(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象を操作するための操縦コマンドを入力し、前記操縦コマンドに基づいて、前記制御対象の制御デバイスの状態を指示する制御出力を出力する第１の制御則と、
前記第１の制御則に入力された前記操縦コマンドを入力したとき、前記第１の制御則と異なる前記制御出力を出力する第２の制御則と、
前記制御デバイスの不具合を示す情報に基づいて、前記制御デバイスの能力の範囲内で速い応答が達成されるための前記制御出力が出力されるように、前記第１及び第２の制御則のいずれかに切換える制御則切換部と
を備え、
前記第１及び第２の制御則が同一の前記操縦コマンドを入力したとき、前記第１及び第２の制御則から出力される前記制御出力は、前記操縦コマンドに対する応答の速さにおいて異なる
制御システム。
【請求項２】
請求項１記載の制御システムにおいて、
前記制御則切換部は、前記制御デバイスの能力をリアルタイムに推定し、前記推定された能力以上に前記制御出力が出力されないように、前記第１及び第２の制御則のいずれかに切換える
制御システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の制御システムにおいて、
前記制御則切換部は、前記制御デバイスの不具合を示す情報と、前記制御対象の運動状態を示す情報と、前記第１及び第２の制御則のそれぞれの内部状態量を用いて、前記第１及び第２の制御則のそれぞれに対応する最大ＣＰＩ集合（Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ  Ｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙ  Ｉｎｖａｒｉａｎｔ  Ｓｅｔ）を求め、前記制御対象の運動状態を示す情報によって示された前記制御対象の運動状態を含む前記最大ＣＰＩ集合に対応する前記第１及び第２の制御則のうち、応答速度がより速い前記第１及び第２の制御則のいずれかに切換える
制御システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の制御システムにおいて、
前記制御則切換部は、前記制御デバイスの不具合を示す情報及び前記操縦コマンドの少なくともいずれか一つに基づいて、前記第１及び第２の制御則のいずれかに切換える
制御システム。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項に記載の制御システムにおいて、
前記制御則切換部は、前記制御デバイスの不具合を示す情報、前記操縦コマンド及び前記制御対象の運動状態を示す情報の少なくともいずれか一つに基づいて、前記第１及び第２の制御則のいずれかに切換える
制御システム。
【請求項６】
請求項１から３のいずれか１項に記載の制御システムにおいて、
前記制御則切換部は、前記制御デバイスの不具合を示す情報、前記操縦コマンド、前記制御対象の運動状態を示す情報及び前記制御対象の運動状態に影響を与える外部の情報の少なくともいずれか一つに基づいて、前記第１及び第２の制御則のいずれかに切換える
制御システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の制御システムにおいて、
前記第１及び第２の制御則のそれぞれは、更に、前記制御対象の運動状態を示す情報及び前記制御対象の運動状態に影響を与える外部の情報に基づいて、前記制御出力を出力する
制御システム。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の制御システムにおいて、
前記制御則切換部は、前記第１の制御則から前記第２の制御則に切換えるときに、トランジェント挙動が発生しないように切換える
制御システム。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の制御システムにおいて、
前記第１及び第２の制御則のそれぞれは、高次ダイナミクスを有するコントローラである
制御システム。
【請求項１０】
航空機または宇宙機の機体を制御するための操縦コマンドを入力し、前記操縦コマンドに基づいて、前記機体の複数の制御デバイスのそれぞれの状態を指示する制御出力を出力する第１の制御則と、
前記第１の制御則に入力された前記操縦コマンドを入力したとき、前記第１の制御則と異なる前記制御出力を出力する第２の制御則と、
前記制御デバイスの不具合を示す情報に基づいて、前記第１及び第２の制御則のいずれかに切換える制御則切換部と
を備え、
前記機体の複数の制御デバイスには、前記航空機または宇宙機の舵面および推力器の少なくともいずれか一つが含まれ、
前記制御出力には、前記舵面の舵角、並びに前記推力器による推力の量及び方向の少なくともいずれか一つを指示するコマンドが含まれている
航空機・宇宙機の飛行制御システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の航空機・宇宙機の飛行制御システムにおいて、
前記操縦コマンドは、前記航空機または宇宙機が有人機の場合には、パイロットにより入力されたパイロットコマンドであり、前記航空機または宇宙機が無人機の場合には、前記パイロットに代わる誘導器からの操縦用誘導コマンドである
