JP3934922B2 - トラッキング装置 - Google Patents

Description

【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、６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、自動的に配置可能な外辺部のセンサ、スマート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６自由度で動くためには、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サイズ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、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６自由度で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ことができる。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Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ｏｆ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ Ｂｉｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．５５，Ｎｏ．１，ｐｐ．１９７‐２１２（１９９３）に公表された“Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｂｙ Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｏｔｉｏｎ−Ｉ．Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｒｇａｎｉｓｍｓ ｗｉｔｈ ｕｐ ｔｏ Ｓｉｘ Ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ”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】
玩具および娯楽装置として使用される自走式ボールは、例えば、米国特許第５，５３３，９２０号、第５，４３９，４０８号、および第４，４３８，５８８号から既知である。Ａｒａｄ等による米国特許第５，５３３，９２０号は、中央に、または偏心的に据え付けられた自走式デバイス、および集積回路音響効果チップを有する自走式音楽玩具ボールを開示する。ボールが障害物に衝突すると自走式デバイスを止めるバンプスイッチを、ボールは備える。Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎによる米国特許第５，４３９，４０８号は、受信機と駆動部を含む推進機構を有する遠隔制御移動可能ボール娯楽装置を開示する。制御部は、遠隔制御部からの信号により作動するモータによって回転する偏心的に据え付けられたおもりを含む。Ｍａｒｔｉｎによる米国特許第４，４３８，５８８号は、ボールに挿入された遠隔制御の玩具の車両を含む遠隔制御ボールと、車両が転倒すると電源が切れるスイッチを含む遠隔制御ボールを開示する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のボールは、複雑なトランスミッションを含み、また、ターゲットを追跡することができない。また、ボールはオペレータによる開始と監督を必要とし、従来のバッテリーなどの限定されたタイプの電源でしか作動することができない。
【０００６】
本発明は、以上の問題を解決するためのものであり、その目的は１自由度で動きを制御することによって、６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にある。
【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、外部材と、外部材に対して相対的に回転できる内部材を備える。モータは、内部材に取り付けられ、外部材に接着するロータ軸を含む。少なくとも１つの電源がモータに提供される。１組の接地センサと１組のターゲットセンサが、外部材に対する内部材の回転を増減するために、コントローラへの入力を与える。
【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。外部材１１０は、内部材１２０に対して相対的回転できる。図１に示されるように、外部材１１０は球面でありうるし、内部材１２０は円板形でありうる。モータ１３０は内部材１２０に取り付けられる。モータ１３０のロータ軸１３５は外部材１１０に接着する。ロータ軸１３５はトラッキング装置１００のスピン軸（spinning axis）１３６を規定する。ロータ軸１３５の回転によって、内部材１２０は、外部材１１０に対して回転運動式に回転する。本発明に従ったトラッキング装置１００のさまざまな実施形態では、内部材１２０は、一定して外部材１１０に対して回転する。しかし、モータ１３０は、指定された条件下でロータ軸１３５を回転させるために選択的に作動可能にしてもよいことを認識されたい。
