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特許7482756航空機の制御システム、航空機、航空機の制御方法及びプログラム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-02
(45)【発行日】2024-05-14
(54)【発明の名称】航空機の制御システム、航空機、航空機の制御方法及びプログラム
(51)【国際特許分類】
B64D 45/04 20060101AFI20240507BHJP
B64C 13/18 20060101ALI20240507BHJP
G05B 11/36 20060101ALI20240507BHJP
G08G 5/02 20060101ALI20240507BHJP
【ＦＩ】
B64D45/04 B
B64C13/18 C
G05B11/36 501B
G08G5/02 A
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2020189570
(22)【出願日】2020-11-13
(65)【公開番号】P2022078700
(43)【公開日】2022-05-25
【審査請求日】2023-08-09
(73)【特許権者】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】小島 徹
(72)【発明者】
【氏名】森 智史
【審査官】諸星 圭祐
(56)【参考文献】
【文献】特許第６６６７５９０（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】特表２０１７－５０４８８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１９０９６４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１１００４５７４８（ＣＮ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００９／０１５７２３９（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ６４Ｃ １３／１８
Ｂ６４Ｄ ４５／０４
Ｇ０５Ｂ １１／３６
Ｇ０８Ｇ ５／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
航空機を目標の状態にするための目標指令値を取得する目標指令値算出部と、入力値に応じて、航空機の速度の参照値である参照速度を出力値として一義的に設定する参照モデルに、前記入力値として前記目標指令値に基づく値を入力することで、前記参照速度を算出する参照速度算出部と、
前記航空機の制御に用いる、目標位置に対する前記航空機の相対速度を算出する相対速度算出部と、
前記相対速度と前記参照速度との差分に基づき、航空機に作用する推定外乱量を算出する推定外乱量算出部と、
前のタイミングにおいて算出された前記推定外乱量に基づき、前記目標指令値を補正する補正目標指令値算出部と、
を含む、
航空機の制御システム。
【請求項2】
前記相対速度算出部は、前記目標位置に対する前記航空機の相対位置に基づき、前記相対速度を算出する、請求項１に記載の航空機の制御システム。
【請求項3】
前記参照モデルは、前記入力値の変化に対する前記出力値の変化のむだ時間の要素が含まれている、請求項１又は請求項２に記載の航空機の制御システム。
【請求項4】
前記推定外乱量算出部は、前記相対速度を前記航空機の速度に換算して、換算した前記速度と前記参照速度との差分に基づき、前記推定外乱量を算出する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の航空機の制御システム。
【請求項5】
前記推定外乱量を、前記目標指令値と同じパラメータに換算して補正コマンドを算出する補正コマンド算出部をさらに含み、前記補正目標指令値算出部は、前記補正コマンドで前記目標指令値を補正する、請求項４に記載の航空機の制御システム。
【請求項6】
前記目標指令値は、前記航空機の姿勢の目標値である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の航空機の制御システム。
【請求項7】
前記参照モデルは、前記目標指令値に基づく値を入力値として、航空機の姿勢の参照値を一義的に設定する第１参照モデルと、前記第１参照モデルで設定された前記航空機の姿勢の参照値を入力値として、前記航空機の参照速度を一義的に設定する第２参照モデルと、を含む、請求項６に記載の航空機の制御システム。
【請求項8】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の航空機の制御システムを備えた、航空機。
【請求項9】
航空機を目標の状態にするため目標指令値を取得するステップと、入力値に応じて、航空機の速度の参照値である参照速度を出力値として一義的に設定する参照モデルに、前記入力値として前記目標指令値に基づく値を入力することで、前記参照速度を算出するステップと、
前記航空機の制御に用いる、目標位置に対する前記航空機の相対速度を算出するステップと、
前記相対速度と前記参照速度との差分に基づき、航空機に作用する推定外乱量を算出するステップと、
前のタイミングにおいて算出された前記推定外乱量に基づき、前記目標指令値を補正するステップと、
を含む、
航空機の制御方法。
【請求項10】
航空機を目標の状態にするための目標指令値を取得するステップと、入力値に応じて、航空機の速度の参照値である参照速度を出力値として一義的に設定する参照モデルに、前記入力値として前記目標指令値に基づく値を入力することで、前記参照速度を算出するステップと、
前記航空機の制御に用いる、目標位置に対する前記航空機の相対速度を算出するステップと、
前記相対速度と前記参照速度との差分に基づき、航空機に作用する推定外乱量を算出するステップと、
前のタイミングにおいて算出された前記推定外乱量に基づき、前記目標指令値を補正するステップと、
を、コンピュータに実行させる、
プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、航空機の制御システム、航空機、航空機の制御方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、航空機を目標地点へと誘導するための技術が知られている。例えば、特許文献１には、ステレオカメラで取得した目標地点の画像情報を画像処理して目標地点までの距離を求め、距離と機体の姿勢角とに基づいて目標地点に対する機体の相対位置を算出し、相対位置を用いて航法情報を生成する航法装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００５－１１５６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
航空機が飛行する際には例えばガストなどの外乱が作用し、例えば特許文献１の方法では、航空機を適切に制御できなくなるおそれがある。
【0005】
本開示は、上述した課題を解決するものであり、外乱が作用する場合にも航空機を適切に制御可能な航空機の制御システム、航空機、航空機の制御方法及びプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る航空機の制御システムは、航空機を目標の状態にするための目標指令値を取得する目標指令値算出部と、入力値に応じて、航空機の速度の参照値である参照速度を出力値として一義的に設定する参照モデルに、前記入力値として前記目標指令値に基づく値を入力することで、前記参照速度を算出する参照速度算出部と、前記航空機の制御に用いる、目標位置に対する前記航空機の相対速度を算出する相対速度算出部と、前記相対速度と前記参照速度との差分に基づき、航空機に作用する推定外乱量を算出する推定外乱量算出部と、前のタイミングにおいて算出された前記推定外乱量に基づき、前記目標指令値を補正する補正目標指令値算出部と、を含む。
【0007】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る航空機は、前記航空機の制御システムを備える。
【0008】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る航空機の制御方法は、航空機を目標の状態にするための目標指令値を取得するステップと、入力値に応じて、航空機の速度の参照値である参照速度を出力値として一義的に設定する参照モデルに、前記入力値として前記目標指令値に基づく値を入力することで、前記参照速度を算出するステップと、前記航空機の制御に用いる、目標位置に対する前記航空機の相対速度を算出するステップと、前記相対速度と前記参照速度との差分に基づき、航空機に作用する推定外乱量を算出するステップと、前のタイミングにおいて算出された前記推定外乱量に基づき、前記目標指令値を補正するステップと、を含む。
【0009】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るプログラムは、航空機を目標の状態にするための目標指令値を取得するステップと、入力値に応じて、航空機の速度の参照値である参照速度を出力値として一義的に設定する参照モデルに、前記入力値として前記目標指令値に基づく値を入力することで、前記参照速度を算出するステップと、前記航空機の制御に用いる、目標位置に対する前記航空機の相対速度を算出するステップと、前記相対速度と前記参照速度との差分に基づき、航空機に作用する推定外乱量を算出するステップと、前のタイミングにおいて算出された前記推定外乱量に基づき、前記目標指令値を補正するステップと、を、コンピュータに実行させる。
【発明の効果】
【0010】
本開示によれば、外乱が作用する場合にも航空機を適切に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。
【0013】
図１は、本実施形態にかかる航空機の制御システムの一例を示す概略構成図であり、図２は、本実施形態にかかる航空機が目標着地点に向かう様子を示す説明図である。本実施形態にかかる航空機１は、回転翼機としての飛行体（例えばヘリコプタ、ドローン等）である。本実施形態において、航空機１は、無人機である。なお、航空機１は、例えば、前進、後進、横進、旋回、ホバリングなどが可能な飛行体であり、有人機であってもよい。航空機１は、制御システム１００を搭載しており、制御システム１００により飛行が制御され、図２に示す目標着地点２に着地する。
【0014】
（目標着地点）
本実施形態において、目標着地点２は、図２に示すように、船舶５上に設けられている。したがって、航空機１は、水上を移動する移動体としての船舶５に着地（着艦）する。なお、船舶５には、図示省略するが、目標着地点２に航空機１を着地させた際に、航空機１を拘束するための拘束装置が設けられている。ただし、目標着地点２は、船舶５に限らず、地上を移動する移動体としての車両等に設けられてもよいし、移動しない設備、地面に設けられてもよい。また、目標着地点２は、航空機１が着地する地点であることに限られず、例えば航空機１が通過する目標となる場所などであってもよい。すなわち、目標着地点２は、航空機１の飛行先の目標位置であるともいえる。
本実施形態において、目標着地点２は、図２に示すように、船舶５上に設けられている。したがって、航空機１は、水上を移動する移動体としての船舶５に着地（着艦）する。なお、船舶５には、図示省略するが、目標着地点２に航空機１を着地させた際に、航空機１を拘束するための拘束装置が設けられている。ただし、目標着地点２は、船舶５に限らず、地上を移動する移動体としての車両等に設けられてもよいし、移動しない設備、地面に設けられてもよい。また、目標着地点２は、航空機１が着地する地点であることに限られず、例えば航空機１が通過する目標となる場所などであってもよい。すなわち、目標着地点２は、航空機１の飛行先の目標位置であるともいえる。
