JPWO2010035576A1 - 制御信号生成方法、その装置、及び移動体駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

制御信号生成装置（１０）は、時間平均が値０に収束するランダム信号を生成するランダム信号発生器（２）と、値０をシフトさせるべくシステム（１００）の状況に関する信号をランダム信号生成器（２）に導く検出器（４）と、ランダム信号発生器（２）から出力されるパルス信号を、制御を行う制御信号に変換する制御部（３）とを備える。これにより、ノイズや周期性のゆらぎを持つランダム信号を活用してシステム等の制御対象を制御するための所要の制御信号を、簡便な構成かつ低消費エネルギーで、しかも耐ノイズ性の高い方法、装置で実現する。

Description

本発明は、ランダム信号を用いた制御信号生成方法、その装置、及び移動体駆動制御装置に関する。

従来、制御システムにおいては、ノイズなどのランダム信号は、制御に不確定性を与えて動作エラーの原因になるため、排除されていた。また、従来技術では、外部から入り込んだり、システム内部で発生したりしたランダム信号は、フィードバック回路によって打ち消すことによって排除し、あるいは制御信号自身をアンプで増幅することでＳ／Ｎ比を向上させて排除していた。

特許文献１には、制御系の応答性や安定性に関する調整の余裕度を高めるために、制御系に第１、及び第２のフィードバックループを設け、それらの第１、第２のフィードバックループにおいて算出される第１及び第２のフィードバック制御項に基づいてモータに対する制御出力を算出しつつ、モータの実電流に重畳したノイズ成分に起因する振動の発生を抑制する手段が記載されている。特許文献２には、各々がスイッチング動作により駆動制御される複数のモータの出力トルクの振動を抑制可能にする手段を備えたモータ駆動装置が記載されている。特許文献３には、ＰＷＭ制御でモータを駆動させた場合に発生するノイズをスペクトラム拡散変調で低減しながら、高い分解能で制御できるモータ駆動装置が記載されている。特許文献４には、積分回路やローパスフィルタの出力に対してノイズを受けたとしても、その影響を小さく抑えることでノイズに強いフィードバック制御回路が記載されている。特許文献５には、電力損失の低減及びノイズ低減を図ったモータ駆動装置とモータ駆動用集積回路装置が記載されている。

しかしながら、これらの方法では、ランダム信号の影響が大きくなると、十分なＳ／Ｎ比を得るために余裕を持った信号増幅が必要になり、その分、制御システムの消費エネルギーが増大するといった問題がある。また、複数のフィードバック制御回路を採用してランダム信号を排除する方法では、回路構成が複雑化し、システム構成が大掛かりになるという問題がある。特に、モータやエンジンなどの駆動系のサーボ制御では、駆動系自体が振動ノイズを発生するため、システムからノイズ源を排除することが難しく、制御システムにエラー等の悪影響を与える虞が高い。このように、従来技術では、構成が簡便かつ低消費エネルギーの制御システムとランダム信号に対するエラー耐性の高い制御システムとの両立は難しかった。

特開２００８−５６０７９号公報 特開２００７−２３６１１０号公報 特開２００７−４３８１８号公報 特開２００６−５６６０号公報 特開２００５−２７８３８６号公報

本発明の目的は、ノイズや周期性のゆらぎを持つランダム信号を活用してシステム等の制御対象を制御するための所要の制御信号を得る、簡便な構成かつ低消費エネルギーで、しかも耐ノイズ性の高い制御信号生成方法、その装置、及びこの制御信号生成装置を用いた移動体駆動制御装置を提供することにある。

本発明に係る制御信号生成装置は、時間平均が所定値に収束するランダム信号を生成するランダム信号生成部と、前記時間平均が所定値に収束するランダム信号に作用させるべく、外部環境及び制御対象の状況の少なくとも一方に関する信号を前記ランダム信号生成部に入力する作用信号生成部と、前記ランダム信号生成部から出力されるランダム信号を、前記制御対象の制御を行う制御信号に変換する制御部とを備えてなるものである。

本発明に係る制御信号生成方法は、時間平均が所定値に収束するランダム信号に、外部環境及び制御対象の状況の少なくとも一方に関する信号を作用させて前記所定値をシフトさせ、このシフトされたランダム信号を、前記制御対象を制御する制御信号に変換して前記制御対象に出力するものである。

これらの発明によれば、ランダム信号生成部によって、時間平均が所定値、例えば値０に収束するランダム信号が生成される。そして、作用信号生成部によって、外部環境及び制御対象の状況の少なくとも一方に関する信号が得られ、この信号がランダム信号生成部に入力されることでランダム信号に作用する。この作用によって、前記所定値はシフトされ、このシフトされたランダム信号が前記制御対象を制御する制御信号に変換されて前記制御対象に出力される。そして、この制御信号によって制御対象が制御される。

従って、ノイズや周期性のゆらぎを持つランダム信号を活用することでシステム等の制御対象を制御するための所要の制御信号が、簡便な構成かつ低消費エネルギーで、しかも耐ノイズ性の高い方法や装置で生成される。

本発明によれば、ノイズや周期性のゆらぎを持つランダム信号を活用することでシステム等の制御対象を制御するための所要の制御信号を、簡便な構成かつ低消費エネルギーで、しかも耐ノイズ性の高い方法や装置で生成することができる。

