JP2010261798A - 姿勢検出装置、姿勢制御装置及び姿勢制御装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】物体の水平度を検出するときに、光センサーを利用して姿勢を検出する方法では、夜間や水中のような暗い空間では十分な光を光センサーで受光できないため、姿勢を制御できないという問題があった。
【解決手段】対象物に、圧力値を検出する圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅを配設する。そして、検出した各配設位置における圧力値に基づいて対象物の姿勢の水平度を検出する水平度検出部１１と、検出した各配設位置における圧力値に基づいて各配設位置間の高度差を算出する高度差算出部１２と、算出した高度差に基づいて各配設位置における高度を変更して、対象物の姿勢の水平度を調整する水平度調整部１３とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、姿勢検出装置、姿勢制御装置及び姿勢制御装置の制御方法に関する。

従来、物体の水平度を検出する様々な装置が提供されている。例えば、下記の特許文献１では、機体に設置された図８に示す光センサー式姿勢検出装置Ｐ１において、略円盤形の筐体Ｐ３の中心からの放射方向に沿って、周方向に９０°間隔で４つの採光窓Ｐ４が形成されている。そして、採光窓Ｐ４を介して光センサーＰ７に入射した光の明るさの違いから水平度を検出し、水平になるまで機体の姿勢を制御することが提案されている。また、特許文献２では、図９に示すように、ラジコン飛行機の胴体の外周部に光センサー１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂを配置し、各センサーで受光した明るさの差異から姿勢状態を検出することが開示されている。

特許第２８２２９８１号公報 特開２００１−１９０８６１号公報

しかしながら、上記の特許文献１及び特許文献２に開示されたような光センサーを利用して姿勢を検出する方法の場合、夜間や水中のような暗い空間では水平度を検出するに十分な光を光センサーで受光できないため、姿勢を制御できないという問題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］対象物の少なくとも３箇所に配設されて、各配設位置における圧力値を検出する圧力センサーと、前記検出した各配設位置における圧力値に基づいて、前記対象物の姿勢の水平度を検出する水平度検出部と、を有することを特徴とする姿勢検出装置。

上記した姿勢検出装置によれば、対象物の少なくとも３箇所に配設された圧力センサーによって検出した圧力値に基づいて、対象物の３次元方向の傾きを検出することができる。このとき、光センサーではなく圧力センサーを用いていることから、例えば夜間や水中のような暗い空間においても、対象物の水平度を検出することができる。

［適用例２］対象物の少なくとも３箇所に配設されて、各配設位置における圧力値を検出する圧力センサーと、前記検出した各配設位置における圧力値に基づいて、前記対象物の姿勢の水平度を検出する水平度検出部と、前記検出した各配設位置における圧力値に基づいて、前記各配設位置間の高度差を算出する高度差算出部と、前記算出した高度差に基づいて前記各配設位置における高度を変更して、前記対象物の姿勢の水平度を調整する水平度調整部と、を有することを特徴とする姿勢制御装置。

上記した姿勢制御装置によれば、対象物の少なくとも３箇所に配設された圧力センサーによって検出した圧力値に基づいて、対象物の３次元方向の傾きを検出することができる。また、検出した圧力値から算出した各圧力センサーの配設位置間の高度差に基づいて、対象物の姿勢の水平度を調整することができる。このとき、光センサーではなく圧力センサーを用いていることから、例えば夜間や水中のような暗い空間においても、対象物の水平度を検出して水平度を調整することができる。

［適用例３］前記圧力センサーの一つは、前記対象物の重心位置に配設され、前記水平度調整部は、前記重心位置における高度を基準に、前記重心位置以外の前記各配設位置における高度を変更する上記姿勢制御装置。

上記した姿勢制御装置によれば、対象物の重心位置における高度を基準に、重心位置以外の各圧力センサーの配設位置における各高度を変更することから、各配設位置における高度を容易に変更することができ、対象物の水平度の調整を効率的に行うことができる。

