JP5693976B2 - 位置決め装置及び位置決め方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、目標追跡装置などに用いられる位置決め装置及び位置決め方法に関する。

目標追跡装置では、目標物を追跡する範囲を広くすること、より速い速度で移動する目標物に対しても追跡できること、遠方にある目標物や小さな目標物等に対しても高い精度で追跡できること等が求められる。そのため、粗動機構と微動機構とを組み合せて装置を構成する場合が多く、一般的には、粗動機構の可動部上に微動機構の固定部が取り付けられる。

粗動機構は、微動機構に比べて動作範囲を広くとる等の理由によって、大型で可動部の質量やイナーシャを大きくする必要があり、応答周波数を低くせざるをえない。したがって、粗動機構の目標物の移動に対する追跡性能は、微動機構の目標物の移動に対する追跡性能に比べて低いものとなる。従来は、微動機構が、目標物の移動に対する追跡性能があまりよくない粗動機構の可動部上に取付けられていても、目標物の移動速度があまり速くなく、また、目標物の移動に対する追跡誤差がある程度大きくても許容されていたため、微動機構の追跡性能によって、移動する目標物を追跡することができた。

また、目標追跡装置では、目標物を追跡するために、例えば、上記粗動機構上に目標物を撮像するための撮像装置を取付け、撮像装置で撮像した画像から画像処理によって目標物の方向を算出し、その方向に上記粗動機構及び微動機構を指向させるように制御することが行われる。

一方、高速・高精度な位置決め性能や目標への追従性能を実現するために、次のような公知文献が挙げられる。特許文献１では、機構系の共振等がある装置に対してモデルを内蔵型の適応制御系を構成して応答特性を改善する制御手法が提案されている。特許文献２では、慣性センサの信号をフィードバック制御し、動揺等の外乱に対する空間安定機能の高精度化と広帯域化が図られている。特許文献３では、角加速度センサの信号をフィードバック制御することによって、動揺等の外乱に対する空間安定精度の向上が図られている。また特許文献４では、機械的なジンバルによる空間安定機構を電子的な追跡ループに置き換える際の追跡誤差をゼロにするように処理エリアの読出しアドレスを制御する飛しょう体の制御装置を開示している。

特開２００５−２６７２９６号公報 特開２００４−１４５４２２号公報 特許３２０３８５５号公報 特許２７０７８７２号公報

しかしながら、より高速で移動する目標物に対して追跡動作を行ったり、回転運動する目標物に対して追跡動作を行ったり、より高い精度で追跡動作を行う場合には、粗動機構と微動機構を合せた追跡性能では、目標への追跡誤差を十分に低減させることは困難であった。

さらに、撮像装置で撮像した画像に基づいて目標物の方向を算出する画像処理を用いて追跡機構を制御する場合には、画像処理に要する多大な演算時間による遅れ時間が加わるため、目標物が高速に移動する場合や、より高い精度で追跡動作を行う場合には、画像処理を行っている間に、追跡装置の指向方向と、追跡装置から見た実際の目標物の方向との間にずれが発生する。最悪の場合には、このずれのために追跡動作を継続することができなくなるという問題がある。

