JP4617990B2 - 自動飛行制御装置、自動飛行制御方法及び自動飛行制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、例えば翼長１ｍ以下の小型軽量無人飛行機をモータ、ラダー、エレベータなどを用いて自動飛行させるための、小型軽量無人飛行機に適した自動飛行制御装置等に関する。

図５は、例えば特許文献１や非特許文献１などに示された従来の自動飛行制御装置を示すブロック図である。以下、この図面に基づき説明する。

従来の自動飛行制御装置１００は、ジャイロ１０１、加速度計１０２、対気速度センサ１０３、気圧高度センサ１０４、磁方位センサ１０５、ＧＰＳ受信機１０６、飛行制御コントローラ１０７、モータ１０８、エレベータ１０９、ラダー１１０、エルロン１１１等から構成されている。

この従来の自動飛行制御装置１００では、ジャイロ１０１の出力信号と加速度計１０２の出力信号とから算出した機体姿勢信号と、対気速度センサ１０３の出力信号である機体対気速度信号と、気圧高度センサ１０４の出力信号である機体高度信号と、磁方位センサ１０５の出力信号である機体方位角信号と、ＧＰＳ受信機１０６の出力信号である機体位置信号とを、飛行制御コントローラ１０７へ入力する。そして、飛行制御コントローラ１０７では、入力した機体姿勢信号、機体対気速度信号、機体高度信号、機体方位角信号及び機体位置信号に基づいたＰＩＤ制御など汎用的な線形制御ロジックにより、モータ１０８、エレベータ１０９、ラダー１１０、エルロン１１１など飛行制御用アクチュエータを駆動することで、機体の飛行制御を実施する。具体的には、モータ１０８で機体速度や機体高度を、エレベータ１０９で機体高度や機体速度を、ラダー１１０で機体方位や機体位置を、エルロン１１１で機体方位や機体位置を、それぞれ調整する。

一方、例えば特許文献２で示される飛行制御装置では、機体の対気速度データが使用できない場合でも飛行制御が可能な速度範囲に入るよう、制御装置ゲインを調整することを可能としている。具体的には、操縦入力とそれに対応する機体運動との差、その変化率（微分値）の比から、現在のゲインが現在の速度において飛行制御に最適な値に比べて大きいか、又は小さいかを示すパラメータを計算し、そのパラメータを前記現在のゲインに乗じて新規のゲインを導出することで、常に飛行制御が可能な範囲にゲインを維持する。

したがって、特許文献２に記載の技術は、機体の対気速度信号を直接的に推定する装置ではないが、飛行制御装置における機体対気速度信号の重要性を改めて示すものであり、特許文献１など従来の自動飛行制御装置においては必須のものである。

特開２００４−１７７４３号公報（第３４頁、図３） 特開平１０−５３１９７号公報（第４頁、図１） 高橋則之他著、「超小型無人飛行機の開発」、第４２回飛行機シンポジウム、２００４年

しかしながら、図５に示すような自動飛行制御装置１００では、１０１〜１０６で示す６個のセンサを必ず機体上に搭載しなければならないため、機体の小型軽量化に対する制約条件になると同時に、飛行制御コントローラ１０７内でＰＩＤ制御器などの汎用的線形制御系を適用する限り、図中１０１〜１０６で示す６個の搭載センサによる計測信号精度がある程度確保できないと、機体の自動飛行制御が達成できない、という問題点がある。

そこで、本発明の主な目的は、機上に搭載するセンサを最小限にすることを可能にした、小型軽量無人飛行機に適した自動飛行制御装置等を提供することにある。

本発明に係る自動飛行制御装置は、飛行制御用センサから検出信号を入力し、検出信号に基づき対地速度目標信号を生成し、対地速度目標信号及び検出信号に基づき飛行制御用アクチュエータへ制御信号を出力することにより、無人飛行機を自動飛行させるものである。飛行制御用センサは、機体加速度を検出して機体加速度信号を出力する加速度計を含む。飛行制御用アクチュエータは、推力を発生するモータを含む。そして、本発明に係る自動飛行制御装置は、機体加速度信号とモータに対するモータ制御信号とに基づき対地速度目標信号を生成する対気速度推定器を備えたこと、を特徴とする。

