WO2023127289A1

WO2023127289A1 - 垂直離着陸機の自動発着システム、垂直離着陸機および垂直離着陸機の発着制御方法

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Publication number: WO2023127289A1
Application number: PCT/JP2022/040661
Authority: WO
Inventors: 徹小島
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2023-07-06
Also published as: JP2023097126A

Abstract

垂直離着陸機の自動発着システムは、移動体における相対風の方位を取得する相対風情報取得部と、前記移動体上に設けられる着陸目標点に、垂直離着陸機を発着させる発着制御を実行する制御部と、を備え、前記制御部は、前記垂直離着陸機の発着時において、前記相対風情報取得部において取得した前記相対風の方位に基づいて、前記垂直離着陸機の機首方位を前記相対風の方位に対向させた状態で、前記発着制御を実行する。

Description

垂直離着陸機の自動発着システム、垂直離着陸機および垂直離着陸機の発着制御方法

　本開示は、垂直離着陸機の自動発着システム、垂直離着陸機および垂直離着陸機の発着制御方法に関するものである。

　従来、所定の着陸地点への航空機の着陸を支援する航空機の着陸支援装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この着陸支援装置は、着陸地点周辺の形状と、着陸地点上空の風向及び風速とに基づいて、着陸地点の風向及び風速を高精度に推定している。

特開２０２０－０４５０４９号公報

　ところで、垂直離着陸機等の航空機が、船舶等の移動体上にある着陸地点に発着陸する場合、垂直離着陸機の機首方位と、船舶の船首方位とを一致させて、垂直離着陸機の着陸地点への発着陸を行っている。このとき、垂直離着陸機は、垂直離着陸機に対する相対的な風である相対風の影響を考慮して、着陸地点への発着陸を行っている。船舶及び垂直離着陸機には、安全な発着陸が可能なように、相対風による発着制限が設定されている。相対風による発着制限としては、安全な発着陸が可能な相対風の風向き（方位）と風の強さ（風速）との範囲であり、この範囲内において、垂直離着陸機の着陸地点への発着陸を行っている。

　しかしながら、相対風による発着制限の範囲外となる場合において、航行しているときには、発着制限の範囲内となるように、一時的に、垂直離着陸機の機首方位及び船舶の船首方位を変更する必要が生じる。船舶の船首方位を変更することは、船舶の針路を変更することになり、船舶の航行に影響が生じてしまう。

　そこで、本開示は、相対風による発着制限を緩和し、着陸目標点への発着陸を好適に行うことができる垂直離着陸機の自動発着システム、垂直離着陸機および垂直離着陸機の発着制御方法を提供することを課題とする。

　本開示の垂直離着陸機の自動発着システムは、移動体における相対風の方位を取得する相対風情報取得部と、前記移動体上に設けられる着陸目標点に、垂直離着陸機を発着させる発着制御を実行する制御部と、を備え、前記制御部は、前記垂直離着陸機の発着時において、前記相対風情報取得部において取得した前記相対風の方位に基づいて、前記垂直離着陸機の機首方位を前記相対風の方位に対向させた状態で、前記発着制御を実行する。

　本開示の垂直離着陸機は、上記の垂直離着陸機の自動発着システムを備える。

　本開示の垂直離着陸機の発着制御方法は、移動体上に設けられる着陸目標点に、垂直離着陸機を発着させる発着制御を実行する垂直離着陸機の自動発着システムに、前記移動体における相対風の方位を取得するステップと、取得した前記相対風の方位に基づいて、前記垂直離着陸機の機首方位を前記相対風の方位に対向させるステップと、前記着陸目標点に前記垂直離着陸機を発着させるステップと、を実行させる。

　本開示によれば、相対風による制限を緩和し、着陸目標点への着陸を好適に行うことができる。

図１は、本実施形態にかかる垂直離着陸機の自動発着システムの一例を示す概略構成図である。図２は、本実施形態にかかる垂直離着陸機が着陸目標点に向かう様子を示す説明図である。図３は、本実施形態にかかる垂直離着陸機の着陸時における発着制御方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。図４は、本実施形態にかかる垂直離着陸機の着陸動作を示す説明図である。図５は、本実施形態にかかる垂直離着陸機の着陸時における発着制御方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。図６は、本実施形態にかかる垂直離着陸機の着陸時における発着制御のパターンを例示する説明図である。図７は、本実施形態にかかる垂直離着陸機の離陸動作を示す説明図である。図８は、本実施形態にかかる垂直離着陸機の離陸時における発着制御方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。図９は、本実施形態にかかる垂直離着陸機の離陸時における発着制御のパターンを例示する説明図である。

　以下に、本開示に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

[実施形態]
　図１は、本実施形態にかかる垂直離着陸機の自動発着システムの一例を示す概略構成図であり、図２は、本実施形態にかかる垂直離着陸機が着陸目標点に向かう様子を示す説明図である。本実施形態にかかる垂直離着陸機１は、回転翼機としての飛行体（例えばヘリコプタ、ドローン等）である。本実施形態において、垂直離着陸機１は、無人機であり、機首及び機尾を含む方位性を有する機体となっている。具体的に、垂直離着陸機１は、無人ヘリコプタである。なお、垂直離着陸機１は、前進、後進、横進、旋回、ホバリングが可能な飛行体であればよく、有人機であってもよい。また、垂直離着陸機１が無人機である場合、自動操縦による無人機の飛行制御中において、遠隔手動操縦が実行されたときには、遠隔手動操縦に基づく飛行制御が優先される。同様に、垂直離着陸機１が有人機である場合、自動操縦による有人機の飛行制御中において、手動操縦が実行されたときには、手動操縦に基づく飛行制御が優先される。この垂直離着陸機１は、自動発着システム１００を搭載しており、自動発着システム１００により飛行が制御され、図２に示す着陸目標点２に着陸する。

