(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機における姿勢風調整量を提供する方法であって、
航空機座標において、指示された縦方向対地速度を示す縦方向対地速度指令信号を提供し、
航空機座標において、航空機の実際の縦方向対地速度を示す検出縦方向対地速度信号を提供し、
航空機座標において、指示された横方向対地速度を示す横方向対地速度指令信号を提供し、
航空機座標において、航空機の実際の横方向対地速度を示す検出横方向対地速度信号を提供し、
上記縦方向対地速度指令信号によって示される速度と上記検出縦方向対地速度信号によって示される速度との差を示す大きさを有する縦方向対地速度誤差信号を提供し、
上記横方向対地速度指令信号によって示される対地速度と上記検出横方向対地速度信号によって示される速度との差を示す横方向対地速度誤差信号を提供し、
地球座標における航空機の真の機首方向を示す真機首方向信号を提供し、
地球座標において、（ａ）上記縦方向対地速度誤差信号の大きさに上記真機首方向信号によって示される機首方向のコサインを乗じたものから、（ｂ）上記横方向対地速度誤差信号の大きさに上記真機首方向信号によって示される機首方向のサインを乗じたものを引いたものに等しい北方向速度誤差信号を提供し、
地球座標において、（ｃ）上記縦方向対地速度誤差信号の大きさに上記真機首方向信号によって示される機首方向のサインを乗じたものに、（ｄ）上記横方向対地速度誤差信号の大きさに上記真機首方向信号によって示される機首方向のコサインを乗じたものを加えたものに等しい東方向速度誤差信号を提供し、
それぞれ、対応する大きさを有する北方向姿勢風調整信号および東方向姿勢風調整信号を提供するように、上記北方向速度誤差信号および上記東方向速度誤差信号を、スケーリングするとともに積分し、
航空機座標において、（ｅ）上記北方向姿勢風調整信号の大きさの負の値に上記真機首方向信号によって示される機首方向のコサインを乗じたものに、（ｆ）上記東方向姿勢風調整信号の大きさの負の値に上記真機首方向信号によって示される機首方向のサインを乗じたものを加えたものに等しいピッチ姿勢風調整信号を提供し、
航空機座標において、（ｇ）上記東方向姿勢風調整信号の大きさに上記真機首方向信号によって示される機首方向のコサインを乗じたものから、（ｈ）上記北方向姿勢風調整信号の大きさに上記真機首方向信号によって示される機首方向のサインを乗じたものを引いたものに等しいロール姿勢風調整信号を提供することを特徴とする方法。
【請求項２】
ピッチ姿勢制御チャネルとロール姿勢制御チャネルとを備えた航空機の自動飛行制御において風補償信号を提供する方法であって、
航空機座標において、縦方向および横方向の対地速度誤差信号を提供し、
上記縦方向および横方向の対地速度誤差信号を地球基準座標に変換し、
この変換された地球座標における縦方向および横方向の対地速度誤差信号を、スケーリングするとともに積分し、
このスケーリングかつ積分された縦方向および横方向の対地速度誤差信号を、航空機座標に戻すように変換し、
この変換された航空機座標におけるスケーリングかつ積分された縦方向および横方向の対地速度誤差信号を、それぞれ、上記ピッチ姿勢制御チャネルおよびロール姿勢制御チャネルに与えることを特徴とする方法。
【請求項３】
航空機の自動飛行制御システムであって、
ピッチ姿勢制御チャネルと、
ロール姿勢制御チャネルと、
航空機座標において、縦方向対地速度指令と実際の縦方向対地速度との差を示す縦方向対地速度誤差信号を提供する手段と、
航空機座標において、横方向対地速度指令と航空機の実際の横方向対地速度との差を示す横方向対地速度誤差信号を提供する手段と、
地球座標における実際の航空機機首方向を提供する手段と、
実際の航空機機首方向に応答して、上記縦方向対地速度誤差信号と上記横方向対地速度誤差信号とを、航空機座標から地球座標へ変換し、北方向速度誤差信号と東方向速度誤差信号とを提供する手段と、
上記北方向速度誤差信号をスケーリングかつ積分して北方向姿勢風調整信号を提供する手段と、
上記東方向速度誤差信号をスケーリングかつ積分して東方向姿勢風調整信号を提供する手段と、
