JPWO2011132291A1 - 飛翔体の飛行状態制御装置 - Google Patents

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Abstract

予測手段は、少なくとも高度、機体速度、機体姿勢をパラメータとして飛翔体の衝突危険性を予測する。飛行状態制御手段は、この予測手段により衝突危険性が高いと判定された場合に、機体速度、機体姿勢、飛行進路を制御することで飛翔体の飛行状態を制御する。これにより、衝突危険性が高い場合に、衝突の予防ないし衝突時の衝撃を緩和する方向に飛翔体の運動を制御することができる。

Description

本発明は、飛翔体の飛行状態制御装置に関し、特に、飛翔体の衝突危険性を予測して飛行状態を制御する制御装置に関する。
近年、車両においてその衝突危険性を予測して衝突回避や衝突時の衝撃緩和等の制御を行うシステムが開発されている。航空機等の飛翔体においても安全に飛行を行うための技術として特許文献１に開示されている技術が知られている。これは天候等が危険な領域を判定し、これを上下方向において避ける飛行ルートを設定するというものである。
特表２０００−５１５０８８号公報
特許文献１記載の発明は、主として天候条件から飛行時に避けるべき領域を判定してこれを迂回するルートを設定するものであり、飛翔体自身の飛行状態に応じて制御を行うことを想定したものではなく、その適用可能性は狭い範囲に限られている。
そこで本発明は、飛翔体において衝突危険性を予測してその飛行状態を制御する制御装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明に係る飛翔体の飛行状態制御装置は、少なくとも高度、機体速度、機体姿勢をパラメータとして飛翔体の衝突危険性を予測する予測手段と、この予測手段により衝突危険性が高いと判定された場合に、機体速度、機体姿勢、飛行進路を制御することで飛翔体の飛行状態を制御する飛行状態制御手段と、を備えていることを特徴とする。
この予測手段は３軸方向の機体姿勢と３軸方向の機体速度に基づいて飛翔体の空力的な制御状態を演算する第１演算手段を有しているとよい。また、予測手段は運動包囲線図（maneuvering envelope）に基づいて飛翔体の制御状態を演算する第２演算手段を有していてもよい。
予測手段は上記第１、第２演算手段の双方を有しており、第１演算手段と第２演算手段の演算結果に基づいて衝突危険性を予測するとともに、衝突危険性が高いと判定した場合にはさらに所定時間経過後の第１演算手段と第２演算手段の演算結果に基づいて飛翔体の飛行状態を再判定するとよい。
本発明によれば、飛翔体自身の高度、速度、機体姿勢をパラメータとすることで飛翔体の現在の飛行状況に基づいてその衝突危険性を精度よく予測することができる。この予測結果に基づいて機体の飛行状態を制御することで衝突回避制御、プリクラッシュ制御を適切に行うことができる。
上記第１演算手段または第２演算手段によれば、飛翔体の空力的なコントロール状態を適切に把握することができるので、飛翔体の衝突危険性の判定精度が向上する。
さらに、第１、第２演算手段の双方で飛翔体の空力的なコントロール状態を把握するととともに危険性が高いと判定した場合には、さらに、所定時間後のコントロール状態を把握することで、危険状態が継続しているのか、回復しているのかを適切に判定することができ、飛行状態の変化に応じた飛翔体のコントロールを行うことができる。
本発明に係る飛行状態制御装置の構成を示すブロック図である。 高度、速度、機体姿勢に基づく空力的コントロール状態線図である。 図１の装置に基づく制御における高度、機体速度の調整を説明するグラフである。 機体姿勢、機体速度を表す座標系を説明する図である。 機体姿勢、機体速度の安定範囲を示す図である。 運動包囲線図の一例である。
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
図１は、本発明に係る飛行状態制御装置の構成を示すブロック図である。ここでは、飛翔体として固定翼式の航空機を例に説明するが、その他の種類の飛翔体についても本発明は好適に適用できる。この飛行状態制御装置は機体の挙動をコントロールする飛行状態制御手段２０と当該航空機の衝突危険性を予測する危険性予測手段１０を中心に構成される。
危険性予測手段１０は機体の空力的なコントロール状態を計算する演算手段として第１演算手段１１と第２演算手段１２とを備える。第１演算手段は少なくとも高度、速度、機体姿勢をパラメータとして演算を行う。一方、第２演算手段１２は運動包囲線図に基づいて演算を行う。これらの演算手段１１、１２の演算結果に基づいて危険性予測部１３は衝突危険性を判定する。
危険性予測手段１０には機体の高度を取得する高度情報取得手段３１、機体の空間位置情報を取得する位置情報取得手段３２、機体速度情報を取得する速度情報取得手段３３、飛行している地域の情報を取得する地域情報取得手段３４、周囲の情報を取得する環境情報取得手段３５の各出力が入力されるとともに、通信手段３６に接続され、他の航空機や地上の慣性施設等と相互に情報を送受信する。そして、危険性予測手段１０は予測結果を飛行状態制御手段２０に出力する。
