JP4028717B2 - トラッキング装置 - Google Patents
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Description
【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、3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、飛行物体の追跡、自動的に配置可能な外辺部のセンサ、玩具、例えばステージ上の役者や携帯電話のユーザのためのユーザを追いかける音声入出力装置、移動するユーザを追いかけるコンピュータ入力装置、高性能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3次元空間で移動するためには、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寸法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、釣り合い浮き媒体(neutrally buoyant mediuam)内の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3次元空間で動くことができ、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。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】
プロペラ駆動の航空機玩具および娯楽装置は、例えば米国特許第4,271,629号および第3,603,033号から既知である。Goodwinによる米国特許第5,533,920号は、ゴムバンドモータによって駆動する前後のプロペラと、プロペラの回転を制御するために使用できるロックとリリースの機構を備えるプロペラ駆動の飛行玩具を開示する。Muellerによる米国特許第3,603,033号は、ダクトに駆動プロペラを据え付けた回転翼航空機の玩具を開示する。上昇用ロータブレード(lifting rotor blade)がダクトの上端から伸びている。ダクトとブレードは、トルクによって、プロペラと反対に回転する。従って、ブレードの揚力は、垂直推進用のプロペラによって提供される揚力を増大させる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の飛行玩具は、複雑なトランスミッションを含み、ターゲットを追跡することができない。また、飛行玩具はオペレータによる開始と監督を必要とし、限定されたタイプの電源でのみ作動できる。
【0006】
本発明は、ターゲットへの明白な方向づけなしに1自由度で動きを制御することによって、重力下で並進3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を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るトラッキング装置は、回転子と固定子を含み、装置のスピン軸を形成するモータと、回転子に接続された第1のプロペラと、固定子に接続され、モータ駆動に応じて第1のプロペラとは逆方向に回転する第2のプロペラと、第1のプロペラ上の第1のターゲットセンサと、第2のプロペラ上の第2のターゲットセンサと、第1のプロペラまたは第2のプロペラの少なくともいずれか一方に取り付けられることによって、装置の質量の中心を装置のスピン軸からずらす不均衡構造と、第1および第2のターゲットセンサによって供給される信号に基づいてモータの回転速度を制御するコントローラと、モータおよびコントローラのための少なくとも1つの電源と、備えることを特徴とする。
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、モータと、モータの固定子と回転子に逆の方向に回転するように取り付けた逆の感知をする上部と底部のプロペラを含む。ターゲットセンサは、プロペラ上に備えられ、ターゲットセンサからの信号がモータとプロペラの回転を制御するコントローラに供給される。トラッキング装置は、モータとコントローラのための電源も含む。
【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。モータ110は、モータ110の固定子に接続した上部プロペラ120と、モータ110の回転子に接続した底部プロペラ130を有する。しかし、上部プロペラ120は回転子に接続してもよいし、底部プロペラは固定子に接続してもよいことを認識されたい。上部プロペラ120は底部プロペラ130の感知と反対の感知になる。例えば、上部プロペラ120が右回りであれば、底部プロペラ130は左回りになり、その逆も成り立つ。上部プロペラ120と底部プロペラ130は反対の方向へ回転するので、それらは同じ方向、例えば垂直方向に力を供給する。
【0010】
フィン125は上部プロペラ120のチップに取り付けられている。フィン125は一般的に、上部プロペラ120の回転子の方向に正接する。フィン125はトラッキング装置100を安定させ、それによってトラッキング装置100のスピン軸(spinning axis)170は一般的に垂直な向きを維持する。図1に示されるように、トラッキング装置100は2つのブレードの上部プロペラ120を有する。図2は本発明に従ったトラッキング装置101の第2の実施形態を示す。ここでは、上部プロペラ121は4つのブレードのプロペラである。このように、4つのフィン125はブレード124のチップに備えられる。複数のブレードをいくつでも使用してよいことを認識されたい。
