(57)【要約】【課題】無人ヘリコプタにおいて、安全な自動離着陸を実現せしめるとともに、制御系構築のためのコスト増加を抑制する。また、安全な自動離着陸を実現させる無人ヘリコプタの離着陸方法を提供する。【解決手段】無人ヘリコプタ２０において、高度変化率指令等に基づいてコレクティブピッチ舵角を指令して機体の高度制御を行う高度制御手段と、地上からの離陸開始指令を受けて、高度制御手段による高度制御を行わずにコレクティブピッチ舵角を増加させながら機体を離陸させて第１の高度まで上昇させた後に高度制御手段による高度制御を開始させる離陸手段と、を備える。さらに、高度制御手段の降下率指令を変更しながら機体を第２の高度まで降下させ、第２の高度までの降下率指令よりも小さい降下率指令を高度制御手段に与えて第２の高度から地上まで機体を降下させる降下手段を備える。【選択図】　　　　　　　図１
2004130852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地上からの操縦指令を必要とせずに自律的に飛行を行う無人ヘリコプタにおいて、
フィードバックされた高度と高度指令との偏差、及び、フィードバックされた上昇率と上昇率指令との偏差に基づいてコレクティブピッチ舵角を指令する高度制御手段と、
水平面の位置に関し、フィードバックされた位置と位置指令との偏差、及び、フィードバックされた速度と速度指令との偏差に基づいて位置制御を行う位置制御手段と、
フィードバックされた姿勢角と姿勢角指令との偏差に基づいて機体の姿勢制御を行う姿勢制御手段と、
地上からの離陸開始指令を受けて、前記高度制御手段による高度制御を行わずにコレクティブピッチ舵角を増加させながら機体を離陸させて第１の高度まで上昇させた後に、前記高度制御手段による高度制御を開始する離陸手段と、
を備えることを特徴とする無人ヘリコプタ。
【請求項２】
前記離陸手段は、
前記第１の高度まで機体を上昇させる際に、前記位置制御と前記姿勢制御とを抑制することを特徴とする請求項１に記載の無人ヘリコプタ。
【請求項３】
地上からの操縦指令を必要とせずに自律的に飛行を行う無人ヘリコプタにおいて、
フィードバックされた高度と高度指令との偏差、及び、フィードバックされた降下率と降下率指令との偏差に基づいて算出した舵角指令によりコレクティブピッチ舵角を制御する高度制御手段と、
水平面の位置に関し、フィードバックされた位置と位置指令との偏差、及び、フィードバックされた速度と速度指令との偏差に基づいて位置制御を行う位置制御手段と、
フィードバックされた姿勢角と姿勢角指令との偏差に基づいて機体の姿勢制御を行う姿勢制御手段と、
前記高度制御手段の降下率指令を段階的に変更して機体を第２の高度まで降下させ、前記第２の高度までの降下率指令よりも小さい降下率指令を前記高度制御手段に与えて前記第２の高度から地上まで機体を降下させる降下手段と、
を備えることを特徴とする無人ヘリコプタ。
【請求項４】
前記降下手段は、
前記第２の高度から地上まで機体を降下させる際に、前記位置制御と前記姿勢制御とを抑制することを特徴とする請求項３に記載の無人ヘリコプタ。
【請求項５】
所定値以下の前記舵角指令が所定時間持続した場合に着地と判定する着地判定手段を備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の無人ヘリコプタ。
【請求項６】
高度制御を行わずに上昇率を増加させながら第１の高度まで上昇する第１上昇工程と、
前記第１の高度から高度制御を行いながら上昇する第２上昇工程と、
を備えることを特徴とする無人ヘリコプタの離陸方法。
【請求項７】
前記第１上昇工程で、水平面の機体の位置制御と、機体の姿勢制御と、を抑制することを特徴とする請求項６に記載の無人ヘリコプタの離陸方法。
【請求項８】
降下率を段階的に減少させて第２の高度まで降下する第１降下工程と、
前記第１降下工程における降下率よりも小さい降下率で前記第２の高度から地上まで降下する第２降下工程と、
を備えることを特徴とする無人ヘリコプタの着陸方法。
【請求項９】
前記第２降下工程で、水平面の機体の位置制御と、機体の姿勢制御と、を抑制することを特徴とする請求項８に記載の無人ヘリコプタの着陸方法。
【請求項１０】
フィードバックされた高度と高度指令との偏差、及び、フィードバックされた高度変化率と高度変化率指令との偏差に基づいて算出した舵角指令によってコレクティブピッチ舵角を変更して降下し、所定値以下の前記舵角指令が所定時間持続した場合に着地と判定することを特徴とする無人ヘリコプタの着陸方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無人ヘリコプタ、無人ヘリコプタの離陸方法及び無人ヘリコプタの着陸方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、各種産業界において、無人ヘリコプタを自律飛行させる技術が種々開発されている。例えば、地上に備えられたパーソナルコンピュータから、所定の送信機を介して、機体に備えられたマイクロコンピュータに所定の制御指令を送信し、この制御指令に基づいてマイクロコンピュータが機体のロータや舵面アクチュエータを駆動制御することによって自律飛行が可能となる飛行制御システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１１８４９８号公報（第１頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記特許文献１に記載されているような従来の飛行制御システムにおいては、機体を離着陸させる際に地上操作員による無線遠隔操作が必要となっており、離陸から着陸まで完全に自律飛行を行うための飛行制御システムは未だ実用化されていないのが現状である。