本実施形態の目的は、高速で移動する目標物に対して高精度に追跡することが可能な位置決め装置及び位置決め方法を提供することにある。

本実施形態に係る位置決め装置は、粗動機構と、前記粗動機構より単位変位量が小さい微動機構と、前記粗動機構又は前記微動機構上に取付けられ目標物を撮像して撮像画像データを出力する撮像器と、前記粗動機構、前記微動機構、及び前記撮像器を備える粗動微動機構部と、前記撮像画像データに基づいて前記目標物の方向と前記撮像器の指向方向との差異を表す誤差信号を算出する画像処理部と、前記誤差信号及び前記粗動機構の位置、角度、速度及び角速度のうち少なくとも１つに関するセンサ信号に基づく粗動機構制御信号により前記粗動機構を制御する粗動機構制御部と、前記誤差信号及び前記微動機構の位置、角度、速度及び角速度のうち少なくとも１つに関するセンサ信号に基づく微動機構制御信号により前記微動機構を制御する微動機構制御部と、前記粗動微動機構部の前記目標物に対する追跡誤差を低減させるために前記微動機構制御信号へ加算する補正信号を生成する補正信号生成部とを具備し、前記補正信号生成部は、前記粗動機構及び前記微動機構に関するパラメータを記憶する記憶部を有し、前記粗動機構の駆動力又は駆動トルクと、前記粗動機構のセンサ信号と、前記記憶部に記憶される前記パラメータとから、前記粗動機構の動作により発生する前記撮像器の撮像画面内の水平方向及び垂直方向の加速度を運動方程式に基づいて算出し、前記加速度に応じて前記補正信号を生成することを特徴とする。

本実施形態に係る位置決め方法は、粗動機構と、前記粗動機構より単位変位量が小さい微動機構と、前記粗動機構又は前記微動機構上に取付けられ目標物を撮像して撮像画像データを出力する撮像器とを備える粗動微動機構部を具備する位置決め装置に用いられる方法であって、前記撮像画像データに基づいて前記目標物の方向と前記撮像器の指向方向との差異を表す誤差信号を算出することと、前記誤差信号及び前記粗動機構の位置、角度、速度及び角速度のうち少なくとも１つに関するセンサ信号に基づく粗動機構制御信号により前記粗動機構を制御することと、前記誤差信号及び前記微動機構の位置、角度、速度及び角速度のうち少なくとも１つに関するセンサ信号に基づく微動機構制御信号により前記微動機構を制御することと、前記粗動微動機構部の前記目標物に対する追跡誤差を低減させるために前記微動機構制御信号へ加算する補正信号を生成することとを具備し、前記生成することは、前記粗動機構及び前記微動機構に関するパラメータを記憶する記憶部に記憶される前記パラメータと、前記粗動機構の駆動力又は駆動トルクと、前記粗動機構のセンサ信号とから、前記粗動機構の動作により発生する前記撮像器の撮像画面内の水平方向及び垂直方向の加速度を運動方程式に基づいて算出し、前記加速度に応じて前記補正信号を生成することを特徴とする。

本実施形態に係る位置決め装置を示す全体構成図。 制御駆動部の機能ブロック図。 追跡補正信号生成部の処理手順を示すフローチャート。 第２の実施形態に係る位置決め装置における補正動作を撮像器画面を用いて説明する図。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る位置決め装置及び位置決め方法を説明する。

（第１の実施形態）
図１に、第１の実施形態に係る位置決め装置の全体構成図を示す。図２に、制御駆動部の機能ブロック図を示す。

粗動微動機構部５は、粗動機構１、微動機構２、及び撮像器３を備える。粗動機構１は、広範な動作範囲内で高速に対象物の位置・方向に指向させる機構で、微動機構２は、粗動機構１に比べると単位変位量が小さく、狭い動作範囲内で精密な位置・方向を合わせる機構である。撮像器３は、粗動機構１又は微動機構２の可動側に取付けられ、粗動機構１又は微動機構２を動作させることによって目標物を含む画像を撮像し、撮像画像データを出力する。なお、以下では、撮像器３は粗動機構１の可動側に取付けられている場合について説明する。

制御駆動部５０は、粗動機構制御駆動部１０、微動機構制御駆動部２０、追跡補正信号生成部３０、及び画像処理部４０を備える。

画像処理部４０は、撮像器３で撮像された撮像画像データを画像処理して算出した目標物の方向と撮像器３の指向方向との差異から目標物に対する追跡誤差信号を算出し、出力する。

粗動機構制御駆動部１０は、画像処理部４０からの追跡誤差信号と、粗動機構１の位置・角度・速度・角速度等に関するセンサ信号とに基づく粗動機構制御信号により粗動機構１を制御し駆動する。粗動機構制御駆動部１０は、図２に示すように、粗動機構制御系１１と粗動機構駆動系１２を備える。粗動機構駆動系１２は、粗動機構１を駆動する粗動機構アクチュエータの駆動電流を検出する粗動機構アクチュエータ電流センサ１３を備える。