（着陸目標点）
　本実施形態において、着陸目標点２は、図２に示すように、船舶５の船首側に設けられている。垂直離着陸機１は、水上を移動する移動体としての船舶５に着陸（着船）する。ただし、着陸目標点２は、船舶５の船首側に限らず、船舶５の船尾側に設けられてもよい。また、着陸目標点２は、地上を移動する移動体としての車両等に設けられてもよい。さらに、本実施形態において、船舶５は、有人船となっているが、無人船であってもよい。着陸目標点２には、垂直離着陸機１が着陸目標点２の位置を捕捉するためのマーカー７が設けられている。マーカー７は、画像処理により着陸目標点２の位置を捕捉することができるマーカーとなっている。

　（船舶）
　船舶５は、図１に示すように、航法装置７０と、データ伝送装置８０と、操作表示部９０と、風向風速計（相対風情報取得部）９５と、を備える。航法装置７０は、例えば、慣性航法装置（ＩＮＳ：Ｉｎｅｒｔｉａｌ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ）であり、船舶５のピッチ方向およびロール方向の姿勢角、船首方位、速度、加速度および地球座標系における位置座標等を取得する。なお、本実施形態において、航法装置７０は、慣性航法装置に適用して説明するが、特に限定されず、いずれの航法装置７０を用いてもよい。また、航法装置７０は、本実施形態において、位置の計測精度を向上させるために、位置計測部としてのＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）を含んだ慣性航法装置となっている。本実施形態では、ＧＰＳを含んだ慣性航法装置に適用して説明するが、ＧＰＳに特に限定されず、精度よく位置を計測可能な位置計測部であればよく、例えば、準天頂衛星システムを用いたものであってもよいし、航法装置７０のみで精度よく位置を計測可能であれば、ＧＰＳ等の位置計測部を省いた構成であってもよい。また、航法装置７０は、各種データの少なくとも一部をセンサで取得するものとしてもよい。データ伝送装置８０は、後述する自動発着システム１００に含まれ、垂直離着陸機１に搭載されたデータ伝送装置４０と無線通信により各種信号をやり取りする。操作表示部９０は、船舶５に乗員するオペレータが制御ステータスを把握し、各種指示を入力するユーザーインターフェースである。操作表示部９０によりオペレータが入力する指示としては、例えば、後述する制御モードの移行指示が含まれる。移行指示の詳細については、後述する。操作表示部９０で入力された指示は、データ伝送装置８０からデータ伝送装置４０へと送信される。また、垂直離着陸機１の制御ステータスは、データ伝送装置４０からデータ伝送装置８０へ送信される。つまり、データ伝送装置４０及びデータ伝送装置８０は双方向通信が可能となっている。風向風速計９５は、データ伝送装置８０と同様に、後述する自動発着システム１００に含まれ、船舶５における相対風の方位及び風速を計測し取得している。相対風は、船舶５と空気との相対的な風の流れである。風向風速計９５は、計測した相対風の方位及び風速を、データ伝送装置８０からデータ伝送装置４０へと送信する。

（自動発着システム）
　本実施形態にかかる垂直離着陸機１の自動発着システム１００は、飛行中の垂直離着陸機１を着陸目標点２に着陸させるために、垂直離着陸機１の位置を制御するシステムである。自動発着システム１００は、垂直離着陸機１及び船舶５に搭載される。自動発着システム１００は、図１に示すように、カメラ１０と、航法装置２０と、制御部３０と、データ伝送装置４０とを備える。なお、本実施形態において、自動発着システム１００の制御部３０は、垂直離着陸機１に搭載された制御部を用いているが、船舶５に搭載された制御部を用いてもよく、また、垂直離着陸機１の制御部及び船舶５の制御部を協働させたものであってもよい。

　カメラ１０は、垂直離着陸機１に図示しないジンバルを介して搭載されている。カメラ１０は、マーカー７を撮影することができれば、単眼カメラ、複眼カメラ、赤外線カメラ等であってもよい。カメラ１０は、垂直離着陸機１から着陸目標点２に設けられたマーカー７を撮影するために設けられる。カメラ１０は、図示しないジンバルを介して撮影方向を調整可能である。本実施形態において、カメラ１０は、その撮影範囲（画角）Ｂ（図２参照）が、一例として、鉛直方向の真下を向くように制御部３０によって制御される。なお、カメラ１０は、撮影範囲Ｂが、鉛直方向に対して斜め前方側を向くように制御部３０によって制御されてもよい。また、カメラ１０は、ジンバルを省いてもよく、撮影方向が、例えば、鉛直方向の下方側を向くように、垂直離着陸機１の機体直下に固定してもよい。

　航法装置２０は、航法装置７０と同様に、例えば、ＧＰＳを含んだ慣性航法装置となっている。なお、航法装置２０も、航法装置７０と同様に、ＧＰＳ等の位置計測部を含む慣性航法装置であってもよいし、ＧＰＳ等の位置計測部を省いた慣性航法装置であってもよく、特に限定されない。ＧＰＳを含んだ航法装置２０は、垂直離着陸機１のピッチ方向およびロール方向の姿勢角、機首方位、垂直離着陸機１の機体速度、機体加速度および地球座標系における位置座標等を取得する。なお、航法装置２０は、垂直離着陸機１の姿勢角を検出する姿勢角センサ、垂直離着陸機１の機体速度を検出する速度検出センサ、垂直離着陸機１の機体加速度を検出する加速度検出センサ、垂直離着陸機１の機首方位を検出するセンサを有するものであってもよい。航法装置２０は、取得した垂直離着陸機１の姿勢角、機体速度、機体加速度および位置座標を制御部３０に出力する。

　また、自動発着システム１００は、図１に示すように、垂直離着陸機１の地表面または水面からの高度を検出する高度センサ２５を備えている。高度センサ２５は、例えば、レーザ高度計であり、垂直離着陸機１から着陸目標点２までの相対高度Δｈ（図２参照）を計測している。なお、高度センサ２５としては、電波高度計を用いてもよいし、気圧高度計を用いてもよく、いずれの高度計を用いてもよい。また、これらの高度計を、使用環境に応じて、すなわち地表面からの高度、海面からの高度を計測するために、適宜組み合わせて適用してもよい。高度センサ２５は、検出した垂直離着陸機１の相対高度Δｈを制御部３０に出力する。なお、高度センサ２５は、垂直離着陸機１の高度を計測して制御部３０に出力し、制御部３０は、後述する誘導演算部３４において、垂直離着陸機１の高度に基づいて、着陸目標点２までの相対高度Δｈ（図２参照）を算出するものであってもよい。また、自動発着システム１００は、高度センサ２５に限らず、後述する画像処理部３２において、カメラ１０で撮影したマーカー７を含む画像に画像処理を施すことで、垂直離着陸機１と船舶５との相対高度Δｈを算出するものであってもよい。