本発明に係る制御信号生成装置の一実施形態を示す構成図である。 ランダム信号発生器２の一実施形態を示す構成図で、図２（ａ）は全体構成図、図２（ｂ）はそのうちの１個の確率共振素子の構成図である。 ランダム信号と制御量との関係を示すタイムチャートで、図３（ａ）（ｂ）は検出信号がない場合のランダム信号と、その制御量とを示し、図３（ｃ）（ｄ）は検出信号が入力された場合のランダム信号と、その制御量とを示している。 ランダム信号制御の高次元化の一例を示す図である。 制御信号生成装置の他の実施形態を示す構成図である。 不感帯付判別器を備えた制御信号生成装置における制御量のタイミングチャートで、図６（ａ）（ｂ）は、検出器１，４からの信号入力がない場合の制御部３の出力信号及び制御量の変移を示し、図６（ｃ）（ｄ）は、検出器１，４からの信号入力がある場合の制御部３の出力信号及び制御量の変移を示している。 制御信号生成装置１０Ｂの他の実施形態を示す構成図で、２個のランダム信号発生器を設けた場合の構成図である。 図７に示す装置の動作を説明するタイミングチャートで、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）は、検出器１，４からの入信号がない場合における、ランダム信号発生器２ａ、２ｂの各出力、論理演算結果、制御量を示し、図８（ｄ）（ｅ）（ｆ）は、検出器１、４の少なくとも一方からの入信号がある場合における、ランダム信号発生器２ａ、２ｂの各出力、論理演算結果、制御量を示している。 本制御信号生成装置のより高次の適用例を示す構成図で、フィードバック構造を持つ複合システムの構成図である。 本制御信号生成装置のより高次の適用例を示す構成図で、ネットワーク結合された構成図である。 制御信号生成装置の他の実施形態を示す構成図である。 台車制御システムのブロック図である。 ランダム信号発生器の一例としてのゆらぎ発振器の構成を示す構成図である。 台車制御システムの構成図である。 図１４の台車の概略構造図である。 台車の動作を説明する説明図である。

図１は、本発明に係る制御信号生成装置の一実施形態を示す構成図である。制御信号生成装置１０は、検出器１、検出器１の検出信号が入力されるランダム信号発生器２、及びランダム信号発生器２の出力信号が入力される制御部３を備えると共に、制御対象１００の状態（状況）を検出する検出器４を備えている。検出器４の出力はランダム信号発生器２に入力され、フィードバック系を構成している。

検出器１は、制御対象１００に対する制御に必要となる外部乃至は周囲の物理情報等を検出するものである。例えば外部環境に関する情報（信号）としては、温度、気温、湿度、風向、風速、明るさ（昼か夜か、屋内か屋外かなど）、化学物質の濃度、音の強さ、物質への接触や感覚等が想定される。また、制御対象１００の状況とは、制御対象物に対する物理情報の変化（例えば位置の変化）などである。ランダム信号発生器２は、例えば検出器１，４からの入力信号を変調してハイレベル、ローレベル（あるいは正極、負極）のバイナリ信号として出力するものである。ランダム信号発生器２は、検出器１，４からの信号入力がない場合、ランダム信号のみが出力される。検出器１，４からの信号入力がない場合におけるランダム信号は、時間平均すると、分散を持ちながら一定値、例えばハイレベル、ローレベル（あるいは正極、負極）の各時間の合計時間の差が０に収束する。そして、検出器１及び検出器４の少なくとも一方から検出信号が入力されると、この入力信号でランダム信号が変調されて、時間平均値が前記一定値からずれる（シフトする）。ランダム信号発生器２の一実施形態は、図２を用いて後述するが、例えば本出願人が先に出願した特願２００７−２１５４５７に記載した技術を採用することができる。ここに、検出器１，４は、作用信号生成部として機能する。

制御部３は、ランダム信号発生器２から入力されるパルス状信号と制御対象物１００の制御信号との関係を設定する、例えば論理演算部で構成される。なお、検出器１，４は１個に限定されず、制御対象、及び制御目的の関係から所要数が採用可能である。また、ランダム信号発生器２は、ランダム信号であれば、アナログノイズの他、デジタル式のランダム信号でもよく、特に発生源のタイプを問わない。

図２は、ランダム信号発生器２の一実施形態を示す構成図である。図２（ａ）は全体構成図、図２（ｂ）はそのうちの１個の確率共振素子の構成図である。図２（ａ）に示すように、ランダム信号発生器２は、リング状に接続された所定数、ここでは４個の確率共振素子２０を備えている。各確率共振素子２０は、矢印で示すように一方向に結合されている。一方向結合とは、信号の流れる方向を一方向とする接続をいう。４個の確率共振素子２０の所定の１個（あるいは複数）に外部からの信号入力を受け付ける入力端子が設けられ、他の所定の１個の確率共振素子２０には信号取り出し用の出力端子が設けられている。

図２（ｂ）において、確率共振素子２０は、ランダムな信号を発生するノイズ発生器２１、信号加算器２２、閾値判別部２３、微分器２４、及び出力部２５を備えている。ノイズ発生器２１は、例えばガウシアンホワイトノイズや熱雑音等の種々のノイズ信号を生成するファンクションジェネレータから構成されている。信号加算器２２は、ｎ種類の入力信号と、ノイズ発生器２１からのノイズ信号とが入力される端子を有し、入力されたノイズ信号と、ｎ種類の入力信号とを重畳（加算）して、入力信号にゆらぎを与え、閾値判別部２３に出力する。ｎ種類の入力信号は、入力端子２２１〜２２ｎから入力される。確率共振素子２０の各入力端子には、前段の確率共振素子２０からの出力信号や外部物理量に対応する信号が入力され、また発振動作をトリガするトリガ信号が入力されてもよい。

閾値判別部２３は、信号加算器２２によりゆらぎの与えられた信号のレベルを所定の閾値と比較し、入力信号のレベルが閾値未満の場合には、出力レベルをローとし、入力信号のレベルが閾値以上の場合には、出力レベルをハイとするものであり、微分器２４に出力する。閾値判別部２３は、例えばシュミットトリガ回路等のヒステリシス特性を有する回路で構成されており、これによって出力信号の波形をパルス波形に整形している。微分器２４は、閾値判別部２３から入力される信号を微分し、出力部２５に出力する。なお、図２（ｂ）において、右側のマークは、確率共振素子２０を表記したものである。この構成によれば、ノイズ発生器２１からのノイズ信号は、閾値判別器２３で閾値とのレベル比較が行われ、ノイズ信号のレベルが高いと、ハイレベルに変化し、逆にノイズ信号のレベルが低くなると、ハイレベルからローレベルにヒステリシスを加味してレベル変化し、これによって、ノイズ信号のレベルのうち、閾値以上の間、整形されたパルス信号が出力される。出力されたパルス信号は微分器２４により部分された後、次段の確率共振素子２０に入力され、順次同様に入力されていくことで、微分後のパルス信号がリング内を循環することとなる。このとき、各確率共振素子２０は次段となる確率共振素子２０との結合定数用として、インピーダンスを調整する回路が設けられていてもよい。これにより、パルス信号はリング内で発振する。

