JP2020048098A

JP2020048098A - 無指向性アンテナを駆動するための有限角ジンバルの制御方法

Info

Publication number: JP2020048098A
Application number: JP2018175750A
Authority: JP
Inventors: 秀樹市瀬; Hideki Ichinose
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2020-03-26

Abstract

【課題】本発明は、操作許容範囲外のジンバルの動作を円滑化することにより、イナーシャの影響を受けないジンバルを得ることである。【解決手段】本発明による無指向性アンテナを駆動する有限角ジンバルの制御方法は、無指向性アンテナを駆動するためのジンバルの角度及び角速度を検出するためのセンサと、前記ジンバルを回転駆動するための有限角アクチュエータと、前記センサ及び有限角アクチュエータに接続され、前記センサの出力に基づいて前記アクチュエータによる前記ジンバルの回転駆動を制御する制御手段と、を用い、前記ジンバルには、操作許容範囲が予め設定されており、前記制御手段は、前記センサの出力に基づいて検出される前記ジンバルの検出角が操作許容範囲を超えた場合に、前記ジンバルの速度の反発区間に適用するｓｉｎカーブに対して、反発速度調整定数εを０≦ε≦１の範囲で少なくとも三段階設定して速度制御する方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、有限角ジンバルの制御方法に関し、特に、必要とする回転範囲外の処理を円滑に行うための新規な改良に関する。

従来、用いられていたこの種の有限角（例えば、±６０°の回転）ジンバルの制御方法としては、例えば、特許文献１に開示された方法を、図２から図４に示すことができる。
図２は、従来例によるジンバル制御システム１の構成を示すブロック図である。図２において、ジンバル制御システム１は、ジンバル２の動作を制御するためのものである。周知のように、ジンバル２には、例えばカメラ等のペイロードが搭載される。ジンバル制御システム１には、センサ１０、アクチュエータ１１及び制御手段１２が含まれている。

センサ１０は、例えばエンコーダやレゾルバ等によって構成されるものであり、ジンバル２の角度及び角速度を検出するための信号を出力する。アクチュエータ１１は、例えばトルカ等によって構成されるものであり、ジンバル２を回転駆動するためのものである。

制御手段１２は、例えばマイクロプロセッサ等の演算装置によって構成されるものであり、センサ１０及びアクチュエータ１１に接続されている。制御手段１２は、センサ１０の出力に基づいてアクチュエータ１１によるジンバル２の回転駆動を制御する。

次に、図３は、図１の制御手段１２の構成を示すブロック図である。図３に示すように、制御手段１２には、角速度指令生成部１２０、角速度指令処理部１２１、電流指令生成部１２２及びＤ／Ａコンバータ１２３が含まれている。

角速度指令生成部１２０は、センサ１０の出力に基づいて検出されるジンバル２の検出角と外部からの位置指令とに基づいて角速度指令を生成する。具体的には、角速度指令生成部１２０は、ジンバル２の検出角と外部からの位置指令との偏差を０にするための角速度指令を生成する。

角速度指令処理部１２１は、ジンバル２の検出角が後述の操作許容範囲を超えていないか否かを判定する。後に詳しく説明するように、ジンバル２の検出角が操作許容範囲を超えている場合、角速度指令処理部１２１は、角速度指令に処理を加えて、その処理を加えた角速度指令を電流指令生成部１２２に入力する。ジンバル２の検出角が操作許容範囲を超えていない場合、角速度指令処理部１２１は、角速度指令生成部１２０からの角速度指令をそのまま電流指令生成部１２２に入力する。

電流指令生成部１２２は、角速度指令処理部１２１を介して入力された角速度指令に基づいて電流指令を生成する。電流指令は、角速度指令処理部１２１を介して入力された角速度指令と、ジンバル２の出力に基づいて検出される検出角速度との偏差を０にしようとするものである。Ｄ／Ａコンバータ１２３は、電流指令生成部１２２によって生成された電流指令に基づいてアクチュエータ１１に電流を供給する。Ｄ／Ａコンバータ１２３からアクチュエータ１１に供給される電流は、アクチュエータ１１を駆動する駆動信号である。

