JPWO2006107017A1

JPWO2006107017A1 - 制御方法、制御装置および無人ヘリコプタ

Info

Publication number: JPWO2006107017A1
Application number: JP2007511226A
Authority: JP
Inventors: 克中村
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2006-04-03
Publication date: 2008-09-25
Also published as: US20090254229A1; CN101164025A; KR100939010B1; WO2006107017A1; KR20070112888A

Abstract

状況判断部（１０）は、各基本フィードバック制御系により算出された目標値計算回路からの制御量と現在値との偏差（９）に基づいて、制御対象の状況を判断する。特徴利用判断部（１１）は、例えば風圧を小さくする動作など、その状況に関連する制御対象の特徴となる動作の利用可能性を判断し、操作修正値計算部（１１ａ）により、操作量信号の修正値（１２）を算出する。また、特徴利用判断部（１１）は、制御量を直接入力する場合には、直接制御量計算部（１１ｂ）により、直接制御量（１３）を算出する。算出された修正値（１２）は、対応する制御項目の操作量信号（６）を修正する。このように、ある制御項目の偏差に基づいて制御対象の状況を判断し、この状況に対応する制御対象の特徴に基づいて別の制御項目の操作量を修正してその制御項目の目標値を変えることにより、状況判断の基準となった制御項目の偏差を小さくすることができる。

Description

本発明は、フィードバック制御を用いて複数の制御項目を有する制御対象を制御する制御方法、制御装置および無人ヘリコプタに関するものである。

従来より、農薬等の薬剤散布や航空写真撮影のために、無人ヘリコプタが用いられている（特開２００２−１６６８９３）。この無人ヘリコプタの飛行を制御する場合、制御の項目としては、機体の機首方向、ロール角、ピッチ角、機首方向速度および加速度、横方向速度および加速度、上下方向速度および加速度、並びに、高度などが挙げられる。これらの制御項目は、それぞれ別個に独立した制御系により、例えば、従来から知られているＰＩＤ理論に基づくフィードバック制御によって制御される。すなわち、各制御項目について、設定された指令値に応じた操作量がその制御項目の制御系に入力される。制御系では、操作量に応じて目標値を算出し、この目標値に応じた制御量を各制御項目の駆動系に入力する。この結果を制御量にフィードバックして目標値に近づくようにすることにより、各制御項目毎にフィードバック制御が行われる。

しかしながら、従来の制御方法では、ある制御対象の動作を目標に近づけるように制御系を構成する場合、相互に無関係で非線形の複数の制御項目がその制御対象の動作に関連したり、制御対象の環境変化が大きかったりすると、制御系の論理構成が複雑になるため、自動制御を容易に行うことができなかった。

例えば、無人ヘリコプタにおいて、目的地に機首を向けて飛行する場合、機体の横方向（側面側）から強風を受けると、機体が流されないようにするために、風に対向して機体のロール角を傾ける。すると、機体の揚力が低下する。ロール角がある限度以上に大きく傾くと、揚力が小さくなり、機体の高度を維持できなくなる。このような場合、ロール角について単独で制御しても、ロール角を戻して高度低下を回避することができない。

そこで、本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、複数の制御項目を有する制御対象に対して、容易に自動制御を行うことができる制御方法、制御装置およびヘリコプタを提供することを目的とする。

本発明に係る制御方法は、複数の制御項目を有する制御対象の制御項目毎に目標値を算出するステップと、制御項目の値を目標値に近づけるように制御対象をフィードバック制御するステップと、制御項目毎の目標値と現在値との偏差に基づいて他の制御項目の目標値を変更するステップとを備えることを特徴とするものである。

また、本発明に係る制御装置は、複数の制御項目を有する制御対象の制御項目毎に目標値を算出する目標値計算部と、制御項目の値を目標値に近づけるようにフィードバック制御するフィードバック制御部と、制御項目毎の目標値と現在値との偏差に基づいて他の制御項目の目標値を変更する特徴利用判断部とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明に係る無人ヘリコプタは、少なくとも機体ロール角および機体方位角を含む複数の制御項目を有する無人ヘリコプタの制御項目毎に目標値を算出する目標値計算部と、制御項目の値を目標値に近づけるようにフィードバック制御するフィードバック制御部と、制御項目毎の目標値と現在値との偏差に基づいて他の制御項目の目標値を変更する特徴利用判断部とを備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、制御対象のある制御項目の偏差に基づいて、別の制御項目に偏差をフィードバックすることにより、互に無関係で非線形の複数の制御項目がその制御対象の動作に関連したり、制御対象の環境変化が大きかったりする場合であっても、より容易に自動制御を行うことができる。

