(57)【要約】【課題】  気流の変化に対して模型航空機を安定した姿勢に保つ姿勢制御装置を提供すること。【解決手段】  アンテナ１４は、電波を受信する。受信機５１は、アンテナ１４を介して、機体を制御する制御信号を受信する。水平方向検出センサー２０ａは、機体の水平方向の傾きを検出する。垂直方向検出センサー２０ｂは、機体の垂直方向の傾きを検出する。フィードバック制御器５２は、受信機５１からの制御信号と、水平方向検出センサー２０ａによる傾きと、垂直方向検出センサー２０ｂによる傾きから機体が一定の姿勢で飛行していないと判断したとき、機体を一定の姿勢に保つための信号を出力する。この信号により、サーボモータ２１、２２、２３が機体を一定の姿勢に保つために動作する。【選択図】  図５
2008201183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波を受信するアンテナと、
前記アンテナを介して機体を制御する制御信号を受信する受信機と、
前記機体の水平方向の傾きを検出する水平方向検出センサーと、
前記機体の垂直方向の傾きを検出する垂直方向検出センサーと、
前記受信機からの前記制御信号と、前記水平方向検出センサーによる前記傾きと、前記垂直方向検出センサーによる前記傾きから前記機体が一定の姿勢で飛行していないと判断したとき、前記機体を前記一定の姿勢に保つための信号を出力するフィードバック制御器と、
前記信号により前記機体を前記一定の姿勢に保つために動作するサーボモータと、
を有する姿勢制御装置。
【請求項２】
前記水平方向検出センサーと前記垂直方向検出センサーは、前記機体の重心に配置した請求項１記載の姿勢制御装置。
【請求項３】
前記サーボモータは、前記機体に設けられたエルロン、昇降舵、方向舵のうち少なくも１つを動作させる請求項１又は２に記載の姿勢制御装置。
【請求項４】
前記サーボモータとは別の第２のサーボモータを有し、前記第２のサーボモータは、前記受信機の前記制御信号に基づいて前記機体に設けられたエンジンに対して前記エンジンの回転数を変化させるように動作する請求項１乃至３のいずれかに記載の姿勢制御装置。
【請求項５】
フィードバック制御器は、前記一定の姿勢が地上に対して水平方向となる姿勢に前記機体を保つように前記信号を出力する請求項１乃至４のいずれかに記載の姿勢制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の姿勢制御装置は、無線操縦で工業的に使用する模型、例えば写真撮影用航空機や肥料散布用の模型航空機に於いて風圧になどによる突然の応力によって姿勢が乱れることを防止する為の姿勢制御装置である。この装置を使用する主たる目的は、不可抗力により模型航空機の姿勢が乱れ、この航空機が墜落に至ったり、墜落による損害を防ぐ為の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
無線を用いて操縦を行う方法はラジオコントロール、通称ラジコンと呼ばれ、機器類を遠隔操作する方法として広く工業用として用いられている。ラジコンと言えば、模型の機器を遠隔操作すると言うイメージが強いが、模型と言え工業的に実用されている分野が多数存在する。一例として、模型飛行機や模型ヘリコプターを用いた航空写真撮影や薬剤や肥料の散布がそれにあたる。
【０００３】
航空写真撮影や薬剤等の散布には、有人の小型飛行機や小型ヘリコプターを使う例が多いが、これらの作業が狭い範囲で行われる場合は、有人飛行機やヘリコプターでは大きな規模になりすぎ、且つコスト的にも不利である。その様な場合に、模型飛行機や模型ヘリコプターが用いられる。模型飛行機は操縦装置として通常、送信機、受信機、サーボモータで構成されており、近年ではディジタルカメラを写真機として用いて、電気的信号又はサーボモータからの物理的な力でシャッターを切る構造になっている。模型ヘリコプターに於いても、同様の構成となっている。
【０００４】
