(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛行のためのロータを有する飛行体の飛行制御装置であって、
人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際において、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢及び速度を設定閾値と比較して要危険回避状態となっていると判定した場合に、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行うモード切替制御部と、
前記モード切替制御部により自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成する危険回避制御部と、
前記危険回避制御部による操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する待機飛行制御部と、を備えた
飛行制御装置。
【請求項２】
前記モード切替制御部は、前記待機飛行制御部による操縦信号によって飛行が行われている際において、外部の操縦装置からの要求信号を認識することに応じて、手動制御モードに切り替える制御を行う
請求項１に記載の飛行制御装置。
【請求項３】
前記モード切替制御部は、前記待機飛行制御部による操縦信号によって飛行体が設定した特定位置に到達した後においてのみ前記要求信号を受け付ける
請求項２に記載の飛行制御装置。
【請求項４】
飛行体が設定した飛行範囲から逸脱する可能性を予測した予測計算結果から要危険回避状態か否かを判定する予測計算部を備え、
前記危険回避制御部は前記予測計算部から要危険回避の判定を取得した場合に飛行範囲からの逸脱を防止するための飛行を実行させる操縦信号を生成する機能を備え、
飛行範囲からの逸脱を防止するための飛行を実行させる操縦信号に応じた飛行で飛行範囲からの逸脱の防止が行われたと判定された後に、前記待機飛行制御部により飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の飛行制御装置。
【請求項５】
飛行のためのロータを有する飛行体の飛行制御方法であって、
人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際において、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢及び速度を設定閾値と比較して要危険回避状態となっていると判定した場合に、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行い、
自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成し、
前記危険回避のための飛行を実行させる操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する
飛行制御方法。
【請求項６】
飛行のためのロータを有する飛行体であって、
飛行体の飛行状態又は飛行位置を検出するセンサ部と、
飛行動作を実現するための１又は複数のアクチュエータと、
前記アクチュエータに対して、人の操縦操作に応じた操縦信号と、自動操縦による操縦信号を選択的に供給する切替器と、
飛行制御装置と、を備え、
前記飛行制御装置は、
人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際において、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢及び速度を設定閾値と比較して要危険回避状態となっていると判定した場合に、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行うモード切替制御部と、
前記モード切替制御部により自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成する危険回避制御部と、
前記危険回避制御部による操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する待機飛行制御部と、を備えている
飛行体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は無人ヘリコプタ等の飛行体と、飛行体の飛行制御装置及び飛行制御方法に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】特開２００９−９６３６９号公報
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】藤原大悟、他「GPSによる小型無人ヘリコプタの自律誘導制御・ホバリング制御」計測自動制御学会学会誌「計測と制御」Vol.44, No.4, pp.274-277 (2005)
