JP2002191873A - トラッキング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １自由度の動きの制御により３自由度に動く
トラッキング装置を提供する。 【解決手段】 トラッキング装置１００は、モータ１１
０と、モータ１００の固定子と回転子に逆の方向に回転
するように取り付けた逆に感知する上部と底部のプロペ
ラ１２０，１３０を含む。ターゲットセンサ１４０，１
５０は、プロペラ１２０，１３０上に備えられ、ターゲ
ットセンサ１４０，１５０からの信号がモータ１１０と
プロペラ１２０，１３０の回転を制御するコントローラ
１６０に供給される。トラッキング装置１００は、モー
タ１１０とコントローラ１６０のための電源１１５も含
む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、制御可能な１自由
度を有し、３自由度で動くことができるトラッキング装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】トラッキング装置は、惑星探査、移動リ
モートセンシング、人、動物、自動車などの地上をベー
スにする移動主体の追跡、飛行物体の追跡、自動的に配
置可能な外辺部のセンサ、玩具、例えばステージ上の役
者や携帯電話のユーザのためのユーザを追いかける音声
入出力装置、移動するユーザを追いかけるコンピュータ
入力装置、高性能爆弾などの分野で使用することができ
る。しかし、トラッキング装置が３次元空間で移動する
ためには、複雑な推進および制御のシステムが必要であ
る。このため、トラッキング装置は費用と寸法が増大す
るという結果になる。

【０００３】真核単細胞をもつ微生物は、釣り合い浮き
媒体(neutrally buoyant mediuam)内のトラッキング装
置として機能するが、１自由度のみを制御できる。しか
し、微生物は３次元空間で動くことができ、食物源や光
のような感知された刺激物の方へ動いたり、それから離
れたりする。微生物は１自由度を制御し、本来、螺旋形
で前進する。微生物は、１自由度の動きの速度を単純な
フィードバックシステムを介して変調することによっ
て、刺激物を追跡する。微生物は回転するので、刺激物
を正弦曲線的に感知する。感知した刺激物に直接比例す
るように回転速度を変調することによって、微生物は、
変調の感知に応じて、歳差運動、すなわち、加えられた
外力による微生物の軸の動きにより、刺激物の方へ動い
たり、それから離れたりする。単細胞をもつ微生物の動
きは、Ｈｕｇｈ Ｃ．ＣｒｅｎｓｈａｗによりＢｕｌｌ
ｅｔｉｎ ｏｆ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ Ｂｉｏｌ
ｏｇｙ，Ｖｏｌ．５５，Ｎｏ．１，ｐｐ．１９７‐２１
２（１９９３）に公表された“Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ
ｂｙ Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｏｔｉｏｎ−Ｉ．Ｋｉｎｅ
ｍａｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｏｔ
ｉｏｎ ｏｆ Ｏｒｇａｎｉｓｍｓ ｗｉｔｈ ｕｐ
ｔｏ Ｓｉｘ Ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏ
ｍ”に、より完全な形で記載されている。本論文は、そ
の全体の参照により本願明細書に援用する。

【０００４】プロペラ駆動の航空機玩具および娯楽装置
は、例えば米国特許第４，２７１，６２９号および第
３，６０３，０３３号から既知である。Ｇｏｏｄｗｉｎ
による米国特許第５，５３３，９２０号は、ゴムバンド
モータによって駆動する前後のプロペラと、プロペラの
回転を制御するために使用できるロックとリリースの機
構を備えるプロペラ駆動の飛行玩具を開示する。Ｍｕｅ
ｌｌｅｒによる米国特許第３，６０３，０３３号は、ダ
クトに駆動プロペラを据え付けた回転翼航空機の玩具を
開示する。上昇用ロータブレード（lifting rotor blad
e）がダクトの上端から伸びている。ダクトとブレード
は、トルクによって、プロペラと反対に回転する。従っ
て、ブレードの揚力は、垂直推進用のプロペラによって
提供される揚力を増大させる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
飛行玩具は、複雑なトランスミッションを含み、ターゲ
ットを追跡することができない。また、飛行玩具はオペ
レータによる開始と監督を必要とし、限定されたタイプ
の電源でのみ作動できる。