航空機・宇宙機の飛行制御システム。
【請求項１２】
車両を操縦するための操縦コマンドを入力し、前記操縦コマンドに基づいて、前記車両の複数の制御デバイスのそれぞれの状態を指示する制御出力を出力する第１の制御則と、
前記第１の制御則に入力された前記操縦コマンドを入力したとき、前記第１の制御則と異なる前記制御出力を出力する第２の制御則と、
前記制御デバイスの不具合を示す情報に基づいて、前記第１及び第２の制御則のいずれかに切換える制御則切換部と
を備え、
前記機体の複数の制御デバイスには、前記車両のステアリング系、ブレーキ系、サスペンション系、タイヤ、エンジンの少なくともいずれか一つが含まれ、
前記制御出力には、前記ステアリングの舵角及びブレーキの動作の少なくともいずれか一つを指示するコマンドが含まれている
車両の運動制御システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の車両の運動制御システムにおいて、
前記操縦コマンドは、前記車両が有人車両の場合には、ドライバにより入力されたドライバコマンドであり、前記車両が無人車両の場合には、前記ドライバに代わる誘導器からの操縦用誘導コマンドである
車両の運動制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御システム、航空機・宇宙機の飛行制御システム及び車両の運動制御システムに関し、特に、使用可能な制御デバイスを自律的に有効活用できる制御システム、航空機・宇宙機の飛行制御システム及び車両の運動制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の制御システムにおいて用いられる制御則の一例として、図６に飛行制御則を概要を示す。
図６に示すように、従来の飛行制御システムでは、機体の制御デバイス能力、飛行条件の変化などの組み合わせに対応して、飛行制御アルゴリズムのパラメータＫをスケジューリングすることで、必要な飛行能力を達成していた。例えば、機体の速度などの観測量４０に基づいて、一定の（単一の）制御則のゲインＫを調整しているに過ぎなかった。
【０００３】
設計に際しては、各飛行条件における最悪状態でも、制御デバイスの制約条件を逸脱しないように配慮され、膨大なコンピュータシミュレーション、飛行試験により制御性能を確認してきた。
【０００４】
以下に、従来の問題点を示す。
【０００５】
（１）パラメータのスケジューリングのみでは、飛行条件の変化に対応する対処能力に限界がある。
（２）同一飛行条件であっても、状況の変化により、要求される機体運動性能などが変化した場合（パイロットが急激な操縦コマンドを入力した場合なども含む）、柔軟に対応できない場合がある。
【０００６】
（３）制御デバイスの制約条件を、最悪条件でも満足できる設計とせざるを得ず、結果として保守的な運動性能しか達成できない。
（４）制御デバイスの故障／破損などが生じ、機体特性が劇的に変化した場合の対処能力に欠ける。
（５）シミュレーション、飛行試験結果に応じて試行錯誤的にパラメータを設定していたため、設計／開発に膨大な時間と労力を要する。
【０００７】
日本国特許第２９４８５４９号公報には、本発明者の一部による次の高次ダイナミクス型自動制御方法が開示されている。高次ダイナミクスを有する制御則部分を線形離散時間状態空間表現を用いて記述し、この線形離散時間状態空間表現された複数の制御則部分の行列データを計算処理切換時に択一的に入替え、上記計算処理切換時に制御対象からの出力と制御対象への入力とにより切換時の運動状態及び制御信号を実現する制御則部分の内部状態変数の収束値を算出して、上記行列データの入替えと同時に上記内部状態変数を算出した収束値に入替えることを特徴とする方法である。
【０００８】
この高次ダイナミクス型自動制御方法によれば、制御則の切換えに際して制御対象が予想外の好ましくないトランジェント挙動を発生することがなく、円滑に切換動作を実行することができると共に、切換後も線形制御理論による安定性を保持することができ、結果として広範囲、長時間に渡って精密で制御対象の変動にも十分に対処し得る頑強な自動制御を実現できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
各種条件において、常に最大レベルの運動能力を達成できることが望まれている。
制御デバイスの故障／破損などが生じた場合でも、残った制御デバイスの制約条件に応じ、それらを最大限活用することで、常に高い運動能力を確保することが望まれている。
制御デバイスの制約条件と達成可能な制御性能の関係が明確になり、設計／開発作業に要するコスト／期間を短縮することが望まれている。
【００１０】
本発明の目的は、各種条件において、常に最大レベルの運動能力を達成できる制御システム、航空機・宇宙機の飛行制御システム及び車両の運動制御システムを提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、制御デバイスの故障／破損などが生じた場合でも、残った制御デバイスの制約条件に応じ、それらを最大限活用することで、常に高い運動能力を確保することが可能な制御システム、航空機・宇宙機の飛行制御システム及び車両の運動制御システムを提供することである。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、制御デバイスの制約条件と達成可能な制御性能の関係が明確になり、設計／開発作業に要するコスト／期間を短縮することが可能な制御システム、航空機・宇宙機の飛行制御システム及び車両の運動制御システムを提供することである。
