(57)【要約】【課題】本発明は、従来の人間と機械の協調システムが有する問題点に鑑みなされ、解決策として発明されたものであり、制御目標に機械システムを追随させるよう、機械システム、自動制御装置、人間との協調制御システムを開発し、機械システムの安全性向上へ貢献する技術を提供することを課題とする。【解決手段】本発明は、前記課題を解決する手段として、  操作、操縦、運転により制御入力を与える人間と、  自動的に制御入力を与える機械システムに搭載された自動制御装置と、  機械システムの出力を制御目標に一致させることを目的に、人間と自動制御装置が与える制御入力の調整を自動的に実施し最適な制御入力を生成する協調装置、  から構成される、  機械システム、前記自動制御装置と、人間との協調制御システムを提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間の操作、操縦、運転を要する機械システムについて、
操作、操縦、運転により制御入力を与える人間と、
自動的に制御入力を与える、機械システムに搭載された自動制御装置と、
機械システムの出力を制御目標に一致させることを目的に、人間と自動制御装置が与える制御入力の調整を自動的に実施し最適な制御入力を生成する協調装置、
から構成される、
機械システムと自動制御装置と、
人間との協調制御システム。
【請求項２】
人間と自動制御装置とが、機械システムに制御入力を与える制御モジュールとして並列に存在する階層的モジュール構造を備えることを特徴とする請求項１に記載の人間との協調制御システム。
【請求項３】
協調装置は、機械システムに関する動的モデルを内部に備えることを特徴とする請求項１と２のいずれかに記載する人間との協調制御システム。
【請求項４】
協調装置は、人間と自動制御装置が与える制御入力に対する機械システムの応答と制御目標をそれぞれ独立して比較することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載する人間との協調制御システム。
【請求項５】
協調装置は、それぞれ独立して比較する人間と自動制御装置が与える制御入力に対して状況に適するか評価を与え、状況に適した制御入力に重みをつけて両者を重ね合わせ、最適な制御入力を生成することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載する人間との協調制御システム。
【請求項６】
協調装置は、人間と自動制御装置が与える制御入力を、ソフトマックス関数を利用して、状況に適した制御入力に重みをつけて両者を重ね合わせ、最適な制御入力を生成することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載する人間との協調制御システム。
【請求項７】
協調装置は、オンラインで人間と自動制御装置が与える制御入力を取り扱うことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載する人間との協調制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、人間の操作、操縦、運転を要する機械システムに関し、人間との協調制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】  今日、人間の操作、操縦、運転を要する機械システムについて、人為的要因に起因する事故が多発している。【０００３】  航空の分野に注目すると、パイロットのミスに起因する航空機事故は、航空機事故全体の７割を占めるといわれている。パイロットの認知・判断ミスによる不適切な操縦や、故意または過失による不当な操縦が原因である事故が発生している。【０００４】  また、操縦の自動化が進む中で、パイロットの起こすミスの頻度は減少したが、一方で自動制御装置（自動操縦装置を含む）がパイロットの飛行術を妨げ、事故を引き起こすことが報告されている。例えば、パイロットと自動操縦装置の間で操縦の権限が望ましく委譲されないことに起因する航空機事故が発生している。また、電気的信号を介して舵面を動かすＦＢＷ（Ｆｌｙ  Ｂｙ  Ｗｉｒｅ）機において、パイロットの操縦桿操作量が操作を機械的に行うアクチュエータの性能限界を超えた場合におこるＰＩＯ（Ｐｉｌｏｔ−Ｉｎｄｕｃｅｄ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）問題に代表されるように、パイロットの操縦と自動制御装置の制御入力との干渉は予期せず突然引き起こされ、航空機の墜落に至る危険性がある。自動制御装置自体が状況とは不適切に作動する可能性も否めない。【０００５】  これらの事故原因となりうる要因は、管制官が経路を予測することの難しい航空機の挙動を引き起こすため、管制官のミスによる航空機事故をも誘発する危険性を含んでいる。