（制御部）
　制御部３０は、画像処理部３２と、誘導演算部３４と、飛行制御部３６とを有する。なお、制御部３０は、垂直離着陸機１に設けられた図示しないジンバルを介して、カメラ１０の撮影方向を制御する図示しない撮影制御部を備えている。本実施形態では、上述したように、カメラ１０の撮影範囲Ｂが鉛直方向の真下を向くように調整される。

　画像処理部３２は、カメラ１０で撮影された画像に画像処理を施して、マーカー７の中心すなわち着陸目標点２を算出する。ここでの中心は、カメラ１０で撮影された画像の中心を原点とするカメラ固定座標系における座標点であり、画像中心からの画素数により算出することができる。なお、着陸目標点２は、マーカー７の中心に限定されず、マーカー７の四隅のいずれかであってもよいし、マーカー７の中心からオフセットした位置であってもよい。

　また、画像処理部３２は、上述したように、カメラ１０で撮影したマーカー７を含む画像に画像処理を施すことで、垂直離着陸機１と船舶５との相対高度Δｈを算出するものであってもよい。さらに、画像処理部３２は、カメラ１０で撮影したマーカー７を含む画像に画像処理を施すことで、マーカー７の向きを特定し、航法装置２０で取得される垂直離着陸機１の機首方位と対応づけることで、船舶５の船首方位を算出してもよい。なお、船舶５に、船首方位を算出するためのマーカーを別途設けてもよい。

　誘導演算部３４は、垂直離着陸機１を着陸目標点２に誘導するための垂直離着陸機１の制御量を算出する。制御量は、垂直離着陸機１の機体速度、姿勢角、姿勢角の変化レート等を調整するための制御量である。誘導演算部３４は、制御量を算出するために、垂直離着陸機１と着陸目標点２との相対位置（Ｘ、Ｙ）および垂直離着陸機１と着陸目標点２との相対速度を算出する。

　誘導演算部３４は、画像処理部３２で算出されたマーカー７の中心と、カメラ１０の方位すなわち垂直離着陸機１の機首方位と、垂直離着陸機１の高度（着陸目標点２に対する相対高度Δｈ）とに基づいて、垂直離着陸機１と着陸目標点２との相対位置（Ｘ、Ｙ）を算出する。なお、本実施形態では、カメラ１０の方位と垂直離着陸機１の機首方位とを一致させたが、特に限定されず、カメラ１０の方位と垂直離着陸機１の機首方位とを一致させなくてもよい。相対位置（Ｘ、Ｙ）は、水平方向における垂直離着陸機１と着陸目標点２との距離となる。より詳細には、誘導演算部３４は、画像処理部３２で算出されたカメラ固定座標系におけるマーカー７の中心を、垂直離着陸機１の機首方位と垂直離着陸機１の高度（着陸目標点２に対する相対高度Δｈ）とに基づいて船慣性系における垂直離着陸機１と着陸目標点２との相対位置に変換し、さらに、航空機慣性系における垂直離着陸機１と着陸目標点２との相対位置（Ｘ、Ｙ）に変換している。このとき、誘導演算部３４は、垂直離着陸機１の機首方位と垂直離着陸機１の高度（着陸目標点２に対する相対高度Δｈ）とに基づいて航空機慣性系における垂直離着陸機１と着陸目標点２との相対位置（Ｘ、Ｙ）に直接的に変換してもよい。なお、船慣性系は、着陸目標点２を原点として、船舶５の船首方位に沿った方向、船舶５の船首方位と水平方向で直交する方向、鉛直方向を直交軸とする座標系である。また、航空機慣性系は、図２に示すように、垂直離着陸機１を原点として、垂直離着陸機１の機首方位に沿った方向をＸ軸、垂直離着陸機１の機首方位と水平方向で直交する方向をＹ軸、鉛直方向をＺ軸とする座標系である。

　また、誘導演算部３４は、垂直離着陸機１と着陸目標点２との相対速度を算出する。より詳細には、誘導演算部３４は、例えば、航法装置２０、７０で取得される垂直離着陸機１の機体速度と船舶５の船体速度との差分により、相対速度を算出する。また、誘導演算部３４は、相対位置（Ｘ、Ｙ）の擬似微分に基づいて相対速度を算出してもよい。また、誘導演算部３４は、垂直離着陸機１の機首方位と船舶５の船首方位との相対方位を算出する。

　また、誘導演算部３４は、高度センサ２５で検出された垂直離着陸機１の高度に基づいて、着陸目標点２までの相対高度Δｈを算出する。なお、画像処理部３２において、カメラ１０で撮影したマーカー７を含む画像に画像処理を施すことで、垂直離着陸機１と船舶５との相対高度Δｈを算出してもよい。

　そして、誘導演算部３４は、相対位置（Ｘ、Ｙ）、相対速度、相対方位および機体加速度に基づいて、フィードバック制御（例えばＰＩＤ制御）により制御量を算出する。本実施形態において、誘導演算部３４は、相対位置（Ｘ、Ｙ）がゼロとなるように、フィードバック制御によって垂直離着陸機１の制御量を算出する。また、誘導演算部３４は、相対方位が所定方位となるように、フィードバック制御によって垂直離着陸機１の制御量を算出する。所定方位は、垂直離着陸機１が相対風の影響を受けても安定して飛行可能な状態であることを満たす範囲となっている。さらに、誘導演算部３４は、相対速度が所定速度以内となるように、また、機体加速度が所定加速度以内となるように、フィードバック制御によって垂直離着陸機１の制御量を算出する。所定速度以内および所定加速度以内としては、垂直離着陸機１が所定の相対高度Δｈにおいて安定して飛行可能な状態であることを満たす範囲となっている。例えば、所定速度としてはゼロであり、所定加速度としてはゼロである。誘導演算部３４は、算出した制御量を飛行制御部３６に出力する。誘導演算部３４は、このような制御量の算出において、垂直離着陸機１を着陸目標点２へと誘導して着陸させるために、垂直離着陸機１を複数の制御モードで制御する。複数の制御モードは、アプローチモードと、高高度ホバリングモードおよび低高度ホバリングモードを含むホバリングモードと、着陸モードとを含む。各制御モードの詳細については、後述する。

