(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線を放射する手段と目標向きαを入力する手段とを備えた操縦器と、
前記光線の飛来方向θを検出する手段と前記目標向きαを得る手段とを備え、前記得られたαとθとに基づいて走行する走行物体とで構成される遠隔操縦システムが、複数組で構成されるシステムに於いて、
複数の前記操縦器は、それぞれ異なった識別アドレスを有し、
一つの特定識別アドレスを持つ操縦器は定められた間隔で光線を送出し、かつ定められた間隔で電波信号を送出し、
その他の識別アドレスを持つ操縦器は前記電波信号を受信し、前記受信したタイミングから個々の識別アドレスに基づいて設定された時間をづらせたタイミングで光線を発し、
前記複数組の操縦器から発せられる光線どうしがぶつかって飛来方向の検出に誤動作が生じないようにすることを特徴とする複数組遠隔操縦システム。
【請求項２】
複数の受光素子と、前記複数の受光素子の受光面の各々に光結合した複数の導光路と、前記複数の導光路の先端に設けた複数の導光口と、前記複数の導光口を放射方向に並べることと、前記複数の受光素子からの電気出力を合成して光線の飛来方向θを検出することと、すべての前記導光口への必要な前記光線の入力が本体構造部材に妨げられないようにすることで構成された飛来方向検出器を、前記走行物体に備えたことを特徴とする請求項１記載の複数組遠隔操縦システム。
【請求項３】
前記走行物体は、
光線の飛来方向θを検出する手段と、
目標向きαを得る手段と、
向き変更駆動手段と、
平行移動駆動手段を有し、
前記αと前記θとの比較演算値に基づいて前記向き変更駆動手段を駆動して機首方位を制御し、前記αの変化値に基づいて前記平行移動駆動手段を駆動して全体として旋回走行の操縦を行う走行物体であることを特徴とする請求項１記載の複数組遠隔操縦システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、無線信号を使って走行物体を無線操縦する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ラジコンの技術は、従来は単に、走行物体内の操縦を無線信号で操縦者の手元にもってきただけのものであり、操縦者は走行物体を離れた位置で見ながら、走行物体の内部にいる感覚で操縦しなければならなかった。この視覚と操縦感覚の違いを、操縦者は頭のなかで解決しなければならなず操縦は大変難しかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この難しいラジコンの操縦を簡単に操縦できるようにすることが課題であり、ＰＣＴ／ＪＰ０１／０４７４９では、走行物体の向きと走行方向が一致するような走行物体が主眼であった。
そしてこの発明では、走行物体の種類がヘリコプタのように、向きを自由に変えられ、かつ、水平の任意の方向に移動駆動が可能な走行物体も対象にしている。また、この解決法として光線を通信手段に使うことが有利であるが、この場合、複数組のラジコンの同時操縦も課題となる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、操縦を視覚に合わせることのために、操縦装置を次のようにした。
操縦器には、操縦器の向きを基準にして、走行物体の目標向きα０の指定手段と、走行物体の走行方向α１の指定手段を設け、このデータを無線信号で送信する。
【０００５】
走行物体には、無線信号の飛来方向の検出器を設け、操縦器からみた走行物体の相対向きβをもとめる。そしてα０とβが等しくなるように走行物体の向き変更手段を駆動する。それによってβ＝α０となり、操縦器で指定した方向を向くことになる。
また、α１−βの方向に、走行物体の平行走行手段を駆動すれば、走行物体がどちらを向いていても、走行物体はα１の方向に移動するように駆動される。
【０００６】
このようにすると、操縦者が望む方向に走行物体を向かせ、かつ、走行物体の向きにかかわらず、望む方向に、駆動することができる。