【0015】
目標着地点２には、航空機１が目標着地点２の位置を捕捉するためのマーカー７が設けられている。図３は、目標着地点に設けられるマーカーの一例を示す説明図である。図示するように、マーカー７は、例えば白黒の２色で色分けされたＡＲマーカーであり、正方形状のマーカーである。なお、マーカー７は、ＡＲマーカーに限らず、画像処理により目標着地点２の位置を捕捉することができるマーカーであればよく、例えばヘリポートの着地点を示すＨマーク、Ｒマーク等であってもよい。また、マーカー７は、船舶５に異なる形状のマーカーが複数設けられてもよく、航空機１は、異なるマーカー７のいずれかに対応した目標着地点２に誘導されるものであってもよい。
【0016】
（制御システム）
本実施形態にかかる航空機の制御システム１００は、航空機１の飛行を制御するシステムであり、例えば、飛行中の航空機１を目標着地点２に着地させたり、目標着地点２に追従してホバリングさせたりするように、航空機１を制御するシステムである。制御システム１００は、例えばコンピュータを含み、航空機１に搭載される。制御システム１００は、図１に示すように、カメラ１０と、航法装置２０と、制御部３０と、高度センサ２５とを備える。
本実施形態にかかる航空機の制御システム１００は、航空機１の飛行を制御するシステムであり、例えば、飛行中の航空機１を目標着地点２に着地させたり、目標着地点２に追従してホバリングさせたりするように、航空機１を制御するシステムである。制御システム１００は、例えばコンピュータを含み、航空機１に搭載される。制御システム１００は、図１に示すように、カメラ１０と、航法装置２０と、制御部３０と、高度センサ２５とを備える。
【0017】
（カメラ）
カメラ１０は、航空機１に図示しないジンバルを介して搭載された撮影装置である。カメラ１０は、マーカー７を撮影することができれば、単眼カメラ、複眼カメラ、赤外線カメラ等であってもよい。カメラ１０は、航空機１から目標着地点２に設けられたマーカー７を撮影するために設けられる。カメラ１０は、図示しないジンバルを介して撮影方向を調整可能とされている。本実施形態において、カメラ１０は、その撮影範囲Ｂ（図２、図６参照）が、一例として、鉛直方向の真下を向くように制御部３０によって制御される。なお、カメラ１０は、撮影範囲Ｂが、鉛直方向に対して斜め前方側を向くように制御部３０によって制御されてもよい。また、カメラ１０は、ジンバルを省いてもよく、撮影方向が鉛直方向の下方側を向くように、航空機１の機体直下に固定してもよい。
カメラ１０は、航空機１に図示しないジンバルを介して搭載された撮影装置である。カメラ１０は、マーカー７を撮影することができれば、単眼カメラ、複眼カメラ、赤外線カメラ等であってもよい。カメラ１０は、航空機１から目標着地点２に設けられたマーカー７を撮影するために設けられる。カメラ１０は、図示しないジンバルを介して撮影方向を調整可能とされている。本実施形態において、カメラ１０は、その撮影範囲Ｂ（図２、図６参照）が、一例として、鉛直方向の真下を向くように制御部３０によって制御される。なお、カメラ１０は、撮影範囲Ｂが、鉛直方向に対して斜め前方側を向くように制御部３０によって制御されてもよい。また、カメラ１０は、ジンバルを省いてもよく、撮影方向が鉛直方向の下方側を向くように、航空機１の機体直下に固定してもよい。
【0018】
（航法装置）
航法装置２０は、例えば、慣性航法装置（ＩＮＳ：Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）である。なお、本実施形態において、航法装置２０は、慣性航法装置に適用して説明するが、特に限定されず、いずれの航法装置２０を用いてもよい。また、航法装置２０は、位置の計測精度を向上させるために、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を含んだ慣性航法装置となっている。本実施形態では、ＧＰＳを含んだ慣性航法装置に適用して説明するが、ＧＰＳに特に限定されず、精度よく位置を計測可能な位置計測部であればよく、例えば、準天頂衛星システムを用いたものであってもよいし、航法装置２０のみで精度よく位置を計測可能であれば、ＧＰＳ等の位置計測部を省いた構成であってもよい。ＧＰＳを含んだ航法装置２０は、航空機１のロール方向、ヨー方向およびピッチ方向の姿勢角、航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）（図８Ａ参照）、機体加速度（ａｘ、ａｙ）（図８Ａ参照）、機首方位ψｈ（図６参照）および位置座標を取得する。なお、航法装置２０は、航空機１の姿勢角を検出する姿勢角センサ、航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）を検出する速度検出センサ、航空機１の機体加速度（ａｘ、ａｙ）を検出する加速度検出センサ、航空機１の機首方位ψｈを検出するセンサを有するものであってもよい。航法装置２０は、取得した航空機１の姿勢角、機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）、機体加速度（ａｘ、ａｙ）および位置座標を制御部３０に出力する。
航法装置２０は、例えば、慣性航法装置（ＩＮＳ：Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）である。なお、本実施形態において、航法装置２０は、慣性航法装置に適用して説明するが、特に限定されず、いずれの航法装置２０を用いてもよい。また、航法装置２０は、位置の計測精度を向上させるために、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を含んだ慣性航法装置となっている。本実施形態では、ＧＰＳを含んだ慣性航法装置に適用して説明するが、ＧＰＳに特に限定されず、精度よく位置を計測可能な位置計測部であればよく、例えば、準天頂衛星システムを用いたものであってもよいし、航法装置２０のみで精度よく位置を計測可能であれば、ＧＰＳ等の位置計測部を省いた構成であってもよい。ＧＰＳを含んだ航法装置２０は、航空機１のロール方向、ヨー方向およびピッチ方向の姿勢角、航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）（図８Ａ参照）、機体加速度（ａｘ、ａｙ）（図８Ａ参照）、機首方位ψｈ（図６参照）および位置座標を取得する。なお、航法装置２０は、航空機１の姿勢角を検出する姿勢角センサ、航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）を検出する速度検出センサ、航空機１の機体加速度（ａｘ、ａｙ）を検出する加速度検出センサ、航空機１の機首方位ψｈを検出するセンサを有するものであってもよい。航法装置２０は、取得した航空機１の姿勢角、機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）、機体加速度（ａｘ、ａｙ）および位置座標を制御部３０に出力する。
【0019】
（高度センサ）
高度センサ２５は、航空機１の地表面または水面からの高度を検出するセンサである。高度センサ２５は、例えば、レーザ高度計、電波高度計、または気圧高度計を用いてもよく、いずれの高度計を用いてもよい。また、これらの高度計を、使用環境に応じて、すなわち地表面からの高度、海面からの高度を計測するために、適宜組み合わせて適用してもよい。高度センサ２５は、検出した航空機１の高度を制御部３０に出力する。ただし、制御システム１００は、高度センサ２５に限らず、後述する画像処理部３２において、カメラ１０で撮影したマーカー７を含む画像に画像処理を施すことで、航空機１と船舶５との相対高度を算出するものであってもよい。
高度センサ２５は、航空機１の地表面または水面からの高度を検出するセンサである。高度センサ２５は、例えば、レーザ高度計、電波高度計、または気圧高度計を用いてもよく、いずれの高度計を用いてもよい。また、これらの高度計を、使用環境に応じて、すなわち地表面からの高度、海面からの高度を計測するために、適宜組み合わせて適用してもよい。高度センサ２５は、検出した航空機１の高度を制御部３０に出力する。ただし、制御システム１００は、高度センサ２５に限らず、後述する画像処理部３２において、カメラ１０で撮影したマーカー７を含む画像に画像処理を施すことで、航空機１と船舶５との相対高度を算出するものであってもよい。
【0020】
（制御部）
制御部３０は、演算装置、すなわちＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）である。制御部３０は、画像処理部３２と、誘導演算部３４と、飛行制御部３６とを含む。制御部３０は、図示しない制御システム１００の記憶部からプログラム（ソフトウェア）を読み出して実行することで、画像処理部３２と誘導演算部３４と飛行制御部３６とを実現して、それらの処理を実行する。なお、制御部３０は、１つのＣＰＵによってこれらの処理を実行してもよいし、複数のＣＰＵを備えて、それらの複数のＣＰＵで、処理を実行してもよい。また、画像処理部３２と誘導演算部３４と飛行制御部３６との少なくとも一部を、ハードウェア回路で実現してもよい。なお、制御部３０は、航空機１に設けられた図示しないジンバルを介して、カメラ１０の撮影方向を制御する図示しない撮影制御部を備えている。本実施形態では、上述したように、カメラ１０の撮影範囲Ｂが鉛直方向の真下を向くように調整される。
制御部３０は、演算装置、すなわちＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）である。制御部３０は、画像処理部３２と、誘導演算部３４と、飛行制御部３６とを含む。制御部３０は、図示しない制御システム１００の記憶部からプログラム（ソフトウェア）を読み出して実行することで、画像処理部３２と誘導演算部３４と飛行制御部３６とを実現して、それらの処理を実行する。なお、制御部３０は、１つのＣＰＵによってこれらの処理を実行してもよいし、複数のＣＰＵを備えて、それらの複数のＣＰＵで、処理を実行してもよい。また、画像処理部３２と誘導演算部３４と飛行制御部３６との少なくとも一部を、ハードウェア回路で実現してもよい。なお、制御部３０は、航空機１に設けられた図示しないジンバルを介して、カメラ１０の撮影方向を制御する図示しない撮影制御部を備えている。本実施形態では、上述したように、カメラ１０の撮影範囲Ｂが鉛直方向の真下を向くように調整される。
【0021】
（画像処理部）
画像処理部３２は、カメラ１０で撮影された画像に画像処理を施して、マーカー７すなわち目標着地点２の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）（図３参照）を算出する。ここでの中心（Ｃｘ、Ｃｙ）は、カメラ１０で撮影された画像の中心を原点Ｏｃ（図６参照）とするカメラ固定座標系における座標点であり、画像中心からの画素数により算出することができる。中心（Ｃｘ、Ｃｙ）の算出手法については、後述する。画像処理部３２は、算出したマーカー７の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）を誘導演算部３４に出力する。なお、目標着地点２は、マーカー７の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）に限定されず、マーカー７の四隅のいずれかであってもよいし、マーカー７の中心からオフセットした位置であってもよい。
画像処理部３２は、カメラ１０で撮影された画像に画像処理を施して、マーカー７すなわち目標着地点２の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）（図３参照）を算出する。ここでの中心（Ｃｘ、Ｃｙ）は、カメラ１０で撮影された画像の中心を原点Ｏｃ（図６参照）とするカメラ固定座標系における座標点であり、画像中心からの画素数により算出することができる。中心（Ｃｘ、Ｃｙ）の算出手法については、後述する。画像処理部３２は、算出したマーカー７の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）を誘導演算部３４に出力する。なお、目標着地点２は、マーカー７の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）に限定されず、マーカー７の四隅のいずれかであってもよいし、マーカー７の中心からオフセットした位置であってもよい。
