「KK2.0」6軸ジャイロの角加速度PID制御におけるI(積分)制御のあり方?

オスプレイの開発はKK2.0ジャイロのファームウェア(FW)の話に脱線中。

このジャイロ、非常に面白いです。

マルチコプター用6軸ジャイロ(3軸ジャイロ+3軸加速度計)「KK2.0」にはオリジナルの「KKFW」の他に「OpenAero2」という飛行機向けのカスタムFWがあります。



KKFWは基本的にマルチコプター専用。

動画撮影時は最初から入っていたKKFWのVer1.2を使っていましたが、最新のVer1.4、1.5は制御が改良され好評なのでテストしました。

しかし最新Verでは「Link Roll Pitch」項目が反応しません。
(選択は切り替わるが実際の連動が切れない)

ロール軸とピッチ軸を共にモーター出力のみで制御する3発以上のマルチコプターではロール軸とピッチ軸の挙動が同じなので連動の方が便利なのですが、ツインコプターはロール軸とピッチ軸のゲイン設定がかなり違うので独立設定出来ないのは厳しいです。

KKFWではジャイロ制御をOFFにする事が出来ないのでマイクロスイッチを並べてサーボで切り替えるメカを組みましたが、重く複雑でトラブルの元にもなるので出来れば使いたくはありません。



そこに「OpenAero2」の存在を教えて頂きました。

OA2はジャイロ制御や加速度センサーがプロポでON/OFF出来たり基板の搭載方向が自由だったりと飛行機での使い勝手がとても良く考えらています。

メニューから制御方式までKKFWとは全然別物。

ゲイン切り替え用の空きchも1つでよく、「電子制御全OFF」「ジャイロON」「ジャイロ+加速度センサーON」と、それぞれ予め設定したゲインに切り替えOK。

スローフライト用の高感度セッティングにしておいて低速時以外は電子制御を切る事も出来ます。

エレボンやフラッペロンが自由に使えるのも大きな魅力。

オスプレイに使えば重くて面倒な機械式スイッチユニットが不要になり、プロポ設定も簡潔になります。

元々液晶ディスプレイと4つの入力ボタンを備えているので現場設定は快適。

こんなに高機能で汎用性が高く、かつ低価格なジャイロがあるでしょうか。

ジャイロを使うと今まで飛ばなかった物が飛んだり、不可能だった飛び方をしたりするので面白いです。



OA2はエレボン等プロポのミキシングが使用可能だったりジャイロ無しと同じ感覚でトリム調整が出来たりする珍しいシステム。

しかしこの珍しい制御方式のせいでツインコプター(オスプレイも)には使えませんでした。

その事を開発者に相談したところ、ヘリ用やマルチコプター用で一般的な方式のI制御をテストしてもらえる事になりました。

OA2のI制御は独特で私の理解が足りずトンチンカンな発言を連発してしまいましたが、開発者のHappySundaysは問題の本質がはっきりするまで話を聞いてくれました。

最終的にはI制御方式の違いに興味を持ってくれて、その数時間後には試作FWの動作テスト動画がUPされびっくり。

さらに翌日には新バージョンFWが説明と共に公開され、ヘリ方式のI制御、通称"KeiTora mode"が追加されました。


実は従来方式ではI制御の甘さも気になっていたんですが、新方式ではIゲインを上げて使う事ができるとの事。

しかし今までとは全く違う制御方式なので細かな問題も出ている模様。

まだテストできていませんが、はたしてOA2との融合問題をクリアしユーザーの支持も得て無事実用化されるでしょうか?



KK2.0フライトコントローラー本体はコレ
ちなみにただいま大安売り中(涙)、通常価格$29.99がなんと驚きの$19.99!(送料も書留でたったの$3.99)

購入時は受信機接続用の両オスケーブルもお忘れなく。
10cm
3cm

ファームウェアの書き換えにはUSBアダプターが必要。
ドライバソフトと使い方
書き込みソフトと使い方

受信機は普通の5ch以上の物でOKですが、CPPM機能対応のコレ等を使うと全8chを使って全ての機能が使える上にKK2.0基板との接続もケーブル1本でOK、受信機自体も小型軽量。

