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距離計付き偏流計

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なし 距離計付き偏流計

msg# 1.6.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1
depth:
20
前の投稿 - 次の投稿 | 親投稿 - 子投稿.1 | 投稿日時 2014-5-4 6:45
hide  長老 居住地: 兵庫県  投稿数: 632
hideです。いい連休をお過ごしでしょうか。
 ヘリコプター挑戦シリーズの第4回は、ようやくナビゲーションのお話に入ります。今回は、機体の偏流角(風による横滑り)を簡単に検出・補正する光学装置「ドリフト・ディレクター」を考案し、ユーロコプターEC135p2に搭載しました。実世界では偏流計に相当しますが、なぜそんなものが必要か…というお話から始めましょう。

●●課題がどっさり、ヘリの航法:
 2カ月ほど前、私はホバリング練習の合間に、GIT版のEC135p2(wiki.flightgearでDLし改造)で、初めて簡単な航法のテストを行いました。羽田→木更津→厚木→羽田の三角形周回コースです。
 ヘリは元来、長距離フライト向きの航空機ではありませんが、FlightGearの機体もクロスカントリ−(野外飛行=他空港への移動)はあまり想定していないようで、VORなどの航法計器は、仮にパネルにあっても 大半が作動しません。GPSは多くの機体で機能しますが、EC135p2の場合はメニューの「Autopilot」が無効にしてあるため、Route manager によるコースの一括入力が出来ず、GPS Settings から1区間ごとに目的地を指定するしかありません。
 FlightGearはVer.3.0から、HUDにあったGPS針路を示す矢印が消えて不便ですが、GPS Settings 画面の下部に設けられた「NAVI1 Slave」にチェックを入れれば、HSIが針路を指してくれます。ただしコースからの逸脱度と残距離は表示されませんので、HUDで確認する必要があります。
 このフライトでは、晴れた東京湾を横断して快適な旅を楽しみましたが、わずか47.6nmを周回するのに小一時間も掛かりました。GPSに次の区間を入力するため、中継地の空港にいちいち着陸する必要があったからです。ヘリのクロスカントリ−には結構、課題が多いことが分かりました。以下にまとめます。

(1)燃費が非常に悪い。満タン1120Lbsのうち517Lbsも消費しており、航続力は100nmしかない。
  (消費率は、ピラタスPC-9Mの倍以上。固定翌機は主翼の揚抗比が約10対1ですから、自重の
   1割の推力で高度が維持できますが、ヘリは自重と同じ推力が必要で、必然的にドカ食い)
(2)安定が悪くてスティックから手が離せないため、飛行中にウェイポイントを入力したり、
   時刻や燃料消費などの記録をタイプするのが、非常に難しい。(→今回も中継地に着陸)
(3)ローターのトルクなどの影響で、機体は大なり小なり、横滑りしながら飛んでいる場面が
   多い。つまり、コンパスが指す通りの向きには進まない。
(4)低速のため、偏流角(横風に流される角度)が大きい。従って、風上側へ大きな修正角を
   取って飛ばなくてはならないが、オートパイロットが使えないと速度が安定しないため、
   実際の飛行経路は不安定になる。また飛行中に風向・風速が変化しても、針路の修正計算
   をやり直すゆとりはない。つまり、航法計画通りの針路を正確にたどるのは難しい。
…といった具合です。
 今回は、上記の(3)と(4)の解決を目指すお話です。

●●「消失点」に向かって飛べ:
 ここでGPSやVORと連動したオートパイロットに依存せずに、横風に対する修正角を自分で求める方法を、ちょっと復習しておきましょう。
(1)計画通りの針路を維持して、コースの第1区間を飛び、最初のチェックポイントで自機の
   位置を確認する。チャートに記入して風に流された角度(偏流角)を求め、次の区間から
   風上側に針路を修正する。
  (詳しく言えば…まず第1区間と同じ飛行時間、2倍の修正角で飛んで元のコースに戻る。
   以後は修正角を1倍に戻して続航し、正しいコースを維持する)
(2)偏流計と呼ばれる道具で、機体の真下に見える地面が、どの方向にどれだけ流されている
   か観察して、同じ角度だけ風上側に針路を修正する。(対地速度を実測する機能もある)
(3)自機の針路・速度、風向・風速を、航法計算盤などに入力して、修正角を計算する。

