JP2005292058A

JP2005292058A - 移動物体の追尾目標角度の確定方法及びこれを用いた回転台

Info

Publication number: JP2005292058A
Application number: JP2004110490A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Iimura; 良雄飯村; Toshiaki Uchida; 俊明内田
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】構成が簡単で安価な人体自動追尾機能を有する回転台を得る。
【解決手段】
２点からの距離の差が一定の軌跡は双曲線であり、超音波受信器から一定距離以上遠方においては、回転台の目標方向は漸近線に一致することに着目し、回転台側に設置した一対の超音波受信器により２点からの移動物体までの距離の差を検出することで漸近線の傾きを求める。移動物体が複数ある場合は、移動物体毎に超音波発振周波数を変える。移動物体側から一定周期で超音波を間欠的に送出し、超音波受信器側では受信波の周期性の有無を検出し、周期性が失われた場合、移動物体は停止しているとみなす。
【選択図】図１

Description

本発明は移動物体の追尾目標角度の確定方法及びこれを用いた回転台に関するものである。

従来より、夜間作業用の投光器、手術用照明灯、劇場や宴会場のスポットライト等は、使用者・演技者の動きを追いかける動作が必要なため、リモコンによる方向変換あるいは自動追尾が可能な回転台にそれらを取付けて使用されている。

自動追尾が可能な回転台について言えば、マイコン技術が発達する以前は距離や回転角の算出・演算という概念はなく、一対のセンサの信号量を等しくするようにセンサ対を首振り運動させるものの提案が主であった。

これまでに距離や回転角の算出・演算という概念を導入した自動追尾機能を持った回転台の例が、特許文献１、特許文献２によって提案されている。これらの装置においては、移動物体に超音波発信器を設置し、天井や壁面に３個以上の超音波受信器を設置し、移動物体と３個以上の超音波受信器間の距離の絶対値を測定することにより移動物体の位置の確定を行っている。超音波の発振時刻と受信時刻の差と超音波の伝播速度から距離計算するため、発振時刻を受信器側に知らせる手段が必要になる。この手段として電波送受信器が併用されている。

更に、特許文献１においては多数の超音波受信器を設置し、検出時間が最も小さいものから順に、あるいは検出超音波のエネルギーが最も大きいものから順に選択することで、移動物体が位置を変えることにより超音波発信器の超音波送出方向が変化しても移動物体を見失うことなく正しく位置確定する方法が述べられている。

特許第２７４６５２６号公報

特公平６−３６３２３号公報

しかしながら上記従来技術においては、
１．発振時刻を受信器側に知らせる手段として電波送受信器を併用しているため装置の構成が複雑で高価になる。
２．移動物体が複数の場合この傾向は更に顕著になる。
３．移動物体を見失うことをなくするために多数の超音波受信器の設置が必要になるため、装置の構成が複雑で高価になる。
等の欠点があった。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、構成が簡単でかつ安価な回転台を得ることである。

上記目的は、
１．２点からの距離の差が一定の軌跡は双曲線であり、一対の受信器から一定距離以上遠方においては、回転台の目標方向は双曲線の漸近線に一致することに着目し、回転台側に設置した１対の受信器により２点からの移動物体までの距離の差を検出することで追尾目標角度を求める。
２．移動物体が複数あるとき、無線発振手段の信号波に移動物体毎の特徴を付与し、無線受信手段側でこの特徴を検出し複数の移動物体を識別する。
３．移動物体側から一定周期で信号波を間欠的に送出し、受信器側では受信波の周期性の有無を検出し、周期性が失われた場合、移動物体は停止しているとみなす。
ことにより達成される。

本発明によれば、電波送受信器等の発振時刻を知らせる手段および多数の超音波受信器が不要になるので構成が簡単で安価な回転台を得ることができる。

本発明回転台の制御方法の一実施形態を図１〜図６を用いて説明する。
回転台１は、取付け台２２に固定的に取付けられた一対４個の超音波受信器３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと水平方向回転台８、水平方向回転台８に取付けられ面上に基準点４ａのマーキング（⇒）を有する垂直方向回転台４、電力を供給するための電源コード２から構成される。