デコパネ V-22オスプレイ テスト飛行

休日出勤の合間に一瞬のテストフライト。

土手からの乱流で推定風速5m/s、ミニサイズオスプレイの初屋外テストにはかなり厳しい状況ですが強行。

風に正対させ離陸・・・しようとしただけでひっくり返されました。。。

損傷無しだったので諦めずに再挑戦、なんとか離陸、ハンチング気味ながらもホバってます。

っと、突風で強い向かい風を受けると大きく機首を持ち上げられ制御不能、裏返しに落ちてペラ破損。

やはりサイクリック無しで屋外飛行は無理なのか、モード転換メカは無駄だったのか、失敗作として解体が頭をよぎりますが、対策を考えます。

まず尾翼エレベーターの回転翼モードでのニュートラル位置をダウン位置に。

ジャイロ設定はゲインを小さく、リミット(制御動作範囲)を大きく。

室内ではリミットを出来るだけ絞った方が調子が良いようですが、屋外では外乱が大きいので十分大きくしておかないとコントロールを失います。

ペラを交換して再離陸、今度は突風が吹いても持ちこたえられます。

様子を見ながらジャイロと尾翼エレベーターを微調整すると悪条件の割にはなんとか安定を確保、この強風でコントロールを失う事なく浮いていられる事が分かっただけでも大収穫。

さらに横を向け旋回飛行に入れてみるとエルロン(モーター差動)がハンチング。
(動画でブンブンという音がはっきり聞こえます)

風に正対させ落ち着いたかと思いきや突然前傾して真下を向きコントロール不能に、その後何故か右ロールが始まりエルロンを左一杯に切っても止まらず裏返しに墜落。



損傷は両ペラ、左チルトサーボギア、左チルトシャフト。

3mmステンレス丸棒のチルトシャフトがグニャリ、コイツだけが上手く曲がってくれました。

曲がったチルトシャフト


90度前傾はエルロンのハンチングでジャイロが暴走したか、スロットルを抜いて尾翼エレベーターダウンとの釣り合いが崩れたようにも見えるし、上空の強く荒い乱気流に捕まったのかもしれません。

チルトの後傾角は小さいので大きな機体前傾に対しての復元力は強くありません。

これに関しては機体本体を少し後傾させると有効ストロークが稼げます。

KK2.0基板は3°ほど前傾させていましたが5°に変更。

その後のロールについては、映像で確認しても風で吹き飛ばされているようには見えないので、急激な姿勢変化によるジャイロの暴走だと思われます。

エルロンのハンチングに関しては設定数値をエレベーターほど大きく変更していませんでした。

前進速度が上がると転移揚力というかスリップ率が下がるというか、プロペラ効率が上がりジャイロの効きが敏感になるのもあるかもしれません。

強風下で飛ばす場合、屋内でのピタホバを目的とした設定と比べるとゲインを半分以下、リミットを5倍以上、D/Rを1.5倍以上にしないと風に対抗出来ずまともに浮いていられないようです。

横風によりロール軸が大きく煽られてハンチングを起こしたと考えていますが、横風と前進の合成風速により舵の反応が過大になったか、前進の為チルト角が大きくなりセンサーと制御動作のズレが大きくなり異常を起こした可能性も考えられます。

映像を見るとスロットルONで頭上げ傾向に見えるので、尾翼エレベーターにはスロットルからダウンミキシングを掛けてみます。

転換モードをどう設定するかはテストで探るしかなさそうです。



尾翼エレベーターについては、高い位置にあるプロペラや主翼はホバリング中風に煽られて傾くとますます投影面積が大きくなり傾きが加速するので、特に突風に対しては尾翼エレベーターの調整がかなり重要。

対気速度ほぼゼロの室内飛行では無用の長物ですが、屋外ではホバリング時もしっかり仕事してます。

テスト時、回転翼モードではニュートラル位置約15度ダウン、エレベーター操舵連動、ジャイロ制御無し。

横風に対するロール軸の空力調整は出来ませんがペラ差動による制御は強力なので設定を詰めれば大丈夫でしょう。

追い風に対しては・・・追い風状態は避けた方が賢明だと思われます。

この形式で、調整しだいで3m/s程度までの風なら屋外飛行にも十分対応できそうな事が分かりました。

モード転換時も対気速度5m/s(18km/h)位まではコントロールに破綻をきたす事なく加速できるでしょう。

その時のナセル前傾角度はこの位という事に。
デコパネオスプレイホバリング
(推定風速5m/sでホバリング中)