　飛行制御部３６は、後述する誘導演算部３４で算出された制御量にしたがって、垂直離着陸機１の各構成要素を制御して垂直離着陸機１を飛行させる。飛行制御部３６は、制御量にしたがって各回転翼のブレードピッチ角、回転数等を制御し、垂直離着陸機１の機体速度、姿勢角、姿勢角の変化レート等を調整する。それにより、垂直離着陸機１は、着陸目標点２へと誘導される。なお、本実施形態では、画像処理部３２および誘導演算部３４を飛行制御部３６とは別の機能部として説明するが、飛行制御部３６、画像処理部３２および誘導演算部３４は、一体の機能部であってもよい。すなわち、飛行制御部３６において画像処理部３２および誘導演算部３４の処理を行ってもよい。

（垂直離着陸機の発着制御方法）
　次に、本実施形態にかかる垂直離着陸機の発着制御方法として、制御部３０により垂直離着陸機１を着陸目標点２へと誘導して着陸させるための手順について説明する。図３は、本実施形態にかかる垂直離着陸機の着陸時における発着制御方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。図４は、本実施形態にかかる垂直離着陸機の着陸動作を示す説明図である。図５は、本実施形態にかかる垂直離着陸機の着陸時における発着制御方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。図６は、本実施形態にかかる垂直離着陸機の着陸時における発着制御のパターンを例示する説明図である。

　先ず、図３及び図４を参照して、垂直離着陸機１の着陸動作について説明する。垂直離着陸機１は、飛行状態から、船舶５に着陸（着船）する一連の着陸動作において、複数の制御モードを実行する。具体的に、垂直離着陸機１は、帰投モードを実行するステップＳ１と、アプローチモード及び高高度ホバリングモードを実行するステップＳ２と、低高度ホバリングモードを実行するステップＳ３と、着陸モードを実行するステップＳ４とを順に行うことで、一連の着陸動作を行っている。

　図４に示すように、帰投モードは、船舶５からの指令により、垂直離着陸機１を船舶５へ向けて移動させると共に、船舶５近傍の帰投位置Ｐ（図６参照）まで移動させるモードとなっている（Ｓ１）。アプローチモードは、垂直離着陸機１を帰投位置Ｐから船舶５の甲板上に進入させるモードとなっている（Ｓ２）。なお、帰投位置Ｐは、任意の位置となっており、例えば、船舶５の横（船幅方向）から進入する位置であってもよい。高高度ホバリングモードは、アプローチモードの実行時において、垂直離着陸機１が、甲板上のマーカー７をカメラ１０により捕捉すると移行するモードとなっており、着陸目標点２がカメラ１０の撮影範囲（画角）Ｂの中心にくるように、ホバリングするモードとなっている（Ｓ２）。低高度ホバリングモードは、垂直離着陸機１が降下を行い、高高度ホバリングモードよりも低高度でホバリングを行うモードとなっている（Ｓ３）。着陸モードは、垂直離着陸機１が着陸目標点２に着陸するモードとなっている（Ｓ４）。

　このような着陸動作に関する一連の制御において、自動発着システム１００は、図５に示す発着制御を実行している。図５に示す発着制御は、着陸動作時において、垂直離着陸機１の機首方位を相対風の方位に対向させる制御となっている。図５に示す発着制御は、帰投モードの実行中または帰投モードの完了後であって、アプローチモードに移行する直前のタイミングで実行される。なお、図５に示す発着制御は、上記のタイミングに特に限定されず、着陸目標点２への着陸前であれば、何れのタイミングであってもよい。

　自動発着システム１００において、船舶５では、風向風速計９５により相対風の方位及び風速を計測して取得し、船舶５で取得した相対風の方位及び風速を、垂直離着陸機１の制御部３０が取得する（ステップＳ１１）。なお、ステップＳ１１では、風向風速計９５により計測した相対風の方位を制御部３０が取得したが、垂直離着陸機１を操縦するオペレータの入力によって、相対風の方位を制御部３０が取得してもよい。続いて、垂直離着陸機１の制御部３０は、航法装置２０から、垂直離着陸機１の機首方位を取得する（ステップＳ１２）。制御部３０は、取得した相対風の方位及び機首方位に基づいて、相対風の方位と機首方位とが対向するように、垂直離着陸機１を飛行制御する（ステップＳ１３）。具体的に、ステップＳ１３では、船舶５の船首方位の正面からくる相対風の方位（相対風角度）を、基準（０ｄｅｇ）としている。そして、ステップＳ１３では、相対風が所定の方位である場合、機首方位と、船首方位に相対風の方位を加算した方位と、が一致するように、垂直離着陸機１を飛行制御する。なお、ステップＳ１３では、制御部３０が垂直離着陸機１を飛行制御したが、垂直離着陸機１を操縦するオペレータによって垂直離着陸機１の飛行制御を行ってもよい。つまり、垂直離着陸機１の飛行制御をオペレータが行う場合、ステップＳ１１においてオペレータが相対風の方位を確認し、ステップＳ１３において、垂直離着陸機１の機首方位が、船首方位に相対風の方位を加算した方位と一致するように、オペレータが飛行制御を行ってもよい。

