JP5766641B2 - 追尾装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、全方向に渡り移動する目標（ターゲット）に対してカメラ等の目標認識センサを追尾させるための追尾装置に関する。

近年、空港やプラントなど大型施設、及び発電所や水道施設などのライフラインに関わる施設での保安設備、並びにＩＴＳなどの交通情報支援システムなどにおいて、ＩＴＶカメラ等を用いて対象物を追跡し、継続した監視や詳細な情報を入手するシステムが多く商品化されている。これらのシステムは、地上設置型だけでなく、プラットホームとして車両、船舶または航空機などを想定し、小型かつ耐振性を考慮した構造で、振動及び動揺に対する外乱抑圧を行っている。更に、複数の対象物を順次、追尾できるように、旋回速度を高速化し、対象物への指向を短時間に行えることが重要になってきている。

このような移動体画像追尾システムでは、全方向に渡り移動する目標に対して追尾するために、ジンバル構造を用いていることが多い。ジンバル構造では少なくとも２軸以上を備える必要がある。２軸ジンバルでは、対象物が天頂、もしくは天頂付近を通過する場合にはＡＺ軸は瞬時に正面から背面へ向かうため１８０度近く回転する必要があり、モータトルクには制限があるためこの動作の実現は難しく、連続した追跡ができなくなるというジンバルロックと呼ばれる現象の課題がある。このため２軸ジンバル構造では、ジンバルロックが生じる天頂付近には指向することができず、全方向に渡り目標を連続して追尾することの実現が難しい。

また、従来の画像追尾システムでは、３軸ジンバル構造を用いることで、動作の自由度を増やし、角速度が過大とならないように、動きをＡｚ軸とｘＥＬ軸との動作に分配することで、実現可能なジンバル可動範囲を超えることなく、ジンバルロックを避け、全方向にわたり連続的に追尾させようとしている。

他に、ジンバル構造を取らない従来技術としては、球体状のケーシングを摩擦転動機構が全方向に回転自由に駆動する機構が提案されている。

また、球体状の可動体に対して摩擦を利用して回転させる機構としては、中空体で表面部が弾性体で構成された球状回転体を転動させることで移動する搬送装置が提案されている。

特開２００６−１０６９１０公報 特開２００５−１１４０３５公報 特開２００９−２３４５２４公報

このような従来技術では、小型化や目標を追尾するための制御則が複雑になるという課題がある。例えば、３軸ジンバル構造の場合には、モータ等の駆動手段も増えるため、小型化や低コスト化が難しい。また、カメラ等を搭載するためｘＥＬ軸の負荷慣性が大きく、Ａｚ軸とｘＥＬ軸との軸干渉の影響も生じる可能性があり、３軸ジンバル構造特有の課題が生じてしまう。さらに、冗長軸によりＡｚ軸の角速度を緩和することは可能であるが、他の軸と比べて必要となる角速度は大きいため、必要となる駆動トルクも大きくなってしまう課題がある。

また、従来のジンバル構造を用いていない方式では、ジンバルロックのような課題はないが、移動体画像追尾システムとしては自動化が難しいという課題がある。例えば、目標が画像に入るまで人為的に遠隔操作にて球体を駆動する必要があり、カメラの指向方向の情報も取得する要素を有していないため、画像から得られた情報を用いて自動的に追尾することが難しい。また、球状ケーシング内のカメラ等とは無線で通信しているため、可動時間も限定的となる課題がある。

また、従来の球体を駆動させる機構では移動装置等には利用が可能であるが、移動体画像追尾システムとしては応用が難しいという課題がある。例えば、テーブルを水平にしながら移動するように球体を駆動するため、任意の方向にカメラを指向させることが難しいという課題がある。

発明が解決しようとする課題は、上記に鑑みてなされたものであって、大きな角速度を必要とせず、全天に渡り目標の自動追尾を可能とする、移動体の追尾装置を提供することを目的とする。

実施形態によれば、追尾装置は、球状胴体、第１ジンバル、第２ジンバル、第３ジンバル、可動体、球体駆動部、駆動保持部、目標位置認識部、第１角度センサ、第２角度センサ、第３角度センサ、第４角度センサ、回転ばね駆動部、移動部、伝達部、及び制御部を備える。

第１ジンバルは、前記球状胴体に支持され、第１ジンバル軸を中心に回転する。第２ジンバルは、前記第１ジンバルに支持され、前記第１ジンバル軸に直交する第２ジンバル軸を中心に回転する。第３ジンバルは、前記第２ジンバルに支持され、前記第１ジンバル軸と前記第２ジンバル軸との直交点において該第２ジンバル軸と直交する第３ジンバル軸を中心に回転する。可動体は、前記第３ジンバルに支持され、前記第３ジンバル軸に直交する第４ジンバル軸を中心に回転する。球体駆動部は、前記可動体に支持され、３箇所以上に設けられ、前記球状胴体上で前記可動体を所望の方向に転動させる。駆動保持部は、前記第３ジンバルと前記可動体とを接続し、前記球体駆動部を前記球状胴体に押圧した状態に保持する。目標位置認識部は、前記第３ジンバルに支持され、目標の位置データを出力する。第１角度センサは、前記第１ジンバルの前記球状胴体の底部に対する第１回転角度を検出する。第２角度センサは、前記第２ジンバルの前記第１ジンバルに対する第２回転角度を検出する。第３角度センサは、前記第３ジンバルの前記第２ジンバルに対する第３回転角度を検出する。第４角度センサは、前記可動体の前記第３ジンバルに対する第４回転角度を検出する。回転ばね駆動部は、前記第３ジンバルを回転中心に戻す。移動部は、前記第３ジンバルに支持され、可動レンズを移動させ固定レンズと該可動レンズとの距離を設定する。伝達部は、前記可動体の駆動力を前記移動部に伝達または遮断する。制御部は、前記位置データ及び前記第１から第４回転角度に基づいて、前記球体駆動部によって前記可動体を転動させ、前記可動体を所望の方向に制御し、さらに前記距離を制御する。