水平方向回転台８には垂直方向回転用モータ５、水平方向回転用モータ６、垂直方向回転台４の回転角度センサ２３、水平方向回転台８の回転角度センサ２４及び前記超音波受信器３ａ〜３ｄの出力から算出した追尾目標角度と前記回転角度センサ２３、２４の出力とを比較することにより前記モータ５とモータ６の回転を制御する制御回路７が内蔵されている。

移動物体５０に超音波発信器５１を持たせ、回転台１を支持台９に取付け、垂直方向回転台４にライト１０を取付け電源コード２からライト１０の電源を引くことにより自動追尾機能付き投光器システムが構成される。

図２は回転台１の回路図で、電源コード２にはライト１０、超音波受信器３ａ〜３ｄの出力から追尾目標角度算出してモータ５とモータ６の回転を制御する制御回路７が並列に接続されている。

制御回路７において、超音波受信器３ａ〜３ｄの出力は検波回路４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを経て閾値を設けたコンパレータ４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄに入り、パルス波形となってマイクロコンピュータ７１に入力される。

マイクロコンピュータ７１において、対を成す超音波受信器３ａ、３ｂ及び３ｃ、３ｄの受信波形から時間差測定４２、４２'をし、時間差をもとに距離差算出４３、４３'をし距離差と超音波受信器３ａ、３ｂ間の距離及び３ｃ、３ｄの距離から目標角度算出４４、４４'をする。

モータ駆動回路４５、４５'には垂直方向回転用モータ５、水平方向回転用モータ６、垂直方向回転台４の回転角度センサ２３、水平方向回転台８の回転角度センサ２４とが接続されており、マイコン７１で算出した目標角度と回転角度センサ２３、２４の出力に応じて移動物体の方向に回転あるいは移動物体の方向に向かって停止させる制御が行われている。

図３、図４は左右一対の超音波受信器３ａ、３ｂと超音波発信器５１を持った移動物体５０までの距離の差から目標追尾角度が精度良く求められることを説明するものである。
図３において、一対の超音波受信器３ａ、３ｂのｘ−ｙ座標における位置を（ｃ、ｏ）、（−ｃ、ｏ）、超音波発信器５１と超音波受信器３ａ、３ｂまでの距離の差を２ａとすると、距離の差２ａ＝一定の軌跡は双曲線になり、ｂ＝√（ｃ^２−ａ^２）とおくとｙ＝（ｂ／ａ）√（ｘ^２−ａ^２）と表される。また、双曲線には漸近線が存在しｙ＝（ｂ／ａ）ｘと表される。

ｘ−ｙ座標における超音波発信器５１の位置を（Ｘ、Ｙ）、漸近線ｙ＝（ｂ／ａ）ｘとｙ＝Ｙの交点の座標を（Ｘ'、Ｙ）、ｘ−ｙ座標の原点（０、０）すなわち一対の超音波受信器３ａ、３ｂの中点と超音波発信器５１のなす角をα、漸近線の傾きをα'とすると、漸近線の特性から遠方においては、α＝α' Ｘ＝Ｘ'となる。

ここで実際に数値を代入してΔＸ＝Ｘ−Ｘ'及びΔα＝α−α'を計算してみる。
計算結果を図４に示す。図４から分かるように、一対の超音波受信器３ａ、３ｂ間の距離を０．５ｍ（ｃ＝２５ｃｍ）とすると、
ｙ＞＝１ｍの範囲において
ΔＸ＝Ｘ−Ｘ'＝０．０１５ｍ＝１５ｍｍ以下
Δα＝α−α'＝０．６ｄｅｇ以下
でる（図４中の矢印参照）。

したがって、移動物体が蟻（上下０．０１ｍ、左右０．００２ｍ）程度の大きさの場合には適用できないが、移動物体が人体程度の大きさ（上下１．６ｍ、左右０．５ｍ）を有する場合は、距離の絶対値を測定することなく距離の差を測定するだけでも十分な追尾精度を得ることができる。すなわち、発信器側の発振時刻を知る手段を省いても十分な精度を得ることができる。

