JP4930922B2

JP4930922B2 - 空間安定装置

Info

Publication number: JP4930922B2
Application number: JP2007271179A
Authority: JP
Inventors: 敏一関
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-10-18
Also published as: JP2009098056A

Description

本発明は、移動体に取り付けられ目的検出部の姿勢を安定させる空間安定装置に関し、特に、角速度検出手段の出力角速度（θ／ｔ）を積分することで変化角度（Δθ）を求め、角度検出手段の出力角度（θ）が１単位変化する間の角度を変化角度（Δθ）によって補間することで、高価な角度センサを使用しなくても出力角度の分解能を向上させることができ、制御精度を向上させつつ、コスト増大を小さく抑えることができる新規な改良に関するものである。

従来用いられていたこの種の空間安定装置としては、例えば下記の特許文献１等に示されている装置が挙げられ、図３に示すように構成されている。図３は、従来の空間安定装置を示す構成図である。図において、航空機や車両等の移動体（図示せず）に固定された固定部１には、この固定部１に対して回転自在なアウタジンバル２が取り付けられ、このアウタジンバル２には、該アウタジンバル２に対して回転自在なインナジンバル３が取り付けられ、これらアウタジンバル２及びインナジンバル３によってジンバル機構４が構成されている。前記インナジンバル３には、例えば可視カメラ、赤外線カメラ、及びレーダアンテナ等のペイロード５が取り付けられており、ペイロード５の視軸線６はジンバル機構４の動作によりジンバル２，３の回転軸周りに移動可能とされている。前記インナジンバル３にはジンバル２，３の回転軸周りの回転角速度を検出する角速度センサ７が取り付けられ、前記ジンバル機構４の軸部には、各ジンバル２，３間の相対的な回転角度を検出する角度センサ８、前記固定部１に対して前記アウタジンバル２を回転させるアウタトルカ９、及び前記アウタジンバル２に対して前記インナジンバル３を回転させるインナトルカ１０が取り付けられ、これらトルカ９，１０の動作は制御手段１１によって制御される。

次に、従来装置の動作について説明する。前記移動体の運動により外乱が生じた場合、その外乱による角速度が前記角速度センサ７によって検出され、この角速度センサ７の出力角速度（θ／ｔ）が制御手段１１に入力される。このとき、出力角速度（θ／ｔ）が打ち消されるように前記制御手段１１によってインナトルカ１０が駆動され、前記ペイロード５の視軸線６がインナジンバル３の回転軸周りについて慣性空間内で動くことなく空間安定される。一方で、インナジンバル３が駆動された際に各ジンバル２，３間の相対的な回転角度が前記角度センサ８によって検出され、この角度センサ８の出力角度（θ）が前記制御手段１１に入力されるとともに、出力角度（θ）が０となるように前記制御手段１１によってアウタトルカ９が駆動される。すなわち、前記出力角速度（θ／ｔ）を打ち消すインナループに内在するドリフトによって前記インナジンバル３が動いてしまっても、アウタジンバル２がインナジンバル３に追従して動き、両ジンバル２，３が各々勝手な方向に向いてしまうことが防がれている。この出力角度（θ）を０とするアウタループも間接的に空間安定させる動きがあり、結果的にペイロード５の空間安定精度を向上させる副次的機能もある。なお、この従来例では説明を簡単にするために、視軸線６を１つの回転軸周りに移動可能とする１軸のジンバル機構４を示しているが、アジマス及びエレベーションの２軸機構や、ヨウ、ピッチ、及びロールの３軸機構でも同様に適用できる。

特開２００４−３６１１２１号公報

上記のような従来の空間安定装置では、出力角度を使用する制御ループの精度を向上させるために分解能の高い角度センサを使用すると、コスト高になってしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高価な角度センサを使用しなくても出力角度の分解能を向上させることができ、制御精度を向上させつつ、コスト増大を小さく抑えることができる空間安定装置を提供することである。

