JPH03246414A - 動揺角座標変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［０００１］

【産業上の利用分野】

本発明は、船舶の如き動揺体の方位管制された動揺安定
装置等に適用される動揺角座標変換装置に関する。 ［０００２］

【従来の技術】

船舶等の動揺体上に装備した照準望遠鏡、テレビカメラ
等の光学装置がその動揺に抗して連続的に目標物を捕捉
できるようにするには、これらの装置の俯仰、旋回機構
を動揺に伴って修正駆動することが必要となる。 ［０００３］

【発明が解決しようとする課題】

ところが、これまでかような方位管制された動揺安定装
置は実用されていなかった。 ［０００４］ したがって、本発明の目的は、実用に適する方位管制さ
れた動揺安定装置等に適用される座標変換装置の提供に
ある。 ［０００５］

【課題を解決するための手段】

本発明は、動揺体の床面上の任意直交２軸に関する動揺
角を、この２軸に対し任意角度をなす他の直交２軸に関
する動揺角に変換するようにしたものである。 ［０００６］

【実施例】

本発明の詳細な説明 まず、図１１図２を用いて、本発明の動揺角座標変換装
置の原理について説明する。 ［０００７］ 図１は本発明の取扱う動揺角の座標変換装置に関する説
明図である。図２は該装置の関連機器の機能と動揺、傾
斜との関係に関する説明図である。 ［０００８］ 又動揺、傾斜を生ずる床面に船舶、車輌の甲板面のよう
な動的のものと、建物地盤等の静的なものとがあるが、
図１２図２はその代表例として船の甲板面（Ｄ面）をと
り上げる。従って図２の関連機器は入力センサとして振
子型電子傾斜計、出力機器として旋回俯仰盤に搭載され
た光学機器の光軸ＯＴをもっている。 ［０００９］ 図１において甲板面（Ｄ面）が水平面（Ｈ面）に対し図
の如き体勢になったとする。０面上の直交○−ＸＹＺ座
標系においてＯＸを船の縦軸（首尾軸）ｏＹを横軸（正
横軸）　○Ｚをマスト軸とする。ＯＸ線がＤ面に直交す
る面内にてｏＹ線を軸として回転し、４面上のＯＸ′線
と一致したとし、それまでの角度をψとし、これを船の
縦動揺角（ピッチ角）という。又床上のｏＹ線がＯＸ線
を軸として回転し、水平線上の○Ｙ′線に一致したとし
、それまでの角度をχとし、これを横動揺角（ロール角
）という。 ［００１０］ 図２は図１のＯＸ、ｏＹ軸と同一のＯＸ線、ｏＹ線がψ
、χの動揺角をもった動揺り面を紙面に一致させて投影
した平面図である。従って図１の水平面上の○Ｘ／、○
Ｙ′線はｏｘ、ｏｙと投影線が一致する。搭載機器の振
子針はピッチ計ｐ、ロール計ｒで示されたそれぞれ側面
図も示しである。この場合ピッチ計及びロール計の振子
指針は、ピッチ計はＹ−Ｙ’軸を軸心としてＹ−Ｙ’軸
を含む甲板面に直交する面内にて回転し、ロール計はｘ
−ｘ’軸を軸心とシテＸ−Ｘ′軸を含み甲板面に直交す
る面内にて回転するので結局ｐ、ｒの側面図はｐ、ｒの
指針目盛面を示すことになり、それぞれの指針はそれぞ
れの目盛面への動力線の投影Ｗ′　に一致し、ピッチ計
はピッチ角ψを示しロール計はロール角χを示すことに
なる。又光軸○Ｔをもつ旋回俯仰盤はＴにて示され旋回
台は床面に平行面内で旋回し、旋回台上でトラニオンに
支承される光軸○Ｔは旋回台、従って甲板面に直交した
面内にて俯仰する。Ｄ面が水平である場合光軸ＯＴ線が
水平面を指向し視野中央に水平線が一致する位置を仰角
０位置にセットする。図２にては旋回俯仰盤はＯＸ線に
旋回台基線を一致させ仰角０の場合である。図にはその
場合の望遠鏡視野を示しである。ピッチ角ψの今の場合
には水平線は視野中央より偏位していて偏差はピッチ角
ψに相当している。動揺角χ、ψの状態のまま旋回俯仰
盤を旋回してＯＹの方位に光軸を一致させれば視野の中
央よりの偏位水平線はロール角χに相当する。従って前
者の場合にはピッチ計の出力ψにてＯＴの俯仰角を修正
すれば光軸は水平線を指向し視野中央に水平線が一致し
、後者の場合にはロール計の出力でχ動揺の修正が出来
る訳である。この関係は船の標準直交２軸ＸＸ’　、　
ＹＹ’以外の任意の方向にもその方向の動揺角が求まれ
ば同様にその方向に旋回した旋回俯仰盤の光軸の動揺を
修正出来る訳である。 ［００１１］ 一方動揺面は直交２軸の動揺角によって決定されるので
Ｄ面とＨ面の傾斜による相対姿勢関係が一定であれば任
意の方向の直交２軸に関する動揺角よりこれと任意の角
度をもつ他の直交２軸に関する動揺角を決定しうる訳で
ある。