【非特許文献２】Hing,J.T., Oh,P.Y., "Development of an Unmanned Aerial Vehicle Piloting System with Integrated Motion Cueing for Training and Pilot Evaluation,"  Journal of Intelligent and Robotic System, DOI 10.1007/s10846-008-9252-3(2008)
【非特許文献３】磯村直道, 他「シングルロータヘリの最適状態フィードバックによる5軸集中ホバリング制御」 第14回「運動と振動の制御」シンポジウム講演論文集, No.A309 (2015)
【背景技術】
【０００４】
小型無人ヘリコプタ等の飛行体は空撮や農薬散布などに積極的に利用され、今後も用途は拡大していく傾向にある。しかし飛行特性が本質的に不安定であり、操縦が難しく、物損事故や人身事故がたびたび起きている。このため、運用者の操縦訓練やアシストが重要な課題となっている。この課題に対処する従来技術・製品には次のようなものがある。
【０００５】
［従来技術１］
特許文献１や非特許文献１に開示された技術は、機体にマイコンやセンサから構成される飛行制御装置を搭載し、この装置に組み込まれた飛行制御用ソフトウェアにより機体の飛行特性を常時安定化しつつ、操縦者の指令を受け付けてその指令通りに機体を動かすという動作を行うものである。
これにより、操縦者は操縦に熟練していなくても、ヘリコプタを思い通りに空中で移動させることが可能となる。ただし、これはあくまで熟練した操縦技能を不要にするという方向性であり、手動操縦の訓練・習熟を目的とはしていない。
【０００６】
［従来技術２］
非特許文献２に開示された技術は、人間の手動操縦の訓練を目的としている。訓練に実際の機体を用いるのではなく、計算機上で機体の動きを模擬してその様子をモニタ上に再現し、これを操縦者が見ながら、計算機に接続された操縦桿を操作して、あたかも実際の機体を操作しているかのような感覚が得られる、いわゆるフライトシミュレータを用いる方法である。
この方法を用いると、操縦訓練中の機体喪失や事故の危険を防ぐことが可能で、かつ訓練時間帯や場所を問わないことから、安全かつ効率的な訓練が可能である。
【０００７】
［従来技術３］
手動操縦の訓練のために実際の機体を用いる場合、１機の操縦に２台の操縦装置を用い、一方を熟練操縦者が、もう一方を被訓練者が持ち、被訓練者が操縦を失敗した際に操縦を熟練操縦者側へ切り替えて安全を確保するという訓練手法もある。
この方法は、実際の機体を用い、実環境で訓練できるため、最も訓練効果が高い。
この他、機体が操縦者から遠くに離れた際にスイッチ操作で元の位置へ自動帰還する製品や、操縦者が機体の姿勢を把握できなくなった際にスイッチ操作で姿勢を水平に戻す製品が実用化されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら上記の従来技術１〜３には小型無人ヘリコプタ等の飛行体の操縦訓練という観点からみると問題点がある。
上記の従来技術１に関して次の問題が指摘される。
ヘリコプタは突風にあおられたり、機体や制御装置に運用中トラブルが発生したりするなどがしばしば起こり、このような非常時に安全を確保するため相変わらず人間による手動操縦が必要とされる場面が存在する。
特にヘリコプタの場合、高速回転するロータが人に当たって死亡災害を起こすこともしばしばある。しかし、従来技術１は未熟者による運用を前提としており、手動操縦の訓練・習熟を目的としていないため、手動操縦の技能向上には適していないという問題がある。
【０００９】
上記の従来技術２に関して次の問題が指摘される。
フライトシミュレータには、本質的に、実際の機体との運動特性の違いや視界の違いがある。そのため、フライトシミュレータだけでは訓練として不十分であるという問題があり、実際の機体を実環境で飛行させる訓練が欠かせない。
上記の従来技術３に関しては、常に熟練操縦者が帯同していなければならず、実際こうした恵まれた環境で訓練できるケースは極めて限られるという問題がある。
また、姿勢を水平に戻す装置は訓練補助として有用と考えられるものの、出過ぎてしまった速度を抑制するなど完全に安全な状態へ復帰させること、危険な状態であることを自動認識して人間の指示を待たずに安全確保を行うこと、訓練中に所定の飛行範囲から逸脱しそうになった場合に逸脱を防止すること、は不可能であり、操縦訓練中の安全確保には不十分であるという問題がある。
【００１０】
そこで本発明では、飛行体の操縦訓練としてこれらの問題点を解決できる手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】
【００１１】
本発明の飛行制御装置は、飛行のためのロータを有する飛行体の飛行制御装置であって、人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際において、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢及び速度を設定閾値と比較して要危険回避状態となっていると判定した場合に、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行うモード切替制御部と、前記モード切替制御部により自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成する危険回避制御部と、前記危険回避制御部による操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する待機飛行制御部と、を備える。
