(57)【要約】【課題】カイトプレーンを、簡易な制御装置または制御システムによって、飛行経路に沿って正確に自律飛行させる。【解決手段】飛行制御装置１００１が、目標飛行経路における目標高度の時間微分値に基づいて定常スロットル出力値を算出する一方、目標高度とカイトプレーンが実際に飛行している現在高度との差を高度誤差として算出し、さらにその高度誤差の時間微分値を算出し、高度誤差と高度誤差の時間微分値とに基づいてスロットル出力補正値を算出し、そのスロットル出力補正値によって定常スロットル出力値を補正してスロットル出力値を算出し、それに基づいてカイトプレーン１００１のスロットル制御を行う。【選択図】　　　図１
2004017743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機体に推進力を与えるためのスロットル装置と、機体のロール回りの運動姿勢を操縦するためのエルロンと、
機体のヨー回りの運動姿勢を操縦するためのラダーと、
機体のピッチング回りの運動姿勢を操縦するためのエレベータとを有する胴体と、下面側に前記胴体が吊り下げられて、対気速度に応じて揚力を発生する凧状の可撓翼と
を有するカイトプレーンと、
前記カイトプレーンを飛行させる目標の経路として定められた目標飛行経路の情報を記憶する情報記憶部と、
前記目標飛行経路における目標高度の時間微分値に基づいて定常スロットル出力値を算出する一方、前記目標高度と前記カイトプレーンが実際に飛行している現在高度との差を高度誤差として算出し、さらにその高度誤差の時間微分値を算出し、前記高度誤差と前記高度誤差の時間微分値とに基づいてスロットル出力補正値を算出し、そのスロットル出力補正値によって前記定常スロットル出力値を補正してスロットル出力値を算出し、それに基づいて前記スロットル装置におけるスロットル制御を行うことによって、前記カイトプレーンの実際の飛行高度を制御するスロットル制御系と、
前記カイトプレーンを飛行させる経路としてあらかじめ定められた目標飛行経路における目標水平位置と前記カイトプレーンが実際に飛行している現在水平位置との差を水平位置誤差として算出し、その水平位置誤差に基づいて前記エルロンの操舵角を算出し、それに基づいて前記エルロンの操舵角を制御することによって、前記カイトプレーンの水平方向での飛行位置の制御を行うエルロン制御系と、
前記カイトプレーンを飛行させる経路としてあらかじめ定められた目標飛行経路における目標方位と前記カイトプレーンが実際に飛行している現在方位との差を方位誤差として算出し、その方位誤差に基づいて前記ラダーの操舵角を算出し、それに基づいて前記ラダーの操舵角を制御することによって、前記カイトプレーンの飛行方位の制御を行うラダー制御系と
を有すると共に、前記カイトプレーンに付設される飛行制御装置と、
前記カイトプレーンの現在高度を計測するセンサーと、前記カイトプレーンの現在水平位置を計測するセンサーと、前記カイトプレーンの現在方位を計測するセンサーとを有するセンサー系と、
を具備することを特徴とする自律飛行カイトプレーンシステム。
【請求項２】
前記飛行制御装置が、前記高度誤差に基づいて前記エレベータの操舵角を算出し、それに基づいて前記エレベータにおける操舵角を制御することによって、前記カイトプレーンのピッチング方向の飛行姿勢の制御または飛行高度の補助的な調節を行うエレベータ制御系を、さらに備えており、
かつ前記スロットル制御系は、前記カイトプレーンの現在速度については制御対象から除外して前記スロットル制御を行う
ことを特徴とする請求項１記載の自律飛行カイトプレーンシステム。
【請求項３】
前記スロットル制御系が、前記スロットル出力補正値を、あらかじめ定められたファジィ演算則に基づいて演算する
ことを特徴とする請求項１または２記載の自律飛行カイトプレーンシステム。
【請求項４】
前記エルロン制御系が、前記エルロンの操舵角を、あらかじめ定められたファジィ演算則に基づいて演算するものであり、
前記ラダー制御系が、前記ラダーの操舵角を、あらかじめ定められたファジィ演算則に基づいて演算するものである
ことを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１つの項に記載の自律飛行カイトプレーンシステム。
【請求項５】
前記飛行制御装置に対して通信手段を介して前記目標飛行経路の書き換えを行う機能と、前記カイトプレーンの現在高度の情報と現在水平位置の情報と現在方位の情報とを通信手段を介して収集する機能とを備えた飛行設定・モニタ装置を、さらに備えた
ことを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１つの項に記載の自律飛行カイトプレーンシステム。
【請求項６】
通信手段を介して前記カイトプレーンを無線マニュアル操縦する無線マニュアル操縦装置をさらに備え、
かつ前記飛行制御装置が、前記無線マニュアル操縦装置からの通信手段を介した遠隔手動操縦による制御を行うための遠隔手動制御装置をさらに備えると共に、前記目標飛行経路に追随する飛行経路制御を行う制御モードである自動操縦モードと、前記無線マニュアル操縦装置による遠隔手動制御を行う制御モードである手動操縦モードとを、通信手段を介して切り替える切替装置とを備えた
ことを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１つの項に記載の自律飛行カイトプレーンシステム。
【請求項７】
前記飛行制御装置が、前記制御モードが手動操縦モードから自動操縦モードに切り替えられると、その時点での前記カイトプレーンの現在位置に最も近い前記目標飛行経路上の目標点を求めて、その目標点を目標経路位置として、その目標経路位置へと向かって飛行する制御を行う機能を、さらに備えた
ことを特徴とする請求項６記載の自律飛行カイトプレーンシステム。
【請求項８】
機体に推進力を与えるためのスロットル装置と、機体のロール回りの運動姿勢を操縦するためのエルロンと、機体のヨー回りの運動姿勢を操縦するためのラダーと、機体のピッチング回りの運動姿勢を操縦するためのエレベータとを有する胴体と、下面側に前記胴体が吊り下げられて、対気速度に応じて揚力を発生する凧状の可撓翼とを備えたカイトプレーンの飛行経路の自動制御を行って、前記カイトプレーンを自律飛行させる、カイトプレーン制御装置であって、
前記カイトプレーンを飛行させる目標の経路として定められた目標飛行経路の情報を記憶する情報記憶部と、
前記目標飛行経路における目標高度の時間微分値に基づいて定常スロットル出力値を算出する一方、前記目標高度と前記カイトプレーンが実際に飛行している現在高度との差を高度誤差として算出し、さらにその高度誤差の時間微分値を算出し、前記高度誤差と前記高度誤差の時間微分値とに基づいてスロットル出力補正値を算出し、そのスロットル出力補正値によって前記定常スロットル出力値を補正してスロットル出力値を算出し、それに基づいて前記スロットル装置におけるスロットル制御を行うことによって、前記カイトプレーンの実際の飛行高度を制御するスロットル制御系と、
前記カイトプレーンを飛行させる経路としてあらかじめ定められた目標飛行経路における目標水平位置と前記カイトプレーンが実際に飛行している現在水平位置との差を水平位置誤差として算出し、その水平位置誤差に基づいて前記エルロンの操舵角を算出し、それに基づいて前記エルロンの操舵角を制御することによって、前記カイトプレーンの水平方向での飛行位置の制御を行うエルロン制御系と、
前記カイトプレーンを飛行させる経路としてあらかじめ定められた目標飛行経路における目標方位と前記カイトプレーンが実際に飛行している現在方位との差を方位誤差として算出し、その方位誤差に基づいて前記ラダーの操舵角を算出し、それに基づいて前記ラダーの操舵角を制御することによって、前記カイトプレーンの飛行方位の制御を行うラダー制御系と、
前記カイトプレーンの現在高度を計測するセンサーと、前記カイトプレーンの現在水平位置を計測するセンサーと、前記カイトプレーンの現在方位を計測するセンサーとを備えたセンサー系とを備えて、前記カイトプレーンに付設される
ことを特徴とするカイトプレーン制御装置。
【請求項９】
前記高度誤差に基づいて前記エレベータの操舵角を算出し、それに基づいて前記エレベータにおける操舵角を制御することによって、前記カイトプレーンのピッチング方向の飛行姿勢の制御または飛行高度の補助的な調節を行うエレベータ制御系を、さらに備えており、
かつ前記スロットル制御系は、前記カイトプレーンの現在速度については制御対象から除外して前記スロットル制御を行う
ことを特徴とする請求項８記載のカイトプレーン制御装置。
【請求項１０】
前記スロットル制御系が、前記スロットル出力補正値を、あらかじめ定められたファジィ演算則に基づいて演算する
ことを特徴とする請求項８または９記載のカイトプレーン制御装置。
【請求項１１】
前記エルロン制御系が、前記エルロンの操舵角を、あらかじめ定められたファジィ演算則に基づいて演算するものであり、
前記ラダー制御系が、前記ラダーの操舵角を、あらかじめ定められたファジィ演算則に基づいて演算するものである
ことを特徴とする請求項８ないし１０のうちいずれか１つの項に記載のカイトプレーン制御装置。
【請求項１２】
前記飛行制御装置に対して通信手段を介して前記目標飛行経路の書き換えを行う機能と、前記カイトプレーンの現在高度の情報と現在水平位置の情報と現在方位の情報とを通信手段を介して収集する機能とを備えており前記カイトプレーンから距離を隔てて配置される飛行設定・モニタ装置に対して、前記目標飛行経路の書き換えのための情報と、前記カイトプレーンの現在高度の情報と現在水平位置の情報と現在方位の情報とを、前記通信手段を介して送信する通信装置を、さらに備えた
ことを特徴とする請求項８ないし１１のうちいずれか１つの項に記載のカイトプレーン制御装置。
【請求項１３】
前記カイトプレーンから距離を隔てて配置されて前記通信手段を介して前記カイトプレーンを無線マニュアル操縦する前記無線マニュアル操縦装置からの通信手段を介した遠隔手動操縦による制御を行うための遠隔手動制御装置をさらに備えると共に、前記目標飛行経路に追随する飛行経路制御を行う制御モードである自動操縦モードと、前記無線マニュアル操縦装置による遠隔手動制御を行う制御モードである手動操縦モードとを、通信手段を介して切り替える切替装置とを備えた
ことを特徴とする請求項８ないし１２のうちいずれか１つの項に記載のカイトプレーン制御装置。
【請求項１４】
前記制御モードが手動操縦モードから自動操縦モードに切り替えられると、その時点での前記カイトプレーンの現在位置に最も近い前記目標飛行経路上の目標点を求めて、その目標点を目標経路位置として、その目標経路位置へと向かって飛行する制御を行う機能を、さらに備えた
ことを特徴とする請求項１３記載のカイトプレーン制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自律飛行カイトプレーンシステムおよびカイトプレーン制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば活火山の活動状況の観察や大気調査などのように危険地域あるいは危険な状態における観測や調査を有効に行うためには、地上の観測点からの調査だけでは不十分であり、また地上からは人の到達が困難な場所の観測や調査を行うことが必要となる場合も多い。しかし、危険地域や危険な状態における人による調査や観測には、その観測者らの生命に多大な危険が伴う。
【０００３】
そこで、従来、そのような危険を伴う観測・調査には、遠隔操縦される模型飛行機のような無人飛行機が用いられている。この用途に用いられる無人飛行機としては、いわゆるＤボックス構造のような構造力学的にリジッドである固定翼と、エルロン、エレベータ、ラダー等の補助翼と、内燃機関エンジンのような動力源によって回転させて推力を発生するプロペラとを備えた、いわゆる固定翼機が用いられる場合と、ローターと呼ばれる回転翼を内燃機関エンジンのような動力源によって回転させて揚力を発生することによって飛行する、いわゆる回転固定翼機が用いられる場合とがある。
【０００４】
また、このような無線操縦される固定翼型あるいは回転翼型の無人飛行機のなかには、例えばある程度の高度以上に達すると、自動操縦モードに切り替えられるなどして、所定の調査・観測プログラムに則した飛行を行って、地上の所定位置へと帰還するように設定されたものもある。
【０００５】
しかし、そのような従来の無人飛行機は一般に、ウイングスパンが１〜２［ｍ］程度の小型の固定翼機または回転翼機であるため、実機（有人飛行機）と比較してレイノルズ数が極めて低い領域での飛行となることから、重量のかさむ各種の調査・観測用機器を搭載して正確な飛行を行うためには、レイノルズ数を高くして安定性および揚力を稼ぐために比較的速い速度で飛行しなければならない。
【０００６】
このため、例えば火山活動観測や大気調査などを有効に行うためには、重量のかさむ各種の調査・観測用機器を搭載して比較的低速度で飛行することが望ましいという要請に対応することが困難となる場合がある。また、そのような低レイノルズ数領域での正確な手動操縦飛行を行うためには、かなりの熟練を要するので、初心者や模型固定翼飛行機の操縦に習熟していない調査者や観測者にとっては無人飛行機を使いこなすことが困難あるいは不可能であるという問題もある。
【０００７】
あるいは、回転翼機の場合には、燃料が切れるとオートローテーションによって注意深く下降する以外に安全な帰還方法がないので、調査・観測ミッションを遂行するための十分な燃料が必要となるが、重量のかさむ各種の調査・観測用機器を搭載しているので、燃料を搭載する余裕が少なくなり、その結果、飛行可能範囲が限られたものとなる傾向にあるという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者らは、上記のような調査・観測用の無人飛行機として、無線遠隔手動操縦されるカイトプレーンを用いることを案出した。カイトプレーンは一般に、カイト（凧）形状の可撓翼を備えた飛行機であり、その揚力発生の流体力学的なメカニズムがいわゆる翼理論よりもむしろ凧の原理に則したものであるため、いわゆるリジッド翼を有する飛行機に比べて、翼の寸法に対する翼面積が大きく、低速でも大きな揚力を得ることができ、離着陸距離が短く、低速飛行が可能、ゆっくりとした飛行で操縦が簡単、エンジンが停止しても墜落の危険がない、最大迎え角が大きくて失速することが少い、といった特長を備えている。このような特長は、上記のような調査・観測用の無人飛行機として極めて好適で、望ましいものである。
【０００９】