運良くフライトの大部分が固定カメラに収まっていたので原因追求に役立ちました。

いきなり過酷な条件でのテストでしたが、前進飛行時のデータと、限界に近い状況での貴重なデータが多く得られました。

モード転換までは行きませんでしたが見えてはきたような。

この形式独特の難しさがあってなかなか面白いです。

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デコパネV-22オスプレイ 浮上

固定ピッチのツインコプターをベースとした小さなオスプレイを作ってみました。



RC Osprey16 RC Osprey4

RC Osprey1 RC Osprey3

回転翼モードでの機体制御にはマルチコプター用6軸ジャイロユニットを使用。
「Hobbyking KK2.0 Multi-rotor LCD Flight Control Board」

マルチコプターは初めてですが、トルクロールの師匠yasuo840さんがツインも含め多数製作されていてアドバイスを頂きました。

「回転翼モード⇔固定翼モード」の転換が構造的にも制御的にも難しく問題山積みでしたが、どうにか完成が見えてきました。



ツインコプターは主にチルト軸と重心の距離を利用してエレベーター軸モーメントを生み出しますが、オスプレイのスケール機ではこの距離を稼ぐ事が難しく、制御を邪魔する慣性モーメントや空力モーメントも大きく、サイクリックピッチコントロール無しではエレベーター軸の制御が不安定になる事が予想されました。

またモード転換についてもサイクリック無しでは転換中に効果的な操縦が効かず不安定になる事が予想されます。

ナセルチルトは操舵も含め150度ほどの動作角が必要ですがホバリングに使うのはその1/4程なので、ジャイロ制御に必要な分解能が得られるかどうかも不明。

まあ単純な機体だしコントロールボード以外は手持ちの機材で行けそうだったので、とにかく作ってデータを取る事に。

例によってフリーの3Dcadで画を描きましたが、斜めパネルやチルトメカの構想、ユニット毎の重心確認など、こういう機体では3Dcadは便利。

RC Osprey11 RC Osprey12


RC Osprey13 RC Osprey14



可動部分、強度構造部分はチルト機構周りに集中していますが、150度ほどの動作角を確保しつつ精度も必要で、主翼は曲げ、捻じれ剛性が求められます。

サーボは搭載スペースと重量バランスを考えナセルに搭載。

FreeWingの9gクラス、引込脚用120度動作タイプの物ですが最大170度ほど動作するのでリンク比は1:1。

チルト軸と軸受けはステンレス丸棒とアルミパイプ、主翼桁は5mm厚ヒノキ材、接合部はカーボン&和紙補強。

RC Osprey8

まず最低限の部品をセロハンテープで留めてホバリングを試してみましたが、フラつきながらもあっさり浮上。

RC Osprey17

セルフレベリングモード(加速度センサーONの6軸制御)ではホバリングのフラつきが1/3程になるので迷わずON。

予想通りピッチ方向の制御が不安定だったため、主翼桁を作り直しチルト軸位置を10mmほど上へ移動したところ少し改善し、ゲインを上げることが出来ました。
(フラッペロンと軸芯のズレが大きくなりリンケージが少し複雑に)

回転翼モードではフラッペロンを降ろすとペラ後流の邪魔にならず推力効率が上がりますが、これがけっこうなピッチダウンモーメントを発生し重心位置を変更しなければならないので要注意。
(舵面取り付け前はチルト軸を手で持って持ち上げたのと同じ姿勢でホバリング)

左右重心位置は多少狂っていても自動補正されますが、前後重心位置はホバリング姿勢に直結します。

フラッペロンによるピッチダウンモーメントはさらに後退推力を発生させるのでスロットルからエレベーターへ補正ミキシング。



さてここからが大変。

KK2.0コントロールボードが届いてみて分かったのですが、期待していたリモートゲイン機能は現行V1.2ファームウェアでは非対応。

固定翼モードでは制御方向もジャイロ感度も全く異なるので仕方なくBプランへ、タミヤのマイクロスイッチを4つ並べてサーボで各chの信号線を物理的に受信機直結に切り替える事に。

プロポ内のモード切り替えとマイクロスイッチ切り替えに微妙な時間差があり、受信機直結時にプロポでミキシングしてしまうとモード切り替え時の信号位置が大きくズレてしまうので、GWSのサーボミキサーを2つ使用。

ESCからのBEC電源はそれぞれ1Aしかないので、チルトサーボのみ別系統にして電力を独立供給。

という訳でメカ配線は少々面倒な事になってます。

RC Osprey10

重量増もスイッチ、ミキサー、サーボ等で30gほど、リモートゲイン機能さえあればと思いますが仕方ありません。

サーボミキサーでは最終出力chのリミットが直接設定できず、スロットル+操舵でESCchに過大入力が入りESCのフルハイポイントが自動修正されてしまうので、9Xの機能を使ってスロットル+操舵で操作量に応じてスロットルchを絞るよう設定。

