JPH0725355B2 - 航空機の操縦システムにおける複数の制御入力を入力するための入力装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は航空機の操縦装置に関するもので、特に完全に
新規な方式による操縦を可能とする航空機操縦装置に関
するものである。

［従来の技術］ 固定翼航空機、回転翼航空機（ヘリコプタ）のいずれに
於ても、操縦士は操縦桿、操縦レバー、操縦輪、足踏み
ペダル等の操縦手段を使用して、航空機の操縦翼面の位
置を制御して航空機の高度、姿勢、速度等を制御してい
る。最も簡単なシステムでは、操縦装置はケーブルによ
り制御翼面に連結されている。例えば、固定翼軽飛行機
では足踏ペダルがケーブルにより方向蛇に連結されてい
る。より複雑なシステムでは、流体圧サーボにより増力
される機械的連結部等を有する操縦装置が用いられる。

航空機システムが益々複雑化するにつれて、操縦室内に
多数の計器、スイッチ等が配設されており、これらの計
器、スイッチ等によって操縦席回りの空間の多くを占有
している。従って、操縦室内における操縦装置と他の装
置の配置が非常に繁雑となる。

典型的な航空機では、操縦桿上の操縦輪により航空機の
ロール及びピッチが制御され、足踏ペダルにより方向蛇
が制御され、スロットル・コンソールによりエンジン推
力が制御されている。一方、典型的なヘリコプタでは、
サイクリック・ピッチ桿により航空機のピッチ及びロー
ルが制御され、足踏ペダルによりヨーが制御され、コレ
クティブ・ピッチ桿による垂直揚力が制御されている。
これらの操縦装置及び操縦翼面への機械的連結部又はサ
ーボ機構によって座席室空間の多くの部分が占有されて
いる。例えば、操縦士座席の正面に操縦輪又は操縦桿を
配置した場合、操縦輪又は操縦桿をその空間内で種々の
位置に動かす必要があり、これらの操縦輪又は操縦桿が
操縦士の視野をさえぎるため、操縦士の正面に電子式表
示器等を配置することを困難なものにしている。また、
足踏ペダルによって、ヘリコプタのロギング・オペレー
ション、建設作業等における操縦士の前方及び下方視界
が妨げられることがある。また、乗客が操縦士座席の一
つに座っている時、操縦装置との乗客の不注意な接触に
より意図せざる操作が行われる可能性がある。更に、操
縦士座席への着座及び退席時にこれらの操縦装置が邪魔
になる。

操縦士及び副操縦士により操縦が行われるシステムで
は、その一方から他方への引継ぎが操縦システムに急激
な変化を与えることなく行なわれ得るように、操縦装置
が互いに位置を同期化されていることが必須である。こ
のために、操縦士の操縦装置の各々は対応する副操縦士
用の操縦装置と通常機械的に連結されている。機械的連
結をなくすために必要な流体圧又は電気式センサ及びア
クチュエータはこの使用目的には動作速度が遅過ぎまた
繁雑過ぎるので、実用的には使用不可能である。

上記の欠点のいくつかを解決するため、操縦士が手を座
席のアームに載せている状態で操作し得る所謂“サイド
アーム”操縦装置を提供する試みがなされてきた。この
サイドアーム式の操縦装置は、操縦士が高い加速度に耐
えなければならない高速航空機又は宇宙船内では、操縦
士の身体を座席にクッションで支える必要があるため操
縦士が座席内で操縦操作を行い得るので有効なものと考
えられている。このため、いくつかのサイドアーム操縦
装置が使用されるに至っている。

［発明の解決しようとする課題］ 従来、ある程度成功裡に用いられている典型的なサイド
アーム操縦装置は二軸方向の制御、一般にはピッチ軸及
びロール軸方向の制御に制限されている。従って、スロ
ットル又はコレクティブ・ピッチ桿及び足踏ペダルは従
来のまま残されているので、それらを操作するため操縦
士は座席の外に手を伸ばさなければならず、また足踏ペ
ダルを踏み得る姿勢をとらなければならない。また、座
席室の装置の繁雑さの解消も不十分である。

三軸又はそれ以上の軸方向に操作可能なサイドアーム操
縦装置を製作することも試みられてきた。これらの軸に
は、例えばピッチ軸、ロール軸及びヨー軸、又はピッチ
軸、ロール軸及びコレクティブ・ピッチ軸（又は固定翼
航空機ではスロットル軸）が含まれている。しかし、三
軸又はそれ以上の軸で作動するように設計されたサイド
アーム操縦装置は各操縦軸間の交差結合に起因する共通
の欠点を持っている。即ち、前後及び左右運動によりピ
ッチ方向制御及びヨー方向制御する場合、同一の操縦桿
の上下運動によりヘリコプタのコレクティブ・ピッチを
も制御することは不可能である。なぜならば、操縦桿を
前方及び後方に動かそうとすると、操縦桿はある程度上
方及び後方にも動く結果となる（その逆も同様）からで
ある。これは、人間の手が手首関節を枢動個所として前
腕に連結されているため、人間の手首関節の自然な運動
により操縦桿の異なる軸の間に交差結合が惹起されると
いう本質的な問題であると考えられる。同じことが、前
−後及び右−左運動と組み合わされているねじり運動に
ついても同様の問題が生じる。航空機の重量を減じ、信
頼性及び性能を向上するためにシステムに冗長性を持た
せ、また例えば、マイクロプロセッサ等の最新技術の利
点を取り入れるために航空機内の機械的相互結合を避け
て電気的又は光学的に（又はその双方により）センサ及
びアクチュエータを結ぶことを特徴とする“フライ・バ
イ・ワイヤ（fly−by−wire）”システムについてもい
くつかの検討がなされてきた。このような場合、航空機
の操縦翼面の制御を行うためにブースタ・サーボを駆動
する通常の機械的リンケージが電気式位置にセンサによ
り置換され、それにより電気／流体圧アクチュエータが
制御される。しかし、複雑及び座席室取付装置を増さず
に操縦士の操縦手段と副操縦士の操縦手段との間の同期
化を行ない得るフライ・バイ・ワイヤ式システムを実現
することはこれまで困難であった。従って、現在一般の
操縦手段を有する航空機に用いるべく構成されたフライ
・バイ・ワイヤ式システムでは、操縦士の操縦手段と副
操縦士の操縦手段との間は機械的に連結され、その単一
の機械的連結部に電気式トランスデューサを結合するこ
とが一般的となっている。このことは、操縦士と副操縦
士との間で引継ぎが行なわれる場合に操縦装置（例えば
ヘリコプタの操縦桿又は固定翼航空機の操縦輪）の位置
は操縦士側と副操縦士とで同一でなければならないが、
この運動又は位置の同期化は、過大な空間をとらない高
速追従システムの実現が本質的に困難であるため、機械
的相互結合以外では容易に行なわれ得ないものとなって
いた。