図１は、本発明の制御装置の構成を示すブロック図である。図２は、本発明の制御装置の構成を示すブロック図である。図３は、本実施例の制御装置を無人ヘリコプタに適用した場合の構成を示すブロック図である。図４Ａは、横風を受けた無人ヘリコプタの平面図である。図４Ｂは、横風を受けた無人ヘリコプタの正面図である。図４Ｃは、状況判断部による第１の状況判断動作を示すフローチャートである。図４Ｄは、状況判断部による第２の状況判断動作を示すフローチャートである。図５Ａは、機首を風上に向けた無人ヘリコプタの平面図である。図５Ｂは、機首を風上に向けた無人ヘリコプタの正面図である。図５Ｃは、特徴利用判断部による判断動作を示すフローチャートである。図５Ｄは、操作修正値計算部による操作修正値の計算動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施例について図を参照して説明する。
図１および図２に示すように、本実施例に係る制御装置は、基本フィードバック部１００と、状況判断部１０と、特徴利用判断部１１とから構成される。

基本フィードバック部１００は、複数の制御項目２（制御項目Ａ，Ｂ，Ｃ・・・）を有する制御対象１と、制御項目２毎に設けられた基本フィードバック制御系５とを備える。基本フィードバック制御系５は、目標値計算回路３およびゲイン回路４から構成される。

一例として、制御項目Ａに関する動作について説明する。制御項目Ａに対して制御対象の目標動作に対応した操作Ａが行われると、その操作量信号６が基本フィードバック制御系５に入力される。この操作量信号６に基づいて、目標値計算回路３は、制御項目Ａの制御目標値を算出する。この目標値に対応した制御量が制御量信号７としてゲイン回路４を通して制御項目Ａの駆動系（不図示）に入力され、この駆動系を動作させることにより、制御項目Ａは制御される。このときの現在値、すなわち制御結果ａは、制御量にフィードバックされる。これにより、制御項目Ａの値は、その目標値に近づくようにフィードバック制御される。

ここで、制御項目Ａの値には、制御量を直接入力するようにしてもよい。直接制御量１３に基づく制御量信号８による制御量は、目標値計算回路３からの制御量信号７による制御量に代えて制御項目Ａに入力したり、制御量信号７による制御量との和として入力したりするようにしてもよい。このように、制御項目Ａに対して制御量を直接入力することにより、必要に応じて多様な制御を行うことができる。

他の制御項目Ｂ，Ｃ，・・・の基本フィードバック制御系５の動作についても、上記制御項目Ａの動作と同様である。

上述したような動作によって、各基本フィードバック制御系５では、目標値計算回路３からの制御量と制御結果（ａ，ｂ，ｃ）との偏差９（偏差Ａ，Ｂ，Ｃ，・・・）が求められる。各偏差９は、図２に示すように、状況判断部１０に導入されその偏差に応じた制御対象の状況が判断される。これは、例えば風を受けている状況などの制御対象の状況に対して、例えば風に対向するための姿勢変化などの予め分かっている制御項目の動作を、偏差の大きさにより識別して状況を判断するものである。

状況が判断されると、特徴利用判断部１１は、操作修正値計算部１１ａおよび直接制御量計算部１１ｂの少なくとも一方により、例えば風圧を小さくする動作など、その状況に関連する制御対象の特徴となる動作の利用可能性を判断する。この場合、制御対象の状況に応じて動作する制御項目（例えば制御項目Ａ）と制御対象の状況を変えるように動作する制御項目（例えば制御項目Ｂ）とは別の制御項目として判断が行われる。このように、特徴利用判断部１１は、状況判断部１０による判断結果に基づいて、制御項目毎に利用可能性を判断する。

この特徴利用判断部１１は、操作修正値計算部１１ａにより、図１に示す操作量信号６の修正値１２を算出する。また、特徴利用判断部１１は、制御量信号８（図１）を介して制御量を直接入力する場合には、直接制御量計算部１１ｂにより、直接制御量１３を算出する。算出された修正値１２は、対応する制御項目の操作量信号６を修正する。修正された操作量は、目標値計算回路３に入力される。

