JP6181942B2 - 航空機の警告システム、及び、航空機 - Google Patents

Description

本発明は、操縦士に対して動翼の制御能力の飽和を知らせる航空機の警告システムに関する。

操縦士は、航空機を操縦している間、航空機が備える各種システムの作動状態を認識するとともに、安全な航行をする上で、これらシステムの作動制限をも認識しておくことが必要である。そのため、航空機は、システムの作動状態及び作動制限を操縦士に認識させるための機能を備えている。例えば、ＣＡＳ（Crew Alerting System）は、各種システムの作動状態を表示するものであり、各種システムの作動状態をコンピュータが自動的にモニターし、異常状態の発生を視覚的かつ聴覚的に操縦士に知らせる機能を統合したシステムとして知られている。操縦士に緊急度を認識させるために、発生した異常状態を緊急度に応じて、「warning」，「caution」，「advisory」の３段階に区別することも行なわれている。
また、視覚的、聴覚的な手段以外に、触覚による合図（キュー）が制御レバーを介して操縦士に知らされるシステムも知られている（特許文献１）。

特開2011-57178号公報

操縦士による操縦桿やペダル等の操作手段の操作を電気的な信号に変換し、油圧サーボアクチュエーターに入力することにより、動翼の舵面を電気的に操舵するフライバイワイヤ方式の操縦システムにおいては、操縦士に認識させるべき事象として、ピッチ軸（Pitch axis）、ロール軸（Roll axis）及びヨー軸（Yaw axis）を中心として機体を操舵するための動翼の制御能力（以下、「制御能力」ともいう）が飽和した事象が掲げられる。フライバイワイヤ方式の場合、操作手段と動翼とが機械的に直接結合されていないため、操縦士が操作手段を限界まで操作しなくても、気づかない間に動翼が舵角限界（動作限界）に達していることがあるからである。
すなわち、一般的に、動翼の制御能力は、操縦士が操舵することによって飽和する場合と、操縦士の操舵を伴うことなく飽和する場合がある。前者の場合は、操縦士が航空機の能力を引き出すために意図的に行ったものであるから、制御能力が飽和したことを操縦士に改めて警報として知らせる必要性は薄いが、後者の場合は、動翼の制御能力が飽和していることを操縦士が気づかないため、その後の操縦によっては、操縦士が安定して機体をコントロールすることができない可能性があり、特に操縦士に対して警告する必要がある。
そこで本発明は、意図せずに動翼の制御能力が飽和していることを操縦士に知らせる警告システムを提供することを目的とする。

本発明は、航空機の動翼の制御能力の飽和を警告する警告システムであって、動翼の制御能力が飽和していることを示す警告を発するか否かを判断する判断部と、動翼の制御能力が飽和していることを示す警告を発することを判断部が判断した場合に警告を発する警告部とを有し、判断部は、動翼の操作手段による動翼の制御目標位置が動翼の動作限界を示す第１基準位置より大きく、かつ、操作手段の現在位置が操作手段の操作限界を示す第２基準位置より小さい場合に、動翼の制御能力が飽和していることを示す警告を発することを判断し、操作手段の現在位置が第２基準位置以上の場合には、警告を発しないことを判断することを特徴とする。

本発明において、第１基準位置を、動翼の動作限界値の近傍にすることができるし、また、第２基準位置を、操作手段の操作限界値の近傍にすることができる。

本発明において、操作手段として、航空機のコックピットに設けられた操縦桿を適用し、動翼として、航空機の尾翼に設けられ操縦桿によって操作される一対のエレベータを適用できる。
また、操作手段として、航空機のコックピットに設けられたペダルを適用し、動翼として、垂直尾翼に設けられペダルによって操作されるラダーを適用できる。

本発明において、判断部は、制御目標位置が第１基準位置より小さい場合に、動翼の制御能力が飽和していることを示す警告を発しないことを判断できる。
また、本発明において、警告部が警告を発したのち、操縦士の操作により、操作手段の現在位置が第２基準位置と同等になった場合であっても、警告部は警告を発し続けることができる。