このブロック図を図７に示す。操縦器１内にはジョイスティック100aと100bがあり、これらのジョイスティックを操作することにより目標向きα0と目標走行方向α1を入力する。またジョイスティックの倒しかたから走行信号を入力する。これらの信号は無線信号発生器102を通って、無線信号として放射される。
【０００７】
これらの無線信号は、走行物体２内の飛来方向検出器122で捕らえられ飛来方向を検出、さらに角度変換して走行物体２の向きβを得る。ただし飛来方向θ及び走行物体の向きβを図１のように定義すれば、β＝θになる。また、無線信号は受信解読器104で受信解読され、目標向きα0と目標駆動方向α1を得、α０−βは機首向き変更手段106を駆動し、機首はα0を向くように制御される。
他方、α１−βは平行走行手段を駆動し、ジョイスティック100ｂで指定した方向α1に推進力を与える。すなわち、走行物体に対して、その機首の向きにかかわらずジョイスティックを倒した方向に、推進力を与えることになる。
ただし、ヘリコプタのように空中に浮いている物体は、一定の場所に留まっていないが、後述の前方位走行車は、地面上を走行するので駆動力が働かない場合は、停止している。そういう違いはあるが両者は操縦のしくみに関しては同じことになる。
【０００８】
また、従来無線操縦ヘリコプタでは、特に離陸着陸の際のホバリングでの安定性が問題であったが、ホバリングのときだけこのシステムを使うこともできる。ヘリコプタがどちらを向いていてもジョイスティックを倒した方向に推力が出る機能を追加して、他の操縦システムは従来通りにすることにすれば、操縦に混乱が生じることもない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、模型ヘリコプタを操縦する例の上面図である。操縦器１には、二個のジョイスティックがついていて、ジョイスティックつまみ３で機首方位α０を、ジョイスティックつまみ４で進行方向α１を制御する。この操縦信号は変調されて赤外線発光素子５から赤外線として放射される。
ヘリコプタ２ｈには、メインロータ８とテールロータ９が付いている。メインロータでは揚力を得ると同時に、サイクリックにロータの羽根の角度を変えることにより、任意の水平方向に水平推進力を、出すことができる。
テールロータはメインロータからの反力で機体が回転させられるのを止めると同時に、回転速度を増減することにより機体を任意の方向に水平回転させ、向きを変更する手段として用いられる。
【００１０】
１０は飛来方向検出用のセンサーであり、複数の受光素子からなる。これらは、外部からの赤外線がさえぎられることのないように図４の11,12,13,14のようにとりつけられている。
ここで操縦器１とヘリコプタ２ｈとの詳細ブロック図は、図９のように構成されている。この図をもとに、動作を説明する。
操縦器１のジョイスティックつまみ３を操作すると、ジョイスティック本体100ａは機首目標角α0に相当する信号を出力する。また、ジョイスティックつまみ４を操作することによりジョイスティック本体100ｂからは、水平推力の方向α１に相当する信号を発する。また、揚力ダイアルを操縦すると揚力信号Ｕを発する。
【００１１】
これらの操縦信号はマイクロプロセッサ５０で読み取られ、図10（a）のような信号列を作る。
１：スタート信号は、一連の信号の先頭を表わす。２：機首目標向きはα０であり、３：水平推力方向はα１であり、４：アドレスは機体の番号であり例えば０，１，２，３のいずれか、揚力データはＵである。５：チェックコードは、全体のデータが正しいかどうかを判断するためのデータである。６：飛来方向検出用信号は１文字分の無変調信号を発する。７：は後に述べる揚力制御のための信号である。
【００１２】
これら一連の信号はＰ／Ｓ変換器５１を通って図10（b0）のような直列信号に変換される。そして搬送波発信器５５からの搬送波をＡＭ変調して(c0)のような信号になり、それは増幅器５６で増幅され、発光素子５から赤外線として放出される。
