JP3201337B2 - 移動体の操縦装置 - Google Patents

移動体の操縦装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は移動体の操縦装置に
関するものであり、例えば、模型ヘリコプタ、模型飛行
機等において、ヨー軸の姿勢制御に用いることができ
る。
【０００２】
【従来の技術】模型ヘリコプタを操縦する上で、ヨー軸
制御の安定化に、ジャイロ装置（テール安定装置）は不
可欠な補助装置となっている。ヘリコプタは、ヨー軸の
自律安定性を持っていないため、ジャイロ装置が搭載さ
れていないと機首が水平に振れることになる。
【０００３】模型ヘリコプタのヨー軸操縦操作は、操縦
側の操作指令により、ヨー軸の回転運動を起こさせ、目
的の方角にヘリコプタの機体を向ける。ジャイロは、操
縦側の操作指令がないときは、ヨー軸の回転を停止させ
る動作をするとともに、操縦側から操作指令があるとき
は、速やかにこれに反応してヨー軸を回転させるとい
う、いわば、相反する制御を行う必要がある。模型用ジ
ャイロの構成は、模型ヘリコプタに搭載された角速度検
出センサの信号と角速度の目標値である基準信号との誤
差を検出し、ヘリコプタのヨー軸の回転速度を検出す
る。この信号は、ヘリコプタのヨー軸制御用アクチュエ
ータに伝達され、ヨー軸の角速度をゼロにするように、
フィードバック制御がなされる。従来、このフィードバ
ック制御方法としては、構成の簡単なＰ（比例）制御方
式が使われてきた。このＰ制御方式は、制御器の出力を
目標値に対する測定値の誤差に比例させるものである。
【０００４】図２は、従来のＰ制御方式によるヨー軸の
操縦装置のブロック線図である。図中、２１，２３，１
１は加え合わせ点、２２はＰ制御器、９はアクチュエー
タ、１０はヨー軸駆動部、１２は機体、１３はヨー軸角
速度検出センサである。ヨー軸角速度検出センサ１３と
しては、レートジャイロまたは圧電式振動ジャイロ（圧
電振動方式角速度検出センサ）等が用いられる。このヨ
ー軸角速度検出センサ１３が測定した角速度信号は、加
え合わせ点２１において角速度ゼロ基準値との差分が取
られてＰ制御器２２に入力される。Ｐ制御器２２の出力
は、加え合わせ点２３においてヨー軸操作信号と加え合
わされてアクチュエータ９に入力される。アクチュエー
タ９の出力は、ヨー軸駆動部１０に入力され、ここでテ
ールロータのピッチ角を変化させてヨー軸まわりの駆動
力を変化させる。
【０００５】ヨー軸駆動部１０の出力は、仮想的な加え
合わせ点１１においてメインロータの反力あるいは風等
の外乱と加算され機体１２に入力される。機体１２のヨ
ー軸まわりの角速度は、ヨー軸角速度検出センサ１３に
より検出され、この検出出力が、先に説明した加え合わ
せ点２１に結合される。この図では省略しているが、模
型用ヘリコプタの操縦者が機体１２のヨー軸まわりの角
度を目視しながら、無線操縦機のスティックを操作して
リモートコントロール信号を機体側に送信することによ
り、ヨー軸操作信号を加える制御ループもある。
【０００６】このＰ制御方式のジャイロ装置の場合、ヨ
ー軸制御操作は、ヨー軸角速度検出センサ１３のセンサ
出力信号を角速度補正信号として機能させ、この角速度
補正信号とは極性が反対となるヨー軸操作信号を操縦側
からＰ制御器２２の出力側に与え、その差によりヨー軸
の回転運動を起こさせている。ヨー軸角速度検出センサ
１３の側から見ると、ヨー軸操作信号は外乱と同様なも
のであり、Ｐ制御器２２の入力である角速度のオフセッ
トに比例した回転運動が発生することになる。その結
