JP2009024938A - ジンバル機構及び赤外線誘導装置並びにジンバル機構の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】迅速且つ正確に向きを制御できるジンバル機構及び赤外線誘導装置並びにジンバル機構の制御方法の提供。
【解決手段】ジンバル機構を、検知部２を第１の平面内の第１の軸で回動可能にする第１筐体５ａ、第１駆動部６ａ及び第１角度検出部７ａと、第１筐体５ａを第２の平面内の第２の軸で回動可能にする第２筐体５ｂ、第２駆動部６ｂ及び第２角度検出部７ｂと、第２筐体５ｂを第１の平面内の第３の軸で回動可能にする第３筐体５ｃ、第３駆動部６ｃ及び第３角度検出部７ｃと、第３筐体５ｃを第２の平面内の第４の軸で回動可能にする第４筐体５ｄ、第４駆動部６ｄ及び第４角度検出部７ｄとで構成し、第３駆動部６ｃで第２筐体５ｂを回動させる際に回転角のずれを打ち消すように検知部２を回動させ、第４駆動部６ｄで第３筐体５ｃを回動させる際に回転角のずれを打ち消すように第１筐体５ａを回動させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ジンバル機構及び該ジンバル機構を備える機器並びに該ジンバル機構の制御方法に関し、特に、赤外線検知器を載置するジンバル機構及び該ジンバル機構を備える赤外線誘導装置並びに該ジンバル機構の制御方法に関する。

ミサイルなどの飛翔体に搭載される赤外線誘導装置として、図７に示すような装置がある。この赤外線誘導装置１２は、飛翔体先端部のドーム内に設置される２軸の自由度を有するジンバル１３と、ジンバル１３を２軸の各々で駆動する第１駆動部１４ａ及び第２駆動部１４ｂと、ジンバル１３の２軸の角度を検出する第１角度検出部１５ａ及び第２角度検出部１５ｂと、飛翔体の角速度（レート）を検出するレート検出部９と、ジンバル１３上に固定される集光光学系３及び検知器４と、検知器４からの信号を処理して赤外線画像を生成し、該赤外線画像をオートパイロット１８に送信すると共に、オートパイロット１８からの角度指令と第１角度検出部１５ａ及び第２角度検出部１５ｂからの角度情報とに基づく角度制御信号と、オートパイロット１８からのレート指令とレート検出部９からのレート情報とに基づくレート制御信号とからなる制御信号を生成し、該制御信号を駆動制御部１６に送信する演算処理部１７と、演算処理部１７からの制御信号に基づいて第１駆動部１４ａ及び第２駆動部１４ｂを制御する駆動制御部１６と、演算処理部１７からの赤外線画像を解析して目標物を検出し、飛翔体の進行方向を制御すると共に、演算処理部１７に角度指令及びレート指令を送るオートパイロット１８とを備えている。

そして、目標物から放射された赤外線は集光光学系３によって検知器４に集光され、集光された赤外線は検知器４で電気信号に変換されて演算処理部１７に送られ、演算処理部１７では該信号からＴＶモニタ等の表示装置に適した形態の赤外線画像を生成してオートパイロット１８に送信し、オートパイロット１８ではその赤外線画像を解析して目標物を検出し、飛翔体の進行方向を制御すると共に、角度の目標値である角度指令とレートの目標値であるレート指令とを演算処理部１７に送る。一方、ジンバル１３の２軸の角度は各々第１角度検出部１５ａ及び第２角度検出部１５ｂで検出されて演算処理部１７に送られ、また、飛翔体の角速度はレート検出部９で検出されて演算処理部１７に送られる。

演算処理部１７では、オートパイロット１８からの角度指令と第１角度検出部１５ａ及び第２角度検出部１５ｂからの角度情報とに基づいて角度制御信号を生成して駆動制御部１６に送信すると共に、オートパイロット１８からのレート指令とレート検出部９からのレート情報とに基づいてレート制御信号を生成して駆動制御部１６に送信する。そして、これらの制御信号を送信した駆動制御部１６では第１駆動部１４ａ及び第２駆動部１４ｂを制御し、ジンバル１３を目標物に向けて目標物の追尾を行う。このような制御を行う赤外線誘導装置として、例えば、下記特許文献１に記載された赤外線追尾装置がある。

特開２０００−１４７１２３号公報（第３−６頁、第１図）

このように、上記赤外線誘導装置では、広範囲な領域を走査するために、図８に示すように、アウタジンバル軸及びインナジンバル軸の２軸で回転可能なジンバル１３に集光光学系３と集光した入射光を検知する検知器４とを含む検知部２を載置し、アウタトルクモータ及びインナトルクモータなどの２つの駆動手段（第１駆動部１４ａ及び第２駆動部１４ｂ）や２つの角度検出手段（第１角度検出部１５ａ及び第２角度検出部１５ｂ）を用いて検知部２の方向を制御している。

しかしながら、各々の軸に対して１つの駆動手段を用いてジンバル１３を回転させた場合、トルクモータなどの駆動手段の特性上、ジンバル１３を目標とする回転角で正確に停止させることはできず、図９（ａ）に示すように、オーバーシュートやアンダーシュートによって回転角が変動してしまい、目標とする回転角に到達するまでに時間を要するという問題があった。また、図９（ｂ）に示すように、回転速度を徐々に落としてオーバーシュートやアンダーシュートを抑制することも可能であるが、この方法でも、目標とする回転角に到達するまでに時間を要するという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、迅速且つ正確に制御対象物の向きを制御することができるジンバル機構及び赤外線誘導装置並びにジンバル機構の制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、制御対象物の向きを制御するジンバル機構であって、第１の平面内の２つの軸と、前記第１の平面と交差する第２の平面内の２つの軸とからなる４つの軸で回動可能に構成されるものである。

本発明においては、前記第１の平面内の一方の軸と前記第２の平面内の一方の軸とが直交し、前記第２平面内の一方の軸と前記第１の平面内の他方の軸とが直交し、前記第１の平面内の他方の軸と前記第２の平面内の他方の軸とが直交する構成とすることができる。