【０００５】
このように機体の自動離着陸制御が実現されていないのは、以下のような技術上・実用上の課題が存在していたためである。
【０００６】
まず、離陸に係る技術上の課題について説明する。接地した状態においては機体の姿勢角の均衡がとれていないため、離陸直後に可及的速やかにこの均衡をとる必要がある。通常は、姿勢制御なしでも姿勢がほぼ安定するように機体が設計されているため、離陸直後に機体の姿勢が急激に不安定となることはない。しかし、姿勢角の微妙な不均衡によって、離陸と同時に機体が横方向の運動を開始する場合があり、この際に地面に脚が引っ掛かったりすると、場合によっては機体が横転することがある。かかる事態を回避するために、離陸直後に機体の姿勢の安定化を図りつつ、可及的速やかに機体を上昇させて地面から離隔させる必要がある。
【０００７】
ここで、機体を上昇させるためには、コレクティブピッチ舵角を変化させてメインロータの推力を制御する必要がある。従来は、図３に示すように、高度を検出してフィードバックし、この高度と所定の高度指令（目標高度）との偏差に基づいてコレクティブピッチ舵角を変化させる高度制御則を、メインロータの推力制御に採用していた。機体の重量を支える推力をメインロータに発生させるためのコレクティブピッチ舵角指令は、図３に示した高度制御則の（図示されていない）積分器等によって算出される。
【０００８】
しかし、かかる高度制御則においては、制御系の安定化を目的として、積分ゲインを小さい値に設定するのが一般的である。このため、メインロータの推力の制御開始時に、図３の高度制御則の（図示されていない）積分器の初期値をゼロと設定しておくと、メインロータの推力と機体の重量が釣り合うまでに時間がかかる。
【０００９】
すなわち、メインロータの推力制御に従来の高度制御則を採用すると、機体を地面から速やかに離隔させることができないため、機体の姿勢を安定させるまでの不安定な状態が地面近傍で一定時間存続することとなり、安全性に問題があった。
【００１０】
次に、着陸に係る実用上の課題について説明する。機体の安全な着陸を実現させるためには、着地時の降下速度を十分小さくする必要がある。一方、運用性のためには、着陸の際の降下開始から着地までの所要時間を可及的短くするのが望ましい。これら双方の要求を実現するために、通常の自律飛行時の高度制御とは異なる「着陸専用の制御系」を別途構築するという考え方がある。
【００１１】
しかし、かかる着陸専用の制御系を別途構築することは、必然的にソフトウェア構成の複雑化をもたらすこととなる。また、着地時の降下速度を小さくするためには、高度及び降下速度を計測するための特別な高精度センサを機体に搭載する必要がある。従って、着陸専用の制御系を構築しようとすると、新規ソフトウェア開発用のコストや、高精度センサ搭載用のコストがかかることとなり、結果的に機体価格が上昇してしまうという問題がある。
【００１２】
本発明の課題は、地上からの操縦指令を必要とせずに自律的に飛行を行う無人ヘリコプタにおいて、安全な自動離着陸を実現せしめるとともに、制御系構築のためのコスト増加を抑制することである。
【００１３】
また、本発明の課題は、安全な自動離陸を実現させる無人ヘリコプタの離陸方法と、安全な自動着陸を実現させる無人ヘリコプタの着陸方法と、を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、地上からの操縦指令を必要とせずに自律的に飛行を行う無人ヘリコプタにおいて、フィードバックされた高度と高度指令との偏差、及び、フィードバックされた上昇率と上昇率指令との偏差に基づいてコレクティブピッチ舵角を指令する高度制御手段と、水平面の位置に関し、フィードバックされた位置と位置指令との偏差、及び、フィードバックされた速度と速度指令との偏差に基づいて位置制御を行う位置制御手段と、フィードバックされた姿勢角と姿勢角指令との偏差に基づいて機体の姿勢制御を行う姿勢制御手段と、地上からの離陸開始指令を受けて、前記高度制御手段による高度制御を行わずにコレクティブピッチ舵角を増加させながら機体を離陸させて第１の高度まで上昇させた後に、前記高度制御手段による高度制御を開始させる離陸手段と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、地上からの離陸開始指令を受けて、高度制御手段による高度制御を行わずにコレクティブピッチ舵角を増加させながら機体を離陸させて第１の高度まで上昇させた後に、高度制御手段による高度制御を開始させる離陸手段を備えるので、機体を地面から迅速に離隔させることができる。この結果、機体の姿勢を安定させるまでの不安定な状態が地面近傍で一定時間存続するのを回避することができ、離陸時の安全性を確保できる。しかも、離陸手段は、従来から用いられている高度制御手段の作動のタイミングを制御するものであるので、ソフトウェア構成が比較的簡素である。この結果、機体価格の上昇を抑制することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の無人ヘリコプタにおいて、前記離陸手段は、前記第１の高度まで機体を上昇させる際に前記位置制御と前記姿勢制御とを抑制することを特徴とする。