【0022】
また、画像処理部３２は、カメラ１０で撮影したマーカー７を含む画像に画像処理を施すことで、マーカー７の向きを特定し、航法装置２０で取得される航空機１の機首方位φｈと対応づけることで、船舶５の船首方位ψｓ（図６参照）を算出する。また、画像処理部３２は、例えば、船舶５に設けられたセンサにより検出された値をアップリンクすることで、船首方位ψｓを取得してもよい。なお、画像処理部３２は、上述したように、カメラ１０で撮影したマーカー７を含む画像に画像処理を施すことで、航空機１と船舶５との相対高度を算出するものであってもよい。
【0023】
（誘導演算部）
誘導演算部３４は、航空機１の目標指令値θ０を算出する。目標指令値θ０は、航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）、姿勢角、姿勢角の変化レート等を調整するための制御量である。目標指令値θ０は、例えば、航空機１を目標着地点２に誘導したり、目標着地点２に追従してホバリングしたりする際の制御量である。図４は、本実施形態に係る誘導演算部の模式的なブロック図である。図４に示すように、誘導演算部３４は、目標指令値θ０を設定する目標指令値設定部５０と、目標指令値θ０を補正して補正目標指令値θを設定する補正目標指令値設定部６０とを含む。
誘導演算部３４は、航空機１の目標指令値θ０を算出する。目標指令値θ０は、航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）、姿勢角、姿勢角の変化レート等を調整するための制御量である。目標指令値θ０は、例えば、航空機１を目標着地点２に誘導したり、目標着地点２に追従してホバリングしたりする際の制御量である。図４は、本実施形態に係る誘導演算部の模式的なブロック図である。図４に示すように、誘導演算部３４は、目標指令値θ０を設定する目標指令値設定部５０と、目標指令値θ０を補正して補正目標指令値θを設定する補正目標指令値設定部６０とを含む。
【0024】
（目標指令値設定部）
目標指令値設定部５０は、目標指令値θ０を取得する。目標指令値θ０は、航空機１を目標の状態にするための指令値であり、目標コマンドともいえる。目標指令値θ０は、例えば、航空機１の姿勢の指令値であり、例えば航空機１のピッチ方向の姿勢角、ロール方向の姿勢角、ヨー方向の姿勢角、コレクティブ方向の高度などの指令値であってよい。また、目標指令値θ０は、航空機１の速度の指令値であってもよい。
目標指令値設定部５０は、目標指令値θ０を取得する。目標指令値θ０は、航空機１を目標の状態にするための指令値であり、目標コマンドともいえる。目標指令値θ０は、例えば、航空機１の姿勢の指令値であり、例えば航空機１のピッチ方向の姿勢角、ロール方向の姿勢角、ヨー方向の姿勢角、コレクティブ方向の高度などの指令値であってよい。また、目標指令値θ０は、航空機１の速度の指令値であってもよい。
【0025】
図４に示すように、目標指令値設定部５０は、航空機情報取得部５２と、相対速度算出部５４と、目標指令値算出部５６とを含む。目標指令値設定部５０は、航空機情報取得部５２によって、航空機１の相対位置を算出し、相対速度算出部５４によって、航空機1の相対位置などから航空機１の相対速度を算出し、目標指令値算出部５６によって、航空機１の相対速度などから目標指令値θ０を算出する。
【0026】
（航空機情報取得部）
航空機情報取得部５２は、航法装置２０が取得した航空機１の姿勢角、機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）、機体加速度（ａｘ、ａｙ）および位置座標や、高度センサ２５が取得した航空機１の高度や、画像処理部３２が取得した目標着地点２の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）の位置情報などを取得する。すなわち、航空機情報取得部５２は、航空機１の現在の状態の情報と、目標着地点２の位置情報とを取得する。
航空機情報取得部５２は、航法装置２０が取得した航空機１の姿勢角、機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）、機体加速度（ａｘ、ａｙ）および位置座標や、高度センサ２５が取得した航空機１の高度や、画像処理部３２が取得した目標着地点２の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）の位置情報などを取得する。すなわち、航空機情報取得部５２は、航空機１の現在の状態の情報と、目標着地点２の位置情報とを取得する。
【0027】
（相対位置の算出）
航空機情報取得部５２は、航空機１と目標着地点２との相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）（図６参照）を算出する。航空機情報取得部５２は、画像処理部３２で算出されたマーカー７の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）と、航空機１と船舶５との相対方位と、航空機１の高度とに基づいて、相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）を算出する。したがって、画像処理部３２および航空機情報取得部５２は、航空機１と目標着地点２との相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）を取得する相対位置取得部として機能する。なお、以降では、ピッチ軸の方向となるＸ方向の成分と、ロール軸の方向となるＹ方向の成分とを併記して示しており、誘導演算部３４により各成分の制御量をそれぞれ算出している。なお、航空機１と船舶５との相対方位とは、航空機１の機首方位ψｈと、船舶５の船首方位ψｓとに基づき算出できる。
航空機情報取得部５２は、航空機１と目標着地点２との相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）（図６参照）を算出する。航空機情報取得部５２は、画像処理部３２で算出されたマーカー７の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）と、航空機１と船舶５との相対方位と、航空機１の高度とに基づいて、相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）を算出する。したがって、画像処理部３２および航空機情報取得部５２は、航空機１と目標着地点２との相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）を取得する相対位置取得部として機能する。なお、以降では、ピッチ軸の方向となるＸ方向の成分と、ロール軸の方向となるＹ方向の成分とを併記して示しており、誘導演算部３４により各成分の制御量をそれぞれ算出している。なお、航空機１と船舶５との相対方位とは、航空機１の機首方位ψｈと、船舶５の船首方位ψｓとに基づき算出できる。
【0028】
航空機情報取得部５２は、航空機１と目標着地点２との相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）を算出する相対位置演算処理を実行する。相対位置演算処理は、画像処理部３２および誘導演算部３４により、図５に示す手順にしたがって実行される。図５は、画像処理部および航空機情報取得部により実行される相対位置演算処理の一例を示すフローチャートである。図５に示すフローチャートは、画像処理部３２と航空機情報取得部５２とにより所定時間ごとに繰り返し実行される。また、図６は、航空機が目標着地点に誘導される様子を示す説明図である。なお、以下の説明では、カメラ１０によりマーカー７を捕捉できている状態において、水平方向における航空機１と目標着地点２との相対位置の算出について説明する。航空機１の目標着地点２に対する相対高度は、高度センサ２５で検出される航空機１の高度に基づいて算出され、航空機１と目標着地点２との相対位置等に応じて適宜制御される。また、カメラ１０によりマーカー７を捕捉できない程度に航空機１と船舶５とが離れている場合には、例えば互いのＧＰＳによる位置情報等を利用して、航空機１を船舶５に向けて飛行させる。
【0029】
制御部３０は、画像処理部３２において、カメラ１０により撮影された画像を取得する（ステップＳ１）。次に、制御部３０は、画像処理部３２において、カメラ固定座標系におけるマーカー７の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）を算出する（ステップＳ２）。具体的には、画像処理部３２は、図３に示すように、画像処理によってマーカー７の角部同士の間を延びる対角線Ｌｄを２つ特定し、特定した２つの対角線Ｌｄの交点をマーカー７の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）とする。なお、画像処理部３２は、対角線Ｌｄを１つのみ特定し、特定した対角線Ｌｄの長さの中心位置をマーカー７の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）としてもよい。また、画像処理部３２は、対角線Ｌｄを２つ以上特定し、特定した対角線Ｌｄの長さの中心位置の平均となる位置をマーカー７の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）としてもよい。さらに、画像処理部３２は、正方形状のマーカー７を射影変換による関数を用いて台形補正するとき、関数に基づいて正方形の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）を算出してもよい。その際、マーカー７の四隅の座標点、またはマーカー７の白黒に色分けされた境界の各点の座標点を用いて台形補正を行い、他の座標点は内挿補間により算出してもよい。
【0030】
次に、制御部３０は、航空機情報取得部５２において、マーカー７の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）と、カメラ１０の方位すなわち航空機１の機首方位ψｈと、航空機１の高度（目標着地点２に対する相対高度）とに基づいて、航空機１と目標着地点２との相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）を演算する（ステップＳ３）。相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）は、水平方向における航空機１と目標着地点２との距離となる。なお、ステップＳ３の処理は、画像処理部３２で行ってもよい。具体的には、航空機情報取得部５２は、まず、画像処理部３２で算出されたマーカー７の中心（Ｃｘ、Ｃｙ）を、カメラ固定座標系における目標座標点（Ｘｉｍｇ、Ｙｉｍｇ）に座標変換する。
【0031】
次に、航空機情報取得部５２は、下記の式（１）、（２）に基づいて、船慣性系Ｓｇ（図６参照）における航空機１と目標着地点２との相対位置（Ｘｓｇ、Ｙｓｇ）（図６参照）を算出する。船慣性系Ｓｇは、目標着地点２を原点Ｏｓｇ（０、０）として、船舶５の船首方位ψｓに沿った方向をＸ軸、船首方位ψｓと水平方向で直交する方向をＹ軸、鉛直方向をＺ軸とした座標系である。
【0032】
【数1】
【0033】
【数2】
【0034】