【００１０】
１乃至複数の電源１４０，１４５が内部材１２０に取り付けられ、電力をモータ１３０に供給する。２つの電源１４０，１４５が図示されているが、２つより多くの電源が供給されてもよく、１つの電源のみが供給されてもよいことを認識されたい。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、電源１４０，１４５はバッテリーである。本発明のさまざまな実施形態では、電源１４０，１４５は太陽電池であってもよい。モータ１３０へ電力を供給できる電源はすべて１つ以上の電源として使用してよいことを認識されたい。
【００１１】
２つのターゲットセンサ１５０，１５５は内部材１２０上に備えられる。ターゲットセンサ１５０，１５５は、磁界、音、光、無線周波放射などの重大な結果を生じるすべての現象を感知できる。それに加えて、ターゲットセンサ１５０，１５５は全地球測位システム（ＧＰＳ）からの信号に応答することもできる。
【００１２】
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に従って、ターゲットセンサは太陽電池であってもよい。太陽電池の使用によってトラッキング装置１００は、惑星が回転するのにつれて太陽を追跡することでき、トラッキング装置を惑星探査に使用することができる。太陽電池は、太陽を感知することに加えて、モータ１３０への電源として機能することもできる。
【００１３】
２つの接地センサ１６０，１６５も、内部材１２０上で互いに正反対に備えられる。接地センサ１６０，１６５は近接センサであってよい。図２に示されるように、ターゲットセンサ１５０，１５５は、接地センサ１６０，１６５が互いに正反対になる方向とは垂直の方向で、互いに正反対に備えられる。しかし、ターゲットセンサ１５０，１５５が互いに正反対になり、接地センサ１６０，１６５が互いに正反対になるかぎり、他のセンサ位置付け配列が使用されてもよいことを認識されたい。
【００１４】
図２に示されるように、各センサ１５０，１５５，１６０，１６５は、それぞれ、信号Ｓ１５０，Ｓ１５５，Ｓ１６０，Ｓ１６５を、モータ１３０の回転速度を制御するコントローラ１７０に出力する。信号Ｓ１５０，Ｓ１５５，Ｓ１６０，Ｓ１６５は、図３に示されるように、それぞれ、ターゲット２００からのセンサ１５０，１５５，１６０，１６５の距離に比例する。コントローラ１７０はそれぞれのセンサの組の１５０，１５５とセンサ１６０，１６５の差の積Ｐを以下のように決定する。
【００１５】
Ｐ＝（Ｓ１５０‐Ｓ１５５）×（Ｓ１６０‐Ｓ１６５）
積Ｐが正の値であれば、トラッキング装置１００がターゲット２００の方へ動くように、コントローラ１７０はモータ１３０を制御し、内部材１２０の回転を増す。逆に、ターゲット２００がトラッキング装置１００の他方の側にあった場合には、積Ｐは負の値であり、コントローラはモータ１３０を制御して内部材１２０の回転を減する。コントローラ１７０は、トラッキング装置１００をターゲット２００の方へ動かすように記載されているが、トラッキング装置１００をターゲット２００から離れるようにコントローラ１７０がモータ１３０を制御してもよいことを認識されたい。
【００１６】
図３を参照すると、トラッキング装置１００がターゲット２００に最も近づいているときには、ターゲットセンサ１５０はターゲット２００により近いので、ターゲットセンサ１５０によって提供される信号Ｓ１５０は、ターゲットセンサ１５５によって提供される信号Ｓ１５５より大きい。それに加えて、接地センサ１６０は、接地センサ１６５より地面２１０に近いので、接地センサ１６５によって提供される信号Ｓ１６５より大きい信号Ｓ１６０を提供することになる。差（Ｓ１５０‐Ｓ１５５）が正で、差（Ｓ１６０‐Ｓ１６５）が正であるので、差の積Ｐは正である。従って、コントローラ１７０は、内部材１２０の内部回転を増すモータ１３０の回転を増すことになる。内部材１２０の角度の増大によって、外部材１１０に等しく、かつ反対方向の角度の増大が生じることになり、トラッキング装置１００はターゲット２００の方へ回転し始めることになる。
【００１７】
トラッキング装置１００のロータ軸１３５によって規定されるスピン軸１３６は、重力によって自然に歳差運動する傾向にあり、スピン軸１３６の姿勢は回転する傾向にある。歳差運動が生じると、トラッキング装置１００はターゲット２００の方へ回転することになる。図３に示されるように、スピン軸が１３６が地面２１０に対して傾斜しているときは、トラッキング装置１００は回転することになる。しかし、トラッキング装置１００の外部材１１０が回転しない鞍部(saddle points)がある。スピン軸１３６が地面２１０に垂直、またはターゲット２００に垂直、または重力に平行になるときには、外部材の１１０の回転は生じない。しかし、鞍部は不安定であることから、トラッキング装置の構成部品内の通常の「雑音」がスピン軸１３６を鞍部からはずさせ、外部材１１０の回転を生じさせる。スピン軸１３６の他の位置にある場合はすべて、トラッキング装置１００の外部材１１０は、構成要素をターゲット２００に向かわせるベクトルに沿って増大することになる。
【００１８】
