JP4423371B2 - 空間安定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間安定装置に関し、特に、１つの軸がインナとアウタの２重のジンバル機構からなる場合に、アウタジンバルにもアウタ慣性センサを取付け、インナとアウタの両方の制御ループによって空間安定させることにより、安価な慣性センサ及びジンバル機構でも十分な空間安定精度が得られるようにするための新規な改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、航空機、船舶、車両等（以後移動体と記述）にレーダアンテナ、カメラ等（以後ペイロードと記述）を搭載して目標物を検地或はその画像を得ようとする場合、移動体自体が本来持っているエンジン等の振動、移動体の運動や外的要因によって生じる動揺等（以後外乱と記述）により目標物の正確な情報が得られない場合がある。このような場合には、移動体から受ける外乱に拘わらず慣性空間にその姿勢を安定させる事が出来る空間安定装置上にペイロードを取り付けて目標物に関する情報を得ようとするのが一般的である。
このような空間安定装置は通常その機能をジンバル機構により実現しているが、その用途に応じて種々のジンバル機構が考案されている。例えばペイロードの視軸線の方向のみを空間安定させるアジマス、エレベーションの２軸ジンバル機構、またペイロードの視軸線の方向と更にその回りの回転も空間安定させるヨウ、ピッチ、ロールの３軸ジンバル機構（特許文献１参照）等である。
【０００３】
本発明は、このような各種空間安定装置のうちで、特に、その１つの軸がインナ、アウタの２重のジンバル機構からなる空間安定装置に関するものである。
従来の２重ジンバル構造を有する空間安定装置を図２に示す。尚、空間安定装置は前記のように２又は３軸ジンバルで構成されるが、説明を簡潔にして且つ本発明が軸数には係わりが無いこと等の理由から、以後ジンバル構造が特に１軸の場合を例にして従来技術を説明する。
図２で符号１は空間安定装置全体を移動体に取り付けるための固定部、２は固定部１に対して回転する構造のアウタジンバル、３はアウタジンバル２に対して回転する構造のインナジンバル、４はインナジンバル３に取り付けられたペイロード、５はペイロード４の視軸線、６はインナジンバル３に取り付けられインナジンバル３の慣性空間に対する動きを検出するインナ慣性センサ、７はアウタジンバル２とインナジンバル３の角度差を検出する角度センサ、８は固定部１に対してアウタジンバル２を回転させるトルクを発生するアウタトルカ、９はアウタジンバル２に対してインナジンバル３を回転させるトルクを発生するインナトルカ、１０は角度センサ７の出力を入力としてアウタトルカ８に駆動電力を供給するアウタサーボ増幅器、１１はインナ慣性センサ６の出力を入力としてインナトルカ９に駆動電力を供給するインナサーボ増幅器である。尚、図２で点線は電気信号が伝わる線を、また点線に対して矢印は信号が伝わる方向をそれぞれ表している。
【０００４】
次に、図２の動作について説明する。
インナ慣性センサ６、インナサーボ増幅器１１、インナトルカ９の相互の電気接続及び機械的結合により閉じた構成の第１制御ループ１００が構成されるが（以後インナループと記述）、このインナループは、インナ慣性センサ６が検出したインナジンバル３の慣性空間に対する動きが常に修正されるように動作する。即ち空間安定装置が移動体の運動等により外乱を受けた場合でもペイロード４の視軸線５はインナジンバル３の回転軸回りについて慣性空間内で動くことなく空間安定される。また角度センサ７、アウタサーボ増幅器１０、アウタトルカ８の同様な関係により閉じた構成の第２制御ループが構成されるが（以後アウタループと記述）、このアウタループは、角度センサ７が検出するアウタジンバル２、インナジンバル３の角度差が常に零になるように動作する。即ち、インナジンバル３が例えばインナループに内在するドリフトにより動いてもアウタジンバル２はインナジンバル３に追従して動き、両ジンバルが相互に勝手な方向に向いてしまう事はない。またアウタループは両ジンバル間の角度差を零に保つ働きから、アウタジンバル２自身も間接的に空間安定させる働きがあり、結果的にペイロード４の空間安定精度を向上させる副次的機能も持っている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−０２２４６２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の２重ジンバル構造の空間安定装置は前記の以上のように動作するが、空間安定制御の機能は基本的にはインナジンバルのみに依っていて、アウタジンバルは副次的にその機能を分担しているに過ぎない。従って従来の空間安定装置で十分な空間安定精度を得るためにはインナループの応答性能を高める他に方法がなく、その結果、必然的に高価な慣性センサ、高剛性なジンバル機構が必要となり、空間安定装置が高価なものになってしまうという課題があった。また、構造上の制約から高剛性な機構が実現出来ない場合は低い空間安定精度に甘んじなければならないと云う課題があった。
【０００７】
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、アウタジンバルにもアウタ慣性センサを設けることにより、アウタジンバルにもインナループと同様の制御ループを付加することにより、空間安定精度を大幅に向上させることができる空間安定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による空間安定装置は、固定部と、前記固定部に対して回転自在に設けられたアウタジンバルと、前記アウタジンバルに対して回転自在に設けられ、前記アウタジンバルと同じ軸回りに回転されるインナジンバルと、前記インナジンバル上に取り付けられ前記インナジンバルの慣性空間に対する動きを検出するインナ慣性センサと、前記アウタジンバル上に取り付けられ前記アウタジンバルの慣性空間に対する動きを検出するアウタ慣性センサと、前記インナジンバルに取り付けられ前記アウタジンバルに対して回転トルクを発生するインナトルカと、前記アウタジンバルに取り付けられ前記固定部に対して回転トルクを発生するアウタトルカと、前記インナジンバルに取り付けられ前記インナジンバルに対する前記アウタジンバルの回転角度差を検出する角度センサと、前記インナ慣性センサの出力信号を入力として前記インナトルカに駆動電力を供給するインナサーボ増幅器と、前記アウタ慣性センサと前記角度センサの出力信号を入力として前記アウタトルカに駆動電力を供給するアウタサーボ増幅器とを備え、前記インナ慣性センサ、前記インナサーボ増幅器、前記インナトルカにより構成する第１制御ループにより前記インナジンバルを空間安定させ、前記アウタ慣性センサ、前記角度センサ、前記アウタサーボ増幅器、前記アウタトルカにより構成する第２制御ループにより前記アウタジンバルを前記インナジンバルに追従させると同時に、前記アウタジンバルを空間安定させるようにした構成である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図１と共に本発明による空間安定装置の実施の形態について説明する。尚、図１で１から１１までの番号を付した部分は図２と同じもので、従来の空間安定装置と全く同様に動作するため、説明を省略する。１２は本発明により新たに付加されたアウタ慣性センサで、アウタジンバル２に取り付けられその出力信号がアウタサーボ増幅器１０に角度センサ７の出力信号と並行して接続されている。
次に、図１の動作について説明する。
１から１１までの番号を付した部分は従来の空間安定装置と全く同様に動作する。即ち、インナループはインナジンバル３の空間安定制御の、アウタループはインナジンバル３に対するアウタジンバル２の追従制御のそれぞれ機能を分担している。前述のインナ慣性センサ６、インナサーボ増幅器１１及びインナトルカ９よりなる第１制御ループ１００の他に、本発明により新たに付加されたアウタ慣性センサ１２は、アウタサーボ増幅器１０、アウタトルカ８と共に新たな別の第２制御ループ１０１を構成する。そしてこの新たな第２制御ループ１０１はアウタ慣性センサ１２が検出したアウタジンバル２の慣性空間に対する動きをアウタトルカ８が修正するように動作する。従ってアウタジンバル２は、移動体の運動による外乱を受けても新たに付加されたこの第２制御ループ１０１の働きによりその回転軸回りに対して常に空間安定制御される。
尚、本発明の実施の形態では１軸のジンバルな場合について説明し、トルカについてもジンバルの回転軸に取り付けられている場合について説明した。然しながら、これらは１実施例を示したに過ぎず、本発明の範囲をここに限定するものではない。２軸或はそれ以上の軸数であっても、またトルカが必ずしも回転軸でなくジンバル機構の他の部分に取り付けられる有限角トルカ等であっても全く同様の効果が得られるのは言うまでもない。
【００１０】
【発明の効果】
本発明による空間安定装置は、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、ペイロード４の視軸線５はインナジンバル３のインナループにより空間安定制御されると同時に、新たに付加された別の第２制御ループによっても空間安定制御される。その効果の程度は、インナジンバル３が受ける外乱がアウタジンバル２を経てインナジンバル３に伝わる場合が最も大きく、インナジンバル３の外乱減衰比（インナジンバル３が受ける外乱に対するインナジンバル３の空間安定精度の比）とアウタジンバル２の外乱減衰比の積となる。従って、本発明による空間安定装置は、特別に高価な慣性センサ、高剛性なジンバル機構を使わなくても十分な空間安定精度が得られ、従来の空間安定装置の課題を解決するものである。また、本発明は、その目的を達成するために必要となる新たな構成品は、アウタ慣性センサとその接続線のみであり、簡便且つ安価にその機能を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による空間安定装置を示す構成図である。
【図２】従来の空間安定装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 固定部
２ アウタジンバル
３ インナジンバル
４ ペイロード
５ 視軸線
６ インナ慣性センサ
７ 角度センサ
８ アウタトルカ
９ インナトルカ
１０ アウタサーボ増幅器
１１ インナサーボ増幅器
１２ アウタ慣性センサ
１００ 第１制御ループ
１０１ 第２制御ループ