【００１３】
本発明の更に他の目的は、使用可能な制御デバイスを自律的に有効活用できる制御システム、航空機・宇宙機の飛行制御システム及び車両の運動制御システムを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態］で使用する番号・符号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載との対応関係を明らかにするために付加されたものであるが、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１５】
本発明の制御システム（１０）は、制御対象を操作するための操縦コマンド（１５ａ）を入力し、前記操縦コマンド（１５ａ）に基づいて、前記制御対象の制御デバイスの状態を指示する制御出力（１６）を出力する第１の制御則（１１）と、前記第１の制御則（１１）に入力された前記操縦コマンド（１５ａ）を入力したとき、前記第１の制御則（１１）と異なる前記制御出力（１６）を出力する第２の制御則（１２）と、前記制御デバイスの不具合を示す情報（１４）に基づいて、前記第１及び第２の制御則（１１、１２）のいずれかに切換える制御則切換部（２０）とを備えている。
【００１６】
本発明の制御システムにおいて、前記第１及び第２の制御則（１１、１２）のそれぞれは、高次ダイナミクスを有するコントローラである。
【００１７】
本発明の制御システム（１０）において、前記制御則切換部（２０）は、前記制御デバイスの能力の範囲内で高い制御能力を達成するための前記制御出力（１６）が出力されるように、前記第１及び第２の制御則（１１、１２）のいずれかに切換える。
【００１８】
本発明の制御システム（１０）において、前記第１及び第２の制御則（１１、１２）が同一の前記操縦コマンド（１５ａ）を入力したとき、前記第１及び第２の制御則（１１、１２）から出力される前記制御出力（１６）は、前記操縦コマンド（１５ａ）に対する応答の速さにおいて異なる。
【００１９】
本発明の制御システム（１０）において、前記制御則切換部（２０）は、前記制御デバイスの不具合を示す情報（１４）及び前記操縦コマンド（１５ａ）の少なくともいずれか一つに基づいて、前記第１及び第２の制御則（１１、１２）のいずれかに切換える。
【００２０】
本発明の制御システム（１０）において、前記制御則切換部（２０）は、前記制御デバイスの不具合を示す情報（１４）、前記操縦コマンド（１５ａ）及び前記制御対象の運動状態を示す情報（１５ｂ）の少なくともいずれか一つに基づいて、前記第１及び第２の制御則（１１、１２）のいずれかに切換える。
【００２１】
本発明の制御システム（１０）において、前記制御則切換部（２０）は、前記制御デバイスの不具合を示す情報（１４）、前記操縦コマンド（１５ａ）、前記制御対象の運動状態を示す情報（１５ｂ）及び前記制御対象の運動状態に影響を与える外部の情報（１５ｃ）の少なくともいずれか一つに基づいて、前記第１及び第２の制御則（１１、１２）のいずれかに切換える。
【００２２】
本発明の制御システム（１０）において、前記制御則切換部（２０）は、前記制御デバイスの能力をリアルタイムに推定し、前記推定された能力以上の前記制御出力（１６）が出力されないように、前記第１及び第２の制御則（１１、１２）のいずれかに切換える。
【００２３】
本発明の制御システム（１０）において、前記制御則切換部（２０）は、前記制御デバイスの不具合を示す情報（１４）と、前記制御対象の運動状態を示す情報（１５ｂ）と、前記第１及び第２の制御則（１１、１２）のそれぞれの内部状態量を用いて、前記第１及び第２の制御則（１１、１２）のそれぞれに対応する最大ＣＰＩ集合（Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ  Ｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙ  Ｉｎｖａｒｉａｎｔ  Ｓｅｔ）を求め、前記制御対象の運動状態を示す情報（１５ｂ）によって示された前記制御対象の運動状態を含む前記最大ＣＰＩ集合に対応する前記第１及び第２の制御則（１１、１２）のうち、制御性能の最も高い前記第１及び第２の制御則（１１、１２）のいずれかに切換える。
【００２４】
本発明の制御システム（１０）において、前記第１及び第２の制御則（１１、１２）のそれぞれは、更に、前記制御対象の運動状態を示す情報（１５ｂ）及び前記制御対象の運動状態に影響を与える外部の情報（１５ｃ）に基づいて、前記制御出力（１６）を出力する。
【００２５】
本発明の制御システム（１０）において、前記制御則切換部（２０）は、前記第１の制御則（１１）から前記第２の制御則（１２）に切換えるときに、トランジェント挙動が発生しないように切換える。
【００２６】
