JP6024819B2 - 目標指向装置、目標指向制御方法、目標指向制御プログラム - Google Patents
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Description
本発明は、目標指向装置に関する。例えば、目標軌道を生成してこの目標軌道に従うように制御対象を制御する目標指向装置に関する。
特許文献1では、目標指向装置が開示されている。
この開示された目標指向装置から、慣性センサ、積分器、減算器を省略した目標指向装置がある。
図7は、この関連する技術の目標指向装置を表すブロック図を示す。
目標指向装置は、
装置全体を移動体に取り付けるための固定部(図示せず)と、
固定部に対して回転自在に設けられた制御対象1と、
角度検出器2と、
指令生成器5と、
軌道生成器6と、
制御器3と、
ドライバ4と、を有する。
この開示された目標指向装置から、慣性センサ、積分器、減算器を省略した目標指向装置がある。
図7は、この関連する技術の目標指向装置を表すブロック図を示す。
目標指向装置は、
装置全体を移動体に取り付けるための固定部(図示せず)と、
固定部に対して回転自在に設けられた制御対象1と、
角度検出器2と、
指令生成器5と、
軌道生成器6と、
制御器3と、
ドライバ4と、を有する。
角度検出器2は、制御対象の固定部に対する相対角度を時々刻々検出する。
角度検出器2は、検出した角度値を現在角度信号として軌道生成器6および制御器3にフィードバックする。
指令生成器5は、目標角度信号および目標角速度信号を軌道生成器6に向けて出力する。
例えば、衛星や航空機などの移動物体を追尾したいとする場合、目標角度信号および目標角速度信号とは、この追尾のために制御対象1がとるべき角度および角速度を意味する。
角度検出器2は、検出した角度値を現在角度信号として軌道生成器6および制御器3にフィードバックする。
指令生成器5は、目標角度信号および目標角速度信号を軌道生成器6に向けて出力する。
例えば、衛星や航空機などの移動物体を追尾したいとする場合、目標角度信号および目標角速度信号とは、この追尾のために制御対象1がとるべき角度および角速度を意味する。
軌道生成器6は、目標角度信号および目標角速度信号と、現在角度信号と、に基づいて目標指令を生成し、目標指令を制御器3に向けて出力する。
ここで、軌道生成器6を介することなく、指令生成器5からの目標角度信号および目標角速度信号を直接に制御器3に入力した場合でも、もちろん、制御対象1は目標角度および目標角速度に従った動作を行うことは可能である。
しかしながら、指令生成器5は、目標角度信号および目標角速度信号を出力するにあたって、現在の制御対象1の状態(角度位置や角速度)を考慮しない。
したがって、目標角度および目標角速度が現在の制御対象1の状態から大きく外れている場合には、制御対象1の動作が急になったり、不連続になったりすることが有り得る。
または、制御対象1が目標角度および目標角速度に達する前に目標角度および目標角速度が変更される場合も有り得る。やはり、この場合も、制御対象1の動作が急になったり不連続になったりするであろう。
したがって、軌道生成器6は、現在の制御対象1の状態、例えば、現在の制御対象の角度位置を考慮しつつ、そこから目標角度信号および目標角速度に滑らかに達することができるように軌道を算出する。
そして、軌道生成器6は、この軌道に従って目標指令を出力する。
目標指令には、目標角度指令と、目標角速度指令と、が含まれる。
ここで、軌道生成器6を介することなく、指令生成器5からの目標角度信号および目標角速度信号を直接に制御器3に入力した場合でも、もちろん、制御対象1は目標角度および目標角速度に従った動作を行うことは可能である。
しかしながら、指令生成器5は、目標角度信号および目標角速度信号を出力するにあたって、現在の制御対象1の状態(角度位置や角速度)を考慮しない。
したがって、目標角度および目標角速度が現在の制御対象1の状態から大きく外れている場合には、制御対象1の動作が急になったり、不連続になったりすることが有り得る。
または、制御対象1が目標角度および目標角速度に達する前に目標角度および目標角速度が変更される場合も有り得る。やはり、この場合も、制御対象1の動作が急になったり不連続になったりするであろう。
したがって、軌道生成器6は、現在の制御対象1の状態、例えば、現在の制御対象の角度位置を考慮しつつ、そこから目標角度信号および目標角速度に滑らかに達することができるように軌道を算出する。
そして、軌道生成器6は、この軌道に従って目標指令を出力する。
目標指令には、目標角度指令と、目標角速度指令と、が含まれる。
制御器3は、目標指令と、現在角度信号と、に基づき、位相補償等を施した上で制御信号をドライバ4に向けて出力する。
制御器3のなかには、位置のフィードバックループや速度(角速度)のフィードバックループなどが内蔵されており、目標指令に含まれる目標角度指令および目標角速度指令と、現在角度信号と、基づいて制御信号を生成する。
ドライバ4は、制御信号に従って制御電流(または制御電圧)を制御対象1に印加する。
これにより、制御対象1は、所望の動作、例えば、目標物を追尾する、といった動作を適切かつ安定的に行う。
制御器3のなかには、位置のフィードバックループや速度(角速度)のフィードバックループなどが内蔵されており、目標指令に含まれる目標角度指令および目標角速度指令と、現在角度信号と、基づいて制御信号を生成する。
ドライバ4は、制御信号に従って制御電流(または制御電圧)を制御対象1に印加する。
