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ほのかひきぎ
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1 3E2 金沢工業大学のフライトシミュレータ設備について片柳亮二 ( 金沢工業大学 ), 竹中千温 ( 三菱重工 ), 山田晃 ( 名古屋菱重興産 ), 藤田裕之 ( 日本ヒーテーエー ), 昆俊雄 ( シーエイチクラフト ) Flight Simulator Facilities at Kanazawa Institute of Technology Ryoji Katayanagi(Kanazawa Institute of Technology), Chiharu Takenaka(Mitsubishi Heavy Industries), Akira Yamada(Nagoya Ryoju Estate),Hiroyuki Fujita(Nihon BTA),Toshio Kon(GH Craft) Key Word : Flight Simulator, KIT Abstract Flight simulator is widely used for the development of flight control system. Also, it is important for students of aeronautics to experience real time simulation using the flight simulator. Juniors of Kanazawa Institute of Technology(KIT)take lessons in Aircraft Engineering Exercise of which they design an airplane and evaluate the flight characteristics using flight simulator. In this paper, we describe the flight simulator of KIT with the capability for hardware-in-the-loop operation with flight control actuator in detail. 1. まえがき金沢工業大学では, 平成 16 年度から航空システム工学科が発足し, 現在 3 年生が航空関係の技術者を目指して勉強している.3 年生の専門科目の中に航空工学演習という科目があり,5 つのグループ ( 各グループ約 10 名 ) に分かれて, 運用要求, 概念設計, 空力係数推算, シミュレーション解析の一連の機体開発の初期段階作業を行い, 最終的に自分達で設計した航空機がうまく飛ぶかどうかを, フライトシミュレータに実際に試乗して体験的に理解させている. 各グループは設計主任 1 名, 性能 / 運用班 1 名, 空力班 2~3 名, 特性班 2~3 名, 制御班 2 名で構成され, 設計チームのニックネームも付けて設計主任のもとで全員協力しながら各チーム競って試作を行う. なお, この科目では飛行特性を体験的に学ぶことを目的としているので, 構造と装備関係の細かい検討は実施していない. また, 3 ヶ月の期間に必要な知識の習得と設計からシミュレータ評価まで全ての作業を行うので, 学生にとってはかなりのハードスケジュールであるが, この科目は次の観点から重要であると理解してもらっている. すなわち, 航空関係の学科を卒業したエンジニアは, 空力, 飛行力学制御, 構造材料, 装備, 原動機等, 専門的に細分化された知識を得意分野とするのはもちろんであるが, 最も基本である飛行機がどう飛ぶのかを体験的に理解しておくことは重要である. ダッチロールを改善するためのヨーダンパーは何故必要なのかは, シミュレータにおいてダンパー OFF で横風着陸を実施して目が回る体験をすれば理解できるし, パイロットがいかに大変な仕事であるか, そして操縦し易い機体を設計する必要性もこの体験によって少しは理解できるのではないかと考えている. このような目的で導入された金沢工業大学のフライトシミュレータ設備についてその概略を紹介する. 2. フライトシミュレータの全体構成金沢工業大学フライトシミュレータの全体システム構成を図 1 に, 配置レイアウトを図 2 に, システム構成品を表 1 に示す. 本システムは, コックピット, コンピュータシステム, 視界表示部, リグ装置の 4 つの部分から構成されている. コックピットは, 大型旅客機の操縦席が模擬されており, 計器パネル類は飛行操縦に必要な部分は極力模擬されている. コンピュータシステムは, コンピュータ間のシステム制御, 機体運動計算, コックピット計器表示, アニメーション表示, 記録, 位置姿勢解析, 視界映像発生計算等を行うためのコンピュータ群で構成されている. その他, リグ装置用として 1 台のコンピュータがある. 視界表示は, コックピット窓外視界用として 3 画面, 模擬機体 / 操縦リグ装置室で舵面の動きを見ながら操縦するための視界モニタ用に 1 画面あり, いずれもスクリーンにプロジェクターから投影する方式である. リグ装置としてエレベータ, エルロン, ラダーの主要 3 舵が大型旅客機を 1/10 で模擬した機体構造に稼動状態で取り付けられており, 電動アクチュエータによって作動させることができる. このリグ装置はコンピュータシステムと接続され, 舵面アクチュエータを模擬したフィジカルシミュレーションを可能としている.

