JPWO2014136435A1

JPWO2014136435A1 - 空間安定装置及び空間安定化方法

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Publication number: JPWO2014136435A1
Application number: JP2015504172A
Authority: JP
Inventors: 大晃清水
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2034-03-04
Also published as: JP6065970B2; EP2966530A1; WO2014136435A1; EP2966530A4

Abstract

制御対象（３）の検出の方位角を検出して検出角度信号として出力すると共に、支持体（５）又は制御対象（３）の動揺を検出して動揺角速度信号として出力する状態検出ユニット（１３）と、動揺角速度信号を用いて、制御対象が所定の目標に向うように指示する目標角度指令を生成して出力する目標角度設定ユニット（１０）と、動揺角速度信号の符号を反転させて、目標角速度指令として出力する符号反転部と、目標角度指令、検出角度信号、目標角速度指令に基づき制御対象（３）を制御するための制御信号を生成する制御部（１１）と、を備える。

Description

本発明は、空間安定装置及び空間安定化方法に関する。

レーダ等の制御対象を目標に向けて、当該目標の追尾等を行うことがある。このような場合に、制御対象が所望する方向に正確に向いていることが追尾精度を決定する。

ところが、制御対象を支持する支持体を回転制御した際に、当該支持体や制御対象等の慣性モーメントにより、支持体や制御対象が動揺することがある。そこで、空間安定装置を用いてかかる制御対象の動揺に対する補正制御が行われている。

例えば、特開平２−２８７２７４号公報においては、図７に示すような光ビーム捕捉追尾制御装置が開示されている。この光ビーム捕捉追尾制御装置は、ミラー１０１の角度等を角度センサ１０５、光学系センサ１０６により検出し、この検出信号に基づきＰＩＤコントローラ１０２、１０３がミラー駆動回路１０４を駆動してミラー１０１を制御するようになっている。ＰＩＤ制御は、公知の制御方法で検出信号と目標信号との差分を比例補償器１１１、微分補償器１１２、積分補償器１１３により、速やかにキャンセルするために用いられている。

特開平２−２８７２７４号公報

しかしながら、特開２−２８７２７４号公報に開示されているような制御方法では、微分補償器１１２は比例補償器１１１や積分補償器１１３による差分縮小制御を抑制する作用を持つため、ミラー駆動回路１０４への制御信号は、角度センサや光学系センサが検出した値より小さくなってしまう。従って、ミラー等の制御対象が慣性モーメントにより動揺しているような場合には、高精度にこれを抑制することができない問題があった。

そこで、本発明の主目的は、制御対象の動揺を正確に補正して空間安定性を向上させることができる空間安定装置及び空間安定化方法を提供することである。

上記課題を解決するため、制御対象が支持体に回動自在に支持されて、当該支持体に対する前記制御対象の回転位置を制御する空間安定化装置にかかる発明は、前記支持体に対する前記制御対象の角度を検出して検出角度を出力する角度出力手段と、前記支持体又は前記制御対象の動揺を検出して検出動揺角速度を出力する動揺角速度出力手段と、前記検出動揺角速度を用いて、前記制御対象の目標角度を算出する目標角度算出手段と、前記検出動揺角速度の符号を反転させて、目標角速度として出力する符号反転手段と、前記目標角度、前記検出角度、前記目標角速度に基づき前記制御対象を制御する制御信号を生成する制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、制御対象が支持体に回動自在に支持されて、当該支持体に対する制御対象の回転位置を制御する空間安定化方法にかかる発明は、前記支持体に対する前記制御対象の角度を検出して検出角度を出力するステップと、
前記支持体又は前記制御対象の動揺を検出して検出動揺角速度を出力するステップと、
前記検出動揺角速度を用いて、前記制御対象の目標角度を算出するステップと、
前記検出動揺角速度の符号を反転させて、目標角速度として出力するステップと、
前記目標角度、前記検出角度、前記目標角速度に基づき前記制御対象を制御する制御信号を生成するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、制御対象を空間安定するための目標指令を慣性センサの出力の積分結果である動揺角度信号だけでなく、動揺角速度も用いるので空間安定性能が向上する。