これにより、制御対象1は、所望の動作、例えば、目標物を追尾する、といった動作を適切かつ安定的に行う。
さて、制御対象1は、それ自体移動する移動体に設けられているので、制御対象をより安定的に制御するためには、移動体の動きをキャンセルするための空間安定機能を目標指向装置に付加することが好ましい。
図8は、図7の目標指向装置に空間安定機能を付加したブロック図である。
図8においては、慣性センサ7と、積分器8と、減算器9と、が付加されている。
慣性センサ7は、移動体の動揺角速度を検出する。
積分器8は、動揺角速度を積分して、移動体動揺角度に変換した後、減算器に出力する。
減算器9は、軌道生成器6と制御器3との間に設けられている。
減算器9は、軌道生成器6の出力から移動体動揺角度を減算し、目標指令として制御器に向けて出力する。
図8は、図7の目標指向装置に空間安定機能を付加したブロック図である。
図8においては、慣性センサ7と、積分器8と、減算器9と、が付加されている。
慣性センサ7は、移動体の動揺角速度を検出する。
積分器8は、動揺角速度を積分して、移動体動揺角度に変換した後、減算器に出力する。
減算器9は、軌道生成器6と制御器3との間に設けられている。
減算器9は、軌道生成器6の出力から移動体動揺角度を減算し、目標指令として制御器に向けて出力する。
なお、軌道生成器6からの出力には角度の指令と角速度の指令とが含まれているところ、減算器による減算処理の方法として2パターン考えられる。
減算器9は、角度信号同士の減算処理を行い、軌道生成器6からの角速度指令についてはそのまま制御器3に与えてもよい。
つまり、減算器9は、軌道生成器6からの角度の指令と積分器からの移動体動揺角度との間で減算処理を行って、これを目標角度指令として制御器に与える。軌道生成器6からの角速度指令についてはそのままのものを目標角速度指令として制御器3に与える。
あるいは、次のようにしてもよい。
減算器9のなかにさらに微分器が内蔵されており、移動体動揺角度を微分して移動体動揺角速度にする。
そして、減算器9は、角度信号同士の減算処理に加えて、軌道生成器6からの角速度指令と算出した移動体動揺角速度との間で減算処理を行って、これを目標角速度指令として制御器3に与えてもよい。
減算器9は、角度信号同士の減算処理を行い、軌道生成器6からの角速度指令についてはそのまま制御器3に与えてもよい。
つまり、減算器9は、軌道生成器6からの角度の指令と積分器からの移動体動揺角度との間で減算処理を行って、これを目標角度指令として制御器に与える。軌道生成器6からの角速度指令についてはそのままのものを目標角速度指令として制御器3に与える。
あるいは、次のようにしてもよい。
減算器9のなかにさらに微分器が内蔵されており、移動体動揺角度を微分して移動体動揺角速度にする。
そして、減算器9は、角度信号同士の減算処理に加えて、軌道生成器6からの角速度指令と算出した移動体動揺角速度との間で減算処理を行って、これを目標角速度指令として制御器3に与えてもよい。
これら慣性センサ7、積分器8および減算器9により、空間安定ループが構成されている。
空間安定ループにより、移動体の動きをキャンセルするので空間安定化が果たされるとも考えられる。
しかし、実際には、上記のように単純に空間安定ループを付加しただけではうまく動作しないことに本発明者らは気付いた。
空間安定ループにより、移動体の動きをキャンセルするので空間安定化が果たされるとも考えられる。
しかし、実際には、上記のように単純に空間安定ループを付加しただけではうまく動作しないことに本発明者らは気付いた。
さて、図8の空間安定機能付きの目標指向装置の問題点を明らかにする前に、空間安定機能が理想的にワークする例を示しておきたい。
そこで、まず、図9のように、軌道生成器が無い場合の動作を説明する。
図9は、図8のブロック図から軌道生成器を削除した場合を示す図である。
図10Aから図10Dは、図9のブロック図における主要点での信号波形である。
対応が取りやすいように、図9中にカッコ書きで図10A−Dの波形がでるポイントを示した。
そこで、まず、図9のように、軌道生成器が無い場合の動作を説明する。
図9は、図8のブロック図から軌道生成器を削除した場合を示す図である。
図10Aから図10Dは、図9のブロック図における主要点での信号波形である。
対応が取りやすいように、図9中にカッコ書きで図10A−Dの波形がでるポイントを示した。
図9において、指令生成器5は、目標角度θtを常に0(図10A)に設定したとする。
また、移動体は動揺しており、その揺れ(移動体動揺角度θg)が図10Bのように−sin波であったとする。
このとき、減算器9において、目標角度θtから移動体動揺角度θgを減算すると、図10Dに示すように、制御器3への目標指令(減算器9の出力)は、移動体動揺角度θgを反転した波形であるsin波形になる。
このようにして制御対象1の動きがsin波形となると(図10C)、ちょうど移動体動揺角度θgを打ち消して、空間安定化を図ることができる。
また、移動体は動揺しており、その揺れ(移動体動揺角度θg)が図10Bのように−sin波であったとする。
このとき、減算器9において、目標角度θtから移動体動揺角度θgを減算すると、図10Dに示すように、制御器3への目標指令(減算器9の出力)は、移動体動揺角度θgを反転した波形であるsin波形になる。
このようにして制御対象1の動きがsin波形となると(図10C)、ちょうど移動体動揺角度θgを打ち消して、空間安定化を図ることができる。
さて、それでは、図8のブロック図の動作について考えてみたい。