【００１２】 次にこの関係の解析について述べる。 ［００１３］ ここで、甲板面上で○−ＸＹＺ座標がσだけ旋回した位
置にて直交座標を○Ｘ、ＯＹ　としてこの位置における
動揺角をχ１．ψ１とする。σχψを与えて１ χ１．ψ１を算出する装置を動揺角座標変換装置という
。 ［００１４］ 図において、水平面上の○Ｘ′線の甲板面〇−ＸＹＺの
３軸に対する方向余弦はｃｏｓψ、　　０．−５ｉｎψ
であり、○Ｘ′線の方向余弦はＣＯ８ψ、　　０．−５
ｉｎψでありＯＹ’線の方向余弦は０．ｃｏｓχ、　ｓ
ｉｎχであるので水平面はこの両頁線を含むのでこの面
は、 ［００１５］

【数１】 Ｘ Ｃ０５（ｉ） 一５ｉｎψ ０ にて示されこれより水平面の方程式は、

【数２】 し、１１ｊψ しａｎ　χ ｙ　−二、−τ　Ｏ となる。 ［００１６］ 次に動揺角χ１の算出のため平面ＺＯＹ１の方程式を求
めれば、

【数３】 ＣＩ：’）Ｓ　σ、　　°　ｙ、−’−゛ｓ、；ｉｎ　
６　＋　　　’ｉ’　　　・、。 となる。 ［００１７］ 又○Ｙ′１は平面ＺＯＹ１と水平面の交線であるのでＯ
Ｙ’線の式は（数２）式及び（数３）式より求められ、

【数４】 × ｔ＋ となる。 ［００１８］

【数５】 Ｘ となる。 ［００１９］ 又直線○Ｙ１の方程式は、

【数６】 ＼ ■ であるので直線○Ｙ１ 交角として求められ、

【数７】 とＯＹ′ との間の角χ１ は （数５）式と （数６）式との となる。 これを整理して

【数８】 ｉ、；３ｎχ

【 一’−’ｔａｎχ ＣＯＳσ ■ 一二ｔａｎψ Ｓ　Ｉ　ｒｌσ１ となる。 ［００２０１ 【数９】 Ｓ１ｎσ１ −ＣＯＳ　σ 〜” ０Ｘ′１を水平面とＺＯＸ１面との交線として求める。 ［００２１］

【数１０１ 又、直線ＯＸ１は 【数１１】 ＼・１ 直線ＯＸ１と○Ｘ’　１とのなす角ψ１は

【数１２】 これより

【数１３】 Ｌａｎψ１　°Ｌｃｓｎψ’　Ｃ０８６Ｉ−ｆ、ａｒｌ
χ’　Ｓｊｎ　６　Ｈ［００２２］ （数１３）式により図１の場合○Ｘ−０Ｙ線の傾斜角ψ
。 χよりＯＸ−〇Ｙと 任意の角度σをもつ０Ｘ１−ＯＹ１線傾斜角ψ１．χ１
が算出できた。従って図２の旋回俯仰盤の水平望遠鏡は
甲板面のどの位置にもってきても首尾軸よりの回転角度
が知られていれば常にその任意の動揺角が算出出来るの
で動揺修正が行い得る。 ［００２３］ ここで今迄は水平照準望遠鏡の光軸○Ｔの動揺修正を扱
ってきたが、これを光軸ＯＴを仮想光軸に持ち、俯仰軸
に支えられたテーブルにおきかえることが出来る。この
テーブルは俯仰軸よりψ１の修正駆動を与えられるので
、動揺に拘らず仮想光軸を水平線に指向した水平盤とな
る。 ［００２４］ 又動揺角座標変換装置の出力はχ１．ψ１の直交２方向
が取り出せる力面照準望遠鏡ではその中の１ケしか利用
できないが後出の第１の実施例で示すダブルジンバル型
水平盤を回転台の上に載荷した型式のものではその前後
左右の両軸にχ１、ψ１の動揺修正を適用すれば、その
面はステーブルプラットフォーム水平盤となり船用には
利用の途が大きい型式となる。 ［００２５］ 以上は動的な用途として船舶をあげたが、静的な場合も
車輌の荷重の平衡装備のための傾斜測定、建物の床面の
傾斜、道路面の勾配測定等にはこの直交２軸傾斜計によ
る全方向傾斜方式が利用できる。又この場合最大傾斜面
の方向と最大傾斜角の大きさを必要とされることが多い
。これは図１のり、Ｈ両面の交線０Ｍ線の床面の主線Ｏ
Ｘ線となす角度α及び０Ｍ線に直交する方向の最大傾斜
角Φ　の■ 算出である。これは（数１３）式より誘導できる。 ［００２６］ 最大傾斜角は