【０００６】本発明は、ターゲットへの明白な方向づけ
なしに1自由度で動きを制御することによって、重力下
で並進３自由度で動くことができるトラッキング装置を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に従ったトラッキ
ング装置のさまざまな実施形態では、トラッキング装置
は、モータと、モータの固定子と回転子に逆の方向に回
転するように取り付けた逆の感知をする上部と底部のプ
ロペラを含む。ターゲットセンサは、プロペラ上に備え
られ、ターゲットセンサからの信号がモータとプロペラ
の回転を制御するコントローラに供給される。トラッキ
ング装置は、モータとコントローラのための電源も含
む。

【０００８】本発明の特徴と利点などは、本発明に従っ
たシステムと方法のさまざまな実施形態の以下の詳細な
説明に記載され、またはそこから明らかである。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に従ったトラッキ
ング装置１００の第１の実施形態の透視図である。モー
タ１１０は、モータ１１０の固定子に接続した上部プロ
ペラ１２０と、モータ１１０の回転子に接続した底部プ
ロペラ１３０を有する。しかし、上部プロペラ１２０は
回転子に接続してもよいし、底部プロペラは固定子に接
続してもよいことを認識されたい。上部プロペラ１２０
は底部プロペラ１３０の感知と反対の感知になる。例え
ば、上部プロペラ１２０が右回りであれば、底部プロペ
ラ１３０は左回りになり、その逆も成り立つ。上部プロ
ペラ１２０と底部プロペラ１３０は反対の方向へ回転す
るので、それらは同じ方向、例えば垂直方向に力を供給
する。

【００１０】フィン１２５は上部プロペラ１２０のチッ
プに取り付けられている。フィン１２５は一般的に、上
部プロペラ１２０の回転子の方向に正接する。フィン１
２５はトラッキング装置１００を安定させ、それによっ
てトラッキング装置１００のスピン軸（spinning axi
s）１７０は一般的に垂直な向きを維持する。図１に示
されるように、トラッキング装置１００は２つのブレー
ドの上部プロペラ１２０を有する。図２は本発明に従っ
たトラッキング装置１０１の第２の実施形態を示す。こ
こでは、上部プロペラ１２１は４つのブレードのプロペ
ラである。このように、４つのフィン１２５はブレード
１２４のチップに備えられる。複数のブレードをいくつ
でも使用してよいことを認識されたい。

【００１１】図１と図２に示されるように、おもり１２
６がフィン１２５の１つに取り付けられる。このよう
に、おもり１２６はスピン軸１７０からずれている。お
もり１２６によって、トラッキング装置１００，１０１
は、垂直になっている螺旋の主軸とともに、螺旋に動
く。図３に示されているように、本発明に従ったトラッ
キング装置１０２の第３の実施形態では、おもり１２６
がフィン１２５の１つに取り付けられる代わりに、おも
り１２７が上部プロペラ１２０のシャフト１２３に取り
付けられる。さまざまな実施形態では、おもり１２７が
上部プロペラ１２０に対して自由に回転できる。

【００１２】上部および／または底部プロペラ１２０と
１３０を不均衡にするために使用できる既知、または今
後開発される装置、構造、機構、材料またはその類のい
かなるものでも、おもり１２５，１２７の代わりに使用
できることを認識されたい。すなわち、トラッキング装
置１００〜１０２が質量の中心をスピン軸１７０に合わ
せていないかぎり、トラッキング装置のスピン軸１７０
は重力場に対して角度を有することになる。そこで、質
量の中心が回転するかぎり、またはそうではなく、スピ
ン軸１７０に対して相対的に動くことができるかぎり、
スピン軸１７０は重心の回りを前進することになる。

【００１３】従って、プロペラブレード１２４および／
またはフィン１２５のどれかを、他のプロペラブレード
１２４および／またはフィン１２５とは異なった密度の
材料から作ることによって、プロペラブレード１２４お
よび／またはフィン１２５のどれかを、他のプロペラブ
レード１２４および／またはフィン１２５とは異なった
寸法で作ることによって、プロペラブレード１２４およ
び／またはフィン１２５のどれかに、他のプロペラブレ
ード１２４および／またはフィン１２５とは異なった量
の揚力を提供させることによって、これらの組み合わ
せ、および／または本願明細書で既述の挙げられたさま
ざまな実施形態と組み合わせるか、または組み合わせず
に、トラッキング装置１００〜１０２を不均衡にするた
めの他のすべての既知の技術によって、トラッキング装
置１００〜１０２を不均衡にすることができる。