…(1)は当然 FlightGearでも可能。(3)は私も固定翼機でさんざん実行してきましたが、いずれもヘリの場合、飛行中には困難ですね。(2)の偏流計は、かつて同じ原理のものを作ってみましたが、当時は高速で飛んでいて風の影響が少なく、かつ高空を巡航していたので、地面がどっちに流れているのかよく分からず、あまり実用になりませんでした。ヘリのように低空を100Kt前後で飛ぶなら、けっこう正確な測定が可能なはずですが、不安定な機体を操縦しながら視野を真下に向けて、カーソル越しに地面の動きを精密に計るのは、ちょっと無理。気の散る計算も避けたいです。うまい手はないものでしょうか…。

 そこで思いついたのは、真下ではなく正面を見ながら、偏流角ではなく針路修正角を、一発で出してしまう方法です。これは戦前、ある英国の飛行家が目測で行った偏流修正テクニックに、ヒントを得ているのですが…操縦しながら前を見ると、地表はどういう風に流れているでしょうか。水平線上の一点から手前に向かって、放射状に湧き出すように見えますよね。この「地表が湧き出す点」は、一点透視図法で言う消失点に当たり、機体が実際に進んでいる方角です。
 ということは逆に、放射状のカーソルを作って、あらかじめ飛びたい方位にセットしておき、地表がここから、絶えずカーソルに沿って湧き出して見えるように操舵すれば、自動的に風の影響が修正され、狙った方位へ巡航できるはずです。精密な計測も計算も一切不要、これは素晴らしい!!

 私はさっそく、3Dオブジェクトの装置を作り始めました。六分儀代わりに開発した「フライト・コードラント」がベースです。まず、方位を示すリングの作動方式を、天測用の真方位からジャイロコンパス用の磁気方位へ変更。次に放射状の針路カーソルを作り、HSIのヘディング・バグに連動させました。従ってパネルから、OBSノブで目標方位の設定が可能です。手動操縦では、GPS使用時にも偏流修正が必要ですので、ウェイポイント方位に連動する針路カーソルも、色違いで作っておきました。
 装置を使う時は、中心に新設したカメラビューで、これらのカーソル越しに前方を眺める仕組みです。また方位目盛りリング上を浮動して、実際の機首方位を示す▼形マークも取り付けました。

 装置の名称は「ドリフト(偏流)・ディレクター」としました。EC135p2の機首に搭載して、飛行テストを行い動作を確認。この装置で得た修正針路の実測値と、風向風速から算出した理論値を比べたところ、(手動操縦なので)1度未満の誤差はあるものの、概ねよく一致することが分かりました。このあと、機首にレドームを取り付けて装置を格納しましたが、内部から見ると透明ですから、支障はありません。

●●同心円状の距離計:
 これで「消失点航法」装置は大筋で完成ですが、もう一つ欲しいものがあります。ドリフト・ディレクターの視野内に、地表の風景と重なって見える、距離目盛りを設けたいのです。
 昨年の水上機による世界一周「海鳥の旅」では、カナダ北極圏や千島列島なども飛びました。こうした航法援助無線の少ない地域では、特色ある島影や岬が見えて位置が確認できると、大変嬉しいものです。しかし本当に航法計算に生かすには、地上目標から自機の緯度経度を逆算する必要があります。複数の目標からチャート上に方位線を引き、交点の緯度経度を読む「クロスベアリング」を行うのが定石ですが…Atlas画面上で試みると残念ながら、かなりの誤差が出ることが分かっています。

 目標物の方位だけではなく、距離も測定可能なら話は別で、ランドマークの緯度経度をもとに、自機の位置やゴールへの修正針路を正確に算出できます。そこで例えば、自機を中心とした1マイル間隔の同心円が地上にあって、常に自機にシンクロして移動していたら、絶好の距離目盛りになりますよね。代わりに、縮小した同心円状のカーソルを、ドリフト・ディレクターに組み込んで、自動的に上下に動かして自機の高度変化を修正したら、やはり距離目盛りとして機能するはずです。これで行くべし、と思いました。