例えば、対気速度推定器は、機体加速度信号とモータ制御信号とに基づき外乱推定信号を生成する外乱推定器と、外乱推定信号と機体固有の安定微係数とに基づき、飛行中の機体が被る風ベクトルを示す風ベクトル推定信号を生成する風ベクトル予測器と、風ベクトル推定信号に基づき、無風状態を想定して事前に設定した対地速度目標値を修正して新たな対地速度目標信号を生成する対気速度目標値生成器と、を有する。

本発明に係る自動飛行制御方法は、本発明に係る自動飛行制御装置に用いられ、対気速度推定器の動作を手順として捉えたものである。本発明に係る自動飛行制御プログラムは、本発明に係る自動飛行制御装置に用いられ、対気速度推定器をコンピュータに実現するためのものである。

換言すると、本発明は上記の目的を達成するため、小型軽量無人飛行機の自動飛行制御装置において、小型軽量無人飛行機の機体角速度信号を検出するジャイロと、小型軽量無人飛行機の機体加速度信号を検出する加速度計と、小型軽量無人飛行機の位置及び高度を示す機体位置ベクトル計測信号を受信するＧＰＳ受信機と、小型軽量無人飛行機の推力を発生させるためのモータと、小型軽量無人飛行機のピッチ角姿勢及び高度を制御するためのエレベータと、小型軽量無人飛行機の方位角姿勢及びロール角姿勢を制御するためのラダーと、小型軽量無人飛行機のロール角姿勢を制御するためのエルロンと、機体加速度信号とモータに対するモータ制御信号とから対地速度目標信号を生成する対地速度目標値生成器と、機体角速度信号と機体加速度信号とから姿勢角目標信号を生成する機体姿勢角目標値生成器と、機体位置ベクトル計測信号から機体経路目標信号を生成する機体経路目標値生成器と、姿勢角目標信号と機体角速度信号と機体加速度信号と対地速度目標信号と機体位置ベクトル計測信号と機体経路目標信号とからモータ制御信号とエレベータに対するエレベータ制御信号とラダーに対するラダー制御信号とエルロンに対するエルロン制御信号とを生成する飛行制御出力生成器と、を有する構成としたものである。

ここで、上記外乱推定器では、機体加速度信号とモータに対するモータ制御信号とから機体ダイナミクスを考慮することにより外乱推定信号を生成する。また、上記風ベクトル予測器では、外乱推定器により生成した外乱推定信号に基づき、小型軽量無人飛行機へ印加した風力を、機体に対する風洞試験などにより導出した機体固有の空力微係数を用いて推定することによって、風ベクトル推定信号を生成する。また、上記対気速度目標値生成器では、風ベクトル予測器が生成した風ベクトル推定信号に基づき、無風状態を想定し事前に設定した小型軽量無人飛行機に対する対地速度目標値を修正することによって新たな対地速度目標信号を生成する。更に上記飛行制御出力生成器では、小型軽量無人飛行機の位置及び速度、又は、姿勢角及び姿勢角速度を用いて、機体を安定化しながらも速やかに目標値へ追従させるためのモータ制御信号とエレベータ制御信号とラダー制御信号とエルロン制御信号とを非線形計算式に基づいて生成することによって機体制御を実施する。

本発明では、機体に搭載するセンサ構成の最小化により機体全体の小型軽量化を実現可能とすると同時に、センサノイズに対しロバスト性に優れた非線形飛行制御器を適用することで、指定した飛行経路に沿って小型軽量無人飛行機を正確に自動飛行させることができる。

本発明によれば、自動飛行制御装置内に対気速度センサが搭載されていない場合でも、機体加速度信号とモータ制御信号とに基づき対気速度を推定しながら対地速度目標信号を発生できるため、自動飛行制御装置全体の小型軽量化が図れる。