実施形態の追尾装置のブロック図。 （ａ）は図１の追尾装置の斜視透視図であり、（ｂ）は正面透視図であり、（ｃ）は側面透視図であり、（ｄ）は上面図である。 （ａ）は目標位置認識部が水平方向を向いる場合での図１の追尾装置が含む第１から第３ジンバルと可動体それぞれの回転軸を示す図であり、（ｂ）は目標位置認識部が天頂方向を向いる場合での図１の追尾装置が含む第１から第３ジンバルと可動体それぞれの回転軸を示す図である。 球状胴体１５０に対する可動体１４１の位置を示す概略図。 （ａ）は正面透視図でありホイールの位置を示し、（ｂ）は上面図であり各ホイールでの駆動方向ベクトルを示し、（ｃ）は上面図であり可動体をｘ方向に転動させたい場合を示し、（ｄ）は上面図であり可動体をｙ方向に転動させたい場合を示す。 可動体が、上方を指向している状態から、奥行き方向である左斜め方向に移動する場合の斜視透視図を示し、（ａ）は初期状態を示し、（ｂ）は可動体が左斜め方向に移動している状態を示し、（ｃ）は左斜め方向への移動の進行と共に第１及び第２ジンバルが回転する状態を示し、（ｄ）は第３ジンバルを回転中心に戻し第１及び第２ジンバルそれぞれが回転する状態を示す。 可動レンズの移動について説明するための図。 実施形態のカメラ視野と移動体との追尾誤差を示す図。 目標の移動に追尾するための制御系を説明するブロック線図。 指向制御と、可動レンズ駆動によるレンズ制御との切り替えについての動作の一例を示すフローチャート。 測距センサを備えた場合の可動レンズの制御について説明するための図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る追尾装置について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。
実施形態の追尾装置は、移動する目標物を追跡するトラッキングシステムに適用したものである。

（第１の実施形態）
本実施形態の追尾装置について図１、図２を参照して説明する。図１は追尾装置のブロック図であり、図２は透視図であり、（ａ）はＺ軸正方向を天頂方向としたベクトル（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（１，−１，１）の方向から見た斜視図であり、（ｂ）はＹ軸負方向から見た正面図であり、（ｃ）はＸ軸負方向から見た側面図であり、（ｄ）はＺ軸正方向から見た上面図である。ただし、図２（ａ）にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向は定義してあり、図２のそれぞれの図面にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向を示してある。
本実施形態の追尾装置は、第１、第２及び第３ジンバル１１１，１２１，１３１、可動体１４１、ベース１０１、第１、第２、第３及び第４角度センサ１１２，１２２，１３２，１４２、球状胴体１５０、ホイール１５１，１５２，１５３、駆動保持部１５５、目標位置認識部（カメラセンサ）１６１、制御部１６３、第１、第２及び第３ホイール駆動部１７１，１７２，１７３、回転ばね駆動部１７４、固定レンズ１８１、可動レンズ１８２、駆動力伝達部１８３、直進移動部１８４を含んでいる。なお、ホイールと対応するホイール駆動部とを合わせて球体駆動部と呼ぶ。

本実施形態では、球状胴体１５０の内部に、第１、第２及び第３ジンバル１１１，１２１，１３１、可動体１４１、ベース１０１、第１、第２、第３及び第４角度センサ１１２，１２２，１３２，１４２、ホイール１５１，１５２，１５３、駆動保持部１５５、目標位置認識部１６１、制御部１６３、第１、第２及び第３ホイール駆動部１７１，１７２，１７３が設置されている。球状胴体１５０は、目標位置認識部１６１で目標を認識することができる材質でできている。球状胴体１５０は例えば、目標位置認識部１６１が取得する予定になっている光に関して透明な材質からなる。

