JPH09510933A - 対気速度を制御するヘリコプターの自動操縦装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明はヘリコプターの自動操縦装置の新規な基本構造に関するもので、従来のように胴体のトリムを維持することを目的とすることなく、対空速度を維持することを目的とし、またカプラー技術を利用することがない。ピッチおよびロール制御システムのそれぞれについて、操縦部からの出力信号(24S)の既知の部分を基準となる胴体のトリム入力(1S)に加算することによって加えられる。このようにして形成された信号(4S)は、制御ループがフライトエンベロープを通してヘリコプターの速度を静的に安定化させるために必要な静的かつ動的新規特性を保有する。この新規な構成により従来の胴体のトリム信号(1S)を加速度計の信号で置き換えることが可能となる。信号(4S)は特に標準的な”人工水平”型の機器(33)に表示され、そのため胴体のトリムの急激な変化をモニターすると同時に対気速度を制御できる。

Description

【発明の詳細な説明】 対気速度を制御するヘリコプターの自動操縦装置 本発明は、自動操縦装置によって航空機の操縦翼面を自動的に制御する方法と それに関連した装置に関する。特に、本発明は、横方向と縦方向の対気速度成分 を所望の基準値に等しくすべく、回転翼航空機の自動操縦を補助する装置を提供 する。 自動操縦装置がヘリコプターのような回転翼航空機の操縦手段を制御するのに 用いられることは知られている。そのような自動操縦装置は、二つのサーボ制御 システムから構成されている。これらは一般には、基準値を固定し保持するため の「基本自動操縦」と呼ばれており、この基準値は上記システムのうちの一つで は胴体の横方向のトリムに関連し、また他のシステムでは縦方向のトリムに関連 する。 用語「ロール」、「ピッチ」もまたそれらの２種類のトリムにそれぞれ用いら れる。 基準値は固定されているが、これは対応するシステムを作動させる時点でのト リム値により固定されるか、あるいはそれに引続いて、「単純な(transparent) 操縦」機能と呼ばれるパイロットの操縦装置への何らかの行動によって固定され るか、さらに最後には、「フライトカプラー」と呼ばれる任意の装置を作動させ ることによって固定される。 フライトカプラーはコンピュータの一種であり、製造者によって指令された機 能に基づいて、新しく基準となる胴体のトリム値を「基本自動操縦」に適用する 。 対気速度を安定化させるために、現在、必要とされるのは、この「基本自動操 縦」に「速度保持カプラー」を取り付けることである。たとえ胴体が完全にトリ ムを維持したとしても、ヘリコプターの速度は非常に大きな範囲内を変わり得る のであり、特に計器飛行を行う場合などには、このことが主要欠点と考えられて いる。速度保持カプラーは少なくとも１つの速度センサー、機能切換え手段、そ して基準速度値を入力する手段を必要とする。 対気速度保持カプラーは、おおよそ、次のように作用する。 実際の対気速度と基準対気速度との差異を用いて胴体の新しい基準となるトリ ム値を求め、それを「基本自動操縦」に送って実行させる。 このように、重要な操縦機能を実行するためには、かなり複雑なシステムを使 用する必要があり、そのためいったん「カプラー」が組込まれてきたら、単純性 (transparency)を確実にするのは困難である。 ここに、本発明の目的は、特に飛行中のヘリコプターですでに利用できる信号 を全く新しい手法で組合わせることによって上述のような複雑さを解消すること にあり、そのような組合わせによってヘリコプターの特定の胴体トリムを最初か ら維持する必要性がなくなる。そしてそれにより対気速度カプラーの存在の必要 性をなくすのである。 