WO2014141334A1 - 目標指向装置、目標指向制御方法、目標指向制御プログラム - Google Patents

目標指向装置、目標指向制御方法、目標指向制御プログラム Download PDF

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大晃 清水
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日本電気株式会社
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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
    • G05D1/12—Target-seeking control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
    • F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
    • F41G7/20—Direction control systems for self-propelled missiles based on continuous observation of target position
    • F41G7/22—Homing guidance systems
    • F41G7/2213—Homing guidance systems maintaining the axis of an orientable seeking head pointed at the target, e.g. target seeking gyro

Definitions

  • the present invention relates to a target directing device.
  • the present invention relates to a target directing device that generates a target trajectory and controls a control target so as to follow the target trajectory.
  • Patent Document 1 discloses a target directing device.
  • a target directing device in which an inertial sensor, an integrator, and a subtracter are omitted from the disclosed target directing device.
  • FIG. 7 shows a block diagram representing the target-directing device of this related technology.
  • the goal-directing device is A fixing part (not shown) for attaching the entire apparatus to the moving body;
  • a control object 1 provided rotatably with respect to the fixed part;
  • And a driver 4 is a driver 4.
  • the angle detector 2 detects the relative angle with respect to the fixed part to be controlled from moment to moment.
  • the angle detector 2 feeds back the detected angle value to the trajectory generator 6 and the controller 3 as a current angle signal.
  • the command generator 5 outputs the target angle signal and the target angular velocity signal to the trajectory generator 6.
  • the target angle signal and the target angular velocity signal mean an angle and an angular velocity that the control target 1 should take for this tracking.
  • the trajectory generator 6 generates a target command based on the target angle signal, the target angular velocity signal, and the current angle signal, and outputs the target command to the controller 3.
  • the control object 1 of course follows the target angle and the target angular velocity. It is possible to perform different operations.
  • the command generator 5 does not consider the current state (angular position or angular velocity) of the control target 1 when outputting the target angle signal and the target angular velocity signal. Therefore, when the target angle and the target angular velocity are greatly deviated from the current state of the controlled object 1, the operation of the controlled object 1 may be sudden or discontinuous.
  • the target angle and the target angular velocity may be changed before the controlled object 1 reaches the target angle and the target angular velocity.
  • the operation of the control target 1 will be sudden or discontinuous.
  • the trajectory generator 6 calculates the trajectory so that the target angle signal and the target angular velocity can be smoothly reached from the current state of the control target 1, for example, taking into account the current angular position of the control target. To do. Then, the trajectory generator 6 outputs a target command according to this trajectory.
  • the target command includes a target angle command and a target angular velocity command.
  • the controller 3 Based on the target command and the current angle signal, the controller 3 performs phase compensation and outputs the control signal to the driver 4.
  • the controller 3 includes a position feedback loop, a velocity (angular velocity) feedback loop, and the like, and generates a control signal based on the target angle command and target angular velocity command included in the target command, and the current angle signal. To do.
  • the driver 4 applies a control current (or control voltage) to the controlled object 1 according to the control signal. As a result, the control target 1 appropriately and stably performs a desired operation, for example, an operation of tracking a target.
  • FIG. 8 is a block diagram in which a space stabilization function is added to the target directing device of FIG.
  • an inertial sensor 7, an integrator 8, and a subtractor 9 are added.
  • the inertial sensor 7 detects the shaking angular velocity of the moving body.
  • the integrator 8 integrates the shaking angular velocity, converts it to a moving body shaking angle, and then outputs it to the subtracter.
  • the subtractor 9 is provided between the trajectory generator 6 and the controller 3.
  • the subtracter 9 subtracts the moving body fluctuation angle from the output of the trajectory generator 6 and outputs it as a target command to the controller.
  • the output from the trajectory generator 6 includes an angle command and an angular velocity command, so that two patterns can be considered as a subtraction processing method by the subtractor.
  • the subtractor 9 may perform a subtraction process between the angle signals, and give the angular velocity command from the trajectory generator 6 to the controller 3 as it is. That is, the subtracter 9 performs a subtraction process between the angle command from the trajectory generator 6 and the moving body swing angle from the integrator, and gives this to the controller as a target angle command.
  • the angular velocity command from the trajectory generator 6 is supplied as it is to the controller 3 as a target angular velocity command. Alternatively, the following may be performed.
  • a differentiator is further incorporated in the subtracter 9, and the moving body rocking angle is differentiated to obtain the moving body rocking angular velocity.
  • the subtracter 9 performs subtraction processing between the angular velocity command from the trajectory generator 6 and the calculated moving body shaking angular velocity in addition to the subtraction processing between the angle signals, and uses this as a target angular velocity command as a controller. 3 may be given.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a case where the trajectory generator is deleted from the block diagram of FIG. 10A to 10D show signal waveforms at main points in the block diagram of FIG.
  • the points where the waveforms of FIGS. 10A to 10D are shown in parentheses in FIG. 9 are shown.
  • the command generator 5 always sets the target angle ⁇ t to 0 (FIG. 10A). Further, it is assumed that the moving body is shaking and the shaking (moving body shaking angle ⁇ g) is a ⁇ sin wave as shown in FIG. 10B. At this time, when the subtractor 9 subtracts the moving body rocking angle ⁇ g from the target angle ⁇ t, as shown in FIG. 10D, the target command (output of the subtractor 9) to the controller 3 is the moving body rocking angle ⁇ g. It becomes a sin waveform which is an inverted waveform. In this way, when the movement of the controlled object 1 has a sin waveform (FIG. 10C), the moving body fluctuation angle ⁇ g can be canceled out and the space can be stabilized.
  • the command generator 5 always sets the target angle ⁇ t to 0 (FIG. 11A). Further, it is assumed that the moving body is shaking and the shaking (moving body shaking angle ⁇ g) has a ⁇ sin waveform as shown in FIG. 11B. At this time, when the subtractor 9 subtracts the moving body shaking angle ⁇ g from the target angle ⁇ t, the output of the subtractor 9 (target command of the controller 3) becomes a sine waveform that is a waveform obtained by inverting the moving body shaking angle ⁇ g. . This waveform is represented by a solid line in FIG. 11E. As described above, when the target command having the sine waveform is given to the controller 3, the moving body fluctuation angle ⁇ g is canceled and the spatial stability of the controlled object is realized.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a target directing device capable of stabilizing a space while generating a trajectory.