第１ジンバル１１１は、球状胴体１５０の底部のベース１０１に支持され、垂直方向に向けられ回転自由である第１回転軸１１０としての第１ジンバル軸を中心に回転する。第２ジンバル１２１は、第１ジンバル１１１に支持され、この第１回転軸１１０と直交する水平方向に設けられ、回転自由である第２回転軸１２０としての第２ジンバル軸を中心に回転する。第３ジンバル１３１は、第２ジンバル１２１に支持され、第１ジンバル軸と第２ジンバル軸との直交点において、この第２回転軸１２０と直交する水平方向に設けられ、回転自由である第３回転軸１３０としての第３ジンバル軸を中心に回転する。図１の第３回転軸１３０は、図１の紙面に直交する。
また、第３回転軸１３０に関しては、回転ばね駆動部１７４が備えてある。回転ばね駆動部１７４は、その復元力によって第３ジンバル１３１を回転中心に戻す。例えば、図１で第３ジンバル１３１が第３回転軸１３０に関して右回りまたは左回りに少し動いた場合に、この回転ばね駆動部１７４が、第３ジンバル１３１を回転中心に戻そうとして、第２ジンバル１２１及び第１ジンバル１１１を回転させることになる。回転ばね駆動部は、第３ジンバル１３１の軸に接続されていてもよいし、第３ジンバル１３１または駆動保持部１５５に付属していてもよい。回転ばね駆動部１７４は例えば、図１に示したように弾性体（例えばばね）であり、第３ジンバル１３１と第２ジンバル１２１とを接続してもよい。他に回転ばね駆動部１７４は例えば、第３ジンバル１３１が回転する第３回転軸１３０に付加される弾性ピボットでもよい。

さらに、第３ジンバル１３１には目標の位置データを出力する目標位置認識部１６１が設置されている。目標位置認識部１６１は目標認識センサとも呼び、例えばカメラセンサであり、目標を認識して画像データを得る。また、第３ジンバル１３１には固定レンズ１８１、可動レンズ１８２、駆動力伝達部１８３、直進移動部１８４からなる可変光学系が設置されている。この光学系により、目標との相対距離に応じた焦点距離を調整して目標認識センサへ受像光を送る。目標位置認識部１６１（カメラ等）の負荷の大きいものを従動的に駆動されるジンバル機構の内部の回転中心に備えているため、負荷慣性を小さくすることができるという効果を奏する。

ベース１０１は、第１ジンバル１１１に接続していて、第１ジンバル１１１、第２ジンバル１２１、第３ジンバル１３１、駆動保持部１５５、可動体１４１、固定レンズ１８１、可動レンズ１８２、駆動力伝達部１８３、直進移動部１８４、及び目標位置認識部１６１を支えて、平面上に追尾装置を設置するための土台となる。

可動体１４１は、駆動保持部１５５を介して第３ジンバル１３１に接続する。可動体１４１は、第３回転軸１３０と直交する方向に設けられ、回転自由に支持される第４回転軸としての可動軸１４０を中心に回転する。可動軸１４０を中心とした回転は、ベアリングやエンコーダによってなされる。また、ベアリングやエンコーダを介して第３ジンバル１３１と可動体１４１とを連結する。

また、可動体１４１には可動体１４１を動かすための球体駆動部が少なくとも３箇所以上に設置されている。球体駆動部は、第３ジンバル１３１と可動体１４１を拘束している。球体駆動部は、球状胴体１５０に対して可動体１４１を移動させることが可能なホイール（例えばオムニホイール１５１，１５２，１５３）と、ホイールを回転駆動するホイール駆動部１７１，１７２，１７３とで構成されている。なお、図１、図２（ａ）から図２（ｄ）では例えば等間隔１２０度で３つのオムニホイール１５１，１５２，１５３を配置した場合を図示している。オムニホイールは、ホイールである球体胴体を回転駆動するだけでなく、この駆動の方向とは異なる方向への移動が可能なホイール（回転体）の総称である。オムニホイールの回転軸にはホイール駆動部の回転軸が備わっており、ホイール駆動部によってオムニホイールのホイール本体部が回転される。

球体駆動部が、可動体１４１を球状胴体１５０に対して所望の方向に転動させることができる。ホイールが球状胴体１５０に押圧されるように、球体駆動部は回転ばねを備えていてもよい。図１の例では球体駆動部の回転ばねが平衡点からずれるように球状胴体１５０を設置すると、回転ばねの復元力によりオムニホイールを球状胴体１５０の内側に押圧した状態に保持する。従って、オムニホイールが回転ばねにより最適な力で球状胴体１５０に押し付けられることで、球体駆動部は、球状胴体１５０とオムニホイールとの間の摩擦力を利用して、第１、第２及び第３ホイール駆動部１７１，１７２，１７３からの駆動力を伝達することができる。この結果、可動体１４１はスムースに球状胴体１５０に沿って動くことが可能になる。駆動力発生方式として球体駆動を用いているため、ジンバルロックの課題を回避することが可能となり、一つの駆動軸に大きな角速度を必要しないため小型化や軽量化ができるという効果を奏する。

さらに可動体１４１には、第４回転軸１４０の回転力を、直進移動部１８４に伝達する駆動力伝達部１８３が設置されている。駆動力伝達部１８３は、クラッチ要素を含んでおり、可動体１４１と直進移動部１８４との結合または分離によりそれぞれ、駆動力の伝達または遮断を行う。

また、駆動保持部１５５は、第３ジンバル１３１と可動体１４１とを接続し、第３ジンバル１３１と可動体１４１とのそれぞれを相対的に回転自由にするだけでなく、球体駆動部のうちのホイールを球状胴体１５０に押圧した状態に保持する。この結果、可動体１４１はスムースに球状胴体１５０に沿って動くことが可能になる。駆動保持部１５５には例えば、圧縮バネが取り付けられており、バネの復元力により第３ジンバル１３１に対して可動体１４１を図１の例では上に押し上げることで、オムニホイールを球状胴体１５０の内側に押圧した状態に保持する。従って、オムニホイールが駆動保持部１５５のバネにより最適な力で球状胴体１５０に押し付けられることで、球体駆動部は、球状胴体１５０とオムニホイール１５１，１５２，１５３との間の摩擦力を利用して、第１、第２及び第３ホイール駆動部１７１，１７２，１７３からの駆動力を伝達することができる。また、駆動保持部１５５はベアリングやエンコーダであり、これらを介して第３ジンバル１３１と可動体１４１とを連結する。