その赤外線はヘリコプタ２ｈの４個の受光素子9、10、11、12にとりこまれ、スイッチ回路57で信号が選択され、帯域フィルタ58で、ノイズがふるい落とされ、可変増幅器59で適度の大きさに増幅され、ＡＭ検波器60で検波され、波形成形器61でディジタル信号にかえられ、Ｐ／Ｓ変換器62で並列信号にかえられ、データは読み取られる。５：チェック信号まで読み取り信号が正しいと判断されると、そのデータは内部にとりこまれる。これらのデータはα０、α１、Ｕなど操縦器１で入力された内容である。
【００１３】
次に、６：飛来方向検出信号を受けながら、４個の受光素子をスイッチ回路で切替え、最大のレベルでも飽和しないように可変増幅器59の増幅率を調整して、４個の受光信号のレベルを測定し、それらの比を計算し、数表と比較することにより、受光方向すなわち飛来方向θをもとめる。
そして飛来方向θから機首向きβを求める。特に図１のようにθとβを定義した場合はβ＝θとなる。
次に、  ａ＊（α０−β）＋ｃ  でテールモータを駆動する。ただしａとｃは定数であり、定数ｃはメインロータによる機体の反力とつりあいを取るための数字である。そうすると、機首はゆっくり回転し、β＝α０の付近で回転をとめて釣り合うことになる。
【００１４】
さらに、ヘリコプタ２ｈはα１方向の水平推力を出す指令を受信しているので、メインロータの羽根をサイクリックに駆動して機首に対してα１−βの方向の水平推力が生じるように、設定される。
それによって、操縦器１のジョイスティック４をα１の方向に倒したとすれば、図１のように、機首方向βがどちらを向いていても、ヘリコプタは、ジョイスティック４を倒した方向α１に向けて推力Ｆを生じさせる。
【００１５】
このことにより、ヘリコプタ１ｈは、ジョイスティックつまみ３を向けた方向に、機種を向け、ジョイスティックつまみ４を倒した方向に平行移動することになる。これはホバリング時の動作に有効であり、水平位置が不安定なときにも、また、多少の風で流される場合でも、流させる方向の逆方向にジョイスティック４を操作することにより手動で簡単に水平位置を静止状態に保つことができる。
通常の走行にかんしては次のようにする。図２のようにα１＝α０になるようにすれば前進することになる。α１＝−α０にすれば、前進にブレーキがかかり、または後進させる。
【００１６】
旋回させるには図３のように機首方向つまみをゆっくり回しながら、ジョイスティック４を倒し、倒す方向を常に機首方向に対して９０°進める方向に保つことにより行う。
直線走行と旋回など走行にかんして１個のジョイスティック３で行うことも可能である。ただし推力の方向のデータはマイクロプロセッサ50に自動的に作らせる。
直線走行に関しては、ジョイスティック３を倒すと前方に推力を出すようにする。または、推力用のレバーを独立に設ける方法もある。
旋回に関しては、操縦者はジョイスティックを倒す方向α0をゆっくり変えていく。操縦器１のマイクロプロセッサはα0の動きを感知してα0が増える場合は左旋回であるからヘリコプタの左方向に推力を出すようにロータを制御し、α0が小さくなっていく場合は、右旋回であるからヘリコプタの右方向に推力を出すように制御する。
【００１７】
左右方向の最適推力は直進速度Ｖ０と旋回速度ωに関係するが、あらかじめ一定値を想定することにより、簡単な旋回は可能になる。
またジョイスティックを倒す方向を変える速度が速すぎたり、急に方向を変えたりしても、マイクロプロセッサが一定の角速度に限度を決めることによりスムーズな旋回を行うことができる。そしてまた、手動の水平方向推力調整は、ジョイスティック４で常に行うようにする。
受光素子をヘリコプタにつける場合、操縦器からの赤外光がヘリコプタの足などに遮られないようにする必要がある。その例を図４（ａ）に示す。図４（ｂ）は主要部の下面図である。この例の場合、操縦者はおおむねヘリコプタの水平横方向から操縦可能となる。さらにヘリコプタが斜め上方向の位置でも操縦可能にするには、図４（ｂ）の２０の位置に４個の受光素子を追加してならべ、受光強度によってこれら受光素子群を切り替えることにより改善することができる。
【００１８】
図５は受光素子を１個所に集めた例である。８個の受光素子をＩＣ１７にまとめ、複数の導光路１６を放射状に設け、全体として飛来方向検出器として動作するようにしている。導光路１６は構成材１５内に作り、内面は反射するようにする。これにより外部からの光線が集積回路１７の各々の受光素子１８に届く。