【数１４】 ｊａｎ２　φ　、、　　−″　ｊａｎ２　ｚ　　＋　ｔ
ａｎ２ψこれより

【数１５】 φｒｌ＝　ｊａｎ−”　（ｔ、ａｎ２ψ＋ｔａｎ２ｚ　
）０Ｍ線と主線○Ｘとのなす角αは

【数１７】 ｔ２＋ｒ＋　χ＝　ｔａｎψＨ５ｉｒｌｒＪこれより

【数１８】 後述する数１９．数２０により全方向連続計測と（数１
４）〜（数１８）式によるΦ　、αの計測を切換えて行
うことの出来る全方向型傾斜計は、後出第２の実施例で
述べられている。 ［００２７］ 第１の実施例 本発明の動揺角変換装置の第１の実施例として、ダブル
ジンバル安定盤の動揺修正に適用した例を図３を参照し
て説明する。 ［００２８］ 船体の動揺シミュレーションにスコルビイスキイテーブ
ル（複合動揺試験台）に搭載したモデル船体Ｓ上のダブ
ルジンバル型安定盤Ｔの動揺修正に本発明の機械式動揺
角座標変換算定具Ｐを用いる実施例である。この場合対
象となるモデル船体の振揺周期が低いため機械式算定具
の応答で充分であり、むしろ対比される電気アナログ式
算定具に比して精度の安定度より見て優れていると考え
る。 ［００２９］ モデル船体Ｓには主軸ｘ−ｘ’　直交２軸の動揺角測定
にピッチ計ｐロール計ｒを取りつける。安定盤Ｔは外周
壁■の底面が船体台となり、全体が船体Ｓの床上で旋回
する。船体Ｓの床面の座標０−ＸＹ、安定盤の旋回台の
座標を〇−ξηとし、初めに双方の直交ｚ軸が一致して
いたとすると図示の状態は安定盤Ｔがσ角だけ旋回して
○−ξηが船体の座標○−Ｘ１Ｙ１に合致した状態を示
す。旋回は床上のモータ１０がコンパスｒの方位角θ６
を受は安定盤に歯車結合で回動を与えその旋回角θ６は
又歯車結合で発信器３８に伝えられる。 ［００３０］ 安定盤Ｔはダブルジンバル構造をもち外周壁１はξ−ξ
′軸にて外環部２を支承し外周部のモータＡ２により外
環部に回動を与える。外環部のξ−ξ′軸に直交する軸
にて内環部を支え、外環部上のモータｔにより内環部を
駆動する。内環部は水平安定台をもっている。 ［００３１］ 試験は方位管制はシミュレーションにてモーター０に類
似方位信号θ６を与え安定盤Ｔを旋回する。同時にテー
ブルＳに与えられた複合移動をピッチ計ｐ。 ロール計ｒにて検出、これを動揺角座標変換算定点Ｐに
送る。又発信器３８よりは類似方位信号θ６がＰに方位
信号を送る。Ｐにては主軸ｘ−ｘ’　の直交２軸動揺角
ψ、χを旋回角θ　による安定盤Ｔの示す旋回したＸ　
Ｉ　　Ｘ　ｉ　　軸方向の縦横動揺角ψ１．χ１に変換
しこれをテーブルＳの受信器３９．４０に送る。該３９
．４０のψ　、χ　信号により制御モータＡ２．ｔは内
外環を制御し内環部の１ 安定盤を常に指北（擬似）且つ水平に保持する。 ［００３２］ 次にＰによる動揺角座標変換算定具機器を説明する。算
定具Ｐ内に設けられたモーター３．１２はテーブルＴよ
り得られたＴの標準直交２軸動揺角χ、ψを又モーター
１はＳの旋回角θ６をそれぞれ受信して回転する。 ［００３３］ χ、ψの値は溝カム計算器Ｇ１．Ｏ２の作用によりｔａ
ｎχ、　ｔａｎψに換算される。この計算器Ｇ１．Ｏ２
は既知の構造をもつもので、動揺角χ及びψに応じて回
転する軸ＩＧ　及びＩＧ２は、分岐軸１３ａ及び１３ｂ
を経てウオーム１９ａ及び１９ｂ１ウオーム車２１ａ及
び２１ｂを回転し、溝曲線付き回転体２３ａ及び２３ｂ
並びに溝に嵌合して滑動する尖端をもつ動揺腕２５ａ及
び２５ｂを経て、軸１５ａ及び１５ｂをｔａｎχ−χ及
びｔａｎψ−ψに比例して回転する。これらの導出値は
軸１１ａ及びｌｌｂのχ及びψの値とそれぞれ差動歯車
１７ａ及び１７ｂで加算され、それぞれｔａｎχ及びｔ