［適用例４］前記対象物は、ジャッキ機構を備えた荷台、クレーン用の吊具、航空機又は潜水艇である上記姿勢制御装置。

上記した姿勢制御装置によれば、ジャッキ機構を備えた荷台、クレーン用の吊具、航空機又は潜水艇について、水平度を検出して水平度を調整することができる。

［適用例５］対象物の少なくとも３箇所に配設されて、各配設位置における圧力値を検出する圧力センサーを有する姿勢制御装置の制御方法であって、前記検出した各配設位置における圧力値に基づいて、前記対象物の姿勢の水平度を検出する水平度検出工程と、前記検出した各配設位置における圧力値に基づいて、前記各配設位置間における高度差を算出する高度差算出工程と、前記算出した高度差に基づいて前記各配設位置における高度を変更して、前記対象物の姿勢の水平度を調整する水平度調整工程と、を有することを特徴とする姿勢制御装置の制御方法。

上記した姿勢制御装置の制御方法によれば、対象物の少なくとも３箇所に配設された圧力センサーによって検出した圧力値に基づいて、対象物の３次元方向の傾きを検出することができる。また、検出した圧力値から算出した各圧力センサーの配設位置間の高度差に基づいて、対象物の姿勢の水平度を調整することができる。このとき、光センサーではなく圧力センサーを用いていることから、例えば夜間や水中のような暗い空間においても、対象物の水平度を検出して水平度を調整することができる。

第１実施形態に係る姿勢制御装置の適用例を示す概略構成図。 姿勢制御装置の機能構成を示すブロック図。 各圧力センサーの構成を示す図であり、（ａ）は圧力センサーの断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す図。 姿勢制御装置の動作を示すフローチャート。 第２実施形態に係る姿勢制御装置の概略構成図。 第３実施形態に係る姿勢制御装置の概略構成図。 第４実施形態に係る姿勢制御装置の概略構成図。 従来の光センサー式姿勢検出装置の例を示す図。 従来の光センサー式姿勢検出装置の例を示す図。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係る姿勢制御装置について、図面を参照して説明する。

最初に、第１実施形態に係る姿勢制御装置の概略構成について説明する。
図１は、第１実施形態に係る姿勢制御装置１の適用例を示す概略構成図であり、（ａ）は、当該姿勢制御装置１を、ジャッキ機構を備えた荷台５に適用した例を示している。同図に示すように、姿勢を制御する対象物としての荷台５の上面には、四隅部に圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄが配設され、荷台５の重心位置となる中央部に圧力センサー１Ｅが配設されている。また、荷台５の下面の四隅部には、４本のジャッキ機構２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄが取り付けられている。なお、図１（ａ）では油圧式のジャッキ機構の例を示しているが、他の方式のジャッキ機構であっても良い。

姿勢制御装置１は、圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅを有しており、各圧力センサーによって検出した圧力値に基づいて、ジャッキ機構２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの伸縮動作を制御することにより、荷台５を水平状態に保つようにしている。

次に、姿勢制御装置１の機能構成について説明する。
図２は、姿勢制御装置１の機能構成を示すブロック図である。同図に示すように、姿勢制御装置１は、圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ、水平度検出部１１、高度差算出部１２、水平度調整部１３、制御部１４等により構成されている。

各圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅは、それぞれの現在位置における大気圧を示す圧力値を検出する。図１（ａ）の例では、各圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄが荷台５の上面の四隅部における圧力値を検出し、圧力センサー１Ｅが荷台５の上面の中央部における圧力値を検出する。

図３は、各圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅの構成を示す図であり、（ａ）は圧力センサーの断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す図である。圧力センサーは、ダイアフラム１２０と、このダイアフラム１２０と対向して設けられる容器１４０、及び感圧素子としての圧電振動片１３０とを基本構成とする絶対圧センサーである。

上記のような基本構成を有する圧力センサーのうち、ダイアフラム１２０は、外部（図３（ａ）では矢印Ｆの方向）からの圧力を受圧すると、受圧した圧力によって撓み変形する薄肉部１２２と、この薄肉部１２２の周囲に形成される枠部１２８とを基本構成とする。そして、本実施形態のダイアフラム１２０は薄肉部１２２の一方の面に、詳細を後述する圧電振動片１３０を載置、固定するための支持部１２４を有する。支持部１２４は圧電振動片１３０を２点で支持するために設けられるものであり、圧電振動片１３０の両端部を固定するために、対を成すように形成されている。また、薄肉部１２２の他方の面には、圧電振動片１３０を支持部１２４に載置した際に、圧電振動片１３０の振動部１３４が位置することとなる部位に対応させて、厚肉化するための突出部１２６を設けても良い。