このように、ある制御項目の偏差に基づいて制御対象の状況を判断し、この状況に対応する制御対象の特徴に基づいて別の制御項目の操作量を修正してその制御項目の目標値を変えることにより、状況判断の基準となった制御項目の偏差を小さくすることができる。また、同様に、操作量の制限として修正値を用いれば、制御項目に対する安全回路の役割を果たすこともできる。

なお、状況判断部１０や特徴利用判断部１１による判断結果は、警告・操作指示３０として、例えば表示装置、ブザー、ランプ等により出力するようにしてもよい。これにより、ユーザは、制御対象の状況をより容易に把握することができる。例えば、制御対象の動作が停止する恐れがある場合等には、ブザーにより警報音を鳴動させたり、表示装置に警告表示を表示させることにより、ユーザの注意を喚起することができる。

同様に、状況判断部１０や特徴利用判断部１１の判断結果は、ゲイン操作１４により基本フィードバック部１００のゲイン４を操作することによって、ハンチング対応の安全対策として利用したり、制御対象の動作状態を変更したりすることもできる。

このような本実施例の制御装置は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)等の演算装置と、メモリ、ＨＤＤ(Hard Disc Drive)等の記憶装置と、キーボード、マウス、ポインティングデバイス、ボタン、タッチパネル、ジョグシャトル、スライディングパッド等の外部から情報の入力を検出する入力装置と、インターネット、ＬＡＮ(Local Area Network)、ＷＡＮ(Wide Area Network)、電話回線、無線通信等の通信回線や放送信号を介して各種情報の送受信を行うＩ/Ｆ装置と、ＣＲＴ(Cathode Ray Tube)、ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)またはＦＥＤ(Field Emission Display)等の表示装置を備えたコンピュータと、このコンピュータにインストールされたプログラムとから構成される。すなわちハードウェア装置とソフトウェアとが協働することによって、上記のハードウェア資源がプログラムによって制御され、上述した基本フィードバック部１００、状況判断部１０および特徴利用判断部１１が実現される。なお、上記プログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供されるようにしてもよい。

次に、上述した本実施例の制御装置を無人ヘリコプタに適用した具体例について説明する。図３に示すように、本実施例に係る制御装置を適用した無人ヘリコプタは、基本フィードバック部２００と、状況判断部１０（図示せず）と、特徴利用判断部１１（図示せず）とから構成される。

基本フィードバック部２００は、制御対象となる無人ヘリコプタの機体１４の制御項目として、機体ロール角２ａ、機体横方向速度２ｂ、機体横方向位置２ｃ、機体ヨー角２ｄ、および、機体方位角２ｅを有する。これらの制御項目には、それぞれ基本フィードバック制御系が設けられている。この基本フィードバック制御系は、機体軸横移動指令と機首移動指令という２つの操作量に基づいて、大きく２つに区別される。

機体軸横移動指令の操作量に基づく基本フィードバック制御系としては、機体ロール角２ａ、機体横方向速度２ｂおよび機体横方向位置２ｃの制御項目の基本フィードバック制御系が挙げられる。

機体ロール角２ａの基本フィードバック制御系は、目標姿勢角計算部１７と、ゲイン回路１８とから構成される。目標姿勢角計算部１７は、機体軸横移動指令に基づいて目標加速度計算部１６により算出された横移動の目標加速度に基づいて、目標姿勢角を計算する。

機体横方向速度２ｂの基本フィードバック制御系は、目標速度計算部１９と、ゲイン回路２０とから構成される。目標速度計算部１９は、目標加速度計算部１６により算出された横移動の目標加速度に基づいて、横移動の目標速度を算出する。

機体横方向位置２ｃの基本フィードバック制御系は、目標位置計算部２１と、ゲイン回路２２とから構成される。目標位置計算部２１は、目標速度計算部１９により算出された横移動の目標速度に基づいて、横移動の目標位置を算出する。

一方、機首移動指令の操作量に基づく基本フィードバック制御系としては、機体ヨー角速度２ｄおよび機体方位角２ｅの制御項目の基本フィードバック制御系が挙げられる。

機体ヨー角速度２ｄの基本フィードバック制御系は、目標角速度計算部２３と、ゲイン回路２４とから構成される。目標角速度計算部２３は、機首移動指令に基づいて機首の移動方向の目標角速度を算出する。