【０００６】  航空機のみならず、電車、自動車等を含む機械システムについても、それらを操縦、操作、運転する人間による人為的ミスに起因する事故の報告は後を絶たない。人為的ミスを減少させるため自動化の取り組みが考慮されているが、現在航空の分野で問題視されている人間と自動制御装置の間の不一致はこれらの機械システムに関して起こりうる可能性が高い。【０００７】  このような背景に基づきこれまでに、機械システム、機械システムに搭載された自動制御装置、人間を協調させるための取り組みが続けられている。【０００８】  従来は、主に、人間の認知・判断ミスの防止を目指し、心理学や医学、認知工学の分野で取り組みが行われている。例として、計器表示の仕方、障害物の出現や衝突の可能性を事前に知らせる装置、訓練過程の充実等が挙げられる。また、設計された機械システムが人間と協調するか有効性を評価するための手法も提案されている。航空の分野に注目すると、訓練方法として乗員間の協調を重視したＣＲＭ（Ｃｏｃｋｐｉｔ  Ｒｅｓｏｕｒｃｅ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）や、統合的な自動化システムＦＭＳ（Ｆｌｉｇｈｔ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍ）の改善により、パイロットの負荷を軽減し安全性に寄与する技術が研究開発されている。操縦の自動化が進む中で、自動操縦装置の作動状況をパイロットに知らせるディスプレィ表示の改善も取り組まれている。これらの手法はあらかじめ人間の起こしうる認知・判断ミスの種類を仮定し、仮定に基づいて人為的ミスの対応策を与えるものである。【０００９】  しかし、機械システムの事故・故障時等の異常事態における人間、機械システム、（搭載されている場合は）自動制御装置の挙動は事前に予測できない場合が多いため、事前に想像できな��事態において人間のミスの種類を仮定し対応策を与えることは困難である。また、これらの手法は事故を起こしにくい環境を人間に用意するが、人間が起こしてしまった不適切な操作、操縦、運転の結果をアダプティブに修正するものではない。例えばＰＩＯ問題のように、自動制御装置と人間のアダプティブな動特性の変化に起因する事故を防止するための対策を与えるものではない。また、過失や故意な不当操作を防ぐことは難しい。予測できない事態においても状況に応じて人間の操作、操縦、運転を支援する新たな手法が望まれる。【００１０】  また、操縦、操作、運転の性能を向上させることにより、人間と機械システムの協調を目指す研究開発も続けられている。例を挙げると、人間を、機械システムを含む閉ループ系の一部として取り扱うｈｕｍａｎ−ｉｎ−ｔｈｅ−ｌｏｏｐを利用し、閉ループ系やモデル化された人間の特性の解析による機械システムの評価、機械システムの操縦、操作、運転性能を向上させるために機械システムに搭載する自動制御装置の設計等に関する技術である。【００１１】  しかしながら、認知・判断プロセスを含む人間の特性をモデル化し閉ループ系に組み込むことは、人間の有する柔軟さゆえ困難であるため、これらの手法は人間の認知・判断ミスを考慮していない。【００１２】  操縦の自動化が進む航空の分野において、自動操縦装置の挙動が把握できない場合、パイロットは手動操縦に切り替えるよう訓練されている。しかし、特に異常事態において切り替えの判断が難しく、また切り替えがパイロットの意図通りに実行されず、パイロットと自動操縦装置が同時に作動し、混乱を引き起こす可能性が指摘されている。パイロットのマニュアル操縦から自動操縦装置へのオーバーライドに関する管理手法が検討されているが、どの手法が優れているかは一概には評価できない。【００１３】  また、従来の航空機の自動操縦装置の設計は、パイロットの起こしたミスを、自動操縦装置が適切かつアダプティブに修正する、という発想に基づいておらず、その点で人間と機械システムの協調を考慮したものではない。【００１４】  パイロットを完全に排除する完全自動化の方向も模索されているが、不測の事態に対応できるレベルまで自動制御技術は到達できていないのも事実である。不測の事態において人間は柔軟に対応し、優れた状況判断能力を発揮できることも多いため、こうした人間の長所生かせる協調制御システムの実現が望まれる。【００１５】  特に、事故・故障時においても、航空機を最寄りの空港まで安全に誘導する自動制御技術に関して研究が続けられている。これは、事故・故障機に適する自動制御装置を飛行中に再構築する、という構想に基づくが、限られた時間内での実用化は難しい。そこで、制御系が再構築されるまでの期間、パイロットに操縦を引き継ぐことのできるシステムが存在すれば、これらの既存の技術を実用化させうる可能性を広げると考えられる。【００１６】  車両に関して、制御目標への追随を行う自動操縦装置の作動中にドライバの手動操縦が入った場合、車両の横滑りを防ぐよう安定化させる自動操縦装置とドライバの手動操縦との操縦に移行させる技術は発明されている（特許文献１参照）。この技術は、ドライバが素早く大きな操舵をした場合において、高周波数成分を含む自動操縦装置とドライバの操作量との干渉を防ぐ手段を取っていない。上記に示したように、これらの干渉は不安定振動（航空の分野でいうＰＩＯ）を引き起こす可能性があるため、課題を残したと考えられる。