本実施形態で採用する圧電振動片１３０は、いわゆる双音叉振動子である。双音叉型の振動子は、振動部の両端部に基部１３２を有し、この２つの基部１３２の間に双音叉形状を成す振動部１３４を有する。このような構成の双音叉型の振動子は、双音叉形状を成す振動部１３４に内部応力を生じさせると、共振周波数が変化するという特性を持っている。具体的には、振動部１３４に引張応力が生じると共振周波数が高くなり、圧縮応力が生じると共振周波数は低くなる。従って、圧力センサーにおいて、ダイアフラム１２０が圧力を受圧すると、受圧した圧力によってダイアフラム１２０は撓み変形し、支持部１２４を介して双音叉振動子に引張力が作用するので、双音叉振動子に引張応力が生じ共振周波数が変化することとなる。この共振周波数の変化から圧力変化を検出する。

図２に戻って、水平度検出部１１は、各圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄによって検出した荷台５の四隅部における圧力値に基づいて、荷台５の水平度を検出する。ここで、荷台５の水平度は、荷台５の四隅部における圧力値が全て等しい場合、即ち荷台５の四隅部の高度が全て等しい場合に水平状態であると判断される。

高度差算出部１２は、各圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅによって検出した各圧力値に基づいて、荷台５の四隅部及び中央部のそれぞれの高度を算出して、四隅部及び中央部間の高度差を算出する。ここでは、荷台５の中央部の高度に対する各四隅部の高度差を算出する。

水平度調整部１３は、高度差算出部１２によって算出した高度差に基づいて、荷台５に取り付けられた各ジャッキ機構２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの伸縮動作を制御して、荷台５を水平状態に保つようにする。つまり、水平度調整部１３は、各ジャッキ機構２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄを伸縮させることにより、中央部の高度を基準として、荷台５の四隅部の全ての高度が中央部の高度と等しくなるように制御する。これにより、荷台５は、水平状態に保たれることになる。

次に、姿勢制御装置１の動作について説明する。
図４は、姿勢制御装置１の動作を示すフローチャートである。同図に示す姿勢制御装置１の動作は、図示しない開始スイッチがオンされた場合に開始されて、オフされた場合に終了する。

姿勢制御装置１は、各圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅにより、荷台５の上面の四隅部及び中央部における圧力値を検出する（ステップＳ１１）。

次に、姿勢制御装置１は、水平度検出部１１により、ステップＳ１１において検出した荷台５の四隅部の各圧力値が全て等しいか否か、即ち荷台５が水平状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１２）。
各圧力値が全て等しい場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）は、荷台５が水平状態にあることから、ステップＳ１１に戻り、圧力値の検出動作を繰り返す。
他方、各圧力値がいずれかでも等しくない場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）は、荷台５が水平状態にないことから、次のステップＳ１３へ進む。

ステップＳ１３では、姿勢制御装置１は、高度差算出部１２により、ステップＳ１１において検出した各圧力値に基づいて、荷台５の中央部の高度に対する四隅部のそれぞれの高度差を算出する。

次に、姿勢制御装置１は、水平度調整部１３により、ステップＳ１３において算出した高度差に基づいて、各ジャッキ機構２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの伸縮動作を制御することにより、荷台５の四隅部の各高度を中央部の高度に一致させるように調整して、荷台５を水平状態に保つようにする（ステップＳ１４）。
そして、姿勢制御装置１は、ステップＳ１１に戻り、圧力値の検出以降の動作を繰り返す。これにより、荷台５は、常時水平状態に保たれるようになる。

なお、上記では、荷台５の四隅部に４個の圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを配設して、荷台５の水平度を検出したが、圧力センサーの配設位置及び個数は、これに限られない。例えば、荷台５の上面又は下面に、配設箇所を互いに線で結んだときに面を構成するように３個又は４個以上の圧力センサーを同一線上でない位置に配設することで、荷台５の水平度を検出するようにしても良い。
また、上記では、荷台５の重心位置となる中央部に圧力センサー１Ｅを配設して、荷台５の中央部の高度に対する四隅部のそれぞれの高度差を算出し、四隅部の各高度を中央部の高度に一致させるように調整したが、これに限られない。例えば、荷台５の中央部に圧力センサー１Ｅを配設しないで、四隅部の互いの高度差に基づいて、四隅部の各高度を一致させるように調整しても良い。
また、図２に示す機能構成のブロック図から高度差算出部１２及び水平度調整部１３を除いたものを姿勢検出装置の機能構成とし、当該姿勢検出装置では、荷台５に配設された圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄによって検出した圧力値に基づいて、荷台５の水平度を検出する動作を行っても良い。