一方、信号加算器２２の入力端子２２１〜２２ｎのうちの少なくともいずれかに信号が入力される（ノイズ信号に重畳される）と、閾値を超えるノイズ信号数、また期間も長くなり、パルス数、パルス幅が増大する傾向を示すこととなる。従って、リングから出力されるパルス信号（図１の制御部３への入力信号）のハイ、ロー期間の時間平均バランスをずらす（シフトさせる）ことができる。

すなわち、確率共振素子２０から出力されたパルス信号は、リング状に結合された確率共振素子２０を順次伝達されると、確率共振素子２０間の協調現象により、各確率共振素子２０におけるパルス信号の出力タイミングが同期し、各確率共振素子２０は一定周期で自励発振する。つまり、確率共振素子２０間で生じるパルス信号の出力タイミングがゆらぐことにより、各確率共振素子２０は、同期しやすいタイミングで自立的に周期性信号を生成する。そして、検出器１，４からの検出信号レベルの入力に応じて、また結合定数の増大に応じて、発振周波数が上昇する。

このように、図２に示すランダム信号発生器２によれば、周期的にゆらいだ発振信号は、時間信号としては発振周期にゆらぎを持ち、周波数領域において発振周期の周波数周りにブロードな周波数特性を示す。これらは、ランダムさを含む信号であり、時間平均すると、分散を持ちながら一定値（実質的に一定値）に収束する。かかるランダム信号発生器２を、ここではゆらぎ発振器という。

図３は、ランダム信号と制御量との関係を示すタイムチャートで、図３（ａ）（ｂ）は検出信号がない場合のランダム信号と、その制御量とを示し、図３（ｃ）（ｄ）は検出信号が入力された場合のランダム信号と、その制御量とを示している。図３では、説明の便宜上、バイナリ信号発生器を例にして説明する。バイナリ信号のＶ_Ｈ状態の時間幅をΔｔ_ＶＨ、Ｖ_Ｌ状態の時間幅をΔｔ_ＶＬで表すと、検出器１，４からの入力がない場合、ランダム信号のＶ_Ｈ状態のトータル時間ｔ_ＶＨ ^{Ｔｏｔａｌ}（＝ΣΔｔ_ＶＨ）と、Ｖ_Ｌ状態のトータル時間ｔ_ＶＬ ^{Ｔｏｔａｌ}（＝ΣΔｔ_ＶＬ）とは等しくなり（ｔ_ＶＨ ^{Ｔｏｔａｌ}＝ｔ_ＶＬ ^{Ｔｏｔａｌ}）、制御量の時間平均変化は実質的に０になる。図３（ａ）のランダム信号で制御される制御量は、図３（ｂ）のようになり、ある区切られた制御時間幅Δｔ_Ｃｔｒｌでは制御対象はランダムに動作するが、大きな時間幅では平均０になる。

ランダム信号発生器２に検出器１，４から信号が入力されると、Ｖ_Ｈ状態もしくはＶ_Ｌ状態の一方のトータル時間長く（あるいは短く）なり、ｔ_ＶＨ ^{Ｔｏｔａｌ}＝ｔ_ＶＬ ^{Ｔｏｔａｌ}の関係が破られる。例えば、入力によってＶ_Ｈ状態のトータル時間が長くなった場合（図３（ｃ）参照）は、ｔ_ＶＨ ^{Ｔｏｔａｌ}＞ｔ_ＶＬ ^{Ｔｏｔａｌ}の関係になり、制御量は増大し（図３（ｄ））、平均値は０より大きくなる。入力が長くなると、新たな状態で、再びｔ_ＶＨ ^{Ｔｏｔａｌ}＝ｔ_ＶＬ ^{Ｔｏｔａｌ}の関係に落ち着き、新たな平均値でシステムの状態が保持される。

従って、制御量を様々な物理量に対応させることにより、制御対象を制御することが可能となる。例えば、制御量をアクチュエータ（例えばモータ）の前後動作の移動量に対応付けると、制御量が増加すると移動体は前進し、減少すると移動体は後退するといった、移動体の運動制御をランダム信号により行うことができる。複数のランダム信号発生器２を用いた場合、制御パラメータの高次元化が可能となる。例えば、図４に示すように、２つのランダム信号発生器２を用いて二次元の物体移動を制御することが可能となる。

図４は、ランダム信号制御の高次元化の一例を示す図である。例えば移動体をｘｙ空間平面上で実線で示す軌跡に沿って移動させる場合、時間軸方向に、ｘ、ｙ軸の各制御量（ｘ制御量、ｙ制御量）を設定する必要がある。この場合には、図１に示す制御信号生成装置１０としては、２個並列（ｘ軸側対応部とｙ軸側対応部）に備える必要があり、このｘ制御量、ｙ制御量に対応する信号を外部から、対応する側の検出器１（この実施例では指令信号出力部として機能する）を経て入力することで、移動体を二次元的に移動制御できる。アクチュエータを３個設けて３次元移動させる移動体の場合、図１の装置を３個並列に設けることで対応可能である。

ところで、ランダム信号制御では、制御対象が区切られた制御時間幅（例えば図３（ｂ）のΔｔ_Ｃｔｒｌ）でランダムに動作することによって、ゆらぎ（平均値からの分散）を生じる。よりスムーズに制御対象の制御を行うためには、このゆらぎの影響は可及的に小さくすることが望ましい。