ところが、手動で操縦する限りは、操縦者がカイトプレーンを視認することができて、なおかつ無線操縦用の電波が届く範囲内でしか、飛行させることができないので、その飛行可能範囲や到達高度等に制約が多いという不都合は解消することができないという問題がある。換言すれば、操縦者の視認や無線操縦の電波の到達距離に関係なく、カイトプレーンを自律的に飛行させることができれば、例えば活火山の観測や、遭難者の探索、気象観測、環境調査、監視作業などさまざまな用途に対して十分に対応することができる。
【００１０】
しかしながら、カイトプレーンを所定の目標経路に沿って自律的に飛行させるという技術は、提案されておらず、またそれに近似した技術についても示唆されていないのが現状である。
【００１１】
また、カイトプレーンのような可撓翼機以外では、固定翼機を自律飛行させるための制御技術については種々提案され、また実用化されているが、飛行速度が高くて応答性が極めて俊敏な固定翼機に対して案出された自律飛行制御技術を、それとは揚力発生の流体力学的な作用および数式モデルの非線形性の点で大幅に異なっており低速飛行に特に適している可撓カイト翼を備えたカイトプレーンに流用しようとしても、理論的な不整合が極めて多く、また実際に固定翼機の自律飛行制御技術をカイトプレーンに流用して自律飛行を試行しても満足な結果を得ることができなかった。また、従来の固定翼機を自律飛行させるための制御装置では、カイトプレーンのような可撓翼飛行機を自律飛行させるための制御装置としては、その回路構成や制御系の数式モデルが煩雑に過ぎてしまい、またその重量や容積が必要以上に大きなものとなってしまうという問題もあった。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、活火山の観測や、遭難者の探索、気象観測、環境調査、監視などのような、無人飛行機によって行うことが要請される各種用途に好適であるカイトプレーンを、簡易な制御装置または制御システムによって、飛行経路に沿って正確に自律飛行させることができる自律飛行カイトプレーンシステムおよびカイトプレーン制御装置を実現することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による自律飛行カイトプレーンシステムは、機体に推進力を与えるためのスロットル装置と、機体のロール回りの運動姿勢を操縦するためのエルロンと、機体のヨー回りの運動姿勢を操縦するためのラダーと、機体のピッチング回りの運動姿勢を操縦するためのエレベータとを有する胴体と、下面側に前記胴体が吊り下げられて、対気速度に応じて揚力を発生する凧状の可撓翼とを有するカイトプレーンと、前記カイトプレーンを飛行させる目標の経路として定められた目標飛行経路の情報を記憶する情報記憶部と、前記目標飛行経路における目標高度の時間微分値に基づいて定常スロットル出力値を算出する一方、前記目標高度と前記カイトプレーンが実際に飛行している現在高度との差を高度誤差として算出し、さらにその高度誤差の時間微分値を算出し、前記高度誤差と前記高度誤差の時間微分値とに基づいてスロットル出力補正値を算出し、そのスロットル出力補正値によって前記定常スロットル出力値を補正してスロットル出力値を算出し、それに基づいて前記スロットル装置におけるスロットル制御を行うことによって、前記カイトプレーンの実際の飛行高度を制御するスロットル制御系と、前記カイトプレーンを飛行させる経路としてあらかじめ定められた目標飛行経路における目標水平位置と前記カイトプレーンが実際に飛行している現在水平位置との差を水平位置誤差として算出し、その水平位置誤差に基づいて前記エルロンの操舵角を算出し、それに基づいて前記エルロンの操舵角を制御することによって、前記カイトプレーンの水平方向での飛行位置の制御を行うエルロン制御系と、前記カイトプレーンを飛行させる経路としてあらかじめ定められた目標飛行経路における目標方位と前記カイトプレーンが実際に飛行している現在方位との差を方位誤差として算出し、その方位誤差に基づいて前記ラダーの操舵角を算出し、それに基づいて前記ラダーの操舵角を制御することによって、前記カイトプレーンの飛行方位の制御を行うラダー制御系とを有すると共に、前記カイトプレーンに付設される飛行制御装置と、前記カイトプレーンの現在高度を計測するセンサーと、前記カイトプレーンの現在水平位置を計測するセンサーと、前記カイトプレーンの現在方位を計測するセンサーとを有するセンサー系とを備えたものである。
【００１４】
本発明による自律飛行カイトプレーンシステムでは、特にスロットル制御系が、目標飛行経路における目標高度の時間微分値に基づいて定常スロットル出力値を算出する一方、目標高度とカイトプレーンが実際に飛行している現在高度との差を高度誤差として算出し、さらにその高度誤差の時間微分値を算出し、高度誤差と高度誤差の時間微分値とに基づいてスロットル出力補正値を算出し、そのスロットル出力補正値によって定常スロットル出力値を補正してスロットル出力値を算出し、それに基づいてスロットル装置におけるスロットル制御を行うことによって、カイトプレーンの飛行速度を制御量として取り扱わずにカイトプレーンの実際の飛行高度を制御する。このようにすることにより、特に飛行高度について簡易な構成の制御装置による正確な制御が行われ、所定の飛行経路に沿ったカイトプレーンの自律飛行が実現される。
【００１５】
なお、前記飛行制御装置が、前記高度誤差に基づいて前記エレベータの操舵角を算出し、それに基づいて前記エレベータにおける操舵角を制御することによって、前記カイトプレーンのピッチング方向の飛行姿勢の制御または飛行高度の補助的な調節を行うエレベータ制御系を、さらに備えており、かつ前記スロットル制御系は、前記カイトプレーンの現在速度については制御対象から除外して前記スロットル制御を行うようにしてもよい。このようにすることにより、上記のようなスロットル制御による飛行高度の制御を補助するようにして飛行高度の調節を行うことができ、また制御装置系における現在速度という１種類のディメンジョンに関する計測および制御を省略して、少なくともその分、装置構成のさらなる簡易化が達成される。
【００１６】
また、前記スロットル制御系が、前記スロットル出力補正値を、あらかじめ定められたファジィ演算則に基づいて演算するようにすることが望ましい。すなわち、飛行速度が高くてレイノルズ数も大きく、応答性も高い固定翼機の場合には、クリスプな制御則によって飛行制御を行うことが適しているが、それとはむしろ逆の特性を備えたカイトプレーンの場合には、スロットルや各種の操舵角の制御量の演算には、ファジィ制御則を用いることが望ましいことを、本発明者らは案出し、種々の解析および実験等によって確認した。また、ファジィ制御則を用いることで、簡易な装置構成によって実質的に有効なカイトプレーンの自動操縦のエキスパートシステムが実現化される。
【００１７】
また、前記エルロン制御系が、前記エルロンの操舵角を、あらかじめ定められたファジィ演算則に基づいて演算するものであり、前記ラダー制御系が、前記ラダーの操舵角を、あらかじめ定められたファジィ演算則に基づいて演算するものであるようにしてもよい。
【００１８】
また、前記飛行制御装置に対して通信手段を介して前記目標飛行経路の書き換えを行う機能と、前記カイトプレーンの現在高度の情報と現在水平位置の情報と現在方位の情報とを通信手段を介して収集する機能とを備えた飛行設定・モニタ装置を、さらに備えるようにしてもよい。このようにすることにより、地上側でカイトプレーンの飛行状況をモニタリングすることが可能となると共に、目標飛行経路の書き換えを行うことが可能となる。
【００１９】
また、通信手段を介して前記カイトプレーンを無線マニュアル操縦する無線マニュアル操縦装置をさらに備え、かつ前記飛行制御装置が、前記無線マニュアル操縦装置からの通信手段を介した遠隔手動操縦による制御を行うための遠隔手動制御装置をさらに備えると共に、前記目標飛行経路に追随する飛行経路制御を行う制御モードである自動操縦モードと、前記無線マニュアル操縦装置による遠隔手動制御を行う制御モードである手動操縦モードとを、通信手段を介して切り替える切替装置とをさらに備えて、手動でも自動でも操縦可能にしてもよい。
【００２０】
また、そのように操縦モードを切り替え可能とする場合には、前記飛行制御装置が、前記制御モードが手動操縦モードから自動操縦モードに切り替えられると、その時点での前記カイトプレーンの現在位置に最も近い前記目標飛行経路上の目標点を求めて、その目標点を目標経路位置として、その目標経路位置へと向かって飛行する制御を行う機能を、さらに備えるようにすることが望ましい。
【００２１】
本発明によるカイトプレーン制御装置は、機体に推進力を与えるためのスロットル装置と、機体のロール回りの運動姿勢を操縦するためのエルロンと、機体のヨー回りの運動姿勢を操縦するためのラダーと、機体のピッチング回りの運動姿勢を操縦するためのエレベータとを有する胴体と、下面側に前記胴体が吊り下げられて、対気速度に応じて揚力を発生する凧状の可撓翼とを備えたカイトプレーンの飛行経路の自動制御を行って、前記カイトプレーンを自律飛行させる、カイトプレーン制御装置であって、前記カイトプレーンを飛行させる目標の経路として定められた目標飛行経路の情報を記憶する情報記憶部と、前記目標飛行経路における目標高度の時間微分値に基づいて定常スロットル出力値を算出する一方、前記目標高度と前記カイトプレーンが実際に飛行している現在高度との差を高度誤差として算出し、さらにその高度誤差の時間微分値を算出し、前記高度誤差と前記高度誤差の時間微分値とに基づいてスロットル出力補正値を算出し、そのスロットル出力補正値によって前記定常スロットル出力値を補正してスロットル出力値を算出し、それに基づいて前記スロットル装置におけるスロットル制御を行うことによって、前記カイトプレーンの実際の飛行高度を制御するスロットル制御系と、前記カイトプレーンを飛行させる経路としてあらかじめ定められた目標飛行経路における目標水平位置と前記カイトプレーンが実際に飛行している現在水平位置との差を水平位置誤差として算出し、その水平位置誤差に基づいて前記エルロンの操舵角を算出し、それに基づいて前記エルロンの操舵角を制御することによって、前記カイトプレーンの水平方向での飛行位置の制御を行うエルロン制御系と、前記カイトプレーンを飛行させる経路としてあらかじめ定められた目標飛行経路における目標方位と前記カイトプレーンが実際に飛行している現在方位との差を方位誤差として算出し、その方位誤差に基づいて前記ラダーの操舵角を算出し、それに基づいて前記ラダーの操舵角を制御することによって、前記カイトプレーンの飛行方位の制御を行うラダー制御系と、前記カイトプレーンの現在高度を計測するセンサーと、前記カイトプレーンの現在水平位置を計測するセンサーと、前記カイトプレーンの現在方位を計測するセンサーとを備えたセンサー系とを備えて、前記カイトプレーンに付設されるものである。
【００２２】
なお、前記高度誤差に基づいて前記エレベータの操舵角を算出し、それに基づいて前記エレベータにおける操舵角を制御することによって、前記カイトプレーンのピッチング方向の飛行姿勢の制御または飛行高度の補助的な調節を行うエレベータ制御系を、さらに備えており、かつ前記スロットル制御系は、前記カイトプレーンの現在速度については制御対象から除外して前記スロットル制御を行うようにしてもよい。
【００２３】
また、前記スロットル制御系が、前記スロットル出力補正値を、あらかじめ定められたファジィ演算則に基づいて演算するようにしてもよい。
【００２４】
また、前記エルロン制御系が、前記エルロンの操舵角を、あらかじめ定められたファジィ演算則に基づいて演算するものであり、前記ラダー制御系が、前記ラダーの操舵角を、あらかじめ定められたファジィ演算則に基づいて演算するものであるようにしてもよい。
【００２５】
また、前記飛行制御装置に対して通信手段を介して前記目標飛行経路の書き換えを行う機能と、前記カイトプレーンの現在高度の情報と現在水平位置の情報と現在方位の情報とを通信手段を介して収集する機能とを備えており前記カイトプレーンから距離を隔てて配置される飛行設定・モニタ装置に対して、前記目標飛行経路の書き換えのための情報と、前記カイトプレーンの現在高度の情報と現在水平位置の情報と現在方位の情報とを、前記通信手段を介して送信する通信装置を、さらに備えるようにしてもよい。
【００２６】
また、前記カイトプレーンから距離を隔てて配置されて前記通信手段を介して前記カイトプレーンを無線マニュアル操縦する前記無線マニュアル操縦装置からの通信手段を介した遠隔手動操縦による制御を行うための遠隔手動制御装置をさらに備えると共に、前記目標飛行経路に追随する飛行経路制御を行う制御モードである自動操縦モードと、前記無線マニュアル操縦装置による遠隔手動制御を行う制御モードである手動操縦モードとを、通信手段を介して切り替える切替装置とを備えるようにしてもよい。
【００２７】
また、前記制御モードが手動操縦モードから自動操縦モードに切り替えられると、その時点での前記カイトプレーンの現在位置に最も近い前記目標飛行経路上の目標点を求めて、その目標点を目標経路位置として、その目標経路位置へと向かって飛行する制御を行う機能を、さらに備えるようにしてもよい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明の一実施の形態に係る自律飛行カイトプレーンシステムの全体的な概要構成を表したものである。なお、本発明の実施の形態に係るカイトプレーン制御装置は、実質的にこの自律飛行カイトプレーンシステムにおける、例えばカイトプレーンの機内に組み込まれて用いられるものであるから、以下、それらを併せて説明する。
【００３０】
この自律飛行カイトプレーンシステムは、三角カイト（三角凧）状の可撓翼を備えた小型無人飛行機であるカイトプレーン１００１と、カイトプレーン１００１に搭載されてその自律飛行制御を行うための飛行制御装置２００１と、そのカイトプレーン１００１の飛行経路等の設定および飛行状況等の表示を、地上側にて無線通信手段等を介して行うための飛行設定・モニタ装置３００１と、自律飛行制御から手動操縦に切り替えられたときにその手動（マニュアル）による無線操縦を行うための無線マニュアル操縦装置４００１とから、その主要部が構成されている。
【００３１】
本実施の形態に係る自律飛行カイトプレーンシステムの主要部は多くの構成要素を含んでいるため、説明の簡潔化ならびにその理解を容易なものとするために、以下の説明では、まず、本実施の形態に係るカイトプレーン制御システムの概要構成およびその作用のうちの自律飛行制御に関する概要を説明し、その後、システム内の個々の構成要素についてを、さらに詳細に説明する。
【００３２】