図8において、指令生成器5が、目標角度θtを常に0(図11A)に設定したとする。
また、移動体は動揺しており、その揺れ(移動体動揺角度θg)が図11Bのように−sin波形であったとする。
このとき、減算器9において目標角度θtから移動体動揺角度θgを減算すると、減算器9の出力(制御器3の目標指令)は、移動体動揺角度θgを反転した波形であるsin波形になる。
この波形を図11E中の実線で表す。
このsin波形である目標指令が制御器3に与えられれば、移動体動揺角度θgをキャンセルして制御対象の空間安定が実現するのは前述の通りである。
図8において、指令生成器5が、目標角度θtを常に0(図11A)に設定したとする。
また、移動体は動揺しており、その揺れ(移動体動揺角度θg)が図11Bのように−sin波形であったとする。
このとき、減算器9において目標角度θtから移動体動揺角度θgを減算すると、減算器9の出力(制御器3の目標指令)は、移動体動揺角度θgを反転した波形であるsin波形になる。
この波形を図11E中の実線で表す。
このsin波形である目標指令が制御器3に与えられれば、移動体動揺角度θgをキャンセルして制御対象の空間安定が実現するのは前述の通りである。
ここで、所定時間経過後における軌道生成器6へのフィードバックを考えてみる。
図11Cに示すように、制御対象1がサイン波形で揺動すれば、この制御対象の動きが角度検出器2を介して軌道生成器6にフィードバックされる。
すると、図11Dに示すように、軌道生成器6からの出力(角度指令に関する出力)はsin波形状になる。
減算器9は、この軌道生成器6の出力(図11D)から移動体動揺角度分(図11B)を減算することになる。
しかし、この減算処理の結果としては、図11Eの点線に示すように、移動体の動揺をちょうどキャンセルするサイン波形でなく、必要以上に振幅の大きいサイン波になってしまう。
このように考えてみると、軌道生成器による滑らかな動作と空間安定機能とを両立させることは単純には上手くいかないことがわかる。
図11Cに示すように、制御対象1がサイン波形で揺動すれば、この制御対象の動きが角度検出器2を介して軌道生成器6にフィードバックされる。
すると、図11Dに示すように、軌道生成器6からの出力(角度指令に関する出力)はsin波形状になる。
減算器9は、この軌道生成器6の出力(図11D)から移動体動揺角度分(図11B)を減算することになる。
しかし、この減算処理の結果としては、図11Eの点線に示すように、移動体の動揺をちょうどキャンセルするサイン波形でなく、必要以上に振幅の大きいサイン波になってしまう。
このように考えてみると、軌道生成器による滑らかな動作と空間安定機能とを両立させることは単純には上手くいかないことがわかる。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、軌道生成を行いつつ空間安定化を行うことのできる目標指向装置を提供することを目的とする。
本発明にかかる目標指向装置は、
移動体に回動自在に取り付けられた制御対象を目標に従って制御する目標指向装置であって、
目標角度と目標角速度とを設定する指令生成手段と、
前記制御対象および前記移動体の少なくとも一方の現在角度状態が軌道生成用現在角度としてフィードバックされており、前記現在角度状態、前記目標角度および前記目標角速度に基づいて前記制御対象の軌道を生成するとともに、前記軌道に従った出力角度信号および出力角速度信号を出力する軌道生成手段と、
前記制御対象の現在角度を検出する角度検出手段と、
前記移動体または前記制御対象に設置された慣性センサと、
前記出力角度信号から前記移動体の動揺角度成分を減算する第1減算手段と、
前記第1減算手段からの出力と前記角度検出手段からの前記現在角度とに基づいて制御信号を生成する制御器と、
前記制御器からの制御信号に基づいて前記制御対象を駆動制御するドライバと、を備え、
前記軌道生成手段にフィードバックされる前記軌道生成用現在角度は、前記移動体の動き成分と前記制御対象の動き成分との和である。
移動体に回動自在に取り付けられた制御対象を目標に従って制御する目標指向装置であって、
目標角度と目標角速度とを設定する指令生成手段と、
前記制御対象および前記移動体の少なくとも一方の現在角度状態が軌道生成用現在角度としてフィードバックされており、前記現在角度状態、前記目標角度および前記目標角速度に基づいて前記制御対象の軌道を生成するとともに、前記軌道に従った出力角度信号および出力角速度信号を出力する軌道生成手段と、
前記制御対象の現在角度を検出する角度検出手段と、
前記移動体または前記制御対象に設置された慣性センサと、
前記出力角度信号から前記移動体の動揺角度成分を減算する第1減算手段と、
前記第1減算手段からの出力と前記角度検出手段からの前記現在角度とに基づいて制御信号を生成する制御器と、
前記制御器からの制御信号に基づいて前記制御対象を駆動制御するドライバと、を備え、
前記軌道生成手段にフィードバックされる前記軌道生成用現在角度は、前記移動体の動き成分と前記制御対象の動き成分との和である。
本発明により、軌道生成を行いつつ空間安定化を行える目標指向装置を提供することができる。
(第1の実施形態)
図1を用いて第1の実施形態にかかる目標指向装置について説明する。図1は、第1の実施形態にかかる目標指向装置の一例を表すブロック図を示す。
図1を用いて第1の実施形態にかかる目標指向装置について説明する。図1は、第1の実施形態にかかる目標指向装置の一例を表すブロック図を示す。
