WO2006107017A1 - 制御方法、制御装置および無人ヘリコプタ - Google Patents

制御方法、制御装置および無人ヘリコプタ Download PDF

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Katsu Nakamura
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Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/0205—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system
    • G05B13/024—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/32—Automatic controllers electric with inputs from more than one sensing element; with outputs to more than one correcting element
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B6/00—Internal feedback arrangements for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B6/02—Internal feedback arrangements for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential electric
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/08—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
    • G05D1/0808—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft
    • G05D1/0858—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft specially adapted for vertical take-off of aircraft

Definitions

  • the present invention relates to a control method, a control device, and an unmanned helicopter for controlling a control target having a plurality of control items using feedback control.
  • control items include nose direction, roll angle, pitch angle, nose direction velocity and acceleration, lateral velocity and acceleration, vertical velocity and acceleration, and For example, altitude.
  • control items are controlled by independent and independent control systems, for example, feedback control based on the conventionally known PID theory. That is, for each control item, an operation amount corresponding to the set command value is input to the control system of that control item. In the control system, a target value is calculated according to the operation amount, and the control amount according to the target value is input to the drive system of each control item. Feedback control is performed for each control item by feeding back this result to the control amount so as to approach the target value Disclosure of the Invention
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and a control method capable of easily performing automatic control on a control target having a plurality of control items.
  • An object is to provide a control device and a helicopter.
  • the control method includes a step of calculating a target value for each control item of the control target having a plurality of control items, and feedback control of the control target so that the value of the control item approaches the target value. And a step of changing the target value of another control item based on the deviation between the target value and the current value for each control item.
  • a control device includes a target value calculation unit that calculates a target value for each control item to be controlled having a plurality of control items, and a feed so that the value of the control item approaches the target value.
  • a feedback control unit that performs back control, and a feature usage determination unit that changes the target value of another control item based on the difference between the target value and the current value for each control item. It is.
  • the unmanned helicopter includes a target value calculation unit that calculates a target value for each control item of the unmanned helicopter having a plurality of control items including at least an airframe roll angle and an airframe azimuth angle, and a control Feedback control unit that performs feedback control so that the value of an item approaches the target value, and feature usage judgment that changes the target value of other control items based on the deviation between the target value and the current value for each control item And a section.
  • a target value calculation unit that calculates a target value for each control item of the unmanned helicopter having a plurality of control items including at least an airframe roll angle and an airframe azimuth angle
  • a control Feedback control unit that performs feedback control so that the value of an item approaches the target value, and feature usage judgment that changes the target value of other control items based on the deviation between the target value and the current value for each control item And a section.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control device of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a control device of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration when the control device of this embodiment is applied to an unmanned helicopter.
  • FIG. 4A is a plan view of an unmanned helicopter subjected to a crosswind.
  • FIG. 4B is a front view of an unmanned helicopter subjected to cross wind.
  • FIG. 4C is a flowchart showing a first situation determination operation by the situation determination unit.
  • FIG. 4D is a flowchart showing a second situation determination operation by the situation determination unit.
  • FIG. 5A is a plan view of an unmanned helicopter with the nose facing upwind.
  • FIG. 5B is a front view of the unmanned helicopter with the nose facing upwind.
  • FIG. 5C is a flowchart showing a determination operation by the feature use determination unit.
  • FIG. 5D is a flowchart showing an operation correction value calculation operation by the operation correction value calculation unit.
  • the control device includes a basic feedback unit 100, a situation determination unit 10, and a feature use determination unit 11.
  • the basic feedback unit 100 includes a control object 1 having a plurality of control items 2 (control items A, B, and C--) and a basic feedback control system 5 provided for each control item 2.
  • the feedback control system 5 includes a target value calculation circuit 3 and a gain circuit 4.
  • control item A As an example, an operation related to control item A will be described.
  • operation A corresponding to the target motion to be controlled is performed on control item A
  • the operation amount signal 6 is input to the basic feed knock control system 5.
  • the target value calculation circuit 3 calculates a control target value for the control item A.
  • a control amount corresponding to the target value is input as a control amount signal 7 to the drive system (not shown) of the control item A through the gain circuit 4, and the control item A is controlled by operating this drive system.
  • the current value at this time, that is, the control result a is fed back to the control amount.
  • the value of the control item A is feedback controlled so as to approach the target value.
  • control amount may be directly input to the value of the control item A.