飛行体の操縦訓練等のために、手動制御モードではマニュアル操縦として人が飛行体の飛行を制御（操縦）できるようにする。この際に飛行制御装置は、例えば飛行状態や飛行位置から、飛行体が危険回避が必要な状態にあるか否かを判定する。そして要危険回避状態であると判定した場合は、自動制御モードとして自動操縦に切り替えて、危険回避のための飛行動作制御を行う。さらにその後、飛行体が空中待機するように制御する。
【００１２】
上記の飛行制御装置においては、前記モード切替制御部は、前記待機飛行制御部による操縦信号によって飛行が行われている際において、外部の操縦装置からの要求信号を認識することに応じて、手動制御モードに切り替える制御を行うことが考えられる。
危険回避後の例えば空中待機制御中に、例えば操縦者が用いる操縦装置からの要求信号に応じて、手動制御モードに復帰する。
【００１３】
上記の飛行制御装置においては、前記モード切替制御部は、前記待機飛行制御部による操縦信号によって飛行体が設定した特定位置に到達した後においてのみ前記要求信号を受け付けることが考えられる。
危険回避後において待機飛行制御部による制御が行われているときに、無条件で要求信号を受け付けて手動制御モードに復帰させるのではなく、特定の飛行位置に戻ることを条件として手動制御モードに復帰できるようにする。
【００１４】
上記の飛行制御装置においては、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢又は速度を、設定閾値と比較して、要危険回避状態か否かを判定することで、飛行体の姿勢や速度により、飛行体の墜落その他の危険状態に至ることを予測する。
【００１５】
上記の飛行制御装置においては、飛行体が設定した飛行範囲から逸脱する可能性を予測した予測計算結果から要危険回避状態か否かを判定する予測計算部と、予測計算結果から要危険回避の判定を取得した場合に飛行範囲からの逸脱を防止するための飛行を実行させる操縦信号を生成する機能を備えることが考えられる。
飛行体の飛行位置が、あらかじめ設定した飛行範囲を超えてしまうことで危険状態に至ることを予測する計算を行う。この計算結果により要危険回避状態であるか否かを判定できる。また、要危険回避状態であると判定された場合、飛行範囲からの逸脱を防止するための飛行を実行させる。この実行結果により、飛行範囲からの逸脱を防止することができる。
【００１６】
本発明の飛行制御方法は、飛行のためのロータを有する飛行体の飛行制御方法であって、人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際において、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢及び速度を設定閾値と比較して要危険回避状態となっていると判定した場合に、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行い、自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成し、前記危険回避のための飛行を実行させる操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する。
これにより、手動制御モードでの飛行の際に要危険回避状態であると判定した場合に、自動制御モードに切り替えて危険回避のための飛行動作制御を行い、さらにその後、飛行体が空中待機するようにする。
【００１７】
本発明の飛行体は、飛行のためのロータを有する飛行体であって、飛行体の飛行状態又は飛行位置を検出するセンサ部と、飛行動作を実現するための１又は複数のアクチュエータと、前記アクチュエータに対して、人の操縦操作に応じた操縦信号と、自動操縦による操縦信号を選択的に供給する切替器と、飛行制御装置と、を備える。前記飛行制御装置は、人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際において、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢及び速度を設定閾値と比較して要危険回避状態となっていると判定した場合に、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行うモード切替制御部と、前記モード切替制御部により自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成する危険回避制御部と、前記危険回避制御部による操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する待機飛行制御部と、を備えている
