JP6600213B2 - Flight control device, flight control method, flying object - Google Patents

Description

Translated fromJapanese

本発明は無人ヘリコプタ等の飛行体と、飛行体の飛行制御装置及び飛行制御方法に関する。  The present invention relates to a flying object such as an unmanned helicopter, a flight control device for a flying object, and a flight control method.

特開２００９−９６３６９号公報JP 2009-96369 A

藤原大悟、他「GPSによる小型無人ヘリコプタの自律誘導制御・ホバリング制御」計測自動制御学会学会誌「計測と制御」Vol.44, No.4, pp.274-277 (2005)Daigo Fujiwara, et al. “Autonomous guidance control and hovering control of small unmanned helicopters by GPS” Journal of the Society of Instrument and Control Engineers “Measurement and Control” Vol.44, No.4, pp.274-277 (2005)Hing,J.T., Oh,P.Y., "Development of an Unmanned Aerial Vehicle Piloting System with Integrated Motion Cueing for Training and Pilot Evaluation," Journal of Intelligent and Robotic System, DOI 10.1007/s10846-008-9252-3(2008)Hing, J.T., Oh, P.Y., "Development of an Unmanned Aerial Vehicle Piloting System with Integrated Motion Cueing for Training and Pilot Evaluation," Journal of Intelligent and Robotic System, DOI 10.1007 / s10846-008-9252-3 (2008)磯村直道, 他「シングルロータヘリの最適状態フィードバックによる5軸集中ホバリング制御」 第14回「運動と振動の制御」シンポジウム講演論文集, No.A309 (2015)Naomichi Kajimura, et al. “5-axis centralized hovering control by optimal state feedback of single rotor helicopter” Proceedings of the 14th Symposium on “Control of Motion and Vibration”, No.A309 (2015)

小型無人ヘリコプタ等の飛行体は空撮や農薬散布などに積極的に利用され、今後も用途は拡大していく傾向にある。しかし飛行特性が本質的に不安定であり、操縦が難しく、物損事故や人身事故がたびたび起きている。このため、運用者の操縦訓練やアシストが重要な課題となっている。この課題に対処する従来技術・製品には次のようなものがある。  Aircraft such as small unmanned helicopters are actively used for aerial photography and pesticide spraying, and their use tends to expand in the future. However, flight characteristics are inherently unstable, difficult to maneuver, and property damage and personal injury are frequently occurring. For this reason, operator training and assistance are important issues. The conventional technologies and products that deal with this problem are as follows.

［従来技術１］
特許文献１や非特許文献１に開示された技術は、機体にマイコンやセンサから構成される飛行制御装置を搭載し、この装置に組み込まれた飛行制御用ソフトウェアにより機体の飛行特性を常時安定化しつつ、操縦者の指令を受け付けてその指令通りに機体を動かすという動作を行うものである。
これにより、操縦者は操縦に熟練していなくても、ヘリコプタを思い通りに空中で移動させることが可能となる。ただし、これはあくまで熟練した操縦技能を不要にするという方向性であり、手動操縦の訓練・習熟を目的とはしていない。[Prior art 1]
The techniques disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 are equipped with a flight control device composed of a microcomputer and a sensor in the aircraft, and the flight characteristics of the aircraft are constantly stabilized by the flight control software incorporated in this device. On the other hand, it accepts the operator's command and moves the aircraft according to the command.
Thus, even if the operator is not skilled in maneuvering, the helicopter can be moved in the air as expected. However, this is a direction that eliminates the need for skilled maneuvering skills, and is not intended for manual maneuvering training.

［従来技術２］
非特許文献２に開示された技術は、人間の手動操縦の訓練を目的としている。訓練に実際の機体を用いるのではなく、計算機上で機体の動きを模擬してその様子をモニタ上に再現し、これを操縦者が見ながら、計算機に接続された操縦桿を操作して、あたかも実際の機体を操作しているかのような感覚が得られる、いわゆるフライトシミュレータを用いる方法である。
この方法を用いると、操縦訓練中の機体喪失や事故の危険を防ぐことが可能で、かつ訓練時間帯や場所を問わないことから、安全かつ効率的な訓練が可能である。[Prior Art 2]
The technique disclosed in Non-PatentDocument 2 is intended for training of human manual operation. Rather than using the actual aircraft for training, simulate the movement of the aircraft on the computer and reproduce it on the monitor, while watching the pilot operating the control stick connected to the computer, This is a method using a so-called flight simulator that provides the feeling of operating an actual aircraft.
If this method is used, it is possible to prevent the loss of the aircraft and the risk of an accident during the operation training, and it is possible to perform safe and efficient training because the training time zone and the place are not limited.

［従来技術３］
手動操縦の訓練のために実際の機体を用いる場合、１機の操縦に２台の操縦装置を用い、一方を熟練操縦者が、もう一方を被訓練者が持ち、被訓練者が操縦を失敗した際に操縦を熟練操縦者側へ切り替えて安全を確保するという訓練手法もある。
この方法は、実際の機体を用い、実環境で訓練できるため、最も訓練効果が高い。
この他、機体が操縦者から遠くに離れた際にスイッチ操作で元の位置へ自動帰還する製品や、操縦者が機体の姿勢を把握できなくなった際にスイッチ操作で姿勢を水平に戻す製品が実用化されている。[Prior Art 3]
When using an actual aircraft for training in manual maneuvering, two maneuvers are used for maneuvering one aircraft, one is a skilled pilot, the other is a trainee, and the trainee fails to maneuver There is also a training method to ensure the safety by switching the operation to the skilled operator side.
This method has the highest training effect because it can be trained in an actual environment using an actual aircraft.
In addition, there are products that automatically return to the original position by switch operation when the aircraft is far away from the pilot, and products that return the posture to horizontal by switch operation when the pilot is unable to grasp the attitude of the aircraft It has been put into practical use.

しかしながら上記の従来技術１〜３には小型無人ヘリコプタ等の飛行体の操縦訓練という観点からみると問題点がある。
上記の従来技術１に関して次の問題が指摘される。
ヘリコプタは突風にあおられたり、機体や制御装置に運用中トラブルが発生したりするなどがしばしば起こり、このような非常時に安全を確保するため相変わらず人間による手動操縦が必要とされる場面が存在する。
特にヘリコプタの場合、高速回転するロータが人に当たって死亡災害を起こすこともしばしばある。しかし、従来技術１は未熟者による運用を前提としており、手動操縦の訓練・習熟を目的としていないため、手動操縦の技能向上には適していないという問題がある。However, the above-mentioned conventional techniques 1 to 3 have a problem from the viewpoint of training for flying an aircraft such as a small unmanned helicopter.
The following problems are pointed out with respect to the above-described prior art 1.
Helicopters are often hit by gusts of wind and troubles occur during operation of the fuselage and control equipment, and there are scenes where manual operation by humans is still necessary to ensure safety in such an emergency. .
Especially in the case of helicopters, a rotor that rotates at high speed often hits people and causes death. However, since the prior art 1 is premised on operation by an unskilled person and is not intended for training / skilling in manual operation, there is a problem that it is not suitable for improving the manual operation skill.

上記の従来技術２に関して次の問題が指摘される。
フライトシミュレータには、本質的に、実際の機体との運動特性の違いや視界の違いがある。そのため、フライトシミュレータだけでは訓練として不十分であるという問題があり、実際の機体を実環境で飛行させる訓練が欠かせない。
上記の従来技術３に関しては、常に熟練操縦者が帯同していなければならず、実際こうした恵まれた環境で訓練できるケースは極めて限られるという問題がある。
また、姿勢を水平に戻す装置は訓練補助として有用と考えられるものの、出過ぎてしまった速度を抑制するなど完全に安全な状態へ復帰させること、危険な状態であることを自動認識して人間の指示を待たずに安全確保を行うこと、訓練中に所定の飛行範囲から逸脱しそうになった場合に逸脱を防止すること、は不可能であり、操縦訓練中の安全確保には不十分であるという問題がある。The following problems are pointed out with respect to the above-describedprior art 2.
In flight simulators, there are essentially differences in motion characteristics and visibility from the actual aircraft. Therefore, there is a problem that the flight simulator alone is insufficient as training, and training for flying an actual aircraft in a real environment is indispensable.
With regard to the above-describedprior art 3, there is a problem that skilled pilots must always be accompanied, and there are actually only a limited number of cases where training is possible in such a privileged environment.
Although a device that returns the posture to a horizontal position is thought to be useful as a training aid, it can be used to return to a completely safe state, such as suppressing excessive speed, and automatically recognize that it is in a dangerous state. It is impossible to ensure safety without waiting for instructions, and to prevent deviation when it is likely to deviate from the predetermined flight range during training, and it is insufficient for ensuring safety during pilot training There is a problem.

