JP4593347B2

JP4593347B2 - 回転飛翔体

Info

Publication number: JP4593347B2
Application number: JP2005122180A
Authority: JP
Inventors: 博司原田
Original assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Current assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2025-04-20
Also published as: JP2006300702A

Description

本発明は、回転飛翔体に関する。

従来、回転飛翔体の回転数を検出する方法の１つとして、当該回転飛翔体の表面に受光センサを設けて太陽光を検出し、当該太陽光の受光量に応じた電気信号の変動周期に基づいて上記回転飛翔体の回転数を検出する技術がある。

しかしながら、上記従来技術において受光センサを用いる方法では、回転飛翔体の飛翔時刻によって太陽光量が変動したり、太陽光が地面に反射されて生じる反射光の影響を受ける等、受光センサの検出光量が不安定になり、回転数検出精度が低下するという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来のように外乱の影響を受けることなく、正確に回転飛翔体の回転数を検出することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、回転飛翔体に係わる解決手段として、目標物に向かって回転しつつ飛翔する回転飛翔体であって、前記目標物までの距離を計測する距離計測手段と、前記回転飛翔体の回転中心に対して対称となる位置に各々設置され、前記回転飛翔体が回転することによって生じる遠心加速度と重力加速度とを検知すると共に当該遠心加速度と重力加速度との合成加速度に応じた加速度検出信号を出力する２つの加速度検出手段と、前記２つの加速度検出手段から各々出力される加速度検出信号の差の変動周期に基づいて前記回転飛翔体の回転数を検出すると共に、前記回転飛翔体の地表に対する仰角φ、前記重力加速度ｇ、一方の加速度検出信号の最大値（合成加速度の最大値Ａ１_ｍａｘ）及び最小値（合成加速度の最小値Ａ１_ｍｉｎ）に関する下記関係式（５）によって前記仰角φを算出し、当該仰角φ、前記目標物までの距離Ｌ、前記回転飛翔体の地表からの高さＨに関する下記関係式（６）によって前記回転飛翔体の地表からの高さＨを算出する演算手段とを具備する、という手段を採用する。

本発明によれば、回転飛翔体が回転することによって生じる遠心加速度と重力加速度とを検知し、それらの合成加速度に応じた加速度検出信号の変動周期に基づいて回転数を検出するので、従来のような受光センサを用いる方法に比べ、外乱の影響を受けることなく正確に回転数を検出することができる。

また、前記加速度検出信号に基づいて上記関係式（５）から回転飛翔体の地表に対する仰角φを求めることができ、さらに目標物までの距離Ｌを計測することによって、当該距離Ｌと前記地表に対する仰角φとを上記関係式（６）に代入することによって前記回転飛翔体の飛行高度Ｈを求めることも可能である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１（ａ）は、本発明の実施形態に係わる回転飛翔体の構成ブロック図である。この図において、回転飛翔体Ｍは略円筒形状であって、先端に向かって徐々に縮径された形状になっており、回転しつつ飛行するものである。上記回転飛翔体Ｍは、内部構成として、第１の加速度センサ１、第２の加速度センサ２、差動アンプ３、電波レーダ４、演算処理部５を備えている。

図１（ｂ）は、本回転飛翔体ＭのＡ−Ａ矢視図である。この図に示すように、第１の加速度センサ１及び第２の加速度センサ２は、回転中心に対して対称となるような位置に設置されている。上記第１の加速度センサ１及び第２の加速度センサ２は、例えば圧電型加速度センサであり、本回転飛翔体Ｍの回転によって発生する遠心加速度と重力加速度とを検知し、それらの合成加速度に応じた電圧信号を出力するものである。ここで第１の加速度センサ１から出力される第１の電圧信号Ｖ１は、差動アンプ３の正相入力端に入力されると共に演算処理部５に入力される。また、第２の加速度センサ２から出力される第２の電圧信号Ｖ２は、差動アンプ３の逆相入力端に入力される。

