WO2005081082A1 - 浮遊移動体の制御システム - Google Patents

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WO2005081082A1
WO2005081082A1 PCT/JP2005/003158 JP2005003158W WO2005081082A1 WO 2005081082 A1 WO2005081082 A1 WO 2005081082A1 JP 2005003158 W JP2005003158 W JP 2005003158W WO 2005081082 A1 WO2005081082 A1 WO 2005081082A1
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WO
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thrust
main body
effector
transmission gate
floating
Prior art date
Application number
PCT/JP2005/003158
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English (en)
French (fr)
Inventor
Katsuya Kanaoka
Original Assignee
The Ritsumeikan Trust
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to US10/590,344 priority patent/US7339339B2/en
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/0206—Control of position or course in two dimensions specially adapted to water vehicles
    • G05D1/0208—Control of position or course in two dimensions specially adapted to water vehicles dynamic anchoring
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/08—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
    • G05D1/0875—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted to water vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a control system for a floating mobile object in water, air, space, or the like, or a mobile object that slides on a plane.
  • FIG. 11 is a schematic view of a conventionally known floating moving object
  • FIGS. 11 and 14 are schematic views showing a conventionally known floating moving object control method.
  • the main unit in order to control the position and speed of the floating mobile unit 10 including the underwater robot, the main unit is provided with a sensor 13, whereby the floating mobile unit 10 Is detected and given to the subtraction circuit 11 in the computer P.
  • the subtraction circuit 11 is also provided with a signal indicating the target position and speed from the operator H.
  • the output of the subtraction circuit 11 is supplied to a thruster control circuit 12 for controlling a thruster T serving as a propulsion force generating means (effector) provided in the floating moving body 10, and thus the position and speed of the floating moving body 10 are controlled. (So-called position / speed feedback control).
  • FIG. 12 is a block diagram for controlling the floating moving object 10 shown in FIG.
  • the effector thrust command signal output from the thruster control circuit 12 is given to a thruster T having a predetermined thrust characteristic 14, whereby the effector thrust is given to the floating moving body 10, and as shown by reference numeral 15,
  • the dynamics that is, the input / output characteristics of the dynamics of the floating moving body 10 are obtained, and the position and speed of the main body are detected by the sensor 13 as described above, and given to the subtraction circuit 11.
  • the thrust command to the effector is directly operated by feeding back information on the position and speed of the floating moving object to be controlled.
  • the response speed of the effector is relatively slow, from issuing a command to the effector until the effect is reflected on the position and speed of the floating moving object and acquired by the sensor Time-consuming and adversely affect control performance (The so-called sensing delay problem). This tendency is more remarkable as the mass of the floating mobile unit is larger and the thrust of the effector is smaller.
  • a floating mobile object in a fluid such as underwater or in the air is always affected by hydrodynamic disturbances such as waves, tidal currents, winds, etc.
  • An umbilical cable C (feeding line, communication line, etc.) from the water is connected to the cable, and this cable often pulls the floating mobile unit 10.
  • FIG. 11 when a floating arm 10 is further provided with a robot arm A having a plurality of links, a block diagram as illustrated in FIG. 13 is configured. become.
  • the reaction force and torque by the robot arm A are added to the effector thrust by the thruster T, as exemplified by the addition circuit 17. Therefore, the movement, that is, the position and speed of the floating mobile unit 10 is disturbed by the reaction force and the torque from the robot arm A, and the position of the floating mobile unit 10 generated by the reaction force and the torque from the robot arm A is disturbed.
  • the thruster T is controlled to correct the speed error.
  • the conventional position control corrects the resulting position and speed errors. Activate the thruster T so that
  • the thruster T is actuated after the floating moving object 10 is moved by the reaction force and the torque of the robot arm A, and the response speed to the disturbance is low.
  • the problem of so-called sensing delay was not solved.
  • FIG. 14 shows a block diagram of another prior art.
  • This control method considers the mutual interference between the movement of the mouth bot arm A and the movement of the floating mobile unit 10, and determines the effector thrust and the robot arm joint torque at once so that each movement matches the purpose. It is a technique to determine.
  • the floating moving body 10 equipped with the robot arm A is used as a multi-body link system, and the effect of the equation of motion
  • the joint torque of each robot arm on the movement of the floating moving body 10 is mathematically expressed.
  • the propulsive force of the main body 10 is determined by solving the equation (V, so-called model best control).
  • V so-called model best control
  • the thruster's thruster thrust command signal from the robot arm control circuit 18 is given to the thruster T, and the torque command signal for the robot arm A is given to the joint actuator 19.
  • the combined dynamics 20 of the floating mobile unit 10 and the robot arm A is formed by the effector thrust output from the thruster T and the joint torque by the joint actuator 19, and the sensor 13 detects the position and speed of the floating mobile unit 10 body. Is detected and supplied to a subtractor 11, which receives a signal indicating a target position and orientation of the main body of the floating moving object 10.
  • the robot arm control variables from the complex dynamics 20, that is, signals representing the position, posture, joint angle, speed, hand reaction force, etc., are given to a subtraction circuit 21. Is given.
  • the outputs of the subtracters 11 and 21 are supplied to a thruster's robot arm control circuit 18.
  • the thruster is actuated before the floating mobile body moves due to disturbance by the manipulator to cancel the influence on the floating mobile body, This makes it possible to prevent the floating mobile body from moving due to disturbances caused by the manipulator.
  • a thruster used as an effector for controlling the position of a floating moving object and a speed generates thrust using a fluid, and therefore, an input command to the thruster and a thrust actually output are used.
  • ⁇ there is a wide range of factors that constitute such nonlinearity, and it has been difficult in the past to perform control that takes all of them into account ( ⁇ ⁇ However, according to the thrust-port-one-car feedback control according to Non-Patent Document 1, the control performance of the floating moving object caused by the nonlinearity of the effector dynamic characteristics is prevented. It was possible to do.
  • Patent Literature 1 and Non-Patent Literature 1 both measure a part of the force and feed back the force, it is the largest disturbance to the floating moving object. It did not cancel out the effects of waves, tides, winds, etc.
  • inertial navigation is widely used as a conventionally known method for navigating a floating moving object.
  • this inertial navigation has the following problems.
  • inertial navigation uses acceleration for which the floating mobile force is also required.If the floating mobile body itself is heavy and heavy, the acceleration is converted into a displacement and the acceleration is converted into a displacement. Due to the structure of a conventionally known acceleration sensor that outputs a value as an electric signal, it is not possible to accurately detect a small change in acceleration, and a significant error occurs between the acceleration value obtained by the sensor force and the actual acceleration value. There was a problem. Such an error in the acceleration value significantly affects the accuracy of the inertial navigation itself, and causes a disadvantage that the floating moving object cannot be accurately guided on a desired trajectory.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-119837
  • Non-Patent Document 1 Kanaoka, Nakayama, Hayashi, Kawamura, "Thruster Thrust Local Feedback Control for Realizing High-Precision Motion in Water", Proc. Of the JSME Robotics 'Mechatronics Seminar' 03, 2P1— 2F- A6, 2003
  • the present invention makes it possible to accurately stop the floating moving body at a predetermined position or to move the floating moving body to a target trajectory even under a disturbance such as a wave, a tide, a wind, or a reaction of a robot arm attached to the floating moving body.
  • An object of the present invention is to provide a control system for a floating moving object that can be made to follow with high accuracy.
  • the present invention can accurately detect the acceleration of the floating moving object up to a minute change in acceleration without depending on the size and weight of the floating moving object or the performance of the acceleration sensor. It is an object to provide an acceleration detection system for a floating moving object.
  • the inventor can regard the floating mobile as a single rigid body that occupies a part of the floating mobile. Separated into the main body and the effector that generates thrust to the floating mobile unit, and a force torque sensor is installed at the only part (thrust transmission gate) that dynamically couples the main body and the effector. Since the value sensed by this force / torque sensor is the thrust applied to the main unit from the effector, all the forces and torques applied between the main unit and the effector are measured. If this value is fed back, the thrust applied to the floating mobile object can be directly controlled, so that the floating mobile object can be accurately stopped at a predetermined position even under hydrodynamic disturbances such as waves and tidal currents. And found that it is possible to accurately follow the target trajectory, and completed the present invention.
  • a control system for a floating mobile object capable of solving the above-mentioned problems is: (1) A control system for a floating mobile object, wherein the floating mobile object occupies a part of the floating mobile object.
  • a main body that can be regarded as a rigid body, an effector that generates a thrust on the floating moving body, and a part that mechanically couples the main body and the effector.
  • a thrust transmission gate configured to measure the thrust acting on the main body, and a thrust command for the effector unit is obtained using a measured thrust from the thrust transmission gate. It is a feature.
  • the main body includes acceleration measuring means capable of measuring an acceleration of the main body
  • the thrust transmission gate includes: A force or torque measuring means capable of measuring a force or torque applied between the main body and the effector section.
  • control system and the acceleration detection system of the present invention are applied to a floating moving object that slides on a slope, in addition to a floating moving object that floats in a three-dimensional space, which will be described in each of the embodiments and examples described later. In this case, it is necessary to compensate for the effects of gravitational acceleration.
  • a tilt angle measuring means capable of measuring the tilt of the main body is provided Is needed.
  • the tilt angle measuring means is unnecessary as specified in the invention according to (3) described below or (7) below.
  • the present invention further provides the above-described floating mobile object control system, wherein (3) the thrust transmission gate is capable of measuring a force or torque applied between the main body portion and the effector portion.
  • the main body is mechanically coupled only to the thrust transmission gate, and substantially all of the forces acting on the main body are connected to the effector unit and the thrust transmission gate.
  • a target acceleration trajectory command obtained by converting a target position / velocity trajectory command of the operator, and an output from the force or torque measurement means from the thrust transmission gate.
  • a thrust command for the effector unit is obtained.
  • the typical configuration is such that the main body is mechanically coupled only to the thrust transmission gate, and substantially all the forces acting on the main body are input via the effector section and the thrust transmission gate.
  • the effector section may form a shell surrounding the main body section.
  • the main body is necessarily sealed with an effector that forms a shell.
  • the main unit is configured so that disturbance such as water pressure or strong wind pressure or other external force is not applied directly. For example, floating movement that slides on water or on the ground The degree to which air comes into contact with the main body housed inside the body is a level that can be ignored sufficiently, and is not a particular problem in applying the invention according to (3).
  • the main body further includes an inclination angle measuring means capable of measuring an inclination of the main body.
  • the thrust command for the effector section is obtained by further utilizing the output from the inclination angle measuring means of the main body section.
  • the present invention provides (5) a control system for a floating mobile object, wherein the floating mobile object occupies a part of the floating mobile object in calculation and can be regarded as a single rigid body. And an effector unit that generates a thrust to the floating moving object, virtually separated from the floating moving object, and the floating moving object includes acceleration measuring means that can measure the acceleration of the floating moving object,
  • the present invention is characterized in that a force or torque from a virtual thrust transmission gate is estimated by calculation using an output from the acceleration measuring means, and a thrust command for the effector section is obtained.
  • the floating mobile object further includes an inclination angle measuring means capable of measuring an inclination of the floating mobile object, A thrust command for the virtual thrust transmission gate obtained by calculating the force or torque from the virtual thrust transmission gate using the outputs from the inclination angle measuring means and the acceleration measuring means. It is.
  • the control of the floating mobile object is performed by calculating the thrust to be received from the thrust transmission gate by the main body unit in order to achieve the target trajectory.
  • the thrust planning unit that performs the thrust control, and the current value of the thrust at the thrust transmission gate is fed back to the effector unit and sent to the thrust transmission gate to directly drive the effector unit to achieve the commanded thrust. Is performed in a two-stage configuration.
  • the above mechanism design and control method are collectively referred to as a “thrust transmission gate system”.
  • a state in which the main body is exposed to the outside that is, a configuration in which disturbance or other external force such as water pressure or strong wind pressure can be exerted directly on the main body, and further provided with a thrust transmission gate (first embodiment, See the first example],
  • ii) A thrust transmission gate is provided, and the main body is mechanically connected only to the thrust transmission gate so that disturbance such as water pressure or strong wind pressure or other external force is not directly applied to the main body.
  • a configuration in which substantially all of the forces acting on the parts are input via the effector unit and the thrust transmission gate (for example, the main unit is covered with the effector unit and hermetically sealed) Form, see second example]
  • the floating mobile unit is separated into the main unit and the effector unit for calculation, and the inertia matrix of the main unit is prepared in advance in the computer, and the floating mobile unit is used.
  • a mode in which the thrust command for the effector unit is obtained using the output of the acceleration sensor provided on the body and, if necessary, the output of the tilt angle sensor provided on the floating moving body [virtual thrust transmission Gate, see the following first embodiment and third example].
  • the control performance is lower than in the methods i) and ii) .
  • Acceleration sensors that do not require a change in the hardware design of the force-floating vehicle, and, if necessary, an inclination sensor,
  • the thrust transmission gate system can be used simply by adding a to the existing floating vehicle, and control performance can be improved.
  • known inertial navigation devices currently installed in aircraft and the like can also be used as the acceleration sensor, tilt angle sensor, body position / speed sensor used in the present invention. Even without modification, it is possible to achieve higher speed and higher accuracy than existing control.
  • the present invention relates to (7) a system for detecting acceleration of a floating moving object, wherein the floating moving object occupies a part of the floating moving object and can be regarded as a single rigid body. And an effector section that generates a thrust to the floating moving body; and a section that mechanically couples the main body section and the effector section, and a thrust acting on the main body section from the effector section.
  • a thrust transmission gate configured to enable actual measurement, wherein the thrust transmission gate includes a force or torque measuring means capable of measuring a force or torque applied between the main body portion and the effector portion.
  • the main body is mechanically connected only to the thrust transmission gate. , And substantially all the forces acting on the main body are input through the effector section and the thrust transmission gate, and the force or torque from the thrust transmission gate is provided.
  • An estimated value of the acceleration of the main body is obtained by using an output from the measuring means.
  • the main body further includes an inclination angle measuring means capable of measuring an inclination of the main body.