カイトプレーン１００１（無人飛行機としての本体のみ）は、全長×全幅×全高が例えば２［ｍ］×３［ｍ］×１［ｍ］程度、全備重量が数［ｋｇ］ないし１０［ｋｇ］程度のもので、可撓性の主翼であるデルタカイト（三角凧）翼１の下に、例えば２ストロークまたは４ストロークの無線操縦模型用エンジンあるいは電動模型飛行機用の電動機のような動力源２およびその動力によって回転して推進力を発生するプロペラ装置３と、主に機体の姿勢制御を流体力学的な力によって制御するためのエルロン（補助翼）４、ラダー（垂直尾翼）５、エレベータ（水平尾翼）６と、それらの各舵を機械的に動作させるサーボモータ装置系（胴体に内蔵されているので図示省略）とを備えた胴体７が、あたかも吊り下げられるように配置されている。
【００３３】
動力源２の推力あるいはそれに対応した操作量（例えば４ストロークエンジンのような内燃機関の場合はスロットル開度など）Ｔ、および各舵の舵角の操作量（エルロン；αａｅ，ラダー；αｒｕｄ，エレベータ；αｅ）は、例えば胴体７に内蔵された飛行制御装置２００１から出力される操作信号、または無線マニュアル操縦装置４００１から無線を介して受信した操作信号によって制御されるように設定されている。
【００３４】
スロットルは、例えばプロペラの回転数を操作することで、機体（カイトプレーン１００１）の進行速度と上昇・下降とが操縦されることとなる。
【００３５】
動力付きのカイトプレーンでは一般に、進行速度と上昇・下降とを独立して（完全に別けて別個に）操縦することは、極めて困難あるいは実質的に不可能である。これは、一般にカイトプレーンが、いわゆる可撓翼を備えた種類の飛行機であって、通常のリジッド翼（固定翼）を備えた種類の飛行機とは本質的に異なったものであり、流体工学的な観点からは、むしろ動力付きのパラグライダーやパラセイルに近いものであることによる。また逆に、それ故にこそ、失速速度を低くすることができ、また最大迎角（失速が生じる限界の迎え角）までの迎角許容範囲を固定翼機の場合と比較して飛躍的に広いものとすることができると共に、低速でも大きな揚力を得ることができ、延いては比較的重量のかさむ研究・観測用等の器材を積載しても低速かつ安全に飛行することが可能であるといったメリットがある。また、いわゆる上翼型（いわゆるパラソル型）固定翼飛行機は一般に自律安定性が良好な傾向にあるが、それと同様に、翼が機体の高い位置に配置されていて、その下に重量物である胴体７が吊り下げられた状態になっているので（しかも、デルタカイト翼１はまさにパラソルに近いものであるから）、極めて安定性に優れているという特長がある。
【００３６】
しかし、進行速度と上昇・下降とが従属事象的にしか制御できないため、一般的な固定翼の飛行機のために種々案出された目標軌道追随型の自律飛行制御技術をカイトプレーン１００１に適用することは、極めて困難あるいは実際上不可能である。
【００３７】
そこで、本実施の形態に係る自律飛行カイトプレーンシステムでは、上記のようなカイトプレーンが基本的に備えている特質を巧妙に利用して、進行速度および飛行経路上での通過時刻（あるいは到達時刻）については制御対象のディメンジョンから除外して、制御量として目標飛行軌道のような軌道（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ；ここにｘ，ｙ，ｚは三次元座標系、ｔは時刻）を設定するのではなく、目標飛行経路のような経路（ｘ，ｙ，ｚ）を設定し、それに対応する操作量として、スロットル量（Ｔ）のような推力に関するディメンジョンを操作量とする。
【００３８】
このように進行速度および時刻のディメンジョンを無視しても実際上有効な制御を実現することができるのは、カイトプレーンの場合には一般に、仮にスロットル量を０にして推力を停止してもパラシュートのように空気抵抗力やグライディングによって緩やかに下降するので、失速したり墜落する心配がほとんど無いことと、例えば火山活動の観測などのような用途に本実施の形態のカイトプレーン１００１が用いられることを想定すれば、あらかじめ定められた飛行経路上での時刻と進行速度については制御対象から外しても、実質的な不都合は少ない（または無い）からである。しかも、制御対象のディメンジョンの個数を１つ減らすことができるので、少くともその分、制御系を簡易化することができるという副次的なメリット（利点）も得ることができる。
【００３９】
機体後方にあるエレベータ６は、機首の上げ下げ（いわゆるピッチング方向）を操縦するためのもので、機体のピッチング方向を制御することによってデルタカイト翼１の迎え角を調節する機能と、スロットル制御による上昇・下降を補助する機能とを、果たすように設定されている。すなわち、上記のように機体の上昇・下降についてはスロットル操作によって支配的に制御されるように設定されているので、このエレベータ６については、一般的な固定翼機の場合とは異なり、機体の上昇・下降の操縦に関しては補助的に機能するだけでよいものとしている。実際上、このエレベータ６は、例えば着陸時のいわゆるフレアー態勢の際の姿勢変化（機首の上げ下げ）などの場合や、突風のような外乱に起因して機体の姿勢が例えば突然に失速を生じるほどの「頭上げ状態」になってしまうほど大幅に変化した際などに、その姿勢変化を正すことが必要な場合などに限って使用するように設定すればよい。
【００４０】
ラダー５は、ヨー（型揺れ）回りの運動を操縦するためのもので、これについては一般的な固定翼機の場合とほぼ同様なものとなっている。
【００４１】
エルロン４は、例えば右が下げ舵の場合は左が上げ舵となり、左が下げ舵の場合は右が上げ舵となる、というように、左右が互いに連動して逆向きに動作するように設定されており、機体のロール方向（機体の長手方向を中心軸とした回動方向）およびヨー回りの運動を操縦するためのもので、その点では一般的な固定翼機の場合のエルロンと近似したものである。但し、このカイトプレーン１００１におけるエルロン４の場合には、主翼であるデルタカイト翼１自体の揚力に対して直接的な影響を与えることがほとんどない、という点では、固定翼機の場合のエルロンとは基本的に異なっている。すなわち、固定翼機の場合には一般に、主翼の後縁にエルロンが設けられていて、そのエルロンを上げ下げすることで、左右の主翼における揚力のバランスが変化して、それが機体をロール方向に傾けさせることになる。しかし、このカイトプレーン１００１におけるエルロン４の場合には、デルタカイト翼１とは完全に別体であるため、デルタカイト翼１自体の揚力は基本的には変化することがほとんど無い。
【００４２】
このようなカイトプレーン１００１におけるエルロン４の特質を生かすことで、エルロン４の制御は、それ以外のスロットルやラダー５やエレベータ６の制御系とは、ほぼ完全に独立したものとすることが可能である。これは、一例を述べると、一般的な固定翼機の場合にはエルロンを操作するとそれに起因した揚力の低下によって飛行高度が下がるので、そのときのエルロン操作量に連動してスロットルを高出力に調節することや、左右の翼での抵抗に偏りが生じることなどに起因して旋回方向とは反対方向に機種が向く傾向にあるのでラダーであて舵を取ることが必要になるが、カイトプレーン１００１の場合には、そのようなスロットルやラダーなどのあて舵がほとんど不要となるので、他の制御系に対する影響を補正するためのいわゆるミキシングなどは考慮する必要なく、独立してエルロン４のみを制御するだけで、ロール回りおよびヨー回りの操縦を行うことができる。
【００４３】
ここで、カイトプレーン１００１に機体固定の座標系を想定し、各種状態量を定義し、その運動方程式を考える。いま、ＸＡ，ＹＡ，ＺＡは機体に働く空気力、Ｌ，Ｍ，Ｎは機体に働くモーメントとする。状態量としては、Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉは位置、ＰＡ，ＱＡ，ＲＡは角速度、Ψは向き、Ｕ，Ｖ，Ｗは機体固定の座標系から見た各方向の速度、ＶＣＧは機体の重心の速度であるとする。なお、添字は地上固定の座標系から見た量を表すものとする。このような定義に基づけば、カイトプレーン１００１の基本的な運動を記述する数式モデルは、図３８に示したような６自由度運動方程式となる。ここに、Ｉｘｘ，Ｉｙｙ，Ｉｚｚは慣性モーメント、Ｉｘｙ，Ｉｙｚ，Ｉｚｘは慣性乗積、ｍは機体の重量、θはピッチ角である。また、ＸＡ，ＹＡ，ＺＡ，Ｌ，Ｍ，Ｎは機体の速さＵ，Ｖ，Ｗに依存する。
【００４４】
上記のような運動方程式で表されるカイトプレーン１００１の運動について、本実施の形態では、主に縦系（ｚ軸での運動系）と横系（ｘ軸およびｙ軸での運動系）とに分割することが可能な制御システムを構築する。次に、そのような本実施の形態に係る制御システムの全体的な概要について説明する。
【００４５】
図３９は、本実施の形態に係る自律飛行カイトプレーンシステムの制御系としての全体的な構成を模式的に表したものである。このような全体的な構成として大雑把に見ると、一般的な状態フィードバック制御系とほぼ同様に、目標飛行経路生成部１１に対して指令値を与えて目標飛行経路を生成し、実際の制御対象１２であるカイトプレーン１００１の状態と比較し、コントローラ１３で目標の飛行経路に沿って制御対象１２が運動するような制御入力を生成する。コントローラ１３によって生成された制御入力は、サーボモータ系１４によって機械的あるいは電子的に実行される。そして運動中の制御対象１２の応答は各種センサー１５によって検出され、その検出された各種情報に基づいて、観測部１６が各種の状態量の計測・推定を行う。ここで、以下に詳細に説明するように、本実施の形態では、さらに具体的には、目標飛行経路生成部１１としては飛行設定・モニタ装置３００１が、コントローラ１３および観測部１６としては飛行制御装置２００１が、各種センサー１５としてはセンサー１１０１〜１１５１が、制御対象１２およびサーボモータ系１４としてはカイトプレーン１００１が、それぞれ該当するものである。
【００４６】
このように、全体的な構成としては上記のようにフィードバック系の様相を呈しているが、本実施の形態に係る制御システムでは、コントローラ１３にファジィ制御を用いている。このようにファジィ制御を用いることで、厳密な数式モデルを必要としない簡易な制御回路構成によって非線形な制御を実現することができることや、ＩＡ（人工知能）のような極めて煩雑な装置構成を用いなくとも簡易な制御回路構成によって熟練者の経験や直感を効果的に反映することができる、いわゆるエキスパートシステムのような制御システムを構築することができる、といったメリットが得られる。
【００４７】
また、本実施の形態に係る制御システムでは、特にコントローラ１３におけるスロットルの制御系が、固定翼機の場合のような他の飛行機における自律飛行制御用システムとは異なっていることが特徴的な点である。そこで、次に、そのような本実施の形態に係る制御システムのさらに特徴的な点の概要について説明する。
【００４８】
［縦系の制御］
縦系の制御は、スロットルとエレベータ６で行う。但し、自動も手動も同様に、ほとんどスロットルによる制御を主体として上昇・下降を調節することで飛行高度の操縦を行うものとし、エレベータ６は例えば誤差や外乱が大きくてピッチング方向の姿勢変化や上下動が著しい場合などにのみ、スロットルの補助や姿勢変化への対応のために用いられるように設定されている。
【００４９】
スロットル（Ｔ）の制御系は、図２９に示したようなものとなっている。ここで、Ｚｒは目標高度、Ｚｉは実際のカイトプレーン１００１の現在高度、Ｗｒは微分器２６３１ＴＤ１によってＺｒから算出される目標降下速度、Ｔ０はＷｒに対応した定常状態のスロットル出力（推力，またはそれに対応したスロットル開度など）、ΔＴは目標高度と現在高度との差に基づいて演算された、推力の調整量（補正量と呼ぶ場合有り）、ＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３はスケーリングファクターである。スケーリングファクターは実測値をファジィ変数が定義されている台集合に変換（または逆変換）するためのもので、言わば数値をファジィ制御用にするために設定された特殊なゲインである。
【００５０】
関数変換器２６３１ＴＦ１における関数ｆ（Ｗｒ）によって、Ｚｒの時間微分に対応した定常状態のスロットル出力Ｔ０を演算し、高度誤差ｅｚの値とその時間微分（ｄｅｚ／ｄｔ）とから、ファジィ演算器２６３１ＴＦ２におけるファジィ演算（ＦＬＣＴ）によって、調整量ΔＴを求める。このとき用いられるファジィ制御規則を図３０に示す。なお、図３０において、ＮはＮｅｇａｔｉｖｅ、ＺはＺｅｒｏ、ＰはＰｏｓｉｔｉｖｅ、ＢはＢｉｇ、ＭはＭｉｄｉｕｍ、ＳはＳｍａｌｌを、それぞれ表している。その数値的な変換レートなどについては、カイトプレーン１００１のスロットル出力の大きさや揚力係数など種々の仕様に対応して適宜に設定する。
【００５１】
本実施の形態に係る制御システムにおけるスロットルの制御系は、上記のように極めて簡易な構成でありながら、調整量ΔＴを迅速に算出して確実に目標高度をトレースすることが可能な制御を実現することができるものとなっている。
【００５２】
エレベータ６の操舵角（αｅ）の制御系は、機体の飛行高度を操縦するという目的では用いられず、機体のピッチング回りの姿勢調節を行うために用いられる。これは、カイトプレーン１００１ではエレベータ６の存在理由が、飛行高度の操縦に関しては補助的なものであること、および突発的な姿勢変化や着陸時の姿勢調節のような特殊な場合にのみ限られるためである。また、ファジィ制御を用いてエキスパートシステムを構築するという観点からも、熟練者が手動で操縦する場合、着陸時のフレア以外にはエレベータ６を積極的に縦方向の主舵として用いることは少なく、補助的に用いられることが殆どであり、例えば、飛行高度をエレベータ６によって積極的に（主舵として）操縦することも少ないので、飛行高度操縦に関してはエキスパートシステムとしてのモデルとなり得るデータが得られない、という理由もある。
【００５３】
このエレベータの舵角の制御は、図２９に示したように、スロットルの制御系とは独立したものとなっており、高度誤差ｅｚに基づいたファジィ演算（ＦＬＣｅ）を行って、操舵角αｅを算出するように設定されている。ここで、図２９において、Ｓｅ１，Ｓｅ２はファジィ演算ＦＬＣｅのためのスケーリングファクタである。操舵角αｅのファジィ演算規則の一例を図３１に示す。このエレベータ６の操舵角αｅのファジィ演算則は、その制御の目的がスロットル制御の補助的なものであることから、スロットルの演算則よりも簡易で緩い制御則に設定してある。
【００５４】
［横系の制御］
横系の制御は、エルロン４およびラダー５のうちの一方または両方を操舵することで行う。この場合、特にロール回りの操縦はエルロン４を主体として行い、ヨー回りの操縦はラダー５を主体として行う。但し、例えば機体の旋回動作を実行する場合などでは、機体を旋回方向に傾けて旋回するためには、エルロン４の操舵によるロール回りの操縦を行って旋回し、その旋回によって結果的にヨー回りの操縦（つまり向きの変化）を達成するということなども可能であることは言うまでもない。