また、図１（ｂ）は、荷台５ではなくクレーン車の四隅部に圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを配置し、クレーン車の中央部に圧力センサー１Ｅを配設した例である。この場合、クレーン車に傾きが生じたら、圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの検出値に基づいて姿勢制御装置１が各ジャッキ機構２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの伸縮動作を制御、あるいはクレーンのロープＲを緩める等の制御を行うことによってクレーン車の姿勢を保つようにすることができる。本例は、危険で注意を伴う工事現場等において、重量の重い資材を取り扱う工事作業車が横転するといった事故を未然に防ぐことができるという優れた効果を奏するものである。

上記した姿勢制御装置１は、荷台５に配設された各圧力センサーによって検出した圧力値に基づいて、荷台５の水平度を検出する。そして、荷台５が水平状態でない場合は、荷台５の四隅部の各高度を中央部の高度に一致させるように調整して、荷台５が水平状態を保つようにしている。これにより、光センサーを用いて水平度を検出する従来の検出方法において課題であった例えば夜間のような暗い空間であっても、荷台５の水平度を正しく検出して荷台５が水平状態を保つようにできる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る姿勢制御装置について、図面を参照して説明する。
図５は、第２実施形態に係る姿勢制御装置２１の概略構成図であり、当該姿勢制御装置２１をクレーン２２の吊具２５に適用した例を示している。同図に示すクレーン２２は、例えば貨物を運搬するコンテナクレーンであって、対象物としての吊具２５の下面には、四隅部に圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄが配設され、吊具２５の重心位置となる中央部に圧力センサー１Ｅが配設されている。また、吊具２５は、ワイヤー機構２３を介して４本のワイヤーロープ２４によって吊り下げられている。

姿勢制御装置２１は、圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅを有しており、各圧力センサーによって検出した圧力値に基づいて、ワイヤー機構２３を介して４本のワイヤーロープ２４の各伸縮動作を制御することにより、吊具２５を水平状態に保つようにしている。

姿勢制御装置２１の機能構成は、図２に示す第１実施形態に係る姿勢制御装置１と同様な機能構成であるが、各圧力センサーでは、吊具２５の下面の四隅部と中央部における圧力値を検出する。水平度検出部１１及び高度差算出部１２では、検出したこれらの圧力値に基づいて吊具２５の水平度を検出し、水平でない場合は高度差を算出する。そして、水平度調整部１３では、各ワイヤーロープ２４を伸縮させることにより、吊具２５の四隅部の高度が中央部の高度と等しくなるように制御する。これにより、玉掛け作業時において、吊具２５上の運搬物の動揺を各圧力センサーによって検出し、検出した圧力値に基づいて吊具２５を水平状態に保って運搬物の動揺を抑えることができる。ここで、第１実施形態と同様に、例えば、吊具２５の下面の中央部に圧力センサー１Ｅを配設しないで、四隅部の互いの高度差に基づいて、四隅部の各高度を一致させるように調整しても良いし、吊具２５の下面又は上面に、配設箇所を互いに線で結んだときに面を構成するように３個又は４個以上の圧力センサーを同一線上でない位置に配設することで、吊具２５の水平度を検出するようにしても良いことは言うまでもない。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る姿勢制御装置について、図面を参照して説明する。
図６は、第３実施形態に係る姿勢制御装置３１の概略構成図であり、当該姿勢制御装置３１を航空機３２に適用した例を示している。同図に示す対象物としての航空機３２の機体には、主翼３３の両翼端部に圧力センサー１Ａ，１Ｂが配設され、水平尾翼３５の両翼端部に圧力センサー１Ｃ，１Ｄが配設されている。

姿勢制御装置３１は、圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを有しており、各圧力センサーによって検出した圧力値に基づいて、水平尾翼３５の各エレベーター３６を用いて機体の昇降方向を制御し、主翼３３の各エルロン３４を用いて機体の回転軸方向を制御することで、機体を水平状態に保つようにしている。

