JP5234358B2 - 基準回転角度誤差補正方法及び基準回転角度誤差補正装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転体の基準回転角度の誤差を補正するための基準回転角度誤差補正方法及び基準回転角度誤差補正装置に関し、特に、衛星通信用アンテナの基準回転角度を補正するための基準回転角度誤差補正方法及び基準回転角度誤差補正装置に関する。

衛星通信用アンテナを搭載する移動体システムにおいてアンテナの方位角度検出方法には地磁気コンパス、ＧＰＳコンパス、角度検出器、リミットスイッチが、仰角の検出方法には重力を利用した傾斜計、角度検出器、リミットスイッチ等がある。基準姿勢におけるアンテナの方位角度、仰角の値は設計値または実測値により確定しているためこの値をアンテナ展開前の基準角度として設定し、モータが回転した角度量を角度増加分としてモニタするだけでアンテナ角度を管理することが可能である。

特開平２−２８１１７２号公報

しかし車両に搭載したアンテナは駆動軸を固定していても移動中の振動、風圧により微少回転し基準角度にしている角度から誤差を生じる場合がある。この傾向は走行距離が伸びるほど、また走行路面が悪化するほど顕著に表れる。衛星捕捉のためにはアンテナの方位角度、仰角を０．１度単位の精度で衛星方向に制御することが必要であるが、仰角の誤差があるとアンテナが衛星角度を目標に回転しても実際の衛星方向に向かず電波を受信出来ない問題が発生する。この場合周辺の角度領域を二次元サーチするため大きなタイムロスとなり、通信回線の確保が遅れシステムの即時性が損なわれる。車両にアンテナを搭載した車載局等、移動して運用することを前提とした衛星通信地球局において運用開始までの時間短縮は速報性を重視するニュース、災害情報を伝達する目的上重要な要素となる。

車両に搭載されたアンテナなど車上において角度制御を行う構造物の角度検出には、角度検出器を設置して絶対回転角度を検出する方法の他に、基準角度から回転角度量を加算して角度情報を管理する方法がある。前者の方法は角度検出器を準備する必要があるが、後者の構成では物体が決まった基準角度、位置に達した場合に動作するスイッチの出力を検出して初期角度、初期位置を設定し、その後の回転量をモータから出力される回転パルスをソフトウェアで処理して演算、加算すれば安価に角度管理システムが構築できる。しかし構造物を搭載する車両が走行すると、振動、風圧等で構造物に力が加わり予期せぬ角度変化が発生するという問題があった。

これを解決するために、角度センサなどを利用して、初期角度を補正することが考えられるが、角度センサなどを利用するとコストが上がる。

そこで、本発明は、安価に回転体の基準回転角度を補正することを可能とする基準回転角度誤差補正方法及び基準回転角度誤差補正装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、回転体の回転に応じて、カムの傾斜部においてオンとオフとが切り替わるスイッチを用いて、前記回転体の角度を補正するための角度誤差補正方法において、前記回転体を、前記スイッチのオンとオフとが切り替わるまで、一方の方向に回転させる第１ステップと、前記回転体を、前記スイッチのオンとオフとが逆に切り替わるまで、他方の方向に回転させる第２ステップと、を備え、前記第２ステップが終了した時点での前記回転体の回転角度を基準回転角度とすることを特徴とする基準回転角度誤差補正方法が提供される。

また、本発明によれば、回転体の回転に応じて、カムの傾斜部においてオンとオフとが切り替わるスイッチを用いて、前記回転体の角度を補正するための角度誤差補正装置において、前記回転体を、前記スイッチのオンとオフとが切り替わるまで、一方の方向に回転させる第１手段と、前記回転体を、前記スイッチのオンとオフとが逆に切り替わるまで、他方の方向に回転させる第２手段と、を備え、前記第２手段の動作が終了した時点での前記回転体の回転角度を基準回転角度とすることを特徴とする基準回転角度誤差補正装置が提供される。

本発明によれば、角度センサなどの高価な装置を用いなくても、回転体の基準回転角度を補正することができる。

本発明の実施形態による衛星通信用アンテナ及びこの回転角度を制御する装置などを示す概念図である。 本発明の実施形態による衛星通信用アンテナの仰角の基準を制御するために利用される機構を示す図である。 本発明の実施形態による基準回転角度誤差補正方法を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