【００５５】
手動の場合には一般に、ラダー５はエルロン４の補助的なものとして用いられており、あるいは時として横滑り等が生じた際のあて舵として操舵する場合もあるが、通常の旋回時などには実質的にほとんどエルロン４のみが操舵されている。しかし、エルロン４のみに依存してラダー５を省略してしまうと、操縦の自由度が制約されてしまうので、例えば大きな外乱が入ったときなどに、十分な対応ができなくなる虞がある。そこで、敢えてラダー５およびエルロン４の２種類の補助翼を操舵できるようにしている。
【００５６】
これらエルロン４，ラダー５の制御系を図３２に示す。またそれに用いられるファジィ制御規則（ＦＬＣａ　，ＦＬＣｒ）を図３３に示す。ファジィ制御規則としては基本的にエルロン４，ラダー５は、共に同様のものを用いるが（それぞれＦＬＣａｅ，ＦＬＣｒ）、外乱が入ったときのあて舵の大きさは、エルロン４の方をラダー５よりも大きくなるように設定している。これは、ラダー５の方が、エルロン４に比べて縦方向の機体姿勢に対する干渉が大きいので、操舵による姿勢制御の縦横の独立性を損なうことを避けると共に、効果的な操舵特性を得るためである。
【００５７】
ここで、図３２において、Ｙｒは横方向の目標値、Ｙは実際のカイトプレーン１００１のｙ方向の位置、Ψｒは向きの目標値、Ψは実際のカイトプレーン１００１の向き、Ｓｒ１，Ｓｒ２，Ｓａ１，Ｓａ２はスケーリングファクタ、ＦＬＣａ　，ＦＬＣｒはそれぞれエルロン４のファジィ制御規則，ラダー５のファジィ制御規則である。エルロン４の制御系，およびラダー５の制御系は、互いに独立して、それぞれ水平位置誤差ｅＹと方位誤差Ψとに基づいたファジィ演算を行って、それぞれエルロン操舵角αａｅ，ラダー操舵角αｒｕｄを算出する。
【００５８】
［目標飛行経路］
目標飛行経路は、直線をつなぎ合わせたものであり、適当な条件の下で切り換える（書き換える）ことで実現する。図４０は目標飛行経路の設定の一例を模式的に表したものである。ｘ０，ｘ１，ｘ２は経路の切り換えまでの距離、γ０，γ１，γ２は経路の切り換え後の方向を、それぞれ表しており、これらは操作者（ユーザー）が適宜に設定することができる慣性座標からスタートして、距離ｘ０だけ進んだ地点で進行方向をγ０に切り換える。このとき、新たな座標系（Ｘｐ１，Ｘｐ２，Ｘｐ３）を定義する。同様にして目標飛行経路を切り換える度に座標系を再定義する。横方向の変位は、切り換えで定義された座標系から見た距離で表す。例えば３回に亘って飛行経路の切り換えを行った後の機体の横方向の位置は、座標系（Ｘｐ３，Ｙｐ３，Ｚｐ３）から見たＹとなる。また、このときの目標値Ψｒは、Ψｒ＝γ＝γ０＋γ１＋γ２となる。なお、γ０，γ１，γ２の符号（正・負）は右手系（カルテシアン座標）に従うものとなることは言うまでもない。
【００５９】
［外乱に対する対応］
外乱は、例えば上昇気流や突風のような突発的なものと、例えば定常的な横風のような機体が飛行中に常に影響を受けるものとの、２種類に大別することができる。上下方向（ｚ軸方向）または機体の進行方向での外乱に関しては単純に目標値との誤差に基づいて各制御系を目標追随制御するだけでよいが、機体の進行方向に対して横方向に外乱が加わって来た場合には、機体は図４１に模式的に示したように斜め方向に流されて行くことになる。ここで、横方向の外乱をＶｄｉｓｙとする。Ｕ´＝Ｒｏｔ（Ｚｉ−Ψ）Ｕｉ，Ｖ´＝Ｒｏｔ（Ｚｉ−Ψ）Ｖｉである（Ｒｏｔは回転変換行列）。このとき、図４２に模式的に示したように、外乱の影響を打ち消すために向きの目標値Ψｒを、Ψｒ＝−α，α＝ａ・ｔａｎ（Ｖ´／Ｕ´）とする。式；Ψｒ＝−α，α＝ｔａｎ（Ｖ´／Ｕ´）より、目標飛行経路の切り換えと外乱とを考え合わせた向きの目標値Ψｒは、Ψｒ＝γ−ａ・ｔａｎ（Ｖ´／Ｕ´）となる。例えば無風状態で、向きおよび変位が目標飛行経路に追随しているときのエルロン４，ラダー５のそれぞれの舵角（翼角）αａｅ，αｒｕｄ［ｒａｄ］はいずれも０である。しかし横方向に外乱を受けた状態では、それまでの（無風時と同じ）状態を保つためには、あて舵を加える必要がある。その値を舵角補正値としてそれぞれΔαａｅ，Δαｒｕｄと呼ぶことにすると、舵角補正値Δαａｅ，Δαｒｕｄは、横滑りの速さに対応して定まるものである。すなわち、エルロン４の場合、Δαａｅ＝ｆａ（Ｖ´）であり、ｆａ（Ｖ´）は計測によって得たデータに基づいて求めることができる。
【００６０】
次に、本実施の形態に係る自律飛行カイトプレーンシステムについて、さらに詳細に説明する。
【００６１】
図２は、本実施の形態に係る自律飛行カイトプレーンシステムの全体的な構成として、カイトプレーン、飛行制御装置、飛行設定・モニタ装置、無線マニュアル操縦装置を表した図である。
【００６２】
飛行制御装置２００１では、加速度センサー１１０１が接続ケーブル１１０２を介して、方位センサー１１１１が接続ケーブル１１１２を介して、角速度センサー１１２１が接続ケーブル１１２２を介して、風速センサー１１３１が接続ケーブル１１３２を介して、気圧センサー１１４１が接続ケーブル１１４２を介して、カイト側ＧＰＳセンサー１１５１が接続ケーブル１１５３を介して、無線マニュアル操縦受信装置１２１１が接続ケーブル１２１３を介して、カイト側無線通信装置１２０１が接続ケーブル１２０３を介して、それぞれ飛行制御演算装置２００１に接続されている。
【００６３】
また、カイト側ＧＰＳアンテナ１１５２が接続ケーブル１１５４を介してカイト側ＧＰＳセンサー１１５１に接続され、カイト側無線通信アンテナ１２０２が接続ケーブル１２０４を介してカイト側無線通信装置１２０１に接続され、無線マニュアル操縦アンテナ１２１２が接続ケーブル１２１４を介して無線操縦受信装置１２１３に接続されている。
【００６４】
飛行設定・モニタ装置３００１では、入力装置３４０１が接続ケーブル３４０２を介して、表示装置３３０１が接続ケーブル３３０２を介して、モニタ側ＧＰＳ３１０１が接続ケーブル３１０３を介して、モニタ側無線通信装置３２０１が接続ケーブル３２０３を介して、それぞれ飛行情報送受信・演算装置５００１に接続されている。
【００６５】
また、モニタ側ＧＰＳアンテナ３１０２が接続ケーブル３１０４を介してモニタ側ＧＰＳ３１０１に接続され、モニタ側無線通信アンテナ３２０２が接続ケーブル３２０４を介してモニタ側無線通信装置３２０１に接続されている。
【００６６】
無線マニュアル操縦装置４００１では、カイトプレーン１００１を手動で操縦するために必要となる操作スイッチ（図示省略）およびカイトプレーンの手動操縦と自動操縦を切り替える手動／自動切替スイッチ（図示省略）、ソフト手動モード・自動経路飛行モード・自動着陸モードとを切り替えるスイッチ等（図示省略）を備えている。
【００６７】
［飛行制御装置］
図３は、飛行制御装置の主要部の構成を表したブロック図である。この飛行制御装置２００１では、アナログセンサーデータ取込部２１１１は、接続ケーブル１１０２、１１１２、１１２２、１１３２、１１４２を介してそれぞれ加速度センサー１１０１、方位センサー１１１１、角速度センサー１１２１、風速センサー１１３１、気圧センサー１１４１から入力されたアナログ信号を数値情報に変換して飛行操作量演算部２５０１へと送出する。
【００６８】
飛行情報送受信部２１３１は、接続ケーブル１２０３を介してカイト側無線通信装置１２０１からの無線信号を受け取って文字列情報に変換して飛行操作量演算部２５０１へと送出し、また飛行操作量演算部２５０１から送られた文字列情報を信号化して接続ケーブル１２０３を介してカイト側無線通信装置１２０１へと送出するように設定されている。
【００６９】
ＧＰＳデータ取込部２１２１は、接続ケーブル１１５３を介してカイト側ＧＰＳセンサー１１５１から送られて来たデータ信号を文字列情報に変換して飛行操作量演算部２５０１へと送出する。
【００７０】
マニュアル操縦信号読込部２１５１は、接続ケーブル１２１３を介して無線マニュアル操縦受信装置１２１１からの無線信号を受信し、それを文字列情報に変換して、飛行操作量演算部２５０１へと送出する。
【００７１】
飛行操作量出力部２１４１は、飛行操作量演算部２５０１から送られて来た操作量情報を受け取り、それを無線マニュアル操縦と同様の信号に変換して、操作量切替部２１６１へと送出するように設定されている。
【００７２】
操作量切替部２１６１は、接続ケーブ１２１３を介して無線マニュアル操縦受信装置１２１１からの無線操縦信号を受け取る。あるいは、飛行操作量出力部２１４１から操作量情報に応じた無線操縦信号を受け取る。そしてこれらの信号を無線マニュアル操縦受信装置１２１１からの信号によって機械的に切り替えて、カイトプレーンの駆動部へと送出することができるように設定されている。
【００７３】
図４は、飛行操作量演算部の主要部の構成を表したブロック図である。この飛行操作量演算部２５０１では、センサーデータ変換部２５１１は、アナログセンサーデータ取込部２１１１より送られて来たセンサーデータの数値情報から、そのそれぞれのセンタデータごとに加速度、方位、角速度、風速、高度の実データを計算し、その計算結果を情報記憶部２５２１へと送出する。また、制御時刻管理部２５５１からの起動指令を受けた時点、あるいはこのセンサーデータ変換部２５１１自体の処理が終了した時点で、処理終了信号を制御時刻管理部２５５１へと送出するように設定されている。
【００７４】
ＧＰＳデータ変換部２５３１は、ＧＰＳデータ取込部２１２１より送られて来た文字列情報から、カイトプレーンの現在位置情報（緯度、経度、高度）を抽出して情報記憶部２５２１へと送出する。
【００７５】
送受信信号変換部２５４１では、飛行情報送受信部２４０１から送られて来た文字列情報から必要な情報を抽出して情報記憶部２５２１へと送出する。また、制御時刻管理部２５５１からの起動指令を受けた時点、あるいはこの送受信信号変換部２５４１自体の処理が終了した時点で、処理終了信号を制御時刻管理部２５５１へと送出するように設定されている。
【００７６】
情報記憶部２５２１は、センサーデータ変換部２５１１、ＧＰＳデータ変換部２５３１、送受信信号変換部２５４１、操作量演算部２６０１からそれぞれ送られて来た各種情報を書き換え可能に記録保存する。また、送受信信号変換部２５４１または操作量演算部２６０１からの要求に応じて、そのとき読み出し要求のあった情報を読み出してそのときの要求のあったブロックへと送出することができるように設定されている。
【００７７】
制御時刻管理部２５５１は、飛行操作量演算部２５０１全体の時間管理を行い、操作量演算部２６０１、送受信信号変換部２５４１、センサーデータ変換部２５１１のそれぞれのブロックに対する起動指令を送出し、また操作量演算部２６０１、送受信信号変換部２５４１、センサーデータ変換部２５１１のそれぞれのブロックからの処理終了信号を受け取る。
【００７８】
図５は、操作量演算部の主要部の構成を表したブロック図である。この操作量演算部２６０１では、飛行状態観測部２６１１は、制御時刻管理部２５５１からの起動信号を受け取り、情報記憶部２５２１から必要な情報を読み出し、飛行制御に必要な状態を演算し、その演算結果を情報記憶部２５２１へと送出する。また、飛行モード・経路演算部２６２１に起動信号を送出する。
【００７９】
飛行モード・経路演算部２６２１は、飛行状態観測部２６１１からの起動信号を受け取り、情報記憶部２５２１から必要な情報を読み出して、飛行モードおよび飛行経路を演算し、その演算結果を情報記憶部２５２１へと送出する。また、自動飛行制御演算部２６３１に対して起動信号を送出する。
【００８０】
自動飛行制御演算部２６３１は、飛行モード・経路演算部２６２１からの起動信号を受け取り、情報記憶部２５２１から必要な情報を読み出して、操作量を演算し、その演算結果を情報記憶部２５２１と飛行操作量出力部２３０１とに送出するように設定されている。
【００８１】
［飛行設定・モニタ装置］
図６は、飛行設定・モニタ装置の構成および機能における最も中心的な部分である、飛行情報送受信・演算装置の主要部の構成を表したブロック図である。この飛行情報送受信・演算装置５００１では、入力情報取込部５１０１は、接続ケーブル３４０２を介して入力装置３４０１から入力された信号を取り込み、その信号を文字列や数値情報に変換して、飛行情報演算部５５０１へと送出する。
【００８２】
ＧＰＳデータ取込部５２０１は、接続ケーブル３１０３を介してモニタ側ＧＰＳ３１０１からデータ信号を取り込み、それを文字列情報に変換して飛行情報演算部５５０１へと送出する。
【００８３】
飛行情報送受信部５４０１は、接続ケーブル３２０３を介してモニタ側無線通信装置３２０１からの無線信号を受け取り、それを文字列情報に変換して、飛行情報演算部５５０１へと送出する。また、その文字列情報を信号化して、接続ケーブル３２０３を介してモニタ側無線通信装置３２０１へと送出する。
【００８４】
モニタ情報出力部５３０１は、飛行情報演算部５５０１から送られて来た情報を信号化し、接続ケーブル３３０２を介して表示装置３３０１へと送出するように設定されている。そして表示装置３３０１では、接続ケーブル３３０２を介してモニタ情報出力部５３０１から送られて来た信号に基づいて文字情報や図形情報を表示する。
【００８５】
図７は、飛行情報演算部における主要部の構成を表したブロック図である。この飛行情報演算部５５０１では、入力情報変換部５５１１は、入力情報取込部５１０１より送られて来た入力情報から必要な情報を抽出して、情報記憶部５５２１へと送出する。また、情報処理部５６０１に対して入力情報の処理の起動指令を送出する。
【００８６】
ＧＰＳデータ変換部５５３１は、ＧＰＳデータ取込部５２０１より送られて来た文字列情報から位置情報（緯度、経度、高度）を抽出して、情報記憶部５５２１へと送出する。
【００８７】
送受信信号変換部５５４１は、飛行情報送受信部５４０１より送られて来た文字列情報から必要な情報を抽出して、情報記憶部５５２１へと送出する。また、情報処理部５６０１に対して受信情報の処理の起動指令を送出する。
【００８８】
情報記憶部５５２１は、入力情報変換部５５１１、ＧＰＳデータ変換部５５３１、送受信信号変換部５５４１、情報処理部５６０１からそれぞれ送られて来た情報を書き換え可能に記録保存することができるように設定されている。また、送受信信号変換部５５４１、情報処理部５６０１、モニタ情報合成部５５５１からの要求に応じて、そのとき要求のあった情報を該当するそれぞれのブロックへと送出することができるように設定されている。
【００８９】
モニタ情報合成部５５５１は、情報処理部５６０１からモニタ情報の変更の起動指令を受け取り、情報記憶部５５２１から必要な情報を読み出して、モニタ情報出力部５３０１に対して各種情報の表示に必要な情報を送ることができるように設定されている。