  • the control amount by the control amount signal 8 based on the direct control amount 13 is input to the control item A instead of the control amount by the control amount signal 7 from the target value calculation circuit 3, or the control amount by the control amount signal 7 It may be input as a sum. In this way, by directly inputting the control amount for the control item A, various controls can be performed as necessary.
  • each basic feedback control system 5 has a deviation 9 (deviation A, B, C, ⁇ ) between the control amount from the target value calculation circuit 3 and the control result (a, b, c). ⁇ ⁇ ) Is required.
  • each deviation 9 is introduced into the situation judgment unit 10 to judge the situation of the control target according to the deviation. This is because, for example, the action of a control item that is pre-divided, such as a posture change to face the wind, is identified by the magnitude of the deviation for the situation of the controlled object such as a situation where the wind is received. It is to judge the situation.
  • the feature usage determination unit 11 relates to the situation such as an operation of reducing the wind pressure by at least one of the operation correction value calculation unit 11a and the direct control amount calculation unit l ib.
  • the availability of the operation that is the feature of the control target is determined.
  • the control item for example, control item A
  • the control item that operates to change the status of the control target for example, control item B
  • the feature usage determining unit 11 determines the availability for each control item based on the determination result by the situation determining unit 10.
  • the operation correction value calculation unit 11a calculates the correction value 12 of the operation amount signal 6 shown in FIG.
  • the feature use determining unit 11 directly calculates the control amount 13 by the direct control amount calculating unit l ib.
  • the calculated correction value 12 corrects the manipulated variable signal 6 of the corresponding control item.
  • the corrected manipulated variable is input to the target value calculation circuit 3.
  • the situation of the control object is determined, and based on the characteristics of the control object corresponding to this situation, the operation amount of another control item is determined.
  • the deviation of the control item used as the basis for the situation judgment is reduced.
  • a correction value is used as a restriction on the operation amount, it can also serve as a safety circuit for control items.
  • the determination result by the situation determination unit 10 or the feature use determination unit 11 may be output as a warning operation instruction 30 by, for example, a display device, a buzzer, a lamp or the like.
  • a warning operation instruction 30 by, for example, a display device, a buzzer, a lamp or the like.
  • the user can more easily grasp the status of the control target. For example, when there is a possibility that the operation to be controlled may stop, the user can be alerted by sounding an alarm sound with a buzzer or displaying a warning display on the display device.
  • the judgment results of the situation judgment unit 10 and the feature usage judgment unit 11 can be used as a safety measure for hunting by operating the gain 4 of the basic feedback unit 100 by the gain operation 14, or can be controlled. It is also possible to change the operation state.
  • Such a control device of the present embodiment includes an arithmetic device such as a CPU (Central Processing Unit), a storage device such as a memory and an HDD (Hard Disc Drive), a keyboard, a mouse, a pointing device, a button, and a touch panel.
  • arithmetic device such as a CPU (Central Processing Unit)
  • a storage device such as a memory and an HDD (Hard Disc Drive)
  • keyboard such as a keyboard, a mouse, a pointing device, a button, and a touch panel.
  • the program may be provided in a state of being recorded on a recording medium such as a flexible disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, or a memory card.
  • the unmanned helicopter to which the control device according to the present embodiment is applied includes a basic feedback unit 200, a situation determination unit 10 (not shown), and a feature use determination unit 11 (not shown). Consists of
  • the basic feedback unit 200 is a control item for the unmanned helicopter body 14 to be controlled. As shown, the airframe roll angle 2a, the airframe lateral speed 2b, the airframe lateral position 2c, the airframe angle 2d, and the airframe azimuth 2e are included. Each control item has a basic feedback control system. This basic feedback control system is roughly classified into two types based on the two operation amounts of the fuselage axis lateral movement command and the nose movement command.
  • the basic feedback control system based on the operation amount of the machine body axis lateral movement command includes a basic feed knock control system of control items of the machine body roll angle 2a, the machine body lateral speed 2b, and the machine body lateral position 2c.
  • the basic feedback control system for the body roll angle 2a includes a target attitude angle calculation unit 17 and a gain circuit 18.
  • the target posture angle calculation unit 17 calculates a target posture angle based on the target acceleration of the lateral movement calculated by the target acceleration calculation unit 16 based on the body axis lateral movement command.
  • the basic feedback control system of the airframe lateral speed 2b includes a target speed calculator 19 and a gain circuit 20.
  • the target speed calculation unit 19 calculates the target speed of the lateral movement based on the target acceleration of the lateral movement calculated by the target acceleration calculation unit 16.
  • the basic feedback control system of the machine body lateral position 2c includes a target position calculator 21 and a gain circuit 22.
  • the target position calculation unit 21 calculates a lateral movement target position based on the lateral movement target speed calculated by the target speed calculation unit 19.
  • examples of the basic feedback control system based on the operation amount of the nose movement command include a basic feedback control system of control items of the airframe angular velocity 2d and the airframe azimuth angle 2e.
  • the basic feedback control system for the airframe angular velocity 2d includes a target angular velocity calculator 23 and a gain circuit 24.
  • the target angular velocity calculation unit 23 calculates a target angular velocity in the nose movement direction based on the nose movement command.
  • the basic feedback control system of the body azimuth angle 2e includes a target azimuth calculation unit 25 and a gain circuit 26.
  • the target bearing calculation unit 25 calculates the target bearing in the nose movement direction based on the target angular velocity in the nose movement direction calculated by the target angular velocity calculation unit 23.