  • the estimated value of the acceleration is obtained by further using the output from the inclination angle measuring means of the main body.
  • the floating moving body can be accurately stopped at a predetermined position, Alternatively, it is possible to accurately follow the target trajectory, and it is possible to provide a system configuration capable of controlling the floating moving object at high speed and with high accuracy.
  • Floating moving objects refer to various moving objects that float in water, in the air, in outer space, and the like.
  • moving objects that slide on a plane or on rails are also included in the concept of floating moving objects.
  • Space Space robots, spacecraft, satellites, etc.
  • Aerial Aerial robots, aircraft, helicopters, airships, etc.
  • the above-mentioned ground vehicle is provided with some different thrust transmitting means (thrusters of various types). Will be understood from the respective descriptions.
  • Main body refers to a physical structure that occupies a part of a floating moving object and can be regarded as a single rigid body. In principle, there should be no mechanically movable parts in the main body. Even if there is a mechanically movable part, it is sufficient if its effect is negligibly small. Even if it is not negligible, it can be canceled if its effect can be predicted.
  • the main body portion and the effector portion are performed merely for convenience. It is up to the user to decide which part is the main part. Therefore, in actually carrying out the invention corresponding to the first embodiment and the third example described later, the main body may be defined as occupying a major part of the mass of the floating moving object, and conversely. In addition, it is also possible to define an object (for example, a weight of about several kg) additionally installed in a part of the floating moving object as the main body.
  • an object for example, a weight of about several kg
  • both of the criteria for distinguishing the main body portion from the effector portion are different. It is only the presence or absence of the force coupled by the thrust transmission gate described below, and if satisfied, there is no particular limitation on the proportion of the main body in the floating moving object.
  • the main body is not limited to a physical structure composed of a single rigid body that occupies a major part of the mass of the floating moving body.
  • Effect unit refers to a physical structure that generates thrust on a floating moving object. It shall include all the propulsion force generating means (effectors) for controlling the position and speed of the floating moving object.
  • Mechanismally coupled refers to a state in which some force interaction is acting between the target objects. Most of the cases are mechanically connected, but even if they are not mechanically connected, they include a state in which non-contact force interaction is exerted by, for example, electromagnetic force. On the other hand, “mechanically separated” refers to a state in which the interaction of forces between target objects is inactive.
  • the "thrust transmission gate” is the only part that mechanically couples the main unit and the effector unit, and a sensor that can measure all the force and torque applied between the main unit and the effector unit. This means that all the thrusts acting on the effector force main body can be measured by providing it.
  • a “virtual thrust transmission gate” is a thrust transmission gate that is not physically present in the floating moving object but is virtually provided, and is separated into a main body portion and an effector portion for convenience of calculation. Based on the measured acceleration of the main unit, the existing floating mobile unit is configured so that the force and torque applied between the main unit and the effector unit, that is, the effector unit force can also estimate all thrusts acting on the main unit. Say something.
  • thrust transmission gate simply includes “virtual thrust transmission gate” unless otherwise specified.
  • the "estimated thrust value at the virtual thrust transmission gate” refers to a physically existing thrust transmission gate! And to a virtual thrust transmission gate that is not the actual measured value! This means a virtual value obtained by calculation from the measured value of the acceleration sensor (measured value of the main body acceleration).
  • the "thrust planning unit” is a computer which instructs the thrust control unit to calculate the target thrust to be received by the main unit and the effector unit force in order to achieve the target trajectory, and instructs the thrust control unit. A part or function.
  • the "thrust control unit” outputs a thrust measurement value or an estimated thrust value at the thrust transmission gate and outputs a thrust command to the effector so as to achieve a desired target thrust at the thrust transmission gate.
  • a part or function on a computer is a part or function on a computer.
  • target thrust refers to a thrust that the main body portion should receive the effector portion force from the thrust transmission gate in order to achieve the target trajectory.
  • Target acceleration refers to an acceleration obtained by a differential operation from a desired target trajectory or target speed.
  • a “thrust transfer gate system (TTGS)" is a system in which a floating mobile body equipped with a thrust transfer gate is controlled by a control system including a thrust planning unit and a thrust control unit. Refers to the control system that is controlled.
  • effector thrust characteristics refer to a relationship between an effector thrust command input to an effector such as a thruster and an effector thrust actually output.
  • effector thrust characteristics include not only the mechanical dynamics of the effector itself, but also the effects of anti-force and lift in fluid dynamics. It is assumed that complex dynamics are involved.
  • the thrust of the thruster is controlled by feeding back the sensor information of the position and speed of the floating moving object.
  • the thrust of the effector is controlled by directly feeding back the generated thrust. A fast response is realized. Therefore, the problem of the sensing delay is reduced.
  • the thrust transmission gate is configured as hardware (see the first and second examples of the first embodiment), the sensing delay can be obtained even if the mass of the floating mobile unit is large or the thrust of the effector is small. Does not increase.
  • the thrust of the effector is controlled by feeding back the thrust at the thrust transmission gate in the thrust control unit.
  • the nonlinearity of the effect dynamics can be reduced by applying an existing control method that is robust against nonlinearity (such as sliding mode control) to the thrust controller. It is possible to suppress the pressure and to prevent adverse effects on the control performance.
  • the linearization of the effector dynamic characteristic has been performed by feedforward compensation based on the dynamic characteristic model of the effector, but it requires a great deal of labor and calculation load.
  • the control system since the linear motion is realized by the thrust feed knock that does not necessarily use the dynamic characteristic model, the control system can be constructed with a small calculation load.
  • the thruster can be given a truly necessary thrust in a timely manner, so that the thruster and the floating moving body are not given unnecessary movement.
  • the floating mobile body does not consume wasteful thruster driving energy, the effect of reducing the energy consumption of the floating mobile body can be obtained.
  • the influence of an unknown disturbance is immediately sensed as an error of the thrust at the thrust transmission gate in the control system of the floating moving object of the present invention, and is compensated by the local feedback control of the thrust control unit.
  • the thrust planning unit can automatically compensate for the effects of disturbances by simply giving instructions such as "Stand still” and "Go straight", and can achieve the desired operation planned in advance. It is. Further, a high-speed response is realized as compared with a conventional case where the influence of disturbance is sensed by a position-speed error.
  • the acceleration detection system for a floating moving object of the present invention the inertia matrix of the main body, which has been identified in advance, the output of the force 'torque sensor force from the thrust transmission gate, and Accordingly, the estimated acceleration value of the main body can be obtained using the output of the inclination angle sensor force of the main body, so that it does not depend on the weight or size of the floating moving object or depends on the performance of the acceleration sensor. Acceleration of a floating mobile object can be detected with high accuracy up to a small change in acceleration, and when the floating mobile object is guided using inertial navigation, the floating mobile object is accurately guided on a desired orbit. It becomes possible.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a floating moving object to which a control system according to the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of a control system according to the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing another example of a floating moving object to which the control system of the present invention is applied.
  • FIG. 4 is a block diagram showing another configuration example of the control system of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic view showing another example of a floating moving object to which the control system of the present invention is applied.
  • FIG. 6 is a block diagram showing another configuration example of the control system of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a second embodiment of the control system of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram showing one embodiment of a control system of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram showing another embodiment of the control system of the present invention.
  • FIG. 10 is a block diagram showing another embodiment of the control system of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing an outline of a conventionally known floating moving object.
  • FIG. 12 is a block diagram showing a control system of a conventionally known floating moving object.
  • FIG. 13 is another block diagram showing a control system of a conventionally known floating moving object.
  • FIG. 14 is another block diagram showing a control system of a conventionally known floating moving object. Explanation of symbols
  • Underwater robots are nothing but floating mobile bodies that float in a three-dimensional space.
  • a force S is required to have a tilt angle measuring means capable of measuring the tilt of the main body.
  • the invention according to the above (2) or (3), which further comprises an inclination angle measuring means, which is the invention according to the above (4), is described in the first or second example of the first embodiment, respectively, and This corresponds to the first embodiment or the second embodiment.
  • the invention according to (6) above corresponds to the third example of the first embodiment and Example 3 described later.
  • the application target is not limited to the underwater robot, too, from the above-mentioned definition column and the description in the examples described later.
  • the underwater robot is not limited to the typical example used for deep sea exploration etc. shown in the figure, but a relatively small one that can also be used for rescue and oil field search etc. Included in the category.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a floating moving object to which the control system of the present invention is applied
  • FIG. 2 is a block diagram showing an example of a configuration of the control system of the present invention
  • FIGS. 3 and 5 are schematic diagrams showing another example of the floating moving object to which the control system of the present invention is applied
  • FIGS. 4 and 6 are block diagrams showing another configuration example of the control system of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a second embodiment of the control system of the present invention.
  • thin solid lines connecting the respective blocks represent signals.
  • a double line connecting each block in the floating mobile object 10 represents a phenomenon (a dynamic conversion action or the like) occurring in the floating mobile object 10 as a physical action.
  • the reference coordinate system fixed to the absolute position of the inertial system is denoted by ⁇
  • the origin is located at the center of gravity of the floating mobile body
  • the floating mobile body is
  • the body coordinate system fixed to the body is defined as ⁇ .
  • the columns are expressed in terms of the body coordinate system output. Furthermore, the floating moving object is in m-dimensional space (
  • FIGS. Fig. 1 is a schematic diagram of a floating vehicle
  • Fig. 2 is a block diagram of a control system.
  • the floating moving body 10 is mechanically separated into a main body B and an effector E, and a thrust transmission gate G is provided as hardware between the main body B and the effector E.
  • the main part B is provided with an acceleration sensor 2 and an inclination angle sensor 3, and the thrust transmission gate G is provided with a force / torque sensor.
  • the main body B and the thrust transmission gate G are exposed to the outside like the effector E.
  • the equation of motion representing the physical dynamics of a floating moving object can be generally written as the following equation.
  • Equation (1) is the equation representing the main body and equation (2) is the equation representing the effector.
  • the definition of each variable is as follows: ⁇ ⁇ ( ⁇ ) 6 ⁇ : Center of gravity)
  • JOB eS mXm Jacobian matrix that performs ⁇ to main body speed or thrust can gate speed
  • Thrust transfer from the floating moving body effector (not shown in the other terms of equation (2)), which is generated by the thrust can (the inertial force of the effector, the external force due to the wind of the wind wave, etc.)
  • the thrust transmission gate system 1 of the present example has a structure in which the thrust transmission gate G is fixed on a single rigid structure of the main body B.
  • the Jacobi matrix and the inertia matrix M are constant matrices.
  • the target thrust u (t) at the thrust transmission gate G required to achieve the target acceleration a (t) of the main part B
  • u (t) [m-dimensional vector] is the target value of gate thrust u (t), u (t) [m-dimensional vector
  • a feedback control system with little delay that controls thrust by feedback can be constructed.
  • the effector dynamic characteristics such as the effector thrust characteristics, the disturbance to the effector unit, and the dynamic force f (t), which are indicated by reference numeral E1 in the effector unit E in FIG.
  • the thrust control unit P3 can be constructed as follows.
  • the thrust command u (t) to the effective effector is determined as follows.
  • Thrust that can be used as the ⁇ th component of the effect contribution
  • the minimum thrust at the age of job is the i-th component of female difficulty
  • the values required for feedback to the thrust planning unit and the thrust control unit are u (and
  • the value measured by the sensor is used as it is.
  • the measured value a (t) [m-dimensional vector] of the acceleration obtained by the main body acceleration sensor indicated by reference numeral 2 in the main body B of FIG. 2 is given as follows. This measurement
  • the constant value includes the gravitational acceleration, it is used as the estimated value of the body acceleration a (t).
  • G (s) is a transfer function matrix of m rows and m columns representing the characteristics of the main body tilt angle sensor.
  • a gate thrust measurement value u (t) [m-dimensional vector
  • G (s) is the force of the thrust transmission gate ', which represents the characteristic of the torque sensor.
  • the estimated value "a (t) of the main body acceleration a (t) is determined as the following equation.
  • This equation (9) is subjected to Laplace transform and the above equations (6) and (7) are substituted.
  • G (s) is a transfer function representing the same sensor characteristics
  • I is a unit matrix.
  • equation (9) ′ is
  • Equation (8) can be used to estimate the main body acceleration a (t)! Equation (14)
  • the main body acceleration a (t) is directly measured.
  • the condition for matching the sensor characteristics is realized by selecting a sensor that has a sufficiently high-speed response and high accuracy compared to, for example, the dynamics of a floating moving object.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a floating vehicle
  • Figure 4 is a block diagram of a control system.
  • the floating moving body 10 is mechanically separated into a main part B and an effector E, and a thrust transmission gate G is provided as hardware between the main part B and the effector E. It has been.
  • the body B has an inclination sensor 3 and the thrust transmission gate G has a force / torque sensor. Provided.
  • the effector section E is a shell (pressure-resistant shell S shown in Fig. 3) that covers the main body B, and the main body B and the thrust transmission gate G are connected to this shell S Is completely isolated from the outside world.
  • This structure eliminates the need for the acceleration sensor 2 of the main part B that was required in the first example!
  • the inertia matrix M of the main body and J, J As in the first example, the inertia matrix M of the main body and J, J, J
  • the equation of motion representing the physical dynamics of a floating moving object can be generally written as the following equation.
  • Equation (15) is an equation representing the main body
  • Equation (16) is an equation representing the effector section.
  • G2 dimensional vector is defined as follows.
  • the target thrust u (t) at the thrust transmission gate G required to achieve the target acceleration a (t) of the main part B
  • Bd G2d is determined by the following equation.
  • the thrust control unit P3 can be constructed as follows.
  • the thrust command u (t) to the effective effector is determined as follows.
  • u (t) [m-dimensional vector] is an estimated value of u (t).
  • the feedback to the thrust planning unit P2 is not necessary, and the value required for the feedback to the thrust control unit P3 is the estimated value of u (t) in equation (17), “u (t) Only
  • Equation (22) The gate thrust u (t) can be estimated by equation (21). Equation (22)
  • Fig. 5 is a schematic diagram of a floating vehicle
  • Fig. 6 is a block diagram of a control system.