また、本発明は、制御対象物の向きを制御するジンバル機構であって、前記制御対象物を第１の平面内の第１の軸を中心に回動可能に保持する第１筐体、及び、前記第１筐体に固定され、前記第１の軸を中心に前記制御対象物を回動させる第１駆動部と、前記第１筐体を前記第１の平面と交差する第２の平面内の第２の軸を中心に回動可能に保持する第２筐体、及び、前記第２筐体に固定され、前記第２の軸を中心に前記第１筐体を回動させる第２駆動部と、前記第２筐体を前記第１の平面内の第３の軸を中心に回動可能に保持する第３筐体、及び、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体を前記第３の軸を中心に回動させる第３駆動部と、前記第３筐体を前記第２の平面内の第４の軸を中心に回動可能に保持する第４筐体、及び、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体を前記第４の軸を中心に回動させる第４駆動部と、を少なくとも備えるものである。

また、本発明は、制御対象物の向きを制御するジンバル機構であって、前記制御対象物を第１の平面内の第１の軸を中心に回動可能に保持する第１筐体、前記第１筐体に固定され、前記第１の軸を中心に前記制御対象物を回動させる第１駆動部、及び、前記第１筐体に固定され、前記制御対象物の回転角を検出する第１角度検出部と、前記第１筐体を前記第１の平面と交差する第２の平面内の第２の軸を中心に回動可能に保持する第２筐体、前記第２筐体に固定され、前記第２の軸を中心に前記第１筐体を回動させる第２駆動部、及び、前記第２筐体に固定され、前記第１筐体の回転角を検出する第２角度検出部と、前記第２筐体を前記第１の平面内の第３の軸を中心に回動可能に保持する第３筐体、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体を前記第３の軸を中心に回動させる第３駆動部、及び、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体の回転角を検出する第３角度検出部と、前記第３筐体を前記第２の平面内の第４の軸を中心に回動可能に保持する第４筐体、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体を前記第４の軸を中心に回動させる第４駆動部、及び、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体の回転角を検出する第４角度検出部と、を少なくとも備えるものである。

本発明においては、前記第１の軸と前記第２の軸とが直交し、前記第２の軸と前記第３の軸とが直交し、前記第３の軸と前記第４の軸とが直交する構成とすることができる。

また、本発明においては、全ての軸が略一点で交差する構成とすることもできる。

また、本発明は、入射赤外線を集光する集光光学系と集光された前記赤外線を電気信号に変換する検知器とを含む検知部と、前記検知部の向きを制御するジンバル機構と、前記ジンバル機構の動作を制御する駆動制御部と、を少なくとも備え、少なくとも前記検知部からの電気信号に基づいて生成される画像を参照して飛翔体を目標物に誘導する赤外線誘導装置において、前記ジンバル機構は、前記検知部を第１の平面内の第１の軸を中心に回動可能に保持する第１筐体、及び、前記第１筐体に固定され、前記第１の軸を中心に前記検知部を回動させる第１駆動部と、前記第１筐体を前記第１の平面と交差する第２の平面内の第２の軸を中心に回動可能に保持する第２筐体、及び、前記第２筐体に固定され、前記第２の軸を中心に前記第１筐体を回動させる第２駆動部と、前記第２筐体を前記第１の平面内の第３の軸を中心に回動可能に保持する第３筐体、及び、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体を前記第３の軸を中心に回動させる第３駆動部と、前記第３筐体を前記第２の平面内の第４の軸を中心に回動可能に保持する第４筐体、及び、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体を前記第４の軸を中心に回動させる第４駆動部と、を備え、前記駆動制御部は、前記第３駆動部を用いて前記第２筐体を回動させる際に、前記第３筐体に対する前記第２筐体の目標とする回転角からのずれを打ち消すように、前記第１駆動部を用いて前記検知部を回動させ、前記第４駆動部を用いて前記第３筐体を回動させる際に、前記第４筐体に対する前記第３筐体の目標とする回転角からのずれを打ち消すように、前記第２駆動部を用いて前記第１筐体を回動させる制御を行うものである。

また、本発明は、入射赤外線を集光する集光光学系と集光された前記赤外線を電気信号に変換する検知器とを含む検知部と、前記検知部の向きを制御するジンバル機構と、前記ジンバル機構の動作を制御する駆動制御部と、を少なくとも備え、少なくとも前記検知部からの電気信号に基づいて生成される画像を参照して飛翔体を目標物に誘導する赤外線誘導装置において、前記ジンバル機構は、前記検知部を第１の平面内の第１の軸を中心に回動可能に保持する第１筐体、前記第１筐体に固定され、前記第１の軸を中心に前記検知部を回動させる第１駆動部、及び、前記第１筐体に固定され、前記検知部の回転角を検出する第１角度検出部と、前記第１筐体を前記第１の平面と交差する第２の平面内の第２の軸を中心に回動可能に保持する第２筐体、前記第２筐体に固定され、前記第２の軸を中心に前記第１筐体を回動させる第２駆動部、及び、前記第２筐体に固定され、前記第１筐体の回転角を検出する第２角度検出部と、前記第２筐体を前記第１の平面内の第３の軸を中心に回動可能に保持する第３筐体、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体を前記第３の軸を中心に回動させる第３駆動部、及び、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体の回転角を検出する第３角度検出部と、前記第３筐体を前記第２の平面内の第４の軸を中心に回動可能に保持する第４筐体、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体を前記第４の軸を中心に回動させる第４駆動部、及び、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体の回転角を検出する第４角度検出部と、を備え、前記駆動制御部は、前記第３駆動部を用いて前記第２筐体を回動させる際に、前記第３角度検出部で検出した前記第３筐体に対する前記第２筐体の回転角と目標とする回転角とのずれを打ち消すように、前記第１駆動部を用いて前記検知部を回動させ、前記第４駆動部を用いて前記第３筐体を回動させる際に、前記第４角度検出部で検出した前記第４筐体に対する前記第３筐体の回転角と目標とする回転角とのずれを打ち消すように、前記第２駆動部を用いて前記第１筐体を回動させる制御を行うものである。