微動機構制御駆動部２０は、画像処理部４０からの追跡誤差信号と、微動機構２の位置・角度・速度・角速度等に関するセンサ信号とに基づく微動機構制御信号により微動機構２を制御し駆動する。

追跡補正信号生成部３０は、微動機構動作補正信号演算部３１と機構パラメータ記憶部３２とを備える。機構パラメータ記憶部３２には、例えば、粗動機構１及び微動機構２のそれぞれについての、可動部の質量、慣性モーメント、重心位置、駆動軸の種類（並進、回転）と個数、駆動軸の取付位置と向き、並びに粗動機構可動部に対する微動機構の取付位置と向きが記憶される。

微動機構動作補正信号演算部３１は、粗動機構制御駆動部１０内の粗動機構制御系１１に入力される粗動機構センサ信号と、粗動機構アクチュエータ電流センサ１３で検出した粗動機構１を駆動する粗動機構アクチュエータ電流センサ信号とから粗動機構１を駆動する力又はトルクを算出する。微動機構動作補正信号演算部３１は、上記駆動力又は駆動トルクと、粗動機構１からの粗動機構センサ信号と、機構パラメータ記憶部３２に記憶されている粗動機構パラメータ及び微動機構パラメータとから、機構の運動方程式に基づいて、粗動機構１を動作させることによって発生する撮像器取付け部の撮像器の加速度又は角加速度を算出する。微動機構動作補正信号演算部３１は、粗動微動機構部５の目標物に対する追跡誤差を低減させるための微動機構追跡補正信号を前記加速度又は角加速度に応じて生成し、微動機構制御駆動部２０内の微動機構制御系２１からの出力である微動機構制御信号に加算する。

次に、上記構成による位置決め装置の動作について説明する。

図３は、追跡補正信号生成部３０の処理手順を示すフローチャートである。

追跡補正信号生成部３０は、起動時に、予め粗動機構１及び微動機構２のパラメータ値を機構パラメータ記憶部３２から読み出しておく（ステップＳ１）。

微動機構２の各制御タイムステップにおいて、以下の処理を繰り返し行う。

まず、微動機構動作補正信号演算部３１は、粗動機構駆動系１２からの粗動機構アクチュエータ電流センサ信号と粗動機構制御系１１からの粗動機構センサ信号とを取り込む（ステップＳ２）。

次に、微動機構動作補正信号演算部３１は、粗動機構アクチュエータ電流センサ信号から粗動機構１のアクチュエータの駆動力又は駆動トルクを算出し、さらに粗動機構センサ信号も用いて機構の運動方程式に基づいて粗動機構１を動かすことに起因する粗動機構１の駆動軸の加速度又は角加速度を算出する。そして、微動機構動作補正信号演算部３１は、粗動機構１における駆動軸の配置と駆動軸の変位又は角度と撮像器３の撮像画面の取付け方向とから求められるヤコブ行列を用いて、前記粗動機構１の駆動軸の加速度又は角加速度を撮像器３における撮像画面の面内方向加速度に変換し、微動機構２の追跡誤差を低減させるための微動機構追跡補正信号を生成する（ステップＳ３）。以下に、粗動機構１の駆動軸がＡＺ軸−ＥＬ軸型の回転２軸の場合を例として関係式を示す。

まず、粗動機構の運動方程式を次式に示す。

粗動機構１のアクチュエータの駆動トルクは、粗動機構アクチュエータ電流の関数として表されるので、粗動機構アクチュエータ電流を電流センサによって計測することによって、粗動機構のアクチュエータの駆動トルクを算出することができる。例えば、粗動機構のｉ番目の駆動軸のアクチュエータがモータの場合、駆動トルクは次式で表される。