  • the floating moving body 10 is not mechanically separated into the main body B and the effector E, and the thrust transmission gate G is not provided as hardware.
  • the floating moving object 10 of this example is provided with the acceleration sensor 2 and the inclination angle sensor 3.
  • the inertia matrix M of the main part B is appropriately determined, and based on this M, the total
  • the thrust transmission gate system is constructed as if there is a thrust transmission gate.
  • J and J expressing the geometric structure of the floating moving object 10, the first
  • the matrix is measured in advance and given as a known matrix.
  • the inertia matrix M of the main body B is determined, for example, when designing the floating mobile object 10. Design, main specifications, and other forces.
  • the equation of motion representing the physical dynamics of a floating moving object can be generally written as the following equation.
  • Equation (23) is an equation representing the main body
  • equation (24) is an equation representing the effector section. This is almost the same as the case of the second example, but in this third example, since the thrust transmission gate does not physically exist, the thrust u [m-dimensional vector] of the thrust transmission gate is a virtual value. It was noticed!
  • the thrust control unit P3 can be constructed as follows.
  • the thrust command u (t) to the effective effector is determined as follows. [0104] [Number 17]
  • 'u (t) [m-dimensional vector] is an estimated value of u (t).
  • the feedback to the thrust planning unit P2 is not required.
  • the value required for the feedback to the thrust control unit P3 is the estimated value of u (t) “u (t
  • the estimated value "u (t) of the gate thrust u (t) is determined as follows.
  • a floating mobile object acceleration detection system Similar to the first embodiment, the present embodiment will be described below with an application target being an underwater robot.
  • the underwater robot is nothing but a floating moving object that floats in a three-dimensional space, and when the acceleration detection system of the present invention is applied to this underwater robot, it compensates for the effects of gravitational acceleration, as in the first embodiment. Because of the necessity, it is necessary to provide a tilt angle measuring means that can measure the tilt of the main body, as defined as the invention according to the above (8).
  • the main body acceleration is estimated using the thrust transmission gate.
  • the configuration of the acceleration detection system according to the present embodiment is as shown in FIGS.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a floating moving object
  • FIG. 7 is a block diagram of an acceleration detection system.
  • a thrust transmission gate system is constructed as the control system 1 of the floating mobile object 10, whereas in the second embodiment, the high precision of the floating mobile object 10 is achieved.
  • Thrust transmission gate G is used as an acceleration sensing system.
  • the hardware configuration of the present embodiment is exactly the same as the second example (FIG. 3) according to the first embodiment. That is, the floating moving body 10 is mechanically separated into a main body B and an effector E, and the main body B is provided with the inclination angle sensor 3 and the thrust transmission gate G is provided with a force / torque sensor. I have.
  • the purpose is to estimate the main body acceleration a (t) with high accuracy.
  • the thrust planning unit and the thrust control unit are not included in the present embodiment because they are not intended for control.
  • the inertia matrix M of the main body and the J that expresses the geometric structure of It is assumed that the force is measured and given as a known constant matrix.
  • This main body inertia matrix M is detected in the present embodiment by the measurement range of the force / torque sensor of the thrust transmission gate.
  • Accurate acceleration measurement can be performed by properly designing in consideration of the power acceleration range.
  • the estimated value "a (t) of the main body acceleration a (t) is determined by the following equation.
  • the thrust control is performed in the control system of the floating moving object according to the present invention, and therefore, strictly, not the position / velocity trajectory but the acceleration trajectory is realized.
  • the influence of the drift caused by the integration error of the acceleration is inevitable, and therefore, the present invention exerts a remarkable effect alone on the motion in a relatively high frequency band.
  • the conventional control method for feedback of position and speed.However, even in this case, accuracy can be improved compared to using the conventional method alone. It is possible.
  • FIG. 8 is a block diagram showing an example of the control system of the present invention, which corresponds to the first example of the first embodiment
  • FIG. 9 is another block diagram of the control system of the present invention
  • FIG. 10 is a block diagram showing an example and corresponds to the second example of the first embodiment
  • FIG. 10 is a block diagram showing another example of the control system according to the present invention, which is a second example of the first embodiment. This is equivalent to three cases.
  • FIGS. 8 to 10 the same components as those in FIGS. 17 and 11 to 14 described above are denoted by the same reference numerals and described.
  • the thin solid lines connecting the blocks in FIGS. 8-10 represent signals.
  • a double line connecting each block in the floating mobile object 10 represents a phenomenon (a dynamic conversion action or the like) occurring in the floating mobile object 10 as a physical action.
  • Example 1 corresponds to the first embodiment and the first example.
  • FIG. 8 shows a block diagram of the control system 1 according to the present embodiment. The schematic configuration of the floating moving object 10 of this embodiment is As shown in FIG.
  • this embodiment is obtained by applying the configuration shown in FIG. 2 described in the first example of the first embodiment to a conventionally known position / speed feedback control system. is there. Therefore, the configuration of the thrust transmission gate system and the operation of the control system according to the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the control system 1 that is, the thrust transmission gate system, includes a mechanism of a floating moving object indicated by reference numeral 10 and a main body part B receiving thrust, an effector part E generating thrust, and a mechanical mechanism.
  • the main feature of this is that a thrust transmission gate G is added to the joint part after the separation.
  • the thrust transmission gate G is the only part that connects the main part B and the effector part E, and a sensor (force ') that can measure all the force and torque applied between the main part B and the effector part E Torque sensor).
  • the force / torque sensor general-purpose products sold on the market (such as multi-channel products capable of outputting multidimensional force and torque components) can be used.
  • the main unit B and the effector unit E are connected by the thrust transmission gate G, so that all the thrust acting on the main unit B from the effector unit E can be measured.
  • a main body B is provided with an acceleration sensor 2 and an inclination angle sensor 3.
  • the thrust feedback control by the thrust transmission gate system of the present invention is performed simultaneously with the conventionally known position / velocity feedback control.
  • the control system of the present invention that is, the thrust transmission gate
  • the thrust transmission gate can be used while avoiding the influence of the drift caused by the integration error of the caro speed by using the conventional position / speed feedback control method.
  • the floating mobile body can be accurately stopped at a predetermined position even if it is under disturbance due to waves, tides, wind, or recoil of a robot arm attached to the floating mobile body, or a target trajectory can be obtained. Since it is possible to accurately follow a moving object, it becomes possible to control a floating moving object at higher speed and with higher accuracy.
  • FIG. 9 shows a block diagram of the control system 1 according to the present embodiment.
  • the schematic configuration of the floating moving object 10 of the present embodiment is This is as shown in FIG.
  • control system 1 also dynamically separates the mechanism of the underwater robot 10 into a main body part B that receives thrust and an effector part E that generates thrust, and further connects the joint part.
  • the main feature of this is the addition of a thrust transmission gate G to the vehicle.
  • the main unit B is housed inside the effector unit E, and any external disturbance or reaction of the robot arm A is applied to the effector unit E, which is the pressure shell S.
  • the main part B is carried only through the thrust transmission gate G inside the effector part E. Therefore, the thrust transmission gate G is the same as the first embodiment in that it is the only part that connects the main body B and the effector E. Therefore, in this embodiment, even when the main unit B and the effector unit E are connected by the thrust transmission gate G, all the thrusts acting on the main unit B from the effector unit E can be measured. Has been done.
  • the control system of the present invention that is, the thrust transmission gate system according to the present invention is also used while avoiding the influence of the drift caused by the integration error of the acceleration by using the conventional control method for feeding back the position and speed. Even if the robot is under disturbance due to waves, tides, wind, or recoil of the robot arm attached to the floating mobile object, the floating mobile object can be accurately stopped at a predetermined position, or can follow the target trajectory accurately. The floating mobile object can be controlled at higher speed and with higher accuracy.
  • FIG. 10 shows a block diagram of the control system 1 according to the present embodiment.
  • the schematic configuration of the floating mobile unit 10 of the present embodiment is as shown in FIG.
  • the mechanism of the underwater robot is computationally separated into a main body part B that receives thrust and an effector part E that generates thrust, and a virtual thrust transmission gate G ′ is provided between the two.
  • the main feature is that it is provided virtually.
  • the conventional control method for feeding back the position and speed is used together.
  • the control system of the present invention i.e., the thrust transmission gate system is used, for example, due to waves, tides, wind, or recoil of a robot arm attached to a floating moving body.
  • the floating moving object can be accurately stopped at a predetermined position or can follow the target trajectory with high accuracy, so that the floating moving object can be controlled at higher speed and with higher accuracy. It becomes possible.
  • the inertial navigation system which is an existing technology, which is widely used for floating moving objects such as aircraft, is to be used as the acceleration sensor, the inclination angle sensor, and the body position / speed sensor used in the present invention. Is possible.
  • the hardware according to the third embodiment or the third embodiment of the first embodiment can be applied only by changing the software without adding or changing any hardware. It is possible to implement the control system of the present invention, and therefore, it is possible to more easily realize high-speed and high-precision of the existing floating moving object.
  • existing inertial navigation systems use only position and velocity information obtained by integrating the acceleration for control, despite the fact that acceleration is measured with sufficiently high accuracy. It is. However, by using acceleration information that was not used as it is until now for thrust measurement within the framework of the thrust transmission gate system of the present invention, the hardware remains the same as before and the existing control It is also possible to realize higher speed and higher accuracy.
  • the above-mentioned inertial navigation system has recently become the mainstream of the hybrid inertial navigation system, which acquires acceleration, speed and displacement information by integrating acceleration sensors, gyros, GPS (Global Positioning System) and other sensors.
  • the overall measurement speed has improved. Therefore, the above inertial navigation device can be said to be a suitable sensor unit that can be used when implementing the control system of the present invention.
  • control system of the present invention may be a floating vehicle in water, air, space, or the like, such as a submarine, a helicopter, an airship, an aircraft, a spacecraft, or a space robot, as exemplified in the definition section, in addition to the underwater robot.
  • control system of the present invention can be applied to various moving objects that slide on a plane, such as a hovercraft that slides on water or on the ground, and a vehicle in which wheels are slipping.
  • the control system or the acceleration detection system of the present invention is applied to a floating moving object that floats in a three-dimensional space.
  • the present invention is applied to a floating mobile object that floats in outer space where gravity does not work in the first place, or a floating mobile object that slides on a horizontal plane where the inclination does not need to be considered or can be ignored.
  • the inclination angle measuring means is not required as defined in the invention according to the above (2), (3), (5) or (7).
  • the gravitational acceleration g 0 acting on the main body (center of gravity) of the floating moving object
  • the control law of the force thrust control unit P3 using sliding mode control which is an existing control method that is robust against the nonlinearity of the effector dynamic characteristic, is as follows. It is not limited to this. Therefore, for example, as the control law of the thrust control unit P3, it is also possible to apply the thrust measurement at the thrust transmission gate G and the thrust at the thrust transmission gate G or the PID control of the thruster T input voltage for the thrust error of the estimated value. .
  • the thruster T is a thrust generating device using a propeller mechanically connected to a motor as a driving source, but the configuration of the thruster T is not limited to this. Therefore, the thruster T may be of a jet injection type, and the drive source thereof is not limited to a motor, but may be of various types such as an internal combustion engine, a steam turbine, and a nuclear turbine.
  • the present invention makes it possible to accurately stop a floating moving object at a predetermined position even under a disturbance such as a wave, a tidal current, a wind, or a recoil of a robot arm attached to the floating moving object. Or to accurately follow the target trajectory, It is clear that this is a novel and extremely useful invention that provides a system configuration capable of controlling a floating moving object at high speed and with high accuracy.