そこで本発明では、飛行体の操縦訓練としてこれらの問題点を解決できる手法を提供することを目的とする。  In view of the above, an object of the present invention is to provide a technique capable of solving these problems as flying training for a flying object.

本発明の飛行制御装置は、飛行のためのロータを有する飛行体の飛行制御装置であって、人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際において、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢及び速度を設定閾値と比較して要危険回避状態となっていると判定した場合に、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行うモード切替制御部と、前記モード切替制御部により自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成する危険回避制御部と、前記危険回避制御部による操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する待機飛行制御部と、を備える。
飛行体の操縦訓練等のために、手動制御モードではマニュアル操縦として人が飛行体の飛行を制御（操縦）できるようにする。この際に飛行制御装置は、例えば飛行状態や飛行位置から、飛行体が危険回避が必要な状態にあるか否かを判定する。そして要危険回避状態であると判定した場合は、自動制御モードとして自動操縦に切り替えて、危険回避のための飛行動作制御を行う。さらにその後、飛行体が空中待機するように制御する。
Flight control system of the present invention isa flight control system for aircraft having a rotor for the flight,at the time of the manual control mode flight operation is controlled by a steering signal corresponding to the steering manipulation of ahuman, aircraft When the attitude and speed of the flying object obtained from the detection signal of the sensor unit mounted on the vehicle is compared with the set threshold value, it is determined that the vehicle is in a danger-avoidance state. A mode switching control unit that performs control to switch to the automatic control mode, and a risk avoidance control unit that generates a control signal for executing a flight for risk avoidance in a state switched to the automatic control mode by the mode switching control unit If, after said risk avoidance flight in accordance with the steering signal by danger avoidance control unit is judged to be made, steering for the standby state the aircraftby hovering And a standby flight control unit for generating a degree.
In the manual control mode, a person can control (maneuver) the flight of the flying object as a manual operation for the purpose of training the flying object. At this time, the flight control device determines whether or not the flying object is in a state where danger avoidance is necessary, for example, from the flight state or the flight position. And when it determines with it being in a danger avoidance required state, it switches to automatic control as an automatic control mode, and flight operation control for danger avoidance is performed. After that, control is performed so that the flying object waits in the air.

上記の飛行制御装置においては、前記モード切替制御部は、前記待機飛行制御部による操縦信号によって飛行が行われている際において、外部の操縦装置からの要求信号を認識することに応じて、手動制御モードに切り替える制御を行うことが考えられる。
危険回避後の例えば空中待機制御中に、例えば操縦者が用いる操縦装置からの要求信号に応じて、手動制御モードに復帰する。In the above flight control device, the mode switching control unit is manually operated in response to recognizing a request signal from an external control device when the flight is performed by the control signal from the standby flight control unit. It is conceivable to perform control to switch to the control mode.
During the air standby control after avoiding danger, for example, the manual control mode is restored in response to a request signal from the control device used by the operator.

上記の飛行制御装置においては、前記モード切替制御部は、前記待機飛行制御部による操縦信号によって飛行体が設定した特定位置に到達した後においてのみ前記要求信号を受け付けることが考えられる。
危険回避後において待機飛行制御部による制御が行われているときに、無条件で要求信号を受け付けて手動制御モードに復帰させるのではなく、特定の飛行位置に戻ることを条件として手動制御モードに復帰できるようにする。In the above flight control device, it is conceivable that the mode switching control unit accepts the request signal only after the aircraft has reached a specific position set by a control signal from the standby flight control unit.
When the control by the standby flight control unit is performed after the danger avoidance, the request signal is not unconditionally received and the manual control mode is not returned, but the manual control mode is set on condition that the flight returns to a specific flight position. Make it possible to return.

上記の飛行制御装置においては、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢又は速度を、設定閾値と比較して、要危険回避状態か否かを判定することで、飛行体の姿勢や速度により、飛行体の墜落その他の危険状態に至ることを予測する。
In the flight control system, the attitude or speed of the aircraft derived from the detection signal of the sensor portion mounted on aircraft, and compared with the set threshold,by determining whether the main danger avoidance state, by the posture and speed of theflight body, predicts that lead to other dangerous state crash of the aircraft.

上記の飛行制御装置においては、飛行体が設定した飛行範囲から逸脱する可能性を予測した予測計算結果から要危険回避状態か否かを判定する予測計算部と、予測計算結果から要危険回避の判定を取得した場合に飛行範囲からの逸脱を防止するための飛行を実行させる操縦信号を生成する機能を備えることが考えられる。
飛行体の飛行位置が、あらかじめ設定した飛行範囲を超えてしまうことで危険状態に至ることを予測する計算を行う。この計算結果により要危険回避状態であるか否かを判定できる。また、要危険回避状態であると判定された場合、飛行範囲からの逸脱を防止するための飛行を実行させる。この実行結果により、飛行範囲からの逸脱を防止することができる。
In the above flight control device, a prediction calculation unit that determines whether or not the vehicle is in a danger avoidance state from a prediction calculation result that predicts the possibility that the flying object deviates from the set flight range, It is conceivable to have a function of generating a control signal for executing a flight for preventing a deviation from the flight range when the determination is acquired.
Flight position of theflight Make body, performs calculations to predict to lead to hazardous conditions that exceed the flight range set in advance. From this calculation result, it can be determined whether or not a danger avoidance state is present.Further, when it is determined that the danger avoidance state is required, a flight for preventing deviation from the flight range is executed. This execution result can prevent deviation from the flight range.

本発明の飛行制御方法は、飛行のためのロータを有する飛行体の飛行制御方法であって、人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際において、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢及び速度を設定閾値と比較して要危険回避状態となっていると判定した場合に、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行い、自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成し、前記危険回避のための飛行を実行させる操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する。
これにより、手動制御モードでの飛行の際に要危険回避状態であると判定した場合に、自動制御モードに切り替えて危険回避のための飛行動作制御を行い、さらにその後、飛行体が空中待機するようにする。
Flight control method of the present invention isa flight control method for aircraft having a rotor for the flight,at the time of the manual control mode flight operation is controlled by a steering signal corresponding to the steering manipulation of ahuman, aircraft When the attitude and speed of the flying object obtained from the detection signal of the sensor unit mounted on the vehicle is compared with the set threshold value, it is determined that the vehicle is in a danger-avoidance state. The control signal is switched to the automatic control mode, and in the state of being switched to the automatic control mode, a control signal for executing the flight for danger avoidance is generated, and the control signal for executing the flight for risk avoidance is generated. and after the danger avoidanceis determined to havebeen performed in flight, and generates a steering signal for the standby modewith the hovering flight body.
As a result, when it is determined that the danger avoidance state is required when flying in the manual control mode, the operation control is performed to avoid the danger by switching to the automatic control mode, and then the flying object waits in the air. Like that.

本発明の飛行体は、飛行のためのロータを有する飛行体であって、飛行体の飛行状態又は飛行位置を検出するセンサ部と、飛行動作を実現するための１又は複数のアクチュエータと、前記アクチュエータに対して、人の操縦操作に応じた操縦信号と、自動操縦による操縦信号を選択的に供給する切替器と、飛行制御装置と、を備える。前記飛行制御装置は、人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際において、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢及び速度を設定閾値と比較して要危険回避状態となっていると判定した場合に、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行うモード切替制御部と、前記モード切替制御部により自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成する危険回避制御部と、前記危険回避制御部による操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する待機飛行制御部と、を備えている
このような飛行体は、操縦訓練に適した飛行体として用いることができる。A flying object of the present invention is a flying objecthaving a rotor for flying, a sensor unit for detecting a flight state or a flight position ofthe flying object, one or a plurality of actuators for realizing a flight operation, provided to the actuator, a steering signal corresponding to the steering manipulation of a human, and a maneuver signal by autopilot selectively supply switch,a flight controldevice.The flight control system, manuallyOite during the controlmode, the attitude of the aircraft derived from the detection signal of the sensor portion mounted on the aircraft flight operation is controlled by a steering signal corresponding to the steering operation of the humanAnda mode switching control unit that performs control to switch to anautomatic control mode in which a flight operation is controlled by a steering signal by automatic pilotingwhen it is determined that it is in a danger avoidance state by comparing the speed with a set threshold value, Arisk avoidance control unit that generates a control signal for executing a flight for avoiding danger while being switched to the automatic control mode by themode switching control unit ,and risk avoidance by flying according to the control signal by therisk avoidance control unit after it is determined to have been made, such aircraftare equipped with a standby flight control unit for generating a steering signal to the aircraft in astandby stateby hovering It can be used as a flying object suitable for flight training.

本発明によれば、実機を使って、しかも非習熟者でも危険がない訓練ができるという効果があり、飛行体の操縦訓練として好適な飛行制御システム、或いは飛行体を提供できる。  According to the present invention, there is an effect that even a non-experienced person can perform training without danger using an actual aircraft, and a flight control system suitable for flying maneuvering training or a flying object can be provided.