高度情報取得手段３１としては気圧高度計、電波高度計等を用いることができる。位置情報取得手段３２としては自律航法装置、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信機、無線航法装置等を用いることができる。速度情報取得手段３３としては、対気速度計、対地速度計等が用いられる。地域情報取得手段３４としては、地域情報をその位置情報に関連づけて記憶装置にデータベースとして格納しておき、位置情報にしたがってこれを読み出すナビゲーション装置や、地域情報を通信手段により受信するシステム等を用いることができる。環境情報取得手段３５には、気圧計、温度計、気流計測器のように航空機周囲の大気状態を把握する手段のほか、レーダ、通信装置など他の航空機の位置、速度情報を取得する手段、周囲の気象条件や視界等を把握する手段が含まれる。
飛行状態制御手段２０には、スロットル２１、姿勢制御手段２２が接続され、その作動をコントロールすることが可能である。この姿勢制御手段２２としては、方向舵、昇降舵、補助翼、高揚力装置等があげられる。飛行状態制御手段２０は、油圧信号や電気信号によってエンジンのスロットル２１や各姿勢制御手段２２の作動を制御する。
危険性予測部１３による危険性判定は以下の手法により行う。高度、機速、機体姿勢を主パラメータとし、サブパラメータとしてフライトステージ、場所、気流、機体性能、パイロット状態、機体状態、エンジン状態等を用いて、現在の飛行状態を判定し、後述する領域に分類する。ここで、第１演算手段１１、第２演算手段１２により機体姿勢を含めて空力的コントロール状態を求め、これをパラメータとして危険性予測部１３による判定を行うとよい。
フライトステージとは離陸、巡行、着陸のどの段階にあるかを表し、場所は現在位置から到達可能な範囲の滑走路、建物等の障害物、地面状態等についての情報である。パイロット状態は、パイロットのスキル、意識レベル等であり、機体状態、エンジン状態は故障の有無、状態を含む。
本実施形態では、危険性予測部１３は、主にActive領域、Pre-Crash領域、Passive領域の３つに飛行状態を分類する。図２はその判定線図を示しており、ここでは、さらに、Pre-Crash領域をPre-Crash I領域とPre-Crash II領域の２つに分けている。なお、図中低高度、高機速の領域は未分類とされているが、この領域はアクロバット飛行等の通常飛行では用いられることのない領域として除外されている。
Active領域は、滑走路に安全に降りられる飛行状態からなる領域である。なお、図中点線より上側の領域と下側の領域を比較すると、上側の領域は機体挙動が安定した領域であり、下側の領域は、これと比較して機体挙動は不安定側にあるが、機体姿勢等の変更によって上側の領域への移行が可能である領域である。
２つのPre-Crash領域とPassive領域はいずれもこれより衝突危険性（ここでいう衝突危険性とは衝突する可能性を指す）が高い領域である。このうち、Passive領域は図２で示されるように低高度、低機速の領域として設定されており、衝突時に機体等により衝撃を吸収して乗員を保護することが可能な飛行状態を含む領域である。Pre-Crash領域はActive領域とPassive領域に挟まれた領域であり、飛行状態制御手段２０により、Passive領域側へと飛行状態を移行させることが望まれる領域である。
Pre-Crash領域のうちPre-Crash I領域は通常の操舵制御によりPassive領域への移行が可能な領域である。一方、Pre-Crash II領域はPre-Crash領域のうち通常の操舵制御のみではPassive領域への移行が困難で、Passive領域への移行にはそれ以外の機体制御、例えば、推力の調整や高揚力装置の作動等が必要となる領域である。図２では機体姿勢パラメータが同一の平面（高度−機速面）を示しており、Pre-Crash I領域とPassive領域との間にPre-Crash II領域が存在しているが、高度、機速、機体姿勢を各軸に設定した座標系で表した場合には、Pre-Crash I領域とPassive領域とが隣接する部分も存在し、機体制御によるPre-Crash I領域からPassive領域への移行はその隣接面を経由することで行われる。
危険性予測部１３は、こうした分類結果に基づいて、飛行状態制御手段２０に対して、必要な機体制御を通知する。飛行状態制御手段２０は、スロットル２１、姿勢制御手段２２を制御して、航空機の姿勢、速度、高度を制御する。
制御手法としては、（１）機速を落とす、（２）機体姿勢を整える、（３）より衝突衝撃の少ない位置へと移動する、がある。（１）の機速を落とす例を図３に示す。ここでは、機速をＶ２からＶ１に落としたのに対応して高度もｈ２からｈ１へと低下している。（２）の機体姿勢については、図４に示されるように機体姿勢の３軸方向と機速方向の３軸方向とのなす角度をそれぞれθ、φ、γとしてこれにより機体姿勢を表現するとよい。