本発明の第１の実施形態の空間安定装置を示すブロック図である。制御部の詳細ブロック図である。動揺角度信号の波形を例示した図である。目標角度指令の波形を例示した図である。目標角度指令の微分波形を例示した図である。微分器からの出力波形を例示した図である。検出角度信号の波形を例示した図である。空間安定化制御を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態にかかる空間安定装置のブロック図である。他の構成の空間安定装置のブロック図である。関連技術の説明に適用される光ビーム捕捉追尾制御装置のブロック図である。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る空間安定装置２Ａのブロック図である。この空間安定装置２Ａは、制御対象３の回転方位を１軸の回転軸の回りに回転制御する。

なお、以下の説明において空間安定装置２Ａは、ＰＩＤ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌＤｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御により空間安定性を達成する場合について説明するが、例えばＨ∞（Ｈ無限大）制御等の他の制御方法にも適用可能であることを予め付言する。また、ジンバル等の制御対象３は、飛翔体等の支持体５に対して１つの回転軸４の回りに回動自在に連結されている場合について説明するが、１軸の回転軸等に限定するものではなく、２軸以上の回転軸等であっても良い。

空間安定装置２Ａは、目標角度設定ユニット１０、制御部１１、駆動部１２、状態検出ユニット１３、符号反転部１４を備える。この目標角度設定ユニット１０は、指令生成部１０ａ、減算部１０ｂ、積分部１０ｃを備える。また、状態検出ユニット１３は、角度検出部１３ａ、慣性センサ１３ｂを備える。

そして、この空間安定装置２Ａは、図４に示すような手順で空間安定化制御を行う。この制御手順を各要素の動作と共に説明する。

ステップＳ１：先ず、現状の制御対象や支持体の角度や角速度の情報を検出する。この情報は、状態検出ユニット１３により取得され、検出角度検出処理や動揺角速度検出処理が含まれる。

状態検出ユニット１３における角度検出部１３ａは、検出角度検出処理を行う。即ち、角度検出部１３ａは、支持体５に対する制御対象３の回転軸４の回りの回転角度を検出し、これを検出角度信号Ｇ６として制御部１１に出力する。

動揺角速度検出処理は、慣性センサ１３ｂで行われる。この慣性センサ１３ｂは、支持体５で発生する回転軸４の回りの動揺（角速度）を検出して、動揺角速度信号Ｇ２として積分部１０ｃ及び符号反転部１４に出力する。

ステップＳ２：次に、目標角度指令生成処理を目標角度設定ユニット１０が行い、目標角度指令Ｇ５を出力する。即ち、目標角度設定ユニット１０における指令生成部１０ａは、制御対象３を目標に向けるための回転角を示す目標角度信号Ｇ１を生成して、減算部１０ｂに出力する。

積分部１０ｃは、慣性センサ１３ｂからの動揺角速度信号Ｇ２を積分することにより、この動揺角速度信号Ｇ２を動揺角度信号Ｇ３に変換して減算部１０ｂに出力する。

減算部１０ｂは、目標角度信号Ｇ１から動揺角度信号Ｇ３を減算する。そして、減算により得られた信号が、目標角度指令Ｇ５として制御部１１に出力される。

ステップＳ３：次に、符号反転処理が符号反転部１４で行われて、目標角速度指令Ｇ４が出力される。即ち、符号反転部１４は、動揺角速度信号Ｇ２の符号を反転させた信号を生成し、これを目標角速度指令Ｇ４として制御部１１に出力する。

なお、上記ステップＳ２及びステップＳ３は、並列処理であり、処理手順の前後は問わない。

ステップＳ４：次に制御信号作成処理が、制御部１１により行われる。制御部１１には目標角度指令Ｇ５、検出角度信号Ｇ６、目標角速度指令Ｇ４が入力して、これらの信号を用いて制御信号Ｇ７を生成して駆動部１２に出力する。

ステップＳ５：そして、制御部１１からの制御信号Ｇ７に基づき、駆動部１２が制御対象３の回転制御及び安定化制御を行う。

図２は、制御部１１の詳細ブロック図である。この制御部１１は、比例側減算器１１ａ、積分器１１ｂ、積分ゲイン乗算器１１ｃ、比例ゲイン乗算器１１ｄ、微分器１１ｅ、微分側減算器１１ｆ、微分ゲイン乗算器１１ｇ、加算器１１ｈを備えている。

そして、制御部１１は、上述したように制御信号作成処理を行うが、この制御信号作成処理には、微分信号作成処理、積分信号作成処理、比例信号作成処理、加算処理が含まれている。