目標指向装置は、支持部(図示略)と、制御対象1と、角度検出器2、制御器3と、ドライバ4と、慣性センサ7と、積分器8と、減算器9と、加算器10と、指令生成器5と、軌道生成器6と、を備える。
支持部は、装置全体を移動体に取り付けるために支持する。
また、支持部により制御対象1が回転自在に支持されている。なお、ここでは、回転軸の自由度は一軸とする。
角度検出器2は、制御対象1の回転角度を検出する。制御器3は、角度検出器2の出力する検出角度θmと目標指令Kiとに基づき、適宜位相補償を施して、制御対象1を制御する制御信号を生成する。ドライバ4は、制御信号に基づいて制御対象1を駆動させる。目標指向装置はフィードバック制御系である。
また、支持部により制御対象1が回転自在に支持されている。なお、ここでは、回転軸の自由度は一軸とする。
角度検出器2は、制御対象1の回転角度を検出する。制御器3は、角度検出器2の出力する検出角度θmと目標指令Kiとに基づき、適宜位相補償を施して、制御対象1を制御する制御信号を生成する。ドライバ4は、制御信号に基づいて制御対象1を駆動させる。目標指向装置はフィードバック制御系である。
慣性センサ7は支持部に固定設置され、制御対象1の回転軸回りの移動体の移動体動揺角速度ωgを検出する。
積分器8は、移動体動揺角速度ωgを積分処理等して移動体動揺角度θgに変換する。
減算器9は、軌道生成器6で生成した角度軌道から移動体動揺角度θgを減算して目標指令信号を生成する。これらにより、制御器3への目標指令Kiとする空間安定ループを付加している。空間安定ループにより制御対象1を移動体動揺角度θgをキャンセルするように動かすことができ、空間安定化を行うことができる。
積分器8は、移動体動揺角速度ωgを積分処理等して移動体動揺角度θgに変換する。
減算器9は、軌道生成器6で生成した角度軌道から移動体動揺角度θgを減算して目標指令信号を生成する。これらにより、制御器3への目標指令Kiとする空間安定ループを付加している。空間安定ループにより制御対象1を移動体動揺角度θgをキャンセルするように動かすことができ、空間安定化を行うことができる。
加算器10は、角度検出器2の出力である検出角度θmと積分器8の出力である移動体動揺角度とを加算し、この加算した結果についての信号を軌道生成用現在角度θkとして軌道生成器6に出力する。
指令生成器5は、目標角度θt及び目標角速度ωtを設定し、これらについての信号を目標指令Kiとして軌道生成器6に出力する。
指令生成器5は、目標角度θt及び目標角速度ωtを設定し、これらについての信号を目標指令Kiとして軌道生成器6に出力する。
軌道生成器6は、目標角度θt、目標角速度ωt、及び、軌道生成用現在角度θkに基づいて、目標角度軌道Kθ及び目標角速度軌道Kωを含む目標軌道を生成する。
軌道生成器6は、目標軌道に基づく信号Kt(角度の指令と角速度の指令とを含む)を制御器3に出力する。
ここで、目標角度軌道Kθは、検出角度θmから目標角度θtへ到達するまでに制御対象1の向くべき角度θの時間変化の過程である。
また、目標角速度軌道Kωは、制御対象1の角度を目標角度軌道Kθに追従させるための、制御対象1の出すべき角速度ωの時間変化の過程である。
軌道生成器6は、例えば、制御対象1を目標角度θtへ向かって駆動させる途中で、目標角度θtが新たな新目標角度θt1に変化しても、目標角度軌道Kθ及び目標角速度軌道Kωを修正し、新たな新目標角度軌道Kθ1及び新目標角速度軌道Kω1を生成することができる。
これにより、目標角度θtが変化しても、制御対象1を確実に早く目標を追尾させることができる。
軌道生成器6は、目標軌道に基づく信号Kt(角度の指令と角速度の指令とを含む)を制御器3に出力する。
ここで、目標角度軌道Kθは、検出角度θmから目標角度θtへ到達するまでに制御対象1の向くべき角度θの時間変化の過程である。
また、目標角速度軌道Kωは、制御対象1の角度を目標角度軌道Kθに追従させるための、制御対象1の出すべき角速度ωの時間変化の過程である。
軌道生成器6は、例えば、制御対象1を目標角度θtへ向かって駆動させる途中で、目標角度θtが新たな新目標角度θt1に変化しても、目標角度軌道Kθ及び目標角速度軌道Kωを修正し、新たな新目標角度軌道Kθ1及び新目標角速度軌道Kω1を生成することができる。
これにより、目標角度θtが変化しても、制御対象1を確実に早く目標を追尾させることができる。
(動作)
次に図2A〜Eを用いて、第1の実施形態にかかる目標指向装置の動作について説明する。
図2A〜Eは、第1の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図を示す。
次に図2A〜Eを用いて、第1の実施形態にかかる目標指向装置の動作について説明する。
図2A〜Eは、第1の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図を示す。
まず、指令生成器5は、目標角度θtを0(図2A参照)に設定する。
また、図2Bに示すように、積分器8の出力である移動体動揺角度θgは−sin波形であるとする。
また、図2Bに示すように、積分器8の出力である移動体動揺角度θgは−sin波形であるとする。
開始時tsでは、移動体動揺角度θg(図2B参照)は0であり、角度検出器2の出力である検出角度θmも0である。
すると、加算器10の出力は、図2Eに示すように、開始時tsでは0となる。
目標角度θtは0であるので、軌道生成器6の出力(角度に関する出力)は、図2Dに示すように0となる。
すると、加算器10の出力は、図2Eに示すように、開始時tsでは0となる。