ａｎψの値に換算される。 ［００３４］ これらの値は、受信器１５９及び１５８に導かれると共
に、軸ＩＡ１及び２Ａ１を介して正余弦計算器Ａ　に導
入される。計算器Ａ１は、軸ＩＡ１及び２Ａ１のほかに
更に１つの導入軸３Ａ１をもち、この軸はモーター１よ
り旋回角θ６の値を導入する。計算器Ａ１は、公知の構
造をもち（数１３）式を機構化するものである。すなわ
ち、回転盤２７ａ及び２８ａに対し、それぞれの中心を
通過して摺動するレバー２９ａ及び３０ａにｔａｎχ及
びｔａｎψに相当する運動を与え、軸３Ａ１はθ６なる
回転角を回転盤３２ａ及び３３ａに与える。そのとき、
互いに直交する摺動のみが許され且つそれぞれ摺動方向
に直角な溝をもつ部材３４ａ。 ３５ａ及び３６ａ、３７ａは、それぞれの直交溝の交点
に嵌合するレバー２９ａ及び３０ａのピン３８ａ及び３
９ａにより、ｔａｎχ’　ｃｏｓθｄ、ｔａｎχ・Ｓｉ
ｎθｄ及びｔａｎψ・　ＣＯＳθ　ｔａｎψ・５ｉｎｏ
ｄに比例する運動を行なう。したがって、ｄ。 それらの値を差動同車４１ａ及び４０ａで所定の式に従
って加算すれば、軸４Ａ１はｔａｎχ１すなわち横動揺
角の正接に比例した運動を行ない、軸５Ａ１はｔａｎψ
１すなわち縦動揺角の正接に比例した運動を行なう。 ［００３５］ 第２の実施例 次に、本発明の第２の実施例として、直交２軸傾斜計に
適用した例を、図４゜図５を参照して説明する。 ［００３６］ 床面の直交２軸に傾斜計を取り付ければそれと任意の角
度をもった他の直交２軸方向の縦横傾斜を電子的に測定
できる。このような構成の直交２軸傾斜計を図４に示す
。 ［００３７］ これは床面にセットされるセンサユニットと可搬型のコ
ンピュータユニットより形成される。センサユニットの
外筐は箱型にて内部に縦横傾斜型をもち、傾斜計は電池
内蔵の小型電子式のものを使用し筐体表面に０〜３６ｏ
°表示の方位盤をもつ。 ［００３８］ コンピュータユニットは外面にＯ〜３６０°方位盤をも
った方位角設定用のポテンショメータと設定された直交
２方向の傾斜と方位を表示する４チヤンネルのディジタ
ル表示盤をもつ。内蔵マイクロコンピュータはセンサユ
ニットよりの縦横２信号をうける。又ポテンショメータ
よりの方位信号も入力される。コンピュータユニットは
任意の位置に取付けできる可搬型で携帯用も可能で小型
化されている。 ［００３９］ この構成の時はコンピュータユニットとセンサユニット
とは傾斜計出力と結合されているがセンサユニットの方
位盤はコンピュータユニットのポテンショメータの方位
盤とは相互の目盛りは精密に較正一致させであるカミ相
互の位置や姿勢は無関係であり又電気的にも結合はない
。従ってセンサユニットを図１に示すＤ面（床面）のＸ
−Ｘ’、Ｙ−Ｙ’の方位にセットすればコンピュータユ
ニットは方位、位置は自由に測定に便なる姿勢にて、ポ
テンショメータ６１回転を与えればコンピュータにより
Ｘ軸、Ｙ軸とσ　の角度をもつＸ１軸、Ｙ１軸方向の各
画斜角を（数１３）式により発生しこれを各軸傾斜と方
位をディジタル表示する。 ［００４０］ 上記は連続した床面上の方位方向の傾斜測定するモード
１の場合であるがすでに述べた如く図１に示すり、Ｈ面
の交切線ＭＭ’迄の位置及び最大傾斜角は（数１３）式
、（数１４）式、（数１５）式で示されたモード２に切
り換えることにより縦横の表示盤が一方は最大傾斜角も
他方が零値がそれぞれの方位面と対応して表示される。 ［００４１］ 図５にて、モード１及びモード２のコンピュータプログ
ラムについて解説する。モード１にては傾斜角χψは関
数変換プログラムＦＴ　　を介してｔａｎχ、　　ｊａ
ｎψに変換され、ポテンショメータよりの入力σ１と共
に動揺角座標変換プログラムＲＰＴにて