このような飛行体は、操縦訓練に適した飛行体として用いることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、実機を使って、しかも非習熟者でも危険がない訓練ができるという効果があり、飛行体の操縦訓練として好適な飛行制御システム、或いは飛行体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態の飛行体の構成のブロック図である。
【図２】実施の形態の制御計算用ＣＰＵのソフトウェア構成の説明図である。
【図３】実施の形態の危険回避制御部のソフトウェア構成の説明図である。
【図４】実施の形態の予測計算用ＣＰＵのソフトウェア構成の説明図である。
【図５】実施の形態の制御計算用ＣＰＵの処理例のフローチャートである。
【図６】実施の形態の制御計算用ＣＰＵの他の処理例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、飛行体として、無線操縦型の小型無人ヘリコプタを例に挙げて実施の形態を説明する。無線操縦について、以下「ＲＣ」と表記し、実施の形態の無線操縦型の小型無人ヘリコプタを、以下「ＲＣヘリコプタ」と表記する。ＲＣヘリコプタは地上で操縦者がＲＣ送信機を使用して操縦する。
【００２１】
＜１．ハードウェア構成＞
以下では、図１によりＲＣヘリコプタのハードウェア構成を説明し、また要部のソフトウェアについて図２〜図６により説明する。
本実施の形態のＲＣヘリコプタシステムでは、人間による操縦訓練中、機体に搭載したセンサ、制御計算用ＣＰＵおよび予測計算用ＣＰＵを用いて、機体の未来の運動を予測して機体が予め設定した安全な飛行範囲内で訓練を継続できるかどうかを判定する。また、機体の現在の姿勢や速度が過大でないかどうかを判定する。そして、これらの判定において機体が危険な飛行状態に陥ると判断された場合（要危険回避状態）に、自動的に安全を確保する自動制御状態に切り替えて飛行を制御し、危険を回避する。また、姿勢を大きく崩した状態から安全な状態へ復帰させるため、これに特化した制御手法を適用する。このような工夫により、未熟者一人による安全かつ効率的な操縦訓練を可能とし、従来の問題を解決するものである。以下、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図１に示すように、ＲＣヘリコプタ１は、その機体内に、センサ部２、各種のアクチュエータ３（３ａ〜３ｅ）、ＲＣ信号切替器４、制御計算用ＣＰＵ５、予測計算用ＣＰＵ６、ＲＣ受信器７を有する。
【００２３】
アクチュエータ３（３ａ〜３ｅ）は飛行体の飛行動作を実行するためのロータやブレードのピッチ等の駆動系のアクチュエータである。
ＲＣ受信器７はＲＣ送信器８からの操縦信号を受信する。
操縦者がＲＣ送信機８で機体１を操縦する操作を行うと、操縦信号は無線によりＲＣ受信機７へ送られ、電気信号に変換されてアクチュエータ３へ送られ、アクチュエータ３が機体の舵を操作することで飛行する。
以上は一般的なＲＣヘリコプタと同じ構成要素である。
【００２４】
本実施の形態のＲＣヘリコプタ１は、センサ部２、ＲＣ信号切替器４、制御計算用ＣＰＵ５、予測計算用ＣＰＵ６を搭載している点が、一般的なＲＣヘリコプタと異なる。
センサ部２はＲＣヘリコプタ１としての機体の飛行状態を計測する各種センサを示している。具体的には慣性センサ、ＧＰＳ（Global Positioning System）センサ、回転速度センサ等を搭載している。
ＲＣ信号切替器４は、ＲＣ受信器７およびアクチュエータ３の信号を分岐する。本例の場合、ＲＣ受信器７からの操縦信号と、制御計算用ＣＰＵ５からの操縦信号が、制御計算用ＣＰＵ５内で選択されてＲＣ信号切替器４に供給される。ＲＣ信号切替器４は、その供給された操縦信号をアクチュエータ３に供給する。
【００２５】
制御計算用ＣＰＵ５は、センサ部２およびＲＣ信号切換器４から送られる情報をもとに各種計算を行う。具体的には制御計算用ＣＰＵ５は、飛行制御装置としての制御・演算処理を行う。即ち制御計算用ＣＰＵ５は、人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際に、要危険回避状態との判定結果に応じて、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードとするモード切替制御を行う。また制御計算用ＣＰＵ５は、モード切替制御により自動制御モードに切り替えられた状態で危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成する危険回避制御処理を行う。さらに制御計算用ＣＰＵ５は、危険回避制御処理による操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定した後に、飛行体を空中待機状態とするための操縦信号を生成する待機飛行制御処理を行う。
【００２６】
予測計算用ＣＰＵ６は各種予測計算を行う。例えばＲＣヘリコプタ１の飛行が、設定した飛行範囲から逸脱する可能性を予測する計算を行う。