この利点は、電気回路が一箇所にまとまり、集積化もしやすく、また電気ノイズに強く、構造物が光線の通過を妨げるのを防止することである。
さらに図５（ｃ）のように構造材１５の中心付近にも導光路をつけることにより上方のヘリコプタの操縦に対応させることができる。
導光路群は、フレキシブルな光ファイバで構成し、構造物に放射上に複数の小さな穴をあけ、そこから外に向かって開口部を出す構成でも同様の効果を生じる。
【００１９】
図６（ａ）はヘリコプタの高度を制御する信号を追加した側面図である。操縦器１の前端に回動可能なドラム１６を付け、このドラムに２個の発光素子5a,5bを回転面に添ってならべる。
２個の発光素子は図６（ａ）のように発光の中心軸がＣＡ，ＣＢで表わすように仰角方向φに関して異なっているので、放射される赤外線の強さは、図６（ｂ）のようになる。
【００２０】
ここで発光素子５aと５ｂからの赤外線の強さの差をとって、メインロータの回転数を制御させる。もし差が０のときには、釣り合う回転数ω0に、また差が＋のときには、ω0より小さく、また、差が−のときは、ω0より大きくなるようにすると、すなわち図６（ｃ）のようにすると、ヘリコプタは常に発光素子５aと５ｂからの赤外線が等しくなるところ図６（ａ）のＣＣのライン上にいるように制御されることになる。
したがって、図６（ｄ）のようにドラム１６を回すと、ヘリコプタはそれにつれて上昇、下降を行うことになる。またドラム１６を使わずに発光素子５a、５ｂを操縦器１に固定してあっても操縦器１自体の仰角を上下に変えたり、操縦器１の高さを変えることで高度のコントロールを行うことができる。
【００２１】
２個の発光素子からの赤外光の強さを独立に測定するために、図１０(a)の｛７：仰角識別用の信号｝を追加している。すなわち発光素子５a用には（ｂ０）で変調した出力（ｃ０）の信号を使用し、発光素子５ｂ用には（ｂ１）で変調した（ｃ１）の信号を使用する。これによって｛７：｝の部分は、二つに分けられ、前半は発光素子５aが発光し、後半は発光素子５ｂ発光するので、ヘリコプタ側では、別々に信号の大きさを計ることができる。
次に、同じ場所で複数のヘリコプタを操縦する場合を想定する。
この飛来方向検出を使うシステムでは、赤外線の直線伝播性を通信手段に使うのが適しているが、赤外線で複数の搬送波周波数を使って多重するのは、フィルタの問題で難しい。
【００２２】
従来から、赤外線を用いたラジコンシステムでは、この複数組の同時操縦で時間分割の多重が行われており、この場合、操縦器側に赤外線の発光機能に加えて受光機能ももたせ、他の操縦器からの信号を監視して、互いに発光タイミングをずらして同期をとり、干渉しあうことを防いでいる。
しかしながら、赤外線は直線的に進むので、図１５のように操縦器同士が向き合っている場合は、操縦器同士の通信ができるが、図１６のように向き合わない場合や、操縦者や物の影になる場合は、操縦器同士の通信が不能になる。その場合は、同期が外れてしまい、互いの赤外線が干渉しあうことになる。とくにこのシステムのように飛来方向を測定するシステムの場合、他の赤外線を同時に受光して、まちがった飛来方向を検出してしまう危険性が高くなる。
【００２３】
そこで、タイミングを取るための信号としては、電波を使用するようにしたのが図１６である。一般に狭い範囲で行うのでいわゆる微弱電波で通信が可能なので、操縦器１には短いアンテナ２３を設ける。
電波の場合は、指向性も小さく、ラジコン等で使う周波数であれば、操縦者などの影の影響もなく、確実に操縦器同士で通信が行える。
タイミングを電波で行い、飛来方向の検出やデータの伝送を光線でというハイブリッドシステムが効果的である。
電波以外に音波や単なる電磁結合でも同じ効果がえられる。
【００２４】