Claims (1)

1. 固定部（１）と、前記固定部（１）に対して回転自在に設けられたアウタジンバル（２）と、前記アウタジンバル（２）に対して回転自在に設けられ、前記アウタジンバル（２）と同じ軸回りに回転されるインナジンバル（３）と、前記インナジンバル（３）上に取り付けられ前記インナジンバル（３）の慣性空間に対する動きを検出するインナ慣性センサ（６）と、前記アウタジンバル（２）上に取り付けられ前記アウタジンバル（２）の慣性空間に対する動きを検出するアウタ慣性センサ（１２）と、前記インナジンバル（３）に取り付けられ前記アウタジンバル（２）に対して回転トルクを発生するインナトルカ（９）と、前記アウタジンバル（２）に取り付けられ前記固定部（１）に対して回転トルクを発生するアウタトルカ（８）と、前記インナジンバル（３）に取り付けられ前記インナジンバル（３）に対する前記アウタジンバル（２）の回転角度差を検出する角度センサ（７）と、前記インナ慣性センサ（６）の出力信号を入力として前記インナトルカ（９）に駆動電力を供給するインナサーボ増幅器（１１）と、前記アウタ慣性センサ（１２）と前記角度センサ（７）の出力信号を入力として前記アウタトルカ（８）に駆動電力を供給するアウタサーボ増幅器（１０）とを備え、前記インナ慣性センサ（６）、前記インナサーボ増幅器（１１）、前記インナトルカ（９）により構成する第１制御ループにより前記インナジンバル（３）を空間安定させ、前記アウタ慣性センサ（１２）、前記角度センサ（７）、前記アウタサーボ増幅器（１０）、前記アウタトルカ（８）により構成する第２制御ループにより前記アウタジンバル（２）を前記インナジンバル（３）に追従させると同時に、前記アウタジンバル（２）を空間安定させることを特徴とする空間安定装置。

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