JP2017508109A - プラットフォーム安定化システム - Google Patents
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Abstract
Description
・介在型ジンバルのシステムを利用して、支持フレーム上でプラットフォームを支えるが、ジンバルがプラットフォームの運動を、3軸での限定的な回転に制約する。
・制約的なジンバルシステムを介するのではなく、そのジンバルシステムを横切るトルクを付与するように構成された、ボイスコイル・アクチュエータ群を使用する(時としてジンバルを横切り、分離器群が連続している)。
・安定化及びプラットフォームを操向するために、角度慣性センサ群を利用して、ボイスコイル・モータを駆動し、これによって負荷の目視線を制御する。
「Ka」が軸方向のばねレートであり、
「Kl」が横方向のばねレートであり、
「Kb」が曲げのばねレートであり、
「Kt」(図3aには図示せず)が捩じれのばねレートであり、
「x」が横方向の変位量であり、
「z」が作動高さ(operating height)であり、
「L」が自由長さ(図示せず、自由長さはばねの標準の仕様)であり、
「l」が長さであり、
「θ」が中心線の傾きであり、
「β」が終端の傾きである。
又、図3aの簡易数理モデル300には、下記の等式が当てはまる。
予圧Fa=Ka(L−l)
横力(Lateral)Fl=Fasinθ+Klx+Kb(θ/z)+Kb(β/z)
「KaD」がダイヤフラムの軸方向のばねレートであり、
「KlD」がダイヤフラムの横方向のばねレートであり、
「KmD」がダイヤフラムの回転方向(moment)のばねレートであり、
「KtD」がダイヤフラムの捩じれのばねレートであり、
「KaT」が捩じれ屈曲部材の軸方向のばねレートであり、
「KlT」が捩じれ屈曲部材の横方向のばねレートであり、
「KbT」が捩じれ屈曲部材の曲げのばねレートであり、
「KtT」が捩じれ屈曲部材の捩じれのばねレートであり、
「L」が捩じれ屈曲部材の長さである。
又、図3dの簡易数理モデル320では、
横方向の剛性が「2KmDL」により支配され(dominated)、
捩じり剛性が「KtT」により支配され、
軸方向の剛性Ka=1/((2/KaD)+(1/KaT))、となる。
Claims (40)
- 支持フレームの運動から負荷を分離するためのプラットフォーム安定化システムであって、
支持フレームと、
負荷を搭載するためのプラットフォームと、
各々が前記支持フレームと前記プラットフォームとの間で直接的に延びる複数の分離器と、を含み、
各分離器は、前記支持フレームに対する前記プラットフォームの直線運動を3自由度で許容し、
各分離器は、前記支持フレームに対する前記プラットフォームの回転運動を3自由度で許容し、
前記複数の分離器は、協働して、前記支持フレーム内で前記プラットフォームを直接支える分離器群を形成し、
該分離器群は、前記支持フレームから前記プラットフォームを離間させ、
前記分離器群は、前記支持フレームに対する前記プラットフォームの限定的な直線運動を、直交する3本のプラットフォーム軸に沿った3自由度で許容し、
前記分離器群は、前記支持フレームに対する前記プラットフォームの限定的な回転運動を、前記3本のプラットフォーム軸を回転軸とした3自由度で許容し、
前記分離器群は、前記支持フレームに対する前記プラットフォームの回転運動に対してよりも、前記支持フレームに対する前記プラットフォームの直線運動に対しての方が、より抵抗力があり、
前記プラットフォームは、前記分離器群によって回転に関する拘束を受けないことを特徴とするプラットフォーム安定化システム。 - 前記分離器群は、前記プラットフォーム軸に沿った前記プラットフォームの直線運動について、前記プラットフォーム軸を回転軸とした前記プラットフォームの回転運動についての非減衰固有振動数の、少なくとも2倍の非減衰固有振動数を有していることを特徴とする請求項1記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記プラットフォーム軸に沿った前記プラットフォームの直線運動についての前記非減衰固有振動数が、前記プラットフォーム軸を回転軸とした前記プラットフォームの回転運動についての前記非減衰固有振動数の、少なくとも3倍であることを特徴とする請求項2記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記プラットフォーム軸に沿った前記プラットフォームの直線運動についての前記非減衰固有振動数が、前記プラットフォーム軸を回転軸とした前記プラットフォームの回転運動についての前記非減衰固有振動数の、少なくとも5倍であることを特徴とする請求項3記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記プラットフォーム軸に沿った前記プラットフォームの直線運動についての前記非減衰固有振動数が、前記プラットフォーム軸を回転軸とした前記プラットフォームの回転運動についての前記非減衰固有振動数の、少なくとも10倍であることを特徴とする請求項3記載のプラットフォーム安定化システム。