  • the target directing device is: A target directing device for controlling a control object attached to a movable body in a freely rotatable manner according to a target, Command generating means for setting a target angle and a target angular velocity; The current angle state of at least one of the control object and the moving body is fed back as a current angle for trajectory generation, and the trajectory of the control object is generated based on the current angle state, the target angle, and the target angular velocity.
  • Trajectory generating means for outputting an output angle signal and an output angular velocity signal according to the trajectory;
  • Angle detection means for detecting a current angle of the control object;
  • An inertial sensor installed on the movable body or the control object;
  • First subtracting means for subtracting the swing angle component of the moving body from the output angle signal;
  • a controller that generates a control signal based on the output from the first subtracting means and the current angle from the angle detecting means;
  • a driver for driving and controlling the control object based on a control signal from the controller,
  • the trajectory generating current angle fed back to the trajectory generating means is the sum of the motion component of the moving body and the motion component of the control target.
  • a target directing device capable of stabilizing a space while generating a trajectory.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a target directing device according to the first embodiment.
  • the target directing device includes a support unit (not shown), a controlled object 1, an angle detector 2, a controller 3, a driver 4, an inertial sensor 7, an integrator 8, a subtractor 9, and an adder 10. And a command generator 5 and a trajectory generator 6.
  • the support unit supports the entire apparatus for attaching to the moving body. Further, the control object 1 is rotatably supported by the support portion. Here, the degree of freedom of the rotation axis is uniaxial.
  • the angle detector 2 detects the rotation angle of the control object 1.
  • the controller 3 appropriately performs phase compensation based on the detection angle ⁇ m output from the angle detector 2 and the target command Ki, and generates a control signal for controlling the controlled object 1.
  • the driver 4 drives the controlled object 1 based on the control signal.
  • the target directing device is a feedback control system.
  • the inertial sensor 7 is fixedly installed on the support portion, and detects the moving body fluctuation angular velocity ⁇ g of the moving body around the rotation axis of the control target 1.
  • the integrator 8 converts the moving body rocking angular velocity ⁇ g into a moving body rocking angle ⁇ g through integration processing or the like.
  • the subtracter 9 subtracts the moving body fluctuation angle ⁇ g from the angular trajectory generated by the trajectory generator 6 to generate a target command signal.
  • a space stable loop for setting the target command Ki to the controller 3 is added.
  • the control object 1 can be moved by the space stabilization loop so as to cancel the moving body rocking angle ⁇ g, and space stabilization can be performed.
  • the adder 10 adds the detection angle ⁇ m that is the output of the angle detector 2 and the moving body rocking angle that is the output of the integrator 8, and generates a trajectory using the signal as a result of the addition as a current angle for trajectory generation ⁇ k.
  • the command generator 5 sets a target angle ⁇ t and a target angular velocity ⁇ t, and outputs a signal about these to the trajectory generator 6 as a target command Ki.
  • the trajectory generator 6 generates a target trajectory including the target angular trajectory K ⁇ and the target angular velocity trajectory K ⁇ based on the target angle ⁇ t, the target angular velocity ⁇ t, and the current trajectory generation angle ⁇ k.
  • the trajectory generator 6 outputs a signal Kt (including an angle command and an angular velocity command) based on the target trajectory to the controller 3.
  • the target angle trajectory K ⁇ is a process of time change of the angle ⁇ that the control target 1 should face before reaching the target angle ⁇ t from the detected angle ⁇ m.
  • the target angular velocity trajectory K ⁇ is a process of temporal change of the angular velocity ⁇ to be output by the control target 1 so that the angle of the control target 1 follows the target angular trajectory K ⁇ .
  • the trajectory generator 6 corrects the target angular trajectory K ⁇ and the target angular velocity trajectory K ⁇ even when the target angle ⁇ t changes to the new new target angle ⁇ t1 while driving the controlled object 1 toward the target angle ⁇ t.
  • a new new target angular trajectory K ⁇ 1 and a new target angular velocity trajectory K ⁇ 1 can be generated. Thereby, even if the target angle ⁇ t changes, it is possible to reliably track the target of the controlled object 1 quickly.
  • FIGS. 2A to 2E show waveform diagrams of representative points in the target directing device according to the first embodiment.
  • the command generator 5 sets the target angle ⁇ t to 0 (see FIG. 2A). Further, as shown in FIG. 2B, it is assumed that the moving body fluctuation angle ⁇ g, which is the output of the integrator 8, is a ⁇ sin waveform.
  • the moving body rocking angle ⁇ g (see FIG. 2B) is 0, and the detection angle ⁇ m that is the output of the angle detector 2 is also 0. Then, the output of the adder 10 becomes 0 at the start time ts as shown in FIG. 2E. Since the target angle ⁇ t is 0, the output of the trajectory generator 6 (output related to the angle) is 0 as shown in FIG. 2D.
  • the subtracter 9 subtracts the output of the integrator 8 from the output of the trajectory generator 6 (output related to the angle). Since the target angle ⁇ t and the output of the adder (FIG. 2E) are both 0 at the start time ts, the output from the subtracter 9 (output related to the angle) is obtained by inverting the moving body rocking angle ⁇ g. Then, the target command Ki to the controller 3 is given by reversing the moving body rocking angle ⁇ g. In accordance with this command, the control object 1 performs an operation in which the moving body rocking angle ⁇ g is reversed between positive and negative.
  • the output of the adder 10 is obtained by adding the moving body rocking angle ⁇ g (see FIG. 2B) and the detection angle ⁇ m (see FIG. 2C).
  • the controlled object 1 performs an operation in which the moving body rocking angle ⁇ g is inverted between positive and negative, so that the adder output is zero. If the adder output is 0, the target angle ⁇ t is always set to 0, so the output from the trajectory generator (output related to the angle) is still 0.