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Abstract

　この発明の目的は、波浪や潮流等による外乱下にあっても、浮遊移動体を所定位置に精度良く静止させたり、或いは目標軌道に精度良く追従させたりすることが可能な浮遊移動体の制御システムを提供することにある。 　上記目的を達成可能な本発明の浮遊移動体の制御システムは、浮遊移動体１０の制御システム１であって、上記浮遊移動体が、浮遊移動体の一部を占める、単一剛体とみなし得る本体部Ｂと、浮遊移動体に対して推力を発生する効果器部Ｅと、本体部と効果器部を力学的に結合する部分であり、効果器部から本体部に作用する推力を実測できるよう構成された推力伝達ゲートＧとからなっており、上記推力伝達ゲートＧからの推力測定値を用いて効果器部Ｅに対する推力指令を得る様にしたことを特徴とするものである。

Description

明 細 書
浮遊移動体の制御システム
技術分野
[0001] 本発明は、水中、空中、宇宙空間などにおける浮遊移動体、或いは平面上を滑走 する移動体の制御システムに関する。
背景技術
[0002] はじめに、従来知られた浮遊移動体の制御手法につき、図 11一 14等を参照しなが ら説明する。図 11は従来知られた浮遊移動体の概略図、図 11一 14は従来知られた 浮遊移動体の制御手法を示す概略図である。
[0003] 図 11に示す通り、水中ロボットをはじめとする浮遊移動体 10本体の位置および速 度を制御するために、その本体にはセンサ 13が設けられ、これによつて浮遊移動体 10本体の位置および速度が検出され、計算機 P内の減算回路 11に与えられる。減 算回路 11にはまた、目標となる位置および速度を表す信号がオペレータ Hより与え られる。減算回路 11の出力は、浮遊移動体 10に設けられた推進力発生手段 (効果 器)たるスラスタ Tを制御するためのスラスタ制御回路 12に与えられ、こうして浮遊移 動体 10の位置および速度が制御される（いわゆる位置 ·速度フィードバック制御)。
[0004] 図 12は、この図 11に示される浮遊移動体 10の制御を行なうためのブロック図であ る。スラスタ制御回路 12の出力たる効果器推力指令信号は、所定の推力特性 14を 持つスラスタ Tに与えられ、それにより効果器推力が浮遊移動体 10に与えられ、参照 符 15で示されるように、浮遊移動体 10のダイナミクスすなわち動力学の入出力特性 が得られ、その本体の位置および速度が、センサ 13によって前述のように検出され て、減算回路 11に与えられる。
[0005] このように、従来の浮遊移動体の制御にぉ 、ては、制御対象となる浮遊移動体の 位置および速度の情報をフィードバックすることにより効果器への推力指令を直接操 作しているところ、一般的に効果器の応答速度が比較的遅い浮遊移動体において は、効果器に指令を発してから、その効果が浮遊移動体の位置および速度に反映さ れセンサで取得されるまでに時間がかかり、制御性能に悪影響を及ぼすと言う問題 があった (いわゆるセンシング遅延の問題)。この傾向は、浮遊移動体の質量が大き V、ほど、また効果器の推力が小さ 、ほど顕著である。
さらに、水中、空中など流体中の浮遊移動体は、波浪や潮流、風等、流体力学的 な外乱の影響を常に受けて 、る他、図 11にも示される様に水中における浮遊移動 体 10に対しては水上からのアンビリカルケーブル C (給電線や通信線ほか)等が接 続されており、このケーブルが浮遊移動体 10を引張ったりする場合が往々にしてある ところ、上記の制御手法では未知の外乱に対する応答に時間が掛かり、やはり制御 性能に悪影響を及ぼすと言う問題があった。
[0006] 次に、図 11に示されるように、浮遊移動体 10に複数のリンクを備えるロボットアーム Aが更に設けられているときには、図 13に例示される様なブロック図が構成されること になる。参照符 16で示されるようにロボットアーム Aによる反力およびトルクは、加算 回路 17として例示される様に、スラスタ Tによる効果器推力に加算される。したがって 、ロボットアーム Aからの反力とトルクによって、浮遊移動体 10の動き即ち位置および 速度が乱されることになり、このロボットアーム Aからの反力とトルクによって発生する 浮遊移動体 10の位置および速度の誤差を修正する様にスラスタ Tが制御される。こ のように、ロボットアーム Aからの反力とトルクにより浮遊移動体 10の動き (位置や速 度)が乱されるところ、従来の姿勢制御では、その結果発生する位置や速度の誤差を 修正するようにスラスタ Tを作動させて 、た。
[0007] つまり、従来知られた制御手法では、浮遊移動体 10がロボットアーム Aの反力とト ルクによって動いた後にスラスタ Tを作動させることになり、外乱に対する応答速度が 低 、と 、ぅ 、わゆるセンシング遅延の問題がやはり解消されな 、儘であった。
[0008] また、図 14には、別の先行技術のブロック図が示されている。この制御手法は、口 ボットアーム Aの運動と浮遊移動体 10本体の運動の相互干渉を考慮して、それぞれ の動きが目的に合致するように、一度に効果器推力とロボットアーム関節トルクを決 定する手法である。この先行技術では、ロボットアーム Aが備えられた浮遊移動体 10 を多体リンク系として、その運動方程式力 各ロボットアームの各関節トルクが浮遊移 動体 10本体の運動に及ぼす影響を数式的に表現し、その数式を解くことによって、 浮遊移動体 10本体の推進力を決定して ヽる (V、わゆるモデルべ一スト制御）。 [0009] この図 14の先行技術では、スラスタ'ロボットアーム制御回路 18からの効果器推力 指令信号はスラスタ Tに与えられ、またロボットアーム Aのトルク指令信号は関節ァク チユエータ 19に与えられる。こうして、スラスタ Tから出力される効果器推力並びに関 節ァクチユエータ 19による関節トルクによって浮遊移動体 10本体とロボットアーム A の複合系ダイナミクス 20が形成され、センサ 13は浮遊移動体 10本体の位置および 速度を検出して減算器 11に与え、この減算器 11には浮遊移動体 10本体の目標とな る位置および姿勢を表す信号が与えられる。又複合系ダイナミクス 20からのロボット アーム制御変数即ち、位置、姿勢、関節角、速度、手先反力等を表す信号は減算回 路 21に与えられ、この減算回路 21にはロボットアーム Aの制御変数の目標値が与え られる。これら減算器 11, 21の出力は、スラスタ'ロボットアーム制御回路 18に与えら れる。
すなわち、この制御手法では、ロボットアーム Aの運動と、浮遊移動体 10本体の運 動の相互干渉を考慮して、それぞれの動きが目的に合致するように、一度に効果器 推力とロボットアーム関節トルクを決定している。これによつて正確に浮遊移動体 10本 体の動きを制御することができるという利点がある一方、次の（1)一（3)の問題があつ た。
[0010] (1) 対象のダイナミクスが一般的に複雑であり、ロボットアーム Aが 6軸であれば、 浮遊移動体 10本体と併せて 7個の剛体が繋がったリンクのダイナミクスになる。ロボッ トアーム Aが複数になると、さらに飛躍的に複雑なダイナミクスになる。この様な制御 系の演算には多大な手間が掛かり、計算機に重い計算負荷を及ぼすこととなる。そ の為、上記の制御システムを小型の計算機を用いて構成することは現実的に非常に 困難であった。
[0011] (2) 又上記の制御システムではロボットアーム Aの各リンクおよび本体の質量、慣 性モーメント、重心位置などの多くの力学パラメータが必要となり、これらの力学パラメ ータは、すべて正しい値を用いなければ、正しい制御を実現することはできない。し たがってロボットアーム Aで物をつかんだりした場合、つかんだ物の質量や慣性モー メント、重心位置などを正しく与えなければならない。従ってつかむ可能性のある物 のデータベースを持つか、対象の力学特性を計測する必要があり、現実的には、用 途が限られてしまうという問題があった。
(3) 更に、水中、空中など流体中の浮遊移動体は、波浪や潮流、風など、流体力 学的な未知の外乱の影響を常に受けて 、る上、図 11にも示される様に水中における 浮遊移動体 10に対しては水上からのアンビリカルケーブル C (給電線や通信線ほか )等が接続されており、このケーブルが浮遊移動体 10を引張ったりする場合が往々 にしてあるところ、力かる未知の外乱をモデルィ匕することは不可能である上、この外乱 の影響を予測することは一般に困難であり、この様なモデルべ一スト制御手法は、浮 遊移動体の制御に基本的に馴染まないと言う問題があった。
[0012] その他，従来知られた浮遊移動体の制御手法としては、特許文献 1に挙げられる様 なマニピュレータの根元のカフイードバック制御、或いは非特許文献 1に挙げられる 様な推力ローカルフィードバック制御等が存在する。
[0013] 特許文献 1に係るマニピュレータの根元のカフイードバック制御によれば、浮遊移 動体本体がマニピュレータによる外乱によって動いてしまうよりも先にスラスタを作動 させて浮遊移動体本体への影響を打ち消し、浮遊移動体本体がマニピュレータによ る外乱で動くことを防止することが可能となる。
[0014] また、浮遊移動体の位置 '速度の制御のための効果器として用いられるスラスタは、 流体を利用して推力を発生するため、スラスタへの入力指令と実際に出力される推 力との間には流体に起因する強い非線形性が存在するところ、このような非線形性を 構成する要素は多岐にわたり、それらの全てを考慮した制御を行なうことは従来困難 であった ( ヽゎゆる効果器動特性の非線形性の問題)が、非特許文献 1に係る推力口 一カルフイードバック制御によれば、上記効果器動特性の非線形性に起因する浮遊 移動体の制御性能の悪ィ匕を防止することが可能であった。
[0015] し力しながら、上記特許文献 1及び非特許文献 1に係る制御手法は共に、一部の力 を計測してフィードバックするものではあったが、浮遊移動体に対する最も大きな外 乱である波浪や潮流、風等の影響を打ち消すものではな力つた。
[0016] 要するに、上記いずれの先行技術においても、ロボットアームの反動等による外乱 のほか、水中、空中等の流体中にある浮遊移動体が常に受ける波浪や潮流、風等の 流体力学的な未知の外乱下にあっても自動的に外乱の影響を補償して、浮遊移動 体を精度良く静止させたり、或いは目標軌道に高精度に追従させたりすることが可能 な浮遊移動体の制御システムは実現されていな力つたのである。
[0017] 他方、上記課題とは別に、浮遊移動体を航行させる従来知られた手法として慣性 航法なるものが多用されているところ、この慣性航法には次の様な問題があった。す なわち、慣性航法は、浮遊移動体力も求められる加速度を利用しているところ、浮遊 移動体自体が大きく重 、ものである場合には、加速度をー且変位に変換して力 加 速度の値を電気信号として出力する従来知られた加速度センサの構造上、微小な加 速度の変化を精度良く検出出来ず、センサ力 得られる加速度値と実際の加速度値 との間に顕著な誤差が生じるという問題があった。この様な加速度値の誤差は、慣性 航法自体の精度にも著しく影響し、浮遊移動体を所望の軌道上に正確に誘導出来 な 、と 、う不都合が生じて 、た。
特許文献 1：特開平 5—119837号公報
非特許文献 1 :金岡、中山、林、川村著、 "水中における高精度運動実現のためのス ラスタ推力ローカルフィードバック制御"、日本機械学会ロボテイクス 'メカトロニクス講 演会 ' 03講演論文集、 2P1— 2F - A6、 2003年
発明の開示
[0018] [発明が解決しょうとする課題]
従って本発明は、例えば波浪や潮流、風その他浮遊移動体に取り付けられたロボ ットアームの反動等による外乱下にあっても、浮遊移動体を所定位置に精度良く静 止させたり、或いは目標軌道に精度良く追従させたりすることが可能な、浮遊移動体 の制御システムを提供することを課題とする。
[0019] 又本発明は、比較的簡単な構成で、浮遊移動体の位置及び姿勢等を正確に制御 することができるようにした浮遊移動体の制御システムを提供することを課題とする。
[0020] さらに本発明は、浮遊移動体の大きさや重さ、或いは加速度センサの性能に依存 せず、微小な加速度の変化に至るまで浮遊移動体の加速度を精度良く検出すること が可能な、浮遊移動体の加速度検知システムを提供することを課題とする。
[0021] [課題を解決するための手段]
本発明者は、浮遊移動体を、浮遊移動体の一部を占める、単一剛体とみなし得る 本体部と、浮遊移動体に対して推力を発生する効果器部に分離した上、この本体部 と効果器部を力学的に結合する唯一の部分 (推力伝達ゲート）に力'トルクセンサを 設置しておけば、この力 ·トルクセンサによってセンシングされる値が効果器部から本 体部に与えられている推力である故に本体部と効果器部の間に掛カる力とトルクを 全て計測出来、この値をフィードバックすれば、浮遊移動体に与える推力を直接制御 出来、それによつて、波浪や潮流等の流体力学的な外乱下にあっても、浮遊移動体 を所定位置に精度良く静止させたり、或いは目標軌道に精度良く追従させたりするこ とが可能であることを見い出し、本発明を完成した。
[0022] 上記課題を解決可能な本発明の浮遊移動体の制御システムは、 (1)浮遊移動体 の制御システムであって、前記浮遊移動体が、前記浮遊移動体の一部を占める、単 一剛体とみなし得る本体部と、前記浮遊移動体に対して推力を発生する効果器部と 、前記本体部と前記効果器部を力学的に結合する部分であり、前記効果器部から前 記本体部に作用する推力を実測できるよう構成された推力伝達ゲートと、からなつて おり、前記推力伝達ゲートからの推力測定値を用いて前記効果器部に対する推力指 令を得る様にしたことを特徴とするものである。
[0023] 又本発明は、上記の浮遊移動体の制御システムにおいて更に、（2)前記本体部が 、前記本体部の加速度を計測できる加速度測定手段を備え、前記推力伝達ゲートが 、前記本体部と前記効果器部の間に掛カる力又はトルクを計測できる力又はトルク測 定手段を備えており、オペレータからの目標位置速度軌道指令が変換された目標加 速度軌道指令と、前記本体部の前記加速度測定手段からの出力と、前記推力伝達 ゲートからの前記力又はトルク測定手段力 の出力と、を用いて、前記効果器部に対 する推力指令を得る様にしたことを特徴とするものである。
[0024] なお、後記各実施形態及び実施例で説明する、 3次元空間を浮遊する浮遊移動体 のほか、斜面上を滑走する浮遊移動体に対して本発明の制御システム及び加速度 検知システムを適用する場合には、重力加速度の影響を補償する必要があることか ら、後記 (4)又は (8)に係る発明として規定される通り、本体部の傾きを計測できる傾 斜角測定手段を備えることが必要とされる。
しかしながら、そもそも重力の働力ない宇宙空間を浮遊する浮遊移動体や、傾きを 考慮しなくて良 、、或 、は無視しても構わな 、水平面上を滑走する浮遊移動体に対 して本発明の制御システム或 ヽは加速度検知システムを適用する際には、上記（ 2) 若しくは次に説明する（3)或いは後記（7)に係る発明として規定される通り、傾斜角 測定手段は不要である。
このことは、仮想推力伝達ゲートシステムの考え方が適用される下記（5)に係る発 明の場合でも同様であり、 3次元空間を浮遊する浮遊移動体等に対して仮想推力伝 達ゲートシステムの考え方を用いた本発明の制御システムを適用する際には、後記（ 6)に係る発明として規定される通り、浮遊移動体の傾きを計測できる傾斜角測定手 段を備えることが必要とされる。