ラジコンで操縦される模型航空機の操縦範囲は、一般的に送信機を中心に半径２ｋｍと言われているが、仮に翼長又は全長１．５メートルの模型航空機に上空に於いて、操縦者から５００メートル以上離れると、模型航空機の向きを操縦者が判別しにくくなる為、実質操縦範囲は操縦者から５００メートル以内と考えられる。高度に於いては、同様に地上から２００メートル以上離れると模型航空機の上昇、下降方向の判断が付かなくなるため、実質操縦高度は地上から２００メートルとなる。従って、模型航空機の操縦範囲は操縦者から半径５００メートル、高さ２００メートルの円柱型の範囲となる。この範囲は、有人の小型航空機のカバーする範囲と比較すると狭いが、操縦者にとって操縦範囲限界近傍を飛行する模型航空機を安定的に操縦することは難しいと考えられる。
【０００５】
例えば、操縦範囲限界近傍にある模型航空機で航空写真を撮影する場合、市販のラジコン装置では電波による通信が送信機から受信機への単方向であり、撮影装置の画像信号が操縦者に提供されない為、模型航空機に搭載された撮影装置がどこを見ているかは判断が難しい。また、模型飛行機はその大きさや重量が有人航空機と比較して小さい場合が多いので、気流の乱れなどで姿勢がばらつくことが大きい。
【０００６】
また、ラジコン模型のロール角制御装は、車体のロール角を制御する。このロール角制御装置は、車体２ のロール軸回りの回転角速度を検出するための振動ジャイロによる角速度センサー、直流アンプ、 マイクロコンピュータ及び操舵用アンプ等を備えている。
そして、ロール角制御動作は、先ずラジコン受信機 により入力されたロール角目標値から前記ロール角検出手段 で検出されたロール角を減算することにより、ロール角とロール角目標値との角度偏差を得る。この角度偏差 に比例定数 を乗じて得られた角速度目標値 から角速度を減算して角速度偏差を得る。そして、この角速度偏差 に比例定数を乗じて得られた電流を操舵用モータに出力する。これにより、前輪操舵部を介して前輪が操舵され、それに応じて車体がロールする。この際の車体のロール軸回りの回転角速度を角速度センサーで検出し、角速度を加え合せ点へフィードバックするとともに、角速度を積分して得たロール角を加え合せ点へフィードバックする（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−２０６５２号公報（００２１〜００２２段落参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
模型航空機の制御は、その模型航空機に操縦視野を映し出すカメラを装着し、その画像を操縦者に送信する方法が考えられるが、この方法だと模型航空機側への負担が大きい。市販されている多くの模型飛行機は、動力出力が大きくても３馬力程度のものであり、総重量が１０キログラム内外の機体しか飛ばせることができない場合が多い。しかも、航空機であることから重心の位置に制限があり、重心の位置を大きく移動させる機器は積み込むことができない。
【０００８】
反面、電波を用いて画像を送信するとなると、それに見合った電源を搭載しなければならず、結果として模型航空機の上空での動作時間を短くする結果となる。また、今の市販されているラジコン装置と異なり、双方向通信、しかも異なる２周波数を用いた全２重方式の無線通信が必要となる為、新たなラジコン装置を開発せざるを得ず、市販品を用いて安価に作業をすることが難しくなる。
【０００９】
模型航空機を操縦する操縦者は、熟練すると模型飛行機までの距離や高度を大凡であるが目測できると言われている。従って、模型飛行機の姿勢が本来の位置に制御されていれば、航空写真撮影及び薬剤等の散布に於ける作業については支障ないと考えられる。つまり、模型航空機を気流の変化でも姿勢を常に安定させる方法が必要となる。姿勢を安定させる手段と方法が、本発明が解決する課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明の姿勢制御装置は、電波を受信するアンテナと、前記アンテナを介して機体を制御する制御信号を受信する受信機と、前記機体の水平方向の傾きを検出する水平方向検出センサーと、前記機体の垂直方向の傾きを検出する垂直方向検出センサーと、前記受信機からの前記制御信号と、前記水平方向検出センサーによる前記傾きと、前記垂直方向検出センサーによる前記傾きから前記機体が一定の姿勢で飛行していないと判断したとき、前記機体を前記一定の姿勢に保つための信号を出力するフィードバック制御器と、前記信号により前記機体を前記一定の姿勢に保つために動作するサーボモータと、を有する。