　ステップＳ１３の実行後、制御部３０は、相対風の方位と機首方位とが対向しているか否か、つまり、機首方位と、船首方位に相対風の方位を加算した方位とが一致しているか否かを判定する（ステップＳ１４）。制御部３０は、ステップＳ１４において、相対風の方位と機首方位とが対向している（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）と判定すると、アプローチモードへ移行可能な状態となる。一方で、制御部３０は、ステップＳ１４において、相対風の方位と機首方位とが対向していない（ステップＳ１４：Ｎｏ）と判定すると、再び、ステップＳ１３に進み、相対風の方位と機首方位とが対向するまで、飛行制御を実行する。制御部３０は、アプローチモードへ移行した後、図４に示す着陸動作に関する一連の制御を実行して、着陸目標点２に垂直離着陸機１を着陸させる（ステップＳ４）。

　ところで、制御部３０は、垂直離着陸機１の着陸動作時において、風向風速計９５により取得した相対風の風速に基づく下記の制御を実行している。制御部３０は、図５のステップＳ１１において、相対風の風速を取得すると、相対風の風速が、第１の風速以上であるか否か、第１の風速よりも小さく第２の風速以上であるか否かを判定している。第１の風速及び第２の風速は、相対風の風速が大きい場合の風速となっており、第１の風速は、第２の風速よりも大きいものとなっている。例えば、第１の風速は、安全な発着が難しく、発着制御を行うことが望ましくない風速として設定される。第２の風速は、発着制御を行うことが可能だが後述する船舶５の構造体により形成される乱流エリアの影響が大きくなる風速であり、発着に際して乱流回避制御を合わせて行うことが望ましい風速として設定される。具体的に、第１の風速は、３５ｋｔとなっており、第２の風速は、２０ｋｔとなっている。なお、第１の風速及び第２の風速は、上記の数値に特に限定されない。また、制御部３０は、取得した相対風の風速が第２の風速よりも小さい場合、ステップＳ１２以降を実行する。

　制御部３０は、取得した相対風の風速が、第１の風速以上となる場合、垂直離着陸機１の発着制御を実行せずに、船舶５及び垂直離着陸機１に対して、第１の風速よりも小さくなる領域への移動指示を出力する。具体的に、制御部３０は、船舶５の操作表示部９０に、第１の風速よりも小さい領域へ移動する旨の情報を表示させることで、オペレータ（操作者）に船舶５の移動を促す。同様に、制御部３０は、垂直離着陸機１のオペレータに、第１の風速よりも小さい領域へ移動する旨の情報を報知することで、オペレータに垂直離着陸機１の移動を促す。なお、制御部３０は、垂直離着陸機１及び船舶５が無人機である場合は、垂直離着陸機１の飛行制御及び船舶５の移動制御を実行する。また、本実施形態では、制御部３０が第１の風速よりも小さくなる領域への移動指示を出力したが、船舶５のオペレータ（例えば、船長）が相対風の風速及び方位を確認して、船舶５を第１の風速よりも小さくなる領域へ移動させてもよい。

　制御部３０は、取得した相対風の風速が、第１の風速よりも小さく第２の風速以上となる場合、相対風によって着陸目標点２に発生する乱流エリアを回避するための乱流回避制御を実行する。すなわち、後述する船舶５の構造体により形成される乱流エリアを避けて垂直離着陸機１が船舶５へ進入できるように、船舶５の移動制御を行うことで、形成される乱流エリアの位置を制御する。乱流回避制御としては、例えば、船首方位が相対風の方位に対して±１２０ｄｅｇ以下となるように、船舶５の移動を制御する。なお、±１２０ｄｅｇ以下とは、－１２０ｄｅｇから０ｄｅｇを経由して＋１２０ｄｅｇとなる範囲である。また、±１２０ｄｅｇ以下とするのは、着陸目標点２が船舶５の船首側に設けられる場合である。一方で、着陸目標点２が船舶５の船尾側に設けられる場合、制御部３０は、乱流回避制御として、船首方位が相対風の方位に対して±３０ｄｅｇ以上となるように、船舶５の移動を制御する。なお、±３０ｄｅｇ以上とは、－３０ｄｅｇから１８０ｄｅｇを経由して＋３０ｄｅｇとなる範囲である。なお、制御部３０は、取得した相対風の風速が、第１の風速よりも小さく第２の風速以上となる場合、前述の船舶５の移動制御（乱流回避制御）に代えて、船舶５のオペレータに対して、第２の風速よりも小さくさせるための情報を、船舶５の操作表示部９０に表示することで、オペレータに報知してもよい。

　ここで、図６を参照して、垂直離着陸機１の着陸時における発着制御のパターンについて、例示して説明する。上記したように、ステップＳ１３では、相対風が所定の方位である場合、機首方位と、船首方位に相対風の方位を加算した方位とが一致するように、垂直離着陸機１を飛行制御している。図６の左側から順に、相対風の方位が、０ｄｅｇ、３０ｄｅｇ、６０ｄｅｇ、９０ｄｅｇ、１２０ｄｅｇ、１５０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇとなっている。また、図６では、垂直離着陸機１が帰投位置Ｐに位置した状態となっている。

　相対風の方位が０ｄｅｇの場合、垂直離着陸機１の制御部３０は、機首方位が船首方位と一致するように、飛行制御を実行する。このため、垂直離着陸機１の船舶５への進入方法は、機首方位と船首方位とが一致した状態となる。

　相対風の方位が３０ｄｅｇの場合、垂直離着陸機１の制御部３０は、船首方位に３０ｄｅｇを加算した方位（船首方位＋３０ｄｅｇ）を導出し、機首方位が船首方位＋３０ｄｅｇと一致するように、飛行制御を実行する。このため、垂直離着陸機１の船舶５への進入方法は、船首方位に対して機首方位が３０ｄｅｇだけ傾いた状態となる。

　同様に、相対風の方位が６０ｄｅｇまたは９０ｄｅｇの場合、垂直離着陸機１の制御部３０は、船首方位に６０ｄｅｇまたは９０ｄｅｇを加算した方位（船首方位＋６０ｄｅｇ、船首方位＋９０ｄｅｇ）を導出し、機首方位が船首方位＋６０ｄｅｇ、または船首方位＋９０ｄｅｇと一致するように、飛行制御を実行する。このため、垂直離着陸機１の船舶５への進入方法は、船首方位に対して機首方位が６０ｄｅｇまたは９０ｄｅｇだけ傾いた状態となる。