次に、粗動機構の駆動軸の角加速度を撮像器３における撮像画面の面内方向加速度に変換する式を示す。

次に、撮像画面の面内方向加速度から、微動機構２の追跡誤差を低減させるための微動機構追跡補正信号を生成する。以下に、微動機構２の第１の駆動軸の動作方向が撮像器３の撮像画面水平方向（Ｘ方向）で、第２の駆動軸の動作方向が撮像器３の撮像画面垂直方向（Ｙ方向）の場合の微動機構追跡補正信号の算出式の一例を示す。

微動機構動作補正信号演算部３１は、上記ステップＳ３で算出された微動機構追跡補正信号を微動機構制御信号に加算する（ステップＳ４）。このように、微動機構追跡補正信号が加算された微動機構制御信号により微動機構２を駆動させることによって、高速で移動する目標物に対する粗動微動機構部５の追跡性能を向上させる。微動機構動作補正信号演算部３１は、粗動微動機構部５の動作終了まで、各制御タイムステップ毎に上記ステップＳ１〜ステップＳ４の処理を繰り返し行う（ステップＳ５）。

以上述べたように、上記第１実施形態では、粗動機構のアクチュエータ電流信号及び粗動機構のセンサ信号と、粗動機構及び微動機構に関するパラメータとから、粗動機構１の動作により発生する撮像器３の撮像画面の面内方向加速度を算出し、粗動微動機構部５の目標物に対する追跡誤差を低減させるための微動機構追跡補正信号を加速度に応じて生成して微動制御信号に加算するようにしている。

したがって、上記第１実施形態によれば、粗動機構１の動作によって生じる加速度や角加速度情報を用いることによって、目標の移動方向を推測することができ、高速で移動する目標物に対して高精度に追跡することが可能な位置決め装置を実現することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、撮像画面の面内方向加速度から、微動機構２の追跡誤差を低減させるための微動機構追跡補正信号を生成する場合に、撮像画面の水平方向成分と垂直方向成分とを独立に算出する代わりに、上記追跡誤差信号も用いた下記式に基づいて微動機構制御信号に加算する補正信号を生成する。図４は、第２の実施形態に係る位置決め装置における補正動作を撮像器画面を用いて示したものである。第２の実施形態における微動機構追跡補正信号の算出式の一例を示す。

ここで、δＸ及びδＹは、撮像器３の撮像画面水平方向（以下、Ｘ方向とする）及び撮像画面垂直方向（以下、Ｙ方向とする）についての微動機構の指向方向の補正量である。αx及びαyは、撮像器３の撮像画面内のＸ方向及びＹ方向の加速度であり、上記第１の実施形態と同様に計算される。Kcx及びKcyは、Ｘ方向及びＹ方向の画像追跡制御ゲインである。ΔX及びΔYは、目標物に対する追跡誤差（撮像画面条での目標物の方向と撮像器の指向方向（追跡原点）との差異）のＸ方向及びＹ方向の成分、Krx，Ktx，Kry，及びKtyは、補正ゲインを表す。なお、上記式中のθは、図４に示す角度である。

以上述べたように、上記第２実施形態では、撮像画面の面内方向加速度から微動機構追跡補正信号を生成する場合に、撮像画面の水平方向成分と垂直方向成分とを極座標系に置き換えて算出するようにしている。このようにすることで、例えば、回転運動する目標物を追跡する場合等において、角度方向又は半径方向に生じる目標への追跡誤差を十分に低減させることができる。

したがって上記第１及び第２実施形態によれば、高速で移動する目標物や回転運動する目標物に対して高精度に追跡可能な位置決め装置を提供することができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

５…粗動微動機構部、１…粗動機構、２…微動機構、３…撮像器、５０…制御駆動部、１０…粗動機構制御駆動部、２０…微動機構制御駆動部、３０…追跡補正信号生成部、４０…画像処理部、１１…粗動機構制御系、１２…粗動機構駆動系、１３…粗動機構アクチュエータ電流センサ、２１…微動機構制御系、２２…微動機構駆動系、３１…微動機構動作補正信号演算部、３２…機構パラメータ記憶部。

Claims (6)