次に、航空機情報取得部５２は、下記の式（３）、（４）に基づいて、航空機慣性系Ｈｇ（図６参照）における航空機１と目標着地点２との相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）（図６参照）を算出する。航空機慣性系Ｈｇは、航空機１を原点Ｏｈｇ（０、０）として、航空機１の機首方位ψｈに沿った方向をＸ軸、機首方位ψｈと水平方向で直交する方向をＹ軸、鉛直方向をＺ軸とした座標系である。これにより、水平方向において、航空機慣性系における航空機１と目標着地点２との相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）が算出される。相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）は、航空機１から目標着地点２までの距離である。航空機情報取得部５２は、以上のような方法で航空機１と目標着地点２との相対位置を算出するが、相対位置の算出方法はこれに限られない。
【0035】
【数3】
【0036】
【数4】
【0037】
（相対高度の算出）
また、航空機情報取得部５２は、航空機１の高度に基づいて、目標着地点２までの相対高度を算出する。したがって、高度センサ２５および航空機情報取得部５２は、航空機１と目標着地点２との相対高度を取得する相対高度取得部として機能する。なお、画像処理部３２において、カメラ１０で撮影したマーカー７を含む画像に画像処理を施すことで、航空機１と船舶５との相対高度を算出する場合は、画像処理部３２が相対高度取得部となる。
また、航空機情報取得部５２は、航空機１の高度に基づいて、目標着地点２までの相対高度を算出する。したがって、高度センサ２５および航空機情報取得部５２は、航空機１と目標着地点２との相対高度を取得する相対高度取得部として機能する。なお、画像処理部３２において、カメラ１０で撮影したマーカー７を含む画像に画像処理を施すことで、航空機１と船舶５との相対高度を算出する場合は、画像処理部３２が相対高度取得部となる。
【0038】
（相対速度算出部）
図４に示す相対速度算出部５４は、目標着地点２すなわち船舶５に対する航空機１の相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）を算出する。相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）は、航空機１の制御に用いるパラメータである。図７は、相対速度算出部により実行される相対速度演算処理の一例を示すブロック図である。なお、図７でも、ピッチ軸の方向となるＸ方向の成分と、ロール軸の方向となるＹ方向の成分とを併記して図示している。具体的には、相対速度算出部５４は、航空機１と目標着地点２との相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）と、航法装置２０で検出された航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）と、に基づいて相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）を算出する。
図４に示す相対速度算出部５４は、目標着地点２すなわち船舶５に対する航空機１の相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）を算出する。相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）は、航空機１の制御に用いるパラメータである。図７は、相対速度算出部により実行される相対速度演算処理の一例を示すブロック図である。なお、図７でも、ピッチ軸の方向となるＸ方向の成分と、ロール軸の方向となるＹ方向の成分とを併記して図示している。具体的には、相対速度算出部５４は、航空機１と目標着地点２との相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）と、航法装置２０で検出された航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）と、に基づいて相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）を算出する。
【0039】
相対速度算出部５４は、まず、図７に示すように、航空機１と目標着地点２との相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）を微分することで、航空機１と目標着地点２と相対速度（ΔＶ１ｘ、ΔＶ１ｙ）を算出する。本実施形態では、擬似微分フィルタＦ１を用いて相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）に擬似微分を施す。擬似微分フィルタの伝達関数Ｇ１（Ｓ）は、下記の式（５）で表される。式（５）中の“ｓ”は、演算子であり、“τ１”は、時定数である。
【0040】
Ｇ１（Ｓ）＝ｓ／（τ１・ｓ＋１） …（５）
【0041】
式（５）のような擬似微分フィルタＦ１により算出された相対速度（ΔＶ１ｘ、ΔＶ１ｙ）を後の制御に用いた場合、遅れにより制御性が悪化する可能性がある。そのため、相対速度算出部５４は、図７に示すように、相補フィルタＦ２を用いて相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）を算出する。相補フィルタＦ２は、ローパスフィルタＦ２Ｌと、ハイパスフィルタＦ２Ｈとを含んでいる。
【0042】
相対速度算出部５４は、擬似微分フィルタＦ１により算出された相対速度（ΔＶ１ｘ、ΔＶ１ｙ）に、ローパスフィルタＦ２Ｌを施して、所定のカットオフ周波数以上の周波数を減衰させた相対速度（ΔＶ２ｘ、ΔＶ２ｙ）を算出する。ローパスフィルタＦ２Ｌの伝達関数Ｇ２（ｓ）は、式（６）により表される。式（６）中の“ｓ”は、演算子であり、“τ２”は、時定数である。所定のカットオフ周波数は、“１／τ２”となる。これにより、相対速度（ΔＶ１ｘ、ΔＶ１ｙ）のうち、比較的に信頼性の高い穏やかな変化、すなわち所定のカットオフ周波数以下の低周波数域の値を反映させた相対速度（ΔＶ２ｘ、ΔＶ２ｙ）を得ることができる。
【0043】
Ｇ２（Ｓ）＝１／（τ２・ｓ＋１） …（６）
【0044】
また、相対速度算出部５４は、航法装置２０で検出された航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）に、ハイパスフィルタＦ２Ｈを施して、所定のカットオフ周波数未満の周波数を減衰させた相対速度（ΔＶ３ｘ、ΔＶ３ｙ）を算出する。ハイパスフィルタＦ２Ｈの伝達関数Ｇ３（ｓ）は、式（７）により表される。式（７）中の“ｓ”は、演算子であり、“τ２”は、ローパスフィルタＦ２Ｌと共通の時定数である。したがって、ハイパスフィルタＦ２Ｈにおいても、所定のカットオフ周波数は、“１／τ２”となる。すなわち、短期的な相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）の変化は、航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）自体の変化により生じたものであると推定し、機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）にハイパスフィルタＦ２Ｈを施して得た値を相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）の高周波数域の値であると推定する。そして、誘導演算部３４は、相対速度（ΔＶ２ｘ、ΔＶ２ｙ）と相対速度（ΔＶ３ｘ、ΔＶ３ｙ）とを加算した値を、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）として算出する。これにより、高周波数域の値をカットオフして信頼性を高めた相対速度（ΔＶ２ｘ、ΔＶ２ｙ）に、当該高周波数域の値と推定した相対速度（ΔＶ３ｘ、ΔＶ３ｙ）を加味して、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）を精度良く算出することが可能となる。
【0045】
Ｇ３（Ｓ）＝τ２・ｓ／（τ２・ｓ＋１） …（７）
【0046】
相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）は、以上のように、航空機１と目標着地点２との相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）に基づき算出される。相対位置は、航空機１に設けられたセンサ（カメラ１０など）の検出値に基づき検出されるため、相対速度も、航空機１に設けられたセンサ（カメラ１０など）の検出値に基づき検出されるといえる。
【0047】
（目標指令値の算出）
図４に示す目標指令値算出部５６は、航空機情報取得部５２が算出した相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）や、相対速度算出部５４が算出した相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）に基づいて、目標指令値θ０を算出する。目標指令値θ０は、航空機１の制御量であるともいえる。
図４に示す目標指令値算出部５６は、航空機情報取得部５２が算出した相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）や、相対速度算出部５４が算出した相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）に基づいて、目標指令値θ０を算出する。目標指令値θ０は、航空機１の制御量であるともいえる。
【0048】
（ＰＩＤ制御）
図８Ａは、制御量算出部により航空機の制御量を算出する構成の一例を示すブロック図である。図８Ａに示すように、目標指令値算出部５６は、相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）と相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）とにカルマンフィルタＦ３を施して、ノイズを除去して誤差を低減させた相対位置（Ｘｈｇｆ、Ｙｈｇｆ）を算出する。なお、カルマンフィルタＦ３は、省略されてもよい。そして、目標指令値算出部５６は、相対位置（Ｘｈｇｆ、Ｙｈｇｆ）、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）および機体加速度（ａｘ、ａｙ）を用いて、ＰＩＤ制御部７０（フィードバック制御部）によりＰＩＤ制御を実行して目標指令値θ０’を算出する。具体的には、目標指令値算出部５６は、航空機１と目標着地点２との水平方向における距離としての相対位置（Ｘｈｇｆ、Ｙｈｇｆ）が値０となるように、ＰＩＤ制御により航空機１の目標指令値θ０’を算出する。それにより、航空機１を目標着地点２に誘導させ、目標着地点２の直上で航空機１が船舶５に対して相対的に静止した状態となるように、目標指令値θ０’を決定することができる。また、目標指令値算出部５６は、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）および機体加速度（ａｘ、ａｙ）が値０となるように、ＰＩＤ制御により航空機１の目標指令値θ０’を算出する。それにより、航空機１の目標着地点２への誘導に関する精度向上を図ることができる。なお、本実施形態において、ＰＩＤ制御は、機体加速度（ａｘ、ａｙ）を用いるものとしたが、少なくとも航空機１と目標着地点２との相対位置および相対速度に基づいて実行されればよい。