【0011】
図1と図2に示されるように、おもり126がフィン125の1つに取り付けられる。このように、おもり126はスピン軸170からずれている。おもり126によって、トラッキング装置100,101は、垂直になっている螺旋の主軸とともに、螺旋に動く。図3に示されているように、本発明に従ったトラッキング装置102の第3の実施形態では、おもり126がフィン125の1つに取り付けられる代わりに、おもり127が上部プロペラ120のシャフト123に取り付けられる。さまざまな実施形態では、おもり127が上部プロペラ120に対して自由に回転できる。
【0012】
上部および/または底部プロペラ120と130を不均衡にするために使用できる既知、または今後開発される装置、構造、機構、材料またはその類のいかなるものでも、おもり125,127の代わりに使用できることを認識されたい。すなわち、トラッキング装置100〜102が質量の中心をスピン軸170に合わせていないかぎり、トラッキング装置のスピン軸170は重力場に対して角度を有することになる。そこで、質量の中心が回転するかぎり、またはそうではなく、スピン軸170に対して相対的に動くことができるかぎり、スピン軸170は重心の回りを前進することになる。
【0013】
従って、プロペラブレード124および/またはフィン125のどれかを、他のプロペラブレード124および/またはフィン125とは異なった密度の材料から作ることによって、プロペラブレード124および/またはフィン125のどれかを、他のプロペラブレード124および/またはフィン125とは異なった寸法で作ることによって、プロペラブレード124および/またはフィン125のどれかに、他のプロペラブレード124および/またはフィン125とは異なった量の揚力を提供させることによって、これらの組み合わせ、および/または本願明細書で既述の挙げられたさまざまな実施形態と組み合わせるか、または組み合わせずに、トラッキング装置100〜102を不均衡にするための他のすべての既知の技術によって、トラッキング装置100〜102を不均衡にすることができる。
【0014】
2つのターゲットセンサ140,150は、それぞれ上部プロペラ120と底部プロペラ130に備えられる。ターゲットセンサ140,150は、光、音、磁場、無線周波数またはその他の電磁気放射、熱、核放射などのすべての現象によって、または他の既知、または今後発見される重大な結果をもたらすすべての現象によって感知できるターゲット200を検出する。このように、ターゲット200は、音声エネルギー、光エネルギー、1つ以上の磁場、無線周波数放射、その他の電磁気放射、核放射線、熱エネルギー、振動エネルギー、太陽エネルギーなどの源となることができる。それに加えて、またはその代わりに、ターゲットセンサ140,150は、汎地球測位システム(GPS)からの信号に応答してもよい。
【0015】
ターゲットセンサ140,150はコントローラ160に信号を提供する。信号は、ターゲット200からのセンサ140,150の距離に対応する。電源115は電力をモータ110とコントローラ160に提供する。電源115は、例えば、1つ以上の従来のバッテリ、または圧縮スプリング、またはねじれたゴムバンド、または高圧ガス、または可燃性燃料であってもよい。モータ110とコンロトーラ160には、それぞれ、別々の1つまたは複数の電源が供給されてもよいことも認識されたい。ターゲットセンサ140,150は、トラッキング装置100,101,102を惑星が回転するにつれて太陽を追跡できるようにする太陽電池であってもよい。このような太陽電池は太陽を感知することに加えてモータ110とコントローラ160への電源としても機能しうる。
【0016】
コントローラ160はモータ110を制御し、上部プロペラ120と底部プロペラ130の間の速度差ωを変調する。変調は、ターゲットセンサ140,150によって供給される信号間の差に対応する。さまざまな実施形態では、コントローラ160が上部プロペラ120と底部プロペラ130の間の速度差を以下のように決定する。
【0017】
ω=a・ΔS+b
ここでは、aはゲインファクターであり、ΔSはセンサ140からの信号とセンサ150からの信号の間の差であり、bはオフセット値である。オフセット値bは、トラッキング装置100〜102が飛び続けることができるように、速度差を維持するために必要である。さまざまな実施形態では、ゲインファクターaとオフセット値bは、トラッキング装置100〜102の特定のパラメータ、例えば装置の重さに応じて、経験に基づいて選ばれた値である。
【0018】