果、横風等の外乱を受けるとヨー軸が移動してしまうと
いう欠点があり、正確なホバリングが難しい。
【０００７】近年になって、上述したＰ制御方式の欠点
であるオフセットをキャンセルできるＰＩＤ制御方式の
模型用ジャイロ装置が製品化されている。このＰＩＤ制
御方式は、調節器出力を誤差に比例したものとする比例
動作に加えて、誤差がある限りこれを積分した値を出力
する積分動作、および、誤差の変化に比例した値を出力
する微分動作を行うものである。この微分動作は、単独
では用いず比例動作，積分動作を改善する目的で使用さ
れる。そのため、本明細書では、ＰＤ制御方式とＰＩＤ
制御方式とを同一のものとして説明する。
【０００８】図３は、ＰＩＤ制御方式によるヨー軸の操
縦装置のブロック線図である。図中、図２と同様な部分
には同じ符号を付して説明を省略する。３１は加え合わ
せ点、３２はＰＩＤ制御器である。ヨー軸角速度検出セ
ンサ１３の出力信号は、加え合わせ点３１において、角
速度ゼロ基準値およびヨー軸操作信号と加算され、ＰＩ
Ｄ制御器３２に出力される。ＰＩＤ制御器３２の出力
は、アクチュエータ９に入力される。アクチュエータ９
の出力は、ヨー軸駆動部１０に入力され、ここでテール
ロータのピッチ角を変化させてヨー軸まわりの駆動力を
変化させる。ヨー軸駆動部１０の出力は、仮想的な加え
合わせ点１１において外乱と加算され機体１２に入力さ
れる。機体１２のヨー軸まわりの角速度は、ヨー軸角速
度検出センサ１３により検出され、この検出出力が、先
に説明した加え合わせ点２１に結合される。
【０００９】ＰＩＤ制御方式では、操縦側のヨー軸操作
信号は、ジャイロ側の目標値である角速度ゼロ基準値を
オフセットさせるように動作する。つまり、この操作信
号は外乱ではなく、ヨー軸角速度の指令信号となる。こ
のように、Ｐ制御とＰＩＤ制御とでは操縦側の操作信号
に対して、ジャイロ側の動作が異なる。このＰＩＤ制御
では、Ｉ制御により外乱を補正できるため、外乱に対し
て非常に安定なシステムを構築できる。しかし、その反
面、Ｉ制御により過渡応答が劣化し、急激に変化するヨ
ー軸操作信号を与えた場合、ヨー軸の運動停止までの時
間が、Ｐ制御に比べて時間がかかるという欠点を持って
いる。したがって、制御器としてＰ制御，ＰＩＤ制御を
切り替えられるものを採用し、ヘリコプタの飛行パター
ンにより、適宜、Ｐ制御とＰＩＤ制御とを使い分けるこ
とが考えられる。
【００１０】Ｐ制御方式では、ヘリコプタの飛行開始時
に、ヨー軸を停止させるための初期設定としてトリム操
作を行う必要がある。このトリム操作は、操縦する操作
内容ごとに、それそれのトリムレバーを移動させ、操作
信号に操縦側からのトリム補正信号を加えることによっ
て、操縦機の操作スティックのニュートラル位置にて安
定した釣り合い状態になるようにする操作である。この
トリム補正信号は、Ｐ制御時の操作信号の釣り合い基準
値（ニュートラル値）となる。図２においては、釣り合
い応じた基準値が図２の加え合わせ点２１に印加される
ことになる。
【００１１】一方、図３に示したＰＩＤ制御の場合、Ｉ
制御によりトリム操作はジャイロ側で補正してしまうの
で不要である。しかし、Ｐ制御からＰＩＤ制御に切り替
えたときに、Ｐ制御において加えたこの釣り合い基準値
は、ＰＩＤ制御側で見ると角速度指令信号となるため、
ヨー軸運動が発生してしまうという欠点がある。これを
解決する方法として、Ｐ制御用とＰＩＤ制御用に別々に
トリム補正信号を持つ操縦装置を使えばよい。しかし、
操縦装置が複雑となりコストアップの要因ともなる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した問