比例側減算器１１ａは、目標角度指令Ｇ５から検出角度信号Ｇ６を減算した差分信号Ｇ８を生成し、これを積分器１１ｂと比例ゲイン乗算器１１ｄとに出力する。比例ゲイン乗算器１１ｄは差分信号Ｇ８に所定の比例ゲインを乗算して、これを比例信号Ｇ１０として加算器１１ｈに出力する（比例信号作成処理）。

一方、積分器１１ｂは、差分信号Ｇ８を積分して、積分ゲイン乗算器１１ｃに出力する。積分ゲイン乗算器１１ｃは、積分器１１ｂからの信号に所定の積分ゲインを乗算して、積分信号Ｇ９として加算器１１ｈに出力する（積分信号作成処理）。

更に、微分器１１ｅは、検出角度信号Ｇ６を微分して、検出角速度信号Ｇ１１として微分側減算器１１ｆに出力する。

微分側減算器１１ｆは、目標角速度指令Ｇ４から検出角速度信号Ｇ１１を減算し、これを減算信号Ｇ１２として微分ゲイン乗算器１１ｇに出力する。微分ゲイン乗算器１１ｇは、減算信号Ｇ１２に所定の微分ゲインを乗算して微分信号Ｇ１３として、加算器１１ｈに出力する（微分信号作成処理）。

加算器１１ｈは、積分信号Ｇ９、比例信号Ｇ１０、微分信号Ｇ１３を加算して、制御信号Ｇ７として出力する（加算処理）。

このような構成により空間安定性向上の原理を、図３Ａ〜３Ｅを参照して説明する。図３Ａは動揺角度信号Ｇ３の波形、図３Ｂは目標角度指令Ｇ５の波形、図３Ｃは目標角度指令Ｇ５の微分波形、図３Ｄは微分器１１ｅからの出力波形、図３Ｅは検出角度信号Ｇ６の波形を示している。目標角速度指令Ｇ４は、図３Ｄにおける微分器１１ｅからの点線で示した出力波形に相当した波形となる。

なお、以下においては説明の簡略化するため、指令生成部１０ａからの目標角度信号Ｇ１は「０」とする。このことは、制御対象３を新しい位置に回転させずに、現状位置に維持させる制御である。即ち、制御対象３が検出位置で動揺している場合に、この動揺を補正して安定化させることを意味している。

減算部１０ｂに入力する図３Ａに示す動揺角度信号Ｇ３は、「０」の目標角度信号Ｇ１から減算されることにより符号反転し、図３Ｂに示す目標角度指令Ｇ５の波形となる。この目標角度指令Ｇ５を微分したと想定したときの角速度の波形は、図３Ｃとなる。

もし、目標角速度指令Ｇ４が「０」であれば、図３Ａの波形を「０」にするように微分器１１ｅ、微分ゲイン乗算器１１ｇ、加算器１１ｈによる微分制御によって角速度制御が働く。この目標角速度指令Ｇ４が「０」のときとは、図１の符号反転部１４が設けられていない構成に相当し、この構成は公知のＰＩＤ制御の回路構成である。即ち、公知のＰＩＤ制御では、目標角速度指令Ｇ４を用いない。

公知のＰＩＤ制御の場合、微分制御は、比例制御を抑制するように作用するため、微分器１１ｅからは図３Ｃより振幅が小さい信号（図３Ｄの実線曲線）が出力される。従って、本来ならば図３Ｄの点線曲線の信号により制御を行うとき動揺を完全に補正することができるが、実際には微分制御が働くために実線曲線の信号が出力されるようになり、動揺は完全に補正することができない。

そこで、本発明では、動揺角速度信号Ｇ２の符号反転信号である目標角速度指令Ｇ４を用いて、この目標角速度指令Ｇ４から微分器１１ｅの信号との差分を求めて減算信号Ｇ１２を生成している。これにより、微分ゲイン乗算器１１ｇに入力する減算信号Ｇ１２は、図３Ｄの点線曲線で示す振幅値の信号となる。

この結果、加算器１１ｈからは制御対象３の検出角度信号を図３Ｂに示す振幅値及び位相に制御する信号が制御信号Ｇ７として出力される。従って、動揺をキャンセルする性能が向上できるようになり、空間安定性能が向上する。
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を説明する。図５は、本実施形態にかかる空間安定装置２Ｂのブロック図である。なお、第１実施形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。