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、離陸手段は、第１の高度まで機体を上昇させる際に位置制御と姿勢制御とを抑制するので、接地状態で脚と地面との摩擦により機体が拘束されて姿勢角指令に追随できない場合に、過大な制御指令が出力されて機体が転倒するのを阻止することができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、地上からの操縦指令を必要とせずに自律的に飛行を行う無人ヘリコプタにおいて、フィードバックされた高度と高度指令との偏差、及び、フィードバックされた降下率と降下率指令との偏差に基づいて算出した舵角指令によりコレクティブピッチ舵角を制御する高度制御手段と、水平面の位置に関し、フィードバックされた位置と位置指令との偏差、及び、フィードバックされた速度と速度指令との偏差に基づいて位置制御を行う位置制御手段と、フィードバックされた姿勢角と姿勢角指令との偏差に基づいて機体の姿勢制御を行う姿勢制御手段と、前記高度制御手段の降下率指令を変更しながら機体を第２の高度まで降下させ、前記第２の高度までの降下率指令よりも小さい降下率指令を前記高度制御手段に与えて前記第２の高度から地上まで機体を降下させる降下手段と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、高度制御手段の降下率指令を変更しながら機体を第２の高度まで降下させ、第２の高度までの降下率指令よりも小さい降下率指令を高度制御手段に与えて第２の高度から地上まで機体を降下させる降下手段を備えるので、着地時の降下速度を十分小さくすることができる。この結果、着陸時の安全性を確保できる。
【００２０】
しかも、降下手段は、従来から用いられている高度制御手段の降下率指令に係る制御を行うものであるので、ソフトウェア構成が比較的簡素である。また、地面近傍における高度及び降下速度を計測するための特別な高精度センサを機体に搭載する必要はなく、市販されている汎用のディファレンシャルＧＰＳを搭載することにより、着地時の降下速度を十分に小さく制御することができる。この結果、機体価格の上昇を抑制することができる。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の無人ヘリコプタにおいて、前記降下手段は、前記第２の高度から地上まで機体を降下させる際に前記位置制御と前記姿勢制御とを抑制することを特徴とする。
【００２２】
請求項４に記載の発明によれば、降下手段は、第２の高度から地上まで機体を降下させる際に位置制御と姿勢制御とを抑制するので、着地後に機体が地面との摩擦により拘束されて姿勢角指令に追随できなくなった場合に、過大な制御指令が出力されて機体が転倒するのを阻止することができる。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の無人ヘリコプタにおいて、所定値以下の前記舵角指令が所定時間持続した場合に着地と判定する着地判定手段を備えることを特徴とする。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、所定値以下の舵角指令が所定時間持続した場合に着地と判定する着地判定手段を備えるので、着地の誤判定を防止することができ、安全な着地動作を担保することができる。
【００２５】
請求項６に記載の発明は、無人ヘリコプタの離陸方法であって、高度制御を行わずに上昇率を増加させながら第１の高度まで上昇する第１上昇工程と、前記第１の高度から高度制御を行いながら上昇する第２上昇工程と、を備えることを特徴とする。
【００２６】
請求項６に記載の発明によれば、高度制御を行わずに上昇率を増加させながら第１の高度まで上昇する第１上昇工程を備えるので、機体が地面から速やかに離隔する。この結果、機体の姿勢を安定させるまでの不安定な状態が地面近傍で一定時間存続するのを回避することができ、離陸時の安全性を確保できる。
【００２７】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の無人ヘリコプタの離陸方法において、前記第１上昇工程で、水平面の機体の位置制御と、機体の姿勢制御と、を抑制することを特徴とする。
【００２８】
請求項７に記載の発明によれば、第１上昇工程で、水平面の機体の位置制御と、機体の姿勢制御と、を抑制するので、接地状態で脚と地面との摩擦により機体が拘束されて姿勢角指令に追随できない場合に、過大な制御指令が出力されて機体が転倒するのを阻止することができる。
【００２９】
請求項８に記載の発明は、無人ヘリコプタの着陸方法であって、降下率を減少させて第２の高度まで降下する第１降下工程と、前記第１降下工程における降下率よりも小さい降下率で前記第２の高度から地上まで降下する第２降下工程と、を備えることを特徴とする。
【００３０】
請求項８に記載の発明によれば、降下率を減少させて第２の高度まで降下する第１降下工程と、第１降下工程における降下率よりも小さい降下率で第２の高度から地上まで降下する第２降下工程と、を備えるので、着地時の降下速度を十分小さくすることができる。この結果、着陸時の安全性を確保できる。
【００３１】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の無人ヘリコプタの着陸方法において、前記第２降下工程で、水平面の機体の位置制御と、機体の姿勢制御と、を抑制することを特徴とする。
【００３２】
請求項９に記載の発明によれば、第２降下工程で、水平面の機体の位置制御と、機体の姿勢制御と、を抑制するので、着地後に機体が地面との摩擦により拘束されて姿勢角指令に追随できなくなった場合に、過大な制御指令が出力されて機体が転倒するのを阻止することができる。