第１演算手段１１は、こうして表される機体姿勢パラメータの図５に示される座標系内の位置に基づいて機体の空力的コントロール状態を把握する。図に示される安定域とは、空力的コントロールが保たれている状態として、風洞実験、計算、実機試験等に基づいて予め設定されたものである。この安定域から外れている場合に通常のコントロールを超えた状態にあると判定すればよい。
第２演算手段１２は、運動包囲線図に基づいて機体の空力的コントロール状態を把握する。図６は運動包囲線図の一例を示している。図中横軸は機速を、縦軸は荷重倍数（Ｇ）を示している。ＶＡ、ＶＣ、ＶＤ、ＶＳはそれぞれ設計運動速度、設計巡航速度、設計急降下速度、失速速度を示している。この包囲線図内にある場合に通常のコントロールを超えた状態にあると判定する。
ここで、航空機は、一時的に空力的コントロール状態が通常のコントロールを超えた場合であっても機体の持っている位置エネルギーや速度エネルギーに基づいて通常状態に回復できることがある（例えば、失速状態からの復帰）。そこで、十分な時間幅Δｔをとり、時刻ｔにおいて空力的コントロール状態が通常のコントロール状態を超えており、かつ、時刻ｔ＋Δｔにおいてもこのコントロールの逸脱状態が同じまたは拡大している場合に回復不能と判定することで、機体の空力的コントロール状態が回復可能か否かを精度よく判定することができる。
危険性予測部１３における上記領域判定においても同様にその時間的変化に基づいて判定を行うことで、一時的にPre-Crash領域に突入した場合であってもそれがActive領域への回復が不能な場合に限り、Passive領域への移行制御を行うので、パイロットの意図しないPassive領域への移行を抑制することができる。ここでは、４つの領域に分類する例を説明したが、その危険性を数値化した指標により判定を行うようにしてもよい。
１０…危険性予測手段、１１…第１演算手段、１２…第２演算手段、１３…危険性予測部、２０…飛行状態制御手段、２１…スロットル、２２…姿勢制御手段、３１…高度情報取得手段、３２…位置情報取得手段、３３…速度情報取得手段、３４…地域情報取得手段、３５…環境情報取得手段、３６…通信手段。
上記課題を解決するため、本発明に係る飛翔体の飛行状態制御装置は、３軸方向の機体姿勢と３軸方向の機体速度に基づいて飛翔体の空力的な制御状態を演算する第１演算手段と、運動包囲線図（maneuvering envelope）に基づいて飛翔体の制御状態を演算する第２演算手段と、これら第１演算手段と、第２演算手段の演算結果に基づいて衝突危険性を予測するとともに、衝突危険性が高いと判定した場合には、さらに所定時間経過後の第１演算手段と第２演算手段の演算結果に基づいて飛翔体の飛行状態を再判定する予測手段と、この予測手段により衝突危険性が高いと判定された場合に、機体速度、機体姿勢、飛行進路を制御することで飛翔体の飛行状態を制御する飛行状態制御手段と、を備えていることを特徴とする。
この予測手段は、高度、機速、機体姿勢を主パラメータとし、フライトステージ、場所、気流、機体性能、パイロット状態、機体状態、エンジン状態のうち少なくとも１つ以上をサブパラメータとして現在の飛行状態における衝突危険性の判定を行うとよい。
予測手段は、現在の飛行状態が安全に着陸可能な状態、これより衝突危険性の高い状態のいずれに該当するかを判定することで衝突危険性の予測を行うとよい。衝突危険性の高い状態を、衝突時に衝撃吸収によって乗員保護が可能な状態と、それ以外の状態に区分してもよく、それ以外の状態をさらに、乗員保護が可能な状態へ移行可能な機体制御に応じて区分してもよい。そして、予測手段で区分した前記乗員保護が可能な状態へ移行可能な機体制御の区分に基づいて機体制御を行うとよい。

Claims (4)

  1. 少なくとも高度、機体速度、機体姿勢をパラメータとして飛翔体の衝突危険性を予測する予測手段と、
    前記予測手段により衝突危険性が高いと判定された場合に、機体速度、機体姿勢、飛行進路を制御することで飛翔体の飛行状態を制御する飛行状態制御手段と、
    を備えていることを特徴とする飛翔体の飛行状態制御装置。
  2. 前記予測手段は、３軸方向の機体姿勢と３軸方向の機体速度に基づいて飛翔体の空力的な制御状態を演算する第１演算手段を有していることを特徴とする請求項１記載の飛行状態制御装置。
  3. 前記予測手段は、運動包囲線図に基づいて飛翔体の制御状態を演算する第２演算手段を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の飛行状態制御装置。
  4. 前記予測手段は、さらに、運動包囲線図に基づいて飛翔体の制御状態を演算する第２演算手段を有し、前記第１演算手段と、前記第２演算手段の演算結果に基づいて衝突危険性を予測するとともに、衝突危険性が高いと判定した場合には、さらに所定時間経過後の前記第１演算手段と前記第２演算手段の演算結果に基づいて飛翔体の飛行状態を再判定することを特徴とする請求項２記載の飛行状態制御装置。
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