【特許文献１】  特開平２００２−３２１２５号  公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】  本発明は、上に述べたように、従来の取り組みが有する問題点に鑑みなされ、解決策として発明されたものであり、制御目標に機械システムを追随させるよう、機械システム、自動制御装置、人間との協調システムを開発し、機械システムの安全性向上へ貢献する技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】  本発明は、前記課題を解決する手段として、
操作、操縦、運転により制御入力を与える人間と、
自動的に制御入力を与える機械システムに搭載された自動制御装置と、
機械システムの出力を制御目標に一致させることを目的に、人間と自動制御装置が与える制御入力の調整を自動的に実施し最適な制御入力を生成する協調装置、
から構成される、
機械システム、自動制御装置と、人間との協調制御システムを提供する。【００１９】  解決手段において、人間と自動制御装置とが、機械システムに制御入力を与える制御モジュールとして並列に存在する階層的モジュール構造を備えることができる。【００２０】  そして、解決手段において前記協調装置は、内部に機械システムに関する動的モデルを備えており、人間と自動制御装置という２種類の制御モジュールの制御入力に対する機械システムの応答と制御目標をそれぞれ独立して比較し、状況に適した制御入力に重みをつけて重ねあわせ、最適な制御入力を生成することができる。【００２１】  前記協調装置の機能においては、ソフトマックス関数を利用して、状況に適した制御能力に自動的に重みをつけることができる。【００２２】  また、解決手段はあらかじめ予測できない事態に対応できるよう、オンラインで人間と自動制御装置が与える制御入力の取り扱いを可能とするものである。
【発明の効果】
【００２３】  本発明により、
（１）人間の認知・判断ミス、および故意または過失による、状況に不適切な操縦、操作、運転を、自動制御装置の適切な制御能力で補うことにより排除し、
（２）自動制御装置の与える状況に不適切な制御入力を、人間の柔軟かつ優れた状況に適切な操縦、操作、運転の能力で補うことにより排除するよう、
人間と自動制御装置が、状況に応じてアダプティブに、それぞれの持つ長所を活かし短所を補いあうバックアップシステムが構築され、
（３）人間と自動制御装置との間の操縦の権限の移譲を自動で調節することにより、人間と自動制御装置が同時に作動することによる、機械システムの不適切な挙動を防ぐ、
ことが可能となるので、
従来の取り組みが残した問題を解決し、
機械システムの安全性向上に貢献する、
機械システム、自動制御装置、人間との協調制御システムが実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】  以下、添付図面を参照して本発明の最良な実施形態を説明する。ただし以下の説明が本発明の範囲を特に限定するものではないことは、注意しておく必要がある。【００２５】  本発明の構成と対象となる機械システムを含めたブロック線図を図１に示す。図１が示すように、本発明は、機械システム１４を操縦、操作、運転する人間を意味するＨＵＭＡＮモジュール１１、機械システム１４に制御入力を与える自動制御装置を意味するＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュール１２、これら２種類の制御モジュールに関する協調装置を意味するＡＲＢＩＴＥＲモジュール１３という３種類のモジュールから定義される１０の協調制御システムである。本発明の技術的思想を裏付けるため、それぞれのモジュールの性質と特徴を、以下に具体的に説明する。【００２６】  まず、ＨＵＭＡＮモジュール１１の性質について説明する。これまでに、人間をモデル化する試みがなされているが、状況に応じて柔軟に自身のダイナミクスを変化させる実際の人間の運動能力をモデル化することは難しい。ＨＵＭＡＮモジュール１１の長所は、優れた状況判断能力を発揮することが可能であり、状況に応じて望ましい制御性能を達成することである。