【００１４】２つのターゲットセンサ１４０，１５０
は、それぞれ上部プロペラ１２０と底部プロペラ１３０
に備えられる。ターゲットセンサ１４０，１５０は、
光、音、磁場、無線周波数またはその他の電磁気放射、
熱、核放射などのすべての現象によって、または他の既
知、または今後発見される重大な結果をもたらすすべて
の現象によって感知できるターゲット２００を検出す
る。このように、ターゲット２００は、音声エネルギ
ー、光エネルギー、１つ以上の磁場、無線周波数放射、
その他の電磁気放射、核放射線、熱エネルギー、振動エ
ネルギー、太陽エネルギーなどの源となることができ
る。それに加えて、またはその代わりに、ターゲットセ
ンサ１４０，１５０は、汎地球測位システム（ＧＰＳ）
からの信号に応答してもよい。

【００１５】ターゲットセンサ１４０，１５０はコント
ローラ１６０に信号を提供する。信号は、ターゲット２
００からのセンサ１４０，１５０の距離に対応する。電
源１１５は電力をモータ１１０とコントローラ１６０に
提供する。電源１１５は、例えば、１つ以上の従来のバ
ッテリ、または圧縮スプリング、またはねじれたゴムバ
ンド、または高圧ガス、または可燃性燃料であってもよ
い。モータ１１０とコンロトーラ１６０には、それぞ
れ、別々の１つまたは複数の電源が供給されてもよいこ
とも認識されたい。ターゲットセンサ１４０，１５０
は、トラッキング装置１００，１０１，１０２を惑星が
回転するにつれて太陽を追跡できるようにする太陽電池
であってもよい。このような太陽電池は太陽を感知する
ことに加えてモータ１１０とコントローラ１６０への電
源としても機能しうる。

【００１６】コントローラ１６０はモータ１１０を制御
し、上部プロペラ１２０と底部プロペラ１３０の間の速
度差ωを変調する。変調は、ターゲットセンサ１４０，
１５０によって供給される信号間の差に対応する。さま
ざまな実施形態では、コントローラ１６０が上部プロペ
ラ１２０と底部プロペラ１３０の間の速度差を以下のよ
うに決定する。

【００１７】ω＝ａ・ΔＳ＋ｂ ここでは、ａはゲインファクターであり、ΔＳはセンサ
１４０からの信号とセンサ１５０からの信号の間の差で
あり、ｂはオフセット値である。オフセット値ｂは、ト
ラッキング装置１００〜１０２が飛び続けることができ
るように、速度差を維持するために必要である。さまざ
まな実施形態では、ゲインファクターａとオフセット値
ｂは、トラッキング装置１００〜１０２の特定のパラメ
ータ、例えば装置の重さに応じて、経験に基づいて選ば
れた値である。

【００１８】トラッキング装置１００のスピン軸１７０
が、ターゲット２００の方へより向いていると、ターゲ
ットセンサ１４０により提供される信号１４０の増大に
より、速度差ωは増大する。トラッキング装置の１００
のスピン軸１７０がターゲット２００よりはずれた方を
向いていると、ターゲットセンサ１４０により提供され
る信号Ｓ１４０の減少により、速度差ωは減少する。速
度差ωの増大によって、トラッキング装置１００は、お
もり１２６により生じるスピン軸１７０の歳差運動によ
りターゲット２００の方へ加速することになる。速度差
ωの減少はトラッキング装置１００を減速させることに
なる。ターゲット２００がトラッキング装置の軸方向の
上にある場合は、コントローラ１６０は、トラッキング
装置１００を、コントローラ１６０がトラッキング装置
１００の速度を低下させることになる点であるターゲッ
ト２００を通過するまで、速度と螺旋上昇を増大させる
ことになる。さまざまな模範的なトラッキング装置１０
０〜１０２はターゲットの方へ動くように記載されてき
たが、さまざまな模範的なトラッキング装置はターゲッ
トからはずれるように制御できることを認識されたい。

【００１９】図４は、本発明に従ったさまざまな模範的
なトラッキング装置１００〜１０２の水平運動を示す。
トラッキング装置はＸ‐Ｙ面の座標（０，０）で始ま
り、Ｘ‐Ｙ面でターゲット水平座標（０，８）およびＺ
方向での不特定ターゲット垂直位置に置かれたターゲッ
ト２００の方へ動く。スピン軸１７０が歳差運動をする
ので、ターゲットセンサが１４０がターゲット２００の
方へより向けられる点があり、ターゲットセンサ１４０
がターゲット２００からより離れた方へ向けられる点も
ある。