同様に本発明は、上記の浮遊移動体の制御システムにおいて更に、（3)前記推力 伝達ゲートが、前記本体部と前記効果器部の間に掛カる力又はトルクを計測できる 力又はトルク測定手段を備えており、さらに、前記本体部が、前記推力伝達ゲートの みに力学的に結合され、かつ、前記本体部に作用する力は実質上全て、前記効果 器部及び前記推力伝達ゲートを介して入力される様構成されており、オペレータカゝら の目標位置速度軌道指令が変換された目標加速度軌道指令と、前記推力伝達ゲー トからの前記力又はトルク測定手段からの出力と、を用いて、前記効果器部に対する 推力指令を得る様にしたことを特徴とするものである。
なお、本体部が推力伝達ゲートのみに力学的に結合され、かつ、本体部に作用す る力が実質上全て、効果器部及び推力伝達ゲートを介して入力される様構成された 典型的な例としては、上記効果器部が、本体部を包囲する殻状体をなしていることが 挙げられる。
しカゝしながら、その様な構成は極端な例であって、必ずしも本体部が殻状体をなす 効果器部で密閉されていることは要件ではない。要するに、この（3)で規定される発 明では、本体部に直接、水圧や強い風圧等の外乱その他の外力が加わらない様構 成されていれば良ぐ例えば水上や地上を滑走する浮遊移動体の内部に収容され た本体部に空気が触れる程度のことは十分無視し得るレベルのことであり、この（3) に係る発明の適用上、特に問題とされない。
したがって、この（3)で規定される発明は、図 3に表された構成に限定されないこと が理解される。
[0026] 又本発明は、上記（2)又は（3)の浮遊移動体の制御システムにおいて更に、（4)前 記本体部が、前記本体部の傾きを計測できる傾斜角測定手段を備えており、前記効 果器部に対する推力指令を、さらに前記本体部の前記傾斜角測定手段からの出力 をも利用して得る様にしたことを特徴とするものである。
[0027] 更に本発明は、（5)浮遊移動体の制御システムであって、前記浮遊移動体は、計 算上、前記浮遊移動体の一部を占める、単一剛体とみなし得る本体部と、前記浮遊 移動体に対して推力を発生する効果器部と、に仮想的に分離されており、 前記浮遊移動体は、前記浮遊移動体の加速度を計測できる加速度測定手段を備え ており、
前記加速度測定手段からの出力を用いて仮想推力伝達ゲートからの力又はトルクを 計算上で推定し、前記効果器部に対する推力指令を得る様にしたことを特徴とする ものである。
又本発明は、上記（5)の浮遊移動体の制御システムにおいて更に、（6)前記浮遊 移動体が、前記浮遊移動体の傾きを計測できる傾斜角測定手段を備えており、前記 効果器部に対する推力指令を、前記傾斜角測定手段及び前記加速度測定手段か らの出力を用いて仮想推力伝達ゲートからの力又はトルクを計算上で推定することに よって得る様にしたことを特徴とするものである。
[0028] なお、後記の通り、上記本発明の浮遊移動体の制御システムでは、浮遊移動体の 制御は、目標軌道を実現するために本体部が推力伝達ゲートから受けるべき推力を 計算して指令する「推力計画部」と、推力伝達ゲートにおける推力の現在値を効果器 部にフィードバックして推力伝達ゲートにぉ 、て指令推力を実現するように効果器部 を直接駆動する「推力制御部」の二段階構成で行なわれる。
[0029] 本発明では、上記の機構設計と制御手法を「推力伝達ゲートシステム」と総称する。
推力伝達ゲートシステムの実施態様としては主に、
i)本体部を外部に露出させた状態即ち、本体部に直接、水圧や強い風圧等の外乱 その他の外力が及ぼされ得る構成とし、さらに推力伝達ゲートを備えた態様 [後記第 1実施形態、第 1例参照]、 ii)推力伝達ゲートを備えると共に、さらに、本体部に直接、水圧や強い風圧等の外 乱その他の外力が加わらない様、本体部が推力伝達ゲートのみに力学的に結合さ れ、かつ、本体部に作用する力が実質上全て、効果器部及び推力伝達ゲートを介し て入力される様構成 (例えば、本体部を効果器部で覆って密閉した状態等)する態 様 [後記第 1実施形態、第 2例参照]、
iii)浮遊移動体のハードウ アは変更しないが、計算上、浮遊移動体を本体部と効果 器部に分離した上、計算機内に予め本体部の慣性行列を準備しておき、これと浮遊 移動体に設けた加速度センサの出力と、さらに、必要に応じて浮遊移動体に設けた 傾斜角センサからの出力と、を用いて効果器部に対する推力指令を得る様にした態 様 [仮想推力伝達ゲート，後記第 1実施形態、第 3例参照]、の 3種類がある。
[0030] i)と ii)では、浮遊移動体のハードウ ア設計を推力伝達ゲートシステムのために変 更する必要があり、推力伝達ゲートにおいて力'トルクセンサを必要とする力 実現さ れる制御性能は高い。
一方、 iii)では、 i)と ii)の方法と比較すると制御性能は低くなる力 浮遊移動体のハ 一ドウ ア設計を変える必要がなぐ加速度センサ、さらに、必要に応じて傾斜角セン サ、を既存の浮遊移動体に付加するだけで推力伝達ゲートシステムを利用でき、制 御性能を向上させることが可能である。
特に、航空機等に現在装備されている公知の慣性航法装置は、本発明で使用され る加速度センサ、傾斜角センサ、本体部位置 ·速度センサとしても使用出来、これを 利用すれば、ハードウ アに改変を加えなくても、既存の制御よりもより高速高精度化 を実現することが可能となる。
[0031] その他本発明は、（7)浮遊移動体の加速度を検知するためのシステムであって、前 記浮遊移動体が、前記浮遊移動体の一部を占める、単一剛体とみなし得る本体部と 、前記浮遊移動体に対して推力を発生する効果器部と、前記本体部と前記効果器 部を力学的に結合する部分であり、前記効果器部から前記本体部に作用する推力 を実測できるよう構成された推力伝達ゲートと、からなつており、前記推力伝達ゲート は、前記本体部と前記効果器部の間に掛カる力又はトルクを計測できる力又はトルク 測定手段を備えており、さらに、前記本体部は、前記推力伝達ゲートのみに力学的 に結合され、かつ、前記本体部に作用する力は実質上全て、前記効果器部及び前 記推力伝達ゲートを介して入力される様構成されており、前記推力伝達ゲートからの 前記力又はトルク測定手段からの出力を用いて前記本体部の加速度の推定値を得 る様にしたことを特徴とするものである。
又本発明は、上記（7)の浮遊移動体の加速度検知システムにおいて更に、（8)前 記本体部が、前記本体部の傾きを計測できる傾斜角測定手段を備えており、前記本 体部の加速度の推定値を、さらに前記本体部の前記傾斜角測定手段からの出力を も利用して得る様にしたことを特徴とするものである。
[0032] 本発明によれば、例えば波浪や潮流、風或いは浮遊移動体に取り付けられたロボ ットアームの反動等による外乱下にあっても、浮遊移動体を所定位置に精度良く静 止させたり、或いは目標軌道に精度良く追従させたりすることが出来、浮遊移動体を 高速かつ高精度に制御し得るシステム構成を提供することが可能となる。
[0033] 尚以下では、本発明の説明に用いる用語につき定義をおくものとする。
[0034] 「浮遊移動体」とは、水中、空中又は宇宙空間その他を浮遊する各種移動体を言う
。また、平面上、或いはレール上を滑走する移動体も浮遊移動体の概念に包含され るちのとする。
以下、環境別に具体例を挙げるとすれば、
(1)宇宙： 宇宙ロボット、宇宙船、人工衛星等
(2)空中： 空中ロボット、航空機、ヘリコプター、飛行船等
(3)水中： 水中ロボット、潜水艇等
(4)水上： 船舶、ホバークラフト等
(5)地上： 自動車、鉄道、ホバークラフト、或 、は橇、スノーモービルその他の氷上 又は雪上を滑走する移動体等
力 本発明に言う「浮遊移動体」の概念に包含される。
自動車等の地上車両につ 1、ては、例えば車輪が滑って!、る状態では「浮遊移動体」 となり得ることが理解される。従って本発明を適用することにより、自動車の場合は車 輪が滑っていても滑っていなくても同様に車両制御を行うことが可能となる。
ただし、車輪が滑っている状態では、既存のエンジンとタイヤ力 なる推力伝達手 段が機能し得ない。このことを考慮すると、当該状況下で本発明を適用するに当たつ ては、上記地上車両が何らかの別異の推力伝達手段 (各種形式のスラスタ等)を備 えているのが好ましいことが、以下の各説明より理解される。
[0035] 「本体部」とは、浮遊移動体の一部を占める、単一剛体とみなし得る物理構造を言う 。原則として本体部には機械的な可動部分はないものとする。又機械的な可動部分 があっても、その影響が無視できる程度に小さければ良いほか、無視できなくても、 その影響を予測できればこれをキャンセルすることは可能である。
なお、仮想推力伝達ゲートシステムの考え方を適用する本発明中の後記第 1実施 形態、第 3例に相当する発明に於いては、本体部と効果器部の峻別は単に便宜上 行っているものに過ぎず、どの部分を本体部と規定するかについては、ユーザーの 判断に任せても構わない。従って、実際に後記第 1実施形態、第 3例に相当する発 明を実施するに当たっては、本体部を、浮遊移動体の質量の主な部分を占めるもの と規定しても良いほか、反対に、浮遊移動体中の一部に追加設置した物体 (例えば、 数 kg程度の錘等)を本体部と規定することも可能である。
また、仮想推力伝達ゲートシステムの考え方を適用しない後記第 1実施形態の第 1 例及び第 2例に相当する発明に於いても、本体部と効果器部とを峻別する判断基準 は、両者が次に説明する推力伝達ゲートで結合されている力否かだけであり、それさ え満足されていれば、浮遊移動体中に於ける本体部の占める割合について特に限 定はない。
従って本発明に於いては、本体部は、浮遊移動体の質量の主な部分を占める単一 剛体で構成された物理構造に限定されな ヽ。
[0036] 「効果器部」とは、浮遊移動体に対して推力を発生する物理構造を言う。浮遊移動 体の位置や速度等の制御のための推進力発生手段 (効果器)のすベてを包含して いるものとする。
[0037] 「力学的に結合」とは、対象とする物体間に何らかの力の相互作用が働いている状 態を言う。機械的に結合している状態が殆どであるが、機械的に結合していなくても 、例えば電磁力等によって非接触な力の相互作用を及ぼしている状態も包含するも のとする。 一方、「力学的に分離」とは、対象とする物体間に力の相互作用が働力ない状態を
[0038] 「推力伝達ゲート」とは、本体部と効果器部を力学的に結合する唯一の部分であり、 本体部と効果器部の間にかかる力とトルクをすベて計測できるセンサを備えることに より、効果器部力 本体部に作用するすべての推力を実測できるよう構成されたもの を言う。
[0039] 「仮想推力伝達ゲート」とは、浮遊移動体内に物理的に存在せず仮想的に設けら れた推力伝達ゲートであり、計算上便宜的に本体部と効果器部に分離された既存の 浮遊移動体において、本体部加速度測定値に基づき、本体部と効果器部の間にか 力る力とトルク即ち、効果器部力も本体部に作用するすべての推力を推定できるよう 構成されたものを言う。
なお、本発明に於て単に「推力伝達ゲート」というときには、特に断りがなければ「仮 想推力伝達ゲート」も包含するものとする。
[0040] 「仮想推力伝達ゲートにおける推力推定値」とは、物理的に存在する推力伝達ゲー トにお!、て実測された値ではなぐ仮想推力伝達ゲートにお！、て加速度センサの測 定値 (本体部加速度測定値)から計算によって求められる仮想的な値を言う。
[0041] 「推力計画部」とは、目標軌道を実現するために本体部が推力伝達ゲートにぉ 、て 効果器部力 受けるべき目標推力を計算し、推力制御部に指令する計算機上の一 部分或いは機能を言う。
[0042] 「推力制御部」とは、推力伝達ゲートにおける推力測定値もしくは推力推定値をフィ ードバックして、推力伝達ゲートにおいて所望の目標推力を実現する様、効果器へ の推力指令を出力する計算機上の一部分或いは機能を言う。
[0043] 「目標推力」とは、目標軌道を実現するために本体部が推力伝達ゲートにぉ 、て効 果器部力 受けるべき推力を言う。
[0044] 「目標加速度」とは、所望の目標軌道或いは目標速度からの微分演算によって求 められる加速度を言う。
[0045] 「推力伝達ゲートシステム（TTGS: Thrust Transfer Gate System)」とは、推力伝達 ゲートを備えた浮遊移動体が、推力計画部及び推力制御部を含む制御系によって 制御される制御システムを言う。
[0046] 「効果器推力特性」とは、スラスタ等の効果器へ入力される効果器推力指令と、実 際に出力される効果器推力との関係をいう。尚、スラスタ等の効果器は一般に流体を 介して推力を発生するため、効果器推力特性には、効果器そのものの機械的なダイ ナミタスの他に、流体力学における抗カ ·揚力の影響などの複雑なダイナミクスが包 含されているものとする。
[0047] [発明の効果]
従来は、浮遊移動体の位置 ·速度のセンサ情報をフィードバックしてスラスタの推力 を制御して 、たが、本発明では発生した推力を直接フィードバックして効果器の推力 を制御するため、原理的に高速な応答が実現される。従って、上記センシング遅延 の問題が軽減される。特に、推力伝達ゲートをノヽードウエアとして備える構成とすれ ば (第 1実施形態の第 1例及び第 2例等参照）、浮遊移動体の質量が大きくても効果 器の推力が小さくてもセンシング遅延の影響が増大することはない。
[0048] 本発明の浮遊移動体の制御システムでは、後記する通り、推力制御部において推 力伝達ゲートにおける推力をフィードバックすることにより効果器の推力を制御する。 これによつて上記の高速な応答が実現されると同時に、推力制御部に非線形性に対 してロバストな既存の制御手法 (スライディングモード制御等）を適用すれば効果器 動特性の非線形性を抑え込み、制御性能への悪影響を防ぐことが可能である。従来 、効果器動特性の線形化は、効果器の動特性モデルにもとづくフィードフォワード補 償によって行なわれてきたが、多大な手間と計算負荷を要するものであった。本発明 の浮遊移動体の制御システムでは、必ずしも動特性モデルを用いな ヽ推力フィード ノ ックによって線形ィ匕を実現するため、少な 、計算負荷で制御システムを構築するこ とが可能である。
[0049] その他、従来技術の下では上記の通りセンシングを行って力も実際に推力指令を スラスタに与える迄の間に無視できない時間遅れが生じることに起因して、例えば浮 遊移動体を所定軌道上に維持するに当たって幾度と無くオーバーシュートやアンダ 一シュートの是正を繰り返さなければならない等、浮遊移動体に結果的に無駄な動 きを与えることが多力つた。制御系のゲインチューニングを適切にするための負担も、 手間や時間の他、経験を必要とする非常に大きいものであった。
これに対し、本発明によれば、スラスタに真に必要な推力を適時に与えることが出 来るため、スラスタや浮遊移動体に無駄な動きを与えることが無い。加えて、浮遊移 動体に無駄なスラスタ駆動エネルギーを消費させずに済む結果、浮遊移動体の消費 エネルギーを低減できる効果も得られる。
[0050] また、未知の外乱の影響も、本発明の浮遊移動体の制御システムにお 、ては推力 伝達ゲートにおける推力の誤差として直ちにセンシングされ、推力制御部のローカル フィードバック制御によって補償されるため、推力計画部より上のレベルでは外乱に 関して考慮する必要がない。すなわち、推力計画部では「静止せよ」「直進せよ」等の 指示を行なうだけで、推力制御部で自動的に外乱の影響を補償して、予め計画され た所望の動作を実現することが可能である。また、従来のように外乱の影響を位置- 速度誤差によってセンシングする場合と比較して、高速な応答が実現される。