本発明の目的は、操縦室の操縦機器の配置は簡素化し、
操縦士の視野を広げ、操縦士の疲労を軽減し、またフラ
イ・バイ・ワイヤ及び（又は）フライ・バイ・ライト
（fly−by−light）式操縦システムの適用範囲を拡大し
得る航空機操縦システムにおける複数の制御入力を入力
するための入力装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の構成によれば、航空機のピッチ方向、ロール方
向、ヨー方向の姿勢制御、揚力又は速度制御のそれぞれ
に対応する四つの操作入力を入力するための装置であっ
て、前記ピッチ方向、ロール方向、ヨー方向の姿勢制
御、揚力又は速度制御の各航行制御動作のうち第一の航
行制御動作を行うために設定された第一の操作軸線に沿
った第一の操作方向と、第二の航行制御動作を行うため
に設定され、前記第一の操作軸線と同一平面上に設けら
れるとともに、所定の中立位置で前記第一の操作軸線と
交差する第二の操作軸線に沿った第二の操作方向と、第
三の航行制御動作を行うために設定され、前記第一及び
第二の操作軸線の配設面と垂直に交差し且つ前記中立位
置において前記第一及び第二の操作軸線と交差する第三
の操作軸線に沿った第三の操作方向と、第四の航行制御
動作を行うために設定され、前記第三の操作軸線を中心
とした回転方向にそれぞれ独立して手動操作ができるよ
うに構成されており、各操作方向に関して微小の操作ス
トロークで操作するように構成された単一の操縦桿を備
えた操作手段と、 前記操作手段の前記操縦桿に負荷される前記第一の操作
方向の操作入力の大きさと方向に応じて、前記第一の航
行制御動作方向の所望の制御値を示す第一の制御入力信
号を発生する第一の制御入力信号発生手段と、 前記操作手段の前記操縦桿に負荷される前記第二の操作
方向の操作入力の大きさと方向に応じて、前記第二の航
行制御動作方向の所望の制御値を示す第二の制御入力信
号を発生する第二の制御入力信号発生手段と、 前記操作手段の前記操作桿に負荷される前記第三の操作
方向の操作入力の大きさと方向に応じて、前記第三の航
行制御動作方向の所望の制御値を示す第三の制御入力信
号を発生する第三の制御入力信号発生手段と、 及び 前記操作手段の前記操縦桿に負荷される前記第四の操作
方向の操作入力の大きさと方向に応じて、前記第四の航
行制御動作方向の所望の制御値を示す第四の制御入力信
号を発生する第四の制御入力信号発生手段とによって構
成したことを特徴とする航空機の操縦システムにおける
複数の制御入力を入力するための入力装置が提供され
る。

［作用］ 上記した本発明の構成によれば、操作手段を介して各操
作軸線に沿って操作力を加えることによって、航空機の
ピッチ方向、ロール方向、ヨー方向の姿勢制御、揚力又
は速度制御のための制御入力の入力動作が行われる。

［実施例］ 本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は、以下にそ
の好ましい実施例を図面により詳細に説明するなかで一
層明らかとなろう。

第１図を参照すると、本発明によるサイドアーム操縦装
置10には検出トランスデューサ13と、このトランスデュ
ーサに結合された操縦桿12を含んでいる。トランスデュ
ーサ13と操縦桿12で形成されるユニットは、操縦席16の
アームレスト14の上に配設されている。なお、アームレ
スト14は、必要に応じて操縦席10への着座及び操縦席か
ら離脱を容易にするため、参照数字18を付されている部
分を中心に回動可能に操縦席に取付けることも出来る。
第１図に示されているように、サイドアーム操縦装置10
は前後方向、右左方向、上下方向及び上下方向軸線を中
心とする回動方向に操作可能となっている。本実施例に
おいては、操縦桿12を前後方向に操作することによって
航空機のピッチ方向の制御を行うように構成されてお
り、従って、ヘリコプタでは縦方向サイクリック・ピッ
チ・チャネル又は固定翼航空機の昇降蛇が制御される。
また操縦桿12を右左方向に操作することによって航空機
のロール方向の制御が行われるように構成されており、
ヘリコプタの横方向サイクリック・ピッチ・チャネル又
は固定翼航空機の補助翼が制御される。操縦装置10の操
縦桿12を上下方向軸線を中心に回転方向に操作すること
によって、航空機のヨー方向制御が行なわれ、ヘリコプ
タの尾部ロータ・ピッチ・チャネル又は固定翼航空機の
方向蛇が制御される。更に、図示の実施例においては、
操縦装置10の操縦桿12を上下方向に操作することによっ
ては揚力又は速度の制御が可能となっており、ヘリコプ
タのコレクティブ・ピッチ・チャネル又は固定翼航空機
のエンジン・スロットル及び（又は）プロペラ・ブレー
ド・ピッチが制御される。

本発明の好適実施例によるサイドアーム操縦装置10にお
いては上記した四つの操作方向の全部又は一部の操作方
向への操縦操作において操縦桿12の動作ストロークは、
トランスデューサ13によって検知し得る最小のストロー
クに設定されており、操縦士が最小のストロークで操作
出来るように設計されており、トランスデューサ13は、
操縦桿12の動作ストロークではなく、操縦桿に加えられ
る操作力を検出して、この操作力に応じた出力信号を発
生する。