本発明の実施の形態の飛行体の構成のブロック図である。It is a block diagram of the structure of the flying body of embodiment of this invention.実施の形態の制御計算用ＣＰＵのソフトウェア構成の説明図である。It is explanatory drawing of the software configuration of CPU for control calculation of embodiment.実施の形態の危険回避制御部のソフトウェア構成の説明図である。It is explanatory drawing of the software configuration of the danger avoidance control part of embodiment.実施の形態の予測計算用ＣＰＵのソフトウェア構成の説明図である。It is explanatory drawing of the software configuration of CPU for prediction calculation of embodiment.実施の形態の制御計算用ＣＰＵの処理例のフローチャートである。It is a flowchart of the process example of CPU for control calculation of embodiment.実施の形態の制御計算用ＣＰＵの他の処理例のフローチャートである。It is a flowchart of the other process example of CPU for control calculation of embodiment.

以下、飛行体として、無線操縦型の小型無人ヘリコプタを例に挙げて実施の形態を説明する。無線操縦について、以下「ＲＣ」と表記し、実施の形態の無線操縦型の小型無人ヘリコプタを、以下「ＲＣヘリコプタ」と表記する。ＲＣヘリコプタは地上で操縦者がＲＣ送信機を使用して操縦する。  Hereinafter, an embodiment will be described by taking a radio-controlled small unmanned helicopter as an example of a flying object. The radio control is hereinafter referred to as “RC”, and the radio control type small unmanned helicopter of the embodiment is hereinafter referred to as “RC helicopter”. The RC helicopter is operated on the ground by an operator using an RC transmitter.

＜１．ハードウェア構成＞
以下では、図１によりＲＣヘリコプタのハードウェア構成を説明し、また要部のソフトウェアについて図２〜図６により説明する。
本実施の形態のＲＣヘリコプタシステムでは、人間による操縦訓練中、機体に搭載したセンサ、制御計算用ＣＰＵおよび予測計算用ＣＰＵを用いて、機体の未来の運動を予測して機体が予め設定した安全な飛行範囲内で訓練を継続できるかどうかを判定する。また、機体の現在の姿勢や速度が過大でないかどうかを判定する。そして、これらの判定において機体が危険な飛行状態に陥ると判断された場合（要危険回避状態）に、自動的に安全を確保する自動制御状態に切り替えて飛行を制御し、危険を回避する。また、姿勢を大きく崩した状態から安全な状態へ復帰させるため、これに特化した制御手法を適用する。このような工夫により、未熟者一人による安全かつ効率的な操縦訓練を可能とし、従来の問題を解決するものである。以下、図面を参照しながら説明する。<1. Hardware configuration>
In the following, the hardware configuration of the RC helicopter will be described with reference to FIG. 1, and the main software will be described with reference to FIGS.
In the RC helicopter system of the present embodiment, during maneuvering training by humans, the aircraft's pre-set safety is predicted by predicting the future movement of the aircraft using the sensors, CPU for control calculation, and CPU for prediction calculation. Determine whether training can continue within the correct flight range. Also, it is determined whether the current attitude and speed of the aircraft are not excessive. When it is determined in these determinations that the aircraft is in a dangerous flight state (dangerous avoidance state), the flight is controlled by automatically switching to an automatic control state that ensures safety to avoid danger. In addition, a control method specialized for this is applied in order to return from a state in which the posture is largely collapsed to a safe state. Such a device enables safe and efficient operation training by one unskilled person and solves the conventional problems. Hereinafter, description will be given with reference to the drawings.

図１に示すように、ＲＣヘリコプタ１は、その機体内に、センサ部２、各種のアクチュエータ３（３ａ〜３ｅ）、ＲＣ信号切替器４、制御計算用ＣＰＵ５、予測計算用ＣＰＵ６、ＲＣ受信器７を有する。  As shown in FIG. 1, an RC helicopter 1 includes asensor unit 2, various actuators 3 (3a to 3e), anRC signal switch 4, acontrol calculation CPU 5, aprediction calculation CPU 6, and an RC receiver. 7

アクチュエータ３（３ａ〜３ｅ）は飛行体の飛行動作を実行するためのロータやブレードのピッチ等の駆動系のアクチュエータである。
ＲＣ受信器７はＲＣ送信器８からの操縦信号を受信する。
操縦者がＲＣ送信機８で機体１を操縦する操作を行うと、操縦信号は無線によりＲＣ受信機７へ送られ、電気信号に変換されてアクチュエータ３へ送られ、アクチュエータ３が機体の舵を操作することで飛行する。
以上は一般的なＲＣヘリコプタと同じ構成要素である。The actuator 3 (3a to 3e) is an actuator of a drive system such as a rotor or blade pitch for executing the flying operation of the flying object.
The RC receiver 7 receives the steering signal from theRC transmitter 8.
When the operator performs an operation of maneuvering the airframe 1 with theRC transmitter 8, the maneuver signal is wirelessly sent to the RC receiver 7, converted into an electrical signal and sent to theactuator 3, and theactuator 3 steers the airframe. Fly by operating.
The above are the same components as a general RC helicopter.

本実施の形態のＲＣヘリコプタ１は、センサ部２、ＲＣ信号切替器４、制御計算用ＣＰＵ５、予測計算用ＣＰＵ６を搭載している点が、一般的なＲＣヘリコプタと異なる。
センサ部２はＲＣヘリコプタ１としての機体の飛行状態を計測する各種センサを示している。具体的には慣性センサ、ＧＰＳ（Global Positioning System）センサ、回転速度センサ等を搭載している。
ＲＣ信号切替器４は、ＲＣ受信器７およびアクチュエータ３の信号を分岐する。本例の場合、ＲＣ受信器７からの操縦信号と、制御計算用ＣＰＵ５からの操縦信号が、制御計算用ＣＰＵ５内で選択されてＲＣ信号切替器４に供給される。ＲＣ信号切替器４は、その供給された操縦信号をアクチュエータ３に供給する。The RC helicopter 1 of the present embodiment is different from a general RC helicopter in that asensor unit 2, anRC signal switch 4, acontrol calculation CPU 5, and aprediction calculation CPU 6 are mounted.
Thesensor unit 2 shows various sensors that measure the flight state of the aircraft as the RC helicopter 1. Specifically, an inertial sensor, a GPS (Global Positioning System) sensor, a rotation speed sensor, and the like are mounted.
TheRC signal switch 4 branches the signals of the RC receiver 7 and theactuator 3. In the case of this example, the steering signal from the RC receiver 7 and the steering signal from thecontrol calculation CPU 5 are selected in thecontrol calculation CPU 5 and supplied to theRC signal switch 4. TheRC signal switch 4 supplies the supplied steering signal to theactuator 3.

制御計算用ＣＰＵ５は、センサ部２およびＲＣ信号切換器４から送られる情報をもとに各種計算を行う。具体的には制御計算用ＣＰＵ５は、飛行制御装置としての制御・演算処理を行う。即ち制御計算用ＣＰＵ５は、人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際に、要危険回避状態との判定結果に応じて、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードとするモード切替制御を行う。また制御計算用ＣＰＵ５は、モード切替制御により自動制御モードに切り替えられた状態で危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成する危険回避制御処理を行う。さらに制御計算用ＣＰＵ５は、危険回避制御処理による操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定した後に、飛行体を空中待機状態とするための操縦信号を生成する待機飛行制御処理を行う。  Thecontrol calculation CPU 5 performs various calculations based on information sent from thesensor unit 2 and theRC signal switch 4. Specifically, thecontrol calculation CPU 5 performs control / arithmetic processing as a flight control device. That is, thecontrol calculation CPU 5 performs the flight operation according to the maneuvering signal by the automatic maneuvering in the manual control mode in which the flight operation is controlled by the maneuvering signal according to the maneuvering operation of the person according to the determination result of the danger avoidance state. The mode switching control is performed to set the automatic control mode in which is controlled. Further, thecontrol calculation CPU 5 performs a risk avoidance control process for generating a control signal for executing a flight for avoiding a danger in a state where the automatic control mode is switched by the mode switching control. Further, thecontrol calculation CPU 5 performs standby flight control processing for generating a control signal for placing the flying object in the air standby state after determining that the risk avoidance has been performed in the flight according to the control signal by the risk avoidance control processing. .

予測計算用ＣＰＵ６は各種予測計算を行う。例えばＲＣヘリコプタ１の飛行が、設定した飛行範囲から逸脱する可能性を予測する計算を行う。
なお、制御計算用ＣＰＵ５と予測計算用ＣＰＵ６はひとまとめにしてもよい。また、予測計算用ＣＰＵ６の搭載場所は必ずしも機体上でなくてもよく、例えばＲＣ送信器８内に搭載して、計算結果の情報を制御計算用ＣＰＵ５に提供できる構成としてもよい。Theprediction calculation CPU 6 performs various prediction calculations. For example, a calculation for predicting the possibility that the flight of the RC helicopter 1 deviates from the set flight range is performed.
Thecontrol calculation CPU 5 and theprediction calculation CPU 6 may be combined. Further, the mounting place of thepredictive calculation CPU 6 does not necessarily have to be on the airframe. For example, thepredictive calculation CPU 6 may be mounted in theRC transmitter 8 so that the calculation result information can be provided to thecontrol calculation CPU 5.