第１から第４回転軸１１０，１２０，１３０，１４０には、それぞれの回転軸に対応して第１から第４角度センサ１１２，１２２，１３２，１４２が備わっている。第１角度センサ１１２は、ジンバル固定部であるベース１０１に対する第１ジンバル１１１の回転角度を検出する。第２角度センサ１２２は、第１ジンバル１１１に対する第２ジンバル１２１の回転角度を検出する。第３角度センサ１３２は、第２ジンバル１２１に対する第３ジンバル１３１の回転角度を検出する。第４角度センサ１４２は、第３ジンバルに対する可動体１４１の回転角度を検出する。第４角度センサ１４２は例えばエンコーダである。

制御部１６３は、第１、第２、第３及び第４角度センサ１１２，１２２，１３２，１４２から４つの角度を入力して、目標位置認識部１６１の向きを認識し、追尾誤差検出値をゼロにするように、第１、第２及び第３ホイール駆動部１７１，１７２，１７３に指示を出し、ホイール１５１，１５２，１５３を駆動する。換言すれば、制御部１６３は、４つの角度を使用して目標位置認識部１６１と同一の座標系での仮想的な位置データを計算し、仮想的な位置データと目標位置認識部１６１が出力した位置データとを一致させるように球体駆動部を制御する。従動的に駆動されるジンバル機構内にカメラ等の目標位置認識部１６１を備え、この画像から得られる目標の位置情報を第３ジンバルと可動体との相対角度（第４角度センサ１４２が検出）に応じて回転変換を行うため、目標位置認識部１６１の座標系と可動体の駆動ベクトルの座標系とが同一の座標系となり、画像追尾制御則の簡素化ができるという効果を奏する。制御部１６３が、可動体１４１の第３ジンバル１３１に対する回転角度（下記のθ４）による回転変換を行い、位置データの座標系と可動体１４１が転動する方向を示すベクトルの座標系とを同一にする。

次に、球状胴体１５０に対する、第１、第２及び第３ジンバル１１１，１２１，１３１と可動体１４１それぞれの第１から第４回転軸１１０，１２０，１３０，１４０の概要について図３を参照して説明する。図３（ａ）は目標位置認識部１６１が水平方向を向いている場合を示し、図３（ｂ）は目標位置認識部１６１が天頂方向を向いている場合を示している。なお、図２は可動体１４１が上方を指向している、すなわち目標位置認識部１６１が天頂方向を向いている場合である。

球状胴体１５０の座標系Σ０を基準として、球状胴体１５０と第１ジンバル１１１との第１回転軸１１０、第１ジンバル１１１と第２ジンバル１２１との第２回転軸１２０、第２ジンバル１２１と第３ジンバル１３１との第３回転軸１３０、第３ジンバル１３１と可動体１４１との第４回転軸１４０が備わっている。これら各回転軸には、角度センサが備わっている。第１角度センサ１１２は、第１ジンバル１１１の球状胴体１５０に対する回転角度θ１を検出する。第２角度センサ１２２は、第２ジンバル１２１の第１ジンバル１１１に対する回転角度θ２を検出する。第３角度センサ１３２は、第３ジンバル１３１の第２ジンバル１２１に対する回転角度θ３を検出する。第４角度センサ１４２は、可動体１４１の第３ジンバル１３１に対する回転角度θ４を検出する。また、第３回転軸１３０には回転ばね駆動部が備わっており、第３ジンバル１３１が外力により回転自由であるが、回転中心に戻す復元力を備えている。

次に、球状胴体１５０に対する可動体１４１の位置について図４を参照して説明する。
各回転軸は、同一交点を有しているため、可動体１４１と第３ジンバル１３１の上に備わった目標位置認識部１６１であるカメラの座標系Σｃとは回転変換の関係のみを有している。従って、可動体１４１は球状胴体１５０を基準とした球面座標系上に位置する。

次に、球状胴体１５０とオムニホイールと駆動方向ベクトルとの関係について図５を参照して説明する。
図５の（ａ）は正面図であり、図２の（ｂ）に対応している、図５の（ｂ）は上面図であり、図２の（ｄ）に対応している。なお、図５（ｂ）では、可動体１４１が上方を指向し、かつ球状胴体１５０の座標系Σ０とカメラの座標系Σｃとが同じである姿勢の状態を図示している。例えば、球状胴体１５０の半径Ｒ、天頂方向であるｚ０軸に対する取り付け角度φ、等間隔１２０度で３つのオムニホイール（ｉ＝１〜３）を取り付ける場合について説明する。球状胴体１５０と各ホイールとの接点座標Ｐ_ｉ（ｉ＝１〜３）は、次式で表される。