上記北方向姿勢風調整信号と上記東方向姿勢風調整信号とを、地球基準座標から航空機基準座標へ変換し、上記ピッチ姿勢制御チャネルへピッチ姿勢風調整信号を提供するとともに、上記ロール姿勢制御チャネルへロール姿勢風調整信号を提供する手段と、
を備えてなる航空機の自動飛行制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
この発明は、自動飛行制御システムへの入力として、縦方向および横方向の対地速度誤差の積分を継続的に更新して与え、これによって、風ならびにこの風の向きや大きさの変化に対し、即座に補償を行うことに関する。
【０００２】
【背景技術】
ヨーロッパ特許公報ＥＰ０４５５５８０Ａ２に開示されているような従来の回転翼航空機における公知の自動ホバリング保持制御システムを実行する方法は、ピッチ軸およびロール軸の完全に独立した制御チャネルを利用している。機首方向を変更するために、航空機は、ヨー軸について回転し得る。機首方向の異なった方位に対しどのような風の修正が必要となるか、に関して事前に情報を得ることができないので、ピッチおよびロールの制御チャネルは、速度や位置の誤差がかなり大きくなるまでは応答しない。ホバリング動作中に機首方向の変更が行われると、機首方向の変化の発生からの遅れ、ひいては付随して生じる航空機に衝突する相対的な風向の変化との間の遅れ、があり、航空機の機首方向の変更に伴い航空機に対する相対的な風向が変化したときにピッチおよび横の風トリムが変化しない結果として航空機の速度や位置の変化に対する応答遅れがあることとともに、全てが積み重なって、位置の大きな誤差を招く。その結果、航空機は、機首方向の変更中に、所望のホバリング位置から大きくドリフトすることがあり、通常は、手動もしくは自動による再位置決めが必要となる。
【０００３】
【発明の開示】
本発明の目的は、回転翼航空機のホバリング中における自動化した機首方向の変更の改善、飛行中の航空機の機首方向の変更の際の風の影響の低減、回転式環状航空機が風の中でホバリングしているときに実行された機首方向の変更に起因する位置の誤差を最小にすること、を含む。
【０００４】
本発明によれば、自動飛行制御システムの縦方向ピッチ姿勢指令チャネルと横方向ロール姿勢指令チャネルとの双方における対地速度の計数が、地球座標に分解され、かつスケーリング係数とともに積分されて、北方向姿勢風調整信号および東方向姿勢風調整信号（あるいはこれに類似のもの）を提供する。これらは、風を打ち消すために必要な蓄積されたトリムを示し、かつこれらの信号は、航空機座標（ピッチおよびロール）に再変換され、かつ縦方向制御チャネルおよび横方向制御チャネルにそれぞれ加えられる。本発明によれば、風を補償するために、航空機のヨーに従って、必要な風調整量の成分が、ロールチャネルからピッチチャネルへと、あるいは逆へと、必要に応じて移行する。
【０００５】
本発明は、アナログ回路として構成することもでき、機能ブロック図の形で説明するが、本発明は、望ましくは、適宜な一般的なパーソナルコンピュータに類似した機能的性能を有する適宜なプログラム可能な飛行制御コンピュータとして構成され、当該技術分野で良く知られているように、数学的アルゴリズムや他のサブルーチンが利用される。本発明は、機首方向に対して風補償トリムの成分を自動的に調整するという利点を有する。本発明は、ホバリング位置保持制御機能が得られるという利点をさらに有し、この機能が、航空機の位置制御のために、速度保持制御法則に対して速度指令を生成する。本発明は、単に、指令されたピッチもしくはロールを、風により引き起こされた実際のピッチもしくはロールと適合させるものであるので、実際の風の状況（例えば地球を基準として検出した風の情報）に関する独立した情報を用いることなく有効なものとなる。
【０００６】
本発明によれば、航空機がある機首方向において風に対しトリム状態にあれば、機首方向の変更に伴い、徐々に、その同一の風に対してトリム状態を保持する。
【０００７】
本発明の他の目的、特徴、利点は、後述する実施例の詳細な説明および図面によって、より明らかとなるであろう。