【００９０】
情報処理部５６０１は、入力情報変換部５５１１、送受信信号変換部５５４１からの処理の起動指令を受け取り、情報記憶部５５２１から必要な入力情報もしくは受信情報を読み出す。また、送受信信号変換部５５４１へ送信の起動指令を送出する、またはモニタ情報の変更の起動信号をモニタ情報合成部へと送出することができるように設定されている。
【００９１】
次に、上記のような構成の自律飛行カイトプレーンシステムの動作についてさらに詳細に説明する。
【００９２】
［システムの起動］
図８は、本実施の形態に係る自律飛行カイトプレーンシステムの起動の手順の概要を説明するための流れ図である。
【００９３】
まず、操作者が飛行情報送受信・演算装置５００１上の起動スイッチ（図示省略）を操作することによって、飛行設定・モニタ装置３００１が起動する（Ｓ８０１）。続いて、操作者は飛行設定・モニタ装置３００１の起動を表示装置３３０１もしくは起動ランプ等（図示省略）により確認した後（Ｓ８０１のＹ）、カイトプレーン１００１上の起動スイッチ（図示省略）を操作してカイトプレーン１００１を起動し、その後、カイトプレーンのエンジン１０５１を点火〜始動する（Ｓ８０３）。
【００９４】
続いて、カイトプレーン１００１の起動をカイトプレーン１００１上の起動ランプ等（図示省略）で確認した後（Ｓ８０４のＹ）、無線マニュアル操縦装置４００１上の手動／自動切替スイッチ（図示省略）を手動側にした状態で、無線マニュアル操縦装置４００１上の起動スイッチ（図示省略）を操作して（Ｓ８０５）、無線マニュアル操縦装置４００１を起動する（Ｓ８０６）。
【００９５】
続いて、無線マニュアル操縦装置４００１の起動を無線マニュアル操縦装置４００１上の起動ランプ等（図示せず）で確認した後（Ｓ８０７のＹ）、飛行制御装置２００１をカイトプレーン１００１上の起動スイッチ（図示せず）により起動する（Ｓ８０８）。そして、図示は省略するが、飛行設定・モニタ装置３００１の起動プロセスとしては、飛行情報送受信・演算装置５００１が起動されると、接続ケーブル３４０２を介して入力装置３４０１へ電源が供給され、入力装置３４０１は入力待機状態となる。その後、入力操作があると、それに対応した入力信号が、接続ケーブル３４０２を介して飛行情報送受信・演算装置５００１へと送出される。
【００９６】
また、飛行情報送受信・演算装置５００１が起動されると、接続ケーブル３１０３を介してモニタ側ＧＰＳ３１０１へ電源が供給される。そしてモニタ側ＧＰＳ３１０１では、ＧＰＳデータの受信状態となり、接続ケーブル３１０４を介してモニタ側ＧＰＳアンテナ３１０２よりＧＰＳデータを受信すると、その情報は接続ケーブル３１０３を介して飛行情報送受信・演算装置５００１へと送出される。
【００９７】
また、接続ケーブル３２０３を介してモニタ側無線通信装置３２０１へ電源が供給され、モニタ側無線通信装置３２０１は、無線通信待機状態となり、飛行制御装置２００１からの無線通信があると、モニタ側無線アンテナ３２０２から接続ケーブル３２０４を介して、無線信号を受信し、接続ケーブル３２０３を介して飛行送受信・演算装置５００１へ無線信号が送られる。また、飛行送受信・演算装置５００１から接続ケーブル３２０３を介して無線信号を受け取ると、モニタ側無線通信アンテナ３２０２から飛行制御装置２００１に対して無線信号が送信される。
【００９８】
また、接続ケーブル３３０２を介して表示装置３３０１に電源が供給される。そして表示装置３３０１は接続ケーブル３３０２を介して飛行送受信・演算装置５００１から表示信号を受け取ってその表示信号に基づいて各種情報を画面に表示する。
【００９９】
また、飛行情報送受信・演算装置５００１内のＧＰＳデータ取込部５２０１では、接続ケーブル３１０３を介してモニタ側ＧＰＳ３１０１からＧＰＳデータを受け取ると、そのデータを文字列情報に変換して、飛行情報演算部５５０１内のＧＰＳデータ変換部５５３１へと送出する。
【０１００】
また、ＧＰＳデータ変換部５５３１では、ＧＰＳデータ取込部５２０１から文字列情報を受け取ると、それをモニタ側現在位置情報として情報記憶部５５２１に送り、記録保存する。
【０１０１】
カイトプレーン１００１の起動については、まず、エンジン１０５１を点火〜始動すると、エルロン１０１１、エレベータ１０２１、ラダー１０３１、エンジンスロットル（図示省略）が、飛行制御装置２００１の指令に基づいて、駆動可能な状態となる。
【０１０２】
無線マニュアル操縦装置４００１が起動すると、まず、エルロン１０１１、エレベータ１０２１、ラダー１０３１、エンジンスロットルのそれぞれについて、駆動指令および各モード選択信号を無線信号によって出力可能な状態にすることができる。
【０１０３】
また、飛行制御装置２００１が起動すると、接続ケーブル１１５３を介してカイト側ＧＰＳセンサー１１５１へ電源が供給され、ＧＰＳデータの受信待機状態となって、カイト側ＧＰＳアンテナでデータを受信すると、受信した情報を接続ケーブル１１５４および接続ケーブル１１５３を介して飛行制御演算装置２００１へと送出することが可能な状態になる。
【０１０４】
また、接続ケーブル１２０３を介してカイト側無線通信装置１２０１へ電源が供給され、無線通信状態となり、飛行設定・モニタ装置３００１からの無線信号が送られると、カイト側無線アンテナ１２０２から接続ケーブル１２０４を介して、無線信号を受信し、接続ケーブル１２０３を介して飛行制御演算装置２００１へ無線信号を送る。また、飛行制御演算装置２００１から接続ケーブル１２０３を介して無線信号を受け取ると、接続ケーブル１２０４を介してカイト側無線通信アンテナ１２０２より、飛行設定・モニタ装置３００１に対して無線信号を送信することができるようになる。
【０１０５】
また、接続ケーブル１２１３を介して無線マニュアル操縦受信装置１２１１へ電源が供給され、無線マニュアル操縦信号の受信状態となり、無線マニュアル操縦装置４００１からの無線信号が送られると、無線マニュアル操縦アンテナ１２１２から接続ケーブル１２１４を介して無線信号を受信し、接続ケーブル１２１３を介して飛行制御演算装置２００１へ無線信号を送出することが可能な状態となる。
【０１０６】
また、接続ケーブル１１０２を介して加速度センサー１１０１へ電源が供給され、加速度センサー１１０１で計測されたアナログ信号を、接続ケーブル１１０２を介して飛行制御装置２００１へ送ることができるようになる。
【０１０７】
また、接続ケーブル１１１２を介して方位センサー１１１１へ電源が供給され、方位センサー１１１１で計測されたアナログ信号を、接続ケーブル１１１２を介して飛行制御装置２００１へ送ることができるようになる。
【０１０８】
また、接続ケーブル１１２２を介して角速度センサー１１２１へ電源が供給され、角速度センサー１１２１で計測されたアナログ信号を、接続ケーブル１１２２を介して飛行制御装置２００１へ送ることができるようになる。
【０１０９】
また、接続ケーブル１１３２を介して風速センサー１１３１へ電源が供給され、風速センサー１１３１で計測されたアナログ信号を、接続ケーブル１１３２を介して飛行制御装置２００１へ送ることができるようになる。
【０１１０】
また、接続ケーブル１１４２を介して気圧センサー１１４１へ電源が供給され、気圧センサー１１４１で計測されたアナログ信号を、接続ケーブル１１４２を介して飛行制御装置２００１へ送ることができるようになる。
【０１１１】
また、飛行制御装置２００１内のアナログセンサーデータ取込部２１１１では、一定周期ごとに、それぞれのセンサーからのアナログデータを受け取り、それぞれのセンサーに対応する文字列情報に変換し、飛行操作量演算部２５０１へ送ることができるようになる。
【０１１２】
また、飛行操作量演算部２５０１内のセンサーデータ変換部２５１１では、制御時刻管理部２５５１からのデータ変換指令を受け取るごとに、アナログセンサーデータ取込部２１１１からの文字列情報を、それぞれ加速度情報、方位情報、角速度情報、風速情報、高度情報（以下、一括して「センサー情報」と言う）に変換し、情報記憶部２５２１へ送り記録保存することができる。
【０１１３】
また、飛行制御装置２００１内のＧＰＳデータ取込部２１２１では、カイト側ＧＰＳセンサー１１５１からデータが送られるごとに、文字列情報に変換し、飛行操作量演算部２５０１へ送ることができるようになる。
【０１１４】
また、飛行操作量演算部２５０１内のＧＰＳデータ変換部２５３１では、ＧＰＳデータ取込部２１２１からのデータ（文字列情報）を受け取るごとに、このデータをカイト側現在位置情報（緯度、経度、高度）に変換し、情報記憶部２５２１へ送り記録保存することができるようになる。
【０１１５】
また、飛行制御装置２００１内の飛行操作量出力部２１４１では、飛行操作量演算部２５０１から操作量情報を受け取ると、操作量信号に変換し、操作量切替部２１６１へ送ることができるようになる。
ここで、このシステムで共通に用いられる、入力処理、選択入力処理、表示処理、無線通信処理、無線操縦通信処理について説明する。
【０１１６】
［入力処理］
操作者が飛行設定・モニタ装置３００１の入力装置３４０１を操作することによって各種の入力処理を行うことができる。入力装置３４０１の操作によって入力された信号は、接続ケーブル３４０２を介して飛行情報送受信・演算装置５００１に送られる。飛行情報送受信・演算装置５００１に送られた入力信号は、入力情報取込部５１０１で文字列情報に変換され、さらに飛行情演算部５５０１の入力情報変換部５５１１へと送られる。
【０１１７】
入力情報変換部５５１１では、文字列情報を受け取ると、受け取った文字列情報に対応して指定の情報に変換され、さらに情報記憶部５５２１に送られ記録保存される。同時に、入力情報変換部５５１１では、受け取った文字列情報に対応して、指定の処理開始指令を情報処理部５６０１へと送出する。
【０１１８】
［表示処理］
入力情報変換部５５１１または送受信信号変換部５５４１の指令に基づいて、情報処理部５６０１は、表示装置３３０１の内容に変更が必要であるかどうかを判断し、変更が必要である場合には、モニタ情報合成部５５５１に表示内容の変更指令を送る。モニタ情報合成部５５５１では、表示内容の変更指令を受け取ると、情報記憶部５５２１から表示に必要な情報を読み出して、表示内容の信号を合成し、その合成してなる信号をモニタ情報出力部５３０１へと送出する。
【０１１９】
モニタ情報出力部５３０１では、表示内容の信号を受け取ると、それをいわゆる画像信号に変換し、接続ケーブル３３０２を介して表示装置３３０１に送る。表示装置３３０１では、送られて来た画像信号に基づいて、表示画面に各種情報等の画像表示を行う。このようにして、例えば図９に一例を示したような、カイトプレーンの現在位置を３次元相対座標で表示する画像を、表示装置３３０１の画面上に出力することができる。また、例えば図１０に一例を示したような、カイトプレーンの飛行モード、現在位置、目標点位置などの数値データを表示する画像を、表示装置３３０１の画面上に出力することができる。
【０１２０】
［無線通信処理］
飛行設定・モニタ装置３００１と飛行制御装置２００１間の無線通信は、以下のような手順で行われる。
【０１２１】
飛行設定・モニタ装置３００１から飛行制御装置２００１に情報を送信する場合には、入力情報変換部５５１１および送受信信号変換部５５４１の指令により、情報処理部５６０１は、無線通信による情報送信が必要であるかどうかを判断し、情報送信が必要である場合には、送受信信号変換部５５４１に対して、送信する情報に対応した送信指令を送る。
【０１２２】
送受信信号変換部５５４１では、送信する情報に対応する送信指令を受け取ると、対応する送信指令に従って情報記憶部５５２１から送信に必要となる情報を読み出して、送信する情報を生成し、それを飛行情報送受信部５４０１へと送出する。そして飛行情報送受信部５４０１では、送受信信号変換部５５４１から送信情報が送られて来ると、送信情報を指定の送信信号に変換して、接続ケーブル３２０３を介してモニタ側無線通信装置３２０１へと送出する。
【０１２３】
モニタ側無線通信装置３２０１では、飛行情報送受信部５４０１から信号を受け取ると、それを接続ケーブル３２０４を介してモニタ側無線通信アンテナ３２０２によって無線信号として出力する。
【０１２４】
他方、飛行制御装置２００１では、カイト側無線通信アンテナ１２０２が無線信号を受信すると、その信号は接続ケーブル１２０４を介してカイト側無線通信装置１２０１へと送られる。カイト側無線通信装置１２０１は、さらにその無線信号を信号化し、接続ケーブル１２０３を介して飛行情報送受信部２１３１へと送出する。
【０１２５】
飛行情報送受信部２１３１では、カイト側無線通信装置１２０１から信号を受け取ると、受け取った信号から文字列情報に変換して送受信信号変換部２５４１へと送出する。そして送受信信号変換部２５４１では、制御時刻管理部２５５１からの指令を受け取るごとに、飛行情報送受信部２４０１から受け取った文字列情報から、それに対応した情報を生成して情報記憶部２５２１へと送出する。情報記憶部２５２１では、受信した情報ごとに弁別して読み出し可能に記録保存する。
【０１２６】
なお、飛行制御装置２００１から飛行設定・モニタ装置３００１へと各種情報を送信する場合には、上記の通信と逆方向に情報が伝達されることは言うまでもない。
【０１２７】
［無線操縦通信処理］
無線マニュアル操縦装置４００１と飛行制御装置２００１との間での無線通信は以下に説明するような手順によって行われる。
【０１２８】
無線マニュアル操縦装置４００１で設定された無線マニュアル操縦信号は、接続ケーブル１２１４を介して無線マニュアル操縦アンテナ１２１２から無線マニュアル操縦受信装置１２１１によって受信される。無線マニュアル操縦受信装置１２１１では、受信された無線マニュアル操縦信号が接続ケーブル１２１３を介して飛行制御装置２００１の操作量切替部２１６１およびマニュアル操縦信号読込部２１５１に送られる。マニュアル操縦信号読込部２１５１では、マニュアル操縦信号をマニュアル信号変換部２５６１に送る。そしてマニュアル信号変換部２５６１では、マニュアル操縦信号読込部２１５１から送られて来たマニュアル操縦信号を操作量および飛行モード等の情報に変換し、マニュアル操縦情報として情報記憶部２５２１に送って記録保存する。
【０１２９】
［初期化］
システムが起動した後、操作者がシステムの初期化を行う。この初期化では、基準点および滑走路範囲の緯度・経度・高度が設定される。基準点は、図１１に一例を示したような、本システムが管理する３次元座標の原点位置として設定および処理される。滑走路範囲は、例えば図２７に一例を示したように、カイトプレーンが離着陸に使用可能な滑走路の区域表す４つの点で表すことができる。
【０１３０】