差動アンプ３は、上記第１の電圧信号Ｖ１と第２の電圧信号Ｖ２との差（Ｖ１−Ｖ２）を取り、第３の電圧信号Ｖ３として演算処理部５に出力する。

電波レーダ４は、例えば、ＦＭ−ＣＷ（周波数変調連続波）レーダであり、本回転飛翔体Ｍの先端部に設置され、所定周波数の変調信号で周波数変調して得られた周波数変調信号を送信波として目標物へ向けて放射し、当該送信波が目標物に反射して受信された反射波と上記送信波との位相差、具体的には当該位相差に起因する反射波と送信波とのビート信号の周波数（ビート周波数）に基づいて目標物までの距離Ｌを計測するものである。電波レーダ４は上記のようにして得た目標物までの距離データを演算処理部５に出力する。

演算処理部５は、上記第３の電圧信号Ｖ３の変動周期に基づいて本回転飛翔体Ｍの回転数を検出するものである。また、詳細は後述するが、演算処理部５は、本回転飛翔体Ｍの地表に対する仰角φに関する下記関係式（５）、飛行高度Ｈに関する下記関係式（６）及び重力加速度ｇ（９．８ｍ／ｓ^２）を記憶しており、上記第１の電圧信号Ｖ１の最大値及び最小値、すなわち、第１の加速度センサ１が検知した合成加速度Ａ１の最大値Ａ１_ｍａｘ及び最小値Ａ１_ｍｉｎから上記関係式（５）に基づいて地表に対する仰角φを算出し、さらに、電波レーダ４から得た目標物までの距離データ（距離Ｌ）と上記仰角φを上記関係式（６）に代入することによって本回転飛翔体Ｍの飛行高度Ｈを算出する。

次に、このように構成された本回転飛翔体Ｍの動作について説明する。

図２（ａ）は、本回転飛翔体Ｍの飛行状態を示す模式図である。この図のように、本回転飛翔体Ｍが地表（水平面）に対して仰角φで目標物へ向かって飛行しているとする。本回転飛翔体Ｍが図示の回転方向に回転し、第１の加速度センサ１が回転角θの位置Ｐｉに存在する場合、当該第１の加速度センサ１が検知する合成加速度Ａ１は、遠心力による遠心加速度ａから重力加速度ｇを差し引いた値となるため下記関係式（１）で表される。

また、上記の場合、第２の加速度センサ２は、第１の加速度センサ１と回転中心に対して対称の位置（位置Ｐｊ）に設置されているため、上記関係式（１）において回転角θが１８０°進んでいることになる。従って、当該第２の加速度センサ２が検知する合成加速度Ａ２は、下記関係式（２）で表される。

図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。この図において、回転角θ＝０°、９０°、１８０°、２７０°の時の第１の加速度センサ１の位置をそれぞれ位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４とする。

上記関係式（１）、（２）より、合成加速度Ａ１及び合成加速度Ａ２の回転角θに対する変化は図３（ａ）のようになる。この図に示すように、合成加速度Ａ１及び合成加速度Ａ２は、遠心加速度ａに対して振幅ｇ・ｃｏｓφを持つコサイン波であり、合成加速度Ａ１と合成加速度Ａ２との間には１８０°の位相差が存在する。このような合成加速度Ａ１と合成加速度Ａ２との差（Ａ１−Ａ２）をとると、図３（ｂ）のように加速度零に対して振幅２ｇ・ｃｏｓφを持つコサイン波を得ることができる。ここで、回転角θは時間変化を示すものなので、本回転飛翔体Ｍが一回転する間の時間、すなわち第１の加速度センサ１が位置Ｐ１から再び当該位置Ｐ１に戻ってくるまでの時間Ｔ（繰り返し周期）を検出することで、回転数（１／Ｔ）を求めることができる。