 FlightGearの各ビューに設けられたカメラは、デフォルトでは10儖米發諒体を無視しますが、toshiさんのお陰でこの制限が外れたのは、本フォーラム「viewカメラの直近を見る方法は?」でご報告した通りです。しかし、カメラから5世如岼豈安全」と書いたのは私の勘違いで、実際は5冖にで画像が乱れ始めることが分かりましたので、同心円状の距離リングは、半径5〜12僉丙蚤臙佑魯疋螢侫函Ε妊レクターの半径)の範囲で作ることにしました。

●●距離表示リングとの格闘:
 距離計は一応完成したものの、テストの結果は問題山積。まず、リングの上下動の計算が間違っていて、うまく同心円に見えませんでした(詳細は略しますが、収容寸法の関係で、30本のリングを別々に上下動させようとしました)。もっと深刻なのは、方位リングに設けた目盛り数字が、定位置から外れてダンスを踊り出したことです。機体の姿勢変化につれて、単独あるいは列を作って、なめらかに流れたり回転したり。フィギュアスケートみたいに華やかで、谷内六郎のメルヘン絵画のように詩的でもあり、しばらく見とれてしまったのですが…これじゃ使い物になりません!!

 この種の表示異常は、装置のファイルサイズが過大な場合に起きるようです。過去にもフライト・コードラントに、細かい目盛りを5400本ほど取り付けたところ、パーツの一部が勝手に動き回って困ったことがあります(お陰で、もっといいメカニズムを思いつきましたが)。今回のドリフト・ディレクターはずっとファイルサイズが小さく、原因不明です。リングの上下動アニメーションのfactor(縮尺に当たる定数)が小数点以下8桁もあった(4桁まではゼロだった)ため、少々計算量が多すぎたのかも知れませんが、それで果たして異常が起きるのかどうか。

 結局、超小型の同心円(地形の2万分の1程度)を組み込む代わりに、まことに変則的ですが、機外に縮尺100分の1の巨大な同心円を出現させました。factor の桁数が半減したためか、方位リングの数字は踊らなくなりました。こんな、リアリティーぶちこわしの代物を付けるのは、もちろん残念至極です。せめてドリフト・ディレクターのビュー以外からは、見えないようにしたかったのですが、私の技術ではとても無理。そこでメニューバーから選択した場合のみ、画面表示するようにしました。
 リングの表示間隔は、10nmまでは1nm単位、それ以上は最大計測距離の30nmまで5nm単位です。遠景を粗くしたのは、低空ではリングが重なり合って見えてしまい、視界をふさぐからです。高度を上げた場合に備え、10〜20nmおよび20〜30nmの範囲でも、1nm単位のリング表示が選択可能です。あれこれ不満はありますが、盛り込みたかった機能はひとまず実現しました。

●●オートパイロットについて:
 EC135p2に残る課題は、メニューバーに「Autopilot」を表示できないことです。internal properties から「true」を指定すると表示され、Route Manager も使えますので、起動時に「Advanced…」を使い
      --prop:/sim/menubar/default/menu[3]/enabled=true
とコマンドを入れてみましたが、しっかり間違っているらしく、効き目がないのが残念です。

 ところで。FlightGearのヘリは全部、オートパイロットが使えないのかと思ったら、そんなことはなくて、かなり多くの機体で少なくとも、針路保持が可能だと分かりました。ただし、固定翼機とは飛行特性が異なるためか、速度保持が有効になるのは「Speed with pitch」モードだけですし、高度保持まで可能なのはR44だけでした。私が試した10例について、自動操縦の可否や航法計器の装備状況を挙げておきます。

機名   オートパイロット     航法計器
Bell222x 針路保持のみ。       全計器なし。
EC130  非表示          VORがあるが不作動
EC135p2 非表示(強制表示しても不作動)
                  VORがあるが不作動
M-XE   速度・針路保持のみ。   航法計器なし。
OH-1   速度・針路保持のみ。   航法計器なし。
R44   速度・針路・高度保持可能。VORがあるが不作動
R22   表示可能だが不作動。   VOR使用可能、DMEなし。
S51   針路保持のみ。      航法計器なし、HUD起動せず。
UH-1   針路保持のみ。      クロスポインタ指示器があるが不作動。
WG13   速度・針路保持のみ。   全計器なし。HUD起動せず。
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