また、各点における駆動方向ベクトルｓ_ｉ（ｉ＝１〜３）は、次式で表される。

これらの関係を用いると、可動体１４１のカメラ座標系での各軸周りの次に示される角速度ω_ｊ（ｊ＝ｘ，ｙ，ｚ）と、ホイールの周速度ｖｓｉ（ｉ＝１〜３）との関係が次式の［式３］で表される。

この式から、球状胴体１５０の座標系Σ０とカメラの座標系Σｃとが同じである姿勢では、可動体１４１の角速度を得るためのモータ回転速度を決めることができる。

例えば、可動体１４１をｚ周りに転動させたいときは、可動体１４１にω_ｚ周りの角速度を与える。このとき、［式３］より、ｖｓｉ（ｉ＝１〜３）は以下のようになる。

図５（ｂ）のように、ｓ１とｓ２とｓ３とが同一のモータ回転速度を与えるように各ホイールを回転させる。

可動体１４１をｘ方向に転動させたいときは、可動体１４１にω_ｙ周りの角速度を与える。このとき、［式３］より、ｖｓｉ（ｉ＝１〜３）は以下のようになる。

図５（ｃ）のように、ｓ２とｓ３が反対のモータ回転速度を与えるように各ホイールを回転させる。

また、ｙ方向に転動させたいときは、可動体１４１にω_ｘ周りの角速度を与える。このとき、［式３］より、ｖｓｉ（ｉ＝１〜３）は以下のようになる。

図５（ｄ）のように、ｓ１に対して、ｓ２とｓ３には半分大きさで反対のモータ回転速度を与えるように各ホイールを回転させる。

次に、可動体１４１が球体駆動部により球状胴体１５０上を駆動する動作が行われたときのジンバルの姿勢の変化について図６を参照して説明する。
可動体１４１が上方を指向している状態から、図６の奥行き方向である左斜め方向（（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（−１，１，０）の方向）に可動体１４１が移動する場合を図示している。図２（ｂ）と同様に正面方向をＹ軸負方向としている。図６（ａ）は最初の状態を示しており、可動体１４１が上方を指向している場合には、第３ジンバル１３１も上方を指向している。次に図６（ｂ）のように、球体駆動部の動作によって可動体１４１が左斜め方向に移動を開始すると、可動体１４１の動きに従い連結されている第１から第３ジンバルも受動的に駆動される。このとき、可動体１４１に最も近い第３ジンバル１３１が最初に回転する。図６（ｃ）のように、可動体１４１が左斜め方向に移動が進行すると、他の第１及び第２ジンバルもそれぞれの軸に関して回転する。このとき、第３回転軸１３０に関しては回転ばねが駆動して、第３回転軸１３０を回転中心に戻す復元力が働く。従って、この力が第１及び第２ジンバル１１１，１２１をそれぞれ回転させる力に分配される。図６（ｄ）のようにさらに移動が進行すると、第３回転軸１３０に関して第３ジンバル１３１を回転中心に戻し、第１及び第２ジンバル１１１，１２１のみに回転角度が生じる状態になる（従動動作による回転）。このように本実施形態の追尾装置は、第３回転軸１３０に関して回転ばねが駆動することにより受動的な冗長性を有しており、天頂付近をジンバルが指向している場合に対しても、可動体１４１の移動に対して従動的に第１から第３ジンバルを回転させることができる。可動体を球体駆動で転動させることで従動的に駆動されるジンバル機構により、指向方向を検知することが可能であり、全方向に渡り移動する目標に対してカメラ等の目標認識センサを自動的に追尾させることができるという効果を奏する。

次に、可動体１４１が球体駆動部により球状胴体１５０の上を駆動する動作が行われたときの可動レンズの移動について図７を参照して説明する。
可動体１４１が球体駆動部により球状胴体１５０の上をｚ軸周りに回転する動作が行われることにより、可動体１４１と第３ジンバル１３１との間で回転駆動が生じる。ここで、駆動力伝達部１８３は、クラッチ要素であり、可動体１４１と直進移動部１８４との結合及び分離により、駆動力の伝達及び遮断を行う。例えば、押し付けの状態を変える接触式クラッチがある。駆動力伝達部１８３は、例えば、図７に示すような円筒形状であり、直径を拡大及び縮小することによって、駆動力を直進移動部１８４に伝達及び遮断する。

可動レンズ１８２の移動が必要な場合には、このクラッチを結合し、可動体１４１の回転駆動による駆動力を、直進移動部１８４へ伝達する。クラッチが伝達状態である場合には可動体１４１が回転することによる回転駆動によって駆動力伝達部１８３が図７に示す矢印方向に回転する。直進移動部１８４は、回転動作を直線移動動作に変換する変換手段（例えばボールネジ、ウォームギア）であり、駆動力伝達部１８３の回転動作を直線移動動作に変換する。可動体１４１は駆動力伝達部１８３を介して直進移動部１８４のネジ部を回転させ、ナット部に連結された可動レンズ１８２を直進移動させる。駆動力伝達部１８３が回転すると直進移動部１８４が図７に示すように回転し、その回転動作によって直進移動部１８４の上にある可動レンズ１８２が直進移動部１８４に沿って動く。例えば駆動力伝達部１８３が可動体１４１によって図７での右側から見て時計回りに回転された場合、この回転により直進移動部１８４のネジ部が回転し、ナット部に連結された可動レンズ１８２が左向きに動く。この場合では、駆動力伝達部１８３が図７での右側から見て反時計回りに回転されると、直進移動部１８４のネジ部が先ほどとは逆向きに回転し、可動レンズ１８２が先ほどとは逆向きの右向きに動く。
ジンバルに支持された可動レンズの直進移動部１８４を備えていることで、目標に対して拡大して画像を得ることができ、目標から詳細な情報を得ることができるという効果を奏する。