よって、本発明は、横方向と縦方向の対気速度成分を所望の基準値に等しくす るために回転翼航空機の自動操縦を補助する装置であって、かかる装置は一方の システムがロールの、他方のシステムがピッチのためであって、それぞれが胴体 のトリムの関数である信号を発生させる手段を備えた二つのシステムと、信号を 加算する手段、信号積分手段、および対応する操縦手段を駆動する手段から構成 され、単一の主回転翼、または場合により複数の主回転翼の羽根のサイクリック 制御の位置の関数である信号(24S)を発生させる手段を備えていることを特徴と する装置である。 その特徴によれば、少なくとも、胴体のトリムの関数である信号と、主回転翼 、場合によれば複数の主回転翼の羽根のサイクリック制御の位置の関数である信 号(24S)とを各システムの加算手段に使用する。 別の特徴によれば、各システムのうちの一つでは、胴体のトリム信号(1S)はピ ッチトリム信号(THETAF)であって、サイクリック制御の位置信号(24S)は縦方向 のサイクリック制御の位置信号(DM1)であり、一方他のシステムでは胴体のトリ ム信号(1S)がロールトリム信号(PHIF)であって、サイクリック制御の位置信号(2 4S）が横方向のサイクリック制御の位置信号(DL1)である。 さらに別の特徴によれば、前述の加算手段は信号(1S)、(24S)の線形組合わせ を構成する。 さらに別の特徴によれば、この線形組合わせは次のように表すことができる。 ピッチについて： K1*THETAF＋ K2*DDM1 ロールについて： K3*PHIF ＋ K4*DL1 ここに、係数K1、K2、K3、K4は利得を整合させるための定数または可変数であ る。 さらに別の特徴によれば、これらの係数K1、K2、K3、およびK4は、ピッチおよ びロールのぞれぞれについて、航空機のサイクリック操縦制御と翼角度とを相関 させた動的関係によってその値が固定されている。より正確には、ヘリコプター の操縦を調整する技術上の規則に従って言えば、比K1/K2 は、下記に定義する二 つの量、ａ、ｂの比a/b に等しい。 ここに、”a”はセンサDDM1(24S)で計測されるようなサイクリック制御の位置 の微小変化であり、一方、”b”は変数”a”によって引き起こされる、”羽根前 進(blade advancing)”と呼ばれる標準的な位置に置かれた回転翼のピッチの角 変化量である。 比K3/K4 はロール系について言うもので、横方向のサイクリック操縦DDL1と” 羽根後退(blade behind)”と呼ばれる標準位置にある翼と同等の方法で確立され ている。 別の特徴によれば、胴体のトリムの関数である信号(1S)を発生させる手段は、 胴体に取付けられた基準値に関連する加速度計から構成されている。 別の特徴によれば、胴体のトリムの関数である信号(1S)を発生させる手段は、 胴体に取付けられ基準値に関連する振り子式高度計から構成されている。 別の特徴によれば、前記加算手段により実行される加算値はアナログまたはデ ジタル式の直読機器によって、また好適には、胴体のトリムを制御するために通 常用いられている”人工水平”型の機器によって乗組員に表示される。かかる構 造は、胴体のトリムの急激な変化の制御および対気速度の制御を同時にまた同じ 機器を使いながら、行うことができるという通常の性能を備えている。各トリム の変化は安定航行の際の関連する速度に対応する。すでに知られているように、 このような結果、計器飛行の基準からは好ましいものであるが、殆どのヘリコプ ターに適用される”トリム／速度”の関係における不規則性が見られるため、一 般には得られない。 本発明にかかる装置の注目すべき特徴は、使用者が望めば、センサからの情報 を伝える電気信号を単に切り換えるだけで、一方から他方へとスイッチができる ことから、本発明にかかる装置がこれまでの自動操縦装置と共存できるというこ とである。 本発明の別の特徴は、その実施態様の一つによれば、胴体のトリムに関するジ ャイロ情報を加速度計の情報に置き換え可能であることである。このことは、特 に、 −あまり高度に複雑したものでないヘリコプターを装備するために、また −メインモードをバックアップすることができる操縦モードを与えるために、 重要な技術的また経済的な利益を構成する。 