【００３３】
請求項１０に記載の発明は、無人ヘリコプタの着陸方法であって、フィードバックされた高度と高度指令との偏差、及び、フィードバックされた高度変化率と高度変化率指令との偏差に基づいて算出した舵角指令によってコレクティブピッチ舵角を変更して降下し、所定値以下の前記舵角指令が所定時間持続した場合に着地と判定することを特徴とする。
【００３４】
請求項１０に記載の発明によれば、フィードバックされた高度と高度指令との偏差、及び、フィードバックされた高度変化率と高度変化率指令との偏差に基づいて算出した舵角指令によってコレクティブピッチ舵角を変更して降下し、所定値以下の舵角指令が所定時間持続した場合に着地と判定するので、着地の誤判定を防止することができ、安全な着地動作を担保することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００３６】
本実施の形態においては、本発明に係る無人ヘリコプタを備えた飛行制御システムについて説明する。まず、図１及び図２を用いて、本実施の形態に係る飛行制御システム１の構成を説明する。図１は、飛行制御システム１の構成を説明するためのブロック図であり、図２は、飛行制御システム１における無人ヘリコプタ２０の構成を説明するための概要構成図である。
【００３７】
本実施の形態に係る飛行制御システム１は、地上に設置された基地局１０や無線操縦装置１４から構成される地上システムと、無人ヘリコプタ２０と、を備えており、無線操縦装置１４から送信された所定の制御指令に基づいて無人ヘリコプタ２０を運転制御するものである。
【００３８】
基地局１０は、図１に示すように、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）衛星からの信号を受信する基地局側ＧＰＳ受信機１１と、ＧＰＳ受信状況を表示するモニタを備えるパーソナルコンピュータ（以下、「ＰＣ」という）１２と、ＧＰＳのディファレンシャル情報を無人ヘリコプタ２０に送信する基地局側無線伝送装置１３と、を備えている。また、無線操縦装置１４は、操作員により入力された離陸指令等の制御指令を、無人ヘリコプタ２０に送信するものである。
【００３９】
無人ヘリコプタ２０は、図１及び図２に示すように、地上からの制御指令や予め記憶された制御指令に基づいて機体のロータ等を駆動制御して自律飛行させる飛行制御装置２１、ＧＰＳ衛星からの信号を受信して機体の位置、速度、高度等を検出する機体側ＧＰＳ受信機２２、機体の姿勢角や角速度を検出する慣性センサ２３、機体の磁方位を検出する磁方位センサ２４、基地局側無線伝送装置１３から送信されたＧＰＳのディファレンシャル情報を受信する機体側無線伝送装置２５、無線操縦装置１４から送信された離陸開始指令等を受信する指令受信機２６、エンジン２７、ロータ２８、警告灯２９、等を備えている。
【００４０】
飛行制御装置２１は、演算処理回路、飛行制御に必要な各種制御プログラム、各種情報を記憶するメモリ、等を備えたマイクロコンピュータであり、エンジン２７を駆動制御することによりロータ２８を回転させ、上向きの推力を発生させて機体の上昇・降下を実現させる。
【００４１】
また、飛行制御装置２１には、図１に示すように、機体側ＧＰＳ受信機２２、慣性センサ２３、磁方位センサ２４及び指令受信機２６が接続されている。飛行制御装置２１は、これら機体側ＧＰＳ受信機２２や慣性センサ２３や磁方位センサ２４によって検出された各種データに基づいて、ロータ２８のコレクティブピッチ舵角やサイクリックピッチ舵角を制御して、所定の飛行制御を実現させる。
【００４２】
なお、機体側ＧＰＳ受信機２２は、ＧＰＳアンテナ２２ａを介してＧＰＳ衛星からの信号を受信して位置情報を算出する。機体側無線伝送装置２５は、無線伝送装置アンテナ２５ａを介して基地局側無線伝送装置１３からディファレンシャル情報等を受信する。かかるディファレンシャル情報は、機体側ＧＰＳ受信機２２で算出される位置情報の補正に用いられる。指令受信機２６は、指令受信アンテナ２６ａを介して無線操縦装置１４からの離陸指令等を受信する。また、機体に設けられた警告灯２９は、予め設定された点滅パターンで点滅することにより、機体の状態を操作員に報知するものである。
【００４３】
また、基地局１０の無線操縦装置１４から送信された所定の制御指令を、指令受信アンテナ２６ａ及び指令受信機２６を介して飛行制御装置２１に伝送し、その制御指令に基づいて飛行制御装置２１が所定の飛行制御を実現させることにより、無人ヘリコプタ２０の遠隔操縦が可能となる。
【００４４】
次に、本実施の形態に係る飛行制御システム１における無人ヘリコプタ２０の飛行制御装置２１の自動飛行制御機能について、図３を用いて説明する。図３は、機体の高度制御、位置制御及び姿勢制御を説明するためのブロック図である。なお、これらの制御は、無人ヘリコプタ２０の離陸時、所定の飛行パターンデータに基づく自律飛行時、着陸時の全てにおいて適用されるものであるが、後述する自動離着陸制御動作においては、一部の制御が抑制される。
【００４５】
＜高度制御について＞
まず、高度制御について説明する。飛行制御装置２１のメモリには、高度制御を実現させる高度制御プログラムが記憶されている。飛行制御装置２１の演算処理回路が高度制御プログラムを実行すると、機体側ＧＰＳ受信機２２によって検出されフィードバックされた機体の高度と高度指令との偏差（高度偏差）と、この高度偏差の積分値と、フィードバックされた機体の高度変化率と高度変化率指令との偏差と、が算出され、これら算出値に所定のゲインが掛けられて加算されることにより、機体のコレクティブピッチ舵角指令が算出される。コレクティブピッチ舵角指令は、本発明における舵角指令である。