[0051] 他方、本発明の浮遊移動体の加速度検知システムによれば、予め同定しておいた 本体部の慣性行列と、推力伝達ゲートからの力'トルクセンサ力 の出力と、さらに、 必要に応じて本体部の傾斜角センサ力 の出力と、を用いて本体部の加速度推定 値を求めることが出来るので、浮遊移動体の重さや大きさに関係なぐ或いは加速度 センサの性能に依存することなぐ微小な加速度の変化に至るまで浮遊移動体の加 速度を精度良く検出することが出来、慣性航法を用いて浮遊移動体を誘導する際に 、浮遊移動体を所望の軌道上に正確に誘導することが可能となる。
以下、本発明につきより詳細に説明する。 図面の簡単な説明
[0052] [図 1]本発明の制御システムが適用された浮遊移動体の一例を示す概略図である。
[図 2]本発明の制御システムの一構成例を示すブロック図である。
[図 3]本発明の制御システムが適用された浮遊移動体の別の例を示す概略図である
[図 4]本発明の制御システムの別の構成例を示すブロック図である。
[図 5]本発明の制御システムが適用された浮遊移動体の別の例を示す概略図である [図 6]本発明の制御システムの別の構成例を示すブロック図である。 圆 7]本発明の制御システムの第 2実施形態を示すブロック図である。
[図 8]本発明の制御システムの一実施例を示すブロック図である。
[図 9]本発明の制御システムの別の実施例を示すブロック図である。
[図 10]本発明の制御システムの別の実施例を示すブロック図である。 圆 11]従来知られた浮遊移動体の概要を示す図である。
[図 12]従来知られた浮遊移動体の制御系を示すブロック図である。
[図 13]従来知られた浮遊移動体の制御系を示す別のブロック図である。
[図 14]従来知られた浮遊移動体の制御系を示す別のブロック図である。 符号の説明
A ロボットアーム部
B 本体部
B1 本体部静力学
B2 本体部慣性
B2' 本体部慣性
B3 本体部慣性
B4 積分
C ケーブル
E 効果器部
E1 効果器推力特性
E2 効果器部静力学
G 推力伝達ゲート
G' 仮想推力伝達ゲート
H オペレータ
P 計算機
P1 微分
P2 推力計画部
P3 推力制御部 P4 位置制御 ·速度制御
S 耐圧殻
T スラスタ
1 制御システム
2 加速度センサ
3 傾斜角センサ
4 位置'速度センサ
5 ί 洞
10 浮遊移動体
11 減算回路
12 スラスタ制御回路
13 センサ
14 効果器推力特性
15 浮遊移動体ダイナミクス
16 ロボットアームの反力 ·トルク
17 加算回路
18 スラスタ ·ロボットアーム制御回路
19 関節ァクチユエータ
20 浮遊移動体本体'ロボットアーム複合系ダイナミクス
21 減算回路
発明を実施するための形態
[第 1実施形態]
以下では、本発明を実施する対象の代表例たる水中ロボットにおける、本発明の一 実施形態とその作用を、図 1一図 7に基づき説明する。水中ロボットは、 3次元空間を 浮遊する浮遊移動体にほかならず、この水中ロボットに対して本発明の制御システム を適用する場合には、重力加速度の影響を補償する必要があることから、上記 (4)に 係る発明として規定される通り、本体部の傾きを計測できる傾斜角測定手段を備える こと力 S必要とされる。このことは、仮想推力伝達ゲートシステムの考え方が適用される 上記 (5)に係る発明の場合でも同様であり、 3次元空間を浮遊する浮遊移動体等に 対して仮想推力伝達ゲートシステムの考え方を用いた本発明の制御システムを適用 する際には、上記 (6)に係る発明として規定される通り、浮遊移動体の傾きを計測で きる傾斜角測定手段を備えることが必要とされる。
上記 (4)に係る発明である、傾斜角測定手段を更に備えた上記（2)又は（3)〖こ係る 発明は、それぞれこの第 1実施形態の第 1例又は第 2例に、並びに後記実施例 1又 は実施例 2に相当する。又上記 (6)に係る発明は、この第 1実施形態の第 3例及び後 記実施例 3に相当する。
尚適用対象が水中ロボットに限られないことは、上記定義欄及び後記実施例中の 記載からも十分理解される。又水中ロボットと言えども、図中に表された深海探査等 に用 ヽる典型的な例に限られず、水難救助や油田探索等にも使用し得る比較的小 型のものも、この水中ロボットの範疇に含まれる。
ここで、図 1は本発明の制御システムが適用された浮遊移動体の一例を示す概略 図、図 2は本発明の制御システムの一構成例を示すブロック図である。また図 3及び 図 5は本発明の制御システムが適用された浮遊移動体の別の例を示す概略図、図 4 及び図 6は本発明の制御システムの別の構成例を示すブロック図である。図 7は、本 発明の制御システムの第 2実施形態を示すブロック図である。
上記図 1一 7においては、先に示した図 11一 14と同一のものには同一符号を付して 説明するものとする。
図 2、 4、 6及び 7中、各ブロック間を繋ぐ細実線は信号を表すものである。一方、浮 遊移動体 10内における各ブロック間を繋ぐ二重線は、物理的な作用として浮遊移動 体 10に起きている現象 (力学的な変換作用等)を表すものである。
ところで、以下詳細を述べる本発明の説明に当たっては、慣性系の絶対位置に固 定された基準座標系を∑ とし、浮遊移動体の重心位置に原点を持ち、浮遊移動体
R
本体部に固定された本体座標系を∑ とする。又特に断らない限り、ベクトル及び行
B
列は、本体座標系∑ 力 見た表現であるとする。さらに、浮遊移動体は m次元空間（
B
m≤6)に存在し、浮遊移動体の効果器は n自由度 (m≤n)の推力を発生可能とする [0056] 第 1例
本実施形態に係る推力伝達ゲートシステムの第 1例の構成は図 1及び 2のようにな る。図 1は浮遊移動体の概略図、図 2は制御システムのブロック図である。
本例においては、浮遊移動体 10は本体部 Bと効果器部 Eに力学的に分離されており 、本体部 Bと効果器部 Eの間には、推力伝達ゲート Gがハードウェアとして備えられて いる。又本体部 Bには加速度センサ 2と傾斜角センサ 3が、推力伝達ゲート Gには力 · トルクセンサが備えられている。本例では、本体部 Bと推力伝達ゲート Gは効果器部 E同様、外部に露出した構成となっている。
なお、後述する本体部 Bの慣性行列 Mと浮遊移動体 10の幾何学的構造を表現す
B
る J 、J は、あら力じめ測定され既知の行列として与えられているものとする。
GB EG
[0057] 以下、本例の構成に付き詳細に説明する。
図 2の本体部 B及び効果器部 Eの内部を参照すると、浮遊移動体の物理ダイナミク スを表わす運動方程式は一般に次式のように書ける。
[0058] [数 1]
( = MB{ B{t) -9B[t)) +MAaB{t) - }B[i (1 )
(2) 式 (1)は本体部,式 (2}は効果器部を表わす式である.各変数の定義は以下の通り. αβ(ί) 6 Γ
Figure imgf000021_0001
：重心）の加龃
浮遊移動体本体部 (重心）にかかる重力加 II
Γ 推力伝達ゲ- \において効果鶸から本体 ¾!に作用する推力
JOB eSmXm 本体部速度か推力罐ゲ-ト速度への麯を行なうヤコビ行列
MB nm
¾
/ ^
Figure imgf000021_0002
風による外力など）
«£(t)€ 舗果器において発生される推力
¾(ί) xm 推力伝達ゲ-ト速度から各効果器速度への麴を行なうヤコビ行列
式 (2)の他の項で表現されない浮遊移動体効果器部から推力罐ゲ- る推力 (効果器部の慣性力,黼 '波浪'風による外力など)の推力伝
から見た餽
[0059] なお、本例の推力伝達ゲートシステム 1においては本体部 Bの単一剛体構造上に推 力伝達ゲート Gを固定した構造としている。これによつて、ヤコビ行歹 と慣性行列 Mは定数行列となる。
B
[0060] 次に、本例の推力計画部につき説明する。
図 2の計算機 P内の推力計画部 P2のブロック部分に示される通り、本体部 Bの目標 加速度 a (t)を実現するために必要な推力伝達ゲート Gにおける目標推力 u (t)
Gd を
Bd
次式の様に定める。
[数 2]
Figure imgf000021_0003
= Ufy(t) + J GB Ms{dBi(t} - kit)) (3) [0061] ただし a (t)、 "a (t) [m次元ベクトル]はそれぞれ本体加速度 a (t) の目標値と推
Bd B B 定値、 u (t) [m次元ベクトル]はゲート推力 u (t)の目標値、 u (t) [m次元ベクトル
Gd G Gs
]は推力伝達ゲートに備えられた力 ·トルクセンサによる u (t)の測定値である。
G
[0062] ここで、図 2の計算機 P内において参照符 P3として示される推力制御部において、 この u (t)を推力フィードバックによって実現するように u (t)を制御することで、推力
Gd G
フィードバックによって推力を制御する、遅れの少ないフィードバック制御系が構築で きる。
推力制御部 P3においては、図 2の効果器部 E内において参照符 E1として示される 効果器推力特性や効果器部に対する外乱や動的な力 f (t)などの効果器部動特性
E
の未知の非線形性を抑え込むために、非線形系に対して優れたロバスト性を発揮す るような制御手法を適用すべきである。例えば既存のスライディングモード制御を適 用すると、推力制御部 P3は以下のように構築できる。
[0063] 本例における推力制御部 P3においては、目標推力 u (t)を実現するために必要
Gd
な効果器への推力指令 u (t)を次式のように定める。
Ed
[0064] [数 3]
各変数の定義は の通り，
½(ή スライディングモ-ド制御の切換関数
¾ e¾ ϋ釅によって觫される 次遅れ系の時定数
觀器への指令推力
tifc e¾ 効果醵力の第 ΐ成分に齢可能な馱推力
雌難力の第 i成分に齢職な最小推力
Hi ベクトル *の第 i成分
*+Γ 行 の Μ行列の転置
[0065] 本例において、推力計画部、推力制御部へのフィードバックに必要な値は u ( と
Gs
"a (t)である。ゲート推力測定値 u (t)には、推力伝達ゲートに備えられた力'トル
B Gs
クセンサによる測定値がそのまま用いられる。
[0066] 以下では、本体部加速度 a (t)の推定方法にっ 、て述べる。センサ特性、推力制
B
御特性について考察するために、以下では主に周波数領域で議論を展開する。
[0067] まず、図 2の本体部 B内において参照符 2で示される本体部加速度センサによって 得られる加速度の測定値 a (t) [m次元ベクトル]は以下のように与えられる。この測
Bs
定値には重力加速度が含まれているため、本体加速度 a (t)の推定値としてそのま
B
ま使用することはできない。
[0068] [数 4] [0069] 尚、 * (s)はベクトルあるいは行列 *のラプラス変換 * (s) =L [ * (t) ]、 G (s)は aBs 本体部加速度センサ特性を表わす m行 m列の伝達関数行列である。
同様に、本体部傾斜角センサによって得られる重力加速度の測定値 g (t) [m次
Bs 元ベクトル]は以下のように与えられる。
[0070] [数 5]
Figure imgf000024_0001
[0071] ただし G (s)は本体部傾斜角センサ特性を表わす m行 m列の伝達関数行列である gBs 同様に、推力伝達ゲートによって得られるゲート推力測定値 u (t) [m次元ベクトル
Gs
]は以下のように与えられる。
[0072] [数 6]
Figure imgf000024_0002
[0073] ただし G (s)は推力伝達ゲートの力'トルクセンサ特性を表わす m行 m列の伝達関 uGs
数行列である。
[0074] 次に、本例における本体加速度 a (t)の推定につき説明する。
B
本体加速度 a (t)の推定値 "a (t)を次式のように定める。
B B
[0075] [数 7]
Figure imgf000024_0003
[0076] ここで、上記本体加速度推定の妥当性について考える。この式（9)をラプラス変換し て上の（6)、（7)式を代入すると、
• "a (s) =G (s) (a (s)— g (s) ) + G (s) g (s) (9) '
gBs B
になるところ、「すべての種類、すべての自由度におけるセンサ特性は同一であり、 各センサ、各自由度間の干渉も存在しない（センサ特性一致条件）」という上記の条 件が満たされて 、る場合には、本体部加速度センサ特性と本体部傾斜角センサ特 性と、推力伝達ゲートの力 ·トルクセンサ特性につ!ヽて、
• G (s) =G (s) =G (s) =G (s) l (10)
aBs gBs uGs s
としてよい。ただし G (s)は同一センサ特性を表わす伝達関数、 Iは単位行列である。
s
すなわち、
• a (s) =G (s) (a (s) -g (s) ) (11)
Bs s B B
• g (s) =G (s) g (s) (12)
Bs s B
• u (s) =G (s) u (s) (13)
Gs s G
である。このとき、式（9) 'は、
[0077] [数 8] a^(s) = (？ s(s)as(s) (")
[0078] となり、式 (8)によって本体部加速度 a (t)の推定が行なえて!/、る。式（ 14)に重力加
B
速度 g (t)は陽に表われてこな 、ことから、上記センサ特性一致条件が満たされて
Bs
いる限り本体部加速度 a (t)を直接測定していると見なしてよいことになる。
B
なお、上記センサ特性の一致条件は、例えば浮遊移動体のダイナミクスと比較して 十分高速な応答で、かつ高精度なセンサを選択することで実現される。
[0079] 第 2例
次に、本実施形態に係る推力伝達ゲートシステムの第 2例につき説明する。
推力伝達ゲートシステムの第 2例の構成は図 3、 4のようになる。図 3は浮遊移動体 の概略図、図 4は制御システムのブロック図である。
本例においても、浮遊移動体 10は本体部 Bと効果器部 Eに力学的に分離されてお り、本体部 Bと効果器部 Eの間には、推力伝達ゲート Gがハードウェアとして備えられ ている。又本体部 Bには傾斜角センサ 3が、推力伝達ゲート Gには力 ·トルクセンサが 備えられている。
第 1例と大きく異なるのは、本例では効果器部 Eが本体部 Bを覆う殻（図 3に示す耐 圧殻 S)になっており、本体部 Bと推力伝達ゲート Gはこの殻 Sによって完全に外界か ら隔離されている点である。この構造によって、第 1例で必要であった本体部 Bの加 速度センサ 2が不要となって!/、る。
第 1例同様、本体部の慣性行列 Mと浮遊移動体の幾何学的構造を表現する J 、J
B GB
は、あら力じめ測定され既知の行列として与えられて 、るものとする。
EG
[0080] 以下、本例の構成に付き詳細に説明する。
図 4の本体部 B及び効果器部 Eの内部を参照すると、浮遊移動体の物理ダイナミク スを表わす運動方程式は一般に次式のように書ける。
[0081] [数 9]
JGBTuG{t) = MB( B(t) -gB(t)) ( ）
UG{t) = JEGT{t)uE{t)^fE(t) ('6)
[0082] 式（15)は本体部、式（16)は効果器部を表わす式である。ここで、新たに u (t) [m
G2 次元ベクトル]を次式のように定義する。
[0083] [数 10]
UGsit) = uG(t) + JGB-TMBgB{t) (I?)