サーボによるマイクロスイッチ切り替えとプロポのモード切り替えの間の僅かな時間差を無くすためモード切り替えに0.4秒のディレイを掛けましたが、標準機能の0.5秒刻みでは調整しきれないのでディレイを掛けた空きchに仮想スイッチを設定し0.005秒刻みで設定。

固定翼モードから回転翼モードへの転換でジャイロ制御された出力信号に機械的に切り替えると、作動を続けていたヘッドロック制御のニュートラルがズレている事になるので、これも上記ディレイ設定同様にしてスイッチ操作に連動し自動的に0.1秒間ほど最スローにして一瞬待機モードに入れ、ヘッドロック制御を初期化。

このとき十分に減速してからジャイロ制御を開始しないと尾翼エレベーターとジャイロ制御が喧嘩すると思われるので、チルト軸を立ててジャイロ制御をOFFにした転換モードを設定。

プロポ設定は、制御が全く異なる飛行機1機、ツインコプター1機、中間一機のデータを飛行中に切り替えるような状態なので、カスタム9Xの強力なミキシング機能が威力を発揮。

機体の制御系統は複雑に変化しますが操縦は普通のヘリ、飛行機と同様の操作で可能となりました。
(実機と違い回転翼モードでスロットルが逆になる事もありません)

あと主翼は取り外せるので格納状態も再現可能?

RC Osprey9


今のところテストは室内ホバリングまで。

安定性は現状だと出来の悪いヘリくらいですが、ジャイロのセッティングでまだまだ改善出来そう。
実機同様ダウンウォッシュが強いようで、ペラ直径は18cmですが1m位まで上昇しないと地面効果の乱気流で安定しませんが、地面効果圏を抜ければピタホバ出来ます。

調整が甘いとけっこうなスピードで流されるので固定翼機モードへの転換に必要な速度まで加速するのは難しくないと思われますが、問題は減速側でしょうか。

ペラ径が小さ目なので実機と違い固定翼モードでの着陸も可能となっています。

固定翼モードでの重心は、主翼前縁長で調整出来なければチルト軸位置を修正する事になるでしょう。

高翼低重心の反転双発機なので空力安定性が良く翼端失速にも強いはずですが翼面荷重は実機同様かなり高め、胴体揚力に期待。

機体をなるべく壊さないよう、上空テストをどのように進めるかが悩み所です。



今回はモード転換を欲張って難しくなってますが、回転翼モードのみと割り切って背高&短胴のチョロQスタイルにディフォルメすれば製作も簡単でツインコプターとしての飛行性能も上がるのでそちらの方が楽しいかもしれません。

縦にしてCH-46、47等の前後タンデムヘリを再現しても面白そうだし、ツインコプターはスケール機にいろいろ応用が利きそう。

動力ユニットが2つとサーボ2つで良いので、可動部さえ自作すれば費用も安く済みます。



デコパネオスプレイデータ

スケール : 1/35
全長 : 500mm
全幅 : 440mm
翼幅 : 376mm(ナセル除く)
軸間 : 412mm
主翼面積 : 229.36cm2
飛行重量 : 420g(現状)
翼面荷重 : 1.83g/cm2

モーター: TURNIGY2730(1500KV) ×2発
ペラ  : ホビキン、パチGWS 7×3.5 カウンターローテーション
ESC : ホビキン15A ×2
リポ  : ハイペリ3セル850mah25C ×1
サーボ : FreeWing120度動作×2(KKhobby)、HXT500×1、ホビキン4.3g×1
フライトコントローラー : 「Hobbyking KK2.0 Multi-rotor LCD Flight Control Board」
      
最大静止推力左右計750g
(各13000rpm、左右計16A)



KK2.0購入時は受信機接続用の両オスケーブルもお忘れなく。
10cm
3cm

ファームウェアの書き換えにはUSBアダプターが必要。
ドライバソフトと使い方
書き込みソフトと使い方
kkMulticopterFlashTool

受信機は普通の5ch以上の物でOKですが、CPPM機能対応のコレ等を使うと全8chを使って全ての機能が使える上にKK2.0基板との接続もケーブル1本でOK、受信機自体も小型軽量。



追記:

