WO2013058173A1

WO2013058173A1 - 航空機及び航空機の制御方法

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Publication number: WO2013058173A1
Application number: PCT/JP2012/076390
Authority: WO
Inventors: 陽介樋口; 松田　剛
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2013-04-25
Also published as: JP2013086662A; JP5893890B2; US9108722B2; US20140191087A1

Abstract

航空機（１０）は、操縦桿（１２）に対する操作量を操舵機構（１６）へ機械的に伝達する機械的リンケージ（１８）と、操作量を検知する操作量センサ（２２）と、検知された操作量に応じた機体の制御量を示すＦＢＷ制御則コマンドを算出するＦＢＷ制御則演算部（２４）と、を備える。そして、航空機（１０）は、操作量センサ（２２）で検知された操縦桿操作量のうち、操縦桿操作量の変化量をハイパスフィルタ（３０）によって出力し、ＦＢＷ制御則コマンドを、減算部（２６）によってハイパスフィルタ（３０）を通過した変化量で減算することでＳＡＳコマンドとし、機械的リンケージ（１８）で伝達される操縦桿操作量に、ＳＡＳコマンドに応じたＳＡＳアクチュエータ（２０）の作動量を加算することで操舵機構（１６）を駆動させる。

Description

航空機及び航空機の制御方法

　本発明は、航空機及び航空機の制御方法に関するものである。

　航空機の操縦方式において、一般にフライ・バイ・ワイヤ（以下、「ＦＢＷ」という。）方式と称される電気式操縦方式では、操縦桿の操縦量に航空機の姿勢変化量を対応させる姿勢コマンド制御や速度変化量を対応させる速度コマンド制御等のＦＢＷ制御則コマンドを、操舵機構を駆動させるためのアクチュエータに与える制御を行うことで、操縦特性の改善を図っている。
　このＦＢＷ方式と同様の制御を、操縦桿と操舵機構を機械的リンケージと安定性増大用の直列アクチュエータ（ＳＡＳ（stability　augmentation　system）アクチュエータ)で機械的に接続した機械式操縦方式で実現する方式として、パーシャル・オーソリティ・フライト・コントロール・システム（以下、「ＰＡＦＣＳ」という。）方式がある。

　ＰＡＦＣＳ方式では、操縦桿と操舵機構とが機械的に接続されているため、ＦＢＷ方式のように制御系に高い信頼性を備えるための冗長系を構成する必要がない。しかし、ＰＡＦＣＳ方式では、制御系の異常時においてもパイロットによる操縦を可能とするために、ＳＡＳアクチュエータの作動範囲(オーソリティ)に制限を設けている。

　ＰＡＦＣＳ方式の例として、引用文献１には、操縦部の操縦量を操舵機構へ機械的に伝達して、操舵機構を駆動するためのリンク機構と、操縦部の操縦量を検出した操縦信号に基づいてヘリコプタの飛行制御則を演算して、操舵機構の駆動信号を出力する飛行制御則演算部と、リンク機構で伝達される操縦量に、駆動信号から操縦信号が引算された差分信号に対応した差分量を加算する精密サーボアクチュエータ部で構成されたヘリコプタ用飛行制御装置が記載されている。

特許第３１９５９１８号公報

　ＰＡＦＣＳ方式では、ＦＢＷ方式とは異なり、操縦桿と操舵機構とが機械的に接続されているため、操縦桿の操作量（操縦桿操作量）に応じて舵面も動く。そのため、引用文献１にも記載されているように、ＳＡＳアクチュエータを駆動させるためのＳＡＳコマンドを（１）式に示されるようにＦＢＷ制御則コマンドから操縦桿操作量を減算することで算出する。
　ＳＡＳコマンド＝ＦＢＷ制御則コマンド－操縦桿操作量　・・・（１）

　しかしながら、操縦桿操作量が大きすぎ、（１）式から算出されたＳＡＳコマンドの大きさがＳＡＳアクチュエータの作動範囲を超えてしまうと、ＳＡＳアクチュエータが一方向に伸張又は収縮したままとなり、それ以上動作しない状態（飽和状態）となる。この状態となると、舵面の制御、すなわち機体の制御ができなくなる。

　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、機体の操縦方式がＰＡＦＣＳ方式であっても、操縦桿に対する操作量が大きすぎるために、機体の制御ができなくなることを防止する、航空機及び航空機の制御方法を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明の航空機及び航空機の制御方法は以下の手段を採用する。