目標角度θtは0であるので、軌道生成器6の出力(角度に関する出力)は、図2Dに示すように0となる。
減算器9は、軌道生成器6の出力(角度に関する出力)から積分器8の出力を減算する。
いま、開始時tsでは、目標角度θtも加算器の出力(図2E)も0であるから、減算器9からの出力(角度に関する出力)は移動体動揺角度θgを正負反転したものとなる。
すると、制御器3への目標指令Kiとしては移動体動揺角度θgを正負反転したものが与えられることになる。
制御対象1は、この指令に従って、移動体動揺角度θgを正負反転した動作を行うことになる。
いま、開始時tsでは、目標角度θtも加算器の出力(図2E)も0であるから、減算器9からの出力(角度に関する出力)は移動体動揺角度θgを正負反転したものとなる。
すると、制御器3への目標指令Kiとしては移動体動揺角度θgを正負反転したものが与えられることになる。
制御対象1は、この指令に従って、移動体動揺角度θgを正負反転した動作を行うことになる。
さて、加算器10の出力は、移動体動揺角度θg(図2B参照)と、検出角度θm(図2C参照)と、を加算したものである。
開始時において、制御対象1は移動体動揺角度θgを正負反転した動作を行うことになるのであるから、加算器出力は0である。
加算器出力が0であれば、目標角度θtは常に0に設定されているので、軌道生成器からの出力(角度に関する出力)はやはり0である。
このように軌道生成器への軌道生成用現在角度信号(加算器からの出力)が0を保つと、制御対象1の動作は移動体の揺動をキャンセルするものになるので、加算器出力は0になり、その結果、図2Dに示すように、軌道生成器6の出力(角度に関する出力)も0となる。
つまり、軌道生成器6の出力(角度に関する出力)は常に0(図2D参照)であり、よって、制御器3への目標指令(目標角度指令)は、積分器8の出力(図2B参照)を反転したsin波形状になる。
これにより、制御対象1は、移動体動揺角度θgを打ち消すように動作し、空間安定化を行うことができる。
開始時において、制御対象1は移動体動揺角度θgを正負反転した動作を行うことになるのであるから、加算器出力は0である。
加算器出力が0であれば、目標角度θtは常に0に設定されているので、軌道生成器からの出力(角度に関する出力)はやはり0である。
このように軌道生成器への軌道生成用現在角度信号(加算器からの出力)が0を保つと、制御対象1の動作は移動体の揺動をキャンセルするものになるので、加算器出力は0になり、その結果、図2Dに示すように、軌道生成器6の出力(角度に関する出力)も0となる。
つまり、軌道生成器6の出力(角度に関する出力)は常に0(図2D参照)であり、よって、制御器3への目標指令(目標角度指令)は、積分器8の出力(図2B参照)を反転したsin波形状になる。
これにより、制御対象1は、移動体動揺角度θgを打ち消すように動作し、空間安定化を行うことができる。
以上より、第1の実施形態によれば、軌道生成器6と空間安定化機能とが両立できることがわかるであろう。
(第2の実施形態)
次に、図3を用いて第2の実施形態にかかる目標指向装置について説明する。
図3は第2の実施形態にかかる目標指向装置の一例を表すブロック図を示す。
第1の実施形態と本実施形態とで共通する説明は省略し、第1の実施形態に対する本実施形態の相違点のみについて説明する。
次に、図3を用いて第2の実施形態にかかる目標指向装置について説明する。
図3は第2の実施形態にかかる目標指向装置の一例を表すブロック図を示す。
第1の実施形態と本実施形態とで共通する説明は省略し、第1の実施形態に対する本実施形態の相違点のみについて説明する。
本実施形態では、慣性センサ7は、支持部ではなく制御対象1に設置され、制御対象1の回転軸回りに関する揺れ(加速度)を検出する。
第1減算器9は、第1の実施形態にかかる目標指向装置に含まれる減算器9(図1参照)と共通する機能を有し、呼び方を変更している。第2の実施形態にかかる目標指向装置は、第1の実施形態にかかる目標指向装置に、第2減算器11、ゲイン12を追加した構成である。
第1減算器9は、第1の実施形態にかかる目標指向装置に含まれる減算器9(図1参照)と共通する機能を有し、呼び方を変更している。第2の実施形態にかかる目標指向装置は、第1の実施形態にかかる目標指向装置に、第2減算器11、ゲイン12を追加した構成である。
積分器8は、慣性センサ7の出力を積分して角度に変換し、軌道生成器6及び第2減算器11に向けて出力する。
第2減算器11は、積分器8の出力から、軌道生成器6からの角度信号を減算する。
第2減算器11からの出力にはゲイン12にてゲイン係数が乗算され第1減算器9に与えられる。
第1減算器9は、軌道生成器6からの角度信号からゲイン12の出力を減算し、減算結果を制御器3に目標指令Kiとして出力する。
第2減算器11は、積分器8の出力から、軌道生成器6からの角度信号を減算する。
第2減算器11からの出力にはゲイン12にてゲイン係数が乗算され第1減算器9に与えられる。
第1減算器9は、軌道生成器6からの角度信号からゲイン12の出力を減算し、減算結果を制御器3に目標指令Kiとして出力する。
(動作)
次に、図4A〜D及び図5A〜Cを用いて、第2の実施形態にかかる目標指向装置の動作について説明する。
図4A〜D及び図5A〜Cは第2の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図である。
次に、図4A〜D及び図5A〜Cを用いて、第2の実施形態にかかる目標指向装置の動作について説明する。