【００４６】
そして、このコレクティブピッチ舵角指令に基づいて舵角駆動用アクチュエータでコレクティブピッチ舵角を制御することにより、機体の高度制御を行うことができる。すなわち、飛行制御装置２１の高度制御プログラム及び演算処理回路は、本発明における高度制御手段である。
【００４７】
本実施の形態においては、図３に示すように、予め設定した高度変化率指令を積分器で積分して高度指令を算出することにより、連続的で滑らかな高度制御を実現している。また、本実施の形態における高度変化率指令は、離陸時においては一定値、自律飛行時においては所定の飛行パターンデータで設定された値、着陸時には高度データに従って段階的に減少するような値、に設定している。なお、離陸時及び着陸時における高度変化率指令の設定については、後に詳述する。
【００４８】
＜位置制御及び姿勢制御について＞
次に、位置制御及び姿勢制御について説明する。飛行制御装置２１のメモリには、位置制御を実現させる位置制御プログラムが記憶されている。飛行制御装置２１の演算処理回路が位置制御プログラムを実行すると、機体側ＧＰＳ受信機２２によって検出されフィードバックされた機体の位置と目標位置との偏差（位置偏差）と、この位置偏差の積分値と、が算出され、これら算出値に所定のゲインが掛けられて加算されることにより、地球座標系の速度指令が算出される。そして、この地球座標系の速度指令が機体座標系の速度指令に座標変換され、フィードバックされた機体の速度とこの機体座標系の速度指令との偏差に所定のゲインが掛けられて、機体の姿勢角指令（ピッチ角指令及びロール角指令）が算出される。なお、磁方位センサ２４によって検出された機体の方位角は、地球座標から機体座標への座標変換に用いられる。
【００４９】
また、飛行制御装置２１のメモリには、姿勢制御を実現させる姿勢制御プログラムが記憶されている。飛行制御装置２１の演算処理回路が姿勢制御プログラムを実行すると、慣性センサ２３によって検出されフィードバックされた機体の姿勢角（ピッチ角及びロール角）と、位置制御プログラムにより算出された姿勢角指令と、の偏差（姿勢角偏差）と、この姿勢角偏差の積分値と、が算出され、これら算出値に所定のゲインが掛けられて加算されたものから、フィードバックされた機体の姿勢角速度が減算されて、機体のサイクリックピッチ舵角指令が算出される。
【００５０】
そして、このサイクリックピッチ舵角指令に基づいて舵角駆動用アクチュエータで縦サイクリックピッチ舵角及び横サイクリックピッチ舵角を制御することにより、機体の位置制御及び姿勢制御を行うことができる。すなわち、飛行制御装置２１の位置制御プログラム、姿勢制御プログラム及び演算処理回路は、本発明における位置制御手段及び姿勢制御手段である。
【００５１】
なお、本実施の形態に係る飛行制御システム１おいては、バックアップ遠隔操縦が可能である。すなわち、飛行制御装置２１等が故障した場合や、速度指令を変更する場合には、操作員が無線操縦装置１４から所定のバックアップ用速度指令を送信して、姿勢角指令の算出を行うことができる（図３参照）。
【００５２】
次に、本実施の形態に係る飛行制御システム１における無人ヘリコプタ２０の飛行制御装置２１の自動離着陸制御機能について、図４及び図５を用いて説明する。図４は、機体の自動離陸動作を実現させる自動離陸制御を説明するための説明図であり、図５は、機体の自動着陸動作を実現させる自動着陸制御を説明するための説明図である。
【００５３】
＜自動離陸制御について＞
まず、自動離陸制御について説明する。飛行制御装置２１のメモリには、所定の自動離陸動作を実現させる離陸制御プログラムが記憶されている。飛行制御装置２１の演算処理回路は、無線操縦装置１４からの離陸開始指令を受信した場合に、離陸制御プログラムを実行する。離陸制御プログラムは、コレクティブピッチ舵角指令を一定の割合で増加させることにより、上昇率（高度変化率）を増加させながら機体を離陸させ、所定の安全高度まで機体を上昇させるものである。
【００５４】
安全高度とは、本発明における第１の高度であって、機体が地面から完全に離隔して通常の高度制御則が適用可能となる高度をいう。安全高度は、機体の重量、気象条件、接地条件等に応じて適宜設定することができ、本実施の形態においては、ディファレンシャルＧＰＳ（高度及び位置計測手段）により確実に計測でき、また十分に低い「数１０ｃｍ」を安全高度としている。また、離陸制御プログラムによるコレクティブピッチ舵角指令の増加率は、機体の重量や気象条件に応じて適宜設定することができる。
【００５５】
かかる離陸制御プログラムの実行により、機体を離陸させるとともに、上昇率を一定の割合で増加させながら機体を安全高度まで上昇させることができるので、機体を地面から迅速に離隔させることができる。この結果、機体の姿勢を安定させるまでの不安定な状態が地面近傍で一定時間存続するのを回避することができ、離陸時の安全性を確保できる。
【００５６】
また、離陸制御プログラムは、安全高度まで機体が上昇する間、位置制御プログラム及び姿勢制御プログラムによる処理を一時的に抑制するものである。具体的には、離陸制御プログラムの実行により、図３の位置制御則の（図示されていない）積分器への入力をゼロに設定するとともに、図３の姿勢制御則の（図示されていない）積分器への入力をゼロに設定する。
【００５７】
かかる離陸制御プログラムの実行により、位置制御プログラム及び姿勢制御プログラムによる処理が一時的に抑制されるので、接地状態で脚と地面との摩擦により機体が拘束されて姿勢角指令に追随できない場合に、過大な制御指令が出力されて機体が転倒したりするのを阻止することができる。