なお、制御計算用ＣＰＵ５と予測計算用ＣＰＵ６はひとまとめにしてもよい。また、予測計算用ＣＰＵ６の搭載場所は必ずしも機体上でなくてもよく、例えばＲＣ送信器８内に搭載して、計算結果の情報を制御計算用ＣＰＵ５に提供できる構成としてもよい。
【００２７】
＜２．制御計算用ＣＰＵ５のソフトウェア構成＞
図２は制御計算用ＣＰＵ５に搭載するソフトウェア５１の構成である。
図２ではソフトウェアとして実現される各機能を仮想的にブロック化して示している。即ち状態計算部５２、危険回避制御部５３、待機飛行制御部５４、モード切替制御部５５、信号選択器５６である。なお後述する図３、図４もソフトウェアによって実行される機能をブロック化して示している点は同様である。
また、これらのソフトウェア機能がそれぞれハードウェアにより実現されてもよい。
【００２８】
図２において、状態計算部５２は、センサ部２から送られてくる情報をもとに、機体の現在の姿勢・角速度・位置・速度およびメインロータ回転速度を計算する。
危険回避制御部５３は、機体を危険な飛行状態から安全な飛行状態へ復帰させるための制御則の計算部であり、詳細は後述する。
待機飛行制御部５４は、機体のホバリング（空中停止）状態を自動的に保つための制御則の計算部である。待機飛行制御部５４は、例えば先に挙げた非特許文献３に示された手法を用いて構成することが可能である。
【００２９】
モード切替制御部５５は、人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードと、制御計算用ＣＰＵ５が生成する操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードとを切替制御する。
本例では特に自動制御モードにおいて危険な飛行状態から復帰させる危険回避制御モードと、ホバリングにより空中待機する待機飛行制御モードがある。従ってモード切替制御部５５は、手動制御モードと、自動制御モードにおける危険回避制御モードと、同じく自動制御モードにおける待機飛行制御モードとの３つのモードを自動的に選択するモード切替則とされている。詳細は後述する。
【００３０】
信号選択器５６は、モード切替制御部５５でのモード選択に基づき、３つの入力信号から１つを選択して出力する信号選択器である。端子５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃは仮想的な端子として示している。端子５６Ａは、危険回避制御部５３によって生成された操縦信号を選択する状態を表している。端子５６Ｂは、待機飛行制御部５４によって生成された操縦信号を選択する状態を表している。端子５６Ｃは、ＲＣ受信器７で受信した操縦信号を選択する状態を表している。
端子５６Ｃが選択された場合、機体は人間が手動操縦する状態となり、通常はこの状態で操縦訓練が行われる。端子５６Ａまたは端子５６Ｂが選択された場合、機体は人間の手動操縦を介さず、危険回避制御部５３または待機飛行制御部５４に内蔵された制御則により自動制御された状態になる。
【００３１】
図３は、危険回避制御部５３の詳細である。
状態推定器５３１において、ＲＣヘリコプタ１の運動を決定する変数のうち直接計測できないものを推定し、制御器５３２内の各制御器へ渡す。
制御器５３２には、角速度制御器５３３、回転速度制御器５３４、姿勢制御器５３５、推力制御器５３６、速度制御器５３７がある。これらの各制御器（５３３〜５３７）は、状態推定器５３１などからの情報に基づきＲＣヘリコプタ１の操舵量を決定し、コマンド分配則５３８にてアクチュエータ指令値に変換して出力する。
目標値計算器５３９は、ＲＣヘリコプタ１の飛行速度に対する目標値を計算する。
【００３２】
状態推定器５３１は、ＲＣ信号切換器４から送られてくる操舵量の情報｛ｕSWM1，ｕSWM2，ｕSWM3，ｕDIR，ｕTHR｝、および状態計算部５２から送られてくる機体の現在の３軸角速度｛ωＮＢ｝Ｂ＝[ｐＢ  ｑＢ  ｒＢ]Ｔ、姿勢ｑNB、速度｛ＶNB｝N、メインロータ回転速度Ωの各情報をもとに、下記（数１）のヘリコプタ飛行状態を記述する変数（以下、状態変数と呼ぶ）を算出する。算出のための数式は、例えば非特許文献３に示された手法を用いて構成することが可能である。
【００３３】
【数１】
0006600213.tif 000002
【００３４】
ここで、Ａ0FMR，Ａ1FMR，Ｂ1FMRは、それぞれメインブレードフラッピング角の定常成分、縦１次ハーモニック成分、横１次ハーモニック成分である。
Ａ0LMR，Ａ1LMR，Ｂ1LMRは、それぞれメインブレードリード・ラグ角の定常成分、縦１次ハーモニック成分、横１次ハーモニック成分である。
Ａ1FMRs，Ｂ1FMRsは、それぞれスタブライザブレードフラッピング角の縦・横１次ハーモニック成分である。
ｄSWM1，ｄSWM2，ｄSWM3，ｄDIRは、それぞれＳＷＭ１，ＳＷＭ２，ＳＷＭ３，ＤＩＲアクチュエータの舵角である。
【００３５】
角速度制御器５３３は次の（数２）により制御入力ｕa＝［ｕlat ｕlon ｕDIR］Tを計算する。ｕlatは左右方向、ｕlonは前後方向、ｕDIRはヨー方向の制御入力である。