次に、カメラ画像の視野と目標との関係について図８を参照して説明する。
第３ジンバル１３１内に備わった目標位置認識部１６１であるカメラの座標系Σｃで目標をカメラ視野内で捕捉している場合には、カメラ中心からのずれ量として追尾誤差検出値（ΔＸ，ΔＹ）が得られる。追尾誤差検出値は、一般的には画像情報から得られた特徴点に対して重心を計算することによって求められる。

次に、本実施形態の追尾制御系について図９を参照して説明する。図９は、目標の移動に追尾するための制御系を説明するブロック線図である。
球体駆動部により可動体１４１が球状胴体１５０上に駆動されると、可動体１４１の転動に対して従動的に第１から第３ジンバル１１１，１２１，１３１も駆動される。また、第３ジンバル１３１内の目標位置認識部１６１では、目標位置認識部１６１が目標を含んだ画像データを取得し、目標の位置データである追尾誤差検出値（ΔＸ，ΔＹ）を得る。第１から第３ジンバル１１１，１２１，１３１及び可動体１４１には第１、第２、第３及び第４角度センサ１１２，１２２，１３２，１４２が備わっており、可動体１４１の姿勢による角度データ（θ１，θ２，θ３，θ４）が得られる。

制御部１６３は、この追尾誤差検出値と、角度データとに基づき、球体駆動部１５１，１５２，１５３、１７１，１７２，１７３を駆動させるための角速度指令を生成する。

目標位置認識部１６１で目標を追尾するように可動体１４１を制御するためには、追尾誤差を小さくするような角速度を発生させる追尾制御則のみで追尾することが可能となる。カメラの座標系と駆動方向ベクトルの座標系とは第３ジンバルと可動体１４１との相対角度である第４角度θ４だけ回転していることから、カメラ座標系の追尾誤差検出値（ΔＸ，ΔＹ）を駆動方向ベクトル座標系へ変換するための式は次式で表される。

駆動方向ベクトルの座標系での追尾誤差検出値（ΔＸr，ΔＹr）を入力、追尾比例ゲインである追尾ゲインＫ_ｃを定数とすると、可動体の角速度指令ω_ｊｒ（ｊ＝ｘ，ｙ，ｚ）は次式で表される。

また、目標位置認識部１６１で目標を捉えていない状態で、任意の方向に可動体１４１を指向させる必要がある。指定し易い球面座標系での角度（θ_ｒ１，θ_ｒ２）から、目標の位置ベクトルを（ｅＴ＿ｘ，ｅＴ＿ｙ，ｅＴ＿ｚ）とすると、関係式が次式で表される。

本実施形態の追尾装置はジンバルに対応して角度センサを備えているため、可動体１４１の指向方向を検出することが可能である。第１から第３ジンバル１１１，１２１，１３１、ならびに可動体１４１の角度データを（θ１，θ２，θ３，θ４）とする。また、球状胴体１５０の座標系Σ０から見た目標の位置ベクトルは、座標系Σ０の原点からカメラ座標系Σｃの原点への視軸ベクトルと、仮想的にジンバル上に備わったカメラ座標系Σｃから見た目標位置の仮想追尾誤差ベクトル（ｄｌｔＸ，ｄｌｔＹ）との和となる。ここで、各回転軸の次に示すそれぞれの座標変換行列が［式７］で表される。

球状胴体１５０の座標系Σ０から、カメラ座標系Σｃへの変換行列は、次式で表される。

以上の関係から、目標の位置ベクトルと機構姿勢との内積と、目標の位置ベクトルとの関係が、次式で表される。ここで、ｄｏｔ＿ｅＴ＿ｅＸは目標の位置ベクトルｅＴとジンバル上カメラの水平方向の単位ベクトルｅＸとの内積を示し、ｄｏｔ＿ｅＴ＿ｅＹは目標の位置ベクトルｅＴとジンバル上カメラの垂直方向の単位ベクトルｅＹとの内積を示し、ｄｏｔ＿ｅＴ＿ｅＥは目標の位置ベクトルｅＴとジンバル上カメラの視軸ベクトルの単位ベクトルｅＥとの内積を示すとする。また、｜ｅＴ｜＝｜ｅＥ｜＝１である。

従って、仮想的なジンバル上に備わったカメラから見た目標位置の仮想追尾誤差（ｄｌｔＸ，ｄｌｔＹ）が、次式で表される。

この追尾誤差（ｄｌｔＸ，ｄｌｔＹ）を[式４]の（ΔＸ，ΔＹ）に入力して、[式４]の角速度生成則を適用することにより、目標の位置へ指向することが可能となる。従動的に駆動されるジンバル機構により指向方向と可動体姿勢を検知することが可能であるため、任意の方向の目標位置ベクトルに対する可動体上のカメラで見た仮想的な追尾誤差を計算することで任意の方向に指向させることができるという効果を奏する。