リグ装置舵角コマンド舵面情報 4-1. 操縦系統模擬装置舵角コマンド舵面情報 4-2. 模擬機体構造図 1 全体システム構成 2-2. コックヒット統括用コンヒュータ 2-3. 計器制御用コンヒュータ 3-1. 窓外視界表示装置 1.

2 9.20m 3. 視界映像表示装置 1. コックピット 3-1. 窓外視界表示装置操縦桿等 3-2. 視界映像モニタ装置計器 2. コンピュータシステム計器映像視界映像計器情報 2-3. 計器制御用コンピュータ 2-2. コックピット統括用コンピュータ操縦桿情報 2-5. 視界映像発生用コンピュータ位置情報等飛行情報全般 2-4. 解析用コンピュータ 2-1. ホストコンピュータ飛行情報全般舵角コマンド舵面情報 2-6. 舵面駆動用コンピュータ 4. リグ装置舵角コマンド舵面情報 4-1. 操縦系統模擬装置舵角コマンド舵面情報 4-2. 模擬機体構造図 1 全体システム構成 2-2. コックヒット統括用コンヒュータ 2-3. 計器制御用コンヒュータ 3-1. 窓外視界表示装置 1. コックヒット 3-2. 視界映像モニタ装置 17.00m 11.00m 4-1. 操縦系統模擬装置 2-6. 舵面駆動用コンヒュータ分電盤 2-1. ホストコンヒュータ 2-5. 視界映像発生用コンヒュータ分電盤 2-4. 解析用コンヒュータ 4-2. 模擬機体構造舵面の動きを見ながら操縦できるショイスティック図 2 配置レイアウト

表 1 システム構成品番号構成品名称機能 1 コックピット大型旅客機を模擬したコックピット 2 コンピュータシステム制御則計器表示等の研究用のコンピュータシステム 2-1 ホストコンピュータシステム制御及び 6 自由度の機体運動計算 2-2 コックピット統括用コンピュータコックピットとコンピュータシステム間の統括制御 2-3 計器制御用コンピュータ計器画像を生成 2-4 解析用コンピュータ

2-5 視界映像発生用コンピュータパイロットに飛行感覚を与える為の画像を生成 2-6 舵面駆動用コンピュータ舵面駆動を制御 3 視界表示部プロジェクターおよびスクリーン (80 インチ3 面 ) 3-1 窓外視界表示装置パイロットに飛行感覚を与える為の視界映像 3 画面を表示 ( 縦 30 横 120 の視野 ) 3-2 視界映像モニタ装置模擬機体の後部から操縦する際のモニタ装置 (1

3 表 1 システム構成品番号構成品名称機能 1 コックピット大型旅客機を模擬したコックピット 2 コンピュータシステム制御則計器表示等の研究用のコンピュータシステム 2-1 ホストコンピュータシステム制御及び 6 自由度の機体運動計算 2-2 コックピット統括用コンピュータコックピットとコンピュータシステム間の統括制御 2-3 計器制御用コンピュータ計器画像を生成 2-4 解析用コンピュータシミュレータ運用中リアルタイムで機体の動きをアニメーション表示録画. また機体位置姿勢等の運動解析を行うためのコンピュータシステム. 2-5 視界映像発生用コンピュータパイロットに飛行感覚を与える為の画像を生成 2-6 舵面駆動用コンピュータ舵面駆動を制御 3 視界表示部プロジェクターおよびスクリーン (80 インチ3 面 ) 3-1 窓外視界表示装置パイロットに飛行感覚を与える為の視界映像 3 画面を表示 ( 縦 30 横 120 の視野 ) 3-2 視界映像モニタ装置模擬機体の後部から操縦する際のモニタ装置 (1 画面 ) 4 リグ装置フライトシミュレータと連接し舵面駆動を行う装置 4-1 操縦系統模擬装置ドライバ, サーボモータ, エンコーダ 4-2 模擬機体構造エルロンラダーエレベータの3 舵が動翼機構を持つ大型旅客機を模擬した 1/10 模型 3. 視界映像表示装置 4. リグ装置 3-1. 窓外視界表示装置 3-2. 視界映像モニタ装置 4-2. 模擬機体構造計器 1. コックピット操縦桿等 2. コンピュータシステム 4-1. 操縦系統模擬装置サーボモータエンコーダ 100Hz 2-1. ホストコンピュータ 100Hz 2-5. 視界映像発生用コンピュータシステムコントロールソフト 2-6. 舵面駆動用コンピュータ 60Hz 視界映像発生ソフト 100Hz リグ制御ソフト 2-3. 計器制御用コンピュータ計器表示ソフト 2-2. コックピット統括用コンピュータ統括用ソフト 60Hz 60Hz IG 用インタフェースソフト操縦桿用インタフェースソフトデータ取得ソフト共有メモリ ( 機体情報 ) 100Hz 機体運動ソフトリグ用インタフェースソフト解析用インタフェースソフト 2-4. 解析用コンピュータ飛行運動軌跡表示用ソフトデータ記録用ソフト運動特性評価ソフト 30Hz 図 3 コンピュータシステムの構成 3. コンピュータシステムコンピュータシステム構成を図 3 に示す. コンピュータシステムは,(2-1) ホストコンピュータ (1 台 ),(2-2) コックピット統括用コンピュータ (1 台 ),(2-3) 計器制御用コンピュータ (5 台 ),(2-4) 解析用コンピュータ (3 台 ),(2-

