(57)【要約】  【課題】  ヘリコプタ機体の飛行中にエンジントラブルが発生し、メインロータに回転エネルギーが供給できなくなった場合においても、エンジントラブル発生の検知、及び安全着陸までのオートローテーション飛行を自律的に制御できるオートローテーション制御装置を提供する。  【解決手段】  メインロータの回転数からエンジントラブル発生の検知、あるいは各種制御部との接続の切替え制御を行う切替部１３０、エンジントラブル発生を判断した際に切替部１３０と接続され、メインロータの回転数について目標値に到達させる制御をする回転数制御部１１０、回転数が目標値に到達した際に切替部１３０と接続され、降下速度について制御する降下速度制御部１２０を備え、回転数制御部１１０及び降下速度制御部１２０は、ヘリコプタ機体の動特性を示す各種モデル式を基に取得する夫々のコレクティブピッチ角を用いて自律的に制御する。【選択図】  図１
2006335185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘリコプタ機体のメインロータの回転数からエンジントラブル発生の検知、あるいはオートローテーション制御を行う各種制御部との接続の切替え制御を行う切替部と、
前記エンジントラブル発生を判断した際に前記切替部と接続され、前記メインロータの回転数を目標値に到達させる制御を行う回転数制御部と、
前記メインロータの回転数が目標値に到達した際に前記切替部と接続され、ヘリコプタ機体の降下速度を目標値に到達させる制御を行う降下速度制御部とを備え、
前記回転数制御部及び前記降下速度制御部は、ヘリコプタ機体の動特性を示す各種モデル式を基に夫々のコレクティブピッチ角を演算し、当該コレクティブピッチ角を用いて自律的に制御することを特徴とする小型無人ヘリコプタ機体のオートローテーション制御装置。
【請求項２】
前記回転数制御部は、前記メインロータの回転数を取得し、ヘリコプタ機体の動特性を示す下記回転トルクモデル
【数１】
2006335185.tif 000007
及び下記誘導速度モデル
【数２】
2006335185.tif 000008
を基に、取得した前記メインロータの回転数を用いて回転トルクを演算し、前記演算した回転トルクから前記メインロータの回転数を目標値に到達させる第１のコレクティブピッチ角を取得することを特徴とする請求項１に記載の小型無人ヘリコプタ機体のオートローテーション制御装置。
【請求項３】
前記降下速度制御部は、前記ヘリコプタ機体の降下速度を取得し、ヘリコプタ機体の動特性を示す下記推力モデル
【数３】
2006335185.tif 000009
及び下記誘導速度モデル
【数４】
2006335185.tif 000010
を基に、取得した前記ヘリコプタ機体の降下速度を用いて推力を演算し、前記演算した推力から前記ヘリコプタ機体の降下速度を目標値に到達させる第２のコレクティブピッチ角を取得することを特徴とする請求項１に記載の小型無人ヘリコプタ機体のオートローテーション制御装置。
【請求項４】
ヘリコプタ機体のメインロータの回転数からエンジントラブル発生を検知する工程と、
前記検知したメインロータの回転数を目標値に到達させる制御を行う工程と、
前記メインロータの回転数が目標値に達した際に前記ヘリコプタ機体の降下速度を取得する工程と、
前記取得したヘリコプタ機体の降下速度を目標値に到達させる制御を行う工程とを有し、
前記メインロータの回転数を目標値に到達させる制御、及び前記ヘリコプタ機体の降下速度を目標値に到達させる制御は、ヘリコプタ機体の動特性を示す各種モデル式を基に夫々コレクティブピッチ角を演算し、当該コレクティブピッチ角を用いて自律的に制御することを特徴とする型無人ヘリコプタ機体のオートローテーション制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘリコプタ機体の飛行中に何らかの原因によりエンジントラブルが発生し、メインロータに回転エネルギーが供給できなくなった場合でも、オートローテーション（自動回転）飛行を自律的に制御することができる小型無人ヘリコプタ機体のオートローテーション制御装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘリコプタ機体は、前後、左右、上下方向の運動や空中静止（ホバリング）等、飛行機では実施するのが難しい行動範囲を有する機体であり、様々な場面で柔軟に活用できる可能性を有している。