題点を解決するためになされたもので、Ｐ制御からＰＩ
Ｄ制御に切り替えたときのオフセットによる運動の発生
を抑える移動体の操縦装置を提供することを目的とする
ものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
おいては、制御器をＰ制御またはＰＩＤ制御に切り替え
て移動体を操縦する移動体の操縦装置であって、前記Ｐ
制御時における操縦側の操作信号の釣り合い基準値を保
持する記憶手段を有し、前記制御器は、前記Ｐ制御から
前記ＰＩＤ制御に切り替えられたときには、前記記憶手
段に保持された前記釣り合い基準値を、前記制御器に入
力される誤差信号から引いて前記被操縦装置をＰＩＤ制
御することにより、前記Ｐ制御時における前記操作信号
の釣り合い基準値によるオフセットをキャンセルするも
のである。したがって、急激な変化に対する速い応答が
要求される場合にＰ制御を行い、外乱に対する安定性が
要求される場合にＰＩＤ制御を行うといったように、状
況に応じて制御方式を変化させることができる。その
際、Ｐ制御からＰＩＤ制御に切り替えられたときに、Ｐ
制御時の操作出力信号の釣り合い基準値によって発生す
る誤差をキャンセルし、オフセットによる運動の発生を
抑えることができる。
【００１４】請求項２に記載の発明においては、制御器
をＰ制御またはＰＩＤ制御に切り替えて移動体を操縦す
る移動体の操縦装置であって、前記Ｐ制御時における操
縦側の操作信号の釣り合い基準値を保持する記憶手段を
有し、前記制御器は、前記Ｐ制御時においては、目標値
と測定値信号との誤差を入力して前記移動体をＰ制御
し、前記ＰＩＤ制御時においては、前記目標値および前
記操縦側の操作信号と前記測定値信号との誤差を入力し
て前記移動体をＰＩＤ制御するとともに、前記Ｐ制御か
ら前記ＰＩＤ制御に切り替えられたときには、前記記憶
手段に保持された前記釣り合い基準値を、前記制御器に
入力される前記誤差から減算してＰＩＤ制御するもので
あり、前記制御器の出力信号と前記操作信号とを前記被
操縦装置に出力することにより、前記制御器が前記Ｐ制
御状態における前記操作信号の釣り合い基準値によるオ
フセットをキャンセルするものである。したがって、急
激な変化に対する速い応答が要求される場合にＰ制御を
行い、外乱に対する安定性が要求される場合にＰＩＤ制
御を行うといったように、状況に応じて制御方式を変化
させることができる。その際、Ｐ制御からＰＩＤ制御に
切り替えられたときに、Ｐ制御時の操作出力信号の釣り
合い基準値によって発生する誤差を簡単な構成で容易に
キャンセルし、オフセットによる運動の発生を抑えるこ
とができる。
【００１５】請求項３に記載の発明においては、請求項
１または２に記載の移動体の操縦装置において、前記移
動体は模型ヘリコプタであり、前記測定値信号はヨー軸
の角速度検出信号であり、前記制御器は前記ヨー軸の角
速度をフィードバック制御するものである。したがっ
て、ヘリコプタの飛行状況に応じて制御方式を切り替え
ることにより、ヨー軸制御系の応答性および外乱に対す
る安定性を向上させるとともに、Ｐ制御方式からＰＩＤ
制御方式への切り替え時にヨー軸運動の発生を抑えるこ
とができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態を
説明するためのヨー軸の操縦装置のブロック線図であ
る。図中、図２と同様な部分には同じ符号を付して説明
を省略する。１，５，８は加え合わせ点、２は基準値メ
モリ、３，４，７はＰ／ＰＩＤ切り替え部、６はＰ／Ｐ