【０００８】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明を、本出願人が有する米国特許第５０５８８２４号、第５１５０８５７号、第５４２９０８９号、第５５５２９８３号、第５６７６３３４号に概略記載されているような形式の無人空中飛行機に適用したものとして説明する。この航空機は、ほぼ環状の形状をなし、この環状の中心と同軸状に回転するように、可変ピッチブレードの逆方向に回転する複数のロータを有している。この航空機は、非常に重要な対気速度と姿勢との関係を有し、対気速度の１０ノット毎におよそ５°の航空機の姿勢の関係となる。基本的に対称形状の機体のため、航空機のシュラウドによって発生するモーメントは、縦方向対気速度に対応するものと、横方向対気速度に対応するものとで、等しくなる。
【０００９】
図１に示すように、一実施例の航空機１２は、ほぼ環状の機体１３を有し、これが同時に、ロータ１４のシュラウドを構成している。図１において、航空機１２は、１０ノットの東風の中で、機首方向を真北に向けた状態でホバリングしている。静止状態を保つためには、東への１０ノットの対気速度が必要である。これは、５°の右側への横方向（つまりロール）姿勢の修正によって達成され、縦方向姿勢の修正は０°である。図２においては、航空機が機首方向を北から西へ変更したところを示している。図示の目的のために、航空機は機首方向の変更をほぼ瞬間的に完了するものとみなしている。ただし、実際には、そのようなことは起こらない。いずれにせよ、初期には、航空機における風に対する姿勢の修正は、変化せず、前方へ０°、右方へ５°を保持したままとなるが、この角度によって、この時点では、北（航空機の右側）への１０ノットの飛行が生じ、風により、前方への１０ノットの飛行が引き起こされる。風と右側へのトリムとの組み合わせによって、航空機１２は、ベクトル１６で示すように、北西へ加速される。この状態では、風を補償するための後方への姿勢修正トリムはなく、実質的に右側へのトリムを継続するが、これは所望のものではない。図３においては、独立したロールトリムチャネルおよびピッチトリムチャネルが、機首方向が西側へと変更したことに対する補償を開始している。それぞれが２．５°づつ変化したものと仮定すると、風を補償するための後方トリムとなる−２．５°の前方トリムと、初期の５°の右側へのトリムを減少させた２．５°の右側へのトリムと、を含むことになり、航空機は、速度低下はするものの、まだ矢印１６の方向へドリフトする。図４においては、ロールチャネルからピッチチャネルへと全てのトリムが移行しており、５°の後方トリムと、０の横方向のトリムとなっている。しかしながら、風に対するトリムが一方のチャネルから他方のチャネルへ完全に移行するのに要する時間の間に、非常に大きな位置のドリフトが生じる。
【００１０】
図５において、破線２１よりも上方の機能は、一般的なピッチ姿勢制御システムを示しており、スイッチ２２が図示と反対側の位置にあるときに、航空機のピッチ（縦方向）姿勢を、ライン２３の操縦士ピッチ姿勢指令に応答して制御する。このピッチ姿勢指令は、加算部２６において、ライン２７の重心誘導（ＣＧ）ピッチ姿勢指令およびライン２８の検出ピッチ姿勢と加算される。このＣＧピッチ姿勢指令は、航空機の実際の重心位置の変化を補償する。重心位置は、安定性のために、常に前方にあり、その変化は、主に燃料の消費による。このＣＧピッチ姿勢指令は、比較的小さく、適当な短い期間に亘っては、一定であるとみなすことができる。ライン３１の加算部２６の出力は、ピッチ姿勢誤差を含み、かつこれは比例経路３３および積分経路３４をそれぞれ通過し、これらの出力は、加算部３６においてライン３５の検出ピッチレートと加算され、ライン３７のピッチチャネル制御出力を供給する。
【００１１】
自動飛行の間、特に、自動ホバリング制御の間、スイッチ２２は、図５に示す位置にあり、これにより、図５の破線２１と破線４１との間に示された機能を含む速度保持制御システムからピッチ姿勢指令が供給される。ライン４２の縦方向対地速度指令が加算部４３に供給され、該加算部４３の他方の入力がライン４４の検出縦方向対地速度となる。これは、慣性システムに基づくグローバルポジショニングシステムなどにより得られる。ライン４７の加算部４３の出力は、縦方向対地速度の誤差となる。上記縦方向速度指令および上記縦方向対地速度誤差は、比例チャネル４８，４９においてスケーリングされ、かつ加算部５０に加えられる。