  • the operation of the control object 1 cancels the swinging of the moving body. As a result, as shown in FIG.
  • the output of the trajectory generator 6 (output related to the angle) also becomes zero. That is, the output of the trajectory generator 6 (output related to the angle) is always 0 (see FIG. 2D), and therefore the target command (target angle command) to the controller 3 is the output of the integrator 8 (see FIG. 2B). It becomes a sin wave shape that is inverted. Thereby, the controlled object 1 can operate so as to cancel the moving body rocking angle ⁇ g and can stabilize the space.
  • the trajectory generator 6 and the space stabilization function can be compatible.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating an example of the target directing device according to the second embodiment. Descriptions common to the first embodiment and the present embodiment are omitted, and only differences of the present embodiment from the first embodiment will be described.
  • the inertial sensor 7 is installed not on the support unit but on the control target 1 and detects a swing (acceleration) about the rotation axis of the control target 1.
  • the first subtractor 9 has a function common to the subtracter 9 (see FIG. 1) included in the target directing device according to the first embodiment, and is called differently.
  • the target directing device according to the second embodiment has a configuration in which a second subtractor 11 and a gain 12 are added to the target directing device according to the first embodiment.
  • the integrator 8 integrates the output of the inertial sensor 7 to convert it into an angle, and outputs it to the trajectory generator 6 and the second subtractor 11.
  • the second subtractor 11 subtracts the angle signal from the trajectory generator 6 from the output of the integrator 8.
  • the output from the second subtractor 11 is multiplied by a gain coefficient by a gain 12 and is given to the first subtracter 9.
  • the first subtracter 9 subtracts the output of the gain 12 from the angle signal from the trajectory generator 6 and outputs the subtraction result to the controller 3 as the target command Ki.
  • FIGS. 4A to 4D and FIGS. 5A to 5C are waveform diagrams of representative points in the target directing apparatus according to the second embodiment.
  • the command generator 5 sets the target angle to 0 (see FIG. 4A).
  • the moving body is shaking in the inertial space (see FIG. 5A).
  • the output of the inertial sensor 7 is output to the controller 3 as a target command Ki via the integrator 8, the second subtractor 11, the gain 12, and the first subtractor 9.
  • the inertial sensor 7 detects the swing of the moving body itself. Therefore, the output from the first subtracter 9 (the output related to the angle) is obtained by inverting the swing of the moving body.
  • the controller 3 outputs a control signal according to the target command Ki to the driver 4. Therefore, the controlled object 1 operates so as to cancel the swing of the moving body. At this time, the controlled object 1 can be stationary in the inertial space and the space is stabilized.
  • the inertial sensor 7 installed in the control object 1 detects the residual fluctuation angular velocity.
  • the residual oscillation angular velocity ⁇ r is an angular velocity remaining after the angular velocity fluctuation caused by the oscillation of the moving body is reduced by space stability.
  • the residual oscillation angular velocity ⁇ r is close to zero.
  • the residual fluctuation angular velocity ⁇ r is smaller than that of the target directing device according to the first embodiment in which the inertial sensor 7 is fixedly installed on the support portion.
  • the angle signal ⁇ g which is the output of the integrator 8 is a value close to 0 as shown in FIG. 4B. Since the angle signal ⁇ g is a value close to 0 and the target angle ⁇ t is 0, the output of the trajectory generator 6 is 0 as shown in FIG. 4D.
  • the second subtractor 11 subtracts the angle signal of the control object 1 from the angle signal ⁇ g by subtracting the angle signal from the trajectory generator 6 from the angle signal ⁇ g.
  • the gain 12 multiplies the output of the second subtractor 11 by a gain coefficient (FIG. 5B). Thereby, a value equivalent to the angle converted value of the swing angular velocity of the moving body is extracted from the angle signal ⁇ g.
  • the first subtracter 9 subtracts the output of the gain 12 from the angle signal from the trajectory generator 6 and outputs it as a target command Ki to the controller 3 (see FIG. 5C). Thereby, the controlled object 1 is rotationally controlled according to the target command Ki, and the output of the angle detector 2 changes to a sin wave shape as shown in FIG. 4C.
  • the space stabilization function is in effect, the value detected by the inertial sensor 7 is extremely small. Then, by using the result of integrating the output of the inertial sensor 7 with the trajectory generation current angle ⁇ k of the trajectory generator 6, the output of the trajectory generator 6 can always be 0 or a value close to 0 and the output of the gain 12
  • the moving body rocking angle ⁇ g (see FIG. 5B) can be detected. That is, the control object 1 is driven so as to operate in a direction opposite to the moving body rocking angle ⁇ g (see FIG. 5B) (see FIG. 4C), the moving body rocking angle ⁇ g is canceled, and the control object 1 is moved into the inertial space. It can be made stationary and the space can be stabilized.
  • FIG. 6 is a block diagram showing an example of the target directing device according to the third embodiment. Descriptions common to the second embodiment and this embodiment are omitted, and only differences from the second embodiment will be described.
  • the first integrator 8 has the same function as that of the integrator 8 of the target directing device according to the second embodiment, and only the name is changed.
  • the second subtractor 11 subtracts the angular velocity signal from the trajectory generator 6 from the output of the inertial sensor 7 and outputs the subtraction result to the second integrator 13.
  • the result of this subtraction corresponds to the moving body shaking angular velocity.
  • the second integrator 13 integrates the output of the second subtractor 11 and inputs the calculation result to the gain 12. The result of this integration corresponds to the moving body rocking angle ⁇ g.
  • both signals input to the gain 12 have a moving body swing angle ⁇ g from which the influence of the angular trajectory is removed. It is equivalent.
  • the target directing device according to the third embodiment drives the controlled object 1 to rotate in the direction opposite to the moving body swinging angle ⁇ g, thereby moving the mobile body swinging.
  • the angle ⁇ g can be canceled out, the controlled object 1 can be stopped in the inertial space, and the space can be stabilized.
  • the target pointing device according to the present embodiment is not limited to one axis, and even when there are a plurality of axes, it can be applied by using the target pointing device according to the present embodiment independently for each axis.