例えば、送電線点検のような高所で行う点検作業、災害現場での撮影作業、あるいは地雷を探知する作業等、有人が行うのには困難または危険な場所での活用が期待されている。近年、こうしたヘリコプタ機体の有効性に着目し、ヘリコプタ機体を予め与えられた目標値に向けて、自律的に飛行させるための研究がなされている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−１１８４９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ヘリコプタ機体はメインロータに回転エネルギーが供給されることにより、その飛行を維持しており、これは自律化した場合でも同様である。ヘリコプタ機体の飛行中、何らかの原因によりエンジントラブルが発生し、メインロータに回転エネルギーが供給できなくなった場合、ヘリコプタ機体は降下せざるを得なくなる。こうした場合、ヘリコプタ機体は破損してしまうだけでなく、人的被害も受けるおそれがある。ヘリコプタ機体を自律化する際には、このような不測の事態を考慮に入れ、メインロータに回転エネルギーが供給されなくなった場合でも、その被害を最小限に抑える手段を備えなければならない。
【０００４】
その手段としては、ヘリコプタ機体にパラシュートを搭載しておき、これを用いることにより、地上付近での降下速度を小さくする手段が考えられる。しかしながら、重量制限があるヘリコプタ機体には負担となり、これを小型化で実現するのは大変困難である。また、ヘリコプタ機体のメインロータやテールロータは降下時でも回転するので、パラシュートのロープがそれらに絡み付いてしまうおそれもある。さらに、パラシュートは外乱の影響を受けやすく、風がふいている場合には、その制御ができないという問題もある。
【０００５】
また、他の手段としては、自律飛行から手動操縦飛行に切り替え、オートローテーション飛行を行う手段も考えられる。オートローテーション飛行は、メインロータに回転エネルギーが供給できなくなった場合に、メインロータブレードのピッチ角を操作することにより、メインロータを風車のように自転させてヘリコプタ機体を滑空降下させる飛行である。ヘリコプタ機体のトランスミッションにはフリーホイリング・クラッチが組み込まれており、エンジントラブルが発生した場合でもメインロータは自転できるようになっている。自律飛行から手動操縦飛行に切り替えて、降下中においてメインロータブレードのピッチ角を操作し、メインロータの回転数を制御するとともに降下速度を制御することにより、地上付近で揚力を発生させて速度をゼロに近づけ、ヘリコプタ機体を安全着陸させることができる。しかしながら、オートローテーション飛行を素人が行うのは大変困難であるという問題があり、また、熟練した者であれば、オートローテーション飛行を行うことは可能であるが、常に飛行中のヘリコプタ機体を地上から監視していなければならず、自律飛行性の利点が失われるという問題がある。
【０００６】
このような問題に着目し、本発明は、ヘリコプタ機体の飛行中に何らかの原因によりエンジントラブルが発生し、メインロータに回転エネルギーが供給できなくなった場合においても、エンジントラブル発生の検知、及び安全着陸までのオートローテーション飛行を自律的に制御することができ、被害を最小限に抑えることができる小型無人ヘリコプタ機体のオートローテーション制御装置及び制御方法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】
【０００７】
本発明の小型無人ヘリコプタ機体のオートローテーション制御装置は、ヘリコプタ機体のメインロータの回転数からエンジントラブル発生の検知、あるいはオートローテーション制御を行う各種制御部との接続の切替え制御を行う切替部と、前記エンジントラブル発生を判断した際に前記切替部と接続され、前記メインロータの回転数を目標値に到達させる制御を行う回転数制御部と、前記メインロータの回転数が目標値に到達した際に前記切替部と接続され、ヘリコプタ機体の降下速度を目標値に到達させる制御を行う降下速度制御部とを備え、前記回転数制御部及び前記降下速度制御部は、ヘリコプタ機体の動特性を示す各種モデル式を基に夫々コレクティブピッチ角を演算し、当該コレクティブピッチ角を用いて自律的に制御するものである。
【０００８】