- 各分離器は、各自がばね軸を有する少なくとも1つの圧縮ばねを含むと共に、前記分離器群を形成し、
前記圧縮ばねは、各々のばね軸が前記プラットフォーム内の共通の点から外側へ放射状に延びる態様で配置され、
前記共通の点は、前記プラットフォームの質量の中心であり、
前記圧縮ばねは、小さな横方向のばねレートが発生するように、軸方向に予圧がかけられることを特徴とする請求項1記載のプラットフォーム安定化システム。 - 前記分離器群は、仮想立方体の角に配置された8つの圧縮ばねを含み、前記共通の点が前記仮想立方体の質量中心であることを特徴とする請求項6記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記分離器群は、仮想正四面体の角に配置された4つの圧縮ばねで構成される群を少なくとも1群含み、前記共通の点が前記仮想正四面体の質量中心であることを特徴とする請求項6記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記分離器群は、仮想立方体の質量中心から、前記仮想立方体の6つの面の中心を通って外側へ放射状に延びた、6つの圧縮ばねを含むことを特徴とする請求項6記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記分離器群は、対称配置の圧縮ばね群を含むことを特徴とする請求項6記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記圧縮ばねが、機械加工された多条螺旋の圧縮ばねであることを特徴とする請求項6記載のプラットフォーム安定化システム。
- 各分離器は、屈曲ピボット部材を含むことを特徴とする請求項1記載のプラットフォーム安定化システム。
- 各屈曲ピボット部材は、直列に配置された3つの単軸式屈曲ピボットを含み、各屈曲ピボットがピボット軸を有しており、
各屈曲ピボット部材について、各屈曲ピボットの前記ピボット軸が、前記プラットフォームの質量の中心で交わり、
前記屈曲ピボット部材は、前記分離器群を形成するように、対称的に整列されて配置されることを特徴とする請求項12記載のプラットフォーム安定化システム。 - 各屈曲ピボット部材が、一体構造物であることを特徴とする請求項13記載のプラットフォーム安定化システム。
- 各分離器が、ダイヤフラム式分離器であることを特徴とする請求項1記載のプラットフォーム安定化システム。
- 各ダイヤフラム式分離器は、
前記支持フレームに搭載される第1のハウジングと、
前記プラットフォームに搭載される第2のハウジングと、
各ハウジングの内部に設けられ、互いに対向するダイヤフラム受け部と、
2つの対向するダイヤフラムと、を含み、
各ダイヤフラムは、その周縁部が一方の前記ハウジングにより支持され、該ハウジングの前記ダイヤフラム受け部を横切って延びており、これにより、各分離器について、一方の前記ダイヤフラムが前記支持フレームと連結されると共に、他方の対向するダイヤフラムが前記プラットフォームと連結され、
前記2つのダイヤフラムは、該ダイヤフラムの半径方向中心部の間で延びる捩じれ屈曲部材によって互いに連結されることを特徴とする請求項15記載のプラットフォーム安定化システム。 - 前記捩じれ屈曲部材は、軸方向に弾性を有することを特徴とする請求項16記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記捩じれ屈曲部材が、つる巻ばねであることを特徴とする請求項16記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記ダイヤフラムは、型加工された弾性構造体であることを特徴とする請求項16記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記ダイヤフラムは、ベローフラム状の金属構造体であることを特徴とする請求項16記載のプラットフォーム安定化システム。