  • the above embodiment is based on the angle feedback control system.
  • the target directing device according to this embodiment is not limited to the angle feedback control system, and any control system according to this embodiment can be used as long as it can detect an angle and uses an angle or angular velocity as a target command.
  • a goal-directing device can be applied.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be easily applied to a target directing device capable of generating a target trajectory for a controlled object that involves movement and further having a space stabilization function. Is possible.

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Abstract

軌道生成を行いつつ空間安定化を行える目標指向装置を提供する。目標角度（θｔ）と目標角速度（ωｔ）とを設定する指令生成手段（５）と、制御対象（１）および移動体の少なくとも一方の現在角度状態（θｍ、θｇ）が軌道生成用現在角度（θｋ）としてフィードバックされており、現在角度状態（θｍ、θｇ）、目標角度（θｔ）および目標角速度（ωｔ）に基づいて制御対象（１）の軌道を生成するとともに、軌道に従った出力角度信号および出力角速度信号（Ｋｔ）を出力する軌道生成手段（６）と、制御対象（１）の現在角度（θｍ）を検出する角度検出手段（２）と、移動体または制御対象（１）に設置された慣性センサ（７）と、出力角度信号（Ｋｔ）から移動体の動揺角度成分（θｇ）を減算する第１減算手段（９）と、制御器（３）と、を備える目標指向装置である。

Description

目標指向装置、目標指向制御方法、目標指向制御プログラム
　本発明は、目標指向装置に関する。例えば、目標軌道を生成してこの目標軌道に従うように制御対象を制御する目標指向装置に関する。
　特許文献１では、目標指向装置が開示されている。
　この開示された目標指向装置から、慣性センサ、積分器、減算器を省略した目標指向装置がある。
　図７は、この関連する技術の目標指向装置を表すブロック図を示す。
　目標指向装置は、
　装置全体を移動体に取り付けるための固定部（図示せず）と、
　固定部に対して回転自在に設けられた制御対象１と、
　角度検出器２と、
　指令生成器５と、
　軌道生成器６と、
　制御器３と、
　ドライバ４と、を有する。
　角度検出器２は、制御対象の固定部に対する相対角度を時々刻々検出する。
　角度検出器２は、検出した角度値を現在角度信号として軌道生成器６および制御器３にフィードバックする。
　指令生成器５は、目標角度信号および目標角速度信号を軌道生成器６に向けて出力する。
　例えば、衛星や航空機などの移動物体を追尾したいとする場合、目標角度信号および目標角速度信号とは、この追尾のために制御対象１がとるべき角度および角速度を意味する。
　軌道生成器６は、目標角度信号および目標角速度信号と、現在角度信号と、に基づいて目標指令を生成し、目標指令を制御器３に向けて出力する。
　ここで、軌道生成器６を介することなく、指令生成器５からの目標角度信号および目標角速度信号を直接に制御器３に入力した場合でも、もちろん、制御対象１は目標角度および目標角速度に従った動作を行うことは可能である。
　しかしながら、指令生成器５は、目標角度信号および目標角速度信号を出力するにあたって、現在の制御対象１の状態（角度位置や角速度）を考慮しない。
　したがって、目標角度および目標角速度が現在の制御対象１の状態から大きく外れている場合には、制御対象１の動作が急になったり、不連続になったりすることが有り得る。
　または、制御対象１が目標角度および目標角速度に達する前に目標角度および目標角速度が変更される場合も有り得る。やはり、この場合も、制御対象１の動作が急になったり不連続になったりするであろう。
　したがって、軌道生成器６は、現在の制御対象１の状態、例えば、現在の制御対象の角度位置を考慮しつつ、そこから目標角度信号および目標角速度に滑らかに達することができるように軌道を算出する。
　そして、軌道生成器６は、この軌道に従って目標指令を出力する。
　目標指令には、目標角度指令と、目標角速度指令と、が含まれる。
　制御器３は、目標指令と、現在角度信号と、に基づき、位相補償等を施した上で制御信号をドライバ４に向けて出力する。
　制御器３のなかには、位置のフィードバックループや速度（角速度）のフィードバックループなどが内蔵されており、目標指令に含まれる目標角度指令および目標角速度指令と、現在角度信号と、基づいて制御信号を生成する。
　ドライバ４は、制御信号に従って制御電流（または制御電圧）を制御対象１に印加する。
　これにより、制御対象１は、所望の動作、例えば、目標物を追尾する、といった動作を適切かつ安定的に行う。
実開平０５－０７９２９９号公報
　さて、制御対象１は、それ自体移動する移動体に設けられているので、制御対象をより安定的に制御するためには、移動体の動きをキャンセルするための空間安定機能を目標指向装置に付加することが好ましい。
　図８は、図７の目標指向装置に空間安定機能を付加したブロック図である。
　図８においては、慣性センサ７と、積分器８と、減算器９と、が付加されている。
　慣性センサ７は、移動体の動揺角速度を検出する。
　積分器８は、動揺角速度を積分して、移動体動揺角度に変換した後、減算器に出力する。
　減算器９は、軌道生成器６と制御器３との間に設けられている。
　減算器９は、軌道生成器６の出力から移動体動揺角度を減算し、目標指令として制御器に向けて出力する。
　なお、軌道生成器６からの出力には角度の指令と角速度の指令とが含まれているところ、減算器による減算処理の方法として２パターン考えられる。
　減算器９は、角度信号同士の減算処理を行い、軌道生成器６からの角速度指令についてはそのまま制御器３に与えてもよい。