図８Ａは、制御量算出部により航空機の制御量を算出する構成の一例を示すブロック図である。図８Ａに示すように、目標指令値算出部５６は、相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）と相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）とにカルマンフィルタＦ３を施して、ノイズを除去して誤差を低減させた相対位置（Ｘｈｇｆ、Ｙｈｇｆ）を算出する。なお、カルマンフィルタＦ３は、省略されてもよい。そして、目標指令値算出部５６は、相対位置（Ｘｈｇｆ、Ｙｈｇｆ）、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）および機体加速度（ａｘ、ａｙ）を用いて、ＰＩＤ制御部７０（フィードバック制御部）によりＰＩＤ制御を実行して目標指令値θ０’を算出する。具体的には、目標指令値算出部５６は、航空機１と目標着地点２との水平方向における距離としての相対位置（Ｘｈｇｆ、Ｙｈｇｆ）が値０となるように、ＰＩＤ制御により航空機１の目標指令値θ０’を算出する。それにより、航空機１を目標着地点２に誘導させ、目標着地点２の直上で航空機１が船舶５に対して相対的に静止した状態となるように、目標指令値θ０’を決定することができる。また、目標指令値算出部５６は、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）および機体加速度（ａｘ、ａｙ）が値０となるように、ＰＩＤ制御により航空機１の目標指令値θ０’を算出する。それにより、航空機１の目標着地点２への誘導に関する精度向上を図ることができる。なお、本実施形態において、ＰＩＤ制御は、機体加速度（ａｘ、ａｙ）を用いるものとしたが、少なくとも航空機１と目標着地点２との相対位置および相対速度に基づいて実行されればよい。
【0049】
また、目標指令値算出部５６は、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）が所定値以上のとき、ＰＩＤ制御の積分動作を実行しないものとしてもよい。本実施形態では、航空機１が目標着地点２に対して相対的に静止状態であるとき、航空機１が周囲の風から受ける力を打ち消すことを考慮し、ＰＩＤ制御の積分動作のゲインを比較的に高く設定する。ここで、航空機１が受ける風の力が弱まったとき、航空機１は、一時的に相対的な静止状態から移動し、いずれかの位置で風の力に対して釣り合って再び静止状態となることがある。このとき、航空機１を目標着地点２へと戻すための目標指令値θ０’は、ＰＩＤ制御の積分動作により算出される。したがって、ＰＩＤ制御の積分動作は、必要な構成ではあるものの、上述したように、ゲインが比較的に高く設定されることから、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）が大きい場合には、積分動作により算出される値が大きくなりすぎ、航空機１が目標着地点２を通り過ぎてしまうオーバーシュートが発生する可能性がある。そこで、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）が所定値以上のとき、ＰＩＤ制御の積分動作を実行しないことで、積分ゲインを比較的に大きく設定した場合にも、オーバーシュートを抑制することができる。
【0050】
なお、目標指令値算出部５６は、このようにＰＩＤ制御により目標指令値θ０’を算出するが、ＰＩＤ制御に限らず、Ｐ制御、ＰＩ制御、ＰＤ制御等によって目標指令値θ０’を算出してもよい。
【0051】
（多値制御）
さらに、目標指令値算出部５６は、ＰＩＤ制御と並行して、多値制御部７２において、ＰＩＤ制御部７０で算出した目標指令値θ０’に加算する加算値Ｄを設定する多値制御を実行する。多値制御部７２には、相対位置（Ｘｈｇｆ、Ｙｈｇｆ）および相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）が入力される。多値制御部７２は、入力された相対位置（Ｘｈｇｆ、Ｙｈｇｆ）および相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）に基づいて、加算値Ｄを算出する。
さらに、目標指令値算出部５６は、ＰＩＤ制御と並行して、多値制御部７２において、ＰＩＤ制御部７０で算出した目標指令値θ０’に加算する加算値Ｄを設定する多値制御を実行する。多値制御部７２には、相対位置（Ｘｈｇｆ、Ｙｈｇｆ）および相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）が入力される。多値制御部７２は、入力された相対位置（Ｘｈｇｆ、Ｙｈｇｆ）および相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）に基づいて、加算値Ｄを算出する。
【0052】
図８Ｂは、相対位置および相対速度を直交軸とする座標平面を示す説明図である。横軸に相対位置（Ｘｈｇｆ、Ｙｈｇｆ）、縦軸に相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）をとっている。なお、図８Ｂでも、ピッチ軸の方向となるＸ方向の成分と、ロール軸の方向となるＹ方向の成分とを併記して図示している。ここでの相対位置（Ｘｈｇｆ、Ｙｈｇｆ）は、航空機１から目標着地点２までの距離であり、航空機１が目標着地点２よりも航空機１の前進方向において前方にいる場合を正（右方向）とし、航空機１が目標着地点２よりも航空機１の前進方向において後方にいる場合を負（左方向）として考える。また、ここでの相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）は、航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）が船舶５の速度よりも大きいときを正（上方向）とし、航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）が船舶５の速度よりも小さいときを負（下方向）として考える。したがって、座標平面上の原点は、航空機１が目標着地点２の直上で、目標着地点２に対して相対的に静止状態となる座標点を示す。なお、相対位置（Ｘｈｇｆ、Ｙｈｇｆ）および相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）は、正負を逆にして考えてもよい。また、図８Ｂには、現在の相対位置（Ｘｈｇｆ、Ｙｈｇｆ）および相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）の座標点Ｐを例示している。
【0053】
座標平面上には、原点を通り、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）を増加させる増速領域Ａ１（図８Ｂで斜線を付した範囲）と相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）を減少させる減速領域Ａ２（図８Ｂで斜線を付していない範囲）とに区分けする切替線Ｌ１が予め設定されている。切替線Ｌ１は、座標平面上で、原点を通り、航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）が船舶５の速度（目標着地点２の速度）よりも速く、かつ、航空機１が目標着地点２よりも前進方向において後方となる象限と、航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）が船舶５の速度よりも遅く、かつ、航空機１が目標着地点２よりも前進方向において前方となる象限とを延びる直線である。したがって、本実施形態においては、切替線Ｌ１は、図８Ｂに示すように、原点を通り、第２象限と第４象限とを延びる。切替線Ｌ１の角度は、図８Ｂに示すものに限られず、ユーザーにより適宜設定される。例えば、切替線Ｌ１の角度を大きくする（相対速度側に近づくように傾ける）と、目標着地点２へ戻る航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）は大きくなるが、オーバーシュートが発生し易くなるため、適切な傾きとなるように設定される。
【0054】
図８Ｃは、多値制御において設定される加算値を規定するマップの一例を示す説明図である。図８Ｃにおいて、横軸は、図８Ｂの座標平面上での切替線Ｌ１から現在の座標点Ｐまでの距離を示し、縦軸は、設定される加算値Ｄを示す。切替線Ｌ１から現在の座標点Ｐまでの距離は、現在の座標点Ｐが増速領域Ａ１に位置するときに正とし、現在の座標点Ｐが減速領域Ａ２に位置するときに負とする。本実施形態において、加算値Ｄは、正の値をとる場合、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）を大きくする傾向、すなわち航空機１の速度を前進方向において増加させる傾向に設定される。また、本実施形態において、加算値Ｄは、負の値をとる場合、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）を小さくする傾向、すなわち航空機１の速度を前進方向において減少させる傾向または後進方向において増加させる傾向に設定される。また、図中の実線に示すように、加算値Ｄは、座標点Ｐと切替線Ｌ１との距離が遠いほど絶対値が大きく、座標点Ｐと切替線Ｌ１との距離が近いほど絶対値が小さくなるように、階段状に設定されている。
【0055】
多値制御部７２は、現在の相対位置（Ｘｈｇｆ、Ｙｈｇｆ）および相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）の座標点Ｐと、切替線Ｌ１との距離に応じて、図８Ｃに示す加算値Ｄを設定し、図８Ａに示すように、加算回路７４で、ＰＩＤ制御部７０で算出された目標指令値θ０’に加算値Ｄを加算して、目標指令値θ０とする。
【0056】
それにより、座標点Ｐが増速領域Ａ１に位置するとき、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）を増加させる傾向の加算値Ｄが加算された目標指令値θ０で、航空機１の飛行が制御される。その結果、図８Ｂに実線で例示するように、図８Ｂに破線で例示する加算値Ｄが加算されていない目標指令値θ０’で航空機１が飛行する場合に比べて、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）が大きくなる。つまり、航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）が速やかに増加し、同じ距離を移動するまでに必要な時間が短くなる。一方、座標点Ｐが切替線Ｌ１を跨いで減速領域Ａ２に至ると、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）を減少させる傾向の加算値Ｄが加算された目標指令値θ０で、航空機１の飛行が制御される。その結果、図８Ｂに実線で例示するように、実線の相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）は、増速領域Ａ１から切替線Ｌ１を超えて減速領域Ａ２に移行した直後において、破線の相対速度に比して大きくなるものの、目標着地点２に近づくにつれて、破線よりも小さくなる。つまり、航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）が速やかに減少し、航空機１が座標平面上の原点を通り過ぎてオーバーシュートすることが抑制される。
【0057】
また、加算値Ｄは、航空機１の高度（目標着地点２に対する相対高度）に応じて複数設定されてもよい。例えば、航空機１が目標着地点２の直上に位置し、高度が所定高度（例えば、目標着地点２に対して３ｍ以上８ｍ以下の範囲）にあるとき（例えば、後述の低高度ホバリングモード時）、加算値Ｄは、図８Ｃに破線で示すように、実線で示す通常時（例えば、後述の高高度ホバリングモード時）の値よりも絶対値が大きく設定されてもよい。このとき、高度の値に応じて、加算値Ｄの設定を徐々に変化させてもよい。これにより、航空機１が目標着地点２に着地する近傍において、航空機１の目標指令値θ０をより高精度に算出することができ、目標着地点２に精度良く着地させることが可能となる。
【0058】