なお、以下記号Δをつけた変数は、各変数が釣り合い飛行状態でとる値からの差分値であることを示すものである。
【００３６】
【数２】
0006600213.tif 000003
【００３７】
ここで、Δｘａ０はΔｘａの制御開始時の値、｛ΔωNBcmd｝Bは｛ΔωNB｝Bに対する目標値である。Ｈ0a，Ｆ0a，Ｆ1a，Ｇaは制御ゲイン行列であり、一般によく知られた最適制御理論などを用いて定めることが可能である。
【００３８】
回転速度制御器５３４は（数３）により回転速度の制御入力ｕTHRを計算する。
【００３９】
【数３】
0006600213.tif 000004
【００４０】
ここで、ＫpΩ，ＫiΩは、それぞれ制御ゲインである。
【００４１】
推力制御器５３６は（数４）により推力の制御入力ｕcoll計算する。
【００４２】
【数４】
0006600213.tif 000005
【００４３】
ここで、ＴZBcmdは推力目標値のＺ軸（機体鉛直方向）成分、ＴZBtrmは釣り合い飛行状態における推力のＺ軸（機体鉛力方向）成分、ＫpTzは制御ゲインである。
【００４４】
姿勢制御器５３５は、（数５）により｛ΔωNBcmd｝Bを計算する。
【００４５】
【数５】
0006600213.tif 000006
【００４６】
ここで、ｑｅは後述の速度制御器５３７で計算される誤差クォータニオン、Ｋｐｑは制御ゲイン、ｑＮＣは目標の機体姿勢を表すクォータニオン（四元数）、“ｑ”の上に“・”を付したｑＮＣはｑＮＣの時間微分、ｑＮＢは現在の機体姿勢を表すクォータニオン（四元数）である。
【００４７】
速度制御器５３７は、（数６）によりｑeを計算する。
【００４８】
【数６】
0006600213.tif 000007
【００４９】
ここで、ＴBtrmは釣り合い飛行状態における機体の推力を機体座標系で表現したベクトル、ｇNは重力加速度を地面座標系で表現したベクトル、ｍは機体の質量、｛ＶNB｝Nは機体の現在速度を地面座標系で表現したベクトル、｛ＶNBcmd｝Nは｛ＶNB｝Nに対する目標値、ＫpVは制御ゲインである。
【００５０】
＜３．予測計算用ＣＰＵ６のソフトウェア構成＞
図４は、予測計算用ＣＰＵ６に搭載するソフトウェア６１の構成である。
状態推定器６２、制御器６３、コマンド分配則６４、目標値計算器６６には、それぞれ制御計算用ＣＰＵ５の状態推定器５３１、制御器５３２、コマンド分配則５３８、目標値計算器５３９と同じソフトウェアが入っている。
【００５１】
機体運動モデル６５は、ヘリコプタの運動を数式で記述したものが含まれており、ヘリコプタの運動を計算上で再現することが出来る。
機体運動モデル６５は、一定時間おきに制御計算用ＣＰＵ５の状態推定器５３１から出力される情報により初期化する。その後、この初期化した状態においてＲＣヘリコプタ１の機体が予め設定した飛行範囲を出そうになったと仮定して、機体運動モデル６５が予め設定した飛行範囲を出ないように制御する計算機シミュレーションを数秒先まで行う。このシミュレーションは状態推定器６２、制御器６３、コマンド分配則６４、目標値計算器６６を用いて行う。
このシミュレーションの間に、機体運動モデル６５が予め設定した飛行範囲の境界線に触れた場合、実際のＲＣヘリコプタ１の機体もこの飛行範囲の境界線に触れる、つまり、飛行範囲を出るおそれがあると判断し、ＯＮ／ＯＦＦ判定器６７はＯＮ信号を出力する。それ以外の場合はＯＮ／ＯＦＦ判定器６７はＯＦＦ信号を出力する。
【００５２】
＜４．モード切替処理＞
図５により、モード切替制御部５５による制御モードの切り替え処理を含む制御計算用ＣＰＵ５の処理を説明する。
手動操縦による操縦訓練を開始した時点では、モード切替制御部５５はステップＳ１０１で信号選択器５６の端子５６Ｃを選択する。即ち手動制御モードとして、ＲＣ受信器７で受信した操縦信号を選択する。従って、信号選択器５６からＲＣ信号切替器４には、ＲＣ送信器８での人の操作に応じた操縦信号が供給され、これがアクチュエータ３に供給される。
【００５３】
手動制御モードとしている間、モード切替制御部５５は、ステップＳ１０２で予測計算用ＣＰＵ６からのＯＮ信号を監視している。ＯＮ信号は、上述の通り、機体運動モデル６５によりＲＣヘリコプタ１が飛行範囲を出るおそれがあると判断されたときに、ＯＮ／ＯＦＦ判定器６７が出力する信号である。従ってステップＳ１０２の判断は、飛行範囲の逸脱という危険が予測されることで、要危険回避状態となったか否かを判断する処理となる。
【００５４】
また手動制御モードとしている間、モード切替制御部５５はステップＳ１０３で、状態計算部５２からの情報として得られる現在の機体の姿勢・速度が設定した閾値より大きいか否かを監視している。このステップＳ１０３の判断は、現在の機体の姿勢や速度が、墜落又は制御不能に至ることが予測される状態となっているか否かという点で、要危険回避状態であるか否かを判断する処理となる。
【００５５】
ステップＳ１０２，Ｓ１０３のいずれかで要危険回避状態であると判断された場合、モード切替制御部５５はステップＳ１０４で、信号選択器５６の端子５６Ａを選択する。即ち自動制御モードとして、危険回避制御部５３が図３のソフトウェアにより生成した操縦信号を選択する。従って、信号選択器５６からＲＣ信号切替器４には、危険回避制御部５３が生成した操縦信号が供給され、これがアクチュエータ３に供給される。