［基準点の設定］
図１２は、初期化ないし基準点の設定に関する主要な処理手順の概要を表したものである。基準点の設定は、入力装置３４０１から行う場合と、飛行制御装置２００１から飛行設定・モニタ装置３００１に、無線通信でカイトプレーンの現在位置を送信することによって基準点を設定する場合とが可能である。
【０１３１】
入力装置３４０１から行う場合では（Ｓ１２０１のＹ）、操作者は、既述の入力処理によって、基準点の緯度・経度・高度の入力を行う（Ｓ１２０２）。このとき、情報記憶部５５２１に記録される情報を基準点情報とする。そして入力情報変換部５５１１は基準点の位置情報の入力に対応する処理開始指令を情報処理部５６０１へと送る（図示省略）。
【０１３２】
あるいは、飛行制御装置２００１から現在位置を設定する場合では（Ｓ１２０１のＮ）、操作者は入力処理によって基準点送信要求の入力を行う（Ｓ１２０３）。このとき、入力情報変換部５５１１は基準点送信要求に対応する処理開始指令を情報処理部５６０１へと送る。情報処理部５６０１は、基準点送信要求に対応する処理開始指令を受け取ると、送受信信号変換部５５４１に対し、基準点送信要求の送信指令を送り、既述の無線通信処理によって基準点送信要求が飛行制御装置２００１へと送信される（Ｓ１２０４）。
【０１３３】
送受信信号変換部２５４１では、既述の無線通信処理によって基準点送信要求を受け取ると（Ｓ１２０５）、情報記憶部２５２１からカイトプレーンの現在位置情報を読み出して、それを現在位置の文字列情報に変換して飛行情報送受信部２４０１へと送る。
【０１３４】
飛行情報送受信部２４０１では、無線通信処理によってカイトプレーン１００１の現在位置の情報を飛行設定・モニタ装置３００１へと送信する。飛行設定・モニタ装置３００１では、送られて来た情報を情報記憶部５５２１に記録保存する（Ｓ１２０６）。このとき情報記憶部５５２１に記録保存された情報も「基準点情報」である。そして送受信信号変換部５５４１は、基準点の位置情報の受信に対応する処理開始指令を情報処理部５６０１へと送る（図示省略）。
【０１３５】
情報処理部５６０１では、基準点の位置情報の入力もしくは制御装置２００１からの無線通信による基準点の位置情報の受信に対応する処理開始指令を受け取ると、表示装置３３０１の３次元座標の中心を基準点に設定する演算を行って、その演算結果を基準点の設定情報として情報記憶部５５２１送り、記録保存する（Ｓ１２０７）。
【０１３６】
［滑走路範囲の設定］
図１３は、基準点の設定から滑走路範囲の入力を行って初期化を終了するまでの主要な手順を表したものである。図１２に基づいて説明した手順に引き続いて、情報処理部５６０１は基準点の入力に伴う表示の変更指令をモニタ情報合成部５５５１へ送り、既述の表示処理によって基準点の設定に伴う表示を行う（Ｓ１３０１）。
【０１３７】
続いて、操作者は入力処理によって滑走路範囲の緯度・経度・高度の入力を行う（Ｓ１３０２）。その情報は情報記憶部５５２１に記録保存される（Ｓ１３０３）。このとき情報記憶部５５２１に記録される情報を滑走路範囲情報とする。またこのとき、入力情報変換部５５１１は、滑走路範囲の位置情報の入力に対応する処理開始指令を情報処理部５６０１へと送る（図示省略）。
【０１３８】
情報処理部５６０１では、滑走路範囲の入力に伴う表示の変更指令をモニタ情報合成部５５５１へと送り、既述したような表示処理によって滑走路範囲の設定に伴う表示を行う（Ｓ１３０４）。またこのとき基準点および滑走路範囲の設定が終了した後、基準点情報および滑走路範囲情報（あわせて「初期化情報」と呼ぶ）の送信要求が成されると（Ｓ１３０５）、初期化情報が飛行制御装置２００１へと送信される（Ｓ１３０６）。またこのとき、入力情報変換部５５１１は、初期化情報送信指令に対応する処理開始指令を、情報処理部５６０１へと送出する。すなわち、この部分の手順は、さらに詳細には、情報処理部５６０１が初期化情報送信指令に対応する処理開始指令を受け取ると、送受信信号変換部５５４１に対して初期化情報の送信指令を送り、無線通信処理によって初期化情報が飛行制御装置２００１へと送信される。このとき、制御装置２００１の情報記憶部２５２１に記録保存される情報も「初期化情報」とする。以上の操作によってシステムの初期化が終了する。
【０１３９】
［目標点の設定］
次に、操作者は飛行経路の目標点を設定する。図１１は、目標点と飛行経路との関係についての一例を表したものである。目標点は、飛行経路の参照となる点である。例えば、図１１（Ａ）では、目標点を直線で補間した線を飛行経路としている。また、図１１（Ｂ）では、目標点を適切な規則に基づいた曲線で補間して、その曲線をある程度再現可能な補助目標点を求め、その補助目標点を直線により補間した線を飛行経路としている。
【０１４０】
図１４は、目標点の設定の主要な処理の手順を表したものである。操作者は、入力処理によって目標点を入力する（Ｓ１４０１）。その入力に際しては、例えば基準点からの相対位置、すなわち基準点に対して北（ｘ）方向、西（ｙ）方向、高さ（ｚ）方向の相対位置を入力する方法や、地上に地理学的に設定された一般的な緯度・経度・高度のような絶対位置を入力する方法などがある。
【０１４１】
入力情報変換部５５１１は、入力処理によって目標点の文字列情報を受け取ると、それを目標点の位置情報に変換し、その目標点の位置情報を情報記憶部５５２１に送って記録保存する（Ｓ１４０２）。またそれと並行して、入力情報変換部５５１１が、情報処理部５６０１に目標点の入力に対応する処理開始指令を送る（図示省略）。
【０１４２】
情報処理部５６０１では、目標点の入力に対応する処理開始指令を受け取ると、情報処理部５５２１から目標点の位置情報を読み出し、目標点が相対位置で入力されていない場合にはそれに対応する絶対位置値を演算し、目標点が絶対位置値で入力されている場合には相対位置を演算する（Ｓ１４０３）。
そして読み出した位置情報または得られた結果を情報処理部５５２１へと送出し、目標点の絶対位置情報および相対位置情報として記録保存する（Ｓ１４０４）。
【０１４３】
また、情報処理部５６０１は、情報記憶部５５２１にあらかじめ保存されていた飛行経路の種類を読み出して、図１１（Ｂ）に示したような飛行経路の種類に対応する補助目標点の基準位置および相対位置を演算し（Ｓ１４０５）、その演算結果を情報記憶部５５２１に送って、補助目標点の絶対位置情報および相対位置情報として記録保存する（Ｓ１４０６）。
【０１４４】
また、情報処理部５６０１は、目標点および補助目標点に関する演算と演算結果の記録保存が終了すると、表示変更指令をモニタ情報合成部に送り、表示処理によって目標点の設定に伴う表示を行う（Ｓ１４０７）。
【０１４５】
［目標点と補助目標点の送信］
次に、操作者は、目標点および補助目標点を飛行制御装置２００１へと送信する。図１５は、目標点と補助目標点の送信の主要な処理の手順を表したものである。
【０１４６】
操作者は、入力処理によって標点の送信指令の入力を行う（Ｓ１５０１）。そして入力情報変換部５５１１は、目標点の送信指令の文字列情報を受け取ると、情報処理部５６０１に対して、目標点の送信の処理開始指令を送る。情報処理部５６０１では、目標点の送信の処理開始指令を受け取ると、送受信信号変換部５５４１に対して、目標点の送信指令を送り、無線通信処理によって目標点の絶対位置情報または相対位置情報、および補助目標点の絶対位置情報または相対位置情報を、飛行制御装置２００１へと送信する（Ｓ１５０２）。
【０１４７】
飛行制御装置２００１は、無線通信処理によって、目標点の絶対位置情報または相対位置情報、および補助目標点の絶対位置情報または相対位置情報を受け取り、それを目標点および補助目標点情報として情報記憶部５５２１に記録保存する（Ｓ１５０３）。
【０１４８】
［飛行経路種類の入力］
操作者は、飛行経路種類を入力することができる。図１６は、飛行経路種類の入力の主要な処理の手順を表したものである。操作者は、入力処理により、飛行経路の種類を入力する（Ｓ１６０１）。入力情報変換部５５１１では、飛行経路の種類の入力に対応する文字情報を受け取ると、飛行経路の種類情報を生成して、それを情報記憶部５５２１へと送り、飛行経路の種類情報として記録保存する（Ｓ１６０２）。続いて、入力情報変換部５５１１が、飛行経路の変更に対応する処理開始指令を情報処理部５６０１に送る（図示省略）。
【０１４９】
情報処理部５６０１では、飛行経路の変更に対応する処理開始指令を受け取ると、目標点の位置情報と飛行経路の種類情報とを読み出し、飛行経路の種類情報に基づいて補助目標点を再計算し（Ｓ１６０３）、それによって得られた補助目標点の情報を、情報記憶部５５２１へと送出して、新たな補助目標点の絶対位置情報または相対位置情報として記録保存する（Ｓ１６０４）。
【０１５０】
続いて、情報処理部５６０１は、送受信信号変換部５５４１に対して、目標点の送信指令を送り、無線通信処理によって、目標点の絶対位置情報または相対位置情報、および補助目標点の絶対位置情報または相対位置情報を、飛行制御装置２００１へと送信する（Ｓ１６０５）。
【０１５１】
飛行制御装置２００１では、無線通信処理により、目標点の絶対位置情報または相対位置情報、および補助目標点の絶対位置情報または相対位置情報を受け取って、それを目標点および補助目標点情報として、情報記憶部２５２１に記録保存する（Ｓ１６０６）。
【０１５２】
［手動飛行操作］
操作者は、例えば無線マニュアル操縦装置４００１の手動／自動切替スイッチ（図示省略）を手動側に切り替えることなどにより、無線マニュアル操縦装置４００１を用いた手動によってカイトプレーン１００１の飛行操作を行うことができる。図１７は、そのような手動飛行操作に関する主要な処理の手順を表したものである。
【０１５３】
操作者は、無線マニュアル操縦装置４００１の手動／自動切替スイッチを手動側をＯＮに切り替える（Ｓ１７０１）。この無線マニュアル操縦装置４００１の手動／自動切替スイッチの手動側ＯＮ信号は、既述の無線操縦通信処理によって飛行制御装置２００１に送られて（Ｓ１７０２）、飛行モードがマニュアル操縦情報の手動モードに設定され、またそれが情報記憶部２５２１に記録保存される（Ｓ１７０３）。
【０１５４】
飛行制御装置２００１内の操作量切替部２１６１では、手動／自動切替スイッチの手動側ＯＮ信号を受けると、接続ケーブル１２１３からの信号が有効となるように回路が切り替わる（Ｓ１７０４）。
【０１５５】
この状態で、操作者が無線マニュアル操縦装置４００１を操作すれば、無線マニュアル操縦装置４００１の操縦信号は、無線操縦通信処理によって操作量切替部２１６１から直接カイトプレーン１００１に与えられて、カイトプレーン１００１は操作者によって手動で操縦される（Ｓ１７０５）。また、このとき操作量演算部２６０１の飛行状態観測部２６１１では、制御時刻管理部２５５１からの指令により情報記憶部２５２１から、基準点情報、センサー情報、カイト側現在位置情報、モニタ側現在位置情報、および後述する自動飛行操作量情報を読み出して、後述する内容と同様な飛行状態の演算を行って、その演算結果を情報記憶部２５２１へと送り、飛行状態情報として記録保存する。また、飛行状態観測部２６１１は、飛行状態の観測演算が終了すると飛行モード・経路演算部２６２１に飛行状態演算終了信号を送る（図示省略）。飛行モード・経路演算部２６２１では、飛行状態観測部２６１１から飛行状態演算終了信号を受け取ると、情報記憶部２５２１から、マニュアル操縦情報およびその他の情報を読み出して、マニュアル操縦情報が手動モードであれば自動飛行制御演算部２６３１へと飛行モード・経路演算終了信号を送る（図示省略）。そして自動飛行制御演算部２６３１では、飛行モード・経路演算部２６２１からモード・経路演算終了信号を受け取ると、情報記憶部２５２１から、マニュアル操縦情報およびその他の情報を読み出して、マニュアル操縦情報が手動モードであれば、飛行操作量出力部２１４１に対してマニュアル操縦情報内の操作量と同じ操作量情報を送り、さらに同じ情報を情報記憶部２５２１へと送って記録保存する（図示省略）。
【０１５６】
［自動飛行］
操作者が無線マニュアル操縦装置４００１の手動／自動切替スイッチを自動側にＯＮに切り替えることで、カイトプレーン１００１を自動飛行状態にすることができる。
【０１５７】
まず、操作者は、カイトプレーンが自動飛行可能な状態か否かを判断する。たとえば、（１）離陸準備が整った状態、（２）手動によって安定して飛行中の状態、などのように、自動飛行制御が実行できる状態にあるか否かを判断する。
【０１５８】
操作者は、自動飛行可能な状態にあると判断すると、それまで手動側にＯＮとなっていた無線マニュアル操縦装置４００１の手動／自動切替スイッチ（図示省略）を自動側にＯＮに切り替える。
【０１５９】
無線マニュアル操縦装置４００１の手動／自動切替スイッチの自動側ＯＮ信号は、無線マニュアル操縦アンテナより接続ケーブル１２１４を介して無線マニュアル操縦受信装置１２１１で受信される。受信された手動／自動切替スイッチの自動側ＯＮ信号は、接続ケーブル１２１３を介して飛行制御装置２００１内の操作量切替部２１６１に入力される。
【０１６０】
飛行制御演算装置２００１内の操作量切替部２１６１では、手動／自動切替スイッチの自動側ＯＮ信号を受けると、飛行操作量出力部２１４１からの操作量の信号が有効となるように回路が切り替わる。
【０１６１】
［飛行状態観測］
図１８は、飛行状態観測部の主要な動作を説明するための流れ図である。また図１９は、飛行状態観測部の飛行状態演算の処理の主要な手順を表したものである。
【０１６２】
飛行状態観測部２６１１は、制御時刻管理部２５５１から操作量演算開始指令を受け取ると、情報記憶部２５２１から、基準点情報、センサー情報、カイト側現在位置情報、モニタ側現在位置情報、自動飛行操作量情報、飛行状態情報を読み出す（Ｓ１８０１）。
【０１６３】
次いで、飛行状態観測部２６１１は、センサー情報のうちの加速度情報から、センサー飛行速度Ｖｓを求める（Ｓ１８０２〜Ｓ１９０１）。また、時刻ｋにおけるセンサー飛行速度ベクトルＶｓは、加速度ベクトルをａｓとすれば、図２０の一覧表中にその他の数式と共に式１として示したように、加速度ベクトルａｓをｔ＝０からｔ＝ｋに亘って時間積分する演算によって得ることができる。また、センサー情報のうちの角速度情報からセンサー飛行姿勢Ｒｓ（Ｒｓはベクトル量）を求める（Ｓ１８０２〜Ｓ１９０１）。また、センサー飛行姿勢行列Ｒｓは、角速度をωｓとすれば、図２０にも式２として示したように、Ｒｓ＝Ｒｓ＋ωｓ×Ｒｓ（ここに×はベクトル積）によって得ることができる（Ｓ１８０２〜Ｓ１９０１）。
【０１６４】
また、この飛行状態観測部２６１１は、センサー情報のうちの風速情報を、センサー風速Ｖｓｗとして求め、センサー情報のうちの高度情報を、センサー高度Ｈｓとして求め、センサー情報のうちの方位情報を、方位角αとして求める（Ｓ１８０２〜Ｓ１９０２）。