図4A〜D及び図5A〜Cは第2の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図である。
指令生成器5は目標角度を0(図4A参照)に設定する。
移動体が慣性空間で動揺している(図5A参照)。
慣性センサ7の出力は、積分器8、第2減算器11、ゲイン12、第1減算器9を介して目標指令Kiとして制御器3に出力される。
開始時点において、慣性センサ7が検出するのは、移動体の揺動そのものである。
したがって、第1減算器9からの出力(角度に関する出力)は、移動体の揺動を正負反転させたものになる。
制御器3は、目標指令Kiに従う制御信号をドライバ4に出力する。
したがって、制御対象1は、移動体の揺動をキャンセルするように動作することになる。
この時点では、制御対象1は慣性空間に静止することができ、空間安定化が行われている。
移動体が慣性空間で動揺している(図5A参照)。
慣性センサ7の出力は、積分器8、第2減算器11、ゲイン12、第1減算器9を介して目標指令Kiとして制御器3に出力される。
開始時点において、慣性センサ7が検出するのは、移動体の揺動そのものである。
したがって、第1減算器9からの出力(角度に関する出力)は、移動体の揺動を正負反転させたものになる。
制御器3は、目標指令Kiに従う制御信号をドライバ4に出力する。
したがって、制御対象1は、移動体の揺動をキャンセルするように動作することになる。
この時点では、制御対象1は慣性空間に静止することができ、空間安定化が行われている。
さて、この状態において、制御対象1に設置された慣性センサ7は残留動揺角速度を検出する。
ここで、残留動揺角速度ωrは、移動体の動揺に起因する角速度変動を空間安定により減じて残留した角速度である。図5Aに示すように、この残留動揺角速度ωrは0に近い値となる。残留動揺角速度ωrは、慣性センサ7を支持部に固定設置した第1実施形態にかかる目標指向装置と比較して、小さな値を示す。
ここで、残留動揺角速度ωrは、移動体の動揺に起因する角速度変動を空間安定により減じて残留した角速度である。図5Aに示すように、この残留動揺角速度ωrは0に近い値となる。残留動揺角速度ωrは、慣性センサ7を支持部に固定設置した第1実施形態にかかる目標指向装置と比較して、小さな値を示す。
積分器8の出力である角度信号θgは、図4Bに示すように、0に近い値となる。角度信号θgは0に近い値であり、目標角度θtは0であるので、軌道生成器6の出力は図4Dに示すように0となる。
一方、第2減算器11は、角度信号θgから、軌道生成器6からの角度信号を減算することで、角度信号θgから制御対象1の角度分を除去する。
ゲイン12は、第2減算器11の出力にゲイン係数を乗算する(図5B)。
これにより、角度信号θgから移動体の動揺角速度の角度換算値と同等の値を取り出す。
第1減算器9は、軌道生成器6からの角度信号からゲイン12の出力を減算し、制御器3に目標指令Kiとして出力する(図5C参照)。
これにより、制御対象1を目標指令Kiに従って回転制御し、角度検出器2の出力は図4Cに示すように、sin波形状に変化する。
ゲイン12は、第2減算器11の出力にゲイン係数を乗算する(図5B)。
これにより、角度信号θgから移動体の動揺角速度の角度換算値と同等の値を取り出す。
第1減算器9は、軌道生成器6からの角度信号からゲイン12の出力を減算し、制御器3に目標指令Kiとして出力する(図5C参照)。
これにより、制御対象1を目標指令Kiに従って回転制御し、角度検出器2の出力は図4Cに示すように、sin波形状に変化する。
つまり、空間安定機能が効いてる状態であれば慣性センサ7による検出値は極めて小さい値になる。
そして、軌道生成器6の軌道生成用現在角度θkに慣性センサ7の出力を積分した結果を用いることで、軌道生成器6の出力が常に0又は0に近い値にできるとともにゲイン12の出力により移動体動揺角度θg(図5B参照。)を検出できる。つまり、制御対象1を、移動体動揺角度θg(図5B参照。)と逆方向に動作(図4C参照。)するように駆動させ、移動体動揺角度θgを打ち消し、制御対象1を慣性空間に静止させることができ、空間安定化を行うことができる。
そして、軌道生成器6の軌道生成用現在角度θkに慣性センサ7の出力を積分した結果を用いることで、軌道生成器6の出力が常に0又は0に近い値にできるとともにゲイン12の出力により移動体動揺角度θg(図5B参照。)を検出できる。つまり、制御対象1を、移動体動揺角度θg(図5B参照。)と逆方向に動作(図4C参照。)するように駆動させ、移動体動揺角度θgを打ち消し、制御対象1を慣性空間に静止させることができ、空間安定化を行うことができる。
(第3の実施形態)
次に、図6を用いて第3の実施形態にかかる目標指向装置について説明する。
図6は第3の実施形態にかかる目標指向装置の一例を表すブロック図を示す。
第2の実施形態と本実施形態とで共通する説明は省略し、第2の実施形態との相違点のみについて説明する。
第1積分器8は、第2の実施形態にかかる目標指向装置の積分器8と同じ機能を有し、名前のみを変更したものである。
次に、図6を用いて第3の実施形態にかかる目標指向装置について説明する。
図6は第3の実施形態にかかる目標指向装置の一例を表すブロック図を示す。
第2の実施形態と本実施形態とで共通する説明は省略し、第2の実施形態との相違点のみについて説明する。
第1積分器8は、第2の実施形態にかかる目標指向装置の積分器8と同じ機能を有し、名前のみを変更したものである。
第2減算器11は、慣性センサ7の出力から軌道生成器6からの角速度信号を減算し、減算結果を第2積分器13に出力する。