　つまり、減算器９は、軌道生成器６からの角度の指令と積分器からの移動体動揺角度との間で減算処理を行って、これを目標角度指令として制御器に与える。軌道生成器６からの角速度指令についてはそのままのものを目標角速度指令として制御器３に与える。
　あるいは、次のようにしてもよい。
　減算器９のなかにさらに微分器が内蔵されており、移動体動揺角度を微分して移動体動揺角速度にする。
　そして、減算器９は、角度信号同士の減算処理に加えて、軌道生成器６からの角速度指令と算出した移動体動揺角速度との間で減算処理を行って、これを目標角速度指令として制御器３に与えてもよい。
　これら慣性センサ７、積分器８および減算器９により、空間安定ループが構成されている。
　空間安定ループにより、移動体の動きをキャンセルするので空間安定化が果たされるとも考えられる。
　しかし、実際には、上記のように単純に空間安定ループを付加しただけではうまく動作しないことに本発明者らは気付いた。
　さて、図８の空間安定機能付きの目標指向装置の問題点を明らかにする前に、空間安定機能が理想的にワークする例を示しておきたい。
　そこで、まず、図９のように、軌道生成器が無い場合の動作を説明する。
　図９は、図８のブロック図から軌道生成器を削除した場合を示す図である。
　図１０Ａから図１０Ｄは、図９のブロック図における主要点での信号波形である。
　対応が取りやすいように、図９中にカッコ書きで図１０Ａ－Ｄの波形がでるポイントを示した。
　図９において、指令生成器５は、目標角度θｔを常に０(図１０Ａ)に設定したとする。
　また、移動体は動揺しており、その揺れ（移動体動揺角度θｇ）が図１０Ｂのように－ｓｉｎ波であったとする。
　このとき、減算器９において、目標角度θｔから移動体動揺角度θｇを減算すると、図１０Ｄに示すように、制御器３への目標指令（減算器９の出力）は、移動体動揺角度θｇを反転した波形であるｓｉｎ波形になる。
　このようにして制御対象１の動きがｓｉｎ波形となると（図１０Ｃ）、ちょうど移動体動揺角度θｇを打ち消して、空間安定化を図ることができる。
　さて、それでは、図８のブロック図の動作について考えてみたい。
　図８において、指令生成器５が、目標角度θｔを常に０(図１１Ａ)に設定したとする。
　また、移動体は動揺しており、その揺れ（移動体動揺角度θｇ）が図１１Ｂのように－ｓｉｎ波形であったとする。
　このとき、減算器９において目標角度θｔから移動体動揺角度θｇを減算すると、減算器９の出力（制御器３の目標指令）は、移動体動揺角度θｇを反転した波形であるｓｉｎ波形になる。
　この波形を図１１Ｅ中の実線で表す。
　このｓｉｎ波形である目標指令が制御器３に与えられれば、移動体動揺角度θｇをキャンセルして制御対象の空間安定が実現するのは前述の通りである。
　ここで、所定時間経過後における軌道生成器６へのフィードバックを考えてみる。
　図１１Ｃに示すように、制御対象１がサイン波形で揺動すれば、この制御対象の動きが角度検出器２を介して軌道生成器６にフィードバックされる。
　すると、図１１Ｄに示すように、軌道生成器６からの出力（角度指令に関する出力）はｓｉｎ波形状になる。
　減算器９は、この軌道生成器６の出力（図１１Ｄ）から移動体動揺角度分（図１１Ｂ）を減算することになる。
　しかし、この減算処理の結果としては、図１１Ｅの点線に示すように、移動体の動揺をちょうどキャンセルするサイン波形でなく、必要以上に振幅の大きいサイン波になってしまう。
　このように考えてみると、軌道生成器による滑らかな動作と空間安定機能とを両立させることは単純には上手くいかないことがわかる。
　本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、軌道生成を行いつつ空間安定化を行うことのできる目標指向装置を提供することを目的とする。
　本発明にかかる目標指向装置は、
　移動体に回動自在に取り付けられた制御対象を目標に従って制御する目標指向装置であって、
　目標角度と目標角速度とを設定する指令生成手段と、
　前記制御対象および前記移動体の少なくとも一方の現在角度状態が軌道生成用現在角度としてフィードバックされており、前記現在角度状態、前記目標角度および前記目標角速度に基づいて前記制御対象の軌道を生成するとともに、前記軌道に従った出力角度信号および出力角速度信号を出力する軌道生成手段と、
　前記制御対象の現在角度を検出する角度検出手段と、
　前記移動体または前記制御対象に設置された慣性センサと、
　前記出力角度信号から前記移動体の動揺角度成分を減算する第１減算手段と、
　前記第１減算手段からの出力と前記角度検出手段からの前記現在角度とに基づいて制御信号を生成する制御器と、
　前記制御器からの制御信号に基づいて前記制御対象を駆動制御するドライバと、を備え、
　前記軌道生成手段にフィードバックされる前記軌道生成用現在角度は、前記移動体の動き成分と前記制御対象の動き成分との和である。
　本発明により、軌道生成を行いつつ空間安定化を行える目標指向装置を提供することができる。
第１の実施形態にかかる目標指向装置を表すブロック図である。 第１の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図である。 第１の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図である。 第１の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図である。 第１の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図である。 第１の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図である。 第２の実施形態にかかる目標指向装置を表すブロック図である。 第２の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図である。 第２の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図である。 第２の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図である。 第２の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図である。 第２の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図である。 