【０１６５】
また、カイト側現在位置情報と基準点情報もしくはモニタ側現在位置情報とを比較し、カイトプレーンの現在の時刻での「相対位置Ｐ（Ｐはベクトル量）」を求める（Ｓ１８０２〜Ｓ１９０３）。なお、この相対位置Ｐの要素：高度は、センサー高度Ｈｓと比較され、その結果に基づいて必要があれば補正される。
【０１６６】
ついで、飛行状態観測部２６１１は、求めた相対位置Ｐと、飛行状態情報の相対位置の時系列情報とから、カイトプレーンの飛行速度ＶＧを求める（Ｓ１９０４）。この飛行速度ＶＧ（高度、水平方向の速度）は、図２０にも式３として示したように、時系列相対位置Ｐｋベクトルの各サンプリングタイム毎の差分値をサンプリングタイムｄｔで除算したものの総和を取り、それをｎ回で平均することによって求められる。なお、飛行速度ベクトルＶＧは、センサー飛行速度ベクトルＶＳと比較されて、必要があれば補正される。
【０１６７】
次いで、飛行状態観測部２６１１は、操作量情報のスロット出力Ｔおよび飛行速度ＶＧおよび方位αから、風向きおよび風速を求める（Ｓ１８０２〜１９０５）。図２１は、飛行速度と風向きと機首機方向との関係を説明するための図である。
【０１６８】
風の速度ベクトルＶｗは、図２０に式４として示したように、ＶＧのｚ成分と無風状態におけるスロット出力Ｔでの直進速度を与える関数とに基づいて求めることができる。なお、このＶｗについても、センサー風速Ｖｓｗと比較されて、必要があれば修正される。
【０１６９】
このようにして得られたセンサー飛行速度Ｖｓ、センサー飛行姿勢Ｒｓ、センサー風速Ｖｓｗ、センサー高度Ｈｓ、方位角α、相対位置Ｐ、飛行速度ＶＧ、風速度Ｖｗを、飛行状態情報として情報記憶部２５５１へと送って記録保存し（Ｓ１９０６〜Ｓ１８０３）、飛行モード・経路演算部２６２１へと飛行状態演算終了信号を送って処理を終了する。
【０１７０】
［飛行モード・経路演算部］
次に、飛行モード・経路演算部２６２１の主要な動作について説明する。図２２は、飛行モード・経路演算部２６２１の主要な動作を説明するための流れ図である。
【０１７１】
まず、飛行モード・経路演算部２６２１は、飛行状態観測部より２６１１より「飛行状態演算終了信号」を受け取ると、情報記憶部２５２１から、飛行状態情報、マニュアル操作情報、飛行モード・経路目標情報、目標点および補助目標点情報、着陸経路目標点情報を読み出す（Ｓ２２０１）。
【０１７２】
［飛行モード］
この自律飛行カイトプレーンシステムでは、（１）手動操作モードと、３つの自動モード、すなわち（２）ソフト手動モード、（３）自動経路飛行モード、（４）自動着陸モード、の４つの飛行モードが用意されている。これらの飛行モードは、無線マニュアル操縦装置４００１もしくは飛行設定・モニタ装置３００１によって設定・切り替えを行うことができるようになっている。
【０１７３】
（１）の手動モードおよび（２），（３），（４）の自動モードの切り替えについては、無線マニュアル操縦装置４００１でのみ切り替えることができる。
【０１７４】
また、（２），（３），（４）の自動モードの切り替えについては、無線マニュアル操縦装置４００１もしくは飛行設定・モニタ装置３００１によって設定することができるようになっている。
【０１７５】
無線マニュアル操縦装置４００１による手動モード設定では、既述の［手動飛行操作］で説明した処理が行われる。また、無線マニュアル操縦装置４００１による自動モード設定では、操作者が無線マニュアル操縦装置４００１のモード切替スイッチ（図示省略）を所望のモードに切り替え操作することで、モードの切り替えを行うことができる。
【０１７６】
無線マニュアル操縦装置４００１で自動モードが設定されると、設定されたモードは、既述の無線操縦通信処理によってマニュアル信号変換部２５６１に送られ、マニュアル操縦情報のうちの情報の一つとして情報記憶部２５２１に記録保存される。
【０１７７】
また、飛行設定・モニタ装置３００１による自動モード設定では、入力処理によってモード設定信号が入力される。モード設定信号に基づいて設定が変更されると、その設定されたモードは、無線通信処理によって飛行制御装置２００１に送信されて、送受信信号変換部２５４１による変換を受けた後、マニュアル操縦情報に含まれて情報記憶部２５２１に記録保存される。
【０１７８】
（１）の手動モードは、［手動飛行操作］で説明したような処理を行うモードである（よってその詳細はここでは繰り返さない）。（２）のソフト手動モードは、飛行操作量演算部２５０１を介して、無線マニュアル操縦装置４００１による手動飛行操作を行うモードである。（３）の自動経路飛行モードは、飛行モード・経路演算部２６２１によって演算された経路に沿ってカイトプレーン１００１が飛行するように自動操縦を行うモードである。（４）の自動着陸モードは、飛行モード・経路演算部２６２１によって演算された経路に沿ってカイトプレーン１００１が着陸するように自動操縦を行うモードである。
【０１７９】
次に、各モードの設定および飛行経路の演算方法について説明する。
【０１８０】
［飛行モード設定・経路演算］
図２３，２４，２５は、図２２に示したＳ２２０２の手順およびそれ以後における情報処理の主要な動作をさらに詳細に示した流れ図である。また、図２６（Ａ）は目標経路の設定を説明するための図である。
【０１８１】
飛行モード・経路演算部２６２１は、マニュアル操縦情報の手動モードを検出すると（Ｓ２３０１のＹ）、飛行モードを手動モードとする（図２４のＳ２４０１）。あるいは、マニュアル操縦情報のソフト手動モードを検出すると（Ｓ２３０２のＹ）、飛行モードをソフト手動モードとする（Ｓ２４０２）。あるいは、マニュアル操縦情報が自動経路飛行モードで（Ｓ２３０３のＹ）、かつ飛行モード・経路目標情報がその他のモードであれば（Ｓ２２０４のＮ）、飛行モードを自動経路飛行モードに変更し、さらにモード切替中信号を生成する（Ｓ２３０５）。飛行モード・経路目標情報が自動経路飛行モード（Ｓ２３０４のＹ）かつモード切替中であり（Ｓ２３０６のＹ）、かつ現在のカイトプレーンの位置が後述する切替目標点と切替目標点から最も近い目標点もしくは補助目標点からなる新たな飛行経路よりも、目標点もしくは補助目標点からなる経路の方が近くなると（Ｓ２３０７のＹ）、モード切替中信号を削除する（Ｓ２３０８）。
【０１８２】
飛行モード・経路演算部２６２１は、飛行モード・経路目標情報が自動経路飛行モードで、かつモード切替中信号を検出せず、かつカイトプレーンの現在位置が目標点もしくは補助目標点情報の最後の目標点から、一定の範囲内になければ、目標点もしくは補助目標点を直線で補間した経路とカイトプレーン１００１の現在位置Ｐｉ＝（Ｙｉ，Ｚｉ）との距離が最も小さくなる点Ｐｒ＝（Ｙｒ　，Ｚｒ）Ｔ（Ｔは転置の意。以下同様）と補間した直線の方向Ψｒとを計算し（Ｓ２３０９，Ｓ２４０３）、これを経路目標情報として飛行モード・経路目標情報を書き換える（Ｓ２４０４）。また、飛行モード・経路演算部２６２１は、モード切替中信号を生成すると、モードの切替時点のカイトプレーン１００１の位置Ｐを「切替目標点」として「目標点および補助目標点情報」に追加し、情報記憶部２５２１へ送り記録保存する（Ｓ２５０１）。また、飛行モード・経路演算部２６２１は、「切替目標点」から最も近い目標点もしくは補助目標点を直線で補間した経路を新たな経路とし、この経路とカイトプレーンの現在位置Ｐｉ　＝（Ｙｉ，Ｚｉ）との距離が最も小さくなる点Ｐｒ＝（Ｙｒ　，Ｚｒ）Ｔと補間した直線の方向Ψｒとを計算し、経路目標情報として飛行モード・経路目標情報を書き換える（Ｓ２５０２，Ｓ２４０５）。
【０１８３】
［自動着陸モードの設定］
飛行モード・経路演算部２６２１は、マニュアル操縦情報が自動着陸モードで、飛行モード・経路目標情報がその他のモードであれば（Ｓ２５０３のＮ）、飛行モードを自動着陸モードとし、この時点のカイトプレーンの位置を「着陸開始目標点」とする（Ｓ２５０４）。
【０１８４】
あるいは、マニュアル操縦情報が自動経路飛行モードで、飛行モード・経路目標情報が自動経路飛行モードであり（Ｓ２３０４のＹ）、モード切替中信号を検出せず（Ｓ２３０６のＮ）、カイトプレーンの現在位置が目標点もしくは補助目標点情報の最後の目標点から一定の範囲内にあれば（Ｓ２５０５のＹ）、飛行モードを自動着陸モードとし、目標点もしくは補助目標点情報の最後の目標点を「着陸開始目標点」とする（Ｓ２５０６）。
【０１８５】
［自動着陸モード時の目標経路演算］
飛行モード・経路演算部２６２１は、飛行状態情報の風向きおよび風速などから、着陸目標点、着陸滑走終了目標点、着陸経路開始目標点、着陸補助目標点を演算し、これらの目標点情報と着陸開始目標点情報とを、着陸経路目標点情報として情報記憶部２５２１へ送って記録保存する（Ｓ２５０７，Ｓ２５０８）。
【０１８６】
次いで、飛行モード・経路演算部２６２１は、送受信信号変換部２５４１に着陸経路の送信指令を送り（Ｓ２５０９）、送受信信号変換部２５４１は、着陸経路の送信指令を受け取ると、情報記憶部２５２１から着陸経路目標点情報を読み出して、それを無線通信処理によって飛行設定・モニタ装置３００１に送る。飛行設定・モニタ装置３００１では、無線通信処理によって着陸経路目標点情報を受信すると、表示処理によって表示装置３３０１に着陸経路を表示する。
【０１８７】
また、飛行モード・経路演算部２６２１は、自動着陸モード時、現在のカイトプレーンの位置と着陸経路目標点を直線により結んだ着陸経路との距離が最も小さくなる点Ｐｒ＝（Ｙｒ　，Ｚｒ）Ｔと補間した直線の方向Ψｒとを計算し（Ｓ２４０３）、それを経路目標情報として飛行モード・経路目標情報を書き換える（Ｓ２４０４）。また、飛行モード・経路目標情報を情報記憶部２５２１へと送り記録保存する。
【０１８８】
次に、飛行モード・経路演算部２６２１における着陸経路の演算方法について説明する。図２６（Ｂ），図２７は、着陸の経路を決定するための目標点とそれを用いた着陸経路の一例を表したものである。
【０１８９】
まず、「飛行状態情報」の風向きから、着陸目標点、着陸滑走終了目標点を求める。カイトプレーンは一般に、飛行経路が風向きおよび風速によって顕著な影響を受けるため、風に向かって着陸することが望ましい。図２６に示したように、着陸経路（着陸目標点と着陸滑走終了目標点とを結ぶ線分）を、風向きと平行になるように設定する。さらに、滑走路範囲内で滑走経路が最も長くなるように、風上に着陸滑走目標点を定めると共に、風下に着陸目標点を定める。ここで、着陸滑走目標点は滑走路範囲境界上に取り、着陸目標点は滑走路範囲境界上からの距離Ｌｒａ、Ｌｒｂともに一定距離以上となるように取る。
【０１９０】
また、風速が大きいほど着陸経路の長さは短くてよい。従って、図２６に示した着陸経路開始目標点は、着陸目標点から風速に応じた着陸距離および一定の着陸距離高さの位置となる。すなわち、着陸経路開始目標点は、着陸経路開始目標点相対位置ベクトルをＰｒｓ、着陸目標点相対位置ベクトルをＰｒ、着陸高度をＲｈ、着陸高度ベクトルをＰｒｈ＝（０，０，Ｒｈ）Ｔ、風向き方向ベクトルをｉｗ　＝（ｉｗｘ，ｉｗｙ，０）Ｔ、風速・距離換算関数をｆｒ（Ｖｗ）とすれば、図２０の式５にも示したように、Ｐｒｓ＝Ｐｒ＋ｆｒ（Ｖｗ）×ｉｗ　＋Ｐｒｈによって求められる。
【０１９１】
着陸目標点、着陸経路開始目標点および着陸開始目標点を、直線もしくは曲線により補間し、曲線による補間を設定する場合は、さらに補間する曲線上に着陸補助目標点をとり、着陸補助目標点の直線補間を着陸経路とする。
【０１９２】
また、飛行モード・経路演算部２６２１では、定期的に送受信信号変換部２５４１に対してモニタ側現在位置情報の送信要求指令の送信指令を送る。飛行設定・モニタ装置３００１内の送受信信号変換部５５４１では、既述の送受信処理に従って、飛行制御装置２００１からモニタ側現在位置情報の送信要求指令を受け取ると、情報記憶部５２２１から、モニタ側現在位置情報を読み出して、送受信処理によってモニタ側現在位置情報を飛行制御装置２００１へと送る。
【０１９３】
飛行制御装置２００１内の送受信信号変換部２５４１では、送受信処理に従って飛行設定・モニタ装置３００１からモニタ側現在位置情報を受け取ると、それを情報記憶部２５２１へ送ってモニタ側現在位置情報として記録保存する。
【０１９４】
飛行モード・経路演算部２６２１は、飛行モードの設定または飛行経路の演算および必要情報の送信指令の送信等の一連の処理が終了すると、自動飛行制御演算部２６３１に飛行モード・経路演算終了信号を送る（Ｓ２４０６）。
【０１９５】
［自動飛行制御操作量の演算］
図２８は、自動飛行制御演算部の主要な動作を説明するための流れ図である。自動飛行制御演算部２６３１では、飛行モード・経路演算部２６２１から飛行モード・経路演算終了信号を受け取ると、情報記憶部２５２１から、マニュアル操縦情報、飛行状態情報および飛行モード・経路目標情報を読み出して（Ｓ２８０１）、自動飛行操作量を演算し（Ｓ２８０２）、その演算結果を飛行操作量出力部２１４１へと送り、さらに同じ情報を情報記憶部２５２１に送って操作量情報として記録保存する（Ｓ２８０３）。
【０１９６】
ここでは、自動飛行制御演算部２６３１での操作量の演算（Ｓ２８０２）について詳細に説明する。カイトプレーンの飛行を縦系（ｚ軸方向）と横系（ｘｙ平面）とに分けて、それら２つの系を互いに独立して取り扱って、そのそれぞれに関して制御量の演算を行う。なお、全体の飛行はこれら２つの系（縦系と横系と）が合成されたものと見做すことができることは言うまでもない。
【０１９７】
縦系すなわち上昇・下降の運動を制御する場合には、カイトプレーン１００１のエンジン１０５１の出力とエレベータ（水平尾翼；以下エレベータと呼ぶ）１０２１の操舵角とを操作量とする。
【０１９８】
横系すなわち水平方向の運動を制御する場合には、エルロン（補助翼；以下、エルロンと呼ぶ）１０１１およびラダー（垂直尾翼）１０２１の操舵角を操作量とする。
【０１９９】
［縦系の制御］
図２９は、縦系の操作量（スロットル出力，エレベータ操舵角）に関する自動制御系の主要部の構成を表したブロック図である。まず、スロットル出力Ｔに関する演算方法について説明する。
【０２００】
目標高度Ｚｒを微分器２６３１ＴＤ１によって微分して、目標高度の速度Ｗｒを求める。そしてＷｒを関数変換器２６３１ＴＦ１によって定常スロットル出力Ｔ０に変換する。すなわち定常スロットル出力Ｔ０は、Ｔ０　＝ｆ（Ｗｒ）によって演算される。
【０２０１】
続いて、目標高度Ｚｒと現在の高度Ｚｉとの誤差ｅｚを求め、これに比例器２６３１ＴＰ１によってＳＴ１を乗算する。さらに、ｅｚを微分器２６３１ＴＤ２によって微分し、その微分値（ｄｅｚ／ｄｔ）に比例器２６３１ＴＰ２によってＳＴ２を乗算する。ここで、ＳＴ１のようなＳは一般に、所定のゲインであることは言うまでもない（以下同様）。