図５は、制御信号生成装置の他の実施形態を示す構成図である。図５に示すように、制御信号生成装置１０Ａは、制御部３の出力側に、不感帯付判別器５を設けたものである。不感帯付判別器５は、制御部３から出力される新たな指令となる制御量が、現状の制御量に対して、所定のレベル範囲（上部閾値及び下部閾値）内である場合、不感帯として、現状の制御量を維持し、一方、新たな指令となる制御量が所定のレベル範囲を超えた場合、超えたレベル分だけ制御量が変化したとして処理される。このようにすることで、ゆらぎに起因する制御量のふらつきに対して、ゆらぎの影響を抑制して制御対象の制御動作を安定させることが可能となる。

図６は、不感帯付判別器を備えた制御信号生成装置における制御量のタイミングチャートである。図６（ａ）（ｂ）は、検出器１，４からの信号入力がない場合の制御部３の出力信号及び制御量の変移を示し、図６（ｃ）（ｄ）は、検出器１，４からの信号入力がある場合の制御部３の出力信号及び制御量の変移を示している。図６（ｂ）（ｄ）中に示す破線は不感帯の幅を示している。また、実線は、制御部３から出力される制御量を示し、太線は、不感帯付判別器５から出力される実際の制御量を示している。これらの図に示すように、制御部３から出力される制御量が現状の制御量に対して不感帯の幅内であれば（特に図６（ｂ）参照）、不感帯付判別器５からは現状の制御量が（変化されることなく）一定値に維持されている。一方、図６（ｄ）の、例えばｔ１時点で示すように、制御部３から出力される制御量が現状の制御量に対する不感帯の幅を超えてより高い値になると、超えた分だけ不感帯付判別器５からの制御量が変更される。この結果、図６（ｂ）（ｄ）の太線に示すように、ランダム信号を使用した装置であっても、制御対象、ここでは移動体の動きをよりスムーズにすることができる。

ランダム信号発生器２は、ノイズを利用することから、ｔ_ＶＨ ^{Ｔｏｔａｌ}＝ｔ_ＶＬ ^{Ｔｏｔａｌ}の関係を実現することが困難な場合が考えられ、この場合には、複数のランダム信号発生器２を並設し、全体として、ｔ_ＶＨ ^{Ｔｏｔａｌ}＝ｔ_ＶＬ ^{Ｔｏｔａｌ}の関係を実現することができる。

図７は、制御信号生成装置１０Ｂの他の実施形態を示す構成図で、２個のランダム信号発生器を設けた場合の構成図である。図８は、図７に示す装置の動作を説明するタイミングチャートで、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）は、検出器１，４からの信号入力がない場合における、ランダム信号発生器２ａ、２ｂの各出力、論理演算結果、制御量を示し、図８（ｄ）（ｅ）（ｆ）は、検出器１、４の少なくとも一方からの信号入力がある場合における、ランダム信号発生器２ａ、２ｂの各出力、論理演算結果、制御量を示している。

図７において、制御信号生成装置１０Ｂは、並列に検出器１ａ、１ｂ、ランダム信号発生器２ａ、２ｂ、検出器４ａ、４ｂを備えると共に、ランダム信号発生器２ａ、２ｂの出力信号のレベルに対して所定の論理演算を施す論理演算部６を備える。（表１）は、この論理演算の内容を示す表である。

図８（ａ）に示すように、検出器１ａ、１ｂ、４ａ、４ｂから信号が入力されていない場合、ランダム信号発生器２ａの「信号１」、及びランダム信号発生器２ｂからの「信号２」はいずれも、ｔ_ＶＨ１ ^{Ｔｏｔａｌ}≠ｔ_ＶＬ１ ^{Ｔｏｔａｌ}、ｔ_ＶＨ２ ^{Ｔｏｔａｌ}≠ｔ_ＶＬ２ ^{Ｔｏｔａｌ}であるとする。また、ランダム信号発生器２ａ、２ｂは、同一回路構成であり、ノイズ源として同一構成乃至は共通とすることで、出力されるランダム信号の時間平均スイッチング頻度を等しくすることが可能となる。この状態で、ランダム信号発生器２ａ、２ｂの出力信号のレベルに対して、（表１）に示す論理処理を施すと、図８（ｂ）に示すように、Ｈ（正極）、０、Ｌ（負極）という、３種類の状態信号が時系列方向に出力される。このとき、ランダム信号発生器２ａ、２ｂでは、ランダム信号のスイッチング頻度が等しいため、論理演算部６で論理処理された出力信号に対して、ｔ_Ｈ ^{Ｔｏｔａｌ}＝ｔ_Ｌ ^{Ｔｏｔａｌ}の関係を実現することができ、図８（ｃ）に示すように、制御部１３から出力される制御量の時間変化を平均０とすることができる。

一方、検出器１ａ、１ｂ、４ａ、４ｂの少なくともいずれかから、例えば検出器１ｂ、４ｂの少なくとも一方からランダム信号発生器２ｂに入力がある場合（図８（ｄ）の「信号２」参照）、２個のランダム信号発生器２ａ、２ｂ間にスイッチング頻度のずれが発生する。このため、論理演算部６からの出力信号は、Ｈ状態又はＬ状態の一方のトータル時間が長くなり、論理演算後の出力では、ｔ_Ｈ ^{Ｔｏｔａｌ}＝ｔ_Ｌ ^{Ｔｏｔａｌ}の関係が破られる（図８（ｅ）；ｔ_Ｈ ^{Ｔｏｔａｌ}＞ｔ_Ｌ ^{Ｔｏｔａｌ}の関係）。従って、制御量は一方側（図８（ｆ）では上昇側）にシフトする。

以上のように、本制御信号生成装置を適用すれば、ランダム信号の持つ不確定性が制御対象に対して寛容性を与えるため、制御対象がノイズ等の想定外の信号から引き起こされるエラーに耐性を持ち、ノイズ対策のための信号の受け渡しが不要となり、システム設計が簡単になるというメリットがある。