なお、上記のような図３（ｂ）の波形の最大値２ｇ・ｃｏｓφの繰り返し周期を検出しようとすると、当該最大値は地表に対する仰角φによって変化してしまうため、常に上記最大値を監視する必要がある。そこで、本実施形態では上記最大値の繰り返し周期を検出するのではなく、図３（ｂ）の波形において、振幅が零になる位置Ｐ２から再び位置Ｐ２に戻る時間を検出することによって回転数を求めるようにする。これにより、常に振幅が零になる時間を検出すれば良いため、地表に対する仰角φに依存せず簡単に回転数を求めることができる。

次に、上記のように合成加速度Ａ１と合成加速度Ａ２との差をとる理由について説明する。例えば、第１の加速度センサ１のみを用いた場合、図３（ａ）のような合成加速度Ａ１に関する波形を得ることができるので、当該合成加速度Ａ１の最大値であるａ＋ｇ・ｃｏｓφの繰り返し周期を検出すれば回転数を求めることができる。または、合成加速度Ａ１の値が遠心加速度ａに等しくなる周期を検出することによっても回転数を求めることができる。

しかしながら、本回転飛翔体Ｍの回転速度は、空気抵抗等によって徐々に減少するため、遠心加速度ａも一定ではない。さらに実際には、本回転飛翔体Ｍは僅かに歳差運動をしながら飛行しているため当該歳差運動の影響を受け、遠心加速度ａはある周期で変動してしまうことになる。従って、上記のように合成加速度Ａ１の最大値であるａ＋ｇ・ｃｏｓφの繰り返し周期を検出する場合、もしくは、合成加速度Ａ１の値が遠心加速度ａに等しくなる周期を検出する場合に、遠心加速度ａが変動するために正確な繰り返し周期を検出することができない恐れがあり、また、遠心加速度ａの変動に追従して繰り返し周期を検出するようにすると信号処理が複雑になるという問題がある。

よって、本実施形態のように加速度センサを２つ（第１の加速度センサ１及び第２の加速度センサ２）を備え、差動アンプ３によって第１の電圧信号Ｖ１と第２の電圧信号Ｖ２
との差をとり、すなわち、合成加速度Ａ１と合成加速度Ａ２との差をとることで、図３（ｂ）のように遠心加速度ａの影響をキャンセルすることができ、その結果、演算処理部５での信号処理を簡単にすることができ、且つ正確に回転数を求めることが可能である。

以上のように、第１の加速度センサ１は、上記のような合成加速度Ａ１に対応する第１の電圧信号Ｖ１を差動アンプ３の正相入力端子に出力し、また、第２の加速度センサ２は合成加速度Ａ２に対応する第２の電圧信号Ｖ２を差動アンプ３の逆相入力端子に出力する。これら第１の電圧信号Ｖ１及び第２の電圧信号Ｖ２は図３（ａ）のような変化を示し、また、差動アンプ３から出力される第３の電圧信号Ｖ３は図３（ｂ）のような変化を示すものである。演算処理部５は、差動アンプ３から入力された第３の電圧信号Ｖ３の電圧値が零（合成加速度Ａ１と合成加速度Ａ２との差が零）になる繰り返し周期Ｔを検出することによって回転数（１／Ｔ）を算出する。

次に、上記関係式（１）から地表に対する仰角φを求める方法について説明する。合成加速度Ａ１の最大値をＡ１_ｍａｘとすると、上記のようにＡ１_ｍａｘ＝ａ＋ｇ・ｃｏｓφになる。従って、仰角φは下記関係式（３）で表され、また、合成加速度Ａ１の最小値をＡ１_ｍｉｎとすると、遠心加速度ａは、下記関係式（４）式で表される。

上記関係式（４）を上記関係式（３）に代入すると、下記関係式（５）が得られる。

よって、演算処理部５は、第１の電圧信号Ｖ１の最大値（Ａ１_ｍａｘに対応する電圧値）と最小値（Ａ１_ｍｉｎに対応する電圧値）を検出し、上記関係式（５）に代入することによって地表に対する仰角φを算出する。