誤差を補正して簡素な構成で精度の高い角度検出を可能にする。

本発明の方法では物体が決まった位置に来た時に動作するスイッチを利用し、スイッチを押す構造物が基準位置から誤差を生じている場合に一度スイッチを開放状態にして再度、動作点を探り基準角度を再設定する。

図１に車両等の移動体に搭載される通信用衛星の捕捉システムの全体構成を示す。

衛星通信用アンテナ１は、方位角度と仰角の駆動軸を有し各軸を回転することで任意の方向に衛星用アンテナ１を指向できる。方位角度、仰角は衛星用アンテナ１のビーム方向を示し仰角はビームが水平方向に向いている高さを基準のゼロとする。車両移動時には衛星用アンテナ１の仰角を下げ格納状態にする。移動してアンテナ使用場所に到着後車両を停車、固定した後に衛星用アンテナ１を衛星方向に向けて電波を受信する。回転時には衛星用アンテナ１の指向方向を方位角度と仰角の駆動軸を回転して調整する。

送受信機２は衛星から受信されたＲＦ信号を処理し、受信レベル信号をアンテナ制御装置１０に出力する。アンテナ制御装置１０は受信レベルが増加したことで、衛星用アンテナ１が衛星の方向に向いたと判断する。モータ４はアンテナ制御装置１０からの速度指令によりアンテナの方位角度、仰角を回転する。減速機３はモータ４からのアンテナ駆動軸への回転指令を減速する。減速機３とモータ４は方位角度と仰角用にそれぞれ準備する。

ＧＰＳ用アンテナ５はＧＰＳ衛星からの電波を受信して信号をＧＰＳコンパス演算ユニット６に入力する。ＧＰＳコンパス演算ユニット６は複数のＧＰＳ用アンテナ５の受信信号の位相差を処理して真北を基準とした方位角度を演算し、緯度経度情報と共にシリアル通信を通じてアンテナ制御装置１０に伝送する。

ロールセンサ７、ピッチセンサ８は１軸の傾斜センサであり、車両が傾いた路面に停止した場合に地平座標に対する衛星通信用アンテナ１の設置座標の傾斜角度を計測しアンテナ制御装置１０に出力する。２つのセンサの検出軸は直交し車両の前後方向の傾きをピッチセンサ８が、車両の左右方向の傾きをロールセンサ７が検出する。各センサは検出軸と直交する非検出軸が０度の場合の出力に対し、非検出軸を傾斜させた場合の出力の変化は小さいものとする。

検出した傾斜角度は、衛星通信用アンテナ１の方位回転面を基準とするアンテナ固定座標系と、衛星の方位角度、仰角の算出基準となる地平座標系との間の座標回転角度となる。衛星用アンテナ１が格納状態から衛星方向へ指向するまで要する回転量に影響を与える。

磁気方位センサ９は、ＧＰＳコンパス演算ユニット６が方位角度を算出するのに必要なＧＰＳ衛星数を受信できない場合に、バックアップとして検出した方位角度をアンテナ制御装置１０に出力する。

アンテナ制御装置１０は、車両が停止した場所の緯度経度と衛星軌道から地平座標を基準とする衛星角度を算出し衛星通信用アンテナ１を衛星角度に回転駆動する。アンテナ回転中はロールセンサ７、ピッチセンサ８の傾斜角度を利用してアンテナ固定座標上で回転する衛星通信用アンテナ１の指向角度を地平座標における角度に変換を行う。車両移動後に停車して電源投入すると、ＧＰＳコンパス演算ユニット６と通信し衛星通信用アンテナ１の緯度経度とアンテナ格納時のアンテナ指向方位角度を取得する。アンテナ制御装置１０には格納状態の仰角値が記憶され衛星捕捉のために衛星通信用アンテナ１の仰角を上昇させる前の基準角度とされる。格納状態から回転した角度量はモータの回転パルスから正確に読み取ることが出来る。

図２は図１内の衛星通信用アンテナ１の仰角回転軸周辺の機構部を拡大したもので衛星通信用アンテナ１を格納するために仰角を下げた場合カム１３がスイッチ１１のレバー１２を押し込む過程を示す。スイッチ１１はレバー１２が決められた角度まで押されると閉じ、それ以上レバー１２を押しても状態は変化しない。スイッチ１１は衛星通信用アンテナ１の仰角が車両走行に適した格納状態に畳まれると押され、閉接点信号をアンテナ制御装置１０に出力する。アンテナ制御装置１０は衛星通信用アンテナ１を格納する途中で仰角を下げる方向に回転しスイッチ１１が動作した時点で回転を停止する。衛星受信するために衛星通信用アンテナ１の仰角を上げると衛星通信用アンテナ１がスイッチ１１から離れるためスイッチ１１は開放されアンテナ制御装置１０に開放接点信号を出力する。