本発明においては、前記第１筐体、前記第２筐体及び前記第３筐体の赤外線の入射光路上に、赤外線を透過させる窓部又は開口部を備える構成とすることができる。

また、本発明は、制御対象物の向きを制御するジンバル機構の制御方法であって、前記ジンバル機構を、前記制御対象物を第１の平面内の第１の軸を中心に回動可能に保持する第１筐体、及び、前記第１筐体に固定され、前記第１の軸を中心に前記制御対象物を回動させる第１駆動部と、前記第１筐体を前記第１の平面と交差する第２の平面内の第２の軸を中心に回動可能に保持する第２筐体、及び、前記第２筐体に固定され、前記第２の軸を中心に前記第１筐体を回動させる第２駆動部と、前記第２筐体を前記第１の平面内の第３の軸を中心に回動可能に保持する第３筐体、及び、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体を前記第３の軸を中心に回動させる第３駆動部と、前記第３筐体を前記第２の平面内の第４の軸を中心に回動可能に保持する第４筐体、及び、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体を前記第４の軸を中心に回動させる第４駆動部と、で構成し、前記第３駆動部を用いて前記第２筐体を回動させる場合は、前記第３筐体に対する前記第２筐体の目標とする回転角からのずれを打ち消すように、前記第１駆動部を用いて前記制御対象物を回動させる第１の制御を行い、前記第４駆動部を用いて前記第３筐体を回動させる場合は、前記第４筐体に対する前記第３筐体の目標とする回転角からのずれを打ち消すように、前記第２駆動部を用いて前記第１筐体を回動させる第２の制御を行うものである。

また、本発明は、制御対象物の向きを制御するジンバル機構の制御方法であって、前記ジンバル機構を、前記制御対象物を第１の平面内の第１の軸を中心に回動可能に保持する第１筐体、前記第１筐体に固定され、前記第１の軸を中心に前記制御対象物を回動させる第１駆動部、及び、前記第１筐体に固定され、前記制御対象物の回転角を検出する第１角度検出部と、前記第１筐体を前記第１の平面と交差する第２の平面内の第２の軸を中心に回動可能に保持する第２筐体、前記第２筐体に固定され、前記第２の軸を中心に前記第１筐体を回動させる第２駆動部、及び、前記第２筐体に固定され、前記第１筐体の回転角を検出する第２角度検出部と、前記第２筐体を前記第１の平面内の第３の軸を中心に回動可能に保持する第３筐体、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体を前記第３の軸を中心に回動させる第３駆動部、及び、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体の回転角を検出する第３角度検出部と、前記第３筐体を前記第２の平面内の第４の軸を中心に回動可能に保持する第４筐体、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体を前記第４の軸を中心に回動させる第４駆動部、及び、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体の回転角を検出する第４角度検出部と、で構成し、前記第３駆動部を用いて前記第２筐体を回動させる場合は、前記第３角度検出部で検出した前記第３筐体に対する前記第２筐体の回転角と目標とする回転角とのずれを打ち消すように、前記第１駆動部を用いて前記制御対象物を回動させる第１の制御を行い、前記第４駆動部を用いて前記第３筐体を回動させる場合は、前記第４角度検出部で検出した前記第４筐体に対する前記第３筐体の回転角と目標とする回転角とのずれを打ち消すように、前記第２駆動部を用いて前記第１筐体を回動させる第２の制御を行うものである。

本発明においては、前記第１の制御では、前記第１筐体に対する前記制御対象物の回動範囲を、前記第３筐体に対する前記第２筐体の回動範囲よりも小さくし、前記第２の制御では、前記第２筐体に対する前記第１筐体の回動範囲を、前記第４筐体に対する前記第３筐体の回動範囲よりも小さくすることができる。

このように、本発明では、第３駆動部を用いて第３の軸を中心に第２筐体を回動させる際に、第２筐体の回転角のずれを打ち消すように、第１駆動部を用いて第１の軸を中心に制御対象物を回動させ、第４駆動部を用いて第４の軸を中心に第３筐体を回動させる際に、第３筐体の回転角のずれを打ち消すように、第２駆動部を用いて第２の軸を中心に第１筐体を回動させる制御を行うため、迅速且つ正確に制御対象物の向きを制御することができる。

本発明のジンバル機構及び赤外線誘導装置並びにジンバル機構の制御方法によれば、迅速且つ正確に検知部などの制御対象物の向きを制御することができる。

その理由は、ジンバル機構を、集光光学系と検知器とを含む検知部などの制御対象物を第１の平面内の第１の軸を中心に回動可能にする第１筐体、第１駆動部及び第１角度検出部と、第１筐体を第１の平面に交差する第２の平面内の第２の軸を中心に回動可能にする第２筐体、第２駆動部及び第２角度検出部と、第２筐体を第１の平面内の第３の軸を中心に回動可能にする第３筐体、第３駆動部及び第３角度検出部と、第３筐体を第２の平面内の第４の軸を中心に回動可能にする第４筐体、第４駆動部及び第４角度検出部とで構成し、ジンバル機構の動作を制御する駆動制御部では、第３駆動部を用いて第３の軸を中心に第２筐体を回動させる際に、第２筐体の回転角のずれを打ち消すように、第１駆動部を用いて第１の軸を中心に制御対象物を回動させ、第４駆動部を用いて第４の軸を中心に第３筐体を回動させる際に、第３筐体の回転角のずれを打ち消すように、第２駆動部を用いて第２の軸を中心に第１筐体を回動させる制御を行うからである。

従来技術で示したように、従来の赤外線誘導装置には、集光光学系と検知器とを含む検知部を直交する２軸で回転させるジンバル機構が設けられているが、各々の軸を中心に回転させる場合に、目標とする回転角で正確にジンバルを停止させることができず、いわゆるオーバーシュートやアンダーシュートが発生し、目標とする回転角に到達するまでに時間を要するという問題があり、高速で飛翔する目標を捕捉して追尾する赤外線誘導装置にとっては重大な問題であった。