＜２．制御計算用ＣＰＵ５のソフトウェア構成＞
図２は制御計算用ＣＰＵ５に搭載するソフトウェア５１の構成である。
図２ではソフトウェアとして実現される各機能を仮想的にブロック化して示している。即ち状態計算部５２、危険回避制御部５３、待機飛行制御部５４、モード切替制御部５５、信号選択器５６である。なお後述する図３、図４もソフトウェアによって実行される機能をブロック化して示している点は同様である。
また、これらのソフトウェア機能がそれぞれハードウェアにより実現されてもよい。<2. Software configuration ofCPU 5 for control calculation>
FIG. 2 shows the configuration of thesoftware 51 installed in thecontrol calculation CPU 5.
In FIG. 2, each function realized as software is virtually shown as a block. That is, thestate calculation unit 52, the dangeravoidance control unit 53, the standbyflight control unit 54, the modeswitching control unit 55, and thesignal selector 56. 3 and 4 described later are the same in that functions executed by software are shown in blocks.
In addition, each of these software functions may be realized by hardware.

図２において、状態計算部５２は、センサ部２から送られてくる情報をもとに、機体の現在の姿勢・角速度・位置・速度およびメインロータ回転速度を計算する。
危険回避制御部５３は、機体を危険な飛行状態から安全な飛行状態へ復帰させるための制御則の計算部であり、詳細は後述する。
待機飛行制御部５４は、機体のホバリング（空中停止）状態を自動的に保つための制御則の計算部である。待機飛行制御部５４は、例えば先に挙げた非特許文献３に示された手法を用いて構成することが可能である。In FIG. 2, thestate calculation unit 52 calculates the current attitude / angular velocity / position / speed and main rotor rotation speed of the airframe based on the information sent from thesensor unit 2.
The dangeravoidance control unit 53 is a control law calculation unit for returning the aircraft from a dangerous flight state to a safe flight state, and will be described in detail later.
The standbyflight control unit 54 is a control law calculation unit for automatically maintaining the hovering (aerial stop) state of the aircraft. The standbyflight control unit 54 can be configured by using, for example, the technique disclosed inNon-Patent Document 3 described above.

モード切替制御部５５は、人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードと、制御計算用ＣＰＵ５が生成する操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードとを切替制御する。
本例では特に自動制御モードにおいて危険な飛行状態から復帰させる危険回避制御モードと、ホバリングにより空中待機する待機飛行制御モードがある。従ってモード切替制御部５５は、手動制御モードと、自動制御モードにおける危険回避制御モードと、同じく自動制御モードにおける待機飛行制御モードとの３つのモードを自動的に選択するモード切替則とされている。詳細は後述する。The modeswitching control unit 55 switches between a manual control mode in which a flight operation is controlled by a steering signal according to a maneuvering operation and an automatic control mode in which the flight operation is controlled by a steering signal generated by thecontrol calculation CPU 5. Control.
In this example, there is a danger avoidance control mode for returning from a dangerous flight state in the automatic control mode, and a standby flight control mode for waiting in the air by hovering. Therefore, the modeswitching control unit 55 has a mode switching rule that automatically selects three modes: the manual control mode, the danger avoidance control mode in the automatic control mode, and the standby flight control mode in the automatic control mode. . Details will be described later.

信号選択器５６は、モード切替制御部５５でのモード選択に基づき、３つの入力信号から１つを選択して出力する信号選択器である。端子５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃは仮想的な端子として示している。端子５６Ａは、危険回避制御部５３によって生成された操縦信号を選択する状態を表している。端子５６Ｂは、待機飛行制御部５４によって生成された操縦信号を選択する状態を表している。端子５６Ｃは、ＲＣ受信器７で受信した操縦信号を選択する状態を表している。
端子５６Ｃが選択された場合、機体は人間が手動操縦する状態となり、通常はこの状態で操縦訓練が行われる。端子５６Ａまたは端子５６Ｂが選択された場合、機体は人間の手動操縦を介さず、危険回避制御部５３または待機飛行制御部５４に内蔵された制御則により自動制御された状態になる。Thesignal selector 56 is a signal selector that selects and outputs one of the three input signals based on the mode selection in the modeswitching control unit 55.Terminals 56A, 56B, and 56C are shown as virtual terminals. The terminal 56 </ b> A represents a state in which the control signal generated by the dangeravoidance control unit 53 is selected. The terminal 56B represents a state in which the control signal generated by the standbyflight control unit 54 is selected. The terminal 56 </ b> C represents a state in which the steering signal received by the RC receiver 7 is selected.
When the terminal 56C is selected, the aircraft is in a state where a human is manually maneuvering, and the maneuvering training is normally performed in this state. When the terminal 56A or the terminal 56B is selected, the aircraft is automatically controlled by a control law built in the dangeravoidance control unit 53 or the standbyflight control unit 54 without going through human manual control.

図３は、危険回避制御部５３の詳細である。
状態推定器５３１において、ＲＣヘリコプタ１の運動を決定する変数のうち直接計測できないものを推定し、制御器５３２内の各制御器へ渡す。
制御器５３２には、角速度制御器５３３、回転速度制御器５３４、姿勢制御器５３５、推力制御器５３６、速度制御器５３７がある。これらの各制御器（５３３〜５３７）は、状態推定器５３１などからの情報に基づきＲＣヘリコプタ１の操舵量を決定し、コマンド分配則５３８にてアクチュエータ指令値に変換して出力する。
目標値計算器５３９は、ＲＣヘリコプタ１の飛行速度に対する目標値を計算する。FIG. 3 shows details of the dangeravoidance control unit 53.
In thestate estimator 531, variables that cannot be directly measured among the variables that determine the motion of the RC helicopter 1 are estimated and passed to each controller in thecontroller 532.
Thecontroller 532 includes anangular speed controller 533, arotational speed controller 534, anattitude controller 535, athrust controller 536, and aspeed controller 537. Each of these controllers (533 to 537) determines the steering amount of the RC helicopter 1 based on information from thestate estimator 531, etc., converts it into an actuator command value according to thecommand distribution rule 538, and outputs it.
Thetarget value calculator 539 calculates a target value for the flight speed of the RC helicopter 1.

状態推定器５３１は、ＲＣ信号切換器４から送られてくる操舵量の情報｛ｕ_SWM1，ｕ_SWM2，ｕ_SWM3，ｕ_DIR，ｕ_THR｝、および状態計算部５２から送られてくる機体の現在の３軸角速度｛ωＮＢ｝Ｂ＝[ｐＢ ｑＢ ｒＢ]Ｔ、姿勢ｑ_NB、速度｛Ｖ_NB｝_N、メインロータ回転速度Ωの各情報をもとに、下記（数１）のヘリコプタ飛行状態を記述する変数（以下、状態変数と呼ぶ）を算出する。算出のための数式は、例えば非特許文献３に示された手法を用いて構成することが可能である。Thestate estimator 531 is information on the steering amount sent from the RC signal switching unit 4 {u_SWM1 , u_SWM2 , u_SWM3 , u_DIR , u_THR }, and the current state of the aircraft sent from thestate calculation unit 52. The following helicopter flight state of (Equation 1) is obtained based on each information of triaxial angular velocity {ωNB} B = [pB qB rB] T, attitude q_NB , velocity {V_NB }_N , main rotor rotational speed Ω. A variable to be described (hereinafter referred to as a state variable) is calculated. The mathematical formula for calculation can be configured by using the method shown inNon-Patent Document 3, for example.

ここで、Ａ_0FMR，Ａ_1FMR，Ｂ_1FMRは、それぞれメインブレードフラッピング角の定常成分、縦１次ハーモニック成分、横１次ハーモニック成分である。
Ａ_0LMR，Ａ_1LMR，Ｂ_1LMRは、それぞれメインブレードリード・ラグ角の定常成分、縦１次ハーモニック成分、横１次ハーモニック成分である。
Ａ_1FMRs，Ｂ_1FMRsは、それぞれスタブライザブレードフラッピング角の縦・横１次ハーモニック成分である。
ｄ_SWM1，ｄ_SWM2，ｄ_SWM3，ｄ_DIRは、それぞれＳＷＭ１，ＳＷＭ２，ＳＷＭ３，ＤＩＲアクチュエータの舵角である。Here, A_0FMR , A_1FMR , and B_1FMR are a steady component, a vertical primary harmonic component, and a horizontal primary harmonic component of the main blade flapping angle, respectively.
A_0LMR , A_1LMR , and B_1LMR are a stationary component, a longitudinal primary harmonic component, and a transverse primary harmonic component of the main blade lead / lag angle, respectively.
A_1FMRs and B_1FMRs are vertical and horizontal primary harmonic components of the stub riser blade flapping angle, respectively.
d_SWM1 , d_SWM2 , d_SWM3 , and d_DIR are the steering angles of SWM1, SWM2, SWM3, and DIR actuators, respectively.