図１は，本発明に係る自動飛行制御装置の一実施形態を示すブロック図である。図２は、図１の自動飛行制御装置が搭載される小型軽量無人飛行機の外観図である。以下、これらの図面に基づき説明する。

本実施形態の自動飛行制御装置３０は、ジャイロ１、加速度計２、ＧＰＳ受信機３、機体姿勢角目標値生成器８、機体経路目標値生成器９、飛行制御出力生成器１０、モータ１１、エレベータ１２、ラダー１３、エルロン１４に加え、外乱推定器４と風ベクトル予測器５と対気速度目標値生成器６とから成る対気速度推定器７を備えている。この構成により、小型軽量無人飛行機３１の高精度な自動飛行制御が可能となる。なお、図２において、ジャイロ１、加速度計２、機体姿勢角目標値生成器８、機体経路目標値生成器９及び飛行制御出力生成器１０は、小型軽量無人飛行機３１の機体に内蔵されている。

外乱推定器４は、加速度計２で生成される機体加速度信号１５とモータ制御信号１６とに基づき、外乱推定信号１７を発生する。風ベクトル予測器５は、外乱推定器４で生成された外乱推定信号１７と風洞試験などにより導出された機体固有の安定微係数とに基づき、飛行中の機体が被る風ベクトルを推定することにより風ベクトル推定信号１８を発生する。対気速度目標値生成器６は、風ベクトル予測器５で生成された風ベクトル推定信号１８に基づき、対地速度目標信号２０を生成する。

次に、自動飛行制御装置３０の動作について、対気速度推定器７を構成する外乱推定器４、風ベクトル予測器５及び対気速度目標値推定器６、並びに飛行制御出力生成器１０を中心に説明する。

外乱推定器４において、発生する外乱推定信号１７（ベクトル値）を^bｆ_d、モータ制御信号１６（ベクトル値）を^bｆ_u、モータ制御信号１６の絶対値｜^bｆ_u｜によって生成される機体加速度値をｕ_u、加速度計２によって生成された機体加速度信号１５（ベクトル値）から重力加速度成分を除去した信号（ベクトル値）を^bａ、機体質量をｍとすると、モータ制御信号１６と外乱推定信号１７との間には次の関係式が成立する。

^bｆ_u ＋ ^bｆ_d ＝ ｍ ^bａ ・・・(1)
したがって、外乱推定信号１７は、次の関係式により決定できる。

^bｆ_d ＝ ｍ ^bａ − ^bｆ_u ・・・(2)
一方、風ベクトル予測器５では、機体進行方向を機体重心に固定した座標系（機体座標系）のｘ軸方向とすれば、モータ制御信号１６^bｆ_uは、

と成分表示できる。ここで、更に機体加速度信号１５^bａを

、機体安定軸座標系から機体固定座標系への変換行列を、機体安定迎角αをパラメータとして

とする。このとき、機体固有の安定微係数
（∂Ｘ／∂ｕ，∂Ｘ／∂ｗ，∂Ｙ／∂ｖ，∂Ｚ／∂ｕ，∂Ｚ／∂ｗ） ・・・(6)
に基づき構成された速度−力変換行列Ｔを

、風予測ベクトル^sＶ_dを

としたとき、外乱推定信号１７^bｆ_dは次式によって近似できる。

したがって、風予測ベクトル^bＶ_dは、

と記述できることから、上式を適用することで風予測ベクトル^sＶ_rを風ベクトル推定信号１８として出力できる。

更に、対気速度目標値生成器６では、機体座標系における対地速度目標値^sＶ_rが

と記述できることから、風ベクトル推定信号１８の値に応じて対地速度目標値を
Ｖ_r ← √｛（Ｖ_r＋ｕ_d）²＋ｖ_d ²＋ｗ_d ²｝ ・・・(12)
と置き換え、それを対地速度目標信号２０として対気速度推定器７から出力する。