また、本発明の小型無人ヘリコプタ機体のオートローテーション制御方法は、ヘリコプタ機体のメインロータの回転数からエンジントラブル発生を検知する工程と、前記検知したメインロータの回転数を目標値に到達させる制御を行う工程と、前記メインロータの回転数が目標値に達した際に前記ヘリコプタ機体の降下速度を取得する工程と、前記取得したヘリコプタ機体の降下速度を目標値に到達させる制御を行う工程とを有し、前記メインロータの回転数を目標値に到達させる制御、及び前記ヘリコプタ機体の降下速度を目標値に到達させる制御は、ヘリコプタ機体の動特性を示す各種モデル式を基に夫々のコレクティブピッチ角を演算し、当該コレクティブピッチ角を用いて自律的に制御する方法である。
【発明の効果】
【０００９】
上記から明らかなように、本発明によれば、ヘリコプタ機体の飛行中に何らかの原因によりエンジントラブルが発生し、メインロータに回転エネルギーが供給できなくなった場合においても、エンジントラブル発生の検知、及び安全着陸までのオートローテーション飛行を自律的に制御することができ、被害を最小限に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本発明は、以下で説明する範囲に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲であれば、適宜に変更及び実施できるものである。
【実施例１】
【００１１】
以下、本実施例で用いる各ブロックの構成について簡単に説明する。はじめに、オートローテーション制御装置の内部構成について説明する。図１に示すように、オートローテーション制御装置１００は、その内部構成を大きく分けると、回転数制御部１１０、降下速度制御部１２０、切替部１３０を備えており、切替部１３０は、取得するセンサ情報のうち、メインロータの回転数が目標値に達しているか否かを監視し、目標値に達していないことを判断した場合には、何らかの原因によりエンジントラブルが発生したことを検知する。また、切替部１３０は、エンジントラブル発生を検知した後、オートローテーション制御を行う回転数制御部１１０あるいは降下速度制御部１２０との接続の切替え制御を行う。
【００１２】
また、回転数制御部１１０は、図２に示すように、メインロータの回転数を取得する回転数取得部２１０、ヘリコプタ機体の動特性を示すモデル式を基に、取得したメインロータの回転数を用いて回転トルクを演算する回転トルク演算部２２０、演算で求めた回転トルクを基に第１のコレクティブピッチ角を取得する第１のコレクティブピッチ角取得部２３０、及び回転数制御を行う際に用いるヘリコプタ機体の動特性を示すモデル式を格納している回転数制御モデル格納部２４０を備えている。ここで、回転数制御部１１０において取得し、出力される第１のコレクティブピッチ角とは、メインロータの回転数を目標値に到達させるためにメインロータブレードのピッチ角を調整する値である。
【００１３】
また、降下速度制御部１２０は、図３に示すように、降下速度を取得する降下速度取得部３１０、ヘリコプタ機体の動特性を示すモデル式を基に、取得した降下速度を用いて推力を演算する推力演算部３２０、演算で求めた推力を基にコレクティブピッチ角を取得する第２のコレクティブピッチ角取得部３３０、及び降下速度制御を行う際に用いるヘリコプタ機体の動特性を示すモデル式を格納している降下速度制御モデル格納部３４０を備えている。ここで、降下速度制御部１２０において取得し、出力される第２のコレクティブピッチ角とは、目標値に到達しているメインロータの回転数（回転エネルギー）を利用して、ヘリコプタ機体を安全着陸できる目標降下速度となるゼロに収束させるためにメインロータブレードのピッチ角を調整する値である。
【００１４】
以上がオートローテーション制御装置１００の構成である。オートローテーション制御装置１００は、ヘリコプタ機体１４に搭載する形態が基本となる。また、図４に示すように、ヘリコプタ機体１４に搭載されるその他の構成には、ヘリコプタ機体１４のメインロータの回転数や降下速度など、ヘリコプタ機体１４の状態を検出する各種センサ１１、オートローテーション制御装置１００から出力されるコレクティブピッチ角の制御値を制御信号に変換する制御信号処理部１２、制御信号に従って駆動するサーボモータ１３が備えられており、各種センサ１１、オートローテーション制御装置１００、制御信号処理部１２、サーボモータ１３、及びヘリコプタ機体１４の間で制御ループを構成している。