現在はフライトコントローラーのファームウェアを改良版OpenAero2に書き換え、4.3gサーボ、マイクロスイッチ、サーボミキサーは不要になっています。

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tag : ラジコン オスプレイ マルチコプター ツインコプター KK2.0 マルチローター

V-22 オスプレイの危険性

RCオスプレイを製作中ですが、その前に実機「Vー22 Osprey」の危険性を考えてみます。

ティルトローターの実用機は今まで存在しなかった訳ですから、その安全性を評価する事はかなり難しいと思われます。

さらにいろんな立場からの極端な意見も飛び交っているのでますます分かり難くなっています。

RC機の機体構成を考えながら感じた事も含めて自分なりにまとめてみると・・・



危険要素:

緊急時はプロペラ破損を覚悟すれば固定翼機モードで滑空着陸が出来ると言われているが、機体重量に対して主翼が非常に小さく、動力を失った場合の滑空には高い速度が必要で緊急着陸は広い平坦な場所を必要とし、実際はかなり困難だと思われる。
(最大離陸重量時の翼面荷重で比べるとV-22の773kg/m2ははあのF-104の686kg/m2よりも大きい。F-104の着陸には前後縁フラップに加えて高圧空気を吹き出す特殊な高揚力装置やドラッグシュートが必要。)

ローターも機体重量に対して直径が小さく回転翼機としてのまともなオートローテーション着陸はほぼ不可能らしい。

連結無しの片発飛行は、プロペラ位置から言って回転翼モードはもちろん固定翼モードでも無理。

という訳で両エンジンもしくは片エンジン+駆動系の何処かが壊れたらほぼ落ちるしかなく、特に低空低速では進路を変える事すら難しそう。

両エンジン停止の確率は非常に低いと言っても、旅客機でも実際に発生している。

両エンジンが離れているので道連れ故障の可能性は低いとの事だが、駆動系を道連れにする危険性は低くならない。

ヘリに比べ低い降下率でもボルテックスリング(セットリングウィズパワー)に入りやすく、これに起因すると思われる事故が実際に発生している。

回転翼、固定翼、転換領域と複雑に変化する特性を電子制御システムで制御している為、操縦は特殊。

運用実績の浅い新しい技術であり機械構造、電子制御共に複雑なのでトラブルの危険は大きく、小さなトラブルも墜落に繋がりやすい。

両翼端に重量物があり、物理的に制御が難しい。



安全要素:

エンジンが片方止まっても連結シャフトと残ったエンジンの緊急出力により安全に着陸できる。

両エンジン停止の確率は非常に低い。
(双発旅客機でも両エンジン停止はほぼありえないものと考えられている)

製造技術、運用技術の発達により致命的なトラブルの確率は非常に少なくなっている。

既存の大型ヘリもオートローテーションは難しく多発エンジンで安全性を確保している。

操縦が難しいと言えば、それぞれの航空機に難しさがある。

構造が複雑と言えば、現在運用されている大型機もみな構造は複雑。

F-16、F-2、ユーロファイター、エアバス等のフライバイワイヤ機も電子制御無しでは飛行出来ないが、何重にもバックアップする事で安全性を確保し運用されいる。

他の米軍機と比較しオスプレイの事故率は平均以下である。



という感じで、オスプレイは複雑な構造でトラブルの可能性は高く、動力を失えばほぼ落ちるしかなく、取扱いや操縦は特殊、20年前の常識や技術で考えれば危険な航空機に思えます。

しかし今の航空機の進歩は技術を発達させる事により危険を克服してきた歴史でもあり、総合的に考えると軍用機としては現状オスプレイが特に危険とは言えないようです。




PC実機シミュレーター「X-Plane」でオスプレイの操縦を疑似体験出来ます。
(所有はX-Plane9)

X-Plane V-22 Osprey

回転翼モードでのホバリングはシングルローターヘリと違い左右非対称の複雑な挙動が無く、電子制御も効いているので安定しています。

着陸進入はモード転換によって飛行特性が変化する中で減速率と降下率をコントロールしなければならず、水平飛行から目標地点でのホバリングに持ち込むのは独特の難しさがあります。

そしてヘリパイロットから不評の飛行機方式のスロットルは回転翼モード時にヘリと操作方向が逆になるので非常に間違いやすく、何度も墜落させました。

そうならないよう訓練はするのでしょうが、これは危ない気がします。

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プロフィール

Kei寅

Author:Kei寅
King3エアーウルフ、小型発泡機、デコパネ機等の空物ラジコンで遊んでます。

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