そこで、本願では、迅速且つ正確に検知部の向きを制御するために、ジンバル機構を２軸で駆動するのではなく、第１の平面（例えば赤外光の入射軸に直交する平面）内の２つの軸と、第１の平面に交差する第２の平面（例えば赤外光の入射軸を含む平面）内の２つの軸の合計４つの軸を中心に回動可能にし、対となる２つの軸の一方の軸を中心にして回動させる際に、回転角のずれを打ち消すように、他方の軸を一方の軸と反対方向に回動させる制御を行う。

これにより、オーバーシュートやアンダーシュートを抑制して、迅速且つ正確に検知部の向きを制御できるようにする。

上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係るジンバル機構及び赤外線誘導装置並びにジンバル機構の制御方法について、図１乃至図６を参照して説明する。図１は、本発明の一実施例に係る赤外線誘導装置の構成を模式的に示す図であり、図２は、ジンバル機構の構造を模式的に示す平面図である。また、図３は、ジンバル機構の構造を模式的に示す斜視図であり、（ａ）は第３筐体と第４筐体との関係、（ｂ）は第３筐体内の検知部と第１筐体と第２筐体との関係を示す図である。また、図４及び図５は、ジンバル機構の動作を説明するための図であり、図６は、本実施例の赤外線誘導装置を用いた目標物の追尾手順を示すフローチャート図である。

図１に示すように、本実施例の赤外線誘導装置１は、入射赤外光を検知器４に集光する集光光学系３と、入射光を電気信号に変換する赤外線検出素子がアレイ状に配列された検知器４と、集光光学系３及び検知器４を含む検知部２を回動可能に保持するジンバル５と、ジンバル５を４軸で駆動する第１〜第４駆動部６ａ〜６ｄと、各々の軸の角度を検出する第１〜第４角度検出部７ａ〜７ｄと、飛翔体の角速度（レート）を検出するレート検出部９と、検知器４からの信号を増幅しＴＶモニタなどの表示手段に適した形態の赤外線画像を生成して該赤外線画像をオートパイロット１１に送信すると共に、オートパイロット１１からの角度指令と第１〜第４角度検出部７ａ〜７ｄからの角度情報とに基づく角度制御信号と、オートパイロット１１からのレート指令とレート検出部９からのレート情報とに基づくレート制御信号とからなる制御信号を生成し、該制御信号を駆動制御部８に送信する演算処理部１０と、演算処理部１０からの制御信号に基づいて第１〜第４駆動部６ａ〜６ｄを制御する駆動制御部８と、演算処理部１０から送信された赤外線画像を解析して高温の目標物を検出し、飛翔体の進行方向を制御すると共に、赤外線画像における高温の目標物の位置情報に基づいて角度指令及びレート指令を生成して演算処理部１０に送信するオートパイロット１１と、を少なくとも備えている。

なお、ここでは演算処理部１０で、赤外線画像を生成する処理と角度制御信号を生成する処理とレート制御信号を生成する処理の全てを行う構成としているが、各々の処理を独立した手段（例えば、画像信号処理部と捜索処理部と追尾処理部など）で個別に行う構成としてもよい。

また、図２及び図３に示すように、ジンバル機構（ジンバル５を構成する筐体と駆動手段と必要に応じて角度検出手段とを含めてジンバル機構と呼ぶ。）は、集光光学系３及び検知器４を含む検知部２を、赤外光の入射軸に直交する第１の平面（ここでは図２の紙面の上下方向及び紙面の鉛直方向を含む平面）内の第１の軸（ここでは図２の紙面の上下方向の軸）を中心に回動可能に保持し、必要に応じて赤外光の入射側に開口部を設けた枠状の第１筐体５ａ、第１筐体５ａに固定され、検知部２を第１の軸を中心に回動させる第１駆動部６ａ、第１筐体５ａに対する検知部２の回転角を検出する第１角度検出部７ａと、第１筐体５ａを、第１の平面に交差（交差する角度は任意であるが、好ましくは直交）する第２の平面（ここでは図２の紙面の左右方向及び紙面の鉛直方向を含む平面）内の第２の軸（ここでは図２の紙面の左右方向の軸）を中心に回動可能に保持し、必要に応じて赤外光の入射側に開口部を設けた枠状の第２筐体５ｂ、第２筐体５ｂに固定され、第１筐体５ａを第２の軸を中心に回動させる第２駆動部６ｂ、第２筐体５ｂに対する第１筐体５ａの回転角を検出する第２角度検出部７ｂと、第２筐体５ｂを、第１の平面内の第３の軸（ここでは図２の紙面の上下方向の軸）を中心に回動可能に保持し、赤外光の入射側に窓部を設けた箱状の第３筐体５ｃ、第３筐体５ｃに固定され、第２筐体５ｂを第３の軸を中心に回動させる第３駆動部６ｃ、第３筐体５ｃに対する第２筐体５ｂの回転角を検出する第３角度検出部７ｃと、第３筐体５ｃを、第２の平面内の第４の軸（ここでは図２の紙面の左右方向の軸）を中心に回動可能に保持する第４筐体５ｄ、第４筐体５ｄに固定され、第３筐体５ｃを第４の軸を中心に回動させる第４駆動部６ｄ、第４筐体５ｄに対する第３筐体５ｃの回転角を検出する第４角度検出部７ｄと、を備えている。

なお、図２及び図３は例示であり、各々の筐体が検知部２や他の筐体に干渉せず、かつ、入射赤外光の光路を妨げない限りにおいて、検知部２や第１〜第４筐体５ａ〜５ｄの形状やサイズ、間隔などは特に限定されず、例えば、第１筐体５ａ、第２筐体５ｂをリング状としたり、赤外光の入射側を開放したコの字状とすることもできる。また、図２及び図３では、第２の軸及び第４の軸を一方のみに形成しているが、入射赤外光の光路を妨げない限りにおいて、第１筐体５ａの両側に第２の軸を設けたり、第３筐体５ｃの両側に第４の軸を設けてもよい。