本発明に係る空間安定装置は、固定部に対して回転自在な第１ジンバルと、前記第１ジンバルに対して回転自在な第２ジンバルとを含むジンバル機構に取り付けられたペイロードの姿勢を安定させる空間安定装置であって、前記ジンバル機構に支持され前記ジンバル機構の回転軸周りの回転角速度を検出する角速度検出手段と、前記ジンバル機構の軸部に取り付けられ、前記第１ジンバルと前記第２ジンバルとの間の相対的な回転角度を検出する角度検出手段と、前記ジンバル機構の軸部に取り付けられ、前記固定部に対して前記第１ジンバルを回転させる第１トルカと、前記ジンバル機構の軸部に取り付けられ、前記第１ジンバルに対して前記第２ジンバルを回転させる第２トルカと、前記角速度検出手段の出力角速度の変化が打ち消されるように前記第２トルカを駆動するとともに、前記角度センサの出力角度が０となるように前記第１トルカを駆動する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記角速度検出手段の出力角速度を積分することで変化角度を求め、前記角度検出手段の出力角度が１単位変化する間の角度を前記変化角度によって補間する構成である。
また、前記制御手段は、前記出力角度が１単位変化する毎に前記変化角度をリセットする構成である。

本発明の空間安定装置によれば、制御手段は、角速度検出手段の出力角速度を積分することで変化角度を求め、角度検出手段の出力角度が１単位変化する間の角度を変化角度によって補間するので、高価な角度センサを使用しなくても出力角度の分解能を向上させることができ、制御精度を向上させつつ、コスト増大を小さく抑えることができる。
また、前記制御手段は、前記出力角度が１単位変化する毎に前記変化角度をリセットするので、出力角速度の誤差の積分による蓄積を小さく抑えることができ、制御精度をより向上できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
本発明の実施の形態１による空間安定装置の全体としての構成は、従来の空間安定装置の構成と同様であるので、従来例と同一部分は同一の符号を付すとともにその説明を省略し、従来例とは異なる部分についてのみ説明する。図１は、本発明の実施の形態１による空間安定装置の制御手段１１のハードウェア構成を示すブロック図である。図において、制御手段１１は、第１及び第２入力回路１５，１６、ラッチ回路１７、割り込み発生回路１８、Ａ／Ｄ変換器１９、内部バス２０、ＭＰＵ２１、ＲＯＭ２２、及びＲＡＭ２３から構成されている。

前記第１入力回路１５には前記ジンバル機構４の軸部の回転角度を検出する前記角度センサ８が接続され、この角度センサ８の出力角度（θ）はラッチ回路１７及び割り込み発生回路１８に入力される。このラッチ回路１７は前記出力角度（θ）をラッチするとともに、前記割り込み発生回路１８は前記出力角度（θ）が１単位変化した際にリセット信号１８ａを出力する。具体的には、前記角度センサ８としては出力角度（θ）をデジタル信号として直接出力する絶対値エンコーダが使用され、出力角度（θ）が例えば１２ビット分解能で出力される場合は、出力角度（θ）が１ビット、すなわち約０．０８７８９°（＝３６０°／２^１２）変化する毎にリセット信号１８ａが出力される。なお、前記角度センサ８としては例えばレゾルバ等の他のセンサを用いることもでき、レゾルバを用いる場合には前記制御手段１１にレゾルバ／デジタル変換器がさらに設けられる。前記第２入力回路１６には前記ジンバル機構４の回転軸周りの回転角速度を検出する角速度センサ７が接続され、この角速度センサ７の出力角速度（θ／ｔ）は前記Ａ／Ｄ変換器１９でデジタル信号に変換される。この角速度センサ７としては、ジャイロ等が用いられる。

前記内部バス２０は、ラッチ回路１７、割り込み発生回路１８、Ａ／Ｄ変換器１９、ＭＰＵ２１、ＲＯＭ２２、及びＲＡＭ２３間を接続している。ＭＰＵ２１は、ＲＯＭ２２に格納されたプログラム、前記出力角度（θ）、及び前記出力角速度（θ／ｔ）に基づいて演算処理を行い、前記ジンバル機構４を駆動するアウタトルカ９及びインナトルカ１０の動作を制御する指令信号２１ａを出力する。ＲＡＭ２３は、前記ＭＰＵ２１の演算結果等の情報を一時記憶する。なお、この実施の形態では、角速度検出手段は角速度センサ７によって構成され、角度検出手段は角度センサ８によって構成され、駆動手段はアウタトルカ９及びインナトルカ１０によって構成されている。