【数１９】 Ｌ、］１）ψ、　　”−ｔａｎψ　００Ｓｊ７　Ｉ゛−
２２Ｊｒ　χ　’　：’：１ｎ　６１

【数２０】 ｔａ＋１χ１　　”ｔａｎχ’　ｃｏＳＬ５．　−＋−
ｔａｎψ°Ｓｉｎσ１の演算が行われｔａｎχ　及びｔ
ａｎψ１に変換され、又σは座標変換プログラムＣＴ　
によりＹ　軸の方向９０°−σが求められ、χ１．ψ１
．σ、９０°−σの１ ４出力が表示器に表示される。以上がモード１であるが
モード２に切り換えれば入力χ、ψのｔａｎχ、　　ｔ
ａｎψへの変換はモード１と同様にプログラムＦ　Ｔ　
１によるがその出力はモード２では一方は最大値算定プ
ログラムＦΦ　Ｔにより（数１５）式の演算が行われて
最大傾斜角Φ　が算出され他方は主軸ＯＸ線と交切線○
Ｍ線との交角α算定プログラムＦαＴにより（数１８）
式の演算が行われα値が算出されΦ　、αは座標変換プ
ログラムＣＴ２により０Ｍ線とＯＹ線の交角９０一αと
ともに４出力とな′リモート１の表示に切換わって表示
器に出力される。 ［００４２］ モード１．モード２の測定を通じてコンピュータユニッ
トの姿勢には全く配慮する必要がないので測定が迅速且
つ精密に行われる。 ［００４３］ 又、図４に示す如くコンピュータの方位角表示に対応す
るセンサユニットの方位目盛りの方位線の実際に示す方
向と実物方位とは恰も実物にあてがって測る「のぎす」
やアングルゲージ級の程度で対応している。従ってこの
測定機は建築現物や道路勾配、傾斜測定現場等に能率よ
く使用できる。 ［００４４］

【発明の効果】

本発明によると、以下の各効果が得られる。 ［００４５］ （１）算定原理が正確にして省略がない。 ［００４６］ （２）プログラムが簡単である。 ［００４７］ （３）動的用途としては舶用の動揺修正に用いられる。 刻々に変動する動揺に応答性がよく追従する。 ［００４８］ （４）静的用途としては船体や車体の積荷の影響テスト
には正確な測定が求められる。 ［００４９］ （５）また、上述例の他に、工場の床面や建築、建設、
土木等の作業所及び道路工事における傾斜、勾配の設定
に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の動揺角座標変換装置の説明に供する路線図であ
る。

【図２】 本発明の動揺角座標変換装置の原理図である。

【図３】 本発明の第１の実施例の構成図である。

【図４】 本発明の第２の実施例の構成図である。

【図５】 本発明の第２の実施例の要部を示す構成図である。

【符号の説明】

Ｐ　動揺角座標変換算定具 ｐ　ピッチ計 ｒ　コンノマス Ｓ　船体 Ｔ　安定盤 ｔ　モータ

【書類名】

【図１】 図面

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】動揺体の床面上の任意直交２軸に関する動
   揺角を該２軸に対し、任意角度をなす他の直交２軸に関
   する動揺角に変換する動揺角座標変換装置。