また、検知器２及び第１〜第３筐体５ａ〜５ｃは１方向のみに回転する構造としてもよいし、回転方向が順次反転して往復する構造としてもよい。また、検知器２及び第１〜第３筐体５ａ〜５ｃの回転角も特に限定されないが、飛翔方向の半球を検知可能にするために、第３筐体５ｃ（又は第１筐体５ａ）の回転角は３６０°（又は±１８０°）、第２筐体５ｂ（又は検知部２）の回転角は１８０°（又は±９０°）程度することが好ましい。また、第１筐体５ａと第３筐体５ｃの一方、及び、検知部２と第２筐体５ｂの一方は、各々、他方の回転角のずれを相殺可能であればよく、回転角が小さい方がジンバル機構の構造が簡単になることから、５°程度とすることができる。

また、図２及び図３では、第１〜第４駆動部６ａ〜６ｄを簡易的に示しているが、これらは、各々、第１〜第４の軸を中心にして、検知部２、第１〜第３筐体５ａ〜５ｃを所望の回転角で駆動可能な構造であればよく、例えば、トルクモータなどを用いることができる。このトルクモータのトルクや最小回転角などは、駆動する構成部材の重量や赤外線誘導装置１に求められる回転精度などに応じて適宜設定することができる。

また、図２及び図３では、第１〜第４角度検出部７ａ〜７ｄを簡易的に示しているが、これらは、各々、検知部２、第１〜第３筐体５ａ〜５ｃの回転角を検出可能な構造であればよく、例えば、ステータとロータなどで角度を検出する構造としてもよいし、加速度センサなどで角速度を検出する構造としてもよい。

次に、ジンバル機構の具体的な動作について、図４及び図５を参照して説明する。図４は、第１の軸及び第３の軸を中心に回動させる場合を示し、図５は、第２の軸及び第４の軸を中心に回動させる場合を示している。

まず、検知部２の仰角を制御する場合は、図４（ａ）に示すように、駆動制御部８の制御信号に従って、第３筐体５ｃに固定された第３駆動部６ｃを駆動し、第３の軸を中心に第２筐体５ｂを回動させる。

その際、トルクモータなどの駆動手段は目標とする回転角で正確に停止させることは困難であり、通常は、図４（ｂ）に示すように、第２筐体５ｂの回転角は目標とする回転角（ここではθ１とする。）近傍で変動し、徐々にθ１に収束するため、検知部２を目標とする回転角に合わせ込むのに時間がかかる。そこで、本実施例では、駆動制御部８は、第３角度検出部７ｃからの角度信号に基づいて第３筐体５ｃに対する第２筐体５ｂの角度のθ１からのずれ量を演算し、図４（ｃ）に示すように、そのずれ量を打ち消すように、第１筐体５ａに固定された第１駆動部６ａを駆動し、第１の軸を中心に検知部２を回動させる。

これにより、図４（ｄ）に示すように、検知部２の仰角を迅速かつ正確にθ１に合わせ込むことができる。なお、図４（ａ）では、第１の軸と第３の軸とが一致している状態を示しており、第１筐体５ａが第２の軸を中心に回動すれば第１の軸と第３の軸とは第１の平面内でずれることになるが、その場合は、第１の軸と第３の軸とのなす角度を考慮して第１駆動部６ａを駆動すればθ１に合わせ込むことができる。

一方、検知部２の回転角を調整する場合は、図５（ａ）に示すように、駆動制御部８の制御信号に従って、第４筐体５ｃに固定された第４駆動部６ｄを駆動し、第４の軸を中心に第３筐体５ｃを回動させる。

その際、図５（ｂ）に示すように、第３筐体５ｃの回転角は目標とする回転角（ここではθ２とする。）近傍で変動し、徐々にθ２に収束するため、検知部２を目標とする回転角に合わせ込むのに時間がかかる。そこで、本実施例では、駆動制御部８は、第４角度検出部７ｄからの角度信号に基づいて第４筐体５ｃに対する第３筐体５ｃの角度のθ２からのずれ量を演算し、図５（ｃ）に示すように、そのずれ量を打ち消すように、第２筐体５ｂに固定された第２駆動部６ｂを駆動し、第２の軸を中心に第１筐体５ａを回動させる。

これにより、図５（ｄ）に示すように、検知部２の回転角を迅速かつ正確にθ２に合わせ込むことができる。なお、図５では、第２の軸と第４の軸とが一致している状態を示しており、第２筐体５ｂが第３の軸を中心に回動すれば、第２の軸と第４の軸とは第２の平面内でずれることになるが、その場合は、第２の軸と第４の軸とのなす角度を考慮して第２駆動部６ｂを駆動すればθ２に合わせ込むことができる。

また、図４及び図５では、第３駆動部６ｃの回転角のずれを第１駆動部６ａで相殺し、第４駆動部６ｄの回転角のずれを第２駆動部６ｂで相殺する構成としたが、第１駆動部６ａの回転角のずれを第３駆動部６ｃで相殺し、第２駆動部６ｂの回転角のずれを第４駆動部６ｄで相殺する構成とすることもできる。

また、ここでは、第３角度検出部７ｃ（又は第４角度検出部７ｄ）からの角度信号に基づいて第１駆動部６ａ（又は第２駆動部６ｂ）を制御する構成としたが、第３駆動部６ｃ（又は第４駆動部６ｄ）の回転角のずれの傾向（すなわち、収束パターン）は略一定であると考えられることから、予め定められたパターンに従って第１駆動部６ａ（又は第２駆動部６ｂ）を制御する構成とすることもでき、この場合は角度検出部を省略することもできる。