上記のように操縦桿の運動ストロークを微小とすること
によって、操縦士の操縦操作における手首関節の自然な
運動に起因して発生する複数の操作方向への操縦操作が
複合する操縦方向の交差結合（例えば上方への操縦操作
に伴う操縦桿の後方へのストローク動作が惹起される現
象）が生じることを未然に防止出来るものとなる。従っ
て、上記した四つの方向への操縦操作を独立して行い得
るものとなる。なお、この形式の操作力感応型の操縦桿
は市場で容易に入手可能であり、その一例として米国コ
ネチカット州ノーウォーク所在のメジャーメント シス
テムズ インコーポレーテッド（Measurement Systems.
Inc.）より製作されているモデル404−G517がある。そ
れ以外の操作力感応型操縦桿も利用可能である。なお、
本発明の操縦システムに使用する上で必要な条件は、操
縦桿が全ての操作方向に十分な剛性を有し、また適当な
範囲（例えば各操作方向に10〜18kgのオーダー）の操作
入力に対して所要の出力信号を生ずる感度を有している
ことである。また、かかる操作力を検出するためのトラ
ンスデューサとしては、ストレインゲージ等を用いるこ
とが出来る。上記した本実施例の構成によれば、操縦士
は、操縦操作において操縦桿の移動をほとんど感知しな
いものとなる。ここで、操縦士によって感知されない程
度の運動とは、操作力によって生ずる変位が操縦士に運
動感覚を与えないほど微小であり、手の運動に伴なう軸
間の交差結合が問題にならない程度の運動を指してい
る。

上記のように、本実施例によれば、操縦桿の操作ストロ
ークが操縦士によって感知されない程度の極めて小さく
操縦桿を通じて入力される操作力のみに感応する多軸形
操作力型操縦桿の使用により、三軸又は四軸での操縦に
おいてそれぞれの異なる操作方向間の交差結合を生じな
いものとしている。

一方、この種の操縦装置10を使用した場合、ほぼ一定の
力を加え続けることは操縦士に疲労感を覚えさせること
がある。これは、複数の操作方向の操縦操作が連続する
場合には、特に一定の操作力を加え続けることで操縦士
が一層著しい疲労を招くことは明らかである。

更に、突風条件のもとにホバー中のヘリコプタの180゜
旋回のように複数の操縦方向での急速な飛行運動を片手
で操縦するのは困難である。手自体の機能及び航空機の
応動への操縦士の反応を含む人間工学的な因子が全て理
解されているわけではないが、上記の困難はかかる複雑
な飛行運動中に二つ以上の操作方向への操縦操作間相互
に関連を持たせて指令を与える必要があることに起因す
るものと考えられる。本発明に用いられる操作力感応型
操縦桿は、操作桿のストローク位置に応じた指令を与え
る従来の操縦桿と異なり、それ自体では視覚又は他の身
体支部分（例えば膝）に対する手の相対位置感覚により
操縦を行うことはできない。また、従来の操縦装置では
操縦操作が種々の身体部分に割り当てられており、片手
で互いに関連を持たせて操縦する必要があるのはピッチ
およびロール方向の制御を行う操縦桿又は操縦輪のみで
あるのに対して、本発明の操縦システムでは全ての方向
の制御を片手による操縦で行なわなければならない。

多軸操作力感応型操縦桿の使用に伴なう上記の問題を解
消するために、本実施例による操縦システムでは、比例
成分と積分成分を用いた信号処理回路を用いることによ
り各方向の制御起点を浮動化している。即ち、操縦士に
より与えられた全ての操作入力によってそれぞれ対応す
る制御方向の新たな制御起点（又は基準点）が更新され
る。従って、本発明によれば、操縦士は航空機の姿勢、
速度、高度及びそれらの変化を肉眼観察又は計器により
知らながら、現在の操縦翼面の位置を補正するように操
縦を行うことができる。

第２図には、第１図で説明した多軸操作力感応型操縦桿
を用いた本発明による操縦システムがブロック図で示さ
れている。操縦装置10は複数個の出力端20〜23を有し、
それぞれに操縦桿12に入力される垂直方向、前後方向、
左右方向又は回転方向の操作力に対応し、操作力の強さ
に対して所定の関数となる電圧値の電圧信号を生ずる。
第１図で説明した操縦桿12では各操作方向には両方向性
を有している。即ち、垂直方向の操作には上向方向の操
作と下向方向の操作があり、前後方向の操作には前方向
と後方向の操作があり、左右方向の操作には右方向の操
作と左方向の操作があり、又、回転方向の操作には時計
回り方向と反時計回り方向の操作がある。本実施例の操
縦装置10は、各制御方向における操縦桿12の操作方向に
応じてそれぞれ極性の異なる電圧を生ずるように構成さ
れている。前記の操作力感応型操縦装置では、電圧は操
作力に対してほぼ直線関係を有する構成となっており、
従って、本実施例において出力端20〜23に発生する出力
電圧の絶対値は、操作力とリニアに比例している。しか
しながら、出力端20〜23の出力電圧を操作力に対してリ
ニアに比例させることは、本発明の実施において必須な
ものではなく、出力電圧と操作力の関係が非直線関係と
なっている場合にも、出力端20〜23の各々に対して信号
整合回路24〜27を設け、この信号整合回路24〜27によっ
て操作力に対して所望の関数関係をもつ電圧信号を導線
28〜31上に発生させ、それらの信号整合回路24〜27の出
力電圧を制御システムへの実際の信号入力とすることが
できるからである。

回路26により行われる信号整合の一例が第３図に示され
ている。横軸に左方もしくは右方への横方向の操作力
が、縦軸には導線30上の回路20の出力電圧がとられてい
る。この信号整合はもちろん導線22上の信号の操作力−
電圧関係に応じた電圧−整合である。しかし、この例で
は所望の関数関係として、操縦桿への不注意な接触その
他の理由により操縦桿に横方向零点からわずかに偏向す
る力が加わっても制御システムを作動させないように、
右方にも左方にも約0.5lb（0.23kg）の不感帯が設けら
れている。この不感帯は、前記のように、わずかな意図
せざる信号が長時間にわたり積分されるのを避けるため
に必要である。各方向に0.5lb（0.23kg）から4lb（1.8k
g）までの力に対して、出力電圧は0Vから0.8Vまで直線
的に増大する。更に、各方向に41b（1.8kg）以上の力に
対しては、出力電圧は非直線的に増大し、入力される操
作力が大きい範囲では感度を高く設定されている。第３
図では電圧−操作力関係が力の増大と共に傾斜が大きく
なる非直線関係として示されているが、制御システムの
他の素子例えば流体圧サーボの特性、航空機の飛行特性
及び所望の応答等に応じて、本発明を実施するのに適し
た任意の関数関係が選択されることが可能である。