【００１２】
上述した破線４１より上の全ての装置は、また、破線５１の下に示すロールチャネルにおいても、設けられている。従って、ロールチャネルは、横方向対地速度誤差信号をライン５２上に供給する。
【００１３】
本発明によれば、横方向および縦方向の対地速度誤差が、航空機座標のものから地球座標のものに変えられるとともに、積分され、この積分は、所望の対地速度に達するまで継続される。ホバリングにおいては、所望の対地速度は、速度０である。図５において、航空機／地球基準変換部５５は、ライン５６の北方向速度誤差を提供する。これは、縦方向速度誤差とライン５８の真機首方向のコサインとの積から、横方向加速度と航空機の真機首方向のサインとの積を、差し引いた値に等しい。また、ライン６０の東方向速度誤差は、縦方向速度誤差と真機首方向のサインとの積に、横方向速度誤差と真機首方向のコサインとの積を、加えたものに等しい。これらの地球基準の誤差は、経路６２，６３においてスケーリングされるとともに、積分され、ライン６４，６５の信号を出力する。これらの信号は、地球基準座標において、完全な北方向および東方向の風の補償を表すものとなる。そして、これらのトリム値は、地球／航空機基準変換部６７によって、航空機基準に戻される。この変換部６７は、ライン６８のピッチ姿勢風調整信号を提供する。これは、北方向姿勢風調整量と真機首方向のコサインとの積に、東方向姿勢風調整量と真機首方向のサインとの積を加えた値を、負にしたものに等しい。地球／航空機基準変換部６７は、東方向姿勢風調整量と真機首方向のコサインとの積から、北方向姿勢風調整量と真機首方向のサインとの積を、引いたものとして、ライン６９のロール姿勢風調整信号を提供する。
【００１４】
ライン６８のピッチ姿勢風調整量は、ライン７０，７１のスケーリング後縦方向対地速度指令およびスケーリング後縦方向対地速度誤差とともに、加算部５０に与えられる。ホバリングにおいては、目標として、縦方向対地速度指令は速度０であり、検出縦方向対地速度は、突風の中（強さや風向の変化）あるいは機首方向の変更動作中を除けば、速度０となるべきである。従って、定常状態においては、加算部５０の出力は、単に、ライン６８の縦方向のピッチ姿勢風調整量となる。ロールチャネルは、ロール軸に関する信号に応答してロール軸に関する信号を供給する点を除けば、ピッチチャネルと同様である。
【００１５】
図５に示す本発明を採用した航空機は、機首方向の変更の際に、直ちに、ピッチ姿勢風調整量とロール姿勢風調整量との間で、対応する移行を行うことになり、これには、新たな機首方向での航空機／地球基準変換と、新たな機首方向に起因する誤差の積分と、航空機座標へと戻す変換と、が含まれる。従って、システムは、速度の変化を待つ必要がなく、機首方向の変更に適応する前に、位置の誤差を積分する。
【００１６】
従って、本発明を具体的な実施例に沿って示し、かつ説明したが、当業者においては、請求項に記載された本発明の範囲内において種々の変更、省略、追加が可能であることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  独立したピッチおよびロールの風トリムを備えた従来技術において、機首方向の変更における風トリムの影響を示している。
【図２】  独立したピッチおよびロールの風トリムを備えた従来技術において、機首方向の変更における風トリムの影響を示している。
【図３】  独立したピッチおよびロールの風トリムを備えた従来技術において、機首方向の変更における風トリムの影響を示している。
【図４】  独立したピッチおよびロールの風トリムを備えた従来技術において、機首方向の変更における風トリムの影響を示している。
【図５】  本発明を示す機能ブロック図である。
【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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