【０２０２】
これら２つの値ＳＴ１×ｅｚ、ＳＴ２×ｄｅｚ／ｄｔに、ファジイ演算器２６３１ＴＦ２によるファジイ推論演算ＦＬＣＴ　を作用させて、その結果に比例器２６３１ＴＰ３によってＳＴ３を乗算して、スロットル出力補正量ΔＴを求める。すなわち、ΔＴは、図２０中にも式６として示したように、ΔＴ＝ＳＴ３×ＦＬＣＴ（ＳＴ１×ｅｚ　，ＳＴ２×ｄｅｚ　／ｄｔ）、ｅｚ　＝Ｚｒ　−Ｚｉによって演算される。
【０２０３】
さらに、Ｔ０とΔＴとの和によって最終的なスロットル出力Ｔが求められる。すなわち、スロットル出力Ｔは、図２０中にも式６として示したように、Ｔ＝Ｔ０　＋ΔＴによって求めることができる。
【０２０４】
次に、エレベータ操舵角の制御量αｅの演算方法について説明する。まず、高度誤差ｅｚに比例器２６３１ＥＰ１によってＳｅ１を乗算する。さらに、その結果にファジイ演算器２６３１ＥＦ１によるファジイ推論演算ＦＬＣｅ　を作用させ、その結果に比例器２６３１ＥＰ２によってＳｅ２を乗算して、エレベータ操舵角　αｅを求める。すなわち、エレベータ操舵角αｅは、αｅ　＝Ｓｅ２×ＦＬＣｅ　（Ｓｅ１×ｅｚ）によって求めることができる。
【０２０５】
なお、このときのスロットルＴに関してファジイ演算器２６３１ＥＦ２によって行われるファジイ推論演算ＦＬＣＴ　の制御規則は図３０に一例を示したようなものであり、またエレベータ操舵角αｅに関してファジイ演算器２６３１ＥＦ１によって行われるファジイ推論演算ＦＬＣｅ　の制御規則は図３１に一例を示したようなものである。
【０２０６】
［横系の制御］
図３２は、横系の操作量すなわちエルロン操舵角αａｅおよびラダー操舵角αｒｕｄについての制御方法を説明するブロック図である。
【０２０７】
まず、エルロン操舵角αａｅの演算方法について説明する。まず、目標水平位置Ｙｒと現在水平位置Ｙｉとの誤差ｅＹを求める。また、目標方位Ψｒと現在方位Ψｉとの誤差ｅΨを求める。次に、これらの値ｅＹ，ｅΨに、それぞれ比例器２６３１ＡＰ１、２６３１ＡＰ２によってＳａ１、Ｓａ２をそれぞれ乗算し、これらの結果にファジイ演算器２６３１ＡＦ１によるファジイ推論演算ＦＬＣａを作用させ、さらにその結果に比例器２６３１ＡＰ３によってＳａ３を乗算することで、エルロン操舵角αａｅが演算される。すなわち、エルロン操舵角αａｅは、図２０にも式９として示したように、αａｅ＝Ｓａ３×ＦＬＣａ（Ｓａ１×ｅＹ　，Ｓａ２×ｅΨ），ｅＹ　＝Ｙｒ　−Ｙｉ，ｅΨ＝Ψｒ　−Ψｉによって演算される。
【０２０８】
次に、ラダー操舵角αｒｕｄの演算方法について説明する。上記のようにして求めたｅＹ，ｅΨに対して、それぞれ比例器２６３１ＲＰ１、２６３１ＲＰ２によってＳｒ１、Ｓｒ２を乗算し、その結果にファジイ演算器２６３１ＲＦ１によるファジイ推論演算ＦＬＣｒを作用させ、さらにその結果に比例器２６３１ＲＰ３によってＳｒ３を乗算することで、ラダー操舵角αｒｕｄを演算することができる。すなわち、ラダー操舵角αｒｕｄは、図２０にも式１０として示したように、αｒｕｄ＝Ｓｒ３×ＦＬＣｒ（Ｓｒ１×ｅＹ　，Ｓｒ２×ｅΨ）によって演算される。
【０２０９】
なお、このときのファジイ演算器２６３１ＡＦ１によって行われるエルロン操舵角αａｅに関するファジイ推論演算ＦＬＣａ　の制御規則は図３３に一例を示したようなものであり、またファジイ演算器２６３１ＲＦ１によって行われるラダー操舵角αｒｕｄに関するファジイ推論演算ＦＬＣｒ　の制御規則は図３４に一例を示したようなものである。
【０２１０】
ここで、図３５は、スロットル出力Ｔ、エレベータ操舵角αｅ、エルロン操舵角αａｅ、ラダー操舵角αｒｕｄについてのメンバーシップ関数のグラフの一例を表したものであり、図３６は、飛行高度誤差ＳＴ１×ｅＺ　，ＳＴ２×ｄｅｚ　／ｄｔ，方位誤差Ｓｒ２×ｅΨについてのメンバーシップ関数のグラフの一例を表したものであり、図３７は、水平位置誤差Ｓａ１×ｅＹのメンバーシップ関数についてのグラフの一例を表したものである。
【０２１１】
［終了操作］
操作者は、手動操作もしくは自動飛行によってカイトプレーンが地上に着陸すると、まず、カイトプレーン１００１のエンジン１０５１を停止させる。その後、カイトプレーン１００１上の起動スイッチをＯＦＦに切り替えて、カイトプレーン１００１および飛行制御演算装置２００１を停止する。そして停止をカイトプレーン１００１上の起動ランプ等で確認した後、無線マニュアル操縦装置４００１上の起動スイッチによって無線マニュアル操縦装置４００１を停止する。そして最後に、飛行情報送受信・演算装置５００１上の起動スイッチ（図示せず）をＯＦＦに操作して飛行設定・モニタ装置３００１を停止させることにより、システムの一連の動作を終了する。
【０２１２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし７のいずれかに記載の自律飛行カイトプレーンシステムまたは請求項８ないし１４のいずれかに記載のカイトプレーン制御装置によれば、特にスロットル制御系が、目標飛行経路における目標高度の時間微分値に基づいて定常スロットル出力値を算出する一方、目標高度とカイトプレーンが実際に飛行している現在高度との差を高度誤差として算出し、さらにその高度誤差の時間微分値を算出し、高度誤差と高度誤差の時間微分値とに基づいてスロットル出力補正値を算出し、そのスロットル出力補正値によって定常スロットル出力値を補正してスロットル出力値を算出し、それに基づいてスロットル装置におけるスロットル制御を行うことによって、カイトプレーンの飛行速度を制御量として取り扱わずにカイトプレーンの実際の飛行高度を制御して、特に飛行高度について簡易な構成の制御装置による正確な制御を行うことで、所定の飛行経路に沿ったカイトプレーンの自律飛行を実現することができ、その結果、活火山の観測や、遭難者の探索、気象観測、環境調査、監視などのような、無人飛行機によって行うことが要請される各種用途に好適であるカイトプレーンを、簡易な制御装置または制御システムによって、飛行経路に沿って正確に自律飛行させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る自律飛行カイトプレーンシステムの全体構成を表した図である。
【図２】飛行制御装置および飛行設定・モニタ装置に係るそれぞれの装置の接続関係等を表した図である。
【図３】飛行制御演算装置の主要部の構成を表したブロック図である。
【図４】飛行操作量演算部の主要部の構成を表したブロック図である。
【図５】操作量演算部の主要部の構成を表したブロック図である。
【図６】飛行情報送受信・演算装置の主要部の構成を表したブロック図である。
【図７】飛行情報演算部の主要部の構成を表したブロック図である。
【図８】自律飛行カイトプレーンシステムの起動の手順を表した流れ図である。
【図９】カイトプレーンの現在位置を３次元相対座標により表示した一例を示した図である。
【図１０】カイトプレーンの飛行モード、現在位置、目標点位置などを数値データにより表示した一例を示した図である。
【図１１】目標点と飛行経路との関係を表した図である。
【図１２】初期化の主要な処理の手順を表した流れ図である。
【図１３】図１２に引き続いて初期化の主要な処理の手順を表した流れ図である。
【図１４】目標点の設定の主要な処理の手順を表した流れ図である。
【図１５】目標点および補助目標点の情報の送信の主要な処理の手順を表した流れ図である。
【図１６】飛行経路種類の入力の主要な処理の手順を表した流れ図である。
【図１７】手動飛行操作の主要な処理の手順を表した流れ図である。
【図１８】飛行状態観測部の主要な動作を表した流れ図である。
【図１９】飛行状態観測部における飛行状態演算の処理の主要な動作を表した流れ図である。
【図２０】一連の制御で用いられる各種演算内容を表す数式を一覧表にして示した図である。
【図２１】飛行速度と風向きと機首方向との関係を説明する図である。
【図２２】飛行モード・経路演算部の主要な動作を表した流れ図である。
【図２３】モード設定の処理の主要な動作を表した流れ図である。
【図２４】図２３に関連してモード設定の処理の主要な動作を表した流れ図である。
【図２５】図２３，図２４に関連してモード設定の処理の主要な動作を表した流れ図である。
【図２６】目標経路の演算について模式的に表した図（Ａ）および着陸の経路を決定する目標点を示した図（Ｂ）である。
【図２７】決定された着陸経路の一例を表した図である。
【図２８】縦系の操作量（スロットル出力およびエレベータ操舵角）の制御手順の主要な流れを表した図である。
【図２９】縦系の制御ブロックを表した図である。
【図３０】スロットルのファジイ規則を示した表である。
【図３１】エレベータのファジイ規則を示した表である。
【図３２】横系の制御ブロックを表した図である。
【図３３】エルロンのファジイ規則を示した表である。
【図３４】ラダーのファジイ規則を示した表である。
【図３５】スロットル出力、エレベータ操舵角、エルロン操舵角、ラダー操舵角のメンバーシップ関数の一例を示した図である。
【図３６】高度誤差のメンバーシップ関数の一例を示した図である。
【図３７】水平誤差のメンバーシップ関数の一例を示した図である。
【図３８】カイトプレーンに関する６自由度の運動方程式を表した図である。
【図３９】本発明の一実施の形態に係るカイトプレーン制御装置における制御系の全体的な概要構成を表した図である。
【図４０】目標飛行位置の切り換え（書き換え）の基本的な作用を模式的に説明するための図である。
【図４１】外乱に対応するあて舵を切った場合の、カイトプレーンの機体の運動の力学的な解析の一例を模式的に表した図である。
【図４２】外乱が入ったときにカイトプレーンの機体に作用する流体力等の力学的な解析の一例を模式的に表した図である。
【符号の説明】
１，１０４１…デルタカイト翼（主翼）、２…動力源、３…プロペラ装置、４，１０１１…エルロン、５，１０３１…ラダー、６，１０２１…エレベータ、７，１００１…胴体（カイトプレーン本体）、１０５１…エンジン、１１０１…加速度センサー、１１０２…接続ケーブル、１１１１…方位センサー、１１１２…接続ケーブル、１１２１…角速度センサー、１１２２…接続ケーブル、１１３１…風速センサー、１１３２…接続ケーブル、１１４１…気圧センサー、１１４２…接続ケーブル、１１５１…カイト側ＧＰＳセンサー、１１５２…カイト側ＧＰＳアンテナ、１１５３…接続ケーブル、１１５４…接続ケーブル、１２０１…カイト側無線通信装置、１２０２…カイト側無線通信アンテナ、１２０３…接続ケーブル、１２０４…接続ケーブル、１２１１…無線マニュアル操縦受信装置、１２１２…無線マニュアル操縦アンテナ、１２１３…接続ケーブル、１２１４…接続ケーブル、２００１…飛行制御装置、２１１１…アナログセンサーデータ取込部、２１２１…ＧＰＳデータ取込部、２１３１，２４０１，５４０１…飛行情報送受信部、２１４１，２３０１…飛行操作量出力部、２１５１…マニュアル操縦信号読込部、２１６１…操作量切替部、２２０１，５２０１…ＧＰＳデータ取込部、２５０１…飛行操作量演算部、２５１１…センサーデータ変換部、２５２１，５５２１…情報記憶部、２５３１…ＧＰＳデータ変換部、２５４１…送受信信号変換部、２５５１…制御時刻管理部、２５６１…マニュアル信号変換部、２６０１…操作量演算部、２６１１…飛行状態観測部、２６２１…飛行モード・経路演算部、２６３１…自動飛行制御演算部、３００１…飛行設定・モニタ装置、３１０１…モニタ側ＧＰＳ、３１０２…モニタ側ＧＰＳアンテナ、３１０３…接続ケーブル、３１０４…接続ケーブル、３２０１…モニタ側無線通信装置、３２０２…モニタ側無線通信アンテナ、３２０３…接続ケーブル、３２０４…接続ケーブル、３３０１…表示装置、３３０２…接続ケーブル、３４０１…入力装置、３４０２…接続ケーブル、４００１…無線マニュアル操縦装置、５００１…飛行情報送受信・演算装置、５１０１…入力情報取込部、５３０１…モニタ情報出力部、５４０１…飛行情報送受信部、５５０１…飛行情報演算部、５５１１…入力情報変換部、５５３１…ＧＰＳデータ変換部、５５４１…送受信信号変換部、５５５１…モニタ情報合成部、５６０１…情報処理部
【図１】
2004017743.tif 000003
【図２】
2004017743.tif 000004
【図３】
2004017743.tif 000005
【図４】
2004017743.tif 000006
【図５】
2004017743.tif 000007
【図６】
2004017743.tif 000008
【図７】
2004017743.tif 000009
【図８】
2004017743.tif 000010
【図９】
2004017743.tif 000011
【図１０】
2004017743.tif 000012
【図１１】
2004017743.tif 000013
【図１２】
2004017743.tif 000014
【図１３】
2004017743.tif 000015
【図１４】
2004017743.tif 000016
【図１５】
2004017743.tif 000017
【図１６】
2004017743.tif 000018
【図１７】
2004017743.tif 000019
【図１８】
2004017743.tif 000020
【図１９】
2004017743.tif 000021
【図２０】
2004017743.tif 000022
【図２１】
2004017743.tif 000023
【図２２】
2004017743.tif 000024
【図２３】
2004017743.tif 000025
【図２４】
2004017743.tif 000026
【図２５】
2004017743.tif 000027
【図２６】
2004017743.tif 000028
【図２７】
2004017743.tif 000029
【図２８】
2004017743.tif 000030
【図２９】
2004017743.tif 000031
【図３０】
2004017743.tif 000032
【図３１】
2004017743.tif 000033
【図３２】
2004017743.tif 000034
【図３３】
2004017743.tif 000035
【図３４】
2004017743.tif 000036
【図３５】
2004017743.tif 000037
【図３６】
2004017743.tif 000038
【図３７】
2004017743.tif 000039
【図３８】
2004017743.tif 000040
【図３９】
2004017743.tif 000041
【図４０】
2004017743.tif 000042
【図４１】
2004017743.tif 000043
【図４２】
2004017743.tif 000044