本発明の別の特徴は、自動操縦の別のモードがロール軸に慣用的に関連するシ ステムによっても実行可能としたその融通性にある。横方向の対気速度を維持す る、ピッチ軸（トリムの保持、または縦方向速度の維持）に関連する方法からは 独立した新しい方法を提供することによって、本発明は、従来不可能であった新 しい性能の自動操縦を実現可能とする。 最後に、ロールおよびピッチにおける胴体のトリムについての慣用的な表示の 新規な構成を取ることにより、単一の機器によって対気速度および胴体のトリム を同時に制御する新規なモードを与えることが可能となる。 本発明のその他の利益および特徴は、添付図面を参照しながら示す本発明の二 つの異なる実施態様についての以下の説明から明らかになろう。図中、 第１図は、主モードが胴体のトリムを維持することである基本自動操縦装置の 簡略化した回路図； 第２図は、本発明の第１の変更例を示す、ヘリコプターの速度を安定させるた めの自動操縦装置の回路図； 第３図は、第２の変更例におけるヘリコプターの速度を安定化させる自動操縦 装置の回路図である。 第１図に示すように、胴体のトリムをその主モードのように維持するヘリコプ ター用の基本自動操縦装置は二つのシステムから構成され、その主モードの一方 はピッチトリムを維持することであり、その主モードの他方はロールトリムを維 持することである。これらの二つのシステムのそれぞれは、胴体のトリムの関数 である信号(1S)を発生させる手段１、具体的には胴体のトリムのジャイロセンサ １、胴体の角速度の関数である信号(2S)を発生させる手段２、信号を加算する手 段、具体的には二つの加算回路(3)、(10)、信号を積分する手段(5)、および対応 する操縦装置を駆動する手段、具体的にはパワーアンプ(12)とアクチュエータ(2 0)を備えている。 ジャイロセンサ(1)は胴体のトリムの値を計測し、この値の関数である信号(1S )を発生させる。 手段２は胴体の角速度を検知するセンサ(2)であってもよく、またはその共通 の変更例においてはトリム信号(1S)から導かれる電気的要素によって置き換えら れてもよい。センサ(2)からの信号(2S)の作用によって、トリム自動操縦のため の動的ループ減衰が行われる。 加算回路(3)への入力値は、胴体のトリム信号(1S)、積算器(5)の出力からの信 号(5S)、さらに所望によりフライトカプラからの信号(50S)である。加算回路か らの出力(3S)は、実際の胴体のトリムと所望の胴体のトリムとの間の角偏差の関 数である。この信号はサーボ制御モデルでは一般に”エラー信号”と呼ばれてい る。 積算器(5)は”同期化(synchronization)”の作用を行う。入力信号(5E)は： −加算回路(3)からの出力(3S)、または、 −基本自動操縦装置の内部にある電気制御電圧(7) のいずれかまたは両者である。 どちらの入力信号(5E)を積算器(5)に適用するかを選ぶことは、各種の可能な ”自動操縦モード”のコントロールの下に、手動または自動スイッチにより行わ れる。この積算器からの出力(5S)は所望の胴体の基準トリムを表す。 加算回路(10)の作用によって、加算回路(3)からの出力(3S)に胴体の角速度(2S )が加算される。加算回路(10)からの出力(10S)は自動操縦アクチュエータ(20)の 望ましい位置を表す。 パワーアンプ(12)の入力は信号(10S)と(21S)との合計量であって、そしてそ の出力は自動操縦アクチュエータ(20)を駆動できるようなものである。 自動操縦アクチュエータ(20)はその目的とする操縦制御系に一般に”直列に” 接続されている。通常、ピッチングするときの胴体のトリムを自動制御するため には縦方向のサイクリック操縦制御が用いられ、一方ローリングするときの胴体 のトリムを自動制御するためには横方向のサイクリック操縦制御が用いられる。 