図９、図１０は、本制御信号生成装置のより高次の適用例を示す構成図である。図９は、フィードバック構造を持つ複合システムの構成図であり、図１０は、ネットワーク結合された構成図である。

図９において、ランダム信号制御システムＲＣＳ１，２，３は制御対象であり、それぞれ本制御信号生成装置１０（１０Ａ又は１０Ｂ）を内蔵している。ランダム信号制御システムＲＣＳ１は、外部より信号入力を受ける構成であり、ランダム信号制御システムＲＣＳ２，３は、それぞれ前段のランダム信号制御システムＲＣＳ１，２の出力信号（又は指令信号）を入力信号とするように構成されている。また、ランダム信号制御システムＲＣＳ２の出力信号は前段のランダム信号制御システムＲＣＳ１にフィードバックされている。この構成によれば、ランダム信号制御システムＲＣＳ１，２，３がそれぞれ、検出部として前方を指向する光センサを備えた移動体を想定した場合、ランダム信号制御システムＲＣＳ１への入力は、移動指標となる光源（図略）であり、ランダム信号制御システムＲＣＳ１，２，３の出力は移動体の後部に設けられた後照灯であって、後続の移動体を順次追従させるための指標光源として機能するものである。

すなわち、ランダム信号制御システムＲＣＳ１が指標光源を光センサで検出しつつ追尾し、その後照灯をランダム信号制御システムＲＣＳ２が光センサで検出しつつ追尾し、さらにその後照灯をランダム信号制御システムＲＣＳ３が光センサで検出しつつ追尾することとなる。この結果、複数台を、いわば数珠つなぎ的に移動制御することが可能となる。また、ランダム信号制御システムＲＣＳ１，２間にフィードバックループを備える結果、ランダム信号制御システムＲＣＳ１，２間で、順番の入れ替え処理なども可能となり、汎用性を高めることができる。

図１０において、制御信号生成装置を複数個、ここでは３個の制御信号生成装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃを並設し、かつそれぞれの検出器１ａ、１ｂ、１ｃの出力を、各ランダム信号発生器２ａ、２ｂ、２ｃに導くものである。ここに、制御信号生成装置１０ａは、検出器１ａ、ランダム信号発生器２ａ及び制御部３ａで構成され、制御信号生成装置１０ｂは、検出器１ｂ、ランダム信号発生器２ｂ及び制御部３ｂで構成され、制御信号生成装置１０ｃは、検出器１ｃ、ランダム信号発生器２ｃ及び制御部３ｃで構成されている。このように構成することで、３個の検出器からの信号をそれぞれで共有することで、ランダム信号発生器毎に３個ずつ持たせる場合に比して検出器の個数を低減することができる。また、各制御信号生成装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、各検出器１ａ，１ｂ，１ｃからの信号を互いに入力し合うことで、制御対象に対して関連する乃至は連携した制御が可能となる。

図１１は、制御信号生成装置の他の実施形態を示す構成図である。図１１において、制御信号生成装置１０Ｃは、複数の検出器４ａ〜４ｎ（複合センサ群）を備えたものである。この構成によれば、制御対象であるシステムの状態について種々の状況を検出して、ランダム信号発生器２の各入力端子（図２（ｂ）参照）に導いて、総合的に制御量を生成するようにしているので、きめ細かい制御が可能となる。また、ランダム信号を用いていることから、ランダム信号を変調するための信号として厳密な検出信号は必ずしも必要ではなく、複合センサ群への各入力信号を厳密に信号処理することなく、ランダム信号発生器２に導くことができるので、その分、設計が容易となり、かつ構成が簡易となる。なお、図２に示すゆらぎ発振器を用いた場合、検出信号の強度（レベル）、ノイズの強度、閾値、結合定数の各パラメータで発振周期を変化させることができ、例えばノイズ信号を制御のための信号として利用することも可能である。

以上によれば、本発明に係る制御信号生成装置は、制御対象内外での受け渡し信号が曖昧でもよく、また、回路を構成する部品に対しても精度を求めないため、安価な部品を利用でき、生産コストの廉価が図れる。また、生産過程で製品の性能ばらつきが生じても動作への影響はほとんどないため、生産ラインにおける歩留まりを高めることが可能となる。さらに、検出器を構成する部品のパラメータ（定数）にばらつきがあっても、略同一の動作が期待できる。このため、装置のパラメータを厳密に調整しなくても利用でき、装置が過大に複雑化し、制御パラメータが増大して、それらの調整が困難乃至はできなくなるといった設計上の不具合さを解消できる。また、ＣＰＵなどのソフトウエアを用いないので、回路設計が容易となり、特に制御対象に対する制御信号が多数になるような場合、ＣＰＵ処理による場合に比して構造的にも簡素化が図れる。

次に、本発明に係る制御信号生成装置を移動体（台車）の移動制御（移動体駆動制御装置）に適用した例について、図１２〜図１６を用いて説明する。図１２は、台車制御システムのブロック図であり、図１３は、ランダム信号発生器の一例としてのゆらぎ発振器の構成を示す構成図であり、図１４は、台車制御システムの構成図、図１５は、図１４の台車の概略構造図、図１６は、台車の動作を説明する説明図である。

図１４，図１５において、制御対象システムとしての台車１００は、左右のモータ１０１，１０２と、モータ１０１，１０２の駆動力が伝達される多段の減速ギアから構成される伝達部１０３１，１０３２及びそれらの出力軸に取り付けられた左右の車輪１０３３，１０３４からなる駆動系１０３とを備えている。なお、図では示していないが、台車１００はその機能を果たすための構造、例えば部品運搬用であれば部品の搭載部等を備えている。

台車１００の適所には、４個の光センサ１４１〜１４４が取り付けられている。光センサ１４２，１４４が正面に向けられ、光センサ１４１，１４３が斜め前方に向けられている。各光センサ１４１〜１４４は、例えばＣｄＳセンサであり、本実施形態では、それぞれ一対で構成されている。一対で構成された光センサは、指標となる光源Ｌ（図１６参照）からの光を同一条件で受光し得るように配置されている。