- 各ダイヤフラム式分離器は、更に、前記捩じれ屈曲部材の横方向の移動を制限するために、該捩じれ屈曲部材に搭載されるストッパを含むことを特徴とする請求項16記載のプラットフォーム安定化システム。
- 各ダイヤフラムは、流体不浸透性を有し、
各ハウジングは、各々のダイヤフラムと協働してダンピングリザーバを形成し、
各ダンピングリザーバは、各々のシンクリザーバと流体連通状態にあり、ダンピング流体を各ダンピングリザーバから各シンクリザーバへと移すことで、各々のダイヤフラムの軸方向運動を制振することを特徴とする請求項16記載のプラットフォーム安定化システム。 - 各ハウジングは、各々のダイヤフラムと協働して収容部を形成し、
各収容部を横切って仕切部材が延びることで、各収容部を前記ダンピングリザーバと前記シンクリザーバとに分割し、
各ダンピングリザーバは、各仕切部材にある少なくとも1つの開口部を介して、各シンクリザーバと流体連通状態にあることを特徴とする請求項22記載のプラットフォーム安定化システム。 - 更に、前記支持フレームと前記プラットフォームとの間に直接作用する能動型駆動システムと、
該能動型駆動システムと接続され、センサ入力を受信して該センサ入力に応じて前記能動型駆動システムを制御する制御システムと、を含むことを特徴とする請求項1記載のプラットフォーム安定化システム。 - 前記制御システムは、前記プラットフォームの運動を安定させるように、前記センサ入力を使用して前記能動型駆動システムを制御することを特徴とする請求項24記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記制御システムは、前記プラットフォームを能動的に制振するように、前記センサ入力を使用して前記能動型駆動システムを制御することを特徴とする請求項24記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記能動型駆動システムは、少なくとも3つの磁性ボイスコイル・アクチュエータで構成される群を1群含み、
各磁性ボイスコイル・アクチュエータは、前記支持フレームに搭載される第1部材と、前記プラットフォームに搭載される第2部材とを含み、
各磁性ボイスコイル・アクチュエータは、前記支持フレームと前記プラットフォームとの間に直接作用して、第1のプラットフォーム位置決め力を、第1のモータ軸に沿って前記プラットフォームへ付与すると共に、第2のプラットフォーム位置決め力を、第2のモータ軸に沿って前記プラットフォームへ付与し、同時に、第3のモータ軸に沿った前記プラットフォームの自由な直線運動を許容すると共に、前記3本のモータ軸を回転軸とした前記プラットフォームの自由な回転を許容し、この際、前記第1のモータ軸、前記第2のモータ軸、及び、前記第3のモータ軸は、互いに直交しており、
前記磁性ボイスコイル・アクチュエータは、前記プラットフォーム軸に沿った、前記支持フレームに対する前記プラットフォームの直線運動を選択的に行わせるように、かつ、前記プラットフォーム軸を回転軸とした、前記支持フレームに対する前記プラットフォームの回転を選択的に行わせるように、前記プラットフォームに対して配置され、
前記制御システムは、管理されたモーメント及び直線力が前記プラットフォームに対して付与されるように、前記ボイスコイル・アクチュエータの通電を制御することを特徴とする請求項24記載のプラットフォーム安定化システム。 - 前記少なくとも3つの磁性ボイスコイル・アクチュエータが、仮想円の円周上に90度間隔で配置された4つの磁性ボイスコイル・アクチュエータであることを特徴とする請求項27記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記能動型駆動システムは、少なくとも6つの磁性ボイスコイル・アクチュエータで構成される群を1群含み、
各磁性ボイスコイル・アクチュエータは、前記支持フレームに搭載される第1部材と、前記プラットフォームに搭載される第2部材とを含み、
各磁性ボイスコイル・アクチュエータは、前記支持フレームと前記プラットフォームとの間に直接作用して、第1のプラットフォーム位置決め力を、第1のモータ軸に沿って前記プラットフォームへ付与し、同時に、各々の第2のモータ軸及び第3のモータ軸に沿った前記第2部材の自由な直線運動を許容すると共に、各々の前記第2のモータ軸及び前記第3のモータ軸を回転軸とした前記第2部材の自由な回転を許容し、この際、前記第1のモータ軸、前記第2のモータ軸、及び、前記第3のモータ軸は、互いに直交しており、