角速度制御器５３３は次の（数２）により制御入力ｕ_a＝［ｕ_latｕ_lonｕ_DIR］^Tを計算する。ｕ_latは左右方向、ｕ_lonは前後方向、ｕ_DIRはヨー方向の制御入力である。
なお、以下記号Δをつけた変数は、各変数が釣り合い飛行状態でとる値からの差分値であることを示すものである。Theangular velocity controller 533 calculates the control input u_a = [u_lat u_lon u_DIR ]^{T according} to the following (_Equation 2). u_lat is a control input in the left-right direction, u_lon is a control input in the front-rear direction, and u_DIR is a control input in the yaw direction.
In the following, the variable with the symbol Δ indicates that each variable is a difference value from the value taken in the balanced flight state.

ここで、Δｘａ０はΔｘａの制御開始時の値、｛Δω_NB^cmd｝_Bは｛Δω_NB｝_Bに対する目標値である。Ｈ_0a，Ｆ_0a，Ｆ_1a，Ｇ_aは制御ゲイン行列であり、一般によく知られた最適制御理論などを用いて定めることが可能である。Here, Δxa0 is a value at the start of control of Δxa, and {Δω_NB^cmd }_B is a target value for {Δω_NB }_B. H_0a , F_0a , F_1a , and G_a are control gain matrices, and can be determined using generally well-known optimal control theory.

回転速度制御器５３４は（数３）により回転速度の制御入力ｕ_THRを計算する。Therotational speed controller 534 calculates the rotational speed control input u_THR by (Equation 3).

ここで、Ｋ_pΩ，Ｋ_iΩは、それぞれ制御ゲインである。Here, K_pΩ and K_iΩ are control gains, respectively.

推力制御器５３６は（数４）により推力の制御入力ｕ_coll計算する。Thethrust controller 536 calculates the thrust control input u_coll by (_Equation 4).

ここで、Ｔ_ZB^cmdは推力目標値のＺ軸（機体鉛直方向）成分、Ｔ_ZB^trmは釣り合い飛行状態における推力のＺ軸（機体鉛力方向）成分、Ｋ_pTzは制御ゲインである。Here, T_ZB^cmd is a Z-axis (airframe vertical direction) component of a thrust target value, T_ZB^trm is a Z-axis (airframe lead force direction) component of thrust in a balanced flight state, and K_pTz is a control gain.

姿勢制御器５３５は、（数５）により｛Δω_NB^cmd｝_Bを計算する。Theattitude controller 535 calculates {Δω_NB^cmd }_B by (Equation 5).

ここで、ｑｅは後述の速度制御器５３７で計算される誤差クォータニオン、Ｋｐｑは制御ゲイン、ｑＮＣは目標の機体姿勢を表すクォータニオン（四元数）、“ｑ”の上に“・”を付したｑＮＣはｑＮＣの時間微分、ｑＮＢは現在の機体姿勢を表すクォータニオン（四元数）である。  Here, qe is an error quaternion calculated by aspeed controller 537, which will be described later, Kpq is a control gain, qNC is a quaternion (quaternion) representing the target body attitude, and “·” is added above “q”. qNC is a time derivative of qNC, and qNB is a quaternion (quaternion) representing the current aircraft attitude.

速度制御器５３７は、（数６）によりｑ_eを計算する。Thespeed controller 537 calculates q_e by (Equation 6).

ここで、Ｔ_B^trmは釣り合い飛行状態における機体の推力を機体座標系で表現したベクトル、ｇ_Nは重力加速度を地面座標系で表現したベクトル、ｍは機体の質量、｛Ｖ_NB｝_Nは機体の現在速度を地面座標系で表現したベクトル、｛Ｖ_NB^cmd｝_Nは｛Ｖ_NB｝_Nに対する目標値、Ｋ_pVは制御ゲインである。Here, T_B^trm is a vector expressing the thrust of the aircraft in a balanced flight state in the aircraft coordinate system, g_N is a vector expressing the gravitational acceleration in the ground coordinate system, m is the mass of the aircraft, and {V_NB }_N is the aircraft {V_NB^cmd }_N is a target value for {V_NB }_N , and K_pV is a control gain.

＜３．予測計算用ＣＰＵ６のソフトウェア構成＞
図４は、予測計算用ＣＰＵ６に搭載するソフトウェア６１の構成である。
状態推定器６２、制御器６３、コマンド分配則６４、目標値計算器６６には、それぞれ制御計算用ＣＰＵ５の状態推定器５３１、制御器５３２、コマンド分配則５３８、目標値計算器５３９と同じソフトウェアが入っている。<3. Software Configuration ofCPU 6 for Prediction Calculation>
FIG. 4 shows the configuration of thesoftware 61 installed in theprediction calculation CPU 6.
Thestate estimator 62, thecontroller 63, thecommand distribution rule 64, and the target value calculator 66 include the same software as thestate estimator 531, thecontroller 532, thecommand distribution rule 538, and thetarget value calculator 539 of thecontrol calculation CPU 5, respectively. Is included.

機体運動モデル６５は、ヘリコプタの運動を数式で記述したものが含まれており、ヘリコプタの運動を計算上で再現することが出来る。
機体運動モデル６５は、一定時間おきに制御計算用ＣＰＵ５の状態推定器５３１から出力される情報により初期化する。その後、この初期化した状態においてＲＣヘリコプタ１の機体が予め設定した飛行範囲を出そうになったと仮定して、機体運動モデル６５が予め設定した飛行範囲を出ないように制御する計算機シミュレーションを数秒先まで行う。このシミュレーションは状態推定器６２、制御器６３、コマンド分配則６４、目標値計算器６６を用いて行う。
このシミュレーションの間に、機体運動モデル６５が予め設定した飛行範囲の境界線に触れた場合、実際のＲＣヘリコプタ１の機体もこの飛行範囲の境界線に触れる、つまり、飛行範囲を出るおそれがあると判断し、ＯＮ／ＯＦＦ判定器６７はＯＮ信号を出力する。それ以外の場合はＯＮ／ＯＦＦ判定器６７はＯＦＦ信号を出力する。Theairframe motion model 65 includes a helicopter motion described by mathematical expressions, and the motion of the helicopter can be reproduced by calculation.
Thebody motion model 65 is initialized by information output from thestate estimator 531 of thecontrol calculation CPU 5 at regular intervals. Thereafter, assuming that the aircraft of the RC helicopter 1 is about to exit the preset flight range in this initialized state, computer simulation for controlling theaircraft motion model 65 so as not to exit the preset flight range is performed for several seconds. Go ahead. This simulation is performed using astate estimator 62, acontroller 63, acommand distribution rule 64, and a target value calculator 66.
During this simulation, if theairframe motion model 65 touches the boundary line of the preset flight range, the actual RC helicopter 1 body may also touch the boundary line of the flight range, that is, leave the flight range. The ON /OFF determiner 67 outputs an ON signal. In other cases, the ON /OFF determiner 67 outputs an OFF signal.

＜４．モード切替処理＞
図５により、モード切替制御部５５による制御モードの切り替え処理を含む制御計算用ＣＰＵ５の処理を説明する。
手動操縦による操縦訓練を開始した時点では、モード切替制御部５５はステップＳ１０１で信号選択器５６の端子５６Ｃを選択する。即ち手動制御モードとして、ＲＣ受信器７で受信した操縦信号を選択する。従って、信号選択器５６からＲＣ信号切替器４には、ＲＣ送信器８での人の操作に応じた操縦信号が供給され、これがアクチュエータ３に供給される。<4. Mode switching process>
With reference to FIG. 5, processing of thecontrol calculation CPU 5 including control mode switching processing by the modeswitching control unit 55 will be described.
At the time when the steering training by manual steering is started, the modeswitching control unit 55 selects the terminal 56C of thesignal selector 56 in step S101. That is, as the manual control mode, the control signal received by the RC receiver 7 is selected. Therefore, a steering signal corresponding to a human operation at theRC transmitter 8 is supplied from thesignal selector 56 to theRC signal switch 4 and supplied to theactuator 3.