　本発明に係る第一態様に係る航空機は、操縦者が機体を操縦するための操縦桿と、前記操縦桿に対する操作量を操舵手段へ機械的に伝達する操舵量伝達手段と、前記操作量を検知する検知手段と、前記検知手段によって検知された前記操作量に応じた機体の制御量を算出する制御量算出手段と、前記検知手段によって検知された前記操作量のうち、前記操作量の変化量を出力する変化量出力手段と、前記制御量算出手段によって算出された前記制御量を、前記変化量出力手段から出力された前記変化量で減算する減算手段と、前記操舵量伝達手段で伝達される前記操作量に、前記減算手段から出力された減算値に応じた操作量を加算するアクチュエータと、を備える。

　本構成によれば、操舵量伝達手段によって、操縦桿に対する操作量が操舵手段へ機械的に伝達される。また、検知手段によって操縦桿に対する操作量が検知され、該操作量に応じた機体の制御量が制御量算出手段によって算出される。

　そして、変化量出力手段によって、検知手段で検知された操作量のうち、操作量の変化量が出力され、減算手段によって、制御量算出手段で算出された制御量が変化量出力手段から出力された変化量で減算される。すなわち、減算手段から出力された減算値が、アクチュエータへの制御コマンドとなる。
　アクチュエータは、操舵量伝達手段で伝達される操作量に、減算手段から出力された減算値（制御コマンド）に応じた操作量を加算する。つまり、本構成による航空機の操縦方式は、操舵量伝達手段で伝達される操作量とアクチュエータによる操作量との和によって、操舵手段を駆動させるＰＡＦＣ方式である。

　従来のＰＡＦＣ方式では、制御量算出手段で算出された制御量を操縦桿に対する操作量で減算して得られた値が、制御コマンドとしてアクチュエータに入力される。しかし、操縦桿に対する操作量が大きすぎると、制御量算出手段で算出された制御量に対する減算量が大きいため、減算値（制御コマンド）がアクチュエータの作動範囲を超える場合がある。この場合、アクチュエータが一方向へ伸張又は収縮したままとなり、それ以上動作しない状態（飽和状態）となる。なお、操縦桿に対する操作量が大きすぎる場合とは、例えば操縦桿を一方向へ最大にまで傾かせた場合である。

　これに対して、本構成では、操縦桿を一方向へ最大にまで傾かせた状態を維持している場合、操作量に変化が無く一定であるため変化量出力手段からの出力は０（零）となる。そのため、このような場合には、制御量算出手段で算出された制御量に対して、操縦桿に対する操作量が減算されない。すなわち、変化量出力手段は、アクチュエータに入力される制御コマンドが、アクチュエータの作動範囲を超えることを抑制することとなる。
　従って、本構成では、操縦桿に対する操作量が大きすぎた場合に、制御量算出手段で算出された制御量が該操作量で減算されないので、操縦桿に対する操作量が大きすぎるために、機体の制御ができなくなることを防止できる。

　上記第一態様では、前記変化量出力手段が、前記操作量の変化が無くなった場合に、出力する前記操作量を時間と共に減衰させることが好ましい。

　本構成によれば、操縦桿に対する操作量の変化がある間は、制御量算出手段によって算出された制御量が減算されるものの、例えば操縦桿を一方向へ最大にまで傾かせたまま維持する等して、操縦桿に対する操作量の変化が無くなると、変化量出力手段から出力される操作量が時間と共に減衰するので、操舵量伝達手段を介して操舵手段に加えられる操作量の変化率を減衰させたことと同様の効果が得られ、機体の急激な応答が低減される。そして、操縦桿に対する操作量の変化が無い状態が維持され続けると、制御量算出手段によって算出された制御量のみにより機体を安定させることとなる。従って、より安定した機体の制御を実現できる。

　本発明の第二態様に係る航空機の制御方法は、操縦者が機体を操縦するための操縦桿と、前記操縦桿に対する操作量を操舵手段へ機械的に伝達する操舵量伝達手段と、前記操作量を検知する検知手段と、前記検知手段によって検知された前記操作量に応じた機体の制御量を算出する制御量算出手段と、を備えた航空機の制御方法であって、前記検知手段によって検知された前記操作量のうち、前記操作量の変化量を出力する第１工程と、前記制御量算出手段によって算出された前記制御量を、前記変化量で減算する第２工程と、前記操舵量伝達手段で伝達される前記操作量に、前記第２工程による減算で得られた減算値に応じたアクチュエータの作動量を加算することで、前記操舵手段を駆動させる第３工程と、を含む。