自動操縦アクチュエータは一般に、それ自身の出力(21)の機械的変位を検出し、 電気信号(21S)を出力するセンサを備えており、そのアクチュエータの実際の変 位と電気制御電圧(10S)との線形関係を求める。これはパワーアンプ(12)がその 入力信号として信号(10S)と(21S)との両方を受け入れるからである。 アクチュエータ(20)の変位量は、ヘリコプター技術において公知の慣用機構に よってパイロットのサイクリック操縦桿(25)の運動に機械的に加えられる。自動 操縦アクチュエータ(20)の支配は、サイクリック操縦桿によって与えられる縦お よび横方向制御信号に対して製造者によって与えられる全体の支配からすれば小 さい割合である。 ”自動トリム”装置として知られている装置によってサイクリック操縦桿がパ イロット以外の他のものによっても駆動され得る。従来の方法では自動トリム装 置はそれぞれピッチ軸およびロール軸のそれぞれに対する弾性装置16によってサ イクリック制御部に接続した電気モータ(15)から構成される。この弾性装置は安 全のために作用し、自動トリムモータ(15)が作動しなくなったような危険がせま った場合にもそれに対して人工的力を発生させる役目を果たす。 モータ(15)は、本発明の主題ではない慣用のロジック回路を適用して自動スイ ッチ(13)によってスイッチを入れられたアンプ(14)によって付勢される。 ピッチングのときの操縦アクチュエータ(20)の機械的変位量はDMPAと呼び、ま たローリングのときの機械的変位量はDLPAと呼ぶ。これらの変位量はセンサ(21) によって信号(21S)として検出される。 用語DM1 およびDL1 は、それぞれ、自動操縦アクチュエータ(20)によって、例 えばヘリコプターの回転翼のサイクリック斜め板の位置において計測された機械 的操縦変位量を表す。これらの変位量はセンサ(24)によって計測され、その出力 (24S)はこれまでの自動操縦装置では利用されることがなかった。 ピッチおよびロールのトリム情報(1S)は機器(31)の”人工水平”と呼ばれてい るパネルの上に表示される。いくつかの実施態様にあっては、胴体のトリムの独 立センサが機器(31)を制御するために用いられる。 第２図に示す本発明の具体的態様にあっては、従来の入力(1S)は信号(1S)と(2 4S)との加重合計(4S)によって置き換えられる。説明を易しくするために、この 合計は、加算回路(3)から分かれた加算回路(4)によって行われるものとして示し ているが、実際には単一の３入力加算回路(3)を用いるだけで十分である。 本発明の特定の態様にあっては、信号(S1)の増幅度は、従来の態様でも使用さ れてきたと同じような利得をもって維持されており、また、適当な増幅度および 極性でもって加算回路(4)の入力に加わるのは、そのときのシステムのそれぞれ サイクリック制御DM1 またはDL1 の位置を代表する信号である。その他の前述の 信号はすべてそのままである。 このような構成の新規な特性は、そのときのシステムに応じて縦方向または横 方向のいずれかにおいて胴体のトリムを表す信号(S1)、またはサイクリックピッ チの値を表す信号(24S)の加重加算値に等しい信号を自動操縦の基準値として固 定することである。 すでに知られているように、そのような加重加算値、つまり規定割合で二つの 信号を加算した値は、加速を行わない安定飛行の場合、特定軸に沿った対気速度 を表すという特性を備えている。 結局、信号(1S)、(24S)が加算される仕方が適切に調整されれば、自動操縦装 置はその基準値として胴体のトリム値を採用することはなく、その代わり対気速 度を受け入れる。 ”同期化”積分器(5)からの出力(5S)はもはや基準トリムを表さないが、基準 対気速度を表す。