前記磁性ボイスコイル・アクチュエータは、前記プラットフォーム軸に沿った、前記支持フレームに対する前記プラットフォームの直線運動を選択的に行わせるように、かつ、前記プラットフォーム軸を回転軸とした、前記支持フレームに対する前記プラットフォームの回転を選択的に行わせるように、前記プラットフォームに対して配置され、
前記制御システムは、管理されたモーメント及び直線力が前記プラットフォームに対して付与されるように、前記ボイスコイル・アクチュエータの通電を制御することを特徴とする請求項24記載のプラットフォーム安定化システム。 - 更に、前記プラットフォーム軸を回転軸とした、前記支持フレームに対する前記プラットフォームの角度位置示す信号を、感知及び提供するための角度センサシステムを含み、該角度センサシステムが前記制御システムに接続されていることを特徴とする請求項24記載のプラットフォーム安定化システム。
- 更に、前記プラットフォーム軸上での前記支持フレームに対する前記プラットフォームの直線変位を示す信号を、感知及び提供するための直線変位センサシステムを含み、該直線変位センサシステムが制御システムに接続されていることを特徴とする請求項24記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記プラットフォームは、前記プラットフォーム軸を回転軸とした前記プラットフォームの角運動を示す信号を感知及び提供するための、少なくとも3つの慣性角速度センサを搭載し、該慣性角速度センサが前記制御システムに接続されていることを特徴とする請求項24記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記慣性角速度センサが、光ファイバ式ジャイロであることを特徴とする請求項32記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記プラットフォームは、前記プラットフォーム軸に沿った前記プラットフォームの直線運動を示す信号を感知及び提供するための、少なくとも3つの慣性加速度センサを搭載し、該慣性加速度センサが前記制御システムに接続されていることを特徴とする請求項24記載のプラットフォーム安定化システム。
- 更に、前記プラットフォーム軸についての前記プラットフォームの直線運動及び角運動を示す信号を、感知及び提供するための慣性計測装置を含み、該慣性計測装置が前記制御システムに接続されていることを特徴とする請求項24記載のプラットフォーム安定化システム。
- 更に、前記制御システムに接続されたGPS受信器を含み、
前記制御システムは、プラットフォームの目視線が地球表面と交差する地理的位置を算出するための、慣性航法装置に対する命令を保有していることを特徴とする請求項24記載のプラットフォーム安定化システム。 - 前記制御システムは、地理的位置を指定する前記プラットフォームの目視線が維持されるように、地理ベースの操向制御ループを閉じるための命令を保有していることを特徴とする請求項36記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記制御システムは、当該プラットフォーム安定化システムを搭載している軌道に乗って周回する航空機の回転運動によって引き起こされる、地球に対する負荷目視線の相対的な回転運動を、前記負荷の画像統合期間中に制限するように、前記プラットフォームに搭載された負荷の前記負荷目視線を、その限定された運動の範囲内で進めて固定するためのパラメータを、算出する命令を保有していることを特徴とする請求項37記載のプラットフォーム安定化システム。
- 前記支持フレームが、外部ジンバル機構に搭載されることを特徴とする請求項1記載のプラットフォーム安定化システム。
- 支持構造の運動から負荷を分離するための方法であって、
支持フレームに対するプラットフォームの限定的な直線運動を、直交する3本のプラットフォーム軸に沿った3自由度で許容すること、
前記支持フレームに対する前記プラットフォームの限定的な回転運動を、前記3本のプラットフォーム軸を回転軸とした3自由度で許容すること、
前記支持フレームに対する前記プラットフォームの回転運動に対してよりも、前記支持フレームに対する前記プラットフォームの直線運動に対して大きい抵抗力を、前記プラットフォームの回転を拘束することなく提供すること、を含むことを特徴とする方法。
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