第３図に示した信号整合動作を行うために用いる信号整
合回路は、第４図に例示するようにバイアス付き増幅器
及びリミット付き増幅器の適当な組合わせにより簡単に
実現することが出来る。第４図の信号整合回路26は、六
つの増幅器26a〜26fで構成されている。増幅器26a及び2
6bはバイアス付き増幅器であり、0.5lb（0.23kg）の力
を表わす入力電圧まではゲインが０であり、それ以上で
はゲインが１である。これらの増幅器によって±0.5lb
（±0.23kg）の不感帯を簡単に与えることが出来る。増
幅器26cおよび26dはリミット付き増幅器であり、一方の
極性の入力電圧に対してはゲインが０であるが、他方の
極性の入力電圧に対しては0.2V/1lb（0.45kg）のゲイン
を有し、入力電圧が4lb（1.8kg）のリミットに達した後
は0.8Vの出力電圧で飽和する。これらの増幅器は低感度
領域を形成する。更に増幅器26aおよび26fはバイアス付
き増幅器であり、4V以下の入力電圧に対してはゲインが
０であるが、それを越える入力電圧に対してはゲインが
増幅器26c及び26dのゲインよりも大きくなるように設定
されている。これらの増幅器は高感度領域を形成する。
低感度領域用及び高感度領域用の増幅器26c〜26fの出力
電圧は加算点26gで加算される。加算点は専用の加算増
幅器から構成されていてもよいし、後で説明する第２図
中の比例積分特性の回路への入力回路として構成されて
いてもよい。

ピッチおよびヨー・チャネルの信号整合回路の特性は第
３図で説明したものに限定されるものではなく、これと
同様の作用を行ういかなる回路をも用いることが出来
る。なお、本発明の実施例では、ピッチ・チャネルの信
号整合回路の特性は第３図に示したロール・チャネルの
信号整合回路の特性と同一であり、ヨー・チャネルの信
号整合回路の特性はロール・チャネルの特性と、ゲイン
が0.225V/1inch・lb（0.01m・kg）であり不感帯が±0.2
7inch・lb（±0.003m・kg）である点を除いては同一で
ある。

他方、コレクティブ・チャネルすなわち垂直チャネルの
信号整合回路は力の増大と共に傾斜が小さくなる点で他
の三つのチャネルの信号整合回路とは特性が異なってい
る。第５図に示されている例のように、垂直チャネルで
は最大操縦桿入力として（右左及び上下方向の操作の場
合のように20lb（9.1kg）ではなく40lb（18.2kg）の力
を必要とする。±1lb（±0.45kg）の不感帯が設けられ
ており、直線的部分のゲインは上方では0.19V/1lb（0.4
5kg）のオーダー、下方では0.8V/1lb（0.45kg）のオー
ダーである。さらに、第５図はコレクティブ・ピッチと
対空速度との間の垂下特性に順応するため力の増大と共
に傾斜が（ピッチ、ロールおよびヨー・チャネルの場合
のように大きくなるのではなく）小さくなることを示し
ている。いずれの操作方向に於ける電圧−操作力関係も
第４図のようないくつかのバイアス付き増幅器及びリミ
ット付き増幅器の組み合わせで実現され、不感帯もゲイ
ンも正側と負側とで独立に調節され得る。尚、適当なデ
ィジタル計算機が用いられている場合には、第３図およ
び第５図に示した特性を、導線20〜23上の電圧の大きさ
に基づいてルックアップ・テーブルを用いて得ることも
でき、このような方法については、本願の出願人と同一
の譲受人に譲渡された1978年８月31日付の米国特許出願
第938,583号“フェール・オペレーショナル、フェール
・セーフ多重計算機制御システム”に開示されている。

第２図を参照すると、整合された導線28〜31上の信号は
複数個の増幅器32〜39に与えられる。そのうち増幅器32
〜35は比例増幅器であり、増幅器36〜39は積分増幅器で
ある。従って増幅器32〜39は航空機の操縦翼面への操縦
入力の比例／積分ゲインを与える。増幅器の各々が対応
する導線40〜47上に生ずる出力の対はそれぞれ加算点で
対応する導線54〜57上の負フィードバック信号と共に加
算される。対応する導線60〜63上の各加算点の出力は位
置偏差信号であり、それにより適当な増幅器64〜67を介
して流体圧サーボ74〜77の電磁弁70〜73が制御される。
三つのサーボ74〜76の機械的出力80〜82はミキサ84を介
してスオッシュ・プレート90への機械的入力86〜88を制
御する。それにより主ロータ92のブレードのピッチが制
御される。ヨー・サーボ77の機械的出力94はピッチ・ビ
ーム96を介して尾部ロータ98のブレードのピッチを制御
する。

各サーボ74〜77は位置センサ100〜103を備えており、各
サーボの機械的出力80〜82、94の位置を示す電気的信号
が対応する導線104〜107上に発せられる。これらの信号
は適当なスケーリングおよび絶縁の目的でそれぞれ増幅
器108〜111を介してフィードバック導線54〜57に与えら
れる。従って、各サーボの機械的出力の実際位置と目標
位置とが一致していない時には常に導線60〜63上の偏差
信号により増幅器64〜67を介して電磁弁70〜73が駆動さ
れ、その弁により不平衡状態にもたらされたサーボは作
動流体源113からコンジット112を経て与えられる加圧さ
れた作動流体によりピストンを動かされて、そのピスト
ンに連結されている機械的出力の実際位置を修正する。
かくして各サーボの機械的出力の実際位置は常にその目
標位置に追従する。上記のサーボおよび各種装置64〜11
3はいずれも公知のもので構成することが出来る。しか
しながら、サーボ74〜77は、操縦翼面の制御に従来用い
られているもののように電気的に修正される機械的ブー
スタサーボではなく、高速で最大規定限界まで電気的に
制御されるサーボでなければならない。本発明に用いる
のに適したサーボは容易に入手可能である。