また、可動レンズ１８２を駆動するため、第３ジンバル１３１の周りに回転させる必要がある。例えば、直進移動部１８４のボールネジ部に対する１回転辺りのナット部の移動量が既知であれば、ボールネジ部の回転量θｚとなる角速度指令ω_ｚを与える。

実施形態では、３軸ジンバルの先に回転自由度を備える可動体があり，それぞれの回転自由度の軸ごとに角度センサがあり，ＡＺ，ＥＬ軸は従動要素で、ＣＥ軸のみに回転ばねがあり，ＣＥ軸にカメラと可動レンズとレンズ駆動機構を備え、可動体にはクラッチと外輪ギアを備え、可動体にはモータが備わっている。この結果、本実施形態の追尾装置は、可動体は球状胴体の上を球体駆動しつつ、レンズ駆動によるズーム動作と、任意の方向に指向するチルト＆パン動作をすることができる。

次に、本実施形態の移動体追尾や任意方向への指向制御と、可動レンズ駆動によるレンズ制御との切り替えについて図１０を参照して説明する。図１０は、指向制御とレンズ制御の切り替えを説明するフローチャートである。
本実施形態の追尾装置では、駆動力伝達部１８３を備えており、指向制御とレンズ制御とは排他的に実行することができる。レンズ制御、つまりズーム動作が必要な場合には（ステップＳ１００２）、駆動力伝達部１８３であるクラッチを閉じる（ステップＳ１００３）。そして、ズーム距離に応じた角速度指令ω_zを計算し、Ｚ軸周りに可動体１４１を転動させることで、直進移動部１８４を駆動させる。また、目標の追尾や任意の方向への指向する指向制御が必要な場合には、クラッチを開く。そして、目標位置認識部１６１からの追尾誤差や任意の目標に対応する仮想追尾誤差から角速度指令ω_ｘ，ω_ｙを計算し、それぞれの軸周りに可動体１４１を転動させることで、視軸を移動させる（ステップＳ１０１０）。

以上の第１の実施形態によれば、球体駆動部によって目標を追尾するため、ジンバルロックの課題を回避することが可能となり、一つの駆動軸に大きな角速度を必要としないため小型化や軽量化ができる。また、カメラ等の負荷の大きいものを従動的に駆動されるジンバル機構の内部の回転中心に備えているため、負荷慣性を小さくすることができる。

さらに、可動体を球体駆動で転動させることで従動的に駆動されるジンバル機構により、指向方向を検知することが可能であり、全方向に渡り移動する目標に対してカメラ等の目標認識センサを自動的に追尾させることができる。

さらに、従動的に駆動されるジンバル機構内にカメラ等目標認識センサを備え、この画像から得られる目標の位置情報を第３ジンバル機構と可動体との相対角度に応じて回転変換を行うため、可動体の駆動ベクトルとが同一の座標系となり、画像追尾制御則の簡素化ができる。

さらに、従動的に駆動されるジンバル機構により指向方向と可動体姿勢を検知することが可能であるため、任意の方向の目標位置ベクトルに対する可動体上のカメラで見た仮想的な追尾誤差を計算することで任意の方向に指向させることができる。

さらに、ジンバルに支持された可動レンズ直進移動部１８４を備えていることで、目標に対して拡大して画像を得ることができ、目標から詳細な情報を得ることができる。

（第２の実施形態）
本実施形態の追尾装置は、可動レンズの移動を測距センサにて可動レンズ位置を測定し、追尾装置の指向制御とレンズ制御とを同時に行うことが、第１の実施形態の追尾装置とは異なる。

本実施形態の追尾装置について図１１を参照して説明する。図１１は、可動体１４１が回転することにより可動レンズを移動し、可動レンズの位置を測距センサが測定することを示している。
駆動力伝達部１８３は、歯車要素であり、可動体１４１と直進移動部１８４とを常に結合し、駆動力の伝達を行う。直進移動部１８４はボールネジ等の回転と直線移動の変換手段であり、駆動力伝達部１８３を介してネジ部を回転させ、ナット部に連結された可動レンズを直進移動させる。従って、常にＺ軸周りの可動体１４１の回転に応じて直進移動部１８４が動くため、回転量に対して移動量の大きな直進移動部１８４を用いることが望ましい。

第３ジンバル１３１内部には、測距センサ１１０１が設置されており、例えば、固定レンズから可動レンズ１８２までの距離を位置ｈとして測定する。可動レンズは鏡筒内に設置されていて、測距センサは鏡筒に対する可動レンズの位置を検出する。この測定された可動レンズ位置と、目標のレンズ位置ｈｒとの誤差が、次式で表される。

目標位置認識部１６１で目標を追尾するように可動体１４１を制御し、かつ目標位置に可動レンズ１８２を位置決め制御するためには、追尾誤差と可動レンズ１８２の位置誤差をそれぞれ小さくするような角速度を発生させる追尾制御則のみで追尾することが可能となる。追尾のみ行う[式４]から、追尾比例ゲインである追尾ゲインＫ_ｃ、Ｋ_ｃ２を定数とすると、同時に行うための可動体１４１の角速度指令ω_ｊｒ（ｊ＝ｘ，ｙ，ｚ）は次式で表される。

