計算
して出力する信号出力手段、及び前記フィードバック制
御部から出力されるフィードバック制御コマンド信号と
前記規範モデル演算部から出力される時系列データ信号
との差異が減少するように学習する学習手段を備えたニ
ューラルネットワーク部と、前記ニューラルネットワーク部から出力されるフィード
フォワード制御コマンド信号と前記フィードバック制御
部から出力されるフィードバック制御コマンド信号を加
算してサーボアクチュエータに出力する手段とを具備
し、前記ニューラルネットワーク部の学習が完了した時点で
は、飛行条件に拘らず理想的な操舵応答の実現を前記ニ
ューラルネットワーク部が行ない、外乱に対する修正操
舵については前記フィードバック制御部が行なうことを
特徴とする航空機用学習型飛行制御装置。
【請求項２】前記規範モデル演算部の特性を可変にす
ることにより、飛行状況或いは飛行任務の違いに応じて
機体の理想的操舵応答を可変することを特徴とする請求
項１記載の航空機用学習型飛行制御装置。