次に、図４は、図２のジンバル２の角度位置を概略的に示す説明図である。図４に示すように、ジンバル２には、利用者によるジンバル２の角度位置の指定が許容される操作許容範囲が設けられている。本実施の形態では、操作許容範囲は、限界角±Ａ°によって画定されるものとする。

操作許容範囲の外側には、制限角及び停止角が設定されている。本実施の形態では、制限角を±Ｃ°とし、停止角を±Ｂ°とする。

制限角（±Ｃ°）とは、ジンバル２の移動が制限されるべき角度であり、ジンバル２が他の部材と衝突するおそれがある機械的限界角とされることができる。操作許容範囲の限界角と制限角との間（Ａ°〜Ｃ°及び−Ａ°〜−Ｃ°）には、所定の角度範囲が設けられる。

停止角（±Ｂ°）は、ジンバル２の検出角が操作許容範囲を超えた場合に、ジンバル２を停止させようとする角度である。停止角（±Ｂ°）は、操作許容範囲の限界角と制限角との間（Ａ°〜Ｃ°及び−Ａ°〜−Ｃ°）の任意の角度とすることができるが、操作許容範囲の限界角と制限角とから均等に離れた中間角（Ｂ°＝（Ｃ°−Ａ°）／２、−Ｂ°＝（−Ｃ＋Ａ）／２）とすることが好ましい。

図３の制御手段１２は、ジンバル２の検出角が操作許容範囲（−Ａ°〜Ａ°）を超えた場合に、検出角が停止角（±Ｂ°）に近づくにつれてジンバル２の角速度を小さくする駆動信号をアクチュエータ１１に入力する。本実施の形態では、図２の角速度指令処理部１２１が角速度指令に処理を加えることで、このような駆動信号が実現される。

また、図５で示される他の従来構成においては、前述の図２及び図３の制御システム１及び制御手段１２は流用するものとする。すなわち、ジンバルの速度指令２００に対して初期のｓｉｎカーブ２０１ａに対して、反発速度調整定数ε（０≦ε≦１）は「１」のまま、ｃｏｓカーブ２０２の領域に入り、負の領域でも閾値を変化させて正の領域と同等の処理を行っている。

また、ジンバル２の操作限界角が、−Ａ°から＋Ａ°、すなわち、−側から＋側に達した時、Ａ〜Ｂ°区間はｃｏｓ波形で速度を減衰させる。
また、ジンバル２の操作限界角の範囲外に入った時の角速度（レゾルバ微分を用い、Ａ−Ｂ°区間はｃｏｓ波形で速度を減衰させる。
すなわち、

となるように前記制御手段２で制御し、ジンバル角度を制御していた。

特開２０１６−２２４５３０号公報

従来の有限角ジンバルの制御方法は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、前述の特許文献１の場合には、ジンバルにおけるイナーシャ質量が小さい場合、反発力が強すぎて、有限角モータにチャタリングが発生し、例えば、三軸空間安定装置における何れかの軸の動作が不安定となることもある。
また、図５で示される従来方法においては、＋６０°／ｓ及び−６０°／ｓの範囲外のジンバルの制御は、速度の反発区間には、ｓｉｎカーブ対してε＝１（ε：反発速度調整定数）を固定した値としているため、イナーシャ質量を交換したような場合に、前述と同様のチャタリング等の不測の現象が発生することになっていた。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、必要とする回転範囲外の処理を円滑に行うようにする有限角ジンバルの制御方向を提供することを目的とする。

本発明による有限角ジンバルの制御方法は、無指向性アンテナを駆動するためのジンバルの角度及び角速度を検出するためのセンサと、前記ジンバルを回転駆動するための有限角アクチュエータと、前記センサ及び有限角アクチュエータに接続され、前記センサの出力に基づいて前記アクチュエータによる前記ジンバルの回転駆動を制御する制御手段と、を用い、前記ジンバルには、操作許容範囲が予め設定されており、前記制御手段は、前記センサの出力に基づいて検出される前記ジンバルの検出角が操作許容範囲を超えた場合に、前記ジンバルの速度の反発区間に適用するｓｉｎカーブに対して、反発速度調整定数εを０≦ε≦１の範囲で少なくとも三段階設定して速度制御する方法である。