しかし、その一方で生理的な限界を有し、認知・判断ミス、過失により不適切な操縦を行うという短所を有している。また、故意に不当な操縦を行う可能性があることも、制御モジュールとしての短所である。【００２７】  次に、ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュール１２の性質について説明する。機械システムの制御において、自動制御装置を適切に設計する。ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュール１２の長所として、あらかじめ設定された範囲で適切な制御能力を発揮できることである。短所として、機械システム１４の動的モデルに関するモデル化誤差や外乱入力に対してロバスト性を重視すると、制御性能が劣化する性質がある。また、設定された範囲を超えると適切な制御能力を発揮することができない場合がある。このモジュールに関して、さまざまな制御系設計手法が応用可能である。【００２８】  ＡＲＢＩＴＥＲモジュール１３の役割は、ＨＵＭＡＮモジュール１１とＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュール１２の機械システム１４への制御入力ｘｉ，（ｉ＝１，２）（図１）を管理し、両者の制御入力に重み（貢献比率）をかけて、現在の状況に適切な制御入力「を作成することである。ＨＵＭＡＮモジュール１１とＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュール１２の制御入力が機械システムに与える結果と制御目標を比較し、より制御目標を達成する制御入力を与えたモジュールの貢献が大きくなるよう貢献比率を調整し、両者の制御入力の重ね合わせを行う。ＡＲＢＩＴＥＲモジュール１３により、人間（ＨＵＭＡＮモジュール１１）と自動制御装置（ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュール１２）のバックアップシステムが実現し、ＨＵＭＡＮモジュール１１またはＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュール１２の与えた状況に適さない制御入力が排除される。上記の異なる性質を持つＨＵＭＡＮモジュール１１とＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュール１２をＡＲＢＩＴＥＲモジュール１３が管理し統合することにより、人間（ＨＵＭＡＮモジュール１１）と自動制御装置（ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュー��１２）がそれぞれの長所を保護し短所を補う協調制御システム１０が実現するのである。【００２９】  次に、協調装置（ＡＲＢＩＴＥＲモジュール）内で、ＨＵＭＡＮモジュールとＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュールから与えられた制御入力を調整するアルゴリズムを以下に説明する。ＡＲＢＩＴＥＲモジュール内の構造を図２に示す。ＡＲＢＩＴＥＲ内のアルゴリズムは、以下の４つのステップから構成される。【００３０】  ステップ１．ＨＵＭＡＮモジュールとＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュールの制御入力が機械システムへ与える結果の予測
図２に示すように、時刻ｔにおいて、ＡＲＢＩＴＥＲモジュールには、制御目標ｒ（ｔ）、ＨＵＭＡＮモジュールからの制御入力ｘ１（ｔ）、ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュールからの制御入力ｘ２（ｔ）が入力される。
ＡＲＢＩＴＥＲモジュールは内部に機械システムの動的モデルを備えており、それを利用して、ｘｉ（ｔ），（ｉ＝１，２）を機械システムに入力した場合の出力ｙｉ（ｔ），（ｉ＝１，２）が計算される。【００３１】  ステップ２．ＨＵＭＡＮモジュールとＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュールの制御入力が機械システムへ与える結果と制御目標の比較
次に、２種類の制御モジュールｙｉ（ｔ）と制御目標ｒ（ｔ）との誤差の大きさを示す指標Ｅｉ（ｔ），（ｉ＝１，２）を利用し、それぞれの制御モジュールの制御性能の比較を行う。
具体的には、次の式を指標Ｅｉ（ｔ），（ｉ＝１，２）、として利用する。【００３２】
【数１】
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【００３３】  ここで、ｎは時刻ｔにおけるタイムステップ数、ｍはＥｉ（ｔ）で考慮する過去のエラー出力εｉ（ｔ）のタイムステップ数を意味する。また、ｔ＝ｔｎが成り立つ。【００３４】  ステップ３．貢献比率の計算