  • FIGS. 4A to 4D and FIGS. 5A to 5D the control device of this embodiment is applied.
  • the operation of the unmanned helicopter when it receives a crosswind will be described.
  • the unmanned helicopter generates a lateral thrust fl that opposes the wind force F by inclining the straight angle of the fuselage 14 to the windward side by autonomous control so that the fuselage 14 does not flow sideways.
  • the vertical lift f2 decreases with the inclination.
  • the thrust fl and the lift f2 are component forces of the thrust fO by the main rotor 15. Therefore, in the first situation judgment operation shown in FIG. 4C, the situation judgment unit 10 determines whether the roll angle deviation is larger than the predetermined value (step S11), and one of the measures is necessary. Determine if the situation is strong under strong wind (step S12).
  • the situation determination unit 10 cannot maintain the altitude because the lift f2 decreases when the deviation of the roll angle becomes larger than a predetermined value (step S21). (Step S22), it is determined that the aircraft will descend (Step S23).
  • the feature use determination unit 11 performs the feature use determination operation shown in FIG. 5C.
  • the aircraft 14 is receiving wind, if the nose is pointed upwind (step S31), the projected area receiving the wind will be reduced and the wind will escape (step S32).
  • the wind resistance component can be reduced (step S33).
  • the inclination of the roll angle to counter the wind is reduced. That is, it can be determined that the characteristic of the helicopter that the deviation force of the roll angle becomes smaller by changing the nose direction, which is a control item different from the roll angle, can be determined.
  • the determination results by the situation determination unit 10 and the feature usage determination unit 11 may be displayed on the display device of the base station of the unmanned helicopter. Thereby, the user of an unattended helicopter can recognize what kind of judgment is performed in the unattended helicopter.
  • the feature use determination unit 11 performs the operation correction value calculation unit 11a shown in Figs. 5A and 5B.
  • the nose direction is corrected by H °, and the deviation is reduced so that the roll angle (B) is high enough to maintain the altitude of the aircraft (step S41).
  • This correction amount H is calculated from the deviation data according to the roll angle deviation (that is, the crosswind strength) (step S42).
  • the nose direction correction value 32 (shown in Fig. 3) calculated by the operation correction value calculation unit 11a is the same as the aircraft's angular velocity and aircraft direction angle different from the basic feedback control system for the aircraft roll angle 2a. It is fed back to the basic feedback control system, and the command value (operation amount) of the nose movement command is corrected. Specifically, based on the calculation result by the operation correction value calculation unit 11a, when there is a nose movement command from the tail rotor (ladder) 27, the target angular velocity calculation circuit 23 performs a target angular velocity for moving the nose direction.
  • the target azimuth calculation unit 25 calculates the target azimuth, and the control target of the airframe azimuth angle 2e is feedback-controlled so that the nose direction of the unmanned helicopter airframe 14 faces this target azimuth. Thereby, as described above, the airframe roll angle deviation can be reduced.
  • the status of the control target is grasped from the deviation of one control item to be controlled, and based on the characteristics of the relationship between this status and another control item.
  • the deviation can be fed back to this other control item to control the controlled object closer to the target.
  • a program in which different control items are linked with a simple configuration can be created, and highly reliable automatic control can be realized.
  • basic feedback control is performed for each control item to pattern the control target, and nonlinear effects such as the influence of unmanned helicopter winds are generated based on the deviation of the control item.
  • control stability if basic stability is secured in the basic feedback control system for each control item, the deviation according to the characteristics of the situation is used to correct the target value of the basic feedback control system. Therefore, it is not necessary to consider the stability of the feedback control system of the control items. Therefore, highly accurate and reliable control can be performed with a simple configuration.
  • an operation amount corresponding to a target to be controlled is input to each control item, and a target value of each control item is set according to this operation amount to set each control item.
  • the corrected control amount based on the deviation can be directly input as the control amount of the control item characterized according to the situation. For this reason, it is possible to change the course and change the altitude as necessary, so that the diversity and stability of maneuvering can be improved.
  • the operator can be notified of the situation grasped based on the deviation by, for example, a warning display.
  • a warning display As a result, the state of the controlled object can always be reliably recognized and monitored.
  • control gain by operating the control gain using the situation grasped based on the deviation! /, It can be used as a safety measure for handling hunting associated with environmental changes.
  • the operating status of the control target can be changed.
  • the flight control of the unlicensed helicopter when the flight control of the unlicensed helicopter is performed, for example, when the roll angle of the aircraft changes due to a wind that affects the aircraft in a non-linear relationship that cannot be predicted. That is, when the roll angle (airframe) is tilted in the windward direction with respect to the wind by autonomous control, it can be determined that the wind is being received by the tilt of the airframe.
  • the helicopter's unique feature of reducing the wind effect by changing the neck direction to reduce the projected area of the wind is used for flight control. Change the nose direction, which is a control item that is different from the roll angle, which is the control item that has been identified. As a result, it is possible to keep flying in a stable state by reducing the influence of the wind and preventing the aircraft from lowering its altitude.
  • the present invention is not limited to an unmanned helicopter, and can be similarly applied to various devices having a plurality of control items such as an electronic device, an aircraft, a ship, and a vehicle.