姿勢制御装置３１の機能構成は、図２に示す第１実施形態に係る姿勢制御装置１と同様な機能構成であり、各圧力センサーでは、主翼３３及び水平尾翼３５の両翼端部における圧力値を検出する。水平度検出部１１及び高度差算出部１２では、検出したこれらの圧力値に基づいて機体の水平度を検出し、水平でない場合は高度差を算出する。このとき、主翼３３と水平尾翼３５とでは高低差があることから、水平度検出部１１及び高度差算出部１２では、この高低差を予め考慮して検出及び算出を行う。そして、水平度調整部１３では、エルロン３４及びエレベーター３６を調整することにより、機体が水平状態になるように制御する。これにより、航空機３２の飛行中に機体の姿勢を調整して水平飛行を続けることができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態に係る姿勢制御装置について、図面を参照して説明する。
図７は、第４実施形態に係る姿勢制御装置４１の概略構成図であり、当該姿勢制御装置４１を潜水艇４２に適用した例を示している。同図に示す対象物としての潜水艇４２の船体には、進行方向前側の上部両側部には圧力センサー１Ａ，１Ｂが配設され、進行方向後側の上部両側部には圧力センサー１Ｃ，１Ｄが配設されている。

姿勢制御装置４１は、圧力センサー１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを有しており、各圧力センサーによって検出した圧力値に基づいて、図示しないトリムタンクの海水移動或いは潜舵及び縦舵を制御することにより、船体を水平状態に保つようにしている。

姿勢制御装置４１の機能構成は、図２に示す第１実施形態に係る姿勢制御装置１と同様な機能構成であり、各圧力センサーでは、船体の進行方向前後の上部両側部における圧力値を検出する。水平度検出部１１及び高度差算出部１２では、検出したこれらの圧力値に基づいて船体の水平度を検出し、水平でない場合は高度差を算出する。そして、水平度調整部１３では、トリムタンクの海水移動等を調整することにより、船体が水平状態になるように制御する。これにより、潜水艇４２の潜水中に船体の姿勢を調整して水平潜航を続けることができる。

なお、上述した実施形態では、姿勢制御装置を、ジャッキ機構を備えた荷台、クレーンの吊具、航空機及び潜水艇に適用する例について示した。しかし、これに限られず、水平度を検出して水平状態を保つように制御することが必要な他の対象物についても適用することができる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…圧力センサー、２…ジャッキ機構、５…荷台、１１…水平度検出部、１２…高度差算出部、１３…水平度調整部、１４…制御部、２１…姿勢制御装置、２２…クレーン、２３…ワイヤー機構、２４…ワイヤーロープ、２５…吊具、３１…姿勢制御装置、３２…航空機、３３…主翼、３４…エルロン、３５…水平尾翼、３６…エレベーター、４１…姿勢制御装置、４２…潜水艇。

Claims (5)

1. 対象物の少なくとも３箇所に配設されて、各配設位置における圧力値を検出する圧力センサーと、
   前記検出した各配設位置における圧力値に基づいて、前記対象物の姿勢の水平度を検出する水平度検出部と、を有することを特徴とする姿勢検出装置。
2. 対象物の少なくとも３箇所に配設されて、各配設位置における圧力値を検出する圧力センサーと、
   前記検出した各配設位置における圧力値に基づいて、前記対象物の姿勢の水平度を検出する水平度検出部と、
   前記検出した各配設位置における圧力値に基づいて、前記各配設位置間の高度差を算出する高度差算出部と、
   前記算出した高度差に基づいて前記各配設位置における高度を変更して、前記対象物の姿勢の水平度を調整する水平度調整部と、を有することを特徴とする姿勢制御装置。
3. 前記圧力センサーの一つは、前記対象物の重心位置に配設され、
   前記水平度調整部は、前記重心位置における高度を基準に、前記重心位置以外の前記各配設位置における高度を変更することを特徴とする請求項２に記載の姿勢制御装置。
4. 前記対象物は、ジャッキ機構を備えた荷台、クレーン用の吊具、航空機又は潜水艇であることを特徴とする請求項２又は３に記載の姿勢制御装置。
5. 対象物の少なくとも３箇所に配設されて、各配設位置における圧力値を検出する圧力センサーを有する姿勢制御装置の制御方法であって、
   前記検出した各配設位置における圧力値に基づいて、前記対象物の姿勢の水平度を検出する水平度検出工程と、
   前記検出した各配設位置における圧力値に基づいて、前記各配設位置間における高度差を算出する高度差算出工程と、
   前記算出した高度差に基づいて前記各配設位置における高度を変更して、前記対象物の姿勢の水平度を調整する水平度調整工程と、を有することを特徴とする姿勢制御装置の制御方法。

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