　また、相対風の方位が１２０ｄｅｇ、１５０ｄｅｇまたは１８０ｄｅｇの場合、垂直離着陸機１の制御部３０は、船首方位に１２０ｄｅｇ、１５０ｄｅｇまたは１８０ｄｅｇを加算した方位（船首方位＋１２０ｄｅｇ、船首方位＋１５０ｄｅｇ、船首方位＋１８０ｄｅｇ）を導出する。ここで、着陸目標点２の船尾側に船橋またはコンテナ等の構造物がある場合、相対風は、後方側からの風向きとなるため、構造物によって相対風が乱されることにより、船首側には乱流エリアＥが形成される。この場合においても、制御部３０は、機首方位が船首方位＋１２０ｄｅｇ、船首方位＋１５０ｄｅｇ、または船首方位＋１８０ｄｅｇと一致するように、飛行制御を実行する。このため、垂直離着陸機１の船舶５への進入方法は、船首方位に対して機首方位が１２０ｄｅｇ、１５０ｄｅｇまたは１８０ｄｅｇだけ傾いた状態となる。よって、乱流エリアＥに対しても、影響を受け難い機首方位で、着陸目標点２に垂直離着陸機１を着陸させることができる。

　次に、本実施形態にかかる垂直離着陸機の発着制御方法として、制御部３０により着陸目標点２から垂直離着陸機１を離陸させるための手順について説明する。図７は、本実施形態にかかる垂直離着陸機の離陸動作を示す説明図である。図８は、本実施形態にかかる垂直離着陸機の離陸時における発着制御方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。図９は、本実施形態にかかる垂直離着陸機の離陸時における発着制御のパターンを例示する説明図である。

　図７及び図８を参照して、垂直離着陸機１の離陸動作について説明する。垂直離着陸機１は、船舶５から離陸（離船）する一連の離陸動作において、離陸モードを実行する。具体的に、垂直離着陸機１は、離陸モードの実行前に、図８に示す発着制御を実行している。ここで、図７に示すように、船舶５には、着陸目標点２に着陸した垂直離着陸機１の機首方位を変更する機首方位変更部９８が設けられている。機首方位変更部９８は、例えば、回転テーブルであり、船舶５側で制御されている。

　自動発着システム１００において、船舶５では、風向風速計９５により相対風の方位及び風速を計測して取得し、船舶５で取得した相対風の方位及び風速を、垂直離着陸機１の制御部３０が取得する（ステップＳ２１）。続いて、垂直離着陸機１の制御部３０は、航法装置２０から、垂直離着陸機１の機首方位を取得する（ステップＳ２２）。次に、船舶５は、垂直離着陸機１で取得した機首方位を取得し、取得した相対風の方位と機首方位とが対向するように、機首方位変更部９８を制御する（ステップＳ２３）。なお、ステップＳ２３では、ステップＳ１３と同様に、機首方位と、船首方位に相対風の方位を加算した方位と、が一致するように、機首方位変更部９８により機首方位が変更される。この後、制御部３０は、相対風の方位と機首方位とが対向しているか否か、つまり、機首方位と、船首方位に相対風の方位を加算した方位とが一致しているか否かを判定する（ステップＳ２４）。制御部３０は、ステップＳ２４において、相対風の方位と機首方位とが対向している（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）と判定すると、離陸モードへ移行する（ステップＳ２５）。一方で、制御部３０は、ステップＳ２４において、相対風の方位と機首方位とが対向していない（ステップＳ２４：Ｎｏ）と判定する。すると、再び、ステップＳ２３に進み、垂直離着陸機１は、相対風の方位と機首方位とが対向するまで、機首方位変更部９８により機首方位が変更される。制御部３０は、ステップＳ２５の離陸モードへ移行すると、着陸目標点２から垂直離着陸機１を離陸させる。なお、相対風の風速に基づく制御については、垂直離着陸機１の離陸動作時においても、垂直離着陸機１の着陸動作時と同様の制御となっている。

　ここで、図９を参照して、垂直離着陸機１の離陸時における発着制御のパターンについて、例示して説明する。上記したように、ステップＳ２３では、相対風が所定の方位である場合、機首方位と、船首方位に相対風の方位を加算した方位とが一致するように、機首方位変更部９８により機首方位が変更される。図９の左側から順に、相対風の方位が、０ｄｅｇ、３０ｄｅｇ、６０ｄｅｇ、９０ｄｅｇ、１２０ｄｅｇ、１５０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇとなっている。

　相対風の方位が０ｄｅｇの場合、船舶５は、機首方位が船首方位と一致するように、機首方位変更部９８による方位変更制御を実行する。このため、垂直離着陸機１は、機首方位と船首方位とが一致した状態となる。

　相対風の方位が３０ｄｅｇの場合、垂直離着陸機１の制御部３０は、船首方位に３０ｄｅｇを加算した方位（船首方位＋３０ｄｅｇ）を導出する。船舶５は、機首方位が船首方位＋３０ｄｅｇと一致するように、機首方位変更部９８による方位変更制御を実行する。このため、垂直離着陸機１は、船首方位に対して機首方位が３０ｄｅｇだけ傾いた状態となる。

　同様に、相対風の方位が６０ｄｅｇまたは９０ｄｅｇの場合、垂直離着陸機１の制御部３０は、船首方位に６０ｄｅｇまたは９０ｄｅｇを加算した方位（船首方位＋６０ｄｅｇ、船首方位＋９０ｄｅｇ）を導出する。船舶５は、機首方位が船首方位＋６０ｄｅｇ、または船首方位＋９０ｄｅｇと一致するように、機首方位変更部９８による方位変更制御を実行する。このため、垂直離着陸機１は、船首方位に対して機首方位が６０ｄｅｇまたは９０ｄｅｇだけ傾いた状態となる。