　本発明によれば、機体の操縦方式がＰＡＦＣＳ方式であっても、操縦桿に対する操作量が大きすぎるために、機体の制御ができなくなることを防止できる、という優れた効果を有する。

本発明の実施形態に係る航空機の制御に関する構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係るハイパスフィルタを通過後の操縦桿操作量を示す模式図である。ＦＢＷ方式における操縦桿操作量の大きさと舵面の動きの関係を示す模式図である。ＰＡＦＣＳ方式における操縦桿操作量が小さい場合の、操縦桿操作量と舵面の動きの関係を示す模式図である。従来のＰＡＦＣＳ方式における操縦桿操作量が大きい場合の、操縦桿操作量と舵面の動きの関係を示す模式図である。本実施形態に係るＰＡＦＣＳ方式における操縦桿操作量が大きい場合の、操縦桿操作量と舵面の動きの関係を示す模式図である。

　以下に、本発明に係る航空機及び航空機の制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。

　図１は、本実施形態に係る航空機１０の制御に関する構成を示すブロック図である。なお、一例として、本実施形態に係る航空機１０をヘリコプタとする。また、本実施形態に係る航空機１０は、操縦方式がＰＡＦＣＳ方式である。

　図１に示されるように、航空機１０は、操縦者が機体を操縦するための操縦桿１２に対する操作量を、舵面１４を有する操舵機構１６へ機械的に伝達する機械的リンケージ１８を備える。機械的リンケージ１８は、一端に操縦桿１２が接続され他端に操舵機構１６を駆動させるＳＡＳアクチュエータ２０が接続されている。

　また、航空機１０は、操縦桿１２に対する操作量（以下、「操縦桿操作量」という。）を検知する操作量センサ２２、操作量センサ２２によって検知された操縦桿操作量に応じた機体の制御量（以下、「ＦＢＷ制御則コマンド」という。）を算出するＦＢＷ制御則演算部２４を備える。また、操作量センサ２２によって検知された操縦桿操作量は、操作量相殺ライン２８を伝送され減算部２６へ入力され、ＦＢＷ制御則コマンドも減算部２６へ入力される。

　そして、減算部２６は、ＦＢＷ制御則コマンドから操作量相殺ライン２８を伝送された操縦桿操作量を減算する。減算部２６による減算値は、ＳＡＳアクチュエータ２０を制御するためのＳＡＳコマンドとして出力され、ＳＡＳアクチュエータ２０へ入力される。

　ＳＡＳアクチュエータ２０は、機械的リンケージ１８で伝達された操縦桿１２に対する操作量と減算部２６から出力されたＳＡＳコマンドとを加算した値に基づいて、操舵機構１６を駆動させる。

　そして、本実施形態に係る航空機１０は、操作量相殺ライン２８に操縦桿操作量のうち、操縦桿操作量の変化量を出力するハイパスフィルタ３０を備える。ハイパスフィルタ３０から出力される操縦桿操作量は、減算部２６へ入力され、ＦＢＷ制御則コマンドを減算する。すなわち、本実施形態では、ハイパスフィルタ３０を通過後の操縦桿操作量が、ＦＢＷ制御則コマンドに対する減算量となる。

　図２は、ハイパスフィルタ３０を通過後の操縦桿操作量を示す模式図である。

　図２に示されるように、操縦桿操作量に変化がある場合、ハイパスフィルタ３０は、その変化量を減算量としてそのまま出力する。一方、操縦桿操作量に変化がない場合、ハイパスフィルタ３０は、減算量として０（零）を出力する。なお、操縦桿操作量に変化がない場合とは、例えば操縦桿１２を一方向へ最大にまで傾かせた状態を維持している場合等である。

　ここで、ＰＡＦＣ方式では、ＦＢＷ制御則コマンドを操縦桿操作量で減算して得られた値が、ＳＡＳコマンドとしてＳＡＳアクチュエータ２０に入力される。しかし、従来のＰＡＦＣ方式では、操縦桿操作量が大きすぎると、ＦＢＷ制御則コマンドに対する減算量が大きいため、ＳＡＳコマンドがＳＡＳアクチュエータ２０の作動範囲を超える場合がある。この場合、ＳＡＳアクチュエータ２０が一方向へ伸張又は収縮したままとなり、それ以上動作しない状態（飽和状態）となる。

