JP3980021B2

JP3980021B2 - 回転飛翔体の回転角計測制御方法

Info

Publication number: JP3980021B2
Application number: JP2004286645A
Authority: JP
Inventors: 恒雄杉浦
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: JP2006098010A

Description

本発明は、回転飛翔体の回転角計測制御方法に関し、特に、回転飛翔する飛翔体に設けたコイルから地磁気を界磁として発生する電圧波形から飛翔体の空間における回転角度、すなわち、基準方位信号を得る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回転飛翔体の回転角計測装置及びその計測方法としては、例えば、特許文献１に示されているように、赤外線検出手段により回転飛翔体の周囲の放射エネルギを検出すると共に、この放射エネルギの回転角度に基づく検出値の相違から基準位置を算出し、この基準位置との比較から回転飛翔体の回転角を回転角演算手段で演算して回転飛翔体の回転角を計測する方法である。

特開平２０００−６５５６５号公報

従来の回転飛翔体の回転角計測装置及びその計測方法は、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に開示された回転飛翔体の回転角計測方法の従来技術としては、回転飛翔体の中にジャイロを搭載する構成が提案されていた。
このジャイロによる計測システムは高発射Ｇ（１００００Ｇに達する）に耐えなければならないし、且つ数千〜数万ｒｐｍに及ぶ砲弾のスピン回転内で挙動データを計測せねばならない。具体的には発射前の方位位置データを基準に、その後の３次元の速度、加速度等の計測から砲弾の挙動を求めるシステムが組まれる。
Ｇに耐えることも非常に困難であるが、前述の高速回転内でジャイロシステムを有効に機能させることはさらに困難である。そこで、弾のスピン回転方向とは逆方向にそのジャイロシステムを弾内モータで回転させることにより弾のスピン回転を大幅に打ち消すことが考えられている。しかし、弾の回転速度そのものが未知数であり、また発射の都度異なり、飛翔中にも変化するため、モータへの回転速度指令値は推定値とならざるを得ず、結局回転を完全には打ち消すには至らず、かなりの回転系内での計測システムになることに変わりは無い。
このような初期値基準、耐高Ｇ対策、回転系内計測システムで砲弾の挙動を計測することは非常に複雑高価になりその実現性も困難であった。

前述のジャイロを用いた場合の課題を解決するために提案されたのが、前記特許文献１に開示された赤外線検出手段を用いた方法であるが、この赤外線検出手段を用いた方法も天候の状態によってその検出精度が左右されることがあり、実戦上からは問題があった。

本発明による回転飛翔体の回転角計測制御方法は、コイルを設けた飛翔体を発射し、中心軸を回転中心として回転する前記飛翔体内の前記コイルから地磁気を界磁として発生する電圧波形から前記飛翔体の空間における回転角度、すなわち、基準方位信号を得る方法において、前記飛翔体内に、モータにより自転自在に設けられたジャイロを有し、前記基準方位信号から検出した前記飛翔体の回転速度を検出し、前記回転速度に基づいて前記モータの回転を制御し、前記ジャイロを前記飛翔体の回転方向と逆方向に回転させることにより、前記ジャイロの自転と飛翔体の回転とが打ち消し合うように制御する方法である。

本発明による回転飛翔体の回転角計測制御方法は、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、飛翔体にコイルを取り付け、地磁気を界磁として発生する電圧波形から飛翔体の空間における回転角度、すなわち、基準方位信号を常時連続して得ることができる。
また、センサがコイルであるため、飛翔体発射時のＧの影響を受けることがない。
また、発射前の初期値設定が不要で、時間経過や高速回転動作による累積誤差を生じることがない。
また、コイルから発生する電圧波形は、測定用には十分に大きい電圧レベルであり、高精度の信号が得られる。
また、基準方位信号が空間で得られるため、搭載するジャイロの速度、加速度等の検出軸数を削減することができ、検出軸が少ない簡便で低価格のジャイロを用いれば済み、これと関連する制御回路を含めて小型軽量化が可能となる。また、ジャイロを飛翔体の回転方向と逆方向に回転させるようにモータの速度制御を行っているため、誤差の累積しない簡易な高精度計測システムを得ることができる。