機体方位角２ｅの基本フィードバック制御系は、目標方位計算部２５と、ゲイン回路２６とから構成される。目標方位計算部２５は、目標角速度計算部２３により算出された機首の移動方向の目標角速度に基づいて、機首の移動方向の目標方位を算出する。

次に、図４Ａ〜図４Ｄおよび図５Ａ〜図５Ｄを参照して、本実施例の制御装置を適用した無人ヘリコプタにおいて、横風を受けた場合の動作について説明する。

図４Ａ，図４Ｂに示すように、制御対象となる機体１４が横風ｗを受けると、機体ロール角２ａの制御項目の基本フィードバック制御系において、機体ロール角偏差３１（図３に示す）が計測される。この偏差は、状況判断部１０に入力される。これにより、以下に示すように風の状況が判別される。

無人ヘリコプタは、自律制御によって、機体１４が横に流されないように機体１４のロール角を風上側に傾けて、風力Ｆに対向する横方向の推力ｆ１を発生させる。これにより、上下方向の揚力ｆ２は傾きに応じて低下する。推力ｆ１，揚力ｆ２は、メインロータ１５による推力ｆ０の分力である。したがって、状況判断部１０は、図４Ｃに示す第１の状況判断動作において、ロール角の偏差が所定値より大きいかどうかを判断することにより（ステップＳ１１）、何れかの対応が必要な強風下の状況かどうかを判断する（ステップＳ１２）。なお、ロール角の偏差は、風に対抗して傾いた状態のロール角Ａと無風状態のロール角の目標値（Ａ＝０°）との差である。したがって、Ａ＞０°であれば風が吹いている状況であることを判別できる。

また、状況判断部１０は、図４Ｄに示す第２の状況判断動作において、ロール角の偏差が所定値より大きくなると（ステップＳ２１）、揚力ｆ２が低下して高度を維持できなくなり（ステップＳ２２）、機体が降下する状況になると判断する（ステップＳ２３）。

上述したような状況判断が行われると、特徴利用判断部１１は、図５Ｃに示す特徴利用判断動作を行う。すなわち、機体１４が風を受けているときに、機首を風上方向に向けると（ステップＳ３１）、風を受ける投影面積が減って風を逃がすことになるので（ステップＳ３２）、機体の受ける風の抵抗成分を小さくすることができる（ステップＳ３３）。これにより、風に対抗するためのロール角の傾きは小さくなる。すなわち、ロール角とは別の制御項目である機首方向を変更することによりロール角の偏差が小さくなるというヘリコプタの特徴を利用できることが判断できる。なお、状況判断部１０や特徴利用判断部１１による判断結果は、無人ヘリコプタの基地局の表示装置等に表示するようにしてもよい。これにより、無人ヘリコプタのユーザは、無人ヘリコプタにおいてどのような判断が行われているかを認識することができる。

そこで、特徴利用判断部１１は、操作修正値計算部１１ａにより、図５Ａ，図５Ｂに示すように、機首方向をＨ°だけ修正して、機体の高度を十分維持できる程度のロール角（Ｂ）となるように偏差を小さくする（ステップＳ４１）。この修正量Ｈは、ロール角の偏差（すなわち横風の強さ）に応じて偏差のデータから算出する（ステップＳ４２）。

この操作修正値計算部１１ａにより算出された機首方向修正値３２（図３に示す）は、機体ロール角２ａの基本フィードバック制御系とは別の機体ヨー角速度および機体方位角の基本フィードバック制御系にフィードバックされ、機首移動指令の指令値（操作量）を修正する。具体的には、操作修正値計算部１１ａによる計算結果に基づいて、テールロータ（ラダー）２７による機首移動指令があると、目標角速度計算回路２３は、機首方向を移動させるための目標角速度を計算する。これに伴って、目標方位計算部２５により目標方位が計算され、無人ヘリコプタの機体１４の機首方向がこの目標方位を向くように、機体方位角２ｅの制御対象がフィードバック制御される。これにより、上述したように、機体ロール角偏差を小さくすることができる。