本発明は、以上説明した警告システムを備える航空機をも提供する。

本発明にかかる警告システムは、操縦士の意図した操舵であるか否か（第２条件）をも判断材料として警告表示する、つまり意図しない操舵の場合にのみ警告を発するため、操縦士が気づかないうちに動翼が制限に達していることを操縦士に対して適切に警告することができる。したがって、本願発明によると、操縦士に対して航空機の安定した操舵を促すことが可能となる。

本発明の実施形態による舵面飽和警告システムを含む航空機の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態による舵面飽和警告システムの構成を示すブロック図である。 エレベータに関する舵面飽和警告の判断ロジックを示す。

以下、動翼の制御能力が飽和したことを操縦士に知らせる本発明の警告システムを、実施形態に基づいて説明する。
本実施形態に係る警告システム１０は、図１に示すように、航空機１の水平尾翼２に設けられる左右一対のエレベータ４，４及び垂直尾翼６に設けられるラダー８の制御能力が飽和したことを操縦士に警告するものである。
エレベータ４は、所定の舵角の範囲をアクチュエータ５により揺動する動翼であり、ピッチ軸（図示を省略）を中心にして航空機１の機首を上下に振る役割を果たす。また、ラダー８は、所定の舵角範囲をアクチュエータ９により揺動する動翼であり、ヨー軸（図示を省略）を中心にして航空機１の機首を左右に振る役割を果たす。なお、航空機１は、他にエルロンなどの動翼も備えている。

警告システム１０は、パイロットコントローラ２０，フライトコントローラ３０，アクチュエータコントローラ４０およびディスプレイ５０を有する。
パイロットコントローラ２０は、エレベータ４，４またはラダー８に関し、操縦士による操作手段の操作に基づく操作指令信号（後述）等を、フライトコントローラ３０またはアクチュエータコントローラ４０に送信する。
フライトコントローラ３０は、航空機１の各種指令情報（後述）をアクチュエータコントローラ４０に発信するとともに、エレベータ４，４またはラダー８の制御能力が飽和したか否かを判断する機能を有する。
アクチュエータコントローラ４０は、前記操作指令信号及び各種指令情報に基づいて、アクチュエータ５，９に動作指令信号を送信する。
ディスプレイ５０は、フライトコントローラ３０の判断結果に基づいて、エレベータ４，４又はラダー８の制御能力が飽和したことを表示する。
以下、図２も参照して、各要素の内容を説明する。

［操作手段］
航空機１のコックピットには、正操縦席，副操縦席の２つの操縦席が左右に並置され、各操縦席には、エレベータ４およびラダー８を操作する操作手段として、一対のエレベータ４を一括操作する１つの操縦桿（図示を省略，以下、「コラム」という）と、ラダー８を操作する左右一対のペダル（図示を省略）がそれぞれ設けられている。
正操縦士，副操縦士は、左右に備えられた各操縦席のコラムを操作することにより、エレベータ４を操作することができる。各操縦席のコラムは、それぞれ独立して操作可能である。
同様に、操縦士は、各操縦席に備えられた左右一対のペダルを操作することにより、左側ペダルの踏み込み量に対応した舵角だけラダー８を左側に、また、右側ペダルの踏み込み量に対応した舵角だけラダー８を右側に操作することができる。なお、各操縦席のペダルは、独立して操作不可能であり、例えば、正操縦士がペダルを使用中は、副操縦士はペダルを使用できない。

左右の各コラムにはコラム位置検出センサ（図示を省略）がそれぞれ設けられ、コラム位置検出センサは、エレベータ４，４の操作に係るコラムの現在位置を検出する。また、ペダルについては、副操縦席のペダルにペダル位置検出センサ（図示を省略）が設けられ、ペダル位置検出センサは、ラダー８の操作に係る左側ペダルまたは右側ペダルの現在位置（ペダルの踏み込み位置）を検出する。
なお、以下、コラムの現在位置を「Column Position」とも表記し、左右のコラムの現在位置を分けて記載する場合は、それぞれ「L-Column,」「R-Column」と表記する。また、左右のペダルの現在位置はまとめて「Pedal Position」または「Pedal」とも表記する。