この減算した結果は、移動体動揺角速度に相当する。
第2積分器13は、第2減算器11の出力を積分し、演算結果をゲイン12に入力する。
この積分した結果は、移動体動揺角度θgに相当する。
この減算した結果は、移動体動揺角速度に相当する。
第2積分器13は、第2減算器11の出力を積分し、演算結果をゲイン12に入力する。
この積分した結果は、移動体動揺角度θgに相当する。
第3の実施形態にかかる目標指向装置及び第2の実施形態にかかる目標指向装置は異なる構成を有するものの、ゲイン12に入力される信号はともに角度軌道の影響を除去した移動体動揺角度θgに相当するものである。第3の実施形態にかかる目標指向装置は、第2の実施形態にかかる目標指向装置と同様に、制御対象1を移動体動揺角度θgと逆方向に回転するように駆動させて、移動体動揺角度θgを打ち消し、制御対象1を慣性空間に静止させることができ、空間安定化を行うことができる。
なお、上記した実施例では1軸を前提にしている。しかし、本実施形態にかかる目標指向装置は1軸に限定されず、複数軸存在する場合でも各軸独立に本実施形態にかかる目標指向装置を用いることで適用できる。
また、上記した実施例では角度フィードバック制御系を前提にしている。しかし、本実施形態にかかる目標指向装置は角度フィードバック制御系に限定されず、角度が検出でき、目標指令として、角度や角速度を用いる制御系であればどのような制御系でも本実施形態にかかる目標指向装置を適用できる。
本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、移動を伴う制御対象における目標となる軌道生成を行うことのできる目標指向装置に、さらに空間安定機能を持たせる場合に容易に適用することが可能である。
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、2013年3月15日に出願された日本出願特願2013−053808を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
1…制御対象、2…角度検出器、3…制御器、4…ドライバ、5…指令生成器、6…軌道生成器、7…慣性センサ、8…積分器、9…減算器、10…加算器。
Claims (12)
- 移動体に回動自在に取り付けられた制御対象を目標に従って制御する目標指向装置であって、
目標角度と目標角速度とを設定する指令生成手段と、
前記制御対象および前記移動体の少なくとも一方の現在角度状態が軌道生成用現在角度としてフィードバックされており、前記現在角度状態、前記目標角度および前記目標角速度に基づいて前記制御対象の軌道を生成するとともに、前記軌道に従った出力角度信号および出力角速度信号を出力する軌道生成手段と、
前記制御対象の現在角度を検出する角度検出手段と、
前記移動体に設置された慣性センサと、
前記出力角度信号から前記移動体の動揺角度成分を減算する第1減算手段と、
前記第1減算手段からの出力と前記角度検出手段からの前記現在角度とに基づいて制御信号を生成する制御器と、
前記制御器からの制御信号に基づいて前記制御対象を駆動制御するドライバと、を備え、
前記軌道生成手段にフィードバックされる前記軌道生成用現在角度は、前記移動体の動き成分と前記制御対象の動き成分との和である
ことを特徴とする目標指向装置。 - 請求項1に記載の目標指向装置において、
前記慣性センサは前記移動体に設置されており、
前記軌道生成用現在角度は前記移動体の動き成分と前記制御対象の動き成分との和であって、
前記軌道生成手段にフィードバックされる前記軌道生成用現在角度は、前記移動体の動き成分と前記制御対象の動き成分とが合わさってキャンセルされることによりほぼゼロの値である
ことを特徴とする目標指向装置。 - 請求項1または請求項2に記載の目標指向装置において、
前記慣性センサは前記移動体に設置され、
前記慣性センサによる角速度検出値を積分して前記移動体の動揺角度成分を算出する積分手段と、
前記積分手段による積分値と前記角度検出手段にて検出された前記現在角度とを加算する加算手段と、をさらに備え、
前記積分手段にて算出された前記移動体の動揺角度成分を前記第1減算手段に入力し、
前記加算手段による加算値を前記軌道生成用現在角度として前記軌道生成手段にフィードバックする
ことを特徴とする目標指向装置。 - 移動体に回動自在に取り付けられた制御対象を目標に従って制御する目標指向装置であって、
目標角度と目標角速度とを設定する指令生成手段と、
前記制御対象および前記移動体の少なくとも一方の現在角度状態が軌道生成用現在角度としてフィードバックされており、前記現在角度状態、前記目標角度および前記目標角速度に基づいて前記制御対象の軌道を生成するとともに、前記軌道に従った出力角度信号および出力角速度信号を出力する軌道生成手段と、
前記制御対象の現在角度を検出する角度検出手段と、
前記制御対象に設置された慣性センサと、
前記出力角度信号から前記移動体の動揺角度成分を減算する第1減算手段と、
前記第1減算手段からの出力と前記角度検出手段からの前記現在角度とに基づいて制御信号を生成する制御器と、
前記制御器からの制御信号に基づいて前記制御対象を駆動制御するドライバと、を備え、
前記軌道生成手段にフィードバックされる前記軌道生成用現在角度は、前記制御対象の動き成分である
ことを特徴とする目標指向装置。 - 請求項4に記載の目標指向装置において、
前記慣性センサは、前記制御対象に設置され、
前記軌道生成用現在角度は前記制御対象の動き成分であって、