次に、図２は、図１の制御手段１１のソフトウェア構成を示すブロック図である。図において、前記ＭＰＵ２１は、前記出力角速度（θ／ｔ）を積分することで前記出力角度（θ）が１単位変化する間の変化角度（Δθ）を求めるとともに、前記ラッチ回路１７にラッチされている前記出力角度（θ）に前記変化角度（Δθ）を加算することで補間角度（θ＋Δθ）を求め、この補間角度（θ＋Δθ）と前記出力角速度（θ／ｔ）とに基づいて前記指令信号２１ａを出力し前記トルカ９，１０の動作を制御する。すなわち、制御手段１１は、前記出力角度（θ）の１ビット（約０．０８７８９°）間の角度を前記変化角度（Δθ）によって補間することで、検出する角度の分解能を向上させる。従って、分解能が高い絶対値エンコーダや、複速にして分解能を向上させたレゾルバ等の高価な角度センサを不要とし、制御精度を向上させつつ、コスト増大を小さく抑えることができる。

また、前記割り込み発生回路１８は前記出力角度（θ）が１単位変化した際にリセット信号１８ａを出力し、前記ＭＰＵ２１はリセット信号１８ａを検出した際に求めた前記変化角度（Δθ）をリセットする。すなわち、制御手段１１は、前記出力角度（θ）が１単位変化する毎に前記変化角度（Δθ）をリセットすることで、前記出力角速度（θ／ｔ）の誤差の積分による蓄積を小さく抑える。従って、補間角度（θ＋Δθ）の精度を向上でき、制御精度をより向上できる。

なお、実施の形態の空間安定装置の構成は、従来の空間安定装置の構成と同様であると説明したが、本発明の適用対象は、従来装置の構造及び制御のみに限定されず、角度センサと角速度センサとが用いられており、出力角度が１単位変化する間の角度を補間することが有用な構造及び制御であればよい。また、複数の角度センサによって角度検出手段が構成され、複数の角速度センサによって角速度検出手段が構成されてもよい。

本発明の実施の形態１による空間安定装置の制御手段のハードウェア構成を示すブロック図である。図１の制御手段のソフトウェア構成を示すブロック図である。従来の空間安定装置を示す構成図である。

符号の説明

４ジンバル機構
５ペイロード
７角速度センサ（角速度検出手段）
８角度センサ（角度検出手段）
９，１０トルカ（駆動手段）
１１制御手段

Claims

固定部（１）に対して回転自在な第１ジンバル（２）と、前記第１ジンバル（２）に対して回転自在な第２ジンバル（３）とを含むジンバル機構（４）に取り付けられたペイロード（５）の姿勢を安定させる空間安定装置であって、
前記ジンバル機構（４）に支持され前記ジンバル機構（４）の回転軸周りの回転角速度を検出する角速度検出手段（７）と、
前記ジンバル機構（４）の軸部に取り付けられ、前記第１ジンバル（２）と前記第２ジンバル（３）との間の相対的な回転角度を検出する角度検出手段（８）と、
前記ジンバル機構（４）の軸部に取り付けられ、前記固定部（１）に対して前記第１ジンバル（２）を回転させる第１トルカ（９）と、
前記ジンバル機構（４）の軸部に取り付けられ、前記第１ジンバル（２）に対して前記第２ジンバル（３）を回転させる第２トルカ（１０）と、
前記角速度検出手段（７）の出力角速度（θ／ｔ）の変化が打ち消されるように前記第２トルカ（１０）を駆動するとともに、前記角度センサ（８）の出力角度（θ）が０となるように前記第１トルカ（９）を駆動する制御手段（１１）と
を備え、
前記制御手段（１１）は、前記角速度検出手段（７）の出力角速度（θ／ｔ）を積分することで変化角度（Δθ）を求め、前記角度検出手段（８）の出力角度（θ）が１単位変化する間の角度を前記変化角度（Δθ）によって補間することを特徴とする空間安定装置。
前記制御手段（１１）は、前記出力角度（θ）が１単位変化する毎に前記変化角度（Δθ）をリセットすることを特徴とする請求項１記載の空間安定装置。