ステップ２の比較をもとに、２種類の制御モジュールが状況にどの程度適応しているか、貢献比率を計算する。
具体的には、（１）式と、ソフトマックス関数を利用した次の式より、各モジュールの貢献比率λｉ（ｔ），（ｉ＝１，２）、を計算する。【００３５】
【数２】
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【００３６】  ここで、ｎは時刻ｔにおけるタイムステップ数、ｍはＥｉ（ｔ）で考慮する過去のエラー出力εｉ（ｔ）のタイムステップ数を意味する。また、ｔ＝ｔｎが成り立つ。σは、各モジュールの分担範囲の鋭さを指定するパラメータである。貢献比率λｉ（ｔ）は０から１の間に正規化され、総和は１となる。【００３７】  ステップ４．制御入力の調整と重ねあわせ
最終的にＡＲＢＩＴＥＲモジュールから機械システムに与えられる制御入力は、（２）式を利用し、ＨＵＭＡＮモジュールとＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュールの制御入力を調整し、重ね合わせたものである。具体的に、ＡＲＢＩＴＥＲモジュールから機械システムに与える最終的な制御入力ｕ（ｔ）は、次の式で計算される。【００３８】
【数３】
2007102737.tif 000005
【００３９】  制御目標との誤差を小さくする制御入力を与えた制御モジュール、つまり状況に適する制御モジュールほど機械システムに入力される実際の制御入力ｕ（ｔ）への貢献比率λｉ（ｔ）は大きな値となり、逆に誤差を大きくする制御入力を与えた制御モジュールの貢献比率は小さな値となる。【００４０】  次に、ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュールに与える修正入力（図１のｚ）について説明する。実施例として、ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュールとしてフィードバック制御器を適用し、かつ機械システムに関する動的モデルが線形近似できる場合について話を進める。【００４１】  ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュールに、次式で与えられる修正入力ｚを与える。【００４２】
【数４】
ｚ＝λ１ｙ１＋（λ２−１）ｙ２                      （４）
【００４３】  この場合、ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュールへの入力ｅｋ（図１）は、次式で表現される。
【００４４】
【数５】
ｅｋ＝ｒ＋ｚ−ｙ
＝ｒ＋｛λ１ｙ１＋（λ２−１）ｙ２｝−ｙ                      （５）
＝ｅ＋λ１ｙ１＋（λ２−１）ｙ２
【００４５】  （５）式に示されるように、修正信号は、フィードバック制御器に、ＡＲＢＩＴＥＲモジュールの作用が外乱として認識されないための修正である。
【００４６】  以下に、申請する発明を大型旅客機の縦運動を模擬したフライトシミュレータ実験に適用した実施例を示す。ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュールとして、ＰＩＤ制御器を適用した。
【００４７】  まず、フライトシミュレータ実験において、与えられた制御目標を達成するよう、操縦者（ＨＵＭＡＮモジュール）が状況に適した操縦を行った場合において、本発明を適用した実験結果を図３に示す。
【００４８】  図３において、点線が制御目標として与えたピッチ角指令、破線がＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュールのみの制御性能、実線が本発明を適用した場合の制御性能を示している。図３に示されるように、航空機に搭載されている自動制御装置は、航空機のダイナミクスの変動に耐えられるようロバスト性を備えているため、ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュールのみの制御能力では制御目標に航空機のピッチ角応答を正確に追随させることは難しい。一方で、本発明を適用すると、ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュールのみの場合と比較して、制御目標への追随性能が向上していることがわかる。これは、協調装置（ＡＲＢＩＴＥＲモジュール）が人間（ＨＵＭＡＮモジュール）の有する高度な制御能力を生かし、自動制御装置（ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュール）の不十分な制御性能を補うよう、両者の制御入力を調整し、状況に適した制御入力を生成することが可能であることを意味している。