第２の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図である。 第２の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図である。 第３の実施形態にかかる目標指向装置を表すブロック図である。 関連する技術の目標指向装置を表すブロック図である。 関連する技術の目標指向装置に空間安定機能を付加したブロック図である。 関連する技術の目標指向装置を表すブロック図である。 関連する目標指向装置にて軌道生成器なしの場合の代表点の波形図である。 関連する目標指向装置にて軌道生成器なしの場合の代表点の波形図である。 関連する目標指向装置にて軌道生成器なしの場合の代表点の波形図である。 関連する目標指向装置にて軌道生成器なしの場合の代表点の波形図である。 関連する目標指向装置にて軌道生成器ありの場合の代表点の波形図である。 関連する目標指向装置にて軌道生成器ありの場合の代表点の波形図である。 関連する目標指向装置にて軌道生成器ありの場合の代表点の波形図である。 関連する目標指向装置にて軌道生成器ありの場合の代表点の波形図である。 関連する目標指向装置にて軌道生成器ありの場合の代表点の波形図である。
（第１の実施形態）
　図１を用いて第１の実施形態にかかる目標指向装置について説明する。図１は、第１の実施形態にかかる目標指向装置の一例を表すブロック図を示す。
　目標指向装置は、支持部（図示略）と、制御対象１と、角度検出器２、制御器３と、ドライバ４と、慣性センサ７と、積分器８と、減算器９と、加算器１０と、指令生成器５と、軌道生成器６と、を備える。
　支持部は、装置全体を移動体に取り付けるために支持する。
　また、支持部により制御対象１が回転自在に支持されている。なお、ここでは、回転軸の自由度は一軸とする。
　角度検出器２は、制御対象１の回転角度を検出する。制御器３は、角度検出器２の出力する検出角度θｍと目標指令Ｋｉとに基づき、適宜位相補償を施して、制御対象１を制御する制御信号を生成する。ドライバ４は、制御信号に基づいて制御対象１を駆動させる。目標指向装置はフィードバック制御系である。
　慣性センサ７は支持部に固定設置され、制御対象１の回転軸回りの移動体の移動体動揺角速度ωｇを検出する。
　積分器８は、移動体動揺角速度ωｇを積分処理等して移動体動揺角度θｇに変換する。
　減算器９は、軌道生成器６で生成した角度軌道から移動体動揺角度θｇを減算して目標指令信号を生成する。これらにより、制御器３への目標指令Ｋｉとする空間安定ループを付加している。空間安定ループにより制御対象１を移動体動揺角度θｇをキャンセルするように動かすことができ、空間安定化を行うことができる。
　加算器１０は、角度検出器２の出力である検出角度θｍと積分器８の出力である移動体動揺角度とを加算し、この加算した結果についての信号を軌道生成用現在角度θｋとして軌道生成器６に出力する。
　指令生成器５は、目標角度θｔ及び目標角速度ωｔを設定し、これらについての信号を目標指令Ｋｉとして軌道生成器６に出力する。
　軌道生成器６は、目標角度θｔ、目標角速度ωｔ、及び、軌道生成用現在角度θｋに基づいて、目標角度軌道Ｋθ及び目標角速度軌道Ｋωを含む目標軌道を生成する。
　軌道生成器６は、目標軌道に基づく信号Ｋｔ（角度の指令と角速度の指令とを含む）を制御器３に出力する。
　ここで、目標角度軌道Ｋθは、検出角度θｍから目標角度θｔへ到達するまでに制御対象１の向くべき角度θの時間変化の過程である。
　また、目標角速度軌道Ｋωは、制御対象１の角度を目標角度軌道Ｋθに追従させるための、制御対象１の出すべき角速度ωの時間変化の過程である。
　軌道生成器６は、例えば、制御対象１を目標角度θｔへ向かって駆動させる途中で、目標角度θｔが新たな新目標角度θｔ１に変化しても、目標角度軌道Ｋθ及び目標角速度軌道Ｋωを修正し、新たな新目標角度軌道Ｋθ１及び新目標角速度軌道Ｋω１を生成することができる。
　これにより、目標角度θｔが変化しても、制御対象１を確実に早く目標を追尾させることができる。
（動作）
　次に図２Ａ～Ｅを用いて、第１の実施形態にかかる目標指向装置の動作について説明する。
　図２Ａ～Ｅは、第１の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図を示す。
　まず、指令生成器５は、目標角度θｔを０(図２Ａ参照)に設定する。
　また、図２Ｂに示すように、積分器８の出力である移動体動揺角度θｇは－ｓｉｎ波形であるとする。
　開始時ｔｓでは、移動体動揺角度θｇ（図２Ｂ参照）は０であり、角度検出器２の出力である検出角度θｍも０である。
　すると、加算器１０の出力は、図２Ｅに示すように、開始時ｔｓでは０となる。
　目標角度θｔは０であるので、軌道生成器６の出力（角度に関する出力）は、図２Ｄに示すように０となる。
　減算器９は、軌道生成器６の出力（角度に関する出力）から積分器８の出力を減算する。
　いま、開始時ｔｓでは、目標角度θｔも加算器の出力（図２Ｅ）も０であるから、減算器９からの出力（角度に関する出力）は移動体動揺角度θｇを正負反転したものとなる。
　すると、制御器３への目標指令Ｋｉとしては移動体動揺角度θｇを正負反転したものが与えられることになる。
　制御対象１は、この指令に従って、移動体動揺角度θｇを正負反転した動作を行うことになる。
　さて、加算器１０の出力は、移動体動揺角度θｇ（図２Ｂ参照）と、検出角度θｍ（図２Ｃ参照）と、を加算したものである。
　開始時において、制御対象１は移動体動揺角度θｇを正負反転した動作を行うことになるのであるから、加算器出力は０である。
　加算器出力が０であれば、目標角度θｔは常に０に設定されているので、軌道生成器からの出力（角度に関する出力）はやはり０である。
　このように軌道生成器への軌道生成用現在角度信号（加算器からの出力）が０を保つと、制御対象１の動作は移動体の揺動をキャンセルするものになるので、加算器出力は０になり、その結果、図２Ｄに示すように、軌道生成器６の出力（角度に関する出力）も０となる。
　つまり、軌道生成器６の出力（角度に関する出力）は常に０（図２Ｄ参照）であり、よって、制御器３への目標指令（目標角度指令）は、積分器８の出力（図２Ｂ参照）を反転したｓｉｎ波形状になる。
　これにより、制御対象１は、移動体動揺角度θｇを打ち消すように動作し、空間安定化を行うことができる。
　以上より、第１の実施形態によれば、軌道生成器６と空間安定化機能とが両立できることがわかるであろう。
　（第２の実施形態）