手動制御モードとしている間、モード切替制御部５５は、ステップＳ１０２で予測計算用ＣＰＵ６からのＯＮ信号を監視している。ＯＮ信号は、上述の通り、機体運動モデル６５によりＲＣヘリコプタ１が飛行範囲を出るおそれがあると判断されたときに、ＯＮ／ＯＦＦ判定器６７が出力する信号である。従ってステップＳ１０２の判断は、飛行範囲の逸脱という危険が予測されることで、要危険回避状態となったか否かを判断する処理となる。  While in the manual control mode, the modeswitching control unit 55 monitors the ON signal from theprediction calculation CPU 6 in step S102. The ON signal is a signal output from the ON /OFF determination unit 67 when it is determined by theairframe motion model 65 that the RC helicopter 1 may leave the flight range as described above. Therefore, the determination in step S102 is a process of determining whether or not a danger avoidance state has been entered by predicting the danger of a departure from the flight range.

また手動制御モードとしている間、モード切替制御部５５はステップＳ１０３で、状態計算部５２からの情報として得られる現在の機体の姿勢・速度が設定した閾値より大きいか否かを監視している。このステップＳ１０３の判断は、現在の機体の姿勢や速度が、墜落又は制御不能に至ることが予測される状態となっているか否かという点で、要危険回避状態であるか否かを判断する処理となる。  While in the manual control mode, the modeswitching control unit 55 monitors whether or not the current attitude / speed of the aircraft obtained as information from thestate calculation unit 52 is greater than a set threshold value in step S103. The determination in step S103 determines whether or not the current attitude and speed of the airframe are in a state where it is predicted that the aircraft will crash or become uncontrollable, and whether or not it is in a danger avoidance state. It becomes processing.

ステップＳ１０２，Ｓ１０３のいずれかで要危険回避状態であると判断された場合、モード切替制御部５５はステップＳ１０４で、信号選択器５６の端子５６Ａを選択する。即ち自動制御モードとして、危険回避制御部５３が図３のソフトウェアにより生成した操縦信号を選択する。従って、信号選択器５６からＲＣ信号切替器４には、危険回避制御部５３が生成した操縦信号が供給され、これがアクチュエータ３に供給される。
これによりＲＣヘリコプタ１は自動的に手動操作が無効とされ、自動操縦により危険回避が行われる。例えば姿勢の安定化、速度の適正化を行い、機体の飛行安全を確保する。If it is determined in any of steps S102 and S103 that the danger avoidance state is required, the modeswitching control unit 55 selects the terminal 56A of thesignal selector 56 in step S104. That is, as the automatic control mode, the dangeravoidance control unit 53 selects the control signal generated by the software shown in FIG. Therefore, the control signal generated by the dangeravoidance control unit 53 is supplied from thesignal selector 56 to the RCsignal switching unit 4 and supplied to theactuator 3.
As a result, manual operation of the RC helicopter 1 is automatically invalidated, and danger avoidance is performed by automatic steering. For example, it stabilizes the attitude and optimizes the speed to ensure the flight safety of the aircraft.

そして、ステップＳ１０５で機体の現在の姿勢・速度の両方がある閾値以下に収束したと確認された時点で、モード切替制御部５５はステップＳ１０６において信号選択器５６の端子５６Ｂを選択する。即ち引き続き自動制御モードとして、待機飛行制御部５４が生成した操縦信号を選択する。従って、信号選択器５６からＲＣ信号切替器４には、待機飛行制御部５４が生成した操縦信号が供給され、これがアクチュエータ３に供給される。待機飛行制御部５４が生成する操縦信号は、例えばホバリング状態を維持する操縦信号である。なお、飛行範囲の逸脱の場合も想定するため、待機飛行制御部５４による操縦信号は、所定の飛行位置まで戻る飛行を行い、当該所定の位置においてホバリングを行うような操縦信号であってもよい。これらのような操縦信号によりＲＣヘリコプタ１は空中でホバリング状態で待機することになる。  When it is confirmed in step S105 that both the current attitude and speed of the aircraft have converged below a certain threshold, the modeswitching control unit 55 selects the terminal 56B of thesignal selector 56 in step S106. That is, the control signal generated by the standbyflight control unit 54 is selected as the automatic control mode. Therefore, the control signal generated by the standbyflight control unit 54 is supplied from thesignal selector 56 to theRC signal switch 4, and this is supplied to theactuator 3. The steering signal generated by the standbyflight control unit 54 is, for example, a steering signal that maintains a hovering state. In addition, since the case of the departure of the flight range is also assumed, the control signal by the standbyflight control unit 54 may be a control signal for performing a flight returning to a predetermined flight position and performing hovering at the predetermined position. . The RC helicopter 1 stands by in the hovering state in the air by such control signals.

待機状態においては、モード切替制御部５５はステップＳ１０７で操縦者の操作に基づく手動制御モードへの復帰の要求信号を待つ。
操縦者は、ＲＣ送信器８を操作して、訓練再開の要求信号をＲＣヘリコプタ１に送信できる。モード切替制御部５５は要求信号を受けることに応じて、ステップＳ１０１に戻り、信号選択器５６を端子５６Ｃ、即ち手動制御モードに戻す。これにより手動操縦による操縦訓練が再開できることになる。In the standby state, the modeswitching control unit 55 waits for a request signal for returning to the manual control mode based on the operator's operation in step S107.
The operator can operate theRC transmitter 8 to transmit a training resumption request signal to the RC helicopter 1. In response to receiving the request signal, the modeswitching control unit 55 returns to step S101 and returns thesignal selector 56 to the terminal 56C, that is, the manual control mode. As a result, the control training by manual control can be resumed.

図６は図５の変形例である。図６において図５と異なるのはステップＳ１０６，Ｓ１０７の間にステップＳ１１０を設けている点であるため、この処理についてのみ説明する。
モード切替制御部５５はステップＳ１０６において、待機飛行制御部５４が生成した操縦信号を選択する。この場合の操縦信号は、所定の飛行位置まで戻る飛行を行い、当該所定の位置においてホバリングを行うような一連の操縦を行う操縦信号であるとする。
ステップＳ１１０では、この操縦信号に応じた飛行の過程で、状態計算部５２から提供される現在位置情報を監視し、所定の飛行位置（目標位置）にまで戻ったか否かを判断している。そして目標位置まで戻るまでは、ステップＳ１０７に進まない。
従って、目標位置に戻った後において、ステップＳ１０７の要求信号を受け付け、訓練を再開可能とするものである。FIG. 6 is a modification of FIG. FIG. 6 differs from FIG. 5 in that step S110 is provided between steps S106 and S107, and only this process will be described.
In step S106, the modeswitching control unit 55 selects the control signal generated by the standbyflight control unit 54. The control signal in this case is assumed to be a control signal for performing a series of operations such as flying back to a predetermined flight position and performing hovering at the predetermined position.
In step S110, the current position information provided from thestate calculation unit 52 is monitored in the course of the flight according to the control signal, and it is determined whether or not the vehicle has returned to a predetermined flight position (target position). The process does not proceed to step S107 until the target position is returned.
Therefore, after returning to the target position, the request signal in step S107 is accepted and the training can be resumed.

＜５．まとめ＞
以上の実施の形態のＲＣヘリコプタ１は、制御計算用ＣＰＵ５として飛行制御装置を備えている。制御計算用ＣＰＵ５（飛行制御装置）は、人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際に、要危険回避状態との判定結果に応じて、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行うモード切替制御部５５を有する。
また制御計算用ＣＰＵ５はモード切替制御部５５により自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成する危険回避制御部５３と、危険回避制御部５３による操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中待機状態とするための操縦信号を生成する待機飛行制御部５４を備えている。
即ち飛行体の操縦訓練等のために、手動制御モードではマニュアル操縦として人が飛行体の飛行を制御（操縦）できるようにする。そしてその際に要危険回避状態であると判定された場合は、自動制御モードとして自動操縦に切り替えて、危険回避のための飛行動作制御を行う。さらにその後、飛行体が空中待機するように制御する。
このように人の操縦による飛行時に、危険が予測され危険回避が必要と判定された場合、自動操縦によって危険回避が行われるため、操縦訓練などにおいて事故の発生を防止でき、非習熟者による操縦においても安全性を担保できる。
また危険回避後において空中待機させることで、安全を確保した状態で引き続き訓練飛行を継続でき、効率的な訓練が可能となる。<5. Summary>
The RC helicopter 1 of the above embodiment includes a flight control device as thecontrol calculation CPU 5. The control calculation CPU 5 (flight control device) controls the maneuvering by the autopilot according to the determination result of the danger avoidance state in the manual control mode in which the flight operation is controlled by the maneuvering signal according to the maneuvering maneuver. A modeswitching control unit 55 that performs switching to an automatic control mode in which the flight operation is controlled by a signal is provided.
Further, thecontrol calculation CPU 5 generates a control signal for executing a flight for avoiding danger in a state where the modeswitching control unit 55 switches to the automatic control mode, and the control by the riskavoidance control unit 53. A standbyflight control unit 54 is provided that generates a control signal for setting the flying object in the air standby state after it is determined that danger avoidance has been performed in the flight according to the signal.
That is, for the purpose of training the flying object, etc., in the manual control mode, a person can control (maneuver) the flight of the flying object as a manual operation. At this time, if it is determined that the danger avoidance state is required, the automatic control mode is switched to automatic piloting, and flight operation control for danger avoidance is performed. After that, control is performed so that the flying object waits in the air.
In this way, when it is determined that danger is predicted and it is necessary to avoid danger during flight by maneuvering, risk avoidance is performed by automatic maneuvering, so accidents can be prevented during maneuvering training, etc. Can also ensure safety.
Also, by waiting in the air after avoiding danger, training flight can be continued with safety ensured, and efficient training becomes possible.