また、飛行制御出力生成器１０では、機体加速度信号１５と機体角速度信号２３と機体位置ベクトル計測信号１９とに加え、対地速度目標信号２０と姿勢角目標信号２１と機体経路目標信号２２とに基づき、モータ制御信号１６とエレベータ制御信号２３とラダー制御信号２４とエルロン制御信号２５とを、それぞれモータ１１とエレベータ１２とラダー１３とエルロン１４とに対し出力する。

一方、図３は、飛行制御出力生成器１０において適用される非線形制御系の制御出力を切り替えるための切換線σを示したものである。ｘ軸は、機体加速度信号１５、機体角速度信号２３及び機体位置ベクトル計測信号１９から生成した機体姿勢角値と姿勢角目標信号２１との誤差角、又は、機体位置ベクトル計測信号１９及び機体経路目標信号２２から生成した機体対地速度と対地速度目標信号２０との誤差値とする。ｘ^・（ｘ^・は、ｘの直上に・を示す。）軸は、機体角速度信号２３と機体角速度目標値との誤差値の時間微分値、又は、機体対地速度と対地速度目標信号２０との誤差値の時間微分値とする。このとき、飛行制御出力生成器１０から生成されるモータ制御信号１６、エレベータ制御信号２３、ラダー制御信号２４及びエルロン制御信号２５を、各々図中の切換線σにより決定する。

このとき、切換線σは傾きｋの直線によって定義されるもので、ｘ軸として設定した変数とｘ^・軸として設定した変数とにより構成することで、飛行制御出力生成器１０が生成する出力信号を、平面上どのような位置関係にあるかに応じ決定する。具体的に、モータ制御信号１６ｕ_m、エレベータ制御信号２３、ラダー制御信号２４及びエルロン制御信号２５ｕ_Iは、それぞれ次式によって決定される。

ただしσ＝ｋｘ＋ｘ^・、Ｉ_αは機体慣性モーメント（ｕ_Iがエレベータ制御信号２３の場合は機体ピッチ軸回り慣性モーメント、ｕ_Iがラダー制御信号２４の場合は機体ヨー軸回り慣性モーメント、ｕ_Iがエルロン制御信号２５の場合は機体ロール軸回り慣性モーメント）を示す。

更に、機体経路目標値生成器９では、ＧＰＳ受信機３により計測した機体位置ベクトル計測信号１９に対し、事前に設定又は飛行中のデータリンクを利用しリアルタイムに設定された飛行経路との差異を検出した結果により、飛行制御出力生成器１０の生成するモータ制御信号１６及びラダー制御信号２４を補正する。

これにより、本実施形態によれば、ジャイロ１、加速度計２及びＧＰＳ受信機３のみのセンサによって自動飛行制御装置３０を構成することが可能となり、自動飛行制御装置３０全体を小型軽量化することが可能となる。また、飛行制御出力生成器１０において機体の状態量（速度、姿勢角、姿勢角速度など）に基づく切換制御（非線形制御）と機体経路目標信号２２に基づく補正制御とを組み合わせることで、機体ダイナミクスや環境外乱に対するロバスト性を向上させ、高精度飛行制御が実現できる。

特に対気速度推定器７及び飛行制御出力生成器１０は、機体姿勢や位置など検出する機体状態量を最小化した飛行制御システムに対して機体空力特性や外乱推定手法を適用する独自技術であり、特許文献１などの従来技術から容易に類推できるものではない。

以上説明したように、本実施形態によれば、自動飛行制御装置３０内に対気速度センサが搭載されていない場合でも、容易に実現可能な外乱推定器４、風ベクトル予測器５及び対気速度目標値生成器６により対気速度推定器７を構成することにより、対気速度を考慮した対地速度目標値２０を発生できるため、自動飛行制御装置３０全体の小型軽量化が図れると当時に、飛行制御出力生成器１０において非線形制御を実現することにより飛行性能も向上できる。