【００５８】
以上説明した飛行制御装置２１の離陸制御プログラム及び演算処理回路は、本発明における離陸手段である。また、離陸制御プログラムの実行により、上昇率を一定の割合で増加させながら機体を離陸させ、安全高度まで機体を上昇させる工程は、本発明における第１上昇工程である。
【００５９】
機体が安全高度に到達したことが機体側ＧＰＳ受信機２２によって計測されると、飛行制御装置２１の演算処理回路は、高度制御プログラムを起動させて処理を開始させるとともに、位置制御プログラム及び姿勢制御プログラムによる処理を再開させ、高度制御、位置制御及び姿勢制御を行う（図４参照）。
【００６０】
高度制御プログラム起動の際には、機体が安全高度に到達した時点におけるコレクティブ舵角指令の値を、図３の高度制御則の（図示されていない）積分器の初期値とする。また、本実施の形態においては、図３の高度制御則における高度変化率指令（上昇率指令）を一定としている。さらに、図３に示した積分器により高度変化率指令を積分して高度指令を算出するが、この積分器の初期値を安全高度（数１０ｃｍ）としている。
【００６１】
高度制御プログラムの実行により、機体を所定の目標上昇高度まで上昇させる（図４参照）。目標上昇高度は、飛行パターンに応じて適宜設定することができる。高度制御プログラムの実行により、機体を目標上昇高度まで上昇させる工程は、本発明における第２上昇工程である。なお、機体を安全高度から目標上昇高度まで上昇させる際には、離陸開始指令を受信した時点における機体の水平面位置を保持するように、位置制御を行う。
【００６２】
高度制御プログラムの実行により機体が目標上昇高度に到達したら、一定時間ホバーを行った後、予め飛行制御装置２１のメモリに記憶された飛行パターンデータに従って自律飛行を開始する。
【００６３】
＜自動着陸制御について＞
次に、自動着陸制御について説明する。飛行制御装置２１のメモリには、所定の着陸動作を実現させる着陸制御プログラムが記憶されている。飛行制御装置２１の演算処理回路は、所定の飛行パターンデータに従った自律飛行終了後に、機体を所定の着陸目標地点の上空で一定時間ホバリングさせ、このホバリング後に着陸制御プログラムを実行する。
【００６４】
着陸制御プログラムは、機体の高度の低下に伴って高度変化率を段階的に減少させながら機体をホバリング高度から降下させるものである。具体的には、着陸制御プログラムの実行により、図３に示した高度制御の降下率指令（高度変化率指令）を、機体の高度の低下に伴って段階的に減少させる（図５参照）。
【００６５】
なお、機体の高度の低下に伴う降下率指令の変化の態様は、機体の重量や気象条件に応じて適宜決めることができる。また、本実施の形態においては、レートリミッタにより、降下率指令を滑らかに変化させている。また、図３に示した積分器により降下率指令を積分して、高度指令を算出している。
【００６６】
本実施の形態においては、着陸制御プログラムの実行により、ホバリング高度から目標降下高度まで降下率指令を減少させながら機体を降下させる（図５参照）。この工程は、本発明における第１降下工程であり、目標降下高度は、本発明における第２の高度である。また、着陸制御プログラムの実行により、目標降下高度から地上まで、第１降下工程における降下率よりも小さい降下率で機体を降下させる。この工程は、本発明における第２降下工程である。かかる着陸制御プログラムの実行により、着地時の降下速度を十分小さくすることができる。この結果、着陸時の安全性を確保できる。
【００６７】
なお、第１降下工程及び第２降下工程においては、飛行制御装置２１の演算処理回路は、着陸制御プログラムの実行中に、位置制御プログラム及び姿勢制御プログラムをも実行させて、位置制御及び姿勢制御を行う。この位置制御及び姿勢制御により、機体を着陸目標位置に向けて降下させることができる。
【００６８】
また、着陸制御プログラムでは、機体が降下して目標降下高度に到達したことが機体側ＧＰＳ受信機２２によって計測された場合に、目標降下高度到達時点から着地時点まで、位置制御プログラム及び姿勢制御プログラムによる処理を一時的に抑制する。具体的には、着陸制御プログラムの実行により、目標降下高度到達時点から着地時点まで、図３の位置制御則の（図示されていない）積分器を固定するとともに、図３の姿勢制御則の（図示されてない）積分器を固定する。すなわち、これら（図示されていない）積分器の出力を一定値にする。
【００６９】
かかる着陸制御プログラムの実行により、目標降下高度到達時点から着地時点まで、位置制御プログラム及び姿勢制御プログラムによる処理が一時的に抑制されるので、着地直前に機体が地面との摩擦により拘束されて姿勢角指令に追随できなくなった場合に、過大な制御指令が出力されて機体が転倒するのを阻止することができる。
【００７０】
以上説明した飛行制御装置２１の着陸制御プログラム及び演算処理回路は、本発明における降下手段である。
【００７１】
また、飛行制御装置２１のメモリには、目標降下高度に達すると所定の着地判定処理を実現させる着地判定プログラムが記憶されている。飛行制御装置２１の演算処理回路が、この着地判定プログラムを実行させると、高度制御プログラムの実行によって算出されたコレクティブピッチ舵角指令により、着地を判定することができる。
【００７２】