図５−１は超音波発信器５１の送出信号波形、左右一対の超音波受信器３ａ、３ｂに入力した信号の検波回路４０ａ、４０ｂの出力波形、同コンパレータ４１ａ、４１ｂ出力波形を示したものである。図５−１において、超音波発振器５１は周期Ｔ＝６０msec、持続時間Ｔ１＝０．５msecの間欠発振を繰り返している。発振された超音波の一部は壁や天井で反射して残響となるため超音波受信器３ａ、３ｂの波形は尾を引いた形になり、検波出力とコンパレータ出力にもその影響が現れる。この残響の影響は周期Ｔを十分長くすることで回避できる。残響消滅確認後、コンパレータ出力の立ち上がりを捕まえることにより、時間差Ｔｄ求めることができる。

図５−２は超音波発信器５１と超音波受信器３ａ、３ｂの間に大きな障害物があったり、超音波発信器５１が超音波受信器３ａ、３ｂの方向から外れるなどして、受信波形が乱れて周期性が失われ周期Ｔを確認できない場合を示したものである。このような場合は目標角度の算出は行わない。

次に水平方向の動作について図６のフローチャートを用いて説明する。
先ず、残響の影響が消失したことを確認するために、左右両側の超音波受信器３ａ、３ｂに信号がない時間Ｔ２を測定する（タイマＴ２リセット→左右コンパレータの立ち上がり看視→Ｔ２計測）。次に実験的に求められたＴ３＝２０msecとＴ２を比較し、Ｔ２＞Ｔ３であれば残響の影響が消失したと判断する。Ｔ２＜＝Ｔ３であれば残響ありと判断しＴ２を再計測する。

信号が消失しているために残響がない場合もあるので周期性の確認を行う。Ｔ２が発振周期Ｔ＝６０msecよりも大きければ（Ｔ２＞＝Ｔ）周期性はないと判断しＴ２を再計測する。Ｔ２が発振周期Ｔ＝６０msecよりも小さければ（Ｔ２＜Ｔ）周期性ありと判断し時間差Ｔｄの計測をする。

超音波受信器３ａ、３ｂ間の距離が０．５ｍの時、Ｔｄの最大値は２０℃においてＴｄ＝０．５／３４３．５＝０．００１４６秒＝１．５msec（Ｍａｘ）であるので、信号の消失がなく周期性がある場合はＴｄＭａｘ＝１．５msecとなるのでＴ４＝１．５msecとし、Ｔｄ＜Ｔ４であれば周期性ありと判断する。Ｔｄ＞＝Ｔ４であれば周期性なしと判断しＴ２を再計測する。

次にＴ２の計測に際し先に受信したのが左側か右側かにより、移動物体が左右どちら側にいるかを判断する。右側が先であれば右側、左側が先であれば左側と判断し、右側あるいは左側用のデータテーブルを参照する。データテーブルから時間差Ｔｄに対応する目標角度を選択し、モータ駆動回路４５で使用する目標角度を更新する。

データテーブルには、コンパレータ出力の立ち上がりの時間差をＴｄ（秒）、
超音波の大気中における伝播速度ｖ＝３３１．５＋０．６ｔｍ／msec（ただし、ｔは摂氏周囲温度）から求めた距離の差２ａ＝Ｔｄ（３３１．５＋０．６ｔ）ｍ
と追尾目標角度＝漸近線の傾きｔａｎα'＝ｂ／ａ＝√（ｃ^２−ａ^２）／ａから求めた目標角度α'の数値一覧表が入っている。

目標角度が更新されるとモータ駆動回路４５は水平方向回転台８の回転角度センサ２４の出力と目標角度を比較し、水平方向座標（Ｘ、Ｙ）に対応した方向に位置するように水平方向回転用モータ６を回転させる。

このようにして、受信信号に周期性がなければ目標角度の更新は行わず、周期性があれば目標角度は周期Ｔの頻度で更新され、移動物体を追尾するように水平方向回転用モータ６が回転する。移動物体が停止すれば水平方向回転台８が目標方向に到達した位置で停止する。