Description

明 細 書
制御方法、制御装置および無人へリコプタ
技術分野
[0001] 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へリコプタに関するものである。
背景技術
[0002] 従来より、農薬等の薬剤散布や航空写真撮影のために、無人へリコプタが用いられ ている（特開 2002— 166893)。この無人へ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 、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 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] し力しながら、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力つたりすると、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力つた。
[0004] 例えば、無人へリコプタにおいて、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。
[0005] 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、制御装置およびへリコプタを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0006] 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!、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。
[0007] 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 イ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 、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 徴とするちのである。
[0008] また、本発明に係る無人へリコプタは、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へ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 イ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 、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。 発明の効果
[0009] 本発明によれば、制御対象のある制御項目の偏差に基づ!/、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力つたりする場合であつ ても、より容易に自動制御を行うことができる。
図面の簡単な説明
[0010] [図 1]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]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]図 3は、本実施例の制御装置を無人へ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]図 4Aは、横風を受けた無人へリコプタの平面図である。
[図 4B]図 4Bは、横風を受けた無人へリコプタの正面図である。
[図 4C]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]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]図 5Aは、機首を風上に向けた無人へリコプタの平面図である。
[図 5B]図 5Bは、機首を風上に向けた無人へリコプタの正面図である。
[図 5C]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]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ヤ ートである。
発明を実施するための最良の形態
[0011] 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 10 0と、状況判断部 10と、特徴利用判断部 11とから構成される。
[0012] 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。
[0013] 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 ノ 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。 [0014] 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ょ 、。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。
[0015] 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。
[0016] 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力つている制御項目の 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。
[0017] 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 l ib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。
[0018] 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 l ib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。
[0019] このように、ある制御項目の偏差に基づ!/、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!、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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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、タツチパネル、ジョグシャトル、スライディングパッド等の外部力ゝら情 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 Dis play)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力 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-RO M、 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。
[0023] 次に、上述した本実施例の制御装置を無人へ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へリコプタは 、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。
[0024] 基本フィードバック部 200は、制御対象となる無人へリコプタの機体 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、機体ョ一角 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。
[0025] 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 ノック制御系が挙げられる。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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、機体ョ 一角速度 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。
[0030] 機体ョー角速度 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。
[0031] 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 2 6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
[0032] 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 した無人へリコプタにおいて、横風を受けた場合の動作について説明する。
[0033] 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。
[0034] 無人へリコプタは、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の口 一ル角を風上側に傾けて、風力 Fに対向する横方向の推力 fl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 fl,揚力 f2は、メインロータ 1 5による推力 fO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力どうかを判断する (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 、て 、る状況であることを判別できる。
[0035] 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)。
[0036] 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 テツプ 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力 、さくなると いうへ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、無人へ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、無人へリコプタのユーザは、無人へ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。
[0037] 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)。
[0038] 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ョ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、無人へリコプタの機体 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。
[0039] 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ダラ 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 ターンィ匕し、制御項目の偏差に基づいて例えば無人へ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 イ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。
[0040] 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!、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。
[0041] 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。
[0042] 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。
[0043] また、本実施例によれば、偏差に基づ!/、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。
[0044] また、本実施例によれば、無人へリコプタを飛行制御する場合に、例えば機体に対 し予測がつ力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つたときに 、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。
産業上の利用可能性
[0045] 本発明は、無人へリコプタに限らず、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

請求の範囲
[1] 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ツ 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!/、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。
[2] 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 、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。
[3] 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。
[4] 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。
[5] 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 十异 Piご、
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!/、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。
[6] 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へ 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 、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へリコプタ。
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