着地判定プログラムによる着地判定手法について具体的に説明する。高度制御プログラムにおいては、図３に示した積分器で高度変化率指令（降下率指令）を積分することにより高度指令を算出するため、高度指令は次第に減少してゆき、正の値（すなわち地上）から負の値（すなわち地下）へとシフトする。これに対し、機体が着地すると、フィードバックされる高度データはゼロのまま変化することはない。
【００７３】
この結果、フィードバックされた高度データと、高度指令の値と、の偏差が負の方向に次第に大きくなるため、この負方向の偏差を是正しようとして出力されるコレクティブピッチ舵角指令の値は次第に小さくなり、やがて０ｄｅｇとなる。着地判定プログラムは、かかるコレクティブピッチ舵角指令をモニタし、所定値以下のコレクティブピッチ舵角指令が所定時間持続した場合に、着地したものと判定している。
【００７４】
従来は、接地時の衝撃を慣性センサ出力によって機体の着地を検出したり、脚に設けた電気的スイッチによって機体の着地を検出したりする手法が採用されているが、これら従来の手法によると、実際にはまだ飛行中であるにもかかわらず着陸したと誤判定してしまう場合がある。これに対し、本実施の形態においては、着地判定プログラムを実行させて、コレクティブピッチ舵角指令をモニタすることにより着地を判定するので、着地の誤判定を防止することができ、安全な着地動作を担保することができる。
【００７５】
以上説明した飛行制御装置２１の着地判定プログラム及び演算処理回路は、本発明における着地判定手段である。
【００７６】
次に、本実施の形態に係る飛行制御システム１の自動離着陸制御動作を実現させるための操作員の操作内容について説明する。
【００７７】
＜離陸時＞
まず、操作員は、正確な座標が知られている地点（既知座標地点）に、基地局側ＧＰＳ受信機１１のアンテナを設置する。次いで、操作員は、基地局側ＧＰＳ受信機１１、ＰＣ１２及び基地局側無線伝送装置１３の電源を投入した後、基地局側ＧＰＳ受信機１１に既知座標地点の座標を入力し、ＧＰＳ演算を開始させる。続いて、操作員は、基地局側無線伝送装置１３によるディファレンシャル情報の送信を開始する。
【００７８】
その後、操作員は、所定の離陸地点に無人ヘリコプタ２０を設置する。次いで、操作員は、無人ヘリコプタ２０の機体に設けられた所定のスイッチで、搭載機器類の電源を投入する。そして、操作員は、機体側ＧＰＳ受信機２２と、基地局側ＧＰＳ受信機１１と、の間のディファレンシャル情報データ伝送が確立され、機体側ＧＰＳ受信機２２においてＧＰＳ演算が開始されるまで待機する。また、操作員は、前記操作とは別に、無人ヘリコプタ２０のエンジン２７を始動させ、必要に応じて暖機を行う。続いて、操作員は、無線操縦装置１４のスイッチから離陸開始指令を入力する。以上の操作により、無人ヘリコプタ２０の飛行制御装置２１により、前記した自動離陸制御動作が実現される。
【００７９】
＜着陸時＞
無人ヘリコプタ２０の飛行制御装置２１により、前記した自動着陸制御動作が実現されるため、機体の着地完了までは、操作員による操作を必要としない。操作員は、機体の着地完了後に、エンジン２７がアイドル状態になったことをエンジン音及び警告灯表示等によって確認し、無線操縦装置１４のスイッチからエンジン停止指令を入力する。そして、無人ヘリコプタ２０のロータ２８が停止した後、操作員は、機体に設けられた所定のスイッチで、搭載機器類の電源を遮断する。その後、操作員は、基地局１０の各機器（基地局側ＧＰＳ受信機１１、ＰＣ１２及び基地局側無線伝送装置１３）の電源を遮断する。
【００８０】
以上説明した本実施の形態に係る飛行制御システム１の無人ヘリコプタ２０によれば、無線操縦装置１４からの離陸開始指令を受けて上昇率を一定の割合で増加させつつ機体を離陸させて安全高度まで上昇させる離陸手段（離陸制御プログラム及び演算処理回路）を備えるので、機体を地面から迅速に離隔させることができる。この結果、機体の姿勢を安定させるまでの不安定な状態が地面近傍で一定時間存続するのを回避することができ、離陸時の安全性を確保できる。
【００８１】
また、離陸手段（離陸制御プログラム及び演算処理回路）は、無線操縦装置１４からの離陸開始指令を受けて、位置制御及び姿勢制御を一時的に抑制するので、接地状態で脚と地面との摩擦により機体が拘束されて姿勢角指令に追随できない場合に、過大な制御指令が出力されて機体が転倒する等の事態が発生するのを阻止することができる。
【００８２】
また、本実施の形態に係る飛行制御システム１の無人ヘリコプタ２０によれば、機体の高度の低下に伴って降下率指令を段階的に減少させつつ機体をホバリング高度から降下させる降下手段（着陸制御プログラム及び演算処理回路）を備えるので、降下開始から着地までの所要時間を可及的に短くしつつ、着地時の降下速度を十分小さくすることができる。この結果、着陸時の安全性を確保できる。
【００８３】
また、降下手段（着陸制御プログラム及び演算処理回路）は、機体の目標降下高度到達時点から着地時点まで位置制御及び姿勢制御を一時的に抑制するので、着地直前に機体が地面との摩擦により拘束されて姿勢角指令に追随できなくなった場合に、過大な制御指令が出力されて機体が転倒するのを阻止することができる。
【００８４】
また、本実施の形態に係る飛行制御システム１の無人ヘリコプタ２０によれば、コレクティブピッチ舵角指令により着地を判定する着地判定手段（着地判定プログラム及び演算処理回路）を備えるので、着地の誤判定を防止することができ、安全な着地動作を担保することができる。
【００８５】