[0084] 次に、本例の推力計画部につき説明する。
図 4の計算機 P内の推力計画部 P2のブロック部分に示される通り、本体部 Bの目標 加速度 a (t)を実現するために必要な推力伝達ゲート Gにおける目標推力 u (t)
Bd G2d を次式の様に定める。
[0085] [数 11] uG2d(t) = JGB~ MBaBd{t)
[0086] 図 4の計算機 P内において参照符 P3として示される推力制御部において、この u
G2d
(t)を推力フィードバックによって実現するように u (t)を制御することで、推力フィー
G2
ドバックによって推力を制御する、遅れの少な!、フィードバック制御系が構築できる。 ここで、本例の推力制御につき例えばスライディングモード制御を適用すると、推力 制御部 P3は以下のように構築できる。
[0087] 本例における推力制御部 P3においては、目標推力 u (t)を実現するために必要
G2d
な効果器への推力指令 u (t)を次式のように定める。
Ed
[0088] [数 12]
Figure imgf000027_0001
[0089] ただし" u (t) [m次元ベクトル]は u (t)の推定値である。
G2 G2
[0090] ところで、本例においては、推力計画部 P2へのフィードバックは必要なぐ推力制 御部 P3へのフィードバックに必要な値は式（17)の u (t)の推定値" u (t)のみであ
G2 G2
る。ここでは、この u (t)の推定方法にっ 、て説明する。
G2
[0091] 以下、本例におけるゲート推力 u (t)の推定につき説明する。
G2
ゲート推力 u (t)の推定値" u (t)を次式のように定める c
[0092] [数 13] UG2 (t) = UGs(t) J GB MBQ Bs(t) (21 )
[0093] ここで、上記ゲート推力推定の妥当性について考える。式 (21)をラプラス変換して、
"u (s) =u (s) +J — TM g (s) (21) '
G2 Gs GB B Bs
ここでも前述のセンサ特性一致条件が満足されているとすると、式（12) , (13)が同 様に成立する。これらを代入して式（17)を考慮すると、
[0094] [数 14]
UG2{s) = Gs{s)uG2(s) ( 2)
[0095] となり、式（21) によってゲート推力 u (t)の推定が行なえている。式（22)に重力加
G2
速度 g (t)は陽に表われてこないことから、センサ特性一致条件が満たされている限
Bs
りゲート推力 u (t)を直接測定していると見なしてよいことになる。
G2
[0096] 第 3例
次に、本実施形態に係る推力伝達ゲートシステムの第 3例につき説明する。
推力伝達ゲートシステムの第 3例の構成は図 5、 6のようになる。図 5は浮遊移動体 の概略図、図 6は制御システムのブロック図である。
この第 3例においては、浮遊移動体 10は本体部 Bと効果器部 Eに力学的に分離さ れておらず、推力伝達ゲート Gもハードウェアとして備えられていない。しかしながら、 本例の浮遊移動体 10には加速度センサ 2と傾斜角センサ 3が備えられている。 本例では、本体部 Bの慣性行列 Mを適当に定め、この Mにもとづいて、図 6の計
B B
算機 P内に示された仮想推力伝達ゲート G'における推力推定値をセンサの測定値 力も計算することで、推力伝達ゲートが存在するものとして推力伝達ゲートシステムを 構築する。浮遊移動体 10の幾何学的構造を表現する J 、J については、上記第 1
GB EG
例、第 2例同様、予め測定され既知の行列として与えられているものとする。
尚、本体部 Bの慣性行列 Mの定め方としては、例えば、浮遊移動体 10設計時に おける設計図、主要諸元その他力 計算機によって本体部 Bの慣性行列 Mを予め
B
割り出し、これを不図示のメモリ等に格納しておく手法等が挙げられる。
[0097] 以下、本例の構成につき詳細に説明する。
図 6の本体部 B及び効果器部 Eの内部を参照すると、浮遊移動体の物理ダイナミク スを表わす運動方程式は一般に次式の様に書ける。
[0098] [数 15]
Figure imgf000029_0001
^Gv{t) = ½Τ(ΐ)«β(ί) + fE(f) ^ JGB~TMB9B(t) C24)
[0099] 式（23)は本体部、式（24)は効果器部を表わす式である。これは第 2例の場合とほ ぼ同じであるが、この第 3例では推力伝達ゲートは物理的には存在しないため、推力 伝達ゲートの推力 u [m次元ベクトル]は仮想的な値であることに注意された!、。
Gv
[0100] 次に、本例の推力計画部につき説明する。
図 6の計算機 P内の推力計画部 P2のブロック部分に示される通り、本体部 Bの目標 加速度 a (t)を実現するために必要な仮想推力伝達ゲート G'における目標推力 u
Bd G\
(t)を次式の様に定める。
d
[0101] [数 16]
[0102] 図 6の計算機 P内において参照符 P3として示される推力制御部において、この u
Gvd
(t)を推力フィードバックによって実現するように u (t)を制御することで、推力フィー
Gv
ドバックによって推力を制御する、遅れの少な!、フィードバック制御系が構築できる。 ここで、本例の推力制御につき例えばスライディングモード制御を適用すると、推力 制御部 P3は以下のように構築できる。
[0103] 本例における推力制御部 P3においては、目標推力 u (t)を実現するために必要
Gvd
な効果器への推力指令 u (t)を次式の様に定める。 [0104] [数 17]
Figure imgf000030_0001
[0105] ただし' u (t) [m次元ベクトル]は u (t)の推定値である。
Gv Gv
[0106] ところで、本例においては、上記第 2例と同様に推力計画部 P2へのフィードバック は必要なぐ推力制御部 P3へのフィードバックに必要な値は u (t)の推定値" u (t
Gv Gv
)のみである。ここでは、この u (t)の推定方法にっ 、て説明する。
Gv
[0107] 以下、本例におけるゲート推力 u (t)の推定につき説明する。
Gv
ゲート推力 u (t)の推定値" u (t)を次式のように定める。
Gv Gv
[0108] [数 18]
uGv(t) = JGB'1 MB{aBs (t) + 9Bs(t)) (28)
[0109] ここで、上記ゲート推力推定の妥当性について考える。式 (28)をラプラス変換して、 • "u (s) =J — TM (a (s) +g (s) ) (28) '
Gv GB B Bs Bs
ここでも前述のセンサ特性一致条件が満足されているとすると、式（11) , (12)が同 様に成立する。これらを代入して式 (23)を考慮すると、
[0110] [数 19] UGv(s) = Gs(s)uGv(s) (29)
[0111] となり、式（28) によってゲート推力 u (t)の推定が行なえている。式（29)に重力加
Gv
速度 g (t)は陽に表われてこないことから、センサ特性一致条件が満たされている限
Bs
りゲート推力 u (t)を直接測定して 、ると見なしてよ!、ことになる。
Gv
[0112] [第 2実施形態]
次に、本発明の浮遊移動体の加速度検知システムの一実施形態に付き説明する。 第 1実施形態同様、本実施形態についても適用対象を水中ロボットとして以下説明 する。尚水中ロボットは、 3次元空間を浮遊する浮遊移動体にほかならず、この水中 ロボットに対して本発明の加速度検知システムを適用する場合には第 1実施形態同 様、重力加速度の影響を補償する必要があることから、上記 (8)に係る発明として規 定される通り、本体部の傾きを計測できる傾斜角測定手段を備えることが必要とされ る。
本実施形態では、推力伝達ゲートを利用して本体部加速度の推定を行なって 、る 。本実施形態に係る加速度検知システムの構成は図 3及び図 7の様になる。図 3は浮 遊移動体の概略図、図 7は加速度検知システムのブロック図である。
[0113] これまでの第 1実施形態の各例では、浮遊移動体 10の制御システム 1として推力伝 達ゲートシステムを構築したのに対して、第 2実施形態では浮遊移動体 10の高精度 な加速度センシングシステムとして推力伝達ゲート Gを利用する。
[0114] 本実施形態のハードウェア構成は先の第 1実施形態に係る第 2例（図 3)とまったく 同じである。すなわち、浮遊移動体 10は本体部 Bと効果器部 Eに力学的に分離され ており、本体部 Bには傾斜角センサ 3が、推力伝達ゲート Gには力 ·トルクセンサが備 えられている。
ただし、本実施形態では本体部加速度 a (t)を高精度に推定することを目的として
B
おり、制御を目的としないので、推力計画部と推力制御部は本実施例の中には含ま れない。
また、本体部の慣性行列 Mと浮遊移動体の幾何学的構造を表現する J は、あら 力じめ測定され既知の定数行列として与えられて ヽるものとする。この本体部慣性行 列 Mを、推力伝達ゲートの力 ·トルクセンサの測定レンジと、本実施形態にて検知す
B
べき加速度レンジとを勘案して適切に設計することにより、高精度な加速度測定が可 能となる。
[0115] 以下、本実施形態の構成につき詳細に説明する。
図 3及び図 7に示す本実施形態のハードウェア構成においては、本体部加速度 a (
B
t)は、式（15)を変形して以下の様に表わされる。
[0116] [数 20]
aB[t) = MB~1JGB^G(t) + 9B{t) (30) [0117] 次に、本実施形態における本体部加速度 a (t)の推定につき説明する。
B
本体部加速度 a (t)の推定値 "a (t)を次式の様に定める。
B B
[0118] [数 21]
aB(t) = MB~1JGBT Gs{t} ^9Bs{t) (31)
[0119] ここで、上記本体加速度推定の妥当性について考える。式（31)をラプラス変換して、 [0120] [数 22] B(s) = Mf uGs(s) igB3(s) (32)
[0121] ここでも前述のセンサ特性一致条件が満足されているとすると、式（12)、（13)が第 1 実施形態と同様に成立する。これらを代入して式 (30)を考慮すると、
[0122] [数 23] B(s) = Gs(s)aB{s) (33)
[0123] となり、式（31)によって本体加速度 a (t)の推定が行なえていることがわかる。
B
実施例 1
[0124] 上記第 1実施形態の欄で説明した通り、本発明の浮遊移動体の制御システムでは 推力制御を行なうため、実現されるのは厳密には位置 ·速度軌道ではなく加速度の 軌道である。ここで、加速度の積分誤差に起因するドリフトの影響は不可避であり、従 つて、本発明が単独で顕著に効果を発揮するのは、比較的高い周波数帯域の運動 に対してである。低周波のゆっくりとした運動に対しては、従来の位置'速度をフィー ドバックする制御手法を併用する必要があるが、この場合であっても、従来手法単独 で用いるより精度を向上させることが可能である。
以下、本発明の一実施例として、上記第 1実施形態で説明した本発明の浮遊移動 体の制御システムの各例に従来の位置 ·速度フィードバック制御を併せ備えた制御 システムにっき説明する。
[0125] ここで、図 8は本発明の制御システムの一実施例を示すブロック図であって上記第 1実施形態の第 1例に相当するもの、図 9は本発明の制御システムの別の実施例を 示すブロック図であって上記第 1実施形態の第 2例に相当するもの、図 10は本発明 の制御システムの別の実施例を示すブロック図であって上記第 1実施形態の第 3例 に相当するものである。上記図 8— 10においては、先に示した図 1一 7及び図 11一 1 4と同一のものには同一符号を付して説明するものとする。
又図 2、 4、 6及び 7と同様に、図 8— 10中各ブロック間を繋ぐ細実線は信号を表す ものである。一方、浮遊移動体 10内における各ブロック間を繋ぐ二重線は、物理的な 作用として浮遊移動体 10に起きている現象 (力学的な変換作用等)を表すものであ る。
[0126] 実施例 1は、先の第 1実施形態、第 1例に相当するものである。図 8に、本実施例に 係る制御システム 1のブロック図を示す。本実施例の浮遊移動体 10の概略構成は先 の図 1に示す通りである。
図 8のブロック図からも明らかな通り、本実施例は、上記第 1実施形態の第 1例で説 明した図 2に示す構成を従来知られた位置 ·速度フィードバック制御システムに適用 したものである。従って本発明の推力伝達ゲートシステム部分の構成及び制御系の 動作等は先の図 1及び図 2に基づいて説明される。