第２図に示されている制御システムのうち一つの制御方
向に対するものの作動について説明すれば、本発明によ
る飛行制御の新規性を明らかにするのに十分である。例
えばコレクティブ・ピッチを大きくしたい時、操縦士は
操縦桿に上向きの力を加えると、その大きさの関数であ
る電気的信号が垂直軸出力端20に現れる。この信号は信
号整合回路24で第５図に例示したような関数関係に従う
信号に変換され、操縦指令信号として導線28上に与えら
れる。直ちに比例増幅器32が導線28上の信号を増幅し
て、導線40を経て加算点50にその一つの入力信号として
与える。それにより加算点50の出力は不平衡となる。な
ぜならば、サーボ74の位置センサ100からは現在の機械
的リンケージ80の位置を示す信号が導線54を経て加算点
50のフィードバック入力端に与えられているからであ
る。従って、加算点50の出力導線60上に偏差信号が現
れ、それが増幅器64により増幅された上で電磁弁70をそ
の平衡状態から不平衡状態に駆動し、それによりサーボ
74を作動させて機械的リンケージ80を所望の方向に駆動
する。サーボ74〜77は１秒のオーダーの非常に短い時間
で操縦翼面をその規定限界の全範囲にわたり駆動し得る
ものが用いられている。信号整合回路24および増幅器3
2、64のゲインによって、操縦士により操作力感応型操
縦装置10の操縦桿12に加えられた操作力がある限度より
も大きければ、電磁弁70に十分な大きさの信号が与えら
れるので、サーボ74はそのピストンに最大の流体圧を作
用させて、機械的リンケージ80に最大加速力を与える。
他方、もし操縦士により加えられた力が小さければ、最
初に比例増幅器32、加算点50および増幅器64を通って電
磁弁70に与えられる信号は小さいので、サーボ74内のピ
ストンを実際に動かすに至らない。

上記のような比例ゲインしか有さないシステムで完全な
操縦を行なうためには、機械的出力の所望の位置で例え
ば導線54上にフィードバックされる信号と平行する信号
を導線40上に与えるのに必要な力を、その機械的出力位
置を維持すべき期間にわたり、操縦士が操作力感応型操
縦装置の操縦桿に連続的に加えていなければならない。
この期間が長時間例えば数十分にわたれば、操縦士に疲
労をきたすことは明らかである。いくつかの操作方向
（本発明が四つの制御方向、即ちロール方向、ピッチ方
向、ヨー方向及び垂直方向（揚力）又は前後方向（速
度）の制御に用いる操縦システムに用いられている場合
には四つの操作方向）の全てで同時に力を加え続けなけ
ればならないことは、操縦士に更に疲労させる。

上記の疲労の問題を解決するため、従来の位置感応形操
縦手段を用いた操縦システムすなわち操縦桿等の位置と
操縦翼面の位置とが互いに対応している操縦システムで
は、操縦翼面の位置を修正する必要が生ずるまで操縦手
段の位置を例えば戻り止ばね等によって拘束しておき、
修正にあたっては戻り止ばねのばね力に抗して操縦手段
の位置の拘束を解除して、新たな修正点まで操縦手段を
移動させそこで再び操縦手段の位置を拘束する方式が採
用されている。しかし、かかる方式を採用することは、
三又は四つの操作方向への操縦操作が片手操作の操作力
感応型操縦装置の操縦桿で行なわれ、且つ比例ゲインし
か有さない操縦システムでは不可能である。その理由は
いくつかあるが、第一に、片手操作の操作力感応型操縦
装置の操縦桿自体に取付けられているボタンにより一つ
の操作方向に操縦桿を拘束しようとすれば、手がボタン
に触れる時のわずかな動きによりその操作方向又は他の
操作方向の指令入力に狂いが生ずる。第二に、拘束を解
除した時にも指令入力に狂いが生ずるので、それを各操
作方向で元に戻すことは力指示計が設けられているとし
てもほとんど不可能である。第三に、位置又は力を保持
するための特殊なサーボ機構を四つの操作方向の各々に
設けることは複雑であり、サイドアーム操縦桿の利点を
減殺してしまう。更に、ある時間をかけて操縦翼面を変
化させたい場合には、その時間的経過に従って操縦桿を
操作しなければならないので、上記の方式では操縦士の
負担が軽減されない。このような理由から、多軸操作力
感応型操縦装置の採用による前記の利点を活かすために
は、比例ゲインのみを有する操縦システムでは不十分で
ある。

そこで本発明にはもう一つの特徴として、比例／積分特
性の信号処理回路を多軸操作力感応型操縦装置と組み合
わせて用いる。それによって得られる特徴は、多軸形感
力操縦装置により与えられた指令に対する各操作方向の
操縦操作に対する各制御方向の操縦翼面の動作の追従の
仕方である。本発明の実施例では、各制御方向の操縦翼
面の位置は比例増幅器32〜35によって得られる比例成分
と、比例増幅器32〜35と並列に設けられた所定のフィー
ドフォワード積分ゲインを持つ積分増幅器36〜39により
得られる積分成分とによって決定される。