次に、上記構成の赤外線誘導装置１を用いて目標物を追尾する手順について、図６のフローチャート図を参照して説明する。

まず、ステップＳ１０１で、ミサイルなどの飛翔体を目標物があると思われる方向に向けて発射する。

次に、ステップＳ１０２で、第１〜第４駆動部６ａ〜６ｄを用いて検知部２の向きを制御する。その際、第３駆動部６ｃを用いて第２筐体５ｂを第３の軸を中心に回動させる際に、目標とする回転角からのずれ量を相殺するように、第１駆動部６ａを用いて検知部２を第１の軸を中心に回動させる。また、第４駆動部６ｄを用いて第３筐体５ｃを第４の軸を中心に回動させる際に、目標とする回転角からのずれ量を相殺するように、第２駆動部６ｂを用いて第１筐体５ａを第２の軸を中心に回動させる。

なお、第３駆動部６ｃ及び第１駆動部６ａを用いた制御と、第４駆動部６ｄ及び第２駆動部６ｂを用いた制御とは、別々に行ってもよいし、同時に行ってもよいし、一方のみを行ってもよい。また、前述したように、第１筐体５ａが回動すれば第１の軸と第３の軸とは第１の平面内でずれ、第２筐体５ｂが回動すれば、第２の軸と第４の軸とは第２の平面内でずれるため、第１の軸と第３の軸とのなす角や第２の軸と第４の軸とのなす角を考慮して第１駆動部６ａ及び第２駆動部６ｂを制御することが好ましい。

次に、ステップＳ１０３で、入射した赤外線は集光光学系３で集光されて検知器４に入射し、検知器４では集光された赤外線を電気信号に変換して演算処理部１０に送信する。そして、演算処理部１０では検知器４から送信された電気信号を増幅して所定の角度における視野の赤外線画像を生成してオートパイロット１１に送信する。一方、第１〜第４角度検出部７ａ〜７ｄはその時の検知部２、第１〜第３筐体の角度を検出して角度情報を演算処理部１０に送信し、レート検出部９は飛翔体の角速度を検出してレート情報を演算処理部１０に送信する。

次に、ステップＳ１０４で、オートパイロット１１では受信した赤外線画像を解析して、その視野の中から所定の目標物を探索する。具体的には、赤外線画像の場合は目標物の温度が高くなるほど信号の強度が大きくなることから、しきい値以上の信号強度を有する領域を特定することによって目標物を検出することができる。

そして、ステップＳ１０５で、その視野の中に目標物がない場合はステップＳ１０３に戻って、次の角度における視野を撮像して同様の処理を繰り返す。一方、ステップＳ１０５で目標物を検出した場合は、ステップＳ１０６で、オートパイロット１１は赤外線画像上の目標物の位置と角度情報とに基づいて飛翔体が目標と会合するように進行方向の制御を行うと共に、演算処理部１０に角度指令とレート指令とを送信する。

次に、ステップＳ１０７で、演算処理部１０では、角度指令と第１〜第４角度検出部７ａ〜７ｄからの角度情報とに基づいて角度制御信号を生成し、レート指令とレート検出部９からのレート情報とに基づいてレート制御信号を生成し、これらの制御信号を駆動制御部８に送信する。

そして、ステップＳ１０８で、目標物が移動していないかを監視し、目標物が赤外線画像上の指定位置から外れている場合は、ステップＳ１０６に戻って、オートパイロット１１では赤外線画像上の目標物の位置と角度情報とに基づいて再度、飛翔体の進行方向を制御し、ステップＳ１０６〜Ｓ１０８の動作を繰り返すことによって目標物を追尾する。

このように、本実施例の赤外線誘導装置１によれば、第３駆動部６ｃを用いて第３の軸を中心に第２筐体５ｂを回動させる際に、第２筐体５ｂの回転角のずれを打ち消すように、第１駆動部６ａを用いて第１の軸を中心に検知部２を回動させ、第４駆動部６ｄを用いて第４の軸を中心に第３筐体５ｃを回転させる際に、第３筐体５ｃの回転角のずれを打ち消すように、第２駆動部６ｂを用いて第２の軸を中心に第１筐体５ａを回動させる制御を行うため、第３駆動部６ｃ及び第４駆動部６ｄのオーバーシュートやアンダーシュートを抑制して、迅速且つ正確に検知器２の向きを制御することができる。

なお、上記実施例では、本発明のジンバルを４軸で駆動可能な構造としたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、第１の平面内の１つの軸と第２の平面内の２つの軸の合計３軸や、第１の平面内の２つの軸と第２の平面内の１つの軸の合計３軸、第１の平面内の２つの軸と第２の平面内の２つの軸と第１の平面及び第２の平面の双方に交差する第３の平面内の軸の合計５以上の軸で駆動する構造とすることもできる。

また、上記実施例では、本発明の構造を赤外線誘導装置１に適用する場合について記載したが、気象観測や火災の監視など、特定の波長帯の赤外線を検知することが望まれる任意の赤外線撮像装置に対して同様に適用することができる。

更に、上記実施例では、本発明のジンバル機構に検知部２を載置する場合について記載したが、向きの制御が必要な任意の機器を載置するジンバル機構及び該ジンバル機構を備える機器並びに該ジンバル機構の制御方法に対して同様に適用することができる。

本発明は、制御対象物の向きを制御するジンバル機構及びそのジンバル機構を備える機器並びにジンバル機構の制御方法に利用可能である。

本発明の一実施例に係る赤外線誘導装置の構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施例に係る赤外線誘導装置のジンバル機構の構造を示す平面図である。 本発明の一実施例に係る赤外線誘導装置のジンバル機構の構造を示す斜視図であり、（ａ）は第３筐体と第４筐体との関係、（ｂ）は第３筐体内の検知部と第１筐体と第２筐体との関係を示す図である。 本発明の一実施例に係る赤外線誘導装置のジンバル機構の動作を説明するための図である。 本発明の一実施例に係る赤外線誘導装置のジンバル機構の動作を説明するための図である。 本発明の一実施例に係る赤外線誘導装置を用いた目標物の追尾方法を示すフローチャート図である。 従来の赤外線誘導装置の構成を模式的に示す図である。 従来の赤外線誘導装置のジンバル機構の構造を示す斜視図である。 従来の赤外線誘導装置におけるジンバルの角度制御特性を示す図である。