本発明による無指向性アンテナを駆動する有限角ジンバルの制御方法は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、無指向性アンテナを駆動するためのジンバルの角度及び角速度を検出するためのセンサと、前記ジンバルを回転駆動するための有限角アクチュエータと、前記センサ及び有限角アクチュエータに接続され、前記センサの出力に基づいて前記アクチュエータによる前記ジンバルの回転駆動を制御する制御手段と、を用い、前記ジンバルには、操作許容範囲が予め設定されており、前記制御手段は、前記センサの出力に基づいて検出される前記ジンバルの検出角が操作許容範囲を超えた場合に、前記ジンバルの速度の反発区間に適用するｓｉｎカーブに対して、反発速度調整定数εを０≦ε≦１の範囲で少なくとも三段階設定して速度制御することにより、ジンバルのイナーシャとして、無指向性アンテナを搭載したジンバルにおいて、ジンバルが停止するための停止点周辺でも、従来のようなチャタリングを発生することなく、滑らかに停止することができる。

本発明による無指向性アンテナを駆動する有限角ジンバルの制御方法を示す説明図である。従来及び本発明の制御構成を示すブロック図である。図２の要部を示す具体的ブロック図である。従来のジンバルの角速度指令を示す説明図である。従来の他の制御方向を示す説明図である。

本発明は、必要とする回転範囲外の処理を円滑に行うための無指向性アンテナを駆動するための有限角ジンバルの制御方法を提供することを目的とする。

以下、図面と共に本発明による無指向性アンテナを駆動するための有限角ジンバルの制御方法の好適な実施の形態について説明する。
尚、前述の従来例で説明した図２及び図３の制御ブロック構成は、本発明にもそのまま適用し、その説明は省略する。
図１はジンバル２に対して速度指令２００を入力することにより、何ら異常が発生することなく前記ジンバル２を正常回動させる範囲は、操作許容範囲２０１である。

前記操作許容範囲２０１外におけるジンバル２の駆動が残っている場合の、速度の反発区間２０３に適用するｓｉｎカーブに、０〜１（０≦ε≦１）、すなわち、少なくとも０．０５、１のε：反発速度調整定数を設定し、

となるように前記制御手段によって制御を行っている。
前記反発速度調整定数εを自動制御することによって、イナーシャとして、無指向性アンテナを搭載したジンバルにおいて、ジンバル２の停止点周辺でチャタリングを起すことなく、滑らかにジンバル２が停止することができた。

尚、当然のことながら、イナーシャ質量、すなわち、ジンバル２に設けた無指向性アンテナ等の重量に合わせて、前記反発速度調整定数εを前述の値に限らず、０≦εを≦１の範囲内で他の任意の数値に変えることができる。
また、イナーシャとしては、無指向性アンテナを対象として述べたが、それ以外の同等重量物にも適用可である。

本発明による無指向性アンテナを駆動する有限角ジンバルは、ジンバルの操作許容範囲外の速度反発区間２０３の反発区間２０３におけるｓｉｎカーブの反発速度調整定数εを０≦ε≦１とすることにより、円滑なジンバルの動作を得ることができる。

１ジンバル制御システム
２ジンバル
１０センサ
１１アクチュエータ（有限角モータ）
１２制御手段
１２０角速度指令生成部
１２１角速度指令処理部
１２２電流指令生成部
１２３Ｄ／Ａコンバータ
２００速度指令
２０１操作許容範囲
２０３速度の反発区間

Claims

無指向性アンテナを駆動するためのジンバルの角度及び角速度を検出するためのセンサと、前記ジンバルを回転駆動するための有限角アクチュエータと、前記センサ及び有限角アクチュエータに接続され、前記センサの出力に基づいて前記アクチュエータによる前記ジンバルの回転駆動を制御する制御手段と、を備え、
前記ジンバルには、操作許容範囲が予め設定されており、前記制御手段は、前記センサの出力に基づいて検出される前記ジンバルの検出角が操作許容範囲を超えた場合に、前記ジンバルの速度の反発区間に適用するｓｉｎカーブに対して、反発速度調整定数εを０≦ε≦１の範囲で少なくとも三段階設定して速度制御することを特徴とする無指向性アンテナを駆動する有限角ジンバルの制御方法。