これによりＲＣヘリコプタ１は自動的に手動操作が無効とされ、自動操縦により危険回避が行われる。例えば姿勢の安定化、速度の適正化を行い、機体の飛行安全を確保する。
【００５６】
そして、ステップＳ１０５で機体の現在の姿勢・速度の両方がある閾値以下に収束したと確認された時点で、モード切替制御部５５はステップＳ１０６において信号選択器５６の端子５６Ｂを選択する。即ち引き続き自動制御モードとして、待機飛行制御部５４が生成した操縦信号を選択する。従って、信号選択器５６からＲＣ信号切替器４には、待機飛行制御部５４が生成した操縦信号が供給され、これがアクチュエータ３に供給される。待機飛行制御部５４が生成する操縦信号は、例えばホバリング状態を維持する操縦信号である。なお、飛行範囲の逸脱の場合も想定するため、待機飛行制御部５４による操縦信号は、所定の飛行位置まで戻る飛行を行い、当該所定の位置においてホバリングを行うような操縦信号であってもよい。これらのような操縦信号によりＲＣヘリコプタ１は空中でホバリング状態で待機することになる。
【００５７】
待機状態においては、モード切替制御部５５はステップＳ１０７で操縦者の操作に基づく手動制御モードへの復帰の要求信号を待つ。
操縦者は、ＲＣ送信器８を操作して、訓練再開の要求信号をＲＣヘリコプタ１に送信できる。モード切替制御部５５は要求信号を受けることに応じて、ステップＳ１０１に戻り、信号選択器５６を端子５６Ｃ、即ち手動制御モードに戻す。これにより手動操縦による操縦訓練が再開できることになる。
【００５８】
図６は図５の変形例である。図６において図５と異なるのはステップＳ１０６，Ｓ１０７の間にステップＳ１１０を設けている点であるため、この処理についてのみ説明する。
モード切替制御部５５はステップＳ１０６において、待機飛行制御部５４が生成した操縦信号を選択する。この場合の操縦信号は、所定の飛行位置まで戻る飛行を行い、当該所定の位置においてホバリングを行うような一連の操縦を行う操縦信号であるとする。
ステップＳ１１０では、この操縦信号に応じた飛行の過程で、状態計算部５２から提供される現在位置情報を監視し、所定の飛行位置（目標位置）にまで戻ったか否かを判断している。そして目標位置まで戻るまでは、ステップＳ１０７に進まない。
従って、目標位置に戻った後において、ステップＳ１０７の要求信号を受け付け、訓練を再開可能とするものである。
【００５９】
＜５．まとめ＞
以上の実施の形態のＲＣヘリコプタ１は、制御計算用ＣＰＵ５として飛行制御装置を備えている。制御計算用ＣＰＵ５（飛行制御装置）は、人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際に、要危険回避状態との判定結果に応じて、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行うモード切替制御部５５を有する。
また制御計算用ＣＰＵ５はモード切替制御部５５により自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成する危険回避制御部５３と、危険回避制御部５３による操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中待機状態とするための操縦信号を生成する待機飛行制御部５４を備えている。
即ち飛行体の操縦訓練等のために、手動制御モードではマニュアル操縦として人が飛行体の飛行を制御（操縦）できるようにする。そしてその際に要危険回避状態であると判定された場合は、自動制御モードとして自動操縦に切り替えて、危険回避のための飛行動作制御を行う。さらにその後、飛行体が空中待機するように制御する。
このように人の操縦による飛行時に、危険が予測され危険回避が必要と判定された場合、自動操縦によって危険回避が行われるため、操縦訓練などにおいて事故の発生を防止でき、非習熟者による操縦においても安全性を担保できる。
また危険回避後において空中待機させることで、安全を確保した状態で引き続き訓練飛行を継続でき、効率的な訓練が可能となる。
【００６０】
また実施の形態では、モード切替制御部５５は、待機飛行制御部５４による操縦信号によって飛行が行われている際において、外部の操縦装置（ＲＣ送信器８）からの要求信号を認識することに応じて、手動制御モードに切り替える制御を行うようにしている（図５のＳ１０７→Ｓ１０１）。
これにより安全な状態になった後に、操縦訓練等のための手動操縦に切り替えることができる。
【００６１】
また図６で説明したように、モード切替制御部５５は、待機飛行制御部５４による操縦信号によって飛行体が予め設定した特定位置に到達した後においてのみ要求信号を受け付けるようにしてもよい。即ち危険回避後において待機飛行制御部５４による制御が行われているときに、無条件で要求信号を受け付けて手動制御モードに復帰させるのではなく、特定の飛行位置に戻ることを条件として手動制御モードに復帰できるようにする。このように特定の飛行位置に戻るまでは手動制御モードに復帰させないようにすることで、より飛行範囲の逸脱に対する安全性を高めることができる。