符号の説明

１ 赤外線誘導装置
２ 検知部
３ 集光光学系
４ 検知器
５ ジンバル
５ａ 第１筐体
５ｂ 第２筐体
５ｃ 第３筐体
５ｄ 第４筐体
６ａ 第１駆動部
６ｂ 第２駆動部
６ｃ 第３駆動部
６ｄ 第４駆動部
７ａ 第１角度検出部
７ｂ 第２角度検出部
７ｃ 第３角度検出部
７ｄ 第４角度検出部
８ 駆動制御部
９ レート検出部
１０ 演算処理部
１１ オートパイロット
１２ 赤外線誘導装置
１３ ジンバル
１４ａ 第１駆動部
１４ｂ 第２駆動部
１５ａ 第１角度検出部
１５ｂ 第２角度検出部
１６ 駆動制御部
１７ 演算処理部
１８ オートパイロット

Claims (14)

1. 制御対象物の向きを制御するジンバル機構であって、
   第１の平面内の２つの軸と、前記第１の平面と交差する第２の平面内の２つの軸とからなる４つの軸で回動可能に構成されることを特徴とするジンバル機構。
2. 前記第１の平面内の一方の軸と前記第２の平面内の一方の軸とが直交し、前記第２平面内の一方の軸と前記第１の平面内の他方の軸とが直交し、前記第１の平面内の他方の軸と前記第２の平面内の他方の軸とが直交することを特徴とする請求項１記載のジンバル機構。
3. 制御対象物の向きを制御するジンバル機構であって、
   前記制御対象物を第１の平面内の第１の軸を中心に回動可能に保持する第１筐体、及び、前記第１筐体に固定され、前記第１の軸を中心に前記制御対象物を回動させる第１駆動部と、
   前記第１筐体を前記第１の平面と交差する第２の平面内の第２の軸を中心に回動可能に保持する第２筐体、及び、前記第２筐体に固定され、前記第２の軸を中心に前記第１筐体を回動させる第２駆動部と、
   前記第２筐体を前記第１の平面内の第３の軸を中心に回動可能に保持する第３筐体、及び、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体を前記第３の軸を中心に回動させる第３駆動部と、
   前記第３筐体を前記第２の平面内の第４の軸を中心に回動可能に保持する第４筐体、及び、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体を前記第４の軸を中心に回動させる第４駆動部と、を少なくとも備えることを特徴とするジンバル機構。
4. 制御対象物の向きを制御するジンバル機構であって、
   前記制御対象物を第１の平面内の第１の軸を中心に回動可能に保持する第１筐体、前記第１筐体に固定され、前記第１の軸を中心に前記制御対象物を回動させる第１駆動部、及び、前記第１筐体に固定され、前記制御対象物の回転角を検出する第１角度検出部と、
   前記第１筐体を前記第１の平面と交差する第２の平面内の第２の軸を中心に回動可能に保持する第２筐体、前記第２筐体に固定され、前記第２の軸を中心に前記第１筐体を回動させる第２駆動部、及び、前記第２筐体に固定され、前記第１筐体の回転角を検出する第２角度検出部と、
   前記第２筐体を前記第１の平面内の第３の軸を中心に回動可能に保持する第３筐体、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体を前記第３の軸を中心に回動させる第３駆動部、及び、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体の回転角を検出する第３角度検出部と、
   前記第３筐体を前記第２の平面内の第４の軸を中心に回動可能に保持する第４筐体、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体を前記第４の軸を中心に回動させる第４駆動部、及び、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体の回転角を検出する第４角度検出部と、を少なくとも備えることを特徴とするジンバル機構。
5. 前記第１の軸と前記第２の軸とが直交し、前記第２の軸と前記第３の軸とが直交し、前記第３の軸と前記第４の軸とが直交することを特徴とする請求項３又は４に記載のジンバル機構。
6. 全ての軸が略一点で交差することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載のジンバル機構。
7. 入射赤外線を集光する集光光学系と集光された前記赤外線を電気信号に変換する検知器とを含む検知部と、前記検知部の向きを制御するジンバル機構と、前記ジンバル機構の動作を制御する駆動制御部と、を少なくとも備え、少なくとも前記検知部からの電気信号に基づいて生成される画像を参照して飛翔体を目標物に誘導する赤外線誘導装置において、
   前記ジンバル機構は、
   前記検知部を第１の平面内の第１の軸を中心に回動可能に保持する第１筐体、及び、前記第１筐体に固定され、前記第１の軸を中心に前記検知部を回動させる第１駆動部と、
   前記第１筐体を前記第１の平面と交差する第２の平面内の第２の軸を中心に回動可能に保持する第２筐体、及び、前記第２筐体に固定され、前記第２の軸を中心に前記第１筐体を回動させる第２駆動部と、
   前記第２筐体を前記第１の平面内の第３の軸を中心に回動可能に保持する第３筐体、及び、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体を前記第３の軸を中心に回動させる第３駆動部と、
   前記第３筐体を前記第２の平面内の第４の軸を中心に回動可能に保持する第４筐体、及び、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体を前記第４の軸を中心に回動させる第４駆動部と、を備え、
   前記駆動制御部は、前記第３駆動部を用いて前記第２筐体を回動させる際に、前記第３筐体に対する前記第２筐体の目標とする回転角からのずれを打ち消すように、前記第１駆動部を用いて前記検知部を回動させ、前記第４駆動部を用いて前記第３筐体を回動させる際に、前記第４筐体に対する前記第３筐体の目標とする回転角からのずれを打ち消すように、前記第２駆動部を用いて前記第１筐体を回動させる制御を行うことを特徴とする赤外線誘導装置。
8. 入射赤外線を集光する集光光学系と集光された前記赤外線を電気信号に変換する検知器とを含む検知部と、前記検知部の向きを制御するジンバル機構と、前記ジンバル機構の動作を制御する駆動制御部と、を少なくとも備え、少なくとも前記検知部からの電気信号に基づいて生成される画像を参照して飛翔体を目標物に誘導する赤外線誘導装置において、
   前記ジンバル機構は、
   前記検知部を第１の平面内の第１の軸を中心に回動可能に保持する第１筐体、前記第１筐体に固定され、前記第１の軸を中心に前記検知部を回動させる第１駆動部、及び、前記第１筐体に固定され、前記検知部の回転角を検出する第１角度検出部と、