本発明は、回転飛翔する飛翔体に設けたコイルから地磁気を界磁として発生する電圧波形から飛翔体の空間における回転角度、すなわち、基準方位信号を得るようにした回転飛翔体の回転角計測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回転飛翔体の回転角計測制御方法の好適な実施の形態について説明する。
図１において、符号１で示されるものは、弾、砲弾（例えば、１５５ｍｍ砲）等からなり、図示しない砲から発射され回転しつつ空間を飛翔する飛翔体であり、この飛翔体１の弾直径方向ｄと、弾外側付近に軸方向ｌに沿って矩形状にコイルｃを巻回し、このコイルｃの両端ａ１，ａ２が端子状に形成されている。また、飛翔体１の外周には、ロケットモータ、推進手段等からなるサイドクラスタ１０が輪状に設けられている。

前記飛翔体１には、信号処理部２及び送信機３が設けられ、前記コイルｃから発生する後述の起電圧ｅベクトルからなる電圧波形Ｖは、前記信号処理部２及び送信機３を経て地上の基地局(図示せず)に向けて送信されるように構成されている。尚、コイルを飛翔体１の外周に巻付ける場合、スピン軸Ｓと直交するコイル成分は発電に寄与しないので、飛翔体１を貫通巻きする必要はなく、外周に巻付けて固定することで達成される。

前記電圧波形Ｖは、前記飛翔体１が発射後に、地磁気空間を回転しつつ飛翔することにより、コイルｃが地磁気を界磁として回転することにより得られるものであり、この電圧波形Ｖから飛翔体１の空間における回転角度、すなわち、基準方位信号を得ることができる。尚、この基準方位信号を用いて前記サイドスラスタ１０の駆動用の基準信号とすることができる。

図２は、飛翔中の弾からなる飛翔体１を示しており、飛翔空間の地磁気Ｂベクトル〔地磁気方向は、現在東京近辺では、真北に対し約７度西を指し（偏角すなわち、水平に対し約５０度下を指す（伏角））、その大きさは０．４×１０^−４（テラス）でベクトル値である〕に対し、飛翔体１はスピン軸Ｓで回転しつつ飛翔している。

前述の状態で、図２は、飛翔体１の回転速度は毎秒ｎ（ｔ）回転、コイルｃはＢベクトルとスピン軸Ｓが作る平面を基準に角度θ(t)（角速度ω）だけ回転した瞬間を示している。
前記コイルｃのコイル線分ベクトルであるＬベクトルは、スピン軸Ｓと同じ方向であり、コイルｃの速度ベクトルはＶベクトルで示されている。

前述の場合の起電圧ｅベクトルは、電磁気学の基本式に示されているように、次の数１の(１)式の通りである。

前記ＢベクトルとＬベクトルの角度はＢベクトルとＳの角度であり、これをψとする。
また、コイルｃの速度ベクトルであるＶベクトルの大きさＶは弾径である弾直径方向ｄと回転角速度ωから、次の数２の(２)式から(５)式の通りとなる。

すなわち、図４で示されるように、振幅がＡで角速度がωの正弦波状の出力からなる電圧波形Ｖを得ることができる。

前記電圧ｅがｅ＝Ａとなる最大点は、前記コイル線分長ｌがＢベクトルとＳが作る平面を通る時である。
また、前記電圧ｅがｅ＝０となるのは、前記平面に垂線を立て、これをＧベクトル方向とした時、Ｇベクトルとスピン軸Ｓが作る平面をコイルｃが通過する瞬間である。
前述の関係は図４及び図５に示されるように、前記振幅Ａは、地磁気Ｂとコイル線分長ｌは一定であり、角度ψと同速ｖに左右される。