本発明の航空機・宇宙機の飛行制御システム（１０）は、航空機または宇宙機の機体姿勢を制御するための操縦コマンド（１５ａ）を入力し、前記操縦コマンド（１５ａ）に基づいて、前記機体の複数の制御デバイスのそれぞれの状態を指示する制御出力（１６）を出力する第１の制御則（１１）と、前記第１の制御則（１１）に入力された前記操縦コマンド（１５ａ）を入力したとき、前記第１の制御則（１１）と異なる前記制御出力（１６）を出力する第２の制御則（１２）と、前記制御デバイスの不具合を示す情報に基づいて、前記第１及び第２の制御則（１１、１２）のいずれかに切換える制御則切換部（２０）とを備えている。
【００２７】
本発明の飛行制御システムにおいて、前記操縦コマンド（１５ａ）は、前記航空機または宇宙機が有人機の場合には、パイロットにより入力されたパイロットコマンドであり、前記航空機または宇宙機が無人機の場合には、前記パイロットに代わる誘導器からの操縦用誘導コマンドである。
【００２８】
本発明の航空機・宇宙機の飛行制御システムにおいて、前記機体の複数の制御デバイスには、前記航空機または宇宙機の舵面および推力器の少なくともいずれか一つが含まれ、前記制御出力（１６）には、前記舵面の舵角、並びに前記推力器による推力の量及び方向の少なくともいずれか一つを指示するコマンドが含まれている。
【００２９】
本発明の車両の運動制御システムは、車両を操縦するための操縦コマンド（２５ａ）を入力し、前記操縦コマンド（２５ａ）に基づいて、前記車両の複数の制御デバイスのそれぞれの状態を指示する制御出力（２６）を出力する第１の制御則（１１Ａ）と、前記第１の制御則（１１Ａ）に入力された前記操縦コマンド（２５ａ）を入力したとき、前記第１の制御則（１１Ａ）と異なる前記制御出力（２６）を出力する第２の制御則（１２Ａ）と、前記制御デバイスの不具合を示す情報に基づいて、前記第１及び第２の制御則（１１Ａ、１２Ａ）のいずれかに切換える制御則切換部（２０Ａ）とを備えている。
【００３０】
本発明の車両の運動制御システムにおいて、前記操縦コマンド（２５ａ）は、前記車両が有人車両の場合には、ドライバにより入力されたドライバコマンドであり、前記車両が無人車両の場合には、前記ドライバに代わる誘導器からの操縦用誘導コマンドである。
【００３１】
本発明の車両の運動制御システムにおいて、前記機体の複数の制御デバイスには、前記車両のステアリング系、ブレーキ系、サスペンション系、タイヤ、エンジンの少なくともいずれか一つが含まれ、前記制御出力（１６）には、前記ステアリングの舵角及びブレーキの動作の少なくともいずれか一つを指示するコマンドが含まれている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の制御システム一の実施形態について説明する。
【００３３】
まず、図２及び図４を参照して、第１実施形態に係る飛行制御システムについて説明する。
【００３４】
第１実施形態では、飛行条件の変化、使用可能な制御デバイス能力の変化に対し、自律的に対応可能な航空機・宇宙機の飛行制御システム１０を構築する。
【００３５】
ここで、「飛行条件の変化、使用可能な制御デバイス能力の変化」には、図２に示すように、飛行制御装置（制御則）に対する入力（有人機の場合にはパイロットによる操縦コマンド入力、無人機の場合には誘導器からの操縦用誘導コマンド）１５ａの変化と、機体の姿勢、速度、エンジンの状態（スラスト量、スラスト方向）等の機体運動のセンサ情報１５ｂの変化と、風力・風向等の大気情報１５ｃの変化と、システムの故障情報（空力舵面の状態の変化（故障／破損）、エンジンの故障等）１４などが含まれる。
【００３６】
飛行制御システム１０では、構造／性能の異なる複数の制御則１１〜１３を準備しておき、状況に応じてそれらを切換え、常に高い運動能力を達成する。制御則１１〜１３の切換判断には、その時点での制御デバイス能力で達成可能な飛行能力を予測する、ある種の推定器（推定・制御則切換装置２０）を準備し、その推定結果を参照して制御則１１〜１３の選択を行う。
【００３７】
飛行制御システム１０は、複数の制御則１１〜１３と、それらの制御則１１〜１３を切換える推定・制御則切換装置２０とを有している。複数の制御則１１〜１３は、符号１１で示す第１の飛行制御則Ｃ１（ｓ）と、符号１２で示す第２の飛行制御則Ｃ２（ｓ）と、符号１３で示す第３の飛行制御則Ｃ３（ｓ）である。
【００３８】
それぞれの制御則１１〜１３は、飛行制御装置（制御則）に対する入力１５ａと、機体運動のセンサ情報１５ｂと、大気情報１５ｃとを含む入力データ１５を入力し、制御出力１６を出力する。
【００３９】
制御出力１６には、複数の舵面（例えば、エレベータ、エルロン、ラダー等）のそれぞれへの舵角のコマンド１６ａと、エンジンのスラストの方向を示すコマンド（ジンバル舵角等）１６ｂと、エンジンのスラストの出力量のコマンド１６ｃとが含まれる。
【００４０】
それぞれの制御則１１〜１３は、高次ダイナミクスを有するコントローラである。なお、高次ダイナミクスを有するコントローラの一例は、前述の日本国特許第２９４８５４９号公報に開示した通りである。
【００４１】
推定・制御則切換装置２０は、入力データ１５及びシステム故障情報１４を入力し、その入力データ１５及びシステム故障情報１４に基づいて状況を判断し、その状況に応じて、複数の制御則１１〜１３を切換える。その状況の判断には、複数の舵面のそれぞれの能力（飽和状態か否かを含む）のリアルタイムでの推定が含まれる。