　しかし、本実施形態に係る航空機１０は、例えば操縦桿１２を一方向へ最大にまで傾かせた状態を維持している場合には、ハイパスフィルタ３０からの出力である減算量が０となるため、ＦＢＷ制御則コマンドは、減算部２６において減算されないこととなる。すなわち、ハイパスフィルタ３０は、ＳＡＳコマンドがＳＡＳアクチュエータ２０の作動範囲を超えることを抑制することとなる。

　また、ハイパスフィルタ３０は、操縦桿操作量の変化がある間は操縦桿操作量（減算量）を出力し、操縦桿操作量の変化が無くなった場合には、出力する操縦桿操作量（減算量）を時間と共に減衰させる。例えば、本実施形態に係るハイパスフィルタ３０は図２に示されるように減算量を曲線的に徐々に減少させる。これにより、機械的リンケージ１８を介して操舵機構１６に加えられる操縦桿操作量の変化率を減衰させたことと同様の効果が得られ、機体の急激な応答を低減することができる。その後、操縦桿操作量の変化が無い状態が維持されると、ＦＢＷ制御則演算部２４によって算出されたＦＢＷ制御則コマンドのみにより機体を安定させることとなる。従って、本実施形態に係る航空機１０は、より安定した機体の制御を実現できる。

　次に、本実施形態に係る航空機１０の作用を、従来の操縦方式と比較することによって具体的に説明する。

　図３は、ＦＢＷ方式における操縦桿操作量の大きさと舵面１４の動きの関係を示す模式図である。

　ＦＢＷ方式では、操縦桿１２が操作され、操縦桿操作量が一定で維持されても、ＦＢＷ制御則によって操縦桿操作量に応じた機体の制御量を示すＦＢＷ制御則コマンドが算出される。操縦桿１２とＳＡＳアクチュエータ２０とは機械的に接続されていないため、ＳＡＳアクチュエータ２０は、ＦＢＷ制御則コマンドに示される変位量で舵面１４を駆動させる。このため、舵面１４は、図３に示されるように、ＦＢＷ制御則コマンドで示される変位量と同じ変位量で駆動することとなる。

　図４は、ＰＡＦＣＳ方式における操縦桿操作量が小さい（以下、「小操作」という。）場合の、操縦桿操作量と舵面１４の動きの関係を示す模式図である。小操作とは、操縦桿操作量がＳＡＳアクチュエータ２０の作動範囲内の場合である。

　上述したように、ＰＡＦＣＳ方式では、操縦桿１２とＳＡＳアクチュエータ２０とは機械的に接続されているため、ＦＢＷ制御則コマンドから操縦桿操作量が減算された減算値がＳＡＳコマンドとされる。すなわち、ＦＢＷ制御則コマンドは、操縦桿操作量の減算分シフトすることで、ＳＡＳコマンドとされる。そして、舵面１４は、操縦桿操作量に応じた機械的リンケージ１８の変位量とＳＡＳコマンドに応じたＳＡＳアクチュエータ２０の変位量との和、すなわちＦＢＷ制御則コマンドで示される変位量と同じ変位量で駆動することとなる。
　なお、図４に示される小操作の場合の、操縦桿操作量と舵面１４の動きの関係は、従来のＰＡＦＣＳ方式でも本実施形態に係るＰＡＦＣＳ方式でも同じである。

　図５は、従来のＰＡＦＣＳ方式における操縦桿操作量が大きい（以下、「大操作」という。）場合の、操縦桿操作量と舵面１４の動きの関係を示す模式図である。大操作とは、操縦桿操作量がＳＡＳアクチュエータ２０の作動範囲を超える場合である。

　図５に示されるように、大操作の場合には、操縦桿操作量がＳＡＳアクチュエータ２０の作動範囲を超えてしまっているので、ＦＢＷ制御則コマンドから操縦操作量が減算されたＳＡＳコマンドもＳＡＳアクチュエータ２０の作動範囲を超える。従って、ＳＡＳアクチュエータ２０は、作動範囲以上で動作することができず、アクチュエータが一方向へ伸張又は収縮したままとなり、それ以上動作しない飽和状態となる。
　このため、舵面１４の変位量は、機械的リンケージ１８の変位量とＳＡＳアクチュエータ２０の変位量との和となるが、上記のことから、ＳＡＳコマンドに応じた変位が行われないこととなる。