ＩＤ制御器である。Ｅｐは操縦装置からのヨー軸操作信
号であり、Ｐ／ＰＩＤ制御器６から出力された制御信号
と加え合わせ点８において加えられ、アクチュエータ９
に入力され、ヨー軸駆動部１０によりヨー軸制御を行
う。模型ヘリコプタに搭載されたヨー軸角速度検出セン
サ信号Ｓa は、加え合わせ点５において、後述する基準
信号ｒと比較され、その誤差信号がＰ／ＰＩＤ制御器６
に加えられ、制御信号の生成が行われる。Ｐ／ＰＩＤ切
り替え部３，４，７は、Ｐ／ＰＩＤ制御を切り替えるも
ので、通常、操縦側の制御信号により操作される。
【００１７】まず、Ｐ／ＰＩＤ切り替え部７により、Ｐ
／ＰＩＤ制御器６がＰ制御状態になっているときを説明
する。Ｐ／ＰＩＤ切り替え部３により基準値メモリ２は
ヨー軸操作信号Ｅp を書き込んで保持しているが、Ｐ／
ＰＩＤ切り替え部４により、加え合わせ点５には出力さ
れない。Ｐ／ＰＩＤ切り替え部４により、角速度ゼロ基
準値ｒz が加え合わせ点５に出力され基準信号ｒとなっ
ている。したがって、図２に示したＰ制御系のブロック
線図に一致する。
【００１８】次に、Ｐ／ＰＩＤ切り替え部７により、Ｐ
／ＰＩＤ制御器６がＰＩＤ制御状態になっているときに
ついて説明する。基準値メモリ２は、ＰＩＤ制御時の基
準値ｒb を記憶する装置で、Ｐ／ＰＩＤ切り替え部３に
よりＰ制御からＰＩＤ制御に切り替えられたときの、切
り替え直前に書き込まれていたヨー軸操作信号Ｅp を保
持してＰＩＤ制御を行うときの基準信号ｒb とするもの
である。ＰＩＤ制御時の基準値ｒb は、加え合わせ点１
において、角速度ゼロ検出基準値ｒz ，ヨー軸操作信号
Ｅp と加算されてＰ／ＰＩＤ切り替え部４のＰＩＤ側端
子に出力される。したがって、ＰＩＤ制御状態では、基
準信号ｒは、ｒ＝ｒz ＋Ｅp −ｒb となる。さらに、基
準信号ｒは、Ｐ／ＰＩＤ切り替え部４により加え合わせ
点５に出力され、ヨー軸角速度検出センサＳa との誤差
がＰ／ＰＩＤ制御器６に入力される。
【００１９】実際の使用例は、Ｐ制御で最初に飛行を行
い、操縦側よりトリム操作によりＥp を変化させ、ヨー
軸が停止したニュートラル状態にする。この状態で、Ｐ
制御のトリム操作を完了する。Ｐ制御によりヘリコプタ
を操縦した後、ニュートラル状態においてＰＩＤ側に操
作を切り替えると、Ｐ制御でニュートラルであるときの
ヨー軸操作信号Ｅp ’が基準値メモリ２に保持される。
基準信号ｒは、ｒ＝ｒz ＋Ｅp −ｒb ＝ｒz ＋（Ｅp −
Ｅp ’）となり、Ｐ／ＰＩＤ制御器６がＰＩＤ制御状態
に切り替わるときに、Ｐ制御時のスイッチ切り替えによ
るトリムのオフセット（Ｅp ’の値）をキャンセルする
ことができる。このように、Ｐ制御からＰＩＤ制御に切
り替える時点で、ヨー軸操作信号ＥｐをＥp ’として基
準値メモリ２に記憶保持し、ＰＩＤ制御側の角速度指令
信号を正規化して、トリムずれを回避することができ
る。
【００２０】ＰＩＤ制御時においても、ヨー軸操作信号
Ｅp をＰ／ＰＩＤ制御器６の出力とともにアクチューエ
ータ９に入力しており、フィードバックと同時にフィー
ドフォーワード制御も行い、応答性を良くしているが、
このフィードフォワード制御を省略してもよい。なお、
ＰＩＤ制御からＰ制御に切り替えるときには、ＰＩＤ制
御によりオフセットは自動的にゼロになっているため、
Ｐ制御時に切り替えられたときには問題が発生しない。
【００２１】上述した説明では、無線操縦される模型ヘ
リコプタのヨー軸の操縦装置について説明したが、本発
明を、模型ヘリコプタの他の２軸の操縦、ロール軸、ピ
ッチ軸の操縦に適用することもできる。また、模型飛行
機のヨー軸、あるいは他の軸の操縦、空撮用，農薬散布