即ち、前記の動作の例で、いったん操縦士がリンケージ
80の位置の望ましい位置変化を示す信号を操作力感応型
操縦装置の操縦桿により与えると、瞬間的にはサーボ74
の作動は前記のように比例増幅器32からの導線40に出力
される比例成分に基づく指令に従って行われる。しか
し、サーボ74が導線40の比例成分に等しい信号を導線54
上にフィードバックする位置に到達する以前に、積分増
幅器36から導線40の比例成分信号と同一の極性を有する
積分成分信号が導線44に与えられる。積分増幅器36〜39
の時定数は、航空機の挙動に対する操縦士の反応に相応
する時間幅（例えば秒のオーダー）で全操縦方向の操作
入力を入力出来るように設定されている。従って、典型
的な場合、もし操縦士が操縦翼面をある大きさだけ修正
したければ、直に元に戻させる非常に小さな入力により
所望の結果が得られる。なぜならば、サーボ74は最初は
導線40上の比例信号に応動し、続いて導線54上のフィー
ドバック信号と導線44上の積分増幅器出力信号とが平衡
する定常状態に迅速に到達する。操縦翼面の位置を大き
く且つゆっくり変更したい場合には、操縦士は小さな入
力を連続的に与え続ければよい。この場合、操縦桿を通
じて入力される操作力に応じた導線20の信号値が小さけ
れば、積分増幅器36の出力信号も相応に小さくなり、導
線20に小さな信号値の信号が連続して与えられることに
よって、積分増幅器36の出力信号は経時的に増加して、
導線40に供給される比例成分信号をはるかに越えて（後
記のように制限された最大値まで）増大するので、サー
ボ74は、導線54上のフィードバック信号が導線40上の比
例信号と導線44上の積分信号との合計と平衡するに至る
まで、リンケージ80の位置を回転させ続ける。

実際に、操作ストロークが操縦士によって感知されてい
ない程度に小さい本実施例の操作力感応型操縦装置と、
この操縦装置の比例成分と積分成分を含む制御信号によ
ってサーボの動作を制御する比例／積分信号処理チャネ
ルとの組み合わせにより、操縦士は所望の航空機の挙動
を検出するまで操縦桿に力を加え続け、積分された操縦
桿出力信号がフィードバック信号と平衡に達した状態で
力を零に戻すように操縦桿を操作することによって、航
空機の制御を容易に行う得るものとなる。従って、第２
図に示されている四つの制御方向に関して本実施例によ
る多軸操作力感応型操縦装置は、各操作方向に浮動修正
点を有し、各サーボ機構74〜77はそれぞれ対応する機械
的リンケージ80〜82および94の位置を、導線54〜57上の
フィードバック信号がそれぞれ対応する導線40〜47上の
積分信号と平衡する位置に制御されて、それぞれ対応す
る操縦翼面の位置制御を行っている。航空機の操縦は毎
回、操縦士がいずれかの操作方向の浮動修正点を所望の
大きさだけ所望の変化速度で変更するための時間及び操
作力を操作力感応型操縦装置の操縦桿に所望の方向で加
えることにより行われる。操縦士は、操縦翼面の位置を
変更したい時だけ、その浮動修正点を変更するべく操縦
桿に力を加えればよい。操縦桿に加えられる力が零であ
れば、浮動修正点は変化しない。尚実際には、意図せざ
る非常に小さい力の積分により大きな指令が生ずるのを
避けるため、信号処理回路に不感帯が設けられているの
で、操縦桿に加えられる力がこの不感帯に相当する範囲
内の非常に小さな力であれば、浮動修正点は変化しな
い。従って、本発明によれば、操縦士は操縦桿により軽
く手を触れた状態で、また定常飛行中は操縦桿から手を
離した状態で飛行し得る。

第２図で、ヨー・チャネルの導線31は追加的な積分増幅
器117に接続されている。この積分増幅器を回転方向の
操作力を積分した信号を導線118を経て車輪操作機構119
に与える。これは本発明にとって必須な部分ではない
が、もし足踏ペダルが（操縦士が足の周りで地面を見や
すいように、また操縦システムの重量を軽減するよう
に）省略されているならば、操縦桿が地上車輪操作にも
飛行運動にも使用され得るという事実を示すために付記
した。

第２図の左上の導線114からは、航空機が着陸したこ
と、即ち車輪又はスキッドが地面に接触したことを示す
信号が与えられる。かかる信号は“スクアット・スイッ
チ”により与えられ、又は他のなんらかの手段で航空機
の車輪又はスキッド支持機構から導かれる。かかる信号
は一般に種々の目的を例えば地上に於ける自動操縦安定
装置の作動をロックする目的で多くの航空機で用いられ
ている。導線114上の信号は積分保持信号として作用す
るように積分増幅器36〜39の各々に与えられている。一
例として、この信号により積分増幅器のフィードバック
回路に接続されている電子スイッチが開かれ、積分コン
デンサと増幅入力端との間の接続が断たれる。こうし
て、航空機が地面に接触すると、浮動修正点はその瞬間
の値で一定に保持され、操縦士はその後比例回路のみを
通じて飛行運動を完了する。航空機の運転停止時には、
浮動修正点はリセット・スイッチ又は他の公知の手段に
より全て電気的に零に減ぜられる。その後、航空機の運
転再開時には、導線114上の信号が積分増幅器の全てを
その初期値即ち零に保持する。従って、停止又は格納中
に操縦システムへの漂遊入力により指令積分が行われる
おそれはない。こうして、全ての操縦翼面の修正点が離
陸中に中立位置にあることが補償されているので、意図
せざる操縦入力が離陸の開始時に存在し得ない。従っ
て、離陸は操縦士により比例ループのみを通じて行われ
る。導線114上の信号はインバータ116を経て相補性信号
として積分増幅器117に与えられる。地上で車輪を操作
する装置が設けられている場合、それを操作するのに積
分増幅器117の出力が用いられる。

次に第６図を参照すると、本発明のシステムで必要とさ
れ得る装置として、規定限界に対する余裕を支持するた
めの装置が示されている。従来のシステムでは、操縦士
により操縦桿、操縦レバー、操縦輪又は足踏ペダルを介
して実際に動かされる機械的リンケージが、所与の輪に
於て規定限界に達したことを警報するための位置応答手
段を含んでいる。かかる位置応答手段の代わりとして、
本発明のシステムでは第６図に示されているような電子
的手段が設けられ得る。例えば、導線54からの位置フィ
ードバック信号を受けない加算回路50aで比例出力及び
積分出力が加算され、位置指令信号として導線60a上に
与えられる。この信号は加算点120で、所与のチャネル
に対する100％規定限界を示す例えば定電圧源122からの
一定電圧と比較され、その差が規定限界に対する余裕を
示す信号として導線124上に与えられる。この信号は操
縦士に規定限界に対する余裕を常に示すため指示計126
に与えられると共にレベル検出回路128に与えられる。
このレベル検出器から導線130上に与えられる信号は、
例えば規定限界の90％が現在当該の軸で指令されている
ことを示す。この信号はオア回路132で、他の軸につい
て導線134から与えられる同様の信号と論理和を形成
し、いずれかの軸に於ける指令が規定限界の90％に達し
ている時には導線136上に警報信号が現われる。この信
号は警報ランプ138の点灯、操縦桿シェーカ140の振動等
により操縦士に警報を与える。操縦桿シェーカと警報ラ
ンプおよび余裕指示計との組み合わせにより、従来規定
限界への到達を操縦士に警報するのに用いられていた位
置応答手段が置換される。実際、特定の軸が規定限界に
近接するにつれて感力操縦桿がシェーカにより振動する
ことは、規定限界への到達を待って位置応答手段により
得られる警報にくらべて望ましい。