　また、相対風の方位が１２０ｄｅｇ、１５０ｄｅｇまたは１８０ｄｅｇの場合、垂直離着陸機１の制御部３０は、船首方位に１２０ｄｅｇ、１５０ｄｅｇまたは１８０ｄｅｇを加算した方位（船首方位＋１２０ｄｅｇ、船首方位＋１５０ｄｅｇ、船首方位＋１８０ｄｅｇ）を導出する。離陸時においても、着陸時と同様に、船首側には乱流エリアＥが形成される。この場合においても、船舶５は、機首方位が船首方位＋１２０ｄｅｇ、船首方位＋１５０ｄｅｇ、または船首方位＋１８０ｄｅｇと一致するように、機首方位変更部９８による方位変更制御を実行する。このため、垂直離着陸機１は、船首方位に対して機首方位が１２０ｄｅｇ、１５０ｄｅｇまたは１８０ｄｅｇだけ傾いた状態となる。よって、乱流エリアＥに対しても、影響を受け難い機首方位で、着陸目標点２から垂直離着陸機１を離陸させることができる。

　なお、本実施形態では、機首方位と相対風の方位とが一致するように、垂直離着陸機１を制御していた。しかしながら、機首方位と相対風の方位とが為す誤差角度である機首方位誤差角を含んでいてもよい。ここで、機首方位と相対風の方位とが対向して一致する角度を基準角０ｄｅｇとする。制御部３０は、基準角０ｄｅｇに対して、機首方位誤差角が±３０ｄｅｇとなる範囲で、機首方位を相対風の方位に対向させてもよい。つまり、垂直離着陸機１の機首方位は、相対風の方位に対して一致させなくてもよく、相対風の方位に対して±３０ｄｅｇとしてもよい。例えば、図６に示すように、相対風の方位が９０ｄｅｇの場合、基準角が０ｄｅｇであると、垂直離着陸機１の機首方向が、船舶５の船首方位に対して９０ｄｅｇとなる。このため、機首方位誤差角を、例えば、－３０ｄｅｇとすることで、垂直離着陸機１の機首方向を、船舶５の船首方位に対して６０ｄｅｇとしてもよい。

　また、本実施形態において、自動発着システム１００は、垂直離着陸機１及び船舶５に搭載したが、垂直離着陸機１のみに搭載してもよい。この場合、船舶５における相対風の方位及び風速を取得する必要があり、船舶５における相対風の方位及び風速は、船舶５の速度及び地上座標系における真の風から導出できる。このため、自動発着システム１００を垂直離着陸機１のみに搭載する場合、船舶５の速度及び地上座標系における真の風の方位及び風速を取得することで、実現することができる。

　また、本実施形態において、機首方位変更部９８は、船舶５により制御されたが、垂直離着陸機１の制御部３０が制御してもよい。

　以上のように、本実施形態に記載の垂直離着陸機の自動発着システム、垂直離着陸機および垂直離着陸機の発着制御方法は、例えば、以下のように把握される。

　第１の態様に係る垂直離着陸機１の自動発着システム１００は、移動体（船舶５）における相対風の方位を取得する相対風情報取得部（風向風速計９５）と、前記移動体上に設けられる着陸目標点２に、垂直離着陸機１を発着させる発着制御を実行する制御部３０と、を備え、前記制御部３０は、前記垂直離着陸機の発着時において、前記相対風情報取得部において取得した前記相対風の方位に基づいて、前記垂直離着陸機１の機首方位を前記相対風の方位に対向させた状態で、前記発着制御を実行する。

　この構成によれば、垂直離着陸機１の機首方位を相対風の方位に対向させた状態で、垂直離着陸機１を発着させることができる。このため、垂直離着陸機１を、相対風の影響を受け難い状態とすることができるため、相対風の方位がいずれの方位あっても、垂直離着陸機１を発着させることができる。よって、相対風による発着制限を緩和し、垂直離着陸機１の着陸目標点２への発着陸を好適に行うことができる。

　第２の態様として、前記相対風情報取得部は、前記相対風の風速を取得しており、前記制御部は、前記垂直離着陸機１の発着時において、前記相対風情報取得部において取得した前記相対風の風速に基づく制御を実行しており、前記相対風の風速が、第２の風速以上となる場合、前記相対風によって前記着陸目標点に発生する乱流エリアを回避するための乱流回避制御を実行する。

　この構成によれば、相対風の風速が第２の風速以上となる強風である場合、乱流回避制御を実行することで、着陸目標点に発生する乱流エリアを回避することができるため、相対風の影響を受け難いものとすることができる。

　第３の態様として、前記制御部３０は、前記相対風の風速が、第２の風速よりも大きい第１の風速以上となる場合、前記垂直離着陸機１の発着制御を実行せずに、前記移動体及び前記垂直離着陸機１に対して、前記第１の風速よりも小さくなる領域へ移動を指示する。

　この構成によれば、相対風の風速が第１の風速以上となる強風である場合、相対風の風速が弱い領域へ、移動体及び垂直離着陸機１の移動を促すことができ、垂直離着陸機１の着陸目標点２への安全な発着を行うことができる。

　第４の態様として、前記制御部３０は、前記相対風の風速が、前記第２の風速以上となる場合、前記移動体を操作する操作者に対して、前記第２の風速よりも小さくさせるための情報を報知する。

　この構成によれば、相対風の風速が第２の風速以上となる強風である場合、相対風の風速を弱くするための移動を移動体に実行させることができ、垂直離着陸機１の着陸目標点２への安全な発着を行うことができる。

　第５の態様として、前記制御部３０は、前記相対風の風速が、前記第２の風速よりも大きい第１の風速以上となる場合、前記移動体を操作する操作者に対して、前記第１の風速よりも小さくさせるための情報を報知する。

　この構成によれば、相対風の風速が第１の風速以上となる強風である場合、相対風の風速を弱くするための移動を移動体に実行させることができ、垂直離着陸機１の着陸目標点２への安全な発着を行うことができる。

　第６の態様として、前記機首方位と前記相対風の方位とが為す誤差角度を機首方位誤差角とし、前記機首方位と前記相対風の方位とが対向して一致する角度を基準角０ｄｅｇとすると、前記制御部３０は、前記基準角０ｄｅｇに対して、前記機首方位誤差角が０±３０ｄｅｇとなる範囲で、前記機首方位を前記相対風の方位に対向させる。