本実施形態にかかる空間安定装置２Ｂは、第１実施形態にかかる空間安定装置２Ａに対して、動揺角速度信号Ｇ２の位相及び振幅値が調整できるように、位相補償部１５及びゲイン乗算部１６を慣性センサ１３ｂと符号反転部１４（又は積分器１０ｃ）との間に設けている。この位相補償部１５とゲイン乗算部１６との相対的な位置関係は、特に限定しない。以下においては、慣性センサ１３ｂ側から位相補償部１５、ゲイン乗算部１６が順に配置されている場合を例に説明する。

位相補償部１５は、例えば、
Ｆ＝（ｓ＋２πｆ_１）／（ｓ＋２πｆ_２） … （１）
の式で示す伝達関数Ｆに従うフィルタ処理を入力信号に対して行うことにより、この入力信号の位相を予め設定された周波数に従い変化させて出力する。ここでｆ_１、ｆ_２は、ユーザーが任意に設定できる周波数であり、ｓはラプラス演算子である。

支持体５の動揺角度と制御対象３の角度の符号を反転した角度（動揺補正角度と記載する）との振幅値及び位相が一致すれば、支持体５の動揺を制御対象３の制御によって抑制することができる。

しかし、慣性センサ１３ｂは、検出帯域に制約があり、また信号遅延等が発生するので、支持体５の動揺と慣性センサ１３ｂの出力との間には振幅差や位相差が生じる。また、慣性センサ１３ｂの出力から制御対象３までの信号路においても減衰や位相差が生じる。

そこで、位相差を補正するために、慣性センサ１３ｂの検出した動揺角速度信号Ｇ２の位相調整が行なえるように位相補償部１５を設け、振幅差を補正するために、動揺角速度信号Ｇ２の振幅調整が行えるようにゲイン乗算部１６を設けている。

上記位相補償部１５をもうけることにより、動揺角速度信号Ｇ２の位相を支持体５の動揺の位相に近づけることができるため、制御対象３の揺動抑制効果を向上させることができる。上記ゲイン乗算部１６を設けることにより、動揺角速度信号Ｇ２の振幅を支持体５の動揺の振幅に近づけることができるため、制御対象３の揺動抑制効果を向上させることができる。

なお、上記構成では、積分部１０ｃ及び符号反転部１４に入力する動揺角速度信号Ｇ２は、同じ位相量、同じ振幅量に調整された同じ信号であった。しかし、本発明は、これに限定するものではなく、図６に示すように、積分部１０ｃ及び符号反転部１４に入力するそれぞれの動揺角速度信号Ｇ２を信号路に応じて調整できるようにしても良い。

具体的には図６に示す空間安定装置２Ｃにおいては、位相補償部１５は、第１位相補償器１５ａ、第２位相補償器１５ｂにより形成され、ゲイン乗算部１６は、第１ゲイン乗算器１６ａ、第２ゲイン乗算器１６ｂにより形成されている。

そして、慣性センサ１３ｂからの動揺角速度信号Ｇ２は第１位相補償器１５ａに入力され、第１位相補償器１５ａは動揺角速度信号Ｇ２の位相差を補正する。位相差を補正された動揺角速度信号は第１ゲイン乗算器１６ａに入力され、第１ゲイン乗算器１６ａは動揺角速度信号の振幅を調整する。第１位相補償器１５ａと第１ゲイン乗算器１６ａにより補正された動揺角速度信号は符号反転部１４に入力される。また、慣性センサ１３ｂからの動揺角速度信号Ｇ２は第２位相補償器１５ｂに入力され、第２位相補償器１５ｂは動揺角速度信号Ｇ２の位相差を補正する。位相差を補正された動揺角速度信号は第２ゲイン乗算器１６ｂに入力され、第２ゲイン乗算器１６ｂは動揺角速度信号の振幅を調整する。第２位相補償器１５ｂと第２ゲイン乗算器１６ｂにより補正された動揺角速度信号は積分部１０ｃに入力される。

以上説明した構成により、支持体５の動揺角度と制御対象３の動揺補正角度との振幅及び位相を完全に一致させることが可能になって、支持体５の動揺を制御対象３の制御によって抑制することができ、空間安定性が更に向上する。
以上、実施形態（及び実施例）を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態（及び実施例）に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願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７日に出願された日本出願特願２０１３−０４５５６１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。