第１図で説明した操作力感応型操縦装置に信号処理回路
を組合わせて第２図のように構成した本発明の操縦シス
テムを軽ヘリコプタに用いた結果は良好であった。この
実施例では信号整合回路24〜27は第３〜５図で先に説明
した特性を有する。増幅器32〜39のゲインは、操縦桿に
最大の力入力が与えられた時に0.5〜２秒間で操縦翼面
の位置を規定限界まで変化させ得るように調節された。
例えば、積分増幅器36の定数Kcは1,25に選定されてお
り、感力操縦桿10に垂直に最大の力入力が与えられて導
線20上に最大の電圧が現われている時サーボ74の全行程
に対する最小時間はいずれの方向にも約1.5秒であっ
た。増幅器37の定数K_Pは0.5に選定され、サーボ75の全
行程に対する最小時間はいずれの方向にも約２秒であっ
た。増幅器38の定数K_Rは1.0に選定され、サーボ76の全
行程に対する最小時間はいずれの方向にも約１秒であっ
た。また増幅器39の定数Kyは1.25に選定され、サーボ77
の全行程に対する最小時間は約0.8秒であった。これら
のゲインは対応する比例チャネルのゲインに対して相対
的なものである。しかし、これらのゲインの各々は信号
整合回路24〜27により与えられるゲイン関係及びシステ
ムの他の部分で与えられる特性（例えばサーボ機構のゲ
イン）に関係して当業者に周知の仕方で調節される。

以上に説明した操縦システムの信号処理チャネルはアナ
ログ式であり、適当なゲイン、リミットおよび積分特性
を有する増幅器とサーボ弁を駆動するアナログ電圧の加
算器とを用いている。しかし本発明はディジタル・シス
テムすなわち信号整合、積分、加算等を全て一台又は二
台のディジタル計算機により行なうシステムとしても良
好に実施され得る。一例は前記米国特許出願に記載され
ているデュアル・コンピュータ・システムである。かか
る計算機を用いている航空機で本発明を実施するにあた
っては、操作力感応型操縦装置10の操縦桿12の電圧出力
は前記米国特許出願の第１図に記載されているようにマ
ルチプレクサを介してアナログ・ディジタル変換器に与
えられ、また電磁弁70〜73は前記米国特許出願の第１図
および第２図に示されている仕方で駆動される。二台の
計算機が用いられる場合、両計算機が操縦軸の各々に接
続されることは明らかである。他方、一台の計算機を用
いてシステムを構成することももちろん可能である。

信号処理は、先に簡単に示唆したように、テーブル・ル
ックアップのみによっても行われ得るし、テーブル・ル
ックアップによる係数選定及びその係数を用いての計算
によっても行なわれ得る。第２図で説明した機能を実行
するために必要なディジタル技術の全ては当業者によく
知られており、本発明による新規な操縦の仕方を取り入
れてはいないが現在用いられている種々の航空機操縦シ
ステムに於けるものと同様であってもよい。

本発明は自動操縦システム、例えば、高度、速度及び機
首方向を自動的に制御する自動操縦システム、突風等に
よる航空機の姿勢への外乱を補償する安定性増強システ
ム等との組合わせにも適している。本発明による操縦シ
ステムへの自動操縦システムの結合は全く簡単である。
なぜならば、浮動修正点から更新された修正点への移行
する方式が本発明により既に実現されており、その修正
点を自動操縦システムによりジャイロ出力の関数として
補正し、また安定性増強システムによりレート・ジャイ
ロ出力の関数として安定化すればよいからである。例え
ば、自動操縦システムの出力信号は積分増幅器36〜39の
入力端に、安定増大装置の出力信号は比例増幅器32〜35
の入力端又は加算点50〜53に加えられ得る。場合によっ
ては、両システムの出力信号が加算点50〜53で簡単に加
えられ得る。いずれの場合にも、自動操縦システムおよ
び安定増大装置からの電気的信号は、通常その後に用い
られる装置と本発明の装置との相違を考慮に入れて適当
に整合されていなければならない。例えば安定増大信号
は規定限界の５％のオーダーの小さな大きさに保たれる
べきであり、また自動操縦用信号は規定限界の全範囲に
渡っているが変化速度を制限されているべきである。ま
た、安定増大信号が積分回路の後で本発明の浮動修正点
に加えられる場合、安定性増強のための修正点の変化幅
の中心は自動操縦修正点の変化に追従するように自動操
縦用信号により連続的に更新されるべきである。上記の
ようにして、自動操縦及び安定増大のために用いられて
いる公知のシステムを本発明の操縦システムに組合わせ
ることが出来る。

以上には、本発明を主として回転翼航空機（ヘリコプ
タ）に応用した例を説明してきた。しかし本発明の原理
は固定翼航空機の操縦システムにも同様に応用可能であ
る。固定翼航空機の場合、縦軸は昇降蛇を制御し、横軸
は補助翼を制御し、又ねじり軸は方向を制御する。垂直
軸は、必要に応じて、速度及び（又は）揚力（即ちエン
ジン推力又はプロペラ・ピッチ）を制御するために用い
られる。もちろん、時定数及び信号整合の特性は固定翼
航空機の操縦翼面に対するサーボ制御の知識に基いて選
定される。それ以外に本発明の操縦システムを固定翼航
空機に用いるにあたって特別に考慮にいれなければなら
ない点はない。