　この構成によれば、相対風の方位と垂直離着陸機１の機首方向とを対向させる場合であっても、相対風の方位と垂直離着陸機１の機首方向とを一致させる（０ｄｅｇとする）必要がない。このため、垂直離着陸機１の着陸目標点２への安全な発着陸を優先させることができる。

　第７の態様として、前記移動体は、船舶５であり、前記着陸目標点２は、前記船舶５の船首側に設けられる。

　この構成によれば、着陸目標点２を船首側に設けることで、船尾側にある構造物によって発生する乱流の影響を受け難いものとすることができる。

　第８の態様として、前記着陸目標点２に着陸した前記垂直離着陸機１の前記機首方位を変更する機首方位変更部９８を、さらに備え、前記制御部３０は、前記垂直離着陸機１の離陸時において、前記機首方位変更部９８により変更された前記垂直離着陸機１の機首方位と、前記相対風情報取得部において取得した前記相対風の方位とが対向した状態になると、前記着陸目標点２から前記垂直離着陸機１を離陸させる。

　この構成によれば、着陸目標点２にある垂直離着陸機１の機首方位を機首方位変更部９８により変更することで、相対風の方位に対向させた状態で、垂直離着陸機１を離陸させることができる。

　第９の態様に係る垂直離着陸機１は、上記の垂直離着陸機１の自動発着システム１００を備える。

　この構成によれば、船舶５の速度及び地上座標系における真の風の方位及び風速を取得できれば、自動発着システム１００を垂直離着陸機１のみに搭載した構成を実現することができる。

　第１０の態様に係る垂直離着陸機の発着制御方法は、移動体（船舶５）上に設けられる着陸目標点２に、垂直離着陸機１を発着させる発着制御を実行する垂直離着陸機１の自動発着システム１００に、前記移動体における相対風の方位を取得するステップＳ１１，Ｓ２１と、取得した前記相対風の方位に基づいて、前記垂直離着陸機の機首方位を前記相対風の方位に対向させるステップＳ１３，Ｓ２３と、前記着陸目標点２に前記垂直離着陸機１を発着させるステップＳ４，Ｓ２５と、を実行させる。

　１　垂直離着陸機
　２　着陸目標点
　５　船舶
　７　マーカー
　１０　カメラ
　２０，７０　航法装置
　３０　制御部
　３２　画像処理部
　３４　誘導演算部
　３６　飛行制御部
　４０，８０　データ伝送装置
　９５　風向風速計
　９８　機首方位変更部
　１００　自動発着システム

Claims

　移動体における相対風の方位を取得する相対風情報取得部と、
　前記移動体上に設けられる着陸目標点に、垂直離着陸機を発着させる発着制御を実行する制御部と、を備え、
　前記制御部は、
　前記垂直離着陸機の発着時において、前記相対風情報取得部において取得した前記相対風の方位に基づいて、前記垂直離着陸機の機首方位を前記相対風の方位に対向させた状態で、前記発着制御を実行する垂直離着陸機の自動発着システム。
　前記相対風情報取得部は、前記相対風の風速を取得しており、
　前記制御部は、
　前記垂直離着陸機の発着時において、前記相対風情報取得部において取得した前記相対風の風速に基づく制御を実行しており、
　前記相対風の風速が、第２の風速以上となる場合、前記相対風によって前記着陸目標点に発生する乱流エリアを回避するための乱流回避制御を実行する請求項１に記載の垂直離着陸機の自動発着システム。
　前記制御部は、
　前記相対風の風速が、第２の風速よりも大きい第１の風速以上となる場合、前記垂直離着陸機の発着制御を実行せずに、前記移動体及び前記垂直離着陸機に対して、前記第１の風速よりも小さくなる領域へ移動を指示する請求項１または２に記載の垂直離着陸機の自動発着システム。
　前記制御部は、
　前記相対風の風速が、前記第２の風速以上となる場合、前記移動体を操作する操作者に対して、前記第２の風速よりも小さくさせるための情報を報知する請求項２に記載の垂直離着陸機の自動発着システム。
　前記制御部は、
　前記相対風の風速が、前記第２の風速よりも大きい第１の風速以上となる場合、前記移動体を操作する操作者に対して、前記第１の風速よりも小さくさせるための情報を報知する請求項３に記載の垂直離着陸機の自動発着システム。
　前記機首方位と前記相対風の方位とが為す誤差角度を機首方位誤差角とし、
　前記機首方位と前記相対風の方位とが対向して一致する角度を基準角０ｄｅｇとすると、
　前記制御部は、前記基準角０ｄｅｇに対して、前記機首方位誤差角が±３０ｄｅｇとなる範囲で、前記機首方位を前記相対風の方位に対向させる請求項１から５のいずれか１項に記載の垂直離着陸機の自動発着システム。
　前記移動体は、船舶であり、
　前記着陸目標点は、前記船舶の船首側に設けられる請求項１から６のいずれか１項に記載の垂直離着陸機の自動発着システム。
　前記着陸目標点に着陸した前記垂直離着陸機の前記機首方位を変更する機首方位変更部を、さらに備え、
　前記制御部は、
　前記垂直離着陸機の離陸時において、前記機首方位変更部により変更された前記垂直離着陸機の機首方位と、前記相対風情報取得部において取得した前記相対風の方位とが対向した状態になると、前記着陸目標点から前記垂直離着陸機を離陸させる請求項１から７のいずれか１項に記載の垂直離着陸機の自動発着システム。
　請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直離着陸機の自動発着システムを備える垂直離着陸機。
　移動体上に設けられる着陸目標点に、垂直離着陸機を発着させる発着制御を実行する垂直離着陸機の自動発着システムに、
　前記移動体における相対風の方位を取得するステップと、
　取得した前記相対風の方位に基づいて、前記垂直離着陸機の機首方位を前記相対風の方位に対向させるステップと、
　前記着陸目標点に前記垂直離着陸機を発着させるステップと、を実行させる垂直離着陸機の発着制御方法。