従って、前記電圧ｅを観測することにより、高速回転飛翔中の飛翔体１の空間内における固定方位Ｂ又はＧから正確な回転方位を得ることができる。
この回転速度信号を用い、図６で示されるように飛翔体１内に設けたジャイロ３０を飛翔体１の回転方向と逆方向に回転させるようにモータ３１の速度制御を行い、このジャイロ３０のシステムに前述のＢとＳの平面信号をリアルタイムに基準信号として与えることにより、誤差の累積しない簡易な高精度計測システムを確立することができる。
すなわち、ジャイロ３０を逆回転させることにより、ジャイロ３０の自転と飛翔体１の回転とがキャンセルされ、ジャイロ３０が空間上に停止した状態となる。従って、前記基準方位信号から検出した飛翔体１の回転速度を検出し、この回転速度に基づいてモータ３１の回転制御をしている。

さらに、前記電圧ｅから得られる固定方位信号を利用し、モータ３１のロータ位相を固定するフェーズロックサーボ制御（周知のＰＬＬ制御）とすることができ、この場合はロータ位相をＢ方向に完全に固定でき、ロータに連結されたジャイロ３０を物理的平面ＢとＳに固定できる。
尚、この場合は、ジャイロ３０の軸数の削減を含めてさらに安価なジャイロシステムが構成できる。

また、前記電圧ｅは、前記振幅Ａに影響され、これは地磁気方向Ｂに対する飛翔体１のスピン軸Ｓとの角度ψが左右される。すなわち、具体的には、ψ＝９０となる東西方向で最大、Ｂと並行する南北方向（伏角５０度）では電圧ｅは検出できない。このことは発射角度を選択する必要がある。

また、飛翔体１の発射をほぼ東西方向で行う場合、飛翔中のＳの方向が上向きから下向きに変わった場合でも角度ψは変わらず、前述の(５)式の振幅Ａから飛翔体１の回転速度をアナログ値として得ることができる。尚、前記飛翔体１は誘導爆弾とすることもできる。

尚、実際に実験の結果、前記電圧ｅの大きさは、１例として示すと次の通りであった。
飛翔体の回転速度ｎ＝１２，０００ｒｐｍ
試射方向東面 ψ＝９０°
地磁気Ｂ＝０．４×１０^−４〔Ｔ〕
飛翔体の径（コイル径）ｄ＝１５５〔ｍｍ〕
コイル線分長ｌ＝２０〔ｃｍ〕
コイルターン数Ｔ＝１００〔ターン〕
前記(３)式を使って、
ｅ＝１５６〔ｍＶ〕ｃｏｓωｔとなる。
これは、ｎやψが変動しても、信号としては十分に大きい電圧が得られることが明らかである。

本発明は、大型の弾に限らず、小型の弾に対しても適用可能である。また、回転弾に限ることはなく、回転コイルによって方位を正確に絶えず大きい信号で検出することに応用できる。

本発明による回転飛翔体の回転角計測制御方法に適用する飛翔体を示す構成図である。図１の飛翔体の飛翔中の状態を示す説明図である。図１の飛翔体の基準回転角の説明図である。図１のコイルの回転角と電圧の関係を示す線図である。図４のコイルの角度位置を示す説明図である。図１の飛翔体の他の形態を示す構成図である。

符号の説明

１飛翔体
３送信機
ｃコイル
Ｂ地磁気
Ｖ電圧波形
１０サイドスラスタ
３０ジャイロ
３１モータ

Claims

コイル(c)を設けた飛翔体(1)を発射し、中心軸を回転中心として回転する前記飛翔体(1)内の前記コイル(c)から地磁気(B)を界磁として発生する電圧波形(V)から前記飛翔体(1)の空間における回転角度、すなわち、基準方位信号を得るようにした回転角計測制御方法において、
前記飛翔体(1)内に、モータ(31)により自転自在に設けられたジャイロ(30)を有し、前記基準方位信号から検出した前記飛翔体(1)の回転速度を検出し、前記回転速度に基づいて前記モータ(31)の回転を制御し、前記ジャイロ(30)を前記飛翔体(1)の回転方向と逆方向に回転させることにより、前記ジャイロ(30)の自転と飛翔体(1)の回転とが打ち消し合うように制御することを特徴とする回転飛翔体の回転角計測制御方法。