　次に、図３を用いて第２の実施形態にかかる目標指向装置について説明する。
　図３は第２の実施形態にかかる目標指向装置の一例を表すブロック図を示す。
　第１の実施形態と本実施形態とで共通する説明は省略し、第１の実施形態に対する本実施形態の相違点のみについて説明する。
　本実施形態では、慣性センサ７は、支持部ではなく制御対象１に設置され、制御対象１の回転軸回りに関する揺れ（加速度）を検出する。
　第１減算器９は、第１の実施形態にかかる目標指向装置に含まれる減算器９（図１参照）と共通する機能を有し、呼び方を変更している。第２の実施形態にかかる目標指向装置は、第１の実施形態にかかる目標指向装置に、第２減算器１１、ゲイン１２を追加した構成である。
　積分器８は、慣性センサ７の出力を積分して角度に変換し、軌道生成器６及び第２減算器１１に向けて出力する。
　第２減算器１１は、積分器８の出力から、軌道生成器６からの角度信号を減算する。
　第２減算器１１からの出力にはゲイン１２にてゲイン係数が乗算され第１減算器９に与えられる。
　第１減算器９は、軌道生成器６からの角度信号からゲイン１２の出力を減算し、減算結果を制御器３に目標指令Ｋｉとして出力する。
　（動作）
　次に、図４Ａ～Ｄ及び図５Ａ～Ｃを用いて、第２の実施形態にかかる目標指向装置の動作について説明する。
　図４Ａ～Ｄ及び図５Ａ～Ｃは第２の実施形態にかかる目標指向装置における代表点の波形図である。
　指令生成器５は目標角度を０(図４Ａ参照)に設定する。
　移動体が慣性空間で動揺している（図５Ａ参照）。
　慣性センサ７の出力は、積分器８、第２減算器１１、ゲイン１２、第１減算器９を介して目標指令Ｋｉとして制御器３に出力される。
　開始時点において、慣性センサ７が検出するのは、移動体の揺動そのものである。
　したがって、第１減算器９からの出力（角度に関する出力）は、移動体の揺動を正負反転させたものになる。
　制御器３は、目標指令Ｋｉに従う制御信号をドライバ４に出力する。
　したがって、制御対象１は、移動体の揺動をキャンセルするように動作することになる。
　この時点では、制御対象１は慣性空間に静止することができ、空間安定化が行われている。
　さて、この状態において、制御対象１に設置された慣性センサ７は残留動揺角速度を検出する。
　ここで、残留動揺角速度ωｒは、移動体の動揺に起因する角速度変動を空間安定により減じて残留した角速度である。図５Ａに示すように、この残留動揺角速度ωｒは０に近い値となる。残留動揺角速度ωｒは、慣性センサ７を支持部に固定設置した第１実施形態にかかる目標指向装置と比較して、小さな値を示す。
　積分器８の出力である角度信号θｇは、図４Ｂに示すように、０に近い値となる。角度信号θｇは０に近い値であり、目標角度θｔは０であるので、軌道生成器６の出力は図４Ｄに示すように０となる。
　一方、第２減算器１１は、角度信号θｇから、軌道生成器６からの角度信号を減算することで、角度信号θｇから制御対象１の角度分を除去する。
　ゲイン１２は、第２減算器１１の出力にゲイン係数を乗算する（図５Ｂ）。
　これにより、角度信号θｇから移動体の動揺角速度の角度換算値と同等の値を取り出す。
　第１減算器９は、軌道生成器６からの角度信号からゲイン１２の出力を減算し、制御器３に目標指令Ｋｉとして出力する（図５Ｃ参照）。
　これにより、制御対象１を目標指令Ｋｉに従って回転制御し、角度検出器２の出力は図４Ｃに示すように、ｓｉｎ波形状に変化する。
　つまり、空間安定機能が効いてる状態であれば慣性センサ７による検出値は極めて小さい値になる。
　そして、軌道生成器６の軌道生成用現在角度θkに慣性センサ７の出力を積分した結果を用いることで、軌道生成器６の出力が常に０又は０に近い値にできるとともにゲイン１２の出力により移動体動揺角度θｇ（図５Ｂ参照。）を検出できる。つまり、制御対象１を、移動体動揺角度θｇ（図５Ｂ参照。）と逆方向に動作（図４Ｃ参照。）するように駆動させ、移動体動揺角度θｇを打ち消し、制御対象１を慣性空間に静止させることができ、空間安定化を行うことができる。
　（第３の実施形態）
　次に、図６を用いて第３の実施形態にかかる目標指向装置について説明する。
　図６は第３の実施形態にかかる目標指向装置の一例を表すブロック図を示す。
　第２の実施形態と本実施形態とで共通する説明は省略し、第２の実施形態との相違点のみについて説明する。
　第１積分器８は、第２の実施形態にかかる目標指向装置の積分器８と同じ機能を有し、名前のみを変更したものである。
　第２減算器１１は、慣性センサ７の出力から軌道生成器６からの角速度信号を減算し、減算結果を第２積分器１３に出力する。
　この減算した結果は、移動体動揺角速度に相当する。
　第２積分器１３は、第２減算器１１の出力を積分し、演算結果をゲイン１２に入力する。
　この積分した結果は、移動体動揺角度θｇに相当する。
　第３の実施形態にかかる目標指向装置及び第２の実施形態にかかる目標指向装置は異なる構成を有するものの、ゲイン１２に入力される信号はともに角度軌道の影響を除去した移動体動揺角度θｇに相当するものである。第３の実施形態にかかる目標指向装置は、第２の実施形態にかかる目標指向装置と同様に、制御対象１を移動体動揺角度θｇと逆方向に回転するように駆動させて、移動体動揺角度θｇを打ち消し、制御対象１を慣性空間に静止させることができ、空間安定化を行うことができる。
　なお、上記した実施例では１軸を前提にしている。しかし、本実施形態にかかる目標指向装置は１軸に限定されず、複数軸存在する場合でも各軸独立に本実施形態にかかる目標指向装置を用いることで適用できる。
　また、上記した実施例では角度フィードバック制御系を前提にしている。しかし、本実施形態にかかる目標指向装置は角度フィードバック制御系に限定されず、角度が検出でき、目標指令として、角度や角速度を用いる制御系であればどのような制御系でも本実施形態にかかる目標指向装置を適用できる。
　本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、移動を伴う制御対象における目標となる軌道生成を行うことのできる目標指向装置に、さらに空間安定機能を持たせる場合に容易に適用することが可能である。
　以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　この出願は、２０１３年３月１５日に出願された日本出願特願２０１３－０５３８０８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１…制御対象、２…角度検出器、３…制御器、４…ドライバ、５…指令生成器、６…軌道生成器、７…慣性センサ、８…積分器、９…減算器、１０…加算器。