要すれば、機械的ミキサ84の機能は、本発明を取入れた
“フライ・バイ・ワイヤ”システムでは電気的信号整合
回路により代行され得る。この場合、混合された信号に
よりスオッシュ・プレート90のなかの機械的ではなく電
磁的な主サーボ（図示せず）が直接に駆動される。ま
た、感力操縦桿の四つの軸は必ずしも特定のサーボと一
対一に対応していなくてもよい。重要なことは、少なく
とも三つの軸を有する操縦桿の各軸への力入力に応答し
て航空機の操縦翼面の比例／積分制御が行われることで
ある。

本発明をその好ましい実施例について図示し説明してき
たが、本発明の範囲から逸脱することなく前記及び他の
種々の変更、省略及び追加が行われ得ることは当業者に
より理解されよう。

［効果］ 上記のように本発明は多軸形感力操縦装置と比例／積分
特性の信号処理回路との併用により、操縦士は航空機の
姿勢、高度、速度、機首方向等の変化に応答して操縦翼
面の位置を変更した場合にのみ操縦入力を与えて航空機
を操縦することが可能になる。これは航空機操縦の全く
新しい考え方を含んでいる（浮動修正点方式）。

本発明によれば、三つ又は四つの操縦方向に対して、な
んらの操作方向間の交差結合を要さずに、単一の操縦桿
（例えばサイドアーム操縦桿）を使用することができ
る。本発明の操縦システムは、操縦桿類の位置により作
動する従来の操縦システムと異なり、操縦士が楽な姿勢
をとることができ、また大きな運動を必要としないの
で、操縦士の疲労を著しく軽減する。本発明の操縦シス
テムは操縦軸の各々で修正点を絶えず更新する方式であ
るから、操縦士の操縦桿と副操縦士の操縦桿との間の同
期化が不必要となる。本発明によれば、計器及い外界を
見にくくし、また大きな空間を占めていた従来の大形の
操縦桿、ペダル等が省略される。本発明は、足を用いず
に片手だけで航空機を操縦することを可能にする。更に
本発明は、高度な機能を有する航空機操縦システムを従
来の操縦桿及び足踏ペダルによるシステムのコストより
も低いコストで実現することを可能にする。本発明の操
縦システムは、個々には当業者によく知られている装置
及び技術を用いて実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適実施例によるサイドアーム操縦装
置の斜視図である。 第２図は本発明の実施例によるサイドアーム操縦装置を
用いたヘリコプタ用操縦システムのブロック図である。 第３図は第２図の操縦システムに用いられる１つの信号
整合回路の入出力特性を示すグラフである。 第４図は第２図のシステムに於て第３図の特性を得るた
めの信号整合回路のブロック図である。 第５図は他の信号整合回路の入出力特性を示すグラフで
ある。 第６図は規定限界に対する余裕を指示するべく第２図の
システムを一部変更した部分のブロック図である。 10……サイドアーム操縦装置、12……操縦桿、13……ト
ランスデューサ組立体、14……アーム、16……操縦士座
席、18……揺動軸、24〜27……信号整合回路、32〜35…
…比例増幅器、36〜39……積分増幅器、50〜53……加算
器、64〜67……増幅器、70〜76……電磁弁、74〜77……
流圧サーボ、84……ミキサ、90……スオッシュ・プレー
ト、92……主ロータ、96……ピッチ・ビーム、98……尾
部ロータ、100〜103……位置センサ、108〜111……増幅
器、113……作動流体源、117……積分増幅器、119……
車輪操作機構、120……加算器、122……定電圧源、126
……指示計、128……レベル検出回路、132……オア回
路、138……警報ランプ、148……操縦桿シェーカ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ・リチャード・マシオレク アメリカ合衆国コネチカット州、ミルフォ ード、ニュー・ヘイヴン・アヴェニュー 1120 (72)発明者 レオ・キングストン アメリカ合衆国コネチカット州、ストラッ トフォード、アラパホ・レーン 588エイ (56)参考文献 実開 昭53−66600（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】航空機のピッチ方向、ロール方向、ヨー方
   向の姿勢制御、揚力又は速度制御のそれぞれに対応する
   四つの操作入力を入力するための装置であって、前記ピ
   ッチ方向、ロール方向、ヨー方向の姿勢制御、揚力又は
   速度制御の各航行制御動作のうち第一の航行制御動作を
   行うために設定された第一の操作軸線に沿って第一の操
   作方向と、第二の航行制御動作を行うために設定され、
   前記第一の操作軸線と同一平面上に設けられるととも
   に、所定の中立位置で前記第一の操作軸線と交差する第
   二の操作軸線に沿った第二の操作方向と、第三の航行制
   御動作を行うために設定され、前記第一及び第二の操作
   軸線の配設面と垂直に交差し且つ前記中立位置において
   前記第一及び第二の操作軸線と交差する第三の操作軸線
   に沿った第三の操作方向と、第四の航行制御動作を行う
   ために設定され、前記第三の操作軸線を中心とした回転
   方向にそれぞれ独立して手動操作ができるように構成さ
   れており、各操作方向に関して微小の操作ストロークで
   操作するように構成された単一の操縦桿を備えた操作手
   段と、 前記操作手段の前記操縦桿に負荷される前記第一の操作
   方向の操作入力の大きさと方向に応じて、前記第一の航
   行制御動作方向の所望の制御値を示す第一の制御入力信
   号を発生する第一の制御入力信号発生手段と、 前記操作手段の前記操縦桿に負荷される前記第二の操作
   方向の操作入力の大きさと方向に応じて、前記第二の航
   行制御動作方向の所望の制御値を示す第二の制御入力信
   号を発生する第二の制御入力信号発生手段と、 前記操作手段の前記操縦桿に負荷される前記第三の操作
   方向の操作入力の大きさと方向に応じて、前記第三の航
   行制御動作方向の所望の制御値を示す第三の制御入力信
   号を発生する第三の制御入力信号発生手段と、 及び 前記操作手段の前記操縦桿に負荷される前記第四の操作
   方向の操作入力の大きさと方向に応じて、前記第四の航
   行制御動作方向の所望の制御値を示す第四の制御入力信
   号を発生する第四の制御入力信号発生手段とによって構
   成したことを特徴とする航空機の操縦システムにおける
   複数の制御入力を入力するための入力装置。