[0127] 本実施例に係る制御システム 1即ち推力伝達ゲートシステムは、参照符 10で示さ れる浮遊移動体の機構を、推力を受ける本体部 Bと推力を発生する効果器部 Eと〖こ 力学的に分離した上、その結合部分に推力伝達ゲート Gを付加したことをその主たる 特徴とするものである。ここで、推力伝達ゲート Gは、本体部 Bと効果器部 Eを結合す る唯一の部分であり、本体部 Bと効果器部 Eの間にかかる力とトルクを全て計測できる センサ（力'トルクセンサ）を有している。尚力'トルクセンサについては、巿販の汎用 製品（多次元の力やトルク成分を出力させ得る多チャンネル品等）を使用し得る。 この様に、本実施例では、本体部 Bと効果器部 Eとを推力伝達ゲート Gで結合する ことにより、効果器部 Eから本体部 Bに作用する全ての推力を実測出来る様構成され ている。図 1に示す通り、推力伝達ゲートシステムが適用された本実施例の浮遊移動 体 10では、本体部 Bに加速度センサ 2と傾斜角センサ 3が備えられている。
[0128] 上記構成を有する本実施例に係る制御システム 1では、従来知られた位置'速度フ イードバック制御と同時に、本発明の推力伝達ゲートシステムによる推力フィードバッ ク制御が行なわれる。
[0129] 本実施例によれば、従来の位置 ·速度をフィードバックする制御手法を併用してカロ 速度の積分誤差に起因するドリフトの影響を回避しつつ、本発明の制御システム即 ち推力伝達ゲートシステムを用いて例えば波浪や潮流、風或 、は浮遊移動体に取り 付けられたロボットアームの反動等による外乱下にあっても、浮遊移動体を所定位置 に精度良く静止させたり、或いは目標軌道に精度良く追従させたりすることが出来る ため、浮遊移動体をより高速かつ高精度に制御することが可能となる。
実施例 2
[0130] 本実施例は、先の第 1実施形態、第 2例に相当するものである。図 9に、本実施例 に係る制御システム 1のブロック図を示す。本実施例の浮遊移動体 10の概略構成は 先の図 3に示す通りである。
実施例 1同様、本実施例に係る制御システム 1も、水中ロボット 10の機構を、推力を 受ける本体部 Bと推力を発生する効果器部 Eとに力学的に分離した上、その結合部 分に推力伝達ゲート Gを付加したことをその主たる特徴とするものである。
但し、本実施例では、本体部 Bは効果器部 Eの内部に格納されており、外部からの 外乱やロボットアーム Aの反動等は全て、耐圧殻 Sたる効果器部 Eに及ぼされる構造 となっている点が前記実施例 1と異なる。ここで、本体部 Bは効果器部 Eの内部にお いて、推力伝達ゲート Gのみを介して担われている。それ故、推力伝達ゲート Gが、 本体部 Bと効果器部 Eを結合する唯一の部分である点は前記実施例 1と同様である。 従って本実施例にぉ 、ても、本体部 Bと効果器部 Eとを推力伝達ゲート Gで結合す ることにより、効果器部 Eから本体部 Bに作用する全ての推力を実測出来る様構成さ れている。
[0131] この実施例 2によっても、従来の位置 ·速度をフィードバックする制御手法を併用し て加速度の積分誤差に起因するドリフトの影響を回避しつつ、本発明の制御システ ム即ち推力伝達ゲートシステムを用いて例えば波浪や潮流、風或いは浮遊移動体に 取り付けられたロボットアームの反動等による外乱下にあっても、浮遊移動体を所定 位置に精度良く静止させたり、或いは目標軌道に精度良く追従させたりすることが出 来るため、浮遊移動体をより高速かつ高精度に制御することが可能となる。
実施例 3
[0132] 本実施例は、先の第 1実施形態、第 3例に相当するものである。図 10に、本実施例 に係る制御システム 1のブロック図を示す。本実施例の浮遊移動体 10の概略構成は 先の図 5に示す通りである。
本実施例に係る制御システム 1は、水中ロボットの機構を、推力を受ける本体部 Bと 推力を発生する効果器部 Eとに計算上分離した上、両者の間に仮想推力伝達ゲート G'を仮想的に設けたことをその主たる特徴とするものである。
なお、仮想推力伝達ゲート G'では、本体部 Bと効果器部 Eの間にかかる力とトルク を全て推定できる様になって 、る。
[0133] この実施例 3によっても、従来の位置 ·速度をフィードバックする制御手法を併用し て加速度の積分誤差に起因するドリフトの影響を回避しつつ、本発明の制御システ ム即ち推力伝達ゲートシステムを用いて例えば波浪や潮流、風或いは浮遊移動体に 取り付けられたロボットアームの反動等による外乱下にあっても、浮遊移動体を所定 位置に精度良く静止させたり、或いは目標軌道に精度良く追従させたりすることが出 来るため、浮遊移動体をより高速かつ高精度に制御することが可能となる。
[0134] [慣性航法装置を利用した実装]
ところで、航空機等の浮遊移動体に広く利用されている、既存の技術である慣性航 法装置は、本発明で使用される加速度センサ、傾斜角センサ、本体部位置'速度セ ンサとして使用することが可能である。
すなわち、慣性航法装置を搭載した浮遊移動体であれば、一切のハードウェアの 追加、変更なしに、ソフトウェアの変更のみで、例えばこの実施例 3或いは上記第 1実 施形態の第 3例に係る本発明の制御システムを実装することが可能であり、それ故既 存の浮遊移動体の高速高精度化をより容易に実現することが可能となる。
より詳しく説明すると、既存の慣性航法装置では、加速度を十分高精度に計測して いるのにも関わらず、それを積分することにより得た位置 ·速度情報のみを制御に使 つているのが現状である。しかるに、今までそのままでは利用されていなかった加速 度情報を、本発明の推力伝達ゲートシステムの枠組みの中で推力測定に利用するこ とで、ハードウ アは従来と同じ儘で、既存の制御よりもより高速高精度化を実現する ことが可能となる。
特に、上記慣性航法装置については最近では加速度センサとジャイロ、 GPS ( Global Positioning System)その他のセンサをユニット化して加速度、速度及び変位 情報を得る、ハイブリッドタイプの慣性航法装置が主流となってきており、総合的に見 ても計測速度が向上している。それ故、上記慣性航法装置は本発明の制御システム を実装する際に利用し得る好適なセンサユニットということができる。
[0135] 尚本発明は、上記各例記載の構成に限定されず、種々の設計変更その他の変形 が可能である。
はじめに、上記各例では、水中ロボットに本発明の制御システムを適用したものに つき説明した力 本発明の制御システムが適用される対象としては水中ロボットに限 られない。本発明の制御システムは、水中ロボットの他にも、上記定義欄で例示した 通り、潜水艇、ヘリコプター、飛行船、航空機、宇宙船又は宇宙ロボット等の水中、空 中又は宇宙空間その他における浮遊移動体に適用できる。その他、本発明の制御 システムは、水上や地上を滑走するホバークラフトや、車輪が滑っている状態の自動 車等、平面上を滑走する各種移動体にも適用可能である。
さらに、上記実施形態の各例及び上記各実施例では、 3次元空間を浮遊する浮遊 移動体に対して本発明の制御システム或いは加速度検知システムを適用した場合に ついて説明を行った。し力しながら、そもそも重力の働かない宇宙空間を浮遊する浮 遊移動体や、傾きを考慮しなくて良い、或いは無視しても構わない水平面上を滑走 する浮遊移動体に対して本発明の制御システム或いは加速度検知システムを適用 する際には、上記（2)、 （3)、 （5)或いは（7)に係る発明として規定される通り傾斜角 測定手段は不要であり、このとき、推力計画部、推力制御部においても、浮遊移動体 本体部 (重心）に力かる重力加速度 g =0
B とすることで、より簡単な制御則とすること ができる。
又上記各例では、推力制御部 P3の制御則の一例として、効果器動特性の非線形 性に対してロバストな既存の制御手法たるスライディングモード制御を用いた力 推 力制御部 P3の制御則はこれに限定されない。従って、例えば推力制御部 P3の制御 則として、推力伝達ゲート Gにおける目標推力と推力伝達ゲート Gにおける推力測定 又は推定値の推力誤差に対するスラスタ T入力電圧の PID制御を適用することも可 能である。
さらに、上記各例では、スラスタ Tとして、駆動源たるモータに機械的に連結された プロペラによる推力発生機器を用いたが、スラスタ Tの構成はこれに限定されない。 従って、スラスタ Tはジェット噴射式のものであっても良いし、またその駆動源もモータ に限らず内燃機関や蒸気タービン、原子力タービン等種々の型式のものを採用し得 る。
以上に詳述した通り、本発明は、例えば波浪や潮流、風或いは浮遊移動体に取り 付けられたロボットアームの反動等による外乱下にあっても、浮遊移動体を所定位置 に精度良く静止させたり、或いは目標軌道に精度良く追従させたりすることが出来、 浮遊移動体を高速かつ高精度に制御し得るシステム構成を提供する、新規かつ極 めて有用なる発明であることが明らかである。

Claims

請求の範囲
[1] 浮遊移動体の制御システムであって、
前記浮遊移動体が、
前記浮遊移動体の一部を占める、単一剛体とみなし得る本体部と、 前記浮遊移動体に対して推力を発生する効果器部と、
前記本体部と前記効果器部を力学的に結合する部分であり、前記効果器部から 前記本体部に作用する推力を実測できるよう構成された推力伝達ゲートと、からなつ ており、
前記推力伝達ゲートからの推力測定値を用いて前記効果器部に対する推力指令 を得る様にしたことを特徴とする浮遊移動体の制御システム。
[2] 前記本体部は、前記本体部の加速度を計測できる加速度測定手段を備え、 前記推力伝達ゲートは、前記本体部と前記効果器部の間に掛かる力又はトルクを 計測できる力又はトルク測定手段を備えており、
オペレータからの目標位置速度軌道指令が変換された目標加速度軌道指令と、 前記本体部の前記加速度測定手段からの出力と、
前記推力伝達ゲートからの前記力又はトルク測定手段からの出力と、を用いて、前 記効果器部に対する推力指令を得る様にしたことを特徴とする請求項 1に記載の浮 遊移動体の制御システム。
[3] 前記推力伝達ゲートは、前記本体部と前記効果器部の間に掛かる力又はトルクを 計測できる力又はトルク測定手段を備えており、さらに、
前記本体部は、前記推力伝達ゲートのみに力学的に結合され、かつ、前記本体部 に作用する力は実質上全て、前記効果器部及び前記推力伝達ゲートを介して入力 される様構成されており、
オペレータからの目標位置速度軌道指令が変換された目標加速度軌道指令と、 前記推力伝達ゲートからの前記力又はトルク測定手段からの出力と、を用いて、前 記効果器部に対する推力指令を得る様にしたことを特徴とする請求項 1に記載の浮 遊移動体の制御システム。
[4] さらに、前記本体部が、前記本体部の傾きを計測できる傾斜角測定手段を備えて おり、
前記効果器部に対する推力指令を、さらに前記本体部の前記傾斜角測定手段か らの出力をも利用して得る様にしたことを特徴とする請求項 2又は 3に記載の浮遊移 動体の制御システム。
[5] 浮遊移動体の制御システムであって、
前記浮遊移動体は、計算上、
前記浮遊移動体の一部を占める、単一剛体とみなし得る本体部と、 前記浮遊移動体に対して推力を発生する効果器部と、に仮想的に分離されてお り、
前記浮遊移動体は、前記浮遊移動体の加速度を計測できる加速度測定手段を備 えており、
前記加速度測定手段力 の出力を用いて仮想推力伝達ゲートからの力又はトルク を計算上で推定し、前記効果器部に対する推力指令を得る様にしたことを特徴とす る浮遊移動体の制御システム。
[6] さらに、前記浮遊移動体が、前記浮遊移動体の傾きを計測できる傾斜角測定手段 を備えており、
前記効果器部に対する推力指令を、前記傾斜角測定手段及び前記加速度測定手 段力もの出力を用いて仮想推力伝達ゲートからの力又はトルクを計算上で推定する ことによって得る様にしたことを特徴とする請求項 5に記載の浮遊移動体の制御シス テム。
[7] 浮遊移動体の加速度を検知するためのシステムであって、
前記浮遊移動体は、
前記浮遊移動体の一部を占める、単一剛体とみなし得る本体部と、 前記浮遊移動体に対して推力を発生する効果器部と、
前記本体部と前記効果器部を力学的に結合する部分であり、前記効果器部から 前記本体部に作用する推力を実測できるよう構成された推力伝達ゲートと、からなつ ており、
前記推力伝達ゲートは、前記本体部と前記効果器部の間に掛かる力又はトルクを 計測できる力又はトルク測定手段を備えており、さらに、
前記本体部は、前記推力伝達ゲートのみに力学的に結合され、かつ、前記本体部 に作用する力は実質上全て、前記効果器部及び前記推力伝達ゲートを介して入力 される様構成されており、
前記推力伝達ゲートからの前記力又はトルク測定手段からの出力を用いて前記本 体部の加速度の推定値を得る様にしたことを特徴とする浮遊移動体の加速度検知シ ステム。
さらに、前記本体部が、前記本体部の傾きを計測できる傾斜角測定手段を備えて おり、
前記本体部の加速度の推定値を、さらに前記本体部の前記傾斜角測定手段から の出力をも利用して得る様にしたことを特徴とする請求項 7に記載の浮遊移動体の加 速度検知システム。
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