5) 映像発生用コンピュータ (3 台 ) および (2-6) 舵面駆動用コンピュータ (1 台 ) の計 14 台のコンピュータ群からなる.

なお, 模擬機体後方から舵面の動きを見ながら操縦 ( 図 5) できるように, ジョイスティック操縦信号も USB を介してホストコンピュータに取り込まれる.

(2-4) 解析用コンピュータは,3D アニメーションとして飛行運動跡を表示する機能, 機体情報データを取得してデータを記録する機能, 機体情報データをリアルタイムでグラフに表示して運動特性を評価する機能を 3

(2-5) 映像発生用コンピュータ ( 図 4) は, 更新周期 60Hz で, 解像度 1024 768 の 3 画面の映像 ( 図 7) を 3 台のコンピュータで作り出している.

(2-6) 舵面駆動用コンピュータは, ホストコンピュータから舵面コントロール信号を受け取り, 舵面に接続されている AC サーボモータを制御し舵面を駆動する.

図 4 ホストおよび映像コンピュータ図 5 舵面作動を見ながらの操縦図 6 アクチュエータサーボ装置図 7 視界映像 (3 画面 ) 図 8 学生による飛行状況図 9 コックピット概観図 4.

コックピット関連で, 次の 6 台のコンピュータ (PC1: コックピット統括用,PC2~PC6: 計器制御用 )( 図 10) が使われている. なお, コックピット計器の細部は図 11 に示す.

4 5) 映像発生用コンピュータ (3 台 ) および (2-6) 舵面駆動用コンピュータ (1 台 ) の計 14 台のコンピュータ群からなる. (2-1) ホストコンピュータ ( 図 4) は,6 自由度機体運動計算を行うとともに, 他のコンピュータ間との信号をやり取りして全体のシステム制御を行う. なお, 模擬機体後方から舵面の動きを見ながら操縦 ( 図 5) できるように, ジョイスティック操縦信号も USB を介してホストコンピュータに取り込まれる. (2-2) コックピット統括用コンピュータおよび (2-3) 計器制御用コンピュータについては 4 項で述べる. (2-4) 解析用コンピュータは,3D アニメーションとして飛行運動跡を表示する機能, 機体情報データを取得してデータを記録する機能, 機体情報データをリアルタイムでグラフに表示して運動特性を評価する機能を 3 台のコンピュータで分担している. (2-5) 映像発生用コンピュータ ( 図 4) は, 更新周期 60Hz で, 解像度の 3 画面の映像 ( 図 7) を 3 台のコンピュータで作り出している.PA PI, ランウェイライト, ターゲット機も表示される. (2-6) 舵面駆動用コンピュータは, ホストコンピュータから舵面コントロール信号を受け取り, 舵面に接続されている AC サーボモータを制御し舵面を駆動する. また, 舵面位置をロータリーエンコーダによりパルス出力で検出してホストコンピュータへフィードバックする ( 図 6). 図 4 ホストおよび映像コンピュータ図 5 舵面作動を見ながらの操縦図 6 アクチュエータサーボ装置図 7 視界映像 (3 画面 ) 図 8 学生による飛行状況図 9 コックピット概観図 4. コックピット計器と関連コンピュータシステムコックピット概観図を図 9に示す. 大型旅客機を模擬したもので, 二つのパイロット席から操縦が可能となっている. コックピット関連で, 次の 6 台のコンピュータ (PC1: コックピット統括用,PC2~PC6: 計器制御用 )( 図 10) が使われている. なお, コックピット計器の細部は図 11 に示す. PC1: コックピット統括用コンピュータで, コックピット内の操作情報とコンピュータ間の統括制御を行うとともに,MCP( 図 11) を作動させる. なお, ホストコンピュータの6 自由度運動計算部とは別に, この PC1において Microsoft FS2002 を使用した飛行運動と視界映像を生成す図 10 PC1~PC6コンピュータ群る.PC1により飛行する場合には, 世界中の空港と Jeppesen に基づいた航空路データも完備されているので, 実際のフライトと同じ航跡でフライトすることができる. PC2: 飛行計画や機体及び空港情報を入力するCDU( 図 11) を作動させ, 入力用 Keypad も配備されている. PC3: 左席用のPFD( 図 11) とND( 図 11) を表示させる.ND 表示設定も可能である. PC4: エンジン計器であるEICAS( 図 11) と3つの Standby 計器を表示している. PC5: 右席用のPFDとNDを表示させる.ND 表示設定も可能である.PC3と独立することで, 個別操作が可能となっている. PC6: 情報画面である2nd-EICASを表示させる. 表示切り替えも可能である.