等の遠隔制御ヘリコプタや遠隔制御飛行機のヨー軸、あ
るいは他の軸の操縦、模型ボートや模型自動車の操縦の
ほか、一般の移動体の操縦に適用することができる。
【００２２】
【発明の効果】上述した説明から明らかなように、本発
明によれば、Ｐ制御からＰＩＤ制御に切り替える際に、
Ｐ制御状態における釣り合い基準値がＰＩＤ制御時にオ
フセットならないようにキャンセルすることができると
いう効果がある。例えば、無線操縦されるヘリコプタや
飛行機のヨー軸制御に用いれば、飛行パターンに適応し
た姿勢制御を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を説明するためのヨー軸
の操縦装置のブロック線図である。
【図２】従来のＰ制御方式によるヨー軸の操縦装置のブ
ロック線図である。
【図３】ＰＩＤ制御方式によるヨー軸の操縦装置のブロ
ック線図である。
【符号の説明】
２ 基準値メモリ、３，４，７ Ｐ／ＰＩＤ切り替え
部、６ Ｐ／ＰＩＤ制御器、９ アクチュエータ、１０
ヨー軸駆動部、１２ 機体、１３ ヨー軸角速度検出
センサ、２２ Ｐ制御器、３２ ＰＩＤ制御器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ // Ｂ６４Ｃ 13/16 Ｂ６４Ｃ 13/16 Ｇ０５Ｂ 11/36 Ｇ０５Ｂ 11/36 Ｇ

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 制御器をＰ制御またはＰＩＤ制御に切り
    替えて移動体を操縦する移動体の操縦装置であって、 前記Ｐ制御時における操縦側の操作信号の釣り合い基準
    値を保持する記憶手段を有し、 前記制御器は、前記Ｐ制御から前記ＰＩＤ制御に切り替
    えられたときには、前記記憶手段に保持された前記釣り
    合い基準値を、前記制御器に入力される誤差信号から引
    いて前記移動体をＰＩＤ制御することにより、 前記Ｐ制御時における前記操作信号の釣り合い基準値に
    よるオフセットをキャンセルすることを特徴とする移動
    体の操縦装置。
  2. 【請求項２】 制御器をＰ制御またはＰＩＤ制御に切り
    替えて移動体を操縦する移動体の操縦装置であって、 前記Ｐ制御時における操縦側の操作信号の釣り合い基準
    値を保持する記憶手段を有し、 前記制御器は、前記Ｐ制御時においては、目標値と測定
    値信号との誤差を入力して前記移動体をＰ制御し、前記
    ＰＩＤ制御時においては、前記目標値および前記操縦側
    の操作信号と前記測定値信号との誤差を入力して前記移
    動体をＰＩＤ制御するとともに、前記Ｐ制御から前記Ｐ
    ＩＤ制御に切り替えられたときには、前記記憶手段に保
    持された前記釣り合い基準値を、前記制御器に入力され
    る前記誤差から減算してＰＩＤ制御するものであり、 前記制御器の出力信号と前記操作信号とを前記移動体に
    出力することにより、前記制御器が前記Ｐ制御状態にお
    ける前記操作信号の釣り合い基準値によるオフセットを
    キャンセルすることを特徴とする移動体の操縦装置。
  3. 【請求項３】 前記移動体は模型ヘリコプタであり、前
    記測定値信号はヨー軸の角速度検出信号であり、前記制
    御器は前記ヨー軸の角速度をフィードバック制御するも
    のであることを特徴とする請求項１または２に記載の移
    動体の操縦装置。
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