この速度はスイッチ手段(9)によって調整され、したがって、 何ら限定されない仕方で次の値をとることができる： −対応するシステムを作動させているときの対気速度の値； −（特定の態様であって単に例示であるが）プログラム化された電圧を回路(8) に適当なスイッチ(18)によって入力し、このように基準対気速度を上昇させるこ とが変動関係、例えば＋1.5 m/sec²の線形関係をもたらすような”手動トリム” と呼ばれているマニアル操縦をしている間にパイロットによってセットされる値 ； −サイクリック操縦桿に人為的力をかけて動作させるときの実際の対気速度の値 ；そして −実際の加速基準の関数としてプログラムされるかあるいは計算される将来の対 気速度の値、ただしこの新規な構成の動的機構は特にこのような関数には適した ものであるが、従来の自動操縦システムには存在していない。 対照的に、基準対気速度を調整する最初の三つの関数はヘリコプターの自動操 縦技術の一部を構成し、本発明はそれらを対気速度に適用することから成る。 第３図の態様にあっては、胴体のトリムのセンサ(1)は省略されており、胴体 に関連させた加速センサ(30)に置き換えられているか、あるいは同様な仕方で、 胴体の基準軸に対して拘束された振り子式水準計に置き換えられている。 線形の加速センサは当然ながら慣性力および地上からの重力を検知する。サイ クリックピッチ位置DM1、DL1 を組み合わせることにより、それらは特許第74/28 786号、第84/10736号に開示された発明を実施する場合に対気速度を計測するの に用いる主センサを構成する。 胴体の角速度信号(2S)が胴体のトリム値を微分をして得たものである場合の解 決方法は、当然ながら、この第２の操作モードには適用されないが、ジャイロ型 のセンサ(2)を使用して胴体の急速な動きを減衰させるための信号を発生させる ことは利益的である。このような減衰は操縦方法がどのようなものであろうとも 望ましいものである。 レートジャイロを使用した解決方法は、特に減衰値を発生させる場合には、ト リム値を計測するために使用するようなフリージャイロを使った解決方法と比較 してより安価であり、一層信頼性がある。 特定の実施態様にあっては、本発明は、追加的または主たる減衰値として信号 (30S)、(24S)を加算したる信号(4S)の微分係数を使用することを提案する。信号 (4S)は対気速度を表すものであるから、その微分係数は対気速度の加速度を表す 。 技術的観点からは、本発明の範囲内の微分係数信号の適切さおよび増幅度は本 質的には機器を飛行試験することによって決定されるのである。

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項 【提出日】１９９５年７月３日 【補正内容】 請求の範囲 １．横方向と縦方向の対気速度成分を所望の基準値に等しくするために回転翼航 空機の自動操縦を補助する装置であって、該装置は一方のシステムがロールの、 他方のシステムがピッチのためであって、それぞれのシステムが胴体のトリムの 関数である信号(1S)を発生させる手段(1)を備えた二つのシステムと、胴体のト リムの関数である前記信号を受信して一つの入力とする加算手段、基準信号(5S) を発生させる積分手段(5)、該基準信号は前記加算手段への入力値として使用さ れ、前記加算手段の出力信号の関数として操縦装置を駆動する手段、単一の主回 転翼、または場合により複数の主回転翼の羽根のサイクリック制御の位置の関数 である信号(24S)を発生させる手段(24)を備えており、該手段(24)の出力側が加 算手段（4、3、10）の入力側に接続されており、これらの加算手段（3、4、10） が胴体のトリムの信号(15)とサイクリック制御の位置の関数である信号(24S)の 加重加算値を計算し、積分手段(5)が、該積分手段(5)の出力信号が基準対気速度 を表すものであることを特徴とする装置。 ２．前記システムのうちの一つでは、胴体のトリム信号(1S)がピッチトリム信号 THETAF であって、サイクリック制御の位置信号(24S)が縦方向のサイクリック 制御の位置信号 DM1であり、一方他のシステムでは、胴体のトリム信号(1S)がロ ールトリム信号 PHIF であって、サイクリック制御の位置信号(24S)が横方向の サイクリック制御の位置信号 DL1であることを特徴とする請求項１記載の装置。 ３．前記加算手段により計算される加重加算が次の通りであることを特徴とする 請求項２記載の装置。 ピッチについて： K1*THETAF＋ K2*DDM1 ロールについて： K3*PHIF ＋ K4*DL1 ここに、係数K1、K2、K3、およびK4は利得を整合させるための定数または可変 数である。 ４．前記係数K1、K2、K3、およびK4が、ピッチおよびロールのぞれぞれについて 、航空機のサイクリック操縦制御とそれにそれぞれ関連する翼角度とを相関させ た動的関係によってその値が固定されていることを特徴とする請求項３記載の装 置。 ５．胴体のトリムの関数である信号(1S)を発生させる手段(1)が、胴体に取付け られ基準値に関連する加速度計から構成されていることを特徴とする前記請求項 のいずれかに記載の装置。 ６．胴体のトリムの関数である信号(1S)を発生させる手段(1)が、胴体に取付け られ基準値に関連する振り子式高度計から構成されていることを特徴とする前記 請求項のいずれかに記載の装置。 ７．前記加算手段により実行される加算値はアナログまたはデジタル式の直読機 器(31)によって、乗組員に対して表示されることを特徴とする前記請求項のいず れかに記載の装置。 ８．前記機器31が”人工水平”型のものであることを特徴とする請求項９記載の 装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．横方向と縦方向の対気速度成分を所望の基準値に等しくするために回転翼航 空機の自動操縦を補助するための装置であって、かかる装置は一方のシステムが ロールの、他方のシステムがピッチのためであって、それぞれのシステムが胴体 のトリムの関数である信号(1S)を発生させる手段(1)を備えた二つのシステムと 、信号を加算する手段、信号積分手段、および対応する操縦装置を駆動する手段 から構成され、単一の主回転翼、または場合により複数の主回転翼の羽根のサイ クリック制御の位置の関数である信号(24S)を発生させる手段を備えていること を特徴とする装置。 ２．少なくとも、手段(1)からの信号(1S)と、センサ(24)によって発生した信号( 24S)とが、それらのシステムのそれぞれの加算手段に送られる請求項１記載の装 置。 ３．各システムのうちの一つでは、胴体のトリム信号(1S)はピッチトリム信号(T HETAF)であって、サイクリック制御の位置信号(24S)は縦方向のサイクリック制 御の位置信号(DM1)であり、一方他のシステムでは胴体のトリム信号(1S)がロー ルトリム信号(PHIF)であって、サイクリック制御の位置信号(24S)が横方向のサ イクリック制御の位置信号(DL1)である請求項２記載の装置。 ４．前記加算手段は信号(1S)、(24S)の線形組合わせを構成する請求項２記載の 装置。 ５．前記線形組合わせは次の通りである請求項４記載の装置。 ピッチについて： K1*THETAF＋ K2*DDM1 ロールについて： K3*PHIF ＋ K4*DL1 ここに、係数K1、K2、K3、K4は利得を整合させるための定数または可変数であ る。 ６．前記係数K1、K2、K3、およびK4は、ピッチおよびロールのぞれぞれについて 、航空機のサイクリック制御と翼角度とを相関させた動的関係によってその値が 固定されている請求項５記載の装置。 ７．胴体のトリムの関数である信号(1S)を発生させる手段が、胴体に取付けられ 基準値に基づく加速度計から構成されている前記請求項のいずれかに記載の装置 。 ８．胴体のトリムの関数である信号(1S)を発生させる手段が、胴体に取付けられ 基準値に基づく振り子式高度計から構成されている請求項１ないし７のいずれか に記載の装置。 ９．前記加算手段により実行される加算値はアナログまたはデジタル式の直読機 器(31)によって、乗組員に対して表示される前記請求項のいずれかに記載の装置 。 10．前記機器31が”人工水平”型のものである請求項９記載の装置。