［パイロットコントローラ２０］
パイロットコントローラ２０は、左右の各コラムの現在位置、及び、ペダルの現在位置を、上述のコラム位置検出センサ，ペダル位置検出センサから取得する。そして、取得した各コラム及びペダルの現在位置を、フライトコントローラ３０に送信する。

また、パイロットコントローラ２０は、操縦士による操作手段の操作、すなわち、左右の各コラム及びペダルの操作の向き及び操作量に基づいて、エレベータ４の動作のための操作指令信号，ラダー８の動作のための操作指令信号を生成する。操作指令信号とは、エレベータ４，４及びラダー８を動作して制御する目標位置を特定する信号である（以下、「制御目標位置」ともいう）。パイロットコントローラ２０は、生成した操作指令信号を、フライトコントローラ３０およびアクチュエータコントローラ４０に送信する。
なお、以下、エレベータ４，４に対するコラムの操作指令信号を「Elevator Command」とも表記し、左右のコラムに分けて区別する場合は、それぞれ「L-Elev cmd」「R-Elev cmd」と表記する（図２）。また、ラダー８に対するペダルの操作指令信号は「Pedal Command」または「Rud cmd」とも表記する（図２）。

［フライトコントローラ３０］
フライトコントローラ３０は、パイロットコントローラ２０から、左右のコラムの現在位置（Column Position），ペダルの現在位置（Pedal Position）および操作指令信号（Elevator Command, Ruder Command）を取得する。フライトコントローラ３０は、取得した上記情報およびエレベータ４，ラダー８の動作限界を規定するリミット値（後述）を用いて、エレベータ４，４またはラダー８の制御能力の飽和について警告を行なうか否かの判断を行う。フライトコントローラ３０は、この判断を行うため判断部３１（後述）を備えている。

［アクチュエータコントローラ４０］
アクチュエータコントローラ４０は、パイロットコントローラ２０から取得した操作指令信号（Elevator Command，Ruder Command）に基づいて、アクチュエータ５，９に必要な動作をさせるための動作指令信号を生成し、アクチュエータ５，９に送信する。この際、アクチュエータコントローラ４０は、操作指令情報（Elevator Command及びRuder Command）により特定される数値がリミッタ４１で規定されるリミット値を超えていれば、このリミット値（規定値）を動作指令信号としてアクチュエータ５，９に送信する。

リミッタ４１で規定されるリミット値は、Elevator Command及びRuder Commandの各々について設定されている。
Elevator Commandに対するリミット値は、エレベータ４，４の動作範囲の中立位置を原点として、上下の各動作方向のリミット値（以下、Rudder Commandに対するリミット値と合わせて「動作限界値」ともいう）がそれぞれ設定されている。上方向へのリミット値は正の数値が、下方向へのリミット値は負の数値が規定されている。なお、以下、エレベータ４，４に関する上下の各方向のリミット値（動作限界値）を「Elevator Upper Limiter」（または「Up lim」）、「Elevator Lower Limiter」（または「Lo lim」）とも表記する。
また、Ruder Commandに対するリミット値（動作限界値）は、ラダー８の動作範囲の中立位置を原点として、左右の動作方向についてのリミット値が設定される。本実施形態では、左右の制限値を正・負で区別するが、その絶対値は同じ値とし、この絶対値をリミット値とする。なお、以下、ラダー８に関するリミット値（動作限界値）を「Rudder Limiter」（または「lim」）とも表記する。

例えば、エレベータ４，４の上下方向のリミット値（Up lim，Lo lim）をそれぞれ＋１０，−１０とし、左側（副操縦席）のコラムによるエレベータ４，４への上方向への操作指令信号（L-Elev cmd）が＋１２，下方向への操作指令信号が−１５であった場合、いずれの操作指令信号もリミット値を超えているため、アクチュエータ５に対する動作指令信号は、それぞれリミット値である＋１０，−１０と制限される。