図１を参照して本実施例の動作について詳細に説明する。

衛星捕捉の手順を説明する。衛星捕捉を行う場所に車両を停止した後、アンテナ制御装置１０はＧＰＳコンパス演算ユニット６より取得した緯度経度の情報と、受信衛星の経度を使用して、衛星通信用アンテナ１を向ける目標角度となる衛星方位角と衛星仰角を演算する。この時点で衛星通信用アンテナ１は格納状態で仰角はマイナス角度領域にあり、スイッチ１１が衛星通信用アンテナ１に押されて動作している。車両走行中の振動、風圧により衛星通信用アンテナ１の仰角が格納角度よりも下がり誤差が生じる。格納中の衛星通信用アンテナ１の方位角度はＧＰＳコンパス演算ユニット６および磁気方位センサ９より絶対方位角度を取得して回転する前の基準方位角度を得る。格納状態の仰角は基準仰角としてアンテナ制御装置１０が記憶している。アンテナ制御装置１０は格納状態を基準角度として衛星通信用アンテナ１を衛星方向に向けるため方位軸、仰角軸を回転する。アンテナ制御装置１０は各駆動軸の回転角度量をモータの回転パルスから常時把握し、格納状態での方位角度と仰角に加算してアンテナ固定座標上におけるアンテナ指向角度を算出する。次にロールセンサ７、ピッチセンサ８の検出角度を使ってアンテナ固定座標上におけるアンテナ指向角度を地平座標上の指向角度に変換し目的とする衛星角度と比較して角度誤差を算出する。角度誤差が小さくなる方向に方位軸、仰角軸を回転する。

衛星通信用アンテナ１をスイッチ１１が動作した角度で仰角を固定し、衛星を捕捉する場所まで車両を移動すると衛星通信用アンテナ１の仰角は車両振動、対向風圧によりスイッチ１１が動作した仰角より下がっている。仰角が車両走行前後で変化してもスイッチ１１が押されている状態に変化が無いためアンテナ制御装置１０は感知できず、記憶している基準仰角を読み出して回転前の衛星通信用アンテナ１の仰角値とする。この状態から衛星捕捉のために仰角を上昇するとモータの回転角度量は正確に検出するが、基準仰角に誤差があるため目標角度に駆動しても実際に衛星通信用アンテナ１が指向している仰角は車両振動により沈降した角度分だけ仰角が不足し衛星を捕捉できない。この仰角の誤差を修正する方法について図３を参照して説明する。図３の処理はアンテナ制御装置１０で行われる。仰角がスイッチ１１の動作点からずれている状態で衛星捕捉指令をアンテナ制御装置１０に与えると（ステップＡ１）アンテナ制御装置１０は衛星通信用アンテナ１の仰角を低速で上昇させる（ステップＡ２）。アンテナ制御装置１０は仰角上昇中にスイッチ１１が動作状態から開放されるまでスイッチ１１の接点信号をモニタする（ステップＡ３）。スイッチ１１が開放されたら仰角を低速で下げ（ステップＡ４）スイッチ１１が動作する瞬間を捉え（ステップＡ５）記憶している基準仰角値を読み出し、これを、現在の衛星通信用アンテナ１の仰角を表す変数に設定し（ステップ６）、同時に仰角を回転するモータの回転角度をゼロクリアする（ステップ７）。この状態を基準にして衛星角度に向けて仰角、方位角のモータを回転し衛星通信用アンテナ１の角度を衛星角度に一致させる（ステップ８）。ステップ７が実行された時点で仰角は機構的に基準仰角に一致し、同時にアンテナ制御装置１０に基準仰角値が設定されるため仰角の誤差の影響は無くなる。

なお、上記の実施形態では、レバー１２がカム１３に所定量以上押された状態で閉じ、レバー１２がカム１３に押された量が所定量未満である状態で開放するスイッチ１１を利用することとした。しかし、この代わりに、レバー１２がカム１３に所定量以上押された状態で開放し、レバー１２がカム１３に押された量が所定量未満である状態で閉じるスイッチ１１を利用してもよい。この場合には、ステップＡ３は「スイッチ動作？」となり、ステップＡ５は「スイッチ開放？」となる。

また、シャフト１２の代わりに距離センサを用いても良い。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。