光センサ１４１は、光センサ１４１−１，１４１−２からなり、台車１００の前方左方向（例えば左４５°）に向けられ、かつ所要の指向範囲を有している。光センサ１４２は、光センサ１４２−１，１４２−２からなり、台車１００の正面前方に向けられ、かつ所要の指向範囲を有している。光センサ１４４は、光センサ１４４−１，１４４−２からなり、台車１００の正面前方に向けられ、かつ所要の指向範囲を有している。光センサ１４３は、光センサ１４３−１，１４３−２からなり、台車１００の前方右方向（例えば右４５°）に向けられ、かつ所要の指向範囲を有している。光センサ１４１，１４２は左側の車輪１０３３を回転させるモータ１０１の回転制御のためのものであり、光センサ１４３，１４４は右側の車輪１０３４を回転させるモータ１０２の回転制御のためのものである。

図１２において、移動体駆動制御装置の主体を構成する制御信号生成装置１０Ｄは、台車１００に搭載されている。制御信号生成装置１０Ｄは、ランダム信号発生器の一例としてのゆらぎ発振器１２と、論理演算部、制御部及びモータ駆動信号を生成する部を一体で構成されたモータドライバ１３とを備えている。なお、論理演算部、制御部及びモータ駆動信号生成部は別体であってもよい。ゆらぎ発振器１２は、モータ１０１を制御するためのゆらぎ発振器１２１，１２２と、モータ１０２を制御するためのゆらぎ発振器１２３，１２４とを備えている。ゆらぎ発振器１２１〜１２４は同一構成を有している。モータドライバ１３は、モータ１０１を制御するためのモータドライバ１３１と、モータ１０２を制御するためのモータドライバ１３２とを備えている。

光センサ１４１の出力側は、ゆらぎ発振器１２１の入力側に接続され、光センサ１４２の出力側は、ゆらぎ発振器１２２の入力側に接続され、センサ１４３の出力側は、ゆらぎ発振器１２３の入力側に接続され、センサ１４４の出力側は、ゆらぎ発振器１２４の入力側に接続されている。モータドライバ１３１は、「入力１」にゆらぎ発振器１２１が接続され、「入力２」にゆらぎ発振器１２２が接続され、「出力１」、「出力２」がモータ１０１の正、負の各極に接続されている。モータドライバ１３２は、「入力３」にゆらぎ発振器１２３が接続され、「入力４」にゆらぎ発振器１２４が接続され、「出力３」、「出力４」がモータ１０２の正、負の各極に接続されている。

図１３において、ゆらぎ発振器１２１を代表として説明すると、ゆらぎ発振器１２１は、２個の確率共振素子１２１−１，１２１−２が、図２に示すように、互いにリング状に接続され、一方、それらの間に光センサ１４１−１，１４１−２が介設されている。すなわち、ゆらぎ発振器１２１−１の入力側に光センサ１４１−１が接続され、ゆらぎ発振器１２１−２の入力側に光センサ１４１−２が接続されている。この構成によれば、受光した光強度に応じて光センサ１４１−１の抵抗値を変化させることで、ゆらぎ発振器１２１−２、１２１−１間の結合定数を変化させるようにしている。同様に、受光した光強度に応じて光センサ１４１−２の抵抗値を変化させることで、ゆらぎ発振器１２１−１、１２１−２間の結合定数を変化させるようにしている。図２で説明したように、ゆらぎ発振器１２１は、リング内の全ての、すなわち確率共振素子１２１−１，１２１−２の結合定数が変化すると、発振周波数が変化するもので、結合定数が上昇するに応じて、発信周波数が高くなる。以上のようにして、図１４に示すような台車制御システムが構築される。

（表２）は、モータドライバ１３１（モータドライバ１３２も同一）にハードウエア的に組み込まれた、論理演算符号表と動作モードの内容を示す表である。

（表２）によれば、各車輪１０３３，１０３４に対して、ブレーク（空回り状態）、前進、後退、及びストップ（ロック状態）を指示することが可能となる。

図１６を用いて、台車１００の動きを説明する。図１６（ａ）は、台車１００の正面前方に指標となる光源Ｌが置かれた状態（台車１００の移動開始前）の図、図１６（ｂ）は、台車１００が光源Ｌに向かって移動する途中状態を示す図、図１６（ｃ）は、光源Ｌの位置が変更された場合の図である。

図１６（ａ）では、光源Ｌが台車１００の真正面にあるとして、光センサ１４１，１４３はいずれも受光強度が低レベルであり、また光センサ１４２，１４４はいずれも受光強度がかなり高レベルである。すると、ゆらぎ発振器１２１，１２３の結合定数はほとんど変化せず、一方、ゆらぎ発振器１２２，１２４の結合定数は増大する。従って、ゆらぎ発振器１２１，１２３の出力はＶ_Ｌとなり、ゆらぎ発振器１２２，１２４の出力レベルはＶ_Ｈとなる。この結果、車輪１０３３，１０３４は、（表２）から、いずれも前進駆動制御される。

一方、光センサ１４２，１４４の受光強度は常に一定とは限らず、同様に、光センサ１４１，１４３も受光強度が常に低い状態にあるとは限らない。更に、ゆらぎ発振器１２１，１２３、及びゆらぎ発振器１２２，１２４の発振周波数も、ゆらぎを持っている結果、常に一致しているわけでもない。このため、台車１００は、（表２）の各状況に応じて、蛇行しながら（ゆらぎながら）、全体としては、光源Ｌに向かうことになる。なお、蛇行の程度は、光センサの数、図５に示した不感帯付判別器５を採用する等して調整することが可能である。