２Ａ〜２Ｃ空間安定装置
３制御対象
４回転軸
５支持体
１０目標角度設定ユニット
１０ａ指令生成部
１０ｂ減算部
１０ｃ積分部
１１制御部
１１ａ比例側減算器
１１ｂ積分器
１１ｃ積分ゲイン乗算器
１１ｄ比例ゲイン乗算器
１１ｅ微分器
１１ｆ微分側減算器
１１ｇ微分ゲイン乗算器
１１ｈ加算器
１２駆動部
１３状態検出ユニット
１３ａ角度検出部
１３ｂ慣性センサ
１４符号反転部
１５位相補償部
１５ａ第１位相補償器
１５ｂ第２位相補償器
１６ゲイン乗算部
１６ａ第１ゲイン乗算器
１６ｂ第２ゲイン乗算器
Ｇ１目標角度信号
Ｇ２動揺角速度信号
Ｇ３動揺角度信号
Ｇ４目標角速度指令
Ｇ５目標角度指令
Ｇ６検出角度信号
Ｇ７制御信号
Ｇ８差分信号
Ｇ９積分信号
Ｇ１０比例信号
Ｇ１１検出角速度信号
Ｇ１２減算信号
Ｇ１３微分信号

Claims

制御対象が支持体に回動自在に支持されて、当該支持体に対する前記制御対象の回転角度を制御する空間安定装置であって、
前記支持体に対する前記制御対象の角度を検出して検出角度信号を出力する角度出力手段と、
前記支持体又は前記制御対象の動揺を検出して検出動揺角速度信号を出力する動揺角速度出力手段と、
前記検出動揺角速度信号を用いて、前記制御対象の目標角度を算出する目標角度算出手段と、
前記検出動揺角速度信号の符号を反転させて、目標角速度信号として出力する符号反転手段と、
前記目標角度信号、前記検出角度信号、前記目標角速度信号に基づき前記制御対象を制御する制御信号を生成する制御手段と、を備えることを特徴とする空間安定装置。
請求項１に記載の空間安定装置であって、
前記制御手段は、前記検出角度信号により得られた関数を微分して検出角速度信号として出力する微分手段と、
前記目標角度から前記検出角速度を減算する比例側減算手段と、を少なくとも備えることを特徴とする空間安定装置。
請求項１又は２に記載の空間安定装置であって、
前記検出動揺角速度の位相を調整する位相補償手段と、
前記検出動揺角速度の振幅を調整するゲイン乗算手段と、を備えることを特徴とする空間安定装置。
請求項３に記載の空間安定装置であって、
前記位相補償手段は、
前記符号反転手段に入力する前記検出動揺角速度の位相を調整する第１位相補償手段と、
前記目標角度算出手段に入力する前記検出動揺角速度の位相を調整する第２位相補償手段と、を備え、
前記ゲイン乗算手段は、
前記符号反転手段に入力する前記検出動揺角速度の振幅を調整する第１ゲイン乗算手段と、
前記目標角度算出手段に入力する前記検出動揺角速度の振幅を調整する第２ゲイン乗算手段と、を備えることを特徴とする空間安定装置。
制御対象が支持体に回動自在に支持されて、前記支持体に対する前記制御対象の回転角度を制御する空間安定化方法であって、
前記支持体に対する前記制御対象の角度を検出して検出角度を出力するステップと、
前記支持体又は前記制御対象の動揺を検出して検出動揺角速度を出力するステップと、
前記検出動揺角速度を用いて、前記制御対象の目標角度を算出するステップと、
前記検出動揺角速度の符号を反転させて、目標角速度として出力するステップと、
前記目標角度、前記検出角度、前記目標角速度に基づき前記制御対象を制御する制御信号を生成するステップと、を含むことを特徴とする空間安定化方法。
請求項５に記載の空間安定化方法であって、
前記制御信号を生成するステップは、前記検出角度を微分して検出角速度として出力するステップと、
前記目標角度から前記検出角速度を減算するステップと、を少なくとも含むことを特徴とする空間安定化方法。
請求項５又は６に記載の空間安定化方法であって、
前記検出動揺角速度を出力するステップにより得られた検出動揺角速度の位相を調整するステップと、
前記検出動揺角速度の振幅を調整するステップと、を含むことを特徴とする空間安定化方法。
請求項７に記載の空間安定化方法であって、
前記位相を調整するステップは、
前記検出動揺角速度の位相を調整する第１のステップと、
前記検出動揺角速度の位相を調整する第２のステップと、を有し、
前記振幅を調整するステップは、
前記検出動揺角速度の振幅を調整する第１のステップと、
前記検出動揺角速度の振幅を調整する第２のステップと、を含むことを特徴とする空間安定化方法。