また、電波センサ４によって目標物までの距離Ｌが求まれば、上記のようにして得た仰角φから本回転飛翔体Ｍの飛行高度Ｈも下記関係式（６）から算出することができる。

演算処理部５は、上記のように第１の加速度センサ１から入力される第１の電圧信号Ｖ１から上記関係式（５）に基づいて仰角φを求めると、さらに電波センサ４から入力される距離データから上記関係式（６）に基づいて本回転飛翔体Ｍの飛行高度Ｈを算出する。
このような飛行高度Ｈは、本回転飛翔体Ｍが着地体制に入るための情報等として活用される。

なお、上記のような電圧信号Ｖ１、Ｖ３及び距離データは、演算処理部５において全てデジタル信号として処理されている。すなわち、電圧信号Ｖ１及びＶ３は演算処理部５に入力された時点でアナログ信号からデジタル信号に変換され、距離Ｌを表す距離データはデジタル信号として電波レーダ４から出力される。

また、上記関係式（１）、（２）からわかるように、地表に対する仰角φが９０°の場合は回転数を検出することはできない。このように、本回転飛翔体Ｍが地表に対して垂直に飛行している場合に回転数を検出しようとすると、本回転飛翔体Ｍは第１の加速度センサ１及び第２の加速度センサ２が重力加速度（正確にはｇ・ｃｏｓφ）を検知できる程度の大きさで歳差運動をしている必要がある。

以上のように、本回転飛翔体Ｍによれば、第１の加速度センサ１及び第２の加速度センサ２を用いることで当該回転飛翔体Ｍが回転することによって生じる遠心加速度と重力加速度との合成加速度Ａ１及びＡ２を検知し、それらに応じた第１の電気信号Ｖ１と第２の電気信号Ｖ２との差である第３の電気信号Ｖ３の変動周期に基づいて回転数を検出するので、従来のような外乱の影響を受けず、正確に回転数を検出することができる。

さらに、合成加速度Ａ１に応じた第１の電気信号Ｖ１から本回転飛翔体Ｍの地表に対する仰角φを求めることができるので、電波レーダ４によって目標物までの距離Ｌを計測することによって、当該距離Ｌと上記仰角φとから本回転飛翔体Ｍの飛行高度Ｈを求めることも可能である。

本発明の一実施形態に係わる回転飛翔体Ｍの構成ブロック図である。本実施形態における第１の加速度センサ１及び第２加速度センサ２の動作原理を示す図である。本実施形態における回転数検出方法の説明図である。

符号の説明

１…第１の加速度センサ、２…第２の加速度センサ、３…差動アンプ、４…電波レーダ、５…演算処理部、Ｍ…回転飛翔体、

Claims

目標物に向かって回転しつつ飛翔する回転飛翔体であって、
前記目標物までの距離を計測する距離計測手段と、
前記回転飛翔体の回転中心に対して対称となる位置に各々設置され、前記回転飛翔体が回転することによって生じる遠心加速度と重力加速度とを検知すると共に当該遠心加速度と重力加速度との合成加速度に応じた加速度検出信号を出力する２つの加速度検出手段と、
前記２つの加速度検出手段から各々出力される加速度検出信号の差の変動周期に基づいて前記回転飛翔体の回転数を検出すると共に、前記回転飛翔体の地表に対する仰角φ、前記重力加速度ｇ、一方の加速度検出信号の最大値（合成加速度の最大値Ａ１ _ｍａｘ）及び最小値（合成加速度の最小値Ａ１ _ｍｉｎ）に関する下記関係式（５）によって前記仰角φを算出し、当該仰角φ、前記目標物までの距離Ｌ、前記回転飛翔体の地表からの高さＨに関する下記関係式（６）によって前記回転飛翔体の地表からの高さＨを算出する演算手段と
を具備することを特徴とする回転飛翔体。