同様に、加算値Ｄは、航空機１の制御モードに応じて複数設定されてもよい。例えば、航空機１の制御モードとして、目標着地点２の直上で、目標着地点２に対する相対高度を第一相対高度（例えば８ｍ）で維持させる高高度ホバリングモードと、高高度ホバリングモードの状態から、目標着地点２の直上で、目標着地点２に対する相対高度を第二相対高度（例えば３ｍ）まで下降させる低高度ホバリングモードとが設定されている場合を考える。なお、高高度ホバリングモードから低高度ホバリングモードへの移行は、相対位置（Ｘｈｇｆ、Ｙｈｇｆ）が予め定められた閾値以下であり、かつ、オペレータがモード移行の指示を行ったことを条件とすることができる。また、高高度ホバリングモードから低高度ホバリングモードへの移行は、オペレータがモード移行の指示を行ったことに代えて、航空機１の姿勢角の変化レート、姿勢角、相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）、目標着地点２の水平方向における角度、目標着地点２に対する航空機１の高度、目標着地点２に対する相対高度等が予め定められた値以下であることを条件としてもよい。
【0059】
このような高高度ホバリングモードと低高度ホバリングモードとが設定されている場合に、高高度ホバリングモードから低高度ホバリングモードへの移行が開始された後、第一所定時間（例えば５秒）の経過後、加算値Ｄの設定を切り替える。すなわち、加算値Ｄを図８Ｃに実線で示す値から、図８Ｄに破線で示す値へと切り替える。このとき、加算値Ｄは、第二所定時間（例えば３秒）をかけて徐々に変化するように設定されてもよい。これにより、航空機１が目標着地点２に着地する近傍において、航空機１の目標指令値θ０をより高精度に算出することができ、目標着地点２に精度良く着地させることが可能となる。
【0060】
なお、加算値Ｄの設定手法は、これに限られない。図８Ｄは、多値制御において設定される加算値を規定するマップの他の例を示す説明図である。図示するように、加算値Ｄは、現在の座標点Ｐと切替線Ｌ１との距離に関わらず、増速領域Ａ１で正の値の一定値、減速領域Ａ２で負の値の一定値とされてもよい。
【0061】
以上説明したように、目標指令値算出部５６は、ＰＩＤ制御部７０によって算出した目標指令値θ０’に、多値制御部７２で算出した加算値Ｄを加えて、目標指令値θ０を算出する。ただし、目標指令値θ０の算出方法はこれに限られない。例えば、目標指令値算出部５６は、加算値Ｄを用いずに、ＰＩＤ制御部７０によって算出した目標指令値θ０’を、目標指令値θ０として用いてもよい。
【0062】
（補正目標指令値）
以上のように算出される目標指令値θ０を用いて航空機１を制御した場合、例えばガストなどの外乱が航空機１に作用することにより、航空機１を適切に制御できなくなるおそれがある。それに対し、本実施形態においては、図４に示す補正目標指令値設定部６０により、外乱の推定量を示す推定外乱量を算出し、補正目標指令値算出部６６により、推定外乱量に基づいて目標指令値θ０を補正して、補正目標指令値θを算出し、補正目標指令値θを実際の制御量として、航空機１を制御する。これにより、外乱が作用する場合にも航空機１を適切に制御することが可能となる。以下、推定外乱量、及び補正目標指令値θの算出方法について説明する。
以上のように算出される目標指令値θ０を用いて航空機１を制御した場合、例えばガストなどの外乱が航空機１に作用することにより、航空機１を適切に制御できなくなるおそれがある。それに対し、本実施形態においては、図４に示す補正目標指令値設定部６０により、外乱の推定量を示す推定外乱量を算出し、補正目標指令値算出部６６により、推定外乱量に基づいて目標指令値θ０を補正して、補正目標指令値θを算出し、補正目標指令値θを実際の制御量として、航空機１を制御する。これにより、外乱が作用する場合にも航空機１を適切に制御することが可能となる。以下、推定外乱量、及び補正目標指令値θの算出方法について説明する。
【0063】
（補正目標指令値設定部）
図４に示すように、補正目標指令値設定部６０は、参照速度算出部６２と推定外乱量算出部６４と補正コマンド算出部６５と補正目標指令値算出部６６とを含む。図９は、補正目標指令値の算出方法を説明する模式的なブロック図である。以下、図９に基づき、補正目標指令値θの算出方法を説明する。以降では、補正目標指令値θ（目標指令値θ０）がピッチ方向の姿勢角の目標値である場合を例にして説明する。なお、図９の符号は、それぞれの処理を実行する主体を示したものである。
図４に示すように、補正目標指令値設定部６０は、参照速度算出部６２と推定外乱量算出部６４と補正コマンド算出部６５と補正目標指令値算出部６６とを含む。図９は、補正目標指令値の算出方法を説明する模式的なブロック図である。以下、図９に基づき、補正目標指令値θの算出方法を説明する。以降では、補正目標指令値θ（目標指令値θ０）がピッチ方向の姿勢角の目標値である場合を例にして説明する。なお、図９の符号は、それぞれの処理を実行する主体を示したものである。
【0064】
（補正目標指令値の算出）
図９に示すように、補正目標指令値算出部６６は、上述の方法で算出された目標指令値θ０を、補正コマンド算出部６５によって前に算出された補正コマンドｄ’（ｓ）で補正して、補正目標指令値θを算出する。補正コマンドｄ’（ｓ）については後述するが、推定外乱量に基づき算出される値である。補正目標指令値算出部６６は、取得した目標指令値θ０を、直前に算出された補正コマンドｄ’（ｓ）で補正する。また、本実施形態では、補正目標指令値算出部６６は、目標指令値θ０に補正コマンドｄ’（ｓ）を加算して補正目標指令値θを算出するが、目標指令値θ０を補正コマンドｄ’（ｓ）で補正する方法は、加算することに限られず、例えば、目標指令値θ０を補正コマンドｄ’（ｓ）で減算して補正目標指令値θを算出してもよいし、補正コマンドｄ’（ｓ）にゲインやフィルタをかけて、目標指令値θ０を、ゲインやフィルタをかけた補正コマンドｄ’（ｓ）で加算や減算をして、補正目標指令値θを算出してもよい。また、前に算出された補正コマンドｄ’（ｓ）が存在しない場合には、すなわち最初に補正コマンドｄ’（ｓ）を算出する場合には、例えば目標指令値θ０を補正目標指令値θとして取り扱ってよい。
図９に示すように、補正目標指令値算出部６６は、上述の方法で算出された目標指令値θ０を、補正コマンド算出部６５によって前に算出された補正コマンドｄ’（ｓ）で補正して、補正目標指令値θを算出する。補正コマンドｄ’（ｓ）については後述するが、推定外乱量に基づき算出される値である。補正目標指令値算出部６６は、取得した目標指令値θ０を、直前に算出された補正コマンドｄ’（ｓ）で補正する。また、本実施形態では、補正目標指令値算出部６６は、目標指令値θ０に補正コマンドｄ’（ｓ）を加算して補正目標指令値θを算出するが、目標指令値θ０を補正コマンドｄ’（ｓ）で補正する方法は、加算することに限られず、例えば、目標指令値θ０を補正コマンドｄ’（ｓ）で減算して補正目標指令値θを算出してもよいし、補正コマンドｄ’（ｓ）にゲインやフィルタをかけて、目標指令値θ０を、ゲインやフィルタをかけた補正コマンドｄ’（ｓ）で加算や減算をして、補正目標指令値θを算出してもよい。また、前に算出された補正コマンドｄ’（ｓ）が存在しない場合には、すなわち最初に補正コマンドｄ’（ｓ）を算出する場合には、例えば目標指令値θ０を補正目標指令値θとして取り扱ってよい。
【0065】
（参照速度の算出）
参照速度算出部６２は、補正目標指令値θと当初目標指令値θＦ０との差分値Δθを算出する。当初目標指令値θＦ０は、今回のタイミングで補正コマンドｄ’（ｓ）を算出するよりも前に算出されて、記憶部（図示略）に記憶された補正目標指令値θの値であり、補正目標指令値θの記憶量であるともいえる。当初目標指令値θＦ０は、最初に補正コマンドｄ’（ｓ）を算出した際の補正目標指令値θである。すなわち本例では、差分値Δθは、今回のピッチ方向の姿勢の目標値と、最初に補正コマンドｄ’（ｓ）を算出した際のピッチ方向の姿勢の目標値との差分値である。差分値Δθは、このように算出される値であるため、目標指令値θ０に基づく値であるといえる。なお、当初目標指令値θＦ０は、最初に補正コマンドｄ’（ｓ）を算出した際の補正目標指令値θであることに限られず、今回より前の任意のタイミングにおける補正目標指令値θであってもよいし、予め設定された一定の値であってもよい。
参照速度算出部６２は、補正目標指令値θと当初目標指令値θＦ０との差分値Δθを算出する。当初目標指令値θＦ０は、今回のタイミングで補正コマンドｄ’（ｓ）を算出するよりも前に算出されて、記憶部（図示略）に記憶された補正目標指令値θの値であり、補正目標指令値θの記憶量であるともいえる。当初目標指令値θＦ０は、最初に補正コマンドｄ’（ｓ）を算出した際の補正目標指令値θである。すなわち本例では、差分値Δθは、今回のピッチ方向の姿勢の目標値と、最初に補正コマンドｄ’（ｓ）を算出した際のピッチ方向の姿勢の目標値との差分値である。差分値Δθは、このように算出される値であるため、目標指令値θ０に基づく値であるといえる。なお、当初目標指令値θＦ０は、最初に補正コマンドｄ’（ｓ）を算出した際の補正目標指令値θであることに限られず、今回より前の任意のタイミングにおける補正目標指令値θであってもよいし、予め設定された一定の値であってもよい。
【0066】
差分値Δθは、参照モデルＭの入力値として用いられる。参照速度算出部６２は、予め設定された参照モデルＭに、入力値としての差分値Δθを入力することで、航空機１の機体速度（慣性速度）の参照値である参照速度を算出する。ただし、参照モデルＭの入力値は、差分値Δθであることに限られない。参照モデルＭの入力値は、例えば、航空機１の実際の制御量として用いられる、補正目標指令値θなどであってもよい。
【0067】
参照モデルＭは、本実施形態では航空機の内部制御則や運動モデルを未知のまま取り扱ったモデルであり、入力値である差分値Δθに応じて、出力値である参照速度を一義的に設定するモデルである。さらに言えば、参照モデルＭは、補正目標指令値θ（差分値Δθ）が設定された場合の航空機１の機体速度の観測値（予測値）を、参照速度として算出するモデルである。本実施形態では、参照モデルＭは、外乱のない状態における、目標指令値θ０（差分値Δθ）と航空機１の機体速度との関係の実測値に基づき設定される。実測値に基づいて参照モデルＭを構築することで、内部制御則や運動モデルを未知としても、実際の挙動を高精度に再現できる。
【0068】
本実施形態では、参照モデルＭとして、第１参照モデルＭ１と第２参照モデルＭ２とが用いられる。第１参照モデルＭ１は、差分値Δθを、ここではピッチ方向の姿勢の目標値の差分値を入力値として、航空機１の姿勢の参照値Δθａを出力値として一義的に設定するモデルである。航空機１の姿勢の参照値Δθａとは、差分値Δθが設定された際に航空機１が実際にとる姿勢の予測値を指し、より詳しくは、補正目標指令値θを設定した場合の機体姿勢と、当初目標指令値θＦ０を設定した場合の機体姿勢との差分に、第１参照モデルＭ１をかけたものを指す。すなわち、第１参照モデルＭ１は、目標指令値θ０（差分値Δθ）が設定された場合の航空機１の姿勢の観測値（予測値）を、航空機１の姿勢の参照値Δθａとして算出するモデルである。
【0069】
第１参照モデルＭ１は、差分値Δθの変化に対する参照値Δθａの変化の、むだ時間の要素を含む。ここでのむだ時間は、差分値Δθが変化してから、その変化に応じて航空機１の姿勢の変化が開始するまでの時間を指す。すなわち、入力値である差分値Δθを第１参照モデルＭ１に入力した場合、むだ時間に基づいて、差分値Δθの変化に対して航空機１の姿勢の参照値Δθａの変化が遅れるように、参照値Δθａが算出される。航空機１が実際にとり得る姿勢や機体速度は、姿勢の目標値の変化に対して遅れるため、むだ時間の要素を含めることで、参照速度を高精度に算出できる。このように、第１参照モデルＭ１にむだ時間の要素が含まれているため、参照モデルＭは、入力値の変化に対する出力値の変化のむだ時間の要素が含まれるものであるといえる。
【0070】