【００１１】
操縦者は遠方にある模型航空機の姿勢を目視で判断することは難しい為、操縦者が細かい機体の姿勢の変化を能動的に制御することは不可能である。従って、変化に対して反対の変化を起こさせる様なフィードバックをかける必要がある。
【００１２】
本発明の姿勢制御装置は、前記水平方向検出センサーと前記垂直方向検出センサーが、前記機体の重心に配置されたものである。
【００１３】
本発明の姿勢制御装置のサーボモータは、前記機体に設けられたエルロン、昇降舵、方向舵のうち少なくも１つを動作させるようにするものである。
【００１４】
水平方向検出センサーと垂直方向検出センサーが機体における回転の方向と加速度の大きさを検知し、その値をロータの回転数に換算してフィードバックを掛けている。フィードバックの方法は、機体の進行方向に対する水平の変化に対し、その変化をキャンセルする方向にエルロンを動かす。また、垂直方向の変化に対し、その変化をキャンセルする方向に昇降舵（エレベータ）を動かすようにしてもよい。
【００１５】
本発明の姿勢制御装置は、前記サーボモータとは別の第２のサーボモータを有し、前記第２のサーボモータは、前記受信機の前記制御信号に基づいて前記機体に設けられたエンジンに対して前記エンジンの回転数を変化させるように動作するものである。
【００１６】
このフィードバックは、操縦者が行う操縦行為とは独立して行うようにする。操縦者が操縦行為を行った場合は、その操縦行為に対してフィードバックを掛けてはならない。
【００１７】
本発明の姿勢制御装置のフィードバック制御器は、前記一定の姿勢が地上に対して水平方向となる姿勢に前記機体を保つように前記信号を出力する。模型航空機を安定した姿勢、つまり主翼及び進行方向が大地に対して水平になる様に保つ。
【発明の効果】
【００１８】
ラジコンで遠隔操作する模型飛行機の操縦者にとって、遠方を飛行する模型飛行機の姿勢を気にする事無く目的の作業をすることができる、と同時に、地表近くを飛行する模型飛行機がウインドシアー等の大きな気流の乱れに遭遇したとき、操縦者の対応の遅れで模型飛行機が墜落して、飛行機自体への損傷や墜落した事に起因する被害等を回避することができる効果を持つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の姿勢制御装置を図面に基づいて説明する。図１は、姿勢制御装置を搭載した模型飛行機の側面図、図２は姿勢制御装置を搭載した模型飛行機の正面図を示す。
【００２０】
模型航空機１０は、翼幅１６５センチメートル、全長１５４センチメートルの高翼型の飛行機である。機体の材料は、機体を軽くする目的からバルサ材を主に、主翼１３、水平尾翼１５、垂直尾翼１６は、ポリエチレン製のフィルムを貼ったものを用いた。動力としては、４サイクルの７０型（１１．５立方センチメートル）のグローエンジン１１を用いて、プロペラ１８を回転させて推進力を得る。
また、無線操縦装置５０からの電波を受信するための受信空中線１４を気体側面に、離着陸用のタイヤ１９を機体下部にそれぞれ取り付けてある。模型航空機１０の重心１７は、主翼１３の下方に位置する。
【００２１】
無線操縦装置５０は、６チャンネル式のプロポショナル制御のものを４サーボモータで使用した。制御用のサーボモータは、エンジンスロットル（図示せず）、ラダー（方向舵）１６ａ、エレベータ（昇降舵）１５ａ及びエルロン１２の４つとした。
【００２２】
次に、姿勢の変化を検知するためのセンサーについて説明する。図３は、主翼上面から見たセンサーの搭載位置を示した図であり、図４は、主翼断面方向から見たセンサーの搭載位置を示した図である。
【００２３】
本実施例では、姿勢の変化を検知する為に、ジャイロセンサーを用いた。機体の向きは大地に平行であると言うのが前提で有るため、機体の進行方向に対して同一方向を検出するセンサー２０ａと、機体の進行方向に対して垂直方向を検出するセンサー２０ｂを配置した。
【００２４】