図４は、本発明に係る自動飛行制御方法及び自動飛行制御プログラムの一実施形態を示すフローチャートである。以下、図１乃至図４に基づき説明する。

本実施形態の自動飛行方法は、自動飛行制御装置１０に用いられる自動飛行方法であって、対気速度推定器７は、機体加速度信号１５とモータ制御信号１６とに基づき外乱推定信号１７を生成し（ステップ４１）、外乱推定信号１７と機体固有の安定微係数とに基づき、飛行中の機体が被る風ベクトルを示す風ベクトル推定信号１８を生成し（ステップ４２）、風ベクトル推定信号１８に基づき、無風状態を想定して事前に設定した対地速度目標値を修正して新たな対地速度目標信号２０を生成する（ステップ４３）。また、本実施形態の自動飛行プログラムは、対気速度推定器７がコンピュータから成る場合に、前記ステップ４１〜４３をそのコンピュータに実行させるためのプログラムである。

本実施形態の自動飛行制御方法及び自動飛行制御プログラムも上記実施形態の自動飛行制御装置と同等の作用及び効果を奏する。すなわち、対気速度推定器７において、外乱推定器４では加速度計２により生成された機体加速度信号１５とモータ制御信号１６とに基づいた上で外乱推定信号１７を発生し、風ベクトル予測器５では外乱推定器４により生成した外乱推定信号１７と風洞試験などにより導出した機体固有の安定微係数とに基づき、飛行中の機体が被る風ベクトルを推定することで風ベクトル推定信号１８を発生し、対気速度目標値生成器６では風ベクトル予測器５により生成した風ベクトル推定信号１８から対地速度目標信号２０を生成する。そのため、自動飛行制御装置３０内に対気速度センサが搭載されていない場合でも、容易に実現可能な外乱推定器４、風ベクトル予測器５及び対気速度目標値生成器６により対気速度推定器７を構成することにより、対気速度を考慮した対地速度目標値２０を発生できるため、自動飛行制御装置３０全体の小型軽量化が図れると同時に、飛行制御出力生成器１０において非線形制御を実現することで飛行性能も向上できる。したがって、機上に搭載するセンサを最小限にした上で、搭載された各センサの検出ノイズに対するロバスト性を考慮し実現した非線形飛行制御器を最小個数のセンサ／機体状態量と組み合わせることで、小型軽量無人飛行機３１に適した自動飛行制御装置３０を提供することができる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、例えば地上を走行する無人自動車に対する自動制御装置にも適用することができる。

本発明に係る自動飛行制御装置の一実施形態を示すブロック図である。 図１の自動飛行制御装置が搭載される小型軽量無人飛行機の外観図である。 図１の自動飛行制御装置における飛行制御出力生成器で実現する非線形制御の一例を示すグラフである。 本発明に係る自動飛行制御方法及び自動飛行制御プログラムの一実施形態を示すフローチャートである。 従来の自動飛行制御装置を示すブロック図である。

符号の説明

１ ジャイロ
２ 加速度計
３ ＧＰＳ受信機
４ 外乱推定器
５ 風ベクトル予測器
６ 対気速度目標値生成器
７ 対気速度推定器
８ 機体姿勢角目標値生成器
９ 機体経路目標値生成器
１０ 飛行制御出力生成器
１１ モータ
１２ エレベータ
１３ ラダー
１４ エルロン
１５ 機体加速度信号
１６ モータ制御信号
１７ 外乱推定信号
１８ 風ベクトル推定信号
１９ 機体位置ベクトル計測信号
２０ 対地速度目標信号
２１ 姿勢角目標信号
２２ 機体経路目標信号
２３ エレベータ制御信号
２４ ラダー制御信号
２５ エルロン制御信号
３０ 自動飛行制御装置
３１ 小型軽量無人飛行機

Claims (6)