トラッキング装置100のスピン軸170が、ターゲット200の方へより向いていると、ターゲットセンサ140により提供される信号140の増大により、速度差ωは増大する。トラッキング装置の100のスピン軸170がターゲット200よりはずれた方を向いていると、ターゲットセンサ140により提供される信号S140の減少により、速度差ωは減少する。速度差ωの増大によって、トラッキング装置100は、おもり126により生じるスピン軸170の歳差運動によりターゲット200の方へ加速することになる。速度差ωの減少はトラッキング装置100を減速させることになる。ターゲット200がトラッキング装置の軸方向の上にある場合は、コントローラ160は、トラッキング装置100を、コントローラ160がトラッキング装置100の速度を低下させることになる点であるターゲット200を通過するまで、速度と螺旋上昇を増大させることになる。さまざまな模範的なトラッキング装置100〜102はターゲットの方へ動くように記載されてきたが、さまざまな模範的なトラッキング装置はターゲットからはずれるように制御できることを認識されたい。
【0019】
図4は、本発明に従ったさまざまな模範的なトラッキング装置100〜102の水平運動を示す。トラッキング装置はX‐Y面の座標(0,0)で始まり、X‐Y面でターゲット水平座標(0,8)およびZ方向での不特定ターゲット垂直位置に置かれたターゲット200の方へ動く。スピン軸170が歳差運動をするので、ターゲットセンサが140がターゲット200の方へより向けられる点があり、ターゲットセンサ140がターゲット200からより離れた方へ向けられる点もある。
【0020】
ターゲットセンサ140がターゲット200の方へより向く度に、コントローラ160は上部プロペラ120と底部プロペラ130の回転速度を増し、それによって、トラッキング装置100〜102はターゲット200の方へ動き、縦の高さを増すことになる。ターゲットセンサ140がターゲット200から離れた方へより向く度に、コントローラ160はプロペラ120と130の回転速度を低下させ、それによってトラッキング装置100〜102をターゲット200から離れた方向へ動かし、縦の高さを減らす。
【0021】
コントローラ160は、プロペラ120,130の回転速度を制御することによってトラッキング装置の縦の高さを直接制御する。しかし、トラッキング装置100〜102の水平動作は、スピン軸170の歳差運動によって制御される。
【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100〜102は、移動リモートセンサにおいて、惑星探査のために、人、動物、軍需品、軍隊、および/または車両などの地上をベースにする移動主体を追跡するために、環境状態および/または気象パターンを追跡するために、自動的に配置可能なパラメータセンサにおいて、表示用ロボットピクセルまたは高性能トナーにおいて、「盛りを過ぎた」偵察のため、人目につかない監視のために、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、移動するユーザについて回るコンピュータ入力装置(例えば音声を使って)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100〜102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100〜102の費用と複雑さは、先に開示された従来の装置に比して少なくなっている。
【0023】
さまざまな模範的な装置100〜102がトラッキング装置として開示されているが、さまざまな模範的な装置100〜102は、玩具または娯楽装置として、ターゲットセンサを備えて、または備えずに機能できることを認識されたい。
【0024】
図1から図3に示されるコントローラ160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1から図3に示されるコントローラ160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160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3】 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4】 本発明に係るトラッキング装置の実施形態の動きを示す図である。
【符号の説明】
100,101,102 トラッキング装置、110 モータ、115 電源、120,121 上部プロペラ、123 シャフト、124 ブレード、125 フィン、126,127 おもり、130 底部プロペラ、140,150ターゲットセンサ、160 コントローラ、170 スピン軸、200 ターゲット。
Claims (1)
- 回転子と固定子を含み、装置のスピン軸を形成するモータと、
回転子に接続された第1のプロペラと、
固定子に接続され、モータ駆動に応じて第1のプロペラとは逆方向に回転する第2のプロペラと、
第1のプロペラ上の第1のターゲットセンサと、
第2のプロペラ上の第2のターゲットセンサと、
第1のプロペラまたは第2のプロペラの少なくともいずれか一方に取り付けられることによって、装置の質量の中心を装置のスピン軸からずらす不均衡構造と、
第1および第2のターゲットセンサによって供給される信号に基づいてモータの回転速度を制御するコントローラと、
モータおよびコントローラのための少なくとも1つの電源と、
を備えることを特徴とするトラッキング装置。
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