ジャイロセンサーの種類は機械式、光学式及び振動式の中から、小型軽量であると感度が充分とれて振動に強いことを条件に実験した結果、振動式のジャイロセンサーを用いることとした。２個のジャイロセンサー２０ａ、２０ｂを機体の重心点１７に配置した。
【００２５】
２個のジャイロセンサー２０ａ、２０ｂで検知した変化の値は、機体の進行方向に対して変化する場合は、サーボモータ（図示せず）を介して模型航空機１０のエレベータ（昇降舵）１５ａに、機体進行方向に対して垂直に変化する場合は、サーボモータ２１を介してエルロン１２に、それぞれフィードバックを掛けることとした。
【００２６】
ジャイロセンサー２０ａ、２０ｂは固定する目的と機体の重心位置１７に置く条件から、主翼内部に重心１７を挟んで前後に２個取り付けた。エンジン側が進行方向に対しての変移を関知するジャイロセンサー２０ａで、尾翼側が進行方向に対して垂直方向の変移を関知するジャイロセンサー２０ｂとした。
【００２７】
図５は、無線操縦装置の制御系を示す模式図である。フィードバック制御装置５２は、受信機５１と水平方向及び垂直方向の位置情報と変化量を検知するジャイロセンサー２０ａ、２０ｂから情報を受け取る。フィードバック制御装置５２は、受信機５１から受け取った信号で操縦者が操縦操作を行っている場合は、フィードバック機構をオフにする。２つのジャイロセンサー２０ａ、２０ｂから受け取った情報を元に、フィードバックする量とサーボモータを計算し、エルロン用フィードバック制御装置５３ａ、方向舵用フィードバック制御装置５３ｂ、昇降舵フィードバック制御装置５３ｃに、適時的にフィードバックをかける機能を持つ。エルロン用フィードバック制御装置５３ａ、方向舵用フィードバック制御装置５３ｂ及び昇降舵フィードバック制御装置５３ｃは、フィードバック制御装置５２のフィードバックする量に基づいて、エルロン制御用サーボモータ２１、方向舵制御用サーボモータ２２、昇降舵制御用サーボモータ２３を制御する。なお、エンジン制御用サーボモータ２４は、フィードバック制御装置５２からフィードバックを行わず、受信機５１から制御される。
【００２８】
本発明で用いたジャイロセンサー２０ａ、２０ｂは、常に機体の姿勢情報を出力し続けるが、そのフィードバック機構は次の２条件に於いては作動しない。一つは、本発明の姿勢制御方法を使用しない場合と、もう一つは図１の模型飛行機１０の操縦者が無線操縦装置５０の操作をし、模型飛行機１０に搭載されている受信機が、操縦者の操作を認識した場合である。但し、操縦者がエンジン１１に関する操作を行った場合に、エンジン１１のスロットル操作に関するフィードバックは行わないものとする。
【００２９】
次に、模型航空機を航空写真の撮影に用いた場合について説明する。模型航空機１０の総重量は、大凡４．０キログラムである。本実施例で用いたエンジン１１は、７０型グローエンジンであり、最高出力１．２馬力である。なお、加重負荷を加えない場合であれば、６５型グローエンジンで最高出力１．０馬力程度のエンジンが本実施例の機体には適切であるが、５００グラム程度の加重負荷が必要になる為に、規格より大型のエンジンを搭載した。本実施例での加重負荷は、ディジタルカメラの重量である。近年、デジタルカメラの解像度が向上して６００万画素の解像度を持ったカメラでもその重量が５００グラム以下のものが市販されており、本実施例では４７５グラムの重量で６００万画素の解像度を持つディジタルカメラを機体の重心１７の位置に搭載した。模型航空機１０にとって、４７５グラムは大きな加重負荷に当たる為、飛行中にディジタルカメラが移動して重心の位置が狂い、飛行に悪影響を与えるのを避ける為である。
【００３０】
模型飛行機１０が航空写真を撮影する際に、本発明の姿勢制御装置が操作される。先ず、一つ目は離陸と着陸時である。模型航空機１０はエンジン１１を高回転にし、滑走路から離陸する。地上付近は気流が不安定な為、姿勢制御を行なうことで安定して離陸できる。同様に、着陸時も機体を大地に対して水平に保つ事ができる為、安定的に機体を着陸させることができる。次は、操舵後の姿勢自動復元である。模型飛行機１０は、目的の場所に到達すると、機体の方向を変えて旋回させることがある。旋回は、エルロン１２を操作することで行うが、旋回後にエルロン１２を中立の状態に戻しても、模型飛行機１０は旋回の姿勢を続け、機体が元の姿勢に戻ることはない。機体を元の状態に戻す為には、エルロン１２を反対方向に操作して復元させるのが一般的であるが、本発明の姿勢制御装置がエルロン操作終了後に自動的に姿勢を水平に回復させる為、姿勢回復の為のエルロン操作が不要となる。同様に、機体の降下・上昇に付いても姿勢回復に関し同様の効果を得ることができる。