【００４９】  次に、フライトシミュレータ実験において、認知・判断ミスに起因する、もしくは過失、故意な不当操作を行った場合を想定し、操縦者（ＨＵＭＡＮモジュール）が与えられた制御目標を無視した状況に不適切な操縦を行った場合について、本発明を適用した実験結果を図４に示す。
【００５０】  図４において、点線が制御目標として与えたピッチ角指令、破線がＨＵＭＡＮモジュールのみの制御性能、実線が本発明を適用した場合の制御性能を示している。図４に示すように、ＨＵＭＡＮモジュールのみの操縦では制御目標に航空機のピッチ角応答を追随できていないことがわかる。しかし、本発明を利用した場合、制御目標に航空機のピッチ角応答をある程度追随できていることがわかる。このことより、本発明を利用すると、協調装置（ＡＲＢＩＴＥＲモジュール）が自動制御装置（ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュール）の制御入力を利用して操縦者（ＨＵＭＡＮモジュール）の不適切な操縦の結果を排除することが可能なことがわかる。
【００５１】  次に、ＣａｔｅｇｏｒｙＩＩ  ＰＩＯ（Ｐｉｌｏｔ−Ｉｎｄｕｃｅｄ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）に本発明を適用する。ＣａｔｅｇｏｒｙＩＩ  ＰＩＯとは、電気的信号を介して舵面を動かすＦＢＷ（Ｆｌｙ  Ｂｙ  Ｗｉｒｅ）機において、パイロットの操縦桿操作量が操作を機械的に行うアクチュエータの性能限界を超えた場合におこる自励振動を意味している。ＹＦ−２２、ＪＡＳ−３９Ｇｒｉｐｐｅｎ等の航空機事故をきっかけに、航空機の開発上重大なインパクトを与えると認識されるようになり、特に改善が急務だといわれている。そこで、本発明を適用した場合について、シミュレーション結果とフライトシミュレータ実験結果を示し、発明の効果を示す。
【００５２】  まず、アメリカの軍用規格であるＭＩＬ−ＨＤＢＫ１７９７で定められているパイロットモデルをＨＵＭＡＮモジュールに設定し、ＣａｔｅｇｏｒｙＩＩ  ＰＩＯを引き起こす問題設定のもとでシミュレーションを実施した。制御目標として０．５秒間のステップ入力を与え、ＰＩＯを誘発した。
【００５３】  図５において、本発明を適用せず、パイロットモデルのみの場合について、実線はアクチュエータの応答、点線は制御目標として与えたピッチ角指令を示している。図５に示されるように、パイロットモデルの舵角操作量とアクチュエータの作動限界により、アクチュエータの応答が三角波から台形波の形状となっていることがわかる。過去の研究より、このようにアクチュエータの作動限界により舵角の波形が三角波の形状を取り始めると、ＣａｔｅｇｏｒｙＩＩ  ＰＩＯを引き起こすトリガとなることが指摘されている。この結果、図５に示すように、数値シミュレーションでは最終的に４０度程度の大きい振幅を持つピッチ角の自励振動が発生している。図６のようなＰＩＯを励起した場合、実際には航空機は失速し墜落に至る大事故を起こす危険性が高い。
【００５４】  次に、同じ問題設定のもとで本発明を適用し、シミュレーションを実施した。図７において、パイロットモデル（ＨＵＭＡＮモジュール）のみが操縦を行った場合のピッチ角応答（図２のｙ１（ｔ））を破線、自動制御装置（ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュール）のみが操縦を行った場合のピッチ角応答（図２のｙ２（ｔ））を鎖線、これら２種類の制御モジュールの制御入力を協調装置（ＡＲＢＩＴＥＲモジュール）が協調させた結果であるピッチ角応答（図２のｙ（ｔ））を実線で示す。図７に示すように、本発明を適用すると、最終的にピッチ角応答の振動の振幅の大きさが２度程度に抑えられ、ＰＩＯ特性が改善されていることがわかる。参考のため、ＡＲＢＩＴＥＲモジュール内で計算された貢献比率λｉ（ｔ），（ｉ＝１，２）を図８に示す。図８に示されるように、パイロットモデル（ＨＵＭＡＮモジュール）の操縦がＰＩＯを引き起こした場合、協調装置（ＡＲＢＩＴＥＲモジュール）は自動制御装置（ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュール）の制御入力に大きな貢献比率を与えていることがわかる。結果として、パイロットモデル（ＨＵＭＡＮモジュール）の不適切な制御入力が取り除かれ、本発明がＰＩＯ特性の改善に貢献することがわかる。
【００５５】  次に、実際の人間の操縦者により、ＣａｔｅｇｏｒｙＩＩ  ＰＩＯを引き起こす問題設定のもとでフライトシミュレータ実験を実施した。