【００６２】
また制御計算用ＣＰＵ５は、ＲＣヘリコプタ１に搭載されているセンサ部２の検出信号から得られる飛行体の姿勢又は速度を、設定閾値と比較して、要危険回避状態か否かを判定する（Ｓ１０２）。
これにより、例えば未熟な操縦による飛行体の墜落事故等の危険状態に至ることを予測でき、自動制御モードによる危険回避制御が可能となる。
【００６３】
また実施の形態の構成では、ＲＣヘリコプタ１が設定した飛行範囲から逸脱する可能性を予測した予測計算結果から要危険回避状態か否かを判定する予測計算部（予測計算用ＣＰＵ６）を備えている。
ＲＣヘリコプタ１の飛行位置が、あらかじめ設定した飛行範囲を超えてしまうことで危険状態に至ることを予測する計算結果により要危険回避状態であるか否かを判定できる。これにより、例えば未熟な操縦による飛行範囲逸脱を回避することが可能となる。
【００６４】
実施の形態のＲＣヘリコプタ１は、以上のような飛行制御装置（制御計算用ＣＰＵ５、予測計算用ＣＰＵ６）とともに、ＲＣヘリコプタ１の飛行状態又は飛行位置を検出するセンサ部２と、飛行動作を実現するためのアクチュエータ５と、アクチュエータに対して、人の操縦操作に応じた操縦信号と、自動操縦による操縦信号を選択的に供給する切替器（４，５６）とを備える。
このような飛行体は、操縦訓練に適した飛行体として好適である。即ち、実機を使って、しかも非習熟者でも危険がない訓練が可能となる。
【００６５】
実施の形態のＲＣヘリコプタ１のシステムによれば、無人ヘリコプタの操縦訓練において、フライトシミュレータではなく実際の機体を用いながら、熟練操縦者の支援を必要としない操縦訓練が可能になる。搭載したセンサ部２や飛行制御装置（制御計算用ＣＰＵ５）が熟練操縦者の代わりとなる。そのため、熟練操縦者が身近にいない環境でも実際の機体を用いた訓練が可能になる。
また、被訓練者が自分のペースで訓練を行うことができ、自身の都合や上達度合いに応じた柔軟かつ効率的な訓練スケジュールの設定が可能になる。
また、実施の形態のＲＣヘリコプタ１のシステムによれば、操縦訓練時の安全性が飛躍的に高まる。従来技術では、操縦訓練中に姿勢が崩れた際、操縦者の操作により自動的に元に戻す機能を持つものはあったが、速度の抑制はできず、所定の飛行範囲の外へ出る可能性があり、また、危険な状態であるか否かはあくまで人間が判断していたため、復帰操作が遅れると事故に至る危険性があった。実施の形態のＲＣヘリコプタ１のシステムによれば、姿勢の復帰のみでなく速度の抑制を行って完全なホバリング状態へ戻すことができ、機体運動の予測に基づいて機体を所定の飛行範囲から出ることを防止し、危険な状態であるか否かの判断を自動で行って安全を確保することができるので、操縦訓練中の事故を大幅に減らせるものと期待できる。
これにより、操縦訓練の期間短縮やコスト低減に寄与し、また、今後需要が増えると見込まれる無人ヘリコプタ操縦者の効率的な育成に寄与する。
それに加えて、機体喪失や人身事故の危険を最小限にできることで、修理・賠償コストの低減はもちろん、飛行安全向上にも寄与し、無人ヘリコプタ操縦者育成・運用企業が果たすべき社会的責務の遂行にも貢献し、無人ヘリコプタ市場の拡大にも貢献するものと見込まれる。
【００６６】
本発明は、上述の実施の形態の構成に限らず、多様な変形例が考えられる。
例えば図１、図２の構成例では、ＲＣ送信器８で受信した操縦信号をＲＣ信号切替器４を介して制御計算用ＣＰＵ５に入力し、制御計算用ＣＰＵ５内（信号選択器５６）で操縦信号を選択する構成としたが、ＲＣ信号切替器４における選択動作により、手動制御モードと自動制御モードでの操縦信号の選択が行われてもよい。
また図５，図６の処理例ではステップＳ１０２の飛行範囲の逸脱予測の監視と、ステップＳ１０３の姿勢・速度の監視の両方を行って、いずれかに該当の場合に要危険回避状態としてステップＳ１０４の危険回避制御を行うものとしたが、ステップＳ１０２，Ｓ１０３のいずれか一方のみの監視処理を行うものであってもよい。
また、実施の形態はＲＣヘリコプタ１の例で説明したが、本発明は、ＲＣヘリコプタ以外の飛行体にも適用できることは当然である。
【符号の説明】
【００６７】
１  ＲＣヘリコプタ１、２  センサ部、３  アクチュエータ、４  ＲＣ信号切替器、５  制御計算用ＣＰＵ、６  予測計算用ＣＰＵ、７  ＲＣ受信器、８  ＲＣ送信器、５２  状態計算部、５３  危険回避制御部、５４  待機飛行制御部、５５  モード切替制御部、５６  信号選択器
【図１】
0006600213.tif 000008
【図２】
0006600213.tif 000009
【図３】
0006600213.tif 000010
【図４】
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【図５】
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【図６】
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