また実施の形態では、モード切替制御部５５は、待機飛行制御部５４による操縦信号によって飛行が行われている際において、外部の操縦装置（ＲＣ送信器８）からの要求信号を認識することに応じて、手動制御モードに切り替える制御を行うようにしている（図５のＳ１０７→Ｓ１０１）。
これにより安全な状態になった後に、操縦訓練等のための手動操縦に切り替えることができる。In the embodiment, the modeswitching control unit 55 recognizes a request signal from the external control device (RC transmitter 8) when the flight is performed by the control signal from the standbyflight control unit 54. Accordingly, control to switch to the manual control mode is performed (S107 → S101 in FIG. 5).
Thus, after a safe state is reached, it is possible to switch to manual operation for operation training or the like.

また図６で説明したように、モード切替制御部５５は、待機飛行制御部５４による操縦信号によって飛行体が予め設定した特定位置に到達した後においてのみ要求信号を受け付けるようにしてもよい。即ち危険回避後において待機飛行制御部５４による制御が行われているときに、無条件で要求信号を受け付けて手動制御モードに復帰させるのではなく、特定の飛行位置に戻ることを条件として手動制御モードに復帰できるようにする。このように特定の飛行位置に戻るまでは手動制御モードに復帰させないようにすることで、より飛行範囲の逸脱に対する安全性を高めることができる。  In addition, as described with reference to FIG. 6, the modeswitching control unit 55 may accept the request signal only after the flying object has reached a specific position set in advance by a control signal from the standbyflight control unit 54. That is, when control by the standbyflight control unit 54 is performed after danger avoidance, manual control is performed on the condition that the request signal is not unconditionally received and returned to the manual control mode but returned to a specific flight position. Enable to return to mode. Thus, by not returning to the manual control mode until returning to a specific flight position, it is possible to further improve the safety against the deviation of the flight range.

また制御計算用ＣＰＵ５は、ＲＣヘリコプタ１に搭載されているセンサ部２の検出信号から得られる飛行体の姿勢又は速度を、設定閾値と比較して、要危険回避状態か否かを判定する（Ｓ１０２）。
これにより、例えば未熟な操縦による飛行体の墜落事故等の危険状態に至ることを予測でき、自動制御モードによる危険回避制御が可能となる。Further, thecontrol calculation CPU 5 compares the attitude or speed of the flying object obtained from the detection signal of thesensor unit 2 mounted on the RC helicopter 1 with a set threshold value, and determines whether or not it is in a danger avoidance state ( S102).
As a result, for example, it is possible to predict a dangerous state such as an aircraft crash due to immature maneuvering, and risk avoidance control in the automatic control mode becomes possible.

また実施の形態の構成では、ＲＣヘリコプタ１が設定した飛行範囲から逸脱する可能性を予測した予測計算結果から要危険回避状態か否かを判定する予測計算部（予測計算用ＣＰＵ６）を備えている。
ＲＣヘリコプタ１の飛行位置が、あらかじめ設定した飛行範囲を超えてしまうことで危険状態に至ることを予測する計算結果により要危険回避状態であるか否かを判定できる。これにより、例えば未熟な操縦による飛行範囲逸脱を回避することが可能となる。Further, the configuration of the embodiment includes a prediction calculation unit (aCPU 6 for prediction calculation) that determines whether or not it is in a danger avoidance state from a prediction calculation result that predicts the possibility of deviating from the flight range set by the RC helicopter 1. Yes.
Whether or not the flight position of the RC helicopter 1 is in a dangerous avoidance state can be determined based on a calculation result that predicts that a dangerous state is reached when the flight position exceeds a preset flight range. Thereby, for example, it is possible to avoid a flight range deviation due to immature maneuvering.

実施の形態のＲＣヘリコプタ１は、以上のような飛行制御装置（制御計算用ＣＰＵ５、予測計算用ＣＰＵ６）とともに、ＲＣヘリコプタ１の飛行状態又は飛行位置を検出するセンサ部２と、飛行動作を実現するためのアクチュエータ５と、アクチュエータに対して、人の操縦操作に応じた操縦信号と、自動操縦による操縦信号を選択的に供給する切替器（４，５６）とを備える。
このような飛行体は、操縦訓練に適した飛行体として好適である。即ち、実機を使って、しかも非習熟者でも危険がない訓練が可能となる。The RC helicopter 1 according to the embodiment realizes the flight operation with thesensor unit 2 that detects the flight state or the flight position of the RC helicopter 1 together with the above flight control devices (thecontrol calculation CPU 5 and the prediction calculation CPU 6). And a switch (4, 56) for selectively supplying a steering signal according to a maneuvering operation of a person and a steering signal by automatic steering to the actuator.
Such an aircraft is suitable as an aircraft suitable for pilot training. That is, it is possible to perform training using a real machine without danger even for non-skilled persons.

実施の形態のＲＣヘリコプタ１のシステムによれば、無人ヘリコプタの操縦訓練において、フライトシミュレータではなく実際の機体を用いながら、熟練操縦者の支援を必要としない操縦訓練が可能になる。搭載したセンサ部２や飛行制御装置（制御計算用ＣＰＵ５）が熟練操縦者の代わりとなる。そのため、熟練操縦者が身近にいない環境でも実際の機体を用いた訓練が可能になる。
また、被訓練者が自分のペースで訓練を行うことができ、自身の都合や上達度合いに応じた柔軟かつ効率的な訓練スケジュールの設定が可能になる。
また、実施の形態のＲＣヘリコプタ１のシステムによれば、操縦訓練時の安全性が飛躍的に高まる。従来技術では、操縦訓練中に姿勢が崩れた際、操縦者の操作により自動的に元に戻す機能を持つものはあったが、速度の抑制はできず、所定の飛行範囲の外へ出る可能性があり、また、危険な状態であるか否かはあくまで人間が判断していたため、復帰操作が遅れると事故に至る危険性があった。実施の形態のＲＣヘリコプタ１のシステムによれば、姿勢の復帰のみでなく速度の抑制を行って完全なホバリング状態へ戻すことができ、機体運動の予測に基づいて機体を所定の飛行範囲から出ることを防止し、危険な状態であるか否かの判断を自動で行って安全を確保することができるので、操縦訓練中の事故を大幅に減らせるものと期待できる。
これにより、操縦訓練の期間短縮やコスト低減に寄与し、また、今後需要が増えると見込まれる無人ヘリコプタ操縦者の効率的な育成に寄与する。
それに加えて、機体喪失や人身事故の危険を最小限にできることで、修理・賠償コストの低減はもちろん、飛行安全向上にも寄与し、無人ヘリコプタ操縦者育成・運用企業が果たすべき社会的責務の遂行にも貢献し、無人ヘリコプタ市場の拡大にも貢献するものと見込まれる。According to the RC helicopter 1 system of the embodiment, in the unmanned helicopter maneuvering training, the maneuvering training which does not require the assistance of the skilled maneuverer is possible while using the actual aircraft instead of the flight simulator. The mountedsensor unit 2 and the flight control device (control calculation CPU 5) replace the skilled pilot. Therefore, training using an actual aircraft can be performed even in an environment where a skilled pilot is not familiar.
Moreover, the trainee can train at his / her own pace, and a flexible and efficient training schedule can be set according to his / her convenience and progress.
Moreover, according to the system of RC helicopter 1 of embodiment, the safety | security at the time of steering training increases greatly. In the prior art, there was a function that automatically returned to the original position by the operator's operation when the posture collapsed during pilot training, but the speed could not be suppressed and it was possible to go out of the predetermined flight range In addition, since human beings have determined whether or not it is in a dangerous state, there is a risk of an accident if the return operation is delayed. According to the system of the RC helicopter 1 of the embodiment, not only the attitude return but also the speed can be controlled to return to the complete hovering state, and the aircraft exits the predetermined flight range based on the prediction of the aircraft motion It is possible to prevent accidents and automatically determine whether or not the vehicle is in a dangerous state, so that safety can be ensured. Therefore, it is expected that accidents during operation training can be greatly reduced.
As a result, it contributes to shortening the duration of pilot training and cost reduction, and also contributes to the efficient training of unmanned helicopter pilots whose demand is expected to increase in the future.
In addition, by minimizing the risk of airframe loss and personal injury, it will not only reduce repair and compensation costs, but will also improve flight safety, and fulfill the social responsibilities that unmanned helicopter pilot training and operation companies should fulfill Is expected to contribute to the expansion of the unmanned helicopter market.