次いで、図１６（ｃ）のように、光源Ｌが、図中、右方に移動されると、光センサ１４３の受光強度が最大となり、光センサ１４２，１４４は受光強度が低くなり、光センサ１４１では受光できない。従って、ゆらぎ発振器１２からの信号は、ゆらぎ発振器１２１の出力はＶ_Ｌとなり、ゆらぎ発振器１２２の出力はＶ_Ｌとなり、ゆらぎ発振器１２３の出力はＶ_Ｈとなり、ゆらぎ発振器１２４の出力はＶ_Ｌとなる。そうすると、（表２）から、モータ１０１はストップ、モータ１０２は後退となる。すなわち、図１６（ｂ）の状態において、モータ１０１がストップし、モータ１０２が後退すると、台車１００は、図１６（ｃ）に示すように右方に方向転換する。従って、台車１００は移動される光源Ｌを追尾するようになる。なお、指標は光源Ｌである必要はなく、近接センサが採用可能な種々の物理要素が採用可能である。例えば磁石などでもよく、この場合センサは磁気センサを使用すればよい。

また、本発明は、以下の態様が採用可能である。

（１）台車移動システムにおいて、ランダム信号発生器として、図１３に示すゆらぎ発振器を採用し、結合定数の変化で周波数を変化するようにしたが、検出信号をゆらぎ発振器に入力する態様でもよい。

（２）本発明は、制御対象として移動体の移動制御を主に説明したが、制御対象はこれに限定されず、種々のものが採用可能である。例えば、環境変化への対応処理として、空調器における温度設定を制御対象とすることが可能である。この場合、ランダム信号発生器２は、検出器４である温度センサから、外部環境に関する情報である温度検出信号が入力されると、検出温度に応じて周波数の変化した信号を出力し、制御部３はこの周波数の増減に応じて、温度変化を逆方向、すなわち設定温度に向けて制御する信号を出力するようにすればよい。なお、ここに、外部環境に関する情報（信号）としては、温度の他、気温、湿度、風向、風速、明るさ、昼か夜か、屋内か屋外か等が想定される。

（３）また、本実施形態では、検出器１，４，１４を採用しているが、これに限定されず、予め情報を記憶しておき、この情報をランダム信号発生器２に出力することで所要の情報処理を実現することも可能である。情報を記憶する手段としては、一般の記憶媒体でもよいし、あるいは図２に示すような、ゆらぎ発振器であって、結合定数を大きくして共振動作を長期乃至は所要の時間だけ持続させることで、情報を記憶する態様でもよい。

以上のとおり、本発明は、時間平均が所定値に収束するランダム信号を生成するランダム信号生成部と、前記時間平均が所定値に収束するランダム信号に作用させるべく、外部環境及び制御対象の状況の少なくとも一方に関する信号を前記ランダム信号生成部に入力する作用信号生成部と、前記ランダム信号生成部から出力されるランダム信号を、前記制御対象の制御を行う制御信号に変換する制御部とを備えてなる制御信号生成装置である。

また、本発明は、時間平均が所定値に収束するランダム信号に、外部環境及び制御対象の状況の少なくとも一方に関する信号を作用させて前記所定値をシフトさせ、このシフトされたランダム信号を、前記制御対象を制御する制御信号に変換して前記制御対象に出力する制御信号生成方法である。

これらの発明によれば、ランダム信号生成部によって、時間平均が所定値、例えば値０に収束するランダム信号が生成される。そして、作用信号生成部によって、外部環境及び制御対象の状況の少なくとも一方に関する信号が得られ、この信号がランダム信号生成部に入力されることでランダム信号に作用する。この作用によって、前記所定値はシフトされ、このシフトされたランダム信号が前記制御対象を制御する制御信号に変換されて前記制御対象に出力される。そして、この制御信号によって制御対象が制御される。従って、ノイズや周期性のゆらぎを持つランダム信号を活用することでシステム等の制御対象を制御するための所要の制御信号が、簡便な構成かつ低消費エネルギーで、しかも耐ノイズ性の高い方法や装置で生成される。

また、前記ランダム信号生成部は、ランダム信号を用いて時間平均が所定値に収束するパルス状の信号を生成する発振器からなり、前記発振器は、入力される前記ランダム信号にノイズを加え、前記ノイズが加えられたランダム信号のレベルを所定の閾値と比較し、比較結果から得られるパルス信号を微分し、出力する確率共振素子を少なくとも２個以上リング結合してなるゆらぎ発振器であることが好ましい。この構成によれば、確率共振素子からの出力されるランダム信号が順次次段の確率共振素子に入力されることで、ランダム信号にノイズが加えられ、閾値との比較及び微分処理されて新たに生成されたランダム信号が、リング結合された内部を循環し、確率共振素子間の強調現象により発振する。そして、所定の確率共振素子からの出力を制御部に出力することで、制御信号が生成される。この態様では、所定値をシフトさせるべく制御対象の状況に関する信号は確率共振素子の入力端等に入力されるようにしてもよい。

また、前記作用信号生成部は複数設けられ、それぞれが、前記確率共振素子の入力部か閾値を変化させる部分に接続され、又はリング結合された確率共振素子間に介設されてなることが好ましい。この構成によれば、所定値をシフトさせる制御対象の状況に関する信号は、前記確率共振素子の入力部か閾値を変化させる部分に入力され、又はリング結合された確率共振素子間に入力される。例えば、作用信号生成部自身をリング結合された確率共振素子間に介設し、制御対象の状況に関する信号等によって確率共振素子間の結合定数を変化させるようにしてもよい。これによって、ランダム信号生成部からシフトした信号を出力することができる。

また、第１、第２の入力部に入力される信号に所定の論理演算処理を施して出力する論理演算部を備え、前記ランダム信号生成部は、第１、第２のランダム信号生成部からなり、前記作用信号生成部は、前記制御対象の状況に関する第１、第２の信号を、第１、第２のランダム信号生成部に対応させて導く第１、第２の作用信号生成部からなり、前記論理演算部は、第１、第２のランダム信号生成部からのパルス状の信号を入力され、出力信号を前記制御部に出力することが好ましい。この構成によれば、ランダム信号生成部から出力されるランダム信号の時間平均が本来の所定値に収束しないような回路である場合、第１、第２のランダム信号生成部から出力されるパルス状の信号に所定の倫理演算処理を施すことで、時間平均が所定値に収束するパルス状の信号を生成することが可能となる。