【００３１】
３つ目として、撮影を行う際の機体の位置の安定化である。本発明の写真撮影は操縦者の位置から離れた場所の上空から行うこともあり、模型飛行機１０が操縦者から離れた、例えば２００メートル以上離れると、操縦者が模型飛行機１０の飛ぶ方向や、機体の姿勢を把握することは難しくなる。姿勢制御は目視による操作を行わなければならず、正しい姿勢で撮影が行えたかの判定は模型飛行機１０の着陸後に撮影された写真を見て判断するしかなかった。本発明の姿勢制御装置を用いることで、機体を常に大地に水平状態に戻すことができる為に、撮影に関する失敗の確率を減らすことが可能となる。
【００３２】
次に、模型飛行機を用いて薬剤、例えば農薬又は肥料を散布する場合に付いて説明する。一般的に用いられている薬剤散布用の模型飛行機は、動体に薬剤を入れた容器を、翼の下に薬剤を散布するノズルを持っている。模型飛行機１０の離陸及び着陸時の姿勢制御や、旋回時や上昇・降下時の姿勢制御は、航空写真撮影の場合の効果と同じである。
【００３３】
薬剤を散布する場合は、模型飛行機１０が散布の際に飛行する高度を低く押さえる必要がある。目的は薬剤の飛散を押さえる為であるが、模型飛行機１０にとっては低空飛行を迫られることになる。模型飛行機１０の操縦に於いて難しい点は、模型飛行機１０が操縦者に向かって近づいて来る場合と操縦者から遠ざかる場合では、自分の思い通りに旋回させる為には方向舵１６ａ又はエルロン１２の操作が全く逆となる。例えば、近づいて来る模型飛行機１０を操縦者から見て右旋回させる為には、送信機の操縦棒を左に倒さなければならない。その逆として、遠のいて行く模型飛行機１０を操縦者から見て右旋回させるには、送信機の操縦棒を右に倒す必要がある。模型飛行機１０といえども、時速数１０キロメートルの速度で飛行する為、この変化が数秒の間に起こる。これが原因で、熟練の操縦者でも操縦を誤る可能性は否定できない。しかも、模型飛行機１０が低空飛行をしていた場合、操舵の誤りを補正する間も無く、墜落する危険性が多分にある。
この様な場合に、本発明の姿勢制御装置は墜落防止に有効な手段である。操縦者が散布を行いたい場所に、模型飛行機１０を操縦して来た場合、機体を水平に戻す操作は必要がない。本発明の姿勢制御装置のフィードバックが掛かって、自動的に水平飛行状態に戻る。水平飛行中の気流の乱れによる姿勢の乱れは自動補正される。従って、薬剤を地上に水平な状態で散布することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
商業用の目的に用いられる模型飛行機に於いて、その姿勢を地上に対して水平に保つ事で、飛行の安定装置としての機能と自動的に機体の姿勢を復元させることから、操縦に不慣れな初心者等の操縦補助装置としての利用の可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】姿勢制御装置を搭載した模型飛行機の側面図
【図２】姿勢制御装置を搭載した模型飛行機の正面図
【図３】主翼上面から見たセンサーの搭載位置を示した図
【図４】主翼断面方向から見たセンサーの搭載位置を示した図
【図５】無線操縦装置の制御系を示す模式図
【符号の説明】
【００３６】
１０  模型航空機
１１  エンジン
１２  エルロン
１３  主翼
１４  受信空中線
１５  水平尾翼
１５ａ  エレベータ（昇降舵）
１６  垂直尾翼
１６ａ  ラダー（方向舵）
１７  重心
１８  プロペラ
１９  タイヤ
５０  無線操縦装置
５１  受信機
５２  フィードバック制御器
【図１】
2008201183.tif 000003
【図２】
2008201183.tif 000004
【図３】
2008201183.tif 000005
【図４】
2008201183.tif 000006
【図５】
2008201183.tif 000007