以上の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。さらに、第２の実施形態によれば、レンズ制御と指向制御とが同時に行うことができるため、目標を追尾しながら、画像を拡大して詳細な情報を得ることが可能となる。

以上の実施形態によれば、球体駆動部によって目標を追尾するため、ジンバルロックの課題を回避することが可能となり、一つの駆動軸に大きな角速度を必要としないため小型化や軽量化ができる。また、カメラ等の負荷の大きいものを従動的に駆動されるジンバル機構の内部の回転中心に備えているため、負荷慣性を小さくすることができる。この結果、実施形態の追尾装置によれば、大きな角速度を必要とせず、全天に渡り目標の自動追尾を可能にする。

なお、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、３軸ジンバル構造に限定されたものではなく、２軸ジンバル構造に弾性体で可動体を連結するような冗長性を持たせた構成が可能あることは容易に類推することができる。また、ホイールが球状胴体に押圧されるように球体駆動部は回転バネを備えた構造に限定されたものではなく、第３ジンバルと可動体との連結間に球状胴体への押し付け機構を備える構成が可能であることは容易に類推することができる。また、直進移動機構はボールネジの構造に限定されたものではなく、傾斜溝を備える筒状回転体等の構成が可能であることは容易に類推することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の変形が可能である。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

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。

１０１・・・ベース、１１０，１２０，１３０，１４０・・・回転軸、１１１，１２１，１３１・・・ジンバル、１４１・・・可動体、１１２，１２２，１３２，１４２・・・角度センサ、１５０・・・球状胴体、１５１，１５２，１５３・・・ホイール、１５５・・・駆動保持部、１６１・・・目標位置認識部、１６３・・・制御部、１７１，１７２，１７３・・・ホイール駆動部、１８１・・・固定レンズ、１８２・・・可動レンズ、１８３・・・駆動力伝達部、１８４・・・直進移動部、１１０１・・・測距センサ。

Claims (8)

1. 球状胴体と、
   前記球状胴体に支持され、第１ジンバル軸を中心に回転する第１ジンバルと、
   前記第１ジンバルに支持され、前記第１ジンバル軸に直交する第２ジンバル軸を中心に回転する第２ジンバルと、
   前記第２ジンバルに支持され、前記第１ジンバル軸と前記第２ジンバル軸との直交点において該第２ジンバル軸と直交する第３ジンバル軸を中心に回転する第３ジンバルと、
   前記第３ジンバルに支持され、前記第３ジンバル軸に直交する第４ジンバル軸を中心に回転する可動体と、
   前記可動体に支持され、３箇所以上に設けられ、前記球状胴体上で前記可動体を所望の方向に転動させる球体駆動部と、
   前記第３ジンバルと前記可動体とを接続し、前記球体駆動部を前記球状胴体に押圧した状態に保持する駆動保持部と、
   前記第３ジンバルに支持され、目標の位置データを出力する目標位置認識部と、
   前記第１ジンバルの前記球状胴体の底部に対する第１回転角度を検出する第１角度センサと、
   前記第２ジンバルの前記第１ジンバルに対する第２回転角度を検出する第２角度センサと、
   前記第３ジンバルの前記第２ジンバルに対する第３回転角度を検出する第３角度センサと、
   前記可動体の前記第３ジンバルに対する第４回転角度を検出する第４角度センサと、
   前記第３ジンバルを回転中心に戻す回転ばね駆動部と、
   前記第３ジンバルに支持され、可動レンズを移動させ固定レンズと該可動レンズとの距離を設定する移動部と、
   前記可動体の駆動力を前記移動部に伝達または遮断する伝達部と、
   前記位置データ及び前記第１から第４回転角度に基づいて、前記球体駆動部によって前記可動体を転動させ、前記可動体を所望の方向に制御し、さらに前記距離を制御する制御部と、を備える追尾装置。
2. 前記可動レンズ及び前記固定レンズは前記第３ジンバルに支持され、前記目標位置認識部は、前記可動レンズ及び前記固定レンズを通して前記目標を認識する請求項１に記載の追尾装置。
3. 前記移動部は、前記可動レンズの位置を検出し該位置を含む測距データを取得する測距センサを備え、
   前記制御部は、前記測距データと、追尾誤差と、前記第１から第４回転角度とに基づいて、前記可動レンズ及び前記可動体の方向を制御する請求項１または請求項２に記載の追尾装置。
4. 前記制御部は、前記第４回転角度による回転変換を行い、前記位置データの座標系と前記可動体が転動する方向を示すベクトルの座標系とを同一にする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の追尾装置。
5. 前記制御部は、前記第１から第４回転角度を使用して、前記目標位置認識部と同一の座標系での仮想的な位置データを計算し、該位置データに基づいて所望の方向に前記可動体を制御する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の追尾装置。
6. 前記移動部は、ウォームギアによって前記可動レンズを移動させる請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の追尾装置。
7. 前記球体駆動部は、回転駆動の方向と異なる方向への移動が可能であるホイールと、該ホイールを回転駆動して前記球状胴体上に前記可動体を移動させるホイール駆動部を備える請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の追尾装置。
8. 前記球体駆動部は、回転するホイールと、該ホイールを前記球状胴体に押圧する状態を保持するばねとを備える請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の追尾装置。

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