1. 粗動機構と、
   前記粗動機構より単位変位量が小さい微動機構と、
   前記粗動機構又は前記微動機構上に取付けられ目標物を撮像して撮像画像データを出力する撮像器と、
   前記粗動機構、前記微動機構、及び前記撮像器を備える粗動微動機構部と、
   前記撮像画像データに基づいて前記目標物の方向と前記撮像器の指向方向との差異を表す誤差信号を算出する画像処理部と、
   前記誤差信号及び前記粗動機構の位置、角度、速度及び角速度のうち少なくとも１つに関するセンサ信号に基づく粗動機構制御信号により前記粗動機構を制御する粗動機構制御部と、
   前記誤差信号及び前記微動機構の位置、角度、速度及び角速度のうち少なくとも１つに関するセンサ信号に基づく微動機構制御信号により前記微動機構を制御する微動機構制御部と、
   前記粗動微動機構部の前記目標物に対する追跡誤差を低減させるために前記微動機構制御信号へ加算する補正信号を生成する補正信号生成部とを具備し、
   前記補正信号生成部は、
   前記粗動機構及び前記微動機構に関するパラメータを記憶する記憶部を有し、
   前記粗動機構の駆動力又は駆動トルクと、前記粗動機構のセンサ信号と、前記記憶部に記憶される前記パラメータとから、前記粗動機構の動作により発生する前記撮像器の撮像画面内の水平方向及び垂直方向の加速度を運動方程式に基づいて算出し、
   前記加速度に応じて前記補正信号を生成することを特徴とする位置決め装置。
2. 前記補正信号生成部は、前記誤差信号及び前記加速度の水平方向成分と垂直方向成分とを極座標系に置き換えて前記補正信号を生成することを特徴とする請求項１記載の位置決め装置。
3. 前記粗動機構を駆動するアクチュエータの駆動電流を検出する電流センサをさらに具備し、
   前記補正信号生成部は、前記電流センサによって検出した前記粗動機構のアクチュエータ電流信号と前記粗動機構のセンサ信号とをもとに前記粗動機構の駆動力又は駆動トルクを算出することを特徴とする請求項１又は２記載の位置決め装置。
4. 粗動機構と、前記粗動機構より単位変位量が小さい微動機構と、前記粗動機構又は前記微動機構上に取付けられ目標物を撮像して撮像画像データを出力する撮像器とを備える粗動微動機構部を具備する位置決め装置に用いられる方法であって、
   前記撮像画像データに基づいて前記目標物の方向と前記撮像器の指向方向との差異を表す誤差信号を算出することと、
   前記誤差信号及び前記粗動機構の位置、角度、速度及び角速度のうち少なくとも１つに関するセンサ信号に基づく粗動機構制御信号により前記粗動機構を制御することと、
   前記誤差信号及び前記微動機構の位置、角度、速度及び角速度のうち少なくとも１つに関するセンサ信号に基づく微動機構制御信号により前記微動機構を制御することと、
   前記粗動微動機構部の前記目標物に対する追跡誤差を低減させるために前記微動機構制御信号へ加算する補正信号を生成することとを具備し、
   前記生成することは、
   前記粗動機構及び前記微動機構に関するパラメータを記憶する記憶部に記憶される前記パラメータと、前記粗動機構の駆動力又は駆動トルクと、前記粗動機構のセンサ信号とから、前記粗動機構の動作により発生する前記撮像器の撮像画面内の水平方向及び垂直方向の加速度を運動方程式に基づいて算出し、
   前記加速度に応じて前記補正信号を生成することを特徴とする位置決め方法。
5. 前記誤差信号及び前記加速度の水平方向成分と垂直方向成分とを極座標系に置き換えて前記補正信号を生成することを特徴とする請求項４記載の位置決め方法。
6. 前記粗動機構を駆動するアクチュエータの駆動電流を検出する電流センサによって検出した前記粗動機構のアクチュエータ電流信号と前記粗動機構のセンサ信号とをもとに前記粗動機構の駆動力又は駆動トルクを算出することを特徴とする請求項４又は５記載の位置決め方法。

Images