【００４２】
推定・制御則切換装置２０は、各舵面、ジンバル舵角の飽和状態を推定／予測し、その状況に応じて使用する制御則を選択すると共に、切換トランジェントなく制御則の切換を実施する。
【００４３】
推定・制御則切換装置２０は、航空機の舵面の破損や故障、エンジンの故障を示すシステム故障情報１４に基づいて、複数の制御則１１〜１３を切換える。
従来は、例えば、航空機の舵面に破損や故障が発生したり、エンジンに故障が発生したときには、機体の特性が変わることによりそのままの制御則では十分に対応できなかった。これに対し、本実施形態では、そのような場合には舵面の状況等に応じて、推定・制御則切換装置２０が複数の制御則１１〜１３を適宜選択的に切換えることにより、十分に対応すること（飛行を継続すること）ができる。
【００４４】
推定・制御則切換装置２０は、飛行制御装置（制御則）に対する入力１５ａと、機体運動のセンサ情報１５ｂと、大気情報１５ｃとを含む入力データ１５に基づいて、複数の制御則１１〜１３を切換える。
航空機が舵面を使って運動するときに、例えば、舵面の能力以上の舵角のコマンド１６ａが与えられると、機体の運動が不安定になる。舵面が破損または故障して舵面の能力が下がると、舵面が飽和して機体の運動が不安定になり易くなる。本実施形態では、舵面の能力が低下しているときには、入力データ１５に応じて、制御則１１〜１３を切換えることにより、保守的な制御出力（例えば舵角コマンド１６ａ）１６しか出力されないような制御則に切換えて、舵面の飽和を防ぐようにしている。
【００４５】
例えば、複数の制御則１１〜１３は、パイロットから入力された機体の姿勢コマンドが５°である場合に、その５°の機体姿勢になるまでの応答の速さ、過渡的な速さ、オーバーシュート量等がそれぞれ異なるものである。応答が速い制御則ほど、舵面が飽和し易くなる。
【００４６】
なお、一般的に、「自己修復制御則」または「再構成制御則」と呼ばれるシステムでは、舵面の破損パターンから使用する舵面の割り振りを決める配分比率を決定する方式が採用されている。即ち、図７に示すように、単一の制御則３１からの出力（モーメント）３２を分配器３３がどのように複数の舵面（図７では、エレベータ（ｅ）、エルロン（ａ）、ラダー（ｒ）の３種類の舵面）に振り分けるか（配分）を切換えるものである。
【００４７】
ここで、制御則３１が、高次ダイナミクスを有するコントローラであり、分配器３３は代数演算のみを行う。分配器３３は、３種類の舵面の舵角δｅ、δａ、δｒをそれぞれ出力する。分配器３３は、３種類の舵面のうちの１つが故障したら残りの２種類に出力３２を振り分ける。
【００４８】
上記の「自己修復制御則」または「再構成制御則」によれば、分配器３３が、制御則３１からの出力３２の複数の舵面への配分（舵角δｅ、δａ、δｒ）を切換えるだけであり、制御則を切換えるわけではないため、本実施形態のように、前述した応答の速さ、オーバーシュート量等自体を切換えることはできない。
【００４９】
上記の「自己修復制御則」または「再構成制御則」は、舵面の故障・破損に対応すること（複数の舵面への配分の切換え）ができるに過ぎす、本実施形態のように、飛行制御装置（制御則）に対する入力１５ａの変化や、機体運動のセンサ情報１５ｂの変化や、大気情報１５ｃの変化に対応することはできない。
【００５０】
これに対し、本実施形態では、飛行条件／舵面状態／制御則挙動などの総合的な情報から、活用可能な舵面能力をリアルタイムに推定し、制御能力を向上させるアルゴリズムを開発した点が新規である。制御則自体を切換えることにより、応答の速さ、オーバーシュート量等自体を切換えることができる。
【００５１】
本実施形態においては、図２に示すように、複数の制御則１１〜１３のうちで切換えられた制御則１１から、直接的に（分配器３３等を介すことなく）、複数の舵面のそれぞれへの舵角のコマンド１６ａと、エンジンのスラストの方向及び出力量のコマンド１６ｂ、１６ｃとが、制御出力１６として出力される。
【００５２】
なお、図６において、パラメータＫを切換える際に用いる観測量４０としては、機体運動のセンサ情報１５ｂと大気情報１５ｃのみであり、飛行制御システム１０の推定・制御則切換装置２０とは異なり、飛行制御装置（制御則）に対する入力１５ａや、システム故障情報１４は含まれない。
【００５３】
また、図７において、分配器３３が制御則３１からの出力３２を複数の舵面に分配するときには、入力した舵面の状態のみに基づいて分配しており、飛行制御システム１０の推定・制御則切換装置２０とは異なり、少なくとも、飛行制御装置（制御則）に対する入力１５ａ、機体運動のセンサ情報１５ｂ、大気情報１５ｃは入力していない。
【００５４】
また、本実施形態において、推定・制御則切換装置２０が複数の制御則１１〜１３を切換えるときには、前述した日本国特許第２９４８５４９号の技術を適用し、トランジェントを発生することなく切換える。
【００５５】
次に、図４を参照して、飛行制御システム１０の動作について説明する。
図４は、制御則が切換えられるときの推定・制御則切換装置２０の演算内容を示すタイミングチャートである。
【００５６】
図４に示すように、推定・制御則切換装置２０は、制御則切換アルゴリズム２４と、システム制御状態の推定アルゴリズム２５とを有している。