前記慣性センサによる角速度検出値を積分して角度成分とする積分手段と、
前記軌道生成手段からの前記出力角度信号を前記角度成分から減算することにより前記移動体の動揺角度成分を取り出す第2減算手段と、をさらに備え、
前記第2減算手段にて取り出された前記移動体の動揺角度成分を前記第1減算手段に入力し、
前記積分手段にて算出された角度成分を前記軌道生成用現在角度として前記軌道生成手段にフィードバックする
ことを特徴とする目標指向装置。 - 請求項5に記載の目標指向装置において、
前記第2減算手段からの出力に所定のゲインを乗算して前記移動体の動揺角度に相当する値とする
ことを特徴とする目標指向装置。 - 請求項4に記載の目標指向装置において、
前記慣性センサは前記制御対象に設置され、
前記軌道生成用現在角度は前記制御対象の動き成分であって、
前記慣性センサによる角速度検出値を積分して角度成分とする積分手段と、
前記軌道生成手段からの前記出力角速度信号を前記慣性センサによる角速度検出値から減算して前記移動体の動揺角速度成分を取り出す第3減算手段と、
前記第3減算手段にて取り出された前記動揺角速度成分を積分して前記移動体の動揺角度成分を算出する第2積分手段と、をさらに備え、
前記第2積分手段にて算出された前記移動体の動揺角度成分を前記第1減算手段に入力し、
前記積分手段にて算出された角度成分を前記軌道生成用現在角度として前記軌道生成手段にフィードバックする
ことを特徴とする目標指向装置。 - 請求項7に記載の目標指向装置において、
前記第2積分手段にて算出された角度成分の所定のゲインを乗算して前記移動体の動揺角度に相当する値とする
ことを特徴とする目標指向装置。 - 移動体に回動自在に取り付けられた制御対象を目標に従って制御する目標指向制御方法であって、
目標角度と目標角速度とを設定し、
前記制御対象および前記移動体の少なくとも一方の現在角度状態を軌道生成用現在角度としてフィードバックして、前記現在角度状態、前記目標角度および前記目標角速度に基づいて前記制御対象の軌道を生成し、前記軌道に従った出力角度信号および出力角速度信号を出力し、
前記制御対象の現在角度を検出し、
前記移動体に設置された慣性センサで動揺角速度を検出し、
前記出力角度信号から前記移動体の動揺角度成分を減算し、この減算結果と前記現在角度とに基づいて制御信号を生成し、前記制御信号に基づいて前記制御対象を駆動制御し、
前記軌道生成用現在角度を、前記移動体の動き成分と前記制御対象の動き成分と和とする
ことを特徴とする目標指向制御方法。 - 移動体に回動自在に取り付けられた制御対象を目標に従って制御する目標指向制御方法であって、
目標角度と目標角速度とを設定し、
前記制御対象および前記移動体の少なくとも一方の現在角度状態を軌道生成用現在角度としてフィードバックして、前記現在角度状態、前記目標角度および前記目標角速度に基づいて前記制御対象の軌道を生成し、前記軌道に従った出力角度信号および出力角速度信号を出力し、
前記制御対象の現在角度を検出し、
前記制御対象に設置された慣性センサで動揺角速度を検出し、
前記出力角度信号から前記移動体の動揺角度成分を減算し、この減算結果と前記現在角度とに基づいて制御信号を生成し、前記制御信号に基づいて前記制御対象を駆動制御し、
前記軌道生成用現在角度を、前記制御対象の動き成分とする
ことを特徴とする目標指向制御方法。 - 移動体に回動自在に取り付けられた制御対象と、前記制御対象の現在角度を検出する角度検出手段と、前記移動体に設置された慣性センサと、を有し、目標に従って前記制御対象を制御する目標指向装置にコンピュータを組み込んで、
このコンピュータを、
目標角度と目標角速度とを設定する指令生成手段と、
前記制御対象および前記移動体の少なくとも一方の現在角度状態が軌道生成用現在角度としてフィードバックされており、前記現在角度状態、前記目標角度および前記目標角速度に基づいて前記制御対象の軌道を生成するとともに、前記軌道に従った出力角度信号および出力角速度信号を出力する軌道生成手段と、
前記出力角度信号から前記移動体の動揺角度成分を減算する第1減算手段と、
前記第1減算手段からの出力と前記角度検出手段からの前記現在角度とに基づいて制御信号を生成する制御器と、として機能させ、
軌道生成手段にフィードバックされる前記軌道生成用現在角度は、前記移動体の動き成分と前記制御対象の動き成分との和である
ことを特徴とする目標指向制御プログラム。 - 移動体に回動自在に取り付けられた制御対象と、前記制御対象の現在角度を検出する角度検出手段と、前記制御対象に設置された慣性センサと、を有し、目標に従って前記制御対象を制御する目標指向装置にコンピュータを組み込んで、
このコンピュータを、
目標角度と目標角速度とを設定する指令生成手段と、
前記制御対象および前記移動体の少なくとも一方の現在角度状態が軌道生成用現在角度としてフィードバックされており、前記現在角度状態、前記目標角度および前記目標角速度に基づいて前記制御対象の軌道を生成するとともに、前記軌道に従った出力角度信号および出力角速度信号を出力する軌道生成手段と、
前記出力角度信号から前記移動体の動揺角度成分を減算する第1減算手段と、
前記第1減算手段からの出力と前記角度検出手段からの前記現在角度とに基づいて制御信号を生成する制御器と、として機能させ、
軌道生成手段にフィードバックされる前記軌道生成用現在角度は、前記制御対象の動き成分である
ことを特徴とする目標指向制御プログラム。
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