リミッタ４１のリミット値は、固定値にすることもできるし、可変にすることもできる。例えば、航空機１の航行速度を検知するフライトコントローラ３０からの指令により、航空機１の航行速度にリンクしてリミッタ４１の制限値を可変にすることができる。この場合、航行速度が速いほどリミッタ４１のリミット値（絶対値）を小さくすることで、エレベータ４，４、ラダー８の破損を防ぐことができる。
また、ここでは、Elevator Command、Ruder Commandをそのままリミッタ４１により制限処理を行っているが、事前にゲインを乗算する等の処理をした後にリミッタ４１にかけることもできる。

［ディスプレイ５０］
ディスプレイ５０は、航空機１のコックピット内の操縦士が視認できる位置に設けられる。ディスプレイ５０は、フライトコントローラ３０（判断部３１）の判断結果に基づいて、エレベータ４またはラダー８の制御能力が飽和したことについて視覚的な表示を行う。なお、航空機１の飛行状態、飛行環境、ＣＡＳ（Crew Alerting System）に基づくメッセージなど、他の表示を伴うこともできる。また、ディスプレイ５０は、スピーカを一体的に備えることも可能であり、視覚的、聴覚的な２つの手段で操縦士に警告することができる。

［判断部３１］
次に、図３に基づいて、エレベータ４，４またはラダー８の制御能力の飽和について警告を行なうか否かを判断する判断部３１について説明する。
図３は、エレベータ４，４が中立位置を原点として上方向に移動（ＵＰ）する際の判断部３１を主として示している。

判断部３１は、左右の各コラムの現在位置（L,R-Column），左右の各コラムによるエレベータ４，４の制御目標位置（L,R-Elev cmd）およびエレベータ４，４の上方向の動作限界に関する動作限界値（Up lim）を取得する。また、判断部３１は、コラムの上方向への操作限界値（Co-U-Full）を記憶している。
まず、第１条件として、左右の各コラムについて、エレベータ４に対する制御目標位置（L,R-Elev cmd）が動作限界値（Up lim）（第１基準位置）より大きいか否かを判断する。左右の各コラムのいずれについても第１条件を満たさない場合（L,R-Elev cmdがUp lim以下である場合）は、エレベータ４の制御能力は飽和していないことになるため、警告は発しない。一方、いずれかのコラムについて、第１条件を満たしている場合（L,R-Elev cmdがUp limより大きい場合）は、続いて第２条件を判断する。
第２条件として、第１条件を満たしているコラムの現在位置（L,R-Column）が、当該コラムの操作限界値（Co-U-Full）（第２基準位置）より小さいか否かを判断する。第２条件を満たさない場合（L,R-ColumnがCo-U-Full以上である場合）は、操縦士の意図した操舵によりエレベータ４の制御能力が飽和していることとなるため、警告は発しない。一方、第２条件を満たしている場合（L,R-ColumnがCo-U-Fullより小さい場合）は、ディスプレイ５０に対して警告メッセージを表示する。
このように、本発明にかかる警告システム１０においては、操縦士の意図した操舵であるか否か（第２条件）をも判断材料として警告表示する（意図しない操舵の場合にのみ警告を発する）ため、操縦士が気づかないうちに舵面が舵角制限に達していることを操縦士に対して適切に警告することができ、操縦士に対して航空機の安定した操舵を促すことが可能となる。

なお、第１条件において、エレベータ４の上方向の動作限界に関する動作限界値（Up lim）（第１基準位置）をそのまま比較の対象にするのではなく、所定の係数値を掛けた近傍値と比較することも好適である。この係数値は、０．８以上、１．０未満の範囲から選択され、好ましくは０．９以上、１．０未満の範囲から選択される。エレベータ４の制御能力が完全に飽和する前に警告を発生するためである。同様に、第２条件において、左側コラムの操作限界値（Co-U-Full）（第２基準位置）をそのまま比較の対象にするのではなく、所定の係数を掛けた近傍値と比較することが好適である。