外部材１１０は球体として図１および図３に示されているが、外部材１１０が球体である必要はないことを認識されたい。図４に示されるように、本発明に従った第２の実施形態のトラッキング装置１０００は、卵形の外部材１１１０を含んでもよい。卵形の外部材１１１０の使用によって、トラッキング装置は鞍部をより容易に避けることができる。
【００１９】
図５は、本発明に従ったトラッキング装置１００の第３の実施形態を示す。図５に示されているように、トラッキング装置１００は内部材１２０の回転を突然止めることによって、またはモータ１３０の加速を突然、増減することによって、ぴょんと跳ぶ(hop)ことができる。内部材１２０の回転は、外部材１１０に固定されたリンク機構を、外部材１１０の回転経路へ挿入することによって、突然止めることができる。例えば、外部材１１０に取り付けられたソレノイド１８０のソレノイドプランジャー１８５は、内部材１２０に接続するコントローラ１７０によって、内部材１２０の回転を突然止めるために制御されてよい。トラッキング装置１００が障害物によって止まった場合は、トラッキング装置は、ぴょんと跳んで障害物への経路からはずれることができる。
【００２０】
図６は、本発明に従った回転装置１０１の実施形態を示す。図６に示されるように、回転装置１０１は、ターゲットセンサ１５０，１５５、および接地センサ１６０，１６５が提供されないことを除いては、図１および図５に示されるトラッキング装置１００と類似する。回転装置１０１は、内部メンバー１２０の回転を突然止めることによって、またはモータ１３０の加速を突然増減することによって、ぴょんと跳ぶことができる。内部メンバー１２０の回転を突然止めるために、外部メンバー１１０に取り付けられたソレノイド１８０のソレノイドプランジャー１８５を内部材１２０の回転経路に挿入することによって、内部材１２０の回転を突然止めることができる。コントローラ１７０は、指定された条件下で、または不規則に、ソレノイドプランジャー１８５を内部メンバーの回転経路に挿入するようにプログラムしてもよい。
【００２１】
回転装置１０１はソレノイドプランジャー１８５を内部材１２０と接続するように挿入することによってぴょんと跳ぶように説明してきたが、装置１０１は回転せずに跳ぶことによってのみ動く跳躍装置として構成することもできることを認識されたい。
【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は、移動リモートセンサ、惑星探査、人、動物および／または車両などの地上をベースにする移動主体の追跡、自動的に配置可能な外辺部のセンサ、表示用ロボットピクセルまたは高性能トナー、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、自動綿ごみ収集装置および／または小型旅行かばんキャリアーにおいて、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１００，１０００の費用と複雑さは少なくなっている。
【００２３】
図２に示されるコントローラ１７０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ＰＡＬ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２に示されるコントローラ１７０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１７０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】 本実施の形態におけるトラッキング装置の内部材、接地センサ、ターゲットセンサ、およびコントローラを概略的に示す透視図である。
【図３】 本実施の形態におけるトラッキング装置の制御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第２の実施形態を概略的に示す透視図である。
【図５】 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６】 本発明に係る模範的な回転装置を概略的に示す透視図である。
【符号の説明】
１００，１０００ トラッキング装置、１０１ 回転装置、１１０，１１１０外部材、１２０ 内部材、１３０ モータ、１３５ ロータ軸、１３６ スピン軸、１４０，１４５ 電源、１５０，１５５ ターゲットセンサ、１６０，１６５ 接地コントローラ、１７０ コントローラ、１８０ ソレノイド、１８５ソレノイドプランジャー、２００ ターゲット、２１０ 地面、Ｓ１５０，Ｓ１５５，Ｓ１６０，Ｓ１６５ 信号。

Claims (1)

1. 外部材と、
   外部材に対して相対的に回転できる内部材と、
   内部材に取り付けられ、外部材に接着するロータ軸を含むモータと、
   モータのための少なくとも１つの電源と、
   ターゲットを検出する内部材上の１組のターゲットセンサと、
   内部材上の１組の接地センサと、
   ターゲットセンサと接地センサによって供給される信号に基づいてロータ軸の回転を制御するコントローラと、
   を備えることを特徴とするトラッキング装置。

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