Claims (9)

  1. 　移動体に回動自在に取り付けられた制御対象を目標に従って制御する目標指向装置であって、
    　目標角度と目標角速度とを設定する指令生成手段と、
    　前記制御対象および前記移動体の少なくとも一方の現在角度状態が軌道生成用現在角度としてフィードバックされており、前記現在角度状態、前記目標角度および前記目標角速度に基づいて前記制御対象の軌道を生成するとともに、前記軌道に従った出力角度信号および出力角速度信号を出力する軌道生成手段と、
    　前記制御対象の現在角度を検出する角度検出手段と、
    　前記移動体または前記制御対象に設置された慣性センサと、
    　前記出力角度信号から前記移動体の動揺角度成分を減算する第１減算手段と、
    　前記第１減算手段からの出力と前記角度検出手段からの前記現在角度とに基づいて制御信号を生成する制御器と、
    　前記制御器からの制御信号に基づいて前記制御対象を駆動制御するドライバと、を備え、
    　前記軌道生成手段にフィードバックされる前記軌道生成用現在角度は、前記移動体の動き成分と前記制御対象の動き成分との和である
    　ことを特徴とする目標指向装置。
  2. 　請求項１に記載の目標指向装置において、
    　前記軌道生成手段にフィードバックされる前記軌道生成用現在角度は、前記移動体の動き成分と前記制御対象の動き成分とが合わさってキャンセルされることによりほぼゼロの値である
    　ことを特徴とする目標指向装置。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の目標指向装置において、
    　前記慣性センサは前記移動体に設置され、
    　前記慣性センサによる角速度検出値を積分して前記移動体の動揺角度成分を算出する積分手段と、
    　前記積分手段による積分値と前記角度検出手段にて検出された前記現在角度とを加算する加算手段と、をさらに備え、
    　前記積分手段にて算出された前記移動体の動揺角度成分を前記第１減算手段に入力し、
    　前記加算手段による加算値を前記軌道生成用現在角度として前記軌道生成手段にフィードバックする
    　ことを特徴とする目標指向装置。
  4. 　請求項１または請求項２に記載の目標指向装置において、
    　前記慣性センサは、前記制御対象に設置され、
    　前記慣性センサによる角速度検出値を積分して角度成分とする積分手段と、
    　前記軌道生成手段からの前記出力角度信号を前記角度成分から減算することにより前記移動体の動揺角度成分を取り出す第２減算手段と、をさらに備え、
    　前記第２減算手段にて取り出された前記移動体の動揺角度成分を前記第１減算手段に入力し、
    　前記積分手段にて算出された角度成分を前記軌道生成用現在角度として前記軌道生成手段にフィードバックする
    　ことを特徴とする目標指向装置。
  5. 　請求項４に記載の目標指向装置において、
    　前記第２減算手段からの出力に所定のゲインを乗算して前記移動体の動揺角度に相当する値とする
    　ことを特徴とする目標指向装置。
  6. 　請求項１または請求項２に記載の目標指向装置において、
    　前記慣性センサは前記移動体に設置され、
    　前記慣性センサによる角速度検出値を積分して角度成分とする積分手段と、
    　前記軌道生成手段からの前記出力角速度信号を前記慣性センサによる角速度検出値から減算して前記移動体の動揺角速度成分を取り出す第３減算手段と、
    　前記第３減算手段にて取り出された前記動揺角速度成分を積分して前記移動体の動揺角度成分を算出する第２積分手段と、をさらに備え、
    　前記第２積分手段にて算出された前記移動体の動揺角度成分を前記第１減算手段に入力し、
    　前記積分手段にて算出された角度成分を前記軌道生成用現在角度として前記軌道生成手段にフィードバックする
    　ことを特徴とする目標指向装置。
  7. 　請求項６に記載の目標指向装置において、
    　前記第２積分手段にて算出された角度成分の所定のゲインを乗算して前記移動体の動揺角度に相当する値とする
    　ことを特徴とする目標指向装置。
  8. 　移動体に回動自在に取り付けられた制御対象を目標に従って制御する目標指向制御方法であって、
    　目標角度と目標角速度とを設定し、
    　前記制御対象および前記移動体の少なくとも一方の現在角度状態を軌道生成用現在角度としてフィードバックして、前記現在角度状態、前記目標角度および前記目標角速度に基づいて前記制御対象の軌道を生成し、前記軌道に従った出力角度信号および出力角速度信号を出力し、
    　前記制御対象の現在角度を検出し、
    　前記移動体または前記制御対象に設置された慣性センサで動揺角速度を検出し、
    　前記出力角度信号から前記移動体の動揺角度成分を減算し、この減算結果と前記現在角度とに基づいて制御信号を生成し、前記制御信号に基づいて前記制御対象を駆動制御し、
    　前記軌道生成用現在角度を、前記移動体の動き成分と前記制御対象の動き成分と和とする
    　ことを特徴とする目標指向制御方法。
  9. 　移動体に回動自在に取り付けられた制御対象と、前記制御対象の現在角度を検出する角度検出手段と、前記移動体または前記制御対象に設置された慣性センサと、を有し、目標に従って前記制御対象を制御する目標指向装置にコンピュータを組み込んで、
    　このコンピュータを、
    　目標角度と目標角速度とを設定する指令生成手段と、
    　前記制御対象および前記移動体の少なくとも一方の現在角度状態が軌道生成用現在角度としてフィードバックされており、前記現在角度状態、前記目標角度および前記目標角速度に基づいて前記制御対象の軌道を生成するとともに、前記軌道に従った出力角度信号および出力角速度信号を出力する軌道生成手段と、
    　前記出力角度信号から前記移動体の動揺角度成分を減算する第１減算手段と、
    　前記第１減算手段からの出力と前記角度検出手段からの前記現在角度とに基づいて制御信号を生成する制御器と、として機能させ、
    　軌道生成手段にフィードバックされる前記軌道生成用現在角度は、前記移動体の動き成分と前記制御対象の動き成分との和である
    　ことを特徴とする目標指向制御プログラム。
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