本発明は、上述の実施の形態の構成に限らず、多様な変形例が考えられる。
例えば図１、図２の構成例では、ＲＣ送信器８で受信した操縦信号をＲＣ信号切替器４を介して制御計算用ＣＰＵ５に入力し、制御計算用ＣＰＵ５内（信号選択器５６）で操縦信号を選択する構成としたが、ＲＣ信号切替器４における選択動作により、手動制御モードと自動制御モードでの操縦信号の選択が行われてもよい。
また図５，図６の処理例ではステップＳ１０２の飛行範囲の逸脱予測の監視と、ステップＳ１０３の姿勢・速度の監視の両方を行って、いずれかに該当の場合に要危険回避状態としてステップＳ１０４の危険回避制御を行うものとしたが、ステップＳ１０２，Ｓ１０３のいずれか一方のみの監視処理を行うものであってもよい。
また、実施の形態はＲＣヘリコプタ１の例で説明したが、本発明は、ＲＣヘリコプタ以外の飛行体にも適用できることは当然である。The present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment, and various modifications can be considered.
For example, in the configuration example of FIGS. 1 and 2, the steering signal received by theRC transmitter 8 is input to thecontrol calculation CPU 5 via theRC signal switch 4 and controlled in the control calculation CPU 5 (signal selector 56). Although the signal is selected, the operation signal may be selected in the manual control mode and the automatic control mode by the selection operation in theRC signal switch 4.
5 and 6, both the flight range deviation prediction monitoring in step S102 and the attitude / speed monitoring in step S103 are performed, and in either case, the danger avoidance state is set as step S104. However, the monitoring process of only one of steps S102 and S103 may be performed.
Moreover, although embodiment demonstrated the example of RC helicopter 1, it is natural that this invention is applicable also to air vehicles other than RC helicopter.

１ ＲＣヘリコプタ１、２ センサ部、３ アクチュエータ、４ ＲＣ信号切替器、５ 制御計算用ＣＰＵ、６ 予測計算用ＣＰＵ、７ ＲＣ受信器、８ ＲＣ送信器、５２ 状態計算部、５３ 危険回避制御部、５４ 待機飛行制御部、５５ モード切替制御部、５６ 信号選択器  DESCRIPTION OF SYMBOLS 1RC helicopter 1, 2 Sensor part, 3 Actuator, 4 RC signal switching device, 5 CPU for control calculation, 6 CPU for prediction calculation, 7 RC receiver, 8 RC transmitter, 52 State calculation part, 53 Riskavoidance control part 54 standby flight control unit, 55 mode switching control unit, 56 signal selector

Claims (6)

Translated fromJapanese

飛行のためのロータを有する飛行体の飛行制御装置であって、
人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際において、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢及び速度を設定閾値と比較して要危険回避状態となっていると判定した場合に、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行うモード切替制御部と、
前記モード切替制御部により自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成する危険回避制御部と、
前記危険回避制御部による操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する待機飛行制御部と、を備えた
飛行制御装置。A flight control device for a flying object having a rotor for flight,
In manual control mode, where flight operations are controlled by maneuvering signals according to maneuvering operations,the attitude and speed of the flying object obtained from the detection signal of the sensor unit mounted on the flying object are compared with the set threshold. A mode switching control unit that performs control to switch to an automatic control mode in which the flight operation is controlled by a control signal by automatic controlwhen it is determined that it is in a danger avoidance state ,
A danger avoidance control unit that generates a control signal for executing a flight for danger avoidance in a state where the mode switching control unit is switched to the automatic control mode;
A standby flight control unit that generates a steering signal for setting the flying object ina standby stateby stopping in the air after it is determined that the danger avoidance has been performed in the flight according to the steering signal by the danger avoidance control unit; Flight control device. 前記モード切替制御部は、前記待機飛行制御部による操縦信号によって飛行が行われている際において、外部の操縦装置からの要求信号を認識することに応じて、手動制御モードに切り替える制御を行う
請求項１に記載の飛行制御装置。The mode switching control unit performs control to switch to a manual control mode in response to recognizing a request signal from an external control device when a flight is performed by a control signal from the standby flight control unit. Item 4. The flight control device according to item 1. 前記モード切替制御部は、前記待機飛行制御部による操縦信号によって飛行体が設定した特定位置に到達した後においてのみ前記要求信号を受け付ける
請求項２に記載の飛行制御装置。The flight control device according to claim 2, wherein the mode switching control unit accepts the request signal only after reaching the specific position set by the flying object based on the steering signal from the standby flight control unit. 飛行体が設定した飛行範囲から逸脱する可能性を予測した予測計算結果から要危険回避状態か否かを判定する予測計算部を備え、
前記危険回避制御部は前記予測計算部から要危険回避の判定を取得した場合に飛行範囲からの逸脱を防止するための飛行を実行させる操縦信号を生成する機能を備え、
飛行範囲からの逸脱を防止するための飛行を実行させる操縦信号に応じた飛行で飛行範囲からの逸脱の防止が行われたと判定された後に、前記待機飛行制御部により飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の飛行制御装置。A prediction calculation unit that determines whether or not the vehicle is in a danger avoidance state from a prediction calculation result that predicts the possibility that the flying object deviates from the set flight range;
The danger avoidance control unit has a function of generating a control signal for executing a flight for preventing a departure from a flight range when a risk avoidance determination is obtained from the prediction calculation unit,
After it is determined that the departure from the flight range has been prevented in the flight according to the control signal for executing the flight to prevent the departure from the flight range, the standby flight control unit waits for the flying object to stop in the air Generate a steering signal to enter the state
The flight control apparatus according toany one of claims 1 to 3 .飛行のためのロータを有する飛行体の飛行制御方法であって、
人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際において、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢及び速度を設定閾値と比較して要危険回避状態となっていると判定した場合に、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行い、
自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成し、
前記危険回避のための飛行を実行させる操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する
飛行制御方法。A flight control method for an aircraft having a rotor for flight,
In manual control mode, where flight operations are controlled by maneuvering signals according to maneuvering operations,the attitude and speed of the flying object obtained from the detection signal of the sensor unit mounted on the flying object are compared with the set threshold. Te when determined that the main risk aversion state, performs control to switch to automatic control mode in which the flight operation by flight signal by autopilot is controlled,
In the state that is switched to the automatic control mode, generate a steering signal that causes the flight to avoid danger,
Flight control method for generating a steering signal to the standby state after said risk avoidance flight in accordance with the maneuver signal for executing the flight for avoiding dangeris judged to be made,according to hover the aircraft. 飛行のためのロータを有する飛行体であって、
飛行体の飛行状態又は飛行位置を検出するセンサ部と、
飛行動作を実現するための１又は複数のアクチュエータと、
前記アクチュエータに対して、人の操縦操作に応じた操縦信号と、自動操縦による操縦信号を選択的に供給する切替器と、
飛行制御装置と、を備え、
前記飛行制御装置は、
人の操縦操作に応じた操縦信号によって飛行動作が制御される手動制御モードの際において、飛行体に搭載されているセンサ部の検出信号から得られる飛行体の姿勢及び速度を設定閾値と比較して要危険回避状態となっていると判定した場合に、自動操縦による操縦信号によって飛行動作が制御される自動制御モードに切り替える制御を行うモード切替制御部と、
前記モード切替制御部により自動制御モードに切り替えられた状態で、危険回避のための飛行を実行させる操縦信号を生成する危険回避制御部と、
前記危険回避制御部による操縦信号に応じた飛行で危険回避が行われたと判定された後に、飛行体を空中停止による待機状態とするための操縦信号を生成する待機飛行制御部と、を備えている
飛行体。A flying object having a rotor for flight,
A sensor unit for detecting a flight state or a flight position of the flying object;
One or more actuators for realizing the flight motion;
A switch for selectively supplying a steering signal according to a maneuvering operation of a person and a steering signal by automatic piloting to the actuator,
A flight control device,
The flight control device includes:
Oite during a manual control mode flight operation is controlled by a steering signal corresponding to the steering manipulation of ahuman, the attitude and set a speed threshold flight body obtained from the detection signal of the sensor portion mounted on aircraft Amode switching control unit that performs control to switch to anautomatic control mode in which a flight operation is controlled by a steering signal by automatic pilotingwhen it is determined that it is in a danger avoidance state in comparison;
Adanger avoidance control unit that generates a control signal for executing a flight for danger avoidance in a state wherethemode switching control unit is switched to the automatic control mode;
After risk aversion flight in accordance with the steering signal fromthe danger avoidance control unit it is determined to have been made,provided with a standby flight control unit for generating a steering signal to the aircraft in astandby stateby hovering aircraftit is.

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