このように、本実施例によれば、制御対象の１つの制御項目の偏差からその制御対象の状況を把握し、この状況と別の制御項目との関連性の特徴に基づいて、この別の制御項目に上記偏差をフィードバックして制御対象を目標に近づけるように制御することができる。これにより、簡単な構成で異なる制御項目同士をリンクしたプログラムを作成することができ、信頼性の高い自動制御が実現できる。このような制御方法によれば、各制御項目について基本的なフィードバック制御を行って制御対象をパターン化し、制御項目の偏差に基づいて例えば無人ヘリコプタの風の影響等の非線形な部分を特徴として認識でき、この特徴を別の制御項目にフィードバックすることにより、単純な構成で非線形部分や環境変化に対応できる。また、制御の安定性については、各制御項目の基本フィードバック制御系で基本的な安定性を確保しておけば、状況の特徴に応じた偏差を基本フィードバック制御系の目標値修正のためにフィードバックする場合に、制御項目のフィードバック制御系自体の安定性を考慮する必要がない。したがって、簡単な構成により高精度で信頼性の高い制御ができる。

また、本実施例によれば、制御対象の目標に応じた操作量が各制御項目に入力され、この操作量に応じて各制御項目の目標値を設定して各制御項目を制御し、制御結果の偏差に基づいて、制御対象の状況を判断するとともに、その状況と各制御項目の関連性の特徴に基づいてその偏差が現れた制御項目とは別の制御項目の操作量を修正する。このように、制御対象の状況に応じて別の制御項目の目標値を修正することにより、確実に制御対象を目標に近づけることができる。

また、本実施例によれば、偏差に基づく修正制御量を、状況に応じて特徴付けられた制御項目の制御量として直接入力できる。このため、必要に応じて進路変更や高度変更などを適宜行うことができるので、操縦の多様性や安定性を高めることができる。

また、本実施例によれば、偏差に基づいて把握された状況を、例えば警告表示等でオペレータに知らせることができる。これにより、制御対象の状態を常に確実に認識して監視することができる。

また、本実施例によれば、偏差に基づいて把握された状況を用いて、制御ゲインを操作することで、環境の変化に伴うハンチング対応の安全対策として利用したり、制御対象の動作状況を変更したりすることができる。

また、本実施例によれば、無人ヘリコプタを飛行制御する場合に、例えば機体に対し予測がつかない非線形な関係で影響する風により機体のロール角が変化したときに、すなわち自律制御で風に対してロール角（機体）を風上方向に傾けたときに、機体の傾きにより風を受けている状態であることを判別することができる。また、首方向を変えて風に当たる投影面積を小さくすることにより風の影響を低減できるというヘリコプタ特有の特徴を飛行制御に利用し、風の影響がある程度以上大きくなったときに、風の状態を判別した制御項目であるロール角とは別の制御項目である機首方向を変更する。これにより、風の影響を小さくして機体の高度低下を防ぎ安定した状態で飛行を続けることができる。

本発明は、無人ヘリコプタに限らず、例えば、電子機器、航空機、船舶、車両等など複数の制御項目を有する各種装置に対しても同様に適用することができる。

Claims

複数の制御項目を有する制御対象の前記制御項目毎に目標値を算出するステップと、
前記制御項目の値を前記目標値に近づけるように前記制御対象をフィードバック制御するステップと、
制御項目毎の目標値と現在値との偏差に基づいて他の制御項目の目標値を変更するステップと
を備えることを特徴とする制御方法。
前記変更するステップは、
前記偏差に基づいて制御対象の状況を判断するステップと、
この判断結果に基づいて、前記偏差が小さくなるように別の制御項目の目標値を変更するステップと
から構成されることを特徴とする請求項１記載の制御方法。
前記変更するステップは、
前記偏差に基づいて判断された制御対象の状況を出力するステップ
をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の制御方法。
前記変更するステップは、他の制御項目の目標値を変更することに代えて、他の制御項目の制御量を変更する
ことを特徴とする請求項１記載の制御方法。
複数の制御項目を有する制御対象の前記制御項目毎に目標値を算出する目標値計算部と、
前記制御項目の値を前記目標値に近づけるようにフィードバック制御するフィードバック制御部と、
制御項目毎の目標値と現在値との偏差に基づいて他の制御項目の目標値を変更する特徴利用判断部と
を備えることを特徴とする制御装置。
少なくとも機体ロール角および機体方位角を含む複数の制御項目を有する無人ヘリコプタの前記制御項目毎に目標値を算出する目標値計算部と、
前記制御項目の値を目標値に近づけるようにフィードバック制御するフィードバック制御部と、
制御項目毎の目標値と現在値との偏差に基づいて他の制御項目の目標値を変更する特徴利用判断部と
を備えたことを特徴とする無人ヘリコプタ。