5 主要飛行ディスプレイ (PFD) 航法ディスプレイ (ND) 補助姿勢指示器 (STBY ADI) 速度 (kt) 高度 (ft) 昇降率 (1000ft/ 分 ) 補助速度計 (STBY IAS) 計器パネル ( 操縦席前方 ) 補助高度計 (STBY ALT) コントロールディスプレイユニット (CDU) エンジン表示 / 警報システム (EICAS) エンジン計器 / 警報システム (EICAS2) モードコントロールパネル (MCP)( 上記計器パネルの上 ) オーパイ SW オートスロットル SW フライトディレクター SW 水平航法 SW 方位保持 SW 高度航法 SW 昇降率 SW フライトレベルチェンジ SW 高度保持 SW アプローチモード SW ローカライザー SW ( 滑走路水平位置 ) 図 11 コックピット計器

5 模擬機体構造および舵面作動機構 5.1 全体形状 1/10 スケールの旅客機を模擬した機体である. 機体外観を図 12 に, 外形寸法を図 13 に示す.

また, 可動翼は軽量化のために,CFRP/ アラミドハニカムサンドイッチのモノコック構造とした.

名称材料 1 胴体 CFRP,GFRP 表皮 + ウレタンフォーム角型鋼管 2 主翼 LH CFRP 表皮 +ウレタンフォーム 3 主翼 RH CFRP 表皮

+ウレタンフォーム 7 エンシン RH GFRP 表皮 +ウレタンフォーム 8 エルロンLH CFRP 9 エルロンRH CFRP 10 エレヘータ LH

6 5 模擬機体構造および舵面作動機構 5.1 全体形状 1/10 スケールの旅客機を模擬した機体である. 機体外観を図 12 に, 外形寸法を図 13 に示す. 図 12 機体外観図図 13 外形寸法 5.2 一般構造表皮に CFRP を使用することにより各部の強度, 剛性を高めている. また, 可動翼は軽量化のために,CFRP/ アラミドハニカムサンドイッチのモノコック構造とした表 2 使用材料 No. 名称材料 1 胴体 CFRP,GFRP 表皮 + ウレタンフォーム角型鋼管 2 主翼 LH CFRP 表皮 +ウレタンフォーム 3 主翼 RH CFRP 表皮 +ウレタンフォーム 4 水平尾翼 CFRP 表皮 +ウレタンフォーム 5 垂直尾翼 CFRP/ ハルサコアサントイッチ 6 エンシンLH GFRP 表皮 +ウレタンフォーム 7 エンシン RH GFRP 表皮 +ウレタンフォーム 8 エルロンLH CFRP 9 エルロンRH CFRP 10 エレヘータ LH CFRP/ アラミトハニカムサントイッチ 11 エレヘータ RH CFRP/ アラミトハニカムサントイッチ 12 ラター CFRP/ アラミトハニカムサントイッチ 13 テールカハー CFRP 14 テールコーン CFRP 15 アンターカハー CFRP 図 14 各部の名称図 15 一般断面 ( 水平尾翼 / エレヘータ ) 図 16 一般断面 ( 胴体 )