　図６は、本実施形態に係るＰＡＦＣＳ方式における大操作が行われた場合の、操縦桿操作量と舵面１４の動きの関係を示す模式図である。

　本実施形態では、図６に示されるように、ハイパスフィルタ３０によって、操縦桿操作量の変化量がＦＢＷ制御則コマンドに対する減算量として出力される一方、変化が無く一定の操縦桿操作量は出力されていない。この出力されない操縦桿操作量は、ＳＡＳアクチュエータ２０の作動範囲を超えた操縦桿操作量に相当する。なお、図６に示される場合も、操縦桿操作量が一定となると、減算量は徐々に減少されている。

　このような、ハイパスフィルタ３０から出力された減算量で、ＦＢＷ制御則コマンドが減算されるということは、ＳＡＳコマンドは、操縦桿１２の初動操作分の操縦桿操作量を吸収し、一定となった操縦桿操作量を吸収しないこととなる。このため、操縦桿操作量がＳＡＳアクチュエータ２０の作動範囲を超えていても、ＳＡＳコマンドは、作動範囲内に収まり、ＳＡＳアクチュエータ２０を動作させる余地が生じることとなる。

　この結果、操縦桿操作量がＳＡＳアクチュエータ２０の作動範囲を超えたとしても、舵面１４は、操縦桿操作量に応じた機械的リンケージ１８の変位量とＳＡＳコマンドに応じたＳＡＳアクチュエータ２０の変位量との和によって駆動することとなる。

　以上説明したように、本実施形態に係る航空機１０は、操作量センサ２２で検知された操縦桿操作量のうち、操縦桿操作量の変化量をハイパスフィルタ３０によって出力し、ＦＢＷ制御則コマンドを、減算部２６によってハイパスフィルタ３０を通過した変化量で減算することでＳＡＳコマンドとする。そして、本実施形態に係る航空機１０は、機械的リンケージ１８で伝達される操縦桿操作量に、ＳＡＳコマンドに応じたＳＡＳアクチュエータ２０の作動量を加算することで操舵機構１６を駆動させる。

　従って、本実施形態に係る航空機１０は、操縦桿１２に対する操作量が大きすぎるために、機体の制御ができなくなることを防止できる。

　また、本実施形態に係るハイパスフィルタ３０は、操縦桿操作量の変化が無くなった場合に、出力する減算量を時間と共に減衰させるので、より安定した機体の制御を実現できる。

　以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

　例えば、上記実施形態では、ハイパスフィルタ３０が操縦桿操作量の変化が無くなった場合に、減算量を曲線的に徐々に減少させる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、減算量を直線的に減少させたり、段階的に減少させる形態としてもよい。

　１０　　航空機
　１２　　操縦桿
　１４　　舵面
　１６　　操舵機構
　１８　　機械的リンケージ
　２０　　ＳＡＳアクチュエータ
　２２　　操作量センサ
　２４　　ＦＢＷ制御則演算部
　２６　　減算部
　２８　　操作量相殺ライン
　３０　　ハイパスフィルタ

Claims

　操縦者が機体を操縦するための操縦桿と、
　前記操縦桿に対する操作量を操舵手段へ機械的に伝達する操舵量伝達手段と、
　前記操作量を検知する検知手段と、
　前記検知手段によって検知された前記操作量に応じた機体の制御量を算出する制御量算出手段と、
　前記検知手段によって検知された前記操作量のうち、前記操作量の変化量を出力する変化量出力手段と、
　前記制御量算出手段によって算出された前記制御量を、前記変化量出力手段から出力された前記変化量で減算する減算手段と、
　前記操舵量伝達手段で伝達される前記操作量に、前記減算手段から出力された減算値に応じた操作量を加算するアクチュエータと、
を備えた航空機。
　前記変化量出力手段は、前記操作量の変化が無くなった場合に、出力する前記操作量を時間と共に減衰させる請求項１記載の航空機。
　操縦者が機体を操縦するための操縦桿と、前記操縦桿に対する操作量を操舵手段へ機械的に伝達する操舵量伝達手段と、前記操作量を検知する検知手段と、前記検知手段によって検知された前記操作量に応じた機体の制御量を算出する制御量算出手段と、を備えた航空機の制御方法であって、
　前記検知手段によって検知された前記操作量のうち、前記操作量の変化量を出力する第１工程と、
　前記制御量算出手段によって算出された前記制御量を、前記変化量で減算する第２工程と、
　前記操舵量伝達手段で伝達される前記操作量に、前記第２工程による減算で得られた減算値に応じたアクチュエータの作動量を加算することで、前記操舵手段を駆動させる第３工程と、
を含む航空機の制御方法。