移動物体が複数ある場合は、無線発振手段の信号波に移動物体毎の特徴を付与し、無線受信手段側でこの特徴を検出し複数の移動物体を識別すれば良い。例えば、図５−１、５−２において超音波の周波数をｆ１＝４０ｋＨｚとしたが、移動物体が複数ある場合はｆ１＝４０ｋＨｚ、ｆ２＝５０ｋＨｚ、ｆ３＝６０ｋＨｚ．．．等とし、受信側はこれに対応した検波方式を採用すれば良い。垂直方向についても同様であるので、垂直方向の説明は割愛する。

以上のように本発明によれば、距離の絶対値を測定することなく、距離の差から追尾目標角度を精度良く測定できるので電波送受信器等の発信器側の発振時刻を知らせる手段が不要になる。また移動物体が複数ある場合は移動物体毎に発振周波数を変えれば良いので、同様に電波送受信器等の発振時刻を知らせる手段が不要になる。

また、障害物等があって受信信号に乱れがある場合は追尾目標角度の更新が
受信信号の乱れがなくなるまで見送られるので、多数の超音波受信器による移動体の探索が不要になる。

本発明の一実施形態を示す斜視図。本発明の一実施形態を示す回路図。測定原理の説明図。誤差の比較図。タイミングチャート。タイミングチャート。フローチャート。

符号の説明

３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは超音波受信機、５１は超音波発信機、４は垂直方向回転台、７は制御回路、８は水平方向回転台、９は支持台である。

Claims

移動物体に無線発振手段を設置し、この無線発振手段の送出信号を対をなして配置した無線受信手段にて受信し、この無線受信手段と移動物体との距離の差を２ａとし、移動物体の追尾目標角度をαとし、前記無線受信手段間の距離を２ｃとした時、前記距離の差２ａ、追尾目標角度α、無線受信手段間の距離２ｃの相関関係を前もって計算あるいは実測等の適宜の方法にて求めて結果を記憶装置に記憶しておき、移動物体の追尾過程における前記距離の差２ａの算出結果を前記記憶装置の内容と照合して追尾目標角度を決定することを特徴とする移動物体の追尾目標角度の確定方法。
移動物体に無線発振手段を設置し、この無線発振手段の送出信号を対をなして配置した無線受信手段にて受信し、無線受信手段と移動物体との距離の差を算出してこれを２ａとし、対を成す無線受信手段の中点と移動物体に設置した無線発振手段を結ぶ直線と無線受信手段間を結ぶ直線のなす角すなわち移動物体の追尾目標角度をαとし、無線受信手段間の距離を２ｃ、ｂ＝√（ｃ^２−ａ^２）とした時、追尾目標角度αをｔａｎα＝ｂ／ａの関係式から近似算出したことを特徴とする移動物体の追尾目標角度の確定方法。
水平方向及び又は垂直方向の回転台からなる回転台、この回転台の支持体、移動物体に設置した無線発振手段、前記回転台の支持体あるいは前記回転台の近傍に取付けられた複数の無線受信手段、この無線受信手段の出力にて前記回転台の基準点を移動物体の方向に回転させて停止させるような制御をする制御回路からなる移動物体追尾機能を有する回転台であって、
無線受信手段を対をなして水平方向及び又は垂直方向に配置し、前記回転台の水平方向及び又は垂直方向の追尾目標角度を請求項１または請求項２の方法により確定するようにしたことを特徴とする回転台。
前記無線発振手段と無線受信手段が夫々超音波発信器と超音波受信器であることを特徴とする請求項３記載の回転台。
前記相関関係の記憶、距離の差の算出、追尾目標角度の算出あるいは記憶内容と距離の差の照合をマイクロコンピュータを用いて行うことを特徴とする請求項３又は４記載の回転台。
前記無線発振手段から一定周期で信号波を間欠的に送出し、前記無線受信手段側で受信波の周期性の有無を検出し、周期性が検出できない場合、移動物体は停止しているとみなし追尾目標角度の更新を行わないことを特徴とする請求項３〜５の何れか１項に記載の回転台。
前記移動物体が複数あるとき、無線発振手段の信号波に移動物体毎の特徴を付与し、無線受信手段側でこの特徴を検出し複数の移動物体を識別することを特徴とする請求項３〜６の何れか１項に記載の回転台。