7 5.3 舵面作動機構主要 3 舵のエレベータ ( 左右 ), エルロン ( 左右 ) およびラダーの 5 舵面が作動可能となっている. これらの可動翼は, サーボモータと平行リンクにより動作する. 可動翼の動作角は, 軸上に取付けたエンコーダによって読取る. また, アームのカウンターウエイトによりエルロンとエレベータの自重の影響を打消すようにしている. エレヘータ図 17 リンク機構エンコータアームロットアームサーホモータエルロンロットサーホモータ図 19 エルロン機構エンコータ図 18 エレヘータ機構ロットラター表 3 可動翼の動作角可動範囲 ( ) 誤差 ( ) エルロン : ±40 ±0.2 以下ラダー : ±40 ±0.2 以下エレベータ : ±40 ±0.2 以下アームサーホモータエンコータエンコータ図 20 ラター機構舵面作動機構の制御ブロック図を図 21 に示す. ホストコンピュータで生成された舵角コマンドは舵面駆動用コンピュータに入力され, モータ制御コマンドを生成, アームを介して舵面が作動し, エンコーダにより舵角作動量がフィードバックされるという一連の流れを示している. 舵面駆動用コンピュータでは, 舵角コマンド ( 角度 ) をギア比倍してモータ回転角コマンドを生成し, ドライバに送るためにパルスに変換する. ドライバでは, パルス数に応じたモータの駆動制御を行うとともに, モータ内蔵のエンコーダによりフィードバックされるモータ角度が回転角コマンド

8 量と一致するようにモータ回転を制御する. モータが回転すると減速ギアを介して舵面が作動し, 舵面に取り付けられたエンコーダが舵角を検知して舵面駆動用コンピュータに値 ( パルス ) を返す. エンコーダ出力パルスは, 舵面駆動用コンピュータに実装されたカウンタボードにより取り込まれソフト処理される. カウンタボードでは, 位相の違う 2 つのパルスのカウントを行うため, ソフトでは 4 倍の分解能を得ることができる. カウンタボードからのエンコーダ出力は角度に換算され実際の舵角情報となる. これと舵角コマンド値を比較することにより舵面制御が行われる. 一方, この舵面駆動機構による実舵角はホストコンピュータの機体運動計算部にフィードバックされ, 舵面アクチュエータを介したフィジカルシミュレーションが実現される. ハードソフト信号及びコマンドの流れ機構の動き等舵面駆動用コンピュータ舵角コマントエルロン左エルロン右エレベータ左エレベータ右ラダーエルロン左エルロン右エレベータ左エレベータ右ラダー舵角 - ギア比 ( 100) 度角度換算 ( 度 / ハルス) モータ角コマントハルス換算 ( ハルス / 度 ) エンコータハルスカウンタ ( 4 分解能 ) ハルスハルスドライバ - ハルスモータ制御モータモータ内蔵エンコータ ( ハルス / 度 ) モータ角度ギア ( 0.01) アーム角度舵面舵角エンコータ ( 10 ハルス / 度 ) ハルス図 21 舵面作動機構制御ブロック図 6. まとめ金沢工業大学において, 現在 3 年生の航空工学演習の授業に使用しているフライトシミュレータについてその概要を述べた. このシミュレータの特徴は, 舵面アクチュエータリグ装置によるフィジカルシミュレーションが可能なこと, 模擬機体の後方から操縦できるので, 舵面の動きを確認しながら飛行運動を理解することができることである. 舵面のわずかな動きが機体に大きな運動をもたらすことを知ると学生は驚いている. 制御則による微妙なコントロールの重要性を体験的に認識することは重要であると考える.

JAXA航空マガジンFlight Path No.4/2014 SPRING

JAXA航空マガジンFlight Path No.4/2014 SPRING Shaping Dreams for Future Skies C O N T E N T S F e a t u r e F e a t u r e 旅客機パイロットから宇宙飛行士へ ③ 次世代飛行機の操縦用インターフェースに宇宙機の成果を取り込みたい最終回となる今回のインタビューでは旅客機パイロット出身の大西卓哉宇宙飛行士に大西卓哉おおにしたくや 1975年東京都出身東京大学工学部航空宇宙工学科卒業後