本実施形態では、第１参照モデルＭ１は、目標指令値θ０と航空機１の姿勢の観測値との関係の実測値に基づき設定される。図８の例では、第１参照モデルＭ１は、ＧθＭ（ｓ）ｅ－ｓＬとして表されている。例えば、第１参照モデルＭ１のうちのむだ時間要素であるｅ－ｓＬを除いた部分であるＧθＭ（ｓ）は、例えば以下の式（８）のように設定される。式（８）において、ｓは演算子であり、ωθは固有値である固有周波数［ｒａｄ／ｓ］を指し、例えば４［ｒａｄ／ｓ］とされ、ζθは減衰係数であり、例えば０．７とされる。
【0071】
ＧθＭ（ｓ）＝ωθ
２／（ｓ２＋２ζθωθｓ＋ωθ
２） ・・・（８）
【0072】
第１参照モデルＭ１は、式（８）のように設定されたＧθＭ（ｓ）に、むだ時間要素であるｅ－ｓＬを加味したものとなる。ただし、式（８）に示した第１参照モデルＭ１は一例であり、第１参照モデルＭ１は、差分値Δθが入力された場合に航空機１の姿勢の参照値Δθａを出力するように、任意の方法でモデル化されたものであってよい。
【0073】
第２参照モデルＭ２は、図８の例ではＧθ－Ｖｘ（ｓ）として表されている。第２参照モデルＭ２は、第１参照モデルＭ１の出力値である航空機１の姿勢の参照値Δθａを入力値として、航空機１の機体速度の参照値、すなわち参照速度を一義的に設定するモデルである。すなわち、第２参照モデルＭ２は、航空機１の姿勢を機体速度に換算する式であるといえる。第２参照モデルＭ２は、任意の方法で設定されてよい。
【0074】
参照速度算出部６２は、このように設定される第１参照モデルＭ１及び第２参照モデルＭ２を用いて、参照速度を算出する。第１参照モデルＭ１及び第２参照モデルＭ２は、例えば制御システム１００に予め記憶されており、参照速度算出部６２は、第１参照モデルＭ１及び第２参照モデルＭ２を読み出して、参照速度を算出する。具体的には、参照速度算出部６２は、補正目標指令値θと当初目標指令値θＦ０との差分値Δθを、第１参照モデルＭ１に入力して、航空機１の姿勢の参照値Δθａを出力値として算出する。そして、参照速度算出部６２は、第１参照モデルＭ１の出力値である航空機１の姿勢の参照値Δθａを、第２参照モデルＭ２に入力することで、参照速度を算出する。以下、参照速度算出部６２によって算出される参照速度を、適宜、参照速度ΔｙＭ（ｓ）と記載する。
【0075】
（相対速度の算出）
一方、相対速度算出部５４は、相対速度ｙ０を算出する。相対速度ｙ０は、上述で説明した航空機１の相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）に相当する。相対速度算出部５４は、上述で説明した相対速度の算出方法を用いて、相対速度ｙ０（相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ））を算出する。
一方、相対速度算出部５４は、相対速度ｙ０を算出する。相対速度ｙ０は、上述で説明した航空機１の相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ）に相当する。相対速度算出部５４は、上述で説明した相対速度の算出方法を用いて、相対速度ｙ０（相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ））を算出する。
【0076】
推定外乱量算出部６４は、相対速度ｙ０を、ある時点を基準とした航空機１の機体速度に換算する。すなわち、航空機１の目標着地点２に対する相対速度ｙ０を、航空機１の慣性速度に換算する。本実施形態では、推定外乱量算出部６４は、相対速度ｙ０と当初相対速度ｙＦ０との差分値を、機体速度Δｙとして算出することで、相対速度を、ある時点を基準とした機体速度に換算する。当初相対速度ｙＦ０は、最初に補正コマンドｄ’（ｓ）を算出した際の相対速度ｙ０であり、今回のタイミングで補正コマンドｄ’（ｓ）を算出するよりも前に算出されて、記憶部（図示略）に記憶された相対速度ｙ０の値であり、相対速度ｙ０の記憶量であるともいえる。推定外乱量算出部６４は、例えば、最初に補正コマンドｄ’（ｓ）を算出した際の航空機１の姿勢及び速度は安定しており、かつ、目標着地点２（船舶５）の速度が一定であると判断して、相対速度ｙ０と当初相対速度ｙＦ０との差分値を、機体速度Δｙとする。すなわち、相対速度ｙ０は、現在の航空機１の機体速度と船舶５の速度の差分値であり、当初相対速度ｙＦ０は、当初（ある時点）の航空機１の機体速度と船舶５の速度の差分値となるため、上記のように判断することで船舶５の速度の項を打ち消して、機体速度Δｙを、現在の航空機１の機体速度と当初の航空機１の機体速度との差分として算出できる。
【0077】
（推定外乱量の算出）
以上のように参照速度ΔｙＭ（ｓ）と機体速度Δｙとを算出したら、推定外乱量算出部６４は、参照速度ΔｙＭ（ｓ）と機体速度Δｙとの差分に基づき、航空機１に作用する推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を算出する。すなわち、推定外乱量算出部６４は、航空機１の機体速度の予測値である参照速度ΔｙＭ（ｓ）に対する、航空機１の実際の機体速度である機体速度Δｙのずれ量が、外乱によるものであるとして、参照速度ΔｙＭ（ｓ）と機体速度Δｙとの差分に基づき推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を算出する。なお、機体速度Δｙは、相対速度ｙ０から算出されるため、推定外乱量算出部６４は、参照速度ΔｙＭ（ｓ）と相対速度ｙ０との差分に基づき推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を算出するともいえる。
以上のように参照速度ΔｙＭ（ｓ）と機体速度Δｙとを算出したら、推定外乱量算出部６４は、参照速度ΔｙＭ（ｓ）と機体速度Δｙとの差分に基づき、航空機１に作用する推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を算出する。すなわち、推定外乱量算出部６４は、航空機１の機体速度の予測値である参照速度ΔｙＭ（ｓ）に対する、航空機１の実際の機体速度である機体速度Δｙのずれ量が、外乱によるものであるとして、参照速度ΔｙＭ（ｓ）と機体速度Δｙとの差分に基づき推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を算出する。なお、機体速度Δｙは、相対速度ｙ０から算出されるため、推定外乱量算出部６４は、参照速度ΔｙＭ（ｓ）と相対速度ｙ０との差分に基づき推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を算出するともいえる。
【0078】
具体的には、推定外乱量算出部６４は、参照速度ΔｙＭ（ｓ）と機体速度Δｙとの差分値を、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）として算出する。推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）は、機体速度の予測値と実際の機体速度との差分値であるともいえる。
【0079】
（補正コマンドの算出）
補正コマンド算出部６５は、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）に基づき、補正コマンドｄ’（ｓ）を算出する。そのため、補正コマンドｄ’（ｓ）は、航空機１に作用する推定外乱量を示す値であるといえる。補正コマンド算出部６５は、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を、モデルＭ３に入力することで、補正コマンドｄ’（ｓ）を算出する。モデルＭ３は、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）のパラメータを、機体速度から目標指令値θ０のパラメータ（ここではピッチ方向の姿勢角）に変換するモデルである。すなわち、補正コマンド算出部６５は、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）のパラメータを目標指令値θ０のパラメータに換算して、補正コマンドｄ’（ｓ）を算出する。図９の例では、モデルＭ３は、Ｆ（ｓ）ＧθＭ －１（ｓ）Ｇθ－Ｖｘ－１（ｓ）として表されている。すなわち、モデルＭ３は、参照モデルＭの逆関数であり、参照モデルＭによって機体速度に変換されたパラメータを、目標指令値θ０のパラメータに戻す式であるといえる。
補正コマンド算出部６５は、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）に基づき、補正コマンドｄ’（ｓ）を算出する。そのため、補正コマンドｄ’（ｓ）は、航空機１に作用する推定外乱量を示す値であるといえる。補正コマンド算出部６５は、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を、モデルＭ３に入力することで、補正コマンドｄ’（ｓ）を算出する。モデルＭ３は、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）のパラメータを、機体速度から目標指令値θ０のパラメータ（ここではピッチ方向の姿勢角）に変換するモデルである。すなわち、補正コマンド算出部６５は、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）のパラメータを目標指令値θ０のパラメータに換算して、補正コマンドｄ’（ｓ）を算出する。図９の例では、モデルＭ３は、Ｆ（ｓ）ＧθＭ －１（ｓ）Ｇθ－Ｖｘ－１（ｓ）として表されている。すなわち、モデルＭ３は、参照モデルＭの逆関数であり、参照モデルＭによって機体速度に変換されたパラメータを、目標指令値θ０のパラメータに戻す式であるといえる。
【0080】
補正コマンド算出部６５は、このようにして、目標指令値θ０のパラメータに換算された推定外乱量である補正コマンドｄ’（ｓ）を算出する。そして、補正目標指令値算出部６６は、次に目標指令値θ０を算出する際には、前回算出された補正コマンドｄ’（ｓ）で目標指令値θ０を補正して、すなわち目標指令値θ０から外乱の影響を除外し、補正コマンド算出部６５は、補正コマンドｄ’（ｓ）を更新する。このように補正コマンドｄ’（ｓ）を更新し続けることで、外乱を早く修正しつつ制御を行うことが可能となる。
【0081】
なお、以上の例では、目標指令値θ０のパラメータをピッチ方向の姿勢角として説明したが、目標指令値θ０のパラメータはピッチ方向の姿勢角に限られない。また、補正コマンドｄ’（ｓ）にリミッタを設けてもよい。すなわち、補正コマンドｄ’（ｓ）に上限値を設定して、算出された補正コマンドｄ’（ｓ）が上限値以上となる場合には、設定した上限値を補正コマンドｄ’（ｓ）としてもよい。
【0082】
（飛行制御部）
飛行制御部３６は、以上のように算出された補正目標指令値θにしたがって、すなわち補正目標指令値θを制御量として、航空機１の各構成要素を制御して航空機１を飛行させる。飛行制御部３６は、補正目標指令値θにしたがって各回転翼のブレードピッチ角、回転数等を制御し、航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）、姿勢角、姿勢角の変化レート等を調整する。それにより、航空機１は、目標着地点２へと誘導される。なお、本実施形態では、画像処理部３２および誘導演算部３４を飛行制御部３６とは別の機能部として説明するが、飛行制御部３６、画像処理部３２および誘導演算部３４は、一体の機能部であってもよい。すなわち、飛行制御部３６において画像処理部３２および誘導演算部３４の処理を行ってもよい。
飛行制御部３６は、以上のように算出された補正目標指令値θにしたがって、すなわち補正目標指令値θを制御量として、航空機１の各構成要素を制御して航空機１を飛行させる。飛行制御部３６は、補正目標指令値θにしたがって各回転翼のブレードピッチ角、回転数等を制御し、航空機１の機体速度（Ｖｘ、Ｖｙ）、姿勢角、姿勢角の変化レート等を調整する。それにより、航空機１は、目標着地点２へと誘導される。なお、本実施形態では、画像処理部３２および誘導演算部３４を飛行制御部３６とは別の機能部として説明するが、飛行制御部３６、画像処理部３２および誘導演算部３４は、一体の機能部であってもよい。すなわち、飛行制御部３６において画像処理部３２および誘導演算部３４の処理を行ってもよい。