【００１５】
次に、図５を用いてオートローテーション制御装置１００の処理動作について説明する。オートローテーション制御装置１００の切替部１３０は、各種センサ１１に含まれるメインロータ回転数検出センサ（図示しない）からヘリコプタ機体１４のメインロータの回転数を取得し、回転数が目標値に達しているか否かを監視している。回転数が目標値に達していないと判断した場合には、何らかの原因によりエンジントラブルが発生しメインロータに回転エネルギーが供給できていないものと判断してオートローテーション制御を開始する（ＳＴＡＲＴ）。この時、切替部１３０は、回転数制御部１１０に接続してオートローテーション制御における回転数制御モードを開始させる。ステップ５０１では、現時点のメインロータの回転数を取得し、ステップ５０２では、取得した回転数が目標値に達しているか否かを判断する。現時点では目標値に達していないので、ステップ５０３に進む。ステップ５０３で、回転トルク演算部２２０はヘリコプタ機体の動特性を示す回転トルクモデル及び誘導速度モデルを基に、取得したメインロータの回転数を用いて回転トルクを演算する。回転トルクは、ヘリコプタ機体のメインロータの回転の原動力となるものであり、回転トルクを２回積分したものが、ほぼメインロータの回転数となる。また、回転トルクモデルは、取得したメインロータの回転数、推算される誘導速度及びメインロータのコレクティブピッチ角から、その時点の回転トルクを計算する数式モデルである。また、誘導速度モデルは、各種センサから得ることができない誘導速度を推算するため、取得したメインロータ回転数などを用いて、その時点の誘導速度を推算する数式モデルである。なお、回転トルクモデル及び誘導速度モデルは回転数制御モデル格納部２４０で管理されている。
【００１６】
【数１】
2006335185.tif 000003
【００１７】
【数２】
2006335185.tif 000004
【００１８】
つづいて、ステップ５０４では、演算で求めた回転トルクの値から第１のコレクティブピッチ角を取得する。すなわち、上記したように回転トルクとメインロータ回転数とは積分の関係にあり、また、回転トルクとメインロータのコレクティブピッチ角との関係は回転トルクモデル中に示されている。これらの関係を用いて所望のメインロータの回転数に到達するために必要なメインロータのコレクティブピッチ角（第１のコレクティブピッチ角）を演算する。そして、演算した第１のコレクティブピッチ角の値は制御信号処理部１２に出力されて制御信号に変換された後、これに従ってサーボモータ１３を駆動することにより、ヘリコプタ機体１４におけるメインロータブレード根元のコレクティブピッチ角を調整する。これが調整されるに伴い、降下中のメインロータの回転数も変化する。
【００１９】
その後、ステップ５０１に戻り、切替部１３０は、メインロータ回転数検出センサからヘリコプタ機体１４のメインロータの回転数を再度取得し、ステップ５０２では、取得した回転数が目標値に達しているか否かを再度判断する。回転数が目標値に達している場合は、ステップ５０５に進み、切替部１３０は降下速度制御部１２０に切り替えてオートローテーション制御における降下速度制御モードを開始させる。一方、回転数が目標値に達していない場合は、切替部１３０は回転数制御モードを継続し、目標値に達するまで上記と同じ処理を繰り返し行う。
【００２０】
ステップ５０５では、切替部１３０は、各種センサ１１に含まれる降下速度検出センサ（図示しない）からヘリコプタ機体１４の降下速度を取得し、ステップ５０６では、取得した降下速度が目標値に達しているか否かを判断する。ここでいう降下速度の目標値とは、ヘリコプタ機体を安全着陸させるのに必要な速度であり、限りなくゼロに近い値である。現時点では目標値に達していないので、ステップ５０７に進む。ステップ５０７で、推力演算部３２０はヘリコプタ機体の動特性を示す推力モデル及び誘導速度モデルを基に、取得したヘリコプタ機体の降下速度を用いて推力を演算する。推力は、ヘリコプタ機体が上昇及び下降するための原動力となるものであり、推力と重力との差を１回積分したものが、ほぼ機体降下速度となる。また、推力モデルは、取得したメインロータの回転数、推算される誘導速度及びメインロータのコレクティブピッチ角から、その時点の推力を計算する数式モデルである。また、誘導速度モデルは、各種センサから得ることができない誘導速度を推算するため、取得したメインロータ回転数などを用いて、その時点の誘導速度を推算する数式モデルである。なお、推力モデル及び誘導速度モデルは降下速度制御モデル格納部３４０で管理されている。