車上に固定されたアンテナ座標系内においてアンテナが基準の方位に回転していることをスイッチにより検出する。車両を停車した状態でアンテナの方位角度をアンテナ座標系内で回転し、アンテナ指向方位が車両前方方向と一致した場合に動作するスイッチを設置する。この場合にも、図２に示すようなスイッチ１１、レバー１３、カムを利用し、図３を参照して説明したような制御を行う。アンテナ展開前はスイッチが動作した点を基準とし方位角用モータを回転してアンテナの方位角度を変化させ回転量を把握すればアンテナ座標系内でのアンテナの方位角度を管理できる。車両前方方向の絶対方位を検出可能な地磁気センサを車両に設置する。地磁気センサの出力方位にアンテナ座標系内でのアンテナ方位角度を加算し、アンテナの指向している絶対方位を検出することが可能となる。

本実施形態の第１の効果は、長期にわたり高精度の角度検出が可能なことである。

その理由は、耐環境性に優れたスイッチは動作点にバラツキがあるが経年変化が少ないため、初期設定で一度個体差を補正すれば長期間にわたり高精度の位置検出が可能であることである。

本実施形態の第２の効果は、アプリケーション上十分な精度の角度管理が単純なシステム構成、安価に実現できることである。

その理由は、スイッチが角度検出器と比較し安価に入手可能でありスイッチの出力信号線は角度検出器の出力信号線の数より少なくノイズの影響を受けにくく配線コストが下がることである。

本発明は、衛星通信用アンテナに限らず、一般の回転体の回転角度の誤差を補正するために利用することができる。

１ 衛星通信用アンテナ
２ 送受信機
３ 減速機
４ モータ
５ ＧＰＳ用アンテナ
６ ＧＰＳコンパス演算ユニット
７ ロールセンサ
８ ピッチセンサ
９ 磁気方位センサ
１０ アンテナ制御装置

Claims (10)

1. 回転体の回転に応じて、カムの傾斜部においてオンとオフとが切り替わるスイッチを用いて、前記回転体の角度を補正するための基準回転角度誤差補正方法において、
   前記回転体を、前記スイッチのオンとオフとが切り替わるまで、一方の方向に回転させる第１ステップと、
   前記回転体を、前記スイッチのオンとオフとが逆に切り替わるまで、他方の方向に回転させる第２ステップと、
   を備え、前記第２ステップが終了した時点での前記回転体の回転角度を基準回転角度とすることを特徴とする基準回転角度誤差補正方法。
2. 請求項１に記載の基準回転角度誤差補正方法において、
   前記回転体は、アンテナであることを特徴とする基準回転角度誤差補正方法。
3. 請求項２に記載の基準回転角度誤差補正方法において、
   前記回転角度は、前記アンテナの仰角であることを特徴とする基準回転角度誤差補正方法。
4. 請求項３に記載の基準回転角度誤差補正方法において、
   前記一方の方向は、前記仰角が減少する方向であることを特徴とする基準回転角度誤差補正方法。
5. 請求項２に記載の基準回転角度誤差補正方法において、
   前記回転角度は、前記アンテナの方位角度であることを特徴とする基準回転角度誤差補正方法。
6. 回転体の回転に応じて、カムの傾斜部においてオンとオフとが切り替わるスイッチを用いて、前記回転体の角度を補正するための基準回転角度誤差補正装置において、
   前記回転体を、前記スイッチのオンとオフとが切り替わるまで、一方の方向に回転させる第１手段と、
   前記回転体を、前記スイッチのオンとオフとが逆に切り替わるまで、他方の方向に回転させる第２手段と、
   を備え、前記第２手段の動作が終了した時点での前記回転体の回転角度を基準回転角度とすることを特徴とする基準回転角度誤差補正装置。
7. 請求項６に記載の基準回転角度誤差補正装置において、
   前記回転体は、アンテナであることを特徴とする基準回転角度誤差補正装置。
8. 請求項７に記載の基準回転角度誤差補正装置において、
   前記回転角度は、前記アンテナの仰角であることを特徴とする基準回転角度誤差補正装置。
9. 請求項８に記載の基準回転角度誤差補正装置において、
   前記一方の方向は、前記仰角が減少する方向であることを特徴とする基準回転角度誤差補正装置。
10. 請求項７に記載の基準回転角度誤差補正装置において、
    前記回転角度は、前記アンテナの方位角度であることを特徴とする基準回転角度誤差補正装置。

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