簡単なタイミングの取り方の例を図１７に示す。４台の操縦器があったとして、アドレスを０，１，２，３とする。３台以下の場合でも、少なくとも１台はアドレス０を使うことにしておく。アドレス０の操縦器は一定の周期で（a）のＣＭＮＤ０を赤外線で送信する。同時に（ｂ）のようにＣＭＮＤ０送信終了にあわせるように一定長の電波を発する。アドレスが１，２，３の操縦器は決められた周波数の前記一定長の電波を監視し、前記一定長の電波を受けると、一台に対して割り当てられた時間をｔ0、自分のアドレスをｎとして（ｎ−１）＊ｔ０の時間待って自分のデータＣＭＮＤｎを送出する。このようにすると、簡単で確実に時間分割ができて、複数組の光線式ラジコンシステムが同じ場所で操縦を楽しむことが出来る。アンテナもごく近くであれば小さくても良く,内蔵式でも可能である。
【００２５】
図１１は、公知の全方位走行車の構成を示す。これは３６０度すべての方向に、走行可能な走行車であり、また、その場での回転も可能である。構造は図１１(a)のように全方位走行車154に4台のモータ157、158、159、160が固定され、そのモータの軸にそれぞれ4個の特殊車輪161、162、163、164が固定されている。さらに、特殊車輪は横から見ると、図１１（ｂ）のように8個のたる型の自由輪165がついていて横滑りが自由にできるようになっている。そのため、4つのモータ157、158、159、160を同時に駆動して任意の方向に進むことが出来るようになる。
【００２６】
図１１（a）で４個の特殊車輪161、162、163、164が回転して、それぞれの接点でVxr,Vyl,Vxl,Vyrの線速度が出るとすれば、図のようにα１だけ左斜め方向にV0の速度で走行するには、次式のように、特殊車輪161、162、163、164を回転させれば良いことがわかる。
式群１：
Vxl＝  V0＊sin(α1)
Vxr＝  V0＊sin(α1)
Vyl＝  V0＊cos(α1)
Vyr＝  V0＊cos(α1)
【００２７】
次に、図１２のように全方位走行車154がβだけ左斜めの向きを向いていて、それをα１方向に走行させるには、式群１は次のようになる。
式群２：
Vxl＝  V0＊sin(α1−β)
Vxr＝  V0＊sin(α1−β)
Vyl＝  V0＊cos(α1−β)
Vyr＝  V0＊cos(α1−β)
【００２８】
また、全方位走行車154が、周速度Vrotで左回転するためには、ａを適当な正定数として
式群３：
Vxl＝―ａ＊Vrot
Vxr＝ａ＊Vrot
Vyl＝―ａ＊Vrot
Vyr＝ａ＊Vrot
【００２９】
式群２と式群３とを組み合わせると
式群４：
Vxl＝  V0＊sin(α1−β)―ａ＊Vrot
Vxr＝  V0＊sin(α1−β)＋ａ＊Vrot
Vyl＝  V0＊cos(α1−β)−ａ＊Vrot
Vyr＝  V0＊cos(α1−β)＋ａ＊Vrot
【００３０】
ここで図１１のようにジョイスティックが２個３，４のついた操縦器４０で全方位走行車154をコントロールすることを考える。ジョイスティック４で進行方向α１を、またジョイスティック3で向きα0をコントロールさせる。
向きの検出には、ジョイスティック側から赤外線を放出し、全方位走行車側に４個の受光素子を備える。これによって、図１２のθが求まる。そして図１２のようにβとθが定義されているとβ＝θでβが確定する。
向きの制御のために、図１３のように、ｆ（α０−β）を定義して、
【００３１】
Ｖｒｏｔ＝ｆ（α0−β）を式群４に代入する。
そして式群４を使って４個のモータを駆動したとすると、まず、全方位走行車154の向きβは、向きに関する制御ループができて、α0−β＝０すなわちジョイスティック３で示す向きα0に等しくなって安定する。
次に、ジョイスティック４をα１の方向に倒すと、式群４のように駆動されるので、α１の方向すなわち、ジョイスティック４１を倒した方向に走ることになる。
【００３２】
このようにして、全方位走行車の向きα0と走行向きα１を独立にコントロールすることができる。
図１４は同じことを水に浮かぶ船に応用した例である。（ａ）は主要上面図、（ｂ）は側面図である。
図１４のように、全方位走行船１３０にはスクリュウ１３１とモータ１３２が４対付いている。そして図のように、その駆動により、Ｖｙｒ，Ｖｘｒ，Ｖｙｌ，Ｖｘｌの水中速度がでるとすれば、図１１，１２、１３の全方位走行車の説明と同じことができる。すなわち2個のジョイスティックがついた操縦器４０のジョイスティック操作で、全方位走行船130の向きと走行方向を自由に独立に操縦することが出来る。