1. 飛行制御用センサから検出信号を入力し、この検出信号に基づき対地速度目標信号を生成し、この対地速度目標信号及び前記検出信号に基づき飛行制御用アクチュエータへ制御信号を出力することにより、無人飛行機を自動飛行させる自動飛行制御装置であって、
   前記飛行制御用センサは、機体加速度を検出して機体加速度信号を出力する加速度計を含み、
   飛行制御用アクチュエータは、推力を発生するモータを含み、
   前記機体加速度信号と前記モータに対するモータ制御信号とに基づき前記対地速度目標信号を生成する対気速度推定器を、
   備えたことを特徴とする自動飛行制御装置。
2. 無人飛行機を指定した経路点経由で最終地点まで自動飛行させる自動飛行制御装置において、
   機体角速度を検出して機体角速度信号を出力するジャイロと、機体加速度を検出して機体加速度信号を出力する加速度計と、位置及び高度を検出して機体位置ベクトル計測信号を出力するＧＰＳ受信機と、
   推力を発生するモータと、ピッチ角姿勢及び高度を制御するエレベータと、方位角姿勢及びロール角姿勢を制御するラダーと、ロール角姿勢を制御するエルロンと、
   前記機体加速度信号と前記モータに対するモータ制御信号とに基づき対地速度目標信号を生成する対気速度推定器と、
   前記機体角速度信号と前記機体加速度信号とに基づき姿勢角目標信号を生成する機体姿勢角目標値生成器と、
   前記機体位置ベクトル計測信号に基づき機体経路目標信号を生成する機体経路目標値生成器と、
   前記姿勢角目標信号、前記機体角速度信号、前記機体加速度検出信号、前記対地速度目標信号、前記機体位置ベクトル計測信号及び前記機体経路目標信号に基づき、前記モータ制御信号、前記エレベータに対するエレベータ制御信号、前記ラダーに対するラダー制御信号及び前記エルロンに対するエルロン制御信号を生成する飛行制御出力生成器と、
   を備えたことを特徴とする自動飛行制御装置。
3. 前記対気速度推定器は、
   前記機体加速度信号と前記モータ制御信号とに基づき外乱推定信号を生成する外乱推定器と、
   前記外乱推定信号と機体固有の安定微係数とに基づき、飛行中の機体が被る風ベクトルを示す風ベクトル推定信号を生成する風ベクトル予測器と、
   前記風ベクトル推定信号に基づき、無風状態を想定して事前に設定した対地速度目標値を修正して新たな対地速度目標信号を生成する対気速度目標値生成器と、
   を有する請求項１又は２記載の自動飛行制御装置。
4. 前記飛行制御出力生成器は、前記機体の位置と速度との関係又は姿勢角と姿勢角速度との関係に基づいた非線形計算式を用いて、前記エレベータ制御信号及び前記ラダー制御信号を生成する、
   請求項２記載の自動飛行制御装置。
   
5. 請求項１記載の自動飛行制御装置に用いられる自動飛行方法であって、
   前記対気速度推定器は、
   前記機体加速度信号と前記モータ制御信号とに基づき外乱推定信号を生成する外乱推定ステップと、
   前記外乱推定信号と機体固有の安定微係数とに基づき、飛行中の機体が被る風ベクトルを示す風ベクトル推定信号を生成する風ベクトル予測ステップと、
   前記風ベクトル推定信号に基づき、無風状態を想定して事前に設定した対地速度目標値を修正して新たな対地速度目標信号を生成する対気速度目標値生成ステップと、
   に従って動作することを特徴とする自動飛行方法。
   
6. 請求項１記載の自動飛行制御装置に用いられる自動飛行プログラムであって、
   前記対気速度推定器はコンピュータから成り、
   前記機体加速度信号と前記モータ制御信号とに基づき外乱推定信号を生成する外乱推定ステップと、
   前記外乱推定信号と機体固有の安定微係数とに基づき、飛行中の機体が被る風ベクトルを示す風ベクトル推定信号を生成する風ベクトル予測ステップと、
   前記風ベクトル推定信号に基づき、無風状態を想定して事前に設定した対地速度目標値を修正して新たな対地速度目標信号を生成する対気速度目標値生成ステップと、
   を前記コンピュータに実行させるための自動飛行プログラム。

Images