【００５７】
推定・制御則切換装置２０が第１の制御則１１から第２の制御則１２に切換えるときには、日本国特許第２９４８５４９号公報に開示したように、制御則切換アルゴリズム２４が第１の制御則１１部分の行列データを第２の制御則１２への処理切換時に他の行列データに入替え、この処理切換え時に切換時の運動状態及び制御信号を実現する第２の制御則１２部分の内部状態変数の収束値を算出して、上記行列データの入替えと同時に上記内部状態変数を算出した収束値に入れ換える。
【００５８】
図４に示すように、最初は、第１の制御則１１を用いて制御が実行されている。このとき、図１の切換スイッチ１８および切換スイッチ１９は、推定・制御則切換装置２０からそれぞれ出力された切換えコマンド２２、２３に応答して、第１の制御則１１に接続されている。
【００５９】
このとき、推定・制御則切換装置２０は、システム故障情報１４に基づいて、各制御デバイス（舵面等）は正常であると判断している。また、第１の制御則１１へは、飛行制御装置（制御則）に対する入力１５ａとして、操縦コマンドが入力されている。
【００６０】
次に、矢印Ｙ１に示すように、制御デバイスの一部が故障した場合には、その旨を示すシステム故障情報１４が推定・制御則切換装置２０に入力される（矢印Ｙ２参照）。推定・制御則切換装置２０の制御則切換アルゴリズム２４では、切換トランジェント無しに制御則を切り替えるための制御則内部状態量を、機体運動のセンサ情報１５ｂ及び飛行制御装置（制御則）に対する入力１５ａに基づいて、各制御則１１〜１３に対して算出する。
【００６１】
また、矢印Ｙ２に示すように、推定・制御則切換装置２０が制御デバイスの一部の故障を示すシステム故障情報１４を入力すると、矢印Ｙ３に示すように、システム制御状態の推定アルゴリズム２５では、システム故障情報１４、機体運動のセンサ情報１５ｂ、各制御則１１〜１３の内部状態量を用いて、各制御則１１〜１３に対応する最大ＣＰＩ集合を算出する。この最大ＣＰＩ集合については、図５を参照して説明する。
【００６２】
図５は、第２の制御則Ｃ２（ｓ）１２に切換える場合の最大ＣＰＩ集合の例を示している。ここで、ＣＰＩ集合とは、Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ  Ｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙ  Ｉｎｖａｒｉａｎｔ  Ｓｅｔであり、公知である。
【００６３】
ここでは、図５に示すように、制御則の性能は、Ｃ１（ｓ）＞Ｃ２（ｓ）＞Ｃ３（ｓ）であるとする。上記のように、システム制御状態の推定アルゴリズム２５が各制御則１１〜１３に対応する最大ＣＰＩ集合を算出した結果、図５に示すように、最大ＣＰＩ集合は、Ｃ３（ｓ）の最大ＣＰＩ集合は、Ｃ１（ｓ）の最大ＣＰＩ集合及びＣ２（ｓ）の最大ＣＰＩ集合を内包する関係にあり、Ｃ２（ｓ）の最大ＣＰＩ集合は、Ｃ１（ｓ）の最大ＣＰＩ集合を内包する関係にあるとする。
【００６４】
次に、図４の矢印Ｙ４に示すように、システム制御状態の推定アルゴリズム２５は、機体運動のセンサ情報１５ｂを用いて、システムの状態量（図５の×印）が最大ＣＰＩ集合に含まれる制御則を識別する。そのうち、制御性能の最も高い制御則を選択する。
【００６５】
ここでは、故障発生時のシステム状態量（図５の×印）は、Ｃ１（ｓ）の最大ＣＰＩ集合には含まれず、Ｃ２（ｓ）の最大ＣＰＩ集合に含まれているとする。この場合、システムの状態量（図５の×印）が最大ＣＰＩ集合に含まれる制御則のうち、制御性能の最も高い制御則は、第２の制御則Ｃ２（ｓ）１２である。
【００６６】
次いで、矢印Ｙ５に示すように、制御則切換アルゴリズム２４では、上記において各制御則１１〜１３に対して算出した制御則内部状態量を初期値として置き換えて、矢印Ｙ６に示すように、第２の制御則Ｃ２（ｓ）１２に切換える。この場合、推定・制御則切換装置２０は、切換スイッチ１８、１９に対してそれぞれ切換コマンド２２、２３を出力して、切換スイッチ１８、１９を第２の制御則Ｃ２（ｓ）１２に接続する。その後は、矢印Ｙ７に示すように、第２の制御則Ｃ２（ｓ）１２を用いて制御が実行される。
【００６７】
上述したシステム状態量が含まれる最大ＣＰＩ集合の識別（矢印Ｙ４）は、上記の制御デバイスの故障（矢印Ｙ１）のケースの他に、飛行制御装置（制御則）に対する入力１５ａのレベルの変化（一定レベル以上の急激なコマンドが入力された等）や、外部（環境）状態（風力・風向等の大気情報１５ｃ）の変化が生じた時点で、図４に示すフローに準じて実施し、その結果、上記の基準に従って必要であれば制御則の切換を行う。
【００６８】
本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
【００６９】
（１）各種飛行条件において、常に最大レベルの運動能力を達成できる。
（２）制御デバイスの故障／破損などが生じた場合でも、残った制御デバイスの制約条件に応じ、それらを最大限活用する制御則に切換えることで、常に高い運動能力を確保することができる。
（３）制御デバイスの制約条件と達成可能な制御性能の関係が明確になり、設計／開発作業に要するコスト／期間を短縮することができる。
【００７０】