また、左右の各コラムについて、エレベータ４に対する制御目標位置（L,R-Elev cmd）が動作限界値（Up lim）より小さいことを判断する第３条件を設定するとともに、動作限界値（Up lim）に掛け合わせる係数値として、第１条件とは異なる値（第１条件の係数値とはわずかに小さい値）を掛けた近傍値を設定し、この第３条件を満たす場合に限り、警告を発しないこととしてもよい。

また、一旦、ディスプレイ５０が警告メッセージを表示（操縦士の意図しない操舵によって制御能力が飽和）した後に、操縦士の操作によって、コラムの現在位置がその操作限界値（第２基準位置）と同等になった場合は、第２条件を満たさないことになるが、ディスプレイ５０には警告メッセージを発し続ける。安定した操舵を操縦士に対して継続して促すためである。

また、第１条件と第２条件の判断順序は、上記と逆であってもよい。すなわち、第２条件を初めに判定し、その後、第２条件を満たす場合に限って、第１条件を判断してもよい。

また、ディスプレイ５０の表示は、左側コラム，右側コラムのいずれに起因する警告であるかを併せて表示させることもできる。操縦士は、以後の操縦に反映させることが容易となるためである。

また、エレベータ４，４が中立位置を原点として上方向に動作する際の例を上述したが、エレベータ４が下方向に動作（ＤＯＷＮ）する際も、判断部３１は上方向への動作と同様の判断ロジックを実行する。
また、ラダー８についても、エレベータ４の場合（図３）と同様の判断ロジックを実行する。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、ピッチ軸（エレベータ４）、ヨー軸（ラダー８）の各軸を中心とした機体の制御能力について判断することにしているが、本発明は、いずれか一方のみの制御能力について判断する場合に適用できる。また、主翼に設けられるエルロンなどの動翼を用いた、ロール軸についての制御能力についても、判断の対象とすることも可能である。

１ 航空機
２ 水平尾翼
４ エレベータ
５，９ アクチュエータ
６ 垂直尾翼
８ ラダー
１０ 警告システム
２０ パイロットコントローラ
３０ フライトコントローラ
３１ 判断部
４０ アクチュエータコントローラ
４１ リミッタ
５０ ディスプレイ

Claims (8)

1. 航空機の動翼の制御能力の飽和を警告する警告システムであって、
   動翼の制御能力が飽和していることを示す警告を発するか否かを判断する判断部と、
   前記判断部が前記警告を発することを判断した場合に警告を発する警告部とを有し、
   前記判断部は、
   前記動翼の操作手段による前記動翼の制御目標位置が前記動翼の動作限界を示す第１基準位置より大きく、かつ、
   前記操作手段の現在位置が前記操作手段の操作限界を示す第２基準位置より小さい場合に、前記動翼の制御能力が飽和していることを示す前記警告を発することを判断し、
   前記操作手段の現在位置が前記第２基準位置以上の場合には、前記警告を発しないことを判断すること、
   を特徴とする航空機の警告システム。
2. 前記第１基準位置は、前記動翼の動作限界値の近傍であること、
   を特徴とする請求項１に記載の航空機の警告システム。
3. 前記第２基準位置は、前記操作手段の操作限界値の近傍であること、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の航空機の警告システム。
4. 前記操作手段は、前記航空機のコックピットに設けられた操縦桿であって、
   前記動翼は、前記航空機の尾翼に設けられ前記操縦桿によって操作される一対のエレベータであること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の航空機の警告システム。
5. 前記操作手段は、前記航空機のコックピットに設けられたペダルであって、
   前記動翼は、垂直尾翼に設けられ前記ペダルによって操作されるラダーであること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の航空機の警告システム。
6. 前記判断部は、前記制御目標位置が前記第１基準位置より小さい場合に、前記動翼の制御能力が飽和していることを示す前記警告を発しないことを判断すること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の航空機の警告システム。
7. 前記警告部が前記警告を発したのち、操縦士の操作により、前記操作手段の現在位置が前記第２基準位置と同等になった場合であっても、前記警告部は前記警告を発し続けること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の航空機の警告システム。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の航空機の警告システムを備えた航空機。

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