【００２１】
【数３】
2006335185.tif 000005
【００２２】
【数４】
2006335185.tif 000006
【００２３】
つづいて、ステップ５０８では、演算で求めた推力の値から第２のコレクティブピッチ角を取得する。すなわち、上記したように推力と機体降下速度とは積分の関係にあり、また、推力とメインロータのコレクティブピッチ角との関係は推力モデル中に示されている。これらの関係を用いて所望の機体降下速度に到達するために必要なメインロータのコレクティブピッチ角（第２のコレクティブピッチ角）を演算する。そして、演算した第２のコレクティブピッチ角の値は制御信号処理部１２に出力されて制御信号に変換された後、これに従ってサーボモータ１３を駆動することにより、ヘリコプタ機体１４におけるメインロータブレード根元のコレクティブピッチ角を調整する。これが調整されるに伴い、降下中のヘリコプタ機体の降下速度も変化する。
【００２４】
その後、ステップ５０５に戻り、切替部１３０は、降下速度検出センサからヘリコプタ機体１４の降下速度を再度取得し、ステップ５０６では、取得した降下速度が目標値に達したか否かを再度判断する。降下速度が目標値（ゼロ）に達した場合は、ヘリコプタ機体を安全着陸させることができるので、降下速度制御モードは終了し、これに従いオートローテーション制御全体の処理も終了する（ＥＮＤ）。一方、降下速度が目標値（ゼロ）に達していない場合は、切替部１３０は降下速度制御モードを継続し、目標値に達するまで上記と同じ処理を繰り返し行う。
【００２５】
以上、本実施例によれば、ヘリコプタ機体の飛行中に何らかの原因によりエンジントラブルが発生し、メインロータに回転エネルギーが供給できなくなった場合においても、エンジントラブル発生の検知、及び安全着陸までのオートローテーション飛行を自律的に制御することができ、被害を最小限に抑えることができる。
【００２６】
なお、本実施例のオートローテーション飛行は実験によって実証されている。その結果を図６に示す。最終的に降下率が約−１．５ｍ／ｓとなっており、安全着陸を実現することができた。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
以上の説明から明らかなように、本発明の小型無人ヘリコプタ機体のオートローテーション制御装置及び方法によれば、エンジントラブル発生の検知、及び安全着陸までのオートローテーション飛行を自律的に制御することができる。これにより、小型無人ヘリコプタ機体の自律化への信頼性と安全性の向上が期待され、送電線点検のような高所で行う点検作業、災害現場での撮影作業、あるいは地雷を探知する作業等、有人が行うのには困難または危険な場所での活用が大いに期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のオートローテーション制御装置の内部構成を示すブロック図
【図２】回転数制御部の内部構成を示すブロック図
【図３】降下速度制御部の内部構成を示すブロック図
【図４】本発明のオートローテーション制御装置を備えたヘリコプタ機体における制御ループ
【図５】本発明のオートローテーション制御装置における処理手順を示すフロー図
【図６】本発明のオートローテーション制御装置を用いたオートローテーション飛行の実験結果を示す図
【符号の説明】
【００２９】
１１  各種センサ
１２  制御信号処理部
１３  サーボモータ
１４  ヘリコプタ機体
１００  オートローテーション制御装置
１１０  回転数制御部
１２０  降下速度制御部
１３０  切替部
２１０  回転数制御部
２２０  回転トルク演算部
２３０  第1のコレクティブピッチ角取得部
２４０  回転数制御モデル格納部
３１０  降下速度取得部
３２０  推力演算部
３３０  第２のコレクティブピッチ角取得部
３４０  降下速度制御モデル格納部
【図１】
2006335185.tif 000011
【図２】
2006335185.tif 000012
【図３】
2006335185.tif 000013
【図４】
2006335185.tif 000014
【図５】
2006335185.tif 000015
【図６】
2006335185.tif 000016