次に、図３及び図４を参照して、第２実施形態に係る車両自動制御システムについて説明する。第２実施形態は、自動車などの車両に本発明の制御システムを適用したものである。
【００７１】
第２実施形態では、運転条件の変化、使用可能な制御デバイス能力の変化に対し、自律的に対応可能な車両の運動制御システム１０Ａを構築する。
【００７２】
ここで、「運転条件の変化、使用可能な制御デバイス能力の変化」には、図３に示すように、運転制御装置（制御則）に対する入力（有人車両の場合にはドライバによるハンドル、ブレーキ等の運転コマンド入力、無人車両の場合には誘導器からの操縦用誘導コマンド）２５ａの変化と、車体の速度、エンジンの状態等の車体運動のセンサ情報２５ｂの変化と、路面状況等の外部情報２５ｃの変化と、システムの故障情報（ステアリング系、ブレーキ系、サスペンション系、タイヤ等の状態の変化（故障／破損）、エンジンの故障等）２４などが含まれる。
【００７３】
車両の運動制御システム１０Ａでは、構造／性能の異なる複数の制御則１１Ａ〜１３Ａを準備しておき、状況に応じてそれらを切換え、常に高い運動能力を達成する。制御則１１Ａ〜１３Ａの切換判断には、その時点での制御デバイス能力で達成可能な運動能力を予測する。ある種の推定器（推定・制御則切換装置２０Ａ）を準備し、その推定結果を参照して制御則１１Ａ〜１３Ａの選択を行う。
【００７４】
車両の運動制御システム１０Ａは、複数の制御則１１Ａ〜１３Ａと、それらの制御則１１Ａ〜１３Ａを切換える推定・制御則切換装置２０Ａとを有している。複数の制御則１１Ａ〜１３Ａは、符号１１Ａで示す第１の制御則Ｃ１（ｓ）と、符号１２Ａで示す第２の制御則Ｃ２（ｓ）と、符号１３Ａで示す第３の制御則Ｃ３（ｓ）である。
【００７５】
それぞれの制御則１１Ａ〜１３Ａは、運転制御装置（制御則）に対する入力２５ａと、車体運動のセンサ情報２５ｂと、外部情報２５ｃとを含む入力データ２５を入力し、制御出力２６を出力する。制御出力２６には、ステアリングへの舵角のコマンド２６ａと、各車輪のブレーキの動作を示すコマンド２６ｂとが含まれる。
【００７６】
それぞれの制御則１１Ａ〜１３Ａは、高次ダイナミクスを有するコントローラである。なお、高次ダイナミクスを有するコントローラの一例は、前述の日本国特許第２９４８５４９号公報に開示した通りである。
【００７７】
推定・制御則切換装置２０Ａは、入力データ２５及びシステム故障情報２４を入力し、その入力データ２５及びシステム故障情報２４に基づいて状況を判断し、その状況に応じて、複数の制御則１１Ａ〜１３Ａを切換える。その状況の判断には、ステアリング系、ブレーキ系、サスペンション系、タイヤ等のそれぞれの能力（飽和状態か否かを含む）のリアルタイムでの推定が含まれる。
【００７８】
推定・制御則切換装置２０Ａは、ステアリング、各輪ブレーキ、サスペンション系、タイヤ等の飽和状態を推定／予測し、その状況に応じて使用する制御則を選択すると共に、切換トランジェントなく制御則の切換を実施する。
【００７９】
推定・制御則切換装置２０Ａは、ステアリング系、ブレーキ系、サスペンション系、タイヤ等の状態の変化（故障／破損）、エンジンの故障等を示すシステム故障情報２４に基づいて、複数の制御則１１Ａ〜１３Ａを切換える。
従来は、例えば、ステアリング系やブレーキ系やサスペンション系やタイヤ等に故障が発生したり、エンジンに故障が発生したときには、車体の特性が変わることによりそのままの制御則では十分に対応できなかった。これに対し、本実施形態では、そのような場合にはシステムの状況等に応じて、推定・制御則切換装置２０Ａが複数の制御則１１Ａ〜１３Ａを適宜選択的に切換えることにより、十分に対応することができる。
【００８０】
推定・制御則切換装置２０Ａは、運転制御装置（制御則）に対する入力２５ａと、車体運動のセンサ情報２５ｂと、外部情報２５ｃとを含む入力データ２５に基づいて、複数の制御則１１Ａ〜１３Ａを切換える。
車両がタイヤを使って運動するときに、例えば、タイヤの能力以上の舵角のコマンド２６ａが与えられると、車両の運動が不安定になる。タイヤが破損または故障してタイヤの能力が下がると、タイヤ能力の限界を超えて車両の運動が不安定になり易くなる。本実施形態では、タイヤの能力が低下しているときには、入力データ２５に応じて、制御則１１Ａ〜１３Ａを切換えることにより、保守的な制御出力（例えば舵角コマンド２６ａ）２６しか出力されないような制御則に切換えて、タイヤ能力の限界からの逸脱を防ぐようにしている。
【００８１】
例えば、複数の制御則１１Ａ〜１３Ａは、ドライバから入力された車両の姿勢コマンドが５°である場合に、その５°の車両姿勢になるまでの応答の速さ、過渡的な速さ、オーバーシュート量等がそれぞれ異なるものである。応答が速い制御則ほど、タイヤ能力が限界を超え易くなる。
【００８２】
車両の運動制御システム１０Ａの動作については、図４を参照して前述した、飛行制御システム１０の動作に準じるので、ここでの説明を省略する。
【００８３】
次に、図１及び図４を参照して、第３実施形態に係る制御システムについて説明する。本実施形態は、制御対象を限定しない汎用的な適用例である。
【００８４】