   前記第１筐体を前記第１の平面と交差する第２の平面内の第２の軸を中心に回動可能に保持する第２筐体、前記第２筐体に固定され、前記第２の軸を中心に前記第１筐体を回動させる第２駆動部、及び、前記第２筐体に固定され、前記第１筐体の回転角を検出する第２角度検出部と、
   前記第２筐体を前記第１の平面内の第３の軸を中心に回動可能に保持する第３筐体、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体を前記第３の軸を中心に回動させる第３駆動部、及び、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体の回転角を検出する第３角度検出部と、
   前記第３筐体を前記第２の平面内の第４の軸を中心に回動可能に保持する第４筐体、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体を前記第４の軸を中心に回動させる第４駆動部、及び、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体の回転角を検出する第４角度検出部と、を備え、
   前記駆動制御部は、前記第３駆動部を用いて前記第２筐体を回動させる際に、前記第３角度検出部で検出した前記第３筐体に対する前記第２筐体の回転角と目標とする回転角とのずれを打ち消すように、前記第１駆動部を用いて前記検知部を回動させ、前記第４駆動部を用いて前記第３筐体を回動させる際に、前記第４角度検出部で検出した前記第４筐体に対する前記第３筐体の回転角と目標とする回転角とのずれを打ち消すように、前記第２駆動部を用いて前記第１筐体を回動させる制御を行うことを特徴とする赤外線誘導装置。
9. 前記第１筐体、前記第２筐体及び前記第３筐体の赤外線の入射光路上に、赤外線を透過させる窓部又は開口部を備えることを特徴とする請求項７又は８に記載の赤外線誘導装置。
10. 前記第１の軸と前記第２の軸とが直交し、前記第２の軸と前記第３の軸とが直交し、前記第３の軸と前記第４の軸とが直交することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一に記載の赤外線誘導装置。
11. 全ての軸が略一点で交差することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか一に記載の赤外線誘導装置。
12. 制御対象物の向きを制御するジンバル機構の制御方法であって、
    前記ジンバル機構を、
    前記制御対象物を第１の平面内の第１の軸を中心に回動可能に保持する第１筐体、及び、前記第１筐体に固定され、前記第１の軸を中心に前記制御対象物を回動させる第１駆動部と、
    前記第１筐体を前記第１の平面と交差する第２の平面内の第２の軸を中心に回動可能に保持する第２筐体、及び、前記第２筐体に固定され、前記第２の軸を中心に前記第１筐体を回動させる第２駆動部と、
    前記第２筐体を前記第１の平面内の第３の軸を中心に回動可能に保持する第３筐体、及び、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体を前記第３の軸を中心に回動させる第３駆動部と、
    前記第３筐体を前記第２の平面内の第４の軸を中心に回動可能に保持する第４筐体、及び、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体を前記第４の軸を中心に回動させる第４駆動部と、で構成し、
    前記第３駆動部を用いて前記第２筐体を回動させる場合は、前記第３筐体に対する前記第２筐体の目標とする回転角からのずれを打ち消すように、前記第１駆動部を用いて前記制御対象物を回動させる第１の制御を行い、
    前記第４駆動部を用いて前記第３筐体を回動させる場合は、前記第４筐体に対する前記第３筐体の目標とする回転角からのずれを打ち消すように、前記第２駆動部を用いて前記第１筐体を回動させる第２の制御を行うことを特徴とするジンバル機構の制御方法。
13. 制御対象物の向きを制御するジンバル機構の制御方法であって、
    前記ジンバル機構を、
    前記制御対象物を第１の平面内の第１の軸を中心に回動可能に保持する第１筐体、前記第１筐体に固定され、前記第１の軸を中心に前記制御対象物を回動させる第１駆動部、及び、前記第１筐体に固定され、前記制御対象物の回転角を検出する第１角度検出部と、
    前記第１筐体を前記第１の平面と交差する第２の平面内の第２の軸を中心に回動可能に保持する第２筐体、前記第２筐体に固定され、前記第２の軸を中心に前記第１筐体を回動させる第２駆動部、及び、前記第２筐体に固定され、前記第１筐体の回転角を検出する第２角度検出部と、
    前記第２筐体を前記第１の平面内の第３の軸を中心に回動可能に保持する第３筐体、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体を前記第３の軸を中心に回動させる第３駆動部、及び、前記第３筐体に固定され、前記第２筐体の回転角を検出する第３角度検出部と、
    前記第３筐体を前記第２の平面内の第４の軸を中心に回動可能に保持する第４筐体、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体を前記第４の軸を中心に回動させる第４駆動部、及び、前記第４筐体に固定され、前記第３筐体の回転角を検出する第４角度検出部と、で構成し、
    前記第３駆動部を用いて前記第２筐体を回動させる場合は、前記第３角度検出部で検出した前記第３筐体に対する前記第２筐体の回転角と目標とする回転角とのずれを打ち消すように、前記第１駆動部を用いて前記制御対象物を回動させる第１の制御を行い、
    前記第４駆動部を用いて前記第３筐体を回動させる場合は、前記第４角度検出部で検出した前記第４筐体に対する前記第３筐体の回転角と目標とする回転角とのずれを打ち消すように、前記第２駆動部を用いて前記第１筐体を回動させる第２の制御を行うことを特徴とするジンバル機構の制御方法。
14. 前記第１の制御では、前記第１筐体に対する前記制御対象物の回動範囲を、前記第３筐体に対する前記第２筐体の回動範囲よりも小さくし、
    前記第２の制御では、前記第２筐体に対する前記第１筐体の回動範囲を、前記第４筐体に対する前記第３筐体の回動範囲よりも小さくすることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のジンバル機構の制御方法。

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