しかも、無人ヘリコプタ２０に備えられる離陸制御プログラムや着陸制御プログラムは、従来から用いられている高度制御プログラム、位置制御プログラム及び姿勢制御プログラムの作動のタイミングや積分器の挙動を制御するものであるので、ソフトウェア構成が比較的簡素である。また、地面近傍における高度及び降下速度を計測するための特別な高精度センサを機体に搭載する必要はなく、市販されている汎用のディファレンシャルＧＰＳを搭載することにより、着地時の降下速度を十分に小さく制御することができる。この結果、機体価格の上昇を抑制することができる。
【００８６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、離陸手段により、高度制御を行わずにコレクティブピッチ舵角を増加させながら機体を離陸させて第１の高度まで上昇させた後に高度制御を開始させるので、機体を地面から迅速に離隔させることができる。この結果、離陸時の安全性を確保できる。また、離陸手段は、従来の高度制御手段の作動のタイミングを制御するものであるので、ソフトウェア構成が比較的簡素である。この結果、機体価格の上昇を抑制することができる。
【００８７】
請求項２に記載の発明によれば、離陸手段により、第１の高度まで機体を上昇させる際に位置制御及び姿勢制御を抑制するので、接地状態において機体が拘束された状態で過大な制御指令が出力されることがないため、機体の転倒等を阻止することができる。
【００８８】
請求項３に記載の発明によれば、降下手段により、降下率を変更しながら機体を第２の高度まで降下させ、第２の高度までの降下率よりも小さい降下率で第２の高度から地上まで機体を降下させるので、着地時の降下速度を十分小さくすることができる。この結果、着陸時の安全性を確保できる。また、降下手段は、従来の高度制御手段の降下率指令に係る制御を行うものであるので、ソフトウェア構成が比較的簡素である。また、地面近傍における高度及び降下速度を計測するための特別な高精度センサを機体に搭載する必要はなく、市販されている汎用のディファレンシャルＧＰＳを搭載することにより、着地時の降下速度を十分に小さく制御することができる。この結果、機体価格の上昇を抑制することができる。
【００８９】
請求項４に記載の発明によれば、降下手段により、第２の高度から地上まで機体を降下させる際に位置制御及び姿勢制御を抑制するので、着地後に機体が拘束された状態で過大な制御指令が出力されることがないため、機体の転倒等を阻止することができる。
【００９０】
請求項５に記載の発明によれば、着地判定手段により、所定値以下の舵角指令が所定時間持続した場合に着地と判定するので、着地の誤判定を防止することができ、安全な着地動作を担保することができる。
【００９１】
請求項６に記載の発明によれば、高度制御を行わずに上昇率を増加させながら第１の高度まで上昇する第１上昇工程を備えるので、機体が地面から速やかに離隔し、離陸時の安全性を確保できる。
【００９２】
請求項７に記載の発明によれば、第１の高度まで上昇する際に、水平面の機体の位置制御と、機体の姿勢制御と、を抑制するので、接地状態において機体が拘束された状態で過大な制御指令が出力されることがないため、機体の転倒等を阻止することができる。
【００９３】
請求項８に記載の発明によれば、降下率を減少させて第２の高度まで降下する第１降下工程と、第１降下工程における降下率よりも小さい降下率で第２の高度から地上まで降下する第２降下工程と、を備えるので、着地時の降下速度を十分小さくすることができる。この結果、着陸時の安全性を確保できる。
【００９４】
請求項９に記載の発明によれば、第２の高度から地上まで降下する際に、水平面の機体の位置制御と、姿勢制御と、を抑制するので、着地後に機体が拘束された状態で過大な制御指令が出力されることがないため、機体の転倒等を阻止することができる。
【００９５】
請求項１０に記載の発明によれば、フィードバックされた高度と高度指令との偏差等に基づいて算出した舵角指令によってコレクティブピッチ舵角を変更して降下し、所定値以下の舵角指令が所定時間持続した場合に着地と判定するので、着地の誤判定を防止することができ、安全な着地動作を担保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る飛行制御システムの構成を説明するためのブロック図である。
【図２】本実施の形態に係る飛行制御システムの無人ヘリコプタの構成を説明するための概要構成図である。
【図３】本実施の形態に係る飛行制御システムの無人ヘリコプタの高度制御、位置制御及び姿勢制御を説明するためのブロック図である。
【図４】本実施の形態に係る飛行制御システムの無人ヘリコプタの自動離陸動作を実現させる自動離陸制御を説明するための説明図である。
【図５】本実施の形態に係る飛行制御システムの無人ヘリコプタの自動着陸動作を実現させる自動着陸制御を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１　　　　飛行制御システム
１０　　　　基地局
１１　　　基地局側ＧＰＳ受信機
１２　　　ＰＣ
１３　　　基地局側無線伝送装置
１４　　　無線操縦装置
２０　　　　無人ヘリコプタ
２１　　　飛行制御装置
２２　　　機体側ＧＰＳ受信機
２２ａ　ＧＰＳアンテナ
２３　　　慣性センサ
２４　　　磁方位センサ
２５　　　機体側無線伝送装置
２５ａ　無線伝送装置アンテナ
２６　　　指令受信機
２６ａ　指令受信アンテナ
２７　　　エンジン
２８　　　ロータ
２９　　　警告灯
【図１】
2004130852.tif 000003
【図２】
2004130852.tif 000004
【図３】
2004130852.tif 000005
【図４】
2004130852.tif 000006
【図５】
2004130852.tif 000007