第３実施形態では、条件の変化、使用可能な制御デバイス能力の変化に対し、自律的に対応可能な制御システム１０Ｂを構築する。制御システム１０Ｂは、飛行機に適用した飛行制御システム１０や、車両に適用された車両の運動制御システム１０Ａのように、適用対象を限定していない。第１及び第２実施形態の説明からも明らかなように、本発明は、飛行機や車両に限定されずに、他の対象にも容易に適用可能であることが分かる。
【００８５】
ここで、「条件の変化、使用可能な制御デバイス能力の変化」には、図１に示すように、制御装置（制御則）に対する入力（有人機の場合には操作者による操作等の操縦コマンド入力、無人機の場合には誘導器からの操縦用誘導コマンド）の変化３５ａと、制御装置（制御則）による制御対象の速度、駆動源の状態等の制御対象のセンサ情報の変化３５ｂと、外部情報の変化と、システムの故障情報（制御対象の状態の変化（故障／破損）、駆動源の故障等）３４などが含まれる。
【００８６】
制御システム１０Ｂでは、構造／性能の異なる複数の制御則１１Ｂ〜１３Ｂを準備しておき、状況に応じてそれらを切換え、常に高い運動能力を達成する。制御則１１Ｂ〜１３Ｂの切換判断には、その時点での制御デバイス能力で達成可能な運動能力を予測する、ある種の推定器（推定・制御則切換装置２０Ｂ）を準備し、その推定結果を参照して制御則１１Ｂ〜１３Ｂの選択を行う。
【００８７】
制御システム１０Ｂは、複数の制御則１１Ｂ〜１３Ｂと、それらの制御則１１Ｂ〜１３Ｂを切換える推定・制御則切換装置２０Ｂとを有している。複数の制御則１１Ｂ〜１３Ｂは、符号１１Ｂで示す第１の制御則Ｃ１（ｓ）と、符号１２Ｂで示す第２の制御則Ｃ２（ｓ）と、符号１３Ｂで示す第３の制御則Ｃ３（ｓ）である。
【００８８】
それぞれの制御則１１Ｂ〜１３Ｂは、制御装置（制御則）に対する入力３５ａと、制御対象のセンサ情報３５ｂと、外部情報とを含む入力データ３５を入力し、制御出力３６を出力する。
【００８９】
それぞれの制御則１１Ｂ〜１３Ｂは、高次ダイナミクスを有するコントローラである。なお、高次ダイナミクスを有するコントローラの一例は、前述の日本国特許第２９４８５４９号公報に開示した通りである。
【００９０】
推定・制御則切換装置２０Ｂは、入力データ３５及びシステム故障情報３４を入力し、その入力データ３５及びシステム故障情報３４に基づいて状況を判断し、その状況に応じて、複数の制御則１１Ｂ〜１３Ｂを切換える。
【００９１】
推定・制御則切換装置２０Ｂは、システム故障情報３４に基づいて、複数の制御則１１Ｂ〜１３Ｂを切換える。
【００９２】
推定・制御則切換装置２０Ｂは、制御装置（制御則）に対する入力３５ａと、制御対象のセンサ情報３５ｂと、外部情報とを含む入力データ３５に基づいて、複数の制御則１１Ｂ〜１３Ｂを切換える。
【００９３】
制御システム１０Ｂの動作については、図４を参照して前述した、飛行制御システム１０の動作に準じるので、ここでの説明を省略する。
【００９４】
【発明の効果】
本発明の制御システムによれば、各種条件において、常に最大レベルの運動能力を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の制御システムの一の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】  本発明の航空機・宇宙機の飛行制御システムの一の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図３】  本発明の車両の運動制御システムの一の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図４】  本発明の制御システムの一の実施の形態において、推定・制御則切換装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】  本発明の制御システムの一の実施の形態において、推定・制御則切換装置の動作の一部を説明するための模式図である。
【図６】  従来の航空機・宇宙機の飛行制御システムの制御則の構成を示すブロック図である。
【図７】  従来の自己修復制御則ないし再構成制御則の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０  飛行制御システム
１１  第１の制御則
１２  第２の制御則
１３  第３の制御則
１４  システム故障情報
１５  入力データ
１５ａ  飛行制御装置に対する入力
１５ｂ  機体運動のセンサ情報
１５ｃ  大気情報
１６  制御出力
１６ａ  各舵面への舵角のコマンド
１６ｂ  スラストの方向を示すコマンド
１６ｃ  スラストの出力量を示すコマンド
１８  切換スイッチ
１９  切換スイッチ
２０  推定・制御則切換装置
２２  切換コマンド
２３  切換コマンド
２４  制御則切換アルゴリズム
２５  システム制御状態の推定アルゴリズム
３１  制御則
３２  制御則からの出力
３３  分配器
４０  観測量
Ｋ  パラメータ
δｅ  エレベータ舵面の舵角
δａ  エルロン舵面の舵角
δｒ  ラダー舵面の舵角
【図１】
0003637326.tif 000002
【図２】
0003637326.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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