また、前記制御信号に対してレベル方向の不感帯を設定する不感帯設定部を備えることが好ましい。この構成によれば、制御部からの出力はふらつきながら時間平均が所定値になるように収束していくが、これは制御対象のふらつきの原因となり得る。そこで、不感帯を設定することで、制御対象に対するふらつきを極力抑制する。

また、複数の車輪に対応する駆動部を備えた移動体に搭載され、前記各駆動部に対応して請求項１〜５のいずれかに記載の制御信号生成装置を有する移動体駆動制御装置であって、前記作用信号生成部は、前記移動体に対する移動指示用の指標を検出する複数のセンサであり、前記複数のセンサは、対応する前記制御信号生成装置の前記各車輪に対応して少なくとも１個以上が対応付けられており、検出した信号を対応する前記制御信号生成装置の前記ランダム信号生成部に導き、前記制御部は前記制御信号を対応する駆動部に出力することが好ましい。この構成によれば、移動指示用の指標を検出するセンサからの検出信号が、対応する前記制御信号生成装置の前記ランダム信号生成部に導かれると、前記制御部によって前記制御信号が得られ、かつ対応する駆動部に出力されるので、移動体が指標を追尾することとなる。

また、前記センサが光センサであることが好ましい。この構成によれば、移動体は指標を遠隔的に追尾することが可能となる。

また、それぞれランダム信号を用いて第１、第２のゆらぎ発振器にて生成されたパルス状の信号を論理演算部を介して、時間平均が前記所定値に収束するパルス状の信号として生成することが好ましい。この構成によれば、ランダム信号を用いて生成されるパルス状の信号の時間平均が所定値に収束しない回路である場合、第１、第２のゆらぎ発振器から出力されるパルス状の信号に所定の論理処理を施すことで、時間平均が所定値に収束するパルス状の信号を生成することが可能となる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ 制御信号生成装置
１，１ａ，１ｂ，１ｃ 検出器（センサ、作用信号生成部）
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，１２ ランダム信号発生器（ランダム信号生成部）
２０ 確率共振素子
１２１〜１２４ ゆらぎ発振器（ランダム信号生成部）
３，３ａ，３ｂ，３ｃ 制御部
１３ モータドライバ
４，４ａ，４ｂ，４ｎ 検出器（センサ、作用信号生成部）
５ 不感帯付判別器（不感帯設定部）
６ 論理演算部（論理演算部）
１００ 台車（移動体）
１０１，１０２ モータ（駆動部）
１０３３，１０３４ 車輪
１４１〜１４４ 光センサ（センサ）
Ｌ 光源（移動指示用の指標）

Claims (9)

1. 時間平均が所定値に収束するランダム信号を生成するランダム信号生成部と、
   前記時間平均が所定値に収束するランダム信号に作用させるべく、外部環境及び制御対象の状況の少なくとも一方に関する信号を前記ランダム信号生成部に入力する作用信号生成部と、
   前記ランダム信号生成部から出力されるランダム信号を、前記制御対象の制御を行う制御信号に変換する制御部とを備えてなる制御信号生成装置。
2. 前記ランダム信号生成部は、ランダム信号を用いて時間平均が所定値に収束するパルス状の信号を生成する発振器からなり、
   前記発振器は、入力される前記ランダム信号にノイズを加え、前記ノイズが加えられたランダム信号のレベルを所定の閾値と比較し、比較結果から得られるパルス信号を微分し、出力する確率共振素子を少なくとも２個以上リング結合してなるゆらぎ発振器であることを特徴とする請求項１記載の制御信号生成装置。
3. 前記作用信号生成部は複数設けられ、それぞれが、前記確率共振素子の入力部か閾値を変化させる部分に接続され、又はリング結合された確率共振素子間に介設されてなることを特徴とする請求項２記載の制御信号生成装置。
4. 第１、第２の入力部に入力される信号に所定の論理演算処理を施して出力する論理演算部を備え、前記ランダム信号生成部は、第１、第２のランダム信号生成部からなり、前記作用信号生成部は、前記制御対象の状況に関する第１、第２の信号を、第１、第２のランダム信号生成部に対応させて導く第１、第２の作用信号生成部からなり、前記論理演算部は、第１、第２のランダム信号生成部からのパルス状の信号を入力され、出力信号を前記制御部に出力することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の制御信号生成装置。
5. 前記制御信号に対してレベル方向の不感帯を設定する不感帯設定部を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の制御信号生成装置。
6. 複数の車輪に対応する駆動部を備えた移動体に搭載され、前記各駆動部に対応して請求項１〜５のいずれかに記載の制御信号生成装置を有する移動体駆動制御装置であって、
   前記作用信号生成部は、前記移動体に対する移動指示用の指標を検出する複数のセンサであり、前記複数のセンサは、対応する前記制御信号生成装置の前記各車輪に対応して少なくとも１個以上が対応付けられており、検出した信号を対応する前記制御信号生成装置の前記ランダム信号生成部に導き、前記制御部は前記制御信号を対応する駆動部に出力する移動体駆動制御装置。
7. 前記センサは、光センサであることを特徴とする請求項６記載の移動体駆動制御装置。
8. 時間平均が所定値に収束するランダム信号に、外部環境及び制御対象の状況の少なくとも一方に関する信号を作用させて前記所定値をシフトさせ、このシフトされたランダム信号を、前記制御対象を制御する制御信号に変換して前記制御対象に出力する制御信号生成方法。
9. それぞれランダム信号を用いて第１、第２のゆらぎ発振器にて生成されたパルス状の信号を論理演算部を介して、時間平均が前記所定値に収束するパルス状の信号を生成することを特徴とする請求項８記載の制御信号生成方法。

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