さらに図１５のように4個の上下方向スクリュウ１３５，１３６，１３７，１３８をつけ、水中で浮遊できるようにすれば、ヘリコプタと同様に水中での水深もコントロールできるようになる。ただし水中では赤外線の代わりに青色光を使用する。
【００３３】
図１８はテレビカメラを通信回線を使ってより遠隔地から操縦する例を示す。操縦器１ｐはジョイスティック３，４など入力手段は同じであるが、発光素子はついてなく、代わりに通信回線に対するインタフェースがある。
この操縦情報は通信回線２５を通って操縦中継器２６に入る。ここで操縦信号は変調されて発光素子５から赤外線として放射される。ここの波形は図９の（ｃ0）と同じになる。また、高度の制御も行う場合は、操縦中継器２６は２個の発光素子を仰角を変えてとりつけることになる。そして２個の発光素子には図９の（ｃ0）と（ｃ１）の波形をあたえる。そして必要に応じて揚力ダイアルからの信号で発光素子の仰角をモーターで制御する。
【００３４】
または、２個の発光素子の電流を変えて、上下を調整できるようにする。
ＴＶカメラ２７はヘリコプタ２ｈを撮影し、通信回線２５を通って遠隔地のモニタＴＶ２８に像を映す。操縦者はモニタＴＶ内のヘリコプタを見ながら操縦することになるが、モニタＴＶ内のヘリコプタの映像は、ジョイスティック３を倒した方向に向きを変え、またジョイスティック４を倒した方向に走行駆動を受けることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例の上面図
【図２】直進走行の上面図
【図３】旋回を表わす上面図
【図４】受光素子の取付け図
【図５】導光路を使った飛来方向検出器
【図６】上昇下降制御の説明図
【図７】基本ブロック図
【図８】エレベータ制御を含んだヘリコプタのブロック図
【図９】全体の詳細ブロック図
【図１０】信号の説明図
【図１１】全方位走行車の構造図
【図１２】全方位走行車の動作説明図
【図１３】角度誤差と回転周速度Ｖrotの関係グラフ
【図１４】全方位船の動作図
【図１５】全方位船の上昇下降制御説明図
【図１６】（ａ）光タイミング通信説明図（ｂ）電波タイミング通信説明図
【図１７】電波タイミング通信例
【図１８】ＴＶカメラと通信路の使用例
【符号の説明】
１  操縦器
２  走行物体
2ｈ  ヘリコプタ
３、４  ジョイスティックつまみ
５  発光素子
５ａ、５ｂ  発光素子
６  昇降つまみ
７  自動走行スイッチ
８  メインロータ
９  テールロータ
10 飛来方向検出器
11、12、13、14 受光素子
15 構造材
16 導光路
17 ＩＣ
18 受光素子
20 内部受光素子
21 開口部
22 ドラム
23 高度つまみ
25   通信回線
26   操縦中継器
27   ＴＶカメラ
28   モニタＴＶ
50 マイクロプロセッサ
51 Ｐ／Ｓ変換器
52 ＡＭ変調器
55 搬送波発信器
56 増幅器
57 スイッチ回路
58 帯域フィルタ
59 可変増幅器
60 ＡＭ検波器
61 波形成形器
62 Ｓ／Ｐ変換器
63 Ａ／Ｄコンバータ
64 マイクロプロセサ
65，66、67  パルス発生器
68 テールロータモータ
69 メインロータモータ
70 サイクリックピッチモータ
100ａ  ジョイスティック
100ｂ  ジョイスティック
101 揚力ダイアル
102 無線信号発生器
103 受信解読器
104 平行走行手段
105 機首向き変更手段
106 揚力発生手段
107 仰角識別無線信号発生器
108 仰角識別信号検出器
122 飛来方向検出器
130 全方位走行船
131 スクリュウ
132 スクリュウモータ
133 揚力スクリュウ
154 全方位走行車
157、158、159、160  モータ
161、162、163、164 特殊車輪
165 自由輪
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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