【００２０】ターゲットセンサ１４０がターゲット２０
０の方へより向く度に、コントローラ１６０は上部プロ
ペラ１２０と底部プロペラ１６０の回転速度を増し、そ
れによって、トラッキング装置１００〜１０２はターゲ
ット２００の方へ動き、縦の高さを増すことになる。タ
ーゲットセンサ１４０がターゲット２００から離れた方
へより向く度に、コントローラ１６０はプロペラ１２０
と１３０の回転速度を低下させ、それによってトラッキ
ング装置１００〜１０２をターゲット２００から離れた
方向へ動かし、縦の高さを減らす。

【００２１】コントローラ１６０は、プロペラ１２０，
１３０の回転速度を制御することによってトラッキング
装置の縦の高さを直接制御する。しかし、トラッキング
装置１００〜１０２の水平動作は、スピン軸１７０の歳
差運動によって制御される。

【００２２】本願明細書に開示される発明に従ったさま
ざまな模範的なトラッキング装置１００〜１０２は、移
動リモートセンサにおいて、惑星探査のために、人、動
物、軍需品、軍隊、および／または車両などの地上をベ
ースにする移動主体を追跡するために、環境状態および
／または気象パターンを追跡するために、自動的に配置
可能なパラメータセンサにおいて、表示用ロボットピク
セルまたは高性能トナーにおいて、「盛りを過ぎた」偵
察のため、人目につかない監視のために、レーザー誘導
のスマート爆弾またはスタン手榴弾、玩具、ロボペッ
ト、移動するユーザについて回るコンピュータ入力装置
（例えば音声を使って）において使用してもよい。本願
明細書に開示される発明に従ったさまざまな模範的なト
ラッキング装置１００〜１０２は、たった１つのモータ
を含み、トランスミッションがなく、コントローラが単
一なので、トラッキング装置１００〜１０２の費用と複
雑さは、先に開示された従来の装置に比して少なくなっ
ている。

【００２３】さまざまな模範的な装置１００〜１０２が
トラッキング装置として開示されているが、さまざまな
模範的な装置１００〜１０２は、玩具または娯楽装置と
して、ターゲットセンサを備えて、または備えずに機能
できることを認識されたい。

【００２４】図１から図３に示されるコントローラ１６
０は、物理的に明白なハードウェア回路またはＡＳＩＣ
として、あるいはＦＰＧＡ、ＰＤＬ、ＰＬＡまたはＰＡ
Ｌを使って、あるいは離散的論理素子または離散的回路
素子を使って、実装することができることを理解された
い。図１から図３に示されるコントローラ１６０が取る
特定の形態は、設計の選択であり、当業者には明らか
で、予測できるであろう。例えば、コントローラ１６０
は、３つの信号処理演算増幅器、電界効果トランジスタ
（ＦＥＴ）、パワートランジスタおよびパワー抵抗を含
んでもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るトラッキング装置の第１の実施
形態を概略的に示す透視図である。

【図２】 本発明に係るトラッキング装置の第２の実施
形態を概略的に示す透視図である。

【図３】 本発明に係るトラッキング装置の第３の実施
形態を概略的に示す透視図である。

【図４】 本発明に係るトラッキング装置の実施形態の
動きを示す図である。

【符号の説明】

１００，１０１，１０２ トラッキング装置、１１０
モータ、１１５ 電源、１２０，１２１ 上部プロペ
ラ、１２３ シャフト、１２４ ブレード、１２５ フ
ィン、１２６，１２７ おもり、１３０ 底部プロペ
ラ、１４０，１５０ターゲットセンサ、１６０ コント
ローラ、１７０ スピン軸、２００ ターゲット。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転子と固定子を含むモータと、 回転子に接続された第１のプロペラと、 固定子に接続された第２のプロペラと、 第１のプロペラ上の第１のターゲットセンサと、 第２のプロペラ上の第２のターゲットセンサと、 第１および第２のプロペラの１つに取り付けられた少な
   くとも１つの不均衡構造と、 第１および第２のターゲットセンサによって供給される
   信号に基づいてモータの回転速度を制御するコントロー
   ラと、 モータおよびコントローラのための少なくとも１つの電
   源と、を備えることを特徴とするトラッキング装置。