【0083】
（補正目標指令値の算出フロー）
次に、以上説明した補正目標指令値θの算出フローを説明する。図１０は、補正目標指令値の算出フローを説明するフローチャートである。図１０に示すように、制御システム１００は、目標指令値θ０を算出する（ステップＳ１０）。そして、制御システム１００は、目標指令値θ０と参照モデルＭとに基づき、参照速度ΔｙＭ（ｓ）を算出する（ステップＳ１２）。制御システム１００は、目標指令値θ０と前回算出された補正コマンドｄ’（ｓ）とから、補正目標指令値θを算出し、補正目標指令値θと当初目標指令値θＦ０との差分値Δθを算出する。制御システム１００は、差分値Δθを参照モデルＭに入力して、参照速度ΔｙＭ（ｓ）を算出する。
次に、以上説明した補正目標指令値θの算出フローを説明する。図１０は、補正目標指令値の算出フローを説明するフローチャートである。図１０に示すように、制御システム１００は、目標指令値θ０を算出する（ステップＳ１０）。そして、制御システム１００は、目標指令値θ０と参照モデルＭとに基づき、参照速度ΔｙＭ（ｓ）を算出する（ステップＳ１２）。制御システム１００は、目標指令値θ０と前回算出された補正コマンドｄ’（ｓ）とから、補正目標指令値θを算出し、補正目標指令値θと当初目標指令値θＦ０との差分値Δθを算出する。制御システム１００は、差分値Δθを参照モデルＭに入力して、参照速度ΔｙＭ（ｓ）を算出する。
【0084】
一方、制御システム１００は、航空機１の相対速度ｙ０を算出し（ステップＳ１４）、相対速度ｙ０から、機体速度Δｙを算出する（ステップＳ１６）。制御システム１００は、相対速度ｙ０と当初相対速度ｙＦ０との差分値を、機体速度Δｙとして算出する。
【0085】
そして、制御システム１００は、参照速度ΔｙＭ（ｓ）と機体速度Δｙ（ｓ）とから推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を算出し（ステップＳ１８）、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）から、補正コマンドｄ’（ｓ）を算出する（ステップＳ２０）。制御システム１００は、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）のパラメータを目標指令値θ０のパラメータに変換することで、補正コマンドｄ’（ｓ）を算出する。そして、制御システム１００は、次に目標指令値θ０を算出したら、算出済みの補正コマンドｄ’（ｓ）を用いて、その目標指令値θ０を補正して、補正目標指令値θを算出する（ステップＳ２２）。制御システム１００は、補正目標指令値θを制御量として、航空機１を制御する。なお、制御システム１００は、算出した補正コマンドｄ’（ｓ）を記憶して、次に目標指令値θ０を取得したら、算出済みの補正コマンドｄ’（ｓ）を用いて、次の補正コマンドｄ’（ｓ）を算出する。すなわち、制御システム１００は、補正コマンドｄ’（ｓ）を更新して算出し続ける。
【0086】
（効果）
以上説明したように、本実施形態に係る航空機１の制御システム１００は、目標指令値算出部５６と、参照速度算出部６２と、相対速度算出部５４と、推定外乱量算出部６４と、補正目標指令値算出部６６とを含む。目標指令値算出部５６は、航空機１を目標の状態にするための目標指令値θ０を取得する。参照速度算出部６２は、参照モデルＭに、入力値として目標指令値θ０に基づく値を入力することで、参照速度ΔｙＭ（ｓ）を算出する。相対速度算出部５４は、航空機１の制御に用いる、目標位置に対する航空機１の相対速度ｙ０を算出する。推定外乱量算出部６４は、相対速度ｙ０と参照速度ΔｙＭ（ｓ）との差分に基づき、航空機１に作用する推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を算出する。補正目標指令値算出部６６は、前のタイミングにおいて算出された推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）に基づき、目標指令値θ０を補正する。
以上説明したように、本実施形態に係る航空機１の制御システム１００は、目標指令値算出部５６と、参照速度算出部６２と、相対速度算出部５４と、推定外乱量算出部６４と、補正目標指令値算出部６６とを含む。目標指令値算出部５６は、航空機１を目標の状態にするための目標指令値θ０を取得する。参照速度算出部６２は、参照モデルＭに、入力値として目標指令値θ０に基づく値を入力することで、参照速度ΔｙＭ（ｓ）を算出する。相対速度算出部５４は、航空機１の制御に用いる、目標位置に対する航空機１の相対速度ｙ０を算出する。推定外乱量算出部６４は、相対速度ｙ０と参照速度ΔｙＭ（ｓ）との差分に基づき、航空機１に作用する推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を算出する。補正目標指令値算出部６６は、前のタイミングにおいて算出された推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）に基づき、目標指令値θ０を補正する。
【0087】
ここで、航空機１が飛行する際には、例えばガストなどの外乱が作用して、航空機を適切に制御できなくなるおそれがある。それに対し、本実施形態に係る制御システム１００は、参照モデルＭを用いて算出した推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）で目標指令値θ０を補正することで、目標指令値θ０から外乱の影響を除去して、航空機１を適切に制御することが可能となる。特に、参照モデルＭを予め構築しておくことで、外乱の影響を早く除去することが可能となる。また、参照モデルＭにおいては、目標指令値θ０のパラメータを機体速度に変換して推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を算出するため、例えば１回積分とすることで計算負荷を低減することが可能となる。
【0088】
また、相対速度算出部５４は、目標位置に対する航空機1の相対位置（Ｘｈｇ、Ｙｈｇ）に基づき、相対速度ｙ０（相対速度（ΔＶｘ、ΔＶｙ））を算出する。制御システム１００によると、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）で補正した補正目標指令値θから相対速度を算出するため、外乱の影響を除去して、航空機１を適切に制御することが可能となる。
【0089】
参照モデルＭは、入力値の変化に対する出力値の変化のむだ時間の要素が含まれている。制御システム１００は、参照モデルＭにむだ時間の要素を含めることで、実際の挙動に近づけて、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を高精度に算出することが可能となる。
【0090】
推定外乱量算出部６４は、相対速度ｙ０を航空機１の速度（機体速度）に換算して、換算した機体速度と参照速度との差分に基づき、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を算出する。制御システム１００によると、相対速度ｙ０を機体速度に換算することで、相対速度ｙ０のパラメータを参照モデルＭで算出された参照速度に合わせることが可能となり、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を高精度に算出することが可能となる。
【0091】
制御システム１００は、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を目標指令値θ０と同じパラメータに換算して補正コマンドｄ’（ｓ）を算出する補正コマンド算出部６５をさらに含む。そして、補正目標指令値算出部６６は、この補正コマンドｄ’（ｓ）で目標指令値θ０を補正する。制御システム１００によると、補正コマンドｄ’（ｓ）を目標指令値θ０と同じパラメータに換算することで、目標指令値θ０から外乱の影響を適切に除去できる。
【0092】
目標指令値θ０は、航空機１の姿勢の目標値である。制御システム１００によると、航空機１の姿勢の目標値から外乱の影響を適切に除去することができる。
【0093】
参照モデルＭは、目標指令値に基づく値を入力値として、航空機の姿勢の参照値を一義的に設定する第１参照モデルＭ１と、第１参照モデルＭ１で設定された航空機の姿勢の参照値を入力値として、航空機の参照速度を一義的に設定する第２参照モデルＭ２と、を含む。このように第１参照モデルＭ１と第２参照モデルＭ２を設定することで、推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を高精度に算出することが可能となる。
【0094】
本実施形態に係る航空機１は、制御システム１００を備える。そのため、航空機１は、外乱が作用する場合にも適切に飛行可能となる。
【0095】
本実施形態に係る航空機１の制御方法は、航空機を目標の状態にするための目標指令値θ０を取得するステップと、入力値に応じて、航空機の速度の参照値である参照速度を出力値として一義的に設定する参照モデルＭに、入力値として目標指令値θ０に基づく値を入力することで、参照速度を算出するステップと、航空機１の制御に用いる、目標位置に対する航空機１の相対速度を算出するステップと、相対速度と参照速度との差分に基づき、航空機１に作用する推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を算出するステップと、前のタイミングにおいて算出された推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）に基づき目標指令値θ０を補正するステップと、を含む。本方法によると、目標指令値θ０から外乱の影響を除去して、航空機１を適切に制御することが可能となる。
【0096】
本実施形態に係るプログラムは、航空機を目標の状態にするための目標指令値θ０を取得するステップと、入力値に応じて、航空機の速度の参照値である参照速度を出力値として一義的に設定する参照モデルＭに、入力値として目標指令値θ０に基づく値を入力することで、参照速度を算出するステップと、航空機１の制御に用いる、目標位置に対する航空機１の相対速度を算出するステップと、相対速度と参照速度との差分に基づき、航空機１に作用する推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）を算出するステップと、前のタイミングにおいて算出された推定外乱量ΔｙＮ（ｓ）に基づき目標指令値θ０を補正させるステップと、をコンピュータに実行させる。本プログラムによると、目標指令値θ０から外乱の影響を除去して、航空機１を適切に制御することが可能となる。
【0097】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態の内容により実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
【符号の説明】
【0098】
１ 航空機
２ 目標着地点
５ 船舶
３０ 制御部
３２ 画像処理部
３４ 誘導演算部
３６ 飛行制御部
５０ 目標指令値設定部
５２ 航空機情報取得部
５４ 相対速度算出部
５６ 目標指令値算出部
６０ 補正目標指令値設定部
６２ 参照速度算出部
６４ 推定外乱量算出部
６５ 補正コマンド算出部
６６ 補正目標指令値算出部
２ 目標着地点
５ 船舶
３０ 制御部
３２ 画像処理部
３４ 誘導演算部
３６ 飛行制御部
５０ 目標指令値設定部
５２ 航空機情報取得部
５４ 相対速度算出部
５６ 目標指令値算出部
６０ 補正目標指令値設定部
６２ 参照速度算出部
６４ 推定外乱量算出部
６５ 補正コマンド算出部
６６ 補正目標指令値算出部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図9】
【図10】