【００５６】  図９に、本発明を適用せず操縦者のみの場合において、実線はアクチュエータの応答、点線は制御目標として与えたピッチ角指令を示している。図９が示すように、アクチュエータの応答の波形が三角波から台形波の形状となっており、ＣａｔｅｇｏｒｙＩＩ  ＰＩＯを引き起こす要因が現れたことがわかる。図１０の実線に示されるように、操縦者により大きな振幅を持つピッチ角応答のＰＩＯが引き起こされている。今回はＰＩＯ現象の数値データを取るため、機体の失速等を考慮したフライトシミュレータ実験ではないが、実際には航空機の飛行中において、大変危険な状態であることがわかる。
【００５７】  図１１に、操縦者（ＨＵＭＡＮモジュール）のみが操縦を行った場合のピッチ角応答（図２のｙ１（ｔ））を破線、自動制御装置（ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュール）のみが制御入力を与えた場合のピッチ角応答（図２のｙ２（ｔ））を鎖線、これら２種類の制御モジュールを協調装置（ＡＲＢＩＴＥＲモジュール）が協調させた結果であるピッチ角応答（図２のｙ（ｔ））を実線で示す。図１１に示すように、本発明を利用すると、ピッチ角応答の振動の振幅が操縦者（ＨＵＭＡＮモジュール）より小さく抑えられ、ＰＩＯ特性が改善されていることがわかる。このように、パイロット（ＨＵＭＡＮモジュール）がＰＩＯを引き起こしたことに気づき修復操作を行う期間、本発明を利用すると振動の振幅の大きさを小さく抑えることができる。そのため、パイロットにＰＩＯを修復する時間の猶予を与えることができ、有用であると考えられる。協調装置（ＡＲＢＩＴＥＲモジュール）内で計算された貢献比率λｉ（ｔ），（ｉ＝１，２）を図１２に示す。図１２に示されるように、協調装置（ＡＲＢＩＴＥＲモジュール）は自動制御装置（ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲモジュール）の制御入力に大きな貢献比率を与えていることがわかる。結果として、操縦者（ＨＵＭＡＮモジュール）の不適切な操縦の影響が除去され、本発明がＰＩＯ特性の改善に貢献することが示された。
【００５８】  上記にフライトシミュレータ実験結果とシミュレーション結果より本発明の効果・作用を紹介したが、これらの結果の他にも、大気の擾乱に対する制御特性の向上、実際のダイナミクスと協調装置（ＡＲＢＩＴＥＲモジュール）内で設定した動的モデルとの間にモデル化誤差が生じた場合の有効性も確認されている。
【００５９】  以上、本発明の実施態様を最良な実施例を用いて説明したが、上記の実施例や説明は本発明の範囲を限定するものではない。実用化の際、この明細書に開示された本発明の範囲を逸脱することなく、さまざまな状況設定に応じてアルゴリズム、パラメータの設定等の改良が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】人間、自動制御装置、協調装置から構成される、人間との協調制御システム
【図２】協調装置（ＡＲＢＩＴＥＲモジュール）の内部構造
【図３】人間（ＨＵＭＡＮモジュール）が状況に適した操縦を行った場合、本発明の効果を示す実験結果
【図４】人間（ＨＵＭＡＮモジュール）が状況に不適切な操縦を行った場合、本発明の効果を示す実験結果
【図５】ＰＩＯを引き起こす問題設定のもと実施したシミュレーションにおいて、パイロットモデルのみが操縦を行った場合のアクチュエータの応答
【図６】ＰＩＯを引き起こす問題設定のもと実施したシミュレーションにおいて、パイロットモデルのみが操縦を行った場合のピッチ角応答
【図７】ＰＩＯを引き起こす問題設定のもと実施したシミュレーションにおいて、本発明の効果を示すシミュレーション結果
【図８】ＰＩＯを引き起こす問題設定のもと実施したシミュレーションにおいて、本発明における協調装置（ＡＲＢＩＴＥＲモジュール）の効果を示すシミュレーション結果
【図９】ＰＩＯを引き起こす問題設定のもと実施したフライトシミュレータ実験において、操縦者のみが操縦を行った場合のアクチュエータの応答
【図１０】ＰＩＯを引き起こす問題設定のもと実施したフライトシミュレータ実験において、操縦者のみが操縦を行った場合のピッチ角応答
【図１１】ＰＩＯを引き起こす問題設定のもと実施したフライトシミュレータ実験において、本発明の効果を示す実験結果
【図１２】ＰＩＯを引き起こす問題設定のもと実施したフライトシミュレータ実験において、本発明における協調装置（ＡＲＢＩＴＥＲモジュール）の効果を示す実験結果
【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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